CN116460296A - 三维造型物的制造方法以及三维造型物 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够在不损害层叠造型法所具有的优点的条件下制造同时实现了高韧性以及高硬度的三维造型物的三维造型物的制造方法、以及三维造型物。该三维造型物的制造方法具有：粉末层形成工序，使Fe基金属粉末平整而形成粉末层；粘合剂给予工序，对于粉末层中的与欲形成的层叠造型体相对应的形成区域而给予粘合剂溶液；油墨给予工序，以使向形成区域被供给的碳粒子的量局部性地有所不同的方式而向形成区域给予含有碳粒子的油墨；重复工序，在将被给予了粘合剂溶液以及油墨的形成区域设为单位层时，获得多个单位层被层叠而成的层叠造型体；烧结工序，对于层叠造型体实施烧结处理而获得金属烧结体；淬火工序，实施淬火处理而获得三维造型物。

Description

三维造型物的制造方法以及三维造型物

技术领域

本发明涉及一种三维造型物的制造方法以及三维造型物。

背景技术

作为对三维的立体物进行造型的技术，近年来，使用了金属粉末的层叠造型法正在普及。该技术为，具有关于立体物而对在利用与层叠方向正交的面来切成薄片时的截面形状进行计算的工序、将金属粉末平整为层状而形成粉末层的工序、基于通过计算而求出的形状而使粉末层的一部分固化的工序，并通过反复实施形成粉末层的工序和使一部分固化的工序从而对立体物进行造型的技术。

例如，在专利文献1中，公开了一种如下的三维造型物的制造方法，所述三维造型物的制造方法在反复实施形成造粒粉的层的层形成工序、和向该层给予粘合剂而造出形状的粘合剂给予工序以获得生体之后，对所获得的生体进行烧结而获得烧结体。

在专利文献1所记载的方法中，存在下面这样的课题。例如，在使用了碳含有率较高的金属粉末的情况下，三维造型物的韧性会降低。因此，三维造型物的耐久性容易下降。

此外，已知一种在使用碳含有率较低的金属粉末而获得了三维造型物之后对于三维造型物的表面实施渗碳处理的方法。在该方法中，能够在将三维造型物的内部的碳含有率维持得较低的状态下实现表面的硬质化。然而，在该方法中，由于需要在三维造型物的制造后追加渗碳处理，因此会损害层叠造型法所具有的简便、廉价等优点。

因此，实现在不损害层叠造型法所具有的优点的条件下制造兼顾高韧性和高表面硬度的三维造型物的方法成为课题。

专利文献1：日本特开2020-066139号公报

发明内容

本发明的应用例所涉及的三维造型物的制造方法的特征在于，具有：粉末层形成工序，在工作台上使Fe基金属粉末平整而形成粉末层；粘合剂给予工序，对于所述粉末层中的与欲形成的层叠造型体相对应的形成区域而给予含有粘合剂的粘合剂溶液；油墨给予工序，以使向所述形成区域被供给的碳粒子的量局部性地有所不同的方式，而向所述形成区域给予含有所述碳粒子的油墨；重复工序，在将被给予了所述粘合剂溶液以及所述油墨的所述形成区域设为单位层时，通过将所述粉末层形成工序、所述粘合剂给予工序以及所述油墨给予工序重复实施一次以上，从而获得多个所述单位层被层叠而成的所述层叠造型体；烧结工序，对于所述层叠造型体实施烧结处理而获得金属烧结体；淬火工序，对于所述金属烧结体实施淬火处理而获得三维造型物。

本发明的应用例所涉及的三维造型物的制造方法的特征在于，具有：粉末层形成工序，在工作台上使Fe基金属粉末平整而形成粉末层；油墨含浸工序，对于所述粉末层中的与欲形成的金属烧结体相对应的形成区域，以被供给的碳粒子的量局部性地有所不同的方式而使含有所述碳粒子的油墨含浸而获得油墨含浸层；能量线照射工序，向至少包括所述油墨含浸层在内的所述形成区域照射能量线而获得烧结层；重复工序，将所述粉末层形成工序、所述油墨含浸工序以及所述能量线照射工序重复实施一次以上，从而获得多个所述烧结层被层叠而成的所述金属烧结体；淬火工序，对于所述金属烧结体实施淬火处理而获得三维造型物。

本发明的应用例所涉及的三维造型物的特征在于，其由Fe基金属粉末的烧结材料而构成，且具有碳浓度从外表面朝向内部而减少的部位。

附图说明

图1为用于对第一实施方式所涉及的三维造型物的制造方法进行说明的工序图。

图2为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图3为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图4为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图5为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图6为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图7为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图8为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图9为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的平面图。

图10为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图11为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图12为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图13为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图14为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图15为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图16为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图17为用于对第二实施方式所涉及的三维造型物的制造方法进行说明工序图。

图18为用于对图17所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图19为用于对图17所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图20为用于对图17所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图21为用于对图17所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

图22为在第三实施方式所涉及的三维造型物中示意性地表示碳浓度的分布的剖视图。

图23为在变形例所涉及的三维造型物中示意性地表示浓度的分布的俯视图。

具体实施方式

以下，基于附图而对本发明的三维造型物的制造方法以及三维造型物的优选的实施方式进行详细说明。

1.第一实施方式

首先，对第一实施方式所涉及的三维造型物的制造方法进行说明。

图1为用于对第一实施方式所涉及的三维造型物的制造方法进行说明的工序图。图2至图8为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。图9为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的平面图。图10至图16为用于对图1所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。另外，在本申请的各个图中，作为相互正交的三个轴而设定了X轴、Y轴以及Z轴。各个轴由箭头标记来表示，并将顶端侧设为“正侧”，将基端侧设为“负侧”。另外，在以下的说明中，尤其是将Z轴的正侧设为“上”，将Z轴的负侧设为“下”。此外，将与X轴平行的两个方向称为X轴方向，将与Y轴平行的两个方向称为Y轴方向，并将与Z轴平行的两个方向称为Z轴方向。

第一实施方式所涉及的三维造型物的制造方法为被称为粘合剂喷射法的方法，如图1所示，其具有粉末层形成工序S102、粘合剂给予工序S104、油墨给予工序S106、重复工序S108、烧结工序S110和淬火工序S112。

在粉末层形成工序S102中，在造型台23上(工作台上)使Fe基金属粉末1平整从而形成粉末层31。在粘合剂给予工序S104中，对于粉末层31中的与欲造型的层叠造型体6相对应的形成区域60而给予粘合剂溶液4。在油墨给予工序S106中，对于粉末层31中的形成区域60而给予含有碳粒子的油墨5。在重复工序S108中，将粉末层形成工序S102、粘合剂给予工序S104以及油墨给予工序S106重复实施一次以上。由此，能够将被给予了粘合剂溶液4以及油墨5的形成区域60设为油墨给予层51(单位层)，并将油墨给予层51跨及多层而进行层叠，从而获得层叠造型体6。在烧结工序S110中，对于层叠造型体6实施烧结处理而获得金属烧结体。在淬火工序S112中，对于金属烧结体实施淬火处理而获得三维造型物10。以下，对依次各工序进行说明。

1.1.层叠造型装置

首先，作为第一实施方式所涉及的三维造型物的制造方法中所使用的装置的一个示例，对层叠造型装置2进行说明。

层叠造型装置2具备具有粉末贮留部211以及造型部212的装置主体21、被设置在粉末贮留部211中的粉末供给升降机22、被设置在造型部212中的造型台23、在装置主体21上以能够移动的方式而被设置的涂布机24、滚筒25以及液体供给部26。

粉末贮留部211为被设置于装置主体21中且上部开口的凹部。在该粉末贮留部211中贮留有Fe基金属粉末1。并且，被贮留在粉末贮留部211中的Fe基金属粉末1的适当量通过涂布机24而向造型部212被供给。

在粉末贮留部211的底部处配置有粉末供给升降机22。粉末供给升降机22能够以载有Fe基金属粉末1的状态而在Z轴方向上进行移动。通过使粉末供给升降机22向上方移动，从而将被载置于该粉末供给升降机22上的Fe基金属粉末1上托，以使之从粉末贮留部211溢出。由此，能够通过涂布机24而使溢出的量的Fe基金属粉末1向造型部212侧进行移动。

造型部212为被设置于装置主体21中且上部开口的凹部。在造型部212的内部配置有造型台23。在造型台23上，通过涂布机24而使Fe基金属粉末1平整，并被铺成层状。此外，造型台23能够在铺有Fe基金属粉末1的状态下在Z轴方向上进行移动。通过适当地设定造型台23的高度，从而能够对被铺在造型台23上的Fe基金属粉末1的量进行调节。

涂布机24以及滚筒25能够在X轴方向上从粉末贮留部211移动到造型部212。涂布机24通过拖拉Fe基金属粉末1而使Fe基金属粉末1平整，从而能够铺成层状。滚筒25对被铺平整了的Fe基金属粉末1从上方进行压缩。

液体供给部26由例如喷墨头或分液器等而构成，并且在造型部212中能够在X轴方向以及Y轴方向上移动。而且，液体供给部26能够将设为目标的量的粘合剂溶液4和油墨5供给至设为目标的位置上。另外，液体供给部26也可以在一个头中具备多个喷出喷嘴。而且，也可以从一个喷出喷嘴喷出粘合剂溶液4，而从另一个喷出喷嘴喷出油墨5。此外，供给粘合剂溶液4的头和供给油墨5的头也可以为分体。

1.2.粉末层形成工序

在粉末层形成工序S102中，将Fe基金属粉末1铺在造型台23上从而形成粉末层31。具体而言，如图2以及图3所示，使用涂布机24而将贮留于粉末贮留部211中的Fe基金属粉末1拖拉到造型台23上，并使之平整成均匀的厚度。由此，获得图4所示的粉末层31。此时，通过与造型部212的上端相比而降下造型台23的上表面，并且对降下量进行调节，从而能够对粉末层31的厚度进行调节。

接下来，在利用滚筒而对粉末层31在厚度方向上进行压缩的同时，使滚筒25在X轴方向上进行移动。由此，能够提高粉末层31中的Fe基金属粉末1的填充率。另外，由滚筒25实施的压缩只要根据需要来进行即可，也可以省略。此外，也可以采用如下方式，即，通过与滚筒25不同的手段、例如压板板等，来对粉末层31进行压缩。

虽然作为Fe基金属粉末1的构成材料只要是以Fe为主要成分的金属材料则并未被特别限定，但是可列举出通过添加碳粒子并实施淬火处理从而能够预期硬度的提升的Fe基金属材料。Fe基金属材料并未被特别限定，例如可列举出不锈钢、机械结构用钢、工具钢、高速钢、模具钢、轴承钢、合金钢等。

此外，在Fe基金属粉末1的表面上，也可以根据需要而实施硅烷偶联剂处理等任意的表面处理。

此外，虽然Fe基金属粉末1的制造方法并未被特别限定，但是例如可列举出水雾化法、气雾化法之类的各种雾化法、粉碎法等。其中，利用水雾化法而被制造出的粉末在粒子表面上具有氧化膜的情况较多。该氧化膜在后文叙述的烧结处理等中会与碳粒子进行反应而被还原。因此，在使用伴随有氧化膜的Fe基金属粉末1的情况下，也可以采用如下方式，即，考虑由该还原所导致的碳粒子的消耗，从而对后文叙述的油墨5所含有的碳粒子的量、或者向形成区域60供给的油墨5的量进行调节。

1.3.粘合剂给予工序

在粘合剂给予工序S104中，如图5所示，通过液体供给部26而对于粉末层31中的与欲造型的层叠造型体6相对应的形成区域60供给粘合剂溶液4。粘合剂溶液4为含有粘合剂、溶剂或者分散剂的液体。在被供给了粘合剂溶液4的形成区域60中，Fe基金属粉末1的粒子彼此粘结而获得图6所示的粘结层41。在粘结层41中，Fe基金属粉末1的粒子彼此通过粘合剂而被粘结，从而具有不会因自重而被破损的程度的保形性。

另外，也可以采用如下方式，即，在与粘合剂溶液4的供给同时或者供给之后，对粘结层41进行加热。由此，促进了粘合剂溶液4中所包含的溶剂或分散剂的挥发，并且促进了由粘合剂的固化或者硬化所引起的粒子彼此的粘结。另外，在粘合剂包含光硬化性树脂或紫外线硬化性树脂的情况下，只要代替加热、或者与加热一起实施光照射或紫外线照射即可。

虽然进行加热的情况下的加热温度并未被特别限定，但是优选为50℃以上且250℃以下，更优选为70℃以上且200℃以下。由此，在对通过粘合剂溶液4而未能被粘结在一起的Fe基金属粉末1进行再利用时，能够抑制因加热而在Fe基金属粉末1中发生变质的情况。

粘合剂溶液4只要为具有能够将Fe基金属粉末1的粒子彼此粘结的成分的液体，则并未被特别限定。作为一个示例，作为粘合剂溶液4所包含的溶剂或者分散剂，例如可列举出水、乙醇类、酮类、羧酸盐类等，也可以为包含这些成分中的至少一种的混合液。此外，作为粘合剂溶液4所包含的粘合剂，例如可列举出脂肪酸、石蜡、微晶蜡、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、丙烯酸系树脂、聚酰胺树脂、聚酯、硬脂酸、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)等。

1.4.油墨给予工序

在油墨给予工序S106中，向粉末层31中的形成区域60供给油墨5。油墨5为含有碳粒子和分散剂的液体。在本实施方式中，向与形成区域60相对应的图7所示的粘结层41供给油墨5。由此，能够使油墨5含浸于粘结层41中。其结果为，粘结层41中被给予了碳粒子，从而获得了图8所示的油墨给予层51(单位层)。此时，使向粘结层41被供给的碳粒子的量局部性地有所不同。碳粒子的量会在后文叙述的淬火处理中决定淬火组织的硬度。由马氏体转变得到的淬火组织呈现高硬度，且表现出耐磨损性等特性。另一方面，淬火组织有可能导致韧性的下降。因此，通过设为仅对于必要的部位局部性地调节了硬度的淬火组织，从而最终能够获得兼顾高韧性和高硬度的三维造型物10。

在本实施方式中，如图8所示，形成有碳粒子的量从油墨给予层51的外边缘部朝向内部(外边缘部以外的部分)而减少的梯度。图8为图7所示的油墨给予层51的局部放大图。在图8中，碳粒子的量的梯度、换而言之碳粒子的浓度的梯度由箭头标记C1的倾斜度来表示。在图8的示例中，箭头标记C1以与油墨给予层51的外边缘部相比而内部一方变低的方式倾斜。通过设置这种浓度的梯度，从而最终可获得表面的硬度较高且内部的韧性较高的三维造型物10。另外，浓度的梯度既可以为平滑的梯度(倾斜度连续地发生变化的梯度)，也可以为阶梯状的梯度(倾斜度不连续地发生变化的梯度)。只要在整体的宏观上有梯度即可，考虑到烧结时的脱碳，也可以在表面附近存在一部分浓度较高的部位。此外，在本工序中，由于只要所供给的碳粒子的量局部性地有所不同即可，因此其模式并未被特别限定。例如，也可以在形成区域60的一部分中存在油墨5完全未被供给的区域(被供给的碳粒子的量为零的区域)。

图9为图8所示的油墨给予层51的平面图。在图9中，以点的密度来表示碳粒子的浓度的梯度。在图9的示例中，油墨给予层51的外边缘呈圆形，且碳粒子的浓度从中心朝向外边缘而呈放射状地上升。另外，浓度的梯度的模式并未被限定于所图示的模式。例如，在外边缘的一部分中，与其他部分相比，浓度的梯度既可以局部性地变陡，也可以局部性地变缓。此外，粘合剂给予工序S104以及油墨给予工序S106的工序顺序也可以相互反转。也就是说，也可以在向形成区域60给予了油墨5之后给予粘合剂溶液4，并将此设为油墨给予层5(单位层)。

碳粒子为由作为主要成分而包含碳单体的材料所构成的粒子，例如可列举出石墨粒子、炭精粒子、碳黑、碳纤、碳纳米管等。另外，主要成分是指占50.0质量％以上的成分。碳粒子优选为90.0质量％以上由碳单体而构成的粒子。

碳粒子尤其优选为碳黑。碳黑为在工业上被制造出的碳粉末，且在粒子表面上存在各种功能团等而使表面性状被均匀化。因此，作为碳粉末而包含碳黑的油墨5的稳定性较为优异，从而能够以使之均匀地分布的方式来供给碳粒子。

碳粒子的平均粒径优选为Fe基金属粉末1的平均粒径的1/100000以上且1/100以下，更优选为1/50000以上且1/500以下，进一步优选为1/10000以上且1/1000以下。由此，由于碳粒子易于浸透在Fe基金属粉末1的粒子彼此的间隙中，因此在向形成区域60供给了油墨5时，易于使碳粒子沿着Fe基金属粉末1的粒子的表面而分布。其结果为，能够更均匀地实施后文叙述的淬火处理。

碳粒子的平均粒径优选为10nm以上且10μm以下，更优选为10nm以上且5μm以下。另外，碳粒子的平均粒径是指，使用激光衍射式粒度分布测量装置并基于体积基准而获得的累积的质量为50％时的粒径。此外，在油墨5中，也可以使碳粒子彼此凝集而成为次级粒子。在该情况下，将次级粒子的粒径设为碳粒子的粒径。

作为分散剂，例如可列举出水、有机溶剂、水与有机溶剂的混合物等。其中，作为水，例如可列举出离子交换水、超过滤水、反渗透水、蒸馏水、纯水、超纯水等。作为有机溶剂，例如可列举出水溶性溶剂、非水溶性溶剂。

虽然油墨5中的碳粒子的含有率通过油墨5的供给方法而被适当设定，但是优选为0.1质量％以上且50.0质量％以下，更优选为1.0质量％以上且30.0质量％以下，进一步优选为2.0质量％以上且20.0质量％以下，尤其优选为5.0质量％以上且20.0质量％以下。通过将油墨5中的碳粒子的含有率设定在所述范围内，从而能够兼顾油墨5的易处理性和碳粒子的供给效率。当油墨5中的碳粒子的含有率低于所述下限值时，由于供给效率会下降，从而需要向形成区域60供给大量的油墨5，因此有可能使得油墨给予层5的机械强度降低。当油墨5中的碳粒子的含有率高于所述上限值时，由于油墨5的粘性会变得过高，因此通过供给方法而有可能降低油墨5的易处理性。

在油墨5中，也可以添加上述成分以外的添加剂。作为添加物，例如可列举出分散剂、界面活性剂、润湿剂(防干燥剂)、防氧化剂、紫外线吸收剂、促浸透剂、防腐剂、防霉剂、pH调节剂、粘度调节剂、螫合剂等。

1.5.重复工序

在重复工序S108中，在将被给予了粘合剂溶液4以及油墨5的形成区域60设为油墨给予层51(单位层)时，将粉末层形成工序S102、粘合剂给予工序S104以及油墨给予工序S106重复实施一次以上，直到将该油墨给予层51层叠了多层所形成的层叠体成为预定的形状为止。也就是说，将这些工序总计实施两次以上。由此，获得图15所示的立体的层叠造型体6。

具体而言，首先，在图8所示的油墨给予层51之上，如图10所示那样形成新的粉末层31。接下来，如图11所示，向粉末层31中的形成区域60供给粘合剂溶液4。由此，获得了图12所示的粘结层41。

接下来，向粉末层31中的形成区域60供给油墨5。在本实施方式中，向图12所示的粘结层41供给油墨5。由此，获得了图13所示的油墨给予层51。图14为图13所示的油墨给予层51的局部放大图。在图14中，由箭头标记C2的倾斜度来表示碳粒子的浓度的梯度。在图14的示例中，箭头标记C2以与油墨给予层51的外边缘部相比而内部一方变低的方式而倾斜。

虽然图14所示的箭头标记C2的倾斜度也可以与图8所示的箭头标记C1的倾斜度相同，但是优选为不同。由此，能够根据三维造型物10的形状而使碳粒子的浓度的梯度最佳化。

如前文所述，图15所示的层叠造型体6为多个油墨给予层51(单位层)的层叠体。另外，粉末层31中的并未构成油墨给予层51的Fe基金属粉末1将被回收，并会根据需要而被提供于再利用。此外，在将重复工序S108重复实施两次以上时，在一部分的重复工序S108中，也可以省略油墨5的给予。另外，在将重复工序S108重复实施两次以上时，在一部分的重复工序S108中，也可以使向形成区域60被供给的碳粒子的量局部性地有所不同。

1.6.烧结工序

在烧结工序S110中，对于层叠造型体6而实施烧结处理。在烧结处理中，对层叠造型体6进行加热以使之发生烧结反应。由此，获得了金属烧结体。

虽然烧结温度根据Fe基金属粉末1的种类或者粒径等而有所不同，但是作为一个示例，优选为980℃以上且1330℃以下，更优选为1050℃以上且1260℃以下。此外，烧结时间优选为0.2小时以上且7小时以下，更优选为1小时以上且6小时以下。

烧结处理的气氛例如可列举出氧等的还原性气氛、氮、氩之类的惰性气氛、或者将这些气氛进行减压而得的减压气氛等。减压气氛的压力只要小于常压(100kPa)，则并未被特别限定，但是优选为10kPa以下，更优选为1kPa以下。

1.7.淬火工序

在淬火工序S112中，对于金属烧结体而实施淬火处理。淬火处理为在对金属烧结体进行了加热之后进行急冷的处理。由此，在碳浓度升高至预定的浓度的区域中，金属组织从奥氏体发生马氏体转变，伴随于此而成为源自马氏体的淬火组织，从而获得了高硬度。将这种使淬火组织发生变化的处理称为“淬火”。另一方面，在碳浓度并未升高的区域中，由于未发生淬火组织化，因此不会发生硬度的上升。通过这样的淬火处理，从而获得了图16所示的三维造型物10。

淬火温度例如为950℃以上且1200℃以下。此外，淬火时间例如为0.2小时以上且3小时以下。在急冷中，使用水冷、油冷等。

在淬火处理之后，也可以设为根据需要而实施回火处理。回火处理为对于淬火处理后的金属烧结体以比淬火处理低的温度而再次进行加热的处理。由此，能够在略微降低金属烧结体的硬度的同时给予韧性。

回火温度例如为100℃以上且250℃以下。此外，回火时间例如为0.3小时以上且5小时以下。

1.8.第一实施方式所实现的效果

如上文所述，第一实施方式所涉及的三维造型物的制造方法具有粉末层形成工序S10、粘合剂给予工序S104、油墨给予工序S106、重复工序S108、烧结工序S110和淬火工序S112。在粉末层形成工序S102中，于造型台23上(工作台上)使Fe基金属粉末1平整而形成粉末层31。在粘合剂给予工序S104中，对于粉末层31中的欲形成的层叠造型体6相对应的形成区域60而给予含有粘合剂的粘合剂溶液4。在油墨给予工序S106中，以使向形成区域60被供给的碳粒子的量局部性地有所不同的方式而向形成区域60给予含有碳粒子的油墨5。在重复工序S108中，在将被给予了粘合剂溶液4以及油墨5的形成区域60设为油墨给予层51(单位层)时，通过将粉末层形成工序S102、粘合剂给予工序S104以及油墨给予工序S106重复实施一次以上，从而获得多个油墨给予层51被层叠而成的层叠造型体6。在烧结工序S110中，对于层叠造型体6实施烧结处理而获得金属烧结体。在淬火工序S112中，对于金属烧结体实施淬火处理而获得三维造型物10。

根据这种结构，通过使向形成区域60被供给的碳粒子的量局部性地有所不同，从而能够使最终获得的三维造型物10中的淬火的程度、即淬火组织的硬度局部性地有所不同。由此，例如能够在三维造型物10的表面附近处提高淬火的程度，以提高硬度，另一方面，在三维造型物10的内部减弱淬火的程度，以抑制硬度的上升。其结果为，能够实现表面的硬度较高且内部的韧性较高的三维造型物10。由于在这样的三维造型物10中兼具高韧性和高硬度，因此，例如同时实现了耐磨损性和耐久性。

此外，根据上述的方法，能够在不损害作为层叠造型法的粘合剂喷射法的优点的条件下享有上述效果。因此，例如也能够作为形成区域60而在内部设定具有空洞的区域。由此，能够容易地形成中空结构，从而能够实现形成区域60的轻量化，并最终获得表面的硬度较高且轻量的三维造型物10。

此外，在第一实施方式所涉及的三维造型物的制造方法中，以使向形成区域60的外边缘部被供给的碳粒子的量多于向形成区域60的外边缘部以外的部分被供给的碳粒子的量的方式来给予油墨5。

通过使用以此方式而获得的形成区域60来对层叠造型体6进行造型并最终获得三维造型物10，从而能够高效地制造表面的硬度较高且内部的韧性较高的三维造型物10。

此外，通过设置碳粒子的浓度连续地发生变化这样的梯度，从而能够对在三维造型物10中表面附近的淬火组织层与内部的金属组织之间伴随着热膨胀差而产生裂纹等的情况进行抑制。由此，能够提高三维造型物10的可靠性。

此外，也可以采用如下方式，即，在重复工序S108中，在对油墨给予层51彼此(单位层彼此)进行层叠时，在油墨给予层51彼此之间使碳粒子的量有所不同。例如，在图14中，在第一层的油墨给予层51中表示碳粒子的浓度的梯度的箭头标记C1的倾斜度、与在第二层的油墨给予层51中表示碳粒子的浓度的梯度的箭头标记C2的倾斜度有所不同。这相当于在油墨给予层51彼此之间使碳粒子的量有所不同。

根据这样的结构，能够根据三维造型物10的形状而使所供给的碳粒子的量最佳化。由此，能够根据三维造型物的形状而使被高硬度化后的层的厚度最佳化，并且能够使三维造型物10的较高的硬度与较高的韧性之间的平衡最佳化。

另外，在给予油墨5时，优选为以使三维造型物10中的碳浓度成为0.2质量％以上的方式来对所供给的碳粒子的量进行调节，更优选为以使三维造型物10中的碳浓度成为0.3质量％以上且2.2质量％以下的方式来对所供给的碳粒子的量进行调节。

根据这样的结构，能够通过淬火处理来更可靠地产生淬火。另外，在刚刚通过油墨5而被供给后的碳浓度有时会因为之后的工序而下降。因此，优选为，通过油墨5而被供给的碳粒子的量会在考虑该浓度的下降的条件下被设定。

此外，优选为，油墨给予工序S106包括如下操作，即：如图7以及图12所示，在将油墨5从排列整齐的多个喷嘴作为液滴而喷出时，通过改变在单位面积中被喷出的液滴的密度，从而使碳粒子的量局部性地有所不同。

在从液体供给部26所具备的多个喷嘴喷出油墨5时，由于对喷出油墨5的喷嘴进行选择的控制容易且准确，因此根据上述操作，能够容易且准确地对在单位面积中被供给的碳粒子的量进行控制。由此，最终能够容易地制造出在设为目标的位置上具有设为目标的碳浓度的三维造型物10。

另外，在粘合剂给予工序S104以及油墨给予工序S106中，也可以几乎同时地实施粘合剂溶液4的给予和油墨5的给予。也就是说，也可以采用如下方式，即，从彼此相同的头或者互不相同的头几乎同时地喷出粘合剂溶液4以及油墨5。由此，能够提高粘合剂给予工序S104以及油墨给予工序S106的吞吐量。另外，几乎同时是指时间差在1秒以下的情况。

另一方面，如果考虑使所喷出的粘合剂溶液4与油墨5混杂在一起的情况，则优选为在粘合剂溶液4的给予与油墨5的给予之间设置时间差。

此外，也可以采用如下方式，即，使粘合剂溶液4以及油墨5混合而成为混合液，并将该混合液喷出。也就是说，也可以采用如下方式，即，通过向形成区域60给予含有粘合剂以及碳粒子的双方的液体，从而同时实施粘合剂给予工序S104以及油墨给予工序S106。由此，能够提高粘合剂给予工序S104以及油墨给予工序S106的吞吐量。

此外，虽然烧结处理以及淬火处理也可以利用互不相同的处理装置来实施，但是也可以利用一个处理装置来实施。也就是说，也可以采用如下方式，即，通过在烧结处理的结束后将层叠造型体6留在处理装置内，从而在不使层叠造型体6的温度降低至常温(25℃)的条件下连续地实施烧结处理以及淬火处理。

根据这样的结构，由于能够连续实施烧结工序S110以及淬火工序S112，因此能够提高这些工序的吞吐量。

此外，粉末层形成工序S102也可以包括对粉末层31在厚度方向上进行压缩的操作。通过该操作，从而能够提高粉末层31中的Fe基金属粉末1的填充率。由此，即使在使用了体积密度较高的Fe基金属粉末1的情况下，最终也能够提高三维造型物10的密度。

2.第二实施方式

接下来，对第二实施方式所涉及的三维造型物的制造方法进行说明。

图17为用于对第二实施方式所涉及的三维造型物的制造方法进行说明的工序图。图18至图21为用于对图17所示的三维造型物的制造方法进行说明的剖视图。

以下，对第二实施方式进行说明，但是在以下的说明中，以与第一实施方式的不同点为中心来进行说明，对于相同的事项则省略其说明。另外，在各附图中，对于与第一实施方式相同的结构而标注相同的符号。

第二实施方式所涉及的三维造型物的制造方法为被称为粉末烧结层叠造型(SLS:Selective Laser Sintering：选择性激光烧结)法的方法，如图17所示，其具有粉末层形成工序S202、油墨含浸工序S204、能量线照射工序S206、重复工序S208和淬火工序S210。

2.1.层叠造型装置

首先，作为第二实施方式所涉及的三维造型物的制造方法中所使用的装置的一个示例而对层叠造型装置2A进行说明。

层叠造型装置2A除了追加能量线照射部27以外，均与前文叙述的层叠造型装置2相同。

如图19所示，能量线照射部27能够在造型台23上的任意的位置上照射能量线E。作为能量线E，例如可列举出激光、电子束等。通过照射能量线E，从而能够使Fe基金属粉末1的粒子彼此发生烧结反应。

2.2.粉末层形成工序

在粉末层形成工序S202中，与第一实施方式的粉末层形成工序S102同样地在造型台23上(工作台上)使Fe基金属粉末1平整而形成粉末层31。

2.3.油墨含浸工序

在油墨含浸工序S204中，对于粉末层31中的与欲形成的金属烧结体7相对应的形成区域60而供给油墨5。由此，能够使形成区域60含浸油墨5。其结果为，获得了图19所示的油墨含浸层52。此时，使向形成区域60供给的碳粒子的量局部性地有所不同。具体而言，与图8中由箭头标记C1所示的浓度的梯度同样地，以使与油墨含浸层52的外边缘相比而内部的一方变低的方式而在碳粒子的浓度中设置梯度。由此，最终获得了表面的硬度较高且内部的韧性较高的三维造型物10。另外，也可以在形成区域60的一部分中存在油墨5完全未被供给的区域(被供给的碳粒子的量为零的区域)。

碳粒子的平均粒径优选为Fe基金属粉末1的平均粒径的1/100000以上且1/100以下，更优选为1/50000以上且1/500以下，进一步优选为1/10000以上且1/1000以下。由此，由于碳粒子易于浸透在Fe基金属粉末1的粒子彼此的间隙中，因此在向形成区域60供给了油墨5时，易于使碳粒子沿着Fe基金属粉末1的粒子的表面而分布。其结果为，能够更均匀地实施后文叙述的淬火处理。

2.4.能量线照射工序

在能量线照射工序S206中，如图19所示，通过能量线照射部27而向至少包括油墨含浸层52在内的形成区域60照射能量线E。在被照射了能量线E的油墨含浸层52中，Fe基金属粉末1的粒子彼此烧结而获得了图20所示的烧结层71。在烧结层71中，Fe基金属粉末1的粒子彼此烧结而成为金属烧结体。

2.5.重复工序

在重复工序S208中，将粉末层形成工序S202、油墨含浸工序S204以及能量线照射工序S206重复实施一次以上，直到将多个烧结层71层叠而成的层叠体成为预定的形状为止。由此，获得了图21所示的立体的金属烧结体7。

2.6.淬火工序

在淬火工序S210中，与第一实施方式的淬火工序S112同样地，对于金属烧结体7实施淬火处理。由此，获得了图16所示的三维造型物10。另外，在第二实施方式的情况下，由于通过能量线E而被供给的能量较高，因此，也有时在能量线照射工序S206的结束时间点同时完成了淬火处理。在该情况下，既可以设为省略本工序，也可以设为实施本工序并实施再淬火处理。此外，也可以采用如下方式，即，与第一实施方式同样地，在淬火处理之后实施回火处理。

2.7.第二实施方式所实现的效果

如上文所述，第二实施方式所涉及的三维造型物的制造方法具有粉末层形成工序S202、油墨含浸工序S204、能量线照射工序S206、重复工序S208和淬火工序S210。在粉末层形成工序S202中，于造型台23上(工作台上)使Fe基金属粉末1平整而形成粉末层31。在油墨含浸工序S204中，对于粉末层31中的与欲形成的金属烧结体7相对应的形成区域60，以被供给的碳粒子的量局部性地有所不同的方式而使含有碳粒子的油墨5含浸，从而获得油墨含浸层52。在能量线照射工序S206中，向至少包括油墨含浸层52在内的形成区域60照射能量线E而获得烧结层71。在重复工序S208中，将粉末层形成工序S202、油墨含浸工序S204以及能量线照射工序S206重复实施一次以上，从而获得多个烧结层71被层叠而成的金属烧结体7。在淬火工序S210中，对于金属烧结体7实施淬火处理而获得三维造型物10。

根据这样的结构，通过使向形成区域60被供给的碳粒子的量局部性地有所不同，从而能够使最终获得的三维造型物10中的淬火的程度、即淬火组织的硬度局部性地有所不同。由此，例如能够在三维造型物10的表面附近处提高淬火的程度，以提高硬度，另一方面，在三维造型物10的内部减弱淬火的程度，以抑制硬度的上升。其结果为，能够实现表面的硬度较高且内部的韧性较高的三维造型物10。由于在这样的三维造型物10中兼具高韧性和高硬度，因此，例如同时实现了耐磨损性和耐久性。

此外，根据上述的方法，能够在不损害作为层叠造型法的粉末烧结层叠造型法的优点的条件下享有上述效果。因此，例如也能够作为形成区域60而在内部设定具有空洞的区域。由此，能够实现形成区域60的轻量化，并最终获得表面的硬度较高且轻量的三维造型物10。

此外，在第二实施方式所涉及的三维造型物的制造方法中，以使向形成区域60的外边缘部被供给的碳粒子的量多于向形成区域60的外边缘部以外的部分被供给的碳粒子的量的方式，来给予油墨5。

通过使用以此方式而获得的形成区域60来对金属烧结体7进行造型并最终获得三维造型物10，从而能够高效地制造表面的硬度较高且内部的韧性较高的三维造型物10。

此外，通过设置碳粒子的浓度连续地发生变化这样的梯度，从而能够对在三维造型物10中表面附近的淬火组织层与内部的金属组织之间伴随着热膨胀差而产生裂纹等的情况进行抑制。由此，能够提高三维造型物10的可靠性。

3.第三实施方式

接下来，对第三实施方式所涉及的三维造型物进行说明。

图22为在第三实施方式所涉及的三维造型物10中示意性地表示碳浓度的分布的剖视图。

以下，对第三实施方式进行说明，但是在以下的说明中，以与第一实施方式的不同点为中心来进行说明，对于相同的事项则省略其说明。

在图22所示的三维造型物10中，用点的疏密来表示碳浓度。三维造型物10由Fe基金属粉末1的烧结材料而构成。而且，三维造型物10具有碳浓度从外表面11朝向内部12而减少的部位19。另外，虽然在本实施方式中，三维造型物10的整体由部位19而构成，但是也可以仅使三维造型物10的一部分由部位19而构成，且使其他部分由另一个结构体来构成。作为另一个结构体，例如可列举出碳浓度固定的结构体等。

如上文所述，本实施方式所涉及的三维造型物10、10A由Fe基金属粉末1的烧结材料而构成，且具有碳浓度从外表面11朝向内部12而减少的部位19。

根据这样的结构，能够兼顾外表面11的高硬度以及内部12的高韧性。

此外，优选为，在部位19中，如前文所述那样而使碳浓度减少的梯度的强度局部性地有所不同。

根据这样的结构，在部位19例如具备局部性地变细的部分、和与之相比而变粗的部分时，能够在两个部分中兼顾外表面11的高硬度和内部12的高韧性。也就是说，在变细的部分中，假如在碳浓度的梯度较缓的情况下，外表面11的范围变得过厚而使内部12的体积相对变小，从而难以兼顾高硬度和高韧性。因此，通过在这样的部分中加强碳浓度的梯度，从而易于实现高硬度和高韧性的兼顾。

外表面11中的碳浓度优选为0.2质量％以上，更优选为0.3质量％以上且2.2质量％以下。如果碳浓度处于所述范围内，则能够良好地使外表面11的金属组织淬火组织化。由此，能够更可靠地使外表面11高硬度化。

另外，外表面11中的碳浓度例如通过电子探测显微分析(EPMA)法而被测量出。

图23为在变形例所涉及的三维造型物10A中示意性地表示碳浓度的分布的俯视图。

图23所示的三维造型物10A为具有多个外齿13和轴孔14的正齿轮。各外齿13具有齿面15。外齿13与未图示的另一个齿轮的外齿相啮合，以传递旋转。因此，齿面15与另一个齿轮的齿面相互摩擦，从而会产生损耗。因此，在三维造型物10A中被构成为，碳浓度从齿面15朝向其内部而降低。在图23中，由箭头标记C3的倾斜度来表示齿面15中的碳浓度的梯度。

以碳浓度也从轴孔14的内表面16朝向内部而降低方式来构成。由箭头标记C4的倾斜度来表示轴孔14的内表面16上的碳浓度的梯度。在轴孔14中插入有未图示的曲轴。因此，轴孔14的表面与曲轴的相互摩擦较少。

因此，优选为，箭头标记C3的倾斜度与箭头标记C4的倾斜度相比而较陡。由此，在齿面15上，能够实现与内表面16相比而较高的硬度。另一方面，在内表面16中，能够实现与齿面15相比而较高的韧性。因此，根据变形例所涉及的三维造型物10A，能够实现齿面15的耐磨损性以及轴孔14的耐久性较为优异、且具备长寿命的齿轮。

在制造以上那样的三维造型物10A的情况下，也可以采用如下方式，即，以使碳粒子的量从图8所示的形成区域60的外边缘部朝向内部而减少的梯度的强度局部性地有所不同的方式，来给予油墨5。即，也可以使表示齿面15中的碳浓度的梯度的箭头标记C3的倾斜度与表示内表面16中的碳浓度的梯度的箭头标记C4的倾斜度有所不同。如图23所示，箭头标记C3表示将齿面15横穿的、连结点D1与点D2的截面上的碳浓度的梯度。箭头标记C4表示将内表面16横穿的、连结点D3与点D4的截面上的碳浓度的梯度。

根据这样的结构，在将所制造的三维造型物10A应用于齿轮上的情况下，能够实现齿面15的高硬度化，另一方面，能够同时实现轴孔14的内表面16的高韧性化。其结果为，能够容易地实现具备长寿命的齿轮。

如上那样的三维造型物10、10A例如能够作为汽车用部件、自行车用部件、有轨车用部件、船舶用部件、航空器用部件、宇宙输送机用部件之类的输送机器用部件、个人计算机用部件、便携式电话终端用部件、平板电脑终端用部件、可穿戴终端用部件之类的电子设备用部件、冰箱、洗衣机、冷气和暖气设备之类的电气设备用部件、机床、半导体制造装置之类的机械用部件、原子能发电站、火力发电站、水力发电站、炼油厂、石油化工联合企业之类的成套设备用部件、钟表用部件、金属餐具、珠宝饰品、眼镜框架之类的装饰品的整体或者一部分来使用。

以上，虽然基于图示的实施方式而对本发明的三维造型物的制造方法以及三维造型物进行了说明，但是本发明并未被限定于此，例如本发明的三维造型物也可以为在所述实施方式中附加了任意的成分的三维造型物。

此外，本发明的三维造型物的制造方法也可以为在所述实施方式中附加了任意的目的的工序的三维造型物的制造方法。

符号说明

1…Fe基金属粉末；2…层叠造型装置；2A…层叠造型装置；4…粘合剂溶液；5…油墨；6…层叠造型体；7…金属烧结体；10…三维造型物；10A…三维造型物；11…外表面；12…内部；13…外齿；14…轴孔；15…齿面；16…内表面；19…部位；21…装置主体；22…粉末供给升降机；23…造型台；24…涂布机；25…滚筒；26…液体供给部；27…能量线照射部；31…粉末层；41…粘结层；51…油墨给予层；52…油墨含浸层；60…形成区域；71…烧结层；211…粉末贮留部；212…造型部；C1…箭头标记；C2…箭头标记；C3…箭头标记；C4…箭头标记；D1…点；D2…点；D3…点；D4…点；E…能量线；S102…粉末层形成工序；S104…粘合剂给予工序；S106…油墨给予工序；S108…重复工序；S110…烧结工序；S112…淬火工序；S202…粉末层形成工序；S204…油墨含浸工序；S206…能量线照射工序；S208…重复工序；S210…淬火工序

Claims (16)

1.一种三维造型物的制造方法，其特征在于，具有：

粉末层形成工序，在工作台上使Fe基金属粉末平整而形成粉末层；

粘合剂给予工序，对于所述粉末层中的与欲形成的层叠造型体相对应的形成区域而给予含有粘合剂的粘合剂溶液；

油墨给予工序，以使向所述形成区域被供给的碳粒子的量局部性地有所不同的方式，而向所述形成区域给予含有所述碳粒子的油墨；

重复工序，在将被给予了所述粘合剂溶液以及所述油墨的所述形成区域设为单位层时，通过将所述粉末层形成工序、所述粘合剂给予工序以及所述油墨给予工序重复实施一次以上，从而获得多个所述单位层被层叠而成的所述层叠造型体；

烧结工序，对于所述层叠造型体实施烧结处理而获得金属烧结体；

淬火工序，对于所述金属烧结体实施淬火处理而获得三维造型物。

2.如权利要求1所述的三维造型物的制造方法，其中，

以使向所述形成区域的外边缘部被供给的所述碳粒子的量多于向所述形成区域的所述外边缘部以外的部分被供给的所述碳粒子的量的方式，来给予所述油墨。

3.如权利要求2所述的三维造型物的制造方法，其中，

以所述碳粒子的量从所述外边缘部朝向内部而减少的梯度的强度局部性地有所不同的方式，来给予所述油墨。

4.如权利要求1至3中任一项所述的三维造型物的制造方法，其中，

在所述重复工序中，在对所述单位层彼此进行层叠时，使所述碳粒子的量在所述形成区域的彼此中有所不同。

5.如权利要求1所述的三维造型物的制造方法，其中，

以所述三维造型物中的碳浓度成为0.2质量％以上的方式，来对通过给予所述油墨而被供给的所述碳粒子的量进行调节。

6.如权利要求1所述的三维造型物的制造方法，其中，

所述碳粒子的平均粒径为所述Fe基金属粉末的平均粒径的1/100000以上且1/100以下。

7.如权利要求1所述的三维造型物的制造方法，其中，

所述油墨给予工序包括如下操作，即：在将所述油墨从排列整齐的多个喷嘴中作为液滴而喷出时，通过改变在单位面积上被喷出的所述液滴的密度，从而使所述碳粒子的量局部性地有所不同。

8.如权利要求1所述的三维造型物的制造方法，其中，

通过向所述形成区域给予含有所述粘合剂以及所述碳粒子的双方的液体，从而同时实施所述粘合剂给予工序以及所述油墨给予工序。

9.如权利要求1所述的三维造型物的制造方法，其中，

通过在不使所述层叠造型体的温度下降至常温的条件下连续地实施所述烧结处理以及所述淬火处理，从而连续地实施所述烧结工序以及所述淬火工序。

10.一种三维造型物的制造方法，其特征在于，具有：

粉末层形成工序，在工作台上使Fe基金属粉末平整而形成粉末层；

油墨含浸工序，对于所述粉末层中的与欲形成的金属烧结体相对应的形成区域，以被供给的碳粒子的量局部性地有所不同的方式而使含有所述碳粒子的油墨含浸而获得油墨含浸层；

能量线照射工序，向至少包括所述油墨含浸层在内的所述形成区域照射能量线而获得烧结层；

重复工序，将所述粉末层形成工序、所述油墨含浸工序以及所述能量线照射工序重复实施一次以上，从而获得多个所述烧结层被层叠而成的所述金属烧结体；

淬火工序，对于所述金属烧结体实施淬火处理而获得三维造型物。

11.如权利要求10所述的三维造型物的制造方法，其中，

以向所述形成区域的外边缘部被供给的所述碳粒子的量多于向所述形成区域的所述外边缘部以外的部分被供给的所述碳粒子的量的方式，来给予所述油墨。

12.如权利要求10或11所述的三维造型物的制造方法，其中，

所述碳粒子的平均粒径为所述Fe基金属粉末的平均粒径的1/100000以上且1/100以下。

13.如权利要求1所述的三维造型物的制造方法，其中，

包括对所述粉末层在厚度方向上进行压缩的操作。

14.一种三维造型物，其特征在于，

所述三维造型物由Fe基金属粉末的烧结材料而构成，且具有碳浓度从外表面朝向内部而减少的部位。

15.如权利要求14所述的三维造型物，其中，

所述碳浓度减少的梯度的强度局部性地有所不同。

16.如权利要求15所述的三维造型物，其中，

所述外表面上的所述碳浓度为0.2质量％以上。