JP2015189035A - 三次元造形物及び三次元造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元造形装置を利用し、インクジェット粉末造形法で作成した三次元造形物を提供する。【解決手段】リコータ２で造形タンク３内に設けた造形テーブル３０上に砂Ｓを均一な厚さで撒き、積層された砂層の上にプリントヘッド１でバインダを吐出・塗布する動作を、昇降装置４で造形テーブル３０を砂１層分ずつ降下させながら繰り返し、プリントヘッド１には第１の粉体材料封入部４４を囲む第１造形部４２と第２の粉体材料封入部４３を囲む第２造形部４１に対応する位置においてバインダを砂Ｓの層に塗布させることにより、造形タンク３内の造形テーブル３０の上に形成される、第１の粉体材料封入部４４と第２の粉体材料封入部４３を備える三次元造形物である。【選択図】図８

Description

本発明は、三次元造形装置を使用して得た三次元造形物及び三次元造形物の製造方法に関する。

従来、鉄、アルミニウム合金、銅、真鍮等の金属を融点よりも高い温度で熱して液体にした後、鋳型に流し込んで冷やし、金属製の造形物を製造する鋳造技術が知られている。この鋳造技術では寺の梵鐘や鉄瓶、風鈴等の民芸品から、エンジン、プロペラ、タービン等の工業製品までが作られる。ここで、図１（ａ）から（ｈ）を用いて従来の鋳造工程を説明する。

図１（ａ）は作ろうとする鋳造品の形状を示すものである。ここでは、底のある円筒状の容器（以後中空容器と言う）９０を、金属で製造する場合の工程について説明する。図１（ａ）に示すような中空容器９０を作る場合は、図１（ｂ）に示すような中空容器９０と同形状で中央で二分割できる割り木型と呼ばれる木型９１が準備される。木型９１は上木型９１Ｕと下木型９１Ｌに分解することができる。

図１（ｃ）、（ｄ）は下側の砂型９５Ｌを作る工程を示すものである。この工程では、図１（ｃ）に示すように、まず下木型９１Ｌが定盤９２の上に置かれ、その周囲が型枠９３で囲まれる。次に、下木型９１Ｌの周囲に砂Ｓが詰め込まれ、型枠９３の上まで砂Ｓで満たされる。この砂Ｓには粘土分を殆ど含まない天然けい砂、人工けい砂等に液体樹脂と結合剤がミックスされたもの等が使用される。砂Ｓが固まったところで型枠９３から下木型９１Ｌを抜いて上下を逆にすると、図１（ｄ）に示すような下側の砂型９５Ｌが出来上がる。

上側の砂型９５Ｕは上木型９１Ｕを使用して下側の砂型９５Ｌと同様に作られる。上側の砂型９５Ｕの製法が下側の砂型９５Ｌの製法と異なる点は、図１（ｅ）に示すように、型枠９３内に詰め込まれた砂Ｓの中に、上木型９１Ｕの外周面と枠型９３に詰め込まれた砂Ｓの上面とを連絡する湯口棒９４やガス抜き棒９６が挿入される点である。型枠９３内で固まった砂Ｓから上木型９１Ｕを抜く時に、これらの湯口棒９４とガス抜き棒９６も引き抜かれる。湯口棒９４を引き抜いてできる孔が溶湯（溶けた鋳造金属）の注ぎ口となる湯口９４Ｈであり、ガス抜き棒９６を引き抜いてできる孔が鋳造時に砂型９５内に発生するガスを抜くためのガス抜き孔９６Ｈである（図１（ｇ）参照）。

図１（ｆ）は砂型９５内に入れる中子９７を作る工程を示すものである。中子９７は、図１（ａ）に示した中空容器９０の中空部分９０Ｈを作るためのものであり、中子用型枠９３Ｃに砂Ｓを詰めて作られる。中子９７は上側と下側の砂型９５Ｕ，９５Ｌを合わせる時にその内部に位置決めされて取り付けられ、中子９７を備える砂型９５は図１（ｇ）に示すような内部空間９８を備えた形状となる。この砂型９５の湯口９４Ｈから溶解した金属Ｍを流し込んで内部空間９８を金属Ｍで充填した後に冷却し、砂型９５を壊すと、図１（ｈ）に示すような鋳造品９０Ｃが出来上がる。この鋳造品９０Ｃから湯口９４Ｈやガス抜き孔９６Ｈによってできる不要な部分９４Ｍ，９６Ｍを除去して整形すると、図１（ａ）に示した中空容器９０が出来上がる。

このような砂型に溶融金属を流し込んで金属製の造形物を製造する鋳造技術の分野では、粉体材料に砂以外の多孔性粉末品を使用したり、鋳型に金属以外の複合材料を流し込む鋳造方法も知られており、その一例が特許文献１に開示されている。

特表２００５−５３６３５３号公報

ところが、これまでの鋳造技術では、鋳造のための鋳型、例えば砂型を作る作業に大きな作業場（スペース）と多大な労力がかかるという課題があった。そこで、砂型のような三次元造形物を、より効率的に小さなスペースで作り出す三次元造形物及び三次元造形物の製造方法が望まれている。

この要望に対して、本発明は、これまである３次元造形装置を利用し、インクジェット粉末造形法又は粉末溶融／焼結法で作成した三次元造形物を提供することを目的とする。また、本発明は、このような三次元造形物を製造する方法を提供することも目的とする。

本発明の三次元造形物の第１の形態は、一層毎に粉体材料に結合剤となりうる物質を選択的に作用させ、三次元物体を得るインクジェット粉末造形法で作成した三次元造形物であって、結合剤が塗布された外皮と、外皮の内部にあり、結合剤が塗布されていない粉体材料とを備えることを特徴とする三次元造形物である。

本発明の三次元造形物の第２の形態は、粉体材料を電磁あるいは粒子放射により選択的に加熱し、焼結或いは溶融させて一体にする粉末造形法によって作られた三次元造形物であって、電磁あるいは粒子放射された外皮と、外皮の内部にあり、電磁あるいは粒子放射されていない粉体材料とを備えることを特徴とする三次元造形物である。

本発明の三次元造形物の製造方法の第１の形態は、一層毎に粉体材料に結合剤となりうる物質を選択的に作用させ、三次元物体を得るインクジェット粉末造形法を用いて、結合剤が塗布された外皮と、外皮の内部にあり、結合剤が塗布されていない粉体材料とを備える三次元造形物を製造する方法であって、粉体材料を撒いて第１の層を形成する第１の段階と、第１の段階で形成された粉体材料の層の上の、外皮となる部分に、結合剤となりうる物質を塗布する第２の段階を備え、第１と第２の段階を繰り返すことによって三次元造形物を製造することを特徴とする三次元造形物の製造方法である。

本発明の三次元造形物の製造方法の第２の形態は、粉体材料を電磁あるいは粒子放射により選択的に加熱し、焼結或いは溶融させて一体にする粉末造形法を用いて、電磁あるいは粒子放射された外皮と、外皮の内部にあり、電磁あるいは粒子放射されていない粉体材料とを備える三次元造形物を製造する方法であって、粉体材料を撒いて第１の層を形成する第１の段階と、第１の段階で形成された粉体材料の層の上の、外皮となる部分において、電磁あるいは粒子放射により第１の層を選択的に加熱し、焼結或いは溶融させる第２の段階を備え、第１と第２の段階を繰り返すことによって三次元造形物を製造することを特徴とする三次元造形物の製造方法である。

本発明の三次元造形物によれば、結合剤が塗布された外皮と、外皮の内部にあり、結合剤が塗布されていない粉体材料とを備える三次元造形物を実現できる。また、本発明の三次元造形物の製造方法によれば、一層毎に粉体材料に結合剤となりうる物質を選択的に作用させ、三次元物体を得るインクジェット粉末造形法を用いることにより、結合剤が塗布された外皮と、外皮の内部にあり、結合剤が塗布されていない粉体材料とを備える三次元造形物を製造することができる。

従来の砂型による鋳造作業を説明するものであり、（ａ）は作ろうとする鋳造品の形状を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の造形品を製造するのに使用される割り木型の斜視図、（ｃ）は定盤上に置いた枠内に木型を置いて砂を詰め込んだ状態の下型を示す断面図、（ｄ）は（ｃ）に示した下型を上下逆にした後に割り木を取り除いた下型の断面図、（ｅ）は盤上に置いた枠内に木型と湯口棒とガス抜き棒を置いて砂を詰め込んだ状態の上型を示す断面図、（ｆ）は型枠に砂を詰め込んで作った中子の断面図、（ｇ）は（ａ）に示した下型に（ａ）で示した上型から割り木と湯口棒と空気抜き棒を取り除いた上型と（ｆ）に示した中子を取り付けて鋳型を作り、鋳鉄を鋳込む状態を示す断面図、（ｈ）は（ｇ）に示した鋳型を用いて出来上がった鋳造品の断面図である。 本発明の三次元造形装置を構成する部材を示す斜視図である。 （ａ）は図２に示した造形タンク内に格納された造形テーブルの上にリコータユニットにより砂を水平に供給して第１層目の砂層を形成する工程を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の工程によって造形テーブルの上に作られた砂の層に、プリントヘッドユニットによりバインダを塗布する工程を示す斜視図である。 （ａ）は図３（ｂ）に示した工程によってバインダが塗布された第１層目の砂層の上に、リコータユニットにより砂を供給して第２層目の砂層を形成する工程を示す斜視図、（ｂ）はリコータユニットによる砂の供給とプリントヘッドユニットによるバインダの塗布が複数層に渡って行われた後に、砂層の上にプリントヘッドユニットによりバインダを塗布する工程を示す斜視図である。 （ａ）は造形タンク内に格納された造形テーブルの上にリコータユニットとプリントヘッドユニットにより三次元造形物が形成された状態を示す斜視図、（ｂ）は造形タンク内から（ａ）に示した三次元造形物を取り出して余分な砂を除去した状態の三次元造形物を示す斜視図である。 （ａ）は図３（ａ）に示した状態を造形タンクと造形テーブルを昇降させる昇降装置と共に示す断面図、（ｂ）は図３（ｂ）に示した状態を造形タンクと造形テーブルを昇降させる昇降装置と共に示す断面図、（ｃ）は図４（ａ）に示した状態を造形タンクと造形テーブルを昇降させる昇降装置と共に示す断面図、（ｄ）は（ｃ）の工程によって形成された２層目の砂層の上にプリントヘッドユニットによりバインダを塗布する工程を示す断面図、（ｅ）は造形タンク内の造形テーブルの上に砂層が複数層に渡って形成された状態を示す断面図、（ｆ）は造形タンク内の造形テーブルの上に砂層が最後の層まで形成され、砂層の中にバインダによって三次元造形物が形成された状態を示す断面図である。 （ａ）は図６（ｆ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線における断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ線における断面図、（ｅ）は（ａ）のＥ−Ｅ線における断面図、（ｆ）は（ａ）のＦ−Ｆ線における断面図、（ｇ）は（ａ）のＧ−Ｇ線における断面図である。 （ａ）は図３（ａ）から図５（ｂ）に示した工程と同様の工程によって形成された本発明の三次元造形物の形状を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）に示した三次元造形物を線Ｈにおいて切断した状態の斜視図である。 （ａ）は本発明の三次元造形物の変形例の断面図、（ｂ）は（ａ）に示した変形例の三次元造形物の第２の粉体材料封入部にバインダ注入器によって別のバインダを注入する工程を説明する断面図である。 鋳造欠陥を防止するための従来の方法を説明するものであり、（ａ）は割り木型を用いて製造した砂型の下側の砂型に設けた凹部に冷やし金を挿入する工程を示す工程図、（ｂ）は中子を製作する工程を示す斜視図、（ｃ）は中子と冷やし金の入った砂型に鋳鉄を投入して鋳込む工程を示す工程図、（ｄ）は（ｃ）に示した鋳造工程の後に砂型を壊して鋳造品を取り出した状態を示す断面図である。 （ａ）は本発明の三次元造形装置で作られた別の実施例の三次元造形物の断面図、（ｂ）は（ａ）に示した三次元造形物において第１の粉体材料封入部からは砂を取り出し、第２の粉体材料封入部は冷却阻害部と冷却促進部にした状態の断面図、（ｃ）は（ｂ）に示した三次元造形物の第１の粉体材料封入部に鋳鉄を投入して鋳込む工程を示す工程図、（ｄ）は（ｃ）に示した鋳造工程の後に三次元造形物を壊して鋳造品を取り出した状態を示す断面図である。 （ａ）は造形テーブルの上にリコータによって第１層目の砂が散布される状態を示す断面図、（ｂ）は第１層目の砂層に照射装置によって光ビームが照射されて砂同士が結合する状態を示す断面図、（ｃ）は造形テーブルの上にリコータによって第２層目の砂が散布される状態を示す断面図、（ｄ）は（ｃ）の工程によって形成された２層目の砂層の上に照射装置によって光ビームが照射されて砂同士が結合する状態を示す断面図である。

以下、添付図面を用いて本発明の実施の形態を、具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施例では、粉体材料として砂を用いた三次元造形装置及び三次元造形物を説明するが、砂は一例であり、本発明の三次元造形装置及び三次元造形物は砂以外の他の粉体材料に対しても適用が可能である。

図２は本発明の三次元造形装置１０の外観とその内部に設けられる部材を取り出して示すものであり、三次元造形装置１０は３Ｄプリンタとも呼ばれる。三次元造形装置１０には、プリントヘッドユニット１、リコータユニット２、造形タンク３、昇降装置４、砂供給ホッパユニット５、クリーニングユニット６、造形タンク移送ユニット７及び薬品ユニット８等が内蔵されている。

プリントヘッドユニット１は、プリントヘッドＸ軸ＡＸとプリントヘッドＹ軸ＡＹにより矢印で示す前後左右に移動することができる。また、プリントヘッドユニット１は、ビットマップやＮＣのパスデータ等の３次元データが２次元の層の集まりに変換されたデータを元に、砂を結合させる結合剤であるバインダを造形テーブルの上に吐出し、液滴が落下し塗布する。結合剤は以後バインダと記載する。プリントヘッドユニット１の近傍にはリコータユニット２が設けられている。リコータユニット２は、リコータ内ホッパと振動ブレード（共に図示せず）を備えている。リコータ内ホッパは、砂供給ホッパユニット５から供給される砂を貯蔵する。また、振動ブレードは、リコータユニット２がリコータ軸ＡＹ１によって矢印で示す装置正面から見て前後方向に移動している時に動作し、移動中にリコータユニット２から砂を造形テーブルの上に密に且つ水平に同じ厚さで撒く。

造形タンク３は後述する造形テーブルを格納するものであり、造形テーブルの上に造形したモデル（本発明では三次元造形物）が完成する。造形タンク３の中にモデルが完成すると、造形タンク３は造形タンク移送ユニット７の駆動ローラによって自動で三次元造形装置１０の外に送り出される。造形タンク３を三次元造形装置１０の中に挿入する時も造形タンク移送ユニット７の駆動ローラによって自動で造形タンク３が三次元造形装置１０の中に挿入される。

昇降装置４は造形タンク３に格納された造形テーブルを矢印で示すＺ軸方向に移動させるものであり、汎用のものが使用できるので、ここではその構成についての説明は省略する。また、クリーニングユニット６は、プリントヘッドユニット１に付着した余分なバインダや砂等を取り除くものであり、薬品ユニット８は、造形プロセスに使用する薬品（バインダ、クリーナ）を貯蔵するものである。バインダはプリントヘッドユニット１に供給され、クリーナはクリーニングユニット６に供給される。また、薬品ユニット８には廃液タンクがあり、クリーニングユニット６で発生した廃液がこのタンクに回収される。

リコータユニットやプリントヘッドユニットの各軸に沿った移動は、ボールねじを使用する、タイミングベルトを使用する、或いは空気圧を使用したエアスライドシリンダを使用する等の公知の手段によって行うことができる。同様に昇降装置による造形テーブルの昇降には、ボールねじを使用した機構、チェーンと歯車を使用した機構、空気圧を使用したエアスライドシリンダ、或いは油圧機構等の公知の機構を使用することができる。

ここで、図２に示した造形タンク３の中に、プリントヘッドユニット１とリコータユニット２を使用して三次元造形物を作る工程の一実施例について、図３から図７を用いて説明する。なお、この実施例では、造形タンク３の中に作る粉体材料が封入された三次元造形物として、図１（ａ）に示した中空容器９０と同形状の中空造形物を作る鋳型を、最小限の三次元造形物として作る場合について説明する。

図３（ａ）、図６（a）は、図２に示した造形タンク３内に格納された造形テーブル３０の上に、リコータユニット２により砂Ｓを水平に撒いて第１層目の砂層Ｓ１を形成する工程を示すものである。図６（a）に示すように、この実施例では、造形開始時点において、造形テーブル３０の上面３０Ｓは造形タンク３の上端面３Ｔと同じ高さの面になっているものとする。リコータユニット２の中には図２に示した砂供給ホッパユニット５から供給される砂Ｓが入っており、リコータユニット２はリコータ軸ＡＹ１に沿って移動して、この砂Ｓを造形テーブル３０の上面３０Ｓに撒いて第１層目の砂層Ｓ１を形成する。

図７（ｂ）が造形テーブル３０の上に形成された第１層目の砂層Ｓ１を示している。第１層目の砂層Ｓ１の厚さを含め、第１層目の砂層Ｓ１の上に以後積層される砂層の厚さは常に一定である。図３（ｂ）、図６（ｂ）は、図３（ａ）、図６（ａ）に示した工程によって、造形テーブル３０の上に作られた第１層目の砂層Ｓ１に、プリントヘッドユニット１によりバインダが吐出・塗布される工程を示すものである。造形テーブル３０の下には昇降装置４が設置されているが、リコータユニット２の動作が終了した直後にプリントヘッドユニット１が動作する時には、昇降装置４は動作しない。プリントヘッドユニット１から第１層目の砂層Ｓ１へのバインダの吐出・塗布が終了した状態が図７（ｃ）に示される。第１層目の砂層Ｓ１の上へのバインダの吐出・塗布が終了すると、第１層目の砂層Ｓ１のバインダ塗布部分Ｂ１が固化する。

第１層目の砂層Ｓ１の上へのバインダの塗布が終了すると、昇降装置４により、造形テーブル３０が第１層目の砂層Ｓ１の厚さ分だけ下降する。この結果、第１層目の砂層Ｓ１の上面が造形タンク３の上端面３Ｔと同じ面になる。この状態で、図４（ａ）、図６（ｃ）に示すように、バインダが塗布された第１層目の砂層Ｓ１の上に、リコータユニット２により砂Ｓが供給されて第２層目の砂層Ｓ２を形成する工程が行われる。リコータユニット２による第２層目の砂層Ｓ２の形成により、第１層目の砂層Ｓ１に塗布されたバインダ塗布部分Ｂ１は砂Ｓで完全に隠れる。

次いで、図６（ｄ）に示すように、第２層目の砂層Ｓ２に、プリントヘッドユニット１によりバインダが吐出・塗布され、第２層目の砂層Ｓ２のバインダ塗布部分Ｂ２が固化し、第１層目の砂層Ｓ１のバインダ塗布部分Ｂ１と結合する。このようなリコータユニット２による砂層の散布と、プリントヘッドユニット１によるバインダの吐出・塗布は、昇降装置４によって造形テーブル３０を砂層の厚さ分だけ降下させながら繰り返し行われる。プリントヘッドユニット１により砂層上に形成されるバインダの塗布部分の形状は、作る三次元造形物の形状によって異なる。本実施例のように、図１（ａ）に示した中空容器９０と同形状のものを中空造形物として作る場合、砂層の上のバインダ塗布部分の形状は図７（ｃ）、図７（ｄ）及び図７（ｅ）のように変化して三次元造形物が造形される。

図７（ｅ）に示す状態が、造形タンク３の中に三次元造形物が半分程度作られた状態を示している。そして、図７（ｅ）に示す状態の、ｎ（ｎは自然数）層目の砂層Ｓｎを形成する工程が図６（ｅ）に示され、砂層Ｓｎの上にバインダを塗布してバインダ塗布部分Ｂｎを形成する工程が図４（ｂ）に示される。この時、造形テーブル３０は昇降装置４によって造形タンク３の深さの半分程度の位置まで降下している。

造形テーブル３０の上に砂の最終層Ｓｚが形成され、砂の最終層Ｓｚの上にバインダ塗布部分Ｂｚが形成された状態が図５（ａ）、図６（ｆ）及び図７（ｇ）に示される。この状態では、造形テーブル３０の下面３０Ｂは、昇降装置４によって造形タンク３の下端面３Ｂの位置まで降下している。また、図６（ｆ）のＡ−Ａ線における断面が図７（ａ）に示される。そして、図７（ａ）に示す断面から図７（ｂ）〜図７（ｇ）に示されるバインダ塗布部分の形状は、それぞれ図７（ａ）におけるＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線、Ｆ−Ｆ線及びＧ−Ｇ線における形状であることが分る。なお、造形テーブル３０の上に形成される三次元造形物の高さが、造形タンク３の深さよりも低い場合には、三次元造形装置の造形終了時に、造形テーブル３０が造形タンク３の下端部まで達しないこともある。

以上説明した工程が終了すると、造形タンク３の内部には、バインダが塗布されていない砂層が存在し、この砂層に囲まれて、バインダ塗布部分によって砂が結合して固化した三次元造形物２０が形成されている。三次元造形物２０の上端面には、内部と外部との連絡部である湯口２２が形成されている。この状態から昇降装置４を動作させて造形テーブル３０とその上の砂層を含む造形物とを造形タンク３から抜き出し、砂層を除去すると図５（ｂ）に示すような三次元造形物２０が出来上がる。

三次元造形物２０の内部には、内部空間２１が形成されており、内部空間２１の中にはバインダが塗布されていない砂が粉体として入っている。そこで、内部空間２１の中から湯口２２を通じて砂を抜くと、三次元造形物２０が内部空間２１を有する砂型（鋳型）となる。三次元造形物２０の周囲から除去した砂と内部空間２１から抜き出した砂は再利用することができる。この状態で湯口２２から溶融した金属を流し込めば、図１（ａ）に示したような中空容器が出来上がる。なお、以上説明した工程によって作られる三次元造形物２０には、従来技術で説明したガス抜き孔を示していないが、ガス抜き孔は湯口２２と同様に形成することができるものである。バインダの塗布部は外皮とも呼ばれる。

以上説明した工程により、造形タンク３の中には、図５（ｂ）に示したような三次元造形物２０が造形される。一方、本発明では、三次元造形物２０を第１造形部２０として、プリントヘッドユニット１による砂層へのバインダの吐出・塗布部分を増やすことにより、図５（ｂ）に示した第１造形部２０の外側に、型枠部としての第２造形部４１を形成する。第１造形部２０の外側に第２造形部４１を備えた三次元造形物４０は、図８（ａ）に示すように、造形タンク３の内寸に等しい外形を備えている。

図８（ｂ）は図８（ａ）に示した三次元造形物４０から、内部と外部の連絡部である湯口４６を通じて内部の砂を抜き、線Ｈにおいて切断した状態を示すものである。第２の形態では、三次元造形物２０と同形状の第１造形部２０の部分を鋳型部４２として、三次元造形物２０の内部空間２１に対応する内部空間４４を第１の粉体材料封入部４４とする。三次元造形物４０では、鋳型部４２の周りに、バインダによって結合された型枠部４１が形成されている。

そして、型枠部４１と鋳型部４２の間にはバインダが塗布されなかった第２の粉体材料封入部４３が形成されている。第２の粉体材料封入部４３の中の砂は抜くことができない。鋳型部４２の中には、砂を抜けば内部空間となる第１の粉体材料封入部４４と中子部４５があり、第１の粉体材料封入部４４が湯口４６によって外部に連通している点は、三次元造形物２０と同じである。三次元造形物４０では、鋳造後に型枠部４１を壊すことによって、第２の粉体材料封入部４３内の砂を取り出すことができる。

鋳造後には砂は除去されるが、一般的な鋳造作業ではバインダを化学的、物理的に除去所して再生を行っている。しかしながら、これまでの三次元造形物を利用して鋳造を行う場合は、同様にバインダの再生を行おうとしても、砂の粒径が変化する等の理由で再び三次元造形物の原料として再生することはできなかった。一方、本発明では、鋳造を行った後に、第２の粉体材料封入部４３内のバインダで固化されていない砂を取り出して再利用することが出来るので、用いた砂の全量ではないが、砂の再生が可能である。

図９（ａ）は本発明の三次元造形物４０の変形例を示すものである。この変形例では、三次元造形物４０の造形時に、型枠部４１と鋳型部４２の間に形成された第２の粉体材料封入部４３のそれぞれに、外部に連通する細径の連絡部である細孔４８を形成している。細孔４８の位置は特に限定されるものではない。細孔４８が設けられていると、砂を除去した細孔４８内にバインダ注入器の針を差し込み、別の種類のバインダ、例えば冷却促進するバインダや冷却抑制するバインダ等を、第２の粉体材料封入部４３のそれぞれに注入することが可能になる。

冷却促進するバインダは、通常のバインダに熱伝達剤として、金属、金属化合物、黒鉛等の副材料を加えることによって作ることができる。また、冷却を抑制するバインダは、通常のバインダに熱不伝達剤として、ガラスや粒径の小さい砂（ガスの移動を妨げる）等の副材料を加えることによって作ることができる。

図９（ｂ）は、三次元造形物４０が形成された後に、第２の粉体材料封入部４３の細孔４８にバインダ注入器４７の針を差し込み、冷却促進するバインダを注入した実施例を示している。冷却促進するバインダを注入することにより、第２の粉体材料封入部４３を冷却促進部４３Ａに変えることができる。また、第２の粉体材料封入部４３の細孔４８にバインダ注入器４７の針を差し込み、冷却を抑制するバインダを注入することにより、第２の粉体材料封入部４３を冷却抑制部４３Ｂに変えることができる。

図１０（ａ）から（ｄ）は、熱伝達不良による鋳造欠陥を防止するための従来の砂型を使用した鋳造方法を説明するものである。図１０（ａ）に示すように、従来は、割り木型を用いて製造した下側の砂型９５Ｌの内部空間９８に設けた凹部９８Ｃに金属製の冷やし金９９を挿入し、これに上側の砂型９５Ｕを合わせていた。９８Ａは押湯部、９４Ｈは湯口である。そして、図１０（ｂ）に示すように、中子用枠型９３Ｃを用いて中子９７を製作し、図１０（ｃ）に示すように、中子９７と冷やし金９９の入った砂型９５に、溶融した鋳鉄Ｍを投入して鋳造を行っていた。図１０（ｄ）は図１０（ｃ）に示した鋳造工程の後に砂型９５を壊して取り出した鋳造品９０Ｃを示している。砂型９５を壊すと、冷やし金９９と残砂ＤＳが残る。

このような、熱伝達不良による鋳造欠陥を防止するための従来の砂型を使用した鋳造方法は、本発明の三次元造形装置によって造形される三次元造形物によって実現することが可能である。これを図１１（ａ）から（ｄ）を用いて説明する。

図１１（ａ）は、三次元造形装置によって形成された三次元造形物４０Ａの断面を示すものである。この実施例の三次元造形物４０Ａによって作られる中空容器は、図１（ａ）に示した中空容器９０と同形状であるとする。三次元造形物４０Ａには、型枠部４１、第１の粉体材料封入部４４、第２の粉体材料封入部４３、中子部４５及び湯口４６が設けられている。第２の粉体材料封入部４３は、湯口４６に近い側に２箇所、湯口４６から遠い側に１箇所の合計３箇所に設けられている。第２の粉体材料封入部４３のそれぞれには細孔４８が設けられていることは前述の三次元造形物４０と同様である。

図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示した三次元造形物４０Ａから砂Ｓを抜き出した状態を示すものである。この実施例では、湯口４６から遠い側の第２の粉体材料封入部４３に細孔４８を通じて冷却促進するバインダが注入されて冷却促進部４３Ａとなり、湯口４６に近い側の第２の粉体材料封入部４３には細孔４８を通じて冷却抑制するバインダが注入されて、冷却抑制部４３Ｂとなっている。また、第１の粉体材料封入部４４からは砂が抜かれて内部空間４４となっている。

図１１（ｃ）は図１１（ｂ）に示した三次元造形物４０Ａに、溶融した鋳鉄Ｍを湯口４６から投入して鋳込む工程を示している。溶融した鋳鉄Ｍを内部空間４４に投入すると、型枠部４１の湯口４６から遠い側では冷却促進部４３Ａによって鋳鉄Ｍが短い時間で冷却され、湯口４６に近い側では冷却抑制部４３Ｂによって鋳鉄Ｍが時間をかけて冷却される。また、冷却促進部４３Ａと冷却抑制部４３Ｂの位置を逆にすれば、溶融した鋳鉄Ｍを内部空間４４に投入した時に、型枠部４１の湯口４６から遠い側では冷却抑制部４３Ｂによって鋳鉄Ｍが冷却され難く、湯口４６に近い側では冷却促進部４３Ａによって鋳鉄Ｍが冷却され易くなる。

図１１（ｄ）は図１１（ｃ）に示した鋳造工程の後に三次元造形物４０Ａを壊して鋳造品９０Ｃを取り出した状態を示すものである。三次元造形物４０Ａを壊した後には、鋳造品９０Ｃと残砂ＤＳ及び冷却促進剤を含む残砂ＤＡと冷却抑制剤を含む残砂ＤＢが残る。湯口部４６によって作られた余分な部分４６Ｍは鋳造品９０Ｃから除去する。このようにして出来上がった鋳造品９０Ｃは、冷却促進部４３Ａと冷却抑制部４３Ｂにより熱伝達不良による鋳造欠陥を防止することができる。また、本発明の三次元造形装置では、冷却促進部４３Ａと冷却抑制部４３Ｂにより、用途に応じて硬さを部分的に変えた鋳造物を製造することもできる。残砂ＤＳは再利用が可能であり、残砂ＤＡ及びＤＢは化学処理によって冷却促進剤と冷却抑制剤を分離すれば再利用が可能である。

また、以上説明した実施例では、三次元造形物２０，４０は一体型の造形物として造形されているが、造形物は必ずしも一体である必要はない。例えば、図１１（ｂ）に示した三次元造形物４０は、Ｋ‐Ｋ線よりも上側の三次元造形物と下側の三次元造形物に分けて造形することができる。分割する数は限定されるものはないが、分割された三次元造形物には第１の粉体材料封入部又は第２の粉体材料封入部が含まれていなければならない。また、以上説明した実施例では、造形時に造形テーブルが下降し、リコータユニットとプリントヘッドの位置は変わらなかった。しかし、三次元造形装置の構造によっては、造形時に造形テーブルの位置が固定され、リコータユニットとプリントヘッドの位置が造形テーブルの位置に対して変化させることも可能である。

なお、以上説明した三次元造形装置において使用できる粉体材料としては、砂以外にも、有機樹脂、セラミック、澱粉、ガラス粉末等が使用可能である。また、粉体材料の粒径は粉体材料で作る層の厚さよりも小さければ問題はなく、１μｍ〜３００μｍ程度とすることができる。更に、粉体材料によって形成する層厚は、造形対象となる造形物に応じて異なるが、０．０１〜０．５ｍｍ程度とすることができる。

また、バインダに使用する結合剤は、粉体材料の種類に応じて自由に変えることが可能である。例えば、粉体材料が石膏や澱粉の場合には、水を主体とした液体を用いることができ、また、インクジェットプリンタで使用される種々のバインダ液を使用することも可能である。この時、バインダに染料や顔料を混入してバインダを着色することもできる。鋳物砂の場合には、通常使われる粘結剤を用いることができる。更に、１液性ではバインダの可使時間が短い場合には、鋳物砂にバインダのある成分を予め塗っておき、２液性としたり、電磁放射や液体・ガスを通じることで結合剤となる前駆体を用いることが可能である。

なお、バインダのプリントヘッドユニットからの吐出量は、バインダの種類やどの程度の大きさを１回の吐出で固められるかによって異なるが、１ｐｌ〜２００ｐｌの範囲で設定することが可能である。そして、プリントヘッドユニットからバインダを吐出する吐出機構としては、ピエゾ型やサーマル型等の公知の機構を用いることができる。

以上説明した実施例では、造形テーブル上に積層した粉体材料を固化させるのにバインダを使用しているが、造形テーブル上に積層した粉体材料は、電磁あるいは粒子放射によっても固化させることができる。この場合、粉体材料には電磁あるいは粒子放射により固化可能な粉体材料を使用する。前述の実施例のように、粉体材料として砂を使用する場合は、砂の表面に、電磁あるいは粒子放射されると加熱されて溶け、放射後に固化して砂同士を結合させるバインダが塗布されている。このようなバインダとしては熱可塑性樹脂や熱反応性のバインダを使用することができる。また、電磁あるいは粒子放射としては、一般に赤外線レーザーや電子線ビームを使用することができる。電磁あるいは粒子放射が赤外線レーザーである場合の実施例を図１２（ａ）から（ｄ）を用いて説明する。

図１２（ａ）は、造形テーブル３０の上面３０Ｓに、リコータユニット２によってレーザー光の照射により固化可能な砂が撒かれて第１層目の砂層Ｓ１が形成される状態を示している。造形テーブル３０の上に第１層目の砂層Ｓ１が形成されると、図１２（ｂ）に示すように、照射装置５０によってレーザービーム（以後光ビームという）が、第１層目の砂層Ｓ１の固化させたい部分に照射される。照射装置５０は、光ビームを発生する光ビーム発生装置５１、光ビームの方向を偏光させる偏光装置５２及び偏光装置５２の角度を制御する制御ユニット５３を備えている。光ビーム発生装置５１は発生した光ビームを偏光装置５２に向けて照射する。変更装置５２は制御ユニット５３に制御されて角度を変え、光ビーム発生装置５１から入力された光ビームを第１層目の砂層Ｓ１の固化させたい部分に向けて照射する。この結果、第１層目の砂層Ｓ１の光ビームが照射された部分が固化する。

図１３（ｃ）は、造形テーブル３０の上に、リコータユニット２によって第２層目の光ビームの照射で固化する砂が散布される状態を示している。このとき、昇降装置４により、造形テーブル３０は第１層目の砂層Ｓ１の厚さ分だけ下降しており、第１層目の砂層Ｓ１の上面が造形タンク３の上端面３Ｔと同じ面になっている。第２層目の砂層Ｓ２が形成されると、図１２（ｄ）に示すように、照射装置５０によって光ビームが、第２層目の砂層Ｓ２の固化させたい部分に照射され、第２層目の砂層Ｓ２の光ビームが照射された部分が固化する。

以後はリコータユニット２により砂の積層が繰り返され、砂層が形成された後に照射装置５０によって光ビームが砂層の固化させたい部分に照射されて固化が繰り返されるが、この工程はバインダによって砂層が固化されるのと同じであるので、以後の説明は省略する。光ビーム発生装置としては一般に赤外線レーザ光発生装置が使用されるが、光ビームは赤外線レーザ光に限定されるものではない。

１ プリントヘッドユニット
２ リコータユニット
３ 造形タンク
４ 昇降装置
１０ 三次元造形装置
２０、４０ 三次元造形物
２１、４４ 第１の粉体材料封入部（内部空間）
２２、４６ 湯口
３０ 造形テーブル
４１ 型枠部
４２ 鋳型部
４３ 第２の粉体材料封入部
４３Ａ 冷却促進部
４３Ｂ 冷却抑制部
４５ 中子部
４７ バインダ注入器
４８ 細孔
５０ 照射装置
５１ 光ビーム発生装置
５２ 変更装置
５３ 制御ユニット

Claims (18)

1. 一層毎に粉体材料に結合剤となりうる物質を選択的に作用させ、三次元物体を得るインクジェット粉末造形法で作成した三次元造形物であって、
   前記結合剤が塗布された外皮と、前記外皮の内部にあり、前記結合剤が塗布されていない前記粉体材料とを備えることを特徴とする三次元造形物。
2. 前記粉体材料は、前記外皮の外部に出てこない程度に、前記外皮によって封入されていることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物。
3. 前記造形部の外皮には、前記粉体材料によって外部に連絡される連絡部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元造形物。
4. 前記細径の連絡部は、前記外皮の内部にある前記粉体材料を除去すると、前記外皮の内部への造形材料の注入口となることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の三次元造形物。
5. 前記粉体材料が砂であり、前記造形材料が鋳鉄であって、前記三次元造形物は鋳型となることを特徴とする請求項４に記載の三次元造形物。
6. 粉体材料を電磁あるいは粒子放射により選択的に加熱し、焼結或いは溶融させて一体にする粉末造形法によって作られた三次元造形物であって、
   前記電磁あるいは粒子放射された外皮と、前記外皮の内部にあり、前記電磁あるいは粒子放射されていない前記粉体材料とを備えることを特徴とする三次元造形物。
7. 前記粉体材料は、前記外皮の外部に出てこない程度に、前記外皮によって封入されていることを特徴とする請求項６に記載の三次元造形物。
8. 前記造形部の外皮には、前記粉体材料によって外部に連絡される連絡部が設けられていることを特徴とする請求項６又は７に記載の三次元造形物。
9. 前記細径の連絡部は、前記外皮の内部にある前記粉体材料を除去すると、前記外皮の内部への造形材料の注入口となることを特徴とする請求項６から８の何れか１項に記載の三次元造形物。
10. 前記粉体材料が金属粉又は熱可塑性樹脂であり、再度焼結させて鋳型となることを特徴とする請求項９に記載の三次元造形物。
11. 前記造形テーブルは、昇降装置によって昇降可能な造形タンク内に造形されることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の三次元造形物。
12. 一層毎に粉体材料に結合剤となりうる物質を選択的に作用させ、三次元物体を得るインクジェット粉末造形法を用いて、前記結合剤が塗布された外皮と、前記外皮の内部にあり、前記結合剤が塗布されていない前記粉体材料とを備える三次元造形物を製造する方法であって、
    粉体材料を撒いて第１の層を形成する第１の段階と、
    前記第１の段階で形成された粉体材料の層の上の、前記外皮となる部分に、前記結合剤となりうる物質を塗布する第２の段階を備え、
    前記第１と第２の段階を繰り返すことによって前記三次元造形物を製造することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
13. 前記造形部の外皮に設けられて、前記外皮の内部と外部とを連絡する連絡部の位置においては、前記結合剤となりうる物質の吐出・塗布を停止することを特徴とする請求項１２に記載の三次元造形物の製造方法。
14. 前記粉体材料が砂であり、前記三次元造形物は鋳型となることを特徴とする請求項１３に記載の三次元造形物の製造方法。
15. 粉体材料を電磁あるいは粒子放射により選択的に加熱し、焼結或いは溶融させて一体にする粉末造形法を用いて、前記電磁あるいは粒子放射された外皮と、前記外皮の内部にあり、前記電磁あるいは粒子放射されていない前記粉体材料とを備える三次元造形物を製造する方法であって、
    粉体材料を撒いて第１の層を形成する第１の段階と、
    前記第１の段階で形成された粉体材料の層の上の、前記外皮となる部分において、前記電磁あるいは粒子放射により前記第１の層を選択的に加熱し、焼結或いは溶融させる第２の段階を備え、
    前記第１と第２の段階を繰り返すことによって前記三次元造形物を製造することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
16. 前記造形部の外皮に設けられて、前記外皮の内部と外部とを連絡する連絡部の位置においては、前記電磁あるいは粒子放射による前記第１の層の加熱を停止することを特徴とする請求項１５に記載の三次元造形物の製造方法。
17. 前記粉体材料が金属粉又は熱可塑性樹脂であり、再度焼結させて鋳型となることを特徴とする請求項１６に記載の三次元造形物の製造方法。
18. 造形テーブルを造形タンク内に設けて昇降装置によって昇降可能にし、前記三次元造形物が前記造形タンク内の前記造形テーブルの上に造形されるようにしたことを特徴とする請求項１２から１７の何れか１項に記載の三次元造形物の製造方法。

Images