JP2015196267A - 積層造形物の製造方法、製造装置及びスラリー - Google Patents

Abstract

【課題】高生産性の積層造形物の製造方法、製造装置及びスラリーを提供する。
【解決手段】実施形態によれば、粉体を含む第１のスラリーの膜をステージ上に供給する第１工程と、前記第１のスラリーの前記膜の一部にエネルギー線を照射して積層造形物の一部を形成する第２工程と、前記積層造形物の一部の上に第２のスラリーの膜を供給する第３工程と、前記第２のスラリーの前記膜の一部にエネルギー線を照射して前記積層造形物の別の一部を形成する第４工程と、を含む。第３工程と第４工程とを複数回繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、積層造形物の製造方法、製造装置及びスラリーに関する。

例えば、原料を供給しつつレーザなどでその原料を加熱して、その原料を溶融させて、所望の形状の造形物を形成する積層造形物の製造方法がある。このような製造方法において生産性を向上することが望まれる。

特開２００６−２０００３０号公報

本発明の実施形態は、高生産性の積層造形物の製造方法、製造装置及びスラリーを提供する。

本発明の実施形態によれば、積層造形物の製造方法が提供される。粉体を含む第１のスラリーの膜をステージ上に供給する第１工程と、前記第１のスラリーの前記膜の一部にエネルギー線を照射して前記積層造形物の一部を形成する第２工程と、前記積層造形物の一部の上に第２のスラリーの膜を供給する第３工程と、前記第２のスラリーの前記膜の一部にエネルギー線を照射して前記積層造形物の別の一部を形成する第４工程と、を含み、前記第３工程と前記第４工程とを複数回繰り返す。

第１の実施形態に係る積層造形物の製造方法を例示する模式的断面図である。 第２の実施形態に係る積層造形物の製造方法を例示する模式的断面図である。 スラリー膜体の作製方法を例示する模式的断面図である。 第３の実施形態に係る積層造形物の製造方法を例示する模式的断面図である。 実験に用いた装置の模式的斜視図である。 図６（ａ）〜図６（ｄ）は、スラリーの特性を例示する模式図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る積層造形物の製造方法を例示する模式的断面図である。 本実施形態に係る製造装置１１０には、膜供給部２０、ステージ４０、スキージ５０、エネルギー線照射部６０が設けられる。膜供給部２０は、粉体を含むスラリー３０の膜３０ａ（以下、スラリー膜３０ａという）をステージ４０上に供給する。この例では、膜供給部２０は、スラリー３０をステージ４０上に塗布してスラリー膜３０ａを形成する。この塗布方法としては、種々の方法が適用可能である。例えば、ディスペンサ法、インクジェット法、スリットコート法及びスピンコート法などから選択することができる。

実施形態において、スラリーは、積層造形物の材料となる粉体が液体の中に懸濁した泥状の流動体である。粉体としては、例えば、鉄やステンレスなどの金属が用いられる。粉体として、セラミックスを用いても良い。粉体として、金属及びセラミックスを混合したものを用いても良い。粉体の平均粒径は、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは、１０μｍ以上５０μｍ以下である。

スラリー３０は、溶剤を含んでもよい。溶剤としては、例えばエタノール、メタノール、等のアルコール類、各種エーテル類またはケトン類などが用いられる。すなわち、スラリー３０は、積層造形物の材料となる粉体と、アルコール類、エーテル類及びケトン類よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む溶剤と、を含んでいても良い。

スラリー３０の粘度は、例えば、インクジェット法の場合、１以上２００ｃｐ以下が好適である。スリットコート法の場合、粘度は、１以上５００００ｃｐ以下が好適である。スピンコート法の場合、粘度は、１以上３００ｃｐ以下が好適である。

スラリー３０は、増粘剤、還元剤及び防錆剤の少なくともいずれかをさらに含むことが好ましい。増粘剤を含むことで、例えば、スラリー膜３０ａを急速乾燥等させる際に生じるクラックを抑制することができる。還元剤として、例えば、ホルマリンやジメチルアミンボラン等を用いることができる。還元剤を含むことで、粉体の焼結性を向上させることができる。防錆剤として、例えば、ベンゾトリアゾール等を用いることができる。防錆剤を含むことで、例えば、粉体の表面の酸化を抑制することができる。

エネルギー線照射部６０は、積層造形物の形状に応じて、スラリー膜３０ａの一部にエネルギー線を照射してエネルギー線が照射されたスラリー膜３０ａから積層造形物の一部を形成する。エネルギー線としては、例えば、レーザ光（例えば、炭酸ガスレーザや、ＹＡＧレーザなど）を用いることができる。エネルギー線で加熱することで、スラリー膜３０ａに含まれる粉体を加熱して焼結させる。エネルギー線照射部６０は、スラリー膜３０ａに含まれる粉体を溶融して固化してもよい。これにより、積層造形物の一部が形成される。

本実施の形態においては、エネルギー線としてレーザ光を利用している。エネルギー線は、レーザ光のように材料を溶融できるものであればよい。エネルギー線としては、電子ビームや、マイクロ波、紫外線領域の電磁波などであってもよい。

図１において、ステージ４０に対して、膜供給部２０を矢印２１の向きに移動させ、ステージ４０上にスラリー膜３０ａ（第１のスラリー膜）を供給する（ステップＳ１：第１工程に相当）。なお、膜供給部２０の移動方向はこれに限定されない。この例では、スラリー膜３０ａは、スラリー３０をステージ４０上に塗布することで供給される。この塗布は、前述したように、例えば、ディスペンサ法、インクジェット法、スリットコート法及びスピンコート法などから選択できる。

ステージ４０上のスラリー膜３０ａの一部に対して、エネルギー線照射部６０を矢印６１の方向に走査しつつ、エネルギー線（例えば、レーザ光）を照射する。なお、エネルギー線照射部６０の移動方向はこれに限定されない。これにより、スラリー膜３０ａに、焼結部７０ａと、非焼結部７０ｂと、が形成される（ステップＳ２：第２工程に相当）。このようにして、エネルギー線が照射されたスラリー膜３０ａから積層造形物の一部が形成される。

ステージ４０に対して、膜供給部２０を矢印２１の向きに移動させる。膜供給部２０は、積層造形物の一部（スラリー膜３０ａ）の上に、スラリー３０の別のスラリー膜３０ｂ（第２のスラリー膜）を供給（塗布）する（ステップＳ３：第３工程に相当）。

別のスラリー膜３０ｂの一部に対して、エネルギー線照射部６０を矢印６１の方向に走査しつつ、エネルギー線（例えば、レーザ光）を照射する。これにより、別のスラリー膜３０ｂに、焼結部７０ａと、非焼結部７０ｂと、が形成される（ステップＳ４：第４工程に相当）。このようにして、エネルギー線が照射された別のスラリー膜３０ｂから積層造形物の別の一部が形成される。

上記のステップＳ３及びステップＳ４を複数回繰り返すことで、所望の積層造形物が形成される。

スラリーを用いない参考例がある。この参考例においては、金属やセラミックなどの粉体をステージ上に供給し、この粉体に対してスキージと呼ばれる治具を用いてスキージング処理（平坦化処理）が実施される。この際、特に、積層造形物の高密度化や高強度化を目的として粒径の小さい粉体（例えば、２０μｍ以下）を使用することがある。この場合、粉体の粒径が小さいとスキージに付着してしまいスキージ不良を起こすことがある。

これに対して、本実施形態によれば、造形用の材料となる粉体を含むスラリーを使用する。これにより、特に、粒径の小さい粉体を用いた場合においてスキージ不良が抑制できる。これにより生産性を高めることができる。小さな粒径の粉体を用いることができるため、製造する積層造形物において、例えば、密度が高まり、強度が向上できる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る積層造形物の製造方法を例示する模式的断面図である。
図２において、ステージ４０に対して、膜供給部２０を矢印２１の向きに移動させ、ステージ４０上にスラリー膜３０ａを供給する（ステップＳ１１：第１工程に相当）。この例では、スラリー膜３０ａは、第１の実施形態と同様に、スラリー３０をステージ４０上に塗布することで供給される。この塗布は、前述したように、例えば、ディスペンサ法、インクジェット法、スリットコート法及びスピンコート法などから選択できる。

ステージ４０上のスラリー膜３０ａに対してスキージ５０を矢印５１の向きに移動させ、スラリー膜３０ａの表面を平坦化する（ステップＳ５：第５工程に相当）。ステップＳ５は、必要に応じて実施される。ステップＳ５は、例えば、ステップＳ１１の工程で得られた膜が比較的平坦である場合には、省略してもよい。

所定の乾燥条件に従って、ステージ４０上のスラリー膜３０ａを乾燥させ、スラリー膜３０ａに含まれる溶剤を除去する（ステップＳ６：第６工程に相当）。スラリー膜３０ａに増粘剤が含まれている場合、この乾燥工程で高温にして増粘剤を熱分解してもよい。乾燥後にアッシングして増粘剤を灰化してもよい。水素ガス雰囲気でアッシングすることで粉体表面の少なくとも一部を還元してもよい。急速に乾燥させると、スラリー膜３０ａにクラックが生じる場合がある。例えば、溶剤雰囲気下でゆっくりと乾燥させるにより、クラックが抑制できる。温度及び湿度の少なくともいずれかを制御してもよい。ステップＳ６は、必要に応じて実施する。ステップＳ６は、例えば、スラリー膜３０ａが十分に乾燥している場合には、省略してもよい。

ステージ４０上のスラリー膜３０ａの一部に対して、エネルギー線照射部６０を矢印６１の方向に走査しつつ、エネルギー線（例えば、レーザ光）を照射する。これにより、スラリー膜３０ａに、焼結部７０ａと、非焼結部７０ｂと、が形成される（ステップＳ１２：第２工程に相当）。このようにして、エネルギー線が照射されたスラリー膜３０ａから積層造形物の一部が形成される。

本実施形態において、ステップＳ５及びＳ６は必要に応じて実施して良い。

なお、ステップＳ５は、第１の実施形態（図１）で説明したステップＳ３とステップＳ４との間で実施しても良い。ステップＳ５では、積層造形物の一部（スラリー膜３０ａ）の上に供給された別のスラリー膜３０ｂの表面を平坦化する。同様に、ステップＳ６は、第１の実施形態で説明したステップＳ３とステップＳ４との間で実施しても良い。ステップＳ６では、別のスラリー膜３０ｂの一部にエネルギー線を照射して積層造形物の別の一部を形成する。

上記において、例えば、ステップＳ３、Ｓ５、Ｓ６及びＳ４を繰り返して実施してもよい。例えば、ステップＳ３、Ｓ５及びＳ４を繰り返して実施しても良い。例えば、ステップＳ３、Ｓ６およびＳ４を繰り返して実施しても良い。複数の繰り返しの内の任意の工程において、ステップＳ５及びＳ６の少なくともいずれかを選択的に実施してもよい。

前述したように、スキージと呼ばれる治具を用いてスキージング（平坦化）処理を行う際、特に、積層造形物の高密度化や高強度化を目的として粒径の小さい粉体（例えば、２０μｍ以下）を使用することがある。この場合に、粉体の粒径が小さいとスキージに付着してしまいスキージ不良を起こすことがある。

これに対して、本実施形態によれば、造形用の材料となる粉体を含むスラリーを使用する。これにより、特に、粒径の小さい粉体を用いた場合においてスキージ不良が抑制できる。これにより、生産性を高めることができる。小さな粒径の粉体を用いることができるため、製造する積層造形物において、例えば、密度が高まり、強度が向上できる。これにより、積層造形物を高精度に製造することができる。

（第３の実施形態）
本実施形態では、予めスラリーの膜体（以下、スラリー膜体という）を作製しておき、このスラリー膜体をステージ上に配置し、エネルギー線の照射を行う。

図３は、スラリー膜体の作製方法を例示する模式的断面図である。
スラリー膜体は、例えば、第１の実施形態で説明したスラリー膜３０ａの形成方法を用いることができる。例えば、ステージ４０に対して、膜供給部２０を矢印２１の向きに移動させ、ステージ４０上にスラリー膜体３０ｃを供給する（ステップＳ２１）。例えば、スラリー膜体３０ｃは、スラリー３０をステージ４０上に塗布することで供給される。この塗布には、例えば、ディスペンサ法、インクジェット法、スリットコート法及びスピンコート法などから選択することができる。

必要に応じて、ステージ４０上のスラリー膜体３０ｃの表面を平坦化する。所定の乾燥条件に従って、ステージ４０上のスラリー膜体３０ｃを乾燥させ、スラリー膜体３０ｃに含まれる溶剤を除去する（ステップＳ２２）。ステップＳ２１及びＳ２２の処理を複数回繰り返すことで、複数のスラリー膜体が作製される。作製されたスラリー膜体は、ロール状に巻かれても良い。ステップＳ２２は、必要に応じて適宜実施される。

図４は、第３の実施形態に係る積層造形物の製造方法を例示する模式的断面図である。本実施形態の製造装置１１１においては、膜供給部２０、ステージ４０及びエネルギー線照射部６０が設けられる。作製されたスラリー膜体３０ｃ（第１のスラリー膜体）は、膜供給部２０によりステージ４０上に配置される（ステップＳ３１：第１工程に相当）。膜を転写するローラーなどの膜供給部２０が設けられる。膜供給部２０として、ロボットアームなどを用いても良い。

そして、ステージ４０上のスラリー膜体３０ｃの一部に対して、エネルギー線照射部６０を矢印６１の方向に走査し、エネルギー線（例えば、レーザ光）を照射する。これにより、スラリー膜体３０ｃに、焼結部７０ａと、非焼結部７０ｂとが形成される（ステップＳ３２：第２工程に相当）。このようにして、エネルギー線が照射されたスラリー膜体３０ｃから積層造形物の一部が形成される。

膜供給部２０は、積層造形物の一部（スラリー膜体３０ｃ）の上に、別のスラリー膜体３０ｄ（第２のスラリー膜体）を配置する（ステップＳ３３：第３工程に相当）。別のスラリー膜体３０ｄの一部に対して、エネルギー線照射部６０を矢印６１の方向に走査し、エネルギー線を照射する。これにより、別のスラリー膜体３０ｄに、焼結部７０ａと、非焼結部７０ｂとが形成される（ステップＳ３４：第４工程に相当）。このようにして、エネルギー線が照射されたスラリー膜体３０ｄから積層造形物の別の一部が形成される。

上記のステップＳ３３とステップＳ３４とを複数回繰り返すことで、所望の積層造形物が形成される。

本実施形態によれば、スキージ不良が生じない。さらに、予めスラリー膜体を作製しておくことで、生産性が向上する。すなわち、スラリー膜体をステージに配置する工程と、配置されたスラリー膜体の一部にエネルギー線を照射する工程と、を繰り返す。工程が単純になる。これにより、効率的に所望の積層造形物を得ることができる。積層造形物を高精度に製造することができる。

（第４の実施形態）
本実施形態は、積層造形物の製造装置に係る。
図１に示したように、本実施形態の製造装置１１０は、膜供給部２０、ステージ４０及びエネルギー線照射部６０を含む。必要に応じて、スキージ５０を設けても良い。

膜供給部２０は、積層造形用の材料となる粉体を含むスラリーの膜をステージ４０上に供給する。膜供給部２０には、図１に関して説明した、ディスペンサ法、インクジェット法、またはスリットコート法のヘッドなどが用いられる。または、スピンコート法のスピンナを用いても良い。膜供給部２０として、図４に例示した製造装置１１１のように、ローラーやロボットアームなどを用いても良い。

エネルギー線照射部６０は、ステージ４０上に供給された膜の一部にエネルギー線を照射して、エネルギー線が照射された膜から積層造形物の一部を形成する。積層造形物に含まれる複数の層のそれぞれは、スラリー膜またはスラリー膜体を供給しつつ、スラリー膜またはスラリー膜体をエネルギー線（例えば、レーザ光）などで加熱して焼結または溶融して固化させることで形成される。そして、これらの処理を複数回繰り返すことで、所望の積層造形物が形成される。

粉体の膜と、スラリーの膜と、における平坦性に関する実験結果の例について説明する。
図５は、実験に用いた装置の模式的斜視図である。
装置１５０には、ステージ４０と、スキージ５０と、が設けられている。スキージ５０を矢印５１の向きに移動させて、スキージングを実施する。

図６（ａ）〜図６（ｄ）は、スラリーの特性を例示する模式図である。
実験においては、図５に示す装置１５０を用いて、２つの試料（試料Ｓａ１、試料Ｓａ２）をスキージ５０により平坦化した。図６（ａ）〜図６（ｄ）は、スキージングの前と後の膜の状態を示している。これらの試料においては平均粒径１６μｍ以下の粉体原料を用いている。試料Ｓａ１は、粉体であり、スラリーではない。試料Ｓａ２は、粉体をエタノール溶液で混ぜたスラリーである。スラリーにおける粉体の体積濃度は、１０％〜１５％である。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、試料Ｓａ１に対応し、それぞれ、スキージング前と後の状態を模式的に示す。図６（ｃ）及び図６（ｄ）は、試料Ｓａ２に対応し、それぞれ、スキージング前と後の状態を模式的に示す。

図６（ｂ）から明らかように、試料Ｓａ１のように平均粒径の小さい粉体の場合、スキージング後の凝集が顕著となる。これに対して、図６（ｄ）から明らかなように、試料Ｓａ２の場合、粉体がスラリー化されているため、スキージング後の凝集が抑制され、スキージ不良が抑制できる。

実施形態によれば、高生産性の積層造形物の製造方法、製造装置及びスラリーが提供できる。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、製造方法において用いられるスラリー、製造装置に含まれるステージ、膜供給部及びエネルギー線照射部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した積層造形物の製造方法、その製造装置及びスラリーを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての積層造形物の製造方法、その製造装置及びスラリーも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

２０…膜供給部、 ２１、５１、６１…矢印、 ３０…スラリー、 ３０ａ…スラリー膜、 ３０ｂ…別のスラリー膜、 ３０ｃ…スラリー膜体、 ３０ｄ…別のスラリー膜体、 ４０…ステージ、 ５０…スキージ、 ６０…エネルギー線照射部、 ７０ａ…焼結部、 ７０ｂ…非焼結部、 １１０、１１１…製造装置、 １５０…装置

Claims (14)

1. 積層造形物の製造方法であって、
   粉体を含む第１のスラリーの膜をステージ上に供給する第１工程と、
   前記第１のスラリーの前記膜の一部にエネルギー線を照射して前記積層造形物の一部を形成する第２工程と、
   前記積層造形物の一部の上に第２のスラリーの膜を供給する第３工程と、
   前記第２のスラリーの前記膜の一部にエネルギー線を照射して前記積層造形物の別の一部を形成する第４工程と、
   を含み、
   前記第３工程と前記第４工程とを複数回繰り返す積層造形物の製造方法。
2. 前記第３工程と前記第４工程との間とにおいて実施される第５工程を含み、
   前記第５工程は、前記第２のスラリーの前記膜を平坦化することを含む請求項１記載の積層造形物の製造方法。
3. 前記第３工程と前記第４工程との間とにおいて実施される第６工程を含み、
   前記第６工程は、前記第２のスラリーの前記膜を乾燥させることを含む請求項１または２に記載の積層造形物の製造方法。
4. 前記第１工程は、スラリーを前記ステージ上に塗布し、
   前記第３工程は、スラリーを前記積層造形物の前記一部の上に塗布することを含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の積層造形物の製造方法。
5. 前記塗布は、ディスペンサ法、インクジェット法、スリットコート法及びスピンコート法のいずれかを実施することを含む請求項４記載の積層造形物の製造方法。
6. 前記第１工程は、第１のスラリーの膜体を前記ステージ上に配置することを含み、
   前記第２工程は、前記第１のスラリーの前記膜体の一部にエネルギー線を照射して前記積層造形物の前記一部を形成することを含み、
   前記第３工程は、前記積層造形物の前記一部の上に第２のスラリーの膜体を配置することを含み、
   前記第４工程は、前記第２のスラリーの前記膜体の一部にエネルギー線を照射して前記積層造形物の前記別の一部を形成することを含む請求項１記載の積層造形物の製造方法。
7. 積層造形物の製造装置であって、
   ステージと、
   粉体を含むスラリーの膜を前記ステージ上に供給する膜供給部と、
   前記膜の一部にエネルギー線を照射して前記積層造形物の一部を形成するエネルギー線照射部と、
   を備えた積層造形物の製造装置。
8. 前記膜供給部は、前記スラリーを前記ステージ上に塗布する請求項７記載の積層造形物の製造装置。
9. 前記膜供給部は、前記スラリーの膜体を前記ステージ上に配置する請求項７記載の積層造形物の製造装置。
10. 積層造形物の材料となる粉体と、
    アルコール類、エーテル類及びケトン類よりなる群から選択された少なくともいずれかを含む溶剤と、
    を含むスラリー。
11. 前記スラリーは、増粘剤、還元剤及び防錆剤の少なくともいずれかをさらに含む請求項１０記載のスラリー。
12. 前記スラリーはインクジェット法で塗布され、前記スラリーの粘度は、１ｃｐ以上２００ｃｐ以下である請求項１０または１１に記載のスラリー。
13. 前記スラリーはスリットコート法で塗布され、前記スラリーの粘度は、１ｃｐ以上５００００ｃｐ以下である請求項１０または１１に記載のスラリー。
14. 前記スラリーはスピンコート法で塗布され、前記スラリーの粘度は、１ｃｐ以上３００ｃｐ以下である請求項１０または１１に記載のスラリー。