JP2016044338A

JP2016044338A - 造形方法および造形物

Info

Publication number: JP2016044338A
Application number: JP2014170174A
Authority: JP
Inventors: 大竹　俊裕; Toshihiro Otake; 俊裕大竹
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2016-04-04
Anticipated expiration: 2034-08-25
Also published as: US20160053399A1; US10501863B2; JP6417586B2

Abstract

【課題】立体物を三次元造形により造形する際にサポート部をより簡便に除去できる造形方法および造形物を提供する。【解決手段】立体物１を造形する造形方法は、本体部１０用の第１の金属とサポート部２０用の第２の金属とを用いて、本体部１０とサポート部２０とで構成される直方体１ａを造形する工程と、直方体１ａを電解質溶液９に浸漬しサポート部２０に電流を流して、直方体１ａからサポート部２０を除去する工程と、を含むことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、造形方法および造形物に関する。

中空形状や庇形状などを有する立体物を金属で造形する際には、従来は、鋳型を用いた鋳造による方法や、直方体状のブロックから切削などの機械加工により不要部分を除去する方法が用いられていた。鋳造による方法では、鋳型の製造が必要であるが、鋳造後の仕上げ加工も必要となり、立体物が中空状態の場合は複数の鋳型が必要となるという課題があった。機械加工による方法では、切削加工に多大な工数を要する。したがって、これらの方法では、造形のための工数やコストが多大なものとなるという課題があった。

特許文献１には、金属粉末の層を配置してその金属粉末層のうち本体部（タイヤ製造用コア）となる部分にレーザー光を照射して焼結させ、その上に金属粉末層を積層配置し焼結する工程を繰り返すことで、三次元造形により立体物を造形する方法が開示されている。特許文献１に記載の技術では、本体部全体の焼結が完了した後、本体部以外の部分（サポート部）の焼結されていない金属粉末を除去することにより、従来の方法よりも少ない工数で本体部からなる立体物（タイヤ製造用コア）が得られる。

特開２００３−３２０５９５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、立体物を造形する過程において、焼結される本体部以外の部分（サポート部）は金属粉末のままの状態で積層される。そのため、サポート部が本体部と同様の強度を有していないので、サポート部と本体部とを同様に取り扱うことができず、例えば振動や衝撃などによりサポート部の一部が崩れて（移動して）しまうと、その上に形成される本体部の形状が所望の形状とならないおそれがある。また、本体部全体の焼結が完了した後にサポート部の金属粉末を除去する際に、例えば静電気などにより、サポート部の金属粉末の一部が本体部の表面に付着（残留）してしまうおそれがある。したがって、鋳造による方法や機械加工による方法よりも簡便な造形方法であって、より容易かつ精度よく立体物を造形でき、より確実にサポート部を除去できる方法が求められている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る造形方法は、第１の部分用の第１の金属と第２の部分用の第２の金属とを用いて、前記第１の部分と前記第２の部分とで構成される造形物を造形する工程と、前記造形物を電解質溶液に浸漬し前記第２の部分に電流を流して、前記造形物から前記第２の部分を除去する工程と、を含むことを特徴とする。

本適用例の造形方法によれば、第１の金属と第２の金属とを用いて第１の部分と第２の部分とで構成される造形物を造形するので、例えば、中空形状や庇形状などを有する造形物を、第１の部分を本体部とし第２の部分をサポート部として容易に造形することができる。そして、造形物を電解質溶液に浸漬し第２の部分に電流を流すことで、第２の金属を酸化させイオン化させて第２の部分を除去できるので、従来のように鋳型や機械加工を必要とせず容易に立体物を造形することができる。

［適用例２］上記適用例に係る造形方法であって、前記造形物を造形する工程では、前記第１の金属と前記第２の金属とを焼結することが好ましい。

本適用例の造形方法によれば、造形物を造形する工程で第１の金属と第２の金属とを焼結するため、第２の部分（サポート部）が第１の部分（本体部）と同様の強度を有し第２の部分を第１の部分と同様に取り扱えるので、より容易かつ精度よく立体物を造形することができる。また、第２の部分を除去する工程では、焼結された状態の第２の金属がイオン化されて除去されるため、第２の部分を容易に除去でき、第１の部分の表面に第２の金属の一部が残留することを抑止できる。

［適用例３］上記適用例に係る造形方法であって、前記第２の金属の酸化電位は前記第１の金属の酸化電位よりも低いことが好ましい。

本適用例の造形方法によれば、第２の金属の酸化電位は第１の金属の酸化電位よりも低いので、第２の部分を除去する工程において印加する電位の設定により、第１の金属を酸化させることなく第２の金属を酸化させることが可能となる。これにより、第２の金属をイオン化させて第２の部分を選択的に除去することが可能となる。

［適用例４］上記適用例に係る造形方法であって、前記第２の部分を除去する工程では、前記造形物に、前記第２の金属の酸化電位以上、かつ、前記第１の金属の酸化電位未満の電位を印加することが好ましい。

本適用例の造形方法によれば、第２の部分を除去する工程で造形物に第２の金属の酸化電位以上、かつ、第１の金属の酸化電位未満の電位を印加するので、第１の金属を酸化させることなく第２の金属を酸化させイオン化させることができる。これにより、第１の部分を残しつつ、第２の部分を容易かつ確実に除去することができる。

［適用例５］適用例に係る造形物は、第１の部分用の第１の金属と第２の部分用の第２の金属とを用いて造形され、前記第１の部分と前記第２の部分とで構成される造形物であって、前記第２の金属の酸化電位は前記第１の金属の酸化電位よりも低いことを特徴とする。

本適用例の構成によれば、造形物は第１の部分用の第１の金属と第２の部分用の第２の金属とを用いて造形されているので、例えば、中空形状や庇形状などを有する造形物を、第１の部分を本体部とし第２の部分をサポート部として容易に造形することができる。そして、造形物を電解質溶液に浸漬し第２の部分に電流を流すことで、第２の金属を酸化させイオン化させて第２の部分を容易に除去できるので、従来のように鋳型や機械加工を必要とせず容易に立体物を造形することができる。

［適用例６］本適用例に係る造形物は、第１の部分用の第１の金属と第２の部分用の第２の金属とを用いて造形された後、前記第２の部分が除去された造形物であって、前記第２の金属の酸化電位は前記第１の金属の酸化電位よりも低いことを特徴とする。

本適用例の構成によれば、造形物は第１の部分用の第１の金属と第２の部分用の第２の金属とを用いて造形された後、第２の部分が除去されたものであるので、例えば、中空形状や庇形状などを有する造形物を、第１の部分を本体部とし第２の部分をサポート部として容易に造形することができる。そして、造形物を電解質溶液に浸漬し第２の部分に電流を流すことで、第２の金属を酸化させイオン化させて第２の部分を容易に除去できるので、従来のように鋳型や機械加工を必要とせず容易に立体物を造形することができる。

本実施形態に係る造形物としての立体物を示す斜視図。本実施形態に係る立体物の造形方法を説明する断面図。本実施形態に係るサポート部を除去する方法を説明する図。変形例にかかる造形方法を説明する断面図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。

＜造形物＞
まず、本実施形態に係る造形物としての立体物について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る造形物としての立体物を示す斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係る立体物１は、第１の部分としての本体部１０からなる。本体部１０は、基部１１と庇部１２とを有している。本体部１０の上面（図１に示す上方側の面）は、略長方形であり、基部１１と庇部１２とに亘る領域を有している。本体部１０は、金属（第１の金属）からなる。

本体部１０の上面の長辺に沿った方向をＸ方向とし、上面の短辺に沿った方向でありＸ方向と交差する方向をＹ方向する。本体部１０の厚さ方向であり、Ｘ方向およびＹ方向と交差する方向をＺ方向とする。本体部１０は、基部１１の上方（＋Ｚ方向）側から庇部１２が＋Ｘ方向側に延出した形状を有している。本体部１０は、上面と同じ大きさの底面を有する直方体から、庇部１２の下方（−Ｚ方向）側の部分を取り去った形状を有している、ともいうことができる。

＜造形方法＞
本実施形態に係る立体物１（本体部１０）は、三次元造形により造形される。より具体的には、三次元ＣＡＤなどにより設計した図１に示すような立体物１の完成形状の三次元データに基づいて、立体物１をＸ方向とＹ方向とで構成される平面を有する薄板状に分割したデータを作成する。そして、３Ｄプリンターやディスペンサーなどを用いて、その薄板状の層を一層ずつ形成し＋Ｚ方向に積層することにより、立体物１が造形される。

図１に示す立体物１（本体部１０）の下方（−Ｚ方向）側は基部１１のみであるが、上方（＋Ｚ方向）側は基部１１と庇部１２とが存在する。換言すれば、基部１１は接地される部分であり、庇部１２は空間に浮いた部分である。そのため、Ｘ方向とＹ方向とで構成される平面を有する薄板状の層を積層して立体物１を造形する際には、庇部１２を下方側で支える部材が必要となる。

本実施形態では、立体物１を造形する際に、本体部１０の庇部１２を支える部材として、第２の部分としてのサポート部２０（図２（ｅ）参照）を本体部１０とともに形成し、本体部１０が形成された後にサポート部２０を除去する。したがって、上述の立体物１を薄板状に分割したデータは、本体部１０とサポート部２０とを含む。サポート部２０は、金属（第２の金属）からなる。

本体部１０用の金属（第１の金属）およびサポート部２０用の金属（第２の金属）は、サポート部２０用の金属の酸化電位が本体部１０用の金属の酸化電位よりも低い組み合わせとなるように選択される。例えば、本体部１０用の金属が銀（Ａｇ）でサポート部２０用の金属が銅（Ｃｕ）、本体部１０用の金属が銅（Ｃｕ）でサポート部２０用の金属が錫（Ｓｎ）、本体部１０用の金属が錫（Ｓｎ）でサポート部２０用の金属が亜鉛（Ｚｎ）などの、異なる組み合わせを用いることができる。

以下に、本実施形態に係る造形方法について、図２および図３を参照して説明する。図２は、本実施形態に係る立体物の造形方法を説明する断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図に相当する。図３は、本実施形態に係るサポート部を除去する方法を説明する図である。

図２（ａ）に示すように、本体部１０用の金属の材料を、本体部１０を薄板状に分割したデータに対応する本体部金属材料層１０ａとして、基材３０上の基部１１が設けられる領域に配置する。また、サポート部２０用の金属の材料を、サポート部２０を薄板状に分割したデータに対応するサポート部金属材料層２０ａとして、基材３０上の庇部１２が設けられる領域と平面視で重なる領域に配置する。

本体部１０用の金属の材料とサポート部２０用の金属の材料としては、例えば、粉末状の金属や、金属粉末がバインダーなどを介してペースト状にされたものなどが用いられる。本体部１０用の金属の材料およびサポート部２０用の金属の材料として、ワイヤー状またはテープ状のものを用いてもよい。なお、基材３０は、立体物１を造形する工程において、本体部１０（本体部金属材料層１０ａ）とサポート部２０（サポート部金属材料層２０ａ）とを支持するためのものである。

次に図２（ｂ）に示すように、本体部金属材料層１０ａとサポート部金属材料層２０ａとを、例えばレーザー光を照射することにより焼結して、薄板状の本体部金属層１０ｂとサポート部金属層２０ｂとする。続いて、図示を省略するが、薄板状の本体部金属層１０ｂとサポート部金属層２０ｂとの上に、図２（ａ）に示す本体部金属材料層１０ａとサポート部金属材料層２０ａとを配置し、焼結して、薄板状の本体部金属層１０ｂとサポート部金属層２０ｂとする。

図２（ｃ）に示すように、上述の本体部金属材料層１０ａとサポート部金属材料層２０ａとを配置して焼結する工程を繰り返すことで、薄板状の本体部金属層１０ｂとサポート部金属層２０ｂとがそれぞれ順次積層され一体化される。そして、その上にさらに本体部金属材料層１０ａとサポート部金属材料層２０ａとを配置して焼結する。造形される本体部１０において基部１１のみで庇部１２を含まない層までは、基部１１が設けられる領域に本体部金属層１０ｂが積層され、庇部１２が設けられる領域と平面視で重なる領域にサポート部金属層２０ｂとが積層される。

このように、直方体１ａを形成する工程で、本体部金属材料層１０ａとサポート部金属材料層２０ａとの双方を焼結するため、サポート部金属層２０ｂが本体部金属層１０ｂと同様の強度を有するので、より容易かつ精度よく直方体１ａを形成することができる。

図２（ｄ）に示すように、造形される本体部１０において基部１１と庇部１２とを含む層からは、基部１１が設けられる領域と庇部１２が設けられる領域とに、本体部金属材料層１０ａのみが配置されて焼結されることにより、本体部金属層１０ｂが積層されていく。

図２（ｅ）に示すように、本体部金属層１０ｂが最上層まで積層されることにより、本体部１０とサポート部２０とで構成される直方体１ａが形成される。直方体１ａにおいて、サポート部２０は、庇部１２を支えるように、庇部１２と基材３０との間に位置している。

次に、直方体１ａを基材３０から取り外した後、直方体１ａからサポート部２０を除去する。直方体１ａからサポート部２０を除去する工程では、例えば、図３に示すポテンショスタット５が用いられる。図３に示すように、ポテンショスタット５には、直方体１ａ（作用電極）と、対向電極６と、参照電極７とが接続される。直方体１ａと対向電極６と参照電極７とは、溶液層８に収容された電解質溶液９に浸漬される。

ポテンショスタット５により、参照電極７を基準として直方体１ａに所定の電位を一定の値で印加する。上述したように、サポート部２０用の金属（第２の金属）の酸化電位は、本体部１０用の金属（第１の金属）の酸化電位よりも低い。そこで、所定の電位として、サポート部２０用の金属の酸化電位以上、かつ、本体部１０用の金属の酸化電位未満の電位を印加して、サポート部２０用の金属のみを酸化させる。このような所定の電位は、上述したそれぞれの金属の組み合わせによって以下のように設定される。

所定の電位をＶａとすると、本体部１０用の金属（第１の金属）が銀（Ａｇ）でサポート部２０用の金属（第２の金属）が銅（Ｃｕ）の場合は、銀の酸化電位が＋０．８００Ｖであり銅の酸化電位が＋０．３４２Ｖであるので、所定の電位Ｖａは＋０．３４２≦Ｖａ＜＋０．８００となる。本体部１０用の金属が銅（Ｃｕ）でサポート部２０用の金属が錫（Ｓｎ）の場合は、錫の酸化電位が−０．１３８Ｖであるので、所定の電位Ｖａは−０．１３８≦Ｖａ＜＋０．３４２となる。本体部１０用の金属が錫（Ｓｎ）でサポート部２０用の金属が亜鉛（Ｚｎ）の場合は、亜鉛の酸化電位が−０．７６２Ｖであるので、所定の電位Ｖａは−０．７６２≦Ｖａ＜−０．１３８となる。

直方体１ａに所定の電位を印加することにより、直方体１ａと対向電極６との間、すなわち、サポート部２０と対向電極６との間に電流が流れる。そうすると、サポート部２０には第２の金属の酸化電位以上の電位が印加されているため、第２の金属が酸化されてイオン化する。これにより、第２の金属からなるサポート部２０が、電解質溶液９と接する表面側から電解質溶液９に溶解する。本体部１０用の金属は酸化しないため、サポート部２０全体が溶解することにより、直方体１ａからサポート部２０が除去されて本体部１０のみとなる。この結果、図２（ｆ）に示すように、本体部１０からなる立体物１が得られる。

本実施形態に係る造形方法によれば、第１の金属と第２の金属とを用いて本体部１０とサポート部２０とで構成される直方体１ａを形成し、サポート部２０を除去する工程において直方体１ａからサポート部２０を除去する。サポート部２０を除去する工程では、サポート部２０用の金属（第２の金属）が選択的に酸化されることにより電解質溶液９に溶解して自ら除去されるので、サポート部２０を容易に除去できる。そのため、鋳型や機械加工を必要とする従来の方法と比べて、より容易に立体物１を造形することができる。

また、直方体１ａを造形する工程では、ともに粉末状の本体部１０用の金属（第１の金属）とサポート部２０用の金属（第２の金属）とを焼結するため、サポート部２０が本体部１０と同様の強度を有し、サポート部２０を本体部１０と同様に取り扱うことができる。したがって、サポート部２０が金属粉末の状態のままで本体部１０を形成する場合と比べて、より容易かつ精度よく直方体１ａを造形することができる。そして、サポート部２０を除去する工程では、焼結された状態の第２の金属が酸化されイオン化されて除去されるため、立体物１（本体部１０）の表面にサポート部２０用の金属（第２の金属）の一部が残留することを抑止できる。

なお、本実施形態に係る造形方法で造形できる立体物は、図１に示す立体物１に限定されるものではない。本実施形態に係る造形方法によれば、例えば、中空状態の形状の立体物や、複雑な内部形状を有する立体物など他の形状の立体物を造形することができる。

上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。変形例としては、例えば、以下のようなものが考えられる。

（変形例）
上記の実施形態では、本体部１０用の金属（第１の金属）とサポート部２０用の金属（第２の金属）とを配置して焼結する工程を繰り返すことで、本体部１０とサポート部２０とで構成される直方体１ａが形成される構成であったが、本発明はこのような形態に限定されない。このような工程を繰り返すことで、本体部１０とサポート部２０との界面に、合金層が形成される構成であってもよい。また、最終的に得られる立体物にこの合金層が残っていてもよい。

変形例においても、図２（ａ）から図２（ｄ）に示す上記実施形態の工程と同様に、本体部１０用の金属（第１の金属）とサポート部２０用の金属（第２の金属）とを配置し焼結する工程を繰り返す。このような工程を繰り返す際に、第１の金属と第２の金属との組み合わせなどによって、本体部１０とサポート部２０とが接する部分に、第１の金属と第２の金属との合金が形成される場合がある。

図４は、変形例にかかる造形方法を説明する断面図である。図４（ａ）は、上記の実施形態における図２（ｅ）に対応する図である。図４（ａ）に示すように、直方体１ｂは本体部１０とサポート部２０とで構成されるが、本体部１０とサポート部２０との界面に第１の金属と第２の金属との合金層４０が形成されている。直方体１ｂの本体部１０とサポート部２０との界面に合金層４０が存在すると、第１の金属の熱膨張率と第２の金属の熱膨張率とが異なることに起因して本体部１０とサポート部２０との間に生じる応力を、合金層４０が緩衝材となって緩和することができる。これにより、直方体１ｂを形成する工程において第１の金属と第２の金属との熱膨張率の違いによって生じる反りや変形を抑えることができる。

図４（ｂ）は、上記の実施形態における図２（ｆ）に対応する図である。図４（ａ）に示すように直方体１ｂに合金層４０が形成された場合、図４（ｂ）に示すように最終的に得られる立体物２にこの合金層４０が残っていてもよい。また、直方体１ｂに合金層４０が形成された場合でも、図２（ｆ）に示すように最終的に得られる立体物１にこの合金層４０が残っていなくてもよい。なお、合金層４０を最終的に残すか残さないかは、例えば、サポート部２０を除去する工程において直方体１ｂに印加する電位の設定や電位を印加している時間の長さなどにより制御することが可能である。

１，２…立体物（造形物）、１ａ，１ｂ…直方体（造形物）、１０…本体部（第１の部分）、９…電解質溶液、１０ａ…本体部金属材料層（第１の金属）、１１…基部、１２…庇部、２０…サポート部（第２の部分）、２０ａ…サポート部金属材料層（第２の金属）。

Claims

第１の部分用の第１の金属と第２の部分用の第２の金属とを用いて、前記第１の部分と前記第２の部分とで構成される造形物を造形する工程と、
前記造形物を電解質溶液に浸漬し前記第２の部分に電流を流して、前記造形物から前記第２の部分を除去する工程と、
を含むことを特徴とする造形方法。
請求項１に記載の造形方法であって、
前記造形物を造形する工程では、前記第１の金属と前記第２の金属とを焼結することを特徴とする造形方法。
請求項１または２に記載の造形方法であって、
前記第２の金属の酸化電位は前記第１の金属の酸化電位よりも低いことを特徴とする造形方法。
請求項３に記載の造形方法であって、
前記第２の部分を除去する工程では、前記造形物に、前記第２の金属の酸化電位以上、かつ、前記第１の金属の酸化電位未満の電位を印加することを特徴とする造形方法。
第１の部分用の第１の金属と第２の部分用の第２の金属とを用いて造形され、前記第１の部分と前記第２の部分とで構成される造形物であって、
前記第２の金属の酸化電位は前記第１の金属の酸化電位よりも低いことを特徴とする造形物。
第１の部分用の第１の金属と第２の部分用の第２の金属とを用いて造形された後、前記第２の部分が除去された造形物であって、
前記第２の金属の酸化電位は前記第１の金属の酸化電位よりも低いことを特徴とする造形物。