JP2016064963A

JP2016064963A - セラミックス成形体およびその製造方法

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Publication number: JP2016064963A
Application number: JP2014195988A
Authority: JP
Inventors: 岳朗時園; Takeo Tokizono; 安藤　正美; Masami Ando; 正美安藤; 井出　貴之; Takayuki Ide; 貴之井出
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-04-28

Abstract

【課題】大型かつ複雑形状であり、位置ずれのないニアネットなセラミックス成形体の製造方法の提供。【解決手段】粉末焼結積層造形法によるセラミックス成形体の製造方法であって、原料容器内にセラミックスと樹脂とを含む原料を準備する工程と、前記原料を、リコーターによって造形テーブル上に敷き詰め、原料からなる薄層を形成するリコート工程と、当該原料からなる薄層の所望の領域にレーザーを照射し、当該薄層を焼結させ、固定部を含む焼結薄層を造形する工程と、前記原料からなる薄層の所望の領域にレーザーを照射し、当該薄層を焼結させ、成形体を造形する工程と、前記セラミックス成形体を含む焼結薄層を造形する工程を複数回行い、セラミックス成形体を得る工程とを少なくとも含んでなる製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は粉末焼結積層造形法によるセラミックス成形体の製造方法に関する。

セラミックスの成形は、プレス成形、押出成形、テープ成形、鋳込み成形など多種多様な方法がある。材料の種類や機能、製品の仕様に応じて最適な方法が選択されている。

セラミックスの大型化や複雑形状化に対応するため、鋳込み成形や冷間静水圧加圧成形（ＣＩＰ）が広く用いられている。また、近年、成形体や石膏型の加工コストの削減や、より簡便な成形を実現するために、粉末焼結積層造形法によるセラミックスのニアネット成形が注目されている。

粉末焼結積層造形法によるセラミックスの成形として、例えば、Stevinson et al.,SOLID FREEFORM FABRICATION PROCEEDINGS;（2006）p.359-365（非特許文献１）が知られている。この文献には、原料として炭化ケイ素粒子およびフェノール樹脂を用い、粉末焼結積層造形法にてセラミックス成形体を造形することが記載されている。

Stevinson et al.,SOLID FREEFORM FABRICATION PROCEEDINGS;（2006）p.359-365

粉末焼結積層造形法では、原料を造形部へ供給するリコート工程を経て造形を行う。リコート工程とは、原料容器内の原料テーブル上に載る原料を、リコーターと呼ばれるローラーやスクレーパーによって造形用容器内の造形テーブル上へ搬送し、敷く工程を指す。この造形テーブル上に敷かれた原料からなる薄層に、所望の形状となるようにレーザーを照射することで成形部を造形する。これらを繰り返すことで、所望の形状の成形部が積層した成形体を造形する。

本発明者らは、非特許文献１に基づき、粉末焼結積層造形法によりセラミックス成形体を造形すると、成形体を構成する成形部が造形中に位置ずれしてしまい、所望の成形体を得ることができないという問題を見出した。この原因としては以下のように考えている。粉末焼結積層造形法では、造形中において、造形用容器内が原料で充填されているため、成形部が動かないと考えられていた。しかし、原料としてセラミックスを用いる場合、セラミックスの球状粒子は非常に高価であり、通常は破砕や粉砕によって作製された球状でない不定形状セラミックス粒子を用いるため、原料の流動性が悪い。原料として不定形状セラミックス粒子を用い、一層目の成形部を造形した後の二層目のリコート工程において、リコーターが動く際に造形テーブルに搬送されたセラミックス粉末が一層目の成形部に引っ掛かり、一層目の成形部も引きずられる。これによって成形部はリコーターの動きに合わせて引きずられ、位置ずれが起きてしまうと考えている。

本発明は、今般、粉末焼結積層造形法を用いたセラミックス成形体の製造方法において、成形部の造形前に、成形部と同じ原料を用いて固定部を設けることにより、成形部の位置ずれを防止できるとの知見を得た。したがって、本発明は、セラミックス成形体の造形時に成形部の位置がずれる現象を防止するとともに、ニアネット形状でセラミックス成形体を得ることを目的としている。

本発明によるセラミックス成形体の製造方法は、
原料容器内にセラミックスと樹脂とを含む原料を準備する工程と、
前記原料を、リコーターによって造形テーブル上に敷き詰め、原料からなる薄層を形成するリコート工程と、
前記原料からなる薄層を形成し、当該薄層の所望の領域にレーザーを照射し、当該薄層を焼結させ、成形部のずれを防止するための固定部を含む一層目の焼結薄層を造形する工程と、
前記原料からなる薄層を造形し、当該薄層の所望の領域にレーザーを照射し、当該薄層を焼結させ、前記成形部を含む焼結薄層を造形する工程と、
前記焼結薄層を造形する工程を複数回行い、前記成形部を含む焼結薄層が複数積層されてなるセラミックス成形体を得る工程とを少なくとも含んでなることを特徴とする。

本発明によるセラミックス成形体の製造方法において用いることが可能な粉末焼結積層造形装置の正面断面図である。本発明の実施形態に係るセラミックス成形体と固定部の断面図および平面図である。本発明の実施形態に係るセラミックス成形体と固定部の断面図および平面図である。本発明の実施形態に係るセラミックス成形体と固定部の断面図および平面図である。本発明の実施形態に係るセラミックス成形体と固定部の断面図および平面図である。本発明の実施形態に係るセラミックス成形体と固定部の断面図および平面図である。実施例で得られた造形体の写真である。実施例で得られたセラミックス成形体の写真である。比較例で得られたセラミックス成形体の写真である。

定義
本発明において、成形体とは、粉末焼結積層造形法にて造形され、複数の成形部から構成されるものである。造形終了後に得られる所望の形状のセラミックスからなる成形体であり、セラミックス成形体とも言う。

本発明において粉末焼結積層造形法で造形される焼結薄層とは、３次元の形状データに基づいて、原料からなる薄層の所望の領域にレーザーを照射して、当該薄層を焼結させて造形されるものである。原料に含まれる樹脂が溶融することにより、セラミックス粒子同士が溶融樹脂を介して繋がって造形される層を指す。

本発明において、成形部とは、成形体を造形する過程で造形されるものであり、造形終了後に得られる成形体を構成する部分である。成形部は、粉末焼結積層造形法によって造形されるものであり、原料からなる薄層を形成し、３次元の形状データに基づいて、当該薄層の所望の領域にレーザーを照射して、当該薄層を焼結させて造形されるものである。原料からなる薄層のうち、溶融樹脂を介してセラミックス粒子同士が繋がった部分が成形部となる。

本発明において、固定部は、成形部を造形する際に、成形部の位置がずれることを防止するために造形されるものであって、少なくとも１層以上の焼結薄層からなる。

本発明において、固定部と成形部とが接触しているとは、一つの焼結薄層に固定部と成形部とが造形される場合、レーザーの照射によって原料に含まれる樹脂が溶融し、固定部と成形部とが一続きの焼結薄層であることを意味する。固定部と成形部とが異なる焼結薄層に造形される場合、成形部を含む焼結薄層と固定部を含む焼結薄層とが積層されており、成形部と固定部とに含まれる樹脂が溶融して、成形部と固定部に含まれるセラミック粒子が繋がった状態であることを意味する。

本発明において、造形体とは、成形体と固定部とから構成されるものである。造形体から固定部を除去することにより、成形体を得ることができる。

原料の用意
本発明による成形体の製造方法にあっては、先ず原料容器内にセラミックス粒子と樹脂とを含む原料を用意する。

（セラミックス粒子）
本発明において用いられるセラミックス粒子は、平均粒子径が１μｍ以上１００μｍ以下のものであることが好ましい。セラミックス粒子の平均粒径が１μｍ以上であることにより、原料に流動性が付与され、リコート可能となる。また、平均粒子径が１００μｍ以下であることにより、レーザー照射により、セラミックス粒子と樹脂とを含む原料の溶融が可能となる。さらに、原料からなる薄層の厚みを１５０μｍ以下とすることが可能となる。その結果、レーザー照射により樹脂を十分に溶かすことができ、原料同士を強固に結合させることが可能となる。セラミックス粒子の平均粒子径は１０μｍ以上８０μｍ以下であることがより好ましい。ここで、平均粒子径とは、JIS R6002研削といし用研磨材の粒度の試験方法に規定される光透過沈降法または沈降試験方法により測定された累積高さ５０％点の粒子径（ｄｓ−５０値）を意味する。

セラミックス粒子として、平均粒子径が異なる二種以上の粒子を混合して用いることもできる。混合される二種以上のセラミックス粒子の各平均粒子径はいずれも上記範囲内であることが好ましい。また、混合される二種以上のセラミックス粒子は、混合粒子のタップ密度が単一粒子のそれより高くなるような割合で混合されるのが好ましい。

セラミックス粒子として、複数の粒子を造粒した造粒粒子を用いることもできる。ここで、本発明において「造粒」とは、複数の粒子を結合剤（バインダー）等を用いてより大きな粒状に加工することを意味する。造粒することで、原料の流動性および充填性を向上させることができる。造粒粒子の平均粒子径は、１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上８０μｍ以下であることがより好ましい。また、造粒はスプレードライ、流動層式、および転動式など公知の手法を用いて行うことができる。

（樹脂）
本発明において用いられる樹脂は、加熱により溶融する性質を有するものであることが好ましい。樹脂が溶融することにより、セラミックス粒子同士が溶融樹脂を介して繋がることができ、その結果、成形体がハンドリング可能な強度を有することが可能となる。また、後述するように、本発明では成形体が粉末焼結積層造形法により造形され、この造形法では原料からなる薄層にレーザーを照射してこれを焼結させて成形体を得るため、樹脂は加熱により溶融する性質を有するものであれば、特に制限なく用いることができる。

本発明において、加熱により溶融する性質を有する樹脂として、熱可塑性樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂の具体例としては、ナイロン、ポリプロピレン、ポリ乳酸、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレンコポリマー（ＡＢＳ）、エチレン・酢酸ビニルコポリマー（ＥＶＡ）、スチレン・アクリロニトリルコポリマー（ＳＡＮ）、アクリル樹脂、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、パラフィンおよびポリカプロラクトンからなる群から選ばれる少なくとも１つが挙げられる。これらの中でも、ナイロン１１やナイロン１２が好ましく、ナイロン１２がより好ましい。これらは、吸水性が低く耐薬品性に優れること等から経時的な変化が少なく粉末焼結積層造形に適している。

また、本発明において、加熱により溶融する性質を有する樹脂として、熱硬化性樹脂を用いることもできる。熱硬化性樹脂の具体例としては、ノボラック型フェノール樹脂などが挙げられる。

本発明において用いられる樹脂の平均粒子径は、５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。これにより、樹脂とセラミックス粒子との混合不良および原料の流動性低下を防ぐことができる。樹脂の平均粒子径は５μｍ以上３０μｍ以下であることがより好ましい。

（原料）
本発明による成形体の製造方法において用いられる原料は、セラミックス粒子と樹脂とを少なくとも含み、これらを混合して原料（粉末）とする。混合方法としては乾式混合が好ましい。また、混合手段としては、公知の手段を用いることができる。具体的には、コンクリートミキサーのような内部に羽のある容器の中で撹拌させる混合装置、Ｖ型撹拌機などの容器撹拌型混合機、および撹拌ミキサーなどが挙げられる。

本発明の好ましい態様によれば、セラミックス粒子と樹脂との混合比は、重量比で１００：０．５以上１００：１００以下であることが好ましく、１００：１以上１００：１０以下であることがより好ましく、１００：３前後であることがさらに好ましい。これにより、ハンドリング可能な強度を有する成形体を得ることが可能となる。セラミックス粒子と樹脂との混合比率を１００：３前後とすることにより、樹脂の量が過少となるのを抑制でき、セラミックス粒子同士を良好に繋げることができ、成形体の強度が高くなる。よって、成形体のハンドリングが良好となる。

本発明の一つの態様によれば、原料を造粒粉末とすることもできる。セラミックス粒子と樹脂とを含む原料を造粒することにより、原料の流動性および充填性を向上させることができる。また、成形体にハンドリング可能な強度を与えることができる。造粒はスプレードライ、流動層式、および転動式など公知の手法を用いて行うことができる。造粒粉末を調製する際は、バインダーを用いることが好ましい。バインダーの具体例としては、ナイロン、ポリプロピレン、ポリ乳酸、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレンコポリマ（ＡＢＳ）、エチレン・酢酸ビニルコポリマー（ＥＶＡ）、スチレン・アクリロニトリルコポリマー（ＳＡＮ）、アクリル樹脂、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、パラフィンおよびフェノール樹脂からなる群から選ばれる少なくとも１つが挙げられる。また、造粒粉末の平均粒子径は、１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上８０μｍ以下であることがより好ましい。

成形体の造形
本発明によるセラミックス成形体の製造方法にあっては、粉末焼結積層造形法を用いる。

（粉末焼結積層造形法）
粉末焼結積層造形法は、積層造形法の一種であり、３次元の形状データが変換処理されたスライスデータに基づき、原料からなる薄層をレーザー熱源により逐次溶融、焼結し、そして複数の焼結薄層を積層することで成形体を造形する手法である。粉末焼結積層造形法を用いることにより、成形型が不要となり、また加工が少なくて済むという利点が得られる。

図１に、本発明による成形体の製造方法において用いられる粉末焼結積層造形装置の一例を示す。この装置は、レーザー光出射部１０１Ａと、造形室１０１Ｂと、制御部（図示せず）とから構成されている。レーザー光出射部１０１Ａには、レーザー光の光源とレーザー光の照射方向を制御するミラーとが設けられている。造形室１０１Ｂには、中央部に設置された造形用容器１と、その両側に設置された原料容器２ａ、２ｂと、造形用容器１および原料容器２ａ、２ｂの周囲に設けられ、それらの周囲に平坦な面を形成するフランジ４とが備えられている。さらに、フランジ４は下枠７、７ａ、７ｂで補強されている。原料容器２ａ、２ｂおよび造形用容器１にはヒーターが設けられている。

造形用容器１内では、レーザー光の照射により造形が行われ、成形体が造形される。造形用容器１に囲まれた部分の表面領域を造形部１ａと称する。原料容器２ａ、２ｂは、原料を収納する容器であり、原料容器２ａ、２ｂに囲まれた部分の表面領域を原料収納領域２ｃ、２ｄと称する。フランジ４によって、造形用容器１と各原料容器２ａ、２ｂとを連結する連結部４ａ、４ｂが形成されている。これら連結部４ａ、４ｂは、造形部１ａと同じレベルの平面を形成し、造形部１ａと各原料収納領域２ｃ、２ｄとの間で原料が移動する際に原料が載る。

また、造形用容器１内には、造形用容器１内壁に沿って降下する造形テーブル５ａが設置され、原料容器２ａ、２ｂ内には、原料容器２ａ、２ｂ内壁に沿って上昇する原料供給テーブル５ｂ、５ｃが設置されている。

制御部は、造形テーブル５ａを薄層一層分降下させ、原料供給テーブル５ｂまたは５ｃを上昇させて、リコーター（原料運搬手段）６によって原料供給テーブル５ｂまたは５ｃ上の原料を運び出し、フランジ４ａまたは４ｂの上面を移動させて造形テーブル５ａ上に原料を運び入れ、そして造形テーブル５ａ上で原料からなる薄層を造形させる。制御部は、次いで、レーザー光及び制御ミラーにより、所望の固定部１１および成形体のスライスデータ（描画パターン）に基づき原料からなる薄層を選択的に加熱して焼結させ、一層分の焼結薄層を造形する。制御部は、さらに、これら一連の操作を繰り返させて複数の焼結薄層を逐次積層させ、セラミックス成形体１０を造形させる。

つまり、粉末焼結積層造形装置にあっては、造形用容器１内で、原料からなる薄層を造形し、この薄層をスライスデータに基づいて選択的に加熱し焼結して、焼結薄層を造形し、この操作を繰り返して焼結薄層を積層し、セラミックス成形体１０を得る。

（セラミックス成形体造形の事前準備）
セラミックス成形体の造形に先立って、得られた原料は、粉末焼結積層造形装置の原料容器２ａ、２ｂ内に充填される。その後、原料を充填した原料容器２ａ、２ｂは、装置本体にセットされる。

（焼結環境）
本発明の好ましい態様によれば、造形室内が不活性雰囲気下に置かれることが好ましい。不活性雰囲気下とするのに、ヘリウム、アルゴン、および窒素などの不活性ガスを用いることができる。これにより、焼結に付される原料および焼結された原料の酸化を防止することができる。

（予備加熱）
本発明の好ましい態様によれば、原料を焼結して成形体を造形する前に、原料粉末容器（原料）、造形部および造形部に敷かれた原料からなる薄層を予備加熱しておくことが好ましい。これにより、造形時原料にレーザー照射する際、原料が溶融および焼結し易くなる。また、成形体を効率良く造形することができる。予備加熱の温度は原料の種類によって適宜決定することができるが、原料に含まれる樹脂の融点または軟化点付近の温度で予備加熱するのが好ましい。具体的には、原料に含まれる樹脂の融点または軟化点よりも５℃〜１００℃低い温度、より好ましくは５℃〜５０℃低い温度、さらにより好ましくは５℃〜３０℃低い温度で行う。原料の樹脂としてナイロン１２を用いる場合は、１３０℃以上１８０℃以下の温度で予備加熱するのが好ましい。

（リコート工程）
成形体の造形にあっては、原料容器内の原料は、リコーターによって造形テーブル上に搬送され敷き詰められ、原料からなる薄層を形成する。これをリコート工程と呼ぶ。原料容器と造形部との表面が原料で面一になるように敷かれる。

成形体の造形前は、リコート工程により造形部に原料が敷かれる。予備加熱により、造形部に敷き詰められた原料が所望の温度に制御された後、成形体の造形を開始するのが好ましい。つまり、造形部に敷かれた原料が所望の温度到達後、リコート工程の後、所望の領域にレーザーを照射して、成形部を含む焼結薄層を造形するのが好ましい。

焼結薄層の厚みは、好ましくは３０μｍ以上１５０μｍ以下であり、より好ましくは５０μｍ以上１００μｍ以下である。これにより、レーザー照射で原料粉末に含まれる樹脂を十分に溶かすことができ、原料粉末同士を強固に結合させることが可能となる。

本発明において、レーザーは、造形すべき固定部および成形体のスライスデータ（描画パターン）に基づき原料からなる薄層を選択的に加熱して焼結させ、一層分の焼結薄層を造形する。レーザーは、照射出力が１０Ｗ以上のものを用いるのが好ましい。これにより、原料に含まれる樹脂が溶融され、原料同士が安定して焼結される。レーザーの種類としては、CO₂レーザー、YAGレーザー、および半導体レーザーなど公知のレーザーを用いることができる。

（固定部の造形）
成形体の造形にあっては、原料からなる薄層の所望の領域にレーザーを照射して、当該薄層を焼結させて焼結薄層を造形する。一層目の焼結薄層は、固定部を含むように造形する。なお、一層目の焼結薄層とは、レーザーにより焼結した層として一層目であるという意味である。レーザーによる焼結開始前は、造形部に原料からなる薄層が何層も形成されている場合があるが、このような原料からなる薄層は、造形体を構成するものではないため、一層目には含めない。

固定部とは、成形体を構成する複数の成形部が位置ずれしないようにするためのものであり、成形体と同じ原料で造形される。本発明のセラミックス成形体の製造方法において、固定部を含む焼結薄層を少なくとも一層目に造形することにより、リコート工程において、リコーターが動く際に原料に含まれるセラミックス粒子が成形部に引っ掛かることによって生じる成形部の位置ずれを抑制し、位置決め精度の低下を防止することが可能となる。一層目の焼結薄層には、成形部を含んでも良い。固定部の形状や造形する位置は、造形したい成形体の形状や大きさに合わせて適宜決めることができる。例えば、原料からなる薄層の全体を焼結させた固定部や、原料からなる薄層のうち一部の領域を焼結させて多面体や円など複数の固定部を造形しても良い。

本発明において、二層目以降の焼結薄層を造形する際、固定部を含む焼結薄層を造形しても良い。成形体の形状や大きさによって、確実に位置ずれを防止するため固定部は一層目のみでなく、複数造形することが好ましい。成形部の位置ずれを防止するために、固定部を複数設け、成形部の下方だけでなく、造形する成形体と同じぐらいの高さになるように造形しても良い。また、固定部を複数設ける場合、これらが接触していないことが好ましい。これにより、固定部を分散させて造形させることができ、成形部の位置ずれを抑制しやすくすることが可能となる。

本発明において、固定部を含む焼結薄層は、固定部のみを構成するものでも良いし、固定部と成形部とを構成するものでも良い。固定部のみを構成する焼結薄層である場合は、原料からなる薄層全体にレーザーを照射して、全体を焼結させた焼結薄層を造形させることが好ましい。

本発明において、固定部と成形部は接触していても良いし、接触していなくても良い。接触している場合は、成形体と固定部とを含む造形体を造形した後、造形体から固定部を除去しなければならない。よって、固定部と成形部の接触面積が小さい方が好ましいが、成形部の位置ずれを防止するために、成形部と固定部は３点以上の接触点を設けることが好ましい。接触していない場合は、成形部の位置がずれないように、成形部と固定部の間隔を制御して固定部を造形することが好ましい。具体的には、成形部の位置ずれを小さく抑えるため成形部と固定部の間の距離を０．２ｍｍより大きく１０ｍｍ未満にすることが好ましい。固定部と成形部とが接触していない場合は、造形体を造形した後、造形体から固定部を除去する必要がないため、より好ましい。

（成形体の造形）
原料からなる薄層の少なくとも一部の領域にレーザーを照射して、当該薄層を焼結させてセラミックス成形体を含む焼結薄層を造形するための工程を所望の回数繰り返して成形部を含む焼結薄層を複数造形し、所望の成形体を得る。

以下に、本発明の固定部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、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。図には一つの成形体を造形した実施形態を示して説明するが、複数個の成形体を同時に造形してもよい。

図２〜６は、本発明の実施形態に係る成形体を製造する例を示す模式図である。粉末焼結積層造形法では、造形体は下から上に向かって一層ずつ造形され、一層目は焼結薄層のうち最下部の層、つまり一層目の焼結薄層を意味する。

図２に示す造形体２０は、一層目の焼結薄層として成形部２２と固定部２３とを造形し、その後複数の成形部２２を造形して得られる造形体２０の模式図である。下図は平面図であり、上図は平面図のＡ‐Ａ線に沿った断面図である。本実施形態において、一層目の焼結薄層は、成形部２２および固定部２３を構成する。成形部２２と固定部２３とが接触し、成形部２２の周囲を囲うように固定部２３が造形されている。図２では、固定部２３を一層目のみに造形した場合を示しているが、複数層連続で造形されたものでも良い。また、造形される固定部２３の形状や大きさは、成形部２２が位置ずれせず、所望の形状の成形体２１を得られれば、特に制限されるものではない。得られる成形体２１は、固定部２３と接触した造形体２０として造形される。よって、造形体２０を造形した後、造形体２０から固定部２３を除去して成形体２１を得る。

図３に示す造形体３０は、一層目の焼結薄層として薄層全体が焼結された固定部３３となるように造形し、固定部３３と接触するように固定部３３上に球状の固定部３３ａが造形される。固定部３３ａの上に成形体３１の一層目である成形部３２が固定部３３ａと接触して造形され、その後複数層の成形部３２を造形して得られる造形体３０の模式図である。下図は平面図であり、上図は平面図のＡ‐Ａ線に沿った断面図である。本実施形態において、一層目の焼結薄層は、固定部のみを造形する。成形部３２と固定部３３は固定部３２aを介して造形される。よって、成形部３２と固定部３３ａとの接触面積を小さくすることが出来るため、造形体３０から固定部３３、３３ａの除去が容易となる。図３では、固定部３３を一層目のみに造形した場合を示しているが、複数層連続で造形されたものでも良い。造形される固定部３３および３３ａの形状や大きさは、成形体３２が位置ずれせず、所望の形状を得られれば、特に制限されるものではない。得られる成形体３１は固定部３３、３３ａと接触した造形体３０として造形される。よって、造形体３０を造形した後、造形体３０から固定部３３、３３ａを除去して成形体３１を得る。

図４に示す造形体４０は、一層目の焼結薄層として固定部４３、４３ａ、４３ｂと成形部４２とが接触するように造形し、その後複数の成形部４２を造形して得られる造形体４０の模式図である。下図は平面図であり、上図は平面図のＡ‐Ａ線に沿った断面図である。一層目の焼結薄層において、固定部４３は成形部４２を囲うように設けられる外枠４３ａと、外枠４３ａと成形部４２との間に設けられる複数の固定部４３ｂから構成される。よって、成形部４２と固定部４３ｂは複数箇所で接触している。固定部４３ｂと成形部４２は、成形部４２の位置ずれが防止できれば、可能な限り小さな面積で接触することが好ましい。固定部４３ｂの形状は、図４に示すように、円状、四角状などが挙げられる。その後、成形部４２のみを含む複数の焼結薄層が造形され、造形体４０が造形される。固定部４３は一層目のみに限定されるものではなく、複数層造形されたものでもよい。得られる成形体４１は、固定部４３ｂと接触した造形体４０として造形される。よって、造形体４０を造形した後、造形体４０から固定部４３ａ、４３ｂを除去して成形体４１を得る。

図５に示す造形体５０は、一層目の焼結薄層として固定部５３と成形部５２とを造形し、その後複数層の成形部を造形して得られる造形体５０の模式図である。下図は平面図であり、上図は平面図のＡ‐Ａ線に沿った断面図である。一層目として造形される固定部５３と成形部５２とは接触していない。成形部５２の位置ずれを防止するために、固定部５３と成形部５２との間の距離は、０．２ｍｍより大きく１０ｍｍ未満とすることが好ましい。その後、成形部５２のみを含む複数の焼結薄層が造形され、造形体５０が造形される。図では、固定部は一層目のみに造形しているが、複数層造形されたものでもよい。また、二層目以降も固定部を成形部と接触しないように造形し、成形体と同じ高さの固定部を造形しても良い。得られる成形体５１は、固定部５３と接触していないため、成形体５１とから固定部５３を除去する必要はない。

図６に示す造形体６０は、一層目の焼結薄層として固定部６３と成形部６２とを造形し、その後成形部６２のみを含む焼結薄層を造形する。その後、固定部６４ａ、６４ｂおよび６４ｃと成形部６２を含む焼結薄層を造形して得られる造形体６０の模式図である。下図は平面図であり、上図は平面図のＡ‐Ａ線に沿った断面図である。一層目の焼結薄層として、成形部６２と固定部６３とが接触した、成形部６２と固定部６３とを含む焼結薄層が造形される。その後、成形部６２のみを含む焼結薄層が造形される。成形体６１のようなオーバーハング形状を有する成形体を造形する場合、成形部６２ａおよび６２ｂの形状を造形する際に位置ずれが発生する可能性がある。よって、固定部を任意の位置に複数箇所造形するのが好ましい。図６に示すように、成形部６２ａと６２ｂの位置ずれを防止するために、成形部６２ａおよび６２ｂのぞれぞれの下に６４ａや６４ｂのような固定部を設ける。このとき造形される固定部６４および６５の形状や大きさは、成形部６２が位置ずれせず、所望の形状の成形体６１を得られれば、特に制限されるものではない。得られる成形体６１は固定部６３、６４ａおよび６４ｂと接触して造形され、造形体６０として造形される。よって、造形体６０を造形した後、造形体６０から固定部６３、６４ａ、６４ｂ、６４ｃを除去して成形体６１を得る。

（固定部の除去）
固定部と成形体とが接触する場合、造形体を造形後、造形体から固定部を除去することが必要となる。除去する方法としてはブラシやヤスリ、ナイフ、ハンドグラインダーや精密グラインダー等による簡易的な除去方法が利用できる。固定部の接触面積を小さくしている場合は、手作業により容易に除去でき、剥離面をヤスリで整える方法も選定できる。

固定部の除去は必ずしも造形体の造形直後に実施する必要はない。加熱による変形、破損を防ぐ目的で、造形体を仮焼や焼結などの加熱処理を行った後に除去しても良い。加熱処理後は、造形体は、セラミックス粒子の表面拡散により、セラミックス粒子同士の結合状態がより強固となっているため、接合部分の欠け、割れを防ぐためにも、機械加工やサンドブラストのような除去作業を利用することが好ましい。

用途
本発明により得られるセラミックス成形体は、砥石、型などに用いることができる。また、得られたセラミックス成形体を焼結することにより、複雑形状のセラミックス焼結体の作製に好適に利用できる。

本発明を以下の実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

（実施例）
原料として、平均粒子径３０μｍのセラミックス粉末と平均粒子径１０μｍのナイロン１２を用いた。セラミックス粉末とナイロン１２の重量比が１００：３となるようにナイロン１２を秤量し、１０ｋｇの混合粉末をプラスチックポット内に投入し、２時間以上の乾式撹拌混合を行い、造形用の原料粉末とした。

造形装置は、Ａｓｐｅｃｔ社製粉末積層式３Ｄ造形装置（ＳＥＭplice300）を用いた。調製した原料を原料容器に所定量投入し、ムラのないように充填した。原料を充填した原料容器を装置本体にセットした後、造形室に窒素を導入した。予め造形室内の造形テーブル上に所定の厚みの原料からなる薄層を形成させた。原料容器及び造形用容器に設けられているヒータの温度を１６０℃に設定し、原料からなる薄層を予備加熱した。

造形テーブルを薄層一層分下方に移動させて、一方の原料容器からリコーターによって原料を運び、造形テーブル上に原料からなる薄層を形成した。このとき、下方への移動ステップは100μmで設定した。スライスデータ（描画パターン）に基づき、Ｘ方向及びＹ方向に１８Ｗの出力のレーザ光を走査することにより、原料からなる薄層を選択的に加熱して溶融・焼結させ、一層目の焼結薄層を造形した。一層目の焼結薄層は、成形部および固定部を構成するように造形させた。成形部のサイズが50x50x0.1mm、固定部のサイズが250x250x0.1mmであり中抜き形状となるよう造形させ、成形部と固定部とが接触し、成形部の周囲を囲うように固定部を造形した。一層目と同様の焼結薄層を３層積層させることにより、250x250x0.3mmサイズの成形部および固定部を造形した。その後、所望の形状の成形部を造形するようにプログラミングし、成形部を含む焼結薄層を複数積層することで、50x50x10mmサイズの成形体と固定部とが接触した造形体を造形した。得られた造形体の写真を図７に示す。

造形体は、手作業により固定部を除去し、成形体を得た。その後、固定部を除去した面をヤスリにより整えた。得られた成形体の写真を図８に示す。

（比較例）
固定部を造形しなかった以外は実施例１と同様に行い、成形体を造形した。得られた成形体の写真を図９に示す。造形の初期で成形体が位置ずれし、ニアネット成形できなかった。

Claims

粉末焼結積層造形法によるセラミックス成形体の製造方法であって、
原料容器内にセラミックスと樹脂とを含む原料を準備する工程と、
前記原料を、リコーターによって造形テーブル上に敷き詰め、原料からなる薄層を形成するリコート工程と、
当該原料からなる薄層の所望の領域にレーザーを照射し、当該薄層を焼結させ、成形部のずれを防止するための固定部を含む一層目の焼結薄層を造形する工程と、
前記原料からなる薄層を造形し、当該薄層の所望の領域にレーザーを照射し、当該薄層を焼結させ、前記成形部を含む焼結薄層を造形する工程と、
前記焼結薄層を造形する工程を複数回行い、前記成形部を含む焼結薄層が複数積層されてなる成形体を得る工程とを少なくとも含んでなる製造方法。
前記製造方法において、前記成形部を含む焼結薄層は前記固定部を含み、前記固定部が複数造形されることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
前記製造方法において、前記固定部と前記成形部とが接触しており、前記成形体を得る工程の後に前記固定部を除去する工程をさらに含んでなることを特徴とする、請求項１〜２に記載の製造方法。
前記製造方法において、前記固定部と前記成形部とが接触していないことを特徴とする、請求項１〜２に記載の製造方法。
前記製造方法において、前記固定部は、前記原料からなる薄層の焼結可能なすべての領域にレーザーを照射し、当該薄層を焼結させて造形されたものであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の製造方法。
前記製造方法において、前記固定部が複数造形され、複数の前記固定部がそれぞれ接触していないことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法によって得られたセラミックス成形体。