JP2016175202A - 三次元造形方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、粒径や材質が異なる複数の材料を混合して用いる場合には、粉体層中にそれらの材料を均一に分散することが困難であり、均質な三次元造形物を得ることは困難となっていた。
焼結工程は、三次元造形物を加熱して焼結体を作製する。
[1]第1実施形態
図1は、第1実施形態の三次元造形システムの概要構成及び工程説明図である。
第1実施形態の三次元造形システム10は、それぞれ外形形状が異なる一次粒子を調整する複数(図1では、二つ)の原料調整装置11(第1原料調整装置11−1及び第2原料調整装置11−2)と、第1原料調整装置11−1により調整した一次粒子と、第2原料調整装置11−2により調整した一次粒子をバインダ(結着剤)とともに混合し、造粒して二次粒子を製造する造粒装置12と、いわゆる三次元プリンタとして構成され、二次粒子を積層して三次元造形物を作製する積層造形装置13と、積層造形装置13により作製された三次元造形物をゴム型に入れて等方圧を印加する成形装置(CIP:Cold Isostatic Pressing)14と、等方圧印加後の三次元造形物を所定の昇降温パターンに従って加熱して焼結を行い、焼結体を得る焼結装置15と、を備えている。
ここで、第1原料調整装置11−1及び第2原料調整装置11−2は、同様の構成であるので、まとめて説明する。
一次粒子の材料としては、SiO2、アルミナ(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2)、酸化チタン(TiO2)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)、ジルコン(ZrO2・SiO2)、コーディエライト(2MgO・2Al2O3・5SiO2)、フォルステライト(2MgO・SiO2)、ムライト(3Al2O3・2SiO2)、ステアタイト(MgO・SiO2)等の酸化物材料(金属酸化物)、窒化シリコン(SiN)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化チタン(TiN)、窒化ホウ素BN等の窒化物材料(金属窒化物)、炭化ケイ素(SiC)等の炭化物材料等が挙げられる。
造粒装置12は、第1原料調整装置11−1及び第2原料調整装置11−2で調整された一次粒子が所定の比率で投入されて、所定のバインダが助剤として投入されて二次粒子とする造粒を行う。例えば、造粒装置としては、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル等の粉砕・混合装置が用いられる。
図2は、三次元プリンタの概要構成断面図である。
三次元プリンタ13Aは、三次元造形を行うための清浄な空間(特に材料の酸化防止)を確保するための処理室21と、三次元造形物を形成するための原料(二次粒子)が格納される材料槽22と、三次元造形を実際に行う造形槽23と、材料槽22に格納された原料を造形槽23に供給するワイパ装置24と、造形槽23にワイパ装置24により供給された層単位の原料(二次粒子)に対し、スライスデータに対応する各層における三次元造形物に相当する位置(パターン)にレーザ光を照射する光学装置25と、材料槽22、造形槽23、ワイパ装置24及び光学装置25の制御を行う制御部26と、を備えている。
ここで、三次元造形物MDは、所定の層厚さの単位で積層造形がなされるため、三次元造形時には、載置台23Aは、油圧昇降装置23Bにより所定の層厚単位でステップ的に下降されることとなる。
焼結装置15は、加熱用ヒータを備え、電気炉等として構成されている。
図3は、第1実施形態の三次元造形方法の概念説明図である。
まず、第1原料調整装置11−1及び第2原料調整装置11−2は、それぞれ対応する粉末状のセラミックス原材料(主材)及びバインダ等の助剤が投入されると、粉砕、分散、混合などを行って一次粒子の分散液を調製する(一次粒子製造工程:一次粒子調製工程)。
このとき、一次粒子P11及び一次粒子P12の大きさは、数μm以下となっている。
造粒装置12は、一次粒子P11、P12に所定のバインダ(所定の光硬化樹脂および必要な場合に焼結助剤を含む)が助剤として投入され、二次粒子とする造粒を行う(二次粒子製造工程)。
このとき、二次粒子P20の大きさは、数十μmとなっており、粉体槽を形成するのに十分な大きさとされている。
その後、処理室21内には、図示しないガス供給装置から処理室21内を清浄に保つために窒素、アルゴン等の不活性ガスが供給されて満たされた状態とされる。
具体的には、造形槽23の上部に配置された光学装置25の光源は、発振素子によりレーザ光を生成し、レーザ光Lをコリメータに出射する。これによりコリメータは、レーザ光Lを平行光として、スキャナ(たとえば、一対のガルバノミラー)に供給する。
この結果、光硬化性樹脂を含む二次粒子P20は、スライスデータに基づくパターンに従った形状で硬化される。
これと並行して、材料槽22の載置台は、所定の層厚に相当する量の二次粒子が造形槽23に供給可能となるように油圧昇降装置により上昇される。
これにより、光学装置25は、再びレーザ光Lを照射し、次の層に相当する積層造形を行う。
具体的には、図3(c)に示すように、徐々に硬化された二次粒子P20は、積層されて最終的には、図3(c)の右側に示すように、断面が正方形状の三次元造形物MD1とされる。
図4(a)に示すように、三次元造形装置で造形された三次元造形物においては、二次粒子P20は、例えば、球状(あるいは、楕円体状)をしているため、二次粒子P20間には、隙間(空孔)が形成されている。
この結果、等方圧加圧前の三次元造形物MD1に対して等方圧加圧後の三次元造形物MD2は、図3(e)に示すように、ほぼ二次粒子P20の隙間に相当する体積分縮んだ状態となる。
より具体的には、図3(f)に示すように、焼結体である三次元造形物MD3は、さらに長さが70%程度に縮み、等方圧加圧後の三次元造形物MD2のサイズに対し、体積比で50〜60%程度となる。
さらに二次粒子P20を構成している一次粒子P11、P12として数μm以下の粒子(たとえば、破砕粉)を用いることができるため、製造コストの低減が図れるとともに、密度及び強度が高く緻密な三次元造形物(三次元構造体)を得ることができる。
以上の説明においては、冷間で等方圧を印加する工程を設けていたが、これに代えて、三次元造形と並行して、すなわち、二次粒子P20をプレスローラ、プレスプレート等の加圧部材により加圧しつつ、三次元造形を行うように構成することも可能である。
本第2実施形態は、凹部(特に中空部)を有する三次元造形物を造形する場合の実施形態である。
図5は、第2実施形態の三次元造形システムの概要構成及び工程説明図である。
図5において、図1と同様の部分には同一の符号を付すものとし、その詳細な説明を援用するものとする。
図7は、第2実施形態の三次元造形方法で作成される凹部(中空部)を有する三次元造形物の一例の外観斜視図である。
第2実施形態の三次元造形物MD13は、図7に示すように、上面に開口部OPが形成されたフラスコ形状の中空部HLを有する立方体形状をしている。
その後、処理室21内には、図示しないガス供給装置から処理室21内を清浄に保つために窒素、アルゴン等の不活性ガスが供給されて満たされた状態とされる。
具体的には、図6(c)に示すように、光硬化性樹脂を含む二次粒子P20は、スライスデータに基づくパターンに従った形状、すなわち、図6(c)に示すように、上面に開口部OPが形成されたフラスコ形状の中空部HLを有する立方体形状を有する三次元造形物MD11が形成される。
具体的には、図6(d)に示すように、三次元造形物MD11の中空部HL内には、上面の開口部OPに至るまで中子材料CRが充填される。
この場合においても、第1実施形態と同様に、二次粒子P20のサイズは、数十μm程度で有るので、確実に粉体層を形成して三次元造形が可能である。
以上の各実施形態においては、一次粒子P11、P12の熱的挙動については詳細に述べなかったが、本第3実施形態は、一次粒子P11、P12の熱的挙動を考慮して、三次元造形物(三次元構造体)の歪みを低減するための実施形態である。
例えば、一次粒子P11として、アルミニウム(Al)を用いた場合には、図8に示すように、一次粒子P12として、アルミナ(Al2O3)を用い、複合粒子である二次粒子P20中のアルミニウム(金属)のバインダーを除いた体積を20%〜70%とすることにより、焼結に伴う体積収縮と、金属材料の酸化に伴う体積増加と、を少なくとも一部相殺して、三次元造形物の歪みを低減できる。
[4]実施形態の変形例
以上の各実施形態の説明においては、積層造形を行うに際し、二次粒子P20の粉体層を材料堆積法を用いて積層するものであったが、実施形態の変形例は、積層造形装置として粉末固着積層法を用いた装置を使った場合のものである。
図9は、実施形態の第1変形例の三次元プリンタを概略的に示す断面図である。
三次元プリンタ13Bは、粉末固着積層法を用いた三次元造形装置を構成している。
図9において、図2の第1実施形態と同様の部分には、同一の符号を付し、その詳細な説明を援用する。
ここで、光学装置25は、レーザ光L以外の手段により材料である二次粒子P20を固着する場合、三次元プリンタ13Bは、光学装置25を備える必要はない。
載置台23Aの上面には、材料としての二次粒子P20がスライスデータに従って順次供給される。
ここで、供給装置51は、原料である二次粒子P20及び固着剤を吐出する吐出装置61と、吐出装置61を移動する移動装置62と、原料を収容する収容装置63と、造形に使用されなかった原料を回収する回収装置64と、を備えている。
供給装置51の吐出装置61は、図10に示すように、ホルダ71と、ホルダ71に一体に設けられた複数のノズル72A〜72Eと、各ノズル72A〜72Dにそれぞれ対応する複数のタンク73A〜73Eと、を備えている。
したがって、吐出装置61のノズル72A〜72Eもレール81に沿って移動させられ、二次粒子P20及び固着剤を吐出することにより、二次粒子P20を造形槽23に積層させる。
図11は、実施形態の第2変形例の三次元プリンタを概略的に示す断面図である。
図11において、図9と同様の部分には、同一の符号を付すものとする。
三次元プリンタ13Cも、図9に示した三次元プリンタ13Bと同様に、粉末固着積層法を用いた三次元造形装置を構成している。
図10に示すように、三次元プリンタ13Cは、処理室21と、三次元造形物を形成するための原料(二次粒子)が格納される材料槽22と、三次元造形を実際に行う造形槽23と、材料槽22に格納された原料を造形槽23に供給するワイパ装置24と、造形槽23にワイパ装置24により供給された層単位の原料(二次粒子)に対し、インクジェットヘッドによりスライスデータに対応する各層における三次元造形物に相当する位置(パターン)に固着剤RLを塗布するインクジェット造形装置51と、材料槽22、造形槽23及びワイパ装置24の制御を行う制御部26と、ワイパ装置24により造形槽23に供給された二次粒子P20を均等な厚さとなるように均す均しローラ91と、インクジェット造形装置51により固着剤RLが塗布された二次粒子P20を上面から加圧(プレス)して、三次元造形物の密度向上を行うプレスローラ92と、を備えている。
この場合において、インクジェット造形装置51により、塗布された固着剤RLの溶液がプレスローラ92の加圧により二次粒子P20を溶解させるので、プレスローラ92によるプレス時に二次粒子P20がつぶれて変形しやすくなり、密度のさらなる向上が図られている。
載置台23Aの上面には、材料としての二次粒子P20がスライスデータに従って順次供給される。
これにより均しローラ91は、ワイパ装置24により造形槽23に供給された二次粒子P20を均等な厚さとなるように均す。
この状態で、固着剤RLが完全に固着してしまう前に、プレスローラ92は、インクジェット造形装置51により固着剤RLが塗布された二次粒子を上面から加圧(プレス)して、三次元造形物の密度向上を行う。
したがって、吐出装置61のノズル72A〜72Eもレール81に沿って移動させられ、固着剤RLを吐出することにより、二次粒子P20を造形槽23に積層して、三次元造形を行うこととなる。
あるいは、焼結工程を経て焼結体とされる。
11−1 第1原料調整装置
11−2 第2原料調整装置
12 造粒装置
13 積層造形装置
13A、13B 三次元プリンタ
14 成形装置
15 焼結装置
16 充填装置
21 処理室
22 材料槽
22A 載置台
22B 油圧昇降装置
23 造形槽
24 ワイパ装置
25 光学装置
26 制御部
42 高圧容器
43 液体
51 供給装置
61 吐出装置
62 移動装置
63 収容装置
64 回収装置
91 均しローラ
92 プレスローラ
HL1 中空部
MD1〜MD3 三次元造形物
MD11〜MD13、MD21 三次元造形物
P11、P12 一次粒子
P20 二次粒子
CR 中子材料
HL 中空部
L レーザ光
MD 三次元造形物
OP 開口部
Claims (12)
- 一次粒子を造粒して得られた二次粒子を積層して三次元造形物を作製する積層造形工程と、
前記三次元造形物を加熱して焼結体を作製する焼結工程と、
を備えた三次元造形方法。 - 前記二次粒子は、複数種類の前記一次粒子造粒して得られるものである、
請求項1記載の三次元造形方法。 - 前記複数種類の一次粒子を製造する一次粒子製造工程と、
工程と、
前記複数種類の一次粒子を造粒して二次粒子を作成する造粒工程と、
を備えた請求項2記載の三次元造形方法。 - 積層造形工程で作成された前記三次元造形物に冷間で等方圧を印加する加圧工程を備え、
前記焼結工程は、前記等方圧の印加後の前記三次元造形物を加熱して前記焼結体を作製する、
請求項1乃至請求項3のいずれか一項記載の三次元造形方法。 - 前記三次元造形物は、凹部を有し、
前記積層造形工程の後段であって、前記加圧工程の前段に前記加圧工程において前記凹部の形状を保持するとともに、前記焼結工程における加熱により除去可能な材料で形成された中子部材を充填する充填工程を備えた、
請求項1乃至請求項4のいずれか一項記載の三次元造形方法。 - 前記一次粒子は、外観形状が異なる複数種類の一次粒子を含む、
請求項1乃至請求項5のいずれか一項記載の三次元造形方法。 - 前記一次粒子は、基材と前記焼結を助けるための焼結助剤と、を含む
請求項1乃至請求項6のいずれか一項記載の三次元造形方法。 - 前記一次粒子は、そのサイズがナノオーダーのナノ粒子を含む、
請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の三次元造形方法。 - 前記二次粒子として複数種類の二次粒子を用いる、
請求項1乃至請求項8のいずれか一項記載の三次元造形方法。 - 金属を主成分とする一次粒子と、前記金属の酸化物の一次粒子と、を用いて、前記金属をの一次粒子と、前記金属の酸化物の一次粒子と、を所定の体積比率で含む二次粒子を造粒する造粒工程と、
前記二次粒子を積層して三次元造形物を作製する積層造形工程と、
を備えた三次元造形方法。 - 前記三次元造形物を加熱により反応させて焼結させることにより焼結体を作製する焼結工程、
を備えた請求項10記載の三次元造形方法。 - 前記所定の体積比率は、焼結に伴う体積収縮と、金属材料の酸化に伴う体積増加と、を少なくとも一部相殺可能な比率として設定されている、
請求項10又は請求項11記載の三次元造形方法。
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