JP2016216801A - ３次元形成装置および３次元形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のエネルギー供給手段を、簡単な構成で同期させて駆動することで、高い生産性を持った３次元形成装置の提供。【解決手段】ステージ１２０と、金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料をステージ１２０に供給する材料供給手段と、前記材料供給手段により供給された被焼結材料３００に、被焼結材料３００を焼結可能とするエネルギーを供給するエネルギー照射部１４０を備えるヘッドユニットと、前記ヘッドユニットを複数保持するヘッドベース１５０と、を備え、ステージ１２０に対して、ヘッドベース１５０が、相対的に３次元移動が可能となる駆動手段を備える３次元形成装置１０００。【選択図】図１

Description

本発明は、３次元形成装置および３次元形成方法に関する。

従来、金属材料を用いて３次元形状を簡便に形成する製造方法として、特許文献１に示すような方法が開示されている。特許文献１に開示されている３次元形状造形物の製造方法は、原料に金属粉末と、溶剤と、粘着増進剤と、を有する金属ペーストを層状の材料層に形成して用いる。そして、層状の材料層に光ビームを照射して金属の焼結層もしくは金属の溶融層を形成し、材料層の形成と、光ビームの照射と、を繰り返すことにより焼結層もしくは溶融層が積層され、所望の３次元形状造形物が得られる。

また、特許文献２に開示されている肉盛（３次元）形成が可能な粉末金属肉盛ノズル、あるいは特許文献３に開示されている肉盛溶接が可能なパウダ供給ノズル、を用いることで、金属粉末の供給と、供給された金属粉末をレーザーによって溶融、凝固させて３次元形状造形物が形成されることが示唆されている。

特開２００８−１８４６２２号公報 特開２００５−２１９０６０号公報 特開２０１３−７５３０８号公報

特許文献１に開示された方法のように材料層に焼結層を形成し、積層することで３次元形状造形物を得たり、特許文献２，３に開示された方法のように肉盛りを繰り返すことで３次元形状造形物が形成可能であったり、する。いずれの方法も３次元形状造形物を構成する一つの単層を形成し、積層するものである。この単層を形成する場合、３次元形状造形物における１構成の単層の成形では、特許文献１の場合には成形される焼結部の形状を埋めるような軌跡を描いてレーザー照射の走査が行われ、特許文献２，３の場合には焼結部の形状を埋めるような軌跡に沿ってノズル移動が行われる。すなわち、３次元形状造形物を形成するテーブルと、レーザー照射装置、あるいはノズルと、を相対的に移動させて上述の軌跡を描かせるために、相対的な移動をさせる装置駆動部には細かな制御が必要となる。

また、上述の単層の形成時間が、軌跡の長さが長くなる、すなわち焼結部の面積が大きくなることで長くなる。従って、生産性を高めるには、レーザー照射の走査速度、あるいはノズルの移動速度を高める必要があったが、レーザーの出力も高めないと、焼結不良、溶融不良を発生する虞があった。

そこで、複数のエネルギー供給手段を、簡単な構成で同期させて駆動することで、高い生産性を持った３次元形成装置を得ることを目的とする。

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〕本適用例の３次元形成装置は、ステージと、金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料を前記ステージに供給する材料供給手段と、前記材料供給手段により供給された前記被焼結材料に、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギーを供給するエネルギー照射部を備えるヘッドユニットと、前記ヘッドユニットを複数保持するヘッドベースと、を備え、前記ステージに対して、前記ヘッドベースが、相対的に３次元移動が可能となる駆動手段を備えることを特徴とする。

ヘッドベースをステージに対する相対的な移動の１経路に沿って、一つのヘッドユニットに備えるエネルギー照射部から照射されるエネルギーによって、一つのエネルギー照射部の対応した焼結部が形成される。そこで、本適用例の３次元形成装置によれば、ヘッドベースに複数のヘッドユニットを備えていることで、ヘッドベースの１経路に沿って複数の焼結部を形成することができる。従って、所望の焼結領域を形成するためのヘッドベースと、ステージと、の相対移動経路長を短くすることができ、高い生産性を備える３次元形成装置を得ることができる。

〔適用例２〕本適用例の３次元形成装置は、ステージと、金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料を前記ステージに供給する材料吐出部を備える材料供給手段と、前記材料供給手段により供給された前記被焼結材料に、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギーを供給するエネルギー照射部と、を備え、前記材料吐出部と、前記エネルギー照射部と、が保持されたヘッドユニットを複数保持するヘッドベースを備え、前記ステージに対して、前記ヘッドベースが、相対的に３次元移動が可能となる駆動手段を備えることを特徴とする。

ヘッドベースをステージに対する相対的な移動の１経路に沿って、一つのヘッドユニットに備える材料吐出部から供給される被焼結材料にエネルギー照射部から照射されるエネルギーによって、一つのヘッドユニットに対応した焼結部が形成される。そこで、本適用例の３次元形成装置によれば、ヘッドベースに複数のヘッドユニットを備えていることで、ヘッドベースの１経路に沿って複数の焼結部を形成することができる。従って、所望の焼結領域を形成するためのヘッドベースと、ステージと、の相対移動経路長を短くすることができ、高い生産性を備える３次元形成装置を得ることができる。

また、本適用例の３次元形成装置によれば、形成される３次元形状造形物の形状を形成する領域に必要な量の被焼結材料が供給され、供給された被焼結材料に向けてエネルギー照射部からエネルギーが供給されるため、材料供給のロス、供給エネルギーのロスが削減される。

〔適用例３〕上述の適用例において、複数備える前記材料供給手段の内、少なくとも１つの前記ヘッドユニットに保持される前記材料吐出部を含む前記材料供給手段と、他の前記材料供給手段と、は、収容される前記被焼結材料が異なることを特徴とする。

上述の適用例によれば、異なる組成毎に被焼結材料を供給する材料供給手段を備えることができ、組成毎の各材料供給手段の材料供給と、エネルギー照射部と、によって異なる材料の焼結もしくは熔融を可能とし、２種以上の組成材料からなる造形物を容易に形成することができる。

〔適用例４〕上述の適用例において、前記エネルギーがレーザーであることを特徴とする。

上述の適用例によれば、ターゲットとなる供給材料に集中してエネルギーを照射することができ、品質の良い３次元形状造形物を形成することができる。また、例えば被焼結材料の種類に合わせて、照射エネルギー量（パワー、走査速度）を制御することが容易に行うことができ、所望の品質の３次元形状造形物を得ることができる。

〔適用例５〕本適用例の３次元形成方法は、金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料をステージに供給する材料供給工程と、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギーを供給するエネルギー照射部を備えるヘッドユニットを複数保持するヘッドベースを、前記ステージに対して相対的に移動させ、前記エネルギーを前記被焼結材料に向けて供給し、前記被焼結材料を焼結させる焼結工程と、により単層を形成する単層形成工程と、前記単層形成工程によって形成された第一の単層に積層させ、前記単層形成工程によって第二の単層を形成する積層工程と、を含み、前記積層工程を所定の回数、繰り返すことを特徴とする。

ヘッドベースをステージに対する相対的な移動の１経路に沿って、一つのヘッドユニットに備えるエネルギー照射部から照射されるエネルギーによって、一つのエネルギー照射部の対応した焼結部が形成される。そこで、本適用例の３次元形成方法によれば、ヘッドベースに複数のヘッドユニットを備える３次元形成装置を用いることで、ヘッドベースの１経路に沿って複数の焼結部を形成することができる。従って、所望の焼結領域を形成するためのヘッドベースと、ステージと、の相対移動経路長を短くすることができ、高い生産性を実現する３次元形成方法を得ることができる。

なお、本適用例における「第一の単層」および「第二の単層」とは、繰り返して積層される単層の、積層下部の単層を「第一の単層」、第一の単層上に積層される単層を「第二の単層」と呼び、積層される単層の１層目あるいは２層目を示すものではない。

〔適用例６〕本適用例の３次元形成方法は、金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料をステージに供給する材料供給手段に備える材料吐出部と、前記材料供給手段により供給された前記被焼結材料に、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギーを供給するエネルギー照射部と、が保持されたヘッドユニットを複数保持するヘッドベースを、前記ステージに対して、相対的に移動させ、前記材料吐出部から前記ステージに前記被焼結材料を吐出する材料供給工程と、前記材料供給工程によって吐出された前記被焼結材料に向けて前記エネルギーを供給し、前記被焼結材料を焼結させる焼結工程と、を含む 単層を形成する単層形成工程と、前記単層形成工程によって形成された第一の単層に積層させ、前記単層形成工程によって第二の単層を形成する積層工程と、を含み、前記積層工程を所定の回数、繰り返すことを特徴とする。

ヘッドベースをステージに対する相対的な移動の１経路に沿って、一つのヘッドユニットに備える材料吐出部から供給される被焼結材料にエネルギー照射部から照射されるエネルギーによって、一つのヘッドユニットに対応した焼結部が形成される。そこで、本適用例の３次元形成方法によれば、ヘッドベースに複数のヘッドユニットを備える３次元形成装置を用いることで、ヘッドベースの１経路に沿って複数の焼結部を形成することができる。従って、所望の焼結領域を形成するためのヘッドベースと、ステージと、の相対移動経路長を短くすることができ、高い生産性を実現する３次元形成方法を得ることができる。

なお、本適用例における「第一の単層」および「第二の単層」とは、繰り返して積層される単層の、積層下部の単層を「第一の単層」、第一の単層上に積層される単層を「第二の単層」と呼び、積層される単層の１層目あるいは２層目を示すものではない。

〔適用例７〕上述の適用例において、複数備える前記材料供給手段の内、少なくとも１つの前記ヘッドユニットに保持される前記材料吐出部を含む前記材料供給手段と、他の前記材料供給手段と、は、収容される前記被焼結材料が異なることを特徴とする。

上述の適用例によれば、異なる組成毎に被焼結材料を供給する材料供給手段を備えることができ、組成毎の各材料供給手段の材料供給と、エネルギー照射部と、によって異なる材料の焼結もしくは熔融を可能とし、２種以上の組成材料からなる造形物を容易に形成することができる。

〔適用例８〕上述の適用例において、前記エネルギーがレーザーであることを特徴とする。

上述の適用例によれば、ターゲットとなる供給材料に集中してエネルギーを照射することができ、品質の良い３次元形状造形物を形成することができる。また、例えば被焼結材料の種類に合わせて、照射エネルギー量（パワー、走査速度）を制御することが容易に行うことができ、所望の品質の３次元形状造形物を得ることができる。

第１実施形態に係る３次元形成装置の構成を示す概略構成図。 第１実施形態に係るヘッドベースに複数保持されるヘッドユニットの、保持形態の一例を示し、（ａ）は図１に示す矢印Ａ方向からのヘッドベースの外観図、（ｂ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ´部の概略断面図。 第１実施形態に係るヘッドユニットの配置と、焼結部の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図。 （ａ）は第２実施形態に係る３次元形成装置の構成を示す概略構成図、（ｂ）は（ａ）に示すＣ部の拡大図。 第２実施形態に係るヘッドベースの図４（ｂ）に示すＤ方向からの外観図。 図５に示すＥ−Ｅ´部の断面図。 第２実施形態に係るヘッドユニットの配置と、焼結部の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図。 第２実施形態に係るヘッドユニットの配置と、焼結部の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図。 第２実施形態に係るヘッドユニットの配置と、焼結部の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図。 ヘッドベースに配置されるヘッドユニットの、その他の配置の例を示す模式図。 第３実施形態に係る３次元形成方法を示すフローチャート。 第３実施形態に係るグリーンシート成形装置の概略構成図。 第３実施形態に係る３次元形成方法の工程を示す概略平面図と概略平面図に示すＦ−Ｆ´部の断面図。 第３実施形態に係る３次元形成方法の工程を示す概略平面図と概略平面図に示すＦ−Ｆ´部の断面図。 第３実施形態に係る３次元形成方法の工程を示す外観斜視図と外観斜視図に示すＦ−Ｆ´部の概略断面図。 第４実施形態に係る３次元形成方法を示すフローチャート。 第４実施形態に係る３次元形成方法の工程を示す概略平面図と概略平面図に示すＧ−Ｇ´部の断面図。 第４実施形態に係る３次元形成方法の工程を示す概略平面図と概略平面図に示すＧ−Ｇ´部の断面図。 第５実施形態に係る３次元形状造形物を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＫ−Ｋ´部の断面図。 第５実施形態に係る３次元形成方法を示すフローチャート。 第５実施形態に係る３次元形成方法の工程を示す断面図と平面図。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る３次元形成装置の構成を示す概略構成図である。なお、本明細書における「３次元形成」とは、いわゆる立体造形物を形成することを示すものであって、例えば、平板状、いわゆる２次元形状の形状であっても厚みを有する形状を形成することも含まれる。

図１に示す３次元形成装置１０００（以下、形成装置１０００という）は、３次元形状造形物を形成する焼結装置１００と、３次元形状造形物の原料となる金属粉末とバインダーを混練し、シート状に成形した、いわゆるグリーンシートと呼ばれる供給材料３００（以下、グリーンシート３００という）を焼結装置１００に供給する材料供給手段としての材料供給装置２００と、を備えている。

材料供給装置２００は、供給基台２１０と、供給基台２１０に備える図示しない駆動手段によって、図示する重力方向に沿うＺ軸方向に駆動可能に備えられた供給テーブル２２０と、供給テーブル２２０に載置され、最上に積載された複数のグリーンシート３００の１枚を保持し焼結装置１００へ移送する移送装置２３０と、を備えている。

移送装置２３０は、グリーンシート３００が保持可能なシート保持部２３０ａと、シート保持部２３０ａを供給テーブル２２０に対して相対的に少なくともＸ軸およびＹ軸方向に移動させる供給駆動部２３０ｂと、を備えている。シート保持部２３０ａには、例えば減圧吸盤等のグリーンシート３００を保持および離脱可能とする手段のシート吸着部２３０ｃを備え、シート吸着部２３０ｃによってグリーンシート３００を吸着、保持することができる。なお、シート吸着部２３０ｃのグリーンシート３００の保持方法は、上述に限定されず、例えば、原料金属が磁性体であれば磁力吸着等の方法、あるいはパイロットホールを利用して機械的に保持してもよい。

焼結装置１００は、基台１１０と、基台１１０に備える駆動手段としての駆動装置１１１によって、図示するＸ，Ｙ，Ｚ方向への移動、あるいはＺ軸を中心とした回転方向に駆動可能に備えられたステージ１２０と、一方の端部が基台１１０に固定され、他方の端部にエネルギー照射部１４０を複数保持するヘッドベース１５０が保持固定されるヘッドベース支持部１３０と、を備えている。なお、本実施形態ではステージ１２０を駆動装置１１１によってＸ、Ｙ，Ｚ方向に駆動させる構成を説明するが、これに限定されず、ステージ１２０と、ヘッドベース１５０と、が相対的にＸ，Ｙ，Ｚ方向に駆動可能であればよい。

ステージ１２０上には後述するエネルギー照射部から照射される熱エネルギーからステージ１２０を保護する、耐熱性を有する試料プレート１２１と、を備えている。そして、試料プレート１２１の上に、材料供給装置２００から移送されたグリーンシート３００が積層配置される。なお、最上層に移送されて積層されるグリーンシート３００に対して、直下層のグリーンシート３００を密着させるため、最上層のグリーンシート３００上を押圧しながら本例ではＸ軸方向に往復駆動させるプレスローラー１７０を備えていてもよい。また、プレスローラー１７０は、上下のグリーンシート３００間の密着性を向上させるため、グリーンシート３００を加熱する手段を備えていることが好ましい。

ヘッドベース１５０に保持される複数のエネルギー照射部１４０は、本実施形態ではエネルギーとしてレーザーを照射するエネルギー照射部１４０により説明する（以下、エネルギー照射部１４０をレーザー照射部１４０という）。照射されるエネルギーにレーザーを用いることにより、ターゲットとなる供給材料に集中してエネルギーを照射することができ、品質の良い３次元形状造形物を形成することができる。また、例えば被焼結材料の種類に合わせて、照射エネルギー量（パワー、走査速度）を制御することが容易に行うことができ、所望の品質の３次元形状造形物を得ることができる。

形成装置１０００には、図示しない、例えばパーソナルコンピューター等のデータ出力装置から出力される３次元形状造形物の造形用データに基づいて、上述したステージ１２０、供給テーブル２２０、レーザー照射部１４０、および移送装置２３０を制御する制御手段としての制御ユニット４００を備えている。制御ユニット４００には、図示しないが、ステージ１２０の駆動制御部、供給テーブル２２０の駆動制御部、レーザー照射部１４０の駆動制御部、および移送装置２３０の駆動制御部を備え、それらを連携させて駆動するように制御する制御部と、を備えている。

基台１１０に備える駆動装置１１１によって、基台１１０に対して移動可能に備えられているステージ１２０、および供給基台２１０に移動可能に備えられている供給テーブル２２０は、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、ステージコントローラー４１０においてステージ１２０、あるいは供給テーブル２２０の移動開始と停止、移動方向、移動量、移動速度などを制御する信号が生成され、基台１１０に備える駆動装置１１１、あるいは供給基台２１０に備える図示されない駆動装置に送られ、駆動される。

材料供給装置２００に備える移送装置２３０は、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、材料供給装置コントローラー４２０において、移送装置２３０に備える供給駆動部２３０ｂによるシート保持部２３０ａの移動、およびシート吸着部２３０ｃへのグリーンシート３００の保持あるいは離脱、などを制御する信号が生成され、グリーンシート３００の焼結装置１００への移送が制御される。

ヘッドベース１５０に保持されるレーザー照射部１４０は、制御ユニット４００から制御信号がレーザーコントローラー４３０に送られ、レーザーコントローラー４３０から、複数のレーザー照射部１４０のいずれか、またはすべてにレーザーを照射させる出力信号が送られる。なお、レーザー照射部１４０からのレーザー照射は、ステージコントローラー４１０によるステージ１２０の駆動信号と同期して、ステージ１２０上に載置されたグリーンシート３００に対して、所定の３次元形状造形物の形状データから得られた焼結形成領域に照射されるように制御される。

図２は、ヘッドベース１５０に複数保持されるヘッドユニット１６０に備えるレーザー照射部１４０の、保持形態の一例を示し、図２（ａ）は図１に示す矢印Ａ方向からのヘッドベース１５０の外観図、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＢ−Ｂ´部の概略断面図である。

図２（ａ）に示すように、第１実施形態に係る形成装置１０００に備えるヘッドベース１５０には、複数のヘッドユニット１６０が保持されている。ヘッドユニット１６０は、図２（ｂ）に示すように、レーザー照射部１４０と、レーザー照射部１４０のレーザーＬを出射するレーザー出射口１４０ａが、グリーンシート３００に向けてヘッドベース１５０に配設されるようにレーザー照射部１４０を保持する保持治具１６０ａと、を備えている。そしてヘッドユニット１６０は、図示しない着脱可能な固着手段によってヘッドベース１５０に固定される。

本実施形態ではヘッドユニット１６０が６セット、ヘッドベース１５０に固着されている。その配列は、図２（ａ）に示すように、図表示の下側より第１列目のヘッドユニット１６１，１６２、第２列目のヘッドユニット１６３，１６４、そして第３列目のヘッドユニット１６５，１６６の１列２セット、３列の配置がされている。そして、図２（ｂ）に示すように、レーザー照射部１４０から照射されるレーザーＬによってグリーンシート３００に、焼結幅ｒを有する焼結部３１０が形成され、ヘッドベース１５０に保持された複数のヘッドユニット１６１，１６２，１６３，１６４，１６５，１６６に備えるレーザー照射部１４０から照射されるレーザーＬによって形成される焼結部３１０の集合体として、３次元形状造形物の構成の一部が形成される。

図３は、ヘッドユニット１６０の配置と、焼結部３１０の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図（図１に示すＡ方向矢視）である。先ず、図３（ａ）に示すようにグリーンシート３００の焼結起点ｐ１において、ヘッドユニット１６１，１６２のレーザー照射部１４０からレーザーＬが照射され、焼結部３１０ａ，３１０ｂが形成される。なお、説明の便宜上、平面図であるが焼結部３１０にはハッチングを施す。

ヘッドユニット１６１，１６２からレーザーＬを照射しながら、グリーンシート３００をヘッドベース１５０に対して相対的にＹ（＋）方向の、図３（ｂ）に示す焼結起点ｐ１が２列目のヘッドユニット１６３，１６４に対応する位置まで移動させる。これによって、焼結部３１０ａ，３１０ｂは、焼結起点ｐ１からグリーンシート３００の相対移動後の位置ｐ２まで焼結幅ｒを保持して延設される。さらに、焼結起点ｐ１に対応した２列目のヘッドユニット１６３，１６４からレーザーＬが照射され焼結部３１０ｃ，３１０ｄが形成される。

図３（ｂ）に示す焼結起点ｐ１が２列目のヘッドユニット１６３，１６４に対応した位置で、レーザーＬが照射され焼結部３１０ｃ，３１０ｄが形成され始め、ヘッドユニット１６３，１６４からレーザーＬを照射しながら、グリーンシート３００がヘッドベース１５０に対して相対的に、図３（ｃ）に示す焼結起点ｐ１が３列目のヘッドユニット１６５，１６６に対応する位置まで移動させる。これによって、焼結部３１０ｃ，３１０ｄは、焼結起点ｐ１からグリーンシート３００の相対移動後の位置ｐ２まで焼結幅ｒを保持して延設される。同時に、焼結部３１０ａ，３１０ｂは、焼結起点ｐ１からグリーンシート３００の相対移動後の位置ｐ３まで焼結幅ｒを保持して延設される。さらに、焼結起点ｐ１に対応した３列目のヘッドユニット１６５，１６６からレーザーＬが照射され焼結部３１０ｅ，３１０ｆが形成される。

図３（ｃ）に示す焼結起点ｐ１が３列目のヘッドユニット１６５，１６６に対応した位置で、レーザーＬが照射され焼結部３１０ｅ，３１０ｆが形成され始め、ヘッドユニット１６５，１６６からレーザーＬを照射しながら、グリーンシート３００がヘッドベース１５０に対して相対的に、図３（ｄ）に示す焼結起点ｐ１がさらにＹ（＋）方向に移動させる。これによって、焼結部３１０ｅ，３１０ｆは、焼結起点ｐ１からグリーンシート３００の相対移動後の位置ｐ２まで焼結幅ｒを保持して延設される。同時に、焼結部３１０ａ，３１０ｂは、焼結起点ｐ１からグリーンシート３００の相対移動後の位置ｐ４まで、および、焼結部３１０ｃ，３１０ｄは、焼結起点ｐ１から相対移動後の位置ｐ３まで、焼結幅ｒを保持して延設される。

位置ｐ４を焼結終了位置とした場合（以下、位置ｐ４を焼結終点ｐ４という）、図３（ｄ）に示す焼結終点ｐ４において、ヘッドユニット１６１，１６２からのレーザーＬの照射が停止される。さらに、相対的にグリーンシート３００をＹ（＋）方向に移動させながら、ヘッドユニット１６３，１６４，１６５，１６６が焼結終点ｐ４に到達するまで、レーザーＬが照射され、図３（ｅ）に示すように、焼結部３１０ｃ，３１０ｄ，３１０ｅ，３１０ｆは焼結幅ｒを保持して焼結起点ｐ１から焼結終点ｐ４まで形成される。このようにして、焼結起点ｐ１から焼結終点ｐ４までグリーンシート３００を移動させながら、ヘッドユニット１６１，１６２，１６３，１６４，１６５，１６６から順次、レーザーＬを照射させることで、幅Ｒ、長さＨの、本実施形態の例示では略矩形の焼結部３１０を形成することができる。

上述したように、第１実施形態に係る形成装置１０００に備える焼結装置１００は、グリーンシート３００の移動に同期させ、ヘッドユニット１６１，１６２，１６３，１６４，１６５，１６６からのレーザーＬの照射を選択的に行うことで、グリーンシート３００に所望の形状の焼結部３１０を形成することができる。また、上述したように、グリーンシート３００の移動は、本例ではＹ軸方向に沿った一方向へ移動させるだけで、図３（ｅ）に示す幅Ｒ×長さＨの領域内で所望の形状の焼結部３１０を得ることができる。そして、焼結部３１０の集合体としての、後述する部分造形物を得ることができる。

形成装置１０００は、グリーンシート３００を材料供給装置２００から焼結装置１００へ供給する形態を説明したが、これに限定されない。例えば、粉末金属を試料プレート１２１上に供給し、スキージによって所望の厚みに成形することで、焼結前の材料が供給される形態であってもよい。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態に係る３次元形成装置の構成を示す概略構成図である。図４（ａ）に示す３次元形成装置２０００（以下、形成装置２０００という）は、第１実施形態に係る形成装置１０００に対して、材料供給手段の構成と、ヘッドベースおよびヘッドユニットの構成が異なるものである。従って、第１実施形態に係る形成装置１０００と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

図４に示すように、形成装置２０００は、基台１１０と、基台１１０に備える駆動手段としての駆動装置１１１によって、図示するＸ，Ｙ，Ｚ方向の移動、あるいはＺ軸を中心とする回転方向に駆動可能に備えられたステージ１２０と、一方の端部が基台１１０に固定され、他方の端部に、エネルギー照射部１３００と材料吐出部１２３０とを備えるヘッドユニット１４００を複数保持するヘッドベース１１００が保持固定されるヘッドベース支持部１３０と、を備えている。

そしてステージ１２０上に、３次元形状造形物５００に形成される過程での部分造形物５０１，５０２，５０３が層状に形成される。３次元形状造形物５００の形成には後述するが、レーザーによる熱エネルギーの照射がされるため、ステージ１２０の熱からの保護のため、耐熱性を有する試料プレート１２１を用いて、試料プレート１２１の上に３次元形状造形物５００を形成してもよい。試料プレート１２１としては、例えばセラミック板を用いることで、高い耐熱性を得ることができ、更に焼結あるいは熔融される供給材料との反応性も低く、３次元形状造形物５００の変質を防止することができる。なお、図４（ａ）では説明の便宜上、部分造形物５０１，５０２，５０３の３層を例示したが、所望の３次元形状造形物５００の形状まで積層される。

図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すヘッドベース１１００を示すＣ部拡大概念図である。図４（ｂ）に示すように、ヘッドベース１１００は、複数のヘッドユニット１４００が保持されている。詳細は後述するが、１つのヘッドユニット１４００は、材料供給手段としての材料供給装置１２００に備える材料吐出部１２３０と、エネルギー照射手段としてのエネルギー照射部１３００と、が保持治具１４００ａに保持されることで構成される。材料吐出部１２３０は、吐出ノズル１２３０ａと、材料供給コントローラー１５００によって吐出ノズル１２３０ａからの材料を吐出させる吐出駆動部１２３０ｂと、を備えている。

エネルギー照射部１３００は、本実施形態ではエネルギーとしてレーザーを照射するエネルギー照射部１３００により説明する（以下、エネルギー照射部１３００をレーザー照射部１３００という）。ターゲットとなる供給材料に集中してエネルギーを照射することができ、品質の良い３次元形状造形物を形成することができる。また、例えば被焼結材料の種類に合わせて、照射エネルギー量（パワー、走査速度）を制御することが容易に行うことができ、所望の品質の３次元形状造形物を得ることができる。

材料吐出部１２３０は、ヘッドベース１１００に保持されるヘッドユニット１４００それぞれに対応させた供給材料を収容した材料供給ユニット１２１０と供給チューブ１２２０により接続されている。そして、所定の材料が材料供給ユニット１２１０から材料吐出部１２３０に供給される。材料供給ユニット１２１０には、本実施形態に係る形成装置２０００によって造形される３次元形状造形物５００の原料を含む被焼結材料が供給材料として材料収容部１２１０ａに収容され、個々の材料収容部１２１０ａは、供給チューブ１２２０によって、個々の材料吐出部１２３０に接続されることが好ましい。このように、個々の材料収容部１２１０ａを備えることにより、ヘッドベース１１００から、複数の異なる種類の被焼結材料を供給することができる。

供給材料の被焼結材料としては、３次元形状造形物５００の原料となる金属、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）の単体粉末、もしくはこれらを１つ以上含む合金などの混合粉末を、溶剤と、バインダーとしての増粘剤と、に混練して得られるスラリー状（あるいはペースト状）の混合材料である。

図４（ａ）に示すように、形成装置２０００は、例えば図示しないパーソナルコンピューター等のデータ出力装置から出力される３次元形状造形物５００の造形用データに基づいて、上述したステージ１２０、材料供給装置１２００に備える材料吐出部１２３０、およびレーザー照射部１３００を制御する制御手段としての制御ユニット４００を備えている。制御ユニット４００には、図示されないが、少なくともステージ１２０の駆動制御部と、材料吐出部１２３０の作動制御部と、レーザー照射部１３００の作動制御部と、を備えている。そして、制御ユニット４００には、ステージ１２０、材料吐出部１２３０、およびレーザー照射部１３００と、が連携して駆動、動作させる制御部を備えている。

基台１１０に移動可能に備えられているステージ１２０は、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、ステージコントローラー１５００においてステージ１２０の移動開始と停止、移動方向、移動量、移動速度などを制御する信号が生成され、基台１１０に備える駆動装置１１１に送られ、図示するＸ，Ｙ，Ｚ方向にステージ１２０が移動する。ヘッドユニット１４００に備える材料吐出部１２３０では、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、材料供給コントローラー４４０において材料吐出部１２３０に備える吐出駆動部１２３０ｂにおける吐出ノズル１２３０ａからの材料吐出量などを制御する信号が生成され、生成された信号により吐出ノズル１２３０ａから所定量の材料が吐出される。

図５および図６は、ヘッドベース１１００に複数保持されるヘッドユニット１４００、およびヘッドユニット１４００に保持されるレーザー照射部１３００と材料吐出部１２３０の保持形態の一例を示し、図５は図４（ｂ）に示す矢印Ｄ方向からのヘッドベース１１００の外観図、図６は図５に示すＥ−Ｅ´部の概略断面図である

図５に示すように、ヘッドベース１１００に複数のヘッドユニット１４００が、図示しない固定手段によって保持されている。本実施形態に係る形成装置２０００のヘッドベース１１００では、図下方より第１列目のヘッドユニット１４０１，１４０２、第２列目のヘッドユニット１４０３，１４０４、第３列目のヘッドユニット１４０５，１４０６、そして第４列目のヘッドユニット１４０７，１４０８の、８ユニットのヘッドユニット１４００を備えている。そして、図示しないが、それぞれのヘッドユニット１４０１〜１４０８に備える材料吐出部１２３０は、吐出駆動部１２３０ｂを介して材料供給ユニット１２１０に供給チューブ１２２０で繋がれ、レーザー照射部１３００はレーザーコントローラー４３０に繋がれ、保持治具１４００ａに保持される構成となっている。

図６に示すように、材料吐出部１２３０は吐出ノズル１２３０ａから、ステージ１２０上に載置された試料プレート１２１上に向けて被焼結材料Ｍ（以下、材料Ｍという）が吐出される。ヘッドユニット１４０１では、材料Ｍが液滴状で吐出される吐出形態を例示し、ヘッドユニット１４０２では、材料Ｍが連続体状で供給される吐出形態を例示している。材料Ｍの吐出形態は、液滴状であっても連続体状であっても、どちらでもよいが、本実施形態では材料Ｍは液滴状で吐出される形態により説明する。

吐出ノズル１２３０ａから液滴状に吐出された材料Ｍは、略重力方向に飛翔し、試料プレート１２１上に着弾する。レーザー照射部１３００は、出射するレーザーＬが、材料Ｍの着弾位置に向かうよう、重力方向に対して所定の傾きを持って保持治具１４００ａに保持されており、着弾した材料Ｍに向けてレーザー照射部１３００からレーザーＬが照射され、材料Ｍが焼成、焼結し、焼結部５０が形成される。この焼結部５０の集合体が、試料プレート１２１上に形成される３次元形状造形物５００の部分造形物、例えば部分造形物５０１（図４参照）として形成される。

図７、図８および図９は、ヘッドユニット１４００の配置と、焼結部５０の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図（図４に示すＤ方向矢視）である。先ず、図７（ａ）に示すように試料プレート１２１上の造形起点ｑ１において、ヘッドユニット１４０１，１４０２の吐出ノズル１２３０ａから材料Ｍが吐出され、試料プレート１２１に着弾した材料Ｍにレーザー照射部１３００からレーザーＬが照射され、焼結部５０ａ，５０ｂが形成される。なお、説明の便宜上、平面図であるが焼結部５０にはハッチングを施し、試料プレート１２１の上面に形成される１層目の部分造形物５０１を例示して説明する。

先ず、図７（ｂ）に示すように試料プレート１２１上の部分造形物５０１の造形起点ｑ１において、図示下方の第１列目のヘッドユニット１４０１，１４０２に備える材料吐出部１２３０から、材料Ｍが吐出される。吐出された材料Ｍに対して、ヘッドユニット１４０１，１４０２に備えるレーザー照射部１３００からレーザーＬが照射され焼結部５０ａ，５０ｂが形成される。

ヘッドユニット１４０１，１４０２の材料吐出部１２３０からの材料Ｍの吐出と、レーザー照射部１３００からのレーザーＬの照射を継続しながら、試料プレート１２１をヘッドベース１１００に対して相対的にＹ（＋）方向の、図７（ｂ）に示す造形起点ｑ１が２列目のヘッドユニット１４０３，１４０４に対応する位置まで移動させる。これによって、焼結部５０ａ，５０ｂは、造形起点ｑ１から試料プレート１２１の相対移動後の位置ｑ２まで焼結幅ｔを保持して延設される。さらに、造形起点ｑ１に対応した２列目のヘッドユニット１４０３，１４０４から材料Ｍが吐出され、そこにレーザーＬが照射されることで焼結部５０ｃ，５０ｄが形成され始める。

図７（ｂ）に示す焼結部５０ｃ，５０ｄが形成され始め、ヘッドユニット１４０３，１４０４の材料吐出部１２３０からの材料Ｍの吐出と、レーザー照射部１３００からのレーザーＬの照射を継続しながら、試料プレート１２１をヘッドベース１１００に対して相対的にＹ（＋）方向の、図７（ｃ）に示す造形起点ｑ１が３列目のヘッドユニット１４０５，１４０６に対応する位置まで移動させる。これによって、焼結部５０ｃ，５０ｄは、造形起点ｑ１から試料プレート１２１の移動後の位置ｑ２まで焼結幅ｔを保持して延設される。同時に、焼結部５０ａ，５０ｂは、造形起点ｑ１から試料プレート１２１の相対移動後の位置ｑ３まで焼結幅ｔを保持して延設される。造形起点ｑ１に対応した３列目のヘッドユニット１４０５，１４０６から材料Ｍが吐出され、そこにレーザーＬが照射されることで焼結部５０ｅ，５０ｆが形成され始める。

図７（ｃ）に示す焼結部５０ｅ，５０ｆが形成され始め、ヘッドユニット１４０５，１４０６の材料吐出部１２３０からの材料Ｍの吐出と、レーザー照射部１３００からのレーザーＬの照射を継続しながら、試料プレート１２１をヘッドベース１１００に対して相対的にＹ（＋）方向の、図８（ｄ）に示す造形起点ｑ１が４列目のヘッドユニット１４０７，１４０８に対応する位置まで移動させる。これによって、焼結部５０ｅ，５０ｆは、造形起点ｑ１から試料プレート１２１の移動後の位置ｑ２まで焼結幅ｔを保持して延設される。同時に、焼結部５０ａ，５０ｂは造形起点ｑ１から試料プレート１２１の相対移動後の位置ｑ４まで、焼結部５０ｃ，５０ｄは造形起点ｑ１から試料プレート１２１の相対移動後の位置ｑ３まで、焼結幅ｔを保持して延設される。造形起点ｑ１に対応した４列目のヘッドユニット１４０７，１４０８から材料Ｍが吐出され、そこにレーザーＬが照射されることで焼結部５０ｇ，５０ｈが形成され始める。

位置ｑ５を焼結終了位置とした場合（以下、位置ｑ５を造形終点ｑ５という）、図８（ｅ）に示すように試料プレート１２１を相対的にヘッドユニット１４０１，１４０２が造形終点ｑ５に到達するまで移動させ、焼結部５０ｇ，５０ｈは延設される。そして、造形終点ｑ５に到達したヘッドユニット１４０１，１４０２では、ヘッドユニット１４０１，１４０２に備える材料吐出部１２３０からの材料Ｍの吐出と、レーザー照射部１３００からのレーザーＬの照射と、が停止される。さらに、相対的に試料プレート１２１をＹ（＋）方向に移動させながら、ヘッドユニット１４０３，１４０４，１４０５，１４０６，１４０７，１４０８が造形終点ｑ５に到達するまで、レーザーＬが照射され、図９に示すように、焼結部５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ，５０ｇ，５０ｈは焼結幅ｔを保持して造形起点ｑ１から造形終点ｑ５まで形成される。このようにして、造形起点ｑ１から造形終点ｑ５まで試料プレート１２１を移動させながら、ヘッドユニット１４０１，１４０２，１４０３，１４０５，１４０６，１４０７，１４０８から順次、材料Ｍの吐出供給とレーザーＬを照射させることで、幅Ｔ、長さＪの、本実施形態の例示では略矩形の焼結部５０を形成することができる。そして、焼結部５０の集合体として第１層目の部分造形物５０１を成形、構成することができる。

上述したように、第２実施形態に係る形成装置２０００は、試料プレート１２１を備えるステージ１２０の移動に同期させ、ヘッドユニット１４０１，１４０２，１４０３，１４０４，１４０５，１４０６，１４０７，１４０８に備える材料吐出部１２３０からの材料Ｍの吐出供給と、レーザー照射部１３００からのレーザーＬの照射と、を選択的に行うことで、試料プレート１２１上に所望の形状の部分造形物５０１を形成することができる。また、上述したように、ステージ１２０の移動は、本例ではＹ軸方向に沿った一方向へ移動させるだけで、図９（ｆ）に示す幅Ｔ×長さＪの領域内で所望の形状の焼結部５０、そして焼結部５０の集合体としての部分造形物５０１を得ることができる。

また、材料吐出部１２３０から吐出される材料Ｍを、ヘッドユニット１４０１，１４０２，１４０３，１４０４，１４０５，１４０６，１４０７，１４０８のいずれか１ユニット、あるいは２ユニット以上からその他ヘッドユニットと異なる材料を吐出供給することもできる。従って、本実施形態に係る形成装置２０００を用いることによって、異種材料から形成される複合材部分造形物を有する３次元形状造形物を得ることができる。

上述の第１実施形態に係る形成装置１０００に備えるヘッドベース１５０に配置されるヘッドユニット１６０、あるいは第２実施形態に係る形成装置２０００に備えるヘッドベース１１００に配置されるヘッドユニット１４００の数、および配列は、上述した図２あるいは図５に示す数、配列に限定されない。図１０に、ヘッドベース１５０，１１００に配置されるヘッドユニット１６０，１４００の、その他の配置の例を模式図的に示す。

図１０（ａ）は、ヘッドベース１５０，１１００にヘッドユニット１６０，１４００をＸ軸方向に複数、並列させた形態を示す。図１０（ｂ）は、ヘッドベース１５０，１１００にヘッドユニット１６０，１４００を格子状に配列させた形態を示す。なお、いずれも配列されるヘッドユニットの数は、図示の例に限定されない。

（第３実施形態）
第３実施形態として、第１実施形態に係る３次元形成装置１０００を用いて３次元形状造形物を形成する３次元形成方法を説明する。図１１は第３実施形態に係る３次元形成方法を示すフローチャートであり、図１２はグリーンシート３００を成形するグリーンシート成形装置の概略構成図、図１３、図１４は本実施形態に係る３次元形成工程を示す概略平面図と概略断面図、および図１５は本実施形態に係る３次元形成工程を示す外観斜視図と概略断面図である。

（３次元造形用データ取得工程）
図１１に示すように、本実施形態に係る３次元形成方法は、３次元形状造形物の３次元造形用データを、図示しない、例えばパーソナルコンピューターなどから制御ユニット４００（図１参照）に取得する、３次元造形用データ取得工程（Ｓ１）が実行される。３次元造形用データ取得工程（Ｓ１）において取得された３次元造形用データは、制御ユニット４００から、ステージコントローラー４１０と、材料供給装置コントローラー４２０と、レーザーコントローラー４３０と、に制御データが送られ、材料準備工程に移行される。

（材料準備工程）
材料準備工程（Ｓ２）では、グリーンシート３００を材料供給装置２００に備える供給テーブル２２０に、所定枚数が載置される。グリーンシート３００は、図１２に概略構成を例示する、グリーンシート３００のグリーンシート成形装置３０００等によって形成される。

図１２に示すように、グリーンシート成形装置３０００は、材料Ｍを供給する原料供給部３１００と、原料供給部３１００から排出された材料Ｍを受け、搬送する搬送ベルト３２００と、を備えている。材料Ｍは、３０μｍ以下に形成された金属粉末と、バインダーと、を混練しペースト状となった混合物を用いる。金属粉末としては、例えばコバルト系合金、マルエージング鋼、ステンレス鋼、チタン系合金、ニッケル系合金、マグネシウム合金、あるいは銅系合金などの合金、あるいは鉄、チタン、ニッケル、銅などの金属を用いることができる。バインダーとしては、熱可塑性樹脂、あるいは水溶性熱可塑性樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、例えばポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリアミド（ＰＡ）、ＡＢＳ、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等が用いられ、水溶性熱可塑性樹脂としては、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ）等が用いられる。

上述した金属粉末と、バインダー、そして粘度調整用としての溶剤が加えられ、混練された材料Ｍが原料供給部３１００に投入され、図示矢印α方向に駆動される搬送ベルト３２００上に所定量が順次排出される。搬送ベルト３２００のα方向移動によって材料Ｍは、均一化ロール３３００によって、均一な厚みに形成され、次の加圧ローラー３４００を通過し、グリーンシート３００となる所定の厚みに形成される。そして、切断手段３５００によって所定の長さで切断され、グリーンシート３００が得られる。

（材料供給工程）
材料準備工程（Ｓ２）によって、材料供給装置２００の供給テーブル２２０上に所定数のグリーンシート３００が載置されると、材料供給工程（Ｓ３）が開始される。材料供給工程（Ｓ３）では、制御ユニット４００からの制御信号に基づいて、材料供給装置コントローラー４２０は、移送装置２３０の駆動信号を生成し、移送装置２３０を駆動させる。

先ず、シート保持部２３０ａを所定の位置まで移動させ、供給テーブル２２０上に積載されたグリーンシート３００の最上シートをシート吸着部２３０ｃによって吸着、保持する。グリーンシート３００を保持した状態で、シート保持部２３０ａは焼結装置１００の試料プレート１２１上に移動し、グリーンシート３００をシート吸着部２３０ｃから離脱、離間させ、グリーンシート３００が試料プレート１２１上に載置される。グリーンシート３００が載置、離間された後、シート保持部２３０ａは材料供給装置２００の待機位置まで戻される。以下、１層目として載置されたグリーンシート３００を、第１層目のグリーンシート３０１として説明する。

（焼結工程）
材料供給工程（Ｓ３）によって試料プレート１２１上に載置された第１層目のグリーンシート３０１に対して、ヘッドベース１５０に複数保持されたヘッドユニット１６０に備えるレーザー照射部１４０からレーザーＬが照射される焼結工程（Ｓ４）に移行される。焼結工程（Ｓ４）における焼結とは、グリーンシート３００を構成する金属粉末およびバインダーが混練された状態から、バインダーを蒸散させ、金属粉末同士を結合させ、金属粉末状態から、金属造形物に成形する加工手段である。

図１３（ａ）、図１３（ｂ）および図１４（ｃ）に、焼結工程（Ｓ３）における第１層目のグリーンシート３０１の焼結部３１１の形成方法を示す。本例では、３次元形状造形物５００を構成する円環状の１層目の部分造形物５０１を形成する方法を例示する。図１３および図１４は、図示上方に平面図、下方に平面図に示すＦ−Ｆ´部の断面図を示す。図１３（ａ）に示すように、ヘッドベース１５０とステージ１２０上に備える試料プレート１２１に載置された１層目のグリーンシート３０１と、を相対的にＹ方向に移動させながらヘッドベース１５０に配置されたヘッドユニット１６０（本図では図示せず）に備えるレーザー照射部１４０からレーザーＬを、グリーンシート３０１に向けて照射する。

ヘッドベース１５０を所定量の相対移動が終了することで、図３（ｄ）において説明した、各レーザー照射部１４０から照射されて形成される焼結部３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ，３１０ｄ，３１０ｅ，３１０ｆに相当する焼結部の集合体としての焼結部３１０が形成され、部分造形物５０１を構成する最初の焼結部３１１が形成される。そして、図１３（ｂ）に示すように、ヘッドベース１５０は、図１３（ａ）に示す焼結部３１０に連続するように図３（ｄ）において説明した、各レーザー照射部１４０から照射されて形成される焼結部３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ，３１０ｄ，３１０ｅ，３１０ｆに相当する焼結部の集合体を形成し、焼結部３１２が形成され、焼結部３１１と連なる焼結部３１０が形成される。

そして、図１３（ｂ）に示す、ヘッドベース１５０を、図１３（ａ）で形成された焼結部３１０に連続するように図３（ｄ）において説明した、各レーザー照射部１４０から照射されて形成される焼結部３１０ａ，３１０ｂ，３１０ｃ，３１０ｄ，３１０ｅ，３１０ｆに相当する焼結部の集合体を形成することを順次、所定の繰り返し数実施し、図１４（ｃ）に示すように、焼結部３１０が部分造形物５０１の形状まで形成されるｉ番目の焼結部３１ｉが形成され、第１層目のグリーンシート３０１内に部分造形物５０１と、部分造形物５０１を除く部分、すなわち未焼結部３０１ａと、が形成される。

こうして、焼結工程（Ｓ４）において、焼結された部分造形物５０１と、未焼結部３０１ａと、が形成され、第一の単層としての第１層３０１ｂが形成される。以上の、材料供給工程（Ｓ３）から焼結工程（Ｓ４）に至る一連の工程が単層形成工程（Ｓ１００）である。そして、焼結工程（Ｓ４）の終了、すなわち単層形成工程（Ｓ１００）が終了し、次の積層数比較工程に移行される。

（積層数比較工程）
単層形成工程（Ｓ１００）によって、第１層となる部分造形物５０１と、未焼結部３０１ａと、を含む第１層３０１ｂが形成されると、３次元造形用データ取得工程（Ｓ１）によって得られた造形データと比較する積層数比較工程（Ｓ５）に移行される。積層数比較工程（Ｓ５）では、３次元形状造形物５００を構成するために必要な部分造形物が形成されたグリーンシート３００の積層数Ｎと、積層数比較工程（Ｓ５）の直前の単層形成工程（Ｓ１００）までで積層されたグリーンシート３００の積層数ｎと、を比較する。積層数比較工程（Ｓ５）において、ｎ＜Ｎと判定された場合、再度、単層形成工程（Ｓ１００）を実行させる積層工程に移行される。

（積層工程）
積層工程（Ｓ６）は、積層数比較工程（Ｓ５）において、ｎ＜Ｎと判定され、再度、単層形成工程（Ｓ１００）を実行させるための指令工程であり、単層形成工程（Ｓ１００）の開始工程である材料供給工程（Ｓ３）を実行させる。

図１４（ｄ）に示すように、積層工程（Ｓ６）によって第１層３０１ｂの上部に、グリーンシート３００が供給、載置され、第２層目のグリーンシート３０２となる。そして、第２層目のグリーンシート３０２に対して、図１３（ａ），（ｂ）および図１４（ｄ）に示す焼結工程（Ｓ５）が行われ、２層目の部分造形物５０２と、図示しない未焼結部と、が形成された、第二の単層としての第２層３０２ｂが得られる。その後、積層数比較工程（Ｓ６）に移行され、ｎ＜Ｎと判定されると、再び積層工程（Ｓ６）が開始され、積層数比較工程（Ｓ５）において、ｎ＝Ｎと判定されるまで、積層工程（Ｓ６）及び単層形成工程（Ｓ１００）が繰り返される。

図１５（ｅ）に示すように、所定の積層数Ｎまで積層されると、３次元形状造形物５００が試料プレート１２１上に形成される。また、第１層３０１ｂから第Ｎ層３０Ｎｂまで積層されて形成された未焼結部３００ａも、試料プレート１２１上に形成される。そして、積層数比較工程（Ｓ５）で、ｎ＝Ｎと判定され、未焼結部除去工程に移行される。

（未焼結部除去工程）
未焼結部除去工程（Ｓ７）は、３次元形状造形物５００を除く部分、すなわち未焼結部３００ａを除去する工程である。未焼結部３００ａの除去方法は、機械的に除去する方法、溶剤によって未焼結部３００ａに含むバインダーを溶解し、残った金属粉末を除去する方法、などが適用されるが、本形態では機械的な除去を例に説明する。

図１５（ｆ）に示すように、未焼結部除去工程（Ｓ７）では、楔状の先端を有する除去工具６００を未焼結部３００ａに打ち込むことで未焼結部３００ａが粉砕され、試料プレート１２１上から未焼結部３００ａが除去される。そして、試料プレート１２１上には３次元形状造形物５００が残り、これを取り出す。なお、本形態では試料プレート１２１上で未焼結部除去工程（Ｓ７）が行われることとして説明したが、別に設けられた作業台上で行ってもよい。

以上、説明した第３実施形態に係る３次元形状造形物５００の３次元形成方法では、単層形成工程（Ｓ１００）における焼結工程（Ｓ５）では、焼結装置１００に備えるヘッドベース１５０に、レーザー照射部１４０を備えるヘッドユニット１６０を複数備えていることで、ヘッドベース１５０とステージ１２０と、の相対移動を一方向、本例ではＹ軸方向とするだけで、広い領域での焼結部３１０を形成することができ、高い生産性を有する３次元形成方法を得ることができる。

（第４実施形態）
第４実施形態として、第２実施形態に係る３次元形成装置２０００を用いて３次元形状造形物を形成する３次元形成方法を説明する。図１６は第４実施形態に係る３次元形成方法を示すフローチャートであり、図１７、図１８は本実施形態に係る３次元形成工程を示し、図示上方に概略平面図、下方に概略平面図に示すＧ−Ｇ´部の概略断面図を示す。

（３次元造形用データ取得工程）
図１６に示すように、本実施形態に係る３次元形成方法は、３次元形状造形物５００の３次元造形用データを、図示しない、例えばパーソナルコンピューターなどから制御ユニット４００（図４参照）に取得する、３次元造形用データ取得工程（Ｓ１０）が実行される。３次元造形用データ取得工程（Ｓ１０）において取得された３次元造形用データは、制御ユニット４００から、ステージコントローラー４１０と、材料供給コントローラー１５００と、レーザーコントローラー４３０と、に制御データが送られ、単層形成工程に移行される。

（単層形成工程）
単層形成工程（Ｓ１１０）は、材料供給工程（Ｓ２０）と、焼結工程（Ｓ３０）と、が第１層目の部分造形物５０１の形成領域にわたって行われる。材料供給工程（Ｓ２０）では、ヘッドベース１１００に複数備えられたヘッドユニット１４００に保持された材料吐出部１２３０から、試料プレート１２１上に向けて材料Ｍを液滴状に吐出し、試料プレート１２１上に材料Ｍを所定の形成領域に着弾させる。

材料供給工程（Ｓ２０）によって材料Ｍが試料プレート１２１上に着弾、形成されると、焼結工程（Ｓ３０）に移行される、焼結工程（Ｓ３０）は、材料供給工程（Ｓ２０）によって液滴状に供給された材料Ｍに向かって、ヘッドユニット１４００に保持されたレーザー照射部１３００からレーザーＬが照射され、材料Ｍを焼成、焼結し焼結部５０を形成する。

そして、図９（ｆ）において説明したように、ヘッドユニット１４０１，１４０２，１４０３，１４０４，１４０５，１４０６，１４０７，１４０８の各々が、所定の領域で材料供給工程（Ｓ２０）と、焼結工程（Ｓ３０）と、を繰り返しながらヘッドベース１１００を試料プレート１２１が載置されたステージ１２０に対して相対的にＹ軸方向に移動させることによって、焼結部５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ，５０ｇ，５０ｈに相当する焼結部の集合体を形成し、部分造形物５０１の初めの焼結部５０が焼結部５１１として形成される。

更に、図１７（ｂ）に示すようにヘッドベース１１００は、図１７（ａ）に示す焼結部５１１に連続するように焼結部５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ，５０ｇ，５０ｈに相当する焼結部が形成される位置にステージ１２０に対して相対的にＸ軸方向に移動させる。そして、ヘッドユニット１４０１，１４０２，１４０３，１４０４，１４０５，１４０６，１４０７，１４０８の各々が、所定の領域で材料供給工程（Ｓ２０）と、焼結工程（Ｓ３０）と、を繰り返しながらヘッドベース１１００を試料プレート１２１が載置されたステージ１２０に対して相対的にＹ軸方向に移動させることによって、焼結部５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ，５０ｇ，５０ｈに相当する焼結部の集合体を形成し、焼結部５１１に連続する焼結部５１２として形成される。すなわち焼結部５１１，５１２によって焼結部５０が構成される。

上述の図１７（ｂ）に示すように、先に形成された焼結部５１１に連続して焼結部５１２を形成するように、焼結部５１２に連続させ、順次焼結部を形成し、図１８（ｃ）に示すように、焼結部５０が部分造形物５０１の形状まで形成されるｉ番目の焼結部５１ｉが形成され、３次元形状造形物５００の第１層目の部分造形物５０１が試料プレート１２１上に形成される。

上述した通り、本実施形態ではヘッドベース１１００を試料プレート１２１に対してＹ軸方向と、Ｘ軸方向と、に相対移動させながら材料供給工程（Ｓ２０）と、焼結工程（Ｓ３０）と、を繰り返し、第１層目の部分造形物５０１が形成されることで単層形成工程（Ｓ１１０）が終了し、次の積層数比較工程に移行される。

（積層数比較工程）
単層形成工程（Ｓ１１０）によって、第一の単層としての第１層目となる部分造形物５０１が形成されると、３次元造形用データ取得工程（Ｓ１０）によって得られた造形データと比較する積層数比較工程（Ｓ４０）に移行される。積層数比較工程（Ｓ４０）では、３次元形状造形物５００を構成する部分造形物の積層数Ｎと、積層数比較工程（Ｓ４０）の直前の単層形成工程（Ｓ１１０）までで積層された部分造形物の積層数ｎと、を比較する。積層数比較工程（Ｓ４０）において、ｎ＜Ｎと判定された場合、再度、単層形成工程（Ｓ１１０）を実行させる積層工程に移行される。

図１８（ｃ）に示す第一の単層としての第１層目の部分造形物５０１が形成された後の積層数比較工程（Ｓ４０）では、積層数ｎ＝１であり、３次元形状造形物５００が部分造形物の積層数Ｎ＞１であるとすると、ｎ＜Ｎと判定され、積層工程に移行される。

（積層工程）
積層工程（Ｓ５０）は、積層数比較工程（Ｓ４０）においてｎ＜Ｎと判定され、再度単層形成工程（Ｓ１１０）を実行させるための指令工程である。単層形成工程（Ｓ１１０）に移行されると、図１８（ｄ）に示すように、積層工程（Ｓ５０）によって第１層目の部分造形物５０１の上部に、第二の単層としての第２層目となる部分造形物５０２に対応する３次元造形データに基づき、材料供給工程（Ｓ２０）と、焼結工程（Ｓ３０）と、開始される位置に、ヘッドベース１１００、およびステージ１２０が駆動され、部分造形物５０２の形成が開始される。

２層目の部分造形物５０２の形成が終了すると、再度、積層数比較工程（Ｓ４０）に移行し、ｎ＝Ｎとなるまで、積層工程（Ｓ５０）へ移行され、単層形成工程（Ｓ１１０）が繰り返され、３次元形状造形物５００が形成される。

以上、説明した第４実施形態に係る３次元形状造形物５００の３次元形成方法では、単層形成工程（Ｓ１１０）における材料供給工程（Ｓ２０）および焼結工程（Ｓ３０）では、形成装置２０００に備えるヘッドベース１１００に、材料吐出部１２３０とレーザー照射部１３００を備えるヘッドユニット１４００を複数備えていることで、ヘッドベース１１００とステージ１２０と、の相対移動を一方向、本例ではＹ軸方向とするだけで、広い領域での焼結部５０を形成することができ、高い生産性を有する３次元形成方法を得ることができる。

また、図４に示す形成装置２０００に備える材料供給ユニット１２１０に、複数の異なる種類の被焼結材料を材料収容部１２１０ａに収容させることで、異なる種類の材料からなる３次元形状造形物５００を、容易に得ることができる。

（第５実施形態）
第５実施形態に係る３次元形成方法について説明する。上述した第４実施形態に係る３次元形成方法において、３次元形状造形物がオーバーハング部を有する場合、オーバーハング部では、上述した単層形成工程（Ｓ１１０）における材料供給工程（Ｓ２０）では、材料吐出部１２３０から吐出された材料Ｍが着弾すべき下層の部分造形物が存在しないことで、材料Ｍが形成されなくなる（図１８（ｄ）参照）。仮に、図１８（ｄ）に示す、下層の部分造形としての第１層目の部分造形物５０１が、第２層目の部分造形物５０２の造形領域において配置されていない領域が存在すると、その部分では部分造形物５０２重力方向へ垂れ下がるように変形する虞がある。すなわち焼結前の材料Ｍは、原料となる金属、例えばステンレス、チタン合金の単体粉末、もしくは合金化が困難なステンレスと銅（Ｃｕ）、あるいはステンレスとチタン合金、あるいはチタン合金とコバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、などの混合粉末を、溶剤と、増粘剤と、に混練して得られるスラリー状（あるいはペースト状）の柔らかな状態のものであることによる。

そこで、第５実施形態に係る３次元形成方法によりオーバーハング部を変形させないで３次元形状造形物を形成する方法を説明する。なお、第４実施形態に係る３次元形成方法と同じ工程には同じ符号を付し、説明は省略する。また、説明を簡略にするために図１９（ａ）の平面外観図、および図１９（ｂ）の図１９（ａ）に示すＫ−Ｋ´部の断面図に示すような、単純な形状を有する３次元形状造形物７００を例示して、第５実施形態に係る３次元形成方法を説明するが、この形状に限定されず、いわゆるオーバーハング部を備える造形物であれば適用できる。

図１９に示すように、３次元形状造形物７００は、凹部７００ａを有する円柱形の基部７００ｂの凹部開口側端部に基部７００ｂの外側に延在するオーバーハング部としての鍔部７００ｃを備えている。この３次元形状造形物７００を、第５実施形態に係る３次元形成方法に基づいて形成するために、形成過程において除去されるサポート部７１０が、鍔部７００ｃの図示下部方向に基部７００ｂの底部に至るまでの造形用データが、３次元形状造形物７００の３次元造形用データに加えて作成される。

図２０は、図１９に示す３次元形状造形物７００の形成方法を示すフローチャートである。また図２１は図２０に示すフローチャートによる３次元形状造形物７００の形成方法を示し、図示左側に部分断面図、右側に平面外観図を配置した。また、本実施形態の３次元形状造形物７００では、４層が積層されて形成される例を用いて説明するが、これに限定されるものではない。

先ず、図２１（ａ）に示すように、図示しない試料プレート１２１上に第１層目となる部分造形物７０１が、第４実施形態に係る３次元形成方法によって形成される。部分造形物７０１を形成する工程内に、第１層目の部分サポート部７１１も形成される。部分サポート部７１１は、図１７及び図１８によって説明した単層形成工程（Ｓ１１０）における焼結工程（Ｓ３０）は実行されず、材料Ｍの状態のまま、すなわち未焼結部、あるいは未熔融部のままで単層形成工程（Ｓ１１０）が実行される。

引き続き、単層形成工程（Ｓ１１０）が繰り返され、図２１（ｂ）に示すように、第２層目および第３層目となる部分造形物７０２，７０３が形成される。そして、部分造形物７０２，７０３を形成する工程内に、第２層目および第３層目の部分サポート部７１２，７１３も形成される。部分サポート部７１２，７１３は、部分サポート部７１１同様に、単層形成工程（Ｓ１１０）における焼結工程（Ｓ３０）は実行されず、材料Ｍの状態のまま、すなわち未焼結部、あるいは未熔融部のままで単層形成工程（Ｓ１１０）が実行され、部分サポート部７１１，７１２，７１３によって、サポート部７１０が形成される。

次に図２１（ｃ）に示すように、鍔部７００ｃに形成される第４層目の部分造形物７０４が形成される。部分造形物７０４は、部分サポート部７１１，７１２，７１３によって形成されたサポート部７１０の端面７１０ａに支持されるように形成される。このように部分造形物７０４を形成することにより、材料Ｍ（図１８（ｄ）参照）が着弾する面として端面７１０ａが形成されていることで、正確に鍔部７００ｃとなる第４層目の部分造形物７０４を形成することができる。

そして、図２１（ｄ）に示すように、３次元形状造形物７００に造形されたところで、サポート部除去工程（Ｓ６０）によって、サポート部７１０は３次元形状造形物７００から除去される。サポート部７１０は焼成されていない材料で形成されていることから、サポート部除去工程（Ｓ６０）におけるサポート部７１０の除去手段としては、例えば図２１（ｄ）に示すように鋭利な刃物８００による物理的な切除が可能である。あるいは、溶剤に浸漬し、材料に含まれる増粘剤を溶解し３次元形状造形物７００から除去してもよい。

上述したように、オーバーハング部としての鍔部７００ｃを有する３次元形状造形物７００を形成する場合、鍔部７００ｃを支持するサポート部７１０を３次元形状造形物７００の形成と合わせて形成することにより、鍔部７００ｃの重力方向への変形を防止することができる。なお、図２１に示すサポート部７１０は、図示するような鍔部７００ｃを全面でサポート（支持）する形態に限定されず、造形物の形状、材料組成などによって適宜、形状、大きさ等が設定される。

なお、本発明の実施の際の具体的な構成は、本発明の目的を達成できる範囲で他の装置、あるいは方法に適宜変更できる。

１００…焼結装置、１１０…基台、１２０…ステージ、１３０…ヘッドベース支持部、１４０…エネルギー照射部、１５０…ヘッドベース、１７０…プレスローラー、２００…材料供給装置、２１０…供給基台、２２０…供給テーブル、２３０…移送装置、４００…制御ユニット、４１０…ステージコントローラー、４２０…材料供給装置コントローラー、４３０…レーザーコントローラー、１０００…３次元形成装置。

Claims (8)

1. ステージと、
   金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料を前記ステージに供給する材料供給手段と、
   前記材料供給手段により供給された前記被焼結材料に、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギーを供給するエネルギー照射部を備えるヘッドユニットと、
   前記ヘッドユニットを複数保持するヘッドベースと、を備え、
   前記ステージに対して、前記ヘッドベースが、相対的に３次元移動が可能となる駆動手段を備える、
   ことを特徴とする３次元形成装置。
2. ステージと、
   金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料を前記ステージに供給する材料吐出部を備える材料供給手段と、
   前記材料供給手段により供給された前記被焼結材料に、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギーを供給するエネルギー照射部と、を備え、
   前記材料吐出部と、前記エネルギー照射部と、が保持されたヘッドユニットを複数保持するヘッドベースを備え、
   前記ステージに対して、前記ヘッドベースが、相対的に３次元移動が可能となる駆動手段を備える、
   ことを特徴とする３次元形成装置。
3. 複数備える前記材料供給手段の内、少なくとも１つの前記ヘッドユニットに保持される前記材料吐出部を含む前記材料供給手段と、他の前記材料供給手段と、は、収容される前記被焼結材料が異なる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の３次元形成装置。
4. 前記エネルギーがレーザーであることを特徴とする請求項１および２、または３に記載の３次元形成装置。
5. 金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料をステージに供給する材料供給工程と、
   前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギーを供給するエネルギー照射部を備えるヘッドユニットを複数保持するヘッドベースを、前記ステージに対して相対的に移動させ、前記エネルギーを前記被焼結材料に向けて供給し、前記被焼結材料を焼結させる焼結工程と、により単層を形成する単層形成工程と、
   前記単層形成工程によって形成された第一の単層に積層させ、前記単層形成工程によって第二の単層を形成する積層工程と、を含み、
   前記積層工程を所定の回数、繰り返す、
   ことを特徴とする３次元形成方法。
6. 金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料をステージに供給する材料供給手段に備える材料吐出部と、前記材料供給手段により供給された前記被焼結材料に、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギーを供給するエネルギー照射部と、が保持されたヘッドユニットを複数保持するヘッドベースを、前記ステージに対して、相対的に移動させ、前記材料吐出部から前記ステージに前記被焼結材料を吐出する材料供給工程と、前記材料供給工程によって吐出された前記被焼結材料に向けて前記エネルギーを供給し、前記被焼結材料を焼結させる焼結工程と、を含む単層を形成する単層形成工程と、
   前記単層形成工程によって形成された第一の単層に積層させ、前記単層形成工程によって第二の単層を形成する積層工程と、を含み、
   前記積層工程を所定の回数、繰り返す、
   ことを特徴とする３次元形成方法。
7. 複数備える前記材料供給手段の内、少なくとも１つの前記ヘッドユニットに保持される前記材料吐出部を含む前記材料供給手段と、他の前記材料供給手段と、は、収容される前記被焼結材料が異なる、
   ことを特徴とする請求項６に記載の３次元形成方法。
8. 前記エネルギーがレーザーであることを特徴とする請求項５および６、または７に記載の３次元形成方法。

Images