JP2017014581A - ３次元形成装置および３次元形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼結層の上面、すなわち次の焼結層が積層される側の面を、平坦化することによって高い精度の３次元造形物を得ること目的とする。【解決手段】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、前記材料供給手段から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加熱手段と、前記ステージに対して、前記材料供給手段と、前記加熱手段と、が、相対的に３次元移動が可能となるステージ駆動手段と、を備え、前記加熱手段によって焼結された焼結体の集合体として形成される焼結単層の、前記ステージ側とは反対の端面部の少なくとも一部を除去して平坦化する平坦化手段を備える３次元形成装置。【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熔融層が積層され、所望の３次元形状造形物が得られる。

特許文献１の３次元形状造形物の製造方法では、３次元形状造形物を構成する積層される材料層の一つの層において、３次元ＣＡＤのデータなどから得られる光ビームの照射経路に沿うように光ビームがガルバノミラーによってスキャンし、材料層が溶融、凝固されて所望の焼結層を得ることができる。

特開２００８−１８４６２２号公報

特許文献１に開示された３次元形状造形物の製造方法において、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用いて形成される材料層は、ワイパーによってスキージされた状態で、層厚みは均一化可能ではあるが、焼結層または溶融層を構成する金属粉末の密度分布を均一化することは困難であった。

従って、材料層に光ビームを照射して焼結、もしくは溶融させることによる材料層の収縮に分布を生じてしまい、プレートからの焼結層の高さに高低差が発生する虞があった。この焼結層の高低差が、焼結層を複数、積層させることによって累積されて、形成される３次元形状造形物にゆがみやひずみなどを生じさせ、３次元形状造形物の寸法精度を低下させることになっていた。そこで、焼結層の上面、すなわち次の焼結層が積層される側の面を、平坦化することによって高い精度の３次元造形物を得ること目的とする。

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、前記材料供給手段から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加熱手段と、前記ステージに対して、前記材料供給手段と、前記加熱手段と、が、相対的に３次元移動が可能となるステージ駆動手段と、を備え、前記加熱手段によって焼結された焼結体の集合体として形成される焼結単層の、前記ステージ側とは反対の端面部の少なくとも一部を除去して平坦化する平坦化手段を備えることを特徴とする。

本適用例の３次元形成装置によれば、平坦化手段を備えることにより、焼結単層の上面に生じる起伏を除去することができ、略平坦な平面を有する焼結単層を得ることができる。また、焼結単層の上層に積層させる焼結単層を形成する場合、下層の焼結単層の上面が平坦な面に形成されていることにより、上層に積層される焼結単層として形成される供給材料を、均一な厚みで供給することができ、上層に積層される焼結単層の上面の起伏の高低差を小さくすることができる。従って、複数の焼結単層を積層しても、積層方向の起伏、あるいはうねりの少ない、精密な３次元形状造形物が形成できる３次元形成装置を得ることができる。

〔適用例２〕上述の適用例において、前記平坦化手段は、前記ステージに対して相対的に３次元移動が可能となる平坦化駆動部と、前記焼結単層の前記端面部を３次元計測可能とする計測部と、を備え、前記計測部による計測結果に基づいて前記平坦化駆動部を駆動させることを特徴とする。

上述の適用例によれば、平坦化装置の駆動は、計測部による端面部の３次元計測結果から、駆動の要否、あるいは平坦化のための焼結単層の除去量の決定、などを行うことで、平坦化手段の駆動時間を最適化することができる。従って、高い生産性を実現しながら、焼結単層の平坦化を行うことができる装置を得ることができる。

〔適用例３〕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供給する材料供給工程と、前記材料供給工程によって供給された前記被焼結材料に向けて、前記被焼結材料を焼結可能とする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、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、繰り返して３次元形状造形物が形成される３次元形成方法であって、前記第一の単層の、前記第二の単層が積層される積層面部を平坦化する平坦化工程を含むことを特徴とする。

本適用例の３次元形成方法によれば、平坦化工程を備えることにより、焼結単層の上面に生じる起伏を除去することができ、略平坦な平面を有する焼結単層を得ることができる。また、焼結単層の上層に第２の焼結単層を形成する場合、下層の焼結単層の上面が平坦な面に形成されていることにより、第２の焼結単層に形成される供給材料を、均一な厚みで供給することができ、第２の焼結単層の上面の起伏の高低差を小さくすることができる。従って、複数の焼結単層を積層しても、積層方向の起伏、あるいはうねりの少ない、精密な３次元形状造形物が形成できる。

〔適用例４〕上述の適用例において、前記積層面部を３次元計測する３次元計測工程を備え、前記３次元計測工程によって得られた前記積層面部の３次元データに基づき、前記平坦化工程の要否を判定する平坦化要否判定工程を含むことを特徴とする。

上述の適用例によれば、平坦化工程の実行は、３次元計測工程による積層面部の３次元計測データから、平坦化工程の要否の判定を行うことで、平坦化工程の工数を最適化することができる。従って、高い生産性を実現しながら、焼結単層の平坦化を行うことができる。

第１実施形態に係る３次元形成装置の構成を示す構成図。 第１実施形態に係る３次元形成装置の動作を説明する概略構成図。 第１実施形態に係る３次元形成装置の動作を説明する概略構成図。 第１実施形態に係る３次元形成装置の動作を説明する概略構成図。 第１実施形態に係る３次元形成装置の動作を説明する概略構成図。 第１実施形態に係る３次元形成装置の動作を説明する概略構成図。 第１実施形態に係る３次元形成装置の動作を説明する概略構成図。 第１実施形態に係る３次元形成装置の平坦化部の実施形態の一例を示す外観斜視図。 第１実施形態に係る３次元形成装置の平坦化装置による平坦化の動作を説明する概念図。 第１実施形態に係る３次元形成装置の平坦化装置による平坦化の動作を説明する概念図。 第１実施形態に係る３次元形成装置の平坦化装置による平坦化の動作を説明する概念図。 第１実施形態に係る３次元形成装置の平坦化装置による平坦化の動作を説明する概念図。 第２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２実施形態に係る３次元形成方法の製造工程を示す部分断面図。 第２実施形態に係る３次元形成方法の製造工程を示す部分断面図。 第２実施形態に係る３次元形成方法の製造工程を示す部分断面図。 第２実施形態に係る３次元形成方法の製造工程を示す部分断面図。 第２実施形態に係る３次元形成方法の製造工程を示す部分断面図。 第２実施形態に係る３次元形成方法の製造工程を示す部分断面図。 第２実施形態に係る３次元形成方法の製造工程を示す部分断面図。 第２実施形態に係る３次元形成方法の製造工程を示す部分断面図。 第２実施形態に係る３次元形成方法の製造工程を示す部分断面図。 第２実施形態に係る３次元形成方法の製造工程を示す部分断面図。 第２実施形態に係る３次元形成方法の製造工程を示す部分断面図。

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構成図である。図１に示す３次元形成装置１０００（以下、装置１０００という）は、基台１０に材料層形成部２０が備えられている。材料層形成部２０は、原料Ｍが収納される原料槽２１ａと、原料槽２１ａに隣接して３次元造形物を構成する材料層が形成される形成槽２１ｂと、を有する収容部２１を備えている。原料槽２１ａの内部には、図示するＺ軸方向、すなわち図表示の上下方向に摺動するテーブル２３ａと、テーブル２３ａを支持するテーブル支持部２３ｂと、を備える原料昇降部２３と、形成槽２１ｂの内部には、図示するＺ軸方向、すなわち図表示の上下方向に摺動するステージとしてのテーブル２４ａと、テーブル２４ａを支持するテーブル支持部２４ｂと、を備える材料層昇降部２４と、を備えている。なお、説明の便宜上、以下、原料昇降部２３を第１昇降部２３、材料層昇降部２４を第２昇降部２４、という。そして、テーブル支持部２３ｂは、基台１０に配置された昇降装置２３ｃによって、テーブル支持部２４ｂはステージ駆動手段としての昇降装置２４ｃによって、それぞれ上下に駆動される。

基台１０には、原料槽２１ａに収納された原料Ｍを所定の量、隣接す形成槽２１ｂへ送出する、原料送出手段３０を備えている。原料Ｍは、金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料である。金属粉末としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）などの単体粉末、もしくはこれらの金属の１つ以上を含む合金の粉末の混合粉末が用いられる。そして、金属粉末にバインダーとして、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ナノセルロース（ＣｅＮＦ）などの水酸基を有したもの、あるいはポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの熱可塑性樹脂などが混練され、紛体状の原料Ｍが形成される。

原料送出手段３０は、原料槽２１ａから原料Ｍを形成槽２１ｂに押し出すように送出するリコータ３１と、リコータ３１に固定された駆動支持部３２を介して、図示例ではＸ軸方向にリコータ３１を移動可能とするリコータ駆動部３３と、を備え、リコータ駆動部３３に接続された可動支持部３４によって基台１０に設置されている。以下、原料送出手段３０をスキージ装置３０という。

原料槽２１ａに収容された原料Ｍを、第１昇降部２３によって材料層形成部２０の収容部２１の上端面２１ｃよりせり出させ、スキージ装置３０に備えるリコータ３１を形成槽２１ｂ側に移動させながら、上端面２１ｃよりせり出した原料を形成槽２１ｂに移送するものであり、原料供給手段としては、スキージ装置３０と、原料槽２１ａと、第１昇降部２３と、により構成される。

装置１０００には、加熱手段として、レーザー光Ｌを照射するレーザー発振器４１と、レーザー光Ｌを形成槽２１ｂの第２昇降部２４のテーブル２４ａ上に配設された材料層に向けて、所定の照射位置に照射させるガルバノ装置４２と、を備えるレーザー照射装置４０が備えられている。なお、レーザー照射装置４０は、図示しない駆動手段によって材料層形成部２０の収容部２１と、相対的に３次元移動可能に配置され、ガルバノ装置４２は、レーザー光を反射するガルバノミラー４２ａと、ガルバノミラー４２ａを駆動し、レーザー発振器４１からのレーザー光Ｌの光軸を所定の方向に反射させるミラー駆動部４２ｂと、を備えている。

また、装置１０００には、平坦化手段としての平坦化装置５０を備えている。平坦化装置５０は、詳細は後述するが、材料層がレーザー光Ｌによって焼結された焼結部の一部を除去する平坦化部５１と、平坦化部５１に接続され、図示例ではＸ軸方向に可動する可動腕５２と、可動腕５２を図示しない駆動装置によってＸ軸方向に駆動する駆動保持部５３と、駆動保持部５３がＺ軸方向に移動可能に固定され、一端が基台１０に固定された支持部５４と、を備えている。

更に、装置１０００には、第２昇降部２４のテーブル２４ａ上に形成される材料層を焼結して得られる焼結層の表面を３次元計測可能な計測手段としてのレーザー計測装置６０を備えている。レーザー計測装置６０は、図示しないが、収容部２１に対して相対的に３次元移動を可能とする平坦化駆動部としての駆動部を備えている。

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、上述した第１昇降部２３、第２昇降部２４、スキージ装置３０、レーザー照射装置４０、および平坦化装置５０を制御する制御手段としての制御ユニット１００を備えている。制御ユニット１００は、図示しないが、第１昇降部２３の駆動制御部、第２昇降部２４の駆動制御部、スキージ装置３０の駆動制御部、レーザー照射装置４０の駆動制御部、および平坦化装置５０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。そして図示されない制御ユニットに備えるそれぞれの駆動制御部は、テーブル昇降コントローラー１１０、スキージ装置コントローラー１２０、レーザーコントローラー１３０、平坦化装置コントローラー１４０、および３次元計測装置コントローラー１５０に、所定の制御信号を送出する。

テーブル昇降コントローラー１１０は、制御ユニット１００からの制御信号に基づき、第１昇降部２３に備える昇降装置２３ｃ、および第２昇降部２４に備える昇降装置２４ｃを駆動させ、テーブル２３ａ，２４ａの昇降を制御する。スキージ装置コントローラー１２０は、制御ユニット１００からの制御信号に基づき、リコータ駆動部３３を駆動させ、可動支持部３４の、本例ではＸ軸方向のスライド移動を制御する。

レーザーコントローラー１３０は、制御ユニット１００からの制御信号に基づき、レーザー発振器４１からのレーザー光Ｌの出射と、出射されたレーザー光Ｌを所定の照射位置に照射させるガルバノ装置４２の駆動と、を制御する。平坦化装置コントローラー１４０は、制御ユニット１００からの制御信号に基づき、駆動保持部５３を駆動させ可動腕５２のＸ軸方向の移動と、支持部５４に沿ったＺ軸方向の移動と、平坦化部５１に対して、後述する平坦化加工部の出力制御と、を行う。

３次元計測装置コントローラー１５０は、制御ユニット１００からの制御信号に基づき、レーザー計測装置６０の計測開始位置への移動と、計測の開始と終了、計測データの取得と制御ユニットへのデータ送出、などの制御を行う。

図２，３，４，５，６，７は、材料層形成部２０における材料供給と材料層形成の装置１０００の動作を説明する概略構成図である。先ず、図２に示すように、第１昇降部２３のテーブル２３ａは、材料層形成部２０の原料槽２１ａの図表示の下方、すなわち底部まで下降させ、原料槽２１ａ内に原料補給部７０から原料Ｍが補給、収容される。原料槽２１ａに原料Ｍが収容されると、図３に示すように、第１昇降部２３は、テーブル２３ａをｓ１上昇させる。

テーブル２３ａの上面部２３ｄをｓ１上昇させることによって、収容部２１の上端面２１ｃの面高さを超えて原料Ｍが丘状にせり出し、せり出し原料Ｍ１を形成する。一方、形成槽２１ｂでは、第２昇降部２４のテーブル２４ａの上面部２４ｄを、収容部２１の上端面２１ｃからｔ１下降させ、形成槽２１ｂと、テーブル２４ａの上面部２４ｄと、によって凹部Ｖ１を形成する。テーブル２４ａの下降量ｔ１は、後述する材料層の厚みとなり、凹部Ｖ１の容積と、せり出し原料Ｍ１の体積と、が略同量となるようにせり出し原料Ｍ１が形成されるように第１昇降部２３のテーブル２３ａの上昇量ｓ１が設定される。

次に、図４に示すようにスキージ装置３０に備えるリコータ駆動部３３によって駆動支持部３２が駆動され、リコータ３１は、図示するＡ位置（待機位置）から、Ｂ位置（スキージ終了位置）まで移動する。この時、リコータ３１の収容部２１に対向するリコータ下端面３１ｂと、収容部２１に上端面２１ｃと、の間隙δ１は、上端面２１ｃ上をリコータ下端面３１ｂが摺動可能でありながら、且つより０に近づけて設定されることが好ましい。

このように配置されたリコータ３１がＡ位置からＢ位置に向けて移動する過程において、リコータ前端面３１ａは、せり出し原料Ｍ１を形成槽２１ｂに向けて押し出し、形成槽２１ｂの凹部Ｖ１に移動させる。せり出し原料Ｍ１は、形成槽２１ｂに移送され、材料層Ｍ２に形成される。

材料層Ｍ２の形成では、リコータ３１のリコータ下端面３１ｂによってリコータ３１の移動方向に沿って平坦面に成形され、凹部Ｖ１の体積に対してせり出し原料Ｍ１の体積の余剰分はリコータ前端面３１ａによって、形成槽２１ｂの外部に排出される。この時、リコータ３１の収容部２１に対向するリコータ下端面３１ｂと、収容部２１に上端面２１ｃと、の間隙δ２は、上端面２１ｃ上をリコータ下端面３１ｂが摺動可能でありながら、且つより０に近づけて設定されることが好ましい。

図４に示す、材料層Ｍ２が形成されると、図５に示すように、リコータ３１は待機位置のＡ位置に移動され、レーザー照射装置４０によって、材料層Ｍ２に向けてレーザーＬが照射される。材料層Ｍ２を構成する原料Ｍは、レーザーＬの熱エネルギーによってレーザーＬが照射された所定の領域において原料Ｍに含まれる金属粉末が焼結され、焼結単層としての後述する３次元造形物の第１層目となる部分造形物２０１が形成される。材料層Ｍ２を構成する原料Ｍは上述したように、金属粉末とバインダーとを混練して作成されており、この原料ＭにレーザーＬを照射し熱エネルギーを付与することにより、原料Ｍに含まれるバインダー成分は蒸散され、金属粉末が互いに結合、集合して部分造形物２０１に形成されるため、収縮を伴った状態の変化が起きる。従って、材料層Ｍ２の厚みｔ１に対して、焼結後の部分造形物２０１の厚みｔ２は収縮によって、
ｔ２＜ｔ１
の状態で形成される。

部分造形物２０１が形成されると、図６に示すように、第２昇降部２４を駆動し、部分造形物２０１の上面が収容部２１の上端面２１ｃより所定量飛び出る位置までテーブル２４ａを上昇させる。すなわち、テーブル２４ａの上面部２４ｄと、収容部２１の上端面２１ｃとの段差ｔ３が、部分造形物２０１の厚みｔ２に対して、
ｔ３＜ｔ２
となるようにする。そして、材料層Ｍ２において焼結されなかった部分、すなわち部分造形物２０１を除く未焼結材料層Ｍ２´を、テーブル２４ａから除去する。除去の方法には限定はないが、例えば圧縮空気の吹付による吹き飛ばし、あるいは吸引などの手段によって行うことができる。

未焼結材料層Ｍ２´が除去され、部分造形物２０１だけが載置された状態で、図７に示すように、部分造形物２０１の上面２０１ａに対向して配置されたレーザー計測装置６０によって、上面２０１ａの３次元計測が行われる。測定された上面２０１ａの３次元データに基づいて、平坦化装置５０に備える駆動保持部５３（図１参照）を駆動させ、平坦化部５１を部分造形物２０１に対して相対的に所定の高さに移動させ、可動腕５２を移動させて、部分造形物２０１の積層面部としての上面２０１ａの平坦化を行う。

図８は、平坦化部５１の実施形態の一例を示す外観斜視図である。図８に例示する平坦化装置５０に備える平坦化部５１は、少なくとも、溶断ワイヤー５１ｂと、溶断ワイヤー５１ｂを保持するワイヤー保持枠５１ａと、を備えている。溶断ワイヤー５１ｂには、平坦化装置コントローラー１４０の制御信号に基づいて溶断ワイヤー５１ｂへ送電する電力を制御する電源制御部１４１から、電源制御部１４１と溶断ワイヤー５１ｂとを電気的に接続するケーブル１４２を通して溶断ワイヤー５１ｂに所定の電力が供給される。

溶断ワイヤー５１ｂは、ワイヤー保持枠５１ａのワイヤー固定部５１ｃ，５１ｄの間に、張力が与えられて固定され、電源制御部１４１から供給される電力によって発熱する黄銅線を用いることが好ましい。

図７に示す、平坦化装置５０（図１参照）によって部分造形物２０１の上面２０１ａを平坦化する動作について図９，１０，１１，１２を用いて説明する。先ず、部分造形物２０１の上面２０１ａの状態を図９に示す概念図によって説明する。図９は、部分造形物２０１の上面２０１ａの状態を３次元ワイヤーフレームによって立体的に表した拡大概念図である。

図９に示すように、部分造形物２０１の上面２０１ａは起伏をもって形成されている。図９では、第２昇降部２４のテーブル２４ａの上面部２４ｄに所定の厚みｔ２の基準上面２０１ｂの部分造形物２０１が形成されるが、基準上面２０１ｂに対して、形成される部分造形物２０１の上面２０１ａは、厚みｔ２より厚い山部位置Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３と、薄い谷部位置Ｄ１，Ｄ２と、を有するうねりのある上面２０１ａとなっている。

部分造形物２０１は、第２昇降部２４のテーブル２４ａの上面部２４ｄ上に、図４に示すように厚みｔ１の材料層Ｍ２を、図５に示すように、レーザーＬによって焼結して得られる。しかし、図５を用いて上述したように、レーザーＬの照射による焼結により、厚みｔ１の材料層Ｍ２から収縮した厚みｔ２の部分造形物２０１に形成されるが、この収縮の量（割合）に分布が存在する。

図１０は、図９に示す切断面Ｃに沿った部分造形物２０１の断面図を示し、切断面Ｃと上面２０１ａとの交線がＣＬである。交線ＣＬ上には、山部位置Ｓ１と、谷部位置Ｄ１と、を含んでいる。なお、図１０におけるＺ軸方向の位置、すなわち凹凸は強調して描画してある。

図１０に示すように、材料層Ｍ２は厚みｔ１で形成され、レーザーＬによって焼結されることで、所望の厚みｔ２の部分造形物２０１が形成される。材料層Ｍ２を構成する原料Ｍに含まれる金属粉末の密度ρは均一ではなく、分布をもっている。例えば、所望の厚みｔ２に形成される領域Ａ２，Ａ４での密度をρＳ、山部位置Ｓ１の領域Ａ３での密度をρＨ、谷部位置Ｄ１の領域Ａ１での密度をρＬ、とすると、
ρＬ＜ρＳ＜ρＨ
の関係にある。

領域Ａ３における密度ρＨは、領域Ａ２，Ａ４における密度ρＳより高い密度で金属粉末を含んでいる、言い換えると領域Ａ３に含まれるバインダーの割合が領域Ａ２，Ａ４より少ないことを意味している。従って、レーザーＬの熱エネルギーによるバインダーが蒸散、除去されても領域Ａ３にはより多くの金属成分が残留、焼結されることになり、所望の厚みｔ２より厚い厚みｔ２Ｈを有する山部位置Ｓ１を構成する。

そして、領域Ａ１における密度ρＬは、領域Ａ２，Ａ４における密度ρＳより低い密度で金属粉末を含んでいる、言い換えると領域Ａ１に含まれるバインダーの割合が領域Ａ２，Ａ４より多いことを意味している。従って、レーザーＬの熱エネルギーによるバインダーが蒸散、除去されることで領域Ａ１には残留する金属成分はより少ない量で焼結されることになり、所望厚みｔ２より薄い厚みｔ２Ｌを有する谷部位置Ｄ１を構成することとなる。

このように起伏のある部分造形物２０１の上面２０１ａの高さｔ２，ｔ２Ｈ，ｔ２Ｌなどをレーザー計測装置６０によって３次元計測し、その計測データを基に平坦化装置５０が駆動される。図１１および図１２は、平坦化装置５０による部分造形物２０１の平坦化の形態を示す断面概念図である。

図１１に示すように、部分造形物２０１の上面２０１ａの３次元データがレーザー計測装置６０によって得られると、制御ユニット１００において最適の部分造形物２０１の厚みｔＳが演算され、平坦化装置コントローラー１４０に制御信号が送出される（図１参照）。そして、平坦化装置に備える溶断ワイヤー５１ｂの部分造形物２０１との相対位置、すなわち溶断ワイヤー５１ｂと、テーブル２４ａの上面部２４ｄと、のＺ軸方向の離間距離ｔＳが設定される。そして、図１２に示すように、溶断ワイヤー５１ｂは所定の電力が供給されて部分造形物２０１を構成する金属を溶融可能とする温度まで発熱し、離間距離ｔＳが維持された状態で、図示矢印のＸ軸方向に移動する。そして、部分造形物２０１の上面２０１ａの全面に亘って溶断ワイヤー５１ｂが移動されることにより、厚みｔＳを最大厚みとする平坦化面２０１ｃに成形された平坦化部分造形物２０１Ａが形成される。

このように平坦化装置５０によって、部分造形物２０１の上面２０１ａが持っている起伏を除去し、略平坦な平面を有する平坦化部分造形物２０１Ａを得ることができる。また、平坦化部分造形物２０１Ａの上層に第２の部分造形物を形成する場合、下層の平坦化部分造形物２０１Ａの上面が平坦な面に形成されていることにより、第２の部分造形物となる材料層Ｍ２の形成厚みを、より均一に形成することができ、第２の部分造形物の上面の起伏の高低差を小さくすることができる。従って、複数の部分造形物を積層して得られる３次元形状造形物は、積層方向の起伏、あるいはうねりの少ない、精密な造形物とすることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る３次元形成方法は、上述した第１実施形態に係る装置１０００を用いて３次元造形物を形成する方法である。図１３は、第２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る。そして図１３のフローチャートに示す工程の製造方法を図１４〜図２４に示す。なお第１実施形態に係る装置１０００と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

（３次元造形用データ取得工程）
図１３に示すように、本実施形態に係る３次元形成方法は後述する３次元形状造形物２００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、図１に示す装置１０００に備える制御ユニット１００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１００から、テーブル昇降コントローラー１１０、スキージ装置コントローラー１２０、レーザーコントローラー１３０、平坦化装置コントローラー１４０、３次元計測装置コントローラー１５０、などに所定の制御信号が送出される。

（材料準備工程）
材料準備工程（Ｓ２０）では、図１４に示すように、３次元形状造形物２００の原料Ｍが、図示しない混練装置から原料補給部７０を経由して、第１昇降部２３のテーブル２３ａが収容部２１の原料槽２１ａの図表示の下方、すなわち底部まで下降させた状態での原料槽２１ａに供給され、収納される。原料Ｍは、金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料である。金属粉末としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）などの単体粉末、もしくはこれらの金属の１つ以上を含む合金の粉末の混合粉末が用いられる。そして、金属粉末にバインダーとして、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ナノセルロース（ＣｅＮＦ）などの水酸基を有したもの、あるいはポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの熱可塑性樹脂などが混練され、紛体状の原料Ｍが形成される。

本実施形態における３次元形成方法は、紛体状の原料Ｍから形成される形態により説明するが、原料Ｍは紛体状に限定されず、上述の金属粉末と、バインダーと、に加えて溶剤、例えば水、水溶性の溶剤、などを混練し、スラリー状にして供給してもよく、あるいはシート状に成形した、いわゆるグリーンシートとして供給してもよい。

（材料供給工程）
原料槽２４ａに原料Ｍが供給されると、材料供給工程（Ｓ３０）に移行される。材料供給工程（Ｓ３０）は、図１５に示すように、原料槽２１ａにおいて、テーブル２３ａの上面部２３ｄをｓ１上昇させ、収容部２１の上端面２１ｃの面高さを超えて原料Ｍが丘状にせり出し、せり出し原料Ｍ１が形成される。合わせて、形成槽２１ｂでは、第２昇降部２４のテーブル２４ａの上面部２４ｄを、収容部２１の上端面２１ｃからｔ１下降させ、形成槽２１ｂと、テーブル２４ａの上面部２４ｄと、によって凹部Ｖ１が形成される。テーブル２４ａの下降量ｔ１は、後述する材料層の厚みとなり、凹部Ｖ１の容積と、せり出し原料Ｍ１の体積と、が略同量となるようにせり出し原料Ｍ１が形成されるように第１昇降部２３のテーブル２３ａの上昇量ｓ１が設定される。

そして、スキージ装置３０に備えるリコータ３１が、図示するＡ位置（待機位置）から、Ｂ位置（スキージ終了位置）まで移動する。リコータ３１がＡ位置からＢ位置に向けて移動する過程において、リコータ前端面３１ａは、せり出し原料Ｍ１を形成槽２１ｂに向けて押し出し、形成槽２１ｂの凹部Ｖ１に、せり出し原料Ｍ１が移送される。そして、形成槽２１ｂに移送されたせり出し原料Ｍ１は、リコータ３１によって平坦にならされる、いわゆるスキージが行われ、材料層Ｍ２に形成されて材料供給工程（Ｓ３０）が終了する。

（焼結工程）
材料供給工程（Ｓ３０）の後、焼結工程（Ｓ４０）に移行される。焼結工程（Ｓ４０）では、図１６に示すようにレーザー照射装置４０によって、材料層Ｍ２に向けてレーザーＬが照射され、レーザーＬの熱エネルギーによってレーザーＬが照射された所定の領域において原料Ｍに含まれる金属粉末が焼結され、焼結単層の第一の単層としての後述する３次元造形物の第１層目となる部分造形物２０１が形成される。材料層Ｍ２を構成する原料Ｍは上述したように、金属粉末とバインダーとを混練して作成されており、この原料ＭにレーザーＬを照射し熱エネルギーを付与することにより、原料Ｍに含まれるバインダー成分は蒸散され、金属粉末が互いに結合、集合して部分造形物２０１に形成されるため、収縮を伴った状態の変化が起きる。従って、材料層Ｍ２の厚みｔ１に対して、焼結後の部分造形物２０１の厚みｔ２は収縮によって、
ｔ２＜ｔ１
の状態で形成される。

なお、上述の「第一の単層」、および後述する「第二の単層」とは、後述するが、第一の単層の上に、第二の単層が積層されて３次元成形物が形成されることから、積層される単層の、いわゆる上下関係を区分するためのものであり、下層が第一の単層、上層が第二の単層としている。

（未焼結部除去工程）
焼結工程（Ｓ４０）によって、部分造形物２０１が形成されると、未焼結部除去工程（Ｓ５０）に移行される。未焼結部除去工程（Ｓ５０）は、図１７に示すように、第２昇降部２４を駆動し、部分造形物２０１の上面が収容部２１の上端面２１ｃより所定量飛び出る位置までテーブル２４ａを上昇させる。すなわち、テーブル２４ａの上面部２４ｄと、収容部２１の上端面２１ｃとの段差ｔ３が、部分造形物２０１の厚みｔ２に対して、
ｔ３＜ｔ２
となるようにする。そして、材料層Ｍ２において焼結されなかった部分、すなわち部分造形物２０１を除く未焼結材料層Ｍ２´を、テーブル２４ａから除去する。除去の方法には限定はないが、例えば圧縮空気の吹付による吹き飛ばし、あるいは吸引などの手段によって行うことができる。

（３次元計測工程）
未焼結部除去工程（Ｓ５０）によって、テーブル２４ａの上面部２４ｄ上に載置された第１層目の部分造形物２０１の上面２０１ａの３次元計測を行う３次元計測工程（Ｓ６０）に移行される。本実施形態での３次元計測工程（Ｓ６０）では、図１８に示すように、装置１０００に備えるレーザー計測装置６０によって、部分造形物２０１の上面２０１ａの３次元形状データを取得する。３次元形状データとは、例えば図９に示すように、山部位置Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３、および谷部位置Ｄ１，Ｄ２の、ＸＹＺ座標位置を計測して取得することである。

図１９は、部分造形物２０１の上面２０１ａの起伏を概念的に表した概念図である。図９、および図１０を用いて説明したが、部分造形物２０１の上面２０１ａは図１９に示すように起伏を有する面となっている。その起伏の内、基準となるテーブル２４ａの上面部２４ｄからの高さ、すなわち部分造形物２０１の厚みを測定し、少なくとも最も厚いｔ_MAXと、最も薄いｔ_MINの厚みデータを取得する。

（平坦化要否判定工程）
３次元計測工程（Ｓ６０）によって得られたｔ_MAXと、ｔ_MINのデータから、後述する平坦化工程（Ｓ８０）の要否を判定する平坦化要否判定工程（Ｓ７０）に移行する。平坦化要否判定工程（Ｓ７０）では、ｔ_MAXとｔ_MINと、の差、
τ_MAX＝ｔ_MAX−ｔ_MIN
を求める。そして、制御ユニット１００に備える図示しない演算部において、平坦化工程（Ｓ８０）の要否を決める閾値としての上面２０１ａの起伏高低差許容範囲τ_Sと、τ_MAXと、を比較し、
τ_MAX≦τ_S
すなわち、
（ｔ_MAX−ｔ_MIN）≦τ_S
であるかを判定する。

ここで、
（ｔ_MAX−ｔ_MIN）＞τ_S
すなわち、平坦化要否判定工程（Ｓ７０）においてＮＯと判定されると、次の平坦化工程（Ｓ８０）に移行される。しかし、ＹＥＳと判定された場合には、平坦化工程（Ｓ８０）には移行せず、後述する積層数比較工程（Ｓ９０）に移行される。なお、閾値の起伏高低差許容範囲τ_Sは、３次元形状造形物２００の形成、完成精度などによって適宜決定されるものであり、特に限定されるものではない。

（平坦化工程）
上述の平坦化要否判定工程（Ｓ７０）において、
（ｔ_MAX−ｔ_MIN）＞τ_S
すなわち、平坦化要否判定工程（Ｓ７０）においてＮＯと判定された場合、平坦化工程（Ｓ８０）に移行される。平坦化工程（Ｓ８０）は、図２０に示すように、平坦化装置５０に備える可動腕５２を駆動保持部５３によって駆動させ、平坦化部５１を所定の位置まで移動させる（図１参照）。そして、平坦化部５１に備える溶断ワイヤー５１ｂに通電、発熱させ、部分造形物２０１の上面２０１ａをなぞるように移動させる。

この時の溶断ワイヤー５１ｂと部分造形物２０１との関係を図２１に示す。図２１に示すように、溶断ワイヤー５１ｂは、３次元計測工程（Ｓ６０）で得られた部分造形物２０１の最も薄いｔ_MINに対して少なくとも起伏高低差許容範囲τ_Sを加えた、最適厚みｔＳを形成するようにＺ軸方向の位置が設定され、厚みｔＳを超える部分が溶断、除去される。そして溶断、除去後の平坦化面２０１ｃが形成され、平坦化部分造形物２０１Ａに形成される。

（積層数比較工程）
少なくとも、材料供給工程（Ｓ３０）と、焼結工程（Ｓ４０）と、未焼結部除去工程（Ｓ５０）と、３次元計測工程（Ｓ６０）と、平坦化要否判定工程（Ｓ７０）と、平坦化工程（Ｓ８０）と、を含む単層形成工程（Ｓ３００）が実行されると、積層数比較工程（Ｓ９０）に移行される。積層数比較工程（Ｓ９０）では、３次元造形用データ取得工程（Ｓ１０）によって取得された造形データに含まれる、３次元形状造形物２００を構成するために必要な単層の積層数Ｎと、積層数比較工程（Ｓ９０）の直前の単層形成工程（Ｓ３００）まで積層された単層の積層数ｊと、を比較する。積層数比較工程（Ｓ９０）において、ｊ＜Ｎと判定された場合、再度、単層形成工程（Ｓ３００）を実行させる積層工程（Ｓ２００）に移行される。

（積層工程）
積層工程（Ｓ２００）は、積層数比較工程（Ｓ９０）において、ｊ＜Ｎと判定され、再度、単層形成工程（Ｓ３００）を実行させるための指令工程であり、単層形成工程（Ｓ３００）の開始工程である材料供給工程（Ｓ３０）を実行させる。

図２２に示すように、積層工程（Ｓ２００）の指令により開始される２層目の材料層Ｍ２２を形成する材料供給工程（Ｓ３０）では、第一の単層としての第１層目の平坦化部分造形物２０１Ａに原料Ｍが供給される。図２２に示すように、原料槽２１ａにおいて、テーブル２３ａの上面部２３ｄをｓ２１上昇させ、収容部２１の上端面２１ｃの面高さを超えて原料Ｍが丘状にせり出し、せり出し原料Ｍ２１が形成される。合わせて、形成槽２１ｂでは、第２昇降部２４のテーブル２４ａの上面部２４ｄを、収容部２１の上端面２１ｃから第１層目の平坦化部分造形物２０１Ａの平坦化面２０１ｃがｔ２１の深さになるまで下降させ、形成槽２１ｂと、テーブル２４ａの上面部２４ｄと、によって凹部Ｖ２１が形成される。テーブル２４ａの下降量ｔ２１は、第２層目の材料層Ｍ２２の厚みとなり、凹部Ｖ２１の容積と、せり出し原料Ｍ２１の体積と、が略同量となるようにせり出し原料Ｍ２１が形成されるように第１昇降部２３のテーブル２３ａの上昇量ｓ２１が設定される。

そして、スキージ装置３０に備えるリコータ３１が、図示するＡ位置（待機位置）から、Ｂ位置（スキージ終了位置）まで移動する。リコータ３１がＡ位置からＢ位置に向けて移動する過程において、リコータ前端面３１ａは、せり出し原料Ｍ２１を形成槽２１ｂに向けて押し出し、形成槽２１ｂの凹部Ｖ２１に、せり出し原料Ｍ２１が移送される。そして、形成槽２１ｂに移送されたせり出し原料Ｍ２１は、リコータ３１によって平坦にならされる、いわゆるスキージが行われ、材料層Ｍ２２に形成されて第２層目の材料供給工程（Ｓ３０）が終了する。

そして、図２３に示すように第２層目の焼結工程（Ｓ４０）によって部分造形物２０２が形成され、形成された部分造形物２０２に対して、未焼結部除去工程（Ｓ５０）と、３次元計測工程（Ｓ６０）と、平坦化要否判定工程（Ｓ７０）と、平坦化工程（Ｓ８０）と、が行われ、図示しないが第二の単層としての平坦化部分造形物２０２Ａが形成される単層形成工程（Ｓ３００）が実行され、積層数比較工程（Ｓ９０）に移行される。

積層数比較工程（Ｓ９０）で、ｊ＜Ｎと判定されると、再度、積層工程（Ｓ２００）に移行し、上述の単層形成工程（Ｓ３００）が、図示しないが第二の単層としての平坦化部分造形物２０２Ａを第一の単層として、３層目の単層を第二の単層として積層される。そして、図２４に示すように、所定の積層数Ｎまで積層され、積層数比較工程（Ｓ９０）においてｊ＝Ｎと判定された状態において、３次元形状造形物２００を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る３次元形成方法は、平坦化工程（Ｓ８０）を備えることにより、第二の単層、例えば第１層目の部分造形物２０１上に積層される第２層目の部分造形物２０２は、第１層目の部分造形物２０１の上面２０１ａを平坦化することにより、材料層Ｍ２２を平坦化部分造形物２０１Ａ上に均一な厚みで形成することができる。従って、均一な厚みで形成された材料層Ｍ２２を焼結することにより得られる第二の単層としての第２層目の部分造形物２０２を均一な厚みで形成することができる。

また、平坦化工程（Ｓ８０）では、部分造形物の上面の部分的な凹凸を平坦化するだけではなく、面の傾きやうねりを検出して平坦化することができる。従って、部分造形物を多数、積層させて３次元形状造形物２００を形成しても、平坦化工程（Ｓ８０）で形成された平坦な面上に第二の単層となる部分造形物を積層、形成させることができ、安定した単層形成工程（Ｓ３００）を実行することができる。

１０…基台、２０…材料層形成部、３０…スキージ装置、４０…レーザー照射装置、５０…平坦化装置、６０…レーザー計測装置、１００…制御ユニット、１１０…テーブル昇降コントローラー、１２０…スキージ装置コントローラー、１３０…レーザーコントローラー、１４０…平坦化装置コントローラー、１５０…３次元計測装置コントローラー、１０００…３次元形成装置。

Claims (4)

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、
   前記材料供給手段から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加熱手段と、
   前記ステージに対して、前記材料供給手段と、前記加熱手段と、が、相対的に３次元移動が可能となるステージ駆動手段と、を備え、
   前記加熱手段によって焼結された焼結体の集合体として形成される焼結単層の、前記ステージ側とは反対の端面部の少なくとも一部を除去して平坦化する平坦化手段を備える、
   ことを特徴とする３次元形成装置。
2. 前記平坦化手段は、
   前記ステージに対して相対的に３次元移動が可能となる平坦化駆動部と、
   前記焼結単層の前記端面部を３次元計測可能とする計測部と、を備え、
   前記計測部による計測結果に基づいて前記平坦化駆動部を駆動させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の３次元形成装置。
3. 金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料を供給する材料供給工程と、
   前記材料供給工程によって供給された前記被焼結材料に向けて、前記被焼結材料を焼結可能とする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、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、繰り返して３次元形状造形物が形成される３次元形成方法であって、
   前記第一の単層の、前記第二の単層が積層される積層面部を平坦化する平坦化工程を含む、
   ことを特徴とする３次元形成方法。
4. 前記積層面部を３次元計測する３次元計測工程を備え、
   前記３次元計測工程によって得られた前記積層面部の３次元データに基づき、前記平坦化工程の要否を判定する平坦化要否判定工程を含む、
   ことを特徴とする請求項３に記載の３次元形成方法。

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