JP2017075365A - 層形成用材料、三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】層を積層することにより三次元造形物を製造する際において、製造される三次元造形物の後処理工程を減らす。【解決手段】層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎを積層することにより三次元造形物５００を製造する三次元造形物の製造装置２０００に用いられ、三次元造形物５００の構成材料形成領域以外において層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎを形成するために用いられる層形成用材料であって、セラミックス粉末と、金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかと、を含有することを特徴とする層形成用材料。このような層形成用材料を用いることで、製造される三次元造形物５００の後処理工程を減らすことが可能になる。【選択図】図１

Description

本発明は、層形成用材料、三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法に関する。

従来から、層を積層することにより三次元造形物を製造する製造方法が実施されている。このような三次元造形物の製造方法としては、三次元造形物を支持体上に形成するのが一般的である。しかしながら、このような従来の層を積層することにより三次元造形物を製造する製造方法においては、支持体上に形成された三次元造形物を支持体上から取り外す際の分離作業や取り外した後の成形作業などに、大きな負荷がかかっていた。すなわち、支持体上に三次元造形物を形成した後に行う後処理工程に時間と手間とがかかっていた。
そこで、例えば、特許文献１には、支持体（造形ステージ）と三次元造形物との間に、サポート層を形成することで後処理工程を減らすことが可能な三次元造形物の製造方法が開示されている。

特開２０１２−１０６４３７号公報

しかしながら、単純に支持体と三次元造形物との間に三次元造形物のサポート層を形成するだけでは、支持体上に形成された三次元造形物を支持体上から取り外す際の分離作業や取り外した後の成形作業などの負荷を十分に減らせない場合がある。例えば、金属製の三次元造形物を製造する際において、支持体、三次元造形物及びサポート層の形成材料などにより、このような負荷の大きさが変化するためである。
このため、層を積層することにより三次元造形物を製造する従来の製造方法では、製造される三次元造形物の後処理工程を減らすことが十分にできていなかった。

そこで、本発明の目的は、層を積層することにより三次元造形物を製造する際において、製造される三次元造形物の後処理工程を減らすことである。

上記課題を解決するための本発明の第１の態様の層形成用材料は、層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置又は製造方法に用いられ、三次元造形物の構成材料形成領域以外において前記層を形成するために用いられる層形成用材料であって、セラミックス粉末と、金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかと、を含有することを特徴とする。

本態様によれば、三次元造形物の構成材料形成領域以外において層を形成するために用いられる層形成用材料は、セラミックス粉末と、金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかと、を含有する。ここで、層形成用材料に金属アルコキシドを添加すると、例えば、加熱した場合に、金属アルコキシドの加水分解、縮重合反応などにより適度な結合状態（溶融や焼結による結合状態よりは弱く、三次元造形物を支持するには十分な結合状態）でセラミックス粉末を存在させることができる。従って、三次元造形物の構成材料と層形成用材料とが剥離しやすくなる。また、珪素塩化化合物（例えばＳｉＣｌ_４）も、金属アルコキシドと同様に加水分解、縮重合反応を通じて、セラミックス粉末同士の適度な結合状態を実現することができる。
金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかを含まない場合においても、レーザー加熱などによりセラミックス粉末を結合（焼結）することは可能である。しかし、１０００℃以上の高温が必要であるのに加えて、高温加熱であることから適度な結合を安定して実現することが難しい。一方、金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかの添加により、室温、あるいは、比較的低い温度での加熱条件で反応が進むために、セラミックス粉末の結合状態制御が容易である。結果として、三次元造形物を積層された層から分離する際の分離作業を安定して、かつ、容易に行うことができる。従って、分離作業に伴う後処理工程を減らすことを可能にし、製造される三次元造形物の後処理工程を減らすことを可能にしている。

本発明の第２の態様の層形成用材料は、前記第１の態様において、前記セラミックス粉末は、アルミナ、シリカ、窒化アルミ、炭化ケイ素、窒化珪素の粉末、あるいは、その混合物であることを特徴とする。

本態様によれば、層形成用材料は、焼結温度の高いセラミックス粉末を用いることができる。金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかにより焼結温度の高いセラミックス粉末を互いに弱く結合し、三次元造形物の構成材料の結合状態よりも弱い結合状態で存在させることができるため、三次元造形物の構成材料と層形成用材料とが剥離しやすくなる。このため、効果的に、製造される三次元造形物の後処理工程を減らすことが可能になる。

本発明の第３の態様の層形成用材料は、前記第１又は第２の態様において、前記層は、支持体上に形成され、前記セラミックス粉末を含有する層形成用材料は、前記支持体と前記三次元造形物の形成領域との間の層を形成する際に使用されることを特徴とする。

本態様によれば、セラミックス粉末を含有する層形成用材料が支持体と三次元造形物の形成領域との間の層を形成する際に使用されるので、三次元造形物を支持体から簡単に剥離することができる。

本発明の第４の態様の層形成用材料は、前記第１から第３のいずれか１つの態様において、さらに溶媒を含有し、前記金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかを２０質量％以下、前記セラミックス粉末を４０質量％以上９０質量％以下、前記溶媒を１０質量％以上５０質量％以下、含有することを特徴とする層形成用材料。

本態様によれば、層形成用材料は、さらに溶媒を含有し、前記金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかを２０質量％以下、前記セラミックス粉末を４０質量％以上９０質量％以下、前記溶媒を１０質量％以上５０質量％以下、含有する。このような層形成用材料とすることで、特に効果的に、製造される三次元造形物の後処理工程を減らすことが可能になる。

本発明の第５の態様の層形成用材料は、前記第１から第４のいずれか１つの態様において、前記金属アルコキシドは、一般式Ｍ（ＯＲ）_ｎＲ’_ｍまたはＭＣｌ_ｎＲ’_ｍで表されることを特徴とする層形成用材料（但し、ＭはＡｌ、Ｂａ、Ｂ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｌａ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎ及びＺｒから選択される金属、Ｒは炭素数が５以下のアルキル基、Ｒ’は、水素、アルキル基、アミノ基、ビニル基、等から選択される官能基、ｎとｍは、ｎ＋ｍが５以下の整数、を表す）。

本態様によれば、このような層形成用材料とすることで、効果的に、製造される三次元造形物の後処理工程を減らすことが可能になる。

本発明の第６の態様の層形成用材料は、前記第１から第４のいずれか１つの態様において、前記金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物は、Ｓｉ（ＯＣＨ_３）_ｎＲ’_４ーｎ、Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_ｎＲ’_４ーｎ、またはＳｉＣｌ_ｎＲ’_４ーｎであることを特徴とする。

本態様によれば、このような層形成用材料とすることで、特に効果的に、製造される三次元造形物の後処理工程を減らすことが可能になる。

本発明の第７の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１から第６のいずれか１つの態様の層形成用材料を用いることを特徴とする。

本態様によれば、製造される三次元造形物の後処理工程を減らすことが可能になる。

（ａ）は本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造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。 （ａ）は本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造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。 本発明の一の実施形態に係るヘッドベースの概略透視図。 本発明の一の実施形態に係るヘッドユニットの配置と、溶融部の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図。 溶融部の形成形態を概念的に説明する概略図。 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。 本発明の一実施例に係る三次元造形物の製造過程を表す概略図。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
図１及び図２は本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置の構成を示す概略構成図である。
ここで、本実施形態の三次元造形物の製造装置は、２種類の材料供給部（ヘッドベース）を備えているが、図１及び図２は、各々、一方の材料供給部のみを表した図であり、他方の材料供給部は省略して表している。
なお、本明細書における「三次元造形」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、いわゆる二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及び図２に示す三次元造形物の製造装置２０００（以下、形成装置２０００という）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を備えている。そして、図１で表されるように、一方の端部が基台１１０に固定され、他方の端部に三次元造形物の構成材料を吐出する構成材料吐出部１２３０とエネルギー照射部１３００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を備えている。また、図２で表されるように、一方の端部が基台１１０に固定され、他方の端部に三次元造形物を支持する支持層形成用材料を吐出する支持層形成用材料吐出部１７３０を備えるヘッドユニット１９００を複数保持するヘッドベース１６００が保持固定される、ヘッドベース支持部７３０と、を備えている。ここで、ヘッドベース１１００と、ヘッドベース１６００とは、ＸＹ平面において並列に設けられている。
なお、構成材料吐出部１２３０と支持層形成用材料吐出部１７３０とは同様の構成のものである。ただし、このような構成に限定されない。

ステージ１２０上には、三次元造形物５００が形成される過程での層５０１、５０２及び５０３が形成される。三次元造形物５００の形成には、レーザーによる熱エネルギーの照射がなされるため、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の上に三次元造形物５００を形成してもよい。本実施形態の試料プレート１２１は頑丈で製造の容易な金属製のものである。しかしながら、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、更に溶融（あるいは焼結されてもよい）される三次元造形物の構成材料との反応性も低く、三次元造形物５００の変質を防止することができる。なお、図１（ａ）及び図２（ａ）では、説明の便宜上、層５０１、５０２及び５０３の３層を例示したが、所望の三次元造形物５００の形状まで（図１（ａ）及び図２（ａ）中の層５０ｎまで）積層される。
ここで、層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎは、各々、支持層形成用材料吐出部１７３０から吐出される支持層形成用材料で形成される支持層３００と、構成材料吐出部１２３０から吐出される構成材料で形成されエネルギー照射部１３００で溶融される溶融層３１０と、で構成される。

また、図１（ｂ）は、図１（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１（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、構成材料供給装置１２００に備える構成材料吐出部１２３０と、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。構成材料吐出部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から構成材料を吐出させる吐出駆動部１２３０ｂと、を備えている。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すヘッドベース１６００を示すＣ’部拡大概念図である。図２（ｂ）に示すように、ヘッドベース１６００は、複数のヘッドユニット１９００が保持されている。ヘッドユニット１９００は、支持層形成用材料供給装置１７００に備える支持層形成用材料吐出部１７３０が保持治具１９００ａに保持されることで構成される。支持層形成用材料吐出部１７３０は、吐出ノズル１７３０ａと、材料供給コントローラー１５００によって吐出ノズル１７３０ａから支持層形成用材料を吐出させる吐出駆動部１７３０ｂと、を備えている。また、支持層形成用材料を焼結させるためのレーザー照射部３１００と、レーザー照射部３１００からのレーザー光を位置決めするガルバノミラー３０００をステージ１２０の上方に備えている。

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電磁波であるレーザーを照射するエネルギー照射部により説明する（以下、エネルギー照射部１３００をレーザー照射部１３００という）。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狙いを定めてエネルギーを照射することができ、品質の良い三次元造形物を形成することができる。また、例えば吐出される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、所望の品質の三次元造形物を得ることができる。ただし、このような構成に限定されず、レーザー照射部１３００の代わりにアーク放電により発生する熱を付与するエネルギー付与部を設け、アーク放電により発生する熱により層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎを焼結又は溶融することにより固める構成としてもよい。なお、例えば、吐出される材料を焼結させて固化することや、溶融して固化することも選択可能であることは言うまでもない。すなわち、吐出される材料は、場合によってはこれが焼結材料であったり、溶融材料であったり、その他の方法によって固化する固化材料であったりする。

構成材料吐出部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構成材料を収容した構成材料供給ユニット１２１０と供給チューブ１２２０により接続されている。そして、所定の構成材料が構成材料供給ユニット１２１０から構成材料吐出部１２３０に供給される。構成材料供給ユニット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三次元造形物５００の原料を含む材料（金属）が供給材料として構成材料収容部１２１０ａに収容され、個々の構成材料収容部１２１０ａは、供給チューブ１２２０によって、個々の構成材料吐出部１２３０に接続されている。このように、個々の構成材料収容部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材料を供給することができる。

支持層形成用材料吐出部１７３０は、ヘッドベース１６００に保持されるヘッドユニット１９００それぞれに対応させた支持層形成用材料を収容した支持層形成用材料供給ユニット１７１０と供給チューブ１７２０により接続されている。そして、所定の支持層形成用材料が支持層形成用材料供給ユニット１７１０から支持層形成用材料吐出部１７３０に供給される。支持層形成用材料供給ユニット１７１０には、三次元造形物５００を造形する際の支持層を構成する支持層形成用材料（セラミックス）が供給材料として支持層形成用材料収容部１７１０ａに収容され、個々の支持層形成用材料収容部１７１０ａは、供給チューブ１７２０によって、個々の支持層形成用材料吐出部１７３０に接続されている。このように、個々の支持層形成用材料収容部１７１０ａを備えることにより、ヘッドベース１６００から、複数の異なる種類の支持層形成用材料を供給することができる。

溶融材料または焼結材料として供給される構成材料は、三次元造形物５００の原料となる金属を含有している。該構成材料としては、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）、銅（Ｃｕ）の粉末、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）の混合材料などを用いることが可能である。

形成装置２０００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三次元造形物の造形用データに基づいて、上述したステージ１２０、構成材料供給装置１２００に備える構成材料吐出部１２３０及びレーザー照射部１３００、並びに、支持層形成用材料供給装置１７００に備える支持層形成用材料吐出部１７３０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。そして、制御ユニット４００には、図示しないが、ステージ１２０、構成材料吐出部１２３０及びレーザー照射部１３００が連携して駆動及び動作するよう制御するとともに、ステージ１２０及び支持層形成用材料吐出部１７３０が連携して駆動及び動作するよう制御す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４１０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に備える構成材料吐出部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１５００において構成材料吐出部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から所定量の構成材料が吐出される。同様に、ヘッドユニット１９００に備える支持層形成用材料吐出部１７３０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１５００において支持層形成用材料吐出部１７３０に備える吐出駆動部１７３０ｂにおける吐出ノズル１７３０ａ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１７３０ａから所定量の支持層形成用材料が吐出される。

また、レーザー照射部１３００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１３００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。
ここで、レーザー照射部１３００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、層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎの所望の領域に照射されるように制御される。

次に、ヘッドユニット１４００についてさらに詳細に説明する。なお、ヘッドユニット１９００は、レーザー照射部１３００が設けられておらず構成材料吐出部１２３０の代わりに支持層形成用材料吐出部１７３０が同様の配置で構成されていること以外は、ヘッドユニット１４００と同様の構成である。このため、ヘッドユニット１９００についての詳細な構成の説明は省略する。
図３及び図４は、ヘッドベース１１００に複数保持されるヘッドユニット１４００及びヘッドユニット１４００に保持されるレーザー照射部１３００と構成材料吐出部１２３０の保持形態の一例を示し、このうち図４は、図１（ｂ）に示す矢印Ｄ方向からのヘッドベース１１００の外観図である。
なお、以下の説明は、層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎの所望の領域を溶融して固める例の説明であるが、該所望の領域をこれより低い温度で焼結させて固めてもよい。

図３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。また、図４で表されるように、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、第２列目のヘッドユニット１４０２、第３列目のヘッドユニット１４０３、そして第４列目のヘッドユニット１４０４の、４ユニットが千鳥状に配置されたヘッドユニット１４００を備えている。そして、図４（ａ）で表されるように、ステージ１２０をヘッドベース１１００に対してＸ方向に移動させながら各ヘッドユニット１４００から構成材料を吐出し、レーザー照射部１３００からレーザーＬを照射させて溶融部５０（溶融部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄ）が形成される。溶融部５０の形成手順については後述する。
なお、図示しないが、それぞれのヘッドユニット１４０１〜１４０８に備える構成材料吐出部１２３０は、吐出駆動部１２３０ｂを介して構成材料供給ユニット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３に示すように、構成材料吐出部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上に向けて三次元造形物の構成材料である材料Ｍ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、ステージ移動し、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が溶融し、溶融部５０が形成される。この溶融部５０の集合体が、試料プレート１２１上に形成される三次元造形物５００の溶融層３１０（図１参照）として形成される。

次に、溶融部５０の形成手順について、図４及び図５を用いて説明する。
図４は、本実施形態のヘッドユニット１４００の配置と、溶融部５０の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図である。そして、図５は、溶融部５０の形成形態を概念的に表す側面図である。

まず、ステージ１２０が＋Ｘ方向に移動すると、複数の吐出ノズル１２３０ａから材料Ｍが液滴状に吐出され、試料プレート１２１の所定の位置に材料Ｍが配置される。そして、更にステージ１２０が＋Ｘ方向に移動すると、レーザー照射部１３００から照射されるレーザーＬの照射範囲内に入り、材料Ｍが溶融する。更にステージ１２０が＋Ｘ方向に移動すると、材料ＭはレーザーＬの照射範囲外となり固化して溶融部５０が形成される。

より具体的には、まず、図５（ａ）で表されるように、ステージ１２０を＋Ｘ方向に移動させながら、複数の吐出ノズル１２３０ａから試料プレート１２１の所定の位置に一定の間隔で材料Ｍを配置させる。

次に、図５（ｂ）で表されるように、ステージ１２０を図１に示す−Ｘ方向に移動させながら、一定の間隔で配置された材料Ｍの間を埋めるように新たに材料Ｍを配置させる。そして、ステージ１２０が−Ｘ方向へ継続して移動させることにより、レーザーＬの照射範囲内に材料Ｍが入ることで溶融される（溶融部５０が形成される）。
なお、所定の位置に材料Ｍが配置されてからレーザーＬの照射範囲内に入るまでの時間は、ステージ１２０の移動速度で調整することができる。例えば、材料Ｍに溶剤を含む場合、ステージ１２０の移動速度を遅くして、照射範囲内に入るまでの時間を長くすることで溶剤の乾燥を促進することができる。
また、ステージ１２０を＋Ｘ方向に移動させながら、複数の吐出ノズル１２３０ａから試料プレート１２１の所定の位置に材料Ｍが重なるように（間隔を空けないように）配置させて、同一方向へ移動させたままレーザーＬの照射範囲内に入る構成（ステージ１２０のＸ方向における往復移動で溶融部５０を形成する構成ではなく、ステージ１２０のＸ方向における片側の移動のみで溶融部５０を形成する構成）としても良い。

上記のように溶融部５０を形成することによって、図４（ａ）で表されるような、各ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４のＸ方向における１ライン分（Ｙ方向における１ライン目）の溶融部５０（溶融部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄ）が形成される。

次に、各ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４のＹ方向における２ライン目の溶融部５０（溶融部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄ）を形成するため、−Ｙ方向にヘッドベース１１００を移動させる。移動量は、ノズル間のピッチをＰとすると、Ｐ／ｎ（ｎは自然数）ピッチ分だけ−Ｙ方向に移動させる。本実施例ではｎを３として説明する。
図５（ａ）及び図５（ｂ）で表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図４（ｂ）で表されるような、Ｙ方向における２ライン目の溶融部５０’（溶融部５０ａ’、５０ｂ’、５０ｃ’及び５０ｄ’）が形成される。

次に、各ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４のＹ方向における３ライン目の溶融部５０（溶融部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄ）を形成するため、−Ｙ方向にヘッドベース１１００を移動させる。移動量は、Ｐ／３ピッチ分だけ−Ｙ方向に移動させる。
そして、図５（ａ）及び図５（ｂ）で表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図４（ｃ）で表されるような、Ｙ方向における３ライン目の溶融部５０’’
（溶融部５０ａ’’、５０ｂ’’、５０ｃ’’及び５０ｄ’’）が形成され、溶融層３１０を得ることができる。

また、構成材料吐出部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構成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三次元造形物を得ることができる。

なお、第１層目の層５０１において、上述したように溶融層３１０を形成する前或いは後に、支持層形成用材料吐出部１７３０から支持層形成用材料を吐出させて、吐出された材料を溶融しないということ以外は同様の方法で、支持層３００を形成することができる。そして、層５０１に積層させて層５０２、５０３、・・・５０ｎを形成する際にも、同様に、溶融層３１０及び支持層３００を形成することができる。なお、支持層３００は焼結されることが望ましい。

上述の本実施形態に係る形成装置２０００が備えるヘッドユニット１４００及びヘッドユニット１９００の数及び配列は、上述した数及び配列に限定されない。図６に、その例として、ヘッドベース１１００に配置されるヘッドユニット１４００の、その他の配置の例を模式図的に示す。

図６（ａ）は、ヘッドベース１１００にヘッドユニット１４００をＸ軸方向に複数、並列させた形態を示す。図６（ｂ）は、ヘッドベース１１００にヘッドユニット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。

次に、上述の本実施形態に係る形成装置２０００を用いて行う三次元造形物の製造方法の一実施例について説明する。
図７は、形成装置２０００を用いて行う三次元造形物の製造過程の一例を表す概略図である。

最初に、図７（ａ）で表される状態から、図７（ｂ）で表されるように、支持層形成用材料吐出部１７３０から支持層形成用材料を吐出させて、第１層目の層５０１における支持層３００を形成する。ここで、支持層３００は、第１層目の層５０１における三次元造形物の形成領域（溶融層３１０に対応する領域）以外の領域に形成される。
次に、図７（ｃ）で表されるように、構成材料吐出部１２３０から構成材料を吐出させるとともにレーザー照射部１３００からレーザーＬを照射させて、第１層目の層５０１における溶融層３１０を形成する。

そして、図７（ｂ）と図７（ｃ）の動作を、第２層目以降の層５０２、５０３、・・・５０ｎに対して繰り返す。
具体的には、例えば、第２層目の層５０２においては、図７（ｄ）で表されるように、支持層形成用材料吐出部１７３０から支持層形成用材料を吐出させて、第２層目の層５０２における支持層３００を形成する。そして、次に、図７（ｅ）で表されるように、構成材料吐出部１２３０から構成材料を吐出させるとともにレーザー照射部１３００からレーザーＬを照射させて、第２層目の層５０２における溶融層３１０を形成する。

そして、図７（ｂ）と図７（ｃ）の動作（図７（ｄ）と図７（ｅ）の動作）を繰り返すことにより、図７（ｆ）で表されるように、三次元造形物の完成体Ｏが完成する。なお、図７（ｇ）は、三次元造形物の完成体Ｏを試料プレート１２１から取り外し、三次元造形物の完成体Ｏを現像（三次元造形物の完成体Ｏから支持層３００を除去すること）した状態を表している。

なお、本実施例においては、各層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎを形成する際、支持層３００を形成してから溶融層３１０を形成したが、溶融層３１０を形成してから支持層３００を形成してもよい。

また、図７（ｇ）で表されるように、本実施例において、支持層３００は、上層にアンダーカット部（下層に対してＸＹ平面方向に凸になった部分）がある場合に、下層における支持層として、これを支えることが可能な層（所謂サポート層）となっている。ただし、支持層は、このような支持層であることに限定されず、例えば、試料プレート１２１の上面全体に形成される層であって、第１層目の層５０１における溶融層３１０を支えることが可能な層（所謂剥離層）であってもよい。このような剥離層を設けることで、三次元造形物の完成体Ｏを試料プレート１２１から取り外すことに伴う後工程を減らす（容易にする）ことが可能になる。また、下層においては、レーザー照射部からレーザーＬを照射することにより材料Ｍを焼結させておいてもよい。

ここで、上記の実施例では、金属製の三次元造形物を製造することを前提にしており、三次元造形物の構成材料は金属である。
上記のように、該構成材料としては、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）、銅（Ｃｕ）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好ましく使用することができるがこれらに限定されない。

なお、上述の実施形態に係る形成装置２０００を用いて行う三次元造形物の製造方法以外の一実施例としては、以下のような形態が挙げられる。
例えば、溶融層３１０に対して、指向性エネルギー堆積法によりレーザー照射で加熱させ構成材料を吹き付ける方法を採用できる。
また、別の例としては、例えば、構成材料を液滴として吐出する構成材料吐出部１２３０及び支持層形成用材料を液滴として吐出する支持層形成用材料吐出部１７３０の代わりに、ニードル先端に造形材料を付着させて所望の位置に配置させるニードルディスペンサを用いて層を形成する方法を採用できる。このような方法とすることで、三次元造形物の精細度を向上することができる。

そして、本実施形態の形成装置２０００においては、支持層形成用材料として、セラミックス粉末と、金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかと、を含有する層形成用材料を使用している。
すなわち、本実施形態の支持層形成用材料は、層を積層することにより金属製の三次元造形物を製造する形成装置２０００又は三次元造形物の製造方法に用いられ、三次元造形物の構成材料形成領域以外に層を形成する（三次元造形物の構成材料と共に層を形成する）ために用いられる層形成用材料であって、セラミックス粉末と、金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかと、を含有している。
ここで、層形成用材料に金属アルコキシドを添加すると、例えば、加熱した場合に、金属アルコキシドの加水分解、縮重合反応などにより適度な結合状態（溶融や焼結による結合状態よりは弱く、三次元造形物を支持するには十分な結合状態）でセラミックス粉末を存在させることができる。従って、三次元造形物の構成材料と層形成用材料とが剥離しやすくなる。また、珪素塩化化合物（例えばＳｉＣｌ_４）も、金属アルコキシドと同様に加水分解、縮重合反応を通じて、セラミックス粉末同士の適度な結合状態を実現することができる。金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかを含まない場合においても、レーザー加熱などによりセラミックス粉末を結合（焼結）することは可能である。しかし、１０００℃以上の高温が必要であるのに加えて、高温加熱であることから適度な結合を安定して実現することが難しい。一方、金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかの添加により、室温、あるいは、比較的低い温度での加熱条件で反応が進むために、セラミックス粉末の結合状態制御が容易である。結果として、三次元造形物を積層された層から分離する際の分離作業を安定して、かつ、容易に行うことができる。したがって、分離作業に伴う後処理工程を減らすことを可能にし、製造される三次元造形物の後処理工程を減らすことを可能にしている。
なお、「三次元造形物の構成材料と共に層を形成するために用いられる層形成用材料」は、上記のように、サポート層のみを形成するために用いられる層形成用材料を意味するのではなく剥離層を形成するために用いられる層形成用材料であってもよい。すなわち、「三次元造形物の構成材料と共に層を形成する」とは、１つの層を形成するのに三次元造形物の構成材料と共に該層形成用材料が用いられる場合と、三次元造形物の構成材料の層とは別の層を該層形成用材料により形成する場合とを、両方含む意味である。

また、本実施形態の層形成用セラミックス粉末材料として、アルミナ、シリカ、アルミ窒化物、炭化ケイ素、窒化珪素、などの単体粉末、あるいは、混合物粉末を含有している。これにより、セラミックス粉末を互いに適度に焼結することは可能であり、効果的に、製造される三次元造形物の後処理工程を減らすことが可能になっている。

ここで、上記のように、支持体としてのステージ１２０又は試料プレート１２１の上面全体に形成される層であって、第１層目の層５０１における溶融層３１０を支えることが可能な層（所謂剥離層）を形成してもよい。そして、セラミックス粉末を含有する層形成用材料を、支持体と三次元造形物の形成領域との間の層を形成する際に使用することができる。すなわち、セラミックス粉末を含有する層形成用材料が支持体と三次元造形物の形成領域との間の層を形成する際に使用されるようにすることができる。このようにすることで、三次元造形物を支持体から簡単に剥離することができる。

また、本実施形態の層形成用材料は、さらに溶媒を含有してペースト状であり、金属アルコキシドを２０質量％以下、セラミックス粉末または珪素塩化化合物のいずれかを４０質量％以上９０質量％以下、溶媒を１０質量％以上５０質量％以下、含有している。このような層形成用材料とすることで、特に効果的に、製造される三次元造形物の後処理工程を減らすことが可能になる。
金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかの添加により、セラミックス粉末を互いに結合することが可能となる。一方で、金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかの添加量が多い場合には、セラミックス粉末の結合が強固になるため、容易に除去が出来なくなってしまう。金属アルコキシドの含有量が２０質量％以下の場合に、適度な結合状態が実現できる。造形速度の観点から、セラミック粉末の含有量が４０質量％以上であることが望ましい。しかしながら、セラミック粉末の含有量が９０質量％を超えると、ペースト材料の粘度が高くなり、ディスペンサからの吐出が困難となる。溶媒としては、エタノール、プロパノールなどのアルコール系に加えて、アセテート系などの有機溶媒なども用いることが出来る。粘度調整などにより、溶媒の含有量が１０質量％から５０質量％の範囲で吐出に適し、尚且つ、後処理工程を低減できるペーストを得ることが出来る。

ここで、層形成用材料に含有される金属アルコキシドは、一般式Ｍ（ＯＲ）_ｎＲ’_ｍまたはＭＣｌ_ｎＲ’_ｍで表されることを特徴とする層形成用材料（但し、ＭはＡｌ、Ｂａ、Ｂ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎ及びＺｒから選択される金属、Ｒは炭素数が５以下のアルキル基、Ｒ’は、水素、アルキル基、アミノ基、ビニル基、等から選択される官能基、ｎとｍは、ｎ＋ｍが５以下の整数、を表す）。このような層形成用材料とすることで、効果的に、製造される三次元造形物の後処理工程を減らすことが可能になるためである。なお、上記Ｍの例示からも明らかなように、「金属」とは、半金属を含む意味である。
一般式Ｍ（ＯＲ）_ｎＲ’_ｍのうち、ｍ＝０、すなわち一般式Ｍ（ＯＲ）_ｎで表される金属アルコキシドの具体例としては、Ａｌ（Ｏ−ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_３、Ｂａ（ＯＣ_２Ｈ_５）_２、Ｂ（ＯＣＨ_３）_３、Ｂ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３、Ｂｉ（Ｏ−ｔ−Ｃ_５Ｈ_１１）_３、Ｃａ（ＯＣ_２Ｈ_５）_２、Ｆｅ（Ｏ−ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_３、Ｇａ（Ｏ−ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_３、Ｇｅ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４、Ｈｆ（Ｏ−ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_４、Ｉｎ（Ｏ−ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_３、Ｌａ（Ｏ−ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_３、Ｍｇ（ＯＣ_２Ｈ_５）_２、Ｍｏ（ＯＣ_２Ｈ_５）_５、Ｎｂ（ＯＣ_２Ｈ_５）_５、Ｐ（ＯＣＨ_３）_３、Ｐｂ（Ｏ−ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_２、ＰＯ（ＯＣＨ_３）_３、ＰＯ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３、Ｓｂ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３、Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４、Ｓｎ（Ｏ−ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_４、Ｓｒ（Ｏ−ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_２、Ｔａ（ＯＣ_２Ｈ_５）_５、Ｔｉ（Ｏ−ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_４、Ｖ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３、Ｗ（ＯＣ_２Ｈ_５）_５、Ｙ（Ｏ−ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_３、Ｚｎ（ＯＣ_２Ｈ_５）_２、Ｚｒ（Ｏ−ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_４、Ｚｒ（Ｏ−ｔ−Ｃ_４Ｈ_９）_４、Ｚｒ（Ｏ−ｎ−Ｃ_４Ｈ_９）_４などが挙げられる。
さらには、Ｓｉ（ＯＣＨ_３）_４、ＨＳｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３、ＣＨ_３Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３、（ＣＨ_３）_２Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_２、ＮＨ_２Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３、ＣＨ_２＝Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３、ＳｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＳｉＣｌ_３、なども好適な例として挙げられる。

また、層形成用材料に含有される金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物は、特に、Ｓｉ（ＯＣＨ_３）_ｎＲ’_４ーｎ、Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_ｎＲ’_４ーｎ、またはＳｉＣｌ_ｎＲ’_４ーｎいずれかであることが好ましい。このような層形成用材料とすることで、特に効果的に、製造される三次元造形物の後処理工程を減らすことが可能になるためである。
好適な具体例としては、Ｓｉ（ＯＣＨ_３）_４、ＨＳｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３、ＣＨ_３Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３、（ＣＨ_３）_２Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_２、ＮＨ_２Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３、ＣＨ_２＝Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_２、ＳｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＳｉＣｌ_３、などが挙げられる。

そして、上記のような層形成用材料を用いる三次元造形物の製造装置又は三次元造形物の製造方法を用いることで、製造される三次元造形物の後処理工程を減らすことが可能になる。

本発明は、上述の実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ、５０ｇ及び５０ｈ溶融部、
１１０ 基台、１１１ 駆動装置、１２０ ステージ（支持体）、
１２１ 試料プレート（支持体）、１３０ ヘッドベース支持部、３００ 支持層、
３１０ 溶融層、４００ 制御ユニット、４１０ ステージコントローラー、
４３０ レーザーコントローラー、５００ 三次元造形物、
５０１、５０２及び５０３ 層、７３０ ヘッドベース支持部、
１１００ ヘッドベース、１２００ 構成材料供給装置、
１２１０ 構成材料供給ユニット、１２１０ａ 構成材料収容部、
１２２０ 供給チューブ、１２３０ 構成材料吐出部、１２３０ａ 吐出ノズル、
１２３０ｂ 吐出駆動部、１３００ エネルギー照射部（レーザー照射部）、
１４００、１４０１、１４０２、１４０３、１４０４、１４０５、１４０６、１４０７及び１４０８ ヘッドユニット、
１４００ａ 保持治具、１５００ 材料供給コントローラー、
１６００ ヘッドベース、１７００ 支持層形成用材料供給装置、
１７１０ 支持層形成用材料供給ユニット、１７１０ａ 支持層形成用材料収容部、
１７２０ 供給チューブ、１７３０ 支持層形成用材料吐出部、
１７３０ａ 吐出ノズル、１７３０ｂ 吐出駆動部、１９００ ヘッドユニット、
１９００ａ 保持治具、２０００ 形成装置（三次元造形物の製造装置）、
３０００ ガルバノミラー、３１００ レーザー照射部、
Ｌ レーザー、Ｍ 材料（構成材料）、Ｏ 三次元造形物の完成体

Claims (7)

1. 層を積層することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置又は製造方法に用いられ、三次元造形物の形成領域以外において前記層を形成するために用いられる層形成用材料であって、
   セラミックス粉末と、金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかと、を含有することを特徴とする層形成用材料。
2. 請求項１に記載の層形成用材料において、
   前記セラミックス粉末は、アルミナ、シリカ、窒化アルミ、炭化ケイ素、窒化珪素の粉末、あるいは、その混合物であることを特徴とする層形成用材料。
3. 請求項１又は２に記載の層形成用材料において、
   前記層は、支持体上に形成され、
   前記セラミックス粉末を含有する層形成用材料は、前記支持体と前記三次元造形物の形成領域との間の層を形成する際に使用されることを特徴とする層形成用材料。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の層形成用材料において、
   さらに溶媒を含有し、前記金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物のいずれかを２０質量％以下、前記セラミックス粉末を４０質量％以上９０質量％以下、前記溶媒を１０質量％以上５０質量％以下、含有することを特徴とする層形成用材料。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の層形成用材料において、
   前記金属アルコキシドは、一般式Ｍ（ＯＲ）_ｎＲ’_ｍで表されることを特徴とする層形成用材料（但し、ＭはＡｌ、Ｂａ、Ｂ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｌａ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎ及びＺｒから選択される金属、Ｒは炭素数が５以下のアルキル基、Ｒ’は、水素、アルキル基、アミノ基、ビニル基、等から選択される官能基、ｎとｍは、ｎ＋ｍが５以下の整数、を表す）。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の層形成用材料において、
   前記金属アルコキシドまたは珪素塩化化合物は、Ｓｉ（ＯＣＨ_３）_ｎＲ’_４ーｎ、Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_ｎＲ’_４ーｎ、またはＳｉＣｌ_ｎＲ’_４ーｎであることを特徴とする層形成用材料。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の層形成用材料を用いることを特徴とする三次元造形物の製造装置。

Images