JP2017132181A

JP2017132181A - 三次元造形物の製造方法

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Publication number: JP2017132181A
Application number: JP2016015321A
Authority: JP
Inventors: 岡本　英司; Eiji Okamoto; 英司岡本; 石田　方哉; Masaya Ishida; 方哉石田; 和田　啓志; Keiji Wada; 啓志和田; 平井　利充; Toshimitsu Hirai; 利充平井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2036-01-29
Also published as: CN111745960B; EP3199267A1; JP6676984B2; KR20170091029A; US20170217097A1; CN107020739A; CN107020739B; CN111745960A; TW201726366A; US20210154891A1

Abstract

【課題】高精度な三次元造形物を製造する。【解決手段】層を積層し積層体を形成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方法であって、三次元造形物の構成領域に対応する構成層３１０を形成する構成層形成工程と、構成層３１０に接し該構成層３１０を支持する支持層３００を形成する支持層形成工程と、構成層３１０を焼結する焼結工程と、を有し、支持層３００は、少なくとも２方向から構成層３１０に囲まれた空間Ｓの焼結工程に伴う体積減少量よりも、該空間Ｓで該構成層３１０を支持する支持層３００の該焼結工程に伴う体積減少量のほうが、大きくなるよう構成されることを特徴とする三次元造形物の製造方法。【選択図】図７

Description

本発明は、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。このうち、三次元造形物の構成領域に対応する構成層を形成する際に該構成層を支持しながら三次元造形物を製造する製造方法が開示されている。
例えば、特許文献１には、粉末材料で層を形成し、三次元造形物の構成領域に対応する部分（即ち構成層）に結合剤を吐出するというサイクルを複数回行うことで、構成領域に対応する部分以外の粉末材料で構成層を支持しながら三次元造形物を製造する製造方法が開示されている。

特開平６−２１８７１２号公報

三次元造形物は、様々な材料で構成でき、例えば、金属やセラミックスなどで三次元造形物の形状を形成し、三次元造形物の形状が完成した後にそれを焼結させる場合がある。このうち、三次元造形物の構成層及びその支持層を一括して加熱し、構成層を焼結させる場合がある。このような場合、支持層は、焼結中の構成層を支持する役割があるとともに、焼結後に構成層と剥離しやすくするため、構成層の焼結に伴う形状変化が少なく、構成層の焼結に伴って溶融及び焼結をしないものが一般的に用いられている。
しかしながら、このような支持層を形成すると、三次元造形物の構成層を形成する際に該構成層を支持しながら三次元造形物を製造する従来の製造方法においては、構成層の焼結に伴う体積変化（収縮）に支持層の形状変化が伴わず、構成層が歪む（即ち三次元造形物の焼結体が変形する）場合があった。すなわち、構成層の歪みに伴って、高精度な三次元造形物が製造できない場合があった。

そこで、本発明の目的は、高精度な三次元造形物を製造することである。

上記課題を解決するための本発明の第１の態様の三次元造形物の製造方法は、層を積層し積層体を形成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方法であって、三次元造形物の構成領域に対応する構成層を形成する構成層形成工程と、前記構成層に接し該構成層を支持する支持層を形成する支持層形成工程と、前記構成層を焼結する焼結工程と、を有し、前記支持層は、少なくとも２方向から前記構成層に囲まれた空間の前記焼結工程に伴う体積減少量よりも、該空間で該構成層を支持する前記支持層の該焼結工程に伴う体積減少量のほうが、大きくなるよう構成されることを特徴とする。

本態様によれば、支持層は、少なくとも２方向から構成層に囲まれた空間の焼結工程に伴う体積減少量よりも、該空間で該構成層を支持する支持層の該焼結工程に伴う体積減少量のほうが、大きくなるよう構成される。すなわち、構成層の焼結に伴う体積変化（収縮）に対応して支持層が形状変化し、支持層は構成層の焼結に伴う収縮の妨げにならない。このため、三次元造形物の焼結体が変形することを抑制でき、高精度な三次元造形物を製造することができる。
なお、「構成層に囲まれた空間の焼結工程に伴う体積減少量」とは、構成層の構成材料に基づく体積減少量を意味し、該空間に支持層が無い場合における該空間の焼結工程後の体積減少量を意味する。
また、「少なくとも２方向から構成層に囲まれた空間」とは、例えば、有底又は無底の筒状の形状における内部空間や、底部に比べて開放部が広い又は狭いコップ状の形状の内部空間など、全体の形状が等方的に小さくなったときにその体積が小さくなる内部空間を意味する。

本発明の第２の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第１の態様において、前記支持層は、前記空間で前記構成層を支持する少なくとも一部が、前記焼結工程に伴い構造変化することを特徴とする。

本態様によれば、支持層は、前記空間で構成層を支持する少なくとも一部が、焼結工程に伴い構造変化する。このため、該構造変化により構成層の焼結に伴う体積変化（収縮）に対応して支持層が形状変化し、支持層が構成層の焼結に伴う収縮の妨げを効果的に抑制することができる。
なお、「焼結工程に伴い構造変化する」とは、例えば、支持層の形成材料の一部が分解除去される構成のほか、ハニカム構造、トラス構造、格子構造などで形成された支持層が、焼結工程に伴い、これらの構造が崩れることなどが挙げられる。

本発明の第３の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第１又は第２の態様において、前記支持層は、前記空間で前記構成層を支持する少なくとも一部が、前記焼結工程に伴う体積変化が相対的に大きい領域と小さい領域とを有するよう構成されることを特徴とする。

本態様によれば、支持層は、前記空間で構成層を支持する少なくとも一部が、焼結工程に伴う体積変化が相対的に大きい領域と小さい領域とを有する。このため、体積変化が相対的に大きい領域により効果的に構成層の焼結に伴う体積変化（収縮）に対応して支持層が形状変化し、体積変化が相対的に小さい領域により効率的に焼結中の構成層を支持することができる。
なお、「体積変化が相対的に大きい領域と小さい領域」とは、該小さい領域の体積変化率（収縮率）が該大きい領域の体積変化率（収縮率）よりも大きければその差や絶対量に特に限定はなく、該小さい領域の体積変化率（収縮率）が実質的にない場合も含む意味である。

本発明の第４の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第１から第３のいずれか１つの態様において、前記支持層は、前記空間で前記構成層を支持する少なくとも一部が、前記焼結工程に伴いパウダー化することを特徴とする。

本態様によれば、支持層は、前記空間で構成層を支持する少なくとも一部が、焼結工程に伴いパウダー化する。このため、焼結工程後に、三次元造形物の焼結体を支持層から簡単に取り出す（三次元造形物の焼結体から支持層を簡単に除去する）ことができる。

本発明の第５の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第１から第４のいずれか１つの態様において、前記支持層は、前記空間で前記構成層を支持する少なくとも一部が、前記焼結工程に伴い揮発することを特徴とする。

本態様によれば、支持層は、前記空間で構成層を支持する少なくとも一部が、焼結工程に伴い揮発する。このため、焼結工程中又は焼結工程後に該揮発した成分を含む気体の除去工程を実行することで、三次元造形物の焼結体から支持層を簡単に除去することができる。

図１Ａ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、図１Ｂは図１Ａに示すＣ部の拡大図。図２Ａ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、図２Ｂは図２Ａ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、三次元造形物の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図。三次元造形物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。本発明の一実施例に係る三次元造形物の製造方法のフローチャート。本発明の一実施例に係る三次元造形物の製造方法で製造可能な三次元造形物の具体例を表す概略図。本発明の別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）と２種類の固化部とを備えている。このうち、図１は、一の材料供給部（構成材料（三次元造形物を構成する粉末と溶媒とバインダーとを含む材料）を供給する材料供給部）のみを表した図である。また、図２は、一の材料供給部（三次元造形物を形成する際に該三次元造形物を支持する支持部を形成する支持部形成用材料を供給する材料供給部）と、二の固化部（支持層形成用材料を硬化させるための電磁波を用いた硬化部、支持層形成用材料を焼結させるためのレーザーを用いた加熱部）と、を表した図である。
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さを有する形状を形成することも含まれる。また、「支持する」とは、下側から支持する場合の他、横側から支持する場合や、場合によっては上側から支持する場合も含む意味である。

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、他方の端部に構成材料を吐出する構成材料吐出部１２３０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、レーザーなど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１Ａ及び図２Ａ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１Ａ及び図２Ａ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る構成層３１０と、で構成される。

また、図１Ｂは、図１Ａに示すヘッドベース１１００を示すＣ部拡大概念図である。図１Ｂ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２Ｂは、図２Ａに示すヘッドベース１６００を示すＣ’部拡大概念図である。図２Ｂ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、支持層形成用材料として電磁波（紫外線など）により硬化可能な材料を使用した場合において該支持層形成用材料を硬化させるための、電磁波照射部１８００をヘッドベース１６００に備えている。また、支持層形成用材料に含まれるバインダーとして溶剤に溶解可能な材料を用いた場合においては、溶剤を除去し、該支持層形成用材料を硬化（バインダーによる結着）させるための、電磁波（赤外線）照射部１８００をヘッドベース１６００に備えてもよい。さらに、支持層形成用材料として焼結可能な材料を使用した場合において該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。

図１で表されるように、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の構成材料が構成材料収容部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。

図２で表されるように、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が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。

構成材料及び支持層形成用材料としては、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）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単体粉末、もしくはこれらの金属を１つ以上含む合金（マルエージング鋼、ステンレス、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金）などの混合粉末を、溶剤と、バインダーとを含むスラリー状（あるいはペースト状）の混合材料などにして用いることが可能である。
また、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチックを用いることが可能である。その他、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチックも用いることが可能である。
このように、構成材料及び支持層形成用材料に特に限定はなく、上記金属以外の金属やセラミックスや樹脂等も使用可能である。また、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどを好ましく使用可能である。

溶剤としては、例えば、水；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテル類；酢酸エチル、酢酸ｎ−プロピル、酢酸ｉｓｏ−プロピル、酢酸ｎ−ブチル、酢酸ｉｓｏ−ブチル等の酢酸エステル類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類；メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル−ｎ−ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類；エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；テトラアルキルアンモニウムアセテート類；ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤；ピリジン、γ−ピコリン、２，６−ルチジン等のピリジン系溶剤；テトラアルキルアンモニウムアセテート（例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等）等のイオン液体等が挙げられ、これらから選択される１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
バインダーとしては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）或いはその他の熱可塑性樹脂である。また、紫外線の照射により重合する紫外線硬化樹脂をバインダーに用いてもよい。

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、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及び構成材料吐出部１２３０が連携して駆動及び動作するよう制御し、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。

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、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１Ｂ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。

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（互い違い）に配置されたヘッドユニット１４００を備えている。そして、図４Ａ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させて構成層構成部５０（構成層構成部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄ）が形成される。構成層構成部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１４０１〜１４０４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。ステージ１２０は移動し、着弾した材料Ｍにより構成層構成部５０が形成される。この構成層構成部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の構成層３１０（図１参照）として形成される。

次に、構成層構成部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、構成層構成部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、構成層構成部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、構成層構成部５０が形成される。
より具体的には、まず、図５Ａ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５Ｂ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。
ただし、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）配置させる構成（ステージ１２０のＸ方向における往復移動で構成層構成部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構成層構成部５０を形成する構成）としても良い。

上記のように構成層構成部５０を形成することによって、図４Ａ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）の構成層構成部５０（構成層構成部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ライン目の構成層構成部５０’（構成層構成部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５Ａ及び図５Ｂで表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図４Ｂで表されるような、Ｙ方向における２ライン目の構成層構成部５０’（構成層構成部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ライン目の構成層構成部５０’’
（構成層構成部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５Ａ及び図５Ｂで表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図４Ｃで表されるような、Ｙ方向における３ライン目の構成層構成部５０’’
（構成層構成部５０ａ’’、５０ｂ’’、５０ｃ’’及び５０ｄ’’）が形成され、構成層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、上述したように構成層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、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、構成層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、支持層形成用材料の種類に応じて、電磁波照射部１８００を用いて硬化すること、レーザー照射部３１００及びガルバノミラー３０００を用いて焼結すること、などが可能である。

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６Ａ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６Ｂ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。このうち、図７Ａから図７Ｄは三次元造形物の製造過程を側面視で表しており、図７Ｅ及び図７Ｆは三次元造形物の製造過程を平面視で表している。また、７Ｅ及び図７Ｆは、７Ｃ及び図７Ｄに対応している。

最初に、図７Ａは、支持層形成用材料吐出部１７３０を使用して試料プレート１２１の上に第１層目の層５０１のうちの支持層３００を形成した状態を表している。なお、本実施例においては、支持層形成用材料としてセラミックス粒子とバインダーとしての紫外線硬化樹脂とを含む材料を使用している。なお、支持層形成用材料として、セラミックス粒子と溶剤とバインダーとを含む材料を使用してもよい。
ここで、図７Ａは、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するとともに該支持層形成用材料に向けて電磁波照射部１８００から電磁波を照射した状態を表している。

次に、図７Ｂは、構成材料吐出部１２３０を使用して試料プレート１２１の上に第１層目の層５０１のうちの構成層３１０を形成した状態を表している。なお、本実施例においては、構成材料として金属粒子を含む材料を使用している。

そして、図７Ａで表される支持層３００の形成及び図７Ｂで表される構成層３１０の形成を繰り返すことにより、図７Ｃ及び図７Ｅで表されるように、三次元造形物の積層体を形成する。
ここで、図７Ｃ及び図７Ｅで表されるように、本実施例の三次元造形物の積層体は無底の円筒形状をしており、構成層３１０で囲まれた部分は空間Ｓ（正確には、少なくとも２方向から構成層３１０に囲まれた空間Ｓ）を構成している。

そして、最後に、図７Ｃ及び図７Ｅで表されるように形成された三次元造形物の積層体を、本実施形態に係る形成装置２０００とは別体として設けられる恒温槽（加熱槽）で、加熱する（構成層３１０を焼結させて焼結部３１０’とする）。ここで、図７Ｄ及び図７Ｆは、三次元造形物の積層体を焼結させた状態を表している。
図７Ｄ及び図７Ｆにおいては、焼結部３１０’は金属粒子が焼結しており、加熱後の支持層３００’はバインダーなどが加熱分解されて揮発し除去された為セラミックス粒子により粒状（パウダー状）となっている。

ここで、図７Ｃと図７Ｄ、図７Ｅと図７Ｆを比較すると明らかなように、構成層３１０を焼結させると、体積は低下する。
体積の低下（体積の収縮）について説明すると、焼結後の１方向の長さをＬ、焼結前の１方向の長さをＬ_０、粒子の充填率をＡ、焼結密度をＢとすると、以下の式１で表される。
Ｌ^３＝Ｌ_０ ^３×（Ａ／Ｂ）…（式１）
すなわち、焼結後の１方向の長さＬは、Ｌ_０×（Ａ／Ｂ）^１／３で表されるように収縮する。

下記表１に、構成材料中の金属粒子の充填率と焼結密度から計算される具体的な体積の収縮率の一例を表す。

このように、三次元造形物の積層体は焼結させることにより収縮するので、焼結後に、空間Ｓにおける支持層３００の体積の収縮率が三次元造形物の積層体の収縮率よりも低い場合、三次元造形物の積層体（構成層３１０）は歪んでしまう。このため、本実施例においては、焼結後に、空間Ｓにおける支持層３００の体積の収縮率が三次元造形物の積層体の収縮率よりも高くなるように、支持層形成材料の成分及びその配合を決定している。

次に、上記形成装置２０００を用いて行う三次元造形物の製造方法の一例（図７に対応する例）についてフローチャートを用いて説明する。
ここで、図８は、本実施例に係る三次元造形物の製造方法のフローチャートである。

図８で表されるように、本実施例の三次元造形物の製造方法においては、最初にステップＳ１１０で、三次元造形物のデータを取得する。詳細には、例えばパーソナルコンピューターにおいて実行されているアプリケーションプログラム等から、三次元造形物の形状を表すデータを取得する。

次に、ステップＳ１２０で、層毎のデータを作成する。詳細には、三次元造形物の形状を表すデータにおいて、Ｚ方向の造形解像度に従ってスライスし、断面毎にビットマップデータ（断面データ）を生成する。
この際、生成されるビットマップデータは、三次元造形物の形成領域（構成層３１０）と三次元造形物の非形成領域（支持層３００）とで区別されたデータになっている。

次に、ステップＳ１３０で、形成しようとする層のデータが、三次元造形物の非形成領域（支持層３００）を形成するデータか三次元造形物の形成領域（構成層３１０）を形成するデータかを判断する。なお。この判断は制御ユニット４００に備えられた制御部により行われる。
本ステップで、支持層３００を形成するデータと判断された場合はステップＳ１４０に進み、構成層３１０を形成するデータと判断された場合はステップＳ１５０に進む。

ステップＳ１４０では、支持層３００を形成するデータに基づいて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することにより、支持層形成用材料を供給する。
そして、ステップＳ１４０で支持層形成用材料を吐出すると、ステップＳ１６０で、電磁波照射部１８００から電磁波（紫外線）を照射（エネルギー付与）して該吐出された液滴（支持層３００）を固める。

一方、ステップＳ１５０では、構成材料吐出部１２３０から構成材料を吐出することにより、構成材料を供給する。

そして、ステップＳ１７０により、ステップＳ１２０において生成された各層に対応するビットマップデータに基づく三次元造形物の積層体の造形が終了するまで、ステップＳ１３０からステップＳ１７０までが繰り返される。

そして、ステップＳ１８０により、不図示の恒温槽において、上記ステップで形成した三次元造形物の積層体を加熱する。詳細には、三次元造形物の形成領域（構成層３１０）を焼結し、周りの支持層３００の樹脂成分などを分解除去してセラミックス粒子で粒子化する。ここで、加熱後の支持層３００’の体積収縮率は、加熱後の構成層３１０（焼結部３１０’）の体積収縮率よりも高くなる（空間Ｓに対応する加熱後の支持層３００’の体積は焼結部３１０’の体積よりも小さくなる）。
そして、ステップＳ１８０の終了に伴い、本実施例の三次元造形物の製造方法を終了する。

上記のようにして構成される三次元造形物の具体的な形状の例について説明する。
図９はその具体例を表す概略分解側面図であり、このうち、図９ＡはＸ方向に延びる２枚の平板が１辺において合わさり斜面が形成された形状を表している。また、図９Ｂは、無底の２つの円筒が重ねあわされた形状を表している。また、図９Ｃは、有底の円筒形状で内径の異なる部分を有する形状を表している。また、図９Ｄは、図９Ｃの形状に対して配管に対応するトンネルＰが構成された形状を表している。そして、図９Ｅは、ドーム状の形状を表している。トンネルＰ内についても、トンネルＰ内の空間Ｓにおける支持層３００の体積の収縮率が三次元造形物の積層体の収縮率よりも高くなるよう支持層３００を形成する。
しかしながら、このような形状に限定されるわけではないことは、言うまでもない。

上記のように、本実施例の三次元造形物の製造方法は、層を積層し積層体を形成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方法である。
そして、三次元造形物の構成領域に対応する構成層３１０を形成する構成層形成工程（ステップＳ１５０に対応）と、構成層３１０に接し該構成層３１０を支持する支持層３００を形成する支持層形成工程（ステップＳ１４０に対応）と、構成層３１０を焼結する焼結工程（ステップＳ１８０に対応）と、を有している。
ここで、支持層３００は、少なくとも２方向から構成層に囲まれた空間Ｓの焼結工程に伴う体積減少量よりも、該空間Ｓで該構成層３１０を支持する支持層３００の該焼結工程に伴う体積減少量のほうが、大きくなるよう構成されている。
すなわち、構成層３１０の焼結に伴う体積変化（収縮）に対応して支持層３００が形状変化し、支持層３００は構成層３１０の焼結に伴う収縮の妨げにならないよう構成されている。このため、三次元造形物の焼結体（焼結部３１０’）が変形することを抑制でき、高精度な三次元造形物を製造することができる。
なお、「構成層３１０に囲まれた空間Ｓの焼結工程に伴う体積減少量」とは、構成層３１０の構成材料に基づく体積減少量を意味し、該空間Ｓに支持層３００が無い場合における該空間Ｓの焼結工程後の体積減少量を意味する。
また、「少なくとも２方向から構成層３１０に囲まれた空間Ｓ」とは、例えば、有底又は無底の筒状の形状（例えば、図９Ｂ、図９Ｃ及び図９Ｄに対応）における内部空間（空間Ｓ）や、底部に比べて開放部が広い又は狭いコップ状の形状（例えば図９Ｅに対応）の内部空間など、全体の形状が等方的に小さくなったときにその体積が小さくなる内部空間を意味する。

なお、図７で表される三次元造形物の製造方法の一実施例においては、支持層３００は、空間Ｓで構成層３１０を支持する全部において焼結工程に伴い構造変化（硬化した状態から一部が分解除去され一部が粒状へ変化）するものであった。しかしながら、このような構成に限定されず、支持層３００は、空間Ｓで構成層３１０を支持する一部が焼結工程に伴い構造変化するものであってもよい。
支持層３００の空間Ｓで構成層３１０を支持する少なくとも一部が焼結工程に伴い構造変化する構成であれば、該構造変化により構成層３１０の焼結に伴う体積変化（収縮）に対応して支持層３００が形状変化し、支持層３００が構成層３１０の焼結に伴う収縮の妨げを効果的に抑制することができるためである。
なお、「焼結工程に伴い構造変化する」とは、上記のように支持層形成材料の一部が分解除去され一部が粒状へ変化する構成のほか、例えば、ハニカム構造、トラス構造、格子構造などで形成された支持層が、焼結工程に伴い、これらの構造が崩れること、支持層形成材料が溶融し溶融前後で形状が変化する構成などが挙げられる。

以下に、空間Ｓで構成層３１０を支持する支持層３００の一部が焼結工程に伴い構造変化する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１０は、このような三次元造形物の製造方法の一実施例における該三次元造形物の製造過程の一例を表す概略図である。このうち、図１０Ａから図１０Ｄは三次元造形物の製造過程を側面視で表している。
なお、本実施例においては、支持層形成用材料として、樹脂成分などからなり焼結工程ですべての成分が分解除去（揮発）される第１材料３００ａと、セラミックス粒子を含んだ第２材料３００ｂと、の２種類を使用している。

最初に、図１０Ａは、支持層形成用材料吐出部１７３０を使用して試料プレート１２１の上に第１層目の層５０１のうちの支持層３００を形成した状態を表している。なお、本実施例においては、第１材料３００ａと第２材料３００ｂとを交互に配置している。
ここで、図１０Ａは、支持層形成用材料吐出部１７３０から支持層形成用材料（第１材料３００ａ及び第２材料３００ｂ）を吐出するとともに第２材料３００ｂに向けてレーザー照射部３１００からレーザーを照射し第２材料３００ｂを焼結させた状態を表している。

次に、図１０Ｂは、構成材料吐出部１２３０を使用して試料プレート１２１の上に第１層目の層５０１のうちの構成層３１０を形成した状態を表している。なお、本実施例においては、構成材料として金属粒子を含む材料を使用している。

そして、図１０Ａで表される支持層３００の形成及び図１０Ｂで表される構成層３１０の形成を繰り返すことにより、図１０Ｃで表されるように、三次元造形物の積層体を形成する。
ここで、図１０Ｃで表されるように、本実施例の三次元造形物の積層体はコップ状（コップを逆さまにした状態）をしており、構成層３１０で囲まれた部分は空間Ｓを構成している。

そして、最後に、図１０Ｃで表されるように形成された三次元造形物の積層体を、本実施形態に係る形成装置２０００とは別体として設けられる恒温槽（加熱槽）で、加熱する（構成層３１０を焼結させて焼結部３１０’とする）。ここで、図１０Ｄは、三次元造形物の積層体を焼結させた状態を表している。
図１０Ｄにおいては、焼結部３１０’は金属粒子が焼結しており、加熱後の支持層３００’は、第１材料３００ａに対応する部分３００ａ’においては分解除去されて何もなくなり、第２材料３００ｂに対応する部分３００ｂ’においては焼結されたセラミックスが残っている。すなわち、支持層３００の一部である第１材料３００ａは構造変化し、支持層３００の一部である第２材料３００ｂは構造変化していない。

ここで、図１０Ｃと図１０Ｄを比較すると明らかなように、構成層３１０を焼結させると、体積は低下する。一方、空間Ｓに対応する部分においては、第１材料３００ａに対応する部分が分解除去されて何もなくなることで、空間Ｓにおける支持層３００の体積の収縮率が三次元造形物の積層体の収縮率よりも高くなるよう構成されている。

別の表現をすると、該三次元造形物の製造方法では、支持層３００は、空間Ｓで構成層３１０を支持する少なくとも一部が、焼結工程に伴う体積変化が相対的に大きい領域（第１材料３００ａに対応）と小さい領域（第２材料３００ｂに対応）とを有するよう構成されている。このため、体積変化が相対的に大きい領域により効果的に構成層の焼結に伴う体積変化（収縮）に対応して支持層が形状変化し、体積変化が相対的に小さい領域により効率的に焼結中の構成層を支持することができる。
なお、「体積変化が相対的に大きい領域と小さい領域」とは、該小さい領域の体積変化率（収縮率）が該大きい領域の体積変化率（収縮率）よりも大きければその差や絶対量に特に限定はない。例えば、第２材料３００ｂに対応する部分３００ｂ’のように、該小さい領域の体積変化率（収縮率）が実質的にない場合も含む意味である。

一方、図７で表される三次元造形物の製造方法では、支持層３００は、空間Ｓで構成層３１０を支持する少なくとも一部が、焼結工程に伴いパウダー化（粉末化、粒状化）する。このため、焼結工程後に、三次元造形物の焼結体を支持層３００から簡単に取り出す（三次元造形物の焼結体から支持層を簡単に除去する）ことができる。

また、図７で表される三次元造形物の製造方法及び図１０で表される三次元造形物の製造方法の何れも、支持層３００は、空間Ｓで構成層３１０を支持する少なくとも一部が、焼結工程に伴い揮発する。このため、焼結工程中又は焼結工程後に該揮発した成分を含む気体の除去工程を実行することで、三次元造形物の焼結体から支持層３００を簡単に除去することができる。構成層３１０で閉じられた空間がある場合、構成層３１０に含まれる粒子が焼結する過程で粒子間の空間を通じて該揮発した成分を含む気体の除去を行ってもよい。また、少なくとも一部がポーラスである三次元造形物を造形する場合は、焼結工程後に焼結した粒子間の空間を通じて該揮発した成分を含む気体の除去を行ってもよい。

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…構成層構成部、
１１０…基台、１１１…駆動装置、１２０…ステージ、１２１…試料プレート、
１３０…ヘッドベース支持部、３００、３００’…支持層、
３００ａ…第１材料（支持層）、３００ｂ…第２材料（支持層）、３１０…構成層、
３１０’…焼結部（三次元造形物の焼結体）、４００…制御ユニット、
４１０…ステージコントローラー、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、１４００…ヘッドユニット、１４００ａ…保持治具、
１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４…ヘッドユニット、
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、１８００…電磁波照射部、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、Ｍ…材料（構成材料）、
Ｐ…トンネル、Ｓ…構成層３１０に囲まれた空間

Claims

層を積層し積層体を形成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方法であって、
三次元造形物の構成領域に対応する構成層を形成する構成層形成工程と、
前記構成層に接し該構成層を支持する支持層を形成する支持層形成工程と、
前記構成層を焼結する焼結工程と、を有し、
前記支持層は、少なくとも２方向から前記構成層に囲まれた空間の前記焼結工程に伴う体積減少量よりも、該空間で該構成層を支持する前記支持層の該焼結工程に伴う体積減少量のほうが、大きくなるよう構成されることを特徴とする三次元造形物の製造方法。
請求項１に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記支持層は、前記空間で前記構成層を支持する少なくとも一部が、前記焼結工程に伴い構造変化することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
請求項１又は２に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記支持層は、前記空間で前記構成層を支持する少なくとも一部が、前記焼結工程に伴う体積変化が相対的に大きい領域と小さい領域とを有するよう構成されることを特徴とする三次元造形物の製造方法。
請求項１から３のいずれか１項に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記支持層は、前記空間で前記構成層を支持する少なくとも一部が、前記焼結工程に伴いパウダー化することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
請求項１から４のいずれか１項に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記支持層は、前記空間で前記構成層を支持する少なくとも一部が、前記焼結工程に伴い揮発することを特徴とする三次元造形物の製造方法。