JP2018053300A

JP2018053300A - 積層造形物の製造方法

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Publication number: JP2018053300A
Application number: JP2016189723A
Authority: JP
Inventors: 増田　宏; Hiroshi Masuda; 宏増田; 圭一郎西村; Keiichiro Nishimura
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2018-04-05

Abstract

【課題】積層造形物に傷をつけることなく、造形物周りの不要な粉末材料をきれいに除去することができ、その結果、歩留まりの向上、製造時間の短縮が可能になる積層造形物の製造方法を提供する。【解決手段】付加製造のバインダジェット法で製造される積層造形物の製造方法において、積層造形物の周囲に積層造形物とは距離を離して薄層を形成することを特徴とする積層造形物の製造方法。また、粉末材料の層を形成し、この粉末材料の層の特定領域に造形液を吐出して粉末材料が造形液によって結合した造形層を形成し、この造形層を有する粉末材料の層上に再度粉末材料の層を形成して造形層を形成する工程を繰り返すことによる積層造形物の製造方法であって、上記積層造形物の周囲に、積層造形物とは距離を離して、上記粉末材料が造形液によって結合した薄層を形成することを特徴とする上記記載の積層造形物の製造方法。【選択図】図２

Description

本発明は立体造形物の製造方法に関し、特に、付加製造による積層造形物の製造方法に関する。

立体造形物を作る方法としては、例えば、３Ｄプリンタ（立体印刷機）等を用いる付加製造法を用いた積層造形法が知られている。３Ｄプリンタを用いる立体造形物の製造方法としては、粉末材料を積層させながら高出力のレーザーによって選択的に直接焼結することによって各層を形成する積層造形法、光硬化性樹脂を積層させながらレーザー光やＵＶ光で選択的に硬化させて、その繰返しにより積層する光造形法、金属やセラミックなどの粉末と造形液を用いて造形する方法、ノズルから繊維状の樹脂を溶かして押出ながら積層する熱溶積層法などが提案されている。さらに、薄く粉末材料層を形成し、形成された粉末材料層に対して造形液をプリンタヘッドから吐出して粉末が結合された薄層の造形層を形成し、そしてこの造形層が形成された粉末材料層上に更に粉末材料層を形成し再度造形液をプリンタヘッドから吐出して粉末材料が結合された薄層の造形層を形成し、この工程を繰返して造形層を積層することで三次元の立体造形物を造形するバインダジェット法というものある（例えば特許文献１参照）。粉末材料として金属やセラミックを用いた場合には、この造形物を取り出した後に焼結することにより密度・強度が上がった完成品を得ることができる。

特開平０６−２１８７１２号公報

しかし、特許文献１に記載の立体造形物の製造方法は、未結合の粉末材料に埋没した状態で立体造形物が形成されるため、工程終了後に取り出し未結合の粉末材料を除去する必要がある。この製造方法では例えば粉末材料として金属粉末を用いた場合には、結合剤によって金属粒子同士を結合させるものであり、例えば、レーザーを照射して選択的に溶着して固化させる方法と比較すると、造形材料の結び付きの形態、つまり結び付きの強度が異なり弱いものとなる。そして、粉末材料中から取り出した後に造形物周りの未結合の粉末材料を取り除く必要があるが、この未結合の粉末材料を取り除く際に造形物との境界が分かりにくいことがあり、ヘラなどで物理的に除去する際に強度が低いため造形物に傷をつけてしまうという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、積層造形物（以下、造形物と略することがある。）に傷をつけることなく、造形物周りの不要な粉末材料をきれいに除去することができ、その結果、歩留まりの向上、製造時間の短縮が可能になる積層造形物の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、積層造形物から造形物周りの上記のような不要な粉末材料を造形物に傷を付けずに除去するためになされたものであり、以下の技術的手段で構成される。

（１）付加製造のバインダジェット法で製造される積層造形物の製造方法において、積層造形物の周囲に積層造形物とは距離を離して薄層を形成することを特徴とする積層造形物の製造方法。

（２）粉末材料の層を形成し、この粉末材料の層の特定領域に造形液を吐出して粉末材料が造形液によって結合した造形層を形成し、この造形層を有する粉末材料の層上に再度粉末材料の層を形成して造形層を形成する工程を繰り返すことによる積層造形物の製造方法であって、上記積層造形物の周囲に、積層造形物とは距離を離して、上記粉末材料が造形液によって結合した薄層を形成することを特徴とする（１）に記載の積層造形物の製造方法。

（３）薄層の厚さが５０μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の積層造形物の製造方法。

（４）積層造形物と薄層との距離が５０μｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の積層造形物の製造方法。

（５）薄層が1辺の長さが５００μｍ以上１０ｍｍ以下の区画に区切られていることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の積層造形物の製造方法。

本発明の積層造形物の製造方法を用いることにより、積層造形物に傷をつけることなく不要な粉末材料をきれいに除去することができ、その結果、歩留まりの向上、製造時間の短縮が可能になる。

３Ｄプリンタの部分断面側面図。造形物と、造形物周囲に形成された薄層の一態様を示す斜視図。造形物と、造形物周囲に形成された薄層の他の一態様を示す斜視図（実施例１）。図１に示した３Ｄプリンタを用いた積層造形物製造の流れを示す部分断面側面図（実施例１）。実施例２で製造される造形物と薄層とを示す斜視図。実施例３で製造される造形物と薄層とを示す斜視図。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
本発明の積層造形物の製造方法は、付加製造のバインダジェット法で製造される積層造形物の製造方法であって、積層造形物の造形時に、更に、積層造形物の周囲に積層造形物とは距離を離して薄層を形成するものである。例えば、バインダジェット法により、粉末材料と造形液を用いて積層造形物を製造する場合、まず、粉末材料の層を形成する。次いで、この粉末材料の層の特定領域に造形液を吐出して、粉末材料の層の特定領域に、粉末材料が造形液によって結合した造形層を形成する。そして、この造形層を有する粉末材料の層上に再度粉末材料の層を形成し、造形液の吐出による造形層を形成する工程を繰り返すことにより、造形層を積層して積層造形物を形成する。その際、本発明の方法では、目的とする積層造形物の造形に加えて、積層造形物の周囲に、積層造形物とは距離を離して、粉末材料が造形液によって結合した薄層を形成する。

本発明の積層造形物の製造方法に好適に用いられる３Ｄプリンタの一例について、図１を用いて説明する。３Ｄプリンタ１は、粉末材料が結合された造形物が形成される造形槽２およびその下面の上下に可動する造形ステージ３、造形槽２に粉末材料を供給するために造形槽２と隣接して配置された供給槽４およびその下面の上下に可動する供給ステージ５、供給槽４から造形槽２へ粉末材料を供給するリコータ６、造形槽２に供給された粉末材料を結合させるための造形液を吐出するインクジェットヘッド７およびインクジェットヘッド７を支持する造形ユニット８などを備えている。

この３Ｄプリンタ１を用いる立体造形では、供給槽４から造形ステージ３上に粉末材料の層を薄く敷く工程と、目的の造形物の立体形状を水平方向にスライスして生成されるスライスデータを元にインクジェットヘッド７から粉末材料の層の特定領域に造形液を吐出し、造形ステージ３上に供給された粉末材料を結合させる工程により一層分造形層の成形を行い、このような工程を繰り返すことにより立体造形を行う。

図２および図３に、本発明の製造方法で製造される立体構造物及び薄層の例を示す。図２（ａ）は造形したい造形物１０の形状（直方体）の一例を、図２（ｂ）は本発明の製造方法を用いて造形を行った造形終了後の造形槽内での造形物１０および薄層１１の形状と位置関係の一例を示している。造形物１０の周囲には距離をおいて薄層１１が形成されており、造形槽内では、造形物１０と薄層１１の間、および、薄層１１の周りに、結合されていない粉末材料１２（図示せず。）が存在する。図３は、他の一例を示したものであり、図３（ａ）は造形したい造形物１０の形状（円柱形状）を、図３（ｂ）は本発明の製造形方法を用いて造形を行った造形終了後の造形槽内での造形物１０および薄層１１の形状と位置関係を示している。図３に示す例においても、造形物１０の周囲には距離をおいて薄層１１が形成されており、造形槽内では、造形物１０と薄層１１の間、および、薄層１１の周りに、結合されていない粉末材料１２（図示せず。）が存在する。これらの例では、造形物１０の上面の上方には薄層が形成されていないが、必要に応じて上面の上方にも薄層を形成し、造形物全体を薄層で覆ってもよい。

図４（ａ）〜（ｇ）を用いて本発明の方法における造形層１層分の成形動作について説明する。
造形に用いる粉末材料１２は、図４（ａ）に示すように供給槽４に収容されている。すなわち、供給ステージ５を下げた状態で、供給槽４内に粉末材料１２を入れた状態である。粉末材料１２の上面は、リコータ６を回転させながら左右に動かすことで平になっている。このとき、造形槽２の造形ステージ３は、造形槽２の上端から粉末材料一層の厚さ分だけ下げた状態にある。この状態で、供給ステージ５を一定量上昇させ、リコータ６で供給槽４側の供給槽４上に露出した粉末材料１２を造形槽２側に押出すことにより、図４（ｂ）に示すように、造形ステージ３上に、１層分の厚さの粉末材料１２の層が形成される。

次に、図４（ｃ）に示すように、輪切り状の画像データに基づいて造形ユニット８（図示せず。図１を参照。）が造形槽２上に移動し、粉末材料の層の画像データに基づく特定領域にインクジェットヘッド７から造形液１３が吐出される。造形液１３とは、粉末材料１２を結合させるための液体であり、粉末材料の層の特定領域に、粉末材料が結合した造形層９が１層形成される。なお、図４（ｃ）に示す１層目の造形層９は、目的とする造形物の下方に位置する薄層部分となる。このようにして１層分の成形が完了すると、図４（ｄ）に示すように造形ステージ３と供給ステージ５の高さを調整し、再度リコータ６を移動させることにより、図３（ｅ）に示すように、造形槽２内で、上記の造形層９を有する粉末材料の層上に、新たな粉末材料１２の層が形成される。このような動作を繰り返すことにより粉末材料が結合した造形層を積層させていき、造形物が形成される。本発明の方法では、目的とする造形物の画像データと合わせて、造形物周囲の薄層の輪切り状の画像データとして造形物の周りを覆う薄層を加えることにより、図４（ｆ）に示すような結合していない未結合の粉末材料１２の中に埋没した状態で、目的の造形物１０とそれを囲う薄層１１が形成される。なお、造形物１０と薄層１１の間にも、未結合の粉末材料１２が存在している。

この後、造形ステージ３を上昇させて、薄層１１で覆われた造形物１０を周りの粉体材料ごと取り出し、乾燥させた後、エアーブローやブラストの他、ブラシやヘラ状のもので擦って造形物１０および薄層１１に付着した不要な粉体材料を落としていく。ブラストでは、通常、アルミナ粉などの研磨剤が用いられるが、研磨剤の他に粉末材料を用いてもよいし、ドライアイスの微粉を用いれば粉末材料に他のものが混ざることなく不要な粉末材料を除去することが出来る。しかし、エアーブローやブラストでは造形物の周りの粉末材料を落としきることが難しく、全て取り除くにはブラシやヘラ状のもの使うこともあり、薄層で覆われていない従来の造形物の場合には、造形物を傷つけてしまうことがあった。本発明の方法で造形を行った場合、造形物１０を覆う薄層１１が加えられたことによって、薄層１１の周囲の粉末材料の除去時にブラシやヘラ状のものが薄層１１に当たっても造形物には当たらず傷がつかない。さらに、薄層１１はきれいに剥がれやすいため、薄層１１の除去後に造形物１０の周りに付着して残る粉末材料は非常に薄い層となり、軽くこすることで不要な粉末材料を除去することができ、造形物１０の損傷を防ぐことができる。

本発明において用いられる粉末材料としては、立体造形に通常用いられるものであれば特に制限なく用いることができ、目的に応じて適宜選択することが出来る。粉末材料の材質の代表的なものとしては、金属、セラミック、石膏などが挙げられる。金属としてはステンレス、チタン、チタン合金、鉄、銅などが挙げられる。ステンレスとしてはＳＵＳ３１６Ｌなどが、チタン合金としてはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖなどが挙げられる。セラミックとしては、金属酸化物などが挙げられ、例えばシリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニアなどが挙げられる。

これらの粉末材料は一種単独で用いてもよいし、二種類以上を混ぜて用いてもよい。
また、粉末材料に対しては、造形液と馴染むように表面処理を行ってもよいし、接着剤がコーティングされていてもよい。コーティングする接着剤としては、有機溶剤で溶けるものでも、水に溶けるものでもよい。

本発明において用いられる造形液としては、立体造形に通常用いられるものであれば特に制限なく用いることができる。また、造形液は、接着機能を有する液体でもよいし、接着機能を有さない液体を用いることもできる。例えば、接着剤がコーティングされた粉末材料を用いる場合には、造形液は接着機能がなくてもよく、粉末材料にコーティングした接着剤が溶解もしくは膨潤するような溶剤や水溶液を造形液として用いることが好ましい。

本発明の方法において造形物の周囲に形成する薄層の厚さは、５０μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以上８００μｍ以下であることがより好ましく、２００μｍ以上６００μｍ以下とすることが更に好ましい。

薄層１１と造形物１０との距離は、近すぎると薄層が剥がれにくくなるため、５０μｍ以上とすることが好ましく、２００μｍ以上とすることがより好ましく、４００μｍ以上とすることが更に好ましい。逆に、薄層１１と造形物１０との間隔が１０００μｍ以上では、薄層１１と造形物１０との間の粉末材料の量が多くなり好ましくはない。但し、造形物の形状によっては薄層１１を造形物１０から一定の距離で形成することが難しいこともあり、その場合には薄層１１と造形物１０との距離を上記の範囲よりも離したり、部分的に薄層がなくてもよい。ただし、薄層１１と造形物１０との距離を１０００μｍ以上とする場合であっても、１０ｍｍ以下とすることが好ましい。なお、本発明において、薄層と造形物との距離とは、造形物の外周部の１点と、その１点に相対する薄層の内面との間の最短距離を意味する。また、薄層１１をタイルを貼り付けたように１辺が５００μｍ以上１０ｍｍ以下のサイズの区画に分けて形成することにより、小さなかけらが残ることなく好ましい。隣接する区画の相対する辺の間隔は０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることが好ましく、０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とすることがより好ましい。各区画の好適なサイズは、造形物１０の大きさによって異なり、大きい造形物１０の場合には３ＤＣＡＤのデータ量が大きくなることやデータ作製の費用がかかることから、大きなサイズとすることが好ましい。

［実施例１］
本発明の第１の実施例について図３及び図４を用いて説明する。ここでは、ステンレス（ＳＵＳ）粉末を粉末材料１２として用いて図３に示す円柱状の造形物１０を作る場合の製造方法を説明する。

先ず図３に示した造形物１０と薄層１１のＣＡＤ（computer-aided design）データを３ＤＣＡＤを用いて作成する。造形物１０は円柱状で、薄層１１は造形物１０の下面及び側面から１００μｍ離して形成されて繋がった一体構造になっている。薄層１１の厚さは５００μｍである。この数字はＣＡＤ上の数字であり、実際にはインクジェットのドットピッチに合わせて調整される。造形物１０の上面はこの面の形成後に造形が終了するので、造形工程時にこの面上にＳＵＳ粉末が載ることがない。従って、本実施例では、この造形物１０の上面の上方には、薄層は形成しない。この３ＤＣＡＤデータを３Ｄプリンタを制御しているコンピュータに移し、３Ｄプリンタで取り扱うＳＴＬデータに変換する。次に図４（ａ）に示すように、３Ｄプリンタ１の供給槽４に造形に用いる粉末材料１２を入れる。ここで粉末材料はＳＵＳ３１６Ｌの３Ｄプリンタ用に開発された山陽特殊製鋼株式会社製の球形のエアアトマイズ粉を用いた。粒径は２０μｍ以下のものである。続いて図４（ｂ）に示すようにリコータ６で粉末材料１２を造形槽２に運び、平にして厚さ１００μｍの粉末材料１２の層を形成する。次いで、図４（ｃ）に示すように、造形ユニット８（図示せず。図１を参照。）が造形槽２上に移動し、変換されたＳＴＬデータに基づいてインクジェットヘッド７から造形液１３を吐出しながら絵を描くように移動することにより、粉末材料１２の層の特定領域に、粉末材料１２が造形液１３によって結合した造形層９が形成される。この第一層目の造形層９は、図４（ｆ）に示すように、薄層１１の底部を構成するものである。このようにして１層の造形が終わると、図４（ｄ）に示すように供給槽４のステージ５が上昇し、図４（ｅ）に示すように図４（ｂ）と同様にリコータ６で粉末材料１２を造形槽２に運び、平にして厚さ１００μｍの粉末材料１２の層を形成する。この粉末材料１２を敷く工程とインクジェットヘッド７からの絵を描く動作で造形液１３を吐出する工程を繰り返すことにより、図４（ｆ）に示すように、造形物１０と薄層１１の造形が完了する。

造形終了時は、造形物１０と薄層１１が、造形槽２内で粉末材料１２に埋まった状態になっており、造形物１０と薄層１１の間にも、結合していない粉末材料１２が存在している。ここから造形物１０を薄層１１と共に、周りの粉末材料と一緒に取り出し、エアーブローなどで不要な粉末材料１２を除去する。このとき粉体がエアーで舞うため、特別なブースを用いてその中で作業を行う。本実施例では、エアーブローによってほとんどの粉末材料１２が薄層１１と一緒に除去されたが、一部が除去されずに薄層１１とともに残った。そこで、薄層１１をヘラで剥がし、さらにブラシで造形物１０周囲に残った分の粉末材料１２を除去した。
最後に造形物１０を真空焼結炉に入れて焼結を行い、焼結品の完成となる。

［実施例２］
本発明の第２の実施例について図５を用いて説明する。図５（ａ）に本実施例で作製する造形物１０の斜視図を、図５（ｂ）にその造形物１０とその周囲に形成された薄層１１の斜視図を示す。使用する粉末材料１２や３Ｄプリンタでの造形の流れは、実施例１と同じである。図５には実施例１と同様に円柱状の造形物１０が描かれているが、薄層１１が細かくタイル状の区画に分かれている。このように薄層１１を小さく分けることにより、薄層１１のかけらを残すことなく、容易にはがすことができる。また、薄層間の区画間の隙間が剥がれるときの基点となり、効率良く薄層を剥がすことが可能になる。

［実施例３］
本発明の第３の実施例について図６を用いて説明する。図６（ａ）に本実施例で作製する造形物１０の斜視図を、図６（ｂ）にその造形物１０とその周囲に形成された薄層１１の斜視図を示す。使用する粉末材料１２や３Ｄプリンタでの造形の流れは実施例１と同じである。図６には上下の円板とその間に円柱の柱が立っている造形物１０と、その周りに形成された薄層１１が示されている。柱１本１本に薄層１１を形成するのは、ＣＡＤデータ作成でも粉末材料の除去でも効率が悪い。そこで造形物１０の外周にのみ薄層１１を形成した。但し、薄層１１が剥がれやすくなるようにタイル状に分割している。

［産業上の利用可能性］
以上記述したように、本発明は３Ｄプリンタを用いる立体造形物の製造に好適なバインダジェット方式の積層造形物の製造方法に関する発明であり、本発明により、積層造形物から、不要な粉末材料を容易に且つ傷つけることなく落とすことが可能になる。本発明によって結果的にコストが下がり、３Ｄプリンタを用いて作製した造形物製品が安価に入手できるようになり、３Ｄプリンタを用いた製品が世の中に広まると考えられる。

１３Ｄプリンタ
２造形槽
３造形ステージ
４供給槽
５供給ステージ
６リコータ
７インクジェットヘッド
８造形ユニット
９造形層
１０造形物
１１薄層
１２粉末材料
１３造形液

Claims

付加製造のバインダジェット法で製造される積層造形物の製造方法において、積層造形物の周囲に積層造形物とは距離を離して薄層を形成することを特徴とする積層造形物の製造方法。
粉末材料の層を形成し、この粉末材料の層の特定領域に造形液を吐出して粉末材料が造形液によって結合した造形層を形成し、この造形層を有する粉末材料の層上に再度粉末材料の層を形成して造形層を形成する工程を繰り返すことによる積層造形物の製造方法であって、上記積層造形物の周囲に、積層造形物とは距離を離して、上記粉末材料が造形液によって結合した薄層を形成することを特徴とする請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
薄層の厚さが５０μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の積層造形物の製造方法。
積層造形物と薄層との距離が５０μｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の積層造形物の製造方法。
薄層が1辺の長さが５００μｍ以上１０ｍｍ以下である区画に区切られていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の積層造形物の製造方法。