JP2019099859A - 三次元造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元造形物の構成層を支持層で支持しながら三次元造形物を製造する際に、三次元造形物に支持層由来の不純物が混入することを抑制する。【解決手段】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方法であって、三次元造形物を構成する構成材料粉末と第１の粉末とバインダーとを含む第１組成物を用いて第１層を形成する第１層形成工程（ステップＳ１３０）と、第２の粉末とバインダーとを含む第２組成物を用いて第２層を第１層と接触させて形成する第２層形成工程（ステップＳ１４０）と、第１層と第２層とを含む積層体を加熱して第１の粉末、第１層のバインダー及び第２層のバインダーの少なくとも一部を除去する脱脂工程（ステップＳ１６０）と、第１層と第２層とを含む積層体を加熱して構成材料粉末を焼結させる焼結工程（ステップＳ１７０）と、を有し、第１の粉末の粒子径は、第２の粉末の粒子径よりも小さい。【選択図】図１３

Description

本発明は、三次元造形物の製造方法に関する。

従来から、様々な三次元造形物の製造方法が使用されている。このうち、三次元造形物の構成層を支持層で支持しながら三次元造形物を製造する方法がある。
例えば、特許文献１には、三次元造形物の造形材（三次元造形物の構成層）とそのサポート材（支持層）とで複数の層を形成しながら三次元造形物を製造する方法が開示されている。

特開平８−５７９６７号公報

三次元造形物の構成層を支持層で支持しながら三次元造形物を製造する方法においては、構成層と支持層で形成した積層体を加熱させる場合がある。しかしながら、該構成層や該支持層の構成によっては、該積層体の加熱に伴って、該構成層に該支持層由来の不純物が混入する場合があった。特に、三次元造形物を低密度で構成する場合、該構成層に形成される空孔部分に該支持層由来の不純物が混入する場合があった。

そこで、本発明の目的は、三次元造形物の構成層を支持層で支持しながら三次元造形物を製造する際に、三次元造形物に支持層由来の不純物が混入することを抑制することである。

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、三次元造形物を構成する構成材料粉末と第１の粉末とバインダーとを含む第１組成物を用いて前記層のうちの第１層を形成する第１層形成工程と、第２の粉末とバインダーとを含む第２組成物を用いて前記層のうちの第２層を前記第１層と接触させて形成する第２層形成工程と、前記第１層と前記第２層とを含む積層体を加熱して前記第１の粉末、前記第１層のバインダー及び前記第２層のバインダーの少なくとも一部を除去する脱脂工程と、前記第１層と前記第２層とを含む積層体を加熱して前記構成材料粉末を焼結させる焼結工程と、を有し、前記第１の粉末の粒子径は、前記第２の粉末の粒子径よりも小さいことを特徴とする。

本態様によれば、第１の粉末の粒子径が第２の粉末の粒子径よりも小さいので、脱脂工程で第１の粉末が除去されることに伴って第１層に第１の粉末の粒子径サイズの空孔ができても、該空孔に第２の粉末が入り込むことを抑制できる。したがって、三次元造形物に支持層由来の不純物が混入することを抑制することができる。

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、前記第１の粉末の最大粒子径は、前記第２の粉末の最小粒子径よりも小さいことを特徴とする。

本態様によれば、第１の粉末の最大粒子径は第２の粉末の最小粒子径よりも小さいので、脱脂工程で第１の粉末が除去されることに伴って第１層に第１の粉末の粒子径サイズの空孔ができても、該空孔に第２の粉末が入り込むことを特に効果的に抑制できる。

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、前記第１層と前記第２層とを含む積層体は、前記第２層に前記第１層が重畳される領域を有することを特徴とする。

本態様によれば、第１層と第２層とを含む積層体は、第２層に第１層が重畳される領域を有する。すなわち、第２層で第１層を下側から支える領域を有する。このような領域では、第１の粉末に由来する空孔に第２の粉末が入り込み易いが、該空孔に第２の粉末が入り込むことを抑制できる。

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項の態様において、前記第１組成物及び前記第２組成物は、溶媒を含むペーストであり、前記第１層形成工程は、前記第１組成物を噴射して前記第１層を形成し、前記第２層形成工程は、前記第２組成物を噴射して前記第２層を形成することを特徴とする。

本態様によれば、第１組成物及び第２組成物は溶媒を含むペーストであり、第１層形成工程は第１組成物を噴射して第１層を形成し、第２層形成工程は第２組成物を噴射して第２層を形成する。このため、ペーストを使用して、支持層由来の不純物が混入することが抑制された三次元造形物を製造することができる。

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３のいずれか１項の態様において、前記第１組成物及び前記第２組成物は、常温で固体であり、前記第１層形成工程は、前記第１組成物を加熱して流体状にして射出することで前記第１層を形成し、前記第２層形成工程は、前記第２組成物を加熱して流体状にして射出することで前記第２層を形成することを特徴とする。

本態様によれば、第１組成物及び第２組成物は常温で固体であり、第１層形成工程は第１組成物を加熱して流体状にして射出することで第１層を形成し、第２層形成工程は第２組成物を加熱して流体状にして射出することで第２層を形成する。このため、常温で固体の材料（コンパウンド）を使用して、支持層由来の不純物が混入することが抑制された三次元造形物を製造することができる。

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１に示すＣ部の拡大図。 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２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。 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。 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。 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。 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方法のフローチャート。 本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置を用いて形成された三次元造形物の一例を表す概略図。

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〜図４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。このうち、図１及び図２は、一の材料供給部（三次元造形物を構成する構成材料粉末と第１の粉末とバインダーとを含む第１組成物を供給する材料供給部）のみを表した図である。また、図３及び図４は、別の一の材料供給部（第２の粉末とバインダーとを含み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ための第２組成物を供給する材料供給部）のみを表した図である。
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。
また、本実施例の第１組成物は、三次元造形物を構成する構成材料粉末と第１の粉末と溶媒と該溶媒に可溶なバインダーとを含むペースト（流動性材料）である。そして、本実施例の第２組成物（支持部形成用材料）は、支持層形成用粒子である第２の粉末と溶媒と該溶媒に可溶なバインダーとを含むペースト（流動性材料）である。ただし、このような第１組成物及び第２組成物に限定されず、第１組成物及び第２組成物として、常温ではフィラメント状やペレット状などの固体であって、加熱することで流動状態になるコンパウンドなどを使用してもよい。

図１及び図３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及び図２で表されるように、一方の端部が基台１１０に固定され、他方の端部に第１組成物を吐出する第１組成物吐出部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３及び図４で表されるように、一方の端部が基台１１０に固定され、他方の端部に第２組成物を吐出する第２組成物吐出部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、第１組成物吐出部１２３０と第２組成物吐出部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（三次元造形物の積層体）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、電磁波照射部などによる熱エネルギーの照射がなされてもよい。このような構成である場合、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、更に脱脂や焼結などがされる三次元造形物５００の構成材料粉末との反応性も低く、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及び図３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及び図３中の層５０ｎまで）積層される。
ここで、層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎは、各々、第１組成物吐出部１２３０から吐出される第１組成物で形成される第１層３１０と、第２組成物吐出部１７３０から吐出される第２組成物で形成される第２層３００と、の少なくとも１つで構成される。
なお、本実施形態の形成装置２０００は、三次元造形物５００の構成材料粉末を含む第１組成物と支持層形成用材料（第２組成物）とを用いて、層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎと、複数の層を形成可能な三次元造形物の製造装置である。ただし、製造する三次元造形物５００の形状などによっては、支持層形成用材料を用いることなく複数の層を形成することも可能な構成になっている。

また、図２は、図１に示すヘッドベース１１００を示すＣ部拡大概念図である。図２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、第１組成物供給装置１２００に備える第１組成物吐出部１２３０が保持治具１４００ａに保持されることで構成される。第１組成物吐出部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から第１組成物を吐出させる吐出駆動部１２３０ｂと、を備えている。

図４は、図３に示すヘッドベース１６００を示すＣ’部拡大概念図である。図４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、第２組成物供給装置１７００に備える第２組成物吐出部１７３０が保持治具１９００ａに保持されることで構成される。第２組成物吐出部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から第２組成物を吐出させる吐出駆動部１７３０ｂと、を備えている。

図１及び図２で表されるように、第１組成物吐出部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第１組成物を収容した第１組成物供給ユニット１２１０と供給チューブ１２２０により接続されている。そして、所定の第１組成物が第１組成物供給ユニット１２１０から第１組成物吐出部１２３０に供給される。第１組成物供給ユニット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の構成材料粉末を含む第１組成物が第１組成物収容部１２１０ａに収容され、個々の第１組成物収容部１２１０ａは、供給チューブ１２２０によって、個々の第１組成物吐出部１２３０に接続されている。このように、個々の第１組成物収容部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第１組成物を供給することができる。

図３及び図４で表されるように、第２組成物吐出部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第２組成物を収容した第２組成物供給ユニット１７１０と供給チューブ１７２０により接続されている。そして、所定の第２組成物が第２組成物供給ユニット１７１０から第２組成物吐出部１７３０に供給される。第２組成物供給ユニット１７１０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の支持層形成用材料である第２組成物が第２組成物収容部１７１０ａに収容され、個々の第２組成物収容部１７１０ａは、供給チューブ１７２０によって、個々の第２組成物吐出部１７３０に接続されている。このように、個々の第２組成物収容部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第２組成物を供給することができる。
なお、本実施例の形成装置２０００で使用される第１組成物及び第２組成物の成分の具体例の詳細は後述する。

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５００の造形用データに基づいて、上述したステージ１２０、第１組成物供給装置１２００に備える第１組成物吐出部１２３０、並びに、第２組成物供給装置１７００に備える第２組成物吐出部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は、ステージ１２０及び第１組成物吐出部１２３０が連携して駆動及び動作するよう制御し、ステージ１２０及び第２組成物吐出部１７３０が連携して駆動及び動作するよう制御する制御部としての役割を兼ねている。

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に備える第１組成物吐出部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において第１組成物吐出部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から所定量の第１組成物が吐出される。
同様に、ヘッドユニット１９００に備える第２組成物吐出部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において第２組成物吐出部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から所定量の第２組成物が吐出される。

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５、並びに、図６〜図８は、ヘッドベース１１００に複数保持されるヘッドユニット１４００及び第１組成物吐出部１２３０の保持形態の一例を示し、このうち図６〜図８は、図２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。また、図６〜図８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６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から第１組成物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。ここで、第１組成物吐出部１２３０から吐出されて形成された構成層構成部５０の層は第１層３１０（図１参照）に対応し、第２組成物吐出部１７３０から吐出されて形成された構成層構成部５０の層は第２層３００（図３参照）に対応する。
なお、図示しないが、それぞれのヘッドユニット１４０１〜１４０４に備える第１組成物吐出部１２３０は、吐出駆動部１２３０ｂを介して第１組成物供給ユニット１２１０に供給チューブ１２２０で繋がれる構成となっている。

図５に示すように、第１組成物吐出部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上に向けて第１組成物（ペースト状の流動性材料）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の第１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６〜図８、並びに、図９及び図１０を用いて説明する。
図６〜図８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９及び図１０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９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１０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、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６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９及び図１０で表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図７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９及び図１０で表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図８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、第１層３１０を得ることができる。

また、第１組成物吐出部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第１組成物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、上述したように第１層３１０を形成する前或いは後に、第２組成物吐出部１７３０から第２組成物を吐出させて、同様の方法で、第２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、第１層３１０及び第２層３００を形成することができる。

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１１及び図１２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１１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１２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、本実施例の第１組成物及び第２組成物としての各々の三次元造形用ペーストについて詳細に説明する。
第１組成物の構成材料粉末としては、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、使用することができる。また、上記金属以外の金属や、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の酸化物セラミックスや、窒化アルミニウムなどの非酸化物セラミックスなどの、粉末も使用可能である。
第１組成物の第１の粉末としては、例えば、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などの樹脂の粉末を用いることが可能である。
また、第２組成物の第２の粉末としては、例えば、上記金属などの金属や、上記酸化物セラミックス及び上記非酸化物セラミックスなどの粉末を使用可能である。

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）；ブチルカルビトールアセテート等のイオン液体等を使用でき、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）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）或いはその他の熱可塑性樹脂を使用できる。

また、上記のように、第１組成物及び第２組成物としてコンパウンドを使用する場合は、第１組成物の構成材料粉末や第２組成物の第２の粉末として上記金属などの金属や上記酸化物セラミックス及び上記非酸化物セラミックスなどの粉末、第１組成物の第１の粉末として上記樹脂の粉末などを使用できる。そして、このような粉末とともに、バインダーとしてのポリスチレン、ポリプロピレン、アクリルなど、熱可塑剤としてのフタル酸エステルなど、ワックスなどを好ましく使用できる。

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についてフローチャートを用いて説明する。
ここで、図１３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。また、図１４は、上記形成装置２０００（本三次元造形物の製造方法）により形成された三次元造形物５００の一例を表す概略図である。

なお、本実施例の三次元造形物の製造方法においては、第１組成物として、平均粒径（ｄ５０）が１．５μｍのＣｕ粉末（構成材料粉末）を２２．５質量％含み、分解点が４００℃以上４５０℃以下であり平均粒径（ｄ５０）が２．５μｍの第１の粉末であるポリアミド１２（ＰＡ１２）を２２．５質量％含み、アクリル樹脂バインダー溶液（分解点が３００℃以上４００℃以下のアクリル樹脂をブチルカルビトールアセテートに対して２６質量％溶解させたもの）を５５質量％含むペーストを使用した。
そして、第２組成物として、平均粒径（ｄ５０）が５μｍの第２の粉末であるＡｌ_２Ｏ_３を４５質量％含み、アクリル樹脂バインダー溶液（分解点が３００℃以上４００℃以下のアクリル樹脂をブチルカルビトールアセテートに対して２６質量％溶解させたもの）を５５質量％含むペーストを使用した。

図１３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５００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５００の形状を表すデータを取得する。

次に、ステップＳ１２０で、制御ユニット４００の制御により、層毎のデータを作成（生成）する。詳細には、三次元造形物５００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。

次に、ステップＳ１３０の第１層形成工程で、制御ユニット４００の制御により、ステップＳ１２０で生成した断面データに基づき、第１組成物吐出部１２３０から第１組成物を吐出して、該断面データに基づく構成層構成部５０（第１層３１０）を形成する。

次に、ステップＳ１４０の第２層形成工程で、制御ユニット４００の制御により、ステップＳ１２０で生成した断面データに基づき、第２組成物吐出部１７３０から第２組成物を吐出して、該断面データに基づく構成層構成部５０（第２層３００）を形成する。この際、第２層３００は第１層３１０を支持するため、第２層３００は第１層３１０に対して上下左右の少なくともいずれか１つの位置において接触して形成される。
なお、ステップＳ１３０の第１層形成工程とステップＳ１４０の第２層形成工程との順番は、逆であってもよい。

そして、ステップＳ１５０により、制御ユニット４００の制御により、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５００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Ｓ１５０までが繰り返される。
なお、図１４は、ステップＳ１３０からステップＳ１５０までが８回（層５０１から層５０８までの８層分）繰り返されて形成された三次元造形物５００の一例が示されている。

そして、ステップＳ１６０の脱脂工程により、例えば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５００の積層体を加熱して、第１組成物中の第１の粉末、バインダー及び溶剤、並びに、第２組成物中のバインダー及び溶剤などの少なくとも一部を除去する。

そして、ステップＳ１７０の焼結工程により、例えば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５００の積層体を加熱して、第１組成物中の構成材料粉末の焼結を実行する。
そして、ステップＳ１７０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、本実施例の三次元造形物の製造方法は、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方法であって、三次元造形物５００を構成する構成材料粉末と第１の粉末とバインダーとを含む第１組成物を用いて層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎのうちの第１層３１０を形成する第１層形成工程（ステップＳ１３０）と、第２の粉末とバインダーとを含む第２組成物を用いて層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎのうちの第２層３００を第１層３１０と接触させて形成する第２層形成工程（ステップＳ１４０）と、第１層３１０と第２層３００とを含む積層体を加熱して第１の粉末、第１層３１０のバインダー及び第２層３００のバインダーの少なくとも一部を除去する脱脂工程（ステップＳ１６０）と、第１層３１０と第２層３００とを含む積層体を加熱して構成材料粉末を焼結させる焼結工程（ステップＳ１７０）と、を有している。
ここで、上記のように、第１の粉末（ＰＡ１２）の粒子径（平均粒径２．５μｍ）が第２の粉末（Ａｌ_２Ｏ_３）の粒子径（平均粒径５μｍ）よりも小さくなるように、第１の粉末及び第２の粉末は選択されている。このように第１の粉末の粒子径を第２の粉末の粒子径よりも小さくすることで、脱脂工程で第１の粉末が除去されることに伴って第１層３１０に第１の粉末の粒子径サイズの空孔ができても、該空孔に第２の粉末が入り込むことを抑制できる。したがって、三次元造形物に支持層由来の不純物が混入することを抑制することができる。
なお、「粒子径」とは、例えばｄ５０などの平均粒径を採用でき、第１の粉末の平均粒径を第２の粉末の平均粒径よりも小さくすることで、第１の粉末に由来する空孔に第２の粉末が入り込むことを低減できる。

なお、第１の粉末の最大粒子径が第２の粉末の最小粒子径よりも小さくなるように、第１の粉末及び第２の粉末が選択されていることが特に好ましい。第１の粉末の最大粒子径を第２の粉末の最小粒子径よりも小さくすることで、脱脂工程で第１の粉末が除去されることに伴って第１層３１０に第１の粉末の粒子径サイズの空孔ができても、該空孔に第２の粉末が入り込むことを特に効果的に抑制できるためである。

ここで、本実施例の三次元造形物の製造方法で製造した図１４で表される三次元造形物５００の積層体（第１層３１０と第２層３００とを含む積層体）は、第２層３００に第１層３１０が重畳される領域を有している。すなわち、第２層３００で第１層３１０を下側から支えるアンダーカット領域ＵＣを有している。このようなアンダーカット領域ＵＣでは、第１の粉末に由来する空孔に第２の粉末が入り込み易いが、第１の粉末の粒子径を第２の粉末の粒子径よりも小さくしていることで、該空孔に第２の粉末が入り込むことを抑制している。

また、本実施例の三次元造形物の製造方法は、第１組成物及び第２組成物は溶媒を含むペーストであり、第１層形成工程は第１組成物を噴射して第１層３１０を形成し、第２層形成工程は第２組成物を噴射して第２層３００を形成する。このため、ペーストを使用して、支持層由来の不純物が混入することが抑制された三次元造形物を製造することができる。

ただし、このような三次元造形物の製造方法に限定されない。
第１組成物及び第２組成物として、常温で固体であり、第１層形成工程において第１組成物を加熱して流体状にして射出することで第１層３１０を形成し、第２層形成工程において第２組成物を加熱して流体状にして射出することで第２層３００を形成する方法であってもよい。このような方法であれば、常温で固体の材料（コンパウンド）を使用して、支持層由来の不純物が混入することが抑制された三次元造形物を製造することができる。

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…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…第２層、３１０…第１層、
４００…制御ユニット（制御部）、４１０…ステージコントローラー、
５００…三次元造形物（三次元造形物の積層体）、
５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎ…層、７３０…ヘッドベース支持部、
１１００…ヘッドベース、１２００…第１組成物供給装置、
１２１０…第１組成物供給ユニット、１２１０ａ…第１組成物収容部、
１２２０…供給チューブ、１２３０…第１組成物吐出部、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…第２組成物供給装置、１７１０…第２組成物供給ユニット、
１７１０ａ…第２組成物収容部、１７２０…供給チューブ、
１７３０…第２組成物吐出部、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）、Ｍ…材料、ＵＣ…アンダーカット領域

Claims (5)

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方法であって、
   三次元造形物を構成する構成材料粉末と第１の粉末とバインダーとを含む第１組成物を用いて前記層のうちの第１層を形成する第１層形成工程と、
   第２の粉末とバインダーとを含む第２組成物を用いて前記層のうちの第２層を前記第１層と接触させて形成する第２層形成工程と、
   前記第１層と前記第２層とを含む積層体を加熱して前記第１の粉末、前記第１層のバインダー及び前記第２層のバインダーの少なくとも一部を除去する脱脂工程と、
   前記第１層と前記第２層とを含む積層体を加熱して前記構成材料粉末を焼結させる焼結工程と、を有し、
   前記第１の粉末の粒子径は、前記第２の粉末の粒子径よりも小さいことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
2. 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、
   前記第１の粉末の最大粒子径は、前記第２の粉末の最小粒子径よりも小さいことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
3. 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、
   前記第１層と前記第２層とを含む積層体は、前記第２層に前記第１層が重畳される領域を有することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
4. 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、
   前記第１組成物及び前記第２組成物は、溶媒を含むペーストであり、
   前記第１層形成工程は、前記第１組成物を噴射して前記第１層を形成し、
   前記第２層形成工程は、前記第２組成物を噴射して前記第２層を形成することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
5. 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、
   前記第１組成物及び前記第２組成物は、常温で固体であり、
   前記第１層形成工程は、前記第１組成物を加熱して流体状にして射出することで前記第１層を形成し、
   前記第２層形成工程は、前記第２組成物を加熱して流体状にして射出することで前記第２層を形成することを特徴とする三次元造形物の製造方法。

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