JP2020100885A - 成形装置及び成形体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1〜図5を参照して、第1実施形態について説明する。図1は、第1実施形態に係る成形装置1を示す図である。
成形装置1は、無機材料から成る3次元成形体(成形体)を製造することができる。ここで、「無機材料」とは、有機材料以外の任意の材料を指し、金属単体、合金、金属元素及び非金属元素から成る化合物(例えば、金属酸化物や金属窒化物、金属塩など)、非金属元素から成る化合物(例えば、窒化ホウ素など)などが含まれる。
金属の例としては、アルミニウム、チタン、鉄、銅、ステンレス鋼、ニッケルクロム鋼などが挙げられる。
酸化物の例としては、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、チタン酸バリウムなどが挙げられる。
窒化物の例としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化鉄などが挙げられる。
酸窒化物の例としては、酸窒化ケイ素、酸窒化アルミニウムなどが挙げられる。
炭化物の例としては、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化ホウ素、炭化ジルコニウムなどが挙げられる。
水酸化物の例としては、水酸マグネシウム、水酸化鉄、水酸アパタイトなどが挙げられる。
炭酸化物の例としては、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウムなどが挙げられる。
燐酸化物の例としては、燐酸鉄、燐酸マンガン、燐酸カルシウムなどが挙げられる。
次に、図2を参照して、第1実施形態の成形装置1のシステム構成について説明する。
図2は、第1実施形態の成形装置1のシステム構成の一例を示すブロック図である。
次に、図3〜図5を参照して、第1実施形態の成形装置1による成形体の製造方法の一例について説明する。
図3及び図4は、第1実施形態の成形装置1による成形体の製造方法の一例を示す図である。
図3(a)では、第1組成物P1が第1吐出器30からステージ11に向けて吐出される。ここでは、ステージ11上に、既に熱固結が完了した熱固結体Cと、硬化したバインダーBに包まれた無機粒子Da〜Ddとが形成されている。なお、図3においては、第1組成物P1の吐出が図の左側(−x方向)から右側(+x方向)へ順番に行われている。すなわち、プロセスが進行するにつれて、第1吐出器30や第1LED40、脱脂用レーザー50、熱固結用レーザー52は、ステージ11に対して+x方向へ移動する。
以上説明した第1実施形態に係る成形装置1によれば、第1組成物P1の供給と第1組成物P1の熱固結とを含む成形サイクルが繰り返し行われる。すなわち、第1組成物P1の熱固結が局所的に行われ、熱固結操作が行われた後でも次の第1組成物P1がさらに供給される。例えば、供給ユニット12からの第1組成物P1の供給を追いかけるように、第1組成物P1の固定化(バインダーPbの硬化)、バインダーPbの脱脂、及び無機粒子Paの熱固結が逐次的に行われるので、これらの工程が細分化され得る。
次に、図6〜図9を参照して、第2実施形態について説明する。第2実施形態では、支持材料が除去剤により除去される点で、第1実施形態とは異なる。なお、以下に説明する以外の構成は、第1実施形態と同様である。
図6は、第2実施形態に係る成形装置101を示す図である。図7は、第2実施形態の成形装置101のシステム構成の一例を示すブロック図である。
図6に示すように、第2実施形態に係る成形装置101は、チャンバー110、ステージ111、供給ユニット112、固定化ユニット114、加熱ユニット116、情報取得ユニット118、除去ユニット120、及び制御ユニット122(図6参照)を備える。
次に、図8及び図9を参照して、第2実施形態の成形装置101による成形体の製造方法の一例について説明する。
図8は、第2実施形態の成形装置101による成形体の製造方法の一例を示す図であり、成形装置101による成形体の製造方法の一連のプロセス(a)〜(k)を示す。
第2実施形態による成形体の製造方法の流れは、支持材料として除去剤により化学的に除去可能な無機材料を用いる点を除き、基本的に第1実施形態と同様である。
第2実施形態に係る成形装置101によれば、支持構造体S’の近傍でも脱脂及び熱固結を行うことができるので、第1実施形態に係る成形装置1について説明した利点を第1実施形態よりも享受することができる。すなわち、第1実施形態では、支持構造体Sの近傍の第1組成物P1の脱脂及び熱固結は後から一括して行われ得るので、支持構造体Sの近傍では脱脂工程及び熱固結工程が十分には細分化されない場合もあるが、第2実施形態では、第1組成物P1’のすべての脱脂工程及び熱固結工程が細分化可能である。これにより、第1実施形態と比較して、バインダーの脱脂により発生した空隙に起因する成形体の収縮をさらに抑制するとともに、熱固結体の亀裂や破損の発生をさらに抑制することが可能である。
次に、図10〜図13を参照して、第3実施形態について説明する。第3実施形態では、支持材料が高い耐熱性を有する有機材料である点で、第1実施形態とは異なる。なお、以下に説明する以外の構成は、第1実施形態と同様である。
図10は、第3実施形態に係る成形装置201を示す図である。図11は、第3実施形態の成形装置201のシステム構成の一例を示すブロック図である。
次に、図12及び図13を参照して、第3実施形態の成形装置201の成形体の製造方法の一例について説明する。
図12は、第3実施形態の成形装置201による成形体の製造方法の一例を示す図であり、成形装置201による成形体の製造方法の一連のプロセス(a)〜(j)を示す。
図5に示した成形装置1による成形体の製造方法と比較すると、チャンバー210の内部の雰囲気を変更することにより支持構造体S”の除去を行う点と、第2組成物P2”の固定化にLEDではなく融解用レーザー242を使用する点と、が相違する。
第3実施形態に係る成形装置201によれば、第2実施形態と同様に、支持構造体S”の近傍でも脱脂及び熱固結を行うことができるので、第1実施形態と比較して、バインダーの脱脂により発生した空隙に起因する成形体の収縮をさらに抑制するとともに、熱固結体の亀裂や破損の発生をさらに抑制することが可能である。また、第3実施形態では、第2実施形態と異なり、第2組成物P2”の脱脂及び熱固結を行う必要がないので、第2実施形態と比較して、成形装置201の構成及び成形作業を簡素化することが可能である。これにより、自由度の向上した3次元造形をより低コストかつ高速で実行することができる。
上記例では、組成物の吐出、固定化、脱脂、及び熱固結が完了した後に、ステージがx方向又はy方向に移動して、次の組成物の吐出が行われるが、成形プロセスはこれに限定されない。例えば、組成物の固定化後、脱脂ステップの前にステージの移動が行われて、脱脂や熱固結と並行して次の組成物の吐出や固定化が行われてもよい。また、組成物の固定化と並行して次の組成物の吐出が行われてもよい。例えば、吐出器からの組成物の吐出が間欠的でなく連続的に行われる場合には、組成物は絶えず供給され続けるので、組成物の供給と並行して、供給された組成物の固定化、脱脂、及び熱固結、並びにステージやレーザーなどの各構成要素の移動が行われ得る。
10、110、210 チャンバー
10a、110a、210a 真空ポンプ
11、111、211 ステージ
11a、111a、211a ステージ移動機構
12、112、212 供給ユニット
14、114、214 固定化ユニット
16、116、216 加熱ユニット
18、118、218 情報取得ユニット
20、120、220 除去ユニット
22、122、222 制御ユニット
30、130、230 第1吐出器(第1供給部)
32、132、232 第2吐出器(第2供給部)
34、134、234 第1吐出器移動機構
36、136、236 第2吐出器移動機構
40、140 第1LED
42、142 第2LED(光源)
44、144 第1LED移動機構
46、146 第2LED移動機構
50、250 脱脂用レーザー(脱脂用熱源)
52、252 熱固結用レーザー(熱固結用熱源)
54、254 脱脂用レーザー移動機構
56、256 熱固結用レーザー移動機構
70、170、270 撮影装置
72、172、272 撮影装置移動機構
80、280 加熱装置
82、282 除去用レーザー
84、284 除去用レーザー移動機構
90、190、290 入力部
150 第1脱脂用レーザー
152 第1熱固結用レーザー
154 第2脱脂用レーザー
156 第2熱固結用レーザー
158 第1脱脂用レーザー移動機構
160 第1熱固結用レーザー移動機構
162 第2脱脂用レーザー移動機構
164 第2熱固結用レーザー移動機構
180 除去剤供給器180
182 除去剤供給器移動機構182
210b ガスボンベ
210c 流量制御部
240 LED
242 融解用レーザー
244 LED移動機構
246 融解用レーザー移動機構
Claims (19)
- 無機材料を含む第1組成物をステージに向けて間欠的又は連続的に供給する第1供給部及び前記第1組成物の支持を行うための支持材料を含む第2組成物をステージに向けて間欠的又は連続的に供給する第2供給部を有する供給ユニットと、
前記第2組成物を前記ステージ上で固定化する固定化ユニットと、
前記第1組成物に前記ステージ上で熱を加える加熱ユニットと、
前記第1組成物の供給と加熱とを含む成形サイクルを繰り返すように、前記第1供給部及び前記加熱ユニットを制御する制御ユニットと、
を備える成形装置。 - 前記制御ユニットは、前記成形サイクルを少なくとも前記ステージに沿って繰り返すように前記第1供給部及び前記加熱ユニットを制御する、請求項1に記載の成形装置。
- 前記加熱ユニットは、前記第1供給部から供給された前記第1組成物に対して前記ステージ上で少なくとも熱固結を行うように構成された熱固結用熱源を含む、請求項1又は2に記載の成形装置。
- 前記第1組成物は、前記無機材料が分散した有機バインダーを含み、
前記加熱ユニットは、前記第1組成物に熱を加えることにより前記有機バインダーの脱脂を行う脱脂用熱源をさらに含み、
前記制御ユニットは、前記熱固結用熱源による熱固結の前に前記脱脂を行うように前記脱脂用熱源を制御する、請求項3に記載の成形装置。 - 前記固定化ユニットは、前記第1組成物を前記ステージ上で固定化する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の成形装置。
- 前記ステージ上で固定化された前記第2組成物の除去を行う除去ユニットをさらに備える、請求項1〜5のいずれか一項に記載の成形装置。
- 前記支持材料は、加熱された場合に前記無機材料よりも低い温度で分解し、
前記除去ユニットは、前記支持材料を加熱することにより前記支持材料の分解を行う加熱部を有する、請求項6に記載の成形装置。 - 前記除去ユニットは、前記支持材料を溶解又は分解させるが前記無機材料を実質的に溶解及び分解させない除去剤を供給する除去剤供給部を有する、請求項6に記載の成形装置。
- 前記無機材料は、前記加熱ユニットにより第1温度以上の温度まで加熱された場合に熱固結し、
前記支持材料は、無酸素雰囲気下では、前記第1温度において分解しない、請求項1〜7のいずれか一項に記載の成形装置。 - 前記第2組成物は、光硬化性組成物であり、
前記固定化ユニットは、前記第2組成物の光硬化を行う光源を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の成形装置。 - 無機材料を含む第1組成物から成形体を製造する方法であって、
前記第1組成物を第1供給部からステージに向けて間欠的又は連続的に供給する第1供給ステップと、
前記第1組成物の支持を行うための支持材料を含む第2組成物を第2供給部からステージに向けて間欠的又は連続的に供給する第2供給ステップと、
前記第2組成物を前記ステージ上で固定化する固定化ステップと、
前記第1組成物に前記ステージ上で熱を加える加熱ステップと、
を含み、
前記第1供給ステップと前記加熱ステップとを含む成形サイクルが繰り返される、成形体の製造方法。 - 前記成形サイクルが少なくとも前記ステージに沿って繰り返し実行される、請求項11に記載の成形体の製造方法。
- 前記加熱ステップは、前記第1供給部から供給された前記第1組成物に対して前記ステージ上で熱固結を行う工程を含む、請求項11又は12に記載の成形体の製造方法。
- 熱固結を行う前記工程の前に、供給された前記第1組成物を硬化させる硬化ステップをさらに含む、請求項13に記載の成形体の製造方法。
- 前記硬化ステップの後で前記加熱ステップの前に、硬化した前記第1組成物の脱脂を行う脱脂ステップをさらに含む、請求項14に記載の成形体の製造方法。
- 前記ステージ上で固定化された前記第2組成物の除去を行う除去ステップをさらに含む、請求項11〜15のいずれか一項に記載の成形体の製造方法。
- 前記支持材料は、加熱された場合に前記無機材料よりも低い温度で分解し、
前記除去ステップは、前記支持材料を加熱することにより前記支持材料の分解を行う工程を含む、請求項16に記載の成形体の製造方法。 - 前記除去ステップは、前記支持材料を溶解又は分解させるが前記無機材料を実質的に溶解及び分解させない除去剤を供給することにより、前記支持材料の溶解又は分解を行う工程を含む、請求項16に記載の成形体の製造方法。
- 前記加熱ステップは、前記支持材料が実質的に分解しないように無酸素雰囲気下で実行され、
前記除去ステップは、前記支持材料を酸素に曝し、前記支持材料を分解させる工程を含む、請求項16に記載の成形体の製造方法。
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