JP2020104290A - 造形装置および造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結合液により粉末を結合する三次元造形法において、造形精度をより向上するための技術を提供する。【解決手段】粉末層を形成する工程と前記粉末層の少なくとも一部の領域内の粉末を固定する工程とを繰り返し行うことにより、積層体を作製する造形装置が、粉末を結合させるための結合剤を含む第１液体を付与するための第１液体付与手段と、前記第１液体の流動を抑制するための第２液体を付与するための第２液体付与手段と、形成された粉末層のうちの第１領域内の粉末を固定すべき場合に、前記第１領域に対して前記第１液体が付与され、且つ、前記第１領域に隣接する第２領域に対して前記第２液体が付与されるように、前記第１液体付与手段および前記第２液体付与手段を制御する制御手段と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、粒子状の材料を用いて立体物を造形する技術に関する。

粉末を結合液で固めながら、三次元物体を造形する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、次のような操作を繰り返すことによって三次元物体を造形する。まず、粉末（三次元造形用組成物）を均一な厚さで薄く敷き詰めて粉末層を形成し、この粉末層の所望部分にインクジェット法により結合液を付与することによって粉末同士を結合させる。この結果、粉末層の中で、結合液が付与された部分だけが結合して、薄い板状の部材（以下、「断面部材」という）が形成される。その後、その粉末層の上にさらに粉末層を薄く形成し、所望部分に結合液を付与する。その結果、新たに形成された粉末層の結合液が付与された部分にも、新たな断面部材が形成される。このとき、粉末層上に付与した結合液が染み込んで、先に形成された断面部材に到達するので、新たに形成された断面部材は先に形成された断面部材にも結合される。このような操作を繰り返して、薄い板状の断面部材を一層ずつ積層することによって、三次元物体を造形する。

特開２０１５−２０５４８５号公報

しかしながら、本発明者らの検討によると、従来の方法では、結合液が所望部分の外に滲み出し（流れ出し）、断面部材が所望のサイズよりも広がってしまい、三次元物体を精度よく造形できないことがあることが分かった。

本発明の目的は、結合液により粉末を結合する三次元造形法において、造形精度をより向上するための技術を提供することにある。

本発明の第一態様は、粉末層を形成する工程と前記粉末層の少なくとも一部の領域内の粉末を固定する工程とを繰り返し行うことにより、積層体を作製する造形装置において、粉末を結合させるための結合剤を含む第１液体を付与するための第１液体付与手段と、前記第１液体の流動を抑制するための第２液体を付与するための第２液体付与手段と、形成された粉末層のうちの第１領域内の粉末を固定すべき場合に、前記第１領域に対して前記第１液体が付与され、且つ、前記第１領域に隣接する第２領域に対して前記第２液体が付与されるように、前記第１液体付与手段および前記第２液体付与手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする造形装置を提供する。

本発明の第二態様は、粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層のうちの第１領域内の粉末を固定する粉末固定工程と、を含む造形方法において、前記粉末固定工程は、前記第１領域に対して、粉末を結合させるための結合剤を含む第１液体を付与する工程と、前記第１領域に隣接する第２領域に対して、前記第１液体の流動を抑制するための第２液体を付与する工程と、を含むことを特徴とする造形方法を提供する。

本発明によれば、結合液により粉末を結合する三次元造形法において、造形精度をより
向上することができる。

本発明の実施形態の造形装置の全体構成を示す図。 粉末層形成工程および粉末固定工程を示す図。 粉末層に対する結合液と抑制液の付与を説明する図。 抑制液による滲出抑制効果を説明する図。 実施例で結合液と抑制液を付与した領域を示す図。

本発明は、粒子状の造形材料を用いて立体的な造形物を作製する技術に関する。本発明は、アディティブマニファクチャリング（ＡＭ）システム、３次元プリンタ、ラピッドプロトタイピングシステム等と呼ばれる造形装置における造形プロセスに好ましく利用可能である。

本発明者らは、粉末層を形成する粉末層形成工程と粉末層の少なくとも一部の領域内の粉末を固定する粉末固定工程を繰り返し行うことにより、積層体を作製する三次元造形装置の開発を行っている。その中で、粉末を固定する方法として、結合液を粉末層の所望領域に付与する方法を採った場合に、結合液が所望領域の外に滲み出して造形精度を低下させることがあるという課題が見出された。

結合液に限らず、液体を粉末層に付与した場合、粉末間の毛管を伝って液体が浸透する。液体の広がりは、液体と粉末との間の界面自由エネルギー（表面張力）、液体の密度、毛管サイズなどによって決まる。よって原理的には、結合液の粉末層への広がりを事前に把握しておくことで、所望領域内の粉末にのみ結合液を浸み渡らせるように制御することができるはずである。しかし本発明者らが実験したところ、結合液の広がりを安定して制御することが難しいことが明らかになった。これは、粉末の粒径が一定ではなくバラツキをもっていること、粉末層の状態によって毛管サイズが変わること、などが原因と考えられる。

そこで本発明者らは、結合液の浸透の制御法について検討を進め、その結果、結合液とは別に結合液の流動を抑制するための液体（以下「抑制液」と呼ぶ）を粉末層に付与する、という解決手段を想起するに至った。例えば、粉末層のうちの第１領域内の粉末を固定すべき場合に、第１領域に対し結合液を付与する一方で、第１領域に隣接する第２領域に対して抑制液を付与することで、第１領域から第２領域への結合液の滲出を抑制するのである。このとき、第１領域を取り囲むように第２領域を配置することで、第１領域からの結合液の滲出を全体的に抑制してもよい。または、第１領域の境界の一部にのみ隣接するように第２領域を配置し、結合液の滲出を局所的に抑制してもよい（例えば寸法精度を特に要求される部分のみ結合液の滲出を防ぐなど）。このように結合液の滲出を抑制したい箇所に抑制液を付与することによって、結合液の浸透（広がり）を適切に制御でき、造形精度の向上を図ることができる。結合液と抑制液は、実質的に同時、または、抑制液の方が先に、粉末層に付与されるとよい。結合液の滲出を適時に抑制するためである。

抑制液としては、粉末間の毛管に浸透可能な液体であって、且つ、粉末同士ないし粉末層同士を結合させる効果を有しない液体を用いることができる。抑制液として、粉末層に対する浸透性が結合液よりも高い液体を用いると、結合液の滲出抑制効果を高めることができ、好ましい。液体の表面張力や密度などを適宜設定することにより、結合液および抑制液それぞれの浸透性を調整することができる。

これらの検討の結果、本発明者らは、結合液（第１液体）を付与するための第１液体付
与手段と、抑制液（第２液体）を付与するための第２液体付与手段とを設け、制御手段によって２つの液体付与手段を制御する、という構成に至った。液体付与手段としては、微小な液滴を高精度に吐出可能であるという点でインクジェットヘッドを好ましく用いることができる。ただし、インクジェットヘッドに限定されず、他の方式の液体付与手段を用いてもよい。

本明細書では、造形装置を用いて作製しようとする立体モデル（つまり造形装置に与えられる３次元形状データが表す立体物）を「造形対象物」と呼ぶ。また、造形材料として用いられる複数の粒子の集合体を「粉末」と称し、粉末を所定の厚さに均したものを「粉末層」と称す。また、粉末層形成工程と粉末固定工程とを交互に繰り返すことでステージ上に形成された、多数の粉末層から成る立体物を「積層体」という。粉末層のうち結合液によって固定すべき領域（第１領域）を「造形領域」といい、粉末層のうち造形領域以外の部分を「非造形領域」という。また、粉末層のうち抑制液が付与される領域（第２領域）を「抑制領域」という。造形領域は、造形対象物の断面に対応する領域、つまり、粉末層のうち粉末を固めて造形物として取り出すべき部分をさす。積層体から非造形領域が除去されることで、造形対象物に対応する「造形物」が得られる。このとき、積層体のうち、造形領域を乾燥又は加熱等の手段で固化する固化工程が行われてもよい。固化工程の後に得られた造形物に対して、さらに熱処理を行い、焼結することで強度を増加させてもよい。ここで、粉末層形成工程と固定工程とが１回ずつ行われることで得られた、１層分の造形領域も「造形物」に含むものとする。

造形材料である粉末を構成する粒子としては、樹脂粒子、金属粒子、セラミックス粒子等を好適に用いることができるが、金属合金や炭素鋼等、金属に炭素等の非金属元素を添加したものであってもよい。また、複数種類の金属の複合粒子、複数種類のセラミックスの複合粒子等であってもよい。また、粉末の流動性は湿度によって変動するため、造形前の粉末は乾燥した環境で保管されることが望ましく、造形中に関しても極力、乾燥状態を保つことが望ましい。

以下、本発明の好ましい実施形態および実施例を示して、本発明を詳細に説明する。各図面において、同一部材あるいは対応する部材を示す箇所には、同一の符号を付与している。特に図示あるいは記述をしない構成や工程には、当該技術分野の周知技術又は公知技術を適用することが可能である。また、重複する説明は省略する場合がある。

＜造形装置の構成＞
図１は、本実施形態の造形装置１００の全体構成を示す図である。本実施形態の造形装置１００は、概略、造形部と制御部を有する。

（造形部）
造形部は、積層造形を行う機能を提供するユニットである。造形部では、粉末供給槽１から造形槽５に造形材料である粉末４ａを供給し、造形槽５にて、粉末層４ｂを形成した後、スライスデータに基づいて、粉末層４ｂ内の造形領域を固定する処理を繰り返し行う。

造形部は、粉末供給槽１、粉末供給ステージ２、粉末供給槽底板３、造形槽５、造形ステージ６、造形槽底板７を有する。また造形部は、ガイド８、リコータユニット９、液体付与ユニット１０、スクイージ１２、結合液吐出ヘッド２０、抑制液吐出ヘッド２１を有する。

粉末供給槽１は、粉末４ａを貯蔵するためのものであり、粉末供給槽１の内部では、粉末４ａが粉末供給槽底板３にて保持される。粉末供給槽底板３は、粉末供給ステージ２に
より上下方向（図１のＺ方向）に駆動される。粉末供給槽底板３は、粉末層４ｂを形成するのに必要な量の粉末４ａを造形槽５に供給するために、粉末供給ステージ２により上方に駆動される。

リコータユニット９は、粉末供給槽１に貯蔵されている粉末４ａを造形槽５に供給するとともに、造形槽５に供給した粉末４ａを均すためのものである。リコータユニット９は、粉末４ａを均しながら均一な粉末層４ｂを形成するためのスクイージ１２を有する。

本実施形態では、スクイージ１２を有するリコータユニット９を示したが、これ以外の構成でも構わない。例えば、リコータユニット９が粉末層を圧接しつつ均す回転ローラを有していてもよいし、スクイージ１２と回転ローラの両方を有していてもよい。

造形槽５は、積層造形を行うためのものである。造形槽５内部では、粉末供給槽１から供給された粉末４ａが造形槽底板７にて保持される。造形槽底板７は、造形ステージ６により上下方向（図１のＺ方向）に駆動され、１層分の造形が終了するたびに１層の厚み分だけ下降していく。

液体付与ユニット１０は、２種類の吐出ヘッド２０、２１を有する。結合液吐出ヘッド２０は、粉末層４ｂの造形領域に結合液を吐出するための第１の液体付与手段であり、抑制液吐出ヘッド２１は、粉末層４ｂの抑制領域に抑制液を吐出するための第２の液体付与手段である。各々の吐出ヘッド２０、２１には、１つまたは複数のノズルが設けられている。

リコータユニット９と液体付与ユニット１０は、ガイド８にて支持され、不図示のアクチュエータによって水平方向（図１のＸ方向）に駆動される。図１では、１つのガイド８に２つのユニット９、１０を設けたが、各ユニット９、１０を別のガイドに支持させてもよい（その場合は、ユニット９、１０ごとに独立したアクチュエータを設けてもよい）。

造形槽５は、粉末供給槽１から切り離して移動可能に構成されている。造形槽５内での造形物の形成が完了した後に、造形槽５を粉末供給槽１から切り離して加熱炉へ移動させることで、造形物を造形槽ごと加熱することができる。あるいは、ヒーターを有する加熱ユニットを造形装置１００に設け、１層分の粉末層形成工程および粉末固定工程が終わった後、加熱ユニットによる加熱処理（加熱工程）を行ってもよい。

（制御部）
制御部は、システムコントローラ１５、粉末供給ステージ制御系１６、造形ステージ制御系１７、リコータ制御系１８および液体付与制御系１９を有する。制御部は、ＣＰＵ（プロセッサ）およびメモリを有するコンピュータにより構成してもよい。この場合、メモリにロードされたプログラムをＣＰＵが実行することによって、符号１５〜１９の機能が実現される。あるいは、制御部の機能のうちの全部または一部を、ＦＰＧＡやＡＳＩＣなどの回路で実現してもよい。

造形装置全体の動作はシステムコントローラ１５によって制御され、粉末４ａに関する情報やスライスデータ等の造形に必要な情報は、情報取得部１４より入力される。システムコントローラ１５は、装置駆動シーケンスに従って粉末供給ステージ制御系１６、造形ステージ制御系１７、リコータ制御系１８および液体付与制御系１９にそれぞれ指令を出して造形物の作製を行う。

＜造形装置の動作＞
図２は、１層分の粉末層形成工程および粉末固定工程を模式的に示している。図２にお
いて、上下方向が積層方向であり、左右方向が水平方向（右方向がＸ方向）である。

なお、造形を開始する前に、造形装置１００又は外部装置（例えばパーソナルコンピュータなど）によって、造形対象物の３次元形状データから、各層を形成するためのスライスデータが生成されているものとする。３次元形状データとしては、３次元ＣＡＤ、３次元モデラー、３次元スキャナなどで作成されたデータを用いることができ、例えば、ＳＴＬファイルなどを好ましく利用できる。スライスデータは、造形対象物の３次元形状を所定の間隔（厚み）でスライスして得られるデータであり、断面の形状、層の厚み、材料の配置などの情報を含むデータである。

（ステップ１）
粉末供給槽１には、造形に必要な量の粉末４ａが貯蔵されている。造形途中で粉末４ａが不足しそうな場合には、不図示の粉末貯蔵タンクから粉末供給槽１に、粉末搬送用ダクトなどを介して粉末４ａを適宜供給させる。リコータユニット９は、図２において、ガイド８の左端のホーム位置、液体付与ユニット１０はガイド８の右端のホーム位置にそれぞれ位置決めされる。リコータユニット９は、不図示の駆動機構により、上下方向に移動可能である。スクイージ１２が動作しない時は、リコータユニット９は、動作時の位置に対して上側の位置で待機状態にある。

（ステップ２）
１層の厚さ（層厚）は、特に限定されないが、１０μｍ以上１００μｍ以下であるのが好ましい。この範囲の層厚に設定することにより、造形装置１００の生産性を十分に優れたものとすることができる。例えば、層厚を１００μｍに設定した場合、造形ステージ制御系１７は造形ステージ６を１００μｍ下降させ、粉末供給ステージ制御系１６は粉末供給ステージ２を１００μｍ上昇させる。造形槽５の上面に均一で平坦な粉末層４ｂを形成するためには、粉末供給槽１から粉末４ａを多めに供給することが有効であり、実際には粉末供給ステージ２は１００μｍより若干大きく上昇させることが望ましい。

（ステップ３）
リコータ制御系１８は、リコータユニット９を下降させた後、Ｘ方向に移動させる。これにより、粉末４ａが粉末供給槽１から造形槽５に搬送され、造形槽５の上面に、厚さが均一で平坦な１００μｍの粉末層４ｂが形成される。

（ステップ４）
リコータユニット９が造形槽５を通過し終えると、リコータ制御系１８は、リコータユニット９の移動を停止し、上昇させる。以上述べたステップ２〜ステップ４が、粉末層形成工程である。

なお、図２に示した粉末層形成工程は一例であり、粉末層の形成方法はこれに限られない。例えば、スキージ法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スピンコート法等の方法を用いることができる。造形装置１００が組成の異なる複数種類の粉末を備えており（つまり、異なる種類の粉末を収容可能な複数の粉末供給槽を有し）、造形に使用する粉末を切り替え可能であってもよい。例えば、層ごとに使用する粉末を選択してもよいし、１層の中に複数種類の粉末を混在させてもよい。

（ステップ５）
次に、液体付与制御系１９が、液体付与ユニット１０を所定の速度で移動させながら、スライスデータに基づいて結合液吐出ヘッド２０と抑制液吐出ヘッド２１の吐出を制御する。図３に示すように、結合液吐出ヘッド２０からは、粉末層４ｂのうち粉末を固定すべき領域（造形領域）４０にのみ選択的に結合液４１を付与する。また、抑制液吐出ヘッド
２１からは、造形領域４０に隣接する領域（抑制領域）４２に対し抑制液４３を付与する。これにより、抑制液４３が抑制領域４２内の粉末間に浸透し、造形領域４０の縁部から結合液４１が滲出するのを抑制する。よって、結合液４１の広がりを抑制し、造形精度を向上することができる。本実施形態では、インクジェット法を利用したので、造形領域４０が複雑もしくは微細な形状のものであっても、必要な領域にのみ結合液４１および抑制液４３を付与することができる。

抑制液４３の付与は、結合液４１の付与と同時か先行して行うとよい。本実施形態では、結合液吐出ヘッド２０と抑制液吐出ヘッド２１が一つのユニット１０に設けられ、抑制液４３の付与と結合液４１の付与が同時に行われる。これにより、造形処理の効率化（造形時間の短縮）を図ることができるとともに、抑制液４３の付与位置と結合液４１の付与位置の高精度な位置合わせが容易に実現できる。ただし、この構成に限られず、結合液吐出ヘッド２０と抑制液吐出ヘッド２１を独立させてもよい。また、１ライン分または１面分の抑制領域に抑制液を付与する工程を行った後、造形領域に結合液を付与する工程を行ってもよい。

（ステップ６）
リコータユニット９は、次の粉末層４ｂの形成のためにホーム位置まで移動した後、停止する。液体付与ユニット１０は、造形槽５にある粉末層４ｂを通過したら、停止する。必要に応じて、液体付与ユニット１０は走査を繰り返す。ステップ５〜ステップ６が粉末固定工程である。なお、ステップ６の後に、結合液中の結合剤が焼結する条件にて粉末層４ｂを加熱することで、造形領域内の粉末を結合させる工程を行ってもよい。

以上述べたステップ１〜ステップ６を繰り返すことで、多数の粉末層からなる積層体が形成される。その後、非造形領域の粉末を除去し、造形物を得る。不要な粉末を除去する方法としては、公知の方法含め、いかなる方法を用いてもよい。例えば、洗浄、エア吹付、吸引、加振などが挙げられる。本実施形態の造形方法では除去対象となる粉末は固定されていないか、固定されていたとしても造形領域と比較して固定力が弱いため、除去が極めて容易である。除去した粉末は回収して造形材料として再利用することもできる。なお、不要な粉末を除去した後に、造形物を加熱する工程を設けてもよい。これにより、造形物の密度を高めることができる。

＜結合液＞
結合液は少なくとも結合剤を含有する。結合液は、結合剤の他に、水溶性有機溶剤、水、表面張力を決定する界面活性剤などを含んでもよい。以下、結合液に用いることができる成分について説明する。

（結合剤）
結合剤としては、金属ナノ粒子が挙げられる。例えば鉄やニッケルや銀などのナノ粒子等が挙げられる。金属ナノ粒子は粒子サイズが小さくなると融点が下がるなどの特性を示すことから、バルク金属の融点温度未満の低温での処理も期待でき、低温で結合剤として作用する。また、結合剤として、樹脂を用いてもよい。例えば、熱可塑性樹脂；熱硬化性樹脂；可視光領域の光により硬化する可視光硬化性樹脂（狭義の光硬化性樹脂）、紫外線硬化性樹脂、赤外線硬化性樹脂等の各種光硬化性樹脂；Ｘ線硬化性樹脂等が挙げられる。これらの中から選択される２種以上の材料を組み合わせた結合剤を用いることもできる。

得られる三次元造形物の機械的強度や三次元造形物の生産性等の観点からは、結合剤は、金属ナノ粒子が好ましい。樹脂と金属の複合造形物の形状は樹脂成分によって維持されるが、樹脂成分が多いと脱脂時の変形や破損、形成した造形物中の空隙の原因となる。一方で、樹脂成分が少ないと樹脂と金属の複合造形物の強度が弱くなるため、非造形領域の
粒子を取り除く際に造形物が破損することがある。結合液中の結合剤の量は、結合液の全質量を基準として、１質量％以上であることが好ましい。

（水性媒体）
結合液は、水および水溶性有機溶剤を含有してもよい。水は脱イオン水（イオン交換水）を用いることが好ましい。水溶性有機溶剤としては、従来、一般的に用いられているものを何れも用いることができる。例えば、アルコール類、グリコール類、アルキレングリコール類、ポリエチレングリコール類、含窒素化合物類、含硫黄化合物類などが挙げられる。これらの水溶性有機溶剤は、必要に応じて１種又は２種以上を用いることができる。

結合液中の水の含有量は、結合液の全質量を基準として、１０質量％以上９５質量％以下であることが好ましい。水溶性有機溶剤の含有量は、結合液の全質量を基準として、５質量％以上であることが好ましい。

（界面活性剤）
結合液は、表面張力を調整するために必要な界面活性剤を含有してもよい。界面活性剤の種類はイオン性（カチオン性・アニオン性・双性）のもの、非イオン性（ノニオン性）どちらでもよく、また低分子系と高分子系どちらでもよい。ただし、結合剤と反応し凝集すると結合剤に期待している機能が果たされない可能性があるので、結合剤の凝集を起こさないものが好ましい。界面活性剤としては従来公知のものを何れも用いることができるが、中でもノニオン性界面活性剤を含有することが好ましい。また好ましくはノニオン性界面活性剤の中でもポリオキシエチレンアルキルエーテル、アセチレングリコール等のエチレンオキサイド付加物がよい。例えば、アセチレノール（川研ファインケミカル製）、サーフィノール（エボニックインダストリーズ製）Ｄｙｎｏｌ ６０４、６０７、８００、８１０（以上、エボニックインダストリーズ製）などが挙げられる。またフッ素系界面活性剤でもよく、フッ素系界面活性剤は他の界面活性剤と比較して、表面張力を小さくする作用が大きいため少量で表面張力を調整するには効果が大きい。界面活性剤の含有量は、結合液の全質量を基準として、０．０１質量％以上３．０質量％以下であることが好ましい。

（その他の成分）
結合液は、必要に応じて、トリメチロールプロパン、トリメチロールエタンなどの多価アルコール類や、尿素、エチレン尿素などの尿素誘導体など、常温で固体の水溶性有機化合物を含有してもよい。更に、結合液は、必要に応じて、上記以外の界面活性剤、ｐＨ調整剤、防錆剤、防腐剤、防黴剤、酸化防止剤、還元防止剤、蒸発促進剤、およびキレート化剤などの種々の添加剤を含有してもよい。

＜抑制液＞
抑制液は、水溶性有機溶剤、水、界面活性剤、その他の成分を含んでもよい。以下、抑制液に用いることができる成分について説明する。

（水性媒体）
抑制液は、水および水溶性有機溶剤を含有してもよい。水は脱イオン水（イオン交換水）を用いることが好ましい。水溶性有機溶剤としては、従来、一般的に用いられているものを何れも用いることができる。例えば、アルコール類、グリコール類、アルキレングリコール類、ポリエチレングリコール類、含窒素化合物類、含硫黄化合物類などが挙げられる。これらの水溶性有機溶剤は、必要に応じて１種又は２種以上を用いることができる。

抑制液中の水の含有量は、抑制液の全質量を基準として、１０質量％以上９５質量％以下であることが好ましい。水溶性有機溶剤の含有量は、抑制液の全質量を基準として、５
質量％以上であることが好ましい。

（界面活性剤）
抑制液は、表面張力を調整するために必要な界面活性剤を含有してもよい。界面活性剤の種類はイオン性（カチオン性・アニオン性・双性）のもの、非イオン性（ノニオン性）どちらでもよく、また低分子系と高分子系どちらでもよい。界面活性剤としては従来公知のものを何れも用いることができるが、中でもノニオン性界面活性剤を含有することが好ましい。ノニオン性界面活性剤の中でもポリオキシエチレンアルキルエーテル、アセチレングリコール等のエチレンオキサイド付加物が一般的である。例えば、アセチレノール（川研ファインケミカル製）、サーフィノール（エボニックインダストリーズ製）、Ｄｙｎｏｌ ６０４、６０７、８００、８１０（以上、エボニックインダストリーズ製）などが挙げられる。またフッ素系界面活性剤でもよく、フッ素系界面活性剤は他の界面活性剤と比較して、表面張力を小さくする作用が大きいため少量で表面張力を調整するには効果が大きい。界面活性剤の含有量は、抑制液の全質量を基準として、０．０１質量％以上３．０質量％以下であることが好ましい。

（その他の成分）
抑制液は、必要に応じて、トリメチロールプロパン、トリメチロールエタンなどの多価アルコール類や、尿素、エチレン尿素などの尿素誘導体など、常温で固体の水溶性有機化合物を含有してもよい。更に、抑制液は、必要に応じて、上記以外の界面活性剤、ｐＨ調整剤、防錆剤、防腐剤、防黴剤、酸化防止剤、還元防止剤、蒸発促進剤、およびキレート化剤などの種々の添加剤を含有してもよい。また後述するように、抑制液は、高温で熱分解する特性をもつ結合剤を含んでいてもよい。

＜抑制液の効果＞
抑制液による滲出抑制効果について図４Ａおよび図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは結合液４１のみを付与する例を示す。図４Ａに示すように粉末層４ｂの造形領域４０に結合液４１の液滴を付与すると、粉末間の毛管を伝い結合液４１が広がる。結合液４１が造形領域４０の外側まで滲み出すと、造形領域４０よりも広い範囲の粉末が固定されてしまい、造形物の形状ないし寸法の精度が低下する。図４Ｂは結合液４１と抑制液４３を付与する例である。図４Ｂに示すように造形領域４０に隣接する領域４２に抑制液４３を付与すると、領域４２内の粉末間の毛管に抑制液４３が浸透する。これにより、結合液４１がせき止められ、結合液４１が造形領域４０の外側に滲み出ることが抑制される。したがって、造形領域４０内の粉末のみを固定することができ、高精度な造形物を作製することができる。

抑制液の組成がインクジェット吐出のために必要な成分（水や水溶性有機溶剤や界面活性剤）のみでもこの効果は得られる。しかし、本発明者らの検討により、結合液と抑制液との界面で微細に混ざり合いが起こり、少量の結合液（結合剤）が抑制液側に滲み出す場合があることも明らかになった。そのため、滲出抑制効果をさらに高めるために、結合液４１に比べて抑制液４３の表面張力を小さくすることが好ましい。結合液４１と抑制液４３の界面において、表面張力の差により、結合液４１がせき止められる現象が起き、造形領域４０の外側への結合液４１の滲出を可及的に防止することができる。表面張力の差が少なくともあればせき止めの効果があるが、１．０ｍＮ／ｍ以上の差があればさらによい。また抑制液４３を付与した後に結合液４１を付与するほうが効果が大きい。これは、抑制液４３によって界面がしっかりと形成されるため、結合液４１の広がりが抑制されるからと考えられる。

結合液４１中の結合剤を焼結させる処理の加熱温度をＴとした場合に、温度Ｔで分解する熱分解性の結合剤を成分として含む抑制液４３を用いてもよい。抑制液４３が結合剤を
含んでいると、粉末固定工程において結合液４１と抑制液４３を付与したときに、造形領域４０だけでなくそれに隣接する抑制領域４２内の粉末も固定される。そのため、粉末層４ｂの状態が安定し、後工程でのハンドリングのしやすさが向上し、結果的に造形精度の向上を図ることができる。また、抑制領域４２内の結合剤は、加熱処理時に分解されるため、非造形領域の除去の障害とはならない。なお、熱分解性の結合剤としては、例えば樹脂などを用いることができる。

＜実施例＞
以下、本発明の実施例と比較例を用いて、抑制液による滲出抑制効果を更に詳細に説明する。下記の実施例はあくまで一例であり、本発明の範囲を限定する趣旨のものではない。なお、以下の実施例の記載において、「部」とあるのは特に断りのない限り質量基準である。

１）結合液
・三菱製紙製 銀ナノ粒子インクNBSIJ-KC01（表面張力３２．５ｍＮ／ｍ）

２）抑制液
［抑制液の調整］
液体組成物を、表１に示す配合で調製した。
（界面活性剤）
・ＦＳ３１００：Ｃａｐｓｔｏｎｅ ＦＳ−３１００（デュポン製）
・ＡＥ１００：アセチレングリコール系界面活性剤であるアセチレノールＥ１００（川研ファインケミカル製）
（水溶性有機溶剤）
・Ｇｌｙ：グリセリン
・ＥＧ：エチレングリコール

［評価］
上記で調製した各液体組成物を用い、表２の条件で評価を行った。表２に記載の組合せの結合液と抑制液を、ピエゾインクジェットヘッドＫＪ４（京セラ製；ノズル密度６００ｄｐｉ）を搭載したインクジェット記録装置に充填した。そして、ＳＵＳ３１６Ｌ(山陽
特殊製鋼製平均粒径２０μｍ)を縦５ｃｍ横５ｃｍ深さ５ｍｍの穴の開いたセラミックス
容器に敷き詰めて粉末層を形成し、インクジェット記録装置により粉末層上に結合液と抑制液を付与した。実施例１〜５と比較例１〜５では結合液と抑制液を同時に付与し、実施例６と比較例６では抑制液を先に付与し、３０秒後に結合液を付与した。なお、実験条件は、温度２３℃、相対湿度５５％、インク吐出周波数５ｋＨｚ、記録時のインク吐出体積１ドット当たり約１５ｐｌである。また、上記インクジェット記録装置では、解像度６００ｄｐｉ×６００ｄｐｉで１／６００インチ×１／６００インチの単位領域に１５ｎｇの液滴を１ドット付与する条件を記録デューティーが１００％であると定義される。図５に
示すように、粉末層の中央の矩形領域６０に結合液を付与し、矩形領域６０の周囲を取り囲む領域６１に抑制液を付与した。そして、矩形領域６０の外側への結合液の滲み出しを、ＡＡＡ、ＡＡ、Ａ、Ｂ、Ｃの５段階で評価した。ＡＡＡ〜Ａは好ましいレベルであり、Ｂ、Ｃは許容できないレベルである。

（評価基準）
ＡＡＡ：滲み出した距離が０．１ｍｍ以下であった
ＡＡ：滲み出した距離が０．１ｍｍより大きく０．３ｍｍ以下であった
Ａ：滲み出した距離が０．３ｍｍより大きく０．５ｍｍ以下であった
Ｂ：滲み出した距離が０．５ｍｍより大きく１．０ｍｍ以下であった
Ｃ：滲み出した距離が１．０ｍｍより大きかった。

（結果）
表２の結果から、上記の銀ナノ粒子インクに対しては、組成３、４、５、８、９の液体を抑制液として組み合わせることが可能であることがわかる。また、抑制液を付与した後、所定時間おいてから結合液を付与する方が、抑制液と結合液を同時に付与するよりも、高い効果が得られることがわかる。

４ａ：粉末
４ｂ：粉末層
１０：液体付与ユニット
１５：システムコントローラ
１９：液体付与制御系
２０：結合液吐出ヘッド
２１：抑制液吐出ヘッド
４０：造形領域
４１：結合液
４２：抑制領域
４３：抑制液
１００：造形装置

Claims (8)

1. 粉末層を形成する工程と前記粉末層の少なくとも一部の領域内の粉末を固定する工程とを繰り返し行うことにより、積層体を作製する造形装置において、
   粉末を結合させるための結合剤を含む第１液体を付与するための第１液体付与手段と、
   前記第１液体の流動を抑制するための第２液体を付与するための第２液体付与手段と、
   形成された粉末層のうちの第１領域内の粉末を固定すべき場合に、前記第１領域に対して前記第１液体が付与され、且つ、前記第１領域に隣接する第２領域に対して前記第２液体が付与されるように、前記第１液体付与手段および前記第２液体付与手段を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする造形装置。
2. 前記結合剤は金属粒子であることを特徴とする請求項１に記載の造形装置。
3. 前記第２液体は前記粉末層に対する浸透性が前記第１液体よりも高い液体であることを特徴とする請求項１または２に記載の造形装置。
4. 前記第２液体は表面張力が前記第１液体よりも小さいことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の造形装置。
5. 前記制御手段は、前記第２領域への前記第２液体の付与を行った後、前記第１領域への前記第１液体の付与を行う
   ことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の造形装置。
6. 前記第１液体付与手段および前記第２液体付与手段はインクジェットヘッドであることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の造形装置。
7. 前記第２液体が熱分解性の結合剤を含むことを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の造形装置。
8. 粉末層を形成する粉末層形成工程と、
   前記粉末層のうちの第１領域内の粉末を固定する粉末固定工程と、
   を含む造形方法において、
   前記粉末固定工程は、
   前記第１領域に対して、粉末を結合させるための結合剤を含む第１液体を付与する工程と、
   前記第１領域に隣接する第２領域に対して、前記第１液体の流動を抑制するための第２液体を付与する工程と、を含む
   ことを特徴とする造形方法。

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