JP2021187552A - ３次元造形用粉体の梱包体 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元造形用の粉体材料の製造過程において造形用の粉体材料を均質性および均一性を保持した状態で３次元造形装置に供給する手段が望まれる。【解決手段】複数種類の粒子を含む３次元造形用粉体と、前記３次元造形用粉体を内部に圧縮された状態で収容する収納容器と、を備える３次元造形用粉体の梱包体により解決する。【選択図】図１

Description

本発明は、粉体材料の所定箇所にレーザーを照射することにより粉体材料を溶融および凝固させて造形物を得る３次元造形に用いられる粉体（以下、３次元造形用粉体）および収納容器とを備える梱包体に関する。

３次元造形装置はＣＡＤデータを用いて物品を付加的に直接造形することが可能であるため、近年さまざまな分野への利用が進められている。その中でも粉末床溶融結合方式は高精度かつ緻密な部品を作製することができるため特に注目を集めている。

粉末床溶融結合方式は、特許文献１に示されるように、造形ステージ上に造形用の粉体を薄く敷き均し、敷き均した粉体に、造形対象である３次元データに応じてレーザー光を照射することにより粉体を焼結または溶融および凝固させることで造形を行う。
３次元造形用粉体は、造形物の素材となる粉末であり、その成分、粒径、粒子の形状が直接造形物の形状および性質に影響を与えるため、造形物に要求される特性に合わせて、適宜調製される。

特開２０１０−３７５９９号公報

造形用粉体が複数種類の粉体の混合物からなる混合粉末である場合には、混合粉体の化学的な均質性及び物理的な均一性を保った状態で造形ステージ上に材料供給されることが極めて重要となる。造形ステージ上に敷かれた混合粉体に、組成および／または粒径の２次元的、３次元的なばらつきが発生した場合には、造形プロセスにおける材料の焼結または溶融および凝固の際の挙動に２次元的、３次元的なムラが生じる。これは、造形物の組成ムラ、寸法精度の悪化、品質ばらつきを引き起こす原因となる。

造形プロセス時に混合粉体の均質性および均一性を保つ手段としては、混合粉体を造形ステージに供給する直前に撹拌する機構を設けることが考えられる。しかし、混合粉体が比重の差、あるいは粒径の差が大きい複数種類の粉体の混合物である場合には製造装置内での撹拌によって混合粉体の均質性および均一性を保つことは困難であり、造形物を安定した品質に保つうえでの課題となっていた。

そこで３次元物体の製造に用いられる混合粉体である３次元造形用粉体の製造過程から３次元造形装置の造形ステージに３次元造形用粉体を供給するまでのプロセスを精査、検討した結果、混合粉体を製造した後の梱包、輸送、ハンドリングの過程に問題があることを見出した。良好な均一性を保って製造した混合粉体であっても、その後の保管、輸送、ハンドリングの際に加わる振動によって混合粉体の組成分布が変化するため、造形時の均質性および均一性が低下していたのである。

上記課題を解決するために、３次元造形用粉体の製造時の混合粉体の均質性および均一性を保持した状態で保管、輸送し、３次元造形装置に供給することのできる手段が望まれる。

複数種類の粒子を含む３次元造形用粉体と、前記３次元造形用粉体を内部に圧縮された状態で収容する収納容器と、を備える３次元造形用粉体の梱包体により解決する。

本発明によれば、製造時の組成および粒径の均一性を保った状態で混合粉体を３次元造形プロセスに提供することができるため、造形物の寸法精度、品質ばらつき、並びに信頼性を高めることができる。

本発明の粉体材料収納容器の第１の実施例である。 本発明の粉体材料収納容器の第２の実施例である。 本発明の粉体材料収納容器の第３の実施例を示す。 本発明の粉体材料収納容器の第４の実施例を示す。 粉末床溶融結合方式を用いた３次元造形装置の造形ステージと粉体供給ステージとを示す。 ３次元造形装置の造形部と粉体供給部との動きを示した図である。 （ａ）は粉体供給ステージに切断刃を配置した場合に梱包体を載置する前の粉体供給ステージの状態を示し、（ｂ）は粉体供給ステージに切断刃を配置した場合に梱包体を載置した状態の粉体供給ステージの状態を示す。 本発明の粉体材料収納容器の第５の実施例を示す。 （ａ）は第５の実施例に係る梱包体を設置する前の粉体供給部および造形部を示し、（ｂ）は梱包体を設置した状態の粉体供給部および造形部を示す。

粉末床溶融結合方式に用いられる造形用の粉体が複数種類の粒子を含む混合粉体である場合に、本発明を適用する実施形態について説明する。ここでいう「複数種類の粒子を含む混合粉末」には、組成あるいは成分が互いに異なる粒子を含む粉末、粉体の平均粒子径を測定した場合に複数のピークを持つ粉末が含まれる。また、本明細書中では、造形用粉末の集合体を造形用粉体と、造形用粉体を収容することができる包装体を収納容器と、造形用粉体を内部に収容している状態の収納容器を梱包体と定義する。

粉末床溶融結合方式では、一般的なバルク材料を加工して製作した成形体などに比べて、造形物の容積中に占める材料の割合が低く、空隙率が高くなる傾向がある。そのため、機械的強度もバルク材料と比較して低下する場合が多かった。したがって、耐久性を要求されるような用途においては、より緻密性の高められた立体物を得ることが求められていた。

造形物の緻密性を高める手段として、粉末積層造形物を形成している粉体材料の隙間を埋めて、立体物の密度を向上させる方法がある。たとえば、造形用の粉体を平均粒子径が互いに異なる大小２種類の粒子を含む混合粉末とすることにより空間充填密度を上げることができる。粉体が球体の粒子の集合体であると仮定すると、１種類の大きさの球体による３次元空間充填の最高密度は面心立方格子充填の場合の約７４％である。しかし、大小２種類の球体を用いてそれらの球の半径比を無限大にすると原理的には約９３％まで充填密度を高めることができる。大小の球体の径の差を十分大きくすることで、相対的に大きな球体の隙間に相対的に小さい球体が入り込ませることが可能となる。

また、造形用粉体を組成あるいは成分が互いに異なる複数種類の粒子で構成し、それぞれの粒子に機能を持たせることによる造形物の物性、機械的精度、造形速度、等の改善を図る試みも行われている。
例えば、造形物の弾性率を改善するために樹脂粒子とガラス粒子とを混合する例や、造形物の靭性を改善するためにセラミックス粒子と金属粒子を混合する例が挙げられる。樹脂材料にガラス粒子を混入する例の場合、樹脂材料の比重が１から１．７程度であるのに対し、ガラスの比重は約２．５である。また、セラミックス材料に金属材料を混入する例では、セラミックス材料の比重が２．５から３．５程度であるのに対し、金属の比重はＡｌ、Ｔｉなどを除けば、ほとんどの場合約７以上である。これらの混合物は、粉体の輸送時、あるいはハンドリング時に比重の大きい粉体材料が下層に移動しやすくなるため、粉体内部での混合物の組成が変動しやすい。
さらに、セラミックスを主成分とする粉体を用いる造形において、造形速度や造形精度を高めるためには、造形時に照射するレーザー光の光吸収能が高い粉体を添加した混合粉体を用いるのが好ましい。たとえば、造形用粉体としてＡｌ_２Ｏ_３粉、Ｇｄ_２Ｏ_３粉、Ｔｂ_４Ｏ_７粉の混合粉を用いれば、Ｔｂ_４Ｏ_７粉にレーザー光が吸収されて局所的な加熱が可能となり、良好な造形速度、造形精度を得ることができる。この場合、粉末床の形成に必要な流動性を得るため、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３の粒子径は２０から３０μｍが好ましく、レーザー光を吸収する役割を担うＴｂ_４Ｏ_７粉の粒子径は３から４μｍが好ましい。ここで、粒子径とは粉体の顕微鏡写真から、各種粒子１０００個以上について投影像の面積から円相当径を求め、その中央値を採用した値である。

このような複数の成分からなる混合粉体は、化学工業、食品工業をはじめとして様々な分野での長年のノウハウの蓄積があるため、造形上許容される統計的な混合ばらつきの範囲内に混合した粉体を工業的に製造することは可能である。

ところが、粒子径が互いに異なる複数種類の粒子を含む混合粉体は、輸送、ハンドリングの際の振動により、小さな粒子が鉛直方向下部に沈み、大きな粒子が上部に集まる、いわゆるブラジルナッツ効果が生じ、均一な混合状態を保つことができない。比重が互いに異なる複数種類の粒子を含む混合粉体の場合も、振動により、比重の大きい粒子が鉛直方向の下方に沈み、小さな粒子が上方に集まるため、均一な混合状態を維持するのは困難である。

本発明は製造工程で所望の状態に混合された状態を維持して粉体次元造形装置に供給することが可能な、３次元造形用粉体の梱包体を提供するものである。本発明の梱包体を構成する３次元造形用粉体は、複数種類の粒子を含む混合粉体であって、それぞれの粒子の種類によって比重が異なるものである。また、本発明の梱包体を構成する３次元造形用粉体は、複数種類の粒子を含む混合粉体であって、互いに粒子径が異なるものである。

（第１の実施例）
以下、図１を参照して、第１の実施例にかかる梱包体１００を説明する。梱包体１００は３次元造形用粉体１１０と、３次元造形用粉体１１０を内部に収容する収納容器１０１とを備える。ここでは、収納容器１０１を用いて、複数種類の粒子を含む混合粉体である３次元造形用粉体１１０を製造工程で所望の状態に混合された状態を維持して３次元造形装置に供給する方法について説明する。図１は第１の実施例の収納容器１０１を示したものである。図１の（ａ）は３次元造形用粉体１１０を充填する前の収納容器１０１の状態を示している。図１の（ｂ）は収納容器１０１の内部に３次元造形用粉体１１０を導入し、開口部１０４を熱融着などの方法により圧着して封入した梱包体の状態を示している。図１の（ｃ）は収納容器１０１内部に３次元造形用粉体１１０を導入した後、収納容器１０１の内部を外部に対して減圧状態とし、３次元造形用粉体１１０が収納容器１０１の内部に圧縮された状態で収容された梱包体１００の状態を示している。

収納容器１０１は内部に空間を画定する外郭部を備える。外郭部により収納容器１０１の内部に画定された空間に複数種類の粒子を含む３次元造形用の原料粉としての混合粉体である３次元造形用粉体１１０を収容する。収納容器１０１の外郭部の少なくとも一部（一部または全部）は変位可能である。たとえば、本実施例では収納容器１０１の外郭部は可撓性を有する材料でできていて、外郭部全部を変位可能な部分としている。収納容器１０１には排気管１０２とフィルター１０３とが設けられている。排気管１０２は排気装置（不図示）と接続可能である。収納容器１０１に封入される３次元造形用粉体１１０は不図示の粉体製造装置により、所望の状態に混合された状態で予め準備されている。

収納容器１０１の上部には開口部１０４が設けられている。３次元造形用粉体１１０は、図１（ａ）に示す開口部１０４から収納容器１０１の内部に導入される。開口部１０４から収納容器１０１の内部に３次元造形用粉体１１０が導入された後に開口部１０４は熱圧着、超音波圧着等の方法により封止されて封止部１０５が形成されて収納容器１０１の内部が密閉される（図１（ｂ））。

収納容器１０１の内部に３次元造形用粉体１１０が導入された後に、排気管１０２を排気装置（図示せず）に接続して、排気管１０２を経由して収納容器１０１の内部の空気を排気する。収納容器１０１の壁面、排気管、逆止弁など、３次元造形用粉体１１０と外界を隔てる部材のガス透過率に応じて、収納容器の内部が１×１０^５Ｐａ未満を維持できるように排気する。この排気により、収納容器１０１の内部が脱気された状態で排気管１０２を熱融着により融着部１０６で切り離す。排気管１０２には逆止弁（図示せず）を設けてもよい。逆止弁を設けた場合には、排気管１０２内部での意図しない気体の逆流により収納容器１０１内に気体が流入することを防ぐことができる。収納容器１０１は可撓性を有するため、収納容器１０１の内部が脱気されたことにより、収納容器１０１の内部の圧力が収納容器１０１の外部の圧力より低くなり、減圧状態が保たれた梱包体１００となる（図１（ｃ））

収納容器１０１の内部の圧力が収納容器１０１の外部の圧力より低くなることで、容器内部の空気が混入していた部分は潰れて陥没し、可撓性を有する収納容器１０１の外郭部の変形（変位）が起こり、外郭部が３次元造形用粉体１１０に密着する。収納容器１０１の外郭部の変形（変位）により３次元造形用粉体１１０を押圧し、３次元造形用粉体１１０が圧縮される。ここで収納容器１０１の内部を減圧状態に保つために、本実施例では排気管１０２を熱融着させる方法を例示したが、排気管１０２にバルブを設け、収納容器１０１内部の排気が完了した後にバルブを閉じることによって減圧状態を保持してもよい。

脱気の際には、収納容器１０１の内部の空気は排気管１０２を経由して排出されるが、排気管１０２の周囲の収納容器１０１にはフィルター１０３が設けられているため、３次元造形用粉体１１０が排気管１０２内部に排出されることはない。ここで用いるフィルター１０３は、気体は透過するが３次元造形用粉体１１０の成分である複数種類の粒子のそれぞれが透過することのない不透過性のフィルターである。また、フィルター１０３は、排気管１０２の先端に設けられているだけでなく、収納容器１０１の一部をなすように、排気管１０２の周辺部にまで設けられているため、気体の排気経路がフィルター１０３の全面に分散される。

一般的に、粉粒体表面がある流速以上の気流に接すると、粉粒体が気流に流される。また、粉粒体が粒径、または／および密度分布を持つ場合には、粒径、または／および密度の異なる粒子が層状に分離して堆積する。このため、粉粒体の造粒工程、および混合工程で所望の混合状態が達成されている場合であっても、静置された粉粒体表面に流れる気流により、表面近傍の混合状態が変化する場合がある。

この現象による混合状態の変化を抑えるために、本実施例では気体の排気経路をフィルター面全面に分散させることにより、気体が排出される際に特定の流路を形成することを防止している。特定の流路が形成されないことにより、粉粒体の表面における気流の流速が低下し粉粒体が気流に流されることがなくなり、その結果として表面近傍の混合状態の変化を防止することができる。

収納容器１０１、少なくとも収納容器１０１の壁部は、ガス透過性が低く可撓性を有するフィルム状樹脂でできている。収納容器１０１には、その材料のフィルム状樹脂のガス透過性に応じて決定されるフィルムの膜厚が適用される。ガス透過性の低い樹脂製フィルムとしては、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリ塩化ビニリデン、ポリアクリロニトリルなどを使用することができる。代表的には、これらの材料のうちの少なくとも一つ使用することができる。また、上記材料よりガス透過性が高い樹脂の場合でも、樹脂膜厚の増加やフィルム状樹脂の表面にガスバリア性の膜をコートすることにより使用することができる。上記ガスバリア性の膜としては、金属膜、セラミックス膜、ガス透過性の低い樹脂膜などを使用することができる。また、上記の可撓性を有するフィルム状の樹脂は、複数の膜をラミネート加工した膜であってもよい。

続いて、収納容器１０１のガス透過性に関する要求値について説明する。フィルム状樹脂のガス透過率は（５０ｃｃ／ｍ^２）／ｄａｙ以下であることが望ましい。大気の組成は窒素約８０％、酸素２０％であるが、フィルム状樹脂のガス透過率は、窒素と比較して、酸素のほうが高いため、酸素透過率が（５０ｃｃ／ｍ^２）／ｄａｙ以下であることが望ましい。

この値は、１０ｋｇ（嵩密度３ｇ／ｃｍ^３）の粉体材料を収納容器１０１に密封した場合の粉体の隙間に存在する空間の容積に相当する気体が収納容器１０１の器壁を透過するために要する時間から算出することができる。３次元造形用粉体１１０の保管期間を６ヶ月と想定した場合に、収納容器１０１の内部を減圧状態に保つためにはフィルム状の樹脂の酸素透過率は（５０ｃｃ／ｍ^２）／ｄａｙ以下であればよい。

また、収納容器１０１には３次元造形用粉体１１０と共に酸素を吸収する脱酸素剤たる酸素吸収剤を封入してもよい。酸素吸収剤は、３次元造形用粉体と混ざって造形の妨げにならないよう、収納容器１０１の内面に密着させて配置するのが好ましい。酸素吸収剤を封入することで、粉体の隙間に存在する空間に残存する酸素、および容器の壁を透過した酸素を除去することができるため、収納容器１０１内部を減圧状態に保つことができる期間をさらに延長させることができる。

本実施例にかかる梱包体１００は、３次元造形用粉体１１０を封入した収納容器１０１の内部を脱気して減圧状態に保つことにより、３次元造形用粉体１１０には収納容器１０１の壁面によって圧縮される。それにより、３次元造形用粉体１１０に含まれる粒子同士が互いに密着するため、３次元造形用粉体１１０の全体を製造時の混合状態に維持することができる。梱包体１００の内部でごく局所的に粒子の移動がみられる場合でも、全体を見た場合には、粒子それぞれの相対的な位置関係はほぼ固定される。これにより、運搬時の収納容器１０１の内部での３次元造形用粉体１１０の流動が制限される。

収納容器１０１に封じられた３次元造形用粉体１１０を３次元造形装置に供給する際には、封止部１０５を開封して装置の材料収容容器に投入する。この際、製造時の混合状態に若干の変化は生じる可能性があるが、運搬時に生じる振動による不均一性に比べると、造形への影響は小さい。

以上のように、３次元造形用粉体１１０を図１（ｃ）に示す梱包体１００として輸送、保管することで、製造工程において、３次元造形を行う上で許容される統計的なばらつきの範囲内に収まるように混合された状態で、３次元造形装置のユーザーに供給できる。そして、３次元造形装置のユーザーは、３次元造形用粉体１１０を、製造時の組成および粒径の均一性を保った状態で使用することができる。その結果、造形物の寸法精度、品質ばらつき、並びに品質の信頼性を高めることができる。
粉体材料メーカーは、３次元造形用粉体１１０を、３次元造形用粉体１１０が収納容器１０１に収納された梱包体１００として扱うことで、複数の成分の混合状態の均一性を保った状態で３次元造形装置のユーザーに提供することができる。

（第２の実施例）
図２を参照して、第２の実施例である梱包体１００について説明する。第２の実施例に用いる収納容器１０１は、排気管１０２、フィルター１０３を備えていない点を除いて、第１の実施例と同様の構成を有している。従って、第１の実施例と共通する点については説明を省略し、以下第１の実施例と異なる点について説明する。

本実施例の梱包体１００の構成と第１の実施例の梱包体１００の構成との違いは、３次元造形用粉体１１０を収納容器１０１の内部に収容する方法が異なる点である。本実施例では真空雰囲気で収納容器１０１内に３次元造形用粉体１１０を導入し、梱包する。図２（ａ）は３次元造形用粉体１１０を導入する前の収納容器の状態を示し、図２（ｂ）は部に３次元造形用粉体１１０を導入した収納容器１０１を真空雰囲気に設置し、開口部１０４を封止した状態を示している。図２（ｃ）は収納容器１０１内部に３次元造形用粉体１１０を導入した後、雰囲気内にクリーンドライエアーを導入して収納容器１０１の内部が大気圧に戻されたときの梱包体１００の状態を示している。

３次元造形用粉体１１０は、粉体製造装置（図示せず）により所望の状態に混合された状態で準備されている。収納容器１０１の上部に設けられた開口部１０４から３次元造形用粉体１１０を収納容器１０１の内部に導入する点は第１の実施例と同様である。３次元造形用粉体１１０が入った収納容器１０１を真空チャンバー（図示せず）内に設置し、収納容器１０１の開口部１０４を開口した状態で真空チャンバー内を１０^５Ｐａ未満となるまで排気する（図２（ａ））。次いで、図２（ｂ）に示すように真空チャンバー内で真空を保ったままで開口部１０４を封止して封止部１０５を形成し、収納容器１０１を密閉する。

図２の（ｃ）は図２の（ｂ）の後、真空チャンバー（図示せず）にクリーンドライエアーを導入しチャンバー内部を大気圧に戻した状態を示す。収納容器１０１の内部は真空排気されているため、開口部１０４を封止した後に真空チャンバーが大気解放されると、収納容器１０１の内部は減圧状態になる。このため可撓性の収納容器１０１が変形し、３次元造形用粉体１１０が収納容器１０１を介して外部圧力により圧縮される。これにより、３次元造形用粉体１１０に含まれる粒子同士を互いに密着させて相対位置が変動するのを抑制し、３次元造形用粉体１１０が製造時の混合状態に維持された梱包体１００とすることができる。

すなわち、本実施例でも、収納容器１０１の内部の圧力を外部の圧力より低くすることにより収納容器１０１の壁部の変形が喚起されて、３次元造形用粉体１１０に含まれる粒子間の相対位置が固定される。
本実施例の梱包体の場合、ごく局所的に３次元造形用粉体１１０に含まれる粒子の移動がみられたとしても、全体を見た場合は、粒子間の相対的位置関係はほぼ固定される。
梱包体１００内の３次元造形用粉体１１０を装置に供給する方法は、第一の実施例と同様である。

３次元造形用粉体１１０を本実施例にかかる梱包体で輸送や保管をすることで、製造工程において、３次元造形を行う上で許容される統計的ばらつきの範囲内に収まるように混合された状態で、３次元造形装置のユーザーに供給できる。そして、３次元造形装置のユーザーは３次元造形用粉体１１０の製造時の組成および粒径の均一性を保った状態で造形に使用することができる。その結果、造形物の寸法精度、品質ばらつき、並びに品質の信頼性を高めることができた。

（第３の実施例）
図３は第３の実施例にかかる梱包体を説明するものである。第３の実施例としての梱包体１００は、第２の実施例と同様の収納容器１０１であるが、収納容器１０１の内部に酸素吸収剤１２０を備えている点で異なっている。第２の実施例と共通する点については説明を省略し、以下第２の実施例と異なる点について説明する。

図３（ａ）は収納容器１０１内部に酸素吸収剤１２０を入れた状態を示す。図３（ｂ）は収納容器１０１内部に酸素吸収剤１２０と３次元造形用粉体１１０を入れた後に、収納容器１０１の内部の空気を外部に逃がしながら機械的に上部から圧縮したものである。そして、ほぼ空気を押し出した後、開口部１０４を封止した状態を示している。図３（ｂ）の段階では、まだ収納容器１０１内部は大気圧とほぼ同等であり、減圧状態とはなっていない。機械的に収納容器１０１と３次元造形用粉体１１０が密着するように収納容器１０１内部の空気を追い出した状態では、粉体の隙間に存在する空間にはその体積の約１/５の酸素が残存してしまう。

図３（ｃ）は収納容器１０１を密閉した後、酸素吸収剤１２０により収納容器１０１の内部の酸素を低減することにより、収納容器１０１の内部が減圧された状態の梱包体１００を示している。この状態では、収納容器１０１の内部の圧力が外部の圧力より低くなるため、収納容器１０１が変形し、３次元造形用粉体１１０が押圧されて粒子の相対位置が固定される。

本実施例によれば、収納容器１０１の内部の脱気にかかわる設備や収納容器１０１への排気管、フィルターの取り付けなどが不要となるため、コスト面、工程数で有利であるうえに、第１の実施例や第２の実施例と同様の効果を得ることができる。

（第４の実施例）
以下、図４から６を参照して、第４の実施例としての梱包体４００について説明する。梱包体４００は３次元造形用粉体（不図示）と、３次元造形用粉体（不図示）を内部に収容する収納容器４０１とを備える。３次元造形用粉体（不図示）は第１の実施例から第３の実施例と同じである。図４は第４の実施例において梱包体４００として粉体を封止する工程を示している。図５は粉末床溶融結合方式を用いた３次元造形装置の造形部３０１と粉体供給部３０５を示している。図６は３次元造形装置の造形部３０１と粉体供給部３０５との間での粉体の移送を示した図である。第４の実施例としての収納容器４０１も、内部に空間を画定して、その内部の空間に、３次元造形に用いられる複数種類の粒子を含む３次元造形用粉体（不図示）を収納する容器である。

収納容器４０１は、第１から第３の実施例と同様に、可撓性のある外郭部を備えている。第４の実施例の梱包体４００は、さらに、外郭部の外側に、外郭部より高い剛性を有する外殻容器４３０を備えている。外殻容器４３０は、代表的には底部材と側壁部材とにより、一端に開口を有して、内部に空間が画定され、その開口を蓋部材４３１で閉鎖した際に四角柱となる形状を有している。外郭部は、特に粉体導入時に外殻容器４３０の内部に配置される。梱包体４００の外殻容器４３０の内面は収納容器４０１の外郭部の外面と接する。外殻容器４３０は代表的には金属とすることができる。たとえばＳＵＳ３０４を代表とするステンレス材である。

図４では収納容器４０１の内部に収納した３次元造形用粉体（不図示）が外殻容器４３０に隠れて見えない状態となっている。しかし、第１の実施例から第３の実施例と同様に、図４の（ａ）においても、可撓性の収納容器４０１の内部には３次元造形用粉体（不図示）が収納されている。そして、図４（ｂ）の状態では、開口部４０４が封止され、封止部４０５によって収納容器４０１は密閉されている。図４の（ｃ）の状態では第１の実施例から第３の実施例のいずれかの方法で可撓性の収納容器４０１の内部を減圧して変位させることにより３次元造形用粉体（不図示）が圧縮される。この時、３次元造形用粉体（不図示）が収納された収納容器４０１の外形は、剛性が高い外殻容器４３０の内法形状の寸法によって規定される。外殻容器４３０の内部は外殻容器４３０の開口が蓋部材４３１により閉じられることで密閉される。

梱包体４００において、収納容器４０１の３次元造形用粉体が納められる部分の外側に剛性の高い材質からなる外殻容器４３０を設ける目的は、３次元造形装置の粉体供給容器に、ジャミングされた状態で納入された粉体材料を直接供給するためである。以下、これについて説明する。

図５に示すように、粉体材料を準備する粉体供給部３０５の横に、レーザー光を照射して粉体材料を焼結または溶融および凝固させることにより造形物を形成する造形部３０１が併設して配置される。造形部３０１と粉体供給部３０５との上部にはローラー（粉末移送手段）３０４が配置され、ローラー３０４は造形部３０１と粉体供給部３０５との間を往復することが可能である。造形部３０１の内部には、造形物が形成される面を有する造形ステージ３０２が配置される。造形ステージ３０２には造形ステージ昇降機構のロッド３０３が接続され、昇降可能である。粉体供給部３０５は、粉体供給ユニット３３０と、その内部に粉体供給ユニット３３０に対して可動な粉体供給ステージ３３１とを備えている。粉体供給ステージ３３１は上面が平面であって梱包体４００の収納容器４０１を載置することが可能である。粉体供給部３０５は粉体供給ステージ昇降機構を有し、粉体供給ステージ昇降機構は粉体供給ステージ昇降機構に接続されるロッド３０６を昇降させる。粉体供給ステージ３３１はロッド３０６に接続されてロッド３０６により昇降する。

図４において、外殻容器４３０の底部材に平行な断面における側壁部材の内法形状は、図５に示す粉体供給部３０５の粉体供給ユニット３３０の水平方向の断面における内法形状と相似形である。そして、外殻容器４３０の底部材に平行な断面における側壁部材の内法形状の寸法は、粉体供給ユニット３３０の水平方向の断面における内法形状よりも数ミリ程度小さくなるように設計されている。このため、図４の収納容器４０１を外殻容器４３０から取り出して、そのまま図５に示す粉体供給ユニット３３０内に収納することができる。後述するように、粉体供給ユニット３３０の底部にはフィルム状樹脂からなる収納容器４０１の底部の外周部分を切開する切断刃を設けることもできる。切断刃を設けることで、収納容器４０１が粉体供給ユニット３３０内に収納された際に、収納容器４０１の底部の外周部分を切開されて、収納容器４０１の側壁部と上部を上部方向に抜き取ることができる。本実施例は、粉体が粉体供給ユニット３３０内に残っていない状態で供給する場合に特に好適である。

造形プロセスのシーケンスは、以下の工程Ｉから工程ＩＶを繰り返す。工程Ｉにおいて、造形ステージ３０２を粉体材料の一層分の厚さだけ下降させる。続く工程ＩＩにおいて、粉体供給ステージ３３１の粉体供給ステージ昇降機構のロッド３０６を上昇させ、その一層分の粉体材料３０７を粉体供給ユニット３３０の上端より上に押し上げる（図６の（ａ）参照）。

そして、工程ＩＩＩにおいて、ローラー３０４を用いて、その一層分の粉体材料３０７を、粉体供給部３０５から造形部３０１の造形ステージ３０２上に、移送された粉体材料３０８として移送して敷き詰める（図６の（ｂ）参照）。工程ＩＶでは敷き詰められた移送された粉体材料３０８の表面に、収束させたレーザー光を照射して、移送された粉体材料３０８を溶融して凝固させることにより、立体物が造形される。

上記の通り、内側に位置する収納容器４０１を外殻容器４３０から取り出して粉体供給ユニット３３０内に収納する方式について説明した。この場合、粉体の形状は収納容器４０１によって保たれるため、搬送や保存の際には外殻容器４３０は必須ではない。しかし、外殻容器４３０を粉体供給ユニット３３０と共通化した仕様とすることで、外殻容器４３０を直接粉体供給ユニット３３０の一部として３次元造形装置内部に組み込む構成とすることも可能である。この場合、外殻容器４３０は粉体供給ユニット３３０として適した素材選定を行い、必要にして十分な機械的精度を持って製作される。

外殻容器４３０を粉体供給ユニット３３０と共通化した場合には、たとえば図７に示すように、外殻容器４３０の底部にはフィルム状樹脂からなる収納容器４０１の底部の外周部分を切開する機構を設けることができる。すなわち、外殻容器４３０の内部に昇降可能な粉体供給ステージ３３１を配置し、粉体供給ステージ３３１が切断刃３５０を備えるように構成する。図７（ａ）は粉体供給ステージ３３１に切断刃３５０を配置した場合に梱包体４００を載置する前の粉体供給ステージ３３１の状態を示している。図７（ｂ）は粉体供給ステージ３３１に切断刃３５０を配置した場合に梱包体４００を載置した状態の粉体供給ステージ３３１の状態を示している。粉体供給ステージ３３１に切断刃３５０を設けると、外殻容器４３０が粉体供給ユニット３３０内に収納された際に、収納容器４０１の底部の外周部分が切断刃３５０により切開されて、収納容器４０１の側壁部と上部を上部方向に抜き取ることができる。外殻容器４３０を粉体供給ユニット３３０として機能させる場合には、具体的には、以下のように構成する。

外殻容器４３０の内部の底部に、側面板に固定されてはおらず、上下方向に可動な粉体供給ステージ３３１を配置する。粉体供給ステージ３３１は外殻容器４３０の底板の役割をする。粉体供給ステージ３３１は外殻容器４３０の内部の底部に穿設される孔を通して粉体供給ステージ昇降機構のロッド３０６の上部に接続可能である。粉体供給ステージ３３１がロッド３０６に接続されると、粉体供給ステージ３３１はロッド３０６の昇降に合わせて昇降する。粉体供給ステージ昇降機構のロッド３０６が上昇すれば粉体供給ステージ３３１も上部に移動し、３次元造形用粉体１１０を粉体供給ステージ３３１が押し上げる。

粉体供給ステージ３３１は、粉体供給ステージ３３１上で梱包体４００が載置される領域内の縁部に切断刃３５０を備えている。切断刃３５０は、梱包体４００が粉体供給ステージ３３１に接している面を周状に刳り貫けるような形状に、一枚または複数枚が配置される。たとえば、梱包体４００の底部を四角形に刳り貫く場合には、４枚の切断刃３５０が刳り貫く四角形の各辺となるように配置する。切断刃３５０の刃は、ロッド３０６の上昇方向に向かって延在するように配置される。切断刃３５０は、たとえば、ばねのような付勢部材３５１により、ロッド３０６の下降方向に向かって付勢されている（図７（ａ）の拡大部）。また、粉体供給ステージ３３１が外殻容器４３０の内部の底部に無い状態では、図７（ａ）に示すように、粉体供給ステージ３３１の梱包体４００が載置される面の上に切断刃３５０の刃は出ないように設定される。そして、粉体供給ステージ３３１が外殻容器４３０の内部の底部に位置した状態で、粉体供給ステージ３３１の梱包体４００が載置される面の上に切断刃３５０の刃が突き出るように設定される。たとえば、図７（ｂ）に示すように、粉体供給ステージ３３１は、外殻容器４３０の内部の底部に位置した状態で、切断刃３５０が外殻容器４３０の底部に押し上げられる。そして、粉体供給ステージ３３１の梱包体４００が載置される面の上に切断刃３５０の刃が突き出るようにできる。これにより、粉体供給ステージ３３１上に梱包体４００を設置する際に、同時に収納容器４０１の底面が切断刃３５０により切開させることができる。その後、収納容器１０１の上部を切開して収納容器１０１内部を大気圧に戻して収納容器１０１の側面および上面の部分を上部に引き抜く。この工程により、外殻容器４３０である粉体供給ユニット３３０の内部に、製造時の組成および粒径の均一性を保った状態で３次元造形用粉体１１０を供給することができる。

一般的な３次元造形装置への造形用の粉体材料の供給は、納入された粉体材料を直接粉体供給ユニット３３０内に投入することによって行われる。このとき、造形用の粉体材料が比重の差、あるいは粒径の差が大きい複数の材料の混合物である場合には輸送中に粉体材料の内部で成分の不均一化が起こる。

さらに、粉体供給ユニット３３０内への粉体材料の投入時に生じ得る成分の不均一化を抑制することができ、第１から３の実施例に比べて、より粉体材料製造時の組成および粒径の均一性を保った状態で３次元造形装置に造形用粉体を供給することが可能となる。

このように、本発明による粉体供給装置を用いることにより、造形物の寸法精度、品質ばらつき、並びに信頼性をより高めることができる。

（第５の実施例）
続いて、以下、第５の実施例としての梱包体５００について説明する。図８は第５の実施例である梱包体５００を示している。梱包体５００は、内部に空間を画定する収納容器５０１を有し、その内部の空間に複数種類の粒子を混合してなる３次元造形用粉体１１０が圧縮された状態で収納されている。

収納容器５０１は、外郭部と、弾性体からなるシール部材５３０、５５０を備える。外郭部は、側壁部材５１０および底部材５２０および蓋部材５４０を含む。収納容器５０１は、側壁部材５１０および底部材５２０および蓋部材５４０と、弾性体からなるシール部材５３０、５５０によって、加圧可能な密閉容器となっている。外郭部のうち、側壁部材５１０は、内部に空間を有するように側面が壁として画定され、両端が四角形の開口となっている部材である。外郭部の少なくとも一部は変位可能である。本実施例では、外郭部のうち、底部材５２０および蓋部材５４０の一部が、相対位置の調整が可能な変位可能な部材となっている。変位可能な底部材５２０および蓋部材５４０との距離を調整することで、底部材５２０および蓋部材５４０との相対位置によって内部の３次元造形用粉体１１０を圧縮することが可能である。

側壁部材５１０の一方の開口には、シール部材５３０を介して底部材５２０を支持する支持部５１１を有している。支持部５１１は側壁部材５１０から収納容器５０１の内部に向かって張り出す構造であり、底部材５２０が側壁部材５１０の内側から外部に抜けないようなストッパとして機能する。蓋部材５４０は、第１の蓋部５４１と第２の蓋部５４２とからなっている。第１の蓋部５４１が側壁部材５１０に対して固定された際に、第２の蓋部５４２が側壁部材５１０に対して変位可能である。

側壁部材５１０の他方の開口の周部には、蓋部材５４０のうち第１の蓋部５４１を固定部材５６０で固定するための固定部５１２を有している。たとえば、固定部材５６０は螺子構造であって、固定部５１２に螺嵌可能な構造となっている。第２の蓋部５４２は、一端が弾性部材５４３によって第１の蓋部５４１に接続されている。弾性部材５４３の例としては、ばね部材、またはゴムなどを用いることができる。ばね部材としては図８のつるまきばねの例に限らず、板ばねなど、種々のばねを用いることができる。

このように、収納容器５０１は、側壁部材５１０と、底部材５２０と第２の蓋部５４２とにより、底部材５２０と第２の蓋部５４２との距離が可変であって、内部に空間が画定される構造となっている。

続いて、収納容器５０１がどのように作用するかについて説明する。まず、上記の構造において、側壁部材５１０の一方の開口を閉じるように、収納容器５０１の内部に底部材５２０を、支持部５１１と底部材５２０とでシール部材５３０を挟持するように取り付ける。そして、側壁部材５１０と底部材５２０とで囲まれる空間に３次元造形用粉体１１０を入れて、第２の蓋部５４２が側壁部材５１０の他方の開口を閉じる。

このとき、第２の蓋部５４２が、側壁部材５１０の内面を摺動可能なように側壁部材５１０の内部に設置される。第１の蓋部５４１と側壁部材５１０の固定部５１２とを、固定部材５６０を用いて固定する。そうすると、弾性部材５４３の弾性力によって、第２の蓋部５４２の側壁部材５１０の内部での側壁部材５１０に対する移動が喚起される。

第２の蓋部５４２の変位により第２の蓋部５４２が収納容器５０１内部の３次元造形用粉体１１０を押圧して、３次元造形用粉体１１０は第２の蓋部５４２によって加圧される。それぞれの部材を、３次元造形用粉体１１０に加えられた圧力に耐えうる強度で構成しておくことにより、３次元造形用粉体１１０に圧力が加えられた状態が維持され、３次元造形用粉体１１０を構成する粒子のそれぞれの相互の相対的位置関係はほぼ固定される。また、第２の蓋部５４２の下面には、弾力性を有するスポンジ状のパッド(図示せず)を設けてもよい。このパッドを設けることにより、収納容器５０１内に導入された３次元造形用粉体１１０の表面に凹凸がある場合でも、３次元造形用粉体１１０の表面全体に押圧することが可能となる。さらに、側壁部材５１０、底部材５２０、第２の蓋部５４２のいずれかの一部に収納容器内部に閉じ込められた気体を外部に逃がしたり、外部の空気を導入して開封したりするための機構５４４を設けておくとよい。例えば、機構５４４として、内部の気体を外部に排出することが可能で、かつ外部の気体が収納容器５０１の内部に流入することを防止するための逆止弁と、外部から空気を導入するための弁とを設ける構成が挙げられる。

側壁部材５１０と底部材５２０のサイズは、３次元造形用粉体１１０を用いる３次元造形装置の粉体供給ユニット（図５の３３０）に設置可能な大きさに設計される。具体的には、側壁部材５１０の底部に平行な断面における内法形状が、粉体供給ユニット３３０の水平方向の断面形状と相似形である。そして、側壁部材５１０の底部に平行な断面における内法形状の寸法は、粉体供給ユニット３３０の水平方向の断面における内法形状とほぼ同等であるが実際には小さいことが好ましい。

図９に本実施例の梱包体５００を３次元造形装置に設置する三次元造形装置システムの例を示す。図９（ａ）は梱包体５００を設置する前の粉体供給部３０５と造形部３０１を表し、図９（ｂ）は梱包体５００を設置した状態の粉体供給部３０５と造形部３０１を表している。粉体供給部３０５は、粉体供給ユニット３３０の内部に側壁部材５１０が嵌まり込むように形状が設定されている。粉体供給ステージ３３１は、側壁部材５１０から収納容器５０１の内部に向かって張り出す支持部５１１と干渉せずに底部材５２０を支持できるような大きさとして設定されている。粉体供給ステージ３３１は、ロッド３０６により、支持部５１１が底部材５２０を支持している位置から、粉体供給ステージ３３１が底部材５２０を上昇させることができる。
粉体供給ユニット３３０の内部に蓋部材５４０を取り外して開封し、３次元造形用粉体の圧縮状態が解除された梱包体５００を設置することにより、粉体を上部に押上げて、造形部に供給することが可能となる。従って、収納容器５０１を用いて３次元造形用粉体１１０を梱包、輸送、保管した後、造形に用いる際にはそのまま造形に用いられる。

造形に用いる際、固定部材５６０を緩めて３次元造形用粉体１１０に加えられた圧力を解除し、蓋部材５４０を取り除いた後、側壁部材５１０と底部材５２０を３次元造形装置の粉体供給ユニット３３０に設置する。底部材５２０の位置を３次元造形装置の粉体供給ステージ昇降機構によって制御することで、必要な量の３次元造形用粉体１１０を、造形ステージ３０２の上へ供給することができる。収納容器５０１を設置した際に、材料供給ユニットと造形部との間に隙間ができる場合は、隙間を埋めるユニットをさらに設置するとよい。

３次元造形用粉体１１０に加圧できる構造であれば、底部材５２０と蓋部材５４０の構造は、図８に限定されるものではなく、適宜変更することができる。
本実施例によれば、梱包された状態をそのまま維持して３次元造形用粉体１１０を３次元造形装置に設置することができるため、造形物の寸法精度、品質ばらつき、並びに信頼性を高めることが可能となる。

このように、複数種類の粒子を含む三次造形用粉体を本実施例にかかる梱包体５００とすることにより、３次元造形用粉体１１０を製造時の均一な混合状態を保った状態で３次元造形装置のユーザーに提供することができる。

本発明は、３次元造形装置の３次元造形用粉体に対する適用例を説明したが、粉体材料が比重の差、あるいは粒径の差が大きい複数の材料の混合物である場合には本明細書に記載された以外の用途にも広く適用可能である。

本発明によれば、粉体材料を粉体材料製造時の組成および粒径の均一性を保った状態でユーザーにおける使用環境に提供できるため、産業上の利用可能性は広範に亘る。

１００、４００、５００ 梱包体
１０１、４０１、５０１ 収納容器
１０５、４０５ 封止部
１１０ ３次元造形用粉体
３０１ 造形部
３０２ 造形ステージ
３０３ ロッド（造形ステージ昇降機構）
３０４ ローラー
３０５ 粉体供給部
３０６ ロッド（粉体供給ステージ昇降機構）
３０７ 粉体材料（造形ステージ一層分に相当する粉体）
３０８ 粉体材料（造形ステージに敷かれた粉体）
３３０ 粉体供給ユニット
３３１ 粉体供給ステージ
３５０ 切断刃
３５１ 付勢部材
４３０ 外殻容器
５１０ 側壁部材
５２０ 底部材
５３０ シール部材
５４０ 蓋部材

Claims (14)

1. 複数種類の粒子を含む３次元造形用粉体と、
   前記３次元造形用粉体を内部に圧縮された状態で収容する収納容器と、を備える３次元造形用粉体の梱包体。
2. 前記収納容器は空間を画定する外郭部を有し、
   前記外郭部の少なくとも一部は変位可能であって前記３次元造形用粉体を圧縮している請求項１に記載の３次元造形用粉体の梱包体。
3. 前記外郭部は可撓性を有し、
   前記収納容器の前記内部の圧力は前記収納容器の外部の圧力より低く、前記外郭部が前記３次元造形用粉体を圧縮している請求項２に記載の３次元造形用粉体の梱包体。
4. 前記梱包体は、前記収納容器の前記外郭部の外側に前記外郭部より剛性が高い外殻容器を有し、前記外殻容器は前記外郭部と接触している請求項３に記載の３次元造形用粉体の梱包体。
5. 前記収納容器の前記外郭部はフィルム状樹脂でできている請求項３または４に記載の３次元造形用粉体の梱包体。
6. 前記フィルム状樹脂はエチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリ塩化ビニリデン、およびポリアクリロニトリルの少なくとも一つである請求項５に記載の３次元造形用粉体の梱包体。
7. 前記フィルム状樹脂の表面はガスバリア性の膜でコートされている請求項５または６に記載の３次元造形用粉体の梱包体。
8. 前記外郭部の酸素透過率は（５０ｃｃ／ｍ^２）／ｄａｙ以下である請求項５から７のいずれか一項に記載の３次元造形用粉体の梱包体。
9. 前記収納容器の前記内部には脱酸素剤が封入されている請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の３次元造形用粉体の梱包体。
10. 前記外郭部は側壁部材と底部材と蓋部材とであって、
    前記底部材と前記蓋部材との相対位置によって前記３次元造形用粉体を圧縮する請求項２に記載の３次元造形用粉体の梱包体。
11. 前記底部材に平行な断面における前記側壁部材の内法形状は、前記３次元造形用粉体を供給する３次元造形装置の粉体供給ユニットの水平方向の断面の内法形状と相似形であり、かつ前記粉体供給ユニットの前記水平方向の前記断面の前記内法形状よりも小さい請求項１０に記載の３次元造形用粉体の梱包体。
12. 前記複数種類の粒子は、それぞれの種類によって比重が異なる請求項１から１１のいずれか一項に記載の３次元造形用粉体の梱包体。
13. 前記複数種類の粒子は、互いに粒子径が異なる請求項１から１２のいずれか一項に記載の３次元造形用粉体の梱包体。
14. ３次元造形用粉体を収容する粉末供給部と、
    前記３次元造形用粉体を焼結または溶融および凝固させて立体物を造形する造形部と、
    前記粉末供給部から前記造形部に前記３次元造形用粉体を供給する粉末移送手段と、
    を備える３次元造形装置と、
    前記３次元造形用粉体が複数種類の粒子を含み、前記３次元造形用粉体を内部に圧縮された状態で収容されている収納容器と、を備える３次元造形用粉体の梱包体と、を備える三次元造形装置システムであって、
    前記梱包体は、前記３次元造形用粉体の前記圧縮が解除された状態で前記粉末供給部に設置されていることを特徴とする三次元造形装置システム。

Images