JP2022073097A - 三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１材料造形層上に第２材料造形層を積層し該第２材料造形層にレーザーを照射する際、レーザーによる熱ストレスにより第１材料造形層が損傷することを抑制する。【解決手段】ステージ２２と、第１材料Ｏａを供給する第１材料供給手段３０Ａと、熱膨張係数が第１材料Ｏａの熱膨張係数よりも大きい第２材料Ｏｂを供給する第２材料供給手段３０Ｂと、レーザー照射手段２８と、第１レーザー照射モードと、第１レーザー照射モードよりも下層への熱の拡散が少ない第２レーザー照射モードと、を選択して、レーザー照射手段２８を制御する制御部２３と、を備え、制御部２３は、第１材料造形層５０１上に第２材料造形層５０２を形成し、該第２材料造形層５０２にレーザー照射手段２８からレーザーＬを照射する場合、第２レーザー照射モードを選択してレーザー照射手段を制御する三次元造形装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元造形装置に関する。

従来から、造形層を積層することで三次元造形物を製造する三次元造形装置が使用されている。このうち、複数の材料を用いて造形層を積層する三次元造形装置がある。例えば、特許文献１には、樹脂または金属の基板上に樹脂粉末を供給し、レーザーを該樹脂粉末に照射することで複数の材料で構成される三次元造形物を製造するレーザー粉末積層造形装置が開示されている。

ＷＯ２０１６／１２１０１３号公報

特許文献１のレーザー粉末積層造形装置は、金属の基板上に樹脂粉末を供給してレーザーを該樹脂粉末に照射するので、熱膨張係数が大きい下層の基板上に熱膨張係数が同等以下の上層にレーザーを照射することとなる。しかしながら、熱膨張係数が小さい第１材料の下層の上に、熱膨張係数が第１材料の熱膨張係数よりも大きい第２材料の上層が形成され、該上層にレーザーを照射する場合、下層にレーザーによる熱が伝わり、レーザーによる熱ストレスで下層にクラックが発生することで、三次元造形物の製造精度が低下する虞があった。

上記課題を解決するための本発明の三次元造形装置は、下層上に造形層を積層することで三次元造形物を製造する三次元造形装置であって、ステージと、第１材料を供給する第１材料供給手段と、熱膨張係数が前記第１材料の熱膨張係数よりも大きい第２材料を供給する第２材料供給手段と、レーザー照射手段と、第１レーザー照射モードと、前記第１レーザー照射モードよりも下層への熱の拡散が少ない第２レーザー照射モードと、を選択して、前記レーザー照射手段を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１材料を前記ステージ上に供給して形成される前記造形層としての第１材料造形層上に、前記第２材料を供給して形成される前記造形層としての第２材料造形層を形成し、該第２材料造形層に前記レーザー照射手段からレーザーを照射する場合、前記第２レーザー照射モードを選択して前記レーザー照射手段を制御することを特徴とする。

本発明の一実施例の三次元造形装置の構成を表す概略正面図。 図１の三次元造形装置の材料供給手段の構成を表す概略正面図。 図１の三次元造形装置のスクリューを表す概略斜視図。 図１の三次元造形装置のスクリューに造形材料が充填されている状態を表す概略平面図。 図１の三次元造形装置のバレルを表す概略平面図。 図１の三次元造形装置を用いて三次元造形物を製造している状態を表す概略正面図。 図１の三次元造形装置を用いた三次元造形方法の一例のフローチャート。 図１の三次元造形装置を用いてレーザー照射する際に使用されるレーザーのエネルギー強度分布を表すグラフ。 図１の三次元造形装置を用いてレーザー照射する際に使用されるレーザーの材料の深さ方向の熱分布を表すグラフ。

最初に、本発明について概略的に説明する。
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装置は、下層上に造形層を積層することで三次元造形物を製造する三次元造形装置であって、ステージと、第１材料を供給する第１材料供給手段と、熱膨張係数が前記第１材料の熱膨張係数よりも大きい第２材料を供給する第２材料供給手段と、レーザー照射手段と、第１レーザー照射モードと、前記第１レーザー照射モードよりも下層への熱の拡散が少ない第２レーザー照射モードと、を選択して、前記レーザー照射手段を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１材料を前記ステージ上に供給して形成される前記造形層としての第１材料造形層上に、前記第２材料を供給して形成される前記造形層としての第２材料造形層を形成し、該第２材料造形層に前記レーザー照射手段からレーザーを照射する場合、前記第２レーザー照射モードを選択して前記レーザー照射手段を制御することを特徴とする。

本態様によれば、第１レーザー照射モードに加え、第１レーザー照射モードよりも下層への熱の拡散が少ない第２レーザー照射モードを有する。そして、第１材料をステージ上に供給して形成される下層としての第１材料造形層上に、熱膨張係数が第１材料の熱膨張係数よりも大きい第２材料を供給して形成される上層としての第２材料造形層を形成し、該第２材料造形層にレーザー照射手段からレーザーを照射する場合、第２レーザー照射モードを選択する。ここで、熱膨張係数が第２材料よりも小さい第１材料で形成される第１材料造形層は、第２材料造形層よりも、熱ストレスがかかった場合に損傷しやすい。しかしながら、本態様によれば、第２材料造形層である上層にレーザーを照射する場合に、熱膨張係数が第２材料よりも小さい第１材料で形成される第１材料造形層である下層に、レーザーによる熱が伝わらないようにすることができる。したがって、第１材料造形層上に第２材料造形層を積層し該第２材料造形層にレーザーを照射する際、レーザーによる熱ストレスで第１材料造形層が損傷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装置は、前記第１の態様において、前記第２レーザー照射モードは、前記第１レーザー照射モードよりもパルス幅の短いレーザーを使用することを特徴とする。

本態様によれば、第２レーザー照射モードで、第１レーザー照射モードよりもパルス幅の短いレーザーを使用する。パルス幅の短いレーザーを使用することで熱の拡散を低下することができるので、第１材料造形層上に第２材料造形層を積層し該第２材料造形層にレーザーを照射する際、レーザーによる熱ストレスで第１材料造形層が損傷することを抑制することができる。

本発明の第３の態様の三次元造形装置は、前記第１の態様において、少なくとも前記第２レーザー照射モードはトップハット形状のエネルギー強度分布を有するレーザーを使用することを特徴とする。

本態様によれば、第２レーザー照射モードで、トップハット形状のエネルギー強度分布を有するレーザーを使用する。トップハット形状のエネルギー強度分布を有するレーザーを使用することで、ガウシアン分布のエネルギー強度分布を有するレーザーを使用する場合に比べて、一定幅の溶融可能な領域に与える熱エネルギーが均等に与えることができ、ガウシアン分布のように過剰な熱エネルギーの供給を抑えられ、広範囲にわたる熱の拡散を抑制することができるので、第１材料造形層上に第２材料造形層を積層し該第２材料造形層にレーザーを照射する際、レーザーによる熱ストレスで第１材料造形層が損傷することを抑制することができる。

本発明の第４の態様の三次元造形装置は、前記第１から第３のいずれか１つの態様において、前記第１材料はセラミックであることを特徴とする。

本態様によれば、第１材料はセラミックである。このため、下層であるセラミック層の上に上層を積層し該上層にレーザーを照射する際、レーザーによる熱ストレスで下層のセラミック層が損傷することを抑制することができる。

本発明の第５の態様の三次元造形装置は、前記第１から第４のいずれか１つの態様において、前記第２材料は金属であることを特徴とする。

本態様によれば、第２材料は金属である。このため、下層の上に金属層を積層し該金属層にレーザーを照射する際、レーザーによる熱ストレスで下層が損傷することを抑制することができる。特に、下層をセラミック層とした場合に、下層であるセラミック層の上に金属層を積層し該金属層にレーザーを照射する際、レーザーによる熱ストレスで下層であるセラミック層が損傷することを特に効果的に抑制することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。なお、以下の図はいずれも概略図であり、一部構成部材を省略または簡略化して表している。また、各図中のＸ軸方向は水平方向であり、Ｙ軸方向は水平方向であるとともにＸ軸方向と直交する方向であり、Ｚ軸方向は鉛直方向である。

最初に、本発明の一実施例の三次元造形装置１の全体構成について図１から図５を参照して説明する。

本実施例の三次元造形装置１は、第１材料Ｏａと第２材料Ｏｂとを用いて造形層５００を積層し、少なくとも第２材料ＯｂをレーザーＬで焼結することで三次元造形物Ｏを製造する三次元造形装置である。第１材料Ｏａに関しては、焼結しない構成としてもよいし、焼結する構成としてもよい。図１で表されるように、本実施例の三次元造形装置１は、造形層５００を形成するための材料を供給する２つの材料供給手段３０と、三次元造形物Ｏを造形するためのステージとしてのステージユニット２２と、造形層にレーザーＬを照射可能なレーザー照射手段２８と、を備えている。さらに、材料供給手段３０、ステージユニット２２及びレーザー照射手段２８など、三次元造形装置１の各構成部分の駆動を制御する制御部２３を備えている。

本実施例の三次元造形装置１は、材料供給手段３０として、第１材料Ｏａを供給する第１材料供給手段３０Ａと、第２材料Ｏｂを供給する第２材料供給手段３０Ｂと、を備えている。第２材料Ｏｂは、熱膨張係数が第１材料Ｏａの熱膨張係数よりも大きい材料が使用される。本実施例の三次元造形装置１においては、三次元造形物Ｏを造形する造形材料としてペレット１９を使用可能である。すなわち、第１材料Ｏａを有するペレット１９Ａが第１材料供給手段３０Ａでは使用され、第２材料Ｏｂを有するペレット１９Ｂが第２材料供給手段３０Ｂでは使用される。ペレット１９Ａには第１材料Ｏａの他にバインダーなどその他の材料を含んでいてもよく、ペレット１９Ｂには第２材料Ｏｂの他にバインダーなどその他の材料を含んでいてもよい。ここで、本実施例の三次元造形装置１においては、第１材料供給手段３０Ａと第２材料供給手段３０Ｂとは全く同様の構成をしている。

図２は、材料供給手段３０を表すが、第１材料供給手段３０Ａと第２材料供給手段３０Ｂとは全く同様の構成をしているので、第１材料供給手段３０Ａ及び第２材料供給手段３０Ｂのどちらにも対応している。図２で表されるように、材料供給手段３０は、三次元造形物Ｏを造形する造形材料としてのペレット１９を収容するホッパー２を備えている。ホッパー２に収容されたペレット１９は、供給管３を介して、略円柱状のフラットスクリューであるスクリュー４の円周面４ａに供給される。

本実施例の三次元造形装置１は、三次元造形物Ｏを造形する造形材料としてペレット１９を使用し、フラットスクリューにより造形材料を可塑化しながら造形材料を吐出する構成であるが、本発明はこのような構成の三次元造形装置１に限定されない。例えば、樹脂製の線状の造形材料であるフィラメントや、金属粉末に樹脂材料を混ぜた金属フィラメントを溶融しながら連続的に吐出部から吐出して三次元造形物Ｏを造形する構成などであってもよい。さらには、第１材料Ｏａや第２材料Ｏｂを溶媒に溶解または分散媒に分散させた流体を吐出部から吐出して三次元造形物Ｏを造形する構成などであってもよい。

図３で表されるように、スクリュー４の底面である溝形成面１８には、円周面４ａから中央部Ｃｐまで至る螺旋状の溝４ｂが形成されている。別の表現をすると、溝４ｂが形成されることに伴って形成されるリブ４ｄが溝形成面１８を形成している。本実施例の三次元造形装置１は、図２で表される駆動モーター６がスクリュー４をＺ軸方向に沿う方向を回転軸として回転させることにより、図４で表されるように、ペレット１９を円周面４ａから中央部Ｃｐまで可塑化させながら供給する。なお、図１では省略されているが、駆動モーター６の昇温を抑制するため、駆動モーター６の近傍において冷却水が循環している。

図２で表されるように、スクリュー４の溝形成面１８と対向する位置には、バレル５が所定の間隔を有して設けられている。そして、バレル５の上面である溝形成面１８に対する対向面８の近傍には、加熱部７が設けられている。スクリュー４とバレル５とがこのような構成をしていることにより、スクリュー４を回転させることで、溝４ｂの位置に対応するとともにスクリュー４の溝形成面１８とバレル５の対向面８との間に形成される空間部分２０にペレット１９は供給され、ペレット１９は円周面４ａから中央部Ｃｐに移動する。なお、ペレット１９が溝４ｂによる空間部分２０を移動する際、ペレット１９は、加熱部７の熱により溶融され、また、狭い空間部分２０を移動することに伴う圧力で加圧される。こうして、ペレット１９は、可塑化されることで連通孔５ａを介してノズル１０ａに供給されてノズル１０ａから吐出される。

図５などで表されるように、平面視でバレル５の中央部Ｃｐには、溶融したペレット１９の移動経路である連通孔５ａが形成されている。図２で表されるように、連通孔５ａは、造形材料を吐出する吐出部１０のノズル１０ａと繋がっている。連通孔５ａには、不図示のフィルターが設けられている。なお、本実施例のバレル５には形成されていないが、バレル５の対向面８に連通孔５ａに繋がる溝が形成されていてもよい。対向面８に連通孔５ａに繋がる溝が形成されることで、造形材料が連通孔５ａに向かって集まり易くなる場合がある。

ここで、吐出部１０は、可塑化され流体状態の造形材料をノズル１０ａから連続的に吐出することが可能な構成になっている。なお、図２で表されるように、吐出部１０には、造形材料を所望の粘度にするためのヒーター９が設けられている。吐出部１０から吐出される造形材料は、線形の形状で吐出される。そして、吐出部１０から線状に造形材料を吐出することで造形層５００を形成する。

本実施例の三次元造形装置１は、ホッパー２、供給管３、スクリュー４、バレル５、駆動モーター６及び吐出部１０などを有する材料供給手段３０を備えている。なお、本実施例の三次元造形装置１は、第１材料Ｏａを吐出する第１材料供給手段３０Ａ及び第２材料Ｏｂを吐出する第２材料供給手段３０Ｂを各々１つずつ備える構成であるが、第１材料供給手段３０Ａ及び第２材料供給手段３０Ｂの少なくとも一方を複数備える構成としてもよい。

また、図１で表されるように、本実施例の三次元造形装置１は、材料供給手段３０から吐出されることで形成される造形層５００を載置するためのステージユニット２２を備えている。ステージユニット２２は、基体部２２１と、第１テーブル２２２と、第２テーブル２２３と、第３テーブル２２４と、を備えている。第１テーブル２２２は、Ｙ軸方向において、材料供給手段３０による造形層形成領域２４から詳細は後述するレーザー照射手段２８によるレーザー照射領域２５まで至る大きさであり、制御部２３の制御によって、第２テーブル２２３はモーター２２５により第１テーブル２２２に対してＹ軸方向に沿って移動可能である。また、制御部２３の制御によって、第３テーブル２２４はモーター２２６により第２テーブル２２３に対してＸ軸方向に沿って移動可能である。なお、ステージユニット２２の構成に特に限定は無く、例えば、第２テーブル２２３及び第３テーブル２２４を造形層形成領域２４からレーザー照射領域２５まで移動するためのテーブル及びモーターをさらに別に設けていてもよい。

本実施例の三次元造形装置１は、第２テーブル２２３が第１テーブル２２２に対してＹ軸方向に沿って移動することで、第２テーブル２２３及び第３テーブル２２４を造形層形成領域２４からレーザー照射領域２５まで移動することが可能となっている。第２テーブル２２３及び第３テーブル２２４を造形層形成領域２４に位置させて材料供給手段３０により造形層５００を形成し、第２テーブル２２３及び第３テーブル２２４をレーザー照射領域２５に位置させてレーザー照射手段２８によりレーザー照射を行う。

なお、材料供給手段３０は造形層形成領域２４において不図示のモーターにより造形層５００の積層に伴ってＺ軸方向に沿って移動可能に構成されており、レーザー照射手段２８もレーザー照射領域２５において不図示のモーターにより造形層５００の積層に伴ってＺ軸方向に沿って移動可能に構成されている。本実施例の三次元造形装置１は、このような構成になっていることにより、造形層形成領域２４においてステージユニット２２と材料供給手段３０とを相対移動させつつ第３テーブル２２４上に造形層５００を形成可能であるとともに、レーザー照射領域２５においてステージユニット２２とレーザー照射手段２８とを相対移動させつつ第３テーブル２２４上に形成された造形層５００に対してレーザーＬを所望の位置に照射可能である。ステージユニット２２と材料供給手段３０との配置の制御、並びに、ステージユニット２２とレーザー照射手段２８との配置の制御は、いずれも制御部２３により行われる。

レーザー照射手段２８は、図１で表されるように、レーザー照射部２８１と、ガルバノミラー２８２と、を備えている。レーザー照射手段２８は、制御部２３からの制御信号に基づき、レーザー照射部２８１から所定出力のレーザーＬが発振されることで、レーザーＬが照射される。レーザーＬは、造形層５００に照射され、造形層５００に含まれる例えば金属粉末などを焼結し固体化する。その時、同時に造形層５００に含まれるバインダーなどはレーザーＬの熱により蒸散される。レーザーＬとしては特に限定はないが、ファイバーレーザーは、金属の吸収効率などが高い利点があることから、好適に用いられる。また、Ｑスイッチを搭載しパルス制御されたＹＡＧレーザーを用いても構わない。

ここで、第１材料Ｏａ及び第２材料Ｏｂに特に限定はないが、第１材料Ｏａとしてはセラミックを好ましく使用することができる。本実施例の三次元造形装置１は、第１材料Ｏａとしてセラミックを使用して下層であるセラミック層の上に上層を積層し該上層にレーザーＬを照射する際、レーザーＬによる熱ストレスで下層のセラミック層が破損することを抑制することができる。

また、第２材料Ｏｂとしては金属を好ましく使用することができる。本実施例の三次元造形装置１は、下層の上に金属層を積層し該金属層にレーザーＬを照射する際、レーザーＬによる熱ストレスで下層が破損することを抑制することができる。特に、本実施例の三次元造形装置１は、下層をセラミック層とした場合に、下層であるセラミック層の上に金属層を積層し該金属層にレーザーＬを照射する際、レーザーＬによる熱ストレスで下層であるセラミック層が破損することを特に効果的に抑制することができる。

しかしながら、上記のように、第１材料Ｏａ及び第２材料Ｏｂに特に限定は無く、金属やセラミックのほか、樹脂等を使用してもよく、またそれらを２種以上混合して使用してもよい。ただし、第２材料Ｏｂの熱膨張係数が第１材料Ｏａの熱膨張係数よりも大きいことが条件となる。

具体的には。第１材料Ｏａ及び第２材料Ｏｂに使用可能な金属またはセラミックとして、アルミニウム、チタン、鉄、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、マルエージング鋼等の各種金属、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコン、酸化錫、酸化マグネシウム、チタン酸カリウム等の各種金属酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム等の各種金属水酸化物、窒素珪素、窒素チタン、窒化アルミニウム等の各種金属窒化物、炭化珪素、炭化チタン、窒化アルミニウム等の各種金属窒化物、炭化珪素、炭化チタン等の各種金属炭化物、硫化亜鉛等の各種金属硫化物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の各種金属の炭酸塩、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム等の各種金属の硫酸塩、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム等の各種金属のケイ酸塩、リン酸カルシウム等の各種金属のリン酸塩、ホウ酸アルミニウム、ホウ酸マグネシウム等の各種金属のホウ酸塩や、これらの複合化合物等、石膏（硫酸カルシウムの各水和物、硫酸カルシウムの無水物）等が挙げられる。

また、第１材料Ｏａ及び第２材料Ｏｂに使用可能な樹脂としては、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、合成樹脂等が挙げられる。また、例えば、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）等の熱可塑性樹脂が挙げられる。レーザー照射により焼結される第２材料Ｏｂとして樹脂を使用する場合は、ＰＥＥＫ（ポリエチルエーテルケトン）などスーパーエンプラと呼ばれる耐熱性の樹脂を好ましく用いることができる。また、金属またはセラミックとともに上記樹脂を含有させたペレット状態などとしてもよい。また、ペレット状態でなく、上述した金属、セラミックまたは樹脂を微小な粒子の状態で、溶媒または分散媒中に溶解または分散させるようにしてもよい。なお、溶媒または分散媒などの溶剤やバインダーは、通常、レーザーＬの照射前に乾燥して除かれるか、レーザーＬの照射に伴い分解されて消失する。

溶媒または分散媒としては、例えば、蒸留水、純水、ＲＯ水等の各種水の他、メタノール、エタノール、２－プロパノール、１－ブタノール、２－ブタノール、オクタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル（メチルセロソルブ）等のエーテル類（セロソルブ類）、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、ギ酸エチル等のエステル類、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルイソプロピルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、ペンタン、ヘキサン、オクタン等の脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の環式炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキシルベンゼン、ヘブチルベンゼン、オクチルベンゼン、ノニルベンゼン、デシルベンゼン、ウンデシルベンゼン、ドデシルベンゼン、トリデシルベンゼン、テトラデシルベンゼン等の長鎖アルキル基及びベンゼン環を有する芳香族炭火水素類、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、１，２－ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類、ピリジン、ピラジン、フラン、ピロール、チオフェン、メチルピロリドンのいずれか一つを含む芳香族複素環類、アセトニトクル、プロピオニトリル、アクリロニトリル等のニトリル類、Ｎ，Ｎ－ジメチルアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド等のアミド類、カルボン酸塩又はその他の各種油類等が挙げられる。溶剤または分散媒は、レーザーＬの照射前に、通常、乾燥して除かれる。

次に、上記の三次元造形装置１を用いて実行する三次元造形方法の一例について、図６を参照しつつ、図７のフローチャートを用いて説明する。本実施例の三次元造形方法では、最初に、ステップＳ１１０で、三次元造形装置１は、不図示の外部コンピューターなどから造形データを入力する。

次に、ステップＳ１２０で、ステップＳ１１０で入力した造形データに基づいて１層分の造形層５００を形成する。ここで、図６の一番上の状態図は、第１材料供給手段３０Ａにより第１材料Ｏａからなる１層目の造形層５０１が第３テーブル２２４上に形成された状態を表している。なお、図６の一番上の状態図は、第１材料Ｏａのみからなる１層目の造形層５０１が第３テーブル２２４上に形成されているが、第１材料Ｏａと第２材料Ｏｂとからなる１層目の造形層５０１が第３テーブル２２４上に形成される場合や、第２材料Ｏｂのみからなる１層目の造形層５０１が第３テーブル２２４上に形成される場合もある。

次に、ステップＳ１３０で、ステップＳ１２０で形成された造形層５００にレーザーＬを照射するか否かを制御部２３で判断する。そして、本ステップでレーザーＬを照射すると判断した場合はステップＳ１４０に進み、本ステップでレーザーＬを照射しないと判断した場合はステップＳ１７０に進む。しかしながら、図６で表される実施例においては、第１材料Ｏａがセラミックで第２材料Ｏｂが金属であり、造形層５００のうちの第１材料Ｏａで形成された部分及び第２材料Ｏｂで形成された部分の両方にレーザーＬを照射することとする。このため、図６で表される実施例においては、本ステップでステップＳ１４０に進む。なお、図６の上から２番目の状態図は、ステップＳ１２０で形成された直後の造形層５００に対応する第１材料領域のみからなる１層目の造形層５０１に対して、レーザー照射を行っている状態を表している。ただし、例えば、第１材料Ｏａとして焼結が必要ない造形材料を使用した場合は、制御部２３は該造形層５００に対してレーザーＬを照射しないと判断する。

ステップＳ１４０では、ステップＳ１２０で形成された直後の造形層５００に対してすぐ下の層である下層が第１材料Ｏａで形成された層か否かを制御部２３で判断する。この「第１材料Ｏａで形成された層」には、一部のみが第１材料Ｏａで形成された層である場合も含む。本ステップで下層が第１材料Ｏａで形成された層ではないと判断した場合はステップＳ１５０に進み、ステップＳ１２０で形成された直後の造形層５００に対して第１レーザー照射モードでレーザー照射を行う。一方、本ステップで下層が第１材料Ｏａで形成された層であると判断した場合はステップＳ１６０に進み、ステップＳ１２０で形成された直後の造形層５００に対して第２レーザー照射モードでレーザー照射を行う。なお、図６の上から２番目の状態図は、下層が第１材料Ｏａで形成された層ではない１層目の造形層５０１に対して、第１レーザー照射モードでレーザー照射を行っている状態を表している。

ステップＳ１５０及びステップＳ１６０は、いずれも、ステップＳ１２０で形成された直後の造形層５００を焼結させるステップである。さらに詳細には、下層を熱ストレスにより破損等させてしまうことなく、ステップＳ１２０で形成された直後の造形層５００を焼結させるステップである。第２材料Ｏｂが金属またはセラミックである場合はステップＳ１５０またはステップＳ１６０において該金属またはセラミックを焼結させるが、第２材料Ｏｂが樹脂の場合でも例えば該樹脂としてスーパーエンプラなどを使用した場合などにおいてはステップＳ１５０またはステップＳ１６０において該樹脂を焼結させる。なお、本実施例においては、第１材料ＯａにもレーザーＬを照射することとして該第１材料Ｏａも焼結させるが、上記のように、第１材料Ｏａに関しては焼結させないこととしてもよい。

ここで、第１レーザー照射モードは通常状態のレーザー照射モードであり、第２レーザー照射モードは第１レーザー照射モードよりも下層への熱の拡散が少ないレーザー照射モードである。具体的には、第２レーザー照射モードは、第１レーザー照射モードよりもパルス幅の短いレーザーを使用するレーザー照射モードである。ステップＳ１５０の終了及びステップＳ１６０の終了に伴い、ステップＳ１７０に進む。

ステップＳ１７０では、ステップＳ１１０で入力した造形データに基づく三次元造形がすべて終了したか否かを制御部２３で判断する。ステップＳ１１０で入力した造形データに基づく三次元造形がすべて終了したと判断した場合は、本実施例の三次元造形方法を終了する。一方、ステップＳ１１０で入力した造形データに基づく三次元造形が終了していないと判断した場合は、ステップＳ１２０に戻り、ステップＳ１１０で入力した造形データに基づく三次元造形がすべて終了したと判断するまで、ステップＳ１２０からステップＳ１７０を繰り返す。

ここで、図６の上から３番目の状態図は、第１材料造形層としての１層目の造形層５０１を造形した後に、２層目の造形層５０２の一部分を第１材料供給手段３０Ａにより造形層５０１上に形成した状態を表している。そして、図６の上から４番目の状態図は、第１材料Ｏａに隣接して第２材料Ｏｂで２層目の造形層５０２の残りの部分を第２材料供給手段３０Ｂにより造形層５０１上に形成した状態を表している。２層目の造形層５０２のうち、第２材料Ｏｂにより形成された部分に対しては、造形層５０２の下層である造形層５０１が第１材料Ｏａで形成された造形層５００なので、ステップＳ１４０では造形層５０２の第２材料Ｏｂにより形成された部分に対して第２レーザー照射モードでレーザー照射を行う。図６の一番下の状態図は、造形層５０２の第２材料Ｏｂにより形成された部分に対して第２レーザー照射モードでレーザー照射を行っている状態を表している。なお、本実施例では、造形層５０２の第１材料Ｏａにより形成された部分に対しても第２レーザー照射モードでレーザー照射を行うが、熱伝導性の低いセラミックで形成される当該部分に関しては第１レーザー照射モードでレーザー照射を行ってもよい。

このように、制御部２３は、第１レーザー照射モードと第２レーザー照射モードとを選択してレーザー照射手段２８を制御する。そして、制御部２３は、図６の造形層５０１のように第１材料Ｏａを供給して形成される第１材料造形層上に、図６の造形層５０２における第２材料Ｏｂにより形成された部分のように第２材料Ｏｂを供給して形成される第２材料造形層を形成し、該第２材料造形層にレーザー照射手段２８からレーザーＬを照射する場合、第２レーザー照射モードを選択してレーザー照射手段２８を制御する。

このように、本実施例の三次元造形装置１は、第１レーザー照射モードに加え、第１レーザー照射モードよりも下層への熱の拡散が少ない第２レーザー照射モードを有する。そして、第１材料Ｏａをステージ上に供給して形成される下層としての第１材料造形層上に、熱膨張係数が第１材料Ｏａの熱膨張係数よりも大きい第２材料Ｏｂを供給して形成される上層としての第２材料造形層を形成し、該第２材料造形層にレーザー照射手段２８からレーザーＬを照射する場合、第２レーザー照射モードを選択する。ここで、熱膨張係数が第２材料Ｏｂよりも小さい第１材料Ｏａで形成される第１材料造形層は、第２材料造形層よりも、熱ストレスがかかった場合に損傷しやすい。しかしながら、本実施例の三次元造形装置１は、第２材料造形層である上層にレーザーＬを照射する場合に、熱膨張係数が第２材料Ｏｂよりも小さい第１材料Ｏａで形成される第１材料造形層である下層に、レーザーＬによる熱が伝わらないようにすることができる。したがって、本実施例の三次元造形装置１は、第１材料造形層上に第２材料造形層を積層し該第２材料造形層にレーザーＬを照射する際、レーザーＬによる熱ストレスで第１材料造形層が損傷することを抑制することができる。ここで、「熱ストレス」とは、急激な温度変化を意味し、急激な温度変化に伴って急激な体積変化を引き起こす場合などに対応する。

また、上記のように、本実施例の三次元造形装置１においては、第２レーザー照射モードは、第１レーザー照射モードよりもパルス幅の短いレーザーＬを使用する。パルス幅の短いレーザーＬを使用することで熱の拡散を低下することができる。パルス幅を短くするほどピンポイントにエネルギーを集約できるようになるためである。このため、本実施例の三次元造形装置１は、第１材料造形層上に第２材料造形層を積層し該第２材料造形層にレーザーＬを照射する際、レーザーＬによる熱ストレスで第１材料造形層が損傷することを抑制することができる。

また、本実施例の三次元造形装置１は、第２レーザー照射モードにおいてトップハット形状のエネルギー強度分布を有するレーザーＬを使用し、第１レーザー照射モードにおいてガウシアン分布のエネルギー強度分布を有するレーザーＬを使用することもできる。図８は、トップハット形状のエネルギー強度分布を有するレーザーＬ及びガウシアン分布のエネルギー強度分布を有するレーザーＬのエネルギー強度分布を表す一例のグラフである。

ここで、トップハット形状のエネルギー強度分布を有するレーザーＬは、一般的にＳＬＳ（選択式レーザー焼結）方式、又はＳＭＳ（選択式マスク焼結）方式に採用されているガウシアン分布のレーザー光源の光学系にトップハット分布にレーザープロファイルを変換可能な回折光学素子（ＤＯＥ）などを用いたレンズシステム（ガウシアン分布からトップハット形状の分布へと変換する手段）を組み込むことにより形成している。ただし、レンズシステムとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、装置名：ＳｔａｒＬｉｔｅ、ＯＰＨＩＲ社製などを使用することができる。

トップハット形状のエネルギー強度分布を有するレーザーＬを使用することで、ガウシアン分布のエネルギー強度分布を有するレーザーＬを使用する場合に比べて、一定幅の溶融可能な領域に与える熱エネルギーが均等に与えることができ、ガウシアン分布のように過剰な熱エネルギーの供給を抑えられ、広範囲にわたる熱の拡散を抑制することができる。図８に示されるエネルギー分布、及び図９に示される材料の深さ方向の熱分布のグラフでも表されるように、トップハット形状のエネルギー強度分布を有するレーザーＬを使用することで、一定幅の溶融可能な領域に与える熱エネルギーが均等に、溶融に必要な量を与えることができ、ガウシアン分布のように過剰な熱エネルギーの供給を抑えられ、広範囲にわたる熱の拡散を抑制することができるためである。このため、本実施例の三次元造形装置１は、第１材料造形層上に第２材料造形層を積層し該第２材料造形層にレーザーＬを照射する際、レーザーＬによる熱ストレスで第１材料造形層が損傷することを抑制することができる。

上記のように、本実施例の三次元造形装置１は、第１レーザー照射モードと、第１レーザー照射モードよりも下層への熱の拡散が少ない第２レーザー照射モードとで、パルス幅を変更する方法と、パルスの形状を変更する方法と、を採用可能な構成としている。しかしながら、これらの一方の方法のみを採用する構成としてもよいし、さらに別の方法を採用する構成としてもよい。

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。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。

１…三次元造形装置、２…ホッパー、３…供給管、４…スクリュー、４ａ…円周面、４ｂ…溝、４ｄ…リブ、５…バレル、５ａ…連通孔、６…駆動モーター、７…加熱部、８…対向面、９…ヒーター、１０…吐出部、１０ａ…ノズル、１８…溝形成面、１９…ペレット、１９Ａ…ペレット、１９Ｂ…ペレット、２２…ステージユニット（ステージ）、２３…制御部、２４…造形層形成領域、２５…レーザー照射領域、２８…レーザー照射手段、３０…材料供給手段、３０Ａ…第１材料供給手段、３０Ｂ…第２材料供給手段、２２１…基体部、２２２…第１テーブル、２２３…第２テーブル、２２４…第３テーブル、２２５…モーター、２２６…モーター、２８１…レーザー照射部、２８２…ガルバノミラー、５００…造形層、５０１…１層目の造形層（第１材料造形層）、５０２…２層目の造形層（第２材料造形層）、Ｃｐ…中央部、Ｏ…三次元造形物、Ｏａ…第１材料、Ｏｂ…第２材料

Claims (5)

1. 下層上に造形層を積層することで三次元造形物を製造する三次元造形装置であって、
   ステージと、
   第１材料を供給する第１材料供給手段と、
   熱膨張係数が前記第１材料の熱膨張係数よりも大きい第２材料を供給する第２材料供給手段と、
   レーザー照射手段と、
   第１レーザー照射モードと、前記第１レーザー照射モードよりも前記下層への熱の拡散が少ない第２レーザー照射モードと、を選択して、前記レーザー照射手段を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記第１材料を前記ステージ上に供給して形成される前記造形層としての第１材料造形層上に、前記第２材料を供給して形成される前記造形層としての第２材料造形層を形成し、該第２材料造形層に前記レーザー照射手段からレーザーを照射する場合、前記第２レーザー照射モードを選択して前記レーザー照射手段を制御することを特徴とする三次元造形装置。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置において、
   前記第２レーザー照射モードは、前記第１レーザー照射モードよりもパルス幅の短いレーザーを使用することを特徴とする三次元造形装置。
3. 請求項１に記載の三次元造形装置において、
   少なくとも前記第２レーザー照射モードはトップハット形状のエネルギー強度分布を有するレーザーを使用することを特徴とする三次元造形装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
   前記第１材料はセラミックであることを特徴とする三次元造形装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の三次元造形装置において、
   前記第２材料は金属であることを特徴とする三次元造形装置。

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