JP2022073099A - 三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１材料領域と第２材料領域とを有する１層分の造形層にレーザーを照射する際、造形層が損傷することや変形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、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レーザー照射走査と第２レーザー照射走査とを分け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材料領域Ｒ１と第２材料領域Ｒ２とが１層分の造形層５００において隣接して配置される場合、第１材料領域Ｒ１について第１レーザー照射走査でレーザーＬを照射させ、第２材料領域Ｒ２について第２レーザー照射走査でレーザーＬを照射させる三次元造形装置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、基板の熱膨張係数と同等以下の樹脂粉末にレーザーを照射することとなる。しかしながら、１層分の造形層において、熱膨張係数が小さい第１材料と熱膨張係数が大きい第２材料とを隣接して配置し、第１材料で形成される第１材料領域と第２材料で形成される第２材料領域について連続してレーザーを照射させると、第１材料領域及び第２材料領域のうちの先にレーザーが照射され焼結または高温化した領域に、第１材料領域及び第２材料領域のうちの後にレーザーが照射された領域からさらに連続して熱が伝わってくる。このため、第１材料領域と第２材料領域との隣接する領域などにおいて、造形層がレーザーによる熱ストレスにより損傷する虞や、造形層がレーザーによる熱で変形する虞などがあり、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、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、前記第１材料と異なる第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レーザー照射走査と第２レーザー照射走査とを分け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材料供給手段から前記第１材料を供給して形成される第１材料領域と、前記第２材料供給手段から前記第２材料を供給して形成される第２材料領域と、が１層分の前記造形層において隣接して配置される場合、前記第１材料領域について前記第１レーザー照射走査で前記レーザー照射手段からレーザーを照射させ、前記第２材料領域について前記第２レーザー照射走査で前記レーザー照射手段からレーザーを照射させ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、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、前記第１材料と異なる第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レーザー照射走査と第２レーザー照射走査とを分け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材料供給手段から前記第１材料を供給して形成される第１材料領域と、前記第２材料供給手段から前記第２材料を供給して形成される第２材料領域と、が１層分の前記造形層において隣接して配置される場合、前記第１材料領域について前記第１レーザー照射走査で前記レーザー照射手段からレーザーを照射させ、前記第２材料領域について前記第２レーザー照射走査で前記レーザー照射手段からレーザーを照射させることを特徴とする。

本態様によれば、第１レーザー照射走査と第２レーザー照射走査とを分けてレーザー照射手段を制御することができる。そして、第１材料領域と第２材料領域とが１層分の造形層において隣接して配置される場合、第１材料領域について第１レーザー照射走査でレーザーを照射させ、第２材料領域について第２レーザー照射走査でレーザーを照射させることができる。このため、第１材料領域と第２材料領域について連続してレーザーを照射させることに伴って、先にレーザーが照射され焼結または高温化した領域に、後にレーザーが照射された領域からさらに連続して熱が伝わってくることを、抑制することができる。したがって、第１材料領域と第２材料領域との隣接部分などにおいて、造形層がレーザーによる熱ストレスで損傷することや、造形層がレーザーによる熱で変形することを、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材料の熱膨張係数は、前記第１材料の熱膨張係数よりも大きく、前記制御部は、前記第２材料領域についての前記第２レーザー照射走査を前記第１材料領域についての前記第１レーザー照射走査よりも先に実行するよう前記レーザー照射手段を制御することを特徴とする。

熱膨張係数の異なる造形材料を用いて１層分の造形層を形成すると、レーザー照射に伴い、レーザーによる熱ストレスによって造形層が損傷しやすくなる。特に、熱膨張係数が大きい造形材料で形成された領域よりも先に熱膨張係数が小さい造形材料で形成された領域を先にレーザー照射すると、熱膨張係数が大きい造形材料で形成された領域にレーザー照射することに伴う、熱膨張係数が小さい造形材料で形成された領域の損傷がしやすくなる。しかしながら、本態様によれば、熱膨張係数の異なる第１材料と第２材料とを用いて１層分の造形層を形成する場合においても、レーザーによる熱ストレスによって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２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。焼結後のセラミックは熱ストレスによって損傷しやすいが、本態様によれば、第１材料としてセラミックを使用した場合においても、例えば、セラミック領域が焼結した後に第２材料領域からさらに熱が伝わってくることを抑制でき、レーザーによる熱ストレスでセラミック領域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２または第３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。金属は隣接する領域に熱を伝えやすいが、本態様によれば、第２材料として金属を使用した場合においても、例えば、第１材料領域が冷えてから第２材料領域にレーザー照射することができ、レーザーによる熱ストレスで第１材料領域が損傷することを抑制することができる。特に、第１材料としてセラミックを使用した場合、レーザーによる熱ストレスでセラミック領域が損傷することを効果的に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の態様において、前記第２材料の焼結温度は、前記第１材料の融点よりも高いことを特徴とする。

焼結温度が第１材料の融点よりも高い第２材料を使用した場合、第２材料にレーザー照射すると、第１材料は変形しやすい。しかしながら、本態様によれば、焼結温度が第１材料の融点よりも高い第２材料を使用した場合においても、例えば、第１材料領域が高温状態のときに第２材料領域から熱が伝わってくることを抑制でき、レーザーによる熱で第１材料領域が変形することを抑制することができる。

本発明の第６の態様の三次元造形装置は、前記第５の態様において、前記第１材料は樹脂であることを特徴とする。

本態様によれば、第１材料は樹脂である。一般的に樹脂は熱によって変形しやすいものが多いが、本態様によれば、第１材料として樹脂を使用した場合においても、例えば、樹脂領域が高温状態のときに第２材料から熱が伝わってくることを抑制でき、レーザーによる熱で樹脂領域が変形することを抑制することができる。

本発明の第７の態様の三次元造形装置は、前記第５または第６の態様において、前記第２材料は金属また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２材料は金属またはセラミックである。金属またはセラミックは隣接する領域に熱を伝えやすいが、本態様によれば、第２材料として金属またはセラミックを使用した場合においても、例えば、第１材料領域が冷えてから第２材料領域にレーザー照射することができ、レーザーによる熱で第１材料領域が変形することを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、第１材料Ｏａ及び第２材料Ｏｂの両方をレーザー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。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、第１材料Ｏａとは異なる材料が使用される。例えば、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。また、例えば、焼結温度が第１材料Ｏａの融点よりも高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、例えば、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造形材料とすることができる。熱膨張係数の異なる造形材料を用いて１層分の造形層５００を形成すると、レーザー照射に伴い、レーザーＬによる熱ストレスによって造形層５００が損傷しやすくなる。特に、熱膨張係数が大きい造形材料で形成された領域よりも先に熱膨張係数が小さい造形材料で形成された領域を先にレーザー照射すると、熱膨張係数が大きい造形材料で形成された領域にレーザー照射することに伴って、熱膨張係数が小さい造形材料で形成された領域の損傷がしやすくなる。しかしながら、本実施例の三次元造形装置１は、後述する制御部２３の制御により、第２材料領域Ｒ２についての第２レーザー照射走査を第１材料領域Ｒ１についての第１レーザー照射走査よりも先に実行するようレーザー照射手段２８を制御する。このことで、本実施例の三次元造形装置１は、熱膨張係数の異なる第１材料Ｏａと第２材料Ｏｂとを用いて１層分の造形層５００を形成する場合においても、レーザーＬによる熱ストレスによって造形層５００が損傷することを抑制することができる。

具体的には、例えば、第１材料Ｏａとしてセラミックを好ましく使用することができる。焼結後のセラミックは熱ストレスによって損傷しやすいが、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た場合においても、例えば、第１材料領域Ｒ１としてのセラミック領域が焼結された後に第２材料領域Ｒ２からさらに熱が伝わってくることを抑制でき、レーザーＬによる熱ストレスでセラミック領域が損傷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。金属は隣接する領域に熱を伝えやすいが、本実施例の三次元造形装置１は、第２材料Ｏｂとして金属を使用した場合においても、例えば、第１材料領域Ｒ１が冷えてから第２材料領域Ｒ２にレーザー照射することができ、レーザーＬによる熱ストレスで第１材料領域Ｒ１が損傷することを抑制することができる。特に、第１材料Ｏａとしてセラミックを使用した場合、レーザーＬによる熱ストレスでセラミック領域が損傷することを効果的に抑制することができる。

また、例えば、第２材料Ｏｂの焼結温度が第１材料Ｏａの融点よりも高いこととすることができる。焼結温度が第１材料Ｏａの融点よりも高い第２材料Ｏｂを使用した場合、第２材料Ｏｂにレーザー照射すると、第１材料Ｏａは変形しやすい。しかしながら、本実施例の三次元造形装置１は、後述する制御部２３の制御により、第１材料領域Ｒ１に対する第１レーザー照射走査と第２材料領域Ｒ２に対する第２レーザー照射走査とを分けて行うようレーザー照射手段２８を制御する。このことで、本実施例の三次元造形装置１は、焼結温度が第１材料Ｏａの融点よりも高い第２材料Ｏｂを使用した場合においても、例えば、第１材料領域Ｒ１が高温状態のときに第２材料領域Ｒ２から熱が伝わってくることを抑制でき、レーザーＬによる熱で第１材料領域Ｒ１が変形することを抑制することができる。

具体的には、例えば、第１材料Ｏａとして樹脂を好ましく使用することができる。一般的に樹脂は熱によって変形しやすいものが多いが、本実施例の三次元造形装置１は、第１材料Ｏａとして樹脂を使用した場合においても、例えば、第１材料領域Ｒ１としての樹脂領域が高温状態のときに第２材料Ｏｂから熱が伝わってくることを抑制でき、レーザーＬによる熱で樹脂領域が変形することを抑制することができる。

また、第２材料Ｏｂとしては金属またはセラミックを好ましく使用することができる。金属またはセラミックは隣接する領域に熱を伝えやすいが、本実施例の三次元造形装置１は、第２材料Ｏｂとして金属またはセラミックを使用した場合においても、例えば、第１材料領域Ｒ１が冷えてから第２材料領域Ｒ２にレーザー照射することができ、レーザーＬによる熱で第１材料領域Ｒ１が変形することを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、セラミック樹脂等のほか様々な材料を使用してもよい。また、それらを２種以上混合して使用してもよい。

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及び図８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は、第１材料Ｏａとしてセラミックを用い、第２材料Ｏｂとして金属を用いた場合の例である。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２材料供給手段３０Ｂにより第２材料Ｏｂからなる１層目の造形層５０１としての第２材料領域Ｒ２が第３テーブル２２４上に形成された状態を表している。そして、図６の上から２番目の状態図は、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としての第１材料領域Ｒ１が第２材料領域Ｒ２と隣接して第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の上から２番目の状態図は、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上に形成された状態が表されているが、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。また、本実施例においては、第１材料領域Ｒ１の形成に先駆けて第２材料領域Ｒ２を形成したが、これらの形成順序は逆であってもよい。

次に、ステップＳ１３０で、ステップＳ１２０で形成された１層分の造形層５００に第２材料領域Ｒ２があるか否かを制御部２３で判断する。ステップＳ１３０で第２材料領域Ｒ２があると判断した場合は、ステップＳ１４０に進み、１回の走査でのレーザー照射に対応する第２レーザー照射走査により第２材料領域Ｒ２にレーザーＬを照射して該第２材料領域Ｒ２を焼結し、ステップＳ１５０に進む。一方、ステップＳ１３０で第２材料領域Ｒ２がないと判断した場合は、ステップＳ１４０に進むことなく、ステップＳ１５０に進む。なお、図６の上から３番目の状態図は、ステップＳ１３０で第２材料領域Ｒ２があると判断し、ステップＳ１４０で第２材料領域Ｒ２にレーザーＬを照射して該第２材料領域Ｒ２を焼結している状態を表している。

ステップＳ１５０では、ステップＳ１２０で形成された１層分の造形層５００に第１材料領域Ｒ１があるか否かを制御部２３で判断する。ステップＳ１５０で第１材料領域Ｒ１があると判断した場合は、ステップＳ１６０に進み、１回の走査でのレーザー照射に対応する第１レーザー照射走査により第１材料領域Ｒ１にレーザーＬを照射して該第１材料領域Ｒ１を焼結し、ステップＳ１７０に進む。一方、ステップＳ１５０で第１材料領域Ｒ１がないと判断した場合は、ステップＳ１６０に進むことなく、ステップＳ１７０に進む。なお、図６の一番下の状態図は、ステップＳ１５０で第１材料領域Ｒ１があると判断し、ステップＳ１６０で第１材料領域Ｒ１にレーザーＬを照射して該第１材料領域Ｒ１を焼結している状態を表している。

なお、本実施例では、第１材料Ｏａとしてセラミック、第２材料Ｏｂとして金属を使用している。このため、セラミックの焼結後に隣接する金属領域にレーザー照射をしてセラミック領域にレーザーＬによる熱が伝わることを抑制するために、第１材料領域Ｒ１よりも先に第２材料領域Ｒ２にレーザー照射を行う。しかしながら、使用する造形材料によっては、第２材料領域Ｒ２よりも先に第１材料領域Ｒ１にレーザー照射を行ってもよい。

ここで、ステップＳ１４０における第２レーザー照射と、ステップＳ１６０における第１レーザー照射とで、同じ波形及び同じパルス幅のレーザーを用いてレーザー照射を行ってもよいが、異なる波形または異なるパルス幅のレーザーを用いてレーザー照射を行ってもよい。例えば、ステップＳ１４０における第２レーザー照射において、ステップＳ１６０における第１レーザー照射よりも周囲への熱の拡散が少ないレーザー照射モードでレーザー照射を行ってもよい。具体的には、例えば、ステップＳ１４０における第２レーザー照射において、ステップＳ１６０における第１レーザー照射よりもパルス幅の短いレーザーを使用することができる。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。

また、例えば、ステップＳ１４０における第２レーザー照射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、ステップＳ１６０における第１レーザー照射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。

上記のように、ステップＳ１６０の終了後は、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、１層目の造形層５０１、２層目の造形層５０２、…、と順に、所望の造形層５００のすべてに関して、ステップＳ１２０からステップＳ１７０を繰り返す。ここで、上層と下層とでセラミック領域が接し上層の金属領域にレーザー照射をする場合、金属領域に照射された熱により、上層と下層とのセラミック領域の積層界面の密着性が向上する。

このように、制御部２３は、第１材料供給手段３０Ａから第１材料Ｏａを供給して形成される第１材料領域Ｒ１と、第２材料供給手段３０Ｂから第２材料Ｏｂを供給して形成される第２材料領域Ｒ２と、が１層分の造形層５００において隣接して配置される場合、第１材料領域Ｒ１と第２材料領域Ｒ２とでレーザー照射の走査を分ける。別の表現をすると、第１材料領域Ｒ１についてはステップＳ１６０に対応する第１レーザー照射走査でレーザー照射手段２８からレーザーＬを照射させ、第２材料領域Ｒ２についてはステップＳ１４０に対応する第２レーザー照射走査でレーザー照射手段２８からレーザーＬを照射させる。

このように、本実施例の三次元造形装置１は、第１レーザー照射走査と、第１レーザー照射走査とは連続しないようにレーザー照射を行う第２レーザー照射走査と、を分けて、レーザー照射手段２８を制御する。そして、本実施例の三次元造形装置１は、第１材料領域Ｒ１と第２材料領域Ｒ２とが１層分の造形層５００において隣接して配置される場合、第１材料領域Ｒ１について第１レーザー照射走査でレーザーＬを照射させ、第２材料領域Ｒ２について第２レーザー照射走査でレーザーＬを照射させる。このため、本実施例の三次元造形装置１を用いて三次元造形をすることで、第１材料領域Ｒ１と第２材料領域Ｒ２について連続してレーザーＬを照射させることに伴って、先にレーザーＬが照射され焼結または高温化した領域に、後にレーザーＬが照射された領域からさらに連続して熱が伝わってくることを、抑制することができる。したがって、本実施例の三次元造形装置１は、第１材料領域Ｒ１と第２材料領域Ｒ２との隣接部分などにおいて、造形層５００がレーザーＬによる熱ストレスで損傷することや、造形層５００がレーザーＬによる熱で変形することを、抑制することができる。なお、「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。

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、５０２…２層目の造形層、Ｃｐ…中央部、Ｏ…三次元造形物、Ｏａ…第１材料、Ｏｂ…第２材料、Ｒ１…第１材料領域、Ｒ２…第２材料領域

Claims (7)

1. 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、
   前記第１材料と異なる第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レーザー照射走査と第２レーザー照射走査とを分け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材料供給手段から前記第１材料を供給して形成される第１材料領域と、前記第２材料供給手段から前記第２材料を供給して形成される第２材料領域と、が１層分の前記造形層において隣接して配置される場合、前記第１材料領域について前記第１レーザー照射走査で前記レーザー照射手段からレーザーを照射させ、前記第２材料領域について前記第２レーザー照射走査で前記レーザー照射手段からレーザーを照射させ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材料の熱膨張係数は、前記第１材料の熱膨張係数よりも大きく、
   前記制御部は、前記第２材料領域についての前記第２レーザー照射走査を前記第１材料領域についての前記第１レーザー照射走査よりも先に実行するよう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。
3. 請求項２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。
4. 請求項２または３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。
5. 請求項１に記載の三次元造形装置において、
   前記第２材料の焼結温度は、前記第１材料の融点よりも高いことを特徴とする三次元造形装置。
6. 請求項５に記載の三次元造形装置において、
   前記第１材料は樹脂であることを特徴とする三次元造形装置。
7. 請求項５または６に記載の三次元造形装置において、
   前記第２材料は金属またはセラミックであることを特徴とする三次元造形装置。
   

Images