JP2022086112A - 造形体の製造方法、固化物の造形方法および造形体 - Google Patents

造形体の製造方法、固化物の造形方法および造形体 Download PDF

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Abstract

【課題】造形精度が良い造形体を提供すること。【解決手段】造形体の製造方法は、層状に敷かれた粉体２０に対して層ごとに造形液１０を付与し、造形液１０が付与された粉体２０を硬化させて造形層３０を形成し、造形層３０を順次積層して立体造形物１００を造形する造形工程と、造形工程により造形された立体造形物１００を焼結して焼結体１００Ｓを得る焼結工程と、焼結体１００Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓを除去して本体部の焼結体１０１Ｓを得る除去工程と、を備え、造形工程では、本体部１０１とサポート部１０２の境界１０３に対応する立体造形物１００および造形層３０における境界領域における粉体２０の密度が、本体部１０１に対応する立体造形物１００および造形層３０における造形体領域における粉体２０の密度よりも小さくなるように、造形体領域および境界領域に対して造形液１０を付与する。【選択図】図９

Description

本発明は、造形体の製造方法、固化物の造形方法および造形体に関する。
特許文献１には、立体造形物に対応する造形物層の積層に先立って、造形液の吐出後における一層の厚さが所定の厚さとなるまでの層を、造形物層と分離可能な犠牲層として積層し、犠牲層と一体となって前記造形物層と分離される分離層、あるいは、造形物層と一体となって犠牲層と分離される分離層を犠牲層と造形物層との間に積層する立体造形装置が記載されている。
特許文献２には、第１の材料から、物体のための支持構造を製造するステップと、支持構造に隣接するインタフェース層を製作するステップと、第２材料から物体の表面を製造するステップであって、インタフェース層に隣接する物体の表面および第２材料は、最終部品を形成するための粉末材料と１つ以上の結合剤を含む結合剤システムとを含み、１つ以上の結合剤は、最終部品への物体の処理中にネットシェイプの物体を保持し、最終部品への物体の処理は、１つ以上の結合剤のうち少なくとも一部を除去するためにネットシェイプを脱脂するステップと、粉末材料を接合および高密度化するためにネットシェイプを焼結するステップと、を含み、インタフェース層は、焼結中の支持構造の物体への結合に抵抗するステップと、を含む方法が記載されている。
本発明は、造形精度が良い造形体を提供することを目的とする。
本発明に係る造形体の製造方法は、層状に敷かれた粉体に対して層ごとに造形液を付与し、造形液が付与された粉体を固化させて固化物を造形する造形工程と、造形工程により造形された固化物を焼結して固化物の焼結体を得る焼結工程と、焼結体から犠牲体を除去して、焼結体から犠牲体が除去された造形体を得る除去工程と、を備え、造形工程では、造形液を付与した後に、造形体と犠牲体の境界に対応する固化物における境界領域における粉体の密度が、造形体に対応する固化物における造形体領域における粉体の密度よりも小さくなるように、造形体領域および境界領域に対して造形液を付与する。
本発明によれば、造形精度が良い造形体を提供することができる。
本発明の実施形態に係る立体造形装置の概略的な平面図である。 本実施形態に係る立体造形装置の概略的な側面図である。 本実施形態に係る立体造形装置に設けられている造形部の断面図である。 本実施形態に係る立体造形装置の要部の斜視図である。 本実施形態に係る立体造形装置に設けられている造形部の斜視図である。 本実施形態に係る立体造形装置のブロック図である。 本実施形態に係る立体造形装置における立体造形物の造形動作を説明するための模式図である。 本実施形態に係る立体造形物および立体造形物の焼結体の説明図である。 本実施形態に係る立体造形物における造形体と犠牲体の境界の説明図である。 本実施形態に係る立体造形物における造形体と犠牲体の境界の詳細な説明図である。
以下、一例として、積層造形法で立体造形物（三次元造形物）を造形する実施の形態の立体造形装置（三次元造形装置）の説明をする。立体造形物には、以下で説明する固化物、焼結体、犠牲体、造形体、およびグリーン体等が含まれる。
（立体造形装置の構成）
図１は、本発明の実施形態に係る立体造形装置の概略的な平面図である。図２は、本実施形態に係る立体造形装置の概略的な側面図である。図３は、本実施形態に係る立体造形装置に設けられている造形部の断面図である。なお、この図３は、立体造形物の造形時の状態で示している。また、図４は、本実施形態に係る立体造形装置の要部の斜視図である。また、図５は、本実施形態に係る立体造形装置に設けられている造形部の斜視図である。
本実施形態に係る立体造形装置は、粉体（粉末：コーティング粉末）が結合された層状造形物である造形層３０が形成される造形部１を有している。また、立体造形装置は、造形部１の層状に敷き詰められた粉体層３１に造形液１０を吐出して立体造形物を造形する造形ユニット５を有している。
造形部１は、粉体槽１１と、平坦化部材（リコータ）である回転体としての平坦化ローラ１２等を備えている。なお、平坦化部材として、回転体の代わりに、例えば板状部材（ブレード）を設けてもよい。
粉体槽１１は、粉体２０を供給する供給槽２１と、造形層３０が積層されて立体造形物が造形される造形槽２２とを有している。供給槽２１の底部は、供給ステージ２３として鉛直方向（高さ方向）に沿って昇降自在となっている。同様に、造形槽２２の底部は、造形ステージ２４として鉛直方向（高さ方向）に沿って昇降自在となっている。この造形ステージ２４上に、造形層３０が積層された立体造形物が造形される。
供給ステージ２３は、モータ２７により、例えば図４に矢印で示すＺ方向（高さ方向）に昇降され、同じく、造形ステージ２４も、モータ２８によりＺ方向に昇降される。
平坦化ローラ１２は、ローラ装置の一例であり、供給槽２１の供給ステージ２３上に供給された粉体２０を造形槽２２に供給して平坦化し、粉体層３１を形成する。
この平坦化ローラ１２は、造形ステージ２４のステージ面（粉体２０が積載される面）に沿って、図４に矢印で示すＹ方向に配置されている。この平坦化ローラ１２は、往復移動機構２５により、ステージ面に対して相対的に往復移動される。また、平坦化ローラ１２は、モータ２６によって、進行方向に対するカウンタ方向に回転駆動される。
一方、造形ユニット５は、造形ステージ２４上の粉体層３１に、複数の造形液１０を選択的に吐出する液体吐出ユニット５０を備えている。液体吐出ユニット５０は、キャリッジ５１と、キャリッジ５１に設けられた２つ（１つ又は３つ以上でもよい）の液体吐出ヘッド（以下、単に「ヘッド」という）５２ａ、５２ｂを備えている。
キャリッジ５１は、ガイド部材５４、５５により移動可能に支持されている。ガイド部材５４、５５は、両側の側板７０に昇降可能に保持されている。このキャリッジ５１は、後述するＸ方向走査機構５５０（図６参照）によって、モータ、プーリ及びベルトから構成される主走査移動機構を介して主走査方向であるＸ方向に往復移動される。
２つのヘッド５２ａ、５２ｂ（以下、区別しないときは「ヘッド５２」という。）は、液体を吐出する複数のノズルを配列したノズル列がそれぞれ２列配置されている。一方のヘッド５２ａの２つのノズル列は、造形液Ａ及び造形液Ｂを吐出する。他方のヘッド５２ｂの２つのノズル列は、造形液Ｃ及び造形液Ｄをそれぞれ吐出する。なお、ヘッド構成はこれに限るものではない。
造形液Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、それぞれに同一でもよいし、又は、異なる架橋剤含有液を組み合わせてもよく、その構成を制限するものではない。
これらの造形液Ａ、造形液Ｂ、造形液Ｃ、造形液Ｄをそれぞれ収容した複数のタンク６０がタンク装着部５６に装着され、供給チューブ等を介してヘッド５２ａ、５２ｂに供給される。
また、キャリッジ５１には、造形槽２２に１層の造形層３０を形成するときに、少なくとも当該造形液１０が付着した領域に粉体２０を供給する粉体後供給部８０が一体的に設けられている。
また、Ｘ方向の一方側には、液体吐出ユニット５０のヘッド５２の維持回復を行うメンテナンス機構６１が設けられている。メンテナンス機構６１は、主にキャップ６２とワイパ６３を備える。キャップ６２を、ヘッド５２のノズル面（ノズルが形成された面）に密着させ、ノズルから造形液を吸引する。ノズルに詰まった粉体の排出及び高粘度化した造形液を排出するためである。
その後、ノズルのメニスカス形成（ノズル内は負圧状態である）のため、ノズル面をワイパ６３でワイピング（払拭）する。また、メンテナンス機構６１は、造形液の吐出が行われない場合に、ヘッドのノズル面をキャップ６２で覆い、ノズルに対する粉体２０の混入、及び、造形液１０の乾燥を防止する。
造形ユニット５は、ベース部材７上に配置されたガイド部材７１に移動可能に保持されたスライダ部７２を有し、造形ユニット５全体がＸ方向と直交するＹ方向（副走査方向）に往復移動可能となっている。この造形ユニット５は、後述するＹ方向走査機構５５２により、全体がＹ方向に往復移動される。
液体吐出ユニット５０は、ガイド部材５４、５５と共に、Ｚ方向に昇降可能に配置され、後述するＺ方向昇降機構５５１によってＺ方向に昇降される。
（造形部の詳細な構成）
粉体槽１１は、箱型形状を有しており、供給槽２１と造形槽２２の２つの上面が開放された槽を備えている。供給槽２１の内部には、供給ステージ２３が昇降可能に設けられており、造形槽２２の内部にも造形ステージ２４が昇降可能に設けられている。また、供給槽２１で供給される粉体量ａ１と、造形槽２２の容量（粉体量ａ２）との関係は、「ａ１×１．０１＞ａ２」の関係となっている。
供給ステージ２３の側面は、供給槽２１の内側面に接するように配置されている。造形ステージ２４の側面は造形槽２２の内側面に接するように配置されている。これらの供給ステージ２３及び造形ステージ２４の上面は水平に保たれている。
供給槽２１及び造形槽２２の周りを含めて造形槽２２の隣りには、図５に示すように、上面が開放された凹形状である余剰粉体受け槽２９を設けられている。余剰粉体受け槽２９には、粉体層３１を形成するときに平坦化ローラ１２によって移送供給される粉体２０のうちの余剰の粉体２０が落下する。余剰粉体受け槽２９に落下した余剰の粉体２０は供給槽２１に粉体２０を供給する後述する粉体供給装置５５４に戻される。
供給槽２１上には、後述する粉体供給装置５５４（図６参照）が設けられる。造形の初期動作時又は供給槽２１の粉体量が減少した際に、粉体供給装置５５４を構成するタンク内の粉体を供給槽２１に供給する。粉体供給のための粉体搬送方法としては、スクリューを利用したスクリューコンベア方式や、エアーを利用した空気輸送方式などが挙げられる。
平坦化ローラ１２は、供給槽２１から粉体２０を造形槽２２へと移送供給して、表面を均すことで平坦化して所定の厚みの層状の粉体である粉体層３１を形成する。この平坦化ローラ１２は、造形槽２２及び供給槽２１の内寸（即ち、粉体が供される部分又は仕込まれている部分の幅）よりも長い棒状部材であり、往復移動機構２５によってステージ面に沿ってＹ方向（副走査方向）に往復移動される。
この平坦化ローラ１２は、モータ２６によって回転駆動された状態で、供給槽２１の外側から供給槽２１及び造形槽２２の上方を通過するように水平移動する。これにより、粉体２０が造形槽２２上へと移送供給され、平坦化ローラ１２が造形槽２２上を通過しながら粉体２０を平坦化することで粉体層３１が形成される。
また、図２にも示すように、平坦化ローラ１２の周面に接触して、平坦化ローラ１２に付着した粉体２０を除去するための粉体除去板１３が設けられている。粉体除去板１３は、平坦化ローラ１２の周面に接触した状態で、平坦化ローラ１２と共に移動して平坦化ローラ１２に付着した粉体２０を除去する。また、粉体除去板１３は、平坦化ローラ１２が平坦化を行うときの回転方向に回転するときにカウンタ方向になる状態で配置されている。
なお、造形部１の粉体槽１１が供給槽２１と造形槽２２の２つの槽を有することとしたが、造形槽２２のみを有する構成として、造形槽２２に粉体供給装置から粉体を供給して、平坦化手段で平坦化する構成としてもよい。
（立体造形装置の電気構成）
図６に、本実施形態に係る立体造形装置のブロック図を示す。この図６において、制御部５００は、この立体造形装置全体の制御を司るＣＰＵ５０１と、ＣＰＵ５０１に立体造形制御を実行させるためのプログラム、その他の固定データを格納するＲＯＭ５０２と、造形データ等を一時格納するＲＡＭ５０３を含む主制御部５００Ａを備えている。
また、制御部５００は、装置の電源が遮断されている間もデータを保持するための不揮発性メモリ（ＮＶＲＡＭ）５０４を備えている。また、制御部５００は、画像データに対する各種信号処理等を行う画像処理及びその他装置全体を制御するための入出力信号を処理するＡＳＩＣ５０５を備えている。
また、制御部５００は、外部の造形データ作成装置６００から造形データを受信するときに使用するデータ及び信号の送受信を行うためのＩ／Ｆ５０６を備えている。なお、造形データ作成装置６００は、最終形態の造形物を各造形層にスライスした造形データを作成する装置であり、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置を用いることができる。
また、制御部５００は、各種センサの検知信号を取り込むためのＩ／Ｏ５０７を備えている。制御部５００は、液体吐出ユニット５０の各ヘッド５２を駆動制御するヘッド駆動制御部５０８を備えている。制御部５００は、液体吐出ユニット５０のキャリッジ５１をＸ方向（主走査方向）に移動させるＸ方向走査機構５５０を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１０と、造形ユニット５をＹ方向（副走査方向）に移動させるＹ方向走査機構５５２を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１２を備えている。
制御部５００は、液体吐出ユニット５０のキャリッジ５１をＺ方向に移動（昇降）させるＺ方向昇降機構５５１を構成するモータを駆動するモータ駆動部５１１を備えている。なお、矢印Ｚ方向への昇降は造形ユニット５全体を昇降させる構成としてもよい。
制御部５００は、供給ステージ２３を昇降させるモータ２７を駆動するモータ駆動部５１３と、造形ステージ２４を昇降させるモータ２８を駆動するモータ駆動部５１４を備えている。制御部５００は、平坦化ローラ１２を移動させる往復移動機構２５のモータ５５３を駆動するモータ駆動部５１５と、平坦化ローラ１２を回転駆動するモータ２６を駆動する５１６を備えている。
制御部５００は、供給槽２１に粉体２０を供給する粉体供給装置５５４を駆動する供給系駆動部５１７と、液体吐出ユニット５０のメンテナンス機構６１を駆動するメンテナンス駆動部５１８を備えている。制御部５００のＩ／Ｏ５０７には、装置の環境条件としての温度及び湿度を検出する温湿度センサ５６０等の検知信号及びその他のセンサ類の検知信号が入力される。制御部５００には、この装置に必要な情報の入力及び表示を行うための操作パネル５２２が接続されている。
なお、造形データ作成装置６００と立体造形装置（粉体積層造形装置）６０１により、立体造型システムが構築される。
（造形動作）
図７は、本実施形態に係る立体造形装置における立体造形物の造形動作を説明するための模式図である。図７は、本実施形態に係る造形工程の一例でもある。このうち、図７（ａ）は、造形槽２２の造形ステージ２４上に、１層目の造形層３０が形成されている状態を示している。この状態で、造形層３０上に次の造形層３０を形成するときには、図７（ａ）に示すように、供給槽２１の供給ステージ２３をＺ１方向に上昇させ、造形槽２２の造形ステージ２４をＺ２方向に下降させる。
このとき、造形槽２２の上面（粉体層表面）と平坦化ローラ１２の下部（下方接線部）との間隔がΔｔ１となるように造形ステージ２４の下降距離を設定する。この間隔Δｔ１は、次に形成する粉体層３１の厚さに相当する。一例ではあるが、間隔Δｔ１は、数十～１００μｍ程度である。
次に、図７（ｂ）に示すように、供給槽２１の上面レベルよりも上方に位置する粉体２０を、順方向（矢印方向）に回転駆動される平坦化ローラ１２により、Ｙ２方向（造形槽２２側）に移動する。これにより、粉体２０が造形槽２２へと移送供給される（粉体供給）。
さらに、図７（ｃ）に示すように、平坦化ローラ１２を造形槽２２の造形ステージ２４のステージ面と平行に移動させ、図７（ｄ）に示すように、造形ステージ２４の造形層３０上で所定の厚さΔｔ１になる粉体層３１を形成する（平坦化）。平坦化ローラ１２は、粉体層３１を形成後、図７（ｄ）に示すように、Ｙ１方向に移動されて初期位置に戻される。
ここで、平坦化ローラ１２は、造形槽２２及び供給槽２１の上面レベルとの距離を一定に保って移動できるようになっている。これにより、平坦化ローラ１２で粉体２０を造形槽２２の上へと搬送させつつ、造形槽２２上又は既に形成された造形層３０の上に均一の厚さΔｔ１の粉体層３１を形成できる。
その後、図７（ｅ）に示すように、液体吐出ユニット５０のヘッド５２から造形液１０の液滴を吐出して付与し、次の粉体層３１に造形層３０を積層形成する（造形）。
なお、造形層３０は、例えばヘッド５２から吐出された造形液１０が粉体２０と混合されることで、粉体２０に含まれる接着剤が溶解し、溶解した接着剤同士が結合して粉体２０が結合されることで形成される。
次に、上述した粉体供給・平坦化よる粉体層３１を形成する工程、ヘッド５２による造形液吐出工程を繰り返して新たな造形層３０を形成する。このとき、新たな造形層３０とその下層の造形層３０とは一体化して三次元形状造形物の一部を構成する。
以後、粉体の供給・平坦化よる粉体層３１を形成する工程、ヘッド５２による造形液吐出工程を必要な回数繰り返すことによって、三次元形状造形物（立体造形物）を完成させる。すなわち、層状に敷かれた粉体２０に対して層ごとに造形液１０を付与し、造形液１０が付与された粉体２０を硬化（固化）させて造形層３０を形成し、造形層３０を順次積層して立体造形物を造形する。
（立体造形用粉体材料）
次に、上記立体造形装置で使用する立体造形用粉体材料（粉体）及び造形液の一例について説明する。なお、以下で説明する粉体及び造形液に限定されるものではない。
立体造形用粉体材料は、基材と、この基材を平均厚み５ｎｍ～１０００ｎｍで被覆し、造形液としての架橋剤含有液の作用により溶解し架橋可能な可溶性有機材料とを有している。この立体造形用粉体材料においては、基材を被覆する可溶性有機材料が、架橋剤含有液の作用により溶解し架橋可能であるため、可溶性有機材料に架橋剤含有液が付与されると、可溶性有機材料は、溶解すると共に、架橋剤含有液に含まれる架橋剤の作用により架橋する。
これにより、上記立体造形用粉体材料を用いて薄層（粉体層）を形成し、粉体層に架橋剤含有液を造形液１０として吐出することで、粉体層においては、溶解した可溶性有機材料が架橋する結果、粉体層が結合硬化して造形層３０が形成される。
このとき、基材を被覆する可溶性有機材料の被覆量が平均厚みで５ｎｍ～１０００ｎｍであるため、可溶性有機材料が溶解したときに基材の周囲に必要最小量だけ存在し、これが架橋して三次元ネットワークを形成するため、粉体層の硬化は寸法精度良く、かつ、良好な強度をもって行われる。
この操作を繰り返すことにより、簡便かつ効率的に、焼結等の前に型崩れが生ずることなく、寸法精度良く複雑な立体造形物を形成することができる。
可溶性有機材料は、粉体中に存在し、可溶性有機材料を架橋結合させる造形液を塗布することで造形物を形成してもよいし、可溶性有機材料を基材にコーティングするのではなく、基材と混合させて用いてもよい。また、粉体２０を基材のみで構成し、可溶性有機材料を造形液に含ませて塗布して造形物を形成してもよい。
（基材）
基材としては、粉体ないし粒子の形態を有する限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。その材質としては、例えば、金属、セラミックス、カーボン、ポリマーなどが挙げられるが、高強度な立体造形物を得る観点からは、最終的に焼結処理が可能な金属、セラミックスなどが好ましい。
金属としては、材質として金属を含むものであれば特に限定されるものではなく、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）等の難焼結体、マグネシウム（Ｍｇ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉛（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ネオジウム（Ｎｄ）さらにこれらの合金が挙げられる。これらの中でも、ステンレス（ＳＵＳ）鋼、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、あるいはこれらの合金などが好ましく、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅等の難焼結体、及びこれらの合金がより好ましい。アルミニウム合金としては、例えば、ＡｌＳｉ１０Ｍｇ、ＡｌＳｉ１２、ＡｌＳｉ７Ｍｇ０．６、ＡｌＳｉ３Ｍｇ、ＡｌＳｉ９Ｃｕ３、Ｓｃａｌｍａｌｌｏｙ、ＡＤＣ１２などが挙げられる。これらは１種単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
セラミックスとしては、例えば、酸化物、炭化物、窒化物、水酸化物などが挙げられる。酸化物としては、例えば、金属酸化物などが挙げられる。前記金属酸化物としては例えば、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、チタニア（ＴｉＯ２）などが挙げられる。ただし、これらは一例であって、これらに限定されるものではない。これらは１種単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
カーボンとしては、例えば、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレンなどが挙げられる。
これらの材料は、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。また、基材としては、可溶性有機材料との親和性を高める目的等で、公知の表面（改質）処理がされていてもよい。
基材としては、市販品を用いることができる。前記市販品としては、例えば、純Ａｌ（東洋アルミニウム株式会社製、Ａ１０７０－３０ＢＢ）、純Ｔｉ（大阪チタニウムテクノロジーズ社製）、ＳＵＳ３１６Ｌ（山陽特殊製鋼株式会社製、商品名：ＰＳＳ３１６Ｌ）；ＡｌＳｉ１０Ｍｇ（東洋アルミニウム株式会社製、Ｓｉ１０Ｍｇ３０ＢＢ）；ＳｉＯ２（株式会社トクヤマ製、商品名：エクセリカＳＥ－１５Ｋ）、ＡｌＯ２（大明化学工業株式会社製、商品名：タイミクロンＴＭ－５Ｄ）、ＺｒＯ２（東ソー株式会社製、商品名：ＴＺ－Ｂ５３）などが挙げられる。
なお、前記基材は、樹脂との接着性の向上やコーティング性の向上を行う目的で公知の表面処理（表面改質処理）を施してもよい。
前記基材の体積平均粒径としては、特に制限はなく目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、２μｍ以上８０μｍ以下が好ましく、８μｍ以上５０μｍ以下がより好ましい。
基材の体積平均粒径が、２μｍ以上であると、凝集の影響が増加することを防ぎ、基材への樹脂コーティングを行いやすくなり、歩留りの低下や造形物の製造効率の低下、基材の取扱性やハンドリング性の低下を防止することができる。また、前記体積平均粒径が８０μｍ以下であると、前記立体造形用粉末材料を用いて薄層を形成した際に、該薄層における前記立体造形用粉末材料の充填率が向上し、得られる立体造形物に空隙等が生じ難い。
基材の粒度分布としては、特に制限はなく目的に応じて適宜選択することができるが、粒度分布はよりシャープである方が好ましい。
基材の外形、表面積、円形度、流動性、濡れ性等については、目的に応じて適宜選択することができる。
基材は、従来公知の方法を用いて製造することができる。粉末乃至粒子状の基材を製造する方法としては、例えば、固体に圧縮、衝撃、摩擦等を加えて細分化する粉砕法、溶湯を噴霧させて急冷粉体を得るアトマイズ法、液体に溶解した成分を沈殿させる析出法、気化させて晶出させる気相反応法等が挙げられる。
基材としては、その製造方法に制限されないが、より好ましい方法としては、例えば、球状の形状が得られ、粒径のバラツキが少ない点からアトマイズ法が挙げられる。前記アトマイズ法としては、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法、遠心アトマイズ法、プラズマアトマイズ法などが挙げられ、いずれも好適に用いられる。
（可溶性有機材料）
可溶性有機材料としては、造形液に溶解し、架橋剤の作用により架橋可能な性質を有するものを用いることができる。換言すると、造形液に可溶性であって架橋剤によって架橋可能である限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。可溶性有機材料としての樹脂について、以下に説明する。
樹脂としては、反応性官能基を有し、硬化物形成用液に溶解し、硬化物形成用液に含まれる架橋剤と反応して共有結合による架橋構造を形成できるものであればよい。樹脂の溶解性がある（可溶）とは、例えば、３０℃の硬化物形成用液を構成する溶媒１００ｇに前記樹脂を１ｇ混合して撹拌したとき、その９０質量％以上が溶解することを意味する。
樹脂としては、基材として活性の高い金属（高活性金属）粉末に対して反応性が低く、硬化前の樹脂は有機溶媒に溶解可能（可溶）であり、硬化後（架橋後）の樹脂は有機溶媒に溶解しない（不溶）ことが好ましい。特に、水に対しての溶解性が低い有機溶媒に可溶であることがより好ましい。
また、樹脂が、基材として活性の高い金属（活性金属）粉末に対して反応性が低く、硬化物形成用液付与前の樹脂は有機溶媒に溶解可能（可溶）であり、硬化物形成用液付与後（架橋後）の前記樹脂は有機溶媒に溶解しない（不溶）ものであると、基材が高活性金属、即ち禁水材料（例えば、アルミニウム、チタンなど）であっても適用することができ、製造した立体造形物を溶剤系の溶液に浸漬しても崩壊することを防止することができる。
反応性官能基としては、架橋剤と反応して共有結合を形成できるものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、水酸基、カルボキシル基、アミド基、リン酸基、チオール基、アセトアセチル基、エーテル結合などが挙げられる。
これらの中でも、前記基材との密着性の向上や架橋剤との反応性の点で、前記樹脂が水酸基を有していることが好ましい。更には、焼結の際に前記樹脂が立体造形物に残存して焼結阻害を起こさないように、前記樹脂は、前記樹脂単独を４５０℃で加熱した場合に、９５質量％以上が熱分解するものであることが好ましい。
樹脂としては、例えば、ポリビニルアセタール（ガラス転移温度：１０７℃）、ポリビニルブチラール（ガラス転移温度：６７℃）、ポリアクリルポリオール（ガラス転移温度：８０℃）、ポリエステルポリオール（ガラス転移温度：１３３℃）、ポリブタジエンポリオール（ガラス転移温度：－１７℃）、エチルセルロース（ガラス転移温度：１４５℃）、ニトロセルロース（ガラス転移温度：５０℃）、などが挙げられる。他にも、酢酸ビニル共重合体（塩化ビニル－酢酸ビニルやエチレン－酢酸ビニル等）の部分鹸化体やポリエーテルポリオール、フェノール系ポリオールなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
次に、非架橋構成の樹脂について、以下に説明する。樹脂としては、水への溶解性が０．５（ｇ／１００ｇ－Ｈ２Ｏ）以下（２５℃の水１００ｇに対して０．５ｇ以下の範囲で溶解する）であれば特に制限はなく、例えば、アクリル、アクリルポリオール、ポリエステル、エポキシ、ポリオール、ウレタン、ポリエーテル、ポリビニルブチラール、ポリビニルアセタール、ポリ塩化ビニル、酢酸ビニル、パラフィン・オレフィン系、エチルセルロースなどが挙げられる。
また、インク中に含有する有機溶剤に対して溶解性を示す限り、特に制限はなく、ホモポリマー（単独重合体）であっても、ヘテロポリマー（共重合体）であってもよく、また、変性されていてもよいし、公知の官能基が導入されていてもよい。これらは１種単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
前記非水系の樹脂の重量平均分子量としては、１５０、０００以下が好ましく、２０、０００以上１００、０００以下がより好ましく、重量平均分子量が１００、０００以下で常温固体であることが好ましい。
前記非水系の樹脂としては、市販品であってもよい。前記市販品としては、例えば、ポリビニルブチラール（株式会社積水化学製、ＢＭ－５）、酢酸ビニルと塩化ビニルの共重合体（日信化学製、ソルバインＡ）、ポリエステルポリオール（ＤＩＣ社製：ポリライトＯＤ－Ｘ－６６８等、ＡＤＥＫＡ社製：アデカニューエースＹＧ－１０８等）、ポリブタジエンポリオール（日本曹達社製：ＧＱ－１０００等）、ポリビニルブチラール、及びポリビニルアセタール（積水化学工業社製：エスレック ＢＭ－２、ＫＳ－１等、クラレ社製：モビタールＢ２０Ｈ等）、ポリアクリルポリオール（ＤＩＣ社製、アクリディックＷＦＵ－５８０等）、エチルセルロース（日進化成社製：ＥＴＨＯＣＥＬ）等が挙げられる。
（架橋剤含有液）
造形液である架橋剤含有液としては、液状媒体中に架橋剤を含有するものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。なお、架橋剤含有液は、液状媒体、架橋剤のほか、必要に応じて適宜選択したその他の成分を含有していてもよい。
その他の成分としては、架橋剤含有液を付与する手段の種類、使用頻度又は量等の諸条件を考慮して適宜選択することができる。例えば、液体吐出法によって架橋剤含有液を付与する場合には、液体吐出ヘッドのノズルへの目詰り等の影響を考慮して選択することができる。架橋剤含有液としての硬化液について、以下に説明する。
－硬化液－
硬化液は、前記反応性官能基と共有結合を形成可能な硬化剤を含有し、好ましくは第１の有機溶剤を含有し、更に必要に応じてその他の成分を含有する。
－－硬化剤－－
硬化剤は、前記反応性官能基と共有結合を形成可能なものである。前記硬化剤は、前記樹脂の反応性官能基と共有結合を形成することにより架橋構造を形成し、得られる立体造形物の強度をより一層高め、耐溶剤性を向上させることができる。なお、本発明において、「硬化剤」は「架橋剤」と同義である。
硬化剤は、イソシアネート基を分子末端に２以上有する化合物である。前記イソシアネート基を分子末端に２以上有する化合物としては、例えば、ジイソシアネート、ポリイソシアネートなどが挙げられる。
前記ジイソシアネートとしては、例えば、トリレンジイソシアネート（ＴＤＩ）、ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）、トリジンジイソシアネート（ＴＯＤＩ）、ナフタリンジイソシアネート（ＮＤＩ）、キシリレンジイソシアネート（ＸＤＩ）、パラフェニレンジイソシアネート、等の芳香族ジイソシアネート；イソフォロンジイソシアネート（ＩＰＤＩ）、１、３－ビス（イソシアナトメチル）シクロヘキサン（Ｈ６ＸＤＩ）、ヘキサメチレンジイソシアネート（ＨＤＩ）、ペンタメチレンジイソシアネート（ＰＤＩ）等の脂肪族イソシアネート；その他リジンジイソシアネート（ＬＤＩ）、テトラメチルキシレンジイソシアネート（ＴＭＸＤＩ）等のジイソシアネートや、前記ジイソシアネートのジオール化合物とのアダクト体が挙げられる。
前記ポリイソシアネートとしては、例えば、前記ジイソシアネートのトリオールとのアダクト体やビウレット体、アロファネート体、イソシアヌレート体等が挙げられる。前記イソシアネート基を分子末端に２以上有する化合物は市販品でもよく、前記市販品としては、三井化学社製のタケネートＤ１１０Ｎ、Ｄ１２０Ｎ、Ｄ１４０Ｎ、Ｄ１６０Ｎ、Ｄ１６５Ｎ、Ｄ１７８ＮＬ、Ｄ１０３Ｈ、Ｄ２０４ＥＡ－１やスタビオＤ３７０Ｎ、Ｄ３７６Ｎ、旭化成社製のデュラネートＤ１０１、Ｄ２０１、Ａ２０１Ｈなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
前記硬化液全量に対する前記硬化剤の含有量としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。前記硬化剤の含有量としては、１．０質量％以上が好ましく、５．０質量％以上がより好ましく、５．０質量％以上５０質量％以下が更に好ましい。前記硬化液全量に対する前記硬化剤の含有量が、１．０質量％以上５０質量％以下であると、得られる立体造形物の強度が不足することを防止することができる。
－－第１の有機溶剤－－
前記第１の有機溶剤は、前記硬化液を常温において液体の状態とするための液体成分である。前記第１の有機溶剤としては、２５℃において、飽和蒸気圧が２、０００Ｐａ以下であることが好ましく、水に対して不溶又は微溶なものがより好ましい。ここで、水に対して不溶又は微溶であるとは、水に対する溶解性が８０ｇ／Ｌ以下であることを意味する。
前記第１の有機溶剤が、２５℃において、飽和蒸気圧が２、０００Ｐａ以下であることにより、装置の不動作時（待機時）にノズルが乾燥することを抑制でき、吐出安定性を向上させることができる。
また、前記第１の有機溶剤は前記立体造形用粉末材料に含まれる樹脂を２５℃において１重量％以上溶解できることが好ましく、５重量％以上溶解できることがより好ましい。前記第１の有機溶剤が、前記立体造形用粉末材料に含まれる樹脂を２５℃において１重量％以上溶解できることにより、焼結前の立体造形物の強度を向上させることができる。
前記第１の有機溶剤としては、例えば、ｎ－オクタン（沸点：１２５．６℃、飽和蒸気圧：１．８６ｋＰａ（２５℃））、ｍ－キシレン（沸点：１３９℃、飽和蒸気圧：０．８ｋＰａ（２０℃））、ソルベントナフサ（沸点：１５０℃以上、飽和蒸気圧：０．１ｋＰａ～１．４ｋＰａ（２０℃））などの脂肪族炭化水素又は芳香族炭化水素；ジイソブチルケトン（沸点：１６８℃、飽和蒸気圧：０．２３ｋＰａ（２０℃））、３－ヘプタノン（沸点：１４６℃～１４９℃、飽和蒸気圧：１．４ｋＰａ（２５℃））、２－オクタノン（沸点：１７２．５℃、飽和蒸気圧：１．３５ｋＰａ（２５℃））、アセチルアセトン（沸点１３８℃、飽和蒸気圧０．９３ｋＰａ）などのケトン類；酢酸ブチル（沸点：１２６℃、飽和蒸気圧：１．５３ｋＰａ（２５℃））、酢酸アミル（沸点：１４２℃、飽和蒸気圧：０．７４７ｋＰａ（２５℃））、酢酸ｎ－ヘキシル（沸点：１６８℃～１７０℃、飽和蒸気圧：０．５ｋＰａ（２０℃））、酢酸ｎ－オクチル（沸点：２１０℃）、酪酸エチル（沸点：１２１℃、飽和蒸気圧：０．１７ｋＰａ（２０℃））、吉草酸エチル（沸点：１４５℃）、カプリル酸エチル（沸点：２０８℃、飽和蒸気圧：０．２ｋＰａ（２０℃））、オクタン酸エチル（沸点：２０８℃、飽和蒸気圧：０．００３Ｐａ（２５℃））、アセト酢酸エチル（沸点：１８１℃、飽和蒸気圧：０．１ｋＰａ（２０℃））、３－エトキシプロピオン酸エチル（沸点：１６６℃、飽和蒸気圧：０．２ｋＰａ（２５℃））、シュウ酸ジエチル（沸点：１８２℃～１８６℃、飽和蒸気圧：０．０２７ｋＰａ（２０℃））、マロン酸ジエチル（沸点：１９９℃、飽和蒸気圧：０．１３ｋＰａ（４０℃））、コハク酸ジエチル（沸点：２１５℃～２１７℃、飽和蒸気圧：０．１３３ｋＰａ（５５℃））、アジピン酸ジエチル（沸点：２４５℃）、マレイン酸ビス２－エチルヘキシル（沸点：１７３℃）、トリアセチン（沸点：２５８℃、飽和蒸気圧：０．０００３３Ｐａ（２５℃））、トリブチリン（沸点：１９０℃）、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（沸点：１４６℃、飽和蒸気圧：０．５ｋＰａ）、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート（沸点：１９２℃、飽和蒸気圧：０．０３１ｋＰａ（２５℃））などのエステル；ジブチルエーテル（沸点：１４２℃、飽和蒸気圧：０．６４ｋＰａ（２５℃））、１、２－ジメトキシベンゼン（沸点：２０６℃～２０７℃、飽和蒸気圧：０．０６３ｋＰａ（２５℃））、１、４－ジメトキシベンゼン（沸点：２１３℃、飽和蒸気圧：０．１３ｋＰａ未満（２５℃））、ジエチレングリコールモノブチルエーテル（ブチルカルビトール、沸点：２３０℃、飽和蒸気圧：０．００１３ｋＰａ）などのエーテルなどが挙げられる。また、上記記載のない化合物においても、２５℃において、蒸気圧が２、０００Ｐａ以下であり、前記立体造形用粉末材料に含まれる樹脂を２５℃において１質量％以上溶解できるものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。これらは１種類単独で使用してもよいし、２種類以上を併用してもよい。
前記硬化液全量に対する前記第１の有機溶剤の含有量としては、３０質量％以上９０質量％以下が好ましく、５０質量％以上８０質量％以下がより好ましい。前記硬化液全量に対する前記第１の有機溶剤の含有量が３０質量％以上９０質量％以下であると、前記樹脂の溶解性を向上させ、立体造形物の強度を向上させることができる。また、装置の不動作時（待機時）にノズルが乾燥することを防ぎ、液詰まりやノズル抜けを抑制できる。
－－その他の成分－－
前記その他の成分としては、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、乾燥防止剤、粘度調整剤、界面活性剤、浸透剤、消泡剤、ｐＨ調整剤、防腐剤、防黴剤、着色剤、保存剤、安定化剤などが挙げられる。これら従来公知の材料を、前記硬化液に制限なく添加することができる。
－硬化液の調製－
硬化剤としてヘキサメチレンジイソシアネートからなるポリイソシアネート（三井化学株式会社製、Ｄ１６０Ｎ）と、コハク酸ジエチル（富士フィルム和光純薬株式会社製）を混合し、前記硬化剤と合わせて１００重量部となるように混合し、前記硬化剤が硬化液全量に対して２３質量％となるようにし、ホモミキサーを用いて３０分間分散させて、硬化液を調製した。
＜粘度測定＞
硬化液１．１ｍＬをマイクロピペットで分取し、東機産業社製の粘度計ＴＶＥ－２５Ｌを用いて粘度測定を実施した。測定を開始し、数値が安定してから５分後の粘度測定値を硬化液の粘度とした。
＜表面張力測定＞
硬化液３０ｍＬをシャーレに分取し、協和界面科学社製の表面張力計ＤＹ－３００を用いて表面張力測定を実施した。白金プレートによるＷｉｌｈｅｌｍｙ法で計測された表面張力を硬化液の表面張力とした。
＜焼結プロセス＞
本実施形態における焼結プロセスでは、造形装置にて得られたグリーン体を脱脂・焼結炉にて、樹脂の熱分解温度以上で加熱すると、グリーン体中の樹脂成分は脱脂される。上記の脱脂工程に引き続き、より高温にて、加熱保持する焼結工程を経ることで、グリーン体が一体化された成形物（立体造形物の焼結体）を得ることができる。
脱脂工程の詳細としては、例えば、アクリル系材料から成る樹脂成分を、その熱分解温度より高く、かつ、芯材粒子の融点もしくは固相線温度よりも低い温度で分解させる。用いる樹脂成分によっては、加熱保持する温度を複数設定することも可能である。もしくは、加熱ではなく、グリーン体を溶媒に浸漬することで、樹脂を抽出する溶媒抽出による脱脂法も適用可能である。
図８は、本実施形態に係る立体造形物および立体造形物の焼結体の説明図である。
図８（ａ）は、図７に示した造形工程により造形された立体造形物１００を示し、立体造形物１００は、中空形状部を有する本体部１０１と、本体部１０１の中空形状部の内周面に両端が取り付けられたサポート部１０２を含む。１０３は、本体部１０１とサポート部１０２の境界を示す。１０３は、サポート部１０２の両端の取り付け位置に対応して、対向する２箇所に配置される。
図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した立体造形物１００を焼結して得られた立体造形物の焼結体１００Ｓを示し、図８（ｃ）は、図８（ｂ）に示した立体造形物の焼結体１００Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓを除去した本体部の焼結体１０１Ｓを示す。
１０３Ｓは、本体部の焼結体１０１Ｓとサポート部の焼結体１０２Ｓの境界を示す。境界１０３Ｓは、図８（ｃ）にでは、サポート部の焼結体１０２Ｓが除去されているため、本体部の焼結体１０１Ｓの表面に露出する表面部１０３ｓとなる。本体部の焼結体１０１Ｓは造形体の一例であり、サポート部の焼結体１０２Ｓは犠牲体の一例である。表面部１０３ｓは、サポート部の焼結体１０２Ｓの両端の除去位置に対応して、対向する２箇所に配置される。
図８（ａ）に示すように、立体造形物１００は中空形状部を有しており、焼結工程での熱収縮時に重力で撓んで変形するおそれがある。そこで、本実施形態では、立体造形物１００がサポート部１０２を備えることにより、焼結工程での変形を抑止することができる。
図９は、本実施形態に係る立体造形物における造形体と犠牲体の境界の説明図である。
図９（ａ）に示す本体部１０１とサポート部１０２の境界１０３は、粉体２０の密度が、本体部１０１の領域における粉体２０の密度よりも小さくなるように形成されている。また、本体部１０１の粉体２０、サポート部１０２の粉体２０および境界１０３の粉体２０は、それぞれ造形液１０が付与されて硬化している。
図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す立体造形物１００の境界１０３における断面図である。図９（ｂ）に示すように、境界１０３は、境界の表面１０３Ａにおける粉体２０の密度が、境界の内部１０３Ｂにおける粉体２０の密度よりも小さくなるように形成されている。ここで、境界の内部１０３Ｂにおける粉体２０の密度は、本体部１０１における粉体２０の密度と同じである。これにより、境界１０３全体の粉体２０の平均密度は、本体部１０１における粉体２０の密度より小さくなっている。
以上のように、立体造形物１００は、境界１０３における粉体２０の密度が、本体部１０１における粉体２０の密度より小さく構成されるため、焼結後に、境界１０３Ｓを起点として、本体部の焼結体１０１Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓを容易に除去することができる。これにより、サポート部の焼結体１０２Ｓを除去する際に境界１０３Ｓ付近が破損するおそれが低減し、本体部の焼結体１０１Ｓの造形精度が向上する。
そして、境界１０３の粉体２０は、本体部１０１の粉体２０よりも密度は小さいものの、造形液１０が付与されて硬化しているため、境界１０３の粉体２０に造形液１０が付与されない場合に比べて、境界１０３の強度が向上し、境界１０３を起点として立体造形物１００が型崩れするおそれが低減される。
さらに、境界１０３は、境界の表面１０３Ａにおける粉体２０の密度が、境界の内部１０３Ｂにおける粉体２０の密度よりも小さくなるように形成されているため、粉体２０の密度が大きい境界の内部１０３Ｂで強度を確保しつつ、粉体２０の密度が小さい境界の表面１０３Ａを起点として、焼結後に、本体部の焼結体１０１Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓを容易に除去することができる。そして、境界の表面１０３Ａと境界の内部１０３Ｂの面積比率を変化させることにより、強度確保とサポート部の焼結体１０２Ｓの除去性のバランスを調整することができる。
次に、立体造形物の焼結体１００Ｓについて説明する。造形工程において、粉体２０は基材と可溶性有機材料（樹脂）を含むが、焼結工程により可溶性有機材料が除去されるため、境界１０３における粉体２０の密度が本体部１０１における粉体２０の密度より小さく構成される立体造形物１００は、焼結工程後は、境界１０３Ｓにおける基材の密度が、本体部の焼結体１０１Ｓにおける基材の密度より小さく構成される立体造形物の焼結体１００Ｓとなる。
図８（ｃ）に示した状態では、境界１０３Ｓは、本体部の焼結体１０１Ｓの中空形状部の内周面に露出する表面部１０３ｓとなっているため、本体部の焼結体１０１Ｓは、表面部１０３ｓにおける基材の密度が、内部における基材の密度より小さく構成されることになる。
続いて、以上のような本体部の焼結体１０１Ｓを得るために、必要な造形工程について説明する。
図７に示した造形工程では、境界１０３および境界１０３Ｓに対応する造形層３０の領域における粉体２０の密度が、本体部１０１および本体部の焼結体１０１Ｓに対応する造形層３０の領域における粉体２０の密度よりも小さくなるように、本体部１０１および本体部の焼結体１０１Ｓに対応する造形層３０の領域、および境界１０３および境界１０３Ｓに対応する造形層３０の領域に対して造形液１０を付与する。
これにより、境界１０３における粉体２０の密度が本体部１０１における粉体２０の密度より小さく構成される立体造形物１００を得ることできて、焼結工程後に、境界１０３Ｓを起点として、本体部の焼結体１０１Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓを容易に除去することができる。
そして、造形工程では、境界１０３および境界１０３Ｓに対応する造形層３０の領域に対して造形液１０を付与するため、境界１０３および境界１０３Ｓに対応する造形層３０の領域に対して造形液１０を付与しない場合に比べて、境界１０３の強度が向上し、境界１０３を起点として立体造形物１００が型崩れするおそれが低減される。
また、造形工程では、境界１０３および境界１０３Ｓに対応する造形層３０の領域の表面における粉体２０の密度が、境界１０３および境界１０３Ｓに対応する造形層３０の領域の内部における粉体２０の密度よりも小さくなるように、境界１０３および境界１０３Ｓに対応する造形層３０の領域の表面および内部に対して造形液１０を付与する。
これにより、粉体２０の密度が大きい境界の内部１０３Ｂで強度を確保しつつ、粉体２０の密度が小さい境界の表面１０３Ａにより、焼結後に、本体部の焼結体１０１Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓを容易に除去することができる。
さらに、造形工程では、本体部１０１および本体部の焼結体１０１Ｓに対応する造形層３０の領域と境界１０３および境界１０３Ｓに対応する造形層３０の領域に対して、同一の造形液１０を付与する。
これにより、異なる造形液を付与する場合に比べて、異なる造形液に起因する焼結時の熱収縮差による破損が低減するとともに、生産性が向上する。なお、同様に、造形工程では、サポート部１０２およびサポート部の焼結体１０２Ｓに対応する造形層３０の領域と境界１０３および境界１０３Ｓに対応する造形層３０の領域に対して、同一の造形液１０を付与することが好ましい。
次に、粉体２０の材料の流動性によって、造形液１０の付与量と粉体２０の密度の関係が変化することについて説明する。
アルミニウム等の、低比重かつ高流動性の粉体を用いた場合、ｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄへの造形液着弾時に、粉体が飛散し、立体造形物１００内部の空隙が大きくなる。例えば、文献（Ｎ．Ｄ． Ｐａｒａｂ， ｅｔ ａｌ．， “Ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｎｄｅｒ ｊｅｔｔｉｎｇ ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｕｓｉｎｇ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ Ｘ－ｒａｙ ｉｍａｇｉｎｇ”， Ｓｃｉ． Ｒｅｐ．， ９ （１） （２０１９）， ｐ． ２４９９．）ではＸ線と高速度カメラを利用した観察手法により、粉体種（材料：ＳＵＳ３１６， シリコンカーバイド，酸化アルミニウム，シリコン，粒子径：９～３２ｕｍ）による造形液着弾時の粉体飛散の差異を、報告している。
例えば、平均粒径９ｕｍのＳＵＳ粉体は、造形液着弾時に粉体が飛散しないのに対して、平均粒径３０ｕｍのＳＵＳ粉体では、造形液着弾とともに粉体が飛散することが、結果とともに報告されている。これらの粉体飛散の差異は、粉体径や粉体形状に基づく、粉体流動性が影響すると考察している。
すなわち、ＳＵＳ粉体の比較であれば、粉体径が小さくなるにつれて流動性が低下した結果であり、その他の材料間の粉体の飛散も同様のメカニズムに基づくと考察している。
なお、上記の現象は、粉体の流動性や比重に大きく影響される。ＳＵＳや銅のような高比重のような低流動性の粉体では、ｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄへの造形液着弾時に、粉体が飛散しにくい。むしろ、これらの粉体では、造形液量を増やすとｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄへの造形液浸透時に、液架橋で粉体が凝集し、立体造形物密度が上がるため、境界層の造形液量は減らした方が、焼結時の密度を下げる為には好適である。
本実施形態では、粉体２０が、ＳＵＳや銅の粉体のように、アルミニウム粉体よりも流動性が低い材料の場合、造形工程では、境界１０３および境界１０３Ｓに対応する造形層３０の領域の単位面積に対する造形液１０の付与量が、本体部１０１および本体部の焼結体１０１Ｓに対応する造形層３０の領域の単位面積に対する造形液１０の付与量よりも少なくなるように、造形液１０を付与する。
一方、粉体が、アルミニウム粉体のように、ＳＵＳ粉体よりも流動性が高い材料の場合、造形工程では、境界１０３および境界１０３Ｓに対応する造形層３０の領域の単位面積に対する造形液１０の付与量が、本体部１０１および本体部の焼結体１０１Ｓに対応する造形層３０の領域の単位面積に対する造形液１０の付与量よりも大きくなるように、造形液を付与する。
以上により、粉体２０の流動性に関わらず、境界１０３における粉体２０の密度が本体部１０１における粉体２０の密度より小さく構成される立体造形物１００を得ることできる。
図１０は本実施形態に係る立体造形物における造形体と犠牲体の境界の詳細な説明図である。
図１０（ａ）は、立体造形物１００の境界１０３における断面図の例である。境界１０３は、粉体２０の密度が高い部分１０３Ｃと、粉体２０の密度が低い部分１０３Ｄが交互になるように格子状に形成されている。
具体的には、複数の粉体２０の密度が高い部分１０３Ｃのそれぞれは、粉体２０の密度が高い部分１０３Ｃおよび粉体２０の密度が低い部分１０３Ｄにより囲まれており、複数の粉体２０の密度が低い部分１０３Ｄのそれぞれは、粉体２０の密度が高い部分１０３Ｃおよび粉体２０の密度が低い部分１０３Ｄにより囲まれている。
図１０（ｂ）は、立体造形物１００の境界１０３における断面図の他の例である。境界１０３は、粉体２０の密度が高い部分１０３Ｃと、粉体２０の密度が低い部分１０３Ｄまたは粉体２０の密度が中間の部分１０３Ｅが交互になるように格子状に形成されている。
具体的には、複数の粉体２０の密度が高い部分１０３Ｃのそれぞれは、粉体２０の密度が高い部分１０３Ｃ、粉体２０の密度が低い部分１０３Ｄおよび粉体２０の密度が中間の部分１０３Ｅにより囲まれており、複数の粉体２０の密度が低い部分１０３Ｄのそれぞれは、粉体２０の密度が高い部分１０３Ｃ、粉体２０の密度が低い部分１０３Ｄおよび粉体２０の密度が中間の部分１０３Ｅにより囲まれている。
次に、立体造形物の焼結体１００Ｓについて説明する。造形工程において、粉体２０は基材と可溶性有機材料（樹脂）を含むが、焼結工程により可溶性有機材料が除去されるため、境界１０３において粉体２０の密度が高い部分１０３Ｃ、粉体２０の密度が低い部分１０３Ｄおよび粉体の密度が中間の部分１０３Ｅを含む立体造形物１００は、焼結工程後は、境界１０３Ｓにおいて基材の密度が高い部分、基材の密度が低い部分および基材の密度が中間の部分を含む立体造形物立体造形物の焼結体１００Ｓとなる。
これにより、基材の密度が高い部分、基材の密度が低い部分および基材の密度が中間の部分の間の収縮率の差異により、収縮率の低い領域には内部応力が発生して、より顕著には微小な亀裂が発生して、焼結後に、本体部の焼結体１０１Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓを容易に除去することができる。
そして、図８（ｃ）に示した状態では、境界１０３Ｓは、本体部の焼結体１０１Ｓの中空形状部の内周面に露出する表面部１０３ｓとなっているため、本体部の焼結体１０１Ｓは、表面部１０３ｓにおいて、基材の密度が高い部分と、基材の密度が低い部分または基材の密度が中間の部分が交互に配置されることになる。
続いて、以上のような本体部の焼結体１０１Ｓを得るために、必要な造形工程について説明する。
図７に示した造形工程では、境界１０３および境界１０３Ｓに対応する造形層３０の領域において、粉体２０の密度が高い部分Ｃと、粉体２０の密度が低い部分または粉体２０の密度が中間の部分が交互、かつ格子状になるように、境界１０３および境界１０３Ｓに対応する造形層３０の領域に対して造形液１０を付与する。
これにより、図１０に示したように、立体造形物１００の境界１０３は、粉体２０の密度が高い部分１０３Ｃと、粉体２０の密度が低い部分１０３Ｄまたは粉体２０の密度が中間の部分１０３Ｅが交互になるように格子状に形成される。
●まとめ●
以上説明したように、本発明の一実施形態に係る造形体の製造方法は、層状に敷かれた粉体２０に対して層ごとに造形液１０を付与し、造形液１０が付与された粉体２０を固化（硬化）させて造形層３０を形成し、造形層３０を順次積層して固化物の一例である立体造形物１００を造形する造形工程と、造形工程により造形された立体造形物１００を焼結して立体造形物の焼結体１００Ｓを得る焼結工程と、立体造形物の焼結体１００Ｓから犠牲体の一例であるサポート部の焼結体１０２Ｓを除去して、立体造形物の焼結体１００Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓが除去された造形体の一例である本体部の焼結体１０１Ｓを得る除去工程と、を備え、造形工程では、造形液１０を付与した後に、本体部１０１とサポート部１０２の境界１０３に対応する立体造形物１００および造形層３０における境界領域における粉体２０の密度が、本体部１０１に対応する立体造形物１００および造形層３０における造形体領域における粉体２０の密度よりも小さくなるように、造形体領域および境界領域に対して造形液１０を付与する。
これにより、境界１０３における粉体２０の密度が本体部１０１における粉体２０の密度より小さく構成される立体造形物１００を得ることできて、焼結工程後に、本体部の焼結体１０１Ｓとサポート部の焼結体１０２Ｓの境界１０３Ｓを起点として、本体部の焼結体１０１Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓを容易に除去することができる。よって、サポート部の焼結体１０２Ｓを除去する際に境界１０３Ｓ付近が破損するおそれが低減する。
そして、造形工程では、境界領域に対して造形液１０を付与するため、境界領域に対して造形液１０を付与しない場合に比べて、境界１０３の強度が向上し、境界１０３を起点として立体造形物１００が型崩れするおそれが低減される。
すなわち、焼結前は、立体造形物１００が型崩れするおそれが低減され、焼結後は、サポート部の焼結体１０２Ｓを除去する際に境界１０３Ｓ付近が破損するおそれが低減するため、最終的に得られる本体部の焼結体１０１Ｓの造形精度が向上する。
なお、境界１０３の全てにおける粉体２０の密度が、本体部１０１における粉体２０の密度よりも小さくなっていなくてもよく、境界１０３の一部における粉体２０の密度が、本体部１０１における粉体２０の密度と同じであってもよい。
造形工程では、造形体領域と、境界領域に対して、同一の造形液１０を付与する。
これにより、異なる造形液を付与する場合に比べて、異なる造形液に起因する焼結時の熱収縮差による破損が低減するとともに、生産性が向上する。なお、同様に、造形工程では、サポート部１０２に対応する立体造形物１００および造形層３０におけるサポート領域と境界領域に対して、同一の造形液１０を付与することが好ましい。
造形工程では、造形液１０を付与した後に、境界領域の表面における粉体２０の密度が、境界領域の内部における粉体２０の密度よりも小さくなるように、境界領域の表面および内部に対して造形液１０を付与する。
これにより、粉体２０の密度が大きい境界の内部１０３Ｂで強度を確保しつつ、粉体２０の密度が小さい境界の表面１０３Ａを起点として、焼結後に、本体部の焼結体１０１Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓを容易に除去することができる。そして、境界の表面１０３Ａと境界の内部１０３Ｂの面積比率を変化させることにより、強度確保とサポート部の焼結体１０２Ｓの除去性のバランスを調整することができる。
粉体２０は、ＳＵＳや銅の粉体のように、アルミニウム粉体よりも流動性が低い材料であり、造形工程では、境界領域の単位面積に対する造形液１０の付与量が、造形体領域の単位面積に対する造形液１０の付与量よりも少なくなるように、造形液１０を付与する。
あるいは、粉体２０は、アルミニウム粉体のように、ＳＵＳ粉体よりも流動性が高い材料であり、造形工程では、境界領域の単位面積に対する造形液１０の付与量が造形体領域の単位面積に対する造形液１０の付与量よりも大きくなるように、造形液１０を付与する。
以上により、粉体２０の流動性に関わらず、境界１０３における粉体２０の密度が本体部１０１における粉体２０の密度より小さく構成される立体造形物１００を得ることできる。
造形工程では、造形液１０を付与した後に、境界領域において粉体２０の密度が大きい領域と粉体２０の密度が小さい領域が交互になるように、造形液１０を付与する。さらに、造形工程では、造形液１０を付与した後に、境界領域において粉体２０の密度が大きい領域と粉体２０の密度が小さい領域が格子状になるように、造形液１０を付与する。
これにより、焼結工程時に、密度が異なる部分間の収縮率の差異により、収縮率の低い領域には内部応力が発生して、より顕著には微小な亀裂が発生して、焼結後に、本体部の焼結体１０１Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓを容易に除去することができる。
本発明の一実施形態に係る固化物の造形方法は、固化物の一例である立体造形物１００を焼結して立体造形物の焼結体１００Ｓを得る焼結工程と、立体造形物の焼結体１００Ｓから犠牲体の一例であるサポート部の焼結体１０２Ｓを除去して、立体造形物の焼結体１００Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓが除去された造形体の一例である本体部の焼結体１０１Ｓを得る除去工程と、を備えた造形体の製造方法に用いられる固化物の造形方法であって、層状に敷かれた粉体２０に対して層ごとに造形液１０を付与し、造形液１０が付与された粉体２０を固化させて造形層３０を形成し、造形層３０を順次積層して立体造形物１００を造形する造形工程を備え、造形工程では、造形液１０を付与した後に、本体部１０１とサポート部１０２の境界１０３に対応する立体造形物１００および造形層３０における境界領域における粉体２０の密度が、本体部１０１に対応する立体造形物１００および造形層３０における造形体領域における粉体２０の密度よりも小さくなるように、造形体領域および境界領域に対して造形液１０を付与する。
本発明の一実施形態に係る基材を含む固化物の一例である本体部１０１を焼結して得られた造形体の一例である本体部の焼結体１０１Ｓは、基材の密度が、内部における基材の密度よりも小さい表面部１０３ｓを含む。
このような本体部の焼結体１０１Ｓは、境界１０３Ｓを起点として本体部の焼結体１０１Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓを除去して得られたものであり、表面部１０３ｓは、境界１０３Ｓが露出したものである。
ここで、表面部１０３ｓ、すなわち境界１０３Ｓにおける基材の密度が、本体部の焼結体１０１Ｓの内部における基材の密度よりも小さいことから、サポート部の焼結体１０２Ｓは、境界１０３Ｓを起点として本体部の焼結体１０１Ｓからを容易に除去されており、サポート部の焼結体１０２Ｓを除去する際に境界１０３Ｓ付近が破損するおそれが小さいため、造形精度のよい焼結体１０１Ｓが得られている。
焼結体１０１Ｓは中空形状部を有し、中空形状部における内周面は、基材の密度が、内部における基材の密度よりも小さい表面部１０３ｓを対向する２箇所で含む。
このような本体部の焼結体１０１Ｓは、２箇所の境界１０３Ｓを起点として本体部の焼結体１０１Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓの両端を除去して得られたものであり、対向する２箇所の表面部１０３ｓは、対向する２箇所の境界１０３Ｓが露出したものである。
すなわち、焼結体１０１Ｓの中空形状部は、焼結時には、サポート部の焼結体１０２Ｓの両端に支持されることにより、熱収縮時に重力で撓んで変形するおそれが小さいため、造形精度のよい焼結体１０１Ｓが得られている。
表面部１０３ｓにおいて、基材の密度が大きい領域と基材の密度が小さい領域が交互に配置されている。
このような本体部の焼結体１０１Ｓは、境界１０３Ｓを起点として本体部の焼結体１０１Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓを除去して得られたものであり、表面部１０３ｓは、境界１０３Ｓが露出したものである。
境界１０３Ｓにおいて、基材の密度が大きい領域と基材の密度が小さい領域が交互に配置されていることにより、焼結工程時に、密度が異なる部分間の収縮率の差異により、収縮率の低い領域には内部応力が発生して、より顕著には微小な亀裂が発生して、焼結後に、本体部の焼結体１０１Ｓからサポート部の焼結体１０２Ｓを容易に除去することができる。
すなわち、サポート部の焼結体１０２Ｓが、境界１０３Ｓを起点として本体部の焼結体１０１Ｓからを容易に除去されており、サポート部の焼結体１０２Ｓを除去する際に境界１０３Ｓ付近が破損するおそれが小さいため、造形精度のよい焼結体１０１Ｓが得られている。
１ 造形部
５ 造形ユニット
１０ 造形液
１１ 粉体槽
１２ 平坦化ローラ
２０ 粉体
２１ 供給槽
２３ 供給ステージ
２４ 造形ステージ
３０ 造形層
３１ 粉体層
１００ 立体造形物
１００Ｓ 立体造形物の焼結体
１０１ 本体部
１０１Ｓ 本体部の焼結体（造形体の一例）
１０２ サポート部
１０２Ｓ サポート部の焼結体（犠牲体の一例）
１０３、１０３Ｓ 境界
１０３Ａ 表面
１０３Ｂ 内部
１０３Ｃ 粉体の密度が高い部分
１０３Ｄ 粉体の密度が低い部分
１０３Ｅ 粉体の密度が中間の部分
１０３ｓ 表面部
特開２０１８‐１２６９１２号公報 特表２０１９‐５２２１０５号公報

Claims (11)

  1. 層状に敷かれた粉体に対して層ごとに造形液を付与し、前記造形液が付与された前記粉体を固化させて固化物を造形する造形工程と、
    前記造形工程により造形された前記固化物を焼結して前記固化物の焼結体を得る焼結工程と、
    前記焼結体から犠牲体を除去して、前記焼結体から前記犠牲体が除去された造形体を得る除去工程と、を備え、
    前記造形工程では、前記造形液を付与した後に、前記造形体と前記犠牲体の境界に対応する前記固化物における境界領域における前記粉体の密度が、前記造形体に対応する前記固化物における造形体領域における前記粉体の密度よりも小さくなるように、前記造形体領域および前記境界領域に対して前記造形液を付与する造形体の製造方法。
  2. 前記造形工程では、前記造形体領域と前記境界領域に対して、同一の前記造形液を付与する請求項１記載の造形体の製造方法。
  3. 前記造形工程では、前記造形液を付与した後に、前記境界領域の表面における前記粉体の密度が、前記境界領域の内部における前記粉体の密度よりも小さくなるように、前記境界領域の前記表面および前記内部に対して前記造形液を付与する請求項１または２記載の造形体の製造方法。
  4. 前記粉体は、アルミニウム粉体よりも流動性が低い材料であり、
    前記造形工程では、前記境界領域の単位面積に対する前記造形液の付与量が、前記造形体領域の単位面積に対する前記造形液の付与量よりも少なくなるように、前記造形液を付与する請求項１～３の何れか記載の造形体の製造方法。
  5. 前記粉体は、ＳＵＳ粉体よりも流動性が高い材料であり、
    前記造形工程では、前記境界領域の単位面積に対する前記造形液の付与量が、前記造形体領域の単位面積に対する前記造形液の付与量よりも大きくなるように、前記造形液を付与する請求項１～３の何れか記載の造形体の製造方法。
  6. 前記造形工程では、前記造形液を付与した後に、前記境界領域において前記粉体の密度が大きい領域と前記粉体の密度が小さい領域が交互になるように、前記造形液を付与する請求項１～５の何れか記載の造形体の製造方法。
  7. 前記造形工程では、前記造形液を付与した後に、前記境界領域において前記粉体の密度が大きい領域と前記粉体の密度が小さい領域が格子状になるように、前記造形液を付与する請求項６記載の造形体の製造方法。
  8. 固化物を焼結して前記固化物の焼結体を得る焼結工程と、
    前記焼結体から犠牲体を除去して、前記焼結体から前記犠牲体が除去された造形体を得る除去工程と、を備えた造形体の製造方法に用いられる固化物の造形方法であって、
    層状に敷かれた粉体に対して層ごとに造形液を付与し、前記造形液が付与された前記粉体を固化させて前記固化物を造形する造形工程を備え、
    前記造形工程では、前記造形液を付与した後に、前記造形体と前記犠牲体の境界に対応する前記固化物における境界領域における前記粉体の密度が、前記造形体に対応する前記固化物における造形体領域における前記粉体の密度よりも小さくなるように、前記造形体領域および前記境界領域に対して前記造形液を付与する固化物の造形方法。
  9. 基材を含む固化物を焼結して得られた造形体であって、
    前記基材の密度が、内部における前記基材の密度よりも小さい表面を含む造形体。
  10. 前記造形体は中空形状部を有し、
    前記中空形状部における内周面は、前記基材の密度が、内部における前記基材の密度よりも小さい前記表面を対向する２箇所で含む請求項９記載の造形体。
  11. 前記表面において、前記基材の密度が大きい領域と前記基材の密度が小さい領域が交互に配置されている請求項９または１０記載の造形体。
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