JP2023146055A - 三次元造形物の製造方法、三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バインダーにより硬化させた状態の造形物は機械強度が十分ではなく、特に輪郭部分において欠け等が生じるおそれがあった。【解決手段】三次元造形物の形成材料を含む粉末を層状に配置し、所定厚さの粉末層を形成する粉末層形成工程と、粉末同士を結着させるバインダーを含むバインダー液を粉末層に吐出し、粉末同士が結着された成形体を形成する成形体形成工程と、を有する三次元造形物の製造方法。成形体形成工程において、粉末層における成形体の形成領域のうち、形成領域の輪郭部である第１形成領域に対する単位面積当たりのバインダー液の吐出量と、前記輪郭部以外の第２形成領域に対する単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量とを互いに異なる吐出量とする。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元造形物の製造方法および三次元造形装置に関する。

従来から、例えば特許文献１に記載のように、粉末層を形成し、該粉末層における三次元造形物の造形領域にバインダーを含む液体をノズルから吐出して三次元造形物を製造する方法が知られている。

特開２００５－１２０４７５号公報

バインダーにより硬化させた状態の造形物は機械強度が十分ではなく、特に輪郭部分において欠け等が生じるおそれがあった。

本発明の１つの態様によれば、三次元造形物の形成材料を含む粉末を層状に配置し、所定厚さの粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末同士を結着させるバインダーを含むバインダー液を前記粉末層に吐出し、前記粉末同士が結着された成形体を形成する成形体形成工程と、を有し、前記成形体形成工程において、前記粉末層における前記成形体の形成領域のうち、前記形成領域の輪郭部である第１形成領域に対する単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量と、前記輪郭部以外の第２形成領域に対する単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量とを互いに異なる吐出量とする、三次元造形物の製造方法が提供される。

本発明の他の１つの態様によれば、造形テーブルと、前記造形テーブルに粉末層を形成する粉末層形成部と、前記粉末層における成形体の形成領域にバインダーを含むバインダー液を吐出するヘッドと、前記造形テーブルに対する前記ヘッドの移動および吐出動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記粉末層に前記バインダー液を吐出して成形体を形成する動作において、前記粉末層における前記成形体の形成領域のうち、前記形成領域の輪郭部である第１形成領域に対する単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量と、前記輪郭部以外の第２形成領域に対する単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量とを互いに異なる吐出量とする、三次元造形装置が提供される。

図１は、実施形態の三次元造形装置の概略構成図である。 図２は、実施形態の三次元造形物の製造方法の工程図である。 図３は、実施形態の三次元造形物の製造方法のフローチャートである。 図４は、造形データと、ヘッド３から吐出される液滴との関係を示す模式図である。 図５は、粉末層５００内におけるバインダー液の分布状態を示す模式平面図である。 図６は、補正造形データＭＤ１を示す図である。 図７は、図６に示す補正造形データＭＤ１を用いた場合の粉末層５００内におけるバインダー液の分布状態を示す模式平面図である。 図８は、補正造形データの他の例を示す模式図である。 図９は、データＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４が配置されるドットとその周囲のドットを示す図である。 図１０は、実施例で作製した造形物のサンプルの断面写真である。

以下、図面を用いて、三次元造形物の製造方法の実施形態について説明する。
なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせている。

図１は、本実施形態の三次元造形装置の概略構成図である。
図１及び後述する各図における図中のＸ方向は水平方向であり供給ユニット８の往復移動方向に対応する。Ｘ方向のうち、Ｘ１方向は往方向、Ｘ２方向は復方向に対応する。Ｙ方向は水平方向であるとともにＸ方向と直交する方向であり、ローラー６の回転軸の延びる方向に対応する。Ｚ方向は鉛直方向であり、粉末層５００の積層方向に対応する。
本明細書における「三次元造形」とは、いわゆる立体造形物を形成することを示すものであって、例えば、平板状、いわゆる二次元形状の形状であっても厚さを有する形状を形成することも含まれる。

三次元造形装置１は、複数の粉末層５００を積層することにより三次元造形物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、造形テーブル９を有するテーブルユニット１０と、三次元造形物の造形材料を造形テーブル９に供給する供給ユニット８と、テーブルユニット１０及び供給ユニット８の動作を制御する制御部１２と、を備える。三次元造形装置１は、パーソナルコンピューターなどの外部装置２０と電気的に接続されている。三次元造形装置１は、外部装置２０を介してユーザーからの指示を受け付け可能である。

造形テーブル９は、制御部１２の制御によりＺ方向に移動可能である。造形テーブル９は、その上面が造形面９ａとされる。三次元造形装置１は、造形面９ａをテーブルユニット１０の上面部１０ａに対してＺ方向において所定の距離だけ低い位置に配置し、造形面９ａに供給ユニット８から三次元造形物の形成材料を含む粉末５０を供給して１層分の粉末層５００を形成する。そして、造形テーブル９の所定の距離分の下方への移動と、供給ユニット８からの粉末５０の供給と、を繰り返すことで粉末層を積層する。図１は、粉末層５０１、５０２、５０３、５０４の４層分の粉末層形成を繰り返して、造形面９ａ上に三次元造形物の成形体Ｓを形成した様子を表している。

供給ユニット８は、ガイドバー１１に沿って、Ｘ方向に往復移動可能である。供給ユニット８は、金属やセラミックス、樹脂などの三次元構造物の形成材料を含む粉末５０を造形テーブル９に供給する粉末供給部２を備える。本実施形態の供給ユニット８は、粉末供給部２として、供給ユニット８のＸ１方向の先頭側端部に位置する粉末供給部２Ａと、Ｘ２方向の先頭側端部に位置する粉末供給部２Ｂとを備える。

供給ユニット８は、ローラー６を備える。ローラー６は、造形テーブル９に供給された粉末５０を圧縮してならすことが可能である。本実施形態の供給ユニット８は、ローラー６として、Ｘ軸方向における粉末供給部２Ａの隣に位置するローラー６Ａと、Ｘ軸方向における粉末供給部２Ｂの隣に位置するローラー６Ｂと、を備える。本実施形態では、２つの粉末供給部２Ａ、２Ｂと、２つのローラー６Ａ、６Ｂとが、造形テーブル９上に粉末層５００を形成する粉末層形成部を構成する。供給ユニット８は、ローラー６の代わりに、造形テーブル９に供給された造形材料をならすことが可能なスキージを備えていてもよい。

供給ユニット８は、粉末供給部２から供給された粉末５０を結着するバインダーを含むバインダー液を、ノズルから三次元造形物の形成領域Ｐに吐出するヘッド３を備える。本実施形態では、ヘッド３として、Ｘ軸方向におけるローラー６Ａの隣に位置するヘッド３Ａと、Ｘ軸方向におけるローラー６Ｂの隣に位置するヘッド３Ｂとを備える。本実施形態の場合、ヘッド３Ａおよびヘッド３Ｂから吐出される液体は共通の液体である。
ヘッド３から吐出されるバインダー液は、バインダーとして紫外線硬化樹脂を含む液体である。バインダー液は、紫外線硬化樹脂を含む液体に限定されず、バインダーとして熱硬化樹脂を含む液体や、バインダーとしての固体の樹脂が揮発性の溶媒に溶解された液体などを使用してもよい。

供給ユニット８は、Ｘ軸方向におけるヘッド３Ａとヘッド３Ｂとの間の位置に、紫外線硬化樹脂を硬化させることが可能な紫外線を照射する紫外線照射部４を備える。本実施例の供給ユニット８は、紫外線照射部４を１つ備える構成であるが、紫外線照射部４を２つ以上備える構成であってもよい。供給ユニット８は、使用する液体の種類などに応じて、紫外線照射部４を備えない構成とすることもできる。供給ユニット８は、紫外線照射部４の代わりに、熱硬化樹脂を硬化させるためのヒーター、またはバインダー液中の溶媒を揮発させるためのヒーターを備える構成とすることもできる。

図１で表されるように、本実施形態の供給ユニット８では、各構成部品がＸ軸方向にならび、供給ユニット８のＸ軸方向の中心に対して左右対称に配置される。この構成により、本実施形態の三次元造形装置１は、供給ユニット８をＸ１方向に移動させて成形体Ｓを形成する工程と、供給ユニット８をＸ２方向に移動させて成形体Ｓを形成する工程の両方を実行できる。

三次元造形装置１で使用可能な造形材料の粉末としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単体粉末、もしくはこれらの金属を１つ以上含む合金（マルエージング鋼、ステンレス（ＳＵＳ）、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金）の粉末、これらの混合粉末を、用いることが可能である。
また、造形材料の粉末は、セラミックス粉末を含んでいてもよい。セラミックス粉末としては、例えば二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素などの粉末を好ましく使用可能である。

造形材料として使用可能な樹脂粉末、或いは、バインダー液中に含有されるバインダーとしては、例えば、ＰＭＭＡ（アクリル）、ＡＢＳ（アクリロニトリル－ブタジエン－アクリル酸エステル）、ＡＳＡ（アクリロニトリル－スチレン－アクリル酸エステル）、ＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＡ（ポリアミド）、ＥＰ（エポキシ）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＳ（ポリスチレン）、パラフィンワックス、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、カルボキシメチルセルロース、ポリオキシメチレン、ポリメチルメタクリレートなどを好ましく使用可能である。また、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂などを単独で或いは組み合わせて用いることができる。さらには、熱硬化樹脂や、アクリルなどのような不飽和二重結合のラジカル重合を用いるタイプやエポキシなどのカチオン重合を用いるタイプの紫外線硬化樹脂を用いることもできる。

バインダー液中に含有される溶剤としては、例えば、水；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテル類；酢酸エチル、酢酸ｎ－プロピル、酢酸ｉｓｏ－プロピル、酢酸ｎ－ブチル、酢酸ｉｓｏ－ブチル等の酢酸エステル類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類；メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル－ｎ－ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類；エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；テトラアルキルアンモニウムアセテート類；ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤；ピリジン、γ－ピコリン、２，６－ルチジン等のピリジン系溶剤；テトラアルキルアンモニウムアセテート（例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等）等のイオン液体等が挙げられ、これらから選択される１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

次に、図１の三次元造形装置１を用いて実行可能な三次元造形物の製造方法の一例について、図２から図９を参照して説明する。図２は、成形体Ｓにおける粉末層５００のうちの粉末層５０２を形成する工程の一例を表している。図３は、本実施形態の三次元造形物の製造方法のフローチャートである。

本実施形態の三次元造形物の製造方法は、図３に示すように、ステップＳ１１０、Ｓ１０、Ｓ１３０、Ｓ１４０、Ｓ１５０、Ｓ１６０、Ｓ１７０の７工程を有する。
最初に、ステップＳ１１０の造形データ入力工程で、製造する三次元造形物の造形データを入力する。三次元造形物の造形データの入力元に特に限定はないが、外部装置２０を用いて造形データを三次元造形装置１に入力できる。外部装置２０から供給される造形データは、制御部１２に入力される。

次に、ステップＳ１２０の粉末層形成工程では、三次元造形装置１は、制御部１２の制御のもと、粉末供給部２から粉末５０を造形テーブル９の造形面９ａに供給するとともにローラー６で材料を圧縮して均すことで粉末層５００を形成する。図２の一番上の状態は、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動して粉末層５０２を形成している状態を表している。ここで、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動して粉末層５００を形成する場合は、粉末供給部２Ａから粉末を供給するとともにローラー６Ａで粉末を圧縮して均すことで粉末層５００を形成する。一方、Ｘ２方向に供給ユニット８を移動して粉末層５００を形成する場合は、粉末供給部２Ｂから粉末を供給するとともにローラー６Ｂで粉末を圧縮して均すことで粉末層５００を形成する。

次に、ステップＳ１３０のバインダー液吐出工程およびステップＳ１４０の粉末結着工程により、粉末層５０２に成形体Ｓを形成する。すなわちステップＳ１３０およびＳ１４０は、本実施形態における成形体形成工程を構成する。成形体Ｓは、粉末層５０２を構成する粉末同士がバインダーにより結着された、所定形状の構造体であり、いわゆるグリーン体である。

ステップＳ１３０のバインダー液吐出工程では、粉末層５００における成形体Ｓの形成領域Ｐにバインダーを含むバインダー液をヘッド３のノズルから吐出する。図２の上から２番目の状態は、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動しつつ粉末層５０２の形成領域Ｐにバインダー液をヘッド３のノズルから吐出している状態を表している。ここで、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動して粉末層５００を形成する場合は、ヘッド３Ａからバインダー液を吐出する。一方、Ｘ２方向に供給ユニット８を移動して粉末層５００を形成する場合は、ヘッド３Ｂからバインダー液を吐出する。

ステップＳ１４０の粉末結着工程では、粉末層５００における三次元造形物の形成領域Ｐに吐出したバインダー液を処理し、バインダーとともに粉末５０を結着させる。本実施形態においては、粉末層５００における三次元造形物の形成領域Ｐに向けて紫外線照射部４から紫外線を照射し、バインダー液に含まれるバインダーを硬化させる。図２の一番下の状態は、Ｘ１方向に供給ユニット８を移動しつつ粉末層５０２における三次元造形物の形成領域Ｐに向けて紫外線照射部４から紫外線を照射している状態を表している。
なお、粉末結着は、バインダー液に含まれる紫外線硬化樹脂を紫外線で硬化させ粉末５０を結着させることには限定されない。上述のように、バインダーとして熱硬化樹脂を含む液体や、バインダーとしての固体の樹脂が揮発性の溶媒に溶解された液体などを使用してもよい。熱硬化樹脂や溶媒に溶解された樹脂を使用する場合、供給ユニット８は、紫外線照射部４の代わりに、熱硬化樹脂を硬化させるためのヒーター、またはバインダー液中の溶媒を揮発させるためのヒーターを備え、吐出したバインダー液を熱処理して、バインダーとともに粉末５０を結着させてもよい。

そして、ステップＳ１５０の造形データ終了有無判断工程で、三次元造形装置１の制御部１２において、ステップＳ１１０で入力した造形データに基づく粉末層５００の形成が全て終了したかどうかを判断する。粉末層５００の形成が全て終了していないと判断した場合、ステップＳ１２０の粉末層形成工程に戻り、次の粉末層５００を形成する。一方、粉末層５００の形成が全て終了したと判断した場合、ステップＳ１６０の脱脂工程に進む。

ここで、本実施形態におけるステップＳ１３０のバインダー液吐出工程について、図４から図９を参照してさらに詳細に説明する。
図４は、造形データと、ヘッド３から吐出される液滴との関係を示す模式図である。
バインダー液吐出工程において、三次元造形装置１の制御部１２は、外部装置２０から入力される造形データＭＤに従い、ヘッド３を制御してバインダー液を吐出させることにより粉末層一層分の成形体Ｓを形成する処理を行う。本実施形態では、制御部１２は、ヘッド３をＸ方向に移動させながらバインダー液の吐出を行い、１行分のＸ方向への液滴の吐出が終了した後にＹ方向に１ドット分、ヘッド３を移動させて、その行について液滴の吐出を行う、いわゆるラスタースキャン方式によって成形体形成処理を行う。

図４において、上段は造形データＭＤを表し、下段は、造形データＭＤに基づいて形成される１層分の成形体Ｓを示す。造形データＭＤの各格子は、成形体Ｓの各座標を示している。ヘッド３から吐出されたバインダー液は、造形データＭＤによって指定された座標に着弾すると、その周囲の座標にも濡れ広がる。そのため、各座標に着弾したバインダー液は、それぞれ周囲の座標のバインダー液と重なり合いながら成形体Ｓを形成する。各座標に形成されるドットの直径は、例えば、１ドットあたり５０μｍである。

ここで、図５は、粉末層５００内におけるバインダー液の分布状態を示す模式平面図である。図５には、粉末層５００における成形体Ｓの形成領域Ｐが示される。形成領域Ｐに吐出されたバインダー液Ｂは、粉末５０の隙間に浸透し、複数の粉末５０を包み込んで保持する。図４に示したように、形成領域Ｐの輪郭部では、隣接するドット同士が重なり合う重なり合う面積が小さいため、輪郭部よりも内側の領域のドットと比較すると、１つのドット内に存在するバインダー液が少なくなる。その結果、図５に示すように、形成領域Ｐの輪郭部となる第１形成領域Ｐ１に位置する粉末５０と、輪郭部よりも内側の第２形成領域Ｐ２に位置する粉末５０とを比較すると、第１形成領域Ｐ１の粉末５０に付着するバインダー液Ｂは、第２形成領域Ｐ２の粉末５０に付着するバインダー液Ｂよりも少なくなる。これにより、第１形成領域Ｐ１では、粉末５０同士を結着させるバインダーの量が相対的に少なくなる。

成形体Ｓの輪郭部となる第１形成領域Ｐ１においてバインダー量が少なくなると、成形体Ｓの表面付近において、粉末５０同士の結着力が弱くなる。成形体Ｓの形成後には、成形体Ｓの表面から未結着の粉末５０を除去する工程、および成形体Ｓを焼結炉に搬送する工程が実行される。成形体Ｓの表面付近において粉末５０の結着力が弱いと、成形体Ｓの表面から過剰に粉末５０が除去されたり、成形体Ｓの表層部分が欠けたりして、成形体Ｓの形状が損なわれるおそれがある。

そこで、本実施形態の三次元造形物の製造方法では、粉末層５００における成形体Ｓの形成領域Ｐのうち、形成領域Ｐの輪郭部である第１形成領域Ｐ１に対する単位面積当たりのバインダー液Ｂの吐出量と、輪郭部以外の第２形成領域Ｐ２に対する単位面積当たりのバインダー液Ｂの吐出量とを互いに異なる吐出量とする。この方法によれば、第１形成領域Ｐ１と第２形成領域Ｐ２とで互いに独立にバインダー液Ｂの吐出量を制御できる。したがって、第１形成領域Ｐ１に対して供給するバインダーの量を相対的に増加させることができる。

例えば、ステップＳ１３０のバインダー液吐出工程において、図６に示す補正造形データＭＤ１を用いる。補正造形データＭＤ１は、図５に示す形成領域Ｐに対応する造形データである。補正造形データＭＤ１では、形成領域Ｐの最外周から２ドット分の輪郭部に、ヘッド３から相対的に多い量のバインダー液Ｂを吐出させるデータＤ１が配置され、輪郭部よりも内側の領域には、ヘッド３から相対的に少ない量のバインダー液Ｂを吐出させるデータＤ２が配置される。補正造形データＭＤ１では、最外周から２ドット分の枠状の領域が、第１形成領域Ｐ１に対応し、補正造形データＭＤ１の中央部の４ドット×４ドットの領域が、第２形成領域Ｐ２に対応する。

補正造形データＭＤ１は、制御部１２において、外部装置２０から入力される造形データＭＤを補正することにより作成される。すなわち、制御部１２は、入力される造形データＭＤにおける成形体の形成領域を検出し、形成領域の輪郭部を検出する。そして、成形体の形成領域のうち、輪郭部に対応する領域に、ヘッド３に相対的に多くの量を吐出させるデータＤ１を配置し、輪郭部以外に対応する領域に、ヘッド３に相対的に少ない量を吐出させるデータＤ２を配置する。制御部１２は、元の造形データＭＤに基づいて、データＤ１、Ｄ２の両方のデータを作成してもよく、いずれか一方のデータのみを作成してもよい。また、補正造形データＭＤ１は、外部装置２０において作成されてもよい。

図７は、図６に示す補正造形データＭＤ１を用いた場合の粉末層５００内におけるバインダー液の分布状態を示す模式平面図である。
図７に示すように、補正造形データＭＤ１に基づいて粉末層５００にバインダー液Ｂを吐出させることで、形成領域Ｐの輪郭部である第１形成領域Ｐ１により多くのバインダー液Ｂを配置できる。これにより、第１形成領域Ｐ１に位置する粉末５０にも、適切な量のバインダー液Ｂを付着させることができる。この結果、成形体Ｓの表面付近において、粉末５０同士を十分に強く結着させることができる。成形体Ｓの表面における機械強度を向上させることができるので、成形体Ｓの表面から粉末５０が脱落することによる形状不良の発生を抑制できる。成形体Ｓ自体の強度が向上するため、成形体Ｓから未結着の粉末５０を除去しやすくなる。また、成形体Ｓのハンドリングが容易になる。さらに、成形体Ｓの全体でバインダー量がより均一になるので、成形体Ｓの脱脂工程および焼成工程において熱歪み、および密度ばらつきを抑制できる。結果として、強度、精度、質感などの品質に優れる三次元造形物を製造することができる。

図７に示す例では、図５に示した例と比較して、第１形成領域Ｐ１における単位面積当たりのバインダー液Ｂの吐出量を増加させることで、第１形成領域Ｐ１のと第２形成領域Ｐ２とにおけるバインダー液Ｂの分布を適正化した。この方法に限らず、第２形成領域Ｐ２における単位面積当たりのバインダー液Ｂの吐出量を減少させることで、第１形成領域Ｐ１と第２形成領域Ｐ２とのバインダー液Ｂの分布を適正化してもよい。例えば、バインダー液Ｂのバインダー濃度が高すぎる場合、輪郭部以外の第２形成領域Ｐ２において、バインダーが多すぎることに起因する欠陥が生じる場合がある。このような場合には、第２形成領域Ｐ２におけるバインダー量を減らすことで、成形体Ｓ全体で欠陥の発生を抑制することができる。

本実施形態において、粉末層５００への単位面積当たりのバインダー液Ｂの吐出量は、バインダー液Ｂの液滴の大きさを変化させることにより変動させることができる。あるいは、粉末層５００への単位面積当たりのバインダー液Ｂの吐出量は、バインダー液Ｂの液滴の滴下数を変化させることにより変動させることができる。
バインダー液Ｂの吐出量の調整方法は、粉末５０およびバインダー液Ｂの物性、供給ユニット８の走査速度などに基づいて選択できる。上記いずれの調整方法であっても、バインダー液Ｂの吐出量を容易に調整できる。

本実施形態の三次元造形物の製造方法では、さらに、形成領域Ｐの形状に基づいて、輪郭部内の各位置で単位面積当たりのバインダー液Ｂの吐出量を異ならせてもよい。以下、図８を参照して説明する。図８は、補正造形データの他の例を示す模式図である。

図８に示す補正造形データＭＤ２は、同一平面形状の造形データに基づいて作成される。補正造形データＭＤ２の形成領域Ｐにおいて、中央部の３ドット×３ドットの領域を除く領域が、輪郭部である第１形成領域Ｐ１である。中央部の３ドット×３ドットの領域が、輪郭部以外の第２形成領域Ｐ２である。

さらに、補正造形データＭＤ２では、第１形成領域Ｐ１内の位置に応じて、単位面積当たりのバインダー液Ｂの吐出量を増減させるデータが配置される。補正造形データＭＤ２では、第１形成領域Ｐ１に、ヘッド３の吐出量を相対的に増加させるデータＤ１が配置される。さらに、データＤ１は、図８に示すように、４種類のデータＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４を含む。４種類のデータＤ１１～Ｄ１４は、第１形成領域Ｐ１内におけるドットの位置に応じて、各ドットに割り当てられる。

４種類のデータＤ１１～Ｄ１４は、ヘッド３から吐出させるバインダー液Ｂの量が互いに異なる。本実施形態では、データＤ１が、４種類のデータＤ１１～Ｄ１４を含む場合について説明するが、この構成に限定されず、吐出量の段階を３段階以下、あるいは５段階以上としてもよい。

図９は、データＤ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４が配置されるドットとその周囲のドットを示す図である。
データＤ１１が配置されるドットは、形成領域Ｐの輪郭部のうちでも、周囲のバインダー液Ｂが最も少なくなるドットである。例えば、１ドットの分の幅で形成領域Ｐの外側へ突出する部分の先端に位置するドットである。このドットでは、周囲の８ドットのうちの７ドットに、バインダー液Ｂを吐出されないデータＤ０が配置される。隣接するドットの液滴から供給されるバインダー液Ｂの量が最も少なくなるため、データＤ１１は、他のデータＤ１２～Ｄ１４と比較して、ヘッド３から吐出させるバインダー液Ｂの量が最も多くなるデータとされる。

データＤ１２が配置されるドットは、形成領域Ｐの輪郭部のうちでも、周囲のバインダー液Ｂが最も多くなるドットである。例えば、形成領域Ｐの外周縁において、形成領域Ｐの内側に凹む凹部の最も奥まった位置、あるいは、凹角の頂部に位置するドットである。このドットでは、周囲の８ドットのうちの７ドットに、バインダー液Ｂが吐出されるデータＤ１が配置される。隣接するドットの液滴から供給されるバインダー液Ｂの量が最も多くなるため、データＤ１２は、他のデータＤ１１、Ｄ１３、Ｄ１４と比較して、ヘッド３から吐出させるバインダー液Ｂの量が最も少なくなるデータとされる。ただし、データＤ１２と、第２形成領域Ｐ２のデータＤ２とを比較すると、データＤ１２の方が、ヘッド３から吐出されるバインダー液Ｂの量は多くなる。

データＤ１３が配置されるドットは、形成領域Ｐの輪郭部において、周囲のドットの１／３程度にバインダー液Ｂが吐出されるドットである。例えば、形成領域Ｐの外周縁において、形成領域Ｐの外側に向かって突出する角部に位置するドットである。このドットでは、周囲の８ドットのうちの３ドットにのみ、バインダー液Ｂが吐出される。隣接するドットの液滴から供給されるバインダー液Ｂの量は比較的少なめであるため、データＤ１３に対応してヘッド３から吐出されるバインダー液Ｂの量は、データＤ１１に対応する吐出量よりは少なく、データＤ１２に対応する吐出量よりは多い。

データＤ１４が配置されるドットは、形成領域Ｐの輪郭部において、周囲のドットの２／３程度にバインダー液Ｂが吐出されるドットである。例えば、形成領域Ｐの外周縁において、直線上の辺縁に位置するドットである。このドットでは、周囲の８ドットのうちの５ドットにバインダー液Ｂが吐出される。隣接するドットの液滴から供給されるバインダー液Ｂの量は比較的多めであるため、データＤ１４に対応してヘッド３から吐出されるバインダー液Ｂの量は、データＤ１１に対応する吐出量よりは少なく、データＤ１３に対応する吐出量よりは多い。データＤ１４は、データＤ１１～Ｄ１４の中では、平均的な吐出量に対応する。データＤ１１～Ｄ１３における吐出量の設定に際しては、データＤ１４の吐出量を基準として増減させてもよい。

以上から、データＤ１１～Ｄ１４に対応する吐出量は、データＤ１１が最も多く、データＤ１３、Ｄ１４、Ｄ１２の順に少なくなる。すなわち、補正造形データＭＤ２を用いる三次元造形物の製造方法は、形成領域Ｐの輪郭部である第１形成領域Ｐ１内の各位置において、その位置の周囲におけるバインダー液Ｂを吐出される領域とバインダー液Ｂを吐出されない領域との面積比率に応じて、バインダー液Ｂの吐出量を異ならせる製造方法である。
この製造方法によれば、成形体Ｓの輪郭部における微細な形状部分にまで適正量のバインダー液Ｂを供給できる。これにより、微細な形状部分についても十分な強度を有する成形体Ｓを形成することができる。

以上に説明した上記のステップＳ１１０からステップＳ１５０までが、図１で表される三次元造形装置１を用いて実行され、造形テーブル９上に、グリーン体である成形体Ｓが形成される。

次に、ステップＳ１６０の脱脂工程では、成形体Ｓに含まれるバインダーなどの樹脂成分を、焼結炉などを用いて脱脂する。ステップＳ１６０の脱脂工程は、焼結炉以外の装置を用いて行ってもよい。また、脱脂の方法は、加熱することにより樹脂成分を揮発させる方法のほか、溶剤中に成形体Ｓを漬けて樹脂成分を溶解させる方法なども採用可能である。樹脂製の三次元造形物を製造する場合など、製造する三次元造形物の種類などによっては、ステップＳ１６０の脱脂工程を省略してもよい。

ステップＳ１７０の焼結工程では、ステップＳ１６０の脱脂工程で脱脂がなされた成形体Ｓを焼結炉などで加熱して材料を焼結する。ステップＳ１６０の脱脂工程を実行した後においても成形体Ｓのバインダーなどの樹脂成分が残存していた場合でも、ステップＳ１７０の焼結工程の実行に伴い該樹脂成分は除去される。ステップＳ１７０の焼結工程の終了に伴い、本実施形態の三次元造形物の製造方法を終了する。

以上、この開示の実施形態を、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この開示の要旨を逸脱しない限り、変更、置換、削除等されてもよい。
上述の説明では、バインダー液のバインダー濃度が一定であること前提として、バインダー液の吐出量を調整することでバインダーの量を適切に調整したが、これには限定されない。例えばバインダーとしての紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂、溶媒に溶解された固体の樹脂の濃度を変えたバインダー液を吐出することでバインダーの量を調整してもよい。

バインダージェット法金属３Ｄプリンター（三次元造形装置）により、金属製三次元造形物の作製を行った。
用いた金属粉末は、エプソンアトミックス社製のステンレス粉末（組成：１７－４ＰＨ、粒径：直径約７μｍ、組成：クロム １６％、銅 ４％、ニッケル ４％、マンガン ０．５％、ケイ素 ０．５％、ニオブ ０．３％、コバルト ０．２５％、モリブデン ０．１０％、鉄 残部）である。バインダーインクは、アクリル系樹脂７％、界面活性剤、等を含む水系インクを用いた。プリントヘッドは、ノズル密度：３００ｄｐｉのセイコーエプソン社製インクジェットヘッドを用いた。

上記の装置および条件により、直方体形状（長さ４０ｍｍ×幅１６ｍｍ×高さ：８ｍｍ）のグリーン体サンプルの造形を行った。各層の形状は長方形（長さ４０ｍｍ×幅１６ｍｍ）であり、バインダー液の液滴は格子状に配置した。バインダー液の吐出量について、３水準を準備し、粉末層の粉末非占有体積に対して、６０％、６８％、７６％の３種類の充填条件にて造形を行った。１層毎の粉末層厚みは３０μｍとした。作製したグリーン体は、脱脂・焼結工程（脱脂：４５０℃、窒素中、２時間、焼成：１２５０℃、アルゴン雰囲気中、３時間）を経て、最終的に金属直方体を得ることが出来た。

作製した３種類のサンプルを長さ方向の中央部（両端から約２０ｍｍ）で切断して、断面の観察を行った結果を図１０に示す。

バインダー量が６０％充填のサンプル１の場合、エッジ部分が丸くなっており、不完全な造形であった。この原因としては、グリーン体のハンドリングや、粉末層形成時の粉末層形成安定性、等、幾つかの要因が考えられる。

バインダー量が６８％充填のサンプル２およびバインダー量が７６％充填のサンプル３では、エッジ形状は矩形に近づき、形状安定性の高い造形が実現できた。サンプル３は、サンプル２よりも安定な形状が得られた。

一方で、造形物の内部構造を顕微鏡で観察したところ、空孔等の欠陥は６８％充填のサンプル２が最も少なく、６０％充填のサンプル１と、７６％充填のサンプル３の場合は、内部に空孔や、粉末層形成時の欠陥とみられる部分が認められた。

以上の結果から、造形物の内部においてはバインダー充填量の適正値があるのに対して、造形物の輪郭部においてはバインダー充填量は、上記の適正値よりも高い方が良く、輪郭部においてバインダー液を多めに吐出することが望ましいと考えられた。

以上の結果を考慮して、バインダージェット法金属３Ｄプリンターに、バインダー液の吐出量を場所毎に変更する制御機能を用意した。吐出量を変える方法として、インク液滴の体積を変える方法と、微小なインク液滴の液滴数を変える方法を選択可能とした。

上述の補正機能を用いて、造形物の輪郭部３格子分（６３μｍ）の領域はバインダー充填量７６％相当で補正処理し、それ以外の領域は、バインダー充填量６８％で粒子結着を行った。先の実験と同様に断面切断、及び、顕微鏡観察を実施したところ、造形物の内部に欠陥などがほとんど認められず、さらに、エッジ部の形状が矩形形状に形成されており、本発明の効果を認めることが出来た。

５０…粉末、５００，５０１，５０２，５０３，５０４…粉末層、Ｂ…バインダー液、Ｐ…形成領域、Ｐ１…第１形成領域、Ｐ２…第２形成領域、Ｓ…成形体

Claims (12)

1. 三次元造形物の形成材料を含む粉末を層状に配置し、所定厚さの粉末層を形成する粉末層形成工程と、
   前記粉末同士を結着させるバインダーを含むバインダー液を前記粉末層に吐出し、前記粉末同士が結着された成形体を形成する成形体形成工程と、
   を有し、
   前記成形体形成工程において、前記粉末層における前記成形体の形成領域のうち、前記形成領域の輪郭部である第１形成領域に対する単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量と、前記輪郭部以外の第２形成領域に対する単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量とを互いに異なる吐出量とする、三次元造形物の製造方法。
2. 前記成形体形成工程において、
   前記形成領域の形状に基づいて、前記輪郭部内の各位置で単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量を異ならせる、
   請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
3. 前記輪郭部内の各位置において、前記位置の周囲における前記バインダー液を吐出される領域と前記バインダー液を吐出されない領域との面積比率に応じて、前記バインダー液の吐出量を異ならせる、
   請求項２に記載の三次元造形物の製造方法。
4. 前記成形体形成工程において、
   前記バインダー液の液滴の大きさを変化させることより、単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量を変動させる、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
5. 前記成形体形成工程において、
   前記バインダー液の滴下数を変化させることにより、単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量を変動させる、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
6. 前記成形体形成工程において、
   前記第２形成領域での単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量を、前記第１形成領域での単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量よりも少なくする、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
7. 造形テーブルと、前記造形テーブルに粉末層を形成する粉末層形成部と、前記粉末層における成形体の形成領域にバインダーを含むバインダー液を吐出するヘッドと、前記造形テーブルに対する前記ヘッドの移動および吐出動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記粉末層に前記バインダー液を吐出して成形体を形成する動作において、前記粉末層における前記成形体の形成領域のうち、前記形成領域の輪郭部である第１形成領域に対する単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量と、前記輪郭部以外の第２形成領域に対する単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量とを互いに異なる吐出量とする、
   三次元造形装置。
8. 前記制御部は、
   前記形成領域の形状に基づいて、前記輪郭部内の各位置で単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量を異ならせる、
   請求項７に記載の三次元造形装置。
9. 前記制御部は、
   前記輪郭部内の各位置において、前記位置の周囲における前記バインダー液を吐出される領域と前記バインダー液を吐出されない領域との面積比率に応じて、前記バインダー液の吐出量を異ならせる、
   請求項８に記載の三次元造形装置。
10. 前記制御部は、
    前記バインダー液の液滴の大きさを変化させることより、単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量を変動させる、
    請求項７から９のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
11. 前記制御部は、
    前記バインダー液の滴下数を変化させることにより、単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量を変動させる、
    請求項７から１０のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
12. 前記制御部は、
    前記第２形成領域での単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量を、前記第１形成領域での単位面積当たりの前記バインダー液の吐出量よりも少なくする、
    請求項７から１１のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

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