JP6641909B2 - 三次元造形物の製造方法及び三次元造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法及びその三次元造形装置に関する。

三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方及び装置が、下記の特許文献１に開示されている。
この特許文献１には、粉末材料を焼結して三次元造形物を製造する方法が開示されている。更に、焼結した三次元造形物の表面の粗さを改善するために、三次元造形物の表面を切削、又はレーザーによって滑らかにすることが記載されている。

また、金属粒子ペーストを使用して三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法が、下記の特許文献２に開示されている。
この特許文献２には、金属粒子ペーストを薄く敷くことによって材料層を形成し、レーザー照射により金属粒子ペースト中に含まれる金属粒子を焼結又は溶融すること、形成した材料層の上に複数回、材料層を積み重ねて行くことによって三次元造形物を製造することが記載されている。

特開２００２−１１５００４号公報 特開２００８−１８４６２２号公報

上記特許文献１は、三次元造形物の表面粗さを改善するための処理が、粉末材料を焼結固化して三次元造形物を製造した最終の仕上げ処理として表面の切削等を行うものである。そのため、焼結固化後の硬い三次元造形物の表面に対して切削することになり、その切削は簡単ではなかった。また、仕上げ処理をレーザーで行う場合は必要なエネルギーが過大となり高コスト化するという問題があった。
特許文献２は、三次元造形物の表面粗さを改善することについては考慮されていない。

本発明の目的は、三次元造形物の表面の粗さを容易に改善できるようにすることにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る第１の態様の三次元造形物の製造方法は、粉末を含む流動性組成物を用いて層を形成する層形成工程と、前記粉末を含む層の造形物の輪郭に対応する部分に対して平滑処理をする平滑処理工程と、前記平滑処理工程後に前記粉末を溶融又は焼結の処理により固化する固化工程と、を有することを特徴とする。

本態様によれば、三次元造形物の表面を滑らかにするための処理を行う平滑処理工程を、最終の固化工程を行う前に行うので、従来の固化工程後に行う方法に比して造形物表面を容易に滑らかにすることができる。即ち、従来における、粉末材料を焼結によって固化させた後の最終の仕上げ処理ではなく、固化工程の前に前処理的に平滑処理工程を行う点が特徴である。

本発明に係る第２の態様の三次元造形物の製造方法は、第１の態様において、前記層形成工程は、前記流動性組成物を吐出して形成することを特徴とする。

本態様によれば、従来（特許文献２）のように流動性組成物を原料に使用してステージ上の層形成領域に押し出した後、薄く引き伸ばすための押圧部材を押し当てて薄い層を形成する方法とは異なり、流動性組成物を吐出部から層形成領域に吐出する吐出物によって各層を形成する。従って、各層における前記吐出部からの吐出量を、造形物の対応する体積量に合わせて制御することによって調整することができ、以って無駄な吐出を低減できる。
また、層形成領域に吐出された吐出物の固化手段としてレーザー等のエネルギービームを使用する場合、ビーム径の調整を行うことによって前記吐出物の吐出状態に応じたエネルギービームの照射が可能になる。これにより、造形物の寸法精度が向上する。また、必要な個所のみの狭い範囲にエネルギービームを照射できるので、エネルギーの利用効率が向上する。

本発明に係る第３の態様の三次元造形物の製造方法は、第１の態様又は第２の態様において、前記流動性組成物は溶媒を含み、前記平滑処理工程は、前記層形成工程後の前記層から前記溶媒を乾燥処理する乾燥工程を行った後に実行することを特徴とする。

本態様によれば、前記平滑処理工程は、前記層形成工程後の乾燥工程で前記層から前記溶媒を乾燥処理した後に実行するので、その平滑化処理を安定させることができる。また、平滑処理工程の段階で直接、エネルギー付与により溶媒が急激に温度上昇すると突沸する場合があり、その突沸現象の影響が造形物の表面に痕跡として表れる虞があるが、本態様によれば、その虞を低減することができる。

本発明に係る第４の態様の三次元造形物の製造方法は、第１の態様又は第２の態様において、前記流動性組成物は溶媒及びバインダーを含み、前記平滑処理工程は、前記層形成工程後の前記層から前記溶媒を乾燥し前記バインダーは残る乾燥工程を行った後に実行することを特徴とする。

本態様によれば、溶媒が乾燥して消失し、バインダーが残る層に対して平滑処理を行うので、平滑処理工程において、バインダーを消失飛散させつつ平滑処理を行うことが可能になり、該バインダーが消失飛散する際にその周囲の粉末が追従して除去され、効果的に滑らかな表面を得ることができる。

本発明に係る第５の態様の三次元造形物の製造方法は、第１の態様から第４の態様のいずれか一つの態様において、前記層内にサポート層に対応する部分と造形物に対応する部分を有し、前記造形物の輪郭に対応する部分は、前記サポート層に対応する部分と造形物に対応する部分との接触部であることを特徴とする。

本態様によれば、前記造形物の輪郭に対応する部分は、前記サポート層に対応する部分と造形物に対応する部分との接触部であるので、該接触部を成す前記サポート層側の部分と、前記造形物側の部分のいずれかに対して当該平滑処理を行うことができ、これにより滑らかな表面を容易に得ることができる。

本発明に係る第６の態様の三次元造形物の製造方法は、第５の態様において、第１粉末を含む第１流動性組成物と、前記第１粉末と異なる第２粉末を含む第２流動性組成物とを用い、前記層形成工程は、前記第１流動性組成物と第２流動性組成物を異なる領域に吐出して前記サポート層に対応する部分と造形物に対応する部分の層を形成することを特徴とする。

本態様によれば、前記サポート層に対応する部分と造形物に対応する部分の層を、異なる種類の粉末（第１粉末と第２粉末）を含む異なる流動性組成物を用いて形成することができる。これにより、単一の粉末を含む単一の流動性組成物のみを使用して前記サポート層に対応する部分と造形物に対応する部分を形成する場合に無駄になるサポート層用の粉末の使用量を減らして造形物用に使用する粉末の有効利用を図ることが可能になる。
また、サポート層の形成に使用する粉末として、造形後のサポート層の分離除去が行い易い粉末を選ぶ粉末材料の組合せを採用してサポート層に対応する部分と造形物に対応する部分を形成することで、造形後のサポート層の分離除去を容易に行えるようにすることが可能になる。

本発明に係る第７の態様の三次元造形物の製造方法は、第６の態様において、前記平滑処理は、前記サポート層に対応する部分に対して行うことを特徴とする。

本態様によれば、前記平滑処理を造形後に除去するサポート層に対して行うので、平滑処置の具体的な方法として、造形物の輪郭に対応する部分の平滑化を向上させるのに、サポート層側の平滑処理を行うという別観点に基づく種々の選定が可能となる。これにより造形物に対応する部分の平滑化品質を高めることができる。
具体的には、サポート層の形成と造形物の形成を２段階に分け、先にサポート層を形成してサポート層側の平滑処理を行い、その後平滑処理されたサポート層を型枠として使用して造形物の形成を行って、サポート層を分離除去するといった態様での三次元造形物の製造が可能になる。

本発明に係る第８の態様の三次元造形物の製造方法は、第７の態様において、前記第２流動性組成物は前記サポート層の形成に用いる材料であり、前記第２流動性組成物はレーザー吸収剤を含むことを特徴とする。

サポート層は造形後に造形物から分離除去される物なので、サポート層を成す成分としては、造形物を成す成分のような純度や品質を必要とされない。
本態様によれば、前記平滑処理は、前記サポート層に対して行われる。従って、サポート層の成分を前記平滑処理をし易くする観点から設定することが可能となる。例えば、平滑処理をレーザーによって行う場合は、サポート層用の材料である第２流動性組成物の中にレーザー吸収剤を混ぜることによって、レーザー吸収効率が向上し、効率的な平滑処理を行うことが可能になる。レーザー吸収剤としては、カーボンやナイロン１２、金属材料のバナジウム等が挙げられる。

本発明に係る第９の態様の三次元造形物の製造方法は、第１の態様から第７の態様のいずれか一つの態様において、前記平滑処理は、レーザー照射又は切削で行うことを特徴とする。
本態様によれば、前記平滑処理を行う材料や目的等の違いに応じて適切な平滑処理手段を採用して平滑処理を容易に効率良く行うことが可能になる。

本発明に係る第１０の態様の三次元造形物の製造方法は、第３の態様又は第４の態様において、前記乾燥工程、平滑処理工程及び固化工程の少なくとも二工程は、共通のエネルギー付与部を用いることを特徴とする。
本態様によれば、乾燥工程、平滑処理工程及び固化工程で個別に使用されていたエネルギー付与部を集約して、より少ない数のエネルギー付与部を使用して前記各工程の処理を行うことができるから部品点数を削減することが可能になる。

本発明に係る第１１の態様に係る三次元造形装置は、粉末を含む複数の流動性組成物を吐出する吐出部と、前記吐出部から前記流動性組成物を吐出して形成した層に対して乾燥処理する乾燥処理部と、前記乾燥処理後の前記粉末を含む層の造形物の輪郭に対応する部分に対して平滑処理をする平滑処理部と、前記平滑処理された前記層の前記造形物に対応する部分の粉末に対して溶融又は焼結の処理を行って固化する固化処理部とを備えることを特徴とする。
本態様によれば、第３の態様と同様の効果を得ることができる。

本発明に係る第１２の態様に係る三次元造形装置は、第１１の態様において、前記吐出部から吐出される流動性組成物は溶媒とバインダーを含み、前記乾燥処理部は前記層から前記溶媒を乾燥し前記バインダーは残し、前記平滑処理部は処理対象部の前記バインダーを消失させるエネルギーを付与することを特徴とする。
本態様によれば、第４の態様と同様の効果を得ることができる。

本発明の実施形態１に係る三次元造形装置の全体構成の概略を表す正面図。 本発明の実施形態１に係る三次元造形装置の要部を表す正面図。 本発明の実施形態２に係る三次元造形物の製造方法における製造過程を段階的に表す平面図。 本発明の実施形態２に係る三次元造形物の製造方法における製造過程を段階的に表す図３中のＡ−Ａ〜Ｄ−Ｄ断面図 本発明の実施形態３に係る三次元造形物の製造方法における製造過程を段階的に表す平面図。 本発明の実施形態３に係る三次元造形物の製造方法における製造過程を段階的に表す図５中のＡ−Ａ〜Ｅ−Ｅ断面図。 本発明の実施形態４に係る三次元造形物の製造方法における製造過程を段階的に表す平面図。 本発明の実施形態４に係る三次元造形物の製造方法における製造過程を段階的に表すＡ−Ａ〜Ｃ−Ｃ断面図。 本発明の実施形態５に係る三次元造形装置の全体構成の概略を表す正面図。

以下に、本発明の実施形態に係る三次元造形物の製造方法及び三次元造形装置について、添付図面を参照して詳細に説明する。
尚、以下の説明では、最初に実施形態１に係る三次元造形装置を例にとって、本実施形態の三次元造形装置の全体構成の概略について説明する。次に、該実施形態１に係る三次元造形装置の要部の具体的構成について説明する。
続いて、前記実施形態１に係る三次元造形装置を使用することによって実行される本発明の実施形態２に係る三次元造形物の製造方法を三次元造形物の製造過程と併せて具体的に説明した後、前記実施形態２と一部の内容を異ならせた実施形態３に係る三次元造形物の製造方法と実施形態４に係る三次元造形物の製造方法の内容を前記実施形態２との差異に絞って具体的に説明する。
更に、前記実施形態１と一部の構成を異ならせた実施形態５に係る三次元造形装置の構成とその作動態様の概略を前記実施形態１との差異を中心に説明し、最後に部分的構成を異ならせた本発明の三次元造形物の製造方法及び三次元造形装置の他の実施形態について説明する。

◆◆◆実施形態１（図１及び図２参照）◆◆◆
（１）三次元造形装置の全体構成の概略（図１参照）
本実施形態に係る三次元造形装置１Ａは、ステージ３上に吐出された流動性組成物Ａに対してエネルギービームＥを照射して固化させることによって少なくとも一つの層Ｄを形成することで三次元造形物Ｍ１を得る装置である。尚、一般には、前記操作を積層方向Ｚに所定回数、繰り返すことによって複数の層Ｄが積層された積層構造の三次元造形物Ｍ１が製造される。
具体的には、支持フレーム２３によって一例として水平に支持されるステージ３であって原料となる粉末を含む流動性組成物Ａが吐出されるステージ３と、流動性組成物Ａを吐出する吐出部である吐出ヘッド５と、該吐出ヘッド５から吐出される流動性組成物Ａによって形成された層Ｄに乾燥処理をする乾燥処理部７と、乾燥処理後の粉末を含む層Ｄの造形物の輪郭に対応する部分６１（後述する図３）に対して平滑処理をする平滑処理部８と、平滑処理された層Ｄの造形物に対応する部分６５（後述する図５、図６）の粉末に対して溶融又は焼結の処理を行って固化する固化処理部９と、を備えることによって基本的に構成されている。

また、乾燥処理部７には、ステージ３上に吐出された流動性組成物Ａに対して一例として赤外線Ｃを照射するエネルギー付与部の一例である赤外線照射部４５が設けられている。
平滑処理部８には、造形物の輪郭に対応する部分６１に対してエネルギービームＥを照射するエネルギー付与部の一例であるレーザービーム照射部４７が設けられている。
また、固化処理部９には、形成された層Ｄにおける造形物に対応する部分６５の粉末に対して一例としてエネルギービームＥを照射するエネルギー付与部の一例であるレーザービーム照射部４７が設けられている。

本実施形態では単一のレーザービーム照射部４７を使用して、照射するエネルギービームＥの出力やビーム径或いは照射時間を変えることによって、前述した平滑処理と固化処理の両方を行っている。図１及び図２において、一方のレーザービーム照射部４７を二点鎖線で示したことは、そのことを意味しており、平滑処理と固化処理を互いに別のレーザービーム照射部４７を使用して行ってもよい。
この他、本実施形態に係る三次元造形装置１Ａには、固化処理前の造形物Ｍ０に対するゴミや塵等の異物の付着の虞を低減させるための集塵ヘッド４９が設けられている。更に吐出ヘッド５、赤外線照射部４５、レーザービーム照射部４７及び集塵ヘッド４９の造形物Ｍ０に対する相対位置を三次元方向Ｘ、Ｙ、Ｚに移動させる駆動部１０と、吐出ヘッド５と遠赤外線照射部４５と、レーザービーム照射部４７と集塵ヘッド４９と駆動部１０との各種動作を制御する制御部１１と、を備えている。

ステージ３は、流動性組成物Ａが吐出される層形成領域１３を有する一例として平板状の部材で、駆動部１０の構成部材の一つである昇降駆動装置１５によって積層方向Ｚに三次元造形物Ｍ１の形成に必要な所定ストローク移動できるように構成されている。
吐出ヘッド５は、原料供給ユニット１７から供給チューブ１９を介して供給される流動性組成物Ａを前述した層形成領域１３に向けて吐出するノズルを備えた部材である。そして、本実施形態では駆動部１０の他の構成部材として、前述した吐出ヘッド５と遠赤外線照射部４５とレーザービーム照射部４７と集塵ヘッド４９とを図１中、左右方向となる幅方向Ｘと、図１中、紙面表裏方向となる奥行き方向Ｙと、図１中、上下方向となる積層方向Ｚと、によって構成される三次元方向Ｘ、Ｙ、Ｚに移動できるロボット５５が採用されている。
また、本実施形態ではロボット５５として、２本のロボットアーム５７、５９を備える双腕多関節式のロボットが一例として採用されている。

赤外線照射部４５は、赤外線発生部４１によって発生させた遠赤外線Ｃを前述したようにステージ３上に吐出された流動性組成物Ａに対して照射することで、該流動性組成物Ａを加熱して乾燥させる役割を有している。これにより、後述の平滑処理部８で行う平滑処理が安定して実行できるようになる。
そして、図示の実施形態では、一例として向かって左側のロボットアーム５７に対して設けられる反転可能な取付けベース５３Ｌによって吐出ヘッド５と赤外線照射部４５が保持されている。

レーザービーム照射部４７は、前述したようにエネルギービームＥを層形成領域１３に吐出された流動性組成物Ａに向けて照射する装置であり、制御部１１から送信される制御信号に基づいてレーザー発振器４３から発振される所定出力のレーザーの供給を受けてエネルギービームＥを照射する。
尚、本実施形態で使用されるレーザーとしては特に限定はないが、ファイバーレーザー、或いは炭酸ガスレーザーが波長が長く金属の吸収効率が高い利点を有することから好適なレーザーとして使用できる。
そして、図示の実施形態では、前述したように単一のレーザービーム照射部４７を使用して、造形物Ｍ０の平滑処理と固化処理の両方の処理を行っており、当該レーザービーム照射部４７と前述した集塵ヘッド４９は、一例として図１中、向かって右側のロボットアーム５９に対して設けられる反転可能な取付けベース５３Ｒによって保持されている。

（２）三次元造形装置の要部の具体的構成（図２参照）
本実施形態に係る三次元造形装置１Ａは、前述した吐出ヘッド５から吐出される流動性組成物Ａ中に溶媒とバインダーを含み、乾燥処理部７では形成した層Ｄ中に含まれる溶媒を乾燥させると共に、バインダーは残し、平滑処理部８において、当該層Ｄの処理対象部のバインダーを消失させるエネルギーを付与するように構成されている。
ここで、原料となる粉末を含む流動性組成物Ａとしては、粉末とバインダーと溶媒との組成物又は粉末とバインダーと分散媒との組成物が一例として挙げられる。
粉末としては、各種金属粉末とセラミックス粉末等のいずれでもよく、またそれら２種以上の混合物でもよい。
金属粉末としては、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（ＡＩ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）や、これらのうち少なくとも１種の金属を含む合金（例えば、マルエージング鋼、ステンレス、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル基調合金、アルミニウム合金等）などの単体、もしくはこれらを混合した粒状ないし粉末状のものが使用できる。
更に、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）等の粉末が使用できる。

溶媒又は分散媒としては、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。

バインダーとしては、前述した溶媒又は分散媒に可溶であれば、限定されない。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、合成樹脂等を用いることができる。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）等の熱可塑性樹脂を用いることもできる。
また、可溶状態でなく、上述したアクリル樹脂などの樹脂の微小な粒子の状態で、前述した溶媒又は分散媒中に分散させるようにしてもよい。

◆◆◆実施形態２（図２及び図３、図４参照）◆◆◆
実施形態２に係る三次元造形物の製造方法は、前述した実施形態１に係る三次元造形装置１Ａを使用することによって実行される製造方法である。
具体的には、層形成工程Ｐ１と、平滑処理工程Ｐ３と、固化工程Ｐ４と、を有することによってこの三次元造形物の製造方法は基本的に構成されており、更に本実施形態では、層形成工程Ｐ１と平滑処理工程Ｐ３との間に乾燥工程Ｐ２を備えることによって構成されている。以下、三次元造形物Ｍ１の製造過程と併せてこれらの工程の内容を具体的に説明する。

（１）層形成工程（図２及び図３（Ａ）、図４（Ａ）参照）
層形成工程Ｐ１は、粉末を含む流動性組成物Ａを用いて層Ｄを形成する工程である。
即ち、昇降駆動装置１５を駆動してステージ３の高さが最初に形成する層Ｄの形成高さになるようにステージ３を積層方向Ｚに移動させる。次に、ロボットアーム５７、５９を駆動して吐出ヘッド５、遠赤外線照射部４５、レーザービーム照射部４７及び集塵ヘッド４９を三次元造形物Ｍ１の製造を開始する原点位置に移動させる。

次に、取付けベース５３Ｌ、５３Ｒを必要に応じて反転させ、前記原点位置から取付けベース５３Ｌ、５３Ｒが移動する方向の前方に吐出ヘッド５、その後方に遠赤外線照射部４５、その後方にレーザービーム照射部４７、その後方に集塵ヘッド４９が順番に位置するように配置して、吐出ヘッド５から流動性組成物Ａを所定の吐出量と吐出タイミングで吐出して行き、例えば幅方向Ｘに沿って１本目の吐出物ラインＬ１を形成する。
また、当該吐出物ラインＬ１の形成に先立って層形成領域１３を予め昇温しておくことが好ましい。因みに、層形成領域１３を予め昇温しておいた場合には、吐出ヘッド５から吐出された流動性組成物Ａが低い温度の層形成領域１３に接触することによって生ずる流動性の低下や半固化状態になる等の性状の変化を低減させることができる。

このようにして１本目の吐出物ラインＬ１が形成された後、吐出ヘッド５と遠赤外線照射部４５とレーザービーム照射部４７と集塵ヘッド４９を所定ピッチ、例えば奥行き方向Ｙに移動させる。次に、必要に応じて取付けベース５３Ｌ、５３Ｒを反転させた後、ロボットアーム５７、５９を駆動して該取付けベース５３Ｌ、５３Ｒを１本目の吐出物ラインＬ１を形成した時と同じ方向又は反対方向に移動させながら吐出ヘッド５から流動性組成物Ａを吐出させて２本目の吐出物ラインＬ２を形成する。
以下、同様の操作を必要な回数、繰り返して層Ｄを形成する。尚、この状態では、造形物の輪郭に対応する部分６１に凹凸が現れている。

（２）乾燥工程（図２及び図３（Ｂ）、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）参照）
乾燥工程Ｐ２は、前記層形成工程Ｐ１によって形成された層Ｄから流動性組成物Ａ中に含まれる溶媒を気化させて乾燥処理する工程である。
即ち、赤外線発生部４１により発生された遠赤外線Ｃを赤外線照射部４５から照射して層Ｄを赤外線Ｃで加熱して、次工程の平滑処理工程Ｐ３が安定した状態で行えるように乾燥させる。尚、本乾燥工程Ｐ２を行った後の状態では層Ｄ中にバインダーが残存している。

（３）平滑処理工程（図２及び図３（Ｃ）、図４（Ｃ）参照）
平滑処理工程Ｐ３は、前記粉末を含む層Ｄの造形物の輪郭に対応する部分６１に対して平滑処理をする工程である。
即ち、レーザー発振器４３により発振されたエネルギービームＥをレーザービーム照射部４７から照射して層Ｄの造形物の輪郭に対応する部分６１の凹凸を有する所定領域Ｇ１を除去又は均して平滑化する、即ち造形物の輪郭に対応する部分６１を平滑にする。

このように本実施形態では、次に行う固化工程Ｐ４の前に平滑処理を行うので造形物の輪郭に対応する部分６１の平滑処理が無理なく円滑に実施される。
そして、本工程は前述したようにバインダーが層Ｄ中に残存している状態の造形物の輪郭に対応する部分６１に対して実行されるため、バインダーを消失飛散させながら平滑処理が行われる。これにより、バインダーが消失飛散される際に層Ｄ中のそのバインダーの周囲の粉末が追従して除去されるため、効果的に滑らかな表面を得ることが可能になる。なお、消失飛散とは、バインダーの熱分解や酸化分解によるガス化が起こることや、ガス化に至らない固形状態であっても、層中から飛散することを含む。

（４）固化工程（図２及び図３（Ｄ）、図４（Ｄ）参照）
固化工程Ｐ４は、平滑処理工程Ｐ３が実行された後に層Ｄ中の粉末を溶融又は焼結の処理を行うことにより固化する工程である。
即ち、必要に応じて取付けベース５３Ｒを反転させて、平滑処理工程Ｐ３で使用したレーザービーム照射部４７を固化工程Ｐ４においても使用し得る状態にする。次に、前記平滑処理よりも大きな出力でレーザービーム照射部４７からエネルギービームＥを層Ｄ全体に照射する。

本実施形態では、上記の通り固化工程Ｐ４を行う前の段階で造形物の輪郭に対応する部分６１の平滑処理が既に実行されているので、固化工程Ｐ４の終了の時点で当該造形物Ｍ０の輪郭の凹凸を有する所定領域Ｇ１は既に平滑になっている、即ち造形物Ｍ０の表面は滑らかな状態に仕上げられている。
そして、このようにして構成される実施形態１に係る三次元造形装置１Ａと本実施形態に係る三次元造形物の製造方法によれば、固化工程後の硬質の造形物Ｍ０に対して行っていた従来の平滑処理に比べて平滑処理が容易になり、滑らかな表面の高品質の三次元造形物Ｍ１を効率良く製造することが可能になる。

◆◆◆実施形態３（図５及び図６参照）◆◆◆
実施形態３に係る三次元造形物の製造方法は、複数の流動性組成物Ａ、Ｂを使用してサポート層に対応する部分６３と造形物に対応する部分６５を形成するようにした実施形態である。これに伴い、層形成工程Ｐ１と平滑処理工程Ｐ３の内容が実施形態２に係る三次元造形物の製造方法と幾分相違している。乾燥工程Ｐ２と固化工程Ｐ４の内容の基本的内容については、実施形態２と同様である。
従って、ここでは実施形態２と相違する層形成工程Ｐ１と平滑処理工程Ｐ３の内容について説明する。

（１）層形成工程（図５（Ａ）（Ｄ）（Ｅ）及び図６（Ａ）（Ｄ）（Ｅ）参照）
本実施形態に係る三次元造形物の製造方法によって製造される三次元造形物Ｍ１は、製造途中の造形物Ｍ０の段階で層Ｄ内にサポート層に対応する部分６３と造形物に対応する部分６５を有している。そして、造形物の輪郭に対応する部分６１は、前記サポート層に対応する部分６３と造形物に対応する部分６５との接触部となる。
これに伴い、本実施形態では第１粉末を含む第１流動性組成物Ａと、前記第１粉末と異なる第２粉末を含む第２流動性組成物Ｂとを用いて、当該層形成工程Ｐ１において、第１流動性組成物Ａと第２流動性組成物Ｂを異なる領域に吐出して前記サポート層に対応する部分６３と造形物に対応する部分６５を含む層Ｄが形成されている。
具体的には、図５（Ａ）及び図６（Ａ）に表すように最初にレーザー吸収剤を含んだ第２流動性組成物Ｂをステージ３上の所定の個所に吐出ヘッド５Ｂから吐出してサポート層に対応する部分６３を形成する。

（２）平滑処理化工程（図５（Ｂ）（Ｃ）及び図６（Ｂ）（Ｃ）参照）
本実施形態では、平滑処理は前記サポート層に対応する部分６３に対して行われる。具体的には図示のように、造形物に対応する部分６５との接触部となるサポート層に対応する部分６３にエネルギービームＥを照射して該サポート層に対応する部分６３側の接触面よりも外方に存する凹凸を有する所定領域Ｇ２を除去等してサポート層に対応する部分６３側の接触面を平滑にする。
そして、本実施形態では当該平滑処理は前述したレーザー吸収剤を含んだ第２流動性組成物Ｂを使用して形成される前述したサポート層に対応する部分６３に対して実行される。尚、第２流動性組成物Ｂ中に含まれるレーザー吸収剤としては、レーザー吸収効率を向上させて効率的な平滑処理を行うことを可能にする種々の材料が適用でき、一例としてカーボンやナイロン１２、金属材料であるバナジウム等が使用可能である。

次に、後述する、平滑処理を行ったサポート層に対応する部分６３の間にできた空隙部７１に対して、図５（Ｄ）及び図６（Ｄ）に表すように第１流動性組成物Ａを吐出ヘッド５Ｂから吐出して造形物に対応する部分６５を形成する。そして、形成された造形物に対応する部分６５に対してエネルギービームＥ等を照射して固化した後、図５（Ｅ）及び図６（Ｅ）に表すようにサポート層に対応する部分６３を取り除けば、造形物に対応する部分６５のみによって構成される層Ｄが形成される。

そして、このようにして構成される本実施形態に係る三次元造形物の製造方法によっても、前述した実施形態２に係る三次元造形物の製造方法と同様の作用、効果が発揮される。また、本実施形態にあっては、単一の粉末を含む単一の流動性組成物Ａのみを使用してサポート層に対応する部分６３と造形物に対応する部分６５を形成する場合に無駄になるサポート層中に含まれる粉末の使用量を減らして造形物Ｍ０用に使用する粉末に当てることで当該粉末の有効利用を図ることが可能になる。
また、サポート層の形成に使用する粉末として、造形後のサポート層の分離除去が行い易い粉末を選ぶことで、造形後のサポート層の除去を容易に行えるようにすることが可能になる。

◆◆◆実施形態４（図７及び図８参照）◆◆◆
実施形態４に係る三次元造形物の製造方法は、前述した実施形態２に係る三次元造形物の製造方法における乾燥工程Ｐ２と平滑処理工程Ｐ３との間に積層工程Ｐ５を設けた実施形態である。従って、層形成工程Ｐ１と乾燥工程Ｐ２については、実施形態２と同様であるので、ここでの説明は省略する。平滑処理工程Ｐ３と固化工程Ｐ４については、実施形態２と基本的な部分は同様であるので、ここではその相違点のみを簡単に説明する。また、本実施形態において、新たに設けた積層工程Ｐ５については、具体的に説明する。

（１）積層工程（図７（Ａ）及び図８（Ａ）参照）
積層工程Ｐ５は、前述した層形成工程Ｐ１を積層方向Ｚに所定回数、繰り返して所定形状の三次元造形物Ｍ１を得る工程である。
例えば、層形成工程Ｐ１によりステージ３の層形成領域１３上に一層目の層Ｄ１を形成後、乾燥工程Ｐ２を実行して一層目の層Ｄ１中に含まれる溶媒を飛ばして消失させる。

次に、形成した一層目の層Ｄ１の上に同様の操作で二層目の層Ｄ２を形成し、同じく乾燥工程Ｐ２を実行して二層目の層Ｄ２中に含まれる溶媒を飛ばして消失させる。以下、同様にして必要な数の層Ｄを形成し、図示のような積層状態の造形物Ｍ０を得る。
尚、ここまでの状態では、造形物Ｍ０の輪郭に対応する部分６１には、多数の凹凸が存在し、その表面は粗い状態になっている。

（２）平滑処理工程（図７（Ｂ）及び図８（Ｂ）参照）
本実施形態では、積層された複数の層Ｄによって構成される造形物Ｍ０の造形物の輪郭に対応する部分６１に対して平滑処理が行われる。
例えば、造形物Ｍ０の輪郭に対応する部分６１が図示のような傾斜面６７Ｌ、６７Ｒ（図７（Ｃ）及び図８（Ｃ）参照）によって構成されている場合には、当該傾斜面６７Ｌ、６７Ｒの凹凸を有する所定領域Ｇ３にエネルギービームＥを照射して積層された層Ｄの平滑処理を一挙に実行する。

（３）固化工程（図７（Ｃ）及び図８（Ｃ）参照）
次に、平滑処理が行われた積層された複数の層Ｄによって構成される造形物Ｍ０を焼結炉６９（図８（Ｃ））等に入れてその全体を一挙に焼結して固化したり、実施形態２で採用したエネルギービームＥを使用して各部位毎に溶融して固化処理を実行する。
そして、このようにして構成される本実施形態に係る三次元造形物の製造方法によっても、前述した実施形態２に係る三次元造形物の製造方法と同様の作用、効果が発揮される。また、本実施形態にあっては、複数の層Ｄの平滑処理ないし固化処理を一挙に行うことができるから、三次元造形物Ｍ１の生産性が一層向上する。

◆◆◆実施形態５（図９参照）◆◆◆
実施形態５に係る三次元造形装置１Ｅは、前述した実施形態１に係る三次元造形装置１Ａの駆動部１０の構成部材であるロボット５５に代えて幅方向Ｘの移動を担う第１駆動装置２１と奥行き方向Ｙの移動を担う第２駆動装置３５を設けた実施形態である。
従って、第１駆動装置２１と第２駆動装置３５以外の構成については、実施形態１と同様であるので、ここでの説明は省略し、実施形態１と相違する第１駆動装置２１と第２駆動装置３５の構成とその作動態様の概略について説明する。

即ち、本実施形態では、吐出ヘッド５と赤外線照射部４５とレーザービーム照射部４７と集塵ヘッド４９とが回転角度変更可能なキャリッジ３２に取り付けられている。該キャリッジ３２は第１駆動装置２１によって幅方向Ｘに三次元造形物Ｍ１の形成に必要な所定ストローク移動できるように構成されている。
尚、図示の実施形態では、第１駆動装置２１として支持フレーム２３上に配置した奥行き方向Ｙに延びる２本の第２ガイドレール２５上を走行する走行フレーム２７と、該走行フレーム２７に対して幅方向Ｘに延びるように設けられる第１ガイドレール２９と、該第１ガイドレール２９に沿って幅方向Ｘに往復移動する第１スライドブロック３１と、該第１スライドブロック３１に駆動力を付与する第１アクチュエーター３３と、を備えた構成のものを一例として採用している。

また、走行フレーム２７は、駆動部１０の構成部材である第２駆動装置３５によって一例として前後方向となる奥行き方向Ｙに三次元造形物Ｍ１の形成に必要な所定ストローク移動できるように構成されている。
尚、図示の実施形態では、第２駆動装置３５として、支持フレーム２３上に配置された２本の第２ガイドレール２５と、該第２ガイドレール２５に沿って奥行き方向Ｙに往復移動する走行フレーム２７に対して設けられる第２スライドブロック３７と、該第２スライドブロック３７に駆動力を付与する第２アクチュエーター３９と、を備えた構成のものを一例として採用している。

そして、このようにして構成される本実施形態に係る三次元造形装置１Ｅによっても、実施形態１に係る三次元造形装置１Ａと同様の作用、効果が発揮される。また、本実施形態にあっては、実施形態１のロボットアーム５７、５９を使用した構成よりも一般に広い範囲をキャリッジ３２が移動できるから、形状の大きな三次元造形物Ｍ１の製造が可能になる。

［他の実施形態］
本発明に係る三次元造形物の製造方法及び三次元造形装置１は、以上述べたような構成を有することを基本とするものであるが、本願発明の要旨を逸脱しない範囲内での部分的構成の変更や省略等を行うことも勿論可能である。
例えば、実施形態３に係る三次元造形物の製造方法に対して、実施形態４に係る三次元造形物の製造方法において採用した積層工程Ｐ５を設け、複数の流動性組成物Ａ、Ｂを使用したサポート層を利用した平滑処理を、積層した複数の層Ｄに対して適用することが可能である。また、実施形態２において採用した乾燥工程Ｐ２を省略し、層形成工程Ｐ１と平滑処理工程Ｐ３と固化工程Ｐ４とによって三次元造形物の製造方法を構成することも可能である。

また、実施形態２から実施形態４における平滑処理工程Ｐ３で行う平滑処理の手段としては、これらの実施形態中で採用したレーザービーム照射部４７から照射するエネルギービームＥを利用したものの他、エンドミル等の切削工具を使用したものであってもよい。
また、実施形態２から実施形態４における乾燥工程Ｐ２、平滑処理工程Ｐ３及び固化工程Ｐ４の少なくとも二工程は、共通のエネルギー付与部４７を用いることが可能である。従って、実施形態２から実施形態４に表すように平滑処理部Ｐ３と固化工程Ｐ４のエネルギー付与部４７を単一のエネルギー付与部４７で兼用した構成を採用することも可能であるし、乾燥工程Ｐ２と平滑処理工程Ｐ３のエネルギー付与部４７を兼用したり、乾燥工程Ｐ２と平滑処理工程Ｐ３と固化工程Ｐ４の三つの工程を単一のエネルギー付与部４７によって実行するように構成することも可能である。

更に、ステージ３上に流動性組成物Ａを供給して層Ｄを形成する手段としては、前述した実施形態において採用した吐出部５を使用した手段に限られない。従って、例えば塗工ロールを使用してステージ３上に流動性組成物Ａを塗り重ねて行く方式の手段等を採用することも可能である。

１ 三次元造形装置、３ ステージ、５ 吐出ヘッド（吐出部）、
７ 乾燥処理部、８、平滑処理部、９ 固化処理部、１０ 駆動部、１１ 制御部、
１３ 層形成領域、１５ 昇降駆動装置、１７ 原料供給ユニット、１９ 供給チューブ、
２１ 第１駆動装置、２３ 支持フレーム、２５ 第２ガイドレール、２７ 走行フレーム
２９ 第１ガイドレール、３１ 第１スライドブロック、３２ キャリッジ、
３３ 第１アクチュエーター、３５ 第２駆動装置、３７ 第２スライドブロック、
３９ 第２アクチュエーター、４１ 遠赤外線発生部、４３ レーザー発振器、
４５ 遠赤外線照射部（エネルギー付与部）、
４７ レーザービーム照射部（エネルギー付与部）、４９ 集塵ヘッド、
５１ 吸引装置、５３ 取付けベース、５５ 産業用ロボット、５７ ロボットアーム、
５９ ロボットアーム、６１ 造形物の輪郭に対応する部分、
６３ サポート層に対応する部分、６５ 造形物に対応する部分、６７ 傾斜面、
６９ 焼結炉、７１ 空隙部、
Ｐ１ 層形成工程、Ｐ２ 乾燥工程、Ｐ３ 平滑処理工程、Ｐ４ 固化工程、
Ｐ５ 積層工程、Ａ 流動性組成物、Ｂ 流動性組成物、Ｄ 層、Ｃ 遠赤外線、
Ｅ エネルギービーム、Ｍ０ 造形物、Ｍ１ 三次元造形物、Ｘ 幅方向、
Ｙ 奥行き方向、Ｚ 積層方向、Ｌ 吐出物ライン、Ｇ 所定領域

Claims (9)

1. 粉末とバインダーとを含む流動性組成物を吐出して層を形成する層形成工程と、
   前記層の造形物の輪郭に対応する部分の凹凸に前記バインダーを消失飛散させるエネルギーを付与し、前記バインダーを消失飛散させながら前記粉末を除去する平滑処理工程と、
   前記平滑処理工程後に前記粉末を溶融又は焼結の処理により固化する固化工程と、を有する、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
2. 請求項１に記載の三次元造形物の製造方法において、
   前記流動性組成物は溶媒を含み、
   前記平滑処理工程は、前記層形成工程後の前記層から前記溶媒を乾燥処理する乾燥工程を行った後に実行する、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
3. 請求項１から２のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法において、
   前記層内にサポート層に対応する部分と前記造形物に対応する部分を有し、
   前記造形物の輪郭に対応する部分は、前記サポート層に対応する部分と造形物に対応する部分との接触部である、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
4. 請求項３に記載の三次元造形物の製造方法において、
   第１粉末を含む第１流動性組成物と、前記第１粉末と異なる第２粉末を含む第２流動性組成物とを用い、
   前記層形成工程は、前記第１流動性組成物と第２流動性組成物を異なる領域に吐出して前記サポート層に対応する部分と造形物に対応する部分の層を形成する、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
5. 請求項４に記載の三次元造形物の製造方法において、
   前記平滑処理は、前記サポート層に対応する部分に対して行う、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
6. 請求項５に記載の三次元造形物の製造方法において、
   前記第２流動性組成物は前記サポート層の形成に用いる材料であり、
   前記第２流動性組成物はレーザー吸収剤を含む、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法において、
   前記平滑処理は、レーザー照射で行う、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
8. 請求項２に記載の三次元造形物の製造方法において、
   前記乾燥工程、平滑処理工程及び固化工程の少なくとも二工程は、共通のエネルギー付与部を用いる、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
9. 粉末とバインダーとを含む流動性組成物を吐出する吐出部と、
   前記吐出部から前記流動性組成物を吐出して形成した層に対して乾燥処理する乾燥処理部と、
   前記乾燥処理後の前記層の造形物の輪郭に対応する部分の凹凸に前記バインダーを消失飛散させるエネルギーを付与し、バインダーが消失飛散させながら前記粉末を除去する平滑処理部と、
   前記平滑処理された前記層の前記造形物に対応する部分の粉末に対して溶融又は焼結の処理を行って固化する固化処理部と、を備える、ことを特徴とする三次元造形装置。

Images