JP6751251B2 - 三次元造形物の製造方法及び三次元造形物の製造装置 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、流動性組成物としての金属ペーストを用いて層を形成し、三次元造形物の対応領域にレーザーを照射して焼結又は溶融しながら三次元造形物を製造する製造方法が開示されている。
なお、「クリーニングする」とは、焼結された三次元造形物の周りに付着した支持部形成粒子などの不純物を取り除くことを意味する。
なお、「プレエネルギー付与工程」とは、例えば、エネルギーを付与工程よりも低い加熱温度で三次元造形物を加熱することなどを意味し、エネルギー付与工程よりも弱い力で構成材料粒子を焼結(仮焼結)させることなどを意味する。
なお、「エネルギー付与工程におけるエネルギー付与で焼結しない粒子」は、支持部形成粒子と同じ粒子であってもよいが、異なる粒子であってもよく、支持部形成粒子と異なる粒子であった場合、支持部形成粒子よりも焼結温度が高い方が好ましい。
図1及び図2は本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置の構成を示す概略構成図である。
ここで、本実施形態の三次元造形物の製造装置は、2種類の材料供給部(ヘッドベース)を備えているが、図1及び図2は、各々、一方の材料供給部のみを表した図であり、他方の材料供給部は省略して表している。また、図1の材料供給部は、三次元造形物の構成材料粒子を含む流動性組成物(構成材料)を供給する材料供給部である。そして、図2の材料供給部は、三次元造形物を形成する際に該三次元造形物を支持する支持部を形成する支持部形成粒子を含む流動性組成物(支持部形成用材料)を供給する材料供給部である。なお、本実施例の構成材料粒子を含む流動性組成物及び支持部形成粒子を含む流動性組成物は、何れも溶媒とバインダーとを含むものであるが、これらを含まないものを使用してもよい。
なお、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みを有する形状を形成することも含まれる。また、「支持する」とは、下側から支持する場合の他、横側から支持する場合や、場合によっては上側から支持する場合も含む意味である。
そして、図1で表されるように、一方の端部が基台110に固定され、他方の端部に構成材料を吐出する構成材料吐出部を備えるヘッドユニット1400を複数保持するヘッドベース1100が保持固定される、ヘッドベース支持部130を備えている。
また、図2で表されるように、一方の端部が基台110に固定され、他方の端部に支持部形成用材料を吐出する支持部形成用材料吐出部を備えるヘッドユニット1400’を複数保持するヘッドベース1100’が保持固定される、ヘッドベース支持部130’を備えている。
ここで、ヘッドベース1100及びヘッドベース1100’は、XY平面において並列に設けられている。
なお、構成材料吐出部1230及び支持部形成用材料吐出部1230’は、吐出される材料(構成材料及び支持部形成用材料)が異なること以外は同様の構成のものである。ただし、このような構成に限定されない。
三次元造形物500の形成には、加熱部1700による熱エネルギーの照射(エネルギー付与)がなされるため、ステージ120の熱からの保護のため、耐熱性を有する試料プレート121を用いて、試料プレート121の上に三次元造形物500を形成してもよい。試料プレート121としては、例えばセラミック板を用いることで、高い耐熱性を得ることができ、更に焼結される三次元造形物の構成材料との反応性も低く、三次元造形物500の変質を防止することができる。なお、図1(a)及び図2(a)では、説明の便宜上、層501、502及び503の3層を例示したが、所望の三次元造形物500の形状まで(図1(a)及び図2(a)中の層50nまで)積層される。
ここで、層501、502、503、・・・50nは、各々、支持部形成用材料吐出部1230’から吐出される支持部形成用材料で形成される支持層300と、構成材料吐出部1230から吐出される構成材料で形成される構成層310(三次元造形物500の構成領域に対応する層)と、で構成される。また、構成材料吐出部1230から吐出された構成材料と、支持部形成用材料吐出部1230’から吐出された支持部形成用材料とで、1層分の層を形成した後に、該層全体に加熱部1700から熱エネルギーを照射して、層毎に焼結させることができる。さらには、構成層310と支持層300とを複数層形成することで三次元造形物の形状を完成させて、これを形成装置2000とは別体で設けられた恒温槽(加熱部)において焼結させることも可能である。
また、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチックを用いることが可能である。その他、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチックも用いることが可能である。
このように、構成材料に特に限定はなく、上記金属以外の金属やセラミックスや樹脂等も使用可能である。
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。
バインダーとしては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又は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)或いはその他の熱可塑性樹脂である。
ただし、支持部形成用材料に特に限定はなく、上記の構成材料の例のような、セラミックス以外の金属や樹脂等も使用可能である。
同様に、ヘッドユニット1400’に備える支持部形成用材料吐出部1230’では、制御ユニット400からの制御信号に基づき、材料供給コントローラー1500において支持部形成用材料吐出部1230’に備える吐出駆動部1230b’における吐出ノズル1230a’からの材料吐出量などを制御する信号が生成され、生成された信号により吐出ノズル1230a’から所定量の支持部形成用材料が吐出される。
図3及び図4は、ヘッドベース1100に複数保持されるヘッドユニット1400及びヘッドユニット1400に保持される構成材料吐出部1230の保持形態の一例を示し、図3は図1(b)に示す矢印D方向からのヘッドベース1100の外観図、図4は図3に示すE−E’部の概略断面図である。
図9は、形成装置2000を用いて行う三次元造形物の製造過程の一例を表す概略図である。なお、本例は、形成装置2000が備える加熱部1700を用いて、構成材料吐出部1230及び支持部形成用材料吐出部1230’から構成材料及び支持部形成用材料を吐出させて1層分の層を形成する毎に、該層を加熱して三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法の例である。また、本実施例の三次元造形物の製造方法では、焼結された状態の三次元造形物を製造する。
なお、図9には、支持層300及び構成層310の厚みが分かりやすいように、Z方向に複数の補助線が引いてある。
次に、図9(b)で表されるように、第1層目の層501を加熱部1700により加熱し、該層の構成層310を焼結させるとともに支持層300を仮焼結する。なお、本実施例における加熱部1700の加熱温度は、構成材料に含有される金属粒子(構成材料粒子)が焼結する温度であり、かつ、支持部形成用材料に含有されるセラミックス粒子(支持部形成粒子)が仮焼結する温度に設定してある。
なお、「仮焼結」とは、通常の焼結よりも焼結密度を落とし、弱い力で構成材料粒子を結合させるものであり、原料を焼結させるために、あらかじめ原料に含まれる材料の一部を離脱させること、原料に含まれる材料の一部を酸化させることなどを含むものである。
具体的には、図9(c)で表されるように、構成材料吐出部1230から構成材料を吐出させ、支持部形成用材料吐出部1230’から支持部形成用材料を吐出させて、第2層目の層502において、構成層310及び支持層300を形成する。そして、図9(d)で表されるように、第2層目の層501を加熱部1700により加熱する。
さらに、図9(e)で表されるように第3層目の層502において構成層310及び支持層300を形成し、図9(f)で表されるように第3層目の層501を加熱部1700により加熱し、図9(g)で表されるように第4層目の層502において構成層310及び支持層300を形成し、図9(h)で表されるように第4層目の層501を加熱部1700により加熱して三次元造形物(焼結された状態の構成層310)を完成させる。
ここで、図10は、本実施例に係る三次元造形物の製造方法のフローチャートである。
この際、生成されるビットマップデータは、三次元造形物の形成領域と三次元造形物の非形成領域とで区別されたデータになっている。
なお、ステップS130とステップS140の順番は、逆でもよく、また、同時でもよい。
なお、本ステップでは、構成層310を焼結させ支持層300を仮焼結させたが、支持層300を仮焼結させなくてもよい。
図11は、形成装置2000を用いて行う三次元造形物の製造過程の一例を表す概略図である。なお、本例は、形成装置2000が備える加熱部1700を用いず、形成装置2000とは別体で設けられた不図示の恒温槽(加熱部)において、構成材料吐出部1230及び支持部形成用材料吐出部1230’から構成材料及び支持部形成用材料を吐出させて三次元造形物の形状の形成が終了してから、該三次元造形物の形成物を加熱して三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法の例である。また、本実施例の三次元造形物の製造方法では、焼結された状態の三次元造形物を製造する。
なお、図11には、支持層300及び構成層310の厚みが分かりやすいように、Z方向に複数の補助線が引いてある。
次に、図11(b)で表されるように、構成材料吐出部1230から構成材料を吐出させ、支持部形成用材料吐出部1230’から支持部形成用材料を吐出させて、第2層目の層502において、構成層310及び支持層300を形成する。
そして、図11(c)及び図11(d)で表されるように、図11(a)及び図11(b)で表される動作を繰り返し、三次元造形物の形状を完成させる。
そして、図11(e)で表されるように、該三次元造形物の形成物を不図示の恒温槽において加熱し、該三次元造形物の形成物の構成層310を焼結させるとともに支持層300を仮焼結させて、三次元造形物(焼結された状態の構成層310)を完成させる。なお、本実施例における該恒温槽における加熱温度は、構成材料に含有される金属粒子(構成材料粒子)が焼結する温度であり、かつ、支持部形成用材料に含有されるセラミックス粒子(支持部形成粒子)が仮焼結する温度に設定してある。
ここで、図12は、本実施例に係る三次元造形物の製造方法のフローチャートである。
なお、図12のステップS110からステップS140までとステップS170は、図9のステップS110からステップS140までとステップS170と同様であるので説明は省略する。
そして、ステップS160により、ステップS120において生成された各層に対応するビットマップデータに基づく三次元造形物の形成物の造形が終了するまで、ステップS130からステップS160までが繰り返され、三次元造形物の形成物の造形が終了すると、ステップS165に進む。
ステップS165では、ステップS130からステップS160までが繰り返されて形成された三次元造形物の形成体を、不図示の恒温槽において、構成層310を焼結するとともに支持層300を仮焼結する。なお、本ステップでは、構成層310を焼結させ支持層300を仮焼結させたが、支持層300を仮焼結させなくてもよい。そして、本ステップの終了後、ステップS170を実行し、本実施例の三次元造形物の製造方法を終了する。
このため、三次元造形物の構成材料を焼結させつつ支持部の焼結を抑制することができ、三次元造形物の対応領域以外の部分も焼結させてしまうことで三次元造形物を取り外す際の分離作業や取り外した後の成形作業などの負荷が大きくなるということを抑制できる。したがって、三次元造形物を形成した後の後処理工程を減らすことができる。
このため、三次元造形物の構成材料を焼結させつつ支持部の焼結を抑制することができ、三次元造形物の対応領域以外の部分も焼結させてしまうことで三次元造形物を取り外す際の分離作業や取り外した後の成形作業などの負荷が大きくなるということを抑制できる。したがって、三次元造形物を形成した後の後処理工程を減らすことができる。
なお、「クリーニングする」とは、焼結された三次元造形物の周りに付着した支持部形成粒子などの不純物を取り除くことを意味する。
なお、「プレエネルギー付与工程」とは、例えば、エネルギーを付与工程よりも低い加熱温度で三次元造形物を加熱することなどを意味し、エネルギー付与工程よりも弱い力で構成材料粒子を焼結(仮焼結)させることなどを意味する。
ここで、図13は、プレエネルギー付与工程と除去工程とを実行した場合における、三次元造形物の製造過程の一例を表す概略図である。図13(a)は焼結前(エネルギー付与工程前)の三次元造形物500を表している。図13(b)は、図13(a)の状態からプレエネルギー付与工程を実行し、構成層310を仮焼結させた状態(支持層300は焼結も仮焼結もしていない状態)を表している。そして、図13(c)は、図13(b)の状態から除去工程を実行し、三次元造形物500の周囲の支持部形成粒子を除去した状態(三次元造形物の形状の確認が可能な状態)を表している。そして、図13(e)は、例えば不図示の恒温槽などにおいて、図13(c)の状態からエネルギー付与工程を実行し、三次元造形物500を焼結させた状態を表している。
なお、「エネルギー付与工程におけるエネルギー付与で焼結しない粒子」は、支持部形成粒子と同じ粒子であってもよいが、異なる粒子であってもよい。支持部形成粒子と異なる粒子であった場合、支持部形成粒子よりも焼結温度が高い方が好ましい。
110 基台、111 駆動装置、120 ステージ(支持体)、
121 試料プレート、130、130’ ヘッドベース支持部、
300 支持層(支持部)、310 構成層、400 制御ユニット(制御部)、
410 ステージコントローラー、430 レーザーコントローラー、
500 三次元造形物、501、502及び503 層、
1100、1100’ ヘッドベース、
1200 構成材料供給装置、1200’ 支持部形成用材料供給装置、
1210 構成材料供給ユニット、1210’ 支持部形成用材料供給ユニット、
1210a 構成材料収容部、1210a’ 支持部形成用材料収容部、
1220、1220’ 供給チューブ、
1230 構成材料吐出部、1230’ 支持部形成用材料吐出部、
1230a、1230a’ 吐出ノズル、1230b、1230b’ 吐出駆動部、
1400、1400’ ヘッドユニット、
1401、1402、1403、1404、1405、1406、1407及び1408 ヘッドユニット、
1400a、1400a’ 保持治具、1500 材料供給コントローラー、
1600、1600’ ヘッドベース、1700 加熱部(エネルギー付与部)、
1710 加熱部コントローラー、2000 形成装置(三次元造形物の製造装置)、
L レーザー、M 材料(構成材料)
Claims (7)
- 金属粒子及び熱可塑性樹脂を含む構成材料を連続体形状で吐出して構成層を形成する工程と、
セラミック粒子及び熱可塑性樹脂を含む支持部形成材料を連続体形状で吐出して、三次元造形物を形成する際に前記三次元造形物を支持する支持層を形成する工程と、
前記構成層を形成する工程、及び、前記支持層を形成する工程を繰り返す積層工程と、
前記積層工程の終了後に、積層した前記構成層及び前記支持層に焼結炉でエネルギーを付与するエネルギー付与工程と、を有し、
前記セラミック粒子の焼結温度は、前記金属粒子の焼結温度よりも高く、
前記エネルギー付与工程は、前記金属粒子の焼結温度以上且つ前記セラミック粒子の焼結温度未満の温度となるように、積層した前記構成層及び前記支持層にエネルギーを付与し、
前記エネルギー付与工程に先駆けて、前記エネルギー付与工程におけるエネルギーよりも弱いエネルギーを付与するプレエネルギー付与工程を実行し、
前記プレエネルギー付与工程では、前記構成材料粒子を仮焼結させることを特徴とする三次元造形物の製造方法。 - 請求項1に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記エネルギー付与工程後に前記三次元造形物をクリーニングするクリーニング工程を有することを特徴とする三次元造形物の製造方法。 - 請求項1または2に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記エネルギー付与工程に先駆けて、
前記プレエネルギー付与工程と、
前記セラミック粒子を除去する除去工程と、
を実行することを特徴とする三次元造形物の製造方法。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記エネルギー付与工程は、前記エネルギー付与工程におけるエネルギー付与で焼結しない粒子で前記三次元造形物を支持させた状態にして、エネルギーを付与することを特徴とする三次元造形物の製造方法。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記エネルギー付与工程は、前記金属粒子及び前記セラミック粒子に同一のエネルギーを付与することを特徴とする三次元造形物の製造方法。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載された三次元造形物の製造方法において、
前記金属粒子はアルミ、チタン、鉄、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、マルエージング鋼の少なくともいずれか1つの成分を含む粒子であり、前記セラミック粒子はシリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化ジルコンの少なくともいずれか1つの成分を含む粒子であることを特徴とする三次元造形物の製造方法。 - 金属粒子及び熱可塑性樹脂を含む構成材料を連続体形状で吐出して構成層を形成する吐出部と、
焼結温度が前記金属粒子の焼結温度よりも高いセラミック粒子と、熱可塑性樹脂と、を含む支持部形成材料を連続体形状で吐出して、前記三次元造形物を形成する際に該三次元造形物を支持する支持層を形成する吐出部と、
前記構成層の形成と前記支持層の形成とを繰り返すよう制御する制御部と、
前記積層工程の終了後に、積層した前記構成層及び前記支持層にエネルギーを付与する焼結炉と、を有し、
前記焼結炉は、前記金属粒子の焼結温度以上且つ前記セラミック粒子の焼結温度未満の温度となるように、積層した前記構成層及び前記支持層にエネルギーを付与するよう調整されており、
前記制御部は、前記焼却炉でのエネルギーの付与に先駆けて、前記焼却炉でのエネルギーの付与におけるエネルギーよりも弱いエネルギーを付与するプレエネルギー付与工程を実行し、
前記プレエネルギー付与工程では、前記構成材料粒子を仮焼結させることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
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