JP6777189B2 - ３次元形成装置および３次元形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、３次元形成装置および３次元形成方法に関する。

従来、金属材料を用いて３次元形状を簡便に形成する製造方法として、特許文献１に示すような方法が開示されている。特許文献１に開示されている３次元形状造形物の製造方法は、原料に金属粉末と、溶剤と、粘着増進剤と、を有する金属ペーストを層状の材料層に形成して用いる。そして、層状の材料層に光ビームを照射して金属の焼結層もしくは金属の熔融層を形成し、材料層の形成と、光ビームの照射と、を繰り返すことにより焼結層もしくは熔融層が積層され、所望の３次元形状造形物が得られる。

特開２００８−１８４６２２号公報

しかし特許文献１に示された３次元形状造形物の製造方法では、層状に供給される材料層の一部だけが光ビームの照射によって焼結あるいは熔融し、造形物の一部として形成され、光ビームが照射されない材料層は、除去されるだけの無駄な部分であった。また、所定の光ビームの照射領域に対して、その近傍でも不完全ではあるが焼結あるいは熔融した材料層が発生し、その不完全部分が所望の焼結あるいは熔融によって形成された部分に付着することで、造形物の形状が不安定になる、といった不具合があった。

そこで、３次元造形物の形成に必要な量の材料を所定の位置に供給し、焼成あるいは熔融させるエネルギー線を供給された材料に照射し、所望の形状に成形することで、材料の無駄を省き、且つ、エネルギー線の利用効率を高めることを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

〔適用例１〕本適用例に係る３次元形成装置は、ステージと、金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料を前記ステージに供給する材料供給手段と、前記材料供給手段から供給された前記被焼結材料に、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギーを供給する加熱手段と、を備え、前記ステージに対して、前記材料供給手段と、前記加熱手段と、が、相対的に３次元移動が可能となる駆動手段を備え、前記材料供給手段は、前記ステージ上の所望の位置に前記被焼結材料を所定量供給し、供給された前記被焼結材料に前記加熱手段から前記エネルギーが供給されることを特徴とする。

本適用例の３次元形成装置によれば、形成される３次元形状造形物の形状を形成する領域に必要な量の焼結材料が供給され、供給された焼結材料に向けて加熱手段によってエネルギーが供給されるため、材料供給のロス、供給エネルギーのロスが削減される。

なお、本適用例において、「焼結可能とする」における焼結とは、供給材料にエネルギーが供給されることによって、供給材料を構成するバインダーが供給エネルギーによって蒸散し、そして、残った金属粉末同士が供給エネルギーによって金属結合することをいう。なお、本明細書では金属粉末が熔融結合される形態もエネルギーを供給することで金属粉末を結合させるものとして、焼結として説明する。

〔適用例２〕上述の適用例において、前記駆動手段は、前記材料供給手段の移動経路を追従するように前記加熱手段の移動経路を制御する制御手段を含むことを特徴とする。

上述の適用例によれば、材料供給手段から供給された被焼結材料を、材料供給手段の移動経路を追従させて加熱手段を駆動させて、順次、焼結あるいは熔融させて、所定形状に形成することで、エネルギー照射前の供給された被焼結材料への熱影響、例えば被焼結材料の変質、変形が生じることを防止し、品質の良い３次元形状造形物を形成することができる。

〔適用例３〕上述の適用例において、前記材料供給手段を複数備え、異なる組成を有する前記被焼結材料を、少なくとも２種以上供給することを特徴とする。

上述の適用例によれば、異なる組成毎に被焼結材料を供給する材料供給手段を備えることができ、組成毎の各材料供給手段の材料供給と、加熱手段と、によって異なる材料の焼結もしくは熔融を可能とし、２種以上の組成材料からなる造形物を容易に形成することができる。

〔適用例４〕上述の適用例において、前記加熱手段がレーザー照射手段であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、ターゲットとなる供給材料に集中してエネルギーを照射することができ、品質の良い３次元形状造形物を形成することができる。また、例えば被焼結材料の種類に合わせて、照射エネルギー量（パワー、照射時間、走査速度）を制御することが容易に行うことができ、所望の品質の３次元形状造形物を得ることができる。

〔適用例５〕本適用例に係る３次元形成方法は、金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料を所望形状に供給する材料供給工程と、前記材料供給工程によって供給された前記被焼結材料に向けて、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギーを供給し前記被焼結材料を焼結させる焼結工程と、により単層を形成する単層形成工程と、前記単層形成工程によって形成された第一の単層に積層させ、前記単層形成工程によって第二の単層を形成する積層工程と、を含み、前記積層工程を所定の回数、繰り返して３次元形状造形物が形成される３次元形成方法であって、前記単層形成工程は、前記材料供給工程の終了前に前記焼結工程は開始され、前記エネルギーの供給が前記被焼結材料の供給に追従して行われ、前記被焼結材料が焼結されることを特徴とする。

本適用例の３次元形成方法によれば、形成される３次元形状造形物の形状を形成する領域に必要な量の被焼結材料が供給され、供給された被焼結材料に向けて加熱手段によってエネルギーが供給されるため、材料供給のロス、供給エネルギーのロスが削減される。また、材料供給手段から供給された被焼結材料を、材料供給手段の移動経路を追従させて加熱手段を駆動させて、順次、焼結あるいは熔融させて、所定形状に形成することで、エネルギー照射前の供給された被焼結材料への熱影響、例えば被焼結材料の変質、変形が生じることを防止し、品質の良い３次元形状造形物を形成することができる。

〔適用例６〕上述の適用例において、前記積層工程において、前記単層を重力方向に支持するサポート部が形成され、前記サポート部は、前記焼結工程において前記エネルギーが照射されない未焼結部であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、供給された焼結もしくは熔融前のペースト状の柔らかな被焼結材料が、重力による変形、いわゆる自重による変形を防止することができ、所望の形状に３次元形状造形物を形成することができる。

〔適用例７〕上述の適用例において、前記サポート部を除去する、サポート部除去工程を備えることを特徴とする。

上述の適用例によれば、サポート部は未焼結部の状態であり容易に除去することが可能である。従って、任意の位置にサポート部を形成しても、完成品としての３次元形状造形物の形成を損なうことがなく、正確な形状を備える３次元形状造形物を得ることができる。

第１実施形態に係る３次元形成装置を示す概略構成図。 第２実施形態に係る３次元形成装置を示す概略構成図。 第３実施形態に係る３次元形成装置を示し、（ａ）は概略構成図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ部部分拡大図。 第３実施形態に係る３次元形成装置に備える気体供給部を示し、（ａ）は概略断面図、（ｂ）および（ｃ）は（ａ）に示すＢ−Ｂ´部の断面を示す。 第４実施形態に係る３次元形成方法を示すフローチャート。 第４実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す断面図。 第４実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す断面図。 第５実施形態に係る３次元形状造形物を示す、（ａ）は平面外観図、（ｂ）は側面外観図。 第５実施形態に係る３次元形成方法を示すフローチャート。 第５実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す断面図。 第５実施形態に係る３次元形成方法による３次元形状造形物のその他の例を示す、（ａ），（ｂ）は平面外観図、（ｃ）は断面図。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る３次元形成装置の構成を示す概略構成図である。なお、本明細書における「３次元形成」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２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。

図１に示すように、３次元形成装置１００は、基台１０と、基台１０に備える図示しない駆動手段によって、図示するＺ方向に駆動可能に備えられたステージ２０と、後述する材料供給手段と加熱手段と、を保持し、移動可能とする駆動手段としてのロボット３０と、を備えている。そしてステージ２０上に、３次元形状造形物２００に形成される過程での部分造形物２０１，２０２，２０３が層状に形成される。３次元形状造形物２００の形成には後述するが、レーザーによる熱エネルギーの照射がされるため、ステージ２０の熱からの保護のため、耐熱性を有する試料プレート２１を用いて、試料プレート２１の上に３次元形状造形物２００を形成してもよい。試料プレート２１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、更に焼結あるいは熔融される供給材料との反応性も低く、３次元形状造形物２００の変質を防止することができる。なお、図１では説明の便宜上、部分造形物２０１，２０２，２０３の３層を例示したが、所望の３次元形状造形物２００の形状まで積層される。

ロボット３０は、図示するように第１アーム３１と、第２アーム３２と、を備える、いわゆる双腕型ロボットである。第１アーム３１の第１ハンド部３１ａには、３次元形状造形物２００の材料である被焼結材料を供給する材料供給手段としての材料供給ノズル４０（以下、ノズル４０という）が把持、または固定されている。第２アーム３２の第２ハンド部３２ａには、加熱手段としてのレーザー照射装置５０が把持、もしくは固定されている。

ロボット３０では、各アーム３１，３２は複数の関節（自由度）を備え、ハンド部３１ａ，３２ａの駆動は３次元的、すなわち図示するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に駆動させることが可能である。このアーム３１，３２の動作に加えて、基台１０に備えるステージ２０のＺ方向の移動によって、第１ハンド部３１ａに把持、もしくは固定されたノズル４０と、第２ハンド部３２ａに把持、もしくは固定されたレーザー照射装置５０と、はステージ２０に対して相対的に３次元移動が可能となっている。また、アーム３１，３２に備えるハンド部３１ａ，３２ａは、関節部に対して回転可能に接続され、例えば、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸各々に沿った軸を回転軸として回転させることができる。なお、３次元形成装置１００においては、Ｚ軸方向は重力方向に沿った方向になる。

３次元形成装置１００は、例えば図示しないパーソナルコンピューター等のデータ出力装置から出力される３次元形状造形物２００の造形用データに基づいて、上述したステージ２０、ロボット３０、ノズル４０、およびレーザー照射装置５０を制御する制御手段としての制御ユニット６０を備えている。制御ユニット６０には、図示されないが、少なくともロボット３０の第１アーム３１と第２アーム３２との駆動制御部と、ステージ２０の駆動制御部と、ノズル４０の作動制御部と、レーザー照射装置５０の作動制御部と、を備えている。そして、制御ユニット６０には、ロボット３０、ステージ２０、ノズル４０、およびレーザー照射装置５０と、が連携して駆動、動作される制御部を備えている。

基台１０に移動可能に備えられているステージ２０は、制御ユニット６０からの制御信号に基づき、ステージコントローラー６１においてステージ２０の移動開始と停止、移動方向、移動量、移動速度などを制御する信号が生成され、基台１０に備える図示されない駆動装置に送られ、駆動される。

第１アーム３１の第１ハンド部３１ａに把持もしくは固定されているノズル４０は、制御ユニット６０からの制御信号に基づき、材料供給コントローラー６２においてノズル４０からの材料供給量などを制御する信号が生成され、ノズル４０から適量の材料が供給される。

ノズル４０には、材料供給ユニット７０から材料供給経路としての供給チューブ７０ａが延設され、接続されている。材料供給ユニット７０には、本実施形態に係る３次元形成装置１００によって造形される３次元形状造形物２００の原料を含む被焼結材料が供給材料として収容されている。供給材料の被焼結材料としては、３次元形状造形物２００の原料となる金属、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、ＡＬ（アルミニウム）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）の単体粉末、もしくはこれらを１つ以上含む合金などの混合粉末を、溶剤と、バインダーとしての増粘剤と、に混練して得られるスラリー状（あるいはペースト状）の混合材料である。なお、金属粉末は、平均粒径が１０μｍ以下のものが好ましく、溶剤は水、水溶性の溶剤が好ましく、増粘剤としてはＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＣｅＮＦ（ナノセルロース）等の水酸基を有したものが好適に用いられる。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）等の熱可塑性樹脂を用いることもできる。熱可塑性樹脂を用いる場合には、ノズル４０及び材料供給ユニット７０は加熱されて熱可塑性樹脂の柔軟性を維持する。また、溶剤として、シリコーンオイル等を用いることで、給性を向上できる。

第２アーム３２の第２ハンド部３２ａに把持もしくは固定されたレーザー照射装置５０は、制御ユニット６０からの制御信号に基づき、レーザー発振器６３により所定出力のレーザーが発振され、レーザー照射装置５０の照射部（図示せず）より、レーザーが照射される。レーザーは、ノズル４０から吐出された供給材料に照射され、供給材料に含まれる金属粉末を焼結、もしくは熔融し固体化する。その時、同時に供給材料に含まれる溶剤、および増粘剤はレーザーの熱により蒸散される。本実施形態に係る３次元形成装置１００に用いられるレーザーは特に限定はないが、ファイバーレーザー、ある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があることから、好適に用いられる。また、出力が高く、造形時間の短縮ができることから、ファイバーレーザーがより好ましい。

ノズル４０からの供給材料の供給は、制御ユニット６０で取得した３次元形状造形物２００の造形データに基づくノズル４０の移動経路に沿って供給される。また、レーザー照射装置５０も同様に、制御ユニット６０で取得した３次元形状造形物２００の造形データに基づくノズル４０の移動経路、すなわち供給材料の供給領域に沿って移動経路が形成される。レーザー照射装置５０からのレーザー照射は、ノズル４０からの材料供給に追従するように行われることが好ましい。

追従とは、例えば部分造形物２０１を形成する場合、少なくとも部分造形物２０１の形状に沿ってノズル４０から供給材料の供給が完了する前にレーザー照射装置５０からレーザーの照射が開始されることをいう。好ましくは、ノズル４０と、レーザー照射装置５０と、が近接して追従移動させる。なお、ノズル４０と、レーザー照射装置５０と、の距離は、ノズル４０の材料供給口からの吐出直後の供給材料に熱影響が及ばない範囲で適宜設定され、ノズル４０の移動経路の間、その距離が維持されることが好ましい。

第１実施形態に係る３次元形成装置１００は、３次元形状造形物２００の造形形状に沿って、ノズル４０から供給材料が供給され、ノズル４０に追従して移動するレーザー照射装置５０からのレーザー照射によって順次、焼結もしくは熔融されて３次元形状造形物２００が形成される。層状に形成される部分造形物２０１，２０２，２０３を形成する一例として、部分造形物２０１の形成において、先に部分造形物２０１の形状に被焼結材料（焼結前材料）を供給し、その後、レーザー照射装置５０からレーザーを照射、焼結を行う動作の場合を想定する。この動作では、レーザーのエネルギーがレーザー照射装置５０から離れた領域の未焼結部に対して熱影響がおよび、焼結前の供給材料が変質、もしくは変形し、所望の品質、形状の３次元形状造形物２００を得ることが困難になる虞が生じる。

しかし、本実施形態に係る３次元形成装置１００では、３次元形状造形物２００の部分造形物２０１の層状造形形状に沿って、ノズル４０から供給材料が供給され、ノズル４０に追従して移動するレーザー照射装置５０からのレーザー照射によって順次、焼結もしくは熔融されることで部分造形物２０１が形成されるため、確実に所望する部分造形物を層状に構成する３次元形状造形物２００を形成することができる。更に、３次元形成装置１００によれば、部分造形物形状の領域にのみ材料が供給されるので、材料の損失の少ない３次元形成を行うことができる。

本実施形態に係る３次元形成装置１００では、ノズル４０およびレーザー照射装置５０の移動駆動手段として双腕のロボット３０を例示したが、これに限定されず、例えば、ノズル４０およびレーザー照射装置５０を、それぞれ多関節ロボット、あるいは直交ロボットによって駆動させてもよい。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係る３次元形成装置を示す構成図である。図２に示す３次元形成装置１１０は、第１実施形態に係る３次元形成装置１００に対して、供給材料を複数種、本形態では２種類とした場合の形態を示し、第１実施形態に係る３次元形成装置１００と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

図２に示すように、３次元形成装置１１０は、第１材料供給ユニット７１と、第２材料供給ユニット７２と、を備えている。第１材料供給ユニット７１には、材料供給の経路となる第１供給チューブ７１ａが延設され、その端部は第１ノズル４１に接続されている。同様に、第２材料供給ユニット７２には、材料供給の経路となる第２供給チューブ７２ａが延設され、その端部は第２ノズル４２に接続されている。

第１材料供給ユニット７１と、第２材料供給ユニット７２と、はそれぞれ異なる供給材料が収容されている。そして、供給される材料に関する制御ユニット６０からの指示に基づき、第１アーム３１に備える第１ハンド部３１ａが第１ノズル４１もしくは第２ノズル４２の内の所望のノズルを選択把持し、供給材料が供給される。

本実施形態に係る３次元形成装置１１０では、第１材料供給ユニット７１、もしくは第２材料供給ユニット７２のどちらか一方から供給された被焼結材料である供給材料を焼結もしくは熔融し部分造形物を形成し、その後、他方の材料供給ユニットから供給材料を供給し、焼結もしくは熔融して部分造形物を形成し、部分造形物２１１あるいは部分造形物２１２、あるいは部分造形物２１３を形成することができる。

本例では２つの材料供給ユニット７１，７２を例示したが、これに限定されず、３つ以上の材料供給ユニットを備え、３種類以上の異なった供給材料を用いて３次元形状造形物２１０を形成することができる。また、材料供給ユニット７１，７２に同じ供給材料を収容してもよい。すなわち、供給材料が大量に及ぶ場合、あるいはどちらか一方の材料供給ユニットの故障の際の予備材料供給ユニットとして用いることができる。

（第３実施形態）
図３は、第３実施形態に係る３次元形成装置１２０を示す構成図である。図３（ａ）に示す３次元形成装置１２０は、第１実施形態に係る３次元形成装置１００に対して、加熱手段の構成が異なる実施形態であり、第１実施形態に係る３次元形成装置１００と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

図３（ａ）に示すように、３次元形成装置１２０は、加熱手段として熱風吹付機構９０を備えている。熱風吹付機構９０は、コンプレッサー９１と、気体供給部９２と、ダクト９３と、を備えている。また、熱風吹付機構９０は制御ユニット６０に接続された熱風吹付機構コントローラー６４によって制御される。

コンプレッサー９１は、図示しない気体を高圧に圧縮する圧縮手段を有し、圧縮手段によって高圧となった気体を気体供給部９２に供給する。気体としては、供給材料を加熱する際に材料変質を発生することが防止できる不活性ガスを用いることが好ましい。また、気体供給部９２に近接してダクト９３が配置される。ダクト９３はコンプレッサー９１に接続され、気体供給部９２から供給材料に吹付けられた供給気体Ｇ、および加熱された供給気体Ｇによって蒸散される供給材料に含まれる溶剤、増粘剤の蒸散ガスを吸引し、コンプレッサー９１を介して外部へ排気、もしくは不活性ガスの回収手段（図示せず）に送られる。

また熱風吹付機構９０は、図３（ａ）に示すＡ部の部分拡大図である図３（ｂ）に示すように、ノズル４０から供給材料を供給しながら移動する図示矢印の材料供給方向Ｆとすると、気体供給部９２から供給される気体Ｇの供給方向は、材料供給方向Ｆに対して下流側に向かって吹きつけられるように、気体供給部９２が備えられている。これにより、供給材料が、所定の焼結あるいは熔融される位置以外で加熱されることが防止され、造形の不都合を回避することができる。

図４（ａ）に気体供給部９２の概略断面図を示す。図４（ａ）に示すように、気体供給部９２は、耐熱シリンジ９２ａと、巻芯９２ｂと、巻芯９２ｂに沿って巻かれたヒーターコイル９２ｃと、温度センサー９２ｄと、を少なくとも備えている。耐熱シリンジ９２ａは、例えば、耐熱ガラスあるいは耐熱金属を用いて円筒形などの筒状に形成されている。そしてコンプレッサー９１から高圧気体が耐熱シリンジ９２ａの内部に導入される。

耐熱シリンジ９２ａの中心軸に沿って、巻芯９２ｂが配設され、巻芯９２ｂには図示しない外部電源から電流が流されて発熱するヒーターコイル９２ｃが巻きつけられている。
発熱したヒーターコイル９２ｃによって、耐熱シリンジ９２ａの内部に導入された高圧気体は加熱され、熱風として耐熱シリンジ９２ａの先端に形成された吐出口９２ｅから吐出される。

吐出される熱風は、巻芯９２ｂの吐出口９２ｅ側に配置された温度センサー９２ｄによって温度検出され、ヒーターコイル９２ｃに流す電流の強さを制御することによって、所望の温度の熱風を生成することができる。生成された熱風を、集中させて供給材料に吹き付けるように、吐出口９２ｅの図４（ａ）に示すＢ−Ｂ´部断面を示す図４（ｂ）あるいは図４（ｃ）のような形状にすることが好ましい。図４（ｂ）は、熱風をより集中させることができる円形開口であり、図４（ｃ）は、熱風を広範囲に吹き付けることを可能とするトラック形状の開口である。

（第４実施形態）
第４実施形態として、第１実施形態に係る３次元形成装置１００を用いて３次元形状造形物を形成する３次元形成方法を説明する。図５（ａ）は第４実施形態に係る３次元形成方法を示すフローチャートであり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示す単層形成工程（Ｓ２００）の詳細フローチャートである。また、図６および図７は本実施形態に係る３次元形成方法を説明する部分断面図である。

（３次元造形用データ取得工程）
図５（ａ）に示すように、本実施形態に係る３次元形成方法は、３次元形状造形物２００の３次元造形用データを、図示しない、例えばパーソナルコンピューターなどから制御ユニット６０（図１参照）に取得する、３次元造形用データ取得工程（Ｓ１００）が実行される。３次元造形用データ取得工程（Ｓ１００）において取得された３次元造形用データは、制御ユニット６０から、ロボット３０と、ステージコントローラー６１と、材料供給コントローラー６２と、レーザー発振器６３と、に制御データが送られ、積層開始工程に移行される。

（積層開始工程）
積層開始工程（Ｓ２００）では、３次元形成方法を示す図６（ａ）に示すように、ノズル４０をステージ２０に載置された試料プレート２１に対して、所定の間隔ｈを有して、３次元形状造形物の第一の単層としての第１層目となる部分造形物２０１（図１参照）の造形開始点Ｐ１１１に移動させる。このときレーザー照射装置５０は、後述するノズル４０の移動方向の後方位置Ｐ１２１に配置され離間距離Ｄが保持される。所定の位置にノズル４０およびレーザー照射装置５０が配置されると、単層形成工程に移行される。

（単層形成工程）
単層形成工程（Ｓ３００）は、図５（ｂ）に示すように材料供給工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、を含んでいる。先ず、積層開始工程（Ｓ２００）によって所定の位置に配置されたノズル４０から、被焼結材料としての供給材料８０が、試料プレート２１上に押出部８０ａとして供給され材料供給開始（Ｓ３１１）となる。供給材料８０としては、３次元形状造形物２００の原料となる金属、例えばステンレス、チタン合金の単体粉末、もしくは合金化が困難なステンレスと銅（Ｃｕ）、あるいはステンレスとチタン合金、あるいはチタン合金とコバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、などの混合粉末を、溶剤と、バインダーとしての増粘剤と、に混練し、スラリー状（あるいはペースト状）に調整されたものである。

次に図６（ｂ）に示すように、部分造形物２０１の形成形状となるように、供給材料８０を試料プレート２１の上面２１ａに供給しながら、試料プレート２１を載せたステージ２０とノズル４０と、を相対的に図示矢印方向Ｆ１に移動させることで、部分造形物２０１に形成される焼成前もしくは熔融前の造形材料８０ｂが配置される。なお、レーザー照射装置５０は、ノズル４０の矢印方向Ｆ１の移動に合わせて離間距離Ｄを維持しながら図示矢印Ｆ２方向に移動させる。

さらにノズル４０からは供給材料８０が試料プレート２１の上面２１ａに部分造形物２０１に合わせて造形材料８０ｂが供給され、図６（ｃ）に示すように、レーザー照射装置５０が造形材料８０ｂの供給開始位置Ｐ１１１と重なる位置Ｐ１２２に移動したところで、供給エネルギーとしてレーザーＬを造形材料８０ｂに向けて照射を開始するレーザー照射開始（Ｓ３２１）となる。レーザーＬが照射された領域の造形材料８０ｂは、レーザーＬのエネルギー（熱）によって、溶剤および増粘剤は蒸散し、金属粉末は粒子同士が結合する、いわゆる焼結されるか、もしくは熔融結合されることによって、部分造形物２０１の造形進行領域２０１ａとなる。

更に、図６（ｄ）に示すように、ノズル４０からは供給材料８０が試料プレート２１の上面２１ａに供給され造形材料８０ｂが順次形成され、離間距離Ｄを維持してレーザー照射装置５０がノズル４０に追従するように移動しながらレーザーＬを造形材料８０ｂに照射し、順次、造形進行領域２０１ａが形成される。そして、部分造形物２０１の形状領域終了点となる位置Ｐ１１２にノズル４０が到着し、供給材料８０の供給が停止され材料供給停止（Ｓ３１２）となる。

材料供給停止（Ｓ３１２）の後もレーザー照射装置５０はレーザーＬを照射しながら、ノズル４０の移動経路を追従し、造形進行領域２０１ａを形成し、図６（ｅ）に示すようにレーザー照射装置５０が、造形材料８０ｂの形成が終了した位置Ｐ１１２に到達し、位置Ｐ１２３となったところで、レーザーＬの照射は切断されレーザー照射停止（Ｓ３２２）となる。このようにして、第一の単層としての部分造形物２０１が試料プレート２１の上面２１ａ上に形成される。

以上、説明した通り、単層形成工程（Ｓ３００）内では、材料供給開始（Ｓ３１１）から材料供給停止（Ｓ３１２）までの工程の材料供給工程（Ｓ３１０）と、レーザー照射開始（Ｓ３２１）からレーザー照射停止（Ｓ３２２）までの焼結工程（Ｓ３２０）と、が進行している。そして、焼結工程（Ｓ３２０）では、レーザー照射開始（Ｓ３２１）は、材料供給開始（Ｓ３１１）の後、且つ材料供給停止（Ｓ３１２）の前、となるように設定されている。

上述したように、３次元形成装置１００を用いた本実施形態に係る３次元形成方法では、供給材料８０を試料プレート２１の上面２１ａに供給するノズル４０に対して、レーザー照射装置５０は所定の離間距離Ｄを維持しながら、ノズル４０に追従させて移動させ、供給された造形材料８０ｂに向けてレーザーＬが照射され、順次、造形材料８０ｂは焼結、もしくは熔融され部分造形物２０１へと形成される。このように造形物を形成することにより、造形材料８０ｂの形成からレーザーＬの照射までの時間経過を短くし、レーザーＬの照射領域外に形成されている造形材料８０ｂに対するレーザーＬの熱影響を少なくすることができる。従って、形成されている造形材料８０ｂに含まれる増粘剤の粘性の低下を防ぎ、形成された後の造形材料８０ｂの変形を抑制することができる。

なお、上述の単層形成工程（Ｓ３００）では、第１実施形態に係る３次元形成装置１００を用いて説明したが、第２実施形態に係る３次元形成装置１１０を用いた場合、あるいは第３実施形態に係る３次元形成装置１２０を用いた場合にも適用できる。

第２実施形態に係る３次元形成装置１１０を用いた場合には、材料供給工程（Ｓ３１０）から焼結工程（Ｓ３２０）までの工程が、第１材料供給ユニット７１および第２材料供給ユニット７２に準備された異なる材料毎に実行され、複合材の部分造形物が形成される。また、第３実施形態に係る３次元形成装置１２０を用いた場合では、焼結工程（Ｓ３２０）において供給されるエネルギー（熱）が、気体供給部９２から吐出される熱風であり、この熱風によって供給材料が焼結、もしくは熔融され、部分造形物が形成される。

（積層数比較工程）
単層形成工程（Ｓ３００）によって、第１層となる部分造形物２０１が形成されると、３次元造形用データ取得工程（Ｓ１００）によって得られた造形データと比較する積層数比較工程（Ｓ４００）に移行される。積層数比較工程（Ｓ４００）では、３次元形状造形物２００を構成する部分造形物の積層数Ｎと、積層数比較工程（Ｓ４００）の直前の単層形成工程（Ｓ３００）までで積層された部分造形物の積層数ｎと、を比較する。

積層数比較工程（Ｓ４００）において、ｎ＝Ｎと判定された場合、３次元形状造形物２００の形成が完了したと判定し、３次元形成は終了する。しかし、ｎ＜Ｎと判定された場合、再度、積層開始工程（Ｓ２００）から実行される。

図７は、第二の単層としての第２層目の部分造形物２０２の形成方法を示す部分断面図である。先ず、図７（ａ）に示すように、再度、積層開始工程（Ｓ２００）が実行される。このとき、ステージ２０と、ノズル４０およびレーザー照射装置５０と、は相対的に第１層の部分造形物２０１の厚み相当分が離間するように、ステージ２０、もしくは第１アーム３１および第２アーム３２が駆動される。そして、部分造形物２０１とノズル４０と、が所定の間隔ｈを有して、部分造形物２０１上に造形しようとする部分造形物２０２（図１参照）の造形開始点Ｐ２１１に移動させる。このときレーザー照射装置５０は、上述同様に、ノズル４０の移動矢印方向Ｆ１の後方位置Ｐ２２１に配置され離間距離Ｄが保持される。所定に位置にノズル４０およびレーザー照射装置５０が配置されると、単層形成工程（Ｓ３００）が実行される。

以降、上述した部分造形物２０１の形成を示す図６と同様に、単層形成工程（Ｓ３００）が実行される。先ず、図７（ａ）に示すように、部分造形物２０１の上に部分造形物２０２（図１参照）の始まりとなる位置Ｐ２１１で、ノズル４０から供給材料８０が部分造形物２０１上に押出部８０ａとして供給が開始され材料供給開始（Ｓ３１１）となる。そして、部分造形物２０２の形成形状となるように、供給材料８０を部分造形物２０１上に供給しながら、試料プレート２１を載せたステージ２０とノズル４０と、を相対的に図示矢印方向Ｆ１に移動させることで、部分造形物２０２に形成される焼成前もしくは熔融前の造形材料８０ｂが配置される。なお、レーザー照射装置５０は、ノズル４０の矢印方向Ｆ１の移動に合わせて離間距離Ｄを維持しながら図示矢印方向Ｆ２に移動させる。

ノズル４０からは供給材料８０が部分造形物２０１上に部分造形物２０２に合わせて造形材料８０ｂが供給され、図７（ｂ）に示すように、レーザー照射装置５０が造形材料８０ｂの供給開始位置Ｐ２１１と重なるＰ２２２に移動したところで、供給エネルギーとしてレーザーＬを造形材料８０ｂに向けて照射を開始するレーザー照射開始（Ｓ３２１）となる。レーザーＬが照射された領域の造形材料８０ｂは、レーザーＬのエネルギー（熱）によって、溶剤および増粘剤は蒸散し、金属粉末は粒子同士が結合する、いわゆる焼結されるか、もしくは熔融されることによって、部分造形物２０２の造形進行領域２０２ａとなる。このとき、造形進行領域２０２ａは、下層の部分造形物２０１と焼結もしくは熔融によって結合される。

更に、図７（ｃ）に示すように、ノズル４０からは供給材料８０が部分造形物２０１上に供給され造形材料８０ｂが順次形成され、離間距離Ｄを維持してレーザー照射装置５０がノズル４０に追従するように移動しながらレーザーＬを造形材料８０ｂに照射し、順次、造形進行領域２０２ａが形成される。そして、部分造形物２０２の形状領域に、造形材料８０ｂの形成が終了する位置Ｐ２１２にノズル４０が到着し、供給材料８０の供給が停止される材料供給停止（Ｓ３１２）となる。

そして、図７（ｄ）に示すようにレーザー照射装置５０が、造形材料８０ｂの形成が終了する位置Ｐ２１２に到達した位置Ｐ２２３になったところで、レーザーＬの照射は切断されレーザー照射停止（Ｓ３２２）となる。このようにして、部分造形物２０２が部分造形物２０１上に形成され、３次元形状造形物の一部が形成される。そして、再度、積層数比較工程（Ｓ４００）に移行し、ｎ＝Ｎとなるまで、積層開始工程（２００）と、単層形成工程（Ｓ３００）と、が繰り返され、第１実施形態に係る３次元形成装置１００を用いて３次元形状造形物を形成することができる。

なお、第一の単層としての第一層目の部分造形物２０１の上に、第二の単層としての第２層目の部分造形物２０２を形成する積層開始工程（Ｓ２００）と、単層形成工程（Ｓ３００）と、を実行させることを上述の適用例における積層工程とよび、積層数比較工程（Ｓ４００）において、ｎ＝Ｎ、と判定されるまで繰り返される。

（第５実施形態）
第５実施形態に係る３次元形成方法について説明する。上述した第４実施形態に係る３次元形成方法において、３次元形状造形物がオーバーハング部を有する場合、オーバーハング部では、上述した単層形成工程（Ｓ３００）において、焼結前の造形材料８０ｂが、下層の部分造形物の形成領域から外れたところでは、重力によって重力方向に変形する虞がある。すなわち焼結前では造形材料８０ｂは、原料となる金属、例えばステンレス、チタン合金の単体粉末、もしくは合金化が困難なステンレスと銅（Ｃｕ）、あるいはステンレスとチタン合金、あるいはチタン合金とコバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、などの混合粉末を、溶剤と、増粘剤と、に混練して得られるスラリー状（あるいはペースト状）の柔らかな状態のものである。更に、ノズル４０の近傍に配置されるレーザー照射装置５０から発熱体としてのレーザーＬが照射され、僅かであっても造形材料８０ｂに熱影響が及ぶこととなり、重力方向の変形が促進される。

そこで、第５実施形態に係る３次元形成方法によりオーバーハング部を変形させないで３次元形状造形物を形成する方法を説明する。なお、第４実施形態に係る３次元形成方法と同じ工程には同じ符号を付し、説明は省略する。また、説明を簡略にするために図８（ａ）の平面外観図、および図８（ｂ）の側面外観図に示すような、単純な形状を有する３次元形状造形物３００を例示して、第５実施形態に係る３次元形成方法を説明するが、この形状に限定されず、いわゆるオーバーハング部を備える造形物であれば適用できる。

図８に示すように、３次元形状造形物３００は、凹部３００ａを有する円柱形の基部３００ｂの凹部開口側端部に基部３００ｂの外側に延在するオーバーハング部としての鍔部３００ｃを備えている。この３次元形状造形物３００を、第４実施形態に係る３次元形成方法に基づいて形成するために、形成過程において除去されるサポート部３１０が、円柱形状で４か所、３次元形状造形物３００の３次元造形用データに加えて、造形用データが作成される。

図９は、図８に示す３次元形状造形物３００の形成方法を示すフローチャートである。また図１０は図９に示すフローチャートによる３次元形状造形物３００の形成方法を示し、図示左側に部分断面図、右側に平面外観図を配置した。また、本実施形態の３次元形状造形物３００では、４層が積層されて形成される例を用いて説明するが、これに限定されるものではない。

先ず、図１０（ａ）に示すように、図示しない試料プレート２１上に第１層目となる部分造形物３０１が、第４実施形態に係る３次元形成方法によって形成される。部分造形物３０１を形成する工程内に、第１層目の部分サポート部３１１も形成される。部分サポート部３１１は、図５によって説明した単層形成工程（Ｓ３００）における焼結工程（Ｓ３２０）は実行されず、造形材料８０ｂの状態のまま、すなわち未焼結部、あるいは未熔融部のままで単層形成工程（Ｓ３００）が実行される。

引き続き、単層形成工程（Ｓ３００）が繰り返され、図１０（ｂ）に示すように、第２層目および第３層目となる部分造形物３０２，３０３が形成される。そして、部分造形物３０２，３０３を形成する工程内に、第２層目および第３層目の部分サポート部３１２，３１３も形成される。部分サポート部３１２，３１３は、部分サポート部３１１同様に、単層形成工程（Ｓ３００）における焼結工程（Ｓ３２０）は実行されず、造形材料８０ｂの状態のまま、すなわち未焼結部、あるいは未熔融部のままで単層形成工程（Ｓ３００）が実行され、部分サポート部３１１，３１２，３１３によって、サポート部３１０が形成される。

次に図１０（ｃ）に示すように、鍔部３００ｃに形成される第４層目の部分造形物３０４が形成される。部分造形物３０４は、部分サポート部３１１，３１２，３１３によって形成されたサポート部３１０の端部３１０ａに支持されるように形成される。このように部分造形物３０４を形成することにより、部分造形物３０４を形成する単層形成工程（Ｓ３００）での材料供給開始（Ｓ３１１）からレーザー照射開始（Ｓ３２１）までの間、鍔部３００ｃに形成されるペースト状の造形材料８０ｂ（図７参照）が、重力方向への変形が抑制されるように支持される。

そして、図１０（ｄ）に示すように、３次元形状造形物３００に造形されたところで、サポート部除去工程（Ｓ５００）によって、サポート部３１０は３次元形状造形物３００から除去される。サポート部３１０は焼成されていない材料で形成されていることから、サポート部除去工程（Ｓ５００）におけるサポート部３１０の除去手段としては、例えば図１０（ｄ）に示すように鋭利な刃物Ｋｎによる物理的な切除が可能である。あるいは、溶剤に浸漬し、材料に含まれる増粘剤を溶解し３次元形状造形物３００から除去してもよい。

上述したように、オーバーハング部としての鍔部３００ｃを有する３次元形状造形物３００を形成する場合、鍔部３００ｃを支持するサポート部３１０を３次元形状造形物３００の形成と合わせて形成することによる、鍔部３００ｃの重力方向への変形を防止することができる。なお、図８に示すサポート部３１０は、図示するような複数の円柱状の形態に限定されず、造形物の形状、材料組成などによって適宜、形状、大きさ等が設定される。図１１に、サポート部のその他の形態の一例を示す。

図１１（ａ）の平面外観図に示すサポート部３２０は、角柱状のサポート部３２０が放射状に配置されている。図１１（ｂ）の平面外観図に示すサポート部３３０は、円筒状のサポート部３３０が同心状に配置されている。あるいは、図１１（ｃ）の断面図に示すように、鍔部３００ｃのすべての部分を支持するサポート部３４０であってもよい。

なお、本発明の実施の際の具体的な構成は、本発明の目的を達成できる範囲で他の装置、あるいは方法に適宜変更できる。

１０…基台、２０…ステージ、２１…試料プレート、３０…ロボット、４０…ノズル、５０…レーザー照射装置、６０…制御ユニット、７０…材料供給ユニット、１００…３次元形成装置。

Claims (9)

1. ステージと、
   金属粉末と、バインダーと、が混練されたスラリー状またはペースト状の被焼結材料を、ノズルから前記ステージまたは部分造形物上に、形成される３次元形状造形物の形状を形成する領域に必要な量を押出部として供給する材料供給手段と、
   前記材料供給手段から前記ステージまたは前記部分造形物上に配置された前記被焼結材料に、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギーを供給することで部分造形物を形成するエネルギー線照射手段と、
   前記ステージに対して、前記材料供給手段が、相対的に３次元移動が可能となる駆動手段と、
   前記駆動手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記材料供給手段を移動経路に沿って移動させ、前記材料供給手段による前記被焼結材料の供給を供給開始位置から開始させ、
   前記材料供給手段が前記供給開始位置から所定の距離を移動した時点で、前記エネルギー線照射手段による前記被焼結材料へのエネルギーの供給を前記供給開始位置から開始させ、
   前記材料供給手段により前記被焼結材料を供給している材料供給領域と、前記エネルギー線照射手段によりエネルギー線を照射しているエネルギー線照射領域との間に前記所定の距離を維持しつつ、前記エネルギー線照射手段を前記材料供給手段に追従して移動させ、
   前記材料供給手段が形状領域終了点に到達した時点で、前記材料供給手段による前記被焼結材料の供給を停止させ、
   前記エネルギー線照射領域が形状領域終了点に到達した時点で、前記エネルギー線照射手段による前記被焼結材料へのエネルギーの供給を停止させ、
   前記材料供給手段が前記被焼結材料の供給を開始した時点から、前記材料供給手段が形状領域終了点に到達した時点の期間において、前記押出部と前記エネルギー線が照射された領域とは重ならず、
   部分造形物を繰り返し形成して前記３次元形状造形物を形成する、
   ことを特徴とする３次元形成装置。
2. 前記材料供給手段は第１アームにより移動し、前記エネルギー線照射手段は第２アームにより移動する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の３次元形成装置。
3. 前記制御手段は、前記材料供給手段の移動経路を追従するように前記エネルギー線照射手段の移動経路を制御する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の３次元形成装置。
4. 前記材料供給手段を複数備え、
   異なる組成を有する前記被焼結材料を、少なくとも２種以上供給する、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかにに記載の３次元形成装置。
5. 前記エネルギー線照射手段がレーザー照射手段であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の３次元形成装置。
6. 金属粉末と、バインダーと、が混練されたスラリー状またはペースト状の被焼結材料を、形成される３次元形状造形物の形状を形成する領域に必要な量押し出して供給する材料供給工程と、
   前記材料供給工程によって供給された前記被焼結材料に向けて、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギーを供給し前記被焼結材料を焼結させる焼結工程と、により単層を形成する単層形成工程と、
   前記単層形成工程によって形成された第一の単層に積層させ、前記単層形成工程によって第二の単層を形成する積層工程と、を含み、
   前記積層工程を所定の回数、繰り返して３次元形状造形物が形成される３次元形成方法であって、
   前記単層形成工程は、前記材料供給工程の終了前に前記焼結工程が開始され、前記被焼結材料を供給している材料供給領域と前記エネルギーを供給しているエネルギー供給領域との間に所定の距離を維持しつつ、前記エネルギー供給領域の移動が前記材料供給領域の移動に追従して行われ、前記被焼結材料が供給されてから一定時間経過後に前記被焼結材料が焼結される、
   ことを特徴とする３次元形成方法。
7. 材料供給手段を把持または固定した第１アームの駆動により前記被焼結材料の供給位置が移動し、エネルギー線照射手段を把持または固定した第２アームの駆動により前記エネルギーの供給位置が移動する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の３次元形成方法。
8. 前記積層工程において、前記単層を重力方向に支持するサポート部が形成され、
   前記サポート部は、前記焼結工程において前記エネルギーが照射されない未焼結部である、
   ことを特徴とする請求項７に記載の３次元形成方法。
9. 前記サポート部を除去する、サポート部除去工程を備えることを特徴とする請求項８に記載の３次元形成方法。

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