JP6802517B2 - 三次元造形物の造形ステージ、三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形物の造形ステージ、三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法に関する。

従来から、層を積層することにより三次元造形物を製造する製造装置が使用されている。このような三次元造形物の製造装置においては、三次元造形物の積層体を造形プレート上に形成することが行われている。
例えば、特許文献１には、三次元造形物の積層体を造形プレート（造形ステージ）上に形成することが可能な三次元造形物の製造装置を用いて三次元造形物を製造する製造方法が開示されている。

特開２０１０−１００８８３号公報

三次元造形物を造形ステージ上に製造する場合、造形ステージ上に形成された三次元造形物の積層体を該造形ステージから分離する必要がある。しかしながら、このような場合、造形ステージと三次元造形物の積層体とが強く密着し、該積層体が造形ステージから剥離しない場合があった。このような場合、三次元造形物の積層体又は造形ステージの一部を破壊または切断などしなくてはならなかった。なお、特許文献１には、造形プレートの材質として三次元造形物と接合性の低いものが望ましいという旨の記載はある。しかしながら、造形ステージを三次元造形物の製造装置に対して着脱可能な構成とし、三次元造形物の積層体を造形ステージと共に脱脂や焼結する構成などにおいては、造形プレートの材質には制限がある。このため、特許文献１に記載されるような従来の三次元造形物の製造装置においては、三次元造形物の積層体を造形ステージから簡単に分離するのは困難な場合があった。

そこで、本発明の目的は、脱着可能な造形ステージ上に層を積層して形成された三次元造形物の積層体を、該造形ステージから簡単に分離することである。

上記課題を解決するための本発明の第１の態様の三次元造形物の造形ステージは、層を積層し積層体を形成することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置に用いられ、前記製造装置に対して脱着可能であり、前記積層体が形成される形成面を有し、前記形成面に三次元造形物の構成材料よりも低い融点の有機膜が形成されていることを特徴とする。

本態様の造形ステージは、三次元造形物の製造装置に対して脱着可能であり、積層体の形成面に三次元造形物の構成材料よりも低い融点の有機膜が形成されている。このため、例えば三次元造形物の構成材料の融点よりもよりも低く有機膜の融点よりも高い温度で三次元造形物の積層体を脱脂や焼結することに伴い、該有機膜を除去材料と共に除去可能となり、積層体を造形ステージから簡単に分離することができる。さらには、造形ステージを三次元造形物の製造装置に対して脱着可能にすることで、脱脂や焼結を行うための装置に三次元造形物の積層体を移動する際、造形ステージごと移動でき該積層体を破損することを抑制できる。
なお、「構成材料よりも低い融点の有機膜」とは、形成面の少なくとも一部を覆う、構成材料よりも低い融点の有機成分を含んでいればよい膜という意味である。

本発明の第２の態様の三次元造形物の造形ステージは、前記第１の態様において、前記有機膜は、前記構成材料よりも高い融点の成分を含有していることを特徴とする。

本態様によれば、有機膜は三次元造形物の構成材料よりも高い融点の成分を含有している。このため、造形ステージ上に形成された三次元造形物の積層体を脱脂や焼結する場合に、脱脂や焼結した後において造形ステージ上に該高い融点の成分が剥離材として残り、積層体を造形ステージから特に簡単に分離することができる。

本発明の第３の態様の三次元造形物の造形ステージは、前記第１又は第２の態様において、前記有機膜は、アクリル樹脂を含有していることを特徴とする。

本態様によれば、有機膜はアクリル樹脂を含有している。アクリル樹脂は融点が低く脱脂や焼結した後において造形ステージ上に該アクリル樹脂由来の炭素が残りにくいので、脱脂や焼結した後の三次元造形物の積層体に不純物としての炭素が混ざることを抑制できる。

本発明の第４の態様の三次元造形物の造形ステージは、前記第１から第３のいずれか１つの態様において、前記構成材料よりも高い融点の高融点材料で構成され、前記高融点材料は、アルミナ、炭化ケイ素及びジルコニアの少なくともいずれかを含むことを特徴とする。

本態様によれば、高融点材料は、アルミナ、炭化ケイ素及びジルコニアの少なくともいずれかを含む。これらは融点が高く高温でも変形しにくいので、造形ステージ上に形成された三次元造形物の積層体を脱脂や焼結することに伴い、該積層体が変形することを抑制することができる。

本発明の第５の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１から第４のいずれか１つに記載された造形ステージの前記形成面に前記積層体を形成することにより三次元造形物を製造することを特徴とする。

本態様によれば、造形ステージは、三次元造形物の製造装置に対して脱着可能であり、積層体の形成面に三次元造形物の構成材料よりも低い融点の有機膜が形成されている。このため、三次元造形物の積層体を脱脂や焼結することに伴い、該有機膜を除去材料と共に除去可能となり、積層体を造形ステージから簡単に分離することができる。

本発明の第６の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第１から第４のいずれか１つに記載された造形ステージの前記形成面に前記積層体を形成する積層体形成工程と、前記積層体にエネルギーを付与し前記有機膜を分解するエネルギー付与工程と、を有することを特徴とする。

本態様によれば、積層体形成工程で造形ステージ上に層を積層して形成された三次元造形物の積層体を、エネルギー付与工程で脱脂や焼結することに伴い、該有機膜を除去材料と共に除去可能となり、積層体を造形ステージから簡単に分離することができる。

本発明の第７の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第６の態様において、前記積層体形成工程の前に、前記有機膜を前記形成面に形成する有機膜形成工程を実行することを特徴とする。

本態様によれば、積層体形成工程の前に有機膜を形成面に形成する有機膜形成工程を実行する。このため、予め有機膜が形成されていない造形ステージを使用可能になる。

本発明の第８の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第６又は第７の態様において、前記エネルギー付与工程後に、前記構成材料を焼結又は溶融させる加熱工程を実行することを特徴とする。

本態様によれば、エネルギー付与工程後に構成材料を焼結又は溶融させる加熱工程を実行する。このため、エネルギー付与工程で脱脂した三次元造形物の積層体を焼結又は溶融させることができる。

図１Ａ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。図１Ｂは図１Ａに示すＣ部の拡大図。 図２Ａ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。図２Ｂは図２Ａに示すＣ’部の拡大図。 本発明の一の実施形態に係るヘッドベースの概略透視図。 図４Ａは本発明の一の実施形態に係るヘッドユニットの配置と三次元造形物の形成形態との関係を概念的に説明する平面図。図４Ｂは本発明の一の実施形態に係るヘッドユニットの配置と三次元造形物の形成形態との関係を概念的に説明する平面図。図４Ｃは本発明の一の実施形態に係るヘッドユニットの配置と三次元造形物の形成形態との関係を概念的に説明する平面図。 図５Ａは三次元造形物の形成形態を概念的に説明する概略図。図５Ｂは三次元造形物の形成形態を概念的に説明する概略図。 図６Ａはヘッドベースに配置されるヘッドユニットのその他の配置の例を示す模式図。図６Ｂはヘッドベースに配置されるヘッドユニットのその他の配置の例を示す模式図。 本発明の一実施例に係る造形ステージを表す概略図。 本発明の一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。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
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。このうち、図１は、一の材料供給部（構成材料（三次元造形物を構成する粉末と溶媒とバインダーとを含む材料）を供給する材料供給部）を表した図である。また、図２は、別の一の材料供給部（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用材料を供給する材料供給部）を表した図である。
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さ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。
また、本実施形態の三次元造形物の製造装置は、三次元造形物の構成材料を用いて該三次元造形物の構成層を形成する際に該構成層を支持するための支持層を形成可能な構成になっている。このため、積層方向と交差する方向に凸状となった部分（所謂オーバーハング部）を変形させることなく形成可能な構成である。しかしながら、このような構成に限定されず、支持層を形成しない構成（すなわち支持層形成用材料を使用しない構成）であってもよい。

図１及び図２に示す三次元造形物の製造装置２０００（以下、形成装置２０００という）は、基台１１０と、基台１１０に備える駆動手段としての駆動装置１１１によって、図示するＸ、Ｙ、Ｚ方向の移動、あるいはＺ軸を中心とする回転方向に駆動可能に備えられたステージ１２０を備えている。
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１２３０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、他方の端部に三次元造形物を支持する支持層形成用材料を吐出する支持層形成用材料吐出部１７３０を備えるヘッドユニット１９００を複数保持するヘッドベース１６００が保持固定される、ヘッドベース支持部７３０と、を備えている。
ここで、ヘッドベース１１００と、ヘッドベース１６００とは、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と支持層形成用材料吐出部１７３０と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。

ステージ１２０上には脱着可能の造形ステージ１２１が置かれ、造形ステージ１２１の形成面１２１ａ（図３参照）に、三次元造形物の積層体５００が形成される過程での層５０１、５０２及び５０３が形成される。造形ステージ１２１の形成面１２１ａに形成された三次元造形物の積層体５００は、形成装置２０００での形成後、熱エネルギーなどのエネルギーを付与することにより、脱脂（構成材料に含まれる溶媒やバインダーの少なくとも一部を分解除去すること）や焼結が行われる。そして、この三次元造形物の積層体５００の脱脂や焼結は、形成装置２０００とは別に設けられるエネルギー付与装置としての熱エネルギーを付与可能な恒温槽６５０（図７参照）などに、造形ステージ１２１ごとセットして行われる。このため、造形ステージ１２１は高い耐熱性を有することが要求される。そこで、造形ステージ１２１として、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（あるいは溶融されてもよい）される三次元造形物の構成材料との反応性も低く、三次元造形物の積層体５００の変質を防止することができる。なお、図１Ａ及び図２Ａ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の積層体５００の形状まで（図１Ａ及び図２Ａ中の層５０ｎまで）積層される。
ここで、層５０１、５０２、５０３、・・・５０ｎは、各々、支持層形成用材料吐出部１７３０から吐出される支持層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と、で構成される。

また、図１Ｂは、図１Ａに示すヘッドベース１１００を示すＣ部拡大概念図である。図１Ｂに示すように、ヘッドベース１１００は、複数のヘッドユニット１４００が保持されている。詳細は後述するが、１つのヘッドユニット１４００は、構成材料供給装置１２００に備える構成材料吐出部１２３０が保持治具１４００ａに保持されることで構成される。構成材料吐出部１２３０は、吐出ノズル１２３０ａと、材料供給コントローラー１５００によって吐出ノズル１２３０ａから構成材料を吐出させる吐出駆動部１２３０ｂと、を備えている。

また、図２Ｂは、図２Ａに示すヘッドベース１６００を示すＣ’部拡大概念図である。ここで、ヘッドベース１６００はヘッドベース１１００と同様の構成である。具体的には、図２Ｂに示すように、ヘッドベース１６００は、複数のヘッドユニット１９００が保持されている。ヘッドユニット１９００は、支持層形成用材料供給装置１７００に備える支持層形成用材料吐出部１７３０が保持治具１９００ａに保持されることで構成される。支持層形成用材料吐出部１７３０は、吐出ノズル１７３０ａと、材料供給コントローラー１５００によって吐出ノズル１７３０ａから支持層形成用材料を吐出させる吐出駆動部１７３０ｂと、を備えている。

なお、本実施例の形成装置２０００には備えられていないが、構成材料吐出部１２３０から吐出された構成材料や支持層形成用材料吐出部１７３０から吐出された支持層形成用材料を脱脂や焼結させることが可能なエネルギー付与部を備えていてもよい。このようなエネルギー付与部を備えていれば、別途エネルギー付与装置を用意する必要を無くすことができる。エネルギー付与部又はエネルギー付与装置の構成は特に限定されないが、例えば、熱エネルギーを付与可能な恒温槽６５０などのほか、レーザー照射部と該レーザー照射部からのレーザー光を位置決めするガルバノミラーとを備えるレーザー照射装置や、電磁波（赤外線や紫外線など）の照射装置などが挙げられる。

図１で表されるように、構成材料吐出部１２３０は、ヘッドベース１１００に保持されるヘッドユニット１４００それぞれに対応させた構成材料を収容した構成材料供給ユニット１２１０と供給チューブ１２２０により接続されている。そして、所定の構成材料が構成材料供給ユニット１２１０から構成材料吐出部１２３０に供給される。構成材料供給ユニット１２１０には、本実施形態に係る形成装置２０００によって造形される三次元造形物の積層体５００の構成材料が構成材料収容部１２１０ａに収容され、個々の構成材料収容部１２１０ａは、供給チューブ１２２０によって、個々の構成材料吐出部１２３０に接続されている。このように、個々の構成材料収容部１２１０ａを備えることにより、ヘッドベース１１００から、複数の異なる種類の材料を供給することができる。

図２で表されるように、支持層形成用材料吐出部１７３０は、ヘッドベース１６００に保持されるヘッドユニット１９００それぞれに対応させた支持層形成用材料を収容した支持層形成用材料供給ユニット１７１０と供給チューブ１７２０により接続されている。そして、所定の支持層形成用材料が支持層形成用材料供給ユニット１７１０から支持層形成用材料吐出部１７３０に供給される。支持層形成用材料供給ユニット１７１０には、三次元造形物の積層体５００を造形する際の支持層を構成する支持層形成用材料が支持層形成用材料収容部１７１０ａに収容され、個々の支持層形成用材料収容部１７１０ａは、供給チューブ１７２０によって、個々の支持層形成用材料吐出部１７３０に接続されている。このように、個々の支持層形成用材料収容部１７１０ａを備えることにより、ヘッドベース１６００から、複数の異なる種類の支持層形成用材料を供給することができる。

構成材料及び支持層形成用材料としては、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、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）などの混合粉末を、溶剤と、バインダーとを含むスラリー状（あるいはペースト状）の混合材料などにして用いることが可能である。
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、構成材料及び支持層形成用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。また、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどを好ましく使用可能である。

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。また、紫外線の照射により重合する紫外線硬化樹脂をバインダーに用いてもよい。

形成装置２０００には、図示しない、例えば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三次元造形物の造形用データに基づいて、上述したステージ１２０、構成材料供給装置１２００に備える構成材料吐出部１２３０、並びに、支持層形成用材料供給装置１７００に備える支持層形成用材料吐出部１７３０を制御する制御手段としての制御ユニット４００を備えている。そして、制御ユニット４００には、図示しないが、ステージ１２０及び構成材料吐出部１２３０が連携して駆動及び動作するよう制御し、ステージ１２０及び支持層形成用材料吐出部１７３０が連携して駆動及び動作するよう制御する制御部を備えている。

基台１１０に移動可能に備えられているステージ１２０は、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、ステージコントローラー４１０においてステージ１２０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１１０に備える駆動装置１１１に送られ、図示するＸ、Ｙ、Ｚ方向にステージ１２０が移動する。ヘッドユニット１４００に備える構成材料吐出部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において構成材料吐出部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から所定量の構成材料が吐出される。
同様に、ヘッドユニット１９００に備える支持層形成用材料吐出部１７３０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において支持層形成用材料吐出部１７３０に備える吐出駆動部１７３０ｂにおける吐出ノズル１７３０ａ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１７３０ａから所定量の支持層形成用材料が吐出される。

次に、ヘッドユニット１４００についてさらに詳細に説明する。なお、ヘッドユニット１９００は、ヘッドユニット１４００と同様の構成である。このため、ヘッドユニット１９００についての詳細な構成の説明は省略する。
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及び構成材料吐出部１２３０の保持形態の一例を示し、このうち図４は、図１Ｂに示す矢印Ｄ方向からのヘッドベース１１００の外観図である。

図３に示すように、ヘッドベース１１００に複数のヘッドユニット１４００が、図示しない固定手段によって保持されている。また、図４で表されるように、本実施形態に係る形成装置２０００のヘッドベース１１００では、図下方より第１列目のヘッドユニット１４０１、第２列目のヘッドユニット１４０２、第３列目のヘッドユニット１４０３、そして第４列目のヘッドユニット１４０４の、４ユニットが千鳥状（互い違い）に配置されたヘッドユニット１４００を備えている。そして、図４Ａで表されるように、ステージ１２０をヘッドベース１１００に対してＸ方向に移動させながら各ヘッドユニット１４００から構成材料を吐出させて構成層構成部５０（構成層構成部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄ）が形成される。構成層構成部５０の形成手順については後述する。
なお、図示しないが、それぞれのヘッドユニット１４０１〜１４０４に備える構成材料吐出部１２３０は、吐出駆動部１２３０ｂを介して構成材料供給ユニット１２１０に供給チューブ１２２０で繋がれる構成となっている。

図３に示すように、構成材料吐出部１２３０は吐出ノズル１２３０ａから、ステージ１２０上に載置された造形ステージ１２１の形成面１２１ａに向けて三次元造形物の構成材料である材料Ｍが吐出される。ヘッドユニット１４０１では、材料Ｍが液滴状で吐出される吐出形態を例示し、ヘッドユニット１４０２では、材料Ｍが連続体状で供給される吐出形態を例示している。材料Ｍの吐出形態は、液滴状であっても連続体状であっても、どちらでもよいが、本実施形態では材料Ｍは液滴状で吐出される形態により説明する。
なお、構成材料吐出部１２３０及び支持層形成用材料吐出部１７３０はこのような構成に限定されず、エクストルーダーなど更に異なる方式の材料供給部であってもよい。

吐出ノズル１２３０ａから液滴状に吐出された材料Ｍは、略重力方向に飛翔し、造形ステージ１２１上に着弾する。ステージ１２０は移動し、着弾した材料Ｍにより構成層構成部５０が形成される。この構成層構成部５０の集合体が、造形ステージ１２１の形成面１２１ａ上に形成される三次元造形物の積層体５００の構成層３１０（図１参照）として形成される。

次に、構成層構成部５０の形成手順について、図４及び図５を用いて説明する。
図４は、本実施形態のヘッドユニット１４００の配置と、構成層構成部５０の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図である。そして、図５は、構成層構成部５０の形成形態を概念的に表す側面図である。

まず、ステージ１２０が＋Ｘ方向に移動すると、複数の吐出ノズル１２３０ａから材料Ｍが液滴状に吐出され、造形ステージ１２１の形成面１２１ａの所定の位置に材料Ｍが配置され、構成層構成部５０が形成される。
より具体的には、まず、図５Ａで表されるように、ステージ１２０を＋Ｘ方向に移動させながら、複数の吐出ノズル１２３０ａから造形ステージ１２１の形成面１２１ａの所定の位置に一定の間隔で材料Ｍを配置させる。

次に、図５Ｂで表されるように、ステージ１２０を図１に示す−Ｘ方向に移動させながら、一定の間隔で配置された材料Ｍの間を埋めるように新たに材料Ｍを配置させる。
ただし、ステージ１２０を＋Ｘ方向に移動させながら、複数の吐出ノズル１２３０ａから造形ステージ１２１の所定の位置に材料Ｍが重なるように（間隔を空けないように）配置させる構成（ステージ１２０のＸ方向における往復移動で構成層構成部５０を形成する構成ではなく、ステージ１２０のＸ方向における片側の移動のみで構成層構成部５０を形成する構成）としても良い。

上記のように構成層構成部５０を形成することによって、図４Ａで表されるような、各ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４のＸ方向における１ライン分（Ｙ方向における１ライン目）の構成層構成部５０（構成層構成部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄ）が形成される。

次に、各ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４のＹ方向における２ライン目の構成層構成部５０’（構成層構成部５０ａ’、５０ｂ’、５０ｃ’及び５０ｄ’）を形成するため、−Ｙ方向にヘッドベース１１００を移動させる。移動量は、ノズル間のピッチをＰとすると、Ｐ／ｎ（ｎは自然数）ピッチ分だけ−Ｙ方向に移動させる。本実施例ではｎを３として説明する。
図５Ａ及び図５Ｂで表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図４Ｂで表されるような、Ｙ方向における２ライン目の構成層構成部５０’（構成層構成部５０ａ’、５０ｂ’、５０ｃ’及び５０ｄ’）が形成される。

次に、各ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４のＹ方向における３ライン目の構成層構成部５０’’（構成層構成部５０ａ’’、５０ｂ’’、５０ｃ’’及び５０ｄ’’）を形成するため、−Ｙ方向にヘッドベース１１００を移動させる。移動量は、Ｐ／３ピッチ分だけ−Ｙ方向に移動させる。
そして、図５Ａ及び図５Ｂで表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図４Ｃで表されるような、Ｙ方向における３ライン目の構成層構成部５０’’
（構成層構成部５０ａ’’、５０ｂ’’、５０ｃ’’及び５０ｄ’’）が形成され、構成層３１０を得ることができる。

また、構成材料吐出部１２３０から吐出される材料Ｍを、ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３、１４０４のいずれか１ユニット、あるいは２ユニット以上からその他ヘッドユニットと異なる構成材料を吐出供給することもできる。従って、本実施形態に係る形成装置２０００を用いることによって、異種材料から形成される三次元造形物を得ることができる。

なお、第１層目の層５０１において、上述したように構成層３１０を形成する前或いは後に、支持層形成用材料吐出部１７３０から支持層形成用材料を吐出させて、同様の方法で、支持層３００を形成することができる。そして、層５０１に積層させて層５０２、５０３、・・・５０ｎを形成する際にも、同様に、構成層３１０及び支持層３００を形成することができる。

上述の本実施形態に係る形成装置２０００が備えるヘッドユニット１４００及び１９００の数及び配列は、上述した数及び配列に限定されない。図６に、その例として、ヘッドベース１１００に配置されるヘッドユニット１４００の、その他の配置の例を模式図的に示す。

図６Ａは、ヘッドベース１１００にヘッドユニット１４００をＸ軸方向に複数、並列させた形態を示す。図６Ｂは、ヘッドベース１１００にヘッドユニット１４００を格子状に配列させた形態を示す。なお、いずれも配列されるヘッドユニットの数は、図示の例に限定されない。

次に、上述の本実施形態に係る形成装置２０００の要部である造形ステージ１２１についてさらに詳細に説明する。
図７は、本実施例の造形ステージ１２１を表す概略図である。詳細には、三次元造形物の積層体５００が形成された造形ステージ１２１が、エネルギー付与装置としての恒温槽６５０にセットされて脱脂されている状態を表している。

本実施例の造形ステージ１２１は、上記のように、層を積層し三次元造形物の積層体５００を形成することにより三次元造形物を製造する形成装置２０００に用いられ、図７で表されるように、三次元造形物の積層体５００が形成される形成面１２１ａを有している。
そして、造形ステージ１２１は、三次元造形物の構成材料よりも高い融点の高融点材料で多孔質に構成されている。このため、本実施例の造形ステージ１２１は、造形ステージ１２１上に層を積層して形成された三次元造形物の積層体５００を脱脂や焼結する際、造形ステージ１２１側（下方向）からの除去材料（構成材料に含まれる溶媒やバインダーなど）の揮発の仕方と造形ステージ１２１上（上方向及び横方向）からの除去材料の揮発の仕方との差（すなわち収縮率の差）を小さくすることができる構成になっている。したがって、造形ステージ１２１上に層を積層して形成された三次元造形物の積層体５００を脱脂や焼結することに伴い、該三次元造形物の積層体５００が変形することを抑制することができる構成になっている。
なお、図７における矢印は、除去材料の揮発していく方向を概念的に表したものである。造形ステージ１２１が多孔質に構成されていない場合、造形ステージ１２１側からの除去材料の揮発（下方向の矢印）はほとんどなくなり、造形ステージ１２１側が他の部分に比べてあまり収縮しなくなってしまう。

また、本実施例の造形ステージ１２１は、形成装置２０００に対して脱着可能であり、形成面１２１ａに構成材料よりも低い融点の有機膜６００が形成されている。このため、例えば三次元造形物の構成材料の融点よりもよりも低く有機膜６００の融点よりも高い温度で三次元造形物の積層体５００を脱脂や焼結することに伴い、該有機膜６００を除去材料と共に除去可能となり、三次元造形物の積層体５００が変形することを特に効果的に抑制できるとともに、脱脂や焼結した後の三次元造形物の積層体５００を造形ステージ１２１から簡単に分離することができる構成になっている。これは、脱脂や焼結されると三次元造形物の積層体５００は収縮するが、有機膜６００が形成されることで、形成面１２１ａの凹凸に構成材料が拘束されたまま脱脂や焼結により三次元造形物の積層体５００が収縮することを抑制できるためである。特に、本実施例のように造形ステージ１２１が多孔質に構成されている場合、形成面１２１ａの凹凸は大きくなる傾向が有るので、有機膜６００が形成されることによる効果は特に大きい。
さらには、造形ステージ１２１を形成装置２０００に対して脱着可能にすることで、脱脂や焼結を行うためにエネルギー付与装置（恒温槽６５０）に三次元造形物の積層体５００を移動する際、造形ステージ１２１ごと移動できる。このため、恒温槽６５０にセットするために造形ステージ１２１から三次元造形物の積層体５００を取り外すことに伴って、該三次元造形物の積層体５００が破損してしまうということを抑制できる。
なお、予め有機膜６００が形成された造形ステージ１２１を用意し、該造形ステージ１２１に三次元造形物の積層体５００を形成してもよいのは言うまでもない。ただし、予め有機膜６００が形成されていない造形ステージ１２１を用意し、三次元造形物の積層体５００の形成に先立って、支持層形成用材料吐出部１７３０から支持層形成用材料を吐出して有機膜６００を形成面１２１ａに形成し、その後、三次元造形物の積層体５００を形成してもよい。そして、このようにして有機膜６００が形成面１２１ａに形成された造形ステージ１２１も本発明に含まれることは言うまでもない。
また、「構成材料よりも低い融点の有機膜」とは、形成面１２１ａの少なくとも一部を覆う、構成材料よりも低い融点の有機成分を含んでいればよい膜という意味である。

ここで、本実施例の造形ステージ１２１に形成されている有機膜６００は、アクリル樹脂を含有している。アクリル樹脂は融点が低く脱脂や焼結した後において造形ステージ１２１上に該アクリル樹脂由来の炭素が残りにくいので、脱脂や焼結した後の三次元造形物の積層体５００に不純物としての炭素が混ざることを抑制できる。
ただし、有機膜６００の形成成分に特に限定は無く、アクリル樹脂のほかポリエステル樹脂なども使用できるとともに、複数種類の樹脂を含有していてもよい。

また、有機膜６００は、構成材料よりも高い融点の成分を含有していてもよい。有機膜６００が構成材料よりも高い融点の成分を含有していれば、造形ステージ１２１上に形成された三次元造形物の積層体５００を脱脂や焼結する場合に、脱脂や焼結した後において造形ステージ１２１上に該高い融点の成分が剥離材として造形ステージ１２１上に均等に残り、三次元造形物の積層体５００を造形ステージ１２１から特に簡単に（短時間で）分離することができるためである。
なお、「構成材料よりも高い融点の成分」について特に限定は無いが、例えば、セラミックス（アルミナ、炭化ケイ素及びジルコニアなど）を使用可能である。

また、造形ステージ１２１における前記高融点材料は、アルミナ、炭化ケイ素及びジルコニアの少なくともいずれかを含むことが好ましい。これらは融点が高く高温でも変形しにくいので、造形ステージ１２１上に形成された三次元造形物の積層体５００を脱脂や焼結することに伴い、該三次元造形物の積層体５００が変形することを特に効果的に抑制することができるためである。

このように、本実施例の形成装置２０００は、このような造形ステージ１２１の形成面１２１ａに三次元造形物の積層体５００を形成することにより三次元造形物を製造するものである。そして、このような構成により、造形ステージ１２１上に層を積層して形成された三次元造形物の積層体５００を脱脂や焼結する際、造形ステージ１２１側からの除去材料の揮発の仕方と造形ステージ１２１上からの除去材料の揮発の仕方との差を小さくすることを可能にしている。したがって、本実施例の形成装置２０００は、造形ステージ１２１上に層を積層して形成された三次元造形物の積層体５００を脱脂や焼結することに伴い、該三次元造形物の積層体５００が変形することを抑制することができる構成になっている。
さらには、本実施例の形成装置２０００は、該装置に対して脱着可能な造形ステージ１２１の形成面１２１ａに三次元造形物の構成材料よりも低い融点の有機膜６００が形成されているため、三次元造形物の積層体５００を脱脂や焼結することに伴い、該有機膜６００を除去材料と共に除去可能となり、三次元造形物の積層体５００を造形ステージから簡単に分離することができる構成になっている。

次に、上記形成装置２０００を用いて行う三次元造形物の製造方法の一例についてフローチャートを用いて説明する。
ここで、図８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。

図８で表されるように、本実施例の三次元造形物の製造方法においては、最初にステップＳ１１０で、三次元造形物のデータを取得する。詳細には、例えばパーソナルコンピューターにおいて実行されているアプリケーションプログラム等から、三次元造形物の形状を表すデータを取得する。

次に、ステップＳ１２０で、層毎のデータを生成する。詳細には、三次元造形物の形状を表すデータにおいて、Ｚ方向の造形解像度に従ってスライスし、断面毎にビットマップデータ（断面データ）を生成する。

次に、有機膜６００が形成されていない造形ステージ１２１を用意した場合、ステップＳ１３０で、支持層形成用材料吐出部１７３０から支持層形成用材料を吐出して有機膜６００を形成面１２１ａに形成する。ただし、予め有機膜６００が形成されている造形ステージ１２１を用意した場合、本ステップを省略できる。

次に、ステップＳ１４０では、ステップＳ１２０で生成した層毎のデータに基づいて三次元造形物の積層体５００を形成する。そして、ステップＳ１５０により、該層毎のデータが終了するまでステップＳ１４０とステップＳ１５０とを繰り返し、造形ステージ１２１の形成面１２１ａ上に三次元造形物の積層体５００を完成させる。
なお、ステップＳ１４０からステップＳ１５０において、本実施例の三次元造形物の製造方法においては、特にエネルギーを付与することなく自然に溶媒を揮発させて三次元造形物の積層体５００を形成（構成層構成部５０を固定）しているが、加熱するなどエネルギーを付与して構成層構成部５０を固定させてもよい。

次に、ステップＳ１６０で、形成装置２０００から造形ステージ１２１ごと三次元造形物の積層体５００を取り出し、これをエネルギー付与装置としての恒温槽６５０にセットしてエネルギー付与（加熱）する。なお、本ステップで有機膜６００の有機成分は分解除去される。

そして、最後に、ステップＳ１７０で、恒温槽６５０のエネルギーの出力を上げて三次元造形物の積層体５００を加熱して、本実施例の三次元造形物の製造方法を終了する。
なお、ステップＳ１６０が脱脂に対応するエネルギー付与工程であった場合は、ステップＳ１７０は凝結又は溶融に対応する加熱工程に対応し、ステップＳ１６０が脱脂及び凝結に対応するエネルギー付与工程であった場合は、ステップＳ１７０は溶融に対応する加熱工程に対応する。また、三次元造形物の積層体５００を脱脂させて完成させる場合や凝結させて完成させる場合など、凝結や溶融の必要が無い場合はステップＳ１７０を省略することができる。

このように、本実施例の三次元造形物の製造方法は、上記の造形ステージ１２１を用いてその形成面１２１ａに三次元造形物の積層体５００を形成する積層体形成工程（ステップＳ１４０）と、三次元造形物の積層体５００にエネルギーを付与するエネルギー付与工程（ステップＳ１６０）と、を有する。
このため、積層体形成工程で（構成材料よりも高い融点の高融点材料で多孔質に構成されている）造形ステージ１２１上に層を積層して形成された三次元造形物の積層体５００を、エネルギー付与工程で脱脂や焼結する際、造形ステージ１２１側（下方向）からの除去材料の揮発の仕方と造形ステージ１２１上（上方向及び横方向）からの除去材料の揮発の仕方との差を小さくすることができる。したがって、造形ステージ１２１上に層を積層して形成された三次元造形物の積層体５００を脱脂や焼結することに伴い、該三次元造形物の積層体５００が変形することを抑制することができる。
さらには、積層体形成工程で（形成面１２１ａに構成材料よりも低い融点の有機膜６００が形成されている）造形ステージ１２１上に層を積層して形成された三次元造形物の積層体５００を、エネルギー付与工程で脱脂や焼結することに伴い、有機膜６００を除去材料と共に除去可能となり、三次元造形物の積層体５００を造形ステージ１２１から簡単に分離することができる。

また、本実施例の三次元造形物の製造方法は、積層体形成工程（ステップＳ１４０）の前に、有機膜６００を形成面１２１ａに形成する有機膜形成工程（ステップＳ１３０）を実行することができる。このため、予め有機膜６００が形成されていない造形ステージ１２１を使用可能である。

また、本実施例の三次元造形物の製造方法は、エネルギー付与工程（ステップＳ１６０）後に、三次元造形物の構成材料を焼結又は溶融させる加熱工程（ステップＳ１７０）を実行することができる。このため、エネルギー付与工程で脱脂した三次元造形物の積層体５００を焼結又は溶融させることができる。

本発明は、上述の実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ…構成層構成部、１１０…基台、
１１１…駆動装置、１２０…ステージ、１２１…造形ステージ、１２１ａ…形成面、
１３０…ヘッドベース支持部、３００…支持層、３１０…構成層、
４００…制御ユニット、４１０…ステージコントローラー、
５００…三次元造形物の積層体、５０１、５０２及び５０３…層、６００…有機膜、
６５０…恒温槽、７３０…ヘッドベース支持部、１１００…ヘッドベース、
１２００…構成材料供給装置、１２１０…構成材料供給ユニット、
１２１０ａ…構成材料収容部、１２２０…供給チューブ、１２３０…構成材料吐出部、
１２３０ａ…吐出ノズル、１２３０ｂ…吐出駆動部、１４００…ヘッドユニット、
１４００ａ…保持治具、１４０１、１４０２、１４０３、１４０４…ヘッドユニット、
１５００…材料供給コントローラー、１６００…ヘッドベース、
１７００…支持層形成用材料供給装置、１７１０…支持層形成用材料供給ユニット、
１７１０ａ…支持層形成用材料収容部、１７２０…供給チューブ、
１７３０…支持層形成用材料吐出部、１７３０ａ…吐出ノズル、
１７３０ｂ…吐出駆動部、１９００…ヘッドユニット、１９００ａ…保持治具、
２０００…形成装置（三次元造形物の製造装置）、Ｍ…材料（構成材料）

Claims (7)

1. 層を積層し積層体を形成することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置に用いられ、
   前記製造装置に対して脱着可能であり、
   前記積層体が形成される形成面を有し、
   前記形成面に三次元造形物の構成材料よりも低い融点の有機膜が形成され、
   前記有機膜は、前記構成材料よりも高い融点の成分を含有していることを特徴とする三次元造形物の造形ステージ。
2. 請求項１に記載された造形ステージにおいて、
   前記有機膜は、アクリル樹脂を含有していることを特徴とする三次元造形物の造形ステージ。
3. 請求項１又は２に記載された造形ステージにおいて、
   前記構成材料よりも高い融点の高融点材料で構成され、
   前記高融点材料は、アルミナ、炭化ケイ素及びジルコニアの少なくともいずれかを含むことを特徴とする三次元造形物の造形ステージ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載された造形ステージの前記形成面に前記積層体を形成することにより三次元造形物を製造することを特徴とする三次元造形物の製造装置。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載された造形ステージの前記形成面に前記積層体を形成する積層体形成工程と、
   前記積層体にエネルギーを付与し前記有機膜を分解するエネルギー付与工程と、
   を有することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
6. 請求項５に記載された三次元造形物の製造方法において、
   前記積層体形成工程の前に、前記有機膜を前記形成面に形成する有機膜形成工程を実行することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
7. 請求項５又は６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、前記構成材料を焼結又は溶融させる加熱工程を実行することを特徴とする三次元造形物の製造方法。

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