JP6836097B2 - 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
そこで、例えば、特許文献1には、支持体(造形ステージ)と三次元造形物との間に、サポート層を形成することで後処理工程を減らすことが可能な三次元造形物の製造方法が開示されている。
このため、層を積層することにより三次元造形物を製造する従来の製造方法では、製造される三次元造形物の後処理工程を減らすことが十分にできていなかった。
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種類の材料供給部及びエネルギー付与部を備えているが、図1及び図2は、各々、一方のエネルギー付与部のみを表した図であり、他方の材料供給部及びエネルギー付与部は省略して表している。
本実施形態に係る三次元造形物の製造装置は、種類の異なる第1の材料及び第2の材料を含む2種類の流体の供給物(第1の供給物及び第2の供給物)を吐出することにより供給して、第1の供給物により三次元造形物を形成する際の基礎(造形台)となる第1の層と、第2の供給物により三次元造形物を構成する第2の層と、を形成するものである。しかしながら、このような三次元造形物の製造装置に限定されず、第1の層と第2の層とを別の方法で形成してもよい。例えば、第1の層と第2の層とを第1の材料を含むグリーンシートと第2の材料を含むグリーンシートとを用いて形成してもよい。また、第1の材料及び第2の材料に特に限定はない。
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。
なお、本実施形態のエネルギー照射部1810はエネルギー照射部1300よりもエネルギーの照射範囲が広いということ以外は同様の構成のものであり、第1の材料吐出部1630は第2の材料吐出部1230よりも吐出量が多いという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。
そして、図2(a)で表されるように、基礎部1121上に、第2の材料吐出部1230から第2の材料としての金属粉末を含む第2の供給物が吐出され、吐出された該第2の供給物に対してエネルギー照射部1300から熱エネルギーの照射がなされることで、三次元造形物500に形成される過程での部分造形物501、502及び503が層状に形成される。なお、図2(a)では、説明の便宜上、部分造形物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2(a)中の50n層まで)積層される。
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に保持されるレーザー照射部1300と材料吐出部1230の保持形態の一例を示し、このうち図4は、図2(b)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。
なお、以下の説明は、第2の供給物で形成された層の所望の領域を溶融して固める例の説明であるが、該所望の領域をこれより低い温度で焼結させて固めてもよい。
なお、図示しないが、それぞれのヘッドユニット1401〜1404に備える第2の材料吐出部1230は、吐出駆動部1230bを介して第2の材料供給ユニット1210に供給チューブ1220で繋がれ、レーザー照射部1300はレーザーコントローラー430に繋がれ、保持治具1400aに保持される構成となっている。
図4は、本実施形態のヘッドユニット1400の配置と、溶融部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、溶融部50の形成形態を概念的に表す側面図である。
なお、所定の位置に材料Mが配置されてからレーザーLの照射範囲内に入るまでの時間は、ステージ120の移動速度で調整することができる。例えば、材料Mに溶剤を含む場合、ステージ120の移動速度を遅くして、照射範囲内に入るまでの時間を長くすることで溶剤の乾燥を促進することができる。
また、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から試料プレート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)配置させて、同一方向へ移動させたままレーザーLの照射範囲内に入る構成(ステージ120のX方向における往復移動で溶融部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溶融部50を形成する構成)としても良い。
図5(a)及び図5(b)で表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図4(b)で表されるような、Y方向における2ライン目の溶融部50’(溶融部50a’、50b’、50c’及び50d’)が形成される。
そして、図5(a)及び図5(b)で表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図4(b)で表されるような、Y方向における3ライン目の溶融部50’’
(溶融部50a’’、50b’’、50c’’及び50d’’)が形成され、溶融層を得ることができる。
図7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。
次に、図7(b)で表されるように、三次元造形物の最下層(第1層目)を構成するとともに第2の層を形成するための材料M(第2の供給物)を第2の材料吐出部1230から基礎部1121に対して上側(Z(+)方向)に積層するように供給するとともに、材料Mにおける所望の三次元造形物の対応領域にレーザー照射部1300からレーザーLを照射することにより溶融部50(第2の層)を形成する。なお、材料Mを基礎部1121上に供給する際、三次元造形物の対応領域だけでなく三次元造形物の対応領域以外の部分についても供給する。上層にアンダーカット部(下層に対してXY平面方向に凸になった部分)がある場合に、下層における支持層として、これを支えるためである。下層においては、レーザー照射部からレーザーLを照射することにより材料Mを焼結させておいてもよい。
具体的には、図7(c)で表されるように、図7(b)と同様の動作を実行することで第2層目となる溶融部50の層を第1層目の溶融部50の層に対して上側に積層するように形成する。なお、第2層目となる材料Mを第1層目の材料Mに対して供給する際も、三次元造形物の対応領域だけでなく三次元造形物の対応領域以外の部分についても供給する。
このように、図7(b)の動作(図7(c)の動作)を繰り返すことにより、図7(d)で表されるように、三次元造形物の完成体Oが完成する。なお、図7(e)は、三次元造形物の完成体Oを基礎部1121から取り外し、三次元造形物の完成体Oを現像(三次元造形物の完成体Oから材料M由来の付着物を除去すること)した状態を表している。
図8は、形成装置2000を用いて行う三次元造形物の製造過程の別の一例を表す概略図である。
次に、図8(b)で表されるように、材料Mを第2の材料吐出部1230から基礎部1121に構成された貫通孔Hに供給するとともに、レーザー照射部1300からレーザーLを照射し溶融部50を形成する。
次に、図8(c)で表されるように、三次元造形物の最下層(第1層目)を構成するとともに第2の層を形成するための材料M(第2の供給物)を第2の材料吐出部1230から基礎部1121に対して上側(Z(+)方向)に積層するように供給するとともに、材料Mにおける所望の三次元造形物の対応領域にレーザー照射部1300からレーザーLを照射することにより溶融部50(第2の層)を形成する。なお、材料Mを基礎部1121上に供給する際、三次元造形物の対応領域だけでなく三次元造形物の対応領域以外の部分についても供給する。
具体的には、図8(d)で表されるように、図8(c)と同様の動作を実行することで第2層目となる溶融部50の層を第1層目の溶融部50の層に対して上側に積層するように形成する。なお、第2層目となる材料Mを第1層目の材料Mに対して供給する際も、三次元造形物の対応領域だけでなく三次元造形物の対応領域以外の部分についても供給する。
このように、図8(c)の動作(図8(d)の動作)を繰り返すことにより、図8(e)で表されるように、三次元造形物の完成体Oが完成する。なお、図8(f)は、三次元造形物の完成体Oを基礎部1121から取り外し、三次元造形物の完成体Oを現像(三次元造形物の完成体Oから材料M由来の付着物を除去すること)した状態を表している。そして、図8(g)は、貫通孔Hに対応する部分の溶融部50(不要部分)を切断し、成形した状態を表している。
例えば、溶融部50に対して、レーザーを接触領域に照射し加熱させ、その照射領域に第2造形材料として金属粉末を吹き付ける方法を採用できる。このような方法とすることで、造形される三次元造形物が導電性である必要が無くなるので、第2の材料を樹脂材料などの非導電性の材料を使用することが可能になる。また、別の実施形態として、ディスペンサ(材料の供給部)とレーザー照射部とを別ユニットで配置することができる。レーザー照射部と、レーザー照射部からのレーザー光を位置決めする複数のミラーと、レーザー光を収束させるレンズ系等とをステージ120の上方に設置し、レーザー光を高速、広範囲に走査するガルバノスキャナ方式を採用して固化する構成とすることも可能である。
また、別の例としては、例えば、第1の供給物及び第2の供給物を液滴として吐出する第1の材料吐出部1630及び第2の材料吐出部1230の代わりに、ニードル先端に造形材料を付着させて所望の位置に配置させるニードルディスペンサを用いて第2の層を形成する方法を採用できる。このような方法とすることで、三次元造形物の形状の精細度を向上することができる。
ここで、図9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、三次元造形物の輪郭領域と三次元造形物の接触領域とで区別されたデータになっている。
このため、第1の層が固められた状態と第2の層が固められた状態とで不連続層を簡単に形成することができ、該不連続層を形成することで第1の層と第2の層とが強く接合されることを簡単に抑制することができる。ここで、不連続層を形成するとは、第1の層(第1の材料)と第2の層(第2の材料)とを共に同程度に焼結しないように、第1の層と第2の層とを形成する意味である。例えば、第1の層を焼結し第2の層を溶融させることにより不連続層を簡単に形成することができる。
したがって、三次元造形物を形成する際の基礎となる第1の層の第1の材料と三次元造形物の造形材料とが同様に焼結することによって両者が強く接合され、第1の層(基礎)から第2の層(三次元造形物)を取り外す際の分離作業の負荷が大きくなるということを抑制できる。すなわち、三次元造形物の造形材料である第2の材料を、第1の材料の焼結温度よりも低い融点又は焼結温度の材料とすることで、第1の層(基礎)から第2の層(三次元造形物)を取り外す際の分離作業の負荷を軽減できる。
また、三次元造形物を形成する際の基礎(造形台)となる第1の層を、熱による歪みが小さくなる第1の材料(例えばセラミックス)を用いて形成することで、三次元造形物の歪みも軽減でき、後処理工程としての成形作業の負荷を軽減できる。
このため、第1の層が固められた状態と第2の層が固められた状態とで不連続層を簡単に形成することができ、該不連続層を形成することで第1の層と第2の層とが強く接合されることを簡単に抑制することができる。したがって、三次元造形物を形成する際の基礎となる第1の層の第1の材料と三次元造形物の造形材料とが同様に焼結することによって両者が強く接合され、第1の層(基礎)から第2の層(三次元造形物)を取り外す際の分離作業の負荷が大きくなるということを抑制できる。すなわち、三次元造形物の造形材料である第2の材料を、第1の材料の焼結温度よりも低い融点又は焼結温度の材料とすることで、第1の層(基礎)から第2の層(三次元造形物)を取り外す際の分離作業の負荷を軽減できる。
なお、本実施例の三次元造形物の製造方法は、第3の供給物の供給を第2の供給物の供給と兼ねていた(すなわち、第3の供給物の供給を第2の供給物と同じ供給物で供給していた)が、第3の供給物の供給を第2の供給物と別の供給物、別の供給機構で、供給してもよい。
なお、第1の層(第1の材料)として、第2の層(第2の材料)及び支持体よりも線膨張係数が小さい材料を選択することにより、焼結あるいは溶融時の加熱による熱歪が低減されて、三次元造形物の歪を抑制することができる。このため、第1の材料の線膨張係数が第2の材料の線膨張係数及び支持体の線膨張係数より小さいことが特に好ましい。
ただし、このような構成に限定されず、第1の材料及び第2の材料として、樹脂材料などを使用することもできる。
110 基台、111 駆動装置、120 ステージ(支持体)、
400 制御ユニット、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 部分造形物、730 ヘッドベース支持部、
1100 ヘッドベース、1121 基礎部(第1の層)、
1200 第2の材料供給装置、1210 第2の材料供給ユニット、
1210a 第2の材料収容部、1220 供給チューブ、
1230 第2の材料吐出部、1230a 吐出ノズル、1230b 吐出駆動部、
1300 エネルギー照射部(レーザー照射部)、
1400 ヘッドユニット(第2の層の形成部)、
1401、1402、1403、1404、1405、1406、1407及び1408 ヘッドユニット、
1400a 保持治具、1500 材料供給コントローラー、
1600 第1の材料供給装置、1610 第1の材料供給ユニット、
1610a 第1の材料収容部、1620 供給チューブ、
1630 第1の材料吐出部、1630a 吐出ノズル、1630b 吐出駆動部、
1700 ヘッドベース、1800 ヘッドユニット(第1の層の形成部)、
1800a 保持治具、1810 エネルギー照射部、
2000 形成装置(三次元造形物の製造装置)、L レーザー、
M 材料(第2の供給物)、 O 三次元造形物の完成体
Claims (10)
- 層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物の製造方法であって、
支持体に第1の材料を含む第1の供給物を供給し、前記第1の材料を焼結することにより固めて第1の層を形成する第1の層の形成工程と、
前記第1の層に重ねて前記第1の材料の焼結温度よりも低い融点又は焼結温度であって前記第1の材料よりも熱伝導性の高い第2の材料を含む第2の供給物を供給し、前記第2の材料を焼結することにより固めて第2の層を形成する第2の層の形成工程と、
を有し、
前記第1の層の形成工程では、前記支持体まで貫通する貫通孔が前記第1の層に形成され、
前記第2の層の形成工程では、前記貫通孔に前記第2の材料を供給し、前記貫通孔と前記第2の層とを合わせて前記第2の材料を焼結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に記載の三次元造形物の製造方法において、
前記第2の層に対して、前記第2の供給物の供給と前記第2の材料を焼結又は溶融とを実行することで、1層以上積層する積層工程
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2に記載の三次元造形物の製造方法において、
第3の供給物を供給し、前記積層工程で供給される前記第2の供給物を支持する支持層を形成する支持層形成工程
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において、
前記支持体の融点は、前記第1の材料の焼結温度よりも低い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項に記載の三次元造形物の製造方法において、
前記第1の材料の線膨張係数は、前記第2の材料の線膨張係数及び前記支持体の線膨張係数よりも小さい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項に記載の三次元造形物の製造方法において、
前記第1の供給物の供給及び前記第2の供給物の供給の少なくとも一方は、非接触ジェットディスペンサにより供給され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項に記載の三次元造形物の製造方法において、
前記第1の供給物の供給及び前記第2の供給物の供給の少なくとも一方は、ニードルディスペンサにより供給され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7のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法において、
前記第1の材料は、アルミナ、シリカ、窒化アルミ、炭化ケイ素、窒化ケイ素の少なくとも1つを含み、
前記第2の材料は、マグネシウム、鉄、銅、コバルト、チタン、クロム、ニッケル、アルミニウム、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、の少なくとも1つを含む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8のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法において、
前記第2の層の形成工程における前記第2の材料を固める温度は、前記第1の材料の焼結温度以下であることを特徴とする三次元造形物の製造方法。 - 層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物の製造装置であって、
支持体に第1の材料を含む第1の供給物を供給し、前記第1の材料を焼結することにより固めて第1の層を形成する第1の層の形成部と、
前記第1の層に重ねて前記第1の材料の焼結温度よりも低い融点又は焼結温度であって前記第1の材料よりも熱伝導性の高い第2の材料を含む第2の供給物を供給し、前記第2の材料を焼結することにより固めて第2の層を形成する第2の層の形成部と、
を有し、
前記第1の層の形成部は、前記支持体まで貫通する貫通孔を前記第1の層に形成し、
前記第2の層の形成部は、前記貫通孔に前記第2の材料を供給し、前記貫通孔と前記第2の層とを合わせて前記第2の材料を焼結することを特徴とする三次元造形物の製造装置。
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