JP7191550B2 - 物品の製造方法 - Google Patents
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Description
そこで本発明は、造形可能な形状の制限が少ない造形技術を提供することを目的とする。
第一の粉末を用いて粉末層を形成する工程と、
前記粉末層の一部の領域に、前記第一の粉末よりも平均粒子径が小さい第二の粉末を配置する工程と、
前記第二の粉末が配置された前記粉末層を加熱する第一の加熱工程と、
前記第一の加熱工程の後に、前記一部の領域外の前記第一の粉末を取り除く工程と、
を含み、
前記第二の粉末の平均粒子径が1nm以上、500nm以下であり、
前記第一の加熱工程は、前記第一の粉末の焼結開始温度より低く前記第二の粉末が焼結または溶融する温度で加熱する
ことを特徴とする物品の製造方法を提供する。
第一の粉末を用いて粉末層を形成する粉末層形成手段と、
前記粉末層のうちの一部の領域に、平均粒子径が前記第一の粉末よりも小さい第二の粉末を配置する配置手段と、
前記第一の粉末に含まれる第一の粒子どうしは焼結せず前記第二の粉末に含まれる粒子
どうしが焼結または溶融するように前記粉末層を加熱する加熱手段と、
を有することを特徴とする造形装置を提供する。
本発明の実施形態に係る造形方法は、概略、下記の(工程1)~(工程4)を有する。
(工程1)第一の粒子を用いて粉末層を形成する工程
(工程2)粉末層のうちの造形領域に、第二の粒子を付与する工程
(工程3)第二の粒子を焼結し、造形領域内の第一の粒子どうしを固定する工程
(工程4)造形領域外の第一の粒子を取り除く工程
以下、図1A~図1H、図2A~図2G、図3を用いて、造形方法の各工程について説明する。図1A~図1H、図2A~図2Gは、本実施形態の造形方法の流れを模式的に示している。図1A~図1Hは(工程1)~(工程3)を複数回繰り返したのち(工程4)を実行するシーケンスの例、図2A~図2Gは(工程1)と(工程2)を交互に複数回繰り返したのち(工程3)と(工程4)を実行するシーケンスの例である。図3は粉末層の構造を模式的に示す拡大図である。
本工程では、造形対象物のスライスデータに基づき、第一の粒子1を含む第一の粉末を用いて粉末層11が形成される(図1A、図2A)。本明細書では、複数の粒子の集合体を「粉末」と称し、粉末を所定の厚さに均したものを「粉末層」と称し、複数の粉末層を積層したものを「積層体」と称す。本工程の段階では、粉末層11を構成する個々の粒子は固定されていないが、粒子間に作用する摩擦力により粉末層11の形態は保持される。
属やセラミックスでも複雑形状や微細形状の造形が容易である。したがって、第一の粒子に金属粒子やセラミックス粒子を用いる造形は、本実施形態の造形方法を好ましく適用できる対象の一つである。
また、ステンレス合金、チタン合金、コバルト合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、鉄合金、ニッケル合金、クロム合金、シリコン合金、ジルコニウム合金などの金属合金を、第一の粒子1として用いてもよい。
また、炭素鋼など金属に炭素などの非金属元素を添加したものを、第一の粒子1として用いてもよい。
また、第一の粒子としては、酸化物セラミックスを用いてもよいし、非酸化物セラミックスを用いてもよい。酸化物セラミックスとしては、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ウラン、チタン酸バリウム、バリウムヘキサフェライト、ムライトなどの金属酸化物が挙げられる。非酸化物セラミックスとしては、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステン、炭化ホウ素、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、ホウ化ランタン、モリブデンシリサイド、鉄シリサイド、バリウムシリサイドなどが挙げられる。第一の粒子は、複数種類の金属の複合粒子や、複数種類のセラミックスの複合粒子であってもよい。
れる。
例えば、相対的に平均粒子径の大きい第一群の粒子と、相対的に平均粒子径の小さい第二群の粒子とを混合することで、粉末層11を形成したときに第一群の粒子どうしの間隙に第二群の粒子が入り込み、粉末層11の空隙を減らすことができる。このとき、第二群の粒子の平均粒子径が、後述する第二の粒子の平均粒子径よりも大きく、第一群の粒子の平均粒子径の0.41倍以下であることが好ましい。第一群の粒子と第二群の粒子の平均粒子径の比をこのように設定すると、第一群の粒子が最密構造を形成した場合の粒子間隙(八面体サイト)に第二群の粒子を配置できるため、粉末層11の空間充填率を可及的に大きくすることができる。これにより、結果的に空隙率の小さい造形物を作製することができる。なお、第一群の粒子と第二群の粒子は同じ材料の粒子であることが好ましいが、異なる材料の粒子でも構わない。
円形度=(粒子の投影面積と同じ面積の円の周囲長)/(粒子の投影像の周囲長)
ここで、「粒子の投影像」は、粒子画像を二値化することで得ることができる。「粒子の投影面積」は粒子の投影像の面積であり、「粒子の投影像の周囲長」は粒子の投影像の輪郭線の長さである。
本工程では、造形対象物のスライスデータに基づき、液体付与装置によって、粉末層11のうちの造形領域Sに、第二の粒子2を含み、平均粒子径が1nm以上、500nm以下の第二の粉末を含む液体12(「粒子分散液12」とも呼ぶ)を付与する(図1B、図2B)。ここで「造形領域S」とは、造形対象物の断面に対応する領域(つまり、粉末層11のうち粉末を固めて造形物として取り出すべき部分)をさす。なお、造形領域S外の領域(つまり、最終的には粉末が除去されるべき部分)は「非造形領域N」と呼ぶ。
第二の粉末に含まれる第二の粒子2の平均粒子径は、更に好ましくは1nm以上200nm以下である。以下、第二の粒子2をナノ粒子2と呼ぶ場合がある。
平均粒子径が200nm以下であることで、焼結温度が低下するだけでなく、液体12中でのナノ粒子2の分散性が良くなり、液体12を付与する際の均一性が向上するため好ましい。
ナノ粒子2の平均粒子径は第一の粒子1の平均粒子径よりも小さい。これにより、ナノ粒子2が第一の粒子1の間隙に充填され、ナノ粒子2による第一の粒子1どうしの固定が図られやすくなる。
ナノ粒子2の平均粒子径は、液体付与時にナノ粒子2が第一の粒子1の間隙に容易に入り込むことができる程度のサイズに設定するとよい。
また、炭素鋼など金属に炭素などの非金属元素を添加したものを、ナノ粒子2として用いてもよい。
また、ナノ粒子2としては、酸化物セラミックスを用いてもよいし、非酸化物セラミックスを用いてもよい。酸化物セラミックスとしては、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、酸化セリウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化ウラン、チタン酸バリウム、バリウムヘキサフェライト、ムライトなどの金属酸化物が挙げられる。非酸化物セラミックスとしては、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化タングステン、炭化ホウ素、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、ホウ化ランタン、モリブデンシリサイド、鉄シリサイド、バリウムシリサイドなどが挙げられる。ナノ粒子2は、複数種類の金属の複合粒子や、複数種類のセラミックスの複合粒子であってもよい。
また、液体12は、粒子を固定するための結合剤を含んでもよい。結合剤としては既存の物質が使用可能であるが、後述する(工程3)の加熱処理により分解される物質、即ち、ナノ粒子が焼結する温度または溶融する温度よりも低い分解温度を有する物質が好ましい。加熱により分解されることで、(工程3)までは造形領域S内の第一の粒子1及び/又は造形領域S内のナノ粒子2を固定しながらも、(工程3)で除去できるため、造形物
中の不純物となりにくい。具体的な結合剤としては、樹脂材料や水溶性炭水化物が挙げられる。結合剤は液体中に溶解することが好ましい。
ナノ粒子を分散させた液体12と結合剤を含有する液とを分けて付与すれば、それぞれの付与装置を付与する液体に応じて独立して最適化することができるため、付与装置の耐久性が優れる傾向にあり、好ましい。
粒子分散液である液体12と液体結合剤とを分けて付与する場合は、それぞれの液を吐出するノズルが設けられたヘッドを有するインクジェット装置により、造形領域Sへの粒子分散液12の付与と液体結合剤の付与を一度に行う構成も好ましい。
また、液体12は複数回付与してもよく、付与するごとに乾燥させてもよい。複数回付与することで造形領域における粉末層11中のナノ粒子2の濃度を制御することができる。
本工程では、第二の粉末が焼結または溶融する条件にて粉末層11を加熱することで、焼結または溶融するナノ粒子2を介して、造形領域S内の第一の粒子1どうしを固定する(図1C、図1F、図2F)。
工程3の工程で、周囲に第一の粒子が存在する状況下で、有機成分、樹脂を熱により除去することができるため、造形物の形状を維持しながら、造形物中の残炭素成分を減らすことができる。特に造形物中に厚さが異なる造形形状が混在する場合でも、内部の有機成分、樹脂成分を除去することができるため、造形物の形状の自由度に優れる。
本工程では、(工程3)で得られた積層体14から造形領域S外の粉末を除去し、造形物15を得る(図1F、図2G)。積層体14から不要な粉末を除去する方法としては、公知の方法含め、いかなる方法を用いてもよい。例えば、洗浄、エア吹付、吸引、加振などが挙げられる。
本実施形態の造形方法では除去対象となる粉末に含まれる第一の粒子1は固定されていないか、固定されていたとしても、造形領域Sと比較して弱く固定されているため、除去が極めて容易である。また、除去した粉末は回収して造形材料として再利用することもできる。
・主たる造形材料である第一の粒子1どうしを直接結合させるのではなく、ナノ粒子2を焼結または溶融させ、ナノ粒子2の結合作用によってその周囲に存在する第一の粒子1を間接的に結合させる。したがって、ナノ粒子2を付与する位置及び範囲を制御することで、造形物の形状を制御することができる。しかも粒子分散液12の状態でナノ粒子2を付与するため、インクジェット装置などの液体付与装置を利用することでナノ粒子2を付与する位置、範囲、量などを簡単にかつ高精度に制御することができる。
たがって、本実施形態の造形方法によれば、金属やセラミックスなどの材料を用いて、従来手法では造形が困難だった複雑形状や微細形状の造形を容易にかつ高品質に行うことが可能である。
第一の粒子1及びナノ粒子2は、公知の方法を含む、いかなる方法で作製してもよい。例えば、金属粒子の製造方法としては、略球形の粒子を得ることができる点で、ガスアトマイズ法及び水アトマイズ法を好ましく用いることができる。また、セラミックス粒子の製造方法としては、略球形の粒子を得ることができる点で、ゾルゲル法などの湿式での製法や、高温の気中で液化させた金属酸化物を冷却し固化させる乾式での製法を、好ましく用いることができる。
粒子分散液12は、多数のナノ粒子2を溶液中に分散させることができれば、公知の方法を含む、いかなる方法で作製してもよい。例えば、ナノ粒子2を溶液中に添加し撹拌することで作製してもよい。
次に、上記実施形態にかかる製造方法の具体的な実施例について説明する。
<粉末Aの調整>
平均粒子径が7μmのSUS粒子を含むSUS粉末(SUS316L エプソンアトミックス社製)を粉末Aとする。
<粉末Bの調整>
平均粒子径が30μmのSUS粒子を含むSUS粉末(SUS316L LPW社)を粉末Bとする。
<粉末Cの調製>
平均粒子径が11μmのSUS粒子を含む粉末(SUS316L 山陽特殊製鋼株式会社製)を粉末Cとする。
<粉末Dの調製>
平均粒径が8μmの銅粒子を含む銅粉末(SFR-Cu 日本アトマイズ加工株式会社製)を粉末Dとする。
平均粒子径が25nmの鉄ナノ粒子の粉末(シグマアルドリッチ社製)5.0gをエタノール(特級 キシダ化学社製)45.0g中に分散させ、溶液Aを得た。得られた溶液A中の鉄ナノ粒子の体積濃度は1.1vol%であった。溶液Aの粘度は1.2cPであった。
エチルセルロース(STD-4 日新化成株式会社製)5.0gをエタノール(特級 キシダ化学社製)45.0g中に添加、混合した後に7時間常温で撹拌し、溶液Bを得た。得られた溶液B中のエチルセルロースの体積濃度は8.1vol%であった。溶液Bの粘度は12.2cPであった。
エチルセルロース(STD-4 日新化成株式会社製)0.007gをエタノール(特級 キシダ化学社製)0.493g中に添加、混合した後に7時間常温で撹拌し、溶液Cを得た。得られた溶液C中のエチルセルロースの体積濃度は1.1vol%であった。
<溶液Dの調整>
鉄ナノコロイド(H10 立山マシン株式会社製)を溶液Dとした。溶液Dは平均粒子径3.6nmの鉄ナノ粒子の粉末を体積濃度0.9vol%となるように、n-ヘキサン中に界面活性剤を使用して分散したものである。溶液Dの粘度は0.5cPであった。
<溶液Eの調整>
水に銀ナノ粒子を分散させた銀インク(NBSIJ-KC01 三菱製紙株式会社製)を溶液Eとした。溶液Eは平均粒子径34nmの銀ナノ粒子を含有しており、体積濃度は0.8vоl%であった。粘度は 4.0cPであった。
<溶液Fの調整>
液相還元法で作製した平均粒子径が160nmのニッケルナノ粒子水分散体を溶液Fとした。得られた溶液F中のニッケルナノ粒子の体積濃度は0.6vol%であった。粘度は7.1cPであった。
それぞれの粉末の焼成開始温度を、以下の手順で取得した。
直径5mm、高さ2.5mmのアルミナ容器に、底が見えなくなる程度の量の粉末を詰める。上記アルミナ容器を電気炉にて60分間加熱し、粉末の状態を観察した。粉末の焼結が確認できない場合は更に温度を10℃上げた条件で加熱し、観察することを繰り返し、粉末の焼結が確認されたときの温度を粉末の焼結開始温度とする。
焼結したかどうかは、下記手法にて確認した。
熱処理前に電子顕微鏡で粉末に含まれる平均粒子径程度の二つ以上の粒子が視野内に概ね収まる倍率の視野を定め、熱処理後の粉末に含まれるSUS粒子を、前記倍率にて30か所以上で観察した。半数以上の観察視野で、平均粒子径程度(平均粒子径以下)の粒子が結合し、もとの粒子間の境界が観察できなくなるまで粒子間が固定(結合)している場合に、粉末が焼結していると判断した。
また、平均粒子径が25nmの鉄ナノ粒子(シグマアルドリッチ社製)の粉末についても同様の実験を行い、焼結開始温度を取得した。鉄ナノ粒子の粉末の焼結開始温度は、500℃以下であり、鉄(融点1538℃)よりも融点の低いSUS316L(融点140
0℃)の粉末(粉末B)の焼結開始温度800℃に比べても有意に低かった。溶液Dを乾燥し、銀ナノ粒子についても同様の実験を行ったところ、焼結開始温度が300℃以下であった。
<実施例1>
図4を参照しながら、実施例について説明する。
粉末Aを用いてアルミナ基板の上に20mm×10mm、厚さ2mmの粉末層を形成した(ステップS301)後に、6mmΦの領域に溶液Aを浸透深さ2mmとなるように付与した(ステップS302)。得られた粉末層を電気炉に入れ、鉄ナノ粒子の粉末の焼結開始温度以上、SUS粒子の粉末の焼結開始温度未満の600℃で1時間熱処理した(ステップS303)。熱処理後の粉末層のうち、溶液Aを塗布した部分(造形領域Sに相当)のSUS粒子は鉄ナノ粒子によって固化していた。溶液Aを塗布していない部分(非造形領域Nに相当)のSUS粒子を除去する(ステップS304)ことで板状の造形物を得ることができた。
図5を参照しながら、粉末Aを用いてアルミナ基板の上に20mm×10mm、厚さ2mmの粉末層を形成(ステップS401)した後に、6mmΦの領域に溶液Dを浸透深さ2mmとなるように付与した(ステップS402)。得られた粉末層を電気炉に入れ、鉄ナノ粒子の焼結開始温度以上、SUS粒子の焼結開始温度未満の600℃で1時間熱処理した(ステップS403)。熱処理後の粉末層のうち、溶液Dを塗布した部分(造形領域Sに相当)のSUS粒子は鉄ナノ粒子によって固化していた。溶液Dを塗布していない部分(非造形領域Nに相当)のSUS粒子を除去(ステップS404)することで板状の造形物を得ることができた。
図6を参照しながら、粉末Bを用いて20mm×10mm、厚さ2mmの第一の粉末層を形成した(ステップS501)後に、10mm×10mmの範囲に溶液Dを付与した(ステップS502)。次いで、第一の粉末層の上に、粉末Bを用いて20mm×10mm、厚さ2mmの第二の粉末層を形成(ステップS503)し、第二の粉末層の全体に浸透深さ2mmとなるまで溶液Dを付与し(ステップS504)、積層体を得た。得られた積層体を電気炉に入れ、鉄ナノ粒子の焼結開始温度以上、SUS粒子の焼結開始温度未満の温度である700℃で1時間熱処理した(ステップS505)。熱処理後の積層体のうち、溶液Dを塗布した部分(造形領域Sに相当)のSUS粒子は鉄ナノ粒子によって固化していた。溶液Dを塗布していない部分(非造形領域Nに相当)のSUS粒子を除去することで所望の造形物を得ることができた(ステップS506)。得られた造形物は、第一層よりも第二層の方が大きいオーバーハング構造を有していた。
実施例3と同様の手順で造形を行った。まず粉末Bを用いて20mm×10mm、厚さ2mmの第一の粉末層を形成した後に、10mm×10mmの範囲に溶液Fを付与した。次いで、第一の粉末層の上に、粉末Bを用いて20mm×10mm、厚さ2mmの第二の粉末層を形成し、第二の粉末層の全体に浸透深さ2mmとなるまで溶液Fを付与し、積層体を得た。得られた積層体を電気炉に入れ、ニッケルナノ粒子の焼結開始温度以上、SUS粒子の焼結開始温度未満の温度である700℃で1時間熱処理した。熱処理後の積層体のうち、溶液Fを塗布した部分(造形領域Sに相当)のSUS粒子はニッケルナノ粒子によって固化していた。溶液Fを塗布していない部分(非造形領域Nに相当)のSUS粒子
を除去することで所望の造形物を得ることができた。得られた造形物は、第一層よりも第二層の方が大きいオーバーハング構造を有していた。
<比較例1>
粉末Bを用いて20mm×10mm、厚さ2mmの第一の粉末層を形成した後に、10mm×10mmの範囲に溶液Bを付与した。次いで、第一の粉末層の上に、粉末Bを用いて20mm×10mm、厚さ2mmの第二の粉末層を形成し、第二の粉末層の全体に浸透深さ2mmとなるまで溶液Bを付与し、樹脂金属複合体である積層体を得た。得られた積層体から、溶液Bを付与していない領域の粉末Bを除去した後に、積層体を電気炉に入れ、SUS粒子の焼結開始温度以上の温度で加熱し、造形物を得た。
粉末Bを用いて20mm×10mm、厚さ2mmの第一の粉末層を形成した後に、10mm×10mmの範囲に溶液Bを付与した。次いで、第一の粉末層の上に、粉末Bを用いて20mm×10mm、厚さ2mmの第二の粉末層を形成し、第二の粉末層の全体に浸透深さ2mmとなるまで溶液Bを付与し、樹脂金属複合体である積層体を得た。得られた積層体をそのまま電気炉に入れ、エチルセルロースの分解温度以上、SUS粒子の焼結開始温度未満の温度で1時間熱処理した。加熱処理後の積層体は依然として粉末の状態(粒子どうしが結合していない状態)であり、所望の造形物は得られなかった。
粉末Bを用いて20mm×10mm、厚さ2mmの第一の粉末層を形成した後に、10mm×10mmの範囲に溶液Bを付与した。次いで、第一の粉末層の上に、粉末Bを用いて20mm×10mm、厚さ2mmの第二の粉末層を形成し、第二の粉末層の全体に浸透深さ2mmとなるまで溶液Bを付与し、樹脂金属複合体である積層体を得た。得られた積層体をそのまま電気炉に入れ、SUS粒子の焼結開始温度以上の温度で1時間熱処理した。溶液Bを付与した領域及び溶液Bを付与しない領域のいずれの領域のSUS粒子も焼結し、積層体全体で金属焼結体が形成されてしまい、所望の造形物は得られなかった。
粉末Bを用いて20mm×10mm、厚さ2mmの第一の粉末層を形成した後に、10mm×10mmの範囲に溶液Dを付与した。次いで、第一の粉末層の上に、粉末Bを用いて20mm×10mm、厚さ2mmの第二の粉末層を形成し、第二の粉末層の全体に浸透深さ2mmとなるまで溶液Dを付与し、積層体を得た。得られた積層体をそのまま電気炉に入れ、鉄ナノ粒子の焼結開始温度より低い温度で1時間熱処理した。加熱処理後の積層体は依然として粉末の状態(粒子どうしが結合していない状態)であり、所望の造形物は得られなかった。
粉末Bを用いて15mmφ、厚さ400μmの第一の粉末層を形成した後に、インクジ
ェットヘッドを用いて溶液Eを吐出し、15mmφの円パターンを描画した。
次いで、第一の粉末層の上に、粉末Bを用いて15mmφ、厚さ400μmの第二の粉末層を形成し、第二の粉末層上に、インクジェットヘッドを用いて溶液Eを吐出し、文字パターンを描画し、積層体を得た。
得られた積層体を電気炉に入れ、銀ナノ粒子の焼結開始温度以上、SUS粒子の焼結開始温度未満の温度である650℃で3時間熱処理した。
熱処理後の積層体のうち、溶液Eを塗布した部分(造形領域Sに相当)のSUS粒子は銀ナノ粒子によって固化していた。
溶液Eを塗布していない部分(非造形領域Nに相当)のSUS粒子を除去することで所望の造形物を得ることができた。
粉末Dを用いて15mmφ、厚さ400μmの第一の粉末層を形成した後に、インクジェットヘッドを用いて溶液Eを吐出し、15mmφの円パターンを描画した。
次いで、第一の粉末層の上に、粉末Dを用いて15mmφ、厚さ400μmの第二の粉末層を形成し、第二の粉末層上に、インクジェットヘッドを用いて溶液Eを吐出し、文字パターンを描画し、積層体を得た。
得られた積層体を電気炉に入れ、銀ナノ粒子の焼結開始温度以上、銅粒子の焼結開始温度400℃未満の温度である300℃で1時間熱処理した。
熱処理後の積層体のうち、溶液Eを塗布した部分(造形領域Sに相当)の銅粒子は銀ナノ粒子によって固化していた。
溶液Eを塗布していない部分(非造形領域Nに相当)の銅粒子を除去することで所望の造形物を得ることができた。
粉末Cを用いて厚さ200μmの粉末層を形成した後に、インクジェットヘッドを用いて溶液Eを吐出し、2.5mm×25mmの長方形パターン二本を間隔7mmで水平に描画した。上記粉末層上に、長方形のパターンが重なるように粉末層上へ粉末層を形成する工程と溶液Eを吐出工程を11回繰り返した。
続いて、上記描画パターンを各長方形間の中心で85°回転させ、同様に溶液Eでパターンを描画する工程と、粉末層形成工程を12回繰り返した。
同様に、描画パターンを85°回転させ、溶液Eでパターンを描画する工程と、粉末層形成工程を12回繰り返す工程をさらに2回繰り返し、積層体を得た。
得られた積層体を電気炉に入れ、銀ナノ粒子の焼結開始温度以上、SUS粒子の焼結開始温度未満の温度である650℃で1.5時間熱処理した。
熱処理後の積層体のうち、溶液Eを塗布した部分(造形領域Sに相当)のSUS粒子は銀ナノ粒子によって固化していた。
溶液Eを塗布していない部分(非造形領域Nに相当)のSUS粒子を除去することで所望の造形物を得ることができた。得られた造形物を、Ar97%、水素3%の雰囲気において、SUS粒子の焼結開始温度以上である1300℃で1時間(1hr)さらに加熱した。
得られた造形物は、複数の直方体によるオーバーハング構造を有していた。また、SUS粒子同士の焼結により、1300℃で加熱する前よりも強度が高くなっていた。
図7に実施例8に係る造形装置を示す。この造形装置は、粉末を収容し供給する粉末供
給部103と、層厚規制ブレード105と、粒子分散液を収容する液体供給部104と、粒子分散液を付与する液体付与部106と、粉末層を加熱するヒーター102とを有する。粉末供給部103、層厚規制ブレード105、液体供給部104、液体付与部106、及びヒーター102は、移動可能なヘッドに設けられている。また、造形装置は、ヘッドを図7の矢印方向に移動させる駆動機構201と、作製中の造形物が配置され、上下に移動可能なステージ107とを有する。図7ではステージ107のみを示しているが、粉末層は、粉末の量に応じてステージからの高さが可変な不図示の壁面を有するコンテナ内に形成される。以下、実施例9~15も同様である。駆動機構201は例えばボールねじとモータにより構成される。図7では1軸の駆動機構201を示したが、多軸の駆動機構を設けてヘッドを多方向に走査できるようにしてもよい。液体付与部106としては例えばインクジェット装置を好ましく利用できる。なお本実施例では、粉末供給部103及び層厚規制ブレード105が、第一の粉末を用いて粉末層を形成する粉末層形成手段を構成し、液体供給部104及び液体付与部106が、粉末層に対し第二の粉末を付与する付与手段を構成する。また、ヒーター102が、粉末層に加熱処理を施す加熱手段を構成する。
図8に実施例9に係る造形装置を示す。実施例8との構成上の違いは、ヒーター102を設ける代わりに、積層体全体を加熱処理するための加熱エリア(加熱室)110を設け
た点である。
実施例10では、粉末層に第二の粉末(第二の粒子)を含む分散液を付与した後に一分間静置することで、溶液Aのエタノールを乾燥させる。それ以外の造形プロセスは実施例8又は実施例9と同じでよい。また、造形装置の構成も実施例8又は実施例9と同じでよい。乾燥工程を設けることにより分散液の浸透を制御できるため、前述の実施形態よりもさらに精度が高い造形物を作製することができる。また、乾燥工程を設けることにより、第一の粒子1の粒界に第二の粒子2が集積することによって、前述の実施形態よりも更に強度が高い造形物を作製することができる。
図9に実施例11に係る造形装置を示す。実施例9との構成上の違いは、粉末供給部103と液体付与部106の間に乾燥用ヒーター111を設けた点である。乾燥用ヒーター111は粉末層に付与された第二の粉末(第二の粒子)を含む分散液の乾燥を促進するための乾燥補助手段である。本実施形態では、粉末層を形成した後に、乾燥用ヒーター111によって粉末層を加熱する。その後、加熱された粉末層に対し分散液Aの付与を行う。このような構成により、実施例10のような自然乾燥に比べて、分散液に含まれる溶媒の乾燥が促進され、乾燥時間を短縮することができ、造形時間の短縮を図ることができる。なお、図9では乾燥補助手段を液体付与部106の前段に設けたが、液体付与部106の後段に乾燥補助手段(ヒーターなど)を設けてもよい。
図10に実施例12に係る造形装置を示す。実施例9との構成上の違いは、粉末供給部103と液体付与部106の間に加圧手段112を設けた点である。加圧手段112としては、図10に示すような加圧ローラを用いてもよいし、加圧板を用いてもよい。本実施例では、第一の粉末の粉末層を形成した後に、加圧手段112によって粉末層を加圧する。粉末層を加圧することにより、第一の粉末の粒子どうしが密に接触するようになるため、造形物の空隙率や欠陥を低減し、造形物の機械強度を高めることができる。
実施例13では、造形物(不要な粒子が除去された状態の物)を加熱エリア110に配置し、SUS粒子どうしが焼結可能な条件にて造形物を加熱する。これにより、造形物の主たる材料であるSUS粒子の焼結が進行するので、造形物の空隙が少なくなり、造形物の機械強度を一層高めることができる。
図11に実施例14に係る造形装置を示す。実施例9との構成上の違いは、第二の粉末の分散液を吐出する液体付与部106の後段に、結合剤を吐出する第二の液体付与部113を設けた点である。
また、ナノ粒子を含有する溶液と結合剤を含有する溶液を独立して付与することで、各液体付与部106と113をそれぞれ独立して最適化することができるため、液体付与部の耐久性が優れる。
図12に実施例15に係る造形装置を示す。実施例9との構成上の違いは、積層体109を作製する第1のユニットと積層体109を加熱する第2のユニットとを分けて設けた点である。
このような構成により、実施例9に比べて、加熱エリア110の遮熱が必要なくなるため、装置の小型化を図ることができる。
また、積層体109の作製と積層体109の加熱を同時に実施できるため、複数の造形物を作製する際には造形速度が向上する。
以上、本発明について具体的な形態を挙げて説明してきたが、本発明は上記形態に制限されるものではなく、本発明の技術思想から離脱しない範囲で、様々の変更を行ってもよい。例えば上記実施例では、熱処理の温度を制御することで第二の粒子2のみを選択的に焼結または溶融させたが、熱処理の時間、又は、温度と時間の両方を適切に制御することで第二の粒子2のみを選択的に焼結または溶融させてもよい。また上記実施例では、第二の粒子を含む分散液により第二の粒子2の配置を行ったが、液体ではなく、粉末の状態で第二の粒子2の配置を行ってもよい。また実施例14では、液体付与部106の後段に第二の液体付与部113を設けたが、液体付与部106の前段に第二の液体付与部113を設けてもよい。また、液体付与部106で造形領域Sに対し第二の粒子を含む溶液(結合剤を含まない分散液)を付与し、第二の液体付与部113で造形領域Sと非造形領域Nの両方に液体結合剤を付与してもよい。また、上記実施例1~15の構成は、技術的な矛盾や物理的な制約がない限り、互いに組み合わせてもよい。
2:第二の粒子(ナノ粒子)
11:粉末層
12:液体(粒子分散液)
15:造形物
S:造形領域
N:非造形領域
Claims (16)
- 第一の粉末を用いて粉末層を形成する工程と、
前記粉末層の一部の領域に、前記第一の粉末よりも平均粒子径が小さい第二の粉末を配置する工程と、
前記第二の粉末が配置された前記粉末層を加熱する第一の加熱工程と、
前記第一の加熱工程の後に、前記一部の領域外の前記第一の粉末を取り除く工程と、
を含み、
前記第二の粉末の平均粒子径が1nm以上、500nm以下であり、
前記第一の加熱工程は、前記第一の粉末の焼結開始温度より低く前記第二の粉末が焼結または溶融する温度で加熱する
ことを特徴とする物品の製造方法。 - 前記一部の領域外の前記第一の粉末を取り除く工程の後に、前記一部の領域の粉末を加熱する加熱工程をさらに含む
ことを特徴とする請求項1に記載の物品の製造方法。 - 前記一部の領域外の前記第一の粉末を取り除く工程の後に、前記第一の粉末が焼結するように前記粉末層を加熱する加熱工程をさらに含む
ことを特徴とする請求項1に記載の物品の製造方法。 - 前記粉末層を形成する工程と、前記第二の粉末を配置する工程と、を交互に複数回繰り返したのち、前記第一の加熱工程を行う、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 - 前記第一の粉末の平均粒子径は1μm以上、500μm以下である
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 - 前記第二の粉末の平均粒子径は1nm以上、200nm以下である
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 - 前記第一の粉末を構成する粒子と前記第二の粉末を構成する粒子とが少なくとも一種類
の同じ成分を含む
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 - 前記第一の粉末と前記第二の粉末とが、共に、金属又はセラミックスの粒子を含む粉末である
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 - 前記第二の粉末を配置する工程は、前記一部の領域に、前記第二の粉末を含む液体を付与する工程である
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 - 前記液体が結合剤を含む
ことを特徴とする請求項9に記載の物品の製造方法。 - 前記液体に含まれる前記結合剤の体積濃度が50vol%以下である
ことを特徴とする請求項10に記載の物品の製造方法。 - 前記液体を付与する工程と前記第一の加熱工程のあいだに、前記液体を乾燥させる工程をさらに含む
ことを特徴とする請求項9から11のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 - 前記液体の粘度が50cP以下である
ことを特徴とする請求項10から12のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 - 前記粉末層を形成する工程と前記第二の粉末を配置する工程のあいだに、前記粉末層を加圧する工程をさらに含む
ことを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 - 前記粉末層を形成する工程と前記第一の加熱工程のあいだに、前記粉末層に対し結合剤を付与する工程をさらに含む
ことを特徴とする請求項1から14のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 - 前記結合剤を付与する領域が、前記粉末層のうちの前記一部の領域外の領域である
ことを特徴とする請求項15に記載の物品の製造方法。
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