JP7321624B2 - 成形装置及び成形体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、成形装置及び成形体の製造方法に関する。

近年、任意の立体形状を有するように金属や金属酸化物などの無機材料の造形を行うための、鋳型を用いない３次元造形法が開発されている。

代表的な無機材料の３次元造形法である光造形法が、特許第４８０００７４号公報（特許文献１）などに開示されている。光造形法では、成形装置は、液体状の光硬化性組成物に無機粒子が分散した液状前駆体を収容する液槽と、液槽の内部で昇降可能に設けられたステージと、液槽の上側から光硬化性組成物を硬化させるための光を照射する光源と、を備える。

液状前駆体の液面より僅かに低い位置にステージをセットし、ステージ上に位置する液状前駆体に対して所定の第１層パターンで光を照射することにより、第１層の硬化が行われる。第１層の前駆体を所定のパターンに従って硬化させた後、第１層の硬化していない液状前駆体が洗浄除去される（洗浄工程）。次いで、ステージを僅かに降下させ、所定の第２層パターンで光を照射することにより、第１層のすぐ上で第２層の硬化が行われる。こうした操作を繰り返すことにより、第１層から最上層まで層ごとに前駆体の硬化が行われて、多数の層から成る所定の立体形状を有する成形体が形成される。

得られた成形体は、硬化した光硬化性組成物及びそれに分散した無機粒子から成るものである。この成形体に対して溶媒抽出や加熱処理を行うことにより、光硬化性組成物の脱脂が行われ、成形体中の有機材料成分が除去される（脱脂工程）。さらに、脱脂後の無機粒子から成る成形体を高温焼成することにより、成形体中の無機粒子の焼結が行われ（焼結工程）、所定の立体形状を有する無機材料成形体が得られる。

しかしながら、この光造形法では、立体形状が複雑になると、洗浄工程が困難になるとともに、洗浄工程に要する時間も増大し、形状によっては十分な洗浄が不可能な場合もあり、その結果、成形体の品質低下が生じるおそれがある。また、脱脂工程では、特に立体形状が複雑である場合、有機材料成分やその分解成分が十分に除去できずに、成形体中に残留する場合があり、このような不十分な除去に起因して成形体の品質低下が生じるおそれがある。また、脱脂により有機材料成分を除去することにより、除去された有機材料成分の体積の分だけ成形体中に間隙が生じ、焼結により成形体全体がこの間隙の分だけ圧縮され得るので、完成した成形体の寸法が想定よりも小さくなる場合があり、その結果、成形体の寸法精度が要求品質を満たさなくなるおそれがある。さらに、焼結工程では、成形体の部位ごとの熱膨張率の差などに起因して、焼結後に成形体に亀裂や破損などの欠陥が生じる場合があり、成形体の品質が確保されないおそれがある。このため、成形装置により製造される成形体の品質の向上が望まれていた。

特許第４８０００７４号公報

本発明は、品質の向上した無機材料含有成形体を製造することのできる成形装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、無機材料を含む組成物をステージに向けて間欠的又は連続的に供給する供給ユニットと、前記供給ユニットから供給された前記組成物に対して前記ステージ上で少なくとも熱固結を行うように構成された熱固結用熱源を含む加熱ユニットと、熱固結した前記組成物の幾何学的状態、物理的状態、及び化学的状態の少なくとも一つに関する情報を取得する情報取得ユニットと、前記組成物の供給と熱固結とを含む成形サイクルを繰り返すように前記供給ユニット及び前記加熱ユニットを制御するとともに、前記情報に基づき前記供給ユニット及び前記加熱ユニットの少なくとも一方を制御する制御ユニットと、を備える３次元造形用の成形装置である。

上記態様の成形装置において、前記制御ユニットは、前記成形サイクルを少なくとも前記ステージに沿って繰り返すように前記供給ユニット及び前記加熱ユニットを制御してもよい。

上記態様の成形装置において、前記制御ユニットは、前記情報に基づき、前記組成物が供給される位置及び前記熱固結が行われる位置の少なくとも一方を決定してもよい。

上記態様の成形装置において、前記制御ユニットは、前記組成物の供給と熱固結とを少なくとも同一平面内で繰り返し行うように前記供給ユニット及び前記加熱ユニットを制御してもよい。

上記態様の成形装置において、前記供給ユニットは、第１無機材料を含む第１組成物を前記ステージに向けて間欠的又は連続的に供給する第１供給器と、前記第１無機材料とは異なる第２無機材料を含む第２組成物を前記ステージに向けて間欠的又は連続的に供給する第２供給器と、を有してもよい。さらに、前記加熱ユニットは、前記第１供給器から供給された前記第１組成物に対して前記ステージ上で少なくとも熱固結を行うように構成された第１熱固結用熱源と、前記第２供給器から供給された前記第２組成物に対して前記ステージ上で少なくとも熱固結を行うように構成された第２熱固結用熱源と、を有してもよい。

上記態様の成形装置において、前記情報取得ユニットは、前記ステージ上の前記組成物の撮影を行う撮影装置を有してもよく、前記情報取得ユニットは、前記撮影装置から得られた撮影データに基づき、熱固結した前記組成物の幾何学的状態に関する情報を取得し、前記制御ユニットは、熱固結した前記組成物の幾何学的状態に関する前記情報に基づき、前記ステージ上の前記組成物を供給する位置及び前記ステージ上の熱固結を行う位置の少なくとも一方を決定してもよい。

上記態様の成形装置において、前記情報取得ユニットは、前記情報を取得するための超音波装置を有し、前記超音波装置は、前記ステージ上の前記組成物に向けて超音波を発信するとともに反射された超音波を受信するように構成されてもよい。さらに、前記ステージ上で固結した前記組成物の少なくとも一部を前記ステージから除去する除去ユニットをさらに備えてもよく、前記情報取得ユニットは、前記超音波装置から得られたデータに基づき、熱固結した前記組成物の幾何学的状態又は物理的状態に関する情報を取得し、前記制御ユニットは、熱固結した前記組成物の幾何学的状態又は物理的状態に関する前記情報に基づき、前記ステージ上の前記組成物の少なくとも一部を前記ステージから除去するように前記除去ユニットを制御してもよい。

上記態様の成形装置において、前記情報取得ユニットは、前記情報を取得するためのＸ線回折装置を有し、前記Ｘ線回折装置は、前記ステージ上の前記組成物のＸ線回折パターンを測定するように構成されてもよい。さらに、前記情報取得ユニットは、前記Ｘ線回折装置により測定されたＸ線回折パターンに基づき、熱固結した前記組成物の物理的状態又は化学的状態に関する情報を取得してもよく、前記制御ユニットは、熱固結した前記組成物の物理的状態又は化学的状態に関する前記情報に基づき、前記ステージ上の前記組成物の再加熱を行うように前記加熱ユニットを制御してもよい。

上記態様の成形装置において、前記組成物は、前記無機材料が分散した有機バインダー又は前記無機材料を包む有機コーティングを含んでもよく、前記加熱ユニットは、前記組成物に熱を加えることにより前記有機バインダー又は前記有機コーティングの脱脂を行う脱脂用熱源をさらに含んでもよく、前記制御ユニットは、前記熱固結用熱源による熱固結の前に脱脂を行うように前記脱脂用熱源を制御してもよい。

上記態様の成形装置は、前記組成物を前記ステージ上で固定化する固定化ユニットをさらに備えてもよい。さらに、前記組成物は、光硬化性組成物を含む有機バインダーを含んでもよく、前記固定化ユニットは、熱固結の前に前記光硬化性組成物の光硬化を行う光源を含んでもよい。あるいは、前記組成物は、有機コーティングでコートされた無機粒子を含んでもよく、前記固定化ユニットは、熱固結の前に前記有機コーティングの熱融解を行う融解用熱源を含んでもよい。

本発明の別の態様は、無機材料を含む組成物から３次元成形体を製造する方法であって、前記組成物を供給ユニットからステージに向けて間欠的又は連続的に供給する供給ステップと、前記供給ユニットから供給された前記組成物に対して、加熱ユニットにより前記ステージ上で少なくとも熱固結を行う熱固結ステップと、熱固結した前記組成物の幾何学的状態、物理的状態、及び化学的状態の少なくとも一つに関する情報を取得する情報取得ステップと、前記情報に基づき、前記供給ユニット及び前記加熱ユニットの少なくとも一方を制御する制御ステップと、を含み、前記供給ステップと前記熱固結ステップとを含む成形サイクルが繰り返される、３次元成形体の製造方法である。

上記態様の成形体の製造方法において、前記成形サイクルが少なくとも前記ステージに沿って繰り返されてもよい。

上記態様の成形装置において、前記供給ステップと前記熱固結ステップとが少なくとも同一平面内で繰り返し実行されてもよい。

上記態様の成形体の製造方法は、前記ステージに直交する方向に沿って前記ステージを移動させるステージ移動ステップをさらに含んでもよく、前記ステージに沿って前記成形サイクルが繰り返され、前記ステージに沿った前記成形サイクルの繰り返しと前記ステージ移動ステップとを繰り返すことにより、３次元形状を有する前記３次元成形体が形成されてもよい。

前記制御ステップは、前記情報に基づき、前記組成物が供給される位置及び前記熱固結が行われる位置の少なくとも一方を決定する工程を含んでもよい。

上記態様の成形体の製造方法は、第１無機材料を含む第１組成物を前記ステージに向けて間欠的又は連続的に供給する第１供給ステップと、前記第１無機材料とは異なる第２無機材料を含む第２組成物を前記ステージに向けて間欠的又は連続的に供給する第２供給ステップと、を含んでもよい。さらに、上記態様の成形体の製造方法は、供給された前記第１組成物に対して、前記加熱ユニットにより前記ステージ上で少なくとも熱固結を行う第１熱固結ステップと、供給された前記第２組成物に対して、前記加熱ユニットにより前記ステージ上で少なくとも熱固結を行う第２熱固結ステップと、を含んでもよい。

上記態様の成形体の製造方法において、前記情報取得ステップは、撮影装置で前記ステージ上の前記組成物の撮影を行うことにより前記組成物の配置又は形状に関する情報を取得する工程を含んでもよく、前記制御ステップは、前記組成物の配置又は形状に関する前記情報に基づき、前記ステージ上の前記組成物を供給する位置及び前記ステージ上の前記熱固結を行う位置の少なくとも一方を決定する工程を含んでもよい。

上記態様の成形体の製造方法において、前記情報取得ステップは、超音波装置で前記ステージ上の前記組成物に向けて超音波を発信するとともに反射された超音波を受信することにより、前記組成物の密度に関する情報を取得する工程を含んでもよく、前記制御ステップは、前記組成物の密度に関する前記情報に基づき、前記ステージ上の前記組成物を供給する位置及び前記ステージ上の前記熱固結を行う位置の少なくとも一方を決定する工程を含んでもよい。

上記態様の成形体の製造方法において、前記情報取得ステップは、Ｘ線回折装置で前記ステージ上の前記組成物のＸ線回折パターンを測定することにより、前記組成物の結晶性に関する情報を取得する工程を含んでもよく、前記制御ステップは、前記組成物の結晶性に関する前記情報に基づき、前記ステージ上の前記組成物の再加熱を行うように前記加熱ユニットを制御する工程を含んでもよい。

本発明の別の態様は、無機材料を含む組成物をステージに向けて間欠的又は連続的に供給する供給ユニットと、前記供給ユニットから供給された前記組成物に対して前記ステージ上で少なくとも熱固結を行うように構成された熱固結用熱源を含む加熱ユニットと、前記組成物の供給と熱固結とを含む成形サイクルを少なくとも前記ステージに沿って繰り返すように前記供給ユニット及び前記加熱ユニットを制御する制御ユニットと、を備える３次元造形用の成形装置である。

第１実施形態に係る成形装置を示す概略正面図である。 第１実施形態の成形装置のシステム構成の一例を示すブロック図である。 第１実施形態の成形装置による成形体の製造方法の一例を示す図である。 第１実施形態の成形装置による成形体の製造方法の一例を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る成形装置を示す概略正面図である。 第２実施形態の成形装置のシステム構成の一例を示すブロック図である。 第２実施形態の成形装置による成形体の製造方法の一例を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る成形装置を示す概略正面図である。 第３実施形態の成形装置のシステム構成の一例を示すブロック図である。 第３実施形態の成形装置による成形体の製造方法の一例を示す図である。 第３実施形態の成形装置による成形体の製造方法の一例を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る成形装置及び成形体の製造方法について説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。このような構成についての重複する説明は適宜省略する。

本明細書において、「ＸＸに基づく」とは、「少なくともＸＸに基づく」ことを意味し、ＸＸに加えて別の要素に基づく場合も含む。また、「ＸＸに基づく」とは、ＸＸを直接的に用いる場合に限定されず、ＸＸに対して演算や加工が行われたものに基づく場合も含む。「ＸＸ」は、任意の要素（例えば任意の情報）である。

説明の便宜上、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向について定義する。ｘ方向及びｙ方向は、水平面に平行な方向である。ｙ方向は、ｘ方向と交差する（例えば略直交する）方向である。ｚ方向は、鉛直方向に平行な方向であり、ｘ方向及びｙ方向と略直交する。

〔第１実施形態〕
図１～図４を参照して、第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る成形装置１を示す図である。

［構成］
成形装置１は、無機材料から成る３次元成形体を製造することができる。ここで、「無機材料」とは、有機材料以外の任意の材料を指し、金属単体、合金、金属元素及び非金属元素から成る化合物（例えば、金属酸化物や金属窒化物、金属塩など）、非金属元素から成る化合物（例えば、窒化ホウ素など）などが含まれる。

図１に示すように、成形装置１は、チャンバー１０、ステージ１１、供給ユニット１２、固定化ユニット１４、加熱ユニット１６、情報取得ユニット１８、除去ユニット２０、及び制御ユニット２２（図２参照）を備える。

チャンバー１０は、成形装置１の各構成要素を収容する筐体を有する。チャンバー１０内部に収容された成形装置１の各構成要素は、外環境から隔離され得る。チャンバー１０の内部圧力は、チャンバー１０に接続された真空ポンプ１０ａにより変更可能である。

ステージ１１は、水平面に沿って（すなわち、ｘｙ平面に対して平行に）配置された平板である。ステージ１１の厚さ方向は、ｚ方向に対して略平行である。ステージ１１は、ステージ移動機構１１ａにより、少なくともｚ方向に移動可能である。ステージ移動機構１１ａは、例えば、モーター（図示せず）により駆動するラックアンドピニオン式のアクチュエータである。なお、ステージ１１の配置は必ずしも上記例に限定されない。例えば、ステージ１１は、水平面と交差する平面に沿って配置されてもよい。

供給ユニット１２は、ステージ１１から離間してステージ１１の上方に配置された吐出器３０を有する。吐出器３０は、吐出器移動機構３２により、少なくともｘ方向及びｙ方向に移動可能である。吐出器移動機構３２は、例えば、モーター（図示せず）により駆動する多関節アームである。

吐出器３０には、無機材料を含む組成物Ｐが充填されている。吐出器３０は、組成物Ｐをステージ１１に向けて間欠的又は連続的に吐出することができる。供給ユニット１２の吐出量（例えば、組成物Ｐが間欠的に吐出される場合における１滴の体積）や吐出速度は、適宜調整可能である。組成物Ｐの詳細については後述する。

ここで、組成物Ｐが吐出器３０から吐出されて着地する着地面は、ステージ１１、ステージ１１などに支持された基材、ステージ１１や基材上で固定化されたり固結したりした別の組成物Ｐや材料膜など、任意の物の表面であってよい。以下では、主に吐出された組成物Ｐがステージ１１に着地する場合について説明するが、以下の説明は組成物Ｐが別の組成物Ｐの表面など他の着地面に着地する場合も同様である。また、本明細書では、ステージ上に基材が配置される場合の基材も含めて「ステージ」と総称する。なお、本明細書では、「ステージに沿った方向」とは、ステージの各面のうち組成物を吐出する吐出器に対向する面（図１ではステージ１１の上面）に沿った方向を意味し、「ステージに直交する方向」とは、ステージの各面のうち組成物を吐出する吐出器に対向する面に直交する方向を意味する。

固定化ユニット１４は、吐出された組成物Ｐをステージ１１上で固定化する。例えば、組成物Ｐが光硬化性組成物を含む場合、固定化ユニット１４は、ステージ１１上の組成物Ｐが存在する特定位置に光（例えば紫外光）を照射する。これにより、固定化ユニット１４は、ステージ１１上の組成物Ｐに対して光刺激を与え、組成物Ｐに含まれる光硬化性組成物を硬化させることができる。本明細書において、「固定化」とは、外力が加わっていない場合に位置が実質的に変化しない状態にすることを意味する。

固定化ユニット１４は、光源としてＬＥＤ（発光ダイオード；光源）４０を備える。ＬＥＤ４０は、ステージ１１から離間してステージ１１の上方に配置されている。ＬＥＤ４０は、ＬＥＤ移動機構４２により、少なくともｘ方向及び／又はｙ方向に移動可能であるとともに、例えば、ｚ軸に関して回動可能であり、ｚ軸に平行な平面内でも回動可能である。ＬＥＤ移動機構４２は、ＬＥＤ４０の配置（例えば向きや位置など）を変更することにより、ＬＥＤ４０の照射位置を変更する。ＬＥＤ移動機構４２は、例えば、モーター（図示せず）により駆動する多関節アームである。

ただし、ＬＥＤ４０の構成は上記例に限定されない。例えば、ＬＥＤ４０がステージ１１の側方又は下方から光を照射してもよい。また、ＬＥＤ移動機構４２が省略されて、ＬＥＤ４０の配置が永続的に固定され、照射光が、例えばレンズや反射板などを用いて、ステージ１１上で走査されてもよい。ＬＥＤ移動機構４２がレンズや反射板などと併用されてもよい。

なお、固定化ユニット１４の構成要素はＬＥＤに限定されず、レーザーなど光照射が可能な任意の素子であってよい。光照射は、ステージ１１上で、組成物Ｐの１滴～数滴程度の大きさのスポットに対して局所的に行われてもよく、ステージ１１の一部の区画又は全体に対して行われてもよい。

ここで、例えば、ｘ方向又はｙ方向に沿ったステージ１１の幅全体をカバーするように配置された１次元アレイ状のＬＥＤを使用する場合には、当該ＬＥＤがｘ方向及びｙ方向のいずれか一方向のみに移動可能であれば十分である。また、例えば、ステージ１１全体に対して光照射を行うことができるＬＥＤ４０を使用する場合には、ＬＥＤ移動機構４２やレンズ、反射板などＬＥＤ４０の光照射位置を制御する構成要素は不要である。

加熱ユニット１６は、ステージ１１上の特定位置に、例えば熱線を照射することにより、局所的に熱を加える。これにより、加熱ユニット１６は、ステージ１１上で固定化された組成物Ｐの脱脂や組成物Ｐに含まれる無機材料の焼結又は溶融固化を行うことができる。ここで、「焼結」とは、無機材料の固体粒子（例えば、金属酸化物や金属窒化物などの粉末）を当該無機材料の融点未満の温度まで加熱することにより、当該固体粒子同士を結合させることをいう。「溶融固化」とは、無機材料の固体粒子（例えば、金属や合金などの粒子）を当該無機材料の融点以上の温度まで加熱することにより当該固体粒子を溶融させた後、自然冷却などにより当該金属粒子又は合金粒子を固化させることをいう。本明細書では、焼結及び溶融固化をまとめて「熱固結」という。

加熱ユニット１６は、熱源として脱脂用レーザー（脱脂用熱源）５０及び熱固結用レーザー（熱固結用熱源）５２を備える。脱脂用レーザー５０及び熱固結用レーザー５２は、ステージ１１から離間してステージ１１の上方に配置されている。脱脂用レーザー５０は、脱脂用レーザー移動機構５４により、少なくともｘ方向及びｙ方向に移動可能であるとともに、例えば、ｚ軸に関して回動可能であり、ｚ軸に平行な平面内でも回動可能である。熱固結用レーザー５２は、熱固結用レーザー移動機構５６により、少なくともｘ方向及びｙ方向に移動可能であるとともに、例えば、ｚ軸に関して回動可能であり、ｚ軸に平行な平面内でも回動可能である。脱脂用レーザー移動機構５４及び熱固結用レーザー移動機構５６は、例えば、モーター（図示せず）により駆動する多関節アームである。

脱脂用レーザー５０は、組成物Ｐに対してレーザー照射を行うことにより、組成物Ｐを例えば２００℃～８００℃、好ましくは３００℃～５００℃まで加熱して、組成物Ｐの脱脂を行うことができる。熱固結用レーザー５２は、組成物Ｐに対してレーザー照射を行うことにより、組成物Ｐを例えば５００℃～４０００℃、好ましくは１０００℃～３０００℃まで加熱して、組成物Ｐの熱固結を行うことができる。ただし、加熱温度はこれに限定されず、組成物Ｐに含まれる無機粒子ＰａやバインダーＰｂの種類などに応じて適宜変更され得る。また、脱脂用レーザー５０及び熱固結用レーザー５２として同じ種類の二つのレーザー装置を採用し、出力を調整することにより、脱脂用レーザー５０と熱固結用レーザー５２とで異なる温度までの加熱を行ってもよい。また、単一のレーザーを用いて脱脂及び熱固結の両方を行ってもよい。この場合、当該単一のレーザーの出力を脱脂ステップと熱固結ステップとで変更してもよく、脱脂ステップを省略して、当該単一のレーザーで組成物Ｐを熱固結温度まで一度に昇温させることにより、脱脂及び熱固結を一度に行ってもよい。

なお、加熱ユニット１６の構成要素はレーザーに限定されず、電子ビーム装置など局所的な加熱が可能な任意の素子であってよい。また、加熱は、上方からの加熱に限定されず、例えば、下方から局所的な加熱が行われてもよい。

情報取得ユニット１８は、ステージ１１上の組成物Ｐの幾何学的状態、物理的状態、及び化学的状態の少なくとも一つに関する情報を取得する。情報取得ユニット１８は、撮影装置７０、超音波装置７２、及びＸ線回折装置７４を含む。情報取得ユニット１８により取得された種々の情報に基づき、成形装置１の各ユニットのフィードバック制御が行われ得る。このようなフィードバック制御の詳細については後述する。

本明細書において、「幾何学的状態」とは、３次元空間内で空間座標を用いて表現可能な物体の状態を意味し、物体の配置や大きさ、形状などが含まれる。また、「物理的状態」とは、物理学に基づいて（例えば物理量や物理学上の諸分類により）表現可能な物体の状態を意味し、密度や結晶相、物理特性などが含まれる。また、「化学的状態」とは、化学に基づいて表現可能な物体の状態を意味し、化学組成や化学構造、電荷状態などが含まれる。

撮影装置７０は、ステージ１１上の組成物Ｐの撮影を行う。撮影装置７０は、ステージ１１から離間してステージ１１の上方に配置される。情報取得ユニット１８は、撮影した画像に基づき、ステージ１１に向けて吐出された組成物Ｐの着地位置及びタイミングや、既にステージ１１上に位置する組成物Ｐの大きさや位置などの幾何学的状態、ひいては組成物Ｐの様子（例えば熱収縮の様子）に関する情報を取得する。また、撮影装置７０は、深度測定により、ｚ方向の組成物Ｐの大きさを測定することもできる。

撮影装置７０は、撮影装置移動機構７６により、少なくともｘ方向及び／又はｙ方向に移動可能であるとともに、例えば、ｚ軸に関して回動可能であり、ｚ軸に平行な平面内でも回動可能である。撮影装置移動機構７６は、例えば、モーター（図示せず）により駆動する多関節アームである。ただし、撮影装置７０の配置は上記例に限定されず、一つ又は複数の撮影装置７０がステージ１１の側方などに配置されてもよい。

超音波装置７２は、ステージ１１上の組成物Ｐに向けて超音波を発信するとともに、組成物Ｐによって反射された超音波を受信する。超音波装置７２は、ステージ１１から離間してステージ１１の上方に配置される。情報取得ユニット１８は、例えば、撮影装置７０から得られた情報（例えばステージ１１上の組成物Ｐの大きさ）や超音波装置７２から得られた情報（例えば超音波の発信から反射超音波の受信までの時間）に基づき、ステージ１１上の組成物Ｐの密度など組成物Ｐの物理的状態に関する情報を取得することができる。具体的には、超音波が組成物Ｐを透過した距離を超音波が組成物Ｐを透過するのに要した時間で割ることにより組成物Ｐ中の超音波の伝搬速度が計算され、組成物Ｐの体積弾性率を当該伝搬速度の２乗で割ることにより組成物Ｐの体積密度が計算される。また、情報取得ユニット１８は、組成物Ｐの密度の理論値と実測値とを比較することにより、ステージ１１上の組成物Ｐのクラックやポアの有無及び大きさといった組成物Ｐの幾何学的状態に関する情報を取得することもできる。ここで、本明細書では、「クラック」とは物体の表面又は内部に生じた亀裂を意味し、「ポア」とは物体の内部に生じた空隙を意味する。

超音波装置７２は、超音波装置移動機構７８により、少なくともｘ方向及び／又はｙ方向に移動可能であるとともに、例えば、ｚ軸に関して回動可能であり、ｚ軸に平行な平面内でも回動可能である。超音波装置移動機構７８は、例えば、モーター（図示せず）により駆動する多関節アームである。図１では、単一の超音波装置７２を図示しているが、超音波装置７２が超音波の発信側と受信側とで二つの構成要素に分かれていてもよく（この場合、反射された超音波ではなく組成物Ｐを透過した超音波を受信してもよい）、複数の超音波装置７２が設けられてもよい。

Ｘ線回折装置７４は、ステージ１１上の組成物ＰのＸ線回折パターンを測定する。Ｘ線回折装置７４は、ステージ１１から離間してステージ１１の上方に配置されたＸ線照射部７４ａ及びＸ線検出部７４ｂを有する。Ｘ線照射部７４aは、Ｘ線を発生させるとともに、ステージ１１上の組成物Ｐに向けてＸ線を照射する。Ｘ線検出部７４ｂは、組成物Ｐにより回折されたＸ線の強度を測定する。Ｘ線照射部７４ａ及びＸ線検出部７４ｂは、Ｘ線照射部７４ａ又はＸ線検出部７４ｂと組成物Ｐとを結ぶ直線と鉛直線とのなす角が例えば約５°から約９０°まで変化するように、Ｘ線回折装置移動機構８０により（例えばｘｚ平面内で）移動可能である。Ｘ線照射部７４ａ及びＸ線検出部７４ｂは、測定対象である組成物Ｐを通る鉛直線に関して互いに対称に配置されており、当該鉛直線に関して互いに対称な関係を保ちながらＸ線回折装置移動機構８０により動かされる。このようにＸ線照射部７４ａ及びＸ線検出部７４ｂを移動させながらＸ線測定を行うことにより、Ｘ線回折パターンが取得される。例えばＸ線回折パターンの主要ピークの位置や線幅などに基づき、組成物Ｐの化学組成や結晶相、相分率、結晶性などの物理的状態又は化学的状態に関する情報が取得可能である。Ｘ線回折装置移動機構８０は、例えば、モーター（図示せず）により駆動するゴニオメーターである。

なお、情報取得ユニット１８の構成要素は撮影装置７０、超音波装置７２、及びＸ線回折装置７４のみに限定されず、ステージ１１に設けられた振動検出装置や熱検出装置などであってもよく、エネルギー分散型Ｘ線分析装置などの放射線分析装置であってもよく、これらが併用されてもよい。

除去ユニット２０は、ステージ１１上の組成物Ｐの少なくとも一部を除去する。除去ユニット２０は、例えば、切削装置９０及び回収装置９２を有する。切削装置９０は、ステージ１１上の組成物Ｐの一部又は全部を物理的に削り取る。切削装置９０は、組成物Ｐを削り取ることができれば、ドリルやカッターなど任意のものであってよい。回収装置９２は、切削装置９０により削り取られた組成物Ｐの欠片やステージ１１上の不純物などを吸い込んで回収する。例えば、回収装置９２は、ポンプ（図示せず）を利用した吸気機能を有してもよく、組成物Ｐをステージ１１から吹き飛ばす送気機能を有してもよく、両方の機能を有してもよい。切削装置９０及び回収装置９２は、任意の移動機構（図示せず）により移動可能である。ただし、除去ユニット２０の構成は上記例に限定されない。例えば、除去ユニット２０は、イオンミリング装置やレーザー加工装置などにより組成物Ｐの切削加工を行ってもよい。

制御ユニット２２（図２参照）は、製造される成形体の３次元形状データなどの入力データを受け取り、成形装置１の各構成要素を制御する。制御ユニット２２は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）又はＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）のようなプロセッサにより実現される。制御ユニット２２の動作については後述する。

［組成物］
供給ユニット１２により吐出される組成物Ｐは、例えば、無機粒子Ｐａ及びバインダーＰｂを含む流体である。組成物Ｐは、無機粒子ＰａをバインダーＰｂに分散させることにより調製される。組成物Ｐは、無機粒子ＰａがバインダーＰｂに分散した状態で吐出器３０に充填される。

無機粒子Ｐａは、例えば金属、酸化物、窒化物、酸窒化物、炭化物、水酸化物、炭酸化物、燐酸化物など任意の無機材料又はこれらの組合せから成る粒子である。無機粒子Ｐａの材料は特に限定されない。
金属の例としては、アルミニウム、チタン、鉄、銅、ステンレス鋼、ニッケルクロム鋼などが挙げられる。
酸化物の例としては、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、チタン酸バリウムなどが挙げられる。
窒化物の例としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化チタン、窒化鉄などが挙げられる。
酸窒化物の例としては、酸窒化ケイ素、酸窒化アルミニウムなどが挙げられる。
炭化物の例としては、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化ホウ素、炭化ジルコニウムなどが挙げられる。
水酸化物の例としては、水酸マグネシウム、水酸化鉄、水酸アパタイトなどが挙げられる。
炭酸化物の例としては、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸リチウムなどが挙げられる。
燐酸化物の例としては、燐酸鉄、燐酸マンガン、燐酸カルシウムなどが挙げられる。

バインダーＰｂは、例えば、特定波長の光（例えば紫外線）を受けて硬化する光硬化性組成物を含む。光硬化性組成物は、例えば、ラジカル重合性モノマー又はカチオン重合性モノマーと光重合開始剤とを含む。ラジカル重合性モノマーは、例えば、（メタ）アクリル系モノマーである。カチオン重合性モノマーは、例えば、エポキシ化合物や環状エーテル化合物である。ラジカル重合性モノマーを用いる場合には、光重合開始剤は、例えばアセトフェノンなどのラジカル性光重合開始剤である。また、カチオン重合性モノマーを用いる場合には、光重合開始剤は、例えばオニウム塩などのカチオン性光重合開始剤である。

組成物Ｐにおける無機粒子Ｐａの含有率は、例えば３０重量％～９０重量％、好ましくは４０重量％～８０重量％、より好ましくは５０重量％～７０重量％である。

組成物Ｐは、無機粒子Ｐａ及びバインダーＰｂ以外に、安定剤や分散材、フィラーなど任意の添加剤を含んでもよい。

［システム構成］
次に、図２を参照して、第１実施形態の成形装置１のシステム構成について説明する。
図２は、第１実施形態の成形装置１のシステム構成の一例を示すブロック図である。

入力部９４は、製造予定の成形体の入力データを受け付けるとともに、当該入力データを制御ユニット２２に送信する。

情報取得ユニット１８は、撮影装置７０、超音波装置７２、及びＸ線回折装置７４を用いて、ステージ１１上の組成物Ｐの幾何学的状態、物理的状態、及び化学的状態の少なくとも一つに関する情報を取得するとともに、当該情報を制御ユニット２２に送信する。当該情報には、例えば、既にステージ１１上に位置する組成物Ｐの位置や大きさ、形状、熱収縮の様子、体積密度、クラックやポアの有無及び大きさ、化学組成、結晶相、結晶性などが含まれる。また、情報取得ユニット１８は、例えば撮影装置７０によって、ステージ１１上への組成物Ｐの着地の情報（例えば、組成物Ｐの着地位置やタイミングなど）も取得可能である。

制御ユニット２２は、入力部９４からの入力データや情報取得ユニット１８から取得した情報などに基づき、次に組成物Ｐを吐出すべきステージ１１上の位置（以下、「吐出位置」という。）や、次にＬＥＤ４０、脱脂用レーザー５０、及び熱固結用レーザー５２の各々を照射すべきステージ１１上の各位置（以下、「照射位置」と総称する。）を決定する。このように決定された吐出位置や照射位置に応じて、制御ユニット２２は、ステージ１１が適切な位置に移動するようにステージ移動機構１１ａを制御するとともに、吐出器３０、ＬＥＤ４０、脱脂用レーザー５０、及び熱固結用レーザー５２が適切な配置となるように吐出器移動機構３２、ＬＥＤ移動機構４２、脱脂用レーザー移動機構５４、及び熱固結用レーザー移動機構５６を制御する。

また、制御ユニット２２は、入力データや情報取得ユニット１８からの情報などに基づき、適切な量の組成物Ｐを適切なタイミングで吐出するように供給ユニット１２を制御するとともに、バインダーＰｂを硬化させるための光や脱脂及び熱固結を行うためのレーザー光を適切なタイミングで照射するように、ＬＥＤ４０、脱脂用レーザー５０、及び熱固結用レーザー５２をそれぞれ制御する。

また、制御ユニット２２は、入力データや情報取得ユニット１８からの情報などに基づき、次に撮影装置７０で撮影すべきステージ１１上の位置、次に超音波装置７２で超音波を照射すべきステージ１１上の位置、次にＸ線回折装置７４でＸ線回折パターンを測定すべきステージ１１上の位置など（以下、「測定位置」と総称する。）を決定することができる。これらの測定位置に基づき、制御ユニット２２は、撮影装置７０、超音波装置７２、及びＸ線回折装置７４が適切な配置となるように撮影装置移動機構７６、超音波装置移動機構７８、及びＸ線回折装置移動機構８０を制御する。さらに、制御ユニット２２は、適切なタイミングで各種測定を行って情報を取得するように、撮影装置７０、超音波装置７２、及びＸ線回折装置７４を制御する。

また、制御ユニット２２は、入力データや情報取得ユニット１８からの情報（例えば撮影装置７０による画像データや超音波装置７２による密度データ）などに基づき、次に組成物Ｐを除去すべきステージ１１上の位置（以下、「除去位置」という。）を決定することができる。この位置に基づき、制御ユニット２２は、切削装置９０及び回収装置９２が適切な配置となるようにこれらの移動機構を制御するとともに、除去位置において組成物Ｐを削り取り、削り取られた組成物Ｐを回収するように、切削装置９０及び回収装置９２を制御する。

このように、制御ユニット２２は、既にステージ１１上で固定化及び固着が行われた組成物Ｐの幾何学的状態、物理的状態、及び／又は化学的状態に基づき、供給ユニット１２、固定化ユニット１４、加熱ユニット１６、情報取得ユニット１８、及び除去ユニット２０のフィードバック制御を行うことができる。

例えば、吐出された組成物Ｐの位置ずれや組成物Ｐの熱収縮などにより、熱固結した組成物Ｐの実際の位置が本来想定されていた吐出位置と異なるものになった場合、制御ユニット２２は、撮影装置７０からの画像データなどに基づき、このような位置ずれを検出するとともに、次に吐出される組成物Ｐの吐出位置やＬＥＤ４０、脱脂用レーザー５０、熱固結用レーザー５２などの照射位置のうち少なくとも一つを修正することができる。

また、超音波装置７２を用いて取得された組成物Ｐの密度が理論値よりも著しく小さかった場合には、制御ユニット２２は、クラックやポアの残存を抑制するために、例えば、当該組成物Ｐを再加熱し、組成物Ｐの内部で熱固結を引き起こしてクラックやポアを修復するように、熱固結用レーザー５２に指示することができる。また、制御ユニット２２は、クラックやポアの残存を抑制するために、組成物Ｐの一部又は全部をステージ１１から除去するように除去ユニット２０に指示することもできる。クラックなどの有無の判定には、撮影装置７０の画像データなども併用可能である。このように組成物Ｐの一部又は全部を除去した後、制御ユニット２２は、除去した部分を組成物Ｐで埋めるように（例えば、除去した部分に次の組成物Ｐが吐出されるように）次の吐出位置及び照射位置を決定することができる。また、組成物Ｐに熱固結用レーザー５２からレーザー光を再度照射することにより、組成物Ｐのクラックやポアの周りの部分の熱固結を再度試みてもよい。この場合、例えば熱固結用レーザー５２の出力を増加させることにより、熱固結の温度を上昇させることも可能である。

また、Ｘ線回折装置７４により評価された組成物Ｐの結晶性が低いと判定された場合には、制御ユニット２２は、組成物Ｐの結晶性を増加させるために、当該組成物Ｐに再度レーザー光を照射して加熱を行うように熱固結用レーザー５２に指示することができる。この場合も、例えば熱固結用レーザー５２の出力を調節して熱固結の温度を変化させることができる。

［成形体の製造方法］
次に、図３及び図４を参照して、第１実施形態の成形装置１による成形体の製造方法の一例について説明する。
図３は、第１実施形態の成形装置１による成形体の製造方法の一例を示す図である。

図３は、当該製造方法における組成物Ｐの吐出から熱固結までの一連のプロセス（ａ）～（ｆ）を示す。
図３（ａ）では、組成物Ｐが吐出器３０からステージ１１に向けて吐出される。ここでは、ステージ１１上に、既に熱固結が完了した熱固結体Ｃと、硬化したバインダーＢに包まれた無機粒子Ｄａ～Ｄｄとが形成されている。なお、図３においては、組成物Ｐの吐出が図の左側（－ｘ方向）から右側（＋ｘ方向）へ順番に行われている。すなわち、プロセスが進行するにつれて、吐出器３０やＬＥＤ４０、脱脂用レーザー５０、熱固結用レーザー５２は、ステージ１１に対して＋ｘ方向へ移動する。

図３（ｂ）では、吐出された組成物Ｐが、無機粒子Ｄｄの隣に着地する。情報取得ユニット１８は、組成物Ｐの着地位置及びタイミングを取得する。着地直後には、吐出された組成物ＰのバインダーＰｂは、無機粒子Ｄｅ（Ｐａ）を包んでおり、流動性を有している。このバインダーＰｂに向けて、固定化ユニット１４のＬＥＤ４０が、バインダーＰｂを硬化させるのに適した波長の光を照射する。

図３（ｃ）では、光硬化性組成物を含むバインダーＰｂが硬化して、硬化したバインダーＢの一部を構成している。これにより、吐出された組成物Ｐに含まれる無機粒子Ｄｅがステージ１１上に固定化されている。次いで、加熱ユニット１６の脱脂用レーザー５０が、無機粒子Ｄａ近傍にレーザー光を照射し、バインダーＢに熱を加える。なお、ここでは、直前に固定化された無機粒子Ｄｅからある程度離れた無機粒子Ｄａ近傍で脱脂が行われているが、組成物Ｐの固定化が行われる位置と、その直後に脱脂（及び熱固結）が行われる位置との間の距離は、組成物Ｐの性質や吐出速度、脱脂用レーザー５０の強度など種々の条件に応じて決定され得る。例えば、脱脂が行われる位置は、組成物Ｐの固定化が行われる位置と同じ（すなわち、直前に固定化された無機粒子Ｄｅの近傍）であってもよい。

図３（ｄ）では、脱脂用レーザー５０により、無機粒子Ｄａ近傍のバインダーＢが脱脂され、無機粒子Ｄａが露出している。次いで、加熱ユニット１６の熱固結用レーザー５２が、熱固結体Ｃと無機粒子Ｄａとの境界近傍にレーザー光を照射し、熱固結体Ｃ及び無機粒子Ｄａに熱を加える。これにより、熱固結体Ｃと無機粒子Ｄａとの間で熱固結が起こる。

図３（ｅ）では、熱固結体Ｃと無機粒子Ｄａとの熱固結により、無機粒子Ｄａが熱固結体Ｃに一体化している。次いで、制御ユニット２２が、情報取得ユニット１８から受け取ったステージ１１上の画像データや放射線解析データ（例えばＸ線回折測定により得られるデータ）、超音波解析データなどに基づき、ステージ１１上の組成物Ｐの熱収縮の様子なども考慮して、次の組成物Ｐの吐出位置及び固定化ユニット１４及び加熱ユニット１６の照射位置のうち一方又は両方を決定する。決定された吐出位置や照射位置に基づき、吐出器移動機構３２、ＬＥＤ移動機構４２、脱脂用レーザー移動機構５４、及び熱固結用レーザー移動機構５６が、吐出器３０、ＬＥＤ４０、脱脂用レーザー５０、及び熱固結用レーザー５２をステージ１１に対して＋ｘ方向に移動させる（ここでは、ＬＥＤ４０、脱脂用レーザー５０、及び熱固結用レーザー５２は図示せず）。この移動方向や移動距離は、次に組成物Ｐを吐出すべき場所に応じて変更される。この例では、次の吐出位置は、無機粒子Ｄｅのすぐ右隣である（図３（ｆ）参照）。当然ながら、製造される成形体の構造によっては、無機粒子Ｄｅから次の吐出位置までの間に組成物Ｐが吐出されない区間が存在してもよい。

図３（ｆ）では、図３（ａ）と同様に、再び組成物Ｐが吐出器３０からステージ１１に向けて吐出される。その後、図３（ｂ）～図３（ｅ）を参照して説明した動作が繰り返される。

例えば、ｘ方向に沿ってステージ１１の一端から他端まで上記プロセスを行った後、供給ユニット１２、固定化ユニット１４、及び加熱ユニット１６をｙ方向に沿って僅かに移動させて、再びｘ方向に沿って１０の一端から他端まで上記プロセスが行われる。このように、吐出位置及び照射位置をｙ方向に少しずつ動かしながらｘ方向に沿って上記プロセスを繰り返すことにより、ステージ１１全体にわたって組成物Ｐの吐出並びに固定化、脱脂、及び熱固結の各ステップを実行することができる。

なお、ステージ１１に対する供給ユニット１２、固定化ユニット１４、及び加熱ユニット１６の移動のさせ方は、これに限定されない。例えば、ｘ方向ではなくｙ方向に沿って上記プロセスが行われてもよい。また、特定の方向に沿った移動を繰り返すのではなく、組成物Ｐを吐出すべき任意の位置へ供給ユニット１２、固定化ユニット１４、及び加熱ユニット１６を直接移動させることを繰り返してもよい。例えば、組成物Ｐを吐出すべき各位置のうち現在の供給ユニット１２の位置からの距離が最も短い位置が、次の吐出位置として選択されてもよい。

図４は、第１実施形態の成形装置１による成形体の製造方法の一例を示すフローチャートである。

ステージ１１上で第１層の形成が開始される（Ｓ１０００）と、まず、制御ユニット２２は、入力部９４から受け取った３次元成形体の入力データに基づき、最初の吐出位置及び照射位置を決定する（Ｓ１００２）。次いで、制御ユニット２２は、決定された吐出位置及び照射位置に基づき、吐出器３０、ＬＥＤ４０、脱脂用レーザー５０、及び熱固結用レーザー５２を適切な配置に移動させるように、吐出器移動機構３２、ＬＥＤ移動機構４２、脱脂用レーザー移動機構５４、及び熱固結用レーザー移動機構５６に指示する（Ｓ１００４）。

次いで、制御ユニット２２は、ステージ１１に向けて組成物Ｐを吐出するように吐出器３０に指示する（Ｓ１００６）。組成物Ｐが吐出されてステージ１１上に着地すると、情報取得ユニット１８が組成物Ｐの着地を検知する（Ｓ１００８）。例えば、情報取得ユニット１８は、撮影装置７０により連続的に又は定期的にステージ１１上の撮影を行い、画像比較を行うことにより、組成物Ｐの着地位置及びタイミングを検出する。

次いで、制御ユニット２２は、着地した組成物Ｐをステージ１１上で固定化させる（ここではバインダーＰｂを硬化させる）ための光を照射するようにＬＥＤ４０に指示する（Ｓ１０１０）。これにより、光硬化性組成物を含むバインダーＰｂが硬化し、組成物Ｐがステージ１１上で固定化される。

次いで、制御ユニット２２は、ステージ１１上の組成物ＰのバインダーＰｂの脱脂を行うためのレーザー光を照射するように脱脂用レーザー５０に指示する（Ｓ１０１２）。脱脂用レーザー５０の照射位置は、ＬＥＤ４０の照射位置と同じでもよく、図３を参照して説明したように、直前に組成物Ｐの固定化が行われたＬＥＤ４０の照射位置からある程度離れた別の位置であってもよい。

次いで、制御ユニット２２は、ステージ１１上の組成物Ｐの無機粒子Ｐａの熱固結を行うためのレーザー光を照射するように熱固結用レーザー５２に指示する（Ｓ１０１４）。熱固結用レーザー５２の照射位置は、脱脂用レーザー５０の照射位置と同じでもよく、ある程度離れた別の位置であってもよい。

次いで、制御ユニット２２は、ステージ１１上の組成物Ｐの幾何学的状態、物理的状態、及び／又は化学的状態に関する情報を取得するように情報取得ユニット１８に指示する（Ｓ１０１６）。例えば、制御ユニット２２は、上記の各ステップにおいて固定化した組成物Ｐや脱脂した組成物Ｐ、熱固結させた組成物Ｐを撮影するように撮影装置７０に指示する。撮影された画像データに基づき、情報取得ユニット１８は、ステージ１１上の組成物Ｐの位置や大きさ、形状、クラックの有無などの幾何学的状態に関する情報を取得する。また、例えば、制御ユニット２２は、上記ステップにおいて熱固結させた組成物Ｐに超音波を照射するように超音波装置７２に指示する。超音波測定のデータに基づき、情報取得ユニット１８は、ステージ１１上の組成物Ｐの密度などの物理的状態に関する情報を取得するとともに、クラックやポアの有無及び大きさなどの幾何学的状態に関する情報を取得する。また、例えば、制御ユニット２２は、上記ステップにおいて熱固結させた組成物Ｐに対してＸ線回折パターンの測定を行うようにＸ線回折装置７４に指示する。測定されたＸ線回折パターンに基づき、情報取得ユニット１８は、ステージ１１上の組成物Ｐの化学組成や結晶相、相分率、結晶性などの物理的状態又は化学的状態に関する情報を取得する。

次いで、制御ユニット２２は、入力データに照らして、第１層の形成が完了したか否かを判定する（Ｓ１０１８）。第１層の形成が完了していないと判定された場合（Ｓ１０１８：ＮＯ）、フローはＳ１００２に戻る。すなわち、制御ユニット２２は、情報取得ユニット１８により取得されたステージ１１上の組成物Ｐの幾何学的状態、物理的状態、及び／又は化学的状態に関する情報に基づき、次に組成物Ｐを吐出すべき吐出位置を決定するとともに、ＬＥＤ４０や脱脂用レーザー５０、熱固結用レーザー５２の照射位置を決定する。その後、これまでに説明した組成物Ｐの吐出、固定化、脱脂、及び熱固結という成形プロセスが再び実行される。

ここで、次の吐出位置は、任意の方法で決定される。例えば、次の吐出位置は、上記のように、まずｘ方向に沿ってステージ１１の一端から他端へ進み、その後ｙ方向に僅かに進み、再びｘ方向に沿って１０の一端から他端へ進み、再びｙ方向に僅かに進み、……、という順序に従って決定されてもよく、現在の供給ユニット１２の位置からの距離に基づいて決定されてもよい。

一方、第１層の形成が完了したと判定された場合（Ｓ１０１８：ＹＥＳ）には、制御ユニット２２は、入力データに照らして、成形体全体の形成が完了したか否かを判定する（Ｓ１０２０）。成形体の形成が完成していないと判定された場合（Ｓ１０２０：ＮＯ）、制御ユニット２２は、ステージ１１をｚ方向に移動させる（例えば、ｚ方向に１層分だけ下降させる）ようにステージ移動機構１１ａに指示する（Ｓ１０２２）。その後、フローはＳ１０００に戻り、第２層の形成が開始される。

一方、成形体全体の形成が完了したと判定された場合（Ｓ１０２０：ＹＥＳ）、成形体の製造が完了する。第１層から最終層まで形成が完了することにより、任意の３次元立体形状を有する成形体が得られる。

このようにして、成形装置１は、位置制御、吐出、固定化、脱脂、熱固結、及び情報取得の各ステップＳ１００２～Ｓ１０１６を含む成形サイクルを繰り返すことにより、３次元成形体の各層を形成し、この層形成を第１層から最終層まで繰り返すことにより、３次元成形体を形成することができる。本明細書において、「成形サイクル」とは、二つ以上のステップ（例えば吐出ステップ及び熱固結ステップ）から成る、成形体を製造するために繰り返される一連の工程を意味する。ここで、「繰り返す」とは、連続的に又は断続的に少なくとも２回行われることを意味し、例えば、ある繰り返し単位とその次の繰り返し単位との間に別の工程が挟まった場合も含む。

必ずしも各成形サイクルにおいて上記ステップをすべて行う必要はなく、一部又は全部の成形サイクルにおいて上記の各ステップの一つ以上が省略されてもよい。例えば、一部の成形サイクルでは吐出器３０及びＬＥＤ４０の位置制御（Ｓ１００２、Ｓ１００４）、組成物Ｐの吐出（Ｓ１００６、Ｓ１００８）及び固定化（Ｓ１０１０）、並びに情報取得（Ｓ１０１６）のみが行われてもよく、別の成形サイクルでは脱脂用レーザー５０及び熱固結用レーザー５２の位置制御（Ｓ１００２、Ｓ１００４）、組成物Ｐの脱脂（Ｓ１０１２）及び熱固結（Ｓ１０１４）、並びに情報取得（Ｓ１０１６）のみが行われてもよい。例えば、一部の成形サイクルでは熱固結（Ｓ１０１４）のみが行われてもよく、一部の成形サイクルでは熱固結が行われなくてもよい。

また、各ステップの順番や回数が任意に変更されてもよく、任意の別のステップが追加されてもよい。例えば、固定化ユニット１４や加熱ユニット１６、情報取得ユニット１８の移動は、組成物Ｐの吐出（Ｓ１００６）の後に行われてもよい。例えば、情報取得ステップ（Ｓ１０１６）は、熱固結ステップ（Ｓ１０１４）の後だけでなく任意のステップの後にも行われてもよい。また、例えば、情報取得ステップ（Ｓ１０１６）の後、制御ユニット２２が、取得された情報に基づき、ステージ１１上の組成物Ｐを部分的に除去するように除去ユニット２０に指示するステップが追加されてもよい。

上記の成形サイクルは、少なくともステージ１１に沿って繰り返され得る。ここで、「ステージに沿って」とは、「ステージの各面のうち組成物を吐出する吐出器に対向する面に沿って」との意味である。また、「少なくともステージに沿って繰り返される」とは、成形サイクルがステージと交差する方向に沿って繰り返されるか否かにかかわらず、複数回の成形サイクルがステージに沿って行われることを意味する。すなわち、２回以上の成形サイクルがステージに沿って連続的に又は断続的に行われる限り、成形サイクルがステージに沿って繰り返されるだけでなくステージと交差する方向に沿っても繰り返される場合であっても、「少なくともステージに沿って繰り返される」に該当する。なお、本明細書において、成形サイクルが行われる位置は、例えば成形サイクルが吐出ステップ及び熱固結ステップを含む場合には、吐出された組成物Ｐが着地する位置及び熱固結が起こる位置に相当する。従って、「成形サイクルがステージに沿って行われる」とは、例えば成形サイクルが吐出ステップ及び熱固結ステップを含む場合には、複数回の成形サイクルにおける組成物Ｐが着地する位置及び熱固結が起こる位置がステージに沿っていることを意味する。

上記の成形サイクルは、同一平面内で繰り返され得る。ここで、「同一平面内で繰り返される」とは、３次元空間において平面を画定するのに十分な４回以上の成形サイクルが当該平面上で繰り返されることを意味する。

［効果］
以上説明した第１実施形態に係る成形装置１によれば、組成物Ｐの供給と組成物Ｐの熱固結とを含む成形サイクルが繰り返し行われる。すなわち、組成物Ｐの熱固結が局所的に行われ、熱固結操作が行われた後でも次の組成物Ｐがさらに供給される。例えば、供給ユニット１２からの組成物Ｐの供給を追いかけるように、組成物Ｐの固定化（バインダーＰｂの硬化）、バインダーＰｂの脱脂、及び無機粒子Ｐａの熱固結が逐次的に行われるので、これらの工程が細分化され得る。

脱脂工程が細分化され、少量の組成物Ｐに対して脱脂が行われるので、従来の光造形法のように無機粒子が分散したバインダーの立体成形を行った後で成形体全体に対して一度に脱脂を行う場合と比較すると、脱脂操作ごとにバインダーＰｂが除去され、バインダーＰｂ及びバインダーＰｂの分解成分などが成形体中に残留するのを抑制することが可能である。また、従来の光造形法のように成形体全体の脱脂を行う場合にはバインダーの体積分の間隙が成形体の内部に生じ得るので、完成した成形体はその間隙の分だけ収縮してしまうことがあるが、本実施形態のように脱脂工程が細分化されると、このような間隙が発生しても、引き続き組成物Ｐの供給が行われるので、次の組成物Ｐにより間隙を埋めることができ、このような収縮を抑制することが可能である。

また、熱固結工程が細分化され、少量の組成物Ｐに対して熱固結が行われるので、従来の光造形法のように一旦立体成形を行った後で脱脂された成形体全体に対して熱固結を行う場合と比較すると、成形体の部位ごとの熱膨張率の差などによる熱固結体の亀裂や破損の発生を抑制することが可能である。仮に熱膨張及び熱収縮による亀裂などが生じた場合でも、引き続き組成物Ｐの供給が行われるので、次の組成物Ｐによりこのような欠陥を埋めることができ、このような欠陥の悪影響を抑制することが可能である。このように熱固結の結果に基づきフィードバック的に組成物Ｐの吐出を制御すれば、所望の形状及び大きさを有する中実な成形体を製造することが可能である。

さらに、従来の光造形法のように液槽に収容された前駆体を１層ごとに硬化させて立体成形を行う場合には、１層ごとに、必要な部分のみを硬化させた後硬化していないバインダーを除去する必要があるが、本実施形態に係る成形装置１は、このような工程を必要としない。このため、成形プロセスの費用を低減するとともに効率性を向上させることができる。また、従来の光造形法における制約を軽減することにより、無機材料の立体造形における自由度を向上させることができる。

これにより、品質の向上した無機材料含有成形体を製造することができる。

また、本実施形態によれば、成形装置１は、固定化ユニット１４としてＬＥＤ４０を備え、加熱ユニット１６として脱脂用レーザー５０及び熱固結用レーザー５２を備える。これにより、固定化、脱脂、及び熱固結の各工程の実行位置やタイミングなどを別途に制御することが可能となり、上述のような逐次的な成形処理を効率的に実行することができる。

なお、上記例では、組成物ＰのバインダーＰｂとして光硬化性組成物を用いたが、バインダーＰｂはこれに限定されない。例えば、バインダーＰｂとしてフェノール樹脂やポリウレタンなどの熱硬化性組成物を採用し、固定化ユニット１４の構成要素としてＬＥＤ４０の代わりに熱硬化性樹脂を硬化させるための熱源（例えばレーザー）を使用してもよい。この場合、熱硬化性樹脂から成るバインダーＰｂが熱源からの熱で硬化することにより、組成物Ｐがステージ１１上で固定化される。あるいは、バインダーＰｂとしてポリエチレンやポリエチレンテレフタレートなどの熱可塑性組成物を採用するとともに、組成物Ｐを予め加熱し、バインダーＰｂが融解した状態で組成物Ｐをステージ１１に向けて供給してもよい。この場合、熱可塑性樹脂から成るバインダーＰｂがステージ１１上で自然冷却されることにより、組成物Ｐがステージ１１上で固定化される。

〔第２実施形態〕
次に、図５～図７を参照して、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、二つの吐出器を使用して２種類の組成物から成る成形体を製造する点で、第１実施形態とは異なる。なお、以下に説明する以外の構成は、第１実施形態と同様である。

図５は、第２実施形態に係る成形装置１０１を示す図である。図６は、第２実施形態の成形装置１０１のシステム構成の一例を示すブロック図である。
図５に示すように、第２実施形態に係る成形装置１０１は、チャンバー１１０、ステージ１１１、供給ユニット１１２、固定化ユニット１１４、加熱ユニット１１６、情報取得ユニット１１８、除去ユニット１２０、及び制御ユニット１２２（図６参照）を備える。

第１実施形態の供給ユニット１２が単一の吐出器３０を含むのに対し、供給ユニット１１２は、第１吐出器（第１供給器）１３０及び第２吐出器（第２供給器）１３２を含む。第１吐出器１３０は、第１無機粒子Ｐａ１を含む第１組成物Ｐ１をステージ１１１に向けて間欠的又は連続的に吐出する。第２吐出器１３２は、第２無機粒子Ｐａ２を含む第２組成物Ｐ２をステージ１１１に向けて間欠的又は連続的に吐出する。第１吐出器１３０及び第２吐出器１３２は、それぞれ第１吐出器移動機構１３４及び第２吐出器移動機構１３６により移動可能である。

第１組成物Ｐ１は、例えば、第１実施形態の組成物Ｐと同様に、第１無機粒子Ｐａ１及び第１バインダーＰｂ１を含む流体である。第２組成物Ｐ２は、例えば、第２無機粒子Ｐａ２及び第２バインダーＰｂ２を含む流体である。第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２は、無機粒子Ｐａ１、Ｐａ２がバインダーＰｂ１、Ｐｂ２に分散した状態で第１吐出器１３０及び第２吐出器１３２にそれぞれ充填される。

第１無機粒子Ｐａ１は、第１実施形態の無機粒子Ｐａと同様に、例えば金属、酸化物、窒化物、酸窒化物、炭化物、水酸化物、炭酸化物、燐酸化物など任意の無機材料又はこれらの組合せから成る粒子である。第２無機粒子Ｐａ２は、第１無機粒子Ｐａ１と異なる任意の無機材料又は無機材料の組合せから成る粒子である。無機粒子Ｐａ１、Ｐａ２の材料は特に限定されない。なお、第２無機粒子Ｐａ２を第１無機粒子Ｐａ１と同一のものとすることも可能であるが、以下では第１無機粒子Ｐａ１と異なる第２無機粒子Ｐａ２を用いる例について説明する。

第１バインダーＰｂ１は、例えば、第１実施形態のバインダーＰｂと同様に、特定波長の光（例えば紫外線）を受けて硬化する光硬化性組成物を含む。同様に、第２バインダーＰｂ２も、光硬化性組成物を含む。第１バインダーＰｂ１の光硬化性組成物及び第２バインダーＰｂ２の光硬化性組成物は、同じものであってもよく、異なるものであってもよい。

第１実施形態の固定化ユニット１４が単一のＬＥＤ４０を含むのに対し、固定化ユニット１１４は、第１組成物Ｐ１のための第１ＬＥＤ１４０と、第２組成物Ｐ２のための第２ＬＥＤ１４２と、を含む。第１ＬＥＤ１４０は、第１バインダーＰｂ１を硬化させることにより第１組成物Ｐ１をステージ１１１上で固定化する。第２ＬＥＤ１４２は、第２バインダーＰｂ２を硬化させることにより第２組成物Ｐ２をステージ１１１上で固定化する。第１ＬＥＤ１４０及び第２ＬＥＤ１４２は、それぞれ第１ＬＥＤ移動機構１４４及び第２ＬＥＤ移動機構１４６により移動可能である。

第１実施形態の加熱ユニット１６が単一の脱脂用レーザー５０及び単一の熱固結用レーザー５２を含むのに対し、加熱ユニット１１６は、第１組成物Ｐ１のための第１脱脂用レーザー１５０及び第１熱固結用レーザー１５２と、第２組成物Ｐ２のための第２脱脂用レーザー１５４及び第２熱固結用レーザー１５６と、を含む。第１脱脂用レーザー１５０及び第１熱固結用レーザー１５２は、いずれも第１組成物Ｐ１に対してレーザー照射を行って第１組成物Ｐ１を加熱することにより、それぞれ第１組成物Ｐ１の脱脂及び熱固結を行う。第２脱脂用レーザー１５４及び第２熱固結用レーザー１５６は、いずれも第２組成物Ｐ２に対してレーザー照射を行って第２組成物Ｐ２を加熱することにより、それぞれ第２組成物Ｐ２の脱脂及び熱固結を行う。また、第１熱固結用レーザー１５２及び第２熱固結用レーザー１５６は、ステージ１１１上で隣接する第１組成物Ｐ１と第２組成物Ｐ２とを互いに熱固結させるためにも使用可能である。第１熱固結用レーザー１５２又は第２熱固結用レーザー１５６による加熱温度は、異なる材料を含む第１組成物Ｐ１と第２組成物Ｐ２とを熱固結させるのに適した温度とすることができる。第１脱脂用レーザー１５０、第１熱固結用レーザー１５２、第２脱脂用レーザー１５４、及び第２熱固結用レーザー１５６は、それぞれ第１脱脂用レーザー移動機構１５８、第１熱固結用レーザー移動機構１６０、第２脱脂用レーザー移動機構１６２、及び第２熱固結用レーザー移動機構１６４により移動可能である。

第１実施形態と同様に、制御ユニット１２２は、情報取得ユニット１１８により取得された第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２の幾何学的状態、物理的状態、及び／又は化学的状態に基づき、供給ユニット１１２、固定化ユニット１１４、加熱ユニット１１６、情報取得ユニット１１８、及び除去ユニット１２０のフィードバック制御を行うことができる。第１実施形態について説明した例に加えて、第２実施形態では、例えば、制御ユニット１２２は、Ｘ線回折装置１７４により取得されたＸ線回折パターンなどから第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２の形成位置や特定の位置における第１組成物Ｐ１と第２組成物Ｐ２との物質量比を特定するとともに、このような情報に基づき、各組成物Ｐ１、Ｐ２ごとに吐出位置や照射位置、除去ユニット１２０を使用すべきか否かなどを決定することができる。

図７は、第２実施形態の成形装置１０１による成形体の製造方法の一例を示すフローチャートである。
第２実施形態による成形体の製造方法の流れは、２種類の無機材料を用いる点を除き、基本的に第１実施形態と同様である。すなわち、図７では、図４を参照して説明した第１実施形態の成形装置１による成形体の製造方法における位置制御から情報取得までの各ステップが第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２に対して行われる。

第１層の形成が開始される（Ｓ２０００）と、制御ユニット１２２は、第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２の吐出位置と、ＬＥＤ１４０、１４２や脱脂用レーザー１５０、１５４、熱固結用レーザー１５２、１５６の照射位置と、を決定する（Ｓ２００２）。

次いで、制御ユニット１２２は、これらの吐出位置及び照射位置に基づき、供給ユニット１１２、固定化ユニット１１４、加熱ユニット１１６、及び情報取得ユニット１１８を移動させるように各移動機構に指示する（Ｓ２００４）。

次いで、制御ユニット１２２は、第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２をステージ１１１に向けて吐出するようにそれぞれ第１吐出器１３０及び第２吐出器１３２に指示する（Ｓ２００６）。これらの吐出タイミングは同時であってもよく、ずれていてもよい。第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２が吐出されてステージ１１１上に着地すると、情報取得ユニット１１８が第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２の着地を検知する（Ｓ２００８）。

次いで、制御ユニット１２２は、着地した第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２をステージ１１１上で固定化するための光を照射するように、それぞれ第１ＬＥＤ１４０及び第２ＬＥＤ１４２に指示する（Ｓ２０１０）。

次いで、制御ユニット１２２は、ステージ１１１上の第１組成物Ｐ１の第１バインダーＰｂ１及び第２組成物Ｐ２の第２バインダーＰｂ２の脱脂を行うためのレーザー光を照射するように、それぞれ第１脱脂用レーザー１５０及び第２脱脂用レーザー１５４に指示する（Ｓ２０１２）。

次いで、制御ユニット１２２は、ステージ１１１上の第１組成物Ｐ１の第１無機粒子Ｐａ１及び第２組成物Ｐ２の第２無機粒子Ｐａ２の熱固結を行うためのレーザー光を照射するように、それぞれ第１熱固結用レーザー１５２及び第２熱固結用レーザー１５６に指示する（Ｓ２０１４）。

次いで、制御ユニット１２２は、ステージ１１１上の第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２の幾何学的状態、物理的状態、及び／又は化学的状態に関する情報を取得するように情報取得ユニット１１８に指示する（Ｓ２０１６）。

以上の各ステップＳ２００２～Ｓ２０１６を含む成形サイクルが、層形成が完了するまで繰り返される（Ｓ２０１８）。第１層の形成が完了すると（Ｓ２０１８：ＹＥＳ）、制御ユニット１２２は、ステージ１１１をｚ方向に移動させるようにステージ移動機構１１１ａに指示する（Ｓ２０２２）。フローがＳ２０００に戻り、第２層の形成が開始される。この層形成を繰り返すことにより、３次元成形体が形成される。

上述のフローでは、各成形サイクルのステップごとに第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２の両方が処理されているが、第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２の各処理は任意の順番で行われ得る。例えば、各成形サイクルにおいて、まず第１組成物Ｐ１の吐出、固定化、脱脂、及び熱固結が行われた後、第２組成物Ｐ２の吐出、固定化、脱脂、及び熱固結が行われてもよい。また、第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２の吐出及び固定化が行われた後、まず第１組成物Ｐ１の脱脂及び熱固結が行われて、次に第２組成物Ｐ２の脱脂及び熱固結が行われてもよい。あるいは、まず第１組成物Ｐ１についてのみ成形サイクルが繰り返されて、第１層内に含まれるべきすべての第１組成物Ｐ１の熱固結が完了した後、第２組成物Ｐ２について成形サイクルが繰り返されることにより、第１層全体が形成されてもよい。

第２実施形態に係る成形装置１０１によれば、第１実施形態に係る成形装置１について説明した利点に加えて、複数の材料を様々に組み合わせて複合的に形成された成形体を製造することが可能である。例えば、各材料から成る部品を材料ごとに製造した後でこれらを組み立てる場合と比較すると、組み立てる工程を省略するだけでなく、各部品を互いに接合するための接合剤や接合部品などの利用、嵌合形状の形成などを省略することが可能である。これにより、製造コストが格段に低減され得る。

成形装置１０１は、成形体に使用する材料を各吐出器から吐出される１滴単位で選択することができるので、成形体の細部まで材料組成を制御することが可能である。また、多種多様な無機材料が使用可能であるので、成形装置１０１は、工業製品や医療用品、研究開発用品、日用品、陶芸品といった様々な用途の成形体を製造するために使用され得る。

また、それぞれの材料の熱固結に適した温度や各材料の接合部における熱固結に適した温度はいずれも異なる温度であり得るところ、成形装置１０１によれば、上記のように、情報取得ユニット１１８からの情報に基づいて第１熱固結用レーザー１５２及び第２熱固結用レーザー１５６のレーザー光の出力、ひいては熱固結温度のフィードバック制御を行うことにより、各照射位置において材料に応じた最適な温度で熱固結を行うことが可能である。これにより、様々な材料を任意の部位で十分に熱固結させることができるので、得られる成形体の品質が向上する。

上記例では、２種類の無機材料が用いられているが、３種類以上の無機材料が用いられてもよい。異なる種類の無機材料の数に応じて、吐出器などの供給手段、ＬＥＤなどの固定化手段、脱脂用レーザーや熱固結用レーザーなどの加熱手段などの数も適宜三つ以上に変更され得る。

上記例では、第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２の各々に対してＬＥＤ、脱脂用レーザー、及び熱固結用レーザーが一つずつ（すなわち、全体としてはＬＥＤ、脱脂用レーザー、及び熱固結用レーザーが二つずつ）設けられているが、これらの一部が省略されてもよい。すなわち、単一のＬＥＤを用いて第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２の両方の固定化が行われてもよく、同様に単一の脱脂用レーザーや単一の熱固結用レーザーにより第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２の両方の脱脂や熱固結が行われてもよい。特に、成形サイクルが組成物ごとに行われる場合には、単一のＬＥＤやレーザーで第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２の両方の成形サイクルが順次実行されてもよい。

上記例では、情報取得ユニット１１８は、撮影装置１７０、超音波装置１７２、及びＸ線回折装置１７４を一つずつ含むが、これらの数を必要に応じて増やしてもよい。

上記例では、第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２がステージ１１１上の別の位置にそれぞれ吐出されているが、第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２の吐出位置がステージ１１１上の同じ位置に設定されてもよい。例えば、各成形プロセスにおける第１組成物Ｐ１の吐出位置を第２組成物Ｐ２の吐出位置と同じ位置に設定して成形プロセスを繰り返すことにより、全体として第１組成物Ｐ１と第２組成物Ｐ２とが所定の割合で混ざり合って形成された成形体が製造可能である。また、各成形プロセスにおける第１組成物Ｐ１の吐出位置を第２組成物Ｐ２の吐出位置と同じ位置に設定して、第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２の吐出量の比を徐々に変化させながら成形プロセスを繰り返すことにより、成形体内の位置によって第１組成物Ｐ１と第２組成物Ｐ２との濃度比が徐々に変化するような成形体が製造可能である。

上記例では、成形サイクルごとに制御ユニット１２２が次の吐出位置及び照射位置を決定しているが、制御ユニット１２２は、例えば、第１吐出器１３０及び第２吐出器１３２を所定の方向に一定のスピードで動かし続けながら、各位置において第１吐出器１３０及び第２吐出器１３２の吐出の有無、脱脂や熱固結の有無などを決定してもよい。この場合、ある程度の吐出作業が完了した段階で、情報取得ユニット１１８により取得された情報に基づき、それまでに第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２が吐出されたが脱脂や熱固結が適切に行われていないと判定された位置において、さらに吐出や熱固結を行うことが可能である。

〔第３実施形態〕
次に、図８～図１１を参照して、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、無機粒子Ｐａ’が有機コーティングＰｂ’に包まれた構成の組成物Ｐ’を使用し、固定化ユニット２１４の構成要素としてＬＥＤ４０の代わりに融解用レーザー（融解用熱源）２４０を使用する点で、第１実施形態とは異なる。なお、以下に説明する以外の構成は、第１実施形態と同様である。

図８は、第３実施形態に係る成形装置２０１を示す図である。図９は、第３実施形態の成形装置２０１のシステム構成の一例を示すブロック図である。
第３実施形態では、組成物Ｐ’は、無機粒子Ｐａ’（コア）及び無機粒子Ｐａ’をコートする有機コーティングＰｂ’（シェル）を含むコアシェル構造を有する。組成物Ｐ’は固体であり、多数の組成物Ｐ’が吐出器２３０に充填される。例えば、吐出器２３０は、組成物Ｐ’を１粒ずつステージ２１１上へ吐出する。

有機コーティングＰｂ’は、熱により軟化又は融解（以下、まとめて単に「融解」という。）する熱可塑性樹脂などから成る。熱可塑性樹脂の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合合成樹脂）などが挙げられる。

図８に示すように、第３実施形態に係る成形装置２０１は、チャンバー２１０、ステージ２１１、供給ユニット２１２、固定化ユニット２１４、加熱ユニット２１６、情報取得ユニット２１８、除去ユニット２２０、及び制御ユニット２２２（図９参照）を備える。

第１実施形態及び第２実施形態の固定化ユニット１４、１１４がバインダーＰｂを硬化させるためのＬＥＤ４０、１４０、１４２を含むのに対し、固定化ユニット２１４は、融解用レーザー２４０を備える。

融解用レーザー２４０は、ステージ２１１上で有機コーティングＰｂ’に熱を加える。これにより、有機コーティングＰｂ’がステージ２１１上で融解する。例えば、融解用レーザー２４０は、組成物Ｐ’に対してレーザー照射を行うことにより、組成物Ｐ’を例えば８０℃～２００℃まで加熱して、組成物Ｐ’の有機コーティングＰｂ’を融解させることができる。融解用レーザー２４０は、融解用レーザー移動機構２４２により、少なくともｘ方向及びｙ方向に移動可能であるとともに、例えば、ｚ軸に関して回動可能であり、ｚ軸に平行な平面内でも回動可能である。

次に、図１０及び図１１を参照して、第３実施形態の成形装置２０１の成形体の製造方法の一例について説明する。
図１０は、第３実施形態の成形装置２０１による成形体の製造方法の一例を示す図である。図１０は、当該製造方法における組成物Ｐ’の吐出から熱固結までの一連のプロセス（ａ）～（ｇ）を示す。

図１０（ａ）では、組成物Ｐ’が吐出器２３０からステージ２１１に向けて吐出される。ここでは、図３と同様に、ステージ２１１上に、既に熱固結が完了した熱固結体Ｃ’と、有機コーティングＰｂ’が融解後固化した固化コーティングＢ’に包まれた無機粒子Ｄａ’～Ｄｄ’とが形成されている。組成物Ｐ’の吐出は、図の左側（－ｘ方向）から右側（＋ｘ方向）へ順番に行われている。

図１０（ｂ）では、吐出された組成物Ｐ’が、無機粒子Ｄｄ’の隣に着地する。情報取得ユニット２１８は、組成物Ｐ’の着地位置及びタイミングを取得する。着地直後には、吐出された組成物Ｐ’は固体であり、組成物Ｐ’の有機コーティングＰｂ’は、隣接する固化コーティングＢ’とは一体化していない。この有機コーティングＰｂ’に向けて、固定化ユニット２１４の融解用レーザー２４０がレーザー光を照射する。これにより、熱可塑性樹脂から成る有機コーティングＰｂ’が融解する。

図１０（ｃ）では、融解用レーザー２４０により、有機コーティングＰｂ’とともに、有機コーティングＰｂ’に隣接する無機粒子Ｄｄ’近傍の有機コーティングＢ’も同時に融解して、有機コーティングＰｂ’と一体化している。次いで、融解した有機コーティングＰｂ’が自然冷却により固化する。このとき、同時に融解した有機コーティングＢ’も固化するので、無機粒子Ｄａ’～Ｄｅ’を包む有機コーティング全体が一体化する。

図１０（ｄ）では、有機コーティングＰｂ’を含む有機コーティングＢ’が固化しており、吐出された組成物Ｐ’に含まれる無機粒子Ｄｅ’がステージ２１１上に固定化されている。

これ以降の図１０（ｄ）～図１０（ｇ）に示す工程は、図３（ｃ）～図３（ｆ）に示す工程と概ね同様である。すなわち、図１０（ｄ）では、加熱ユニット２１６の脱脂用レーザー２５０が、無機粒子Ｄａ’近傍にレーザー光を照射することにより、無機粒子Ｄａ’近傍の固化コーティングＢ’が脱脂される。図１０（ｅ）では、加熱ユニット２１６の熱固結用レーザー２５２が、熱固結体Ｃ’と無機粒子Ｄａ’との境界近傍にレーザー光を照射し、熱固結体Ｃ’及び無機粒子Ｄａ’を熱固結させる。図１０（ｆ）では、吐出器２３０などが＋ｘ方向に移動する。図１０（ｇ）では、再び組成物Ｐ’が吐出器２３０からステージ２１１に向けて吐出される。その後、図１０（ｂ）～図１０（ｆ）を参照して説明した動作が繰り返される。

図１１は、第３実施形態の成形装置２０１による成形体の製造方法の一例を示すフローチャートである。
図４に示した成形装置１による成形体の製造方法と比較すると、組成物をステージ上に固定化するステップが相違する。

第１実施形態では、組成物Ｐの固定化ステップは、組成物Ｐの着地が検出された後、ＬＥＤ４０でバインダーＰｂを硬化させることにより実行される（Ｓ１００６）。
これに対し、第３実施形態では、組成物Ｐ’の着地が検出された後、制御ユニット２２２は、ステージ２１１上に着地した組成物Ｐ’の有機コーティングＰｂ’に熱を加えて融解させるためのレーザー光を組成物Ｐ’に照射するように、融解用レーザー２４０に指示する（Ｓ３０１０）。その後、融解した有機コーティングＰｂ’が自然冷却により固化する（Ｓ３０１２）。これにより、組成物Ｐ’がステージ２１１上に固定化される。

情報取得ユニット２１８の撮影装置２７０又は任意の検出器（例えばサーモグラフィー装置）で有機コーティングＰｂ’の状態や温度を調べることにより、有機コーティングＰｂ’が固化したか否かを判定することができる。あるいは、融解用レーザー２４０がレーザー光を照射して所定時間が経過した時に有機コーティングＰｂ’が固化したと判定してもよい。有機コーティングＰｂ’が固化したと判定されると、フローはＳ３０１４に進む。

それ以降のステップは、第１実施形態と同様である。すなわち、図１１のＳ３０１４～Ｓ３０２４は、図４のＳ１０１２～Ｓ１０２２に対応する。

なお、第３実施形態の組成物Ｐ’は、第２実施形態において使用されてもよい。例えば、第２実施形態の第１組成物Ｐ１及び第２組成物Ｐ２の一方又は両方が第３実施形態の組成物Ｐ’のような形態であってもよい。

〔変形例〕
上記例では、組成物の吐出、固定化、脱脂、及び熱固結が完了した後に、ステージがｘ方向又はｙ方向に移動して、次の組成物の吐出が行われるが、成形プロセスはこれに限定されない。例えば、組成物の固定化後、脱脂ステップの前にステージの移動が行われて、脱脂や熱固結と並行して次の組成物の吐出や固定化が行われてもよい。また、組成物の固定化と並行して次の組成物の吐出が行われてもよい。例えば、吐出器からの組成物の吐出が間欠的でなく連続的に行われる場合には、組成物は絶えず供給され続けるので、組成物の供給と並行して、供給された組成物の固定化、脱脂、及び熱固結、並びにステージやレーザーなどの各構成要素の移動が行われ得る。

上記例では、組成物がステージ上に着地した後に、ＬＥＤや融解用レーザーによる固定化のための光照射が行われるが、この固定化処理のタイミングはこれに限定されない。例えば、組成物が吐出されて落下している間に光照射が行われてもよい。

上記例では、脱脂用レーザー及び熱固結用レーザーがほぼ同じ領域にレーザー光を照射しているが、これらの照射位置は必ずしも同じでなくてよい。例えば、熱固結用レーザーの照射位置が脱脂用レーザーの照射位置から一定距離（例えば１ｍｍ程度）離れるようにして、脱脂用レーザーによる照射を追随するように熱固結用レーザーの照射を制御してもよい。

上記例では、脱脂ステップの前にＬＥＤ又は融解用レーザーを用いてステージ上に組成物を暫定的に固定化することにより成形装置の動作が安定化され得るが、例えば、この固定化ステップを省略して、ステージへの組成物の着地が検知された場合に脱脂用レーザーの照射を行い、バインダーの脱脂を行ってもよい。

上記例では、固定化ユニットと加熱ユニットとが別途の構成要素として設けられているが、例えば、組成物中の光硬化性組成物を硬化させるための光源として加熱ユニットの脱脂用レーザーや熱固結用レーザーを使用することも可能である。この場合、固定化時には当該レーザーの出力を弱めて使用し、脱脂及び熱固結を行う際には当該レーザーの出力を高めて使用することになる。これにより、成形装置の構成を簡略化することができる。

上記例では、熱固結ステップを実行した後かつ組成物の着地を検知する前に、制御部により吐出器の吐出位置並びに固定化ユニット及び加熱ユニットの照射位置が決定されるとともにこれらの配置が変更され得るが、このような吐出位置及び照射位置の決定及び配置変更のタイミングはこれに限定されない。制御部は、任意のタイミングで吐出器の吐出位置並びに固定化ユニット及び加熱ユニットの照射位置を決定するとともに、任意のタイミングでこれらの配置の変更を吐出器移動機構、ＬＥＤ移動機構、脱脂用レーザー移動機構、及び熱固結用レーザー移動機構などに指示することができる。

上記例では、情報取得ユニットにより取得された情報に基づき吐出位置及び照射位置が決定されるが、このような情報を用いずに、予め設定された吐出位置及び照射位置のシークエンスに従って組成物の吐出及び各ステップが実行されてもよい。同様に、上記例では、情報取得ユニットにより取得された情報に基づき固定化ユニットや加熱ユニットの照射タイミングなどが決定されるが、このような情報を用いずに、吐出器が実際に吐出を行うタイミングや組成物の密度、吐出量、吐出器とステージとの間の距離などに基づき、固定化ユニットや加熱ユニットの照射タイミングが決定されてもよい。

上記例では、ステージをｚ方向に段階的に降下させて、成形体を下から１層ずつ形成していくプロセスを説明したが、必ずしも層単位で成形を行う必要はない。例えば、吐出器、固定化ユニット、及び加熱ユニットの高さや向きを適宜変更することにより、ステージをｚ方向に動かすことなく、ステージ上で組成物を積み上げていくことで成形体を成形することも可能である。この場合、吐出器、固定化ユニット、及び加熱ユニットは、吐出器移動機構、ＬＥＤ移動機構、及び脱脂用レーザー移動機構、及び熱固結用レーザー移動機構により、ｚ方向にも移動可能であってよい。

また、上記例では、決定された吐出位置及び照射位置に基づき吐出器、固定化ユニット、及び加熱ユニットを移動させているが、吐出器、固定化ユニット、及び加熱ユニットを移動させる代わりに、ｘ方向及びｙ方向においてステージを移動させてもよい。すなわち、吐出器、固定化ユニット、及び加熱ユニットの位置を固定し、ステージをｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向に移動させてもよい。あるいは、ステージ、吐出器、固定化ユニット、及び加熱ユニットがいずれもｘ方向及びｙ方向に移動可能であってもよい。

上記例では、組成物を供給する供給器として吐出器が用いられているが、供給器はこれに限定されない。例えば、組成物が一定以上の大きさの固体である場合には、物理的な把持や磁気的作用などによる吸着によって組成物を保持するとともにステージ上の任意の場所に配置することができる微細アーム機構が供給器として使用されてもよい。

以上のように、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。

１、１０１、２０１ 成形装置
１０、１１０、２１０ チャンバー
１０ａ、１１０ａ、２１０ａ 真空ポンプ
１１、１１１、２１１ ステージ
１１ａ、１１１ａ、２１１ａ ステージ移動機構
１２、１１２、２１２ 供給ユニット
１４、１１４、２１４ 固定化ユニット
１６、１１６、２１６ 加熱ユニット
１８、１１８、２１８ 情報取得ユニット
２０、１２０、２２０ 除去ユニット
２２、１２２、２２２ 制御ユニット
３０、２３０ 吐出器
３２、２３２ 吐出器移動機構
４０ ＬＥＤ（光源）
４２ ＬＥＤ移動機構
５０、１５０、２５０ 脱脂用レーザー（脱脂用熱源）
５２、１５２、２５２ 熱固結用レーザー（熱固結用熱源）
５４、１５４、２５４ 脱脂用レーザー移動機構
５６、１５６、２５６ 熱固結用レーザー移動機構
７０、１７０、２７０ 撮影装置
７２、１７２、２７２ 超音波装置
７４、１７４、２７４ Ｘ線回折装置
７４ａ、１７４ａ、２７４ａ Ｘ線照射部
７４ｂ、１７４ｂ、２７４ｂ Ｘ線検出部
７６、１７６、２７６ 撮影装置移動機構
７８、１７８、２７８ 超音波装置移動機構
８０、１８０、２８０ Ｘ線回折装置移動機構
９０、１９０、２９０ 切削装置
９２、１９２、２９２ 回収装置
９４、１９４、２９４ 入力部
１３０ 第１吐出器（第１供給器）
１３２ 第２吐出器（第２供給器）
１３４ 第１吐出器移動機構
１３６ 第２吐出器移動機構
１４４ 第１ＬＥＤ移動機構
１４６ 第２ＬＥＤ移動機構
１５０ 第１脱脂用レーザー
１５２ 第１熱固結用レーザー
１５４ 第２脱脂用レーザー
１５６ 第２熱固結用レーザー
１５８ 第１脱脂用レーザー移動機構
１６０ 第１熱固結用レーザー移動機構
１６２ 第２脱脂用レーザー移動機構
１６４ 第２熱固結用レーザー移動機構
２４０ 融解用レーザー（融解用熱源）
２４２ 融解用レーザー移動機構

Claims (24)

1. 無機材料を含む組成物をステージに向けて間欠的又は連続的に供給する供給ユニットと、
   前記供給ユニットから供給された前記組成物に対して前記ステージ上で少なくとも熱固結を行うように構成された熱固結用熱源を含む加熱ユニットと、
   熱固結した前記組成物の幾何学的状態、物理的状態、及び化学的状態の少なくとも一つに関する情報を取得する情報取得ユニットと、
   前記組成物の供給と熱固結とを含む成形サイクルを繰り返すように前記供給ユニット及び前記加熱ユニットを制御するとともに、前記情報に基づき少なくとも前記供給ユニットを制御する制御ユニットと、
   を備え、
   前記制御ユニットは、前記情報取得ユニットによって取得された熱固結した前記組成物の位置が、想定されていた供給位置と異なることに応答して、少なくとも次に供給される前記組成物の供給位置を修正する、３次元造形用の成形装置。
2. 前記制御ユニットは、前記成形サイクルを少なくとも前記ステージに沿って繰り返すように前記供給ユニット及び前記加熱ユニットを制御する、請求項１に記載の成形装置。
3. 前記制御ユニットは、前記情報に基づき、前記組成物が供給される位置及び前記熱固結が行われる位置の少なくとも一方を決定する、請求項１又は２に記載の成形装置。
4. 前記供給ユニットは、第１無機材料を含む第１組成物を前記ステージに向けて間欠的又は連続的に供給する第１供給器と、前記第１無機材料とは異なる第２無機材料を含む第２組成物を前記ステージに向けて間欠的又は連続的に供給する第２供給器と、を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の成形装置。
5. 前記加熱ユニットは、前記第１供給器から供給された前記第１組成物に対して前記ステージ上で少なくとも熱固結を行うように構成された第１熱固結用熱源と、前記第２供給器から供給された前記第２組成物に対して前記ステージ上で少なくとも熱固結を行うように構成された第２熱固結用熱源と、を有する、請求項４に記載の成形装置。
6. 前記情報取得ユニットは、前記ステージ上の前記組成物の撮影を行う撮影装置を有し、
   前記情報取得ユニットは、前記撮影装置から得られた撮影データに基づき、熱固結した前記組成物の幾何学的状態に関する情報を取得し、
   前記制御ユニットは、熱固結した前記組成物の幾何学的状態に関する前記情報に基づき、前記ステージ上の前記組成物を供給する位置及び前記ステージ上の熱固結を行う位置の少なくとも一方を決定する、請求項１～５のいずれか一項に記載の成形装置。
7. 前記情報取得ユニットは、前記情報を取得するための超音波装置を有し、前記超音波装置は、前記ステージ上の前記組成物に向けて超音波を発信するとともに反射された超音波を受信するように構成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の成形装置。
8. 前記ステージ上で固結した前記組成物の少なくとも一部を前記ステージから除去する除去ユニットをさらに備え、
   前記情報取得ユニットは、前記超音波装置から得られたデータに基づき、熱固結した前記組成物の幾何学的状態又は物理的状態に関する情報を取得し、
   前記制御ユニットは、熱固結した前記組成物の幾何学的状態又は物理的状態に関する前記情報に基づき、前記ステージ上の前記組成物の少なくとも一部を前記ステージから除去するように前記除去ユニットを制御する、請求項７に記載の成形装置。
9. 前記情報取得ユニットは、前記情報を取得するためのＸ線回折装置を有し、前記Ｘ線回折装置は、前記ステージ上の前記組成物のＸ線回折パターンを測定するように構成されている、請求項１～８のいずれか一項に記載の成形装置。
10. 前記情報取得ユニットは、前記Ｘ線回折装置により測定されたＸ線回折パターンに基づき、熱固結した前記組成物の物理的状態又は化学的状態に関する情報を取得し、
    前記制御ユニットは、熱固結した前記組成物の物理的状態又は化学的状態に関する前記情報に基づき、前記ステージ上の前記組成物の再加熱を行うように前記加熱ユニットを制御する、請求項９に記載の成形装置。
11. 前記組成物は、前記無機材料が分散した有機バインダー又は前記無機材料を包む有機コーティングを含み、
    前記加熱ユニットは、前記組成物に熱を加えることにより前記有機バインダー又は前記有機コーティングの脱脂を行う脱脂用熱源をさらに含み、
    前記制御ユニットは、前記熱固結用熱源による熱固結の前に脱脂を行うように前記脱脂用熱源を制御する、請求項１～１０のいずれか一項に記載の成形装置。
12. 前記組成物を前記ステージ上で固定化する固定化ユニットをさらに備える、請求項１～１１のいずれか一項に記載の成形装置。
13. 前記組成物は、光硬化性組成物を含む有機バインダーを含み、
    前記固定化ユニットは、熱固結の前に前記光硬化性組成物の光硬化を行う光源を含む、請求項１２に記載の成形装置。
14. 前記組成物は、有機コーティングでコートされた無機粒子を含み、
    前記固定化ユニットは、熱固結の前に前記有機コーティングの熱融解を行う融解用熱源を含む、請求項１２に記載の成形装置。
15. 無機材料を含む組成物から３次元成形体を製造する方法であって、
    前記組成物を供給ユニットからステージに向けて間欠的又は連続的に供給する供給ステップと、
    前記供給ユニットから供給された前記組成物に対して、加熱ユニットにより前記ステージ上で少なくとも熱固結を行う熱固結ステップと、
    熱固結した前記組成物の幾何学的状態、物理的状態、及び化学的状態の少なくとも一つに関する情報を取得する情報取得ステップと、
    前記情報に基づき、少なくとも前記供給ユニットを制御する制御ステップと、
    を含み、
    前記供給ステップと前記熱固結ステップとを含む成形サイクルが繰り返され、
    前記制御ステップは、前記情報取得ステップにおいて取得された熱固結した前記組成物の位置が、想定されていた供給位置と異なることに応答して、少なくとも次に供給される前記組成物の供給位置を修正する、３次元成形体の製造方法。
16. 前記成形サイクルが少なくとも前記ステージに沿って繰り返される、請求項１５に記載の３次元成形体の製造方法。
17. 前記ステージに直交する方向に沿って前記ステージを移動させるステージ移動ステップをさらに含み、
    前記ステージに沿って前記成形サイクルが繰り返され、
    前記ステージに沿った前記成形サイクルの繰り返しと前記ステージ移動ステップとを繰り返すことにより、３次元形状を有する前記３次元成形体が形成される、請求項１５又は１６に記載の３次元成形体の製造方法。
18. 前記制御ステップは、前記情報に基づき、前記組成物が供給される位置及び前記熱固結が行われる位置の少なくとも一方を決定する工程を含む、請求項１５～１７のいずれか一項に記載の３次元成形体の製造方法。
19. 第１無機材料を含む第１組成物を前記ステージに向けて間欠的又は連続的に供給する第１供給ステップと、前記第１無機材料とは異なる第２無機材料を含む第２組成物を前記ステージに向けて間欠的又は連続的に供給する第２供給ステップと、を含む、請求項１５～１８のいずれか一項に記載の３次元成形体の製造方法。
20. 供給された前記第１組成物に対して、前記加熱ユニットにより前記ステージ上で少なくとも熱固結を行う第１熱固結ステップと、供給された前記第２組成物に対して、前記加熱ユニットにより前記ステージ上で少なくとも熱固結を行う第２熱固結ステップと、を含む、請求項１９に記載の３次元成形体の製造方法。
21. 前記情報取得ステップは、撮影装置で前記ステージ上の前記組成物の撮影を行うことにより前記組成物の配置又は形状に関する情報を取得する工程を含み、
    前記制御ステップは、前記組成物の配置又は形状に関する前記情報に基づき、前記ステージ上の前記組成物を供給する位置及び前記ステージ上の前記熱固結を行う位置の少なくとも一方を決定する工程を含む、請求項１５～２０のいずれか一項に記載の３次元成形体の製造方法。
22. 前記情報取得ステップは、超音波装置で前記ステージ上の前記組成物に向けて超音波を発信するとともに反射された超音波を受信することにより、前記組成物の密度に関する情報を取得する工程を含み、
    前記制御ステップは、前記組成物の密度に関する前記情報に基づき、前記ステージ上の前記組成物を供給する位置及び前記ステージ上の前記熱固結を行う位置の少なくとも一方を決定する工程を含む、請求項１５～２１のいずれか一項に記載の３次元成形体の製造方法。
23. 前記情報取得ステップは、Ｘ線回折装置で前記ステージ上の前記組成物のＸ線回折パターンを測定することにより、前記組成物の結晶性に関する情報を取得する工程を含み、
    前記制御ステップは、前記組成物の結晶性に関する前記情報に基づき、前記ステージ上の前記組成物の再加熱を行うように前記加熱ユニットを制御する工程を含む、請求項１５～２２のいずれか一項に記載の３次元成形体の製造方法。
24. 無機材料を含む組成物をステージに向けて間欠的又は連続的に供給する供給ユニットと、
    前記供給ユニットから供給された前記組成物に対して前記ステージ上で少なくとも熱固結を行うように構成された熱固結用熱源を含む加熱ユニットと、
    前記組成物の供給と熱固結とを含む成形サイクルを少なくとも前記ステージに沿って繰り返すように前記供給ユニット及び前記加熱ユニットを制御する制御ユニットと、
    を備え、
    前記供給ユニットの高さ及び向きの少なくとも一方が変更可能であり、これにより、現在の供給位置における層を完成させる前に前記供給ユニットによる次の供給位置として現在の供給位置と異なる高さの位置が選択可能である、３次元造形用の成形装置。

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