KR102359059B1 - 성형 장치 및 성형체의 제조 방법 - Google Patents

성형 장치 및 성형체의 제조 방법 Download PDF

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주식회사 엘지화학
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Abstract

품질이 향상된 무기 재료 함유 성형체를 제조할 수 있는 성형 장치를 제공한다.
무기 재료를 포함하는 전구체를 스테이지 상에 간헐적 또는 연속적으로 공급하는 공급부와, 상기 공급부로부터 공급된 상기 전구체에 대해서 상기 스테이지 상에서 적어도 열 고결을 행하기 위한 열 고결용 열원을 포함하는 열원 유닛과, 상기 공급부에 의한 상기 전구체의 공급 개시부터 공급 정지까지의 사이에, 상기 열 고결용 열원이 이미 공급된 상기 전구체의 열 고결을 행하도록, 상기 공급부 및 상기 열원 유닛을 제어하는 제어부를 구비하는 성형 장치를 제공한다.

Description

성형 장치 및 성형체의 제조 방법
본 발명은 2018년 10월 02일에 일본특허청에 제출된 일본 특허 출원 제2018-187307의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
본 발명은, 성형 장치 및 성형체의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 임의의 입체 형상을 갖도록 금속이나 금속 산화물 등의 무기 재료의 조형을 행하기 위한, 주형을 사용하지 않는 3차원 조형법이 개발되고 있다.
대표적인 무기 재료의 3차원 조형법인 광조형법이, 일본 특허 제4800074호 공보(특허 문헌 1) 등에 개시되어 있다. 광 조형법에서는, 성형 장치는, 액체상의 광경화성 조성물에 무기 입자가 분산된 액상 전구체를 수용하는 액조와, 액조의 내부에서 승강 가능하게 설치된 스테이지와, 액조의 상측으로부터 광경화성 조성물을 경화시키기 위한 광을 조사하는 광원을 구비한다.
액상 전구체의 액면보다 약간 낮은 위치에 스테이지를 세팅하고, 스테이지 상에 위치하는 액상 전구체에 대해서 소정의 제1층 패턴으로 광을 조사함으로써, 제1층의 경화가 행해진다. 제1층의 전구체를 소정의 패턴에 따라 경화시킨 후, 제1층의 경화되어 있지 않은 액상 전구체가 세정 제거된다(세정 공정). 다음에, 스테이지를 약간 강하시켜, 소정의 제2층 패턴으로 광을 조사함으로써, 제1층의 바로 위에서 제2층의 경화가 행해진다. 이러한 조작을 반복함으로써, 제1층에서 최상층까지 층마다 전구체의 경화가 행해져, 다수의 층으로 이루어지는 소정의 입체 형상을 갖는 성형체가 형성된다.
얻어진 성형체는, 경화된 광경화성 조성물 및 거기에 분산된 무기 입자로 이루어지는 것이다. 이 성형체에 대해서 용매 추출이나 가열 처리를 행함으로써, 광경화성 조성물의 탈지가 행해져, 성형체 중의 유기 재료 성분이 제거된다(탈지 공정). 또한, 탈지 후의 무기 입자로 이루어지는 성형체를 고온 소성함으로써, 성형 체 중의 무기 입자의 소결이 행해져(소결 공정), 소정의 입체 형상을 갖는 무기 재료 성형체가 얻어진다.
그러나, 이 광 조형법에서는, 입체 형상이 복잡해지면, 세정 공정이 곤란해짐과 더불어, 세정 공정에 요하는 시간도 증대하고, 형상에 따라서는 충분한 세정이 불가능한 경우도 있어, 그 결과, 성형체의 품질 저하가 발생할 우려가 있다. 또, 탈지 공정에서는, 특히 입체 형상이 복잡한 경우, 유기 재료 성분이나 그 분해 성분을 충분히 제거하지 못하여, 성형체 중에 잔류하는 경우가 있어, 이러한 불충분한 제거에 기인하여 성형체의 품질 저하가 발생할 우려가 있다. 또, 탈지에 의해 유기 재료 성분을 제거함으로써, 제거된 유기 재료 성분의 체적분만큼 성형체 중에 간극이 생겨, 소결에 의해 성형체 전체가 이 간극분만큼 압축될 수 있으므로, 완성된 성형체의 치수가 상정한 것보다 작아지는 경우가 있어, 그 결과, 성형체의 치수 정밀도가 요구 품질을 만족하지 못하게 될 우려가 있다. 또한, 소결 공정에서는, 성형체의 부위마다의 열팽창률의 차 등에 기인하여, 소결 후에 성형체에 균열이나 파손 등의 결함이 발생하는 경우가 있어, 성형체의 품질이 확보되지 않을 우려가 있다. 이 때문에, 성형 장치에 의해 제조되는 성형체의 품질의 향상이 요구되고 있었다.
특허 문헌 1 : 일본 특허 제4800074호 공보
본 발명은, 품질이 향상된 무기 재료 함유 성형체를 제조할 수 있는 성형 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태는, 무기 재료를 포함하는 전구체를 스테이지 상에 간헐적 또는 연속적으로 공급하는 공급부; 상기 공급부로부터 공급된 상기 전구체의 열 고결을 행하기 위해, 적어도 상기 스테이지 상에 열 고결용 열원을 포함하는 열원 유닛; 및 상기 공급부에 의한 상기 전구체의 공급 개시부터 공급 정지까지의 사이에, 상기 열 고결용 열원이 이미 공급된 상기 전구체의 열 고결을 행하도록, 상기 공급부 및 상기 열원 유닛을 제어하는 제어부를 포함하는 성형 장치이다.
상기 양태의 성형 장치에 있어서, 상기 제어부는, 상기 공급부에 의한 상기 전구체의 공급 개시부터 공급 정지까지의 사이에, 상기 전구체의 공급과 상기 전구체의 열 고결을 복수 회 반복하도록, 상기 공급부 및 상기 열원 유닛을 제어해도 된다.
상기 양태의 성형 장치에 있어서, 상기 전구체는, 상기 무기 재료가 분산된 유기 바인더 또는 상기 무기 재료를 싸는 유기 코팅을 포함하고, 상기 열원 유닛은, 상기 전구체에 열을 가함으로써 상기 유기 바인더 또는 상기 유기 코팅의 탈지를 행하는 탈지용 열원을 더 포함해도 되고, 상기 제어부는, 상기 열 고결용 열원에 의한 열 고결 전에 상기 탈지를 행하도록 상기 탈지용 열원을 제어해도 된다. 혹은, 상기 전구체는, 상기 무기 재료가 분산된 유기 바인더 또는 상기 무기 재료를 싸는 유기 코팅을 포함하고, 상기 열 고결용 열원은, 상기 전구체에 열을 가함으로써 상기 유기 바인더 또는 상기 유기 코팅의 탈지를 행해도 된다.
상기 양태의 성형 장치에 있어서, 상기 전구체를 상기 스테이지 상에 고정화하는 고정화 유닛을 더 구비해도 된다. 또한, 상기 전구체가 광경화성 조성물을 포함하는 유기 바인더를 포함하고, 상기 고정화 유닛은, 열 고결 전에 상기 광경화성 조성물의 광경화를 행하는 광원을 포함해도 된다. 혹은, 상기 전구체가 유기 코팅으로 코트된 무기 입자를 포함하고, 상기 고정화 유닛은, 열 고결 전에 상기 유기 코팅의 열 융해를 행하는 융해용 열원을 포함해도 된다.
상기 양태의 성형 장치에 있어서, 상기 스테이지 상의 상기 전구체를 감시하는 감시부를 더 구비해도 되고, 상기 제어부는, 상기 감시부로부터의 정보에 의거하여, 상기 스테이지 상의 상기 전구체를 공급하는 위치 및 상기 스테이지 상의 상기 열 고결을 행하는 위치 중 적어도 한쪽을 결정해도 된다.
상기 양태의 성형 장치에 있어서, 상기 제어부는, 사전에 입력된 성형체의 3차원 형상 데이터에 의거하여, 상기 무기 재료에 의해 상기 성형체가 3차원 형상으로 형성되도록 상기 공급부 및 상기 열원 유닛을 제어해도 된다.
본 발명의 다른 양태는, 무기 재료를 포함하는 전구체로부터 성형체를 제조하는 방법으로서, 상기 전구체를 공급부로부터 스테이지 상에 간헐적 또는 연속적으로 공급하는 공급 단계와, 상기 공급부에 의한 상기 전구체의 공급 개시부터 공급 정지까지의 사이에, 이미 공급된 상기 전구체에 상기 스테이지 상에서 열을 가함으로써 상기 전구체의 열 고결을 행하는 열 고결 단계를 포함하는 성형체의 제조 방법이다.
상기 양태의 성형체의 제조 방법에 있어서, 상기 공급 단계와 상기 열 고결단계를 반복함으로써 상기 성형체가 형성되어도 된다.
상기 양태의 성형체의 제조 방법에 있어서, 상기 스테이지를 연직 방향 하향으로 이동시키는 스테이지 이동 단계를 더 포함하고, 상기 공급 단계와 상기 열 고결 단계 및 상기 스테이지 이동 단계를 반복함으로써, 3차원 형상을 갖는 상기 성형체가 형성되어도 된다.
상기 양태의 성형체의 제조 방법에 있어서, 상기 열 고결 단계는, 상기 전구체에 대해서 레이저 또는 전자 빔을 국소적으로 조사함으로써 행해져도 된다.
상기 양태의 성형체의 제조 방법에 있어서, 상기 열 고결 단계 전에, 공급된 상기 전구체를 경화시키는 경화 단계를 더 포함해도 된다. 또한, 상기 경화 단계 후이고 상기 열 고결 단계 전에, 경화된 상기 전구체의 탈지를 행하는 탈지 단계를 더 포함해도 된다.
상기 양태의 성형체의 제조 방법에 있어서, 상기 스테이지 상의 상기 전구체의 배치에 의거하여, 상기 공급 단계에 있어서 상기 스테이지 상의 상기 전구체를 공급하는 위치 및 상기 열 고결 단계에 있어서 상기 스테이지 상의 열 고결을 행하는 위치 중 적어도 한쪽을 결정하는 위치 결정 단계를 더 포함해도 된다.
도 1은, 제1 실시형태에 따른 성형 장치를 나타내는 개략 정면도이다.
도 2는, 제1 실시형태의 성형 장치의 시스템 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 3은, 제1 실시형태의 성형 장치에 의한 성형체의 제조 방법의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는, 제1 실시형태의 성형 장치에 의한 성형체의 제조 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 5는, 제2 실시형태에 따른 성형 장치를 나타내는 개략 정면도이다.
도 6은, 제2 실시형태의 성형 장치의 시스템 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 7은, 제3 실시형태에 따른 성형 장치를 나타내는 개략 정면도이다.
도 8은, 제3 실시형태의 성형 장치의 시스템 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 9는, 제3 실시형태의 성형 장치에 의한 성형체의 제조 방법의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10은, 제3 실시형태의 성형 장치에 의한 성형체의 제조 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
[부호의 설명]
1, 101, 201 : 성형 장치
10, 110, 210 : 스테이지
12, 112, 212 : 토출기
14, 114, 214 : 고정화 유닛
16, 116, 216 : 열원 유닛
18, 118, 218 : 감시부
20, 120, 220 : 제어부
22, 122, 222 : 입력부
30, 130 : LED
32, 232 : 탈지용 레이저
34, 234 : 열 고결용 레이저
40, 140, 240 : 스테이지 이동 기구
42, 142, 242 : 토출기 이동 기구
44, 144 : LED 이동 기구
46, 246 : 탈지용 레이저 이동 기구
48, 248 : 열 고결용 레이저 이동 기구
132 : 탈지·열 고결용 레이저
146 : 탈지·열 고결용 레이저 이동 기구
230 : 융해용 레이저
244 : 융해용 레이저 이동 기구
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 따른 성형 장치 및 성형체의 제조 방법에 대해 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일 또는 유사한 기능을 갖는 구성에 동일한 부호를 붙인다. 이러한 구성에 대한 중복되는 설명은 적절히 생략한다.
설명의 편의상, x방향, y방향, 및 z방향에 대해 정의한다. x방향 및 y방향은, 수평면과 평행한 방향이다. y방향은, x방향과 교차하는(예를 들면 대략 직교하는) 방향이다. z방향은, 연직 방향과 평행한 방향이며, x방향 및 y방향과 대략 직교한다.
[제1 실시형태]
도 1~도 4를 참조하여, 제1 실시형태에 대해 설명한다. 도 1은, 제1 실시형태에 따른 성형 장치(1)를 나타내는 도면이다.
[구성]
성형 장치(1)는, 무기 재료로 이루어지는 3차원 성형체(성형체)를 제조할 수 있다. 여기서, '무기 재료'란, 유기 재료 이외의 임의의 재료를 가리키며, 금속 단체, 합금, 금속 원소 및 비금속 원소로 이루어지는 화합물(예를 들면, 금속 산화물이나 금속 질화물, 금속염 등), 비금속 원소로 이루어지는 화합물(예를 들면, 질화붕소 등) 등이 포함된다.
성형 장치(1)는, 스테이지(10), 토출기(공급부)(12), 고정화 유닛(14), 열원 유닛(16), 감시부(18), 및 제어부(20)를 구비한다.
스테이지(10)는, 수평면을 따라(즉, xy 평면에 대해 평행하게) 배치된 평판이다. 스테이지(10)의 두께 방향은, z방향에 대해서 대략 평행이다. 스테이지(10)는, 스테이지 이동 기구(40)에 의해, 적어도 z방향으로 이동 가능하다. 스테이지 이동 기구(40)는, 예를 들면 모터(도시 생략)에 의해 구동하는 락앤피니언식의 액추에이터이다.
토출기(12)는, 스테이지(10)로부터 이격하여 스테이지(10)의 상방에 배치되어 있다. 토출기(12)는, 토출기 이동 기구(42)에 의해, 적어도 x방향 및 y방향으로 이동 가능하다. 토출기 이동 기구(42)는, 예를 들면 모터(도시 생략)에 의해 구동하는 다관절 아암이다.
토출기(12)에는, 무기 재료를 포함하는 전구체 P가 충전되어 있다. 토출기(12)는, 전구체 P를 스테이지(10) 상에 간헐적 또는 연속적으로 토출할 수 있다. 토출기(12)의 토출량(예를 들면, 전구체 P가 간헐적으로 토출되는 경우에 있어서의 1방울의 체적)이나 토출 속도는, 적절히 조정 가능하다. 전구체 P의 상세한 것에 대해서는 후술한다.
고정화 유닛(14)은, 토출된 전구체 P를 스테이지(10) 상에 고정화한다. 예를 들면, 전구체 P가 광경화성 조성물을 포함하는 경우, 고정화 유닛(14)은, 스테이지(10) 상의 전구체 P가 존재하는 특정 위치에 광(예를 들면 자외광)을 조사한다. 이에 의해, 고정화 유닛(14)은, 스테이지(10) 상의 전구체 P에 대해 광 자극을 주어, 전구체 P에 포함되는 광경화성 조성물을 경화시킬 수 있다.
고정화 유닛(14)은, 광원으로서 LED(발광 다이오드;광원)(30)를 구비한다. LED(30)는, 스테이지(10)로부터 이격하여 스테이지(10)의 상방에 배치되어 있다. LED(30)는, LED 이동 기구(44)에 의해, 적어도 x방향 및/또는 y방향으로 이동 가능함과 더불어, 예를 들면 z축에 관해 회동 가능하고, z축과 평행한 평면 내에서도 회동 가능하다. LED 이동 기구(44)는, LED(30)의 배치(예를 들면 방향이나 위치 등)를 변경함으로써, LED(30)의 조사 위치를 변경한다. LED 이동 기구(44)는, 예를 들면, 모터(도시 생략)에 의해 구동하는 다관절 아암이다.
단, LED(30)의 구성은 상기 예에 한정되지 않는다. 예를 들면, LED(30)가 스테이지(10)의 측방 또는 하방으로부터 광을 조사해도 된다. 또, LED 이동 기구(44)가 생략되어, LED(30)의 배치가 영속적으로 고정되고, 조사 광이, 예를 들면 렌즈나 반사판 등을 사용해, 스테이지(10) 상에서 주사되어도 된다. LED 이동 기구(44)가 렌즈나 반사판 등과 병용되어도 된다.
또한, 고정화 유닛(14)의 구성 요소는 LED에 한정되지 않고, 레이저 등 광 조사가 가능한 임의의 소자여도 된다. 광 조사는, 스테이지(10) 상에서, 전구체 P의 1방울~수 방울 정도의 크기의 스폿에 대해 국소적으로 행해져도 되고, 스테이지(10)의 일부의 구획 또는 전체에 대해 행해져도 된다.
여기서, 예를 들면 x방향 또는 y방향을 따른 스테이지(10)의 폭 전체를 커버하도록 배치된 1차원 어레이형의 LED를 사용하는 경우에는, 당해 LED가 x방향 및 y방향 중 어느 한 방향으로만 이동 가능하면 충분하다. 또, 예를 들면 스테이지(10) 전체에 대해 광 조사를 행할 수 있는 LED(30)를 사용하는 경우에는, LED 이동 기구(44)나 렌즈, 반사판 등 LED(30)의 광 조사 위치를 제어하는 구성 요소는 불필요하다.
열원 유닛(16)은, 스테이지(10) 상의 특정 위치에, 예를 들면 열선을 조사함으로써 국소적으로 열을 가한다. 이에 의해, 열원 유닛(16)은, 스테이지(10) 상에 고정화된 전구체 P의 탈지나 전구체 P에 포함되는 무기 재료의 소결 또는 용융 고체화를 행할 수 있다. 여기서, '소결'이란, 전구체 P에 포함되는 무기 재료의 고체 입자(예를 들면, 금속 산화물이나 금속 질화물 등의 분말)를 당해 무기 재료의 융점 미만의 온도까지 가열함으로써, 당해 고체 입자끼리를 결합시키는 것을 말한다. '용융 고체화'란, 전구체 P에 포함되는 무기 재료의 고체 입자(예를 들면, 금속이나 합금 등의 입자)를 당해 무기 재료의 융점 이상의 온도까지 가열함으로써 당해 고체 입자를 용융시킨 후, 자연 냉각 등에 의해 당해 금속 입자 또는 합금 입자를 고체화시키는 것을 말한다. 본 명세서에서는, 소결 및 용융 고체화를 합쳐서 '열 고결'이라고 한다.
열원 유닛(16)은, 열원으로서 탈지용 레이저(탈지용 열원)(32) 및 열 고결용 레이저(열 고결용 열원)(34)를 구비한다. 탈지용 레이저(32) 및 열 고결용 레이저 (34)는, 스테이지(10)로부터 이격하여 스테이지(10)의 상방에 배치되어 있다. 탈지용 레이저(32)는, 탈지용 레이저 이동 기구(46)에 의해, 적어도 x방향 및 y방향으로 이동 가능함과 더불어, 예를 들면 z축에 관해 회동 가능하고, z축과 평행한 평면 내에서도 회동 가능하다. 탈지용 레이저 이동 기구(46)는, 예를 들면 모터(도시 생략)에 의해 구동하는 다관절 아암이다. 열 고결용 레이저(34)는, 열 고결용 레이저 이동 기구(48)에 의해, 적어도 x방향 및 y방향으로 이동 가능함과 더불어, 예를 들면 z축에 관해 회동 가능하고, z축과 평행한 평면 내에서도 회동 가능하다. 열 고결용 레이저 이동 기구(48)는, 예를 들면 모터(도시 생략)에 의해 구동하는 다관절 아암이다.
탈지용 레이저(32)는, 전구체 P에 대해 레이저 조사를 행함으로써, 전구체 P를 예를 들면 200℃~800℃, 바람직하게는 300℃~500℃까지 가열하여, 전구체 P의 탈지를 행할 수 있다. 열 고결용 레이저(34)는, 전구체 P에 대해 레이저 조사를 행함으로써, 전구체 P를 예를 들면 500℃~4000℃, 바람직하게는 1000℃~3000℃까지 가열하여, 전구체 P의 열 고결을 행할 수 있다. 단, 가열 온도는 이에 한정되지 않고, 전구체 P에 포함되는 무기 입자 Pa나 바인더 Pb의 종류 등에 따라 적절히 변경될 수 있다. 또, 탈지용 레이저(32) 및 열 고결용 레이저(34)로서 2개의 동일한 레이저 장치를 채용하여, 출력을 조정함으로써, 탈지용 레이저(32)와 열 고결용 레이저(34)에서 상이한 온도까지의 가열을 행해도 된다.
또한, 열원 유닛(16)의 구성 요소는 레이저에 한정되지 않고, 전자 빔 장치 등 국소적인 가열이 가능한 임의의 소자여도 된다. 또, 가열은, 상방으로부터의 가열에 한정되지 않고, 예를 들면 하방으로부터 국소적인 가열이 행해져도 된다.
감시부(18)는, 스테이지(10) 상의 전구체 P의 모습을 감시한다. 감시부(18)는, 예를 들면 스테이지(10)로부터 이격하여 스테이지(10)의 상방에 배치된 촬상 카메라를 포함한다. 이 촬상 카메라는, 스테이지(10)의 표면의 모습을 연속적으로 촬영하고, 감시부(18)는 촬영한 화상에 의거하여, 스테이지(10) 상의 전구체 P의 착지 위치 및 타이밍을 검출한다. 또, 감시부(18)는, 이미 스테이지(10) 상에 위치하는 전구체 P의 모습(예를 들면 열수축의 모습)을 감시한다. 또한, 감시부(18)의 구성 요소는 촬상 카메라에 한정되지 않고, 스테이지(10)에 설치된 진동 검출 장치나 열 검출 장치 등이어도 되고, 방사선이나 초음파를 스테이지(10) 상에 조사함으로써 스테이지면의 모습을 관찰하는 방사선 분석 장치(예를 들면 X선 회절 장치)나 초음파 분석 장치 등이어도 되고, 이들이 병용되어도 된다.
제어부(20)는, 제조되는 성형체의 3차원 형상 데이터 등의 입력 데이터를 받아, 성형 장치(1)의 각 구성 요소를 제어한다. 제어부(20)는, 예를 들면 CPU(Central Processing Unit) 또는 GPU(Graphics Processing Unit)와 같은 프로세서에 의해 실현된다. 제어부(20)의 동작에 대해서는 후술한다.
[전구체]
토출기(12)에 의해 토출되는 전구체 P는, 예를 들면 무기 입자 Pa 및 바인더 Pb를 포함하는 유체이다. 전구체 P는, 무기 입자 Pa를 바인더 Pb에 분산시킴으로써 조제된다. 전구체 P는, 무기 입자 Pa가 바인더 Pb에 분산된 상태로 토출기(12)에 충전된다.
무기 입자 Pa는, 예를 들면 금속, 산화물, 질화물, 산질화물, 탄화물, 수산화물, 탄산화물, 인산화물 등 임의의 무기 재료 또는 이들의 조합으로 이루어지는 입자이다. 무기 입자 Pa의 재료는 특별히 한정되지 않는다.
금속의 예로는, 알루미늄, 티탄, 철, 구리, 스테인리스강, 니켈크롬강 등을 들 수 있다.
산화물의 예로는, 이산화규소, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화티탄, 산화철, 산화아연, 산화이트륨, 산화지르코늄, 티탄산바륨 등을 들 수 있다.
질화물의 예로는, 질화규소, 질화알루미늄, 질화티탄, 질화철 등을 들 수 있다.
산질화물의 예로는, 산질화규소, 산질화알루미늄 등을 들 수 있다.
탄화물의 예로는, 탄화규소, 탄화티탄, 탄화붕소, 탄화지르코늄 등을 들 수 있다.
수산화물의 예로서는, 수산마그네슘, 수산화철, 수산 아파타이트 등을 들 수 있다.
탄산화물의 예로는, 탄산칼슘, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 탄산리튬 등을 들 수 있다.
인산화물의 예로는, 인산철, 인산망간, 인산칼슘 등을 들 수 있다.
바인더 Pb는, 예를 들면 특정 파장의 광(예를 들면 자외선)을 받아 경화되는 광경화성 조성물을 포함한다. 광경화성 조성물은, 예를 들면 라디칼 중합성 모노머 또는 양이온 중합성 모노머와 광중합 개시제를 포함한다. 라디칼 중합성 모노머는, 예를 들면 (메타)아크릴계 모노머이다. 양이온 중합성 모노머는, 예를 들면 에폭시 화합물이나 환상 에테르 화합물이다. 라디칼 중합성 모노머를 사용하는 경우에는, 광중합 개시제는, 예를 들면 아세토페논 등의 라디칼성 광중합 개시제이다. 또, 양이온 중합성 모노머를 사용하는 경우에는, 광중합 개시제는, 예를 들면 오늄염 등의 양이온성 광중합 개시제이다.
전구체 P에 있어서의 무기 입자 Pa의 함유율은, 예를 들면 30중량%~90중량%, 바람직하게는 40중량%~80중량%, 보다 바람직하게는 50중량%~70중량%이다.
전구체 P는, 무기 입자 Pa 및 바인더 Pb 이외에, 안정제나 분산제, 필러 등 임의의 첨가제를 포함해도 된다.
[시스템 구성]
다음에, 도 2를 참조하여, 제1 실시형태의 성형 장치(1)의 시스템 구성에 대해 설명한다.
도 2는, 제1 실시형태의 성형 장치(1)의 시스템 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
입력부(22)는, 제조 예정의 성형체의 입력 데이터를 받아들임과 더불어, 당해 입력 데이터를 제어부(20)에 송신한다.
감시부(18)는, 스테이지(10) 상의 전구체 P의 감시 데이터를 취득함과 더불어, 당해 감시 데이터를 제어부(20)에 송신한다. 감시 데이터에는, 스테이지(10) 상으로의 전구체 P의 착지 정보(예를 들면, 전구체 P의 착지 위치나 타이밍 등)나 이미 스테이지(10) 상에 위치하는 전구체 P의 정보(예를 들면, 전구체 P의 위치나 형상, 열수축의 모습 등)가 포함된다.
제어부(20)는, 입력 데이터 및 감시부(18)로부터 취득한 감시 데이터 등에 의거하여, 스테이지(10)가 적절한 위치로 이동하도록, 스테이지 이동 기구(40)를 제어함과 더불어, 토출기(12), LED(30), 탈지용 레이저(32), 및 열 고결용 레이저 (34)가 적절한 배치가 되도록, 토출기 이동 기구(42), LED 이동 기구(44), 탈지용 레이저 이동 기구(46), 및 열 고결용 레이저 이동 기구(48)를 제어한다.
또, 제어부(20)는, 입력 데이터 및 감시 데이터 등에 의거하여, 적절한 양의 전구체 P를 적절한 타이밍에 토출하도록 토출기(12)를 제어한다. 또한, 제어부(20)는, 입력 데이터 및 감시 데이터 등에 의거하여, 바인더 Pb를 경화시키기 위한 광이나 탈지 및 열 고결을 행하기 위한 레이저광을 적절한 타이밍에 조사하도록, LED(30), 탈지용 레이저(32), 및 열 고결용 레이저(34)를 각각 제어한다.
[성형체의 제조 방법]
다음에, 도 3 및 도 4를 참조하여, 제1 실시형태의 성형 장치(1)의 성형체의 제조 방법의 일례에 대해 설명한다.
도 3은, 제1 실시형태의 성형 장치(1)에 의한 성형체의 제조 방법의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은, 당해 제조 방법에 있어서의 전구체 P의 토출부터 열 고결까지의 일련의 프로세스 (a)~(f)를 나타낸다.
도 3(a)에서는, 전구체 P가 토출기(12)로부터 스테이지(10) 상에 토출된다. 여기서는, 스테이지(10) 상에, 이미 열 고결이 완료된 열 고결체(50)와, 경화된 바인더(54)로 싸인 무기 입자(52a~52d)가 형성되어 있다. 또한, 도 3에 있어서는, 전구체 P의 토출이 도면의 좌측(-x방향)에서 우측(+x방향)으로 차례로 행해지고 있다. 즉, 프로세스가 진행됨에 따라, 토출기(12)나 고정화 유닛(14), 열원 유닛(16)은, 스테이지(10)에 대해 +x방향으로 이동한다.
도 3(b)에서는, 토출된 전구체 P가, 무기 입자(52d)의 옆에 착지한다. 감시부(18)는, 전구체 P의 착지 위치 및 타이밍을 취득한다. 착지 직후에는, 토출된 전구체 P의 바인더(54e)는, 무기 입자(52e)를 싸고 있으며, 유동성을 갖고 있다. 이 바인더(54e)를 향해, 고정화 유닛(14)의 LED(30)가, 바인더(54e)를 경화시키기에 적합한 파장의 광을 조사한다.
도 3(c)에서는, 광경화성 조성물을 포함하는 바인더(54e)가 경화되어, 경화된 바인더(54)의 일부를 구성하고 있다. 이에 의해, 토출된 전구체 P에 포함되는 무기 입자(52e)가 스테이지(10) 상에 고정화되어 있다. 다음에, 열원 유닛(16)의 탈지용 레이저(32)가, 무기 입자(52a) 근방에 레이저광을 조사하여, 바인더(54)에 열을 가한다. 또한, 여기서는, 직전에 고정화된 무기 입자(52e)로부터 어느 정도 떨어진 무기 입자(52a) 근방에서 탈지가 행해지고 있으나, 전구체 P의 고정화가 행해지는 위치와 그 직후에 탈지(및 열 고결)가 행해지는 위치 사이의 거리는, 전구체 P의 성질이나 토출 속도, 탈지용 레이저(32)의 강도 등 여러 가지 조건에 따라 결정될 수 있다. 예를 들면, 탈지가 행해지는 위치는, 전구체 P의 고정화가 행해지는 위치와 같아도(즉, 직전에 고정화된 무기 입자(52e) 근방) 된다.
도 3(d)에서는, 탈지용 레이저(32)에 의해, 무기 입자(52a) 근방의 바인더(54)가 탈지되어 무기 입자(52a)가 노출되어 있다. 다음에, 열원 유닛(16)의 열 고결용 레이저(34)가, 열 고결체(50)와 무기 입자(52a)의 경계 근방에 레이저광을 조사하여, 열 고결체(50) 및 무기 입자(52a)에 열을 가한다. 이에 의해, 열 고결체(50)와 무기 입자(52a)의 사이에서 열 고결이 일어난다.
도 3(e)에서는, 열 고결체(50)와 무기 입자(52a)의 열 고결에 의해, 무기 입자(52a)가 열 고결체(50)에 일체화되어 있다. 다음에, 제어부(20)가, 감시부(18)로부터 받은 스테이지(10) 상의 화상 데이터나 방사선 해석 데이터(예를 들면 X선회절 측정에 의해 얻어지는 데이터), 초음파 해석 데이터 등에 의거하여, 스테이지(10) 상의 전구체 P의 열수축의 모습 등도 고려해, 다음 전구체 P의 토출 위치 및 고정화 유닛(14)과 열원 유닛(16)의 조사 위치 중 한쪽 또는 양쪽 모두를 결정한다. 결정된 토출 위치나 조사 위치에 의거하여, 토출기 이동 기구(42), LED 이동 기구(44), 탈지용 레이저 이동 기구(46), 및 열 고결용 레이저 이동 기구(48)가, 토출기(12), 고정화 유닛(14), 및 열원 유닛(16)을 스테이지(10)에 대해 +x방향으로 이동시킨다(여기서는, 고정화 유닛(14) 및 열원 유닛(16)은 도시 생략). 이 이동 방향이나 이동 거리는, 다음에 전구체 P를 토출해야 할 장소에 따라 변경된다. 이 예에서는, 다음 토출 위치는, 무기 입자(52e)의 바로 우측 옆이다(도 3(f) 참조). 당연히, 제조되는 성형체의 구조에 따라서는, 무기 입자(52e)부터 다음 토출 위치까지의 사이에 전구체 P가 토출되지 않는 구간이 존재해도 된다.
도 3(f)에서는, 도 3(a)와 마찬가지로, 다시 전구체 P가 토출기(12)로부터 스테이지(10) 상에 토출된다. 그 후, 도 3(b)~도 3(e)을 참조하여 설명한 동작이 반복된다.
구체적으로는, 예를 들면 x방향을 따라 스테이지(10)의 일단부터 타단까지 상기 프로세스를 행한 후, 토출기(12), 고정화 유닛(14), 및 열원 유닛(16)을 y방향을 따라 약간 이동시키고, 다시 x방향을 따라 스테이지(10)의 일단부터 타단까지 상기 프로세스가 행해진다. 이렇게, 토출 위치 및 조사 위치를 y방향으로 조금씩 움직이면서 x방향을 따라 상기 프로세스를 반복함으로써, 스테이지(10) 전체에 걸쳐서 전구체 P의 토출과 고정화, 탈지, 및 열 고결의 각 공정을 실행할 수 있다.
또한, 스테이지(10)에 대해 토출기(12), 고정화 유닛(14), 및 열원 유닛(16)을 이동시키는 방법은, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, x방향이 아니라 y방향을 따라 상기 프로세스가 행해져도 된다. 또, 특정 방향을 따른 이동을 반복하는 것이 아니라, 전구체 P를 토출해야 할 임의의 위치에 토출기(12), 고정화 유닛(14), 및 열원 유닛(16)을 직접 이동시키는 것을 반복해도 된다. 예를 들면, 전구체 P를 토출해야 할 각 위치 중 현재의 토출기(12)의 위치로부터의 거리가 가장 짧은 위치가, 다음 토출 위치로서 선택되어도 된다.
도 4는, 제1 실시형태의 성형 장치(1)에 의한 성형체의 제조 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
스테이지(10) 상에서 제1층의 형성이 개시되면(S1000), 우선, 제어부(20)는, 스테이지(10) 상에 전구체 P의 토출을 개시하도록 토출기(12)에 지시한다(S1002). 전구체 P가 토출되어 스테이지(10) 상에 착지하면, 감시부(18)가 전구체 P의 착지를 검지한다(S1004). 예를 들면, 감시부(18)는, 전구체 P의 착지 위치 및 타이밍을 검출한다.
다음에, 제어부(20)는, 착지한 전구체 P의 바인더 Pb를 경화시키기 위한 광을 조사하도록 LED(30)에 지시한다(S1006). 이에 의해, 전구체 P가 스테이지(10) 상에 고정화된다.
다음에, 제어부(20)는, 스테이지(10) 상의 전구체 P의 바인더 Pb의 탈지를 행하기 위한 레이저광을 조사하도록 탈지용 레이저(32)에 지시한다(S1008). 탈지용 레이저(32)의 조사 위치는, LED(30)의 조사 위치와 같아도 되고, 도 3을 참조하여 설명한 것처럼, 직전에 전구체 P의 고정화가 행해진 LED(30)의 조사 위치로부터 어느 정도 떨어진 다른 위치여도 된다.
다음에, 제어부(20)는, 스테이지(10) 상의 전구체 P의 무기 입자 Pa의 열 고결을 행하기 위한 레이저광을 조사하도록 열 고결용 레이저(34)에 지시한다(S1010). 열 고결용 레이저(34)의 조사 위치는, 탈지용 레이저(32)의 조사 위치와 같아도 되고, 어느 정도 떨어진 다른 위치여도 된다.
다음에, 제어부(20)는, 입력 데이터에 비추어, 제1층의 형성이 완료되었는지 여부를 판정한다(S1012). 제1층의 형성이 완료되지 않았다고 판정되었을 경우(S1012:NO), 제어부(20)는, 감시부(18)에 의해 취득된 스테이지(10) 상의 전구체 P의 위치나 열수축의 모습 등의 정보에 의거하여, 다음에 전구체 P를 토출해야 할 토출 위치를 결정함과 더불어, LED(30)나 탈지용 레이저(32), 열 고결용 레이저(34)의 조사 위치를 결정한다(S1014). 또, 제어부(20)는, 결정된 토출 위치 및 조사 위치에 의거하여, 토출기 이동 기구(42), LED 이동 기구(44), 탈지용 레이저 이동 기구(46), 및 열 고결용 레이저 이동 기구(48)에 지시하여, 토출기(12), LED(30), 탈지용 레이저(32), 및 열 고결용 레이저(34)의 배치를 적절히 변경시킨다(S1014). 그 후, 다시 전구체 P가 스테이지(10) 상에 토출되고, 흐름은 S1004로 돌아온다.
여기서, 다음 토출 위치는, 임의의 방법으로 결정된다. 예를 들면, 다음 토출 위치는, 상기와 같이, 우선 x방향을 따라 스테이지(10)의 일단으로부터 타단으로 나아가고, 그 후 y방향으로 약간 나아가고, 다시 x방향을 따라 스테이지(10)의 일단으로부터 타단으로 나아가고, 다시 y방향으로 약간 나아가고, 이를 반복하는 이와 같은 순서에 따라 결정되어도 되고; 현재의 토출기(12)의 위치로부터의 거리에 의거하여 결정되어도 된다.
한편, 제1층의 형성이 완료되었다고 판정되었을 경우(S1012:YES)에는, 제어부(20)는, 전구체 P의 토출을 정지하도록 토출기(12)에 지시한다(S1016).
다음에, 제어부(20)는, 입력 데이터에 비추어, 성형체 전체의 형성이 완료되었는지 여부를 판정한다(S1018). 성형체의 형성이 완성되지 않았다고 판정되었을 경우(S1018:NO), 제어부(20)는, 스테이지(10)를 z방향으로 이동시키도록(예를 들면, z방향으로 1층분만큼 하강시키도록) 스테이지 이동 기구(40)에 지시한다(S1020). 그 후, 흐름은 S1000으로 돌아와, 제2층의 형성이 개시된다.
한편, 성형체 전체의 형성이 완료되었다고 판정되었을 경우(S1018:YES), 성형체의 제조가 완료된다. 제1층부터 최종층까지 형성이 완료됨으로써, 임의의 3차원 입체 형상을 갖는 성형체가 얻어진다.
[효과]
이상 설명한 제1 실시형태에 따른 성형 장치(1)에 의하면, 전구체 P의 열 고결이 국소적으로 복수 회 행해져, 열 고결 조작이 행해진 후에도 다음 전구체 P가 더 공급된다. 예를 들면, 토출기(12)로부터의 전구체 P의 공급을 뒤따라가도록, 전구체 P의 고정화(바인더 Pb의 경화), 바인더 Pb의 탈지, 및 무기 입자 Pa의 열 고결이 순차적으로 행해지므로, 이들 공정이 세분화 될 수 있다.
탈지 공정이 세분화되어 소량의 전구체 P에 대해 탈지가 행해지므로, 종래의 광조형법처럼 무기 입자가 분산된 바인더의 입체 성형을 행한 후에 성형체 전체에 대해 한 번에 탈지를 행하는 경우와 비교하면, 각 탈지 조작마다 바인더 Pb가 제거되어, 바인더 Pb 및 바인더 Pb의 분해 성분 등이 성형체 중에 잔류하는 것을 억제하는 것이 가능하다. 또, 종래의 광조형법처럼 성형체 전체의 탈지를 행하는 경우에는 바인더의 체적분의 간극이 성형체의 내부에 생길 수 있으므로, 완성된 성형체는 그 간극분만큼 수축되어 버리는 경우가 있으나, 본 실시형태처럼 탈지 공정이 세분화되면, 이러한 간극이 발생해도, 계속해서 전구체 P의 공급이 행해지므로, 다음 전구체 P에 의해 간극을 메울 수 있어, 이러한 수축을 억제하는 것이 가능하다.
또, 열 고결 공정이 세분화되어, 소량의 전구체 P에 대해 열 고결이 행해지므로, 종래의 광조형법처럼 일단 입체 성형을 행한 후에 탈지된 성형체 전체에 대해 열 고결을 행하는 경우와 비교하면, 성형체의 부위마다의 열팽창률의 차 등에 의한 열 고결체의 균열이나 파손의 발생을 억제하는 것이 가능하다. 만일 열팽창 및 열수축에 의한 균열 등이 생겼을 경우에도, 계속해서 전구체 P의 공급이 행해지므로, 다음 전구체 P에 의해 이러한 결함을 메울 수 있어, 이러한 결함의 악영향을 억제하는 것이 가능하다. 이렇게 열 고결 결과에 의거하여 피드백적으로 전구체 P의 토출을 제어하면, 원하는 형상 및 크기를 갖는 속이 찬 성형체를 제조하는 것이 가능하다.
또한, 종래의 광조형법처럼 액조에 수용된 전구체를 1층마다 경화시켜 입체 성형을 행하는 경우에는, 1층마다, 필요한 부분만을 경화시킨 후 경화되어 있지 않은 바인더를 제거할 필요가 있으나, 본 실시형태에 따른 성형 장치(1)는, 이러한 공정을 필요로 하지 않는다. 이 때문에, 성형 프로세스의 비용을 저감함과 더불어 효율성을 향상시킬 수 있다. 또, 종래의 광조형법에 있어서의 제약을 경감함으로써, 무기 재료의 입체 조형에 있어서의 자유도를 향상시킬 수가 있다.
이에 의해, 품질이 향상된 무기 재료 함유 성형체를 제조할 수 있다.
또, 본 실시형태에 의하면, 성형 장치(1)는, 고정화 유닛(14)으로서 LED(30)를 구비하고, 열원 유닛(16)으로서 탈지용 레이저(32) 및 열 고결용 레이저(34)를 구비한다. 이에 의해, 고정화, 탈지, 및 열 고결의 각 공정의 실행 위치나 타이밍 등을 별도로 제어하는 것이 가능해져, 상술한 바와 같은 순차적인 성형 처리를 효율적으로 실행할 수 있다.
또한, 상기 예에서는, 전구체 P의 바인더 Pb로서 광경화성 조성물을 사용했으나, 바인더 Pb는 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 바인더 Pb로서 페놀 수지나 폴리우레탄 등의 열경화성 조성물을 채용하고, 고정화 유닛(14)의 구성 요소로서 LED(30) 대신에 열경화성 수지를 경화시키기 위한 열원(예를 들면 레이저)을 사용해도 된다. 이 경우, 열경화성 수지로 이루어지는 바인더 Pb가 열원으로부터의 열로 경화됨으로써, 전구체 P가 스테이지(10) 상에 고정화된다.
[제2 실시형태]
다음에, 도 5 및 도 6을 참조하여, 제2 실시형태에 대해 설명한다. 제2 실시형태에서는, 탈지 및 열 고결을 단일 레이저로 실행하는 점에서, 제1 실시형태와는 다르다. 또한, 이하에 설명하는 구성 이외의 구성은, 제1 실시형태와 같다.
도 5는, 제2 실시형태에 따른 성형 장치(101)를 나타내는 도면이다. 도 6은, 제2 실시형태의 성형 장치(1)의 시스템 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
제2 실시형태에 따른 성형 장치(101)는, 스테이지(110), 토출기(112), 고정화 유닛(114), 열원 유닛(116), 감시부(118), 및 제어부(120)를 구비한다. 제1 실시형태의 열원 유닛(16)이 탈지용 레이저(32) 및 열 고결용 레이저(34)와 같은 2개의 레이저를 포함하는 것에 비해, 열원 유닛(116)은, 단일 레이저인 탈지·열 고결용 레이저(132)를 구비한다.
탈지·열 고결용 레이저(132)는, 스테이지(110)로부터 이격하여 스테이지(110)의 상방에 배치되어 있다. 탈지·열 고결용 레이저(132)는, 탈지·열 고결용 레이저 이동 기구(146)에 의해, 적어도 x방향 및 y방향으로 이동 가능함과 더불어, 예를 들면 z축에 관해 회동 가능하고, z축과 평행한 평면 내에서도 회동 가능하다.
탈지·열 고결용 레이저(132)는, 스테이지(110) 상의 특정 위치에 열을 가할 수 있고 예를 들면 레이저 출력을 변경함으로써, 상황에 따라 상이한 열량을 가할 수 있다. 이에 의해, 탈지·열 고결용 레이저(132)는, 스테이지(110) 상의 전구체 P를 상이한 온도까지 가열할 수 있다. 예를 들면, 전구체 P의 탈지가 행해지는 탈지 공정에서는, 제어부(120)는, 전구체 P를 예를 들면 200℃~800℃, 바람직하게는 300℃~500℃까지 가열하도록 탈지·열 고결용 레이저(132)에 지시한다. 또, 전구체 P의 열 고결이 행해지는 열 고결 공정에서는, 제어부(120)는, 전구체 P를 예를 들면 500℃~4000℃, 바람직하게는 1000℃~3000℃까지 가열하도록 탈지·열 고결용 레이저(132)에 지시한다. 단, 가열 온도는 이에 한정되지 않고, 전구체 P에 포함되는 무기 입자 Pa나 바인더 Pb의 종류 등에 따라 적절히 변경될 수 있다.
탈지 공정을 생략하고, 탈지·열 고결용 레이저(132)로 전구체 P를 열 고결온도까지 한 번에 승온시킴으로써, 탈지 및 열 고결을 한 번에 행해도 된다.
또한, 탈지용 레이저(32) 및 열 고결용 레이저(34)가 단일 탈지·열 고결용 레이저(132)로 치환되므로, 탈지용 레이저 이동 기구(46) 및 열 고결용 레이저 이동 기구(48)도 한쪽이 생략된다.
제2 실시형태에 따른 성형 장치(101)에 의하면, 단일 열원(탈지·열 고결용 레이저(132))으로 탈지 및 열 고결 양쪽 모두를 실행할 수 있으므로, 성형 장치(101)의 구성을 간략화할 수 있어, 전체 비용을 저감하는 것이 가능하다.
[제3 실시형태]
다음에, 도 7~도 10을 참조하여, 제3 실시형태에 대해 설명한다. 제3 실시형태에서는, 무기 입자 Pa'가 유기 코팅 Pb'로 싸인 구성의 전구체 P'를 사용하고, 고정화 유닛(214)의 구성 요소로서 LED(30) 대신에 융해용 레이저(융해용 열원)(230)를 사용하는 점에서, 제1 실시형태와는 다르다. 또한, 이하에 설명하는 구성 이외의 구성은, 제1 실시형태와 같다.
도 7은, 제3 실시형태에 따른 성형 장치(201)를 나타내는 도면이다. 도 8은, 제3 실시형태의 성형 장치(201)의 시스템 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
제3 실시형태에서는, 전구체 P'는, 무기 입자 Pa'(코어) 및 무기 입자 Pa'를 코트하는 유기 코팅 Pb'(셸)를 포함하는 코어셸 구조를 갖는다. 전구체 P'는 고체이며, 다수의 전구체 P'가 토출기(212)에 충전된다. 예를 들면, 토출기(212)는, 전구체 P'를 1알씩 스테이지(210) 상에 토출한다.
유기 코팅 Pb'는, 열에 의해 연화 또는 융해(이하, 합쳐서 단순히 '융해'라고 한다. )되는 열가소성 수지 등으로 이루어진다. 열가소성 수지의 예로는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리아세탈, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 염화비닐 수지, ABS 수지 등을 들 수 있다.
제3 실시형태에 따른 성형 장치(201)는, 스테이지(210), 토출기(212), 고정화 유닛(214), 열원 유닛(216), 감시부(218), 및 제어부(220)를 구비한다. 제1 실시형태 및 제2 실시형태의 고정화 유닛(14, 114)이 바인더 Pb를 경화시키기 위한 LED(30, 130)를 포함하는 것에 비해, 고정화 유닛(214)은 융해용 레이저(230)를 구비한다.
융해용 레이저(230)는, 스테이지(210) 상에서 유기 코팅 Pb'에 열을 가한다. 이에 의해, 유기 코팅 Pb'가 스테이지(210) 상에서 융해된다. 예를 들면, 융해용 레이저(230)는, 전구체 P'에 대해 레이저 조사를 행함으로써, 전구체 P'를 예를 들면 80℃~200℃까지 가열해, 전구체 P'의 유기 코팅 Pb'를 융해시킬 수 있다. 융해용 레이저(230)는, 융해용 레이저 이동 기구(244)에 의해, 적어도 x방향 및 y방향으로 이동 가능함과 더불어, 예를 들면 z축에 관해 회동 가능하고, z축과 평행한 평면 내에서도 회동 가능하다.
다음에, 도 9 및 도 10을 참조하여, 제3 실시형태의 성형 장치(201)의 성형체의 제조 방법의 일례에 대해 설명한다.
도 9는, 제3 실시형태의 성형 장치(201)에 의한 성형체의 제조 방법의 일례를 나타내는 도면이다. 도 9는, 당해 제조 방법에 있어서의 전구체 P'의 토출부터 열 고결까지의 일련의 프로세스 (a)~(g)를 나타낸다.
도 9(a)에서는, 전구체 P'가 스테이지(210) 상에 토출된다. 여기서는, 도 3과 동일하게, 스테이지(210) 상에, 이미 열 고결이 완료된 열 고결체(250)와, 유기 코팅 Pb'가 융해 후 고체화된 고체화 코팅(254)으로 싸인 무기 입자(252a~252d)가 형성되어 있다. 전구체 P'의 토출은, 도면의 좌측(-x방향)에서 우측(+x방향)으로 차례로 행해지고 있다.
도 9(b)에서는, 토출된 전구체 P'가, 무기 입자(252d)의 옆에 착지한다. 감시부(218)는, 전구체 P'의 착지 위치 및 타이밍을 취득한다. 착지 직후에는, 토출된 전구체 P'는 고체이며, 전구체 P'의 유기 코팅(254e)은, 인접하는 고체화 코팅 (254)과는 일체화되어 있지 않다. 이 유기 코팅(254e)을 향해, 고정화 유닛(214)의 융해용 레이저(230)가 레이저광을 조사한다. 이에 의해, 열가소성 수지로 이루어지는 유기 코팅(254e)이 융해된다.
도 9(c)에서는, 융해용 레이저(230)에 의해, 유기 코팅(254e)과 함께, 유기 코팅(254e)에 인접하는 무기 입자(252d) 근방의 유기 코팅(254)도 동시에 융해되어, 유기 코팅(254e)과 일체화되어 있다. 다음에, 융해된 유기 코팅(254e)이 자연 냉각에 의해 고체화된다. 이 때, 동시에 융해된 유기 코팅(254)도 고체화되므로, 무기 입자(252a~252e)를 싸는 유기 코팅 전체가 일체화된다.
도 9(d)에서는, 유기 코팅(254e)을 포함하는 유기 코팅(254)이 고체화되어 있고, 토출된 전구체 P'에 포함되는 무기 입자(252e)가 스테이지(210) 상에 고정화되어 있다.
이 이후의 도 9(d)~도 9(g)에 나타내는 공정은, 도 3(c)~도 3(f)에 나타내는 공정과 대체로 같다. 즉, 도 9(d)에서는, 열원 유닛(216)의 탈지용 레이저(232)가, 무기 입자(252a) 근방에 레이저광을 조사함으로써, 무기 입자(252a) 근방의 고체화 코팅(254)이 탈지된다. 도 9(e)에서는, 열원 유닛(216)의 열 고결용 레이저(234)가, 열 고결체(250)와 무기 입자(252a)의 경계 근방에 레이저광을 조사하여, 열 고결체(250) 및 무기 입자(252a)를 열 고결시킨다. 도 9(f)에서는, 토출기(212) 등이 +x방향으로 이동한다. 도 9(g)에서는, 다시 전구체 P'가 토출기(212)로부터 스테이지(210) 상에 토출된다. 그 후, 도 9(b)~도 9(f)를 참조하여 설명한 동작이 반복된다.
도 10은, 제3 실시형태의 성형 장치(201)에 의한 성형체의 제조 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 4에 나타낸 성형 장치(1)에 의한 성형체의 제조 방법과 비교하면, 전구체 P를 스테이지(210) 상에 고정화하는 공정이 상이하다.
제1 실시형태에서는, 전구체 P의 고정화 공정은, 전구체 P의 착지가 검출된 후, LED(30)로 바인더 Pb를 경화시킴으로써 실행된다(S1006).
이에 비해, 제3 실시형태에서는, 전구체 P'의 착지가 검출된 후, 제어부(220)는, 스테이지(210) 상에 착지한 전구체 P'의 유기 코팅(254e)에 열을 가해 융해시키기 위한 레이저광을 전구체 P'에 조사하도록, 융해용 레이저(230)에 지시한다(S3006). 그 후, 융해된 유기 코팅(254e)이 자연 냉각에 의해 고체화된다(S3008). 이에 의해, 전구체 P'가 스테이지(210) 상에 고정화된다.
감시부(218) 또는 임의의 검출기(예를 들면 서모그래피 장치)로 유기 코팅(254e)의 상태나 온도를 조사함으로써, 유기 코팅(254e)이 고체화되었는지 여부를 판정할 수 있다. 혹은, 융해용 레이저(230)가 레이저광을 조사하고 소정 시간이 경과했을 때에 유기 코팅(254e)이 고체화되었다고 판정해도 된다. 유기 코팅(254e)이 고체화되었다고 판정되면, 흐름은 S3010으로 진행된다.
그 이후의 공정은, 제1 실시형태와 같다. 즉, 도 10의 S3010~S3022는, 도 4의 S1008~S1020에 대응한다.
[변형예]
상기 예에서는, 전구체 P의 토출, 전구체의 고정화, 탈지, 및 열 고결이 완료된 후에, 스테이지가 z방향으로 이동하여, 다음 전구체 P의 토출이 행해지나, 성형 프로세스는 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 전구체의 고정화 후, 탈지 공정 전에 스테이지의 이동이 행해지고, 탈지나 열 고결과 병행하여 다음 전구체의 토출이나 고정화가 행해져도 된다. 또, 전구체의 고정화와 병행하여 다음 전구체의 토출이 행해져도 된다. 예를 들면, 토출기로부터의 전구체의 토출이 간헐적이 아니라 연속적으로 행해지는 경우에는, 전구체는 끊임없이 계속 공급되므로, 전구체의 공급과 병행하여, 공급된 전구체의 고정화, 탈지, 열 고결, 및 스테이지나 레이저 등의 각 구성 요소의 이동이 행해질 수 있다.
상기 예에서는, 전구체가 스테이지 상에 착지한 후에, LED나 융해용 레이저에 의한 고정화를 위한 광 조사가 행해지나, 이 고정화 처리의 타이밍은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 전구체가 토출되어 낙하하고 있는 동안에 광 조사가 행해져도 된다.
상기 예에서는, 탈지용 레이저 및 열 고결용 레이저가 거의 같은 영역에 레이저 광을 조사하고 있으나, 이들 조사 위치는 반드시 같지 않아도 된다. 예를 들면, 열 고결용 레이저의 조사 위치가 탈지용 레이저의 조사 위치로부터 일정 거리(예를 들면 1mm 정도) 떨어지도록 해, 탈지용 레이저에 의한 조사를 추종하도록 열 고결용 레이저의 조사를 제어해도 된다.
상기 예에서는, 탈지 공정 전에 LED 또는 융해용 레이저를 사용하여 스테이지상에 전구체 P를 잠정적으로 고정화함으로써 성형 장치의 동작이 안정화될 수 있으나, 예를 들면 이 고정화 공정을 생략하고, 스테이지로의 전구체 P의 착지가 검지되었을 경우에 탈지용 레이저의 조사를 행하여, 바인더 Pb의 탈지를 행해도 된다.
상기 예에서는, 고정화 유닛과 열원 유닛이 별도의 구성 요소로서 설치되어 있으나, 예를 들면 전구체의 광경화성 조성물을 경화시키기 위한 광원으로서 열원 유닛의 탈지용 레이저나 열 고결용 레이저, 탈지·열 고결용 레이저를 사용하는 것도 가능하다. 이 경우, 고정화시에는 당해 레이저의 출력을 약하게 해서 사용하고, 탈지 및 열 고결을 행할 때는 당해 레이저의 출력을 높여 사용하게 된다. 특히 탈지·열 고결용 레이저를 사용하는 경우에는, 고정화, 탈지, 및 열 고결을 모두 단일 레이저 장치로 실행하는 것이 가능하여, 성형 장치의 구성을 간략화할 수 있다.
상기 예에서는, 열 고결 공정을 실행한 후 또한 전구체의 착지를 검지하기 전에, 제어부에 의해 토출기의 토출 위치 및 고정화 유닛과 열원 유닛의 조사 위치가 결정됨과 더불어 이들의 배치가 변경될 수 있으나, 이러한 토출 위치 및 조사 위치의 결정 및 배치 변경의 타이밍은 이에 한정되지 않는다. 제어부는, 임의의 타이밍에 토출기의 토출 위치 및 고정화 유닛과 열원 유닛의 조사 위치를 결정함과 더불어, 임의의 타이밍에 이들의 배치의 변경을 토출기 이동 기구, LED 이동 기구, 탈지용 레이저 이동 기구, 및 열 고결용 레이저 이동 기구 등에 지시할 수 있다.
상기 예에서는, 감시부에 의한 감시 데이터에 의거하여 토출 위치 및 조사 위치가 결정되나, 감시 데이터를 사용하지 않고 , 미리 설정된 토출 위치 및 조사 위치의 시퀀스에 따라 전구체의 토출 및 각 공정이 실행되어도 된다. 마찬가지로, 상기 예에서는, 감시부에 의한 감시 데이터에 의거하여 고정화 유닛이나 열원 유닛의 조사 타이밍 등이 결정되나, 감시 데이터를 사용하지 않고, 토출기가 실제로 토출을 행하는 타이밍이나 전구체의 밀도, 토출량, 토출기와 스테이지 사이의 거리 등에 의거하여, 고정화 유닛이나 열원 유닛의 조사 타이밍이 결정되어도 된다.
상기 예에서는, 스테이지를 z방향으로 단계적으로 강하시켜, 성형체를 아래로부터 1층씩 형성해 나가는 프로세스를 설명했으나, 반드시 층 단위로 성형을 행할 필요는 없다. 예를 들면, 토출기, 고정화 유닛, 및 열원 유닛의 높이나 방향을 적절히 변경함으로써, 스테이지를 z방향으로 움직이지 않고, 스테이지 상에서 전구체를 쌓아올려 감으로써 성형체를 성형하는 것도 가능하다. 이 경우, 토출기, 고정화 유닛, 및 열원 유닛은, 토출기 이동 기구, LED 이동 기구, 탈지용 레이저 이동 기구, 및 열 고결용 레이저 이동 기구에 의해, z방향으로도 이동 가능해도 된다.
또, 상기 예에서는, 결정된 토출 위치 및 조사 위치에 의거하여 토출기, 고정화 유닛, 및 열원 유닛을 이동시키고 있으나, 토출기, 고정화 유닛, 및 열원 유닛을 이동시키는 대신에, x방향 및 y방향에 있어서 스테이지를 이동시켜도 된다. 즉, 토출기, 고정화 유닛, 및 열원 유닛의 위치를 고정하고, 스테이지를 x방향, y방향, 및 z방향으로 이동시켜도 된다.
상기 예에서는, 전구체 P를 공급하는 공급부로서 토출기가 사용되고 있으나, 공급부는 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 전구체 P가 일정 이상의 크기의 고체인 경우에는, 물리적인 파지나 자기적 작용 등에 의한 흡착에 의해 전구체 P를 유지함과 더불어 스테이지 상의 임의의 장소에 배치할 수 있는 미세 아암 기구가 공급부로서 사용되어도 된다.
이상과 같이, 본 발명을 한정된 실시예와 도면에 의해 설명했으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 사람에 의해 본 발명의 기술 사상과 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 말할 필요도 없다.

Claims (16)

  1. 무기 재료를 포함하는 전구체를 스테이지 상에 간헐적 또는 연속적으로 공급하는 공급부;
    상기 공급부로부터 공급된 상기 전구체의 열 고결을 행하기 위해, 적어도 상기 스테이지 상에 열 고결용 열원을 포함하는 열원 유닛; 및
    상기 공급부에 의한 상기 전구체의 공급 개시부터 공급 정지까지 상기 공급부가 상기 전구체를 계속 공급하는 사이에, 상기 전구체 공급과 병행하여 상기 열 고결용 열원이 이미 공급된 상기 전구체의 열 고결을 행하도록, 상기 공급부 및 상기 열원 유닛을 제어하는 제어부를 포함하는 성형 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 공급부에 의한 상기 전구체의 공급 개시부터 공급 정지까지의 사이에, 상기 전구체의 공급과 상기 전구체의 열 고결을 복수 회 반복하도록, 상기 공급부 및 상기 열원 유닛을 제어하는, 성형 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전구체는, 상기 무기 재료가 분산된 유기 바인더 또는 상기 무기 재료를 싸는 유기 코팅을 포함하고,
    상기 열원 유닛은, 상기 전구체에 열을 가함으로써 상기 유기 바인더 또는 상기 유기 코팅의 탈지를 행하는 탈지용 열원을 더 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 열 고결용 열원에 의한 열 고결 전에 상기 탈지를 행하도록 상기 탈지용 열원을 제어하는, 성형 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전구체는, 상기 무기 재료가 분산된 유기 바인더 또는 상기 무기 재료를 싸는 유기 코팅을 포함하고,
    상기 열 고결용 열원은, 상기 전구체에 열을 가함으로써 상기 유기 바인더 또는 상기 유기 코팅의 탈지를 행하는, 성형 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전구체를 상기 스테이지 상에 고정화하는 고정화 유닛을 더 구비하는, 성형 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전구체는, 광경화성 조성물을 포함하는 유기 바인더를 포함하고,
    상기 고정화 유닛은, 열 고결 전에 상기 광경화성 조성물의 광경화를 행하는 광원을 포함하는, 성형 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 전구체는, 유기 코팅으로 코트된 무기 입자를 포함하고,
    상기 고정화 유닛은, 열 고결 전에 상기 유기 코팅의 열 융해를 행하는 융해용 열원을 포함하는, 성형 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테이지 상의 상기 전구체를 감시하는 감시부를 더 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 감시부로부터의 정보에 의거하여, 상기 스테이지 상의 상기 전구체를 공급하는 위치 및 상기 스테이지 상의 상기 열 고결을 행하는 위치 중 적어도 한쪽을 결정하는, 성형 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 사전에 입력된 성형체의 3차원 형상 데이터에 의거하여, 상기 무기 재료에 의해 상기 성형체가 3차원 형상으로 형성되도록 상기 공급부 및 상기 열원 유닛을 제어하는, 성형 장치.
  10. 무기 재료를 포함하는 전구체로부터 성형체를 제조하는 방법으로서,
    상기 전구체를 공급부로부터 스테이지 상에 간헐적 또는 연속적으로 공급하는 공급 단계; 및
    상기 공급부에 의한 상기 전구체의 공급 개시부터 공급 정지까지 상기 공급부가 상기 전구체를 계속 공급하는 사이에, 상기 전구체 공급과 병행하여 이미 공급된 상기 전구체에 상기 스테이지 상에서 열을 가함으로써 상기 전구체의 열 고결을 행하는 열 고결 단계를 포함하는 성형체의 제조 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 공급 단계와 상기 열 고결 단계를 반복함으로써 상기 성형체가 형성되는, 성형체의 제조 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 스테이지를 연직 방향 하향으로 이동시키는 스테이지 이동 단계를 더 포함하고,
    상기 공급 단계와 상기 열 고결 단계 및 상기 스테이지 이동 단계를 반복함으로써, 3차원 형상을 갖는 상기 성형체가 형성되는, 성형체의 제조 방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 열 고결 단계는, 상기 전구체에 대해서 레이저 또는 전자 빔을 국소적으로 조사함으로써 행해지는, 성형체의 제조 방법.
  14. 청구항 10 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 고결 단계 전에, 공급된 상기 전구체를 경화시키는 경화 단계를 더 포함하는, 성형체의 제조 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 경화 단계 후이고 상기 열 고결 단계 전에, 경화된 상기 전구체의 탈지를 행하는 탈지 단계를 더 포함하는, 성형체의 제조 방법.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 스테이지 상의 상기 전구체의 배치에 의거하여, 상기 공급 단계에 있어서 상기 스테이지 상의 상기 전구체를 공급하는 위치 및 상기 열 고결 단계에 있어서 상기 스테이지 상의 열 고결을 행하는 위치 중 적어도 한쪽을 결정하는 위치 결정 단계를 더 포함하는, 성형체의 제조 방법.
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