KR20170091029A - 삼차원 조형물의 제조 방법 - Google Patents

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KR20170091029A
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에이지 오까모또
마사야 이시다
히로시 와다
도시미쯔 히라이
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세이코 엡슨 가부시키가이샤
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Abstract

고정밀도의 삼차원 조형물을 제조한다.
층을 적층하여 적층체를 형성함으로써 삼차원 조형물을 제조하는 삼차원 조형물의 제조 방법이며, 삼차원 조형물의 구성 영역에 대응하는 구성층(310)을 형성하는 구성층 형성 공정과, 구성층(310)에 접하여 당해 구성층(310)을 지지하는 지지층(300)을 형성하는 지지층 형성 공정과, 구성층(310)을 소결하는 소결 공정을 갖고, 지지층(300)은 적어도 2 방향으로부터 구성층(310)에 둘러싸인 공간 S의 소결 공정에 수반하는 체적 감소량보다도, 당해 공간 S에서 당해 구성층(310)을 지지하는 지지층(300)의 당해 소결 공정에 수반하는 체적 감소량 쪽이 커지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 삼차원 조형물의 제조 방법.

Description

삼차원 조형물의 제조 방법{THREE-DIMENSIONAL SHAPED ARTICLE PRODUCTION METHOD}
본 발명은 삼차원 조형물의 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터, 층을 적층함으로써 삼차원 조형물을 제조하는 제조 방법이 실시되고 있다. 이 중, 삼차원 조형물의 구성 영역에 대응하는 구성층을 형성할 때에 당해 구성층을 지지하면서 삼차원 조형물을 제조하는 제조 방법이 개시되어 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에는, 분말 재료로 층을 형성하고, 삼차원 조형물의 구성 영역에 대응하는 부분(즉 구성층)에 결합제를 토출한다는 사이클을 복수회 행함으로써, 구성 영역에 대응하는 부분 이외의 분말 재료로 구성층을 지지하면서 삼차원 조형물을 제조하는 제조 방법이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 평6-218712호 공보
삼차원 조형물은, 여러가지 재료로 구성할 수 있고, 예를 들어, 금속이나 세라믹스 등으로 삼차원 조형물의 형상을 형성하고, 삼차원 조형물의 형상이 완성된 후에 그것을 소결시키는 경우가 있다. 이 중, 삼차원 조형물의 구성층 및 그의 지지층을 일괄하여 가열하여 구성층을 소결시키는 경우가 있다. 이러한 경우, 지지층은, 소결 중의 구성층을 지지하는 역할이 있음과 함께, 소결 후에 구성층과 박리되기 쉽게 하기 위해서, 구성층의 소결에 수반하는 형상 변화가 적고, 구성층의 소결에 따라 용융 및 소결을 하지 않는 것이 일반적으로 사용되고 있다.
그러나, 이러한 지지층을 형성하면, 삼차원 조형물의 구성층을 형성할 때에 당해 구성층을 지지하면서 삼차원 조형물을 제조하는 종래의 제조 방법에 있어서는, 구성층의 소결에 수반하는 체적 변화(수축)에 지지층의 형상 변화가 수반하지 않아, 구성층이 왜곡되는(즉 삼차원 조형물의 소결체가 변형되는) 경우가 있었다. 즉, 구성층의 왜곡에 수반하여, 고정밀도의 삼차원 조형물을 제조할 수 없는 경우가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 고정밀도의 삼차원 조형물을 제조하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 형태의 삼차원 조형물의 제조 방법은, 층을 적층하여 적층체를 형성함으로써 삼차원 조형물을 제조하는 삼차원 조형물의 제조 방법이며, 삼차원 조형물의 구성 영역에 대응하는 구성층을 형성하는 구성층 형성 공정과, 상기 구성층에 접하여 당해 구성층을 지지하는 지지층을 형성하는 지지층 형성 공정과, 상기 구성층을 소결하는 소결 공정을 갖고, 상기 지지층은, 적어도 2 방향으로부터 상기 구성층에 둘러싸인 공간의 상기 소결 공정에 수반하는 체적 감소량보다도, 당해 공간에서 당해 구성층을 지지하는 상기 지지층의 당해 소결 공정에 수반하는 체적 감소량 쪽이 커지도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 형태에 의하면, 지지층은, 적어도 2 방향으로부터 구성층에 둘러싸인 공간의 소결 공정에 수반하는 체적 감소량보다도, 당해 공간에서 당해 구성층을 지지하는 지지층의 당해 소결 공정에 수반하는 체적 감소량 쪽이 커지도록 구성된다. 즉, 구성층의 소결에 수반하는 체적 변화(수축)에 대응하여 지지층이 형상 변화되어, 지지층은 구성층의 소결에 수반하는 수축의 방해가 되지 않는다. 이 때문에, 삼차원 조형물의 소결체가 변형되는 것을 억제할 수 있어, 고정밀도의 삼차원 조형물을 제조할 수 있다.
또한, 「구성층에 둘러싸인 공간의 소결 공정에 수반하는 체적 감소량」이란, 구성층의 구성 재료에 기초하는 체적 감소량을 의미하고, 당해 공간에 지지층이 없을 경우에 있어서의 당해 공간의 소결 공정 후의 체적 감소량을 의미한다.
또한, 「적어도 2 방향으로부터 구성층에 둘러싸인 공간」이란, 예를 들어, 바닥이 있는 또는 바닥이 없는 통형의 형상에 있어서의 내부 공간이나, 바닥부에 비하여 개방부가 넓은 또는 좁은 컵형의 형상의 내부 공간 등, 전체의 형상이 등방적으로 작아졌을 때에 그 체적이 작아지는 내부 공간을 의미한다.
본 발명의 제2 형태의 삼차원 조형물의 제조 방법은, 상기 제1 형태에 있어서, 상기 지지층은, 상기 공간에서 상기 구성층을 지지하는 적어도 일부가, 상기 소결 공정에 수반하여 구조 변화되는 것을 특징으로 한다.
본 형태에 의하면, 지지층은, 상기 공간에서 구성층을 지지하는 적어도 일부가, 소결 공정에 수반하여 구조 변화한다. 이 때문에, 당해 구조 변화에 따라 구성층의 소결에 수반하는 체적 변화(수축)에 대응하여 지지층이 형상 변화되어, 지지층이 구성층의 소결에 수반하는 수축의 방해를 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 「소결 공정에 수반하여 구조 변화되는」이란, 예를 들어, 지지층의 형성 재료의 일부가 분해 제거되는 구성 이외에, 하니컴 구조, 트러스 구조, 격자 구조 등으로 형성된 지지층이, 소결 공정에 수반하여, 이 구조가 붕괴되는 것 등을 들 수 있다.
본 발명의 제3 형태의 삼차원 조형물의 제조 방법은, 상기 제1 또는 제2 형태에 있어서, 상기 지지층은, 상기 공간에서 상기 구성층을 지지하는 적어도 일부가, 상기 소결 공정에 수반하는 체적 변화가 상대적으로 큰 영역과 작은 영역을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 형태에 의하면, 지지층은, 상기 공간에서 구성층을 지지하는 적어도 일부가, 소결 공정에 수반하는 체적 변화가 상대적으로 큰 영역과 작은 영역을 갖는다. 이 때문에, 체적 변화가 상대적으로 큰 영역에 의해 효과적으로 구성층의 소결에 수반하는 체적 변화(수축)에 대응하여 지지층이 형상 변화되고, 체적 변화가 상대적으로 작은 영역에 의해 효율적으로 소결 중의 구성층을 지지할 수 있다.
또한, 「체적 변화가 상대적으로 큰 영역과 작은 영역」이란, 당해 작은 영역의 체적 변화율(수축률)이 당해 큰 영역의 체적 변화율(수축률)보다도 크기만 하면 그 차나 절대량에 특별히 한정은 없고, 당해 작은 영역의 체적 변화율(수축률)이 실질적으로 없는 경우도 포함하는 의미이다.
본 발명의 제4 형태의 삼차원 조형물의 제조 방법은, 상기 제1 내지 제3 중 어느 하나의 형태에 있어서, 상기 지지층은, 상기 공간에서 상기 구성층을 지지하는 적어도 일부가, 상기 소결 공정에 수반하여 파우더화되는 것을 특징으로 한다.
본 형태에 의하면, 지지층은, 상기 공간에서 구성층을 지지하는 적어도 일부가, 소결 공정에 수반하여 파우더화된다. 이 때문에, 소결 공정 후에, 삼차원 조형물의 소결체를 지지층으로부터 간단히 취출할(삼차원 조형물의 소결체로부터 지지층을 간단히 제거할) 수 있다.
본 발명의 제5 형태의 삼차원 조형물의 제조 방법은, 상기 제1 내지 제4 중 어느 하나의 형태에 있어서, 상기 지지층은, 상기 공간에서 상기 구성층을 지지하는 적어도 일부가, 상기 소결 공정에 수반하여 휘발되는 것을 특징으로 한다.
본 형태에 의하면, 지지층은, 상기 공간에서 구성층을 지지하는 적어도 일부가, 소결 공정에 수반하여 휘발된다. 이 때문에, 소결 공정 중 또는 소결 공정 후에 당해 휘발된 성분을 포함하는 기체의 제거 공정을 실행함으로써, 삼차원 조형물의 소결체로부터 지지층을 간단히 제거할 수 있다.
도 1의 (A)는 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 삼차원 조형물의 제조 장치의 구성을 도시하는 개략 구성도, 도 1의 (B)는 도 1의 (A)에 도시하는 C부의 확대도.
도 2의 (A)는 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 삼차원 조형물의 제조 장치의 구성을 도시하는 개략 구성도, 도 2의 (B)는 도 2의 (A)에 도시하는 C'부의 확대도.
도 3은 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 헤드 베이스의 개략 투시도.
도 4는 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 헤드 유닛의 배치와, 삼차원 조형물의 형성 형태의 관계를 개념적으로 설명하는 평면도.
도 5는 삼차원 조형물의 형성 형태를 개념적으로 설명하는 개략도.
도 6은 헤드 베이스에 배치되는 헤드 유닛의, 기타의 배치의 예를 도시하는 모식도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 관한 삼차원 조형물의 제조 과정을 도시하는 개략도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 관한 삼차원 조형물의 제조 방법의 흐름도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 관한 삼차원 조형물의 제조 방법으로 제조 가능한 삼차원 조형물의 구체예를 도시하는 개략도.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 관한 삼차원 조형물의 제조 과정을 도시하는 개략도.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 실시 형태를 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 삼차원 조형물의 제조 장치의 구성을 도시하는 개략 구성도이다.
여기서, 본 실시 형태의 삼차원 조형물의 제조 장치는, 2종류의 재료 공급부(헤드 베이스)와 2종류의 고화부를 구비하고 있다. 이 중, 도 1은, 1개의 재료 공급부(구성 재료(삼차원 조형물을 구성하는 분말과 용매와 바인더를 포함하는 재료)를 공급하는 재료 공급부)만을 도시한 도면이다. 또한, 도 2는, 1개의 재료 공급부(삼차원 조형물을 형성할 때에 당해 삼차원 조형물을 지지하는 지지부를 형성하는 지지부 형성용 재료를 공급하는 재료 공급부)와, 2개의 고화부(지지층 형성용 재료를 경화시키기 위한 전자파를 사용한 경화부, 지지층 형성용 재료를 소결시키기 위한 레이저를 사용한 가열부)를 도시한 도면이다.
또한, 본 명세서에 있어서의 「삼차원 조형」이란, 소위 입체 조형물을 형성하는 것을 나타내는 것으로서, 예를 들어, 평판 형상, 소위 이차원형의 형상이어도 두께를 갖는 형상을 형성하는 것도 포함된다. 또한, 「지지하는」이란, 하측으로부터 지지하는 경우 외에, 가로측으로부터 지지하는 경우나, 경우에 따라서는 상측으로부터 지지하는 경우도 포함하는 의미이다.
도 1 및 도 2에 도시하는 삼차원 조형물의 제조 장치(2000)(이하, 형성 장치(2000)라고 한다)는 베이스(110)와, 베이스(110)에 구비하는 구동 수단으로서의 구동 장치(111)에 의해, 도시하는 X, Y, Z 방향의 이동, 또는 Z축을 중심으로 하는 회전 방향으로 구동 가능하게 구비된 스테이지(120)를 구비하고 있다.
그리고, 도 1에서 도시되는 바와 같이, 한쪽 단부가 베이스(110)에 고정되고, 다른 쪽 단부에 구성 재료를 토출하는 구성 재료 토출부(1230)를 구비하는 헤드 유닛(1400)을 복수 보유 지지하는 헤드 베이스(1100)가 보유 지지 고정되는, 헤드 베이스 지지부(130)를 구비하고 있다.
또한, 도 2에서 도시되는 바와 같이, 한쪽 단부가 베이스(110)에 고정되고, 다른 쪽 단부에 삼차원 조형물을 지지하는 지지층 형성용 재료를 토출하는 지지층 형성용 재료 토출부(1730)를 구비하는 헤드 유닛(1900)을 복수 보유 지지하는 헤드 베이스(1600)가 보유 지지 고정되는, 헤드 베이스 지지부(730)를 구비하고 있다.
여기서, 헤드 베이스(1100)와, 헤드 베이스(1600)는, XY 평면에 있어서 병렬로 설치되어 있다.
또한, 구성 재료 토출부(1230)와 지지층 형성용 재료 토출부(1730)는 동일한 구성의 것이다. 단, 이와 같은 구성에 한정되지 않는다.
스테이지(120) 상에는, 삼차원 조형물(500)이 형성되는 과정에서의 층(501, 502 및 503)이 형성된다. 삼차원 조형물(500)의 형성에는, 레이저 등에 의한 열 에너지의 조사가 이루어지기 때문에, 스테이지(120)의 열로부터의 보호를 위해서, 내열성을 갖는 시료 플레이트(121)를 사용하여, 시료 플레이트(121) 상에 삼차원 조형물(500)을 형성해도 된다. 본 실시 형태의 시료 플레이트(121)는 튼튼하고 제조가 용이한 금속제의 것이다. 그러나, 시료 플레이트(121)로서는, 예를 들어 세라믹판을 사용함으로써 높은 내열성을 얻을 수 있고, 또한 용융(또는 소결되어도 됨)되는 삼차원 조형물의 구성 재료와의 반응성도 낮아, 삼차원 조형물(500)의 변질을 방지할 수 있다. 또한, 도 1의 (A) 및 도 2의 (A)에서는, 설명의 편의상, 층(501, 502 및 503)의 3층을 예시했지만, 원하는 삼차원 조형물(500)의 형상까지(도 1의 (A) 및 도 2의 (A) 중의 층(50n)까지) 적층된다.
여기서, 층(501, 502, 503, ···50n)은, 각각, 지지층 형성용 재료 토출부(1730)로부터 토출되는 지지층 형성용 재료로 형성되는 지지층(300)과, 구성 재료 토출부(1230)로부터 토출되는 구성 재료로 형성되는 구성층(310)을 포함한다.
또한, 도 1의 (B)는, 도 1의 (A)에 도시하는 헤드 베이스(1100)를 나타내는 C부 확대 개념도이다. 도 1의 (B)에 도시한 바와 같이, 헤드 베이스(1100)는 복수의 헤드 유닛(1400)이 보유 지지되어 있다. 상세는 후술하는데, 1개의 헤드 유닛(1400)은 구성 재료 공급 장치(1200)에 구비하는 구성 재료 토출부(1230)가 보유 지지 지그(1400a)에 보유 지지됨으로써 구성된다. 구성 재료 토출부(1230)는 토출 노즐(1230a)과, 재료 공급 컨트롤러(1500)에 의해 토출 노즐(1230a)로부터 구성 재료를 토출시키는 토출 구동부(1230b)를 구비하고 있다.
도 2의 (B)는, 도 2의 (A)에 도시하는 헤드 베이스(1600)를 나타내는 C'부 확대 개념도이다. 도 2의 (B)에 도시한 바와 같이, 헤드 베이스(1600)는 복수의 헤드 유닛(1900)이 보유 지지되어 있다. 헤드 유닛(1900)은 지지층 형성용 재료 공급 장치(1700)에 구비하는 지지층 형성용 재료 토출부(1730)가 보유 지지 지그(1900a)에 보유 지지됨으로써 구성된다. 지지층 형성용 재료 토출부(1730)는 토출 노즐(1730a)과, 재료 공급 컨트롤러(1500)에 의해 토출 노즐(1730a)로부터 지지층 형성용 재료를 토출시키는 토출 구동부(1730b)를 구비하고 있다. 또한, 지지층 형성용 재료로서 전자파(자외선 등)에 의해 경화 가능한 재료를 사용한 경우에 있어서 당해 지지층 형성용 재료를 경화시키기 위한, 전자파 조사부(1800)를 헤드 베이스(1600)에 구비하고 있다. 또한, 지지층 형성용 재료에 포함되는 바인더로서 용제에 용해 가능한 재료를 사용한 경우에 있어서는, 용제를 제거하고, 당해 지지층 형성용 재료를 경화(바인더에 의한 결착)시키기 위한, 전자파(적외선) 조사부(1800)를 헤드 베이스(1600)에 구비해도 된다. 또한, 지지층 형성용 재료로서 소결 가능한 재료를 사용한 경우에 있어서 당해 지지층 형성용 재료를 소결시키기 위한 레이저 조사부(3100)와, 레이저 조사부(3100)로부터의 레이저광을 위치 결정하는 갈바노 미러(3000)를 스테이지(120)의 상방에 구비하고 있다.
도 1에서 도시되는 바와 같이, 구성 재료 토출부(1230)는 헤드 베이스(1100)에 보유 지지되는 헤드 유닛(1400) 각각에 대응시킨 구성 재료를 수용한 구성 재료 공급 유닛(1210)과 공급 튜브(1220)에 의해 접속되어 있다. 그리고, 소정의 구성 재료가 구성 재료 공급 유닛(1210)으로부터 구성 재료 토출부(1230)에 공급된다. 구성 재료 공급 유닛(1210)에는, 본 실시 형태에 따른 형성 장치(2000)에 의해 조형되는 삼차원 조형물(500)의 구성 재료가 구성 재료 수용부(1210a)에 수용되고, 개개의 구성 재료 수용부(1210a)는 공급 튜브(1220)에 의해, 개개의 구성 재료 토출부(1230)에 접속되어 있다. 이와 같이, 개개의 구성 재료 수용부(1210a)를 구비함으로써, 헤드 베이스(1100)로부터, 복수의 상이한 종류의 재료를 공급할 수 있다.
도 2에서 도시되는 바와 같이, 지지층 형성용 재료 토출부(1730)는 헤드 베이스(1600)에 보유 지지되는 헤드 유닛(1900) 각각에 대응시킨 지지층 형성용 재료를 수용한 지지층 형성용 재료 공급 유닛(1710)과 공급 튜브(1720)에 의해 접속되어 있다. 그리고, 소정의 지지층 형성용 재료가 지지층 형성용 재료 공급 유닛(1710)으로부터 지지층 형성용 재료 토출부(1730)에 공급된다. 지지층 형성용 재료 공급 유닛(1710)에는, 삼차원 조형물(500)을 조형할 때의 지지층을 구성하는 지지층 형성용 재료가 지지층 형성용 재료 수용부(1710a)에 수용되고, 개개의 지지층 형성용 재료 수용부(1710a)는 공급 튜브(1720)에 의해, 개개의 지지층 형성용 재료 토출부(1730)에 접속되어 있다. 이와 같이, 개개의 지지층 형성용 재료 수용부(1710a)를 구비함으로써, 헤드 베이스(1600)로부터, 복수의 상이한 종류의 지지층 형성용 재료를 공급할 수 있다.
구성 재료 및 지지층 형성용 재료로서는, 예를 들어 마그네슘(Mg), 철(Fe), 코발트(Co)나 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 니켈(Ni)의 단체 분말, 또는 이들 금속을 1가지 이상 포함하는 합금(마레이징강, 스테인리스, 코발트 크롬 몰리브덴, 티타늄 합금, 니켈 합금, 알루미늄 합금, 코발트 합금, 코발트 크롬 합금) 등의 혼합 분말을, 용제와, 바인더를 포함하는 슬러리상(또는 페이스트상)의 혼합 재료 등으로 하여 사용하는 것이 가능하다.
또한, 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카르보네이트, 변성 폴리페닐렌에테르, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 범용 엔지니어링 플라스틱을 사용하는 것이 가능하다. 기타, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리페닐렌술피드, 폴리아릴레이트, 폴리이미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르에테르케톤 등의 엔지니어링 플라스틱도 사용하는 것이 가능하다.
이와 같이, 구성 재료 및 지지층 형성용 재료에 특별히 한정은 없고, 상기 금속 이외의 금속이나 세라믹스나 수지 등도 사용 가능하다. 또한, 이산화규소, 이산화티타늄, 산화알루미늄, 산화지르코늄 등을 바람직하게 사용 가능하다.
용제로서는, 예를 들어, 물; 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노에틸에테르 등의 (폴리)알킬렌글리콜모노알킬에테르류; 아세트산에틸, 아세트산n-프로필, 아세트산iso-프로필, 아세트산n-부틸, 아세트산iso-부틸 등의 아세트산에스테르류; 벤젠, 톨루엔, 크실렌 등의 방향족 탄화수소류; 메틸에틸케톤, 아세톤, 메틸이소부틸케톤, 에틸-n-부틸케톤, 디이소프로필케톤, 아세틸아세톤 등의 케톤류; 에탄올, 프로판올, 부탄올 등의 알코올류; 테트라알킬암모늄아세테이트류; 디메틸술폭시드, 디에틸술폭시드 등의 술폭시드계 용제; 피리딘, γ-피콜린, 2,6-루티딘 등의 피리딘계 용제; 테트라알킬암모늄아세테이트(예를 들어, 테트라부틸암모늄아세테이트 등) 등의 이온 액체 등을 들 수 있고, 이들로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
바인더로서는, 예를 들어, 아크릴 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 셀룰로오스계 수지 또는 기타의 합성 수지 또는 PLA(폴리락트산), PA(폴리아미드), PPS(폴리페닐렌술피드) 또는 기타의 열가소성 수지이다. 또한, 자외선의 조사에 의해 중합하는 자외선 경화 수지를 바인더로 사용해도 된다.
형성 장치(2000)에는, 도시하지 않은, 예를 들어 퍼스널 컴퓨터 등의 데이터 출력 장치로부터 출력되는 삼차원 조형물의 조형용 데이터에 기초하여, 상술한 스테이지(120), 구성 재료 공급 장치(1200)에 구비하는 구성 재료 토출부(1230), 및 지지층 형성용 재료 공급 장치(1700)에 구비하는 지지층 형성용 재료 토출부(1730)를 제어하는 제어 수단으로서의 제어 유닛(400)을 구비하고 있다. 그리고, 제어 유닛(400)에는, 도시하지 않지만, 스테이지(120) 및 구성 재료 토출부(1230)가 제휴하여 구동 및 동작하도록 제어하고, 스테이지(120) 및 지지층 형성용 재료 토출부(1730)가 제휴하여 구동 및 동작하도록 제어하는 제어부를 구비하고 있다.
베이스(110)에 이동 가능하게 구비되어 있는 스테이지(120)는 제어 유닛(400)으로부터의 제어 신호에 기초하여, 스테이지 컨트롤러(410)에 있어서 스테이지(120)의 이동 개시와 정지, 이동 방향, 이동량, 이동 속도 등을 제어하는 신호가 생성되고, 베이스(110)에 구비하는 구동 장치(111)에 보내져, 도시하는 X, Y, Z 방향으로 스테이지(120)가 이동한다. 헤드 유닛(1400)에 구비하는 구성 재료 토출부(1230)에서는, 제어 유닛(400)으로부터의 제어 신호에 기초하여, 재료 공급 컨트롤러(1500)에 있어서 구성 재료 토출부(1230)에 구비하는 토출 구동부(1230b)에 있어서의 토출 노즐(1230a)로부터의 재료 토출량 등을 제어하는 신호가 생성되고, 생성된 신호에 의해 토출 노즐(1230a)로부터 소정량의 구성 재료가 토출된다.
마찬가지로, 헤드 유닛(1900)에 구비하는 지지층 형성용 재료 토출부(1730)에서는, 제어 유닛(400)으로부터의 제어 신호에 기초하여, 재료 공급 컨트롤러(1500)에 있어서 지지층 형성용 재료 토출부(1730)에 구비하는 토출 구동부(1730b)에 있어서의 토출 노즐(1730a)로부터의 재료 토출량 등을 제어하는 신호가 생성되고, 생성된 신호에 의해 토출 노즐(1730a)로부터 소정량의 지지층 형성용 재료가 토출된다.
이어서, 헤드 유닛(1400)에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 헤드 유닛(1900)은 헤드 유닛(1400)과 동일한 구성이다. 이 때문에, 헤드 유닛(1900)에 관한 상세한 구성의 설명은 생략한다.
도 3 및 도 4는, 헤드 베이스(1100)에 복수 보유 지지되는 헤드 유닛(1400) 및 구성 재료 토출부(1230)의 보유 지지 형태의 일례를 도시하고, 이 중 도 4는, 도 1의 (B)에 도시하는 화살표 D 방향으로부터의 헤드 베이스(1100)의 외관도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 헤드 베이스(1100)에 복수의 헤드 유닛(1400)이 도시하지 않은 고정 수단에 의해 보유 지지되어 있다. 또한, 도 4에서 도시되는 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 형성 장치(2000)의 헤드 베이스(1100)에서는, 도면 하방으로부터 제1번째 열의 헤드 유닛(1401), 제2번째 열의 헤드 유닛(1402), 제3번째 열의 헤드 유닛(1403), 그리고 제4번째 열의 헤드 유닛(1404)의, 4 유닛이 지그재그 형상(엇갈림)으로 배치된 헤드 유닛(1400)을 구비하고 있다. 그리고, 도 4의 (A)에서 도시되는 바와 같이, 스테이지(120)를 헤드 베이스(1100)에 대하여 X 방향으로 이동시키면서 각 헤드 유닛(1400)으로부터 구성 재료를 토출시켜서 구성층 구성부(50)(구성층 구성부(50a, 50b, 50c 및 50d))가 형성된다. 구성층 구성부(50)의 형성 수순에 대해서는 후술한다.
또한, 도시하지 않지만, 각각의 헤드 유닛(1401 내지 1404)에 구비하는 구성 재료 토출부(1230)는 토출 구동부(1230b)를 통하여 구성 재료 공급 유닛(1210)에 공급 튜브(1220)로 연결되는 구성으로 되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 구성 재료 토출부(1230)는 토출 노즐(1230a)로부터, 스테이지(120) 상에 적재된 시료 플레이트(121) 상으로 향하여 삼차원 조형물의 구성 재료인 재료 M이 토출된다. 헤드 유닛(1401)에서는, 재료 M이 액적 형상으로 토출되는 토출 형태를 예시하고, 헤드 유닛(1402)에서는, 재료 M이 연속체 형상으로 공급되는 토출 형태를 예시하고 있다. 재료 M의 토출 형태는, 액적 형상이어도 되고, 연속체 형상이어도 되고, 어느 쪽이어도 되지만, 본 실시 형태에서는 재료 M은 액적 형상으로 토출되는 형태에 따라 설명한다.
토출 노즐(1230a)로부터 액적 형상으로 토출된 재료 M은, 대략 중력 방향으로 비상하고, 시료 플레이트(121) 상에 착탄한다. 스테이지(120)는 이동하고, 착탄한 재료 M에 의해 구성층 구성부(50)가 형성된다. 이 구성층 구성부(50)의 집합체가, 시료 플레이트(121) 상에 형성되는 삼차원 조형물(500)의 구성층(310)(도 1 참조)으로서 형성된다.
이어서, 구성층 구성부(50)의 형성 수순에 대해서, 도 4 및 도 5를 사용하여 설명한다.
도 4는, 본 실시 형태의 헤드 유닛(1400)의 배치와, 구성층 구성부(50)의 형성 형태의 관계를 개념적으로 설명하는 평면도이다. 그리고, 도 5는, 구성층 구성부(50)의 형성 형태를 개념적으로 나타내는 측면도이다.
먼저, 스테이지(120)가 +X 방향으로 이동하면, 복수의 토출 노즐(1230a)로부터 재료 M이 액적 형상으로 토출되고, 시료 플레이트(121)의 소정의 위치에 재료 M이 배치되고, 구성층 구성부(50)가 형성된다.
보다 구체적으로는, 먼저, 도 5의 (A)에서 도시되는 바와 같이, 스테이지(120)를 +X 방향으로 이동시키면서, 복수의 토출 노즐(1230a)로부터 시료 플레이트(121)의 소정의 위치에 일정한 간격으로 재료 M을 배치시킨다.
이어서, 도 5의 (B)에서 도시되는 바와 같이, 스테이지(120)를 도 1에 도시하는 -X 방향으로 이동시키면서, 일정한 간격으로 배치된 재료 M의 사이를 메우도록 새롭게 재료 M을 배치시킨다.
단, 스테이지(120)를 +X 방향으로 이동시키면서, 복수의 토출 노즐(1230a)로부터 시료 플레이트(121)의 소정의 위치에 재료 M이 겹치도록(간격을 두지 않도록) 배치시키는 구성(스테이지(120)의 X 방향에 있어서의 왕복 이동으로 구성층 구성부(50)를 형성하는 구성이 아니고, 스테이지(120)의 X 방향에 있어서의 편측의 이동만으로 구성층 구성부(50)를 형성하는 구성)으로 해도 된다.
상기와 같이 구성층 구성부(50)를 형성함으로써, 도 4의 (A)에서 도시되는 것 같은, 각 헤드 유닛(1401, 1402, 1403 및 1404)의 X 방향에 있어서의 1 라인 분(Y 방향에 있어서의 1 라인째)의 구성층 구성부(50)(구성층 구성부(50a, 50b, 50c 및 50d))가 형성된다.
이어서, 각 헤드 유닛(1401, 1402, 1403 및 1404)의 Y 방향에 있어서의 2 라인째의 구성층 구성부(50')(구성층 구성부(50a', 50b', 50c' 및 50d'))를 형성하기 위해서, -Y 방향으로 헤드 베이스(1100)를 이동시킨다. 이동량은, 노즐 간의 피치를 P로 하면, P/n(n은 자연수) 피치 분만큼 -Y 방향으로 이동시킨다. 본 실시예에서는 n을 3으로 하여 설명한다.
도 5의 (A) 및 도 5의 (B)에서 도시되는 것 같은, 상기와 동일한 동작을 행함으로써, 도 4의 (B)에서 도시되는 것 같은, Y 방향에 있어서의 2 라인째의 구성층 구성부(50')(구성층 구성부(50a', 50b', 50c' 및 50d'))가 형성된다.
이어서, 각 헤드 유닛(1401, 1402, 1403 및 1404)의 Y 방향에 있어서의 3 라인째의 구성층 구성부(50")(구성층 구성부(50a", 50b", 50c" 및 50d"))를 형성하기 위해서, -Y 방향으로 헤드 베이스(1100)를 이동시킨다. 이동량은, P/3 피치 분만큼 -Y 방향으로 이동시킨다.
그리고, 도 5의 (A) 및 도 5의 (B)에서 도시되는 것 같은, 상기와 동일한 동작을 행함으로써, 도 4의 (C)에서 도시되는 것 같은, Y 방향에 있어서의 3 라인째의 구성층 구성부(50")(구성층 구성부(50a", 50b", 50c" 및 50d"))가 형성되어, 구성층(310)을 얻을 수 있다.
또한, 구성 재료 토출부(1230)로부터 토출되는 재료 M을, 헤드 유닛(1401, 1402, 1403, 1404) 중 어느 1개 유닛, 또는 2개 유닛 이상으로부터 기타 헤드 유닛과 다른 구성 재료를 토출 공급할 수도 있다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 형성 장치(2000)를 사용함으로써, 이종 재료로 형성되는 삼차원 조형물을 얻을 수 있다.
또한, 제1층째의 층(501)에 있어서, 상술한 바와 같이 구성층(310)을 형성하기 전 또는 후에, 지지층 형성용 재료 토출부(1730)로부터 지지층 형성용 재료를 토출시켜서, 동일한 방법으로, 지지층(300)을 형성할 수 있다. 그리고, 층(501)에 적층시켜서 층(502, 503, ··· 50n)을 형성할 때에도, 마찬가지로, 구성층(310) 및 지지층(300)을 형성할 수 있다. 또한, 지지층(300)은 지지층 형성용 재료의 종류에 따라, 전자파 조사부(1800)를 사용하여 경화하는 것, 레이저 조사부(3100) 및 갈바노 미러(3000)를 사용하여 소결하는 것, 등이 가능하다.
상술한 본 실시 형태에 따른 형성 장치(2000)가 구비하는 헤드 유닛(1400 및 1900)의 수 및 배열은, 상술한 수 및 배열에 한정되지 않는다. 도 6에, 그 예로서, 헤드 베이스(1100)에 배치되는 헤드 유닛(1400)의, 기타의 배치의 예를 모식도적으로 도시한다.
도 6의 (A)는, 헤드 베이스(1100)에 헤드 유닛(1400)을 X축 방향으로 복수, 병렬시킨 형태를 도시한다. 도 6의 (B)는, 헤드 베이스(1100)에 헤드 유닛(1400)을 격자 형상으로 배열시킨 형태를 도시한다. 또한, 모두 배열되는 헤드 유닛의 수는, 도시된 예에 한정되지 않는다.
이어서, 상술한 본 실시 형태에 따른 형성 장치(2000)를 사용하여 행하는 삼차원 조형물의 제조 방법의 일 실시예에 대하여 설명한다.
도 7은, 형성 장치(2000)를 사용하여 행하는 삼차원 조형물의 제조 과정의 일례를 도시하는 개략도이다. 이 중, 도 7의 (A)부터 도 7의 (D)는 삼차원 조형물의 제조 과정을 측면에서 보았을 때를 도시하고 있고, 도 7의 (E) 및 도 7의 (F)는 삼차원 조형물의 제조 과정을 평면에서 보았을 때를 도시하고 있다. 또한, 7의 (E) 및 도 7의 (F)는, 7의 (C) 및 도 7의 (D)에 대응하고 있다.
처음에, 도 7의 (A)는, 지지층 형성용 재료 토출부(1730)를 사용하여 시료 플레이트(121) 상에 제1층째의 층(501) 중의 지지층(300)을 형성한 상태를 도시하고 있다. 또한, 본 실시예에서는, 지지층 형성용 재료로서 세라믹스 입자와 바인더로서의 자외선 경화 수지를 포함하는 재료를 사용하고 있다. 또한, 지지층 형성용 재료로서, 세라믹스 입자와 용제와 바인더를 포함하는 재료를 사용해도 된다.
여기서, 도 7의 (A)는, 지지층 형성용 재료 토출부(1730)로부터 지지층 형성용 재료를 토출함과 함께 당해 지지층 형성용 재료를 향하여 전자파 조사부(1800)로부터 전자파를 조사한 상태를 도시하고 있다.
이어서, 도 7의 (B)는, 구성 재료 토출부(1230)를 사용하여 시료 플레이트(121) 상에 제1층째의 층(501) 중의 구성층(310)을 형성한 상태를 도시하고 있다. 또한, 본 실시예에서는, 구성 재료로서 금속 입자를 포함하는 재료를 사용하고 있다.
그리고, 도 7의 (A)에서 도시되는 지지층(300)의 형성 및 도 7의 (B)에서 도시되는 구성층(310)의 형성을 반복함으로써, 도 7의 (C) 및 도 7의 (E)에서 도시되는 바와 같이, 삼차원 조형물의 적층체를 형성한다.
여기서, 도 7의 (C) 및 도 7의 (E)에서 도시되는 바와 같이, 본 실시예의 삼차원 조형물의 적층체는 바닥이 없는 원통 형상을 하고 있고, 구성층(310)으로 둘러싸인 부분은 공간 S(정확하게는, 적어도 2 방향으로부터 구성층(310)에 둘러싸인 공간 S)를 구성하고 있다.
그리고, 마지막으로, 도 7의 (C) 및 도 7의 (E)에서 도시되는 바와 같이 형성된 삼차원 조형물의 적층체를, 본 실시 형태에 따른 형성 장치(2000)와는 별체로서 설치되는 항온조(가열조)에서 가열한다(구성층(310)을 소결시켜서 소결부(310')로 한다). 여기서, 도 7의 (D) 및 도 7의 (F)는, 삼차원 조형물의 적층체를 소결시킨 상태를 도시하고 있다.
도 7의 (D) 및 도 7의 (F)에 있어서는, 소결부(310')는 금속 입자가 소결되어 있고, 가열 후의 지지층(300')은 바인더 등이 가열 분해되어서 휘발되어 제거되었기 때문에 세라믹스 입자에 의해 입자 형상(파우더 형상)으로 되어 있다.
여기서, 도 7의 (C)와 도 7의 (D), 도 7의 (E)와 도 7의 (F)를 비교하면 명백해진 바와 같이, 구성층(310)을 소결시키면 체적은 저하된다.
체적의 저하(체적의 수축)에 대하여 설명하면 소결 후의 일 방향의 길이를 L, 소결 전의 일 방향의 길이를 L0, 입자의 충전율을 A, 소결 밀도를 B로 하면, 이하의 수학식 1로 표현된다.
Figure pat00001
즉, 소결 후의 일 방향의 길이 L은, L0×(A/B)1/ 3로 나타내는 바와 같이 수축된다.
하기 표 1에, 구성 재료 중의 금속 입자의 충전율과 소결 밀도로부터 계산되는 구체적인 체적의 수축률의 일례를 나타낸다.
Figure pat00002
이와 같이, 삼차원 조형물의 적층체는 소결시킴으로써 수축되므로, 소결 후에, 공간 S에 있어서의 지지층(300)의 체적 수축률이 삼차원 조형물의 적층체 수축률보다도 낮은 경우, 삼차원 조형물의 적층체(구성층(310))는 왜곡되어버린다. 이 때문에, 본 실시예에서는, 소결 후에, 공간 S에 있어서의 지지층(300)의 체적 수축률이 삼차원 조형물의 적층체 수축률보다도 높아지도록, 지지층 형성 재료의 성분 및 그 배합을 결정하고 있다.
이어서, 상기 형성 장치(2000)를 사용하여 행하는 삼차원 조형물의 제조 방법의 일례(도 7에 대응하는 예)에 대하여 흐름도를 사용하여 설명한다.
여기서, 도 8은, 본 실시예에 관한 삼차원 조형물의 제조 방법의 흐름도이다.
도 8에서 도시되는 바와 같이, 본 실시예의 삼차원 조형물의 제조 방법에 있어서는, 처음에 스텝 S110에서, 삼차원 조형물의 데이터를 취득한다. 상세하게는, 예를 들어 퍼스널 컴퓨터에 있어서 실행되고 있는 애플리케이션 프로그램 등으로부터, 삼차원 조형물의 형상을 나타내는 데이터를 취득한다.
이어서, 스텝 S120에서, 층마다의 데이터를 작성한다. 상세하게는, 삼차원 조형물의 형상을 나타내는 데이터에 있어서, Z 방향의 조형 해상도에 따라서 슬라이스하고, 단면마다 비트맵 데이터(단면 데이터)를 생성한다.
이때, 생성되는 비트맵 데이터는, 삼차원 조형물의 형성 영역(구성층(310))과 삼차원 조형물의 비형성 영역(지지층(300))으로 구별된 데이터로 되어 있다.
이어서, 스텝 S130에서, 형성하려고 하는 층의 데이터가, 삼차원 조형물의 비형성 영역(지지층(300))을 형성하는 데이터인지, 삼차원 조형물의 형성 영역(구성층(310))을 형성하는 데이터인지를 판단한다. 또한, 이 판단은 제어 유닛(400)에 구비된 제어부에 의해 행하여진다.
본 스텝에서, 지지층(300)을 형성하는 데이터라고 판단된 경우에는 스텝 S140으로 진행하고, 구성층(310)을 형성하는 데이터라고 판단된 경우에는 스텝 S150으로 진행한다.
스텝 S140에서는, 지지층(300)을 형성하는 데이터에 기초하여 지지층 형성용 재료 토출부(1730)로부터 지지층 형성용 재료를 토출함으로써, 지지층 형성용 재료를 공급한다.
그리고, 스텝 S140에서 지지층 형성용 재료를 토출하면, 스텝 S160에서, 전자파 조사부(1800)로부터 전자파(자외선)를 조사(에너지 부여)하여 당해 토출된 액적(지지층(300))을 굳힌다.
한편, 스텝 S150에서는, 구성 재료 토출부(1230)로부터 구성 재료를 토출함으로써, 구성 재료를 공급한다.
그리고, 스텝 S170에 의해, 스텝 S120에 있어서 생성된 각 층에 대응하는 비트맵 데이터에 기초하는 삼차원 조형물의 적층체 조형이 종료될 때까지, 스텝 S130부터 스텝 S170까지가 반복된다.
그리고, 스텝 S180에 의해, 도시하지 않은 항온조에 있어서, 상기 스텝에서 형성한 삼차원 조형물의 적층체를 가열한다. 상세하게는, 삼차원 조형물의 형성 영역(구성층(310))을 소결하고, 주위의 지지층(300)의 수지 성분 등을 분해 제거하여 세라믹스 입자로 입자화한다. 여기서, 가열 후의 지지층(300')의 체적 수축률은, 가열 후의 구성층(310)(소결부(310'))의 체적 수축률보다도 높아진다(공간 S에 대응하는 가열 후의 지지층(300')의 체적은 소결부(310')의 체적보다도 작아진다).
그리고, 스텝 S180의 종료에 수반하여, 본 실시예의 삼차원 조형물의 제조 방법을 종료한다.
상기와 같이 하여 구성되는 삼차원 조형물의 구체적인 형상의 예에 대하여 설명한다.
도 9는 그 구체예를 나타내는 개략 분해 측면도이며, 이 중, 도 9의 (A)는 X 방향으로 연장되는 2매의 평판이 1변에 있어서 합쳐져 경사면이 형성된 형상을 도시하고 있다. 또한, 도 9의 (B)는, 바닥이 없는 2개의 원통이 중첩된 형상을 도시하고 있다. 또한, 도 9의 (C)는, 바닥이 있는 원통 형상이고 내경이 상이한 부분을 갖는 형상을 도시하고 있다. 또한, 도 9의 (D)는, 도 9의 (C)의 형상에 대하여 배관에 대응하는 터널 P가 구성된 형상을 도시하고 있다. 그리고, 도 9의 (E)는, 돔형의 형상을 도시하고 있다. 터널 P 내에 대해서도, 터널 P 내의 공간 S에 있어서의 지지층(300)의 체적 수축률이 삼차원 조형물의 적층체 수축률보다도 높아지도록 지지층(300)을 형성한다.
그러나, 이러한 형상에 한정되는 것은 아닌 것은 말할 필요도 없다.
상기한 바와 같이 본 실시예의 삼차원 조형물의 제조 방법은, 층을 적층하여 적층체를 형성함으로써 삼차원 조형물을 제조하는 삼차원 조형물의 제조 방법이다.
그리고, 삼차원 조형물의 구성 영역에 대응하는 구성층(310)을 형성하는 구성층 형성 공정(스텝 S150에 대응)과, 구성층(310)에 접하여 당해 구성층(310)을 지지하는 지지층(300)을 형성하는 지지층 형성 공정(스텝 S140에 대응)과, 구성층(310)을 소결하는 소결 공정(스텝 S180에 대응)을 갖고 있다.
여기서, 지지층(300)은 적어도 2 방향으로부터 구성층에 둘러싸인 공간 S의 소결 공정에 수반하는 체적 감소량보다도, 당해 공간 S에서 당해 구성층(310)을 지지하는 지지층(300)의 당해 소결 공정에 수반하는 체적 감소량 쪽이 커지도록 구성되어 있다.
즉, 구성층(310)의 소결에 수반하는 체적 변화(수축)에 대응하여 지지층(300)이 형상 변화하고, 지지층(300)은 구성층(310)의 소결에 수반하는 수축의 방해가 되지 않도록 구성되어 있다. 이 때문에, 삼차원 조형물의 소결체(소결부(310'))가 변형되는 것을 억제할 수 있어, 고정밀도의 삼차원 조형물을 제조할 수 있다.
또한, 「구성층(310)에 둘러싸인 공간 S의 소결 공정에 수반하는 체적 감소량」이란, 구성층(310)의 구성 재료에 기초하는 체적 감소량을 의미하고, 당해 공간 S에 지지층(300)이 없는 경우에 있어서의 당해 공간 S의 소결 공정 후의 체적 감소량을 의미한다.
또한, 「적어도 2 방향으로부터 구성층(310)에 둘러싸인 공간 S」란, 예를 들어, 바닥이 있는 또는 바닥이 없는 통형의 형상(예를 들어, 도 9의 (B), 도 9의 (C) 및 도 9의 (D)에 대응)에 있어서의 내부 공간(공간 S)이나, 바닥부에 비하여 개방부가 넓은 또는 좁은 컵형의 형상(예를 들어 도 9의 (E)에 대응)의 내부 공간 등, 전체의 형상이 등방적으로 작아졌을 때에 그 체적이 작아지는 내부 공간을 의미한다.
또한, 도 7에서 도시하는 삼차원 조형물의 제조 방법의 일 실시예에 있어서는, 지지층(300)은 공간 S에서 구성층(310)을 지지하는 전부에 있어서 소결 공정에 수반하여 구조 변화(경화된 상태로부터 일부가 분해 제거되어 일부가 입자 형상으로 변화)하는 것이었다. 그러나, 이와 같은 구성에 한정되지 않고, 지지층(300)은 공간 S에서 구성층(310)을 지지하는 일부가 소결 공정에 수반하여 구조 변화되는 것이어도 된다.
지지층(300)의 공간 S에서 구성층(310)을 지지하는 적어도 일부가 소결 공정에 수반하여 구조 변화되는 구성이면, 당해 구조 변화에 따라 구성층(310)의 소결에 수반하는 체적 변화(수축)에 대응하여 지지층(300)이 형상 변화되어, 지지층(300)이 구성층(310)의 소결에 수반하는 수축의 방해를 효과적으로 억제할 수 있기 때문이다.
또한, 「소결 공정에 수반하여 구조 변화되는」이란, 상기와 같이 지지층 형성 재료의 일부가 분해 제거되어 일부가 입자 형상으로 변화하는 구성 이외에, 예를 들어, 하니컴 구조, 트러스 구조, 격자 구조 등으로 형성된 지지층이, 소결 공정에 수반하여, 이 구조가 붕괴되는 것, 지지층 형성 재료가 용융되어 용융 전후에서 형상이 변화되는 구성 등을 들 수 있다.
이하에, 공간 S에서 구성층(310)을 지지하는 지지층(300)의 일부가 소결 공정에 수반하여 구조 변화되는 삼차원 조형물의 제조 방법의 일 실시예에 대하여 설명한다.
도 10은, 이러한 삼차원 조형물의 제조 방법의 일 실시예에 있어서의 당해 삼차원 조형물의 제조 과정의 일례를 도시하는 개략도이다. 이 중, 도 10의 (A)부터 도 10의 (D)는 삼차원 조형물의 제조 과정을 측면에서 보았을 때를 도시하고 있다.
또한, 본 실시예에서는, 지지층 형성용 재료로서, 수지 성분 등을 포함하고 소결 공정에서 모든 성분이 분해 제거(휘발)되는 제1 재료(300a)와, 세라믹스 입자를 포함한 제2 재료(300b)의 2종류를 사용하고 있다.
처음에, 도 10의 (A)는, 지지층 형성용 재료 토출부(1730)를 사용하여 시료 플레이트(121) 상에 제1층째의 층(501) 중의 지지층(300)을 형성한 상태를 도시하고 있다. 또한, 본 실시예에서는, 제1 재료(300a)와 제2 재료(300b)를 교대로 배치하고 있다.
여기서, 도 10의 (A)는, 지지층 형성용 재료 토출부(1730)로부터 지지층 형성용 재료(제1 재료(300a) 및 제2 재료(300b))를 토출함과 함께 제2 재료(300b)를 향하여 레이저 조사부(3100)로부터 레이저를 조사하여 제2 재료(300b)를 소결시킨 상태를 도시하고 있다.
이어서, 도 10의 (B)는, 구성 재료 토출부(1230)를 사용하여 시료 플레이트(121) 상에 제1층째의 층(501) 중의 구성층(310)을 형성한 상태를 도시하고 있다. 또한, 본 실시예에서는, 구성 재료로서 금속 입자를 포함하는 재료를 사용하고 있다.
그리고, 도 10의 (A)에서 도시되는 지지층(300)의 형성 및 도 10의 (B)에서 도시되는 구성층(310)의 형성을 반복함으로써, 도 10의 (C)에서 도시되는 바와 같이, 삼차원 조형물의 적층체를 형성한다.
여기서, 도 10의 (C)에서 도시되는 바와 같이, 본 실시예의 삼차원 조형물의 적층체는 컵 형상(컵을 거꾸로 한 상태)을 하고 있고, 구성층(310)으로 둘러싸인 부분은 공간 S를 구성하고 있다.
그리고, 마지막으로, 도 10의 (C)에서 도시되는 바와 같이 형성된 삼차원 조형물의 적층체를, 본 실시 형태에 따른 형성 장치(2000)와는 별체로서 설치되는 항온조(가열조)에서, 가열한다(구성층(310)을 소결시켜서 소결부(310')로 한다). 여기서, 도 10의 (D)는, 삼차원 조형물의 적층체를 소결시킨 상태를 도시하고 있다.
도 10의 (D)에 있어서는, 소결부(310')는 금속 입자가 소결되어 있고, 가열 후의 지지층(300')은, 제1 재료(300a)에 대응하는 부분(300a')에 있어서는 분해 제거되어서 아무것도 없게 되고, 제2 재료(300b)에 대응하는 부분(300b')에 있어서는 소결된 세라믹스가 남아있다. 즉, 지지층(300)의 일부인 제1 재료(300a)는 구조 변화되고, 지지층(300)의 일부인 제2 재료(300b)는 구조 변화되어 있지 않다.
여기서, 도 10의 (C)와 도 10의 (D)를 비교하면 명백해진 바와 같이, 구성층(310)을 소결시키면, 체적은 저하된다. 한편, 공간 S에 대응하는 부분에 있어서는, 제1 재료(300a)에 대응하는 부분이 분해 제거되어서 아무것도 없게 됨으로써, 공간 S에 있어서의 지지층(300)의 체적 수축률이 삼차원 조형물의 적층체 수축률보다도 높아지도록 구성되어 있다.
달리 표현하면, 당해 삼차원 조형물의 제조 방법에서는, 지지층(300)은 공간 S에서 구성층(310)을 지지하는 적어도 일부가, 소결 공정에 수반하는 체적 변화가 상대적으로 큰 영역(제1 재료(300a)에 대응)과 작은 영역(제2 재료(300b)에 대응)를 갖도록 구성되어 있다. 이 때문에, 체적 변화가 상대적으로 큰 영역에 의해 효과적으로 구성층의 소결에 수반하는 체적 변화(수축)에 대응하여 지지층이 형상 변화되고, 체적 변화가 상대적으로 작은 영역에 의해 효율적으로 소결 중의 구성층을 지지할 수 있다.
또한, 「체적 변화가 상대적으로 큰 영역과 작은 영역」이란, 당해 작은 영역의 체적 변화율(수축률)이 당해 큰 영역의 체적 변화율(수축률)보다도 크기만 하면 그 차나 절대량에 특별히 한정은 없는다. 예를 들어, 제2 재료(300b)에 대응하는 부분(300b')과 같이, 당해 작은 영역의 체적 변화율(수축률)이 실질적으로 없는 경우도 포함하는 의미이다.
한편, 도 7에서 도시하는 삼차원 조형물의 제조 방법에서는, 지지층(300)은 공간 S에서 구성층(310)을 지지하는 적어도 일부가, 소결 공정에 수반하여 파우더화(분말화, 입자 형상화)한다. 이 때문에, 소결 공정 후에, 삼차원 조형물의 소결체를 지지층(300)으로부터 간단히 취출(삼차원 조형물의 소결체로부터 지지층을 간단히 제거)할 수 있다.
또한, 도 7에서 도시하는 삼차원 조형물의 제조 방법 및 도 10에서 도시하는 삼차원 조형물의 제조 방법 모두, 지지층(300)은 공간 S에서 구성층(310)을 지지하는 적어도 일부가, 소결 공정에 수반하여 휘발된다. 이 때문에, 소결 공정 중 또는 소결 공정 후에 당해 휘발된 성분을 포함하는 기체의 제거 공정을 실행함으로써, 삼차원 조형물의 소결체로부터 지지층(300)을 간단히 제거할 수 있다. 구성층(310)으로 폐쇄된 공간이 있는 경우, 구성층(310)에 포함되는 입자가 소결하는 과정에서 입자 사이의 공간을 통하여 당해 휘발된 성분을 포함하는 기체의 제거를 행해도 된다. 또한, 적어도 일부가 다공성인 삼차원 조형물을 조형하는 경우에는, 소결 공정 후에 소결한 입자 사이의 공간을 통하여 당해 휘발된 성분을 포함하는 기체의 제거를 행해도 된다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 내용의 란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시예 중의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해서, 또는, 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해서, 적절히, 바꾸기나, 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로 하여 설명되어 있지 않다면, 적절히, 삭제하는 것이 가능하다.
50, 50a, 50b, 50c, 50d, 50e, 50f, 50g 및 50h: 구성층 구성부
110: 베이스
111: 구동 장치
120: 스테이지
121: 시료 플레이트
130: 헤드 베이스 지지부
300, 300': 지지층
300a: 제1 재료(지지층)
300b: 제2 재료(지지층)
310: 구성층
310': 소결부(삼차원 조형물의 소결체)
400: 제어 유닛
410: 스테이지 컨트롤러
500: 삼차원 조형물
501, 502 및 503: 층
730: 헤드 베이스 지지부
1100: 헤드 베이스
1200: 구성 재료 공급 장치
1210: 구성 재료 공급 유닛
1210a: 구성 재료 수용부
1220: 공급 튜브
1230: 구성 재료 토출부
1230a: 토출 노즐
1230b: 토출 구동부
1400: 헤드 유닛
1400a: 보유 지지 지그
1401, 1402, 1403 및 1404: 헤드 유닛
1500: 재료 공급 컨트롤러
1600: 헤드 베이스
1700: 지지층 형성용 재료 공급 장치
1710: 지지층 형성용 재료 공급 유닛
1710a: 지지층 형성용 재료 수용부
1720: 공급 튜브
1730: 지지층 형성용 재료 토출부
1730a: 토출 노즐
1730b: 토출 구동부
1800: 전자파 조사부
1900: 헤드 유닛
1900a: 보유 지지 지그
2000: 형성 장치(삼차원 조형물의 제조 장치)
3000: 갈바노 미러
3100: 레이저 조사부
M: 재료(구성 재료)
P: 터널
S: 구성층(310)에 둘러싸인 공간

Claims (5)

  1. 층을 적층하여 적층체를 형성함으로써 삼차원 조형물을 제조하는 삼차원 조형물의 제조 방법으로서,
    삼차원 조형물의 구성 영역에 대응하는 구성층을 형성하는 구성층 형성 공정과,
    상기 구성층에 접하여 당해 구성층을 지지하는 지지층을 형성하는 지지층 형성 공정과,
    상기 구성층을 소결하는 소결 공정을 갖고,
    상기 지지층은, 적어도 2 방향으로부터 상기 구성층에 의해 둘러싸인 공간의 상기 소결 공정에 수반하는 체적 감소량보다도, 당해 공간에서 당해 구성층을 지지하는 상기 지지층의 당해 소결 공정에 수반하는 체적 감소량 쪽이 커지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 삼차원 조형물의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지층은, 상기 공간에서 상기 구성층을 지지하는 적어도 일부가, 상기 소결 공정에 수반하여 구조 변화되는 것을 특징으로 하는 삼차원 조형물의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 지지층은, 상기 공간에서 상기 구성층을 지지하는 적어도 일부가, 상기 소결 공정에 수반하는 체적 변화가 상대적으로 큰 영역과 작은 영역을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 삼차원 조형물의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지층은, 상기 공간에서 상기 구성층을 지지하는 적어도 일부가, 상기 소결 공정에 수반하여 파우더화되는 것을 특징으로 하는 삼차원 조형물의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지층은, 상기 공간에서 상기 구성층을 지지하는 적어도 일부가, 상기 소결 공정에 수반하여 휘발되는 것을 특징으로 하는 삼차원 조형물의 제조 방법.
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