JP2017071841A - 三次元造形物の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単、コンパクトな構成でエネルギーの利用効率を高めて高精度の三次元造形物を形成する。【解決手段】本発明の三次元造形物の製造方法は、粒子を含む流動性組成物Ａ０を吐出部５から吐出させて層形成領域１３に吐出物Ａ１を位置させ、流動性組成物Ａ０の吐出位置を第１の方向Ｘに移動させて吐出物ラインＬを形成する吐出物ライン形成工程Ｐ１と、吐出物ラインＬを第１の方向Ｘと交差する第２の方向Ｙに隣接して複数形成して一つの層Ｄを形成する層形成工程Ｐ２と、形成された一つの層Ｄのうち、最終的に三次元造形物Ｍ１の一部となる対応する位置の吐出物Ａ１に対してエネルギービームＥを照射して固化する固化工程Ｐ３と、層形成工程Ｐ２と固化工程Ｐ３とを積層方向Ｚに所定回数、繰り返して所定形状の三次元造形物を得る積層工程Ｐ４を有し、固化工程Ｐ３はエネルギービームＥのビーム径Ｇを吐出物ラインＬの幅Ｗよりも大に設定した状態で行う。【選択図】図１

Description

本発明は、ステージ上に吐出された流動性組成物に対してエネルギービームを照射して固化させることによって三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法及び製造装置に関する。

金属粒子ペーストを使用して三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法が、下記の特許文献１や特許文献２に開示されている。
これらの特許文献１、２には、金属粒子ペーストを用いて一つの層を形成し、レーザー照射により上記金属粒子ペースト中に含まれる金属粒子を焼結又は溶融すること、形成した層の上に複数回、層を積み重ねて行くことによって三次元造形物を製造することが記載されている。

特許文献１では金属ペーストを広範囲にわたって薄く敷くことによって材料層を形成しており、金属ペーストに含まれる材料の比率と、金属粉末の平均粒径と、材料層の厚みと、材料層中に金属線により形成された金網を設けた点等を特徴としている。

一方、特許文献２では、造形材料として金属粉末材料を使用し、展延ローラーによって１００μｍ程度の薄層に展延させることによって単位造形層を形成しており、当該単位造形層の形成に際してレーザー光の照射を、照射量レベルの少ない第１の照射量レベルで行う高精度処理と、第１の照射量のレベルよりも多い第２の照射量レベルで行う高強度処理と、の２段階に分けて行うことを特徴としている。

特開２００８−１８４６２２号公報 特開２００３−３２１７０４号公報

上記特許文献１、２に記載された従来の三次元造形物の製造方法では、層状に供給される材料層の一部だけがレーザー光のビーム照射によって固化されて造形物となるが、レーザーが照射されない領域は除去されるだけの無駄の領域であった。また、層状に敷かれた材料層にレーザー光のビームを照射した場合、前記ビームの境界近傍において不完全な固化が発生し、三次元造形物の寸法精度を向上しにくいという問題があった。

本発明の目的は、材料の無駄を低減でき、また三次元造形物を精度良く製造することができるようにすることにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る第１の態様の三次元造形物の製造方法は、粒子を含む流動性組成物を吐出部から吐出させて層形成領域に吐出物を位置させ、吐出位置を移動させて吐出物ラインを形成する吐出物ライン形成工程と、前記吐出物ラインを隣接する方向に複数形成して一つの層を形成する層形成工程と、前記層形成工程を積層方向に繰り返す積層工程と、造形物に対応する位置の前記吐出物にエネルギービームを照射して固化する固化工程と、を有し、前記固化工程は前記エネルギービームのビーム径が前記吐出物ラインの幅より大の状態で行う、ことを特徴とする。

ここで、「吐出物ライン」とは、流動性組成物が連続的に吐出されることによって一つの方向に沿って連続した状態のラインが形成される場合と、流動性組成物が間欠的に吐出されることによって一つの方向に沿って液滴が並んだ状態のラインが形成される場合と、の両方が含まれる。
また、「吐出物ラインを隣接する方向に複数形成」とは、複数本の吐出物ラインが隣り合って並列的に配置されて形成されている場合と、１本の吐出物ラインが折り返されて隣接するように直列的に配置されて形成されている場合との両方が含まれる。

本態様によれば、従来のように流動性組成物を原料に使用してステージ上の層形成領域に押し出した後、薄く引き伸ばすための押圧部材を押し当てて薄い層を形成していた方法とは異なり、流動性組成物を吐出部から層形成領域に吐出する吐出物によって各層を形成する。従って、各層における前記吐出部からの吐出量を、造形物の対応する体積量に合わせて制御することによって調整することができ、以って無駄な吐出を低減できる。
また、層形成領域に吐出された吐出物の固化手段としてエネルギービームを使用するので、ビーム径の調整を行うことによって前記吐出物の吐出状態に応じたエネルギービームの照射が可能になる。これにより、造形物の寸法精度が向上する。また、必要な個所のみの狭い範囲にエネルギービームを照射できるので、エネルギーの利用効率が向上する。

そして、本態様では固化工程において、エネルギービームのビーム径を吐出物ラインの幅より大きく設定した状態で該エネルギービームの照射を行うようにしたので、従来のように層状に敷かれた材料層にレーザー光のビームを照射した場合には前記ビームの境界近傍において不完全な固化が発生する虞があるが、本態様によればこの虞を低減して三次元造形物の寸法精度を向上することができる。

本発明に係る第２の態様の三次元造形物の製造方法は、第１の態様において、前記固化工程は前記吐出物ラインの形成毎に行うことを特徴とする。
ここで、「吐出物ラインの形成毎」とは、一本の吐出物ラインが形成された後に固化工程を実行する場合と、１本の吐出物ラインが形成途中の段階で、既に形成された吐出物ラインの部位に対して固化工程を同時並行的に実行する場合の両方が含まれる。

本態様によれば、一本の吐出物ラインが形成される毎に吐出物の固化が実行されるので、当該固化により形成される造形物の寸法精度が向上する。また、前記吐出部の移動方向の後方位置に該吐出部を追従する形でエネルギービームを配置することが可能になるから、同一の移動手段によって吐出部とエネルギービームのビーム照射部を同時に移動させることができ、装置の構造の簡素化や装置の小型化を図ることが可能になる。

本発明に係る第３の態様の三次元造形物の製造方法は、第１の態様又は第２の態様において、前記層形成工程は前記吐出物ラインが隣同士で重なるように行うことを特徴とする。
ここで、「隣同士で重なる」とは、前記隣接する二本の吐出物ラインの一部が重なっている状態と、二本の吐出物ラインが接している状態との両方が含まれる。
本態様によれば、吐出物ラインの境界での吐出物の厚みのバラツキが抑えられるので、均一な厚みの層の形成が可能になる。

本発明に係る第４の態様の三次元造形物の製造方法は、第１の態様又は第２の態様において、前記層形成工程は、前記吐出物ラインが隣同士で離間するように行い、続く前記エネルギービームの照射によって隣同士が重なって固化することを特徴とする。
本態様によれば、流動性組成物の吐出物は、エネルギービームの照射により、照射前よりも幅方向に拡がる傾向のものがある場合を考慮したものである。これにより、前記拡がりによって前記「隣同士で離間」した部分が埋まり、以って各層にエネルギービームを照射して固化させた状態の層の厚みのバラツキを低減することができる。また、吐出物の吐出量の無駄を低減することができる。

本発明に係る第５の態様の三次元造形物の製造方法は、第１の態様から第４の態様のいずれか一つの態様において、前記吐出物ラインの形成は前記層形成領域が予め昇温された状態で行うことを特徴とする。
本態様によれば、エネルギービームの照射前の段階で前記昇温された熱によって吐出物の乾燥が進む。この乾燥が進んだ状態でエネルギービームが照射されるので、固化後の層の厚みのバラツキを低減でき、また固化のためのエネルギーの利用効率を向上できる。

本発明に係る第６の態様の三次元造形物の製造方法は、第１の態様から第５の態様のいずれか一つの態様において、前記積層工程は前記造形物となる対応する位置以外は前記エネルギービームを照射しないことでサポート層を作ることを特徴とする。
本態様によれば、サポート層が最終的に三次元造形物となる対応する位置に存する吐出物に作用する重力を下方から支える支持部材として機能するので、当該位置の吐出物の自重による変形を防止して三次元造形物の寸法精度の向上に寄与することができる。

本発明の係る第７の態様の三次元造形物の製造方法は、第１の態様から第６の態様のいずれか一つの態様において、前記流動性組成物は、金属粒子とバインダーと溶媒又は分散媒との組成物である。そして、前記金属粒子は、マグネシウム、鉄、銅、コバルト、クロム、アルミニウム、チタン或いはニッケル又はこれらのうち少なくとも１種の金属を含む合金の粒状或いは粉末状の粒子もしくはこれらの混合粒子である。
前記バインダーは、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）或いはその他の熱可塑性樹脂である。
前記溶媒又は分散媒は、蒸留水、純水、ＲＯ（Reverse
Osmosis）水のいずれか一つを含む各種水、メタノール、エタノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、オクタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリンのいずれか一つを含むアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル（メチルセロソルブ）、エチレングリコールモノエチルエーテル（エチルセロソルブ）、エチレングリコールモノフェニルエーテル（フェニルセロソルブ）のいずれか一つを含むエーテル類（セルソロブ類）、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、ギ酸エチルのいずれか一つを含むエステル類、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルイソプロピルケトン、シクロヘキサノンのいずれか一つを含むケトン類、ペンタン、ヘキサン、オクタンのいずれか一つを含む脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサンのいずれか一つを含む環式炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキシルベンゼン、ヘブチルベンゼン、オクチルベンゼン、ノニルベンゼン、デシルベンゼン、ウンデシルベンゼン、ドデシルベンゼン、トリデシルベンゼン、テトラデシルベンゼンのいずれか一つを含む長鎖アルキル基及びベンゼン環を有する芳香族炭火水素類、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、１、２−ジクロロエタンのいずれか一つを含むハロゲン化炭化水素類、ピリジン、ピラジン、フラン、ピロール、チオフェン、メチルピロリドンのいずれか一つを含む芳香族複素環類、アセトニトクル、プロピオニトリル、アクリロニトリルのいずれか一つを含むニトリル類、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドのいずれか一つを含むアミド類、カルボン酸塩又はその他の各種油類のいずれか一つであることを特徴とする。
本態様によれば、前記流動性組成物として上記原料を用いることにより、三次元造形物を精度良く製造することができる。

本発明に係る第８の態様の三次元造形物の製造装置は、ステージと、前記ステージに粒子を含む流動性組成物を吐出する吐出部と、エネルギービームを照射するビーム照射部と、前記ステージ、前記吐出部及び前記ビーム照射部の相対位置を三次元に移動させることが可能な駆動部と、前記吐出部、前記ビーム照射部及び前記駆動部の動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記流動性組成物を前記吐出部から吐出させて前記ステージに吐出物を位置させ、前記吐出位置を移動させて吐出物ラインを形成し、前記吐出物ラインを隣接する方向に複数形成して一つの層を形成し、前記層の形成を積層方向に繰り返し、造形物に対応する位置の前記吐出物に前記エネルギービームを照射して固化し、前記固化工程は前記エネルギービームのビーム径が前記吐出物ラインの幅より大の状態で行う制御モードを備えていることを特徴とする。
本態様によれば、前記第１の態様と同様の作用、効果を奏することができる。

本発明の実施形態１に係る三次元造形物の製造装置の全体構成の概略を表す正面図。 同実施形態１に係る三次元造形物の製造装置の全体構成を表す側面図。 同実施形態１に係る三次元造形物の製造装置の全体構成を表す平面図。 同実施形態１に係る三次元造形物の製造装置の要部を表す正面図。 同実施形態１に係る三次元造形物の製造装置の要部を表す平面図。 本発明の実施形態２に係る三次元造形物の製造方法における製造工程を段階的に表す平面図（（Ａ）〜（Ｆ））。 本発明の実施形態２に係る三次元造形物の製造方法における製造工程を段階的に表す図６中のＡ−Ａ〜Ｆ−Ｆ断面図（（Ａ）〜（Ｆ））。 本発明の実施形態２に係る三次元造形物の製造方法における製造工程の要部を段階的に表す平面図。 本発明の実施形態３に係る三次元造形物の製造方法における製造工程の要部を段階的に表す平面図。 本発明の実施形態４に係る三次元造形物の製造装置の全体構成を表す正面図。

以下に、本発明の実施形態に係る三次元造形物の製造方法及び三次元造形物の製造装置について、添付図面を参照して詳細に説明する。
尚、以下の説明では、最初に実施形態１に係る三次元造形物の製造装置を例にとって、本発明の三次元造形物の製造装置の全体構成の概略について説明する。次に、該実施形態１に係る三次元造形物の製造装置の本発明の特徴的構成となる要部の具体的構成について説明する。
続いて、前記実施形態１に係る三次元造形物の製造装置を使用することによって実行される本発明の実施形態２に係る三次元造形物の製造方法を三次元造形物の製造過程と併せて具体的に説明した後、前記実施形態２と一部の内容を異ならせた実施形態３に係る三次元造形物の製造方法を前記実施形態２との差異に絞って具体的に説明する。
更に、前記実施形態１と一部の構成を異ならせた実施形態４に係る三次元造形物の製造装置を前記実施形態１との差異を中心に具体的に説明し、最後に部分的構成を異ならせた本発明の三次元造形物の製造方法及び三次元造形物の製造装置の他の実施形態について言及する。

◆◆◆実施形態１（図１〜図５参照）◆◆◆
（１）三次元造形物の製造装置の全体構成の概略
図示のように本実施形態に係る三次元造形物の製造装置１Ａは、ステージ３上に吐出された流動性組成物Ａ０に対してエネルギービームＥを照射して固化させることによって一つの層Ｄを形成し、以下同一の操作を積層方向Ｚに所定回数、繰り返すことによって三次元造形物Ｍ１を製造する装置である。図１は４層目を形成している状態を表している。
具体的には、原料となる粒子を含む流動性組成物Ａ０が吐出されるステージ３と、流動性組成物Ａ０を吐出する吐出部である吐出ヘッド５と、吐出された吐出物Ａ１に対してエネルギービームＥを照射するビーム照射部７と、ステージ３と吐出ヘッド５とビーム照射部７との相対位置を三次元方向Ｘ、Ｙ、Ｚに移動させる駆動部９と、前記吐出ヘッド５とビーム照射部７と駆動部９の各種動作を制御する制御部１１と、を備えることによって本実施形態に係る三次元造形物の製造装置１Ａは基本的に構成されている。

ステージ３は、流動性組成物Ａ０が吐出される層形成領域１３を有する一例として平板状の部材であり、駆動部９の構成要素である昇降駆動装置１５によって積層方向Ｚに三次元造形物Ｍ１の形成に必要な所定ストローク移動できるように構成されている。
吐出ヘッド５は、原料供給ユニット１７から供給チューブ１９を介して供給される流動性組成物Ａ０を前述した層形成領域１３に向けて吐出するノズルを備えた部材であり、駆動部９の構成要素である第１駆動装置２１によって一例として幅方向となる第１の方向Ｘに三次元造形物Ｍ１の形成に必要な所定ストローク移動できるように構成されている。

ビーム照射部７は、前述したようにエネルギービームＥを層形成領域１３に吐出された吐出物Ａ１に向けて照射する装置であり、前記吐出ヘッド５と同様、第１駆動装置２１によって第１の方向Ｘに所定ストローク移動できるように構成されている。
尚、図示の実施形態では、第１駆動装置２１として支持フレーム２３上に配置した第２の方向Ｙ（図２）に延びる２本の第２ガイドレール２５上を走行する走行フレーム２７と、該走行フレーム２７に対して第１の方向Ｘに延びるように設けられる第１ガイドレール２９と、該第１ガイドレール２９に沿って第１の方向Ｘに往復移動する第１スライドブロック３１と、該第１スライドブロック３１に駆動力を付与する第１アクチュエーター３３と、を備えて構成されている。そして、前記吐出ヘッド５とビーム照射部７は、前記第１スライドブロック３１を一体に備える往復可能なキャリッジ３２に対して取り付けられている。

また、前記走行フレーム２７は、駆動部９の構成要素である第２駆動装置３５によって一例として前後方向となる第２の方向Ｙに三次元造形物Ｍ１の形成に必要な所定ストローク移動できるように構成されている。
尚、図示の実施形態では、第２駆動装置３５として、支持フレーム２３上に配置された２本の第２ガイドレール２５と、該第２ガイドレール２５に沿って第２の方向Ｙに往復移動する走行フレーム２７に対して設けられる第２スライドブロック３７と、該第２スライドブロック３７に駆動力を付与する第２アクチュエーター３９と、を備えて構成されている。

また、制御部１１は、流動性組成物Ａ０を吐出ヘッド５から吐出させてステージ３上の層形成領域１３に吐出物Ａ１を位置させ、流動性組成物Ａ０の吐出位置を第１の方向Ｘに移動させて吐出物ラインＬ（図５）を形成し、該吐出物ラインＬを第１の方向Ｘと交差する第２の方向Ｙに隣接して複数形成して一つの層Ｄを形成し、形成された一つの層Ｄのうち、最終的に三次元造形物Ｍ１の一部となる対応する位置の吐出物Ａ１に対してエネルギービームＥを照射して固化し、前記層Ｄの形成と吐出物Ａ１の固化とを積層方向Ｚに所定回数、繰り返して所定形状の三次元造形物Ｍ１を得る制御モード４１を備えている。

（２）三次元造形物の製造装置の要部の具体的構成（図４及び図５参照）
本実施形態に係る三次元造形物の製造装置１Ａでは、原料となる粒子を含む流動性組成物Ａ０として、金属粒子とバインダーと溶媒又は分散媒との組成物が一例として適用できる。
金属粒子としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（ＡＩ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）や、これらのうち少なくとも１種の金属を含む合金（例えば、マルエージング鋼、ステンレス、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル基調合金、アルミニウム合金等）などの単体、もしくはこれらを混合した粒状ないし粉末状の粒子が使用できる。

溶媒又は分散媒としては、例えば、蒸留水、純水、ＲＯ水等の各種水の他、メタノール、エタノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、オクタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル（メチルセロソルブ）等のエーテル類（セロソルブ類）、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、ギ酸エチル等のエステル類、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルイソプロピルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、ペンタン、ヘキサン、オクタン等の脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の環式炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキシルベンゼン、ヘブチルベンゼン、オクチルベンゼン、ノニルベンゼン、デシルベンゼン、ウンデシルベンゼン、ドデシルベンゼン、トリデシルベンゼン、テトラデシルベンゼン等の長鎖アルキル基及びベンゼン環を有する芳香族炭火水素類、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、１，２−ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類、ピリジン、ピラジン、フラン、ピロール、チオフェン、メチルピロリドンのいずれか一つを含む芳香族複素環類、アセトニトクル、プロピオニトリル、アクリロニトリル等のニトリル類、Ｎ，Ｎ−ジメチルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド等のアミド類、カルボン酸塩又はその他の各種油類等が挙げられる。

バインダーとしては、前述した溶媒又は分散媒に可溶であれば、限定されない。例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂、合成樹脂等を用いることができる。また、例えば、ＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の熱可塑性樹脂を用いることもできる。
また、可溶状態でなく、上述したアクリル樹脂などの樹脂の微小な粒子の状態で、前述した溶媒又は分散媒中に分散させるようにしてもよい。

また、前述したビーム照射部７としては、レーザー照射装置が一例として適用でき、前述した制御部１１から送信される制御信号に基づいてレーザー発振器４３から所定出力のレーザーが発振され、ビーム照射部７からエネルギービームＥとなってステージ３上の層形成領域１３に向けて照射される。
尚、本実施形態で使用されるレーザーとしては特に限定はないが、ファイバーレーザー、或いは炭酸ガスレーザーが波長が長く金属の吸収効率が高い利点を有することから好適なレーザーとして使用できる。

そして、本実施形態に係る三次元造形物の製造装置１Ａにおいては、制御モード４１は、ステージ３上の層形成領域１３に吐出された吐出物Ａ１を固化するに際してエネルギービームＥのビーム径Ｇ（図６）を吐出物ラインＬの幅Ｗよりも大きくした状態でエネルギービームＥを照射する個別制御モードとしての吐出物ライン形成・固化モード４５を備えている。
この他に、制御モード４１は、吐出ヘッド５から吐出される流動性組成物Ａ０の吐出量や吐出タイミング等を制御する原料吐出モード４７、エネルギービームＥの照射量や照射タイミング等を制御するビーム照射モード４９、第１駆動装置２１、第２駆動装置３５及び昇降駆動装置１５の駆動を制御して吐出ヘッド５とビーム照射部７のステージ３に対する相対位置等を制御する位置制御モード５１を個別制御モードとして更に備えている。

◆◆◆実施形態２（図６〜図８及び図４参照）◆◆◆
実施形態２に係る三次元造形物の製造方法は、前述した実施形態１に係る三次元造形物の製造装置１Ａを使用することによって実行される製造方法である。
具体的には、吐出物ライン形成工程Ｐ１と、層形成工程Ｐ２と固化工程Ｐ３と、積層工程Ｐ４と、を有することによって本実施形態に係る三次元造形物の製造方法は基本的に構成されている。以下、三次元造形物Ｍ１の製造過程と併せてこれらの工程の内容を具体的に説明する。

（１）吐出物ライン形成工程（図６（Ａ）、図７（Ａ）及び図８（Ａ）参照）
吐出物ライン形成工程Ｐ１は、粒子を含む流動性組成物Ａ０を吐出部５から吐出させて層形成領域１３に吐出物Ａ１を位置させ、流動性組成物Ａ０の吐出位置を第１の方向Ｘに移動させて吐出物ラインＬを形成する工程である。
即ち、昇降駆動装置１５を駆動してステージ３の高さが最初に形成する第１の層Ｄ１（図４）の形成位置になるようにステージ３を積層方向Ｚに移動させる。次に、第２駆動装置３５を駆動して吐出ヘッド５とビーム照射部７の第２方向Ｙの位置を三次元造形物Ｍ１の製造を開始する原点位置に移動させ、同じく第１駆動装置２１を駆動して吐出ヘッド５とビーム照射部７の第１の方向Ｘの位置を三次元造形物Ｍ１の製造を開始する原点位置に移動させる。

次に、第１の方向Ｘにおける前記原点位置からキャリッジ３２が移動する方向の前方に吐出ヘッド５、後方にビーム照射部７がそれぞれ位置するようにして吐出ヘッド５から流動性組成物Ａ０を所定の吐出量と吐出タイミングで吐出して行き、１本目の吐出物ラインＬ１を形成する。
また、当該吐出物ラインＬの形成に先立って層形成領域１３を予め昇温しておくことが好ましい。層形成領域１３を予め昇温しておいた場合には、エネルギービームの照射前の段階で前記昇温された熱によって吐出物Ａ１の乾燥が進む。この乾燥が進んだ状態でエネルギービームが照射されるので、固化後の層の厚みのバラツキを低減でき、また固化のためのエネルギーの利用効率を向上できる。また、吐出部５から吐出された流動性組成物Ａ０が低い温度の層形成領域１３に接触することによって生ずる流動性の低下や半固化状態になる等の性状の変化を低減させることができる。

（２）層形成工程（図６（Ｄ）、図７（Ｄ）、図８（Ｂ）参照）
層形成工程Ｐ２は、前記吐出物ラインＬを第１の方向Ｘと交差する第２の方向Ｙに隣接して複数形成して一つの層Ｄを形成する工程である。
即ち、図６に表したように、１本目の吐出物ラインＬ１を形成した後キャリッジ３２を初期位置に戻し、第２駆動装置３５を駆動して吐出ヘッド５とビーム照射部７を所定ピッチ、第２の方向Ｙに移動させる。次いで第１駆動装置２１を駆動して、キャリッジ３２を１本目の吐出物ラインＬ１を形成した時と同じ方向に移動させながら吐出ヘッド５から流動性組成物Ａ０を吐出させて２本目の吐出物ラインＬ２を形成する。尚、本実施形態では、形成する吐出ラインＬ１、Ｌ２の一部が隣同士で重なるように前記所定ピッチの移動量Ｓを設定している。
尚、図８に表したように、２本目の吐出物ラインＬ２は、キャリッジ３２を初期位置に戻さないで、１本目の吐出物ラインＬ１を形成した後の復路で形成してもよい。この場合はキャリッジ３２を反転させる等によって吐出ヘッド５を復路の移動方向を先行移動させ、その後をビーム照射部７を移動させる。
以下、同様の動作を必要な回数、繰り返して第１の層Ｄ１を形成する。

（３）固化工程（図６（Ｂ）（Ｃ）（Ｅ）（Ｆ）、図７（Ｂ）（Ｃ）（Ｅ）（Ｆ）、図８参照）
固化工程Ｐ３は、形成された一つの層Ｄのうち、最終的に三次元造形物Ｍ１の一部となる対応する位置の吐出物Ａ１に対してエネルギービームＥを照射して固化する工程である。
そして、本実施形態では前記固化工程Ｐ３は、エネルギービームＥのビーム径Ｇを吐出物ラインＬの幅Ｗより大きく設定した状態で行われる。

また、本実施形態では、固化工程Ｐ３は、吐出物ラインＬの形成毎に行うように設定されている。具体的には、図６（Ｂ）に表すように、１本の吐出物ラインＬの形成が終了した後、ビーム照射部７を該吐出物ラインＬの始端位置に移動させて図６（Ｃ）に表すように吐出物ラインＬの終端に向けて移動させるようにしている。
また、図８に表すように、吐出ヘッド５の動きにビーム照射部７の動きを追従させて、１本の吐出物ラインＬの形成途中の段階で形成済みの吐出物ラインＬに対してエネルギービームＥの照射を同時並行的に行うことも可能である。
そして、図７（Ｂ）（Ｃ）等に表すようにステージ３上に吐出された吐出物Ａ１に対してエネルギービームＥが照射されると、吐出物Ａ１は溶融状態になって、エネルギービームＥのビーム径Ｇによって規定される幅寸法の中間造形物Ｍ０になる。

（４）積層工程（図４参照）
積層工程Ｐ４は、前記層形成工程Ｐ２と前記固化工程Ｐ３を積層方向Ｚに所定回数、繰り返して所定形状の三次元造形物Ｍ１を得る工程である。
即ち、第１の層Ｄ１が形成、固化されたら、前述した昇降駆動装置１５を駆動して第１の層Ｄ１の厚さ分、ステージ３を下方に移動させて第２の層Ｄ２の形成、固化を行う。以下、同様の操作を繰り返して必要な数の層Ｄの形成、固化が行われると、複数の層Ｄが積み重なって接合された三次元造形物Ｍ０の骨格が現われ、バリ取り等の表面仕上処理を行って製品としての三次元造形物Ｍ０が得られる。

また、各層Ｄの形成に当たり、最終的に三次元造形物Ｍ１となる対応する位置以外の部位の吐出物Ａ１に対してはエネルギービームＥを照射しない。
そして、積層工程Ｐ４において、エネルギービームＥが照射されなかった部位の吐出物Ａ１を積層方向Ｚに積み重ねて行くことによって、形成途中の中間造形物Ｍ０や完成した三次元造形物Ｍ１の姿勢を保持するサポート層５３（図４）が形成される。

そして、このようにして構成される実施形態１に係る三次元造形物の製造装置１Ａと本実施形態に係る三次元造形物の製造方法によれば、材料の無駄を低減でき、また三次元造形物を精度良く製造することができる。

◆◆◆実施形態３（図９参照）◆◆◆
実施形態３に係る三次元造形物の製造方法は、層形成工程Ｐ２と固化工程Ｐ３の内容が前記実施形態２に係る三次元造形物の製造方法と幾分相違しており、吐出物ライン形成工程Ｐ１と積層工程Ｐ４の内容については、前記実施形態２に係る三次元造形物の製造方法と同様である。
従って、ここでは図９を用いて、前記実施形態２と相違する層形成工程Ｐ２と固化工程Ｐ３について、実施形態２との相違点を中心に説明する。

（１）層形成工程（図９（Ａ）（Ｂ）参照）
層形成工程Ｐ２は、本実施形態では吐出物ラインＬが隣同士で離間するように行う。
即ち、吐出ヘッド５とビーム照射部７を第２駆動装置３５を使用して、第２の方向Ｙに移動させる移動量Ｓを吐出物ラインＬの幅Ｗよりも大きくなるように設定する。

（２）固化工程（図９（Ｂ）（Ｃ）参照）
固化工程Ｐ３は、本実施形態ではエネルギービームＥの照射によって隣同士の吐出物ラインＬが重なって固化するように構成されている。
即ち、エネルギービームＥのビーム径Ｇを吐出物ラインＬの幅Ｗよりも大きくすることによって、エネルギービームＥの照射を受けた吐出物ラインＬは溶融し、第１の方向Ｘに前記幅Ｗを拡大する。そして、この拡大分によって離間状態で配置されている吐出物ラインＬ１、Ｌ２間の隙間を埋めて両者を重ね合わせた状態で固化する。

そして、このようにして構成される本実施形態に係る三次元造形物の製造方法によっても、前述した実施形態２に係る三次元造形物の製造方法と同様の作用、効果が発揮される。また、本実施形態にあっては、流動性組成物Ａ０の吐出物Ａ１は、エネルギービームの照射により、照射前よりも幅方向に拡がる傾向のものがある場合を考慮したものである。これにより、前記拡がりによって前記「隣同士で離間」した部分が埋まり、以って各層にエネルギービームを照射して固化させた状態の層の厚みのバラツキを低減することができる。また、吐出物の吐出量の無駄を低減することができる。

◆◆◆実施形態４（図１０参照）◆◆◆
実施形態４に係る三次元造形物の製造装置１Ｄは、前述した実施形態１に係る三次元造形物の製造装置１Ａにおける第１駆動装置２１と第２駆動装置３５の機能を産業用ロボット５５に担わせたものである。従って、産業用ロボット５５以外の構成については実施形態１と同様であるので、ここでの詳細な説明は省略し、産業用ロボット５５を使用して行う吐出ヘッド５とビーム照射部７の第１の方向Ｘと第２の方向Ｙへの移動動作を中心に説明する。

本実施形態では、一例として双腕多関節式の産業用ロボット５５を使用しており、吐出ヘッド５とビーム照射部７をそれぞれ別々のロボットアーム５７、５９によって支持し、吐出ヘッド５とビーム照射部７をそれぞれ独立して三次元方向Ｘ、Ｙ、Ｚに移動できるようにしている。
従って、前述した実施形態１における第１駆動装置２１と第２駆動装置３５がそれぞれ第１の方向Ｘと第２の方向Ｙのみに吐出ヘッド５とビーム照射部７を移動させていたのと相違し、一つの層Ｄ内に積層方向Ｚの起伏があるような複雑な形状の層Ｄの形成にも対応できる構成になっている。

そして、このようにして構成される本実施形態に係る三次元造形物の製造装置１Ｄによっても、前述した実施形態１に係る三次元造形物の製造装置１Ａと同様の作用、効果が発揮される。また、本実施形態にあっては、形成できる三次元造形物Ｍ１の大きさがロボットアーム５７、５９のアーム長によって規制されるため前記実施形態１よりも一般に小さくなるが、三次元方向Ｘ、Ｙ、Ｚに移動できるロボットアーム５７、５９の特性によって前記実施形態１よりも複雑な形状の三次元造形物Ｍ１を形成することが可能になる。

［他の実施形態］
本発明に係る三次元造形物の製造方法及び三次元造形物の製造装置１は、以上述べたような構成を有することを基本とするものであるが、本願発明の要旨を逸脱しない範囲内での部分的構成の変更や省略等を行うことも勿論可能である。

例えば、本発明に係る態様の三次元造形物の製造装置１における駆動部９は、吐出部５とビーム照射部７を三次元方向Ｘ、Ｙ、Ｚに移動できる産業用ロボット５５のみによって構成して、前述した実施形態において採用したステージ３を積層方向Ｚに昇降移動させる昇降駆動装置１５を省略することが可能である。また、産業用ロボット５５としては、双腕型のロボットアーム５７、５９を備える双腕多関節式のロボットに限らず、単一のロボットアームによって吐出部５とビーム照射部７を一体に移動させるもの、直交座標系或いは直交座標系に円筒座標系を組み合わせた方式の二次元方向Ｘ、Ｙ或いは三次元方向Ｘ、Ｙ、Ｚに移動できるもの等、種々のタイプの産業用ロボット５５が使用可能である。

また、原料となる粒子を含む流動性組成物Ａ０としては、前述した実施形態のように金属粒子を主成分とするものに限らず合成樹脂粒子を主成分とするものであってもよい。

また、前記実施形態２で採用した隣接する吐出物ラインＬを重ねた構成と前記実施形態３で採用した隣接する吐出物ラインＬを離間させる構成を一つの層Ｄの形成の中で混在させ、組み合わせた形で使用することが可能である。この場合には、吐出物ラインＬを重ねた部分の厚みが吐出物ラインＬを離間させた部分の厚みよりも幾分厚くなるから起伏や凹凸のある層Ｄの形成が可能になる。

また、吐出ヘッド５とビーム照射部７の移動方向は、必ずしも直線方向に限られない。例えば、円筒座標系を有する産業用ロボット５５を駆動部９として使用した場合には、第１の方向Ｘを円周方向とし、第２の方向を半径方向とすることで同心円状の吐出物ラインＬを複数形成して層Ｄを形成することも可能である。

１…三次元造形物の製造装置、３…ステージ、５…吐出ヘッド（吐出部）、
７…ビーム照射部、９…駆動部、１１…制御部、１３…層形成領域、１５…昇降駆動装置、
１７…原料供給ユニット、１９…供給チューブ、２１…第１駆動装置、
２３…支持フレーム、２５…第２ガイドレール、２７…走行フレーム、
２９…第１ガイドレール、３１…第１スライドブロック、３２…キャリッジ、
３３…第１アクチュエーター、３５…第２駆動装置、３７…第２スライドブロック、
３９…第２アクチュエーター、４１…制御モード、４３…レーザー発振器、
４５…吐出物ライン形成・固化モード、４７…原料吐出モード、４９…ビーム照射モード、
５１…位置制御モード、５３…サポート層、５５…産業用ロボット、
５７…ロボットアーム、５９…ロボットアーム、
Ｐ１…吐出物ライン形成工程、Ｐ２…層形成工程、
Ｐ３…固化工程、Ｐ４…積層工程、Ａ０…流動性組成物、Ａ１…吐出物、Ｄ…層、
Ｌ…吐出物ライン、Ｅ…エネルギービーム、Ｍ０…中間造形物、Ｍ１…三次元造形物、
Ｇ…ビーム径、Ｗ…幅、Ｘ…第１の方向、Ｙ…第２の方向、Ｚ…積層方向、Ｓ…移動量

Claims (8)

1. 粒子を含む流動性組成物を吐出部から吐出させて層形成領域に吐出物を位置させ、吐出位置を移動させて吐出物ラインを形成する吐出物ライン形成工程と、
   前記吐出物ラインを隣接する方向に複数形成して一つの層を形成する層形成工程と、
   前記層形成工程を積層方向に繰り返す積層工程と、
   造形物に対応する位置の前記吐出物にエネルギービームを照射して固化する固化工程と、を有し、
   前記固化工程は前記エネルギービームのビーム径が前記吐出物ラインの幅より大の状態で行う、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
2. 請求項１に記載の三次元造形物の製造方法において、
   前記固化工程は前記吐出物ラインの形成毎に行う、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の三次元造形物の製造方法において、
   前記層形成工程は前記吐出物ラインが隣同士で重なるように行う、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
4. 請求項１又は２に記載の三次元造形物の製造方法において、
   前記層形成工程は前記吐出物ラインが隣同士で離間するように行い、
   続く前記エネルギービームの照射によって隣同士が重なって固化する、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法において、
   前記吐出物ラインの形成は前記層形成領域が予め昇温された状態で行う、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法において、
   前記積層工程は前記造形物となる対応する位置以外は前記エネルギービームを照射しないことでサポート層を作る、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法において、
   前記流動性組成物は、金属粒子とバインダーと溶媒又は分散媒との組成物であり、
   前記金属粒子は、マグネシウム、鉄、銅、コバルト、クロム、アルミニウム、チタン或いはニッケル又はこれらのうち少なくとも１種の金属を含む合金の粒状或いは粉末状の粒子もしくはこれらの混合粒子であり、
   前記バインダーは、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）或いはその他の熱可塑性樹脂であり、
   前記溶媒又は分散媒は、蒸留水、純水、ＲＯ（Reverse
   Osmosis）水のいずれか一つを含む各種水、メタノール、エタノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、オクタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリンのいずれか一つを含むアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル（メチルセロソルブ）、エチレングリコールモノエチルエーテル（エチルセロソルブ）、エチレングリコールモノフェニルエーテル（フェニルセロソルブ）のいずれか一つを含むエーテル類（セルソロブ類）、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、ギ酸エチルのいずれか一つを含むエステル類、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルイソプロピルケトン、シクロヘキサノンのいずれか一つを含むケトン類、ペンタン、ヘキサン、オクタンのいずれか一つを含む脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサンのいずれか一つを含む環式炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキシルベンゼン、ヘブチルベンゼン、オクチルベンゼン、ノニルベンゼン、デシルベンゼン、ウンデシルベンゼン、ドデシルベンゼン、トリデシルベンゼン、テトラデシルベンゼンのいずれか一つを含む長鎖アルキル基及びベンゼン環を有する芳香族炭火水素類、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、１、２−ジクロロエタンのいずれか一つを含むハロゲン化炭化水素類、ピリジン、ピラジン、フラン、ピロール、チオフェン、メチルピロリドンのいずれか一つを含む芳香族複素環類、アセトニトクル、プロピオニトリル、アクリロニトリルのいずれか一つを含むニトリル類、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドのいずれか一つを含むアミド類、カルボン酸塩又はその他の各種油類のいずれか一つである、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
8. ステージと、
   前記ステージに粒子を含む流動性組成物を吐出する吐出部と、
   エネルギービームを照射するビーム照射部と、
   前記ステージ、前記吐出部及び前記ビーム照射部の相対位置を三次元に移動させることが可能な駆動部と、
   前記吐出部、前記ビーム照射部及び前記駆動部の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記流動性組成物を前記吐出部から吐出させて前記ステージに吐出物を位置させ、前記吐出位置を移動させて吐出物ラインを形成し、
   前記吐出物ラインを隣接する方向に複数形成して一つの層を形成し、
   前記層の形成を積層方向に繰り返し、
   造形物に対応する位置の前記吐出物に前記エネルギービームを照射して固化し、
   前記固化工程は前記エネルギービームのビーム径が前記吐出物ラインの幅より大の状態で行う制御モードを備えている、ことを特徴とする三次元造形物の製造装置。

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