JP7040651B2 - 三次元造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形物の製造方法に関する。

従来から、層を積層することにより三次元造形物を製造する製造方法が実施されている。このうち、三次元造形物を支持体上に形成する三次元造形物の製造方法が開示されている。
例えば、特許文献１には、金属粉末の層を焼結させながら支持体としての昇降テーブル上に三次元造形物を形成する三次元造形物の製造方法が開示されている。

特開２０００－７３１０８号公報

しかしながら、特許文献１で開示されるような、三次元造形物を支持体上に形成する三次元造形物の製造方法においては、三次元造形物の焼結体が支持体と一体化するなどして、三次元造形物の焼結体を支持体から分離することが困難であった。

そこで、本発明の目的は、三次元造形物を支持体上から分離する際の負荷を低減することである。

上記課題を解決するための本発明の第１の態様の三次元造形物の製造方法は、層を積層し積層体を形成することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、第１の粒子とバインダーとを含む第１の組成物を供給して、支持体上に、第１の層を形成する第１の層形成工程と、第２の粒子とバインダーとを含む第２の組成物を供給して、前記第１の層上に、１層又は複数層からなる第２の層を形成する第２の層形成工程と、前記第１の層を介して、前記支持体から前記第２の層を分離する分離工程と、を有し、前記分離工程後に、前記第２の層を焼結する焼結工程を行うことを特徴とする。

本態様によれば、支持体から第２の層を分離する分離工程後に、第２の層を焼結する焼結工程を行う。このため、三次元造形物の焼結体が支持体と一体化することなどを抑制でき、三次元造形物を支持体上から分離する際の負荷を低減することができる。

本発明の第２の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第１の態様において、前記第１の組成物に含まれるバインダーによる前記第１の粒子同士の結合力は、前記第２の組成物に含まれるバインダーによる前記第２の粒子同士の結合力よりも小さいことを特徴とする。

本態様によれば、第１の組成物に含まれるバインダーによる第１の粒子同士の結合力は、第２の組成物に含まれるバインダーによる第２の粒子同士の結合力よりも小さい。このため、分離工程で支持体から第２の層（三次元造形物の積層体）を分離する際に、三次元造形物を破損させることなく支持体から分離することが容易になる。

本発明の第３の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第２の態様において、前記第１の組成物に含まれるバインダー量は、前記第２の組成物に含まれるバインダー量よりも少ないことを特徴とする。

本態様によれば、第１の組成物に含まれるバインダー量は第２の組成物に含まれるバインダー量よりも少ない。このため、簡単に、第１の組成物におけるバインダーによる第１の粒子同士の結合力を、第２の組成物におけるバインダーによる第２の粒子同士の結合力よりも小さくすることができる。したがって、分離工程で支持体から第２の層（三次元造形物の積層体）を分離する際に、三次元造形物を破損させることなく支持体から分離することが容易になる。

本発明の第４の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第１から第３のいずれか１つの態様において、前記分離工程前に、前記支持体に対する前記第２の層の分離を促進する分離促進工程を行うことを特徴とする。

本態様によれば、分離工程前に支持体に対する第２の層の分離を促進する分離促進工程を行う。このため、分離工程を簡単にすることができる。

本発明の第５の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第４の態様において、前記第１の組成物に含まれるバインダーの分解温度は、前記第２の組成物に含まれるバインダーの分解温度よりも低く、前記分離促進工程は、前記第１の組成物に含まれるバインダーの分解温度よりも高く前記第２の組成物に含まれるバインダーの分解温度よりも低い温度で加熱する加熱工程であることを特徴とする。

本態様によれば、分離促進工程は、第１の組成物に含まれるバインダーの分解温度よりも高く第２の組成物に含まれるバインダーの分解温度よりも低い温度で加熱する加熱工程である。このため、分離促進工程を簡単に実行することができる。

本発明の第６の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第４の態様において、前記支持体は、電磁波を透過可能に構成されており、前記分離促進工程は、前記支持体を介して前記第１の組成物に電磁波を照射する電磁波照射工程であることを特徴とする。

本態様によれば、分離促進工程は、支持体を介して第１の組成物に電磁波を照射する電磁波照射工程である。このため、分離促進工程を簡単に実行することができる。

本発明の第７の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第６の態様において、前記支持体上には、チタニア層が形成されていることを特徴とする。

本態様によれば、支持体上にはチタニア層が形成されている。チタニア層と接するバインダーは電磁波の照射により容易に分解されるため、分離工程において、該チタニア層を介して、支持体と第２の層との分離を特に簡単に実行することができる。

本発明の第８の態様の三次元造形物の製造方法は、前記第１から第７のいずれか１つの態様において、前記支持体上の算術平均表面粗さＲａは５μｍ以下であることを特徴とする。

本態様によれば、支持体上の算術平均表面粗さＲａは５μｍ以下である。すなわち、支持体上の表面は滑らかである。このため、支持体上でアンカー効果などが発生することを抑制でき、分離工程において、支持体と第２の層との分離を特に簡単に実行することができる。

図１Ａは本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置の構成を示す概略構成図、図１Ｂは図１Ａに示すＣ部の拡大図。 図２Ａは本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置の構成を示す概略構成図、図２Ｂは図２Ａに示すＣ’部の拡大図。 本発明の一の実施形態に係るヘッドベースの概略透視図。 本発明の一の実施形態に係るヘッドユニットの配置と、三次元造形物の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図。 三次元造形物の形成形態を概念的に説明する概略図。 ヘッドベースに配置されるヘッドユニットの、その他の配置の例を示す模式図。 本発明の一実施例に係る三次元造形物の製造過程を表す概略図。 本発明の一実施例に係る三次元造形物の製造方法のフローチャート。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
図１及び図２は本発明の一の実施形態に係る三次元造形物の製造装置の構成を示す概略構成図である。
ここで、本実施形態の三次元造形物の製造装置は、２種類の材料供給部（ヘッドベース）と１種類の加熱部とを備えている。このうち、図１は、一の材料供給部（構成材料（三次元造形物を構成する粒子と溶媒とバインダーとを含む材料）を供給する材料供給部）のみを表した図である。また、図２は、一の材料供給部（三次元造形物を形成する際に該三次元造形物を支持する支持部を形成する支持部形成用材料を供給する材料供給部）と、一の加熱部（支持層形成用材料を焼結させるためのレーザーを用いた加熱部）と、を表した図である。
なお、本明細書における「三次元造形」とは、いわゆる立体造形物を形成することを示すものであって、例えば、平板状、いわゆる二次元形状の形状であっても厚さを有する形状を形成することも含まれる。また、「支持する」とは、下側から支持する場合の他、横側から支持する場合や、場合によっては上側から支持する場合も含む意味である。

図１及び図２に示す三次元造形物の製造装置２０００（以下、形成装置２０００という）は、基台１１０と、基台１１０に備える駆動手段としての駆動装置１１１によって、図示するＸ，Ｙ，Ｚ方向の移動、あるいはＺ軸を中心とする回転方向に駆動可能に備えられたステージ１２０を備えている。
そして、図１で表されるように、一方の端部が基台１１０に固定され、他方の端部に構成材料を吐出する構成材料吐出部１２３０を備えるヘッドユニット１４００を複数保持するヘッドベース１１００が保持固定される、ヘッドベース支持部１３０を備えている。
また、図２で表されるように、一方の端部が基台１１０に固定され、他方の端部に三次元造形物を支持する支持層形成用材料を吐出する支持層形成用材料吐出部１７３０を備えるヘッドユニット１９００を複数保持するヘッドベース１６００が保持固定される、ヘッドベース支持部７３０と、を備えている。
ここで、ヘッドベース１１００と、ヘッドベース１６００とは、ＸＹ平面において並列に設けられている。
なお、構成材料吐出部１２３０と支持層形成用材料吐出部１７３０とは同様の構成のものである。ただし、このような構成に限定されない。

ステージ１２０上には、三次元造形物５００が形成される過程での層５０１、５０２及び５０３が形成される。三次元造形物５００の形成には、レーザーなどによる熱エネルギーの照射がなされるため、ステージ１２０の熱からの保護のため、耐熱性を有する試料プレート１２１を用いて、試料プレート１２１の上に三次元造形物５００を形成してもよい。本実施形態の試料プレート１２１は頑丈で表面を滑らかにする（三次元造形物５００をより高精度に製造することが可能になる）ことができるとともに製造の容易な金属製のものである。しかしながら、試料プレート１２１としては、例えばセラミック板を用いることで、高い耐熱性を得ることができ、更に溶融（あるいは焼結されてもよい）される三次元造形物の構成材料との反応性も低く、三次元造形物５００の変質を防止することができる。なお、図１Ａ及び図２Ａでは、説明の便宜上、層５０１、５０２及び５０３の３層を例示したが、所望の三次元造形物５００の形状まで（図１Ａ及び図２Ａ中の層５０ｎまで）積層される。このように、本実施例の形成装置２０００においては、試料プレート１２１を使用して三次元造形物５００を形成することができるとともに、試料プレート１２１を使用せずに三次元造形物５００を形成することができる。このため、ステージ１２０及び試料プレート１２１の何れも三次元造形物５００を形成する際の支持体になり得る。ただし、以下の説明においては、試料プレート１２１を使用して三次元造形物５００を形成する場合を前提にして説明する。
ここで、層５０１は、所謂剥離層であり、支持層形成用材料吐出部１７３０から吐出される支持層形成用材料で形成される支持層３００で構成される。該層５０１は、第１の粒子とバインダーとを含む第１の組成物としての支持層形成用材料を支持体上に供給して形成される第１の層Ｓ１（図７参照）である。
また、層５０２、５０３、・・・５０ｎは、各々、支持層形成用材料吐出部１７３０から吐出される支持層形成用材料で形成される支持層３００と、構成材料吐出部１２３０から吐出される構成材料で形成される構成層３１０と、で構成される。別の表現をすると、層５０２、５０３、・・・５０ｎは、第２の粒子とバインダーとを含む第２の組成物としての構成材料を第１の層Ｓ１としての層５０１上に供給して形成される１層又は複数層からなる第２の層Ｓ２（図７参照）である。

また、図１Ｂは、図１Ａに示すヘッドベース１１００を示すＣ部拡大概念図である。図１Ｂに示すように、ヘッドベース１１００は、複数のヘッドユニット１４００が保持されている。詳細は後述するが、１つのヘッドユニット１４００は、構成材料供給装置１２００に備える構成材料吐出部１２３０が保持治具１４００ａに保持されることで構成される。構成材料吐出部１２３０は、吐出ノズル１２３０ａと、材料供給コントローラー１５００によって吐出ノズル１２３０ａから構成材料を吐出させる吐出駆動部１２３０ｂと、を備えている。

図２Ｂは、図２Ａに示すヘッドベース１６００を示すＣ’部拡大概念図である。図２Ｂに示すように、ヘッドベース１６００は、複数のヘッドユニット１９００が保持されている。ヘッドユニット１９００は、支持層形成用材料供給装置１７００に備える支持層形成用材料吐出部１７３０が保持治具１９００ａに保持されることで構成される。支持層形成用材料吐出部１７３０は、吐出ノズル１７３０ａと、材料供給コントローラー１５００によって吐出ノズル１７３０ａから支持層形成用材料を吐出させる吐出駆動部１７３０ｂと、を備えている。また、支持層形成用材料として焼結可能な材料を使用した場合において該支持層形成用材料を焼結させるためのレーザー照射部３１００と、レーザー照射部３１００からのレーザー光を位置決めするガルバノミラー３０００をステージ１２０の上方に備えている。

図１で表されるように、構成材料吐出部１２３０は、ヘッドベース１１００に保持されるヘッドユニット１４００それぞれに対応させた構成材料を収容した構成材料供給ユニット１２１０と供給チューブ１２２０により接続されている。そして、所定の構成材料が構成材料供給ユニット１２１０から構成材料吐出部１２３０に供給される。構成材料供給ユニット１２１０には、本実施形態に係る形成装置２０００によって造形される三次元造形物５００の構成材料が構成材料収容部１２１０ａに収容され、個々の構成材料収容部１２１０ａは、供給チューブ１２２０によって、個々の構成材料吐出部１２３０に接続されている。このように、個々の構成材料収容部１２１０ａを備えることにより、ヘッドベース１１００から、複数の異なる種類の材料を供給することができる。

図２で表されるように、支持層形成用材料吐出部１７３０は、ヘッドベース１６００に保持されるヘッドユニット１９００それぞれに対応させた支持層形成用材料を収容した支持層形成用材料供給ユニット１７１０と供給チューブ１７２０により接続されている。そして、所定の支持層形成用材料が支持層形成用材料供給ユニット１７１０から支持層形成用材料吐出部１７３０に供給される。支持層形成用材料供給ユニット１７１０には、三次元造形物５００を造形する際の支持層を構成する支持層形成用材料が支持層形成用材料収容部１７１０ａに収容され、個々の支持層形成用材料収容部１７１０ａは、供給チューブ１７２０によって、個々の支持層形成用材料吐出部１７３０に接続されている。このように、個々の支持層形成用材料収容部１７１０ａを備えることにより、ヘッドベース１６００から、複数の異なる種類の支持層形成用材料を供給することができる。

支持層形成用材料及び構成材料（第１の粒子及び第２の粒子の材料）としては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単体粉末、もしくはこれらの金属を１つ以上含む合金（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、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金）、また、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコン、酸化錫、酸化マグネシウム、チタン酸カリウムなどの各種金属酸化物、また、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウムなどの各種金属酸化物、また、窒化珪素、窒化チタン、窒化アルミ等の各種金属窒化物、また、炭化珪素、炭化チタン等の各種金属炭化物、また、硫化亜鉛等の各種金属硫化物、また、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の各種金属の炭酸塩、また、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム等の各種金属の硫酸塩、また、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム等の各種金属のケイ酸塩、また、リン酸カルシウム等の各種金属のリン酸塩、また、ホウ酸アルミニウム、ホウ酸マグネシウム等の各種金属のホウ酸塩や、これらの複合化物等、石膏（硫酸カルシウムの各水和物、硫酸カルシウムの無水物）が挙げられる。
そして、これらの混合粉末を、溶剤と、バインダーとを含むスラリー状（あるいはペースト状）の混合材料などにして用いることが可能である。
また、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなどの汎用エンジニアリングプラスチックを用いることが可能である。その他、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチックも用いることが可能である。
このように、構成材料及び支持層形成用材料に特に限定はなく、上記金属以外の金属やセラミックスや樹脂等も使用可能である。

溶剤としては、例えば、水；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテル類；酢酸エチル、酢酸ｎ－プロピル、酢酸ｉｓｏ－プロピル、酢酸ｎ－ブチル、酢酸ｉｓｏ－ブチル等の酢酸エステル類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類；メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル－ｎ－ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類；エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；テトラアルキルアンモニウムアセテート類；ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤；ピリジン、γ－ピコリン、２，６－ルチジン等のピリジン系溶剤；テトラアルキルアンモニウムアセテート（例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等）等のイオン液体等が挙げられ、これらから選択される１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
バインダーとしては、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）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、（ＣＭＣカルボキシメチルセルロース）或いはその他の熱可塑性樹脂である。

形成装置２０００には、図示しない、例えばパーソナルコンピューター等のデータ出力装置から出力される三次元造形物の造形用データに基づいて、上述したステージ１２０、構成材料供給装置１２００に備える構成材料吐出部１２３０、並びに、支持層形成用材料供給装置１７００に備える支持層形成用材料吐出部１７３０を制御する制御手段としての制御ユニット４００を備えている。そして、制御ユニット４００には、図示しないが、ステージ１２０及び構成材料吐出部１２３０が連携して駆動及び動作するよう制御し、ステージ１２０及び支持層形成用材料吐出部１７３０が連携して駆動及び動作するよう制御する制御部を備えている。

基台１１０に移動可能に備えられているステージ１２０は、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、ステージコントローラー４１０においてステージ１２０の移動開始と停止、移動方向、移動量、移動速度などを制御する信号が生成され、基台１１０に備える駆動装置１１１に送られ、図示するＸ，Ｙ，Ｚ方向にステージ１２０が移動する。ヘッドユニット１４００に備える構成材料吐出部１２３０では、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、材料供給コントローラー１５００において構成材料吐出部１２３０に備える吐出駆動部１２３０ｂにおける吐出ノズル１２３０ａからの材料吐出量などを制御する信号が生成され、生成された信号により吐出ノズル１２３０ａから所定量の構成材料が吐出される。
同様に、ヘッドユニット１９００に備える支持層形成用材料吐出部１７３０では、制御ユニット４００からの制御信号に基づき、材料供給コントローラー１５００において支持層形成用材料吐出部１７３０に備える吐出駆動部１７３０ｂにおける吐出ノズル１７３０ａからの材料吐出量などを制御する信号が生成され、生成された信号により吐出ノズル１７３０ａから所定量の支持層形成用材料が吐出される。

次に、ヘッドユニット１４００についてさらに詳細に説明する。なお、ヘッドユニット１９００は、ヘッドユニット１４００と同様の構成である。このため、ヘッドユニット１９００についての詳細な構成の説明は省略する。
図３及び図４は、ヘッドベース１１００に複数保持されるヘッドユニット１４００及び構成材料吐出部１２３０の保持形態の一例を示し、このうち図４は、図１Ｂに示す矢印Ｄ方向からのヘッドベース１１００の外観図である。

図３に示すように、ヘッドベース１１００に複数のヘッドユニット１４００が、図示しない固定手段によって保持されている。また、図４で表されるように、本実施形態に係る形成装置２０００のヘッドベース１１００では、図下方より第１列目のヘッドユニット１４０１、第２列目のヘッドユニット１４０２、第３列目のヘッドユニット１４０３、そして第４列目のヘッドユニット１４０４の、４ユニットが千鳥状（互い違い）に配置されたヘッドユニット１４００を備えている。そして、図４Ａで表されるように、ステージ１２０をヘッドベース１１００に対してＸ方向に移動させながら各ヘッドユニット１４００から構成材料を吐出させて構成層構成部５０（構成層構成部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄ）が形成される。構成層構成部５０の形成手順については後述する。
なお、図示しないが、それぞれのヘッドユニット１４０１～１４０４に備える構成材料吐出部１２３０は、吐出駆動部１２３０ｂを介して構成材料供給ユニット１２１０に供給チューブ１２２０で繋がれる構成となっている。

図３に示すように、構成材料吐出部１２３０は吐出ノズル１２３０ａから、ステージ１２０上に載置された試料プレート１２１上に形成された第１の層Ｓ１としての層５０１（剥離層としての支持層３００）に向けて三次元造形物の構成材料である材料Ｍが吐出される。ヘッドユニット１４０１では、材料Ｍが液滴状で吐出される吐出形態を例示し、ヘッドユニット１４０２では、材料Ｍが連続体状で供給される吐出形態を例示している。材料Ｍの吐出形態は、液滴状であっても連続体状であっても、どちらでもよいが、本実施形態では材料Ｍは液滴状で吐出される形態により説明する。なお、材料Ｍの供給形態は、このような構成に限定されず、例えば、常温で固形の材料を加熱して流体状にして吐出する構成などであってもよい。

吐出ノズル１２３０ａから液滴状に吐出された材料Ｍは、略重力方向に飛翔し、試料プレート１２１上に着弾する。ステージ１２０は移動し、着弾した材料Ｍにより構成層構成部５０が形成される。この構成層構成部５０の集合体が、第２の層Ｓ２を構成する層５０２として、また、三次元造形物５００の構成層３１０として、形成される。

次に、構成層構成部５０の形成手順について、図４及び図５を用いて説明する。
図４は、本実施形態のヘッドユニット１４００の配置と、構成層構成部５０の形成形態と、の関係を概念的に説明する平面図である。そして、図５は、構成層構成部５０の形成形態を概念的に表す側面図である。

まず、ステージ１２０が＋Ｘ方向に移動すると、複数の吐出ノズル１２３０ａから材料Ｍが液滴状に吐出され、試料プレート１２１の所定の位置に材料Ｍが配置され、構成層構成部５０が形成される。
より具体的には、まず、図５Ａで表されるように、ステージ１２０を＋Ｘ方向に移動させながら、複数の吐出ノズル１２３０ａから試料プレート１２１の所定の位置に一定の間隔で材料Ｍを配置させる。

次に、図５Ｂで表されるように、ステージ１２０を図１に示す－Ｘ方向に移動させながら、一定の間隔で配置された材料Ｍの間を埋めるように新たに材料Ｍを配置させる。
ただし、ステージ１２０を＋Ｘ方向に移動させながら、複数の吐出ノズル１２３０ａから試料プレート１２１の所定の位置に材料Ｍが重なるように（間隔を空けないように）配置させる構成（ステージ１２０のＸ方向における往復移動で構成層構成部５０を形成する構成ではなく、ステージ１２０のＸ方向における片側の移動のみで構成層構成部５０を形成する構成）としても良い。

上記のように構成層構成部５０を形成することによって、図４Ａで表されるような、各ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４のＸ方向における１ライン分（Ｙ方向における１ライン目）の構成層構成部５０（構成層構成部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ及び５０ｄ）が形成される。

次に、各ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４のＹ方向における２ライン目の構成層構成部５０’（構成層構成部５０ａ’、５０ｂ’、５０ｃ’及び５０ｄ’）を形成するため、－Ｙ方向にヘッドベース１１００を移動させる。移動量は、ノズル間のピッチをＰとすると、Ｐ／ｎ（ｎは自然数）ピッチ分だけ－Ｙ方向に移動させる。本実施例ではｎを３として説明する。
図５Ａ及び図５Ｂで表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図４Ｂで表されるような、Ｙ方向における２ライン目の構成層構成部５０’（構成層構成部５０ａ’、５０ｂ’、５０ｃ’及び５０ｄ’）が形成される。

次に、各ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３及び１４０４のＹ方向における３ライン目の構成層構成部５０’’（構成層構成部５０ａ’’、５０ｂ’’、５０ｃ’’及び５０ｄ’’）を形成するため、－Ｙ方向にヘッドベース１１００を移動させる。移動量は、Ｐ／３ピッチ分だけ－Ｙ方向に移動させる。
そして、図５Ａ及び図５Ｂで表されるような、上記と同様な動作を行うことで、図４Ｃで表されるような、Ｙ方向における３ライン目の構成層構成部５０’’（構成層構成部５０ａ’’、５０ｂ’’、５０ｃ’’及び５０ｄ’’）が形成され、構成層３１０を得ることができる。

また、構成材料吐出部１２３０から吐出される材料Ｍを、ヘッドユニット１４０１、１４０２、１４０３、１４０４のいずれか１ユニット、あるいは２ユニット以上からその他ヘッドユニットと異なる構成材料を吐出供給することもできる。従って、本実施形態に係る形成装置２０００を用いることによって、異種材料から形成される三次元造形物を得ることができる。

なお、支持層形成用材料吐出部１７３０から支持層形成用材料を吐出させて、同様の方法で、第１の層Ｓ１である層５０１として、支持層３００を形成することができる。そして、該第１の層Ｓ１である層５０１上に、第２の層Ｓ２である層５０２、５０３、・・・５０ｎを形成する際、同様に、構成層３１０及び支持層３００を形成することができる。なお、支持層３００は、支持層形成用材料の種類に応じて、レーザー照射部３１００及びガルバノミラー３０００を用いて焼結すること、などが可能である。

上述の本実施形態に係る形成装置２０００が備えるヘッドユニット１４００及び１９００の数及び配列は、上述した数及び配列に限定されない。図６に、その例として、ヘッドベース１１００に配置されるヘッドユニット１４００の、その他の配置の例を模式図的に示す。

図６Ａは、ヘッドベース１１００にヘッドユニット１４００をＸ軸方向に複数、並列させた形態を示す。図６Ｂは、ヘッドベース１１００にヘッドユニット１４００を格子状に配列させた形態を示す。なお、いずれも配列されるヘッドユニットの数は、図示の例に限定されない。

次に、上述の本実施形態に係る形成装置２０００を用いて行う三次元造形物の製造方法の一実施例について説明する。
図７は、形成装置２０００を用いて行う三次元造形物の製造過程の一例を表す概略図である。図７Ａから図７Ｆは三次元造形物の製造過程を側面視で表している。

最初に、図７Ａは、支持層形成用材料吐出部１７３０を使用して、試料プレート１２１の上に、第１の層Ｓ１として、剥離層としての支持層３００を形成した状態を表している。なお、本実施例においては、支持層形成用材料として、第１の粒子としてのセラミックス粒子とバインダーとしての樹脂とを含む材料を使用している。本実施例においては、セラミックス粒子は球状のものを使用しているが、針状、繊維状、葉状などであってもよい。
ここで、図７Ａは、支持層形成用材料吐出部１７３０から支持層形成用材料を吐出するとともに該支持層形成用材料に向けてレーザー照射部３１００からレーザーを照射した状態を表している。レーザーの照射によって第１の粒子としてのセラミックス粒子は焼結していなく、バインダーが支持層３００中に残存していることによって粒子同士、試料プレート１２１上の粒子が結着されている状態である。なお、バインダーとしての樹脂の種類や量によってレーザーの照射条件を適宜変更してもよいし、支持層形成用材料に溶剤を含む場合は、レーザーの照射によって溶剤を蒸発させてもよい。

次に、図７Ｂは、支持層形成用材料吐出部１７３０を使用して、第１の層Ｓ１としての支持層３００の上における三次元造形物の形成領域以外の領域（三次元造形物の非形成領域）に、支持層３００を形成した状態を表している。

次に、図７Ｃは、構成材料吐出部１２３０を使用して、第１の層Ｓ１としての支持層３００の上における三次元造形物の形成領域に、第２の層Ｓ２として、構成層３１０を形成した状態を表している。なお、本実施例においては、構成材料として、第２の粒子としての金属粒子とバインダーとしての樹脂とを含む材料を使用している。ここで、構成材料に含まれる樹脂による金属粒子同士の結合力は、支持層形成用材料に含まれる樹脂によるセラミックス粒子同士の結合力よりも強くなるように、各々の樹脂の種類及び量が調整されている。構成材料に溶剤を含む場合は、金属粒子が焼結しない条件でレーザーを照射して溶剤を蒸発させてもよい。

そして、図７Ｂで表される支持層３００の形成及び図７Ｃで表される構成層３１０の形成を繰り返すことにより、図７Ｄで表されるように、三次元造形物の積層体を形成する。

ここで、図７Ｅは、図７Ｄで表されるように形成された三次元造形物の積層体（第２の層Ｓ２）を、試料プレート１２１から剥離した状態を表している。なお、図７Ｅでは、第１の層Ｓ１としての支持層３００と三次元造形物の積層体（第２の層Ｓ２）とが剥離する状態を表しているが、試料プレート１２１と第１の層Ｓ１としての支持層３００とが剥離してもよい。さらには、一部において第１の層Ｓ１としての支持層３００と三次元造形物の積層体（第２の層Ｓ２）とが剥離し、別の一部において試料プレート１２１と第１の層Ｓ１としての支持層３００とが剥離してもよい。

そして、図７Ｆは、本実施形態に係る形成装置２０００とは別体として設けられる恒温槽（加熱槽）１８００で、図７Ｅで表されるように試料プレート１２１から剥離した三次元造形物の積層体の構成層３１０を、焼結させた状態を表している。金属粒子はセラミックス粒子よりも融点が低いものを選択している。また、焼結工程は、金属粒子は焼結してセラミックス粒子は焼結しないそれぞれの融点よりも低い温度で行う。
なお、図７Ｆにおいては、三次元造形物の積層体の構成層３１０の焼結に伴い、支持層３００に含まれるバインダー成分が分解（熱分解）され、少しの外力を与えるだけで、セラミックス粒子同士が離れてばらばらになる。本実施例では、熱に強いセラミックスプレート１８１０上で該焼結を行った状態を表している。

次に、上記形成装置２０００を用いて行う三次元造形物の製造方法の一例（図７に対応する例）についてフローチャートを用いて説明する。
ここで、図８は、本実施例に係る三次元造形物の製造方法のフローチャートである。

図８で表されるように、本実施例の三次元造形物の製造方法においては、最初にステップＳ１１０で、三次元造形物のデータを取得する。詳細には、例えばパーソナルコンピューターにおいて実行されているアプリケーションプログラム等から、三次元造形物の形状を表すデータを取得する。

次に、ステップＳ１２０で、層毎のデータを作成する。詳細には、三次元造形物の形状を表すデータにおいて、Ｚ方向の造形解像度に従ってスライスし、断面毎にビットマップデータ（断面データ）を生成する。
この際、生成されるビットマップデータは、三次元造形物の形成領域（構成層３１０）と三次元造形物の非形成領域（支持層３００）とで区別されたデータになっている。

次に、ステップＳ１３０で、形成しようとする層のデータが、三次元造形物の非形成領域（支持層３００）を形成するデータか三次元造形物の形成領域（構成層３１０）を形成するデータかを判断する。なお。この判断は制御ユニット４００に備えられた制御部により行われる。
本ステップで、支持層３００を形成するデータと判断された場合はステップＳ１４０に進み、構成層３１０を形成するデータと判断された場合はステップＳ１５０に進む。

ステップＳ１４０では、支持層３００を形成するデータに基づいて支持層形成用材料吐出部１７３０から支持層形成用材料を吐出することにより、支持層形成用材料を供給する。
ここで、第１の層Ｓ１である層５０１を形成する工程（第１の層形成工程）は、本ステップに対応する。ただし、第２の層Ｓ２における支持層３００を形成する工程（第２の層形成工程）も、本ステップに対応する。
そして、ステップＳ１４０で支持層形成用材料を吐出すると、ステップＳ１６０で、レーザー照射部３１００からガルバノミラー３０００を介してレーザーを照射（エネルギー付与）して該吐出された液滴（支持層３００）を固める。

一方、ステップＳ１５０では、構成材料吐出部１２３０から構成材料を吐出することにより、構成材料を供給する。なお、第２の層Ｓ２である層５０２、５０３・・・５０ｎを形成する工程（第２の層形成工程）は、本ステップに対応する。

そして、ステップＳ１７０により、ステップＳ１２０において生成された各層に対応するビットマップデータに基づく三次元造形物の積層体の造形が終了するまで、ステップＳ１３０からステップＳ１７０までが繰り返される。

そして、ステップＳ１８０により三次元造形物の積層体を試料プレート１２１から剥離し、ステップＳ１９０により恒温槽１８００において上記ステップで形成した三次元造形物の積層体を加熱する。詳細には、三次元造形物の形成領域（構成層３１０）を焼結する。
そして、ステップＳ１９０の終了に伴い、本実施例の三次元造形物の製造方法を終了する。

上記のように、本実施例の三次元造形物の製造方法は、層を積層し積層体を形成することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法である。
そして、セラミックス粒子と樹脂とを含む第１の組成物である支持層形成用材料を供給して、試料プレート１２１上に、第１の層Ｓ１を形成する第１の層形成工程（ステップＳ１４０に対応）と、金属粒子と樹脂とを含む第２の組成物である構成材料を供給して、第１の層Ｓ１上に、１層又は複数層からなる第２の層Ｓ２（三次元造形物の積層体）を形成する第２の層形成工程（ステップＳ１５０及び第２の層Ｓ２における支持層３００を形成する場合におけるステップＳ１４０に対応）と、第１の層Ｓ１を介して、試料プレート１２１から第２の層Ｓ２を分離する分離工程（ステップＳ１８０に対応）と、を有する。
そして、分離工程後に、第２の層Ｓ２を焼結する焼結工程（ステップＳ１９０に対応）を行う。
このように、試料プレート１２１から第２の層Ｓ２を分離する分離工程後に、第２の層Ｓ２を焼結する焼結工程を行うことで、三次元造形物の焼結体が試料プレート１２１と一体化することなどを抑制でき、三次元造形物を試料プレート１２１上から分離する際の負荷を低減することができる。
なお、第２の層Ｓ２を形成する際、上記のように構成材料に加えて支持層３００を形成するための支持層形成用材料を使用して層を形成することのほか、構成材料のみで層を形成してもよいのは言うまでもない。

また、本実施例の三次元造形物の製造方法においては、上記のように、支持層形成用材料に含まれる樹脂によるセラミックス粒子同士の結合力は、構成材料に含まれる樹脂による金属粒子同士の結合力よりも小さくなるよう調整されている。このため、分離工程で試料プレート１２１から第２の層Ｓ２を分離する際に、三次元造形物を破損させることなく試料プレート１２１から分離することが容易になっている。

ここで、支持層形成用材料に含まれる樹脂によるセラミックス粒子同士の結合力を構成材料に含まれる樹脂による金属粒子同士の結合力よりも小さくする方法として、例えば、支持層形成用材料に含まれるバインダーと構成材料に含まれるバインダーとを同様なものとし、支持層形成用材料に含まれるバインダー量を構成材料に含まれるバインダー量よりも少なくすることができる。このようにすることで、簡単に、支持層形成用材料における樹脂によるセラミックス粒子同士の結合力を、構成材料における樹脂による金属粒子同士の結合力よりも小さくすることができる。したがって、分離工程で支持体から第２の層Ｓ２を分離する際に、三次元造形物を破損させることなくプレート１２１から分離することが容易になる。
なお、具体的には、例えば、支持層形成用材料に含まれるバインダー量を５％以上６０％以下とし、構成材料に含まれるバインダー量をこれより多くすることができる。

ここで、プレート１２１上の算術平均表面粗さＲａを５μｍ以下として、プレート１２１上の表面を滑らかにすることが好ましい。プレート１２１上の表面を滑らかにすることで、プレート１２１上でアンカー効果などが発生することを抑制でき、分離工程において、プレート１２１と第２の層Ｓ２との分離を特に簡単に実行することができるためである。

また、本実施例の三次元造形物の製造方法では、実行していないが、分離工程前に、プレート１２１に対する第２の層Ｓ２の分離を促進する分離促進工程を行ってもよい。分離工程を簡単にすることができるためである。

例えば、支持層形成用材料及び構成材料に含まれるバインダーとして、支持層形成用材料に含まれるバインダーの分解温度が、構成材料に含まれるバインダーの分解温度よりも低いものを使用し、分離促進工程として、支持層形成用材料に含まれるバインダーの分解温度よりも高く構成材料に含まれるバインダーの分解温度よりも低い温度で加熱する、加熱工程を実行することができる。このような分離促進工程は簡単に実行することができ、このような分離促進工程を実行することで、簡単に、支持層形成用材料における樹脂によるセラミックス粒子同士の結合力を、構成材料における樹脂による金属粒子同士の結合力よりも小さくすることができる。

また、例えば、ステージ１２０及びプレート１２１として電磁波が透過可能なものを使用し、分離促進工程として、ステージ１２０及びプレート１２１を介して（例えば下側から）支持層形成用材料に電磁波を照射する、電磁波照射工程を実行することができる。このような分離促進工程は簡単に実行することができ、このような分離促進工程を実行することで、簡単に、支持層形成用材料における樹脂によるセラミックス粒子同士の結合力を、構成材料における樹脂による金属粒子同士の結合力よりも小さくすることができる。
なお、分離工程は、分離促進工程としての電磁波の照射を開始した後であれば、電磁波の照射中に実行しても電磁波の照射が終了してからに実行してもどちらでもよい。また、電磁波を透過可能な構成材料としてはジルコニアや二酸化ケイ素などが挙げられる。

本態様によれば、支持体としてのプレート１２１上にはチタニア層が形成されている。チタニア層と接するバインダーは電磁波の照射により容易に分解されるため、分離工程において、該チタニア層を介して、支持体（プレート１２１）と第２の層Ｓ２との分離を特に簡単に実行することができる。

本発明は、上述の実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆ、５０ｇ及び５０ｈ…構成層構成部、 １１０…基台、１１１…駆動装置、１２０…ステージ（支持体）、１２１…試料プレート（支持体）、 １３０…ヘッドベース支持部、３００、…支持層、３１０…構成層、 ４００…制御ユニット、４１０…ステージコントローラー、５００…三次元造形物、 ５０１、５０２及び５０３…層、７３０…ヘッドベース支持部、 １１００…ヘッドベース、１２００…構成材料供給装置、 １２１０…構成材料供給ユニット、１２１０ａ…構成材料収容部、 １２２０…供給チューブ、１２３０…構成材料吐出部、１２３０ａ…吐出ノズル、 １２３０ｂ…吐出駆動部、１４００…ヘッドユニット、１４００ａ…保持治具、 １４０１、１４０２、１４０３及び１４０４…ヘッドユニット、 １５００…材料供給コントローラー、１６００…ヘッドベース、 １７００…支持層形成用材料供給装置、１７１０…支持層形成用材料供給ユニット、 １７１０ａ…支持層形成用材料収容部、１７２０…供給チューブ、 １７３０…支持層形成用材料吐出部、１７３０ａ…吐出ノズル、 １７３０ｂ…吐出駆動部、１８００…恒温槽、１８１０…セラミックスプレート、 １９００…ヘッドユニット、１９００ａ…保持治具、 ２０００…形成装置（三次元造形物の製造装置）、３０００…ガルバノミラー、 ３１００…レーザー照射部、Ｍ…材料（構成材料）、Ｓ１…第１の層、Ｓ２…第２の層

Claims (5)

1. 層を積層し積層体を形成することにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、
   セラミック粒子とバインダーとを含む第１の組成物を供給して、ステージ上に、第１の層を形成する第１の層形成工程と、
   前記セラミック粒子に比べて焼結温度の低い金属粒子とバインダーとを含む第２の組成物を供給して、前記第１の層上に、１層又は複数層からなる第２の層を形成する第２の層形成工程と、
   前記ステージと前記第１の層とを分離する分離工程と、
   前記分離工程後に、前記金属粒子の焼結温度以上前記セラミック粒子の焼結温度以下で前記第２の層を焼結する焼結工程と、を有し、
   前記焼結工程を恒温槽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に記載された三次元造形物の製造方法において、
   前記第１の層はステージ上の試料プレート上に形成されることを特徴とする三次元造形物の製造方法。
3. 請求項１から２のいずれか１項に記載された三次元造形物の製造方法において、
   前記第１の層形成工程において、前記第１の組成物は連続体として供給され、
   前記第２の層形成工程において、前記第２の組成物は連続体として供給されることを特徴とする三次元造形物の製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載された三次元造形物の製造方法において、
   前記第１の組成物及び前記第２の組成物は常温で固形の材料であ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１項に記載された三次元造形物の製造方法において、
   前記第２の層は三次元造形物の形成領域と三次元造形物の非形成領域とを有し、
   前記第１の層と前記第２の層とが分離された後に、前記三次元造形物の形成領域と前記三次元造形物の非形成領域とが分離されることを特徴とする三次元造形物の製造方法。

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