JP7040651B2 - 三次元造形物の製造方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (5)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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