JP6536199B2 - ３次元形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、３次元形成装置に関する。

従来、金属材料を用いて３次元形状を簡便に形成する製造方法として、特許文献１に示すような方法が開示されている。特許文献１に開示されている３次元形状造形物の製造方法は、原料に金属粉末と、溶剤と、粘着増進剤と、を有する金属ペーストを層状の材料層に形成して用いる。そして、層状の材料層に光ビームを照射して金属の焼結層もしくは金属の熔融層を形成し、材料層の形成と、光ビームの照射と、を繰り返すことにより焼結層もしくは熔融層が積層され、所望の３次元形状造形物が得られる。

しかし特許文献１に示された３次元形状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光ビームの照射によって焼結あるいは熔融し、造形物の一部として形成され、光ビームが照射されない材料層は、除去されるだけの無駄な部分であった。また、所定の光ビームの照射領域に対して、その近傍でも不完全ではあるが焼結あるいは熔融した材料層が発生し、その不完全部分が所望の焼結あるいは熔融によって形成された部分に付着することで、造形物の形状が不安定になる、といった不具合があった。

そこで、特許文献２あるいは特許文献３に開示されている所望の部位に粉末金属材料を供給しながらレーザーを照射し、金属肉盛部を形成することができるノズルを適用することで、特許文献１の不具合を解消することが想到できる。

特許文献２，３に開示されているノズルは、ノズル中心部にレーザー照射部を備え、レーザー照射部の周囲に金属粉末（パウダー）を供給するパウダー供給部を備えている。そしてノズル中心のレーザー照射部から照射されるレーザーに向けてパウダーが供給され、供給されたパウダーがレーザーによって熔融して施工対象物上に肉盛金属として形成される。

特開２００８−１８４６２２号公報 特開２００５−２１９０６０号公報 特開２０１３−７５３０８号公報

しかし、特許文献２，３に開示されたノズルを用いて肉盛金属を形成する場合、適用される金属紛体の粒径をより微小なものにすることが困難であった。すなわち、微小粒径、いわゆる微粉体とすることによって粒子間の付着性が増大する、いわゆる強付着性紛体となり、例えば圧縮空気などで搬送、噴出させると流路に付着しやすくなり、流動化を著しく損ない、噴射安定性が損なわれる。従って、パウダーの流動化を確保するためにパウダーの粒径を小さくすることには限界があり、微小粒径のパウダーを用いなければ実現できない微細で高精度な３次元形状の形成に特許文献２，３に開示されたノズルを用いることは困難であった。

そこで、微細な３次元造形物を形成することを可能とする、微小粒径の金属粉末を用いることができる３次元形成装置と３次元形成方法を得ることを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

〔適用例１〕本適用例の３次元形成装置は、ステージと、金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料を前記ステージに供給する材料供給手段と、前記材料供給手段から前記ステージに供給された前記被焼結材料を乾燥し乾燥被焼結材料を形成する乾燥手段と、前記乾燥被焼結材料を焼結可能とするエネルギーを供給するエネルギー照射手段と、を備え、前記ステージに対して、前記材料供給手段と、前記乾燥手段と、前記エネルギー照射手段と、が、相対的に３次元移動が可能となる駆動手段を備え、前記材料供給手段は、前記被焼結材料を重力方向に所定量供給する材料吐出部を備え、前記エネルギー照射手段は、前記エネルギーを出射するエネルギー照射部を備え、前記材料吐出部と、前記エネルギー照射部と、が一つの保持手段に保持されていることを特徴とする。

本適用例の３次元形成装置によれば、形成される３次元形状造形物の形状を形成する領域に必要な量の被焼結材料が供給され、供給された被焼結材料に向けてエネルギー照射手段によってエネルギーが供給されるため、材料供給のロス、供給エネルギーのロスが削減される。

従来、金属粉末のみを供給し、焼結する場合に生じる、金属微粒子間での付着力が増大し、強付着性紛体となり、圧縮空気などで搬送、噴出させる場合に流路に付着しやすくなり、流動化を著しく損なうことがあり、金属微粒子の粒径を小さくするには限界があった。しかし、金属粉末と、バインダーと、を混練した被焼結材料が材料供給手段からステージ上に供給される構成とすることで、材料搬送の流路への付着を防止することができ、安定した材料供給が可能になり、極微小な金属紛体を用いて３次元形状造形物を形成することができる。

エネルギー照射手段から照射される被焼結材料を焼結させるだけの大きなエネルギーによって、被焼結材料に混練され含まれる溶剤などの液体成分がきわめて短時間に蒸散される、すなわち爆発的に気化されることによる金属粉末の飛散に対して、焼結前にあらかじめ液体成分の蒸散を可能とする乾燥手段を備えることにより、焼結時の金属粉末の飛散を防止することができる。

また、乾燥手段によってステージ上に吐出された被焼結材料から、被焼結材料に流動性を向上させることにも寄与する液体成分が除去されることで、ステージ上での被焼結材料の流動性を低下させることができる。従って、被焼結材料の吐出後に、被焼結材料がステージ上面に沿って拡散することを防止することができ、精密な３次元形状造形物を形成できる３次元形成装置を得ることができる。

なお、本適用例において、「焼結可能とする」における焼結とは、供給材料にエネルギーが供給されることによって、供給材料を構成するバインダーが供給エネルギーによって蒸散し、そして、残った金属粉末同士が供給エネルギーによって金属結合することをいう。なお、本明細書では金属粉末が熔融結合される形態もエネルギーを供給することで金属粉末を結合させるものとして、焼結として説明する。

〔適用例２〕上述の適用例において、前記エネルギー照射手段は、前記重力方向に交差する方向に前記エネルギーを照射することを特徴とする。

上述の適用例によれば、材料供給手段とエネルギー照射手段とを相対的な移動を必要とせず、材料供給手段から供給された被焼結材料に対して焼結に必要なエネルギーを照射することができる。

また、エネルギー照射部から照射されるエネルギー線を、重力方向に交差させて照射させることで、例えばステージ上で反射された反射エネルギー線がエネルギー照射部に向かわせないことができる。従って、反射エネルギー線によるエネルギー照射部の損傷を防止することができる。

〔適用例３〕上述の適用例において、前記材料吐出部は、前記被焼結材料を液滴状にして吐出することを特徴とする。

上述の適用例によれば、被焼結材料を微小な液滴状にしてステージ上に供給し、焼結させることで、微小形状の焼結体の集合物として３次元形状造形物が形成される。従って、微細部分の形成を行うことができ、小型で精密な３次元形状造形物を容易に得ることができる。

〔適用例４〕上述の適用例において、複数の前記エネルギー照射部を備えていることを特徴とする。

上述の適用例によれば、ステージ上に供給された被焼結材料に、均一にエネルギーを供給することができる。

〔適用例５〕上述の適用例において、前記材料供給手段は、少なくとも前記被焼結材料が前記ステージに対向した材料吐出口を備える前記材料吐出部まで前記被焼結材料を供給する材料供給部を備え、前記材料供給部を複数備え、異なる組成を有する前記被焼結材料を、少なくとも２種以上供給することを特徴とする。

上述の適用例によれば、異なる組成毎に被焼結材料を供給する材料供給手段を備えることができ、組成毎の各材料供給手段の材料供給と、エネルギー照射手段と、によって異なる材料の焼結もしくは熔融を可能とし、２種以上の組成材料からなる造形物を容易に形成することができる。

〔適用例６〕上述の適用例において、前記エネルギー照射手段がレーザー照射手段であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、ターゲットとなる供給材料に集中してエネルギーを照射することができ、品質の良い３次元形状造形物を形成することができる。また、例えば被焼結材料の種類に合わせて、照射エネルギー量（パワー、走査速度）を制御することが容易に行うことができ、所望の品質の３次元形状造形物を得ることができる。

〔適用例７〕上述の適用例において、前記乾燥手段は、前記乾燥被焼結材料の温度を検出する温度検出手段を備えることを特徴とする。

上述の適用例によれば、乾燥手段とは別にエネルギー照射手段からの熱エネルギーが３次元形状造形物に付加される。従って、温度検出手段を備え、温度検出手段で得られた乾燥対象物の領域の温度データを取得することにより、乾燥手段から放射される乾燥エネルギー、例えば熱線、のエネルギー量を最適に制御することができ、過乾燥を防止することができる。

〔適用例８〕本適用例の３次元形成方法は、金属粉末と、バインダーと、が混練された被焼結材料を所望の形状に供給する材料供給工程と、前記材料供給工程によって供給された被焼結材料を乾燥し乾燥被焼結材料を形成する乾燥工程と、前記乾燥被焼結材料に向けて、前記乾燥被焼結材料を焼結可能とするエネルギーを供給し前記乾燥被焼結材料を焼結させる焼結工程と、により単層を形成する単層形成工程と、前記単層形成工程によって形成された第一の単層に積層させ、前記単層形成工程によって第二の単層を形成する積層工程と、を含み、前記積層工程を所定の回数、繰り返して３次元形状造形物が形成される３次元形成方法であって、前記単層形成工程は、前記材料供給工程において前記被焼結材料を液滴状で吐出させ、着弾した単位液滴状材料に対して行われる前記焼結工程を、所定の前記単層の形成領域に亘って行うことを特徴とする。

本適用例の３次元形成方法によれば、形成される３次元形状造形物の形状を形成する領域に必要な量の被焼結材料が供給され、供給された焼結材料に向けてエネルギー照射手段によってエネルギーが供給されるため、材料供給のロス、供給エネルギーのロスが削減される。

従来、金属粉末のみを供給し、焼結する場合に生じる、金属微粒子間での付着力が増大し、強付着性紛体となり、圧縮空気などで搬送、噴出させる場合に流路に付着しやすくなり、流動化を著しく損なうことがあり、金属微粒子の粒径を小さくするには限界があった。しかし、金属粉末と、バインダーと、を混練した被焼結材料が材料供給手段からステージ上に供給される構成とすることで、材料搬送の流路への付着を防止することができ、極微小な金属紛体を用いて３次元形状造形物を形成することができる。

エネルギー照射手段から照射される被焼結材料を焼結させるだけの大きなエネルギーによって、被焼結材料に混練され含まれる溶剤などの液体成分がきわめて短時間に蒸散される、すなわち爆発的に気化されることによる金属粉末の飛散に対して、焼結前にあらかじめ液体成分の蒸散を可能とする乾燥手段を備えることにより、焼結時の金属粉末の飛散を防止することができる。

また、乾燥手段によってステージ上に吐出された被焼結材料から、被焼結材料に流動性を向上させることにも寄与する液体成分が除去されることで、ステージ上での被焼結材料の流動性を低下させることができる。従って、被焼結材料の吐出後に、被焼結材料がステージ上面に沿って拡散することを防止することができ、精密な３次元形状造形物を形成できる３次元形成方法を得ることができる。

〔適用例９〕上述の適用例において、前記材料供給工程の前記被焼結材料の吐出方向は重力方向であり、前記焼結工程の前記エネルギーの照射方向が重力方向に交差する方向であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、材料供給手段とエネルギー照射手段とを相対的な移動を必要とせず、材料供給手段から供給された被焼結材料に対して焼結に必要なエネルギーを照射することができる。

〔適用例１０〕上述の適用例において、前記積層工程において、前記単層を重力方向に支持するサポート部が形成され、前記サポート部は、前記焼結工程において前記エネルギーが照射されない未焼結部であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、重力方向に３次元形状造形物が形成されない、いわゆるオーバーハング部を形成する場合、材料供給面としてサポート部を形成することにより、オーバーハング部の重力方向の変形を防止し、所望の形状を有する３次元形状造形物を形成することができる。

〔適用例１１〕上述の適用例において、前記サポート部を除去する、サポート部除去工程を備えることを特徴とする。

上述の適用例によれば、サポート部は未焼結部の状態であり容易に除去することが可能である。従って、任意の位置にサポート部を形成しても、完成品としての３次元形状造形物の形成を損なうことがなく、正確な形状を備える３次元形状造形物を得ることができる。

第１実施形態に係る３次元形成装置の構成を示す概略構成図。 第１実施形態に係る３次元形成装置の保持手段を示し、（ａ）は側面外観図、（ｂ）は上面からの外観図。 被焼結材料の乾燥の概念図を示し、（ａ）は乾燥前の状態を示す拡大図、（ｂ）は乾燥後の状態を示す拡大図。 レーザーの照射角度と、単位材料単位材料への照射エネルギーと、の関係を説明する概念図であり、（ａ）と（ｂ）は、第１レーザー照射部の照射状態図、（ｃ）と（ｄ）は、第２レーザー照射部の照射状態図、（ｅ）は、（ｂ），（ｄ）に示す照射領域の状態の合成図。 第２実施形態に係る３次元形成装置の構成を示す概略構成図。 第２実施形態に係る３次元形成装置の保持手段を示し、（ａ）は外観平面図、（ｂ）は外観側面図。 （ａ）は第３実施形態に係る３次元形成方法を示すフローチャートであり、（ｂ）は（ａ）に示す単層形成工程の詳細フローチャート。 第３実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。 第３実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。 第３実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。 第３実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す部分断面図。 第４実施形態に係る３次元形成方法により形成される３次元形状造形物を示す、（ａ）は平面外観図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ´部断面図。 第４実施形態に係る３次元形成方法を示すフローチャート。 第４実施形態に係る３次元形成方法による工程を示す断面図と平面図。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る３次元形成装置の構成を示す概略構成図である。なお、本明細書における「３次元形成」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２次元形状の形状であっても厚みを有する形状を形成することも含まれる。

図１に示すように、３次元形成装置１０００は、基台１０と、基台１０に備える駆動手段としての駆動装置１１によって、図示するＸ，Ｙ，Ｚ方向に駆動可能に備えられたステージ２０を備えている。さらに、一方の端部が基台１０に固定され、他方の端部に後述する材料供給手段とエネルギー照射手段と、を保持する保持手段としてのヘッド３１を保持固定する支持アーム３２と、を備えるヘッド支持部３０を備えている。また、一方の端部が基台１０に固定され、他方の端部に乾燥手段としてのハロゲンランプ４０（以下、ランプ４０という）と、ステージ２０上に形成される３次元造形物の形成過程における温度を計測する非接触温度計５０（以下、温度計５０という）と、を保持固定するランプ支持部６０を備えている。なお、本実施形態ではステージ２０を駆動装置１１によってＸ，Ｙ，Ｚ方向に駆動させる構成を説明するが、これに限定されず、ステージ２０と、ヘッド３１と、が相対的にＸ，Ｙ，Ｚ方向に駆動可能であればよい。

そしてステージ２０上に、３次元形状造形物２００に形成される過程での部分造形物２０１，２０２，２０３が層状に形成される。３次元形状造形物２００の形成には後述するが、レーザーによる熱エネルギーの照射がされるため、ステージ２０を熱から保護するため、耐熱性を有する試料プレート２１を用いて、試料プレート２１の上に３次元形状造形物２００を形成してもよい。試料プレート２１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、更に焼結あるいは熔融される供給材料との反応性も低く、３次元形状造形物２００の変質を防止することができる。なお、図１では説明の便宜上、部分造形物２０１，２０２，２０３の３層を例示したが、所望の３次元形状造形物２００の形状まで積層される。

ヘッド３１には、材料供給手段としての材料供給装置７０に備える材料吐出部７１と、エネルギー照射手段としてのレーザー照射装置８０に備えるエネルギー照射部としてのレーザー照射部８１と、が保持されている。レーザー照射部８１は、本実施形態では第１レーザー照射部８１ａと、第２レーザー照射部８１ｂと、を備えている。

３次元形成装置１０００は、例えば図示しない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３次元形状造形物２００の造形用データに基づいて、上述したステージ２０、材料供給装置７０に備える材料吐出部７１、レーザー照射装置８０、およびランプ４０を制御する制御手段としての制御ユニット１００を備えている。制御ユニット１００には、図示されないが、少なくともステージ２０の駆動制御部と、材料吐出部７１の作動制御部と、ランプ４０の出力制御部と、レーザー照射装置８０の作動制御部と、を備えている。そして、制御ユニット１００には、ステージ２０、材料吐出部７１、ランプ４０、およびレーザー照射装置８０と、が連携して駆動、動作させる制御部を備えている。

基台１０に移動可能に備えられているステージ２０は、制御ユニット１００からの制御信号に基づき、ステージコントローラー１０１においてステージ２０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１０に備える駆動装置１１に送られ、図示するＸ，Ｙ，Ｚ方向にステージ２０が移動する。

ヘッド３１に固定されている材料吐出部７１では、制御ユニット１００からの制御信号に基づき、材料供給コントローラー１０３において材料吐出部７１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材料吐出部７１から所定量の材料が吐出される。

材料吐出部７１には、材料供給装置７０に備える材料供給ユニット７２から材料供給経路としての供給チューブ７２ａが延設され、接続されている。材料供給ユニット７２には、本実施形態に係る３次元形成装置１０００によって造形される３次元形状造形物２００の原料を含む被焼結材料が供給材料として収容されている。供給材料の被焼結材料としては、３次元形状造形物２００の原料となる金属、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）、ニッケル（Ｎｉ）の単体粉末、もしくはこれらを１つ以上含む合金などの混合粉末を、溶剤と、バインダーとしての増粘剤と、に混練して得られるスラリー状（あるいはペースト状）の混合材料である。

なお、金属粉末は、平均粒径が１０μｍ以下のものが好ましく、溶媒または分散媒としては、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）、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）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、ぺンタン、ヘキサン、オクタン等の脂肪族炭化水素類、シクロへキサン、メチルシクロへ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化水素類、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、メチルピロリドン等の芳香族複素環類、アセトニトリル、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−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド等のアミド類、カルボン酸塩またはその他の各種油類等が挙げられる。

増粘剤としては上述の溶剤また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。熱可塑性樹脂を用いる場合には、材料吐出部７１及び材料供給ユニット７２を加熱することで熱可塑性樹脂の柔軟性を維持する。また、耐熱溶剤として、シリコーンオイル等を用いることで、流動性を向上できる。

ランプ支持部６０に固定されたランプ４０は、ランプ４０から放射される熱によって、材料吐出部７１から吐出され、試料プレート２１上、もしくは部分造形物２０１，２０２，２０３の最上層、本例では部分造形物２０３上に着弾した材料が乾燥される。すなわち、金属粉末、溶媒または分散媒、更には増粘剤が混練された材料から、液体成分を蒸散させる。従って、ランプ４０は、材料吐出部７１からの吐出材料の着弾領域に向けて配置されることが好ましい。なお、乾燥手段としてはランプ４０に限定されない。例えば赤外線ランプ、あるいは高周波の照射による加熱乾燥、あるいはステージ２０を加熱することで部分造形物を加熱する、などの手段であってもよい。

ヘッド３１に固定されているレーザー照射装置８０に備えるレーザー照射部８１は、制御ユニット１００からの制御信号に基づき、レーザー発振器８２により所定出力のレーザーが発振され、レーザー照射部８１より、レーザーが照射される。レーザーは、材料吐出部７１から吐出された供給材料に照射され、供給材料に含まれる金属粉末を焼結、もしくは熔融し固体化する。本実施形態に係る３次元形成装置１０００に用いられるレーザーは特に限定はないが、ファイバーレーザー、ある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があることから、好適に用いられる。また、出力が高く、造形時間の短縮ができることから、ファイバーレーザーがより好ましい。

材料が吐出される最上層の部分造形物２０３は、上述したランプ４０からの放射熱と、レーザー照射部８１からのレーザー照射熱と、の２つの熱源により加熱される。従って、過剰に加熱されることを回避するため、ランプ支持部６０には温度計５０が備えられている。温度計５０は非接触で測定対象物の温度を測定することが可能であり、部分造形物２０３の温度を測定しランプ出力コントローラー１０２に測定された温度データを送出する。そして、測定された温度が材料吐出部７１から吐出された材料に対する所定の乾燥温度より高い場合にはランプ４０への供給電力を減らし、乾燥温度より低い場合には供給電力を増やす制御がランプ出力コントローラー１０２によって行われる。

図２は、図１に示すヘッド３１と、ヘッド３１に保持された材料吐出部７１とレーザー照射部８１と、ランプ４０と、温度計５０と、を示す拡大外観図であり、（ａ）は図１に示すＹ方向矢視外観図、（ｂ）は図２（ａ）に示す試料プレート２１からのＺ方向矢視外観図である。

図２（ａ）に示すように、ヘッド３１に保持される材料吐出部７１は、吐出ノズル７１ｂと、吐出ノズル７１ｂから所定の量の材料を吐出させる吐出駆動部７１ａと、を備えている。吐出駆動部７１ａには、材料供給ユニット７２に繋がれた供給チューブ７２ａが接続され、供給チューブ７２ａを介して被焼結材料Ｍが供給される。吐出駆動部７１ａには、図示しない吐出駆動装置が備えられ、材料供給コントローラー１０３からの制御信号に基づき被焼結材料Ｍを吐出ノズル７１ｂに送出する。

吐出ノズル７１ｂの材料吐出口７１ｃ（以下、吐出口７１ｃという）から吐出された被焼結材料Ｍは、液滴状、すなわち略球体形状となる材料飛翔体Ｍｆとなって試料プレート２１、あるいは図１に示す最上層の部分造形物２０３に向けて飛翔し、試料プレート２１、あるいは部分造形物２０３に着弾し単位液滴状材料Ｍｓ（以下、単位材料Ｍｓという）として試料プレート２１上、あるいは部分造形物２０３上に形成される。

そして、試料プレート２１上、あるいは部分造形物２０３上に形成された単位材料Ｍｓには、乾燥手段としてのランプ４０から出射される熱線Ｌｈが照射され、単位材料Ｍｓに含まれる溶媒または分散媒、更には増粘剤などから、液体成分が蒸散され、単位材料Ｍｓは乾燥される。なお、熱線Ｌｈは、単位材料Ｍｓに含まれる溶媒または分散媒、あるいは増粘剤などの含む液体成分の沸点を超えない温度に単位材料Ｍｓを加熱することが好まし。すなわち、単位材料Ｍｓに含まれる溶媒または分散媒、あるいは増粘剤などの含む液体成分の沸点を超える温度まで単位材料Ｍｓを加熱することで、液体成分に突沸を発生させ、単位材料Ｍｓ中の金属粉末を飛散させる虞があり、これを防止するために、液体成分の沸点を超えない温度での乾燥が好ましい。

ランプ４０は、図２（ａ）に示すように、熱源となる光源４１と、光源４１から出射される熱線Ｌｈを、照射対象物に収束させる集光レンズ４２と、光源４１と集光レンズ４２とを収納し、集光レンズ４２から収束させた熱線Ｌｈを出射させる開口４３ａを備えたレンズ収納部４３と、を備えている。なお、ランプ４０は、図２（ａ）に図示した形態に限定されず、集光反射部（リフレクター）を備える光源（ランプ）であってもよい。

図３に、単位材料Ｍｓの乾燥の概念図を示し、図３（ａ）は乾燥前の状態を示す拡大図、図３（ｂ）は乾燥後の状態を示す拡大図である。

図３（ａ）に示すように、単位材料Ｍｓは、３次元形状造形物２００を構成する材料の金属粉末Ｍｍｐが、バインダーＭｂと混練され、略均一に分散した状態で試料プレート２１、もしくは部分造形物２０３上に着弾している。そこに、ランプ４０から出射された熱線Ｌｈが照射されると、図３（ｂ）に示すようにバインダーＭｂに含まれる溶媒または分散媒、更には増粘剤に含まれる液体成分が熱線Ｌｈの熱によって蒸散され、金属粉末Ｍｍｂの周囲にバインダーＭｂ中に含まれていた液体成分以外の固形分、例えば樹脂成分を含む乾燥後のバインダーＭｂ´が残り、液体成分の体積に対応した空間ｓが形成された乾燥後の乾燥被焼結材料としての単位材料Ｍｓ´が形成される。空間ｓは、互いに連通する連通経路Ｔｓを形成するものがあり、その連通経路Ｔｓは乾燥後の単位材料Ｍｓ´の外部へと連通する。

そして、図２（ａ）に示すように、乾燥後の単位材料Ｍｓ´に向けて、第１レーザー照射部８１ａからレーザーＬ１が、第２レーザー照射部８１ｂからレーザーＬ２が、出射される。レーザーＬ１と、レーザーＬ２と、によって単位材料Ｍｓ´は加熱、焼成される。

この時、レーザーＬ１，Ｌ２は短時間で大きな熱エネルギーを乾燥後の単位材料Ｍｓ´に付与することとなるが、図３（ａ）に示す乾燥前の単位材料Ｍｓに対してレーザーＬ１，Ｌ２の熱エネルギーを照射すると、単位材料Ｍｓに混練された溶媒または分散媒、更には増粘剤に含まれる液体成分が爆発的に蒸散され金属粉末Ｍｍｐを飛散させてしまう虞があった。しかし、単位材料Ｍｓを乾燥させて図３（ｂ）に示す乾燥後の単位材料Ｍｓ´の状態に対してレーザーＬ１，Ｌ２を照射することで、液体成分の爆発的な蒸散を回避することができ、金属粉末Ｍｍｐの飛散を防止することができる。また、図３（ｂ）に示す乾燥後のバインダーＭｂ´がレーザーＬ１，Ｌ２の熱エネルギーによってガス化し、蒸散される際にも空間ｓ内、あるいは空間ｓの連通経路Ｔｓを通して単位材料Ｍｓ´の外部へと放出され、金属粉末Ｍｍｐが飛散することなく、焼成され焼結させることができる。

吐出口７１ｃから吐出される材料飛翔体Ｍｆは、吐出口７１ｃから図示矢印の重力方向Ｇに向けて吐出されることが好ましい。すなわち、材料飛翔体Ｍｆを確実に着弾位置に向けて飛翔させ、単位材料Ｍｓが所望の位置に配置させることが、重力方向Ｇに材料飛翔体Ｍｆを吐出することで可能になる。そして、重力方向Ｇに向けて吐出され着弾し、乾燥された単位材料Ｍｓ´に向けて照射されるレーザーＬ１，Ｌ２は、重力方向Ｇに対して交差する方向、すなわち、第１レーザー照射部８１ａからは、重力方向Ｇと角度α１をなす図示する照射方向Ｆ_L1に向けてレーザーＬ１が出射され、単位材料Ｍｓに照射される。同様に、第２レーザー照射部８１ｂからは、重力方向Ｇと角度α２をなす図示する照射方向Ｆ_L2に向けてレーザーＬ２が出射され、単位材料Ｍｓ´に照射される。

上述したように、ランプ４０によって加熱乾燥された乾燥後の単位材料Ｍｓ´に対して、レーザーＬ１，Ｌ２が照射されることで、レーザーＬ１，Ｌ２の照射を受けた単位材料Ｍｓ´近傍は、加熱乾燥のランプ４０からの熱線Ｌｈと、レーザーＬ１，Ｌ２と、の熱エネルギーが集中することによって、次に吐出される単位材料Ｍｓは乾燥温度を超えてしまう虞がある。そこで温度計５０によって、次に吐出される単位材料Ｍｓの着弾領域の温度を測定する、そして、その測定温度データに基づいてランプ出力コントローラー１０２によってランプ４０に備える光源４１への出力電力を制御することで、次に吐出される単位材料Ｍｓの着弾領域の温度を所定の温度範囲にすることができる。

上述したように、本実施形態に係る３次元形成装置１０００に備える材料供給装置７０は、材料吐出部７１から液滴状の材料飛翔体Ｍｆを吐出するものである。従来技術の金属微粉末を材料供給口から噴出させてレーザーなどのエネルギー線によって焼結する形態では、粒子間の付着力が増大する、いわゆる強付着性紛体となり、例えば圧縮空気などで搬送、噴出させると流路に付着しやすくなり、流動化を著しく損なうこととなっていた。しかし、本実施形態では、材料の被焼結材料Ｍとして平均粒径が１０μｍ以下の金属微粉末と、溶剤と、増粘剤と、を混練した混練材を用い、優れた流動性を付与することができる。

しかも、高い流動性を付与することによって、微少量の被焼結材料Ｍを液滴状にして材料吐出部７１の吐出口７１ｃから吐出することが可能となり、試料プレート２１上、もしくは部分造形物２０３上に単位材料Ｍｓを配置させることができる。更に、ランプ４０によって単位材料Ｍｓを乾燥させ、乾燥後の単位材料Ｍｓ´とすることで、着弾後の単位材料Ｍｓ´の変形、例えば潰れや試料プレート２１、もしくは部分造形物２０３上面に沿った流れなど、を抑制することができる。すなわち、微少量の造形の連続体としての微細な３次元造形物を形成することができる。

また、単位材料Ｍｓが形成された位置に向かうように重力方向に交差するＦ_L1，Ｆ_L2方向にレーザーＬ１，Ｌ２が照射されることから、ヘッド３１と、試料プレート２１もしくは部分造形物２０３と、の相対的な位置を移動させることなく単位材料ＭｓにレーザーＬ１，Ｌ２を照射することができる。

さらに、レーザーＬ１，Ｌ２の照射前にランプ４０によって単位材料Ｍｓを乾燥し、乾燥後の単位材料Ｍｓ´とすることにより、レーザーＬ１，Ｌ２の短時間の高いエネルギー照射によっても単位材料Ｍｓ´に含む金属粉末Ｍｍｐを飛散させることがない。従って、高い精度の３次元形状造形物２００を形成することができる。

図４は、レーザーＬ１，Ｌ２の照射角度α１，α２と、単位材料Ｍｓへの照射エネルギーと、の関係を説明する概念図である。図４（ａ）と図４（ｂ）は、第１レーザー照射部８１ａと、第１レーザー照射部８１ａから出射されるレーザーＬ１と、の照射状態図であり、図４（ｃ）と図４（ｄ）は、第２レーザー照射部８１ｂと、第２レーザー照射部８１ｂから出射されるレーザーＬ２と、の照射状態図である。また図４（ｅ）は、レーザーＬ１，Ｌ２が照射される照射領域の状態、すなわち図４（ｂ），（ｄ）を合成、描画したものである。

図４（ａ）に示すように、第１レーザー照射部８１ａからは試料プレート２１、もしくは部分造形物２０３の上面に向けて、重力方向Ｇに対して角度α１をなすＦ_L1方向にレーザーＬ１が出射される。第１レーザー照射部８１ａから出射されるレーザーＬ１は、その出射方向Ｆ_L1に直交する面での断面において、略円形状のレーザー出射形Ｌ１ｄが形成されている。レーザーＬ１が試料プレート２１、もしくは部分造形物２０３の上面に到達すると、照射方向Ｆ_L1の角度α１の傾きにより、レーザー出射形Ｌ１ｄは、図４（ｂ）に示すように楕円形状のレーザー照射形状Ｌ１ｓとなる。

同様に、第２レーザー照射部８１ｂでは、図４（ｃ）に示すように、第２レーザー照射部８１ｂからは試料プレート２１、もしくは部分造形物２０３の上面に向けて、重力方向Ｇに対して角度α２をなすＦ_L2方向にレーザーＬ２が出射される。第２レーザー照射部８１ｂから出射されるレーザーＬ２は、その出射方向Ｆ_L2に直交する面での断面において、略円形状のレーザー出射形Ｌ２ｄが形成されている。レーザーＬ２が試料プレート２１、もしくは部分造形物２０３の上面に到達すると、照射方向Ｆ_L2の角度α２の傾きにより、レーザー出射形Ｌ２ｄは、図４（ｄ）に示すように楕円形状のレーザー照射形状Ｌ２ｓとなる。そして図４（ｅ）に示すように、試料プレート２１、もしくは部分造形物２０３の上面に着弾し乾燥された単位材料Ｍｓ´（図２参照）が、レーザー照射形状Ｌ１ｓ，Ｌ２ｓの領域内に配置されるようにレーザーＬ１，Ｌ２が照射される。

また、上述したように、重力方向Ｇに対して交差する方向Ｆ_L1，Ｆ_L2にレーザーＬ１，Ｌ２を照射することにより、試料プレート２１、もしくは部分造形物２０３によって反射される反射レーザーＬｒ１，Ｌｒ２は、図４（ａ），（ｃ）に示すように、重力方向Ｇの軸線に対して反対角度方向に進行する。従って、レーザーＬ１，Ｌ２の反射レーザーＬｒ１，Ｌｒ２がレーザー照射部８１ａ，８１ｂに向かうことがなく、レーザー照射部８１ａ，８１ｂの損傷を防止することができる。

なお、上述した第１実施形態に係る３次元形成装置１０００は、２つのレーザー照射部８１ａ，８１ｂを備える構成であるが、これに限定されない。例えば、１つのレーザー照射部、もしくは３以上のレーザー照射部を備えていてもよい。また、レーザーＬ１，Ｌ２は重力方向Ｇに交差する方向Ｆ_L1，Ｆ_L2に照射するように、レーザー照射部８１ａ，８１ｂをヘッド３１に装着させているが、これに限定されない。また、本実施形態に係る３次元形成装置１０００では、照射されるエネルギーとしてレーザーＬ１，Ｌ２を用いる形態を説明したが、これに限定されない。被焼結材料Ｍを焼結させる熱量を供給する手段であれば、例えば高周波、ハロゲンランプなどであってもよい。

（第２実施形態）
図５は、複数の被焼結材料によって３次元造形物を形成する第２実施形態に係る３次元形成装置２０００を示す概略構成図である。また、図６は、ヘッド２３１の詳細構成を示し、（ａ）はヘッド２３１の図５の図面上方からＺ軸に沿った外観平面図、（ｂ）はＸ軸方向の外観側面図である。なお、３次元形成装置２０００は、第１実施形態に係る３次元形成装置１０００における材料供給装置７０の構成が異なるものであるので、同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

図５に示すように、第２実施形態に係る３次元形成装置２０００は、材料供給手段としての第１材料供給装置２４０と、第２材料供給装置２５０と、を備えている。第１材料供給装置２４０は、第１材料供給ユニット２４２と、第１供給チューブ２４２ａと、第１供給チューブ２４２ａが繋がれヘッド２３１に保持される第１材料吐出部２４１と、を備えている。同様に、第２材料供給装置２５０は、第２材料供給ユニット２５２と、第２供給チューブ２５２ａと、第２供給チューブ２５２ａが繋がれヘッド２３１に保持される第２材料吐出部２５１と、を備えている。

ヘッド２３１は、図６（ａ）に示すように、ヘッド体２３１ａに、可動ヘッド２３１ｂを備えている。可動ヘッド２３１ｂは、本実施形態では、ヘッド体２３１ａに回転駆動可能に配置された駆動ネジ軸２３１ｃと、駆動ネジ軸２３１ｃを回転駆動させる駆動装置２３２と、を備えている。可動ヘッド２３１ｂには、回転する駆動ネジ軸２３１ｃの回転方向Ｒに対応して可動ヘッド２３１ｂをＹ軸方向の図示するＳ方向への往復運動をさせるネジ嵌合部を備えている。

可動ヘッド２３１ｂには、第１吐出ノズル２４１ｂと、第２吐出ノズル２５１ｂと、が保持されている。ヘッド体２３１ａには、レーザー照射装置８０に備える第１レーザー照射部８１ａと、第２レーザー照射部８１ｂと、が保持されている。

図６に示す本実施形態に係る３次元形成装置２０００のヘッド２３１の状態は、レーザー照射部８１ａ，８１ｂの照射位置に対応するように可動ヘッド２３１ｂを移動させて第２吐出ノズル２５１ｂを配置させている。図６（ｂ）に示すように、材料供給コントローラー２６０からは、第２材料供給装置２５０に対して材料供給の指令に基づき、駆動装置２３２に駆動ネジ軸２３１ｃを駆動させて、可動ヘッド２３１ｂを所定の位置まで移動させる信号が入力され、可動ヘッド２３１ｂが移動させられる。そして、可動ヘッド２３１ｂが所定の位置に到達した後、第２材料吐出部２５１に備える吐出駆動部２５１ａに材料吐出駆動信号が入力され、第２吐出ノズル２５１ｂから、第２材料供給ユニット２５２に収容された材料が吐出される。

そして、次に第１材料供給装置２４０による材料供給に移行する場合には、材料供給コントローラー２６０から、第２材料供給装置２５０からの材料供給を停止させる信号が出され、駆動装置２３２に駆動ネジ軸２３１ｃを駆動させて、可動ヘッド２３１ｂを所定の位置まで移動させる信号が入力され、可動ヘッド２３１ｂが移動させられる。そして、可動ヘッド２３１ｂが所定の位置に到達した後、第１材料吐出部２４１に備える吐出駆動部２４１ａに材料吐出駆動信号が入力され、吐出ノズル２４１ｂから、第１材料供給ユニット２４２に収容された材料が吐出される。

このように、可動ヘッド２３１ｂをＳ方向に往復移動させることで、第１材料供給装置２４０、あるいは第２材料供給装置２５０から、レーザー照射部８１ａ，８１ｂからのレーザーＬ１，Ｌ２の照射領域に所望の被焼結材料を吐出させることができる。なお、本実施形態では２種類の被焼結材料を吐出させる形態を説明したが、これに限定されず、材料種類に応じて複数の材料供給装置を備えることができる。

また、本実施形態に係る３次元形成装置２０００では２種類の被焼結材料に対応して第１材料吐出部２４１と、第２材料吐出部２５１と、を備える形態を説明したが、図示しないが、例えば第１実施形態に係る３次元形成装置１０００の構成の供給チュープ４２ａの途中に供給材料を切り替え可能にする流路切り替え装置を設けることで、複数の被焼結材料を１つの材料吐出部７１から吐出することが可能となる。

（第３実施形態）
第３実施形態として、第１実施形態に係る３次元形成装置１０００を用いて３次元形状造形物を形成する３次元形成方法を説明する。図７（ａ）は第３実施形態に係る３次元形成方法を示すフローチャートであり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示す単層形成工程（Ｓ３００）の詳細フローチャートである。また、図８および図９は本実施形態に係る３次元形成方法を説明する部分断面図である。

（３次元造形用データ取得工程）
図７（ａ）に示すように、本実施形態に係る３次元形成方法は、３次元形状造形物２００の３次元造形用データを、図示しない、例えばパーソナルコンピューターなどから制御ユニット１００（図１参照）に取得する、３次元造形用データ取得工程（Ｓ１００）が実行される。３次元造形用データ取得工程（Ｓ１００）において取得された３次元造形用データは、制御ユニット１００から、ステージコントローラー１０１と、材料供給コントローラー１０３と、レーザー発振器８２と、ランプ出力コントローラー１０２と、に制御データが送られ、積層開始工程に移行される。

（積層開始工程）
積層開始工程（Ｓ２００）では、３次元形成方法を示す図８（ａ）に示すように、ステージ２０に載置された試料プレート２１に対して、所定の相対位置にヘッド３１が配置される。この時、ＸＹ平面（図１参照）において、上述した３次元造形用データに基づく造形の起点であるステージ２０の座標位置Ｐ１１（ｘ₁₁，ｙ₁₁）に、材料吐出部７１の吐出ノズル７１ｂの吐出口７１ｃから吐出される液滴状の被焼結材料である材料飛翔体Ｍｆ（図２参照）が着弾するように試料プレート２１を備えるステージ２０が移動され、３次元造形物の形成が開始され、単層形成工程に移行される。

（単層形成工程）
単層形成工程（Ｓ３００）は、図７（ｂ）に示すように材料供給工程（Ｓ３１０）と、乾燥工程（Ｓ３２０）と、焼結工程（Ｓ３３０）と、を含んでいる。先ず、材料供給工程（Ｓ３１０）として、図８（ｂ）に示すように、積層開始工程（Ｓ２００）によって所定の位置としてのＰ１１（ｘ₁₁，ｙ₁₁）位置にヘッド３１に保持された吐出ノズル７１ｂが対向するように試料プレート２１が移動し、吐出ノズル７１ｂから、被焼結材料としての供給材料９０が、試料プレート２１上に向けて液滴状の材料飛翔体９１として吐出口７１ｃから重力方向に吐出される（図２参照）。供給材料９０としては、３次元形状造形物２００の原料となる金属、例えばステンレス、チタン合金の単体粉末、もしくは合金化が困難なステンレスと銅（Ｃｕ）、あるいはステンレスとチタン合金、あるいはチタン合金とコバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、などの混合粉末を、溶剤と、バインダーとしての増粘剤と、に混練し、スラリー状（あるいはペースト状）に調整されたものである。

材料飛翔体９１は、試料プレート２１の上面２１ａに着弾し、単位液滴状材料９２（以下、単位材料９２という）として上面２１ａ上のＰ１１（ｘ₁₁，ｙ₁₁）位置で形成され、材料供給工程（Ｓ３１０）が終了する。材料飛翔体９１は、吐出口７１ｃから重力方向に吐出され、飛翔することにより、単位材料９２は着弾すべきＰ１１（ｘ₁₁，ｙ₁₁）位置に正確に着弾させることができる。

次に乾燥工程（Ｓ３２０）に移行される。乾燥工程（Ｓ３２０）は、図８（ｃ）に示すように材料供給工程（Ｓ３１０）によって、試料プレート２１の上面２１ａに着弾した単位材料９２に向けて、ランプ４０から熱線Ｌｈが照射される。この時、試料プレート２１の上面２１ａの温度が温度計５０によって測定され、ランプ４０に入力される電力が制御され、所定の乾燥温度となる熱線Ｌｈのエネルギーが単位材料９２に照射される。そして、液体成分が蒸散し乾燥した乾燥後の乾燥被焼結材料としての単位材料９３が形成される。これにより、乾燥前の単位材料９２より流動性の悪い乾燥後の単位材料９３となり、上面２１ａに沿って濡れ広がることが抑制され、単位材料９３は試料プレート２１の上面２１ａからの高さｈ１（いわゆる肉盛量）を確保することができる。

なお、熱線Ｌｈは、単位材料９２に含まれる溶媒または分散媒、あるいは増粘剤などの含む液体成分の沸点を超えない温度に単位材料９２を加熱することが好まし。すなわち、単位材料９２に含まれる溶媒または分散媒、あるいは増粘剤などの含む液体成分の沸点を超える温度まで単位材料９２を加熱することで、液体成分に突沸を発生させ、単位材料Ｍｓ中の金属粉末を飛散させる虞があり、これを防止するために、液体成分の沸点を超えない温度での乾燥が好ましい。

乾燥工程（Ｓ３２０）を経て単位材料９３が上面２１ａに配設されると、焼結工程（Ｓ３３０）が開始される。焼結工程（Ｓ３３０）は、図９（ｄ）に示すように、レーザー照射部８１ａ，８１ｂからレーザーＬ１，Ｌ２が単位材料９３に向けて重力方向に交差するように照射される（図２参照）。レーザーＬ１，Ｌ２が持つエネルギー（熱）によって単位材料９３に含まれる乾燥後のバインダーＭｂ´（図３（ｂ）参照）は蒸散し、金属粉末は粒子同士が結合する、いわゆる焼結されるか、もしくは熔融結合されることによって、金属隗の単位焼結体９４となってＰ１１（ｘ₁₁，ｙ₁₁）位置に形成される。レーザーＬ１，Ｌ２の照射は、乾燥後の単位材料９３の材料組成、体積、などの条件によって照射条件が設定され、設定された照射量を単位材料９３に照射した後、照射は停止される。

そして後述するが、上述の材料供給工程（Ｓ３１０）と、乾燥工程（Ｓ３２０）と、焼結工程（Ｓ３３０）と、が繰り返されて、本例では第一の単層としての第１層目の部分造形物２０１が形成される。部分造形物２０１は、上述の材料供給工程（Ｓ３１０）と、乾燥工程（Ｓ３２０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、がステージ２０の移動とともにｍ回繰り返され、ｍ回目の単位焼結体９４が、部分造形物２０１の端部となるステージ２０の座標Ｐ_END＝Ｐ１ｍ（ｘ_1m，ｙ_1m）位置に形成される。

そこで、Ｐ１１（ｘ₁₁，ｙ₁₁）位置に単位焼結体９４が形成されると、材料供給工程（Ｓ３１０）と、乾燥工程（Ｓ３２０）と、焼結工程（Ｓ３３０）と、が、部分造形物２０１が形成されるまでの繰り返し数ｍ回に到達しているか、すなわち吐出ノズル７１ｂがステージ２０の座標位置Ｐ_END＝Ｐ１ｍ（ｘ_1m，ｙ_1m）に到達しているか、を判定する形成経路確認工程（Ｓ３４０）が実行される。形成経路確認工程（Ｓ３４０）において、繰り返し数ｍ回に到達していない、すなわち吐出ノズル７１ｂにステージ２０の座標位置Ｐ_END＝Ｐ１ｍ（ｘ_1m，ｙ_1m）に到達していない「ＮＯ」と判定された場合には、図９（ｅ）に示すように、再度、材料供給工程（Ｓ３１０）に移行され、ステージ２０は、次の単位材料９３の形成位置であるＰ１２（ｘ₁₂，ｙ₁₂）位置に吐出ノズル７１ｂが対向するように駆動される。そして、Ｐ１２（ｘ₁₂，ｙ₁₂）位置に吐出ノズル７１ｂが対向したところで、材料供給工程（Ｓ３１０）と、乾燥工程（Ｓ３２０）と、焼結工程（Ｓ３３０）と、が実行され、Ｐ１２（ｘ₁₂，ｙ₁₂）位置に単位焼結体９４が形成される。

そして、図９（ｆ）に示すように、材料供給工程（Ｓ３１０）と、乾燥工程（Ｓ３２０）と，焼結工程（Ｓ３３０）と、がｍ回繰り返されることにより、部分造形物２０１が形成される。そして、繰り返し数ｍ回目となる吐出ノズル７１ｂが対向するステージ２０の座標位置が座標Ｐ_END＝Ｐ１ｍ（ｘ_1m，ｙ_1m）位置にあるか確認され、「ＹＥＳ」と判定されると、単層形成工程（Ｓ３００）が終了する。

（積層数比較工程）
単層形成工程（Ｓ３００）によって、第一の単層としての第１層目の部分造形物２０１が形成されると、３次元造形用データ取得工程（Ｓ１００）によって得られた造形データと比較する積層数比較工程（Ｓ４００）に移行される。積層数比較工程（Ｓ４００）では、３次元形状造形物２００を構成する部分造形物の積層数Ｎと、積層数比較工程（Ｓ４００）の直前の単層形成工程（Ｓ３００）までで積層された部分造形物の積層数ｎと、を比較する。

積層数比較工程（Ｓ４００）において、ｎ＝Ｎと判定された場合、３次元形状造形物２００の形成が完了したと判定し、３次元形成は終了する。しかし、ｎ＜Ｎと判定された場合、再度、積層開始工程（Ｓ２００）から実行される。

図１０（ａ）は、第二の単層としての第２層目の部分造形物２０２の形成方法を示す断面図である。先ず、図１０（ａ）に示すように、再度、積層開始工程（Ｓ２００）が実行される。このとき、ステージ２０は、吐出口７１ｃおよびレーザー照射部８１ａ，８１ｂと、第１層目の部分造形物２０１の厚みｈ１相当分が離間するように、Ｚ軸方向に移動される。更に３次元造形データに基づく第２層目の造形の起点であるステージ２０の座標位置Ｐ２１（ｘ₂₁，ｙ₂₁）に、材料吐出部７１の吐出ノズル７１ｂの吐出口７１ｃから吐出される液滴状の被焼結材料である材料飛翔体９１（図２参照。図２に示す材料飛翔体Ｍｆ。）が着弾するように試料プレート２１を備えるステージ２０が移動され、３次元造形物の第２層目の形成が開始され、第２層目の積層開始工程（２００）に移行される。

以降、上述した第１層目の部分造形物２０１の形成を示す図８、図９と同様に、単層形成工程（Ｓ３００）が実行される。先ず、材料供給工程（Ｓ３１０）として、図１０（ｂ）に示すように、積層開始工程（Ｓ２００）によって所定の位置としてのＰ２１（ｘ₂₁，ｙ₂₁）位置にヘッド３１に保持された吐出ノズル７１ｂが対向するようにステージ２０の移動に伴って試料プレート２１が移動し、吐出ノズル７１ｂから、被焼結材料としての供給材料９０が、第１層目の部分造形物２０１の上面２０１ａに向けて液滴状の材料飛翔体９１として吐出口７１ｃから吐出される。

材料飛翔体９１は、部分造形物２０１の上面２０１ａに着弾し、単位液滴状材料９２（以下、単位材料９２という）として上面２０１ａに配置され、Ｐ２１（ｘ₂₁，ｙ₂₁）位置での材料供給工程（Ｓ３１０）が終了し、部分造形物２０１の上面２０１ａに高さｈ２（いわゆる肉盛量）を単位材料９２が形成される。

単位材料９２が部分造形物２０１の上面２０１ａに配設されると、乾燥工程（Ｓ３２０）に移行される。乾燥工程（Ｓ３２０）は、図１０（ｃ）に示すように材料供給工程（Ｓ３１０）によって、部分造形物２０１の上面２０１ａに着弾した単位材料９２に向けて、ランプ４０から熱線Ｌｈが照射される。この時、部分造形物２０１の上面２０１ａの温度が温度計５０によって測定され、ランプ４０に入力される電力が制御され、所定の乾燥温度となる熱線Ｌｈのエネルギーが単位材料９２に照射される。そして、液体成分が蒸散し乾燥した乾燥後の単位材料９３が形成される。これにより、乾燥前の単位材料９２より流動性の低い乾燥後の単位材料９３となり、上面２０１ａに沿って濡れ広がることが抑制され、単位材料９３は部分造形物２０１の上面２０１ａからの高さｈ２（いわゆる肉盛量）を確保することができる。

乾燥工程（Ｓ３２０）を経て単位材料９３が上面２０１ａに配設されると、焼結工程（Ｓ３３０）が開始される。焼結工程（Ｓ３３０）は、図１１（ｄ）に示すように、レーザー照射部８１ａ，８１ｂからレーザーＬ１，Ｌ２が乾燥後の単位材料９３に向けて照射され、レーザーＬ１，Ｌ２が持つエネルギー（熱）によって単位材料９３は焼結されて単位焼結体９４となる。そして、上述の材料供給工程（Ｓ３１０）と、乾燥工程（Ｓ３２０）と、焼結工程（Ｓ３３０）と、が繰り返されて、第１層目の部分造形物２０１の上面２０１ａ上に、第２層目の部分造形物２０２が形成される。部分造形物２０２は、上述の材料供給工程（Ｓ３１０）と、乾燥工程（Ｓ３２０）と、焼結工程（Ｓ３３０）と、がステージ２０の移動とともにｍ回繰り返され、ｍ回目の単位焼結体９４が、部分造形物２０２の端部となるステージ２０の座標Ｐ_END＝Ｐ２ｍ（ｘ_2m，ｙ_2m）位置に形成される。

そこで、Ｐ２１（ｘ₂₁，ｙ₂₁）位置に単位焼結体９４が形成されると、材料供給工程（Ｓ３１０）と、乾燥工程（Ｓ２２０）と、焼結工程（Ｓ３３０）と、が、第２層目の部分造形物２０２が形成されるまでの繰り返し数ｍ回に到達しているか、すなわち吐出ノズル７１ｂがステージ２０の座標位置Ｐ_END＝Ｐ２ｍ（ｘ_2m，ｙ_2m）に到達しているか、を判定する形成経路確認工程（Ｓ３４０）が実行される。形成経路確認工程（Ｓ３４０）において、繰り返し数ｍ回に到達していない、すなわち吐出ノズル７１ｂがステージ２０の座標位置Ｐ_END＝Ｐ２ｍ（ｘ_2m，ｙ_2m）に到達していない「ＮＯ」と判定された場合には、図１１（ｅ）に示すように、再度、材料供給工程（Ｓ３１０）に移行され、ステージ２０は、次の単位材料９２の形成位置であるＰ２２（ｘ₂₂，ｙ₂₂）位置に吐出ノズル７１ｂが対向するように駆動される。そして、Ｐ２２（ｘ₂₂，ｙ₂₂）位置に吐出ノズル７１ｂが対向したところで、材料供給工程（Ｓ３１０）と、乾燥工程（Ｓ３２０）と、焼結工程（Ｓ３３０）と、が実行され、Ｐ２２（ｘ₂₂，ｙ₂₂）位置に単位焼結体９４が形成される。

そして、図１１（ｆ）に示すように、材料供給工程（Ｓ３１０）と、乾燥工程（Ｓ３２０）と、焼結工程（Ｓ３３０）と、がｍ回繰り返されることにより、第２層目の部分造形物２０２が形成される。そして、繰り返し数ｍ回目となる吐出ノズル７１ｂが対向するステージ２０の座標位置が座標Ｐ_END＝Ｐ２ｍ（ｘ_2m，ｙ_2m）位置にあるか確認され、「ＹＥＳ」と判定されると、第２層目の単層形成工程（Ｓ３００）が終了する。

そして、再度、積層数比較工程（Ｓ４００）に移行し、ｎ＝Ｎとなるまで、積層開始工程（Ｓ２００）と、単層形成工程（Ｓ３００）と、が繰り返され、第１実施形態に係る３次元形成装置１０００を用いて３次元形状造形物を形成することができる。なお、第一の単層としての第１層目の部分造形物２０１の上に、第二の単層としての第２層目の部分造形物２０２を形成する積層開始工程（Ｓ２００）と、単層形成工程（Ｓ３００）と、を実行させることを上述の適用例における積層工程とよび、積層数比較工程（Ｓ４００）において、ｎ＝Ｎ、と判定されるまで繰り返される。

（第４実施形態）
第４実施形態に係る３次元形成方法について説明する。上述した第３実施形態に係る３次元形成方法において、３次元形状造形物がオーバーハング部を有する場合、オーバーハング部では、上述した単層形成工程（Ｓ３００）における材料供給工程（Ｓ３１０）では、材料飛翔体９１が着弾すべき下層の部分造形物が存在しないことで、単位材料９２が形成されなくなる（図１０（ｂ）参照）。仮に、図１１（ｅ）に示すＰ２１（ｘ₂₁、ｙ₂₁）位置に形成された単位焼結体９４に重なって繋がるようにＰ２２（ｘ₂₂、ｙ₂₂）位置に単位材料９２を着弾させても、下層の部分造形が配置されていなければ、重力方向へ垂れ下がるように変形する虞がある。すなわち乾燥および焼結前の単位材料９２は、原料となる金属、例えばステンレス、チタン合金の単体粉末、もしくは合金化が困難なステンレスと銅（Ｃｕ）、あるいはステンレスとチタン合金、あるいはチタン合金とコバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、などの混合粉末を、溶剤と、増粘剤と、に混練して得られるスラリー状（あるいはペースト状）の柔らかな状態のものであることによる。

そこで、第４実施形態に係る３次元形成方法によりオーバーハング部を変形させないで３次元形状造形物を形成する方法を説明する。なお、第３実施形態に係る３次元形成方法と同じ工程には同じ符号を付し、説明は省略する。また、説明を簡略にするために図１２（ａ）の平面外観図、および図１２（ｂ）の図１２（ａ）に示すＡ−Ａ´部の断面図に示すような、単純な形状を有する３次元形状造形物３００を例示して、第４実施形態に係る３次元形成方法を説明するが、この形状に限定されず、いわゆるオーバーハング部を備える造形物であれば適用できる。

図１２に示すように、３次元形状造形物３００は、凹部３００ａを有する円柱形の基部３００ｂの凹部開口側端部に基部３００ｂの外側に延在するオーバーハング部としての鍔部３００ｃを備えている。この３次元形状造形物３００を、第４実施形態に係る３次元形成方法に基づいて形成するために、形成過程において除去されるサポート部３１０が、鍔部３００ｃの図示下部方向に基部３００ｂの底部に至るまでの造形用データが、３次元形状造形物３００の３次元造形用データに加えて作成される。

図１３は、図１２に示す３次元形状造形物３００の形成方法を示すフローチャートである。また図１４は図１３に示すフローチャートによる３次元形状造形物３００の形成方法を示し、図示左側に部分断面図、右側に平面外観図を配置した。また、本実施形態の３次元形状造形物３００では、４層が積層されて形成される例を用いて説明するが、これに限定されるものではない。

先ず、図１４（ａ）に示すように、図示しない試料プレート２１上に第１層目となる部分造形物３０１が、第３実施形態に係る３次元形成方法によって形成される。部分造形物３０１を形成する工程内に、第１層目の部分サポート部３１１も形成される。部分サポート部３１１は、図８及び図９によって説明した単層形成工程（Ｓ３００）における乾燥工程（Ｓ３２０）まで実行され、焼結工程（Ｓ３３０）は実行されず、乾燥後の単位材料９３の状態のまま、すなわち未焼結部、あるいは未熔融部のままで単層形成工程（Ｓ３００）が実行される。

引き続き、単層形成工程（Ｓ３００）が繰り返され、図１４（ｂ）に示すように、第２層目および第３層目となる部分造形物３０２，３０３が形成される。そして、部分造形物３０２，３０３を形成する工程内に、第２層目および第３層目の部分サポート部３１２，３１３も形成される。部分サポート部３１２，３１３は、部分サポート部３１１と同様に、単層形成工程（Ｓ３００）における乾燥工程（Ｓ３２０）まで実行され、焼結工程（Ｓ３３０）は実行されず、乾燥後の単位材料９３の状態のままの集合体、すなわち未焼結部、あるいは未熔融部のままで単層形成工程（Ｓ３００）が実行され、部分サポート部３１１，３１２，３１３によって、サポート部３１０が形成される。

次に図１４（ｃ）に示すように、鍔部３００ｃに形成される第４層目の部分造形物３０４が形成される。部分造形物３０４は、部分サポート部３１１，３１２，３１３によって形成されたサポート部３１０の端面３１０ａに支持されるように形成される。このように部分造形物３０４を形成することにより、単位材料９２（図８参照）が着弾する面として端面３１０ａが形成されていることで、正確に鍔部３００ｃとなる第４層目の部分造形物３０４を形成することができる。

そして、図１４（ｄ）に示すように、３次元形状造形物３００に造形されたところで、サポート部除去工程（Ｓ５００）によって、サポート部３１０は３次元形状造形物３００から除去される。サポート部３１０は焼成されていない材料で形成されていることから、サポート部除去工程（Ｓ５００）におけるサポート部３１０の除去手段としては、例えば図１４（ｄ）に示すように鋭利な刃物Ｋｎによる物理的な切除が可能である。あるいは、溶剤に浸漬し、材料に含まれるバインダーを溶解し３次元形状造形物３００から除去してもよい。

上述したように、オーバーハング部としての鍔部３００ｃを有する３次元形状造形物３００を形成する場合、鍔部３００ｃを支持するサポート部３１０を３次元形状造形物３００の形成と合わせて形成することにより、鍔部３００ｃの重力方向への変形を防止することができる。なお、図１２に示すサポート部３１０は、図示するような鍔部３００ｃを全面でサポート（支持）する形態に限定されず、造形物の形状、材料組成などによって適宜、形状、大きさ等が設定される。

なお、本発明の実施の際の具体的な構成は、本発明の目的を達成できる範囲で他の装置、あるいは方法に適宜変更できる。

１０…基台、１１…駆動装置、２０…ステージ、２１…試料プレート、３０…ヘッド支持部、３１…ヘッド、３２…支持アーム、４０…ハロゲンランプ、５０…非接触温度計、６０…ランプ支持部、７０…材料供給装置、７１…材料吐出部、７２…材料供給ユニット、８０…レーザー照射装置、８１…レーザー照射部、８２…レーザー発振器、１００…制御ユニット、１０１…ステージコントローラー、１０２…ランプ出力コントローラー、１０３…材料供給コントローラー、１０００…３次元形成装置。

Claims (6)

1. ステージと、
   金属粉末及びバインダーを含む被焼結材料を前記ステージに向けて供給する材料吐出部を備える材料供給手段と、
   前記材料供給手段から供給された前記被焼結材料を乾燥する加熱部、及び、前記材料供給手段から供給される前記被焼結材料の着弾領域の温度を非接触で検出する温度検出部を有し、前記ステージと離れて配置される乾燥手段と、
   乾燥した前記被焼結材料に焼結可能とするエネルギーを供給するエネルギー照射部を備えるエネルギー照射手段と、
   前記ステージに対して、前記材料供給手段と、前記乾燥手段と、前記エネルギー照射手段と、が、相対的に３次元移動が可能となる駆動手段と、
   前記乾燥手段を制御する乾燥制御部と、を備え、
   前記材料吐出部、及び、前記エネルギー照射部が一つの保持手段に保持されており、
   前記乾燥制御部は、
   前記温度検出部で検出した前記着弾領域の温度に応じて、前記加熱部の温度を制御する、
   ことを特徴とする３次元形成装置。
2. 前記エネルギー照射手段は、前記重力方向に交差する方向に前記エネルギーを照射する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の３次元形成装置。
3. 前記材料吐出部は、前記被焼結材料を液滴状にして吐出する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の３次元形成装置。
4. 複数の前記エネルギー照射部を備えている、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の３次元形成装置。
5. 前記材料供給手段は、前記材料吐出部まで前記被焼結材料を供給する材料供給部を備え、
   前記材料供給部を複数備え、
   異なる組成を有する前記被焼結材料を、少なくとも２種以上供給する、
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の３次元形成装置。
6. 前記エネルギー照射手段がレーザー照射手段である、
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の３次元形成装置。

Images