JP2016172893A

JP2016172893A - ３次元形成装置および３次元形成方法

Info

Publication number: JP2016172893A
Application number: JP2015053023A
Authority: JP
Inventors: 知之鎌倉; Tomoyuki Kamakura
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2016-09-29
Also published as: US20160271696A1; CN105983696A

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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供給された前記被焼結材料に、
前記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３次元形成装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、３次元形成装置および３次元形成方法に関する。

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
ら供給された前記被焼結材料に、前記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、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。

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、前記材料吐出口は、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〕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
前記被焼結材料に向けて、前記被焼結材料を焼結可能とするエネルギーを供給し前記被焼
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。

〔適用例８〕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。

〔適用例９〕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１０〕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。レーザーの照射角度と、単体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１実施形態に係るレーザー照射部および材料供給部のその他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と、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と、を備えている。なお、本実施形態ではステージ２
０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２
０１，２０２，２０３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の熱からの保護のた
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４０に備える材料吐出部４１と、
エネルギー照射手段としてのレーザー照射装置５０に備えるエネルギー照射部としてのレ
ーザー照射部５１と、が保持されている。レーザー照射部５１は、本実施形態では第１レ
ーザー照射部５１ａと、第２レーザー照射部５１ｂ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４０に備える材料吐出部４１、およびレーザー照射装置５０を制
御する制御手段としての制御ユニット６０を備えている。制御ユニット６０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４１の作動制御部と、レ
ーザー照射装置５０の作動制御部と、を備えている。そして、制御ユニット６０には、ス
テージ２０、材料吐出部４１、およびレーザー照射装置５０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６０からの制御信
号に基づき、ステージコントローラー６１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４１では、制御ユニット６０からの制御信号に
基づき、材料供給コントローラー６２において材料吐出部４１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４１から所定量の材料が吐出さ
れる。

材料吐出部４１には、材料供給装置４０に備える材料供給ユニット４２から材料供給経
路としての供給チューブ４２ａが延設され、接続されている。材料供給ユニット４２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４１及び材料供給ユニット４２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。

ヘッド３１に固定されているレーザー照射装置５０に備えるレーザー照射部５１は、制
御ユニット６０からの制御信号に基づき、レーザー発振器５２により所定出力のレーザー
が発振され、レーザー照射部５１より、レーザーが照射される。レーザーは、材料吐出部
４１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。その時、同時に供給材料に含まれる溶剤、および増粘剤はレーザーの
熱により蒸散される。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。

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４１とレーザー
照射部５１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１に示す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４１は、吐出ノズル４１
ｂと、吐出ノズル４１ｂから所定の量の材料を吐出させる吐出駆動部４１ａと、を備えて
いる。吐出駆動部４１ａには、材料供給ユニット４２に繋がれた供給チューブ４２ａが接
続され、供給チューブ４２ａを介して被焼結材料Ｍが供給される。吐出駆動部４１ａ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６２からの制御信号に基
づき被焼結材料Ｍを吐出ノズル４１ｂに送出する。

吐出ノズル４１ｂの吐出口４１ｃ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状に形成される。

そして、単位材料Ｍｓに向けて、第１レーザー照射部５１ａからレーザーＬ１が、第２
レーザー照射部５１ｂ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。

吐出口４１ｃから吐出される材料飛翔体Ｍｆは、吐出口４１ｃ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に材料翔体Ｍ
ｆ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５１ａ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、単体材料Ｍｓに照射される。同様に、第２レーザ
ー照射部５１ｂ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、単体材料Ｍｓに照射される。

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４０
は、材料吐出部４１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４１の吐出口４１ｃ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上に単体材料Ｍｓを配置させることができる。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、単体材料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体材料ＭｓにレーザーＬ
１，Ｌ２を照射することができる。

図３は、レーザーＬ１，Ｌ２の照射角度α１，α２と、単体材料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３（ａ）と図３（ｂ）は、第１レーザー照射部
５１ａと、第１レーザー照射部５１ａから出射されるレーザーＬ１と、の照射状態図であ
り、図３（ｃ）と図３（ｄ）は、第２レーザー照射部５１ｂと、第２レーザー照射部５１
ｂ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３（ｅ）は、レーザーＬ
１，Ｌ２が照射される照射領域の状態、すなわち図３（ｂ），（ｄ）を合成、描画したも
のである。

図３（ａ）に示すように、第１レーザー照射部５１ａ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５１ａ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３（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５１ｂでは、図３（ｃ）に示すように、第２レーザー照射
部５１ｂ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５
１ｂ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Ｌｄ２は、図３（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３（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
上面に着弾した単体材料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３（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Ｌｒ
１，Ｌｒ２がレーザー照射部５１ａ，５１ｂに向かうことがなく、レーザー照射部５１ａ
，５１ｂ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
５１ａ，５１ｂ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５１ａ，５１
ｂをヘッド３１に装着させているが、これに限定されない。

図４は、第１実施形態に係る３次元形成装置１０００に備えるレーザー照射部５１、お
よび材料吐出部４１の形態が異なるその他の形態を示す部分概略構成図である。なお、３
次元形成装置１０００と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

図４に示すヘッド１３１には、重力方向Ｇに沿ってレーザーＬｇを照射するレーザー照
射部１５１と、試料プレート２１もしくは部分造形物２０３におけるレーザーＬｇの照射
位置に向けて、被焼結材料Ｍを液滴状の材料飛翔体Ｍｆを重力方向に交差する図示するＦ
ｍ方向に吐出する吐出口１４１ｃを備える吐出ノズル１４１ｂと、が装着されている。

吐出口１４１ｃは、Ｆｍ方向に向けて被焼結材料Ｍを吐出するが、材料飛翔体Ｍｆは重
力の作用を受け、重力方向の、いわゆる放物線飛翔軌跡Ｆｄを描きながら飛翔し、単体材
料Ｍｓとなって着弾する。従って、飛翔軌跡Ｆｄの試料プレート２１上もしくは部分造形
物２０３上への到達領域に、レーザーＬｇが照射されるように、材料吐出部１４１および
レーザー照射部１５１がヘッド１３１に装着されている。

レーザー照射方向と、被焼結材料の吐出方向と、をこのように交差させる構成であって
もよい。この構成では、レーザーＬｇが、試料プレート２１もしくは部分造形物２０３に
反射し、レーザー照射部１５１にその反射レーザーが照射される虞があるが、重力方向Ｇ
にレーザーＬｇを照射させるため、きわめて正確にレーザー照射位置を制御することがで
き、高いエネルギー密度での照射を可能とする。従って、レーザーＬｇのレーザー出射形
（図３（ａ），（ｃ）で説明したレーザー出射形Ｌ１ｄ，Ｌ２ｄに相当）をより細く制御
することで反射レーザーが単体材料Ｍｓ表面で拡散され、レーザー照射部１５１への反射
レーザー光のエネルギー量を減衰させることができる。

第１実施形態に係る３次元形成装置１０００は、金属微粉末と増粘剤と溶剤と、を混練
して得られた被焼結材料を液滴状に吐出し、試料プレート２１、もしくは部分造形物の最
上層、例えば図１に示す部分造形物２０３の上部に単体液滴状材料（図２（ａ）に示すＭ
ｓ）を形成し、レーザーによって焼結させるものである。すなわち、金属微粉末と増粘剤
と溶剤と、を混練して得られた被焼結材料を極微小の液滴状にして単位造形物として形成
し、形成された極微小の単位造形物の連続体として３次元形状造形物２００が構成される
。従って、微細形状の３次元形状造形物の形成を容易に行うことができる。

また、３次元形状造形物の原料である金属微粉末が、増粘剤と溶剤と、を混練させるこ
とで、極微小の粒径で粉末であっても、被焼結材料の供給流路に付着しない、いわゆる強
付着性紛体とはならずに供給経路を流動させることができる。従って、金属微粉末の粒径
を小さくすることができ、微細な３次元形状造形物の形成を可能とする。また、緻密な造
形物を得ることができる。

なお、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４０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２
３２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５０に備える第１レーザー照
射部５１ａと、第２レーザー照射部５１ｂ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５１ａ，５１ｂ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２６２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２３１
ｂ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２６２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５１ａ，５１ｂ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４１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（Ｓ３
００）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２０
０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６０（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６０から、ステージコントローラー６１と、材料供給コントローラー
６２と、レーザー発振器５２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４１の吐出
ノズル４１ｂの吐出口４１ｃ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、
焼結工程（Ｓ３２０）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（ｘ
₁₁，ｙ₁₁）位置にヘッド３１に保持された吐出ノズル４１ｂが対向するように試料プレー
ト２１が移動し、吐出ノズル４１ｂから、被焼結材料としての供給材料７０が、試料プレ
ート２１上に向けて液滴状の材料飛翔体７１として吐出口４１ｃから重力方向に吐出され
る（図２参照）。供給材料７０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７１は、試料プレート２１の上面２１ａに着弾し、単位液滴状材料７２（以
下、単位材料７２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７１は、吐出口４１ｃから重力方向に
吐出され、飛翔することにより、単位材料７２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。この時、試料プレート２１は、加熱されていることが好
ましい。試料プレート２１が加熱されていることにより、単位材料７２に含まれる溶剤が
蒸散され、供給材料７０に比較して流動性の悪い単位材料７２となる。従って、材料飛翔
体７１が試料プレート２１の上面２１ａに着弾した後、上面２１ａに沿って濡れ広がるこ
とが抑制され、単位材料７２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。

単位材料７２が上面２１ａに配設されると、焼結工程（Ｓ３２０）が開始される。焼結
工程（Ｓ３２０）は、図８（ｃ）に示すように、レーザー照射部５１ａ，５１ｂからレー
ザーＬ１，Ｌ２が単位材料７２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７２に含まれる溶剤お
よび増粘剤は蒸散し、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７３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、単位材料７２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７２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、焼結工程（Ｓ３２０）と、が
繰り返されて、本例では第１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、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７３が、部分造形物２
０１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７３が形成されると、材料供給工程（
Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）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４１ｂにステージ２０の座標位置Ｐ_EN
_D＝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（Ｓ３３０）
が実行される。形成経路確認工程（Ｓ３３０）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４１ｂ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（ｄ）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７２の形成位置である
Ｐ１２（ｘ₁₂，ｙ₁₂）位置が吐出ノズル４１ｂに対向するように駆動される。そして、Ｐ
１２（ｘ₁₂，ｙ₁₂）位置に吐出ノズル４１ｂが対応したところで、材料供給工程（Ｓ３１
０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、が実行され、Ｐ１２（ｘ₁₂．ｙ₁₂）位置に単位焼結体
７３が形成される。

そして、図９（ｅ）に示すように、材料供給工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０
）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４１ｂが対向するステージ２０の座標位置が座標Ｐ_END＝Ｐ
１ｍ（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１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（Ｓ４０
０）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２
００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２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４１ｃおよびレーザー照射部５１ａ，５１ｂ
と、第１層の部分造形物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４１の吐出ノズル４１ｂの吐出口４１ｃから吐出さ
れる液滴状の被焼結材料である材料飛翔体７１（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次元造形物の第２層目の形成が開始され、第
２層目の単層形成工程（Ｓ２００）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４１ｂ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４１ｂから、被焼結材料としての供
給材料７０が、第１層目の部分造形物２０１の上部２０１ａに向けて液滴状の材料飛翔体
７１として吐出口４１ｃから吐出される。

材料飛翔体７１は、部分造形物２０１の上部２０１ａに着弾し、単位液滴状材料７２（
以下、単位材料７２という）として上部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の上部２０１ａに高さｈ２（
いわゆる肉盛量）を単位材料７２が形成される。

単位材料７２が部分造形物２０１の上部２０１ａに配設されると、焼結工程（Ｓ３２０
）が開始される。焼結工程（Ｓ３２０）は、図１０（ｃ）に示すように、レーザー照射部
５１ａ，５１ｂからレーザーＬ１，Ｌ２が単位材料７２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７２は焼結されて単位焼結体７３となる
。そして、上述の材料供給工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、が繰り返され
て、第１層目の部分造形物２０１の上部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、焼結工程（Ｓ３２
０）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７３が、部
分造形物２０１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７３が形成されると、材料供給工程（
Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）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４１ｂにステージ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（
Ｓ３３０）が実行される。形成経路確認工程（Ｓ３３０）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４１ｂにステージ２０の座標位置Ｐ_END＝Ｐ２ｍ（ｘ₂
_m，ｙ_2m）に到達していない「ＮＯ」と判定された場合には、図１１（ｄ）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７２の形
成位置であるＰ２２（ｘ₂₂，ｙ₂₂）位置が吐出ノズル４１ｂに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４１ｂが対応したところで、材料供給
工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２０）と、が実行され、Ｐ２２（ｘ₂₂．ｙ₂₂）位置
に単位焼結体７３が形成される。

そして、図１１（ｅ）に示すように、材料供給工程（Ｓ３１０）と、焼結工程（Ｓ３２
０）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４１ｂ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
単層としての第一層目の部分造形物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７１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７２が形
成されなくなる（図１０（ｂ）参照）。仮に、図１１（ｄ）に示すＰ２１（ｘ₂₁、ｙ₂₁）
位置に形成された単位焼結体７３に重なって繋がるように単位材料７２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
。すなわち焼結前の単位材料７２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）における焼結工
程（Ｓ３２０）は実行されず、単位材料７２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同様に、
単層形成工程（Ｓ３００）における焼結工程（Ｓ３２０）は実行されず、造形材料７０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、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３０
４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７２（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、材料に含まれる増粘剤を溶解し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３
００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３０
０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…材料供給装置、４１…材料吐出部、４２
…材料供給ユニット、５０…レーザー照射装置、５１…レーザー照射部、５２…レーザー
発振器、６０…制御ユニット、６１…ステージコントローラー、６２…材料供給コントロ
ーラー、１０００…３次元形成装置。

Claims

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供給された前記被焼結材料に、前記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３次元形成装置。
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。
前記材料吐出口は、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。
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。
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。
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のいずれかに記載の３次元形成装置。
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前記被焼結材料に向けて、前記被焼結材料を焼結
可能とするエネルギーを供給し前記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３次元形成方法。
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、
ことを特徴とする請求項７に記載の３次元形成方法。
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、
ことを特徴とする請求項７または８に記載の３次元形成方法。
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、
ことを特徴とする請求項９に記載の３次元形成方法。