特開 2023-165111 三次元造形装置、情報処理装置、及び情報処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023165111

(43)【公開日】2023-11-15

(54)【発明の名称】三次元造形装置、情報処理装置、及び情報処理方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/393 20170101AFI20231108BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20231108BHJP

   B29C 64/106 20170101ALI20231108BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20231108BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20231108BHJP

【ＦＩ】

B29C64/393

B33Y50/02

B29C64/106

B33Y30/00

B33Y10/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022075753

(22)【出願日】2022-05-02

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(74)【代理人】

【識別番号】100114937

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 裕幸

(74)【代理人】

【識別番号】100196058

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 彰雄

(72)【発明者】

【氏名】宮下 武

(72)【発明者】

【氏名】千葉 晶彦

(72)【発明者】

【氏名】青柳 健大

(72)【発明者】

【氏名】衡 威丞

【テーマコード（参考）】

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F213AR06

4F213AR07

4F213AR08

4F213AR12

4F213WA25

4F213WB01

4F213WL02

4F213WL12

4F213WL44

4F213WL85

4F213WL92

(57)【要約】

【課題】造形材料にバインダーが含まれている場合において、利便性を低下させることなく、三次元造形物の造形精度を向上させることができる三次元造形装置を提供すること。
【解決手段】ステージと、造形材料を吐出する吐出部と、レーザー照射部と、移動部と、制御部を備え、制御部は、吐出部によってステージ上に吐出された造形材料を加熱することによって三次元造形物を造形する造形制御を行い、造形制御は、対象領域に含まれる造形材料へレーザーを照射させる場合におけるレーザー照射部についての第１制御を含み、第１制御は、レーザーの出力、速度、幅の３つのパラメーターのうちの第１パラメーターを変化させる場合、当該速度と当該幅との積で当該出力を除した値が、所定値を基準として８０％以上１２０％以下の範囲内の値となるように、第１パラメーター以外の２つのパラメーターのいずれか一方又は両方を変化させる制御である、三次元造形装置。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ステージと、
無機材料の粒子とバインダーとを含む造形材料を前記ステージ上に吐出する吐出部と、
前記吐出部により前記ステージ上に吐出された前記造形材料にレーザーを照射し、前記造形材料を加熱するレーザー照射部と、
前記ステージと前記吐出部とを相対的に移動させる移動部と、
前記吐出部と前記レーザー照射部と前記移動部とを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記吐出部によって前記ステージ上に吐出された前記造形材料を加熱することによって予め決められた形状の三次元造形物を造形する造形制御を行い、
前記造形制御は、前記吐出部によって前記ステージ上に吐出された前記造形材料のうち予め決められた対象領域に含まれる前記造形材料へ前記レーザーを照射させる場合における前記レーザー照射部についての第１制御を含み、
前記第１制御は、前記レーザーの出力、前記レーザーを移動させる速度、前記レーザーの幅の３つのパラメーターのうちの第１パラメーターを変化させる場合、前記速度と前記幅との積で前記出力を除した値が、所定値を基準として８０％以上１２０％以下の範囲内の値となるように、前記３つのパラメーターのうち前記第１パラメーター以外の２つのパラメーターのいずれか一方又は両方を前記第１パラメーターとともに変化させる制御である、
三次元造形装置。

【請求項2】

前記レーザー照射部は、前記レーザー照射部に対して動かないように予め決められた照射領域へ前記レーザーを照射し、
前記制御部は、前記造形制御において前記造形材料に対する前記レーザーの照射位置を変える場合、前記ステージに対して前記照射領域を相対的に移動させる、
請求項１に記載の三次元造形装置。

【請求項3】

前記造形材料における前記バインダーの濃度は、前記バインダーに含まれる炭素の濃度に応じて決まる濃度、又は、前記バインダーの熱伝導率に応じて決まる濃度である、
請求項１又は２に記載の三次元造形装置。

【請求項4】

前記対象領域には、第１領域と第２領域とが含まれており、
前記第１パラメーターは、前記出力又は前記速度であり、
前記第１制御は、前記第１パラメーターを変化させる場合、前記幅を変化させず、前記出力と前記速度とのうち前記第１パラメーター以外のパラメーターを前記第１パラメーターとともに変化させる制御であり、且つ、前記第１領域において、前記出力として予め決められた第１出力を前記レーザー照射部に設定し、前記第２領域において、前記出力として前記第１出力よりも高い第２出力を前記レーザー照射部に設定する制御である、
請求項１又は２に記載の三次元造形装置。

【請求項5】

前記第１領域において前記レーザー照射部から前記造形材料に照射された前記レーザーが前記造形材料に単位時間あたりに与えるエネルギーは、前記第２領域において前記レーザー照射部から前記造形材料に照射された前記レーザーが前記造形材料に単位時間あたりに与えるエネルギーより大きい、
請求項４に記載の三次元造形装置。

【請求項6】

前記第１領域において前記レーザー照射部から前記造形材料に照射された前記レーザーが前記造形材料に単位面積あたりに与えるエネルギーは、前記第２領域において前記レーザー照射部から前記造形材料に照射された前記レーザーが前記造形材料に単位面積あたりに与えるエネルギーに対して８０％以上１２０％以下の範囲に含まれる、
請求項４に記載の三次元造形装置。

【請求項7】

前記造形制御は、前記対象領域に含まれる前記造形材料へ前記レーザーを照射させる場合、前記第１領域の前記造形材料に前記レーザーを照射させた後、前記第２領域への前記造形材料へ前記レーザーを照射させる第２制御を含む、
請求項４に記載の三次元造形装置。

【請求項8】

前記第２領域において前記レーザーが照射される対象となる前記造形材料の直下に位置する材料の融点は、前記無機材料の融点以上である、
請求項４に記載の三次元造形装置。

【請求項9】

前記第１領域において前記レーザーが照射される対象となる前記造形材料の直下に位置する材料の融点は、前記無機材料の融点未満である、
請求項４に記載の三次元造形装置。

【請求項10】

ステージと、無機材料の粒子とバインダーとを含む造形材料を前記ステージ上に吐出する吐出部と、前記吐出部により前記ステージ上に吐出された前記造形材料にレーザーを照射し、前記造形材料を加熱するレーザー照射部と、前記ステージと前記吐出部とを相対的に移動させる移動部と、を備える三次元造形装置を制御する情報処理装置であって、
前記情報処理装置は、前記吐出部と前記レーザー照射部と前記移動部とを制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記吐出部によって前記ステージ上に吐出された前記造形材料を加熱することによって予め決められた形状の三次元造形物を造形する造形制御を行い、
前記造形制御は、前記吐出部によって前記ステージ上に吐出された前記造形材料のうち予め決められた対象領域に含まれる前記造形材料へ前記レーザーを照射させる場合における前記レーザー照射部についての第１制御を含み、
前記第１制御は、前記レーザーの出力、前記レーザーを移動させる速度、前記レーザーの幅の３つのパラメーターのうちの第１パラメーターを変化させる場合、前記速度と前記幅との積で前記出力を除した値が、所定値を基準として８０％以上１２０％以下の範囲の値となるように、前記３つのパラメーターのうち前記第１パラメーター以外の２つのパラメーターのいずれか一方又は両方を前記第１パラメーターとともに変化させる制御である、
情報処理装置。

【請求項11】

ステージと、無機材料の粒子とバインダーとを含む造形材料を前記ステージ上に吐出する吐出部と、前記吐出部により前記ステージ上に吐出された前記造形材料にレーザーを照射し、前記造形材料を加熱するレーザー照射部と、前記ステージと前記吐出部とを相対的に移動させる移動部と、を備える三次元造形装置を制御する情報処理方法であって、
前記情報処理方法は、前記吐出部と前記レーザー照射部と前記移動部とを制御する制御ステップを有し、
前記制御ステップは、前記吐出部によって前記ステージ上に吐出された前記造形材料を加熱することによって予め決められた形状の三次元造形物を造形する造形制御を行い、
前記造形制御は、前記吐出部によって前記ステージ上に吐出された前記造形材料のうち予め決められた対象領域に含まれる前記造形材料へ前記レーザーを照射させる場合における前記レーザー照射部についての第１制御を含み、
前記第１制御は、前記レーザーの出力、前記レーザーを移動させる速度、前記レーザーの幅の３つのパラメーターのうちの第１パラメーターを変化させる場合、前記速度と前記幅との積で前記出力を除した値が、所定値を基準として８０％以上１２０％以下の範囲の値となるように、前記３つのパラメーターのうち前記第１パラメーター以外の２つのパラメーターのいずれか一方又は両方を前記第１パラメーターとともに変化させる制御である、
情報処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、三次元造形装置、情報処理装置、及び情報処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

少なくとも一部を溶融した造形材料を積層して三次元造形物を造形する三次元造形装置についての研究、開発が行われている。

【0003】

これに関し、三次元造形用の金属材料の粒子と溶媒とバインダーとを含む造形材料へレーザーを照射して三次元造形物の造形を行う三次元造形装置が知られている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－１５７１７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載されたような三次元造形装置は、造形材料をステージ上に吐出し、吐出された造形材料によって構成された複数の造形層を１個ずつステージ上に積層させる。また、当該三次元造形装置は、造形層を積層させる毎に、積層させた造形層をレーザーの照射によって溶融し、焼結層として焼結させることを繰り返す。すなわち、当該三次元造形装置は、レーザーの照射によって造形層が焼結された後の焼結層が複数積層された１個の造形物として、三次元造形物を造形する。ここで、本明細書において、ある物体へのレーザーの照射は、レーザーの照射位置によって当該物体の上面を走査しながらレーザーを照射することを意味する。このようにして造形される三次元造形物の造形精度は、焼結層の厚みが均一であるほど、高くなる。ここで、造形材料にバインダーが含まれる場合、焼結層の厚みを一定に保つためには、焼結させる対象となる造形層へのレーザーの照射によって造形材料に付与されるエネルギーを一定に保つ必要がある。しかしながら、レーザーの照射の仕方、すなわち、レーザーの出力、レーザーを移動させる速度、レーザーの幅等のレーザーの照射条件は、レーザーを照射する対象となる造形層の形状等によって変化させたいことも少なくない。このため、当該三次元造形装置では、一般的には、焼結させる対象となる造形層へのレーザーの照射により造形材料に付与されるエネルギーを一定に保ったまま造形が行われるわけではない。これはすなわち、当該三次元造形装置において、単純に当該照射条件を一定に保つことによって当該エネルギーを一定に保とうとすると、レーザーの出力、レーザーを移動させる速度、レーザーの幅等を変化させることができなくなるため、利便性を低下させてしまうことを意味する。すなわち、当該三次元造形装置では、利便性を低下させることなく、三次元造形物の造形精度を向上させることが困難な場合があった。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために本発明の一態様は、ステージと、無機材料の粒子とバインダーとを含む造形材料を前記ステージ上に吐出する吐出部と、前記吐出部により前記ステージ上に吐出された前記造形材料にレーザーを照射し、前記造形材料を加熱するレーザー照射部と、前記ステージと前記吐出部とを相対的に移動させる移動部と、前記吐出部と前記レーザー照射部と前記移動部とを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記吐出部によって前記ステージ上に吐出された前記造形材料を加熱することによって予め決められた形状の三次元造形物を造形する造形制御を行い、前記造形制御は、前記吐出部によって前記ステージ上に吐出された前記造形材料のうち予め決められた対象領域に含まれる前記造形材料へ前記レーザーを照射させる場合における前記レーザー照射部についての第１制御を含み、前記第１制御は、前記レーザーの出力、前記レーザーを移動させる速度、前記レーザーの幅の３つのパラメーターのうちの第１パラメーターを変化させる場合、前記速度と前記幅との積で前記出力を除した値が、所定値を基準として８０％以上１２０％以下の範囲内の値となるように、前記３つのパラメーターのうち前記第１パラメーター以外の２つのパラメーターのいずれか一方又は両方を前記第１パラメーターとともに変化させる制御である、三次元造形装置である。

【0007】

また、本発明の一態様は、ステージと、無機材料の粒子とバインダーとを含む造形材料を前記ステージ上に吐出する吐出部と、前記吐出部により前記ステージ上に吐出された前記造形材料にレーザーを照射し、前記造形材料を加熱するレーザー照射部と、前記ステージと前記吐出部とを相対的に移動させる移動部と、を備える三次元造形装置を制御する情報処理装置であって、前記情報処理装置は、前記吐出部と前記レーザー照射部と前記移動部とを制御する制御部を備え、前記制御部は、前記吐出部によって前記ステージ上に吐出された前記造形材料を加熱することによって予め決められた形状の三次元造形物を造形する造形制御を行い、前記造形制御は、前記吐出部によって前記ステージ上に吐出された前記造形材料のうち予め決められた対象領域に含まれる前記造形材料へ前記レーザーを照射させる場合における前記レーザー照射部についての第１制御を含み、前記第１制御は、前記レーザーの出力、前記レーザーを移動させる速度、前記レーザーの幅の３つのパラメーターのうちの第１パラメーターを変化させる場合、前記速度と前記幅との積で前記出力を除した値が、所定値を基準として８０％以上１２０％以下の範囲内の値となるように、前記３つのパラメーターのうち前記第１パラメーター以外の２つのパラメーターのいずれか一方又は両方を前記第１パラメーターとともに変化させる制御である、情報処理装置である。

【0008】

また、本発明の一態様は、ステージと、無機材料の粒子とバインダーとを含む造形材料を前記ステージ上に吐出する吐出部と、前記吐出部により前記ステージ上に吐出された前記造形材料にレーザーを照射し、前記造形材料を加熱するレーザー照射部と、前記ステージと前記吐出部とを相対的に移動させる移動部と、を備える三次元造形装置を制御する情報処理方法であって、前記情報処理方法は、前記吐出部と前記レーザー照射部と前記移動部とを制御する制御ステップを有し、前記制御ステップは、前記吐出部によって前記ステージ上に吐出された前記造形材料を加熱することによって予め決められた形状の三次元造形物を造形する造形制御を行い、前記造形制御は、前記吐出部によって前記ステージ上に吐出された前記造形材料のうち予め決められた対象領域に含まれる前記造形材料へ前記レーザーを照射させる場合における前記レーザー照射部についての第１制御を含み、前記第１制御は、前記レーザーの出力、前記レーザーを移動させる速度、前記レーザーの幅の３つのパラメーターのうちの第１パラメーターを変化させる場合、前記速度と前記幅との積で前記出力を除した値が、所定値を基準として８０％以上１２０％以下の範囲内の値となるように、前記３つのパラメーターのうち前記第１パラメーター以外の２つのパラメーターのいずれか一方又は両方を前記第１パラメーターとともに変化させる制御である、情報処理方法である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】三次元造形装置１の構成の一例を示す図である。

【図2】制御部５０の構成の一例を示す図である。

【図3】ノズルＮｚから造形面３１上に吐出されたグリーン体と、そのグリーン体をレーザーで加熱した後のバルク体とのそれぞれの一例を示す図である。

【図4】入熱量Ｅｓと膜残存率との関係の一例を示す図である。

【図5】第１制御によってレーザー出力Ｗを変化させながら造形材料Ｘへレーザーを照射した場合における膜残存率の変化の一例を示す図である。

【図6】第１制御領域においてレーザーの照射条件を制御部５０がレーザー照射部１２１へ設定する処理の流れの一例を示す図である。

【図7】第１制御によってレーザー出力Ｗを変化させながら造形材料Ｘにレーザーを照射した場合におけるレーザー出力Ｗと炭素濃度との関係の一例を示す図である。

【図8】レーザーが照射された造形材料Ｘの温度の時間的な変化の一例を示す図である。

【図9】レーザーが照射された造形材料Ｘの温度の時間的な変化の他の例を示す図である。

【図10】レーザーが照射された造形材料Ｘの温度の時間的な変化の更に他の例を示す図である。

【図11】溶融深さを説明するための図である。

【図12】造形層Ｌ１へ照射するレーザーのレーザー出力Ｗを第１制御によって変化させた場合における溶融層厚の変化の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

＜実施形態＞
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

【0011】

＜三次元造形装置の概要＞
まず、実施形態に係る三次元造形装置の概要について説明する。

【0012】

実施形態に係る三次元造形装置は、ステージと、吐出部と、レーザー照射部と、移動部と、制御部を備える。吐出部は、無機材料の粒子とバインダーとを含む造形材料をステージ上に吐出する。レーザー照射部は、吐出部によりステージ上に吐出された造形材料にレーザーを照射し、造形材料を加熱する。移動部は、ステージと吐出部とを相対的に移動させる。制御部は、吐出部とレーザー照射部と移動部とを制御する。そして、制御部は、吐出部によってステージ上に吐出された造形材料を加熱することによって予め決められた形状の三次元造形物を造形する造形制御を行う。造形制御は、吐出部によってステージ上に吐出された造形材料のうち予め決められた対象領域に含まれる造形材料へレーザーを照射させる場合におけるレーザー照射部についての第１制御を含む。第１制御は、レーザーの出力、レーザーを移動させる速度、レーザーの幅の３つのパラメーターのうちの第１パラメーターを変化させる場合、当該速度と当該幅との積で当該出力を除した値が、所定値を基準として８０％以上１２０％以下の範囲内の値となるように、３つのパラメーターのうち第１パラメーター以外の２つのパラメーターのいずれか一方又は両方を第１パラメーターとともに変化させる制御である。これにより、当該三次元造形装置は、対象領域においてレーザーにより焼結された層の厚みを一定に保つことができる。その結果、当該三次元造形装置は、造形材料にバインダーが含まれている場合において、利便性を低下させることなく、三次元造形物の造形精度を向上させることができる。

【0013】

以下では、実施形態に係る三次元造形装置の構成と、当該三次元造形装置が行う処理とについて詳しく説明する。

【0014】

＜三次元造形装置の構成＞
以下、実施形態に係る三次元造形装置の構成について、三次元造形装置１を例に挙げて説明する。

【0015】

図１は、三次元造形装置１の構成の一例を示す図である。

【0016】

ここで、三次元座標系ＴＣは、三次元座標系ＴＣが描かれた図における方向を示す三次元直交座標系である。以下では、説明の便宜上、三次元座標系ＴＣにおけるＸ軸を、単にＸ軸と称して説明する。また、以下では、説明の便宜上、三次元座標系ＴＣにおけるＹ軸を、単にＹ軸と称して説明する。また、以下では、説明の便宜上、三次元座標系ＴＣにおけるＺ軸を、単にＺ軸と称して説明する。また、以下では、一例として、Ｚ軸の負方向が重力方向と一致している場合について説明する。このため、以下では、説明の便宜上、Ｚ軸の正方向を上方向又は単に上と称し、Ｚ軸の負方向を下方向又は単に下と称して説明する。

【0017】

三次元造形装置１は、吐出ユニット１０と、切削ユニット２０と、ステージ３０と、移動部４０と、制御部５０を備える。

【0018】

三次元造形装置１は、ステージ３０上の造形面３１に向かって吐出ユニット１０から図示しない造形材料Ｘを吐出させつつ、吐出ユニット１０とステージ３０との相対的な位置を変化させる。これにより、三次元造形装置１は、ステージ３０上に造形材料Ｘを積層する。

【0019】

ここで、造形材料Ｘは、例えば、無機材料の粒子とバインダーとを含む固形状の材料のことである。例えば、造形材料Ｘは、無機材料の粒子とバインダーとを含むペレットであるが、これに限られるわけではない。なお、造形材料Ｘは、無機材料の粒子とバインダーとに加えて、無機材料の粒子を分散させる溶剤を含む構成であってもよい。この場合、造形材料Ｘは、ペースト状の材料である。また、以下では、一例として、無機材料は、ステンレス等の金属材料が挙げられるが、これに限られるわけではない。また、ステンレス等の金属材料としては、ＳＵＳ６３０等が挙げられるが、これに限られるわけではない。また、無機材料には、不純物として炭素、有機物等が含まれる構成であってもよく、炭素、有機物等が含まれない構成であってもよい。また、造形材料Ｘに含まれるバインダーは、ＰＶＡ（Polyvinyl Alcohol）、ＢＶＯＨ（ブテンジオールビニルアルコールコポリマー）等の有機材料を含むバインダーである。

【0020】

また、三次元造形装置１は、切削ユニット２０に取り付けられた切削工具２１を回転させつつ、切削工具２１とステージ３０との相対的な位置を変化させる。これにより、三次元造形装置１は、ステージ３０上に積層された造形材料Ｘを切削する。すなわち、三次元造形装置１は、造形材料Ｘの積層と造形材料Ｘの切削とを行うことにより、所望の形状の三次元造形物を造形面３１上に造形する。図１に示した三次元造形物ＯＢは、このようにして三次元造形装置１により造形された三次元造形物の一例である。なお、三次元造形装置１は、切削ユニット２０を備えない構成であってもよい。

【0021】

吐出ユニット１０は、造形材料Ｘを造形面３１上に吐出する吐出装置である。より具体的には、吐出ユニット１０は、吐出部１１と、加熱部１２を備える。

【0022】

吐出部１１は、ノズルＮｚを有する。そして、吐出部１１は、供給された固形状の造形材料Ｘの少なくとも一部を溶融してペースト状に変化させ、ペースト状に変化した造形材料ＸをノズルＮｚから造形面３１上に吐出する。従って、前述の吐出ユニット１０とステージ３０との相対的な位置は、吐出部１１とステージ３０との相対的な位置によって表される。なお、吐出ユニット１０とステージ３０との相対的な位置は、吐出ユニット１０が備える他の部材とステージ３０との相対的な位置によって表されてもよい。

【0023】

ここで、吐出部１１には、造形材料Ｘを収納するカートリッジが取り付けられることにより、造形材料Ｘが供給される。カートリッジには、造形材料Ｘの組成を示す材料組成情報が記録されている。例えば、カートリッジには、材料組成情報が記録されたＩＣ（Integrated Circuit）チップが取り付けられている。この場合、吐出部１１は、カートリッジに取り付けられたＩＣチップから材料組成情報を読み出す読出装置を備える。そして、吐出部１１は、制御部５０からの要求に応じて、この読出装置により材料組成情報を読み出し、読み出した材料組成情報を制御部５０に出力する。

【0024】

材料組成情報には、バインダー組成情報Ｘ１と、バインダー濃度情報Ｘ２とが含まれている。バインダー組成情報Ｘ１は、造形材料Ｘに含まれるバインダーの組成を示す情報のことである。バインダー濃度情報Ｘ２は、造形材料Ｘに含まれるバインダーについてのバインダー濃度を示す情報のことである。なお、材料組成情報には、バインダー組成情報Ｘ１と、バインダー濃度情報Ｘ２とに加えて、他の情報が含まれる構成であってもよい。また、材料組成情報には、バインダー組成情報Ｘ１と、バインダー濃度情報Ｘ２とに代えて、カートリッジの種類を識別するカートリッジ種類識別情報が含まれる構成であってもよい。この場合、制御部５０は、カートリッジ種類識別情報により識別されるカートリッジの種類に対応付けられるバインダー組成情報Ｘ１及びバインダー濃度情報Ｘ２が予め記憶される。

【0025】

なお、造形材料Ｘが、無機材料の粒子とバインダーとに加えて、無機材料の粒子を分散させる溶剤を含む場合、吐出部１１は、ノズルＮｚに代えて、ジェットディスペンサーを備える。これは、この場合における造形材料Ｘの流動性が高く、ノズルＮｚからの押し出しでは、造形材料Ｘを造形面３１上に積層させることが困難であるためである。

【0026】

加熱部１２は、吐出部１１により造形面３１上に吐出された造形材料Ｘを加熱する。換言すると、加熱部１２は、吐出部１１により造形面３１上に積層された造形材料Ｘを加熱する。加熱部１２は、レーザー照射部１２１を備える。

【0027】

レーザー照射部１２１は、制御部５０により制御され、造形材料Ｘを加熱するレーザーを照射する。レーザー照射部１２１は、制御部５０により設定されたレーザーの照射条件に応じたレーザーを照射する。レーザーの照射条件については、後述する。

【0028】

レーザー照射部１２１には、レーザー照射部１２１によるレーザーの照射位置を含む仮想的な領域として、レーザー照射部１２１に対して動かないように予め決められた照射領域が対応付けられている。レーザー照射部１２１は、吐出ユニット１０とステージ３０との相対的な位置の変化に応じて、照射領域とともにステージ３０に対して相対的に移動する。すなわち、レーザー照射部１２１の照射領域は、吐出ユニット１０とステージ３０との相対的な位置の変化に応じて、造形材料Ｘに対して相対的に移動する。
なお、本実施形態において、レーザー照射部１２１は、ステージ３０との相対的な位置を変化させることで造形材料Ｘに対してエネルギーを付与する構成としたが、レーザー照射部１２１から照射されたレーザーを走査することで造形材料Ｘに対してエネルギーを付与する構成であってもかまわない。

【0029】

切削ユニット２０は、ヘッド先端の軸に取り付けられた切削工具２１を回転させて、造形面３１上に積層された造形材料Ｘの切削を行う切削装置である。切削工具２１は、例えば、フラットエンドミル、ボールエンドミル等であるが、これらに限られるわけではない。切削ユニット２０は、例えば、位置を検出するセンサーによって切削工具２１の先端の位置を検出し、検出した結果を制御部５０に出力する。制御部５０は、この結果を用いて移動部４０を制御し、切削工具２１と積層された造形材料Ｘとの相対的な位置関係を制御して切削を行う。なお、切削ユニット２０は、イオナイザー等の除電器を備える構成であってもよい。

【0030】

移動部４０は、吐出ユニット１０とステージ３０との相対的な位置を変化させる。より具体的には、移動部４０は、吐出ユニット１０とステージ３０とのいずれか一方又は両方を移動させることにより、吐出ユニット１０とステージ３０との相対的な位置を変化させる。以下では、一例として、移動部４０が、ステージ３０を移動させることにより、吐出ユニット１０とステージ３０との相対的な位置を変化させる場合について説明する。また、移動部４０は、切削ユニット２０とステージ３０との相対的な位置を変化させる。より具体的には、移動部４０は、切削ユニット２０とステージ３０とのいずれか一方又は両方を移動させることにより、切削ユニット２０とステージ３０との相対的な位置を変化させる。以下では、一例として、移動部４０が、ステージ３０を移動させることにより、切削ユニット２０とステージ３０との相対的な位置を変化させる場合について説明する。例えば、移動部４０は、３つのモーターの駆動力によって、ステージ３０をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれと平行な方向に移動させる３軸ポジショナーによって構成される。この場合、これら３つのモーターは、制御部５０により制御される。

【0031】

制御部５０は、三次元造形装置１の全体を制御する制御装置である。図２は、制御部５０の構成の一例を示す図である。制御部５０は、プロセッサー５１と、記憶部５２と、入力受付部５３と、通信部５４と、表示部５５を備える。なお、制御部５０は、三次元造形装置１と別体に構成された情報処理装置であってもよい。この場合、三次元造形装置１は、この情報処理装置と通信可能に接続され、この情報処理装置により制御される。

【0032】

プロセッサー５１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）である。なお、プロセッサー５１は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の他のプロセッサーであってもよい。また、プロセッサー５１は、複数のプロセッサーにより構成されてもよい。プロセッサー５１は、記憶部５２に記憶された各種のプログラム、各種の命令等を実行することにより、三次元造形装置１が有する各種の機能を実現する。

【0033】

記憶部５２は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を含む。なお、記憶部５２は、三次元造形装置１に内蔵されるものに代えて、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）等のデジタル入出力ポート等によって接続された外付け型の記憶装置であってもよい。記憶部５２は、三次元造形装置１が処理する各種のプログラム、各種の命令、各種の情報等を記憶する。

【0034】

入力受付部５３は、表示部５５に表示された画像を見ながら行われるユーザーからの操作を受け付ける。入力受付部５３は、例えば、キーボード、マウス、タッチパッド等を含む入力装置である。なお、入力受付部５３は、表示部５５と一体に構成されたタッチパネルであってもよい。

【0035】

通信部５４は、例えば、ＵＳＢ等のデジタル入出力ポート、イーサネット（登録商標）ポート等を含んで構成される。

【0036】

表示部５５は、画像を表示する。表示部５５は、三次元造形装置１が備えるディスプレイとして、例えば、液晶ディスプレイパネル、有機ＥＬ（ElectroLuminescence）ディスプレイパネル等を含む表示装置である。

【0037】

＜レーザーの照射による造形材料への入熱量とレーザーの照射条件との関係＞
以下、三次元造形装置１におけるレーザーの照射による造形材料Ｘへの入熱量Ｅｓと、三次元造形装置１におけるレーザーの照射条件との関係について説明する。入熱量Ｅｓは、レーザーの照射によって造形材料Ｘに付与される単位面積あたりの熱量のことである。換言すると、入熱量Ｅｓは、レーザーの照射によって造形材料Ｘに付与される単位面積あたりのエネルギーのことである。なお、実施形態において、単位面積は、１平方ミリメートルであるが、これに代えて、単位面積として利用可能な他の面積であってもよい。

【0038】

三次元造形装置１では、入熱量Ｅｓは、以下の式（１）によって、レーザー出力Ｗ、レーザー走査速度Ｖ、レーザー幅Ｗｄのそれぞれと関係付けることができる。

【0039】

Ｅｓ＝ｋ×Ｗ／（Ｖ×Ｗｄ） ・・・（１）

【0040】

ここで、レーザー出力Ｗは、レーザーの出力のことである。また、レーザー走査速度Ｖは、レーザーを移動させる速度のことである。また、レーザー幅Ｗｄは、レーザーの幅、すなわち、レーザーの直径のことである。そして、ｋは、造形材料Ｘの光吸収率であり、三次元造形装置１による三次元造形物の造形において、近似的に一定と見做すことができる値である。そこで、以下では、説明を簡略化するため、ｋ＝１である場合について説明する。すなわち、以下では、一例として、上記の式（１）が、以下の式（２）である場合について説明する。

【0041】

Ｅｓ＝Ｗ／（Ｖ×Ｄ） ・・・（２）

【0042】

上記の式（１）及び式（２）は、ｋが定数であることからも分かる通り、入熱量Ｅｓが、レーザー走査速度Ｖとレーザー幅Ｗｄとの積でレーザー出力Ｗを除した値として得られることを示している。このため、三次元造形装置１では、レーザーの照射条件は、レーザー出力Ｗ、レーザー走査速度Ｖ、レーザー幅Ｗｄの３つのパラメーターにより表される。

【0043】

ここで、三次元造形装置１において、レーザーの照射条件を指定する方法は、２つ存在する。三次元造形装置１においてレーザーの照射条件を指定する２つの方法のうちの一方は、入熱量Ｅｓとともに、上記の３つのパラメーターのうちの２つのパラメーターを指定する方法である。以下では、説明の便宜上、この方法を、照射条件間接指定方法と称して説明する。照射条件間接指定方法では、指定した入熱量Ｅｓと当該２つのパラメーターと上記の式（２）とに基づいて、３つのパラメーターのうちの残りの１つのパラメーターを算出し、算出した１つパラメーターと、指定した２つのパラメーターとを、レーザーの照射条件として指定する。一方、三次元造形装置１においてレーザーの照射条件を指定する２つの方法のうちの他方は、入熱量Ｅｓを指定せず、上記の３つのパラメーターをレーザーの照射条件として指定する方法である。以下では、説明の便宜上、この方法を、照射条件直接指定方法と称して説明する。

【0044】

なお、入熱量Ｅｓは、レーザーの照射によって造形材料Ｘに付与される単位体積あたりの熱量のことであってもよい。この場合、上記の式（１）及び式（２）の右辺の分母には、造形材料Ｘの厚みを示すパラメーターが１つ増えることになる。

【0045】

＜制御部による三次元造形装置の造形制御＞
制御部５０は、三次元造形装置１の造形制御を行う。造形制御は、造形材料Ｘを加熱することによって、予め決められた形状の三次元造形物を造形する制御のことである。以下では、この造形制御について、詳しく説明する。なお、以下では、説明の便宜上、レーザーの照射により加熱される前の造形材料Ｘを、グリーン体と称して説明する。また、以下では、説明の便宜上、レーザーの照射により加熱された後の造形材料Ｘを、バルク体と称して説明する。

【0046】

造形制御は、吐出部１１、切削ユニット２０、移動部４０、レーザー照射部１２１についての制御のことである。具体的には、造形制御は、造形面３１上にＮ個の焼結層を１個の三次元造形物として積層させる制御のことである。すなわち、三次元造形装置１により造形される三次元造形物は、造形面３１上に積層されたＮ個の焼結層の塊のことである。ここで、Ｎは、１以上の整数であれば、如何なる整数であってもよい。また、Ｎ個の焼結層のそれぞれは、レーザーによって焼結された後の造形層のことである。すなわち、Ｎ個の焼結層のそれぞれは、バルク体により構成される。また、造形層は、造形面３１と平行な造形パスに沿って吐出された造形材料Ｘのことである。すなわち、造形層は、グリーン体により構成される。なお、造形層は、単一の層によって構成されてもよく、積層された複数の層によって構成されてもよい。また、造形パスは、造形材料Ｘを吐出しながら移動するノズルＮｚのステージ３０に対する走査経路のことである。ここで、Ｎ個の焼結層のうちのｎ番目の焼結層は、レーザーによって焼結される際に溶けてｎ－１番目の焼結層と接合される。その結果、造形面３１上において、Ｎ個の焼結層は、１個の三次元造形物として積層される。なお、実施形態では、ｎは、１以上Ｎ以下のいずれかの整数を示す。このため、実施形態では、０番目の焼結層は、造形面３１のことを意味する。すなわち、実施形態において、１番目の造形層は、０番目の焼結層、すなわち、造形面３１の上に積層される。

【0047】

ここで、ｎ番目の焼結層として焼結される造形層は、ｎ番目の造形層領域に含まれる。ｎ番目の造形層領域は、三次元造形装置１のユーザーにより造形面３１上に指定される仮想的な領域のことである。すなわち、ｎ番目の焼結層として焼結される造形層は、ｎ番目の造形層領域内に予め決められた造形パスに沿って吐出された造形材料Ｘのことである。また、ｎ番目の造形層領域は、Ｍ個の領域により構成される。ｎ番目の造形層領域を構成するＭ個の領域は、三次元造形装置１のユーザーによりｎ番目の造形層領域へ指定される仮想的な領域である。Ｍは、１以上の整数であれば、如何なる整数であってもよい。例えば、ｎ番目の造形層領域が１個の領域により構成されることは、ｎ番目の造形層領域が当該１個の領域そのものであることを意味する。また、例えば、ｎ番目の造形層領域が２個以上の領域により構成されることは、ｎ番目の造形層領域が当該２個以上の領域を組み合わせた領域であることを意味する。なお、Ｎ個の造形層領域のそれぞれを構成する領域の数Ｍは、互いに異なる構成であってもよく、互いに同じ構成であってもよい。そこで、ｎ番目の造形層領域を構成する領域の数Ｍを、Ｍｎによって表す。この場合、例えば、１番目の造形層領域を構成する領域の数Ｍは、Ｍ１である。また、この場合、２番目の造形層領域を構成する領域の数Ｍは、Ｍ２である。そして、Ｍ１とＭ２は、互いに異なる整数であってもよく、互いに同じ整数であってもよい。また、ｎ番目の造形層領域内に予め決められた造形パスは、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域毎の領域内に予め決められた造形パスを組み合わせた造形パスである。

【0048】

ｎ番目の焼結層をｎ－１番目の焼結層の上に積層させる場合、制御部５０は、吐出部１１、移動部４０を制御し、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域のそれぞれ毎に、吐出部１１による造形材料Ｘの吐出を繰り返し行う。これにより、制御部５０は、ｎ番目の造形層をｎ－１番目の焼結層の上に積層させることができる。Ｍｎ個の領域のうちのある領域における吐出部１１による造形材料Ｘの吐出は、当該領域内に予め決められた造形パスに沿った造形材料Ｘの吐出のことである。ｎ番目の造形層をｎ－１番目の焼結層の上に積層させた後、制御部５０は、レーザー照射部１２１、移動部４０を制御し、ｎ番目の造形層領域内に形成されたｎ番目の造形層へのレーザー照射部１２１によるレーザーの照射を行う。ｎ番目の造形層へのレーザー照射部１２１によるレーザーの照射は、ｎ番目の造形層領域内に予め決められた造形パスに沿ったレーザーの照射である。ｎ番目の造形層へレーザーが照射された場合、ｎ番目の造形層は、焼結されてｎ番目の焼結層に変化する。レーザーの照射によってｎ番目の造形層をｎ番目の焼結層へ変化させた後、制御部５０は、切削ユニット２０、移動部４０を制御し、切削ユニット２０によるｎ番目の焼結層の切削を行う。切削ユニット２０によるｎ番目の焼結層の切削は、ｎ番目の造形層領域内に予め決められた切削パスに沿った切削ユニット２０による切削である。切削パスは、焼結された後の造形材料Ｘ、すなわち、バルク体を切削しながら移動する切削工具２１のステージ３０に対する走査経路のことである。以上のような制御を造形制御として行うことにより、制御部５０は、造形材料Ｘの吐出、レーザーの照射、切削ユニット２０による切削を順に行い、ｎ番目の焼結層をｎ－１番目の焼結層の上に積層させる。

【0049】

ここで、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域の一部又は全部には、レーザー照射部１２１についての制御として、第１制御と第２制御との２つの制御のいずれかが対応付けられている。なお、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域の一部又は全部には、３つ以上の制御のいずれかが対応付けられている構成であってもよい。ただし、この場合であっても、これら３つ以上の制御の中には、第１制御が含まれている。そして、この場合、これら３つ以上の制御のうち第１制御以外の２つ以上の制御は、第１制御と異なる制御であれば、レーザー照射部１２１を制御可能な如何なる制御であってもよい。以下では、説明の便宜上、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域のうち第１制御が対応付けられた領域を、第１制御領域と称して説明する。また、以下では、説明の便宜上、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域のうち第２制御が対応付けられた領域を、第２制御領域と称して説明する。

【0050】

第１制御は、照射条件間接指定方法により指定されたレーザーの照射条件を、レーザー照射部１２１に設定する制御である。具体的には、第１制御は、レーザー出力Ｗ、レーザー走査速度Ｖ、レーザー幅Ｗｄの３つのパラメーターのうちの１つを第１パラメーターとして第１パラメーターを変化させる場合、レーザー走査速度Ｖとレーザー幅Ｗｄとの積でレーザー出力Ｗを除した値が所定の範囲内となるように、当該３つのパラメーターのうち第１パラメーター以外の２つのパラメーターのいずれか一方又は両方を第１パラメーターとともに変化させる制御である。換言すると、第１制御は、第１パラメーターを変化させる場合、照射条件間接指定方法によって予め指定された入熱量Ｅｓが略変化しないように、当該２つのパラメーターのいずれか一方又は両方を第１パラメーターとともに変化させる制御である。ここで、所定の範囲は、所定値を基準として８０％以上１２０％以下の範囲のことである。換言すると、所定の範囲とは、レーザー出力Ｗ、レーザー走査速度Ｖ、レーザー幅Ｗｄの３つのパラメーターのうちの１つを第１パラメーターとして第１パラメーターを変化させる場合、レーザー走査速度Ｖとレーザー幅Ｗｄとの積でレーザー出力Ｗを除した値が所定値を基準として８０％以上１２０％以下の範囲に収まっていることを指す。さらに、第１制御は、９０％以上１１０％以下の範囲に収まるようにレーザー照射部１２１を制御することが好ましい。なお、ここで、所定値とは、焼結層を形成する無機材料の質量が、造形層に含まれる無機粒子の質量の９０％以上となるレーザーの照射条件において、レーザー走査速度Ｖとレーザー幅Ｗｄとの積でレーザー出力Ｗを除した値である。所定値は、造形材料毎に設定される。

【0051】

一方、第２制御は、照射条件直接指定方法により指定されたレーザーの照射条件を、レーザー照射部１２１に設定する制御である。具体的には、第２制御は、照射条件直接指定方法により予め指定されたレーザー出力Ｗ、レーザー走査速度Ｖ、レーザー幅Ｗｄの３つのパラメーターを、レーザー照射部１２１に設定する制御である。このため、第２制御では、入熱量Ｅｓは、変化することがある。以下では、説明の便宜上、第１制御と第２制御とを区別する必要が無い限り、まとめて照射制御と称して説明する。

【0052】

制御部５０は、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域のうちのある領域内に、造形面３１に対するレーザー照射部１２１の相対的な移動によりレーザー照射部１２１の照射領域が入った場合、当該領域に対応付けられた照射条件情報と、当該領域に対応付けられた種類の照射制御とにより、レーザー照射部１２１に設定するレーザーの照射条件を決定する。そして、制御部５０は、決定したレーザーの照射条件をレーザー照射部１２１に設定する。これにより、制御部５０は、当該領域内の造形材料Ｘへ、ユーザーにより指定されたレーザーの照射条件に応じたレーザーを照射させることができる。ここで、照射条件情報は、入熱量Ｅｓを示す入熱量情報、レーザー出力Ｗを示す出力情報、レーザー走査速度Ｖを示す速度情報、レーザー幅Ｗｄを示す幅情報の４つの情報を含む情報である。ここで、入熱量情報は、入熱量Ｅｓが指定されていない場合、例えば、ヌル情報である。また、出力情報は、レーザー出力Ｗが指定されていない場合、例えば、ヌル情報である。また、速度情報は、レーザー走査速度Ｖが指定されていない場合、例えば、ヌル情報である。また、幅情報は、レーザー幅Ｗｄが指定されていない場合、例えば、ヌル情報である。ここで、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域のうちのある領域に対応付けられた照射制御が第１制御であった場合、当該領域に対応付けられた照射条件情報に含まれる入熱量情報、出力情報、速度情報、幅情報の４つの情報のうちヌル情報とすることができる情報は、出力情報、速度情報、幅情報の３つの情報のうちのいずれか１つである。一方、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域のうちのある領域に対応付けられた照射制御が第２制御であった場合、当該領域に対応付けられた照射条件情報に含まれる入熱量情報、出力情報、速度情報、幅情報の４つの情報のうちヌル情報とすることができる情報は、入熱量情報である。

【0053】

例えば、制御部５０は、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域のうちのある領域内に、造形面３１に対するレーザー照射部１２１の相対的な移動によりレーザー照射部１２１の照射領域が入った場合、且つ、当該領域が第１制御領域であった場合、当該領域に対応付けられた照射条件情報と上記の式（２）とに基づいて、出力情報、速度情報、幅情報の３つの情報のうちヌル情報となっている情報が示すパラメーターの値を算出する。そして、制御部５０は、算出した値と、これら３つの情報のうちヌル情報となっていない２つの情報のそれぞれが示すパラメーターとを、レーザー照射部１２１に設定する。この場合、レーザー照射部１２１から照射されるレーザーが造形材料Ｘへ付与する入熱量Ｅｓは、当該領域に対応付けられた照射条件情報に含まれる入熱量情報が示す入熱量Ｅｓとなる。

【0054】

このため、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域に第１制御領域が２つ含まれており、且つ、これら２つの第１制御領域のそれぞれに対応付けられた照射条件情報が、ある共通の入熱量Ｅｓを示す入熱量情報を含む場合、制御部５０は、これら２つの第１制御領域に対して、当該入熱量Ｅｓのレーザーを照射することになる。しかし、これら２つの第１制御領域のそれぞれに対応付けられた照射条件情報は、出力情報、速度情報、幅情報の３つの情報の組み合わせについても共通であるとは限らない。従って、制御部５０は、一般的には、これら２つの第１制御領域に対して、入熱量Ｅｓが同じレーザーであり、且つ、レーザー出力Ｗ、レーザー走査速度Ｖ、レーザー幅Ｗｄのうちの少なくとも２つのパラメーターが異なるレーザーを照射する。そこで、以下では、説明の便宜上、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域に含まれる複数の第１制御領域のうち、互いに共通の入熱量Ｅｓを示す入熱量情報を含む照射条件情報が対応付けられている１個以上の領域を、ｎ番目の造形層領域の対象領域と称して説明する。この場合、対象領域には、当該共通の入熱量Ｅｓのレーザーが照射される。すなわち、対象領域では、三次元造形装置１は、対象領域に含まれる複数の領域のそれぞれに互いに異なる当該照射条件情報を対応付けることにより、レーザー出力Ｗ、レーザー走査速度Ｖ、レーザー幅Ｗｄのうちの少なくとも１つを変化させつつ、造形層領域における入熱量Ｅｓのばらつきを抑制することができる。ただし、対象領域では、三次元造形装置１は、レーザー出力Ｗ、レーザー走査速度Ｖ、レーザー幅Ｗｄの３つのパラメーターのそれぞれを自由に変化させることができず、上記の式（２）に基づいて造形層領域における入熱量Ｅｓのばらつきが小さくなるようにこれら３つのパラメーターを変化させることができる。これにより、三次元造形装置１は、少なくとも対象領域に含まれる焼結層の厚みを均一にすることができる。その結果、三次元造形装置１は、造形材料Ｘにバインダーが含まれている場合において、利便性を低下させることなく、三次元造形物の造形精度を向上させることができる。また、三次元造形装置１は、すべての造形層領域が対象領域である場合、Ｎ個の焼結層それぞれの厚みを均一にすることができる。この場合、三次元造形装置１は、造形材料Ｘにバインダーが含まれている場合において、利便性を低下させることなく、三次元造形物の造形精度を、より確実に向上させることができる。

【0055】

また、例えば、制御部５０は、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域のうちのある領域内に、造形面３１に対するレーザー照射部１２１の相対的な移動によりレーザー照射部１２１の照射領域が入った場合、且つ、当該領域が第２制御領域であった場合、当該領域に対応付けられた照射条件情報に含まれる出力情報、速度情報、幅情報の３つの情報のそれぞれが示すパラメーターを、レーザー照射部１２１に設定する。この場合、レーザー照射部１２１から照射されるレーザーが造形材料Ｘへ付与する入熱量Ｅｓは、当該３つの情報のそれぞれが示すパラメーターと上記の式（２）とによって算出される入熱量Ｅｓとなる。

【0056】

制御部５０は、上記のような造形制御を、記憶部５２に予め記憶された造形用データ及び切削用データに基づいて行う。

【0057】

造形用データは、Ｎ個の造形層を積層させるために用いられるデータである。具体的には、造形用データは、Ｎ個の造形層毎の造形層領域を構成するＭ個の領域のそれぞれを示す領域情報と、当該Ｍ個の領域のそれぞれに対応付けられた造形パスを示す造形パス情報と、当該Ｍ個の領域のそれぞれに対応付けられた照射制御の種類を示す照射制御情報と、当該Ｍ個の領域のそれぞれに対応付けられた照射条件情報との４つの情報を含むデータである。

【0058】

また、造形用データには、更に、当該４つの情報に加えて、ノズルＮｚから吐出される造形材料Ｘの流量である吐出量の目標値を示す情報、固形状の造形材料Ｘをペースト状に変化させるために必要な各種の条件を示す情報等が含まれている。なお、これらの情報は、各造形層領域を構成するＭ個の領域毎の情報であってもよい。

【0059】

切削用データは、Ｎ個の造形層のそれぞれを切削するために用いられるデータである。具体的には、切削用データは、Ｎ個の造形層毎の造形層領域における切削パスを示す切削パス情報を含むデータである。また、切削用データは、切削パス情報に加えて、切削工具２１による切削の実行に必要な各種の条件を示す情報等が含まれている。

【0060】

＜膜残存率の定義＞
以下、実施形態の説明において用いる用語である膜残存率の定義について説明する。ここで、膜残存率は、ノズルＮｚから造形面３１上に吐出されたグリーン体の厚さをＤとし、そのグリーン体をレーザーで加熱した後のバルク体の厚さをｄとした場合におけるＤに対するｄの比、すなわち、ｄ／Ｄのことである。換言すると、膜残存率は、加熱の前後における造形材料Ｘの厚みの比のことであり、バルク体の厚み、すなわち、造形層が焼結された後の焼結層の厚みを示す量である。グリーン体は、加熱されると、グリーン体に含まれるバインダーが気化して蒸散し、中に含まれる無機材料の粒子が溶融してバルク化すると体積が小さくなる。このため、膜残存率は、１より小さくなる。なお、図３は、ノズルＮｚから造形面３１上に吐出されたグリーン体と、そのグリーン体をレーザーで加熱した後のバルク体とのそれぞれの一例を示す図である。

【0061】

＜対象領域と対象領域以外の領域との違い＞
以下、前述の対象領域と対象領域以外の領域との違いについて説明する。

【0062】

ある領域に含まれるグリーン体へ、当該領域における造形パス情報が示す造形パスに沿って照射されるレーザーによって付与される入熱量Ｅｓのばらつきが小さい場合、当該領域内において形成されるバルク体の厚みのばらつきは、低減する。すなわち、三次元造形装置１において、造形層が焼結された後の焼結層の厚みのばらつきを小さくするためには、レーザーの照射によって造形層に付与される造形領域における入熱量Ｅｓのばらつきを小さくする必要がある。これは、三次元造形装置１では、造形層が焼結された後の焼結層の厚みは、造形領域におけるレーザーの照射によって造形材料Ｘに付与される入熱量Ｅｓのばらつきが大きい場合、図４に示したように、不均一になることを意味する。図４は、入熱量Ｅｓと膜残存率との関係の一例を示す図である。

【0063】

図４に示したグラフの横軸は、入熱量Ｅｓを示す。また、当該グラフの縦軸は、膜残存率を示す。そして、当該グラフにプロットされた曲線のうちの曲線Ｆ１は、造形材料Ｘのバインダーがビニルアルコール系バインダーであり、且つ、レーザーが照射された造形材料Ｘのバインダー濃度が０．２［ｗｔ％］である場合において、入熱量Ｅｓを変えながらレーザーを造形材料Ｘに照射した場合の膜残存率の変化を示す。また、当該グラフにプロットされた曲線のうちの曲線Ｆ２は、造形材料Ｘのバインダーがビニルアルコール系バインダーであり、且つ、レーザーが照射された造形材料Ｘのバインダー濃度が１．０［ｗｔ％］である場合において、入熱量Ｅｓを変えながらレーザーを造形材料Ｘに照射した場合の膜残存率の変化を示す。また、当該グラフにプロットされた曲線のうちの曲線Ｆ３は、造形材料Ｘのバインダーがビニルアルコール系バインダーであり、且つ、レーザーが照射された造形材料Ｘのバインダー濃度が１．６［ｗｔ％］である場合において、入熱量Ｅｓを変えながらレーザーを造形材料Ｘに照射した場合の膜残存率の変化を示す。また、当該グラフにプロットされた曲線のうちの曲線Ｆ４は、造形材料Ｘのバインダーがビニルアルコール系バインダーあり、且つ、レーザーが照射された造形材料Ｘのバインダー濃度が４．９［ｗｔ％］である場合において、入熱量Ｅｓを変えながらレーザーを造形材料Ｘに照射した場合の膜残存率の変化を示す。当該グラフにおいて、曲線Ｆ１～曲線Ｆ４の４本の曲線は、バインダーを含む造形材料Ｘへレーザーを照射した場合の膜残存率が、入熱量Ｅｓの変化に応じて変化してしまうことを示している。そして、当該グラフにおいて、当該４本の曲線は、更に、バインダー濃度が高くなるほど、当該膜残存率が、入熱量Ｅｓの変化に応じて変化し易くなることを示している。

【0064】

ここで、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域に対象領域以外の複数の領域が含まれており、且つ、これら複数の領域のそれぞれに対応付けられた照射条件情報が、互いに異なる照射条件情報であった場合、制御部５０は、一般的に、これら複数の領域に対して、互いに異なる入熱量Ｅｓのレーザーを照射することになる。すなわち、図４に示したグラフは、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域に、対象領域以外の領域として、互いに異なる照射条件情報が対応付けられた複数の領域が含まれている場合、ｎ番目の焼結層の厚みが、不均一になることを示している。これは、三次元造形装置１により造形される三次元造形物の造形精度を低下させることに繋がるため、望ましくない。

【0065】

一方、造形材料Ｘの焼結により造形される三次元造形物の造形精度は、造形層が焼結された後の焼結層の厚みが均一であるほど、高くなる。そこで、三次元造形装置１では、造形制御は、前述した第１制御を含んでいる。

【0066】

図５は、第１制御によってレーザー出力Ｗを変化させながら造形材料Ｘへレーザーを照射した場合における膜残存率の変化の一例を示す図である。図５に示したグラフの横軸は、レーザー出力Ｗを示す。また、当該グラフの縦軸は、膜残存率を示す。そして、当該グラフにプロットされた曲線Ｆ５は、造形材料Ｘのバインダーがビニルアルコール系バインダーである場合において、第１制御によってレーザー出力Ｗを変えながらレーザーを造形材料Ｘに照射した場合の膜残存率の変化を示す。当該グラフにおいて、曲線Ｆ５は、バインダーを含む造形材料Ｘへ第１制御によってレーザー出力Ｗを変えながらレーザーを照射しても、膜残存率のばらつきを抑制できることを示している。これはすなわち、ｎ番目の造形層領域を構成するＭｎ個の領域がすべて対象領域である場合、ｎ番目の焼結層の厚みが、均一になることを示している。

【0067】

以上のように、三次元造形装置１は、第１制御を含む造形制御を行うため、造形材料Ｘにバインダーが含まれている場合における三次元造形物の造形精度の低下を抑制しつつ、利便性を向上させることができる。

【0068】

＜第１制御領域においてレーザーの照射条件を制御部がレーザー照射部へ設定する処理＞
以下、図６を参照し、第１制御領域においてレーザーの照射条件を制御部５０がレーザー照射部１２１へ設定する処理について説明する。図６は、第１制御領域においてレーザーの照射条件を制御部５０がレーザー照射部１２１へ設定する処理の流れの一例を示す図である。制御部５０は、レーザーの照射領域が第１制御領域に入る毎に、図６に示したフローチャートの処理を繰り返し行う。なお、以下では、一例として、前述の第１パラメーターがレーザー出力Ｗである場合について説明する。また、以下では、一例として、制御部５０が第１制御において第１パラメーターを変化させる場合、制御部５０が第１パラメーターとともにレーザー走査速度Ｖを変化させ、且つ、レーザー幅Ｗｄを変化させない場合について説明する。この場合、すべての第１制御領域に対応付けられた照射条件情報に含まれる速度情報は、ヌル情報である。また、この場合、すべての第１制御領域に対応付けられた照射条件情報に含まれる入熱量情報、出力情報、幅情報のそれぞれは、ヌル情報ではない。

【0069】

レーザーの照射領域が第１制御領域に入った後、制御部５０は、記憶部５２に予め記憶された造形用データを参照し、レーザーの照射領域が入った第１制御領域に対応付けられた照射条件情報を記憶部５２から読み出す（ステップＳ１１０）。

【0070】

次に、制御部５０は、ステップＳ１１０において読み出した照射条件情報と、上記の式（２）とに基づいて、レーザー走査速度Ｖを算出する（ステップＳ１２０）。この際、制御部５０は、上記の式（２）により算出される入熱量Ｅｓが、ステップＳ１１０において読み出した照射条件情報に含まれる入熱量情報が示す入熱量Ｅｓと一致するように、レーザー走査速度Ｖを算出する。

【0071】

次に、制御部５０は、ステップＳ１２０において算出したレーザー走査速度Ｖと、ステップＳ１１０において読み出した照射条件情報に含まれる出力情報が示すレーザー出力Ｗと、当該照射条件情報に含まれる幅情報が示すレーザー幅Ｗｄとを、レーザーの照射条件としてレーザー照射部１２１に設定し（ステップＳ１３０）、図６に示したフローチャートの処理を終了する。

【0072】

ここで、例えば、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との２つの領域が第１制御領域であり、且つ、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２のそれぞれに対応付けられた照射条件情報に含まれる入熱量情報が共通であった場合、これら２つの領域は、対象領域である。以下では、一例として、第１領域Ｒ１に対応付けられた照射条件情報が、入熱量Ｅｓとして予め決められた第１入熱量を示す入熱量情報と、レーザー出力Ｗとして予め決められた第１出力を示す出力情報と、ヌル情報である速度情報と、レーザー幅Ｗｄとして予め決められた第１幅を示す幅情報とを含む場合について説明する。また、以下では、一例として、第２領域Ｒ２に対応付けられた照射条件情報が、第１入熱量を示す入熱量情報と、レーザー出力Ｗとして第１出力よりも高い第２出力を示す出力情報と、ヌル情報である速度情報と、第１幅を示す幅情報とを含む場合について説明する。この場合、第１領域Ｒ１においてレーザーの照射により造形材料Ｘに付与される入熱量Ｅｓは、第２領域Ｒ２においてレーザーの照射により造形材料Ｘに付与される入熱量Ｅｓに対して８０％以上１２０％以下の範囲に含まれる。このため、三次元造形装置１は、対象領域に対する第１制御によって、第１領域Ｒ１における焼結層の厚みと、第２領域Ｒ２における焼結層の厚みとの差を小さくすることができる。しかしながら、第２領域Ｒ２におけるレーザー走査速度Ｖは、第１領域Ｒ１におけるレーザー走査速度Ｖよりも速い。また、第２領域Ｒ２におけるレーザー出力Ｗは、第１領域Ｒ１におけるレーザー出力Ｗよりも高い。これにより、第１領域Ｒ１においてレーザー照射部１２１から造形材料Ｘに照射されたレーザーによる造形材料Ｘへの単位時間あたりの入熱量Ｅｓは、第２領域Ｒ２においてレーザー照射部１２１から造形材料Ｘに照射されたレーザーによる造形材料Ｘへの単位時間あたりの入熱量Ｅｓより大きい。このため、三次元造形装置１は、対象領域に対する第１制御によって、第２領域Ｒ２において造形材料Ｘを焼結させる時間を、第２領域Ｒ２において造形材料Ｘを焼結させる時間よりも短くすることができる。換言すると、三次元造形装置１は、対象領域に対する第１制御によって、第１領域Ｒ１における焼結層の厚みと第２領域Ｒ２における焼結層の厚みとの差を低減しつつ、第１領域Ｒ１におけるレーザー走査速度Ｖと、第２領域Ｒ２におけるレーザー走査速度Ｖとを異なる速度にすることができるとともに、第１領域Ｒ１におけるレーザー出力Ｗと、第２領域Ｒ２におけるレーザー出力Ｗとを異なる出力にすることができる。従って、三次元造形装置１は、対象領域において、焼結層の厚みのばらつきを抑制しつつ、造形材料Ｘの形状に応じてレーザー出力Ｗ及びレーザー走査速度Ｖを変えることができる。すなわち、三次元造形装置１は、造形材料にバインダーが含まれている場合において、利便性を低下させることなく、三次元造形物の造形精度を向上させることができる。なお、本実施形態において、単位時間は、１秒であるが、単位時間として使用可能な他の時間であってもよい。

【0073】

なお、例えば、第１領域Ｒ１に対応付けられた照射条件情報が、第１入熱量を示す入熱量情報と、ヌル情報である出力情報と、レーザー走査速度Ｖとして予め決められた第１速度を示す速度情報と、第１幅を示す幅情報とを含み、且つ、第２領域Ｒ２に対応付けられた照射条件情報が、第１入熱量を示す入熱量情報と、ヌル情報である出力情報と、レーザー走査速度Ｖとして第１速度よりも速い第２速度を示す速度情報と、第１幅を示す幅情報とを含む場合も、三次元造形装置１は、第１領域Ｒ１における焼結層の厚みと第２領域Ｒ２における焼結層の厚みとの差を低減しつつ、第１領域Ｒ１におけるレーザー走査速度Ｖと、第２領域Ｒ２におけるレーザー走査速度Ｖとを異なる速度にすることができるとともに、第１領域Ｒ１におけるレーザー出力Ｗと、第２領域Ｒ２におけるレーザー出力Ｗとを異なる出力にすることができる。従って、三次元造形装置１は、この場合も、対象領域において、焼結層の厚みのばらつきを低減しつつ、造形材料Ｘの形状に応じてレーザー出力Ｗ及びレーザー走査速度Ｖを変えることができる。

【0074】

また、例えば、第１領域Ｒ１に対応付けられた照射条件情報が、第１入熱量を示す入熱量情報と、第１出力を示す出力情報と、第１速度を示す速度情報と、ヌル情報である幅情報とを含み、且つ、第２領域Ｒ２に対応付けられた照射条件情報が、第１入熱量を示す入熱量情報と、第２出力を示す出力情報と、第１速度を示す速度情報と、ヌル情報である幅情報とを含む場合、三次元造形装置１は、第１領域Ｒ１における焼結層の厚みと第２領域Ｒ２における焼結層の厚みとの差を低減しつつ、第１領域Ｒ１におけるレーザー出力Ｗと、第２領域Ｒ２におけるレーザー出力Ｗとを異なる出力にすることができるとともに、第１領域Ｒ１におけるレーザー幅Ｗｄと、第２領域Ｒ２におけるレーザー幅Ｗｄとを異なる幅にすることができる。従って、三次元造形装置１は、この場合、対象領域において、焼結層の厚みのばらつきを低減しつつ、造形材料Ｘの形状に応じてレーザー出力Ｗ及びレーザー幅Ｗｄを変えることができる。

【0075】

また、例えば、第１領域Ｒ１に対応付けられた照射条件情報が、第１入熱量を示す入熱量情報と、ヌル情報である出力情報と、第１速度を示す速度情報と、第１幅を示す幅情報とを含み、且つ、第２領域Ｒ２に対応付けられた照射条件情報が、第１入熱量を示す入熱量情報と、ヌル情報である出力情報と、第１速度を示す速度情報と、第２幅を示す幅情報とを含む場合、三次元造形装置１は、第１領域Ｒ１における焼結層の厚みと第２領域Ｒ２における焼結層の厚みとの差を低減しつつ、第１領域Ｒ１におけるレーザー出力Ｗと、第２領域Ｒ２におけるレーザー出力Ｗとを異なる出力にすることができるとともに、第１領域Ｒ１におけるレーザー幅Ｗｄと、第２領域Ｒ２におけるレーザー幅Ｗｄとを異なる幅にすることができる。従って、三次元造形装置１は、この場合も、対象領域において、焼結層の厚みのばらつきを低減しつつ、造形材料Ｘの形状に応じてレーザー出力Ｗ及びレーザー幅Ｗｄを変えることができる。

【0076】

また、例えば、第１領域Ｒ１に対応付けられた照射条件情報が、第１入熱量を示す入熱量情報と、第１出力を示す出力情報と、第１速度を示す速度情報と、ヌル情報である幅情報とを含み、且つ、第２領域Ｒ２に対応付けられた照射条件情報が、第１入熱量を示す入熱量情報と、第１出力を示す出力情報と、第２速度を示す速度情報と、ヌル情報である幅情報とを含む場合、三次元造形装置１は、第１領域Ｒ１における焼結層の厚みと第２領域Ｒ２における焼結層の厚みとの差を低減しつつ、第１領域Ｒ１におけるレーザー走査速度Ｖと、第２領域Ｒ２におけるレーザー走査速度Ｖとを異なる出力にすることができるとともに、第１領域Ｒ１におけるレーザー幅Ｗｄと、第２領域Ｒ２におけるレーザー幅Ｗｄとを異なる幅にすることができる。従って、三次元造形装置１は、この場合、対象領域において、焼結層の厚みのばらつきを低減しつつ、造形材料Ｘの形状に応じてレーザー走査速度Ｖ及びレーザー幅Ｗｄを変えることができる。

【0077】

また、例えば、第１領域Ｒ１に対応付けられた照射条件情報が、第１入熱量を示す入熱量情報と、第１出力を示す出力情報と、ヌル情報である速度情報と、第１幅を示す幅情報とを含み、且つ、第２領域Ｒ２に対応付けられた照射条件情報が、第１入熱量を示す入熱量情報と、第１出力を示す出力情報と、ヌル情報である速度情報と、第２幅を示す幅情報とを含む場合、三次元造形装置１は、第１領域Ｒ１における焼結層の厚みと第２領域Ｒ２における焼結層の厚みとの差を低減しつつ、第１領域Ｒ１におけるレーザー走査速度Ｖと、第２領域Ｒ２におけるレーザー走査速度Ｖとを異なる出力にすることができるとともに、第１領域Ｒ１におけるレーザー幅Ｗｄと、第２領域Ｒ２におけるレーザー幅Ｗｄとを異なる幅にすることができる。従って、三次元造形装置１は、この場合も、対象領域において、焼結層の厚みのばらつきを低減しつつ、造形材料Ｘの形状に応じてレーザー走査速度Ｖ及びレーザー幅Ｗｄを変えることができる。

【0078】

以上のように、三次元造形装置１は、ステージ３０と、無機材料の粒子とバインダーとを含む造形材料Ｘをステージ３０上に吐出する吐出部１１と、吐出部１１によりステージ３０上に吐出された造形材料Ｘにレーザーを照射し、造形材料Ｘを加熱するレーザー照射部１２１と、ステージ３０と吐出部１１とを相対的に移動させる移動部４０と、吐出部１１とレーザー照射部１２１と移動部４０とを制御する制御部５０と、を備え、制御部５０は、吐出部１１によってステージ３０上に吐出された造形材料Ｘを加熱することによって予め決められた形状の三次元造形物を造形する造形制御を行い、造形制御は、吐出部１１によってステージ３０上に吐出された造形材料Ｘのうち予め決められた対象領域に含まれる造形材料Ｘへレーザーを照射させる場合におけるレーザー照射部１２１についての第１制御を含み、第１制御は、レーザー出力Ｗ、レーザー走査速度Ｖ、レーザー幅Ｗｄの３つのパラメーターのうちの第１パラメーターを変化させる場合、レーザー走査速度Ｖとレーザー幅Ｗｄとの積でレーザー出力Ｗを除した値が所定値を基準として８０％以上１２０％以下の範囲となるように、３つのパラメーターのうち第１パラメーター以外の２つのパラメーターのいずれか一方又は両方を第１パラメーターとともに変化させる制御である。これにより、三次元造形装置１は、造形材料Ｘにバインダーが含まれている場合において、利便性を低下させることなく、三次元造形物の造形精度を向上させることができる。

【0079】

＜実施形態の応用例１＞
上記において説明した三次元造形装置１は、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２において、焼結層の厚みのばらつきを低減しつつ、レーザー出力Ｗを変えることができた。この場合、三次元造形装置１は、焼結層の厚みのばらつきを低減しつつ、第１領域Ｒ１における焼結層の炭素濃度と、第２領域における焼結層の炭素濃度とを変えることができる。そして、三次元造形装置１は、このような炭素濃度の変化を、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２のそれぞれに異なる炭素濃度の造形材料Ｘを吐出することなく、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２のそれぞれに共通の造形材料Ｘを吐出することにより実現することができる。例えば、三次元造形装置１は、第１領域Ｒ１の炭素濃度を、第２領域Ｒ２の炭素濃度よりも高くすることができる。

【0080】

ここで、図７は、第１制御によってレーザー出力Ｗを変化させながら造形材料Ｘにレーザーを照射した場合におけるレーザー出力Ｗと炭素濃度との関係の一例を示す図である。図７に示したグラフの横軸は、レーザー出力Ｗを示す。また、当該グラフの縦軸は、レーザーが照射された後の造形材料Ｘ、すなわち、バルク体の炭素濃度を示す。当該グラフが示すように、レーザーが照射された後の造形材料Ｘの炭素濃度は、レーザー出力Ｗが高いほど低くなり、レーザー出力Ｗが低いほど高くなる。これはすなわち、造形層へ照射するレーザーのレーザー出力Ｗを変えることにより、焼結層の炭素濃度を変えることができることを意味している。そして、三次元造形装置１は、前述した通り、対象領域において、入熱量Ｅｓを変えることなく、レーザー出力Ｗを変えることができる。すなわち、三次元造形装置１は、焼結層の厚みのばらつきを低減しつつ、所望の領域の焼結層の炭素濃度を所望の炭素濃度にすることができる。これは、１個の三次元造形物の中に炭素濃度の濃淡を生じさせることができることを意味する。そして、このように炭素濃度の濃淡を生じさせることは、三次元造形物の強度、靱性等の特性を向上させることに繋がり、有用である。つまり、三次元造形装置１は、三次元造形物の特性を向上させることができる。ここで、レーザーを照射した後の焼結層の炭素濃度は、レーザー出力Ｗと、造形材料Ｘにおけるバインダー濃度とに応じて決まる。これは、バインダーに有機材料、すなわち、炭素が含まれているからである。このため、三次元造形装置１のユーザーは、例えば、焼結層の炭素濃度を所望の炭素濃度にしたい場合、造形材料Ｘのバインダー濃度と、造形材料Ｘのバインダーの炭素の濃度と、レーザー出力Ｗとの関係を示すグラフを生成し、生成したグラフに応じて、造形材料Ｘのバインダー濃度を決定することができる。従って、この一例において、造形材料Ｘにおけるバインダーの濃度は、バインダーに含まれる炭素の濃度に応じて決まる濃度である。なお、事前に行った実験の結果によると、造形材料Ｘのバインダー濃度を４［ｗｔ％］以上とした場合、焼結層の炭素濃度は、制御し易くなることが分かっている。

【0081】

このような焼結層の炭素濃度の変化が起きる理由は、図８～図１０に示したグラフにより理解されると考えられる。

【0082】

図８は、レーザーが照射された造形材料Ｘの温度の時間的な変化の一例を示す図である。より具体的には、図８は、造形材料Ｘ上の位置のうちレーザーが通過した経路上のある位置ＬＰにおける造形材料Ｘの温度の時間的な変化をシミュレーションした結果の一例を示す図である。図８に示したグラフの横軸は、経過時間を示す。当該グラフの縦軸は、レーザーが照射された造形材料Ｘの温度を示す。当該グラフにプロットされた曲線Ｆ６は、レーザー出力Ｗが２５０［Ｗ］、レーザー走査速度Ｖが１００［ｍｍ／ｓ］のレーザーにより造形材料Ｘを照射した場合の造形材料Ｘの温度の時間的な変化を示す曲線である。当該グラフにプロットされた曲線Ｆ７は、レーザー出力Ｗが２００［Ｗ］、レーザー走査速度Ｖが８０［ｍｍ／ｓ］のレーザーにより造形材料Ｘを照射した場合の造形材料Ｘの温度の時間的な変化を示す曲線である。当該グラフにプロットされた曲線Ｆ８は、レーザー出力Ｗが１２５［Ｗ］、レーザー走査速度Ｖが５０［ｍｍ／ｓ］のレーザーにより造形材料Ｘを照射した場合の造形材料Ｘの温度の時間的な変化を示す曲線である。そして、図８に示した例では、これら３つのレーザーのそれぞれから造形材料Ｘに付与される入熱量Ｅｓは、同じである。すなわち、曲線Ｆ６～曲線Ｆ８は、入熱量Ｅｓを一定にしたままレーザー出力Ｗを変えた場合の造形材料Ｘの温度の時間的な変化を比較する曲線である。図８に示したように、入熱量Ｅｓを一定にしたままレーザー出力Ｗを高くすると、レーザーの照射によって上昇する造形材料Ｘの温度のピークは、高くなる。

【0083】

一方、図９は、レーザーが照射された造形材料Ｘの温度の時間的な変化の他の例を示す図である。より具体的には、図９は、造形材料Ｘ上の位置のうちレーザーが通過した経路上のある位置ＬＰにおける造形材料Ｘの温度の時間的な変化の他の例を示す図である。図９に示したグラフの横軸は、経過時間を示す。当該グラフの縦軸は、レーザーが照射された造形材料Ｘの温度を示す。当該グラフにプロットされた曲線Ｆ９は、レーザー出力Ｗが３００［Ｗ］のレーザーにより造形材料Ｘを照射した場合の造形材料Ｘの温度の時間的な変化を示す曲線である。当該グラフにプロットされた曲線Ｆ１０は、レーザー出力Ｗが２００［Ｗ］のレーザーにより造形材料Ｘを照射した場合の造形材料Ｘの温度の時間的な変化を示す曲線である。当該グラフにプロットされた曲線Ｆ１１は、レーザー出力Ｗが１００［Ｗ］のレーザーにより造形材料Ｘを照射した場合の造形材料Ｘの温度の時間的な変化を示す曲線である。そして、図９に示した例では、これら３つのレーザーのレーザー走査速度Ｖは、同じである。このため、当該例では、これら３つのレーザーのそれぞれから造形材料Ｘに付与される入熱量Ｅｓは、同じではない。すなわち、曲線Ｆ９～曲線Ｆ１１は、レーザー走査速度Ｖを一定にしたままレーザー出力Ｗを変えた場合の造形材料Ｘの温度の時間的な変化を比較する曲線である。図９に示したように、レーザー走査速度Ｖを一定にしたままレーザー出力Ｗを高くしても、レーザーの照射によって上昇する造形材料Ｘの温度のピークは、高くなる。

【0084】

これに対し、図１０は、レーザーが照射された造形材料Ｘの温度の時間的な変化の更に他の例を示す図である。より具体的には、図１０は、造形材料Ｘ上の位置のうちレーザーが通過した経路上のある位置ＬＰにおける造形材料Ｘの温度の時間的な変化の更に他の例を示す図である。図１０に示したグラフの横軸は、経過時間を示す。当該グラフの縦軸は、レーザーが照射された造形材料Ｘの温度を示す。当該グラフにプロットされた曲線Ｆ１２は、レーザー走査速度Ｖが４０［ｍｍ／ｓ］のレーザーにより造形材料Ｘを照射した場合の造形材料Ｘの温度の時間的な変化を示す曲線である。当該グラフにプロットされた曲線Ｆ１３は、レーザー走査速度Ｖが８０［ｍｍ／ｓ］のレーザーにより造形材料Ｘを照射した場合の造形材料Ｘの温度の時間的な変化を示す曲線である。当該グラフにプロットされた曲線Ｆ１４は、レーザー走査速度Ｖが１６０［ｍｍ／ｓ］のレーザーにより造形材料Ｘを照射した場合の造形材料Ｘの温度の時間的な変化を示す曲線である。そして、図１０に示した例では、これら３つのレーザーのレーザー出力Ｗは、同じである。このため、当該例では、これら３つのレーザーのそれぞれから造形材料Ｘに付与される入熱量Ｅｓは、同じではない。すなわち、曲線Ｆ１２～曲線Ｆ１４は、レーザー出力Ｗを一定にしたままレーザー走査速度Ｖを変えた場合の造形材料Ｘの温度の時間的な変化を比較する曲線である。図１０に示したように、レーザー出力Ｗを一定にしたままレーザー走査速度Ｖを速くしても、レーザーの照射によって上昇する造形材料Ｘの温度のピークは、変化しない。

【0085】

図８～図１０を比較すると、レーザーの照射による造形材料Ｘの温度のピークは、レーザー出力Ｗによって変化し、レーザー走査速度Ｖによって変化しないことが分かる。このことから、この温度のピークの違いが、焼結層の炭素濃度に違いを生じさせる一因なのではないかと考えられる。

【0086】

焼結層の炭素濃度を変化させる従来の方法としては、複数種類の金属材料の粉末を圧縮されたガスにより噴射することで造形層として供給するダイレクトメタルディポジション法（ＤＭＤ法）を用いた方法が挙げられる（例えば、特開２０２１－０２１１１９号公報等に記載されている方法）。以下では、説明の便宜上、この方法を、第１方法と称して説明する。第１方法では、造形層として複数種類の金属材料の粉末を供給する工程において、これら複数種類の金属材料の組成比を変化させることにより、焼結層の炭素濃度を変化させる。しかしながら、第１方法では、供給された複数種類の金属材料の粉末のうちの少なくとも１つが、所望の位置以外の位置に着弾する場合がある。この場合、造形層として供給された複数種類の金属材料の組成比が、所望の組成比と異なる組成比になってしまう。また、第１方法では、複数種類の金属材料の粉末の供給量、及びその供給流路の流速を制御することで、水平方向に炭素濃度を傾斜させることも理屈上できるかもしれない。しかしながら、この方法により１つの造形層内に異なる組成比の金属材料の粉末を共存させる速度は、金属材料の粉末の供給量の制御及び造形速度に比べて遅い。このため、第１方法によって焼結層の炭素濃度を変化させることは、実際には困難である。なお、第１方法と組み合わせることにより焼結層の炭素濃度を変化させることができる方法として、炭素鋼によって造形層を形成し、形成した造形層をレーザーによって焼結する方法を挙げられることもできる（例えば、特開２０２１－０４２４２０号公報等に記載の方法）。以下では、説明の便宜上、この方法を、第２方法と称して説明する。第１方法と第２方法とを組み合わせた方法では、炭素濃度の異なる複数種類の炭素鋼を用意し、これら複数種類の炭素鋼それぞれによって形成される領域を造形層内に形成させることにより、焼結層内における炭素濃度を変化させる。しかしながら、前述した通り、そもそも第１方法を用いること自体が現実的ではない。これは、複数の材料を異なるノズルから吐出することと、各ノズルからの吐出量を制御することとの組み合わせによって造形層を形成することが、少なくとも現段階において現実的ではないことを意味している。これに対し、実施形態に係る三次元造形装置１は、第１制御によってレーザー出力Ｗを変化させることにより、単一の造形材料Ｘを用いて焼結層内における炭素濃度を容易に変化させることができる。

【0087】

また、焼結層の炭素濃度を変化させる他の従来の方法としては、バインダージェット方式によって造形物を造形する三次元造形装置において、インクジェットヘッドにより炭素粒子を含む結着剤を吐出する方法が挙げられる。以下では、説明の便宜上、この方法を、第３方法と称して説明する。しかしながら、第３方法では、炭素濃度を制御するためにバインダー濃度を高くすると、インクジェットヘッドからの吐出が困難になってしまう。また、第３方法では、炭素濃度を制御するために炭素濃度を高くしても、同様に、インクジェットからの吐出が困難になってしまう。そして、第３方法では、炭素濃度を高くしたい領域へ当該結着剤を多く吐出しようとすると、その領域だけ結着剤の液量が多くなってしまう。結着剤の液量が多くなることは、結着剤の液が広がってしまうことに繋がるため、三次元造形物の造形精度が低下してしまう虞があり、望ましくない。すなわち、第３方法では、三次元造形物の造形精度を低下させずに、焼結層の炭素濃度を変化させることは、困難である。これに対し、三次元造形装置１は、第１制御によって入熱量Ｅｓを変化させずにレーザー出力Ｗを変化させることができるため、三次元造形物の造形精度を低下させることなく、焼結層の炭素濃度を変化させることができる。

【0088】

以上のように、三次元造形装置１は、Ｎ個の焼結層のうちの所望の焼結層の厚みを均一にしたまま、当該焼結層内における所望の領域の炭素濃度を所望の炭素濃度にすることができる。その結果、三次元造形装置１は、造形材料にバインダーが含まれている場合において、利便性を低下させることなく、三次元造形物の造形精度を向上させることができることに加えて、三次元造形物の特性を所望の特性にすることができる。

【0089】

＜実施形態の応用例２＞
上記において説明した三次元造形装置１は、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２において、焼結層の厚みのばらつきを低減しつつ、レーザー出力Ｗを変えることができた。この場合、三次元造形装置１は、焼結層の厚みのばらつきを低減しつつ、第１領域Ｒ１における溶融深さと、第２領域Ｒ２における溶融深さとを変えることができる。ここで、溶融深さは、ｎ番目の造形層へのレーザーの照射によって、ｎ－１番目の焼結層が溶ける度合いを示す量である。前述した通り、ｎ番目の造形層にレーザーを照射すると、溶けてｎ－１番目の焼結層と接合される。この接合の際、ｎ番目の造形層とともにｎ－１番目の焼結層の一部も溶ける。このｎ－１番目の焼結層の溶け方の度合いを示す量が、溶融深さである。この溶融深さが深くなるほど、ｎ－１番目の焼結層は、変形してしまう可能性が高くなる。これは、最終的な完成品としての三次元造形物の造形精度を低下させてしまうことに繋がるため、望ましくない。三次元造形装置１は、第１制御によって、第１領域Ｒ１における溶融深さと、第２領域Ｒ２における溶融深さとを変えることができるため、このような問題も解決することができる。

【0090】

ここで、図１１を参照し、より具体的に溶融深さについて説明する。図１１は、溶融深さを説明するための図である。図１１に示した断面図ＳＦは、Ｘ軸の負方向に向かってｎ番目の造形層Ｌ１へ直線状にレーザーを照射した場合においてレーザーが照射された部位の断面図である。また、断面図ＳＦは、ＹＺ平面と平行な面に沿って当該部位を切断した場合の断面図である。図１１に示したように、ｎ番目の造形層Ｌ１は、ｎ－１番目の焼結層Ｌ２の上に積層されている。図１１に示した部位Ｌ３は、ｎ番目の造形層Ｌ１が有する部位のうちレーザーによって焼結された部位、すなわち、ｎ番目の造形層Ｌ１が有する部位のうちレーザーによってバルク体に変化した部位を示す。

【0091】

以下では、説明の便宜上、レーザーが照射される前の造形層Ｌ１と焼結層Ｌ２との境界面のＺ軸方向における位置を基準の高さと称して説明する。また、以下では、説明の便宜上、基準の高さから、レーザーが照射される前の造形層Ｌ１の上面までのＺ軸方向における距離を、層厚と称して説明する。また、以下では、説明の便宜上、基準の高さから、造形層Ｌ１にレーザーが照射されることによって形成された部位Ｌ３の最上面、すなわち、造形層Ｌ１にレーザーが照射された後のバルク体の最上面までの高さを、溶融高さと称して説明する。また、以下では、説明の便宜上、基準となる高さから、焼結層Ｌ２が有する部位のうち造形層Ｌ１へのレーザーの照射によって熔解された部位の最下面までの距離を、溶融深さと称して説明する。また、以下では、説明の便宜上、溶融高さと溶融深さとの総和を、溶融層厚と称して説明する。

【0092】

図１２は、造形層Ｌ１へ照射するレーザーのレーザー出力Ｗを第１制御によって変化させた場合における溶融層厚の変化の一例を示す図である。すなわち、図１２に示した例でも、レーザーの照射による造形層Ｌ１への入熱量Ｅｓは、一定であり、１２．５［Ｊ／ｍｍ^２］である。図１２に示したグラフの横軸は、レーザー出力Ｗを示す。当該グラフの縦軸は、溶融層厚を示す。当該グラフにプロットされた曲線Ｆ１５は、バインダー濃度が０［ｗｔ％］の造形層Ｌ１に対してレーザーを照射した場合におけるレーザー出力Ｗと溶融層厚との関係を示す。また、当該グラフにプロットされた曲線Ｆ１６は、バインダー濃度が４．９［ｗｔ％］の造形層Ｌ１に対してレーザーを照射した場合におけるレーザー出力Ｗと溶融層厚との関係を示す。当該グラフは、レーザー出力Ｗを高くするほど、溶融層厚が厚くなることを示している。図５および図１２の結果から、第１制御によってレーザー出力Ｗを高くすると、膜残存率のばらつきを低減しつつ、溶融深さが深くすることができることが分かる。換言すると、これは、入熱量Ｅｓを一定にしたままレーザー出力Ｗを制御することで、焼結層の厚みを一定に保ちつつ溶融深さを制御することができることを示している。

【0093】

そして、三次元造形装置１は、前述した通り、対象領域において、入熱量Ｅｓを変えることなく、レーザー出力Ｗを変えることができる。すなわち、三次元造形装置１は、焼結層の厚みのばらつきを低減しつつ、所望の領域における溶融深さを所望の深さにすることができる。これは、１個の三次元造形物の中において、焼結層同士の結合の強さを変化させることができることを意味する。そして、このように溶融深さを変化させることは、三次元造形物の強度、靱性等の特性を向上させることに繋がり、有用である。つまり、三次元造形装置１は、三次元造形物の特性を向上させることができる。

【0094】

ここで、溶融深さは、図１２に示したように、造形材料Ｘのバインダー濃度に応じて変化する。これの一因は、造形材料Ｘのバインダーへ熱が拡散されてしまうことである。このため、溶融深さは、造形材料Ｘに含めるバインダーの熱伝導率に応じて変わる。

【0095】

以上のようにして、三次元造形装置１は、焼結層の厚みのばらつきを低減しつつ、第１領域Ｒ１における溶融深さと、第２領域Ｒ２における溶融深さとを変えることができる。すなわち、三次元造形装置１は、例えば、第２領域Ｒ２における溶融深さを、第１領域Ｒ１における溶融深さよりも深くすることができる。この場合、三次元造形装置１は、造形材料Ｘに含まれる無機材料の融点未満の融点を有する材料の直上に位置する領域を、第１領域Ｒ１としてレーザーを照射することができる。この場合、第１領域Ｒ１においてレーザーが照射される対象となる造形材料Ｘの直下に位置する材料の融点は、当該無機材料の融点未満である。これにより、三次元造形装置１は、第１領域Ｒ１の直下に位置する材料が溶け過ぎて変形してしまうことを抑制することができる。これは、例えば、樹脂等の上に位置する造形層を焼結させる場合等に有用である。一方、この場合、三次元造形装置１は、造形材料Ｘに含まれる無機材料の融点以上の融点を有する材料の直上に位置する領域を、第２領域Ｒ２としてレーザーを照射することができる。この場合、第２領域Ｒ２においてレーザーが照射される対象となる造形材料Ｘの直下に位置する材料の融点は、当該無機材料の融点以上である。これにより、三次元造形装置１は、第２領域Ｒ２に含まれる造形材料Ｘと、第２領域Ｒ２の直下に位置する材料との積層界面での接合強度を強くし、層間剥離を抑制することができる。これは、例えば、同種金属の焼結層同士を接合させる場合等に有用である。

【0096】

なお、三次元造形装置１は、このような第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２が隣り合っている場合、例えば、第２領域Ｒ２の造形材料Ｘにレーザーを照射させた後、第１領域Ｒ１への造形材料Ｘへレーザーを照射させる。これにより、三次元造形装置１は、第１出力よりも高い第２出力のレーザーによって第２領域Ｒ２内に含まれる造形材料Ｘを焼結させた後、第１出力のレーザーによって第１領域Ｒ１を焼結させることになるため、第２領域Ｒ２の熱収縮に伴う焼結層のクラックの発生を抑制することができる。

【0097】

以上説明したように、実施形態に係る三次元造形装置は、ステージと、無機材料の粒子とバインダーとを含む造形材料をステージ上に吐出する吐出部と、吐出部によりステージ上に吐出された造形材料にレーザーを照射し、造形材料を加熱するレーザー照射部と、ステージと吐出部とを相対的に移動させる移動部と、吐出部とレーザー照射部と移動部とを制御する制御部と、を備え、制御部は、吐出部によってステージ上に吐出された造形材料を加熱することによって予め決められた形状の三次元造形物を造形する造形制御を行い、造形制御は、吐出部によってステージ上に吐出された造形材料のうち予め決められた対象領域に含まれる造形材料へレーザーを照射させる場合におけるレーザー照射部についての第１制御を含み、第１制御は、レーザーの出力、レーザーを移動させる速度、レーザーの幅の３つのパラメーターのうちの第１パラメーターを変化させる場合、当該速度と当該幅との積で当該出力を除した値が、所定値を基準として８０％以上１２０％以下の範囲内の値となるように、３つのパラメーターのうち第１パラメーター以外の２つのパラメーターのいずれか一方又は両方を第１パラメーターとともに変化させる制御である。これにより、三次元造形装置は、造形材料にバインダーが含まれている場合において、利便性を低下させることなく、三次元造形物の造形精度を向上させることができる。ここで、上記において説明した例では、三次元造形装置１は、当該三次元造形装置の一例である。また、上記において説明した例では、ステージ３０は、当該ステージの一例である。また、上記において説明した例では、造形材料Ｘは、当該造形材料の一例である。また、上記において説明した例では、吐出部１１は、当該吐出部の一例である。また、上記において説明した例では、レーザー照射部１２１は、当該レーザー照射部の一例である。また、上記において説明した例では、移動部４０は、当該移動部の一例である。また、上記において説明した例では、制御部５０は、当該制御部の一例である。

【0098】

また、三次元造形装置では、レーザー照射部は、レーザー照射部に対して動かないように予め決められた照射領域へレーザーを照射し、制御部は、造形制御において造形材料に対するレーザーの照射位置を変える場合、ステージに対して照射領域を相対的に移動させる、構成が用いられてもよい。

【0099】

また、三次元造形装置では、造形材料におけるバインダーの濃度は、吐出ユニットの吐出特性に依存して決定される濃度であり、バインダーに含まれる炭素の濃度に応じて決まる濃度、又は、バインダーの熱伝導率に応じて決まる濃度である、構成が用いられてもよい。

【0100】

また、三次元造形装置では、対象領域には、第１領域と第２領域とが含まれており、第１パラメーターは、レーザーの出力又はレーザーの速度であり、第１制御は、第１パラメーターを変化させる場合、レーザーの幅を変化させず、当該出力と当該速度とのうち第１パラメーター以外のパラメーターを第１パラメーターとともに変化させる制御であり、且つ、第１領域において、当該出力として予め決められた第１出力をレーザー照射部に設定し、第２領域において、当該出力として第１出力よりも高い第２出力をレーザー照射部に設定する制御である、構成が用いられてもよい。

【0101】

また、三次元造形装置では、第１領域においてレーザー照射部から造形材料に照射されたレーザーが造形材料に単位時間あたりに与えるエネルギーは、第２領域においてレーザー照射部から造形材料に照射されたレーザーが造形材料に単位時間あたりに与えるエネルギーより大きい、構成が用いられてもよい。

【0102】

また、三次元造形装置では、第１領域においてレーザー照射部から造形材料に照射されたレーザーが造形材料に単位面積あたりに与えるエネルギーは、第２領域においてレーザー照射部から造形材料に照射されたレーザーが造形材料に単位面積あたりに与えるエネルギーに対して８０％以上１２０％以下の範囲に含まれる、構成が用いられてもよい。換言すると、三次元造形装置では、第１領域においてレーザー照射部から造形材料に照射されたレーザーが造形材料に単位面積あたりに与えるエネルギーは、第２領域においてレーザー照射部から造形材料に照射されたレーザーが造形材料に単位面積あたりに与えるエネルギーを基準として８０％以上１２０％以下の範囲内の値である、構成が用いられてもよい。

【0103】

また、三次元造形装置では、造形制御は、対象領域に含まれる造形材料へレーザーを照射させる場合、第１領域の造形材料にレーザーを照射させた後、第２領域への造形材料へレーザーを照射させる第２制御を含む、構成が用いられてもよい。

【0104】

また、三次元造形装置では、第２領域においてレーザーが照射される対象となる造形材料の直下に位置する材料の融点は、無機材料の融点以上である、構成が用いられてもよい。

【0105】

また、三次元造形装置では、第１領域においてレーザーが照射される対象となる造形材料の直下に位置する材料の融点は、無機材料の融点未満である、構成が用いられてもよい。

【0106】

以上、この発明の実施形態を、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない限り、変更、置換、削除等されてもよい。

【0107】

また、以上に説明した装置における任意の構成部の機能を実現するためのプログラムを、コンピューター読み取り可能な記録媒体に記録し、そのプログラムをコンピューターシステムに読み込ませて実行するようにしてもよい。ここで、当該装置は、例えば、三次元造形装置１等である。なお、ここでいう「コンピューターシステム」とは、ＯＳ（Operating System）や周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ（Compact Disk）－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピューターシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピューター読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバーやクライアントとなるコンピューターシステム内部の揮発性メモリーのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

【0108】

また、上記のプログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピューターシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピューターシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記のプログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、上記のプログラムは、前述した機能をコンピューターシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル又は差分プログラムであってもよい。

【符号の説明】

【0109】

１…三次元造形装置、１０…吐出ユニット、１１…吐出部、１２…加熱部、２０…切削ユニット、２１…切削工具、３０…ステージ、３１…造形面、４０…移動部、５０…制御部、５１…プロセッサー、５２…記憶部、５３…入力受付部、５４…通信部、５５…表示部、１２１…レーザー照射部、Ｅｓ…入熱量、Ｎｚ…ノズル、ＯＢ…三次元造形物、Ｒ１…第１領域、Ｒ２…第２領域、ＴＣ…三次元座標系、Ｖ…レーザー走査速度、Ｗ…レーザー出力、Ｗｄ…レーザー幅、Ｘ…造形材料

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】