特許 7424093 立体造形物を造形する装置、立体造形物を造形する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-22

(45)【発行日】2024-01-30

(54)【発明の名称】立体造形物を造形する装置、立体造形物を造形する方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/141 20170101AFI20240123BHJP

   B29C 64/106 20170101ALI20240123BHJP

   B29C 64/223 20170101ALI20240123BHJP

   B29C 64/241 20170101ALI20240123BHJP

   B29C 64/273 20170101ALI20240123BHJP

   B29C 64/295 20170101ALI20240123BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240123BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240123BHJP

【ＦＩ】

B29C64/141

B29C64/106

B29C64/223

B29C64/241

B29C64/273

B29C64/295

B33Y10/00

B33Y30/00

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2020024417

(22)【出願日】2020-02-17

(65)【公開番号】P2021054042

(43)【公開日】2021-04-08

【審査請求日】2022-12-13

(31)【優先権主張番号】P 2019042166

(32)【優先日】2019-03-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2019089260

(32)【優先日】2019-05-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2019139461

(32)【優先日】2019-07-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2019175820

(32)【優先日】2019-09-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】230100631

【弁護士】

【氏名又は名称】稲元 富保

(72)【発明者】

【氏名】藤田 貴史

(72)【発明者】

【氏名】須原 浩之

(72)【発明者】

【氏名】酒井 浩司

(72)【発明者】

【氏名】小橋川 翔太

(72)【発明者】

【氏名】竹内 惇

(72)【発明者】

【氏名】田村 麻人

(72)【発明者】

【氏名】前田 一郎

(72)【発明者】

【氏名】西尾 卓衛

【審査官】関口 貴夫

(56)【参考文献】

【文献】特開平０８－２６７７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１３８７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５３４９０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１３６７２２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／０６１４９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１７３０９６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国実用新案第２０８３５９４８５（ＣＮ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ６４／００ － ６４／４０

Ｂ３３Ｙ ３０／００

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｂ４１Ｊ ２／００ － ２／５２５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

造形材料を担持する担持体と、
造形物の表面にエネルギーを付与する手段と、
前記エネルギーを付与された前記造形物の表面に向けて、前記担持体に担持されている造形材料を飛翔させる手段と、を備え、
前記造形物の表面の温度は、前記造形材料が到達するときにガラス転移温度以上である
ことを特徴とする立体造形物を造形する装置。

【請求項2】

造形材料を担持する担持体と、
造形物の表面にエネルギーを付与する手段と、
前記エネルギーを付与された前記造形物の表面に向けて、前記担持体に担持されている造形材料を飛翔させる手段と、を備え、
前記エネルギーを付与する手段は、前記造形物の表面に前記造形材料が到達するときに前記造形物の表面の温度がガラス転移温度以上になるように加熱するとともに、前記造形物の表面に対して飛翔する前記造形材料が前記造形物の表面に到達するまでの間に、前記造形材料も加熱する
ことを特徴とする立体造形物を造形する装置。

【請求項3】

造形材料を担持する担持体と、
造形物の表面にエネルギーを付与する手段と、
前記エネルギーを付与された前記造形物の表面に向けて、前記担持体に担持されている造形材料を飛翔させる手段と、を備え、
前記エネルギーを付与する手段は、前記造形物の周囲の雰囲気温度を、前記造形物の表面がガラス転移温度以上になるまで加熱する
ことを特徴とする立体造形物を造形する装置。

【請求項4】

前記担持体は、回転部材である
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。

【請求項5】

前記飛翔させる手段は、パルスレーザを照射する手段である
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。

【請求項6】

前記飛翔させる手段は、周回移動する前記担持体と前記担持体に担持されている前記造形材料とを加熱する加熱手段を含む
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。

【請求項7】

前記飛翔させる手段は、前記担持体に担持されている前記造形材料に対して空気を吹き付ける手段である
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。

【請求項8】

前記担持体に担持される前記造形材料に対して液体を付与する手段を備えている
ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。

【請求項9】

前記液体が付与されていない前記造形材料を前記担持体から除去する手段を備えている
ことを特徴とする請求項８に記載の立体造形物を造形する装置。

【請求項10】

前記造形材料の平均粒径をＬ［μｍ］とするとき、前記造形材料が前記造形物の表面に到達する時間間隔がＬ×Ｌ／２００［ｍｓ］以上である
ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。

【請求項11】

前記造形材料は、結晶性樹脂であり、
前記造形物の表面の温度は、前記エネルギーを付与する手段によって加熱された後に前記造形材料の融点以上になる
ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。

【請求項12】

前記造形物の表面の温度は、前記エネルギーを付与する手段によって加熱される前には前記造形材料の融点未満である
ことを特徴とする請求項１１に記載の立体造形物を造形する装置。

【請求項13】

前記造形材料は、非晶性樹脂であり、
前記造形物の表面は、前記エネルギーを付与する手段によって加熱された後に粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓ未満になる
ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の立体造形物を造形する装置。

【請求項14】

前記造形物の表面は、前記エネルギーを付与する手段によって加熱される前の粘度が１．０×１０３Ｐａ・ｓ以上である
ことを特徴とする請求項１３に記載の立体造形物を造形する装置。

【請求項15】

担持体の表面に造形材料を担持する工程と、
造形物の表面にエネルギーを付与する工程と、
前記エネルギーを付与された前記造形物の表面に対し、前記担持体に担持されている造形材料を飛翔させる工程と、を行い、
前記造形物の表面の温度を、前記造形材料が到達するときにガラス転移温度以上にする
ことを特徴とする立体造形物を造形する方法。

【請求項16】

担持体の表面に造形材料を担持する工程と、
造形物の表面にエネルギーを付与する工程と、
前記エネルギーを付与された前記造形物の表面に対し、前記担持体に担持されている造形材料を飛翔させる工程と、を行い、
前記造形物の表面に前記造形材料が到達するときに前記造形物の表面の温度がガラス転移温度以上になるように加熱するとともに、前記造形物の表面に対して飛翔する前記造形材料が前記造形物の表面に到達するまでの間に、前記造形材料も加熱する
ことを特徴とする立体造形物を造形する方法。

【請求項17】

担持体の表面に造形材料を担持する工程と、
造形物の表面にエネルギーを付与する工程と、
前記エネルギーを付与された前記造形物の表面に対し、前記担持体に担持されている造形材料を飛翔させる工程と、を行い、
前記造形物の周囲の雰囲気温度を、前記造形物の表面がガラス転移温度以上になるまで加熱する
ことを特徴とする立体造形物を造形する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、立体造形物を造形する装置、立体造形物を造形する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

立体造形物（三次元造形物）を造形する装置としては、一般的に、溶融堆積(ＦＤＭ)、光造形、粉体焼結、材料積層、粉末固着、シート積層、指向性エネルギー堆積等の技術を利用した積層造形法が知られている。

【0003】

また、光を吸収する立体造形剤に対して光渦レーザービームを照射して、立体造形剤を飛翔させて被付着物に立体的に付着させるものも知られている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】再表２０１６－１３６７２２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に開示の構成にあっては、飛翔させた立体造形剤が付着した後に紫外線などで硬化させるため、立体造形剤が造形物に衝突したとき、特に造形物の端部などに衝突した立体造形剤が飛散し、造形品質が得られにくいという課題がある。

【0006】

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、造形品質の向上を図ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するため、本発明の請求項１に係る立体造形物を造形する装置は、
造形材料を担持する担持体と、
造形物の表面にエネルギーを付与する手段と、
前記エネルギーを付与された前記造形物の表面に向けて、前記担持体に担持されている造形材料を飛翔させる手段と、を備え、
前記造形物の表面の温度は、前記造形材料が到達するときにガラス転移温度以上である
構成とした。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、造形品質を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の第１実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図である。

【図2】担持体上での造形材料の様子の一例の顕微鏡写真である。

【図3】同じく他の例の顕微鏡写真である。

【図4】造形材料の飛翔状態の説明に供する高速カメラによる断面観察の状態を示す説明図である。

【図5】造形材料の落下軌跡の説明に供する説明図である。

【図6】造形材料の着弾ばらつきの説明に供する説明図である。

【図7】同実施形態の作用説明に供するフロー図である。

【図8】本発明の第２実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図である。

【図9】本発明の第３実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図である。

【図10】本発明の第４実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図である。

【図11】同装置のマルチエアーノズルの説明図である。

【図12】本発明の第５実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図である。

【図13】複雑形状を造形する場合のサポート方法の説明に供する説明図である。

【図14】本発明の第６実施形態に係る立体造形物を造形する装置における造形中の造形物の表面温度の説明に供する説明図である。

【図15】飛翔する造形材料と溶融用レーザの照射領域（レーザ光の領域）との関係を示す説明図である。

【図16】本発明の第７実施形態に係る立体造形物を造形する装置における造形中の造形物の表面温度の説明に供する説明図である。

【図17】本発明の第８実施形態に係る粒子を飛翔させる装置の説明に供する説明図である。

【図18】同じくフルエンス閾値の説明に供する説明図である。

【図19】本発明の第９実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。本発明の第１実施形態について図１を参照して説明する。図１は同実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図である。

【0011】

この立体造形物を造形する装置（立体造形装置という。）１００は、造形する造形物（造形過程にある造形物）２００を支持する支持部材であるステージ１０１を備えている。ステージ１０１は、矢印Ｙ方向に往復移動可能であり、矢印Ｚ方向に例えば造形厚み０．０５ｍｍピッチで上下動可能である。

【0012】

ステージ１０１の下側にはステージ加熱ヒータ１０２が配置され、ステージ１０１は造形材料２０１に合わせた温度に制御される。また、ステージ１０１の上側には、断熱板３０１が配置され、その下面に造形物加熱ヒータ３０２が配置され、造形物加熱ヒータ３０２からエネルギーを付与され、造形物２００は造形材料２０１に合わせた温度に制御される。なお、造形物加熱ヒータ３０２は断熱板３０１に一体化されても良い。

【0013】

ステージ１０１の上方には、粒子状の造形材料２０１を担持する回転部材からなる担持体１１１が配置されている。担持体１１１は、造形材料２０１を担持して矢印方向（移送方向）に回転する回転ドラムで構成され、ステージ１０１上の造形物２００の上方まで造形材料２０１を移送する。担持体１１１は、透明な部材であり、円筒形のガラス部材で構成しているが、これに限るものではない。

【0014】

造形材料２０１は、目的とする造形物２００に応じて適宜選択されるべきものであるが、樹脂の場合、例えば、ＰＡ１２（ポリアミド１２）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＳＵ（ポリスルホン）、ＰＡ６６（ポリアミド６６）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＯＭ（ポリアセタール）、ＰＳＦ（ポリサルホン）、ＰＡ６（ポリアミド６）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等である。また、造形材料２０１は、結晶性樹脂のみに限らず、非晶性樹脂であるＰＣ（ポリカーボネート）やＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、あるいは結晶性と非晶性の混合樹脂であってもよい。

【0015】

また、造形材料２０１は、樹脂の他、金属、セラミック、液体などの種々の材料を用いることができる。また、造形材料２０１は、１ｐａ・ｓ以上の粘度を有する材料であってもよい。

【0016】

担持体１１１の周面による造形材料２０１の担持は、本実施形態では、主にファンデルワールス力によって行っている。また、造形材料２０１の抵抗値が高い場合、静電的な付着力だけでも担持できる。

【0017】

担持体１１１の周囲には、担持体１１１の周面（表面）に造形材料２０１を供給する供給手段１１２が配置されている。

【0018】

供給手段１１２は、内部に造形材料２０１が供給されて矢印方向に回転するメッシュローラ１２１と、メッシュローラ１２１内で造形材料２０１を摺って擦るブレード１２２とを備えている。この供給手段１１２は、ブレード１２２で造形材料２０１を摺って擦りながら凝集を解くことで、メッシュローラ１２１を通過させ、担持体１１１の周面に造形材料２０１の薄層を形成する。

【0019】

メッシュローラ１２１のメッシュの開目は造形材料２０１の平均粒径より２０～３０％大きいものが好ましい。金属線を編んだものを使用できるが、電鋳などで作製されるフラットなメッシュがより好ましい。また、ブレード１２２の当接方法は、図１に示すようにトレーリングでも良いし、カウンタなど適宜選択される。メッシュの開目には、造形材料２０１が詰まることがあるが、開目より細い繊維からなるブラシをメッシュローラ外周から接触させることで、詰まりを解消できる。

【0020】

ここで、担持体１１１上での造形材料２０１の様子について図２及び図３を参照して説明する。図２及び図３は同説明に供する異なる造形材料の例の光学顕微鏡写真である。

【0021】

図２は、造形材料２０１として体積平均粒径は４８μｍの柱状造形材料２０１を使用し、開目７０μｍ、線径５０μｍのステンレス製メッシュを用いて、造形材料２０１を担持体１１１の周面に供給したときの光学顕微鏡写真である。この例では、造形材料２０１は重なりがほぼなく全体として均一に配置されていることが確認された。

【0022】

図３（ａ）は、造形材料２０１としてＳｉｔｅｒｉｔ社製ＰＡ１２ｓｍｏｏｔｈ（体積平均粒径は３８μｍ）を使用し、開目６０μｍ、線径５０μｍのステンレス製メッシュを用いて、造形材料２０１を担持体１１１の周面に供給したときの光学顕微鏡写真である。なお、図３（ｂ）は図３（ａ）の拡大写真である。この例でも、造形材料２０１の重なりがほぼなく、全体として均一に配置されている。なお、この造形材料２０１は、３ないし４つの球形粒子が合体したような特異な形状をしているが、凝集したり、重なったりしているわけではない。

【0023】

供給手段１１２による供給は、メッシュローラに限定されるものではない。例えば、回転体による接触供給、非接触供給、非接触のメッシュ上からの散布、粉体気流撹拌による流動浸漬なども可能である。

【0024】

図１に戻って、担持体１１１の内側には、担持体１１１の周面から造形材料２０１を飛翔させる手段としての飛翔用レーザ１１５が配置されている。

【0025】

ここで、「飛翔」とは、造形材料２０１が非接触で担持体１１１からステージ１０１側に移動することを意味し、転写と異なり、非接触で移動できるので、造形材料２０１のロスを少なくしたり、造形精度を向上することができる。

【0026】

飛翔用レーザ１１５はパルスレーザを備え、担持体１１１の内側から造形材料２０１に対してパルスレーザ光１１５ａを照射する。

【0027】

また、飛翔用レーザ１１５は、ガルバノミラー等の光走査部を備えている。光走査部は、パルスレーザ光１１５ａを反射するミラーの角度を変化させることで、矢印Ｙ方向及び矢印Ｚ方向の両者に直交するＸ方向に、パルスレーザ光１１５ａの照射位置を変化させる。飛翔用レーザ１１５は、光走査部を用いて、Ｘ方向における所定の位置に選択的にパルスレーザ光１１５ａを照射できる。

【0028】

造形材料２０１は、パルスレーザ光１１５ａを受けることで、放射圧と呼ばれる力などにより粉の付着力が開放され、重力等により下向きに落下する。従来知られているＵＳ００６０２５１１０Ａなどに記載されているレーザ転写ＬＩＦＴ（Laser Induced Forward Transfer）は、担持体に密着した箔状、液状の材料をレーザ照射により非接触転写するものであり、局部的に加熱されて材料が気化することにより、担持体１１１の周面からパルスレーザ光１１５ａの方向に飛翔する。

【0029】

なお、図１などでは、造形材料２０１が、ステージ１０１に対して重力方向に飛翔する例で示しているが、必ずしもステージ１０１に対して垂直（９０°）を維持する必要はなく、必要に応じてステージ１０１に対して所要の角度で傾斜させてもよい。

【0030】

本実施形態では、後者のメカニズムの寄与を皆無とまで言うことはできないが、前者が中心と考える理由に以下のものがある。
１．レーザ光の吸収率が高い黒色粉と透明粉で飛翔開始エネルギーが同等である。
２．担持体が透明樹脂フィルムであっても透明粉は飛翔する。
３．担持体の透明樹脂フィルムは１０００回までの多数回パルスレーザ照射でも劣化しない。

【0031】

担持体１１１と造形物２００との空隙距離は、造形材料２０１の平均粒径の３～１０倍を目安に維持することが好ましい。これにより、飛翔前後の上下の造形材料同士の接触を避け、飛翔による散逸を避けることができる。

【0032】

ここで、造形材料２０１の飛翔状態について図４を参照して説明する。図４は同説明に供する説明図である。図４（ｂ）、（ｃ）は高速カメラによる断面観察の状態を示している。

【0033】

図４（ａ１）に示すように、担持体１１１の周面に造形材料２０１が多層に重なっているときには、パルスレーザ光１１５ａを照射することによって、図４（ｂ）に示すように、造形材料２０１が飛翔によって散逸する。

【0034】

これに対し、図４（ａ２）に示すように、担持体１１１の周面に造形材料２０１が重ならないで担持されているときには、パルスレーザ光１１５ａを照射することによって、図４（ｃ）に示すように、造形材料２０１が鉛直方向に飛翔する。

【0035】

次に、造形材料の落下軌跡及び着弾ばらつきについて図５及び図６を参照して説明する。

【0036】

図５は、以下の条件で複数の粉末（造形材料）の落下軌跡をインターバル連続撮影でとらえた結果を示している。

【0037】

ＰＡ１２粉体：平均粒径３８μｍ
レーザ波長：５３２ｎｍ
パルス幅：１５ｐｓ
ピークパワー：０．７４ＭＷ
ビーム重ね回数：１．３
ビーム径：４０μｍ
周波数：６．６ｋＨｚ
走査速度：２００ｍｍ／ｓ
撮影：２０ｋｆｐｓ

【0038】

粉体は透明ＰＣ、黒色ＰＣ、ＰＥ、ＰＢＴで、レーザ波長：１０６４ｎｍ、パルス幅：２ｎｓ、２０ｎｓなどの組み合わせで同様な飛翔を確認した。特に、透明ＰＣは５３２ｎｍでも１０６４ｎｍでも透過率が高く、熱として吸収されることが少ないため、従来のＬＩＦＴとは異なる機構であることが推察される。

【0039】

その際の造形予定位置の０．５ｍｍギャップ位置の着弾ばらつきを図６にヒストグラムで示している。

【0040】

この結果から分かるように、７６％の粒子が±５０μｍの範囲に着弾しており、±１００μｍなどの精度の造形を行うには十分である。最終形状は、溶融用レーザの位置精度で決まるため、溶融部から外れた僅かな粉は造形後に除去される。

【0041】

飛翔用レーザ１１５のレーザ光源としては、特に制限はなく、ピコ秒からナノ秒などのパルス発振可能なものが好ましい。固体レーザとしては、ＹＡＧレーザ、チタンサファイアレーザなどがある。気体レーザとしては、アルゴンレーザ、ヘリウムネオンレーザ、炭酸ガスレーザなどがある。半導体レーザも小型で好ましい。ファイバーレーザはそのピークエネルギーの高さと小型化可能な面で本発明を製品化するに当たり最も適した光源である。

【0042】

溶融用レーザの波長としては、適宜選択することができるが、３００ｎｍ以上１１μｍ以下が光源の選択肢が多く好ましい。特に、造形材料２０１が樹脂であるとき、２４６０ｎｍ付近は、ほぼ全ての樹脂が持つＣＨとＣＣ結合の複合吸収帯で、カーボン入りのものも含む多様な樹脂で吸収率が８０％以上であった。また、波長が２３００ｎｍ～２５００ｎｍは吸収率が６５％以上であり、この範囲でも安定的な飛翔及び溶融のエネルギーを付与できる。同様にＣＣ結合の吸収帯である３４００ｎｍ付近とその倍音である１７００ｎｍ付近も好適である。

【0043】

この波長域は通常のガラスの透過率も高いため、基材との組み合わせも容易である。
レーザのパルス周波数としては、レーザの走査速度との組み合わせで適宜選択することができる。両者の組み合わせで決まるビーム径の重なりが多いと飛翔後の粉体（造形材料）にもレーザが当たり、粉が散逸しやすい。ビーム径の重なりが２回以上となるとその傾向が顕著であり、１．２～１．７回は粉の散逸が小さい。

【0044】

また、担持体１１１の内側には、造形物２００の表面にエネルギーを付与する手段としての溶融用レーザ１１６が配置されている。溶融用レーザ１１６は、パルスを積極的に用いる必要はなく、連続波のレーザが適している。

【0045】

溶融用レーザ１１６は、ステージ１０１上で造形される造形物２００の表面を加熱して溶融状態にする。１つ又は複数のエネルギーを付与する手段のエネルギーによって溶融状態になればよく、レーザによる加熱以外にも対流、ランプ、誘導加熱、誘電加熱など適用可能である。また、このときの「表面」とは、造形１回の１層でも良いし、２、３層などの複数層にわたっても良い。また、各層の一部でも良いし、全体でもよい。つまり、最表層の一部が含まれていることが重要である

【0046】

溶融用のレーザ１１６のレーザ光１１６ａは、図１において、飛翔用レーザ１１５のパルスレーザ光１１５ａの照射位置（造形材料２０１の着弾位置）を狙って照射されている。両者の位置は調整可能で、材料種や造形速度などで調整位置を切り替えることも考慮される。

【0047】

これにより、溶融用レーザ１１６のレーザ光１１６ａで溶融状態になった造形物２００の表面に、飛翔用レーザ１１５で飛翔される造形材料２０１が着弾することで造形物２００に付着される。

【0048】

なお、造形材料２０１の飛翔と造形物２００の溶融の開始タイミングの前後関係は特に限定されるものではない。つまり、造形材料２０１が飛翔する前に、造形物２００の表面を溶融させても良い。または、造形材料２０１が飛翔した後、造形物２００の表面を溶融させ、この溶融させた表面に飛翔した造形材料２０１が着弾しても良い。

【0049】

着弾位置のばらつきや過不足は積層間で調整可能で、飛翔用レーザ１１５は造形の形状と異なることがあり得る、造形の形状決定するのは溶融用レーザ１１６である。

【0050】

また、担持体１１１の周囲には、造形物２００を造形する領域よりも担持体１１１の回転方向下流側に、担持体１１１上に残存する造形材料２０１を除去するクリーニングブレード１１７を備えている。クリーニングブレード１１７で掻き落とされた造形材料２０１は回収ケース１１８に回収する。

【0051】

次に、この立体造形装置１００の作用について図７のフロー図を参照して説明する。

【0052】

造形動作を開始すると、供給手段１１２は、メッシュローラ１２１内の造形材料２０１をブレード１２２で摺って擦り（ステップＳ１、以下、単に「Ｓ１」というように表記する。）、造形材料２０１をメッシュに通し（Ｓ２）、担持体１１１の周面に造形材料２０１を重ならない状態で配置する（Ｓ３）。供給手段１１２は、造形が完了するまで（Ｓ４）、担持体１１１に対する供給を継続する。

【0053】

このようにして、供給手段１１２によって担持体１１１の周面に造形材料２０１が供給され、造形物２００を支持するステージ１０１の上方に配置された担持体１１１の表面に造形材料２０１が担持される。

【0054】

そして、担持体１１１の回転によってステージ１０１の上方に移送され、ステージ１０１の上方に造形材料２０１の天井が形成される。

【0055】

一方、造形開始タイミングになると（Ｓ５）、溶融用レーザ１１６からレーザ光１１６ａを照射して造形物２００の表面のうち造形材料２０１を付着する部分を加熱して溶融する（Ｓ６）。ただし、造形開始第一層だけはステージ加熱ヒータ１０２の温度により造形材料２０１が融着する。

【0056】

そして、飛翔用レーザ１１５から造形データに応じて所要の造形材料２０１にパルスレーザ光１１５ａを照射して、担持体１１１に担持されている造形材料２０１を造形物２００の溶融の部分に向けて飛翔させる（Ｓ７）。

【0057】

担持体１１１から飛翔する造形材料２０１は溶融状態にある造形物２００の表面に着弾して造形物２００と一体になり、造形物２００が少なくとも１造形材料分成長する。

【0058】

このように、担持体１１１の連続回転によって造形材料２０１を順次ステージ１０１上の移送しながら、溶融用レーザ１１６による造形物２００の表面に溶融化、飛翔用レーザ１１５による造形材料２０１の飛翔、着弾を、造形が完了するまで繰り返す（Ｓ８）。

【0059】

これによって、造形物２００を所要の形状まで成長させて立体造形物を造形することができる。

【0060】

このとき、飛翔された造形材料２０１は溶融にある造形物２００の表面に着弾しえ付着し、衝突によって拡散しないので、造形物２００のエッジなどでも高い精度を得ることができ、造形品質が向上する。

【0061】

また、粉体としては、前述したように、結晶性樹脂のみならず、結晶性及び非結晶性樹脂の混合樹脂なども使用することができ、材料の多様性を確保でき、また、連続造形によって造形速度の高速化を図れ、更に、廃棄材料を減少することができる。

【0062】

次に、本発明の第２実施形態について図８を参照して説明する。図８は同実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図である。

【0063】

本実施形態においては、前記第１実施形態の担持体１１１の周囲であって、供給手段１１２と造形材料２０１を飛翔させる位置（造形位置）との間に、造形材料２０１に液体１３０を吐出して付与するヘッド１３１を配置している。

【0064】

このヘッド１３１の粉体移送方向（担持体１１１の回転方向）下流側には、液体１３０が付与されていない造形材料２０１を吸引回収する吸引手段１３２を配置している。また、吸引手段１３２で回収した造形材料２０１を貯留するタンク１３３を備えている。

【0065】

このように、ヘッド１３１によって造形材料２０１に液体１３０を付与することで、造形材料２０１間及び担持体１１１と造形材料２０１との間に液架橋力が生じて、より安定して造形材料２０１を担持体１１１の周面に担持して造形位置まで移送できる。

【0066】

このとき、ヘッド１３１を造形データに応じて駆動して液体１３０を付与する領域を選択することにより、担持体１１１上で造形データに応じた造形材料２０１の画像を形成することができる。また、ヘッド１３１から吐出する液体に色材や添加剤を加えることで、色を加えたり、機能を付与したりすることができる。また、ヘッド１３１として多色ヘッドを使用することで所要の色を着色することもできる。

【0067】

なお、造形材料２０１による作像を行わず、全体に液架橋力を付与するのであれば、超音波加湿器のミストを吹き付けることなどでも、より安定的に造形位置までの移送を行うことができる。

【0068】

また、ファンデルワールス力や粉の抵抗値が高い場合静電的な付着力だけでも飛翔部まで搬送することが可能である。

【0069】

吸引手段１３２は、担持体１１１の表面に液架橋力で担持されていない造形材料２０１を吸引除去する。吸引手段１３２は、減圧吸引の他、高導電性の粉体以外では静電的な吸引も可能であり、これらを併用することもできる。吸引された造形材料２０１は、液体などもついていないので、供給手段１１２内に再供給することもできる。

【0070】

ここで、液体１３０について説明する。液体１３０としては水を用いる。粘度調整のために、グリセリンやポリエチレングリコールなどの微量の増粘剤などを含んでもよい。

【0071】

ただし、造形材料２０１を構成する樹脂によっては、微量の水分をも加水分解などから避ける必要があり、その場合は、難燃性と材料への影響のないことを考慮した液体、例えばフッ化水素系の溶剤を選ぶことができる。例えば、スリーエム社製：商品名フロリナート（登録商標）、ソルベイ社製：商品名ガルデン（登録商標）が沸点に応じて選択できる。フッ化水素系の溶剤がレーザ加熱などで分解する場合には、排気経路にフッ酸を吸収する炭酸カルシウムなどの吸収剤を配置しておけばよい。

【0072】

次に、本発明の第３実施形態について図９を参照して説明する。図９は同実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図である。

【0073】

本実施形態では、担持体１１１は周回移動する回転部材である無端ベルトで構成している。担持体１１１は例えばニッケルベルトを使用している。

【0074】

担持体１１１は、ローラ１５１、１５２及び加熱手段である加熱ローラ１５３に掛け回されている。ここで、加熱ローラ１５３は造形物２００を造形する位置（造形位置）でステージ１０１の上方に配置されている。

【0075】

加熱ローラ１５３の背後には、バックアップローラ１５４が配置されている。バックアップローラ１５４は加熱ローラ１５３が小径であるために生じる無端ベルトの撓みを低減する。

【0076】

回収ローラ１３４はバイアスローラであり、バイアス電界によって造形材料２０１を回収し、タンク１３３に落下させる。

【0077】

本実施形態では、加熱ローラ１５３は例えば１５０℃まで加熱され、担持体１１１と加熱ローラ１５３との接触部では１００℃を超える温度になり、担持体１１１に担持された造形材料２０１の水による架橋力が開放される（突沸）。また、加熱ローラ１５３が相対的に小径であり、造形材料２０１は遠心力でも架橋力が開放される。これにより、造形材料２０１は、例えば担持体１１１の移動速度３００ｍｍ／ｓで、担持体１１１から造形物２００に向けて飛翔する。

【0078】

つまり、本実施形態では、担持体１１１から造形材料２０１を飛翔させる手段は、加熱ローラ１５３と担持体１１１を回転させる手段とで構成され、突沸と遠心力によって担持体１１１の周面から造形材料２０１を飛翔させる。さらに詳細には、担持体１１１の移動に伴う慣性力も働き、着弾位置は飛翔位置の真下より、担持体移動方向の先になる。

【0079】

一方、前記第１実施形態と同様に、造形物２００の造形材料２０１を付着させる部位は溶融用レーザ１１６によって溶融されて溶融になっている。

【0080】

これにより、担持体１１１から飛翔した造形材料２０１は造形物２００の溶融の部分に付着し、造形物２００が成長する。

【0081】

次に、本発明の第４実施形態について図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は同実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図、図１１は同装置のマルチエアーノズルの説明図である。

【0082】

本実施形態では、担持体１１１は無端のメッシュベルトで構成している。

【0083】

担持体１１１は、ローラ１５１、１５２及びローラ１５６、１５７に掛け回されている。そして、ローラ１５６、１５７の間であって、造形物２００を造形する位置（造形位置）でステージ１０１の上方には、マルチエアーノズル１６０が配置されている。

【0084】

マルチエアーノズル１６０には供給源から空気が送られており、ノズル１６０ａからメッシュベルトからなる担持体１１１に向けて空気を吹き出し、この空気圧によって担持体１１１から造形材料２０１が飛翔する。

【0085】

飛翔前の粉体作像はインクジェットを用いたが、他の実施形態のようにレーザによりネガ部を除去しておくことも可能である。また、マルチエアーノズル自体がマイクロキャビティ構造で個別に制御できるインクジェットのような構成の場合、事前の作像は不要であってパウダージェットの構成も実施可能である。

【0086】

一方、前記第１実施形態と同様に、造形物２００の造形材料２０１を付着させる部位は溶融用レーザ１１６によって加熱されて溶融されている。

【0087】

これにより、担持体１１１から飛翔した造形材料２０１は造形物２００の溶融部分に付着し、造形物２００が成長する。

【0088】

次に、本発明の第５実施形態について図１２を参照して説明する。図１２は同実施形態に係る立体造形物を造形する装置の説明図である。

【0089】

本実施形態では、担持体１１１は周回移動する回転部材である無端ベルトで構成している。担持体１１１は、例えばＰＥＴフィルム（東レ製ルミラー）で構成している。また、ポリイミドフィルム（東レ製カプトンH）で構成することもできる。これらのフィルムは、工業的に量産されており、無端ベルトとして使用することも可能であるが、長尺のフィルムロールをそのまま利用し、ロールｔｏロールで繰り返し使用することも可能である。

【0090】

担持体１１１は、ローラ１５１、１５２及び固定部材１５５に掛け回されている。ここで、固定部材１５５は、造形物２００を造形する位置（造形位置）でステージ１０１の上方に配置されている。

【0091】

供給手段１１２の供給ローラ１２３としてローレットローラを使用し、供給ローラ１２３に対向して表面にゴム層を有する当接ローラ１２４を配置している。

【0092】

飛翔用レーザ１１５のパルスレーザ光１１５ａは、入射角２０度で、固定部材１５５でスリット部１５５ａから担持体１１へ照射できるようにしている。

【0093】

また、塗布液を吐出して塗布する塗布装置１６３を配置している。塗布装置１６３は、例えば加熱により析出する硫酸マグネシウムなどの耐熱性で水溶性の液体１６２を吐出する。これにより、造形物２００の界面のサポート除去性の向上などを図っている。なお、塗布液は低粘度な液体の他、スラリー状、または加熱溶融された樹脂でも同様に適用可能である。

【0094】

次に、複雑形状を造形する場合のサポート方法について図１３を参照して説明する。

【0095】

ここでは、図１３（ａ）に示すように、コの字型の造形物２００を造形する。このとき、図１３（ｂ）に示すように、造形物２００の上部を支えるとともに、造形後に容易に外せるサポート材２１１を使用する。

【0096】

サポート材２１１によるサポート部を形成するとき、飛翔用レーザ１１５のみ作動し、溶融用レーザ１１６は作動しないことで形成できる。粉の高さは飛翔頻度で調整可能であり、予め造形データ内で予測設定してもよいし、造形中に形状を測定しながら補正することもできる。

【0097】

また、図１３（ｃ）、（ｄ）に示すように、サポート材２０１ｂが崩れる可能性や精度を考慮し、サポート材２１１の一部に造形物２１２～２１４を造形して、造形後に除去する。

【0098】

次に、本発明の第６実施形態について図１４を参照して説明する。図１４は同実施形態に係る立体造形物を造形する装置における造形中の造形物の表面温度の説明に供する説明図である。

【0099】

本実施形態における装置構成及び造形動作は、前記第１実施形態と同様である。なお、第２ないし第５実施形態における装置構成とすることもできる。

【0100】

本実施形態では、造形材料（造形物２００の材料）２０１として、結晶性樹脂であるＰＥＥＫを使用している。これ以外の結晶性樹脂を使用することもできる。

【0101】

図１４は造形物２００の造形開始以降の表面の温度の時間による変化を示している。図１４のＳ６は前記図７のステップＳ６（溶融用レーザ照射）及びステップＳ７（飛翔用レーザ照射）のタイミングを示している。

【0102】

本実施形態では、図１４に示すように、ステップＳ７で溶融用レーザ１１６によってレーザ光１１６ａが照射されて温度が上昇した造形物２００の表面は、飛翔用レーザ１１５によって飛翔される造形材料２０１が到達（衝突）して積層されるとき、ガラス転移温度Ｔｇである１４３℃以上に保たれている。

【0103】

造形物２００の表面の温度をガラス転移温度Ｔｇ以上にすることで、造形物２００の表面がゴム状態になり、飛翔した造形材料２０１が造形物２００に衝突したときに造形物２００の表面が変形し、造形材料２０１の運動エネルギーを吸収することができる。

【0104】

これに対し、造形物２００の表面の温度が、ガラス転移温度Ｔｇ未満の温度であると、飛翔した造形材料２０１が造形物２００に衝突したときに造形物２００の表面が十分に変形せず、造形材料２０１の運動エネルギーを十分に吸収することができないため好ましくない。

【0105】

これにより、造形材料２０１が造形物２００の表面に衝突（到達）したときに、造形材料２０１が跳ね返りにくくなり、造形材料２０１の飛散を抑制することができ、造形物２００の寸法精度や表面性が向上し、造形品質が向上する。

【0106】

この場合、造形物２００の表面の温度は、結晶化温度（Ｔｃ）、造形材料２０１としてＰＥＥＫを使用するときには３００℃以上とすることが好ましい。これにより、温度下降時に結晶化に伴う急激な収縮による反りが局所的に発生することを抑制し、安定した形状の立体造形物を得ることができる。

【0107】

造形物２００の表面温度を保つために、図１に示すように、造形物２００にエネルギーを付与する手段としての造形物加熱ヒータ３０２がステージ１０１の上側に配置されている。造形物加熱ヒータ３０２は、面状の抵抗発熱体により形成されており、造形物２００の周囲の雰囲気温度を、造形材料２０１のガラス転移温度Ｔｇである１４３℃以上に保っている。

【0108】

また、断熱板３０１とステージ１０１との間には、ファン等により送風がなされており、雰囲気の温度が一様になるようにされている。

【0109】

なお、造形物加熱ヒータ３０２或いは造形物２００の周囲に温度センサを配置し、造形物２００の周囲の雰囲気の温度を一定に保つように温度制御を行うこともできる。雰囲気温度を高く保つことにより、造形材料２０１が造形物２００に衝突するときの造形材料２０１の飛散を抑制できるだけでなく、造形後の造形物２００の内部の温度勾配を低減させることで反りを抑制させることもできる。

【0110】

造形物加熱ヒータ３０２は、飛翔用レーザ１１５によって飛翔する前（担持された状態）の造形材料２０１の温度もガラス転移温度Ｔｇである１４３℃以上に保持されるように造形物２００の周囲の雰囲気温度を加熱する。

【0111】

これにより、溶融用レーザ１１６によって投入するエネルギーを軽減させることができ、高速化、省電力化を図ることができる。

【0112】

一方で、飛翔用レーザ１１５によって飛翔される前の造形材料２０１はガラス転移温度Ｔｇである１４３℃未満でも良く、造形材料２０１がゴム状態にならないようにすることで担持体１１１との接着力を一定以下に抑え、造形材料２０１が飛翔しやすいように調整することが好ましい。

【0113】

また、図１４に示すように、ステップ６において、造形物２００の表面の温度は、溶融用レーザ１１６によるレーザ光１１６ａの照射前は融点Ｔｍである３４３℃未満であり、かつ、レーザ光１１６ａの照射後は３４３℃以上となっている。

【0114】

溶融用レーザ１１６によってレーザ光１１６ａを照射した後に融点Ｔｍ以上となるようにすることで、造形物２００が液体状態となり、溶融した造形材料２０１同士が結合することで、高い強度の造形物を形成することができる。照射した後も融点Ｔｍ未満であると、造形物２００に対して造形材料２０１が十分に結合することができない。

【0115】

一方で、溶融用レーザ１１６によってレーザ光１１６ａを照射する前には融点Ｔｍ未満となるようにすることで、造形物２００全体が溶融して崩れてしまうことを抑制し、一定の寸法精度を保つことができる。

【0116】

なお、溶融用レーザ１１６による造形物２００の表面の温度上昇は５０℃になるようにしており、造形物の局所的な変形による反りが発生しない程度の温度上昇としている。

【0117】

また、造形物２００の表面の温度をガラス転移温度Ｔｇ以上にエネルギーを付与する（保つ）手段として造形物加熱ヒータ３０２を用いたが、これに限るものではない。

【0118】

例えば、溶融用レーザ１１６の出力や照射時間、あるいは、溶融用レーザ１１６からのレーザ光１１６ａと飛翔用レーザ１１５からのレーザ光１１５ａを照射する時間の間隔などをレーザの制御により調整することもできる。

【0119】

例えば、時間の間隔を調整する場合には、溶融用レーザ１１６からのレーザ光１１６ａを造形物２００の表面に照射して造形物２００の表面温度が融点を超えてから、熱が造形物２００の内部或いは雰囲気に伝わって温度が低下していく過程で、ガラス転移温度Ｔｇを下回らない範囲で時間の間隔を決めておけば良い。

【0120】

次に、造形材料を飛翔させる時間間隔について説明する。

【0121】

造形材料２０１が飛翔して造形物２００の表面に衝突したときに、造形物２００から熱が伝わり造形材料２０１の温度が上昇する。このときの伝熱が不十分であると、同じ位置へ、次の造形材料２０１が衝突するときに造形材料２０１の表面温度が十分上がらず、ガラス転移温度Ｔｇに届かない可能性が生じる。

【0122】

そこで、十分な伝熱時間が得られるように、造形材料２０１の平均粒径をＬ［μｍ］とするとき、造形材料２０１が飛翔して造形物２００の表面に到達してから、次に同位置に造形材料２０１が飛翔して造形物２００の表面に到達するまでの時間の間隔が、Ｌ×Ｌ／２００［ｍｓ］以上となるようにする。時間の間隔がＬ×Ｌ／２００［ｍｓ］未満の場合、表面に到達した粒子の熱が十分に拡散されておらず粒子全体が溶融しないので好ましくない。

【0123】

時間間隔の閾値は厚さＬ、熱拡散率αの材料の温度が均一になるための閾値（RC回路での時定数ＲＣに相当）としてＬ^２／αとし、樹脂材料では一般にα＝２．０×１０^―７［ｍ^２／ｓ］であることを利用して導いた。Ｌ＝５０［μｍ］とするとき、時間間隔は１２．５［ｍｓ］以上必要であることから、例えば、造形材料２０１を飛翔させる時間間隔を２０［ｍｓ］とする。

【0124】

これにより、造形材料２０１が飛翔して造形物２００の表面に衝突したときに、造形物２００から熱が伝わり造形材料２０１の温度が上昇するに十分な時間を確保でき、造形品質が向上する。

【0125】

ここで、具体的な実施例について表１を参照して説明する。

【0126】

＜実施例１－１ないし実施例１－６＞
表１に示すように、樹脂（造形材料２０１）としてＰＥＥＫ（実施例１－１、１－２）、ＰＡ１２（実施例１－３、１－４）、ＰＢＴ（実施例１－５、１－６）を使用した。そして、造形物２００の加熱前の表面温度を融点未満の温度とし、加熱後の樹脂が到達するときの表面温度（到達表面温度）をガラス転移温度Ｔｇ以上（実施例１－１、１－３、１－５）、又は結晶化温度Ｔｃ以上（実施例１－２、１－４、１－６）とした。また、樹脂を飛翔させる時間間隔は、いずれも、「Ｌ×Ｌ／２００［ｍｓ］」以上の０．１ｓとした。

【0127】

なお、雰囲気温度はいずれも２５℃とした。また、温度の測定は、キーエンス社の製品名ＦＴ－Ｈ２０を使用して行った。また、時間間隔の測定は、キーエンス社の製品名ＮＲ－５００を使用して行った。

【0128】

これらの実施例１－１ないし実施例１－６について、溶融状態を評価し、評価結果を表１に示している。評価結果の「〇」は、造形材料が溶融して、造形物と造形材料が結合したことを示している。

【0129】

【表1】

【0130】

次に、飛翔中の造形材料に対する加熱について図１５も参照して説明する。図１５は飛翔する造形材料と溶融用レーザの照射領域（レーザ光の領域）との関係を示す説明図である。

【0131】

レーザ光１１６ａは、造形物２００の表面に照射されるとともに、斜めに入射することで、造形物２００の上方を通過する。

【0132】

ここで、溶融用レーザ１１６からレーザ光１１６ａを照射しているときに、造形材料２０１が飛翔して造形物２００の表面に着弾する。

【0133】

このようにして、飛翔中の造形材料２０１に直接溶融用レーザ１１６のレーザ光１１６ａが照射されることにより、造形物２００の表面だけでなく、造形材料２０１も同時に加熱することができる。

【0134】

したがって、着弾する造形材料２０１自体がガラス転移温度Ｔｇ以上になったり、あるいは、造形物２００と衝突するときの温度が高まることにより、造形物２００と衝突するときに、より造形物２００の表面が変形し、運動エネルギーを吸収する。

【0135】

これにより、造形材料２０１が造形物２００の表面に衝突するときに跳ね返りにくくなり、造形材料２０１の飛散が抑制され、造形物２００の寸法精度や表面性をさらに向上して、造形品質を向上させることができる。

【0136】

次に、本発明の第７実施形態について図１６を参照して説明する。図１６は同実施形態に係る立体造形物を造形する装置における造形中の造形物の表面温度の説明に供する説明図である。

【0137】

本実施形態における装置構成及び造形動作は、前記第１実施形態と同様である。なお、第２ないし第５実施形態における装置構成とすることもできる。

【0138】

本実施形態では、造形材料２０１として、非晶性樹脂であるＰＥＳを使用している。これ以外の非晶性樹脂を使用することもできる。

【0139】

造形材料２０１が非晶性樹脂である場合、融点を持たないため、前記第６実施形態と同様の作用効果を得ようとする場合、溶融用レーザ１１６の照射前後における造形物２００の表面の温度で規定することができない。

【0140】

そこで、本実施形態では、樹脂の粘度を元に規定する。

【0141】

樹脂の粘度が溶融用レーザ１１６からのレーザ光１１６ａの照射前は粘度が１．０×１０^３Ｐａ・ｓ以上であるのに対し、レーザ光１１６ａの照射後は１．０×１０^３Ｐａ・ｓ未満となるようにする。つまり、造形物２００の表面がエネルギーを付与する手段によって加熱された後に粘度が１．０×１０^３Ｐａ・ｓ未満になり、加熱される前の粘度が１．０×１０^３Ｐａ・ｓ以上である構成とする。

【0142】

ここで、具体的な実施例について表２を参照して説明する。

【0143】

＜実施例２－１＞
樹脂（造形材料２０１）としてＰＥＳを使用し、レーザ光の照射前は２５０℃、照射後は３６０℃とした。このとき、照射前の粘度は３．０×１０^３Ｐａ・ｓ、照射後は６．０×１０^２Ｐａ・ｓであった。

【0144】

＜実施例２－２＞
樹脂（造形材料２０１）としてＰＶＣを使用し、レーザ光のエネルギーを付与する前は５０℃、付与後は１５０℃とした。このとき、照射前の粘度は４．０×１０^３Ｐａ・ｓ、照射後は５．０×１０^２Ｐａ・

【0145】

なお、温度の測定は、キーエンス社の製品名ＦＴ－Ｈ２０を使用して行った。また、粘度の測定は、ＪＩＳ８８０３：２０１１に従って行った。

【0146】

これらの実施例２－１、２－２について、溶融状態を評価し、評価結果を表２に示している。評価結果における符号「〇」は、造形材料が溶融して、造形物と造形材料が結合したことを示している。

【0147】

【表2】

【0148】

これにより、融点を持たない非晶性樹脂に対しても前記第６実施形態と同様に、溶融用レーザ１１６からのレーザ光１１６ａの照射後に造形物２００が柔らかくなり、粉体同士が結合することで、高い強度の造形物を形成することができる。そして、溶融用レーザ１１６によるレーザ光の照射前に融点未満となるようにすることで、造形物２００全体が柔らかくなり崩れてしまうことを抑制し一定の寸法精度を保つことができる。

【0149】

上記各実施形態においては非接触で積層することから、電子写真方式のＳＴＥＰ方式などで生じる課題をほとんど解決できる。例えば、溶融樹脂を造形物に接触させて積層する方式では、界面でオフセットや荒れが起きやすく、温度の厳密な制御、時間の増大、溶融粘度などからも材料の制約があり、また、静電気を用いるため導電性樹脂は使用できないという課題があるが、非接触で積層することで、これら課題はなくなる。

【0150】

次に、本発明の第８実施形態について図１７を参照して説明する。図１７は同実施形態に係る粒子を飛翔させる装置の説明に供する説明図である。

【0151】

本実施形態では、粒子を飛翔させる装置を前記第１実施形態に係る立体造形物を造形する装置に適用した例で説明する。

【0152】

図１７に示すように担持体１１１の一面に吸着力Ｆvで粒子である造形材料２０１が保持された状態で、担持体１１１の造形材料２０１が保持されている面とは反対側の面に対してレーザ光１１５ａを照射する手段としての飛翔用レーザ１１５を備えている。

【0153】

飛翔用レーザ１１５は、レーザ光１１５ａを１０μｓ以下のパルス幅を持ったパルス光で照射する。パルス幅は、８μｓでもよいし、５μｓ以下でよいし、２μｓでもよい。また、ナノ秒、ピコ秒でも実現可能であることを確認している。１０μｓより長いパルス幅で照射すると、造形材料内での熱拡散がμｍ以上となり、材料への力が伝わらないために、好ましくない。

【0154】

ここで、図１７において、「Ｆg」は、造形材料２０１（粒子）にかかる重力を表す。これは、一般に、物体の体積と密度の積で表される重量に重力加速度を乗じることで算出される。造形材料２０１として、前述したＳｉｔｅｒｉｔ社製ＰＡ１２ｓｍｏｏｔｈ（体積平均粒径は３８μｍ）にて求めたところ、重力Ｆgは１０^－１０Ｎ程度であった。

【0155】

「Ｆvdw」は、造形材料２０１にかかるファンデルワールス力を表す。これは、計算により算出すると、１０^－７Ｎ程度であった。

【0156】

「Ｆe」は、静電力による造形材料２０１の吸着力を表す。これは、同程度のサイズのプリンタにおけるキャリア材料で、１０Ｎ程度の力のオーダーであることが知られているが、これは造形材料２０１（粒子、粉体）の帯電量に依存する。

【0157】

上記は計算により求めるが、ＦvdwとＦeの和である付着力Ｆvは、遠心分離機を用いた付着力試験などにより実験的に求められるが、同様にＳｉｔｅｒｉｔ社製ＰＡ１２ｓｍｏｏｔｈにて付着力試験で求めたところ、Ｆgは１０^－８Ｎ程度であった。

【0158】

Ｆvdwを構成する要素としては、他に造形材料２０１（粒子）と担持体１１１の間に液体が含まれている場合に生じる液架橋力などが考えられる。

【0159】

「Ｆr」は、輻射圧により造形材料２０１にかかる力を表す。Ｆrは計算により算出することができるが、パルス幅１０ｐｓ、パルスエネルギー１μＪで計算すると、瞬間の力は１０^－４Ｎ程度であった。

【0160】

「Ｆab」は、造形材料２０１の表面がレーザーアブレーションにより、一部の個体が瞬間的に気体化することで、気体の射出時に圧力が生じることで造形材料２０１にかかる力を表す。

【0161】

例えばパルス幅ｐｓ程度のレーザを用いると、この気体及び場合によってはプラズマ化する、一般的にアブレーションと呼ばれる現象がある。これらは、数十万度といった高温となることが知られており、その場合、噴射圧はＦvdwに比べて非常に大きいと考えることができる。

【0162】

したがって、レーザのエネルギーがアブレーションを誘起するだけのエネルギーを持てば、造形材料２０１に瞬間にかかる力は付着力を大きく上回る。

【0163】

ここで、レーザが物体に対してアブレーション閾値を超えるか否かはレーザーフルエンスＦｌｌが閾値を超えるかどうかで議論されるケースが普通である。このときの閾値を、以後、「フルエンス閾値」と表記する。

【0164】

フルエンスＦllとは、パルスエネルギーＪをレーザの面積で割ることで算出される（単位はＪ／ｃｍ^２が一般的）。粉体材料の場合、そのフルエンス閾値Ｆlthは０．１－１．０Ｊ／ｃｍ^２が一般的である。これは、当該材料のバルク材料にレーザを照射することで算定が可能である。

【0165】

これは、レーザービームが一般的なガウシアンビームである場合の計算式であり、もちろん、ビームの中心位置と周辺部とで、その値は変わるし、その他の異形ビーム（ドーナツビームやトップハットビーム）ではそれに応じた計算式を用いなければいけない。

【0166】

これらより、吸着力Ｆvdwはファンデルワールス力、静電力、液架橋力から構成され、粒子（造形材料２０１）に作用する重力をＦgとするとき、Ｆv＞Ｆｇ、とすることで、担持体１１１に造形材料２０１を担持することができる。

【0167】

また、レーザ光の入力条件は、輻射圧により粒子（造形材料２０１）にかかる力をＦrとするとき、吸着面に対する鉛直方向において、Ｆｒ＞Ｆv－Ｆg、とすることで、粒子を飛翔させることができる。

【0168】

ここで、具体的な実施例について表３を参照して説明する。

【0169】

＜実施例３－１ないし実施例３－３＞
樹脂としてＰＡ１２（実施例３－１）、ＰＥ（実施例３－２）、ＰＣ（実施例３－３）を使用し、Ｆv＞Ｆｇとし、レーザ光の入力条件を、Ｆｒ＞Ｆv－Ｆg、とした。

【0170】

これらの実施例３－１ないし実施例３－３について飛翔状態を確認した。結果を表１に示している。

【0171】

【表3】

【0172】

また、レーザ光の入力条件は、粉体のフルエンス閾値をＦlth1、担持体のフルエンス閾値をＦlth2、フルエンスをＦlとするとき、Ｆl＜Ｆlth1、かつ、Ｆl＜Ｆlth2、とすることで、粒子を飛翔させる。

【0173】

このとき、フルエンス閾値は複数存在することに注意する。図１８に示すように、担持体が複数層から構成される場合、例えば、担持体１１１Ａ→担持体１１１Ｂ→担持体１１１Ａのサンドイッチ構造である場合、一方の担持体１１１Ａの上面は雰囲気環境１、他方の担持体１１１Ａの下面は雰囲気環境２とする。

【0174】

この場合、担持体１１１Ａ及び担持体１１１Ｂは、例えば、基材とその表面に付着する薄膜層としてもよいし、複数の基材の張り合わせも考えられる。また、その表面形状が平坦でなく凹凸を持った形状であることも考えられる。雰囲気環境は空気、窒素、アルゴンなどの雰囲気環境と温度、湿度条件などが考えられる。

【0175】

フルエンス閾値は、その物質の材質と、雰囲気環境で異なることが知られているので、図１８の場合、雰囲気環境１で担持体１１１Ａの境界面Ｂ１と、担持体１１１Ａと担持体１１１Ｂの境界面Ｂ２と担持体１１１Ａと雰囲気環境２の境界面Ｂ３、ではそれぞれ異なったフルエンス閾値を持つと考えられる。また、レーザービームのスポット径もそれぞれでもちろん異なるし、担持体の境界面でなくその内部でのフルエンス閾値も異なる。

【0176】

したがって、これらの条件を考慮して、レーザ条件に応じて考えられるすべてのフルエンス閾値でフルエンスの条件が選択されなければならないことに注意する。

【0177】

本実施形態に係る粒子を飛翔させる装置を使用することで、飛翔させる粒子（粉体）が限定されてない。つまり、前述したように、例えば、結晶性樹脂、非晶性樹脂、エンプラ、金属材料、セラミックなどの粒子（粉体）を飛翔させることができる。

【0178】

そして、粒子を担持体に吸着することができれば、立体造形物を造形することができる。

【0179】

ここで、担持体１１１と、立体造形物が造形されるステージ１０１とは、対向部位で同じ方向に移動する構成とすることが好ましい。

【0180】

また、担持体の移動速度は、ステージの移動速度よりも速いことが好ましい。通常、担持体１１１は粉体材料が完全に充填することは難しい。そのため、担持体１１１は立体造形物１０１に十分な速度で粉体を供給するためにより速い速度で移動する必要がある。

【0181】

次に、本発明の第９実施形態について図１９を参照して説明する。図１９は同実施形態係る立体造形物を造形する装置の説明図である。

【0182】

本実施形態は、前記第１実施形態における担持体１１１がフィルムで構成されている。担持体１１１としてのフィルムは、繰り出しロール１１１Ａから巻取りロール１１１Ｂに巻き取りながら使用する。

【0183】

そして、繰り出しロール１１１Ａから繰り出す担持体１１１が途切れるときに、補給用の繰り出しロール１１１Ｃを使用して、担持体１１１であるフィルムを接着しつなげる。これにより、短時間で造形を継続できる。

【0184】

本実施形態では、溶融用のレーザ１１６のレーザ光１１６ａは、造形材料２０１の着弾位置から、やや離れているが、入射角１５度でエネルギーを付与できる。

【0185】

入射角が０度に近いほど、複雑な形状を造形するとき、異物や溶融不足の部分が高くなるなどの際の影になるなどの不具合が発生しにくくなる。

【0186】

ステージ１０１がＹ１方向に移動するときは、造形物２００の表面を溶融し、材料を着弾させる。また、ステージ１０１がＹ２方向に移動するときは、Ｔｇ以上で軟化した表面に着弾した粉（造形材料２０１）を加熱溶融させる。

【符号の説明】

【0187】

１００ 立体造形物を造形する装置
１０１ ステージ（支持部材）
１１１ 担持体
１１２ 供給手段
１１５ 飛翔用レーザ（飛翔させる手段）
１１６ 溶融用レーザ（エネルギーを付与する手段）
２００ 造形物
２０１ 粉体
２０１ 造形材料（粒子）
３０１ 断熱板
３０２ 造形物加熱ヒータ（補助的にエネルギーを付与する手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】