特許 7462185 ３次元焼成物の製作方法

(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】2024-03-28

(45)【発行日】2024-04-05

(54)【発明の名称】３次元焼成物の製作方法

(51)【国際特許分類】

   B28B 1/30 20060101AFI20240329BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240329BHJP

【ＦＩ】

B28B1/30

B33Y10/00

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020090406

(22)【出願日】2020-05-25

(65)【公開番号】P2021185022

(43)【公開日】2021-12-09

【審査請求日】2023-04-17

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和２年１月２０日にレーザー学会学術講演会第４０回年次大会講演予稿集のウェブサイトで公開

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和２年１月２１日に仙台国際センターにおいて開催されたレーザー学会学術講演会第４０回年次大会で発表

(73)【特許権者】

【識別番号】000000549

【氏名又は名称】株式会社大林組

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(73)【特許権者】

【識別番号】591114803

【氏名又は名称】公益財団法人レーザー技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】弁理士法人一色国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田島 孝敏

(72)【発明者】

【氏名】新村 亮

(72)【発明者】

【氏名】兒玉 了佑

(72)【発明者】

【氏名】真木 隆太郎

(72)【発明者】

【氏名】藤田 雅之

【審査官】酒井 英夫

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－２１１６５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１５１０５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２８Ｂ １／３０－１／３４，

Ｂ２９Ｃ ６４／００－６４／４０，

Ｂ３３Ｙ １０／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

土質材料を撒き出して粒子層を形成したのち、照射経路に沿って前記粒子層の表面にレーザー光を照射し、前記粒子層を溶融凝固する溶融凝固工程を、前記粒子層を積層しつつ繰り返す３次元焼成物の製作方法において、
前記照射経路は、前記レーザー光の進行方向を示す照射ラインを備え、先行の前記照射ラインに対して、後行の前記照射ラインを幅方向にずらしながら略平行に重ね、前記粒子層における３次元焼成物となる領域が、前記レーザー光により複数回照射されるように設定され、
前記レーザー光を、先行の前記照射ラインに沿って照射させたのち、後行の前記照射ラインに沿って照射させるまでの間には、前記粒子層の表面から深度方向への伝熱期間が設けられるものであって、
前記土質材料は、石英の占める割合が最も大きい砂であり、
前記照射ラインを幅方向にずらすズレ量は、
粒子層に対する１回の照射により付与可能なエネルギー密度を、下記式に基づいて算定するとともに、算定したエネルギー密度を石英の材料比熱及び材料密度で除して、照射１回あたりの上昇温度を取得し、
取得した上昇温度と前記粒子層の融点及び沸点とに基づいて、融点を超えるものの揮発が生じる温度に到達しない繰り返し照射回数を決定したのち、
決定した繰り返し照射回数で、前記レーザー光の走査ピッチを除することにより算出することを特徴とする３次元焼成物の製作方法。
Ｅｄ＝Ｐ／（ｗ×ｈ×ｖ）
Ｅｄ：エネルギー密度（Ｊ/ｍｍ ^３ ）
Ｐ ：レーザー出力（Ｗ）
ｗ ：走査ピッチ（照射径：ｍｍ）
ｈ ：積層ピッチ（ｍｍ）
ｖ ：走査速度（ｍｍ/ｓｅｃ）

【請求項2】

請求項１に記載の３次元焼成物の製作方法であって、
前記３次元焼成物となる領域を前記レーザー光で照射する回数を、
前記レーザー光を前記照射ラインに沿って、１回照射したことによる前記粒子層の上昇温度に基づいて、決定することを特徴とする３次元焼成物の製作方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、土質材料を素材とする３次元焼成物を得るための、３次元焼成物の製作方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、樹脂や金属等の粉末に熱源であるレーザーを照射して焼結させ、造形物を製作する粉末床溶融結合法（ＰＢＦ）が知られている。粉末床溶融結合法は、粉末状の素材を薄く敷いて粉末層を形成したのち、粉末層の焼結予定箇所にレーザーを照射する工程を繰り返し実施することで、３次元の造形物を製作する方法である。

【0003】

ところが、粉末床溶融結合法において熱源として用いるレーザーは、その照射径が小さく局所的に急加熱するものであるため、粉末層の表面に温度のばらつきを生じやすい。このため、例えば特許文献１では、レーザーの照射による到達温度が一定となるような粉末層へのレーザーの照射パスを設定し、照射位置を制御している。

【0004】

具体的には、レーザーの照射径の２倍以上のスキャンピッチで第１照射パスを設定するとともに、このスキャンピッチを１/Ｎとなる距離だけずらした、第１照射パスの間を補完する第２照射パス～第Ｎ照射パスを設定する。そして、第１照射パスから順にレーザー照射を行うが、レーザー照射を行う際、粉末層が先行のレーザー照射による温度上昇歴を引きずって場合には、レーザー光を照射しない休止期間を設けるなどして、到達温度を一定にしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１９－１５１０５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１の方法は、粒径が一様で小径（例えば、１００μｍ程度）な造粒物を粉末層を構成する素材として用いる場合に、適した方法である。しかし、この方法を例えば砂を素材とする砂層に適用しようとすると、様々な課題が生じる。

【0007】

具体的には、砂の粒径は、最大２ｍｍ程度と大きく、また一様でないため、砂を撒き出して形成した砂層は、部分的に層厚が大きくなるなど一定の厚さとはならない。また、砂層は、粉末床溶融結合法の素材として一般に用いられている金属や樹脂よりなる粉末層と比較して、熱伝導率は小さく、吸収係数は大きい。なお、吸収係数とは、放射線を照射した際、物質の中を進むときの単位長さ当たりに吸収される割合をいう。

【0008】

このため、砂層の表面に到達する到達温度を一定にしても、砂層全体の温度が一様とはなりにくいだけでなく、下面まで加熱されず溶融されない事態が生じやすい。これに対応するべく、レーザーの出力を上げることも考えられるが、これを用いて急加熱すると、粒径の小さいものや、砂に含まれる鉱物のうち沸点の低いものは揮発し、品質の高い造形物を製作することが困難となる。

【0009】

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、土質材料を用いて、高品質な３次元焼成物を製作することの可能な、３次元焼成物の製作方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

かかる目的を達成するため、本発明の３次元焼成物の製作方法は、土質材料を撒き出して粒子層を形成したのち、照射経路に沿って前記粒子層の表面にレーザー光を照射し、前記粒子層を溶融凝固する溶融凝固工程を、前記粒子層を積層しつつ繰り返す３次元焼成物の製作方法において、前記照射経路は、前記レーザー光の進行方向を示す照射ラインを備え、先行の前記照射ラインに対して、後行の前記照射ラインを幅方向にずらしながら略平行に重ね、前記粒子層における３次元焼成物となる領域が、前記レーザー光により複数回照射されるように設定され、前記レーザー光を、先行の前記照射ラインに沿って照射させたのち、後行の前記照射ラインに沿って照射させるまでの間には、前記粒子層の表面から深度方向への伝熱期間が設けられるものであって、前記土質材料は石英の占める割合が最も大きい砂であり、前記照射ラインを幅方向にずらすズレ量は、粒子層に対する１回の照射により付与可能なエネルギー密度を、下記式に基づいて算定するとともに、算定したエネルギー密度を石英の材料比熱及び材料密度で除して、照射１回あたりの上昇温度を取得し、取得した上昇温度と前記粒子層の融点及び沸点とに基づいて、融点を超えるものの揮発が生じる温度に到達しない繰り返し照射回数を決定したのち、決定した繰り返し照射回数で、前記レーザー光の走査ピッチを除することにより算出することを特徴とする。
Ｅｄ＝Ｐ／（ｗ×ｈ×ｖ）
Ｅｄ：エネルギー密度（Ｊ/ｍｍ ^３ ）
Ｐ ：レーザー出力（Ｗ）
ｗ ：走査ピッチ（照射径：ｍｍ）
ｈ ：積層ピッチ（ｍｍ）
ｖ ：走査速度（ｍｍ/ｓｅｃ）

【0011】

また、本発明の３次元焼成物の製作方法は、前記３次元焼成物となる領域を前記レーザー光で照射する回数を、前記レーザー光を前記照射ラインに沿って、１回照射したことによる前記粒子層の上昇温度に基づいて決定することを特徴とする。

【0012】

本発明の３次元焼成物の製作方法によれば、レーザー光を、先行の照射ラインに沿って照射させたのち、後行の照射ラインに沿って照射させるまでの間に、粒子層の表面から深度方向への伝熱期間を設ける。これにより、先行の照射ラインに沿ってレーザー光を照射したことにより供給された熱が、粒子層の深度方向に伝熱されたのち、後行の照射ラインに沿ってレーザー光を照射する動作が繰り返される。

【0013】

したがって、一般に、粉末床溶融結合法（ＰＢＦ）の素材として用いられる樹脂や金属等の粉末と比較して、熱伝導率が低く粒度分布のある土質材料よりなる粒子層に対して、表面に熱を集中させることなく底面に至るまで一様に加熱し、温度上昇させることができる。

【0014】

このため、粒子層を底面に至るまで溶融凝固させて、高品質な３次元焼成物を製作することが可能となる。また、粒子層を予熱する必要がなく、成形に型枠も不要なため、レーザー光を照射するのみの簡略な構成で、所望の形状を有する３次元焼成物を容易に製作することが可能となる。

【0015】

さらに、レーザー光を照射ラインに沿って１回照射したことによる粒子層の上昇温度に基づいて、粒子層における３次元焼成物となる領域を照射する回数を決定する。これにより、粒子層を溶融するために必要なエネルギー密度の熱を、無駄なくかつ効率よく粒子層へ供給しつつ、短期間で３次元焼成物を製作することが可能となる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、粒子層にレーザー光を照射する期間と、粒子層の伝熱期間とを交互に設けることから、これまで粉末床溶融結合法（ＰＢＦ）の素材として取り扱いが困難であると見做されていた、土質材料よりなる粒子層を、上面から下面に至るまで一様に加熱して温度上昇させて溶融凝固し、高品質な３次元焼成物を製作することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施の形態における粉末焼結積層法の概略を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態における３次元焼成物の製作に用いる装置を示す図である。

【図3】本発明の実施の形態における３次元焼成物の製作方法（その１）を示す図である。

【図4】本発明の実施の形態における素材となる砂の粒度分布を示す図である。

【図5】本発明の実施の形態における３次元焼成物の製作方法（その２）を示す図である。

【図6】本発明の実施の形態における３次元焼成物の製作方法（その３）を示す図である。

【図7】本発明の実施の形態における３次元焼成物の製作方法（その４）を示す図である。

【図8】本発明の実施の形態における３次元焼成物を示す図である。

【図9】本発明の実施の形態における３次元焼成物の一軸圧縮強度試験の試験結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明の３次元焼成物の製作方法は、土質材料を粉末床溶融結合法に基づいて溶融凝固させ、高品質な３次元焼成物を製作するものである。以下に、図１～図９を参照しつつ、３次元焼成物の製作方法の説明をするが、これに先立ち、粉末床溶融結合法についてその概略を説明する。

【0019】

≪粉末床溶融結合法（ＰＢＦ）≫
粉末床溶融結合法は、粉末状の素材に熱源となるレーザー光Ｌを照射して焼結し、立体的な造形物を作成する方法である。具体的には、図１（ａ）で示すように、チャンバーＣ内で上下動自在なステージＳ上に、粉末状の素材を所定の層厚で敷き均して１層目の粉末層３１を形成する。次に、１層目の粉末層３１に給熱した状態で、図１（ｂ）で示すように、照射経路２０に沿ってレーザー光Ｌを照射し、１層目の粉末層３１の所望の領域を溶融凝固する。

【0020】

こののち、図１（ｃ）で示すように、１層目の粉末層３１上に粉末状の素材を敷き均して２層目の粉末層３２を作成する。上記と同様の手順で２層目の粉末層３２を溶融凝固するとともに、１層目と２層目の粉末層３１、３２を結合する。この作業を、製作しようとする造形物の高さに到達するまで繰り返す。

【0021】

上記のレーザー光Ｌによる照射は、図２で示すように、レーザー発生装置４１と、スキャナー４２を用いて行う。レーザー発生装置４１は、粉末層３０に向けて熱源となるレーザー光Ｌを照射するもので、いわゆるファイバーレーザーを採用している。また、スキャナー４２は、レーザー光Ｌを粉末層３０上に設定した照射経路２０の沿って照射させるもので、いわゆるガルバノスキャナを採用している。

【0022】

≪３次元焼成物の製作方法≫
上記の粉末床溶融結合法に基づいて、粉末層３０に代えて粒度分布のある土質材料を敷き均した粒子層１０を溶融凝固し、図８で示すような、３次元焼成物５０を製作する手順を、以下に、図３～図８を参照しつつ、その詳細を説明する。

【0023】

なお、粒子層１０の予熱は不要であり、これに伴い粒子層１０を保温するチャンバーＣも不要となる。また、製作予定の３次元焼成物５０を製作するにあたり、１層目の粒子層１１にレーザー光Ｌを照射する照射予定領域Ｅは、図３（ａ）で示すように、Ｘ方向とＹ方向とが直交する矩形である場合を事例とする。

【0024】

さらに、この照射予定領域Ｅに対してレーザー光Ｌを照射する際の照射経路２０は、図３（ｂ）で示すように、Ｘ方向を往復しながらＹ方向に進行させる経路としてもよいし、図３（ｃ）で示すように、Ｘ方向の１方向への移動を順次繰り返しながらＹ方向に進行させる経路としてもよい。本実施の形態では、図３（ｃ）で示すように、レーザー光ＬをＸ方向の１方向へ移動させる場合を事例に挙げる。

【0025】

また、溶融凝固する素材は、粒度分布のある土質材料であって、例えば、砂、礫、礫混じりの砂、砂混じりの礫等いずれでも採用可能である。なお、粒度分布のある土質材料は、粒径２ｍｍ程度以下であることが好ましい。本実施の形態では、図４の粒度分布で示すような、破線で囲まれた領域もしくはこれに沿うように分布するものを目安とし、最大粒径が約１．７５ｍｍで、石英の占める割合が最も大きい砂を事例に挙げる。

【0026】

＜１層目の粒子層１１の溶融凝固工程＞
まず、図５（ａ）で示すように、ステージＳ上に溶融凝固する素材である砂を撒き出て、１層目の粒子層１１を形成する。このとき、１層目の粒子層１１は、その積層ピッチｈを砂の最大粒径に設定する。したがって、本実施の形態では、積層ピッチｈ＝１．７５ｍｍとなる。次に、前述した照射経路２０を照射予定領域Ｅ内に設定し、これに沿って１層目の粒子層１１の表面に照射径が１ｍｍのレーザー光を照射する。

【0027】

照射経路２０を設定するにあたり、まず、以下の事項を考慮し、レーザー光Ｌの照射方式を選択する。つまり、１層目の粒子層１１を構成する砂が、粉末床溶融結合法の素材として広く用いられる樹脂や金属等の粉末と比較して、粒径が大きくまた一様ではないこと、及び熱伝導率が低いことを考慮する。

【0028】

粒径が大きく熱伝導率の低い砂を溶融するには、高いエネルギー密度の熱を供給する必要があるため、ワンパス方式（１か所あたり１回のみの照射）を採用すると、１層目の粒子層１１に対して高出力のレーザー光Ｌを照射する必要が生じる。ところが、このような方法を採用すると、１層目の粒子層１１を形成する砂のうち、粒径の大きいものはその上部が、また、粒径の小さいものは全体が揮発する恐れがある。

【0029】

そこで、１層目の粒子層１１に設定した照射予定領域Ｅを、レーザー出力Ｐ＝２００ｗ程度のレーザー光Ｌでマルチパス方式により照射し、溶融凝固する方法を採用する。マルチパス方式とは、図５（ｂ）で示すように、レーザー光Ｌの照射径に相当する幅を有し、Ｘ方向に延在する照射ラインＰを幅方向（Ｙ方向）にズレ量Ａだけずらしながら重ねていくことで、１層目の粒子層１１における同じ位置に、レーザー光Ｌを複数回照射させる方式である。

【0030】

また、マルチパス方式を採用するにあたり、１層目の粒子層１１における同じ領域に対してレーザー光Ｌを照射するごとに、１層目の粒子層１１の伝熱期間を設ける。伝熱期間は、１層目の粒子層１１の表面にレーザー光Ｌを照射することにより供給した熱が、底面に至るまでに要する時間を確保することが好ましく、照射前の温度まで低下しない期間を適宜設定する。

【0031】

これにより、１層目の粒子層１１には、表面に熱が供給される期間と、供給された熱を１層目の粒子層１１の底面まで伝導させ、１層目の粒子層１１全体の温度を一様に上昇させる期間とが、交互に設けられることとなる。

【0032】

そして、上記のレーザー光Ｌの照射経路２０は、Ｘ方向に延在する複数の照射ラインＰのうち、先行と後行の照射ラインＰにおける、照射幅方向（Ｙ方向）のズレ量Ａを決定することにより、設定することができる。

【0033】

＜ズレ量Ａの算定方法＞
マルチパス方式により１層目の粒子層１１の表面を、レーザー光Ｌで照射する際、Ｘ方向に延在する先行と後行の照射ラインＰにおける幅方向（Ｙ方向）のズレ量Ａの決定方法を、以下に説明する。

【0034】

まず、１層目の粒子層１１に対する１回の照射により付与可能なエネルギー密度Ｅｄを、下記の（１）式に基づいて算定する。走査速度ｖ＝１０００ｍ/ｓｅｃ、レーザー出力Ｐ＝２００Ｗと仮定し、走査ピッチｗ＝１ｍｍ、積層ピッチｈ＝１．７５ｍｍを代入すると、照射１回あたりのエネルギー密度Ｅｄ＝０．１１４Ｊ/ｍｍ³となる。

【0035】

Ｅｄ＝Ｐ／（ｗ×ｈ×ｖ） ・・ ・・・・・・・・・・・・・・（１）
Ｅｄ：エネルギー密度（Ｊ/ｍｍ³）
Ｐ ：レーザー出力（Ｗ）
ｗ ：走査ピッチ（照射径：ｍｍ）
ｈ ：積層ピッチ（ｍｍ）
ｖ ：走査速度（ｍｍ/ｓｅｃ）

【0036】

次に、照射１回あたりの１層目の粒子層１１の上昇温度ΔＴを、以下の（２）式に基づいて算定する。エネルギー密度Ｅｄ＝０．１１４Ｊ/ｍｍ³、石英の材料比熱γ＝０．７１及び材料密度ｄ＝２．６５×１０^-3ｇ/ｍｍ³を代入すると、上昇温度ΔＴ＝６１℃となる。

【0037】

ΔＴ＝Ｅｄ／（γ×ｄ） ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
Ｅｄ：エネルギー密度（Ｊ/ｍｍ³）
γ ：材料比熱（Ｊ/ｇＫ）
ｄ ：材料密度（ｇ/ｍｍ３）

【0038】

１層目の粒子層１１を形成する砂は、前述したように石英を多く含んでおり、石英の融点は１７１３℃で沸点は２２３０℃である。そこで、１層目の粒子層１１において同じ領域を伝熱期間を挟みながら繰り返し照射した場合に、１７１３～２２３０℃の範囲まで温度上昇させるために、必要な照射回数を上昇温度ΔＴに基づいて算定する。

【0039】

融点を超えるには２９回（１７１３℃/６１℃）、また、沸点近傍まで上昇させるには３７回（２２３０℃/６１℃）程度、同じ場所を繰り返し照射する必要がある。このとき、１層目の粒子層１１の温度が沸点を超えると、揮発が生じて製作後の３次元焼成物５０の品質に影響を及ぼしかねない。したがって、１層目の粒子層１１の温度を上昇させるべく照射回数を決定する際には、１層目の粒子層１１に揮発が生じるような温度に到達しないよう調整する。

【0040】

そこで、本実施の形態では、マルチパス方式を採用するにあたり安全を考慮し、同一個所を３５回繰り返し照射することとした。そして、照射ラインＰの幅は照射径Ｗに相当し、その大きさは上述したように１ｍｍである。

【0041】

したがって、走査速度ｖ＝１０００ｍ/ｓｅｃ、レーザー出力Ｐ＝２００Ｗと仮定した場合の、走査ピッチｗ＝１ｍｍのレーザー光Ｌの照射経路２０は、レーザー光Ｌを照射予定領域ＥのＸ方向に移動させたのち、Ｙ方向にズレ量Ａ＝０．０２８ｍｍ（１ｍｍ/３５回）だけ移動させる。こののち再度、レーザー光Ｌを照射予定領域ＥのＸ方向に移動させる、といった動作を照射予定領域Ｅ全体を網羅するよう繰り返す経路となる。

【0042】

上記の算定方法により決定した照射経路２０に沿って、１層目の粒子層１１に設けた照射予定領域Ｅにレーザー光Ｌを照射する。すると、図５（ｂ）で示すように、照射予定領域Ｅにおける３５回の照射が繰り返された位置以降のＹ方向の領域は、表面から底面に至るまで温度が、２１３５℃（６１℃×３５回）程度まで上昇した状態となる。

【0043】

このように、１層目の粒子層１１の溶融に必要なエネルギー密度Ｅｄの熱を複数回に分けて、伝熱期間を挟みつつ１層目の粒子層１１の表面に供給する。すると、粒径が大きいとともに一様でなく、さらには熱伝導率が低い砂よりなる１層目の粒子層１１に対して、表面に熱集中させることなく底面に至るまで一様に加熱し温度上昇させ、効率よく溶融凝固させることができる。

【0044】

なお、３次元焼成物５０を製作する範囲は、照射予定領域Ｅにおいてレーザー光Ｌが３５回照射した範囲内に設定されている。また、１層目の粒子層１１に対して１回の照射により付与するエネルギー密度Ｅｄは、レーザー出力Ｐ及び走査速度ｖを変更することで、適宜調整することが可能である。

【0045】

＜２層目の粒子層１２の溶融凝固工程＞
溶融凝固工程が終了したのちの１層目の粒子層１１には、照射予定領域Ｅに図６（ａ）で示すような、砂どうしが凝結した凝固体１１１が形成された状態となる。したがって、これら凝固体１１１の隙間を埋めるようにして、図６（ｂ）で示すように、１層目の粒子層１１と同様に砂を敷き均し、２層目の粒子層１２を形成する。

【0046】

こののち、図７（ａ）で示すように、１層目の粒子層１１の溶融凝固工程と同様の手順により、２層目の粒子層１２にレーザー光Ｌを照射し、図７（ｂ）で示すように、２層目の粒子層１２を構成していた砂どうしが凝結した凝固体１２１を形成する。こうすると、１層目の粒子層１１の凝固体１１１と２層目の粒子層１２の凝固体１２１との間に多少の隙間が形成されるものの、両者は強固に溶融凝固される。

【0047】

上記の工程を図８で示すように、所望の高さに到達するまで繰り返すことにより、砂を溶融凝結した３次元焼成物５０を製作することができる。

【0048】

上記の方法によれば、粒子層１０に揮発を生じることなく、所望の密度を維持した高品質な３次元焼成物５０を製作することが可能となる。また、粒子層１０を予熱する必要がなく、成形に型枠も不要なため、レーザー光Ｌを照射するのみの簡略な構成で、所望の形状を有する３次元焼成物５０を容易に製作することが可能となる。

【0049】

さらに、レーザー光Ｌを照射ラインＰに沿って１回照射したことによる粒子層１０の上昇温度Δｔに基づいて、粒子層１０における３次元焼成物５０となる領域を照射する回数を決定することから、粒子層１０を溶融するために必要なエネルギー密度Ｅｄの熱を、無駄なくかつ効率よく供給しつつ、短期間で３次元焼成物５０を製作することが可能となる。

【0050】

＜圧縮強度試験＞
上述する製作方法に基づいて、砂を素材として製作した３次元焼結物５０について、一軸圧縮強度試験を実施した結果を図９に示す。

【0051】

実験には、溶融凝固する素材として石英を多く含む大沢石の粉砕物を採用した。大沢石の粉砕物は、あらかじめ粒度分布を調整し、３次元焼成物の製作方法で例示した粒子層１０を構成する砂と同様で、図４で示すように、粒度が数μｍから２ｍｍ程度の範囲であって破線で囲まれた領域近傍に沿うように分布している。また、一軸圧縮強度を測定する供試体の作成方法は、以下のとおりである。

【0052】

大沢石の粉砕物を円形状に撒き出して粒子層を形成し、外周縁から中心に向けて、渦巻き状にレーザー光Ｌを照射する。この作業を複数層にわたって繰り返し、所定の高さを有する供試体を製作する。供試体は、図９（ｂ）で示すように、層厚（積層ピッチｈ）、掃引速度（走査速度ｖ）、レーザー出力Ｐ等を適宜変化させて、７種類作成し、それぞれ供試体密度と一軸圧縮強度を算定した。なお、レーザー光Ｌの掃引速度は、円形状に撒き出した粒子層に対して外周縁から中心に進むにつれて上昇させるよう調整し、粒子層の温度上昇が外縁部と中心部で一様になるようにした。

【0053】

図９（ｂ）について、各供試体の圧縮強度を見ると、例えば、供試体番号４では、圧縮強度が、ＪＩＳ普通れんが２種（１５Ｎ/ｍｍ²）と同程度の１４．９Ｎ/ｍｍ²まで発現している様子がわかる。また、図９（ａ）を見ると、供試体密度と圧縮強度との間に相関が認められ、供試体の密度を高めることにより圧縮強度が高まる様子がわかる。

【0054】

これにより、図８で示すような３次元焼成物５０を製作するにあたり、粒子層１０を形成する際の砂の撒き出し方法やレーザー光Ｌの照射条件（例えば、レーザー出力Ｐ、掃引速度（走査速度）ｖ等）等を適宜調整し、凝固体１１１、１２１間の隙間をより小さくして密度を高めれば、圧縮強度はさらに向上するものと想定できる。

【0055】

本発明の土質材料を用いた３次元焼成物の製作方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【0056】

例えば、本実施の形態では素材として、石英を多く含む砂を採用したが、これに限定するものではない。土質材料であれば、砂、礫、礫混じりの砂、砂混じりの礫等いずれでもよく、また、含まれる鉱物も何ら限定されるものではない。また、レーザー光Ｌの照射経路２０を設定する際のズレ量Ａも、採用する砂の融点及び沸点等を考慮し適宜設定すればよい。

【0057】

さらに、本実施の形態では、照射経路２０を設定するに際し、照射ラインＰがＸ方向へ直線状に延在する場合を事例に挙げたが、これに限定されるものではなく、円弧状もしくはらせん状等いずれに設定してもよい。

【符号の説明】

【0058】

１０ 粒子層
１１ １層目の粒子層
１１１ 凝固体
１２ ２層目の粒子層
１２１ 凝固体
２０ 照射経路
３０ 粉末層
３１ １層目の粉末層
３２ ２層目の粉末層
４１ レーザー発生装置
４２ スキャナー
５０ ３次元焼成物
Ｓ ステージ
Ｌ レーザー光
Ｐ 照射ライン
Ｃ チャンバー
Ｅ 照射予定領域（３次元焼成物となる領域）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】