特許 7468858 粉末層の形成方法および形成装置

(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】2024-04-08

(45)【発行日】2024-04-16

(54)【発明の名称】粉末層の形成方法および形成装置

(51)【国際特許分類】

   B22F 3/16 20060101AFI20240409BHJP

   B29C 64/165 20170101ALI20240409BHJP

   B29C 64/214 20170101ALI20240409BHJP

   B29C 64/393 20170101ALI20240409BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240409BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240409BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20240409BHJP

【ＦＩ】

B22F3/16

B29C64/165

B29C64/214

B29C64/393

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y50/02

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020011441

(22)【出願日】2020-01-28

(65)【公開番号】P2021116462

(43)【公開日】2021-08-10

【審査請求日】2023-01-10

(73)【特許権者】

【識別番号】518089159

【氏名又は名称】株式会社ナノシーズ

(73)【特許権者】

【識別番号】516356815

【氏名又は名称】加藤 欽之

(73)【特許権者】

【識別番号】518087915

【氏名又は名称】株式会社ＥｘＯｎｅ

(73)【特許権者】

【識別番号】302066375

【氏名又は名称】株式会社パシフィックソーワ

(74)【代理人】

【識別番号】100096884

【弁理士】

【氏名又は名称】末成 幹生

(72)【発明者】

【氏名】島田 泰拓

(72)【発明者】

【氏名】加藤 欽之

【審査官】長谷部 智寿

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－００３１４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０２０３０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１５７２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５１３５７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１００４３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１９４６７８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ １／００－ ８／００

Ｂ２９Ｃ ６４／００－６４／４０

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｂ３３Ｙ ３０／００

Ｂ３３Ｙ ５０／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

粉末供給手段により原料粉末を供給して１層の粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記１層の粉末層の表面を平坦化手段で平坦化する平坦化工程と、を備える粉末層の形成方法であって、
第１次工程として、前記粉末層形成工程と前記平坦化工程を行った後に、粉末層の表面粗さを測定する第１次表面粗さ測定工程を行い、その表面粗さ測定値が所定値を上回っている場合、該表面粗さ測定値が所定値以下となるまで、前記粉末層の表面をさらに平坦化させる平坦化促進工程と、前記第１次表面粗さ測定工程と、を繰り返すフィードバック制御を行い、
表面粗さ測定の回数が所定回数を超えた場合に運転を停止することを特徴とする粉末層の形成方法。

【請求項2】

前記平坦化促進工程は、前記平坦化手段による粉末層の表面の平坦化であって、該平坦化手段の運転条件の変更であることを特徴とする請求項１に記載の粉末層の形成方法。

【請求項3】

前記平坦化手段はローラであり、前記運転条件は、該ローラの回転数および送り速度のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項２に記載の粉末層の形成方法。

【請求項4】

前記平坦化手段はスキージであり、前記運転条件は、該スキージの送り速度であることを特徴とする請求項２に記載の粉末層の形成方法。

【請求項5】

前記平坦化促進工程は、原料粉末の動的特性の改質を行うことを特徴とする請求項１に記載の粉末層の形成方法。

【請求項6】

前記第１次工程において前記表面粗さ測定値が所定値以下となったら、第２次工程として、前記粉末層形成工程と前記平坦化工程とを繰り返して、多層の粉末層を積層する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の粉末層の形成方法。

【請求項7】

前記第２次工程において、前記平坦化工程と前記粉末層形成工程との間に、積層粉末層の表面の表面粗さを測定する第２次表面粗さ測定工程を行い、その表面粗さ測定値が所定値を上回っている場合、所定の処理を行うことを特徴とする請求項６に記載の粉末層の形成方法。

【請求項8】

前記原料粉末は、金属粉末、セラミックス粉末、樹脂粉、医薬品原料粉、食品原料粉のうちの少なくともいずれか一つであって、その粒子径が１～１０００μmであることを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の粉末層の形成方法。

【請求項9】

原料粉末を層状に供給して粉末層を形成する粉末供給手段と、
前記粉末層の表面を平坦化する平坦化手段と、を備え、
前記粉末供給手段による原料粉末の供給と、前記平坦化手段による粉末層の表面の平坦化を繰り返し行って多層の粉末層を形成する粉末層の積層装置であって、
平坦化された前記粉末層の表面粗さを測定する表面粗さ測定手段と、
前記表面粗さ測定手段の測定値が入力されるとともに、その測定値に応じて前記平坦化手段の運転条件を制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、前記平坦化手段の運転条件を、入力される表面粗さ測定値が所定値以下になるようにフィードバック制御し、かつ、前記表面粗さ測定手段による測定値の入力回数が所定回数を超えた場合に運転を停止することを特徴とする粉末層の形成装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、三次元物体成形技術などに用いて好適な粉末層の形成方法および形成装置に関する。

【背景技術】

【0002】

積層造形法による三次元物体の成形法として、原料粉末（金属粉末、セラミックス粉末、樹脂粉末、医薬品原料粉末、食品原料粉末等）をパウダーベッド上に積層しながら、１層を積層（リコートと称する）するごとにレーザビームや電子ビームあるいはＬＥＤ収束光をその１層の原料粉末に向けて選択的に照射して直接焼結することを繰り返して、焼結部分を結合させ目的の三次元形状として得る選択的焼結法や、積層した原料粉末にバインダを選択的に吐出して原料粉末とバインダとの結合体を造形し、この後その結合体を焼結して三次元の焼結体を得るバインダジェット法による焼結体の製造方法が提案、開発され、実用化が図られている（特許文献１、２等参照）。

【0003】

このような粉末積層による三次元の造形技術においては、ホッパー等によりパウダーベッド上に供給した原料粉末をローラやスキージ等により平坦化し薄層状の１層を積層する積層装置が用いられる。原料粉末の１層の厚さは、一般的には５０～３００μｍであり、装置の仕様によって適切な厚さが設定されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００５－１２０４７５号公報

【文献】特開２０１４－５２２３３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

粉末積層造形に用いられる原料粉末は、パウダーベッド上に均質で緻密な状態、すなわち密度が均一、かつ高密度で整然とした配列状態で積層されることが焼結体の品質向上の面から望ましい。そのためには、流動性等の動的特性が優れた原料粉末の使用が必要になる。しかし、原料粉末の中には、付着性が高く、ハンドリングの難しい材料が多く存在する。粉末積層造形において、造形体の内部構造は、１層ごとに積層される粉末層の状況に大きく左右される。

【0006】

例えば、敷き詰めた原料粉末の表面が荒れた状態になれば、その影響を受けた状態で、さらに上方に原料粉末が積層されることになり、内部構造が不規則で粗密な状況となってしまう。このように、積層される粉末層の状況は造形体の品質に密接に関与する。しかしながら、使用する原料によって粉末特性は様々であるにも関わらず、現状は装置オペレータ自身の経験や勘、過去の実績等に従って運転条件を決め、さらには目視にて表面状態を確認する等、何ら定量的な測定値を用いて、運転条件を決定することはなかった。

【0007】

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、均質で緻密な状態に粉末層を形成することを、人手に頼ることなく高精度かつ定常的に行うことができる粉末の形成方法および形成装置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】

【0008】

均質で緻密な構造を持つ粉末造形体を得るためには、リコートする1層の粉末層も同様に均質で緻密な構造が必要となる。本発明者は、リコートにより形成された粉末層の表面粗さをリアルタイムでレーザ変位計等の粗さ測定手段により測定することにより、粉末層の均質さと緻密さを評価できることを見出した。

【0009】

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、粉末層の形成方法としては、粉末供給手段により原料粉末を供給して１層の粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記１層の粉末層の表面を平坦化手段で平坦化する平坦化工程と、備える粉末層の形成方法であって、第１次工程として、前記粉末層形成工程と前記平坦化工程を行った後に、粉末層の表面粗さを測定する第１次表面粗さ測定工程を行い、その表面粗さ測定値が所定値を上回っている場合、該表面粗さ測定値が所定値以下となるまで、前記粉末層の表面をさらに平坦化させる平坦化促進工程と、前記第１次表面粗さ測定工程と、を繰り返すフィードバック制御を行行い、表面粗さ測定の回数が所定回数を超えた場合に運転を停止することを特徴とする。

【0010】

本発明において、前記平坦化促進工程は、前記平坦化手段による粉末層の表面の平坦化であって、該平坦化手段の運転条件の変更であることを特徴とする。

【0011】

本発明において、前記平坦化手段はローラであり、前記運転条件は、該ローラの回転数および送り速度のうちの少なくとも一つであることを特徴とする。

【0012】

本発明において、前記平坦化手段はスキージであり、前記運転条件は、該スキージの送り速度であることを特徴とする。

【0013】

本発明において、前記平坦化促進工程は、原料粉末の動的特性の改質を行うことを特徴とする。

【0014】

本発明は、前記第１次工程において前記表面粗さ測定値が所定値以下となったら、第２次工程として、前記粉末層形成工程と前記平坦化工程とを繰り返して、多層の粉末層を積層する工程をさらに備えることを特徴とする。

【0015】

本発明は、前記第２次工程において、前記平坦化工程と前記粉末層形成工程との間に、積層粉末層の表面の表面粗さを測定する第２次表面粗さ測定工程を行い、その表面粗さ測定値が所定値を上回っている場合、所定の処理を行うことを特徴とする。

【0016】

本発明において、前記原料粉末は、金属粉末、セラミックス粉末、樹脂粉、医薬品原料粉、食品原料粉のうちの少なくともいずれか一つであって、その粒子径が１～１０００μｍであることを特徴とする。

【0017】

本発明の粉末層の形成装置は、原料粉末を層状に供給して粉末層を形成する粉末供給手段と、前記粉末層の表面を平坦化する平坦化手段と、を備え、前記粉末供給手段による原料粉末の供給と、前記平坦化手段による粉末層の表面の平坦化を繰り返し行って多層の粉末層を形成する粉末層の形成装置であって、平坦化された前記粉末層の表面粗さを測定する表面粗さ測定手段と、前記表面粗さ測定手段の測定値が入力されるとともに、その測定値に応じて前記平坦化手段の運転条件を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記平坦化手段の運転条件を、入力される表面粗さ測定値が所定値以下になるようにフィードバック制御し、かつ、前記表面粗さ測定手段による測定値の入力回数が所定回数を超えた場合に運転を停止することを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、均質で緻密な状態に粉末層を形成することを、人手に頼ることなく高精度かつ定常的に行うことができる粉末層の形成方法および形成装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施形態に係る粉末層の形成装置を概略的に示すブロック図である。

【図2】一実施形態に係る粉末層の形成装置により原料粉末を供給し、粉末層の表面を平坦化する状況を示す断面図である。

【図3】一実施形態に係る粉末層の形成方法および形成装置を用いて三次元焼結体を成形する工程を模式的に示す図である。

【図4】一実施形態に係る粉末層の形成方法および形成装置を用いて三次元焼結体を成形する方法を示すフローチャートである。

【図5】平坦化手段をスキージに代えた粉末層の形成装置の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、一実施形態に係る粉末層の形成装置１を概略的に示すブロック図である。図１に示すように、形成装置１は、ホッパー（粉末供給手段）１２と、ローラ（平坦化手段）１３と、インクジェットディスペンサ１４と、制御部（制御手段）２０と、表面粗さ測定装置（表面粗さ測定手段）３０と、を備えている。また、図２に示すように、形成装置１は、パウダーベッド１１を備えている。制御部２０は、ホッパー１２、ローラ１３、インクジェットディスペンサ１４および表面粗さ測定装置３０の動作を制御する。

【0021】

図２に示すように、形成装置１は、所定の面積を有する水平にセットされたパウダーベッド１１上に、ホッパー１２から原料粉末Ｐを自然落下させつつ供給して敷き詰め、所定厚さの１層の粉末層ＰＬを形成する。粉末層ＰＬは、図２に示すように、ホッパー１２と連動して移動するローラ１３により表面が加圧されることで、平坦、かつ均一な厚さになるよう均される。１層の粉末層ＰＬの厚さは例えば４０～５０μｍ程度とされるが、概ね１００μｍ以下の範囲で適宜に設定される。

【0022】

ローラ１３の回転数は、例えば０～２０００ｒｐｍ程度で調整可能とされる。原料粉末Ｐの付着力が高く流動性が低い場合は、比較的高速で回転させたローラ１３で均すことで粉末層ＰＬの表面粗さを低減することができる。また、ローラ１３の送り速度は、０～６００ｍｍ／ｓ程度まで制御が可能である。ローラ１３の送り速度を速くすると、原料粉末Ｐの付着力が高い場合は、粉末層ＰＬの表面が波状になる傾向があるため、低速でローラ１３を移動させることにより粉末層ＰＬの表面の平滑度が高くなる。しかし、ローラ１３の送り速度は、使用する原料粉末Ｐによってそれぞれの適正値が存在し、これを的確に適用する条件を探索するために、粉末層ＰＬの表面粗さを指標とする。ローラ１３の運転条件である回転速度および送り速度は、制御部２０で制御される。

【0023】

表面粗さ測定装置３０は、粉末層ＰＬの表面粗さを測定するものである。表面粗さ測定装置３０の種類は限定されないが、本実施形態では非接触式のレーザ変位計を用いて表面を走査する形式のものが用いられる。表面粗さ測定装置３０はシーケンサを具備し、レーザ変位計からデータを受け取り、表面粗さＲａを瞬時に割り出す。表面粗さの指標はＲａに限るものではなく、Ｒｚ等でもよい。表面粗さ測定装置３０のレーザ変位計は、移動ステージ（不図示）により移動しながら、上方から粉末層ＰＬの表面を走査する。表面粗さを取得する範囲は、積層面の全面が好ましいが、例えば代表的な場所で５０ｍｍ程度でもよい。レーザ変位計は、レーザを暴露しても安全性が担保されるクラス２以下のものを使用することが望ましく、レーザの出力ワット数は、１ｍＷ以下が望ましい。

【0024】

一般にレーザ変位計は、センサヘッドから対象物までの距離が長いほど分解能が低下する傾向があるので、粉末層ＰＬの表面までの距離とレーザ変位計の精度はトレードオフの関係となる。分解能としては、例えば０．１μｍ程度のものが用いられる。また、レーザ変位計は、スポットレーザ光を放射して直線状のデータを取得する形式であってもよく、一定幅のラインレーザ光を放射して走査することで面としてのデータを取得する形式（インラインプロファイル測定器等）であってもよい。

【0025】

レーザ変位計を移動ステージで駆動させる測定開始のタイミングは、ローラ１３がパウダーベッド１１の端部に達した際に位置を感知する光電センサによりタイミングを得るようにするとよい。表面粗さデータは、例えば０．１ｍｍごとに検出され、複数点の測定を行い、測定後にＲａ値が計算される。ディスプレイに表面粗さ測定値が即時に表示され、良好（所定値以下）であるかが即時に判断できるようになっていると好ましい。表面粗さ測定装置３０の動作は、制御部２０で制御される。

【0026】

図３は、形成装置１を用いて、バインダジェット法により三次元物体を積層造形し、造形した目的形状の結合体を焼結して焼結体を成形する方法の工程を模式的に示している。図４は、制御部２０による制御動作例を示すフローチャートである。

【0027】

まず、図３により、形成装置１の動作を説明する。はじめに、図３（Ａ）に示すように、パウダーベッド１１上に、ホッパー１２から原料粉末Ｐを供給し、所定厚さの１層の粉末層ＰＬを形成（リコート）する。粉末層ＰＬは、ローラ１３により表面が加圧され均される。次に、図３（Ｂ）に示すように、粉末層ＰＬの表面粗さを、表面粗さ測定装置３０のレーザ変位計からレーザＬを照射して測定する。表面粗さ測定装置３０により測定された表面粗さ測定値が所定値以下であった場合には、図３（Ｃ）に示すように、粉末層ＰＬに、インクジェットディスペンサ１４からバインダＢを選択的に吐出させる。バインダＢの吐出を受けた部分の原料粉末ＰはバインダＢによって結合し硬化する。インクジェットディスペンサ１４は、目的とする三次元の焼結体の形状に応じた三次元データに基づき制御部２０により制御されて、粉末層ＰＬ上を駆動させられる。

【0028】

次に、選択的にバインダＢで結合させられた最初の粉末層ＰＬの上に、再びホッパー１２から原料粉末Ｐを供給するとともにローラ１３で平坦化し、２層目の粉末層ＰＬを積層する。次いで、２層目の粉末層ＰＬに、インクジェットディスペンサ１４からバインダＢを選択的に吐出させ、原料粉末をバインダＢによって結合させる。このように、選択的にバインダＢによる結合部分が形成された粉末層ＰＬ上に原料粉末Ｐを積層（リコート）して次の粉末層ＰＬを形成し、次いでその粉末層ＰＬにバインダＢを選択的に吐出させるという工程を多数回繰り返して、多層の粉末層ＰＬの内部に、バインダＢと原料粉末Ｐとの結合体Ｇを造形する（図３（Ｄ）に示す）。一体の三次元結合体を造形するため、上下に隣接して重畳する粉末層ＰＬは少なくとも部分的にバインダＢの供給部分が重畳して互いに結合し、これにより上下に連続する結合体Ｇが造形される。

【0029】

次に、図３（Ｅ）に示すように、上記結合体Ｇを粉末層ＰＬの内部から取り出す。結合体Ｇを粉末層ＰＬの内部から取り出すには、結合体Ｇを囲んでおりバインダＢが印刷されておらず結合されていない積層された原料粉末Ｐを、例えば吸入ノズルを用いて吸入するなどの方法で除去することができる。バインダＢで結合されていない原料粉末Ｐの除去方法はこれに限られず適宜方法が選択される。次いで、取り出した結合体Ｇを所定の焼結条件で焼結し、焼結体を得る。

【0030】

ここで、具体的な原料粉末ＰおよびバインダＢを例示する。
［原料粉末］
原料粉末は、微細な原料粉末中に、流動化剤として、超微粒子のＳｉＯ_２粉末、ＴｉＯ粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末のうちの一種、または２種以上の混合粉末を微量添加したものとする。

【0031】

・原料粉末
原料粉末としては、金属粉末またはセラミックス粉末が用いられる。金属粉末としては、ステンレス、高速度鋼、ニッケル基耐熱鋼、低炭素鋼等の粉末冶金や金属射出成形法（ＭＩＭ：Metal Injection Molding）等で使用されている粉末全般が挙げられる。また、セラミックス粉末としては、アルミナや炭化ケイ素等が挙げられる。また、樹脂材料としてナイロン等が挙げられ、さらに他の原料粉末としては、医薬品や食品に用いられる粉末が挙げられる。

【0032】

原料粉末の粒度は、その粒子径が１～１０００μmとされるが、この範囲の中では、平均粒径が５～２５μｍのものが好適に用いられる。例えば、金属粉末の場合、５μｍ未満では、微細粉末の均質な流動性と積層状態を得ることが困難であり、２５μｍ超では、バインダジェット法で得た三次元の粉末成形体を通常の金属粉末の焼結温度で焼結した場合において、焼結密度が工業的に要求される９５％以上を確保しにくいという理由からである。この範囲中では、５～１５μｍが好ましく、７～１０μｍがさらに好ましい。例えば－２２μｍと表記される平均粒径が１０μｍ程度の粉末、あるいは－１５μｍと表記される平均粒径が７．５μｍ程度の粉末が市販されており、これらが好適であって入手可能である。例えば、平均粒径が１０μｍ（－２２μｍ）のＳＵＳ３１６Ｌは、原料粉末として好適とされる。

【0033】

・流動化剤
本発明の流動化剤の粒度は、一次粒子径が７～４０ｎｍのものが用いられる。これは、７ｎｍ未満では、粒子の凝集が生じて原料粉末との混合時に均質な分散状態が得られず、４０ｎｍ超では、製造する上で球状のナノ粒子が不規則化するため原料粉末に対する潤滑効果が低下するという理由からである。この範囲中では、７～３０ｎｍが好ましく、１０～２０ｎｍがさらに好ましい。本発明の流動化剤としては、上記のようにＳｉＯ_２粉末、ＴｉＯ粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末のうちの一種、または２種以上の混合粉末が用いられ、これらはいずれのものも同等の効果を示す。

【0034】

流動化剤の上記原料粉末に対する添加量は、０．０１～０．１５ｗｔ％とされる。これは、０．０１ｗｔ％未満では、流動性を改善させる効果がなく、０．１５ｗｔ％超では、積層時にホッパーからの適切な切り出しができず流体状となってホッパーから流失し、適切な積層、ひいては成形が不可能になるおそれがあるからである。この範囲中では、０．０２～０．０７ｗｔ％が好ましく、０．０２５～０．０５ｗｔ％がさらに好ましい。なお、流動化剤の添加は任意であってもよく、場合によっては添加が省略される。

【0035】

［バインダ］
バインダは、エチレングリコールを１０～２５％含む混合溶液や、エチレングリコールモノブチルエーテルを２．５～１０％含む混合溶液等が用いられるが、これらに限定はされず、適宜なものが選択される。

【0036】

（１）制御
次に、図４を参照して、制御部２０による制御動作の一例を説明する。

【0037】

（１－１）第１次工程
はじめに、パウダーベッド１１上に、ホッパー１２から原料粉末Ｐを供給し、所定厚さの１層の粉末層ＰＬを形成（リコート）する（ステップＳ１：粉末層形成工程）。また、粉末層ＰＬを、ローラ１３により表面を加圧して均す（ステップＳ２：平坦化工程）。次に、粉末層ＰＬの表面粗さ（Ｒａ）を、表面粗さ測定装置３０により測定し（ステップＳ３：表面粗さ測定工程）、表面粗さ測定値が所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ４）。ここで、表面粗さの所定値は制限されないが、例えば、１０μｍ、５μｍ、１μｍといった値が挙げられる。

【0038】

ステップＳ４で表面粗さ測定値が所定値以下であると判断された場合は、粉末層ＰＬにインクジェットディスペンサ１４からバインダＢが選択的に吐出される（ステップＳ６）。

【0039】

ステップＳ４で表面粗さ測定値が所定値以下ではない（所定値を上回っている）と判断されると、表面粗さ測定の回数が所定回数をオーバーしているか否かが判断され（ステップＳ５）、オーバーしていない場合はステップＳ２に戻り、粉末層表面平坦化として平坦化促進工程が行われる。平坦化促進工程では、粉末層ＰＬの表面をさらに平坦化させる動作が行われる。ここでは、ローラ１３の運転条件の変更、具体的には、ローラ１３の回転数および送り速度のうちの少なくとも一つを行う。

【0040】

例えば、制御部２０は、ローラ１３の回転数および送り速度の双方の設定値を、表面粗さＲａを微細にするためにはどのように調整すればよいかを、シーケンサのプログラムにより解析し、ローラ１３の回転数および送り速度を適宜変更して、表面粗さ測定値が低減して所定値以下になるように制御する。

【0041】

例えば、表面粗さを微細にする動作としては、ローラ１３の回転数を増加させたり、ローラ１３の送り速度を減少させたりすることが挙げられる。原料粉末Ｐが、流動性が低く、かつ付着力が高い場合には、標準的な運転条件よりもローラ１３の回転数を上げ、ローラ１３の送り速度を減少させることで、平滑化を促進できる。

【0042】

原料粉末Ｐの種類によって流動性や付着性が異なるため、リアルタイムで表面粗さを測定しながらフィードバック制御を行い、平滑な表面を得られる運転条件を得る。

【0043】

ステップＳ５で表面粗さ測定の回数が所定回数をオーバーしていると判断されたら、ここで形成装置１の運転が一旦停止され、原料粉末Ｐの変更による材料の表面改質などの工程を加える。表面粗さ測定の所定回数は限定されないが、例えば５回程度とされる。

【0044】

このように第１次工程では、粉末層ＰＬの表面粗さ測定値が所定値以下となるまで、粉末層ＰＬの表面をさらに平坦化させる平坦化促進工程と、第１次表面粗さ測定工程とを繰り返すフィードバック制御を行い、規定回数の試行制御（リトライ）を経ても、表面粗さ測定値が所定値以下とならない場合には、材料の表面改質などの工程を加えることで、均質で平滑なリコート面を得ることができる。

【0045】

（１－２）第２次工程
バインダＢの吐出を受けた部分の原料粉末ＰはバインダＢによって結合し硬化する。次に、選択的にバインダＢで結合させられた２層目の粉末層ＰＬの上に、ホッパー１２から原料粉末Ｐを供給し（ステップＳ７）、表面をローラ１３で平坦化する（ステップＳ８）。次いで、粉末層ＰＬの表面粗さ（Ｒａ）を表面粗さ測定装置３０で測定し（ステップＳ９：第２次表面粗さ測定工程）、表面粗さ測定値が所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０）。

【0046】

ステップＳ１０で表面粗さ測定値が所定値以下であると判断された場合は、バインダＢが吐出され（ステップＳ１１）、次いで、次のバインダ吐出が最後の吐出であるか否かが判断される（ステップＳ１２）。そして、最後でない場合はステップＳ７に戻り、ステップＳ７～Ｓ１２が繰り返される。すなわち、バインダ吐出と原料粉末Ｐの供給による粉末層ＰＬの積層、表面粗さ測定と表面粗さ測定値の判断が繰り返され、内部に結合体Ｇが形成されつつ多層の粉末層ＰＬが積層される。

【0047】

ステップＳ１２でバインダ吐出が最後であったと判断されると、第２次工程を終了する。この後は上述したように結合体Ｇが粉末層ＰＬの内部から取り出される。

【0048】

さて、ステップＳ１０で表面粗さ測定値が所定値以下ではない（所定値を上回っている）と判断される場合がある。その場合は、第２次ステップＳ９での第２次表面粗さ測定の回数が所定回数をオーバーしているか否かが判断され（ステップＳ１３）、オーバーしていない場合はステップＳ８に戻り、ローラ１３によって粉末層ＰＬの表面の平坦化が再度なされる。ステップＳ８でのローラ１３の運転条件は、変更せずに繰り返し行ってもよいし、上記第１次工程で行ったような平坦化促進工程を行ってもよい。

【0049】

ステップＳ１３で第２次表面粗さ測定の回数が所定回数をオーバーしていると判断されたら、ここで形成装置１の運転が停止される。ステップＳ９での表面粗さ測定の所定回数は限定されないが、例えば５回程度とされる。第２次工程での一時的な停止は、何らかのトラブルによるものと考えられ、原料ロスの防止や品質担保につながる重要な機能となる。

【0050】

以上が形成装置１を用いたバインダジェット法による三次元形状の焼結体の成形方法である。以下、本実施形態に係る粉末層の形成方法および形成装置１の効果について説明する。

【0051】

本実施形態の粉末層の形成方法は、ホッパー１２により原料粉末Ｐを供給して１層の粉末層ＰＬを形成する粉末層形成工程と、１層の粉末層ＰＬの表面をローラ１３で平坦化する平坦化工程と、を備え、第１次工程として、最初の粉末層形成工程と平坦化工程を行った後に、粉末層ＰＬの表面粗さを測定する第１次表面粗さ測定工程を行い、その表面粗さ測定値が所定値を上回っている場合、該表面粗さ測定値が所定値以下となるまで、粉末層ＰＬの表面をさらに平坦化させる平坦化促進工程と、第１次表面粗さ測定工程とを繰り返すフィードバック制御を行う。

【0052】

これにより、均質で緻密な状態に粉末層ＰＬを形成することを、人手に頼ることなく高精度かつ定常的に行うことができる。

【0053】

上記平坦化促進工程は、ローラ１３による粉末層ＰＬの表面の平坦化であって、該ローラ１３の運転条件の変更である。運転条件は、具体的にはローラ１３の回転数および送り速度のうちの少なくとも一つである。これにより、粉末層ＰＬの表面をさらに平坦化させることを適格に行うことができ、その結果、フィードバック制御を効率的に行うことができる。

【0054】

本実施形態では、第１次工程での第１次表面粗さ測定工程における表面粗さ測定値が所定値以下となったら、第２次工程として、粉末層形成工程と平坦化工程とを繰り返して、多層の粉末層ＰＬを積層する工程をさらに備える。第１次工程で形成された粉末層ＰＬの表面粗さは所定値以下となって所定の平滑な状態が確保されているため、その粉末層ＰＬの上に積層されて多層化される粉末層ＰＬも、均質で緻密な状態となる。その結果、粉末層ＰＬにバインダＢを吐出して得られる結合体Ｇならびに結合体Ｇの焼結体は、高い品質を示す。

【0055】

本実施形態では、第２次工程において、平坦化工程と粉末層形成工程との間に、積層粉末層（粉末層ＰＬ）の表面の表面粗さを測定する第２次表面粗さ測定工程を行い、その表面粗さ測定値が所定値を上回っている場合、所定の処理を行う。本実施形態では、所定の処理として、第２次表面粗さ測定工程を複数回行って、その測定回数が所定回数をオーバーすると、運転を停止する。これにより、第２次工程で所定の表面粗さが得られない場合は、自動的に運転が安全に停止される。なお、本実施形態では停止の処理を行うとしているが、停止の前に警告を発するなどの処理を行うようにしてもよい。

【0056】

本実施形態では、原料粉末Ｐは、金属粉末またはセラミックス粉末からなる無機粉末または有機粉末であって、その粒子径が１～１０００μmである。これにより、表面粗さが微細で適切な粉末層ＰＬを得やすい。

【0057】

本実施形態に係る粉末層の形成装置１は、原料粉末Ｐを層状に供給して粉末層ＰＬを形成するホッパー１２と、粉末層ＰＬの表面を平坦化するローラ１３と、を備え、ホッパー１２による原料粉末Ｐの供給と、ローラ１３による粉末層ＰＬの表面の平坦化を繰り返し行って多層の粉末層ＰＬを形成するものであって、平坦化された粉末層ＰＬの表面粗さを測定する表面粗さ測定装置３０と、表面粗さ測定装置３０の測定値が入力されるとともに、その測定値に応じてローラ1３の運転条件を制御する制御部２０と、を有し、制御部２０は、ローラ１３の運転条件を、入力される表面粗さ測定値が所定値以下になるようにフィードバック制御する。

【0058】

本実施形態の形成装置１によれば、図４のフローチャートのようにして多層の原料粉末層ＰＬを形成する方法を好適に実施することができる。

【0059】

図５は、ローラ１３に代えてスキージ１９を平坦化手段として備えた積層装置１の変形例を示している。スキージ１９は、ホッパー１２と一体でもよく、ホッパー１２と分離し単独に作動するように構成されていてもよい。スキージ１９は、その下端が原料粉末層ＰＬの表面を掻くことにより原料粉末層ＰＬを平坦、かつ均一な厚さになるよう均す。

【0060】

平坦化手段としてスキージ１９を採用した場合、制御部２０が制御するスキージ１９の運転条件は送り速度である。送り速度を低速とすることで、平坦化が促進される。

【0061】

以上が本発明の実施形態であるが、本発明は当該実施形態に制限されず、本発明の範囲内であればいかなる形態の変更が可能である。

【0062】

例えば、平坦化促進工程は、原料粉末Ｐの動的特性の改質であってもよい。具体的には、上記流動化剤の追加や変更などが挙げられる。また、流動化剤を元々使用しなかった場合には、流動化剤を適宜に添加することが平坦化促進工程となる。

【0063】

制御部２０の制御としては、第１次工程で得られたローラ１３の運転条件の信用性が高い場合は、図４に示すフローチャートのステップＳ９、ステップＳ１０を省略し、原料粉末Ｐの供給の後にバインダＢを吐出するようにしてもよい。また、第１次工程において第１次表面粗さ測定での表面粗さ測定値が所定値以下である場合が続く際を考慮し、第２次工程と同様に測定回数の上限を決めておき、その測定回数をオーバーしたら、装置の停止や警告を発する等の処理を行うようにしてもよい。

【0064】

また、原料粉末Ｐの種類に合わせて、ローラ１２を、原料粉末Ｐに対する表面摩擦係数が低いものを選択することで、より効率的に表面粗さを低減させ、円滑にリコートを実施することができる。例えば、粉体層せん断力測定装置など用いて、ＪＩＳ－Ｚ８８３５に準じる試験を行い原料粉末Ｐの壁面摩擦係数を取得し、より摩擦係数の低い表面のローラを採用することで、より効率的に粉末層の表面を平坦化することができる。

【産業上の利用可能性】

【0065】

本発明は、三次元物体成形技術において粉末積層体を形成する際に用いて好適な粉末層の形成方法および形成装置である。

【符号の説明】

【0066】

１…積層装置、１１…パウダーベッド、１２…ホッパー（粉末供給手段）、１３…ローラ（平坦化手段）、１４…インクジェットディスペンサ、１９…スキージ（平坦化手段）、２０…制御部（制御手段）、３０…表面粗さ測定装置（表面粗さ測定手段）、Ｂ…バインダ、Ｇ…結合体、Ｐ…原料粉末、ＰＬ…原料粉末層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】