CN102939177B - 三维形状造型物的制造方法及由此得到的三维形状造型物 - Google Patents

Abstract

一种三维形状造型物的制造方法，其特征在于，反复进行如下工序：（i）对粉末层的规定部位照射光束，使所述规定部位的粉末烧结或熔融固化而形成固化层的工序；以及（ii）在所得到的固化层上形成新的粉末层，对所述新的粉末层的规定部位照射光束而进一步形成固化层的工序，在反复实施工序（i）和工序（ii）时，在固化层中配置加热器元件，由此在三维形状造型物的内部设置所述加热器元件。

Description

三维形状造型物的制造方法及由此得到的三维形状造型物

技术领域

本发明涉及三维形状造型物的制造方法以及三维形状造型物。更详细地讲，本发明涉及通过反复实施对粉末层的规定部位照射光束而进行的固化层形成来制造使多个固化层层叠一体化而成的三维形状造型物的方法，还涉及通过该方法得到的三维形状造型物。

背景技术

以往，已知有对材料粉末照射光束来制造三维形状造型物的方法（一般称作“粉末烧结层叠法”）。在该方法中，反复进行“（i）通过对粉末层的规定部位照射光束，使该规定部位的粉末烧结或熔融固化而形成固化层，（ii）在所得到的固化层上铺设新的粉末层并同样地照射光束进而形成固化层”这样的工序来制造三维形状造型物（参照专利文献1或专利文献2）。作为材料粉末，在使用了金属粉末或陶瓷粉末等无机质的材料粉末的情况下，能够将所得到的三维形状造型物用作模具，在使用了树脂粉末或塑料粉末等有机质的材料粉末的情况下，能够将所得到的三维形状造型物用作模型。根据这种制造技术，能够以短时间制造复杂的三维形状造型物。

以在支承部件上制造三维形状造型物的情况为例，如图1所示，首先，在造型物支承部件21上形成规定厚度t1的粉末层22（参照图1（a））。接着，将光束向粉末层22的规定部位照射，从该被照射的粉末层的部分开始形成固化层24。然后，在所形成的固化层24上铺设新的粉末层22并再次照射光束而形成新的固化层。若反复实施这样的固化层的形成，则能够得到层叠一体化有多个固化层24的三维形状造型物（参照图1（b））。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:特表平1－502890号公报

专利文献2:特开2000－73108号公报

发明的概要

发明要解决的课题

三维形状造型物能够用作模具，在使用了模具的注塑成形中，在“模具具有2处以上浇口时”或者“虽然是1处浇口但在填充路径中途具有将液流分离的模腔形状时”的情况下，在模具模腔内能够得到2个树脂原料流。该2个树脂原料流合流的面被称作“熔痕（或熔接线）”。若产生该熔痕，则为了隐藏熔痕而需要对得到的成形品进行涂装，或者，起因于由熔痕引起的外观不合格而根本不能够作用成形品来使用。关于这种熔痕，不拘于特定理论，可以想到如下等产生原因：（1）由于树脂流路内的空气或由树脂产生的气体被压缩并滞留，而使得树脂彼此接合不完全；（2）由于流动中的树脂的前端部接触空气而被冷却，因此2个树脂原料流合流时不易混合。

为了防止熔痕的产生，需要使用多孔的销，或通过销插入来进行通气，或者在模具中形成蒸汽回路等来进行加热，模具构造变得复杂，设计一般很困难。这是因为，在这样的模具中必须利用螺栓紧固等将例如温度调节用部件和排气部件连接。

本申请的发明人已经发明出了“埋设包含具有贯通的中空部的温度控制块的埋设用部件而构成的三维形状造型物的模具”（参照特开2000－190086号公报）。然而，本申请的发明人进行了专心研究，结果得知，在该模具中就熔痕产生防止这一点未必能够获得满足。之所以这样说，是因为在特开2000－190086的模具中只不过是在埋设用部件的内部空间内设置了温度调节元件，是因为在其内部空间内的空气的热传导率非常低。

发明内容

本发明是鉴于这样的情况而做出的。即，本发明的课题在于提供一种三维形状造型物，该三维形状造型物能够用作模具，并且特别适合防止熔痕产生。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，在本发明提供一种三维形状造型物的制造方法，其特征在于，反复进行如下工序：

（i）对粉末层的规定部位照射光束，使该规定部位的粉末烧结或熔融固化而形成固化层的工序；以及

（ii）在所得到的固化层上形成新的粉末层，对该新的粉末层的规定部位照射光束而进一步形成固化层的工序，

在反复实施工序（i）和工序（ii）时，在固化层中配置加热器元件，由此在三维形状造型物的内部设置加热器元件。

本发明的制造方法的特征之一在于，考虑三维形状造型物的用途，将加热器元件设置在三维形状造型物的内部。具体地说，在本发明中，在反复实施工序（i）和工序（ii）的过程中的任意点处将加热器元件配置在固化层中，然后，继续形成更多的固化层。

本说明书所述的“加热器元件”实质上是指发热体，例如如盘管式等那样若通电则发热的元件。

此外，本说明书所述的“在固化层中配置加热器元件”实质上是指在已经形成的固化层的一部分区域中设置加热器元件。特别是，在本发明中，意思是指以与固化层直接接触的形态设置加热器元件。

进而明确起见来说明，在本说明书中，“粉末层”实质上是指例如“由金属粉末构成的金属粉末层”。此外，“粉末层的规定部位”实质上是指所制造的三维形状造型物的区域。因此，通过对存在于该规定部位的粉末照射光束，使该粉末烧结或熔融固化而构成三维形状造型物的形状。另外，“固化层”在粉末层为金属粉末层的情况下相当于“烧结层”，“固化密度”相当于“烧结密度”。

在某个优选形态中，在造型物支承部件上实施工序（i）以及（ii）。即，在造型物支承部件上实施粉末层以及固化层的形成。在该情况下，优选的是，作为加热器元件而使用盘管式加热器，经由设于支承部件的开口部，在固化层中配置盘管式加热器。另外，本说明书所述的“造型物支承部件”实质上是指成为所制造的造型物的底座的部件。特别是在优选形态中，“造型物支承部件”是指在造型台上配设的板状或长方体状的部件（关于“造型台”，请参照后述）。作为造型物支承部件的材质，没有特别限制，能够列举出从钢、超硬合金、高速度工具钢、合金工具钢、不锈钢以及机械构造用碳素钢中选择的至少1种以上的材质。

在某个优选形态中，在形成于层叠化的固化层的槽部中配置加热器元件。在该情况下，优选的是，对槽部实施切削加工，对实施了该切削加工后的槽部面配置加热器元件。

此外，优选的是，在配置加热器元件之后在槽部中填充低熔点金属粉末材料。在该情况下，对该低熔点金属粉末材料照射光束，利用所得到的固化部件来填埋槽部。在该形态中，针对低熔点金属粉末材料的光束照射优选以比向粉末层的光束照射低的能量来进行。此外，针对低熔点金属粉末材料的光束照射优选的是，随着远离加热器元件而使照射能量逐渐变大。而且，优选在由低熔点金属粉末材料形成固化部件之后，对固化部件及/或固化层进行用于形成平面的切削加工。

在本发明中，还提供利用上述的制造方法得到的三维形状造型物。本发明的三维形状造型物内置有加热器元件，能够适当地用作模具。作为加热器元件的优选的内置方式，例如能够列举出以下方式：

·与作为被导入模具的模腔部的原料树脂所最终或最后到达的模腔区域相接近地内置加热器元件的方式。

·在模具中与形成有薄壁成形部的模腔区域相接近地设置加热器元件的方式。

·与模具的浇口部相接近地设置加热器元件的方式。

发明效果

在本发明的制造方法中，在实施粉末烧结层叠法时，能够将加热器元件适当地埋设在造型物中。特别是，能够在考虑到最终的用途的基础上在造型物的任意的局部区域中简单地设置加热器元件。

具体地说，在假定将三维形状造型物用作模具的情况下，能够仅在可能产生“熔痕”的区域的附近配置加热器元件，因此，能够有效地防止树脂成形时的熔痕产生。关于该点，在以往的模具中，一般以在三维形状造型物内通过的方式在中空状流路中流动流动性制热剂，由于中空状流路的设置路径而存在模具整体被加热的趋势，而不是仅对需要的局部区域（例如可能产生熔痕的点）进行加热。在以往的模具中，若假定对局部区域设置加热元件的情况，则模芯侧或模腔侧的模具需要由2个部件来构成，需要在一个部件中配置加热元件之后由另一个部件作为盖并通过紧固部件进行固定，因此，部件数变多而构造变复杂。相对于这种以往的形态，在本发明的制造方法中，在逐步形成的过程中将加热器元件配置在固化层上，因此，部件数本身没有特别增加，并且，加热器元件的设置区域的制约比较少，能够在所需的局部区域中适当地设置加热器元件（由于对加热器元件的设置部位的制约较少，因此，能够适当地组合排气部及冷却管，能够更有效地防止熔痕）。

本发明的三维形状造型物能够适当地用作模具。特别由于仅在期望的局部区域中设置发热元件，并且，以与模具结构件直接接触的形态设置发热元件，因此，实现了在“温度控制效率”、“响应性”等方面优选的模具。此外，如上所述，对加热器元件的设置部位的制约较少，排气部及冷却管也能够设置在期望区域中，因此，鉴于该点可以说实现了在“温度控制效率”、“响应性”方面优选的模具。

附图说明

图1是示意地表示光造型复合加工机的动作的截面图。

图2是示意地表示光造型装置的形态的立体图（图2（a）：具备切削机构的复合装置，图2（b）：不具备切削机构的装置）。

图3是示意地表示进行粉末烧结层叠法的形态的立体图。

图4是示意地表示实施粉末烧结层叠法的光造型复合加工机的结构的立体图。

图5是光造型复合加工机的动作的流程图。

图6是按时间经过表示光造型复合加工工序的示意图。

图7是示意地表示本发明的制造方法的概念的图（图7（a）：加热器元件的设置；图7（b）：加热器元件的设置后；图7（c）：层叠化结束）。

图8是示意地表示本发明的制造方法的工序的图（设置加热器元件之前的形态）。

图9是示意地表示本发明的制造方法的工序的图（设置加热器元件时的形态）。

图10是示意地表示在层叠化的固化层中形成的槽部的形态的图。

图11是示意地表示造型物支承部件的形态的立体图。

图12是示意地表示将残留在开口部的金属粉末吸出的形态的图。

图13是示意地表示本发明的制造方法的工序的图（加热器元件的设置后的形态）。

图14是示意地表示形成用于填埋槽部的固化部的形态的图（图14（a）：固化部形成的概念图；图14（b）：通过光束照射来一次性形成固化部的形态；图14（c）：分成多层来形成固化部的形态）。

图15是示意地表示对槽部进行切削加工的形态的图。

图16是示意地表示在槽部形成多孔状固化部的形态的图。

图17是表示烧结密度（视密度）与热传导率之间的相关关系的图表。

图18是示意地表示用于形成平面的切削加工的形态的图。

图19是示意地表示排气部的形成的工序的图。

图20是示意地表示排气部的其他方式的图。

图21是示意地表示冷却管的设置形态的图。

图22是示意地表示冷却管的设置形态的立体图。

图23是示意地表示使用了本发明的模具进行树脂成形的操作形态的图。

标记说明

1光造型复合加工机

2粉末层形成机构

3光束照射机构

4切削机构

8休谟管（hume）

19粉末/粉末层（例如金属粉末/金属粉末层）

19’低熔点金属粉末/低熔点金属粉末层

20造型台

21造型物支承部件

22粉末层（例如金属粉末层或树脂粉末层）

22’残留的金属粉末

23挤压（squeezing）用刀片

24固化层（例如烧结层）或由此得到的造型物

24b多孔状烧结部

24c加强用的梁部件

24d管状的路径

24d’管状的路径

24A固化层的上表面

25粉末台

26粉末材料箱的壁部分

27造型箱的壁部分

28粉末材料箱

29造型箱

30光束振荡器

31电镜

40铣头

41XY驱动机构

50腔室

52透光窗或透镜

60吸引机

70加热器元件（例如盘管式加热器）

70a盘管式加热器的发热部

70b盘管式加热器的驱动部

80形成于固化层的槽部

80A固化部的上表面

80a填埋槽部的固化部

80b多孔状固化部

80c由低熔点金属粉末材料形成的固化部

90a、90b造型物支承部件的开口部、固化层的开口部

L光束

具体实施方式

以下，参照附图更详细地说明本发明。

［粉末烧结层叠法］

首先，说明作为本发明的制造方法的前提的粉末烧结层叠法。为了便于说明，以从材料粉末箱供给材料粉末、使用疏砂板刮平材料粉末来形成粉末层的形态为前提，来说明粉末烧结层叠法（另外，附带说明，即便是不具备切削机构的图2（b）所示的形态也能够实现本发明）。此外，以在粉末烧结层叠法时也一并进行造型物的切削加工的复合加工的形态为例进行说明（换句话说，不是以图2（b）而是以图2（a）所示的形态为前提）。在图1、3以及4中示出了能够实施粉末烧结层叠法和切削加工的光造型复合加工机的功能及结构。光造型复合加工机1主要具备：“粉末层形成机构2，以规定厚度来铺设金属粉末，由此形成粉末层”；“造型台20，在外周被壁27包围的造型箱29内沿上下进行升降”；“造型物支承部件21，成为配设在造型台20上的造型物的底座”；“光束照射机构3，对任意的位置照射光束L”；以及“切削机构4，对造型物的周围进行切削”。粉末层形成机构2如图1所示，主要具有：“粉末台25，在外周被壁26包围的材料粉末箱28内沿上下进行升降”；以及“疏砂板23，用于在造型物支承部件上形成粉末层22”。光束照射机构3如图3以及图4所示，主要具有“产生光束L的光束振荡器30”和“使光束L在粉末层22上扫描（scanning）的电镜（galvano-mirror）31（扫描光学系统）”。根据需要，在光束照射机构3中配设有对光束光斑的形状进行修正的光束形状修正机构（例如具有一对柱面透镜和使该透镜绕着光束的轴线旋转的旋转驱动机构而构成的机构）、fθ透镜等。切削机构4主要具备“对造型物的周围进行切削的铣头40”和“使铣头40向切削部位移动的XY驱动机构41（41a、41b）”（参照图3以及图4）。

参照图1、图5以及图6来详细描述光造型复合加工机1的动作。图5示出了光造型复合加工机的一般的动作流程。图6示意地简单示出了光造型复合加工工序。

光造型复合加工机的动作主要包括：形成粉末层22的粉末层形成步骤（S1）；对粉末层22照射光束L而形成固化层24的固化层形成步骤（S2）；和对造型物的表面进行切削的切削步骤（S3）。在粉末层形成步骤（S1）中，首先使造型台20下降Δt1（S11）。接着，使粉末台25上升Δt1之后，如图1（a）所示，使疏砂板23沿箭头A方向移动。由此，将配设于粉末台25的粉末（例如“平均颗粒直径5μm～100μm程度的铁粉”）向造型物支承部件21上移送（S12）并且将其刮平成规定厚度Δt1而形成粉末层22（S13）。接下来，移至固化层形成步骤（S2），从光束振荡器30发出光束L（例如二氧化碳气体激光（500W程度）、Nd：YAG激光（500W程度）、纤维激光（500W程度）或紫外线等）（S21），通过电镜31使光束L在粉末层22上的任意位置进行扫描（S22）。由此，使粉末熔融、固化而形成与造型物支承部件21一体化的固化层24（S23）。光束不限于在空气中进行传递，也可以由光纤等进行传送。

在固化层24的厚度成为根据铣头40的工具长度等求出的规定厚度之前反复进行粉末层形成步骤（S1）和固化层形成步骤（S2），对固化层24进行层叠（参照图1（b））。另外，新层叠的固化层在烧结或熔融固化时，与构成已形成的下层的固化层一体化。

若层叠的固化层24的厚度成为规定厚度，则移至切削步骤（S3）。在图1及图6所示那样的形态下，通过驱动铣头40来开始切削步骤的实施（S31）。例如，在铣头40的工具（球头端铣刀）为直径1mm、有效刀刃长度3mm的情况下，能够进行深度3mm的切削加工，因此，如果Δt1为0.05mm，则在形成了60层固化层的时刻驱动铣头40。通过XY驱动机构41（41a、41b）使铣头40沿箭头X及箭头Y方向移动，对由层叠的固化层24构成的造型物的表面进行切削加工（S32）。然后，在三维形状造型物的制造仍未完成的情况下，返回粉末层形成步骤（S1）。以后，反复进行S1至S3，层叠更多的固化层24，由此，进行三维形状造型物的制造（参照图6）。

固化层形成步骤（S2）中的光束L的照射路径和切削步骤（S3）中的切削加工路径，预先根据三维CAD数据制作。此时，应用等高线加工来决定加工路径。例如，在固化层形成步骤（S2）中，使用对由三维CAD模型生成的STL数据以等节距（例如将Δt1设为0.05mm的情况下以0.05mm节距）进行切片而形成的各截面的轮郭形状数据。

［本发明的制造方法］

本发明在上述的粉末烧结层叠法中也具有特征，特别是在层叠化的过程中的工序中具有特征。具体地说，特征在于，在固化层形成的反复实施时，将加热器元件70设置在固化层24中（参照图7（a）～（c））。在本发明中，能够在固化层的任意部位安设加热器元件，因此，在最终得到的三维形状造型物中，能够在其内部的期望部位设置加热器元件。这样得到的三维形状造型物能够用作树脂成形用的模具，加热器元件设置于局部并且以与模具结构件直接接触的方式设置，因此，对于熔痕防止特别有效。

以下，参照图8～图13来按照时间经过说明本发明的制造方法。本发明所使用的金属粉末是以铁系粉末为主成分的粉末，根据情况不同也可以是还含有从由镍粉末、镍系合金粉末、铜粉末、铜系合金粉末以及石墨粉末等构成的组中选择出的至少1种粉末而成的粉末（作为一例，能够举出如下的金属粉末，该金属粉末中，平均颗粒直径20μm程度的铁系粉末的配合量为60～90重量％，镍粉末及镍系合金粉末的双方或任意一方的配合量为5～35重量％，铜粉末及/或铜系合金粉末的双方或任意一方的配合量为5～15重量％，并且石墨粉末的配合量为0.2～0.8重量％）。另外，金属粉末不限于这种铁系粉末，还可以是铜系粉末或铝粉末。进而附带而言，如果将三维形状造型物用作模具以外的用途，还可以是塑料粉末或陶瓷粉末。

在实施本发明时，首先，如图8（a）所示，使用疏砂板23等在造型物支承部件21上形成金属粉末层22。接着，如图8（b）所示。对该金属粉末层22照射光束L，由金属粉末层22形成烧结层24。金属粉末层22及烧结层24的厚度没有特别限制，可以是例如为0.02mm～0.5mm程度，优选为0.02mm～0.2mm程度。若反复实施这样的烧结层24的形成（参照图9（a）），则逐渐形成期望的造型物，在规定的时刻暂时使烧结层24的形成停止。然后，如图9（b）所示，对目前为止形成的固化层24配置加热器元件70。

作为加热器元件70，没有特别限制，优选使用盘管式加热器。在此所述的“盘管式加热器”实质上是指具有能够弯曲成螺旋状的挠性发热部的加热器元件。在本发明中，例如图9（b）所示，优选对层叠化的固化层的槽部80配置盘管式加热器70的发热部70a。

层叠化的固化层的槽部80能够通过在形成烧结层24时分成照射光束的部位和不照射光束的部位来形成。换句话说，在金属粉末层22中，想要设置槽部80的粉末区域不被照射光束而维持粉末状态，最后，将该区域部分的粉末除去，而得到槽部80。

槽部80的形状没有特别限制，根据“所使用的盘管式元件的方式”、“盘管式元件设置的形态”等选择适当的形状即可。在使用盘管式加热器的情况下，如图10所示，也可以是圆环状或环状的槽部80。在该情况下，如图9（b）所示，优选通过使挠性的发热部70a弯曲而沿着槽部配置盘管式加热器。在图示那样的圆环状或环状的槽部80的情况下，可以是槽部的宽度尺寸w为0.1～5mm程度、槽部的高度尺寸h为0.1～5mm程度（参照图10）。

在此，盘管式加热器70在设置于槽部80的情况下，优选经由“造型物支承部件21”以及“烧结层24”的开口部90a、90b来进行设置（“开口部”请参照图10）。具体地说，将盘管式加热器70的发热部70a从造型物支承部件21的开口部90a（特别是开口部的下侧入口90a’）插入，然后向烧结层24的开口部90b插入。由此，最终能够相对于槽部从下侧导入盘管式加热器70的发热部70a。在盘管式加热器中，发热部70a能够可挠性地弯曲，因此，在经过了开口部90a、90b后也最终也能够沿着槽部80的形状适当地设置。在这样设置盘管式加热器时，作为造型物支承部件21，如图11所示，使用预先设置有开口部90a的结构即可（例如在金属制的造型物支承部件21的情况下，能够通过钻头加工等机械加工形成开口部90a）。此外，关于烧结层24的开口部90b，与槽部80的形成同样，能够通过在形成烧结层24时分成照射光束的部位和不照射光束的部位来形成。换句话说，在金属粉末层22中，与开口部90b相当的粉末区域不被照射光束而维持粉末状态，最后将该区域部分的粉末除去，而得到开口部90b。烧结层的开口部90b如图10所示，优选形成为与造型物支承部件21的开口部90a和槽部80这双方相连通。由此，有助于经由开口部顺畅地配置盘管式加热器70。

经由开口部90a、90b的盘管式元件70的配置，在将烧结层和造型物支承部件的一体化物从材料粉末箱暂时取出后再进行较好。由此，能够容易地除去在开口部90a、90b中积存的金属粉末。在除去金属粉末时，如图12所示，根据需要，也可以通过使用吸引机60等来进行将残留于开口部90a、90b的金属粉末22吸出的操作。

在将加热器元件70配置于槽部80之后，重新开始烧结层24的形成。换句话说，再次反复进行金属粉末层的铺设及光束的照射（参照图13（a）以及（b））。具体地说，首先，填埋槽部80，然后，与上述同样地反复实施“基于疏砂板等的金属粉末层的形成”以及“基于光束照射的烧结层24的形成”。通过经过以上的操作，最终得到在所需位置配设有加热器元件的三维形状造型物。

另外，优选的是，在配置加热器元件之后，在填埋槽部80时，利用形成金属粉末层时使用的疏砂板等在槽部中填充金属粉末后，对该填充的金属粉末照射光束L（参照图14（a））。若对填充于槽部的金属粉末照射光束，则该金属粉末固化（即烧结而形成固化部80a），因此，适当地填埋了槽部80。此时，可以一次性对填充于槽部的金属粉末赋予光束照射（图14（b））。或者，分成多层地形成填充于槽部的金属粉末，对各个层分别进行光束照射（图14（c））。

上述的形态只是示例了本发明的应用范围中的典型例。本发明不限于此，可以是各种变更形态。以下详细描述各种变更形态。

（槽部的切削加工）

图15示出了“槽部的切削加工”的形态。在该形态中，在固化层的槽部中配置加热器元件之前，对槽部80实施切削加工。由此，改善了表面粗糙度，因此，提高了在槽部中配置的加热器元件与槽部之间的紧贴性。若提高了加热器元件的紧贴性，即加热器元件与槽部面的接触率提高，则在三维形状造型物的最终用途中，来自加热器元件的热能够高效地向三维形状造型物传递。另外，在此，本说明书所述的“切削加工”是指使用工具对三维形状造型物进行切削，实质上特别是指用于将三维形状造型物的表面凹凸除去的操作。

所使用的切削加工机构只要是能够进行表面切削即可，可以是任意的切削加工机构。例如，能够使用上述的光造型复合加工机的切削加工机构（例如参照图2（a））。换言之，切削加工机构可以是通用的数值控制（NC：NumericalControl）工作机械或与其相当的机构。优选为能够自动更换端铣刀等切削工具的加工中心（MC）。端铣刀例如主要使用超硬材料的双刃球头端铣刀。也可以根据需要，使用平头端铣刀、圆角端铣刀、钻头等。

通过对槽部实施表面切削加工，能够改善该槽部的表面粗糙度。例如，能够使实施过表面切削加工的部位的表面粗糙度Rz优选为10μm以下、更优选为5μm以下、进一步优选为0.1μm以下。在此“表面粗糙度Rz”是指在粗糙度曲线（本发明中为“槽部表面的截面形状轮廓（profile）”）中从平均线“至最高的峰顶部的高度”和“至最低的谷底部的深度”相加而得到的粗糙度尺度。

（多孔状固化部的形成）

图16示出了“多孔状固化部”的形态。在该形态中，在槽部80中填充了金属粉末之后，对该填充的金属粉末照射低能量的光束，形成用于填埋槽部80的多孔状的固化部80b（即“粗糙状态的烧结部”）。即，使对填充于槽部80的金属粉末照射的光束的输出能量较低而使烧结密度不充分，形成烧结密度例如大约为40％～90％的固化部（三维形状造型物的烧结层24的烧结密度约为90～100％程度）。通过这样形成多孔状固化部，能够有效地防止光束对加热器元件的损伤。在此，本说明书所述的“烧结密度（％）”实质上是指通过对造型物的截面照片进行图像处理而求出的烧结截面密度（金属材料的占有率）。所使用的图像处理软件为ScionImagever.4.0.2（免费软件），将截面图像二值化成烧结部（白）和空孔部（黑）之后，对图像的全部像素数Px_all及烧结部（白）的像素数Px_white进行计数，由此能够通过以下的式1来求出烧结截面密度ρ_S。

［式1］

${\mathrm{\ρ}}_S=\frac{{\mathrm{Px}}_{\mathrm{white}}}{{\mathrm{Px}}_{\mathrm{all}}}\×100(\%)$

另外，本申请的发明人经过专心研究，结果发现，在这样形成多孔状的固化部的情况下，该部分的热传导率依然很高，来自加热器元件的热高效地向造型物传递。关于该点，请参照图17（请留意烧结密度约为40％～90％的固化层能够相当于图17的图表中的“视密度ρ”6500～7500kg/m³）。换句话说，在形成了多孔状的固化部的情况下，该部分的导热效率也不会降低，因此，能够将最终得到的三维形状造型物适当地用作模具用途。

多孔状固化部80b除了能够通过（a）降低光束的输出能量来形成之外，还能够通过（b）提高光束的扫描速度、（c）加宽光束的扫描节距、（d）增大光束的聚光直径等来形成。上述（a）～（d）可以单独进行，也可以组合各种来进行。另外，就上述（a）而言，例如通过将光束的照射能量密度E设为约2～3J/mm²，能够形成烧结密度约为70～80％程度的多孔状固化部。另外，能量密度E＝激光输出（W）/（扫描速度（mm/s）×扫描节距（mm）（制造条件例如为，粉末的层叠厚度：0.05mm、激光的种类：CO₂（二氧化碳气体）激光、光斑直径：0.5mm。在以下的说明中也一样）。

（低熔点金属粉末材料的填充）

该形态是作为在配置了加热器元件后的槽部80中填充的金属粉末，使用了低熔点金属粉末材料的形态。换句话说，在图14（a）～（c）的形态中，在槽部80中填充低熔点金属粉末，对该填充后的槽部照射光束，由此由低熔点金属粉末来形成固化部80c。在本说明书中，“低熔点金属粉末材料”中的“低熔点”实质上是指比在形成对三维形状造型物的本体部成形的固化层时使用的金属粉末低的熔点，例如是指100℃～1000℃程度的熔点。若示例这种低熔点金属粉末材料，能够列举出包含有从由铜合金、铝合金、锡粉等锡系合金及铟系合金等构成的组中选择出的至少1种合金而成的粉末。

在使用低熔点金属粉末材料的形态中，能够以能量比烧结层形成时低的光束来形成用于填埋槽部80的固化部80c，因此，能够防止加热器元件70的损伤。换句话说，与形成烧结层24时相比使光束的输出能量较低地形成用于填埋槽部80的固化部80c。这样，除了通过（a）降低光束的输出能量之外，通过（b）提高光束的扫描速度、（c）加宽光束的扫描节距、（d）增大光束的聚光直径，也能够以能量比烧结层形成时低的光束来形成用于填埋槽部80的固化部80c。上述（a）～（d）可以单独进行，也可以组合各种来进行。另外，就上述（a）而言，例如相对于以照射能量密度E为4～15J/mm²程度的光束来形成烧结层24，优选通过照射能量密度E约为0.1～4J/mm²的光束来形成用于填埋槽部80的固化部80c。

另外，在使用低熔点金属粉末材料的形态中，优选使对低熔点金属粉末材料照射的光束的能量随着远离加热器元件而逐渐变大。具体地说，如图14（c）所示，在分多层形成填充于槽部的低熔点金属粉末而按各个层分别进行光束照射的情况下，越靠近上方的层则越提高光束的能量密度E是优选的。由此，能够进一步防止光束照射对加热器元件的损伤，并且，能够有效地增加用于填埋槽部的固化部的热传导率。虽然只是示例，但在将填充于槽部的低熔点金属粉末分成1～10层的情况下，将对最下层的光束的能量密度E设为0.1～2J/mm²程度，与此相对将对最上层的光束的能量密度E设为1～4J/mm²程度，对于中间层，以一定间隔（例如0.2～0.5J/mm²程度）使能量密度E阶段性地上升。

（用于形成平面的切削加工）

图18示出了“用于形成平面的切削加工”的形态。在该形态中。在由金属粉末或低熔点金属粉末形成了用于填埋槽部80的固化部80a、80c之后，实施切削加工以使固化部的上表面80A与最上烧结层的上表面24A位于同一个面上（换句话说，在形成了用于填埋槽部的固化部的情况下，由于粉末层的厚度不同因而烧结面会不平整，所以，在烧结状态稳定之前强制性地实施平面精加工）。所使用的切削加工机构只要是能够实现“位于同一个面”，即能够形成平坦的面即可，可以是任意的切削加工机构。例如，能够使用上述的光造型复合加工机的切削加工机构。换言之，用于形成平面的切削加工机构可以是通用的数值控制（NC：NumericalControl）工作机械或与其相当的切削加工机构。优选为能够自动更换端铣刀等切削工具的加工中心（MC）。端铣刀例如主要使用超硬材料的双刃球头端铣刀。也可以根据需要，使用平头端铣刀、圆角端铣刀、钻头等。

这样，通过以使固化部的上表面80A与最上烧结层的上表面24A位于同一个面的方式实施切削加工，能够适当地进行在设置加热器元件后所进行的粉末层形成，进而能够适当地进行以后的烧结层形成。

（排气部的形成）

图19示出了“排气部的形成”的形态。在该形态中，在将三维形状造型物用作模具时为了能够进行“排气”，而形成多孔状的固化部分24b。该多孔状的固化部分24b例如是烧结密度为70～80％程度的部分。该多孔状的固化部分24b除了能够通过（a）降低光束的输出能量来形成之外，还能够通过（b）提高光束的扫描速度、（c）加宽光束的扫描节距、（d）增大光束的聚光直径等来形成。上述（a）～（d）可以单独进行，也可以各种组合来进行。另外，就上述（a）而言，通过将光束的照射能量密度E设为例如2～3J/mm²程度，能够使烧结密度为约70～80％程度，能够获得多孔状的固化部分24b。

多孔状的固化部分24b可以与盘管式加热器相邻接地设置，也可以例如图19所示那样设置在盘管式加热器的发热部70a的内侧区域。此外，在如图20所示那样，形成比较的薄的多孔状的固化部分24b的情况下，也可以构成为在其底侧形成“加强用的梁部件24c”来对多孔状的固化部分24b进行支承的形态。另外，这种多孔状的固化部分24b仅供“排气”，因此优选与树脂成形时原料树脂最后到达的区域、例如2个树脂原料流合流的模腔内区域相接近地设置（将三维形状造型物用作模具的情况）。

在设置有加热器元件并形成了多孔状的固化部分24b的三维形状物中，在成形时能够进行局部的加热和模腔内的排气，因此，能够更有效地防止熔痕的产生。

（冷却管的形成）

图21及图22示出了“冷却管的形成”的形态。在该形态中，在将三维形状造型物用作模具时为了使“冷却液”流动，而在造型物中形成管状路径24d。该管状路径24d能够通过在形成烧结层24时分成照射光束的部位和不照射光束的部位来形成。换句话说，在金属粉末层中，想要设置管状路径24d的粉末区域不被照射光束维持粉末状态，最后将该区域部分的粉末除去，由此能够形成中空部分。另外，如图21及图22所示，在将与造型物支承部件21一体化的造型物24用作模具的情况下，优选在造型物支承部件21中也设置管状路径24d’。

若这样设置有加热器元件并形成管状路径24d，则能够更有效地进行模具的温度调整，能够适当地进行例如防止熔痕产生、以及成形时的冷却工序。另外，在图21及图22所示的形态中，形成有加热器元件及管状路径24d，并且还形成有多孔状固化部分24b。在该形态中，在成形时进行局部的加热和模腔内的排气而有效地防止熔痕产生，而且，能够高效地进行之后的冷却工序。

［本发明的三维形状造型物］

接下来，说明利用上述的制造方法得到的本发明的三维形状造型物。本发明的三维形状造型物内置有加热器元件，以便能够用作模芯侧或模腔侧的模具。特别是，在本发明的模具中局部地内置有加热器元件，因此，能够有效地对其附近的模腔面进行加热。作为本发明中的加热器元件的内置方式，可以想到各种。以下，详细描述其代表例。

（与熔接线产生区域/最终填充区域相接近的内置方式）

在该方式中，加热器元件内置于在树脂成形时原料树脂最后到达的位置（最终填充位置·熔接线产生位置）的附近。换言之，与向模腔部导入的原料树脂最终到达的区域相接近地内置有加热器元件。在此，在本说明书中，“相接近地内置有加热器元件”是指，加热器元件位于从成为对象的区域离开约0.5～20mm的位置的形态。

在该方式中，树脂成形时原料树脂最后到达的区域（例如2个树脂原料流合流的模腔内区域）被局部地加热，因此，能够有效地防止熔痕产生。

另外，在本发明的模具的特别优选的形态中，排气用的多孔状固化部分24b（参照图21及图22）也与加热器元件相邻地设置，由此，能够更有效地防止熔痕产生。

（与薄壁成形部相接近的内置方式）

在该方式中，与相当于成形品的壁厚·厚度较薄的部位的模腔区域相接近地内置有加热器元件。一般而言，在相当于薄壁部位的模腔区域，原料树脂不易流动，在本发明的模具中，与该区域相接近地设置加热器元件。因此，能够对该区域局部地加热，作为其结果，能够提高原料树脂的流动性，即使是薄壁部位也能够适当地填充原料树脂。换句话说，如果使用该方式的模具，则能够成形所需的薄壁成形品。

另外，在此所述的“薄壁”实质上是指0.05mm～0.5mm程度的厚度。换句话说，在本发明中，能够实现这样的壁厚，因此，能够将本发明的三维形状造型物适当地用作例如电子设备用连接器等的成形用模具。

该方式也是，为了更有效地防止熔痕产生，优选与加热器元件70相邻接地设置排气用的多孔状固化部分24b。

（与浇口部相接近的内置方式）

在该方式中，与模具浇口部相接近地内置有加热器元件。浇口部一般是狭窄部，可以说是原料树脂容易凝固的部位，在本发明的模具中，与该区域相接近地设置加热器元件。因此，能够对该区域局部地加热，作为其结果，能够防止浇口部的固化，提高了树脂填充率。换句话说，如果使用该方式的模具，则能够适当地实现高密度的成形品。

接下来，示例将本发明的三维形状造型物用作模具时的使用形态。特别如图21及图22所示，以使用除了具备“加热器元件70”之外还具备“排气用的多孔状固化部分24b”及“冷却水用的管状路径24d”的三维形状造型物（模具）为前提。

在使用了利用本发明得到的模具的树脂成形中，优选控制“加热器元件的加热操作的开启/关闭的定时”、“经由多孔状固化部分24b的气体吸引或气体喷出的定时”和/或“经由管状路径24d的冷却水流通的定时”。例如，优选进行图23所示那样的控制。若进行这样的控制，则能够不产生熔痕产生而适当地得到成形品。另外，若在开模/脱模时从多孔状固化部分24b喷出气体，则能够防止该部分的堵塞。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，然而本发明并不限于此，本领域技术人员能够容易进行各种变更。

另外，上述的本发明包含下述的形态，为了明确起见进行记载：

第一形态：一种三维形状造型物的制造方法，反复进行如下工序：

（i）对粉末层的规定部位照射光束，使所述规定部位的粉末烧结或熔融固化而形成固化层的工序；以及

（ii）在所得到的固化层上形成新的粉末层，对所述新的粉末层的规定部位照射光束而进一步形成固化层的工序；其特征在于，

在反复实施所述工序（i）和所述工序（ii）时，在固化层中配置加热器元件，由此，在三维形状造型物的内部设置所述加热器元件。

第二形态：如上述第一形态所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，在所述工序（i）及（ii）中，在造型物支承部件上实施所述粉末层及所述固化层的形成，

作为所述加热器元件而使用盘管式加热器，经由设置于所述支承部件的开口部将所述盘管式加热器配置在所述固化层中。

第三形态：如上述第一形态或第二形态所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，在形成于层叠化的固化层的槽部中配置所述加热器元件。

第四形态：如上述第三形态所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，对所述槽部实施切削加工，在实施了该切削加工的面上配置所述加热器元件。

第五形态：如上述第三形态或第四形态所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，还包括：在所述槽部中配置了所述加热器元件之后，在该槽部中填充低熔点金属粉末材料的工序；

对所述低熔点金属粉末材料照射光束，通过由此得到的固化部件来填埋该槽部。

第六形态：如上述第五形态所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，与对所述粉末层的光束照射相比，以低能量进行对所述低熔点金属粉末材料的光束照射。

第七形态：如上述第六形态所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，对所述低熔点金属粉末材料的光束照射中，随着远离加热器元件而逐渐增大照射能量。

第八形态：如上述第五形态～第七形态中任一项所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，在形成了所述固化部件之后，对该固化部件及/或所述固化层进行用于形成平面的切削加工。

第九形态：一种三维形状造型物，是利用上述第一形态～第八形态中任一项制造方法得到的三维形状造型物，其特征在于，

内置有加热器元件，以便能够用作模具。

第十形态：如上述第九形态所述的三维形状造型物，其特征在于，与向所述模具的模腔部导入的原料树脂最终到达的模腔区域相接近地内置有所述加热器元件。

第十一形态：如上述第九形态所述的三维形状造型物，其特征在于，在所述模具中与形成薄壁成形部的模腔区域相接近地设置有所述加热器元件。

第十二形态：如上述第九形态～第十一形态中任一项所述的三维形状造型物，其特征在于，与所述模具的浇口部相接近地设置有所述加热器元件。

工业实用性

利用本发明的制造方法得到的三维形状造型物能够用作工业上的各种物品。例如，能够将所得到的三维形状造型物用作塑料注塑成形用模具、冲压模具、压铸模具、铸造模具、锻造模具等模具。

相关申请的相互参照

本申请基于日本专利申请第2010－132209号（申请日：2010年6月9日、发明名称：“三维形状造型物的制造方法及由此得到的三维形状造型物”），根据巴黎公约主张其优先权。通过引用在本说明书中包含该申请所公开的全部内容。

Claims (8)

1.一种三维形状造型物的制造方法，反复进行以下工序：

(i)对粉末层的规定部位照射光束，使所述规定部位的粉末烧结或熔融固化而形成固化层；以及

(ii)在所得到的固化层上形成新的粉末层，对所述新的粉末层的规定部位照射光束而形成进一步的固化层；

在反复实施所述工序(i)和所述工序(ii)时，在固化层配置加热器元件，由此在三维形状造型物的内部设置所述加热器元件；另外

在所述工序(i)及(ii)中，在造型物的支承部件上实施所述粉末层及所述固化层的形成，

所述三维形状造型物的制造方法的特征在于，

作为所述加热器元件而使用盘管式加热器，经由设置于所述支承部件的开口部将所述盘管式加热器配置在所述固化层；

在形成于层叠化的固化层中的槽部配置所述加热器元件；

该三维形状造型物的制造方法包括以下工序：在槽部配置了所述加热器元件之后，在该槽部填充低熔点金属粉末材料；

对所述低熔点金属粉末材料照射光束，通过由此得到的固化部件来填埋该槽部；

所述低熔点金属粉末材料具有比用于形成所述固化层的所述粉末低的熔点；

对所述槽部实施切削加工，向实施了该切削加工后的面配置所述加热器元件。

2.如权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，

通过比向所述粉末层的光束照射低的能量，进行针对所述低熔点金属粉末材料的光束照射。

3.如权利要求2所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，

随着远离加热器元件，针对所述低熔点金属粉末材料的光束照射逐渐增大照射能量。

4.如权利要求1～3中任一项所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，

在形成了所述固化部件之后，对该固化部件及/或所述固化层进行用于形成平面的切削加工。

5.一种三维形状造型物，是利用权利要求1～4中任一项所述的制造方法而得到的三维形状造型物，其特征在于，

内置有加热器元件以便能够用作模具。

6.如权利要求5所述的三维形状造型物，其特征在于，

与向所述模具的模腔部导入的原料树脂最终到达的模腔区域相接近地内置有所述加热器元件。

7.如权利要求5所述的三维形状造型物，其特征在于，

与所述模具中形成薄壁成形部的模腔区域相接近地设置有所述加热器元件。

8.如权利要求5所述的三维形状造型物，其特征在于，

与所述模具的浇口部相接近地设置有所述加热器元件。