CN103442830A - 三维形状造型物的制造方法以及三维形状造型物 - Google Patents

Abstract

本发明提供三维形状造型物的制造方法，其反复进行下述工序：（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者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形成进一步的固化层的工序，其中，在三维形状造型物的至少一部分，形成高密度固化区域、中密度固化区域以及低密度固化区域这三个固化密度分别不同的固化区域，将其中的中密度固化区域以构成造型物的表面区域的至少一部分的方式形成。

Description

三维形状造型物的制造方法以及三维形状造型物

技术领域

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

背景技术

一直以来，已知对材料粉末照射光束而制造三维形状造型物的方法（一般称为“粉末烧结层叠法”）。在所述方法中，反复进行“（i）通过对粉末层的规定部位照射光束，由此使所述规定部位的粉末烧结或者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照射光束而形成进一步的固化层”，从而制造三维形状造型物（参照专利文献1或者专利文献2）。在作为材料粉末而使用了金属粉末、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作为模具使用，在使用了树脂粉末、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作为模型使用。根据这种制造技术，能够在短时间内制造复杂的三维形状造型物。

以在支撑部件上制造三维形状造型物的情况为例，如图1所示那样，首先，在造型板21上形成规定厚度t1的粉末层22（参照图1（a））。接着，对粉末层22的规定部位照射光束，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。当反复实施这种固化层的形成时，能够得到由多个固化层24层叠一体化而成的三维形状造型物（参照图1（b））。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表平1-502890号公报

专利文献2：日本特开2000-73108号公报

发明内容

发明要解决的课题

在三维形状造型物作为模具使用的情况下，该三维形状造型物需要用于将成型时的气体排出的排气孔（vent）。具体地说，需要用于将树脂供给路上存在的空气或从熔融的树脂原料产生的气体等排出的气体排气孔（gasvent）。

对于这种气体排气孔，其在三维形状造型物中能够通过形成密度较低的部分来设置（参照图16），但是这种低密度部分有可能使成型品表面变粗糙。也就是说，由于在造型物的低密度部分存在细孔（例如细孔尺寸为50μm～500μm），因此细孔（pore）形状有可能转印到成型品上。因此，可以考虑为了减少细孔而提高排气孔部的密度，但是如果这样的话，这次不能够确保规定的气体通气量，从而不能够得到足够的排气效果。

即，在由上述那样的三维形状造型物形成的模具中，在成型品的转印性和排气效果之间存在权衡的关系。

本发明是鉴于这种情况而完成的。即，本发明的课题为提供一种能够作为模具使用的三维形状造型物的制造方法，是能够对成型品的转印性和排气效果这两者良好地应对的三维形状造型物的制造方法。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，在本发明中提供一种三维形状造型物的制造方法，其特征在于，反复进行下述工序：

（i）对粉末层的规定部位照射光束，使上述规定部位的粉末烧结或者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，对上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的工序，

其中，在三维形状造型物的至少一部分，形成高密度固化区域、中密度固化区域以及低密度固化区域这三个固化密度分别不同的固化区域，

以构成三维形状造型物的表面区域的至少一部分的方式形成中密度固化区域。

在某个优选的方案中，使中密度固化区域的固化密度为70%～90%。

在另外的某个优选的方案中，以气体经由中密度固化区域以及低密度固化区域而通过的方式，将中密度固化区域以及低密度固化区域相互邻接地形成。

在另外的更优选的方案中，分多次进行用于形成中密度固化区域的光束照射。在这种情况下，优选分多次进行的光束照射的照射能量密度阶段性地减少。此外，优选在某一光束的照射和其后接着进行的其它光束的照射之间，向照射区域供给新的原料粉末。优选在上述原料粉末的供给之前，以使在先进行的通过“某一光束的照射”而被照射后的区域的高度成为规定高度的方式，对该区域的表面进行切削。此外，也可以在这种新的原料粉末的供给时，对在先进行的通过“某一光束的照射”而被照射后的区域和/或原料粉末赋予振动。

在本发明中，还提供通过上述的制造方法而得到的三维形状造型物。所述本发明的三维形状造型物是作为模芯侧或者模腔侧的模具使用的造型物，其特征在于，

在模具的至少一部分，设置有高密度固化区域、中密度固化区域以及低密度固化区域这三个固化密度分别不同的固化区域，

并且，在模具的模腔形成面的至少一部分设置有中密度固化区域。

在某个优选的方案中，中密度固化区域的厚度为0.05mm～5mm的范围。

在另外的优选的方案中，中密度固化区域的细孔尺寸为50μm以下。

在另外的更优选的方案中，中密度固化区域以及低密度固化区域相互邻接设置，由此构成模具的气体排气孔。

发明的效果

对于通过本发明的制造方法得到的三维形状造型物，在造型物表面上形成有中密度固化区域（特别是与低密度固化区域相邻接的中密度固化区域），因此气体能够通过，并且该造型物表面的细孔变得比较小。因此，即使在将三维形状造型物作为模具使用的情况下，也能够将树脂供给路上存在的空气、从熔融的树脂原料产生的气体从中密度固化区域排出，并且能够减少“造型物表面的细孔形状向成型品转印的现象”。

也就是说，本发明能够良好地应对“成型品的转印性”和“排气效果”这两者。

进一步地说，在本发明中，通过调整中密度固化区域的厚度、固化密度等，能够适当改变气体通过时的流体阻力、细孔尺寸。由此，能够根据成型材料的种类、成型条件等，选择最佳的气体排气孔、转印性，树脂成型的设计自由度变大。例如，在对粘性较低的树脂原料进行注射成型的情况（即，造型物的细孔形状容易向成型品转印的条件）下，提高中密度固化区域的固化密度而减小细孔尺寸、并且使中密度固化区域的厚度变薄即可。

附图说明

图1是示意性地表示光造型复合加工机的动作的截面图。

图2是示意性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是示意性地表示进行粉末烧结层叠法的形态的立体图。

图4是示意性地表示实施粉末烧结层叠法的光造型复合加工机的构成的立体图。

图5是光造型复合加工机的动作的流程图。

图6是经时地表示光造型复合加工工序的示意图。

图7是示意性地表示本发明的概念的图（图7（a）：示意性地表示通过本发明的制造方法得到的三维形状造型物的截面图，图7（b）：示意性地表示具有气体排气孔功能的模具的形态的截面图）。

图8是示意性地表示通过本发明的制造方法得到的三维形状造型物的截面图。

图9是中密度烧结区域的优选形成形态的说明图。

图10是经时地表示对于分多次进行的光束照射而新供给原料粉末的形态的示意截面图（图10（a）：某一光束的照射，图10（b）：新原料粉末的供给，图10（c）：接着进行的光束的照射）。

图11是经时地表示对于分多次进行光束照射而切削照射区域的表面的形态的示意截面图（图11（a）：某一光束的照射，图11（b）：照射区域表面的切削，图11（c）：接着进行的光束的照射）。

图12是经时地表示对于分多次进行的光束照射而对照射区域和/或原料粉末赋予振动的形态的示意截面图（图12（a）：某一光束的照射，图12（b）：照射区域和/或原料粉末的振动，图12（c）：接着进行的光束的照射）。

图13是示意性地表示将中密度烧结区域用于气体加压操作的形态的截面图。

图14是通过实施例制造的三维形状造型物的截面图以及显微镜照片。

图15是细孔形状的转印性确认试验的结果。

图16是表示以往的三维形状造型物的气体排气孔形态的照片图以及示意图。

在附图中，参照编号表示下述要素：

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   烟雾（fume）

19  粉末/粉末层（例如金属粉末/金属粉末层）

20  造型物支撑部件（造型物台）

21  造型板

22  粉末层（例如金属粉末层或者树脂粉末层）

22’ 分为多次被照射光束的粉末层或者部分烧结层

23  挤压用刀片

24  固化层（例如烧结层）

24a 高密度固化区域（例如高密度烧结部）

24b 中密度固化区域（例如中密度烧结区域）

24c 低密度固化区域（例如低密度烧结区域）

24d 中空区域

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  电流计镜

40  铣头

41  XY驱动机构

50  腔室

52  透光窗或者透镜

L   光束

100 三维形状造型物

200 成型品或者树脂原料

具体实施方式

以下，参照附图进一步详细地说明本发明。

在本说明书中，“粉末层”实质上是指例如“由金属粉末形成的金属粉末层”。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，通过对所述规定部位所存在的粉末照射光束，由此其粉末烧结或者熔融固化而构成三维形状造型物的形状。另外，在粉末层为金属粉末层的情况下，“固化层”可以相当于“烧结层”，“固化密度”可以相当于“烧结密度”。

［粉末烧结层叠法］

首先，对成为本发明的制造方法的前提的粉末烧结层叠法进行说明。为了便于说明，以从材料粉末箱供给材料粉末、使用整平板将材料粉末整平而形成粉末层的形态为前提，对粉末烧结层叠法进行说明。此外，以在进行粉末烧结层叠法时还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（也就是说，不以图2（b）而以图2（a）所示的形态为前提进行说明。然而，需要预先说明的是，本发明通过不具备切削机构的图2（b）所示的形态也能够实现。）在图1、3以及4中，表示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以及构成。光造型复合加工机1主要具备：“通过将金属粉末以规定的厚度铺设而形成粉末层的粉末层形成机构2”；“在外周被壁27包围的造型箱29内上下升降的造型台20”；“配置在造型台20上的、成为造型物的基础的造型板21”；“将光束L向任意位置照射的光束照射机构3”；以及“对造型物的周围进行切削的切削机构4”。如图1所示那样，粉末层形成机构2主要具有“在外周被壁26包围的材料粉末箱28内上下升降的粉末台25”和“用于在造型板上形成粉末层22的整平板23”。如图3以及图4所示那样，光束照射机构3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）的电流计镜31（扫描光学系统）”。根据需要，光束照射机构3具备对光束斑点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所述透镜沿着光束的轴线旋转的旋转驱动机构而成的机构）、以及fθ透镜等。切削机构4主要具有“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）”而构成（参照图3以及图4）。

参照图1、图5以及图6详述光造型复合加工机1的动作。图5表示光造型复合加工机的一般的动作流程，图6示意且简单地表示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）；以及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，最先使造型台20下降Δt1（S11）。接着，在使粉末台25上升Δt1之后，如图1（a）所示那样，使整平板23向箭头A方向移动。由此，使粉末台25上所配置的粉末（例如“平均粒径为5μm～100μm左右的铁粉”）向造型板21上移送（S12），并且整平为规定厚度Δt1而形成粉末层22（S13）。接下来，转移至固化层形成步骤（S2），从光束振荡器30发出光束L（例如二氧化碳激光（500W左右）、Nd：YAG激光（500W左右）、纤维激光（500W左右）或者紫外线等）（S21），通过电流计镜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、固化而形成与造型板21一体化了的固化层24（S23）。另外，光束不限定于在空气中传递，也可以使其通过光纤等传送。

直至固化层24的厚度成为根据铣头40的工具长度等而求出的规定厚度为止，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者熔融固化时，与已经形成的作为下层的固化层一体化。

当层叠的固化层24的厚度成为规定厚度时，转移到切削步骤（S3）。在图1以及图6所示那样的形态中，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（圆头槽铣刀）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层的固化层的时刻使铣头40驱动。通过XY驱动机构41（41a、41b）使铣头40向箭头X以及箭头Y方向移动，对由层叠的固化层24形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依然未结束的情况下，返回粉末层形成步骤（S1）。以后，反复进行S1至S3而将进一步的固化层24层叠，由此进行三维形状造型物的制造（参照图6）。

预先根据三维CAD数据来制作固化层形成步骤（S2）中的光束L的照射路径、切削步骤（S3）中的切削加工路径。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，使用将根据三维CAD模型生成的STL数据以等间距（例如在使Δt1为0.05mm的情况下以0.05mm间距）进行了切片的各剖面的轮廓形状数据。

［本发明的制造方法］

本发明在上述的粉末烧结层叠法中，特别是在固化层的形成方式上具有特征。具体地说，如图7（a）所示那样，在三维形状造型物100中，至少形成高密度固化区域24a、中密度固化区域24b以及低密度固化区域24c这三个固化密度（松密度）分别不同的固化区域。特别是，在本发明中，将中密度固化区域24b形成为从造型物表面露出。

中密度固化区域24b优选形成为其固化密度为约70%～约90%的区域。在本发明中，比所述“中密度”的固化密度d_中密度高的区域相当于高密度固化区域24a，而比固化密度d_中密度低的区域相当于低密度固化区域24c。因此，在中密度固化区域24b的固化密度为70%～90%的情况下，高密度固化区域24a的固化密度能够成为90%（不包含90%）～100%，而低密度固化区域24c的固化密度能够成为40%～70%（不包含70%）。

关于固化区域24a～24c的细孔尺寸（细孔大小），可以说固化密度越高则细孔尺寸具有越变小的倾向，而固化密度越低则细孔尺寸具有越变大的倾向。在此，中密度固化区域24b的细孔尺寸（平均细孔直径）优选为5μm～50μm左右。因此，低密度固化区域24c的细孔尺寸（平均细孔直径）能够成为50μm（不包含50μm）～500μm，而高密度固化区域24a的细孔尺寸（平均细孔直径）能够成为0.1μm～5μm（不包含5μm）。

为了使经由中密度固化区域24b的气体通过能够合适地进行，优选使低密度固化区域24c以与中密度固化区域24b连接的方式相邻接地形成（参照图7（b））。通过如此地设置低密度固化区域24c，能够减少中密度固化区域24b的厚度，因此，能够有效地减少气体通过时的流体阻力。并且，如图7（b）所示那样，也可以形成与低密度固化区域24c连通那样的中空区域（空洞部）24d。如图示那样，对于中空区域24d，优选形成在低密度固化区域24c的背面侧，且以将所述中空区域24d与造型物外部连通的方式形成。

在将图7（a）以及（b）所示那样的三维形状造型物100用作为树脂成型用的模具的情况下，能够将树脂供给路上存在的空气或从熔融的树脂原料产生的气体等气体通过中密度固化区域24b以及低密度固化区域24c排出。因此，中密度固化区域24b以及低密度固化区域24c能够合适地作为模具的气体排气孔起作用。

参照附图对本发明的制造方法进一步进行说明。本发明使用的金属粉末既可以是以铁系粉末为主成分的粉末，根据情况不同也可以是进一步包含从由镍粉末、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的至少1种而成的粉末（作为一个例子，能够举出如下的金属粉末：平均粒径20μm左右的铁系粉末的配合量为60～90重量%，镍粉末以及镍系合金粉末这两者或任一者的配合量为5～35重量%，铜粉末和/或铜系合金粉末这两者或任一者的配合量为5～15重量%，以及石墨粉末的配合量为0.2～0.8重量%）。另外，作为金属粉末，不限定于这种铁系粉末，也能够是铜系粉末、铝粉末，进一步需要预先说明的是，如果是模具以外的用途的用作加压部件的用途，还能够是塑料粉末或陶瓷粉末。

在本发明的制造方法中，反复进行下述操作：在造型板21上形成了规定厚度的金属粉末层22之后，使光束照射金属粉末层22的规定部位，从该被照射的金属粉末层的部分形成烧结层（参照图1（a）以及（b））。特别是，在本发明的制造方法中，在反复实施所述操作时，通过对照射的光束的能量等进行调整，能够形成高密度烧结区域24a（高密度烧结部）、中密度烧结区域24b（中密度烧结部）以及低密度烧结区域24c（低密度烧结部）这三个烧结密度分别不同的区域。

具体地说，当使对粉末区域照射的光束的照射能量相对较低时，能够形成低密度烧结区域24c，而当使对粉末区域照射的光束的照射能量相对较高时，能够形成高密度烧结区域24a。然后，当以可相当于“用于低密度烧结区域24c的照射能量”和“用于高密度烧结区域24a的照射能量”之间的能量照射光束时，能够形成中密度烧结区域24b。例如，高密度烧结区域24a（烧结密度90～100%）通过照射能量密度E为8～15J/mm²左右的光束来形成。低密度烧结区域24c（烧结密度40～70%）通过照射能量密度E为约1～3.5J/mm²的光束来形成。然后，中密度烧结区域24b（烧结密度70～90%）通过照射能量密度E为约4～约7J/mm²的光束来形成。另外，能量密度E＝激光输出（W）/（扫描速度（mm/s）×扫描间距（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）激光，光斑直径：0.5mm）。在此，照射能量的上述数值范围仅为例示，可以依赖于粉末材料的种类。因此，请注意：用于形成高密度烧结区域24a、中密度烧结区域24b以及低密度烧结区域24c的照射能量密度E的值能够根据形成粉末层的粉末材料的种类而适当地变更。

在此，本说明书所述的“烧结密度（%）”实质上意味着通过对造型物的剖面照片进行图像处理而求出的烧结剖面密度（金属材料的占有率）。使用的图像处理软件为Scion Image ver.4.0.2（免费软件），将截面图像二值化为烧结部（白）和空孔部（黑）之后，对图像的全部像素数Px_all以及烧结部（白）的像素数Px_white进行计数，由此通过以下的式1能够求出烧结剖面密度ρ_S。

［式1］

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

对于烧结密度分别不同的三个固化区域的形成，除了（a）对光束的照射能量（输出能量）进行调整以外，还能够通过（b）光束的扫描速度的调整、（c）光束的扫描间距的调整以及（d）光束的聚光直径的调整等来进行。例如，为了提高烧结密度，除了（a）提高光束的输出能量以外，还能够通过（b）降低光束的扫描速度、（c）缩小光束的扫描间距、以及（d）减小光束的聚光直径来实现。相反，为了降低烧结密度，除了（a）降低光束的照射能量（输出能量）以外，还能够通过（b）提高光束的扫描速度、（c）扩大光束的扫描间距、以及（d）扩大光束的聚光直径来实现。这些（a）～（d）既可以单独进行、也可以相互进行各种组合而进行。

如此形成的中密度烧结区域24b的烧结密度为70%～90%，因此能够使气体通过，因此，特别是通过与低密度烧结区域24c一并使用，能够作为模具的气体排气孔而良好地起作用。此外，中密度烧结区域24b的细孔尺寸比较小，为5μm～50μm左右，因此即使该中密度烧结区域24b设置在造型物表面（即形成模具的模腔的面）上，所述细孔形状也难以被转印到成型品。

对于中密度烧结区域24b和低密度烧结区域24c的组合，只要是气体能够经由它们而通过的形态，则没有特别限制。例如，可以考虑图8（a）～（c）所示那样的形态。如根据图示的形态可知的那样，优选为：以中密度固化区域24b与低密度固化区域24c直接连接的方式，使中密度固化区域24b与低密度固化区域24c相互邻接地形成。换言之，中密度固化区域24b形成为在模具的模腔空间形成面（即，构成成型品的模具内部的壁面）上露出，但在该中密度固化区域24b的背面侧形成低密度烧结区域24c。通过成为这种形态，模具的模腔空间的气体在通过了中密度固化区域24b之后能够通过低密度烧结区域24c，最终可以被排出。高密度固化区域24a优选以在中密度烧结区域24b和低密度烧结区域24c的组合的周围将它们包围的形态形成。为了使中密度烧结区域24b和低密度烧结区域24c的组合作为气体排气孔更良好地起作用，也可以在低密度烧结区域24c的背面侧形成与造型物外部连通的中空区域24d（参照图8）。

在减少“气体通过时的流体阻力”的方面来说，中密度烧结区域24b优选为比较薄。即，优选以在保持必要的强度的同时尽量减小中密度烧结区域的气体通过时的压力损失的方式，减小中密度烧结区域24b的厚度尺寸。即，优选形成较薄的中密度烧结部24b。例如，图7（b）所示那样的中密度烧结区域24b的厚度t_b优选为0.05mm～5mm的范围，更优选为0.1mm～3mm的范围。在减少“气体通过时的流体阻力”的方面来说，低密度烧结区域24c也优选为较薄，但是低密度烧结区域24c还发挥对中密度烧结区域24b的强度进行增强的作用，因此需要某种程度的厚度。例如，图7（b）所示那样的低密度烧结区域24c的厚度t_c比中密度烧结区域的厚度t_b厚，例如优选为0.5mm～10mm的范围，更优选为2.5mm～5mm的范围。

（中密度烧结区域的优选的形成方式）

对中密度烧结区域的优选的形成方式进行说明。中密度烧结区域24b的形成优选分多次进行光束的照射。也就是说，不是通过对于粉末层的1次光束照射来形成中密度烧结区域，而优选通过分多次照射能量较低的光束来形成中密度烧结区域。由此，能够形成细孔尺寸（空孔）较小而强度更高的中密度烧结区域。此外，通过如此分多次照射光束，能够提高中密度烧结区域的细孔尺寸的均匀性，因此即使是相同的烧结密度，细孔形状也更难以向成型品转印。

例如，在对粉末层照射低能量的光束而使低密度烧结层烧结的情况下，局部地形成粉末的熔融度高的部分和低的部分。当施加能量时，粉末熔融而汇集并形成熔融滴。当其被冷却时，邻接的熔融滴彼此固定粘着在一起。在低能量的情况下，熔融滴变小，与前层之间的密合强度较弱（图9的左侧图）。越是高能量则熔融滴具有越变大的倾向，但熔融滴的大小不均也越变大，熔融滴间的间隙越变大（图9的右侧图）。当熔融滴间的间隙变大时，表面上出现的空孔也会变大。因此，如图9的左侧所示那样，通过第一次的照射，熔融滴比较小而基本均匀地烧结，在第二次的照射中，以进一步提高熔融滴间的结合、增加密合性那样的条件来照射光束。由此，能够在减小空孔的同时提高烧结层的强度。

在中密度烧结区域24b的形成时进行的“多次”照射例如优选分为2～8次照射，更优选分为2～6次照射，进一步优选分为2～4次照射。在如此分为多次的照射中，优选使光束的照射能量阶段性地减小。其原因为：粉末的粒径越小则光束的能量吸收率越小，在第二次以后的照射中，仅使基于第一次照射的烧结而变小的熔融滴再次烧结。换言之，在使照射能量密度阶段性地减少的多次光束照射的形态中，不是一次使规定的粉末层区域固化，而优选逐渐地将空孔填埋而使其固化的形态。例如，多次进行使照射能量密度E每次减少约0.2～约1J/mm²的光束照射即可，由此能够进行阶段性的固化。

关于分多次进行的光束的照射，在某一光束的照射和其后接着进行的其它光束的照射之间，也可以新供给原料粉末（参照图10）。由此，通过在先的光束照射产生的熔融滴间的间隙被粉末填埋并被烧结，因此能够得到空孔较小、强度更高的中密度烧结区域24b。例如，在第一次光束照射之后供给粉末、然后照射第二次光束的情况下，供给粉末量例如以原来的粉末层体积（包含空隙部的整体体积）为基准而优选为1vol%～30vol%左右，更优选为2vol%～15vol%左右。

此外，关于分多次进行的光束的照射，也可以在原料粉末的供给之前，以被在先的光束照射后的区域的高度成为规定高度的方式，对所述区域的表面进行切削（参照图11）。其原因为：在在先的光束照射（例如第一次的光束照射）中，有时变得比规定高度高，在粉末供给时粉末供给机构（刀片等）可能被卡住。因此，通过对在先照射的区域的表面进行切削，能够无问题地形成空孔较小、强度更高的中密度烧结区域24b。例如，也可以在照射第一次光束之后，以该第一次的烧结层成为规定高度（特别是整体为“一定高度”）的方式，对该烧结层的表面实施切削加工。表面切削所使用的工具只要能够切削烧结层表面，则可以是任意的工具。例如，能够使用上述的光造型复合加工机的切削加工机构。也就是说，这仅是一个例子，表面切削加工机构可以为通用的NC工作机械或者以其为基准的机构，也可以是能够自动交换端铣刀等切削工具的加工中心（MC）。根据需要也可以使用方端铣刀、圆角端铣刀等。

进一步说，也可以对被在先的光束所照射的区域和/或原料粉末赋予振动（参照图12）。其原因为是在熔融滴间的间隙原料粉末容易进入，由此能够高效地得到空孔较小而强度更高的中密度层。例如，也可以将超声波振动器等振动机构配置在挤压用刀片23和/或造型物台20等上，通过使所述振动机构驱动来对照射区域或原料粉末赋予振动。振动数只要能够促进粉末向熔融滴间的供给，则可以为任意的。

［本发明的三维形状造型物］

接下来，对通过上述制造方法得到的本发明的三维形状造型物进行说明。对于本发明的三维形状造型物，其能够作为模芯侧或者模腔侧的模具使用，且在该模具的至少一部分，设置有高密度烧结区域、中密度烧结区域以及低密度烧结区域这三个烧结密度分别不同的烧结区域。特别是，中密度烧结区域设置在模具的模腔形成面的至少一部分。因此，在将本发明的三维形状造型物作为模具使用的树脂成型中，树脂供给路中存在的空气、从熔融的树脂原料产生的气体等气体能够经由中密度烧结区域24b排出。

关于本发明的三维形状造型物的更具体的形态，能够依赖于最终的用途。也就是说，在将三维形状造型物作为模具使用的情况下，依赖于所得到的成型品的形状。当列举一个例子时，可以考虑如图8（a）～（c）所示那样的三维形状造型物100。如根据图示的形态可知的那样，优选以中密度固化区域24b与低密度固化区域24c直接连接的方式，使它们相互邻接地设置。由此，中密度烧结区域24b和低密度烧结区域24c的组合能够作为模具的气体排气孔良好地起作用。

中密度烧结区域24b的烧结密度例如为70%～90%，高密度烧结区域24a的烧结密度例如为90%（不包含90%）～100%，而且，低密度烧结区域24c的烧结密度可以为40%～70%（不包含70%）。在该情况下，中密度烧结区域24b的细孔尺寸可以为5μm～50μm，高密度烧结区域24a的细孔尺寸可以为0.1μm～5μm（不包含5μm），此外，低密度烧结区域24c的细孔尺寸可以为50μm（不包含50μm）～500μm。在此，本说明书中的“细孔尺寸（平均细孔直径）”实质上是指，对烧结区域的剖面照片进行拍摄，并基于该照片通过图像处理而得到的各个细孔直径（例如，细孔在所有方向上的尺寸中最大的尺寸）。

细孔尺寸（细孔直径）的范围能够根据成型材料的种类、成型条件等而变动。例如，在作为注射成型树脂而使用“粘性比较低的树脂原料”的情况（即，造型物的细孔形状比较容易向成型品转印的条件）下，优选使中密度烧结区域24b的细孔尺寸为约5～10μm左右。另一方面，在作为注射成型树脂而使用“粘性比较高的树脂原料”的情况（即，造型物的细孔形状难以向成型品转印的条件）下，可以使中密度烧结区域24b的细孔尺寸为10～50μm左右。

如上所述，中密度烧结区域24b优选其厚度尺寸较小，以便能够在保持所需要的强度的同时、尽量使气体通过中密度烧结区域时的压力损失变小。在减小气体通过时的压力损失这一点上，低密度烧结区域24c也优选为较薄，但是低密度烧结区域24c还发挥对中密度烧结区域24b的强度进行增强的作用，因此需要某种程度的厚度。例如，在中密度烧结区域24b的厚度t_b为0.05mm～5mm的范围的情况下，低密度烧结区域24c的厚度t_c可以为0.5mm～10mm左右的范围。

以上，以本发明的优选的实施方式为中心进行了说明，但本发明并不局限于此，本领域技术人员容易理解能够进行各种改变。例如，可以考虑到以下那样的变更形态。

中密度固化区域能够使气体通过，因此不仅能够将该中密度固化区域（以及优选为中密度固化区域以及低密度固化区域）用作为气体排气孔，还能够使用于借助气体通过的加压操作。具体地说，在假定为将三维形状造型物作为树脂成型的模具使用的情况下，也可以在能够产生“缩孔”的模具表面部分形成中密度固化区域。在该情况下，能够经由中密度固化区域从外部向模腔内供给气体，因此能够通过气体从外侧按压“缩孔部分”或者“能够产生缩孔的部分”，作为其结果，能够有效防止树脂成型时的缩孔产生（参照图13（a）以及（b））。即使在该情况下，通过对中密度固化区域（和/或低密度固化区域）的固化密度、厚度等进行调整，也能够改变气体通过时的流体阻力，由此能够对加压时的压力进行调整。也就是说，对于想较大地加压的成型品部分（例如厚壁部）减小固化密度，而对于不太想加压的成型品部分（例如强度弱的薄壁部）增大固化密度即可，因此树脂成型的设计自由度变大。

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，其特征在于，反复进行下述工序：

（i）对粉末层的规定部位照射光束而使上述规定部位的粉末烧结或者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，对上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的工序，

其中，在上述三维形状造型物的至少一部分，形成高密度固化区域、中密度固化区域以及低密度固化区域这三个固化密度分别不同的固化区域，

以构成上述三维形状造型物的表面区域的至少一部分的方式形成上述中密度固化区域。

第二形态：在上述第一形态的三维形状造型物的制造方法中，其特征在于，使上述中密度固化区域的固化密度为70%～90%。

第三形态：在上述第一或者第二形态的三维形状造型物的制造方法中，其特征在于，以气体经由上述中密度固化区域以及上述低密度固化区域而通过的方式，将该中密度固化区域以及该低密度固化区域相互邻接地形成。

第四形态：在上述第一～第三形态的任一形态的三维形状造型物的制造方法中，其特征在于，在上述中密度固化区域的形成中，分多次进行上述光束的照射。

第五形态：在上述第四形态的三维形状造型物的制造方法中，其特征在于，对于上述分多次进行的上述光束的照射，使该光束的照射能量密度阶段性地减少。

第六形态：在上述第四或者第五形态的三维形状造型物的制造方法中，其特征在于，对于上述分多次进行的上述光束的照射，在某一光束的照射和其后接着进行的其它光束的照射之间，向照射区域供给新的原料粉末。

第七形态：上述第六形态的三维形状造型物的制造方法中，其特征在于，在上述原料粉末的供给之前，以使通过上述某一光束的照射而被照射后的区域的高度成为规定高度的方式，对该区域的表面进行切削。

第八形态：上述第六或者第七形态的三维形状造型物的制造方法中，其特征在于，在上述原料粉末的供给时，对通过上述某一光束的照射而被照射后的区域和/或该原料粉末赋予振动。

第九形态：一种三维形状造型物，其是通过上述第一～第八形态的任一形态的制造方法得到的，且作为模芯侧或者模腔侧的模具使用，其特征在于，

在上述模具的至少一部分区域中，设置有高密度固化区域、中密度固化区域以及低密度固化区域这三个固化密度分别不同的固化区域，并且，

在上述模具的模腔形成面的至少一部分设置有上述中密度固化区域。

第十形态：在上述第九形态的三维形状造型物中，其特征在于，上述中密度固化区域的厚度为0.05mm～5mm的范围。

第十一形态：在上述第九或者第十形态的三维形状造型物中，其特征在于，上述中密度固化区域的细孔尺寸为50μm以下。

第十二形态：在从属于上述第三形态的第九～第十一形态的任一形态的三维形状造型物中，其特征在于，上述中密度固化区域以及上述低密度固化区域相互邻接地设置，由此构成上述模具的气体排气孔。

实施例

为了验证本发明，制造了如图8（b）所示那样的三维形状造型物。制造条件如以下所示。

●高密度烧结层

·光束的照射能量：10J/mm²

·烧结密度：99%

·平均细孔尺寸：3μm

●中密度烧结层

·光束的照射能量：5J/mm²

·烧结密度：85%

·平均细孔尺寸：45μm

·形成部位：造型物的表面

·厚度：1mm

●低密度烧结层

·光束的照射能量：2J/mm²

·烧结密度：69%

·平均细孔尺寸：100μm

·形成部位：中密度烧结层的背面侧

·厚度：3mm

将所得到的三维形状造型物的剖面的显微镜照片示于图14中。如根据图14可知的那样，能够确认：所得到的三维形状造型物形成高密度/中密度/低密度这三个固化密度分别不同的固化区域。

（细孔形状的转印性确认试验）

进行了对烧结密度的不同导致的细孔形状的转印性效果进行确认的试验。具体地说，将模具表面（造型物表面）的烧结密度形成为高密度（烧结密度：99%，平均细孔尺寸：3μm）、中密度（烧结密度：85%，平均细孔尺寸：45μm）以及低密度（烧结密度：69%，平均细孔尺寸：100μm），并确认了成型品的气孔转印性。

将结果示于图15中。如根据图15所示的结果可知的那样，在中密度烧结表面中，造型物的细孔形状难以转印，成型品表面粗糙度良好。因此，可以理解，即使将气体能够通过的中密度固化区域设置在造型物表面，在成型品的转印性这一点上不会出现不利的影响，而能够实现所希望的成型。

工业上的可利用性

本发明的三维形状造型物的制造装置以及制造方法能够制造各种的物品。例如，在“粉末层为无机质的金属粉末层，固化层成为烧结层的情况”下，能够将所得到的三维形状造型物作为塑料注射成型用模具、冲压模具、压铸成型模具、铸造模具以及锻造模具等模具使用。

相关申请的相互参照

本申请主张基于日本专利申请第2011-59484号（申请日：2011年03月17日，发明名称：“三维形状造型物的制造方法以及三维形状造型物”）的巴黎条约中的优先权。该申请所公开的内容通过该引用而全部包含于本说明书中。

Claims (12)

1.一种三维形状造型物的制造方法，其特征在于，反复进行下述工序：

（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者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形成进一步的固化层的工序，

其中，在所述三维形状造型物的至少一部分，形成高密度固化区域、中密度固化区域以及低密度固化区域这三个固化密度分别不同的固化区域，

以构成所述三维形状造型物的表面区域的至少一部分的方式形成所述中密度固化区域。

2.如权利要求1记载的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，

使所述中密度固化区域的固化密度为70%～90%。

3.如权利要求1记载的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，

以气体经由所述中密度固化区域以及所述低密度固化区域而通过的方式，将所述中密度固化区域以及所述低密度固化区域相互邻接地形成。

4.如权利要求1记载的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，

在所述中密度固化区域的形成中，分多次进行所述光束的照射。

5.如权利要求4记载的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，

对于所述分多次进行的所述光束的照射，使该光束的照射能量密度阶段性地减少。

6.如权利要求4记载的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，

对于所述分多次进行的所述光束的照射，在某一光束的照射和其后接着进行的其它光束的照射之间，向照射区域供给新的原料粉末。

7.如权利要求6记载的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，

在所述原料粉末的供给之前，以使通过所述某一光束的照射而被照射后的区域的高度成为规定高度的方式，对该区域的表面进行切削。

8.如权利要求6记载的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，

在所述原料粉末的供给时，对通过所述某一光束的照射而被照射后的区域和/或该原料粉末赋予振动。

9.一种三维形状造型物，其是通过权利要求1记载的制造方法得到的，且作为模芯侧或者模腔侧的模具使用，其特征在于，

在所述模具的至少一部分区域中，设置有高密度固化区域、中密度固化区域以及低密度固化区域这三个固化密度分别不同的固化区域，

并且，在所述模具的模腔形成面的至少一部分设置有所述中密度固化区域。

10.如权利要求9记载的三维形状造型物，其特征在于，

所述中密度固化区域的厚度为0.05mm～5mm的范围。

11.如权利要求9记载的三维形状造型物，其特征在于，

所述中密度固化区域的细孔尺寸为50μm以下。

12.一种三维形状造型物，其是通过权利要求3记载的制造方法得到的，且作为模芯侧或者模腔侧的模具使用，其特征在于，

在所述模具的至少一部分区域中，设置有高密度固化区域、中密度固化区域以及低密度固化区域这三个固化密度分别不同的固化区域，

在所述模具的模腔形成面的至少一部分设置有所述中密度固化区域，

并且，所述中密度固化区域以及所述低密度固化区域相互邻接地设置，由此构成所述模具的气体排气孔。

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