JP2000117839A - 積層造形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】マスクの枚数の低減に有利な積層造形方法を提
供することを課題とする。 【解決手段】樹脂被覆砂等の固化可能物質に照射エネル
ギを照射して固化層を作製し、多数枚の固化層を厚み方
向に積層して三次元造形物を造形する積層造形方法であ
る。複数枚の固化層の平面形状に共通する共通形状に対
応したパターン形状をもつ共通マスク５を用意し、少な
くとも１枚の固化層を作製するにあたり、共通マスク５
越しに第１の照射エネルギを固化可能物質に照射して共
通固化部分６００を作製する操作と、共通マスク５を外
した状態で第２の照射エネルギ（好ましくは細いレーザ
ビーム）を固化可能物質に照射して非共通固化部分７０
０を作製する操作とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビーム、赤
外線、紫外線などの照射エネルギをマスク越しに照射し
て固化層を製作し、この固化層を多数枚厚み方向に積層
することにより三次元造形物を造形する積層造形方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、積層造形技術（特開平３−１８３
５３０号公報、米国特許ＵＳＰ４２４７５０８等）が開
発されている。積層造形技術は、樹脂被覆砂や液状樹脂
等の固化可能物質を用い、レーザビーム、赤外線、紫外
線などの照射エネルギを固化可能物質に照射して固化層
を作製し、そして、多数枚の固化層を厚み方向に積層し
て三次元造形物を造形する技術である。

【０００３】また近年、所定のパターン形状をもつマス
クを用い、マスクで固化可能物質を覆い、マスク越しに
固化可能物質に、レーザビーム、赤外線、紫外線などの
照射エネルギを照射して固化層を作製する技術を本出願
人は開発した。この技術によれば、マスクのパターン形
状が固化層として転写されるため、高精度の輪郭形状を
もつ固化層を容易に且つ短時間で作製でき、三次元造物
の輪郭形状の高精度化、生産性の向上を期待できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
マスク越しに照射して固化層を形成する積層造形技術に
よれば、固化層の枚数毎にマスクを作製する必要があ
る。造形物の種類によっては、数１００枚〜数１０００
枚の固化層を積層する場合もあり、マスクの数もそれに
対応する数となり、かなり膨大な数となる。そのためマ
スクの製作に要する時間、コストの面においては必ずし
も充分ではなかった。

【０００５】本発明は上記した実情に鑑みなされたもの
であり、マスクの枚数の低減に有利な積層造形方法を提
供することを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記した課題
を達成するために、マスクを用いる積層造形技術につい
て鋭意開発を進めた。そして、固化層を積層することに
より構成されている三次元造形物においては、積層方向
で互いに近傍の固化層は、輪郭形状が近似していること
に着目した。そして積層方向において互いに近傍の固化
層（積層方向において連続する例えば２０枚の固化層）
において、共通形状と非共通形状とに区分けし、共通形
状に相応するパターンをもつマスクを作製し、そのマス
クを用いて共通固化部分を作製する操作と、非共通固化
部分を作製する操作とに分けて行えば、マスクの枚数を
低減させ得ることを本発明者は知見し、本発明方法を開
発した。

【０００７】即ち、本発明に係る積層造形方法は、固化
可能物質に照射エネルギを照射して固化層を作製し、多
数枚の固化層を厚み方向に積層して三次元造形物を造形
する積層造形方法であって、複数枚の固化層の平面形状
に共通する共通形状に対応したパターン形状をもつ共通
マスクを用意し、少なくとも１枚の固化層を作製するに
あたり、共通マスク越しに第１の照射エネルギを固化可
能物質に照射して共通固化部分を作製する操作と、共通
マスクを外した状態で第２の照射エネルギを固化可能物
質に照射して、非共通固化部分を作製する操作とを含む
ことを特徴とするものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明方法によれば、複数枚の固
化層の平面形状に共通する共通形状に対応したパターン
形状をもつ共通マスクを用意する。従って、複数枚の固
化層のうち、平面形状に共通する共通形状と、共通しな
い非共通形状とに区分けし、共通形状に対応したパター
ン形状をもつ共通マスクを用意する。

【０００９】共通マスクを共用して作製する固化層の枚
数は、三次元造形物の形状や大きさや三次元造形物に要
請される輪郭精度などの要因に応じて適宜選択でき、例
えば１０枚、２０枚、５０枚、１００枚あるいはそれ以
上にできる。本発明方法によれば、三次元造形物のうち
複雑形状部分においては、使用する共通マスクの数を多
くし、三次元造形物のうち単純形状部分においては、使
用する共通マスクの数を少なくすることができる。

【００１０】本発明方法によれば、少なくとも１枚の固
化層を形成するにあたり、共通マスク越しに第１の照射
エネルギを固化可能物質に照射して共通固化部分を作製
する操作と、共通マスクを外した状態で第２照射エネル
ギを固化可能物質に照射して、非共通固化部分を作製す
る操作とを行う。マスク越しに照射して共通固化部分を
作製する第１の照射エネルギとしては、レーザビーム、
赤外線（遠赤外線も含む）、紫外線などを採用できる。
この第１の照射エネルギとしては、広い照射面積をもつ
ものを採用でき、例えば、ビーム径を大きくしたレーザ
ビームを採用できる。

【００１１】マスクを外した状態で照射して非共通固化
部分を作製する第２の照射エネルギとしては、レーザビ
ーム、赤外線（遠赤外線も含む）、紫外線などを採用で
きる。この第２の照射エネルギとしては、マスクなしで
輪郭形状の高精度化を確保するためには、照射エネルギ
のビーム径が小さいものを採用できる。従ってビーム径
を小さくした細いレーザビームを採用できる。

【００１２】本発明方法で用いる固化可能物質は、上記
した第１および第２の照射エネルギが照射されると固化
するものであり、例えば、フェノール樹脂などの熱硬化
型樹脂を砂粒子等の粉粒体に被覆した樹脂被覆砂、ある
いは、照射エネルギとしての紫外線で硬化する紫外線硬
化樹脂などを採用できる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。 （実施例の構成） 図１は、金属（鋳鉄またはアルミ合金）製の鋳物１を
模式的に示す斜視図である。鋳物１は、複数のシリンダ
ボア１０をもつブロック部１１と、ブロック部１１に連
続する拡開部１２とを備えている。鋳物１の外壁面には
ボス部１３、突部１４が横方向に突設されている。

【００１４】図２は、鋳物１を鋳造するための砂型で形
成された鋳型２（三次元造形物）を模式的に示す斜視図
である。図３〜図５は本実施例で使用する使用設備を示
す。図３〜図５を参照して使用設備について説明する。
図３に示すように、造形装置３は、固定枠３０と、固定
枠３０に矢印Ｙ１，Ｙ２方向に昇降可能に保持された底
盤３１と、底盤３１を昇降させる昇降源３２とをもつ。
造形の際には、底盤３１は固化層の厚みに相当する１ピ
ッチづつ矢印Ｙ２方向に下降する。図４に示すようにマ
スクホルダ４は、係止ピン４０で共通マスク５を位置決
めした状態で、マスク駆動部４２により造形装置１に対
して適宜出し入れされる。

【００１５】図３に示すように造形装置１の近傍には散
布装置６が設けられている。散布装置６は、固化可能物
質としての樹脂被覆砂Ｓを収容する容器６０と、容器６
０の底部に設けられた吐出口６１と、吐出口６１に回転
可能に設けられた切り出し溝６２をもつ切り出しローラ
６３と、容器６０を横方向に移動させる駆動部６４とを
もつ。容器６０が矢印Ｘ１方向に移動しつつ切り出しロ
ーラ６３が回転すると、樹脂被覆砂Ｓは吐出口６１から
散布され、散布層３７が底壁３１上、あるいは、その上
に載せられている固化層上に形成される。

【００１６】図４に示すように、造形装置３の近傍には
レーザ照射装置７が設けられている。レーザ照射装置７
は、レーザビームＬを生成する発振器７１と、ミラー７
２ａ，７２ｂと、スキャン照射用の揺動ミラーをもつス
キャナ７３と、可動式の絞りレンズ７４とをもつ。発振
器７１からのレーザビームＬはミラー７２ａ，７２ｂを
介してスキャナ７３から散布層３７に向けて照射され
る。

【００１７】レーザビームＬは、ＣＯ₂レーザビームを
採用できるが、ＹＡＧレーザビーム、あるいは他のレー
ザビームでも良い。レーザビームＬのビーム径を大きく
する場合には、絞りレンズ７４をレーザビーム経路から
退避させる。レーザビームＬのビーム径を小さくする場
合には、絞りレンズ７４を矢印Ｘ４方向に移動させてレ
ーザビーム経路にセットし、絞りレンズ７４によりレー
ザビームＬのビーム径を絞る。

【００１８】さて本実施例の要部を説明する。図６
（Ａ）は、鋳物１の高さ方向における所定の位置の横断
面部分１ａを示す。この横断面部分１ａには、寸法Ａ、
寸法Ｂで区画された鋳物スライス部分１００ａがあらわ
れているとともに、空洞である複数個のボア開口１０２
（鋳物１のシリンダボア１０となるもの）があらわれて
いる。

【００１９】図７（Ａ）は、鋳物１の横断面部分１ａの
積層方向において近傍に位置する横断面部分１ｂを示
す。この横断面部分１ｂには、寸法Ａ、寸法Ｂで区画さ
れた鋳物スライス部分１００ｂがあらわれているととも
に、空洞であるボア開口１０２（鋳物１のシリンダボア
１０となるもの）があらわれており、更に、横方向に突
出するボス部１３があらわれている。

【００２０】図８（Ａ）は、鋳物１の横断面１ｂの近傍
に位置する横断面部分１ｃを示す。この横断面部分１ｃ
には、寸法Ａ、寸法Ｂで区画された鋳物スライス部分１
００ｃがあらわれているとともに、ボア開口１０２（鋳
物１のシリンダボア１０となるもの）があらわれてお
り、更に、横方向に突出する寸法Ｄで規定された突部１
４があらわれている。

【００２１】図６（Ｂ），図７（Ｂ），図８（Ｂ）は
鋳型２のスライスを示す。図６（Ｂ）は、前記した鋳物
スライス部分１００ａを鋳造するための鋳型スライスで
ある固化層２００の平面図を示す。固化層２００には、
寸法Ａ、寸法Ｂで区画された鋳造キャビティ２０１があ
らわれているとともに、複数個のボア中子２０３があら
われており、更に、寸法ＡＬ、寸法ＢＬで区画された外
枠２０５があらわれている。なお本実施例は、概念説明
であるため、鋳物の縮み代を無視している。

【００２２】図７（Ｂ）は、鋳物１の鋳物スライス部分
１００ｂを鋳造するための鋳型スライスである固化層３
００の平面図を示す。固化層３００には、寸法Ａ、寸法
Ｂで区画された鋳造キャビティ３０１があらわれている
とともに、複数個のボア中子３０３があらわれており、
更に、寸法ＡＬ、寸法ＢＬで区画された外枠３０５があ
らわれており、更に、ボス部１３を鋳造するための複数
個のボス部キャビティ３０７が形成されている。

【００２３】図８（Ｂ）は、鋳物１の鋳物スライス部分
１００ｃを鋳造するための鋳型スライスである固化層４
００の平面図を示す。固化層４００には、寸法Ａ、寸法
Ｂで区画された鋳造キャビティ４０１があらわれている
とともに、ボア中子４０３があらわれており、更に、寸
法ＡＬ、寸法ＢＬで区画された外枠４０５があらわれて
おり、更に、突部１４を鋳造するための寸法Ｄで規定さ
れた突部キャビティ４０７が形成されている。

【００２４】以下、固化層２００，３００，４００を
例にとって、本実施例に係る造形について具体的に説明
する。本実施例においては、造形設計の段階において、
各固化層２００，３００，４００に共通する形状で規定
されている共通固化部分６００を求める。本実施例に係
る共通固化部分６００は、図６（Ｃ）、図７（Ｃ）、図
８（Ｃ）に示されている。図６（Ｃ）、図７（Ｃ）、図
８（Ｃ）から理解できるように、共通固化部分６００
は、寸法α、寸法βで区画された鋳造共通キャビティ６
０１と、寸法αＬ、寸法βＬで区画された共通外枠６０
５と、ボア共通中子６０３（ボア中子２０３，３０３，
４０３と対応する輪郭形状）とを備えている。なお、図
面上において、βはＢとの活字の峻別性を確保すべく、
βの活字の左下部が突出している。

【００２５】図６（Ｄ）は共通マスク５を示す。共通
マスク５は、固化層２００〜４００の各形状に共通する
共通固化部分６００を作製するためのものであり、レー
ザビームを反射できる材料（例えばアルミ合金系、鋼系
等の金属板）で形成されている。共通マスク５は、共通
固化部分６００の要素である鋳造共通キャビティ６０１
の輪郭形状に合致する輪郭形状をもつ共通マスク部５１
と、共通マスク部５１に形成され且つボア共通中子６０
３の輪郭形状に合致する輪郭形状をもつ貫通孔である共
通透口５２と、共通マスク部５１の外側に設けられた共
通マスク枠５３と、共通マスク部５１を共通マスク枠５
３に保持する複数個の支持腕５４とをもつ。支持腕５４
は細いため、支持腕５４の裏側であっても、レーザビー
ムの回り込みを期待できる。

【００２６】本実施例においては、固化層２００を作
製するにあたり、固化層２００のうちの共通固化部分６
００をまず作製する。作製にあたっては、図３から理解
できるように、散布装置６の駆動により樹脂被覆砂Ｓを
散布し、薄い散布層３７を造形装置３に形成する。次に
図４に示すように、共通マスク５を載せたマスクホルダ
４を、マスク駆動部４２により、造形装置３の上方に配
置する。これにより共通マスク５は散布層３７を上方か
ら覆う。

【００２７】この状態でレーザ照射装置７の作動によ
り、ビーム径が大きい太いレーザビームＬＡ（第１の照
射エネルギ，ビーム径：約２０ｍｍ）をスキャナ７３か
らマスク越しに散布層３７にスキャン照射して、共通マ
スク５の開口を透過したレーザビームにより、共通マス
ク５の開口に対面する砂部分を熱硬化させる。これによ
り図６（Ｃ）に示すように、内側寸法がα，βであり外
側寸法がαＬ，βＬで規定された共通固化部分６００の
みをまず作製する。ここでα＞Ａ，β＞Ｂ，αＬ＝Ａ
Ｌ，βＬ＝ＢＬである。

【００２８】このように共通固化部分６００を作製する
場合には、共通マスク５の開口形状がそのまま転写され
るため、共通固化部分６００を作製する際の輪郭形状の
精度が良好に確保される。よって、造形速度を速めるべ
く、太いビーム径をもつレーザビームを用いても、輪郭
形状の精度が良好に確保される。 上記のように固化層２００のうちの共通固化部分６０
０の作製が終了したら、次に、固化層２００のうちの非
共通固化部分７００を作製する。非共通固化部分７００
を作製する場合には、共通マスク５を用いないで行うた
め、図５に示すように、絞りレンズ７４を矢印Ｘ４方向
に移動させてレーザビーム経路にセットし、絞りレンズ
７４により、ビーム径を小さくした細いレーザビームＬ
Ｂ（第２の照射エネルギ，ビーム径：約０．２ｍｍ）を
得る。更に、マスクホルダ４を共通マスク５とともに造
形装置３の上方から退避させる。

【００２９】この状態で、図５から理解できるように、
細いレーザビームＬＢを散布層３７にスキャン照射し、
固化層２００のうちの非共通固化部分７００のみを作製
する。図６（Ｅ）に示すように、固化層２００のうちの
非共通固化部分７００は、共通固化部分６００を構成す
る外枠６０５の内面側において、幅寸法Ｋ１の領域を細
いレーザビームＬＢで照射してその領域の砂部分を熱硬
化することにより、作製される。いわば、幅寸法Ｋ１の
領域のみを、細いビーム径をもつレーザビームＬＢを照
射して、非共通固化部分７００を追加する補正を加え
る。これにより共通固化部分６００と非共通固化部分７
００とが合わさった固化層２００の作製が完了する。

【００３０】次に、別の固化層３００を作製する場合
について説明する。この場合には、まず、固化層３００
の共通固化部分６００を作製する。即ち、前述同様に、
共通マスク５を用い、図４に示すように、共通マスク５
をマスクホルダ４に載せた状態で、レーザ照射装置７の
作動によりスキャナ７３から、ビーム径が大きい太いレ
ーザビームＬＡを散布層３７にスキャン照射して砂を熱
硬化させ，これにより図７（Ｃ）に示す共通固化部分６
００を作製する。共通固化部分６００を作製する場合に
は、共通マスク５により固化層の輪郭形状の精度が確保
されるため、前述同様に太いレーザビームＬＢを用い、
造形速度を速めて生産性を高める。

【００３１】固化層３００のうちの共通固化部分６００
のみの作製が終了したら、前述同様に、マスクホルダ４
を共通マスク５とともに造形装置３の上方から退避す
る。共通マスク５を退避させた状態で、固化層３００の
非共通固化部分７０２のみを追加作製する。固化層３０
０における非共通固化部分７０２の作製にあたっては、
図７（Ｅ）に示すように、共通固化部分６００を構成す
る外枠６０５の内面側において、ボス部キャビティ３０
７を形成するように、幅寸法Ｋ２の領域を細いレーザビ
ームＬＢで照射してその領域の砂を熱硬化させることに
より作製する。いわば、幅寸法Ｋ２の領域のみを追加補
正する。これにより共通固化部分６００と非共通固化部
分７０２とが合わさった固化層３００の作製が完了す
る。

【００３２】非共通固化部分７０２を作製する場合に
は、共通マスク５なしで行うため、輪郭精度を確保する
ため、ビーム径を小さくした細いレーザビームＬＢを用
いる。 次に、更に別の固化層４００を作製する場合について
説明する。この場合にも、まず、固化層４００のうちの
共通固化部分６００を作製する。即ち、前記した共通マ
スク５を用い、図４に示すように、レーザ照射装置７の
作動によりスキャナ７３から、ビーム径が大きい太いレ
ーザビームＬＡをマスク越しに散布層３７に照射して熱
硬化させ、図８（Ｃ）に示す共通固化部分６００を作製
する。共通固化部分６００の作製が終了したら、マスク
ホルダ４を共通マスク５とともに造形装置３の上方から
退避させる。共通マスク５を退避させた状態で、固化層
４００の非共通固化部分７０４を作製する。固化層４０
０における非共通固化部分７０４は、図８（Ｅ）に示す
ように、外枠６０５の内側において、突部キャビティ４
０７を形成するように、幅寸法Ｋ３の領域を細いレーザ
ビームＬＢで照射して作製する。いわば、幅寸法Ｋ３の
領域を追加補正する。これにより固化層４００の作製が
完了する。

【００３３】非共通固化部分７０４を作製する場合に
は、共通マスク５なしで行うため、固化層の輪郭精度を
確保するため、前記したようにビーム径を小さくした細
いレーザビームＬＢを用いる。 （実施例の効果）以上説明したように、本発明者は、積
層方向において互いに近傍の固化層２００，３００，４
００は互いに輪郭形状が近似していることに着目し、そ
して、積層方向において互いに近傍の固化層２００，３
００，４００において、共通固化部分６００と非共通固
化部分７００，７０２，７０４とに区分けし、共通固化
部分６００に相応するパターンをもつ共通マスク５を作
製し、その共通マスク５を用いて、固化層２００，３０
０，４００における共通固化部分６００を作製する操作
と、非共通固化部分７００，７０２，７０４を作製する
操作とに分けて行なう。このように複数個の固化層に共
用される共通マスク５を使用するため、マスクの枚数を
低減させ得る。

【００３４】即ち、本実施例においては、積層方向に連
続する複数枚（例えば２０枚）に共通する共通マスク５
を利用するため、マスクの枚数を低減させ得る。なお本
実施例では、説明の便宜上、固化層２００、ボス部キャ
ビティ３０７をもつ固化層３００、突部キャビティ４０
７をもつ固化層４００を例にとって説明したが、実際に
は、固化層２００に対して積層方向の前後にも、固化層
２００と酷似した形状をもつ固化層がある。また固化層
３００に対して積層方向の前後にも、固化層３００と酷
似した形状をもつ固化層がある。また固化層４００に対
して積層方向の前後にも、固化層４００と酷似した形状
をもつ固化層がある。従って、これらの酷似した固化層
の共通固化部分は、共通マスク５を用いてマスク越しに
照射して固化させることができるものである。

【００３５】ビーム径が小さなレーザビームＬＢはスポ
ット面積が小さいため、必要面積を照射するにあたり走
査時間が長くなるおそれがある。この点本実施例におい
ては、非共通固化部分７００，７０２，７０４のそれぞ
れの面積は、共通固化部分６００の面積よりも遥かに小
さい。そのため、非共通固化部分７００，７０２，７０
４のそれぞれを、ビーム径がかなり小さいレーザビーム
を用いて作製する場合であっても、照射時間の過剰な増
大化を抑え得る。

【００３６】（他の実施例）上記した実施例において
は、共通固化部分６００を固化させるために太いレーザ
ビームＬＡを共通マスク５越しにスキャン照射している
が、これに限らず、照射面積が大きい散光レーザビーム
を共通マスク５越しに照射しても良い。あるいは、樹脂
被覆砂を構成している熱硬化型樹脂を熱硬化させ得る赤
外線光（遠赤外線光を含む）を共通マスク５越しに照射
することにしても良い。この場合には、共通マスク５の
全体に少ない回数（通常、１回の照射）で照射できるた
め、レーザビームを縦横に走査するスキャン照射を実行
せずとも済み、故に、共通固化部分６００を作製する時
間の短縮を期待できる。この場合にも、非共通固化部分
を作製するにあたり、ビーム径が小さい細いレーザビー
ムを採用し、非共通固化部分の輪郭形状の精度を確保す
ることが好ましい。

【００３７】なお、上記した実施例は本発明の概念を示
した例示であり、共通固化部分、非共通固化部分の輪郭
形状は上記したものに限定されるものではなく、三次元
造形物の種類に応じて適宜変更できることはもちろんで
ある。

【００３８】

【発明の効果】本発明方法によれば、複数個の固化層に
共通する共通形状に対応するパターンをもつ共通マスク
を製造し、その共通マスクを用いて共通固化部分を作製
する操作と、非共通固化部分を作製する操作とに分けて
行なう。このように複数枚の固化層の作製に共用される
共通マスクを用いれば、マスクの枚数を低減させるのに
有利となる。よってマスクの製作に要するコストの低減
に貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋳物の斜視図である。

【図２】鋳物を鋳造するための三次元造形物である鋳型
の斜視図である。

【図３】散布層を形成する工程を模式的に示す構成図で
ある。

【図４】太いレーザビームをマスク越しに照射して共通
固化部分を作製する工程を模式的に示す構成図である。

【図５】細いレーザビームをマスクなしで照射して非共
通固化部分を作製する工程を模式的に示す構成図であ
る。

【図６】固化層を作製するための手順を説明するための
構成図である。

【図７】別の固化層を作製するための手順を説明するた
めの構成図である。

【図８】更に別の固化層を作製するための手順を説明す
るための構成図である。

【符号の説明】

図中、１は鋳物、２は鋳型、１３はボス部、１４は突
部、５は共通マスク、７はレーザ照射装置、２００，３
００，４００は固化層、６００は共通固化部分、７０
０，７０２，７０４は非共通固化部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固化可能物質に照射エネルギを照射して固
   化層を作製し、多数枚の前記固化層を厚み方向に積層し
   て三次元造形物を造形する積層造形方法であって、 複数枚の前記固化層の平面形状に共通する共通形状に対
   応したパターン形状をもつ共通マスクを用意し、少なく
   とも１枚の固化層を作製するにあたり、 前記共通マスク越しに第１の照射エネルギを固化可能物
   質に照射して共通固化部分を作製する操作と、 前記共通マスクを外した状態で第２の照射エネルギを固
   化可能物質に照射して、非共通固化部分を作製する操作
   とを含むことを特徴とする積層造形方法。