JP2000190086A - 三次元形状造形物の製造方法および金型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光ビームで走査形成する粉末硬化層を積層し
て三次元形状を製造する方法において、中空部品や、場
所によって材質あるいは特性が異なる部品や、気密性、
水密性の高い部品などを製造できるようにする。 【解決手段】 無機質あるいは有機質の粉末材料２０に
光ビーム３０を照射して硬化層２２を形成し、この硬化
層２２を積み重ねて所望の三次元形状部品Ｍを製造する
方法において、部品製造プロセス中に、硬化させていな
い一部の粉末材料２０を除去し、その除去した部分２６
に、別工程で製造した埋設用部材４０を埋設し、その後
さらに前記粉末材料２０に光ビーム３０を照射して硬化
層２２を積み重ねる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三次元形状造形物
の製造方法および金型に関し、詳しくは、光ビームを利
用して無機質または有機質の粉末を層状に連続的に硬化
させて製造する三次元形状造形物の製造方法と、この製
造方法の用途である金型に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属などの無機質粉末あるいは樹脂など
の有機質粉末を堆積させ、そこにレーザや指向性エネル
ギービームなどの光ビームを照射して硬化させ、このよ
うな操作を繰り返すことで硬化物を積層させて三次元形
状造形物を製造する方法が知られている。光ビームが照
射された部分は硬化して一体化し、光ビームが照射され
ない部分は粉末のままで残るので、最終的に堆積した粉
末材料の中から硬化物を取り出し、硬化していない粉末
を除去してしまえば、目的とする三次元形状造形物が得
られる。

【０００３】製造工程や製造装置などの具体的技術が、
特許第２６２０３５３号公報に開示されている。上記方
法は、通常の鋳造や機械加工では製造できないような複
雑で精密な形状の部品を効率的に製造できるという利点
がある。また、部品のＣＡＤ設計データなどの電子情報
をもとにして光ビームの走査を電子的に制御するだけ
で、任意の形状を有する部品が直ちに製造できる。従来
の粉末焼結技術のように、予め粉末を成形しておく手間
や設備も必要ない。このような利点を生かす用途して、
大量生産の前の試作品の製造、少数製造の精密部品の生
産、金型の生産などが考えられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術では、前
記したように複雑で精密な形状の部品を製造することが
できるのであるが、内部に閉塞された空間を有する中空
部品は製造し難い。光ビームの走査によって、積層され
た硬化層の内部に粉末を硬化しない領域を残すことはで
きるが、未硬化領域の外周が硬化物で囲まれていれば、
未硬化領域に残った粉末材料を外部に取り出すことがで
きないので、中空部品を得ることはできない。

【０００５】各種の機構部品あるいは構造部品を中空に
することは、部品の軽量化にとって極めて有効であると
ともに、中空部分が物理的あるいは化学的、電気的な機
能を果たすことも可能であるため、中空部品の製造技術
を開発することが要望される。また、前記従来技術で
は、部品の場所によって、材質や特性を変えることが難
しいという問題もある。一つの部品を製造している間
は、同じ粉末材料を繰り返し堆積させていくので、部品
の全体が同じ材質や特性のものとなる。部品の使用目的
や用途によって、部品の一部だけに機械的強度や導電
性、熱伝導性などの特性の異なる部分を設けることが必
要になる場合があり、このような要求に対応することが
望まれる。

【０００６】さらに、前記方法で粉末材料を硬化させた
だけの部品は、粉末同士の微細な隙間に由来する空孔が
残って、鋳造部品における巣のような構造になっている
ために、機能的に支障が生じることがある。例えば、液
体や気体と接触する個所に前記のような空孔を有する部
品を用いると液体や気体が部品内に浸入したり通過した
りしてしまう。部品の内部に冷却水の通路を設けると、
冷却水が空孔から漏れだしてしまう。その他、気密性や
水密性を要求される用途に使用し難くなる。

【０００７】本発明が解決しようとする課題は、前記し
た粉末の光レーザ硬化層を積層して三次元形状を製造す
る方法において、従来技術が有する問題点を解消し、中
空部品を製造したり、場所によって材質あるいは特性が
異なる部品を製造したり、気密性、水密性の高い部品を
製造したりできるようにすることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる三次元形
状造形物の製造方法は、無機質あるいは有機質の粉末材
料に光ビームを照射して硬化層を形成し、この硬化層を
積み重ねて所望の三次元形状造形物を製造する方法にお
いて、部品製造プロセス中に、硬化させていない一部の
粉末材料を除去し、その除去した部分に、別工程で製造
した埋設用部材を埋設し、その後さらに前記粉末材料に
光ビームを照射して硬化層を積み重ねることを特徴とす
る。

【０００９】上記方法において、埋設用部材を複数個埋
設することができる。前記埋設用部材が、粉末材料に光
ビームを照射して硬化層を形成し、この硬化層を積み重
ねて所望の三次元形状造形物を製造する方法によって製
造されたものであることができる。前記複数個の埋設用
部材が、異種材料からなる埋設用部材の組み合わせであ
ることができる。

【００１０】前記異種材料が、熱伝導率が異なる材料で
あることができる。前記埋設用部材が、中実品であるこ
とができる。前記埋設用部材が、中空品であることがで
きる。前記埋設用部材が、凹形状部材とその凹部を閉塞
させる部材であることができる。

【００１１】前記凹形状部材と前記その凹部を閉塞させ
る部材とを、製造プロセス中に粉末材料を硬化させる光
ビームによって接合することができる。前記硬化させて
いない部分の一部の粉末材料を除去し、その除去した部
分を閉塞させる埋設用部材を前記粉末除去部の上面に配
置することができる。前記埋設用部材が、三次元形状造
形物を貫通する部材であることができる。

【００１２】前記埋設用部材の内部に温度制御装置が組
み込まれることができる。前記埋設用部材の一部につば
形状を有することができる。前記埋設用部材が、ハニカ
ム構造部材であることができる。前記埋設用部材と、前
記光ビームを照射して形成された硬化物とを接合し、そ
の後さらに前記硬化層を積み重ねて形成することができ
る。

【００１３】前記埋設用部材と、前記硬化物とを半田に
より接合し、その後さらに前記硬化層を積み重ねて形成
することができる。前記埋設用部材の上面が、前記硬化
させる粉末材料と同材質の部材であることができる。前
記埋設用部材が、前記硬化させる粉末材料と同材質の部
材であることができる。

【００１４】前記埋設用部材が、銅からなることができ
る。前記何れかの方法で金型を製造することができる。 〔作 用〕本発明の方法において、別工程で製造した埋
設用部材として中空品を用いれば、最終的に得られる三
次元形状造形物の内部に、粉末材料が存在しない中空部
分が形成される。この方法で中空部品を製造すれば、中
実部品に比べて使用する粉末材料を削減することができ
る。造形に要する時間が短縮される。三次元形状造形物
の軽量化が図れる。埋設用部材に、三次元形状造形物と
は異なる機能や特性を持たせることができる。埋設用部
材が機械的強度の高い部品であれば、三次元形状造形物
の強度向上を図れたり、反り変形を防止したりすること
ができる。埋設用部材に冷却水を通して温度調節機能を
持たせることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】〔基本的製造工程〕図１(A) 〜
(D) に、基本的な製造工程を示している。図１(A) に示
すように、成形ベース１０の上に、粉体２０を段階的に
層状に堆積させるとともに、各堆積層にレーザ光３０を
照射して、必要な個所だけを硬化させる。硬化層２２
は、２２ａ〜ｅへと上方に積み重ねられていく。上層の
硬化層２２で粉体２０が硬化する際に下層の硬化層２２
と一体接合される。

【００１６】図中、各硬化層２２の両側方には未硬化の
粉体２０が残っている。硬化層２２ｄ、ｅを硬化させる
際には、硬化層２２の途中に部分的に未硬化の粉体２０
を残しており、この部分は非硬化部２４、２６となる。
図１(B) に示すように、非硬化部２６から粉体２０を取
り除く。非硬化部２４の粉体２０は残したままにする。
非硬化部２６は空隙すなわち凹部２６となる。

【００１７】図１(C) に示すように、凹部２６に埋設部
材４０を埋め込む。埋設部材４０は、予め別工程で製造
されたものであり、断面角形をなし、中央に閉塞空間４
２が形成されている。埋設部材４０は凹部２６にぴった
りと嵌まり込み、埋設部材４０と硬化層２２の最上面と
はほぼ同一面になる。図１(D) に示すように、埋設部材
４０を配置したままで、再び粉体２０の堆積とレーザ光
３０の照射による硬化を繰り返す。図では、硬化層２２
ｆ、２２ｇが積み重ねられている。硬化層２２ｆ、２２
ｇにも新たな非硬化部２４が形成され、この部分の粉体
２０は外部と取り出される。硬化層２２ａ〜ｇの両側に
残った非硬化の粉体２０も最終的に除去される。

【００１８】その結果、硬化層２２ａ〜ｇが一体接合さ
れ、内部に埋設部材４０が埋め込まれた三次元形状造形
物Ｍが得られる。三次元形状造形物Ｍの内部には埋設部
材４０に備えていた閉塞空間４２が配置された状態にな
る。上記実施形態において、粉末２０としては、平均粒
径約２０μｍの球形をなす鉄粉を用いることができる。
レーザ光３０として、ＹＡＧレーザが使用できる。１層
の硬化層２２を形成するために粉末２０を堆積させる厚
みは、０．１mmに設定できる。非硬化部２４、２６から
粉体２０を除去するには、吸引による方法が採用でき
る。埋設部材４０としては、鉄製で直方体形の中空体部
品が用いられる。この埋設部材４０を製造するには、箱
部材と蓋部材とを熔接やロウ付けで接合したり嵌合した
りすることができる。

【００１９】上記実施形態によれば、得られた三次元形
状造形物Ｍの内部に埋設部材４０を配置している分だ
け、粉末２０の使用量を削減できる。造形時間も短縮さ
れる。埋設部材４０で補強されることになるので、部品
の強度向上が図れ、部品の反り変形も防止できる。閉塞
空間４２を有する分だけ、部品の軽量化が図れる。 〔外殻硬化部と複数個の埋設部材〕図２に示す実施形態
は、複数個の埋設部材を組み合わせて用いる。

【００２０】図２(E) に示すような２個の埋設部材４
４、４６が一体となって埋め込まれた三次元形状造形物
Ｍを製造する。図２(A) に示すように、成形ベース１０
の上で、前記同様の粉体２０の堆積とレーザ光３０の照
射を繰り返して、周壁状に配置された外殻硬化部２８を
形成する。外殻硬化部２８の内周形状を埋設部材４４の
外形状に合わせている。

【００２１】図２(B) に示すように、外殻硬化部２８の
内側に残る未硬化の粉体２０を取り出し、出来た空間に
埋設部材４４を埋め込む。図２(C) に示すように、外殻
硬化部２８の内側にぴったりと埋設部材４４が収容され
る。図２(D) に示すように、埋設部材４４および外殻硬
化部２８の上方でさらに、粉体２０の堆積およびレーザ
光３０の照射を繰り返す。外殻硬化部２８は階段状に狭
くなって上方に延びている。このように、開口部分の断
面積が狭くなると、埋設部材４４の埋め込みが困難にな
るので、このような断面積の変化が生じる手間の段階で
埋設部材４４の埋め込みを行っておく。

【００２２】埋設部材４４の上方で外殻硬化部２８の内
側に残った未硬化の粉体２０を取り出して、もう一つの
埋設部材４６を埋め込む。図２(E) に示すように、埋設
部材４６の上にも粉体２０を堆積させてレーザ光３０に
よる硬化を繰り返す。外殻硬化部２８は、埋設部材４６
の上面を塞ぐように形成される。

【００２３】その結果、二つの埋設部材４４、４６が一
体的に積み重ねられ、その外周が外殻硬化部２８で覆わ
れた三次元形状造形物Ｍが得られる。埋設部材４４、４
６は外殻硬化部２８と一体的に接合されている。埋設部
材４４、４６は、通常の鋳造や成形、機械加工などの手
段で作製しておけばよい。埋設部材４４、４６の外形や
分割構造、外殻硬化部２８の形成パターンなどは、目的
とする三次元形状造形物ＭのＣＡＤデータをもとにして
設計することができる。

【００２４】一般に、三次元形状造形物Ｍを作製する場
合、形成する部品の体積が大きくなると、レーザ光３０
を照射時間が長くかかる。照射断面積が大きくなると、
加えられる熱エネルギーと材料同士の結合作用に伴って
発生する熱応力によって、部品に変形等の悪影響を及ぼ
すことがある。また、体積が大きい部品Ｍを作製する
と、部品全体がポーラス（多孔質）な状態であるため、
緻密な状態の部品に比べて強度的には劣るものとなる。

【００２５】このような問題を、前記実施形態では解消
することができる。すなわち、ブロック状の埋設部材４
４、４６が埋め込まれているので、粉末２０を熱エネル
ギーによって接合する領域が少なく済む。その結果、部
品の作製時間が短くなる。部品内部において、熱エネル
ギーを加えて接合する断面領域が小さくなるので、熱応
力や熱変形によって生じる部品の反り変形などが低減さ
れる。

【００２６】強固なブロック状の埋設部材４４、４６が
埋め込んでおくことにより、全体が粉体２０の硬化で形
成された部品に比べて、外部圧力等に対する耐久性ある
いは強度が向上する。ブロック状の埋設部材４４、４６
が軽量な材質であれば、部品Ｍ全体の軽量化を図れる。
埋設部材４４、４６に中空部品を使用した場合にも、軽
量化が図れる。 〔断面の分割構成〕図３、図４に示す実施形態は、断面
が市松模様状に分割された埋設部材１４０を用いる。

【００２７】図３に示すように、粉体の堆積とレーザ光
の照射による硬化を繰り返して行う製造方法でブロック
部品１２０を作製する。ブロック部品１２０は、水平断
面で外周壁部分を除く全面に多数の正方形パターンが交
互に食い違って配列されており、いわゆる市松模様を構
成している。個々の正方形パターンが、ブロック部品１
２０を上下に貫通する孔１２２で互いに分割あるいは隔
離されていることになる。なお、ブロック部品１２０の
製造過程では、孔１２２には未硬化の粉体が残っている
が、製造後に孔１２２から粉体を除去しておく。

【００２８】ブロック部品１２０とは別に、予め通常の
成形や鋳造などの手段で製造された埋設部材１４０を準
備しておく。埋設部材１４０は、断面形状が、ブロック
部品１２０の断面形状の裏返しになった市松模様状をな
しており、熱膨張が少なく強固な材料で作製されてい
る。前記ブロック部品１２０に埋設部材１４０を埋め込
むと、全体が直方体状をなす中実構造の複合部材が構成
される。

【００２９】図４に示すように、埋設部材１４０が嵌め
込まれたブロック部品１２０の上に、さらに粉体２０の
堆積およびレーザ光３０の照射による硬化を繰り返せ
ば、所望の形状を有する三次元形状造形物Ｍが得られ
る。三次元形状造形物Ｍの内部でブロック部品１２０お
よび埋設部材１４０は一体的に接合される。上記の実施
形態では、全体の面積が大きな三次元形状造形物Ｍであ
っても、熱エネルギーの供給や粉体の結合に伴う三次元
形状造形物Ｍの熱変形を少なくでき、反り変形の発生を
防止することができる。

【００３０】これは、三次元形状造形物Ｍは、断面積が
大きな個所ほど、加えられる熱エネルギーの全体量が大
きくなり、粉体２０同士が接合する際に生じる膨張や収
縮も大きくなり、熱変形あるいは反り変形が大きくな
る。前記実施形態では、ブロック部品１２０の断面積
が、比較的に小さな多数の正方形パターンに分割されて
いるので、個々の正方形パターンで発生する熱変形量は
小さなものとなる。しかも、各正方形パターンは、強固
な埋設部材１４０で前後左右を囲まれた形になっている
ので、余計に変形を起こし難くなっている。ブロック部
品１２０に加わる熱エネルギーが埋設部材１４０にも分
散されることで、ブロック部品１２０に加わる熱エネル
ギーが少なくなることでも、熱変形が抑えられる。

【００３１】なお、ブロック部品１２０の断面形状は、
分割された個々の領域が比較的に小さくなっていて、前
記した熱変形を低減することができれば、図示した正方
形状の市松模様のほか、任意の図形状を採用することが
できる。 〔異種材料の組み合わせ〕図５に示す実施形態は、異種
材料からなる埋設部材を組み合わせる。

【００３２】基本的な製造方法は、前記した図２に示す
外殻硬化部２８と埋設部材４４を用いる製造技術が採用
される。但し、埋設部材４４の代わりに、２種類の埋設
部材４４ａと４４ｂが用いられる。中央に配置される埋
設部材４４ｂは熱伝導性が高い材料からなる。外周側に
配置される埋設部材４４ａは熱伝導性が低い材料からな
る。

【００３３】したがって、図２(B) の段階で、埋設部材
４４の代わりに埋設部材４４ａと４４ｂとを配置する。
その後は、前記同様に、埋設部材４４ａ、４４ｂおよび
外殻硬化部２８の上に粉体２０を堆積させてレーザ光３
０で硬化させる作業を繰り返す。その結果、図５に示す
ように、埋設部材４４ａ、４４ｂが外殻硬化部２８で覆
われ、外殻硬化部２８の上部にはさらに硬化層２２が積
み重ねられた形状の三次元形状造形物Ｍが作製される。

【００３４】得られた三次元形状造形物Ｍは、埋設部材
４４ａが埋め込まれた個所では比較的に熱伝導性が高
く、埋設部材４４ｂが埋め込まれた個所では比較的に熱
伝導性が低くなり、場所によって熱伝導性に違いのある
部品が得られる。例えば、プラスチックの射出成形用金
型の場合、射出成形する製品の形状に合わせて樹脂の流
動性を良くする必要のある個所とあまり流動性を高くし
ないほうが良い個所がある。このような場合に、前記し
た三次元形状造形物Ｍの構造を適用すれば、流動性を必
要とする個所には熱伝導性の高い部分を配置し、流動性
を必要としない個所には熱伝導性の低い部分を配置する
などして、金型における樹脂の流動性を制御あるいは管
理することが可能になる。

【００３５】上記射出成形用金型以外にも、部品の場所
によって熱伝導性を変える必要がある用途に前記実施形
態の構造が適用できる。 〔埋設部材の具体例〕図６に示す実施形態は、前記図１
の実施形態において埋設部材４０として中実品を用いて
いる。基本的な製造工程は前記図１の実施形態と共通す
る。

【００３６】図６は、製造工程がほぼ完了した状態を示
し、成形ベース１０の上に中実ブロック状の埋設部材４
０を配置され、埋設部材４０の外周および上方を覆って
複数層の硬化層２２ａ〜ｇが積み重ねられて一体接合さ
れている。埋設部材４０の上方には非硬化部２４から粉
体２０を取り除いて凹部が形成される。埋設部材４０と
硬化層２２とで構成される三次元形状造形物Ｍを、周囲
に存在する非硬化の粉体２０から取り出せば、目的とす
る三次元形状造形物Ｍが得られる。

【００３７】埋設部材４０は、スチールブロックやアル
ミブロックが用いられ、切削加工やワイヤ放電加工など
で作製される。上記実施形態では、埋設部材４０を用い
ずに粉体２０だけで三次元形状造形物Ｍを形成した場合
に比べて、構造体としての強度が増す。埋設部材４０の
容積分だけ粉体２０の使用量を削減できる。埋設部材４
０に粉体２０よりも比重の小さな材料を用いれば、部品
Ｍを軽量化することができる。具体的には、粉体２０が
鉄粉である場合、埋設部材４０にアルミニウムを用いる
ことができる。造形時にレーザ光３０を照射する面積
が、埋設部材４０を埋め込むために粉体２０を非硬化の
まま残す部分の割合だけ小さくて済むため、硬化部分に
蓄積する熱応力が低減され、部品Ｍに発生する反りや変
形を低減することができる。 〔中空状の埋設部材の作製〕図７に示す実施形態は、前
記図１の実施形態で用いた中空状の埋設部材４０の作製
方法を示している。

【００３８】埋設部材４０として、直方体箱状の中空品
を作製する。図７(A) に示すように、厚さ１mm程度の鉄
板４３を、埋設部材４０の各面を構成する面４３ａが展
開状態で連結された形状になっている。図７(B) に示す
ように、各面４３ａ同士の境界線４３ｂをそれぞれ直角
に折り曲げ加工する。各面４３ａの端辺同士をスポット
熔接等で接合すれば、直方体箱状の埋設部材４０が形成
され、埋設部材４０の内部には閉塞された中空部が配置
される。 〔中空状埋設部材の別例〕図８に示す実施形態は、図７
の実施形態と異なる中空状埋設部材４０の作製方法およ
び造形方法を示す。

【００３９】図８(A) に示すように、埋設部材４０を、
蓋のない箱状をなす凹形部材４０ｄと、凹形部材４０ｄ
の上面開口を塞ぐ平板状の蓋部材４０ｃとで構成する。
造形作業としては、成形ベース１０の上で、複数層の硬
化層２２を積み重ね、中央に埋設部材４０の外形状に対
応する非硬化部２４を形成する。非硬化部２４の粉体は
除去され、凹部２４となっている。凹部２４に凹形部材
４０ｄを嵌め込み、凹形部材４０ｄの上面を蓋部材４０
ｃで塞ぐ。

【００４０】図８(B) に示すように、さらに硬化層２２
を積み重ねて形成し、三次元形状造形物Ｍを作製すれ
ば、中空状の埋設部材４０が三次元形状造形物Ｍの内部
に埋め込まれた状態になる。凹形部材４０ｄは、鉄やア
ルミニウム等で作製することができる。これらの金属か
らなるブロックを切削加工したり、前記図７の実施形態
のような曲げ加工やプレス絞り加工を行ったりして作製
できる。射出成形などで成形された樹脂成形品を用いる
こともできる。蓋部材４０ｃも凹形部材４０ｄと同様の
材料で作製できる。

【００４１】凹形部材４０ｄと蓋部材４０ｃとは、予め
熔接や接着等の手段で接合しておくことができる。ま
た、別部材のままで硬化層２２の凹部２４に順次配置し
たあと、その上方に硬化層２２を形成することで凹形部
材４０ｄと蓋部材４０ｃが一体化されるようにしてもよ
い。 〔中空状埋設部材の別例〕図９に示す実施形態は、前記
図８の実施形態と同様の凹形部材４０ｄおよび蓋部材４
０ｃを用いる。

【００４２】図９(A) に示すように、凹形部材４０ｄの
上部内周縁には段差４０ｅが形成されており、この段差
４０ｅに蓋部材４０ｃが嵌め込まれるようになってい
る。成形ベース１０の上に積み重ねられた硬化層２２に
は前記同様の凹部２４が設けられ、この凹部２４に、凹
形部材４０ｄおよび蓋部材４０ｃが順次収容される。

【００４３】図９(B) に示すように、凹形部材４０ｄの
段差４０ｅに蓋部材４０ｃが嵌め込まれた状態で、蓋部
材４０ｃと凹形部材４０ｄとの上面境界線にレーザ光３
２を照射して両部材を溶融させて接合４０ｆする。ここ
で用いるレーザ光３２は、粉体２０を硬化させるための
レーザ光３０と同じ照射装置から照射してもよいが、そ
のエネルギー強度などの照射条件は、凹形部材４０ｄと
蓋部材４０ｃの材質に合わせて適切な接合が行われるよ
うに制御する。例えば、両部材４０ｄ、４０ｃが金属の
場合には比較的に高いエネルギーが必要になるが、樹脂
成形品等の場合には比較的に小さなエネルギーでも十分
である。

【００４４】図９(C) に示すように、凹形部材４０ｄと
蓋部材４０ｃとが接合部４０ｆで一体化された中空状の
埋設部材４０を埋め込んだ状態で、硬化層２２の積み重
ね作業をさらにつづけて、三次元形状造形物Ｍが作製さ
れる。上記実施形態では、中空状の埋設部材４０の作
製、あるいは、凹形部材４０ｄと蓋部材４０ｃとの接合
を、三次元形状造形物Ｍの造形作業とは別の工程で行っ
ておく必要がないので、全体の製造作業か効率化する。
凹形部材４０ｄと蓋部材４０ｃとが接合されていれば、
単なる嵌め合わせや当接しているだけの場合に比べて、
内部の中空部分の気密性あるいは水密性が良くなり、機
械的強度も向上する。 〔中空部の作製〕図１０に示す実施形態は、前記実施形
態のような中空状の埋設部材４０を用いずに、三次元形
状造形物Ｍの内部に中空部を作製する。

【００４５】図１０(A) に示すように、成形ベース１０
の上に硬化層２２を積み重ねるとともに、粉体の非硬化
部からなる凹部２５を作製する。凹部２５の上端には段
部２７が設けられている。この段部２７に、別に作製さ
れた蓋部品４５を嵌め込んで、凹部２５を塞ぐ。凹部２
５の内部は閉塞された中空空間となる。図１０(B) に示
すように、蓋部品４５の上にさらに硬化層２２を積み重
ねて形成すれば、内部に凹部２５による中空構造が配置
された三次元形状造形物Ｍが作製される。

【００４６】なお、蓋部品４５としては、鉄やアルミニ
ウムなどの金属プレートが使用できる。樹脂成形品も使
用できる。さらに、予め本発明の粉体から硬化させる方
法で作製された部品を用いることもできる。上記実施形
態では、三次元形状造形物Ｍの内部に中空構造を作製す
るのに、前記実施形態のような中空状の埋設部材４０が
不要になり、比較的簡単な板状の蓋部品４５だけを準備
すればよいので、作業が容易である。 〔貫通中空部の作製〕図１１に示す実施形態は、三次元
形状造形物Ｍの一面から他面へと貫通する中空部を作製
する。

【００４７】図に示すように、両端が開口する筒状の埋
設部材４１を準備する。硬化層２２を複数層積み重ねて
いくのは前記各実施形態と同じである。積み重ねた硬化
層２２の中央には埋設部材４１を嵌め込むための凹部２
４が設けられる。凹部２４は、積層された硬化層２２の
一側面から対向する側面まで貫通する溝状に形成されて
いる。

【００４８】凹部２４に埋設部材４１を埋め込むと、埋
設部材４１を貫通する中空部４１ａが、積層された硬化
層２２の一側面から対向する側面まで貫通して配置され
ることになる。その後の造形作業は、前記した各実施形
態と同様に行われる。その結果、製造された三次元形状
造形物Ｍには、一側面から他側面へと貫通する中空空間
が配置されることになる。

【００４９】筒状の埋設部材４１は、プレス加工や押出
加工などで作製することができる。貫通中空部を有する
三次元形状造形物Ｍ、プラスチック等の射出成形金型の
型部に利用できる。貫通中空部に水を通せば、冷却水路
として使用できる。貫通中空部にヒータを配置すれば、
型部の温度制御に使用できる。貫通中空部に熱電対を配
置しておけば、型部の温度測定および管理が行える。貫
通中空部に、運搬用の付属部品を取り付けておけば、型
部あるいは金型の運搬が容易になる。

【００５０】上記成形金型以外にも、各種の装置部品に
おいて、貫通中空部が必要な場合には前記技術が適用で
きる。 〔金型への応用〕図１２および図１３に示す実施形態
は、三次元形状造形物Ｍを樹脂成形用の成形金型に適用
した場合である。

【００５１】この実施形態では、三次元形状造形物Ｍに
埋設する埋設部材として、金型用の温度制御ブロック６
０を用いる。温度制御ブロック６０は、全体が金属等で
形成され、直方体箱状のブロック本体６１と、ブロック
本体６１の左右側面から外方に突出して延びる腕部６
２、６２を有している。一方の腕部６２の先端からブロ
ック本体６１を経て他方の腕部６２の先端までを貫通す
る中空部６３を有する。

【００５２】このような温度制御ブロック６０の外殻構
造は、プレス加工や押出加工を用いて製造できる。例え
ば、直方体箱状のブロック本体６１の側面に孔をあけ、
そこに角パイプからなる腕部６２を接合することで製造
できる。ブロック本体６１の内部には、ヒータやその制
御回路、温度センサとなる熱電対などの機構を備えた温
度制御装置７０が収容されている。温度制御装置７０に
電源を供給したり制御情報を伝達するためのリード線７
２が、腕部６２の中空部６３を経て外部へと引き出され
ている。

【００５３】図１２に示すように、前記実施形態と同様
にして、複数層の硬化層２２を積み重ねていく。積み重
ねられた硬化層２２の中央には、非硬化の粉体を除去し
て形成された凹部２４が設けられる。凹部２４は、温度
制御ブロック６０と同一形状をなしている。凹部２４に
温度制御ブロック６０を嵌め込むと、左右の腕部６２の
先端は、積み重ねた硬化層２２の両側面に露出し、腕部
６２の中空部６３から引き出されたリード線７２が外部
に延びる。

【００５４】凹部２４に温度制御ブロック６０が埋め込
まれたあと、前記実施形態と同様に、さらに硬化層２２
を積み重ねて形成すれば、目的とする三次元形状造形物
Ｍが得られる。三次元形状造形物Ｍの内部に埋め込まれ
た温度制御ブロック６０は、直方体状のブロック本体６
１から左右に突き出した腕部６２を有しているので、三
次元形状造形物Ｍの内部で前後左右上下の何れの方向に
も、移動したり位置がずれたりすることなく、定められ
た位置に正確に固定される。温度制御ブロック６０の一
部が三次元形状造形物Ｍの外面に露出していても、温度
制御ブロック６０が三次元形状造形物Ｍから抜け出すこ
とはない。

【００５５】三次元形状造形物Ｍは、プラスチック等の
射出成形金型の型部に用いられる。温度制御装置７０を
作動させれば、三次元形状造形物Ｍからなる型部を容易
に加熱することができる。温度制御装置７０を、型部の
表面に近い位置に埋め込むことができるので、小電力で
も効率的に加熱することができる。前記温度制御装置７
０として、ペルチェモジュールを利用することができ
る。ペルチェモジュールは、電気を熱に直接に変換する
熱電変換素子からなり、電流値や電流方向を制御するこ
とで、加熱および冷却とその温度を容易に制御すること
ができる装置である。通常のヒータに比べて加熱効率が
良く、しかも、加熱だけではなく冷却も果たすことがで
きる。ペルチェモジュールの具体的構造は、既知のペル
チェモジュールと同様のものが用いられる。

【００５６】前記した温度制御ブロック６０の外殻構造
すなわち本体ブロック６１と腕部６２との結合体だけを
三次元形状造形物Ｍに埋め込んでおいて、内部の中空空
間６３に、水や比重の大きい液体などを充填すること
で、金型のバランス調整を行うことができる。 〔冷却装置の埋め込み〕図１４に示す実施形態は、温度
制御ブロックとして冷却フィンを備えておく。

【００５７】前記図１２および図１３の実施形態と同様
に、三次元形状造形物Ｍは、複数層の硬化層２２が積み
重ねられて構成されている。積み重ねた硬化層２２に粉
体の非硬化部分からなる凹部２４を形成し、この凹部２
４に温度制御ブロック６０を埋め込み、さらにその上に
硬化層２２を積み重ねている。温度制御ブロック６０
は、左右の腕部６２、６２から中央のブロック本体６１
までが貫通空間６３になっている。ブロック本体６１に
は、外周壁から中央に向かって突出する多数の冷却フィ
ン６４が配置されている。三次元形状造形物Ｍの外部に
設置された冷却ファン６６などを用いて、温度制御ブロ
ック６０の腕部６２の一端から貫通空間６３に冷風を吹
き込むと、冷風は反対側の腕部６２の末端から外部に出
ていく。このとき、ブロック本体６１では、冷却フィン
６４に冷風が当たって効率良く熱を奪う。冷却フィン６
４から温度制御ブロック６０の外周に配置された硬化層
２２すなわち三次元形状造形物Ｍが冷却されることにな
る。

【００５８】したがって、三次元形状造形物Ｍを前記し
た金型の型部に用いれば、金型の効率的な冷却を行うこ
とができる。冷却ファン６６の風が、金型である三次元
形状造形物Ｍの内部の型面に近い位置にまで到達するの
で、冷却効率が格段に向上することになる。 〔ハニカム構造の埋設部材〕図１５に示す実施形態は、
埋設部材としてハニカム構造体を用いる。

【００５９】ハニカム構造の埋設部材４７は、断面形状
が六角形を多数連設して配置した形状を有しており、六
角形状の中空部４７ａが多数並設された状態で、断面と
直交する方向につづいている。このような埋設部材４７
は、無機材料あるいは有機材料の何れで作製することも
できる。前記した実施形態と同様に、硬化層２２を積み
重ね、凹部２４を形成したあと、凹部２４にハニカム部
品４７を埋め込み、さらにその上に必要に応じて硬化層
２２を積み重ねて三次元形状造形物Ｍを作製する。

【００６０】三次元形状造形物Ｍの内部には、ハニカム
部品４７の内部に存在する中空部４７ａが閉塞された状
態で配置されることになる。上記実施形態では、空間容
積の大きなハニカム部品４７が埋め込まれているので、
三次元形状造形物Ｍの軽量化を大幅に促進させる。ハニ
カム部品４７は強度的にも優れているため、三次元形状
造形物Ｍの強度向上にも大きく貢献できる。特に、ハニ
カム部品４７は負荷時に応力分散が行われるため、集中
荷重によるクラック発生などの防止ができる。

【００６１】なお、ハニカム部品４７は、外力を受けた
ときに、断面方向に加わる荷重よりも断面と直交する中
空部４７ａの長さ方向の荷重に対して強度が高く耐久性
に優れている。三次元形状造形物Ｍの使用時に大きな外
力が加わり易い方向に、ハニカム部品４７の長さ方向が
配置されるようにするのが好ましい。例えば、図１５で
は白矢印方向に荷重が加わるようにして使用するのが好
ましいことになる。 〔接合剤の注入〕図１６に示す実施形態は、埋設部材と
硬化層とを接合する手段を用いる。

【００６２】図１６(A) に示すように、積み重ねた硬化
層２２に凹部２４を形成し、凹部２４に埋設部材４０を
嵌め込むまでは、前記した実施形態と同様である。図１
６(B) に示すように、埋設部材４０と硬化層２２の凹部
２４との隙間に、注入器８０を用いて、接着剤やシール
剤などの接合剤８２を注入する。接着剤は物理的、化学
的な接着機能のある材料、シール剤は隙間を埋める機能
のある材料を意味するが、接着剤とシール剤の両方の機
能を有する材料を用いてもよい。

【００６３】埋設部材４０と凹部２４との間に注入され
た接合剤８２は、毛管作用などで隙間の全体に拡がり、
埋設部材４０と凹部２４との隙間を埋めて両者を一体的
に接合する。図１６(C) に示すように、埋設部材４０が
埋め込まれた硬化層２２の上にさらに硬化層２２を積み
重ねて三次元形状造形物Ｍを作製する。なお、埋設部材
４０と硬化層２２との隙間に注入された接合剤８２は、
直接に注入された埋設部材４０の側面部分は勿論のこ
と、前記した毛管作用で埋設部材４０の底面部分にも拡
がって、埋設部材４０を硬化層２２に接合することにな
る。埋設部材４０の上面と硬化層２２との間には結合剤
８２は配置されないが、埋設部材４０と硬化層２２との
接合にはそれほど影響しない。

【００６４】上記実施形態では、埋設部材４０が硬化層
２２からなる三次元形状造形物Ｍに対して強固に接合さ
れ、両者の間の隙間も埋められるので、埋設部材４０と
硬化層２２との一体性が向上し、三次元形状造形物Ｍの
強度が増す。埋設部材４０と硬化層２２との間における
伝熱性を向上させることもできる。 〔ハンダによる接合〕図１７に示す実施形態は、埋設部
材を硬化層に対してハンダ接合する。

【００６５】図１７(A) に示すように、埋設部材４０の
外周面全体にハンダを塗布して、ハンダ層９０を形成し
ておく。積み重ねられた硬化層２２には前記同様の凹部
２４を設けておく。図１７(B) に示すように、凹部２４
にハンダ層９０を有する埋設部材４０を埋め込む。

【００６６】図１７(C) に示すように、埋設部材４０を
埋め込んだ硬化層２２の上には、さらに硬化層２２を積
み重ねて、三次元形状造形物Ｍを作製する。その後、三
次元形状造形物Ｍの全体を、ハンダの融点以上の温度に
加熱して、ハンダ層９０を一旦溶融させた後、冷却する
ことによって、ハンダ層９０で埋設部材４０と硬化層２
２とを一体的に接合させる。溶融したハンダ層９０は、
硬化層２２の凹部２４と埋設部材４０との間に存在して
いた微細な隙間なども埋めて固化することになる。

【００６７】なお、埋設部材４０の材質として、ハンダ
に対する濡れ性の良い銅等の金属を用いるのが好まし
い。上記実施形態では、ハンダ層９０によって三次元形
状造形物Ｍに対する埋設部材４０の一体性を向上させ、
三次元形状造形物Ｍ全体の強度を向上させることができ
る。また、ハンダ層９０が、埋設部材４０と硬化層２２
との間の電気伝導度を向上させる効果もある。 〔粉末材料の薄層を有する埋設部材〕図１８に示す実施
形態は、粉末材料の薄層を有している埋設部材を用い
る。

【００６８】図１８(A) に示すように、埋設部材４０の
上面に、硬化層２２を形成するのと同様の粉末材料を溶
射して、薄い粉末材料層４９を設けておく。図１８(B)
に示すように、凹部２４に粉末材料層４９を有する埋設
部材４０を埋め込む。上部に露出する埋設部材４０の上
面には粉末材料層４９が配置されることになる。

【００６９】図１８(C) に示すように、埋設部材４０を
埋め込んだ硬化層２２の上に、さらに硬化層２２を積み
重ねて、三次元形状造形物Ｍを作製する。このとき、埋
設部材４０の上面の粉末材料層４９とその周囲の硬化層
２２の上面に対して、前記粉末２０を堆積させ硬化させ
て硬化層２２を形成することになり、同じ材料同士が接
合させられることになるので、埋設部材４０と上部の硬
化層２２との接合力が向上する。

【００７０】埋設部材４０と硬化層２２との接合性が向
上すれば、三次元形状造形物Ｍの全体の強度や耐久性も
向上することになる。

【００７１】

【発明の効果】本発明にかかる三次元形状造形物の製造
方法では、粉末材料から光照射による硬化で造形される
三次元形状造形物の内部に、別工程で製造された埋設用
部材を埋設することにより、埋設用部材が有する各種の
機能、例えば温度制御機能などを発揮させることができ
る。埋設用部材の容積だけ、造形に使用する粉末材料の
使用量が削減でき、造形時間が短くなる。埋設用部材に
よって三次元形状造形物の強度を向上させたり、反り変
形の発生を防止したり、中空状の埋設用部材を用いるこ
とで軽量化を図ったりすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態となる三次元形状造形物の製
造方法を、段階的に表す製造工程図

【図２】別の実施形態を表す段階的製造工程図

【図３】別の実施形態を表す製造途中の斜視図

【図４】製造工程の断面図

【図５】別の実施形態を表す製造段階の断面図

【図６】別の実施形態を表す製造段階の断面図

【図７】埋設部材の組立前の展開図(A) および組立途中
の斜視図(B)

【図８】別の実施形態を表す段階的製造工程図

【図９】別の実施形態を表す段階的製造工程図

【図１０】別の実施形態を表す段階的製造工程図

【図１１】別の実施形態を表す製造途中の斜視図

【図１２】別の実施形態を表す製造途中の斜視図

【図１３】三次元形状造形物の水平断面図

【図１４】別の実施形態を表す三次元形状造形物の垂直
断面図

【図１５】別の実施形態を表す三次元形状造形物の断面
斜視図

【図１６】別の実施形態を表す段階的製造工程図

【図１７】別の実施形態を表す段階的製造工程図

【図１８】別の実施形態を表す段階的製造工程図

【符号の説明】

１０ 成形ベース ２０ 粉体 ２２ 硬化層 ２４、２６、１２２ 凹部 ２８ 外殻硬化部 ３０ レーザ光 ４０、４１、４４、４６、１４０ 埋設部材 ４０ｃ 蓋部材 ４０ｄ 凹形部材 ４２ 中空部 ４５ 蓋部品 ４７ ハニカム部品 ４９ 粉末材料層 ６０ 温度制御ブロック ６１ ブロック本体 ６２ 腕部 ６３ 中空部 ６４ 冷却フィン ７０ 温度制御装置 ８２ 結合剤 ９０ ハンダ層 Ｍ 三次元形状造形物

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年２月１９日（１９９９．２．１
９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３０】これは、三次元形状造形物Ｍは、断面積が
大きな個所ほど、加えられる熱エネルギーの全体量が大
きくなり、粉体２０同士が接合する際に生じる膨張や収
縮も大きくなり、熱変形あるいは反り変形が大きくな
る。前記実施形態では、ブロック部品１２０の断面積
が、比較的に小さな多数の正方形パターンに分割されて
いるので、個々の正方形パターンで発生する熱変形量は
小さなものとなる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 待田 精造 大阪府門真市大字門真1048番地 松下電工 株式会社内 (72)発明者 谷川 正典 大阪府門真市大字門真1048番地 松下電工 株式会社内 (72)発明者 武南 正孝 大阪府門真市大字門真1048番地 松下電工 株式会社内 (72)発明者 浦田 昇 大阪府門真市大字門真1048番地 松下電工 株式会社内 Ｆターム(参考） 4E068 BB00 BB01 DA01 4G058 GA06 GA08 GE06 GE14 4K018 DA23 KA18

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】無機質あるいは有機質の粉末材料に光ビー
   ムを照射して硬化層を形成し、この硬化層を積み重ねて
   所望の三次元形状造形物を製造する方法において、 部品製造プロセス中に、硬化させていない一部の粉末材
   料を除去し、 その除去した部分に、別工程で製造した埋設用部材を埋
   設し、 その後さらに前記粉末材料に光ビームを照射して硬化層
   を積み重ねることを特徴とする三次元形状造形物の製造
   方法。
2. 【請求項２】前記請求項１の方法において、 前記埋設用部材を複数個埋設することを特徴とする三次
   元形状造形物の製造方法。
3. 【請求項３】前記請求項１の方法において、 前記埋設用部材が、粉末材料に光ビームを照射して硬化
   層を形成し、この硬化層を積み重ねて所望の三次元形状
   造形物を製造する方法によって製造されたものであるこ
   とを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
4. 【請求項４】前記請求項２の方法において、 前記複数個の埋設用部材が、異種材料からなる埋設用部
   材の組み合わせであることを特徴とする三次元形状造形
   物の製造方法。
5. 【請求項５】前記請求項４の方法において、 前記異種材料が、熱伝導率が異なる材料であることを特
   徴とする三次元形状造形物の製造方法。
6. 【請求項６】前記請求項１の方法において、 前記埋設用部材が、中実品であることを特徴とする三次
   元形状造形物の製造方法。
7. 【請求項７】前記請求項１の方法において、 前記埋設用部材が、中空品であることを特徴とする三次
   元形状造形物の製造方法。
8. 【請求項８】前記請求項７の方法において、 前記埋設用部材が、凹形状部材とその凹部を閉塞させる
   部材とを有することを特徴とする三次元形状造形物の製
   造方法。
9. 【請求項９】前記請求項８の方法において、 前記凹形状部材と前記その凹部を閉塞させる部材とを、
   製造プロセス中に粉末材料を硬化させる光ビームによっ
   て接合することを特徴とする三次元形状造形物の製造方
   法。
10. 【請求項１０】前記請求項１の方法において、 前記硬化させていない部分の一部の粉末材料を除去し、
    その除去した部分を閉塞させる前記埋設用部材を前記粉
    末除去部の上面に配置することを特徴とする三次元形状
    造形物の製造方法。
11. 【請求項１１】前記請求項１の方法において、 前記埋設用部材が、三次元形状造形物を貫通する部材で
    あることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
12. 【請求項１２】前記請求項１１の方法において、 前記埋設用部材の内部に温度制御装置が組み込まれるこ
    とを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
13. 【請求項１３】前記請求項１１の方法において、 前記埋設用部材の一部につば形状を有することを特徴と
    する三次元形状造形物の製造方法。
14. 【請求項１４】前記請求項１の方法において、 前記埋設用部材が、ハニカム構造部材であることを特徴
    とする三次元形状造形物の製造方法。
15. 【請求項１５】前記請求項１の方法において、 前記埋設用部材と、前記光ビームを照射して形成された
    硬化物とを接合し、その後さらに前記硬化層を積み重ね
    て形成することを特徴とする三次元形状造形物の製造方
    法。
16. 【請求項１６】前記請求項１の方法において、 前記埋設用部材と、前記硬化物とを半田により接合し、
    その後さらに前記硬化層を積み重ねて形成することを特
    徴とする三次元形状造形物の製造方法。
17. 【請求項１７】前記請求項１の方法において、 前記埋設用部材の上面が、前記硬化させる粉末材料と同
    材質の部材であることを特徴とする三次元形状造形物の
    製造方法。
18. 【請求項１８】前記請求項１の方法において、 前記埋設用部材が、前記硬化させる粉末材料と同材質の
    部材であることを特徴とする三次元形状造形物の製造方
    法。
19. 【請求項１９】前記請求項１または１６の方法におい
    て、 前記埋設用部材が、銅からなることを特徴とする三次元
    形状造形物の製造方法。
20. 【請求項２０】前記請求項１〜１９の何れかの方法で製
    造された金型。