JP2002038201A - 三次元形状造形物の製造方法および装置 - Google Patents

三次元形状造形物の製造方法および装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 粉末の焼結層を積層して形成される三次元形
状造形物の表面を滑らかに、かつ、高密度化すること
で、造形物の品質性能を向上させる。 【解決手段】 無機質あるいは有機質からなる粉末Ｐの
層に光ビームＬを照射して焼結層ｍを形成する操作を繰
り返し、複数の焼結層ｍが積層一体化された粉末焼結部
品Ｍを作製する方法において、粉末焼結部品Ｍの作製中
に、既に焼結された造形物Ｍと、造形物Ｍと焼結されな
かった粉末Ｐとを分離もしくは除去する工程(a) と、光
ビームＬ1 を再照射し、造形物Ｍ周囲に付着した粉末部
分を溶融固化Ｓさせる工程(b) 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、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焼結層を形成し、
この焼結層を積み重ねて所望の三次元形状を有する造形
物を製造する方法と、この方法に用いる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】無機質粉末（金属）や有機質粉末（樹
脂）に対して光ビーム（指向性エネルギービーム、レー
ザ）を照射して硬化させ、硬化層を積層して三次元形状
造形物を製造する方法に関する従来技術が、特許第２６
２０３５３号公報に示されている。通常、上記方法によ
り製造される部品の設計は、三次元ＣＡＤによって行わ
れる。設計された三次元ＣＡＤモデルを所望の層厚みに
スライスすることにより生成される各層の断面形状デー
タをもとに、各層のレーザの経路が決定され、一層分の
粉末が焼結（硬化）されると同時に、直前の層に対して
も焼結（接合）され、連続して積み重ねることにより部
品形状を製造する方法である。
【０００３】この方法では、三次元ＣＡＤにより設計さ
れた形状が、従来このような三次元形状造形物の製造に
使用されていたＣＡＭ装置がなくても製造可能である。
また、従来の切削加工等の工法に比べて、迅速に所望の
部品が製造できる点で大きなメリットがある。また、上
記方法で作製された造形物の表面仕上げ方法が、特開２
０００−７３１０８号公報に開示されている。この方法
は、金属粉末焼結部品の作製後あるいは作製中に、金属
粉末焼結部品の表面をなす各焼結層の端縁の突出する段
差部分を除去する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
開２０００−７３１０８号公報に記載の方法では、レー
ザ照射による仕上げ方法の場合、造形物と周辺の未硬化
粉末を完全に分離しないと、レーザ再照射時に熱伝導に
より粉末が造形物に付着し滑らかな表面が得られないと
いう問題がある。また、焼結工程において十分な密度の
焼結体を形成しておかないと、段差を除去しても除去後
の表面に気孔が現れて滑らかな表面が得られない。本発
明が解決しようとする課題は、造形物の表面を滑らか
に、かつ、高密度化することで、造形物の品質性能を向
上させることである。
【０００５】
【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からなる
粉末の層の所定個所に光ビームを照射して焼結させるこ
とによって焼結層を形成し、この焼結層の上に前記粉末
の層を被覆するとともにこの粉末の所定個所に光ビーム
を照射して焼結させることによって下の焼結層と一体に
なった焼結層を形成し、これを繰り返すことによって複
数の焼結層が積層一体化された粉末焼結部品を作製する
方法において、粉末焼結部品の作製中に、既に焼結され
た造形物と、造形物と焼結されなかった粉末とを分離も
しくは除去する工程(a) と、光ビームを再照射し、造形
物周囲に付着した粉末部分を溶融固化させる工程(b) と
を含む。
【０００６】〔その他の発明〕前記方法において、精度
の必要な部分のみ選択的に前記工程(a) および工程(b)
を行うことができる。前記方法において、異なる材料を
複数層にわたり積層焼結し、前記工程(a) および工程
(b) を複数の焼結層毎に行うことができる。前記方法に
おいて、少なくとも再溶融させる深さ以上の粉末を除去
することができる。前記方法において、造形物を作製す
る光ビーム照射ラインと造形物の硬化端との間に、工程
(b) における光ビームを再照射することができる。
【０００７】前記方法において、前記焼結層の積層端面
に対して斜めに照射することができる。前記方法におい
て、前記工程(b) における光ビームの照射角度を、造形
物モデルデータに基づいて制御することができる。前記
方法において、前記工程(a) のあと、造形物を粉末の層
から取り出し、前記工程(b) を、造形物を構成する焼結
層の端面に対して略水平方向から光ビームを再照射する
ことができる。前記方法において、前記工程(b) を、加
圧した雰囲気で行うことができる。
【０００８】前記方法において、前記工程(b) を、不活
性ガス雰囲気で行うことができる。前記方法において、
前記工程(b) を、還元ガス雰囲気で行うことができる。
前記方法において、前記工程(b) を、複数の光ビームを
用い、第１の光ビームで造形物の表面温度を上昇させ、
第２の光ビームで造形物の周囲に付着した粉末を溶融さ
せることができる。前記方法において、前記工程(b) で
光ビームの再照射が終了したあと、粉末が分離もしくは
除去された部分に、粉末を戻すことができる。前記方法
において、造形物を作製する粉末よりも高い融点を有す
る粉末を戻すことができる。
【０００９】前記方法において、光ビームを照射して造
形物を作製する際に、造形物の表層部に、密度が略１０
０％となるような条件で光ビームを照射して高密度層を
形成しておくことができる。前記方法において、前記工
程(a) と工程(b) の間、または、工程(b) と同時に、造
形物の表面に表面改質処理を行うことができる。前記方
法において、前記表面改質処理が、造形物の表面に粉末
を吹きつけながら、前記工程(b) を行うことができる。
前記方法において、前記表面改質処理が、造形物の表面
にガスを吹きつけながら、前記工程(b) を行うことがで
きる。
【００１０】本発明にかかる三次元形状造形物の製造装
置は、前記三次元形状造形物の製造方法を実施する装置
であって、造形物の周囲に光ビームを再照射する光ビー
ム再照射装置と、再照射する光ビームの照射方向を変え
る偏向装置と、粉末を収容する造形部を駆動するテーブ
ル駆動機構と、造形部に粉末を供給する粉末供給機構
と、焼結されなかった粉末を除去する粉末除去機構とを
有する。前記装置において、前記粉末除去機構が前記粉
末供給機構に取り付けられていることができる。前記装
置において、前記粉末除去機構が、ＸＹ駆動機構を有
し、造形物の断面輪郭形状に沿ってＮＣ駆動が可能であ
ることができる。
【００１１】前記装置において、前記テーブル駆動機構
に加振装置を備えることができる。前記装置において、
前記光ビーム再照射装置が、光ファイバーを経て光ビー
ムが供給され首振り自在な照射ヘッドと、照射ヘッドを
搭載するＸＹ駆動機構とを有することができる。前記装
置において、前記光ビーム再照射装置が光ファイバーを
経て光ビームが供給される照射ヘッドを有するととも
に、前記粉末除去機構と照射ヘッドとが同軸または隣接
して設置されたＸＹ駆動機構を有することができる。前
記装置において、前記造形部に供給する粉末を収容する
粉末供給部と、焼結されず除去された粉末を粉末供給部
に戻す粉末戻し機構を有することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】〔製造装置〕図１および図２は、
本発明の実施形態となる三次元形状造形物の製造装置を
示している。製造装置には、造形に用いる粉末材料Ｐが
収容されたタンク状の供給部２０と、供給部２０に隣接
して造形物の作製を行い、供給部２０と同様のタンク状
をなす造形部１０とを備えている。供給部２０および造
形部１０は同じ平面形状をなしている。
【００１３】造形部１０の底面を構成する造形台１２は
昇降自在である。供給部２０の底面２２も昇降自在であ
る。造形台１２の上に粉末材料Ｐを光硬化させてなる硬
化層ｍが順次積み重ねられて造形物Ｍが作製される。移
送ブレード３０は、造形部１０および供給部２０の内幅
よりも長い細幅の板状をなし、両端が往復動装置３２に
支持されている。移送ブレート３０は、供給部２０の外
側から供給部２０および造形部１０の上方を通過して造
形部１０の外側まで水平移動する。造形部１０の上方に
は、レーザ光などの光ビームＬを照射する光ビーム照射
装置４０が配置されている。光ビーム照射装置４０は、
光ビームの照射器４２から照射された光ビームＬを、複
数の可動鏡４３、４４やレンズを組み合わせた光学系で
偏向させたり集束させたりして、造形部１０の中の粉末
材料Ｐに照射する。可動鏡４３、４４などの光偏向装置
は、図示しないコンピュータなどで制御されて光ビーム
Ｌの照射位置や焦点位置などを変える。
【００１４】造形部１０の上方には、粉末除去ノズル５
０が配置される。粉末除去ノズル５０は、可撓性のある
ホース５３を経て、粉末分離装置５５および吸引ポンプ
５６に接続されている。吸引ポンプ５６を作動させれ
ば、粉末除去ノズル５０の先端から空気とともに粉末Ｐ
を吸い込む。粉末分離装置５５で、空気と粉末Ｐとを分
離し、粉末Ｐは粉末分離装置５５に備えた補助タンク
（図示せず）に貯めておいたり、粉末分離装置５５の下
端から供給部２０に戻したりする。粉末Ｐが分離された
空気は吸引ポンプ５６から外部に放出される。粉末除去
ノズル５０は、支持バー５２に摺動自在に取り付けられ
ている。支持バー５２は、造形部１０および供給部２０
の両外側に沿って配置された案内駆動部５４に支持され
ており、案内駆動部５４に沿って摺動する。その結果、
粉末除去ノズル５０は、造形部１０の上方でＸＹ両方向
に自由に移動することができる。
【００１５】図２に示すように、製造装置の全体が、密
閉空間を構成する加工室６０に収容されている。但し、
光ビーム照射装置４０の大部分は加工室６０の外部に設
置されていて、光ビームＬは、加工室６０の壁面に設け
られたレンズ４５を通して加工室６０の内部へと照射さ
れる。加工室６０の壁面には吸排気口６２を介して配管
６４およびバルブ６３が接続されており、加工室６０に
圧力空気を送り込んだり、排気吸引したり、所望のガス
雰囲気を作りだしたりすることができるようになってい
る。 〔製造装置の具体的構成〕造形物の製造装置として、以
下の構成を備えたものが使用できる。
【００１６】光ビーム照射装置：ＣＯ2 レーザ発振装置 光ビーム偏向装置：ガルバノメター式スキャナ テーブル駆動機構：造形部１０および供給部２０の造形
台１２および底面２２の昇降を行う。サーボモータで回
転駆動されるボールねじや、ボールねじの摺動体の昇降
動作を案内する直動ガイドレール、ボールねじの摺動体
に支持された平板（テーブル）およびテーブルを囲むシ
リンダなどで構成される。 粉末供給機構：サーボモータ、ボールねじ、ガイドレー
ルにスキージングを行う移送ブレード３０を設置してお
く。
【００１７】粉末除去機構：ＸＹ駆動テーブルに、粉末
除去ノズル５０を備えておく。ＸＹ駆動テーブルは、タ
イミングベルトやボールねじなどの機構を組み合わせて
駆動することができる。ＸＹ駆動テーブルの動作は、造
形作業全体を制御するコンピュータの指令によって各軸
位置や動作速度などが制御され、造形物の断面形状に沿
って正確に移動させることができる。ＸＹ駆動テーブル
の作動に直動リニアモータを用いれば高速動作が可能に
なる。粉末除去ノズル５０を吸引駆動する吸引ポンプ５
６には、掃除機用の吸引ポンプを利用することができ
る。掃除機に備えたゴミと空気の分離機構を利用すれ
ば、粉末Ｐの分離が可能である。
【００１８】〔基本的製造工程〕図３は、基本的な製造
工程を(a) 〜(d) へと段階的に示している。図３(a) に
示すように、造形部１０の造形台１２の上で造形物Ｍを
作製する。作製途中の造形物Ｍは、複数の焼結層ｍが積
み重ねられており、造形物Ｍの外側面には、後述する再
溶融固化層Ｓが形成されている。造形物Ｍの周囲は粉末
Ｐで埋められている。図示しないが、供給部２０におい
て、底面２２を少し持ち上げることで、供給部２０の上
面よりも上昇した部分の粉末Ｐを、移送ブレード３０で
押し動かして、造形部１０の上方に供給する。このと
き、造形部１０では、作製途中の造形物Ｍの上面を造形
部１０の上面よりも少し低い状態まで下げておき、造形
物Ｍの上に所定の厚みで粉末Ｐの層が形成されるように
する。
【００１９】図３(b) に示すように、造形部１０の上方
に造形物作製用の光ビームＬ0 を照射する。光ビームＬ
0 が照射された部分の粉末Ｐは焼結して焼結層ｍを形成
する。焼結層ｍは先に形成されている下層の焼結層ｍと
融着一体化して造形物Ｍの一部を構成することになる。
なお、この段階では、最上層の焼結層ｍの側端には再溶
融固化層Ｓは形成されていない。図３(a) と図３(b) の
工程を順次繰り返すことで、複数層の焼結層ｍが積み重
ねられた造形物Ｍを作製することができる。図３(c) に
示すように、１段の焼結層ｍが作製されたあと、あるい
は、複数段の焼結層ｍが作製されたあとで、造形物Ｍの
周囲で、造形物Ｍの側端面と周囲の焼結されなかった粉
末Ｐとを分離し、造形物Ｍの側端面を露出させる。
【００２０】具体的には、粉末除去ノズル５０で、造形
物Ｍの周囲の粉末Ｐを吸引除去する。造形部１０内の粉
末Ｐを全て除去することもできるが、通常は、造形物Ｍ
のうち、再溶融固化層Ｓが形成されていない焼結層ｍの
側端面が完全に露出する深さまで、粉末Ｐを除去して、
造形物Ｍの外周に沿って空孔ｈを形成する。粉末除去ノ
ズル５０をＸＹ方向に移動制御することで、任意の形状
の造形物Ｍに対して周囲に空孔ｈを形成することができ
る。空孔ｈの幅は、造形物Ｍの外周端面から十分に離れ
たところに空孔ｈの反対側の内壁が配置されるようにし
ておく。造形物Ｍの周りに堆積された粉末Ｐの層が一部
崩れたり変形したりしても空孔ｈが埋まってしまわない
ようにしておくことが好ましい。後述する光ビームＬ1
の照射時に、光ビームＬ1 が付着粉末Ｐ0 以外の粉末Ｐ
を溶融固化させないようにしておく。
【００２１】粉末除去ノズル５０で除去された粉末Ｐ
は、供給部２０に戻されて再利用される。なお、造形物
Ｍの側端面と粉末Ｐとを分離する手段としては、粉末除
去ノズル５０のほかにも、後述する加振装置などが使用
できる。図３(d) に示すように、露出された造形物Ｍの
側端面に、再溶融固化のための光ビームＬ1 を照射する
ことで、造形物Ｍの側端面に再溶融固化層Ｓが形成され
る。再溶融固化層Ｓが形成されたあとは、空孔ｈは粉末
Ｐで埋め戻し、再び図３(a) の工程から繰り返して、焼
結層ｍの作製と積層を行う。
【００２２】上記方法において、粉末Ｐとしては、例え
ば、平均粒径約２０μｍの鉄粉が使用できる。粉末Ｐは
略球形のものが望ましい。光ビームとして、例えば、炭
酸ガスレーザが使用できる。１層の焼結層ｍの厚みは、
例えば０．０５mmに設定できる。空孔ｈの深さとして、
例えば、焼結層ｍの積層ピッチが０．１mmで、３層毎に
再溶融固化層Ｓをまとめて形成する場合には、空孔ｈの
深さを０．３mm以上に設定しておけばよい。 〔再溶融固化層の形成〕図４は、再溶融固化層Ｓの形成
状態を詳しく示している。
【００２３】図４(a) に示すように、光ビームＬ0 を照
射し粉末Ｐを焼結させて得られた焼結層ｍを複数層積み
重ねて構成された造形物Ｍは、外周側端に、未硬化ある
いは半硬化状態の粉末Ｐ0 、あるいは、粒状のままで焼
結した状態の粉末Ｐ0 が付着した状態になる。粉末除去
ノズル５０で焼結されなかった粉末Ｐを吸引除去したと
しても、一部の粉末Ｐ0 は造形物Ｍの外周に付着したま
まになる。なお、図では、焼結層ｍの断面形状を、光ビ
ームＬ0 の焦点形状に対応する楕円断面がつながった状
態で模式的に表しているが、実際には、楕円断面が並ん
だ包絡形状の層状をなすものである。
【００２４】前記したように、造形物Ｍの外周面に粉末
Ｐ0 が付着した状態では、当然、造形物Ｍの表面は付着
粉末Ｐ0 に対応する凹凸が存在していて、滑らかな表面
にはなっていない。また、粉末Ｐ0 の間に存在する空隙
によって、ポーラスな状態になっており、緻密な焼結状
態にはなっていない。表面を滑らかにするためには、樹
脂や金属を含浸させたり、表面にヤスリやサンドペーパ
ーなどで仕上げ加工を施す必要がある。表面に仕上げ加
工を行っても、付着した粉末Ｐ0 を完全に削り取らない
限り、表面を滑らかにすることは困難である。図４(b)
に示すように、造形物Ｍの外周端近くに光ビームＬ1 を
照射することにより、造形物Ｍに付着した粉末Ｐ0 が溶
融され、造形物Ｍの端面に存在する凹凸の空隙部分に流
れ込んで固化する。これによって、造形物Ｍの外周面に
は、緻密で滑らかな焼結材料からなり、造形物Ｍと一体
的に結合された再溶融固化層Ｓが形成される。
【００２５】したがって、前記した樹脂や金属の含浸、
あるいは表面仕上げ加工を行わなくても、滑らかで緻密
な表面を現出させることができる。再溶融固化層Ｓは、
粉末Ｐ0 の間に存在する空隙がなくなり、粉末Ｐの材料
が一様で均一な焼結層を形成するので、材料の密度が高
くなり、機械的強度などの特性や表面性状も良好にな
る。 〔再溶融固化光ビーム〕再溶融固化させるための光ビー
ムＬ1 は、造形物Ｍの外面に付着した粉末Ｐ0を溶融さ
せることができればよいので、造形物Ｍの本体部分を焼
結させる際の光ビームＬ0 に比べてビーム径は細くても
よい。勿論、光ビームＬ1 を光ビームＬ 0 と同じビーム
径で照射することもできる。
【００２６】再溶融固化光ビームＬ1 の照射範囲として
は、造形物Ｍに付着した粉末Ｐ0 を確実に溶融させるた
めには、造形物Ｍの外周端よりも内側から外側までの広
い範囲を覆っているのが好ましい。しかし、光ビームＬ
1 が、前記図３(d) の空孔ｈの底まで届くと、造形物Ｍ
の外周に接触する部分に埋められた粉末Ｐまでが溶融固
化してしまう。それでは、造形物Ｍの外形状が変わって
しまったり、先に形成された再溶融固化層Ｓの外側に新
たに粉末Ｐが付着してしまって、表面粗度や密度が低下
し、寸法精度も悪くなる。そこで、光ビームＬ1 の外周
端が、造形物Ｍの外周端と同じ位置に配置されるか、そ
れよりも少し内側に配置されるように、光ビームＬ1 の
照射位置を決めるのが好ましい。より具体的には、光ビ
ームＬ1 の中心線が、造形物Ｍを作製する際の光ビーム
Ｌ0 の照射経路の中心線よりも外側になり、かつ、光ビ
ームＬ1 のビーム径の外周端が、造形物Ｍを作製する際
の光ビームＬ0 のビーム径の外周端よりも内側に配置さ
れるように、光ビームＬ1 のビーム径および照射位置を
設定するのが好ましい。
【００２７】なお、造形物Ｍの外面に付着した粉末Ｐ0
のほかには周囲に粉末Ｐが存在していなければ、造形物
Ｍの外周端からはみ出るように光ビームＬ1 を照射して
も前記のような問題は起こらない。この場合、光ビーム
Ｌ1 のうち、最もエネルギーが強いビーム径の中心部分
を造形物Ｍに付着した粉末Ｐ0 の中心に当てるようにす
れば、再溶融固化の効率を高めたり、緻密で滑らかな再
溶融固化層Ｓを形成したりするのに有効である。 〔再溶融固化層の配置〕前記した再溶融固化層Ｓは、造
形物Ｍの任意の表面に形成することができる。前記実施
形態では、造形物Ｍの外周の垂直な側面だけに再溶融固
化層Ｓを形成していたが、造形物Ｍの上面あるいは傾斜
した側面にも再溶融固化層Ｓを形成することができる。
造形物Ｍの姿勢を変えたり、光ビームＬ1 の照射方向を
変えれば、造形物Ｍの下面や凹凸の内部にも再溶融固化
層Ｓを形成することができる。
【００２８】但し、造形物Ｍのうち、表面の滑らかさや
緻密さをそれほど要求されない個所については、再溶融
固化層Ｓの形成を行わないでおくことができる。図５に
示す実施形態は、造形物Ｍとして金型を作製した場合を
示す。金型造形物Ｍは、パーティング面Ｘを境界にし
て、上部には金型で作製する製品の形状を表す製品形状
部Ｍ0 が配置され、下部にはモールドベースに挿入され
るポケット部Ｍ1 が配置される。ポケット部Ｍ1 は、寸
法精度は要求されるが、表面密度や精度はそれほど要求
されない。そこで、造形物Ｍのうち、ポケット部Ｍ1 の
作製段階では焼結層ｍの積み重ねだけを行って再溶融固
化層Ｓの形成工程を行わずにおく。製品形状部Ｍ0 の作
製段階に入って初めて造形物Ｍの外周面に再溶融固化層
Ｓを形成する。
【００２９】このようにして、必要な個所のみに選択的
に再溶融固化層Ｓを形成すれば、再溶融固化層Ｓが不要
な個所では、粉末分離・除去工程や光ビーム再照射工程
を省略することで、造形物Ｍの製造工程全体の工数を削
減し、造形時間を短縮することができる。上記のよう
な、再溶融固化層Ｓの選択的な形成を行うには、例え
ば、造形物Ｍの高さ方向において、所定の高さまでは再
溶融固化層Ｓを形成せず、所定の高さを超えると再溶融
固化層Ｓの形成を行えば、非常に簡単な制御操作で、再
溶融固化層Ｓを選択的に形成することができる。
【００３０】また、造形物Ｍの三次元形状データの処理
段階で、製品形状部Ｍ0 とポケット部Ｍ1 の形状データ
を分割し、個々のモデルについて、一方（製品形状部Ｍ
0 ）には光ビーム再照射の操作条件や命令を設定し、他
方（ポケット部Ｍ1 ）には光ビーム再照射の操作条件や
命令を設定しないでおき、処理命令や条件が設定された
あとの各モデルを、元の三次元形状データを再構成する
ように組み合わせればよい。 〔粉末材料の組み合わせ〕前記図４において、再溶融固
化用の光ビームＬ1 を真上から照射した場合、多くのエ
ネルギーは最上層の付着粉末Ｐ0 に吸収されてしまい、
その下の層の付着粉末Ｐ0 にはエネルギーが到達し難
い。
【００３１】焼結層ｍを複数層作製してから、まとめて
再溶融固化層Ｓの形成を行ったほうが作業能率は良く造
形時間は短縮できるが、前記した下方の層には光ビーム
Ｌ1のエネルギーが届きにくいという問題があるため、
下層の再溶融固化層Ｓは、表面の滑らかさや緻密性の点
で劣ることになる。造形物Ｍの外表面に、滑らかさや密
度の違い部分が生じてしまう。そこで、図６に示す実施
形態では、１工程でまとめて形成される再溶融固化層Ｓ
に対応する焼結層ｍ1 、ｍ2 を形成する粉末Ｐ1 、Ｐ2
の材料について、融点の違うものを組み合わせている。
【００３２】上側に配置される粉末Ｐ1 には、比較的融
点が高い粉末材料を用い、下側に配置される粉末Ｐ2 に
は、比較的融点が低い粉末材料を用いる。具体的には、
上側の粉末Ｐ2 として鉄粉を用い、下側に配置される粉
末Ｐ2 に銅粉を用いることができる。このような組み合
わせの粉末Ｐ1 、Ｐ2 を用いて、焼結層ｍ1 、ｍ2 の外
周側面に同時に再溶融固化層Ｓを形成すると、光ビーム
Ｌ1 のエネルギーは、焼結層ｍ1 の融点が高い付着粉末
Ｐ01に強く作用し、焼結層ｍ2 の融点が低い付着粉末Ｐ
02には弱く作用する。その結果、付着粉末Ｐ01、付着粉
末Ｐ02の何れに対しても、ほぼ同じような再溶融固化状
態が得られる。具体的には、表面の滑らかさや密度が同
じ程度になる。
【００３３】このような造形物Ｍの各層を構成する粉末
Ｐの材料の変更や組み合わせは、再溶融固化層Ｓの品質
や仕上がりを向上させるために行われるだけでなく、造
形物Ｍの熱伝導率、電気伝導率、硬度などの物性を制御
したり、部分的に違えたりするためにも利用することが
できる。 〔再照射光ビームの照射方向〕前記した実施形態では、
造形物Ｍの真上から垂直方向に再照射光ビームＬ1 を照
射していたが、再溶融固化層Ｓの形成に適した方向に光
ビームＬ1 の照射方向を変えることもできる。
【００３４】図７に示す実施形態では、造形物Ｍの垂直
な外周側面に対して、斜め方向から光ビームＬ1 を照射
して付着粉末Ｐ0 の再溶融固化を行う。前記したよう
に、光ビームＬ1 を真上から照射した場合には、上層の
焼結層ｍに付着した粉末Ｐ0 と下層焼結層ｍに付着した
粉末Ｐ0 とで、供給される光エネルギーに大きな差が生
じて、再溶融固化層Ｓの品質性能に違いが生じ易くな
る。しかし、斜め方向の光ビームＬ1 であれば、上下何
れの層に対しても、大きなエネルギー差を生じることが
なく、ほぼ同じ条件で光ビームＬ1 を当てることができ
る。その結果、複数層の焼結層ｍに対して一度でまとめ
て再溶融固化層Ｓの形成工程を実施しても、品質性能に
悪影響を及ぼすことが少ない。造形物Ｍの品質性能を損
なうことなく、造形物Ｍの製造工程全体の能率向上が達
成できる。
【００３５】図８に示す実施形態では、造形物Ｍとし
て、外周側面が傾斜面を有するものを作製している。造
形物Ｍの傾斜面に、再照射光ビームＬ1 を照射する場
合、傾斜面に対して鉛直方向から光ビームＬ1 を照射す
れば、付着粉末Ｐ0 に対して効率で品質性能にも優れた
再溶融固化が行える。光ビームＬ1 は、光ビームＬ1 の
中心軸方向に対して直交する面で最も高いビームエネル
ギが得られる。造形物Ｍの表面に対して、その表面の鉛
直方向から光ビームＬ1 を照射するのが、最も効率の良
い方法である。高いエネルギが照射されるほど、付着粉
末Ｐ0 の再溶融固化が良好に行われ、滑らかで密度の高
い表面が得られる。
【００３６】したがって、造形物Ｍの外周表面の面デー
タをもとにして、光ビームＬ1 の照射方向を制御し、光
ビームＬ1 が造形物Ｍの表面に対して常に鉛直方向から
照射されるようにすれば、造形物Ｍの全面に対して効率
良く、品質性能に優れた再溶融固化層Ｓを形成すること
ができる。なお、造形物Ｍの形状や光ビームＬ1 の制御
構造によって、造形物Ｍの全表面に対して鉛直方向から
光ビームＬ1 を照射することができない場合にも、出来
るだけ鉛直方向に近い角度で光ビームＬ1 を照射するよ
うにすることで、造形物Ｍの表面の滑らかさや密度を向
上させることができる。
【００３７】〔造形物の上昇〕この実施形態は、造形物
Ｍと周囲の粉末Ｐとを分離して造形物Ｍの外表面を露出
させる作業を、造形物Ｍの上昇動作によって行う。図９
(a) に示すように、造形部１０に収容された粉末Ｐに光
ビームＬ0 を照射して焼結層ｍを形成し、焼結層ｍを積
み重ねて造形物Ｍを作製するのは、前記実施形態と同様
である。図９(b) に示すように、造形物Ｍが作製された
あと、造形台１２を上昇させて、造形物Ｍを造形部１０
の上方に配置する。造形物Ｍの周囲に存在していた粉末
Ｐは、自然に崩れて造形物Ｍの周囲から除かれるか、粉
末除去ノズル５０で吸引除去するか、ブレードなどで押
し退けるかすれことで、造形物Ｍの外周側面が露出す
る。
【００３８】造形物Ｍの露出した外周側面に、水平方向
から光ビームＬ1 を照射して、再溶融固化層Ｓを形成す
る。この場合、造形物Ｍの垂直側面に対して鉛直方向か
ら光ビームＬ1 が照射されるので、エネルギ効率が高
く、品質性能の良い再溶融固化層Ｓを効率的に形成する
ことができる。図９(b) では、造形物Ｍの全体を造形部
１０の上部まで上昇させているが、造形物Ｍのうち再溶
融固化層Ｓを形成する必要のある部分だけが、造形物１
０の上部に配置されるだけであっても構わない。また、
再溶融固化層Ｓを形成しない部分については、造形物１
０が粉体Ｐで覆われたままであっても良い。
【００３９】再照射用の光ビームＬ1 は、焼結層ｍを形
成するために真上から照射する光ビームＬ0 を、光学系
などを作動させて、照射方向を垂直方向から水平方向に
偏向させることで両方に兼用することもできるし、焼結
層ｍの形成用の光ビームＬ0とは別の照射装置あるいは
光学系を用いて水平方向からの光ビームＬ1 を照射する
ようにしてもよい。また、水平方向に照射される光ビー
ムＬ1 で、造形物Ｍの全周に再溶融固化層Ｓを形成する
には、造形物Ｍの周囲で光ビームＬ1 の照射機構が旋回
運動を行うようにしてもよいし、光ビームＬ1 の照射方
向は変えずに造形物Ｍのほうを水平旋回させることで全
周に光ビームＬ1 が当たるようにしてもよい。
【００４０】〔加工室の雰囲気制御〕図２に示す実施形
態において、加工室６０を加圧雰囲気にすることができ
る。再溶融固化工程で、光ビームＬ1 によって付着粉末
Ｐが再溶融固化する際に、加圧雰囲気であると、再溶融
した粉末材料同士および粉末材料と焼結層ｍとが密着し
易くなる。その結果、再溶融固化層Ｓが緻密になり、強
度が向上したり表面粗度が小さくなったり寸法精度が向
上したりする。加工室６０を不活性ガス雰囲気にしてお
くこともできる。不活性ガス雰囲気では、造形物Ｍの酸
化が抑制され、再溶融した付着粉末Ｐおよび焼結層ｍが
密着して強固に接合され易くなる。このような効果が期
待できる不活性ガスの具体例としては、窒素、アルゴン
が挙げられる。
【００４１】加工室６０の全体を不活性ガス雰囲気にす
る代わりに、造形物Ｍの外表面で再溶融固化用の光ビー
ムＬ1 が照射される個所に、ガス噴射ノズルを配置し
て、不活性ガスを吹きつけながら光ビームＬ1 の照射を
行うこともできる。光ビームＬ 1 の照射ヘッドに不活性
ガスの噴射ノズルを一体的に組み込んでおくこともでき
る。加工室６０を還元ガス雰囲気にしておくこともでき
る。例えば水素などの還元ガス雰囲気で光ビームＬ1 を
付着粉末Ｐ0 に照射すると、付着粉末Ｐ0 の溶融固化す
なわち焼結時に生成される酸化物が還元ガスによって還
元されるので、再溶融した粉末材料が密着し易くなるの
である。
【００４２】還元ガスについても、加工室６０の全体で
はなく、光ビームＬ1 の照射個所だけに噴射ノズルなど
で吹きつけることができる。 〔複数の光ビーム〕図１０に示す実施形態は、再溶融固
化層Ｓを形成するための光ビームを、光ビームＬ11と光
ビームＬ12の２種類を用いる。第１の光ビームＬ11は、
造形物Ｍのうち再溶融固化層Ｓを形成する個所の表面温
度を上昇させる。第２の光ビームＬ12は、造形物Ｍに付
着した粉末Ｐ0 を溶融させる。
【００４３】第１の光ビームＬ11の照射機構は、前記図
１に示した焼結層ｍを形成する光ビームＬ0 の照射機構
を利用することができる。具体的には、反射鏡４４など
の光学系を用いて、造形物Ｍの上方から光ビームＬ11を
照射する。第２の光ビームＬ12は、照射ヘッド１４０か
ら照射される。照射ヘッド１４０は、ＸＹ駆動テーブル
１４４に取り付けられている。ＸＹ駆動テーブル１４４
は、造形部１０に対して、照射ヘッド１４０を水平方向
でＸＹ両方向に自在に移動させる。照射ヘッド１４０に
は、可撓性のある光ファイバケーブル１４２を介して光
ビームＬ11が供給される。
【００４４】前記した図１に示す照射器４２から照射さ
れた光ビームＬを分岐させて、その一部を光ビームＬ11
として照射し、別の一部を光ビームＬ12として照射する
ことができる。光ビームＬの分岐には、光ファイバやレ
ンズ、反射鏡などの光学系を組み合わせて行えばよい。
上記実施形態では、第１の光ビームＬ11で造形物Ｍの外
周部分を昇温させた状態で、第２の光ビームＬ12で溶融
させた付着粉末Ｐ0 を一体的に溶融固化させるので、付
着粉末Ｐ0 と造形物Ｍとが短時間で効率的に強固かつ均
一に一体化する。その結果、再溶融固化層Ｓの表面粗度
が向上し、再溶融固化工程に要する作業時間を短縮する
ことができる。
【００４５】〔除去粉末の再充填〕図１１に示す実施形
態は、粉末除去ノズル５０で除去した粉末Ｐを、造形部
１０に再充填する。造形物Ｍの外周で、粉末除去ノズル
５０を用いて粉末Ｐを除去し、空孔ｈを形成して、造形
物Ｍの外周端面を露出させるのは、前記した実施形態と
同様である。空孔ｈに露出した造形物Ｍの外周端面に光
ビームＬ1 を照射して、再溶融固化層Ｓを形成する工程
も、前記実施形態と同じである。
【００４６】この実施形態では、粉末除去ノズル５０と
は別に、粉末充填ノズル５８を備えている。粉末充填ノ
ズル５８には、ホース５９やポンプ（図示せず）などを
介して、粉末除去ノズル５０のホース５３が接続されて
いる。粉末除去ノズル５０で吸引除去された粉末Ｐが、
粉末充填ノズル５８へと送り込まれるようになってい
る。また、粉末充填ノズル５８についても、ＸＹ駆動機
構などに取り付けられていて、水平面内で自由に移動で
きるようになっている。粉末充填ノズル５８は、再溶融
固化層Ｓの形成が終了した個所の空孔ｈの上方に配置さ
れて、空孔ｈを埋めるように粉末Ｐを充填する。
【００４７】粉末充填ノズル５８としては、各種の粉末
充填機構を利用することができる。例えば、インクジェ
ット装置の原理を用いてインクの代わりに粉末Ｐを噴出
させる機構が利用できる。この実施形態では、粉末除去
ノズル５０による粉末Ｐの除去、光ビームＬ1 の照射に
よる再溶融固化層Ｓの形成、および、粉末充填ノズル５
８による粉末Ｐの埋め戻しが、作業性良く効率的に行わ
れるので、作業時間の短縮化が図れる。除去された粉末
Ｐを再利用することで、材料の利用効率も高まる。 〔高融点材料の埋め戻し〕造形物Ｍの周囲で空孔ｈに露
出した端面に再溶融固化層Ｓを形成したあと、空孔ｈを
粉末Ｐで埋め戻して、さらに造形物Ｍの上に新たな粉末
Ｐの層を供給し焼結層ｍを形成すると、焼結層ｍを形成
するための光ビームＬ0 の照射によって、下層の焼結層
ｍの外周部分に粉末Ｐが付着する現象が生じることがあ
る。
【００４８】下層の焼結層ｍには既に再溶融固化層Ｓが
形成されており、その外側に新たな粉末Ｐが付着してし
まうと、表面の滑らかさは失われてしまう。この問題を
解消するために、再溶融固化層Ｓの形成後に空孔ｈに埋
め戻す粉末Ｐとして、造形物Ｍを作製するための粉末Ｐ
よりも融点の高い粉末を埋め戻すことが有効である。図
１２(a) に示すように、造形物Ｍの周囲の粉末Ｐに空孔
ｈを形成し、空孔ｈに露出する造形物Ｍの外側面に付着
した付着粉末Ｐ0 に光ビームＬ1 を照射して再溶融固化
層Ｓを形成するのは、前記した実施形態と同じである。
【００４９】そのあと、図１２(b) に示すように、空孔
ｈに、粉末Ｐとは別の材料からなる高融点粉末Ｐ3 を埋
め戻す。高融点粉末Ｐ3 は、焼結層ｍを形成する粉末Ｐ
よりも融点が高く、焼結層ｍを形成する光ビームＬ0 の
照射によっては溶融しない材料を選択して使用する。具
体的には、鉄やセラミックが挙げられる。空孔ｈが高融
点粉末Ｐ3 で埋め戻されたあと、通常の焼結層ｍの形成
工程と同様に、造形物Ｍの上面には新たな粉末Ｐの層が
形成される。この粉末Ｐの層に、光ビームＬ0 が照射さ
れて、新たな焼結層ｍが形成される。焼結層ｍが形成さ
れる際には、光ビームＬ0 のエネルギーの一部が、先に
形成された下層の焼結層ｍやその周辺の高融点粉末Ｐ3
に加わるが、高融点粉末Ｐ3 は光ビームＬ0 の照射によ
って溶融したり焼結層ｍに付着したりすることはない。
【００５０】上記実施形態では、造形物Ｍの外周面に形
成された再溶融固化層Ｓの滑らかで緻密な表面が、その
後の焼結層ｍの形成工程において損なわれることがな
く、造形物Ｍの表面を滑らかで緻密な状態に維持するこ
とができる。 〔高密度層の形成〕造形物Ｍは、全体を同じ条件で焼結
された一様な特性のものであってもよいし、部分的に光
ビームＬ0 の照射条件を変えたりすることで特性の異な
る部分が組み合わせられていてもよい。造形物Ｍの外周
面には再溶融固化層Ｓが形成されるが、この再溶融固化
層Ｓは造形物Ｍの表面に付着した粉末Ｐ0 の厚み程度し
かなく、かなり薄いものである。そのため、製造された
造形物Ｍの表面にさらに仕上げ加工を行ったり、造形物
Ｍを各種機器の部品として長期間使用している間の摩耗
等で、再溶融固化層Ｓが削られて、造形物Ｍの表面がポ
ーラスな状態になってしまうことがある。再溶融固化層
Ｓが薄いと、造形物Ｍの表面強度が弱いという問題もあ
る。
【００５１】このような問題を解消するため、図１３に
示すように、造形物Ｍの各焼結層ｍを光ビームＬ0 によ
って形成する際に、造形物Ｍの表層に配置される部分と
内部に配置される部分とで、光ビームＬ0 の照射条件を
違え、表層部Ｍ4 と中央部Ｍ 3 とで構成される造形物Ｍ
を作製する。具体的には、造形物Ｍの形状モデルデータ
を、表層部Ｍ4 と中央部Ｍ3 に対応して分割しておく。
焼結層ｍを形成する際には、中央部Ｍ3 では通常の比較
的ポーラスな状態で焼結するように光ビームＬ0 の照射
条件を設定する。表層部Ｍ4では、粉末Ｐが十分に溶融
して高密度状態（好ましくは１００％の密度）で焼結す
るように光ビームＬ0 の照射条件を設定する。光ビーム
Ｌ0 の強度や照射時間など変更すればよい。
【００５２】その結果、形成される焼結層ｍのうち、造
形物Ｍの表層になる部分に高密度で強度的に優れた表層
部Ｍ4 が配置されることになる。但し、粉末Ｐの層内で
焼結層ｍを形成するので、焼結層ｍと焼結させない粉末
Ｐとの境界部分では、熱伝導などによって、粉末Ｐの一
部が溶融して焼結層ｍの端面に付着することが起こり、
表面の滑らかさや緻密性が損なわれる問題は生じる。そ
こで、上記のような中央部Ｍ3 と表層部Ｍ4 とで構成さ
れる焼結層ｍあるいは造形物Ｍを作製したあと、前記し
た実施形態と同様に、造形物Ｍの外周面では、周囲の粉
末Ｐの分離や除去を行い、光ビームＬ1 を照射して再溶
融固化層Ｓを形成する。
【００５３】最終的に製造された造形物Ｍは、比較的に
ポーラスな中央部Ｍ3 と、その表層部分を覆う高密度な
表層部Ｍ4 と、表層部Ｍ4 のさらに外面を覆う再溶融固
化層Ｓとで構成されるものとなる。造形物Ｍのうち、高
密度性や強度は溶融されるが表面の滑らかさはそれほど
要求されない部分であれば、再溶融固化層Ｓを形成せず
に表層部Ｍ4 が露出したままであっても構わない。前記
した造形物Ｍの形状モデルデータの分割については、三
次元ＣＡＤソフトにほぼ標準的に備えられている「シェ
ル化」機能とブーリアン演算機能を用いることで、比較
的簡単に表層部Ｍ4 と中央部Ｍ3 との２つの部分に分割
することができる。この２つの部分がぴったりとはまる
ように造形空間にモデル配置して、造形物Ｍの作製作業
を行えば、２つの部分の照射条件を確実かつ容易に制御
することができる。データ空間上に２つの部品を隣接し
て配置し、別々に造形するイメージで作業を行えば、結
果的には表層部Ｍ4 と中央部Ｍ3 とが一体化された一つ
の造形物Ｍが出来上がることになる。
【００５４】表層部Ｍ4 の厚みは、造形物Ｍの寸法形状
や要求性能に合わせて適宜に設定すればよいが、通常
は、０．５〜３mm程度の範囲に設定することができる。
〔表層部と中央部からなる造形物の作製〕図１４は、前
記した高密度な表層部Ｍ4 とポーラスな中央部Ｍ3 とを
備えた造形物Ｍを作製する工程の具体例を段階的に示し
ている。図１４(a) に示すように、造形部１０内で造形
物Ｍの上面に移送ブレート３０を用いて粉末Ｐの層を供
給する。図１４(b) に示すように、新たな焼結層となる
領域のうち、表層部Ｍ4 に対応する領域のみに光ビーム
Ｌ0 を照射する。このときの照射条件は、高密度な焼結
が行われるように設定されている。表層部Ｍ4 は焼結層
となる領域の外周に沿って周枠状に配置される。
【００５５】図１４(c) に示すように、表層部Ｍ4 の周
囲で、粉末除去ノズル５０によって粉末Ｐを除去して空
孔ｈを形成させる。この作業と同時に、表層部Ｍ4 の内
側部分に光ビームＬ0 を照射して中央部Ｍ3 を形成させ
る。このときの照射条件は、比較的にポーラスな焼結が
行われるようにしておけばよい。図１４(d) に示すよう
に、空孔ｈに露出した表層部Ｍ4 の外周端部に、光ビー
ムＬ1 を照射して再溶融固化層Ｓを形成する。その後、
空孔ｈを埋め戻し、図１４(a) 〜図１４(d) の工程を繰
り返すことで、中央部Ｍ3 、表層部Ｍ4 および再溶融固
化層Ｓで構成される造形物Ｍが作製される。
【００５６】上記実施形態では、図１４(c) の工程で、
粉末Ｐの除去作業と、中央部Ｍ3 の焼結作業とを、表層
部Ｍ4 で間が仕切られた状態で同時に実施することがで
きるので、作業工程の削減あるいは作業時間の短縮化は
図ることができる。 〔表面改質〕造形物Ｍの表面には、再溶融固化層Ｓの形
成とともに表面改質処理を施すことができる。再溶融固
化層Ｓを形成するためには、造形物Ｍの外周表面を露出
させるので、この段階で各種の表面改質処理を施せば、
能率的な作業が行える。
【００５７】図１５に示す実施形態では、造形物Ｍの外
周面に付着粉末Ｐ0 に光ビームＬ1を照射して再溶融固
化層Ｓを形成する際に、光ビームＬ1 の照射個所に、噴
射ノズル７０から表面改質材料を噴射して、表面改質材
料と付着粉末Ｐ0 とを反応させたり混合させたりして、
表面改質を行う。噴射ノズル７０には、供給ホース７２
を経て表面改質材料となる粉末や液体あるいはガスが供
給される。表面改質材料の具体例としては、硬度向上を
果たす炭素粉末、耐食性を向上させる亜鉛・アルミニウ
ム合金粉末、耐食性、耐摩耗性、耐熱性などを向上させ
る自溶合金粉末などの粉末材料が使用できる。窒素ガス
やアンモニアガスを吹きつけて、窒化物を生成させるこ
とで、表面硬度を向上させることもできる。
【００５８】上記実施形態では、焼結層ｍを構成する粉
末Ｐと実質的に同じ材料である付着粉末Ｐ0 で形成され
る再溶融固化層Ｓでは、その特性を大きく変えることは
難しいが、噴射ノズル７０で表面改質材料を吹きつけれ
ば、再溶融固化層Ｓの特性を大きく変えることができ、
造形物Ｍの使用目的や要求性能に合わせて造形物Ｍの表
面特性を向上させることが可能になる。また、表面改質
処理作業と再溶融固化層Ｓの形成作業とが同時に行える
ので、再溶融固化層Ｓを形成してから表面改質処理を行
うのに比べて、作業工程が少なくなる。勿論、再溶融固
化層Ｓの形成工程とは別の工程で、前記した表面改質処
理工程を行うことも可能である。
【００５９】〔粉末除去機構の変更構造〕図１６に示す
実施形態では、粉末供給機構と粉末除去機構とが一体化
されていて同時に移動操作される。粉末供給機構とし
て、移送ブレード３０と移送ブレード３０を支持する支
持バー３４とを備えている。前記図１に示すように、支
持バー３４は、両端を往復動装置３２に装着されてい
て、往復動作を行う。粉末除去機構となる粉末除去ノズ
ル５０は、支持バー３４に取り付けられている。粉末除
去ノズル５０は支持バー３４に沿って細長く延びるスリ
ット状をなしている。移送ブレート３０と粉末除去ノズ
ル５０とが平行に並んでいる。粉末除去ノズル５０の幅
は、造形部１０の内幅と同じ程度に設定されている。粉
末除去ノズル５０の上部には吸引ホース５３が連結され
ている。
【００６０】上記実施形態では、支持バー３４を供給部
２０から造形部１０の上方で往復動させることで、移送
ブレード３０によって粉末Ｐを供給部２０から造形部１
０へと供給して一定の厚みの粉末Ｐの層を形成すること
ができる。支持バー３４を造形物１０の上方で移動させ
ながら粉末除去ノズル５０を作動させると、粉末除去ノ
ズル５０の幅に対応する造形部１０の全幅にわたって粉
末Ｐを吸引除去することができる。造形物Ｍの外周面の
形状に合わせて複雑な運動をさせなくても、造形物Ｍの
外周面の全体を確実に露出させることができる。一つの
往復動装置と３２および支持バー３４で、移送ブレード
３０だけでなく粉末除去ノズル５０の支持および動作を
果たすことができるので、装置構造および制御の簡略化
を図ることができる。
【００６１】〔加振装置による粉末除去〕図１７に示す
実施形態では、前記実施形態における粉末除去ノズル５
０の代わりに加振装置を利用する。図１７(a) に示すよ
うに、造形部１０の造形台１２の下面に、超音波振動子
（圧電素子）などを用いて、周波数２０〜４０ｋＨｚ程
度の超音波振動が発生できる加振装置１４を備えてお
く。図１７(b) に示すように、最上層の焼結層ｍが形成
されたあとで、加振装置１４によって振動を発生させ
る。造形部１０の内部に収容された粉末Ｐに振動が加わ
ると、粉末Ｐの密度が高くなり、粉末Ｐの嵩が小さくな
る。粉末Ｐの上面が下がって、造形物Ｍの一部が粉末Ｐ
の表面から露出する。少なくとも、造形物Ｍのうち、再
溶融固化層Ｓが形成されていない外周端面が露出すれ
ば、加振装置１４による振動の付加は終了させればよ
い。通常は、形成されたばかりで再溶融固化層Ｓが形成
されていない最上層の焼結層ｍが露出すればよい。
【００６２】露出した焼結層ｍの外周端面に、前記した
実施形態と同様にして、光ビームＬ 1 を照射して再溶融
固化層Ｓを形成すれば、造形物Ｍの外周面に再溶融固化
層Ｓを形成して、表面を滑らかに高密度に仕上げること
ができる。加振装置の構造や加振条件は、造形部１０の
構造や造形物Ｍの作製条件などに合わせて変更すること
ができる。 〔光ビームの首振り〕図１８に示す実施形態は、再溶融
固化用の光ビームＬ1 を照射する照射ヘッド１４０に首
振り機構を備えている。
【００６３】照射ヘッド１４０には、Ｙ方向駆動軸１４
７に対してボールジョイント１４６を介して取り付けら
れ、水平面内および垂直面内で回転自在になっている。
Ｙ方向駆動軸１４７は、Ｘ方向駆動軸１４８に対して摺
動自在に取り付けられている。Ｘ方向駆動軸１４８およ
びＹ方向駆動軸１４７で構成されるＸＹ駆動機構、およ
び、ボールジョイント１４６による首振り機構は、コン
ピュータによって制御される。上記実施形態では、造形
物Ｍの外面形状に合わせて、照射ヘッド１４０を造形物
Ｍの任意の位置に任意の角度で斜め方向から光ビームＬ
1 を照射することが可能である。造形物Ｍの表面位置毎
に最も適切な方向から効率的に光ビームＬ1 を照射する
ことができる。
【００６４】〔粉末除去機構と照射ヘッドの結合〕図１
９に示す実施形態は、粉末除去ノズル５０と、再溶融固
化用の光ビームＬ 1 を照射する照射ヘッド１４０とを一
体化させている。粉末除去ノズル５０の中心を貫通して
軸状の照射ヘッド１４０が取り付けられている。照射ヘ
ッド１４０の後端は粉末除去ノズル５０の外側で光ファ
イバケーブル１４２に接続されている。上記装置の使用
は、焼結層ｍが形成されたあと、焼結層ｍの外周部分
に、粉末除去ノズル５０と照射ヘッド１４０とを配置す
る。粉末除去ノズル５０を作動させて焼結層ｍの周辺の
粉末Ｐを除去し、焼結層ｍの外周端面を露出させる。但
し、焼結層ｍの外周に付着した粉末Ｐ0 は粉末除去ノズ
ル５０による吸引だけでは除去されない。
【００６５】照射ヘッド１４０からは光ビームＬ1 が照
射され、焼結層ｍの外周に付着した粉末Ｐ0 に照射さ
れ、粉末Ｐ0 を溶融させて再溶融固化層Ｓを形成する。
上記実施形態では、焼結層ｍの周辺での粉末Ｐの除去と
光ビームＬ1 の照射による再溶融固化層Ｓの形成とが、
同時あるいは連続的に行えるので、作業効率が良い。粉
末除去ノズル５０と照射ヘッド１４０とを、同じＸＹ駆
動機構などを利用して同時に同じ位置に移動させること
ができるので、移動装置が簡略化できるとともにコンピ
ュータなどによる移動制御も容易になる。
【００６６】
【発明の効果】本発明にかかる三次元形状造形物の製造
方法は、造形物の作製中に、既に焼結された造形物と、
造形物と焼結されなかった粉末とを分離もしくは除去
し、ここに光ビームを再照射して、造形物周囲に付着し
た粉末部分を溶融固化させることによって、造形物の外
周面における面粗度および表面密度を向上させることが
できる。その結果、表面が滑らかで緻密であり、外観お
よび品質性能に優れた造形物を効率的に製造することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態となる製造装置の全体構造
を示す斜視図
【図２】 製造装置の全体構成図
【図３】 製造方法の基本的な工程を段階的に示す工程
図
【図４】 再溶融固化層の形成工程を詳しく示す断面図
【図５】 別の実施形態となる造形物の断面図
【図６】 別の実施形態となる再溶融固化工程の断面図
【図７】 別の実施形態となる再溶融固化工程の断面図
【図８】 別の実施形態となる再溶融固化工程の断面図
【図９】 別の実施形態となる再溶融固化工程の断面工
程図
【図１０】 別の実施形態となる製造装置の要部構造断
面図
【図１１】 別の実施形態となる製造装置の要部構造断
面図
【図１２】 別の実施形態となる再溶融固化工程の断面
工程図
【図１３】 別の実施形態となる再溶融固化工程の断面
図
【図１４】 別の実施形態となる製造方法を段階的に示
す工程図
【図１５】 別の実施形態となる再溶融固化工程の断面
図
【図１６】 別の実施形態の断面図(a) および粉末除去
装置の斜視図(b)
【図１７】 別の実施形態の粉末除去方法を表す工程図
【図１８】 別の実施形態の光ビーム照射機構を表す断
面図
【図１９】 別の実施形態の粉末除去／光ビーム照射機
構を表す断面図
【符号の説明】
１０ 造形部 ２０ 供給部 ３０ 移送ブレード ４０ 光ビーム照射装置 ４３、４４ 光ビーム偏向装置 ５０ 粉末除去ノズル ５５ 粉末分離装置 ５６ 吸引ポンプ ６０ 加工室 １４０ 再溶融固化用の光ビーム照射ヘッド ｈ 空孔 Ｌ0 焼結層形成用の光ビーム Ｌ1 再溶融固化用の光ビーム Ｍ 造形物 ｍ 焼結層 Ｐ 粉末 Ｐ0 付着粉末 Ｓ 再溶融固化層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 東 喜万 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 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 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 不破 勲 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） 4F213 AC04 AM25 WA22 WA25 WA97 WL03 WL12 WL26 WL43 WL55 WL85 WL96 4K018 CA44 DA23 EA51 FA05 FA10 JA05

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】無機質あるいは有機質からなる粉末の層の
    所定個所に光ビームを照射して焼結させることによって
    焼結層を形成し、この焼結層の上に前記粉末の層を被覆
    するとともにこの粉末の所定個所に光ビームを照射して
    焼結させることによって下の焼結層と一体になった焼結
    層を形成し、これを繰り返すことによって複数の焼結層
    が積層一体化された粉末焼結部品を作製する方法におい
    て、 粉末焼結部品の作製中に、既に焼結された造形物と、造
    形物と焼結されなかった粉末とを分離もしくは除去する
    工程(a) と、 光ビームを再照射し、造形物周囲に付着した粉末部分を
    溶融固化させる工程(b) とを含む三次元形状造形物の製
    造方法。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の方法において、精度の必
    要な部分のみ選択的に前記工程(a)および工程(b) を行
    う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】請求項１に記載の方法において、異なる材
    料を複数層にわたり積層焼結し、前記工程(a) および工
    程(b) を複数の焼結層毎に行う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】請求項１に記載の方法において、少なくと
    も再溶融させる深さ以上の粉末を除去することを特徴と
    する三次元形状造形物の製造方法。
  5. 【請求項５】請求項１に記載の方法において、造形物を
    作製する光ビームの照射位置と造形物の硬化端との間
    に、工程(b) における光ビームを再照射することを特徴
    とする三次元形状造形物の製造方法。
  6. 【請求項６】請求項１に記載の方法において、前記焼結
    層の積層端面に対して斜めに照射す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】請求項１に記載の方法において、前記工程
    (b) における光ビームの照射角度を、造形物モデルデー
    タに基づいて制御す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】請求項１に記載の方法において、前記工程
    (a) のあと、造形物を粉末の層から取り出し、前記工程
    (b) を、造形物を構成する焼結層の端面に対して略水平
    方向から光ビームを再照射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】請求項１に記載の方法において、前記工程
    (b) を、加圧した雰囲気で行う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】請求項１に記載の方法において、前記工
    程(b) を、不活性ガス雰囲気で行う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】請求項１に記載の方法において、前記工
    程(b) を、還元ガス雰囲気で行う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】請求項１に記載の方法において、前記工
    程(b) を、複数の光ビームを用い、第１の光ビームで造
    形物の表面温度を上昇させ、第２の光ビームで造形物の
    周囲に付着した粉末を溶融させ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】請求項１に記載の方法において、前記工
    程(b) で光ビームの再照射が終了したあと、粉末が分離
    もしくは除去された部分に、粉末を戻すことを特徴とす
    る三次元形状造形物の製造方法。
  14. 【請求項１４】請求項１３に記載の方法において、造形
    物を作製する粉末よりも高い融点を有する粉末を戻すこ
    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】請求項１に記載の方法において、光ビー
    ムを照射して造形物を作製する際に、造形物の表層部
    に、密度が略１００％となるような条件で光ビームを照
    射して高密度層を形成しておく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】請求項１に記載の方法において、前記工
    程(a) と工程(b) の間、または、工程(b) と同時に、造
    形物の表面に表面改質処理を行う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】請求項１６に記載の方法において、前記
    表面改質処理が、造形物の表面に粉末を吹きつけなが
    ら、前記工程(b) を行う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】請求項１６に記載の方法において、前記
    表面改質処理が、造形物の表面にガスを吹きつけなが
    ら、前記工程(b) を行う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】請求項１〜１８の何れかに記載の三次元
    形状造形物の製造方法を実施する装置であって、 造形物の周囲に光ビームを再照射する光ビーム再照射装
    置と、 再照射する光ビームの照射方向を変える偏向装置と、 粉末を収容する造形部を駆動するテーブル駆動機構と、 造形部に粉末を供給する粉末供給機構と、 焼結されなかった粉末を除去する粉末除去機構とを有す
    る三次元形状造形物の製造装置。
  20. 【請求項２０】請求項１９に記載の装置において、前記
    粉末除去機構が前記粉末供給機構に取り付けられている
    三次元形状造形物の製造装置。
  21. 【請求項２１】請求項１９に記載の装置において、前記
    粉末除去機構が、ＸＹ駆動機構を有し、造形物の断面輪
    郭形状に沿ってＮＣ駆動が可能である三次元形状造形物
    の製造装置。
  22. 【請求項２２】請求項１９に記載の装置において、前記
    テーブル駆動機構に加振装置を備える三次元形状造形物
    の製造装置。
  23. 【請求項２３】請求項１９に記載の装置において、前記
    光ビーム再照射装置が、光ファイバーを経て光ビームが
    供給され首振り自在な照射ヘッドと、照射ヘッドを搭載
    するＸＹ駆動機構とを有する三次元形状造形物の製造装
    置。
  24. 【請求項２４】請求項１９に記載の装置において、前記
    光ビーム再照射装置が光ファイバーを経て光ビームが供
    給される照射ヘッドを有するとともに、前記粉末除去機
    構と照射ヘッドとが同軸または隣接して設置されたＸＹ
    駆動機構を有する三次元形状造形物の製造装置。
  25. 【請求項２５】請求項１９に記載の装置において、前記
    造形部に供給する粉末を収容する粉末供給部と、焼結さ
    れず除去された粉末を粉末供給部に戻す粉末戻し機構を
    有する三次元形状造形物の製造装置。
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