JP2010100883A - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固化層の剥離現象をできるだけ抑えた三次元形状造形物の製造方法を提供する。
【解決手段】（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程を繰り返して行う三次元形状造形物２４の製造方法であって、粉末層または固化層が設けられる造形テーブルまたは造形プレートの主面に凹部が少なくとも１つ設けられており、製造される三次元形状造形物の底面と前記凹部とが相互に接することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
【選択図】図６

Description

本発明は、三次元形状造形物の製造方法および製造装置に関する。より詳細には、本発明は、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して固化層を形成することを繰り返し実施することによって複数の固化層が積層一体化した三次元形状造形物を製造する方法およびそのための装置に関する。

従来より、粉末材料に光ビームを照射して三次元形状造形物を製造する方法（一般的には「粉末焼結積層法」と称される）が知られている。かかる方法では、「（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射することよって、かかる所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成し、（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を敷いて同様に光ビームを照射して更に固化層を形成する」といったことを繰り返して三次元形状造形物を製造している（特許文献１または特許文献２参照）。粉末材料として金属粉末を用いた場合では、得られた三次元形状造形物を金型などとして用いることができ、粉末材料として樹脂粉末を用いた場合では、得られた三次元形状造形物をプラスチックモデルとして用いることができる。このような製造技術によれば、複雑な三次元形状造形物を短時間で製造することが可能である。

粉末焼結積層法では、酸化防止等の観点から不活性雰囲気下に保たれたチャンバー内で三次元形状造形物が製造される。具体的には、三次元形状造形物は、チャンバー内の“造形テーブル”又は“造形テーブル上に配される造形プレート”の上で製造される。図１に示すように、造形テーブル２０に配された造形プレート２１上で三次元形状造形物を製造する場合を例にとると、まず、所定の厚みｔ１の粉末層２２を造形プレート２１上に形成した後（図１（ａ）参照）、光ビームを粉末層２２の所定箇所に照射して、造形プレート２１上において固化層２４を形成する。そして、形成された固化層２４の上に新たな粉末層２２を敷いて再度光ビームを照射して新たな固化層を形成する。このように固化層を繰り返し形成すると、複数の固化層２４が積層一体化した三次元形状造形物を得ることができる（図１（ｂ）参照）。最下層に相当する固化層は造形プレート面に接着した状態で形成され得るので、「三次元形状造形物の底面」と「三次元形状造形物が設けられている造形プレート面」とは、一般的には相互に接合された状態となる。

ここで、三次元形状造形物は、光ビームの照射を通じて製造されるため、光ビームによる熱の影響を少なからず受けてしまう。具体的には、粉末層の照射箇所が一旦溶けて溶融状態となり、その後固化することで固化層は形成されるが、その固化する際に収縮現象が生じ得る。特定の理論に拘束されるわけではないが、溶融した粉末が冷却され固化する際に収縮現象が生じる（図２（ａ）参照）。一方、固化層（即ち、三次元形状造形物）を支える造形プレートは、鋼材などから成る剛体であり、光ビームの照射位置から離れているため光ビームによる熱の影響を実質的に受けにくい。その結果、造形プレート上の三次元形状造形物２４には、反り上がる力（モーメント）が生じることになり、それがある限度を超えると、図２（ｂ）に示すように製造過程において三次元形状造形物が造形プレート２１から剥離する現象が生じてしまう。三次元形状造形物が造形プレート２１から剥離すると、所望の三次元形状造形物を製造できなくなる点で望ましくない。つまり、三次元形状造形物（即ち、固化層）が反り上がって剥離すると、得られる三次元形状造形物の形状精度が出なくなるだけでなく、固化層が反り上がること起因して、その固化層上に新たな粉末層を所定厚みで敷くことができなくなる（例えば、次に敷く粉末層の厚さよりも大きく固化層が反り上がると、均一に粉末層を敷けなくなる）。
特表平１−５０２８９０号公報 特開２０００−７３１０８号公報

本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の課題は、固化層（即ち、三次元形状造形物）の剥離現象をできるだけ抑えた「三次元形状造形物の製造方法」および「三次元形状造形物の製造装置」を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明では、
（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビーム（例えばレーザ光のような指向性エネルギービーム）を照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
をチャンバー内において繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
粉末層または固化層が設けられる造形テーブルまたは造形プレートの主面に凹部が少なくとも１つ設けられており、三次元形状造形物の底面（または“三次元形状造形物の底部分”もしくは“前記凹部内に形成される三次元形状造形物の固化部”）と前記凹部とが相互に接することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法が提供される。

本発明の製造方法は、三次元形状造形物の底面の少なくとも一部の領域と接することになるように、造形テーブルまたは造形プレートの主面に凹部が少なくとも１つ設けられている点において特徴を有している。より具体的には、本発明では、凹部内部に形成される固化部が凹部と接する（嵌合／接合する）ことによって、三次元形状造形物と造形プレートとの接合力を補っている。換言するならば、本発明においては、製造過程において反り上がろうとする三次元形状造形物の底面を局所的に凹部で引っかけることによって又は三次元形状造形物の底面と凹部とを局所的に嵌合させることによって、三次元形状造形物の剥離を防止している（以下、このような凹部によって供される効果を「引っかけ効果」または「アンカー効果」とも称する）。

本明細書にいう「主面」とは、造形テーブルまたは造形プレートに含まれる面のうち、三次元形状造形物（または粉末層もしくは固化層）が供される面を実質的に意味している。

また、本明細書にいう「三次元形状造形物の底面」とは、造形テーブルまたは造形プレートと接する面のことを実質的に意味しており、平らな面のみならず、上述の凹部に対応して形成され得る凸形状の底面部分も含んだ面も意図している。

更に、本発明における「凹部」は、三次元形状造形物の底面を引っかけるために又は三次元形状造形物の底面と嵌合させるために意図的に造形テーブルまたは造形プレートの主面に対して設けたものであり、造形テーブルまたは造形プレートの製造に際して不可避的または偶発的に形成されたキズなどを意味していないことに留意されたい。

ある好適な態様では、製造過程において三次元形状造形物の周縁部分の底面と凹部とが接する。つまり、製造される三次元形状造形物の周縁部分の底面と接するように、凹部が造形テーブルまたは造形プレートに設けられている。別の見方をすれば、三次元形状造形物の周縁部分が凹部に位置することになるように固化層を形成していく。これにより、三次元形状造形物の周縁部分からの反り上がり／剥離を効果的に防止することができる。

本発明では、上述した製造方法を実施するための「三次元形状造形物の製造装置」も提供される。このような三次元形状造形物の製造装置は、
粉末層を形成するための粉末層形成手段、
粉末層および／または固化層が形成されることになる“造形テーブル”または“造形テーブル上に配される造形プレート”、ならびに
固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段
を有して成り、
造形テーブルまたは造形プレートの主面の造形物形成領域には凹部が少なくとも１つ設けられていることを特徴とする。

ある好適な態様では、凹部が下方に向かって広がるテーパ形状を有している。換言すれば、凹部の垂直方向断面は、垂直方向（鉛直方向）の上向きから下向きに向かって徐々に広がる形状を有している。このようなテーパ形状によって、三次元形状造形物の底面をより効果的に“引っかける”ことができ、三次元形状造形物の反り上がり／剥離をより確実に防止できる。

造形テーブルまたは造形プレートの凹部は溝形状を有していてもよい。この場合、溝形状の凹部が三次元形状造形物の底面の周縁（エッジ）に沿うような形態を有していることが好ましい。かかる場合、三次元形状造形物の底面の周縁部全体に対して「引っかけ効果」を供すことができ、三次元形状造形物の周縁部からの反り上がり／剥離をより確実に防止できる。尚、このような溝形状の凹部は、その加工自体が容易であるといった点でも好ましい。

本発明では、製造過程において三次元形状造形物の内部に生じ得る応力（特に三次元形状造形物が全体的に収縮する際に生じ得る応力）を造形テーブルまたは造形プレートの凹部で受けることができる。つまり、三次元形状造形物の底面の少なくとも一部の領域を凹部に引っかける（又はそれらを相互に嵌合させる）ことによって、三次元形状造形物の反り上がりを防止することができる。これにより、三次元形状造形物（即ち、固化層）が、造形テーブル面または造形プレート面から剥離する現象を防止できるので、固化層上に新たな粉末層を所定厚みで敷くことが可能となるだけでなく、最終的に得られる三次元形状造形物の形状精度も向上することになる。

即ち、本発明では、三次元形状造形物（即ち、最下層の固化層）と造形テーブルまたは造形プレートとの接合に加えて、凹部の引っかけ効果を付加的に供することができるので、「三次元形状造形物」と「造形テーブル面または造形プレート面」との接合状態をより強固にすることができ、“造形物の剥離現象”を効果的に防止できる。

また、従来技術において三次元形状造形物の形状精度を出すには、“反り上がり”や“剥離”などの現象を予め想定した上で設計しておかなければならなかったものの、本発明では造形物を支える部材に単に凹部を設けるだけで形状精度を実質的に出すことができる。つまり、本発明は、そのような具体的に予測困難な現象を視野に入れた設計を簡易な手段によって省くことができるといった点においても非常に有益である。

以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

［粉末焼結積層法］
まず、本発明の製造方法の前提となる粉末焼結積層法について説明する。図１，図３および図４には、粉末焼結積層法を実施できる光造形複合加工機１の機能および構成が示されている。光造形複合加工機１は、「金属粉末および樹脂粉末などの粉末を所定の厚みで敷くことによって粉末層を形成する粉末層形成手段２」と「外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内においてシリンダー駆動で上下に昇降する造形テーブル２０」と「造形テーブル２０上に配され造形物の土台となる造形プレート２１」と「光ビームＬを任意の位置に照射する光ビーム照射手段３」と「造形物の周囲を削る切削手段４」とを主として備えている。粉末層形成手段２は、図１に示すように、「外周が壁２６で囲まれた粉末材料タンク２８内においてシリンダー駆動で上下に昇降する粉末テーブル２５」と「造形プレート上に粉末層２２を形成するためのスキージング用ブレード２３」とを主として有して成る。光ビーム照射手段３は、図３および図４に示すように、「光ビームＬを発する光ビーム発振器３０」と「光ビームＬを粉末層２２の上にスキャニング（走査）するガルバノミラー３１（スキャン光学系）」とを主として有して成る。必要に応じて、光ビーム照射手段３には、光ビームスポットの形状を補正するビーム形状補正手段（例えば一対のシリンドリカルレンズと、かかるレンズを光ビームの軸線回りに回転させる回転駆動機構とを有して成る手段）やｆθレンズが具備されている。切削手段４は、「造形物の周囲を削るミーリングヘッド４０」と「ミーリングヘッド４０を切削箇所へと移動させるＸＹ駆動機構４１」とを主として有して成る（図４参照）。

光造形複合加工機１の動作を図１及び図５を参照して詳述する。図５は、光造形複合加工機の動作フローを示している。

光造形複合加工機の動作は、粉末層２２を形成する粉末層形成ステップ（Ｓ１）と、粉末層２２に光ビームＬを照射して固化層２４を形成する固化層形成ステップ（Ｓ２）と、造形物の表面を切削する切削ステップ（Ｓ３）とから主に構成されている。粉末層形成ステップ（Ｓ１）では、最初に造形テーブル２０をΔｔ１下げる（Ｓ１１）。次いで、粉末テーブル２５をΔｔ１上げた後、図１（ａ）に示すように、スキージング用ブレード２３を、矢印Ａ方向に移動させ、粉末テーブル２５に配されていた粉末（例えば「平均粒径５μｍ〜１００μｍ程度の鉄粉」または「平均粒径３０μｍ〜１００μｍ程度のナイロン、ポリプロピレン、ＡＢＳ等の粉末」）を造形プレート２１上へと移送させつつ（Ｓ１２）、所定厚みΔｔ１にならして粉末層２２を形成する（Ｓ１３）。次に、固化層形成ステップ（Ｓ２）に移行し、光ビーム発振器３０から光ビームＬ（例えば炭酸ガスレーザーまたは紫外線）を発し（Ｓ２１）、光ビームＬをガルバノミラー３１によって粉末層２２上の任意の位置にスキャニングし（Ｓ２２）、粉末を溶融させ、固化させて造形プレート２１と一体化した固化層２４を形成する（Ｓ２３）。

固化層２４の厚みがミーリングヘッド４０の工具長さ等から求めた所定厚みになるまで粉末層形成ステップ（Ｓ１）と固化層形成ステップ（Ｓ２）とを繰り返し、固化層２４を積層する（図１（ｂ）参照）。尚、新たに積層される固化層は、焼結又は溶融固化に際して、既に形成された下層を成す固化層と一体化することになる。

積層した固化層２４の厚みが所定の厚みになると、切削ステップ（Ｓ３）へと移行し、ミーリングヘッド４０を駆動させる（Ｓ３１）。例えば、ミーリングヘッド４０の工具（ボールエンドミル）が直径１ｍｍ、有効刃長さ３ｍｍである場合、深さ３ｍｍの切削加工ができるので、Δｔ１が０．０５ｍｍであれば、６０層の固化層を形成した時点でミーリングヘッド４０を駆動させる。ＸＹ駆動機構４１によってミーリングヘッド４０を矢印Ｘ及び矢印Ｙ方向に移動させ、積層した固化層２４から成る造形物の表面を切削加工する（Ｓ３２）。そして、三次元形状造形物の製造が依然終了していない場合では、粉末層形成ステップ（Ｓ１）へ戻ることになる。以後、Ｓ１乃至Ｓ３を繰り返して更なる固化層２４を積層することによって、三次元形状造形物の製造を行う。

固化層形成ステップ（Ｓ２）における光ビームＬの照射経路と、切削ステップ（Ｓ３）における切削加工経路とは、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。この時、等高線加工を適用して加工経路を決定する。例えば、固化層形成ステップ（Ｓ２）では、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（例えばΔｔ１を０．０５ｍｍとした場合では０．０５ｍｍピッチ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。

［本発明の製造方法］
本発明の製造方法は、上述した粉末焼結積層法につき、“三次元形状造形物に生じ得る内部応力の緩和”に特に着目したものである。即ち、本発明は、図２（ｂ）に示すように内部応力に起因して三次元形状造形物が反り上がって造形プレートまたは造形テーブルから剥離する現象を、造形プレート面または造形テーブル面に設けた凹部で抑制する点において特徴を有している（図６参照）。

図７（ａ）に示すように造形プレート２１上で三次元形状造形物２４を製造する場合を想定すると、本発明にいう「凹部」は、かかる造形プレート２１の主面に形成された凹部を実質的に意味している。その一方、図７（ｂ）に示すように、造形テーブル２０上に直接的に三次元形状造形物２４を製造する場合を想定すると、「凹部」は、かかる造形テーブル２０の主面に形成された凹部を実質的に意味している。

以下の説明では、粉末として「金属粉末」を用い（即ち、粉末層として金属粉末層を用い）、固化層が焼結層となる条件下において、造形プレート上で三次元形状造形物を製造する態様を例にとって説明する。

本発明の製造方法で用いる造形プレートの主面（即ち、三次元形状造形物の底面が接する面）には、凹部が少なくとも１つ設けられている。具体的には、造形プレート２１の主面のうち、図８に示すように造形物が形成される領域２１ａには凹部６０が設けられている。凹部６０の形状は、特に限定されるわけではないが、図９に示すように、円柱形状（図９（ａ））、多角柱形状（例えば四角柱形状（図９（ｂ））、円錐形状（図９（ｃ））、円錐台形状（図９（ｄ）および図９（ｅ））などであってよい。加工が簡易となる観点でいえば、図９（ａ）に示すような円柱形状が好ましい。凹部の個数は、その個々のサイズ、造形物の底面サイズまたは造形プレートの主面サイズなどに依存し得るものの、例えば、図８に示すような造形物エリア２１ａ（横幅Ｌａ：１００ｍｍ、横幅Ｌｂ：１００ｍｍ）および凹部の個数（４〜１００個程度）を仮に想定した場合、図９（ａ）に示す円柱形状の凹部の幅Ｗａは０．５〜２０ｍｍ程度であり、深さＤａは０．５〜１０ｍｍ程度である。尚、設けられる凹部のピッチも、造形物エリア、凹部サイズまたは凹部の個数などに依存し得るものの、例えば図１０（ａ）に示すような態様を例にとると、凹部のピッチＬｐは１０〜８０ｍｍ程度であってよい。

尚、反り上がろうとする又は剥離しようとする三次元形状造形物の底面をより効果的に“引っかける”という観点から、凹部の形態は下方に向かって広がるテーパ状になっていることが好ましい。即ち、凹部の形態は、図９（ｅ）に示すような形態であることが好ましい。また、図９（ｆ）および図１１に示すように、ある深さ以上となってから下方に向かってテーパ状に広がる形態であってもよい。凹部がテーパ状を有する場合、図９（ｅ）の右上に示すようなテーパの広がり角αは、１°〜４５°程度であることが好ましい。凹部がテーパ状を有する場合、凹部自体の加工が容易となる点で図１２に示すような貫通孔の形態であってもよい。

製造過程における三次元形状造形物は、その周縁部分から反り上がろうとする傾向又は剥離しようとする傾向を有し得るので（図２（ｂ）参照）、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、造形プレートの造形物エリア２１ａの周縁部に凹部６０を設けることが好ましい。特に造形物のコーナー（角部分）からの反り上がりが考えられるので、簡易的には図１０（ｃ）に示す態様であってもよい。また、凹部を造形物エリア２１ａの周縁部に設ける場合では、凹部６０が全体的に溝形態を有していてもよい（図１３参照）。かかる場合、三次元形状造形物の底面エッジが溝形状の凹部に沿うように三次元形状造形物を形成していくと、「引っかけ効果」を三次元形状造形物の周縁全体に対して供すことができ、反り上がり／剥離をより確実に防止することができる。ちなみに、溝形状の凹部は、その加工が容易となる点でも有利である。溝形状の凹部のサイズについて例示すると、図１３に示す溝幅Ｗｂは０．５〜１０ｍｍ程度であり、溝深さＤｂは０．５〜１０ｍｍ程度である。

造形プレートの造形物エリア２１ａの周縁部に凹部を設ける場合では、三次元形状造形物の底面が凹部の少なくとも一部にのみ接するように、最下層の固化層を形成してよい。例えば、図１３（ａ）において２１ｂで示す領域（破線で囲った領域）に最下層を形成してよく、特に図１３（ｂ）に示すように造形物底部の周縁部が溝形状凹部にかかるようにしてよい。この場合であっても中心に向かって反り上がろうとする造形物が凹部に引っかかることになるので、造形物の内部の応力が緩和され、“剥離”が抑えられる。

造形プレートに凹部を設ける方法としては、特に制限するわけではないが、切削加工、放電加工またはレーザ加工などを用いることができる。また、ダイサーを用いたり、ドリル加工やサンドブラストなどの機械的な方法で造形プレートの表面に凹部を設けることも可能である。貫通孔形態の凹部を設ける場合には、ドリルなどの機械加工による作製が好ましい。

本発明の製造方法で得られる三次元形状造形物は造形プレートと接合した状態で一体的に得られるので、そのように一体化した「三次元形状造形物」と「造形プレート」とを分離することなく金型等の製品として用いることができる。かかる場合、造形プレートの材質は、三次元形状造形物（即ち、形成される固化層）と接合性の高いものが望ましい。例えば三次元形状造形物の製造に際して鉄粉を用いる場合では、造形プレートは鋼材またはステンレス等の材質から成ることが好ましく、三次元形状造形物の製造に際してナイロンなどの樹脂粉末を用いる場合では、造形プレートは、同種の樹脂(ナイロンなど)等の材質から成ることが好ましい。但し、必要に応じて、三次元形状造形物を造形プレートから分離して使用してもよく、その場合には、造形プレートの材質は、三次元形状造形物（即ち、形成される固化層）と接合性の低いものが望ましい。例えば三次元形状造形物の製造に際して鉄粉を用いる場合では、造形プレートはアルミナまたはジルコニア等の高融点材質から成ることが好ましく、溶射などによるコーティングでもよい。三次元形状造形物の製造に際してナイロンなどの樹脂粉末を用いる場合では、造形プレートは金属またはアルミナ等のセラミックス等の材質から成ることが好ましい。三次元形状造形物を造形プレートから分離した後は、“凹部に対応して形成され得る造形物底面の凸部”を必要に応じて切削除去してよい。尚、三次元形状造形物を造形プレートから分離する場合、図１４に示すように、凹部６０と、その内部に形成される造形物底部２４’との接触面積を小さくしてよい。これにより、“材料面”でなく、“構造面”に起因して容易な分離が助力される。

次に、図１５および図１６を参照することによって、造形プレート上で三次元形状造形物を製造する工程を経時的に説明する。ちなみに、粉末としては「金属粉末」を用い、固化層が焼結層となると共に、造形プレートが固化層に対して接合性の高い材質から成る場合を例にとって説明する。

まず、図１５（ａ）に示すように、三次元形状造形物が設けられる領域に凹部６０を備えた造形プレート２１を用意する。次いで、図１５（ｂ）に示すように凹部を粉末１９ｐで充填した後、充填された粉末１９ｐに光ビームを照射することによって、粉末を焼結させて焼結部２４ｐを形成する（図１５（ｃ）参照）。焼結を経ることに起因して、焼結部２４ｐは凹部表面に接合し得る。形成された焼結部２４ｐに対しては、必要に応じて切削加工を施してもよい（例えば、焼結部２４ｐが凹部からはみ出すように盛り上がって形成された場合では、造形プレート面が平らになるように切削除去してもよい）。引き続いて、図１５（ｄ）に示すように焼結部２４ｐを覆うように造形プレート２１上に第１金属粉末層１９ａを形成し、所定の箇所に光ビームを照射することによって第１焼結層２４ａを形成する（図１５（ｅ）参照）。焼結を経ることに起因して、第１焼結層２４ａは、造形プレート面に接合すると共に、その下に存在する焼結部２４ｐと一体化する。次いで、図１５（ｆ）に示すように第１焼結層２４ａ上に第２金属粉末層１９ｂを形成し、所定の箇所に光ビームを照射することによって第２焼結層２４ｂを形成する（図１５（ｇ）参照）。焼結を経ることに起因して、第２焼結層２４ｂは、その下に存在する第１焼結層２４ａと積層一体化する。以降は、同様の操作を繰り返すことによって、三次元形状造形物の形状を構成していく。かかる製造工程に際しては、複数の焼結層（２４ａ,２４ｂ、２４ｃ・・・）から成る三次元形状造形物に対して、図１５（ｇ）に示すように、内向きに反り上がる力（モーメント）が生じることになるものの、焼結部２４ａが凹部に接合又は引っかかることに起因して、それを打ち消す力が反作用として生じる。つまり、凹部によって、三次元形状造形物が造形プレートから剥離する現象が防止される。

上述の製造工程では、焼結部２４ｐと第１焼結部２４ａとを別個に形成したが、それらを一体的に形成してもよい。かかる態様を図１６に示す。この態様では、図１６（ｂ）に示すように、凹部６０が粉末で充填されるように、造形プレート２１上に第１金属粉末層１９ａを形成する。そして、図１６（ｃ）に示すように、第１金属粉末層１９ａの所定箇所の金属粉末のみならず、凹部に充填された金属粉末までもが焼結するように、光ビームを照射する。一般的には、図１６（ｂ）に示すＡ領域の粉末とＢ領域の粉末とを比べた場合、Ｂ領域の粉末に対する方がより大きな照射エネルギー密度となるように光ビームの照射条件を調整する。このような照射によって、焼結部２４ｐと第１焼結層２４ａとが一体化した焼結層を得ることができる。引き続いて、図１６（ｄ）に示すように第１焼結層２４ａ上に第２金属粉末層１９ｂを形成し、所定の箇所に光ビームを照射することによって第２焼結層２４ｂを形成する（図１６（ｅ）参照）。焼結を経ることに起因して、第２焼結層２４ｂは、その下に存在する第１焼結層２４ａおよび焼結部２４ｐと積層一体化する。以降は、同様の操作を繰り返すことによって、三次元形状造形物の形状を構成していく。

［本発明の製造装置］
次に、本発明の製造方法の実施に好適な装置について説明する（粉末として金属粉末を用い、固化層が焼結層となる態様を例にとって説明する）。かかる装置は、図１、図３、図４、図７および図８に示すように
金属粉末層を形成するための粉末層形成手段２、
金属粉末層および／または焼結層が形成されることになる“造形テーブル２０”または“造形テーブル２０上に配される造形プレート２１”、ならびに
焼結層が形成されるように金属粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段３
を有して成り、
造形テーブル２０または造形プレート２１の主面の造形物形成領域２１ａに凹部６０が少なくとも１つ設けられている。かかる装置では、造形プレート２１または造形テーブル２０の主面の造形物形成領域に設けられた凹部６０が、製造過程において焼結層に生じ得る応力（モーメント）を緩和することになるので、三次元形状造形物が造形プレートまたは造形テーブルから剥離する現象を抑えることができる。かかる装置の動作も含めて、「粉末層形成手段２」、「造形テーブル２０」、「造形プレート２１」、「光ビーム照射手段３」および「凹部６０」等については、上述しているので重複を避けるために説明を省略する。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の適用範囲のうちの典型例を例示したに過ぎない。従って、本発明はこれに限定されず、種々の改変がなされ得ることを当業者は容易に理解されよう。

例えば、造形プレートに設けられる凹部の内面を粗面化しておいてもよい。これにより、三次元形状造形物の底面と凹部との摩擦抵抗が増すので、製造過程において反り上がろうとする三次元形状造形物の底面を凹部でより確実に“引っかける”ことができる。

また、上述の説明では、予め凹部が形成された造形プレートを用いることを前提にしているが、必ずしもこれに限定されるわけではない。例えば、平らな造形プレートを用いてよく、三次元形状造形物の製造に先立って凹部を切削加工して用いてよい。より具体的には、「平らな面を有する未加工の造形プレート」を造形テーブルに配した後、光造形複合加工機を用いて所望の箇所に切削加工を施して凹部を形成してよい。造形プレートに凹部が形成された後は、上述した態様と同様に粉末層／固化層を繰り返して形成して三次元形状造形物を製造する。“平らな造形プレート”を用いた後に凹部を形成する場合では、“位置合わせ”が不要となる点で有利である。つまり、予め凹部が形成された造形プレートを用いる場合では、その予め形成された凹部の位置を考慮した上で、造形プレートを造形テーブル上に配する必要があったり、あるいは、粉末層もしくは固化層の形成位置を決める必要があったものの、平らな造形プレートを用いる場合では、造形テーブル上に配した後で凹部を形成するので凹部の形成箇所を任意かつ随意に選択することができ、“凹部の予め決められた形成位置”に起因する不都合を回避することができる。

尚、上述の説明では、『造形プレート２１上にて三次元形状造形物２４を製造する態様Ａ（図７（ａ）参照）』を主として例示したが、『造形テーブル２０上にて直接的に三次元形状造形物２４を製造する態様Ｂ（図７（ｂ）参照）』であっても、これまで説明してきた態様Ａと同様の特徴・効果などを有し得ることを当業者は容易に理解できるであろう。つまり、造形テーブル上で直接的に製造する場合であっても、それに凹部を設けることにより、造形物の剥離現象を防止することができる。また、上述の実施形態では、『粉末層が金属粉末層であって、固化層が焼結層となる態様Ｃ』を例にとって説明している箇所があるものの、『粉末層が樹脂粉末層であって、固化層が硬化層となる態様Ｄ』であっても、態様Ｃと同様の特徴・効果などを有し得ることを当業者は容易に理解できるであろう。

本発明の三次元形状造形物の製造方法を実施することによって、種々の物品を製造することができる。例えば、『粉末層が金属粉末層であって、固化層が焼結層となる場合』では、得られる三次元形状造形物をプラスチック射出成形用金型、プレス金型、ダイカスト金型、鋳造金型、鍛造金型などの金型として用いることができる。また、『粉末層が樹脂粉末層であって、固化層が硬化層となる』では、得られる三次元形状造形物を樹脂成形品して用いることができる。

光造形複合加工機の動作を模式的に示した断面図 三次元形状造形物が剥離を引き起こす現象を模式的に示した断面図 粉末焼結積層法が行われる態様を模式的に示した斜視図 粉末焼結積層法が実施される光造形複合加工機の構成を模式的に示した斜視図 光造形複合加工機の動作のフローチャート 本発明の特徴を概念的に示した模式図 造形物が製造される態様を模式的に示した断面図 造形プレートを模式的に示した斜視図 凹部の種々の態様を示した模式図 凹部の種々の配置態様を模式的に示した造形プレートの上面図 テーパ形状の凹部を備えた造形プレートを模式的に示した斜視図 貫通孔形態の凹部を模式的に示した断面図 溝形態の凹部を備えた造形プレートを模式的に示した斜視図 凹部と造形物底部との接触面積が小さい態様を模式的に示した図 本発明の製造方法における工程を模式的に示した断面図 本発明の製造方法における工程を模式的に示した断面図

符号の説明

１ 光造形複合加工機
２ 粉末層形成手段
３ 光ビーム照射手段
４ 切削手段
１９ 粉末／粉末層（例えば金属粉末/金属粉末層または樹脂粉末／樹脂粉末層）
１９ｐ 凹部に充填された粉末（例えば金属粉末または樹脂粉末）
１９ａ 第１粉末層（例えば第１金属粉末層または第１樹脂粉末層）
１９ｂ 第２粉末層（例えば第２金属粉末層または第２樹脂粉末層）
２０ 造形テーブル
２１ 造形プレート
２１ａ 造形物形成領域（造形物エリア）
２１ｂ 造形物形成領域（造形物エリア）
２２ 粉末層（例えば金属粉末層または樹脂粉末層）
２３ スキージング用ブレード
２４ 固化層（例えば焼結層または硬化層）またはそれから得られる三次元形状造形物
２４ｐ 固化部（例えば焼結部または硬化部）
２４ａ 第１固化層（例えば第１焼結層または第１硬化層）
２４ｂ 第２固化層（例えば第２焼結層または第２硬化層）
２５ 粉末テーブル
２６ 粉末材料タンクの壁部分
２７ 造形タンクの壁部分
２８ 粉末材料タンク
２９ 造形タンク
３０ 光ビーム発振器
３１ ガルバノミラー
４０ ミーリングヘッド
４１ ＸＹ駆動機構
５０ チャンバー
５２ 光透過窓
６０ 凹部
Ｌ 光ビーム

Claims (5)

1. （ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
   （ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
   を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
   粉末層または固化層が設けられる造形テーブルまたは造形プレートの主面に凹部が少なくとも１つ設けられており、製造される三次元形状造形物の底面と前記凹部とが相互に接することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
2. 三次元形状造形物の周縁部分の底面と前記凹部とが相互に接することになるように、固化層を形成することを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
3. 粉末層を形成するための粉末層形成手段、
   粉末層および／または固化層が形成されることになる造形テーブルまたは造形テーブル上に配される造形プレート、ならびに
   固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段
   を有して成り、
   造形テーブルまたは造形プレートの主面の造形物形成領域には凹部が少なくとも１つ設けられていることを特徴とする、三次元形状造形物の製造装置。
4. 前記凹部が溝形状を有していることを特徴とする、請求項３に記載の三次元形状造形物の製造装置。
5. 前記凹部が下方に向かって広がるテーパ形状を有していることを特徴とする、請求項３または４に記載の三次元形状造形物の製造装置。

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