JP2010100884A - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】造形プレートを用いることのない三次元形状造形物の製造方法を提供すること。
【解決手段】（ｉ）造形テーブル２０上の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って三次元形状造形物を製造するに際して、造形テーブルに設けたピン７０上において三次元形状造形物２４を製造することを特徴とした製造方法。
【選択図】図８

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。特に、三次元形状造形物は、その土台となる部材の上で製造される。具体的には、三次元形状造形物は、“造形テーブル上に配された造形プレート”に製造される。粉末材料として金属粉末を用い、得られる三次元形状造形物を金型として用いる場合を例にとると、図１に示すように、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となって形成され得るので、三次元形状造形物と造形プレートとは相互に一体化した状態となる。一体化した三次元形状造形物と造形プレートとは、そのまま金型として用いることができる。

ここで、得られた金型にＫＯピンや水管のための開口部を設ける場合では、「一体化した三次元形状造形物および造形プレート」を造形テーブルから取り外し、取り外した一体化物に対して切削加工を施して開口部の形成を行うことが必要である。あるいは、三次元形状造形物の製造に先立って、造形テーブルに予め開口部を切削加工で形成しておき、その後、三次元形状造形物の製造に際して局所的に未焼結部を残すことによって、金型の開口部を形成する必要がある。三次元形状造形物の製造に際して切削加工を施して開口部を形成することも考えられるものの、造形プレートの切削によって造形プレート下方の造形テーブルを損傷してしまう虞があるので（具体的にはドリル加工などによって造形テーブル面が傷つけられたり、造形テーブルが欠けたりする虞があるので）、造形テーブルを繰り返して使用する観点からは現実的でない。換言すれば、造形テーブル上に造形プレートが存在するという態様に起因して、製造時に三次元形状造形物を切削工具でもって加工し難いという問題があった。

また、造形プレートは、三次元形状造形物と造形テーブルとが相互に接合することを回避させ、粉末焼結積層装置（特に造形テーブル）を繰り返し使用するのに資するものであるものの、この造形プレートがあるがゆえの制約・悪影響があった。例えば、造形プレートの表面は、必ずしも平滑な面でないために（即ち、プレート面は厳密には少なからず波打っているので）、第１層の粉末層を均一厚さで敷くことが困難であった。つまり、得られる三次元形状造形物の底面が同様に“波打つ”状態で形成される虞があった。また、不均一な厚さの粉末層に対して光ビーム照射を同一条件で行うと、得られる造形物の品質が局所的に異なってしまうか、あるいは、不均一な厚さに対して光ビームを好適に照射するには、その不均一な厚さに応じて照射条件自体を変える必要があった。

そもそも造形プレートを用いると、造形テーブルに造形プレートを設ける操作が必要であり、操作効率が決して良いといえない。特に金属粉末から金型を製造する場合では、一般的に造形プレートが金属から成るものであるために比較的重い造形プレートを造形テーブルに対してネジ固定する作業が付加的に必要であった。更に言えば、かかる造形プレート自体の製造に伴う時間およびコストは決して無視できるものではなかった。
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、造形プレートを用いることのない「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）造形テーブル上の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
を繰り返して行って三次元形状造形物を製造するに際して、
造形テーブルに設けたピン上において三次元形状造形物を製造することを特徴とした製造方法が提供される。

本発明の製造方法は、ピンを介すことで三次元形状造形物と造形テーブルとを相互に非接触にする点で特徴を有している。より具体的には、本発明では、造形テーブルに設けたピンによって固化層を支えるようにして三次元形状造形物を製造する。つまり、三次元形状造形物と造形テーブルとの間にはピンが介在しており、三次元形状造形物と造形テーブルとが相互に直接的に接触しないようになっている。

本明細書にいう「ピン」とは、三次元形状造形物（または固化層）を支えるために造形テーブル上に設けられる部材・部品を実質的に意味している。かかるピンの配置態様は、造形テーブルの穴に設ける態様のみならず、造形テーブル面に単に配置される態様も含んでいる。換言するならば、本発明にいう「ピン」とは、三次元形状造形物（または固化層）と造形テーブルとが直接的に相互に接触しないように、それらの間に介在する部材・部品を意味している（特に、ピンが直接的に接する三次元形状造形物の底面領域は、三次元形状造形物の底面全体の約０．１％〜約６０％程度、好ましくは約１％〜約５０％程度を占める）。

ある好適な態様では、三次元形状造形物の周縁部分とピンとが相互に接することになるように、固化層の形成を行う。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、ピンが造形テーブル上に設けられている。別の見方をすれば、三次元形状造形物の周縁部分がピン上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、三次元形状造形物を安定的に支えることができる。また、ピンと三次元形状造形物とが相互に材質的に接合性の良い場合、三次元形状造形物の周縁部分からの反り上がりを効果的に防止できる。

造形テーブルにおけるピンの配置態様は、製造される三次元形状造形物（または固化層）の底面を造形テーブルから離隔した状態に置くのであれば、どのような態様であってもよい。例えば、造形テーブルに形成された凹部または開口部にピンの一部を嵌め込んでピンを設けてよい。あるいは、ピンの周囲の少なくとも一部に支持部材を配すことによって、周囲からピンを支える形態でピンを設けてもよい。

ある好適な態様では、ピン上に設けられた三次元形状造形物に対して、切削工具を用いて開口部を形成する。つまり、三次元形状造形物を取り外すことなく、穴開けドリルなどを用いて三次元形状造形物に対して切削加工を施す。このことは、粉末材料として金属粉末を用い、得られる三次元形状造形物を金型として用いる場合を想定すると、金型造形に際してＫＯピン（ノックアウトピンもしくはエジェクターピン）や水管のための開口部を設けることが可能であることを意味している。

尚、ピン自体も三次元形状造形物の製造と同様に粉末焼結積層法で形成してもよい。かかる場合、三次元形状造形物の製造に先立って、ピンを形成する。つまり、予め造形テーブルに配したピン材料粉末に光ビームを照射してピン材料粉末を焼結又は溶融固化させてピンを形成する。特に焼結又は溶融固化を繰り返して実施する場合には、以下の工程を経ることによって、複数の固化層が積層一体化した積層体から成るピンを得ることができる。
（ｉ）造形テーブルに配されたピン材料粉末層の所定箇所（例えば、造形テーブル面の凹部に充填されたピン粉末材料）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ピン材料粉末層を形成し、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。
ここでいう「ピン材料粉末」とは、ピン材質を成すことになる材料粉末を実質的に意味している。即ち、「ピン材料粉末」は、光ビームが照射されると、焼結又は溶融固化を経てピン形状を構成することになる粉末である（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」）。

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、
粉末層が配されることになる造形テーブル、
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
を有して成る三次元形状造形物の製造装置であって、
三次元形状造形物と造形テーブルとが相互に直接的に接触することのないように、固化層を支持するためのピンが造形テーブルに少なくとも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、造形テーブルには凹部または開口部が形成されており、ピンの一部が凹部または開口部に嵌り込んでいる又は挿入されている。あるいは、造形テーブル面に置かれたピンの周囲の少なくとも一部には支持部材が配されている。このような態様によって、造形テーブル面から突出する形態でピンが設けられる（突出する向きは、鉛直方向の“上向き”が好ましいものの、必要に応じてその向きから斜めにずれて突出してもよい）。

ある好適な態様では、ピンが上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、ピンの垂直方向断面は、垂直方向（鉛直方向）の下向きから上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起因して、製造される三次元形状造形物をより安定的に支持することができる。

本発明では、従来必要とされていた“造形プレート”（即ち、造形テーブル上に配された基板）を用いていないので、かかる造形プレートによる制約・悪影響を回避することができる。特に、三次元形状造形物（または固化層）は、ピンによって造形テーブルから離隔した状態に置かれるので、造形テーブルを損傷させずに、三次元形状造形物の製造中に切削加工を施して開口部を形成できる。つまり、造形物の製造過程に際して造形物底部の機械加工が可能となり、作業効率が向上する。粉末材料として金属粉末を用い、得られる三次元形状造形物を金型として用いる場合を想定すると、ＫＯピンや水管用の開口部をドリル加工で設ける際、製造された造形物を造形テーブルから取り外す必要はなく、また、造形物の製造に先立って前加工を行う必要もない。

また、本発明では造形プレートを介さずに製造するので、造形物底面と造形プレート面との接触状態（例えば、「造形プレートに配される第１層の粉末層厚さ」）を懸念することなく、三次元形状造形物を製造できる。更に、そもそも造形プレートを用いていないので、造形プレートを造形テーブルに設ける操作（具体的には、比較的重い造形プレートを造形テーブルに対してネジ固定する操作）が不要となるだけでなく、かかる造形プレートを製造する時間およびコストを省くことができる点で有利である（特に、造形プレートの製造時間の省略は、金型製作期間の短縮に寄与し得る）。

従来技術においては、三次元形状造形物のサイズに合わせて造形プレートを一旦製作してしまうと、その後三次元形状造形物の形状・寸法などの点で設計変更が必要となった場合、別個の造形プレートを再度製作しなければならなかったものの、本発明では、ピンの位置・個数などを変更するだけで、かかる設計変更に対応することができる。つまり、本発明は、三次元形状造形物の随意の設計変更に対して簡易な手段によって柔軟に対応できるといった点で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。説明する粉末焼結積層法は、粉末焼結積層法の原理の理解のために、“造形プレート”を用いた態様で便宜的に説明する。図１，図２および図３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「造形物に対して切削加工を施す切削手段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２および図３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、「ドリルやミーリングヘッド４０」および「ドリルやミーリングヘッド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３参照）。

光造形複合加工機１の動作を図１及び図４を参照して詳述する。図４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、造形物を切削加工する切削ステップ（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の厚みがドリルやミーリングヘッド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、ドリルまたはミーリングヘッド４０を駆動させる（Ｓ３１）。例えば、ドリルまたはミーリングヘッド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によってドリルやミーリングヘッド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から成る造形物に対して開口部を設けたり、あるいは、造形物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、“三次元形状造形物の支持”に特に着目したものである。即ち、本発明は、図５（ａ）に示すように造形テーブル２０上に設けた造形プレート２１という“面”ではなく、図５（ｂ）に示すように造形テーブル２０に設けたピン７０という“点”でもって三次元形状造形物を支持している。つまり、図５（ｂ）に示すように、ピン７０を介在させることによって、製造される三次元形状造形物（または固化層）２４の底面を造形テーブル２０から離隔した状態に置く点で特徴を有している。かかる離隔距離は、造形物やピンのサイズ・形状などの種々の条件に依存し得るものの、例えば０．５〜１０ｍｍ程度であることが好ましい。

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態様を前提に説明する。

本発明の製造方法で用いる造形テーブルにはピンが少なくとも１つ設けられている。具体的には、造形テーブル２０の主面のうち、図６に示すように造形物が形成される領域２０ａにはピン７０が設けられている。ピン７０の形状は、特に限定されるわけではないが、図７に示すように、円柱形状（図７（ａ））または多角柱形状（例えば四角柱形状（図７（ｂ））のみならず、テーパ状に広がる部分を含んだ形状（図７（ｃ）〜図７（ｆ））などであってよい。製造が簡易であるという観点でいえば、図７（ａ）や図７（ｂ）に示すような円柱形状または四角柱形状が好ましい。ピンの個数は、その個々のサイズ、造形物の底面サイズなどに依存し得るものの、例えば４〜１００個程度である。ピンの個々のサイズに関して例示すると、図６に示すような造形物エリア２０ａ（横幅Ｌａ：５０〜２００ｍｍ、横幅Ｌｂ：５０〜２００ｍｍ）およびピンの個数（４〜２５個程度）を仮に想定した場合、図７（ａ）に示す円柱形状のピンの幅Ｗａは１〜１０ｍｍ程度であり、高さＨａは０．５〜１０ｍｍ程度である。尚、設けられるピンのピッチも、造形物エリア、ピンのサイズまたはピンの個数などに依存し得るものの、例えば図９（ａ）に示すような態様を例にとると、ピンのピッチＬｐは１０〜２０ｍｍ程度であってよい。

尚、三次元形状造形物をより安定的に支えるという観点から、ピンの形態は上方に向かって広がるテーパ部分を有していることが好ましい（即ち、図７（ｃ）〜図７（ｆ）に示す形態が好ましい）。特に、ピン自体の安定性も考慮すると、図７（ｅ）および図７（ｆ）に示すように、鼓形状を有するように両端部にテーパ部分を有する形態であってもよい。ピンがテーパ部分を有する場合、造形物を効率良く支える観点から、図７（ｃ）の右上に示すようなテーパの広がり角αは、３０°〜６０°程度であることが好ましい。尚、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すような円柱形状または多角柱形状のピンを用いる場合、図８に示すように、テーパ部分に相当する固化部２４’を三次元形状造形物の製造に先立って形成してもよい。この場合であっても、三次元形状造形物（特にその本体部分）がより安定的に支持されることになる。図８に示すような態様では、テーパ状固化部２４’と三次元形状造形物の本体部２４とは一体化して得られることになる。

製造過程における三次元形状造形物をより安定的に支えるという観点からは、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、造形テーブル２０の造形物エリア２０ａの周縁部にピン７０を設けることが好ましい。特に造形物の重心バランスを考慮すると、簡易的には図９（ｃ）に示すように造形物のコーナー（角部分）を支える態様であってもよい。また、ピンを造形物エリア２０ａの周縁部に設ける場合では、ピン７０が全体的に筒状になっていてもよい（図１０参照）。かかる場合、三次元形状造形物の底面エッジが筒状ピンに沿うように三次元形状造形物を形成していくと、三次元形状造形物の周縁全体で造形物を支持することができる。

ピンは、後述するが、金属または樹脂などの種々の材質から成るものであってよく、その製作法は特に限定されるものではない。例えば、他の用途として市販されている部品をそのまま用いてもよいものの、適当な棒状部材を切削加工して製作してもよい。ピンは単一部材から成るものに限らず、複数の部材から成るものであってもよい。また、ピン自体を三次元形状造形物の製造と同様に粉末焼結積層法で形成してもよい。この場合、三次元形状造形物の製造に先立って、ピンを形成することになる。つまり、予め造形テーブルに配したピン材料粉末に光ビームを照射してピン材料粉末を焼結又は溶融固化させてピンを形成する。特に焼結又は溶融固化を繰り返して実施する場合には、複数の固化層が積層一体化してピンが形成される。

造形テーブルにピンを設ける方法も、特に制限するわけではない。例えば、図１１（ａ）に示すように、造形テーブル２０に形成された凹部または開口部８０にピン７０の一部を嵌め込んで設けることができる。開口部に嵌め込む場合、図１１（ｂ）に示すように、開口部８０の内部に段差（ステップ部）が設けられており、かかる段差部分でピン７０を支持する態様が好ましい。凹部または開口部の形成には、放電加工、レーザ加工のならず、ドリル加工やサンドブラストなどの機械的な手法を用いることができる。本発明では、ピンの設置に際しては、左右方向（水平方向）に動かないようにピンを支える必要があるものの、上下方向（鉛直方向）にはピンが動くように設けてよい。これにより、製造過程において三次元形状造形物をピンで好適に支持できる一方で、製造後には、ピンと共に三次元形状造形物を造形テーブルから容易に取り外すことができる。

尚、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、ピン７０の周囲の少なくとも一部に支持部材（８５，８５’，８６）を配することによって、周囲から保持する形でピンを設けてもよい。図１２（ａ）に示す態様では、可動部材８５と固定部材８５’でもってピンを挟み込んでピン７０を支持している。かかる態様では、三次元形状造形物２４の製造後にて、可動部材８５を水平方向に移動させることによって、三次元形状造形物２４を造形テーブル２０から容易に取り外すことが可能となる。図１２（ｂ）に示す態様では、フランジ状のピン７０を留め具８６でもって造形テーブル面に取り付けている。この態様では、三次元形状造形物の製造後にて、留め具８６を取り外すことによって、三次元形状造形物２４を造形テーブル２０から容易に取り外すことができる。尚、ピンの周囲の少なくとも一部に支持部材を配する場合、図１３（ａ）に示すように、ピン周囲の支持部材自体（図１３（ａ）では“８７”の部材）を粉末焼結積層法で形成してもよい。

ピンと三次元形状造形物とが相互に材質的に接合性の良い場合、製造される三次元形状造形物はピン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ピン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。特に、図１４に示すように、「ピン」を金型などの組立て用の位置決めとして使用してよい。ピンと三次元形状造形物とが相互に材質的に接合性の良い場合を例示する。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、ピン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、ピンは、同種の樹脂または金属等の材質から成ることが好ましい。尚、一体化したピンは、三次元形状造形物の製造後において必要に応じて切削除去してもよい。

本発明では、ピンと三次元形状造形物とが相互に材質的に接合性の良い場合に限定されるものではなく、必要に応じて、ピンが三次元形状造形物に対して材質的に離型性に富むものであってもよい（即ち、接合性の低いものであってよい）。この場合、図１３（ｂ）に示すように、ピン７０を上下方向に可動に設けてよい。そうすることによって、三次元形状造形物の製造後にてピン７０を下方向へと動かすことによって、ピン７０と三次元形状造形物２４とが相互に分離させることができ、造形物（場合によっては「ピン周りの支持部材８７も含めた造形物」）を容易に造形テーブルから取り外すことができる。ピンが三次元形状造形物に対して材質的に離型性に富む場合を例示する。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、ピン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、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、ピンは金属またはセラミックス等の材質から成ることが好ましい。尚、図１３（ｂ）の態様では、より容易に造形物が取り外されるように、ピン７０とその周囲の造形物８７とは、それらの接触面積ができるだけ小さいことが好ましい（図１３（ｂ）の右上破線領域内を参照のこと）。

次に、図１５および図１６を参照することによって、ピン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、ピンが固化層（即ち、三次元形状造形物）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８０を備えた造形テーブル２０を用意する。次いで、図１５（ｂ）に示すように凹部に対してピン７０の一部を嵌め込むことによって、造形テーブル２０に対してピン７０を設ける。つまり、図示するように、造形テーブル面から突出するようにピンを設ける。次いで、図１５（ｃ）に示すように、ピン７０を覆うように第１金属粉末層１９ａを形成した後、図１５（ｄ）に示すように、第１金属粉末層１９ａの所定箇所に光ビームを照射することによって、粉末を焼結させて第１焼結層２４ａを形成する。かかる光ビームの照射では、第１焼結層２４ａの底面がピン７０の上面と接する状態となる一方、底面が造形テーブル面とは離隔した状態となるように光ビームのエネルギーを調整する（尚、焼結を経ることに起因して、第１焼結層２４ａは、ピン７０の上面に接合して一体化する）。引き続いて、図１５（ｅ）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（ｆ）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、鉛直方向に延在する開口部９０をドリル加工などで造形テーブル２０を損傷することなく形成できる。

上述の製造工程では、予め形成されたピン７０を用いたが、ピン自体も三次元形状造形物の製造と同様に粉末焼結積層法で形成してもよい。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、造形テーブル２０の凹部８０をピン材料粉末７０ｐ１で充填した後、充填されたピン材料粉末７０ｐ１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７０ｑ１を形成する（図１６（ｃ）参照）。次いで、図１６（ｄ）に示すように焼結部７０ｑ１を覆うように造形プレート２１上にピン材料粉末層７０ａを形成し、焼結部７０ｑ１上のピン材料粉末に光ビームを照射することによって焼結部７０ｑ２を形成する（図１６（ｅ）参照）。焼結を経ることに起因して、焼結部７０ｑ２は、その下に存在する焼結部７０ｑ１と積層一体化して、ピン７０が形成される。引き続いて、図１６（ｆ）に示すように、ピン７０を覆うように第１金属粉末層１９ａを形成した後、図１６（ｇ）に示すように、第１金属粉末層１９ａの所定箇所に光ビームを照射することによって、粉末を焼結させて第１焼結層２４ａを形成する。かかる光ビームの照射では、上述の態様と同様、第１焼結層２４ａの底面２４がピン７０の上面と接する状態となる一方、その底面が造形テーブル面とは離隔した状態となるように光ビームのエネルギーを調整する。以降は、図１５に示した態様と同様に、粉末層の形成および焼結層の形成を繰り返すことによって、三次元形状造形物を製造していく。

［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６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、
金属粉末層が配置されることになる造形テーブル２０、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、
三次元形状造形物と造形テーブル２０とが相互に直接的に接触することのないように、固化層を支持するためのピン７０が造形テーブル２０上に少なくとも１つ設けられている。かかる装置では、従来にて造形テーブル２０上に配されていた造形プレートを用いていないので、造形プレートによる制約・悪影響を回避することができる（図１では、装置の理解のために“造形プレート２２”を便宜的に示しているが、本発明の装置では、かかる“造形プレート２２”を備えていない点に留意されたい）。これ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。また、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」、「光ビーム照射手段３」および「ピン７０」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、三次元形状造形物２４は、光ビームによる熱の影響を受けて、その周縁部が反り上がる傾向を有しているものの（図１７（ａ））、かかる傾向は造形物と一体化したピンによって抑えられることになる。詳述すると、製造過程において固化時の収縮現象に起因して三次元形状造形物には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、造形物と一体化したピン７０が、それが嵌め込まれている凹部または開口部の内面に当接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ことになる（図１７（ｂ）参照）。このことは、図１２に示す態様（ピンの周囲の少なくとも一部に支持部材を配する態様）であっても同様であり、三次元形状造形物と一体化したピン７０が、その周囲の支持部材８５と当接することに起因して、“反り上がる力”を打ち消すことができる。つまり、本発明では、ピンによって、三次元形状造形物の“反り上がり”を効果的に防止することができる。かかる“反り上がり”を更に効果的に抑制するために、図１７（ｃ）に示すように、反り上がろうとする造形物の周縁部に外側から当接する「反り上がり抑制部材９５」を用いてもよい。あるいは、ピン自体を粉末焼結積層法で形成する場合、焼結または溶融固化するピン固化層が造形テーブル面（より具体的には凹部または開口部の内面）と接合する態様であれば、より確実にピンで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。

尚、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Ａ』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Ｂ』であっても、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。

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 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 従来技術の態様と本発明の態様とを概念的に比較した図 本発明の特徴を概念的に示した模式図 ピンの種々の態様を模式的に示した斜視図 テーパ形状の固化部２４’を製造する態様を示した模式図 ピンの種々の配置態様を模式的に示した造形テーブルの上面図 筒形状のピンを模式的に示した斜視図 造形テーブルに形成された凹部または開口部にピンの一部を嵌め込んでピンを設ける態様を模式的に示した斜視図（図１１（ａ））および開口部の段差でピンを支持する態様を模式的に示した断面図（図１１（ｂ））。 ピンの周囲の少なくとも一部に支持部材を配する態様を模式的に示した断面図 ピン周囲の支持部材を粉末焼結積層法で形成する態様（図１３（ａ））およびピンを上下方向可動に設けた態様（図１３（ｂ））を模式的に示した断面図 ピンを金型などの組立て用の位置決めとして用いる態様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 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 三次元形状造形物の“反り上がり”をピンによって防止する態様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）
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
２０ａ 造形物形成領域（造形物エリア）
２１ 造形プレート
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
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）
２４’ テーパ形状の固化部
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
７０ ピン
７０ｐ１ 凹部に充填されたピン材料粉末
７０ｑ１ ピン材料粉末から形成された焼結部
７０ａ ピン材料粉末層
７０ｑ２ ピン材料粉末層から形成された焼結部
８０ 凹部
８５ ピン周囲の支持部材（可動部材）
８５’ ピン周囲の支持部材（固定部材）
８６ 留め具
８７ ピン周囲にて粉末焼結積層法で形成される支持部材
９０ 造形物に切削加工を施して形成した開口部
９５ 反り上がり防止部材
１００ 金型
Ｌ 光ビーム

Claims (8)

1. （ｉ）造形テーブル上の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、
   造形テーブルに設けたピン上にて三次元形状造形物を製造することを特徴とする製造方法。
2. 前記ピンを介すことで三次元形状造形物と造形テーブルとを相互に直接的に接触させないことを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
3. 三次元形状造形物の周縁部分と前記ピン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または２に記載の製造方法。
4. 前記ピン上に製造された三次元形状造形物に対して、切削工具を用いて開口部を形成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
5. 三次元形状造形物の製造に先立って、ピン材料粉末に光ビームを照射して前記ピン材料粉末を焼結又は溶融固化させて前記ピンを形成することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
6. 粉末層を形成するための粉末層形成手段、
   粉末層が配されることになる造形テーブル、
   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
   を有して成る三次元形状造形物の製造装置であって、
   三次元形状造形物と造形テーブルとが相互に直接的に接触することのないように、固化層を支持するためのピンが造形テーブルに少なくとも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。
7. 造形テーブルには凹部または開口部が形成されており、
   前記ピンの一部が前記凹部または前記開口部に嵌り込んでいることを特徴とする、請求項６に記載の三次元形状造形物の製造装置。
8. 造形テーブル面に配された前記ピンの周囲の少なくとも一部に支持部材が配されていることを特徴とする、請求項６に記載の三次元形状造形物の製造装置。

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