JP2013163829A - 三次元形状造形物の製造方法および三次元形状造形物 - Google Patents

Abstract

【課題】造形プレートおよび固化層の反り変形を積極的に利用した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）造形プレート上にて粉末層の所定箇所に光ビームを照射してその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、その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、三次元形状造形物の製造にあたり、その三次元形状造形物の土台となる土台固化層を造形プレート上に逐次形成し、その形成に際して、造形プレートおよび土台固化層に反り変形を逐次引き起こさせ、かかる反り変形が生じなくなるまで土台固化層の形成を継続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９

Description

本発明は、三次元形状造形物の製造方法およびそれから得られる三次元形状造形物に関する。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に関すると共に、それによって得られる三次元形状造形物にも関する。

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やセラミック粉末などの無機質の粉末材料を用いた場合では、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、樹脂粉末やプラスチック粉末などの有機質の粉末材料を用いた場合では、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場合が多い。チャンバー内では、造形テーブル上に配された造形プレートがボルト等で固定され、その造形プレート上において三次元形状造形物が形成される。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で形成され得るので、三次元形状造形物は造形プレートと一体化して得られることになる。そして、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。

特表平１−５０２８９０号公報 特開２０００−７３１０８号公報

ここで、三次元形状造形物が光ビームの照射を通じて製造されるものであるため、三次元形状造形物およびそれを支える造形プレートは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（図２（ａ）参照）。特定の理論に拘束されるわけではないが、この収縮現象は、溶融した粉末が冷却・固化する際に応力が発生することに起因している。一方、固化層（即ち、三次元形状造形物）と一体化する造形プレートは、鋼材などから成る剛体であって、ボルトなどで造形テーブルに固定されているので、固化層形成時に収縮しきれず、造形プレートに応力が残留し得る。それゆえ、造形プレートを固定しているボルトを外すと、残留応力の開放に起因してプレートごと造形物が反り返る現象が生じてしまう（図２（ｂ）参照）。

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、造形プレートおよび固化層の反り変形に好適に対処した三次元形状造形物の製造方法を提供することである。特に、反り変形を敢えて利用することによって三次元形状造形物の製造を行う方法を提供する。

上記課題を解決するために、本発明では、
（ｉ）造形プレート上にて粉末層の所定箇所に光ビームを照射してその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、その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、
三次元形状造形物の製造にあたり、その三次元形状造形物の土台となる土台固化層を造形プレート上に逐次形成し、その形成に際して、造形プレートおよび土台固化層に反り変形を逐次生じさせ、かかる反り変形が生じなくなるまで土台固化層の形成を継続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。

ある好適な態様では、造形プレートが支持テーブルに固定された状態となっており、
土台固化層の形成に際しては、
（ａ）少なくとも１層の土台固化層の形成後において“造形プレートの支持テーブルに対する固定状態”を緩め、それによって、“造形プレートおよびその上に形成された土台固化層”に反り変形を生じさせ、（ｂ）引き続いて土台固化層の形成を継続し、更なる土台固化層の形成後にて“造形プレートの支持テーブルに対する固定状態”を更に緩め、それによって、“造形プレートおよびその上に形成された固化層”に反り変形を更に生じさせることを行い、
かかる反り変形が更に生じなくなるまで（ａ）および（ｂ）を繰り返す。

土台固化層を形成する態様としては、土台固化層を１層形成するごとに、造形プレートの固定状態を緩めてよい。

ボルト部材又はバイス部材によって造形プレートが支持テーブルに固定されていてよく、その場合、上記（ａ）および（ｂ）で固定状態を緩めるに際しては、ボルト部材又はバイス部材を緩めることが好ましい。

別のある好適な態様では、可撓性の固定手段を用いてよい。かかる場合では、可撓性の固定手段によって造形プレートが支持テーブルに固定された状態となっており、“造形プレートおよびその上の土台固化層”の反り変形に際して固定手段が撓むことになる。固定手段は、屈曲した形態を有していることが好ましく、かかる固定手段の屈曲により形成された固定手段内側面に造形プレートの一部が当接して造形プレートが固定されていることが好ましい。

土台固化層の形成では、反り変形の量が粉末層の厚さを超えない範囲となっていることが好ましい。

また、土台固化層の形成に際しては、先行して形成された土台固化層の反り（反り具合）に応じて光ビームの照射条件を局所的に変えてよい。

更に、土台固化層の形成では、反り変形後に土台固化層の上面レベルを測定してよい。

本発明では、上述した製造方法で得られる三次元形状造形物も提供される。具体的には、本発明に係る三次元形状造形物では、その底面に土台固化層が接合していると共に、土台固化層の底面に造形プレートが接合している。

本発明の製造方法では、三次元形状造形物の製造に先立って、土台固化層（造形物の土台となる固化層）を逐次形成しており、造形プレートおよびその上の土台固化層に対して“収縮応力に起因した反り変形”を徐々に発生させている。かかる土台固化層の形成は、最終的には反り変形が生じない程度に至るまで継続する。その結果、それ以降に形成される固化層において残留する応力を低減させることができ、支持テーブルから取り外された際の最終的な造形物の反りを抑えることができる。即ち、本発明は、反りを積極的に引き起こさせつつも造形物の形状精度の低下を防止することができる。

特に本願発明者らが鋭意検討のすえに得た知見に基づくと、造形プレート上に形成された固化層の積層数が比較的少ない範囲では固化層に収縮応力が特に発生し易いところ、本発明では、そのような収縮応力が発生しやすい部分を土台固化層として用いて三次元形状造形物の製造を行っている。従って、本発明では、応力発生に無理に逆らうことなく、むしろ応力（収縮応力）を積極的に発生させつつも、最終的な造形物において反り変形を抑制して高精度を達成している。

ちなみに、土台固化層の反りが大きい場合では粉末層形成（例えば、均しブレードによる粉末層形成）に影響が及ぶところ、本発明においては“収縮応力に起因した反り変形”を徐々に発生させているので、そのような不都合は回避されている。つまり、本発明では、反り変形による不都合を回避しながら反り変形を発生させており、それによって、最終的に高精度な三次元形状造形物を得ている。

更にいえば、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”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、本発明では造形物の製造に先立って「予備的な固化層の形成」および「造形プレートおよび予備的な固化層における応力の部分的緩和」を予め施すことによって形状精度を出すことができる。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“簡易なプロセスの付加”によって省くことができるといった点で非常に有益である。

光造形複合加工機の動作を模式的に示した断面図 造形プレートおよびその上の固化層の反り変形を模式的に示した断面図 光造形（粉末焼結積層法）を実施するための装置を模式的に示した斜視図（図３（ａ）：切削機構を備えた複合装置、図３（ｂ）：切削機構を備えていない装置） 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 粉末焼結積層法を実施でき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 光造形複合加工プロセスを経時的に示した模式図 本発明の概念を模式的に表した図 本発明のプロセス態様を模式的に表した図 本発明のプロセス態様を模式的に表した図 造形プレート／造形物に蓄積され得る残留応力を示したグラフ 積層数と造形プレートの反りとの相関関係を示したグラフ 造形プレートの支持テーブルに対する固定状態を模式的に表した図（図１３（ａ）：ボルト部材を用いた固定、図１３（ｂ）：バイス部材を用いた固定） 本発明に用いることができる造形プレートの態様を模式的に表した図 本発明における“反り量”を模式的に表した図 本発明における“粉末層厚さ変化”を模式的に表した図 “可撓性の固定手段”を用いる本発明のプロセス態様を模式的に表した図

以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する（図面における寸法関係は、あくまでも例示であって、実際の寸法関係を反映するものではない）。

本明細書において「粉末層」とは、例えば「金属粉末から成る金属粉末層」または「樹脂粉末から成る樹脂粉末層」などを指している。また「粉末層の所定箇所」とは、製造される三次元形状造形物の領域を実質的に意味している。従って、かかる所定箇所に存在する粉末に光ビームを照射することによって、その粉末が焼結又は溶融固化して三次元形状造形物の形状を構成することになる。更に「固化層」とは、粉末層が金属粉末層である場合には「焼結層」を実質的に意味しており、粉末層が樹脂粉末層である場合には「硬化層」を実質的に意味している。

また、本明細書にいう「造形プレート」とは、製造される造形物の土台となる部材を実質的に意味している。特に好適な態様では「造形プレート」は支持テーブル上に配される板状の部材を指している。そして、かかる「支持テーブル」とは、製造される造形物の架台・支持台なるパーツを実質的に意味しており、好ましくは上記造形プレートの架台・支持台となるパーツに相当する。例えば、支持テーブルは以下の［粉末焼結積層法］で用いられる“造形テーブル”である。

あくまでも例示にすぎないが、本発明に用いることができる金属粉末は、鉄系粉末を主成分とした粉末であって、場合によってニッケル粉末、ニッケル系合金粉末、銅粉末、銅系合金粉末および黒鉛粉末などから成る群から選択される少なくとも１種類を更に含んで成る粉末であってよい。一例として、平均粒径２０μｍ程度の鉄系粉末の配合量が６０〜９０重量％、ニッケル粉末及びニッケル系合金粉末の両方又はいずれか一方の配合量が５〜３５重量％、銅粉末および／または銅系合金粉末の両方又はいずれか一方の配合量が５〜１５重量％、ならびに、黒鉛粉末の配合量が０．２〜０．８重量％となった金属粉末を挙げることができる。

［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。説明の便宜上、材料粉末タンクから材料粉末を供給し、スキージング・ブレードを用いて材料粉末を均して粉末層を形成する態様を前提として粉末焼結積層法を説明する。また、粉末焼結積層法に際しては造形物の切削加工をも併せて行う複合加工の態様を例に挙げて説明する（つまり、図３（ｂ）ではなく図３（ａ）に示す態様を前提とする）。図１，４および５には、粉末焼結積層法と切削加工とを実施できる光造形複合加工機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で囲まれた材料粉末タンク２８内において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・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４および図５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レンズなどが具備されている。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（４１ａ，４１ｂ）」とを主として有して成る（図４および図５参照）。

光造形複合加工機１の動作を図１、図６および図７を参照して詳述する。図６は、光造形複合加工機の一般的な動作フローを示しており、図７は、光造形複合加工プロセスを模式的に簡易に示している。

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・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を造形プレート２１上へと移送させつつ（Ｓ１２）、所定厚みΔｔ１に均して粉末層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（５００Ｗ程度）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（５００Ｗ程度）、ファイバレーザ（５００Ｗ程度）または紫外線など）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）。光ビームは、空気中を伝達させることに限定されず、光ファイバーなどで伝送させてもよい。

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）へと移行する。図１および図７に示すような態様ではミーリングヘッド４０を駆動させることによって切削ステップの実施を開始している（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（４１ａ，４１ｂ）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（図７参照）。

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、造形プレートおよび固化層に発生し得る応力を特に考慮したものである。具体的にいえば、“三次元形状造形物の土台となる土台固化層”を造形プレート上に逐次形成し、造形プレートおよびその上に形成された土台固化層に対して反り変形を逐次引き起こさせ、その反り変形が生じなくなるまで土台固化層の形成を継続する。

例えば、図８に示すように、造形プレート２１が支持テーブル２０上に固定された状態となっており、少なくとも１層の土台固化層２４’を形成し、それによって、造形プレート２１および土台固化層２４’に応力を生じさせる。その後、造形プレート２１の支持テーブル２０に対する固定状態を緩め、造形プレート２１およびその上の土台固化層２４’に“応力に起因した反り変形”を生じさせる。かかる固定状態の緩和は、プレート２１および土台固化層２４’に蓄積された応力の開放（解放）を意味している。本発明では、三次元形状造形物の製造に際して、このような応力開放を逐次実施する。

より具体的には図９に示すように、三次元形状造形物の製造に際して、まず（ａ）工程として、少なくとも１層の土台固化層２４’を形成し、その後、造形プレート２１の固定状態を緩める。これにより、造形プレート２１およびその上に形成された土台固化層２４’に反り変形を生じさせる。次いで、（ｂ）工程として、土台固化層２４’の形成を継続し、その更なる土台固化層２４’の形成後にて造形プレート２１の固定状態を更に緩める。これにより、「土台固化層２４’および造形プレート２１」の反り変形を更に生じさせる。そして、このような反り変形が更に生じなくなるまで（ａ）工程および（ｂ）工程を繰り返して実施する。

本願発明者らが鋭意検討のすえに得た図１１の結果を参照すると、造形テーブル２１上に土台固化層２４’をある程度積層すると、それ以降において造形プレート２１およびその上の土台固化層２４’に応力が発生しにくくなる。これは、土台固化層２４’をある程度積層すると（例えば、固化層を約５０層〜約１００層程度形成すると）、その後の反り量がほとんど変化しないことを意味している（図１２参照）。それゆえ、（ａ）工程および（ｂ）工程を継続して実施すると、最終的には「造形プレートおよびその上に形成された土台固化層の反り変形」が実質生じなくなる（図１０参照）。本発明では、このように反り変形が生じなくなった時点から三次元形状造形物の製造を開始する。これによって、土台固化層上の三次元造形物においては反り変形が生じず形状精度が高いものとなる。

本発明で用いる造形プレートは、製造される造形物の土台となる部材（例えば板状の部材）であって、造形テーブルに固定されて使用されるものである。例えば、図１３（ａ）に示すようにボルト部材７０によって造形プレート２１が支持テーブル２０に固定されているものであってよい。あるいは、図１３（ｂ）に示すようにバイス部材７２によって造形プレート２１が支持テーブル２０に固定されているものであってもよい。図１３（ａ）の場合、ボルト部材７０を緩めることによって（具体的には、ボルト部材７０を回転させて造形プレート２１の支持テーブル２０への締付け力を緩めることによって）、造形プレートの固定状態を緩めることができる。同様にして、図１３（ｂ）の場合、バイス部材７２を緩めることによって（具体的には、バイス部材の螺子部を回転させて“造形プレート２１に加えられている挟持力”を緩めることによって）、造形プレートの固定状態を緩めることができる。

造形プレートの形状は、造形物に土台なる面（即ち、主面）を供する限り、いずれの形状であってもよい。例えば、造形プレート２１の形状は、図１４に示すような直方体形状に限定されず、円板形状または多角柱形状などであってもよい。造形プレートの寸法についていえば、一般的には主面サイズ（即ち、“上面”または“下面”）が造形物底面よりも大きいことが求められる。例えば、造形プレート２１の主面サイズは造形物底面サイズの１１０〜２００％程度であればよい（図１４参照）。造形プレート２１の厚み（図１４の“Ｔ”）は、主面サイズ・造形プレートの材質・固化層の材質などによって変わり得るものの、例えば１０〜７０ｍｍ程度であってよい。造形プレートの材質は特に制限はない。例えば粉末として金属粉末を用いて固化層が焼結層（鉄系材料から成る焼結層）となる場合、造形プレートの材質は、スチール、超硬合金、高速度工具鋼、合金工具鋼、ステンレス鋼および機械構造用炭素鋼から成る群から選択される少なくとも１種類の材質となっていることが好ましい。

（ａ）工程および（ｂ）工程の粉末層および固化層、即ち、土台となる部分の粉末層２２’および固化層２４’は、それ以降に実施する三次元形状造形物の製造におけるものと同じであってよい。即ち、土台粉末層２２’の形成法・粉末種類・厚さなどは、それ以降に行われる造形物製造時における粉末層と同じであってよく、土台固化層２４’の形成法・材質・厚さなどもそれ以降に行われる造形物製造時における固化層と同じであってよい。

（ａ）工程および（ｂ）工程に際しては、土台固化層を１層形成するごとに、造形プレートと支持テーブルとの固定状態を緩めてよい。かかる場合、反り量は全体的として少なくなるので、引き続いて形成される粉末層の厚みの水平方向変化が少なく、結果的に、光ビームによる土台固化層の形成（即ち“焼結”）が安定化する。換言すれば、先行して形成された土台固化層の反り量が大きいと、その上の土台粉末層の厚さの不均一度合いが増すことになり、同じ光ビーム照射条件を用いた場合に不均一厚さに起因した焼結ムラが生じやすくなる。

尚、反り変形の量が粉末層の厚さ（反りが無い場合に想定される土台粉末層２２’の１層厚み）を超えない範囲であれば、土台固化層を複数層形成した後に、造形プレートの固定状態を緩めてよい。即ち、土台粉末層の形成に支障がないのであれば、ある程度一括して反らしてよい。換言すれば、先行した形成された土台固化層の反りによって、粉末層形成機構（例えば、図１（ａ）に示すようなスキージング・ブレード２３）の駆動が妨げられるものでないならば、応力開放処理は複数の土台固化層の形成後に行ってよい。これによって、全体として固定状態の緩和操作の回数が減じられるので、より効率的なプロセスが実現される。何層積層したらどれだけ土台固化層が反るかは、造形プレートの材質や厚み、造形モデルの形状（横断面積）、粉末材料および光ビームの照射条件などから予測できるデータベースを利用することが好ましい。ちなみに、ここでいう「反り変形の量」とは、特に、反り変形前の土台固化層の端部レベルと、反り変形後の土台固化層の端部レベルとの差を実質的に意味している（図１５参照）。

粉末層の厚さを超えない範囲の反り量に関して言えば、光ビーム照射条件などによって反り量（反り変形の量）を積極的に調整してもよい。例えば、土台粉末層の積層層が少ない初期段階では光ビームの照射エネルギーを低くしておき、土台粉末層の積層層が多くなった後期段階では光ビームの照射エネルギーを高くしてよい。なぜなら、図１１のグラフに基づくと土台粉末層の積層層が少ない初期段階では収縮応力が発生し易い一方、土台粉末層の積層層が多い後期段階では収縮応力が発生し難くなるからである。つまり、土台粉末層の積層層が少ない初期段階では反り変形が発生し易いので“弱い光ビーム照射”とする一方、土台粉末層の積層層が多い後期段階では反り変形が発生し難いので“強い光ビーム照射”とする（図１２も併せて参照のこと）。

（ａ）工程および（ｂ）工程に際しては、先行して形成された土台固化層の反り（反り具合）に応じて光ビームの照射条件を局所的に変えてもよい。先行して形成された「反った土台固化層２４’」上の粉末層においては水平方向に厚み変化が生じている（図１６参照）。従って、その粉末層厚み変化に応じて光ビームの照射条件を局所的に変えることを行ってよい。具体的には、粉末層厚さが大きい部分は、高いエネルギーの光ビームを照射する一方、粉末層厚みが薄い部分は低いエネルギーの光ビームを照射してよい。このような局所的な照射条件の変更は、例えば、（ａ）光ビームの出力エネルギーを調整する、（ｂ）光ビームの走査速度を調整する、（ｃ）光ビームの走査ピッチを調整する、（ｄ）光ビームの集光径を調整する等によって行うことができる。

（ａ）工程および（ｂ）工程に際しては、反り変形後に土台固化層の上面レベルを測定することが好ましい。即ち、造形プレートの固定状態を緩めた後に、土台固化層の上面レベルを測定することが好ましい。このように上面レベルを測定すると、土台固化層の反り（反り具合）を正確に把握することができる。つまり、反り量が土台粉末層の厚さを超えない範囲にあるか否かや、後刻で形成される土台粉末層の厚み変化（水平方向の厚み変化）を把握することができる。上面レベルの測定には、例えばタッチプローブや光学的測定器を用いてよい。タッチプローブを用いる場合、切削手段の主軸に対して測定用タッチプローブを設けてよい。このような測定によって、反り量が粉末層の厚さを超えていると判断された場合、粉末供給する所定の高さで除去加工処理（切削除去処理）を適宜行ってよい。このような除去加工をすると、反り量が想定以上に大きくなっても均しブレードによる粉末層形成を支障なく実施できる。

本発明は「可撓性の固定手段」を用いても実現することができる。具体的には、図１７に示すように、造形プレートが可撓性の固定手段７８により支持テーブル２０に固定された状態となっており、「造形プレート２１および土台固化層２４’」の反り変形に際しては固定手段７８が撓むことになる。かかる場合であっても、反り変形が更に生じなくなるまで土台固化層２４’の逐次形成を繰り返し実施し、その後、反り変形が生じなくなった時点から三次元形状造形物の製造を開始する。これによって、土台固化層上に形成される三次元造形物では反り変形が生じずに形状精度が保たれる。

「可撓性の固定手段７８」は、対を成すように２つで用いることが好ましく、図１７に示すような形態で支持テーブル２０に固定されて使用される。図示されるように、対を成す可撓性の固定手段７８ａ，７８ｂはそれぞれ取付部材７９などを用いて造形テーブル２０に対して固定される。

対を成す固定手段７８ａ，７８ｂは、図１７の抜出拡大図にて示されるように、その各々が屈曲した形態を有していることが好ましい。より具体的には、固定手段７８ａ，７８ｂは、鉛直延在部（７８ａ１，７８ｂ１）と水平延在部（７８ａ２，７８ｂ２）とから構成される屈曲形状を有していることが好ましい。かかる場合、鉛直延在部（７８ａ１，７８ｂ１）が支持テーブル２０の主面に対して略垂直に延在すると共に水平延在部（７８ａ２，７８ｂ２）が支持テーブル２０の主面と略平行に延在することになるように、固定手段７８ａ，７８ｂが固定されることが好ましい。図示されるように、固定手段７８の成す面（Ｍ面およびＮ面などの面）のうち“屈曲により形成されたＭ面（Ｍ１、Ｍ２）”が、造形プレートと直接向き合うことになり、内側面を構成し得る。つまり、本発明において「固定手段内側面」とは、“屈曲を成している面（Ｍ面およびＮ面）”のなかでも、より内側に位置する面、即ち、より造形プレート側に位置する面のことを実質的に意味している。

固定手段７８（７８ａ，７８ｂ）は、“可撓性”ゆえに、その剛性が低いことが好ましい。それゆえ、可撓性の固定手段７８は、アルミ材、銅材またはプラスチック材などの比較的ヤング率が低い材質から成るものであることが好ましい。

「可撓性の固定手段７８」を用いる態様であっても、先の態様で述べた事項が同様に当てはまる。例えば、土台固化層の逐次形成では、反り変形の量が粉末層の厚さを超えない範囲となることが好ましい。また、先行して形成された土台固化層の反り（反り具合）に応じて光ビームの照射条件を局所的に変えてよい。即ち、先行して形成された「反った土台固化層２４’」上の土台粉末層においては水平方向に厚み変化が生じているので（図１６参照）、その粉末層厚み変化に応じて光ビームの照射条件を局所的に変えてよい（具体的には、粉末層厚みが大きい部分は、高いエネルギーの光ビームを照射する一方、粉末層厚みが薄い部分は低いエネルギーの光ビームを照射してよい）。そして、反り変形後には土台固化層の上面レベルを測定してもよい。即ち、土台固化層の逐次形成ごとに土台固化層の上面レベルを測定してよい（これにより、例えば反り量が粉末層の厚さを超えていると判断された場合、土台粉末層形成が行えるように切削除去処理を適宜行うことができる）。

［本発明の三次元形状造形物］
最後に、上述の製造方法で得られる本発明の三次元形状造形物について説明しておく。本発明の三次元形状造形物は、その底面側に造形プレートが設けられている。特に、本発明の三次元形状造形物は、上述の製造方法に起因して得られるものであるために、三次元形状造形物の底面に土台固化層が接合していると共に、その土台固化層の底面に造形プレートが接合している。かかる三次元形状造形物に関する事項は、上述の［本発明の製造方法］で触れているので、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。ちなみに、本発明の技術的思想と本質的に異なるものであるが、特開２００７−２７０２２７について付言しておく。特開２００７−２７０２２７には「光造形物の製造方法」が開示されている。開示されている製造方法では、形成した焼結層を加熱することによって残留応力を除去している。特に加熱焼鈍により残留応力を除去しており、『残留した応力に起因した反り変形を積極的に利用する』といった本発明の思想については開示も示唆もされていない点に留意されたい。

（プレートおよび造形物に蓄積される残留応力）
本願発明者らは、粉末焼結積層法について研究を重ねる中で、図１１に示されるような「造形プレート／造形物に蓄積され得る残留応力の傾向」を見出すに至った。即ち、造形プレートに蓄積され得る残留応力というものは、造形プレートと固化層（焼結層）との界面付近に集中し、層形成が進むにつれて応力が残留しなくなる傾向にあることが分かった。これは、特定の理論に拘束されるわけではないが、ある初期段階の層に相当するＮ層目を溶融固化（焼結）する際には収縮応力が発生して残留するが、Ｎ＋１層目，Ｎ＋２層目・・・と溶融固化（焼結）が繰り返されるとＮ層目が熱影響を受けて応力緩和することが要因として考えられる。

（積層数と反りとの相関関係）
同様に粉末焼結積層法について研究を重ねる中で、本願発明者らは図１２に示されるような「積層数と反りとの相関関係」を見出すに至った。即ち、固化層を約５０層〜約１００層形成すると、その後の反り量が変化しないことが分かった。従って、固化層を約５０層〜約１００層形成すると、それ以降の光造形過程においては造形プレートおよび固化層に応力が蓄積されにくくなるという知見が得られた。

ちなみに、図１２は以下の条件の下で得られたものである：

・使用粉末：平均粒径５０μmの鉄系混合粉末
・層厚さ：０．０５ｍｍ程度
・光ビームの照射エネルギー密度Ｅ：５Ｊ／ｍｍ^２〜１５Ｊ／ｍｍ^２程度
・造形プレート材質：炭素鋼（S５０C）
・造形プレート寸法：Ｗ１２５ｍｍ×Ｌ１２５ｍｍ×Ｔ８ｍｍ

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）
２０ 造形テーブル（支持テーブル）
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）
２２’ 土台粉末層（土台固化層を形成するための粉末層）
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
２４’土台固化層
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
３２ 反射ミラー
３３ 集光レンズ
４０ ミーリングヘッド
４１ ＸＹ駆動機構
４１ａ Ｘ軸駆動部
４１ｂ Ｙ軸駆動部
４２ ツールマガジン
５０ チャンバー
５２ 光透過窓
７０ ボルト部材
７２ バイス部材
７８ 可撓性の固定手段
７９ 可撓性の固定手段に用いられる取付部材（例えば螺旋部材）
Ｌ 光ビーム

Claims (10)

1. （ｉ）造形プレート上にて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、
   前記三次元形状造形物の製造にあたり、該三次元形状造形物の土台となる土台固化層を前記造形プレート上に逐次形成し、その形成に際して、前記造形プレートおよび前記土台固化層に反り変形を逐次生じさせ、該反り変形が生じなくなるまで前記土台固化層の形成を継続することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
2. 前記造形プレートが支持テーブルに固定された状態となっており、
   前記土台固化層の形成に際しては、
   （ａ）少なくとも１層の前記土台固化層の形成後にて前記造形プレートの前記支持テーブルに対する固定状態を緩め、それによって、前記造形プレートおよびその上に形成された前記土台固化層に反り変形を生じさせ、（ｂ）引き続いて前記土台固化層の形成を継続し、更なる前記土台固化層の形成後にて前記固定状態を更に緩め、それによって、前記反り変形を更に生じさせることを行い、
   前記（ａ）および前記（ｂ）を前記反り変形が更に生じなくなるまで繰り返すことを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
3. 前記土台固化層の形成では、該土台固化層を１層形成するごとに、前記造形プレートの前記固定状態を緩めることを特徴とする、請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
4. ボルト部材又はバイス部材によって前記造形プレートが前記支持テーブルに対して固定されており、
   前記（ａ）および前記（ｂ）で前記固定状態を緩めるに際しては、前記ボルト部材又は前記バイス部材を緩めることを特徴とする、請求項２または３に記載の三次元形状造形物の製造方法。
5. 可撓性の固定手段によって前記造形プレートが支持テーブルに固定された状態となっており、前記反り変形に際しては、前記固定手段が撓むことを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
6. 前記固定手段が屈曲した形態を有しており、該固定手段の該屈曲により形成された固定手段内側面に前記造形プレートの一部が当接することによって該造形プレートが固定されていることを特徴とする、請求項５に記載の三次元形状造形物の製造方法。
7. 前記土台固化層の形成では、前記反り変形の量が前記粉末層の厚さを超えない範囲となることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
8. 前記土台固化層の形成では、先行して形成された前記土台固化層の反りに応じて前記光ビームの照射条件を局所的に変えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
9. 前記土台固化層の形成では、前記反り変形後に前記土台固化層の上面レベルを測定することを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の製造方法で得られる三次元形状造形物であって、
    三次元形状造形物の底面に土台固化層が接合していると共に、該土台固化層の底面に造形プレートが接合していることを特徴とする三次元形状造形物。