JP2015017294A - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工具折損トラブルなどの不都合を減じることができる粉末焼結積層法を提供すること。
【解決手段】粉末層および固化層の形成を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法が提供される。固化層および／または三次元形状造形物が得られた後の固化層および／または三次元形状造形物の表面に対しては切削工具で表面切削処理を施す工程が少なくとも１回含まれる。特に本発明においては、表面切削処理に先立って吸引ノズルを用いて固化層および／または三次元形状造形物の周囲の粉末を吸引除去しており、切削工具の切削可能最下レベルを考慮して、三次元形状造形物の周囲の粉末を局所的に除去する。
【選択図】図７

Description

本発明は、三次元形状造形物の製造方法に関する。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。

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、以下の工程（ｉ）および（ｉｉ）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）。
（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する工程。
（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工程。

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る。一方、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従えば、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。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（図１（ｂ）参照）。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。このように繰り返し固化層を形成すると、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。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、三次元形状造形物と造形プレートとは相互に一体化した状態となり、そのまま金型として用いることができる。

光ビームの照射で得られる三次元形状造形物は、その表面が比較的粗く、一般的に数１００μｍＲｚ程度の表面粗さを有している。これは、固化層表面に粉末が付着するからである。固化層形成時では、光ビーム・エネルギーが熱に変換されるので照射粉末がいったん溶融してから冷却過程で粉末同士が融着する。この際、光ビームが照射されるポイントの周辺の粉末領域の温度も上昇し得るため、当該周辺の粉末が固化層表面に付着してしまう。かかる付着粉末は三次元形状造形物に“表面粗さ”をもたらすことになるので、三次元形状造形物の表面を切削加工する必要がある。即ち、得られる三次元形状造形物の表面を全体的に切削加工に付す必要がある。

特表平１−５０２８９０号公報 特開２０００−７３１０８号公報

粉末焼結積層法の切削加工処理において、本願発明者らは、造形物周囲に粉末が存在すると、工具折損トラブルがより多く発生し得るといった現象を見出した（図１７（ａ）参照）。特定の理論に拘束されるわけではないが、造形物表面と切削工具との間に粉末が噛み込むことで切削工具に掛かる負荷が増加することが要因の１つとして考えられる。

また、造形物周囲に粉末が存在すると、造形物表面に不必要な負荷がもたらされ、造形物の表面平滑性が損なわれ得るといった現象も見出した（図１７（ｂ）参照）。これも、造形物表面と切削工具との間の粉末の噛込みが原因の１つとして考えられる。

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、“工具折損トラブル”などの不都合を減じることができる粉末焼結積層法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）および（ｉｉ）の工程で粉末層形成および固化層形成を繰り返して行い、以下の如くの（ａ）〜（ｃ）の特徴を有する三次元形状造形物の製造方法が提供される。

（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して当該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。
（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。

（ａ）固化層および／または三次元形状造形物が得られた後において固化層および／または三次元形状造形物の表面に切削工具で表面切削処理を施す工程を少なくとも１回含む。
（ｂ）表面切削処理に先立っては、固化層および／または三次元形状造形物の周囲の粉末を吸引ノズルで吸引除去する。
（ｃ）吸引除去においては、切削工具の切削可能最下レベルを考慮して、三次元形状造形物の周囲の粉末を局所的に除去する。

ある好適な態様では、吸引ノズルの移動軌跡が以下の輪郭Ａ、輪郭Ｂおよび領域Ｃに沿った軌跡となるように吸引ノズルを移動操作させて粉末の局所的除去を達成する。
（ａ）切削工具の工具最下レベルに位置する固化層断面の輪郭Ａ。
（ｂ）最直近にて形成された固化層の上面の輪郭Ｂ。
（ｃ）固化層（又は粉末層）の積層方向に向かって輪郭Ａと輪郭Ｂとを同一平面に投影することを想定した際、「投影した輪郭Ａが成す閉領域Ａ’」から「投影した輪郭Ｂが成す閉領域Ｂ’」を除して得られる領域Ｃ。

吸引ノズルの移動操作に際しては「最直近にて形成された粉末層」の上方において吸引ノズルを水平移動するように操作してよい。例えば、吸引ノズルの先端部と「最直近にて形成された粉末層」との間の離隔距離は５ｍｍ以内にしてよい。

吸引ノズルは、上記軌跡からオフセットした位置となるように移動操作してもよい。即ち、吸引ノズルの移動軌跡が「輪郭Ａからオフセットさせた輪郭Ａ’」、「輪郭Ｂからオフセットさせた輪郭Ｂ’」および「領域Ｃ」に沿った軌跡となるように吸引ノズルを移動操作してもよい。オフセットの量は、吸引ノズルのノズル径および／または切削工具の工具径に応じて決定してよい。

本発明に従えば、固化層および／または三次元形状造形物の周囲の粉末が表面切削処理に先立って吸引除去されるので、“造形物表面と切削工具との間の粉末噛込みに起因した工具折損トラブル”を減じることができる。また、造形物表面と切削工具との間の粉末噛込みが減じられるので、切削処理に際して造形物表面に及ぼされる負荷を減少させることができ、造形物の表面平滑性を向上させることができる。

粉末の吸引除去は吸引ノズルによって粉末層に局所的にのみ施すので、効率的に行うことができ、三次元形状造形物の製造時間への影響は少ない。特に本発明では、切削ツールの切削可能最下レベルを考慮することによって吸引ノズルの移動軌跡を簡易に求めるので、その点で更に効率的な吸引除去が達成される。

粉末焼結積層法を説明するための断面図 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２（ａ）：切削機構を備えた光造形複合加工機、図２（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 粉末焼結積層法を表面切削処理と併せて実施する装置（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 光造形複合加工機による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 切削工具および吸引ノズルの配置態様を示す模式図 「輪郭Ａ、輪郭Ｂおよび領域Ｃに沿った吸引ノズルの移動軌跡（移動経路）」を説明するための模式図 「輪郭Ａ、輪郭Ｂおよび領域Ｃに沿った吸引ノズルの移動軌跡（移動経路）」を説明するための模式図 固化層・造形物の上方から見た場合の吸引除去部分を示した模式図 吸引除去に付される部分（最直近にて形成された固化層の上面と同一面で捉えた場合）を示した模式図 吸引ノズルの移動軌跡のオフセット態様を示す模式図 オフセット量をノズル径・工具径に応じて決定する態様を示した模式図 本発明に関連する実証実験を説明するための図・グラフ 粉末の排除経路に関連した説明を行うための模式図 本願発明者らが見出した現象を説明するための図・写真図

以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。図面における各種要素の形態・寸法などは、あくまでも例示であって、実際の形態・寸法を反映するものではないことに留意されたい。

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」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対して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。

本明細書において「上方」とは造形物の製造時にて固化層が積層される方向を実質的に意味している一方、「下方」とは、当該“上方”と真逆の方向（即ち、鉛直方向）を実質的に意味している。

［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２（ｂ）ではなく図２（ａ）に表す態様を前提とする）。図１、３および４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、粉末層形成手段２と、造形テーブル２０と、造形プレート２１と、光ビーム照射手段３と、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、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ためのものである。造形テーブル２０は、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できるテーブルである。造形プレート２１は、造形テーブル２０上に配され造形物の土台となるプレートである。光ビーム照射手段３は、光ビームＬを任意の位置に照射するための手段である。切削手段４は、造形物表面（特に側面）を削るための機械加工手段である。

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。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てよい。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３および図４参照）。

光造形複合加工機１の動作を図１、図５および図６を参照して詳述する。図５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６は、光造形複合加工機のプロセスを模式的に示している。

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表面切削ステップ（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の水平方向に移動させる。これにより、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）。粉末層の粉末としては、例えば「平均粒径５μｍ〜１００μｍ程度の鉄粉」および「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」を挙げることができる。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する（Ｓ２２）。これにより、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Ｌとしては、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）および紫外線などを挙げることができる。光ビームＬ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、表面切削ステップ（Ｓ３）へと移行する。図１および図６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から成る造形物に対して表面切削処理を施す（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の積層を継続することによって、三次元形状造形物の製造を行う（図６参照）。

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、表面切削ステップ（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］
本発明は、上述した粉末焼結積層法のなかでも、表面切削処理に関連する態様に特徴を有している。

本発明の製造方法は、固化層および／または三次元形状造形物が得られた後においてそれらの表面（特に側面）に切削工具で表面切削処理を施す工程を少なくとも１回含んでいる。表面切削処理に先立っては固化層および／または三次元形状造形物の周囲の粉末を吸引ノズルで吸引除去することを実施する。特に本発明では、かかる吸引除去に際して、切削工具の切削可能最下レベルに鑑みて三次元形状造形物の周囲の粉末を局所的にのみ除去する（図７参照）。

即ち、吸引ノズルを移動させて三次元形状造形物の周囲の粉末を吸引除去するが、かかる吸引ノズルの移動の経路（軌跡）は“切削工具の切削可能最下レベル”を考慮することによって求める。

切削工具は、固化層の側面、即ち、造形物の表面（特に側面部分）に対して表面切削処理を施すための工具である。切削工具８０は、図８に示されるように例えばツーリング８２に取り付けられた工具である。具体的な切削工具としては、エンドミル、例えば超硬素材の二枚刃ボールエンドミル、スクエアエンドミル、ラジアスエンドミルなどを挙げることができる。

「切削工具の切削可能最下レベル」とは、固化層・造形物の側面に対して切削処理を施すことができる高さ範囲（固化層の積層方向に沿った上下方向における範囲）のうちで最も下方に位置する高さレベルのことを意味している。換言すれば、「切削工具の切削可能最下レベル」は、固化層・造形物の周囲の粉末層に対して上方から切削工具を挿入して切削することを想定した場合、かかる切削工具が最も深く侵入する高さレベルのことを意味している。更に別の表現でいえば、「切削工具の切削可能最下レベル」は、表面切削処理時における切削工具の先端レベルないしは下端レベルに相当する。

吸引ノズルとは、広義には、粉末層の粉末を吸い込むことができるデバイスである。“ノズル”ゆえ、粉末の吸込みに供する部分が筒形態（特に細筒形態）を有していることが好ましい（かかる観点から、本発明における吸引ノズルは“筒状吸引デバイス”と称すこともできる）。例えば図８に示されるように、吸引ノズル９０は、細筒部９２と、その細筒部に接続された吸引器具９４とから少なくとも構成され得る。

粉末の吸引除去は、表面切削処理に先立って行われるが、吸引ノズルは水平方向に動かすように操作することが好ましい。つまり、吸引ノズルの高さレベル（固化層の積層方向に沿った垂直方向の位置レベル）を実質的に変えることなく吸引ノズルを移動させる。これは、「最直近にて形成された粉末層および／または固化層」の上方において吸引ノズルを移動させる際に当該粉末層および／または固化層に対する垂直方向の離隔距離を変えずに吸引ノズルを移動させることを意味している。

図８に示されるように、例えば切削工具８０と吸引ノズル９０とは相互に隣接して設けられている。具体的には、図示されるように切削工具８０の軸（長手方向軸）と吸引ノズル９０の軸（細筒部９２の長手方向軸）とが略平行となるように切削工具および吸引ノズルが相互に隣接していることが好ましい。このように吸引ノズルと切削工具とが相互に隣接して設けられる場合、切削工具と隣接した設置状態で吸引ノズルが吸引除去に供されることになる。

本発明では、吸引ノズルの水平方向の移動経路（移動軌跡）は“切削可能最下レベル”から求める。つまり、“切削可能最下レベル”から「粉末除去時に吸引ノズルを操作するための移動経路」を求める。特に本発明においては「局所的な粉末除去」ゆえに「吸引ノズルの移動経路」は、表面切削処理に必要とされる最小限の移動経路となっている。かかる最小限の移動経路を求めるべく“切削可能最下レベル”を利用する。

例えば、吸引ノズルの移動経路は、以下の輪郭Ａ、輪郭Ｂおよび領域Ｃに沿ったものであってよい（図９参照）。
（ａ）切削工具の工具最下レベルに位置する固化層断面の輪郭Ａ。
（ｂ）最直近にて形成された固化層の上面の輪郭Ｂ。
（ｃ）固化層の積層方向に向かって輪郭Ａと輪郭Ｂとを同一平面（積層方向に垂直な平面）に投影することを想定した際、「投影した輪郭Ａが成す閉領域Ａ’」から「投影した輪郭Ｂが成す閉領域Ｂ’」を除いて得られる領域Ｃ。
かかる態様では、吸引ノズルの移動軌跡が輪郭Ａ、輪郭Ｂおよび領域Ｃに沿った軌跡となるように吸引ノズルを移動操作させて粉末を局所的にのみ除去する。

「輪郭Ａ」は、切削工具の工具最下レベルに位置する固化層断面（水平方向に沿って固化層を切り取った断面）の輪郭線である。図９に示す態様から分かるように、輪郭Ａは、切削工具が最も深く侵入する高さレベルの固化層断面の輪郭線に相当する。

「輪郭Ｂ」は、最直近にて形成された固化層の上面の輪郭線である。図９に示す態様から分かるように、輪郭Ｂは、表面切削処理を施す時点において最後に形成された固化層の最上面の輪郭線に相当する。

「領域Ｃ」は、図９に示すように「輪郭Ａが成す閉領域Ａ’」と「輪郭Ｂが成す閉領域Ｂ’」とを水平方向の位置を変えずに同一平面（ＸＹ平面）上で重ね合わせた際、閉領域Ａ’から閉領域Ｂ’を除いて得られる局所的領域のことを指している。尚、三次元造形物が最終的に金型として用いられる場合、抜き勾配などの観点から積層方向（上方）へと幅狭くなる形状を造形物が有し得るので、閉領域Ｂ’は閉領域Ａ’よりも小さく、かつ、上記同一平面上で閉領域Ａ’に含まれるように位置付けられ得る。

このような移動軌跡は、“切削可能最下レベル”を考慮して、そのレベルにおける固化層の輪郭を利用することによって簡易に得ることができる。つまり、複雑な算出過程を経ることなく、局所的な粉末除去に必要とされる「吸引ノズルの移動経路」を簡易に得ることができる。

上述したように吸引ノズルは吸引除去時において水平方向に移動させるが、その移動軌跡が輪郭Ａ、輪郭Ｂおよび領域Ｃに沿ったものとなる。これは、水平移動する吸引ノズルの吸引口部が描く移動軌跡が、輪郭Ａ、輪郭Ｂおよび領域Ｃに沿ったものとなることを意味している（図９および図１０参照）。より具体的には、以下の３つのみが含まれるように吸引ノズルを移動操作して局所的な粉末除去を実施する。

・吸引ノズルの吸引口部が「輪郭Ａ（特に水平方向の位置を変えずに輪郭Ａを積層方向へとシフトさせた輪郭線）」をなぞるように吸引ノズルを水平移動させる。

・吸引ノズルの吸引口部が「輪郭Ｂ（特に水平方向の位置を変えずに輪郭Ｂを積層方向へとシフトさせた輪郭線）」をなぞるように吸引ノズルを水平移動させる。

・吸引ノズルの吸引口部が「領域Ｃ（特に水平方向の位置を変えずに領域Ｃを積層方向へとシフトさせたエリア」をなぞるように吸引ノズルを水平移動させる。つまり、吸引ノズルの吸引口部が描く軌跡が「領域Ｃ（特に水平方向の位置を変えずに領域Ｃを積層方向へとシフトさせたエリア」を塗りつぶすように吸引ノズルを水平移動させる。１つ例示すると、吸引ノズルの吸引口部が描く軌跡が前記エリアを隈なく塗りつぶすことになるように、水平方向に位置を漸次ずらしながら吸引ノズルを往復運動させてよい。

図１１には、固化層・造形物の上方から見た場合の吸引除去部分が模式的に示されている。かかる図から分かるように、吸引ノズルによって吸引除去される粉末領域は、輪郭Ａ（図１１（ａ））、輪郭Ｂ（図１１（ｂ））および領域Ｃ（図１１（ｃ））に沿った局所的な領域（図１１（ｄ））となる。図１２も併せて参照されたい。

本発明では、吸引ノズルの移動軌跡は所定距離オフセット（水平方向にオフセット）させたものであってよい。具体的には、「輪郭Ａからオフセットさせた輪郭Ａ’」、「輪郭Ｂからオフセットさせた輪郭Ｂ’」および「領域Ｃ」に沿った軌跡となるように吸引ノズルを移動操作してもよい（図１３参照）。これは、吸引ノズルの移動軌跡のうち特に外周を成す部分については外側へとオフセットした軌跡となるようにしてよいことを意味している（図１３に示されるように、輪郭Ａと輪郭Ｂとが重なる輪郭線の部分は特にオフセットさせなくてもよい）。オフセットにより、吸引ノズルによる吸引効果を固化層・造形物の側面の近傍領域に効果的に及ぼすことができ、その点でより効率的な吸引除去が可能となる。つまり、粉末除去は、表面切削処理に付す造形部側面の周囲に存在する粉末を局所的に除去することが求められるところ、当該造形部側面から僅かに外側に位置する局所的箇所に吸引効果を効果的に及ぼすことができる。

オフセットさせる程度、即ち、オフセット量は、吸引ノズルのノズル径および／または切削工具の工具径に応じて決定することが好ましい。即ち、オフセット量は、好ましくは「吸引ノズルのノズル径」および／または「切削工具の工具径」に依存したものとなっている。例えば、オフセット量δは吸引ノズルのノズル径ｄ_１が大きいほど大きくしてよく、ノズル径ｄ_１が小さくなればオフセット量δを小さくしてよい（図１４参照）。例示にすぎないが、吸引ノズル径ｄ_１が１．８ｍｍ〜１０ｍｍとなっている場合、オフセット量δは、その半分の０．９ｍｍ〜５ｍｍ程度であってよく、このようにオフセットした軌跡が吸引ノズルの中央軸が描く軌跡Ｔ_中央軸となる態様であってよい。従って、吸引ノズルのノズル径ｄ_１が１．８ｍｍ〜１０ｍｍから大きいもの又は小さいものであれば、それに応じて、オフセット量δを０．９ｍｍ〜５ｍｍからそれぞれ大きく又は小さくすればよい。同様にして、オフセット量δは切削工具の工具径ｄ_２が大きいほど大きくしてよく、工具径ｄ_２が小さくなればオフセット量δを小さくしてよい（図１４参照）。例示にすぎないが、切削工具の工具径ｄ_２が０．５ｍｍ〜３ｍｍとなっている場合、オフセット量δは、その半分の０．２５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度であってよく、このようにオフセットした軌跡が吸引ノズルの中央軸が描く軌跡Ｔ_中央軸となる態様であってよい。従って、切削工具の工具径ｄ_２が０．５ｍｍ〜３ｍｍから大きいもの又は小さいものであれば、それに応じて、オフセット量δを０．２５ｍｍ〜１．５ｍｍからそれぞれ大きく又は小さくすればよい。

本発明では、吸引ノズルの吸引口を粉末層の表面に近づけて吸引除去を実施してよい。つまり、吸引除去時においては「吸引ノズルの先端部（吸引口部）」と「最直近にて形成された粉末層」との間の離隔距離を吸引除去に特に好適なものとすることができる。例えば、「吸引ノズルの先端部のレベル（即ち、吸引口部のレベル）」と「最直近にて形成された粉末層」との間の離隔距離（積層方向に沿った上下方向の離隔距離）は、５ｍｍ以内、即ち、０（０を含まず）〜５ｍｍとすることが好ましい。より好ましくは、かかる離隔距離は１ｍｍ以内、即ち、０（０を含まず）〜１ｍｍとすること、更に好ましくは０．４ｍｍ〜１．０ｍｍ程度とする。これは、図１５で実証されている如く、吸引ノズルの先端部を「最直近形成の粉末層」により近づけた状態で吸引ノズルを移動させると、固化層周囲の粉末を効率良く除去できるからである。尚、「最直近にて形成された粉末層」と「最直近にて形成された固化層」とは、粉末の吸引除去前において、それらの上面が略面一となっている。よって、「吸引ノズルの先端部（吸引口部）」と「最直近にて形成された粉末層」との間の離隔距離は、「吸引ノズルの先端部（吸引口部）」と「最直近にて形成された固化層」との間の離隔距離と同義である。

本発明の製造方法では、吸引ノズルを例えば水平移動させるように操作するが、吸引する箇所の粉末層厚み（深さ）に応じて吸引条件（例えば、吸引量やノズルの移動速度など）を適宜変えてもよい。これにつき例示すると、粉末層厚みがより大きい場合（即ち、吸引除去すべき箇所の粉末層がより深い場合）、吸引ノズルの吸引量をより大きくしてよい。粉末層厚みがより大きい場合（即ち、吸引除去すべき箇所の粉末層がより深い場合）では、吸引ノズルの走査速度を減じてもよい。

また、吸引する箇所に近接する造形物の形状に応じて吸引条件（例えば、吸引量やノズルの移動速度など）を適宜変えてもよい。これにつき例示すると、造形物の外郭部の近傍における吸引箇所のように周囲に粉末層が“広範に”存在する箇所（即ち、周囲に粉末が比較的多く存在する箇所）では、吸引ノズルの吸引量をより大きくしてよい。一方、造形物のリブ部の近傍における吸引箇所のように周囲に粉末層が“狭く”存在する箇所（即ち、周囲に粉末が比較的少なく存在する箇所）では、吸引ノズルの吸引量をより小さくしてよい。同様にして、造形物の外郭部の近傍における吸引箇所のように周囲に粉末層が“広範に”存在する箇所では、吸引ノズルの走査速度をより減じてよい。一方、造形物のリブ部の近傍における吸引箇所のように周囲に粉末層が“狭く”存在する箇所では、吸引ノズルの走査速度をより増加させてよい。

このように、本発明においては、“Ｚ方向（鉛直方向）”まで考慮し、吸引すべき粉末層深さや造形物経常に応じて吸引方法を適宜制御することができる。

本発明に従えば、表面切削処理に先立って固化層および／または三次元形状造形物の周囲の粉末が吸引ノズルで吸引除去されるので、造形物表面と切削工具との間の粉末噛込みに起因した工具折損トラブルを減じることができる。例えば工具折れまでの平均期間を８０〜４００％程度増加させることができる（あくまでも例示にすぎないが、ある条件下における「工具折れ平均間隔」が３０〜５０時間程度から約１４０〜１５０時間程度にまで増加し得る）。また、造形物表面と切削工具との間の粉末噛込みが減じられるので、切削処理に際して造形物表面に及ぼされる負荷を減少させることができ、造形物の表面平滑性が向上し得る。例えば表面切削加工が施された箇所の表面粗さＲｚを、好ましくは６μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下、更に好ましくは４μｍ以下とすることができる。ここで「表面粗さＲｚ」とは、粗さ曲線（本発明でいうと「固化層表面の断面形状プロファイル」）において平均線から“最も高い山頂部までの高さ”と“最も低い谷底部までの深さ”とを足し合わせることによって得られる粗さ尺度を意味している。

本発明で使用されるプログラムについて付言しておく。具体的には、吸引ノズルの走査経路（移動軌跡）を決定するプログラム、即ち、粉末の排除経路を決定するプログラムについて付言する。上述の“輪郭Ａ”や“輪郭Ｂ”などを用いるプログラムでは、高さｈ１およびｈ２における固化層断面のそれぞれの輪郭線をＸＹ平面上に投影し、その投影された２つの輪郭線で囲まれる領域を抽出する（図１６（ａ）参照）。このような抽出を通じることによって、以下の排除経路１および２（粉末の局所的除去のための経路１および２）が求められることになる。

（１）排除経路１：ｈ１およびｈ２の輪郭線上を走査する経路
（２）排除経路２：投影された２つの輪郭線で囲まれる領域を所定ピッチで塗りつぶすように走査する経路

尚、粉末層厚みについては、排除経路を含む垂直平面と各層の断面輪郭線との交点に基づいて求めることができる（図１６（ｂ）参照）。

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、以下の変更態様・追加態様が考えられる。

本発明においては、吸引ノズルで吸引除去した粉末は造形物の製造に再度利用してもよい。即ち、吸引除去した粉末をリサイクルしてよく、例えば、吸引除去した粉末を自動ふるいにかけて、材料粉末タンクへと戻してもよい。

本発明においては、吸引ノズルによる吸引除去は固化層形成時および／または表面切削処理時にも実施してよい。つまり、固化層形成中や表面切削処理中においても粉末を吸引除去を行ってもよい。かかる変更態様では、固化層形成時に発生するヒュームを除去できたり、表面切削処理時に発生する浮遊粉末や切り屑（切り粉）などを付加的に又は代替的に吸引除去できたりする。

本発明においては、吸引ノズルによる吸引除去時にチャンバ−内の不活性ガス注入量を増やしてよい。なぜなら、吸引除去時には雰囲気ガス（例えば窒素ガスを含むガス）が吸引ノズルに吸い込こまれて、チャンバ−内の酸素濃度が上昇し得るからである。つまり、不活性ガス注入量を増やすことによって、吸引除去時にて不活性ガス雰囲気を好適に維持することができる。

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）
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
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
８０ 切削工具
８２ ツーリング
９０ 吸引ノズル
９２ 吸引ノズルの細筒部
９４ 吸引器具
９６ 連結ホース
Ｌ 光ビーム

粉末の吸引除去は吸引ノズルによって粉末層に局所的にのみ施すので、効率的に行うことができ、三次元形状造形物の製造時間への影響は少ない。特に本発明では、切削工具の切削可能最下レベルを考慮することによって吸引ノズルの移動軌跡を簡易に求めるので、その点で更に効率的な吸引除去が達成される。

このように、本発明においては、“Ｚ方向（鉛直方向）”まで考慮し、吸引すべき粉末層深さや造形物形状に応じて吸引方法を適宜制御することができる。

Claims (6)

1. （ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該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、該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
   によって粉末層形成および固化層形成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、
   前記固化層および／または前記三次元形状造形物が得られた後において該固化層および／または該三次元形状造形物の表面に切削工具で表面切削処理を施す工程を少なくとも１回含み、
   前記表面切削処理に先立っては、前記固化層および／または前記三次元形状造形物の周囲の粉末を吸引ノズルで吸引除去し、
   前記吸引除去においては、前記切削工具の切削可能最下レベルを考慮して、前記三次元形状造形物の周囲の前記粉末を局所的に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。
2. 前記吸引ノズルの移動軌跡が、
   （ｂ）前記切削工具の工具最下レベルに位置する固化層断面の輪郭Ａ、
   （ａ）最直近にて形成された固化層の上面の輪郭Ｂ、および
   （ｃ）前記固化層の積層方向に向かって前記輪郭Ａと前記輪郭Ｂとを同一平面に投影することを想定した際、前記投影した輪郭Ａが成す閉領域Ａ’から前記投影した輪郭Ｂが成す閉領域Ｂ’を除して得られる領域Ｃ
   に沿った軌跡となるように前記吸引ノズルを移動操作させて前記粉末を前記局所的に除去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. 前記移動操作に際しては、最直近にて形成された粉末層の上方において該吸引ノズルを水平移動させ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. 前記吸引ノズルの前記移動軌跡が、
   前記輪郭Ａからオフセットさせた輪郭Ａ’、
   前記輪郭Ｂからオフセットさせた輪郭Ｂ’、および
   領域Ｃ
   に沿った軌跡となるように前記吸引ノズルを移動操作す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. 前記吸引ノズルのノズル径および／または前記切削工具の工具径に応じて前記オフセットの量を決めることを特徴とする、請求項４に記載の三次元形状造形物の製造方法。
6. 前記吸引ノズルの先端部と、前記最直近にて形成された前記粉末層との間の離隔距離を５ｍｍ以内にすることを特徴とする、請求項３に従属する請求項４または５に記載の三次元形状造形物の製造方法。