JP2017030223A - 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】金型としてより適した加温特性を有する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）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して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、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交互に繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法が供される。特に、本発明の製造方法では、三次元形状造形物の内部に加温源要素を設けると共に、三次元形状造形物の表面を凹凸状に形成し、加温源要素の主面と凹凸状の表面とを互いに同一形状にする。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元形状造形物の製造方法および三次元形状造形物に関する。より詳細には、本発明は、粉末層への光ビーム照射によって固化層を形成する三次元形状造形物の製造方法、およびそれによって得られる三次元形状造形物に関する。

光ビームを粉末材料に照射することを通じ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）は、従来より知られている。かかる方法は、以下の工程（ｉ）および（ｉｉ）に基づいて粉末層形成と固化層形成とを交互に繰り返し実施して三次元形状造形物を製造する。
（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射し、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形成し、同様に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程。

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となる。粉末材料として無機質の金属粉末を用いる場合、得られる三次元形状造形物を金型として使用することができる。一方、粉末材料として有機質の樹脂粉末を用いる場合、得られる三次元形状造形物を各種モデルとして使用することができる。

粉末材料として金属粉末を用い、それによって得られる三次元形状造形物を金型として使用する場合を例にとる。図１１に示すように、まず、スキージング・ブレード２３を動かして造形プレート２１上に所定厚みの粉末層２２を形成する（図１１（ａ）参照）。次いで、粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射して粉末層２２から固化層２４を形成する（図１１（ｂ）参照）。引き続いて、得られた固化層の上に新たな粉末層を形成して再度光ビームを照射して新たな固化層を形成する。このようにして粉末層形成と固化層形成とを交互に繰り返し実施すると固化層２４が積層することになり（図１１（ｃ）参照）、最終的には積層化した固化層２４から成る三次元形状造形物を得ることができる。最下層として形成される固化層２４は造形プレート２１と結合した状態になるので、三次元形状造形物と造形プレート２１とは一体化物を成すことになり、その一体化物を金型として使用することができる。

特表平１−５０２８９０号公報 特開２０００−７３１０８号公報

三次元形状造形物を金型として使用する場合、いわゆる“コア側”と“キャビティ側”との金型を組み合わせて形成される金型キャビティ部に対して溶融状態の成形用原料を充填し、最終的な成形品を得る。具体的には、溶融状態の成形用原料を金型キャビティ部に充填するに際しては、成形用原料が金型キャビティ部の全体に行き渡るように成形用原料を加圧する保圧操作を行うと共に、成形用原料を金型キャビティ部内で冷却に付すことを行って成形用原料を固化させる。これにより成形用原料から成形品が最終的に得られることになる。

成形用原料の冷却は金型キャビティ部に充填された成形用原料の熱が金型へと伝わることによって為されるが、成形用原料が必要以上に早く冷却されると、金型キャビティ部内で成形用原料を十分に加圧することができず、成形不良を引き起こす要因となってしまう。従って、金型として用いる三次元形状造形物の内部にヒータを設け、金型キャビティ部内の成形用原料を加温することが提案されている（特許第３５５７９２６号公報および特許第５５８４０１９号公報）。

本願発明者らは、三次元形状造形物の内部に設けたヒータまたは加温媒体路などの加温源要素の形態の如何によっては成形用原料を効果的に加温できない場合があることを見出した。一般的に用いられる加温源要素は、その断面輪郭が比較的簡易な形状（例えば、矩形状または円形状などの簡易な形状）となっているところ、そのような加温源要素からの熱は均一に金型キャビティ部まで伝わり難いことが要因の１つとして推測される。加温源要素からの伝熱特性がより均一でなくなると、金型キャビティ部に充填された成形用原料において必要以上に早く冷却される箇所が生じてしまい、金型キャビティ部内で成形用原料を全体として十分に加圧できなくなる虞がある。つまり、成形不良が生じる虞がある。例えば、最終的に得られる成形品においてウェルドライン等が生じてしまい、成形品の形状精度が低下するといった問題が生じ得る。

本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。すなわち、本発明の主たる課題は、金型としてより適した加温特性を有する三次元形状造形物の製造方法を提供することであり、また、加温特性がより好適となった三次元形状造形物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交互に繰り返し行い三次元形状造形物を製造する方法であって、
三次元形状造形物の製造において、加温源要素を三次元形状造形物の内部に設けると共に、三次元形状造形物の表面を凹凸状に形成し、また、
加温源要素の主面と凹凸状の表面とを互いに同一形状に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。

また、本発明では、加温源要素を内部に備えた三次元形状造形物であって、
三次元形状造形物の表面が凹凸状を有し、加温源要素の主面と凹凸状の表面とが互いに同一形状になっていることを特徴とする三次元形状造形物も提供される。

本発明の製造方法および三次元形状造形物に従えば、金型としてより適した加温特性を有する三次元形状造形物が得られる。つまり、三次元形状造形物を金型として使用する場合、加温源要素から金型キャビティ部への伝熱がより均一となる金型が得られる。

本発明の一実施形態に係る製造方法で得られる三次元形状造形物を示した模式的断面図 金型として使用される三次元形状造形物の態様を示した模式的断面図 本発明の一実施形態に係る製造方法で実施する工程を経時的に示した模式的断面図 好適なスキージング・ブレードの形態を示した模式的斜視図 「断熱ポーラス領域の形成態様」を示した模式的断面図 「加温源要素保護部材の設置態様」を示した模式的断面図 「伝熱部材の設置態様」を示した模式的断面図 「ハイブリッド方式による固化層形成態様」を示した模式的断面図 ガス通気部が設けられた三次元形状造形物を示した模式的断面図 冷却液路が設けられた三次元形状造形物を示した模式的断面図 粉末焼結積層法が実施される光造形複合加工のプロセス態様を示した模式的断面図 光造形複合加工機の構成を示した模式的斜視図 光造形複合加工機の一般的な動作を示すフローチャート

以下では、図面を参照して本発明の一実施形態に係る製造方法および三次元形状造形物をより詳細に説明する。図面における各種要素の形態および寸法は、あくまでも例示にすぎず、実際の形態および寸法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」を意味している。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指している。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」を意味し、粉末層が樹脂粉末層である場合には「硬化層」を意味している。

また、本明細書で直接的または間接的に説明される“上下”の方向は、例えば造形プレートと三次元形状造形物との位置関係に基づく方向であって、造形プレートを基準にして三次元形状造形物が製造される側を「上方向」とし、その反対側を「下方向」とする。

［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。特に粉末焼結積層法において三次元形状造形物の切削処理を付加的に行う光造形複合加工を例として挙げる。図１１は、光造形複合加工のプロセス態様を模式的に示しており、図１２および図１３は、粉末焼結積層法と切削処理とを実施できる光造形複合加工機１の主たる構成および動作のフローチャートをそれぞれ示している。

光造形複合加工機１は、図１２に示すように、粉末層形成手段２、光ビーム照射手段３および切削手段４を備えている。

粉末層形成手段２は、金属粉末または樹脂粉末などの粉末を所定厚みで敷くことによって粉末層を形成するための手段である。光ビーム照射手段３は、粉末層の所定箇所に光ビームＬを照射するための手段である。切削手段４は、積層化した固化層の側面、すなわち、三次元形状造形物の表面を削るための手段である。

粉末層形成手段２は、図１１に示すように、粉末テーブル２５、スキージング・ブレード２３、造形テーブル２０および造形プレート２１を主に有して成る。粉末テーブル２５は、外周が壁２６で囲まれた粉末材料タンク２８内にて上下に昇降できるテーブルである。スキージング・ブレード２３は、粉末テーブル２５上の粉末１９を造形テーブル２０上へと供して粉末層２２を得るべく水平方向に移動できるブレードである。造形テーブル２０は、外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内にて上下に昇降できるテーブルである。そして、造形プレート２１は、造形テーブル２０上に配され、三次元形状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、図１２に示すように、光ビーム発振器３０およびガルバノミラー３１を主に有して成る。光ビーム発振器３０は、光ビームＬを発する機器である。ガルバノミラー３１は、発せられた光ビームＬを粉末層にスキャニングする手段、すなわち、光ビームＬの走査手段である。

切削手段４は、図１２に示すように、ミーリングヘッド４０および駆動機構４１を主に有して成る。ミーリングヘッド４０は、積層化した固化層の側面を削るための切削工具である。駆動機構４１は、ミーリングヘッド４０を所望の切削すべき箇所へと移動させる手段である。

光造形複合加工機１の動作について詳述する。光造形複合加工機１の動作は、図１３のフローチャートに示すように、粉末層形成ステップ（Ｓ１）、固化層形成ステップ（Ｓ２）および切削ステップ（Ｓ３）から構成されている。粉末層形成ステップ（Ｓ１）は、粉末層２２を形成するためのステップである。かかる粉末層形成ステップ（Ｓ１）では、まず造形テーブル２０をΔｔ下げ（Ｓ１１）、造形プレート２１の上面と造形タンク２９の上端面とのレベル差がΔｔとなるようにする。次いで、粉末テーブル２５をΔｔ上げた後、図１１（ａ）に示すようにスキージング・ブレード２３を粉末材料タンク２８から造形タンク２９に向かって水平方向に移動させる。これによって、粉末テーブル２５に配されていた粉末１９を造形プレート２１上へと移送させることができ（Ｓ１２）、粉末層２２の形成が行われる（Ｓ１３）。粉末層２２を形成するための粉末材料としては、例えば「平均粒径５μｍ〜１００μｍ程度の金属粉末」および「平均粒径３０μｍ〜１００μｍ程度のナイロン、ポリプロピレンまたはＡＢＳ等の樹脂粉末」を挙げることができる。粉末層２２が形成されたら、固化層形成ステップ（Ｓ２）へと移行する。固化層形成ステップ（Ｓ２）は、光ビーム照射によって固化層２４を形成するステップである。かかる固化層形成ステップ（Ｓ２）においては、光ビーム発振器３０から光ビームＬを発し（Ｓ２１）、ガルバノミラー３１によって粉末層２２上の所定箇所へと光ビームＬをスキャニングする（Ｓ２２）。これによって、粉末層２２の所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させ、図１１（ｂ）に示すように固化層２４を形成する（Ｓ２３）。光ビームＬとしては、炭酸ガスレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ファイバレーザまたは紫外線などを用いてよい。

粉末層形成ステップ（Ｓ１）および固化層形成ステップ（Ｓ２）は、交互に繰り返して実施する。これにより、図１１（ｃ）に示すように複数の固化層２４が積層化する。

積層化した固化層２４が所定厚みに達すると（Ｓ２４）、切削ステップ（Ｓ３）へと移行する。切削ステップ（Ｓ３）は、積層化した固化層２４の側面、すなわち、三次元形状造形物の表面を削るためのステップである。切削工具として用いられるミーリングヘッド４０（図１１（ｃ）および図１２参照）を駆動させることによって切削ステップが開始される（Ｓ３１）。例えば、ミーリングヘッド４０が３ｍｍの有効刃長さを有する場合、三次元形状造形物の高さ方向に沿って３ｍｍの切削処理を行うことができるので、Δｔが０．０５ｍｍであれば６０層分の固化層２４が積層した時点でミーリングヘッド４０を駆動させる。具体的には駆動機構４１によってミーリングヘッド４０を移動させながら、積層化した固化層２４の側面に対して切削処理を施すことになる（Ｓ３２）。このような切削ステップ（Ｓ３）が終了すると、所望の三次元形状造形物が得られているか否かを判断する（Ｓ３３）。所望の三次元形状造形物が依然得られていない場合では、粉末層形成ステップ（Ｓ１）へと戻る。以降、粉末層形成ステップ（Ｓ１）〜切削ステップ（Ｓ３）を繰り返し実施して更なる固化層２４の積層化および切削処理を実施することによって、最終的に所望の三次元形状造形物が得られる。

［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のうち、固化層の積層化に関連した態様に特徴を有している。

具体的には、粉末焼結積層法に基づいた製造に際して、加温源要素を三次元形状造形物の内部に設けると共に、三次元形状造形物の表面を凹凸状に形成する。特に「三次元形状造形物の内部に設ける加温源要素の主面」と「三次元形状造形物の凹凸状の表面」とを互いに同一形状にする。このように、本発明の製造方法では三次元形状造形物の内部の加温源要素の形状と三次元形状造形物の表面形状とを互いに相関付けたものにする。

図１に、本発明の一実施形態に係る製造方法で得られる三次元形状造形物１００を示す。三次元形状造形物１００は、その内部に加温源要素１２が含まれると共に、表面１００Ａが凹凸状になっている。図示されるように、加温源要素１２の主面１２Ａは三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａと同一形状になっている。このように、本発明の一実施形態に係る製造方法では、三次元形状造形物１００の表面１００Ａと加温源要素１２の主面１２Ａの輪郭とが互いに反映された形状を有するように三次元形状造形物１００の製造を行う。

本発明において「加温源要素」は、三次元形状造形物１００の温度を上げる又は維持するのに資する熱源のことを指している。三次元形状造形物１００が金型として使用される場合を例にとると、「加温源要素」は金型キャビティ部の成形用原料に対して加温する効果を供する要素を意味している。かかる加温源要素の具体例としては、特に限定されるわけではないが、ヒータおよび加温媒体路などを挙げることができる。なお、加温源要素に関連して本明細書で用いる“加温”といった用語は、熱を供することによって三次元形状造形物１００の温度を上げる又は維持する態様に鑑みて使用している。そして、本発明において「加温源要素の主面」とは、加温源要素においてより広範な面積を占める面を実質的に意味している。図１に示す形態でいうと、加温源要素１２の主面１２Ａは上側主面１２Ａ_１および下側主面１２Ａ_２であるが、本発明では少なくとも上側主面１２Ａ_１が三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａと同一形状になっていればよい。好ましくは、図１に示すように加温源要素１２の上側主面１２Ａ_１および下側主面１２Ａ_２の双方が三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａと同一形状になっている。

本発明において「同一形状」とは、図１に示されるように、固化層の積層方向に沿って切断して得られる三次元形状造形物１００の断面図において、加温源要素１２の主面１２Ａの輪郭形状と三次元形状造形物１００の表面１００Ａの形状とが同一であることを意味している。ここでいう「同一」とは、実質的な同一を意味しており、不可避的または偶発的に僅かにずれた態様であっても本発明における「同一」に含まれる。また、加温源要素１２の主面１２Ａに着目していえば、それは三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａの全てと同一形状になっている必要はなく、表面１００Ａの少なくとも一部と同一形状になっていればよい（図１参照）。

また、本発明において「表面を凹凸状に形成する」とは、三次元形状造形物において外表面の高さレベルが局所的に異なるように固化層を形成することを意味している。それゆえ、本発明において「凹凸状の表面」とは三次元形状造形物の高さレベルが局所的に異なった外表面のことを指している。ここで、三次元形状造形物１００が金型として使用される場合を想定すると、「凹凸状の表面１００Ａ」はいわゆる“キャビティ形成面”に相当する（図２参照）。図２に示される形態では、金型として使用される三次元形状造形物１００（キャビティ側の金型）と他の三次元形状造形物１００’（コア側の金型）とが組み合わされて金型キャビティ部２００が形成される。

本発明の製造方法で得られる三次元形状造形物１００が金型として成形に使用される場合、金型に埋設された加温源要素１２からの伝熱がより均一なものとなる。特に加温源要素１２からキャビティ形成面への伝熱がより均一になる。つまり、本発明の製造方法で得られる三次元形状造形物１００を金型として使用すると、加温源要素１２からの伝熱がより均一となることに起因して、金型キャビティ部２００に充填された成形用原料が不利に局所的に早く冷却されることが防止され、金型キャビティ部２００で成形用原料をより十分に加圧できるようになる。その結果、成形不良の発生を減じることが可能となる。例えば、ウェルドラインなどの発生が減じられ、成形品の形状精度の低下が防止され得る。また、金型キャビティ部で成形用原料をより十分に加圧できることは、金型のキャビティ形成面に対して成形用原料がより大きな圧力で密接できることを意味しており、最終的に得られる成形品において金型転写性が向上し得る。

本発明の一実施形態に係る製造方法では、図１に示されるように、好ましくは加温源要素１２の主面１２Ａ（特に上側主面１２Ａ_１）と凹凸状の表面１００Ａとの離隔距離を一定にする。つまり、三次元形状造形物１００の表面１００Ａの輪郭形状が“オフセット”された輪郭形状を加温源要素１２の主面１２Ａ（特に上側主面１２Ａ_１）が有するようにする。ここでいう「離隔距離が一定」とは、相互に対向する加温源要素１２の主面１２Ａと三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａとを結ぶ法線が、いずれのポイントでも同じ長さを有することを意味している。すなわち、加温源要素１２の主面１２Ａまたは三次元形状造形物１００の表面１００Ａのいずれのポイントにおける法線であっても、加温源要素１２の主面１２Ａと三次元形状造形物１００の表面１００Ａとの間の長さは同じになることを意味している。これにより、三次元形状造形物１００が金型として使用される場合、加温源要素１２からの金型キャビティ部への伝熱が加温源要素１２の主面１２Ａに沿うような方向においてより均一なものとなる。従って、金型から得られる最終的な成形品において形状精度の低下を効果的に防止することができる。

次に、図３を参照して、本発明の一実施形態に係る製造方法を経時的に説明する。図３（ａ）〜図３（ｄ）に示すように、本発明の一実施形態に係る製造方法では、粉末焼結積層法によって固化層２４を積層化する途中段階で加温源要素１２（図示する態様ではヒータ）を設ける。

まず、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、造形プレート２１上に粉末層２２を形成した後、当該粉末層２２に対して光ビームＬを照射して、粉末層２２から固化層２４を形成する。つまり、粉末焼結積層法を実施して粉末層形成と固化層形成とを交互に繰り返し実施して固化層２４の積層化を行う。このように固化層２４を積層化させていく途中の段階で、図３（ｃ）に示すように加温源要素１２としてヒータを設ける。具体的には、粉末層形成および固化層形成を一旦停止し、それまでに形成した固化層２４上に加温源要素１２としてヒータを設ける。図示する態様から分かるように、固化層形成に寄与しなかった粉末を一旦除去した後で加温源要素１２としてのヒータを設けることが好ましい。なお、このような加温源要素１２の設置に際しては、いわゆる“ＣＡＥ解析”（コンピュータ支援設計解析）を用いてよく、それによって予め特定しておいた位置に加温源要素１２を設けてよい。

ここで、設置される加温源要素１２の主面は、最終的に得られる三次元形状造形物の凹凸状の表面と同一形状を有するものとしておくことが好ましい。加温源要素１２としてヒータを用いる場合では、その加温源要素１２の主面に相当する“ヒータの発熱面”を最終的に得られる三次元形状造形物の凹凸状の表面と同一形状にすることが好ましい。換言すれば、ヒータ発熱部の主面を三次元形状造形物の凹凸状の表面と同一形状にすることが好ましい。このようなヒータ発熱部は、特に限定されるわけではないが、例えば溶射方式などによって予め形成しておいてよい。

図示する態様から分かるように、加温源要素１２が設置される「固化層２４の積層体」の表面形状は、加温源要素１２の輪郭形状と同じにしておくことが好ましい。これによって、最終的に得られる三次元形状造形物１００の内部において空隙なく加温源要素１２を埋設させることができる。なお、加温源要素１２の主面１２Ａと最終的に得られる三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａとは互いに同一形状になるので（図３（ｄ）参照）、加温源要素１２が設置される「固化層２４の積層体」の表面形状は、三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａと同一となり得る。

また、上記に限定されることなく、加温源要素が設置される「固化層の積層体」の表面形状を加温源要素の輪郭形状と異なる形状にしてもよい（図示せず）。これにより、最終的に得られる三次元形状造形物の内部において「三次元形状造形物を構成する固化層」と「加温源要素」との間に空隙を設けることができる。加温源要素としてヒータを用いる場合、ヒータの発熱条件によっては歪みまたは変形などがヒータに生じることがあり得る。従って、当該空隙を設けることで、ヒータの歪みまたは変形のためのスペースを確保することができ、三次元形状造形物の使用時における変形を効果的に防止することができる。

加温源要素１２として用いるヒータの設置が完了した後は、その設置前と同様の粉末焼結積層法を継続して実施する。つまり、粉末層形成と固化層形成とを交互に繰り返し実施して固化層２４の積層化を行う。ここで、加温源要素１２を設置した後では「加温源要素１２の主面が凹凸形状を有している」および「粉末が一旦除去されている」などに起因して新たな粉末層を形成し難い場合がある。かかる場合、図４に示すようなスキージング・ブレード２３を用いて粉末層を形成してよい。つまり、高さ寸法が幅方向に局所的に異なった形状を有するスキージング・ブレード２３を用いてよい。これにより、加温源要素１２を設置した後の固化層の積層体に新たな粉末層を好適に形成することができる。このようなスキージング・ブレード２３は、その形状を自在に変化できるものが好ましく、それによって、所望形状の粉末層を適宜形成することが可能となる。なお、図示されるように高さ寸法が幅方向に局所的に異なった形状を有するスキージング・ブレード２３は、加温源要素１２を設置する前に使用してもよく、それによって、加温源要素１２設置されることになる凹凸状の固化層２４の積層体の形成に利用することができる。

最終的には、図３（ｄ）に示すように三次元形状造形物１００の表面（図示する態様では三次元形状造形物１００の天面）の少なくとも一部が加温源要素１２の主面１２Ａと同一形状となるように固化層の積層化を実施する。これによって、所望の三次元形状造形物１００が得られることになる。つまり、表面１００Ａが凹凸状を有し、その凹凸状の表面１００Ａと同一形状の主面１２Ａを有する加温源要素１２が埋設された三次元形状造形物１００が得られる。

ここで、加温源要素１２として用いるヒータについて詳述しておく。ヒータは、例えばシートヒータまたはコイルヒータなどであってよい。シートヒータは、“シート状”ゆえ、その主面が比較的大きく、三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａと同一形状にさせ易いといった点で好ましい。また、加温源要素１２として、例えば圧電素子またはペルチェ素子等を含んで成る要素を用いてもよい。

図３（ａ）〜図３（ｄ）に示される態様では、加温源要素１２として例えばヒータを用い、それを固化層２４の積層化の途中で“設ける”ことによって三次元形状造形物１００に加温源要素１２を埋設したが、加温源要素１２は加温媒体路であってもよい。かかる場合、固化層２４の積層化の途中で加温源要素１２を“形成する”ことによって三次元形状造形物１００に加温源要素１２を設けることになる。

特に、本発明の一実施形態に係る製造方法では、三次元形状造形物の内部に形成される加温媒体路の壁面と凹凸状の表面とを互いに同一形状にすることが好ましい（図示せず）。これによって、三次元形状造形物が金型として使用される際、金型の内部に設けられた加温媒体路からキャビティ形成面への伝熱がより均一なものとなる。

本発明における「加温媒体路」は、液体などの加温媒体を三次元形状造形物の内部に流すための流路を意味しており、それゆえ、加温媒体路は三次元形状造形物において中空部の形態を有している。このような加温媒体路を加温源要素として用いる場合、粉末焼結積層法として粉末層形成と固化層形成とを交互に繰り返し実施する固化層の積層化の途中で、一部の局所的領域を非照射部として固化させないことによって加温媒体路を形成できる。非照射部は、粉末層に規定される「三次元形状造形物が形成される領域」において光ビームが照射されない箇所に相当するので、かかる非照射部では、“固化層を構成しなかった粉末”が光ビーム照射後に残る。加温媒体路は、かかる残った粉末を三次元形状造形物から最終的に除去することによって得られる。特に本発明においては、加温媒体路の壁面、すなわち、非照射部の主面を最終的に得られる三次元形状造形物の“凹凸状の表面”と同一形状にする。好ましくは、加温媒体路の壁面のうち三次元形状造形物の凹凸状の表面に対して近位側に位置する壁面部分を当該凹凸状の表面と同一形状にする。

更にいえば、加温源要素は、高い熱伝導性を呈する材料体であってよい。高い熱伝導性を呈する材料体は熱を良く通すものであるところ、そのような材料体を介して外部から熱を供すことができる。つまり、ヒータおよび加温媒体路などのように三次元形状造形物の内部に設けられた加温源要素が実質的に発熱源となる態様ではなく、外部に発熱源があってその熱を三次元形状造形物の内部へと導くための“熱誘導体”として加温源要素を設けてよい。熱誘導体として用いられる加温源要素、すなわち、高い熱伝導性を呈する材料体は、金属材質から成るものが好ましい。かかる金属材質としては銅系材質が好ましく、例えばベリリウム銅を含んで成る材質を挙げることができる。

上記においては本発明の理解のために典型的な実施形態を説明したが、本発明の製造方法は、種々の態様を採ることができる。

（断熱ポーラス領域の形成態様）
本発明の一実施形態に係る製造方法では、図５に示すように、三次元形状造形物１００の内部において加温源要素１２の周囲に断熱ポーラス領域１４を形成してよい。

本発明でいう「断熱ポーラス領域」とは、微細な空孔が形成された固化密度がより低い領域であって、それゆえ、相対的に低い熱伝導率を有し、“熱を断つ”態様の如く熱が伝わりにくい領域のことを意味している。このような断熱ポーラス領域１４が三次元形状造形物１００の内部に設けられることによって加温源要素１２からの伝熱がより好適に制御され得る。図５に示されるように、加温源要素１２の周囲に断熱ポーラス領域１４を形成することによって、加温源要素１２から凹凸状の表面１００Ａへの伝熱がより促進される。つまり、三次元形状造形物１００を金型として使用する場合、金型キャビティ部２００の成形用原料の加温がより促進されることになる。図示されるように、断熱ポーラス領域１４は、加温源要素１２の周囲であって、加温源要素１２と凹凸状の表面１００Ａとの間以外の領域に設けることが好ましい。なお、断熱ポーラス領域１４は、１つに限らず、図示されるように複数形成してよい。

断熱ポーラス領域１４の固化密度は、例えば４０〜８０％程度である。このように低い固化密度は、（１）光ビームの出力エネルギーを下げることによって得ることができる他、（２）光ビームの走査速度を上げる、（３）光ビームの走査ピッチを拡げる、（４）光ビームの集光径を大きくすること等によって得ることができる。本明細書でいう「固化密度（％）」とは、三次元形状造形物の断面写真を画像処理することによって求めた固化断面密度（固化材料の占有率）を実質的に意味している。使用する画像処理ソフトはScion Image ver. 4.0.2（Scion社製のフリーウェア）であって、断面画像を固化部（白）と空孔部（黒）とに二値化した後、画像の全画素数Px_allおよび固化部（白）の画素数Px_whiteをカウントすることで、以下の式１により固化断面密度ρ_Ｓを求めることができる。
［式１］

（加温源要素保護部材の設置態様）
本発明の一実施形態に係る製造方法では、図６に示すように、三次元形状造形物１００の内部において加温源要素１２の主面１２Ａ上に加温源要素保護部材１６を設けてよい。特に加温源要素１２としてヒータが用いられる場合、その発熱面上に加温源要素保護部材１６が設けられることが好ましい。

加温源要素１２としてヒータを用いる場合、固化層の積層化の途中でヒータを設置した後、引き続いて粉末層形成および固化層形成を繰り返し実施していく。しかしながら、ヒータ上に設けた粉末層に対して光ビームを照射して固化層を形成する際には、当該光ビームによって粉末層だけではなくヒータも光ビーム照射に付され、ヒータが損傷する虞がある。そこで、加温源要素１２の主面１２Ａ、すなわち、ヒータの発熱面上に加温源要素１２を保護する加温源要素保護部材１６を設けることが好ましい。これにより、以降の工程において光ビーム照射に起因した加温源要素１２の損傷を回避することができ、加温源要素１２の所望の特性が維持され得る。

図６に示されるように、加温源要素保護部材１６は加温源要素１２と密接するように設けることが好ましい。つまり、加温源要素保護部材１６の主面が加温源要素１２の主面１２Ａ（特に上側主面）と同一の輪郭形状を有するように加温源要素保護部材１６を設けることが好ましい。かかる場合、加温源要素保護部材１６と加温源要素１２との間に隙間が生じないので、加温源要素１２が光ビーム照射に直接的に付されるといった不都合を回避できる。つまり、光ビーム照射に起因した加温源要素１２の損傷をより効果的に回避することができる。なお、所望の輪郭形状の主面を予め有する加温源要素保護部材１６を用いてよく、それを加温源要素１２上に配置することによって加温源要素保護部材１６を加温源要素１２と密接するように設けてよい。

加温源要素保護部材１６の材質は、特に限定されるわけではないが、金属材質であることが好ましい。例えば、鉄系材質、銅系材質またはアルミニウム系材質などであってよい。鉄系材質は比較的硬い金属材質であり、三次元形状造形物の硬度を向上させることができる点で好ましい。銅系材質は比較的熱伝導率が高い金属材質であり、三次元形状造形物の伝熱特性を向上させることができる点で好ましい。また、アルミニウム系材質は密度が比較的小さい金属材質であり、三次元形状造形物を軽量化できる点で好ましい。

（伝熱部材の設置態様）
本発明の一実施形態に係る製造方法では、図７に示すように、三次元形状造形物１００の内部において加温源要素１２の主面１２Ａと三次元形状造形物１００の表面１００Ａとの間に相当する領域に伝熱部材１８を設けてよい。

特に、高い熱伝導特性を呈する伝熱部材１８を「加温源要素１２の主面１２Ａ（上側主面）」と「三次元形状造形物１００の表面１００Ａ」との間に相当する領域に設けることが好ましい。この点、三次元形状造形物１００の材質よりも高い熱伝導率を有する伝熱部材１８を用いてよい。このような伝熱部材１８が用いられると、加温源要素１２から凹凸状の表面１００Ａへの伝熱が促進され得る。従って、図７に示すように三次元形状造形物１００を金型として使用する場合、金型キャビティ部２００における成形用原料の加温を促進することができる。

伝熱部材１８は、金属材質から成るものが好ましい。かかる金属材質としては、より高い熱伝導率を有する点で銅系材質が好ましく、例えばベリリウム銅を含んで成る材質であってよい。また、図７に示すように、伝熱部材１８は、加温源要素１２の主面１２Ａ（上側主面）と同一の輪郭形状を有するように設けることが好ましい。つまり、伝熱部材１８と加温源要素１２とが互いに密接するように伝熱部材１８を設けることが好ましい。これにより、加温源要素１２からの熱がより効率的に凹凸状の表面１００Ａへと伝わることになる。また、図７に示すように、伝熱部材１８の主面（上側主面）が三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａの一部を成すように伝熱部材１８を設けてもよい。

（ハイブリッド方式による固化層形成態様）
本発明の一実施形態に係る製造方法では、粉末焼結積層法以外の手法を組み合わせて固化層形成を行ってよい。つまり、粉末焼結積層法とそれ以外の固化層形成手法と組み合わせたハイブリッド方式で固化層形成を実施してよい。

具体的には、図８に示すように「粉末層２２の形成後に光ビーム照射が行われる層形成後照射方式５０」と「原料の供給時に光ビーム照射が行われる原料供給時照射方式６０」とを組み合わせたハイブリッド方式によって固化層２４を形成してよい。「層形成後照射方式５０」は、粉末層２２を形成した後に光ビームＬを粉末層２２に照射して固化層２４を形成する方式であって、上述した“粉末焼結積層法”に相当する。一方、「原料供給時照射方式６０」は、粉末６４または溶加材６６などの原料の供給と光ビームＬの照射とを実質的に同時に行って固化層２４を形成する方式である。「層形成後照射方式５０」は、形状精度を比較的高くできるものの、固化層形成のための時間が比較的長くなるといった特徴を有する。その一方、「原料供給時照射方式６０」は、形状精度が比較的低いものの、固化層形成のための時間を比較的短くできるといった特徴を有する。従って、そのように相反する特徴を備えた「層形成後照射方式５０」と「原料供給時照射方式６０」とを好適に組み合わせることによって、三次元形状造形物をより効率的に製造できる。より具体的にいえば、ハイブリッド方式では「層形成後照射方式５０」および「原料供給時照射方式６０」のそれぞれの長短を相互に補完することになるので、所望の形状精度を有する三次元形状造形物をより短い時間で製造できる。

特に、本発明では、加温源要素の輪郭および三次元形状造形物の凹凸状の表面の形状に特徴を有しており、形状精度が要求される。従って、そのような形状に関連する領域は「層形成後照射方式５０」で形成する一方、それ以外の領域は「原料供給時照射方式６０」で形成してよい。より具体的には、加温源要素の周囲部分の固化層領域（例えば、加温源要素が配置される固化層領域）および三次元形状造形物の凹凸状の表面を成す固化層領域などは「層形成後照射方式５０」で形成する一方、それ以外の領域は「原料供給時照射方式６０」で形成してよい。これによって、所望の形状精度を有する三次元形状造形物をより短い時間で製造できる。また、別法にて、上述した加温源要素保護部材または伝熱部材などは「原料供給時照射方式」を専ら利用することによって設けてもよい。

［本発明の三次元形状造形物］
本発明の三次元形状造形物は上述の製造方法で得られるものである。従って、本発明の三次元形状造形物は、粉末層に対する光ビーム照射で形成される固化層が積層して構成されている。図１に示されるように、本発明の三次元形状造形物１００は、その表面１００Ａが凹凸状を有し、加温源要素１２の主面１２Ａと凹凸状の表面１００Ａとが互いに同一形状になっている特徴を有する。かかる特徴に起因して、より適した加温特性が呈され、特に三次元形状造形物を金型として使用した場合、加温源要素からキャビティ形成面への伝熱がより均一なものとなる。

金型として使用される三次元形状造形物に関していうと、本発明の三次元形状造形物は、特に成形用金型として好適に用いることができる。ここでいう「成形」とは、樹脂などから成る成形品を得るための一般的な成形であって、例えば射出成型、押出成形、圧縮成形、トランスファー成形またはブロー成形などを指している。また、図１に示される成形用金型は、いわゆる“キャビティ側”に相当するものの、本発明の三次元形状造形物１００は“コア側”の成形用金型に相当するものであってもよい。

金型として使用するのに好適な本発明の一実施形態に係る三次元形状造形物１００は、ヒータまたは加温媒体路などの加温源要素１２を内部に備えている（図１参照）。特に、本発明の一実施形態に係る三次元形状造形物１００では、図１に示されるように、加温源要素１２の主面１２Ａと凹凸状の表面１００Ａとの離隔距離が一定となっていることが好ましい。つまり、三次元形状造形物１００の表面１００Ａの一部が“オフセット”されたような輪郭形状を加温源要素１２が有していることが好ましい。例えば、加温源要素１２の主面１２Ａ（特に凹凸状の表面１００Ａに対してより近位側に位置する上側主面１２Ａ_１）と三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａとの離隔距離は０．５〜２０ｍｍ程度であってよい。このような三次元形状造形物１００が金型として使用されると（図２参照）、加温源要素１２からのキャビティ形成面への伝熱が更により均一なものとなる。従って、金型から得られる最終的な成形品において形状精度の低下がより効果的に防止され得る。

その他、三次元形状造形物の種々の具体的な特徴、変更態様および関連する効果などは、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ここでの説明は省略する。

［金型として用いる三次元形状造形物の種々の具体的態様］
本発明の一実施形態に係る三次元形状造形物を金型として使用する場合に関連する種々の具体的な態様について説明する。

粉末焼結積層法で製造される三次元形状造形物に対してはガス通気部を設けてよい。図９に示すように、本発明の一実施形態に係る三次元形状造形物１００と組み合わせて用いられる他の三次元形状造形物１００’にガス通気部７０を設けてよい。金型キャビティ部２００に溶融状態の成形用原料を充填した際、成形用原料に起因したガスが生じることがあり、当該ガスは金型キャビティ部２００内に滞留しやすい。そこで、金型キャビティ部２００に充填した成形用原料から生じるガスを抜くことができるように、三次元形状造形物１００’にガス通気部７０を設けることが好ましい。ガス通気部７０は、例えば、固化密度がより低いポーラス状の領域として設けることができる。ポーラス状のガス通気部７０は、成形用原料が金型キャビティ部２００から漏れ出さず、かつ適切にガスを外部へと排出できるような固化密度を有していることが好ましい。特に限定されるものではないが、ポーラス状のガス通気部７０の固化密度は４０〜８０％程度であることが好ましい。このようなポーラス状のガス通気部７０は、上述の“断熱ポーラス領域”の場合と同様に形成することができる。つまり、（１）光ビームの出力エネルギーを下げることによって形成できる他、（２）光ビームの走査速度を上げる、（３）光ビームの走査ピッチを拡げる、（４）光ビームの集光径を大きくすること等によってポーラス状のガス通気部７０を形成できる。

図９に示される態様では、ポーラス状のガス通気部７０は、加温源要素１２が設けられた金型（図９ではキャビティ側の金型に相当する三次元形状造形物１００）と異なる他方の金型（図９ではコア側の金型に相当する三次元形状造形物１００’）に設けられている。図示されるように、金型の型締め後に加温源要素１２と対向した位置になるようにポーラス状のガス通気部７０を設けてよい。特に、キャビティ形成面となる他方の金型の表面から外部面にまで内部を貫くようにガス通気部７０を設けることが好ましい。このようなポーラス状のガス通気部７０では、成形用原料などに起因したガスを金型キャビティ部２００内に滞留させることなく、外部へと効果的に排出することができる。よって、三次元形状造形物１００の加温源要素１２による加温特性の効果と相俟って、最終的に得られる成形品において金型転写性がより向上したものとなり得る。なお、図９に示す態様に限定されず、“コア側”および“キャビティ側”のどちらか一方の金型にのみポーラス状のガス通気部と加温源要素との双方を設けてもよい。

また、三次元形状造形物を金型として使用する場合、図１０に示すように、三次元形状造形物１００の内部に冷却液を流すための冷却液路８０を設けることが好ましい。かかる冷却液路８０の存在により金型を冷却に付すことができるところ、加温源要素１２との併用によって金型の好適な温度制御が可能となる。

冷却液路８０は、上述した“加温媒体路”と同様、三次元形状造形物１００において中空部の形態を有している。従って、加温媒体路と同様な手法で形成することができる。つまり、粉末層形成と固化層形成とを交互に繰り返す固化層の積層化の途中で、一部の局所的領域を非照射部として固化させないことを通じて冷却液路８０を形成できる。

三次元形状造形物１００の内部における冷却液路８０は１つに限定されず、例えば複数設けてよい。また、冷却液路８０の延在方向は、特に限定されず、種々の方向であってよい。図１０に示される冷却液路８０ａおよび冷却液路８０ｂのように互いに直交する方向に冷却液路８０を設けてもよい。

三次元形状造形物を金型として使用する場合、その内部に設ける加温源要素は、オン−オフ制御できるものであってよい。つまり、加温状態と非加温状態との間で切変制御できる加温源要素を用いてよい。

金型を用いて成形用原料から成形品を得るに際しては、大きく分けて５つの工程を経ることになる。具体的には、（１）金型の型締め工程、（２）金型キャビティ部内への成形用原料の充填および充填した成形用原料への保圧工程、（３）金型キャビティ部における成形用原料の冷却工程、（４）金型の型開き工程、および（５）成形品の取り出し工程を経る。ここで、上記のうち、加温源要素を“オン”にすることが好ましい工程は、（１）および（２）の工程である。（１）の工程については、金型の型締め工程に際して金型を加温しておくことになるが、そうすることによって、金型の型締め後に成形用原料が金型キャビティ部に充填された時に不利に早く冷却してしまう不都合な現象を防止できる。また、（２）の工程についても同様で、金型キャビティ部に充填された成形用原料が不利に早く冷却してしまう不都合な現象を防止できる。成形用原料が必要以上に早く冷却されると、金型キャビティ部内で成形用原料を十分に加圧することができず、成形不良を引き起こす要因となってしまう。

従って、これら（１）および（２）の工程においてのみ、つまり加温が必要な場合においてのみ加温源要素がオンになるように制御することが好ましい。なお、（１）の型締め工程時に終始継続して加温源要素を“オン”にしておく必要はない。例えば、（２）の工程を実施する直前の段階においてのみ加温源要素を“オン”にしてよい。同様にして、（２）成形用原料の充填および保圧の工程時に終始継続して加温源要素を“オン”にしておく必要はなく、成形用原料が流動可能となる金型温度に達した時点で加温源要素を“オフ”にしてよい。このように好適にオン−オフ制御できる加温源要素を用いることによって金型の加温操作をより効率的に行うことができる。

また、三次元形状造形物を金型として使用する場合、その金型の内部に設ける加温源要素は、１つに限定されず、複数であってもよい。

例えば、成形時にて金型キャビティ部内に供給された成形用原料が最終的に至るキャビティ箇所（すなわち、いわゆる“ウェルドライン”が発生しやすい箇所）に隣接する領域となる金型内部領域において複数の加温源要素を設けてよい。このような複数の加温源要素によって、ウェルドラインが発生し易い箇所をより効果的に加温することができ、結果としてウェルドラインに起因する成形不良をより効果的に抑制することができる。

複数の加温源要素は、金型キャビティ部のうちで特に小さいキャビティ部分（例えば、厚さ寸法が０．１〜１ｍｍ程度の小さいキャビティ部分）に隣接する金型内部領域に設けることが好ましい。このように小さいキャビティ部分は特に成形用原料が流れにくい箇所になるところ、複数の加温源要素によってより効果的に加温できるからである。

更には、金型キャビティ部内に充填した成形用原料に対しては外部からガス加圧を施してもよい。例えば、金型キャビティ部と外部との間を連通する「固化密度がより低いポーラス状の領域」を金型に設け、そのポーラス状の領域を介して外部からガス加圧してよい。これによって、“金型転写性”を更に向上させることができ、最終的に得られる成形品にてヒケ（成形品が非所望に局所的にへこむこと）等の発生をより効果的に抑制することができる。更にいえば、かかるポーラス状の領域は金型キャビティ部内のガス排気に用いてもよい。具体的には、成形用原料の充填に先立って又はそれに伴って金型キャビティ部内に存在するガスをポーラス状の領域を介して外部へと排気させてもよい。

以上、本発明の一実施形態に係る製造方法およびそれによって得られる三次元形状造形物について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく、特許請求の範囲に規定される発明の範囲から逸脱することなく種々の変更が当業者によってなされると理解されよう。

１２ 加温源要素
１２Ａ 加温源要素の主面
１４ 断熱ポーラス領域
１６ 加温源要素保護部材
１８ 伝熱部材
２２ 粉末層
２４ 固化層
１００ 三次元形状造形物
１００Ａ 三次元形状造形物の凹凸状の表面
Ｌ 光ビーム

Claims (9)

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交互に繰り返し行い三次元形状造形物を製造する方法であって、
   前記三次元形状造形物の前記製造において、加温源要素を該三次元形状造形物の内部に設けると共に、該三次元形状造形物の表面を凹凸状に形成し、また、
   前記加温源要素の主面と前記凹凸状の前記表面とを互いに同一形状にすることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
2. 前記加温源要素の前記主面と前記凹凸状の前記表面との離隔距離を一定に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. 前記三次元形状造形物の前記内部において前記加温源要素の周囲に断熱ポーラス領域を形成することを特徴とする、請求項１または２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
4. 前記加温源要素としてヒータを用い、該ヒータの前記主面に相当する発熱面を前記凹凸状の前記表面と前記同一形状にすることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
5. 前記三次元形状造形物の前記内部において前記加温源要素の前記主面上に加温源要素保護部材を設けることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
6. 前記加温源要素保護部材を前記加温源要素と密接するように設け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. 前記加温源要素として加温媒体路を前記三次元形状造形物の前記内部に形成し、該加温媒体路の壁面の一部を前記凹凸状の前記表面と前記同一形状にすることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
8. 前記三次元形状造形物の前記内部にて前記加温源要素の前記主面と前記三次元形状造形物の前記表面との間に相当する領域に伝熱部材を設けることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
9. 加温源要素を内部に備えた三次元形状造形物であって、
   前記三次元形状造形物の表面が凹凸状を有し、前記加温源要素の主面と該凹凸状の該表面とが互いに同一形状になっていることを特徴とする、三次元形状造形物。

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