JP2018086757A - 立体造形物の製造方法、及び立体造形物の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】立体造形物の表面のざらつきを低減でき、複雑かつ精細な立体造形物を簡便かつ効率よく製造することができる立体造形物の製造方法の提供。
【解決手段】柱状粒子を含む立体造形用樹脂粉末の層を形成する工程と、レーザーの照射により前記層の所定領域を固化させる工程と、を含む立体造形物の製造方法であって、前記レーザーが、トップハット形状のエネルギー強度分布を有する立体造形物の製造方法である。前記柱状粒子の形状が、略円柱形状である態様などが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、立体造形物の製造方法、及び立体造形物の製造装置に関する。

粉末床溶融（ＰＢＦ：ｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄ ｆｕｓｉｏｎ）方式は、選択的にレーザーを照射して立体造形物を形成するＳＬＳ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌｅｓｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）方式や、マスクを使い平面状にレーザーを当てるＳＭＳ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｍａｓｋ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）方式などが知られている。

前記ＰＢＦ方式は、レーザー光線を金属やセラミックス、又は樹脂の薄層に選択的にレーザーを選択的に照射することにより粉末を溶融接着させ、成膜した後、前記成膜した膜の上に別の層を形成して同様の操作を繰り返すことにより順次積層して立体造形物を得ることができる（例えば、特許文献１〜３参照）。

前記ＰＢＦ方式の樹脂粉末を使用する場合では、薄層間の内部応力を低く維持することと緩和（リラックス）しながら、供給槽に供給された樹脂粉末の層を樹脂の軟化点付近の温度まで加熱しておき、この層にレーザー光線を選択的に照射し、照射された樹脂粉末自身を軟化点以上の温度まで加熱して相互に融着させることにより立体造形が行われる。

本発明は、立体造形物の表面のざらつきを低減でき、複雑かつ精細な立体造形物を簡便かつ効率よく製造することができる立体造形物の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段としての本発明の立体造形物の製造方法は、柱状粒子を含む立体造形用樹脂粉末の層を形成する工程と、レーザーの照射により前記層の所定領域を固化させる工程と、を含む立体造形物の製造方法であって、前記レーザーが、トップハット形状のエネルギー強度分布を有する。

本発明によると、立体造形物の表面のざらつきを低減でき、複雑かつ精細な立体造形物を簡便かつ効率よく製造することができる立体造形物の製造方法を提供することができる。

図１は、本実施形態で用いたレーザーのトップハット形状の断面エネルギー強度分布を示す図である。 図２は、本発明の立体造形物の製造方法に用いられる立体造形物の製造装置の一例を示す概略説明図である。 図３は、レーザーのガウシアン分布の断面エネルギー強度分布を示す図である。

（立体造形物の製造方法及び立体造形物の製造装置）
本発明の立体造形物の製造方法は、柱状粒子を含む立体造形用樹脂粉末の層を形成する工程と、レーザーの照射により前記層の所定領域を固化させる工程と、を含む立体造形物の製造方法であって、前記レーザーが、トップハット形状のエネルギー強度分布を有し、更に必要に応じてその他の工程を含む。
本発明の立体造形物の製造方法は、従来の立体造形物の製造方法では、ＰＢＦ方式に採用されるレーザーのエネルギー強度分布は、ガウシアン分布であり、前記粉末層に照射される際、レーザー径の範囲内において粉末を構成する粒子の融解挙動にムラが生じる。具体的には、レーザー照射部中央が完全に融解するレーザー出力条件であっても、中央からレーザーの半径分離れた位置に存在する粒子は未溶融な状態となる現象が生じうるという問題があるという知見に基づくものである。その結果として、立体造形物の表面に粒子形状を維持したことに起因する表面のざらつきが残るという問題があるという知見に基づくものである。
また、本発明の立体造形物の製造装置は、柱状粒子を含む立体造形用樹脂粉末の層を形成する手段と、レーザーの照射により前記層の所定領域を固化させる手段と、を有する立体造形物の製造装置であって、前記レーザーが、トップハット形状のエネルギー強度分布を有し、更に必要に応じてその他の手段を有する。
また、本発明の立体造形物の製造装置としては、前記エネルギー強度分布を、ガウシアン分布からトップハット形状の分布へと変換する手段をさらに有することが好ましい。
本発明の立体造形物の製造方法は、本発明の立体造形物の製造装置により好適に実施することができる。

−レーザー−
前記レーザーは、トップハット形状のエネルギー強度分布を有する。前記トップハット形状のエネルギー強度分布を持つレーザー光線を使用することにより、立体造形用樹脂粉末を均一に融解し、立体造形物の表面に粒子形状が少なく、立体造形物の表面のざらつきを低減でき、複雑かつ精細な立体造形物を得ることができる。前記トップハット形状とは、略台形状、又は（一次元）ガウシアン分布のピークを平坦化した形状を意味する。

前記レーザーの波長としては、１μｍ以上３０μｍ以下が好ましく、５μｍ以上２０μｍ以下がより好ましく、８μｍ以上１３μｍ以下が特に好ましい。前記波長が、１μｍ以上３０μｍ以下であると、エネルギー強度を均一にして立体造形することが可能となり、立体造形物表面に未溶融な粒子を付着させることなく造形することが可能となるため、立体造形物の表面の算術平均粗さを低減することができる。

前記トップハット形状のエネルギー強度分布を有するレーザーは、一般的にＳＬＳ（選択式レーザー焼結）方式、又はＳＭＳ（選択式マスク焼結）方式に採用されているガウシアン分布のレーザー光源の光学系にトップハット分布にレーザープロファイルを変換可能なレンズシステム（ガウシアン分布からトップハット形状の分布へと変換する手段）を組み込むことにより形成してもよい。
前記レンズシステムとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、装置名：ＳｔａｒＬｉｔｅ、ＯＰＨＩＲ社製などが挙げられる。

図１は、本実施形態で用いたレーザーの断面強度分布を示している。図１に示すように、レーザーのエネルギー強度分布は、スポットの一端（Ｘ＝約−２５０μｍ）から急激に上昇し、５０Ｗ／ｃｍ^２付近を一定値として一時的な停滞が生じ、そのスポットの他端（Ｘ＝約２５０μｍ）になると急激に低下する。このとき、５０Ｗ／ｃｍ^２付近における強度の極大値及び極小値は、時間によって変化する値である。
前記極大値及び前記極小値のレーザー強度差としては、前記一定値に対して±４０％以下が好ましく、±１０％以下がより好ましく、±５％以下が特に好ましい。
このような均一なエネルギー強度分布を持つレーザーにより、造形品質、特に、立体造形物の表面の算術平均粗さを著しく改善することが可能となる。なお、前記エネルギー強度分布は、例えば、レーザープロファイル測定装置（装置名：ＳｔａｒＬｉｔｅ、ＯＰＨＩＲ社製）などを用いて測定することができる。

＜層を形成する工程及び層を形成する手段＞
前記層を形成する工程は、柱状粒子を含む立体造形用樹脂粉末の層を形成する工程である。
前記層を形成する手段は、柱状粒子を含む立体造形用樹脂粉末の層を形成する手段である。
前記層を形成する工程は、前記層を形成する手段により好適に実施することができる。

−立体造形用樹脂粉末−
前記立体造形用樹脂粉末は、柱状粒子を含み、更に必要に応じてその他の成分を含む。

前記立体造形用樹脂粉末の粒度分布としては、ＰＢＦ方式の装置に起因するが、一般的に１層に対し１００μｍが一般的である。そのため、前記立体造形用樹脂粉末の５０％累積体積粒径としては、１μｍ以上２００μｍ以下が好ましく、５μｍ以上１００μｍ以下がより好ましく、寸法安定性の点から、５μｍ以上５０μｍ以下が特に好ましい。なお、前記５０％累積体積粒径は、例えば、粒度分布測定装置（マイクロトラック・ベル株式会社製、ｍｉｃｒｏｔｒａｃ ＭＴ３３００ＥＸＩＩ）を用いて測定することができる。

前記立体造形用樹脂粉末の体積平均粒径／個数平均粒径（Ｍｖ／Ｍｎ）としては、造形精度向上やリコート性向上の点から、２．００以下が好ましく、１．５０以下がより好ましく、１．２０以下が特に好ましい。なお、前記Ｍｖ／Ｍｎは、例えば、粒度分布測定装置（マイクロトラック・ベル株式会社製、ｍｉｃｒｏｔｒａｃ ＭＴ３３００ＥＸＩＩ）を用いて測定することができる。

前記立体造形用樹脂粉末の融点としては、製品の外装等に使用されうる耐熱温度の点から、１００℃以上のものが好ましい。これらの条件を満たした立体造形用樹脂粉末を使用し、ＰＢＦ方式にて造形を行うことが好ましい。
本発明における融点とは、ＩＳＯ ３１４６（プラスチック転移温度測定方法、ＪＩＳＫ７１２１）により測定される融解ピーク温度を意味し、複数の融解温度が存在する場合は、高温側の融点を使用する。

前記立体造形用樹脂粉末は、従来の樹脂粉末では、通常の粉末とは異なり厳しく制御された粒度分布や加熱に対する熱安定性など従来の樹脂ペレットを粉砕して使うだけでは使えず、粒子を充填した密度が十分でないことから空間部分を透過したレーザーが下層や横層を固めてしまいブロッキングと呼ばれる部分が多く発生することでロスの原因となる。また、それに加え、レーザーで溶解した後も空壁が多いままとなり、焼結膨らみが発生し立体造形物の密度も低下するため、寸法精度が著しく落ちる原因となることや強度が大幅に低下してしまう等の実用に耐えないという問題があるという知見に基づくものである。本発明に用いられる立体造形用樹脂粉末は、ＰＢＦ方式で、射出成型や押出し成型等の既存の方式で成型したものに対し、強度が落ちることを改善することができる。

−−柱状粒子−−
前記柱状粒子の形状としては、略円柱状であることが好ましい。前記柱状粒子の形状が略円柱状であると、トップハット形状の強度分布を有するレーザーを照射することにより、得られる立体造形物の算術平均粗さを著しく低減することができる。

前記柱状粒子は、略円形状の向かい合う面を有することが好ましく、向かい合う略円形状の直径が、１μｍ以上２００μｍ以下が好ましく、５μｍ以上１００μｍ以下がより好ましく、向かい合う略円形状間の距離（高さ）が、１μｍ以上２００μｍ以下が好ましく、５μｍ以上１００μｍ以下がより好ましい。

前記略円形状の向かい合う面としては、傾斜がついていてもよく、生産性とレーザー造形の安定性から、平行で互いに傾斜がついていないことが好ましい。
前記略円形状としては、楕円形状でも、一部かけてしまったものでもよく、向かい合う円の大きさが多少ずれていてもよいが大きい面と小さい面を比較した際、前記大きい面と前記小さい面との円の直径の比（大きい面／小さい面）が、１．５倍以下が好ましく、密度を詰める観点から、１．１倍以下がより好ましい。また、同様の理由から、略円形状としては、真円形状が好ましい。

前記面と前記面の間の高さを形成する辺は、切断時に樹脂が軟化し、つぶれた状態（円柱のたる型）も本発明の範囲に含まれるが、弧を描くもの同士で空間を空けてしまうため、辺が直線状になっているものの方が密に詰まるため、より好ましい。

前記向かい合う略円形状間の距離（高さ）としては、５０％累積体積粒径が、１μｍ以上２００μｍ以下となる範囲が好ましく、５μｍ以上１００μｍ以下がより好ましく、特に、前記高さが均一で粉の形や大きさに偏りがなく、同一な集合体として形成された単分散に近いものが特に好ましい。なお、前記５０％累積体積粒径は、例えば、粒度分布測定装置（マイクロトラック・ベル株式会社製、ｍｉｃｒｏｔｒａｃ ＭＴ３３００ＥＸＩＩ）を用いて測定することができる。

前記柱状粒子としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、結晶性熱可塑性樹脂が好ましい。

前記結晶性熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテル、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭ、融点：１７５℃）、ポリイミド、フッ素樹脂等のポリマーなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。前記結晶性熱可塑性樹脂としては、前記ポリマー以外に、難燃化剤や可塑剤、熱安定性添加剤や結晶核剤等の添加剤、非結晶性樹脂等のポリマー粒子を含んでいてもよい。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。前記ポリマー粒子としては、前記ポリマー粒子を混合して使用しても、前記ポリマー粒子の表面にポリマー粒子を被覆してものを使用してもよい。

前記ポリオレフィンとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン（ＰＰ、融点：１３０℃）などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

前記ポリアミドとしては、例えば、ポリアミド４１０（ＰＡ４１０）、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６、融点：２６５℃）、ポリアミド６１０（ＰＡ６１０）、ポリアミド６１２（ＰＡ６１２）、ポリアミド１１（ＰＡ１１）、ポリアミド１２（ＰＡ１２）；半芳香族性のポリアミド４Ｔ（ＰＡ４Ｔ）、ポリアミドＭＸＤ６（ＰＡＭＸＤ６）、ポリアミド６Ｔ（ＰＡ６Ｔ）、ポリアミド９Ｔ（ＰＡ９Ｔ）、ポリアミド１０Ｔ（ＰＡ１０Ｔ）などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。なお、ＰＡ９Ｔは、ポリノナメチレンテレフタルアミドとも呼ばれ、炭素が９つのジアミンにテレフタル酸モノマーから構成され、一般的にカルボン酸側が芳香族であるため半芳香族とも呼ばれる。さらには、ジアミン側も芳香族である全芳香族として、ｐ−フェニレンジアミンとテレフタル酸モノマーとからできるアラミドと呼ばれるものも本発明のポリアミドに含まれる。また、ＰＡ９Ｔのように融点ピークが２つあるものを用いてもよい（完全に溶融させるには２つ目の融点ピーク以上に樹脂温度を上げる必要がある）。

前記ポリエステルとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、融点：２６０℃）やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ、融点：２２５℃）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）などが挙げられる。耐熱性を付与するため一部テレフタル酸やイソフタル酸が入った芳香族を含むポリエステルも本発明に好適に用いることができる。

前記ポリエーテルとしては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ、融点：３３４℃）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）などが挙げられる。前記ポリエーテル以外にも、結晶性ポリマーであればよく、例えば、ポリアセタール、ポリイミド、ポリエーテルスルフォンなどが挙げられる。

−−その他の成分−−
前記その他の成分としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、任意の流動化剤、粒度化剤、強化剤、酸化防止剤などが挙げられる。

前記流動化剤としては、例えば、１０μｍ未満の体積平均粒径を有する粒状無機材料を好適に用いることができる。
前記流動化剤の含有量としては、粒子表面上に覆うのに十分な量であればよく、立体造形用樹脂粉末全量に対して、０．１質量％以上１０質量％以下が好ましい。

前記粒度化剤としては、例えば、アルミナ、タルク、ガラス様シリカ、チタニア、水和シリカ、シリカ表面上にシランカップリング剤により変性させたもの、ケイ酸マグネシウムを１種類以上用いるものなどが挙げられる。

前記強化剤としては、強度向上の点から、例えば、ガラスフィラー、ガラスビーズ、カーボンファイバー、アルミボール、国際公開第２００８／０５７８４４号パンフレットに記載のものなどが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。

また、その他の成分としては、樹脂劣化を抑制する観点から、例えば、金属キレート材でヒドラジド系や、紫外線吸収剤としてトリアジン系、ラジカル補足剤としてヒンダードフェノール系、酸化防止剤としてホスフェイト系などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
前記立体造形用樹脂粉末としては、適度の乾燥しているのが好ましく、真空乾燥機やシリカゲルを入れることにより使用前に乾燥させてもよい。

また、前記立体造形用樹脂粉末としては、ＳＬＳ法やＳＭＳ法について使用できるが、適切な粒度、及び又は粒度分布、熱移動特性、溶融粘度、嵩密度、流動性、溶融温度、及び再結晶温度のようなパラメーターについて適切なバランスを示す特性を呈している。

前記立体造形用樹脂粉末の嵩密度としては、ＰＢＦ方式でのレーザー焼結度を促進する点から、樹脂自身の持っている密度に差異があるが嵩密度は大きい方が好ましく、タップ密度として０．３５ｇ／ｍＬ以上がより好ましく、０．４０ｇ／ｍＬ以上がさらに好ましく、０．５ｇ／ｍＬ以上が特に好ましい。

前記立体造形用樹脂粉末を用いて、レーザー焼結により形成される立体造形物は、滑らかであり、最小オレンジピール以下を呈する十分な解像度を示す表面を形成できる。ここで、前記オレンジピールとは、一般にＰＢＦ方式でのレーザー焼結により形成される立体造形物の表面上に不適切な粗面、又は空孔問題やゆがみ問題のような表面欠陥の存在を意味し、前記空孔は、例えば、美観を示すだけでなく、機械強度にも著しく影響を及ぼす。

さらに、前記立体造形用樹脂粉末を使用し、レーザー焼結により形成される立体造形物としては、焼結中から焼結後の冷却時の間に、発生する相変化による反りや歪み、発煙したりするような不適切なプロセス特性を示さないことが好ましい。

前記立体造形用樹脂粉末に含有される柱状粒子としては、略円柱状の繊維を作製し、その後裁断して直接的に略円柱形状を得る方法や、フィルム形状から立方体形状を作製後に後加工により略円柱を作製してもよい。

前記繊維を作製は、押し出し加工機を用いて、融点より３０℃以上高い温度にて撹拌しながら、繊維状に立体造形用樹脂溶融物を押し出す。この際、溶融物は、１倍以上１０倍以下程度に延伸し繊維にする。この時、押出し加工機のノズル口の形状により繊維断面の形状を決めることができるが、本発明では、断面が略円形状であるため、ノズル口も円形状が好ましい。
前記繊維の寸法精度としては、高ければ高いほどよく、前記寸法精度の誤差は、面の部分の円形状が半径において、１０％以下が好ましい。また、ノズルの口の数は多ければ多いほど生産性を向上することができる。

前記裁断は、ギロチン方式といった上刃と下刃が共に刃物になっている切断装置や、押し切り方式と呼ばれる下側は刃物ではなく板で、上刃で裁断していく装置を好適に用いることができる。それらの装置を用いて、０．０１ｍｍ以上０．１ｍｍ以下に直接カットすることやＣＯ_２レーザー等を用いて裁断する方法などが挙げられる。これらの方法により、柱状粒子を直接得ることができる。

前記立体造形用樹脂粉末としては、前記柱状粒子のみで構成されることが好ましいが、一般的に粉砕したものと組み合わせてもよく、前記柱状粒子が、立体造形用樹脂粉末全量に対して、５０％以上含まれている方が密度を向上させる目的ではより好ましい。

前記粉砕の方法としては、例えば、ペレット等の形態から粉砕することが挙げられ、室温で粉砕装置を使用し、目的の粒径以外のものをフィルター濾過などの分級操作などにより得ることができる。
前記粉砕の温度としては、室温（２５℃）以下が好ましく、０℃以下の低温（各樹脂自身の脆弱温度以下）がより好ましく、−２５℃以下がさらに好ましく、−１００℃以下の極低温下が特に好ましい。

＜固化させる工程及び固化させる手段＞
前記固化させる工程は、レーザーの照射により前記層の所定領域を固化させる工程である。
前記固化させる手段は、レーザーの照射により前記層の所定領域を固化させる手段である。
前記固化させる工程は、前記固化させる手段により工程に実施することができる。

本発明の態様は、新たな粉末層をローラ等により引くごとに焼結処理を行い、本発明の立体造形用樹脂粉末からの立体造形することが好ましい。
前記焼結処理では粉末層部分を選択的に溶融させる。新たな粉末層を先行して形成した層に施用し、再度選択的に溶融させ、これが繰り返され所望の立体造形物が製造されるまで前記処理を継続する。

本発明の立体造形物の製造方法としては、選択式マスク焼結（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｍａｓｋ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ：ＳＭＳ）技術を使用することができる。前記ＳＭＳプロセスについては、例えば、米国特許第６，５３１，０８６号明細書に記載されているものを好適に用いることができる。

前記ＳＭＳプロセスとしては、遮蔽マスクを使用して選択的に赤外放射を遮断し、粉末層の一部の選択的照射をもたらす。前記立体造形用樹脂粉末から物品を製造するためにＳＭＳプロセスを使用する場合、立体造形用樹脂粉末の赤外吸収特性を増強させる粉末組成物中の１種以上物質を含有させることが好ましく、立体造形用樹脂粉末には１種以上の熱吸収剤及び／又は暗色物質（カーボンファイバー、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、もしくはカーボンファイバー、セルロースナノファイバー等）を含有することができる。

前記立体造形用樹脂粉末を用いてＰＢＦ方式により立体造形物を製造する方法としては、ポリマーマトリックスを含有する複数の層を積層し、かつ接着した焼結層を含むことが好ましい。
前記焼結層としては、造形プロセスに適した厚みを有することが好ましい。
複数の前記焼結層の平均厚みとしては、１０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上が特に好ましい。また、前記焼結層の平均厚みとしては、２００μｍ未満が好ましく、１５０μｍ未満がより好ましく、１２０μｍ未満が特に好ましい。

前記立体造形用樹脂粉末としては、電子機器パーツや自動車部品のプロトタイプや強度試験用の試作品、エアロスペースや自動車産業のドレスアップツール等に使われる少量製品などの用途に使用するための物品を形成することに好適に用いることができる。前記ＰＢＦ方式以外の他の方式については、ＦＤＭやインクジェット方式と比較し、強度が優れることが期待されるため、実用の製品としても使用に耐える。生産スピードは、射出成型のような大量に生産するのにはかなわないが、例えば、小さい部品を平面状に大量に作ることにより必要な生産量を得ることができる。また、本発明に用いられるＰＢＦ方式における立体造形物の製造方法は、射出成型のような金型を必要としないため、試作及びプロトタイプの作製においては、圧倒的なコスト削減と納期削減を達成することができる。

本発明の立体造形物の製造方法により得られる立体造形物の算術平均粗さＲａとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０．５μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、０．５μｍ以上６０μｍ以下がより好ましく、０．５μｍ以上１０μｍ以下がさらに好ましく、０．６μｍ以上２μｍ以下が特に好ましい。前記算術平均粗さＲａは、ＩＳＯ １３０２（ＪＩＳ Ｂ ００３１）に準拠して測定することができ、装置は、例えば、ＶＲ３２００（株式会社キーエンス製）などを用いることができる。

ここで、立体造形物の製造装置について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の立体造形物の製造方法に用いられる立体造形物の製造装置の一例を示す概略説明図である。
図２に示すように、粉末の供給槽５に粉末を貯蔵し、使用量に応じて、ローラ４を用いてレーザー走査スペース６に供給する。供給槽５は、ヒーター３により温度を調節されていることが好ましい。電磁照射源１から出力した図３に示すようなガウシアン分布のレーザーを、レンズシステム７を用いてトップハット形状に変換し、そのレーザーを、反射鏡２を用いてレーザー走査スペース６に照射する。前記レーザーによる熱により、粉末を焼結して立体造形物を得ることができる。

前記立体造形物の製造装置としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜、供給槽５の温度、レーザー走査スペースにおける部品床温度、レーザー出力、レーザー走査間隔を選択することができる。
前記供給槽５の温度としては、立体造形用樹脂粉末の融点より１０℃以上低いことが好ましい。
前記レーザー走査スペースにおける部品床温度としては、立体造形用樹脂粉末の融点より３℃以上２０℃以下が好ましく、５℃以上２０℃以下の低温であることが好ましい。
前記レーザー出力としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、１０ワット以上１５０ワット以下が好ましい。
前記レーザー走査間隔としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下が好ましく、０．４０ｍｍ以上０．６０ｍｍ以下がより好ましい。

（立体造形物）
本発明の立体造形物は、本発明の立体造形物の製造方法により作製されたレーザー焼結性粉体からなる。

前記立体造形物の算術平均粗さＲａとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、０．５μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、０．５μｍ以上６０μｍ以下がより好ましく、０．５μｍ以上１０μｍ以下がさらに好ましく、０．６μｍ以上２μｍ以下が特に好ましい。前記算術平均粗さＲａは、ＩＳＯ １３０２（ＪＩＳ Ｂ ００３１）に準拠して測定することができ、装置は、例えば、ＶＲ３２００（株式会社キーエンス製）などを用いることができる。

以下、実施例を示して本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例により限定されるものではない。

なお、以下のようにして、「立体造形用樹脂粉末の５０％累積体積粒径」、及び「立体造形用樹脂粉末の融点」を測定した。

前記５０％累積体積粒径は、粒度分布測定装置（マイクロトラック・ベル株式会社製、ｍｉｃｒｏｔｒａｃ ＭＴ３３００ＥＸＩＩ）を用いて測定した。

（立体造形用樹脂粉末の融点）
前記融点は、ＩＳＯ ３１４６（プラスチック転移温度測定方法、ＪＩＳＫ７１２１）準拠して測定した。

（立体造形用樹脂粉末の作製例１）
＜略円柱状のＰＢＴ粉末の作製＞
ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂（商品名：ノバデュラン５０２０、三菱エンジニアリングプラスチック株式会社製、融点：２２５℃、ガラス転移温度：４３℃）を押し出し加工機を用いて、融点より３０℃高い温度にて撹拌後、ノズル口が円形状のものを用い、繊維状に立体造形用樹脂溶融物を押し出した。ノズルから出る糸の本数は１００本で実施した。３倍程度延伸し、繊維直径が６０μｍで精度が±４μｍの繊維にした後に０．０８ｍｍで押し切り方式の裁断マシーン（ＮＪシリーズ１２００型、株式会社荻野精機製作所製）を用いて裁断し、ＰＢＴ粉末を得た。裁断後の断面を走査型電子顕微鏡（装置名：ＦｌｅｘＳＥＭ １０００、株式会社日立ハイテクノロジーズ製）で、３００倍の倍率で確認したところ、断面はきれいに裁断されており、切断面は互いに平行であった。また、円柱の高さを測定したところ６０μｍを中心に±１０μｍの精度で切断できていた。裁断時につぶれた様子もなかった。なお、ＰＢＴ粉末の５０％累積体積粒径は５５μｍであった。

（立体造形用樹脂粉末の作製例２）
＜略円柱状のＰＡ１２粉末の作製＞
ＰＡ１２粉末については、上市されているＳＬＳ用グレードの粉末（商品名：Ｖｅｓｔｓｉｎｔ ２１６２ ｎａｔｕｒａｌ、ダイセル・エボニック株式会社製、融点：約１８１℃）を用いた。なお、前記ＰＡ１２粉末について、立体造形用樹脂粉末の作製例１と同様にして、粉体の形状を確認したところ、球状であった。また、ＰＡ１２粉末の５０％累積体積粒径は４５μｍであった。

（立体造形用樹脂粉末の作製例３）
＜ＰＡ６粉末の作製＞
ＰＡ６粉末については、押し出し成形用の標準グレードの熱可塑性樹脂ペレット（商品名：ユニチカナイロン６ Ａ１０３０ＢＲＴ、ユニチカ株式会社製、融点：約２２５℃）を−２００℃で凍結粉砕することにより得られる粉末を使用した。粉砕後の粉末は、５μｍ以上１００μｍ以下の幅になるようにした。５０％累積体積粒径は、２０μｍ以上９０μｍ以下であった。
粉末の流動性を改善するため、前記粉末に１質量％のヒュームドシリカ（エアロゾル社製、ＲＡ２００Ｈ）と０．５質量％のステアリン酸亜鉛（川村化成工業株式会社製）をブレンドし、均質コンパウンドパウダーを得た。前記パウダーを未使用粉末とした。なお、ＰＡ６粉末の５０％累積体積粒径は５５μｍであった。

（実施例１〜２、及び比較例１〜５）
［立体造形物の作製］
ＳＬＳ製造装置（装置名：ＡＭ Ｓ５５００Ｐ、株式会社リコー製）を使用し、下記表１に示す立体造形用樹脂粉末を用いて立体造形物の製造を行った。設定条件は、層平均厚みを０．１ｍｍとし、レーザー出力を約１０ワット以上１５０ワット以下、レーザー走査間隔を０．４８ｍｍとし、造形温度（造形槽の粉末表面温度）を樹脂粉末の融点より３℃以上２０℃以下低い温度で設定した。これら条件は樹脂粉末の熱物性や装置の設置環境（温度及び湿度）の影響を受けるため、ＳＬＳ装置ごとに各パラメーターを適切に調整する必要がある。レーザー照射中は特に発煙なく、良好な解像度を示し、反りについては観察されなかったため、上記の条件を各実施例及び比較例において共に適切な造形条件と判断した。さらに、それら適切なレーザー造形条件にて造形できたことから、各粉体についてもＳＬＳ造形用の粉末に適していると考えられる。立体造形物の形状は１０ｍｍ角の立方体とした。

−トップハット形状のレーザー強度分布を有するレーザーの形成−
レーザー光源は、ＣＯ_２レーザー（装置名：Ｆｉｒｅｓｔａｒ Ｔｉ６０、ＳＹＮＲＡＤ社製、レーザー波長：１０．６μｍ）、又はＮｄ−ＹＡＧレーザー（装置名：ＬＯＴＩＳ ＴＩＩ、株式会社東京インスツルメンツ製、レーザー波長：１．０６μｍ）を使用した。Ｆｉｒｅｓｔａｒ Ｔｉ６０は常設設備である。一方、Ｎｄ−ＹＡＧレーザーを用いる際は、前記レーザー光源をＬＯＴＩＳ ＴＩＩに置き換えて使用した。どちらのレーザー光源も、出力されるレーザーの強度分布はガウシアン分布（図３）である。

前記装置内部の光学系内のレーザー光源の先に、前記レーザーの強度分布をトップハット形状に変換させる機能を有するレンズシステム（装置名：ｐｉＳｈａｐｅｒ、ＡｄｌＯｐｔｉｃａ社製）を設置した。変換されたレーザーが、造形チャンバー内の粉末層に照射される際のエネルギー強度分布は、レーザープロファイル測定装置（装置名：ＳｔａｒＬｉｔｅ、ＯＰＨＩＲ社製）を用いて測定した。図１に、本手法で形成し、造形に用いたレーザーの強度分布を示す。レーザー径は、およそ２４０μｍである。

得られた立体造形物を用いて、以下のようにして、「立体造形物の算術平均粗さＲａ」を測定し、さらに、「造形精度」を評価した。

（立体造形物の算術平均粗さＲａの計測）
立体造形した立体造形物（立方体）の側面に対して、ＩＳＯ １３０２（ＪＩＳ Ｂ ００３１）に準拠した算術平均粗さＲａの測定を行った。装置は、ＶＲ３２００（株式会社キーエンス製）を用いた。なお、前記算術平均粗さＲａは、５回の測定の平均値を実験値とした。また、前記算術平均粗さＲａの値が小さいほど、立体造形物の表面のざらつきは少なくなる。

（造形精度）
次に、得られた立体造形物について、目視にて観察し、下記評価基準に基づいて、「造形精度」を評価した。
［評価基準］
○：得られた立体造形物の表面が滑らかで美麗であり、反りも生じていない状態
△：得られた立体造形物の表面に若干の歪みと僅かに反りが生じている状態
×：得られた立体造形物の表面に歪みが生じており、激しく反りが生じている状態

本発明の態様としては、例えば、以下のとおりである。
＜１＞ 柱状粒子を含む立体造形用樹脂粉末の層を形成する工程と、レーザーの照射により前記層の所定領域を固化させる工程と、を含む立体造形物の製造方法であって、
前記レーザーが、トップハット形状のエネルギー強度分布を有することを特徴とする立体造形物の製造方法である。
＜２＞ 前記柱状粒子の形状が、略円柱形状である前記＜１＞に記載の立体造形物の製造方法である。
＜３＞ 前記レーザーの波長が、１μｍ以上３０μｍ以下である前記＜１＞から＜２＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法である。
＜４＞ 前記レーザーの波長が、５μｍ以上２０μｍ以下である前記＜３＞に記載の立体造形物の製造方法である。
＜５＞ 前記レーザーの波長が、８μｍ以上１３μｍ以下である前記＜４＞に記載の立体造形物の製造方法である。
＜６＞ 前記柱状粒子が、直径５μｍ以上１００μｍ以下の略円形状の向かい合う面を有し、高さが５μｍ以上１００μｍ以下である前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法である。
＜７＞ ＩＳＯ ３１４６に準拠して測定した前記立体造形用樹脂粉末の融点が、１００℃以上である前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法である。
＜８＞ 前記立体造形用樹脂粉末の５０％累積体積粒径が、１μｍ以上２００μｍ以下である前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法である。
＜９＞ 前記立体造形用樹脂粉末の５０％累積体積粒径が、５μｍ以上１００μｍ以下である前記＜８＞に記載の立体造形物の製造方法である。
＜１０＞ 前記柱状粒子が、結晶性熱可塑性樹脂である前記＜１＞から＜９＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法である。
＜１１＞ 前記結晶性熱可塑性樹脂が、ポリブチレンテレフタレートである前記＜１０＞に記載の立体造形物の製造方法である。
＜１２＞ ＩＳＯ １３０２に準拠して測定される算術平均粗さが、０．５μｍ以上１００μｍ以下である立体造形物を製造する前記＜１＞から＜１１＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法である。
＜１３＞ 前記＜１＞から＜１２＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法により作製されたレーザー焼結性粉体からなることを特徴とする立体造形物である。
＜１４＞ ＩＳＯ １３０２に準拠して測定される算術平均粗さが、０．５μｍ以上１００μｍ以下である前記＜１３＞に記載の立体造形物である。
＜１５＞ 柱状粒子を含む立体造形用樹脂粉末の層を形成する手段と、レーザーの照射により前記層の所定領域を固化させる手段と、を有する立体造形物の製造装置であって、
前記レーザーが、トップハット形状のエネルギー強度分布を有することを特徴とする立体造形物の製造装置である。
＜１６＞ 前記柱状粒子の形状が、略円柱形状である前記＜１５＞に記載の立体造形物の製造装置である。
＜１７＞ 前記エネルギー強度分布を、ガウシアン分布からトップハット形状の分布へと変換する手段をさらに有する前記＜１５＞から＜１６＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
＜１８＞ 前記レーザーの波長が、１μｍ以上３０μｍ以下である前記＜１５＞から＜１７＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。
＜１９＞ 前記レーザーの波長が、５μｍ以上２０μｍ以下である前記＜１８＞に記載の立体造形物の製造装置である。
＜２０＞ 前記柱状粒子が、直径５μｍ以上１００μｍ以下の略円形状の向かい合う面を有し、高さが５μｍ以上１００μｍ以下である前記＜１５＞から＜１９＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置である。

前記＜１＞から＜１２＞のいずれかに記載の立体造形物の製造方法、前記＜１３＞から＜１４＞のいずれかに記載の立体造形物、及び前記＜１５＞から＜２０＞のいずれかに記載の立体造形物の製造装置は、従来における前記諸問題を解決し、前記本発明の目的を達成することができる。

特表２０１４−５２２３３１号公報 特表２０１３−５２９５９９号公報 特表２０１５−５１５４３４号公報

Claims (12)

1. 柱状粒子を含む立体造形用樹脂粉末の層を形成する工程と、レーザーの照射により前記層の所定領域を固化させる工程と、を含む立体造形物の製造方法であって、
   前記レーザーが、トップハット形状のエネルギー強度分布を有することを特徴とする立体造形物の製造方法。
2. 前記柱状粒子の形状が、略円柱形状である請求項１に記載の立体造形物の製造方法。
3. 前記レーザーの波長が、１μｍ以上３０μｍ以下である請求項１から２のいずれかに記載の立体造形物の製造方法。
4. 前記レーザーの波長が、５μｍ以上２０μｍ以下である請求項３に記載の立体造形物の製造方法。
5. 前記レーザーの波長が、８μｍ以上１３μｍ以下である請求項４に記載の立体造形物の製造方法。
6. 前記柱状粒子が、直径５μｍ以上１００μｍ以下の略円形状の向かい合う面を有し、高さが５μｍ以上１００μｍ以下である請求項１から５のいずれかに記載の立体造形物の製造方法。
7. ＩＳＯ ３１４６に準拠して測定した前記立体造形用樹脂粉末の融点が、１００℃以上である請求項１から６のいずれかに記載の立体造形物の製造方法。
8. 前記立体造形用樹脂粉末の５０％累積体積粒径が、１μｍ以上２００μｍ以下である請求項１から７のいずれかに記載の立体造形物の製造方法。
9. ＩＳＯ １３０２に準拠して測定される算術平均粗さが、０．５μｍ以上１００μｍ以下である立体造形物を製造する請求項１から８に記載の立体造形物の製造方法。
10. 柱状粒子を含む立体造形用樹脂粉末の層を形成する手段と、レーザーの照射により前記層の所定領域を固化させる手段と、を有する立体造形物の製造装置であって、
    前記レーザーが、トップハット形状のエネルギー強度分布を有することを特徴とする立体造形物の製造装置。
11. 前記柱状粒子の形状が、略円柱形状である請求項１０に記載の立体造形物の製造装置。
12. 前記エネルギー強度分布を、ガウシアン分布からトップハット形状の分布へと変換する手段をさらに有する請求項１０から１１のいずれかに記載の立体造形物の製造装置。