JP2018100445A - 物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粉末焼結法等の三次元造形法では、高い形状精度が要求される部位を含む物品は、製造困難であった。三次元造形法で基本形状を作成してから、形状精度が高い部位を後加工で形成するのは困難で、可能だとしてもコストが高くなっていた。【解決手段】機械加工等を用いて高精度に作成したフランジ部材２０１とフランジ部材２０２を、あらかじめプレート２０３上に位置決め固定する。プレートを三次元造形装置の造形テーブル６０１にセットし、フランジ部材２０１とフランジ部材２０２の上面に造形材の粉末を積層してレーザ焼結を繰り返し、三次元造形物を直接固着させる。高い形状精度が要求される部位と、三次元造形法で達成可能な形状精度の部位とが共存する物品を、安価に製造することができる。【選択図】図６

Description

本発明は、あらかじめ部材を準備し、準備した部材上に直接三次元造形物を形成することにより物品を製造する方法に関する。

近年、いわゆる３Ｄプリンタの開発が盛んに行われており、さまざまな方式が試みられている。例えば、熱溶融積層造形法、光硬化性樹脂を用いた光造形法、粉末焼結法等のさまざまな方式が知られている。

粉末焼結法は、ナイロン樹脂、セラミクス、金属等の原料粉末を層状に敷く工程と、レーザ光を照射して粉末層の一部を選択的に焼結させる工程とを繰り返し行なうことにより、三次元造形物を形成する方法である。近年では、高い機械強度や良好な熱伝導性が要求される物品を製造する方法として、金属粉末を原料に用いた粉末焼結法が活用されはじめている。
たとえば、特許文献１には、表面に光沢を有する金属製の三次元造形物を製造するための製造方法が提案されている。

特開２０１５−９６６４６号公報

しかしながら、粉末焼結法には、機械加工で物品を作成するのに比べて造形物の形状精度が低いという課題がある。たとえば、機械加工では誤差５０μｍ以下の寸法精度や、１．６μｍ以内の表面粗さＲａを達成することは可能だが、粉末焼結法では困難であった。

特許文献１のように、表面光沢を向上させる方法は提案されているが、三次元造形物の基本形状の精度が不十分な場合には、表面光沢を向上できたとしても、その用途は限られたものとなる。たとえば、ベアリングを支持する部品や、密着性が必要なフランジ継ぎ手のように、高い形状精度が必要な部分を含む部品の製造には、粉末焼結法は好適とは言えなかった。
そこで、粉末焼結法で三次元造形物を形成してから、高い形状精度が必要な部分については、事後的に機械加工で修正を加える方法も考えられる。

しかしながら、すでに基本形状が形成された部材の特定部分に高精度な加工を加えるためには、特別な治具や段取りを必要とするため、加工装置のコストが上昇したり、加工に要する時間が増大してスループットが低下する等の問題が生じる。また、三次元造形後に機械加工するのを前提とすると、加工ツールとの干渉防止などの必要性から、三次元造形物の形状の設計自由度が制約されてしまう問題も生じえる。また、三次元造形物の形状の誤差が大きいと、切削や研磨では修正できない場合もあり得る。修正できない部分が、たとえば取り付け軸やネジ穴のように、他物品との位置決めや固定に寄与する部分であれば、当該造形物は使用不能であるため廃棄するしかなくなり、製造歩留まりが低下してしまう。
かかる課題を解決するため、本発明は、粉末焼結法を活用しつつ、高い形状精度を必要とする部分を含む物品を、低いコストで製造できる方法を提供する。

本発明は、物品の一部となる部材を準備する工程と、前記物品の形状に則した位置姿勢になるよう前記部材をプレートの上に位置決めして固定する工程と、前記部材の上面が三次元造形の開始面になるように、前記部材が固定された前記プレートを三次元造形装置に位置決めして装着する装着工程と、前記三次元造形装置が前記部材の上面に造形材料を載置するとともにレーザ光を照射して、前記部材の上面に固着した造形部を形成する造形工程と、前記造形部が形成された前記部材が固定されている前記プレートを、前記三次元造形装置から脱離する脱離工程と、前記脱離工程の後に、前記造形部が形成された前記部材を前記プレートから分離する工程と、を有する、ことを特徴とする物品の製造方法である。

本発明は、粉末焼結法を活用しつつ、高い形状精度を必要とする部分を含む物品を、低いコストで製造できる。

（ａ）第一実施形態で製造する物品の斜視図。（ｂ）物品の部分カットモデルの斜視図。 第一実施形態の部材とプレートの模式的断面図。 実施形態の製造方法のフローチャート。 プレートにセットされた部材上面の位置測定を示す図。 プレートにセットされた部材上面の処理を示す図。 実施形態の三次元造形装置を示す図。 第一実施形態の三次元造形を示す模式的断面図。 （ａ）第二実施形態の造形直後の物品の形態を示す模式的断面図。（ｂ）第二実施形態の冷却後の物品の形態を示す模式的断面図。 第三実施形態の部材とプレートの模式的断面図。 第三実施形態の三次元造形を示す模式的断面図。 （ａ）第三実施形態の造形直後の物品の形態を示す模式的断面図。（ｂ）第三実施形態の冷却後の物品の形態を示す模式的断面図。 第四実施形態の部材とプレートの模式的断面図。 第四実施形態の三次元造形を示す模式的断面図。 （ａ）第四実施形態の造形直後の物品の形態を示す模式的断面図。（ｂ）第四実施形態の冷却後の物品の形態を示す模式的断面図。 （ａ）第五実施形態で製造する物品の斜視図。（ｂ）物品の部分カットモデルの斜視図。 第五実施形態の三次元造形を示す模式的断面図。 実施形態の造形物を備えたロボットを示す図。

以下、図面を参照して、本発明の三次元造形物の製造方法と三次元造形装置の実施形態を説明する。尚、焼結という用語は、固体粉末の集合体を融点よりも低い温度で加熱することで粉末が固まって焼結体と呼ばれる緻密な物体になる現象を指すこともあるが、以下の説明では、より広い意味で使用する。すなわち、焼結とは、固体粉末の集合体を加熱することで一体化した状態を形成する意味であり、融点よりも高い温度に加熱する場合も含むものとする。

［第一の実施形態］
［物品］
まず、高い形状精度で製造することが必要な部分を含む物品を、例を挙げて説明する。もちろん、以下の実施形態で説明する物品は例示であり、本発明の実施は、これに限られるものではない。

図１（ａ）は、製造しようとする物品の一例を示すための斜視図である。また、図１（ｂ）は、当該物品の構造を理解するための部分カットモデルの斜視図である。物品１００は、フランジ部１０１、フランジ部１０２、造形部（例えば中空で曲面で構成された筒状部）１０３よりなる物品であり、たとえばロボットの構造部品として用いられる。図１７は、ロボットの一例であって、よく知られた多関節ロボットの概略図である。多関節ロボットアームは、図１７に示すように複数のリンク部１７１が複数の関節１７２によって相対的に駆動される。図１（ａ）に示す物品１００は、図１７に示す複数のリンク部１７１のうちの一つのリンク部を示す。

フランジ部１０１およびフランジ部１０２は、各々造形部１０３と連結され、物品１００として一体化している。フランジ部１０１およびフランジ部１０２は、物品１００が例えばロボットアームの構造部品として用いられる際に、関節１７２の一部であるベアリング等の高精度な部品と嵌合する部分であるため、高い形状精度が要求される部位である。具体的には、誤差５０μｍ以下の寸法精度や、１．６μｍ以内の表面粗さＲａで作成される必要がある。また、関節１７２の一部である減速機等の装置に固定するためのねじ穴やピン穴も、高い位置精度で設けられている。つまり、フランジ部１０１は、第１の面１０１ａおよび第２の面１０１ｂを有し、第２の面１０１ｂに第１の取付け部１０１ｃを有している。フランジ部１０２は、第３の面１０２ａおよび第４の面１０２ｂを有し、第４の面１０２ｂに第２の取付け部１０２ｃを有している。本明細書では、フランジ部１０１を第１部材、フランジ部１０２を第２部材と称する場合がある。

一方、造形部１０３は、本実施形態においては、曲面形状を含む筒であり、ロボットアームのリンク部を軽量化する要請から薄肉化する必要はあるものの、フランジ部に比較すれば形状精度に対する要求は低い部分である。そして、造形部１０３はフランジ部との境界部である第一端部１０１Ａと第二端部１０２Ａを有しており、第一端部１０１Ａは、第１の面１０１ａに焼結により連結され、第二端部１０２Ａは、第３の面１０２ａに焼結により連結されている。本実施形態においては、造形部１０３が曲面形状を含む筒である例を示したがこれに限るものではない。また、本実施形態においては、造形部１０３を造形物、あるいは筒状部と称する場合がある。

［製造方法］
このように、高い形状精度が必要な部分と、比較的形状精度は低くても許容される部分が混在し、全体としては複雑な外形を有する物品を、本実施形態では、以下のようにして製造する。
本実施形態の製造方法について、図１〜図７を参照しながら説明する。尚、図３は、製造方法の工程を示すフローチャートである。

まず、物品１００の全体形状のうち、あらかじめ部材として準備する部分と、準備した部材の上に粉末焼結法で形成する部分とを区別し、それぞれの部分の形状を設計する。図３の工程Ｓ１である。

あらかじめ部材として準備する部分とは、粉末焼結法では達成するのが困難な高い形状精度が要求される部分である。図１（ａ）に示す物品１００の例では、フランジ部１０１およびフランジ部１０２が該当する。

部材上に粉末焼結法で形成する部分とは、粉末焼結法で達成し得る形状精度に準じた公差を設定しても、当該物品の機能や製造歩留まりに実用上の支障が生じない部分である。物品１００の例では、筒状部１０３が該当する。

なお、以下の説明では便宜のため、あらかじめ部材として準備する部分を「部材部」と、部材上に粉末焼結法で形成する部分を「粉末焼結部」と記す場合がある。
それぞれの部分の形状を設計するにあたり、部材部と粉末焼結部の境界面の形状については、粉末焼結部を形成する製造工程上の要請に留意して決定する。

すなわち、部材部と粉末焼結部の境界面は、概ね平坦に設定することが望ましい。粉末焼結部は、境界面上に原料粉末を層状に敷いてから局所選択的にレーザ光を照射して原料粉末の一部を焼結させて形成するが、原料粉末を一定の厚さで層状に敷くのを容易にするため、境界面は概ね平坦な面であることが望ましい。

また、境界面が複数ある場合には、原料粉末を一定の厚さで敷くのを容易にするため、複数の境界面は互いに平行な平坦面になるよう設定するのが望ましい。より望ましくは、複数の境界面は、同一の高さに、すなわちひとつの平面内に存在するように設定するのが望ましい。

また、スキージやローラ等の粉末積層手段が容易に稼動できて、しかも粉末層にレーザ光を照射する際に妨げる部分がないように、境界面よりも突出した部分が部材部には存在しないように境界面の位置を設定するのが望ましい。

以上を考慮し、本実施形態では、部材部であるフランジ部１０１と、粉末焼結部である筒状部１０３の境界を、図１（ｂ）に示した境界面１０１Ａに設定した。境界面１０１Ａは、つまり筒状部１０３の第一端部となる。同様に、フランジ部１０２と筒状部１０３の第二端部との境界を、境界面１０２Ａに設定した。境界面１０２Ａは、つまり筒状部１０３の第二端部となる。境界面１０１Ａと境界面１０２Ａは円環形状の平坦な面で、同一平面内に存在するように設定した。
部材部と粉末焼結部の形状が決定したら、部材部の設計形状に従って部材を準備する。図３の工程Ｓ２である。

本実施形態では、具体的には、図２に示すフランジ部材２０１とフランジ部材２０２を準備する。図２のフランジ部材２０１とフランジ部材２０２は、図１で示した物品１００の構成要素であるフランジ部１０１とフランジ部１０２に対応する部材である。図２では、図示の便宜上、形状を単純化した模式断面図として示している。フランジ部材２０１の上面（第一の面）２０１Ａは、図１（ｂ）で示した境界面１０１Ａに対応し、同様にフランジ部材２０２の上面（第三の面）２０２Ａは、境界面１０２Ａに対応する。上面２０１Ａと上面２０２Ａは、焼結用の原料粉末を均一な厚さで敷くことができるように、高い平坦性を有している。もっとも、部材と粉末焼結部の密着強度を高めるために、これらの面はミクロ的には表面粗さが大きくなるような粗面化処理を施された面であってもよい。

フランジ部材２０１とフランジ部材２０２には、後に説明するプレート２０３に位置決めして固定するためのねじ穴２０１Ｂとねじ穴２０２Ｂが設けられている。プレートに固定する時と、後に物品１００を他部品と組み合わせてロボットアームのような構造体を組み立てる時とで、同一形状の固定具（ボルト）を用いることができるように、ねじ穴の形状を設定するのが望ましい。もっとも、プレート２０３に固定するためだけの専用のねじ穴として設けてもよい。

フランジ部材２０１とフランジ部材２０２は、前述したように高い形状精度を要する部分を含んでいるので、旋盤やマシニングセンタなどのように、形状精度が三次元造形装置よりも高い製造装置を用いて製造する。場合によっては、形状精度が確保された市販の部品をフランジ部材として用いたり、市販の部品に追加の機械加工をしてフランジ部材として用いることも可能である。
次に、粉末焼結部を形成する際に部材を所定の位置姿勢で支持するためのプレートを準備する。図３の工程Ｓ３である。
本実施形態では、具体的には、図２に示すプレート２０３を準備する。図２では、図示の便宜上、形状を単純化した模式断面図として示している。

プレート２０３は、ねじ２０６を介して、フランジ部材２０１およびフランジ部材２０２を固定することができる。凹部２０４および凹部２０５は、それぞれフランジ部材２０１とフランジ部材２０２を、製造すべき物品１００の形状に則した位置姿勢になるように、位置決めする部分である。

このため、凹部の形状は、側面および底面がフランジ部材に対する位置基準になるよう形成するのが望ましい。また、凹部２０４と凹部２０５の相対位置は、作成すべき物品１００の形状に則した相対位置関係になるよう設定される。

また、部材の上面に原料粉末を一定の厚さで敷くのを容易にするため、本実施形態では、フランジ部材を支持した時にフランジ部材の上面２０１Ａと上面２０２Ａが同一平面になるように、凹部２０４と凹部２０５が設定されている。そして、フランジ部材の上面が、プレート２０３の上面２０３Ａと高さが等しいか、あるいは上面２０３Ａよりも上に突出するように、凹部２０４と凹部２０５の底面は設定されている。

また、プレート２０３は、後述するように三次元造形装置に着脱するので、固定用のねじ穴２０７と、位置決め基準となるピン穴２０８を備えている。プレート２０３は、例えばマシニングセンタなどの機械加工装置を用いて製作することで、たとえば５０μｍ以内の高精度で作成することが可能である。

部材とプレートを準備したら、部材をプレートに位置決めして固定する。図３の工程Ｓ４である。
なお、ここでは、強い力で固定可能だが、後に開放することができる固定方法として、ボルトによる締結を用いる。しかし、場合によっては、他の機械的固定手段であるクランパや、磁石を利用した磁力固定や、エア吸着や静電吸着などの吸着機構を利用した固定を採用してもよい。
本実施形態においては、フランジ部材２０１およびフランジ部材２０２をプレート２０３に固定する際、位置精度を高くするため以下の方法を行う。

まず、フランジ部材２０１、フランジ部材２０２、プレート２０３、ねじ２０６の温度が概ね等しくなるように、これらを同一の温度環境に置く。組み立て時に、各組み立て要素の間で温度差があると、組み立て後に膨張あるいは収縮のアンバランスが発生し、後に三次元造形装置に装着する際に位置関係が狂うからである。これらの組み立て要素を組み立て直前まで同一温度の環境に保管してもよいし、固定前の仮組み立てをした段階で恒温槽等に滞在させて温度を均一化させてもよい。

そして、温度が概ね等しく調整された組み立て要素を、所定の位置関係になるように配置して固定する。すなわち、フランジ部材２０１をプレート２０３の凹部２０４に、ねじ２０６を用いて固定する。同様に、フランジ部材２０２をプレート２０３の凹部２０５に、ねじ２０６を用いて固定する。

フランジ部材２０１の上面２０１Ａと、フランジ部材２０２の上面２０２Ａは、後に粉末焼結で三次元造形する際の基準位置すなわち造形開始面となるため、高さ方向に関しては、たとえば５０μｍ以内の誤差で固定されるのが望ましい。この位置精度を担保するため、本実施形態では、部材を固定した後のプレートを、図４に示すように、測定装置にセットして上面２０１Ａと上面２０２Ａの位置姿勢を計測し、所定の誤差範囲内にあるかを検査する。

図４において、定盤４０２の上には、フランジ部材が固定されたプレート２０３と精密測定が可能なハイトゲージ４０１が搭載されている。尚、図４の測定環境は、不図示の温度調整機構により、一定の温度になるように調整されている。ハイトゲージ４０１は、フランジ部材の上面２０１Ａ、上面２０２Ａおよびプレート２０３の上面２０３Ａの高さを計測し、所定の誤差範囲内にあるかを確認する。

所定の誤差範囲内になかった場合には、フランジ部材の位置を調整する。位置調整の一つの方法としては、フランジ部材がプレート２０３に対して可動になるように、ねじ２０６を一旦緩めてから、再度位置あわせをして固定する。

位置調整の別の方法としては、フランジ部材が固定されたプレート２０３を加工機にセットし、上面２０１Ａ、上面２０２Ａの高さを調整する。たとえば、図５に示すように、加工テーブル５０２上にフランジ部材が固定されたプレート２０３をセットし、ミーリングカッタ５０１を使って上面２０１Ａと上面２０２Ａの高さが揃うように切削加工することが可能である。

また、このようにフランジ部材が固定されたプレート２０３を加工機や洗浄装置にセットすれば、位置の再調整に限らず、フランジ部材の表面のクリーニング処理や、焼結部の密着性を向上させるための粗面化などの処理行うことも可能である。

本実施形態では、部材を可搬性のあるプレートに位置決め固定し、その後にプレートを三次元造形装置に装着するため、位置決め固定、固定位置の確認、調整、表面処理等を装着の前に容易に行うことができる。

仮に、部材を三次元造形装置の造形ステージに直接固定するとすれば、位置測定や再調整や表面処理を三次元造形装置のステージ上で実行することになるが、装置レイアウトの制約から困難である。また、仮に可能であったとしても、三次元造形装置内で固定や位置測定や再調整を実行すると、その間は造形動作が出来ないため、三次元造形装置の実質的な稼動率が低下してしまう。

これに対して、本実施形態では、部材をプレートに位置決め固定するが、プレートには可搬性があるため、三次元造形装置の造形ステージなどと異なり、容易に固定作業が可能で、位置測定装置や加工装置にも簡単にセットすることができる。また、測定の結果、位置の再調整が必要だとしても、三次元造形装置を停止させなければならないわけではない。当該プレートを再調整する間は、三次元造形装置には別のプレートをセットすればよいので、本実施形態では三次元造形装置の稼動率が低下することはない。また、部材を位置決め固定した後に表面処理等を行うのも容易で、その間に三次元造形装置を停止させる必要もない。

そして、部材をプレートの所定位置に固定したら、図３の工程Ｓ５として当該プレートを三次元造形装置にセットし、図３の工程Ｓ６として粉末焼結部を造形する。

まず、図６を用いて、本実施形態で使用する三次元造形装置６００の基本構成を説明する。造形テーブル６０１は、部材が固定されたプレートを装着するためのテーブルで、位置基準としてピン６０２を備えている。ピン６０２とプレート２０３のピン穴２０８を嵌合させることで、プレート２０３の位置決めがなされる。本実施形態では、プレート２０３は、ネジ６０３により造形テーブル６０１に固定される。造形テーブル６０１は、水平移動機構６０４と垂直移動機構６０５により、水平方向および垂直方向に移動可能に支持されている。

造形テーブル６０１の上方には、粉末層形成装置６０６、移動ガイド６０７、レーザ光源６０８、スキャナ６０９、集光レンズ６１０が配置されている。粉末層形成装置６０６は、原料となる粉末を所定の厚さで積層するための装置で、水平方向に移動することができるように移動ガイド６０７に支持されている。レーザ光源６０８、スキャナ６０９、集光レンズ６１０は、原料粉末層にレーザ光を局所選択的に照射するための照射光学系を構成している。

制御部６１１は、三次元造形装置６００の動作を制御するためのコンピュータで、内部には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポート等を備えている。ＲＯＭには、三次元造形装置６００の動作プログラムが記憶されている。Ｉ／Ｏポートは、外部機器やネットワークと接続され、たとえば三次元造形に必要なデータの入出力を行うことができる。制御部６１１は、造形テーブルの水平移動機構６０４と垂直移動機構６０５、粉末層形成装置６０６、レーザ光源６０８、スキャナ６０９、集光レンズ６１０などの各部と接続され、これらの動作を制御する。

本実施形態では、以下のようにプレートを三次元造形装置に装着する。まず、プレート２０３を造形テーブル６０１上に位置決めして固定する。すなわち、フランジ部材２０１の上面２０１Ａおよびフランジ部材２０２の上面２０２Ａが、原料粉末を積層したり、レーザ光を照射することが可能になる位置にプレート２０３を固定する。また、フランジ部材２０１の上面２０１Ａおよびフランジ部材２０２の上面２０２Ａに粉末層を形成するのが容易になるように、これらの面が水平になるようにプレート２０３を固定する。

プレートの装着が完了したら、三次元造形装置６００を以下のように動作させて、フランジ部材上に粉末焼結部を形成する。まず、制御部６１１は、水平移動機構６０４と垂直移動機構６０５に指令を送り、造形動作をするための初期位置に造形テーブル６０１を移動させる。

次に制御部６１１は、粉末層形成装置６０６に指令を送り、フランジ部材２０１の上面２０１Ａと、フランジ部材２０２の上面２０２Ａの上に、一層目の原料粉末の層６１２を形成させる。粉末層を形成する際には、粉末層形成装置６０６は移動ガイド６０７に沿って造形テーブル６０１上を移動しながら粉末を積層させる。上面２０１Ａと上面２０２Ａの上に所定の厚みで平坦に粉末を敷くのを容易にするため、図６に示すように、周囲のプレート２０３の上面や、フランジ部材の凹部にも粉末は敷かれる。

１層目の粉末層が形成されたら、制御部６１１は、水平移動機構６０４とレーザ光源６０８、スキャナ６０９、集光レンズ６１０に指令を送り、造形しようとする物品の形状に沿った箇所にレーザ光を照射して原料粉末を焼結させる。レーザ光源６０８から出射したレーザ光は、スキャナ６０９で図６の紙面に対して垂直方向に走査される。この方向を主走査方向と呼ぶ。レーザ光は、集光レンズ６１０で粉末層の極めて狭い領域に集束され、粉末層のうち局所加熱された部分は焼結する。造形テーブル６０１が水平移動機構６０４によって移動する方向、すなわち図６の左右方向を副走査方向と呼ぶ。主走査と副走査を組合せて走査しながら、レーザ光源６０８を明滅させることにより、粉末層の任意の位置にレーザ光を照射して焼結部６１３を形成することができる。制御部６１１は、工程Ｓ１で定めた粉末焼結部の形状データに基づき、１層目の形状パターンに沿ってレーザ光を照射させ、粉末を焼結させる。具体的には、Ｓ１で定めた粉末焼結法で形成する部分として設計された形状（造形物の設計形状データ）を複数の層に分割し、前記複数の層の一つの層ごとにレーザ光を照射させる位置を示すデータを作成する。そして、作成したデータ（スライスデータ）に基づいてレーザ光を照射させ、粉末を焼結させる。前記複数の層の少なくとも一層（一層目が好ましい）の形状パターンには、筒状部１０３の第一端部および筒状部１０３の第二端部の形状データが含まれていることが好ましい。

こうして、１層目の造形が完了したら、制御部６１１は、垂直移動機構６０５に指令を送り造形テーブル６０１の高さを１層の厚さ分だけ下降させ、さらに粉末層形成装置６０６に指令を送り、２層目の原料粉末の層を形成させる。続いて、制御部６１１は、水平移動機構６０４とレーザ光源６０８、スキャナ６０９、集光レンズ６１０に指令を送り、２層目の形状パターンに沿ってレーザ光を照射させ、２層目の焼結部を形成させる。

以下、図７に模式的断面で示すように、同様の工程を繰り返して、各層の焼結部を順次形成してゆき、工程Ｓ１で定めた形状の粉末焼結部７０３を造形してゆく。尚、図７は図示の便宜のため模式的に示したが、実際の原料粉末は粒径が数μｍから数十μｍと細かく、粉末層は厚さが数十μｍ程度の薄い層であり、物品１００の筒状部１０３を形成するには、非常に多くの層が形成される。

なお、本実施形態では、原料粉末として金属粒子の粉末、もしくは金属粒子どうしを結び付けるバインダー粒子を混合した粉末を用いた。フランジ部と焼結部の接着強度を高めるには、粉末の材料とフランジ部の上面すなわち造形開始面の材料とが、レーザ光で加熱されて高温になった際に相互に拡散するか、あるいは溶融しあって固着するのが望ましい。したがって、部品の造形開始面の材料と粉末材料は、ともに鉄系の材料を用いるか、ともにアルミ系材料を用いるなど、親和性の高い材料の組み合わせを選択するのが望ましい。もちろん、作成する物品によっては、部品と粉末の材料は本実施形態と異なってもよく、例えば粉末としてナイロンなど樹脂の粉末や、セラミック粒子とバインダー粒子の混合粉末を用いてもよい。

こうして、フランジ部１０１およびフランジ部１０２の上に筒状部１０３に相当する焼結部が形成され、物品１００の形態が完成したら、ネジ６０３を緩めて三次元造形装置６００の造形テーブル６０１から、プレート２０３をはずして脱離させる。図３の工程Ｓ７である。

次に、物品１００が固定されたままのプレート２０３を、熱処理装置に移動させ、造形物に蓄積している内部応力を熱処理によって緩和させる。図３の工程Ｓ８である。

粉末焼結法で三次元造形する際には、温度が高い状態で焼結が行われるが、造形終了後に温度が下がることにより、造形物は寸法変化する。この寸法変化の影響は、造形物に蓄積している内部応力を熱処理によって緩和する事により、軽減できる。
そこで、本実施形態では、完成した物品をプレートに固定したままアニール（熱処理）することにより、寸法を保ったまま応力を緩和させる。例えば材料が鉄系の場合、ひずみ取り焼なましとして、５００度Ｃ程度から徐々に冷却する処理を行う。尚、造形物が寸法変化するとしても、当該物品の仕様上問題ない範囲である場合は、この熱処理工程は省略することも可能である。

次に、部品を固定していたボルトを取り外し、完成した物品１００をプレート２０３から取り外して分離する。図３の工程Ｓ９である。

こうして製作した物品は、焼結により三次元造形した部分と、機械加工で作成したフランジ部分から構成されている。そして、レーザ焼結する時に、境界面付近の焼結原料の粉末と部材の材料が溶け合って固く結合したので、物品は十分な構造強度を有している。

両端のフランジの部分は形状精度が高いので、焼結により三次元造形した後に機械加工して精度を向上する必要が無い。このため、従来の三次元造形よりも製造コストが安い。
また、本実施形態で説明した物品は、例えばロボットにおける他の部品と高精度に組み立て可能な部品として使用することが可能である。
また、造形した物品をアニール処理して応力を緩和してから、プレートから取り外すことにより、造形後の変形の影響を軽減できる。そして、粉末焼結法を活用しつつ、高い形状精度を必要とする部分を含む物品を、低いコストで製造できる。

［第二の実施形態］
第一の実施形態では、図２に示したプレート２０３において、フランジ部材２０１とフランジ部材２０２を固定する凹部２０４および凹部２０５の位置は、物品１００の形状寸法に則して決定していた。そして、粉末焼結工程後における冷却で寸法形状が変化するのを抑制するため、必要に応じてアニール処理を行っていた。

第二の実施形態では、造形終了後の寸法変化の影響を低減するため、造形終了後の冷却による収縮を予め考慮し、収縮後に物品が設計形状に近づくように、あらかじめオフセットさせた位置に凹部を形成しておき、部材をプレートに取り付ける。

図８（ａ）に造形直後の高温状態における物品の形態を示し、図８（ｂ）に造形終了後に冷却が十分進んだ後の物品の形態を示す。図は、冷却により焼結部８０３が収縮することにより、フランジ部材８０４とフランジ部材８０５の中心間隔が、ＡからＢに変化することを示している（Ａ＞Ｂ）。

収縮後に設計形状通りの物品を得るためには、物品の設計形状に収縮分を加えた距離だけ離れた位置にフランジ部材を固定するように、凹部の位置をオフセットさせてプレートの形状を設計すればよい。オフセット補正する量を決定するには、熱変形シミュレーションが有効である。あるいは簡便な計算により、決めてもよい。例えば造形時の温度上昇を１００度とし、寸法を３００ｍｍ、線熱膨張係数を３０ｐｐｍ／度とすると寸法変化は０．９ｍｍとなる。また、実際に三次元造形物を試作し、収縮量を計測により求めてもよい。

図３の工程Ｓ３において、オフセットさせた凹部を有するプレート２０３を準備し、その他の工程は第一の実施形態と同様にして物品を製造したところ、形状精度がさらに向上した物品を製造することができた。

［第三の実施形態］
本実施形態は、造形後の焼結部の寸法変化による部材間の距離の変化だけでなく、角度変化も補正するものである。図９は、第一の実施形態における図２に対応する図であるが、図９に示すように、本実施形態では部材９０１と部材９０２の下面を角度ｅで傾斜させた形に製作する。図３の工程Ｓ１、Ｓ２である。
さらに、プレート９０３の凹部９０４と凹部９０５の底面（つきあて面）も同じ傾斜の角度ｅで傾斜させる。図３の工程Ｓ３である。

部材９０１と部材９０２を、ボルト９０６と部材に設けたねじ穴９０１Ｂ、９０２Ｂを使って、プレート９０３に固定する。すると、図１０に示すように、造形開始面である部材上面９０１Ａと９０２Ａは水平となる。図３の工程Ｓ４である。
そして、第一の実施形態、第二の実施形態と同様に、積層と焼結を繰り返し、焼結部１００３を形成する。

図１１（ａ）に造形直後の高温状態における物品形状を、図１１（ｂ）に冷却が十分進んだ後の物品形状を示す。造形直後は２つの部材９０１、９０２間の中心距離がＣで、傾斜の角度ｅだったのが、冷却後は寸法がＤで傾斜角度が水平に戻る。

以上説明したように、本実施形態では寸法だけでなく、傾斜角度についても造形後の冷却時の収縮の影響を補正できる。尚、寸法や角度ｅを決定する方法は、熱変形シミュレーション、簡易計算、あるいは試作による実験的な測定が有効である。

［第四の実施形態］
第三の実施形態では、部品の下面を傾斜させたが、本実施形態では上面を傾斜させる点が異なる。図１２は、第三の実施形態における図９に対応する図であるが、図に示すように、本実施形態では部材１２０１の上面１２０１Ａと、部材１２０２の上面１２０２Ａを角度ｅで傾斜させた形にし、下面にはねじ穴１２０１Ｂとねじ穴１２０２Ｂを設ける。図３の工程Ｓ１、Ｓ２である。

さらに、プレート１２０３の凹部１２０４と凹部１２０５の底面（つきあて面）は、水平面に対して傾斜の角度ｅで逆傾斜させ、ボルト用のざぐり穴も傾斜の角度ｅで傾斜させる。図３の工程Ｓ３である。

部材１２０１と部材１２０２を、ボルト１２０６を使って、プレート１２０３に固定する。すると、図１３に示すように、造形開始面となる部材の上面１２０１Ａ、１２０２Ａは水平となる。図３の工程Ｓ４である。
そして、第一の実施形態、第二の実施形態と同様に、積層と焼結を繰り返し、焼結部１３０３を形成する。

図１４（ａ）に造形直後の高温状態における物品形状を、図１４（ｂ）に冷却が十分進んだ後の物品形状を示す。造形直後は２つの部材１２０１、１２０２の中心間の距離がＥで、傾斜の角度ｅだったのが、冷却後は寸法がＦで傾斜の角度が水平に戻る。

以上説明したように、本実施形態では寸法だけでなく、傾斜角度についても造形後の熱収縮の影響を補正できる。本実施形態では、図１４（ｂ）に示すように、最終的な物品のネジ穴を下面に対して垂直にできる。このため、当該物品を他物品に取り付けて固定する際に、容易に組立作業をすることができる。尚、寸法や角度ｅを決定する方法は、熱変形シミュレーション、簡易計算、あるいは試作による実験的な測定が有効である。

［第五の実施形態］
本実施形態は、第一の実施形態〜第四の実施形態とは異なる物品を製造する例で、部材をプレートに固定する方法が異なる。第一の実施形態〜第四の実施形態と共通な部分については、説明を簡略化する。

図１５（ａ）は、本実施形態で製造しようとする物品の一例を示すための斜視図である。また、図１５（ｂ）は、当該物品の構造を理解するための部分カットモデルの斜視図である。
図１５に示す物品は、吸着パッド１５００である。吸着パッド１５００は、気密性を確保するため、高い精度の平滑面として製作されるべき吸着面１５０１Ａを含む円環状のパッド部１５０１を有している。また、吸着パッド１５００は、吸着面１５０１Ａほど高い形状精度を要求されない部位として、減圧空間を保持するためのボディ部１５０２と、配管接続部１５０３を備える。

［製造方法］
本実施形態の製造方法について、図３のフローチャートならびに図１５〜図１６を参照しながら説明する。

まず、物品である吸着パッド１５００の全体形状のうち、あらかじめ部材として準備する部分と、準備した部材の上に粉末焼結法で形成する部分とを区別し、それぞれの部分の形状を設計する。図３の工程Ｓ１である。

あらかじめ部材として準備する部分とは、粉末焼結法では達成するのが困難な高い形状精度が要求される部分であり、吸着パッド１５００の例では、円環状のパッド部１５０１が該当する。

部材上に粉末焼結法で形成する部分とは、粉末焼結法で達成し得る形状精度に準じた公差を設定しても、当該物品の機能や製造歩留まりに実用上の支障が生じない部分であり、吸着パッド１５００の例では、ボディ部１５０２と配管接続部１５０３が該当する。

それぞれの部分の形状を設計するにあたり、部材部と粉末焼結部の境界面の形状については、第一の実施形態〜第四の実施形態と同様に、粉末焼結部を形成する製造工程上の要請に留意して決定する。

すなわち、部材部と粉末焼結部の境界面は、概ね平坦に設定することが望ましい。本実施形態では、部材部である円環状のパッド部１５０１と、粉末焼結部であるボディ部１５０２の境界を、図１（ｂ）に示した境界面１５０１Ｂに設定した。

部材部と粉末焼結部の形状が決定したら、部材部の設計形状に従って部材を準備する。本実施形態では、極めて平坦性の高い平滑面を下面とする円環状の部材１６００を準備する。部材１６００の上面は、焼結用の原料粉末を均一な厚さで敷くことができるように、平坦性が高い面で構成される。もっとも、上面は部材と粉末焼結部の密着強度を高めるために、ミクロ的には表面粗さが大きくなるような粗面化処理を施された面であってもよい。図３の工程Ｓ２である。

次に、粉末焼結部を形成する際に部材を所定の位置姿勢で支持するためのプレートを準備する。本実施形態では、図１６に断面形状を模式的に示したプレート１６０３を準備する。図３の工程Ｓ３である。

本実施形態の部材１６００は、第一の実施形態〜第四の実施形態で例示した部材と異なり、吸着面のように気密性が要求される部位を含むため、ねじ穴を設けることが困難である。そこで、本実施形態では、部材１６００を位置決め固定するための保持部材１６０１を用いる。すなわち、部材１６００の外側から保持部材１６０１を当接させ、プレート１６０３にボルト１６０２を使って位置決め固定する。図１６の例では、２つの保持部材１６０１を用いているが、保持部材は３つ以上あっても良い。

本実施形態で焼結により作成するボディ部１５０２と配管接続部１５０３は、部材１６００から横にオーバーハングした形状を有するため、その下にサポート構造１６０６を焼結で造形する必要がある。言い換えれば、部材１６００の上面以外の領域にも焼結開始面が必要となる。プレート１６０３の上面を焼結開始面とすると、一旦使用したプレート１６０３には焼結で作成したサポート構造が固着し、プレートを再利用することが困難である。そこで、本実施形態のプレート１６０３は、焼結台１６０４を着脱することができるように構成する。焼結台１６０４は、物品としての吸着パッド１５００に含まれる部材ではないが、その上面が焼結部を形成する焼結開始面となる台である。

本実施形態では、焼結台１６０４をボルト１６０５を使ってプレート１６０３に着脱可能な駒部材になるよう構成し、焼結台１６０４を取替え可能とすることにより、プレート１６０３の再利用を容易にした。

部材の上面に原料粉末を一定の厚さで敷くのを容易にするため、本実施形態では、部材１６００の上面、保持部材１６０１の上面、焼結台１６０４の上面、プレート１６０３の上面が同一平面になるように設定されている。

部材１６００および焼結台１６０４をセットした状態のプレート１６０３を、ピン６０２を使って位置決めし、三次元造形装置の造形テーブル６０１に装着する。以後は、第一の実施形態〜第四の実施形態と同様に、原料粉末の積層とレーザ焼結を繰り返し行い、ボディ部１６０７と配管接続部１６０８およびサポート構造１６０６を造形する。造形品をプレートから取り外し、サポート構造１６０６を機械加工により切り離し、物品である吸着パッド１５００が完成する。

本実施形態においては、ボルト穴等を設けることが困難な部材であっても、保持部材をかぶせることにより、プレートに位置決め固定する事ができた。本実施形態においては、プレートに焼結台を着脱可能に設置できるようにしたため、たとえばサポート構造を形成する等の理由で、部材の上面以外の領域から焼結を開始する場合であっても、プレートを傷めることがない。このため、プレートの再利用が容易になり、物品を量産するにあたってコストの低減が可能である。

［その他の実施形態］
本発明の適用は、上記実施形態に限られるものではなく、適宜変更したり、組み合わせたりすることが可能である。
たとえば、図３で説明した製造方法のフローにおいて、工程Ｓ２と工程Ｓ３の順番を入れ替えたり、これらを同時並行的に行っても良い。また、工程Ｓ８は、製造する物品に応じて必要なければ省略しても良い。また、工程Ｓ７または工程Ｓ９の後で、物品に付着した未焼結の粉末をエアブロー等でクリーニングする工程を付け加えても良い。また、部材をプレートに着脱可能に位置決め固定する機構は、ねじ止めでなくてもよい。

また、プレートの形状は必ずしも上記実施形態の例に示すように板状である必要はなく、部材を所定の位置姿勢で固定できて、三次元造形装置に着脱可能に搭載するための基台として機能し得る形状であればよい。

また、上記の実施形態では、部材上に焼結材の粉末を層状に積層し、レーザ光を選択的に照射して粉末を焼結する三次元造形方法および装置を例にして説明した。しかし、プレートに位置決め固定された部材上に三次元造形物を直接形成する方法は、これに限られない。たとえば、あらかじめシート状に形成された造形材料を部材上に載置し、選択的にレーザ光を照射して加熱し、プレートに位置決め固定された部材上に造形材料を転写して積層する工程を繰り返してもよい。また、プレートに位置決め固定された部材を光硬化樹脂の液体に浸漬させる等して、部材の上面に光硬化性の液状材料を付与し、紫外線レーザを選択的に照射して光硬化させ、部材上に光硬化部を形成させる方法でもよい。

また、第一〜第五の実施形態は、部材と三次元造形部の材料として、同種の材料を用いるのが好ましい例であったが、作成しようとする物品しだいでは、固着が可能であるならば、物性が大きく異なる材料の組み合わせで実施しても良い。たとえば、作成する物品が複雑な形状のコンタクト部と絶縁部を含む電気部品の場合には、機械加工された金属等の導電性部材上に、樹脂等の絶縁材料で絶縁部を三次元造形してもよい。

また、第一の実施形態では、２つの部材を準備し、三次元造形で造形部を形成した連結したが、部材の数は３つ以上でもよい。また、第五の実施形態で説明した焼結台を用いるのは、部材が１個の場合に限るわけではなく、複数の部材を用いる場合に焼結台を用いてサポート構造を形成してもよい。本発明の実施形態によれば、粉末焼結法を活用しつつ、高い形状精度を必要とする部分を含む物品を、低いコストで製造できる。

１０１・・・フランジ部／１０１Ａ・・・境界面／１０２・・・フランジ部／１０２Ａ・・・境界面／１０３・・・筒状部／２０１・・・フランジ部材／２０２・・・フランジ部材／２０３・・・プレート／４０１・・・ハイトゲージ／５０１・・・ミーリングカッタ／６０１・・・造形テーブル／６０２・・・ピン／６１３・・・焼結部／６０４・・・水平移動機構／６０５・・・垂直移動機構／６０６・・・粉末層形成装置／６０７・・・移動ガイド／６０８・・・レーザ光源／６０９・・・スキャナ／６１０・・・集光レンズ／６１１・・・制御部／６１２・・・原料粉末の層／７０３・・・粉末焼結部／１６００・・・部材／１６０１・・・保持部材／１６０３・・・プレート／１６０４・・・焼結台／１６０６・・・サポート構造

Claims (22)

1. 物品の一部となる部材を準備する工程と、
   前記物品の形状に則した位置姿勢になるよう前記部材をプレートの上に位置決めして固定する工程と、
   前記部材の上面が三次元造形の開始面になるように、前記部材が固定された前記プレートを三次元造形装置に位置決めして装着する装着工程と、
   前記三次元造形装置が前記部材の上面に造形材料を載置するとともにレーザ光を照射して、前記部材の上面に固着した造形部を形成する造形工程と、
   前記造形部が形成された前記部材が固定されている前記プレートを、前記三次元造形装置から脱離する脱離工程と、
   前記脱離工程の後に、前記造形部が形成された前記部材を前記プレートから分離する工程と、を有する、
   ことを特徴とする物品の製造方法。
2. 前記物品の一部となる部材を準備する工程の前に、
   前記物品のうち、あらかじめ部材として準備する部位の形状データと、三次元造形装置で形成する部位の形状データを作成する工程を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の物品の製造方法。
3. 前記造形工程は、前記三次元造形装置で形成する部位の形状データに基づき、前記三次元造形装置の制御部がレーザ光の照射を制御する工程である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の物品の製造方法。
4. 前記物品の一部となる部材を準備する工程は、前記あらかじめ部材として準備する部位の形状データにもとづき、形状精度が前記三次元造形装置よりも高い製造装置で部材を作成する工程を含む、
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の物品の製造方法。
5. 前記物品の形状に則した位置姿勢になるよう前記部材をプレートの上に位置決めして固定する工程は、前記造形部を形成した後に生ずる収縮分をオフセット補正した位置に前記部材を固定する工程である、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の物品の製造方法。
6. 前記脱離工程の後で、
   前記造形部が形成された前記部材を前記プレートから分離する工程の前に、
   前記造形部が形成された前記部材が固定されている前記プレートにアニール処理を行う、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の物品の製造方法。
7. 前記物品の形状に則した位置姿勢になるよう前記部材をプレートの上に位置決めして固定する工程の後で、
   前記装着工程の前に、
   前記プレートに固定された前記部材の上面に表面処理を行う、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の物品の製造方法。
8. 前記表面処理は、粗面化処理である、
   ことを特徴とする請求項７に記載の物品の製造方法。
9. 前記表面処理は、クリーニング処理である、
   ことを特徴とする請求項７に記載の物品の製造方法。
10. 前記物品の形状に則した位置姿勢になるよう前記部材をプレートの上に位置決めして固定する工程においては、前記物品の部分となる複数の部材を前記プレートの上に位置決めして固定する、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の物品の製造方法。
11. 前記物品の部分となる複数の部材の上面が、互いに平行に位置するように前記プレートの上に位置決め固定する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の物品の製造方法。
12. 前記物品の部分となる複数の部材の上面が、同一平面内に位置するように前記プレートの上に位置決め固定する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の物品の製造方法。
13. 前記造形工程においては、前記物品の部分となる複数の部材を、前記造形部で連結する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の物品の製造方法。
14. 前記プレートに着脱可能に固定された駒部材の上面に造形材料を載置するとともにレーザ光を照射して、前記造形部を支持するサポート構造を形成する工程を有する、
    ことを特徴とする請求項１乃至１３のうちいずれか１項に記載の物品の製造方法。
15. 前記造形工程は、焼結材の粉末を前記部材の上面に層状に積層するとともに、レーザ光を照射して焼結させる工程である、
    ことを特徴とする請求項１乃至１４のうちいずれか１項に記載の物品の製造方法。
16. 前記造形工程は、シート状の造形材料を前記部材の上に載置するとともに、レーザ光を照射して前記造形材料を前記部材の上面に積層する工程である、
    ことを特徴とする請求項１乃至１４のうちいずれか１項に記載の物品の製造方法。
17. 前記造形工程は、光硬化性の液状材料を前記部材の上面に付与するとともに、レーザ光を照射して光硬化させる工程である、
    ことを特徴とする請求項１乃至１４のうちいずれか１項に記載の物品の製造方法。
18. 請求項１乃至１７のうちいずれか１項に記載の製造方法で物品を製造する工程と、
    部品を準備する工程と、
    前記物品と前記部品とを組み立てる工程と、
    を有することを特徴とする構造体の製造方法。
19. 前記物品の形状に則した位置姿勢になるよう前記部材をプレートの上に位置決めして固定する工程と、
    前記物品と前記部品とを組み立てる工程とは、
    同一形状の固定具を用いる、
    ことを特徴とする請求項１８に記載の構造体の製造方法。
20. 第１の面および第２の面を有し、前記第２の面に第１の取付け部を有する第１部材と、
    第３の面および第４の面を有し、前記第４の面に第２の取付け部を有する第２部材と、
    第一端部と第二端部を有する造形物と、を有し、
    前記第一端部は、前記第１の面に焼結により連結され、前記第二端部は、前記第３の面に焼結により連結され、
    前記第１の取り付け部は第３の部材に取り付け可能であり、前記第２の取り付け部は第４の部材に取り付け可能であることを特徴とする構造体。
21. 請求項２０記載の造形物の設計形状データが複数の層に分割されたスライスデータであって、前記複数の層の少なくとも一層の形状パターンには、前記造形物の第一端部と第二端部の形状データが含まれることを特徴とするスライスデータ。
22. 第１の関節と、
    第２の関節と、
    第一端部と第二端部を有する造形物と、
    第１の面および第２の面を有し、前記第２の面に第１の取付け部を有する第１部材と、
    第３の面および第４の面を有し、前記第４の面に第２の取付け部を有する第２部材と、を有し、
    前記第一端部は、前記第１の面に焼結により連結され、前記第二端部は、前記第３の面に焼結により連結され、
    前記第１の取り付け部は前記第１の関節に取り付けられ、前記第２の取り付け部は前記第２の関節に取り付けられていることを特徴とするロボット。

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