JP3446748B2 - 三次元形状造形物の製造方法および成形金型 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粉末に光ビームを
照射して結合層を形成し、この結合層を積重ねて所望の
三次元形状に造形するようにした三次元形状造形物の製
造方法に関するものであり、またこの三次元形状造形物
からなる成形金型に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属粉末などの無機質粉末あるいは樹脂
粉末などの有機質粉末の層にレーザビームなどの光ビー
ムを照射し、粉末を溶融固化させて結合させることによ
って結合層を形成し、この結合層の上にさらに粉末の層
を被覆すると共にこの粉末に光ビームを照射して同様に
結合させることによって下の結合層と一体になった結合
層を形成し、そしてこれを繰り返すことによって、複数
の結合層が積層一体化された粉末結合体を作製する方法
がある。

【０００３】特に粉末として金属粉末を用い、金属粉末
の層にレーザビームなどの光ビームを照射して金属粉末
を焼結させることによって、金属粉末が焼結して結合し
た焼結層として結合層を形成し、この結合層の上に金属
粉末の層を被覆すると共にこの金属粉末にレーザビーム
を照射して焼結させることによって下の結合層と一体に
なった結合層を形成し、そしてこれを繰り返すことによ
って、複数の結合層が積層一体化された金属粉末焼結体
からなる粉末結合体を作製する方法が、例えば特許第２
６０３５３号公報や特開２０００−７３１０８公報など
で提供されている。

【０００４】図１３はその一例を示すものであり、まず
図１３（ａ）のように昇降テーブル１の上に金属粉末２
をスキージー３で所定の厚みに分与する。昇降テーブル
１は基準テーブル４の側面に沿って昇降するものであ
り、スキージー３は基準テーブル４の上面と同じレベル
で水平方向に往復移動するようにしてある。従って、昇
降テーブル１の上面と基準テーブル４の上面との間のΔ
ｔの段差に相当する厚みで金属粉末２の層を昇降テーブ
ル１の上に形成することができる。この後、図１３
（ｂ）のように、集光レンズ５で集光したレーザビーム
などの光ビームＬを走査させ、この金属粉末２の層の必
要な部分にのみ光ビームＬを照射することによって、光
ビームＬを照射した部分の金属粉末２の層を焼結し、厚
みΔｔの結合層６ａを焼結層として形成させる。次に、
昇降テーブル１をΔｔの寸法で下降させ、この結合層６
ａの上に金属粉末２を供給し、図１３（ｃ）のようにス
キージー３によってΔｔの厚みで金属粉末２の層を結合
層６ａの上に被覆させ、次いで図１３（ｄ）のようにこ
の金属粉末２の層の必要な部分にのみ光ビームＬを照射
して焼結し、結合層６ａの上に結合層６ｂを一体に積層
させる。

【０００５】そしてこの操作を必要な層数だけ繰り返す
ことによって、図１３（ｅ）のように所定数の結合層６
ａ〜６ｆを積層一体化し、図１４のような複数の結合層
６ａ〜６ｆからなる金属粉末焼結体として粉末結合体Ａ
を作製することができるものである。

【０００６】ここで、上記のようにして粉末結合体Ａを
作製するにあたっては、図１５（ａ）のような製品モデ
ル１０を設計する際の三次元ＣＡＤデータに基づいて、
製品モデル１０を図１５（ｂ）のように所定の間隔Δｔ
で水平にスライスしたときの各層１０ａ〜１０ｆのスラ
イス面の断面データを得て、このスライス断面データを
基にして金属粉末２の各層に照射する光ビームＬの走査
経路を決定し、各層１０ａ〜１０ｆに対応する水平断面
形状で各結合層６ａ〜６ｆを形成することによって、製
品モデル１０と同じ三次元形状に造形された粉末結合体
Ａを作製することができるものである。そしてこのよう
に各結合層６ａ〜６ｆを順次形成して積み重ねていく工
法をとることによって、三次元ＣＡＤにより設計された
形状に従って三次元的に切削加工するＣＡＭを用いるよ
うな必要がなくなり、二次元的な加工の繰り返しで三次
元的に造形された製品を作製することが可能になるもの
であり、複雑な機構の装置を用いる必要なく三次元形状
造形物を迅速に製作することができるものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにして三次
元形状造形物として製作される粉末結合体Ａにあって、
粉末結合体Ａを例えば成形金型などとして用いる場合に
は、冷却や加熱などの機能を持たせるために、粉末結合
体Ａ内に流体が流通する経路を形成することが行なわれ
ている。そして、粉末焼結体Ａの内部には粉末が焼結な
どで結合された緻密な状態で充填されているので、粉末
結合体Ａ内に流体経路を形成する場合には、粉末結合体
Ａを造形した後、粉末結合体Ａに切削や孔あけなどの加
工を行なう必要がある。

【０００８】しかし、このような切削や孔あけなどの加
工では、粉末結合体Ａ内に形成する流体経路の形状が単
純なものに制限されるものであり、最適な形状で自由に
流体経路を設計して形成することはできないものであっ
た。

【０００９】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
あり、粉末結合体内に最適な形状で自由に流体経路を形
成することができる三次元形状造形物の製造方法を提供
することを目的とするものであり、またこのような最適
な形状で自由に形成した流体経路で各種の機能を持たせ
ことができる成形金型を提供することを目的とするもの
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
三次元形状造形物の製造方法は、粉末２の層の所定箇所
に光ビームＬを照射して溶融結合させることによって粉
末２が結合した結合層６を形成し、この結合層６の上に
粉末２の層を被覆すると共にこの粉末２の所定箇所に光
ビームＬを照射して結合させることによって下の結合層
６ａと一体になった結合層６ｂを形成し、これを繰り返
すことによって複数の結合層６ａ，６ｂ，６ｃ…が積層
一体化された粉末結合体Ａで三次元形状造形物を作製す
るにあたって、光ビームＬの照射条件を変えて粉末結合
体Ａの密度を部分的に変化させることによって、溶融結
合させた部分のうちの密度が低い部分で入口７と出口８
を有する流体経路９を形成することを特徴とするもので
ある。

【００１１】また請求項２の発明は、請求項１におい
て、密度が低い部分がセル状の小室１１として多数集合
した構造に粉末結合体Ａを作製し、密度が低いこの小室
１１を連通させて流体経路９を形成することを特徴とす
るものである。

【００１２】また請求項３の発明は、請求項１又は２に
おいて、粉末結合体Ａの表層部を高密度に作製すると共
に内部全体を低密度に作製し、低密度の内部の全体を流
体経路９として形成することを特徴とするものである。

【００１３】また請求項４の発明は、請求項１乃至３の
いずれかにおいて、流体経路９の縦断面の内形を多角形
に形成することを特徴とするものである。

【００１４】また請求項５の発明は、請求項１乃至４の
いずれかにおいて、流体経路９内に補強リブ１２を設け
ることを特徴とするものである。

【００１５】また請求項６の発明は、請求項１乃至５の
いずれかにおいて、流体経路９の内周にフィン１３を設
けることを特徴とするものである。

【００１６】また請求項７の発明は、請求項１乃至６の
いずれかにおいて、流体経路９の内周にスパイラル状の
突起１４を設けることを特徴とするものである。

【００１７】また請求項８の発明は、請求項１乃至７の
いずれかにおいて、粉末結合体Ａの表面から略等距離の
位置に流体経路９を形成することを特徴とするものであ
る。

【００１８】また請求項９の発明は、請求項１乃至８の
いずれかにおいて、流体経路９をその端部を粉末結合体
Ａの表面の凹部１５の底部に配置して形成することを特
徴とするものである。

【００１９】また請求項１０の発明は、請求項１乃至９
のいずれかにおいて、流体経路９を分岐させて形成する
ことを特徴とするものである。

【００２０】また請求項１１の発明は、請求項１０にお
いて、分岐させて形成した各流体経路９の内部の密度を
異ならせることを特徴とするものである。

【００２１】本発明の請求項１２に係る成形金型は、請
求項１乃至１１のいずれかに記載の方法で製造されたも
のであることを特徴とするものである。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。

【００２３】粉末結合体Ａは既述の図１３〜図１５のよ
うにして、金属粉末など無機質の、あるいは樹脂粉末な
ど有機質の粉末２を用い、レーザビーム等の光ビームＬ
を照射することによって、作製することができる。

【００２４】すなわち、粉末２として金属粉末を用いる
場合は、金属粉末２の層に光ビームＬを照射して焼結さ
せることによって、粉末が焼結して結合した結合層６ａ
を形成し、この結合層６ａの上に金属粉末２の層を被覆
すると共にこの金属粉末２に光ビームＬを照射して焼結
させることによって下の結合層６ａと一体になった結合
層６ｂを形成し、そしてこれを繰り返すことによって、
複数の結合層６ａ，６ｂ，６ｃ…を積層一体化させるこ
とによって、三次元形状造形物として粉末結合体Ａ作製
することができるものである。ここで、金属粉末２とし
ては例えば平均粒径２０〜３０μｍ程度の鉄粉や、ブロ
ンズとニッケルの混合粉末などを用いることができ、各
結合層６ａ，６ｂ，６ｃ…は厚みΔｔ＝０．０２〜０．
２ｍｍ程度に形成することができる。

【００２５】また粉末２としては上記のような金属粉末
の他に、無機質粉末としてセラミック粉末を用いること
ができ、金属粉末の場合と同様に光ビームＬを照射して
焼結することによって結合層６ａ，６ｂ，６ｃ…を形成
することができる。さらに粉末２として樹脂粉末などの
有機質粉末を用いる場合は、光ビームＬを照射して粉末
２を溶融・固化させることによって、粉末２を結合させ
た結合層６ａ，６ｂ，６ｃ…を形成することができるも
のである。

【００２６】ここで、上記のようにして粉末結合体Ａを
作製するにあたっては、まず三次元ＣＡＤによって図２
（ａ）のように流体経路９を有する製品モデル１０を作
製する際に、図２（ｂ）のような製品モデル１０の全体
から流体経路９を差し引いた本体製品モデル１７と、図
２（ｃ）のような流体経路９だけの流体経路モデル１８
を、製品モデル１０の三次元ＣＡＤに基づいてそれぞれ
作製しておく。製品モデル１０に複数本の流体経路９が
設けられる場合には、本体製品モデル１７からは総ての
流体経路９が除かれるようにしてあり、また複数の個々
の流体経路９に対応して流体経路モデル１８が作製され
るようになっている。そして製品モデル１０の三次元Ｃ
ＡＤデータに基づいて、製品モデル１０を既述の図１５
（ｂ）の場合と同様に所定間隔で水平にスライスし、ス
ライスした各層のスライス面の断面データを得て、この
スライス断面データを基にして既述の図１３のように粉
末２の各層に照射する光ビームＬの走査経路が決定され
る。

【００２７】また、本体製品モデル１７と流体経路モデ
ル１８についてもその三次元ＣＡＤデータに基づいて、
同様にスライスして各層のスライス面の断面データが得
られる。このとき流体経路モデル１８の断面データは製
品モデル１０の流体経路９の空間位置に配置した状態の
ものとして得られる。そして、本体製品モデル１７と流
体経路モデル１８から得られたスライス断面データはそ
れぞれ、上記の製品モデル１０のスライス断面データか
ら得られた光ビームＬの走査経路のデータに複合され、
本体製品モデル１７から得られたスライス断面データと
一致する部分の走査経路では光ビームＬの照射条件を高
く設定すると共に、流体経路モデル１８から得られたス
ライス断面データと一致する走査経路では光ビームＬの
照射条件を低く設定するようにしてある。

【００２８】レーザビームなど光ビームＬの照射条件は
例えば、レーザ出力などの出力、レーザ走査速度などの
走査速度、走査ピッチによって変えることができるが、
例えば、粉末２として平均粒径約２０μｍの球形の鉄粉
を主成分とするものを用い、光ビームＬとして炭酸ガス
レーザを用いる場合、本体製品モデル１７から得られた
スライス断面データと一致する部分の走査経路では、光
ビームＬの照射条件をレーザ出力２００Ｗ以上、レーザ
操作速度５０〜１００ｍｍ／ｓｅｃ、走査ピッチ０．２
ｍｍ以下の高い条件に設定し、流体経路モデル１８から
得られたスライス断面データと一致する走査経路では光
ビームＬの照射条件をレーザ出力２００Ｗ、レーザ操作
速度３００〜２０００ｍｍ／ｓｅｃ、走査ピッチ０．５
ｍｍ以上の低い条件に設定することができる。

【００２９】上記のように、本体製品モデル１７のスラ
イス断面データと一致する部分の走査経路では光ビーム
Ｌの照射条件を高く設定すると共に、流体経路モデル１
８のスライス断面データと一致する走査経路では光ビー
ムＬの照射条件を低く設定しながら、製品モデル１０の
スライス断面データから得られた走査経路で既述の図１
３のようにして光ビームＬの照射を行なうと、本体製品
モデル１７に対応する部分では粉末２が十分に溶融して
結合し合うために緻密で高密度になった結合層６ａ，６
ｂ，６ｃ…が形成され、また流体経路モデル１８に対応
する部分では粉末２の溶融が不十分であるために粉末の
結合が疎で低密度の結合層６ａ，６ｂ，６ｃ…が形成さ
れることになる。

【００３０】このようにして、流体経路モデル１８に対
応する部分を低密度で疎に形成した図１のような三次元
形状造形物の粉末結合体Ａを作製することができるもの
であり、この低密度の部分で粉末結合体Ａの表面に入口
７と出口８を有する流体経路９を形成することができる
ものである。すなわち、高密度の部分は緻密であるため
に流体が通過することはできないが、低密度の部分は疎
であるために流体が通過することができ、低密度の部分
に沿って流体が流れるために、この部分に流体経路９が
形成されるものである。例えば鉄粉を主成分とする粉末
２にレーザビームを上記の条件で照射すると、本体製品
モデル１７に対応する部分では鉄粉の焼結度が高く、気
孔率が５％以下になり気泡（空隙）の部分が連続せず、
流体を通過させない。一方、流体経路モデル１８に対応
する部分では鉄粉の焼結度が低く、気孔率が１５％以上
になり気泡（空隙）の部分が連続して、流体を通過させ
ることができ、この部分に流体経路９を形成することが
できるものである。

【００３１】ここで、本発明では、粉末２の層に光ビー
ムＬを照射して粉末２が結合した結合層６を積層する操
作を繰り返す手法で三次元形状造形物の粉末結合体Ａを
作製しながら、粉末結合体Ａの内部に流体経路９を形成
することができるものであり、粉末結合体Ａを作製した
後に切削や孔あけ加工を行なう場合のように形状が制限
されるようなことなく、最適な形状で自由に流体経路９
を設計して形成することが可能になるものである。

【００３２】上記の実施の形態では、流体経路９を形成
しない部分の走査経路では光ビームＬの照射条件を高く
設定すると共に、流体経路９を形成する部分の走査経路
では光ビームＬの照射条件を低く設定することによっ
て、光ビームの照射条件を変えて粉末結合体Ａの密度を
部分的に変化させ、流体経路９を形成するようにした
が、流体経路９を形成する部分の走査経路では光ビーム
Ｌを照射しないようにしてもよい。また粉末結合体Ａに
設けられる流体経路９に通過させる流体媒質としては、
目的に応じて、水、油、空気、酸素や窒素などのガス、
インク、樹脂など、流動するもの全般を用いることがで
き、特に制限されるものではない。

【００３３】図３は請求項２の発明の実施の形態の一例
を示すものであり、粉末結合体Ａ内に密度が低い部分を
セル状の小室１１として上下左右に配置することによっ
て、密度が低い部分の小室１１が多数集合した構造に粉
末結合体Ａを作製するようにしてある。すなわち、粉末
２の層に光ビームＬを照射して結合層６ａ〜６ｆを積層
していくにあたって、所定の層では高い照射条件で連続
して照射させながら光ビームＬを走査することによっ
て、小室１１の床１１ａや天井１１ｂを構成する密度の
高い部分を形成し、また他の所定の層では高い照射条件
での照射と非照射（低い照射条件での照射でもよい）を
交互に繰り返すように光ビームＬを走査させることによ
って、高い照射条件で照射する部分には粉末結合体Ａの
表層部１９や小室１１の壁１１ｃを構成する密度の高い
部分を形成することができると共に非照射の部分には密
度の低い小室１１を形成することができる。このように
密度が低い部分をセル状の小室１１として形成し、この
小室１１を上下左右に配置して集合させることによっ
て、上下方向の応力からも側方の応力からも強い構造に
粉末結合体Ａを作製するものである。

【００３４】そして上下左右に配置される小室１１の床
１１ａや天井１１ｂ、壁１１ｃを構成する部分の一部
に、光ビームＬを照射しない部分を設定しながら上記の
ように粉末結合体Ａの作製を行なうようにすると、小室
１１の床１１ａや天井１１ｂ、壁１１ｃを構成する部分
の一部に、光ビームＬを照射しない箇所で密度の低い部
分が形成され、この密度の低い部分が連通部２０として
隣合う密度の低い小室１１が連通する。この連通部２０
を粉末結合体Ａ内の適所に設けることによって、密度の
低い小室１１を連続させることができるものであり、図
３に矢印で示すように、入口７から出口８へと流体が流
れることのできる流体経路９を形成することができるも
のである。このように、上下左右に配置される小室１１
を連通させることによって流体経路９を形成することが
できるので、流体経路モデルの設計が容易になるもので
ある。

【００３５】尚、密度の低い小室１１や連通部２０の形
成を、光ビームＬの非照射で行なうようにすると、粉末
が焼結など溶融・固化する際に生じる収縮が、非照射部
分では生じないようにすることができるので、粉末結合
体Ａの収縮を低減することできるものである。またこの
ように密度の低い小室１１や連通部２０の形成を光ビー
ムＬの非照射で行なうと、小室１１内や連通部２０の粉
末２は焼結などで結合されていずにばらばらの状態のま
まであるので、流体経路９の入口７あるいは出口８から
粉末２を流し出すことができるものである。

【００３６】図４は請求項３の発明の実施の形態の一例
を示すものであり、粉末結合体Ａの表層部１９を高密度
に作製すると共に内部全体を低密度に作製し、低密度の
内部の全体を流体経路９として形成するようにしたもの
である。高密度の表層部１９は肉厚を均一にして、粉末
結合体Ａをシェル構造に形成してあり、表層部１９の一
部に流体経路９が開口する入口７と出口８を形成して、
矢印のように流体を入口７から流体経路９に流入して出
口８から流出するようにしてある。

【００３７】このものでは、三次元ＣＡＤのシェル化機
能を用いて、製品モデル１０の外形に沿った略均一肉厚
のシェル構造の本体製品モデル１７と、内部の流体経路
モデル１８に分割して、それぞれ既述と同様に作製して
おき、これらの本体製品モデル１７と流体経路モデル１
８の三次元ＣＡＤデータに基づいて、粉末２の層に対す
る光ビームＬの照射条件を変えて既述と同様にして結合
層６ａ，６ｂ，６ｃ…を形成することによって、図４の
ような構造の三次元形状造形物として粉末結合体Ａを作
製することができるものである。例えば、粉末２として
平均粒径約２０μｍの球形の鉄粉を主成分とするものを
用い、光ビームＬとして炭酸ガスレーザを用いる場合、
本体製品モデル１７に対応する部分の走査経路では、光
ビームＬの照射条件をレーザ出力２００Ｗ以上、レーザ
操作速度５０〜１００ｍｍ／ｓｅｃ、走査ピッチ０．２
ｍｍ以下の高い条件に設定し、流体経路モデル１８に対
応する部分の走査経路では光ビームＬの照射条件をレー
ザ出力２００Ｗ、レーザ操作速度３００〜２０００ｍｍ
／ｓｅｃ、走査ピッチ０．５ｍｍ以上の低い条件に設定
することができる。

【００３８】図５（ａ）は請求項４の発明の実施の形態
の一例を示すものであり、流体経路９の縦断面の内形を
多角形に形成するようにしてある。図の実施の形態では
流体経路９の縦断面の内形を角部が上端と下端に位置す
る向きの正六角形に形成してあるが、勿論これに限定さ
れるものではない。

【００３９】ここで流体経路９は、粉末２の層に光ビー
ムＬを照射して結合層６ａ，６ｂ，６ｃ…を積層する際
に、光ビームＬを照射しない部分に形成されるものであ
り、図５（ｂ）に正六角形に流体経路９の縦断面の内形
を形成したものを、図５（ｃ）に流体経路９の縦断面の
内形に形成したものを示すように、流体経路９の側面部
を形成する結合層６ｂ，６ｃの端部は階段状になる。そ
して図５（ｂ）（ｃ）に示すように、流体経路９の上端
を形成する結合層６ｊの一部は流体経路９の上にオーバ
ーハングし、この結合層６ｊのオーバーハング部２１の
下側は粉末の状態の流体経路９の上に位置しており、結
合層６ｉに固定されていないので、光ビームＬを照射し
て結合層６ｊを溶融結合させる際に熱応力でオーバーハ
ング部２１に変形が生じるおそれがある。このような結
合層６ｊのオーバーハング部２１に発生する変形が大き
いと、この上に結合層６ｋを形成するために、既述の図
１３（ｃ）のように粉末２を供給してスキージー３を移
動させる際に結合層６ｊのオーバーハング部２１にスキ
ージー３が衝突し、結合層６ｊのオーバーハング部２１
が破壊されたりスキージー３が動作不良となって、造形
続行が不能になったりする。

【００４０】ここで、流体経路９の縦断面の内形を円形
に形成すると、図５（ｃ）に示すように、流体経路９の
上端を形成する結合層６ｊが流体経路９の上にオーバー
ハングして結合層６ｉに固定されないオーバーハング部
２１は長い幅で形成されることになる。従ってこのもの
では、オーバーハング部２１に上記のように発生する変
形は大きくなり易いものであり、スキージー３が衝突し
てオーバーハング部２１が破壊されたり造形続行が不能
になったりし易い。一方、流体経路９の縦断面の内形を
六角形など多角形に形成すると、図５（ｂ）に示すよう
に、流体経路９の上端を形成する結合層６ｊが流体経路
９の上にオーバーハングして結合層６ｉに固定されない
オーバーハング部２１は短い幅になり、オーバーハング
部２１に発生する変形が大きくなることを防ぐことがで
きるものである。従ってこのものでは、スキージー３が
衝突することを防止することができ、オーバーハング部
２１が破壊されたり造形続行が不能になったりすること
を防ぐことができるものである。尚、オーバーハング部
２１の傾斜θを少なくとも４５°以上になるようにすれ
ば、上記のような現象を回避することができる。

【００４１】図６は請求項５の発明の実施の形態の一例
を示すものであり、流体経路９内に粉末２が結合・固化
して流体経路９内よりも密度が高く形成された補強リブ
１２を設けるようにしてある。補強リブ１２は縦に設け
られるものであり、流体経路９内を補強リブ１２で補強
することができると共に、図５（ｃ）のオーバーハング
部２１が補強リブ１２によって小さくなり、オーバーハ
ング部２１の変形を防止して、流体経路９の形成を容易
にすることができるものである。この補強リブ１２の形
成は、流体経路９以外の高密度部分を形成するのと同じ
高い照射条件で光ビームＬを照射して行なうようにして
もよいが、ここまで高密度に形成する必要はなく、流体
が通過できる程度に気孔率が多少高くても良い。また補
強リブ１２を流体経路９以外の高密度部分と同じ高密度
に形成すれば、補強リブ１２を流体が通過できなくなる
ので、流体経路９内を二つに分割することができ、分割
したそれぞれの流体経路９に異なる媒質の流体を流すこ
とが可能になるものである。

【００４２】図７は請求項６の発明の実施の形態の一例
を示すものであり、流体経路９内に粉末２が結合・固化
して流体経路９内よりも密度が高く形成されたフィン１
３が設けてある。このフィン１３は流体経路９の内方へ
向けて複数片設けられるものであり、流体経路９に冷媒
を通して冷却を行なう場合や、熱媒を通して加熱を行な
う場合など、流体経路９に通される温調媒体の流体がフ
ィン１３によって効率高く熱交換されるものであり、流
体経路９に通す流体によって冷却や加熱を効率高く行な
うことができるものである。ここで、粉末結合体Ａを作
製した後に切削やボーリング加工などして流体経路９を
設ける場合、流体経路９の内周にフィン１３を形成する
ようなことは不可能であるが、本発明では、粉末２の層
に光ビームＬを照射して粉末２が結合した結合層６を積
層する操作を繰り返す手法で粉末結合体Ａを作製しなが
ら、粉末結合体Ａの内部に流体経路９を形成するので、
流体経路９の内周にフィン１３を形成することが可能に
なるものである。

【００４３】図８は請求項７の発明の実施の形態の一例
を示すものであり、流体経路９の内周に、粉末２が結合
・固化して流体経路９内よりも密度が高く形成された突
起１４を、流体経路９に沿ってスパイラル状に設けるよ
うにしてある。流体経路９に冷媒や熱媒を通して熱交換
を行なう場合、流体経路９の内面が平滑であると流体経
路９内を流れる流体は層流になり易く、熱交換の効率が
低くなる。このために、流体経路９の内周にスパイラル
状の突起１４を設けるようにしたものであり、この突起
１４で流体経路９内を流れる流体に常に乱流を生じさ
せ、流体経路９の内壁と流体との間の熱交換の効率を高
めることができるものである。

【００４４】図９は請求項８の発明の実施の形態の一例
を示すものであり、粉末結合体Ａの表面から略等距離の
位置に流体経路９を形成するようにしてある。このよう
に流体経路９を粉末結合体Ａの表面と平行になるよう
に、表面から略等距離の位置に配置されるように形成す
ることによって、流体経路９に冷媒や熱媒などの温調媒
体の流体を流し冷却や加熱を行なう場合、粉末結合体Ａ
の表面温度は均一な温度にすることができるものであ
り、粉末結合体Ａによって均一な温度で冷却や加熱を行
なうことができるものである。粉末結合体Ａが複雑な三
次元形状造形物であっても、このように流体経路９を粉
末結合体Ａの表面から等距離の位置に形成すれば、形状
如何にかかわらず、粉末結合体Ａの表面を均一な温度に
保つことができるものである。

【００４５】図１０は請求項９の発明の実施の形態の一
例を示すものであり、三次元立体形状に形成される粉末
結合体Ａの表面には凹部１５が存在するが、流体経路９
の端部の入口７あるいは出口８の少なくとも一方をこの
凹部１５の底部に配置するようにしてある。例えば、射
出成形金型の場合、キャビティ内の凹部は射出された樹
脂の流動の末端部となり易いので、通常はこの凹部の部
分だけブロック化し、０．０１〜０．０２ｍｍ程度のク
リアランスを設けた状態でブロックを金型に組みこむこ
とによって、射出成形を行なう際に、キャビティ内の空
気や樹脂から発生するガスをこのクリアランスから逃が
すようにしている。このため射出成形金型では、設計が
複雑になって時間を要する他、組み立てや調整にも手間
がかかるという問題がある。

【００４６】これに対して図１０のように、本発明の粉
末結合体Ａを射出成形金型として用いるにあたって、キ
ャビティを形成する粉末結合体Ａの表面の凹部１５の底
部に流体経路９の端部の入口７を配置すれば、流体経路
９をキャビティ内の空気や樹脂から発生するガスを逃が
すガス抜きベント９ａとして適用することができるもの
であり、狭いクリアランスでブロックを組み込んだりす
るような必要がなくなって、組み立てや調整工程を必要
とすることなく簡単に成形金型を製作することが可能に
なるものである。流体経路９は既述のように自由な形状
で形成することができるので、ガス抜きベント９ａとし
て適した形状に自由に設計することができるものであ
る。また流体経路９は粉末２あるいはその結合したもの
が低密度で充填されているので、ガスは通過するが樹脂
は通過できないようにすることができ、ガス抜きベント
９ａから樹脂がバリとして出ることを防ぐことができる
ものである。

【００４７】図１１は請求項１０の発明の実施の形態の
一例を示すものであり、粉末結合体Ａ内において流体経
路９を分岐させて形成するようにしてある。このように
一端が入口７、他端が出口８となった流体経路９の途中
を分岐させることによって、入口７から流入した流体は
分岐した多くの流体経路９を通過して出口８から流出さ
れるものであり、入口７と出口８は一組でも複雑な回路
で流体を通過させることが可能になるものである。ここ
で、粉末結合体Ａを作製した後に流体経路９を加工する
場合はこのような分岐した複雑な形状に流体経路９を形
成することは不可能であるが、本発明では、粉末２の層
に光ビームＬを照射して粉末２が結合した結合層６を積
層する操作を繰り返す手法で粉末結合体Ａを作製しなが
ら、粉末結合体Ａの内部に流体経路９を形成するので、
このような分岐した複雑な形状に流体経路９を形成する
ことが可能になるものである。

【００４８】図１２は請求項１１の発明の実施の形態の
一例を示すものであり、上記のように粉末結合体Ａ内に
流体経路９を分岐させて設けるにあたって、分岐させて
形成した各流体経路９の内部の密度を異ならせて充填率
が異なるようにしてある。すなわち、粉末２の層に高い
照射条件で光ビームＬを照射することによって流体経路
９以外の密度の高い部分を作製し、粉末２の層に低い照
射条件で光ビームＬを照射することによって密度の低い
流体経路９を作製しているが、光ビームＬの照射条件を
変えることによって、分岐する複数の流体経路９の一部
は密度が低く、他の一部はこの密度より高くなるように
形成することができる。図１２の実施の形態では、流体
経路９のうち分岐する流体経路９ｂは他の流体経路９
ｃ，９ｄ，９ｅよりも密度を高めにして充填率が高くな
るように形成してある。そしてこの流体経路９に流体を
流すと、密度の高い流体経路９ｂは流動抵抗が大きいの
で流体の流量が少なくなり、他の流体経路９ｃ，９ｄ，
９ｅは流動抵抗が小さいので流体の流量が多くなるもの
であり、流体の流量を分岐した経路毎に異ならせるよう
にコントロールすることが可能になるものである。ま
た、図１１において流体経路９ｄ，９ｅはスペースの関
係で細い径でしか形成できないが、このような径の細い
流体経路９ｄ，９ｅの密度を低くすれば、流体の流量を
確保することができるものである。

【００４９】上記の各実施の形態において、粉末として
金属粉末など無機粉末を用いて作製される粉末結合体Ａ
は、射出成形金型など樹脂成形用の金型として用いて特
に有用である。すなわち、成形すべき成形品の三次元Ｃ
ＡＤデータから、成形用キャビティを形成した三次元形
状造形物として粉末結合体Ａを容易に作製することがで
きるものであり、しかも粉末結合体Ａ内に自由な形状で
形成することのできる流体経路９によって、成形金型と
して必要な各種の機能を発揮させることができるもので
ある。

【００５０】例えば、成形金型にはキャビティに射出さ
れた溶融樹脂を冷却して固化させる熱交換機能が必要で
あるが、粉末結合体Ａ内に形成される流体経路９に流体
の冷媒を通すことによって、このような熱交換機能を持
たせることができる。特に、従来のように切削加工や放
電加工など後加工することによっては不可能であった、
表面形状に沿った配置や分岐など三次元的に自由な形状
で流体経路９を形成することが可能になり、また流体経
路９の密度を変えることによって流体の流量をコントロ
ールすることが可能になるので、効率良く、また均一に
熱交換して冷却することが容易になるものである。流体
媒質としては、水や油などの液体が特に有効である。

【００５１】また、成形金型にはキャビティの空気や樹
脂のガスを逃がすガス抜きベントの機能を形成すること
が必要であるが、粉末結合体Ａ内に形成される流体経路
９から空気やガスを逃がすことによって、流体経路９に
このようなガス抜きベントの機能を持たせることができ
る。従来の成形金型の材料は緻密でガスなどを通さない
ので、溶融樹脂は通さないがガスは通すことのできる極
微小な切り込み、孔を設ける後加工や極微小な隙間を設
けるブロックの埋め込みなどを行なってガス抜きをする
必要があるが、流体経路９の密度を調整するだけで、溶
融樹脂は通さないがガスは通すように流体経路９を形成
することができ、特別な加工や設計をする必要なくガス
抜きベントを形成することができるものである。

【００５２】さらに成形金型にはキャビテイから成形品
を取り出すためのノックアウト機能を形成することが必
要であり、従来の成形金型では、丸ピンや角ピン、スト
リッパープレート等を組み込んで、成形された成形品を
キャビティから押出してノックアウトするようにしてい
るが、本発明では粉末結合体Ａ内の流体経路９の出口８
をキャビティに臨ませて設けることによってノックアウ
ト機能を形成することが可能である。すなわち、キャビ
ティに樹脂を充填・成形して型開きをした後、流体経路
９に入口７から圧縮空気を送ることによって、空気圧で
キャビティから成形品を押出してノックアウトすること
ができるものである。

【００５３】その他、流体経路９の出口８から離型材を
表面に染み出させるようにすることによって成形品の離
型性を高めたり、流体経路９の出口８からインクを染み
出させることによって成形品の表面に印刷を行なったり
コーティングを行なったりすることができるものであ
る。

【００５４】このように流体経路９によって成形金型に
必要な種々の機能を発揮させることができるが、流体経
路９は自由な形状に形成することが可能であるので、各
機能を行なわせる流体経路９が相互に干渉し合うこと
を、流体経路９を三次元配置することで容易に回避する
ことができるものである。

【００５５】

【発明の効果】上記のように本発明の請求項１に係る三
次元形状造形物の製造方法は、粉末の層の所定箇所に光
ビームを照射して溶融結合させることによって粉末が結
合した結合層を形成し、この結合層の上に粉末の層を被
覆すると共にこの粉末の所定箇所に光ビームを照射して
結合させることによって下の結合層と一体になった結合
層を形成し、これを繰り返すことによって複数の結合層
が積層一体化された粉末結合体で三次元形状造形物を作
製するにあたって、光ビームの照射条件を変えて粉末結
合体の密度を部分的に変化させることによって、溶融結
合させた部分のうちの密度が低い部分で入口と出口を有
する流体経路を形成するようにしたので、粉末の層に光
ビームを照射して粉末が結合した結合層を積層する操作
を繰り返す手法で三次元形状造形物の粉末結合体を作製
しながら、粉末結合体の内部に流体経路を形成すること
ができるものであり、粉末結合体を作製した後に切削や
孔あけ加工を行なう場合のように形状が制限されるよう
なことなく、最適な形状で自由に流体経路を設計して形
成することが可能になるものである。

【００５６】また請求項２の発明は、密度が低い部分が
セル状の小室として多数集合した構造に粉末結合体を作
製し、密度が低いこの小室を連通させて流体経路を形成
するようにしたので、連通させる小室の選択によって自
由な形状に流体経路を形成することができるものであ
り、流体経路の設計が容易になるものである。

【００５７】また請求項３の発明は、粉末結合体の表層
部を高密度に作製すると共に内部全体を低密度に作製
し、低密度の内部の全体を流体経路として形成するよう
にしたので、流体経路の設計が容易になるものである。

【００５８】また請求項４の発明は、流体経路の縦断面
の内形を多角形に形成するようにしたので、流体経路の
上端部を形成する粉末の結合層のうち流体経路の上に張
り出すオーバーハング部分の寸法を小さくすることが可
能になり、オーバーハング部分の変形を防ぐことができ
て流体経路の形成が容易になるものである。

【００５９】また請求項５の発明は、流体経路内に補強
リブを設けるようにしたので、流体経路を補強リブで補
強することができ、流体経路の形成が容易になるもので
ある。

【００６０】また請求項６の発明は、流体経路の内周に
フィンを設けるようにしたので、流体経路に通される流
体の熱がフィンによって効率高く熱交換されるものであ
り、流体経路に通す流体によって冷却や加熱を効率高く
行なうことができるものである。

【００６１】また請求項７の発明は、流体経路の内周に
スパイラル状の突起を設けるようにしたので、スパイラ
ル状の突起で流体経路内を流れる流体に乱流を生じさせ
ることができ、流体経路の内壁と流体との間の熱交換の
効率を高めることができるものである。

【００６２】また請求項８の発明は、粉末結合体の表面
から略等距離の位置に流体経路を形成するようにしたの
で、流体経路に冷媒や熱媒など流して冷却や加熱を行な
うにあたって、粉末結合体の表面温度を均一な温度にす
ることができ、均一な温度で冷却や加熱を行なうことが
できるものである。

【００６３】また請求項９の発明は、流体経路をその端
部を粉末結合体の表面の凹部の底部に配置して形成する
ようにしたので、流体経路をキャビティ内の空気や樹脂
から発生するガスを逃がすガス抜きベントとして適用す
ることができるものである。

【００６４】また請求項１０の発明は、流体経路を分岐
させて形成するようにしたので、入口と出口は一組でも
複雑な回路で流体を通過させることが可能になるもので
ある。

【００６５】また請求項１１の発明は、分岐させて形成
した各流体経路の内部の密度を異ならせるようにしたの
で、密度の違いによる流体の流動抵抗の相違によって、
流体の流量を分岐した流体経路毎に異ならせるようにコ
ントロールすることが可能になるものである。

【００６６】本発明の請求項１２に係る成形金型は、上
記の請求項１乃至１２のいずれかに記載の方法で製造さ
れたものであり、最適な形状で自由に形成することが可
能な流体経路によって、熱交換機能や、エアベント機能
や、ノックアウト機能など成形金型として必要とされる
機能を持たせることができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例を示す断面図であ
る。

【図２】同上に用いられる三次元ＣＡＤのモデルを示す
ものであり、（ａ）は製品モデル、（ｂ）は本体製品モ
デル、（ｃ）は流体経路モデルを示す図である。

【図３】本発明の実施の形態の他の一例の断面図であ
る。

【図４】本発明の実施の形態の他の一例の断面図であ
る。

【図５】本発明の実施の形態の他の一例を示すものであ
り（ａ）は一部の断面図、（ｂ），（ｃ）は一部の拡大
した断面図である。

【図６】本発明の実施の形態の他の一例の一部の断面図
である。

【図７】本発明の実施の形態の他の一例の一部の断面図
である。

【図８】本発明の実施の形態の他の一例の一部の斜視図
である。

【図９】本発明の実施の形態の他の一例の断面図であ
る。

【図１０】本発明の実施の形態の他の一例の断面図であ
る。

【図１１】本発明の実施の形態の他の一例の断面図であ
る。

【図１２】本発明の実施の形態の他の一例の断面図であ
る。

【図１３】粉末結合体の製造の各工程を示すものであり
（ａ）乃至（ｅ）はそれぞれ断面図である。

【図１４】同上によって製造された粉末結合体の斜視図
である。

【図１５】（ａ）は同上に用いる設計された製品モデ
ル、（ｂ）は製品モデルをスライスした各層を示す斜視
図である。

【符号の説明】

２ 粉末 ６ 結合層 ７ 入口 ８ 出口 ９ 流体経路 １１ 小室 １２ 補強リブ １３ フィン １４ 突起 １５ 凹部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武南 正孝 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工 株式会社内 (72)発明者 不破 勲 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工 株式会社内 (72)発明者 上永 修士 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工 株式会社内 (72)発明者 吉田 徳雄 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工 株式会社内 (72)発明者 待田 精造 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工 株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−183530（ＪＰ，Ａ) 特開2000−73108（ＪＰ，Ａ) 特表 平９−511705（ＪＰ，Ａ) 特許2620353（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B22F 1/00 - 7/08 B29C 67/00 - 67/24 B23K 26/00 - 26/18

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粉末の層の所定箇所に光ビームを照射し
   て溶融結合させることによって粉末が結合した結合層を
   形成し、この結合層の上に粉末の層を被覆すると共にこ
   の粉末の所定箇所に光ビームを照射して結合させること
   によって下の結合層と一体になった結合層を形成し、こ
   れを繰り返すことによって複数の結合層が積層一体化さ
   れた粉末結合体で三次元形状造形物を作成するにあたっ
   て、光ビームの照射条件を変えて粉末結合体の密度を部
   分的に変化させることによって、溶融結合させた部分の
   うちの密度が低い部分で入口と出口を有する流体経路を
   形成することを特徴とする三次元形状造形物の製造方
   法。
2. 【請求項２】 密度が低い部分がセル状の小室として多
   数集合した構造に粉末結合体を作製し、密度が低いこの
   小室を連通させて流体経路を形成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. 【請求項３】 粉末結合体の表層部を高密度に作製する
   と共に内部全体を低密度に作製し、低密度の内部の全体
   を流体経路として形成することを特徴とする請求項１又
   は２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
4. 【請求項４】 流体経路の縦断面の内形を多角形に形成
   することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載
   の三次元形状造形物の製造方法。
5. 【請求項５】 流体経路内に補強リブを設けることをこ
   とを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の三次
   元形状造形物の製造方法。
6. 【請求項６】 流体経路の内周にフィンを設けることを
   特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の三次元形
   状造形物の製造方法。
7. 【請求項７】 流体経路の内周にスパイラル状の突起を
   設けることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記
   載の三次元形状造形物の製造方法。
8. 【請求項８】 粉末結合体の表面から略等距離の位置に
   流体経路を形成することを特徴とする請求項１乃至７の
   いずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
9. 【請求項９】 流体経路をその端部を粉末結合体の表面
   の凹部の底部に配置し て形成することを特徴とする請求
   項１乃至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１０】 流体経路を分岐させて形成することを
    特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の三次元形
    状造形物の製造方法。
11. 【請求項１１】 分岐させて形成した各流体経路の内部
    の密度を異ならせることを特徴とする請求項１０に記載
    の三次元形状造形物の製造方法。
12. 【請求項１２】 請求項１乃至１１のいずれかに記載の
    方法で製造されたものであることを特徴とする成形金
    型。