JP3551838B2 - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元形状造形物の製造方法に関し、詳しくは、光ビームを利用して無機質または有機質の粉末を層状に連続的に硬化させて製造する三次元形状造形物の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属などの無機質粉末あるいは樹脂などの有機質粉末を堆積させ、そこにレーザや指向性エネルギービームなどの光ビームを照射して硬化させ、このような操作を繰り返すことで硬化物を積層させて三次元形状造形物を製造する方法が知られている。光ビームが照射された部分は硬化して一体化し、光ビームが照射されない部分は粉末のままで残るので、最終的に堆積した粉末材料の中から硬化物を取り出し、硬化していない粉末を除去してしまえば、目的とする三次元形状造形物が得られる。
【０００３】
製造工程や製造装置などの具体的技術が、特許第２６２０３５３号公報に開示されている。
上記方法は、通常の鋳造や機械加工では製造できないような複雑で精密な形状の部品を効率的に製造できるという利点がある。また、部品のＣＡＤ設計データなどの電子情報をもとにして光ビームの走査を電子的に制御するだけで、任意の形状を有する部品が直ちに製造できる。従来の粉末焼結技術のように、予め粉末を成形しておく手間や設備も必要ない。このような利点を生かす用途として、大量生産の前の試作品の製造、少数製造の精密部品の生産、金型の生産などが考えられている。
【０００４】
特開平１０−８８２０１号公報には、堆積させた粉末材料層に圧力を加えて圧縮したあとレーザ光を照射することで中間成形体を成形し、この中間成形体を焼結することで緻密な成形体を製造する技術が示されている。粉末材料層を加圧することで、粉末同士の間に存在する隙間を無くして緻密な構造を得ることができるとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記した粉末材料層を加圧する方法でも、粉末材料層の隙間を無くして緻密な構造の成形体を得ることは難しい。
無秩序に堆積した粉末材料層には、複数の粉末が互いに当接した状態で、その中間に隙間空間が出来る。粉末材料層をその厚み方向に加圧することで、隙間空間の周囲の粉末が隙間内に落ち込むように移動することができれば、隙間空間を解消することができる。しかし、隙間空間を囲む粉体同士が互いに当接した状態で身動きが出来ないような状態、あるいは、いわゆるブリッジやアーチを構成しているような状態になっていると、粉末材料層をいくら加圧しても隙間空間を十分に解消させることができない。
【０００６】
粉末材料層に隙間が多く存在していると、成形品の緻密さが低下して、機械的強度などの性能が低下する。成形品を焼結させたときに、粉末材料が溶融して隙間に落ち込むようなことが起きると、成形品の外形が変形してしまって、成形精度が損なわれる。
また、前記のような隙間を強制的に破壊できる程の大きな圧力を加えるには、加圧装置が大掛かりになり製造コストが増大する。しかも、過大な圧力が加わった粉末材料は破壊されたり変形したりして、成形品の品質性能に悪影響を与えることになる。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、前記した粉末の光レーザ硬化層を積層して三次元形状を製造する方法において、従来技術が有する問題点を解消し、緻密で精度の高い造形品を容易に得ることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる三次元形状造形物の製造方法は、無機質あるいは有機質の粉末材料に光ビームを照射して硬化層を形成し、この硬化層を積み重ねて所望の三次元形状造形物を製造する方法において、光ビームを照射して硬化層を形成する造形領域に粉末材料を供給する工程（ａ） と、造形領域に供給された粉末材料に振動を加える工程（ｂ） と、造形領域に供給された粉末材料に圧力を加える工程（ｃ） と、工程（ｂ） および工程（ｃ） の後、粉末材料に光ビームを照射して硬化層を形成する工程（ｄ） とを含む。
〔粉末材料〕
通常の三次元造形物製造に利用される金属、金属合金、合成樹脂、セラミック、ガラスその他の無機質あるいは有機質の粉末材料が使用できる。
【０００９】
金属材料として、ニッケル、リン銅、鉄、銅、青銅などが挙げられる。
硬化層を構成する粉末材料は、１種類の粉末材料だけであってもよいし、複数種類の粉末材料を組み合わせることもできる。
粉末材料の形状は、球形、多面体形、柱形、鱗片形、不定形その他の通常の粉末形状が適用できる。
【００１０】
粉末材料の粒径は、材質あるいは造形品の使用目的などによっても異なるが、平均粒径５〜４０μｍ程度のものが用いられる。
粉末材料として、比較的に粗い粒径のものと細かい粒径のものを組み合わせることができる。具体的には、平均粒径５〜１０μｍの細かい粉末と、平均粒径２０〜４０μｍの粗い粉末を組み合わせることができる。
〔造形領域〕
粉末材料は、造形台の上、あるいは、底面と周囲が囲まれた容器状の造形空間からなる造形領域に供給されて、造形領域で光ビームが照射されて硬化層および硬化層の積層体である造形品が形成される。
【００１１】
造形領域を、上面が開放された容器状の造形枠と、造形枠の内部で昇降自在な造形台とで構成することができる。
造形領域は、造形品の外周形状と同じ内形状を有するものであってもよいが、通常は、造形品の外周形状よりも少し大きな内形状を有している。
〔粉末材料の供給〕
通常の粉末供給手段が適用される。ホッパーなどに貯留された粉末材料を、自重あるいは空気圧などを利用して、ノズルやスリットから造形領域に供給する。
【００１２】
粉末材料を層状に堆積させるために、ノズル等の供給手段を移動させながら粉末材料を供給することができる。堆積された粉末材料層の上方に板状の高さ規制部材などを移動させて、粉末材料層の表面を平坦かつ一定の厚みに規制することができる。
〔加振工程〕
通常の機械装置や粉体の取扱技術における加振機構や加振装置を使用して、造形領域に供給された粉末材料層に振動を加える。
【００１３】
加振機構の具体例として、超音波振動子、偏心回転体が挙げられる。
加振機構の設置場所は、粉末材料層に目的の振動を効率的に加えることができれば良く、造形領域の壁面を構成する部材、粉末材料層を堆積させる造形台などが利用できる。粉末材料層の上面に加振機構を備えた部材を当接させて振動を与えることもできる。後述する加圧機構と加振機構とを兼用することもできる。
【００１４】
振動条件は、粉末材料層の内部に有する隙間が十分に解消される強さおよび時間が適用される。具体的には、粉末材料の材質、層の厚みや面積などの条件によって適宜に設定できる。
〔加圧工程〕
粉末材料層を厚み方向に加圧できれば、通常の機械装置における加圧機構や加圧装置が使用できる。
【００１５】
具体的には、粉末材料層の上面に加圧板を押し当てて上方から下方に加圧してもよいし、加圧板は固定しておき、粉末材料層を支持する造形台を上昇させることで上面の加圧体との間に粉末材料層を挟み込んで加圧してもよい。加圧板の下降と造形台の上昇の両方を行ってもよい。
加圧圧力は、粉末材料の材質や粒径、厚みあるいは要求性能などの条件によって異なるが、例えば、１〜１００ｋＰａ の範囲で圧力を設定できる。
【００１６】
加圧工程は、加振工程が終了してから行っても良いし、加圧工程と加振工程を同時に行うこともできる。加圧板に加振機構を組み込んでおけば、加圧と加振を連続的あるいは同時に行うことができる。加圧と加振を交互に複数回繰り返すこともできる。
〔光ビーム照射工程〕
加振および加圧が行われた粉末材料層に、通常のレーザ造形技術と同様の装置および手段で光ビームを照射すれば硬化層が形成できる。
【００１７】
光ビームを照射する粉末材料層の厚みは、目的とする造形品の形状精度や光ビームの硬化能力などを考慮して設定される。粉末材料の供給量、加振および加圧の程度によって粉末材料層の厚みが決定される。粉末材料の供給、加振および加圧の工程を複数回繰り返して、所定厚みの粉末材料層を形成してもよい。
光ビームを照射する粉末材料層の具体的厚み条件として、０．０５〜０．２ｍｍ程度が採用される。
【００１８】
光ビームとして、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２ レーザなどのレーザ光が好ましい。光ビームは、粉末材料層の表面に直接に照射してもよいし、粉末材料層の表面にガラスなどからなる透明板を配置した状態で、透明板の外から粉末材料層に光ビームを照射することもできる。透明板で粉末材料層を加圧しておけば、加圧と光ビームの照射を同時に行うこともできる。
【００１９】
光ビームの照射条件は、粉末材料層の全体もしくは一部が溶融または軟化して、粉末材料層が一体化された硬化層になれば良く、具体的な光強度や照射時間などの照射条件は適宜に設定できる。
粉末材料層に対して光ビームの照射位置を走査することで、所望の形状を有する硬化層が形成できる。
【００２０】
粉末材料層を透明材料からなる加圧板で加圧した状態のままで、光ビームの照射を行えば、加圧後に粉末材料層の隙間が復元したり拡大したりすることを防止して、緻密化したままの粉末材料層を硬化させることができる。
〔造形品の製造〕
上記した粉末材料層の供給、加振、加圧および光ビームの照射を繰り返すことで、複数層の硬化層が積層された造形品が得られる。形状の異なる硬化層を積層することで、所望の三次元形状を有する造形品となる。
【００２１】
造形領域には、硬化層の積層体である造形品とその周囲に残存する未硬化の粉末材料が存在するので、造形品の周囲の粉末材料を除去するか、粉末材料内から造形品だけを取り出す。
造形品は、そのままで各種用途に利用することができるが、さらに、焼結工程を行ったり、外形の仕上げ加工を行ったりすることもできる。
〔その他の発明〕
工程（ｄ） で、造形領域を非酸化性雰囲気にすることがてきる。
【００２２】
造形領域を外部空間に対して正圧に維持することができる。
工程（ｂ） で、造形領域を構成する部材を振動させたり、造形領域の開放された表面に加振部材を配置し、加振部材が発生する振動を粉末材料に加えたり、超音波振動子が発生する振動を粉末材料に加えたり、偏心回転体が発生する振動を粉末材料に加えたりすることがてきる。
【００２３】
工程（ｃ） で、造形領域の開放された表面に加圧部材を配置し、加圧部材で粉末材料を押圧して圧力を加えることができる。
工程（ｃ） で、移動する加圧部材で圧力を加える工程（ｃ−１） と、高さ規制部材で粉末材料の高さ位置を規制する工程（ｃ−２） とを含んでいることができる。
工程（ｃ） で、圧力センサの検知情報に基づいて圧力を制御することができる。
【００２４】
工程（ａ） で、粒径の異なる複数種類の粉末材料を供給することができる。
複数種類の粉末材料のうちの１種類が、平均粒径５〜１０μｍの比較的に細かい粉末材料であり、別の１種類が、平均粒径２０〜４０μｍの比較的に粗い粉末材料であることができる。
工程（ａ） で、粗い粉末材料の供給工程（ａ−１） と、工程（ａ−１） の後で細かい粉末材料の供給工程（ａ−２） とを含んでいることができる。
【００２５】
工程（ａ） で、粗い粉末材料と細かい粉末材料との混合粉末の供給工程（ａ−３） と、工程（ａ−３） の後で細かい粉末材料の供給工程（ａ−４） とを含んでいることができる。
工程（ａ） で、粒径と材質が異なる複数種類の粉末材料を供給したり、特に、複数種類の粉末材料のうちの１種類が、銅、青銅およびリン銅からなる群から選ばれる何れか１種以上の材料からなる比較的に粒径の粗い粉末材料であり、別の１種類が、鉄、ニッケルからなる群から選ばれる何れか１種以上の材料からなる比較的に粒径の細かい粉末材料であることができる。
【００２６】
複数種類の粉末材料のうちの１種類が、比較的に粒径が細かく、銅、青銅およびリン銅などの融点が低い粉末材料であり、別の１種類が、比較的に粒径が粗く鉄、ニッケルなどの融点が高い粉末材料であることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
〔基本的製造工程〕
図１〜図６に、基本的な製造工程を示している。
図１に示すように、上面が開放された容器状をなす造形枠１０には、内部で昇降自在な造形台１２を備えている。造形台１２の上には、造形品を載せて取り扱うための載置板１４が配置される。造形枠１０の側壁および載置板１４には、超音波振動子を備えた加振部２０が内蔵されている。
【００２８】
造形枠１０の内部で載置板１４の上には、既に作製された硬化層３２が複数層積み重ねられている。硬化層３２の周囲には未硬化の粉末材料３４が存在している。
造形台１２の上下位置を調整することで、硬化層３２および未硬化粉末材料３４の表面が、造形枠１０の上端よりも少し低い位置になるように配置する。造形枠１０と硬化層３２の表面との間隔が、次に作製される硬化層３２の厚みを決める。
【００２９】
図２に示すように、先に形成された硬化層３２および未硬化粉末材料３４の上に、新たな粉末材料３０を供給する。造形枠１０を横断する幅板状の規制部材１６を造形枠１０よりも少し高い位置で水平方向に移動させて、粉末材料３０の高さ位置を規制し、全体が一定の厚みを有する粉末材料層３６とする。粉末材料層３６の上面は造形枠１０の上端よりも少し高い位置になる。
【００３０】
図３に示すように、加振部２０を作動させると、造形枠１０の内部の粉末材料層３６に振動が加わり、粉末材料層３６の内部に存在する微細な隙間が減っていく。したがって、粉末材料層３６の厚みも少し薄くなる。
図４に示すように、加振部２０の作動を止めたあと、粉末材料層３６の上面に加圧板４０を配置し、加圧板４０を降下させて粉末材料層３６を上から下へと加圧する。加圧によって粉末材料層３６の内部に存在する微細な隙間はさらに減少して、粉末材料が緻密に配置された状態になる。粉末材料層３６の厚みはさらに薄くなっているが、粉末材料層３６の上面は、まだ造形枠１０の上端よりは少し高い位置にある。
【００３１】
なお、上記工程で、加振部２０の作動を止めずに、加振部２０による加振と同時に加圧板４０による加圧を行うこともできる。また、加圧板４０に加振部２０を内蔵させておけば、粉末材料層３６に直接に当たっている加圧板４０で振動を加えることができ、効率の良い加振および加圧が可能である。
図５に示すように、規制部材１６を造形枠１０の上端に沿って水平移動させると、粉末材料層３６の上面は造形枠１０と同じ高さになり、目的の厚みを有する緻密な粉末材料層３６が得られる。規制部材１６で排除された余分の粉末材料は回収して再利用することができる。
【００３２】
図６に示すように、粉末材料層３６の表面にビーム状のレーザ光５０を照射すると、その部分の粉末材料の全体あるいは一部が溶融して粉末材料同士が一体的に接合されて、硬化層３２が形成される。粉末材料が溶融硬化する際には、粉末材料層３６の下方に存在する、先に形成された硬化層３２とも接合一体化されるので、新たに形成された硬化層３２は下方に積層された硬化層３２…と一体化することになる。
【００３３】
レーザ光５０を水平方向に走査することで、所定のパターン形状を有する硬化層３２が得られる。
上記のような工程を繰り返すことで、所定のパターン形状を有する硬化層３２が複数層積層された三次元形状を有する造形物が得られる。硬化層３２すなわち造形物の周囲には未硬化粉末材料３４が残留しているので、造形枠１０の内部から造形物だけを取り出すことができる。造形台１２を造形枠１０の上方まで持ち上げて、造形物を載置台１４に載せた状態で取り出すこともできる。
〔粉末材料の挙動〕
図７は、前記製造工程における粉末材料の挙動を模式的に示している。
【００３４】
図７（ａ） は、供給された段階の粉末材料層３６を表し（図２の工程に相当）、個々の粉末３１が無秩序に配置されている。そのため、粉末材料層３６の内部には、比較的に大きな隙間空間が存在している。
図７（ｂ） に示すように、粉末材料層３６に振動を加えると（図３の工程に相当）、個々の粉末３１が前後左右に細かく振動することで、粉末３１の自重や互いの衝突の作用で、粉末３１が前記した隙間に落ち込んだり隙間を埋めるような作用が生じる。その結果、隙間空間は徐々に減少していく。但し、振動を加えるだけでは、隙間がある程度まで減少したあとは、それ以上は隙間を減少させることはできない。
【００３５】
図７（ｃ） に示すように、粉末材料層３６の上面に加圧板４０を配置して加圧すると（図４の工程に相当）、前記振動に比べて大きな力で粉末３１同士の隙間を埋める作用が生じるので、隙間はさらに減少し、緻密な粉末材料層３６が得られる。
なお、図７（ａ） の状態で、加振せずに加圧板４０を配置して加圧を行った場合には、ある程度は隙間を無くすことはできるが、複数の粉末３１で構成するブロック状の構造が隙間空間を囲んでトラスやドームを構成しているような個所では、粉末３１同士が当接して互いの間に強い抵抗力が働くので、１方向からの圧力をかけただけでは、隙間を十分に無くすことは困難である。しかし、このような個所でも、振動を与えると、個々の粉末３１をバラバラに動かすことになるので、強固な隙間構造を崩壊させることができる。
【００３６】
言い換えると、比較的に小さな力で粉体３１を無秩序に動かす振動と、比較的に大きな力で粉体３１を一定方向に動かす加圧との両方の作用が相乗的に加わることで、粉末材料層３６に存在する隙間が効率的に解消されて、緻密な粉末材料層３６が得られる。
〔偏心回転体〕
図８および図９に示す実施形態は、加振機構として、前記実施形態の超音波振動子の代わりあるいはそれに加えて、偏心回転体を利用した加振機構を備えておく。
【００３７】
図９に示すように、モータ２３の回転軸２５に偏心盤２４を装着している。偏心盤２４は、全体が円形状をなすとともに、回転軸２５への取付位置が偏心盤２４の中心ではなく少し外れた位置になっている。
モータ２３を作動させて偏心盤２４を回転させると、偏心盤２４の重量あるいは慣性力が回転軸２５に対して不均等に加わり、装置全体が振動を起こすことになる。振動の周期および振幅は、偏心盤２４の回転数および偏心盤２４の偏心量によって設定される。
【００３８】
図８示すように、前記のようなモータ２３および偏心盤２４を内蔵する加振装置２２を、造形台１２や加圧板４０の背面に設置しておけば、加振装置２２で発生する振動を粉末材料層３６に伝達することができる。
〔圧力制御〕
図１０に示す実施形態は、粉末材料層３６に加える圧力を正確に制御する。
【００３９】
加圧板４０には、粉末材料層３６と接触する下面に圧力センサ４２を備えている。圧力センサ４２は、加圧板４０を作動させたときに、粉末材料層３６に加わる圧力を検知する。
圧力センサ４２で検知された圧力情報は、加圧板４０の外部に設けられたコンピュータ４４に伝達される。コンピュータ４４は、加圧板４０の昇降させるアクチュエータなどの作動機構および造形台１２を昇降させる作動機構を電気的に制御できるようになっている。
【００４０】
加圧板４０で粉末材料層３６を加圧する工程で、加圧板４０を下降させながら、圧力センサ４２で検出される圧力が所定の値を超えるまでは、加圧板４０の下降を続ける。圧力センサ４２の検知圧力が所定値を超えれば、加圧板４０の作動を止めて、その位置で加圧板４０を維持しておく。なお、加圧板４０で粉末材料層３６を加圧すると同時に、造形台１２にも上昇方向の圧力を発生させることで、加圧板４０の圧力で造形台１２が下降してしまうことを防げる。また、粉末材料層３６を上下からの圧力で効率的に加圧することができる。コンピュータ４４では、圧力センサ４２からの検知圧力をもとにして、加圧板４０と造形台１２の作動量あるいは加圧力を適切な値に制御する。
【００４１】
なお、加圧工程においては、最初の段階では比較的に小さな圧力を加えて、隙間の解消をスムーズに行い、隙間の解消がある程度進んだ後では比較的に大きな圧力を加えて、隙間の完全な解消を図るなどといったように、加圧力の経時的な調整制御を行うこともできる。
上記のようにして粉末材料層３６に加わる圧力を適切に制御すれば、粉末材料層３６を確実かつ効率的に緻密化することができる。
〔真空吸引〕
図１１に示す実施形態は、真空力を利用して粉末材料層３６に圧力を加える。
【００４２】
造形枠１０のうち、造形台１２の背面空間に真空吸引口６２を設ける。真空吸引口６２は、造形枠１０の外部に設置された真空ポンプ６０に接続されている。真空ボンプ６０を作動させることで、造形台１２の背面空間の空気を排出して負圧にする。なお、造形台１２の上方空間と背面空間とは空気の流通が可能になっており、背面空間が負圧になれば、造形台１２の上方の空間も負圧になる。
【００４３】
造形枠１０の上端には、ガラス等の透明板４６を配置しておく。この状態で、真空ポンプ６０を作動させると、造形枠１０の内部空間が負圧になる。透明板４６は造形枠１０の上面に吸着されて密着する。この透明板４６の運動は、透明板４６を機械的に下降させて粉末材料層３６を加圧するのと同じ作用を与える。粉末材料層３６の内部においては、内部の隙間空間に存在する空気が吸い出されて負圧になることで、隙間に粉末が入り込んで隙間が埋められる。
【００４４】
透明板４６が配置されたままで、透明板４６の外から粉末材料層３６にレーザ光５０を照射すれば、粉末材料層３６が硬化して硬化層３２が形成される。この場合、前記した真空ポンプ６０の作動によって、粉末材料層３６の隙間を無くして緻密化した状態のままで、レーザ光５０の照射による硬化が進行するので、緻密な硬化層３２が形成できる。
【００４５】
加圧板４０による加圧を行って粉末材料層３６を緻密化していても、加圧板４０を取り除くと、個々の粉末３１が有する復元力で再び隙間が拡がったりすることがあるが、透明板４６を真空吸着させておけば、このような隙間の再発生や再拡大が生じることなく、粉末材料層３６は緻密化されたままで硬化する。
なお、透明材料からなる加圧板４０を粉末材料層３６の上方から押圧したままの状態で、レーザ光５０を照射による硬化層３２を形成を行っても、粉末材料層３６に隙間が再発生したり再拡大したりすることが防止できる。
【００４６】
加圧板４０による押圧と真空ポンプ６０による真空吸引との両方の手段を併用して、粉末材料層３６を加圧して緻密化することもできる。
〔粒径の異なる粉末〕
図１２に示す実施形態は、粉末材料３０として、比較的に粒径の粗い粉末３１ａと、比較的に粒径の細かい粉末３１ｂとを併用する。
【００４７】
図１２（ａ） に示すように、粉末材料供給工程（図２参照）で、まず、粗い粉末３１ａを所定の厚みで供給したあと、細かい粉末３１ｂを所定量だけ供給する。この状態では、粗い粉末３１ａの層と細かい粉末３１ｂの層とが上下に分かれた状態である。粗い粉末３１ａ同士の間には比較的に大きな隙間があいた状態になっている。
【００４８】
図１２（ｂ） に示すように、加振工程（図３参照）で、粉末材料層３６に振動を加えると、細かい粉末３１ｂは自重によって粗い粉末３１ａの間を落ちていき、粗い粉末３１ａの隙間を埋めることになる。その結果、粉末材料層３６は、粗い粉末３１ａと細かい粉末３１ｂとが混合された状態になるとともに、両者が隙間なく緻密に配置された状態になる。なお、粗い粉末３１ａの隙間を埋めて残った細かい粉末３１ｂは、粗い粉末３１ａの層の上に一定の厚みで層を構成している。
【００４９】
図１２（ｃ） に示すように、粉末材料層３６に加圧工程（図４参照）を行うか、加圧工程を行わずに、規制部材１６で余分の細かい粉末３１ｂを除去する。この状態でも、粉末材料層３６の上面は細かい粉末３１ｂが緻密に敷き詰められた状態である。このように表面に細かい粉末３１ｂが配置されることで、形成される硬化層３２の表面を滑らかで緻密なものにできる。
【００５０】
なお、上記高さ規制工程の前あるいは後で加圧工程を行うことで、粉末材料層３６の隙間解消あるいは緻密化が一層進むことは前記同様である。
上記作業の具体的条件例を示す。
細かい粉末３１ｂとして、平均粒径５〜１０μｍのニッケル粉を用いる。粗い粉末３１ａとして、平均粒径３０μｍのリン銅粉を用いる。粗い粉末３１ａと細かい粉末３１ｂの使用割合は、重量比１：１とする。
【００５１】
粗い粉末３１ａを厚み０．０８ｍｍの層に形成したあと、その上に細かい粉末３１ｂを厚み０．０４ｍｍの層に形成した〔図１２（ａ） 〕。加振工程、高さ規制工程、加圧工程を経て、厚み０．１ｍｍの粉末材料層３６を得た。
〔混合粉末〕
図１３に示す実施形態は、粉末材料３０として、比較的に粒径の粗い粉末３１ａと、比較的に粒径の細かい粉末３１ｂとの混合粉末を用いる。
【００５２】
図１３（ａ） に示すように、粉末材料供給工程（図２参照）で、混合粉末３１ａ、３１ｂを供給する。粉末材料層３６は、粒径の異なる２種類の粉末３１ａ、３１ｂが、ほぼ均等に混在している。粒径の粗い粉末３１ａ同士が隣接している間に生じる隙間に、粒径の細かい粉末３１ｂが嵌まり込んだ状態になるので、粒径の粗い粉末３１ａだけを使用する場合に比べて、隙間は減少して緻密な状態になっている。
【００５３】
図１３（ｂ） に示すように、加振工程（図３参照）で、粉末材料層３６に振動を加えると、細かい粉末３１ｂは自重によって粗い粉末３１ａの間を落ちていき、下方側に集まる。したがって、粉末材料層３６の下方側では、粗い粉末３１ａと細かい粉末３１ｂとが隙間なく緻密に充填された状態になる。但し、粉末材料層３６の上方側では、細かい粉末３１ｂがなく粗い粉末３１ａ同士が比較的に大きな隙間をあけた状態で配置される。
【００５４】
図１３（ｃ） に示すように、粉末材料層３６の上方に、新たに細かい粉末３１ｂだけを供給する。これによって、粉末材料層３６の上方側でも、粗い粉末３１ａの間の隙間が細かい粉末３１ｂで埋められて隙間がなくなる。
粗い粉末３１ａの上端を超えて細かい粉末３１ｂを供給することで、粉末材料層３６の上面を細かい粉末３１ｂのみで構成することができる。細かい粉末３１ｂで構成された粉末材料層３６の表面は表面粗度が小さく滑らかで緻密なものとなる。これは、前記した図１２の実施形態における図１２（ｃ） と共通する形態である。その後の工程は前記実施形態と同様に行われる。
【００５５】
上記作業の具体的条件例を示す。
細かい粉末３１ｂとして、平均粒径５〜１０μｍのニッケル粉、粗い粉末３１ａとして、平均粒径３０μｍのリン銅粉を用いる。粗い粉末３１ａと細かい粉末３１ｂの使用割合は、重量比１：１とする。
粗い粉末３１ａと細かい粉末３１ｂとの混合粉末を厚み０．０７ｍｍの層に形成し〔図１３（ａ） 〕、加振工程を行ったあと〔図１３（ｂ） 〕、細かい粉末３１ｂを厚み０．０３ｍｍの層に形成した〔図１３（ｃ） 〕。最終的に厚み０．１ｍｍの粉末材料層３６が得られた。
〔融点の異なる粉末の同時溶融〕
図１４に示す実施形態は、細かい粉末３１ｂと粗い粉末３１ａとを組み合わせるとともに、両者の融点に差を付けておく。
【００５６】
具体的には、細かい粉末３１ｂの材料として、粗い粉末３１ａの材料よりも融点が高い材料を用いる。
２種類の粉末３１ａ、３１ｂが混在する粉末材料層３６を形成し、所定の加振工程や加圧工程を終えたあと、レーザ光５０を照射する。
レーザ光５０が照射されたときに、粉末３０の材質が同じであれば、熱容量の小さな細かい粉末のほうが、熱容量の大きな粗い粉末よりも、加熱昇温され易く速やかに溶融する。
【００５７】
粉末材料層３６の細かい粉末３１ｂと粗い粉末３１ａとに同時にレーザ光５０が照射されたときには、細かい粉末３１ｂのほうがはやく加熱昇温され、粗い粉末３１ａの加熱昇温は遅れることになる。しかし、細かい粉末３１ａは融点が高いため、粗い粉末３１ｂに比べて高い温度になるまで溶融は開始されない。
すなわち、加熱昇温の速い細かい粉末３１ｂが高い溶融温度に到達するのと、加熱昇温が遅い粗い粉末３１ａが低い溶融温度に到達するのとが、同じタイミングになる。
【００５８】
その結果、細かい粉末３１ｂと粗い粉末３１ａとが同時に溶融して一体化され、両者が一体的に溶融した硬化層３２が形成される。
細かい粉末３１ｂと粗い粉末３１ａの具体例を示す。粗い粉末３１ａとして平均粒径３０μｍのリン銅、細かい粉末３１ｂとして平均粒径５〜１０μｍのニッケルを用いる。両者の配合割合は重量比１：１で組み合わせる。上記同様にして硬化層３２を形成したところ、両方の材料が均等に溶融して一体化された硬化層３２が得られた。
【００５９】
粗い粉末３１ａとして、リン銅の代わりに銅、青銅を用いることもできる。細かい粉末３１ａとして、ニッケルの代わりに鉄を用いることもできる。
前記実施形態では、レーザ光５０の照射時に、２種類の粉末３１ａ、３１ｂが同時に溶融するので、レーザ光５０のエネルギを効率的に利用でき、最小限のエネルギで２種類の粉末３１ａ、３１ｂが均等に溶融して合金化した硬化層３２が得られる。その結果、硬化層３２の材質にバラツキが生じることによる反りや変形あるいは応力の発生を最小限に抑えることができ、造形物の寸法精度が向上する。
〔一部粉末のみの溶融〕
図１５に示す実施形態は、前記実施形態とは異なり、細かい粉末３１ｂの融点が、粗い粉末３１ａの融点よりも低い条件で２種類の粉末を組み合わせる。
【００６０】
２種類の粉末３１ａ、３１ｂが混在する粉末材料層３６を形成し、ここにレーザ光５０を照射するのは前記実施形態と同じである。
レーザ光５０は、熱容量が小さく融点も低い細かい粉末３１ｂを迅速に加熱昇温して溶融させる。この段階では、熱容量が大きく融点が高い粗い粉末３１ａは、それほど加熱昇温されず融点も高いので、ほとんど溶融しない。
【００６１】
その結果、細かい粉末３１ｂの溶融した材料３２ｂが、粉体状のままの粗い粉末３１ａ同士の隙間を埋めて互いに接合させて、全体が一体化された硬化層３２を形成することになる。溶融材料３２ｂが接着剤あるいはロウ材のような機能を果たすことになる。粗い粉末３１ａは、元の形態を保ったままであるか表面の一部のみが溶融したり軟化したりして溶融材料３２ｂとの接合性を高めることになる。硬化層３２は、両方の材料が溶融混合された合金状態ではなく、粗い粉末３１ａを溶融材料３２ａで接合した状態である。
【００６２】
上記実施形態では、レーザ光５０のエネルギは、溶融し易い細かい粉末３１ｂを溶融させるだけの容量があればよいので、粉末材料層３６の全体を溶融させるのに比べて、エネルギ消費が少なくなり、処理時間も短くて済む。熱による反り変形や熱応力も少なくなるので、形成される硬化物３２の寸法精度も向上する。
細かい粉末３１ｂと粗い粉末３１ａの具体例を示す。粗い粉末３１ａとして平均粒径３０μｍのニッケルと鉄の混合粉末を用いる。細かい粉末３１ｂとして平均粒径５〜１０μｍのリン銅を用いる。３者の配合割合は、ニッケル：鉄：リン銅＝２０：２０：６０（重量比）にする。上記同様にして硬化層３２を形成したところ、ニッケルおよび鉄からなる粗い粉末３１ａが、リン銅からなる溶融材料３２ｂで一体的に接合された硬化層３２が得られた。
【００６３】
細かい粉末３１ｂとして、リン銅の代わりに青銅を用いても同様の機能が果たせる。
〔レーザ光の照射環境〕
図１６に示す実施形態は、粉末材料層３６にレーザ光５０を照射して硬化層３２を形成する工程の雰囲気環境を制御する。
【００６４】
造形枠１０などの装置全体を、内部雰囲気を制御できる環境室７０に収容しておき、環境室７０の外部から、ポンプなどの手段で所望の雰囲気ガスを供給して、内部の空気を追い出し、環境室７０の雰囲気を調整する。
環境室７０を窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気にすると、粉末材料層３６にレーサ光５０が照射されて粉末３０が焼結する際の酸化が防止される。その結果、空気中で焼結した場合よりも造形物の強度が向上する。窒素ガスの代わりに、その他の不活性ガスを含む非酸化性ガスを用いても同様の機能が発揮できる。
【００６５】
環境室７０を水素ガスなどの還元性ガス雰囲気にすると、粉末３０の表面に吸着している酸素分を還元することができる。その結果、不活性ガスを用いた場合よりもさらに酸化の防止機能が高まり、形成される造形物の強度を向上させることができる。
環境室７０の圧力を、環境室７０の外部に対して正圧に維持することができる。具体的には、外部の大気圧に対して５ｋｇｆ／ｃｍ^２ 程度高い圧力に維持することができる。
【００６６】
レーザ光５０を照射して粉末３０を硬化させる際の雰囲気圧力が高いと、粉末３０の沸点が上昇し、焼結過程で発生する金属蒸気などの蒸発成分を低減できる。その結果、焼結後の強度が向上する。蒸発成分が低減できれば、レーザ光５０の照射経路に配置される集光レンズ等の汚染が少なくなる。
レーザ光５０の照射環境を正圧に維持するのは、環境雰囲気が空気の場合にも有効であるが、前記した非酸化性ガス雰囲気の場合には、非酸化性ガスが環境室７０の外部に漏れても、圧力の低い外部の大気は環境室７０側に侵入し難く、大気による粉末３０の酸化が確実に阻止できる。
〔移動型加圧装置〕
図１７に示す実施形態は、前記した加圧板４０の代わりに移動型の加圧装置を用いる。
【００６７】
移動装置８０は、造形枠１０の上方を水平方向に移動自在に設置されている。
移動装置８０の進行方向の先端側には、昇降自在な加圧ブロック４８を備えている。加圧ブロック４８は、平坦な下面を粉末材料層３６に上方から押圧することで、粉末材料層３６を加圧する。加圧装置８０を水平移動させながら加圧ブロック４８を上下運動させることで、粉末材料層３６の表面全体を加圧することができる。加圧ブロック４８の昇降機構として、ピストンシリンダ機構やモータ駆動のカム機構などが採用できる。
【００６８】
移動装置８０あるいは加圧ブロック４８に加振機構を内蔵させておけば、加圧ブロック４８で粉末材料層３６に振動を加えることもできる。
移動装置８０の進行方向に対して後端側には規制板１６を備えている。規制板１６の下端は、加圧ブロック４８の最下降位置よりも低く、造形枠１０の上端と同じ位置に設定されている。移動装置８０が水平移動して加圧ブロック４８による粉末材料層３６の加圧が行われたあと、つづいて通過する規制板１６で、粉末材料層３６の高さ位置が設定され、余分の粉体３０は排除される。その結果、造形枠１０の上端位置と同じ高さの粉末材料層３６が形成される。
【００６９】
上記実施形態では、移動装置８０の作動によって、加圧工程とその後の高さ規制工程とが連続的に行え、作業の効率化および装置の簡略化が図れる。
移動装置８０に、粉末３０の供給機構を備えておけば、移動装置８０の移動に伴って、粉末３０の供給工程、加振工程、加圧工程および高さ規制工程を連続的に一連の作業として実行することもできる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明にかかる三次元形状造形物の製造方法では、造形領域に供給された粉末材料に、振動を加える工程（ｂ） と圧力を加える工程（ｃ） とを行うことで、粉末材料層が隙間の少ない緻密な状態になり、その後に光ビームを照射する工程（ｄ） を行うことで、最終的に得られる三次元形状造形物も緻密なものとなる。
【００７１】
工程（ｄ） で、造形領域を非酸化性雰囲気にすれば、粉末材料の酸化が防止できる。
造形領域を外部空間に対して正圧に維持すれば、外気が造形領域に侵入して粉末材料の焼成を阻害するのを防止できる。
工程（ｂ） で、造形領域を構成する部材を振動させたり、造形領域の開放された表面に加振部材を配置し、加振部材が発生する振動を粉末材料に加えたり、超音波振動子が発生する振動を粉末材料に加えたり、偏心回転体が発生する振動を粉末材料に加えたりすれば、効率的に振動を与えることができる。
【００７２】
工程（ｃ） で、造形領域の開放された表面に加圧部材を配置し、加圧部材で粉末材料を押圧して圧力を加えれば、効率的に圧力が加えられる。
工程（ｃ） で、移動する加圧部材で圧力を加える工程（ｃ−１） と、高さ規制部材で粉末材料の高さ位置を規制する工程（ｃ−２） とを含んでいれば、粉末材料層に対する効率的な加圧と高さ規制が行える。
【００７３】
工程（ｃ） で、圧力センサの検知情報に基づいて圧力を制御すれば、適切な圧力で効率的な加圧が行える。
工程（ａ） で、粒径の異なる複数種類の粉末材料を供給すれば、得られる造形物の特性に変化を与えることができる。
複数種類の粉末材料のうちの１種類が、平均粒径５〜１０μｍの比較的に細かい粉末材料であり、別の１種類が、平均粒径２０〜４０μｍの比較的に粗い粉末材料であれば、両者の特性を組み合わせて発揮させることができる。
【００７４】
工程（ａ） が、粗い粉末材料の供給工程（ａ−１） と、工程（ａ−１） の後で細かい粉末材料の供給工程（ａ−２） とを含んでいれば、両者の特性を良好に組み合わせることができる。
工程（ａ） が、粗い粉末材料と細かい粉末材料との混合粉末の供給工程（ａ−３） と、工程（ａ−３） の後で細かい粉末材料の供給工程（ａ−４） とを含んでいれば、粉末材料層の表面を緻密で平滑にできる。
【００７５】
工程（ａ） で、粒径と材質が異なる複数種類の粉末材料を供給したり、特に、複数種類の粉末材料のうちの１種類が、銅、青銅およびリン銅からなる群から選ばれる何れか１種以上の材料からなる比較的に粒径の粗い粉末材料であり、別の１種類が、鉄、ニッケルからなる群から選ばれる何れか１種以上の材料からなる比較的に粒径の細かい粉末材料であれば、粒径と材質の違いによる特性の組み合わせ効果が発揮できる。
【００７６】
複数種類の粉末材料のうちの１種類が、比較的に粒径が細かく、銅、青銅およびリン銅などの融点が低い粉末材料であり、別の１種類が、比較的に粒径が粗く鉄、ニッケルなどの融点が高い粉末材料であれば、溶融した細かく低融点の粉末材料が、溶融しない粗く高融点の粉末材料の隙間を埋めて接合一体化された造形物が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態となる製造工程のうち最初の段階を表す模式的工程図
【図２】粉末供給工程の模式的工程図
【図３】加振工程の模式的工程図
【図４】加圧工程の模式的工程図
【図５】高さ規制工程の模式的工程図
【図６】レーザ照射工程の模式的工程図
【図７】粉末材料層の形態変化を表す模式図
【図８】別の実施形態を表す断面図
【図９】偏心回転体の構造を表す正面図（ａ） および側面図（ｂ）
【図１０】別の実施形態を表す断面図
【図１１】別の実施形態を表す断面図
【図１２】別の実施形態を段階的に表す模式的断面図
【図１３】別の実施形態を段階的に表す模式的断面図
【図１４】別の実施形態を段階的に表す模式的断面図
【図１５】別の実施形態を段階的に表す模式的断面図
【図１６】別の実施形態を表す断面図
【図１７】別の実施形態を表す断面図
【符号の説明】
１０ 造形枠
１２ 造形台
１４ 載置板
１６ 規制板
２０ 加振部
２２ 加振装置
３０ 粉末材料
３１、３１ａ、３１ｂ 粉末
３２ 硬化層
３４ 未硬化粉末
３６ 粉末材料層
４０ 加圧板
４２ 圧力センサ
４６ 透明板
５０ レーザ光

Claims (18)

1. 無機質あるいは有機質の粉末材料に光ビームを照射して硬化層を形成し、この硬化層を積み重ねて所望の三次元形状造形物を製造する方法において、
   光ビームを照射して硬化層を形成する造形領域に粉末材料を供給する工程（ａ） と、
   前記造形領域に供給された粉末材料に振動を加える工程（ｂ） と、
   前記造形領域に供給された粉末材料に圧力を加える工程（ｃ） と、
   工程（ｂ） および工程（ｃ） の後、前記粉末材料に光ビームを照射して硬化層を形成する工程（ｄ） と
   を含む三次元形状造形物の製造方法。
2. 請求項１の方法において、
   前記工程（ｄ） が、前記造形領域を非酸化性雰囲気にする
   三次元形状造形物の製造方法。
3. 請求項２の方法において、
   前記造形領域を外部空間に対して正圧に維持する
   三次元形状造形物の製造方法。
4. 請求項１〜３の方法において、
   前記工程（ｂ） が、前記造形領域を構成する部材を振動させて前記粉末材料に振動を加える
   三次元形状造形物の製造方法。
5. 請求項１〜４の方法において、
   前記工程（ｂ） が、前記造形領域の開放された表面に加振部材を配置し、加振部材が発生する振動を前記粉末材料に加える
   三次元形状造形物の製造方法。
6. 請求項１〜５の方法において、
   前記工程（ｂ） が、超音波振動子が発生する振動を前記粉末材料に加える
   三次元形状造形物の製造方法。
7. 請求項１〜６の方法において、
   前記工程（ｂ） が、偏心回転体が発生する振動を前記粉末材料に加える
   三次元形状造形物の製造方法。
8. 請求項１〜７の方法において、
   前記工程（ｃ） が、前記造形領域の開放された表面に加圧部材を配置し、加圧部材で前記粉末材料を押圧して圧力を加える
   三次元形状造形物の製造方法。
9. 請求項１〜８の方法において、
   前記工程（ｃ） が、
   前記造形領域の開放された表面に配置された加圧部材を、前記表面に沿って移動させながら前記粉末材料を押圧して圧力を加える工程（ｃ−１） と、
   前記加圧部材とともに移動し、加圧部材の後方に配置された高さ規制部材で前記粉末材料の高さ位置を規制する工程（ｃ−２） とを含む
   三次元形状造形物の製造方法。
10. 請求項１〜９の方法において、
    前記工程（ｃ） が、圧力センサで前記粉末材料に生じる圧力を検知し、検知された圧力情報に基づいて粉末材料に加える圧力を制御する
    三次元形状造形物の製造方法。
11. 請求項１〜１０の方法において、
    前記工程（ａ） が、粒径の異なる複数種類の粉末材料を供給する
    三次元形状造形物の製造方法。
12. 請求項１１の方法において、
    複数種類の粉末材料のうちの１種類が、平均粒径５〜１０μｍの比較的に細かい粉末材料であり、別の１種類が、平均粒径２０〜４０μｍの比較的に粗い粉末材料である
    三次元形状造形物の製造方法。
13. 請求項１１または１２の方法において、
    前記工程（ａ） が、比較的に粒径の粗い粉末材料を供給する工程（ａ−１） と、工程（ａ−１） の後で比較的に粒径の細かい粉末材料を供給する工程（ａ−２） とを含む
    三次元形状造形物の製造方法。
14. 請求項１１〜１３の方法において、
    前記工程（ａ） が、比較的に粒径の粗い粉末材料と比較的に粒径の細かい粉末材料との混合粉末を供給する工程（ａ−３） と、工程（ａ−３） の後で比較的に粒径の細かい粉末材料を供給する工程（ａ−４） とを含む
    三次元形状造形物の製造方法。
15. 請求項１１〜１４の方法において、
    前記工程（ａ） が、粒径と材質が異なる複数種類の粉末材料を供給する
    三次元形状造形物の製造方法。
16. 請求項１５の方法において、
    複数種類の粉末材料のうちの１種類が、銅、青銅およびリン銅からなる群から選ばれる何れか１種以上の材料からなる比較的に粒径の粗い粉末材料であり、別の１種類が、鉄、ニッケルからなる群から選ばれる何れか１種以上の材料からなる比較的に粒径の細かい粉末材料である
    三次元形状造形物の製造方法。
17. 請求項１１の方法において、
    複数種類の粉末材料のうちの１種類が、比較的に粒径が細かく融点が低い粉末材料であり、別の１種類が、比較的に粒径が粗く融点が高い粉末材料である
    三次元形状造形物の製造方法。
18. 請求項１７の方法において、
    比較的に粒径が細かく融点が低い粉末材料が、銅、青銅およびリン銅からなる群から選ばれる何れか１種以上の材料であり、比較的に粒径が粗く融点が高い粉末材料が、鉄、ニッケルからなる群から選ばれる何れか１種以上の材料である
    三次元形状造形物の製造方法。

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