JP3687475B2 - 立体形状物体の造形方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ビームの照射による無機質粉末材料の硬化によって立体形状物体の造形を行う立体形状物体の造形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
粉末材料を光硬化させることで立体形状物体の造形を行うにあたっては、図３２に示すように、材料シリンダー３内の粉末材料１をスキージング装置３０によって造形シリンダー２内のピストン２０にセットした基台２１上に所定厚みの層１０として移し、この層のうちの硬化させるべき部分に光ビーム４を照射して硬化部１５を形成し、次いでピストン２０を所定量だけ下げてスキージング装置３０による粉末材料１の供給を行って硬化部１５を有する粉末層１０の上に新たな層１０を形成し、この層１０の硬化させるべき部分に光ビーム４を照射するということを繰り返して硬化部１５の積層により所望の立体形状物体としている。この時、粉末材料の各層１０は同じ厚みとするとともに光ビーム（レーザービーム）４の照射条件も同じとするのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記基台２１には鉄板が通常使用されているとともにこの鉄板上の最初の粉末層を硬化させるにあたっては、硬化させた部分が熱収縮で変形してしまうことを防ぐために、図３３(a)に示すように、粉末層だけでなく、基台２１部分まで光ビームによって溶融させることで、硬化部を基台２１に一体化させてしまうのであるが、この時には鉄板である基台も溶融させてしまうエネルギーを光ビームに与えることから、この時と同じ条件の光ビームをすでに硬化させた硬化部を含む粉末層上の粉末層に照射して溶融させると、図３３(b)に示すように広い範囲が溶融してその後に硬化するために、硬化領域が光ビームの照射域に比して広がってしまい、細かい造形ができなくなってしまう。
【０００４】
一方、光ビームの照射条件を変えるという点については、特願平６−５２０６６９号に、立体形状物体の表面と、物体の内部とを異なる条件とすることが示されている。しかし、この場合は基台との接合部分も表面についての条件で光ビームを照射することになるために、基台の接合を満たす条件で表面に対する光ビーム照射も行えば、表面の微細な造形を行うことができず、逆に微細な造形を満たす条件で造形すれば、基台との接合力が得られず、剥離してしまう虞がある。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは基台との十分な接合力を得つつ、表面に微細な造形を行うことができる立体形状物体の造形方法を提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、基台上に積層していく無機質粉末層に漸次光ビームを照射して粉末層を溶融硬化させていくことで所望の立体形状物体を造形するにあたり、造形しようとする立体形状物体を基台に接合させるべき接合部と、上面部と、接合部と上面部との間の中間部に分類し、上面部及び中間部はブロンズを主成分とするもの、接合部はニッケルを主成分として鉄及び／又は銅を含むものとして、各部毎に光ビームの照射条件を変えて造形していくとともに、上記接合部は粉末層と基台とを共に溶融させる条件の大エネルギー光ビームを照射し、上記上面部は立体形状物体の密度及び機械的強度を高める条件に従った小エネルギーの光ビームを照射することに特徴を有している。
【０００７】
基台に接合させてしまう接合部についてはニッケルを主成分として鉄及び／又は銅を含むものとすると同時に粉末層と基台とを共に溶融させる大エネルギーの光ビームを照射し、微細な造形を行う上面部については、ブロンズを主成分とすると同時に粉末層同士の溶融接着条件に従った密度及び機械的強度を高めるための条件の小エネルギーの光ビームを照射することで、基台との接合力の確保と微細な造形との両立を図ったものである。
【０００８】
上面部の設定については、造形しようとする立体形状物体の三次元図形を所定の積層厚み分だけ基台方向に下げた三次元図形と元の三次元図形との論理積部分の形状を求め、元の三次元図形から上記論理積部分の形状図形を除いて残った部分を上面部としたり、造形しようとする立体形状物体の三次元図形を基台の位置基準で高さ方向に任意の倍率で縮小した三次元図形を求め、元の三次元図形から上記縮小図形を除いて残った部分を上面部とすればよい。
【０００９】
中間部については元の三次元図形から上面部と接合部とを除いた部分を中間部とすればよい。
【００１０】
接合部については基台から任意の厚みに相当する部分を接合部とすればよい。
【００１１】
また、中間部を立体形状物体の外側面となる側面部とこの側面部で囲まれた中心部とに分けて、側面部と中心部とに異なる条件の光ビームを照射することも好ましい。上面部だけでなく、外側面についても微細形状とすることが可能となる。
【００１８】
光ビームの照射条件として走査パターンを含めるのが好ましい。
【００１９】
また、接合部の粉末材料成分を基台側から中間部にかけて傾斜的に異ならせるのも好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、造形に使用するものは、前記従来例と同じであり、立体形状物体を形成したい基台２１上に粉末層１０を形成し、この粉末層１０の所要部分に光ビーム４を照射して溶融硬化させて硬化部１５を形成し、次に基台２１を一段降下させて上記粉末層１０上に新たな粉末層１０を形成し、この粉末層１０の所要部分に光ビーム４を照射して溶融硬化させて硬化部１５を形成することを繰り返すことによって、所望の立体形状物体を造形する。
【００２１】
上記粉末層１０を構成する粉末材料１としては、例えば平均粒径が約２０μｍの球形の鉄粉を、光ビーム４としてはたとえばＹＡＧレーザーを用いることができ、基台２１上に所定の厚みの粉末層１０を形成する手段としては、前述のスキージング装置を用いることができる。
【００２２】
光ビーム４を照射して硬化させるべき部分については、造形したい立体形状物体の図２(a)に示す三次元ＣＡＤデータから例えば三角形パッチで近似されたサーフェスモデル（図２(b)）を作成し、このデータを基台２１側となる底面側から順次平行にスライスして等高線輪郭データ（図２(c)）を得て、この等高線輪郭データに囲まれた領域を光ビーム４の照射によって硬化させるべき部分とする。
【００２３】
もっとも、この等高線輪郭データをもとにしたのでは、光ビーム４の照射条件を造形したい立体形状物体の場所に応じて適宜変更することは困難であることから、ここでは、図１に示すように、造形しようとする立体形状物体を基台２１に接合させるべき接合部１１と、上面部１３と、接合部１１と上面部１３との間の中間部１２に分類し、各部毎に光ビームの照射条件を変えて造形していくものとしている。
【００２４】
ここで、上面部１３の設定については、図３に示すように、造形しようとする立体形状物体の三次元図形イを所定の積層厚み分だけ基台方向に平行移動させた三次元図形ロと元の三次元図形イとの論理積部分の形状ハを求め、元の三次元図形イから上記論理積部分の形状図形ハを除いて残った部分を上面部１３とすればよい。この演算は、三次元ＣＡＤデータを用いて行えばよいが、造形にあたって生成する中間データであるＳＴＬ（Ｓｔｅｒｅｏ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）データから上記演算を行うようにしてもよい。上記平行移動量としては、たとえば０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度を適用する。
【００２５】
図４に示すように、造形しようとする立体形状物体の三次元図形イを基台２１の位置基準で高さ方向に任意の倍率で縮小した三次元図形ニを求め、元の三次元図形イから上記縮小図形ニを除いて残った部分を上面部１３としてもよい。縮小比率は全モデル高さの１％〜５０％程度が適当である。
【００２６】
接合部１１については基台２１から任意の厚みに相当する部分を接合部とすればよい。たとえば、０．１ｍｍのスライスピッチで等高線輪郭データを得ている場合には、５層〜５０層程度を接合部１１とする。
【００２７】
中間部１２については元の三次元図形から上面部１３と接合部１１とを除いた部分を中間部１２とすればよい。
【００２８】
そして、基台２１に接合させてしまう接合部１１については大エネルギーの光ビーム４を照射し、微細な造形を行う上面部１３については、粉末層１０同士の溶融接着条件に従った小エネルギーの光ビーム４を照射することで、基台２１との接合力の確保と微細な造形との両立を図ることができるものであり、さらに中間部１２については、接合力や微細な造形といった点からエネルギーを設定するのではなく、造形速度の点からエネルギーを設定することで、造形速度を向上させることができる。
【００２９】
造形しようとする立体形状物体の側面についても精度の高い造形を行いたい場合は、中間部１２を立体形状物体の外側面となる側面部１２ａとこの側面部１２ａで囲まれた中心部１２ｂとに分けて、側面部１２ａと中心部１２ｂとに異なる条件の光ビームを照射すればよい。
【００３０】
上記側面部１２ａの設定については、造形しようとする立体形状物体の三次元図形を高さ方向においてスライスして得られた断面輪郭線Ｌａに対して、図６に示すように、各高さの輪郭線Ｌａ毎に側面厚みｄの距離でオフセットした縮小輪郭線Ｌｂを求め、元の輪郭線Ｌａとオフセット後の縮小輪郭線Ｌｂとで囲まれた領域を側面部１２ａとしたり、図７に示すように、各高さの輪郭線Ｌａ毎に図形重心Ｇを求めて該重心Ｇを基準に輪郭線を任意の倍率で縮小した縮小輪郭線Ｌｃを求め、元の輪郭線Ｌａと縮小輪郭線Ｌｃとで囲まれた領域を側面部１２ａとすればよい。孔がある立体形状物体の場合は、その孔の輪郭線（内輪郭線）Ｌｄをその図形重心Ｇを基準に輪郭線を任意の倍率で拡大した拡大輪郭線Ｌｅを求め、元の輪郭線Ｌｄと拡大輪郭線Ｌｅとで囲まれた領域を側面部とすればよい。つまり輪郭線が複数ある場合は、図８に示すように、輪郭線毎に重心Ｇを求めて、外輪郭線は縮小、内輪郭線は拡大するのである。なお、重心Ｇは、たとえば輪郭線で囲まれた領域を複数の三角形に分割して、それぞれの面積と重心の座標を求め、それらの重心座標を面積に比例した重みを付けて加重平均することで求めることができる。
【００３１】
拡大縮小率の倍率は輪郭線内の面積に応じてたとえば図９に示すように変更するのが好ましい。つまり輪郭線で囲まれる領域の面積が１００００ｍｍ2であれば６％、１００ｍｍ2であれば６０％とするのである。これにより、側面部１２ａの厚みをほぼ均一にすることができる。
【００３２】
また、上面部１３も図１０に示すように、立体形状部分の外側面となる側面部１３ａと側面部１３ａを除く他の部分１３ｂとに分けて、該側面部１３ａに中間部１２の側面部１２ａと同一条件の光ビームを照射するようにしてもよい。接合部１１についても同様である。
【００３３】
光ビーム４の照射条件であるが、接合部１１については粉末層１０と基台２１とを共に溶融させる条件で光ビーム４を照射する。粉末層１０のうちの光ビーム４を照射して一旦溶融させた後の冷却で硬化部１５を形成するわけであるが、この硬化に際して熱収縮が発生する。この時、基台２１まで溶融させて硬化させることで、熱収縮によって基台２１から硬化部１５が剥離してしまうことを防ぐことができる。基台２１が鉄系の板材で融点が１５００℃程度、粉末材料１が銅系（ブロンズ系）の材料で融点が１０００℃程度であれば、基台２１に接合させるべき接合部１１については、１５００℃程度まで温度を上昇させることになる光ビーム４を照射するのである。
【００３４】
一方、上面部１３については、造形しようとする立体形状物体の表面部分にあたるために、該造形物を金型として使用する場合など、表面部の密度が高くて機械的強度がないと成形時の射出圧力に負けてしまい、型として使用できないことになる。造形物を金属製部品として用いる場合においても、表面部分の強度が無いと変形してしまう。このために、表面にあたる上面部分は機械的強度が得られる条件で光ビーム４を照射して溶融硬化させる。
【００３５】
接合部１１に対する光ビーム４の照射については、図１１に示すように、光ビーム４をスポット照射してスポット硬化部１５を断続的に形成するのが好ましい。光ビーム４としては、ＣＯ2レーザーやＹＡＧレーザーのような赤外線レーザーを通常用いるが、この赤外線レーザーには直流電圧のように出力が一定で連続的に発信するＣＷレーザーとパルス信号のように間欠的に発振するパルスレーザーとがあり、パルスレーザーはパルス発振の短い時間にＣＷ発振よりも大きなピークエネルギーを出力することができる。従って、基台２１も溶融させてしまうことが必要な接合部１１についてはパルスレーザーを用いてスポット的な硬化部１５を形成していくのが好ましい。この場合、硬化部１５に残っている熱が拡散して熱エネルギーが蓄積されるのを防ぐことができ、硬化部１５の熱収縮による変形がなくなるという利点もある。ちなみにＣＷレーザーではピーク出力が小さいために基台２１まで溶融させることが困難である上に、連続的な照射となることから、硬化部が持っている熱量が拡散する前に連なる部分にレーザーが照射されるために熱量が蓄積されてしまうものであり、造形物全体が常温となる時に歪みが発生して接合部が基台から剥離する虞がある。
【００３６】
光ビーム４のスポット照射後に光ビーム４の連続照射を行って、図１２に示すようにスポット硬化部１５間の未硬化部分を溶融硬化させてもよい。この時の光ビーム４は、粉末層１０のみを溶融硬化させてしまうエネルギーのものでよい。スポット硬化部１５によって基台２１との接合を行ってアンカー効果を持たせ、連続照射によって粉末層１０の未効果部分を硬化させるのである。これによって、接合部１１に未硬化部分が残るのを防ぐことができる。また、光ビーム４の連続照射に際しての熱収縮変形はスポット硬化部１５の存在により防がれる。
【００３７】
接合部１１と中間部１２と上面部１３とで光ビーム４照射によって溶融させる粉末層厚みを異ならせるようにしてもよい。接合部１１や中間部１２は厚く、上面部１３は薄くするのである。たとえば、接合部１１や中間部１２は０．１ｍｍ程度、上面部１３は０．０３〜０．０８ｍｍ程度とする。中間部１２は接合部１１よりもさらに厚くしてもよい。
【００３８】
表面形状が曲面の場合、積層厚みが厚いと図１３に示すように、ＣＡＤ形状αと造形形状とに大きなずれが生じてしまうが、積層厚みを薄くすれば図１４に示すようにずれを小さくすることができる。そして、接合部１１や中間部１２は積層厚みを厚くすることで、造形時間の短縮を図ることができる。
【００３９】
ここにおいて、図１５に示すように、前述の側面部１３ａ（１２ａ）を区別する場合においても、積層厚みを異ならせることを適用することができる。側面部１３ａ（１２ａ）については、各層毎に光ビーム４を照射し、中心部１３ｂ（１２ｂ）については、各層毎に光ビーム４を照射するのではなく、複数層に対してまとめて光ビーム４を照射して溶融硬化させるのである。中心部１３ｂ（１２ｂ）に対する光ビーム４の照射時間を減らすことができるために、造形時間を短くすることができる。
【００４０】
上面部１３の粉末層の厚み（積層厚み）Ｈは、造形しようとする立体形状物体の垂直断面の輪郭線の傾斜に応じて異ならせると、造形時間の短縮と造形精度の向上との両立を図ることができる。図１６に示すように、ＣＡＤ形状に対してＸＹ平面に垂直な基準面Ｆを複数設定し、これら基準面Ｆと前述の断面輪郭線との交点Ｑの座標を求めて、各基準面Ｆ内における上下に隣接する交点Ｑ，Ｑ間を結ぶ線分の傾きを求め、各基準面ごとに求めた線分の傾きのなかで一番小さいものをスライス面間の傾きとし、この傾きの値が所定値以上となるように、スライス面間の距離（積層厚み）Ｈを変えるのである。これは傾きが小さければスライス距離Ｈを小さく、傾きが大きければ、スライス距離Ｈを大きくするが、積層間の接着限界を超えて大きくすることはしないというルールで積層厚みＨを設定する。
【００４１】
光ビームの照射条件を変えることについては、その走査パターンを変えるようにしてもよい。たとえば、図１７に示すように平行線状の走査パターンを用いるとともに、該平行線状走査パターンは各層毎に９０度向きを変える。向きを変えるのは強度の弱い方向を無くして全体の強度を高めるためである。また、図では各層において同方向に光ビームを走査するとともにその前あるいは後で輪郭部分を走査して平行線端面の凹凸の無くすようにしているが、これに限定されるものではない。平行線走査の始点Ｓ及び終点座標及び輪郭線走査の走査ラインＳＬは、造形する図形の断面輪郭線に対して光ビームの走査（輪郭線走査）による硬化幅Ｗの１／２に相当する値Ｗ／２でオフセットしておく。
【００４２】
図１８に示すように、格子状の走査パターンを用いてもよい。走査手順としては、図１９に示すように、同一方向の平行線をすべて走査してから直交方向の走査線を走査しても、あるいは図２０に示すように、１本ずつ直交方向走査を繰り返してもよいが、走査の始点及び終点のオフセット及び輪郭線走査のオフセットについては上記の場合と同じに設定する。
【００４３】
各層の格子パターンは、図２１に示すように、硬化幅Ｗよりも格子ピッチＰが大きい場合、走査による硬化部１５が上下に重なる位置となるようにしておくとよいが、図２２に示すように、半ピッチずらすようにしてもよい。１本の照射線で溶融硬化する領域が図２３に示すように、不必要に重なってしまうということがないために、未硬化で残ってしまう領域を少なくしつつ全走査時間を短くすることができる。
【００４４】
半ピッチずらすことは、前述の平行線状の走査パターンとする場合にも適用することができ、この場合、図２４に示すように、２層下もしくは上にある同一方向の平行線が半ピッチずれるようにする。
【００４５】
走査パターンとしては、図２５に示すようなハニカム状の走査パターンを用いてもよい。この場合、ハニカムパターンの大きさを調整することにより、未硬化の粉末を閉じこめたままで硬化部分の機械的強度を維持することができるとともに、輪郭線で囲まれた領域を全て走査しなくても機械的強度を維持できることから、走査領域が少なくなって走査時間を短くすることができる。
【００４６】
上記のような走査パターンの適用例を図２６に示す。ここでは接合部１１については格子状走査パターンを用いるとともにその走査ピッチを硬化幅以上にして接合力を確保し、中間部１２についてはハニカム状の走査パターンを用いて機械的強度を保ちつつ形状を維持できるようにし、さらに上面部については平行線状の走査パターンを用いるとともにその走査ピッチを硬化幅より小さくして造形密度を上げている。
【００４７】
このほか、接合部１１と中間部１２と上面部１３についてすべて同じ走査パターンを用いるとともに、各部１１，１２，１３において走査ピッチを変えるようにしてもよい。たとえば平行線状走査パターンを適用する場合、上面部１３は走査ピッチを１回走査の硬化幅Ｗ以下の値（０．１〜０．４ｍｍ程度）として造形密度を高め、接合部１１は１回走査の硬化幅Ｗより大きい走査ピッチ（０．４〜１ｍｍ程度）として基台２１から剥がれてしまうのを防ぎ、中間部１２は構造を維持する強度させあればよいことから接合部１１よりもさらに大きい走査ピッチ（１ｍｍ以上〜数ｍｍ程度）とする。格子状やハニカム状の走査パターンを適用する場合についても、走査ピッチは上面部≦接合部≦中間部とするのがよい。
【００４８】
光ビーム４の照射条件を変えることについては、上面部１３に対して図２７に示すように、光ビーム４を連続照射（繰り返し周波数の高いパルスレーザーで照射域が漸次重なるように走査していくことを含む）し、中間部１２は光ビーム４を不連続照射するようにするようにしてもよい。特に中間部１２に対しては、密度が高くなくてもよく、粉末を完全溶融する必要はないことから、図２８に示すように、照射点を散在させつつ最終的には未照射領域がなくなるようにすることで、必要以上のエネルギー照射を防ぐことができる。
【００４９】
接合部１１と中間部１２と上面部１３とにおいて、粉末材料を異ならせておくことが好ましい。造形用の無機質粉末材料としては、ブロンズを主成分としてニッケルやリン銅などの材料を添加したもの、鉄系主成分にニッケルを添加したものなどが考えられるが、基台２１に機械的強度やコストの点から鉄板を使用している場合、ブロンズを主成分とする材料ではブロンズと鉄との合金が形成されにくく、このために接合力が弱くて収縮応力によって基台２１から剥がれてしまう虞が高くなる。このために、上面部１３や中間部１２においてブロンズを主成分とする材料を用いる場合でも、接合部１１については基台２１の材質成分に近い成分のもの、つまりはニッケルを主成分とする鉄や銅などの合金系の材料を用いることで接合力を高めることができる。
【００５０】
この時、接合部１１についてすべて同じ材料成分のものとせずに、図２９に示すように、接合部１１の材料成分を基台２１側から中間部１２にかけて傾斜的に異ならせるようにしてもよい。たとえば、ニッケルを５０％以上含むとともにアルミニウムやモリブデンや炭素、銅、鉄などとの合金である治溶合金を接合部１１に用いる場合において、基台２１に近い部分では基台２１と同じ成分である鉄成分の割合を高くしておき、ブロンズ系材料を用いている中間部１２側の層になるに従って、ブロンズ成分であるところの銅成分を増やしていくのである。これによって接合部１１を基台２１に対しても中間部１２に対しても接合力の高いものとすることができる。
【００５１】
このほか、同じ材料成分で中間部１２や上面部１１を形成する場合においても、粉末材料の粒径を異ならせるのも好ましい。粉末材料の粒径としては、平均粒径３０μｍ程度のものが用いられるが、この粒径の粉末材料で造形を行うと、表面の凹凸が１００μｍ程度になってしまうとともに、図３０に示すように粉末材料の粒Ｒ間に分散していた空間が溶融させた後の凝縮時にまとまって大きな空間Ｋが生じることで密度が７０％程度となってしまう。
【００５２】
このために密度を高くしたい上面部１３については、図３１に示すように中間部１２に用いる粉末材料よりも粒径の小さいものを用いるのである。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、基台上に積層していく無機質粉末層に漸次光ビームを照射して粉末層を溶融硬化させていくことで所望の立体形状物体を造形するにあたり、造形しようとする立体形状物体を基台に接合させるべき接合部と、上面部と、接合部と上面部との間の中間部に分類し、上面部及び中間部はブロンズを主成分とするもの、接合部はニッケルを主成分として鉄及び／又は銅を含むものとして、各部毎に光ビームの照射条件を変えて造形していくとともに、上記接合部は粉末層と基台とを共に溶融させる条件の大エネルギー光ビームを照射し、上記上面部は立体形状物体の密度及び機械的強度を高める条件に従った小エネルギーの光ビームを照射するものであり、基台に接合させてしまう接合部については大エネルギーの光ビームを照射し、微細な造形を行う上面部については、粉末層同士の溶融接着条件に従った小エネルギーの光ビームを照射することができ、基台との接合力の確保と微細な造形との両立を図ることができ、造形物表面の面精度品質向上及び強度と硬度の向上とを造形速度を犠牲にすることなく得ることができる。しかも接合部は基台まで溶融させて硬化させるために、熱収縮によって基台から硬化部が剥離してしまうことを防ぐことができる。しかも、上面部及び中間部がブロンズを主成分とするものにおいても、鉄からなる基台に接合させる接合部は、ニッケルを主成分として鉄及び／又は銅を含むものとしているために、基台との接合力を強化することができる。
【００５４】
上面部の設定については、造形しようとする立体形状物体の三次元図形を所定の積層厚み分だけ基台方向に下げた三次元図形と元の三次元図形との論理積部分の形状を求め、元の三次元図形から上記論理積部分の形状図形を除いて残った部分を上面部としたり、造形しようとする立体形状物体の三次元図形を基台の位置基準で高さ方向に任意の倍率で縮小した三次元図形を求め、元の三次元図形から上記縮小図形を除いて残った部分を上面部とすることで、上面部の設定を簡便に行うことができる。
【００５５】
中間部については元の三次元図形から上面部と接合部とを除いた部分を中間部とし、接合部については基台から任意の厚みに相当する部分を接合部とすることで、これらの部分の設定を簡便に行うことができる。
【００５６】
また、中間部を立体形状物体の外側面となる側面部とこの側面部で囲まれた中心部とに分けて、側面部と中心部とに異なる条件の光ビームを照射することも好ましい。上面部だけでなく、外側面についても微細形状とすることが可能となる上に、造形速度の向上を図ることができる。
【００６３】
光ビームの照射条件として走査パターンを含めるのが造形速度の向上等の点で好ましい。
【００６６】
接合部の粉末材料成分を基台側から中間部にかけて傾斜的に異ならせるのも、基台との接合力の強化などの点で好ましい結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の適用例についての概略断面図である。
【図２】ＣＡＤデータの処理についての説明図である。
【図３】同上の上面部算出についての説明図である。
【図４】同上の上面部算出についての他例の説明図である。
【図５】 (a)(b)は同上の中間部の側面部と中心部についての断面図と水平断面図である。
【図６】同上の側面部算出についての説明図である。
【図７】同上の側面部算出についての他例の説明図である。
【図８】 (a)(b)は同上の側面部についての水平断面図である。
【図９】面積と拡大縮小倍率についての相関図である。
【図１０】上面部の側面部と中心部についての断面図である。
【図１１】 (a)(b)はスポット硬化部の生成についての断面図と斜視図である。
【図１２】 (a)(b)はスポット硬化部の生成後の連続照射についての断面図と斜視図である。
【図１３】積層厚みが厚い場合についての説明のためのもので、(a)は上面基準の場合の断面図、(b)は下面基準の場合の断面図である。
【図１４】積層厚みが薄い場合についての説明のためのもので、(a)は上面基準の場合の断面図、(b)は下面基準の場合の断面図である。
【図１５】 (a)(b)は側面部と中心部とで厚みを異ならせる場合の断面図である。
【図１６】 (a)(b)(c)は基準面と断面輪郭線と傾きと積層ピッチについての説明図である。
【図１７】 (a)は走査パターンの一例の説明図、(b)(c)はオフセットについての説明図である。
【図１８】走査パターンの他例の説明図である。
【図１９】走査順序についての説明図である。
【図２０】走査順序についての他例の説明図である。
【図２１】同上の各層における走査位置を示す断面図である。
【図２２】同上の他例における各層における走査位置を示す断面図である。
【図２３】同上の硬化部の分布状態を示す概略断面図である。
【図２４】 (a)(b)は平行線状走査パターンとする場合の各層における走査位置を示す縦断面図と横断面図である。
【図２５】走査パターンのさらに他例の説明図である。
【図２６】走査パターンの適用例についての説明図である。
【図２７】連続照射についての説明図である。
【図２８】不連続照射についての説明図である。
【図２９】粉末材料成分の傾斜配置についての説明図である。
【図３０】粒径が大の場合の密度に対する影響を示す説明図である。
【図３１】粒径が小さい場合の説明図である。
【図３２】造形装置の断面図である。
【図３３】 (a)(b)は溶融硬化部を示す断面図である。
【符号の説明】
１１ 接合部
１２ 中間部
１３ 上面部
２１ 基台
【発明の属する技術分野】
本発明は光ビームの照射による無機質粉末材料の硬化によって立体形状物体の造形を行う立体形状物体の造形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
粉末材料を光硬化させることで立体形状物体の造形を行うにあたっては、図３２に示すように、材料シリンダー３内の粉末材料１をスキージング装置３０によって造形シリンダー２内のピストン２０にセットした基台２１上に所定厚みの層１０として移し、この層のうちの硬化させるべき部分に光ビーム４を照射して硬化部１５を形成し、次いでピストン２０を所定量だけ下げてスキージング装置３０による粉末材料１の供給を行って硬化部１５を有する粉末層１０の上に新たな層１０を形成し、この層１０の硬化させるべき部分に光ビーム４を照射するということを繰り返して硬化部１５の積層により所望の立体形状物体としている。この時、粉末材料の各層１０は同じ厚みとするとともに光ビーム（レーザービーム）４の照射条件も同じとするのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記基台２１には鉄板が通常使用されているとともにこの鉄板上の最初の粉末層を硬化させるにあたっては、硬化させた部分が熱収縮で変形してしまうことを防ぐために、図３３(a)に示すように、粉末層だけでなく、基台２１部分まで光ビームによって溶融させることで、硬化部を基台２１に一体化させてしまうのであるが、この時には鉄板である基台も溶融させてしまうエネルギーを光ビームに与えることから、この時と同じ条件の光ビームをすでに硬化させた硬化部を含む粉末層上の粉末層に照射して溶融させると、図３３(b)に示すように広い範囲が溶融してその後に硬化するために、硬化領域が光ビームの照射域に比して広がってしまい、細かい造形ができなくなってしまう。
【０００４】
一方、光ビームの照射条件を変えるという点については、特願平６−５２０６６９号に、立体形状物体の表面と、物体の内部とを異なる条件とすることが示されている。しかし、この場合は基台との接合部分も表面についての条件で光ビームを照射することになるために、基台の接合を満たす条件で表面に対する光ビーム照射も行えば、表面の微細な造形を行うことができず、逆に微細な造形を満たす条件で造形すれば、基台との接合力が得られず、剥離してしまう虞がある。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは基台との十分な接合力を得つつ、表面に微細な造形を行うことができる立体形状物体の造形方法を提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、基台上に積層していく無機質粉末層に漸次光ビームを照射して粉末層を溶融硬化させていくことで所望の立体形状物体を造形するにあたり、造形しようとする立体形状物体を基台に接合させるべき接合部と、上面部と、接合部と上面部との間の中間部に分類し、上面部及び中間部はブロンズを主成分とするもの、接合部はニッケルを主成分として鉄及び／又は銅を含むものとして、各部毎に光ビームの照射条件を変えて造形していくとともに、上記接合部は粉末層と基台とを共に溶融させる条件の大エネルギー光ビームを照射し、上記上面部は立体形状物体の密度及び機械的強度を高める条件に従った小エネルギーの光ビームを照射することに特徴を有している。
【０００７】
基台に接合させてしまう接合部についてはニッケルを主成分として鉄及び／又は銅を含むものとすると同時に粉末層と基台とを共に溶融させる大エネルギーの光ビームを照射し、微細な造形を行う上面部については、ブロンズを主成分とすると同時に粉末層同士の溶融接着条件に従った密度及び機械的強度を高めるための条件の小エネルギーの光ビームを照射することで、基台との接合力の確保と微細な造形との両立を図ったものである。
【０００８】
上面部の設定については、造形しようとする立体形状物体の三次元図形を所定の積層厚み分だけ基台方向に下げた三次元図形と元の三次元図形との論理積部分の形状を求め、元の三次元図形から上記論理積部分の形状図形を除いて残った部分を上面部としたり、造形しようとする立体形状物体の三次元図形を基台の位置基準で高さ方向に任意の倍率で縮小した三次元図形を求め、元の三次元図形から上記縮小図形を除いて残った部分を上面部とすればよい。
【０００９】
中間部については元の三次元図形から上面部と接合部とを除いた部分を中間部とすればよい。
【００１０】
接合部については基台から任意の厚みに相当する部分を接合部とすればよい。
【００１１】
また、中間部を立体形状物体の外側面となる側面部とこの側面部で囲まれた中心部とに分けて、側面部と中心部とに異なる条件の光ビームを照射することも好ましい。上面部だけでなく、外側面についても微細形状とすることが可能となる。
【００１８】
光ビームの照射条件として走査パターンを含めるのが好ましい。
【００１９】
また、接合部の粉末材料成分を基台側から中間部にかけて傾斜的に異ならせるのも好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、造形に使用するものは、前記従来例と同じであり、立体形状物体を形成したい基台２１上に粉末層１０を形成し、この粉末層１０の所要部分に光ビーム４を照射して溶融硬化させて硬化部１５を形成し、次に基台２１を一段降下させて上記粉末層１０上に新たな粉末層１０を形成し、この粉末層１０の所要部分に光ビーム４を照射して溶融硬化させて硬化部１５を形成することを繰り返すことによって、所望の立体形状物体を造形する。
【００２１】
上記粉末層１０を構成する粉末材料１としては、例えば平均粒径が約２０μｍの球形の鉄粉を、光ビーム４としてはたとえばＹＡＧレーザーを用いることができ、基台２１上に所定の厚みの粉末層１０を形成する手段としては、前述のスキージング装置を用いることができる。
【００２２】
光ビーム４を照射して硬化させるべき部分については、造形したい立体形状物体の図２(a)に示す三次元ＣＡＤデータから例えば三角形パッチで近似されたサーフェスモデル（図２(b)）を作成し、このデータを基台２１側となる底面側から順次平行にスライスして等高線輪郭データ（図２(c)）を得て、この等高線輪郭データに囲まれた領域を光ビーム４の照射によって硬化させるべき部分とする。
【００２３】
もっとも、この等高線輪郭データをもとにしたのでは、光ビーム４の照射条件を造形したい立体形状物体の場所に応じて適宜変更することは困難であることから、ここでは、図１に示すように、造形しようとする立体形状物体を基台２１に接合させるべき接合部１１と、上面部１３と、接合部１１と上面部１３との間の中間部１２に分類し、各部毎に光ビームの照射条件を変えて造形していくものとしている。
【００２４】
ここで、上面部１３の設定については、図３に示すように、造形しようとする立体形状物体の三次元図形イを所定の積層厚み分だけ基台方向に平行移動させた三次元図形ロと元の三次元図形イとの論理積部分の形状ハを求め、元の三次元図形イから上記論理積部分の形状図形ハを除いて残った部分を上面部１３とすればよい。この演算は、三次元ＣＡＤデータを用いて行えばよいが、造形にあたって生成する中間データであるＳＴＬ（Ｓｔｅｒｅｏ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）データから上記演算を行うようにしてもよい。上記平行移動量としては、たとえば０．５ｍｍ〜５ｍｍ程度を適用する。
【００２５】
図４に示すように、造形しようとする立体形状物体の三次元図形イを基台２１の位置基準で高さ方向に任意の倍率で縮小した三次元図形ニを求め、元の三次元図形イから上記縮小図形ニを除いて残った部分を上面部１３としてもよい。縮小比率は全モデル高さの１％〜５０％程度が適当である。
【００２６】
接合部１１については基台２１から任意の厚みに相当する部分を接合部とすればよい。たとえば、０．１ｍｍのスライスピッチで等高線輪郭データを得ている場合には、５層〜５０層程度を接合部１１とする。
【００２７】
中間部１２については元の三次元図形から上面部１３と接合部１１とを除いた部分を中間部１２とすればよい。
【００２８】
そして、基台２１に接合させてしまう接合部１１については大エネルギーの光ビーム４を照射し、微細な造形を行う上面部１３については、粉末層１０同士の溶融接着条件に従った小エネルギーの光ビーム４を照射することで、基台２１との接合力の確保と微細な造形との両立を図ることができるものであり、さらに中間部１２については、接合力や微細な造形といった点からエネルギーを設定するのではなく、造形速度の点からエネルギーを設定することで、造形速度を向上させることができる。
【００２９】
造形しようとする立体形状物体の側面についても精度の高い造形を行いたい場合は、中間部１２を立体形状物体の外側面となる側面部１２ａとこの側面部１２ａで囲まれた中心部１２ｂとに分けて、側面部１２ａと中心部１２ｂとに異なる条件の光ビームを照射すればよい。
【００３０】
上記側面部１２ａの設定については、造形しようとする立体形状物体の三次元図形を高さ方向においてスライスして得られた断面輪郭線Ｌａに対して、図６に示すように、各高さの輪郭線Ｌａ毎に側面厚みｄの距離でオフセットした縮小輪郭線Ｌｂを求め、元の輪郭線Ｌａとオフセット後の縮小輪郭線Ｌｂとで囲まれた領域を側面部１２ａとしたり、図７に示すように、各高さの輪郭線Ｌａ毎に図形重心Ｇを求めて該重心Ｇを基準に輪郭線を任意の倍率で縮小した縮小輪郭線Ｌｃを求め、元の輪郭線Ｌａと縮小輪郭線Ｌｃとで囲まれた領域を側面部１２ａとすればよい。孔がある立体形状物体の場合は、その孔の輪郭線（内輪郭線）Ｌｄをその図形重心Ｇを基準に輪郭線を任意の倍率で拡大した拡大輪郭線Ｌｅを求め、元の輪郭線Ｌｄと拡大輪郭線Ｌｅとで囲まれた領域を側面部とすればよい。つまり輪郭線が複数ある場合は、図８に示すように、輪郭線毎に重心Ｇを求めて、外輪郭線は縮小、内輪郭線は拡大するのである。なお、重心Ｇは、たとえば輪郭線で囲まれた領域を複数の三角形に分割して、それぞれの面積と重心の座標を求め、それらの重心座標を面積に比例した重みを付けて加重平均することで求めることができる。
【００３１】
拡大縮小率の倍率は輪郭線内の面積に応じてたとえば図９に示すように変更するのが好ましい。つまり輪郭線で囲まれる領域の面積が１００００ｍｍ2であれば６％、１００ｍｍ2であれば６０％とするのである。これにより、側面部１２ａの厚みをほぼ均一にすることができる。
【００３２】
また、上面部１３も図１０に示すように、立体形状部分の外側面となる側面部１３ａと側面部１３ａを除く他の部分１３ｂとに分けて、該側面部１３ａに中間部１２の側面部１２ａと同一条件の光ビームを照射するようにしてもよい。接合部１１についても同様である。
【００３３】
光ビーム４の照射条件であるが、接合部１１については粉末層１０と基台２１とを共に溶融させる条件で光ビーム４を照射する。粉末層１０のうちの光ビーム４を照射して一旦溶融させた後の冷却で硬化部１５を形成するわけであるが、この硬化に際して熱収縮が発生する。この時、基台２１まで溶融させて硬化させることで、熱収縮によって基台２１から硬化部１５が剥離してしまうことを防ぐことができる。基台２１が鉄系の板材で融点が１５００℃程度、粉末材料１が銅系（ブロンズ系）の材料で融点が１０００℃程度であれば、基台２１に接合させるべき接合部１１については、１５００℃程度まで温度を上昇させることになる光ビーム４を照射するのである。
【００３４】
一方、上面部１３については、造形しようとする立体形状物体の表面部分にあたるために、該造形物を金型として使用する場合など、表面部の密度が高くて機械的強度がないと成形時の射出圧力に負けてしまい、型として使用できないことになる。造形物を金属製部品として用いる場合においても、表面部分の強度が無いと変形してしまう。このために、表面にあたる上面部分は機械的強度が得られる条件で光ビーム４を照射して溶融硬化させる。
【００３５】
接合部１１に対する光ビーム４の照射については、図１１に示すように、光ビーム４をスポット照射してスポット硬化部１５を断続的に形成するのが好ましい。光ビーム４としては、ＣＯ2レーザーやＹＡＧレーザーのような赤外線レーザーを通常用いるが、この赤外線レーザーには直流電圧のように出力が一定で連続的に発信するＣＷレーザーとパルス信号のように間欠的に発振するパルスレーザーとがあり、パルスレーザーはパルス発振の短い時間にＣＷ発振よりも大きなピークエネルギーを出力することができる。従って、基台２１も溶融させてしまうことが必要な接合部１１についてはパルスレーザーを用いてスポット的な硬化部１５を形成していくのが好ましい。この場合、硬化部１５に残っている熱が拡散して熱エネルギーが蓄積されるのを防ぐことができ、硬化部１５の熱収縮による変形がなくなるという利点もある。ちなみにＣＷレーザーではピーク出力が小さいために基台２１まで溶融させることが困難である上に、連続的な照射となることから、硬化部が持っている熱量が拡散する前に連なる部分にレーザーが照射されるために熱量が蓄積されてしまうものであり、造形物全体が常温となる時に歪みが発生して接合部が基台から剥離する虞がある。
【００３６】
光ビーム４のスポット照射後に光ビーム４の連続照射を行って、図１２に示すようにスポット硬化部１５間の未硬化部分を溶融硬化させてもよい。この時の光ビーム４は、粉末層１０のみを溶融硬化させてしまうエネルギーのものでよい。スポット硬化部１５によって基台２１との接合を行ってアンカー効果を持たせ、連続照射によって粉末層１０の未効果部分を硬化させるのである。これによって、接合部１１に未硬化部分が残るのを防ぐことができる。また、光ビーム４の連続照射に際しての熱収縮変形はスポット硬化部１５の存在により防がれる。
【００３７】
接合部１１と中間部１２と上面部１３とで光ビーム４照射によって溶融させる粉末層厚みを異ならせるようにしてもよい。接合部１１や中間部１２は厚く、上面部１３は薄くするのである。たとえば、接合部１１や中間部１２は０．１ｍｍ程度、上面部１３は０．０３〜０．０８ｍｍ程度とする。中間部１２は接合部１１よりもさらに厚くしてもよい。
【００３８】
表面形状が曲面の場合、積層厚みが厚いと図１３に示すように、ＣＡＤ形状αと造形形状とに大きなずれが生じてしまうが、積層厚みを薄くすれば図１４に示すようにずれを小さくすることができる。そして、接合部１１や中間部１２は積層厚みを厚くすることで、造形時間の短縮を図ることができる。
【００３９】
ここにおいて、図１５に示すように、前述の側面部１３ａ（１２ａ）を区別する場合においても、積層厚みを異ならせることを適用することができる。側面部１３ａ（１２ａ）については、各層毎に光ビーム４を照射し、中心部１３ｂ（１２ｂ）については、各層毎に光ビーム４を照射するのではなく、複数層に対してまとめて光ビーム４を照射して溶融硬化させるのである。中心部１３ｂ（１２ｂ）に対する光ビーム４の照射時間を減らすことができるために、造形時間を短くすることができる。
【００４０】
上面部１３の粉末層の厚み（積層厚み）Ｈは、造形しようとする立体形状物体の垂直断面の輪郭線の傾斜に応じて異ならせると、造形時間の短縮と造形精度の向上との両立を図ることができる。図１６に示すように、ＣＡＤ形状に対してＸＹ平面に垂直な基準面Ｆを複数設定し、これら基準面Ｆと前述の断面輪郭線との交点Ｑの座標を求めて、各基準面Ｆ内における上下に隣接する交点Ｑ，Ｑ間を結ぶ線分の傾きを求め、各基準面ごとに求めた線分の傾きのなかで一番小さいものをスライス面間の傾きとし、この傾きの値が所定値以上となるように、スライス面間の距離（積層厚み）Ｈを変えるのである。これは傾きが小さければスライス距離Ｈを小さく、傾きが大きければ、スライス距離Ｈを大きくするが、積層間の接着限界を超えて大きくすることはしないというルールで積層厚みＨを設定する。
【００４１】
光ビームの照射条件を変えることについては、その走査パターンを変えるようにしてもよい。たとえば、図１７に示すように平行線状の走査パターンを用いるとともに、該平行線状走査パターンは各層毎に９０度向きを変える。向きを変えるのは強度の弱い方向を無くして全体の強度を高めるためである。また、図では各層において同方向に光ビームを走査するとともにその前あるいは後で輪郭部分を走査して平行線端面の凹凸の無くすようにしているが、これに限定されるものではない。平行線走査の始点Ｓ及び終点座標及び輪郭線走査の走査ラインＳＬは、造形する図形の断面輪郭線に対して光ビームの走査（輪郭線走査）による硬化幅Ｗの１／２に相当する値Ｗ／２でオフセットしておく。
【００４２】
図１８に示すように、格子状の走査パターンを用いてもよい。走査手順としては、図１９に示すように、同一方向の平行線をすべて走査してから直交方向の走査線を走査しても、あるいは図２０に示すように、１本ずつ直交方向走査を繰り返してもよいが、走査の始点及び終点のオフセット及び輪郭線走査のオフセットについては上記の場合と同じに設定する。
【００４３】
各層の格子パターンは、図２１に示すように、硬化幅Ｗよりも格子ピッチＰが大きい場合、走査による硬化部１５が上下に重なる位置となるようにしておくとよいが、図２２に示すように、半ピッチずらすようにしてもよい。１本の照射線で溶融硬化する領域が図２３に示すように、不必要に重なってしまうということがないために、未硬化で残ってしまう領域を少なくしつつ全走査時間を短くすることができる。
【００４４】
半ピッチずらすことは、前述の平行線状の走査パターンとする場合にも適用することができ、この場合、図２４に示すように、２層下もしくは上にある同一方向の平行線が半ピッチずれるようにする。
【００４５】
走査パターンとしては、図２５に示すようなハニカム状の走査パターンを用いてもよい。この場合、ハニカムパターンの大きさを調整することにより、未硬化の粉末を閉じこめたままで硬化部分の機械的強度を維持することができるとともに、輪郭線で囲まれた領域を全て走査しなくても機械的強度を維持できることから、走査領域が少なくなって走査時間を短くすることができる。
【００４６】
上記のような走査パターンの適用例を図２６に示す。ここでは接合部１１については格子状走査パターンを用いるとともにその走査ピッチを硬化幅以上にして接合力を確保し、中間部１２についてはハニカム状の走査パターンを用いて機械的強度を保ちつつ形状を維持できるようにし、さらに上面部については平行線状の走査パターンを用いるとともにその走査ピッチを硬化幅より小さくして造形密度を上げている。
【００４７】
このほか、接合部１１と中間部１２と上面部１３についてすべて同じ走査パターンを用いるとともに、各部１１，１２，１３において走査ピッチを変えるようにしてもよい。たとえば平行線状走査パターンを適用する場合、上面部１３は走査ピッチを１回走査の硬化幅Ｗ以下の値（０．１〜０．４ｍｍ程度）として造形密度を高め、接合部１１は１回走査の硬化幅Ｗより大きい走査ピッチ（０．４〜１ｍｍ程度）として基台２１から剥がれてしまうのを防ぎ、中間部１２は構造を維持する強度させあればよいことから接合部１１よりもさらに大きい走査ピッチ（１ｍｍ以上〜数ｍｍ程度）とする。格子状やハニカム状の走査パターンを適用する場合についても、走査ピッチは上面部≦接合部≦中間部とするのがよい。
【００４８】
光ビーム４の照射条件を変えることについては、上面部１３に対して図２７に示すように、光ビーム４を連続照射（繰り返し周波数の高いパルスレーザーで照射域が漸次重なるように走査していくことを含む）し、中間部１２は光ビーム４を不連続照射するようにするようにしてもよい。特に中間部１２に対しては、密度が高くなくてもよく、粉末を完全溶融する必要はないことから、図２８に示すように、照射点を散在させつつ最終的には未照射領域がなくなるようにすることで、必要以上のエネルギー照射を防ぐことができる。
【００４９】
接合部１１と中間部１２と上面部１３とにおいて、粉末材料を異ならせておくことが好ましい。造形用の無機質粉末材料としては、ブロンズを主成分としてニッケルやリン銅などの材料を添加したもの、鉄系主成分にニッケルを添加したものなどが考えられるが、基台２１に機械的強度やコストの点から鉄板を使用している場合、ブロンズを主成分とする材料ではブロンズと鉄との合金が形成されにくく、このために接合力が弱くて収縮応力によって基台２１から剥がれてしまう虞が高くなる。このために、上面部１３や中間部１２においてブロンズを主成分とする材料を用いる場合でも、接合部１１については基台２１の材質成分に近い成分のもの、つまりはニッケルを主成分とする鉄や銅などの合金系の材料を用いることで接合力を高めることができる。
【００５０】
この時、接合部１１についてすべて同じ材料成分のものとせずに、図２９に示すように、接合部１１の材料成分を基台２１側から中間部１２にかけて傾斜的に異ならせるようにしてもよい。たとえば、ニッケルを５０％以上含むとともにアルミニウムやモリブデンや炭素、銅、鉄などとの合金である治溶合金を接合部１１に用いる場合において、基台２１に近い部分では基台２１と同じ成分である鉄成分の割合を高くしておき、ブロンズ系材料を用いている中間部１２側の層になるに従って、ブロンズ成分であるところの銅成分を増やしていくのである。これによって接合部１１を基台２１に対しても中間部１２に対しても接合力の高いものとすることができる。
【００５１】
このほか、同じ材料成分で中間部１２や上面部１１を形成する場合においても、粉末材料の粒径を異ならせるのも好ましい。粉末材料の粒径としては、平均粒径３０μｍ程度のものが用いられるが、この粒径の粉末材料で造形を行うと、表面の凹凸が１００μｍ程度になってしまうとともに、図３０に示すように粉末材料の粒Ｒ間に分散していた空間が溶融させた後の凝縮時にまとまって大きな空間Ｋが生じることで密度が７０％程度となってしまう。
【００５２】
このために密度を高くしたい上面部１３については、図３１に示すように中間部１２に用いる粉末材料よりも粒径の小さいものを用いるのである。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、基台上に積層していく無機質粉末層に漸次光ビームを照射して粉末層を溶融硬化させていくことで所望の立体形状物体を造形するにあたり、造形しようとする立体形状物体を基台に接合させるべき接合部と、上面部と、接合部と上面部との間の中間部に分類し、上面部及び中間部はブロンズを主成分とするもの、接合部はニッケルを主成分として鉄及び／又は銅を含むものとして、各部毎に光ビームの照射条件を変えて造形していくとともに、上記接合部は粉末層と基台とを共に溶融させる条件の大エネルギー光ビームを照射し、上記上面部は立体形状物体の密度及び機械的強度を高める条件に従った小エネルギーの光ビームを照射するものであり、基台に接合させてしまう接合部については大エネルギーの光ビームを照射し、微細な造形を行う上面部については、粉末層同士の溶融接着条件に従った小エネルギーの光ビームを照射することができ、基台との接合力の確保と微細な造形との両立を図ることができ、造形物表面の面精度品質向上及び強度と硬度の向上とを造形速度を犠牲にすることなく得ることができる。しかも接合部は基台まで溶融させて硬化させるために、熱収縮によって基台から硬化部が剥離してしまうことを防ぐことができる。しかも、上面部及び中間部がブロンズを主成分とするものにおいても、鉄からなる基台に接合させる接合部は、ニッケルを主成分として鉄及び／又は銅を含むものとしているために、基台との接合力を強化することができる。
【００５４】
上面部の設定については、造形しようとする立体形状物体の三次元図形を所定の積層厚み分だけ基台方向に下げた三次元図形と元の三次元図形との論理積部分の形状を求め、元の三次元図形から上記論理積部分の形状図形を除いて残った部分を上面部としたり、造形しようとする立体形状物体の三次元図形を基台の位置基準で高さ方向に任意の倍率で縮小した三次元図形を求め、元の三次元図形から上記縮小図形を除いて残った部分を上面部とすることで、上面部の設定を簡便に行うことができる。
【００５５】
中間部については元の三次元図形から上面部と接合部とを除いた部分を中間部とし、接合部については基台から任意の厚みに相当する部分を接合部とすることで、これらの部分の設定を簡便に行うことができる。
【００５６】
また、中間部を立体形状物体の外側面となる側面部とこの側面部で囲まれた中心部とに分けて、側面部と中心部とに異なる条件の光ビームを照射することも好ましい。上面部だけでなく、外側面についても微細形状とすることが可能となる上に、造形速度の向上を図ることができる。
【００６３】
光ビームの照射条件として走査パターンを含めるのが造形速度の向上等の点で好ましい。
【００６６】
接合部の粉末材料成分を基台側から中間部にかけて傾斜的に異ならせるのも、基台との接合力の強化などの点で好ましい結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の適用例についての概略断面図である。
【図２】ＣＡＤデータの処理についての説明図である。
【図３】同上の上面部算出についての説明図である。
【図４】同上の上面部算出についての他例の説明図である。
【図５】 (a)(b)は同上の中間部の側面部と中心部についての断面図と水平断面図である。
【図６】同上の側面部算出についての説明図である。
【図７】同上の側面部算出についての他例の説明図である。
【図８】 (a)(b)は同上の側面部についての水平断面図である。
【図９】面積と拡大縮小倍率についての相関図である。
【図１０】上面部の側面部と中心部についての断面図である。
【図１１】 (a)(b)はスポット硬化部の生成についての断面図と斜視図である。
【図１２】 (a)(b)はスポット硬化部の生成後の連続照射についての断面図と斜視図である。
【図１３】積層厚みが厚い場合についての説明のためのもので、(a)は上面基準の場合の断面図、(b)は下面基準の場合の断面図である。
【図１４】積層厚みが薄い場合についての説明のためのもので、(a)は上面基準の場合の断面図、(b)は下面基準の場合の断面図である。
【図１５】 (a)(b)は側面部と中心部とで厚みを異ならせる場合の断面図である。
【図１６】 (a)(b)(c)は基準面と断面輪郭線と傾きと積層ピッチについての説明図である。
【図１７】 (a)は走査パターンの一例の説明図、(b)(c)はオフセットについての説明図である。
【図１８】走査パターンの他例の説明図である。
【図１９】走査順序についての説明図である。
【図２０】走査順序についての他例の説明図である。
【図２１】同上の各層における走査位置を示す断面図である。
【図２２】同上の他例における各層における走査位置を示す断面図である。
【図２３】同上の硬化部の分布状態を示す概略断面図である。
【図２４】 (a)(b)は平行線状走査パターンとする場合の各層における走査位置を示す縦断面図と横断面図である。
【図２５】走査パターンのさらに他例の説明図である。
【図２６】走査パターンの適用例についての説明図である。
【図２７】連続照射についての説明図である。
【図２８】不連続照射についての説明図である。
【図２９】粉末材料成分の傾斜配置についての説明図である。
【図３０】粒径が大の場合の密度に対する影響を示す説明図である。
【図３１】粒径が小さい場合の説明図である。
【図３２】造形装置の断面図である。
【図３３】 (a)(b)は溶融硬化部を示す断面図である。
【符号の説明】
１１ 接合部
１２ 中間部
１３ 上面部
２１ 基台
Claims (8)
- 基台上に積層していく無機質粉末層に漸次光ビームを照射して粉末層を溶融硬化させていくことで所望の立体形状物体を造形するにあたり、造形しようとする立体形状物体を基台に接合させるべき接合部と、上面部と、接合部と上面部との間の中間部に分類し、上面部及び中間部はブロンズを主成分とするもの、接合部はニッケルを主成分として鉄及び／又は銅を含むものとして、各部毎に光ビームの照射条件を変えて造形していくとともに、上記接合部は粉末層と基台とを共に溶融させる条件の大エネルギー光ビームを照射し、上記上面部は立体形状物体の密度及び機械的強度を高める条件に従った小エネルギーの光ビームを照射することを特徴とする立体形状物体の造形方法。
- 造形しようとする立体形状物体の三次元図形を所定の積層厚み分だけ基台方向に下げた三次元図形と元の三次元図形との論理積部分の形状を求め、元の三次元図形から上記論理積部分の形状図形を除いて残った部分を上面部とすることを特徴とする請求項１記載の立体形状物体の造形方法。
- 造形しようとする立体形状物体の三次元図形を基台の位置基準で高さ方向に任意の倍率で縮小した三次元図形を求め、元の三次元図形から上記縮小図形を除いて残った部分を上面部とすることを特徴とする請求項１記載の立体形状物体の造形方法。
- 元の三次元図形から上面部と接合部とを除いた部分を中間部とすることを特徴とする請求項２または３記載の立体形状物体の造形方法。
- 基台から任意の厚みに相当する部分を接合部とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の立体形状物体の造形方法。
- 中間部を立体形状物体の外側面となる側面部とこの側面部で囲まれた中心部とに分けて、側面部と中心部とに異なる条件の光ビームを照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の立体形状物体の造形方法。
- 光ビームの照射条件として走査パターンを含めることを特徴とする請求項１記載の立体形状物体の造形方法。
- 接合部の粉末材料成分を基台側から中間部にかけて傾斜的に異ならせることを特徴とする請求項１記載の立体形状物体の造形方法。
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