JP5230264B2 - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元形状造形物の製造方法に関する。より詳細には、本発明は、粉末材料の層に光ビームを照射して焼結層を形成する工程を繰り返し実施して、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造する方法に関する。

従来より、金属粉末材料に光ビームを照射することによって三次元形状造形物を製造する光造形法が知られている。例えば、特許文献１に開示されるように、金属粉末材料で形成された材料層に光ビームを照射して焼結層を形成し、それを繰り返して実施することによって複数の焼結層が積層一体化した三次元形状造形物を製造する方法が知られている。また、積層される全ての層を同一種類の金属粉末材料から形成するのではなく、層ごとに異なる組成の金属粉末材料を用いて三次元形状造形物を製造する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−４８２３４号公報 特開平３−１４６６０６号公報

三次元形状造形物を一種類の粉末材料から製造する場合、光ビームが照射されなかった未焼結の粉末材料を三次元形状造形物の造形終了後に回収して、後の造形に再利用することが可能である。しかしながら、積層される層ごとに異なる組成の粉末材料を使用する場合では、これらの粉末材料が互いに混じる可能性があり、一旦混じった粉末材料を個々の種類ごとに分別・分離することは困難である。したがって、複数種類の粉末材料を用いて三次元形状造形物を製造する場合、造形が終了した後に未焼結の粉末材料を回収しても、その回収した粉末材料の再利用が困難となっている。

本発明は上記事情に鑑みなされたものである。即ち、本発明の目的は、複数の種類の粉末材料を用いた三次元形状造形物の製造において、光ビームが照射されなかった未焼結の粉末材料の再利用を可能ならしめることである。

上記目的を達成するために、本発明では、粉末材料を供給して粉末材料層を形成する粉末材料層形成工程、
粉末材料層の所定箇所に光ビームを照射することによって当該所定箇所の粉末材料を焼結して焼結層を形成する焼結層形成工程、および
焼結層形成工程で光ビームが照射されなかった未焼結の粉末材料を回収する粉末材料回収工程（即ち「未焼結粉末材料の回収工程」）
を含んで成り、粉末材料層形成工程および焼結層形成工程を繰り返すことで焼結層が積層された三次元形状造形物を製造する方法であって、
粉末材料層形成工程においては、組成または平均粒径の少なくとも一方の点で異なる粉末材料を選択して粉末材料層を形成することができ、
先行して使用された粉末材料と異なる種類の粉末材料を用いて粉末材料層を形成するに際しては、粉末材料層形成工程の前に粉末材料回収工程を行い、先行して使用された粉末材料の未焼結分を回収することを特徴とする製造方法が提供される。

本発明の製造方法は、異なる種類の粉末材料を用いるのに先立って、先行して使用されていた粉末材料の未焼結分を回収することを特徴の１つとしている。つまり、先行して使用されていた粉末材料と異なる種類の粉末材料を使用する際には、その都度、先行して使用されていた粉末材料の未焼結分を回収することを特徴としている。尚、本明細書で用いる「回収」とは、三次元形状造形物の製造に際して、「光ビームが照射されず焼結しなかった残存粉末材料」を「光ビームの照射に起因して焼結層を成した部分」から除去することを実質的に意味している。従って、そのように除去された未焼結の粉末材料は三次元形状造形物の製造に再度供すことができる。

本発明では、先行して（または直近に）選択された粉末材料と異なる種類の粉末材料で粉末材料層を形成する際に、先行して使用していた粉末材料の未焼結分を逐次回収し、その後、新たな粉末材料の供給を行う。その結果、回収された複数種類の粉末材料同士が混ざり合うことが防止され、それらを三次元形状造形物の製造に再利用できる。

ある好適な態様では、粉末材料として、平均粒径が互いに異なる複数種類の粉末材料を用い、個々の粉末材料の平均粒径に応じた厚みでもって粉末材料層を形成する。この場合、粉末材料に含まれる粒子の粒径（平均粒径）に応じた厚みで粉末材料層を形成することが可能となるので、要求精度に応じて三次元形状造形物を効率良く製造することができる。すなわち、高い精度を要求される箇所については平均粒径が小さい粉末材料で比較的薄い粉末材料層を形成することができる。その結果、かかる粉末材料層を焼結して比較的薄い焼結層を形成することで高精度な造形が可能となる。一方、あまり精度を要求されない箇所については平均粒径が大きい粉末材料で比較的厚い粉末材料層を形成する。そして、この粉末材料層を焼結して比較的厚い焼結層を形成することで効率の良い造形が可能となる。なお、粉末材料層の厚さに応じて、照射する光ビームのエネルギー密度を変更することが望ましい。

本発明の製造方法では、焼結層形成工程において、「直下に位置することになる焼結層の端部から水平方向に突出する部分（箇所／部位）を有する突出焼結層」と「直下に位置することになる焼結層の端部から水平方向に突出する部分（箇所／部位）を有しない非突出焼結層」とを形成することができる。ここで、新たに形成される焼結層のうち直下の焼結層上に形成される部分は、光ビームが照射されて溶融状態となった粉末材料が直下の焼結層に密着・接合してそれらと一体化される。ところが、直下の焼結層の端部から水平方向にはみ出して突出した部分にはその直下に焼結層が存在しないため、水平方向に突出した部分が焼結後の冷却時に収縮して上方にめくれ上がる傾向があり、その結果、造形精度を低下させる虞がある。そして、この傾向は水平方向の突出量（又は突出長さ）が大きくなるほど顕著となる。かかる事情に対処するため、本発明では、突出焼結層の形成に際しては、非突出焼結層の形成に用いる粉末材料と比べて平均粒径の小さい粉末材料を用いると共に、非突出焼結層を形成する場合と比べて小さい厚みでもって粉末材料層を形成する。これにより、突出焼結層の各層を薄く形成することができ、下方の焼結層の端部からの突出量を小さくできる（即ち、複数層の端部が成す段差を小さくできる）。その結果、突出焼結層を形成するに際して「直下に位置する下層の焼結層から水平方向に突出した部分のめくれ上がり現象」を抑制でき、精度良く三次元形状造形物を製造できる。

ある好適な態様では、粉末材料回収工程の後に粉末材料層形成工程を行うに際して、先行して形成された最上層の焼結層の上に、先行して用いられた粉末材料とは異なる種類の粉末材料を用いて粉末材料層を形成する。この態様は、異なる高さに位置する複数の焼結層を異なる種類の粉末材料で形成する態様であるが、そのような態様であっても各種類の粉末材料の再利用が可能となる。別の好適な態様では、粉末材料回収工程の後に粉末材料層形成工程を行うに際して、先行して形成された最上層の焼結層と面一となるように、先行して用いられた粉末材料と異なる種類の粉末材料を用いて粉末材料層を形成する。この態様は、同じ高さに位置する複数の焼結層を異なる種類の粉末材料で形成する態様であるが、そのような態様であっても各種類の粉末材料の再利用が可能となる。以上の態様により、形成される三次元形状造形物の位置に応じた適切な粉末材料でもって三次元形状造形物を構成することが可能となり、精度の良い造形物を効率良く製造できる。

なお、同じ高さに位置する複数の焼結層を互いに異なる種類の粉末材料で形成する際には、融点の高い粉末材料から順に用いることが好ましい。換言すれば、先行して形成された焼結層と面一となるように、先行して用いられた粉末材料とは異なる種類の複数の粉末材料を用いて複数の粉末材料層を形成するに際しては、先行して用いられる粉末材料の融点が、その後に用いられる粉末材料の融点よりも高くなっていることが好ましい。これにより、後の焼結層形成時に先に既に形成した焼結層が再溶融状態となることを抑制でき、結果として、三次元形状造形物を精度良く製造することが可能となる。

本発明では、複数種類の粉末材料を使用して三次元形状造形物を製造する際に、使用する複数種類の粉末材料同士の混ざり合いを防止できる。つまり、先行して使用されていた粉末材料とは異なる種類の粉末材料を使用する際には、その都度、先行して使用した粉末材料の未焼結分を回収するので、造形部にて未焼結の異なる粉末材料同士が混ざり合うことを防止できるだけでなく、種類毎に個別に粉末材料が回収されるので、回収された粉末材料同士が互いに混ざり合うことがない。これにより、回収した未焼結の粉末材料を再利用して三次元形状造形物を効率良く製造できる。

以下では、図面を参照にして本発明をより詳細に説明する。まず、本発明の製造方法で用いる「三次元形状造形物製造装置」について説明を行い、その後、本発明の製造方法の説明を行う。

［三次元形状造形物製造装置］
本発明の製造方法に使用される三次元形状造形物製造装置について図１〜図３を主に参照して説明する。図１は、三次元形状造形物製造装置の概略を模式的に示した斜視図であり、図２は三次元形状製造物製造装置の要部を模式的に示した縦断面図であり、図３は、三次元形状造形物製造装置の要部を模式的に示した斜視図である。

図１及び図２に示すように、三次元形状造形物製造装置１（以下では単に「製造装置」とも称す）は、造形部１０、第１供給部２０及び第２供給部３０を備えている。図２に示すように、造形部１０はタンク状または箱型を成しており、その底面部１１が鉛直方向に昇降自在となっている。底面部１１の上には造形台１２が設けられている。かかる造形台１２の上において、供給された粉末材料（粉末材料層）が焼結され三次元形状造形物が作製される。より具体的にいうと、図４および図５に示すように、供給された第１粉末材料Ｐ１，第２粉末材料Ｐ２を光ビームの照射でそれぞれ焼結させることによって、焼結層ｍ１，ｍ２を順次積層させて三次元形状造形物Ｍを作製する。

第１供給部２０は造形部１０に隣接して設けられており、造形部１０と同様のタンク状または箱型を成している。図２に示すように、第１供給部２０の底面部２２は鉛直方向に昇降自在となっている。第１供給部２０の内部には、造形に使用される第１粉末材料Ｐ１が収容または仕込まれている。

第２供給部３０はタンク状を成しており、図１に示すように、支持バー６２の長手方向ａに沿って移動自在に取り付けられている。支持バー６２は、造形部１０及び第１供給部２０の両外側に沿って配置された案内駆動部６４に支持されている。図１に示すように、支持バー６２は、案内駆動部６４の長手方向ｂに沿って移動することができる。このような構成によって、第２供給部３０は、造形部１０の上方でＸＹ両方向に自在に移動することができる。尚、第２供給部３０には第１粉末材料Ｐ１と異なる種類の第２粉末材料Ｐ２が収容または仕込まれている。そして、第２粉末材料Ｐ２が第２供給部３０から下方に供給可能となっている。そのため、第２供給部３０を支持バー６２に沿って移動させながら第２粉末材料Ｐ２を第２供給部から下方に落とすことで、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、装置１における造形部１０と第１供給部２０との間の基準面Ｓ上に第２粉末材料Ｐ２を供給することができる。

移送ブレード４０は、第１粉末材料Ｐ１及び第２粉末材料Ｐ２をそれぞれ造形部１０へと移送させ、所定の厚み（例えば後述する厚さΔｔ１又はΔｔ２）の粉末材料層を形成する機能を有している。移送ブレード４０は、図示するように、造形部１０及び第１供給部２０の内寸（即ち、「粉末材料が供される部分又は仕込まれている部分」の幅）よりも長い板状部材であり、両端が往復動装置４２に支持されている。

移送ブレート４０は、第１供給部２０の外側から第１供給部２０及び造形部１０の上方を通過するようにして水平移動する。これにより、第１粉末材料Ｐ１を造形部１０上へと供給できる。具体的には、第１供給部２０の底面部２２を少し上昇させることにより第１粉末材料Ｐ１の位置を少し上昇させた後、第１供給部２０の上面レベルよりも上方に位置する第１粉末材料Ｐ１をブレード４０で押し出すことによって造形部１０側へと第１粉末材料Ｐ１を移送できる。また、第２粉末材料Ｐ２を造形部１０上に移送する場合には、図３の（ａ）および（ｂ）に示すように、造形部１０と第１供給部２０との間における基準面Ｓ上に供給された第２粉末材料Ｐ２を、ブレード４０で造形部１０側へと押し広げて移送させる（図３（ｃ）および（ｄ）参照）。

ここで、移送ブレード４０は、造形部１０及び第１供給部２０の上面レベルとの距離を一定に保って移動できるようになっていることに留意されたい。一定に保って移動できる結果、移送ブレード４０で第１及び第２の粉末材料Ｐ１，Ｐ２を造形台１２上へと移送させつつ、造形台１２又は既に形成された焼結層（ｍ１，ｍ２）の上に均一厚さ（例えば後述する厚さΔｔ１又はΔｔ２）の粉末材料層を形成できる。

造形部１０の上方には、レーザ光などの光ビームＬを照射する光ビーム照射装置５０が配置されている。光ビーム照射装置５０は、照射器５２から照射された光ビームＬを、ガルバノミラー等の複数の可動鏡５３，５４やレンズ５５を組み合わせた光学系で偏向させたり集束させたりして、造形部１０上の粉末材料層に照射する。可動鏡５３，５４などの光偏向装置はコンピュータ（図示せず）などで制御され、光ビームＬの照射位置や焦点位置などが変えられる。また、光ビームのエネルギー密度もコンピュータで制御でき、粉末材料層の厚さに応じたエネルギー密度で光ビームを照射できる。

造形部１０の上方には、粉末除去ノズル６０が配置されている。粉末除去ノズル６０は造形部１０の上方領域を自在に移動できるようになっている。具体的には、粉末除去ノズル６０は、支持バー６２に沿って移動自在に取り付けられており、造形部１０の上方にてＸＹ両方向に自由に移動することができる。粉末除去ノズル６０は、可撓性のあるホース（図示せず）を介して、粉末分離装置（図示せず）及び吸引ポンプ（図示せず）に接続されている。従って、吸引ポンプを作動させれば、粉末除去ノズル６０の先端から空気とともに第１粉末材料Ｐ１又は第２粉末材料Ｐ２が吸い込まれる。粉末分離装置では、「吸い込まれた空気と第１粉末材料Ｐ１との分離」または「吸い込まれた空気と第２粉末材料Ｐ２との分離」が行われる。分離された第１又は第２の粉末材料Ｐ１，Ｐ２は粉末分離装置に備えた補助タンク（図示せず）にそれぞれ別個に一時的に貯留される。そして、貯留された第１粉末材料Ｐ１又は第２粉末材料Ｐ２は、両者が混合されることがないように、それぞれ粉末分離装置から第１供給部２０又は第２供給部３０へと戻される。粉末分離装置で分離された空気は吸引ポンプから外部へと放出される。

図２に示すように、製造装置１の全体が、密閉空間を構成する加工室７０に収容されている。但し、光ビーム照射装置５０の大部分は加工室７０の外部に設置されており、光ビームＬが、加工室７０の天面に設けられたレンズ５５を通して加工室７０の内部へと導入される。加工室７０の壁面には吸排気口７２を介して配管７４及びバルブ７３が接続されている。その結果、加工室７０に圧力空気を送り込んだり、排気吸引したりすることができ、加工室７０内にて所望のガス雰囲気を形成できる。

［第１実施形態］
以下では、本発明の製造方法に係る第１実施形態を図４及び図５を参照して説明する。第１実施形態では、製造装置１を用いることによって、水平方向に延在する円筒形状（即ち断面円形状）の孔を有する三次元形状造形物Ｍを製造する。特に、粉末材料として平均粒径が互いに異なる粉末材料Ｐ１およびＰ２を用い、個々の粉末材料の平均粒径に応じた厚みでもって粉末材料層を形成し、それによって、三次元形状造形物Ｍを製造する。

まず、本発明に用いられる粉末材料について説明する。粉末材料は、前述または後述する“平均粒径”および／または“組成”の点を除いて、一般的な光造形法に用いることができる金属粉末であれば特に制限はない。好ましくは、粉末材料は鉄系粉末および非鉄系粉末から成る混合粉末であり、より好ましくは「鉄系粉末」、「ニッケルまたはニッケル系合金の粉末」、「銅または銅系合金の粉末」および「黒鉛粉末」から成る混合粉末である。例えば、粉末材料は、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４４０）、ニッケル（Ｎｉ）、銅マンガン合金（ＣｕＭｎＮｉ）及び黒鉛（Ｃ）の混合粉末である（一例を挙げると、「約７０重量％のＳＣＭ４４０」−「約２０重量％のＮｉ」−「約９重量％のＣｕＭｎＮｉ」− 「約０．３重量％のＣ」から成る金属粉末材料である）。第１実施形態では、第１粉末材料Ｐ１として各種成分の粉末の平均粒径が好ましくは７〜２０μｍ程度（例えば約１０μｍ）の粉末材料を用いる一方、第２粉末材料Ｐ２として第１粉末材料Ｐ１と組成が同じであるが構成成分の粉末の平均粒径が好ましくは２〜６μｍ程度（例えば約５μｍ）の粉末材料を用いる。ここで、本明細書にいう「平均粒径」とは、市販の粒度分布測定装置（沈降法やレーザ回折・散乱法）で測定された粉末粒子径の平均値（メディアン径）をさす。

第１実施形態では、まず、三次元形状造形物Ｍの孔中心よりも下方の部分を形成し、その後、三次元形状造形物Ｍの孔中心よりも上方の部分を形成する。

図４（ａ）〜（ｅ）は、三次元形状造形物Ｍの孔中心よりも下方の部分を形成する工程を示した図である。まず、粉末材料を供給して粉末材料層を形成する。具体的には、まず、第１供給部２０の底面部２２を少し上昇させることで第１粉末材料Ｐ１の一部を第１供給部２０の上面レベルよりも少し上方に位置させる。その一方で、造形部１０の底面部１１を下降させることにより、造形台１２の上面レベルを造形部１０の上面レベルよりも下方に位置させる。この際、造形台１２の上面レベルと移送ブレード４０の下部（下方エッジ）との間隔がΔｔ１となるように底面部１１の下降距離を設定する。このΔｔ１が「粉末材料層」および「焼結層」の厚みに相当する。本実施形態では、Δｔ１が１５〜４０μｍ程度であることが好ましく、例えば約２０μｍである。次いで、図４（ａ）に示すように、第１供給部２０の上面レベルよりも上方に位置する粉末材料Ｐ１を移送ブレード４０で押し動かして造形台１２へと供給し、造形台２２の上に所定の厚さΔｔ１の粉末材料層を形成する（以上の工程を「第１粉末材料層形成工程」と称す）。この後、形成された粉末材料層の所定箇所に光ビームを照射することによって、かかる所定箇所の粉末材料を焼結に付して焼結層を形成する（なお、後述するが、既に形成された焼結層上に粉末材料層が設けられる場合では、照射された箇所が下方の焼結層と一体化して新たな焼結層を形成することになる）。具体的には図４（ｂ）に示すように、粉末材料層の所定箇所に光ビームＬを照射し、当該照射箇所の粉末材料を溶融させて焼結させ、焼結層ｍ１を形成する（かかる工程を「第１焼結層形成工程」と称す）。

次に、図４（ｃ）に示すように、上述した第１粉末材料層形成工程と同様にして、焼結層ｍ１上に所定の厚さΔｔ１の粉末材料層を第１粉末材料で形成する。次いで、図４（ｄ）に示すように、上述した第１焼結層形成工程と同様にして、粉末材料層の所定箇所に光ビームＬを照射し、当該照射箇所の粉末を溶融させて焼結させ、新たな焼結層ｍ１を形成する。この際、新たな焼結層ｍ１とその下層の焼結層ｍ１とは融着一体化して三次元形状造形物Ｍの一部を構成する。

以後、第１粉末材料Ｐ１を用いて第１粉末材料層形成工程及び第１焼結層形成工程を必要な回数繰り返すことによって、三次元形状造形物Ｍの下方部分を完成させる。

下方部分の完成に引き続いて三次元形状造形物Ｍの上方部分を形成する。図５（ａ）〜（ｄ）は、三次元形状造形物Ｍの孔中心よりも上方の部分を製造する工程を示した図である。上方部分の形成では、下方部分の形成に用いられた粉末材料（第１粉末材料Ｐ１）とは異なる種類の粉末材料（第２粉末材料Ｐ２）が用いられるが、それに先立って、第１粉末材料Ｐ１の未焼結分の回収を行う。具体的には、図５（ａ）に示すように、新たな粉末材料層を形成する前に、第１粉末材料Ｐ１で形成された製造途中の三次元形状造形物Ｍの周囲に存在する未焼結の第１粉末部材Ｐ１を粉末除去ノズル６０で吸引・回収する（これが「粉末材料回収工程」である）。

次に、図５（ｂ）に示すように、第１粉末材料Ｐ１で形成された焼結層ｍ１上に第２粉末材料Ｐ２を供給する。具体的には、第２供給部３０から供給される第２材料粉末Ｐ２を用いて厚さΔｔ２の粉末材料層を形成する（これを「第２粉末材料層形成工程」と称される）。なお、第２粉末材料から成る粉末材料層の厚さΔｔ２は、第１粉末材料Ｐ１から成る粉末材料層の厚さΔｔ１よりも小さく設定することができる（即ち、Δｔ２＜Δｔ１）。特に、本実施形態では、Δｔ２が５〜２０μｍ程度であることが好ましく、例えば約１０μｍである。次いで、図５（ｃ）に示すように、粉末材料層の所定箇所に光ビームＬを照射し、当該照射箇所の粉末材料を溶融させて焼結させ、それによって、下層の焼結層ｍ１（又はｍ２）と一体化した焼結層ｍ２を形成する（これを「第２焼結層形成工程」と称す）。

ここで、上方部分の形成時における焼結工程（即ち、第２焼結層形成工程）では、焼結層ｍ２の端部が直下の焼結層ｍ１（又はｍ２）の端部から水平方向に突出していることに留意されたい（図６（ａ）および（ｂ）参照）。この点が下方部分形成時の焼結工程と異なるところである。

第２粉末材料Ｐ２を用いた第２粉末材料層形成工程及び第２焼結層形成工程を必要な回数繰り返すと、三次元形状造形物Ｍの上方部分が完成する。以上により、三次元形状造形物Ｍが全体的に完成することになる。

第１実施形態では、２種類の粉末材料（第１粉末材料Ｐ１及び第２粉末材料Ｐ２）を用いて三次元形状造形物Ｍを製造している。そして、使用する粉末材料の種類を切り替える場合には、粉末除去ノズル６０で未焼結の粉末材料（Ｐ１）を吸引・回収している。つまり、先行して使用していた粉末材料（第１粉末材料Ｐ１）とは異なる種類の粉末材料（第２粉末材料Ｐ２）を使用する際、先行して使用していた粉末材料（第１粉末材料Ｐ１）の未焼結分を予め回収している。それゆえ、造形部において未焼結の異なる種類の粉末材料同士が混ざり合うことを防止できるだけでなく、回収時にて異なる種類の粉末材料同士が混ざり合うことがない。その結果、回収された粉末材料Ｐ１，Ｐ２は三次元形状造形物Ｍの製造に望ましく再利用できる。

また、本実施形態では、使用する粉末材料Ｐ１，Ｐ２の平均粒径に応じた厚さで粉末材料層を形成している。すなわち、「平均粒径が大きい第１粉末材料Ｐ１から成る粉末材料層の厚さΔｔ１」よりも「平均粒径が小さい第２粉末材料Ｐ２から成る粉末材料層の厚さΔｔ２」を小さく設定している。これにより、精度の要求される部分などについては、平均粒径がより小さい第２粉末材料Ｐ２を用いて製造精度を向上させることができる。その一方で、あまり精度を要求されない部分については、平均粒径がより大きい第１粉末材料Ｐ１で比較的厚い粉末材料層を形成する。そして、この粉末材料層を焼結して比較的厚い焼結層ｍ１を形成することで効率良く造形できる。なお、焼結層ｍ１，ｍ２を形成するにあたっては、粉末材料層の厚さに応じて照射する光ビームのエネルギー密度を変更することが望ましい。

第１実施形態の特徴について更に詳しく説明する。第１実施形態では、三次元形状造形物Ｍの上方部分を、平均粒径がより小さい第２粉末材料Ｐ２で形成している。これにより、水平方向に延びる断面円形状の孔を有する三次元形状造形物Ｍを精度良く製造できる結果となっている。これについて詳述すると次のようになる。孔の中心よりも下方部分を構成する焼結層ｍ１を形成する工程においては、光ビームが照射されて溶融状態となった粉末材料が直下の焼結層ｍ１に密着・接合されて一体となることで上層に新たな焼結層ｍ１が形成される。ところが、孔の中心よりも上方部分を構成する焼結層ｍ２においては、直下の焼結層ｍ１（又はｍ２）の端部から水平方向に突出した部位が存在しており、その部位においては直下に密着・接合される下層の焼結層ｍ１（又はｍ２）が存在しない。そのため、水平方向に突出した部位は、焼結後の冷却時にて収縮して上方へとめくれ上がってしまう傾向を有している。この傾向は水平方向の突出量が大きくなるほど顕著となる。これに対処するために、本実施形態では、三次元形状造形物Ｍの上方部分を形成する工程（すなわち、直下の焼結層ｍ２又はｍ１の端部から水平方向に突出した部位を有する焼結層ｍ２を形成する工程）において第１粉末材料Ｐ１よりも平均粒径が小さい第２粉末材料Ｐ２を用い、粉末材料層の厚さΔｔ２をΔｔ１に比べて小さく設定している。その結果、積層厚さがΔｔ１である場合の突出量ｂと比較して、粉末材料の積層厚さがΔｔ２である場合の水平方向への突出量ａを小さくすることが可能となる（図７（ａ）及び（ｂ）参照。ちなみに、層厚さが１／２になればその突出長さは一般的に約１／２となる）。換言すれば、本実施形態では、直下の焼結層ｍ１（又はｍ２）の端部から水平方向に突出した部位がめくれ上がることを抑止できるので、その直下に下層の焼結層ｍ２（又はｍ１）が存在しないような部位についても精度よく三次元形状造形物を製造できる。

尚、本実施形態では、第１粉末材料Ｐ１が収容されている第１供給部２０が造形部１０に隣接して設けられており、第２粉末材料Ｐ２が収容されている第２供給部３０は造形部の上方に設けられている。このため、造形部１０の水平方向に隣接した位置に材料供給部を複数設置する必要がないので、製造装置を小型化できる。

［第２実施形態］
次に、図８を用いて本発明の製造方法に係る第２実施形態を説明する（第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する）。第１実施形態では組成は同じで平均粒径の異なる２種類の粉末材料を使用したが、第２実施形態では組成の異なる２種類の粉末材料（より具体的には融点の異なる２種類の粉末材料）を使用する。また、第１実施形態では同じ高さレベル（積層方向の同一平面内）の焼結層は１種類の粉末材料で形成したが、本実施形態では同じ高さに位置する焼結層を２種類の粉末材料で形成する。換言すれば、相互に隣り合うように面一状態となった２つの焼結層をそれぞれ別個の粉末材料で形成する。

図８（ａ）〜（ｄ）には、同じ高さレベルの焼結層ｍ１，ｍ２を２種類の粉末材料Ｐ１，Ｐ２から形成する工程が示されている。まず、図８（ａ）に示すように、第１粉末材料Ｐ１で所定厚さΔｔ（好ましくは５〜４０μｍ程度、例えば約２０μｍの厚さ）の焼結層ｍ１を形成する。なお、２種類の粉末材料Ｐ１，Ｐ２は融点が異なっており、同じ高さレベルに形成する焼結層ｍ１，ｍ２のうち、まず融点が高い方の粉末材料Ｐ１を用いて焼結層ｍ１を形成する。

例えば、粉末材料Ｐ１の融点は粉末材料Ｐ２の融点よりも好ましくは１００〜５００℃程度高くなっており、より好ましくは２００〜４００℃程度高くなっている。一例を挙げると、粉末材料Ｐ１は、鉄系粉末をベースとした混合粉末であり、その融点は、１４００℃程度であるのに対して、粉末材料Ｐ２は、銅系粉末をベースとした混合粉末であり、その融点は、１１００℃程度となっている。

本明細書にいう「融点」について詳述する。本明細書で用いている「融点」は、粉末材料の融点であるが、実質的には「粉末材料から形成された焼結層の融点」を意味している。「粉末材料Ｐ１の融点が粉末材料Ｐ２の融点よりも高い」という態様についていうと、粉末材料Ｐ１から既に形成された焼結層の融点が、その後に粉末材料Ｐ２から形成される焼結層の融点よりも高くなっていることを実質的に意味している。

引き続いて、図８（ｂ）に示すように、前工程で形成された焼結物の周囲に存在する未焼結の第１粉末部材Ｐ１を粉末除去ノズル６０で吸引・回収し、三次元形状造形物Ｍの周囲から第１粉末材料Ｐ１を除去する。

次に、図８（ｃ）に示すように、造形部１０の底面部１１を下降させることなく、第１粉末材料Ｐ１で形成された焼結層ｍ１と同じ高さレベルにて第２粉末材料Ｐ２を用いて所定厚さΔｔの粉末材料層を形成する。

次いで、図８（ｄ）に示すように、第２粉末材料Ｐ２の粉末材料層の所定箇所に光ビームＬを照射し当該照射箇所の粉末を溶融させ焼結させることで、第１粉末材料Ｐ１で形成された焼結層ｍ１と同じ高さレベルにおける別の部位に焼結層ｍ２を形成する。つまり、焼結層ｍ１と実質的に面一となるように焼結層ｍ２を相互に隣り合うように形成する。

焼結層ｍ１と実質的に面一となるように焼結層ｍ２を形成した後、かかる焼結層ｍ１，ｍ２の上に新たな層を同様に形成して積層させる。つまり、造形部１０の底面部１１を下降させ、焼結層ｍ１，ｍ２上に新たな粉末材料層を形成した後、この粉末材料層に対して光ビームをそれぞれ照射して新たな焼結層ｍ１，ｍ２を形成する。このような操作を複数回繰り返すことによって三次元形状造形物を完成させる。尚、使用する粉末材料を変更して使用する前には、粉末除去ノズル６０を用いて未焼結の粉末材料の吸引・回収を実施する。

本実施形態においては、同じ高さに位置する２つの焼結層を２種類の異なる粉末材料Ｐ１，Ｐ２から形成している。これにより、三次元形状造形物Ｍの部位に応じて粉末材料を使い分けることが可能となるので、高精度の三次元形状造形物Ｍを製造できる。しかも本実施形態では、使用する粉末材料を変更するに先立って、未焼結の粉末材料を回収し、三次元形状造形物Ｍの周囲に存在する未焼結の粉末材料を除去している。このため、異なる粉末材料の焼結層を同じ高さに形成する場合においても、異なる粉末材料である第１粉末材料Ｐ１と第２粉末材料Ｐ２とが互いに混ざり合うことが抑止され、回収された粉末材料を再利用して三次元形状造形物Ｍの製造を行うことができる。

本実施形態では、２種類の粉末材料（Ｐ１およびＰ２）のうち融点の高い第１粉末材料Ｐ１を用いた焼結層ｍ１を先に形成している。そのため、その後の工程で同じ高さに第２粉末材料Ｐ２で形成した粉末材料層に光ビームＬを照射する際に融点の低い第２粉末材料Ｐ２のみを溶融させることが可能となり、同じ高さに複数種類の粉末材料で焼結層を形成する場合の精度が向上し得る。換言すれば、既に形成された焼結層ｍ１を溶融させずに、かかる焼結層ｍ１と面一状態の焼結層ｍ２を隣り合うように形成することができる。

尚、本実施形態では、２種類の粉末材料から同じ高さレベルに２種類の焼結層を形成しているものの、必ずしもこれに限定されず、同様の原理を利用して３種類以上の粉末材料から同じ高さレベルに３種類以上の焼結層を形成することができる。この場合、上述と同様の理由により、先行して用いられる粉末材料の融点が、その後に用いられる粉末材料の融点よりも高くなっていることが好ましいことに留意されたい。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について、図９を参照して説明する（第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する）。

本実施形態では、焼結層の形成を複数回行った後、造形物の表面に対して切削加工を施す。この切削加工は、切削機構（スピンドル）に取り付けられた切削工具（例えば、ボールエンドミル）により行う。切削機構は、第１実施形態における粉末除去ノズル６０と同様の機構により造形部１０の上方でＸＹ両方向に自由に移動するとともに、更に造形部１０に対する遠近方法（Ｚ方向）にも移動することができるように構成されている。

本実施形態では、ボールエンドミル６１の有効刃長以下の所定高さまで焼結層の形成を行った後に、図９に示すように形成された三次元形状造形物の表面部の切削除去を行う。好ましくは、ボールエンドミル６１として直径Φ０．６ｍｍ、有効刃長１．０ｍｍのものを用いる。また、積層厚さΔｔが０．０２０ｍｍ（２０μｍ）の焼結層を２５層積層するごと、すなわち０．５ｍｍ（＝０．０２×２５）の造形完了ごとに切削加工を行うことが好ましい。

本実施形態では、焼結層ｍ１，ｍ２を積層して形成された三次元形状造形物Ｍの表面を切削加工しているので、三次元形状造形物Ｍの表面を滑らかにすることができ、三次元形状造形物Ｍの造形精度の向上を図ることができる。特に、本実施形態では、上方を向いた加工面の切削加工を行うことができるので、例えば、下方部分における孔の内表面に切削加工を施すことができる。これにより、下層の焼結層の端部から水平方向に突出した部位を有しない焼結層を形成するに際して、焼結層の厚さを比較的大きく設定して造形速度を上げる一方で、焼結層の厚さを大きくしたことによる造形物の表面精度の低下を切削加工で保障できる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されず、種々の改変がなされることを当業者は容易に理解されよう。例えば、上述の実施態様では、主として２種類の粉末材料Ｐ１，Ｐ２を用いて三次元形状造形物Ｍを製造したが、２種類ではなく更に多くの種類の粉末材料を同様に用いてもよい。

また、粉末材料は上述の金属粉末材料に限られず、他のものを用いることも可能である。例えば、無機材料や有機材料を使用して三次元形状造形物Ｍを製造することも可能である。また、粉末材料の粒径も上述のものに限定されるものではない。粉末材料の粒径に関しては、１μｍ以上かつ１００μｍ以下程度のものを用いれば滑らかな表面を有する三次元形状造形物Ｍを得ることができ、その観点からは特に１μｍ以上かつ２０μｍ以下程度のものを用いてもよい。また、使用する粉末材料の粒径や要求される精度に応じて、粉末材料層の厚みは適宜変更してよい。

更に、上述の実施形態では、第１供給部２０を造形部１０に隣接して設け、第２供給部３０を造形部１０の上方に設けた。しかしながら、両供給部２０，３０の配設位置については、粉末材料を造形部１０に供給できるのであれば特に制限はなく、例えば、両供給部２０および３０を造形部１０に隣接させて設けてもよいし、あるいは、両供給部２０および３０を造形部１０の上方に設けてもよい。

本発明の三次元形状造形物の製造方法を実施することによって、プラスチック射出成形用金型、プレス金型、ダイカスト金型、鋳造金型、鍛造金型などの三次元形状造形物を製造することができる。

本発明の製造方法に用いる三次元形状造形物製造装置の概略を示す斜視図。 本発明の製造方法に用いる三次元形状製造物製造装置の要部を模式的に示す縦断面図。 本発明の製造方法に用いる三次元形状造形物製造装置の要部を模式的に示す斜視図。 第１実施形態に係る三次元形状造形物（三次元形状造形物Ｍの下方部分）の製造工程を模式的に示す縦断面図。 第１実施形態に係る三次元形状造形物（三次元形状造形物Ｍの上方部分）の製造工程を模式的に示す縦断面図。 突出焼結層の態様を模式的に示した断面図。 突出焼結層の厚さを変更した場合の突出量の変化を示す図（図７（ａ）は焼結層の厚さが小さい場合を示す図であり、図７（ｂ）は焼結層の厚さが大きい場合を示す図である）。 第２実施形態に係る三次元形状造形物の製造工程を模式的に示す縦断面図。 第３実施形態に係る三次元形状造形物の製造工程の一部を模式的に示す縦断面図。

符号の説明

１ 三次元形状造形物製造装置
１０ 造形部
１１ 底面部
１２ 造形台
２０ 第１供給部
２２ 底面部
３０ 第２供給部
４０ 移送ブレード
４２ 往復動装置
５０ 光ビーム照射装置
５２ 照射器
５３ 可動鏡
５４ 可動鏡
５５ レンズ
６０ 粉末除去ノズル
６１ ボールエンドミル
６２ 支持バー
６４ 案内駆動部
７０ 加工室
７２ 吸排気口
７３ バルブ
７４ 配管
ｍ１，ｍ２ 焼結層
Ｍ 三次元形状造形物
Ｐ１ 第１粉末材料
Ｐ２ 第２粉末材料

Claims (6)

1. 粉末材料を供給して粉末材料層を形成する粉末材料層形成工程、
   前記粉末材料層の所定箇所に光ビームを照射することによって前記所定箇所の粉末材料を焼結して焼結層を形成する焼結層形成工程、および
   前記焼結層形成工程で光ビームが照射されなかった未焼結の粉末材料を回収する粉末材料回収工程
   を含んで成り、前記粉末材料層形成工程および前記焼結層形成工程を繰り返すことで前記焼結層が積層された三次元形状造形物を製造する方法であって、
   前記粉末材料層形成工程においては、先行して使用された粉末材料と組成または平均粒径の少なくとも一方の点で異なる種類の粉末材料を選択して前記粉末材料層を形成することを含み、
   前記先行して使用された粉末材料と前記異なる種類の粉末材料を用いて前記粉末材料層を形成するに際しては、前記粉末材料層形成工程の前に前記粉末材料回収工程を行い、前記先行して使用された粉末材料の未焼結分を回収することを特徴とする製造方法。
2. 前記粉末材料として、平均粒径が互いに異なる複数種類の粉末材料を用い、
   個々の粉末材料の平均粒径に応じた厚みでもって前記粉末材料層を形成することを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記焼結層形成工程において、直下に位置することになる焼結層の端部から水平方向に突出する部分を有する突出焼結層と、直下に位置することになる焼結層の端部から水平方向に突出する部分を有しない非突出焼結層とを形成し、
   前記突出焼結層の形成に際しては、前記非突出焼結層の形成に用いる粉末材料と比べて平均粒径の小さい粉末材料を用いると共に、前記非突出焼結層を形成する場合と比べて小さい厚みでもって粉末材料層を形成することを特徴とする、請求項２に記載の製造方法。
4. 前記粉末材料回収工程の後に前記粉末材料層形成工程を行うに際して、先行して形成された最上層の焼結層の上に、先行して用いられた粉末材料とは異なる種類の粉末材料を用いて粉末材料層を形成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
5. 前記粉末材料回収工程の後に前記粉末材料層形成工程を行うに際して、先行して形成された最上層の焼結層と面一となるように、先行して用いられた粉末材料と異なる種類の粉末材料を用いて粉末材料層を形成することを特徴とする、請求項１または２に記載の製造方法。
6. 前記粉末材料回収工程の後に前記粉末材料層形成工程を行うに際して、先行して形成された焼結層と面一となるように、先行して用いられた粉末材料とは異なる種類の粉末材料を複数用いて複数の粉末材料層を形成し、先行して用いられる粉末材料の融点が、その後に用いられる粉末材料の融点よりも高くなっていることを特徴とする、請求項５に記載の製造方法。

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