JP5302710B2 - 三次元形状造形物の製造装置および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元形状造形物の製造装置および製造方法に関する。より詳細には、本発明は、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して固化層を形成することを繰り返し実施することによって複数の固化層が積層一体化した三次元形状造形物を製造する方法およびそのための装置に関する。

従来より、粉末材料に光ビームを照射して三次元形状造形物を製造する方法（一般的には「粉末焼結積層法」と称される）が知られている。かかる方法では、「（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射することよって、かかる所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成し、（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を敷いて同様に光ビームを照射して更に固化層を形成する」といったことを繰り返して三次元形状造形物を製造している（特許文献１または特許文献２参照）。粉末材料として金属粉末を用いた場合では、得られた三次元形状造形物を金型などとして用いることができ、粉末材料として樹脂粉末を用いた場合では、得られた三次元形状造形物をプラスチックモデルとして用いることができる。このような製造技術によれば、複雑な三次元形状造形物を短時間で製造することが可能である。

粉末焼結積層法では、酸化防止等の観点から不活性雰囲気下に保たれたチャンバー内で三次元形状造形物が製造される。具体的には、三次元形状造形物は、チャンバー内の“造形テーブル上に配された造形プレート”上で製造される。図１に示すように、造形テーブル２０に配された造形プレート２１上で三次元形状造形物を製造する場合を例にとると、まず、所定の厚みｔ１の粉末層２２を造形プレート２１上に形成した後（図１（ａ）参照）、光ビームＬを粉末層２２の所定箇所に照射して、造形プレート２１上において固化層２４を形成する。そして、形成された固化層２４の上に新たな粉末層２２を敷いて再度光ビームを照射して新たな固化層を形成する。このように固化層を繰り返し形成すると、複数の固化層２４が積層一体化した三次元形状造形物を得ることができる（図１（ｂ）参照）。一般的には、造形プレートは粉末層と実質的に同じ材質から成っており、最下層に相当する固化層は造形プレート面に接着した状態で形成され得るので、三次元形状造形物の底面と造形プレート面とは相互に接合された状態で得られることになる（特許文献３参照）。

ここで、三次元形状造形物は、光ビームの照射を通じて製造されるため、光ビームによる熱の影響を少なからず受けてしまう。具体的には、粉末層の照射箇所が一旦溶けて溶融状態となり、その後固化することで固化層は形成されるが、その固化する際に収縮現象が生じ得る。特に、溶融した粉末が冷却され固化する際に収縮現象が生じる（図２（ａ）参照）。一方、固化層（即ち、三次元形状造形物）を支える造形プレートは、光ビームの照射位置から離れているので光ビームによる熱の影響を実質的に受けにくい。その結果、造形プレート上の三次元形状造形物２４には、反り上がる力（モーメント）が生じることになり、それがある限度を超えると、図２（ｂ）に示すように製造時において三次元形状造形物２４が造形プレート２１から剥離する現象が生じてしまう。三次元形状造形物が反り上がったり、造形プレートから剥離したりすると、所望の三次元形状造形物を製造できなくなる点で望ましくない。つまり、三次元形状造形物（即ち、固化層）が反り上がると、得られる三次元形状造形物の形状精度が出なくなるだけでなく、固化層が反り上がること起因して、その固化層上に新たな粉末層を所定厚みで敷くことができなくなる（例えば、次に敷く粉末層の厚さよりも大きく固化層が反り上がると、その後にて均一に粉末層を敷けなくなる）。

特表平１−５０２８９０号公報 特開２０００−７３１０８号公報 特開２００８−１８４６２３号公報

本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の課題は、固化層（即ち、三次元形状造形物）に生じ得る反り現象をできるだけ抑えることができる「三次元形状造形物の製造装置」および「三次元形状造形物の製造方法」を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明では、
粉末層を形成するための粉末層形成手段、
固化層が形成されるように粉末層に光ビーム（例えばレーザ光のような指向性エネルギービーム）を照射するための光ビーム照射手段、ならびに
粉末層および／または固化層が形成されることになる造形プレート、
を有して成る三次元形状造形物の製造装置であって、
造形プレートが固化層と接合可能となっており、造形プレートのヤング率が固化層のヤング率の約１〜１５倍となっていることを特徴とする製造装置が提供される。

本発明の製造装置は、固化層と接合可能な造形プレートのヤング率が高くなっていることを特徴としている。より具体的には、固化層と接合可能な造形プレートのヤング率が約１５０〜約８００ＧＰａの範囲となっており、固化層のヤング率の１〜１５倍程度となっている。かかる場合、製造時に反り上がろうとする三次元形状造形物の応力を造形プレートで吸収して、その反り上がりを防止することができる。

尚、本明細書にいう「造形プレート」とは、製造される造形物の土台となる部材を実質的に意味している。特に好適な態様では、「造形プレート」は、造形テーブル上に配される板状の部材を指している。

また、本明細書にいう「固化層と接合可能」といった表現は、粉末層に光ビームを照射することによって固化層が形成される際に造形プレートと固化層とが接合する態様を実質的に意味しており、特に、「造形プレート上に直接的に設けられる最下層の粉末層から形成される固化層」と「造形プレート主面（即ち、上面）」とが接合する態様を意味している。

ある好適な態様では、粉末層が鉄系粉末であって固化層が鉄系材料から形成される場合、造形プレートが超硬合金から成る。かかる超硬合金は、その有するヤング率が比較的高いので、製造時に三次元形状造形物の反り上がりを効果的に防止することができる。尚、ここでいう「鉄系粉末」とは、鉄系粉末を主成分とした粉末であって、場合によってニッケル粉末、ニッケル系合金粉末、銅粉末、銅系合金粉末および黒鉛粉末などから成る群から選択される少なくとも１種類を更に含んで成る粉末を実質的に意味している（例えば、鉄系粉末の配合量が６０〜９０重量％、ニッケル粉末及びニッケル系合金粉末の両方又はいずれか一方の配合量が５〜３５重量％、銅粉末および／または銅系合金粉末の両方又はいずれか一方の配合量が５〜１５重量％、ならびに、黒鉛粉末の配合量が０．２〜０．８重量％となった金属粉末を挙げることができる）。固化層との接合性をより向上させるために、造形プレートの主面にはニッケル被膜を設けてもよい。

また、ある好適な態様では、造形プレートが上層と下層とから成る２層構造となっており、上層が、粉末層成分、鉄系成分、炭素鋼成分、ニッケル成分およびニッケル合金成分から成る群から選択される少なくとも１種類以上の成分を含んでなり、下層のヤング率が約１５０〜約８００ＧＰａとなっている。この場合、造形プレートの下層は、超硬合金から成ることが好ましい。

更に、ある好適な態様では、プレートが、相互に接合された上方プレートと下方プレートとから構成されており、上方プレートが、粉末層成分、鉄系成分、炭素鋼成分、ニッケル成分およびニッケル合金成分から成る群から選択される少なくとも１種類以上の成分を含んでなり、下方プレートのヤング率が約１５０〜約８００ＧＰａとなっている。

本発明では、上述した製造装置を用いて実施される「三次元形状造形物の製造方法」も提供される。かかる本発明の製造方法は、
（ｉ）造形プレート上に設けた粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
造形プレートとして、固化層と接合可能なプレートであって、固化層のヤング率の約１〜１５倍のヤング率を有するプレートを用いることを特徴としている。かかる本発明の製造方法のある好適な態様では、上層と下層とから成る２層構造となった造形プレートであって、上層が固化層と接合可能となっており、下層のヤング率が約１５０〜約８００ＧＰａとなった造形プレートを用いる。

本発明の製造装置および製造方法では、製造時に三次元形状造形物の内部に生じ得る応力（特に三次元形状造形物が全体的に収縮する際に生じ得る応力）を造形プレートで受けることができる。つまり、特定の理論に拘束されるわけではないが、三次元形状造形物の底面と接合した造形プレートが、高いヤング率を有するため、造形物内の応力を効果的に吸収することができ、結果的に、三次元形状造形物の反り上がりを防止または小さくすることができる。これにより、三次元形状造形物（即ち、固化層）が、造形プレート面から剥離する現象も防止できるので、固化層上に新たな粉末層を所定厚みで敷くことが可能となるだけでなく、最終的に得られる三次元形状造形物の形状精度も向上することになる。

また、従来技術において三次元形状造形物の形状精度を出すには、“反り上がり”や“剥離”などの現象を予め想定した上で設計しておかなければならなかったものの、本発明では造形物の土台となる部材を、ヤング率の高いものとするだけで形状精度を実質的に出すことができる。つまり、本発明は、そのような具体的に予測困難な現象を視野に入れた設計を簡易な手段によって省くことができるといった点においても非常に有益である。

光造形複合加工機の動作を模式的に示した断面図 三次元形状造形物の反り上がり又は剥離を引き起こす現象を模式的に示した断面図 粉末焼結積層法が行われる態様を模式的に示した斜視図 粉末焼結積層法が実施される光造形複合加工機の構成を模式的に示した斜視図 光造形複合加工機の動作のフローチャート 本発明の特徴を概念的に示した模式図 本発明で用いられる造形プレートの模式図（破線内は、製造される造形物の底面領域を表す） ニッケル被膜を備えた造形プレートの態様を示した模式図 ２層構造の造形プレートの態様を示した模式図 複数プレートから構成される造形プレートの態様を示した模式図 本発明の変更態様を示した模式図

以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

［粉末焼結積層法］
まず、本発明の前提となる粉末焼結積層法について説明する。図１，図３および図４には、粉末焼結積層法を実施できる光造形複合加工機１の機能および構成が示されている。光造形複合加工機１は、「金属粉末および樹脂粉末などの粉末を所定の厚みで敷くことによって粉末層を形成する粉末層形成手段２」と「外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内においてシリンダー駆動で上下に昇降する造形テーブル２０」と「造形テーブル２０上に配され造形物の土台となる造形プレート２１」と「光ビームＬを任意の位置に照射する光ビーム照射手段３」と「造形物の周囲を削る切削手段４」とを主として備えている。粉末層形成手段２は、図１に示すように、「外周が壁２６で囲まれた粉末材料タンク２８内においてシリンダー駆動で上下に昇降する粉末テーブル２５」と「造形プレート上に粉末層２２を形成するためのスキージング用ブレード２３」とを主として有して成る。光ビーム照射手段３は、図３および図４に示すように、「光ビームＬを発する光ビーム発振器３０」と「光ビームＬを粉末層２２の上にスキャニング（走査）するガルバノミラー３１（スキャン光学系）」とを主として有して成る。必要に応じて、光ビーム照射手段３には、光ビームスポットの形状を補正するビーム形状補正手段（例えば一対のシリンドリカルレンズと、かかるレンズを光ビームの軸線回りに回転させる回転駆動機構とを有して成る手段）やｆθレンズが具備されている。切削手段４は、「造形物の周囲を削るミーリングヘッド４０」と「ミーリングヘッド４０を切削箇所へと移動させるＸＹ駆動機構４１」とを主として有して成る（図４参照）。

光造形複合加工機１の動作を図１及び図５を参照して詳述する。図５は、光造形複合加工機の動作フローを示している。

光造形複合加工機の動作は、粉末層２２を形成する粉末層形成ステップ（Ｓ１）と、粉末層２２に光ビームＬを照射して固化層２４を形成する固化層形成ステップ（Ｓ２）と、造形物の表面を切削する切削ステップ（Ｓ３）とから主に構成されている。粉末層形成ステップ（Ｓ１）では、最初に造形テーブル２０をΔｔ１下げる（Ｓ１１）。次いで、粉末テーブル２５をΔｔ１上げた後、図１（ａ）に示すように、スキージング用ブレード２３を、矢印Ａ方向に移動させ、粉末テーブル２５に配されていた粉末（例えば「平均粒径５μｍ〜１００μｍ程度の鉄粉」または「平均粒径３０μｍ〜１００μｍ程度のナイロン、ポリプロピレン、ＡＢＳ等の粉末」）を造形プレート２１上へと移送させつつ（Ｓ１２）、所定厚みΔｔ１にならして粉末層２２を形成する（Ｓ１３）。次に、固化層形成ステップ（Ｓ２）に移行し、光ビーム発振器３０から光ビームＬ（例えば炭酸ガスレーザーまたは紫外線）を発し（Ｓ２１）、光ビームＬをガルバノミラー３１によって粉末層２２上の任意の位置にスキャニングし（Ｓ２２）、粉末を焼結又は溶融固化させて造形プレート２１と一体化した固化層２４を形成する（Ｓ２３）。

固化層２４の厚みがミーリングヘッド４０の工具長さ等から求めた所定厚みになるまで粉末層形成ステップ（Ｓ１）と固化層形成ステップ（Ｓ２）とを繰り返し、固化層２４を積層する（図１（ｂ）参照）。尚、新たに積層される固化層は、焼結又は溶融固化に際して、既に形成された下層を成す固化層と一体化することになる。

積層した固化層２４の厚みが所定の厚みになると、切削ステップ（Ｓ３）へと移行し、ミーリングヘッド４０を駆動させる（Ｓ３１）。例えば、ミーリングヘッド４０の工具（ボールエンドミル）が直径１ｍｍ、有効刃長さ３ｍｍである場合、深さ３ｍｍの切削加工ができるので、Δｔ１が０．０５ｍｍであれば、６０層の固化層を形成した時点でミーリングヘッド４０を駆動させる。ＸＹ駆動機構４１によってミーリングヘッド４０を矢印Ｘ及び矢印Ｙ方向に移動させ、積層した固化層２４から成る造形物の表面を切削加工する（Ｓ３２）。そして、三次元形状造形物の製造が依然終了していない場合では、粉末層形成ステップ（Ｓ１）へ戻ることになる。以後、Ｓ１乃至Ｓ３を繰り返して更なる固化層２４を積層することによって、三次元形状造形物の製造を行う。

固化層形成ステップ（Ｓ２）における光ビームＬの照射経路と、切削ステップ（Ｓ３）における切削加工経路とは、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。この時、等高線加工を適用して加工経路を決定する。例えば、固化層形成ステップ（Ｓ２）では、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（例えばΔｔ１を０．０５ｍｍとした場合では０．０５ｍｍピッチ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。

［本発明の製造装置］
本発明の製造装置は、上述した粉末焼結積層法において、“三次元形状造形物に生じ得る内部応力の緩和”に着目して得られたものである。特に、三次元形状造形物に生じ得る内部応力を造形プレートの特性によって緩和している。より具体的に言えば、本発明は、図２（ｂ）に示すような内部応力に起因して三次元形状造形物が反り上がる現象を、造形プレートの弾性率でもって抑制する点において特徴を有している（図６参照）。

以下の説明では、特に明記しない限り、粉末として「金属粉末」を用い（即ち、粉末層として金属粉末層を用い）、固化層が焼結層となる条件下において、金属製の造形プレート上で三次元形状造形物を製造する態様を例にとって説明する。

本発明の製造装置は、図１、図３、図４に示すように
金属粉末層２２を形成するための粉末層形成手段２、
焼結層２４が形成されるように金属粉末層２２に光ビームを照射するための光ビーム照射手段３、ならびに
金属粉末層２４および／または焼結層２２が形成されることになる“造形テーブル２０上に配された造形プレート２１”、
を有して成る。かかる装置では、造形プレート２１が焼結層２４と接合可能となっており、造形プレート２１のヤング率が焼結層のヤング率の１〜数十倍程度、好ましくは約１〜１５倍（例えば約１．５〜１０倍）となっている。

本発明の装置の動作も含め、「粉末層形成手段２」、「光ビーム照射手段３」および「造形テーブル２０」等は既に上述しているので重複を避けるためにそれらの説明を省略し、本発明の特徴となる“造形プレート”を中心に説明を行う。

本発明で用いる造形プレート２１は、例えば図７に示すように、製造される造形物２４（即ち、焼結層）の土台となるものであり、粉末層２２およびそれから得られる造形物２４の真下に配置されるものである。

かかる造形プレートのヤング率は、好ましくは１５０〜８００ＧＰａ、より好ましくは３００〜７５０ＧＰａであって、更に好ましくは５００〜７００ＧＰａとなっている。尚、本発明にいう「ヤング率」とは、ＪＩＳ Ｚ ２２４１の規定に準拠して引張試験（試験時のプレート温度２５℃）を実施して得ることができるヤング率を実質的に意味している。

造形プレートの形状は、造形物に土台なる面（即ち、主面）を供する限り、いずれの形状であってもよく、図７に示すような直方体形状に限定されず、円板形状または多角柱形状などであってもよい。造形プレートの寸法についていえば、一般的には主面サイズが造形物底面よりも大きいことが求められ、例えば、造形物底面サイズの１１０〜２００％程度であればよい（図７参照）。造形プレートの厚み（図７の“Ｔ”）は、主面サイズ・造形プレートの材質・焼結層の材質などによって変わり得るものの、例えば、１０〜７０ｍｍ程度であってよい。

造形プレートの材質は、上記ヤング率を供するものであれば特に制限はない。例えば、粉末として金属粉末（平均粒径５μｍ〜１００μｍ程度の鉄系粉末）を用い、固化層が焼結層（鉄系材料から成る焼結層）となる場合、造形プレートの材質は、超硬合金、高速度工具鋼、合金工具鋼、ステンレス鋼および機械構造用炭素鋼から成る群から選択される少なくとも１種類の材質であることが好ましい。

本発明で用いる造形プレートは、その主面が焼結層（即ち、造形物）と接合可能であることが求められる。造形プレートの接合特性を向上させるために、主面には例えば厚さ０．５〜５ｍｍ程度のニッケル被膜２１’を設けてもよい（図８参照）。かかるニッケル被膜２１’は、めっき法を用いて形成することができる他、溶射法または蒸着法（ＰＶＤ、ＣＶＤ）などの各種被膜形成技術を用いて形成することができる。ちなみに、本発明にいう「造形プレートの主面」とは、造形プレートに含まれる面のうち、三次元形状造形物（または粉末層もしくは固化層）が供される面を実質的に意味している。

「固化層２４と接合可能となっており、固化層のヤング率の約１〜１５倍となっている造形プレート」の態様としては、その他に種々の態様が考えられる。以下それについて詳述する。尚、以下の説明でも、粉末として金属粉末を用い、固化層が焼結層となる態様を例にとって説明する。

（２層構造の造形プレート）
かかる態様は、図９に示すように、造形プレート２１が上層２１ａおよび下層２１ｂとから成る態様である（上層は造形物と直接的に接する“表側の層”であって、下層は、造形テーブルと直接的に接する“裏側の層”である）。上層２１ａは、粉末層成分、鉄系成分、炭素鋼成分、ニッケル成分およびニッケル合金成分から成る群から選択される少なくとも１種類以上の成分を含んでなり、下層２１ｂは、そのヤング率が焼結層のヤング率の約１〜数十倍程度、好ましくは約１〜１５倍となっていることが好ましい。かかる態様であっても、焼結層と接合可能な造形プレートのヤング率が高いので、製造時に反り上がろうとする三次元形状造形物の応力を造形プレートで吸収して、その反り上がりを防止または小さくすることができる。上層２１ａの材質に関して用いる「粉末層成分」とは、粉末層２２を成す各種粉末の構成成分を意味しており、「鉄系成分」とは、鉄を主成分とした成分（例えば鉄成分を５０重量％以上含むもの）を意味している。下層２１ｂのヤング率は、好ましくは１５０〜８００ＧＰａ、より好ましくは３００〜７５０ＧＰａであって、更に好ましくは５００〜７００ＧＰａである。また、焼結層が例えば鉄系材料から成る場合（即ち、焼結層が“鉄系粉末”から形成されたものである場合）、造形プレートの下層２１ｂは、超硬合金、高速度工具鋼、合金工具鋼、ステンレス鋼および機械構造用炭素鋼から成る群から選択される少なくとも１種類の材質から形成されることが好ましい。上層厚さｔａと下層厚さｔｂとの比（ｔｂ／ｔａ）は、１〜１００程度であることが好ましい。このような上層および下層とから成る造形プレートでは、“焼結層との接合”および“高いヤング率”をそれぞれの層で供することができるので、製造する造形物や製造コストなどを考慮して好適な層の組合せを適宜選択できるといった点で有利である。例えば、一例を挙げるとすると、以下のような組合せが考えられる。
・金属粉末材料：鉄−ニッケル−銅の混合粉末（焼結層のヤング率：約１３０ＧＰａ）
・造形プレートの上層：Ｓ５０Ｃ（ヤング率：約２００ＧＰａ）
・造形プレートの下層：超硬合金（ヤング率：約６００ＧＰａ）

「上層および下層とから成る造形プレート」は、例えば、粉末焼結法や肉盛り溶接、厚付けのめっきをすることによって製造できる他、簡易的には、上層に相当する部材と下層に相当する部材とを別々に用意して、それらを金属接着剤（例えば、エポキシ樹脂系接着剤またはシリコーン樹脂系接着剤など）で相互に接合することによっても製造できる。

（複数プレートから構成される造形プレート）
かかる態様は、図１０に示すように、相互に接合された上方プレート２１ｃと下方プレート２１ｄとから構成されている態様である（上方プレートは造形物と直接的に接する“表側のプレート”であって、下方プレートは、造形テーブルと直接的に接する“裏側のプレート”である）。上方プレート２１ｃと下方プレート２１ｄとの接合は、図示するように、それらの間にニッケル２１ｅなどを供すことによって行ってよい。上方プレート２１ｃは、粉末層成分、鉄系成分、炭素鋼成分、ニッケル成分およびニッケル合金成分から成る群から選択される少なくとも１種類以上の成分を含んでなり、下方プレート２１ｄは、そのヤング率が焼結層のヤング率の約１〜数十倍程度、好ましくは約１〜１５倍となっていることが好ましい。かかる態様であっても、焼結層と接合可能な造形プレートのヤング率が高いので、製造時に反り上がろうとする三次元形状造形物の応力を造形プレートで吸収して、その反り上がりを防止または小さくすることができる。上方プレート２１ｃの材質に関して用いる「粉末層成分」とは、粉末層２２を成す各種粉末の構成成分を意味しており、「鉄系成分」とは、鉄を主成分とした成分（例えば鉄成分を５０重量％以上含むもの）を意味している。下方プレート２１ｄのヤング率は、好ましくは１５０〜８００ＧＰａ、より好ましくは３００〜７５０ＧＰａであって、更に好ましくは５００〜７００ＧＰａである。また、焼結層が例えば鉄系材料から成る場合（即ち、焼結層が“鉄系粉末”から形成されたものである場合）、下方プレートの材質は、超硬合金、高速度工具鋼、合金工具鋼、ステンレス鋼および機械構造用炭素鋼から成る群から選択される少なくとも１種類の材質であることが好ましい。上方プレート厚さｔｃと下方プレート厚さｔｄとの比（ｔｄ／ｔｃ）は、１〜１０程度であることが好ましい。このような「相互に接合された上方プレートと下方プレートとから構成されている造形プレート」では、“焼結層との接合”および“高いヤング率”をそれぞれのプレートで供することができるので、製造する造形物や製造コストなどを考慮して好適なプレートの組合せを適宜選択できるといった点で有利である。例えば、一例を挙げるとすると、以下のような組合せが考えられる。
・金属粉末材料：鉄−ニッケル−銅の混合粉末（焼結層のヤング率：約１３０ＧＰａ）
・上方プレート：Ｓ５０Ｃ（ヤング率：約２００ＧＰａ）
・下方プレート：超硬合金（ヤング率：約６００ＧＰａ）

［本発明の製造方法］
次に、本発明の製造方法について説明する。本発明の製造方法は、製造装置と同様、上述した粉末焼結積層法において造形プレートの物性（弾性率）に特に着目したものである。粉末として金属粉末を用い、固化層が焼結層となる態様を例にとると、かかる本発明の製造方法は、
（ｉ）造形プレート上に設けた粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成する工程、および
（ｉｉ）得られた焼結層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる焼結層を形成する工程
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
造形プレートとして、焼結層と接合可能なプレートであって、焼結層のヤング率の１〜数十倍程度のヤング率、好ましくは約１〜１５倍のヤング率（例えば約１．５〜１０倍のヤング率）を有するプレートを用いることを特徴としている。かかるプレートは、上述したような「２層構造の造形プレート」または「複数プレートから構成される造形プレート」であってもかまわない。尚、造形プレートのヤング率、形状・寸法および材質などは、“本発明の製造装置”に関連して上述した事項が当てはまるので重複を避けるために説明を省略する。また、工程（ｉ）および（ｉｉ）についても、上述した粉末焼結積層法で触れているために重複を避けるために説明を省略する。

造形プレート２１は、造形テーブル２０上に配されて使用されるが、その際、その造形プレートを造形テーブル上にネジ固定してもよく、あるいは、造形プレートのヤング率の特性が最大限に活きるように緩く取り付けてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の適用範囲のうちの典型例を例示したに過ぎない。従って、本発明はこれに限定されず、種々の改変がなされ得ることを当業者は容易に理解されよう。

例えば、上述の説明では、図１１（ａ）に示すように“造形テーブル２０に配された造形プレート２１”上で三次元形状造形物２４を製造する場合を前提にしていたが、図１１（ｂ）に示すように、造形テーブル２０上に直接的に三次元形状造形物２４を製造することも場合によっては可能である。かかる場合、造形テーブル自体に、固化層２４との接合可能特性を供すると共に、固化層のヤング率の約１〜１５倍となるような高いヤング率を供することによって、上述した本発明の効果を同様に達成することができる。

本発明の三次元形状造形物の装置を用いると、種々の物品を製造することができる。特に、本発明の製造装置および製造方法で得られる三次元形状造形物は、造形プレートと接合した状態で一体的に得られるので、そのように一体化した「三次元形状造形物」と「造形プレート」とを分離することなく金型等の製品として用いることができる。例えば、『粉末層が金属粉末層であって、固化層が焼結層となる場合』では、得られる三次元形状造形物を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、鍛造金型などの金型として用いることができる。また、『粉末層が樹脂粉末層であって、固化層が硬化層となる場合』では、得られる三次元形状造形物を樹脂成形品して用いることができる。

１ 光造形複合加工機
２ 粉末層形成手段
３ 光ビーム照射手段
４ 切削手段
１９ 粉末／粉末層（例えば金属粉末/金属粉末層または樹脂粉末／樹脂粉末層）
２０ 造形テーブル
２１ 造形プレート
２１’ ニッケル被膜
２１ａ 造形プレートの上層
２１ｂ 造形プレートの下層
２１ｃ 上方プレート
２１ｄ 下方プレート
２１ｅ 上方プレートと下方プレートとの間に供されるニッケル
２２ 粉末層（例えば金属粉末層または樹脂粉末層）
２３ スキージング用ブレード
２４ 固化層（例えば焼結層または硬化層）またはそれから得られる三次元形状造形物
２５ 粉末テーブル
２６ 粉末材料タンクの壁部分
２７ 造形タンクの壁部分
２８ 粉末材料タンク
２９ 造形タンク
３０ 光ビーム発振器
３１ ガルバノミラー
４０ ミーリングヘッド
４１ ＸＹ駆動機構
５０ チャンバー
５２ 光透過窓
Ｌ 光ビーム

Claims (9)

1. 粉末層を形成するための粉末層形成手段、
   固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段、ならびに
   粉末層および／または固化層が形成されることになる造形プレート、
   を有して成り、
   造形プレートが固化層と接合可能となっており、造形プレートのヤング率が固化層のヤング率の１〜１５倍となっているおり、また
   固化層が鉄系材料から成る焼結層である一方、造形プレートが超硬合金、高速度工具鋼、合金工具鋼、ステンレス鋼および機械構造用炭素鋼から成る群から選択される少なくとも１種類の材質を含んで成る、
   ことを特徴とする、三次元形状造形物の製造装置。
2. 造形プレートのヤング率が１５０〜８００ＧＰａとなってい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装置。
3. 造形プレートが超硬合金から成ることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状造形物の製造装置。
4. 造形プレートの主面にはニッケル被膜が設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造装置。
5. 造形プレートが上層と下層とから成る２層構造となっており、
   上層が、粉末層成分、鉄系成分、炭素鋼成分、ニッケル成分およびニッケル合金成分から成る群から選択される少なくとも１種類以上の成分を含んでなり、
   下層のヤング率が１５０〜８００ＧＰａとなってい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装置。
6. 造形プレートの下層が超硬合金から成ることを特徴とする請求項５に記載の三次元形状造形物の製造装置。
7. プレートが、相互に接合された上方プレートと下方プレートとから構成されており、
   上方プレートが、粉末層成分、鉄系成分、炭素鋼成分、ニッケル成分およびニッケル合金成分から成る群から選択される少なくとも１種類以上の成分を含んでなり、
   下方プレートのヤング率が１５０〜８００ＧＰａとなってい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装置。
8. （ｉ）造形プレート上に設けた粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
   （ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
   を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
   造形プレートとして、固化層と接合可能なプレートであって、固化層のヤング率の１〜１５倍のヤング率を有するプレートを用い、また
   固化層が鉄系材料から成る焼結層である一方、造形プレートが超硬合金、高速度工具鋼、合金工具鋼、ステンレス鋼および機械構造用炭素鋼から成る群から選択される少なくとも１種類の材質を含んで成る、
   ことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
9. 造形プレートを上層と下層とから成る２層構造とし、上層を固化層と接合可能なものとし、下層のヤング率を１５０〜８００ＧＰａとする、請求項８に記載の三次元形状造形物の製造方法。

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