JP5877471B2 - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents
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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やセラミック粉末などの無機質の粉末材料を用いた場合では、得られた三次元形状造形物を金型として用いることができ、樹脂粉末やプラスチック粉末などの有機質の粉末材料を用いた場合では、得られた三次元形状造形物を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。
粉末材料として金属粉末を用い、得られる三次元形状造形物を金型として用いる場合を例にとると、図１に示すように、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）。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、三次元形状造形物と造形プレートとは相互に一体化した状態となる。一体化した三次元形状造形物と造形プレートとは、そのまま金型として用いることができる。
粉末焼結積層法において、本願発明者らは、図１３に示すように母材が無い部分にレーザが直接当たると周辺の粉末が大きく溶融し、結果的に表面張力により盛り上がってしまうといった現象を見出した。つまり、母材となる固化部分が無い領域にレーザが直接当たると周辺の粉末が大きく溶融し、その結果、固体層の周縁部・輪郭部において隆起固化部（即ち“端部隆起”）が生じることを見出した。そして、かかる隆起固化部が生じると、次の層の粉末供給時にスキージング・ブレードが衝突してしまい、所望の粉末層が形成できないといった懸念がもたらされることが分かった。
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、スキージング・ブレードによる粉末層形成に特に適した「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、
（ｉ）スキージング・ブレードのスライド移動によって粉末層を造形プレート上に形成し、次いで、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して当該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、その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、
その三次元形状造形物の製造途中で得られる造形物前駆体の外面（特に前駆体の側面）に対して切削加工を少なくとも１回施しており、
側面の切削加工後にて固化層を少なくとも１層分形成した後、その形成された固体層の周縁部（即ち、輪郭部）に生じた隆起固化部（即ち“端部隆起”）を除去すべく上面切削（即ち、天面切削）を施すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法が提供される。
（ｉ）スキージング・ブレードのスライド移動によって粉末層を造形プレート上に形成し、次いで、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して当該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、その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、
その三次元形状造形物の製造途中で得られる造形物前駆体の外面（特に前駆体の側面）に対して切削加工を少なくとも１回施しており、
側面の切削加工後にて固化層を少なくとも１層分形成した後、その形成された固体層の周縁部（即ち、輪郭部）に生じた隆起固化部（即ち“端部隆起”）を除去すべく上面切削（即ち、天面切削）を施すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法が提供される。
ある好適な態様では、固体層の周縁部にのみ上面切削を施す。つまり、「側面の切削加工後に形成された固化層」の上面（即ち“天面”）の輪郭領域にのみ上面切削（“天面切削”）を施す。
別のある好適な態様では、「側面の切削加工後に形成された固化層」の天面に対して全体的に上面切削を施す。つまり、「隆起固化部を除去する上面切削」を、固化層の周縁部を包含する“切削加工後の固化層上面”に対して全体的に施す。
「側面の切削加工後に形成された固化層」の上面に対して全体的に上面切削を施す場合、その上面切削の対象となる固化領域のみならず、その周囲の粉末領域に及ぶ領域まで“上面切削に用いる切削工具”を移動させ、それによって、隆起固化部を除去する上面切削を行ってもよい。
また、上面切削の対象となる固化層が複数のサブ固化領域から構成されている場合、複数のサブ固化領域のみならず、その複数のサブ固化領域の周囲の粉末領域に及ぶまで切削工具を移動させることを通じて上面切削を行ってもよい。また、かかる場合、上面切削の対象となる領域を「サブ固化領域の少なくとも２つから成る複数のグループ」とみなし、かかるグループ単位で上面切削を行ってもよい。例えば、グループを成す各々のサブ固化領域のみならず、その各々の固化領域の周囲の粉末領域に及ぶ領域まで切削工具を移動させ、それによって、グループ単位で上面切削を行ってもよい。
上面切削の対象となる固化領域が複数のサブ固化領域から構成されている場合では、対象となる各サブ固化領域の形態およびそれに対する切削工具の制御仕様・操作態様などに照らし、最適な上面切削を選択することが好ましい。例示すると、「各サブ固化領域の周縁部にのみ局所的に上面切削を施す際の切削時間Ａ」と、「各サブ固化領域の周縁部のみならず、それ以外の上面領域（即ち、固化領域の上面全体および／または粉末領域）に対しても切削工具を移動させて全体的に上面切削を行う際の切削時間Ｂ」とを求め、それらのうちで切削時間の短い方に相当する上面切削を選択して実施する。
別のある態様では、「側面の切削加工後に形成された固化層」の周縁部に生じる隆起固化部の厚み寸法（即ち、隆起固化部の垂直方向サイズ）は、スキージング・ブレードのスライド移動を阻害するほどに大きくなる。それゆえ、本発明では、スキージング・ブレードのスライド移動を阻害する隆起固化部を除去するために上面切削を施すことが特に好ましい。かかる場合、隆起固化部の厚み寸法を測定し、その測定された厚み寸法がスキージング・ブレードのスライド移動を阻害するほどに隆起した厚み寸法である場合に上面切削を施してよい。
更に別のある好適な態様では、造形物前駆体の外面（側面）に対する切削加工後に固化層を１層形成する毎に、隆起固化部に対して上面切削を施す。
本発明の製造方法では、図１３に示すような垂直方向に隆起した固化部が固体層周縁部に生じたとしても、上面切削によって、その隆起固化部の高さ寸法（即ち、厚み寸法・垂直方向サイズ）を減じるので、スキージング・ブレードのスライド移動が阻害されることはない。
本発明では、隆起固化部のサイズがスキージング・ブレードのスライド移動を阻害するほどに大きくなったら、その時点で上面切削を施してよいものの、切削加工後に固化層を例えば１層形成毎に“上面切削”を施すように予め決めておけば、隆起固化部のサイズ（隆起の進行程度）に依らず、好適に造形物の製造を行うことができる。つまり、その場合には隆起固化部のサイズを特にモニタリングすることなく好適に造形物を製造できる。
以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
本明細書において「粉末層」とは、例えば「金属粉末から成る金属粉末層」または「樹脂粉末から成る樹脂粉末層」などを指している。また「粉末層の所定箇所」とは、製造される三次元形状造形物の領域を実質的に意味している。従って、かかる所定箇所に存在する粉末に対して光ビームを照射することによって、その粉末が焼結又は溶融固化して三次元形状造形物の形状を構成することになる。更に「固化層」とは、粉末層が金属粉末層である場合には「焼結層」を実質的に意味しており、粉末層が樹脂粉末層である場合には「硬化層」を実質的に意味している。
あくまでも例示にすぎないが、本発明に用いることができる金属粉末は、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であってよい。一例として、平均粒径２０μｍ程度の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。
［粉末焼結積層法］
まず、本発明の製造方法の前提となる粉末焼結積層法について説明する。説明の便宜上、材料粉末タンクから材料粉末を供給し、スキージング・ブレードを用いて材料粉末を均して粉末層を形成する態様を前提として粉末焼結積層法を説明する。また、粉末焼結積層法に際しては造形物の切削加工をも併せて行う複合加工の態様を例に挙げて説明する（つまり、図２（ｂ）ではなく図２（ａ）に表す態様を前提とする）。図１，３および４には、粉末焼結積層法と切削加工とを実施できる光造形複合加工機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で囲まれた材料粉末タンク２８内において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・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レンズなどが具備されている。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（４１ａ，４１ｂ）」とを主として有して成る（図３および図４参照）。
まず、本発明の製造方法の前提となる粉末焼結積層法について説明する。説明の便宜上、材料粉末タンクから材料粉末を供給し、スキージング・ブレードを用いて材料粉末を均して粉末層を形成する態様を前提として粉末焼結積層法を説明する。また、粉末焼結積層法に際しては造形物の切削加工をも併せて行う複合加工の態様を例に挙げて説明する（つまり、図２（ｂ）ではなく図２（ａ）に表す態様を前提とする）。図１，３および４には、粉末焼結積層法と切削加工とを実施できる光造形複合加工機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で囲まれた材料粉末タンク２８内において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・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レンズなどが具備されている。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（４１ａ，４１ｂ）」とを主として有して成る（図３および図４参照）。
光造形複合加工機１の動作を図１、図５および図６を参照して詳述する。図５は、光造形複合加工機の一般的な動作フローを示しており、図６は、光造形複合加工プロセスを模式的に簡易に示している。
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・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に均して粉末層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（５００Ｗ程度）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（５００Ｗ程度）、ファイバレーザ（５００Ｗ程度）または紫外線など）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）、粉末を溶融させ、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）。光ビームは、空気中を伝達させることに限定されず、光ファイバーなどで伝送させてもよい。
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）へと移行する。図１および図６に示すような態様ではミーリングヘッド４０を駆動させることによって切削ステップ（特に固化層の側面部分の切削加工）の実施を開始している（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（４１ａ，４１ｂ）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から成る造形物の側面を切削加工する（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（図６参照）。
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。
［本発明の製造方法］
本発明は、上述した粉末焼結積層法のなかでも、切削加工を伴った固化層形成の態様に特徴を有している。具体的には、本発明においては、側面切削加工後の１層目の焼結（もしくはアンダーカット）で発生する“端部隆起”を除去する加工を行う。より具体的には図７に示すように、造形物前駆体への側面切削後、少なくとも１層焼結した後で得られる固化層に対して、その上面（特にその周縁上部）を削る処理を行う。
本発明は、上述した粉末焼結積層法のなかでも、切削加工を伴った固化層形成の態様に特徴を有している。具体的には、本発明においては、側面切削加工後の１層目の焼結（もしくはアンダーカット）で発生する“端部隆起”を除去する加工を行う。より具体的には図７に示すように、造形物前駆体への側面切削後、少なくとも１層焼結した後で得られる固化層に対して、その上面（特にその周縁上部）を削る処理を行う。
換言すれば、本発明においては、製造途中の造形物前駆体の外側面に対して切削加工を少なくとも１回施しており、その外側面の切削加工後にて固化層を少なくとも１層分形成し、それにより得られた固体層の周縁部（即ち、輪郭部）に生じた端部隆起（即ち、隆起固化部）を少なくとも一部除去するための上面切削を施す（図７参照）。
“端部隆起”は、「造形物外表面に対する切削加工」を施した後に形成される固化層の周縁部に生じるものである。換言すれば、本発明にいう「隆起固化部」とは、側面切削加工後の固化層形成より生じる局所的固化部であって、特にその固化層の輪郭領域にて垂直方向に厚みをもって生じる局所的固化部のことを実質的に意味している（図１３参照）。
かかる隆起固化部の厚み寸法（垂直方向サイズ）は、スキージング・ブレードのスライド移動を阻害するほどに大きくなる場合がある。特に、切削加工後における固化層形成の積層数が増加するにつれ（つまり、側面の切削加工後において更なる固化層形成が進行するにつれ）徐々に大きくなっていく。従って、本発明では、“上面切削”を好適に施して、スキージング・ブレードのスライド移動が阻害されないようにする。
ここで、本発明における「上面切削」とは、製造途中で得られる造形物前駆体の天面に対して行う切削加工のことを意味しており、それゆえ、造形物前駆体の側面に対して行う“側面切削加工”とは異なる切削処理である。
好ましくは本発明では、固体層の周縁部にのみ上面切削を施す。つまり、側面切削加工後に形成された固化層の輪郭領域にのみ局所的に天面切削を施す（図８（ａ）参照）。これにより効率的に隆起固化部を除去できる。尚、本発明でいう「周縁部」とは、“隆起固化部”（即ち“端部隆起”）が生じている固化層（即ち、造形物前駆体への側面切削後に少なくとも１層焼結した後で得られる固化層）の上面における輪郭部分のことを指している（あくまでも例示にすぎないが、当該固化層の最も外側の側面から内側方向に至る局所的領域につき、最も外側の側面から約９ｍｍ以内の範囲、例えば約５ｍｍ以内ないしは２ｍｍ以内の範囲となる局所的領域を指している。）。
本発明では隆起固化部の除去、即ち、端部隆起を除去すべく上面切削を少なくとも施すが、固体層の周縁部にのみ上面切削を施すことに限定されず、対象となる固化層の上側表面（天面）の全面に対して“上面切削”を全体的に施してもよい。つまり、「隆起固化部を除去する上面切削」を、固化層の周縁部を包含する“切削加工後の固化層上面”の全体に施してもよい（図８（ｂ）参照）。具体的には、“隆起固化部が形成された固化層周縁部の領域”のみならず、その領域よりも内側の固化層領域に及ぶまで切削工具を移動させて「隆起固化部を除去する上面切削」を行ってもよい。これにより、上面切削を行う切削工具を制御し易くなるか、あるいは、切削工具の移動制御が比較的シンプルとなること等に起因してトータルの上面切削時間が短くなり得る。
上面切削に用いる切削工具は特に制限されず、“隆起固化部”の除去に資するものであれば、いずれの切削工具を用いてもよい。例えば、“上面切削”には、エンドミル（例えばスクエアエンドミル）を用いてよい。エンドミルを用いる場合、その径は光ビームのスポット径よりも大きいことが好ましい。また、対象となる固化層の上側表面（天面）に対して全体的に“上面切削”を施す場合では、例えばロータリーカッターを用いてよく、あるいは、刃部を備えたスキージング・ブレードを用いてもよい。
“切削加工後の固化層上面”に対して全体的に上面切削を施す場合、その上面切削の対象となる固化領域のみならず、その周囲の粉末領域に及ぶ領域まで上面切削工具を移動させ、それによって、隆起固化部を除去する上面切削を行ってもよい。これによっても、上面切削工具の制御を制御し易くなるか、あるいは、切削工具の移動制御が比較的シンプルとなること等に起因してトータルの上面切削時間が短くなり得る。尚、上面切削の対象となる固化層が複数のサブ固化領域から構成されている場合（例えば三次元形状造形物を金型として用いる場合、金型キャビティー面の形状に依拠して、上面切削の対象となる固化層が複数存在する場合がある）、複数のサブ固化領域のみならず、そのサブ固化領域の周囲の粉末領域に及ぶ領域まで切削工具を移動させて上面切削を行ってもよい（図９参照）。即ち、図９に示すように、“隆起固化部が形成された各々のサブ固化領域の周縁部”のみならず、その周縁部よりも内側のサブ固化領域および外側の粉末領域を含め全体を１つの領域として捉え、その全体として１つに捉えた領域に対して切削工具を移動させて「隆起固化部を除去する上面切削」を行ってもよい。
尚、上面切削の対象となる固化層が複数のサブ固化領域から構成されている場合、上面切削の対象となる固化領域を「サブ固化領域を各々少なくとも２つ含むグループ」としてみなし、かかるグループ単位で上面切削を行ってもよい（図１０参照）。例えば、グループを成す各々のサブ固化領域のみならず、その各々の固化領域の周囲の粉末領域に及ぶまで切削工具を移動させ、それによって、グループ単位で上面切削を行ってもよい。この点、図１０に示す態様について例示すると、サブ固化領域をそれぞれ少なくとも２つ含んだグループＡ、グループＢおよびグループＣの各単位で個別に上面切削を行ってよい。より具体的には、グループＡでは、そのグループAを構成するサブ固化領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４およびＡ５の各周縁部のみならず、その各々の周縁部よりも内側のサブ固化領域および外側の粉末領域を包括的に含めた１つ領域に対して切削工具を全体的に移動させて「隆起固化部を除去する上面切削」を行い、グループＢでは、そのグループBを構成するサブ固化領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７およびＢ８の各周縁部のみならず、その各々の周縁部よりも内側のサブ固化領域および外側の粉末領域を包括的に含めた１つ領域に対して切削工具を全体的に移動させて「隆起固化部を除去する上面切削」を行い、そして、グループＣでは、そのグループCを構成するサブ固化領域Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４およびＣ５の各周縁部のみならず、その各々の周縁部よりも内側のサブ固化領域および外側の粉末領域を包括的に含めた１つ領域に対して切削工具を全体的に移動させて「隆起固化部を除去する上面切削」を行う。
ここで、上面切削の対象となる固化層が複数のサブ固化領域から構成されている場合、「隆起固化部を除去する上面切削」は、図１１（ａ）〜（ｄ）に示すように４つの態様が一般に考えられる：
（ｉ）複数のサブ固化領域の各々の周縁部にのみ上面切削をそれぞれ施す（図１１（ａ）参照）、
（ｉｉ）複数のサブ固化領域の各上面全体に対して上面切削をそれぞれ施す（図１１（ｂ）参照）、
（ｉｉｉ）複数のサブ固化領域の各上面全体のみならず、その各サブ固化領域の周囲の粉末領域に及ぶ領域まで切削工具を移動させて上面切削を全体的に施す（図１１（ｃ）参照）、
（ｉｖ）サブ固化領域がそれぞれ少なくとも２つ含まれる複数のグループから成る領域とみなし、その各グループ単位で上面切削をそれぞれ全体的に施す（図１１（ｄ）参照）
（ｉ）複数のサブ固化領域の各々の周縁部にのみ上面切削をそれぞれ施す（図１１（ａ）参照）、
（ｉｉ）複数のサブ固化領域の各上面全体に対して上面切削をそれぞれ施す（図１１（ｂ）参照）、
（ｉｉｉ）複数のサブ固化領域の各上面全体のみならず、その各サブ固化領域の周囲の粉末領域に及ぶ領域まで切削工具を移動させて上面切削を全体的に施す（図１１（ｃ）参照）、
（ｉｖ）サブ固化領域がそれぞれ少なくとも２つ含まれる複数のグループから成る領域とみなし、その各グループ単位で上面切削をそれぞれ全体的に施す（図１１（ｄ）参照）
上述したように、複数のサブ固化領域における隆起固化部を除去するためのトータルの上面切削時間は、切削工具の制御操作の態様などに起因する。本願発明者らはサブ固化領域が多くなるほど加工速度が上がらないので上面切削時間はトータルとして長くなってしまう傾向があることを見出した。それゆえ、本発明では上記（ｉ）〜（ｉｖ）のそれぞれについて切削時間を求め、それらのうちで最も切削時間が短くなる上面切削を選択的して実施することが好ましい。これはいうなれば、「各サブ固化領域の周縁部にのみ局所的に上面切削を施す場合の切削時間Ａと、各サブ固化領域の周縁部のみならず、それ以外の上面領域（即ち、固化領域の上面全体および／または粉末領域）に対しても上面切削工具を移動させて全体的に上面切削を行う場合の切削時間Ｂとを求め、それらのうちで切削時間が短くなる上面切削を選択的に実施する」態様といえる。いずれにせよ、対象となる各サブ固化領域の形態およびそれに対する切削工具の制御仕様・操作態様などに照らし、最適な上面切削を行うことが好ましい。
上述したように、固体層の周縁部に生じる「隆起固化部」は「造形物側面に対する切削加工」を施した後で固化層を少なくとも１層分形成した後に生じるものであるが、“上面切削”は、そのような固化層を１層形成した後に施してよい。あるいは、「造形物側面に対する切削加工」を施した後にて固化層を複数層形成した後に“上面切削”を行ってもよい。また、前記固化層を形成するたびに複数層にわたって上面切削を行ってもよい。１つ例示すると、切削工程→１層焼結→上面切削→2層目焼結→上面切削→・・・→n層目焼結（上面切削なし）→n+1層目焼結（上面切削なし）→n+2層目焼結（上面切削なし）→切削工程であってもよい（場合によっては全層にわたって上面切削を行ってもよい）。なお、複数層形成後に“上面切削”を行う場合、端部隆起につきモニタリング（測定）を行い、端部隆起がスキージング・ブレードの高さを超えた時点で“上面切削”を施してもよい。つまり、隆起固化部の厚み寸法を測定し、その測定された厚み寸法がスキージング・ブレードのスライド移動を阻害するほどに隆起した厚み寸法であると判断された場合に、上面切削を施してよい。「隆起固化部」のモニタリングは、スキージング・ブレード負荷や面高さなどを測定することによって間接的に行ってもよい（即ち、接触式あるいは非接触式の検知機構を用いて、隆起固化部の厚さ寸法を測定してよい）。
本発明では、“上面切削”に際して振動を加えてもよい。例えば、上面切削に用いる加工具を振動させた状態で用いてよい。
また、本発明においては、“上面切削”を行った後、その上面切削を施した部分の面を粗らしてもよい。つまり、“上面切削”に起因して面が平滑面となっていると、粉末層形成にとって望ましくない場合があるので、上面切削面を“粗い面”にする処理を付加的に施してもよい。
“上面切削”の削り高さについていうと、例えば以下の（１）〜（４）の高さであってよい（図１２参照）
（１）次のスキージング高さ
（２）焼結した層のスキージング高さ
（３）沈み込んだ後の高さ（固化層形成に際しては粉末層高さが沈み込むように低下する）
（４）上記（１）よりも粒径分（最大粒径分または平均粒径分）低い高さ
（１）次のスキージング高さ
（２）焼結した層のスキージング高さ
（３）沈み込んだ後の高さ（固化層形成に際しては粉末層高さが沈み込むように低下する）
（４）上記（１）よりも粒径分（最大粒径分または平均粒径分）低い高さ
本発明において“上面切削”の加工パスは、光ビームＬの照射パスのプログラムをＮＣコードに変換することによって得てもよい。
周縁部に対する上面切削の範囲は、図１４に示すように、輪郭線の周囲で幅を持たせてもよい。これは、“隆起固化部”の幅寸法よりも加工工具が細いと切削除去効果が期待できないことに鑑みている（つまり、“端部隆起”の幅よりも加工工具が細い場合では、上面切削加工の有意性が減じられ得るからである）。尚、大きな径のエンドミルを用いて一回で輪郭部上面を加工しても良いし、あるいは、小さなエンドミルで複数回周回させてもよい。
“造形物前駆体の外面に対して行う切削加工”は造形物全体に施さない場合がある。これは、造形物に非切削部が存在し得ることを意味している。例えば、国際公開第２０１０−１５０８０５号に開示されているように、三次元形状造形物の使用時に力のかかる領域に対してのみ切削加工を施し、その他の領域は切削加工を施さない場合がある（図１５参照）。かかる場合、非切削部の輪郭は“隆起固化部”が生じ得ないので、上面切削を施さなくもてよい。換言すれば、本発明では切削工程で除去加工した部分の輪郭部分のみ上面切削してよい。これにより短時間で加工を終えることができる効果が奏される。
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、上記においては「切削工具を用いて上面切削を行う態様」を主として説明してきたが、本発明は必ずしもかかる態様に限定されない。１つ例示すると、レーザで端部隆起を溶かす又は飛ばすことによって“上面切削”を行ってもよい。
また、“上面切削”に際しては、アンダーカット部の全体または輪郭部分に切削を施してもよい。
ちなみに、本発明の技術的思想と本質的に異なるものであるが、特開２００４−２７７８８１号公報について最後に付言しておく。特開２００４−２７７８８１号公報には本願の発明者らが発明を為した「三次元形状造形物の製造方法」が開示されている。開示される製造方法では、異常焼結部の有無を検出している。かかる異常焼結部は「光ビーム焼結時に飛び散る“火花”」または「切削加工時の“加工屑”」に起因して生じるものであって、かつ、異常焼結部の検出時にそれが除去される。それゆえ特開２００４−２７７８８１号公報の発明では、あくまでも“火花”または“加工屑”に起因して生じた異常焼結部を対象としており、かつ、異常焼結部の検出手段を必須としている。これに対して、本願発明では「母材が無い部分にレーザが直接当たると周辺の粉末が大きく溶融し、結果的に表面張力により盛り上がってしまうといった現象に鑑み、造形物前駆体への側面切削後、少なくとも１層焼結した後で得られる固化層に対し、その周縁上部を削る」といったことを本質的特徴としており、それゆえに、本願発明は着眼点となる対象を特開２００４−２７７８８１号公報の発明と本質的に異にしているだけでなく、検出手段なるものを必須としていない（検出手段を必須としていないことは、三次元形状造形物の製造時間などの点で有利である）。このように、本願発明と特開２００４−２７７８８１号公報の発明とでは技術的思想を本質的に異にしている。
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、種々の物品を製造することができる。例えば、『粉末層が無機質の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、『粉末層が有機質の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。
本出願は、日本国特許出願第２０１１−１１４９８５号（出願日：２０１１年５月２３日、発明の名称：「三次元形状造形物の製造方法」）に基づくパリ条約上の優先権を主張する。当該出願に開示された内容は全て、この引用により、本明細書に含まれるものとする。
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
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・ブレード（均し板／均しブレード）
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
３２ 反射ミラー
３３ 集光レンズ
４０ ミーリングヘッド
４１ ＸＹ駆動機構
４１ａ Ｘ軸駆動部
４１ｂ Ｙ軸駆動部
４２ ツールマガジン
５０ チャンバー
５２ 光透過窓
Ｌ 光ビーム
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
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・ブレード（均し板／均しブレード）
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
３２ 反射ミラー
３３ 集光レンズ
４０ ミーリングヘッド
４１ ＸＹ駆動機構
４１ａ Ｘ軸駆動部
４１ｂ Ｙ軸駆動部
４２ ツールマガジン
５０ チャンバー
５２ 光透過窓
Ｌ 光ビーム
Claims (3)
- （ｉ）スキージング・ブレードのスライド移動によって粉末層を造形プレート上に形成し、次いで、該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、
前記三次元形状造形物の製造途中で得られる造形物前駆体の側面に対して切削加工を少なくとも１回施しており、
前記側面の前記切削加工後に行われる１層目の前記焼結又は前記溶融固化に起因して固化層周縁部に形成される隆起固化部を除去する上面切削を施しており、
前記隆起固化部を除去する前記上面切削を、前記隆起固化部の検出手段を用いることなく前記固化層周縁部にのみ施すことを特徴とする、三次元造形物の製造方法。 - 前記スキージング・ブレードの前記スライド移動を阻害する前記隆起固化部を除去するために、前記上面切削を施すことを特徴とする、請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
- 前記側面の前記切削加工後にて前記固化層を１層形成する毎に、前記隆起固化部を除去する前記上面切削を施すことを特徴とする、請求項１又は２に記載の三次元造形物の製造方法。
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