JP6372725B2 - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、三次元形状造形物の製造方法に関する。より詳細には、本開示は、粉末層への光ビーム照射によって固化層を形成する三次元形状造形物の製造方法に関する。

光ビームを粉末材料に照射することを通じ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）は、従来より知られている。かかる方法は、以下の工程（ｉ）および（ｉｉ）に基づいて粉末層形成と固体層形成とを交互に繰り返し実施して三次元形状造形物を製造する（特許文献１または特許文献２参照）。
（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射し、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する工程。
（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、同様に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程。

このような製造技術に従えば、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となる。粉末材料として無機質の金属粉末を用いる場合、得られる三次元形状造形物を金型として使用することができる。一方、粉末材料として有機質の樹脂粉末を用いる場合、得られる三次元形状造形物を各種モデルとして使用することができる。

粉末材料として金属粉末を用い、それによって得られる三次元形状造形物を金型として使用する場合を例にとる。図７に示すように、まず、スキージング・ブレード２３を動かして粉末１９を移送させて造形プレート２１上に所定厚みの粉末層２２を形成する（図７（ａ）参照）。次いで、粉末層の所定箇所に光ビームＬを照射して粉末層から固化層２４を形成する（図７（ｂ）参照）。引き続いて、得られた固化層の上に新たな粉末層を形成して再度光ビームを照射して新たな固化層を形成する。このようにして粉末層形成と固化層形成とを交互に繰り返し実施すると固化層２４が積層することになり（図７（ｃ）参照）、最終的には積層化した固化層から成る三次元形状造形物を得ることができる。最下層として形成される固化層２４は造形プレート２１と結合した状態になるので、三次元形状造形物と造形プレートとは一体化物を成すことになる。三次元形状造形物と造形プレートとの一体化物は金型として使用することができる。

ここで、粉末焼結積層法は、三次元形状造形物の酸化を防止すべく不活性ガス雰囲気下に保たれたチャンバー５０を用いて一般に行われる（図８参照）。図８に示すように、チャンバー５０には光透過窓５２が設けられており、その光透過窓５２を介して光ビームＬの照射が行われる。つまり、粉末層に対する光ビームの照射に際しては、チャンバー５０の外部に設けた光ビーム照射手段３から発せられた光ビームＬが、光透過窓５２を介してチャンバー５０内へと入射する。

特表平１−５０２８９０号公報 特開２０００−７３１０８号公報

固化層２４の形成に際しては「ヒューム」と呼ばれる煙状の物質（例えば金属蒸気または樹脂蒸気）が光ビームＬの照射箇所から生じる。具体的には、図１０に示されるように、光透過窓５２を介した光ビームＬの照射によって粉末を焼結又は溶融固化させる際、ヒューム８が光ビームＬの照射箇所から発生する。発生したヒュームは、チャンバー５０内において上昇するため、ヒューム８に起因した物質（以下では「ヒューム物質」とも称する）が光透過窓５２に付着して光透過窓５２を曇らせる場合がある。このように光透過窓５２がヒュームによって汚染されると、光透過窓５２における光ビームＬの透過率または屈折率が変わってしまい、粉末層２２の所定箇所に対する光ビームＬの照射精度が低下する虞がある。また、このような光透過窓５２の汚染は、光ビームＬの散乱または集光度の低下を引き起こし、必要な照射エネルギーを粉末層に与えることができない虞もある。

本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。すなわち、本発明の目的は、ヒューム物質で汚染された光透過窓に関連した不都合を減じることができる三次元形状造形物の製造方法を提供することである。

上記目的の達成のため、本発明の一態様では、
（ｉ）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
によって粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
粉末層形成および固化層形成をチャンバー内にて行っており、
固化層形成では、チャンバーに設けられた光透過窓から光ビームをチャンバー内へと入射させて光ビームの照射を行い、
固化層の形成時に発生するヒュームによって汚染された光透過窓に対して、可動式のガス供給デバイスを用いてガスを吹き付けることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法が供される。

本発明の一態様では可動式のガス供給デバイスを用いており、チャンバーの光透過窓にクリーニング処理を効果的に施すことができる。従って、本発明の一態様は、三次元形状造形物の製造方法においてヒューム物質で汚染された光透過窓に関連した不都合を減じることができる。

本発明の一態様に係る概念（光透過窓に対してガスを吹き付ける前の態様）を模式的に示した断面図 本発明の一態様に係る概念（可動式のガス供給デバイスを用いて光透過窓に対してガスを吹き付ける態様）を模式的示した断面図 本発明の第１実施形態（光透過窓に対してガスを吹き付ける前の態様）を模式的に示した断面図 本発明の第１実施形態（光透過窓に対してガスを吹き付ける態様）を模式的に示した断面図 本発明の第２実施形態（光透過窓に対してガスを吹き付ける前の態様）を模式的に示した断面図 本発明の第２実施形態（光透過窓に対してガスを吹き付ける態様）を模式的に示した断面図 本発明の第３実施形態（光透過窓に対してガスを吹き付ける前の態様）を模式的に示した断面図 本発明の第３実施形態（光透過窓に対してガスを吹き付ける態様）を模式的に示した断面図 本発明の第４実施形態（被照射部材において光ビームが照射された箇所の幅寸法を測定することによって光透過窓の汚染度を把握する態様）を模式的に示した斜視図 本発明の第５実施形態（光ビームの光透過率を測定することによって光透過窓の汚染度を把握する態様）を模式的に示した断面図 粉末焼結積層法が実施される光造形複合加工のプロセス態様を模式的に示した断面図（図７（ａ）：粉末層形成、図７（ｂ）：固化層形成、図７（ｃ）：固化層の積層化） 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一般的な動作を示すフローチャート ヒュームが発生する態様を模式的に示した斜視図

以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。図面における各種要素の形態および寸法は、あくまでも例示にすぎず、実際の形態および寸法を反映するものではない。

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」を意味している。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指している。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」を意味し、粉末層が樹脂粉末層である場合には「硬化層」を意味している。

本明細書において「ヒューム」とは、三次元形状造形物の製造方法に際して、光ビームが照射された粉末層および／または固化層から発生する煙状の物質（例えば「金属粉末に起因した金属蒸気」または「樹脂粉末に起因した樹脂蒸気」）を指している。

本明細書で直接的または間接的に説明される“上下”の方向は、例えば造形プレートと三次元形状造形物との位置関係に基づく方向であって、造形プレートを基準にして三次元形状造形物が製造される側を「上方向」とし、その反対側を「下方向」とする。

［粉末焼結積層法］
まず、本発明の一態様に係る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。特に粉末焼結積層法において三次元形状造形物の切削加工を付加的に行う光造形複合加工を例として挙げる。図７は、光造形複合加工のプロセス態様を模式的に示しており、図８および図９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主たる構成および動作のフローチャートをそれぞれ示している。

光造形複合加工機１は、図７および図８に示すように、粉末層形成手段２、光ビーム照射手段３および切削手段４を備えている。

粉末層形成手段２は、金属粉末または樹脂粉末などの粉末を所定厚みで敷くことによって粉末層を形成するための手段である。光ビーム照射手段３は、粉末層の所定箇所に光ビームＬを照射するための手段である。切削手段４は、積層化した固化層の側面、すなわち、三次元形状造形物の表面を削るための手段である。

粉末層形成手段２は、図７に示すように、粉末テーブル２５、スキージング・ブレード２３、造形テーブル２０および造形プレート２１を主に有して成る。粉末テーブル２５は、外周が壁２６で囲まれた粉末材料タンク２８内にて上下に昇降できるテーブルである。スキージング・ブレード２３は、粉末テーブル２５上の粉末１９を造形テーブル２０上へと供して粉末層２２を得るべく水平方向に移動できるブレードである。造形テーブル２０は、外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内にて上下に昇降できるテーブルである。そして、造形プレート２１は、造形テーブル２０上に配され、三次元形状造形物の土台となるプレートである。

光ビーム照射手段３は、図８に示すように、光ビーム発振器３０およびガルバノミラー３１を主に有して成る。光ビーム発振器３０は、光ビームＬを発する機器である。ガルバノミラー３１は、発せられた光ビームＬを粉末層にスキャニングする手段、すなわち、光ビームＬの走査手段である。

切削手段４は、図８に示すように、切削工具４０、主軸台４１および駆動機構４２を主に有して成る。切削工具４０は、積層化した固化層の側面、すなわち、三次元形状造形物の表面を削るためのミーリングヘッドを有する。主軸台４１は、切削手段４において切削工具４０が取り付けられる部分であって、水平方向および／または垂直方向に移動することができる。駆動機構４２は、主軸台４１を可動させる手段である。駆動機構４２によって、主軸台４１に取り付けられた切削工具４０を所望の切削すべき箇所へと移動させることができる。

光造形複合加工機１の動作について詳述する。光造形複合加工機１の動作は、図９のフローチャートに示すように、粉末層形成ステップ（Ｓ１）、固化層形成ステップ（Ｓ２）および切削ステップ（Ｓ３）から構成されている。粉末層形成ステップ（Ｓ１）は、粉末層２２を形成するためのステップである。かかる粉末層形成ステップ（Ｓ１）では、まず造形テーブル２０をΔｔ下げ（Ｓ１１）、造形プレート２１の上面と造形タンク２９の上端面とのレベル差がΔｔとなるようにする。次いで、粉末テーブル２５をΔｔ上げた後、図７（ａ）に示すようにスキージング・ブレード２３を粉末材料タンク２８から造形タンク２９に向かって水平方向に移動させる。これによって、粉末テーブル２５に配されていた粉末１９を造形プレート２１上へと移送させることができ（Ｓ１２）、粉末層２２の形成が行われる（Ｓ１３）。粉末層を形成するための粉末材料としては、例えば「平均粒径５μｍ〜１００μｍ程度の金属粉末」および「平均粒径３０μｍ〜１００μｍ程度のナイロン、ポリプロピレンまたはＡＢＳ等の樹脂粉末」を挙げることができる。粉末層が形成されたら、固化層形成ステップ（Ｓ２）へと移行する。固化層形成ステップ（Ｓ２）は、光ビーム照射によって固化層２４を形成するステップである。かかる固化層形成ステップ（Ｓ２）では、光ビーム発振器３０から光ビームＬを発し（Ｓ２１）、ガルバノミラー３１によって粉末層２２上の所定箇所へと光ビームＬをスキャニングする（Ｓ２２）。これによって、粉末層の所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させ、図７（ｂ）に示すように固化層２４を形成する（Ｓ２３）。光ビームＬとしては、炭酸ガスレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ファイバレーザまたは紫外線などを用いてよい。

粉末層形成ステップ（Ｓ１）および固化層形成ステップ（Ｓ２）は、交互に繰り返して実施する。これにより、図７（ｃ）に示すように複数の固化層２４が積層化する。

積層化した固化層２４が所定厚みに達すると（Ｓ２４）、切削ステップ（Ｓ３）へと移行する。切削ステップ（Ｓ３）は、積層化した固化層２４の側面、すなわち、三次元形状造形物の表面を削るためのステップである。主軸台４１を駆動させることによって、すなわち、主軸台４１に取り付けた切削工具４０を駆動させることによって切削ステップが開始される（Ｓ３１）。例えば、切削工具４０が３ｍｍの有効刃長さを有する場合、三次元形状造形物の高さ方向に沿って３ｍｍの切削加工を行うことができるので、Δｔが０．０５ｍｍであれば６０層分の固化層２４が積層した時点で切削工具４０を駆動させる。具体的には駆動機構４２によって切削工具４０を移動させながら、積層化した固化層２４の側面に対して切削加工を施すことになる（Ｓ３２）。このような切削ステップ（Ｓ３）の最後では、所望の三次元形状造形物が得られているか否かを判断する（Ｓ３３）。所望の三次元形状造形物が依然得られていない場合では、粉末層形成ステップ（Ｓ１）へと戻る。以降、粉末層形成ステップ（Ｓ１）〜切削ステップ（Ｓ３）を繰り返し実施して更なる固化層２４の積層化および切削処理を実施することによって、最終的に所望の三次元形状造形物が得られる。

［本発明の製造方法］
本発明の一態様に係る製造方法は、固化層形成に関連して付加的に行う処理態様に特徴を有している。具体的には、本発明の一態様に係る製造方法では、固化層形成時に発生する「ヒューム」によって汚染された光透過窓に対して処理を施す。かかる処理は、ヒュームによって光透過窓が汚染されないようにする事前予防策でなく、あくまでもヒュームによって一旦汚染された光透過窓を処理する“事後対応策”に相当する。

チャンバー５０の光透過窓５２を介して粉末層２２に光ビームＬを照射して固化層２４を形成する際、光ビームＬの照射箇所からはヒューム８が生じる（図８参照）。ヒューム８は、煙状の形態を有しており、図８に示すようにチャンバー５０内において上昇する傾向を有している。それゆえ、ヒューム８を構成する物質（すなわち「ヒューム物質」）がチャンバー５０の光透過窓５２に付着すると、光透過窓５２が汚染される。具体的にはヒューム物質に起因して光透過窓５２に曇り現象が生じてしまう。本願発明者は、チャンバー５０の光透過窓５２が汚染されると、固化層形成にとって不都合な問題が生じる虞があることを見出した。具体的には、光透過窓５２がヒューム物質で汚染されると、光ビームＬの透過率または屈折率が変わることに起因して、粉末層２２の所定箇所に対する光ビームＬの照射精度が低下し得ることを見出した。また、光透過窓５２がヒューム物質で汚染されると、光透過窓５２における光ビームＬの散乱および／または照射箇所における光ビームＬの集光度低下などに起因して、粉末層２２の所定箇所に対して必要な照射エネルギーが供され得ないことも見出した。光ビームＬの照射精度が低下したり、粉末層２２の所定箇所に必要な照射エネルギーが供されなかったりすると、所望の固化密度を有した固化層２４を形成できない虞がある。つまり、最終的に得られる三次元形状造形物の強度が低下してしまう可能性がある。

本願発明者は、かかる光透過窓に関連した不都合を減じることができる三次元形状造形物の製造方法について鋭意検討した。その結果、本願発明者は、可動式のガス供給デバイスを用いることを特徴とする本発明を案出するに至った。具体的には、本発明の一態様においては固化層形成時に発生するヒュームにより汚染された光透過窓に対して可動式のガス供給デバイスを用いてガスの吹き付けを行う。

まず、本発明の一態様に係る技術思想について、図１Ａおよび図１Ｂを参照しながら説明する。図１Ａには、ガス吹き付け前の状態が示されている。具体的には、固化層形成時にヒューム８が発生し、光透過窓５２がヒューム物質７０で汚染される態様が示されている。一方、図１Ｂにはガス吹き付け時の態様が示されている。具体的には、可動式のガス供給デバイス６０を用いて、ヒューム物質７０で汚染された光透過窓５２に対してガス６２を吹き付ける態様が示されている。

図１Ａに示すように、粉末層２２および固化層２４の形成が行われるチャンバー５０には光透過窓５２が設けられている。図示されるように、光透過窓５２は例えばチャンバー５０の上壁部に設置されている。かかる光透過窓５２は、透明な材質から成り、それゆえ、チャンバー５０の外部で発生させた光ビームＬをチャンバー５０の内部へと透過させることができる。かかる光透過窓５２を介して粉末層２２に光ビームＬを照射する際には、光ビームＬの照射箇所からヒューム８が発生する。発生したヒューム８は、チャンバー５０内において上昇する。ヒューム８は、粉末層および／または固化層に起因した金属成分または樹脂成分から成るヒューム物質７０を含んでいる。光透過窓５２の汚染は、かかるヒューム物質７０がチャンバー５０の光透過窓５２に付着することによって引き起こされる（図１Ａにおける一部拡大の斜視図参照）。

本発明の一態様では、光透過窓５２の近傍にガス供給デバイス６０を位置付け、かかるガス供給デバイス６０から光透過窓５２に向かってガス６２を吹き付ける。図１Ｂに示すように、例えばガス供給デバイス６０を光透過窓５２の下方に位置付け、かかるガス供給デバイス６０からガス６２を上方に向かって吹き付ける。

本発明の一態様で用いるガス供給デバイス６０は可動式であり、それゆえ、光透過窓５２へのガス６２の吹き付けに適した位置へと移動させることができる。よって、光透過窓５２の下方領域又はその周辺領域にガス供給デバイス６０を好適に位置付けることができ、光透過窓５２に対して効果的に“クリーニング処理”を施すことができる。つまり、光透過窓５２からヒューム物質７０を効果的に除去することができる。

このように本発明の一態様では光透過窓５２に対して効果的にクリーニング処理を施すことができるので、三次元形状造形物の製造時にて光ビームＬの透過率または屈折率の低下を防止できる。つまり、粉末層２２の所定箇所に対する光ビームＬの照射精度の低下を防止できる。また、このような効果的なクリーニング処理によって、光透過窓５２における光ビームＬの散乱および／または照射箇所における光ビームＬの集光度低下なども防止できる。つまり、粉末層２２の所定箇所に対して必要な照射エネルギーが供されないといった不都合を回避することができる。そのような結果として、所望の固化密度を有した固化層を形成することができ、ひいては、最終的に得られる三次元形状造形物において所望の強度を得ることができる。

本発明のある１つの好適な態様では、ガス供給デバイス６０を光透過窓５２の下方に位置付け、そのように位置付けたガス供給デバイス６０からガス６２を上方に向かって吹き付ける（図１Ａおよび図１Ｂ参照）。ここでいう「ガスを上方に向かって吹き付ける」とは、ガス供給口６１が上方向を向いた状態でガス供給デバイス６０からガス６２を供給する態様を実質的に意味している。典型的には、ガス供給口６１が垂直上方向を向いた状態でガス供給デバイス６０から光透過窓５２へとガスを吹き付ける。但し、本発明の一態様において、ガス供給口６１が必ずしも垂直上方向を向いている必要はなく、ガス供給口６１が垂直上方向から±４５°の範囲にてずれた状態、好ましくは垂直上方向から±３５°の範囲にてずれた状態、より好ましくは垂直上方向から±３０°の範囲にてずれた状態の条件下でガス供給デバイス６０からガスを供給してよい。

例えば光透過窓５２においてヒューム物質７０の付着量にムラがある場合、付着量がより多い箇所の近くまでガス供給デバイス６０を移動させることができる。かかる場合、ヒューム物質７０の付着量がより多い箇所に集中してガス６２を吹き付けることができるので、より効率的にクリーニング処理を行うことができる。換言すれば、本発明の一態様においてヒューム物質７０の付着量に応じて光透過窓５２のクリーニング処理を行うことができる。

本明細書における「可動式のガス供給デバイス」とは、チャンバーの光透過窓に対してガスを吹き付けるためのデバイスであって、全体として水平方向および／または垂直方向に移動させることができるデバイスのことを指している。このような可動式のガス供給デバイスは、例えば、デバイス自体がその移動のための駆動機構を備えている。別法にて、可動式のガス供給デバイスは、デバイス自体がその移動のための駆動機構を備えておらず、「移動のための駆動機構を有する別個の可動手段」に設けられた形態を有するものであってもよい。更にいえば、本明細書における「可動式のガス供給デバイス」は、そのガス供給口が“首を振るように”回転自在となったデバイス態様も包含される。

本発明の一態様においてガスを吹き付けるタイミングは、光ビームの非照射時が好ましい。つまり、光ビームＬの非照射時において、ガス供給デバイス６０を用いてガス６２を光透過窓５２に対して吹き付けることが好ましい。より具体的には、粉末層２２に対して光ビームＬを照射していない時にガス供給デバイス６０から光透過窓５２へとガス６２を吹き付けることが好ましい。なぜなら、光ビームＬの照射時にはヒューム８が発生するところ、ガス供給デバイス６０を用いて光透過窓５２にガス６２を吹き付けると、かかるガス６２にヒューム８が同伴され、ヒューム８が光透過窓５２に供されてしまう虞があるからである。

ある１つの好適な態様では、チャンバーに設けられた換気手段によってヒュームをチャンバー外へと排出しており、そのような条件下において光ビームの照射を停止または休止させ、ガスの吹き付けを実施する。かかる場合、発生したヒュームの影響を大きく抑制した状態で光透過窓へとガスを吹き付けることができる。

光ビームの非照射時のガスの吹き付けは、下記の本発明の実施形態でも詳述するが、固化層２４に対する切削処理と併行して行ってよい。つまり、切削加工時に、ガス６２を光透過窓５２に対して吹き付けてよい（図４Ｂ参照）。かかる場合、三次元形状造形物の製造時間を全体として減じることができ、より効率的な製造がもたらされる。

図１Ｂに示されるように、ガス供給デバイス６０は好ましくはガス供給源６３と接続されている。例えば接続ライン６４を介してガス供給デバイス６０とガス供給源６３とが相互に接続されている。ガス供給源６３は例えばガスポンプから構成されるものであってよく、ガスポンプによってガス吹き付けのための圧力を供すことができる。また、接続ライン６４は、ガス供給デバイス６０の“可動式”に資するべく、例えば蛇腹構造などのフレキシブルな構成を有していることが好ましい。また、ガス供給デバイス６０の具体的な種類としては、特に限定されるわけではないが、ノズルタイプおよびスリットタイプなどを挙げることができる。すなわち、ガス供給デバイス６０は、そのガス供給口６１がノズル形態またはスリット形態を有するものであってよい。

ガス供給デバイス６０から光透過窓５２に対して吹き付けるガス６２は、チャンバー内の雰囲気ガスと同じ種類であってよい。かかるガスの種類としては、例えば、窒素、アルゴンおよび空気から成る群から選択される少なくとも１種のガスを挙げることができる。

ガスの吹き付けの具体的態様としては、光透過窓５２に対して連続的にガス６２を吹き付けてよいし、あるいは、断続的にガス６２を吹き付けてもよい。断続的なガスの吹き付けについていえばガス供給デバイス６０からガス６２をパルス的に供給することが好ましい。つまり、吹き付け時にも、ガス供給デバイス６０から光透過窓５２に向けてガス６２をパルス噴射することが好ましい。これにより、ガス６２の吹き付けに伴って光透過窓５２に振動力を供すことができ、より効果的にヒューム物質７０を除去することができる。つまり、光透過窓５２においてヒューム物質７０の付着量が多かったり、付着力が高かったりする場合でもあっても、ヒューム物質７０を光透過窓５２から効率的に除去することができる。

本発明の製造方法は、種々の形態で実施することができる。以下、それについて説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態は、切削手段に設けたガス供給デバイス６０を用いてガスの吹き付けを行う形態である（図２Ａおよび図２Ｂ参照）。

より具体的には、切削工具４０が取り付けられた主軸台４１を有して成る切削手段４（図２Ａおよび図８参照）を用いて固化層２４を少なくとも１回の切削加工に付す三次元形状造形物の製造において、可動式のガス供給デバイス６０として切削手段４の主軸台４１に取り付けたガス供給デバイスを用いる。

図２Ａおよび図２Ｂに示されているように、ガス供給デバイス６０は、チャンバー５０内に設けられた主軸台４１の上面４１Ａに配置されている。主軸台４１は、固化層２４の側面を切削するための切削工具４０を備えており、チャンバー５０内で水平方向および／または垂直方向に移動可能となっている。ガス供給デバイス６０がチャンバー５０内で移動可能な主軸台４１の上面４１Ａに配置されていることに起因して、ガス供給デバイス６０の“可動式”が実現されている。

主軸台４１を光透過窓５２の下方に至るように移動させることによって、ガス供給デバイス６０を光透過窓５２の下方領域に位置付けることができ、それゆえ、かかるガス供給デバイス６０から光透過窓５２に対して上方向にガス６２を吹き付けることができる。なお、主軸台４１は、そもそも固化層の切削加工を行うためにチャンバー５０内に設けられるものであるので、それをガス供給デバイスの“可動式”に利用すると、製造装置の有効活用を図ることができる。

第１実施形態について、より詳細に説明する。図２Ａに示すように、粉末層２２の所定箇所に光ビームＬが照射されている間、主軸台４１が静止状態にある。主軸台４１が静止状態にあるので、主軸台４１の上面４１Ａに配置されたガス供給デバイス６０も静止状態にある。これに対して、図２Ｂに示すように、固化層２４の切削加工を実施するに際しては、主軸台４１を静止位置から移動させる。つまり、主軸台４１を水平方向および／または垂直方向に移動させながら固化層２４の側面の所定箇所を切削する。このように主軸台４１は可動式であるので、それを利用して主軸台４１に設けられたガス供給デバイス６０を同様に移動させることができる。例えば、図２Ｂに示すように主軸台４１を光透過窓５２の下方領域に位置付けると、主軸台４１に設けられたガス供給デバイス６０を光透過窓５２の下方に位置付けることができ、それゆえ、かかるガス供給デバイス６０からガス６２を上方に向かって吹き付けることができる。

なお、ガス６２の吹き付けは、ガス供給デバイス６０を動かしながら行ってもよい。つまり、主軸台４１を移動させながら、ガス供給デバイス６０から光透過窓５２へとガス６２を吹き付けてもよい。より具体的には、主軸台４１を常時動かすことによって、水平方向および／または垂直方向に往復運動するようにガス供給デバイス６０を動かし、それに伴って光透過窓５２に対してガス６２を吹き付けてよい。これにより、より効果的にヒューム物質７０を除去することができる。つまり、光透過窓５２においてヒューム物質７０の付着量が多かったり、付着力が高かったりする場合でもあっても、光透過窓５２からヒューム物質７０を効率的に除去することが可能となる。

なお、本実施形態では、ガス６２の吹き付けと固化層２４の切削加工とを併行して実施してよい。つまり、固化層２４の切削加工に際しては主軸台４１が動くことになるが、かかる主軸台４１の動きに伴うガス供給デバイス６０の動きを積極的に活用してよい。より具体的には、切削加工時の主軸台４１の動きによって連続的に動かされるガス供給デバイス６０からガス６２を光透過窓５２に対して吹き付けてよい。

（第２実施形態）
第２実施形態も、切削手段に設けたガス供給デバイスを用いてガスの吹き付けを行う形態である（図３Ａおよび図３Ｂ参照）。かかる第２実施形態は第１実施形態の変更態様に相当する。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、本実施形態のガス供給デバイス６０は、チャンバー５０内に設けられた主軸台４１の側面４１Ｂに配置されている。

第２実施形態では、主軸台４１の上面４１Ａとチャンバー５０の上壁部との間のスペースが小さい場合であっても、ガス供給デバイス６０を主軸台４１に設けることができる。

ガス供給デバイス６０は、チャンバー５０内において水平方向および／または垂直方向に移動可能な主軸台４１の側面４１Ｂに配置されており、それによって、ガス供給デバイス６０の“可動式”が実現されている。例えば、図３Ｂに示すように主軸台４１の移動によって、主軸台４１に設けられたガス供給デバイス６０を光透過窓５２の下方に位置付けることができるので、かかるガス供給デバイス６０からガス６２を上方に吹き付けることができる。また、第１実施形態と同様、主軸台４１を動かすことによって、水平方向および／または垂直方向に往復運動するようにガス供給デバイス６０を動かし、それに伴って光透過窓５２に対してガス６２を吹き付けてもよい。

なお、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、本発明の第１実施形態および第２実施形態では、主軸台４１の上面４１Ａまたは側面４１Ｂに配置されたガス供給デバイス６０のガス供給口６１の向きは固定されている。このようにガス供給口６１の向きが固定されているといえども、主軸台４１の動きによって水平方向および／または垂直方向にガス供給デバイス６０を動かすことができるので、ガスの吹き付け方向は種々の方向にすることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、ガス供給口の向きを変えることができるガス供給デバイスを用いてガスの吹き付けを行う形態である（図４Ａおよび図４Ｂ参照）。

第３実施形態では、ガス供給デバイス６０のガス供給口６１の向きを連続的に変えながら、ガス６２を光透過窓５２に対して吹き付ける。

図４Ａおよび図４Ｂに示されているように、チャンバー５０内に設けられた主軸台４１の上面４１Ａに「ガス供給口６１の向きを自在に変えることができるガス供給デバイス６０」が配置されている。図４Ａに示すように、粉末層２２の所定箇所に対して光ビームＬが照射されている間、主軸台４１は静止状態にある。主軸台４１が静止状態にあるので、主軸台４１の上面４１Ａに配置されたガス供給デバイス６０も静止状態にある。図４Ｂに示すように主軸台４１を光透過窓５２の下方領域に位置付けると、主軸台４１に設けられたガス供給デバイス６０を光透過窓５２の下方に位置付けることができ、それゆえ、かかるガス供給デバイス６０からガス６２を上方に向かって吹き付けることができる。

特に第３実施形態では、ガス供給デバイス６０のガス供給口６１の向きは変更自在となっている。従って、図４Ｂに示すように、ガス供給口６１の向きを連続的に変えながら、ガス６２を光透過窓５２に対して吹き付けることができる。換言すれば、第３実施形態では、ガス供給口６１を“首を振るように”往復運動させながらガス供給デバイス６０からガス６２を光透過窓５２へと吹き付ける。

第３実施形態では、ガス供給口６１の向きが連続的に変わるので、主軸台４１を移動状態にせずとも、光透過窓５２に対してガスを広範に吹き付けることができる。つまり、光透過窓５２に対して効率的に“クリーニング処理”を施すことができる。

（第４実施形態）
第４実施形態は、被照射部材９１において光ビームＬが照射された箇所の幅寸法を測定することによって光透過窓５２の汚染度を把握する形態である（図５参照）。

第４実施形態では、チャンバー５０内に被照射部材９１を配置し、かかる被照射部材９１に対して光ビームＬを光透過窓５２を介して照射し、その照射された箇所の幅寸法を経時的に測定することによって、光透過窓５２の汚染度を把握する。

より具体的に説明する。図５に示すように、チャンバー５０内に被照射部材９１を配置し、かかる被照射部材９１に対して光透過窓５２を介して光ビームＬを照射する。ここでいう「被照射部材９１」とは、光透過窓５２の汚染度を把握するための部材であって、光ビームＬが照射されることによって変色する部材のことを指している。被照射部材９１のうち光ビームＬが照射された箇所は、図５に示すように、照射されていない箇所と異なる色を帯びることになる。ヒューム物質７０が光透過窓５２に付着している場合、光透過窓５２を介してチャンバー５０内に入射される光ビームＬは、かかるヒューム物質７０に起因して光散乱を生じる。それゆえ、ヒューム物質７０が光透過窓５２に付着している条件下で光ビームＬが被照射部材９１に照射されると、光ビームＬの照射された箇所の幅寸法は、光ビームＬの光散乱が生じていない場合と比べて大きくなる。光ビームＬの光散乱に起因して照射される範囲が拡がるからである。それゆえ、本発明の一態様では、かかる幅寸法をＣＣＤカメラ９０等の撮影デバイスを用いて経時的に測定し、それに基づいて光透過窓５２がどの程度汚染されているかを把握する、すなわち、光透過窓５２の汚染度を把握する。なお、ヒューム物質７０が光透過窓５２に付着していない条件下で被照射部材９１の光ビームＬの照射部分の幅寸法を予め測定しておくことが好ましい。予め測定した幅寸法と比べることによって、より好適に汚染度を把握できるからである。なお、ＣＣＤカメラ９０等の撮影デバイスは、図５に示すように、主軸台４１の下部または側部に設けてよい。

光透過窓５２の汚染度に基づいてクリーニングが必要であると判断された場合、ガス供給デバイス６０から光透過窓５２に対してガスを吹き付け、光透過窓５２に付着したヒューム物質７０を除去する。

（第５実施形態）
第５実施形態は、光ビームの光透過率から光透過窓５２の汚染度を把握する形態である（図６参照）。

第５実施形態では、光透過窓５２を透過した光を受光して光透過窓５２における光の光透過率を経時的に測定することによって、光透過窓５２の汚染度を把握する。

より具体的に説明する。図６に示すように、光透過窓５２を挟んで対向配置した発光器９２と受光器９３とを用いて光透過窓５２の光透過率を経時的に測定することによって、光透過窓５２の汚染度を把握する。つまり、発光器９２と受光器９３とを用いて、光透過窓５２における光の透過率を経時的に測定し、それによって、光透過窓５２の汚染度を把握する。発光器９２は、チャンバー５０の外側に配置され、光透過窓５２に向かって光を発するためのデバイスである。受光器９３は、チャンバー５０の内側に配置され、発光器９２から発せられて光透過窓５２を通過した光を受光するためのデバイスである。具体的な発光器９２および受光器９３は、特に限定されるものでなく、それぞれ光の発生手段および受光手段として常套的な機器を用いてよい。本実施形態では、光透過窓５２においてヒューム物質７０の付着がない条件下で光の透過率を予め測定しておき、その予め測定した透過率と比べることによって汚染度を把握することが好ましい。予め測定した透過率よりも低い値の透過率は、光透過窓５２にヒューム物質７０が付着しており、それゆえ光透過窓５２が汚れていることを示唆している。つまり、そのように低下した透過率の値から光透過窓５２の汚染度を把握できる。

光透過窓５２の汚染度に基づいてクリーニングが必要であると判断された場合、ガス供給デバイス６０から光透過窓５２に対してガスを吹き付け、光透過窓５２に付着したヒューム物質７０を除去する。

以上、本発明の一態様に係る製造方法について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく、特許請求の範囲に規定される発明の範囲から逸脱することなく種々の変更が当業者によってなされると理解されよう。

例えば、第４実施形態および第５実施形態は、光透過窓の汚染度を把握して、光透過窓へのガスの吹き付けを行うものであるが、本発明は必ずしもそれに限定されない。本発明の別の一態様ではガスの吹き付けを定期的に実施してもよい。つまり、所定の時間が経過するたびに可動式のガス供給デバイスを用いて光透過窓に対してガスの吹き付けを実施してもよい。

尚、上述のような本発明は、次の好適な態様を包含している。
第１態様：（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して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、該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
によって粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
前記粉末層形成および前記固化層形成をチャンバー内にて行っており、
前記固化層形成では、前記チャンバーに設けられた光透過窓から前記光ビームを該チャンバー内へと入射させて前記光ビームの前記照射を行い、
前記固化層の形成時に発生するヒュームによって汚染された前記光透過窓に対して、可動式のガス供給デバイスを用いてガスを吹き付けることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第２態様：上記第１態様において、前記ガス供給デバイスを前記光透過窓の下方に位置付け、該ガス供給デバイスから前記ガスを上方に向かって吹き付けることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第３態様：上記第１態様または第２態様において、切削工具が取り付けられた主軸台を有して成る切削手段を用いて前記固化層を少なくとも１回の切削加工に付しており、
前記可動式のガス供給デバイスとして、前記切削手段の前記主軸台に取り付けたガス供給デバイスを用いることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第４態様：上記第３態様において、前記主軸台を移動させながら、前記ガス供給デバイスから前記光透過窓へと前記ガスを吹き付けることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第５態様：上記第３態様または第４態様において、前記切削加工と併行して、前記ガスを前記光透過窓に対して吹き付けることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第６態様：上記第１態様〜第５態様のいずれかにおいて、前記ガス供給デバイスのガス供給口の向きを連続的に変えながら、前記ガスを前記光透過窓に対して吹き付けることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第７態様：上記第１態様〜第６態様のいずれかにおいて、前記光ビームの非照射時において、前記ガス供給デバイスを用いて前記ガスを前記光透過窓に対して吹き付けることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第８態様：上記第１態様〜第７態様のいずれかにおいて、前記チャンバー内に被照射部材を配置し、
前記被照射部材に対して前記光ビームを前記光透過窓を介して照射し、該照射された箇所の幅寸法を経時的に測定することによって、前記光透過窓の汚染度を把握することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第９態様：上記第１態様〜第７態様のいずれかにおいて、前記光透過窓を挟んで対向配置した発光器と受光器とを用いて該光透過窓の光透過率を経時的に測定することによって、前記光透過窓の汚染度を把握することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第１０態様：上記第１態様〜第９態様のいずれかにおいて、前記吹き付けに際しては、前記ガス供給デバイスから前記光透過窓に向けて前記ガスをパルス噴射することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。

本発明の一態様に係る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。一方、『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として用いることができる。

関連出願の相互参照

本出願は、日本国特許出願第２０１４−２６４７９８号（出願日：２０１４年１２月２６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。

４ 切削手段
８ ヒューム
２２ 粉末層
２４ 固化層
４０ 切削工具
４１ 主軸台
５０ チャンバー
５２ 光透過窓
６０ ガス供給デバイス
６１ ガス供給口
６２ ガス
９１ 被照射部材
Ｌ 光ビーム

Claims (9)

1. （ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して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、該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
   によって粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
   前記粉末層形成および前記固化層形成をチャンバー内にて行っており、
   前記固化層形成では、前記チャンバーに設けられた光透過窓から前記光ビームを該チャンバー内へと入射させて前記光ビームの前記照射を行い、
   前記固化層の形成時に発生するヒュームによって汚染された前記光透過窓に対して、可動式のガス供給デバイスを用いてガスを吹き付けており、また
   切削工具が取り付けられた主軸台を有して成る切削手段を用いて前記固化層を少なくとも１回の切削加工に付しており、前記可動式のガス供給デバイスとして、前記切削手段の前記主軸台に取り付けたガス供給デバイスを用いることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
2. 前記ガス供給デバイスを前記光透過窓の下方に位置付け、該ガス供給デバイスから前記ガスを上方に向かって吹き付け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方法。
3. 前記主軸台を移動させながら、前記ガス供給デバイスから前記光透過窓へと前記ガスを吹き付け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方法。
4. 前記切削加工と併行して、前記ガスを前記光透過窓に対して吹き付け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方法。
5. 前記ガス供給デバイスのガス供給口の向きを連続的に変えながら、前記ガスを前記光透過窓に対して吹き付け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方法。
6. 前記光ビームの非照射時において、前記ガス供給デバイスを用いて前記ガスを前記光透過窓に対して吹き付け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方法。
7. 前記チャンバー内に被照射部材を配置し、
   前記被照射部材に対して前記光ビームを前記光透過窓を介して照射し、該照射された箇所の幅寸法を経時的に測定することによって、前記光透過窓の汚染度を把握す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方法。
8. 前記光透過窓を挟んで対向配置した発光器と受光器とを用いて該光透過窓の光透過率を経時的に測定することによって、前記光透過窓の汚染度を把握す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方法。
9. 前記吹き付けに際しては、前記ガス供給デバイスから前記光透過窓に向けて前記ガスをパルス噴射す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方法。

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