JP6621072B2 - 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。
（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。まず、スキージング・ブレードを動かして造形プレート上に所定厚みの粉末層を形成する。次いで、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して粉末層から固化層を形成する。引き続いて、得られた固化層２４の上に新たな粉末層２２を形成して再度光ビームを照射して新たな固化層２４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が積層することになり、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は造形プレート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り、その一体化物を金型として使用することができる。

特開２００２−１１５００４号公報 特開２０００−７３１０８号公報

三次元形状造形物の表面に対しては切削加工を施す場合がある。具体的には、三次元形状造形物の形状精度をより出すべく、三次元形状造形物を成す固化層に対して表面切削処理を施す場合がある。かかる表面切削処理に際しては、ボールエンドミル等の回転切削工具が一般的に用いられる。

例えばボールエンドミルを用いて表面切削処理を施す場合、固化層表面に対するボールエンドミルの切削抵抗は無視できず、また、ボールエンドミルが切屑を巻き込んだりする虞がある。そのため、ボールエンドミルの製品寿命が短くなってしまう場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の目的は、切削工具を用いて固化層表面を切削加工する場合において、切削工具の製品寿命をより延ばすための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、本発明の一実施形態では、
（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して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、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、
固化層の表面に対して切削加工処理を施しており、切削加工処理を超音波振動条件で行う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。

本発明の製造方法では、切削工具を用いて固化層表面を切削加工する場合において、切削工具の製品寿命をより延ばすことができる。

本発明の概念を説明するために模式的に示した概略斜視図 当業者の認識を説明するために模式的に示した概略断面図 切削工具を超音波振動に付して固化層表面の切削加工処理を行う態様を模式的に示した概略断面図 振動機構を用いて切削工具を超音波振動に付す態様を模式的に示した概略断面図 超音波振動条件下で固化層表面を粗加工した後に切削仕上げ加工を施す態様を模式的に示した概略断面図 超音波振動条件下で固化層表面を粗加工した後に研磨仕上げ加工を施す態様を模式的に示した概略断面図 超音波振動条件下で固化層表面を粗加工、切削仕上げ加工した後に研磨仕上げ加工を施す態様を模式的に示した概略断面図 （ａ）超音波振動条件下で固化層表面を１層毎に粗加工、切削仕上げ加工した後に研磨仕上げ加工を施す態様を模式的に示した概略断面図、（ｂ）超音波振動条件下で固化層表面を１層毎に粗加工した後に、固化層表面を複数層まとめて切削仕上げ加工および研磨仕上げ加工を施す態様を模式的に示した概略断面図 超音波楕円振動条件下で固化層表面の切削加工処理を行う態様を模式的に示した概略断面図 造形テーブルを超音波振動に付して固化層表面の切削加工処理を行う態様を模式的に示した概略断面図 超音波振動させずに切削加工を行った部分の拡大写真図 超音波振動条件下で切削加工を行った部分の拡大写真図 超音波振動させずに切削加工を行った際の切削工具の先端部の摩耗状態を示した拡大写真図 超音波振動条件下で切削加工を行った際の切削工具の先端部の摩耗状態を示した拡大写真図 固化層表面の切削距離と切削工具の先端部の摩耗量との関係を示したグラフ 超音波振動させずに切削加工を行った際の切屑の拡大写真図 超音波振動条件下で切削加工を行った際の切屑の拡大写真図 固化層表面の切削距離と切削工具の切削抵抗との関係を示したグラフ 超音波振動させずに切削加工を行った際のバリ発生状況を示した拡大写真図 超音波振動条件下で切削加工を行った際のバリ発生状況を示した拡大写真図 超音波振動させずに切削加工を行った部分の拡大写真図 超音波振動条件下で切削加工を行った部分の拡大写真図 切削加工の際の切削工具（エンドミル）を示した写真図 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 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

以下では、図面を参照して本発明の一実施態様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。本明細書で言う“垂直方向”とは固化層の積層方向を実質的に指しており、図面における“上下方向”に相当する。一方、本明細書で言う“水平方向”とは固化層の積層方向に対して垂直な方向を実質的に指しており、図面における“左右方向”に相当する。

［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。特に粉末焼結積層法において三次元形状造形物の切削処理を付加的に行う光造形複合加工を例として挙げる。図２２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２３および図２４は、粉末焼結積層法と切削処理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２３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、即ち、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２２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２３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、即ち、光ビームＬの走査手段である。

切削手段４は、図２３に示すように、エンドミル４０および駆動機構４１を主に有して成る。エンドミル４０は、積層化した固化層の側面、即ち、三次元形状造形物の表面を削るための切削工具である。駆動機構４１は、エンドミル４０を所望の切削すべき箇所へと移動させる手段である。

光造形複合加工機１の動作について詳述する。光造形複合加工機の動作は、図２４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２２（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）においては、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２２（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２２（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、即ち、三次元形状造形物の表面を削るためのステップである。エンドミル４０（図２２（ｃ）および図２３参照）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、エンドミル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の切削処理を行うことができるので、Δｔが０．０５ｍｍであれば６０層分の固化層が積層した時点でエンドミル４０を駆動させる。具体的には駆動機構４１によってエンドミル４０を移動させながら、積層化した固化層の側面に対して切削処理を施すことになる（Ｓ３２）。このような切削ステップ（Ｓ３）が終了すると、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］
本発明は、上述した粉末焼結積層法のうち、特に固化層表面の切削工程に特徴を有している。

まず、本発明の特徴を説明する前に、固化層表面を切削加工処理する際の当業者（三次元形状造形物における当業者）の認識について触れておく。

（当業者の認識）
固化層表面の切削処理に際しては、エンドミル等の回転切削工具を用いて特に固化層の“側面”を切削するところ、当業者にとってみれば当該回転切削工具を用いた切削処理は振動条件等に付すことなく行うことが一般的な認識である。何故なら、三次元形状造形物を成す固化層側面切削処理に対して振動条件は特に効果的でないと考えられていたからである。かかる考えは、回転切削工具が取り付けられた切削デバイスは専ら工具回転に資する機能を有するものであるところ、切削工具を振動に付すに際して水平方向（即ち、横方向）よりも垂直方向（即ち、上下方向）に振動させることが相対的に容易と考えられていたことに存する。

図１Ａに示すように、固化層２４の側面に“段差部７０”が形成されるように固化層が積層された三次元形状造形物に対して「切削工具を垂直方向に振動に付した条件」で表面切削処理を行う場合を考えてみる。かかる場合、当業者にとってみれば、垂直方向に振動する切削工具４７は振動方向と異なる方向（具体的には水平方向）に延在する面に対しては特に効果的でない、つまり、段差部７０の水平面部７０ａに対して効果的でないとの認識がある。従って、回転切削工具４７の垂直方向の振動が水平面部７０ａには十分に供されないことに起因して、円弧状の切削痕が固化層の切削加工した部分に生じ、それによって当該切削加工した部分の表面粗さが大きくなる場合があると考えられる（図１Ａの右端図および拡大図参照）。以上の事から、粉末焼結積層法で製造される三次元形状造形物は様々な外観形状を有するものであるところ、そのような造形物側面に切削工具の振動は特に必要ないものとの当業者の認識であった。特に、振動条件の程度が高いと考えられる“超音波振動”などはかかる当業者の認識がより顕著なものとなる。なお、通常の振動条件で固化層側面に形成された段差部を切削加工処理する態様もある（特開２０００−７３１０８号公報）。しかしながら、かかる態様は上記のような当業者の認識がより顕著となる“超音波振動”条件で段差部を切削加工処理するものとはなっていないことは確認的に付言しておく。

本発明はこの当業者の認識に反して敢えて超音波振動条件下で固化層表面の切削加工処理行っている点に特徴がある。

以下、本発明の一実施形態に係る製造方法について具体的に説明する。

（本発明の概念）
まず、本発明の具体的態様を説明する前に本発明の概念について図１を用いて説明する。

本発明の概念は、「超音波振動条件下で固化層２４の表面の切削加工処理を行う」というものである。より端的に言うと、本発明の概念は、図１に示すように「固化層２４の表面の切削加工する部分に対して超音波振動を供する」というものである。本明細書で言う“超音波振動”とは、具体的には２０〜１２０ｋＨｚ、好ましくは２５〜１００ｋＨｚ、より好ましくは３０〜８０ｋＨｚ、更に好ましくは３５〜６０ｋＨｚ、例えば３５〜４５ｋＨｚ、一例を挙げると４０ｋＨｚの振動数で振動させることを指す。

本発明では、固化層２４の表面を切削加工する際に、固化層２４の表面の切削加工する部分に対して超音波振動を供するため、当該超音波振動に起因して切削加工するための切削工具４０と固化層２４の表面の切削加工する部分との間で“接触”と“非接触”が繰り返して行われ得る。つまり、切削工具４０と切削加工する部分と“断続的な”接触を増加させることができる。これにより、切削工具４０と切削加工する部分との接触回数を増やすことができ、それによって、切削加工する部分から切削される切屑のサイズを小さくすることができる。従って、切削工具４０が切屑を巻き込むことを抑制することができる。また、本発明では、切削工具４０と切削加工する部分との“断続的な”接触を増加させることができる、つまり、切削工具４０と固化層２４の表面の切削加工する部分とが切削加工の際に“連続的に”又は“常時”接触することを抑制することができる。これにより、固化層２４の表面の切削加工する部分に対する切削工具４０の切削抵抗を小さくし、および切削加工熱を抑制することができる。以上により、切削工具４０が損傷しにくくなり、その結果、切削工具４０の製品寿命をより延ばすことができる。

また、切削工具（具体的には回転切削工具）で固化層表面を切削する際には円弧状の切削痕が固化層の切削加工した部分に生じ、それによって当該切削加工した部分の表面粗さが大きくなる場合があると考えられる。しかしながら、本発明では、上述のように切削工具４０と固化層２４の表面の切削加工する部分とが切削加工の際に“連続的に”又は“常時”接触することを抑制することができるため、切削痕が固化層の切削加工した部分に生じにくく、それによって当該切削加工した部分の表面粗さを小さくすることができる。

なお、通常の振動条件（つまり、超音波振動条件ではない条件）においても、切削工具と固化層表面の切削加工する部分との間で“接触”と“非接触”が繰り返して行われると考えられる。しかしながら、通常の振動条件では、超音波振動条件と比べて振動数が小さいことに起因して切削工具と当該加工する部分との接触回数は少なく、また切削工具と固化層表面の切削加工する部分とが切削加工の際に接触する時間は長くなる。そのため、上記で述べた“切削工具の製品寿命をより延ばす”、“固化層の切削加工した部分の表面粗さを小さくする”といった効果は奏されにくい。

次に、本発明の実施形態について説明する。

本発明の実施形態は大きく２つの実施形態に分けることができる。まず、本発明の第１実施形態は切削工具を超音波振動に付すという技術的思想に基づく形態である。一方、本発明の第２実施形態は造形プレートを超音波振動に付すという技術的思想に基づく形態である。

［本発明の第１実施形態］
（切削工具の超音波振動）
まず、“切削工具を超音波振動に付す”という技術的思想である本発明の第１実施形態について説明する。

本発明の第１実施形態では、図２に示すように切削加工処理に用いる切削工具４０を超音波振動に付して、固化層２４の表面の切削加工処理を行う。つまり、本発明の第１実施形態では、切削工具４０から固化層２４の表面の切削加工する部分に対して当該超音波振動を供し固化層２４の表面の切削加工処理を行うことを特徴とする。特に限定されるものではないが、例えば図３に示すように、駆動機構４１に設けた主軸上の振動機構４２から超音波振動を供することで切削工具４０を超音波振動させてよい。切削工具４０としては、“回転切削工具”または“非回転切削工具”を用いることができる。なお、本明細書において「回転切削工具」とは、切削加工処理に際して回転駆動させて使用する工具のことを意味している。回転切削工具の回転数は、好ましくは３０００〜９０００ｍｉｎ^−１、より好ましくは４０００〜８０００ｍｉｎ^−１、更に好ましくは５０００〜７０００ｍｉｎ^−１である。具体的な回転切削工具としては、例えばフラットエンドミル、ボールエンドミル等のエンドミルを挙げることができる。ある好適な態様では、回転切削工具としてフラットエンドミルを用いて切削加工処理を行う。なお、回転切削工具の表面には、耐熱性を向上させるため合金コーティング（例えばＡｌＴｉＮコーティング）が設けられたものであってもよい。

以下、“回転切削工具”を超音波振動させて固化層表面を切削加工処理する態様について説明する。当該態様としては、以下でそれぞれ具体的に説明するが、３つのパターンに分けることができる。

まず、パターン１について説明する。

（パターン１：粗加工→切削仕上げ加工）
まず、粉末層に光ビームＬを照射して得られた固化層２４の表面（図４（ａ））を、超音波振動に付した回転切削工具４３を回転させて切削加工する。具体的には、図４（ｂ）に示すように、回転切削工具４３の延在方向に沿った方向（垂直方向）に超音波振動させた回転切削工具４３を回転させることで固化層２４の表面を粗加工する。本明細書で言う“粗加工”とは、５〜５０μｍ、好ましくは１０〜５０μｍ、より好ましくは２０〜５０μｍ、更に好ましくは４０〜５０μｍの振動振幅で超音波振動させながら固化層２４の表面を切削加工することを指す。

次いで、図４（ｃ）に示すように、回転切削工具４３の延在方向に対して垂直な方向（水平方向）に超音波振動させた回転切削工具４３を回転させることで固化層２４の表面を切削仕上げ加工する。本明細書で言う“切削仕上げ加工”とは、１〜２０μｍ、好ましくは１．５〜１０μｍ、より好ましくは２〜５μｍの振動振幅で超音波振動させながら固化層２４の表面を切削加工することを指す。

以上のように、本態様では、第１に、“粗加工”における回転切削工具の振動方向を垂直方向（即ち上下方向）としているのに対して、“切削仕上げ加工”における回転切削工具の振動方向を水平方向（即ち左右方向）としていることを特徴としている。つまり、本態様では、切削加工処理において回転切削工具４３の振動方向を“垂直方向”から“水平方向”へと切り替えることを特徴としている。当該切り替えは、例えば図３に示すように上下左右に移動可能な駆動機構４１に設けた主軸上の振動機構４２を上下に振動させ、または左右に振動させることで実施され得る。また、本態様では、第２に、回転切削工具４３を“垂直方向”に振動させる際の振幅を“水平方向”に振動させる際の振幅よりも大きくすることを特徴としている。具体的には、上述のように、回転切削工具４３を“水平方向”に振動させる際の振幅を例えば２〜５μｍとするのに対して、回転切削工具４３を“垂直方向”に振動させる際の振幅を例えば２０〜５０μｍに設定することが好ましい。

この２つの特徴により、本態様では、まず“粗加工”にて回転切削工具４３と固化層２４の表面との間の“接触”箇所が上下にずれるように切削加工し、それによって固化層の切削加工した部分の表面粗さを小さくすることができる。具体的には、“粗加工”を施すことで、粗加工した部分の表面粗さを、算術平均粗さＲｚ：５（５含まず）〜１０（１０含まず）μｍ、好ましくは５．５〜９．５μｍ、より好ましくは６．０〜９．０μｍ、更に好ましくは６．５〜８．５μｍにすることができる。次いで、“切削仕上げ加工”にて、回転切削工具４３と固化層２４の表面の切削加工する部分との間で粗加工の際よりも小さな振動振幅で“接触”と“非接触”がより繰り返して行われることで切削加工した部分の表面粗さをより小さくすることができる。具体的には、“切削仕上げ加工”を施すことで、切削仕上げ加工した部分の表面粗さを、Ｒｚ２．５〜８．５μｍ、好ましくは３．５〜７．５μｍ、より好ましくは４．５〜６．５μｍ、更に好ましくは５．０〜６．０μｍにすることができる。なお、ここでいう表面粗さを表すＲｚとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で規定されている粗さＲｚのことを指している。つまり、本発明におけるＲｚは、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけを抜き取り、この抜取り部分の平均線から縦倍率の方向に測定した、最も高い山頂から５番目までの山頂の標高（Ｙｐ）の絶対値の平均値と、最も低い谷底から５番目までの谷底の標高（Ｙｖ）の絶対値の平均値との和を求め、この値をマイクロメートル（μｍ）で表したものをいう（ＪＩＳ Ｂ０６０１：１９９４参照）。

次に、パターン２について説明する。

（パターン２：粗加工→研磨仕上げ加工）
まず、粉末層に光ビームＬを照射して得られた固化層２４の表面（図５（ａ））を、超音波振動に付した回転切削工具４３を回転させて切削加工する。具体的には、図５（ｂ）に示すように、回転切削工具４３の延在方向に沿った方向（垂直方向）に超音波振動させた回転切削工具４３を回転させることで固化層２４の表面を粗加工する。次いで、図５（ｃ）に示すように、軸付砥石工具４４の延在方向に対して垂直な方向（水平方向）に超音波振動させた軸付砥石工具４４を回転させることで固化層２４の表面を研磨仕上げ加工する。なお、研磨仕上げ加工では、軸付砥石工具４４を必ずしも水平方向に超音波振動させなくてもよい。なお、本明細書で言う“軸付砥石工具”とは先端部に固化層表面を研磨するための砥石（研磨部材）を備えた工具を指す。

本態様では、第１に振動方向を垂直方向に設定して回転切削工具４３を用いて“粗加工”を行った後に、軸付砥石工具４４を用いて“研磨仕上げ加工”を行っている。また、本態様では、第２に回転切削工具４３を“垂直方向”に振動させる際の振幅を、軸付砥石工具４４を“水平方向”に振動させる際の振幅よりも大きくしている。以上により、本態様では、まず、“粗加工”にて回転切削工具４３と固化層２４の表面との間の“接触”箇所が上下にずれるように切削加工し、それによって固化層の切削加工した部分の表面粗さを小さくすることができる。具体的には、“粗加工”を施すことで、粗加工した部分の表面粗さを、Ｒｚ５（５含まず）〜１０（１０含まず）μｍ、好ましくは５．５〜９．５μｍ、より好ましくは６．０〜９．０μｍ、更に好ましくは６．５〜８．５μｍにすることができる。次いで、“研磨仕上げ加工”にて軸付砥石工具４４により固化層２４の表面の粗加工された部分が研磨されることで、固化層の切削加工した部分の表面粗さを更に小さくすることができる。具体的には、研磨仕上げ加工した部分の表面粗さを、Ｒｚ１〜７μｍ、好ましくは２〜６μｍ、より好ましくは３〜５μｍ、更に好ましくは３．５〜４．５μｍにすることができる。

最後に、パターン３について説明する。

（パターン３：粗仕上げ→切削仕上げ加工→研磨仕上げ加工）
まず、粉末層に光ビームＬを照射して得られた固化層２４の表面（図６（ａ））を、超音波振動に付した回転切削工具４３を回転させて切削加工する。具体的には、図６（ｂ）に示すように、回転切削工具４３の延在方向に沿った方向（垂直方向）に超音波振動させた回転切削工具４３を回転させることで固化層２４の表面を粗加工する。次いで、図６（ｃ）に示すように、回転切削工具４３の延在方向に対して垂直な方向（水平方向）に超音波振動させた回転切削工具４３を回転させることで固化層２４の表面を切削仕上げ加工する。最後に、図６（ｄ）に示すように、軸付砥石工具４４の延在方向に対して垂直な方向（水平方向）に超音波振動させた軸付砥石工具４４を回転させることで固化層２４の表面を研磨仕上げ加工する。なお、研磨仕上げ加工では、軸付砥石工具４４を必ずしも水平方向に超音波振動させなくてもよい。

本態様では、まず、“粗加工”にて回転切削工具４３と固化層２４の表面との間の“接触”箇所が上下にずれるように切削加工し、それによって固化層の切削加工した部分の表面粗さを小さくすることができる。具体的には、“粗加工”を施すことで、粗加工した部分の表面粗さを、Ｒｚ５（５含まず）〜１０（１０含まず）μｍ、好ましくは５．５〜９．５μｍ、より好ましくは６．０〜９．０μｍ、更に好ましくは６．５〜８．５μｍにすることができる。次いで、“切削仕上げ加工”にて回転切削工具４３と固化層２４の表面の切削加工する部分との間で粗加工の際よりも小さな振動振幅で“接触”と“非接触”がより繰り返して行われることで、切削加工した部分の表面粗さをより小さくすることができる。具体的には、“粗加工”後に“切削仕上げ加工”を施すことで、切削仕上げ加工した部分の表面粗さを、Ｒｚ２．５〜８．５μｍ、好ましくは３．５〜７．５μｍ、より好ましくは４．５〜６．５μｍ、更に好ましくは５．０〜６．０μｍにすることができる。これに加えて、本態様では、“研磨仕上げ加工”にて軸付砥石工具４４により固化層２４の表面の粗加工された部分が研磨されることで、切削仕上げ加工した部分の表面粗さを更により小さくすることができる。具体的には、“切削仕上げ加工”後に“研磨仕上げ加工”を施すことで、研磨仕上げ加工した部分の表面粗さを、Ｒｚ１〜７μｍ、好ましくは２〜６μｍ、より好ましくは３〜５μｍ、更に好ましくは３．５〜４．５μｍにすることができる。

つまり、当該パターン３が上記のパターン１、２と比べて固化層の切削加工した部分の表面粗さを小さくすることができる点で効果的である。

なお、パターン３では、図６Ａ（ａ）に示すように、超音波振動に付した回転切削工具４３を用いて固化層２４の表面を１層毎に粗加工、切削仕上げ加工した後に研磨仕上げ加工を施してよい。１層毎に固化層２４の粗加工、切削仕上げ加工、および研磨仕上げ加工を施せば、固化層２４の切削加工した部分の表面粗さをより効果的に小さくすることができる。また、図６Ａ（ｂ）に示すように、超音波振動に付した回転切削工具４３を用いて固化層２４の表面を１層毎に粗加工した後に、粗加工した固化層２４の表面を複数層まとめて切削仕上げ加工および研磨仕上げ加工を施してもよい。つまり、固化層２４の表面の表面粗さが大きい状態では、１層毎に所定の表面粗さにまで小さくする切削加工（粗加工）を行い、次いで、切削加工した部分の表面粗さが所定の値まで小さくなれば、複数層まとめて当該表面粗さを更に小さくする切削仕上げ加工および研磨仕上げ加工を行う。これにより、固化層２４の切削加工した部分の表面粗さをより効率的に小さくすることができる。つまり、作業効率を高めることができる。

以上、“回転切削工具”を超音波振動させて固化層表面を切削加工処理する場合を含む３つのパターンについて説明してきた。

次に、“回転切削工具”ではなく“非回転切削工具”を切削加工処理に用いる切削工具として用いる態様について説明する。

かかる態様では、切削加工処理に用いる切削工具として、切削加工する部分が回転駆動しない非回転切削工具を用いる。本明細書でいう「非回転切削工具」とは、切削加工処理に際して回転駆動させずに使用する工具のことを意味している。具体的な非回転切削工具としては、例えばヘール加工用工具（工具材質：ダイヤモンドおよび／または超硬材）を挙げることができる。

“非回転切削工具”の態様は、切削工具を回転駆動させずに切削加工処理を行う態様であるところ、その回転駆動させない切削工具を超音波振動に付す。それによっても、切削加工するための切削工具と固化層の表面の切削加工する部分との間で“接触”と“非接触”が繰り返して行われ、結果として切削工具の製品寿命をより延ばすことができる。

非回転切削工具を用いる場合、切削工具を超音波振動に付すことが好ましい。つまり、超音波振動に付した非回転切削工具を用いて固化層表面の切削加工する部分に対して超音波楕円振動が供されることが好ましい。

より具体的には、図７に示すように、非回転切削工具４５の先端部分に設けたチップ部４６から、粉末層に光ビームＬを照射して得られた固化層２４の表面の切削加工する部分に対して超音波楕円振動を供する。ここで言う“超音波楕円振動させる”とは、上記の回転切削工具を用いて超音波振動させる際の振動方向である“垂直方向”と“水平方向”とを組み合わせた方向に振動させるという考え方である。超音波楕円振動の振動振幅としては、１〜２０μｍ、好ましくは２〜１５μｍ、より好ましくは３〜１０μｍである。又、超音波楕円振動の振動数としては、２０〜４０ｋＨｚが好ましい。一般的に、一方向に超音波振動させて切削加工する態様では、切屑は工具表面での摩擦力に逆らって押し出されるため、切削抵抗が増大し、加工発熱も大きくなる。これに対して、超音波楕円振動を供した切削加工では、工具先端が切屑を引き出す方向に運動するため、切屑の排出が促進される。そのため、切削力・工具摩耗の低減、切削加工精度の向上、および切削工具の切屑の巻き込みの抑制効果を向上させる利点がある。

以上、切削工具を超音波振動に付すという技術的思想に基づく本発明の第１実施形態について説明した。

次に、“造形プレートを超音波振動に付す”という技術的思想に基づく本発明の第２実施形態について説明する。

［本発明の第２実施形態］
（造形テーブルの超音波振動）
本発明の第２実施形態では、図８に示すように粉末層および固化層２４を形成するための造形テーブル２０（具体的には造形テーブル２０上に配される造形プレート２１）を超音波振動に付して、固化層２４の表面の切削加工処理を行う。つまり、本発明の第２実施形態では、造形プレート２１から固化層２４の表面の切削加工する部分に対して超音波振動を供し固化層２４の表面の切削加工処理を行うことを特徴とする。特に限定されるものではないが、例えば、振動子を造形プレート２１又は造形テーブル２０内に設け、当該振動子から超音波振動を垂直方向又は水平方向に供することで造形テーブル２０を垂直方向又は水平方向に超音波振動させてよい。造形テーブル２０を垂直方向に超音波振動させる場合、切削工具４０と固化層２４の表面との間の“接触”箇所が上下にずれるように固化層２４の表面を切削加工でき、それによって固化層の切削加工した部分の表面粗さを小さくすることができる。また、造形テーブル２０を水平方向に超音波振動させる場合、切削工具４０と固化層２４の表面の切削する部分との間での“接触”と“非接触”が繰り返して行われ、それによって固化層の切削加工した部分の表面粗さを小さくすることができる。なお、造形テーブル２０の側面は壁２７と接するように配置されていることも考慮し、造形テーブル２０を垂直方向に超音波振動にさせることが好ましい。

以上、本発明の三次元形状造形物の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。

次に、本発明の実施例について説明する。

実施例１
比較例＜超音波振動無し（切削加工）＞
切削工具を用いて溝部（凹部）が形成された固化層の切削加工を行った。具体的には、エンドミル（Ｒ０．３ｍｍ（図２２）、ＡｌＴｉＮコーティング有）を用いて固化層の溝部を形作る表面の切削加工を行った。切削加工した部分の拡大写真図を図９に示す。

実施例＜超音波振動有り（切削加工→研磨加工）＞
超音波振動させたエンドミル（Ｒ０．３ｍｍ、ＡｌＴｉＮコーティング有）を用いて固化層の溝部を形作る表面の切削加工を行い、次いで、切削加工を行った面に対して超音波振動させた軸付砥石工具を用いて研磨加工を行った。超音波振動条件で切削加工および研磨加工を行った部分の拡大写真図を図１０に示す。なお、超音波振動条件としては、回転数６０００ｍｉｎ^−１、振動振幅３０〜５０μｍ、振動数４０ｋＨｚ、振動方向：エンドミル延在方向とした。

（結果）超音波振動条件で切削加工および研磨加工を行った部分には粗面が極めて少なかった。一方、超音波振動させずに切削加工を行った部分には粗面が顕著に見受けられた。

実施例２
比較例＜超音波振動無し（切削加工）＞
エンドミル（Ｒ０．３ｍｍ、ＡｌＴｉＮコーティング有）を用いて固化層表面の切削加工を行った。切削加工を行った後（切削距離１００ｍ）のエンドミルの先端部の摩耗状態を図１１に示す。

実施例＜超音波振動有り（切削加工）＞
超音波振動させたエンドミル（Ｒ０．３ｍｍ、ＡｌＴｉＮコーティング有）を用いて固化層表面の切削加工を行った。超音波振動条件で切削加工を行った後（切削距離１００ｍ）のエンドミルの先端部の摩耗状態を図１２に示す。なお、超音波振動条件としては、回転数６０００ｍｉｎ^−１、振動振幅３０〜５０μｍ、振動数４０ｋＨｚ、振動方向：エンドミル延在方向とした。

（結果）超音波振動条件で切削加工を行った後のエンドミルの先端部は、１００ｍ切削後もほとんど摩耗していなかった。一方、超音波振動させずに切削加工を行った後のエンドミルの先端部は、１００ｍ切削後相当程度摩耗していた。

実施例３
比較例＜超音波振動無し（切削加工）＞
エンドミル（Ｒ０．３ｍｍ、ＡｌＴｉＮコーティング有）を用いて固化層表面を切削加工した場合の切削距離に対するエンドミルの先端部の摩耗量を調べた。その結果を図１３に示す。

実施例＜超音波振動有り（切削加工）＞
超音波振動させたエンドミル（Ｒ０．３ｍｍ、ＡｌＴｉＮコーティング有）を用いて固化層表面を切削加工した場合の切削距離に対するエンドミルの先端部の摩耗量を調べた。その結果を図１３に示す。なお、超音波振動条件としては、回転数６０００ｍｉｎ^−１、振動振幅３０〜５０μｍ、振動数４０ｋＨｚ、振動方向：エンドミル延在方向とした。

（結果）図１３に示すように、超音波振動させたエンドミルを用いて固化層表面を切削加工した場合、切削距離が約８００ｍとなってもエンドミルの先端部の摩耗量は２０μｍ以下であり、エンドミルの先端部はほとんど摩耗していなかった。これに対して、超音波振動させずにエンドミルを用いて固化層表面を切削加工した場合、切削距離が６００ｍ以下ではエンドミルの先端部の摩耗量は約７０μｍであったのに対し、切削距離が６００ｍを越えるとエンドミルの先端部の摩耗量が急激に増え、切削距離が約８００ｍでは約１８０μｍとなった。

実施例４
比較例＜超音波振動無し（切削加工）＞
エンドミル（Ｒ０．３ｍｍ、ＡｌＴｉＮコーティング有）を用いて固化層表面の切削加工を行った。切削加工を行った後（切削距離１００ｍ）の切屑の拡大写真図を図１４に示す。

実施例＜超音波振動有り（切削加工）＞
超音波振動させたエンドミル（Ｒ０．３ｍｍ、ＡｌＴｉＮコーティング有）を用いて固化層表面の切削加工を行った。超音波振動条件で切削加工を行った後（切削距離１００ｍ）の切屑の拡大写真図を図１５に示す。なお、超音波振動条件としては、回転数６０００ｍｉｎ^−１、振動振幅３０〜５０μｍ、振動数４０ｋＨｚ、振動方向：エンドミル延在方向とした。

（結果）超音波振動条件で切削加工を行った後の切屑（図１５）は、超音波振動させずに切削加工を行った後の切屑よりも超音波振動に起因して細かくなっていた。この時の超音波振動条件で切削加工を行った後の切屑は、エンドミルが当該切屑を巻き込む程度のサイズではなかった。

実施例５
比較例＜超音波振動無し（切削加工）＞
エンドミル（Ｒ０．３ｍｍ、ＡｌＴｉＮコーティング有）を用いて固化層表面を切削加工した場合の切削距離に対するエンドミルの切削抵抗を調べた。その結果を図１６に示す。

実施例＜超音波振動有り（切削加工）＞
超音波振動させたエンドミル（Ｒ０．３ｍｍ、ＡｌＴｉＮコーティング有）を用いて固化層表面を切削加工した場合の切削距離に対するエンドミルの切削抵抗を調べた。その結果を図１６に示す。なお、超音波振動条件としては、回転数６０００ｍｉｎ^−１、振動振幅３０〜５０μｍ、振動数４０ｋＨｚ、振動方向：エンドミル延在方向とした。

（結果）図１６に示すように、超音波振動させたエンドミルを用いて固化層表面を切削加工した場合、切削距離が約８００ｍとなってもエンドミルの切削抵抗は約４Ｎ〜約１２Ｎであった。これに対して、超音波振動させずにエンドミルを用いて固化層表面を切削加工した場合、切削距離が約３５０ｍ以下ではエンドミルの切削抵抗は約１５Ｎであったのに対し、切削距離が約３５０ｍを越えるとエンドミルの切削抵抗が急激に増え、切削距離が約４００ｍでは約３０Ｎとなった。

実施例６
比較例＜超音波振動無し（切削加工）＞
エンドミル（Ｒ０．３ｍｍ、ＡｌＴｉＮコーティング有）を用いて固化層表面を切削加工した場合のバリ発生状況を調べた。その結果を図１７に示す。

実施例＜超音波振動有り（切削加工）＞
超音波振動させたエンドミル（Ｒ０．３ｍｍ、ＡｌＴｉＮコーティング有）を用いて固化層表面を切削加工した場合のバリ発生状況を調べた。その結果を図１８に示す。なお、超音波振動条件としては、回転数６０００ｍｉｎ^−１、振動振幅３０〜５０μｍ、振動数４０ｋＨｚ、振動方向：エンドミル延在方向とした。

（結果）図１８に示すように超音波振動条件で切削加工を行った場合、バリの発生が抑制されていることが分かった。一方、図１７に示すように超音波振動させずに切削加工を行った場合、バリが発生していることが分かった。

実施例７
比較例＜超音波振動無し（切削加工）＞
エンドミル（Ｒ０．３ｍｍ、ＡｌＴｉＮコーティング有）を用いて固化層表面の切削加工を行った。切削加工した部分の拡大写真図を図１９に示す。

実施例＜超音波振動有り（切削加工→研磨加工）＞
超音波振動させたエンドミル（Ｒ０．３ｍｍ、ＡｌＴｉＮコーティング有）を用いて固化層表面の切削加工を行い、次いで、切削加工を行った面に対して超音波振動させた軸付砥石工具を用いて研磨加工を行った。超音波振動条件で切削加工および研磨加工を行った部分の拡大写真図を図２０に示す。なお、超音波振動条件としては、回転数６０００ｍｉｎ^−１、振動振幅３０〜５０μｍ、振動数４０ｋＨｚ、振動方向：エンドミル延在方向とした。

（結果）超音波振動条件で切削加工および研磨加工を行った部分の表面粗さはＲｚ３〜５μｍであった。一方、超音波振動させずに切削加工を行った部分の表面粗さはＲｚ１０〜３０μｍであった。

なお、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、
前記固化層の表面に対して切削加工処理を施しており、該切削加工処理を超音波振動条件で行うことを特徴とする、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、前記超音波振動条件として、前記切削加工処理に用いる切削工具を超音波振動に付すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第３態様：
上記第１態様又は第２態様において、前記粉末層および前記固化層を造形テーブル上で形成しており、前記超音波振動条件として、前記造形テーブルを超音波振動に付すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第４態様：
上記第２態様又は第３態様において、前記切削工具として回転切削工具を用い、該回転切削工具を回転させながら前記超音波振動に付すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第５態様：
上記第４態様において、前記切削加工処理において前記回転切削工具の振動方向を垂直方向と水平方向との間で切り替え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５態様において、前記回転切削工具を前記垂直方向に振動させる際の振幅を、該回転切削工具を前記水平方向に振動させる際の振幅よりも大きくす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、前記切削加工処理として、粗加工および仕上げ加工の少なくとも２段階の切削加工を行うことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第８態様：
上記第７態様において、前記仕上げ加工として、前記回転切削工具を用いる切削仕上げ、軸付砥石工具を用いる研磨仕上げ、および、該切削仕上げと該研磨仕上げとの組合せのいずれかを実施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５態様又は第６態様に従属する第７態様において、前記回転切削工具を前記垂直方向に振動させることによって前記粗加工を行った後、該回転切削工具を前記水平方向に振動させることによって前記仕上げ加工を行うことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第１０態様：
上記第１態様〜第３態様のいずれかにおいて、前記切削加工処理に用いる切削工具として、非回転切削工具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１１態様：
上記第１０態様において、前記非回転切削工具を用いて超音波楕円振動に付すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。

本発明の一実施形態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２０１５−１２７８８８号（出願日：２０１５年６月２５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。

２２ 粉末層
Ｌ 光ビーム
２４ 固化層
４０ 切削工具（エンドミル）
２０ 造形テーブル
４３ 回転切削工具
４４ 軸付砥石工具
４５ 非回転切削工具

Claims (10)

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、
   前記固化層の側面に対して切削加工処理を施しており、該切削加工処理を超音波振動条件で行い、および、
   前記超音波振動条件として、前記切削加工処理に用いる切削工具を超音波振動に付すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
2. 前記粉末層および前記固化層を造形テーブル上で形成しており、
   前記超音波振動条件として、前記造形テーブルを超音波振動に付すことを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
3. 前記切削工具として回転切削工具を用い、該回転切削工具を回転させながら前記超音波振動に付すことを特徴とする、請求項１又は２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
4. 前記切削加工処理において前記回転切削工具の振動方向を垂直方向と水平方向との間で切り替えることを特徴とする、請求項３に記載の三次元形状造形物の製造方法。
5. 前記回転切削工具を前記垂直方向に振動させる際の振幅を、該回転切削工具を前記水平方向に振動させる際の振幅よりも大きくすることを特徴とする、請求項４に記載の三次元形状造形物の製造方法。
6. 前記切削加工処理として、粗加工および仕上げ加工の少なくとも２段階の切削加工を行うことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
7. 前記仕上げ加工として、前記回転切削工具を用いる切削仕上げ、軸付砥石工具を用いる研磨仕上げ、および、該切削仕上げと該研磨仕上げとの組合せのいずれかを実施することを特徴とする、請求項３に従属する請求項６に記載の三次元形状造形物の製造方法。
8. 前記回転切削工具を垂直方向に振動させることによって前記粗加工を行った後、該回転切削工具を水平方向に振動させることによって前記仕上げ加工を行うことを特徴とする、請求項３に従属する請求項６に記載の三次元形状造形物の製造方法。
9. 前記切削加工処理に用いる切削工具として、非回転切削工具を用いることを特徴とする、請求項１又は２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
10. 前記非回転切削工具を用いて超音波楕円振動に付すことを特徴とする、請求項９に記載の三次元形状造形物の製造方法。