JP6643643B2

JP6643643B2 - 三次元形状造形物の製造方法

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Publication number: JP6643643B2
Application number: JP2018524102A
Authority: JP
Inventors: 暁史中村; 吉田　徳雄; 徳雄吉田; 阿部　諭; 諭阿部; 不破　勲; 勲不破; 雅憲森本; 功康中島
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2020-02-12
Anticipated expiration: 2037-06-20
Also published as: JPWO2017221912A1; WO2017221912A1

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「粉末床溶融結合法」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化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８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８（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８（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８（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り、その一体化物を金型として使用することができる。

特表平１−５０２８９０号公報特開２０００−７３１０８号公報

金型として使用される三次元形状造形物は、全体としてより軽量なものが望まれる。より軽量であると、金型の型締め装置への取付けまたは型締め装置による金型の開閉などがより容易となるからである。また、金型として使用される三次元形状造形物には、金型による樹脂成形のためにガス抜き路を設けることが望まれる。前者（“軽量化”）の場合では三次元形状造形物として全体的に密度が減じられたものが望まれ、後者（“ガス抜き路設置”）の場合では三次元形状造形物として部分的に密度が減じられたものが望まれる。

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、本発明の主たる課題は、三次元形状造形物の低密度化をより好適に図ることができる粉末床溶融結合法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の一態様では、
（ｉ）造形プレート上の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
により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、
固化層形成のために、造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面の濡れ性を局所的に変えることを含む、三次元形状造形物の製造方法が提供される。

本発明の製造方法の一態様では、三次元形状造形物の低密度化をより好適に図ることができる。より具体的には、三次元形状造形物の用途などに応じて、その三次元形状造形物の全体的または部分的な低密度化を“濡れ性”の制御によって比較的簡易に図ることができる。

表面の濡れ性を局所的に変える態様を模式的に示した平面図（図１（Ａ）：長尺状の高濡れ性領域、図１（Ｂ）：長尺状の高濡れ性領域、図１（Ｃ）：斑点状の高濡れ性領域）本発明の製造方法の一態様における概念を模式的に示した工程断面図（図２（ａ）：造形プレートの表面、図２（ｂ）：局所的な濡れ性処理、図２（ｃ）：光ビーム照射、図２（ｄ）：粉末溶融物の偏在化）本発明の製造方法の一態様における概念を模式的に示した工程断面図（図３（ａ）：局所的な濡れ性処理、図３（ｂ）：光ビーム照射、図３（ｃ）：粉末溶融物の偏在化、図３（ｄ）：固化層の積層化）表面の高温化の一態様を説明するための模式的断面図厚さが局所的に減じられた粉末層を模式的に示した断面図局所的な酸化処理または還元処理を説明するための模式的断面図高濡れ性領域および低濡れ性領域の規則的配置を模式的に示した平面図粉末床溶融結合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８（ａ）：粉末層形成、図８（ｂ）：固化層形成、図８（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

以下では、図面を参照して本発明の一実施形態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。

また、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、例えば三次元形状造形物の製造時における造形プレートと三次元形状造形物との位置関係に基づいている。具体的には、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」としている。

［粉末床溶融結合法］
まず、本発明の製造方法の前提となる粉末床溶融結合法について説明する。特に粉末床溶融結合法において三次元形状造形物に対して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８は、光造形複合加工のプロセス態様を模式的に示している。図９および図１０は、粉末床溶融結合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９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８に示すように、粉末テーブル２５、スキージング・ブレード２３、支持テーブル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を支持テーブル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。支持テーブル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、支持テーブル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９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２２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９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、すなわち、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１の動作は、図１０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、まず支持テーブル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８（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２２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２２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２２の所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させ、図８（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８（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。エンドミル４０（図８（ｃ）および図９参照）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２４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２４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）の最終では、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］
本発明の製造方法の一態様は、上述した粉末床溶融結合法につき、固化層の形成態様に特徴を有している。

具体的には、固化層形成のために“濡れ性”の処理を行い、その後に光ビームの照射を行う。特に、本発明では固化層形成のために、「造形プレート」または「最直近で形成された固化層」の表面の濡れ性を局所的に変える処理（以下では「局所的な濡れ性処理」または単に「濡れ性処理」とも称する）を行う。

本明細書にいう「濡れ性」は、広義には、固化層形成のための土台面の濡れ性のことを指している。狭義には、「濡れ性」は、造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面の濡れ性であって、特に粉末層への光ビーム照射で生じ得る粉末溶融物に対する濡れ性を意味している。なお、「最直近で形成された固化層」とは、固化層形成時において既に形成された先行の固化層のうち最も上層に位置する固化層のことを指している。

本発明の製造方法では、固化層形成のための土台面（すなわち、「造形プレート」または「最直近で形成された固化層の表面」）に対してその濡れ性を局所的に変える処理を行う。例えば、かかる表面において相対的に高い濡れ性を呈する高濡れ性領域が形成されるように濡れ性処理を行う。あくまでも例示にすぎないが、図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように高濡れ性領域６０が造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面２１'，２４'において部分的に設けられるように濡れ性処理を行ってよい。図１（Ａ）および（Ｂ）では、長尺状の高濡れ性領域６０が互いに並設されるように局所的な濡れ性処理が行われており、図１（Ｃ）では斑点状の高濡れ性領域６０が散在するように局所的な濡れ性処理が行われている。

局所的な濡れ性処理が行われると、粉末層への光ビーム照射時に生じる粉末溶融物が影響を受けることになる。より具体的には、光ビーム照射時に生じる粉末溶融物がより高い濡れ性を呈する高濡れ性領域６０に集まる傾向を有することになる。つまり、造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面２１'，２４'といった固化層形成の土台面のなかでも特に高濡れ性領域６０に粉末溶融物が偏在するようになる。このような高濡れ性領域６０への偏在は、それ以外の表面領域に粉末溶融物が存在し難くなることを意味しており、それゆえ、粉末溶融物から得られる固化層に“疎な部分”が形成されることになる。よって、そのような固化層から最終的に得られる三次元形状造形物では低密度化がもたらされる。

本発明では濡れ性処理に起因してもたらされる固化層の“疎な部分”によって低密度化を図るので、濡れ性処理を施す表面箇所などを適宜調整することによって、三次元形状造形物における低密度領域の形成位置などを制御できる。つまり、濡れ性処理の調整次第で、三次元形状造形物の所望部分に対してのみ低密度化を図ることができたり、あるいは三次元形状造形物の全体に対して低密度化を図ることができたりする。

本発明のある好適な態様では、局所的に変えた濡れ性によって三次元形状造形物にポーラス構造を形成する。つまり、かかる態様では、局所的な濡れ性処理に起因して固化層に多数の細孔を形成してポーラス構造を得る。固化層形成時には粉末溶融物が高濡れ性領域に偏在化し、かかる表面領域以外に粉末溶融物が不在化し得る。よって、そのような粉末溶融物の偏在化・不在化を通じて固化層形成を行うことによって、最終的にポーラス構造を得ることができる。

図２および図３を参照して本発明の製造方法の例示的な態様を経時的に説明する。まず、図２（ａ）および２（ｂ）に示すように、造形プレート２１の表面２１'に局所的な濡れ性処理を施す。つまり、かかる表面２１'の濡れ性を局所的に変える処理を行い、複数の局所的な高濡れ性領域６０を形成する。次いで、かかる表面２１'上に粉末層２２を形成して光ビームＬを照射する（図２（ｃ）参照）。ここで、光ビーム照射時に生じる粉末溶融物６２はより高い濡れ性を呈する高濡れ性領域６０へと集まる傾向を有するので（図２（ｄ）参照）、最終的には高濡れ性領域６０に偏在化した状態で固化層２４が形成される。次いで、形成された固化層２４の表面２４'に対して同様の濡れ性処理を施す。つまり、図３（ａ）に示すように、固化層２４の表面２４'の濡れ性を局所的に変える処理を行って、複数の局所的な高濡れ性領域６０を形成する。次いで、かかる表面２４'上に粉末層２２を形成して光ビームＬを照射すると（図３（ｂ）参照）、光ビーム照射時に生じる粉末溶融物６２は高い濡れ性を呈する高濡れ性領域６０に集まることになり（図３（ｃ）参照）、高濡れ性領域６０に偏在化した状態で固化層２４が形成される。以降は同様の局所的な濡れ性処理および固化層形成を繰り返すと、多数の空隙を有するように固化層２４が積層化することになり（図３（ｄ）参照）、最終的にはポーラス構造を有する三次元形状造形物を得ることができる。

このように本発明では空隙を内部に含めて固化層の積層化を行うことができるので、三次元形状造形物の低密度化をより好適に図ることができる。つまり、三次元形状造形物の用途などに応じて、三次元形状造形物の全体的な低密度化または部分的な低密度化を“濡れ性”の制御によって比較的簡易に図ることができる。

本発明の製造方法においては、“表面の粗さ”または“表面の温度”を局所的に変えることによって、濡れ性を局所的に変えてよい。

まず“表面の粗さ”に依拠した局所的な濡れ性処理について詳述する。造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面において、相対的に粗い領域は、相対的に粗くない領域と比べて、低い濡れ性を呈し得る。換言すれば、相対的に粗くない領域が高濡れ性領域を成すことになる。したがって、高濡れ性領域とすべき領域以外の表面を粗面化処理に付してよい。かかる粗面化処理は、特に制限するわけではないが、例えばレーザーまたは研削手段によって表面を“粗す”ことによって行ってよい。粗面化処理のためのレーザーとしては、固化層形成に使用する光ビームを用いることができる。

次に、“表面の温度”に依拠した局所的な濡れ性処理について詳述する。造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面において、相対的に高温の領域は、相対的に低温の領域と比べて高い濡れ性を呈し得る。よって、“高濡れ性領域とすべき表面領域”を高温化することが好ましい。例えば、造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面の一部を比較的小さい照射エネルギーで光ビーム照射に付すことによって、かかる光ビーム照射に起因する熱でもって局所的な高温化を図ることができる。あくまでも例示にすぎないが、“高濡れ性領域とすべき高温領域”とそれ以外の表面領域との温度差は例えば１〜１００℃の範囲内になるようにしてよい。

表面の高温化は、固化層形成時に粉末層への光ビームの入射を斜めにすることによって行ってもよい。具体的には、図４に示すように、鉛直下向き方向から角度を成すように光ビームＬの照射を斜めにして固化層２４を形成すると、光ビームＬの入射方向の延長線上の表面部分が光ビームの影響を受けるので、その部分を高温化させることができる。よって、このような斜め方向の光ビームＬの入射を一時的に行って表面（「造形プレート」または「最直近で形成された固化層」の表面２１'，２４'）の局所的な高温化を図ってよく、それによって、表面２１'，２４'において高濡れ性領域を局所的に形成できる。例えば、光ビーム走査において光ビームＬの照射方向を鉛直下向き方向から角度を成す斜め方向へと一時的に変えたり、あるいは、斜め方向の光ビームの入射を離散的に実施することで局所的な高温化を図ることができる。

さらに、表面の局所的な高温化は、厚さが局所的に減じられた粉末層を通じて行ってもよい。具体的には、図５に示すように、粉末層厚さが局所的に減じられた凹部７０が存在すると、光ビーム照射時にその下方に位置する表面領域７０’の温度が光ビームに起因して上がり易くなる。つまり、粉末層２２に形成された凹部７０では、薄くなっているので、照射された光ビームが部分的に通過する効果（特に光ビーム照射がなされた際の初期における通過効果）が奏されることになり、凹部７０の下方または直下に位置する表面領域７０’の温度が相対的に高くなり得る。そのように高温化する表面領域７０’は高濡れ性領域を成すことになるので、その表面領域７０’に対して光ビーム照射で生じる粉末溶融物が集まり易くなる。つまり、かかる態様では、光ビーム照射によって“固化層形成”と“局所的な濡れ性処理”とを実質的に同時に行うことができる。例えば、凹部７０における粉末層厚さは、その周囲における粉末層厚さの半分以下であることが好ましい。照射された光ビームの通過効果がより高くなり、表面領域７０’の温度上昇がより効果的となり得るからである。

本発明の製造方法においては、表面を局所的に酸化処理または還元処理することによって、濡れ性を局所的に変えてもよい。

（酸化処理）
「造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面」に対する処理について、酸化処理された表面領域が、そのような処理がされていない領域と比べて高い濡れ性を呈することになる場合（換言すれば、酸化処理されていない領域が相対的に低い濡れ性を呈することになる場合）、固化層形成時の光ビーム照射で生じる粉末溶融物が酸化処理された領域の表面領域へと集まる傾向を有することになる。よって、酸化処理された高濡れ性領域に偏在化した状態で固化層を形成でき、かかる固化層形成の繰り返しによって多数の空隙が含まれるように固化層の積層化を行うと、最終的にはポーラス構造を有する三次元形状造形物を得ることができる。

一方、酸化処理された表面領域が、そのような処理がされていない領域と比べて低い濡れ性を呈することになる場合（換言すれば、酸化処理されていない領域が相対的に高い濡れ性を呈することになる場合）、固化層形成時の光ビーム照射で生じる粉末溶融物は酸化処理された領域の表面領域以外へと集まる傾向を有することになる。よって、酸化処理された低濡れ性領域以外に偏在化した状態で固化層を形成でき、かかる固化層形成の繰り返しによって多数の空隙が含まれるように固化層の積層化を行うと、最終的にはポーラス構造を有する三次元形状造形物を得ることができる。

（還元処理）
「造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面」に対する処理について、還元処理された表面領域が、そのような処理がなされていない領域と比べて高い濡れ性を呈することになる場合（換言すれば、還元処理されていない領域が相対的に低い濡れ性を呈することになる場合）、固化層形成時の光ビーム照射で生じる粉末溶融物が還元処理された領域の表面領域へと集まる傾向を有することになる。よって、還元処理された高濡れ性領域に偏在化した状態で固化層を形成でき、かかる固化層形成の繰り返しによって多数の空隙が含まれるように固化層の積層化を行うと、最終的にはポーラス構造を有する三次元形状造形物を得ることができる。

一方、還元処理された表面領域が、そのような処理がなされていない領域と比べて低い濡れ性を呈することになる場合（換言すれば、還元処理されていない領域が相対的に高い濡れ性を呈することになる場合）、固化層形成時の光ビーム照射で生じる粉末溶融物は還元処理された領域の表面領域以外へと集まる傾向を有することになる。よって、還元処理された低濡れ性領域以外に偏在化した状態で固化層を形成でき、かかる固化層形成の繰り返しによって多数の空隙が含まれるように固化層の積層化を行うと、最終的にはポーラス構造を有する三次元形状造形物を得ることができる。

“局所的な酸化処理”は種々の態様で実施することができる。例えば、造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面に対して酸化剤を選択的に塗布することによって、局所的な酸化処理を行ってもよい。つまり、所望の表面領域にのみ酸化剤を塗布して、その塗布部分に酸化膜を形成してよい。このような酸化剤の局所的な塗布のために、例えばインクジェット法を用いてよい。つまり、インクジェットプリントヘッドから酸化剤を表面に対して吹き付けることによって酸化剤を局所的に塗布してよい。これにより、比較的精度良く選択的な酸化を施すことができる。酸化剤としては、特に制限するわけではないが、例えば過酸化水素水を用いてよい。

また、局所的な酸化処理は、造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面を酸化ガス雰囲気下で局所的な加熱に付すことによって行ってもよい。例えば、図６に示すように、光透過性の天面を備えた可動式覆い部材８０で「造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面」の近傍雰囲気を囲い、その可動式覆い部材８０内を酸化ガスで満たし、その状態で表面に光ビームを選択的に照射してよい。光ビームが照射された箇所は加熱されるので、その箇所のみ選択的に酸化膜が形成され、“局所的な酸化”がなされることになる。かかる態様では、光ビームの照射を制御することによって、比較的精度良く局所的な酸化処理を行うことができる。酸化ガスとしては、特に制限するわけではないが、例えば酸素ガスを用いてよい（可動式覆い部材８０内の雰囲気ガスの全てを酸素ガスにする必要はなく、他のガス成分が付加的に含まれていてもよい）。

局所的な酸化処理と同様、“局所的な還元処理”も種々の態様で実施することができる。例えば、造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面に対して還元剤を選択的に塗布することによって、局所的な還元処理を行ってよい。対象となる表面において空気などに起因して自然酸化膜が既に形成されている場合では所望の表面領域に還元剤を局所的に塗布して、酸化膜の還元を選択的に行ってよい。このような“局所的な還元処理”は、酸化膜の状態を制御する処理に相当し得るといえる。還元剤の局所的な塗布のために、例えばインクジェット法を用いてよい。つまり、インクジェットプリントヘッドから還元剤を表面に対して吹き付けることによって還元剤を局所的に塗布してよい。これにより、比較的精度良く選択的な還元を施すことができる。還元剤としては、特に制限するわけではないが、例えばアルデヒド剤またはフラックス剤などを用いてよい。

また、局所的な還元処理は、造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面を還元ガス雰囲気下で局所的な加熱に付すことによって行ってもよい。例えば、図６に示すように、光透過性の天面を備えた可動式覆い部材８０で「造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面」の近傍雰囲気を囲い、その可動式覆い部材８０内を還元ガスで満たし、その状態で表面に光ビームを選択的に照射してよい。光ビームが照射された箇所は加熱されるので、その箇所のみ選択的に酸化膜が除去され、“局所的な還元”がなされることになる。かかる場合、光ビームの照射を制御することによって、比較的精度良く局所的な還元処理を行うことができる。還元ガスとしては、特に制限するわけではないが、例えば水素ガスを用いてよい（可動式覆い部材８０内の雰囲気ガスの全てを水素ガスにする必要はなく、他のガス成分が付加的に含まれていてもよい）。

本発明の製造方法では局所的な濡れ性処理は種々の態様で行うことができる。例えば、濡れ性を局所的に変えることによって、表面において「相対的に高い濡れ性の高濡れ性領域」と「相対的に低い濡れ性の低濡れ性領域」とが交互に配置されるように高濡れ性領域および低濡れ性領域の双方を形成してよい。このように高濡れ性領域および低濡れ性領域を形成すると、固化層形成時に光ビーム照射で生じる粉末溶融物の偏在化についてムラが減り、より均一なポーラス構造を有する三次元形状造形物が得られることになる。

より具体的には、図７に示すように、規則性を有するように高濡れ性領域６０および低濡れ性領域６１が表面に配置されるように局所的な濡れ性処理を行ってよい。図示されるように平面視にて互いに直交する２方向のいずれにおいても高濡れ性領域６０と低濡れ性領域６１とが互いに隣接する配置となるように濡れ性を処理を行ってよい。このような局所的な濡れ性処理では、表面全体での高濡れ性領域６０または低濡れ性領域６１の割合を変えることによって、三次元形状造形物の密度制御をより好適に行うことができる。これは、積層化された固化層、すなわち、三次元形状造形物で低密度化の程度を制御できることを意味しているだけでなく、積層化方向に密度勾配を有するように三次元形状造形物の密度を制御できることも意味している。また、図７に示すような高濡れ性領域６０と低濡れ性領域６１との規則的な配置では、いわゆる“傾斜的”に濡れ性の程度を変えることができる。具体的には、高濡れ性領域６０または低濡れ性領域６１の割合を積層化方向または水平方向で漸次変えると、濡れ性の程度を積層化方向または水平方向で漸次変化させることができる。つまり、そのような積層化方向または水平方向において密度を漸次変化させる制御が可能となる。

最後に、三次元形状造形物が金型として使用される場合に関連した態様について付言しておく。三次元形状造形物を金型として使用する場合、三次元形状造形物のうち金型キャビティ形成面となる表面を高密度な面にすべく密度制御を行ってもよい。具体的には、金型キャビティ形成面を成す固化層部分がより高い密度を有することになるように、その部分の形成に“高濡れ性領域”を利用してよい。高濡れ性領域では固化層形成時に粉末溶融物が凝集することにより密度向上がもたらされ得るからである。また、ポーラス構造から成るガス抜き路を三次元形状造形物に設ける場合では金型キャビティの形成面にポーラス構造が露出するようにしておいてよい。原料樹脂が金型に導入された際に金型キャビティ内のガスを金型キャビティ形成面を介して外部へと排出させることができるからである。更にいえば、密度制御・ポーラス構造形成などとは異なる観点ではあるが、三次元形状造形物のうち金型キャビティ形成面となる表面は“高濡れ性”にしておいてもよい。原料樹脂が金型に導入された際、“高濡れ性”に起因して金型キャビティ全体へと原料樹脂が行き渡り易くなるからである。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、それは本発明の適用範囲のうちの典型例を示したに過ぎない。従って、本発明は、上記にて説明した実施形態に限定されず、種々の変更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、光ビーム照射時に生じる粉末溶融物に対する表面の濡れ性（すなわち、造形プレートまたは最直近で形成された固化層の表面の濡れ性）の程度をより好適なものとするために、粉末を前処理に付しておいてもよい。例えば、粉末床溶融結合法に用いる粉末（すなわち、粉末層形成に用いられ、ひいては固化層形成に供される粉末）に対して酸化処理または還元処理などを予め施しておいてもよい。

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）造形プレート上の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
により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、
前記固化層形成のために、前記造形プレートまたは最直近で形成された前記固化層の表面の濡れ性を局所的に変えることを含む、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、前記局所的に変えた前記濡れ性によって前記三次元形状造形物にポーラス構造を形成する、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、前記表面の粗さまたは該表面の温度を局所的に変えることによって、前記濡れ性を前記局所的に変える、三次元形状造形物の製造方法。
第４態様：上記第１態様〜第３態様のいずれかにおいて、前記表面を局所的に酸化処理または還元処理することによって、前記濡れ性を前記局所的に変える、三次元形状造形物の製造方法。
第５態様：上記第１態様〜第４態様のいずれかにおいて、前記濡れ性を前記局所的に変え、前記表面において相対的に高い濡れ性の高濡れ性領域と相対的に低い濡れ性の低濡れ性領域とが交互に配置されるように該高濡れ性領域および該低濡れ性領域を形成する、三次元形状造形物の製造方法。

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、三次元形状造形物が金属材料から成る場合、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、三次元形状造形物が樹脂材料から成る場合、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。

Claims

（ｉ）造形プレート上の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
により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、
前記固化層形成のために、前記造形プレートまたは最直近で形成された前記固化層の表面の濡れ性を局所的に変えることを含む、三次元形状造形物の製造方法。
前記局所的に変えた前記濡れ性によって前記三次元形状造形物にポーラス構造を形成する、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記表面の粗さまたは該表面の温度を局所的に変えることによって、前記濡れ性を前記局所的に変える、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記表面を局所的に酸化処理または還元処理することによって、前記濡れ性を前記局所的に変える、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記濡れ性を前記局所的に変え、前記表面において相対的に高い濡れ性の高濡れ性領域と相対的に低い濡れ性の低濡れ性領域とが交互に配置されるように該高濡れ性領域および該低濡れ性領域を形成する、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。