JP6778887B2

JP6778887B2 - 三次元形状造形物の製造方法

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Application number: JP2018553006A
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Inventors: 暁史中村; 吉田　徳雄; 徳雄吉田; 功康中島
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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、光ビーム照射によって複数の固化層を逐次形成する三次元形状造形物の製造方法に関する。

光ビーム照射によって複数の固化層を逐次形成して三次元形状造形物を製造する方法は、従来より知られている。かかる方法として「粉末床溶融結合法」と「ＬＭＤ（Laser Metal Deposition, レーザーメタルデポジション）法」が挙げられる。

粉末床溶融結合法は、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。
（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２２の所定箇所に光ビームＬを照射して粉末層２２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２４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２１とは一体化物を成すことになり、その一体化物を例えば金型として使用することができる。

一方、ＬＭＤ（Laser Metal Deposition, レーザーメタルデポジション）法とは、例えば造形プレート上にて原料の供給と光ビーム照射とを実質的に同時に行って固化層を形成する方法である。上記の粉末床溶融結合法とＬＭＤ法とを比べると、粉末床溶融結合法は、固化層の形状精度を比較的高くできる一方、固化層形成のための時間が比較的長くなるという特徴を有する。これに対して、ＬＭＤ法は、固化層の形状精度が比較的低くくなる一方、固化層形成のための時間を比較的短くできるという特徴を有する。

ＬＭＤ法でも上記の粉末床溶融結合法と同様に積層化した固化層が所定厚みに達すると、切削ステップへと移行し、最終的には積層化した固化層から成る所望形状の三次元形状造形物を得ることができる。なお、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、その一体化物を例えば金型として使用できる。

特開２０１６−２５６５号公報

本願発明者らは、粉末床溶融結合法およびＬＭＤ法のうち、後者のＬＭＤ法で三次元形状造形物を製造する場合、特に内部に中空領域を備える三次元形状造形物を製造する場合には以下の問題が生じ得ることを見出した。具体的には、ＬＭＤ法では、上述のように原料１９’の供給と光ビームＬ’の照射とを実質的に同時に行うことで新たな固化層を形成する（図８参照）。かかる原料１９’の供給と光ビームＬ’の照射とは、図８に示すように土台となる既に形成した固化層２４’上にて行う必要がある。換言すれば、土台となる固化層２４’が最直下に存在しない領域５０’（図８の斜線部分に相当）では、原料１９’の供給と光ビームＬ’の照射とを行って新たな固化層を形成することは物理的に困難である。このように新たな固化層の形成が物理的に困難な領域が存在すると、最終的に内部に中空領域を備えた三次元形状造形物を好適に形成することはできない。

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、原料の供給と光ビーム照射とを実質的に同時に行って固化層を形成する場合においても、内部に中空領域を備える三次元形状造形物をより好適に製造可能な方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の一態様では、
光ビーム照射によって複数の固化層を逐次形成して、内部に中空領域を備えた三次元形状造形物を製造するための方法であって、
固化層は、原料の供給時に光ビーム照射を行い、供給された原料を焼結又は溶融固化させることによって形成しており、
後続する固化層を形成するための土台として用いる土台固化部を三次元形状造形物の一部として形成し、および
後続する固化層の形成に先立って、土台固化部の向きを変える、三次元形状造形物の製造方法が提供される。

本発明の一態様によれば、原料の供給と光ビーム照射とを実質的に同時に行って固化層を形成する場合においても、内部に中空領域を備える三次元形状造形物をより好適に製造可能である。

本発明の一態様に係る製造方法を模式的に示した斜視図本発明の一態様に係る製造方法を模式的に示した断面図土台固化部の両側部に後続する固化層を形成する態様を模式的に示した断面図ベース部材の両主面に土台固化部を含む三次元形状造形物を製造する態様を模式的に示した断面図複数の土台固化部の各々を土台として後続する固化層を形成する態様を模式的に示した断面図土台固化部上に設けられる後続する固化層の別の形成態様を模式的に示した断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本願発明者らが見出した技術的課題を説明するための模式的断面図

以下では、図面を参照して本発明の一態様に係る製造方法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「固化層」は、原料として例えば金属粉末を用いる場合には「焼結層」を意味し、原料として例えば樹脂粉末を用いる場合には「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、固化層の積層方向に基づいており、本発明の製造方法の実施に際して固化層が積層される方向を「上方向」とし、その反対側を「下方向」とする。便宜的には、鉛直方向下向き（すなわち、重力が働く方向）が「下向き」に相当し、その逆向きが「上向き」に相当すると捉えることができる。

［ＬＭＤ法］
以下、本発明の一態様で用いるＬＭＤ（Laser Metal Deposition, レーザーメタルデポジション）法について説明する。ＬＭＤ法とは、例えば造形プレート上にて原料の供給と光ビーム照射とを実質的に同時に行って固化層を形成する方法である。ＬＭＤ法は、固化層の形状精度が比較的低くくなる一方、固化層形成のための時間を比較的短くできるという特徴を有する。

固化層の形成を繰り返し行い、積層化した固化層が所定厚みに達すると、切削ステップへと移行し、最終的には積層化した固化層から成る所望形状の三次元形状造形物を得ることができる。なお、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り得る。そのため、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、その一体化物を例えば金型として使用できる。

ＬＭＤ法で用いる原料としては、粉末および／または溶加材を用いてよい。つまり、ＬＭＤ法では、原料供給箇所に光ビームが照射されると共に、原料としての粉末または溶加材が供給されることにより、その供給される粉末および／または溶加材から固化層を形成する。なお、溶加材は粉末形態を通常有していない。

粉末の種類は、粉末床溶融結合法で用いる粉末の種類と同じであってよい。一方、溶加材は、溶接原料のことを指しており、光ビームが照射されると溶融し得るものを指す。溶加材の材質は、特に限定されるものではないが金属であってよい。溶加材の形状は、特に限定されるわけではないが、光ビームが照射される原料供給箇所への原料としての溶加材の供給のし易さの観点からワイヤー形状又は棒形状等の細長い形状が好ましい。

原料として粉末が用いられる場合、供給された粉末を光ビーム照射によって焼結又は溶融固化させて粉末から固化層を直接的に形成する。つまり、粉末を供給しつつ光ビーム照射を行って固化層を形成する。好ましくは、出射される光ビームに粉末が噴霧供給されるようにしており、その噴霧供給された粉末の焼結又は溶融固化を通じて固化層を形成する。

一方、原料として溶加材が用いられる場合、出射される光ビームに溶加材を供給し、溶加材の一部を光ビームによって溶融させ、それにより溶融させた溶加材の一部から固化層を形成する。つまり、かかる場合も粉末と同様、溶加材を供しつつ光ビーム照射を行って固化層を形成する。

［本発明の製造方法］
本願発明者らは、図８に示すように土台となる固化層２４’が最直下に存在しない領域５０’（図８の斜線部分に相当）では、原料１９’の供給と光ビームＬ’の照射を行って新たな固化層を形成することは物理的に困難であることを見出した。新たな固化層の形成が物理的に困難な領域が存在すると、それに起因して、最終的に内部に中空領域を備えた三次元形状造形物を好適に形成することはできない。そこで、本願発明者らはかかる技術的課題を解決するために鋭意検討し、本発明の一態様に係る製造方法を案出するに至った。

本発明の一態様は、中空領域を備える三次元形状造形物を製造するに際して、原料の供給と光ビーム照射とを実質的に同時に又は並行して行うことで得られる固化層の形成態様に特徴を有する。

具体的には、本発明の一態様では、中空領域６０Ａを備える三次元形状造形物１００Ａの製造途中にて後続する固化層２４Ａｃの土台として用いる土台固化部２４Ａｂを三次元形状造形物１００Ａの一部として形成する。本発明の一態様では、土台固化部２４Ａｂを形成した後、後続する固化層２４Ａｃの形成に先立って当該土台固化部２４Ａｂの向きを変える（図１および図２参照）。

本明細書でいう「中空領域」とは、広義には固化層が存在しない空間領域を指し、狭義には三次元形状造形物を例えば金型として用いる場合には温調媒体（冷却媒体又は加熱媒体）を通過させるための空間領域を指す。本明細書でいう「土台固化部」とは、広義には後刻に形成される後続する固化層を支える土台として機能するものを指す。本明細書でいう「土台固化部」とは、狭義には後刻に形成される後続する固化層を支える土台として機能するものであって、かつ土台固化部の形成に先行して形成される固化層上に段差部を成すように設けられるものを指す。本明細書でいう「後続する固化層」とは、土台固化部の形成後に形成される固化層を指す。本明細書でいう「土台固化部の向き」とは、土台固化部を構成する固化層の積層方向の向きを実質的に指す。また、本明細書でいう「土台固化部の向きを変える」とは、土台固化部を構成する固化層の積層方向の向きを土台固化部の形成前の時点のものと異なる方向にすることを実質的に指す。

本発明の一態様では、後続する固化層２４Ａｃの土台として用いる土台固化部２４Ａｂの向きを変える。土台固化部２４Ａｂの向きを変えると、土台固化部２４Ａｂの表面を形作る所定領域の位置が変わり得る。かかる土台固化部２４Ａｂの表面を形作る所定領域の位置の変化により、土台固化部２４Ａｂの向きを変える前にて固化層を形成可能な土台固化部の表面の所定領域（例えば上面部）とは異なる領域を、後続する固化層２４Ａｃを支持可能な箇所に位置づけることが可能となる。そのため、土台固化部２４Ａｂの向きを変えた後に、かかる土台固化部２４Ａｂの表面の所定領域とは異なる領域（例えば当初の側部）にて後続する固化層２４Ａｃを形成することが可能となり得る。かかる土台固化部２４Ａｂの表面の所定領域とは異なる領域上にて固化層が形成可能となることを利用すれば、以下の効果が奏され得る。具体的には、例えば土台となる固化層が最直下に存在しない領域においても、当該中空領域６０Ａに沿うように新たな固化層、すなわち土台固化部２４Ａｂの形成に後続する固化層２４Ａｃを好適に形成することが可能となり得る。つまり、固化層の形成が物理的に困難な領域の発生が回避され得る。従って、かかる固化層の物理的に形成困難な領域の発生回避に起因して、最終的に内部に中空領域６０Ａを備えた三次元形状造形物１００Ａを好適に形成できる（図１および図２参照）。

より詳細に説明すると、本発明の一態様では、まず図１（ａ）および図２（ａ）に示すように、原料１９Ａの供給と光ビームＬの照射とを実質的に同時に行って固化層を形成する。具体的には、本発明の一態様では、中空領域６０Ａを成す壁面６０Ａａの一部を形作るように複数の固化層２４Ａａを積層させる。

中空領域６０Ａを成す壁面６０Ａａの少なくとも一部を形作るように複数の固化層２４Ａａを積層させた後、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示すように原料１９Ａの供給と光ビームＬの照射とを実質的に同時に行って形成する複数の固化層から土台固化部２４Ａｂを形成する。かかる土台固化部２４Ａｂは、中空領域６０Ａ内への原料１９Ａの供給と光ビームＬの照射回避の観点から、土台固化部２４Ａｂの形成前に先行して形成した固化層２４Ａａ上に位置付けられる一方で中空領域６０Ａの一方の開口端部６０Ａｂ_１よりも内側に位置付けられないように設けられることが好ましい。かかる土台固化部２４Ａｂの設置により、土台固化部２４Ａｂの形成前に先行して形成した固化層２４Ａａの最上層の表面２４Ａａ_１と土台固化部２４Ａｂの最上面２４Ａｂ_１との間の高さの違いに起因して段差部が形成されることになる（図１（ｂ）および図２（ｂ）参照）。

土台固化部２４Ａｂを形成した後、図１（ｂ）〜（ｃ）および図２（ｂ）〜（ｃ）に示すように土台固化部２４Ａｂの向きを変える。

例えば、土台固化部２４Ａｂの向きを変える前と比べて、土台固化部２４Ａｂの側部２４Ａｂ_２が上面側に位置付けられ得るように土台固化部２４Ａｂの向きを変えてよい。特に限定されるものではないが、土台固化部２４Ａｂの向きの変更は、「土台固化部２４Ａｂの形成前に先行して形成した固化層２４Ａａと土台固化部２４Ａｂとから構成される三次元形状造形物の前駆体１００Ａａ」の位置又は向きを相対的に変える（好ましくは光ビームＬに対して相対的に変える）ことで為されてよい。また、特に限定されるものではないが、土台固化部２４Ａｂの向きの変更は、原料１９Ａの供給位置および光ビームＬの照射位置を相対的に変える（好ましくは前駆体１００Ａａに対して相対的に変える）ことで為されてよい。これに限定されることなく、土台固化部２４Ａｂの向きの変更は、三次元形状造形物の前駆体１００Ａａの位置、ならびに原料１９Ａの供給位置および光ビームＬの照射位置を共に相対的に変えることで為されてもよい。

土台固化部２４Ａｂの向きを変えた後、図１（ｃ）および図２（ｃ）に示すように、上面側に位置付けられ得る土台固化部２４Ａｂの側部２４Ａｂ_２に対して後続する固化層２４Ａｃの積層を開始する。かかる後続する固化層２４Ａｃの積層は、中空領域６０Ａを成す壁面６０Ａａの残りの部分を形作る観点から少なくとも中空領域６０Ａの一方の開口端部６０Ａｂ_１から他方の開口端部６０Ａｂ_２まで行われることが好ましい。また、得られる三次元形状造形物の好適な構造強度確保の観点から、後続する固化層２４Ａｃを以下のように積層することがより好ましい。例えば、中空領域６０Ａの一方の開口端部６０Ａｂ_１から他方の開口端部６０Ａｂ_２を介して対向する既に形成した固化層２４Ａａの最上層の表面を覆うように、後続する固化層２４Ａｃを積層することがより好ましい。

以上の工程を経ることによって、内部に中空領域６０Ａを備える三次元形状造形物１００Ａを最終的に得ることが可能となる（図１（ｄ）および図２（ｄ）参照）。

本発明では、当該土台固化部２４Ａｂの向きを変えた後に、向き変更前の土台固化部２４Ａｂの側部２４Ａｂ_２が土台固化部２４Ａｂの上面側に位置付けられるように構成され得る。そのため、土台固化部２４Ａｂの向きを変えた後に、かかる土台固化部２４Ａｂの側部２４Ａｂ_２にて、後続する固化層２４Ａｃを形成することが可能となり得る。これにより、中空領域の開口部を塞ぐように中空領域６０Ａを成す壁面６０Ａａの残りの部分を形作ることが可能となり得る。従って、かかる中空領域６０Ａを成す壁面６０Ａａの残りの部分を形作ることが可能となることに起因して、最終的には内部に中空領域６０Ａを備えた三次元形状造形物１００Ａを好適に形成することが可能となり得る。

本発明のある一態様として、土台固化部の一方の側部と一方の側部に対向する他方の側部の両方に後続する固化層を形成してよい。すなわち、土台固化部の一方の側面とその反対側に位置する他方の側面との両側面に対して後続する固化層を形成してよい。

最初に説明した態様は、土台固化部２４Ａｂの向きを変えた後、土台固化部２４Ａｂの一方の側部２４Ａｂ_２にのみ後続する固化層２４Ａｃを形成するものである（図１および図２参照）。これに対して、本態様は、土台固化部２４Ｂｂの向きを変えた後、土台固化部２４Ｂｂの一方の側部２４Ｂｂ_２１のみならず一方の側部２４Ｂｂ_２１に対向する他方の側部２４Ｂｂ_２２にも後続する固化層を形成することを特徴とする（図３参照）。かかる特徴により、本態様では、土台固化部２４Ｂｂの側部の両方にて後続する固化層をそれぞれ形成することが可能となり得る。そのため、後続する固化層のそれぞれの直下に中空領域の一部が形成されている場合において、各中空領域の開口部を塞ぐように各中空領域を成す壁面の残りの部分をそれぞれ形作ることが可能となり得る。従って、最終的に内部に２つの第１中空領域６０ＢＸおよび第２中空領域６０ＢＹを備えた三次元形状造形物１００Ｂを好適に形成することが可能となり得る。三次元形状造形物１００Ｂ内部に形成される中空領域の数が上記態様と比べて増え得ることで、三次元形状造形物１００Ｂを金型として用いる場合、各中空領域内に温調媒体をより好適に通すことが可能となり得る。これは、温調媒体と三次元形状造形物１００Ｂの熱エネルギーの交換をより効率的に行うことが可能となることを意味している。

図３（ａ）〜（ｄ）を参照して詳述しておく。まず図３（ａ）に示すように、原料１９Ｂの供給と光ビームＬの照射とを実質的に同時に行って固化層を形成する。より具体的には、２つの第１中空領域６０ＢＸを成す壁面６０ＢＸａの一部および第２中空領域６０ＢＹを成す壁面６０ＢＹａの一部をそれぞれ形作るように複数の固化層２４Ｂａを積層させる。

複数の固化層２４Ｂａを積層させた後、原料１９Ｂの供給と光ビームＬの照射とを実質的に同時に行って形成する複数の固化層から土台固化部２４Ｂｂを形成する。かかる土台固化部２４Ｂｂは、第１中空領域６０ＢＸ内への原料１９Ｂの供給と光ビームＬの照射回避の観点から、以下のように設置されることが好ましい。具体的には、土台固化部２４Ｂｂの形成前に先行して形成した固化層２４Ｂａ上に位置付けられる一方で、第１中空領域６０ＢＸの一方の開口端部６０ＢＸｂ_１よりも内側に位置付けられないように設けられることが好ましい。同様の観点から、土台固化部２４Ｂｂは、第２中空領域６０ＢＹ内への原料１９Ｂの供給と光ビームＬの照射回避の観点から、以下のように設置されることが好ましい。具体的には、土台固化部２４Ｂｂの形成前に先行して形成した固化層２４Ｂａ上に位置付けられる一方で、第２中空領域６０ＢＹの一方の開口端部６０ＢＹｂ_１よりも内側に位置付けられないように設けられることが好ましい。

土台固化部２４Ｂｂを形成した後、図３（ｂ）に示すように土台固化部２４Ｂｂの向きを変える。例えば、土台固化部２４Ｂｂの第１側部２４Ｂｂ_２１が上面側に位置付けられ得るように土台固化部２４Ｂｂの向きを変えてよい。

土台固化部２４Ｂｂの向きを変えた後、上面側に位置付けられ得る土台固化部２４Ｂｂの側部２４Ｂｂ_２１に対して後続する第１の固化層２４Ｂｃ_１の積層を開始する。かかる後続する第１の固化層２４Ｂｃ_１の積層は、第１中空領域６０ＢＸを成す壁面６０ＢＸａの残りの部分を形作る観点から少なくとも第１中空領域６０ＢＸの一方の開口端部６０ＢＸｂ_１から他方の開口端部６０ＢＸｂ_２まで行われることが好ましい。また、得られる三次元形状造形物の好適な構造強度確保の観点から、後続する第１の固化層２４Ｂｃ_１を以下のように積層することがより好ましい。例えば、第１中空領域６０ＢＸの一方の開口端部６０ＢＸｂ_１から他方の開口端部６０ＢＸｂ_２を介して対向する既に形成した固化層２４Ｂａの最上層の表面を覆うように、後続する第１の固化層２４Ｂｃ_１を積層することがより好ましい。

後続する第１の固化層２４Ｂｃ_１を積層形成した後、図３（ｃ）に示すように土台固化部２４Ｂｂの向きを更に変える。例えば、土台固化部２４Ｂｂの第２側部２４Ｂｂ_２２が上面側に位置付けられ得るように土台固化部２４Ｂｂの向きを更に変えてよい。特に限定されるものではないが、例えば土台固化部２４Ｂｂの第２側部２４Ｂｂ_２２が上面側に位置付けられ得るように、図３（ｂ）に示す状態から約１８０度回転させてよい。

土台固化部２４Ｂｂの向きを変えた後、上面側に位置付けられ得る土台固化部２４Ｂｂの第２側部２４Ｂｂ_２２に対して後続する第２固化層２４Ｂｃ_２の積層を開始する。かかる後続する第２の固化層２４Ｂｃ_２の積層は、第２中空領域６０ＢＹを成す壁面６０ＢＹａの残りの部分を形作る観点から少なくとも第２中空領域６０ＢＹの一方の開口端部６０ＢＹｂ_１から他方の開口端部６０ＢＹｂ_２まで行われることが好ましい。また、得られる三次元形状造形物の好適な構造強度確保の観点から、以下のように後続する第２の固化層２４Ｂｃ_２を積層することがより好ましい。例えば、第２中空領域６０ＢＹの一方の開口端部６０ＢＹｂ_１から他方の開口端部６０ＢＹｂ_２を介して対向する既に形成した固化層２４Ｂａの最上層の表面を覆うように、第２の固化層２４Ｂｃ_２を積層することがより好ましい。

以上の工程を経ることによって、内部に２つの第１中空領域６０ＢＸおよび第２中空領域６０ＢＹを備える三次元形状造形物１００Ｂを製造することが可能となる（図３（ｄ）参照）。

本発明のある一態様として、回転自在なベース部材を用い、そのベース部材を回転させることで、ベース部材の両主面に対して土台固化部を含む三次元形状造形物を製造してよい。

かかる態様は、原料１９Ｃの供給および光ビームＬの照射を実質的に同時に行って固化層を形成するために用いるベース部材２１Ｃとして回転自在なものを用いることを特徴とする。ベース部材２１Ｃが回転自在であるがゆえ、ベース部材２１Ｃの一方の主面２１Ｃ_１および他方の主面２１Ｃ_２の各々を上面側の面として位置付けることができ、各主面上にて原料１９Ｃの供給と光ビームＬの照射とを実質的に同時に行って固化層を形成できる。

まず、図４（ａ）に示すように、ベース部材２１Ｃの第１主面２１Ｃ_１上にて原料１９Ｃの供給と光ビームＬの照射とを実質的に同時に行って固化層を形成する。具体的には、２つの第１中空領域６０ＣＸおよび第２中空領域６０ＣＹのうちの第１中空領域６０ＣＸを成す壁面６０ＣＸａの一部を形作るように複数の固化層２４ＣＸａを積層させる。固化層２４ＣＸａを積層させた後、原料１９Ｃの供給と光ビームＬの照射とを実質的に同時に行って形成する複数の固化層から土台固化部２４ＣＸｂを形成する。かかる土台固化部２４ＣＸｂは、第１中空領域６０ＣＸ内への原料１９Ｃの供給と光ビームＬの照射回避の観点から以下のように設けられることが好ましい。具体的には、土台固化部２４ＣＸｂは、土台固化部２４ＣＸｂの形成前に先行して形成した固化層２４ＣＸａ上に位置付けられる一方で、第１中空領域６０ＣＸの一方の開口端部６０ＣＸｂ_１よりも内側に位置付けられないように設けられることが好ましい。

複数の固化層２４ＣＸａを積層させた後、ベース部材２１Ｃの第１面２１Ｃ_１に対向する第２主面２１Ｃ_２が上側に位置するようにベース部材２１Ｃを回転させる。ベース部材２１Ｃを回転させた後、ベース部材２１Ｃの第２主面２１Ｃ_２上にて原料１９Ｃの供給と光ビームＬの照射とを実質的に同時に行って固化層を形成する。具体的には、本態様では、２つの第１中空領域６０ＣＸおよび第２中空領域６０ＣＹのうちの第２中空領域６０ＣＹを成す壁面６０ＣＹａの一部を形作るように複数の固化層２４ＣＹａを積層させる。固化層２４ＣＹａを積層させた後、原料１９Ｃの供給と光ビームＬの照射とを実質的に同時に行って形成する複数の固化層から土台固化部２４ＣＹｂを形成する。かかる土台固化部２４ＣＹｂは、第２中空領域６０ＣＹ内への原料１９Ｃの供給と光ビームＬの照射回避の観点から以下のように設けられることが好ましい。具体的には、かかる土台固化部２４ＣＹｂは、土台固化部２４ＣＹｂの形成前に先行して形成した固化層２４ＣＹａ上に位置付けられる一方で、第２中空領域６０ＣＹの一方の開口端部６０ＣＹｂ_１よりも内側に位置付けられないように設けられることが好ましい。

土台固化部２４ＣＸｂおよび２４ＣＹｂを形成した後、図４（ｂ）に示すように土台固化部２４ＣＸｂおよび２４ＣＹｂの向きを変える。例えば土台固化部２４ＣＸｂの側部２４ＣＸｂ_２が上面側に位置付けられ得るように土台固化部２４ＣＸｂの向きを変えてよい。同様に、例えば土台固化部２４ＣＹｂの側部２４ＣＹｂ_２が上面側に位置付けられ得るように土台固化部２４ＣＹｂの向きを変えてよい。

土台固化部２４ＣＸｂおよび土台固化部２４ＣＹｂの向きを変えた後、上面側に位置付けられ得る土台固化部２４ＣＸｂの側部２４ＣＸｂ_２に対して後続する第１の固化層２４ＣＸｃの積層を開始する。かかる後続する第１の固化層２４ＣＸｃの積層は、第１中空領域６０ＣＸを成す壁面６０ＣＸａの残りの部分を形作る観点から少なくとも第１中空領域６０ＣＸの一方の開口端部６０ＣＸｂ_１から他方の開口端部６０ＣＸｂ_２まで行われることが好ましい。また、得られる三次元形状造形物の好適な構造強度確保の観点から、以下のように後続する第１の固化層２４ＣＸｃを積層することがより好ましい。より具体的には、第１中空領域６０ＣＸの一方の開口端部６０ＣＸｂ_１から他方の開口端部６０ＣＸｂ_２を介して対向する既に形成した固化層２４ＣＸａの最上層の表面を覆うように後続する第１の固化層２４ＣＸｃを積層することがより好ましい。同様に、土台固化部２４ＣＸｂおよび土台固化部２４ＣＹｂの向きを変えた後、上面側に位置付けられ得る土台固化部２４ＣＹｂの側部２４ＣＹｂ_２に対して後続する第２の固化層２４ＣＹｃの積層を開始する。かかる後続する第２の固化層２４ＣＹｃの積層は、第２中空領域６０ＣＹを成す壁面６０ＣＹａの残りの部分を形作る観点から以下のように行われることが好ましい。具体的には、後続する第２の固化層２４ＣＹｃの積層は、少なくとも第２中空領域６０ＣＹの一方の開口端部６０ＣＹｂ_１から他方の開口端部６０ＣＹｂ_２まで行われることが好ましい。また、得られる三次元形状造形物の好適な構造強度確保の観点から、以下のように第２の固化層２４ＣＹｃを積層することがより好ましい。より具体的には、第２中空領域６０ＣＹの一方の開口端部６０ＣＹｂ_１から他方の開口端部６０ＣＹｂ_２を介して対向する既に形成した固化層２４ＣＹａの最上層の表面を覆うように、後続する第２の固化層２４ＣＹｃを積層することがより好ましい。

以上の工程を経ることによって、ベース部材２１Ｃの一方の主面２１Ｃ_１と他方の主面２１Ｃ_２の各々の側に第１中空領域６０ＣＸおよび第２中空領域６０ＣＹをそれぞれ備える三次元形状造形物１００Ｃを製造することが可能となる（図４（ｃ）参照）。

本発明のある一態様として、土台固化部を複数形成することを含み、複数の土台固化部の各々を土台として後続する固化層を形成してよい。

かかる態様は、内部に中空領域を備えた三次元形状造形物１００Ｄの製造に際して、複数の土台固化部を形成することを特徴とする（図５参照）。具体的には、土台固化部は上述のように後刻に形成される後続する固化層を支える土台として機能し得る。この点につき、本態様は、複数の土台固化部２４Ｄｂ_１，２４Ｄｂ_２の各々を形成し、各土台固化部の向きを変えた上で、当該向きを変えた複数の土台固化部の各々を土台として後続する固化層２４Ｄｃ_１，２４Ｄｃ_２，２４Ｄｃ_３を形成する点に特徴を特に有する。つまり、本態様では、向きを変えた複数の土台固化部２４Ｄｂ_１，２４Ｄｂ_２の各々に直接接するように複数の後続する固化層２４Ｄｃ_１，２４Ｄｃ_２，２４Ｄｃ_３が形成されることになる。端的にいうと、複数の土台固化部の各々に隣接して各後続する固化層が設けられるため、各後続する固化層の配置態様は複数の土台固化部の各々の配置態様に相対的に大きく依存することになる。従って、複数の土台固化部を形成する場合、各土台固化部の配置箇所を適宜調整することで、それに応じて後続する固化層の配置箇所も適宜調整することができ得る。これに加え、後続する固化層の積層数等も調整すれば、例えば図１および図２に示す単一の土台固化部２４Ｄｂに後続する固化層２４Ｄｃを積層する場合に得られる中空領域６０Ｄの相対的にシンプルな形状と比べて、中空領域６０Ｄをより複雑な構造にすることができる。

より具体的に詳述する。まず図５（ａ）に示すように原料１９Ｄの供給と光ビームＬの照射とを実質的に同時に行って例えばベース部材上に断面視で略Ｌ字形の固化層２４Ｄａを積層する。かかる固化層２４Ｄａの形成に続いて、断面視で固化層２４Ｄａ上に複数の積層された固化層から構成される土台固化部２４Ｄｂ_１を形成する。

土台固化部２４Ｄｂ_１を形成した後、当該土台固化部２４Ｄｂ_１の向きを変更する。例えば、図５（ｂ）に示すように土台固化部２４Ｄｂ_１の側部２４Ｄｂ_１２が上面側に位置付けられ得るように土台固化部２４Ｄｂ_１の向きを変えてよい。特に限定されるものではないが、土台固化部２４Ｄｂ_１の向きの変更は、「土台固化部２４Ｄｂ_１の形成前に先行して形成した固化層２４Ｄａと土台固化部２４Ｄｂ_１とから構成される三次元形状造形物の前駆体１００Ｄａ」の位置・向きを相対的に変えることで為されてよい。また、特に限定されるものではないが、土台固化部２４Ｄｂ_１の向きの変更は、原料１９Ｄの供給位置および光ビームＬの照射位置を前駆体１００Ｄａに対して相対的に変えることで為されてよい。これに限定されることなく、土台固化部２４Ｄｂ_１の向きの変更は、三次元形状造形物の前駆体１００Ｄａの位置・向き、および原料１９Ｄの供給位置および光ビームＬの照射位置を共に相対的に変えることで為されてもよい。

土台固化部２４Ｄｂ_１の向きを変えた後、図５（ｂ）に示すように上面側に位置付けられ得る土台固化部２４Ｄｂ_１の側部２４Ｄｂ_１２に対して、後続する固化層２４Ｄｃ_１の積層を上側方向に向かい行う。

固化層２４Ｄｃ_１を積層した後、土台固化部２４Ｄｂ_１の向きを変更する。例えば、図５（ｂ）にて土台固化部２４Ｄｂ_１の側部２４Ｄｂ_１２が上面側に位置している状態から、図５（ｃ）に示すように断面視にて右側部側に位置付けられ得るように土台固化部２４Ｄｂ_１の向きを変更してよい。

土台固化部２４Ｄｂ_１の向きを変えた後、図５（ｃ）に示すように土台固化部２４Ｄｂ_１の上面部２４Ｄｂ_１１に対して後続する固化層２４Ｄｃ_２の積層を上側方向に向かい行う。また、図５（ｃ）に示すように、原料１９Ｄの供給と光ビームＬの照射とを実質的に同時に行って既に形成した固化層２４Ｄａ上に断面視で略逆Ｌ字形を成すように固化層２４Ｄａを更に積層する。当該略逆Ｌ字形を成す固化層２４Ｄａは、図５（ｃ）に示すように対向する土台固化部２４Ｄｂ_１の側部２４Ｄｂ_１２に形成する後続する固化層２４Ｄｃ_１と相互に離隔するように形成され得る。かかる固化層２４Ｄａの形成に続いて、断面視で固化層２４Ｄａ上に複数の積層された固化層から構成される土台固化部２４Ｄｂ_２を形成する。図５（ｃ）に示すように断面視で土台固化部２４Ｄｂ_２を、その上面部２４Ｄｂ_２１のレベルが対向するＬ字形状領域の固化層２４Ｄｃ_２の上面部２４Ｄｃ_２１のレベルよりも高くなるように構成し得る。

土台固化部２４Ｄｂ_２を形成した後、当該土台固化部２４Ｄｂ_２の向きを変更する。例えば、図５（ｄ）に示すように、土台固化部２４Ｄｂ_２の側部２４Ｄｂ_２２が上面側に位置付けられ得るように土台固化部２４Ｄｂ_２の向きを変えてよい。特に限定されるものではないが、土台固化部２４Ｄｂ_２の向きの変更は、土台固化部２４Ｄｂ_２形成時おける三次元形状造形物の前駆体１００Ｄａの位置・向きを相対的に変えることで為されてよい。また、特に限定されるものではないが、土台固化部２４Ｄｂ_２の向きの変更は、原料１９Ｄの供給位置および光ビームＬの照射位置を相対的に変えることで為されてよい。これに限定されることなく、土台固化部２４Ｄｂ_２の向きの変更は、三次元形状造形物の前駆体１００Ｄａの位置・向き、および原料１９Ｄの供給位置および光ビームＬの照射位置を共に相対的に変えることで為されてもよい。

土台固化部２４Ｄｂ_２の向きを変えた後、図５（ｄ）に示すように上面側に位置付けられ得る土台固化部２４Ｄｂ_２の側部２４Ｄｂ_２２に対して後続する固化層２４Ｄｃ_３の積層を上側方向に向かい行う。当該後続する固化層２４Ｄｃ_３は、図５（ｄ）に示すようにその側部２４Ｄｃ_３２がＬ字形状領域の固化層２４Ｄｃ_２の上面部２４Ｄｃ_２１と相互に接触するように構成され得る。

以上の工程を経ることによって、内部に複雑な形状を有した中空領域６０Ｄを備える三次元形状造形物１００Ｄを製造することが可能となる（図５（ｄ）参照）。

上述の本態様では、一例として土台固化部２４Ｄｂ_１および土台固化部２４Ｄｂ_２の各々を形成し、各土台固化部の向きを変えた上で当該向きを変えた土台固化部の各々を土台として後続する固化層２４Ｄｃ_１，２４Ｄｃ_２，２４Ｄｃ_３を形成する。つまり、向きを変えた土台固化部２４Ｄｂ_１，２４Ｄｂ_２の各々に直接接するように複数の後続する固化層２４Ｄｃ_１，２４Ｄｃ_２，２４Ｄｃ_３が形成されることになる。このように、複数の土台固化部の各々の配置箇所を適宜調整することで、それに応じて後続する固化層の配置箇所も適宜調整することができ得る。これに加え、後続する固化層の積層数等も調整すれば、例えば図５（ｄ）に示すような複雑な形状を有した中空領域６０Ｄを形成し得る。よって、例えば、三次元形状造形物を金型として用いる場合、中空領域６０Ｄが複雑構造を有し得ることに起因して、中空領域内に通し得る温調媒体と三次元形状造形物１００Ｄの熱エネルギーの交換をより効率的に行うことが可能となり得る。

本発明のある一態様として、土台固化部上に傾斜面を有して成る後続する固化層を形成してもよい。

本態様は、土台固化部上に後続する固化層として傾斜面を有して成るものを形成することを特徴とする。例えば、図２（ｃ）に示す態様では、土台固化部２４Ａｂの向きを変えた後、上面側に位置付けられ得る土台固化部２４Ａｂの側部２４Ａｂ_２に対して後続する固化層２４Ａｃの積層を行う。この際、断面視で土台固化部２４Ａｂの側部２４Ａｂ_２に設ける後続する固化層２４Ａｃの厚みが相対的に小さいと、以下の現象が生じ得る。具体的には、原料１９Ａの供給と光ビームＬの照射とを一体的に行うための加工ヘッド７０Ａの少なくとも一部が既に形成した固化層２４Ａａの最上層の表面に接触し、それに起因して後続する固化層２４Ａｃを積層方向に沿って好適に積層できない虞があり得る。かかる点に鑑み、本態様では、図６に示すように土台固化部２４Ｅｂの形成前に先行して形成した固化層２４Ｅａと土台固化部２４Ｅｂとから構成される三次元形状造形物の前駆体１００Ｅａの位置・向きを断面視で相対的に傾けることが好ましい（より具体的には、後続固化層の積層が鉛直方向と角度を成すように三次元形状造形物の前駆体１００Ｅａを傾けた状態にする）。これにより、略鉛直下方方向に光ビームＬと原料１９Ｅを供給し得る加工ヘッド７０Ｅが当該三次元形状造形物の前駆体１００Ｅａに接触することが回避され得る（具体的には、図６に示すように固化層２４Ｅａの最上層の表面に接触することが回避され得る）。また、これに限定されず、原料１９Ｅの供給方向および光ビームＬの照射方向が斜めとなるように加工ヘッド７０Ｅを傾けて、三次元形状造形物の前駆体１００Ｅａに、具体的には固化層２４Ｅａの最上層の表面への加工ヘッド７０Ｅの接触が回避されてもよい。更にこれに限定されず、三次元形状造形物の前駆体１００Ｅａへの加工ヘッド７０Ｅの接触回避の観点から、以下のように、加工ヘッド７０Ｅおよび三次元形状造形物の前駆体１００Ｅａを位置付けてよい。具体的には、原料１９Ｅの供給方向および光ビームＬの照射方向が斜めとなるように加工ヘッド７０Ｅを傾け、かつ三次元形状造形物の前駆体１００Ｅａの位置を断面視で相対的に傾けてもよい。

本態様では、上記対応により加工ヘッド７０Ｅが三次元形状造形物の前駆体１００Ｅａに、具体的には固化層２４Ｅａの最上層の表面に接触することが回避され得る。そのため、土台固化部２４Ｅｂの側部２４Ｅｂ_２にて傾斜面８０Ｅを有して成る後続する固化層２４Ｅｃを好適に形成可能となる。より具体的には、原料１９Ｅの供給方向および光ビームＬの照射方向が斜めとなるように（好ましくは後続固化層の積層方向に対して角度を成すように斜めの条件が得られるように）、三次元形状造形物の前駆体１００Ｅａの位置を断面視で相対的に傾ける及び/又は加工ヘッド７０Ｅを傾けることで当該後続する固化層２４Ｅｃを好適に形成可能となる。これにより、中空領域６０Ｅの開口部を塞ぐように中空領域６０Ｅを成す壁面６０Ｅａの残りの部分を好適に形作ることが可能となり得る。従って、かかる中空領域６０Ｅを成す壁面６０Ｅａの残りの部分を好適に形作ることが可能となることに起因して、最終的に内部に中空領域６０Ｅを備えた三次元形状造形物をより好適に形成することが可能となり得る。

本発明のある一態様として、中空領域６０Ａを成す壁面６０Ａａの形成のための原料として、相対的に熱伝導性の高い金属、例えば銅および/又はアルミニウム等を用いてもよい（図１および図２等参照）。

内部に中空領域を備えた三次元形状造形物を金型として用いる場合、温調媒体を流すための温調媒体路として中空領域を用いることが可能である。この場合、例えばキャビティ形成面側と温調媒体の間の熱エネルギーの移動を効率的および効果的に行う観点から、中空領域６０Ａを成す壁面６０Ａａの形成のための原料として、銅および/又はアルミニウム等の材料を用いてよい。一方、特に限定されるものではないが、内部に中空領域を備えた三次元形状造形物を金型として用いる場合、断面視で土台固化部２４Ａｂおよび土台固化部２４Ａｂ上に設けられる後続する固化層２４Ａｃの形成箇所は、キャビティ形成面となり得る（図１および図２等参照）。キャビティ形成面は成形時に成形圧力がかかりやすい箇所であり得るため、相対的に高い構造強度が要求され得る。そのため、例えば、断面視で土台固化部２４Ａｂおよび土台固化部２４Ａｂ上に設けられる後続する固化層２４Ａｃの形成のための原料として、相対的に剛性の高い鉄および/又はステンレス等を用いてもよい。

以上、本発明のある好適な例示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、上記にて説明したものに限定されず、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、本発明で実施するＬＭＤ法では三次元形状造形物の製造原料として粉末と溶加材とを併用してもよい。例えば、製造される三次元形状造形物のある部分は“粉末”の原料を用いる一方、別の部分は“溶加材”の原料を用いてもよい。

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：光ビーム照射によって複数の固化層を逐次形成して、内部に中空領域を備えた三次元形状造形物を製造するための方法であって、
前記固化層を、原料の供給時に前記光ビーム照射を行い、供給された該原料を焼結又は溶融固化させることによって形成し、
後続する前記固化層を形成するための土台として用いる土台固化部を前記三次元形状造形物の一部として形成し、および
前記後続する前記固化層の形成に先立って、前記土台固化部の向きを変える、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、前記土台固化部の側部に対して前記後続する前記固化層が積層されるように前記土台固化部の前記向きを変える、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、前記中空領域を成す壁面の一部分を形作った後、前記土台固化部の前記向きを変える、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、前記土台固化部の前記向きを変えた後に、前記中空領域を成す前記壁面の残りの部分を形作るように前記後続する前記固化層を形成する、三次元形状造形物の製造方法。
第５態様：上記第２態様〜第４態様のいずれかにおいて、前記土台固化部の一方の前記側部と該一方の該側部に対向する他方の側部の両方に前記後続する前記固化層を形成する、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、回転自在なベース部材を用い、該ベース部材を回転させることを通じて、該ベース部材の両主面に対して前記土台固化部を含む前記三次元形状造形物を製造する、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、前記土台固化部を複数形成することを含み、
前記複数の前記土台固化部の各々を前記土台として前記後続する前記固化層を形成する、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、前記原料として粉末および／または溶加材を用いる、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

光ビーム照射によって複数の固化層を逐次形成して、内部に中空領域を備えた三次元形状造形物を製造するための方法であって、
前記固化層を、原料の供給時に前記光ビーム照射を行い、供給された該原料を焼結又は溶融固化させることによって形成し、
後続する前記固化層を形成するための土台として用いる土台固化部を前記三次元形状造形物の一部として形成し、および
前記後続する前記固化層の形成に先立って、前記土台固化部の向きを変えており、
前記原料としては、金属粉末および／または金属溶加材を用い、
前記土台固化部が段差部を成しており、該段差部を成す前記土台固化部の向きを変えた後に該土台固化部の当初の側面において前記後続する前記固化層を形成する、三次元形状造形物の製造方法。
前記中空領域を成す壁面の一部分を形作った後、前記土台固化部の前記向きを変える、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記土台固化部の前記向きを変えた後に、前記中空領域を成す前記壁面の残りの部分を形作るように前記後続する前記固化層を形成する、請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記土台固化部の一方の前記側部と該一方の該側部に対向する他方の側部の両方に前記後続する前記固化層を形成する、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方法。
回転自在なベース部材を用い、該ベース部材を回転させることを通じて、該ベース部材の両主面に対して前記土台固化部を含む前記三次元形状造形物を製造する、請求項１〜４のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記土台固化部を複数形成することを含み、
前記複数の前記土台固化部の各々を前記土台として前記後続する前記固化層を形成する、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。