JP6906939B2 - ３次元造形物の製造方法、部品、および、製造プログラム - Google Patents

Description

本発明は、３次元造形物の製造方法、部品、および、製造プログラムに関するものである。

積層造形（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）を利用して部品・製品を製造する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。近年、積層造形の技術を利用した製造装置として、３Ｄプリンタが脚光を浴びている。積層造形は、複雑な形状に形成された、少数の部品・製品を製造するのに適した技術である。しかし、積層造形で部品・製品を製造する場合、オーバーハングを有する形状、つまり上側の層が下側の層から突出している領域を有する形状を造形するのが難しい。

上記状況に鑑み、オーバーハングの部分、つまり下の層から突出している部分にサポート部材を設けることで、オーバーハングの発生を回避する技術がある。この場合、積層造形により形成した部品から、サポート部分を除去する必要が生じる。このサポート部分の除去を容易にする技術が開示されている（例えば、特許文献２、特許文献３）。

また、３Ｄプリンタを用いた部品の製造方法として、複数の部材を溶接等により接合して、複雑な構造を持つ部品を製造することが開示されている（例えば、特許文献４）。この部材の接合に、各部材が機械的な係止を用いる方法が開示されている（例えば、特許文献５）。

特開２００５‐１７１２９９号公報 特表平９‐５１１７０５号公報 特許第３６６００６９号公報 特開２０１５‐６７９０２号公報 特表２０１６‐５１３２０９号公報

以上のように、積層造形により、オーバーハングを有する部品を製造するには、サポート部材により部品を支えるため、サポート部材を除去する工程が発生してしまう。また、製造装置より大きな部品を製造する場合など、部材を接合して成形する場合には、係止めを有する形状の設計や、接合部分の溶接などが必要である。

上記状況を鑑み、本発明は、積層造形を用いた、任意の形状の部品の容易な製造方法を提供することを目的とする。

以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係の一例を示すために、参考として、括弧付きで付加されたものである。よって、括弧付きの記載により、特許請求の範囲は、限定的に解釈されるべきではない。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る３次元造形物の製造方法は、製造されるべき３次元造形物（１０、５０）を、少なくとも１の分割面で分割して得られる複数の部材（１１、２０、７０’、８１、８２’、６１）の構造データを作成するデータ作成工程（Ｓ１１〜Ｓ１６）と、構造データを用いて、ベース面に基づき積層造形により複数の部材を成形する部材成形工程（Ｓ１７）と、複数の部材を組み立てる組立工程（Ｓ１８）とを含む。複数の部材は、第１部材（２０）と第２部材（１１）とを備える。第１部材（２０）は、分割面に含まれ、凹部が形成された第１接合面（２１）を備える。第２部材（１１）は、分割面に含まれ、第１接合面（２１）と接合する第２接合面（２２）を備える。

データ作成工程（Ｓ１１〜Ｓ１６）に、ベース面を決定する工程（Ｓ１１）を含んでもよい。また、分割面は、ベース面に基づき決定されてもよい。

第２分割面（２２）が、第１分割面（２１）の凹部（３１）に嵌合するように凸部（４１）が形成されていることが望ましい。

組立工程に、第２分割面（２２）と第１分割面（２１）の凹部（３１）により囲まれる空間（９０）に、粉末を注入する工程と、部材を組み立てる工程と、組み立てた部材を熱処理する工程とを含んでもよい。

第１分割面（２１）の凹部（３１）は、所定の形状が第１方向に周期的に繰り返されて形成されていてもよい。

第１分割面（２１）の凹部（３１）の幅が１ｃｍ未満であることが望ましい。

第１分割面（２１）の凹部（３１）の深さが、凹部の幅より長いことが望ましい。

分割面が、ベース面と平行な面であることが望ましい。

データ作成工程に、３次元造形物（１０、５０）又は複数の部材（１１、２０、７０、８１、８２、６１）にオーバーハングの部分が存在するかを判断する工程（Ｓ１２）と、オーバーハングの部分が存在する場合、オーバーハングを解消するように分割面を決定する工程（Ｓ１３〜Ｓ１５）とを含んでもよい。

本発明の第２の態様に係る部品は、他の部材と接合するための接合面（２２）を備える。接合面（２２）は、第１方向に周期的に繰り返された凸部（４１）を備える。凸部（４１）は、柱状形状であり、幅は１ｃｍ未満である。

本発明の第３の態様に係る３次元造形物の製造プログラムは、製造されるべき３次元造形物（１０、５０）を、少なくとも１の分割面で分割して得られる複数の部材（１１、２０、７０’、８１、８２’、６１）の構造データを作成する手段（Ｓ１１〜Ｓ１６）と、構造データを用いて、ベース面を基準とした積層造形により複数の部材を成形する手段（Ｓ１７）とを含む。複数の部材（１１、２０）は、第１部材（２０）と第２部材（１１）とを備える。第１部材（２０）は、分割面に含まれ、凹部が形成された第１接合面（２１）を備える。第２部材（１１）は、分割面に含まれ、第１接合面（２１）と接合する第２接合面（２２）を備える。

本発明によれば、積層造形を用いて容易に、任意の形状の部品を製造できるという利点がある。

本実施の形態１に係る部品の製造方法の処理に関するフロー図である。 図１の製造方法を説明するために例示する部品の斜視図である。 図１の製造段階における斜視図である。 図３の下部の断面図である。 図４のＡの拡大図である。 図５のＢ−Ｂ断面図である。 図５のＣ−Ｃ断面図である。 図３の蓋部の断面図である。 図８のＤの拡大図である。 図９のＥ−Ｅ断面図である。 本実施の形態２に係る部品の製造方法の処理に関するフロー図である。 本実施の形態２に係る部品の製造方法の処理に関するフロー図である。 本実施の形態２に係る部品の製造方法の処理に関するフロー図である。 図１１Ａから図１１Ｃの製造方法を説明するために例示する部品の斜視図である。 図１２の製造段階における部品の斜視図である。 図１２の製造段階における図１３の第１上部の斜視図である。 図１２の製造段階における図１４の第２上部の斜視図である。 図１２の製造段階における図１４の第１中部の斜視図である。 図１２の製造段階における図１６の第３中部の斜視図である。 本発明に係る部品の製造方法を実現するコンピュータの構成図である。 変形例に係る接合面の断面図である。 変形例に係る接合面の断面図である。 変形例に係る接合面の断面図である。 変形例に係る接合面の断面図である。 変形例に係る接合面の断面図である。 変形例に係る接合面の断面図である。 変形例に係る接合面の断面図である。 図２５のＦ−Ｆ断面図である。 ３Ｄプリンタの概略図である。 オーバーハングを説明するための図である。

積層造形には、選択的レーザ焼却方式（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ：ＳＬＳ）などのパウダーベッド方式や、熱溶解積層法（Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ：ＦＤＭ）などのディポジット方式などがある。これらの積層造形で部品を製造する装置として、３Ｄプリンタが挙げられる。３Ｄプリンタは、ＣＡＤなどの設計支援ツールで作成した構造データなどに基づき、積層造形により部品を製造することができる。このため、複雑な形状（例えば、ターボチャージャー、コンプレッサー、航空エンジン部品など）の部品を製造するのに使用される。３Ｄプリンタで製造する部品の材料としては、ステンレス鋼、アルミニウム、チタンなどの金属、ＡＢＳ樹脂、ＰＬＡ樹脂などの樹脂などが用いられる。以降、積層造形により部品を製造する装置を３Ｄプリンタという。

図２７に示すように、パウダーベッド方式の３Ｄプリンタ１００は、制御部１０１と、レーザ照射部１０２と、ワイパー１０３と、ベースプレート１０４とを備える。

制御部１０１は、レーザ照射部１０２のレーザ照射位置、ベースプレート１０４の位置、ワイパー１０３の制御、粉末１０５の注入などの３Ｄプリンタの制御を行う。制御部１０１はコンピュータ２００で作成された構造データに基づき、３Ｄプリンタの各部を制御する。この結果、３Ｄプリンタは積層造形により部品を成形する。

３Ｄプリンタで成形する際には、まずベースプレート１０４の上に、レーザ照射により固化する粉末１０５が注入される。次にワイパー１０３を制御し、粉末１０５の表面を平らにする。続いて、成形する構造に合わせて、レーザ照射部１０２からレーザが照射される。この結果、第１層１０６が固化する。

次に、第２層１０７を固化するため、ベースプレート１０４が下げられる。再度、粉末１０５が注入される。ワイパー１０３を制御し、粉末１０５の表面を平らにする。レーザ照射部１０２からレーザが照射され、第２層１０７が固化する。

これを繰り返すことで、３Ｄプリンタは、３次元の造形物を成形する。つまり、３Ｄプリンタは、ベースプレート１０４の上面に平行な層を積み上げていくことで、３次元の造形物を成形する。ここでは、このベースプレート１０４の上面に平行な面をベース面という。つまり、造形物はベース面に基づき層を積み上げ成形される。

積層造形は、その成形工程上、オーバーハングを有する形状、つまり下側に空洞を有する形状を成形するのは難しい。オーバーハングは、図２８に示すように、ある層３００の上面と、その上の層３０１、３０２、３０３の端により形成される面３０４との角度αが所定の角度よりも小さい形状をいう。つまり、オーバーハングは、ベース面と面３０４との角度が所定の角度より小さい形状を指す。このオーバーハングを有すると判断する角度は、製造する部品の材質、大きさ、オーバーハングの部分の大きさなどにより変化する。この基準になる角度を３０度よりも大きく９０度未満の範囲に設定するのが望ましい。さらに好適には、４５度よりも大きく６０度未満の範囲に設定するのが望ましい。

（実施の形態１）
積層造形による製造方法１（図１）により、図２に示す部品１０を製造する手順を説明する。

（部品１０の形状）
部品１０の形状を説明する。図２に示すように、部品１０は円柱状の形状を有する。部品１０は、蓋部１１と、周壁部１２と、底部１３とから構成されている。部品１０の内部に空洞１５が設けられている。空洞１５は、部品１０の上端部に設けられている接続孔１４を介して、部品１０の外部につながっている。ここで、部品１０の中心から蓋部１１に向かう方向、つまり紙面上方向を上として説明する。部品１０の中心から底部１３に向かう方向、つまり紙面下方向を下として説明する。なお、下方向が重力方向を意味するものではない。

蓋部１１は部品１０の上端部を構成する。蓋部１１の上下方向の長さは、接続孔１４の上下方向の長さと同じである。

接続孔１４は蓋部１１の中心を上下に貫通している、円柱状の空洞である。接続孔１４の直径は、蓋部１１の直径の１／５の長さである。

周壁部１２は蓋部１１の下側に配置されている。周壁部１２の上下方向の長さは、空洞１５の上下方向の長さと同じである。

空洞１５は周壁部１２の中心を上下に貫通している、円柱状の空洞である。空洞１５の直径は、周壁部１２の直径の３／５の長さである。空洞１５は、接続孔１４を介して、部品１０の外部とつながっている。

底部１３は周壁部１２の下側に配置され、部品１０の下端部を構成する。

空洞１５の直径が接続孔１４の直径よりも大きいため、部品１０はオーバーハングを有する形状である。

（部品１０の製造方法）
製造方法１で、部品１０を製造する概要を説明する。部品１０からオーバーハングの部分である蓋部１１を抽出する。次に、図３に示すように、オーバーハングを解消するように、抽出した蓋部１１と、それ以外の下部２０とに分割する。分割した結果、蓋部１１の部材と、下部２０との２の部材が得られる。この部材は、オーバーハングを有していない。このため、オーバーハング部分を支持するためのサポート部材がなくとも、各部材を積層造形で成形できる。よって、この２の部材の構造データを作成する。このようにして、データ作成工程として、３Ｄプリンタに入力する構造データを作成する。作成した構造データを３Ｄプリンタに入力し、積層造形で各部材を成形する部材成形工程を行う。続いて、組立工程として、積層造形で成形した各部材を接合する。これにより、部品１０を得ることができる。

製造方法１で、部品１０を製造する詳細な手順を説明する。

図１に示すように、最初のステップＳ１１において、部品１０を積層造形する際の層の面方向、つまりベース面を決定する。このベース面は、部品への要求強度、部品の形状などから決定する。例えば、オーバーハングとなる部分が少なくなるような面を選択してもよい。

ここでは、部品１０の底面に平行な面を、ベース面に決定する。

次に、ステップＳ１２において、決定したベース面の方向に合わせて部品を置いた場合に、オーバーハングを有するかを判断する。このオーバーハングの部分を分割することで、サポート部材を用いずに、積層造形による成形を可能とする。オーバーハングが存在する場合は、ステップＳ１３に移行する。

前述のとおり、部品１０は、蓋部１１にオーバーハングを有する。つまり、部品１０にはオーバーハングが存在するため、ステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３において、部品が、上下を反転させても、変わらずオーバーハングを有するかを判断する。下側から順に各層を成形する必要がなければ、上下を反転させて、上側から各層を成形してもよい。このため、部品を上下反転させてオーバーハングが存在しない場合、上側から各層を成形することができる。よって、上下反転させてオーバーハングが存在しない場合、ステップＳ１５に移行し、部品を上下反転させた状態で形成するように決定する。部品が、上下反転させても、オーバーハングを有する場合は、ステップＳ１４に移行する。

図２からわかるように、部品１０は、上下を反転させると、底部１３にオーバーハングを有する。このため、ステップＳ１４に移行する。

ステップＳ１４において、オーバーハングの部分で、元の部品を分割する。ここで、オーバーハングの部分を分割する際には、ベース面と平行な面で分割する。この分割面が組立てる際の接合面に該当する。

図３に示すように、部品１０は、オーバーハングである蓋部１１と、それ以外の下部２０に分割する。ここで、ベース面は、部品１０の底面に平行な面である。このため、下部２０にオーバーハングを有さないように、部品１０の底面に平行な空洞１５の上面、つまりオーバーハングの部分の下端で分割する。よって、下側接合面２１、上側接合面２２はドーナツ状の平面である。

ステップＳ１２に戻り、分割した各部材がオーバーハングを有するかを判断する。オーバーハングを有する部材がある場合、その部材の成形にサポート部材が必要になる。このため、オーバーハングを有する部材があれば、再度、ステップＳ１３、Ｓ１４により、分割する。各部材がオーバーハングを有していない場合は、ステップＳ１６に移行する。

図３に示すように、蓋部１１と、下部２０とは、オーバーハングを有していない。このため、ステップＳ１６に移行する。

ステップＳ１６では、オーバーハングを有さない部材に分割できているため、各部材の構造データを作成する。この構造データは、３Ｄプリンタに入力するためのデータである。前述のとおり、ＣＡＤなどの設計支援ツールで作成するデータである。

この構造データを作成するときに、接合面の形状に凹凸を設ける。３Ｄプリンタは微細な凹凸を成形できるという特徴がある。この特徴を利用し、接合面に凹凸を設けることで、接触面積を増大させる。これにより、強固な接合部が実現される。

図４から図７に示すように、下部２０の下側接合面２１に、細かな下側凹部３１が設けられる。下側凹部３１は正方形の角柱状の孔である。下側凹部３１の正方形の１辺の長さは、好適には１ｃｍより小さい。下側凹部３１の孔の深さは、好適には正方形の１辺の長さの１／２より深い。さらに好適には、正方形の１辺の長さより深い。図７に示すように、下側凹部３１は、下側接合面２１の全体に縦方向、横方向に周期的に設けられる。下側凹部３１が形成されることで、相対的に下側凸部３２が形成される。

図８から図１０に示すように、蓋部１１の上側接合面２２に、細かな上側凸部４１が設けられる。上側凸部４１は正方形の角柱状に形成される。上側凸部４１の正方形の１辺の長さは、好適には１ｃｍより小さい。上側凸部４１の突出させる長さは、好適には正方向の１辺の長さの１／２より長い。さらに好適には、正方形の１辺の長さより長い。図１０に示すように、上側凸部４１は、上側接合面２２の全体に縦方向、横方向に周期的に設けられる。上側凸部４１が形成されることで、相対的に上側凹部４２が形成される。

上側接合面２２の上側凸部４１は、下側接合面２１の下側凹部３１に嵌合するように設けられる。同様に、上側接合面２２の上側凹部４２は、下側接合面２１の下側凸部３２に嵌合するように設けられる。つまり、下側凹部３１に上側凸部４１が嵌合し、下側凸部３２に上側凹部４２が嵌合することで、蓋部１１は下部２０に接合する。

以上のような接合面を備える蓋部１１、下部２０の構造データを作成する。ここで、構造データは設計支援ツールで作成するデータである。このため、下部２０の下側接合面２１の構造データを、蓋部１１の上側接合面２２の構造データに基づき、作成してもよい。具体的には、まず、上側接合面２２の上側凸部４１の構造データを作成する。続いて、下側接合面２１を平面とする下部２０の構造データを作成する。この下部２０の構造データから、上側接合面２２の上側凸部４１の構造データを差し引くことで、下部２０の下側接合面２１の構造データを作成することができる。

構造データを作成した後、図１に示すように、ステップＳ１７に移行する。ステップＳ１７において、作成した構造データに基づき、各部材を３Ｄプリンタで成形する。すべての部材は同じ材料を用いてもよい。また、複数の部材を３Ｄプリンタで同時に成形してもよい。

ステップＳ１８において、３Ｄプリンタで成形した各部材を組み立てる。各部材の接合面を、形成されている凹凸が嵌合するように、接合する。

図３に示すように、下部２０の下側接合面２１の凹凸に、蓋部１１の上側接合面２２の凹凸を嵌合させる。このため、下部２０に蓋部１１が接合され、部品１０を得ることができる。

以上のように、ステップＳ１４において、オーバーハングを解消するように分割面を決定する。この分割面で部品を分割し、分割した部材ごとに成形する。このため、サポート部材を用いずに、部品を成形することができる。つまり、製造方法１によれば、サポート部材の除去などの作業が不要になり、部品を容易に製造することができる。さらに、製造装置よりも大きな部品であっても、製造装置で成形できる部材に分割し、製造することができる。

また、本実施の形態は、接合面に凹凸を設け、接触面積を増大させることで、より強固に接合できる利点を有する。つまり、３Ｄプリンタの特徴を利用して、接合面に細かな凹凸が設けられている。特に、ベース面に平行な面を接合面として決定することで、より細かな凹凸を設けることができる。このため、従来よりも強固な接合を実現する。ここで、３Ｄプリンタで複数の部材を製造し、溶接などで接合する技術が、特許文献４、特許文献５に開示されている。しかし、特許文献４では、従来の製造と同様に部材を溶接などで接合するため、本実施の形態のような強固な接合は実現できない。また、特許文献５では、接合面を係止形状に形成することが記載されている。本実施の形態は、容易に構造データを作成できる凹凸形状にするだけで強固な接合を実現する。このように、本実施の形態には、従来にはない優位性を有する。

本実施の形態は、以上のように強固な接合を実現できるため、部品を分割する位置の選択範囲が広い。このため、製造装置よりも大きな部品であっても、製造装置で形成できる部材に分割し、製造することができる。また、強度や寸法精度などの要求仕様が異なる部分が含まれる部品も容易に製造することができる。具体的には、まず、要求仕様を基準に部材を分割した構造データを作成する。次に、要求仕様に基づき、使用する粉末や、レーザ照射の条件、層の厚さなどの設定条件を部材ごとに変更して成形する。この後、各部材を組み立てることで、要求仕様が異なる部分が含まれる部品を製造することができる。

（実施の形態２）
積層造形による製造方法２（図１１Ａ〜図１１Ｃ）により、図１２に示す部品５０の製造方法を説明する。製造方法２は製造方法１のステップＳ１４を具体的に示したものである。

（部品５０の形状）
図１２に示すように、部品５０は円柱状の形状を有する。部品５０は、蓋部５１と、周壁部５２と、底部５３とから構成されている。部品５０の内部には第１空洞５５、第２空洞５７が設けられている。第１空洞５５は、部品５０の上端に設けられている第１接続孔５４を介して、部品５０の外部につながっている。第１空洞５５と第２空洞５７は、第２接続孔５６を介して接続されている。

蓋部５１は部品５０の上端部を構成する。蓋部５１の上下方向の長さは、第１接続孔５４の上下方向の長さと同じである。

第１接続孔５４は、蓋部５１の中心を上下に貫通している、円柱状の空洞である。第１接続孔５４の直径は、蓋部５１の直径の１／５の長さである。

第１空洞５５は、第１接続孔５４の下端に接続された円柱状の空洞である。第１空洞５５の下面は、部品５０の上面に対して傾いて形成されている。第１空洞５５の直径は、部品５０の直径の３／５の長さである。

第２接続孔５６は、第１空洞５５の下面中央に接続された円柱状の空洞である。第２接続孔５６の直径は、第１接続孔５４の直径と同じく、部品５０の直径の１／５である。

第２空洞５７は、第２接続孔５６の下面に接続された円柱状の空洞である。第２空洞５７の上面は、第１空洞５５の下面に平行な面で形成されている。第２空洞５７の下面は、部品５０の底面に平行な面で形成されている。第２空洞５７の直径は、第１空洞５５の直径と同じく、部品５０の直径の３／５である。

周壁部５２の上下方向の長さは、第１空洞５５の上端から第２空洞５７の下端までの長さと同じである。

底部５３は、周壁部５２の下側に配置され、部品５０の下端部を構成する。

部品５０は、蓋部５１と、周壁部５２とにオーバーハングを有する形状である。

（部品５０の製造方法）
製造方法２で、部品５０を製造する手順を説明する。

部品１０と同様に、ステップＳ１１において、部品５０を積層造形する際のベース面を決定する。ここでは、部品５０の底面と平行な面をベース面として決定する。

次に、ステップＳ１２において、部品５０にオーバーハングを有するかを判断する。部品５０は、蓋部５１と周壁部５２とにオーバーハングを有する。このため、ステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３において、部品５０が、上下反転させても、オーバーハングを有するかを判断する。部品５０を上下反転させても、周壁部５２と底部５３とにオーバーハングを有する。このため、ステップＳ１４１に移行する。

ステップＳ１４１において、部材の上端から下方向に分割面を走査し、分割面の上側がオーバーハングを有するようになる面を検出する。言い換えると、部材の下に空洞が存在する領域が発生するまで、部材の上端から下方向に分割面を移動させる。さらに、このときの上端から分割面までの距離ｘ１を検出する。なお、分割面はベース面に平行な面である。

ここで、ベース面は部品５０の底面に平行な面である。このため、分割面は部品５０の底面に平行な面である。部品５０の上端から下方向にこの分割面を走査する。図１２からわかるように、分割面が第１空洞５５の上面に達すると、部材の下に空洞が存在する領域が発生する。つまり、分割面が第１空洞５５の上面より下になると、分割面の上側がオーバーハングを有するようになる。よって、距離ｘ１は部品５０の上端から第１空洞５５の上面までの長さである。

ステップＳ１４２において、部材の下端から上方向に分割面を走査し、分割面の下側がオーバーハングを有するようになる面を検出する。言い換えると、空洞の上に部材が存在する領域が発生するまで、部材の下端から上方向に分割面を移動させる。さらに、このときの下端から分割面までの距離ｘ２を検出する。

ここで、図１２からわかるように、分割面が第２空洞５７の上面の下端５８に達すると、空洞の上に部材が存在する領域が発生する。つまり、分割面が第２空洞５７の上面の下端５８より上になると、分割面の下側がオーバーハングを有するようになる。よって、距離ｘ２は部品５０の下端から第２空洞５７の上面の下端５８までの長さである。

ステップＳ１４３において、部材の上端から下方向に分割面を走査し、上下反転したときに、分割面の上側がオーバーハングを有するようになる面を検出する。言い換えると、空洞の下に部材が存在する領域が発生するまで、部材の上端から下方向に分割面を移動させる。さらに、このときの上端から分割面までの距離ｘ３を検出する。

ここで、図１２からわかるように、分割面が第１空洞５５の下面の上端５９に達すると、空洞の下に部材が存在する領域が発生する。つまり、分割面が第１空洞５５の下面の上端５９より下になると、分割面の上側を上下反転したときに、オーバーハングを有するようになる。よって、距離ｘ３は部品５０の上端から第１空洞５５の下面の上端５９までの長さである。

ステップＳ１４４において、部材の下端から上方向に分割面を走査し、上下反転したときに、分割面の下側がオーバーハングを有するようになる面を検出する。言い換えると、部材の上に空洞が存在する領域が発生するまで、部材の下端から上方向に分割面を移動させる。さらに、このときの下端から分割面までの距離ｘ４を検出する。

ここで、図１２からわかるように、分割面が第２空洞５７の下面に達すると、部材の上に空洞が存在する領域が発生する。つまり、分割面が第２空洞５７の下面より上になると、分割面の下側を上下反転したときに、オーバーハングを有するようになる。よって、距離ｘ４は部品５０の下端から第２空洞５７の下面までの長さである。

ステップＳ１４５において、検出した距離ｘ１〜ｘ４を比較し、最も長いものを選択する。ここで、部品５０では、距離ｘ２、つまり部品５０下端から第２空洞５７の上面の下端までの距離が最も長い。このため、図１３に示すように、部品５０は第２空洞５７の上面の下端を通る面で分割される。結果として、部品５０は、第１上部６０と下部６１とに分割される。また、第２空洞５７は、第１上部６０の第３空洞６２と、下部６１の第４空洞６３に分割される。さらに、周壁部５２は、第１周壁部６４と第２周壁部６５に分割される。

ステップＳ１２に戻り、第１上部６０と、下部６１とがオーバーハングを有するかを判断する。下部６１はオーバーハングを有さない。一方、第１上部６０は、蓋部５１と、第１周壁部６４とにオーバーハングを有している。このため、第１上部６０について、ステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３において、第１上部６０が、上下を反転させても、オーバーハングを有するかを判断する。第１上部６０を反転させても、第１周壁部６４にオーバーハングを有する。このため、ステップＳ１４１に移行する。

ステップＳ１４１において、第１上部６０の上端から下方向に分割面を走査し、分割面の上側がオーバーハングを有するようになる面を検出する。さらに、このときの上端から分割面までの距離ｘ１を検出する。図１３からわかるように、分割面が第１空洞５５の上面よりも下になると、分割面の上側がオーバーハングを有するようになる。つまり、距離ｘ１は第１上部６０の上端から第１空洞５５の上面までの長さである。

ステップＳ１４２において、第１上部６０の下端から上方向に分割面を走査し、分割面の下側がオーバーハングを有するようになる面を検出する。さらに、このときの下端から分割面までの距離ｘ２を検出する。図１３からわかるように、分割面が第１上部６０の下端より上になると、分割面の下側がオーバーハングを有するようになる。つまり、距離ｘ２は０である。

ステップＳ１４３において、第１上部６０の上端から下方向に分割面を走査し、上下反転したときに、分割面の上側がオーバーハングを有するようになる面を検出する。さらに、このときの上端から分割面までの距離ｘ３を検出する。図１３からわかるように、分割面が第１空洞５５の下面の上端５９よりも下になると、分割面の上側を上下反転したときに、オーバーハングを有するようになる。つまり、距離ｘ３は第１上部６０の上端から第１空洞５５の下面の上端５９までの長さである。

ステップＳ１４４において、第１上部６０の下端から上方向に分割面を走査し、上下反転したときに、分割面の下側がオーバーハングを有するようになる面を検出する。さらに、このときの下端から分割面までの距離ｘ４を検出する。図１３からわかるように、分割面が第１空洞５５の下端６６よりも上になると、分割面の下側を上下反転したときに、オーバーハングを有するようになる。つまり、距離ｘ４は第１上部６０の下端から第１空洞５５の下端６６までの長さである。

ステップＳ１４５において、検出した距離ｘ１〜ｘ４を比較し、最も長いものを選択する。ここで、第１上部６０では距離ｘ３、つまり上端から第１空洞５５の下面の上端５９までの距離が最も長い。このため、図１４に示すように、第１上部６０は、第１空洞５５の下面の上端５９を通る面で、第２上部７０と第１中部７１とに分割される。第１空洞５５は、第２上部７０の第５空洞７２と、第１中部７１の第６空洞７３とに分割される。

ステップＳ１２に戻り、第２上部７０と、第１中部７１と、下部６１とがオーバーハングを有するかを判断する。図１４からわかるように、第２上部７０はオーバーハングを有する。このため、第２上部７０について、ステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３において、第２上部７０は、上下を反転すると、オーバーハングを有さない。このため、ステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１５において、成形する方向を上下反転させる。図１５に示すように、上下反転させた第２上部７０’の状態で成形する。

ステップＳ１２に戻り、上下反転させた第２上部７０’と、第１中部７１と、下部６１とがオーバーハングを有するかを判断する。図１４からわかるように、第１中部７１はオーバーハングを有する。このため、第１中部７１について、ステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３において、第１中部７１は、上下を反転しても、オーバーハングを有する。このため、ステップＳ１４１に移行する。

ステップＳ１４１において、第１中部７１の上端から下方向に分割面を走査する。図１４からわかるように、分割面が第３空洞６２の上端７４より下になると、分割面の上側がオーバーハングを有するようになる。つまり、距離ｘ１は、第１中部７１の上端から第３空洞６２の上端７４までの長さである。

ステップＳ１４２において、第１中部７１の下端から上方向に分割面を走査する。図１４からわかるように、分割面が第１中部７１の下端より上になると、分割面の下側がオーバーハングを有するようになる。つまり、距離ｘ２は０である。

ステップＳ１４３において、第１中部７１の上端から下方向に分割面を走査する。図１４からわかるように、分割面が第１中部７１の上端より下になると、分割面の上側を上下反転したときに、オーバーハングを有するようになる。よって、距離ｘ３は０である。

ステップＳ１４４において、第１中部７１の下端から上方向に分割面を走査する。図１４からわかるように、分割面が第６空洞７３の下端７５より上になると、分割面の下側を上下反転したときに、オーバーハングを有するようになる。よって、距離ｘ４は第１中部７１の下端から第６空洞７３の下端７５までの長さである。

ステップＳ１４５において、距離ｘ１、つまり第１中部７１の上端から第３空洞６２の上端７４までの距離が最も長い。このため、図１６に示すように、第１中部７１は、第３空洞６２の上端を通る面で、第２中部８１と第３中部８２とに分割される。第２接続孔５６は、第２中部８１の第３接続孔８３と、第３中部８２の第４接続孔８４とに分割される。

ステップＳ１２に戻り、上下反転させた第２上部７０’と、第２中部８１と、第３中部８２と、下部６1とがオーバーハングを有するかを判断する。第３中部８２は、第３空洞６２の上側にオーバーハングを有する。このため、第３中部８２について、ステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３において、第３中部８２は、上下を反転すると、オーバーハングを有さない。このため、ステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１５において、成形する方向を上下反転させる。図１７に示すように、上下反転させた第３中部８２’の状態で成形する。

ステップＳ１２に戻り、上下反転させた第２上部７０’と、第２中部８１と、上下反転させた第３中部８２’と、下部６１とがオーバーハングを有しているかを判断する。各部材はオーバーハングを有していないため、ステップＳ１６に移行する。

ステップＳ１６において、製造方法１と同様に、接合面に凹凸を有するように各部材の構造データを作成する。

ステップＳ１７において、作成した構造データに基づき、各部材を３Ｄプリンタで成形する。

ステップＳ１８において、成形した各部材の接合面を、形成されている凹凸が嵌合するように、接合する。

以上のように、オーバーハングの部分がベース面に平行な平面でない部品でも製造することができる。つまり、サポート部材を設けることなく、任意の形状を成形することができる。

（実施の形態３）
上記で示した製造方法１、製造方法２のステップＳ１１〜Ｓ１７についてコンピュータ２００を用いて制御することができる。

コンピュータ２００は、図１８に示すように、制御部２０１と、記憶装置２０２と、入力部２０３と、出力部２０４と、通信部２０５とを備える。

制御部２０１は、出力部２０４への出力、通信部２０５を介した外部との通信などを制御する。また、記憶装置２０２に格納されているプログラムを読み出し、プログラムの命令に基づき、動作する。制御部２０１は、中央処理装置（ＣＰＵ）などを含む。

記憶装置２０２は、構造データ、プログラムなどの様々なデータを格納する。制御部２０１からの指示に基づき、データを制御部２０１に送信する。記憶装置２０２は、コンピュータ２００内部に備えるハードディスクのほか、必要に応じて接続される外部記憶装置、例えば、ＵＳＢメモリなどを含む。

入力部２０３は、外部からデータを入力するときなどに使用される。入力されたデータは制御部２０１に送信される。入力部２０３は、キーボード、マウスなどの入力装置を含む。

出力部２０４は、制御部２０１で算出した結果などを外部に出力する。例えば、出力部２０４は、ディスプレイ、スピーカーなどを含む。

通信部２０５は、コンピュータ２００の外部とデータの送受信を行う。作成した構造データを３Ｄプリンタ１００に送信するときに使用される。また、インターネットからのデータの送受信にも使用される。通信部２０５は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、インターネットなどに接続するネットワークインタフェースカードなどを含む。

以上のようなコンピュータ２００の記憶装置２０２に、製造方法１に関するプログラムが格納されている。また、製造する部品、例えば、図２の部品１０の構造データが、記憶装置２０２に格納されている。

まず、制御部２０１が、記憶装置２０２から製造方法１又は製造方法２に関するプログラムを読み出す。さらに製造する部品、つまり部品１０の構造データを読み出す。

次に、図１のステップＳ１１において、制御部２０１は、出力部２０４に部品１０のデータを出力する。設計者は、出力された部品１０のデータを確認し、ベース面を入力部２０３から入力する。なお、ベース面を自動で決定してもよい。

続いて、図１のステップＳ１２〜Ｓ１６の方法で、制御部２０１が分割面を算出し、部品を分割した構造データを作成する。制御部２０１は、各部材の構造データを出力部２０４に出力する。設計者は、出力された各部材の構造データを確認し、３Ｄプリンタ１００で生成するかを判断する。生成する場合は、その旨を入力部２０３から入力する。

制御部２０１は、通信部２０５を介して、３Ｄプリンタ１００に各部材の構造データを送信する。さらに、制御部２０１は、各部材を成形するように３Ｄプリンタに指示をする。なお、構造データを作成した後、出力部２０４に構造データを出力せずに、構造データを３Ｄプリンタ１００に送信してもよい。

ステップＳ１７において、３Ｄプリンタ１００は、制御部２０１からの指示に基づき、各部材を成形する。

以上のように、各ステップを実現する手段を備えたプログラムを用いることで、コンピュータを利用することができる。

（変形例）
下側凹部３１、上側凸部４１は正方形の角柱状に形成されている例を示したが、これに限定されない。２の部材が下側凹部３１、上側凸部４１により、強固に接合されればよい。例えば、長方形の角柱状（図１９）、三角形の角柱状（図２０）、星形の角柱状（図２１）、円柱状（図２２）の柱状形状など、任意の形状を選択できる。

また、下側凹部３１、上側凸部４１は縦方向、横方向に周期的に設けられている例を示したが、これに限定されない。例えば、図１９に示すように、縦横のいずれか一方の方向に周期的に設けてもよい。また、図２０に示すように、周期的に設ける２方向は、直交させずに、一定の角度をなす方向に設定されてもよい。さらに、図２２に示すように、周期的でなくともよい。

多数の下側凹部３１、上側凸部４１が接続面の全体に設けられている例を示したが、これに限定されない。例えば、図２３に示すように、渦巻き状など、複数の凹凸のある形状を１以上設けてもよい。

下側凹部３１が、接合面の全体に設けられている例を示したが、これに限定されない。例えば、接合面の一部だけに設けられていてもよい。また、下側接合面２１に凹部が、上側接合面２２に凸部が形成されている例をしめしたが、これに限定されない。下側接合面２１に凸部、上側接合面２２に凹部が形成されていてもよい。

実施の形態では、ステップＳ１４１において、部材の下に空洞が存在する領域が発生した場合に、オーバーハングを有するとして判断する例を示した。つまり、ベース面と各層の端により形成される面とのなす角が９０度より小さい場合に、オーバーハングを有するとして判断する例を示した。本発明は、これに限定されない。例えば、各面とベース面とのなす角を算出しておく。この角度が一定の値より小さい面が、分割面と交差する際に、オーバーハングを有すると判断してもよい。つまり、部材の下に空洞が存在する領域が発生した場合に、この面とベース面とのなす角を確認する。この角度が一定の値以上である場合は、オーバーハングを有しないと判断し、分割面の走査を続ける。この角度が一定の値より小さい場合は、オーバーハングを有すると判断する。この角度の基準値は３０度から９０度であることが望ましい。さらに好適には、４５度から６０度である。なお、ステップＳ１４２からステップＳ１４４においても同様に、各層の端により形成される面とベース面とのなす角を用いて、オーバーハングを有するかを判断してもよい。

実施の形態では、蓋部１１で作成した上側接合面２２に関する構造データに基づき、下部２０の下側接合面２１の構造に関する構造データを作成する例を示したが、これに限定されない。例えば、下側接合面２１と上側接合面２２とを、それぞれ作成してもよい。

実施の形態では、すべての部材の分割面を決定した後に、構造データを作成する例を示したが、これに限定されない。例えば、オーバーハングを有さない部材が分割されたときに、順次、この分割された部材の構造データを作成してもよい。

実施の形態では、すべての部材の構造データを作成した後に、３Ｄプリンタで成形する例を示したが、これに限定されない。例えば、一部の部材について構造データを作成したときに、この一部の部材を３Ｄプリンタで成形してもよい。

実施の形態では、ステップＳ１４５において、距離ｘ１〜ｘ４から最も長いものを選択する例を示したが、これに限定されない。例えば、０以外のものを任意に選択してもよい。

実施の形態では、ステップＳ１８において、各部材を組み合わせて部品を製造する例を示したが、これに限定されない。例えば、組み合わせた後に熱処理を行い、接合してもよい。

また、図２４に示すように、接合面の凸部の一部、又は全部を形成せずに、空間９０を設けてもよい。この空間９０に粉末を配置して、又は、充填して、２の部材を組み合わせる。その後、熱処理を行い、空間９０に配置した粉末を固化させ接合させてもよい。この粉末は、例えば、熱処理により固化する金属粉などである。

また、図２５、図２６に示すように、溶接部として蓋部１１を貫通する貫通部９１を設けてもよい。さらに、溶接部として、貫通部９１に対応する位置に下部２０にも溝９２を設けてもよい。蓋部１１と下部２０とを組み合わせた後に、貫通部９１と溝９２との部分を溶接し、蓋部１１と下部２０とを接合する。この溶接には、３Ｄプリンタを用いたＬＭＤ（Ｌｅｓｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などを用いることができる。ＬＭＤを用いて溶接する場合は、図２５に示すように、溶接する部分を表面に設ける。また、貫通部９１を設ける例を示したが、これに限定されない。蓋部１１と下部２０との接合面の端部に溶接する溶接部を設けてもよい。

実施の形態では、部品を同一の材料で製造する例を示したが、これに限定されない。部材ごとに材料を変更することができる。

実施の形態では、オーバーハングの部分のみで分割する例を示したが、これに限定されない。例えば、部品強度などの観点から、一部の部分で材料を変えたい場合に、この部分で分割してもよい。

実施の形態では、部品を例に製造方法を示したが、これに限定されない。積層造形により成形するものであればよく、３次元造形物であればよい。

１ 製造方法
２ 製造方法
１０ 部品
１１ 蓋部
１２ 周壁部
１３ 底部
１４ 接続孔
１５ 空洞
２０ 下部
２１ 下側接合面
２２ 上側接合面
３１ 下側凹部
３２ 下側凸部
４１ 上側凸部
４２ 上側凹部
５０ 部品
５１ 蓋部
５２ 周壁部
５３ 底部
５４ 第１接続孔
５５ 第１空洞
５６ 第２接続孔
５７ 第２空洞
６０ 第１上部
６１ 下部
６２ 第３空洞
６３ 第４空洞
６４ 第１周壁部
６５ 第２周壁部
７０、７０’ 第２上部
７１ 第１中部
７２ 第５空洞
７３ 第６空洞
８１ 第２中部
８２、８２’ 第３中部
８３ 第３接続孔
８４ 第４接続孔
９０ 空間
９１ 貫通孔９１
９２ 溝９２
１００ ３Ｄプリンタ
１０１ 制御部
１０２ レーザ照射部
１０３ ワイパー
１０４ ベースプレート
１０５ 粉末
１０６ 第１層
１０７ 第２層
１０８ 第３層
２００ コンピュータ
２０１ 制御部
２０２ 記憶装置
２０３ 入力部
２０４ 出力部
２０５ 通信部
３００、３０１、３０２、３０３ 層
３０４ 面

Claims (12)

1. 製造されるべき３次元造形物を、少なくとも１の分割面で分割して得られる複数の部材の構造データを作成するデータ作成工程と、
   前記構造データを用いて、ベース面に基づき積層造形により前記複数の部材を成形する部材成形工程と、
   前記複数の部材を組み立てる組立工程と
   を含み、
   前記複数の部材は、第１部材と第２部材とを備え、
   前記第１部材は、前記分割面に含まれ、凹部が形成された第１接合面を備え、
   前記第２部材は、前記分割面に含まれ、前記第１接合面と接合する第２接合面を備え、
   前記データ作成工程は、
   前記３次元造形物又は前記複数の部材にオーバーハングの部分が存在するかを判断する工程と、
   オーバーハングの部分が存在する場合、オーバーハングを解消するように前記分割面を決定する工程と
   を含む
   ３次元造形物の製造方法。
2. 請求項１に記載の３次元造形物の製造方法であって、
   前記データ作成工程に、前記ベース面を決定する工程を含み、
   前記分割面は、前記ベース面に基づき決定される
   ３次元造形物の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の３次元造形物の製造方法であって、
   前記第２接合面が、前記第１接合面の凹部に嵌合するように凸部が形成されている
   ３次元造形物の製造方法。
4. 請求項１または２に記載の３次元造形物の製造方法であって、
   組立工程に、
   前記第２接合面と前記第１接合面の凹部により囲まれる空間に、粉末を注入する工程と、
   前記複数の部材を組み立てる工程と、
   組み立てた部材を熱処理する工程と
   を含む
   ３次元造形物の製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の３次元造形物の製造方法であって、
   前記第１接合面の凹部は、所定の形状が第１方向に周期的に繰り返されて形成されている
   ３次元造形物の製造方法。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載の３次元造形物の製造方法であって、
   前記第１接合面の凹部の幅が１ｃｍ未満である
   ３次元造形物の製造方法。
7. 請求項１から４のいずれか１項に記載の３次元造形物の製造方法であって、
   前記第１接合面の前記凹部の深さが、前記凹部の幅より長い
   ３次元造形物の製造方法。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の３次元造形物の製造方法であって、
   前記分割面が、前記ベース面と平行な面である
   ３次元造形物の製造方法。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の３次元造形物の製造方法であって、
   前記組立工程は、さらに組立てた部材を熱処理する工程を含む
   ３次元造形物の製造方法。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の３次元造形物の製造方法であって、
    前記第１部材の材料と、前記第２部材の材料とが異なる
    ３次元造形物の製造方法。
11. 接合面で接合された少なくとも２つの部材を備え、
    前記２つの部材を前記接合面で接合した接合部材は、前記接合面が水平となる状態でオーバーハングを有し、
    前記２つの部材は、前記接合面が水平となる状態で前記オーバーハングを解消するように前記接合面で分割されいる
    部品。
12. 製造されるべき３次元造形物を、少なくとも１の分割面で分割して得られる複数の部材の構造データを作成する手段と、
    前記構造データを用いて、ベース面を基準とした積層造形により前記複数の部材を成形する手段と、
    を含み、
    前記複数の部材は、第１部材と第２部材とを備え、
    前記第１部材は、前記分割面に含まれ、凹部が形成された第１接合面を備え、
    前記第２部材は、前記分割面に含まれ、前記第１接合面と接合する第２接合面を備え、
    前記複数の部材の構造データを生成する手段は、
    前記３次元造形物又は前記複数の部材にオーバーハングの部分が存在するかを判断することと、
    オーバーハングの部分が存在する場合、オーバーハングを解消するように前記分割面を決定することと
    を含む
    ３次元造形物の製造プログラム。
    

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