JPWO2010150805A1 - 三次元形状造形物の製造方法およびそれから得られる三次元形状造形物 - Google Patents
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Abstract
三次元形状造形物の製造方法であって、（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記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、前記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を繰り返して行い、固化層のうち三次元形状造形物の使用時に力のかかる領域に対して表面切削加工を施すことを特徴とする製造方法。
Description
本発明は、三次元形状造形物の製造方法および三次元形状造形物に関する。より詳細には、本発明は、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して固化層を形成することを繰り返し実施することによって複数の固化層が積層一体化した三次元形状造形物を製造する方法に関すると共に、それによって得られる三次元形状造形物にも関する。
従来より、粉末材料に光ビームを照射し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）が知られている。かかる方法では、「（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射することよって、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し、（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を敷いて同様に光ビームを照射して更に固化層を形成する」といったことを繰り返して三次元形状造形物を製造している（特許文献１または特許文献２参照）。粉末材料として金属粉末やセラミック粉末などの無機質の粉末材料を用いた場合では、得られた三次元形状造形物を金型として用いることができ、樹脂粉末やプラスチック粉末などの有機質の粉末材料を用いた場合では、得られた三次元形状造形物をモデルとして用いることができる。このような製造技術によれば、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である。
粉末焼結積層法では、酸化防止等の観点から不活性雰囲気下に保たれたチャンバー内で三次元形状造形物が製造される場合が多い。粉末材料として金属粉末を用い、得られる三次元形状造形物を金型として用いる場合を例にとると、図１に示すように、まず、所定の厚みｔ１の粉末層２２を造形プレート２１上に形成した後（図１（ａ）参照）、光ビームを粉末層２２の所定箇所に照射して、造形プレート２１上において固化層２４を形成する。そして、形成された固化層２４の上に新たな粉末層２２を敷いて再度光ビームを照射して新たな固化層を形成する。このように固化層を繰り返し形成すると、複数の固化層２４が積層一体化した三次元形状造形物を得ることができる（図１（ｂ）参照）。最下層に相当する固化層は造形プレート面に接着した状態で形成され得るので、三次元形状造形物と造形プレートとは相互に一体化した状態となる。一体化した三次元形状造形物と造形プレートとは、そのまま金型として用いることができる。
光ビームの照射で得られる三次元形状造形物は、その表面が比較的粗く、一般的に数１００μｍＲｚ程度の表面粗さを有している。これは、固化層表面に粉末が付着するからである。固化層形成時では、光ビーム・エネルギーが熱に変換されるので照射粉末がいったん溶融してから冷却過程で粉末同士が融着することになる。この際、光ビームが照射されるポイントの周辺の粉末領域の温度も上昇し得るため、周辺の粉末が固化層表面に付着してしまう。この付着粉末は三次元形状造形物に“表面粗さ”をもたらすことになるために、三次元形状造形物の表面を仕上げ加工する必要がある。具体的な例を挙げれば、得られる三次元形状造形物の表面を全体的に切削加工する必要がある。例えば、特許文献３に記載されているような製造方法で得られる三次元形状造形物においては、三次元形状造形物の外部シェル領域を切削加工する（図１６参照）。
このような切削加工の現状についていえば、造形物の最終的な使用用途を考慮したものとはなっておらず、三次元形状造形物の露出面を全て切削加工している。例えば特許文献３の発明では、三次元形状造形物の全周囲を被うように存在する外部シェル領域の全体を切削加工している。これは製造コストおよび製造時間の点で満足のいくものとは決していえない。また、切削加工というものは、表面を削り取り、所望の形状・表面粗さにするものであるが、あくまでも機械加工（切削工具を用いた加工）であるために、加工応力または切削熱に起因した三次元形状造形物のダメージが懸念される。
特表平１−５０２８９０号公報
特開２０００−７３１０８号公報
特表平８−５０４１３９号公報
本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の課題は、製造時間・製造コストを抑えるだけでなく、品質低下も抑えた三次元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、本発明では、
（ｉ）造形テーブル（好ましくは造形テーブルに配された造形プレート）上に形成された粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記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、前記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
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
固化層のうち三次元形状造形物の使用時に力のかかる表面領域に対して切削加工を施す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。
（ｉ）造形テーブル（好ましくは造形テーブルに配された造形プレート）上に形成された粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記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、前記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
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
固化層のうち三次元形状造形物の使用時に力のかかる表面領域に対して切削加工を施す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。
本発明の製造方法は、三次元形状造形物の用途を考慮して必要な箇所にのみ表面切削加工を行うことを特徴の１つとしている。より具体的には、三次元形状造形物の使用時に力のかかる領域に対してのみ表面切削加工を施す。
本明細書にいう「力」とは、三次元形状造形物の用途使用時において三次元形状造形物に加えられる力を実質的に意味している。例えば、“使用時に流体物ないしは固体物との接触に起因して三次元形状造形物に及ぼされる力”を挙げることができる。
また、本明細書にいう「切削加工」とは、工具を用いて対象物を切り削ることを意味している。従って、本発明の態様でいえば、「切削加工」は、三次元形状造形物の表面部分を切り削り、表面凹凸を除去するための操作のことを意味している。
更に確認までに述べておくと、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」などを指している。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意味している。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の形状を構成することになる。尚、「固化層」とは、粉末層が金属粉末層である場合には「焼結層」を実質的に意味しており、粉末層が樹脂粉末層である場合には「硬化層」を実質的に意味している。
ある好適な態様では、三次元形状造形物をコア側またはキャビティ側の金型として用い、金型使用時にてキャビティ空間を形成する面に対して切削加工を施す。この場合、「キャビティ空間を形成する面」は、金型の使用時にて成形樹脂材料が接する箇所であり、“力のかかる表面領域”に相当する。
また、別のある好適な態様では、三次元形状造形物をコア側またはキャビティ側の金型として用い、金型使用時にてコア側とキャビティ側とが接触することになる表面領域の一部（特にキャビティ空間形成面の直ぐ外側に位置する環状の表面領域部）に切削加工を施す。この場合、「金型使用時にてコア側とキャビティ側とが接触することになる表面領域」とは、型締めに際して、「コア側金型の周縁部」と「キャビティ側金型の周縁部」とが相互に密接する領域であり、“力のかかる表面領域”に相当する。かかる態様では、相互に密接する表面領域のうち「切削加工を施さない部分」を「切削加工を施す部分」よりも低い表面高さとなるように固化層形成を行うことが好ましい。
更に、別のある好適な態様では、後加工基準となる部分を付加的に切削加工する。ここでいう「後加工基準」とは、“後に加工する際の目安”のことを意味している。より具体的にいえば、三次元形状造形物又はそれと一体化した造形プレートは後刻にて用途に応じて更に加工しなければならない場合があるが、その加工のための目安が「後加工基準」である。
本発明の製造方法においては、使用時に力のかかる表面領域を固化密度９５〜１００％の高密度領域となるように固化層形成を行うことが好ましい。かかる場合、光ビームが照射される所定箇所の粉末を完全溶融させることを通じて高密度領域を形成することが好ましい。ここでいう「高密度領域」とは、いわゆる“メルティング”（即ち、溶融固化で形成される領域）のことを指しており、固化密度が非常に高く（固化密度９５〜１００％程度）、液体や気体などの流体が通過できない領域のことを指している。
本発明では、上述した製造方法で得られる三次元形状造形物も提供される。特に好適な態様では、かかる三次元形状造形物は、コア側またはキャビティ側の金型として用いることができるものであって、金型のキャビティ空間形成面が表面切削加工されている。また、金型使用時にてコア側とキャビティ側とが接触することになる領域の一部が表面切削加工されているものであってもよい。
本発明の製造方法では、必要な箇所にのみ表面切削加工を施すので、製造時間を短縮することができるだけでなく、切削工具を駆動するためのエネルギーが減じられるので、製造コストを全体的に低減できる。
また、本発明の製造方法では、必要な箇所にのみ表面切削加工を施しているので、三次元形状造形物の全体に占める切削加工領域の割合を比較的小さくできる。つまり、切削加工領域は“加工応力・切削熱に起因して加工ダメージを受け得る領域”といえるところ、本発明では、そのようにダメージを受ける領域を可能な限り減じて三次元形状造形物の製造を行う。それゆえ、三次元形状造形物につき機械的強度の低減をできる限り抑えることができる。つまり、最終的に得られる三次元形状造形物が所望の品質強度（≒機械的強度）を維持し得る。
更に、従来技術において三次元形状造形物の機械的強度の低減を防止するためには、切削加工による損傷の程度を予め想定した上で設計しておかなければならなかったものの、本発明では、用途を考慮して造形物に切削加工を施すというだけで、製造時間や製造コストを低減させつつ機械的強度の低減を防止できる。つまり、本発明は、そのような具体的に予測困難な加工損傷を視野に入れた設計を製造時間や製造コストを上げることなく省くことができるといった点でも非常に有益である。
１ 光造形複合加工機
２ 粉末層形成手段
３ 光ビーム照射手段
４ 切削手段
１９ 粉末／粉末層（例えば金属粉末/金属粉末層または樹脂粉末／樹脂粉末層）
２０ 造形テーブル
２１ 造形プレート
２２ 粉末層（例えば金属粉末層または樹脂粉末層）
２３ スキージング用ブレード
２４ 固化層（例えば焼結層または硬化層）またはそれから得られる三次元形状造形物
２５ 粉末テーブル
２６ 粉末材料タンクの壁部分
２７ 造形タンクの壁部分
２８ 粉末材料タンク
２９ 造形タンク
３０ 光ビーム発振器
３１ ガルバノミラー
３２ 反射ミラー
３３ 集光レンズ
４０ ミーリングヘッド
４１ ＸＹ駆動機構
４１ａ Ｘ軸駆動部
４１ｂ Ｙ軸駆動部
４２ ツールマガジン
５０ チャンバー
５２ 光透過窓
６０ 後加工基準
Ｌ 光ビーム
Ｐ 使用時に三次元形状造形物に加えられる“力”
２ 粉末層形成手段
３ 光ビーム照射手段
４ 切削手段
１９ 粉末／粉末層（例えば金属粉末/金属粉末層または樹脂粉末／樹脂粉末層）
２０ 造形テーブル
２１ 造形プレート
２２ 粉末層（例えば金属粉末層または樹脂粉末層）
２３ スキージング用ブレード
２４ 固化層（例えば焼結層または硬化層）またはそれから得られる三次元形状造形物
２５ 粉末テーブル
２６ 粉末材料タンクの壁部分
２７ 造形タンクの壁部分
２８ 粉末材料タンク
２９ 造形タンク
３０ 光ビーム発振器
３１ ガルバノミラー
３２ 反射ミラー
３３ 集光レンズ
４０ ミーリングヘッド
４１ ＸＹ駆動機構
４１ａ Ｘ軸駆動部
４１ｂ Ｙ軸駆動部
４２ ツールマガジン
５０ チャンバー
５２ 光透過窓
６０ 後加工基準
Ｌ 光ビーム
Ｐ 使用時に三次元形状造形物に加えられる“力”
以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
［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。図１〜図３には、粉末焼結積層法を実施できる光造形複合加工機の機能および構成が示されている。光造形複合加工機１は、「金属粉末および樹脂粉末などの粉末を所定の厚みで敷くことによって粉末層を形成する粉末層形成手段２」と「外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内においてシリンダー駆動で上下に昇降する造形テーブル２０」と「造形テーブル２０上に配され造形物の土台となる造形プレート２１」と「光ビームＬを任意の位置に照射する光ビーム照射手段３」と「造形物の周囲を削る切削手段４」とを主として備えている。粉末層形成手段２は、図１に示すように、「外周が壁２６で囲まれた粉末材料タンク２８内においてシリンダー駆動で上下に昇降する粉末テーブル２５」と「造形テーブル又は造形プレート上に粉末層２２を形成するためのスキージング用ブレード２３」とを主として有して成る。光ビーム照射手段３は、図２および図３に示すように、「光ビームＬを発する光ビーム発振器３０」と「光ビームＬを粉末層２２の上にスキャニング（走査）するガルバノミラー３１（スキャン光学系）」とを主として有して成る。必要に応じて、光ビーム照射手段３には、光ビームスポットの形状を補正するビーム形状補正手段（例えば一対のシリンドリカルレンズと、かかるレンズを光ビームの軸線回りに回転させる回転駆動機構とを有して成る手段）やｆθレンズなどが具備されている。切削手段４は、「造形物の周囲を削るミーリングヘッド４０」と「ミーリングヘッド４０を切削箇所へと移動させるＸＹ駆動機構４１（４１ａ，４１ｂ）」とを主として有して成る（図２および図３参照）。
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。図１〜図３には、粉末焼結積層法を実施できる光造形複合加工機の機能および構成が示されている。光造形複合加工機１は、「金属粉末および樹脂粉末などの粉末を所定の厚みで敷くことによって粉末層を形成する粉末層形成手段２」と「外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内においてシリンダー駆動で上下に昇降する造形テーブル２０」と「造形テーブル２０上に配され造形物の土台となる造形プレート２１」と「光ビームＬを任意の位置に照射する光ビーム照射手段３」と「造形物の周囲を削る切削手段４」とを主として備えている。粉末層形成手段２は、図１に示すように、「外周が壁２６で囲まれた粉末材料タンク２８内においてシリンダー駆動で上下に昇降する粉末テーブル２５」と「造形テーブル又は造形プレート上に粉末層２２を形成するためのスキージング用ブレード２３」とを主として有して成る。光ビーム照射手段３は、図２および図３に示すように、「光ビームＬを発する光ビーム発振器３０」と「光ビームＬを粉末層２２の上にスキャニング（走査）するガルバノミラー３１（スキャン光学系）」とを主として有して成る。必要に応じて、光ビーム照射手段３には、光ビームスポットの形状を補正するビーム形状補正手段（例えば一対のシリンドリカルレンズと、かかるレンズを光ビームの軸線回りに回転させる回転駆動機構とを有して成る手段）やｆθレンズなどが具備されている。切削手段４は、「造形物の周囲を削るミーリングヘッド４０」と「ミーリングヘッド４０を切削箇所へと移動させるＸＹ駆動機構４１（４１ａ，４１ｂ）」とを主として有して成る（図２および図３参照）。
光造形複合加工機１の動作を図１、図４および図５を参照して詳述する。図４は、光造形複合加工機の一般的な動作フローを示している。図５は、光造形複合加工プロセスを模式的に簡易に示している。
光造形複合加工機の動作は、粉末層２２を形成する粉末層形成ステップ（Ｓ１）と、粉末層２２に光ビームＬを照射して固化層２４を形成する固化層形成ステップ（Ｓ２）と、造形物の表面を切削する切削ステップ（Ｓ３）とから主に構成されている。粉末層形成ステップ（Ｓ１）では、最初に造形テーブル２０をΔｔ１下げる（Ｓ１１）。次いで、粉末テーブル２５をΔｔ１上げた後、図１（ａ）に示すように、スキージング用ブレード２３を、矢印Ａ方向に移動させる。これにより、粉末テーブル２５に配されていた粉末（例えば「平均粒径５μｍ〜１００μｍ程度の鉄粉」または「平均粒径３０μｍ〜１００μｍ程度のナイロン、ポリプロピレン、ＡＢＳ等の粉末」）を造形プレート２１上へと移送させつつ（Ｓ１２）、所定厚みΔｔ１にならして粉末層２２を形成する（Ｓ１３）。次に、固化層形成ステップ（Ｓ２）に移行し、光ビーム発振器３０から光ビームＬ（例えば炭酸ガスレーザ（５００Ｗ程度）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（５００Ｗ程度）、ファイバレーザ（５００W程度）または紫外線など）を発し（Ｓ２１）、光ビームＬをガルバノミラー３１によって粉末層２２上の任意の位置にスキャニングする（Ｓ２２）。これにより、粉末を溶融させ、固化させて造形プレート２１と一体化した固化層２４を形成する（Ｓ２３）。光ビームは、空気中を伝達させることに限定されず、光ファイバーなどで伝送させてもよい。
固化層２４の厚みがミーリングヘッド４０の工具長さ等から求めた所定厚みになるまで粉末層形成ステップ（Ｓ１）と固化層形成ステップ（Ｓ２）とを繰り返し、固化層２４を積層する（図１（ｂ）参照）。尚、新たに積層される固化層は、焼結又は溶融固化に際して、既に形成された下層を成す固化層と一体化することになる。
積層した固化層２４の厚みが所定の厚みになると、切削ステップ（Ｓ３）へと移行する。図１および図５に示すような態様ではミーリングヘッド４０を駆動させることによって切削ステップの実施を開始している（Ｓ３１）。例えば、ミーリングヘッド４０の工具（ボールエンドミル）が直径１ｍｍ、有効刃長さ３ｍｍである場合、深さ３ｍｍの切削加工ができるので、Δｔ１が０．０５ｍｍであれば、６０層の固化層を形成した時点でミーリングヘッド４０を駆動させる。ＸＹ駆動機構４１（４１ａ，４１ｂ）によってミーリングヘッド４０を矢印Ｘ及び矢印Ｙ方向に移動させ、積層した固化層２４から成る造形物の表面を切削加工する（Ｓ３２）。そして、三次元形状造形物の製造が依然終了していない場合では、粉末層形成ステップ（Ｓ１）へ戻ることになる。以後、Ｓ１乃至Ｓ３を繰り返して更なる固化層２４を積層することによって、三次元形状造形物の製造を行う（図５参照）。
固化層形成ステップ（Ｓ２）における光ビームＬの照射経路と、切削ステップ（Ｓ３）における切削加工経路とは、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。この時、等高線加工を適用して加工経路を決定する。例えば、固化層形成ステップ（Ｓ２）では、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（例えばΔｔ１を０．０５ｍｍとした場合では０．０５ｍｍピッチ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。
［本発明の製造方法］
本発明の製造方法は、上述した粉末焼結積層法につき、得られる三次元形状造形物の用途を特に考慮したものである。具体的にいえば、本発明では、三次元形状造形物を使用する際に力のかかる面（≒「三次元形状造形物を使用する時に他の物質または部材と接触する面」）に対して切削加工を施す。
本発明の製造方法は、上述した粉末焼結積層法につき、得られる三次元形状造形物の用途を特に考慮したものである。具体的にいえば、本発明では、三次元形状造形物を使用する際に力のかかる面（≒「三次元形状造形物を使用する時に他の物質または部材と接触する面」）に対して切削加工を施す。
以下の説明では、粉末として「金属粉末」を用いる態様（即ち、粉末層として金属粉末層を用いる態様）を例にとって説明する。ちなみに、本発明に用いる金属粉末は、鉄系粉末を主成分とした粉末であって、場合によってニッケル粉末、ニッケル系合金粉末、銅粉末、銅系合金粉末および黒鉛粉末などから成る群から選択される少なくとも１種類を更に含んで成る粉末であってよい（一例として、平均粒径２０μｍ程度の鉄系粉末の配合量が６０〜９０重量％、ニッケル粉末及びニッケル系合金粉末の両方又はいずれか一方の配合量が５〜３５重量％、銅粉末および／または銅系合金粉末の両方又はいずれか一方の配合量が５〜１５重量％、ならびに、黒鉛粉末の配合量が０．２〜０．８重量％となった金属粉末を挙げることができる）。尚、金属粉末は、このような鉄系粉末に限定されるものでなく、銅系粉末やアルミニウム粉末も可能であり、更にいえば、三次元形状造形物を金型以外の用途で用いるのであれば、プラスチック粉末やセラミック粉末も可能であることを付言しておく。
本発明の製造方法では、図６に示すように、三次元形状造形物２４の使用時に力Ｐのかかる領域にのみ表面切削加工を施す。三次元形状造形物の用途としては、例えば、図７に示すようなコア側金型またはキャビティ側金型が考えられる。かかる場合、三次元形状造形物の使用時には「キャビティ空間を形成する面」に対して力がかかることになる。つまり、コア側金型とキャビティ側金型とが相互に型締めされて形成されるキャビティ空間に対して樹脂材料が充填されて成形が行われるので、キャビティ空間形成面は“樹脂材料”ないしは“成形物”から力を受けることになる。従って、本発明では、そのような「キャビティ空間を形成する面」にのみ表面切削加工を施す（図８参照）。
用いる切削加工手段は、表面切削を施せるものであればいずれのものであってもよい。例えば、切削加工手段は、汎用の数値制御（ＮＣ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）工作機械またはそれに準ずるものである。特に、切削工具（エンドミル）を自動交換可能なマシニングセンタ（ＭＣ）であることが好ましい。エンドミルは、例えば超硬素材の二枚刃ボールエンドミルが主に用いられる。加工形状や目的に応じて、スクエアエンドミル、ラジアスエンドミル、ドリルなどを用いてもよい。
本発明では、表面切削加工を施すことによって、その施された箇所の表面粗さを改善できる。例えば、表面切削加工が施された箇所の表面粗さＲｚを、好ましくは１０μｍ以下（Ｒｚ＝０〜１０μｍ）、より好ましくは５μｍ以下（Ｒｚ＝０〜５μｍ）、更に好ましくは０．１μｍ以下（Ｒｚ＝０〜０．１μｍ）とすることができる。ここで「表面粗さＲｚ」とは、粗さ曲線（本発明でいうと「固化層表面の断面形状プロファイル」）において平均線から“最も高い山頂部までの高さ”と“最も低い谷底部までの深さ”とを足し合わせることによって得られる粗さ尺度を意味している。
尚、三次元形状造形物を金型として用いる場合、成形品の種類・サイズなどに依るものの、切削加工が施される表面領域が占める面積割合は、三次元形状造形物の表面全体の３０〜５０％程度となり得る。従って、その分だけ、製造時間が短縮されるだけでなく、切削加工に伴って受ける三次元形状造形物のダメージ（加工応力または切削熱）も減じられることになる。例えば切削に伴うクラックなどを防止できる他、三次元形状造形物が所望の機械強度を維持し得る（つまり、光造形された時点の強度を実質的に維持できる）。
「三次元形状造形物の使用時に力のかかる領域にのみ表面切削加工を施す」といった態様には、種々の態様が考えられる。例えば、三次元形状造形物をコア側またはキャビティ側の金型として用いる場合、金型使用時にてコア側とキャビティ側とが接触することになる表面領域の一部に対して切削加工を施してよい（図９参照）。つまり、金型同士が接触する領域の一部に対して切削加工を施す。より具体的には、金型使用時にてコア側とキャビティ側とが接触することになる表面全体を切削加工するのではなく、図１０に示すように、キャビティ空間形成面の直ぐ外側に位置する環状の表面領域部分のみを切削加工する。かかる場合、切削加工が施された面は、コア側金型とキャビティ側金型とが相互に型締めされた際に“封止面”を形成し得る。尚、この態様では、図９または図１０に示すように、「切削加工を施さない部分」を「切削加工を施す部分」よりも低い表面高さとなるように造形することが好ましい。換言すれば、切削加工による除去仕上げを行わない部分は、一段下げたモデルとして作成し、焼結面を露出させた状態にしておくことが好ましい。なぜなら、「切削加工を施す部分ａ」は加工後に表面高さが低くなるので、「切削加工を施さない部分ｂ」の表面高さを予め下げておくと、切削加工後にて部分ａと部分ｂとを相互に面一にすることができるからである（これにより部分ａが封止面として確実に機能し得る）。例えば、粉末焼結積層法の実施で得られる造形物では「切削加工を施さない部分ｂ」を「切削加工を施す部分ａ」よりも０．３〜１ｍｍ程度低くしておくことが好ましい。
本発明の製造方法においては、後加工基準６０となる部分・表面領域を更に切削加工してもよい（図１１および図１２参照）。「後加工基準」とは、上述したように、“後に加工する際の目安”のことを実質的に意味している。例えば、三次元形状造形物又はそれと一体化した造形プレートを後刻にて用途に応じ加工しなければならない場合があるが、その加工のための目安を切削加工で形成しておく。より具体的にいえば、三次元形状造形物を金型として用いる場合では、造形プレートと一体化した金型を型締め装置に装着することになり、その装着に適した形状となるように造形プレートを加工する必要がある。それゆえ、かかる造形プレートの加工の基準となるものを三次元造形物に形成しておく。これにより、三次元形状造形物の製造後における“後加工”が容易となり、より好適な態様で三次元形状造形物を用いることができる。
尚、本発明の製造方法においては、図１３に示すように、三次元形状造形物の使用時に力のかかる領域を高密度領域とし、その高密度領域部分に対して表面切削加工を施してもよい。これにより、必要な箇所にのみ高密度領域を形成するので、固化層形成に際しても、製造時間の短縮および製造コストの低減を図ることができる。高密度領域（即ち、高密度メルティング）は、光ビームが照射された所定箇所の粉末を完全溶融させることを通じて形成することが好ましい。例えば、固化密度が９５〜１００％の高密度領域とし、それ以外の領域を固化密度が０〜９５％（９５％を含まず）の低密度領域となるように固化層を形成してよい。図１４には、高密度領域と低密度領域との境界部分のＳＥＭ写真を示すと共に、図１５には、高密度領域および低密度領域のそれぞれの断面写真（ＳＥＭ写真）を示す。
尚、本明細書にいう「固化密度」とは、造形物の断面写真を画像処理することによって求めた焼結断面密度（金属材料の占有率）を実質的に意味している。使用する画像処理ソフトはScion Image ver. 4.0.2（フリーウェア）であって、断面画像を焼結部（白）と空孔部（黒）とに二値化した後、画像の全画素数Pxallおよび焼結部（白）の画素数Pxwhiteをカウントすることで、以下の式１により焼結断面密度ρＳを求めることができる。
高密度領域の形成には、照射する光ビームの出力エネルギーを高くして粉末の完全溶融が生じるようにすればよく、その一方、低密度領域の形成では、照射する光ビームの出力エネルギーを低くして粉末の完全溶融が生じないようにすればよい。このように、（ａ）光ビームの出力エネルギーを高くすることの他に、（ｂ）光ビームの走査速度を下げる、（ｃ）光ビームの走査ピッチを狭める、（ｄ）光ビームの集光径を小さくすることよっても、高密度領域を形成できる。上記（ａ）〜（ｄ）は、単独で行ってもよいものの、それを種々に組み合わせて行ってもよい。尚、上記（ａ）についていえば、例えば光ビームの照射エネルギー密度Ｅを約４〜１５J／ｍｍ２とすることによって、固化密度が９５〜１００％の高密度領域を形成できる。同様に、低密度領域は、（ａ）光ビームの出力エネルギーを低くすることの他に、（ｂ）光ビームの走査速度を上げる、（ｃ）光ビームの走査ピッチを拡げる（ｄ）光ビームの集光径を大きくすることよっても形成できる。例えば光ビームの照射エネルギー密度Ｅを約１〜３Ｊ／ｍｍ２とすることによって、固化密度が７０〜９０％の低密度領域を形成できる。尚、エネルギー密度Ｅ＝レーザ出力（Ｗ)/（走査速度（ｍｍ／ｓ）×走査ピッチ（ｍｍ）である（製造条件は例えば、粉末の積層厚さ：０．０５ｍｍ、レーザの種類：ＣＯ２（炭酸ガス）レーザ、スポット径：０．５ｍｍである）。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の適用範囲のうちの典型例を例示したに過ぎない。従って、本発明はこれに限定されず、種々の改変がなされ得ることを当業者は容易に理解されよう。
尚、上述のような本発明は、次の態様を包含している：
第１の態様：（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記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、前記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
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
固化層のうち三次元形状造形物の使用時に力のかかる表面領域に対して切削加工を施すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第２の態様：上記第１の態様において、前記三次元形状造形物をコア側またはキャビティ側の金型として用い、金型使用時にてキャビティ空間を形成する面に対して切削加工を施すことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第３の態様：上記第１または第２の態様において、前記三次元形状造形物をコア側またはキャビティ側の金型として用い、金型使用時にてコア側とキャビティ側とが接触することになる表面領域の一部に対して切削加工を施すことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第４の態様：上記第３の態様において、前記表面領域のうち「切削加工を施さない部分」を「切削加工を施す部分」よりも低い表面高さとなるように固化層形成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５の態様：上記第１〜第４の態様のいずれかにおいて、後加工基準となる部分を付加的に切削加工することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第６の態様：上記第１〜第５の態様のいずれかにおいて、前記使用時に力のかかる表面領域を固化密度９５〜１００％の高密度領域となるように固化層形成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７の態様：上記第２の態様の製造方法で得られ、コア側またはキャビティ側の金型として用いられる三次元形状造形物であって、
金型のキャビティ空間を形成する面が表面切削加工されていることを特徴とする、三次元形状造形物。
第８の態様：上記第３の態様の製造方法で得られ、コア側またはキャビティ側の金型として用いられる三次元形状造形物であって、
金型使用時にてコア側とキャビティ側とが接触することになる領域の一部が表面切削加工されていることを特徴とする、三次元形状造形物。
第１の態様：（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記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、前記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
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
固化層のうち三次元形状造形物の使用時に力のかかる表面領域に対して切削加工を施すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第２の態様：上記第１の態様において、前記三次元形状造形物をコア側またはキャビティ側の金型として用い、金型使用時にてキャビティ空間を形成する面に対して切削加工を施すことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第３の態様：上記第１または第２の態様において、前記三次元形状造形物をコア側またはキャビティ側の金型として用い、金型使用時にてコア側とキャビティ側とが接触することになる表面領域の一部に対して切削加工を施すことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第４の態様：上記第３の態様において、前記表面領域のうち「切削加工を施さない部分」を「切削加工を施す部分」よりも低い表面高さとなるように固化層形成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５の態様：上記第１〜第４の態様のいずれかにおいて、後加工基準となる部分を付加的に切削加工することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第６の態様：上記第１〜第５の態様のいずれかにおいて、前記使用時に力のかかる表面領域を固化密度９５〜１００％の高密度領域となるように固化層形成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７の態様：上記第２の態様の製造方法で得られ、コア側またはキャビティ側の金型として用いられる三次元形状造形物であって、
金型のキャビティ空間を形成する面が表面切削加工されていることを特徴とする、三次元形状造形物。
第８の態様：上記第３の態様の製造方法で得られ、コア側またはキャビティ側の金型として用いられる三次元形状造形物であって、
金型使用時にてコア側とキャビティ側とが接触することになる領域の一部が表面切削加工されていることを特徴とする、三次元形状造形物。
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、『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。また、『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して用いることができる。
本出願は、日本国特許出願第２００９−１４８８６６号（出願日：２００９年６月２３日、発明の名称：「三次元形状造形物の製造方法およびそれから得られる三次元形状造形物」）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。
Claims (8)
- （ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記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、前記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
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
固化層のうち三次元形状造形物の使用時に力のかかる表面領域に対して切削加工を施すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。 - 前記三次元形状造形物をコア側またはキャビティ側の金型として用い、金型使用時にてキャビティ空間を形成する面に対して切削加工を施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。
- 前記三次元形状造形物をコア側またはキャビティ側の金型として用い、金型使用時にてコア側とキャビティ側とが接触することになる表面領域の一部に対して切削加工を施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。
- 前記表面領域のうち「切削加工を施さない部分」を「切削加工を施す部分」よりも低い表面高さとなるように固化層形成を行うことを特徴とする、請求項３に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 後加工基準となる部分を付加的に切削加工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。
- 前記使用時に力のかかる表面領域を固化密度９５〜１００％の高密度領域となるように固化層形成を行うことを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 請求項２に記載の製造方法で得られ、コア側またはキャビティ側の金型として用いられる三次元形状造形物であって、
金型のキャビティ空間を形成する面が表面切削加工されていることを特徴とする、三次元形状造形物。 - 請求項３に記載の製造方法で得られ、コア側またはキャビティ側の金型として用いられる三次元形状造形物であって、
金型使用時にてコア側とキャビティ側とが接触することになる領域の一部が表面切削加工されていることを特徴とする、三次元形状造形物。
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