JPWO2011049143A1

JPWO2011049143A1 - 三次元形状造形物の製造方法およびその製造装置

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Publication number: JPWO2011049143A1
Application number: JP2011537290A
Authority: JP
Inventors: 阿部　諭; 諭阿部; 吉田　徳雄; 徳雄吉田; 不破　勲; 勲不破; 東　喜万; 喜万東
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2013-03-14
Anticipated expiration: 2030-10-20
Also published as: JP5653358B2; CN104741608B; US20120251378A1; EP2492084A1; EP2492084A4; CN104741608A; WO2011049143A1; US9073264B2; EP2492084B1; CN102574333B; CN102574333A

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チャンバー内において繰り返して行い、チャンバー内において局所的なガス流れを形成し、光ビームの照射によって発生するヒュームの少なくとも一部を局所的なガス流れに同伴させる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その製造装置に関する。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およびそのための装置に関する。

従来より、材料粉末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）。材料粉末として金属粉末やセラミック粉末などの無機質の材料粉末を用いた場合では、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材料粉末を用いた場合では、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。

材料粉末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を基板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）。

特表平１−５０２８９０号公報特開２０００−７３１０８号公報

三次元形状造形物の製造は、造形物の酸化などを防止すべく所定の不活性雰囲気下に保たれたチャンバー内で行われることが多い。チャンバー内には「粉末層を形成する手段」、「粉末層および／または固化層が形成されることになる造形テーブル」などが設置されている一方、チャンバー外には光ビーム照射手段が設置されている。光ビーム照射手段から発せられた光ビームは、チャンバーの光透過窓を通じて粉末層の所定箇所へと照射される。例えば図２（ａ）および（ｂ）を参照すると分かるように、チャンバー５０には光透過窓５２が設けられている。光ビームＬは光透過窓５２を通過してチャンバー５０内に入射される。

ここで、粉末層に光ビームを照射して粉末を焼結又は溶融固化させる際、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、“ヒューム”８と呼ばれる煙状の物質（例えば金属蒸気または樹脂蒸気）がビーム照射箇所から発生する。このヒュームは上昇してチャンバーの光透過窓に付着したり焼き付いたりする（図３参照）。それゆえ、光透過窓が曇ってしまい光ビームの透過率や屈折率などが低下し得る。光ビームの透過率や屈折率などが低下すると、所望の固化層を得ることができず、当初意図した造形物の製造が妨げられることになる。特に、粉末層として金属粉末層を用いた場合では、「焼結が安定しない」とか「焼結密度を高くすることができない」等の理由によって三次元形状造形物の強度が低下してしまうことが懸念される。

また、ヒュームは、チャンバー内に入射した光ビームに対して直接的に影響を及ぼし得る。具体的には、発生したヒュームは上昇し得る。それゆえ、上昇するヒュームが光ビームの経路を遮る場合があり、光ビームの照射量（粉末層に対して照射される量）が低減し得る。つまり、ヒュームの遮りに起因して、粉末層に供される光ビームのエネルギー量が所定の値よりも低下してしまうことが懸念される。

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、発生するヒュームの影響をできるだけ抑えた粉末焼結積層法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明では、
（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
をチャンバー内において繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
チャンバー内では、局所的なガス流れを形成し、光ビームの照射によって発生するヒュームの少なくとも一部を局所的なガス流れに同伴させることを特徴とする、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、ヒュームにより光透過窓が曇ることがないように及び／又はヒュームにより光ビームの経路が遮られることがないように、チャンバー内に形成した局所的なガス流れによってヒュームをトラップすることを特徴としている。

本明細書において「ヒューム」とは、三次元形状造形物の製造方法に際して、光ビームが照射される粉末層および／または固化層から発生する煙状の物質を指している。例えば、ヒュームは、「金属粉末材料に起因した金属蒸気」または「樹脂粉末材料に起因した樹脂蒸気」である。

また、本明細書において「局所的なガス流れ」とは、チャンバー内空間の一部に形成されるガス流れを実質的に意味している。そして、「局所的なガス流れに同伴させる」といった表現は、広義にはチャンバー内のガス流れによってヒュームが運ばれる態様を実質的に意味しており、狭義の具体的な態様では、チャンバー内空間の一部に形成されたガス流れに包含されるようにヒュームが移動して、そのガス流れに沿ってヒュームが流れる態様を実質的に意味している。ちなみに、用いるガスの種類は、チャンバー内の不活性雰囲気に対して悪影響を及ぼさないように、チャンバー内の不活性雰囲気ガスと同様の不活性ガスであることが好ましい。

更に、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。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、チャンバーに設けられた光透過窓から離れた位置に局所的なガス流れを形成する。換言すれば、光透過窓に対してガスを吹き付けないようにする。これにより、“光透過窓の曇り”を防止できる。また、“ヒュームによる光ビーム経路の遮り”を防止するために、チャンバー内に入射した光ビームの経路から離れた位置に局所的なガス流れを形成することも好ましい。

本発明の製造方法では、以下の態様で“局所的なガス”を形成することができる：
・チャンバーの外部から内部へとガスを供給する。
・チャンバーの内部に設けたファンを駆動する。
・チャンバー壁部を介してチャンバー内の雰囲気ガスを外部から吸引する。

また、“局所的なガス”のチャンバー内の態様としては以下のものが好ましい：
・粉末層から少なくとも１０ｍｍ以上離した位置に局所的なガス流れを形成する。
・チャンバーの内壁に沿ってガスが周回するように、局所的なガス流れをチャンバーの内壁近傍に形成する。
・局所的なガス流れによる“カーテン”が形成されるように、平面状または並列的にガスを流す。

ある好適な態様では、局所的なガス流れに同伴させたヒュームをチャンバーの内部から排出する。これにより、「チャンバー内にて必要以上のヒュームが蓄積される」といったことを防止できる。

別の好適な態様では、光ビームの照射時においてのみ局所的なガス流れを発生させる。これにより、ヒュームが発生している時にのみ局所的なガス流れが形成され、より効率的なヒューム除去が可能となる。

本発明では、上述した製造方法を実施するための「三次元形状造形物の製造装置」も提供される。かかる三次元形状造形物の製造装置は、
粉末層を形成するための粉末層形成手段、
固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段、
粉末層および／または固化層が形成されることになる造形テーブル、ならびに
粉末層形成手段および造形テーブルを内部に具備するチャンバー
を有して成り、
局所的なガス流れをチャンバー内に形成するためのガス流れ形成手段を更に有して成ることを特徴とする。

本発明では、光ビームの照射によって発生するヒュームをチャンバー内で効果的にトラップすることができる。即ち、発生するヒュームをチャンバー内の局所的な領域へと誘導・保持することができ、最終的にはそれをチャンバー内から除去できる。これにより、チャンバー光透過窓の“曇り”を防止できると共に、“ヒュームによる光ビーム経路の遮り”をも防止できる。

従って、本発明では、チャンバー内へと入射される光ビームの透過率の低下や屈折率の変化を防ぐことができ、所望の固化層形成が達成される。より具体的に言えば、粉末層が金属粉末層であって固化層が焼結層となる場合、『焼結が安定しないとか、あるいは、焼結部分の密度を高くすることができない』といった不都合を回避することができるので、三次元形状造形物の強度を実質的に均一に保持できる。

光造形複合加工機の動作を模式的に示した断面図光ビームの照射によってヒュームがチャンバー内に発生する態様を模式的に表した斜視図（図２（ａ）：切削機構を備えた複合装置、図２（ｂ）：切削機構を備えていない装置）チャンバー内でのヒュームの流れを模式的に示した断面図粉末焼結積層法が行われる態様を模式的に示した斜視図粉末焼結積層法が実施される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動作のフローチャート光造形複合加工プロセスを経時的に表した模式図本発明の概念を模式的に表した図供給ノズルを用いて局所的なガス流れを形成する態様を模式的に表した斜視図（図９（ａ））および断面図（図９（ｂ））吸引ノズルを用いて局所的なガス流れを形成する態様を模式的に表した斜視図（図１０（ａ））および断面図（図１０（ｂ））ガス供給とガス吸引とを組み合わせた態様を模式的に表した斜視図ファンを用いて局所的なガス流れを形成する態様を模式的に表した斜視図図１３（ａ）は、チャンバーの光透過窓から離れた位置に局所的なガス流れ”を形成する態様を模式的に表した断面図であり、図１３（ｂ）は、光ビーム経路から離れた位置に局所的なガス流れを形成する態様を模式的に表した断面図図１４（ａ）は、供給ノズルを用いて局所的なガス流れをチャンバーの内壁に沿うように周回させる態様を表した模式図であって、図１４（ｂ）は、ファンを用いて局所的なガス流れをチャンバーの内壁に沿うように周回させる態様を表した模式図図１５（ａ）は、供給ノズルを用いて局所的なガス流れをチャンバーの内壁に沿うように周回させる態様を模式的に示した斜視図であって、図１５（ｂ）はかかる態様を実施するために実際に組み立てた装置の写真局所的なガス流れのカーテンを形成する態様を模式的に表した斜視図

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。説明の便宜上、材料粉末タンクから材料粉末を供給し、均し板を用いて材料粉末を均して粉末層を形成する態様を前提として粉末焼結積層法を説明する。また、粉末焼結積層法に際しては造形物の切削加工をも併せて行う複合加工の態様を例に挙げて説明する（つまり、図２（ｂ）ではなく図２（ａ）に表す態様を前提とする）。図１，４および５には、粉末焼結積層法と切削加工と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で囲まれた材料粉末タンク２８内において上下に昇降する粉末テーブル２５」と「造形プレート上に粉末層２２を形成するための均し板２３」とを主として有して成る。光ビーム照射手段３は、図４および図５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４および図５参照）。

光造形複合加工機１の動作を図１、図６および図７を参照して詳述する。図６は、光造形複合加工機の一般的な動作フローを示しており、図７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、均し板２３を、矢印Ａ方向に移動させ、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に均して粉末層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し（Ｓ２２）、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７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７参照）。

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］
本発明は、上述した粉末焼結積層法のなかでも、特に光ビーム照射時の処理に特徴を有している。具体的には、光ビームの照射によって発生するヒュームの少なくとも一部をチャンバー内の“局所的なガス流れ”に同伴させることを特徴としている（図８（ａ）参照）。これにより、チャンバー光透過窓の“曇り”を防止できると共に、“ヒュームによる光ビーム経路の遮り”を防止できる。

（局所的なガス流れの形成）
本発明では、チャンバー内にてガスを局所的に流すことによって“局所的なガス流れ”を形成する。つまり、光造形が行われるチャンバー空間の一部の領域にガス流れを形成する。“局所的なガス流れ”のサイズについていうと、「ガス流れの断面寸法Ｄ」（図８（ｂ）参照）が好ましくは１〜１００ｍｍ程度、より好ましくは１０〜５０ｍｍ程度となっている。あるいは、後述する「供給ノズル６０または吸引ノズル７０の開口端サイズＤａ」（図９（ａ）または図１０（ａ）参照）もしくは「プロペラ直径Ｄｂ」（図１２）参照）が好ましくは１〜１００ｍｍ程度、より好ましくは１０〜５０ｍｍ程度となっている。特定の理論に拘束されるわけではないが、局所的なガス流れが形成されて、その領域の動圧が高くなると、それに応じて該領域の静圧が低くなる。その結果、静圧が低くなった領域において、周囲のガスが引き込まれることになり、発生したヒュームが局所的なガス流れに同伴されるものと考えられる。

かかる“局所的なガス流れ”の形成は、例えば、図９（ａ）および（ｂ）に示すように、チャンバー５０の外部から内部へとガス供給を行うことによって達成できる。例えば、図示するように、チャンバーの壁面に取り付けた供給ノズル６０を用い、その供給ノズル６０から圧縮したガスを供給してよい。かかる場合、供給ノズル６０は、その下流側にてチャンバー壁面５０ａを介してチャンバー内部空間と流体連通状態となっていると共に、上流側では供給管６１に連結されている。供給管６１には供給ポンプ（図９には図示せず）が設けられている。従って、供給ノズル６０に間接的に取り付けられている供給ポンプを駆動することによって、チャンバー内部空間にガスを局所的に流すことができる。供給ノズル６０から供給されるガス流量（０℃、１ａｔｍの標準状態を基準にしたガス流量）は、好ましくは５〜８０Ｌ／ｍｉｎ程度、より好ましくは１０〜６０Ｌ／ｍｉｎ程度、更に好ましくは１５〜４０Ｌ／ｍｉｎ程度である。

また、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、チャンバー壁部５０ａを介してチャンバー内の雰囲気ガスを外部から吸引することによっても、“局所的なガス流れ”を形成することができる。例えば、図示するように、チャンバーの壁面５０ａに取り付けた吸引ノズル７０からガスを吸引してもよい。かかる場合、吸引ノズル７０は、その上流側にてチャンバー壁面５０ａを介してチャンバー内部空間と流体連通状態となっていると共に、下流側では吸引管７１に連結されている。吸引管７１には吸引ポンプ（図１０には図示せず）が設けられている。従って、吸引ノズル７０に間接的に取り付けられている吸引ポンプを駆動することによって、チャンバー内部空間に局所的なガス流れを形成できる。吸引ノズル７０から吸引されるガス流量（０℃、１ａｔｍの標準状態を基準にしたガス流量）は、好ましくは５〜８０Ｌ／ｍｉｎ程度、より好ましくは１０〜６０Ｌ／ｍｉｎ程度、更に好ましくは１５〜４０Ｌ／ｍｉｎ程度である。

本発明では、“ガス供給”と“ガス吸引”とを組み合わせてもよい。つまり、図１１に示すように、「供給ノズル６０を介したガス供給」と「吸引ノズル７０を介したガス吸引」とを並列的に行うことによって、局所的なガス流れを連続的に形成しつつ、そのガス流れにトラップさせたヒュームを連続的にチャンバー外へと排出する。図示するように、供給ノズル６０と吸引ノズル７０とを相互に配管８０で連結し、その配管８０に対してフィルター８５を配することが好ましい（例えば、電気集塵作用を有するフィルターを配管８０に配してよい）。この場合、吸引されたガス（特に「ヒューム」を含んだガス）をフィルター８５で集塵処理することができ、その処理されたガスを新たなガス供給に再度使用することができる。

本発明では、図１２に示すように、チャンバー５０の内部に設けたファン９０を駆動することによっても局所的なガス流れを形成することができる。例えば、図示するように、プロペラを回転させることによって局所的なガス流れを形成できる。かかるファン駆動の態様では、チャンバー系内の雰囲気ガスが局所的に移動する態様となっており、実質的に閉鎖系で操作され得る（これに対して、図９および図１０の態様では、局所的なガス流れの形成に“チャンバー系外から系内へのガス移動”または“チャンバー系内から系外へのガス移動”を伴う）。図１２に示す態様においてプロペラの回転数は、ヒュームがガス流れに同伴されるのであれば特に制限はなく、例えば５０〜３００ｒｐｍ程度であってよい。

（チャンバー内における局所的なガス流れの態様）
チャンバー内における局所的なガス流れの態様としては、チャンバーの光透過窓の“曇り”を防止できるのであれば特に制限はなく、また、“ヒュームによる光ビーム経路の遮り”を防止できるのであれば、特に制限はない。

典型的には、チャンバーの光透過窓から離れた位置に“局所的なガス流れ”を形成することが好ましい。例えば図１３（ａ）に示すように、光透過窓５２の下方領域を除くチャンバー内部空間に“局所的なガス流れ”を形成することが好ましい。つまり、“局所的なガス流れ”の水平方向位置が光透過窓５２の設置位置からずれるようにする。これを図１３（ａ）を用いて詳述すると、光透過窓のエッジ部（ａ点）と局所的なガス流れの側面部（ｂ点）との間の水平方向距離Ｌa-bが少なくとも１ｍｍ程度となるように局所的なガス流れを形成する（水平方向距離Ｌa-bの上限値は、チャンバー・サイズなどによって変わり得るものの、例えば１００ｍｍ程度である）。このように光透過窓の設置位置から外すと、“光透過窓の曇り”を効果的に防止することができる。

また、光ビーム経路から離れた位置に“局所的なガス流れ”を形成することも好ましい。例えば図１３（ｂ）に示すように、チャンバー内に入射する光ビーム経路から水平方向にずれた位置に“局所的なガス流れ”を形成することが好ましい。図１３（ｂ）を用いて詳述すると、光ビームのエッジ部（ｃ点）と局所的なガス流れの側面部（ｄ点）との間の水平方向距離Ｌｃ-ｄが少なくとも１ｍｍ程度となるように局所的なガス流れを形成する（水平方向距離Ｌｃ-ｄの上限値は、チャンバー・サイズなどによって変わり得るものの、例えば１００ｍｍ程度である）。このように光ビーム経路から外すと、“ヒュームによる光ビーム経路の遮り”を効果的に防止することができる。

“局所的なガス流れ”の形成位置を光透過窓または光ビーム経路から“ずらす”態様として、例えば、チャンバーの内壁に沿うように局所的なガス流れを形成してよい。つまり、図１４および図１５に示すように、チャンバーの内壁に沿ってガスが周回するように、局所的なガス流れをチャンバーの内壁近傍に形成することが好ましい。これにより、チャンバーの内壁近傍の“局所的なガス流れ”にヒュームをトラップし続けることができる。換言すれば、発生したヒュームをチャンバー内部空間の周縁領域に一定期間保持できるので、安定した光造形プロセスが実現され得る。図１４および図１５に示す態様では“局所的なガス流れ”はチャンバー内壁に沿った旋回流となり、かかる旋回流が光透過窓および光ビーム経路から外れた領域に位置する。従って、光透過窓および光ビーム経路から外れるようにヒュームが旋回流に同伴されることになるので、光透過窓の曇りや光ビームの減衰を効果的に防止できる。

図１４および図１５に示す態様では、一定方向に旋回・周回するガス流れが形成されるように、複数のガスノズル（６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ）をチャンバーの内壁近傍に配してよく（図１４（ａ）参照）、あるいは、複数のファン（９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ）をチャンバーの内壁近傍に配してもよい（図１４（ｂ）参照）。ガスノズル（６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ）またはファン（９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，９０ｄ）は、図示するようにチャンバーの各側面の近傍に１個ずつ配されていることが好ましい。これにより、チャンバーの側壁面に沿って局所的な旋回流を効果的に形成できる。尚、チャンバー内壁に沿って局所的なガス流れを形成する場合、図１４（ａ）および（ｂ）ならびに図１５（ａ）に示すように、ガスの循環経路にフィルター８５を設けてもよい。これにより、ヒュームを含んだガスがフィルター８５で集塵処理され、比較的長くガスを循環させ続けることができる。

別の態様として、“局所的なガス流れ”によって粉末層の粉末が巻き上げられることのないように、粉末層から少なくとも１０ｍｍ以上離した位置に“局所的なガス流れ”を形成することが好ましい。“粉末層の巻上げ”を効果的に防止できると、所望の固化層形成が容易となる。かかる態様は、例えば図９（ａ）および（ｂ）に示す距離Ｈが好ましくは１０ｍｍ以上であることを意味している。換言すれば、粉末層および／または固化層の表面Ｈａ」から「ガス流れの下端部Ｈｂ」までの距離につき下限値が１０ｍｍであること（図９（ｂ）参照）、即ち、“局所的なガス流れ”の垂直方向高さの下限値が１０ｍｍであることを実質的に意味している。“局所的なガス流れ”の垂直方向高さの下限値が１０ｍｍであれば、その上限値については特に制限はない。例えば、“局所的なガス流れ”がチャンバーの上側内壁（図９（ｂ）の参照番号“５０ｂ”参照）の直近を流れるような態様であってもよい。

別の態様として、本発明の製造方法では、局所的なガス流れを平面状に形成してよい。つまり、図１６（ａ）に示すように、ガス流れのカーテン１０１が形成されるように平面状または並列的にガスを流してよい。これにより、いずれのポイントから発生したヒュームであっても、それをガス流れに同様に同伴させることができる。その結果、ヒューム発生ポイントの違いによる影響を比較的小さくすることができる。なお、光ビーム経路の妨げにならないように、実際には、光透過窓の下方領域を除くチャンバー内部空間にカーテン１０１を形成することが好ましい（図１６（ｂ）参照）。局所的なガス流れによるカーテン１０１の形成は、例えば、図９（ａ）に示すガス供給ノズル６０を「スリット状開口部を備えたガス供給ノズル」に変更することによって達成することができる。あるいは、「図９（ａ）に示すガス供給ノズル６０」を水平方向に複数個配して並列的なガス供給を行うことによっても達成できる。

（ガスの種類）
“局所的なガス流れ”に使用されるガスの種類については、特に制限はなく、種々のガスを用いることができる。例えば、チャンバー内に仕込まれる雰囲気ガスと同じ種類のガスを用いてよい。例示すると、コスト的な観点からは“空気”を使用することが好ましい。一方、粉末層および造形物の酸化防止の観点からは窒素ガスなどの不活性ガスを用いることが好ましい。

（局所的なガス流れの種々の態様）
上述の態様は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。本発明では、それらに限定されず、種々の変更態様が可能である。

例えば、チャンバー内にてヒュームが必要以上に蓄積されることを防止すべく、局所的なガス流れに同伴させたヒュームをチャンバー内から適宜排出してもよい。例えば、図１４（ａ）および（ｂ）に示すように、チャンバーの内壁面に沿って循環するガス流れを形成する場合、ある程度の量のヒュームがガス流れに蓄積された時点で排出口５５からヒュームを排出してもよい。かかるヒュームの排出は、強制的な吸引を介して行ってもよく、あるいは、閉鎖状態にあった排出口を単に開くことによって行ってもよい。この点、図１４（ａ）に示すガス供給ノズルを密閉チャンバー内で用いる場合では、ガス供給に伴ってチャンバー内圧が徐々に増加し得ることになるので、“閉”の排出口を単に“開”にすることによってヒューム排出を行うことができる。

本発明では、より効率的にヒュームをトラップすべく、光ビームの照射時においてのみ“局所的なガス流れ”を発生させてよい。つまり、光ビームの照射時のみガス供給（図９参照）、ガス吸引（図１０参照）またはファン駆動（図１２参照）を行ってよい。これにより、ヒュームが発生する時に“局所的なガス流れ”を同期的に形成することができ、ランニング・コスト（≒操作コスト）が低減され得る。かかる態様では、光ビーム発振器へと出力される“照射時間のデータ”をガス供給ポンプ（図９の場合）、ガス吸引ポンプ（図１０の場合）またはファン駆動部（図１２の場合）にも同様に出力することによって、ヒューム発生と同期的なガス流れを形成できる。

［本発明の製造装置］
次に、本発明の製造方法の実施に好適な装置について説明する（粉末として金属粉末を用い、固化層が焼結層となる態様を例にとって説明する）。かかる装置は、図１、図２、図４および図５に示すように、
金属粉末層を形成するための粉末層形成手段２、
焼結層が形成されるように金属粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段３、
金属粉末層および／または焼結層が形成されることになる造形テーブル２０、ならびに
金属粉末層形成手段および造形テーブルを内部に具備するチャンバー５０
を有して成り、
局所的なガス流れをチャンバー５０内に形成するためのガス流れ形成手段を更に有して成る。

かかる装置の動作も含めて、「粉末層形成手段２」、「造形テーブル２０」、「光ビーム照射手段３」および「チャンバー５０」等については、上述の［粉末焼結積層法］で説明しているので、重複を避けるために説明を省略する。尚、ガス流れ形成手段としては、図９に示すような供給ノズル６０（および供給ポンプ）、図１０に示すような吸引ノズル７０（および吸引ポンプ）、図１２に示すようなファン９０（および駆動装置）などであってよい。ガス流れ形成手段の個数は、１つに限定されず、必要に応じて複数個で用いてもよい。

上述のような本発明は、次の態様を包含していることを確認的に述べておく：
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
をチャンバー内において繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
前記チャンバー内において局所的なガス流れを形成し、前記光ビームの照射によって発生するヒュームの少なくとも一部を前記局所的なガス流れに同伴させることを特徴とする、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、前記チャンバーの光透過窓から離れた位置に前記局所的なガス流れを形成する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、前記チャンバー内に入射した光ビーム経路に対して離れた位置に前記局所的なガス流れを形成する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１〜第３の態様のいずれかにおいて、前記チャンバーの外部から内部へとガスを供給することによって、前記局所的なガス流れを形成する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３の態様のいずれかにおいて、前記チャンバーの内部に設けたファンを駆動することによって、前記局所的なガス流れを形成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３の態様のいずれかにおいて、前記チャンバーの壁部を介して前記チャンバー内の雰囲気ガスを外部から吸引することによって、前記局所的なガス流れを形成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の態様：上記第１〜第６の態様のいずれかにおいて、前記局所的なガス流れに同伴させたヒュームを前記チャンバーから排出することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第８の態様：上記第１〜第７の態様のいずれかにおいて、前記局所的なガス流れを前記粉末層から少なくとも１０ｍｍ以上離して形成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の態様：上記第１〜第８の態様のいずれかにおいて、前記局所的なガス流れを前記チャンバーの内壁に沿うように周回させることを特徴とする三次元造形物の製造方法。
第１０の態様：上記第１〜第８の態様のいずれかにおいて、前記局所的なガス流れを平面状に形成することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
第１１の態様：上記第１〜第１０の態様のいずれかにおいて、前記光ビームの照射時においてのみ前記局所的なガス流れを発生させることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第１２の態様：上記第１〜第１１の態様のいずれかにおいて、不活性ガスを用いて前記局所的なガス流れを形成することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第１３の態様：粉末層を形成するための粉末層形成手段、
固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段、
粉末層および／または固化層が形成されることになる造形テーブル、ならびに
粉末層形成手段および造形テーブルを内部に具備するチャンバー
を有して成り、
局所的なガス流れをチャンバー内に形成するためのガス流れ形成手段を更に有して成ることを特徴とする、三次元形状造形物の製造装置。

（従来技術について）
最後に、本発明の技術的思想と本質的に異なるものであるが、特表平９−５１１６９３について付言しておく。特表平９−５１１６９３には「レーザー焼結を用いて物体を層状に製造するための装置」が開示されている。開示されている装置では、ビームを収束させるレンズに対して窒素を流している。特にレンズ表面全体に流れるように工夫を施しており、『局所的なガス流れに同伴させる』といった本発明の思想については開示も示唆もされていない点に留意されたい。

本発明の三次元形状造形物の製造装置および製造方法では、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。

Claims

（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
をチャンバー内において繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
前記チャンバー内において局所的なガス流れを形成し、前記光ビームの照射によって発生するヒュームの少なくとも一部を前記局所的なガス流れに同伴させることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
前記チャンバーの光透過窓から離れた位置に前記局所的なガス流れを形成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。
前記チャンバー内に入射した光ビーム経路に対して離れた位置に前記局所的なガス流れを形成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。
前記チャンバーの外部から内部へとガスを供給することによって、前記局所的なガス流れを形成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。
前記チャンバーの内部に設けたファンを駆動することによって、前記局所的なガス流れを形成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。
前記チャンバーの壁部を介して前記チャンバー内の雰囲気ガスを外部から吸引することによって、前記局所的なガス流れを形成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。
前記局所的なガス流れに同伴させたヒュームを前記チャンバーから排出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。
前記局所的なガス流れを前記粉末層から少なくとも１０ｍｍ以上離して形成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。
前記局所的なガス流れを前記チャンバーの内壁に沿うように周回させることを特徴とする、請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
前記局所的なガス流れを平面状に形成することを特徴とする、請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
前記光ビームの照射時においてのみ前記局所的なガス流れを発生させ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。
不活性ガスを用いて前記局所的なガス流れを形成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。
粉末層を形成するための粉末層形成手段、
固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段、
粉末層および／または固化層が形成されることになる造形テーブル、ならびに
粉末層形成手段および造形テーブルを内部に具備するチャンバー
を有して成り、
局所的なガス流れをチャンバー内に形成するためのガス流れ形成手段を更に有して成ることを特徴とする、三次元形状造形物の製造装置。