JPWO2015133137A1 - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

“三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分”の隆起を減じることができる粉末焼結積層法を提供する。本発明の製造方法は、（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、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って粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返して行い、光ビームの走査を、三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Ａと、輪郭部よりも内側となる三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Ｂとに分けており、輪郭部に相当する部分に対する光ビームのピークパワーＰＡが内部領域部に相当する部分に対する光ビームのピークパワーＰＢよりも低くなるように、光ビーム走査Ａと光ビーム走査Ｂとの間で相対的にピークパワーＰを調整する。

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「粉末焼結積層法」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体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６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６（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６（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６（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る。三次元形状造形物と造形プレートとの一体化物は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

上記のような粉末焼結積層法において、本願発明者らは、光ビームの走査条件の如何によって固化層が隆起する現象を見出した。具体的には、三次元形状造形物の外面部を成すことになる、即ち、三次元形状造形物の外周輪郭を成すことになる“輪郭部”と、それよりも内側の“内部領域部”とに分けて光ビームの走査を行うと、走査条件に起因すると考えられる隆起が生じ得ることを見出した。特に、効率的な固化層形成を行うべく高出力で光ビームの高速走査を実施すると、上記輪郭部に相当する部分に隆起８０が生じ易いことが分かった（図９参照）。

このような隆起８０は、効率的な固化層形成を行うべく“輪郭部に相当する部分”および“内部領域部に相当する部分”の双方に対して高出力で光ビームを高速走査する場合に特に顕著に生じ得る。

隆起８０が一旦生じると、粉末層形成時にスキージング・ブレード２３が隆起８０に衝突して粉末層形成が阻害され得る（図９参照）。具体的には、スキージング・ブレード２３を移動させて粉末１９から粉末層を形成するに際しては、スキージング・ブレード２３の移動が隆起８０の存在によって阻止され得る。

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、“三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分”の隆起を減じることができる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、本発明の一態様では、
（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射してその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
によって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、
光ビームの走査を「三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Ａ」と「前記輪郭部よりも内側となる三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Ｂ」とに分けており、
輪郭部に相当する部分に対する光ビームのピークパワーＰ_Ａが内部領域部に相当する部分に対する光ビームのピークパワーＰ_Ｂよりも低くなるように、光ビーム走査Ａと光ビーム走査Ｂとの間で相対的にピークパワーＰを調整す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。

本発明の一態様に係る製造方法に従って三次元形状造形物の“輪郭部に相当する部分”と“内部領域部に相当する部分”との間で相対的に光ビームのピークパワーＰを変えると“輪郭部に相当する部分”の隆起を減じることができる。従って、本発明の一態様に係る製造方法は『粉末層形成時にスキージング・ブレードが“隆起”に衝突して粉末層形成が阻害される不具合』を回避できる。

本発明の一態様に係る概念を模式的に表した図 光ビームのパワー・プロファイル “ピークパワーＰ_Ａ”と“三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分の隆起高さＨ”との相関関係 本発明のある好適な態様（“三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分”において複数の環状照射パスが互いに隣接する態様）を模式的に表した図 本発明のある好適な態様（“三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分”において複数の直線状照射パスが並列する態様）を模式的に表した図 粉末焼結積層法において切削処理を付加的に行う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 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 本願発明者らが見出した現象を説明するための模式図

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「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。

［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。粉末焼結積層法において三次元形状造形物の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６は、光造形複合加工のプロセス態様を模式的に示しており、図７および図８は、粉末焼結積層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６および図７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、即ち、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６に示すように、粉末テーブル２５、スキージング・ブレード２３、造形テーブル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を造形テーブル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。造形テーブル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、造形テーブル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７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を粉末層にスキャニングする手段、即ち、光ビームＬの走査手段である。

切削手段４は、図７に示すように、ミーリングヘッド４０および駆動機構４１を主に有して成る。ミーリングヘッド４０は、積層化した固化層の側面、即ち、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、ミーリングヘッド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。光造形複合加工機の動作は、図８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、まず造形テーブル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６（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、粉末層の所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させ、図６（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６（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、即ち、三次元形状造形物の表面を削るためのステップである。ミーリングヘッド４０（図６（ｃ）および図７参照）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、ミーリングヘッド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が積層した時点でミーリングヘッド４０を駆動させる。具体的には駆動機構４１によってミーリングヘッド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）が終了すると、所望の三次元形状造形物が得られているか否かの判断を行う（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２４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を得ることができる。

［本発明の製造方法］
本発明の一態様に係る製造方法は、上述した粉末焼結積層法につき、光ビームの走査条件に特徴を有している。

具体的には、まず光ビームの走査を「三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Ａ」と「輪郭部よりも内側となる三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Ｂ」とに分ける。図１では光ビーム走査Ａが符号“６５”で示されると共に、光ビーム走査Ｂが符号“７５”で示される。そして、光ビーム走査Ａと光ビーム走査Ｂとの間で相対的にピークパワーＰを調整する。具体的には“輪郭部に相当する部分”に対する光ビームL_ＡのピークパワーＰ_Ａが“内部領域部に相当する部分”に対する光ビームL_ＢのピークパワーＰ_Ｂよりも低くなるようにピークパワーＰの相対的な調整を行う（図１参照）。換言すれば、“輪郭部に相当する部分”のピークパワーＰ_Ａを“内部領域部に相当する部分”のピークパワーＰ_Ｂよりも低くする。

このように本発明の一態様に係る製造方法では、光ビーム走査Ａと光ビーム走査Ｂとの間で相対的に光ビームの走査条件を調整する。

本発明の一態様に係る製造方法に従って光ビームの走査条件を相対的に調整すると、固化層形成に際して生じ得る“隆起”を減じることができる。より具体的には、“輪郭部に相当する部分”に対するピークパワーＰ_Ａが“内部領域部に相当する部分”に対するピークパワーＰ_Ｂよりも低くなるようにピークパワーＰを調整すると、“輪郭部に相当する部分”に生じ得る隆起を減じることができる。本発明の一態様に係る製造方法に従えば、三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分と、それよりも内側となる内部領域部に相当する部分とに分けて光ビームを走査する場合であっても、輪郭部に相当する部分の隆起を減じることができる。

“輪郭部に相当する部分”および“内部領域部に相当する部分”との間にて同様の条件で光ビームを走査する場合においては、“輪郭部に相当する部分”で過剰量の粉末が固化に寄与することになり、隆起が生じやすくなるものと推測される。より具体的にいえば、“輪郭部に相当する部分”においては、その周囲に粉末がより多く存在することから過剰量の粉末が溶融する傾向があり、表面張力に起因して“隆起”が生じ易くなるものと推測される。

この点、本発明の一態様に係る製造方法のように「輪郭部に相当する部分のピークパワーＰ_Ａ」を「内部領域部に相当する部分のピークパワーＰ_Ｂ」よりも低くすると、“過剰量の粉末の溶融”を回避することが可能となる。それゆえ、本発明の一態様に係る製造方法は、隆起、特に“三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分”の隆起を減じることができ、結果として、その後の粉末層２２形成時にスキージング・ブレード２３の移動が阻害されなくなる。

ここで、本明細書において「輪郭部」は、三次元形状造形物の外面部を成すことになる外周輪郭の部分を意味している。換言すれば、“輪郭部に相当する部分”とは、粉末層にて規定される「製造される三次元形状造形物の領域」において、その周縁部分に相当する。「輪郭部」は、“周縁部分”において、幅寸法を有する形態ととらえてもよく、例えば、三次元形状造形物の最外表面から約０．０１ｍｍ〜約３ｍｍ内側（水平方向内側）に至るまで、好ましくは約０．０５ｍｍ〜約０．３ｍｍ内側（水平方向内側）に至るまでの局所的な領域が三次元形状造形物の“輪郭部”に相当する。一方、本明細書において「内部領域部」とは、三次元形状造形物において輪郭部よりも内側となる中実部分を意味している。換言すれば、“内部領域部に相当する部分”は、粉末層にて規定される「製造される三次元形状造形物の領域」において、上記“周縁部分”を除いた部分に相当する。

また、本明細書において「ピークパワーＰ」とは、図２に示すようなガウス分布を有する光ビームのパワー・プロファイルにおいて最大のパワーを指しており、その単位は例えば［Ｗ］である。より具体的にいえば、図２のガウス分布のパワー・プロファイルを示す以下の式につき、ピークパワーＰ_０は、ｒ＝０におけるパワーｐ（0）に相当する（阿部諭、外１名、金沢大学大学院自然科学研究科システム創成科学専攻の博士論文「金属光造形法複合加工法および金型に関する開発研究」、2008年3月31日、P52-53）。

（Ｐ：光ビームのパワー［Ｗ］、Ｐ_０：ピークパワー［Ｗ］、ｒ：集光半径（スポット径／２）［ｍｍ］、σ：標準偏差［−］、Ｓ：集光面積［ｍｍ^２］）

本発明の一態様に係る製造方法は、光ビーム走査Ａと光ビーム走査Ｂとの間で相対的にピークパワーＰを調整する。具体的には「三次元形状造形物の輪郭部となる部分に照射する光ビームのピークパワーＰ_Ａ」を「三次元形状造形物の内部領域部となる部分に照射する光ビームのピークパワーＰ_Ｂ」よりも低くする。例えば、ピークパワーＰ_ＡをピークパワーＰ_Ｂよりも３０％〜８０％低くすることが好ましく、更にいえば４０％〜７０％低くすることがより好ましい。

三次元形状造形物の輪郭部となる部分に照射する光ビームのピークパワーＰ_Ａの具体的な値については、「ピークパワーＰ_Ａと三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分の隆起高さＨとの相関関係」から決定することが好ましい。これにつき詳述する。光ビームのエネルギー密度が一定となる条件下では、図３に示すように“ピークパワーＰ_Ａ”と“三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分の隆起高さＨ”とは略比例の関係を有し得る。それゆえ、形成すべき粉末層の厚み（即ち、粉末層形成時におけるスキージング・ブレードと造形プレートとの隙間寸法“ｈ_ａ”）からピークパワーＰ_Ａの具体的な値を決定することができる。図３に示すグラフに基づくと、“ｈ_ａ”から導出される“ａ点”の値よりも小さいピークパワーＰ_Ａで光ビーム走査Ａを実施すると、隆起が生じたとしても、その高さ寸法は、粉末層形成時のスキージング・ブレードと造形プレートとの隙間寸法よりも小さくなる。その結果、粉末層形成時にスキージング・ブレードが“輪郭部の隆起”に衝突せず、粉末層形成が阻害されない。

本発明の一態様に係る製造方法では、光ビーム走査Ａと光ビーム走査Ｂとの間で相対的に光ビームの出力を変えることによって、ピークパワーＰの相対的な調整を行ってよい。つまり、ピークパワーＰ_ＡとピークパワーＰ_Ｂとの相対的な調整は、光ビーム走査Ａと光ビーム走査Ｂとの間で光ビームの出力を相対的に変えることによって行ってよい。具体的には、光ビーム走査Ａのための光ビームの出力Ｕ_Ａを、光ビーム走査Ｂのための光ビームの出力Ｕ_Ｂよりも低くすることによって、ピークパワーＰ_ＡをピークパワーＰ_Ｂよりも低くしてよい。

また、ピークパワーＰ_ＡとピークパワーＰ_Ｂとの相対的な調整は、光ビーム走査Ａと光ビーム走査Ｂとの間で光ビームのスポット径を相対的に変えることによって行ってもよい。具体的には、光ビーム走査Ａのための光ビームのスポット径Ｄ_Ａを、光ビーム走査Ｂのための光ビームのスポット径Ｄ_Ｂよりも大きくすることによって、ピークパワーＰ_ＡをピークパワーＰ_Ｂよりも低くしてよい。

光ビームの出力を変えること又は光ビームのスポット径を変えることによるピークパワーＰの相対的な調整は比較的簡易な操作である。一般的に“三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分”の隆起について、どの程度の大きさの“隆起”が生じるかは予測し難く、かかる予測し難い現象を予め想定した上で三次元形状造形物を設計するのは困難とされる。この点、本発明の一態様に係る製造方法は、そのように予測し難い現象を想定した設計そのものを“光ビームの比較的簡易な調整”によって省くことが可能となる。

本発明の一態様に係る製造方法では、好ましくは、光ビーム走査Ａに先立って光ビーム走査Ｂが行われるように光ビームの走査を行う。つまり、「三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Ｂ」を実施した後で「三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Ａ」を実施することが好ましい。これによって、“輪郭部に相当する部分”の周囲では光ビーム照射に際して溶融する粉末量がより減じられることになり、“輪郭部に相当する部分”の隆起を効果的に減じることができる。

ある好適な態様では、光ビーム走査Ａと光ビーム走査Ｂとの間で光ビームのエネルギー密度を同一にしてよい。つまり、“輪郭部に相当する部分”のピークパワーＰ_Ａが“内部領域部に相当する部分”のピークパワーＰ_Ｂよりも低い条件下において“輪郭部に相当する部分”と“内部領域部に相当する部分”との間で光ビームのエネルギー密度を同一にしてよい。これにより、三次元形状造形物の輪郭部と内部領域部との間で固化層の密度（即ち、固化密度）を実質的に同一にすることができる。

ちなみに、ここでいう「光ビームのエネルギー密度」とは、以下の式で表される。

Ｅ[Ｊ/ｍｍ^２]：エネルギー密度
Ｕ[W]：ビーム出力
Ｖ[ｍｍ／ｓ]：走査速度
Ｄ[ｍｍ]：スポット径

“エネルギー密度を同一にする態様”は、三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分の隆起を減じつつも、得られる三次元形状造形物において輪郭部の固化密度を内部領域部の固化密度よりも低下させずに互いに同一にできる。尚、粉末材料として金属粉末を用いる場合、「固化密度」は「焼結密度」に相当するので、かかる態様は、三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分の隆起を減じつつも、三次元形状造形物の輪郭部と内部領域部とで焼結密度を実質的に同一にすることができる。

本発明の一態様に係る製造方法において、三次元形状造形物の“輪郭部に相当する部分”のための光ビーム走査Ａとしては種々の態様が考えられる。例えば、光ビーム走査Ａにおいて、三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分に沿って複数の環状照射パスが相互に隣接するように光ビームを走査してよい。具体的には、図４に示すように、光ビーム走査Ａ（６５）として、“輪郭部に相当する部分”（６０）に沿って複数の環状照射パスＭ_{ｉ＝1,2,3・・・}が相互に隣接することになるように光ビームを走査してよい。つまり、“輪郭部に相当する部分”に沿って閉じるような形態を有する複数の照射パスが相互に隣接するように光ビーム走査Ａを実施してよい。かかる複数の環状照射パスについていえば、「相対的に外側に位置する環状照射パスの光ビーム」が「相対的に内側に位置する環状照射パスの光ビーム」よりもピークパワーＰが低くなるように光ビームの走査を行うことが好ましい。例えば図４に示す態様でいえば、環状照射パスＭ_１、Ｍ_２およびＭ_３に対するピークパワーをそれぞれＰ_{Ａ（Ｍ１）}、Ｐ_{Ａ（Ｍ２）}およびＰ_{Ａ（Ｍ３）}とする場合、Ｐ_{Ａ（Ｍ１）}＜Ｐ_{Ａ（Ｍ２）}＜Ｐ_{Ａ（Ｍ３）}の関係となるように光ビーム走査Ａを実施することが好ましい。このようにピークパワーＰを調整すると、輪郭部に相当する部分の隆起をより効果的に減じることができる。

また、光ビーム走査Ａにおいて、三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分において複数の直線状照射パスが並列するように光ビームを走査してよい。具体的には、図５（ａ）に示すように、光ビーム走査Ａ（６５）においては、“輪郭部に相当する部分”（６０）にて複数の直線状照射パスＮ_{ｉ＝1,2,3・・・}が並列することになるように光ビームを走査してもよい。つまり、複数の直線状照射パスが“輪郭部に相当する部分”を占めることになるように、光ビーム走査Ａを実施してよい。図５（ａ）に示す態様は、直線状照射パスが“輪郭部に相当する部分”の端から端まで長く延在する形態を有しているが、それに限定されず、図５（ｂ）に示す態様のように直線状照射パスが短いサブ照射パスＮ’_{ｉ＝1,2,3・・・}へと分断された形態を有していてもよい。

“複数の直線状照射パスの態様”では「相対的に外側に位置する直線状照射パスの光ビーム」が「相対的に内側に位置する直線状照射パスの光ビーム」よりもピークパワーＰが低くなるように光ビームの走査を行うことが好ましい。例えば図５（ａ）に示す態様を例にとると、“輪郭部に相当する部分”において「相対的に外側に位置する直線状照射パス」と「相対的に内側に位置する直線状照射パス」とが存在している。図示する態様では、“輪郭部に相当する環状部分”のうちの横方向領域（図５（ａ）の“Ｘ領域”）において「相対的に外側に位置する直線状照射パス」と「相対的に内側に位置する直線状照射パス」とが存在する（“Ｘ領域”は、その長手方向が直線状照射パスの延在方向に相当する領域である）。このような図５（ａ）に示す態様では、直線状照射パスＮ_１、Ｎ_２およびＮ_３に対するピークパワーをそれぞれＰ_{Ａ（Ｎ１）}、Ｐ_{Ａ（Ｎ２）}およびＰ_{Ａ（Ｎ３）}とすると、Ｐ_{Ａ（Ｎ１）}＜Ｐ_{Ａ（Ｎ２）}＜Ｐ_{Ａ（Ｎ３）}の関係となるように光ビーム走査Ａを実施することが好ましい。このようにピークパワーＰを調整すると、輪郭部に相当する部分の隆起をより効果的に減じることができる。尚、“輪郭部に相当する環状部分”のうちの縦方向領域（図５（ａ）の“Ｙ領域”）においては、ピークパワーＰの相対的な変更を特に施さなくてもよい。それゆえ、“Ｙ領域”では、例えば図３に示すグラフにて“ｈａ”から導出される“ａ点”の値よりも小さいピークパワーＰ_Ａで光ビーム走査Ａを実施してよい（“Ｙ領域”は、その長手方向が直線状照射パスの延在方向に対して直交する方向に相当する領域である）。

最後に「三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分」の光ビーム走査Ｂについて付言しておく。かかる“内部領域部に相当する部分”の光ビーム照射は、複数の直線状照射パスが並列する形態となっていてよい。つまり、「三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分」に対して実施する光ビーム走査Ｂとしては、直線的かつ並列的に光ビームを走査する、いわゆるラスタ走査を行ってよい。これにつき更にいえば、図５（ａ）および（ｂ）に示す光ビーム走査Ａ（６５）もラスタ走査と捉えることができる。それゆえ、図５（ａ）および（ｂ）に示す態様は、三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分および輪郭部に相当する部分の双方に対してラスタ走査を実施する態様であるといえる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の適用範囲における典型例を示したに過ぎない。従って、本発明は、上記の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、本発明の製造方法は、切削処理を付加的に行う粉末焼結積層法（図６および図７参照）に対してのみならず、切削処理を行わない粉末焼結積層法に対しても同様に実施することができる。

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）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
によって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、
前記光ビームの走査を、前記三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Ａと、該輪郭部よりも内側となる該三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Ｂとに分けており、
前記輪郭部に相当する部分に対する前記光ビームのピークパワーＰ_Ａが前記内部領域部に相当する部分に対する前記光ビームのピークパワーＰ_Ｂよりも低くなるように、前記光ビーム走査Ａと前記光ビーム走査Ｂとの間で相対的にピークパワーＰを調整することを特徴とする、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、前記光ビーム走査Ａに先立って前記光ビーム走査Ｂが行われるように前記光ビームを走査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態様：上記第１態様または第２態様において、前記光ビーム走査Ａにおいて、前記輪郭部に相当する部分に沿って複数の環状照射パスが互いに隣接するように前記光ビームを走査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態様：上記第１態様または第２態様において、前記光ビーム走査Ａにおいて、前記輪郭部に相当する部分にて複数の直線状照射パスが並列するように前記光ビームを走査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態様：上記第１態様〜第４態様のいずれかにおいて、前記光ビーム走査Ａと前記光ビーム走査Ｂとの間で相対的に前記光ビームの出力を変えることによって、前記ピークパワーＰの前記相対的な調整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６態様：上記第１態様〜第５態様のいずれかにおいて、前記光ビーム走査Ａと前記光ビーム走査Ｂとの間で相対的に前記光ビームのスポット径を変えることによって、前記ピークパワーＰの前記相対的な調整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態様：上記第１態様〜第６態様のいずれかにおいて、前記光ビーム走査Ａと前記光ビーム走査Ｂとの間で前記光ビームのエネルギー密度を同一にすることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。

本発明の一態様に係る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。一方、『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として用いることができる。

関連出願の相互参照

本出願は、日本国特許出願第２０１４−４３１０２号（出願日：２０１４年３月５日、発明の名称：「三次元形状造形物の製造方法」）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。

２２ 粉末層
２４ 固化層
６０ 三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分
６５ 光ビーム走査Ａ
７５ 光ビーム走査Ｂ
Ｌ 光ビーム
L_Ａ “三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分”に対する光ビーム
L_Ｂ “三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分”に対する光ビーム
Ｐ_Ａ “三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分”に対する光ビームのピークパワー
Ｐ_Ｂ “三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分”に対する光ビームのピークパワー
Ｍ_１，Ｍ_２，Ｍ_３ 環状照射パス
Ｎ_１，Ｎ_２，Ｎ_３（Ｎ’_１，Ｎ’_２，Ｎ’_３） 直線状照射パス

Claims (7)

1. （ｉ）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
   によって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、
   前記光ビームの走査を、前記三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Ａと、該輪郭部よりも内側となる該三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Ｂとに分けており、
   前記輪郭部に相当する部分に対する前記光ビームのピークパワーＰ_Ａが前記内部領域部に相当する部分に対する前記光ビームのピークパワーＰ_Ｂよりも低くなるように、前記光ビーム走査Ａと前記光ビーム走査Ｂとの間で相対的にピークパワーＰを調整することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
2. 前記光ビーム走査Ａに先立って前記光ビーム走査Ｂが行われるように前記光ビームを走査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。
3. 前記光ビーム走査Ａにおいて、前記輪郭部に相当する部分に沿って複数の環状照射パスが互いに隣接するように前記光ビームを走査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。
4. 前記光ビーム走査Ａにおいて、前記輪郭部に相当する部分にて複数の直線状照射パスが並列するように前記光ビームを走査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。
5. 前記光ビーム走査Ａと前記光ビーム走査Ｂとの間で相対的に前記光ビームの出力を変えることによって、前記ピークパワーＰの前記相対的な調整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。
6. 前記光ビーム走査Ａと前記光ビーム走査Ｂとの間で相対的に前記光ビームのスポット径を変えることによって、前記ピークパワーＰの前記相対的な調整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。
7. 前記光ビーム走査Ａと前記光ビーム走査Ｂとの間で前記光ビームのエネルギー密度を同一に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。

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