JPWO2015145844A1 - レーザ粉末積層造形装置及びレーザ粉末積層造形方法及び３次元積層造形装置 - Google Patents

レーザ粉末積層造形装置及びレーザ粉末積層造形方法及び３次元積層造形装置 Download PDF

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Abstract

積層造形品の品質（積層間強度、ボイド低減）の向上、高耐熱樹脂を使用可能とできる低コストかつ品質の良いプロセスウィンドウを用いない方法、サポートの剥離性を向上させる方法を提供することにある。粉末材料を薄層として設置する工程と、設置された粉末材料にレーザを照射することで、焼結もしくは溶融させるレーザ照射工程と、を有する積層造形物を製作するレーザ粉末造形方法であって、前記設置する工程の前あるいは後または前記レーザ照射工程の前あるいは後に、レーザを照射する領域の酸素官能基を生成させるあるいは増加させる表面改質処理を行う工程と、を有することを特徴とするレーザ粉末造形方法。

Description

本発明は、樹脂を対象とした３次元積層造形方法及びその装置に関する。また、造形物の剥離方法に関する。
３次元積層造形は、金型を使用しない方法であるため、短期間で試作できるというメリットがあり、近年、機能確認用の試作に用いられることが多くなってきている。また、試作への適用のみならず、少量多品種製品の直接製造への適用のニーズも増加している。このような背景の中、近年、レーザ粉末積層造形方法（本願では、レーザ粉末積層造形方法をレーザ積層造形方法とも呼ぶ、この方法に対応する装置をレーザ積層造形装置とも呼ぶ、また３次元積層造形装置または方法についても３次元粉末積層造形装置または方法とも呼ぶ）が注目を浴びている。
その理由として、レーザ粉末積層造形方法は、射出成形でも使用できる樹脂が使用可能な方法であるため、造形品の強度、信頼性、寸法安定性がその他の造形方法に比べて、高いことが挙げられる。
レーザ粉末積層造形方法は、造形箇所内で順次、粉末材料をローラやブレードで敷き、その粉末材料を選択的にレーザで加熱・焼結し、それらを繰り返すことで積層品を作る方法である。この方法は、造形時の反りを抑止するため、造形時に造形箇所などに設置された加熱手段により、焼結直前の樹脂粉末の表面温度をその樹脂の融点と再結晶化温度の間に設置することが必須とされており、融点と再結晶化温度の差は、プロセスウィンドウと定義されていることが多い。
しかしながら、プロセスウィンドウのエリアに設定したとしても、実際には、良好な積層造形品を作製する上で、樹脂の融点から５〜１５℃程度低い温度に設定することが多く、特に、造形領域全体の表面温度がばらつくと造形品の品質が悪くなることが知られている。
そのため、例えば、特許２８４７５７９号公報（特許文献１）、特許３６３０６７８号公報（特許文献２）、特許４８５６９７９号公報（特許文献３）では、品質を安定化させるために、造形領域の境界全体を覆うように加熱する手段が開示されている。
さらに、プロセスウィンドウを用いた方法の場合、レーザ粉末積層造形装置のコストの観点から、造形室の温度は２００℃までとすることが多く、高耐熱樹脂を用いた造形は困難であった。そのため、Ｐｒｏｃ．Ｓｏｌｉｄ Ｆｒｅｅｆｏｒｍ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ２０１２(２０１２) ６１７−６２８（非特許文献１）には、レーザ粉末積層造形でサポートを導入し、無予熱で造形品を作製する方法が開示されている。
特許２８４７５７９号公報 特許３６３０６７８号公報 特許４８５６９７９号公報
Ｐｒｏｃ．Ｓｏｌｉｄ Ｆｒｅｅｆｏｒｍ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ２０１２(２０１２) ６１７−６２８
プロセスウィンドウを用いた方法の場合、造形エリアを高温とし、融点近傍まで温度を上げるため、造形エリアが大きくなった場合、特許文献１−３における方法を用いた場合、造形エリア内の温度ばらつきの制御が困難である。また、造形サイズが大きい場合の中央と端、もしくは、造形品を多数詰め込んだ場合の中央付近の造形品と端付近の造形品では、品質（ボイドや強度）のばらつきが大きく発生する。また、粉末造形において、樹脂粉末や焼結部は高温で比較的長時間放置されるため、樹脂のブリード（添加剤の析出）によって、粉末設置性の悪化、積層間強度の低下、ボイド増大などの課題もある。さらに、焼結しない部分も長時間高温で放置されるため、劣化が起こり、リサイクル率の低下も大きな課題である。
また、非特許文献１に記載されるように、無予熱で造形品を作製することで、温度制御に対するロバスト性の問題やリサイクル率の低下は解決する。しかし、レーザ照射のみで樹脂の温度を融点近辺もしくはその温度以上とするため、粉末樹脂内の温度分布ばらつきは大きくなり、一部熱量が過剰になりやすい。その結果、ボイドが多く残り、造形品の密度がプロセスウィンドウを用いた方法に比べ、低くなることがわかっている。さらに、サポート材には樹脂粉末と同種の樹脂を用いているため、剥がすことが困難という大きな課題もある。
そこで、本発明の目的は、積層造形品の品質を向上させる積層造形装置および積層造形方法を提供することである。また、サポート材の剥離がしやすいレーザ粉末積層造形装置及びレーザ粉末積層造形方法及び３次元積層造形装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、粉末材料を薄層として設置する工程と、設置された粉末材料にレーザを照射することで、焼結もしくは溶融させるレーザ照射工程と、を有する積層造形物を製作するレーザ粉末造形方法であって、設置する工程の前あるいは後またはレーザ照射工程の前あるいは後に、レーザを照射する領域の酸素官能基を生成させるあるいは増加させる表面改質処理を行う工程と、を有することを特徴とする。
また、一例として、粉末材料の薄層をレーザにより焼結もしくは溶融し、接合積層を繰り返して３次元造形物を作製するレーザ粉末造形装置であって、粉末材料の薄層を供給部と、粉末を焼結・溶融させるレーザ照射部と、レーザを照射する領域に酸素官能基を発生もしくは増加させる表面改質部と、粉末材料にレーザを照射する造形エリアを囲む造形容器部と、造形容器部内に造形エリアに供給する粉末材料を保管する容器と、造形エリア及び保管容器を略鉛直方向に稼動するピストンと、造形エリア及び造形容器を加熱するヒータと、を備えたことを特徴とする。
本発明の採用により、品質の高い積層造形品の提供が可能となる。
本発明のレーザ粉末積層造形装置の構成を示す平面図である。 本発明のレーザ積層造形方法を示す図である。 本発明のレーザ積層造形方法の別の実施例を示す図である。 本発明のレーザ積層造形方法を適用し、オーバハング形状を作製した際の一例を示す図である。 本発明のレーザ積層造形方法を適用した時のサポート板の形状を示す図である。 本発明のレーザ粉末積層造形装置の別の実施例を示す平面図である。 本発明のレーザ粉末積層造形装置の別の実施例を示す平面図である。 本発明のレーザ積層造形方法の別の実施例を示す図である。 本発明のレーザ積層造形方法を適用した時のサポート板やサポート形状を示す図である。 本発明のレーザ積層造形方法の別の実施例を示す図であり、２種類の粉末で積層した例を示す図である。
本発明の実施の形態について以下に説明する。本発明に用いるレーザ粉末積層造形装置６０は、供給用の粉末樹脂３０を造形エリアに供給するローラ１もしくはブレード、設置した樹脂粉末３１を焼結もしくは溶融させ積層接合するのに用いるレーザ光源２、造形エリア８内でレーザ光４を高速で動かすためのガルバノミラー３、造形エリア８内の造形容器５、反射板７、前記造形容器５の両側に配置される粉末材料を保管する保管容器６、造形容器５及び保管容器６を上下方向に動作させるためのピストン１０、１１、造形エリア８、造形容器５、保管容器６を高温に保持するためのヒータ（図示せず）から構成される。なお、ヒータの配置や構造は適宜変更してよい。粉末材料（粉末樹脂）を保管する容器６のエリア温度９は、造形エリア８内の温度以下としておくと良い。
積層造形は、ローラ１もしくはブレードで粉末を敷き、レーザ光４で設置した樹脂粉末３１を焼結もしくは溶融させ、それらを繰り替えることで３次元的に造形品５０を作製する方法である。造形後に、造形品５０は、樹脂粉末３２の中に埋もれた状態となっており、その樹脂粉末３２の中から取り出し後に、ブラストなどで造形品５０から粉末から剥離する。なお、造形エリア８は、粉末の劣化を抑制するために、窒素やアルゴンなどでパージし、酸素濃度を低下させておくことが望ましい。また、レーザ光源２は、樹脂粉末の吸収特性に応じて変える必要があるが、ナチュラル色を用いる場合は、ＣＯ２レーザ（波長１０．６μm）を使うのが一般的である。樹脂粉末の色がブラックなど赤外光を吸収する材質が含まれている場合は、ＣＯ２レーザのみならずファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ（波長８００-１１００ｎｍ）を用いても良い。レーザ光４の強度分布は、通常、ガウシアンであるが、トップハット形状とするとより高精細とできる。使用する樹脂粉末のサイズは、φ１０-１００μｍ程度とすると良い。
積層造形を行うには、事前にレーザ粉末積層造形装置６０に造形物の設計は３ＤのＣＡＤモデルを使用する場合が多い。ＣＡＤモデルを基に積層造形の際に、各層ごとにレーザ照射の照射順序等の各工程等の各工程で行う作業手順を設定する。この設定は設計に用いた計算機（図示しない）や別途ネットワーク等を介して接続された計算機で行ってもよく、どのような態様であってもよい。また、当該設定はレーザ粉末積層造形装置６０で行ってもよい。
この３ＤのＣＡＤモデルまたは３ＤのＣＡＤモデルより設定された作業手順の情報等を、レーザ粉末積層造形装置６０の記憶部に保存し、保存された情報を用いて積層造形を行う。記憶部への上記３ＤのＣＡＤモデルや作業手順の情報等を保存あるいは入力するには他の計算機からネットワーク等の通信を用いる手段や、別途ＣＤ−ＲＯＭ等の光ディスク、ＭＯ、フラッシュメモリ等の記憶装置を使って上記作業手順の情報を送信受信等によって入力してもよい。
本願発明について、３次元積層造形のうち、代表例としてレーザ粉末積層造形方法について説明する。
図１は、本発明の積層造形方法及び装置の実施例を示す平面図である。レーザ粉末造形は、粉末（樹脂粉末あるいは粉末樹脂を指すが、単に粉末とも呼ぶ）を焼結させ、薄層を作製するため、薄層間つまりＺ方向（鉛直方向）の焼結強度が小さいという課題がある。特に、粉末は、レーザ光４による焼結前に、その自重のみで焼結部と密着しており、積層間のボイドも発生しやすい。
また、薄層の製作を繰り返し行う造形の際の反りを抑止するため、造形箇所などに設置されたヒータなどの加熱により、造形の際の造形エリア８は、樹脂材の融点から５〜１５℃程度低い温度に設定されることが多い。これをプロセスウィンドウ方式と呼ぶ。
さらに、樹脂粉末３２に埋もれた造形品５０の反りを抑止するために、造形品５０を再結晶化温度近辺まで高温に保持する必要がある。そのため、樹脂粉末３１や造形品５０は、高温に長時間晒される状況となり、樹脂材中に含まれる添加剤の析出（ブリード）も問題となることがある。ブリードが顕著に起こる場合、樹脂粉末の種類によっては正常に粉末自体を薄層に敷くことが困難な場合がある。
さらに、樹脂粉末３１が焼結部３３に十分に濡れるが高い強度を発現するには必要となるが、焼結部３３のブリード効果によって、濡れ性が低下し、薄層間の強度の大幅低下やボイドの大幅増加が起こる場合がある。
そのような課題を背景に、本発明者らは、樹脂粉末３１の設置前の焼結部３３に表面改質処理（以下、単に「改質処理」とも呼ぶ）を施すことで、一部溶融した樹脂粉末３１が十分に焼結部３３に濡れ、薄層間の強度向上やボイド低減に大きく寄与することを見出した。
表面改質処理は、ブリードの除去に加えて、さらに、焼結樹脂の主鎖や側鎖のＣＣ、ＣＨ結合を切ることで、ＣＯ、ＣＯＯ、Ｃ＝Ｏなどの酸素官能基を生成・増加させる効果がある。それら官能基が焼結部３３の表面に発生すると、表面エネルギー自体が大幅に向上するため、接合する樹脂粉末３１の表面エネルギーに対して、焼結部３３の表面エネルギーは大きくでき、濡れ性が向上する作用をもたらす。改質処理される箇所は表面だけでなく、処理が行われた領域の酸素官能基を生成あるいは増加させる。
表面改質処理としては、樹脂粉末３１上を操作させるため、樹脂粉末が飛散しないようなドライ処理、例えば、大気圧プラズマ処理やＵＶ処理（ＵＶオゾン処理も含む）を用いると良い。
また、例えば、プラズマ２１により、焼結部３３の酸素官能基つまり極性基が大幅に増えた結果、静電気に対しても耐性が強くなる。特に、静電気の影響が大きくなると、樹脂粉末３１を薄く敷くことすら困難となり、造形不良が発生してしまうこととなる。特に、静電気の影響は、樹脂粉末のサイズが小さくなるほど、顕著になる。さらに、無極性樹脂の場合、酸素官能基を含まないため、静電気の影響をより受けることになる。
そのため、サイズの小さい樹脂粉末や無極性樹脂を用いる場合は、表面改質処理を施すと、粉末の設置性が向上するため、造形不良を大幅に抑制できる。
なお、造形エリア８に供給する以前の粉末３０自体にも表面改質処理を施しておくと更に良い。
また、通常のレーザ粉末焼結では、造形品５０の寸法精度の観点から、主に結晶性樹脂のみ使用可能とされている。その理由として、非結晶性樹脂はガラス転移温度から軟化はするが、急激な粘度低下が起こらず、その結果として焼結部３３に濡れないことが原因となる。
そこで、本願発明の前記表面改質処理を焼結部３３に施すことで、焼結部３３とレーザ照射した粉末の密着性は大幅に向上するため、非結晶性樹脂の使用も可能となる。
また、従来のレーザ粉末焼結では、装置コストの観点から、造形エリア８の温度は２００℃までとすることが多く、結晶性樹脂においても制限が大きな問題となっていた。さらに、たとえ、装置コストの増大を許容して、高融点樹脂にプロセスウィンドウ方式を採用しても、２００℃以上の高温に樹脂粉末３１、３２は長時間晒されるため、粉末同士が一部密着し塊（ケーキ）となりやすく、劣化も起きやすくなるため、樹脂粉末３１，３２のリサイクル率の大幅な悪化が問題となる。
また、プロセスウィンドウ方式では、反りを抑止するため、造形後に徐冷させ残留応力を徐々に解放させるが、温度が高い状態からとなるため、冷却の時間の大幅な増大が大きな課題となる。
そこで、高融点樹脂を用いる場合は、造形エリア８の温度を再結晶化温度以下とし、反りを抑制するために、サポート基板４０を用いると良い。なお、前記ドライ処理を施した樹脂は、高温で放置されると生成及び増加した官能基は潜り込みが加速するため、高温では効果が非常に小さくなることがわかっている。そのため、可能な限り低い造形温度（例えば、１００℃以下）とすることで、表面改質処理の効果はより向上する。
具体的には、図２で示す方法とすることより、高融点樹脂を含めた樹脂で品質の良い造形品５０の作製が可能となる。なお、高融点樹脂について表面改質処理を併用する効果を取り上げたが、融点の低く、前記プロセスウィンドウ方式を用いる樹脂でも、図２の構成は有効な方法となる。ここで、上記した品質とは積層間強度、ボイド低減を指す。
特に、プロセスウィンドウ方式を用いないため、温度制御に対してロバストになり、大型の造形品５０の品質確保には有効となる。また、造形品５０の適用対象によっては、品質がプロセスウィンドウ方式と同様レベルでも良く、造形時間の短縮化を優先する場合もある。
その場合、レーザ粉末積層造形装置６０の内部に表面改質処理ユニット２０を内蔵せず、造形エリア８を再結晶化度以下の比較的低温とした上で、表面処理を事前に施したサポート基板４０を用いた方法を採用しても良い。
また、その場合、表面改質処理によるプロセス時間の増加を抑制し、徐冷時間の大幅な短縮化が可能となる。また、サポート基板４０や焼結部３３に表面改質処理に加えて、図３に示したように、樹脂粉末３１の設置後にも表面処理を施すことも品質を向上させる上で有効な手段となる。
その場合、樹脂粉末３１の隙間も酸素官能基が増加または生成されるため、粉末間の厚み方向と直交した密着性も向上し、造形品５０の強度はさらに向上する。
前記サポート基板４０を用いかつプロセスウィンドウ方式を用いない場合、オーバーハング形状は適用できないことがある。
そのような場合、図４に示したような前記サポート基板４０と造形品５０の間を介するレーザ焼結によって形成したサポート３４を用いることが望ましい。前記サポート３４は、造形品５０と同じ樹脂材料を用い、造形品５０の形成とは異なるレーザエネルギーで作製すると良い。
特に、造形品５０を形成する場合に比べ、さらにレーザエネルギーを大きくした場合、前記サポート３４の樹脂中には、量が多く、また、サイズが大きいボイドが形成することになる。
ボイドは、反りの際に発生するせん断応力に対しては、大きな影響を受けず、衝撃強度には大きく依存するため、剥離する際に、衝撃的な応力を加えると、サポート３４の材料自体で破壊することが容易となる。
一方で、上記した場合に比べエネルギーを小さくした場合、前記サポート３４を形成する焼結部は、一部粉末は未溶融つまり不十分な焼結となる。その場合、せん断強度や衝撃強度や小さくなるため、上記のさらにエネルギーを大きくした場合と同様に、サポート３４の材料自体で破壊することは容易となる。
ただし、適用可否は、樹脂粉末の種類、粉末樹脂とサポート板の相溶性にも依存する。そのため、ロバスト性の高い方法としては、エネルギーを大とした方が良い。
なお、前記示したサポート基板４０を使う方法では、サポート基板４０の材料は、造形に用いる樹脂材以上の剛性及び融点を持つ樹脂材や熱伝導率の比較的低い金属とすることが望ましい。
特に、造形樹脂と異なる樹脂材料や熱伝導率の比較的低い金属を用いれば、表面改質処理の条件をコントロールすることで、サポート基板４０と造形品５０の剥離を界面破壊とでき、作業性が大幅に向上する。
また特に、サポート基板４０を樹脂とした場合、過剰に表面処理すると、酸素官能基の増大とともに低分子成分が発生し、弱い表面層（ＷＢＬ：Ｗｅａｋ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｌａｙｅｒ）を形成することがわかっている。そのため、除冷の際に生じうる反りを抑制する応力値を把握した上で、若干の表面改質や過剰な表面改質とすることで、材料強度よりも弱い界面層とすることも可能となる。
また、若干の表面処理によって接合した部分やＷＢＬは、水分や溶剤に対しても特に弱いため、造形後に、高湿雰囲気に造形品とサポート基板４０を放置もしくは溶剤や水分に漬けておくことでそれらの剥離も容易となる。さらに、界面で破壊するモードは、反りの際に発生するせん断応力に比べ、衝撃強度には大きく依存するため、剥離時に衝撃応力を加えることで界面破壊が容易となる。
なお、サポート基板４０の剥離のしやすさを考えると、図３のようにサポート基板４０には複数の貫通孔を設けておき、一部のみ造形品５０と密着させておくことがさらに有効となる。
ただし、反りを抑制するためには、造形品５０の周囲部分は少なくとも造形品５０とサポート基板４０は接合できるようにしておいた方が良い。また、サポート基板４０に孔４１を設けておくことで、造形品に直接負荷をかけることが可能となり、特に密着部には、界面破壊をさせやすい剥離応力をかけられるため、より剥離性は向上する。
熱伝導率の比較的低い金属（例えば、３０Ｗ／ｍＫ）をサポート基板４０に用いた場合は、サポート基板４０を高温とした上で、剥離応力をかけることも剥離性向上には有効である。
また、サポート板材の表面粗さは、サポート基板４０と造形品５０の界面破壊をさせる観点で、比較的平滑な状態つまりＲａ０．５μｍ以下の表面粗さとしておくことが望ましい。
その粗さとするための手段として、サポート基板４０を樹脂とした場合は、金型を鏡面仕上げにしておくと良く、金属やセラミクスなどの材料とした場合は、比較的粗さの小さい研磨紙で磨いておくと良い。
また、例えば、樹脂に比べ熱伝導率の高いサポート基板４０に金属などを用いた場合は、サポート基板４０の底部にヒータを設けておくとより低エネルギーのレーザ照射でサポート基板４０と樹脂粉末３１を接合できる。
さらに、造形物（造形モデル）の厚みが薄いものを積層造形する場合は、造形エリア８を小さくした状態つまり環境温度が低い状態でもその効果で造形時の造形品５０の反りも抑制可能となる。
前記示したような表面改質処理ユニット２０をローラ１と同様の方向のＸ方向に動かす場合は、それらの順序によっては、全積層において、図２、図３のプロセスを採用できないという課題がある。
その場合において、表面改質処理ユニット２０は、ローラ１で樹脂粉末３０を敷く時は、Ｚ方向に退避させておくことで対応可能となる。また、レーザ粉末積層造形装置６０の構成上もしくは価格上、表面改質処理ユニット２０を平面方向へのみ動作させる場合は、図６のようにローラ１と表面改質処理ユニット２０を交差するように配置し、駆動させると良い。
その場合、例えば、ローラ１がＸ方向に動作する場合は、表面改質処理ユニット２０はＹ方向に動作することとなる。もちろん逆としても良い。上記交差する角度は正確に９０度である必要はなく適宜変更してもよい。
これまで、表面改質処理ユニット２０はローラと同様に機械的に操作させる場合について述べたが、図７に示すようにＵＶレーザ（波長３００nm以下、例えばエキシマレーザ）や超短パルス（パルス幅がps以下、例えばチタンサファイアレーザ）を用いても良い。
ただし、造形用のレーザ光源２と表面改質用のレーザ光源２３は大きく異なるため、ガルバノミラー３、２４を共有することは難しいため、造形用のガルバノミラー３の近隣に、表面改質向けのガルバノミラー２４を設置しておき、動作させると良い。
これまでサポート基板４０の上に直接造形品５０を作製する方法について述べてきたが、サポート基板４０の上にさらにサポート４３を形成する場合も有効な場合がある。
特に、表面改質処理の条件やサポート基板４０と造形品５０の接合面積をコントロールしても、造形品５０の反りの抑止、サポート基板４０と造形品５０の界面剥離性の向上が得られない粉末樹脂を用いた場合は、図８のようなプロセスで、サポート基板４０の上に同一材料からなるサポート４３を設けても良い。
この時、サポート４３は、造形によって作製したものとし、材料は、造形品５０と同様のものを用いると良く、前記サポート４３は、オーバハング構造の際に採用する前記サポート基板４０との関係とすることが望ましい。
その場合、サポート４３と造形品５０の剥離の際の過程で、サポート４３を直接破壊する構成となる。ただし、本発明の場合、造形品５０とサポート基板４０は密着しないため、サポート４３とサポート基板４０との接合に使用するレーザエネルギーはより大きくできる。
そのため、サポート基板４０は、より熱伝導率の高い金属（例えば、２５０Ｗ／ｍＫなど）の使用も可能となる。そのような材質を用いると、サポート基板４０を高温にした時の剥離性も容易になる。また、Ａｌなどの表面の酸化膜強度が弱いサポート基板４０の使用も可能となり、サポート基板４０とサポート４３はより界面剥離が容易となる。
なお、本発明を用いた場合、図９に示すように、サポート基板４０やサポート４３には貫通孔４１、４４を形成し、造形品５０に直接負荷をかけられるような構造としておくと良い。
また、サポート基板４０に粉末樹脂と異なる材料を用いる場合は、サポート基板４０とサポート４３の接合面積よりも、サポート４３と造形品５０の接合面積を小さくしておくことが望ましい。なお、サポート基板４０の剛性は、サポート４３の剛性より高くしておくことが望ましい。
また、前記と同様に、サポート基板４０の表面粗さを０．５μｍ程度とすることが望ましいが、本発明の場合は、７.０μmまで大きくしても良い。例えば、サポート４３向けの樹脂がサポート基板４０の表面に入り込んだ場合でも、別途、前記示したような高温高湿下へ放置もしくは溶剤の漬けるなどの後処理によって、剥離可能となる。なお、表面粗さを７.０μmよりも大きくした場合は、樹脂が一部のみしか浸入せず、サポート４３とサポート基板４０の強度は弱くなってしまう。
なお、サポート基板４０を樹脂とし、射出成形で作製した場合は、金型を荒らし、サポート基板４０の表面をシボ形状としても良い。サポート基板４０を金属とした場合は、サンドブラストの実施や比較的粗さの大きい研磨紙で加工などをしても良い。
なお、本発明の上記実施形態においても、オーバハング形状の場合は、サポート３４を使用しても良い。また、サポート基板４０の数やサポート３４の数は１つのみならず場合によっては、複数あっても良い。
また、これまで説明した実施例はそれぞれ単独で実施可能であるが、特に、表面改質処理を併用することで、図１０のように、異種の粉末つまり第二の粉末樹脂５０を積層した造形品５０の製造も可能となる。方法としては、これまで説明した方法を組み合わせると良いが、粉末樹脂間の線膨張係数は可能な限り同レベルであることが望ましい。
また、本造形方法では、３ＤのＣＡＤモデルを使用するが、前記サポート基板４０やサポート４３の構造は、造形する際のモデルに組み込んだソフトを使用することが望ましい形態である。これによって、造形されたモデルははく離する箇所を考慮した造形がなされ、さらに造形物の品質が向上することとなる。
このように、高耐熱樹脂を使用できプロセスウィンドウを用いずに積層造形をする方法を提供することができる。また、プロセスウィンドウ方式を用いないため低コストを実現し、品質も向上することとなる。また、サポート材のはく離のしやすさを実現することができる。また、サポートの剥離性の向上にも大きく寄与する。また、少量多品種製品の直接製造や従来使用できなかった高樹脂を使用した試作品の作製も可能となる。また、積層間強度やボイド低減を実現することができ品質の高い積層造形品を提供することが可能となる。
さらに、サポート基板４０やサポート４３の材料の物性によっても大きくレーザ照射条件は変わるため、材料の情報（素材や接合性、焼結に関わるもの、設計に関わるもの等を含む材料に関してレーザ照射条件や造形に関わるものを含む情報、情報単体だけでなく、複数の情報を用いて構成された情報であって造形に関わるものであればなおよい）もソフトの中に含めるとなお良い。レーザ照射条件がより適した状態となり、造形物の品質は高くなる。
なお、本発明を採用できる粉末樹脂材料は、２００℃以下の低融点の結晶性樹脂材として、ポリアミド１２（ＰＡ１２）、ポリアミド１１（ＰＡ１１）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロプレン（ＰＰ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）などが対象となる。さらに、２００℃より大きい融点を持つ結晶性樹脂材として、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアミド６（ＰＡ６）、ポリアミド６６（ＰＡ６６）、ポリアミド６Ｔ（ＰＡ６Ｔ）、ポリアミド９Ｔ（ＰＡ９Ｔ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などが対象となる。
また、非結晶性樹脂材では、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリルスチレン（ＡＳ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリメチルメタアクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍＰＰＥ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリサルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）なども該当する。
また、前記結晶性樹脂に、前記非結晶性樹脂を１−３０％含有させたアロイ材も対象となる。また、前記結晶性樹脂材には、ガラス、アルミナ、カーボン材などの無機材や一部の金属粉末を１−３０％含有させて複合化させても良い。
また、前記樹脂材料によってコーティングした無機材料を用いても良い。また、主材料として、熱可塑性樹脂のみならず、エポキシ系やアクリル系などの熱硬化樹脂に適用しても構わない。
サポート基板４０の材料としては、上記結晶性樹脂材に加えて、ＳＵＳ、Ａｌはもちろんのこと熱伝導率２５０Ｗ／ｍＫ以下の金属（ダイキャスト含む）やセラミックスを用いると良い。
以上、実施例の形態においては、分割して説明したが、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例の関係にある。なお、これまで述べた本願発明の実施例はそれぞれ単独であっても実施できることは明らかである。
なお、これまで、レーザ粉末積層造形方法をターゲットとして説明したが、本発明は、溶融した樹脂をノズルから吐出して積層する積層造形方法やインクジェットで樹脂を吐出して積層する積層造形方法などの他の方法や装置に対しても有効である。
１…ローラ、２…レーザ光源、３…ガルバノミラー、４…レーザ光、５…造形容器、６…粉末保管容器、７…反射板、８…造形温度エリア、９…保管温度エリア、１０・１１…ピストン、２０…表面改質ユニット、２１…プラズマ、２２…レーザ光、２３…レーザ光源２４…ガルバノミラー、３０…供給用樹脂粉末、３１…樹脂粉末（ローラで設置後）、３２…樹脂粉末（造形容器内に埋まった粉末）、３３…レーザ焼結部、３４・４３…サポート、３５…第二の樹脂粉末（造形容器内に埋まった粉末）、４０…サポート基板、４１・４４…孔、４２…レーザ焼結部、５０…造形品、６０…レーザ粉末積層造形装置

Claims (16)

  1. 粉末材料を薄層として設置する工程と、設置された粉末材料にレーザを照射することで、焼結もしくは溶融させるレーザ照射工程と、を有する積層造形物を製作するレーザ粉末積層造形方法であって、
    前記設置する工程の前あるいは後または前記レーザ照射工程の前あるいは後に、レーザを照射する領域の酸素官能基を生成させるあるいは増加させる表面改質処理を行う工程と、
    を有することを特徴とするレーザ粉末積層造形方法。
  2. 請求項１に記載のレーザ粉末積層造形方法において、
    前記表面改質処理は、プラズマ処理またはＵＶレーザ処理または短パルスレーザ処理またはＵＶ処理またはＵＶオゾン処理またはコロナ処理のいずれかのドライ処理であることを特徴とするレーザ粉末積層造形方法。
  3. 請求項１に記載のレーザ粉末積層造形方法において、
    前記レーザ照射工程において、前記表面改質処理を行った接合材料より、前記粉末材料のうちレーザを照射する部分の表面エネルギーを小さくした状態で、レーザを照射すること
    を特徴とするレーザ粉末積層造形方法。
  4. 請求項１に記載のレーザ粉末積層造形方法において、
    前記粉末材料は前記粉末材料と異なる材料で構成されるサポート部材に設置されることを特徴とするレーザ粉末積層造形方法。
  5. 請求項１に記載のレーザ粉末積層造形方法において、
    前記粉末材料は前記粉末材料と同一の材料で構成されるサポート部材に設置されることを特徴とするレーザ粉末積層造形方法。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザ粉末積層造形方法において、
    前記粉末材料は、無極性樹脂としたことを特徴とするレーザ粉末積層造形方法。
  7. 請求項４または５のいずれか一項に記載のレーザ粉末積層造形方法において、
    前記粉末材料にレーザを照射する造形エリアの温度を前記粉末樹脂の再結晶化温度以下とし、前記サポート部材は前記積層造形品を支持すること
    を特徴とするレーザ粉末積層造形方法。
  8. 請求項４または５のいずれか一項に記載のレーザ粉末積層造形方法において、
    前記粉末材料にレーザを照射する造形エリアの温度を前記粉末樹脂のガラス転移温度以下とし、前記サポート部材は前記積層造形品を支持すること
    を特徴とするレーザ粉末積層造形方法。
  9. 請求項４または５に記載のレーザ粉末積層造形方法において、
    前記サポート部材は、前記粉末樹脂より剛性が高い材料であること
    を特徴とするレーザ粉末積層造形方法。
  10. 請求項４または５に記載のレーザ粉末積層造形方法において、
    前記サポート部材の表面粗さをＲａ０．５μm以下としたことを特徴とするレーザ粉末積層造形方法。
  11. 請求項４または５に記載のレーザ粉末積層造形方法において、
    前記サポート部材を前記粉末材料にレーザを照射する造形エリアの温度より高くなるように加熱すること
    を特徴とするレーザ粉末積層造形方法。
  12. 請求項４または５に記載のレーザ粉末積層造形方法において、
    前記サポート部材とは異なるサポート部材を粉末造形で形成すること
    を特徴とするレーザ粉末積層造形方法。
  13. 請求項４または５に記載のレーザ粉末積層造形方法において、
    前記サポート部材には、前記サポート部材を貫通する孔が設けられていること
    を特徴とするレーザ粉末積層造形方法。
  14. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザ粉末積層造形方法において、
    少なくとも一度前記表面改質工程を行った後に、前記粉末材料と異なる第二の粉末材料を用いて前記設置する工程を行うこと
    を特徴とするレーザ粉末積層造形方法。
  15. 粉末材料の薄層をレーザにより焼結もしくは溶融し、接合積層を繰り返して３次元造形物を作製するレーザ粉末積層造形装置であって、
    前記粉末材料の薄層を供給部と、粉末を焼結・溶融させるレーザ照射部と、レーザを照射する領域に酸素官能基を発生もしくは増加させる表面改質部と、前記粉末材料にレーザを照射する造形エリアを囲む造形容器部と、前記造形容器部内に前記造形エリアに供給する粉末材料を保管する容器と、前記造形エリア及び前記保管容器を略鉛直方向に稼動するピストンと、前記造形エリア及び造形容器を加熱するヒータと、
    を備えたことを特徴とするレーザ粉末積層造形装置。
  16. 粉末材料を薄層として設置する工程と、設置された粉末材料を焼結もしくは溶融させる粉末材料処理工程と、を有する積層造形物を製作する３次元積層造形装置であって、
    前記設置する工程の前あるいは後、または前記粉末材料処理工程の前あるいは後に、焼結もしくは溶融させる前記設置された粉末材料の領域に対して、酸素官能基を生成させるあるいは増加させる表面改質処理を行う工程と、
    を有することを特徴とする３次元積層造形装置。
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