JPWO2016051801A1

JPWO2016051801A1 - 三次元形状造形物の製造方法

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Publication number: JPWO2016051801A1
Application number: JP2016551554A
Authority: JP
Inventors: 阿部　諭; 諭阿部; 不破　勲; 勲不破; 武南　正孝; 正孝武南
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: KR101913979B1; CN107073819B; JP6347394B2; US20170282462A1; TWI596001B; WO2016051801A1; TW201632344A; DE112015004525T5; CN107073819A; KR20170044186A

Abstract

光ビームを照射して焼結又は溶融固化させた部分において隆起部の発生を抑制することができる三次元形状造形物の製造方法を供するために、本発明では、（ｉ）粉末層を形成する工程、および（ｉｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して粉末層から固化層を形成する工程を有し、（ｉ）および（ｉｉ）の工程を繰り返して三次元形状造形物を製造する方法であって、（ｉｉ）の工程において、光ビームを照射する部分に対して振動を与えることを特徴とする、三次元形状造形物を製造する方法が提供される。

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化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。
（ｉ）粉末層を形成する工程。
（ｉｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して粉末層から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９に示すように、まず、スキージング・ブレード２３を水平方向に動かして造形プレート２１上に所定厚みの粉末層２２を形成する（図９（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９（ｂ）参照）。引き続いて、スキージング・ブレード２３を水平方向に動かして、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９（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り、その一体化物を金型として使用することができる。

特開２００４−１４３５８１号公報

ここで、本発明者は、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して粉末層から固化層を形成する際に、光ビームを照射して焼結又は溶融固化させた部分に隆起部が発生することを見出した。具体的には、本発明者は、光ビームＬを照射して焼結又は溶融固化させた部分に、断面が湾曲形状となっている複数の隆起部（図１の上図および図１１内の５０に相当）が、相互に一部が重なるように光ビームを照射して焼結又は溶融固化させた部分に発生することを見出した。

隆起部が発生した状態で、得られた固化層の上に新たな粉末層を形成すると、次の問題が生じる。すなわち、隆起部の形状に起因して、隣り合う隆起部が相互に一部重なっている部分における新たな粉末層の厚み（図１１のｈ_１に相当）と、隆起部の頂部における粉末層の厚み（図１１のｈ_２に相当）とが異なってしまう。そのため、全体として所定の均一な厚みを有した新たな粉末層を形成することができない。

具体的には、隆起部の形状に起因して、隣り合う隆起部が相互に一部重なっている部分における新たな粉末層の厚み（図１１のｈ_１に相当）は、隆起部の頂部における新たな粉末層の厚み（図１１のｈ_２に相当）よりも大きくなる。この厚みの違いに起因して、新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して新たな固化層を形成すると、次の問題が生じる。すなわち、新たな固化層のうち隣り合う隆起部が相互に一部重なっている部分付近（図１１の“Ｍ領域”に相当）における固化密度と、新たな固化層のうち隆起部の頂部の上方領域（図１１の“Ｎ領域”に相当）における固化密度とが異なってしまうおそれがある。より具体的には、隣り合う隆起部が相互に一部重なっている部分における新たな粉末層の厚みが、隆起部の頂部における新たな粉末層の厚みよりも大きいため、光ビームの照射エネルギーが新たな固化層の“Ｍ領域”にまで十分に供されないおそれがある。そのため、新たな固化層の“Ｍ領域”における固化密度が、新たな固化層の“Ｎ領域”おける固化密度よりも小さくなるおそれがある。従って、固化密度が均一である新たな固化層を形成できないおそれがある。それ故、最終的に得られる三次元形状造形物を所望の形状、品質等を確保することができないおそれがある。

そこで、本発明は、光ビームを照射して焼結又は溶融固化させた部分において隆起部の発生を抑制することができる三次元形状造形物の製造方法を供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態では、
（ｉ）粉末層を形成する工程、および
（ｉｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して粉末層から固化層を形成する工程を有し、
（ｉ）および（ｉｉ）の工程を繰り返して三次元形状造形物を製造する方法であって、
（ｉｉ）の工程において、光ビームを照射する部分に対して振動を与え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三次元形状造形物の製造方法では、光ビームが照射される粉末層の所定箇所に振動を与えるため、光ビームを照射して焼結又は溶融固化させた部分において隆起部の発生を抑制することができる。これにより、表面が滑らかである固化層を得ることができる。そのため、得られた固化層の上に全体として所望の均一な厚みの新たな粉末層を形成することができる。従って、当該新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して粉末層から固化層を形成する際に、固化密度が均一である新たな固化層を形成することができる。それ故、最終的に得られる三次元形状造形物を所望の形状、品質等を確保することができる。

粉末層の所定箇所に光ビームを照射した際の状態を模式的に示した斜視図本発明の概念図造形テーブルおよび造形テーブル上に設けた造形プレートを振動させている状態を模式的に示した断面図造形テーブルおよび造形プレートを、振動子を用いて振動させている状態を模式的に示した断面図造形テーブルの下面に対して上方向に向かってハンマ部材を用いて直接衝撃を与えて振動させている状態を模式的に示した断面図造形テーブルの側面に対してハンマ部材を用いて直接衝撃を与えて振動させている状態を模式的に示した断面図造形テーブルの側面に対してハンマ部材を用いて直接衝撃を与えて振動させている状態を模式的に示した平面図光造形複合加工機の構成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一般的な動作を示すフローチャート粉末層の所定箇所に光ビームを照射した際の状態を模式的に示した断面図

以下では、図面を参照して本発明の一態様に係る三次元形状造形物の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。

また、本明細書で直接的または間接的に説明される“上下”の方向は、例えば造形プレートと三次元形状造形物との位置関係に基づく方向であって、造形プレートを基準にして三次元形状造形物が製造される側を「上方向」とし、その反対側を「下方向」とする。

［粉末焼結積層法］
まず、本発明の一態様に係る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。特に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９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８および図１０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８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８および図９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８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８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１０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９（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３０μｍ１００μｍ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２２の所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させ、図９（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９（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９（ｃ）および図１０参照）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を判断する（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が得られる。

［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、粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射して固化層２４を形成する際の態様に特徴を有している。

図１は、粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射した際の状態を模式的に示した斜視図である。図２は、光ビームＬを照射して焼結又は溶融固化させた部分に隆起部が発生することを模式的に示した概念図である。図１１は、粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射した際の状態を模式的に示した断面図である。

まず、本発明の理解を促すため、図２を用いて本発明の概念についてふれておく。詳細な事項については後述するが、本発明は、光ビームＬを照射させる部分に対して振動を与えることを最大の特徴としている。これによって、振動を与えない場合（図２の上図に相当）と比べて、振動を与えた場合（図２の下図に相当）の方が隆起部の高さを減じることができることを最大の特徴としている。なお、本明細書で言う「隆起部」とは、粉末層２２の所定箇所に対して光ビームＬを照射した部分が湾曲断面を形成するように上方向に盛り上がったものを指す。

以下、本発明の一態様に係る製造方法について詳細に説明する。

図１の上図および図１１に示すように、本発明者は、粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射して粉末層２２から固化層２４を形成した際に、光ビームＬを照射して焼結又は溶融固化させた部分に隆起部５０が発生することを見出した。具体的には、図１の上図および図１１に示すように、本発明者は、光ビームＬを照射して焼結又は溶融固化させた部分に、断面が湾曲形状となっている複数の隆起部５０が、相互に一部が重なるように発生することを見出した。

図１１に示すように、隆起部５０が発生した状態で、得られた固化層２４の上に新たな粉末層２２を形成すると、以下の問題が生じる。具体的には、隆起部５０の形状に起因して、隣り合う隆起部５０が相互に一部重なっている部分５１における新たな粉末層２２の厚み（ｈ_１）と、隆起部５０の頂部５２における新たな粉末層２２の厚み（ｈ_２）とが異なってしまう。そのため、全体として所定の均一な厚みを有した新たな粉末層２２を形成することができない。詳細には、図１１に示すように、隆起部５０の形状に起因して、隣り合う隆起部５０が相互に一部重なっている部分５１における新たな粉末層２２の厚みは、隆起部５０の頂部５２における新たな粉末層２２の厚みよりも大きくなる。この厚みの違いに起因して、新たな粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射して新たな固化層２４を形成すると、次の問題が生じる。すなわち、新たな固化層２４のうち隣り合う隆起部５０が相互に一部重なっている部分５１における固化密度と、新たな固化層２４のうち隆起部５０の頂部５２における固化密度とが異なってしまうおそれがある。より具体的には、隣り合う隆起部５０が相互に一部重なっている部分５１における新たな粉末層２２の厚みが、隆起部５０の頂部５２における新たな粉末層２２の厚みよりも大きいため、次の問題が生じる。すなわち、光ビームＬの照射エネルギーが新たな固化層２４のうち隣り合う隆起部５０が相互に一部重なっている部分５１の付近（図１１のＭ領域に相当）にまで十分に供されないおそれがある。そのため、新たな固化層２４のうち隣り合う隆起部５０が相互に一部重なっている部分５１の付近（図１１のＭ領域に相当）における固化密度が、新たな固化層２４のうち隆起部５０の頂部５２の上方領域（図１１のＮ領域に相当）における固化密度よりも小さくなるおそれがある。従って、固化密度が均一である新たな固化層２４を形成できないおそれがある。それ故、最終的に得られる三次元形状造形物を所望の形状、品質等を確保することができないおそれがある。

そこで、本発明者は、当該隆起部５０の発生を抑制するための方法を鋭意検討した。その結果、図１の下図に示すように、光ビームＬが照射される粉末層２２の所定箇所に振動を与える方法を見出した。具体的には、本発明者は、粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射する際に、光ビームＬを照射させる部分に対して振動を与える方法を見出した。なお、ここで言う「粉末層２２を照射させる部分に対して振動を与える」とは、粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射しつつ振動を与えることをいう。

本発明では、粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射する際において、「光ビームＬを照射させる部分に対して振動を与える」ため、以下の効果を奏することができる。

具体的には、粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射すると、光ビームＬを照射させた部分には流動性を有した部分（いわゆる“メルトプール”）が形成される。この流動性を有した部分に対して継続して振動を供すると、流動性を有した部分がその性質に起因して、振動を供する前と比べて、流動性を有した部分の高さを減じることができると共に、流動性を有した部分の幅を広げることができる。つまり、光ビームＬを照射して焼結又は溶融固化させた部分に生じる隆起部５０の発生を抑制することができる。従って、隆起部５０の発生抑制により、表面が滑らかな固化層２４を得ることができる。ここで言う「表面が滑らかな固化層」とは、固化層２４上に形成される隣り合う隆起部５０が相互に一部が重なっている部分５１（図１の下図参照）における隆起部５０の高さＨ_１と、隆起部５０の頂部５２（図１の下図参照）における隆起部５０の高さＨ_２との差（すなわち、Ｈ_２−Ｈ_１の値）が２０％未満、好ましくは１０％未満、より好ましくは５％未満であることをいう。又、表面が滑らかである固化層２４を得るために、光ビームＬを照射させる部分に対して、０．１ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚの振動を与えてよく、好ましくは、１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの振動を与える。なお、当該振動数に基づく振動は、下記に示すように、例えば振動子および/又はハンマ部材を用いて供すことができる。

ここで、上述のように、最終的に得られる三次元形状造形物は、複数の固化層２４が積層されて形成されている。粉末焼結積層法を用いる場合、粉末層２２を設ける固化層２４全体の形状および/又は質量は、一定ではなく逐次変化していく。これに伴い、粉末層２２を設ける固化層２４全体が有する固有振動数も逐次変化していくものと考えられる。ここで言う「固有振動数」とは、振動が増幅されて強い揺れが生じる“共振”の現象が起きる振動数をいう。そこで、より好ましくは、光ビームＬを照射させる部分に対して、粉末層２２を設ける固化層２４全体の質量および/又は形状に応じた固有振動数に基づく振動を供することがよい。当該固有振動数は任意の方法により得ることができる。その一例として、当該固有振動数は、各粉末層を設ける直前の固化層全体（すなわち、三次元形状造形物前駆体）の質量および/又は形状に関する情報を基に構造解析ソフトウェアでシミュレーション解析することで得ることができる。

上記のように、粉末層２２を設ける固化層２４全体の質量および/又は形状に応じた固有振動数と実質的に同一の振動数を供することで、振動が増幅されて強い揺れが生じる“共振”の現象を起こすことができる。つまり、光ビームＬを照射させた部分に形成される流動性を有した部分に対して効果的に振動を供することができる。それ故、流動性を有した部分がその性質に起因して、振動を供する前と比べて、流動性を有した部分の高さを“より減じる”ことができると共に、流動性を有した部分の幅を“より広げる”ことができる。

以上により、表面が滑らかな固化層２４を形成することができるため、得られた固化層２４上に全体として所望の均一な厚みの新たな粉末層２２を形成することができる。従って、当該新たな粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射して粉末層２２から固化層２４を形成する際に、固化密度が均一である新たな固化層２４を形成することができる。それ故、最終的に得られる三次元形状造形物を所望の形状、品質等を確保することができる。

更に、本発明では、以下の効果も奏することができる。

粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射して焼結又は溶融固化させた部分においては、粉末層２２内に存在する空隙が減じられ、収縮現象が生じる。隆起部５０は光ビームＬを照射して焼結又は溶融固化させた部分に生じるものであるため、当該収縮現象は隆起部５０にも発生するものと考えられる。従って、隆起部５０においても、隆起部５０の内側方向に向かって応力が集中するおそれがある。それ故、固化層２４、すなわち、最終的に得られる三次元形状造形物に反りおよび/又は変形が生じるおそれがある。そこで、光ビームＬを照射させる部分に対して振動を与えることによって、隆起部５０の内側方向に向かって集中する応力を緩和することができ得る。従って、最終的に得られる三次元形状造形物での反りおよび/又は変形の発生を抑制することができ得る。

更に、本発明では、隆起部５０の発生を抑制することができることで、粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射する領域を大きくすることができる。つまり、光ビームＬの走査ピッチを広げて、粉末層２２の所定箇所に光ビームを照射することができる。従って、固化層２４の形成時間、すなわち三次元形状造形物の製造時間を短縮することができ、製造効率の向上を図ることができる。

又、下記のような固化層２４を形成する場合、本発明の一態様に係る製造方法では、以下の形態を採ることが好ましい。

具体的には、高密度領域（固化密度９５〜１００％）と低密度領域（固化密度０〜９５％（９５％を含まず））とから成る固化層２４を形成する場合においては、光ビームＬを照射して高密度領域を形成する部分に対して振動をより与えることが好ましい。

高密度領域を形成する場合、低密度領域を形成する場合と比べ、光ビームＬの照射条件が異なる。具体的には、高密度領域を形成する場合、低密度領域を形成する場合と比べ、光ビームＬの照射エネルギーを大きくする。そのため、高密度領域を形成する部分において、隆起部５０の高さが低密度領域を形成する部分よりも高くなるおそれがある。従って、光ビームＬを照射して高密度領域を形成する部分に対して振動を与えることが好ましい。これにより、高密度領域を形成する部分においても、隆起部５０の発生を抑制することができる。なお、ここでいう「固化密度（％）」とは、三次元形状造形物の断面写真を画像処理することによって求めた固化断面密度（固化材料の占有率）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（ScioＮ社製のフリーウェア）であって、断面画像を固化部（白）と空孔部（黒）とに二値化した後、画像の全画素数Px_aＬＬおよび固化部（白）の画素数Px_whiteをカウントすることで、以下の式１により固化断面密度ρ_Ｓを求めることができる。
［式１］

次に、光ビームＬが照射される粉末層２２の所定箇所に対して振動を与えるための方法について説明する。

図３は、造形テーブル２０および造形テーブル２０上に設けた造形プレート２１を振動させている状態を模式的に示した断面図である。

図３に示すように、造形プレート２１が造形テーブル２０上に設けられている。又、粉末層の所定箇所に光ビームＬを照射して粉末層から形成された固化層２４が、造形プレート２１上に設けられている。本実施形態では、造形テーブル２０および造形テーブル２０上に設けた造形プレート２１を振動させている。そして、本実施形態では、この振動を、光ビームＬを照射する部分に対して与えているのである。従って、独立した振動機構を用いることなく、三次元形状造形物を製造する上で用いられる既存の造形テーブル２０および造形プレート２１を有効活用して振動させている点で有利である。なお、造形テーブルおよび造形プレート２１の全体を振動させてよい。

次に、上述の造形テーブル２０および造形テーブル２０上に設けた造形プレート２１を振動させるための方法について説明する。

図４は、造形テーブル２０および造形テーブル２０上に設けた造形プレート２１を、振動子６０を用いて振動させている状態を模式的に示した断面図である。

図４に示すように、造形テーブル２０および造形テーブル２０上に設けた造形プレート２１を振動させるための１つの方法として、造形テーブル２０に振動子６０を用いる。

当該振動子６０を駆動させることで造形テーブル２０を振動させ、それによって、当該振動を造形テーブル２０に直接設けた造形プレート２１に伝播させ振動させている。これにより、光ビームを照射する部分に対して振動を与えている。これに限定されず、例えば、造形プレート２１に振動子６０を直接設けてもよい。なお、振動子６０により、好ましくは０．１ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚの振動が供されることがよく、より好ましくは、１ｋｚ〜１００ｋＨｚの振動が供されることがよい。

振動子６０としては、例えば、超音波振動子６１を用いることができる。ここで言う「超音波振動子６１」とは、電極間に圧電セラミックスを挿入し、電圧をかけて当該圧電セラミックスを繰り返して伸び縮みさせることで振動を供するものを指す。なお、圧電セラミックスとは、酸化チタン・酸化バリウム等を高温で焼き固めた多結晶体セラミックスであって、当該多結晶体セラミックスに分極処理を施したものである。なお、超音波とは、振動数が１万６千Ｈｚ以上の弾性波を指す。

本実施形態では、振動子６０は、図４に示すように造形テーブル２０の下面に対して設けている。しかしながら、これに限定されることなく、好ましくは、造形テーブル２０の側面に振動子６０を設けてよい。造形テーブル２０の側面に振動子６０を設ける場合、造形テーブル２０を上下方向に振動させるのではなく、造形テーブル２０を横方向（左右方向）に振動させることができる。従って、粉末層２２を構成する粉末材料が大気中に拡散することを抑制することができる。又、図４に示すように、造形テーブル２０に対して振動子６０を設ける場合、周辺装置、例えば粉末テーブル２５等に振動を与えないようにするため、造形テーブル２０と壁２７との間に振動吸収部材７０を設けることが好ましい。振動吸収部材７０としては、例えばバネやゴム部材等が挙げられる。

造形テーブル２０および造形テーブル２０上に設けた造形プレート２１に振動を供する方法は、上記の振動子６０を用いる方法に限定されず、以下の方法も採ることもできる。

図５は、造形テーブル２０の下面２００に対して上方向に向かってハンマ部材８０を用いて直接衝撃を与えて振動させている状態を模式的に示した断面図である。なお、ここで言う「上方向」とは、上述しているが造形プレート２１を基準にして三次元形状造形物が製造される側を言う。又、ここで言う「ハンマ部材」とは、対象物に打撃を与えて、物を打ち込んだり、変形させたりする工具を指す。

図５に示すように、造形テーブル２０および造形テーブル２０上に設けた造形プレート２１に振動を供するために、造形テーブル２０の下面２００に対して上方向に向かってハンマ部材８０を用いて直接振動を与える方法が採られてもよい。当該ハンマ部材８０により、好ましくは０．１ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚの振動が供されてよく、より好ましくは、１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの振動が供されてよい。なお、図５に示すように、造形テーブル２０に対してハンマ部材８０で直接たたいて振動を与える場合、周辺の装置に振動を与えないようにするため、造形テーブルと壁２７との間に振動吸収部材７０を設けることが好ましい。振動吸収部材７０としては、例えばバネやゴム部材等が挙げられる。

造形テーブル２０および造形テーブル２０上に設けた造形プレート２１に振動を供するためにハンマ部材８０を用いる場合、以下の形態を採ることがより好ましい。

図６は、造形テーブル２０の側面２０１に対してハンマ部材８０を用いて直接衝撃を与えて振動させている状態を模式的に示した断面図である。図７は、造形テーブル２０の側面２０１に対してハンマ部材８０を用いて直接衝撃を与えて振動させている状態を模式的に示した平面図である。図７は、図６内の線分Ａ−Ａ’間に相当する。

造形テーブル２０の下面２００に対して上方向に向かってハンマ部材８０を用いて直接衝撃を与えて振動させている場合、粉末層２２を構成する粉末材料が大気中に拡散するおそれがある。従って、好ましくは、図６および図７に示すように、粉末材料が大気中に拡散することを抑制するために、造形テーブル２０の側面２０１に対してハンマ部材８０を用いて直接振動を与えることがよい。すなわち、好ましくは、造形テーブル２０を上下方向に振動させるのではなく、造形テーブル２０を横方向（左右方向）に振動させることがよい。又、図６および図７に示すように造形テーブル２０に対してハンマ部材８０を用いて直接衝撃を与えて振動を与える場合、周辺装置を振動させないようにするため、造形テーブル２０と壁２７との間に振動吸収部材７０を設けることが好ましい。振動吸収部材７０としては、例えばバネやゴム部材等が挙げられる。

以上、本発明の一態様に係る三次元形状造形物の製造方法について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく、下記の特許請求の範囲に規定される発明の範囲から逸脱することなく種々の変更が当業者によってなされると理解されよう。

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）粉末層を形成する工程、および
（ｉｉ）前記粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記粉末層から固化層を形成する工程を有し、
前記（ｉ）および前記（ｉｉ）の工程を繰り返して三次元形状造形物を製造する方法であって、
前記（ｉｉ）の工程において、前記光ビームを照射する部分に対して振動を与えることを特徴とする、三次元形状造形物を製造する方法。
第２態様：上記第１態様において、造形テーブルに設けた造形プレート上にて、前記粉末層および前記固化層を形成しており、
前記造形テーブルを振動させることによって、前記光ビームを照射する部分に対して振動を与えることを特徴とする、三次元形状造形物を製造する方法。
第３態様：上記第２態様において、前記造形テーブルに設けた振動子によって、前記造形テーブルを振動させることを特徴とする、三次元形状造形物を製造する方法。

第４態様：上記第３態様において、前記振動子として、超音波振動子を用いることを特徴とする、三次元形状造形物を製造する方法。
第５態様：上記第２態様又は第３態様において、前記造形テーブルを横方向に振動させることを特徴とする、三次元形状造形物を製造する方法。
第６態様：上記第１態様〜第５態様のいずれかにおいて、前記光ビームを照射させる部分に対して、前記固化層の形状に応じた固有振動数に基づく振動を与えることを特徴とする、三次元形状造形物を製造する方法。

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。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）粉末層を形成する工程、および
（ｉｉ）前記粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記粉末層から固化層を形成する工程を有し、
前記（ｉ）および前記（ｉｉ）の工程を繰り返して三次元形状造形物を製造する方法であって、
前記（ｉｉ）の工程において、前記光ビームを照射する部分に対して振動を与えることを特徴とする、三次元形状造形物を製造する方法。
造形テーブルに設けた造形プレート上にて、前記粉末層および前記固化層を形成しており、
前記造形テーブルを振動させることによって、前記光ビームを照射する部分に対して振動を与え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を製造する方法。
前記造形テーブルに設けた振動子によって、前記造形テーブルを振動させることを特徴とする、請求項２に記載の三次元形状造形物を製造する方法。
前記振動子として、超音波振動子を用いることを特徴とする、請求項３に記載の三次元形状造形物を製造する方法。
前記造形テーブルを横方向に振動させることを特徴とする、請求項２に記載の三次元形状造形物を製造する方法。
前記光ビームを照射させる部分に対して、前記固化層の形状に応じた固有振動数に基づく振動を与え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を製造する方法。