JPWO2019021390A1 - 金属部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

金属部材１３の製造方法は、複数の層を積層方向ＤＬに積み重ねながら結合させることにより、金属製の立体造形物１１を付加製造により製造する造形工程を含む。立体造形物１１は、オーバーハング部１４を有する金属部材１３と、オーバーハング部１４を支持する、金属部材１３と一体の複数のサポート１２とを備える。サポート１２は、積層方向ＤＬにおけるサポート１２の先端部だけで金属部材１３に接している。サポート１２の先端部の断面積は、サポート１２の他の部分の断面積よりも小さい。

Description

本発明は、３Ｄプリンティングとも呼ばれる付加製造（additive manufacturing）によって金属部材を製造する金属部材の製造方法に関する。

３Ｄプリンティングでは、複数の層を積層方向に積み重ねながら結合させることにより立体造形物を製造する。３Ｄプリンティングの多くの方式では、最終的に得たい製品にオーバーハング部、つまり、空中に浮いている部分が含まれる場合、オーバーハング部を支持するサポート（サポート材とも呼ばれる）が製品と一緒に製造される。そして、製品部分とサポート部分とを含む立体造形物が製造された後、サポートが立体造形物から除去される。たとえば特許文献１には、ウォータジェットを用いて造形物からサポート材を除去する装置が開示されている。

特開２０１１−５６６６号公報

立体造形物が樹脂製である場合、オーバーハング部とは異なる樹脂材料でサポートを形成し、立体造形物の製造後にサポートを液体に溶解させて除去する方法が知られている。立体造形物が金属製である場合は、このような方法を採ることができず、物理的にサポートを除去する必要がある。しかしながら、多くのサポートが立体造形物に含まれている場合、全てのサポートを短時間で除去することができない。特に、立体造形物が金属製である場合は、樹脂製である場合と比較してサポートの強度が高いので、サポートを簡単に除去できない。さらに、中空部の中にサポートがある場合は、サポートが中空部で隠れるので、サポートの除去がさらに難しい。

そこで、本発明の目的の一つは、サポートの除去に要する負担を軽減できる、金属部材の製造方法を提供することである。

本発明の一実施形態は、複数の層を積層方向に積み重ねながら結合させることにより、金属製の立体造形物を付加製造により製造する造形工程を含む、金属部材の製造方法であって、前記立体造形物は、オーバーハング部を有する金属部材と、前記オーバーハング部を支持する、前記金属部材と一体の複数のサポートと、を備え、前記サポートは、前記積層方向における前記サポートの先端部だけで前記金属部材に接しており、前記サポートの先端部の断面積は、前記サポートの他の部分の断面積よりも小さい、金属部材の製造方法を提供する。断面は、積層方向に直交する断面を意味し、断面積は、積層方向に直交する断面の面積を意味する。前記金属部材の製造方法は、サポート除去装置に前記立体造形物を振動させることにより、前記サポートを破断させる破断工程をさらに含んでいてもよい。

この構成によれば、複数の層を積層方向に積み重ねながら結合させることにより、金属製の立体造形物を製造する。立体造形物は、オーバーハング部を有する金属部材と、オーバーハング部を支持する複数のサポートとを含んでいる。サポートは、金属部材と同じ金属材料で形成された、金属部材と一体の部分である。サポートは、積層方向におけるサポートの先端部だけで金属部材に接している。この先端部の断面積は、サポートの他の部分の断面積よりも小さい。言い換えると、サポートの先端部の強度は、サポートの他の部分の強度よりも低い。

立体造形物を振動させると、金属部材と共に各サポートが振動し、サポートの各部に応力が生じる。サポートの先端部は、サポートの中で最も強度が低い。サポートの先端部に生じる応力がサポートの先端部の強度を超えると、サポートの先端部が破断する。つまり、サポートの中で最も脆弱な先端部が最初に破断し、サポートが金属部材から切断される。したがって、立体造形物の全体を振動させるだけで、各サポートを金属部材から切断できる。これにより、サポートの除去に要する負担を軽減できる。

本実施形態において、以下の特徴の少なくとも一つが、前記金属部材の製造方法に加えられてもよい。

前記サポートの少なくとも一部は、幅が厚みよりも大きい断面を有している。

この構成によれば、サポートの断面の厚みが、サポートの断面の幅よりも小さい。つまり、サポートは、厚み方向に薄く、サポートの厚み方向に撓み易い。立体造形物を振動させると、サポートは、厚み方向への変形と復元とを交互に繰り返す。これにより、大きさおよび方向が規則的に変化する繰り返し荷重をサポートに加えることができ、サポートの先端部を確実に破断できる。

サポートの断面の幅とサポートの断面の厚みは、互いに直交する方向の寸法である。サポートの断面は、楕円状、ひし形状、および長方形状のいずれであってもよい。サポートの断面がこれらのいずれであっても、サポートの断面の幅は、サポートの断面の厚みよりも大きい。

前記複数のサポートは、それぞれの固有振動数が第１固有振動数である複数の第１サポートと、それぞれの固有振動数が前記第１固有振動数とは異なる第２固有振動数である複数の第２サポートとを含む。

この構成によれば、立体造形物を第１振動数で振動させると、第１サポートの振動数が第１固有振動数に近づき、第１サポートが共振する。これにより、大きな応力が第１サポートの先端部に生じ、第１サポートの先端部が破断する。その一方で、立体造形物を第１振動数とは異なる第２振動数で振動させると、第２サポートの振動数が第２固有振動数に近づき、第２サポートが共振する。これにより、大きな応力が第２サポートの先端部に生じ、第２サポートの先端部が破断する。したがって、立体造形物を２つの振動数で振動させるだけで、第１サポートおよび第２サポートの全てまたは殆ど全てを金属部材から切断することができる。

前記複数のサポートが前記複数の第１サポートと前記複数の第２サポートとを含む場合、前記破断工程は、前記第１サポートが前記第１固有振動数で振動する第１振動数で第１サポート除去装置に前記立体造形物を振動させることにより、前記第１サポートを破断させる第１破断工程と、前記第１破断工程の前または後に、前記第２サポートが前記第２固有振動数で振動する第２振動数で第２サポート除去装置に前記立体造形物を振動させることにより、前記第２サポートを破断させる第２破断工程とを含んでいてもよい。前記第２サポート除去装置は、前記第１サポート除去装置と同じ装置であってもよいし、別の装置であってもよい。

前記複数のサポートは、固有振動数が互いに等しい。

この構成によれば、立体造形物をある振動数で振動させると、サポートの振動数が固有振動数に近づき、サポートが共振する。これにより、大きな応力がサポートの先端部に生じ、サポートの先端部が破断する。したがって、立体造形物を１つの振動数で振動させるだけで、全てのサポートまたは殆ど全てのサポートを金属部材から切断することができる。

前記金属部材は、前記金属部材の外面で開口する穴と、前記穴から前記金属部材の内部に延びる空洞と、が設けられた中空部を含み、前記サポートは、前記中空部の中に配置されている。

この構成によれば、サポートが金属部材の中空部の中に配置されているので、サポートを切断する工具をサポートに接触させ難い。しかしながら、そのような工具を用いなくても、立体造形物を振動させるだけで、各サポートを切断できる。そして、金属部材の外面で開口する中空部の穴を通じて、切断されたサポートを空洞の外に排出できる。これにより、金属部材からサポートを除去することができる。

前記サポートは、前記サポートの外面で開口するノッチをさらに含み、前記積層方向における前記サポートの先端部から前記ノッチまでの前記積層方向の寸法は、前記穴の直径の最大値よりも小さい。

この構成によれば、サポートの外面で開口するノッチが、サポートに設けられている。金属部材から切断されたサポートが金属部材に衝突すると、ノッチで応力集中が生じる。この応力がサポートの強度を超えると、サポートがノッチで折れる。サポートの先端部からノッチまでの積層方向の寸法は、穴の直径の最大値よりも小さい。したがって、金属部材から切断されたサポートを、穴の直径よりも短い複数の破片に裁断することができる。これにより、切断されたサポートを中空部の穴を通じて効率的に排出できる。

前記サポートは、前記サポートの外面で開口するノッチをさらに含む。

この構成によれば、サポートの外面で開口するノッチが、サポートに設けられている。金属部材から切断されたサポートが金属部材に衝突すると、ノッチで応力集中が生じる。この応力がサポートの強度を超えると、サポートがノッチで折れる。したがって、金属部材から切断されたサポートを、より短い複数の破片に裁断することができる。

本発明によれば、サポートの除去に要する負担を軽減できる、金属部材の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る金属部材の製造システムの概要を示すブロック図である。 図１に示す製造システムによって製造された金属製の立体造形物を示す模式図である。図２（ａ）は、図２（ｂ）に示す矢印ＩＩＡの方向に見た立体造形物の外観図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＩＩＢ−ＩＩＢ線に沿う立体造形物の断面図である。図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示す矢印ＩＩＣの方向に見た立体造形物の外観図である。 図２に示す立体造形物に設けられたサポート（第１サポート）を示す模式図である。図３（ａ）は、図３（ｃ）に示す矢印ＩＩＩＡの方向に見たサポートの側面図である。図３（ｂ）は、図３（ｃ）に示す矢印ＩＩＩＢの方向に見たサポートの正面図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示す矢印ＩＩＩＣの方向に見たサポートの平面図である。 図３（ｂ）に示すＩＶ−ＩＶ線に沿うサポートの断面の一例を示す断面図である。 図３（ｂ）に示すＩＶ−ＩＶ線に沿うサポートの断面の他の例を示す断面図である。 サポート除去装置の一例を示す模式図である。 第１サポートが金属部材から切断された状態を示す断面図である。 第１サポートがノッチで折れ、第２サポートが金属部材から切断された状態を示す断面図である。 第２サポートがノッチで折れた状態を示す断面図である。 切断されたサポートが金属部材から排出された状態を示す断面図である。

以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る金属部材１３の製造システム１の概要を示すブロック図である。図１は、理解を容易にするために、実際とは異なる形状の金属部材１３およびサポート１２を示している。

金属部材１３の製造システム１は、立体造形物１１の３Ｄデータ（いわゆる、３Ｄモデル）を作成するパーソナルコンピューター２と、コンピューター２で作成された立体造形物１１の３Ｄデータに基づいて金属製の立体造形物１１を製造する３Ｄプリンター３と、３Ｄプリンター３によって製造された金属製の立体造形物１１からサポート１２を除去するサポート除去装置４とを含む。

金属部材１３を製造するときは、コンピューター２を用いて立体造形物１１の３Ｄデータを作成する３Ｄモデリングを行う。その後、立体造形物１１の３Ｄデータに基づいて３Ｄプリンター３に金属製の立体造形物１１を製造させる３Ｄプリンティングを行う。その後、立体造形物１１を手動または自動でサポート除去装置４に搬送し、サポート除去装置４にサポート１２を除去させる。これにより、金属部材１３が製造される。

コンピューター２には、立体造形物１１の３Ｄデータを積層方向ＤＬ（鉛直方向）と平行な複数の層に分割するスライシングと、スライシングにより生成された各層の造形順序を規定する指示データ（いわゆる、Ｇコード）の作成と、を行うソフトウェア（いわゆる、スライサー）がインストールされている。スライサーの機能は、コンピューター２にインストールされた３ＤＣＡＤソフトまたは３ＤＣＧソフトに含まれていてもよい。

３Ｄプリンター３は、Ｇコードにしたがって、立体造形物１１に含まれる全ての層を造形ステージ３ａ側から順に積層方向ＤＬに積み重ねながら結合させる。３Ｄプリンター３は、金属の粉体層の特定の部分だけをレーザーの照射によって焼結させる選択的レーザー焼結（selective laser sintering）により、立体造形物１１に含まれる各層を製造する。選択的レーザー焼結は、付加製造の一種である。付加製造であれば、３Ｄプリンター３は、選択的レーザー焼結以外の方法により、金属製の立体造形物１１を製造してもよい。

立体造形物１１は、鉄など金属材料で形成されている。立体造形物１１は、オーバーハング部１４を有する金属部材１３と、オーバーハング部１４を支持するサポート１２とを含む。金属部材１３の３Ｄデータは、コンピューター２にインストールされた３ＤＣＡＤソフトまたは３ＤＣＧソフトによって作成されてもよいし、３Ｄスキャナーによって作成されてもよい。サポート１２の３Ｄデータは、自動で金属部材１３の３Ｄデータに付加される。この付加は、スライスソフトによって行われてもよいし、３ＤＣＡＤソフトまたは３ＤＣＧソフトによって行われてもよい。

図２は、図１に示す製造システム１によって製造された金属製の立体造形物１１を示す模式図である。図３は、図２に示す立体造形物１１に設けられたサポート１２（第１サポート１２ａ）を示す模式図である。

図２（ａ）は、図２（ｂ）に示す矢印ＩＩＡの方向に見た立体造形物１１の外観図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＩＩＢ−ＩＩＢ線に沿う立体造形物１１の断面図である。図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示す矢印ＩＩＣの方向に見た立体造形物１１の外観図である。図３（ａ）は、図３（ｃ）に示す矢印ＩＩＩＡの方向に見たサポート１２の側面図である。図３（ｂ）は、図３（ｃ）に示す矢印ＩＩＩＢの方向に見たサポート１２の正面図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示す矢印ＩＩＩＣの方向に見たサポート１２の平面図である。

図２（ｂ）に示すように、金属部材１３は、空洞１８を形成する中空部１５を含む。空洞１８は、金属部材１３の外面で開口する２つの穴を繋いでいてもよいし、金属部材１３の外面で開口する１つの穴から金属部材１３の内部に延びており、金属部材１３の内部で閉じていてもよい。図２（ｂ）は、前者の例を示している。金属部材１３がたとえばエンジン部品に含まれるシリンダヘッドである場合、中空部１５は、エンジンを冷却する冷却水を案内するウォータージャケットに相当する。

中空部１５は、金属部材１３の外面で開口する第１の穴１７と、金属部材１３の外面で開口する第２の穴１９と、第１の穴１７から第２の穴１９に延びる空洞１８とを含む。第１の穴１７は、円形または楕円形であってもよいし、これら以外の形状であってもよい。これは、第２の穴１９についても同様である。第１の穴１７の面積は、第２の穴１９の面積よりも小さい。第１の穴１７の面積は、第２の穴１９の面積と等しくてもよいし、第２の穴１９の面積よりも大きくてもよい。

中空部１５の空洞１８は、空洞１８の中心線Ｌ１を取り囲む筒状の内周面１６によって形成されている。中空部１５の内周面１６は、中空部１５の周方向（中心線Ｌ１まわりの方向）に全周にわたって連続している。空洞１８は、第１の穴１７から第２の穴１９の方に延びる第１通路１８ａと、第１通路１８ａから第２の穴１９の方に延びる第２通路１８ｂと、第２通路１８ｂから第２の穴１９の方に延びる第３通路１８ｃと、第３通路１８ｃから第２の穴１９に延びる第４通路１８ｄとを含む。第２通路１８ｂの直径は、第３通路１８ｃの直径よりも大きい。

複数のサポート１２は、中空部１５の中、つまり、空洞１８に配置されている。図２（ｂ）では、理解を容易にするために、サポート１２の本数を減らしているが、実際にはより多くのサポート１２が中空部１５の中に配置される。また、図２（ｂ）では、第２通路１８ｂおよび第３通路１８ｃだけにサポート１２が配置されているが、第１通路１８ａおよび第４通路１８ｄの少なくとも一方にもサポート１２が配置されていてもよい。

各サポート１２は、金属部材１３と一体であり、金属部材１３と同じ金属材料で形成されている。各サポート１２は、積層方向ＤＬにおけるサポート１２の２つの先端部、つまり、サポート１２の上端部１２ｕおよび下端部１２Ｌだけで、金属部材１３に接している。各サポート１２は、中空部１５の内周面１６の下部から中空部１５の内周面１６の上部まで積層方向ＤＬに延びている。オーバーハング部１４は、中空部１５の天井部、つまり、中空部１５の内周面１６の上部に設けられている。したがって、オーバーハング部１４は、複数のサポート１２によって支持されている。

サポート１２は、中実であってもよいし、中空であってもよい。より具体的には、サポート１２の全体が中実または中空であってもよいし、中実の部分と中空の部分とがサポート１２に設けられていてもよい。サポート１２の全体が中空である、または、中空の部分がサポート１２に設けられている場合、サポート１２は、網目状の断面を有していてもよいし、内部空間を取り囲む環状の断面を有していてもよい。図４Ａは、前者の例を示しており、図４Ｂは、後者の例を示している。

図３（ａ）、図３（ｂ）、および図３（ｃ）に示すように、サポート１２の上端部１２ｕは、積層方向ＤＬにおけるサポート１２の中央部１２ｃよりも細い。つまり、サポート１２の上端部１２ｕの外周の長さは、サポート１２の中央部１２ｃの外周の長さよりも短い。同様に、サポート１２の下端部１２Ｌは、積層方向ＤＬにおけるサポート１２の中央部１２ｃよりも細い。

サポート１２の太さ、つまり、サポート１２の外周の長さは、サポート１２の中央部１２ｃに近づくにしたがって増加している。サポート１２の上端部１２ｕは、サポート１２の下端部１２Ｌよりも太いまたは細くてもよいし、サポート１２の下端部１２Ｌと等しい太さを有していてもよい。サポート１２の外径の最大値（図４Ａおよび図４Ｂに示す幅Ｗ１）は、第１の穴１７の直径の最大値Φ１（図２（ａ）参照）よりも小さく、第２の穴１９の直径の最大値Φ２（図２（ｃ）参照）よりも小さい。

サポート１２の断面積（積層方向ＤＬに直交する断面の面積）は、積層方向ＤＬにおけるサポート１２の中央部１２ｃに近づくにしたがって連続的または段階的に増加している。図３（ａ）および図３（ｂ）は、サポート１２の断面積が連続的に増加している例を示している。サポート１２の先端部（サポート１２の上端部１２ｕまたは下端部１２Ｌ）の断面積は、同じサポート１２の他の部分の断面積よりも小さい。この場合、サポート１２の上端部１２ｕの断面積は、同じサポート１２の下端部１２Ｌの断面積よりも大きいまたは小さくてもよいし、同じサポート１２の下端部１２Ｌの断面積と等しくてもよい。

図４Ａおよび図４Ｂは、サポート１２がひし形状の断面を有している例を示している。サポート１２は、積層方向ＤＬのいずれの位置においてもこのような形状の断面を有していてもよいし、ある特定の位置においてだけこのような形状の断面を有していてもよい。また、サポート１２は、楕円状または長方形状の断面を有していてもよいし、これら以外の形状の断面を有していてもよい。サポート１２の断面がこれらのいずれであっても、サポート１２の断面の幅Ｗ１は、サポート１２の断面の厚みＴ１よりも大きい。全てのサポート１２は、サポート１２の厚み方向Ｄｔが空洞１８の軸方向Ｄａ（空洞１８の中心線Ｌ１の方向）と平行または概ね平行になるように配置されている。

複数のサポート１２は、第２通路１８ｂに配置された複数の第１サポート１２ａと、第３通路１８ｃに配置された複数の第２サポート１２ｂとを含む。第１サポート１２ａは、第２サポート１２ｂよりも積層方向ＤＬに長い。積層方向ＤＬへの第２サポート１２ｂの長さは、第１の穴１７の直径の最大値Φ１よりも大きく、第２の穴１９の直径の最大値Φ２よりも大きい。したがって、積層方向ＤＬへの第１サポート１２ａの長さは、第１の穴１７の直径の最大値Φ１よりも大きく、第２の穴１９の直径の最大値Φ２よりも大きい。

第１サポート１２ａは、第１固有振動数を有している。第２サポート１２ｂは、第２固有振動数を有している。つまり、第１サポート１２ａの固有振動数を決定する各要素（形状、断面積、大きさ等）は、第１サポート１２ａの固有振動数が第１固有振動数になるように設定されている。同様に、第２サポート１２ｂの固有振動数を決定する各要素は、第２サポート１２ｂの固有振動数が第２固有振動数になるように設定されている。第１固有振動数は、第２固有振動数よりも低い。

各サポート１２は、サポート１２の外面で開口する複数のノッチを含む。図３（ａ）に示すように、第１サポート１２ａは、積層方向ＤＬにおいて互いに異なる位置に配置された上側ノッチ２０ｕおよび下側ノッチ２０Ｌを含む。図２（ｂ）に示すように、第２サポート１２ｂは、積層方向ＤＬにおける第２サポート１２ｂの上端部１２ｕと第２サポート１２ｂの下端部１２Ｌとの間に配置された中央ノッチ２０ｃを含む。積層方向ＤＬにおける第１サポート１２ａの中央部１２ｃは、積層方向ＤＬにおける上側ノッチ２０ｕと下側ノッチ２０Ｌとの間に配置されている。

第１サポート１２ａの上端部１２ｕから上側ノッチ２０ｕまでの積層方向ＤＬの寸法Ｄ１は、第１の穴１７の直径の最大値Φ１よりも小さく、第２の穴１９の直径の最大値Φ２よりも小さい。同様に、第１サポート１２ａの下端部１２Ｌから下側ノッチ２０Ｌまでの積層方向ＤＬの寸法Ｄ３は、第１の穴１７の直径の最大値Φ１よりも小さく、第２の穴１９の直径の最大値Φ２よりも小さい。さらに、上側ノッチ２０ｕから下側ノッチ２０Ｌまでの積層方向ＤＬの寸法Ｄ２は、第１の穴１７の直径の最大値Φ１よりも小さく、第２の穴１９の直径の最大値Φ２よりも小さい。

第２サポート１２ｂの上端部１２ｕから中央ノッチ２０ｃまでの積層方向ＤＬの寸法Ｄ４は、第１の穴１７の直径の最大値Φ１よりも小さく、第２の穴１９の直径の最大値Φ２よりも小さい。同様に、第２サポート１２ｂの下端部１２Ｌから中央ノッチ２０ｃまでの積層方向ＤＬの寸法Ｄ５は、第１の穴１７の直径の最大値Φ１よりも小さく、第２の穴１９の直径の最大値Φ２よりも小さい。

次に、サポート１２の除去について説明する。

図５は、サポート除去装置４の一例を示す模式図である。図６Ａは、第１サポート１２ａが金属部材１３から切断された状態を示す断面図である。図６Ｂは、第１サポート１２ａがノッチで折れ、第２サポート１２ｂが金属部材１３から切断された状態を示す断面図である。図６Ｃは、第２サポート１２ｂがノッチで折れた状態を示す断面図である。図６Ｄは、切断されたサポート１２が金属部材１３から排出された状態を示す断面図である。

図５に示すように、立体造形物１１からサポート１２を除去するサポート除去装置４は、立体造形物１１を保持するホルダー３１と、ホルダー３１に保持されている立体造形物１１を振動させる振動モータ３２とを備えている。３Ｄプリンター３（図１参照）で製造された金属製の立体造形物１１から全てのサポート１２を除去するときは、立体造形物１１がホルダー３１に取り付けられる。この状態で、振動モータ３２が一定の振動方向Ｄｂに立体造形物１１を振動させる。

具体的には、振動モータ３２は、第１振動数で立体造形物１１を振動させ、その後、第２振動数で立体造形物１１を振動させる。第１振動数は、第１サポート１２ａの固有振動数、つまり、第１固有振動数で第１サポート１２ａが振動する振動数である。第２振動数は、第２サポート１２ｂの固有振動数、つまり、第２固有振動数で第２サポート１２ｂが振動する振動数である。第１振動数は、第２振動数よりも低い。

立体造形物１１を振動させると、第１サポート１２ａが撓み、第１サポート１２ａの中央部１２ｃが第１サポート１２ａの上端部１２ｕおよび下端部１２Ｌに対して振動方向Ｄｂに変位する。これにより、第１サポート１２ａの上端部１２ｕおよび下端部１２Ｌに応力が生じる。同様に、立体造形物１１を振動させると、第２サポート１２ｂの中央部１２ｃが第２サポート１２ｂの上端部１２ｕおよび下端部１２Ｌに対して振動方向Ｄｂに変位し、第２サポート１２ｂの上端部１２ｕおよび下端部１２Ｌに応力が生じる。

第１サポート１２ａの断面の厚みＴ１が第１サポート１２ａの断面の幅Ｗ１よりも小さいので、第１サポート１２ａは、第１サポート１２ａの厚み方向Ｄｔに撓み易い。同様に、第２サポート１２ｂの断面の厚みＴ１が第２サポート１２ｂの断面の幅Ｗ１よりも小さいので、第２サポート１２ｂは、第２サポート１２ｂの厚み方向Ｄｔに撓み易い。各サポート１２の厚み方向Ｄｔは、立体造形物１１の振動方向Ｄｂに一致または概ね一致している。したがって、第１サポート１２ａおよび第２サポート１２ｂを安定して振動方向Ｄｂに変形させることができる。

第１サポート１２ａの振動数が第１固有振動数に近づくと、第１サポート１２ａが共振し、第１サポート１２ａの上端部１２ｕおよび下端部１２Ｌに生じる応力が大きくなる。第１サポート１２ａの上端部１２ｕおよび下端部１２Ｌの強度は、第１サポート１２ａの他の部分の強度よりも低い。図６Ａに示すように、この応力が第１サポート１２ａの上端部１２ｕの強度を超えると、第１サポート１２ａの上端部１２ｕが破断する。同様に、この応力が第１サポート１２ａの下端部１２Ｌの強度を超えると、第１サポート１２ａの下端部１２Ｌが破断する。

第２サポート１２ｂの固有振動数（第２固有振動数）は、第１サポート１２ａの固有振動数（第１固有振動数）よりも高い。サポート除去装置４が第１振動数で立体造形物１１を振動させているとき、第１サポート１２ａおよび第２サポート１２ｂの両方が振動するものの、第１サポート１２ａおよび第２サポート１２ｂの固有振動数が互いに異なるので、第２サポート１２ｂは共振しない。したがって、図６Ａに示すように、第１サポート１２ａが金属部材１３から切断された後も、第２サポート１２ｂは、金属部材１３に結合されている。

サポート除去装置４が立体造形物１１の振動数を第２振動数に変更すると、第２サポート１２ｂが共振し、第２サポート１２ｂの上端部１２ｕおよび下端部１２Ｌに生じる応力が大きくなる。第２サポート１２ｂの上端部１２ｕおよび下端部１２Ｌの強度は、第２サポート１２ｂの他の部分の強度よりも低い。図６Ｂに示すように、この応力が第２サポート１２ｂの上端部１２ｕの強度を超えると、第２サポート１２ｂの上端部１２ｕが破断する。同様に、この応力が第２サポート１２ｂの下端部１２Ｌの強度を超えると、第２サポート１２ｂの下端部１２Ｌが破断する。

図６Ｂに示すように、各サポート１２は、サポート１２の外面で開口する複数のノッチ２０ｕ、２０ｃ、２０Ｌを含む。立体造形物１１を振動させると、各サポート１２が変形し、ノッチ２０ｕ、２０ｃ、２０Ｌで応力が生じる。サポート１２が金属部材１３から切断された後は、立体造形物１１の振動によりサポート１２が繰り返し金属部材１３に衝突するので、サポート１２が切断された後もノッチ２０ｕ、２０ｃ、２０Ｌで応力が生じる。図６Ｂおよび図６Ｃに示すように、サポート１２は、金属部材１３から切断された後にノッチ２０ｕ、２０ｃ、２０Ｌで折れる。これにより、金属部材１３から切断されたサポート１２を、第１の穴１７および第２の穴１９の直径よりも短い複数の破片に裁断することができる。

立体造形物１１を第１振動数および第２振動数で振動させ、全てのサポート１２を金属部材１３から切断した後は、図６Ｄに示すように、切断されたサポート１２を第１の穴１７および第２の穴１９の少なくとも一方を通じて中空部１５の空洞１８から排出する。サポート１２の排出は、空気や水などの流体を空洞１８に流すことにより行ってもよいし、金属部材１３を傾けて振ることにより行ってもよい。また、必要であれば、切断されたサポート１２を金属部材１３から排出した後に、ドリル加工や研磨加工などの機械加工を金属部材１３に施してもよい。

以上のように本実施形態では、複数の層を積層方向ＤＬに積み重ねながら結合させることにより、金属製の立体造形物１１を製造する。立体造形物１１は、オーバーハング部１４を有する金属部材１３と、オーバーハング部１４を支持する複数のサポート１２とを含んでいる。サポート１２は、金属部材１３と同じ金属材料で形成された、金属部材１３と一体の部分である。サポート１２は、積層方向ＤＬにおけるサポート１２の先端部（サポート１２の上端部１２ｕまたは下端部１２Ｌ）だけで金属部材１３に接している。この先端部の断面積は、サポート１２の他の部分の断面積よりも小さい。言い換えると、サポート１２の先端部の強度は、サポート１２の他の部分の強度よりも低い。

立体造形物１１を振動させると、金属部材１３と共に各サポート１２が振動し、サポート１２の各部に応力が生じる。サポート１２の先端部は、サポート１２の中で最も強度が低い。サポート１２の先端部に生じる応力がサポート１２の先端部の強度を超えると、サポート１２の先端部が破断する。つまり、サポート１２の中で最も脆弱な先端部が最初に破断し、サポート１２が金属部材１３から切断される。したがって、立体造形物１１の全体を振動させるだけで、各サポート１２を金属部材１３から切断できる。これにより、サポート１２の除去に要する負担を軽減できる。

本実施形態では、サポート１２の断面の厚みＴ１が、サポート１２の断面の幅Ｗ１よりも小さい。つまり、サポート１２は、厚み方向Ｄｔに薄く、サポート１２の厚み方向Ｄｔに撓み易い。立体造形物１１を振動させると、サポート１２は、厚み方向Ｄｔへの変形と復元とを交互に繰り返す。これにより、大きさおよび方向が規則的に変化する繰り返し荷重をサポート１２に加えることができ、サポート１２の先端部を確実に破断できる。

本実施形態では、立体造形物１１を第１振動数で振動させると、第１サポート１２ａの振動数が第１固有振動数に近づき、第１サポート１２ａが共振する。これにより、大きな応力が第１サポート１２ａの先端部に生じ、第１サポート１２ａの先端部が破断する。その一方で、立体造形物１１を第１振動数とは異なる第２振動数で振動させると、第２サポート１２ｂの振動数が第２固有振動数に近づき、第２サポート１２ｂが共振する。これにより、大きな応力が第２サポート１２ｂの先端部に生じ、第２サポート１２ｂの先端部が破断する。したがって、立体造形物１１を２つの振動数で振動させるだけで、第１サポート１２ａおよび第２サポート１２ｂの全てまたは殆ど全てを金属部材１３から切断することができる。

本実施形態では、サポート１２が金属部材１３の中空部１５の中に配置されているので、サポート１２を切断する工具をサポート１２に接触させ難い。しかしながら、そのような工具を用いなくても、立体造形物１１を振動させるだけで、各サポート１２を切断できる。そして、金属部材１３の外面で開口する中空部１５の穴を通じて、切断されたサポート１２を空洞１８の外に排出できる。これにより、金属部材１３からサポート１２を除去することができる。

本実施形態では、サポート１２の外面で開口するノッチ２０ｕ、２０ｃ、２０Ｌが、サポート１２に設けられている。金属部材１３から切断されたサポート１２が金属部材１３に衝突すると、ノッチ２０ｕ、２０ｃ、２０Ｌで応力集中が生じる。この応力がサポート１２の強度を超えると、サポート１２がノッチ２０ｕ、２０ｃ、２０Ｌで折れる。サポート１２の先端部（上端部または下端部）からノッチ２０ｕ、２０ｃ、２０Ｌまでの積層方向ＤＬの寸法Ｄ１、Ｄ２、Ｄ４、およびＤ５は、第１の穴１７の直径の最大値Φ１よりも小さく、第２の穴１９の直径の最大値Φ２よりも小さい。したがって、金属部材１３から切断されたサポート１２を、第１の穴１７および第２の穴１９の直径よりも短い複数の破片に裁断することができる。これにより、切断されたサポート１２を中空部１５の穴を通じて効率的に排出できる。

他の実施形態
本発明は、前述の実施形態の内容に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

たとえば、金属部材１３は、シリンダヘッド以外のエンジン部品であってもよいし、エンジン部品以外の部品であってもよい。

サポート１２は、中空部１５の外に配置されていてもよい。たとえば、サポート１２は、造形ステージ３ａ（図１参照）からオーバーハング部１４に延びていてもよい。つまり、サポート１２の下端部１２Ｌは、金属部材１３ではなく、造形ステージ３ａに接していてもよい。

ノッチ２０ｕ、２０ｃ、２０Ｌがサポート１２から省略されてもよい。

サポート１２の幅および厚みの一方が一定で、幅および厚みの他方がサポート１２の先端部に近づくにしたがって減少していてもよい。

全てのサポート１２の固有振動数が互いに等しくてもよいし、互いに異なっていてもよい。前者の場合、立体造形物１１を１つの振動数で振動させるだけで、全てのサポート１２または殆ど全てのサポート１２を共振させて、金属部材１３から切断することができる。

サポート１２の上端部１２ｕおよび下端部１２Ｌが破断する値であれば、立体造形物１１の振動数は、サポート１２が共振する振動数でなくてもよい。

前述の全ての構成の２つ以上が組み合わされてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ ：製造システム
２ ：コンピューター
３ ：３Ｄプリンター
３ａ ：造形ステージ
４ ：サポート除去装置
１１ ：立体造形物
１２ ：サポート
１２ａ ：第１サポート
１２ｂ ：第２サポート
１２ｕ ：サポートの上端部
１２ｃ ：サポートの中央部
１２Ｌ ：サポートの下端部
１３ ：金属部材
１４ ：オーバーハング部
１５ ：中空部
１６ ：中空部の内周面
１７ ：第１の穴
１８ ：空洞
１８ａ ：第１通路
１８ｂ ：第２通路
１８ｃ ：第３通路
１８ｄ ：第４通路
１９ ：第２の穴
２０ｕ ：上側ノッチ
２０ｃ ：中央ノッチ
２０Ｌ ：下側ノッチ
３１ ：ホルダー
３２ ：振動モータ
Ｄ１〜Ｄ５ ：寸法
Ｄａ ：空洞の軸方向
Ｄｂ ：振動方向
ＤＬ ：積層方向
Ｄｔ ：厚み方向
Ｌ１ ：空洞の中心線
Ｔ１ ：サポートの断面の厚み
Ｗ１ ：サポートの断面の幅
Φ１ ：第１の穴の直径の最大値
Φ２ ：第２の穴の直径の最大値

Claims (8)

1. 複数の層を積層方向に積み重ねながら結合させることにより、金属製の立体造形物を付加製造により製造する造形工程を含む、金属部材の製造方法であって、
   前記立体造形物は、オーバーハング部を有する金属部材と、前記オーバーハング部を支持する、前記金属部材と一体の複数のサポートと、を備え、
   前記サポートは、前記積層方向における前記サポートの先端部だけで前記金属部材に接しており、
   前記サポートの先端部の断面積は、前記サポートの他の部分の断面積よりも小さい、金属部材の製造方法。
2. サポート除去装置に前記立体造形物を振動させることにより、前記サポートを破断させる破断工程をさらに含む、請求項１に記載の金属部材の製造方法。
3. 前記サポートの少なくとも一部は、幅が厚みよりも大きい断面を有している、請求項１または２に記載の金属部材の製造方法。
4. 前記複数のサポートは、それぞれの固有振動数が第１固有振動数である複数の第１サポートと、それぞれの固有振動数が前記第１固有振動数とは異なる第２固有振動数である複数の第２サポートとを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属部材の製造方法。
5. 前記複数のサポートは、固有振動数が互いに等しい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属部材の製造方法。
6. 前記金属部材は、前記金属部材の外面で開口する穴と、前記穴から前記金属部材の内部に延びる空洞と、が設けられた中空部を含み、
   前記サポートは、前記中空部の中に配置されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の金属部材の製造方法。
7. 前記サポートは、前記サポートの外面で開口するノッチをさらに含み、
   前記積層方向における前記サポートの先端部から前記ノッチまでの前記積層方向の寸法は、前記穴の直径の最大値よりも小さい、請求項６に記載の金属部材の製造方法。
8. 前記サポートは、前記サポートの外面で開口するノッチをさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の金属部材の製造方法。

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