KR20040028593A - 삼차원 조형물의 제조방법 - Google Patents

삼차원 조형물의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 잉여 소결부의 생성에 의한 문제를 해결하는 삼차원 조형물의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하고,
이를 위해, (a) 무기질의 원료분말층을 형성하는 스텝; (b) 상기 원료분말층의 소정 개소에 광빔을 조사함으로써 해당 개소의 원료분말을 소결시켜서 소결층을 형성함과 아울러 바로밑의 소결층과 일체화하는 스텝; (c) 스텝(a) 및 (b)를 반복하여 복수의 소결층이 적층된 소결블록을 형성하는 소결블록 형성스텝에 있어서, 상기 소결블록의 측면에 오목부를 설치하는 스텝; (d) 소결블록으로부터 불필요한 부분을 제거하는 스텝; 및 (e) 불필요한 부분이 제거된 소결블록에 대해서 스텝(c) 및 (d)를 반복하여 복수의 소결블록이 적층된 목표형상의 삼차원 조형물을 작성하는 스텝을 구비한다.

Description

삼차원 조형물의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING A THREE DIMENSIONAL OBJECT}
본 발명은 원료분말을 광빔으로 소결경화시킴으로써 삼차원 조형물을 제조하는 삼차원 조형물의 제조방법에 관한 것이다.
삼차원 조형물은 삼차원 조형물의 설계데이터(CAD데이터)로부터 원하는 층두께로 슬라이스된 복수층의 단면형상 데이터를 얻어서 이들 층의 단면데이터를 기초로 하여 주사윤곽형상을 산출하고, 원료분말에 광빔을 조사하여 분말을 고형화하는 것을 반복함으로써 복수층이 삼차원으로 적층되어 소결경화된 것이다. 따라서, 소위 CAM(Computer aided manufacturing)장치가 없더라도 임의형상의 삼차원 조형물을 만들 수 있는데다가 절삭가공 등에 의한 제조방법에 비해서 원하는 형상의 조형물을 신속하게 제작할 수 있다라는 특별한 장점을 갖고 있다.
일본 특허 제2620353호에는 광조형법으로서 알려져 있는 삼차원 조형물의 제조방법이 개시되어 있다. 일본 특허 제2620353호에 나타낸 제조방법은 원료분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 원료분말층을 소결시킨 소결층을 형성하고, 원료분말층의 형성과 소결층의 형성을 교대로 반복하여 삼차원 조형물을 만들어 내는 것이다. 이 방법에서는 적층구성된 임시의 삼차원 조형물로부터 불필요한 부분을 제거하는 제거공정을 한번만 행함으로써 원하는 형상을 갖는 삼차원 조형물을 최종적으로 만들어 내고 있다.
그런데, 광빔을 조사하여 원료분말을 소결시킬 때에는 광빔의 조사에 의해서 발생한 열을 이용하고 있다. 발생한 열은 소결부분의 주위부분에도 전달되어 주위부분도 고온으로 가열되어버린다. 고온으로 가열된 주위부분은 반응성이 높게 되어 있으므로 주위에 존재하는 원료분말이 부착되기 쉽게 되어 있다. 원료분말이 주위부분에 부착되면 그 부착된 원료분말은 그 열에 의해 저밀도의 부착물로 변질된다. 매끄러운 표면을 갖는 삼차원 조형물을 얻기 위해서는 저밀도 부착물을 제거할 필요가 있다.
그래서, 본 출원인은 일본 특원 2000-306546에 있어서 다음과 같은 제조방법을 제안하고 있다. 즉, 일본 특원 2000-306546에 개시된 제조방법은 원료분말층을 형성하는 스텝; 원료분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 해당 개소의 원료분말을 소결시켜서 소결층을 형성하는 스텝; 이들 스텝을 반복하여 복수의 소결층이 적층된 소결블록을 작성하는 스텝; 소결블록으로부터 불필요한 부분을 제거하여 원하는 외형형상으로 하는 스텝; 및 불필요한 부분이 제거된 소결블록에 대해서 원료분말층 형성스텝 및 소결층 형성스텝을 반복하는 스텝을 포함하고 있다. 즉, 복수의 소결층이 적층된 하위의 소결블록을 작성하고, 하위의 소결블록으로부터 불필요한 부분을 절삭 제거한 후에 다음의 상위 소결블록의 제1소결층을 형성한다라는 방법을 제안하였다. 이 방법에 있어서 소결블록 작성공정과 소결블록에 있어서의 불필요한 부분의 절삭 제거공정을 반복하여 행함으로써 공구길이 등의 제약을 받는 일없이 삼차원 조형물의 표면을 평평하고 매끄럽게 마무리할 수 있게 되어 있다.
그러나, 소결블록으로부터 불필요한 부분을 절삭 제거하는 제거공정을 갖는 상기 방법에 있어서도 다음과 같은 문제를 갖고 있다.
즉, 도 14에 나타내는 바와 같이, 우선, 복수의 소결층이 적층된 하위의 소결블록(B)에 대해서 절삭공구(4) 등을 이용하여 표면이나 측면에 존재하는 불필요한 부분의 제거가 행해진다. 이어서, 하위의 소결블록(B) 상에 복수의 소결층이 적층되게 되어 있는 상위의 소결블록(B+1)을 형성할 때 이미 불필요한 부분이 절삭 제거되어서 평평하고 매끄러운 마무리면을 갖는 하위의 소결블록(B)의 외측면에 대해서 주위에 존재하는 여분의 원료분말이 부착되어 소결되어 버린다. 그 결과, 고드름형태로 수직연장된 잉여 소결부(17)가 생성된다. 또한, 이 잉여 소결부(17)는 그 위의 소결블록(B+1)에 대해서 절삭공구(4) 등을 이용하여 절삭 제거를 행하여도 제거되지 않고 남아버리므로 완성된 삼차원형상의 조형물의 외면에는 잉여 소결부(17)에 의한 요철이 생겨버린다.
물론, 상위의 소결블록(B+1)의 잉여 소결부(17)를 제거할 때에 하위의 소결블록(B)의 상층부 외측면에 생성된 잉여 소결부(17)를 제거하는 것은 기술적으로는 가능하다. 그러나, 이 경우, 제거대상의 영역이 많게 되고, 잉여 소결부(17)의 제거에 요하는 시간이 길어져버린다. 또한, 복수의 소결블록에 있어서 잉여 소결부(17)를 제거하기 위한 제거가공시간이 증가하므로 전체적으로 매우 제거가공시간이 증가되어버린다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것이고, 그 목적은 잉여 소결부의생성에 의한 문제를 해결하는 삼차원 조형물의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1(a)는 본 발명에 관한 일실시형태를 나타내는 사시도이다.
도 1(b)는 본 발명에 관한 일실시형태를 나타내는 단면도이다.
도 1(c)는 본 발명에 관한 일실시형태를 나타내는 설명도이다.
도 2(a)는 본 발명에 관한 다른 실시형태를 나타내는 사시도이다.
도 2(b)는 본 발명에 관한 다른 실시형태를 나타내는 단면도이다.
도 3은 삼차원 CAD모델의 사시도이다.
도 4(a)는 소결블록의 하층부에 있어서의 광빔의 주사를 설명하는 도면이다.
도 4(b)는 소결블록의 상층부에 있어서의 광빔의 주사를 설명하는 도면이다.
도 4(c)는 광빔의 에너지밀도와 스폿(spot) 지름의 관계를 설명하는 도면이다.
도 5(a)는 본 발명에 관한 다른 실시형태를 나타내는, 윤곽부의 소결(임시소결)의 형태를 설명하는 모식 단면도이다.
도 5(b)는 도 5(a)에 나타낸 윤곽부의 소결(임시소결) 후에 행해지는 본 소결의 형태를 설명하는 모식 단면도이다.
도 6은 본 발명에 관한 다른 실시형태의 공정 설명도이다.
도 7은 도 6의 공정 설명도에 이어지는 공정 설명도이다.
도 8은 본 발명에 관한 또다른 실시형태를 설명하는 모식 단면도이다.
도 9는 본 발명에 관한 또다른 실시형태를 설명하는 모식 단면도이다.
도 10(a)는 도 9에 나타낸 실시형태를 설명하는 사시도이다.
도 10(b)는 도 9에 나타낸 실시형태를 설명하는 단면도이다.
도 11(a)는 본 발명에 관한 또다른 실시형태를 나타내는 사시도이고, 소결층 형성의 형태를 나타내고 있다.
도 11(b)는 본 발명에 관한 또다른 실시형태를 나타내는 사시도이고, 소결층 상에 마스크판을 배치한 형태를 나타내고 있다.
도 12는 삼차원 조형물의 제조장치의 전체 구성을 나타내는 사시도이다.
도 13은 도 12에 나타낸 제조장치의 기본동작을 설명하는 도면이다.
도 14는 종래기술에 관한 삼차원 조형물의 작성순서를 설명하는 도면이다.
(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)
2 … 분말층 형성수단 3 … 소결층 형성수단
4 … 절삭제거수단 7 … 박판
8 … 디스펜서(dispenser) 10 … 원료분말층
10a … 원료분말 11 … 소결층
17 … 잉여 소결부 19 … 홈
21 … 스퀴징(squeezing)용 블레이드
30 … 레이저 발진기 31 … 갈바노 미러(galvano mirror)
41 … 밀링 헤드(milling head) 70 … 구멍
B … 소결블록
청구항1에 관한 발명은 (a) 무기질의 원료분말층을 형성하는 스텝;
(b) 상기 원료분말층의 소정 개소에 광빔을 조사함으로써 해당 개소의 원료분말을 소결시켜서 소결층을 형성함과 아울러 바로밑의 소결층과 일체화하는 스텝;
(c) 스텝(a) 및 (b)를 반복하여 복수의 소결층이 적층된 소결블록을 형성하는 소결블록 형성스텝에 있어서, 상기 소결블록의 측면에 오목부를 형성하는 스텝;
(d) 소결블록으로부터 불필요한 부분을 제거하는 스텝; 및
(e) 불필요한 부분이 제거된 소결블록에 대해서 스텝(c) 및 (d)을 반복하여 복수의 소결블록이 적층된 목표형상의 삼차원 조형물을 제작하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다. 소결블록의 측면에 오목부를 형성하여 소결블록의 상층부를 상대적으로 외측으로 돌출되게 함으로써 잉여 소결부의 수직연장되는 것을 소결블록의 하층부의 오목부에서 받아들이도록 한 것이다.
청구항2에 관한 발명은 상기 오목부가 소결블록의 하층부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 잉여 소결부의 수직연장됨이 소결블록의 상층부의 측면을 타고 이동한 후 하층부의 오목부에서 받아들여진다.
청구항3에 기재된 발명은 상기 오목부의 상면이 외측으로부터 내측을 향해 하향으로 대략 경사져 있는 것을 특징으로 하고 있다. 잉여 소결부의 수직연장됨이 소결블록의 하층부의 오목부에서 받아들여지고, 경사져 있는 공간분만큼보다 많은 수직연장됨을 받아들일 수 있다.
청구항4에 관한 발명은 상기 불필요한 부분이 제거된 소결블록 상에 해당 소결블록을 덮는 박판을 일체적으로 적층하는 스텝을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하고 있다. 불필요한 부분이 제거된 소결블록을 덮는, 소결블록보다 큰 면적의 박판을 배치함으로써 잉여 소결부의 수직연장됨이 방지된다.
청구항5에 관한 발명은 상기 불필요한 부분이 제거된 소결블록 표면에 대해서 상기 원료분말과 반응하지 않도록 표면처리를 실시하는 스텝을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하고 있다. 불필요한 부분이 제거된 소결블록 표면에 대해서 저반응성의 표면처리를 실시함으로써 원료분말이 부착되어 잉여 소결부가 생성되는 것이 방지된다.
청구항6에 관한 발명은 상기 표면처리스텝 후에 비결착성의 분말체를 소결블록의 주위에 배치하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다. 표면처리된 소결블록의 주위에 비결착성의 분말체를 배치함으로써 원료분말이 부착되어 잉여 소결부가 생성되는 것이 방지된다.
청구항7에 관한 발명은 상기 표면처리스텝 후에 소결블록의 윤곽과 대략 동일 개구부를 갖는 마스크부재를 배치하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다. 표면처리된 소결블록의 윤곽과 대략 동일 개구부를 갖는 마스크부재를 배치함으로써 원료분말이 부착되어 잉여 소결부가 생성되는 것이 방지된다.
청구항8에 관한 발명은 (a) 무기질의 원료분말층을 형성하는 스텝;
(b) 상기 원료분말층에 있어서, 소결대상부분의 윤곽에 광빔을 조사하여 윤곽 소결부를 형성하는 스텝;
(c) 상기 소결대상부분 전체에 광빔을 조사함으로써 해당 개소의 원료분말을 소결시켜서 소결층을 형성함과 아울러 바로밑의 소결층과 일체화하는 스텝;
(d) 스텝(a) 및 (b)를 반복하여 복수의 소결층이 적층된 소결블록을 형성하는 스텝;
(e) 상기 소결블록으로부터 불필요한 부분을 제거하는 스텝; 및
(f) 불필요한 부분이 제거된 상기 소결블록에 대해서 스텝(a)~(e)을 반복하여 복수의 소결블록이 적층된 목표형상의 삼차원 조형물을 제작하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다. 소결대상부분의 윤곽에 열전도가 좋은 윤곽 소결부를 형성한 후에 소결대상부분 전체에 광빔을 조사하면 광빔의 조사에 의해 발생하는 열은 열전도가 좋은 윤곽 소결부를 타고 이동하여 내측의 원료분말층 및 하위의 소결블록에 전도되는 것이므로 열이 윤곽 소결부로부터 외측으로 전도되는 것이 방지된다. 그 결과, 하위의 소결블록의 측면에 존재하는 원료분말이 부착되어 소결됨으로써 고드름형태로 수직연장된 잉여 소결부가 생성되는 것이 방지된다.
본 발명에 있어서는 원료분말이 소결블록의 측면에 부착되어 잉여 소결부가 형성되는 것이 방지되거나 잉여 소결부가 소결블록의 측면에 형성되어도 잉여 소결부가 소결블록의 측면을 따라서 수직연장되어서 측면으로부터 돌출되는 것이 방지된다. 그 결과, 잉여 소결부를 제거하기 위한 제거수단의 가공깊이가 대략 1개의 소결블록의 두께 상당이면 좋으므로 제거가공시간을 단축할 수 있다.
도 12는 광조형법에 의해서 삼차원 조형물을 작성하기 위한 장치를 나타내고 있다. 도 12에 나타낸 장치는 분말층 형성수단(2), 소결층 형성수단(3) 및 절삭제거수단(4)을 구비하고 있다.
분말층 형성수단(2)은 삼차원 조형물의 작성용 스테이지, 즉, 상하로 승강하는 승강테이블(20) 상에 설치되어서 외주가 둘러싸인 공간[조형탱크(25)]에, 공급된 무기질의 원료분말(10a)을 스퀴징용 블레이드(21)로 고르게 하여 소정 두께 Δt1의 원료분말층(10)을 형성하기 위한 것이다. 소결층 형성수단(3)은 레이저 발진기(30)로부터 출력된 레이저광을 갈바노 미러(31) 등의 스캔광학시스템을 통해서 상기 원료분말층(10) 상에 주사시킴으로써 원료분말층(10)을 소결시켜 소결층 (11)을 형성하기 위한 것이다. 절삭제거수단(4)은, 예컨대, 밀링 헤드(41)이다. 밀링 헤드(41)는 상기 분말층 형성수단(2)의 베이스판(22)에 대해서 XY방향으로 자유롭게 구동되도록 구성된 XY구동기구(4)에 설치되어 있다.
삼차원 조형물의 기본적인 작성순서에 관해서 도 13을 참조하여 설명한다.
승강테이블(20) 상면에 배치된 베이스판(22)의 표면에 소정량의 원료분말 (10a)을 공급하여 블레이드(21)로 고르게 함으로써 제1층째의 원료분말층(10)을 형성한다. 이 원료분말층(10)의 소결하고 싶은 개소에 광빔(레이저광)(L)을 조사함으로써 원료분말층(10)을 소결시킴과 아울러 베이스판(22)과 일체화된 소결층(11)을 형성한다.
또한, 승강테이블(20)을 약간 하강시켜서 다시 원료분말(10a)을 공급한 후 블레이드(21)로 고르게 함으로써 제2층째의 원료분말층(10)을 형성한다. 이 원료분말층(10)의 소결하고 싶은 개소에 광빔(레이저광)(L)을 조사함으로써 원료분말층 (10)을 소결시킴과 아울러 하층의 소결층(11)과 일체화한 소결층(11)을 형성한다.승강테이블(20)을 하강시키는 공정, 새로운 원료분말층(10)을 형성하는 공정, 광빔 (L)을 조사하여 원하는 개소를 소결층(11)으로 하는 공정을 반복함으로써 목적하는 삼차원 조형물의 일부분을 구성하는 소결블록(B)이 제작된다.
광빔(L)의 조사경로는 미리 삼차원 CAD모델의 데이터에 기초하여 작성된다. 즉, 종래의 것과 마찬가지로, 삼차원 CAD모델로부터 생성한 STL(Stereo Lithography) 데이터를 등피치(예컨대, 0.05mm)로 층형상으로 슬라이스한다. 각 단면층의 외형윤곽형상(P)을 얻은 후, 외형윤곽형상(P)으로부터 추가로 주사윤곽형상 (R)을 얻는다. 이 때, 소결블록(B)의 적어도 최표면이 고밀도(기공율 5%이하)로 소결하도록 광빔(L)의 조사를 행하는 것이 바람직하다.
상기 원료분말층(10)을 형성하고나서 광빔(L)을 조사하여 소결층(11)을 형성하는 것을 반복할 때에 소결층(11)의 전체두께가 가령 절삭제거수단(4)에 있어서의 밀링 헤드(41)의 공구길이 등으로부터 결정되는 원하는 값으로 되면 일단 절삭제거수단(4)을 작동시켜서 그때까지 작성된 소결블록(B)의 표면부(측면을 포함)를 절삭가공한다. 그 결과, 표면이 평평하며 매끄럽고, 원하는 외형윤곽형상(P)을 갖는 소결블록(B)이 얻어진다. 가령, 직경 1mm, 유효칼날길이 3mm를 갖는 밀링 헤드(41)의 공구(볼엔드밀)이면 깊이 3mm의 절삭가공이 가능하다. 또한, 원료분말층(10)의 두께 Δt1가 0.05mm라면 가령 50층의 소결층(11)이 적층된 소결블록(B)을 작성한 시점에서 절삭제거수단(4)을 작동시켜 절삭가공을 행한다.
소결블록(B)의 표면에 부착된 원료분말(10a)이 광빔(L)의 조사에 의해 발생한 열에 의해 변질됨으로써 소결블록(B)의 표면에는 저밀도 표면층이 생성되어 있다. 이 저밀도 표면층은 절삭제거수단(4)에 의해 절삭 제거된다. 이 때, 고밀도부까지 잘려들어감으로써 소결블록(B) 표면에 고밀도부를 전면적으로 노출시키도록 하여도 좋다. 이 경우, 절삭가공되는 소결블록(B)은 원하는 외형윤곽형상(P)보다 조금 크도록 치수 구성하여 둔다. 절삭제거수단(4)에 의한 절삭가공경로는 광빔(L)의 조사경로와 마찬가지로 미리 삼차원 CAD데이터로부터 작성된다. 또한, 상기 절삭제거수단(4)에 의한 절삭 제거를 행한 후의 하위의 소결블록(B)에 대해서 다시 원료분말층(10)의 형성 및 소결층(11)의 형성이 반복되어서 하위의 소결블록 (B) 상에 새로운 상위의 소결블록(B)이 형성된다.
복수의 소결층(11)이 적층된 소결블록(B)에 있어서 이 소결블록(B)의 하층부 (LP)가 수평중심방향으로 후퇴(세트백)하여 짧게 되도록 설계적으로 치수 구성되어 있다. 즉, 상층부(UP)의 설계상의 측단이 하층부(LP)의 설계상의 측단보다 외측으로 돌출된 형상을 갖도록 각 층의 주사윤곽선(R)이 치수 구성되어 있다. 가령, 도 1(a), 1(b) 및 1(c)에 나타내는 바와 같이, 복수의 소결층(11)이 적층된 소결블록 (B)의 측면은 상층부(UP)로부터 하층부(LP)에 걸쳐서 대략 경사면형상으로 노치된 형상을 갖도록 주사윤곽형상(R)의 데이터가 구성되어 있다. 도 1(c)에 의해 나타내는 바와 같이, 각 소결층(11)을 형성할 때에 삼차원 CAD데이터에 기초하는 주사윤곽선(R)을 따라서 광빔(L)을 조사할 때, 조사대상의 소결층(11) 측면에 존재하는 원료분말(10a)도 동시에 소결되기 때문에 결과로서 소결층(11)의 측면에는 잉여 소결부(17)가 형성된다. 광빔(L)이 주사되는 주사윤곽선(R)은 상층부(UP)의 소결층(11)에서는 층의 길이방향(도면의 수평방향) 내측의 짧은 치수의 위치이고, 상층부 (UP)의 소결층(11)에서는 층의 길이방향 외측의 긴 치수의 위치이다. 하층부(LP)로부터 상층부(UP)로 감에 따라서 소결층(11)의 길이방향 치수가 서서히 크게 되도록 구성하면 오목부(g)의 상면이 외측으로부터 내측을 향하여 하향으로 대략 경사지게 할 수 있다. 또한, 광빔(L)을 조사한 후의 소결블록(B)에 있어서는 상층부(UP)의 측면에는 외측으로 돌출된 돌출부(f)가 형성되고, 하층부(LP)의 측면에는 경사진 하향으로 인입되고 있는 오목부(g)가 형성되어 있다. 소결층(11)을 적층하여 가는 과정에서 생성되는 잉여 소결부(17)는 오목부(g)에 수용되어 바로밑의 소결블록(B)의 측면으로 돌출되는 일이 없다. 소결블록(B) 측면의 잉여 소결부(17)를 절삭가공함으로써 원하는 외형윤곽형상(P)을 갖는 소결블록(B)이 얻어진다. 또한, 도 2(a) 및 도 2(b)에 나타내는 바와 같이, 소결블록(B) 측면의 하층부(LP)가 직사각형상으로 인입되고 있는 바와 같은 설계상 치수 구성되어 있다. 또한, 소결블록(B)의 상층부 (UP) 측면에는 외측으로 돌출된 돌출부(f)가 형성되고, 소결블록 (B)의 하층부 (LP)의 측면에는 직사각형상으로 내측에 인입되어 있는 오목부(g)가 형성되어 있다.
또한, 이와 같은 형상을 갖는 소결블록(B)을 작성함에 있어서는 광빔(L)의 스폿 중, 도 4(c)에 나타내는 바와 같이, 70~80% 이상의 소결밀도(ρ)가 얻어지는 스폿 지름(2Lr)인 것이 사용된다. 소결블록(B)의 하층부(LP)측에서는, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 삼차원 CAD데이터에 기초하여 산출된 주사윤곽선(RL)을 따라서광빔(L)이 주사된다. 소결블록(B)의 상층부(UP)측에서는, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 삼차원 CAD데이터에 기초하여 산출된 주사윤곽선(RL)보다 f분만큼 외측으로 나온 주사윤곽선(RU)을 따라서 광빔(L)이 주사된다. 이와 같이 하여 돌출된 부분(f)을 형성할 수 있다.
또한, 소결블록(B)의 상층부(UP)에서 외측으로 돌출되어 있는 부분(f)은 상기 소결블록(B) 상에 형성되게 되어 있는 다음 상위의 소결블록(B)의 소결이 완료한 시점에서 잉여 소결부(17)와 함께 절삭 제거된다.
또한, 상기 실시형태에서는 상위의 소결블록(B)의 상층부(UP)의 돌출부(f)를 절삭 제거하는 것이 필요하지만 잉여 소결부(17)가 상위의 소결블록(B)으로부터 하위의 소결블록(B)까지 수직으로 연장된 종래기술의 것과 비교하여 절삭 제거에 요하는 수고나 시간은 매우 짧게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태를 나타내고 있다. 도 5에서는 하위의 소결블록(B)에 대해서 절삭 제거를 행한 후, 다음 상위의 소결블록(B)에 대응하는 원료분말층 (10)의 원하는 개소를 소결시킴에 있어서 우선 소결시켜야할 부분, 즉, 외주 가장자리나 내주 가장자리인 주사윤곽선을 따라서 광빔(L')을 주사한다. 그 결과, 가느다란 주사윤곽선을 따르는 임시소결부인 윤곽 소결부(18)가 형성된다. 이어서, 윤곽 소결부(18)로 둘러싸인 소결시켜야할 영역에 광빔(L)을 조사하여 소결시킴으로써 본 소결부인 소결층(11)이 형성된다. 여기서, 윤곽 소결부(18)를 형성하기 위한 광빔(L')은 통상의 본 소결용 광빔(L)보다 에너지를 작게 하거나 고속으로 주사시키거나 함으로써 소결의 정도를 작게 하여 둔다.
주사윤곽선을 따라서 형성된 윤곽 소결부(18)[대단히 작은 잉여 소결부(17)]는 광빔(L)의 조사를 받았을 때에 광빔(L)으로부터의 열을 이미 형성된 하위의 소결블록(B)으로 회피하도록 작용하므로 잉여 소결부(17)가 크게 성장하여 하위의 소결블록(B)의 외측면에 수직연장되는 것이 방지된다. 하위의 소결블록(B)을 절삭가공한 후, 다음 상위의 소결블록(B)의 최초의 소결층(11)을 형성할 때에 윤곽 소결부(18)를 형성하고 있다. 그러나, 윤곽 소결부(18)의 형성은 최초의 소결층(11)에 대해서뿐만 아니라 그 이외의 소결층(11)에 대해서도 형성할 수 있다. 즉, 윤곽 소결부(18)의 형성은 적어도 1회 행해지고, 소결층(11)의 형성은 복수회 행해진다.
도 6 및 도 7에는 본 발명의 다른 실시형태를 나타내고 있다. 이 실시형태에서는 절삭제거수단(4)으로 하위 소결블록(B)의 절삭가공을 행한 후에 얇은 철판으로 이루어지는 박판(7)이 하위의 소결블록(B) 상에 놓여져서 하위의 소결블록(B)과 절삭제거수단(4)의 가공흔적으로서 생성된 외주의 홈(19)이 박판(7)에 의해 덮여져 있다. 이어서, 절삭제거수단(4)을 이용하여 박판(7)과 하위의 소결블록(B)에 구멍 (70)을 뚫고, 이 구멍(70)에 원료분말(10a)이 충전된다. 구멍(70)에 충전된 원료분말(10a)에 광빔(L)을 조사함으로써 박판(7)과 하위의 소결블록(B)이 일체적으로 소결ㆍ고착되어 있다.
이 후, 다음 상위의 소결블록(B)의 작성공정으로 이행한다. 즉, 원료분말층 (10)을 형성한 후, 소결층(11)을 형성한다. 원료분말층(10)의 형성 및 소결층 (11)의 형성을 반복하여 상위의 소결블록(B)을 작성한다. 이 때, 박판(7)에 의해서 하위의 소결블록(B) 홈(19)이 덮여져 있기 때문에 상위의 소결블록(B)으로부터의 잉여 소결부(17)가 수직연장되여서 홈(19)에 인입되지 않는다. 또한, 상위의 소결블록(B)의 절삭 제거공정에 있어서 절삭제거수단(4)을 이용하여 상기 박판(7)의 불필요한 개소가 절삭 제거된다.
또한, 도 8에 나타내는 바와 같이, 절삭제거수단(4)을 이용하여 소결블록(B)에 대해서 절삭가공을 행한 가공흔적으로서 생성된 외주의 홈(19)에 원료분말(10a)의 부착을 방지하는 표면처리를 행할 수 있다. 이 표면처리로서는, 예컨대, 공기 또는 산소(A)를 분출하면서 광빔(La)을 조사하여 소결블록(B)의 상층부 측면에 산화피막을 형성한다. 이와 같은 표면처리를 행함으로써 원료분말(10a)이 부착되기 어렵게 되므로 원료분말(10a)의 부착에 의한 잉여 소결부(17)의 생성이 억제된다. 또한, 가령 잉여 소결부(17)가 소결블록(B) 상에 형성되여도 소결블록(B)에 대한 잉여 소결부(17)의 부착력이 약하므로 잉여 소결부(17)가 소결블록 (B)으로부터 용이하게 이탈한다. 즉, 소결블록(B)을 절삭가공하고 있을 때에 잉여 소결부(17)가 소결블록(B)으로부터 용이하게 이탈하여 제거된다.
또한, 도 9에 나타내는 바와 같이, 절삭제거수단(4)에 의해 절삭가공을 행한 가공흔적으로서 생긴 홈(19) 중에 소결블록(B)[즉, 소결층(11)]과 결착하기 어려운 재료(C), 예컨대, 분말지름이 φ10㎛에서 φ50㎛정도인 세라믹분말을 충전한 상태에 다음 상위의 소결블록(B)의 소결층(11)의 형성을 행하도록 하여도 좋다. 상위의 소결블록(B)으로부터 잉여 소결부(17)를 생성하여 하위의 소결블록(B)을 향하여 수직연장되여도 하위의 소결블록(B)의 주위가 비결착성의 재료(C)로 덮여져 있으므로 하위의 소결블록(B) 측면에 잉여 소결부(17)가 고착되는 일은 없다.
도 10(a) 및 도 10(b)에 나타내는 바와 같이, 비결착성 재료(C)가 디스펜서 (8)에 의해 공급된다. 즉, XY구동기구[절삭제거수단(4)에 있어서의 XY구동기구(40)를 이용할 수 있다]에 설치된 디스펜서(8)가 소결블록(B)의 주위에 형성된 홈(19)에 위치결정된다. 그 후, 적합한 양의 비결착성 재료(C)가 디스펜서(8)로부터 홈 (19) 중에 정확하게 충전된다.
또한, 도 11(a)에 나타내는 바와 같이, 절삭제거수단(4)으로 하위의 소결블록(B)을 절삭 제거한 후, 도 11(b)에 나타내는 바와 같이, 하위의 소결블록(B)의 평면 윤곽형상과 대략 동일 형상의 개구부를 구비한 마스크판(M)에 의해 소결블록 (B)이 덮여진다. 이 상태에서 다음 상위의 소결블록(B)에 대응하는 원료분말층 (10)의 형성 및 소결층(11)의 형성이 행해진다. 마스크판(M)을 설치함으로써 잉여 소결부(17)가 마스크판(M)을 넘어 하위의 소결블록(B)으로 이동하는 것이 방지된다.
또한, 원료분말(10a)로서는 무기질의 것이나 유기질의 것이 사용된다. 무기질의 원료분말로서는, 예컨대, 일본 특개 2001-152204호 공보에 나타내져 있는 분말, 즉, 철계분말, 니켈, 니켈계 합금, 구리 및 구리계 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종류이상의 비철계 분말을 함유하는 분말재료를 적절하게 이용할 수 있다. 또한, 철, 구리, 티탄, 알루미늄, 마그네슘, 초경합금도 사용할 수 있다. 유기질의 원료분말로서는 나일론, ABS 등을 주성분으로 한 열가소성 수지를 적절히이용할 수 있다.
본 발명에 있어서는 원료분말이 소결블록의 측면에 부착되어 잉여 소결부가 형성되는 것이 방지되거나 잉여 소결부가 소결블록의 측면에 형성되어도 잉여 소결부가 소결블록의 측면을 따라서 수직연장되어 측면으로부터 돌출되는 것이 방지된다. 그 결과, 잉여 소결부를 제거하기 위한 제거수단의 가공깊이가 대략 1개의 소결블록의 두께에 상당이면 좋으므로 제거가공시간을 단축할 수 있다.

Claims (8)

  1. (a) 무기질의 원료분말층을 형성하는 스텝;
    (b) 상기 원료분말층의 소정 개소에 광빔을 조사함으로써 해당 개소의 원료분말을 소결시켜서 소결층을 형성함과 아울러 바로밑의 소결층과 일체화하는 스텝;
    (c) 스텝(a) 및 (b)를 반복하여 복수의 소결층이 적층된 소결블록을 형성하는 소결블록 형성스텝에 있어서, 상기 소결블록의 측면에 오목부를 형성하는 스텝;
    (d) 소결블록으로부터 불필요한 부분을 제거하는 스텝; 및
    (e) 불필요한 부분이 제거된 소결블록에 대해서 스텝(c) 및 (d)을 반복하여 복수의 소결블록이 적층된 목표형상의 삼차원 조형물을 제작하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 삼차원 조형물의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 오목부가 소결블록의 하층부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 삼차원 조형물의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 오목부의 상면이 외측으로부터 내측을 향해 하향으로 대략 경사져 있는 것을 특징으로 하는 삼차원 조형물의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 불필요한 부분이 제거된 소결블록 상에 이 소결블록을 덮는 박판을 일체적으로 적층하는 스텝을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 삼차원 조형물의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 불필요한 부분이 제거된 소결블록 표면에 대해서 상기 원료분말과 반응하지 않도록 표면처리를 실시하는 스텝을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 삼차원 조형물의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 표면처리스텝 후에 비결착성의 분말체를 소결블록의 주위에 배치하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 삼차원 조형물의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 표면처리스텝 후에 소결블록의 윤곽과 대략 동일 개구부를 갖는 마스크부재를 배치하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 삼차원 조형물의 제조방법.
  8. (a) 무기질의 원료분말층을 형성하는 스텝;
    (b) 상기 원료분말층에 있어서, 소결대상부분의 윤곽에 광빔을 조사하여 윤곽 소결부를 형성하는 스텝;
    (c) 상기 소결대상부분 전체에 광빔을 조사함으로써 해당 개소의 원료분말을 소결시켜 소결층을 형성함과 아울러 바로밑의 소결층과 일체화하는 스텝;
    (d) 스텝(a) 및 (b)를 반복하여 복수의 소결층이 적층된 소결블록을 형성하는 스텝;
    (e) 상기 소결블록으로부터 불필요한 부분을 제거하는 스텝; 및
    (f) 불필요한 부분이 제거된 상기 소결블록에 대해서 스텝(a)~(e)을 반복하여 복수의 소결블록이 적층된 목표형상의 삼차원 조형물을 제작하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 삼차원 조형물의 제조방법.
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