TWI542424B - 三維形狀模製物之製造方法及其製造裝置 - Google Patents

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TWI542424B
TWI542424B TW103123558A TW103123558A TWI542424B TW I542424 B TWI542424 B TW I542424B TW 103123558 A TW103123558 A TW 103123558A TW 103123558 A TW103123558 A TW 103123558A TW I542424 B TWI542424 B TW I542424B
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武南正孝
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Description

三維形狀模製物之製造方法及其製造裝置
本發明係關於三維形狀模製物之製造方法及其製造裝置。更詳細而言，本發明係關於一種製造三維形狀模製物之方法及為此目的之裝置，其藉由反覆實施：「於粉末層的既定處照射光束，而形成固化層」，以使複數之固化層疊層一體化。
以往，吾人知悉，於粉末材料照射光束而製造三維形狀模製物之方法(一般稱為「粉末燒結疊層法」)。關連的方法中，反覆進行以下之步驟(i)及(ii)而製造三維形狀模製物(參照專利文獻1或專利文獻2)。 (i)藉由將光束照射於粉末層的既定處，使相關之既定處的粉末燒結或是熔融固化而形成固化層之步驟。 (ii)在所得之固化層上，鋪上新的粉末層，同樣地照射光束以進而形成固化層之步驟。
在使用金屬粉末或陶瓷粉末等無機質的粉末材料作為粉末材料時，可將所得之三維形狀模製物作為模具使用。另一方面，在使用樹脂粉末或塑膠粉末等有機質的粉末材料時，可將所得之三維形狀模製物作為模型使用。若藉由這種製造技術，則可以在短時間內製造複雜的三維形狀模製物。
以使用金屬粉末作為粉末材料而得之三維形狀模製物作為模具之場合為例。如圖1所示，首先，在將既定厚度t1之粉末層22於模製板21上形成後(參照圖1(a))，將光束照射於粉末層22之既定處，並於模製板21上形成固化層24(參照圖1(b))。又，鋪上形成於固化層24上之新的粉末層22，並再度照射光束，而形成新的固化層。若如此反覆形成固化層，則可以得到由複數之固化層24疊層一體化而得之三維形狀模製物。由於相當於最下層之固化層可以在接著於模製板面之狀態下形成，故三維形狀模製物與模製板變為相互地一體化之狀態，而可以直接作為模具來使用。
以光束的照射而得之三維形狀模製物，其表面相對為粗，一般而言具有數百μmRz程度之表面粗度。此為，粉末附著於固化層表面之故。在固化層形成時，由於光束、能量轉換為熱，照射粉末會一度熔融後，而在冷卻過程中於粉末間相互熔著。此時，由於光束所照射的位置周邊的粉末區域的溫度也能上昇，會造成該周邊的粉末附著於固化層表面。由於相關之附著粉末會於三維形狀模製物引起「表面粗糙」，故需要進行三維形狀切削模製物的表面加工。亦即，需要將所得之三維形狀模製物的表面，進行全體的切削加工。 【先前技術文獻】 【專利文獻】
【專利文獻1】日本特表平1-502890號公報 【專利文獻2】日本特開2000-73108號公報
【發明所欲解決之問題】
在粉末燒結疊層法之切削加工處理中，本案的發明者們發現下述現象：若在模製物周圍有粉末存在，則會更為容易產生工具折損的問題(參照圖14(a))。雖然並非侷限於特定的理論，但考量作為要因之一，由於在模製物表面與切削工具之間夾入粉末，導致施予切削工具的負荷增加。
又，吾人發現下述現象：若在模製物周圍有粉末存在，則會於模製物表面引起不必要的負荷，而會損及模製物的表面平滑性(參照圖14(b))。此亦為，模製物表面與切削工具之間的粉末夾入係作為原因之一而受到考量。
本發明係有鑑於上述相關之情事而為者。亦即，本發明之課題為提供一種粉末燒結疊層法，其可以減少「工具折損問題」等不良情況。 【解決問題的方式】
為解決上述課題，在本發明中，提供一種三維形狀模製物之製造方法，其依下述(i)及(ii)之步驟，反覆進行粉末層形成及固化層形成，並具有如以下之(a)～(c)的特徵。 (i)於粉末層的既定處照射光束而使該既定處之粉末燒結或熔融固化以形成固化層之步驟。 (ii)於所得之固化層上形成新的粉末層，並於此新的粉末層之既定處照射光束而形成更進一步的固化層之步驟。 (a)至少包含一次如下步驟：在得到固化層及／或三維形狀模製物後，於固化層及／或三維形狀模製物的表面，以切削裝置施行表面切削處理。 (b)在進行表面切削處理前，預先將固化層及／或三維形狀模製物周圍的粉末藉由抽吸噴嘴抽吸除去。 (c)在抽吸除去時，變更「抽吸噴嘴的前端位準A」與「切削裝置的前端位準B」之相對的位置關係。
在一個較佳實施態樣中，可以改變切削裝置的形態，以使切削裝置的前端位準B變為位於比抽吸噴嘴的前端位準A更上方，藉此，變更「抽吸噴嘴的前端位準A」與「切削裝置的前端位準B」之相對位置關係。例如，在切削裝置由主軸台、機工具及切削工具構成的場合，亦可設定為取代機工具及切削工具而僅將虛擬機工具安裝於主軸台之狀態。又，藉由相關之「僅將虛擬機工具安裝於主軸台之狀態」，實施抽吸噴嘴的抽吸除去。虛擬機工具亦可為例如與機工具同一種的機工具。關於其它實施方式，亦可將機工具及切削工具設定為從主軸卸除的狀態，而藉由相關之「將機工具及切削工具從主軸卸除的狀態」，實施抽吸噴嘴的抽吸除去。
在其他較佳實施態樣中，亦可驅動抽吸噴嘴，以使「抽吸噴嘴的前端位準A」變為比「切削裝置的前端位準B」更為下方的位準，並變更「抽吸噴嘴的前端位準A」與「切削裝置之前端位準B」的相對位置關係。
在其他較佳實施態樣中，抽吸除去時，「在最靠近形成的粉末層」與「抽吸噴嘴的前端位準A」之間的隔離距離，定為在5mm以內。
在其他較佳實施態樣中，抽吸噴嘴與切削裝置係成為相互鄰接而設置之狀態，如此，在相互鄰接的狀態下，實施抽吸噴嘴的抽吸除去。
本發明中，提供一種實施上述製造方法用之三維形狀模製物的製造裝置。相關之本發明的製造裝置，係由粉末層形成手段、光束照射手段、模製台、抽吸噴嘴，以及切削裝置構成。粉末層形成手段，係用以形成粉末層之手段。光束照射手段，係用以於粉末層照射光束以形成固化層之手段。模製台，係做為在其上形成粉末層及／或固化層之台。抽吸噴嘴，係用以將粉末層至少一部分粉末抽吸除去之器具。又，切削裝置，係用以對於從固化層及該固化層形成之三維形狀模製物，施予表面切削處理之機械。尤其，本發明之製造裝置中，係構成為可以變更「抽吸噴嘴的前端位準A」與「切削裝置的前端位準B」之相對位置關係。
在本發明之製造裝置的一較佳實施態樣中，切削裝置係由主軸台、機工具及切削工具構成，而另外備有可以替代相關之機工具的虛擬機工具。
在其他較佳實施態樣中，抽吸噴嘴及切削裝置相互鄰接而配置，以使抽吸噴嘴的軸與切削裝置之軸成為約略平行。 【發明的效果】
依本發明，由於在表面切削處理前，預先抽吸除去固化層及／或三維形狀模製物周圍的粉末，故可以減少「因模製物表面與切削工具之間粉末夾入而造成之工具折損問題」。又，由於減少模製物表面與切削工具間之粉末夾入，故可以使切削處理時施予模製物表面的負荷減少，並可以使模製物之表面平滑性提高。
由於粉末的抽吸除去，可藉由抽吸噴嘴，對於粉末層局部實施，故可以有效率地進行，並減少對於三維形狀模製物的製造時間之影響。尤其，由於本發明中「抽吸噴嘴的抽吸除去」不受到切削裝置阻礙，故藉由此點，可以有效率地進行抽吸除去。具體而言，抽吸除去處理中，使抽吸噴嘴於水平移動而進行操作時(例如，在使其水平移動，以使抽吸噴嘴沿著模製物的剖面輪廓周期運轉的場合)，可以避免切削裝置與模製物之衝突。
以下，參照圖面更詳細說明本發明。請留意圖面中各種元素的形態、尺寸等，僅為示例，並非反映實際的形態、尺寸。
本說明書中所謂的「粉末層」，係指例如「由金屬粉末組成之金屬粉末層」或是「由樹脂粉末組成之樹脂粉末層」。又，所謂的「粉末層的既定處」，實質地意指被製造之三維形狀模製物的區域。從而，藉由對於存在於相關之既定處的粉末照射光束，此粉末會燒結或是熔融固化而構成三維形狀模製物。進而，所謂「固化層」，在粉末層為金屬粉末層之場合，實質地意指「燒結層」，在粉末層為樹脂粉末層之場合，實質地意指「硬化層」。
本說明書中，所謂「上方」係實質地意指在製造模製物時固化層疊層的方向之一方，所謂「下方」，係實質地意指與該「上方」完全相反的方向(亦即，鉛直方向)。
粉末燒結疊層法 首先，針對做為本發明之製造方法的前提之粉末燒結疊層法加以說明。在說明之方便上，以從材料粉末槽供給材料粉末，並使用擠壓片來均勻材料粉末而形成粉末層之態樣為前提，說明粉末燒結疊層法。又，以在進行粉末燒結疊層法時使模製物的切削加工亦一併進行之複合加工的態樣為例加以說明(亦即，非以圖2(b)而以圖2(a)表示之態樣為前提)。圖1、3及4中，表示能實施粉末燒結疊層法及切削加工之光模製複合加工機的機能及構成。光模製複合加工機1，主要包含粉末層形成手段2、模製台20、模製板21、光束照射手段3及切削手段4。粉末層形成手段2，係藉由以既定之厚度鋪上金屬粉末及樹脂粉末等粉末而形成粉末層之用者。模製台20，係在外圍以壁27包圍之模製槽29內能於上下升降之台。模製板21，係配置於模製台20上而成為模製物的基底之板。光束照射手段3，係將光束L照射於任意的位置之手段。切削手段4，係切削模製物表面(尤其是側面)用之機械加工手段。
粉末層形成手段2，如圖1所示般，主要由「於外圍以壁26包圍之材料粉末槽28內上下升降之粉末台25」及「在模製板上形成粉末層22用之擠壓片23」構成。光束照射手段3，如圖3及圖4所示般，主要由「發射光束L之光束振盪器30」及「在粉末層22上掃描(scanning)光束L之電流鏡31(掃描光學系統)」構成。在光束照射手段3，亦可具備修正光束運動的形狀之束形狀修正手段(例如由一對圓柱形透鏡，及使相關之透鏡繞著光束的軸線旋轉之旋轉驅動機構所構成之手段)或fθ透鏡等。切削手段4主要由「切削模製物的周圍之銑頭40」及「使銑頭40向切削處移動之XY驅動機構41(41a、41b)」構成(參照圖3及圖4)。
參照圖1、圖5及圖6，詳述光模製複合加工機1的動作。圖5表示光模製複合加工機之一般的動作流程，圖6示意地表示光模製複合加工機之程序。
光模製複合加工機的動作，主要由以下步驟構成：形成粉末層22之粉末層形成步驟(S1)、於粉末層22照射光束L而形成固化層24之固化層形成步驟(S2)、切削模製物的表面之表面切削步驟(S3)。在粉末層形成步驟(S1)，首先將模製台20下降Δt1(S11)。接著，在將粉末台25上升Δt1後，如圖1(a)所示，使擠壓片23沿箭頭a的水平方向移動。藉此，一面使配置於粉末台25之粉末向模製板21上移送(S12)，一面以既定厚度Δt1均勻形成粉末層22(S13)。關於粉末層之粉末，可舉凡例如「平均粒徑5μm～100μm左右的鐵粉」及「平均粒徑30μm～100μm左右的尼龍、聚丙烯、ABS等粉末」。接著，轉而進行固化層形成步驟(S2)，從光束振盪器30發射光束L(S21)，並藉由電流鏡31於粉末層22上的任意位置掃描光束L(S22)。藉此，形成使粉末熔融、固化並與模製板21一體化之固化層24(S23)。關於光束L，可舉凡例如二氧化碳雷射(500W左右)、Nd：YAG雷射(500W左右)、光纖雷射(500W左右)及紫外線等。光束L並限定為使其於空氣中傳達，亦得以光纖等傳送。
直到固化層24之厚度達到從銑頭40之工具長度等求得之既定厚度為止，重覆粉末層形成步驟(S1)及固化層形成步驟(S2)，以疊層固化層24(參照圖1(b))。又，新疊層的固化層，在燒結或熔融固化時，係與成為已形成的下層之固化層一體化。
若疊層之固化層24的厚度成為既定之厚度，轉而進行表面切削步驟(S3)。如圖1及圖6所示之態樣中，係藉由使銑頭40驅動而開始切削步驟之實施(S31)。例如，在銑頭40之工具(球端銑刀)為直徑1mm、有效刃長度3mm之場合，由於可進行深度3mm之切削加工，若Δt1為0.05mm，則在形成60層的固化層之時點使銑頭40驅動。藉由XY驅動機構41(41a、41b)使銑頭40沿箭頭X及箭頭Y方向移動，並對於由疊層之固化層24組成之模製物，施予表面切削處理(S32)。又，在三維形狀模製物的製造仍未結束之場合，回到粉末層形成步驟(S1)。之後，藉由重覆S1至S3而繼續進一步之固化層24的疊層，以進行三維形狀模製物之製造(參照圖6)。
固化層形成步驟(S2)中之光束L的照射路徑，及表面切削步驟(S3)中之切削加工路徑，係預先從三維CAD資料作成。此時，適用等高線加工而決定加工路徑。例如，固化層形成步驟(S2)中，使用將由三維CAD模型生成之STL資料以等間距(例如在將Δt1定為0.05mm之場合，為0.05mm間距)切割(slice)之各剖面的輪廓形狀資料。
本發明之製造方法 本發明在上述粉末燒結疊層法中，其特徵在於表面切削處理時之態樣。
本發明之製造方法，至少包含一次在得到固化層及／或三維形狀模製物後，於這些表面(特別是側面)，以切削裝置施行表面切削處理之步驟。本發明中，在進行相關之表面切削處理前，預先實施藉由抽吸噴嘴除去固化層及／或三維形狀模製物周圍的粉末，並在相關之抽吸除去時，變更抽吸噴嘴與切削裝置之相對位置關係(參照圖7)。
更具體而言，本發明中，於抽吸除去處理前，預先變更「抽吸噴嘴的前端位準A」與「切削裝置的前端位準B」之相對位置關係。亦即，在進行粉末的抽吸除去前，預先相對地變更「抽吸噴嘴的抽吸口部」與「切削裝置的切削側零件」之垂直方向位準(高度位準)。
本發明中所謂的「抽吸噴嘴」，廣義而言，意指可將粉末層的粉末吸入的裝置。因為是「噴嘴」，較佳為供吸入粉末的部分具有筒形態(特別是細筒形態)(由相關的觀點，本發明中的抽吸噴嘴亦可稱為「筒狀抽吸裝置」)。例如圖7所示，抽吸噴嘴60至少可由細筒部62及連接於該細筒部之抽吸器具64構成。
抽吸噴嘴的細筒部其內徑較佳為0.5～18mm，更佳為1.5mm～15mm，又更佳為1.8mm～10mm。又，抽吸噴嘴的細筒部62如圖8所示，其前端側較佳為具有更狹窄的形態。相關之情形，狹窄部分的內徑較佳為0.5mm～5mm，更佳為0.5mm～3mm。如此，若細筒部的前端成為狹窄的形態，則由於抽吸時的流速(抽吸口部的粉末流速)變快，可提高抽吸效率。
如圖8所示，抽吸噴嘴的細筒部62，較佳為經由連結軟管66連接於抽吸器具64。抽吸器具64例如亦可為旋風集塵器，連結軟管66例如亦可為撓性軟管。
本發明中所謂的「切削裝置」，實質意指可對於固化層及由其而得之三維形狀模製物的表面(特別是側面部分)施予表面切削處理的機械。例如，切削裝置為汎用的數値控制(NC：Numerical Control)工作機械或用於其者。尤其，較佳為可自動交換切削工具(端銑刀)之加工中心機(Machining Center，MC)。
如圖7所示，相關之切削裝置70，至少由例如「主軸台72」、「安裝於主軸台之機工具74」及「安裝於機工具之切削工具76」構成。切削裝置的機工具74，係設置於主軸台72與切削工具76之間，供切削工具76之保持固定(由相關之觀點，本發明中的機工具，亦可稱為「工具保持具」)。切削裝置的切削工具76，亦可為端銑刀，例如超硬素材的二枚刃球端銑刀、立銑刀、半徑端銑刀等。
又，所謂切削裝置的「前端位準B」，實質意指在直接及間接地促成切削之機械零件中的下端部位準。更具體而言，意指相當於切削裝置之中具有主軸台、機工具及切削工具等之部分的「切削側零件」中的下端部位準。
本發明中，抽吸噴嘴與切削裝置亦可相互鄰接設置。具體而言，如圖9所示，較佳為抽吸噴嘴60及切削裝置70相互鄰接，以使抽吸噴嘴60之軸60a與切削裝置70之軸70a成為約略平行。所謂「抽吸噴嘴的軸」，意指例如抽吸噴嘴的細筒部的長邊方向軸，另一方面，所謂「切削裝置的軸」，意指例如切削工具的長邊方向軸、機工具或是虛擬機工具的長邊方向軸或是主軸之中央軸。又，所謂「相互鄰接」，意指例如抽吸噴嘴60之軸60a與切削裝置70之軸70a之隔離距離G或是G'(參照圖9)較佳為10mm～40mm，更佳為15mm～30mm。
在表面切削處理前預先進行之抽吸除去時，進行操作以使抽吸噴嘴例如於水平方向移動。亦即，不實質改變抽吸噴嘴的高度位準(沿固化層之疊層方向的垂直方向之位置位準)而使抽吸噴嘴移動。換言之，雖然「在最靠近形成之粉末層及／或固化層」的上方使抽吸噴嘴移動，但是不改變對於該粉末層及／或固化層之垂直方向的隔離距離而使抽吸噴嘴移動。在如上述之抽吸噴嘴及切削裝置為相互鄰接設置的場合，抽吸噴嘴變成在水平方向與切削裝置鄰接之設置狀態下使用於抽吸除去。
雖然在本發明之製造方法中，在抽吸除去前，預先變更「抽吸噴嘴的前端位準A」與「切削裝置的前端位準B」之相對位置關係，然而，相關之變更，係可藉由改變例如切削裝置的形態來進行。更具體而言，「改變切削裝置的形態」，以使「切削裝置的前端位準B」變為「抽吸噴嘴的前端位準A」的更上方，藉此，亦可變更「抽吸噴嘴的前端位準A」與「切削裝置的前端位準B」之相對位置關係。雖然不過是示例，但亦可變更他們的相對位置關係，以使「切削裝置的前端位準B」變為位於相較於「抽吸噴嘴的前端位準A」0(不包含0)mm～15mm上方，較佳為變為2mm～10mm上方。
本發明中所謂「改變切削裝置的形態」，意指在抽吸除去前預先變化以使切削裝置的外輪廓全體改變。例如，藉由積極改變切削裝置的構成元素，以使切削裝置的外輪廓全體改變之意。
「改變切削裝置的形態之態樣」，亦可藉由設定為將切削裝置的構成元素部分地卸除的狀態來達成。例如在切削裝置由主軸台72、機工具74及切削工具76構成的場合，如圖10(a)及(b)所示，亦可作為「將機工具74及切削工具76從主軸台72卸除之狀態」。換言之，亦得以「將機工具74及切削工具76從主軸台72卸除之狀態」，實施藉由抽吸噴嘴之抽吸除去。相關之情況，在抽吸除去處理前，從切削機械的主軸台72將機工具74及切削工具76卸除，維持此卸除之狀態而繼續實施抽吸除去。若卸除機工具74及切削工具76，切削裝置的全體位準會成為位於比抽吸噴嘴的前端位準A更上方。亦即，由於露出之主軸台72的底面位準位於比抽吸噴嘴的前端位準A更為上方的位置，故不會受到切削裝置阻礙而變得可將「抽吸噴嘴的抽吸除去」有效率地實施。又，在抽吸噴嘴與切削裝置係相互鄰接設置時，變為在與切削裝置的主軸台鄰接之狀態下將抽吸噴嘴用於抽吸除去。
「改變切削裝置的形態之態樣」，如圖10(a)及(c)所示，亦可取代機工具74及切削工具76而以「僅將虛擬機工具74'安裝於主軸台72之狀態」來達成。亦即，亦得以「僅將虛擬機工具74'安裝於主軸台72之狀態」，實施藉由抽吸噴嘴之抽吸除去。此為，意指在抽吸除去時於虛擬機工具未設置有端銑刀等之狀態(在從機工具的端面之下方側未設置有任何的切削裝置)。
本發明中所謂的「虛擬機工具」，意指非用以保持切削工具的機工具，而係用以變更抽吸噴嘴與切削裝置之相對位置關係的機工具。亦即，專門用於變更抽吸噴嘴與切削裝置的相對位置關係之機工具，係相當於本發明中的虛擬機工具。
虛擬機工具之態樣中，在抽吸除去操作前，預先從切削機械的主軸台72將機工具74及切削工具76卸除後，將虛擬機工具74'安裝於主軸台72。在將虛擬機工具74'設置於主軸台72後，以此狀態繼續實施抽吸除去。藉由設定為只將虛擬機工具74'安裝於主軸台的狀態，切削裝置的全體位準變為位於比抽吸噴嘴的前端位準A更為上方。亦即，由於虛擬機工具74'的底面位準位於比抽吸噴嘴的前端位準A更為上方的位置，故可以不會受到切削裝置阻礙而效率地實施「抽吸噴嘴的抽吸除去」。又，在抽吸噴嘴與切削裝置係相互鄰接設置的場合，變為在與切削裝置的虛擬機工具鄰接之狀態下，將抽吸噴嘴用於抽吸除去。
參照圖11詳細說明。在表面切削處理時，使用具有至少既定距離P(「切削時的機工具」與「最靠近形成的固化層」之間隔)以上的長度之切削工具(例如，刀具號碼或切削工具長度等係設為一定)。藉此，可對於固化層的側面適當地施予表面切削處理。抽吸噴嘴係設定為，其前端位準至少位於比「最靠近形成的粉末層」更上方(即，設定為比「最靠近形成的固化層」更上方)。另一方面，使用虛擬機工具的場合，就安裝於主軸上之虛擬機工具，要求其下端部與「最靠近形成的固化層」之間隔H，係比「抽吸噴嘴的前端」與「最靠近形成的粉末層」之間隔I更大。換言之，虛擬機工具具備有助於促成這種形態的大小(軸方向尺寸)。
虛擬機工具74'安裝於主軸時，只要其下部位準位於比抽吸噴嘴的前端位準A更上方即可，其種類並無特別限制。關於此點，虛擬機工具74'的軸方向尺寸較佳為不超過需要的長度以上，例如亦可為與機工具74(即，用於表面切削處理的機工具)相同的軸方向尺寸。
畢竟僅為示例，虛擬機工具74'亦可與機工具74為同一種。亦即，虛擬機工具74'，亦可與使用於表面切削處理時之機工具為相同種類之物。例如，作為虛擬機工具74'，亦可將用於表面切削處理時之機工具直接利用。
本發明之製造方法中，亦可對於抽吸噴嘴積極地施予操作，而變更「抽吸噴嘴的前端位準」與「切削裝置的前端位準」之相對的位置關係(參照圖12)。更具體而言，驅動抽吸噴嘴，以使「抽吸噴嘴的前端位準A」成為位於比「切削裝置的前端位準B」更下方的位準，藉此，亦可變更「抽吸噴嘴的前端位準A」與「切削裝置的前端位準B」之相對位置關係。雖然僅不過為示例，但亦可變更他們的相對的位置關係，以使「抽吸噴嘴的前端位準A」位於比「切削裝置的前端位準B」0(不包含0)mm～15mm下方，較佳為好2mm～10mm下方。
關連的情況，抽吸噴嘴變為可升降，並在抽吸除去前預先使抽吸噴嘴降下。如圖12所示，在抽吸除去操作前，在「抽吸噴嘴的前端位準」變為比「切削裝置的前端位準」更為下方位準為止，預先使抽吸噴嘴降下。抽吸噴嘴，在維持其降下位準的狀態下，用於抽吸除去。如此，藉由對於抽吸噴嘴積極地施予操作，亦可不受切削裝置阻礙而有效率地實施「抽吸噴嘴的抽吸除去」。
無論是「改變切削裝置的形態之態樣」，或是「對於抽吸噴嘴積極地實施操作之態樣」，本發明中，可將抽吸噴嘴的抽吸口靠近粉末層的表面而適當地實施抽吸除去。尤其，較佳為在抽吸除去時將「抽吸噴嘴的前端位準A」與「在最靠近形成之粉末層」之間的隔離距離設定為特別適合於抽吸除去。例如，「抽吸噴嘴的前端位準A」與「在最靠近形成之粉末層」之間的隔離距離(沿疊層方向的隔離距離)，較佳係在5mm以內，亦即，設定為0(不包含0)～5mm。更佳為，相關之隔離距離在1mm以內，亦即，設定為0(不包含0)～1mm，又更佳為設定在0.4mm～1.0mm左右。此為，如圖13所實證般，若在抽吸噴嘴的前端位準A更靠近「最靠近形成的粉末層」之狀態使抽吸噴嘴移動，便可以效率良好地除去固化層周圍的粉末之故。又，「在最靠近形成之粉末層」與「在最靠近形成之固化層」，在抽吸除去前，其頂係呈略齊平。因此，「抽吸噴嘴的前端位準A」與「在最靠近形成之粉末層」之間的隔離距離，係同義於「抽吸噴嘴的前端位準A」與「在最靠近形成之固化層」之間的隔離距離。
在抽吸噴嘴與切削裝置係相互鄰接設置的場合，變為將抽吸噴嘴設定於從切削裝置的長邊方向軸(例如主軸)偏移既定量的位置。關連的情況，在抽吸處理時中的抽吸噴嘴的移動路徑，亦可變為考量了切削裝置的主軸與抽吸噴嘴之間的偏移量之路徑。亦即，抽吸噴嘴的抽吸路徑，亦可變為僅從切削工具的移動路徑位移了「切削裝置的主軸與抽吸噴嘴之間的偏移量」之路徑。藉此，可以僅局部地除去施予表面切削處理之固化層側面周圍的粉末。
依本發明，由於在表面切削處理前，預先使固化層及／或三維形狀模製物周圍的粉末藉由抽吸噴嘴抽吸除去，故可以減少起因於模製物表面與切削工具之間的粉末夾入的工具折損問題。例如，可使工具折損為止的平均期間增加80～400％左右(雖然只不過是示例，但在某種條件下之「工具折損平均間隔」可從30～50小時左右增加至約140～150小時左右)。又，由於可減少模製物表面與切削工具之間的粉末夾入，故在切削處理時可使施予模製物表面的負荷減少，而提升模製物的表面平滑性。例如，施予表面切削加工處的表面粗度Rz，較佳可定為6μm以下，更佳為5μm以下，又更佳為為4μm以下。此處之「表面粗度Rz」，意指於粗度曲線(本發明中所謂之「固化層表面的剖面形狀輪廓」)中，藉由從平均線使「至最高的山頂部為止的高度」與「至最低的谷底部為止的深度」加總而得之粗度尺度。
本發明之製造方法中，雖然進行操作以使抽吸噴嘴例如於水平移動，但是亦可因應抽吸處的粉末層厚度(深度)適當改變抽吸條件(例如，抽吸量或噴嘴的移動速度)。若就其舉例，在粉末層厚度更大時(即，在比應抽吸除去處的粉末層更深的場合)，亦可使抽吸噴嘴的抽吸量變為更大。在粉末層厚度更大時(即，在比應抽吸除去處的粉末層更深的場合)，亦可使抽吸噴嘴的掃描速度降低。
又，亦若因應靠近抽吸處的模製物之形狀，適當改變抽吸條件(例如，抽吸量或噴嘴的移動速度等)。若就其舉例，在如同模製物的外廓部附近中的抽吸處般，粉末層於周圍「廣範地」存在處(即，粉末於周圍存在較多處)，亦可使抽吸噴嘴的抽吸量變得更大。另一方面，在如同模製物的肋部附近中的抽吸處般，粉末層於周圍「狹窄地」存在處(即，粉末於周圍存在較少處)，亦可使抽吸噴嘴的抽吸量變得更小。同樣地，在如同模製物的外廓部附近中的抽吸處般，粉末層於周圍「廣範地」存在處，亦可使抽吸噴嘴的掃描速度更為降低。另一方面，在如同模製物的肋部附近中的抽吸處般，粉末層於周圍「狹窄地」存在處，亦可使抽吸噴嘴的掃描速度更為增加。
本發明之製造裝置 接著，就適於本發明之製造方法的實施之裝置加以說明。相關之裝置，如圖1、圖2、圖4、圖5及圖7所示，係由粉末層形成手段2、光束照射手段3、模製台20及抽吸噴嘴60構成。如上述粉末燒結疊層法中說明，粉末層形成手段2為用以形成粉末層之手段，光束照射手段3為用以將光束照射於粉末層以形成固化層之手段。又，模製台20成為形成粉末層及／或固化層之基底。抽吸噴嘴60係用以抽吸粉末層的粉末。相關之裝置的動作也包含，關於「粉末層形成手段2」、「模製台20」、「光束照射手段3」及「抽吸噴嘴60」等，由於已在上述粉末燒結疊層法及本發明之製造方法中說明，為免避重複而省略說明。
尤其，本發明的製造裝置，係構成為可變更抽吸噴嘴的前端位準A與切削裝置的前端位準B之相對的位置關係。在此所謂的「構成以使其可以變更相對的位置關係」，係實質意指在粉末的抽吸除去前，變得可以預先積極地改變切削裝置的形態，或是，意指抽吸噴嘴變為可升降。所謂「變得可積極地改變切削裝置的形態」係指，例如，在切削裝置由主軸台、機工具及切削工具構成的場合，具有可與相關之機工具替換之虛擬機工具。亦即，另外備有：並非用以保持切削工具之機工具，而係用以變更抽吸噴嘴與切削裝置之相對的位置關係之機工具。又，所謂「抽吸噴嘴變為可升降」係指，例如利用驅動機構而使抽吸噴嘴可以升降移動。
更具體而言，在如上述可積極地改變切削裝置的形態之場合，藉此，可以改變切削裝置的形態，以使切削裝置的前端位準B變得位於比抽吸噴嘴的前端位準A更為上方。同樣地，如上述之抽吸噴嘴變為可升降之場合，藉此，可驅動抽吸噴嘴以使抽吸噴嘴的前端位準A變為位於比切削裝置的前端位準B更為下方的位準。
本發明之製造裝置中，較佳為抽吸噴嘴與切削裝置相互鄰接設置。具體而言，如圖9所示，較佳為抽吸噴嘴60及切削裝置70相互鄰接設置，以使抽吸噴嘴60之軸60a與切削裝置70之工具軸70a變為約略平行。更具體而言，較佳為設置抽吸噴嘴及切削裝置以使抽吸噴嘴的細筒部62之長邊方向軸，與切削裝置的切削工具之長邊方向變為約略平行。在此所謂「約略平行」，意指亦可並非完全「平行」，而從其僅略為偏離之態樣(例如圖9所示之角度α變成0°～10°左右之態樣)。
以上，雖就本發明之實施態樣加以說明，但只不過將本發明之適用範圍內的典型例加以示例。從而，本發明並非限定於此，只要為所屬技術領域中具通常知識者容易理解的範圍，可做種種的改變。例如，可考量以下之變更態樣、追加態樣。
於上述中，雖然各別說明了「改變切削裝置的形態之態樣」及「對於抽吸噴嘴積極地實施操作之態樣」，但在本發明中亦可將該兩個態樣並列實施。即，在實施「改變切削裝置的形態之態樣」的同時，亦可實施「對於抽吸噴嘴積極地實施操作之態樣」。 在本發明中，藉由抽吸噴嘴抽吸除去之粉末，亦可再度利用於模製物的製造。即，亦可將抽吸除去之粉末回收，例如，將抽吸除去的粉末附予自動篩選，使其回到材料粉末槽。 在本發明中，在固化層形成時及／或表面切削處理時，亦可實施藉由抽吸噴嘴之抽吸除去。亦即，在固化層形成中或表面切削處理中，亦可進行粉末之抽吸除去。在相關之變更態樣中，可將固化層形成時產生的煙氣除去，或是可將表面切削處理時產生的浮遊粉末或切削碎屑(切削粉末)等，附加地或又代替地抽吸除去。 在本發明中，在由抽吸噴嘴進行抽吸除去時，亦可增加腔室內的非活性氣體注入量。其原因在於，在抽吸除去時，環境氣體(例如包含氮氣之氣體)會被吸入抽吸噴嘴，而使得腔室內氧氣濃度上昇。亦即，藉由增加非活性氣體注入量，可以在抽吸除去時適當地維持非活性之環境氣體。 【產業上利用性】
藉由實施本發明之三維形狀模製物的製造方法，可製造各種物品。例如，「在粉末層為無機質的金屬粉末層，固化層為燒結層之場合」，可將所得之三維形狀模製物作為塑膠射出成形用模具、壓模模具、壓鑄模具、鑄造模具、鍛造模具等模具使用。又，「在粉末層為有機質之樹脂粉末層，固化層為硬化層的場合」，可將所得之三維形狀模製物作為樹脂成形品使用。 【關連申請之相互參照】
本申請案，係基於日本特願第2013-144281號(申請日：2013年7月10日，發明名稱：「三維形狀模製物之製造方法及其製造裝置」)主張優先權。該出願所揭示的內容，均藉由此引用，涉及於本說明書。
1‧‧‧光模製複合加工機
2‧‧‧粉末層形成手段
3‧‧‧光束照射手段
4‧‧‧切削手段
19‧‧‧粉末／粉末層(例如金屬粉末/金屬粉末層或是樹脂粉末／樹脂粉末層)
20‧‧‧模製台(支持台)
21‧‧‧模製板
22‧‧‧粉末層(例如金屬粉末層或是樹脂粉末層)
23‧‧‧擠壓用片
24‧‧‧固化層(例如燒結層或是硬化層)或是由其而得之三維形狀模製物
25‧‧‧粉末台
26‧‧‧粉末材料槽的壁部分
27‧‧‧模製槽的壁部分
28‧‧‧粉末材料槽
29‧‧‧模製槽
30‧‧‧光束振盪器
31‧‧‧電流鏡
32‧‧‧反射鏡
33‧‧‧聚光透鏡
40‧‧‧銑頭
41‧‧‧XY驅動機構
41a‧‧‧X軸驅動部
41b‧‧‧Y軸驅動部
42‧‧‧刀具倉
50‧‧‧腔室
52‧‧‧光透過窗
60‧‧‧抽吸噴嘴
60a‧‧‧抽吸噴嘴的軸
62‧‧‧抽吸噴嘴的細筒部
64‧‧‧抽吸器具
66‧‧‧連結軟管
70‧‧‧切削裝置
70a‧‧‧切削刀具的軸
72‧‧‧主軸台
74‧‧‧機工具
74'‧‧‧虛擬機工具
76‧‧‧切削工具
100‧‧‧本發明之製造裝置的概念圖
L‧‧‧光束
【圖1】(a)~(b)用以說明粉末燒結疊層法之剖面圖 【圖2】示意地表示實施粉末燒結疊層法用之裝置的立體圖 (圖2(a)：具備切削機構之光模製複合加工機，圖2(b)：不具備切削機構之裝置) 【圖3】示意地表示進行粉末燒結疊層法之態樣的立體圖 【圖4】示意地表示將粉末燒結疊層法與表面切削處理一併實施的裝置 (光模製複合加工機) 之構成的立體圖 【圖5】光模製複合加工機的動作之流程圖 【圖6】依時序表示使用光模製複合加工機之程序的示意圖 【圖7】示意地表示本發明之概念 (本發明之製造方法的概念／本發明之製造裝置的構成概念) 的圖式 【圖8】用於說明本發明中的「抽吸噴嘴」之圖式 【圖9】(a)~(b)表示抽吸噴嘴及切削裝置的配置態樣之示意圖 【圖10】(a)~(c)用於說明「改變切削裝置的形態之態樣」的示意圖 【圖11】與「使用虛擬機工具之態樣」相關之示意圖 【圖12】用於說明「對於抽吸噴嘴積極地實施操作之態樣」之示意圖 【圖13】用於說明與本發明相關之實證實驗的圖式、圖表 【圖14】(a)~(b)用於說明由本案發明者們所發現之現象的圖式、照片圖
2‧‧‧粉末層形成手段
3‧‧‧光束照射手段
20‧‧‧模製台(支持台)
30‧‧‧光束振盪器
31‧‧‧電流鏡
32‧‧‧反射鏡
33‧‧‧聚光透鏡
60‧‧‧抽吸噴嘴
62‧‧‧抽吸噴嘴的細筒部
64‧‧‧抽吸器具
66‧‧‧連結軟管
70‧‧‧切削裝置
72‧‧‧主軸台
74‧‧‧機工具
76‧‧‧切削工具
100‧‧‧本發明之製造裝置的概念圖

Claims (9)

  1. 一種三維形狀模製物之製造方法，其藉由下述步驟以反覆進行粉末層之形成及固化層之形成： (i)於粉末層的既定處照射光束而使該既定處之粉末燒結或熔融固化以形成固化層之步驟；及 (ii)於所得之固化層上形成新的粉末層，並於該新的粉末層之既定處照射光束而形成更進一步的固化層之步驟； 該三維形狀模製物之製造方法中： 至少包含一次如下步驟：在得到該固化層及／或該三維形狀模製物後，於該固化層及／或該三維形狀模製物的表面，藉由切削裝置施行表面切削處理； 在該表面切削處理前，預先將該固化層及／或該三維形狀模製物周圍的粉末藉由抽吸噴嘴抽吸除去；又 在該抽吸除去時，變更該抽吸噴嘴的前端位準A與該切削裝置的前端位準B之相對的位置關係，以使該抽吸噴嘴的該前端位準A成為位於比該切削裝置的該前端位準B更低的位置；又 在該抽吸噴嘴與該切削裝置相互鄰接設置的狀態下，將該抽吸噴嘴使用於該抽吸除去。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之三維形狀模製物之製造方法，其中， 藉由改變該切削裝置的形態，變更該前端位準A與該前端位準B之該相對的位置關係。
  3. 如申請專利範圍第2項所記載之三維形狀模製物之製造方法，其中， 該切削裝置，係由主軸台、機工具及切削工具構成； 設定為取代該機工具及該切削工具而僅將虛擬機工具安裝於該主軸台之狀態，並在該狀態下實施該抽吸除去。
  4. 如申請專利範圍第3項所記載之三維形狀模製物之製造方法，其中， 該虛擬機工具係與該機工具同一種的機工具。
  5. 如申請專利範圍第2項所記載之三維形狀模製物之製造方法，其中， 該切削裝置係由主軸台、機工具及切削工具構成； 設定為將該機工具及該切削工具從該主軸卸除之狀態，並在該狀態下實施該抽吸除去。
  6. 如申請專利範圍第1項所記載之三維形狀模製物之製造方法，其中， 藉由驅動該抽吸噴嘴以使該抽吸噴嘴之該前端位準A位於比該切削裝置之該前端位準B更為下方的位準，以變更該前端位準A與該前端位準B之該相對的位置關係。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項所記載之三維形狀模製物之製造方法，其中， 在該抽吸除去時，在最靠近形成之粉末層與該抽吸噴嘴之該前端位準A間的隔離距離，係定為5mm以內。
  8. 一種三維形狀模製物之製造裝置，包含： 粉末層形成手段，用以形成粉末層； 光束照射手段，用以將光束照射於該粉末層，以形成固化層； 模製台，用以形成該粉末層及／或該固化層； 抽吸噴嘴，用以將該粉末層之至少一部份的粉末抽吸除去；及 切削裝置，用以在由該固化層及該固化層形成之該三維形狀模製物施予表面切削處理； 該三維形狀模製物之製造裝置中， 具有可變更該抽吸噴嘴的前端位準A與該切削裝置的前端位準B之相對的位置關係，以使該抽吸噴嘴的該前端位準A位於比該切削裝置的該前端位準B更低的位置之構成；又 該抽吸噴嘴及該切削裝置係相互鄰接而配置，以使該抽吸噴嘴的軸與該切削裝置的軸呈約略平行。
  9. 如申請專利範圍第8項所記載之三維形狀模製物之製造裝置，其中， 該切削裝置係由主軸台、機工具及切削工具構成，並另外具有可與該機工具替換之虛擬機工具。
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