WO2017022226A1 - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

より効率的な三次元形状造形物の製造方法を提供するために、本発明では、光ビーム照射によって複数の固化層を逐次形成して三次元形状造形物を製造する方法において、粉末層の形成後に光ビーム照射が行われる層形成後照射方式と、原料の供給時に光ビーム照射が行われる原料供給時照射方式とを組み合わせたハイブリッド方式によって固化層を形成する。

Description

三次元形状造形物の製造方法

　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、光ビーム照射によって複数の固化層を逐次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。粉末焼結積層法は、以下の工程（ｉ）および（ｉｉ）に基づいて粉末層形成と固体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）粉末層の所定箇所に光ビームを照射し、かかる所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程。
　（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、同様に光ビームを照射して更なる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１１に示すように、まず、スキージング・ブレード２３を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１１（ａ）参照）。次いで、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（図１１（ｂ）参照）。引き続いて、得られた固化層２４の上に新たな粉末層２２を形成して再度光ビームを照射して新たな固化層２４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１１（ｃ）参照）、最終的には積層化した固化層２４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２１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。

特表平１－５０２８９０号公報 特開２０００－０７３１０８号公報

　本願発明者らは、上記のような粉末焼結積層法において、製造される三次元形状造形物の如何によってはあまり効率的な製造方法とならない場合があることを見出した。粉末焼結積層法では、ミクロンオーダー（例えば５０μｍ程度）の小さい厚さを有する固化層を逐次形成するので、最終的に得られる三次元形状造形物は高い形状精度を有することになる。しかしながら、そのような小さい厚さに起因して三次元形状造形物を構成する固化層の積層数は多くなる傾向があり、最終的に高い形状精度を出せるものの、製造時間については十分に満足いくものといえない場合があった。これは三次元形状造形物がより大きな寸法を有する場合に顕著となり得る。

　本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。すなわち、本発明の主たる課題は、より効率的な三次元形状造形物の製造方法を提供することである。

　上記課題を解決するために、本発明の一実施形態では、
　光ビーム照射によって複数の固化層を逐次形成して三次元形状造形物を製造する方法であって、
　粉末層の形成後に光ビーム照射が行われる層形成後照射方式と、原料の供給時に光ビーム照射が行われる原料供給時照射方式とを組み合わせたハイブリッド方式によって固化層を形成す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。

　本発明の製造方法では、三次元形状造形物をより効率的に製造することが可能となる。具体的には三次元形状造形物をより短い時間で製造することができる。特に三次元形状造形物がより大きな寸法を有する場合であっても、かかる三次元形状造形物を得るまでの時間をより短くできる。

本発明の一実施形態に係る製造方法の概念を模式的に示した断面図 三次元形状造形物の輪郭固化層領域および内側固化層領域を模式的に示した断面図 本発明の一実施形態に係る製造方法で得られる三次元形状造形物を模式的に示した断面図 本発明の一実施形態に係る製造方法を経時的に示した断面図 「粉末の吸引除去」の態様を模式的に示した断面図 「表面切削処理」の態様を模式的に示した断面図 「輪郭固化層領域の段差状面」の態様を模式的に示した断面図 「原料供給時照射方式の原料斜め供給」の態様を模式的に示した断面図 中空部を有する三次元形状造形物を模式的に示した斜視図 中空部を有する三次元形状造形物の製造方法における工程を模式的に示した断面図 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構成を模式的に示した斜視図 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

　以下では、図面を参照して本発明の一実施形態に係る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。本明細書において「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、固化層の積層方向に基づいており、本発明の製造方法の実施に際して固化層が積層される方向を「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。

　ここで説明する粉末焼結積層法は、後述する“層形成後照射方式”に相当する。つまり、粉末層への光ビーム照射によって固化層の形成を行う“層形成後照射方式”に相当する粉末焼結積層法について説明を行う。なお、以下においては粉末焼結積層法で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ものの、“切削処理”は必須でないことに留意されたい。

　図１１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１２および図１３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１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１２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、すなわち、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１１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１２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、すなわち、光ビームＬの走査手段である。

　切削手段４は、図１２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１の動作は、図１３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１１（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２２を形成するための粉末としては、例えば「平均粒径５μｍ～１００μｍ程度の金属粉末」および「平均粒径３０μｍ～１００μｍ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２２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１１（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１１（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、すなわち、三次元形状造形物の表面を削るためのステップである。切削工具として用いられるミーリングヘッド４０（図１１（ｃ）および図１２参照）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の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２４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２４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２４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］
　本発明は、上述したような三次元形状造形物の製造において、固化層の形成手法に特徴を有している。特に、本発明の一実施形態に係る製造方法では、少なくとも２種類の方式を組み合わせたハイブリット方式によって固化層を形成する。

　具体的には「粉末層の形成後に光ビーム照射が行われる層形成後照射方式」と「原料の供給時に光ビーム照射が行われる原料供給時照射方式」とを組み合わせたハイブリッド方式によって固化層を形成する。

　本発明の一実施形態に係る製造方法で採用するハイブリッド方式の概念を図１に示す。図示されるように、かかるハイブリッド方式では、固化層２４の形成態様が互いに異なる“層形成後照射方式５０”と“原料供給時照射方式６０”とが組み合わされている。

　図１に示されるように、“層形成後照射方式５０”は、上述の粉末焼結積層法に相当するものであって、粉末層２２を形成した後に光ビームＬを粉末層２２に照射して固化層２４を形成する。一方、“原料供給時照射方式６０”は、原料の供給と光ビームＬの照射とを実質的に同時に行って固化層２４を形成する。

　つまり、本明細書でいう「層形成後照射方式」は、粉末層を一旦形成した後で光ビームを粉末層の所定箇所に照射し、その所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する方式を意味している。一方、本明細書でいう「原料供給時照射方式」は、粉末層形成を経ることなく固化層を直接的に形成する方式であって、原料供給と光ビーム照射とを実質的に同時に行って、供給された原料を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する方式を意味している。

　本発明の一実施形態に係る製造方法では、三次元形状造形物をより効率的に製造することができる。なぜなら「層形成後照射方式」と「原料供給時照射方式」とは形状精度および製造時間の点で互いに異なる特徴を有しており、それらを組み合わせて三次元形状造形物を製造するからである。「層形成後照射方式」は、形状精度を比較的高くできるものの、固化層形成のための時間が比較的長くなるといった特徴を有する。一方、「原料供給時照射方式」は、形状精度が比較的低いものの、固化層形成のための時間を比較的短くできるといった特徴を有する。従って、そのように相反する特徴を有する「層形成後照射方式」と「原料供給時照射方式」とを好適に組み合わせることによって、所望の三次元形状造形物をより効率的に製造することができる。より具体的には、本発明の一実施形態に係る製造方法では「層形成後照射方式」および「原料供給時照射方式」のそれぞれの長短を相互に補完することによって、所望の形状精度を有する三次元形状造形物をより短い時間で製造できる。

　「層形成後照射方式」および「原料供給時照射方式」について詳述する。「層形成後照射方式」は、上述した“粉末焼結積層法”に相当する。よって、「層形成後照射方式」では、まずスキージング・ブレードなどを利用して粉末層を形成する。粉末層の形成後、かかる粉末層の所定箇所に光ビームを照射する。これによって当該所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する。次いで、得られた固化層の上に新たな粉末層を同様に形成し、その新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する。このような粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返して行うことによって、積層化した固化層から成る三次元形状造形物を最終的に得ることができる。

　ここでいう「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と、その粉末が焼結又は溶融固化して三次元形状造形物の固化層が形成されることになる。

　一方、「原料供給時照射方式」は、原料供給と光ビーム照射とを実質的に同時に行って固化層を形成する方式である。層形成後照射方式との対比でいうと、原料供給時照射方式は、固化層を得るに際して粉末層形成を行わないといった特徴を有する。

　原料供給時照射方式の原料としては、粉末または溶加材を用いてよい。つまり、原料供給時照射方式では、原料供給箇所に光ビームが照射されると共に、その原料供給箇所に対して粉末または溶加材が直接的に供給されることを通じて、その供給される粉末または溶加材から固化層を形成する。

　例えば粉末が用いられる場合、供給された粉末を光ビーム照射によって焼結又は溶融固化させて粉末から固化層を直接的に形成する。好ましくは、光ビーム照射の光ビームＬの集光部（すなわち、原料供給箇所となる光ビームＬの照射部分）に対して粉末６４を噴霧供給し、それによって、粉末６４を焼結又は溶融固化させて固化層２４を形成する（図１参照）。図１に示すように、粉末６４の噴霧供給のために、粉末供給ノズル６５を用いてよい。

　原料供給時照射方式で用いる粉末の種類は、層形成後照射方式で用いる粉末の種類と同じであってよい。すなわち、原料供給時照射方式の粉末は、層形成後照射方式の粉末層を構成する粉末を用いてもよい。

　一方、原料供給時照射方式に溶加材が用いられる場合、溶加材の一部を光ビームによって溶融させ、それから得られる溶融材料でもって固化層を直接的に形成する。好ましくは、光ビーム照射の光ビーム集光部（すなわち、原料供給箇所となる光ビームＬの照射部分）に溶加材６６が至るように当該溶加材６６を供給することによって、溶加材６６の一部を溶融させて固化層２４を形成する（図１参照）。図１に示すように、例えば溶加材６６の端部に光ビームＬが照射されるように溶加材６６を供給する。これにより、溶加材６６の端部を溶融させ、それから得られる溶融材料から固化層２４を形成してよい。

　ここでいう「溶加材」とは、いわゆる溶接の技術分野で用いられる溶接原料のことを指しており、本発明の観点でいえば光ビームが照射されると一旦溶融し得る可溶融性材を意味している。溶加材の材質は、典型的には金属であるが、必ずしもそれに限定されない。また、溶加材の形状は、特に限定されるわけではないが、“ワイヤー状”または“棒状”などの細長い形状が好ましい。光ビームが照射されることによって溶加材の溶融が生じ易く、かつ、そのように溶融した材料を所望箇所により精度良く供給できるからである。

　溶加材として例えば金属ワイヤーを用いることが好ましい。金属ワイヤーの端部が光ビーム集光部に供された状態となるように維持されると、金属ワイヤーの端部が逐次溶融していくことになり、それから得られる溶融材料から固化層を直接的に形成できる。なお、本明細書でいう「金属ワイヤー」とは、その名称から分かるように、“ワイヤー状”に細長い形状を有する金属材のことを意味している。

　本発明の一実施形態に係る製造方法では、原料供給時照射方式によって、より厚みが大きい固化層を形成することが好ましい。つまり、原料供給時照射方式で形成する固化層の厚みは、層形成後照射方式で形成する固化層の厚みよりも大きくすることが好ましい。これにより、「原料供給時照射方式」の固化層形成を「層形成後照射方式」の固化層形成よりも短い時間で行うことができ、結果としてより効率的な製造方法がもたらされる。特に限定されるわけではないが、原料供給時照射方式で形成する固化層の厚みＴ_{原料供給時照射}は層形成後照射方式で形成する固化層の厚みＴ_{層形成後照射}の例えば約２倍～約５００倍となっている。好ましくは、原料供給時照射方式の固化層の厚みＴ_{原料供給時照射}は、層形成後照射方式の固化層の厚みＴ_{層形成後照射}の約２倍～約２５０倍であり、より好ましくは約５倍～約１５０倍である。

　また、原料供給時照射方式は、単位時間当たり固化層をより広範に大きく形成できる。これにつき、本発明の一実施形態に係る製造方法では、原料供給時照射方式の光ビーム照射の光ビーム集光径を層形成後照射方式の光ビーム照射の光ビーム集光径よりも大きくすることが好ましい。これによっても、「原料供給時照射方式」の固化層形成を「層形成後照射方式」の固化層形成よりも短い時間で行うことができ、結果としてより効率的な製造方法がもたらされる。なお、ここでいう「光ビーム集光径」は、原料供給箇所における光ビームの径（スポット径）を意味している。特に限定されるわけではないが、原料供給時照射方式における光ビーム照射の光ビーム集光径Ｄ_{原料供給時照射}は、層形成後照射方式における光ビーム照射の光ビーム集光径Ｄ_{層形成後照射}の例えば約１．５倍～約１００倍となっている。好ましくは、原料供給時照射方式の光ビーム集光径Ｄ_{原料供給時照射}は、層形成後照射方式の光ビーム集光径Ｄ_{層形成後照射}の約２倍～約８０倍であり、より好ましくは約２倍～約４０倍である。

　本発明の一実施形態に係る製造方法で採用されるハイブリット方式は、三次元形状造形物を構成する固化層領域がどの箇所に相当するものなのかに応じて「層形成後照射方式」と「原料供給時照射方式」とを好適に使い分けてよい。好ましくは「三次元形状造形物１００の輪郭部に相当する輪郭固化層領域１１０」を層形成後照射方式で形成し、「三次元形状造形物１００の輪郭部以外に相当し、輪郭部よりも内側に位置する内側固化層領域１２０」を原料供給時照射方式で形成する（図２参照）。

　輪郭固化層領域１１０は、三次元形状造形物１００の外表面を成すので、形状精度が比較的高い“層形成後照射方式”でもって形成する。その一方、内側固化層領域１２０は、三次元形状造形物１００の中実部分に相当し、三次元形状造形物１００において比較的大きな体積を占めるので、固化層形成のための時間が比較的短い“原料供給時照射方式”でもって形成する。これにより、比較的高い形状精度を有する三次元形状造形物１００をより短い時間で製造できる。なお、このような効果は、三次元形状造形物がより大きな寸法を有する場合に顕著となる。つまり、図３に示されるように、より小さな寸法を有する三次元形状造形物１００（図３（ａ））と比べた場合、より大きな寸法を有する三次元形状造形物１００（図３（ｂ））は、内側固化層領域１２０が占める体積の割合がより大きい。このように大きい占有体積の内側固化層領域１２０に対して形成時間が比較的短い“原料供給時照射方式”を施すことになるので、より大きな寸法を有する三次元形状造形物１００を製造する場合に製造時間の短縮効果がより大きくなる。

　本明細書において「輪郭部」は、最終的に得られる三次元形状造形物において外部に露出する外面部に相当する。よって、本明細書において「輪郭固化層領域」は、固化層または固化層積層体において、その周縁部分に相当する局所的領域を実質的に意味している。かかる「輪郭固化層領域」は、ある程度の幅寸法を有する領域とみなすことができ、例えば三次元形状造形物の外表面から約１ｍｍ～約１０ｃｍ内側（水平方向内側）に至るまでの局所的領域が「輪郭固化層領域」に相当する。一方、本明細書において「内側固化層領域」は、固化層または固化層積層体において輪郭部よりも内側に位置する中実部分を指しており、端的にいえば“輪郭部を除いた固化層領域”が内側固化層領域に相当する。

　ある好適な態様では、図２に示すように、「輪郭部」は三次元形状造形物１００の側面部分１１０Ａおよび天面部分１１０Ｂの少なくとも一方である。固化層は造形プレート２１上にて積層されるところ、最終的に得られる三次元形状造形物１００の外面部が側面部分１１０Ａおよび天面部分１１０Ｂとなるからである。

　図４を参照して、本発明の一実施形態に係る製造方法を経時的に説明する。図４に示される製造方法は、輪郭固化層領域１１０を層形成後照射方式５０で形成する一方、内側固化層領域１２０を原料供給時照射方式６０で形成する態様に関している。

　図４（ａ）～図４（ｈ）から分かるように、かかる製造方法では、内側固化層領域１２０を形成するための原料供給時照射方式６０に先立って、三次元形状造形物１００の側面部分１１０Ａに相当する輪郭固化層領域１１０を形成するための層形成後照射方式５０を実施する。換言すれば、層形成後照射方式５０によって三次元形状造形物１００の側面部分１１０Ａを成す輪郭部を形成した後に、原料供給時照射方式６０によって三次元形状造形物１００の内部に相当する内側固化層領域１２０を形成する。これにより、三次元形状造形物１００をより効率的に製造することができる。具体的には、三次元形状造形物１００の最外部分に相当する輪郭部をまず形成するので、その内側に位置する内側固化層領域１２０の形成範囲が予め定まり、原料供給時照射方式６０をより簡易に実施することができる。

　図４（ａ）～図４（ｈ）に示す製造方法では、まず、層形成後照射方式５０を実施する。図４（ａ）に示すように、スキージング・ブレード２３を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。次いで、図４（ｂ）に示すように、三次元形状造形物の側面部分に相当する粉末層領域に光ビームＬを照射して、かかる粉末層２２の一部領域から側面固化層２４ａを形成する。引き続いて、図４（ｃ）および図４（ｄ）に示すように新たな粉末層２２を形成して再度光ビームＬを同様に照射して新たな側面固化層２４ａ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して、三次元形状造形物の側面部分１１０Ａに相当する輪郭固化層領域１１０を形成する（図４（ｄ）参照）。

　層形成後照射方式５０の実施に引き続いて、原料供給時照射方式６０を実施する。かかる原料供給時照射方式６０を実施するに先立っては、図４（ｅ）に示すように、輪郭固化層領域１１０の形成に寄与しなかった粉末層の粉末１９ａを吸引除去することが好ましい。つまり、側面部分１１０Ａに相当する輪郭固化層領域１１０を形成するための層形成後照射方式５０の実施後であって、内側固化層領域１２０を形成するための原料供給時照射方式６０の実施前において、側面部分１１０Ａに相当する輪郭固化層領域１１０の形成に寄与しなかった粉末層の粉末１９ａを吸引除去することが好ましい。このように粉末１９ａを吸引除去すると、原料供給時照射方式６０をより好適に実施できる。つまり、輪郭固化層領域１１０の形成に寄与しなかった粉末層の粉末１９ａが存在する状態では、原料供給時照射方式６０のための領域が確保されていないところ、かかる粉末１９ａを除去することで原料供給時照射方式６０のための領域を好適に確保できる。図５に示すように、粉末１９ａの吸引除去は、例えば吸引ノズル９０を用いて上方から実施してよい。

　次いで、図４（ｆ）および図４（ｇ）に示すように、原料供給時照射方式６０を実施することによって内側固化層２４ｂを形成する。これによって、輪郭部の内側部分に相当する内側固化層領域１２０を得る。図示されるように（特に図４の最下部分に示されるように）、輪郭部の内側部分において粉末６４または溶加材６６の供給と光ビームＬの照射とを実質的に同時に行うことによって、供給された粉末６４または溶加材６６から直接的に内側固化層２４ｂを形成する。例えば「原料供給時照射方式６０で形成する内側固化層２４ｂの厚み」は「層形成後照射方式５０で形成した側面固化層２４ａの厚み」よりも大きくできるので、効率的に内側固化層領域１２０を形成できる。

　引き続いて、図４（ｈ）に示すように、三次元形状造形物の天面部分１１０Ｂに相当する輪郭固化層領域１１０を層形成後照射方式５０で形成する。これにより、最終的に得られる三次元形状造形物１００にて外面部を成す天面部分１１０Ｂで形状精度を出すことが可能となる。

　以上の如くの工程を経ることによって、比較的高い形状精度を有する三次元形状造形物１００をより短い時間で得ることができる。

　なお、三次元形状造形物の天面部分１１０Ｂのための層形成後照射方式は必須でなく、原料供給時照射方式によって内側固化層領域１２０を形成した後で表面切削処理を施してもよい（図６参照）。具体的には、図６に示すように、原料供給時照射方式によって形成した内側固化層領域１２０の上面に対して切削工具のミーリングヘッド４０を用いて表面切削処理を施してよい。原料供給時照射方式によって形成される内側固化層領域１２０は形状精度があまり高くないところ、表面切削処理によって、かかる領域の形状精度を向上させることができる。

　上記においては本発明の理解のために典型的な実施形態を説明したが、本発明の製造方法としては、種々の具体的な実施形態が考えられる。

（異種材質の利用）
　本発明の一実施形態に係る製造方法では、層形成後照射方式で用いる粉末層と、原料供給時照射方式で用いる原料とを互いに異なる材質にしてよい。つまり、層形成後照射方式で用いる粉末層を構成する粉末の材質と、原料供給時照射方式で用いる粉末または溶加材の材質とを互い異なる種類にしてよい。これにより、実際の用途により適した三次元形状造形物を得ることができる。例えば、三次元形状造形物１００を金型として使用する場合、輪郭固化層領域１１０の形成のための層形成後照射方式の粉末層を鉄系材質にする一方、内側固化層領域１２０の形成のための層原料供給時照射方式の原料を銅系材質としてよい（図２参照）。鉄系材質は比較的硬い材質である一方、銅系材質は比較的熱伝導率が高い材質であるので、外面部を硬くできると共に、全体として伝熱効率を向上させた金型を得ることができる。別法にて三次元形状造形物を全体として軽量化させたい場合では、輪郭固化層領域１１０の形成のための層形成後照射方式の粉末層を鉄系材質にする一方、内側固化層領域１２０の形成のための原料供給時照射方式の原料をアルミニウム系材質としてよい（図２参照）。アルミニウムは密度が比較的小さい金属であるところ、三次元形状造形物１００の中実部分に相当して大きい占有体積を有し得る内側固化層領域１２０をそのような小さい密度のアルミニウムを含んだ領域として設けることができる。

（輪郭固化層領域の段差状面）
　本発明の一実施形態に係る製造方法では、図７に示すように、輪郭固化層領域１１０と内側固化層領域１２０との界面に相当する「輪郭固化層領域の面２４Ｍ」が段差状となるように層形成後照射方式を実施してよい。層形成後照射方式の粉末層と原料供給時照射方式の原料とを互いに異なる金属材質にした場合、輪郭固化層領域１１０と内側固化層領域１２０との界面領域に合金組成を生じさせ易くなるからである。つまり、図７の下図に示されるように、輪郭固化層領域１１０と内側固化層領域１２０との界面に相当する領域において合金組成領域１３０を形成することができる。

　ある好適な態様に係る原料供給時照射方式では、光ビーム照射を維持した状態で原料が供給されるので、先行して形成された輪郭固化層領域が光ビーム照射の影響を受けて部分的に溶融し得る。輪郭固化層領域が部分的に溶融すると、その溶融部分に原料が供給され、「輪郭固化層領域の成分（特に金属成分）」と「原料供給時照射方式で供給される原料の成分（特に金属成分）」とが互いに混じり合うことになるので、合金組成の固化層領域が形成される。この点、輪郭固化層領域の面が段差状になっていると、その水平面が原料供給時照射方式の実施時に光ビーム照射の影響を特に受けやすくなり、輪郭固化層領域が溶融され易くなる。つまり、輪郭固化層領域の面が段差状の場合、輪郭固化層領域と内側固化層領域との界面に合金組成領域１３０を形成し易くなる（図７参照）。図７の下図は、三次元形状造形物の側面部分に相当する輪郭固化層領域１１０を層形成後照射方式で形成した後、光ビームＬ’を用いて内側固化層領域１２０を原料供給時照射方式で形成する態様を概念的に示している。

　図７に示すように、“段差状”の面は巨視的にみれば三次元形状造形物においてテーパ状となっており、それゆえ、合金組成領域１３０を全体として“斜め”に設けることができる。これは、三次元形状造形物の輪郭固化層領域と内側固化層領域との界面に合金組成からなる固化層領域を“傾斜態様”で設けることができることを意味しており、三次元形状造形物の構造的強度が向上し得る。このように構造的強度が向上すると、三次元形状造形の“割れ”などの不都合が効果的に防止される。

（原料供給時照射方式の原料斜め供給）
　本発明の一実施形態に係る製造方法では、図８に示すように、原料供給時照射方式における原料供給を“斜め方向”から行ってよい。具体的には、図示するように、三次元形状造形物の固化層の積層方向に対して角度を成す方向から原料を供給してよい。原料供給時照射方式に粉末６４を用いる場合、粉末供給ノズル６５（特にそのノズル軸）を固化層の積層方向に対して角度を成す方向に向けてよい。かかる場合、粉末供給ノズル６５を駆動させることによって斜め方向の原料供給を行ってよい。あるいは、固化層が積層される台（すなわち、造形テーブルおよび／またはその上に設けられる造形プレート）を駆動させることによって斜め方向の原料供給を行ってもよい。更には、斜め方向の原料供給のために、粉末供給ノズル６５の駆動と固化層が積層される台の駆動とを併せて実施してもよい。

　このように原料を“斜め”から供給する態様では、既に形成された「三次元形状造形物の側面部分１１０Ａに相当する輪郭固化層領域１１０」と粉末供給ノズル６５または溶加材６６との物理的な干渉を回避することができ、より好適な原料供給が実現され得る。

（中空部の壁面部分）
　本発明の一実施形態に係る製造方法では、三次元形状造形物の中空部の壁面部分を層形成後照射方式で形成することが好ましい。具体的には、三次元形状造形物１００が中空部１５０を有する場合（図９参照）、かかる中空部１５０を形作る壁面部分に相当する中空部壁固化層領域を層形成後照射方式で形成することが好ましい（図１０（ａ）～図１０（ｅ）参照）。中空部１５０は三次元形状造形物１００を金型として使用する場合に温調媒体路となり得るところ、所望形状の温調媒体路を得るには形状精度が比較的高い層形成後照射方式がより適しているからである。

　図１０（ａ）～図１０（ｅ）に示す態様では、中空部１５０を形作る壁面部分に相当する中空部壁固化層領域１７０を層形成後照射方式で形成するのみならず、その他の固化層領域も層形成後照射方式で形成している。具体的には、側面部分１１０Ａおよび天面部分１１０Ｂに相当する固化層領域を層形成後照射方式しており（図１０（ｂ）および図１０（ｅ）参照）、更には、底側部分１６０に相当する固化層領域も層形成後照射方式で形成している（図１０（ａ）参照）。その一方、それ以外の固化層領域は原料供給時照射方式で形成している。図示する態様でいえば、側面部分１１０Ａおよび中空部壁固化層領域１７０の内側に相当する領域を原料供給時照射方式で形成している。より具体的には、図１０（ｃ）に示すように、残存する粉末１９ａをまず吸引除去した後、図１０（ｄ）に示すように溶加材６６の供給と光ビームＬとを実質的に同時に行って固化層領域１２０を形成する。なお、溶加材６６の供給に代えて、粉末供給ノズル６５を用いて粉末６４を噴霧供給してもよい。

　図１０（ａ）～図１０（ｅ）に示すような態様に従えば、中空部１５０を有する三次元形状造形物１００であっても、それを比較的高い形状精度でより短い時間で得ることが可能となる。

　なお、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：
　光ビーム照射によって複数の固化層を逐次形成して三次元形状造形物を製造する方法であって、
　粉末層の形成後に前記光ビーム照射が行われる層形成後照射方式と、原料の供給時に前記光ビーム照射が行われる原料供給時照射方式とを組み合わせたハイブリッド方式によって前記固化層を形成することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第２態様：
　上記第１態様において、前記原料供給時照射方式で形成する前記固化層の厚みが、前記層形成後照射方式で形成する前記固化層の厚みよりも大きいことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第３態様：
　上記第１態様又は第２態様において、前記原料供給時照射方式の前記光ビーム照射の光ビーム集光径が、前記層形成後照射方式の前記光ビーム照射の光ビーム集光径よりも大きいことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第４態様：
　上記第１態様～第３態様のいずれかにおいて、前記三次元形状造形物の輪郭部に相当する輪郭固化層領域を前記層形成後照射方式で形成する一方、該三次元形状造形物の該輪郭部以外に相当し、該輪郭部よりも内側に位置する内側固化層領域を前記原料供給時照射方式で形成することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第５態様：
　上記第４態様において、前記輪郭部が前記三次元形状造形物の側面部分および天面部分の少なくとも一方であることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第６態様：
　上記第１態様～第５態様のいずれかにおいて、前記原料供給時照射方式の前記原料として粉末または溶加材を用いることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第７態様：
　上記第６態様において、前記光ビーム照射における光ビーム集光部に対して前記粉末を噴霧供給する又は該光ビーム集光部に前記溶加材が至るように該溶加材を供給することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第８態様：
　上記第６態様又は第７態様において、前記溶加材として金属ワイヤーを用いることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第９態様：
　上記第５態様において、前記内側固化層領域を形成するための前記原料供給時照射方式に先立って、前記側面部分に相当する前記輪郭固化層領域を形成するための前記層形成後照射方式を実施することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第１０態様：
　上記第９態様において、前記側面部分に相当する前記輪郭固化層領域を形成するための前記層形成後照射方式の実施後であって、前記内側固化層領域を形成するための前記原料供給時照射方式の実施前において、該側面部分に相当する該輪郭固化層領域の形成に寄与しなかった前記粉末層の粉末を吸引除去することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第１１態様：
　上記第１態様～第１０態様のいずれかにおいて、前記製造する前記三次元形状造形物が中空部を有する場合、該中空部を形作る壁面部分に相当する中空部壁固化層領域を前記層形成後照射方式で形成することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第１２態様：
　上記第１態様～第１１態様のいずれかにおいて、前記層形成後照射方式で用いる前記粉末層と、前記原料供給時照射方式で用いる前記原料とを互いに異なる材質にすることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第１３態様：
　上記第９態様において、前記側面部分に相当する前記輪郭固化層領域と前記内側固化層領域との界面に相当する該輪郭固化層領域の面が段差状となるように前記層形成後照射方式を実施することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。

　本発明の一実施形態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。一方、『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として用いることができる。

関連出願の相互参照

　本出願は、日本国特許出願第２０１５－１５２０６１号（出願日：２０１５年７月３１日、発明の名称：「三次元形状造形物の製造方法」）に基づくパリ条約上の優先権を主張する。当該出願に開示された内容は全て、この引用により、本明細書に含まれるものとする。

　以上、本発明の実施形態について説明してきたが、それは本発明の適用範囲のうちの典型例を示したに過ぎない。従って、本発明は、上記にて説明した実施形態に限定されず、種々の変更がなされ得ることを当業者は容易に理解されよう。

２２　　　粉末層
２４　　　固化層
５０　　　層形成後照射方式
６０　　　原料供給時照射方式
６４　　　原料供給時照射方式で使用される粉末
６６　　　原料供給時照射方式で使用される溶加材
１００　　三次元形状造形物
１１０　　三次元形状造形物の輪郭部に相当する輪郭固化層領域
１１０Ａ　三次元形状造形物の側面部分
１１０Ｂ　三次元形状造形物の天面部分
１２０　　三次元形状造形物の輪郭部以外に相当する内側固化層領域
１５０　　三次元形状造形物の中空部
１７０　　中空部壁固化層領域
Ｌ　　　　光ビーム

Claims (13)

1. 光ビーム照射によって複数の固化層を逐次形成して三次元形状造形物を製造する方法であって、
   　粉末層の形成後に前記光ビーム照射が行われる層形成後照射方式と、原料の供給時に前記光ビーム照射が行われる原料供給時照射方式とを組み合わせたハイブリッド方式によって前記固化層を形成することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
2. 前記原料供給時照射方式で形成する前記固化層の厚みが、前記層形成後照射方式で形成する前記固化層の厚みよりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
3. 前記原料供給時照射方式の前記光ビーム照射の光ビーム集光径が、前記層形成後照射方式の前記光ビーム照射の光ビーム集光径よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
4. 前記三次元形状造形物の輪郭部に相当する輪郭固化層領域を前記層形成後照射方式で形成する一方、該三次元形状造形物の該輪郭部以外に相当し、該輪郭部よりも内側に位置する内側固化層領域を前記原料供給時照射方式で形成す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の製造方法。
5. 前記輪郭部が前記三次元形状造形物の側面部分および天面部分の少なくとも一方であることを特徴とする、請求項４に記載の三次元形状造形物の製造方法。
6. 前記原料供給時照射方式の前記原料として粉末または溶加材を用い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の製造方法。
7. 前記光ビーム照射における光ビーム集光部に対して前記粉末を噴霧供給する又は該光ビーム集光部に前記溶加材が至るように該溶加材を供給することを特徴とする、請求項６に記載の三次元形状造形物の製造方法。
8. 前記溶加材として金属ワイヤーを用いることを特徴とする、請求項６に記載の三次元形状造形物の製造方法。
9. 前記内側固化層領域を形成するための前記原料供給時照射方式に先立って、前記側面部分に相当する前記輪郭固化層領域を形成するための前記層形成後照射方式を実施することを特徴とする、請求項５に記載の三次元形状造形物の製造方法。
10. 前記側面部分に相当する前記輪郭固化層領域を形成するための前記層形成後照射方式の実施後であって、前記内側固化層領域を形成するための前記原料供給時照射方式の実施前において、該側面部分に相当する該輪郭固化層領域の形成に寄与しなかった前記粉末層の粉末を吸引除去することを特徴とする、請求項９に記載の三次元形状造形物の製造方法。
11. 前記製造する前記三次元形状造形物が中空部を有する場合、該中空部を形作る壁面部分に相当する中空部壁固化層領域を前記層形成後照射方式で形成す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の製造方法。
12. 前記層形成後照射方式で用いる前記粉末層と、前記原料供給時照射方式で用いる前記原料とを互いに異なる材質にす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の製造方法。
13. 前記側面部分に相当する前記輪郭固化層領域と前記内側固化層領域との界面に相当する該輪郭固化層領域の面が段差状となるように前記層形成後照射方式を実施することを特徴とする、請求項９に記載の三次元形状造形物の製造方法。

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