(57)【要約】【課題】三次元形状造形物の製造方法において、造形物の冷却等のため低密度造形部に流す流体の流量を安定させ、冷却等の効果を十分に得る。【解決手段】三次元形状造形物の製造方法は、粉末層形成工程と、粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して固化層２２を形成する固化層形成工程とを備える。上記粉末層形成工程と固化層形成工程とを繰り返すことで固化層２２が積層される。固化層形成時には、固化層２２全体が高密度造形部２２ａに形成されてその層全体の金属粉末が固定される。その後、固化層２２の所定の部分に小孔２２ｂが開けられて低密度造形部２２ｃが形成される。このため、従来のような、低密度造形部２２ｃの金属粉末の高密度造形部２２ａへの流動は生じない。従って、低密度造形部２２ｃの密度ばらつきを防げる。このため、上記製造方法により製造された造形物によれば、冷却等のため低密度造形部２２ｃに流体を流したとき、流量が安定する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融させ固化層を形成する固化層形成工程と、を備え、前記粉末層形成工程と固化層形成工程とを繰り返すことにより前記固化層を積層一体化して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、
前記固化層形成工程時に、前記固化層全体を焼結又は溶融密度が高い高密度造形部に形成し、その後、前記固化層の所定の部分に小孔を開けることにより、その部分を低密度造形部に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。
【請求項２】
粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融させ固化層を形成する固化層形成工程と、を備え、前記粉末層形成工程と固化層形成工程とを繰り返すことにより前記固化層を積層一体化して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、
前記固化層形成工程時に、前記粉末層に低出力の光ビームを照射して、前記固化層全体を焼結又は溶融密度が低い低密度造形部に形成し、その後、部分的に光ビームを再照射して、焼結又は溶融密度が高い高密度造形部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。
【請求項３】
粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融させ固化層を形成する固化層形成工程と、を備え、前記粉末層形成工程と固化層形成工程とを繰り返すことにより前記固化層を積層一体化して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、
前記粉末層形成工程時に、前記粉末層の所定の部位に、光ビーム照射により消失する物質、又は造形後に消失できる物質を配置し、
前記固化層形成工程時に、又は造形後に前記物質を消失させることで、該物質が配置された固化層部分を低密度造形部に形成し、該物質が配置されていなかった固化層部分を焼結又は溶融密度が高い高密度造形部に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。
【請求項４】
粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融させ固化層を形成する固化層形成工程と、を備え、前記粉末層形成工程と固化層形成工程とを繰り返すことにより前記固化層を積層一体化して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、
前記粉末層形成工程時には、光ビーム照射により消失する物質を混ぜておいた粉末材料により粉末層を形成し、
前記固化層形成工程時には、固化させる部分全体に光ビームを照射して、焼結又は溶融密度が低い低密度造形部を形成し、その後、所定箇所に光ビームを再照射することにより、焼結又は溶融密度が高い高密度造形部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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末材料に光ビームを照射して焼結又は溶融させて成る三次元形状造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、粉末層を形成する粉末層形成工程と、その粉末層に光ビームを照射して粉末層の所定箇所を焼結させ、固化層を形成する固化層形成工程とを繰り返すことにより、固化層を積層一体化させて三次元形状造形物（以下、造形物と略記）を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記のような製造方法において、成形金型のような造形物を造形する場合に、光ビームの照射条件を変えて固化層の焼結密度を部分的に変化させ、焼結密度が高い高密度造形部と、焼結密度が低い低密度造形部とを選択的に形成し、この低密度造形部を冷却又は加熱等のための流体通路とする方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
上記の光ビームの照射条件は、レーザパワーＰ、レーザ集光径φ、ハッチングピッチδ、又は走査速度ｖ等のパラメータに基づいて決まる。例えば、照射条件の一条件であるエネルギー密度Ｅｄは、下記の数式の数１で表される。
【数１】
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このエネルギー密度Ｅｄを高くして光ビームを粉末層に照射した場合、光ビームの照射箇所には、図９（ａ）に示すような高密度造形部が形成され、エネルギー密度Ｅｄを低くした場合には、図９（ｂ）に示すような、空孔１０が形成されたポーラス状の低密度造形部が形成される。
【０００５】
このようにして、光ビーム照射条件を変えながら、固化層に低密度造形部と高密度造形部を選択的に形成した場合、低密度造形部における焼結密度が位置によってばらつくことがある。ここで、この現象を詳細に説明する。固定されていない粉末に光ビームを照射した場合、焼結した粉末の塊は表面張力で丸くなろうとする。このとき、丸まった塊に、その周辺の粉末が巻き込まれる。従って、固定されていない粉末から高密度造形部を形成する際、その隣に位置する低密度造形部の粉末が流動して、高密度造形部の塊に巻き込まれることがある。そうすると、巻き込まれた粉末があった箇所には、粉末が無い空間、すなわち大きなポアが形成される。このため、低密度造形部の密度にばらつきが生じる。従って、冷却又は加熱等のため低密度造形部に流体を流したとき、低密度造形部を流れる流体の流量が部分的に変化してしまう。従って、その流量が安定せず、冷却又は加熱等の効果を十分に得ることが難しかった。
【特許文献１】特許第２６２０３５３号公報
【特許文献２】特開２００２−３２２５０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の従来の問題を解決するためになされたものであり、低密度造形部を、例えば冷却等のための流体通路として用いる成形金型のような造形物を造形するとき、低密度造形部に流れる流体の流量が安定し、冷却等の効果を十分に得ることができる構造の三次元形状造形物を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融させ固化層を形成する固化層形成工程と、を備え、前記粉末層形成工程と固化層形成工程とを繰り返すことにより前記固化層を積層一体化して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、前記固化層形成工程時に、前記固化層全体を焼結又は溶融密度が高い高密度造形部に形成し、その後、前記固化層の所定の部分に小孔を開けることにより、その部分を低密度造形部に形成するものである。
【０００８】
請求項２の発明は、粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融させ固化層を形成する固化層形成工程と、を備え、前記粉末層形成工程と固化層形成工程とを繰り返すことにより前記固化層を積層一体化して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、前記固化層形成工程時に、前記粉末層に低出力の光ビームを照射して、前記固化層全体を焼結又は溶融密度が低い低密度造形部に形成し、その後、部分的に光ビームを再照射して、焼結又は溶融密度が高い高密度造形部を形成するものである。
【０００９】
請求項３の発明は、粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融させ固化層を形成する固化層形成工程と、を備え、前記粉末層形成工程と固化層形成工程とを繰り返すことにより前記固化層を積層一体化して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、前記粉末層形成工程時に、前記粉末層の所定の部位に、光ビーム照射により消失する物質、又は造形後に消失できる物質を配置し、前記固化層形成工程時に、又は造形後に前記物質を消失させることで、該物質が配置された固化層部分を低密度造形部に形成し、該物質が配置されていなかった固化層部分を焼結又は溶融密度が高い高密度造形部に形成するものである。
【００１０】
請求項４の発明は、粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融させ固化層を形成する固化層形成工程と、を備え、前記粉末層形成工程と固化層形成工程とを繰り返すことにより前記固化層を積層一体化して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、前記粉末層形成工程時には、光ビーム照射により消失する物質を混ぜておいた粉末材料により粉末層を形成し、前記固化層形成工程時には、固化させる部分全体に光ビームを照射して、焼結又は溶融密度が低い低密度造形部を形成し、その後、所定箇所に光ビームを再照射することにより、焼結又は溶融密度が高い高密度造形部を形成するものである。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の発明によれば、固化層全体が高密度造形部に形成されることで層全体の粉末材料が固定された後に、所定の部分に小孔が開けられて低密度造形部が形成されるので、従来のような、低密度造形部の粉末材料の高密度造形部への流動は生じない。従って、低密度造形部の密度ばらつきを防ぐことができる。その結果、本発明により製造された造形物によれば、冷却等のため低密度造形部に流体を流したとき、流体の流量が安定し、冷却等の効果を十分に得ることができるものとなる。
【００１２】
請求項２の発明によれば、固化層全体が低密度造形部に形成され、その後、部分的に光ビームが再照射されて高密度造形部が形成されるので、層全体の粉末材料を固定してから高密度造形部を形成できる。このため、従来のような、低密度造形部の粉末材料の高密度造形部への流動は生じない。従って、低密度造形部の密度ばらつきを防ぐことができる。その結果、上記請求項１の発明と同様の効果が得られる。
【００１３】
請求項３の発明によれば、物質が配置された固化層部分には空孔が生じて、その部分が低密度造形部に形成され、その物質が配置されていなかった固化層部分が高密度造形部に形成される。このため、従来のような、低密度造形部の粉末材料の高密度造形部への流動は生じない。従って、低密度造形部の密度ばらつきを防ぐことができる。その結果、上記請求項１の発明と同様の効果が得られる。
【００１４】
請求項４の発明によれば、固化させる部分全体が、物質の消失により空孔が生じた低密度造形部に形成され、その後、所定箇所に光ビームが再照射されて高密度造形部が形成されるので、粉末材料を固定してから高密度造形部を形成できる。このため、従来のような、低密度造形部の粉末材料の高密度造形部への流動は生じない。従って、低密度造形部の密度ばらつきを防ぐことができる。その結果、上記請求項１の発明と同様の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の各種実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法（以下、造形物製造方法と略記）について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る造形物製造方法に用いられる金属光造形加工機（以下、光造形機と略記）の構成を示す。光造形機１は、金属粉末２（粉末材料）を供給して粉末層２１を形成する粉末層形成部３と、粉末層２１の所定の箇所に光ビームＬ１を照射して粉末層２１を焼結又は溶融（以下、単に焼結という）させ固化層２２を形成する固化層形成部４と、固化層２２を積層して成る三次元形状造形物５（以下、造形物５と略記）を切削する切削除去部６と、を備える。金属粉末２は、例えば、平均粒径２０μｍの球形の鉄粉である。
【００１６】
粉末層形成部３は、金属粉末２の粉末層２１が上面に敷かれる造形用プレート（以下、プレートという）３１（基板）と、プレート３１を保持し上下に昇降させる昇降テーブル３２（基板載置用テーブル）と、プレート３１と昇降テーブル３２とを収容する造形タンク３３とを有する。さらに、粉末層形成部３は、金属粉末２を貯留しておりその金属粉末２をせり上げる粉末タンク３４と、そのせり上げられた金属粉末２をプレート３１上に敷いて粉末層２１を形成する粉末供給ブレード３５とを有している。プレート３１は、Ｓ５５Ｃ等の炭素鋼等で形成されている。
【００１７】
固化層形成部４は、光ビームＬ１を出射する光ビーム発振器４１と、その出射された光ビームＬ１を集光する集光レンズ４２と、その集光された光ビームＬ１を粉末層２１の上に走査するガルバノミラー４３とを備えている。光ビームＬ１は、例えば炭酸ガスレーザ又はＮｄ−ＹＡＧレーザとし、その出力は、例えば略５００Ｗとする。切削除去部６は、造形物５を切削する切削工具６１と、切削工具６１を保持するミーリングヘッド６２と、ミーリングヘッド６２を移動させるＸＹ駆動機構６３と、を備えている。
【００１８】
また、光造形機１は、各部の動作を制御する制御部（図示せず）を備えている。この制御部は、造形物５の三次元ＣＡＤデータに基づき、光ビームＬ１による照射経路、及び切削工具６１の工具経路を制御する。照射経路は、造形物５の三次元ＣＡＤデータから予め生成されたＳＴＬ（Stereo  Lithography）を例えば略０．０５ｍｍの等ピッチでスライスして得た各断面の輪郭形状データに基づいて設定される。また、照射経路は、造形物５の最表面が気孔率５％以下の高密度となるように設定されることが望ましい。
【００１９】
図２は光造形機１の造形動作を示し、図３は上記制御部による造形フローを示す。図２（ａ）に示されるように、昇降テーブル３２が下降した後、粉末供給ブレード３５はプレート３１の面方向（図中矢印Ｅ１方向）に移動して、金属粉末２をプレート３１の上に供給してならす。このようにして、粉末層２１が形成される。この工程は、図３の粉末層形成工程（Ｓ１）に相当する。
【００２０】
次に、ガルバノミラー４３（図１参照）のミラー面の向きが制御され、図２（ｂ）に示すように、光ビームＬ１が粉末層２１の所定の箇所に走査されて金属粉末２が焼結され、これにより固化層２２が形成される。この工程は、図３の固化層形成工程（Ｓ２）に相当する。ここに、ｉ層目（ｉは整数）の固化層が形成される。
【００２１】
そして、上述した図２（ａ）に示される粉末層形成工程と図２（ｂ）に示される固化層形成工程とが繰り返される。これにより、固化層２２が積層一体化される。固化層２２の積層は、層数ｉが所定の層数Ｎになるまで繰り返される（図３のＳ１乃至Ｓ４）。
【００２２】
固化層２２の層数ｉが層数Ｎになると、図２（ｃ）に示すように、ＸＹ駆動機構６３（図１参照）がミーリングヘッド６２を移動させ、切削工具６１により造形物５の表面の不要部分を除去し、その表面を滑らかにする。この工程は、図３の除去仕上げ工程（Ｓ５）に相当する。その後、動作は、図２（ａ）に示す工程に戻る。ここに、図３のＳ５の後に、造形が終了したかが判断され、造形が終了していない場合には（Ｓ６でＮｏ）、層数ｉが１に初期化され（Ｓ７）、動作はＳ１の工程に戻る。こうして、造形が終了するまで（Ｓ６でＹｅｓ）、固化層２２の形成と造形物５の表面の不要部分の除去とが繰り返される。
【００２３】
図４（ａ）〜（ｅ）は、造形物５の完成までの様子を示す。図４（ａ）に示されるように、まず、光ビームＬ１照射によりプレート３１上に１層目の固化層２２が形成される。この１層目の固化層２２は、焼結固化時にプレート３１の上面と接着して一体になる。その後、図４（ｂ）に示されるように固化層が積層され、その積層数が上述の所定の層数Ｎになると、図４（ｃ）に示されるように造形物５の表面の不要部分が切削工具６１により除去される。そして、固化層の積層と、表面の不要部分の除去仕上げとが繰り返され、最終的には、図４（ｄ）に示されるように最上層の固化層が積層されて、図４（ｅ）に示されるように未切削部分の除去仕上げが実施される。
【００２４】
次に、上述の固化層形成において、固化層に高密度造形部と低密度造形部とを形成する方法を説明する。高密度造形部は、上記図９（ａ）に示すように、金属粉末２が十分に固定され、空孔が殆んどない部分であり、低密度造形部は、上記図９（ｂ）に示すように、空孔が設けられたポーラス状の部分である。
【００２５】
図５（ａ）〜（ｄ）は、高密度造形部と低密度造形部の形成過程を示す。図５（ａ）に示されるように、まず、プレート３１上の１層目の固化層２２全体が高密度造形部２２ａに形成される。高密度造形部２２ａは、粉末層に、粉末層を高密度に焼結する照射条件の光ビームＬ１を照射して成る。このときの光ビームＬ１の集光径は、例えば略０．５ｍｍとする。
【００２６】
その後、図５（ｂ）に示されるように、固化層２２のポーラス状としたい所定部分に小孔２２ｂを開けることにより、その部分を低密度造形部２２ｃに形成する。小孔２２ｂの形成は、高密度造形部２２ａ形成時よりも、光ビームＬ１による照射部分の単位面積あたりの照射エネルギーを高めることでなされる。照射エネルギーを高めるため、例えば、集光径が絞られて略０．１ｍｍ以下とされ、又はパワーが略３００Ｗ以上とされ、若しくは光ビームＬ１がＱ−ｓｗレーザ等の高エネルギーのパルスレーザとされる。
【００２７】
１層目に高密度造形部２２ａ及び低密度造形部２２ｃが形成された後、図５（ｃ）に示されるように、高密度造形部２２ａから成る固化層２２が積層形成される。そして、図５（ｄ）に示されるように、その固化層２２に、下層の小孔２２ｂの位置に合わせて小孔２２ｂが連通形成され、その部分が低密度造形部２２ｃに形成される。上述した高密度造形部２２ａ及び低密度造形部２２ｃの形成工程が繰り返されて造形物５が造形される。
【００２８】
本実施形態においては、固化層２２全体が高密度造形部２２ａに形成されてその層全体の金属粉末２が固定された後に、所定の部分に小孔２２ｂが開けられて低密度造形部２２ｃが形成される。このため、従来のような、低密度造形部２２ｃの金属粉末２の高密度造形部２２ａへの流動は生じない。従って、低密度造形部２２ｃの密度ばらつきを防ぐことができる。その結果、本実施形態により製造された造形物５によれば、冷却又は加熱等（以下、冷却等と総称する）のため低密度造形部２２ｃに流体を流したとき、流体の流量が安定し、冷却等の効果を十分に得ることができる。
【００２９】
また、従来の低密度造形部の孔は、焼結して丸まった金属粉末の塊同士の隙間で形成され、それは三次元的に連通して複雑な経路となるので、低密度造形部に流体を流したときの流動抵抗が大きくなるが、本実施形態の低密度造形部２２ｃの小孔２２ｂは上下に連通形成されて略直線状となるので、流動抵抗を減らすことができる。このため、流体を流れ易くすることができ、造形物５の冷却等を効率的に行うことができる。
【００３０】
また、造形物５が成形金型である場合、低密度造形部２２ｃをエアベント又はガスベントとして形成できる。これらエアベント又はガスベントは、溶融した樹脂を成形金型内に射出するときに、その樹脂の流路に滞留した空気、又は射出成形中に樹脂から発生するガスを外部に逃がす経路である。そして、本実施形態においては、上述のように低密度造形部２２ｃの密度ばらつきを防ぐことができるので、本実施形態により製造された造形物５によれば、低密度造形部２２ｃからの空気又はガス抜き量が安定し、空気又はガス抜きの効果を十分に得ることができる。
【００３１】
なお、小孔２２ｂは、光ビームＬ１により形成するのではなく、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、微小径ドリル７で孔を開けて形成してもよい。この場合、微小径ドリル７の直径は０．１ｍｍ以下であることが望ましい。また、微小径ドリル７としては、開き角が略１２０度のものより先端が尖がったドリルを用いることが望ましい。微小径ドリル７は、光造形機１の制御部により制御される。微小径ドリル７は、切削工具６１と同一に構成されていてもよい。
【００３２】
また、切削除去部６は、切削工具６１、ミーリングヘッド６２、及びＸＹ駆動機構６３を備えた汎用の数値制御（ＮＣ：Numerical  Control）工作機械等で構成されることが望ましく、特に、切削工具６１を自動交換可能なマシニングセンタであることが望ましい。切削工具６１としては、例えば、超硬素材で形成された二枚刃ボールエンドミルが主に用いられ、加工形状又は目的に応じてスクエアエンドミル、ラジアスエンドミル、又はドリル等が使用される。
【００３３】
（第２の実施形態）
図７（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施形態に係る造形物製造方法による高密度造形部２２ａ及び低密度造形部２２ｃの形成過程を示す。本実施形態の造形物製造方法は、上記第１の実施形態と比べ、高密度造形部２２ａ及び低密度造形部２２ｃの形成方法が異なっている。本実施形態においては、固化層２２形成工程時に、まず固化層２２全体が低密度造形部２２ｃに形成され、その後、部分的に光ビームＬ１を再照射して高密度造形部２２ａが形成される。この形成方法について以下に詳述する。
【００３４】
図７（ａ）に示されるように、まず、プレート３１上の１層目の固化層２２全体が、焼結密度が低い低密度造形部２２ｃに形成される。低密度造形部２２ｃは、１層目の粉末層全体に亘って低出力の光ビームＬ１を照射して成る。光ビームＬ１のレーザパワーは、上記第１の実施形態における高密度造形部２２ａ形成時よりも低く、照射部分全体の金属粉末２を十分に焼結して固化させる程ではない。レーザパワーは、金属粉末２を仮固定する程度であり、具体的には、照射部分の隣接箇所が光ビームＬ１の再照射により高密度に焼結される場合に、金属粉末２がその焼結に巻き込まれないように金属粉末２を固定する程度である。
【００３５】
低密度造形部２２ｃの形成後、図７（ｂ）に示されるように、固化層２２の所定部分に光ビームＬ１が再照射され、焼結密度が高い高密度造形部２２ａが形成される。このときの光ビームＬ１の照射条件は、低密度造形部２２ｃの形成時と同じであっても、異なっていてもよい。また、光ビームＬ１の照射回数は、１回であっても、複数回であってもよい。
【００３６】
１層目に低密度造形部２２ｃ及び高密度造形部２２ａが形成された後、図７（ｃ）に示されるように、低密度造形部２２ｃから成る固化層２２が積層形成される。そして、図７（ｄ）に示されるように、その固化層２２に、下層の高密度造形部２２ａの位置に合わせて高密度造形部２２ａが形成される。上述した低密度造形部２２ｃ及び高密度造形部２２ａの形成工程が繰り返されて造形物５が造形される。
【００３７】
本実施形態においては、固化層２２全体が低密度造形部２２ｃに形成され、その後、部分的に光ビームＬ１を再照射して高密度造形部２２ａが形成されるので、層全体の金属粉末２を固定してから高密度造形部２２ａを形成できる。このため、従来のような、低密度造形部２２ｃの金属粉末２の高密度造形部２２ａへの流動は生じない。従って、低密度造形部２２ｃの密度ばらつきを防ぐことができる。その結果、本実施形態により製造された造形物５によれば、上記第１の実施形態と同様に、低密度造形部２２ｃに流体を流したときの冷却等の効果を十分に得ることができる。また、製造された造形物５が成形金型である場合には、上記第１の実施形態と同様に、射出成形時における低密度造形部２２ｃからの空気又はガス抜き量が安定し、空気又はガス抜きの効果を十分に得ることができる。
【００３８】
（第３の実施形態）
図８（ａ）（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る造形物製造方法による高密度造形部２２ａ及び低密度造形部２２ｃの形成過程を示す。本実施形態の造形物製造方法は、上記第１及び第２の実施形態と比べ、高密度造形部及び低密度造形部の形成方法が異なっている。本実施形態においては、図８（ａ）に示されるように、光ビームを受けて消失する物質８が粉末層２１の所定の部位に配置される。その後、固化層形成工程における粉末層２１全体への光ビーム照射により物質８が消失する。これにより、図８（ｂ）に示されるように、物質８が配置された固化層２２の部分には空孔２２ｄが形成されてその部分は低密度造形部２２ｃに形成され、物質８が配置されなかった固化層２２の部分は高密度造形部２２ａに形成される。
【００３９】
物質８は、略ファイバー状の物質であり、その材料はカーボンファイバ等であり、その長さは例えば略５０〜５００μｍ程度である。物質８は、粉末層形成工程時に、低密度造形部２２ｃを形成したい部位に配置される。この配置は、例えば、物質８を入れた収容体を光造型機１の制御部により位置制御し、上記収容体に設けたノズルの先から物質８を出して行われる。物質８の配置後に照射する光ビームの照射条件は、例えば、上記第１の実施形態における高密度造形部２２ａ形成時と同じでよい。
【００４０】
本実施形態においては、物質８が配置された固化層２２部分には空孔２２ｄが生じて、その部分が低密度造形部２２ｃに形成され、物質８が配置されていなかった固化層２２部分が高密度造形部２２ａに形成される。このため、従来のような、低密度造形部２２ｃの金属粉末２の高密度造形部２２ａへの流動は生じない。従って、低密度造形部２２ｃの密度ばらつきを防ぐことができる。その結果、本実施形態により製造された造形物５によれば、上記第１の実施形態と同様に、低密度造形部２２ｃに流体を流したときの冷却等の効果を十分に得ることができる。また、製造された造形物５が成形金型である場合には、射出成形時における低密度造形部２２ｃからの空気又はガス抜き量が安定し、空気又はガス抜きの効果を十分に得ることができる。
【００４１】
また、物質８の形状は略ファイバー状なので、空孔２２ｄを長くできる。従って、空孔２２ｄが連通し易くなる。このため、造形物５の冷却等のため低密度造形部２２ｃに流す流体を確実に流通させることができ、冷却等の効果を十分に得ることができる。また、空孔２２ｄは略線状となるので、低密度造形部２２ｃに流体を流したときの流動抵抗を減らすことができる。
【００４２】
なお、物質８は、固化層形成工程後、つまり造形後に消失可能な塩化ナトリウム等で構成してもよい。この場合、塩化ナトリウムは金属粉末２と略同じ粒径とする。固化層２２の形成後に造形物５を水に通すと、物質８は溶融して消失する。このようにして、物質８が配置された固化層２２部分を低密度造形部２２ｃに形成でき、上記と同様に、冷却等の効果を十分に得ることができる。
【００４３】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る造形物製造方法は、上記第１〜第３の実施形態と比べ、高密度造形部及び低密度造形部の形成方法が異なる。本実施形態の高密度造形部及び低密度造形部の形成方法は、上記第２と第３の実施形態による製造方法を組み合わせたものであり、上記図７及び図８を流用して説明する。
【００４４】
本実施形態の高密度造形部２２ａ及び低密度造形部２２ｃの形成方法において、粉末層２１形成工程時には、上記第３の実施形態で示した物質８が混ぜられた金属粉末２により粉末層２１が形成される。そして、固化層２２形成工程時には、固化させる粉末層２１全体に光ビームＬ１が照射され、固化層２２全体が焼結密度が低い低密度造形部２２ｃに形成される。その後、所定箇所に光ビームＬ１が再照射され、これにより、焼結密度が高い高密度造形部２２ａが形成される。光ビームＬ１のレーザパワーは、物質８を消失させることが可能な程度であって、上記第２の実施形態に示した程度とする。
【００４５】
本実施形態においては、固化層２２全体が、物質の消失により空孔２２ｄが生じた低密度造形部２２ｃに形成され、その後、所定箇所に光ビームＬ１が再照射されて高密度造形部２２ａが形成されるので、金属粉末２を固定してから高密度造形部２２ａを形成できる。このため、従来のような、低密度造形部２２ｃの金属粉末２の高密度造形部２２ａへの流動は生じない。従って、低密度造形部２２ｃの密度ばらつきを防ぐことができる。その結果、本実施形態により製造された造形物５によれば、上記第１の実施形態と同様に、低密度造形部２２ｃに流体を流したときの冷却等の効果を十分に得ることができる。また、製造された造形物５が成形金型である場合には、射出成形時における低密度造形部２２ｃからの空気又はガス抜き量が安定し、空気又はガス抜きの効果を十分に得ることができる。
【００４６】
本発明は、上記各種実施形態の構成に限定されるものでなく、使用目的に応じ、様々な変形が可能である。例えば、粉末材料は、金属粉末２に限定されず、セラミック等の無機質材料、又はプラスチック等の有機質材料であってもよい。また、光ビームＬは、空気中を伝送させても、光ファイバー中を伝送させてもよい。また、造形物５の製造フローにおいて、上記図２の除去仕上げ工程は省いてもよい。この場合、光造型機１は切削除去部６を有していなくてもよい。また、第２の実施形態において、小孔２２ｂは、固化層２２を１層形成する毎に設けるのではなく、数層毎に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る金属光造形加工機の斜視図。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は上記加工機の造形物製造時における各部の動きを示す断面図。
【図３】上記加工機による造形物の製造手順を示すフローチャート。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は上記加工機による造形物の造形過程を示す斜視図。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は上記加工機による高密度造形部及び低密度造形部の形成過程の一例を示す断面図。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は上記形成過程の別の例を示す断面図。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係る金属光造形加工機による高密度造形部及び低密度造形部の形成過程を示す断面図。
【図８】（ａ）（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る金属光造形加工機による高密度造形部及び低密度造形部の形成過程を示す平面図。
【図９】（ａ）は固化層の高密度造形部の断面図、（ｂ）は固化層の低密度造形部の断面図。
【符号の説明】
【００４８】
１  金属光造形加工機
２  金属粉末（粉末材料）
２１  粉末層
２２  固化層
２２ａ  高密度造形部
２２ｂ  小孔
２２ｃ  低密度造形部
３  粉末層形成部
４  固化層形成部
５  三次元形状造形物
８  物質
Ｌ１  光ビーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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