(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）造形プレート上に設けた粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記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、および
（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記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工程
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
三次元形状造形物の製造に先立って又はその製造に際しては、（ａ）前記造形プレートに熱処理を施して前記造形プレートに反りを発生させ、（ｂ）反った前記造形プレートの少なくとも下面を平坦加工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】
前記（ａ）において、前記造形プレートの上面に対して熱処理を施すことを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項３】
前記上面が全体的に加熱されるように熱処理を施すことを特徴とする、請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項４】
前記（ａ）において、造形プレート上に配された１層以上の粉末層および／または固化層に対して熱処理を施して前記造形プレートに反りを発生させ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。
【請求項５】
製造される三次元形状造形物に応じて「前記造形プレートの加熱領域」または「前記造形プレート上に配された１層以上の粉末層および／もしくは固化層の加熱領域」を決定し、
前記（ａ）では前記加熱領域に対して熱処理を施すことを特徴とする、請求項１または４に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項６】
前記造形プレート上に５０〜１００層の固化層が形成された後に、前記（ｂ）の平坦加工を実施す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。
【請求項７】
前記（ａ）の熱処理に用いる熱源として、前記工程（ｉ）および前記工程（ｉｉ）の光ビーム照射源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。
【請求項８】
請求項１に記載の製造方法で得られる三次元形状造形物であって、
三次元形状造形物の底面に造形プレートが接合しており、前記造形プレートの下面が平坦加工面を成していることを特徴とする三次元形状造形物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元形状造形物の製造方法およびそれから得られる三次元形状造形物に関する。より詳細には、本発明は、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して固化層を形成することを繰り返し実施することによって複数の固化層が積層一体化した三次元形状造形物を製造する方法に関すると共に、それによって得られる三次元形状造形物にも関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、粉末材料に光ビームを照射し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）が知られている。かかる方法では、「（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射することよって、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し、（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を敷いて同様に光ビームを照射して更に固化層を形成する」といったことを繰り返して三次元形状造形物を製造している（特許文献１または特許文献２参照）。粉末材料として金属粉末やセラミック粉末などの無機質の粉末材料を用いた場合では、得られた三次元形状造形物を金型として用いることができ、樹脂粉末やプラスチック粉末などの有機質の粉末材料を用いた場合では、得られた三次元形状造形物をモデルとして用いることができる。このような製造技術によれば、複雑な三次元形状造形物を短時間で製造することが可能である。【０００３】
粉末焼結積層法では、酸化防止等の観点から不活性雰囲気下に保たれたチャンバー内で三次元形状造形物が製造される場合が多い。チャンバー内では、造形テーブル上に配された造形プレートがボルト等で固定され、その造形プレート上において三次元形状造形物が形成される。粉末材料として金属粉末を用い、得られる三次元形状造形物を金型として用いる場合を例にとると、図１に示すように、まず、所定の厚みｔ１の粉末層２２を造形プレート２１上に形成した後（図１（ａ）参照）、光ビームを粉末層２２の所定箇所に照射して、造形プレート２１上において固化層２４を形成する。そして、形成された固化層２４の上に新たな粉末層２２を敷いて再度光ビームを照射して新たな固化層を形成する。このように固化層を繰り返し形成すると、複数の固化層２４が積層一体化した三次元形状造形物を得ることができる（図１（ｂ）参照）。最下層に相当する固化層は造形プレート面に接着した状態で形成され得る。従って、三次元形状造形物は造形プレートと一体化して得られることになる。そして、一体化した三次元形状造形物と造形プレートとは、そのまま金型として用いることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表平１−５０２８９０号公報
【特許文献２】特開２０００−７３１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、三次元形状造形物が光ビームの照射を通じて製造されるものであるため、三次元形状造形物およびそれを支える造形プレートは光ビームによる熱の影響を少なからず受けてしまう。具体的には、粉末層の照射箇所が一旦溶けて溶融状態となり、その後固化することで固化層は形成されるが、その固化する際に収縮現象が生じ得る（図２（ａ）参照）。特定の理論に拘束されるわけではないが、この収縮現象により、溶融した粉末が冷却・固化する際に応力が発生する。一方、固化層（即ち、三次元形状造形物）と一体化する造形プレートは、鋼材などから成る剛体であって、ボルトなどで造形テーブルに固定されているので、固化層形成時に収縮しきれず、造形プレートには応力が残留し得る。それゆえ、造形プレートを固定しているボルトを外すと、残留応力の開放に起因してプレートごと造形物が反り返る現象が生じてしまう（図２（ｂ）参照）。【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の課題は、造形プレートの反り変形に好適な対処した三次元形状造形物の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明では、
（ｉ）造形プレート上に設けた粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記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、および
（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記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工程
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
三次元形状造形物の製造に先立って又はその製造に際しては、（ａ）造形プレートに熱処理を施して造形プレートに対して反りを発生させ、次いで、（ｂ）反った造形プレートの少なくとも下面に対して平坦加工を施す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。【０００８】
本発明の製造方法は、造形プレートとして“熱処理に起因して変形した部分を平坦加工処理したプレート”を用いることを特徴の１つとしている。換言すれば、本発明は、“熱処理に起因した応力が残留している造形プレート”を敢えて用いることを特徴としている。【０００９】
本発明における「熱処理」とは、造形プレートに対して直接的に行う加熱処理のみならず、造形プレートに対して間接的に行う加熱処理（例えば造形プレート上に配された粉末層に対して行う加熱処理）をも包含している。前者の場合には“熱応力”に主に起因した反り変形が造形プレートに生じるのに対して、後者の場合には“熱応力”に加えて又はそれとは別に“固化層形成時に生じ得る引張り応力”などにも起因した反り変形が造形プレートに生じることになる。【００１０】
本明細書にいう「造形プレート」とは、製造される造形物の土台となる部材を実質的に意味している。特に好適な態様では、「造形プレート」は、造形テーブル上に配される板状の部材を指している。そして、本明細書で用いる「造形プレートの“下面”」とは、造形物が接する面を“上面”とすると、その“上面”と対向する面のことを実質的に意味している。【００１１】
本明細書にいう「反り」とは、造形プレートに対する熱処理によって生じ得る“造形プレートの変形”を実質的に意味している。従って、「反り」には、造形プレートの周縁部の形状が大きく変化する図２（ｂ）に示すような典型的な変形のみならず、その他の種々の形状変化が含まれ得る。【００１２】
本明細書にいう「平坦加工」とは、造形プレートの表面部分を機械加工などにより切り削って平らにすることを実質的に意味している。
【００１３】
更に確認までに述べておくと、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」などを指している。また「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意味している。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ことによって、その粉末が焼結又は溶融固化して三次元形状造形物の形状を構成することになる。尚、「固化層」とは、粉末層が金属粉末層である場合には「焼結層」を実質的に意味しており、粉末層が樹脂粉末層である場合には「硬化層」を実質的に意味している。【００１４】
本発明の製造方法において、“反り変形”に用いる熱源としては、工程（ｉ）および工程（ｉｉ）における光ビーム照射源を用いてよい。あるいは、別法にて光造形の光ビーム照射源とは異なる熱源を用いてもよい（例えばアーク放電源、溶射源などを用いてもよい）。【００１５】
ある好適な態様では、造形プレート上に配した１層以上の粉末層および／または固化層に対して熱処理を施して造形プレートに反りを発生させる。つまり、三次元形状造形物の製造に際して“反り変形”を発生させてもよい。【００１６】
別のある好適な態様では、造形プレートの上面（特に“上面全体”）が加熱されるように熱処理を施す。これにより、造形プレート内部に発生し得る残留応力を予めできる限り発生させることができ、それ以降の期間にて“反り変形”を好適に防止できる。尚、製造される三次元形状造形物に応じて加熱領域を限定してもよい。例えば、製造される三次元形状造形物の重量、体積、位置ならびに／または“三次元形状造形物と造形プレートとの接触面の形状および／もしくは面積”などに応じて「造形プレートの加熱領域」または「造形プレート上の１層以上の粉末層および／または固化層の加熱領域」を決定してもよい。かかる場合、そのような限定的な加熱領域に対して熱処理を施すことになる。【００１７】
更に別のある好適な態様では、造形プレート上に５０〜１００層の固化層（場合によっては１０〜２００層の固化層）を形成した後に平坦加工処理を行う。これにより、それ以降の期間にて必要以上に大きい“反り変形”が発生しにくくなる。【００１８】
本発明では、上述した製造方法で得られる三次元形状造形物も提供される。特に好適な態様では、三次元形状造形物は、その底面に造形プレートが接合しており、かかる造形プレートの下面が平坦加工面となっている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の製造方法では、「反り変形（特に、熱応力や引張り応力などに起因した反り変形）」を発生させた後で平坦加工を施した造形プレートを用いるので、平坦加工以降の製造過程において更なる応力の蓄積が減じられる。換言すれば、本発明においては、三次元形状造形物の製造に際して生じ得る応力をプレートに予め発生させ、それによって生じたプレート変形分を予め除去しておくので、それ以降の造形プレートの反りを効果的に抑制することができる。【００２０】
造形プレートの反りを抑制できると、三次元形状造形物の形状精度を出すことが容易となる。この点、従来技術において、三次元形状造形物の形状精度を出すには、“反り上がり”などの現象を予め想定した上で設計しておかなければならなかったものの、本発明では造形物を支える造形プレートに熱処理・平坦加工を予め施すことによって形状精度を出すことができる。つまり、本発明は、そのような具体的に予測困難な現象を視野に入れた設計を“簡易なプロセスの付加”によって省くことができるといった点で非常に有益である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】光造形複合加工機の動作を模式的に示した断面図
【図２】造形プレートの反り変形を模式的に示した断面図
【図３】光造形（粉末焼結積層法）を実施するための装置を模式的に示した斜視図（図３（ａ）：切削機構を備えた複合装置、図３（ｂ）：切削機構を備えていない装置）
【図４】粉末焼結積層法が行われる態様を模式的に示した斜視図
【図５】粉末焼結積層法を実施できる光造形複合加工機の構成を模式的に示した斜視図
【図６】光造形複合加工機の動作のフローチャート
【図７】光造形複合加工プロセスを経時的に示した模式図
【図８】本発明の概念を模式的に表した図
【図９】本発明に用いることができる造形プレートの態様を模式的に示した図
【図１０】反り変形後に平坦加工された造形プレートの種々の態様を模式的に示した断面図
【図１１】本発明の製造方法の特徴的プロセスを経時的に示した断面図
【図１２】造形プレートの加熱処理時の光ビームの走査態様を模式的に示した図
【図１３】粉末層および／または固化層に対する熱処理の態様を模式的に示した図
【図１４】造形プレート／造形物に蓄積され得る残留応力を示したグラフ
【図１５】積層数と造形プレートの反りとの相関関係を示したグラフ
【図１６】造形プレートにおける造形物底面の形状・位置を模式的に示す図
【符号の説明】
【００２２】
１    光造形複合加工機
２    粉末層形成手段
３    光ビーム照射手段
４    切削手段
１９  粉末／粉末層（例えば金属粉末/金属粉末層または樹脂粉末／樹脂粉末層）
２０  造形テーブル
２１  造形プレート
２２  粉末層（例えば金属粉末層または樹脂粉末層）
２３  スキージング用ブレード
２４  固化層（例えば焼結層または硬化層）またはそれから得られる三次元形状造形物
２４’ 三次元形状造形物の底面領域
２５  粉末テーブル
２６  粉末材料タンクの壁部分
２７  造形タンクの壁部分
２８  粉末材料タンク
２９  造形タンク
３０  光ビーム発振器
３１  ガルバノミラー
３２  反射ミラー
３３  集光レンズ
４０  ミーリングヘッド
４１  ＸＹ駆動機構
４１ａ  Ｘ軸駆動部
４１ｂ  Ｙ軸駆動部
４２  ツールマガジン
５０  チャンバー
５２  光透過窓
Ｌ  光ビーム
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。【００２４】
［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。説明の便宜上、材料粉末タンクから材料粉末を供給し、均し板を用いて材料粉末を均して粉末層を形成する態様を前提として粉末焼結積層法を説明する。また、粉末焼結積層法に際しては造形物の切削加工をも併せて行う複合加工の態様を例に挙げて説明する（つまり、図３（ｂ）ではなく図３（ａ）に表す態様を前提とする）。図１，４および５には、粉末焼結積層法と切削加工とを実施できる光造形複合加工機の機能および構成が示されている。光造形複合加工機１は、「金属粉末および樹脂粉末などの粉末を所定の厚みで敷くことによって粉末層を形成する粉末層形成手段２」と「外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内において上下に昇降する造形テーブル２０」と「造形テーブル２０上に配され造形物の土台となる造形プレート２１」と「光ビームＬを任意の位置に照射する光ビーム照射手段３」と「造形物の周囲を削る切削手段４」とを主として備えている。粉末層形成手段２は、図１に示すように、「外周が壁２６で囲まれた材料粉末タンク２８内において上下に昇降する粉末テーブル２５」と「造形プレート上に粉末層２２を形成するための均し板２３」とを主として有して成る。光ビーム照射手段３は、図４および図５に示すように、「光ビームＬを発する光ビーム発振器３０」と「光ビームＬを粉末層２２の上にスキャニング（走査）するガルバノミラー３１（スキャン光学系）」とを主として有して成る。必要に応じて、光ビーム照射手段３には、光ビームスポットの形状を補正するビーム形状補正手段（例えば一対のシリンドリカルレンズと、かかるレンズを光ビームの軸線回りに回転させる回転駆動機構とを有して成る手段）やｆθレンズなどが具備されている。切削手段４は、「造形物の周囲を削るミーリングヘッド４０」と「ミーリングヘッド４０を切削箇所へと移動させるＸＹ駆動機構４１（４１ａ，４１ｂ）」とを主として有して成る（図４および図５参照）。【００２５】
光造形複合加工機１の動作を図１、図６および図７を参照して詳述する。図６は、光造形複合加工機の一般的な動作フローを示している。図７は、光造形複合加工プロセスを模式的に簡易に示している。【００２６】
光造形複合加工機の動作は、粉末層２２を形成する粉末層形成ステップ（Ｓ１）と、粉末層２２に光ビームＬを照射して固化層２４を形成する固化層形成ステップ（Ｓ２）と、造形物の表面を切削する切削ステップ（Ｓ３）とから主に構成されている。粉末層形成ステップ（Ｓ１）では、最初に造形テーブル２０をΔｔ１下げる（Ｓ１１）。次いで、粉末テーブル２５をΔｔ１上げた後、図１（ａ）に示すように、均し板２３を、矢印Ａ方向に移動させる。これにより、粉末テーブル２５に配されていた粉末（例えば「平均粒径５μｍ〜１００μｍ程度の鉄粉」）を造形プレート２１上へと移送させつつ（Ｓ１２）、所定厚みΔｔ１に均して粉末層２２を形成する（Ｓ１３）。次に、固化層形成ステップ（Ｓ２）に移行し、光ビーム発振器３０から光ビームＬ（例えば炭酸ガスレーザ（５００Ｗ程度）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（５００Ｗ程度）、ファイバレーザ（５００Ｗ程度）または紫外線など）を発し（Ｓ２１）、光ビームＬをガルバノミラー３１によって粉末層２２上の任意の位置にスキャニングする（Ｓ２２）。これにより、粉末を溶融させ、固化させて造形プレート２１と一体化した固化層２４を形成する（Ｓ２３）。光ビームは、空気中を伝達させることに限定されず、光ファイバーなどで伝送させてもよい。【００２７】
固化層２４の厚みがミーリングヘッド４０の工具長さ等から求めた所定厚みになるまで粉末層形成ステップ（Ｓ１）と固化層形成ステップ（Ｓ２）とを繰り返し、固化層２４を積層する（図１（ｂ）参照）。かかる積層過程では、新たに積層される固化層が、焼結又は溶融固化に際して、既に形成された下層を成す固化層と一体化する。【００２８】
積層した固化層２４の厚みが所定の厚みになると、切削ステップ（Ｓ３）へと移行する。図１および図７に示すような態様ではミーリングヘッド４０を駆動させることによって切削ステップの実施を開始している（Ｓ３１）。例えば、ミーリングヘッド４０の工具（ボールエンドミル）が直径１ｍｍ、有効刃長さ３ｍｍである場合、深さ３ｍｍの切削加工ができるので、Δｔ１が０．０５ｍｍであれば、６０層の固化層を形成した時点でミーリングヘッド４０を駆動させる。ＸＹ駆動機構４１（４１ａ，４１ｂ）によってミーリングヘッド４０を矢印Ｘ及び矢印Ｙ方向に移動させ、積層した固化層２４から成る造形物の表面を切削加工する（Ｓ３２）。そして、三次元形状造形物の製造が依然終了していない場合では、粉末層形成ステップ（Ｓ１）へ戻ることになる。以後、Ｓ１乃至Ｓ３を繰り返して更なる固化層２４を積層することによって、三次元形状造形物の製造を行う（図７参照）。【００２９】
固化層形成ステップ（Ｓ２）における光ビームＬの照射経路と、切削ステップ（Ｓ３）における切削加工経路とは、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。この時、等高線加工を適用して加工経路を決定する。例えば、固化層形成ステップ（Ｓ２）では、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（例えばΔｔ１を０．０５ｍｍとした場合では０．０５ｍｍピッチ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。【００３０】
［本発明の製造方法］
本発明の製造方法は、上述した粉末焼結積層法につき、造形プレートに発生し得る応力を考慮したものである。具体的にいえば、図８に示すように、（ａ）造形プレートに熱処理を施して造形プレートに応力を発生させ、（ｂ）応力により反り変形した造形プレートに対して平坦加工を施すことを行う。【００３１】
以下の説明では、粉末として「金属粉末」を用いる態様を例にとって説明する。「金属粉末」を用いる態様とは「粉末層として金属粉末層を用いる態様」に相当する。ちなみに、本発明に用いる金属粉末は、鉄系粉末を主成分とした粉末であって、場合によってニッケル粉末、ニッケル系合金粉末、銅粉末、銅系合金粉末および黒鉛粉末などから成る群から選択される少なくとも１種類を更に含んで成る粉末であってよい。一例を挙げると、平均粒径２０μｍ程度の鉄系粉末の配合量が６０〜９０重量％、ニッケル粉末及びニッケル系合金粉末の両方又はいずれか一方の配合量が５〜３５重量％、銅粉末および／または銅系合金粉末の両方又はいずれか一方の配合量が５〜１５重量％、ならびに、黒鉛粉末の配合量が０．２〜０．８重量％となった金属粉末を挙げることができる。【００３２】
本発明で行う熱処理は、造形プレートに“反り変形”をもたらすものであれば、いずれの熱処理であってもかまわない。換言すれば、造形プレートに“反り応力”が発生するものであれば、いずれの熱処理であってもかまわない。従って、加熱処理の態様としては、造形プレートに対して直接的に加熱を行う態様のみならず、造形プレートに対して間接的に加熱を行う態様が含まれ得る（例えば造形プレート上に配された粉末層および／または固化層に対して加熱を行ってもよい）。【００３３】
また、熱処理としては、例えば粉末焼結積層法で用いる光ビームを照射してよいし、あるいは、それとは異なる光ビームを照射してもよい（ここでいう「光ビーム」は、例えばレーザ光のような指向性エネルギービームである）。つまり、造形プレートの“反り変形”に用いる熱処理源としては、光造形に用いる光ビーム照射源を用いてよいし、それとは異なる光ビーム照射源を用いてもよい。前者の場合には、光造形（即ち、粉末焼結積層法）の装置を利用できるので設備コストの点でメリットがあるだけでなく、同じ装置を用いるために製造プロセス全体がスムーズとなり得る。一方、後者の場合では、複数の造形物を製造する際に並列的な作業を行うことができる点でメリットがある。つまり、後者の場合では、複数の造形物の製造に際して“光造形”と“造形プレートの反り変形（＋平坦化）”とを並列的に実施することができ、複数の造形物を製造する際にその製造時間を全体として短縮できる。【００３４】
光ビーム照射により造形プレートに熱処理を施す場合、照射する光ビームの出力エネルギーなどを調整すると、加熱に起因した“反り変形”を好適に発生させることができる。例えば、光ビームの照射エネルギー密度Ｅは約４〜１５Ｊ／ｍｍ２程度であることが好ましい。（ａ）光ビームの出力エネルギーを調整することの他に、（ｂ）光ビームの走査速度を調整する、（ｃ）光ビームの走査ピッチを調整する、（ｄ）光ビームの集光径を調整することよっても“反り変形”を好適に発生させることができる。上記（ａ）〜（ｄ）は、単独で行ってもよいものの、それらを種々に組み合わせて行ってもよい。尚、エネルギー密度Ｅ＝レーザ出力（Ｗ)/（走査速度（ｍｍ／ｓ）×走査ピッチ（ｍｍ）である（製造条件は、例えば、粉末の積層厚さ：０．０５ｍｍ、レーザの種類：ＣＯ２（炭酸ガス）レーザ、スポット径：０．５ｍｍである）。【００３５】
本発明の製造方法では、造形プレートの熱処理の態様として、光ビーム照射による加熱にのみ限定されず、アーク放電を用いた加熱、ガスバーナーを用いた加熱、あるいは、加熱チャンバー投入による加熱などであってもよい。【００３６】
ここで、本発明の製造方法で用いる造形プレートについて詳述しておく。造形プレートの形状は、造形物に土台なる面（即ち、主面）を供する限り、いずれの形状であってもよい。例えば、造形プレート２１の形状は、図９に示すような直方体形状に限定されず、円板形状または多角柱形状などであってもよい。造形プレートの寸法についていえば、一般的には主面サイズ（即ち、“上面”または“下面”）が造形物底面よりも大きいことが求められる。例えば、造形プレート２１の主面サイズは造形物底面サイズの１１０〜２００％程度であればよい（図９参照）。造形プレート２１の厚み（図９の“Ｔ”）は、主面サイズ・造形プレートの材質・固化層の材質などによって変わり得るものの、例えば１０〜７０ｍｍ程度であってよい。【００３７】
造形プレートの材質は特に制限はない。例えば粉末として金属粉末を用いて固化層が焼結層（鉄系材料から成る焼結層）となる場合、造形プレートの材質は、スチール、超硬合金、高速度工具鋼、合金工具鋼、ステンレス鋼および機械構造用炭素鋼から成る群から選択される少なくとも１種類の材質であることが好ましい。【００３８】
本発明では、熱処理によって反り変形した造形プレートに対して平坦加工を施すことになる。かかる平坦加工処理に際しては切削加工手段や平面研削加工手段を用いてよい。切削加工手段は、表面切削を施せるものであればいずれのものであってよい。例えば、切削加工手段は、汎用の数値制御（ＮＣ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）工作機械またはそれに準ずるものであってよい。特に、切削加工手段は、切削工具（エンドミル）を自動交換可能なマシニングセンタ（ＭＣ）であることが好ましい。エンドミルは、例えば超硬素材の二枚刃ボールエンドミルが主に用いられる。必要に応じて、スクエアエンドミル、ラジアスエンドミルなどを用いてもよい。【００３９】
平坦加工処理は、図１０（ａ）に示すように、反り変形した造形プレートの少なくとも下面に対して施すことになる。尚、“少なくとも下面に施す”態様としては、図１０（ｂ）に示すように、反り変形した造形プレートの下面と上面との双方を平坦加工するものであってよい。更には、図１０（ｃ）に示すように、反り変形した造形プレートの下面と側面との双方を平坦加工するものであってもよい。あるいは、図１０（ｄ）に示すように、反り変形した造形プレートの全ての面（即ち、下面、上面および側面）を平坦加工するものであってもよい。【００４０】
平坦加工では造形プレートの反り面を平らに加工することになるが（即ち、加工により“平面”を形成するが）、特に好ましい態様としては、加工処理された平面の表面粗さＲｚが好ましくは１０μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下となるように造形プレートの反り面を平らに加工する。ここで「表面粗さＲｚ」とは、粗さ曲線（本発明でいうと「造形プレート表面の断面形状プロファイル」）において平均線から“最も高い山頂部までの高さ”と“最も低い谷底部までの深さ”とを足し合わせることによって得られる粗さ尺度を意味している。【００４１】
次に、図１１を参照しながら、本発明の製造方法を経時的に説明する。なお、図面における寸法関係は実際の寸法関係を反映するものではない。【００４２】
まず、図１１（ａ）に示すように、造形物の土台となる造形プレート２１を用意する。次いで、造形プレート２１を適所に配置して熱処理を施す。例えば、照射源として光造形用レーザを用いる場合（即ち、粉末焼結積層法を実施する装置を用いる場合）では、造形テーブル上に造形プレートを設置する。この際、造形プレートの反り変形を阻害しないように造形テーブルに造形プレートをボルトなどによって緩く取り付けておく（尚、造形プレートを造形テーブルにボルトで強く固定してもよいが、その場合には、熱処理後にボルトを緩めて造形プレートを反らす操作が必要となる）。次いで、適所に配置された造形プレートに対して熱処理を施し、それによって、造形プレートに反り変形を発生させる。例えば、図１１（ｂ）に示すように、造形プレート２１の上面にレーザを照射することによって造形プレートに熱応力を発生させ、それによって、造形プレートを反らす。引き続いて、反り変形した造形プレート２１に対して平坦加工を施す。例えば、図１１（ｃ）に示すように、反り変形した造形プレート２１の下面部を研削加工によって平らに加工する。下面が平坦化した造形プレートが得られた後は、それを造形テーブル２０に固定し（例えば、造形プレートを造形テーブルに対してボルトで確実に固定し）、粉末焼結積層法を実施する（図１１（ｄ）参照）。これにより、反り変形した後の過程（即ち、光造形時）において、新たな応力が造形プレートに必要以上に蓄積することがないので、造形プレートの反り、ひいては、得られる三次元形状造形物の反りが防止されることになる。【００４３】
最終的に得られる三次元形状造形物は造形プレートと一体化して得られる。そのようにして得られる一体化物は例えば金型として用いることができる。かかる場合、平坦加工した部分を“後加工基準”として用いることができる。ここでいう「後加工基準」とは、“後に加工する際の目安”のことを意味している。より具体的にいえば、一体化した三次元形状造形物および造形プレートは用途に応じて後刻にて更に加工しなければならない場合があるが、その加工のための目安が「後加工基準」である。【００４４】
『造形プレートに熱処理を施して造形プレートに反りを発生させ、反った造形プレートの少なくとも下面に対して平坦加工処理を施す』といった態様については、その他に種々の態様が考えられる。以下それについて説明する。【００４５】
（造形プレート全面への入熱）
“反り変形”をより十分に発生させる点でいえば、造形プレートの上面および／または下面を全体的に加熱することが好ましい。例えば光ビーム照射によって造形プレートを加熱する場合では、図１２に示すように光ビームを走査することによって、造形プレートの上面および／または下面を全体的に加熱することができる。【００４６】
尚、光造形時においては“造形プレートと造形物との界面領域”に応力が発生して残留する傾向があるので（詳細は図１４を用いて後述する）、その点に鑑みれば、造形物が接する「造形プレートの上面」に対して熱処理を施すことが好ましい。【００４７】
（粉末層および／または固化層に対する熱処理）
本発明で行う熱処理は、三次元形状造形物の製造に際して行ってもよい。具体的には、『造形プレート上に配した１層以上の粉末層および／または固化層』に対して熱処理を施してよい。例えば、図１３に示すように、造形プレート上に敷かれた１層目の粉末層に対して光ビームを照射してよく、それによって、固化層形成に際して造形プレートに反り応力（即ち、反り変形）を発生させることができる。ちなみに、２層目についていえば、第１層目の固化層の上に敷かれた粉末層に対して光ビームを照射すればよい。これにより、第２層固化層の形成に際して造形プレートの反り応力が更に生じることになり得る（それ以降の層に対する熱処理はこの“第２層目”の場合と同様である）。【００４８】
“粉末層および／または固化層に対する熱処理”について詳述する。プレートに蓄積され得る残留応力というものは、造形プレートと固化層（焼結層）との界面および最上面（最後に溶融固化された層付近）に集中し、中間部分には応力がほとんど残留しない傾向がある（図１４参照）。特定の理論に拘束されるわけではないが、中間部分のＮ層目を溶融固化（焼結）する際には収縮応力が発生して残留するが、Ｎ＋１層目，Ｎ＋２層目・・・と溶融固化（焼結）が繰り返されるときにＮ層目が熱影響を受けて応力緩和することが要因として考えられる。【００４９】
この図１４の結果で特に注目すべきことは、『造形物とプレートとの境界部ではプレートの熱影響が開放されず、応力が大きく残留する』ことである。かかる事項は、図１４のグラフのＡ部分の残留応力値が大きくなっていることより把握できる。この結果を本発明の製造方法に好適に適用すれば、残留応力が低減するポイントａ付近まで造形し、ａポイントに相当する高さ以上に積層造形した後に、造形プレートを平坦加工すればよい。こうすれば、それ以降の光造形過程にて応力が造形プレートに蓄積されにくくなり、最終的に得られる造形物の反り（より具体的には「造形プレートと一体化した造形物の反り」）を効果的に防止できる。つまり、「界面部分（＝造形物と造形プレートとの境界部）に応力を付与して反らせ、かかる反り部分を平坦加工したもの」を造形プレートとして用いれば、積層造形時の反り変形を効果的に防止することができる。ちなみに、本願発明者らが鋭意検討のすえに得た図１５の結果（積層数と反りとの相関関係）を参照すると、固化層を約５０層〜約１００層形成すると、その後の反り量が変化しないことが分かる。従って、固化層を約５０層〜約１００層形成すると、それ以降の光造形過程においては造形プレートに応力が蓄積されにくくなり、最終的に得られる造形物の反りを効果的に防止できるといえる。
● 図１５のグラフについて
ちなみに、図１５は以下の条件の下で得られるものである：
・使用粉末：平均粒径５０μmの鉄系混合粉末
・層厚さ：０．０５ｍｍ程度
・光ビームの照射エネルギー密度Ｅ：５Ｊ／ｍｍ２〜１５Ｊ／ｍｍ２程度  
・造形プレート材質：炭素鋼（S５０C）
・造形プレート寸法：Ｗ１２５ｍｍ×Ｌ１２５ｍｍ×Ｔ８mｍ
【００５０】
（造形物に応じた熱処理）
造形プレートに対する熱処理は、製造される三次元形状造形物に応じて適宜変更して実施してもよい。具体的には、例えば以下のパラメータの少なくとも１つに応じて造形プレートの入熱領域または入熱量などを決定してよい：
・製造される三次元形状造形物の重量
・製造される三次元形状造形物の体積
・製造される三次元形状造形物の配置箇所
・製造される三次元形状造形物と造形プレートとの接触面の形状
・製造される三次元形状造形物と造形プレートとの接触面の面積
【００５１】
ここでいう「入熱領域」とは、三次元形状造形物の製造に先立って造形プレートを加熱処理する場合では「造形プレートの加熱領域」に相当する一方、三次元形状造形物の製造に際して造形プレートを加熱処理する場合では「造形プレート上に配された１層以上の粉末層および／または固化層の加熱領域」に相当する。“造形物に応じた熱処理”を例示すると、例えば図１６に示すような造形物底面を有する場合では、かかる造形物底面に相当する領域のみを加熱処理する。【００５２】
［本発明の三次元形状造形物］
最後に、上述の製造方法で得られる本発明の三次元形状造形物について説明しておく。本発明の三次元形状造形物は、その底面に造形プレートが接合している。特に、本発明の三次元形状造形物は、上述の製造方法に起因して得られるものであるために、造形プレートの下面が平坦加工面を成している。好ましくは、かかる平坦加工面の表面粗さＲｚが好ましくは１０μｍ以下（即ち、Ｒｚ＝０〜１０μｍ）、より好ましくは５μｍ以下（即ち、Ｒｚ＝０〜５μｍ）となっている。その他、三次元形状造形物については、上述の［本発明の製造方法］で触れているので、重複を避けるために説明を省略する。【００５３】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の適用範囲のうちの典型例を例示したに過ぎない。従って、本発明はこれに限定されず、種々の改変がなされ得ることを当業者は容易に理解されよう。ちなみに、本発明の技術的思想と本質的に異なるものであるが、特開２００７−２７０２２７号公報について付言しておく。特開２００７−２７０２２７号公報には「光造形物の製造方法」が開示されている。開示されている製造方法では、形成した焼結層を加熱することによって残留応力を除去している。特に加熱焼鈍により残留応力を除去しており、『応力が残留した造形プレートを積極的に用いる』といった本発明の思想については開示も示唆もされていない点に留意されたい。【００５４】
尚、上述のような本発明は、次の態様を包含している：
第１の態様：（ｉ）造形プレート上に設けた粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記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、および
（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記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工程
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
三次元形状造形物の製造に先立って又はその製造に際しては、（ａ）前記造形プレートに熱処理を施して前記造形プレートに反りを発生させ、（ｂ）反った前記造形プレートの少なくとも下面を平坦加工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の態様：上記第１の態様において、前記（ａ）において、前記造形プレートの上面に対して熱処理を施すことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第３の態様：上記第２の態様において、前記上面が全体的に加熱されるように熱処理を施すことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第４の態様：上記第１の態様において、前記（ａ）において、造形プレート上に配された１層以上の粉末層および／または固化層に対して熱処理を施して前記造形プレートに反りを発生させることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第５の態様：上記第１〜第４の態様のいずれかにおいて、製造される三次元形状造形物に応じて「前記造形プレートの加熱領域」または「前記造形プレート上に配された１層以上の粉末層および／もしくは固化層の加熱領域」を決定し、
前記（ａ）では前記加熱領域に対して熱処理を施すことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第６の態様：上記第５の態様において、前記造形プレート上に５０〜１００層の固化層が形成された後に、前記（ｂ）の平坦加工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７の態様：上記第１〜第６の態様のいずれかにおいて、前記（ａ）の熱処理に用いる熱源として、前記工程（ｉ）および前記工程（ｉｉ）の光ビーム照射源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８の態様：上記第１〜第７の態様のいずれかの製造方法で得られる三次元形状造形物であって、
三次元形状造形物の底面に造形プレートが接合しており、前記造形プレートの下面が平坦加工面を成していることを特徴とする三次元形状造形物。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の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。また、『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して用いることができる。
【関連出願の相互参照】
【００５６】
本出願は、日本国特許出願第２０１０−３２６８４号（出願日：２０１０年２月１７日、発明の名称：「三次元形状造形物の製造方法および三次元形状造形物」）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。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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