(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）造形プレート上に形成した粉末層の所定箇所に光ビームを照射して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、
粉末層の形成は、造形テーブルとスキージング・ブレードとの間隔を相対的に広げた後、スキージング・ブレードを造形テーブル上にてスライド移動させることにより行っており、各粉末層の厚さを一定にするために、前記造形テーブル下降変位幅又は前記スキージング・ブレードの上昇変位幅を変え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】
粉末層形成のために供される粉末量につき、第１層目のための粉末供給量が第２層目以降の各粉末層のための粉末供給量よりも多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。
【請求項３】
前記第２層目以降の各粉末層形成のための前記造形テーブル下降変位幅又は前記スキージング・ブレードの上昇変位幅は、第１層目で固化された固化層の高さ分に相当することを特徴とする、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】
（ｉ）造形プレート上に形成した粉末層の所定箇所に光ビームを照射して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、
粉末層の形成は、造形テーブルを下降変位させた後又はスキージング・ブレードを上昇変位させた後、スキージング・ブレードを造形テーブル上にてスライド移動させることにより行っており、
前記粉末層の厚みを相互に一定にするために、「第２層目以降の各粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」を「第１層目の粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」とは異なるように変更する、あるいは、「第２層目以降の各粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」を「第１層目の粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」とは異なるように変更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５】
「第２層目以降の各粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」を「第１層目の粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」よりも小さくする、あるいは、「第２層目以降の各粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」を「第１層目の粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」よりも小さく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６】
「第２層目以降の各粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」と「第１層目の粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」との差、あるいは、「第２層目以降の各粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」と「第１層目の粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」との差は、三次元形状造形物製造に際して形成される粉末層のかさ密度に基づいて導出されることを特徴とする、請求項４または５に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項７】
前記導出に際しては、粉末層のかさ密度と共に、粉末層の層厚さおよび該粉末層から得られる固化層の層厚さ（光ビームの照射により得られるメルティング層の厚さ）が用いられ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。
【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。
【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）。
【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】
本願発明者らは、粉末焼結積層法の複数の粉末層のうち、ある層と別の層とでは同一条件で光ビーム照射を行っているにも拘わらず焼結密度に差が生じるといった現象を見出した（特に、一定の層厚みとなるように制御しているにも拘わらず、そのような現象が見られた）。そして、鋭意検討した結果、図１０に示すように、粉末材料のかさ密度や材料の濡れ性，溶融時の表面張力などと固化層形成時の沈み込み量との間には相関関係があることを本願発明者らは見出した。
【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、固化層形成時の沈み込みに好適に対処した「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）造形プレート上に形成した粉末層の所定箇所に光ビームを照射して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
を繰り返して行い、
粉末層の形成は、造形テーブルとスキージング・ブレードとの間隔を相対的に広げた後、スキージング・ブレードを造形テーブル上にてスライド移動させることにより行っており、各粉末層の厚さを一定にするために、造形テーブル下降変位幅又は前記スキージング・ブレードの上昇変位幅を変え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。
【０００８】
ある好適な態様では、粉末層形成のために供される粉末量につき、「第１層目のための粉末供給量」を「第２層目以降の各粉末層のための粉末供給量」よりも多くする。
【０００９】
ある好適な態様では、第２層目以降の各粉末層形成のための造形テーブル下降変位幅又はスキージング・ブレードの上昇変位幅は、第１層目で固化された固化層の高さ分に相当する。
【００１０】
このような本発明の実現する１つの手法としては、造形テーブルの下降程度またはスキージング・ブレードの上昇程度を調整することが考えられる。つまり、造形テーブルを下降変位させた後またはスキージング・ブレードを上昇変位させた後にスキージング・ブレードを造形テーブル上にてスライド移動させて粉末層を形成する場合を想定してみると、かかる造形テーブルの下降変位幅またはスキージング・ブレードの上昇変位幅を調整して各粉末層の厚みを相互に一定にすることが好ましい。
【００１１】
ある好適な態様では、粉末層の厚みを相互に一定にするために、「第２層目以降の各粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」を「第１層目の粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」とは異なるように変更する。あるいは、「第２層目以降の各粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」を「第１層目の粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」とは異なるように変更する。
【００１２】
好ましくは、「第２層目以降の各粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」を「第１層目の粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」よりも小さくする。あるいは、「第２層目以降の各粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」を「第１層目の粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」よりも小さくする
【００１３】
ここで、「第２層目以降の各粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」と「第１層目の粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」との差、あるいは、「第２層目以降の各粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」と「第１層目の粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」との差は、三次元形状造形物製造に際して形成される粉末層のかさ密度に主に基づいて導出することができる。好ましくは、かかる導出に際しては、粉末層のかさ密度と共に、粉末層の層厚さおよびその粉末層から得られる固化層の層厚さ（即ち、光ビームの照射によって得られるメルティング層の厚さ）などが用いられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の製造方法では、「第２層目以降の各粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」を「第１層目の粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」よりも小さくすることを通じて、あるいは、「第２層目以降の各粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」を「第１層目の粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」よりも小さくすることを通じて、粉末層厚みを各層ごとに一定にすることができる。より具体的には、図１０に示すように材料のかさ密度と沈み量との間には相関があるので、材料のかさ密度から沈み込み量を算出し、それに基づいて、「第２層目以降の各粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」または「第２層目以降の各粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」を決定することができる。つまり、上記相関から決定された下降変位幅または上昇変位幅に基づいて、所望の一定厚みとなる粉末量を追加供給できる。
【００１５】
本願発明に従って“真に一定の厚み”を各粉末層において実現できると、「同一条件の光ビーム照射にもかかわらず焼結密度に差が生じる」といった不都合を回避することができ、結果的に、品質の点で望ましい三次元形状造形物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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】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２（ａ）：切削機構を備えた複合装置、図２（ｂ）：切削機構を備えていない装置）。
【図３】粉末焼結積層法が実施される光造形複合加工機の構成を模式的に示した斜視図
【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】光造形複合加工機の動作のフローチャート
【図６】光造形複合加工プロセスを経時的に表した模式図
【図７】従来の粉末層形成態様および本発明の粉末層形成態様を示した模式図
【図８】本発明の粉末層形成態様を示した模式図および本発明で得られる粉末厚みを示したグラフ図
【図９】“粉末供給厚み”を説明するための図
【図１０】従来の粉末層形成態様を示した模式図、および本発明で見出した「粉末材料のかさ密度と固化層形成時の沈み込み量との相関関係」を示したグラフ図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
【００１８】
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。更に「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。
【００１９】
［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、スキージング・ブレード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２（ｂ）ではなく図２（ａ）に表す態様を前提とする。尚、本発明では、複合加工するための切削機構が光造形複合加工機に必ずしも備わっている必要はない点付言しておく）。１，３および４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を形成するためのスキージング・ブレード２３」とを主として有して成る。光ビーム照射手段３は、図３および図４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３および図４参照）。
【００２０】
光造形複合加工機１の動作を図１、図５および図６を参照して詳述する。図５は、光造形複合加工機の一般的な動作フローを示しており、図６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。
【００２１】
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、スキージング・ブレード２３を、矢印Ａ方向に移動させ、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」または「平均粒径３０μｍ〜１００μｍ程度のナイロン、ポリプロピレン、ＡＢＳ等の粉末」）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し（Ｓ２２）、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。
【００２２】
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）。尚、新たに積層される固化層は、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ことになる。
【００２３】
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６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６参照）。
【００２４】
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。
【００２５】
尚、上記説明では、造形テーブルを下降変位させた後、スキージング・ブレードを造形テーブル上にスライド移動させることによって粉末層形成を行う態様を前提に説明してきたが、造形テーブルとスキージング・ブレードとの相対的変位関係は逆でもよい。つまり、テーブルが固定され，スキージング・ブレードの位置が上昇する態様であっても粉末層形成を行うことができる（特開２００９−００７６６９号参照）。
【００２６】
［本発明の製造方法］
本発明は、上述した粉末焼結積層法のなかでも、粉末層の形成態様に特徴を有している。具体的には、図７〜図９に示すように、各粉末層の厚みを相互に一定にすべく粉末供給厚みを変える（“粉末供給厚み”については図９を参照のこと）。これは、粉末層に空隙が存在しているところ、光ビーム照射のメルティングによる固化層形成に際しては厚みが減じられるといった現象（沈み込み現象）に鑑みている。特に、本発明においては、主に“粉末層のかさ密度”と“沈み込み量”との間に相関があることを見出しており、かかる相関関係に着目している。
【００２７】
“沈み込み”を考慮せずに、一定ピッチでテーブルを下降変位またはブレードを上昇変位させる制御を考えてみると（従来技術）、沈み込みに起因して、後刻の粉末層が想定厚みよりも大きくなってしまう。そこで、本発明では、そのような沈み込み現象に対して好適に対処すべく、造形テーブルの下降変位幅またはスキージング・ブレードの上昇変位幅を調整して各粉末層の厚みを相互に一定にする。
【００２８】
特に、本発明においては、「第２層目以降の各粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」を「第１層目の粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」とは異なるように変更する。あるいは、「第２層目以降の各粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」を「第１層目の粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」とは異なるように変更する。「第２層目以降の各粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」と「第１層目の粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」との差、あるいは、「第２層目以降の各粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」と「第１層目の粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」との差は、三次元形状造形物製造に際して形成される粉末層のかさ密度から主に導出することができる（図１０参照）。好ましくは、かかる導出に際しては、粉末層のかさ密度と共に、粉末層の層厚さおよびそれから得られる固化層の層厚さ（即ち、光ビームの照射によって得られるメルティング層の厚さ）などが用いられる。
【００２９】
好ましくは、図７および図８に示すように、「第２層目以降の各粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」を「第１層目の粉末層を形成するための造形テーブルの下降変位幅」よりも小さくする。あるいは、「第２層目以降の各粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」を「第１層目の粉末層を形成するためのスキージング・ブレードの上昇変位幅」よりも小さくする。換言すれば、粉末層形成のために供される粉末量につき、「第２層目以降の各粉末層のための粉末供給量」を「第１層目のための粉末供給量」よりも少なくする。逆に捉えると、「第１層目のための粉末供給量」が「第２層目以降の各粉末層のための粉末供給量」よりも多いことを意味している（図７および図８参照）。
【００３０】
尚、図９に示すような“粉末供給厚み”で考えてみると、第２層目以降の各粉末層の粉末供給厚みは、第１層目で固化された高さ分に相当する厚みとすることが好ましい（図１０も併せて参照のこと）。
【００３１】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、あくまでも典型例を例示したにすぎない。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。
【００３２】
例えば、第１層目の固化層形成は、造形プレートとの密着性を向上させるためのプロセスとして行ってもよく、かかる場合、薄い膜の形成も考えられる。
【符号の説明】
【００３３】
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
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
【図１】
0005588925.tif 000002
【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９】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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