(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機質あるいは有機質の粉末材料に光ビームを照射して硬化層を形成し、この硬化層を積み重ねて所望の三次元形状造形物を製造する方法において、
前記三次元形状造形物が、樹脂成形用金型の型部であり、
前記三次元形状造形物の製造プロセス中に、硬化させていない一部の粉末材料を除去し、
その除去した部分に、別工程で製造され、直方体箱状のブロック本体と、ブロック本体の左右側面から外方に突出して延びる腕部とを有し、一方の腕部の先端からブロック本体を経て他方の腕部の先端までを貫通する中空部を有する温度制御ブロックを含む埋設用部材を埋設し、
その後さらに前記粉末材料に光ビームを照射して硬化層を積み重ねて、
前記三次元形状造形物からなる型部に前記温度制御ブロックを含む埋設用部材が埋設された樹脂成形用金型を得る
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】
前記請求項１の方法において、
前記埋設用部材を、前記温度制御ブロックを含めて複数個埋設し、
前記複数個の埋設用部材が、異種材料からなる埋設用部材の組み合わせであり、
前記異種材料が、熱伝導率が異なる材料である
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】
前記請求項１または２の方法において、
前記温度制御ブロックである埋設用部材の内部に温度制御装置が組み込まれる
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】
前記請求項１〜３の何れかの方法において、
前記温度制御ブロックである埋設用部材の一部につば形状を有する
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】
前記請求項１〜４の何れかの方法において、
前記温度制御ブロックである埋設用部材が、銅からなる
ことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
【請求項６】
前記請求項１〜５の何れかの方法で製造され、
前記三次元形状造形物からなる型部と、
直方体箱状のブロック本体と、ブロック本体の左右側面から外方に突出して延びる腕部とを有し、一方の腕部の先端からブロック本体を経て他方の腕部の先端までを貫通する中空部を有し、前記型部に埋設された温度制御ブロックと
を備える樹脂成形用金型である金型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元形状造形物の製造方法および金型に関し、詳しくは、光ビームを利用して無機質または有機質の粉末を層状に連続的に硬化させて製造する三次元形状造形物の製造方法と、この製造方法の用途である金型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属などの無機質粉末あるいは樹脂などの有機質粉末を堆積させ、そこにレーザや指向性エネルギービームなどの光ビームを照射して硬化させ、このような操作を繰り返すことで硬化物を積層させて三次元形状造形物を製造する方法が知られている。光ビームが照射された部分は硬化して一体化し、光ビームが照射されない部分は粉末のままで残るので、最終的に堆積した粉末材料の中から硬化物を取り出し、硬化していない粉末を除去してしまえば、目的とする三次元形状造形物が得られる。
【０００３】
製造工程や製造装置などの具体的技術が、特許第２６２０３５３号公報に開示されている。
上記方法は、通常の鋳造や機械加工では製造できないような複雑で精密な形状の部品を効率的に製造できるという利点がある。また、部品のＣＡＤ設計データなどの電子情報をもとにして光ビームの走査を電子的に制御するだけで、任意の形状を有する部品が直ちに製造できる。従来の粉末焼結技術のように、予め粉末を成形しておく手間や設備も必要ない。このような利点を生かす用途して、大量生産の前の試作品の製造、少数製造の精密部品の生産、金型の生産などが考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術では、前記したように複雑で精密な形状の部品を製造することができるのであるが、内部に閉塞された空間を有する中空部品は製造し難い。
光ビームの走査によって、積層された硬化層の内部に粉末を硬化しない領域を残すことはできるが、未硬化領域の外周が硬化物で囲まれていれば、未硬化領域に残った粉末材料を外部に取り出すことができないので、中空部品を得ることはできない。
【０００５】
各種の機構部品あるいは構造部品を中空にすることは、部品の軽量化にとって極めて有効であるとともに、中空部分が物理的あるいは化学的、電気的な機能を果たすことも可能であるため、中空部品の製造技術を開発することが要望される。
また、前記従来技術では、部品の場所によって、材質や特性を変えることが難しいという問題もある。一つの部品を製造している間は、同じ粉末材料を繰り返し堆積させていくので、部品の全体が同じ材質や特性のものとなる。部品の使用目的や用途によって、部品の一部だけに機械的強度や導電性、熱伝導性などの特性の異なる部分を設けることが必要になる場合があり、このような要求に対応することが望まれる。
【０００６】
さらに、前記方法で粉末材料を硬化させただけの部品は、粉末同士の微細な隙間に由来する空孔が残って、鋳造部品における巣のような構造になっているために、機能的に支障が生じることがある。例えば、液体や気体と接触する個所に前記のような空孔を有する部品を用いると液体や気体が部品内に浸入したり通過したりしてしまう。部品の内部に冷却水の通路を設けると、冷却水が空孔から漏れだしてしまう。その他、気密性や水密性を要求される用途に使用し難くなる。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、前記した粉末の光レーザ硬化層を積層して三次元形状を製造する方法において、従来技術が有する問題点を解消し、中空部品を製造したり、場所によって材質あるいは特性が異なる部品を製造したり、気密性、水密性の高い部品を製造したりできるようにすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる三次元形状造形物の製造方法は、無機質あるいは有機質の粉末材料に光ビームを照射して硬化層を形成し、この硬化層を積み重ねて所望の三次元形状造形物を製造する方法において、部品製造プロセス中に、硬化させていない一部の粉末材料を除去し、その除去した部分に、別工程で製造した埋設用部材を埋設し、その後さらに前記粉末材料に光ビームを照射して硬化層を積み重ねる。
上記方法において、前記三次元形状造形物が、樹脂成形用金型の型部であり、前記埋設用部材が、直方体箱状のブロック本体と、ブロック本体の左右側面から外方に突出して延びる腕部とを有し、一方の腕部の先端からブロック本体を経て他方の腕部の先端までを貫通する中空部を有する温度制御ブロックを含み、前記三次元形状造形物からなる型部に前記温度制御ブロックを含む埋設用部材が埋設された樹脂成形用金型を得ることを特徴とする。
【０００９】
上記方法において、埋設用部材を複数個埋設することができる。
前記埋設用部材が、粉末材料に光ビームを照射して硬化層を形成し、この硬化層を積み重ねて所望の三次元形状造形物を製造する方法によって製造されたものであることができる。
前記複数個の埋設用部材が、異種材料からなる埋設用部材の組み合わせであることができる。
【００１０】
前記異種材料が、熱伝導率が異なる材料であることができる。
前記埋設用部材が、中実品であることができる。
前記埋設用部材が、中空品であることができる。
前記埋設用部材が、凹形状部材とその凹部を閉塞させる部材であることができる。
【００１１】
前記凹形状部材と前記その凹部を閉塞させる部材とを、製造プロセス中に粉末材料を硬化させる光ビームによって接合することができる。
前記硬化させていない部分の一部の粉末材料を除去し、その除去した部分を閉塞させる埋設用部材を前記粉末除去部の上面に配置することができる。
前記埋設用部材が、三次元形状造形物を貫通する部材であることができる。
【００１２】
前記埋設用部材の内部に温度制御装置が組み込まれることができる。
前記埋設用部材の一部につば形状を有することができる。
前記埋設用部材が、ハニカム構造部材であることができる。
前記埋設用部材と、前記光ビームを照射して形成された硬化物とを接合し、その後さらに前記硬化層を積み重ねて形成することができる。
【００１３】
前記埋設用部材と、前記硬化物とを半田により接合し、その後さらに前記硬化層を積み重ねて形成することができる。
前記埋設用部材の上面が、前記硬化させる粉末材料と同材質の部材であることができる。
前記埋設用部材が、前記硬化させる粉末材料と同材質の部材であることができる。
【００１４】
前記埋設用部材が、銅からなることができる。
前記何れかの方法で金型を製造することができる。
〔作  用〕
本発明の方法において、別工程で製造した埋設用部材として中空品を用いれば、最終的に得られる三次元形状造形物の内部に、粉末材料が存在しない中空部分が形成される。この方法で中空部品を製造すれば、中実部品に比べて使用する粉末材料を削減することができる。造形に要する時間が短縮される。三次元形状造形物の軽量化が図れる。埋設用部材に、三次元形状造形物とは異なる機能や特性を持たせることができる。埋設用部材が機械的強度の高い部品であれば、三次元形状造形物の強度向上を図れたり、反り変形を防止したりすることができる。埋設用部材に冷却水を通して温度調節機能を持たせることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
〔基本的製造工程〕
図１（Ａ）  〜（Ｄ）  に、基本的な製造工程を示している。
図１（Ａ）  に示すように、成形ベース１０の上に、粉体２０を段階的に層状に堆積させるとともに、各堆積層にレーザ光３０を照射して、必要な個所だけを硬化させる。硬化層２２は、２２ａ〜ｅへと上方に積み重ねられていく。上層の硬化層２２で粉体２０が硬化する際に下層の硬化層２２と一体接合される。
【００１６】
図中、各硬化層２２の両側方には未硬化の粉体２０が残っている。硬化層２２ｄ、ｅを硬化させる際には、硬化層２２の途中に部分的に未硬化の粉体２０を残しており、この部分は非硬化部２４、２６となる。
図１（Ｂ）  に示すように、非硬化部２６から粉体２０を取り除く。非硬化部２４の粉体２０は残したままにする。非硬化部２６は空隙すなわち凹部２６となる。
【００１７】
図１（Ｃ）  に示すように、凹部２６に埋設部材４０を埋め込む。埋設部材４０は、予め別工程で製造されたものであり、断面角形をなし、中央に閉塞空間４２が形成されている。埋設部材４０は凹部２６にぴったりと嵌まり込み、埋設部材４０と硬化層２２の最上面とはほぼ同一面になる。
図１（Ｄ）  に示すように、埋設部材４０を配置したままで、再び粉体２０の堆積とレーザ光３０の照射による硬化を繰り返す。図では、硬化層２２ｆ、２２ｇが積み重ねられている。硬化層２２ｆ、２２ｇにも新たな非硬化部２４が形成され、この部分の粉体２０は外部と取り出される。硬化層２２ａ〜ｇの両側に残った非硬化の粉体２０も最終的に除去される。
【００１８】
その結果、硬化層２２ａ〜ｇが一体接合され、内部に埋設部材４０が埋め込まれた三次元形状造形物Ｍが得られる。三次元形状造形物Ｍの内部には埋設部材４０に備えていた閉塞空間４２が配置された状態になる。
上記実施形態において、粉末２０としては、平均粒径約２０μｍの球形をなす鉄粉を用いることができる。レーザ光３０として、ＹＡＧレーザが使用できる。１層の硬化層２２を形成するために粉末２０を堆積させる厚みは、０．１ｍｍに設定できる。非硬化部２４、２６から粉体２０を除去するには、吸引による方法が採用できる。埋設部材４０としては、鉄製で直方体形の中空体部品が用いられる。この埋設部材４０を製造するには、箱部材と蓋部材とを熔接やロウ付けで接合したり嵌合したりすることができる。
【００１９】
上記実施形態によれば、得られた三次元形状造形物Ｍの内部に埋設部材４０を配置している分だけ、粉末２０の使用量を削減できる。造形時間も短縮される。埋設部材４０で補強されることになるので、部品の強度向上が図れ、部品の反り変形も防止できる。閉塞空間４２を有する分だけ、部品の軽量化が図れる。
〔外殻硬化部と複数個の埋設部材〕
図２に示す実施形態は、複数個の埋設部材を組み合わせて用いる。
【００２０】
図２（Ｅ）  に示すような２個の埋設部材４４、４６が一体となって埋め込まれた三次元形状造形物Ｍを製造する。
図２（Ａ）  に示すように、成形ベース１０の上で、前記同様の粉体２０の堆積とレーザ光３０の照射を繰り返して、周壁状に配置された外殻硬化部２８を形成する。外殻硬化部２８の内周形状を埋設部材４４の外形状に合わせている。
【００２１】
図２（Ｂ）  に示すように、外殻硬化部２８の内側に残る未硬化の粉体２０を取り出し、出来た空間に埋設部材４４を埋め込む。
図２（Ｃ）  に示すように、外殻硬化部２８の内側にぴったりと埋設部材４４が収容される。
図２（Ｄ）  に示すように、埋設部材４４および外殻硬化部２８の上方でさらに、粉体２０の堆積およびレーザ光３０の照射を繰り返す。外殻硬化部２８は階段状に狭くなって上方に延びている。このように、開口部分の断面積が狭くなると、埋設部材４４の埋め込みが困難になるので、このような断面積の変化が生じる手間の段階で埋設部材４４の埋め込みを行っておく。
【００２２】
埋設部材４４の上方で外殻硬化部２８の内側に残った未硬化の粉体２０を取り出して、もう一つの埋設部材４６を埋め込む。
図２（Ｅ）  に示すように、埋設部材４６の上にも粉体２０を堆積させてレーザ光３０による硬化を繰り返す。外殻硬化部２８は、埋設部材４６の上面を塞ぐように形成される。
【００２３】
その結果、二つの埋設部材４４、４６が一体的に積み重ねられ、その外周が外殻硬化部２８で覆われた三次元形状造形物Ｍが得られる。埋設部材４４、４６は外殻硬化部２８と一体的に接合されている。
埋設部材４４、４６は、通常の鋳造や成形、機械加工などの手段で作製しておけばよい。埋設部材４４、４６の外形や分割構造、外殻硬化部２８の形成パターンなどは、目的とする三次元形状造形物ＭのＣＡＤデータをもとにして設計することができる。
【００２４】
一般に、三次元形状造形物Ｍを作製する場合、形成する部品の体積が大きくなると、レーザ光３０を照射時間が長くかかる。照射断面積が大きくなると、加えられる熱エネルギーと材料同士の結合作用に伴って発生する熱応力によって、部品に変形等の悪影響を及ぼすことがある。また、体積が大きい部品Ｍを作製すると、部品全体がポーラス（多孔質）な状態であるため、緻密な状態の部品に比べて強度的には劣るものとなる。
【００２５】
このような問題を、前記実施形態では解消することができる。
すなわち、ブロック状の埋設部材４４、４６が埋め込まれているので、粉末２０を熱エネルギーによって接合する領域が少なく済む。その結果、部品の作製時間が短くなる。
部品内部において、熱エネルギーを加えて接合する断面領域が小さくなるので、熱応力や熱変形によって生じる部品の反り変形などが低減される。
【００２６】
強固なブロック状の埋設部材４４、４６が埋め込んでおくことにより、全体が粉体２０の硬化で形成された部品に比べて、外部圧力等に対する耐久性あるいは強度が向上する。
ブロック状の埋設部材４４、４６が軽量な材質であれば、部品Ｍ全体の軽量化を図れる。埋設部材４４、４６に中空部品を使用した場合にも、軽量化が図れる。
〔断面の分割構成〕
図３、図４に示す実施形態は、断面が市松模様状に分割された埋設部材１４０を用いる。
【００２７】
図３に示すように、粉体の堆積とレーザ光の照射による硬化を繰り返して行う製造方法でブロック部品１２０を作製する。ブロック部品１２０は、水平断面で外周壁部分を除く全面に多数の正方形パターンが交互に食い違って配列されており、いわゆる市松模様を構成している。個々の正方形パターンが、ブロック部品１２０を上下に貫通する孔１２２で互いに分割あるいは隔離されていることになる。なお、ブロック部品１２０の製造過程では、孔１２２には未硬化の粉体が残っているが、製造後に孔１２２から粉体を除去しておく。
【００２８】
ブロック部品１２０とは別に、予め通常の成形や鋳造などの手段で製造された埋設部材１４０を準備しておく。埋設部材１４０は、断面形状が、ブロック部品１２０の断面形状の裏返しになった市松模様状をなしており、熱膨張が少なく強固な材料で作製されている。
前記ブロック部品１２０に埋設部材１４０を埋め込むと、全体が直方体状をなす中実構造の複合部材が構成される。
【００２９】
図４に示すように、埋設部材１４０が嵌め込まれたブロック部品１２０の上に、さらに粉体２０の堆積およびレーザ光３０の照射による硬化を繰り返せば、所望の形状を有する三次元形状造形物Ｍが得られる。三次元形状造形物Ｍの内部でブロック部品１２０および埋設部材１４０は一体的に接合される。
上記の実施形態では、全体の面積が大きな三次元形状造形物Ｍであっても、熱エネルギーの供給や粉体の結合に伴う三次元形状造形物Ｍの熱変形を少なくでき、反り変形の発生を防止することができる。
【００３０】
これは、三次元形状造形物Ｍは、断面積が大きな個所ほど、加えられる熱エネルギーの全体量が大きくなり、粉体２０同士が接合する際に生じる膨張や収縮も大きくなり、熱変形あるいは反り変形が大きくなる。
前記実施形態では、ブロック部品１２０の断面積が、比較的に小さな多数の正方形パターンに分割されているので、個々の正方形パターンで発生する熱変形量は小さなものとなる。
【００３１】
なお、ブロック部品１２０の断面形状は、分割された個々の領域が比較的に小さくなっていて、前記した熱変形を低減することができれば、図示した正方形状の市松模様のほか、任意の図形状を採用することができる。
〔異種材料の組み合わせ〕
図５に示す実施形態は、異種材料からなる埋設部材を組み合わせる。
【００３２】
基本的な製造方法は、前記した図２に示す外殻硬化部２８と埋設部材４４を用いる製造技術が採用される。
但し、埋設部材４４の代わりに、２種類の埋設部材４４ａと４４ｂが用いられる。中央に配置される埋設部材４４ｂは熱伝導性が高い材料からなる。外周側に配置される埋設部材４４ａは熱伝導性が低い材料からなる。
【００３３】
したがって、図２（Ｂ）  の段階で、埋設部材４４の代わりに埋設部材４４ａと４４ｂとを配置する。
その後は、前記同様に、埋設部材４４ａ、４４ｂおよび外殻硬化部２８の上に粉体２０を堆積させてレーザ光３０で硬化させる作業を繰り返す。
その結果、図５に示すように、埋設部材４４ａ、４４ｂが外殻硬化部２８で覆われ、外殻硬化部２８の上部にはさらに硬化層２２が積み重ねられた形状の三次元形状造形物Ｍが作製される。
【００３４】
得られた三次元形状造形物Ｍは、埋設部材４４ａが埋め込まれた個所では比較的に熱伝導性が高く、埋設部材４４ｂが埋め込まれた個所では比較的に熱伝導性が低くなり、場所によって熱伝導性に違いのある部品が得られる。
例えば、プラスチックの射出成形用金型の場合、射出成形する製品の形状に合わせて樹脂の流動性を良くする必要のある個所とあまり流動性を高くしないほうが良い個所がある。このような場合に、前記した三次元形状造形物Ｍの構造を適用すれば、流動性を必要とする個所には熱伝導性の高い部分を配置し、流動性を必要としない個所には熱伝導性の低い部分を配置するなどして、金型における樹脂の流動性を制御あるいは管理することが可能になる。
【００３５】
上記射出成形用金型以外にも、部品の場所によって熱伝導性を変える必要がある用途に前記実施形態の構造が適用できる。
〔埋設部材の具体例〕
図６に示す実施形態は、前記図１の実施形態において埋設部材４０として中実品を用いている。基本的な製造工程は前記図１の実施形態と共通する。
【００３６】
図６は、製造工程がほぼ完了した状態を示し、成形ベース１０の上に中実ブロック状の埋設部材４０を配置され、埋設部材４０の外周および上方を覆って複数層の硬化層２２ａ〜ｇが積み重ねられて一体接合されている。埋設部材４０の上方には非硬化部２４から粉体２０を取り除いて凹部が形成される。埋設部材４０と硬化層２２とで構成される三次元形状造形物Ｍを、周囲に存在する非硬化の粉体２０から取り出せば、目的とする三次元形状造形物Ｍが得られる。
【００３７】
埋設部材４０は、スチールブロックやアルミブロックが用いられ、切削加工やワイヤ放電加工などで作製される。
上記実施形態では、埋設部材４０を用いずに粉体２０だけで三次元形状造形物Ｍを形成した場合に比べて、構造体としての強度が増す。埋設部材４０の容積分だけ粉体２０の使用量を削減できる。埋設部材４０に粉体２０よりも比重の小さな材料を用いれば、部品Ｍを軽量化することができる。具体的には、粉体２０が鉄粉である場合、埋設部材４０にアルミニウムを用いることができる。造形時にレーザ光３０を照射する面積が、埋設部材４０を埋め込むために粉体２０を非硬化のまま残す部分の割合だけ小さくて済むため、硬化部分に蓄積する熱応力が低減され、部品Ｍに発生する反りや変形を低減することができる。
〔中空状の埋設部材の作製〕
図７に示す実施形態は、前記図１の実施形態で用いた中空状の埋設部材４０の作製方法を示している。
【００３８】
埋設部材４０として、直方体箱状の中空品を作製する。図７（Ａ）  に示すように、厚さ１ｍｍ程度の鉄板４３を、埋設部材４０の各面を構成する面４３ａが展開状態で連結された形状になっている。図７（Ｂ）  に示すように、各面４３ａ同士の境界線４３ｂをそれぞれ直角に折り曲げ加工する。各面４３ａの端辺同士をスポット熔接等で接合すれば、直方体箱状の埋設部材４０が形成され、埋設部材４０の内部には閉塞された中空部が配置される。
〔中空状埋設部材の別例〕
図８に示す実施形態は、図７の実施形態と異なる中空状埋設部材４０の作製方法および造形方法を示す。
【００３９】
図８（Ａ）  に示すように、埋設部材４０を、蓋のない箱状をなす凹形部材４０ｄと、凹形部材４０ｄの上面開口を塞ぐ平板状の蓋部材４０ｃとで構成する。
造形作業としては、成形ベース１０の上で、複数層の硬化層２２を積み重ね、中央に埋設部材４０の外形状に対応する非硬化部２４を形成する。非硬化部２４の粉体は除去され、凹部２４となっている。凹部２４に凹形部材４０ｄを嵌め込み、凹形部材４０ｄの上面を蓋部材４０ｃで塞ぐ。
【００４０】
図８（Ｂ）  に示すように、さらに硬化層２２を積み重ねて形成し、三次元形状造形物Ｍを作製すれば、中空状の埋設部材４０が三次元形状造形物Ｍの内部に埋め込まれた状態になる。
凹形部材４０ｄは、鉄やアルミニウム等で作製することができる。これらの金属からなるブロックを切削加工したり、前記図７の実施形態のような曲げ加工やプレス絞り加工を行ったりして作製できる。射出成形などで成形された樹脂成形品を用いることもできる。蓋部材４０ｃも凹形部材４０ｄと同様の材料で作製できる。
【００４１】
凹形部材４０ｄと蓋部材４０ｃとは、予め熔接や接着等の手段で接合しておくことができる。また、別部材のままで硬化層２２の凹部２４に順次配置したあと、その上方に硬化層２２を形成することで凹形部材４０ｄと蓋部材４０ｃが一体化されるようにしてもよい。
〔中空状埋設部材の別例〕
図９に示す実施形態は、前記図８の実施形態と同様の凹形部材４０ｄおよび蓋部材４０ｃを用いる。
【００４２】
図９（Ａ）  に示すように、凹形部材４０ｄの上部内周縁には段差４０ｅが形成されており、この段差４０ｅに蓋部材４０ｃが嵌め込まれるようになっている。
成形ベース１０の上に積み重ねられた硬化層２２には前記同様の凹部２４が設けられ、この凹部２４に、凹形部材４０ｄおよび蓋部材４０ｃが順次収容される。
【００４３】
図９（Ｂ）  に示すように、凹形部材４０ｄの段差４０ｅに蓋部材４０ｃが嵌め込まれた状態で、蓋部材４０ｃと凹形部材４０ｄとの上面境界線にレーザ光３２を照射して両部材を溶融させて接合４０ｆする。ここで用いるレーザ光３２は、粉体２０を硬化させるためのレーザ光３０と同じ照射装置から照射してもよいが、そのエネルギー強度などの照射条件は、凹形部材４０ｄと蓋部材４０ｃの材質に合わせて適切な接合が行われるように制御する。例えば、両部材４０ｄ、４０ｃが金属の場合には比較的に高いエネルギーが必要になるが、樹脂成形品等の場合には比較的に小さなエネルギーでも十分である。
【００４４】
図９（Ｃ）  に示すように、凹形部材４０ｄと蓋部材４０ｃとが接合部４０ｆで一体化された中空状の埋設部材４０を埋め込んだ状態で、硬化層２２の積み重ね作業をさらにつづけて、三次元形状造形物Ｍが作製される。
上記実施形態では、中空状の埋設部材４０の作製、あるいは、凹形部材４０ｄと蓋部材４０ｃとの接合を、三次元形状造形物Ｍの造形作業とは別の工程で行っておく必要がないので、全体の製造作業か効率化する。凹形部材４０ｄと蓋部材４０ｃとが接合されていれば、単なる嵌め合わせや当接しているだけの場合に比べて、内部の中空部分の気密性あるいは水密性が良くなり、機械的強度も向上する。
〔中空部の作製〕
図１０に示す実施形態は、前記実施形態のような中空状の埋設部材４０を用いずに、三次元形状造形物Ｍの内部に中空部を作製する。
【００４５】
図１０（Ａ）  に示すように、成形ベース１０の上に硬化層２２を積み重ねるとともに、粉体の非硬化部からなる凹部２５を作製する。凹部２５の上端には段部２７が設けられている。この段部２７に、別に作製された蓋部品４５を嵌め込んで、凹部２５を塞ぐ。凹部２５の内部は閉塞された中空空間となる。
図１０（Ｂ）  に示すように、蓋部品４５の上にさらに硬化層２２を積み重ねて形成すれば、内部に凹部２５による中空構造が配置された三次元形状造形物Ｍが作製される。
【００４６】
なお、蓋部品４５としては、鉄やアルミニウムなどの金属プレートが使用できる。樹脂成形品も使用できる。さらに、予め本発明の粉体から硬化させる方法で作製された部品を用いることもできる。
上記実施形態では、三次元形状造形物Ｍの内部に中空構造を作製するのに、前記実施形態のような中空状の埋設部材４０が不要になり、比較的簡単な板状の蓋部品４５だけを準備すればよいので、作業が容易である。
〔貫通中空部の作製〕
図１１に示す実施形態は、三次元形状造形物Ｍの一面から他面へと貫通する中空部を作製する。
【００４７】
図に示すように、両端が開口する筒状の埋設部材４１を準備する。硬化層２２を複数層積み重ねていくのは前記各実施形態と同じである。積み重ねた硬化層２２の中央には埋設部材４１を嵌め込むための凹部２４が設けられる。凹部２４は、積層された硬化層２２の一側面から対向する側面まで貫通する溝状に形成されている。
【００４８】
凹部２４に埋設部材４１を埋め込むと、埋設部材４１を貫通する中空部４１ａが、積層された硬化層２２の一側面から対向する側面まで貫通して配置されることになる。
その後の造形作業は、前記した各実施形態と同様に行われる。その結果、製造された三次元形状造形物Ｍには、一側面から他側面へと貫通する中空空間が配置されることになる。
【００４９】
筒状の埋設部材４１は、プレス加工や押出加工などで作製することができる。貫通中空部を有する三次元形状造形物Ｍ、プラスチック等の射出成形金型の型部に利用できる。貫通中空部に水を通せば、冷却水路として使用できる。貫通中空部にヒータを配置すれば、型部の温度制御に使用できる。貫通中空部に熱電対を配置しておけば、型部の温度測定および管理が行える。貫通中空部に、運搬用の付属部品を取り付けておけば、型部あるいは金型の運搬が容易になる。
【００５０】
上記成形金型以外にも、各種の装置部品において、貫通中空部が必要な場合には前記技術が適用できる。
〔金型への応用〕
図１２および図１３に示す実施形態は、三次元形状造形物Ｍを樹脂成形用の成形金型に適用した場合である。
【００５１】
この実施形態では、三次元形状造形物Ｍに埋設する埋設部材として、金型用の温度制御ブロック６０を用いる。温度制御ブロック６０は、全体が金属等で形成され、直方体箱状のブロック本体６１と、ブロック本体６１の左右側面から外方に突出して延びる腕部６２、６２を有している。一方の腕部６２の先端からブロック本体６１を経て他方の腕部６２の先端までを貫通する中空部６３を有する。
【００５２】
このような温度制御ブロック６０の外殻構造は、プレス加工や押出加工を用いて製造できる。例えば、直方体箱状のブロック本体６１の側面に孔をあけ、そこに角パイプからなる腕部６２を接合することで製造できる。
ブロック本体６１の内部には、ヒータやその制御回路、温度センサとなる熱電対などの機構を備えた温度制御装置７０が収容されている。温度制御装置７０に電源を供給したり制御情報を伝達するためのリード線７２が、腕部６２の中空部６３を経て外部へと引き出されている。
【００５３】
図１２に示すように、前記実施形態と同様にして、複数層の硬化層２２を積み重ねていく。積み重ねられた硬化層２２の中央には、非硬化の粉体を除去して形成された凹部２４が設けられる。凹部２４は、温度制御ブロック６０と同一形状をなしている。
凹部２４に温度制御ブロック６０を嵌め込むと、左右の腕部６２の先端は、積み重ねた硬化層２２の両側面に露出し、腕部６２の中空部６３から引き出されたリード線７２が外部に延びる。
【００５４】
凹部２４に温度制御ブロック６０が埋め込まれたあと、前記実施形態と同様に、さらに硬化層２２を積み重ねて形成すれば、目的とする三次元形状造形物Ｍが得られる。
三次元形状造形物Ｍの内部に埋め込まれた温度制御ブロック６０は、直方体状のブロック本体６１から左右に突き出した腕部６２を有しているので、三次元形状造形物Ｍの内部で前後左右上下の何れの方向にも、移動したり位置がずれたりすることなく、定められた位置に正確に固定される。温度制御ブロック６０の一部が三次元形状造形物Ｍの外面に露出していても、温度制御ブロック６０が三次元形状造形物Ｍから抜け出すことはない。
【００５５】
三次元形状造形物Ｍは、プラスチック等の射出成形金型の型部に用いられる。温度制御装置７０を作動させれば、三次元形状造形物Ｍからなる型部を容易に加熱することができる。温度制御装置７０を、型部の表面に近い位置に埋め込むことができるので、小電力でも効率的に加熱することができる。
前記温度制御装置７０として、ペルチェモジュールを利用することができる。ペルチェモジュールは、電気を熱に直接に変換する熱電変換素子からなり、電流値や電流方向を制御することで、加熱および冷却とその温度を容易に制御することができる装置である。通常のヒータに比べて加熱効率が良く、しかも、加熱だけではなく冷却も果たすことができる。ペルチェモジュールの具体的構造は、既知のペルチェモジュールと同様のものが用いられる。
【００５６】
前記した温度制御ブロック６０の外殻構造すなわち本体ブロック６１と腕部６２との結合体だけを三次元形状造形物Ｍに埋め込んでおいて、内部の中空空間６３に、水や比重の大きい液体などを充填することで、金型のバランス調整を行うことができる。
〔冷却装置の埋め込み〕
図１４に示す実施形態は、温度制御ブロックとして冷却フィンを備えておく。
【００５７】
前記図１２および図１３の実施形態と同様に、三次元形状造形物Ｍは、複数層の硬化層２２が積み重ねられて構成されている。積み重ねた硬化層２２に粉体の非硬化部分からなる凹部２４を形成し、この凹部２４に温度制御ブロック６０を埋め込み、さらにその上に硬化層２２を積み重ねている。
温度制御ブロック６０は、左右の腕部６２、６２から中央のブロック本体６１までが貫通空間６３になっている。ブロック本体６１には、外周壁から中央に向かって突出する多数の冷却フィン６４が配置されている。三次元形状造形物Ｍの外部に設置された冷却ファン６６などを用いて、温度制御ブロック６０の腕部６２の一端から貫通空間６３に冷風を吹き込むと、冷風は反対側の腕部６２の末端から外部に出ていく。このとき、ブロック本体６１では、冷却フィン６４に冷風が当たって効率良く熱を奪う。冷却フィン６４から温度制御ブロック６０の外周に配置された硬化層２２すなわち三次元形状造形物Ｍが冷却されることになる。
【００５８】
したがって、三次元形状造形物Ｍを前記した金型の型部に用いれば、金型の効率的な冷却を行うことができる。冷却ファン６６の風が、金型である三次元形状造形物Ｍの内部の型面に近い位置にまで到達するので、冷却効率が格段に向上することになる。
〔ハニカム構造の埋設部材〕
図１５に示す実施形態は、埋設部材としてハニカム構造体を用いる。
【００５９】
ハニカム構造の埋設部材４７は、断面形状が六角形を多数連設して配置した形状を有しており、六角形状の中空部４７ａが多数並設された状態で、断面と直交する方向につづいている。このような埋設部材４７は、無機材料あるいは有機材料の何れで作製することもできる。
前記した実施形態と同様に、硬化層２２を積み重ね、凹部２４を形成したあと、凹部２４にハニカム部品４７を埋め込み、さらにその上に必要に応じて硬化層２２を積み重ねて三次元形状造形物Ｍを作製する。
【００６０】
三次元形状造形物Ｍの内部には、ハニカム部品４７の内部に存在する中空部４７ａが閉塞された状態で配置されることになる。
上記実施形態では、空間容積の大きなハニカム部品４７が埋め込まれているので、三次元形状造形物Ｍの軽量化を大幅に促進させる。ハニカム部品４７は強度的にも優れているため、三次元形状造形物Ｍの強度向上にも大きく貢献できる。特に、ハニカム部品４７は負荷時に応力分散が行われるため、集中荷重によるクラック発生などの防止ができる。
【００６１】
なお、ハニカム部品４７は、外力を受けたときに、断面方向に加わる荷重よりも断面と直交する中空部４７ａの長さ方向の荷重に対して強度が高く耐久性に優れている。三次元形状造形物Ｍの使用時に大きな外力が加わり易い方向に、ハニカム部品４７の長さ方向が配置されるようにするのが好ましい。例えば、図１５では白矢印方向に荷重が加わるようにして使用するのが好ましいことになる。
〔接合剤の注入〕
図１６に示す実施形態は、埋設部材と硬化層とを接合する手段を用いる。
【００６２】
図１６（Ａ）  に示すように、積み重ねた硬化層２２に凹部２４を形成し、凹部２４に埋設部材４０を嵌め込むまでは、前記した実施形態と同様である。
図１６（Ｂ）  に示すように、埋設部材４０と硬化層２２の凹部２４との隙間に、注入器８０を用いて、接着剤やシール剤などの接合剤８２を注入する。接着剤は物理的、化学的な接着機能のある材料、シール剤は隙間を埋める機能のある材料を意味するが、接着剤とシール剤の両方の機能を有する材料を用いてもよい。
【００６３】
埋設部材４０と凹部２４との間に注入された接合剤８２は、毛管作用などで隙間の全体に拡がり、埋設部材４０と凹部２４との隙間を埋めて両者を一体的に接合する。
図１６（Ｃ）  に示すように、埋設部材４０が埋め込まれた硬化層２２の上にさらに硬化層２２を積み重ねて三次元形状造形物Ｍを作製する。なお、埋設部材４０と硬化層２２との隙間に注入された接合剤８２は、直接に注入された埋設部材４０の側面部分は勿論のこと、前記した毛管作用で埋設部材４０の底面部分にも拡がって、埋設部材４０を硬化層２２に接合することになる。埋設部材４０の上面と硬化層２２との間には結合剤８２は配置されないが、埋設部材４０と硬化層２２との接合にはそれほど影響しない。
【００６４】
上記実施形態では、埋設部材４０が硬化層２２からなる三次元形状造形物Ｍに対して強固に接合され、両者の間の隙間も埋められるので、埋設部材４０と硬化層２２との一体性が向上し、三次元形状造形物Ｍの強度が増す。埋設部材４０と硬化層２２との間における伝熱性を向上させることもできる。
〔ハンダによる接合〕
図１７に示す実施形態は、埋設部材を硬化層に対してハンダ接合する。
【００６５】
図１７（Ａ）  に示すように、埋設部材４０の外周面全体にハンダを塗布して、ハンダ層９０を形成しておく。積み重ねられた硬化層２２には前記同様の凹部２４を設けておく。
図１７（Ｂ）  に示すように、凹部２４にハンダ層９０を有する埋設部材４０を埋め込む。
【００６６】
図１７（Ｃ）  に示すように、埋設部材４０を埋め込んだ硬化層２２の上には、さらに硬化層２２を積み重ねて、三次元形状造形物Ｍを作製する。
その後、三次元形状造形物Ｍの全体を、ハンダの融点以上の温度に加熱して、ハンダ層９０を一旦溶融させた後、冷却することによって、ハンダ層９０で埋設部材４０と硬化層２２とを一体的に接合させる。溶融したハンダ層９０は、硬化層２２の凹部２４と埋設部材４０との間に存在していた微細な隙間なども埋めて固化することになる。
【００６７】
なお、埋設部材４０の材質として、ハンダに対する濡れ性の良い銅等の金属を用いるのが好ましい。
上記実施形態では、ハンダ層９０によって三次元形状造形物Ｍに対する埋設部材４０の一体性を向上させ、三次元形状造形物Ｍ全体の強度を向上させることができる。また、ハンダ層９０が、埋設部材４０と硬化層２２との間の電気伝導度を向上させる効果もある。
〔粉末材料の薄層を有する埋設部材〕
図１８に示す実施形態は、粉末材料の薄層を有している埋設部材を用いる。
【００６８】
図１８（Ａ）  に示すように、埋設部材４０の上面に、硬化層２２を形成するのと同様の粉末材料を溶射して、薄い粉末材料層４９を設けておく。
図１８（Ｂ）  に示すように、凹部２４に粉末材料層４９を有する埋設部材４０を埋め込む。上部に露出する埋設部材４０の上面には粉末材料層４９が配置されることになる。
【００６９】
図１８（Ｃ）  に示すように、埋設部材４０を埋め込んだ硬化層２２の上に、さらに硬化層２２を積み重ねて、三次元形状造形物Ｍを作製する。このとき、埋設部材４０の上面の粉末材料層４９とその周囲の硬化層２２の上面に対して、前記粉末２０を堆積させ硬化させて硬化層２２を形成することになり、同じ材料同士が接合させられることになるので、埋設部材４０と上部の硬化層２２との接合力が向上する。
【００７０】
埋設部材４０と硬化層２２との接合性が向上すれば、三次元形状造形物Ｍの全体の強度や耐久性も向上することになる。
【００７１】
【発明の効果】
本発明にかかる三次元形状造形物の製造方法では、粉末材料から光照射による硬化で造形される三次元形状造形物の内部に、別工程で製造された埋設用部材を埋設することにより、埋設用部材が有する各種の機能、例えば温度制御機能などを発揮させることができる。埋設用部材の容積だけ、造形に使用する粉末材料の使用量が削減でき、造形時間が短くなる。埋設用部材によって三次元形状造形物の強度を向上させたり、反り変形の発生を防止したり、中空状の埋設用部材を用いることで軽量化を図ったりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態となる三次元形状造形物の製造方法を、段階的に表す製造工程図
【図２】別の実施形態を表す段階的製造工程図
【図３】別の実施形態を表す製造途中の斜視図
【図４】製造工程の断面図
【図５】別の実施形態を表す製造段階の断面図
【図６】別の実施形態を表す製造段階の断面図
【図７】埋設部材の組立前の展開図（Ａ）  および組立途中の斜視図（Ｂ）
【図８】別の実施形態を表す段階的製造工程図
【図９】別の実施形態を表す段階的製造工程図
【図１０】別の実施形態を表す段階的製造工程図
【図１１】別の実施形態を表す製造途中の斜視図
【図１２】別の実施形態を表す製造途中の斜視図
【図１３】三次元形状造形物の水平断面図
【図１４】別の実施形態を表す三次元形状造形物の垂直断面図
【図１５】別の実施形態を表す三次元形状造形物の断面斜視図
【図１６】別の実施形態を表す段階的製造工程図
【図１７】別の実施形態を表す段階的製造工程図
【図１８】別の実施形態を表す段階的製造工程図
【符号の説明】
１０  成形ベース
２０  粉体
２２  硬化層
２４、２６、１２２  凹部
２８  外殻硬化部
３０  レーザ光
４０、４１、４４、４６、１４０  埋設部材
４０ｃ  蓋部材
４０ｄ  凹形部材
４２  中空部
４５  蓋部品
４７  ハニカム部品
４９  粉末材料層
６０  温度制御ブロック
６１  ブロック本体
６２  腕部
６３  中空部
６４  冷却フィン
７０  温度制御装置
８２  結合剤
９０  ハンダ層
Ｍ    三次元形状造形物
【図１】
0003557926.tif 000002
【図２】
0003557926.tif 000003
【図３】
0003557926.tif 000004
【図４】
0003557926.tif 000005
【図５】
0003557926.tif 000006
【図６】
0003557926.tif 000007
【図７】
0003557926.tif 000008
【図８】
0003557926.tif 000009
【図９】
0003557926.tif 000010
【図１０】
0003557926.tif 000011
【図１１】
0003557926.tif 000012
【図１２】
0003557926.tif 000013
【図１３】
0003557926.tif 000014
【図１４】
0003557926.tif 000015
【図１５】
0003557926.tif 000016
【図１６】
0003557926.tif 000017
【図１７】
0003557926.tif 000018
【図１８】
0003557926.tif 000019