(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の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返して複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造するにあたり、高焼結条件で形成した高密度焼結層と低焼結条件で形成した低密度焼結層とを選択的に形成するとともに、高密度焼結層のための高焼結条件から低密度焼結層のための低焼結条件への移行に際してのみ、両条件の中間で且つ高密度焼結層の形成に起因して厚みが増した次の粉末層を焼結させることができる焼結条件で光ビームを照射した中密度焼結層を高密度焼結層上に形成し、この中密度焼結層上に低密度焼結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。
【請求項２】
中密度焼結層を複数層積層するとともに、これらの中密度焼結層のための焼結条件を暫時低密度焼結層のための低焼結条件に近づけて上層の中密度焼結層ほど密度を低くすることを特徴とする請求項１記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項３】
中密度焼結層のための焼結条件を、焼結させる粉末層の厚みを求めてこの厚みに応じて決定することを特徴とする請求項１または２記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項４】
無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返して複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造するにあたり、高焼結条件で形成した高密度焼結層と低焼結条件で形成した低密度焼結層とを選択的に形成するとともに、高密度焼結層のための高焼結条件から低密度焼結層のための低焼結条件への移行に際し、最上層の高密度焼結層上に厚みが所定の値よりも小さい粉末層を設け、この粉末層を低焼結条件で焼結して低密度焼結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。
【請求項５】
無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作成した造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を行う工程を複数回の焼結層の作成工程中に挿入して複数の焼結層が積層一体化された所要の三次元形状造形物を製造するにあたり、高焼結条件で形成した高密度焼結層と低焼結条件で形成した低密度焼結層とを選択的に形成するとともに、高密度焼結層のための高焼結条件から低密度焼結層のための低焼結条件への移行に際し、最上層の高密度焼結層上に厚みが所定の値よりも小さい粉末層を設け、この粉末層を高焼結条件で焼結して余剰高密度焼結層を形成し、次いで余剰高密度焼結層上に低密度焼結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。
【請求項６】
最上層の高密度焼結層上に厚みが所定の値よりも小さい粉末層を設けるにあたり、それまでに形成した造形物を載せているステージの粉末層の厚みを決定する降下量をゼロとして次の粉末層を形成することを特徴とする請求項４または５記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項７】
高密度焼結層のための高焼結条件から低密度焼結層のための低焼結条件への移行に際して、それまでに形成した造形物の高さの測定結果に基づいて次の粉末層の厚みとこの粉末層の焼結条件とを決定することを特徴とする請求項４〜６のいずれかの項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項８】
高密度焼結層のための高焼結条件から低密度焼結層のための低焼結条件への移行に際して、前回の粉末層の形成の際に粉末層表面を均すブレードの駆動負荷の測定結果に基づいて次の粉末層の厚みとこの粉末層の焼結条件とを決定することを特徴とする請求項４〜６のいずれかの項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項９】
無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作成した造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を行う工程を複数回の焼結層の作成工程中に挿入して複数の焼結層が積層一体化された所要の三次元形状造形物を製造するにあたり、高焼結条件で形成した高密度焼結層と低焼結条件で形成した低密度焼結層とを選択的に形成するとともに、高密度焼結層のための高焼結条件から低密度焼結層のための低焼結条件への移行に際し、高密度焼結層を設計値以上の高さまで形成し、次いで高密度焼結層を設計値まで切削除去し、その後、低密度焼結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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粉末材料を光ビームで焼結硬化させることで三次元形状造形物を製造する三次元形状造形物の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光造形法として知られている三次元形状造形物の製造方法がある。特許第２６２０３５３号（特許文献１）などに示された該製造方法は、無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結（融着）することで焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して該粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成するということを繰り返すことで、複数の焼結層が積層一体化された粉末焼結部品（三次元形状造形物）を作成するものであり、三次元形状造形物の設計データ（ＣＡＤデータ）であるモデルを所望の層厚みにスライスして生成する各層の断面形状データをもとに光ビームを照射することから、マシニングセンターのような装置が無くとも任意形状の三次元形状造形物を製造することができるほか、切削加工などによる製造方法に比して、迅速に所望の形状の造形物を得ることができる。
【０００３】
この時、造形時間や内部応力による反り・割れなどの問題を考慮すると、造形物全体を一様な焼結条件で一様な密度で仕上げるのではなく、必要な部分のみを高焼結条件による高密度焼結部とし、他の部分は低焼結条件による低密度焼結部として造形するのが好ましい。たとえば、製作しようとする造形物が射出成形金型である場合、成形品が転写される表層部分や冷却水用配管部については高密度に、他の部分は低密度で仕上げるのが好ましい。
【０００４】
ところで、高焼結条件で光ビームを粉末層に照射して形成する高密度焼結層は、粉末をほぼ完全溶融させて固化させるために仕上げ後の面は非常にきれいであるとともに、冷却水の配管を造形した場合にも水漏れを起こさないが、粉末を薄く敷いた粉末層の密度が５０〜６０％であるのに対して、上記高密度焼結層はほぼ１００％の密度となっていることから、図１１に示すように、厚みｔ０で形成した粉末層１０に対して高焼結条件での光ビームＬを照射して高密度焼結層１１Ｈを形成した時、粉末層１０の表面よりも高密度焼結層１１の表面はδだけ低くなることになる。
【０００５】
また、形成する粉末層１０の厚みを図１２に示すように、ステージ２０の一定下降量で決定している場合、高密度焼結層１１Ｈの上に形成した粉末層１０の厚みは、設計値ｔよりも上記δ分だけ厚いものとなり、さらにこの粉末層１０を高焼結条件で焼結して高密度焼結層１１Ｈとすると、粉末層１０の表面よりも高密度焼結層１１の表面は段差δａ（δａ＞δ）だけ低くなることになる。
【０００６】
そして更に粉末層１０を形成し、今度は低焼結条件で低密度焼結層１１Ｌを形成すると、図１３に示すようにこの時の粉末層１０の厚みは設計値ｔよりも上記段差δａ分だけ厚いものとなる。
【０００７】
ここにおいて、低焼結条件で照射する光ビームＬは、厚みがｔである粉末層１０を前提にその条件が決定されていることから、設計値ｔよりも段差δａ分が厚くなってしまっている粉末層１０に対しては、その下部まで焼結させることができなかったり、焼結させることができても下層に位置する高密度焼結層１１Ｈとの結合力（密着力）が弱くて剥がれが発生しやすい低密度焼結層１１Ｌしか得ることができなくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは高密度焼結層から低密度焼結層に移行する部分の結合力を高めることができる三次元形状造形物の製造方法を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
しかして本発明は、無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返して複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造するにあたり、高焼結条件で形成した高密度焼結層と低焼結条件で形成した低密度焼結層とを選択的に形成するとともに、高密度焼結層のための高焼結条件から低密度焼結層のための低焼結条件への移行に際してのみ、両条件の中間で且つ高密度焼結層の形成に起因して厚みが増した次の粉末層を焼結させることができる焼結条件で光ビームを照射した中密度焼結層を高密度焼結層上に形成し、この中密度焼結層上に低密度焼結層を形成することに第１の特徴を有している。高密度焼結層と低密度焼結層との間に中密度焼結層を介在させることで結合力の低下が生じないようにしたものである。
【００１０】
この時、中密度焼結層を複数層積層するとともに、これらの中密度焼結層のための焼結条件を暫時低密度焼結層のための低焼結条件に近づけて上層の中密度焼結層ほど密度を低くするようにして、高密度焼結層と低密度焼結層との間の特性差をなだらかにしたり、中密度焼結層のための焼結条件を、焼結させる粉末層の厚みを求めてこの厚みに応じて決定するようにして、適切な焼結条件での中密度焼結層を形成することができるようにしてもよい。
【００１１】
また本発明は、無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返して複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造するにあたり、高焼結条件で形成した高密度焼結層と低焼結条件で形成した低密度焼結層とを選択的に形成するとともに、高密度焼結層のための高焼結条件から低密度焼結層のための低焼結条件への移行に際し、最上層の高密度焼結層上に厚みが所定の値よりも小さい粉末層を設け、この粉末層を低焼結条件で焼結して低密度焼結層を形成することに他の特徴を有している。低密度焼結層とする粉末層の厚みが厚くなりすぎないようにコントロールするのである。
【００１２】
また本発明は、無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作成した造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を行う工程を複数回の焼結層の作成工程中に挿入して複数の焼結層が積層一体化された所要の三次元形状造形物を製造するにあたり、高焼結条件で形成した高密度焼結層と低焼結条件で形成した低密度焼結層とを選択的に形成するとともに、高密度焼結層のための高焼結条件から低密度焼結層のための低焼結条件への移行に際し、最上層の高密度焼結層上に厚みが所定の値よりも小さい粉末層を設け、この粉末層を高焼結条件で焼結して余剰高密度焼結層を形成し、次いで余剰高密度焼結層上に低密度焼結層を形成することに特徴を有している。高密度焼結層で段差を埋めた後に低密度焼結層を形成するのである。
【００１３】
最上層の高密度焼結層上に厚みが所定の値よりも小さい粉末層を設けるにあたっては、それまでに形成した造形物を載せているステージの粉末層の厚みを決定する降下量をゼロとして次の粉末層を形成してもよい。ステージの下降に要する時間を削減することができる。
【００１４】
また、高密度焼結層のための高焼結条件から低密度焼結層のための低焼結条件への移行に際して、それまでに形成した造形物の高さの測定結果に基づいて次の粉末層の厚みとこの粉末層の焼結条件とを決定したり、前回の粉末層の形成の際に粉末層表面を均すブレードの駆動負荷の測定結果に基づいて次の粉末層の厚みとこの粉末層の焼結条件とを決定してもよい。低密度焼結層とする粉末層の厚みが厚くなり過ぎることを確実に防ぐことができる。
【００１５】
また本発明は、高焼結条件で形成した高密度焼結層と低焼結条件で形成した低密度焼結層とを選択的に形成するとともに、高密度焼結層のための高焼結条件から低密度焼結層のための低焼結条件への移行に際し、高密度焼結層を設計値以上の高さまで形成し、次いで高密度焼結層を設計値まで切削除去し、その後、低密度焼結層を形成することに特徴を有している。低密度焼結層が本来始まる高さまで高密度焼結層を追加することで、低密度焼結層とする粉末層の厚みが本来の値になるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように本発明にあっては、高密度焼結層と低密度焼結層との間に介在させた中密度焼結層の存在や、粉末層の厚みのコントロールあるいは余剰高密度焼結層の形成などによって低密度焼結層とする粉末層の厚みが厚くなりすぎることがないようにしているために、低密度焼結層と高密度焼結層との間で剥離が生じることがないものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、光造形による三次元形状造形物の製造装置としては、どのような形態のものを用いてもよいが、図示例では造形タンク２５で外周が囲まれた空間内に上下昇降するステージ２０を配して、造形タンク２５内のステージ２０上に供給した無機質あるいは有機質の粉末材料をスキージング用ブレードでならすことで所定厚みの粉末層１０を形成するとともに、スキャン光学系を介して上記粉末層１０の所定箇所に光ビーム（レーザ）Ｌを照射することで焼結層１１を形成するものを用いている。
【００１８】
また、上記光ビームＬを出力する光ビーム出力手段には、光ビームＬの走査ピッチや走査速度を変更することができるものを用いて、走査ピッチを小さくしたり走査速度を遅くした高焼結条件での照射時に高密度焼結層１１Ｈを形成し、走査ピッチを粗くしたり走査速度を速くした低密度条件での照射時に低密度焼結層１１Ｌを形成することができるようにしている。なお、光ビーム出力手段の出力自体を変更することで上記条件変更を行うようにしたものであってもよい。
【００１９】
今、図１に示すように、ステージ２０上に高焼結条件（たとえばレーザ出力２００Ｗ、走査ピッチ０．２ｍｍ、走査速度５０ｍｍ／ｓｅｃ）で２層の高密度焼結層１１Ｈ，１１Ｈを形成した後、低焼結条件（たとえばレーザ出力２００Ｗ、走査ピッチ０．５ｍｍ、走査速度３００ｍｍ／ｓｅｃ）で低密度焼結層１１Ｌを形成するにあたっては、両条件の中間の焼結条件（たとえばレーザ出力２００Ｗ、走査ピッチ０．３ｍｍ、走査速度１００ｍｍ／ｓｅｃ）で光ビームＬを照射した中密度焼結層１１Ｍをまず形成し、その後、低密度焼結層１１Ｌを形成する。低密度焼結層１１Ｌを形成するための低焼結条件での光ビームＬでは十分な熱を加えることができない厚みの粉末層１０でも、中焼結条件での光ビームＬでは十分な熱を加えることができるために高密度焼結層１１Ｈとの間で剥離が生じることはない。
【００２０】
この時、図２に示すように、中密度焼結層を複数層１１Ｍａ，１１Ｍｂ，１１Ｍｃ形成するとともに、これら中密度焼結層１１Ｍａ，１１Ｍｂ，１１Ｍｃのための焼結条件を暫時低密度焼結層１１Ｌのための低焼結条件に近づけていくようにしてもよい。たとえば、高密度焼結層１１Ｈに接する中密度焼結層１１Ｍａはレーザ出力２００Ｗ、走査ピッチ０．３ｍｍ、走査速度１００ｍｍ／ｓｅｃの焼結条件で、中密度焼結層１１Ｍｂはレーザ出力２００Ｗ、走査ピッチ０．３５ｍｍ、走査速度１５０ｍｍ／ｓｅｃの焼結条件で、低密度焼結層１１Ｌに接することになる中密度焼結層１１Ｍｃはレーザ出力２００Ｗ、走査ピッチ０．４ｍｍ、走査速度２００ｍｍ／ｓｅｃの焼結条件で焼結するのである。
【００２１】
また、高密度焼結層１１Ｈの形成後、図３に示すように、粉末層１０の表面と高密度焼結層１１Ｈの表面との高さの差δａの値を高さ測定用プローブＰなどを用いて測定することで、次の粉末層１０の厚み（ｔ＋δａ）を求め、この厚み（ｔ＋δａ）の値に応じた中焼結条件で中密度焼結層１１Ｍを形成するようにしてもよい。なお、厚み（ｔ＋δａ）の値に応じた中焼結条件は実験結果などから予め定めておくものとする。
【００２２】
図４に他例を示す。高密度焼結層１１Ｈの次に低密度焼結層１１Ｌを形成するにあたり、通常であればステージ２０を所定量ｔだけ降下させるのであるが、ここでは降下量を所定量ｔよりも小さく（降下量ゼロを含む）することで、次の粉末層１０の厚みが厚くなりすぎないようにしておき、この状態で低焼結条件での低密度焼結層１１Ｌの形成を行っている。
【００２３】
このほか、図５に示すように、粉末層１０の表面と高密度焼結層１１Ｈの上面との間の高さδａの段差を解消するために、高密度焼結層１１Ｈの焼結が終わった後、ステージ２０を下降させることなく（もしくはステージ２０の下降量を設計値ｔより小さい値として）粉末の供給を行って、上記段差の部分に粉末を埋め、この状態で高焼結条件での高密度焼結層１１Ｈ’を形成することで段差を低くした後、低焼結条件での低密度焼結層１１Ｌの作製を行うようにしてもよい。なお、上記段差が大きい場合は、上記高密度焼結層１１Ｈ’を上記と同じ手順で複数層形成するとよい。この場合、厚みが漸次薄くなる高密度焼結層１１Ｈ’が積層された後、低密度焼結層１１Ｌが形成されることになる。図中２１はスキージング用ブレードである。
【００２４】
また、前述の高さ測定用プローブＰなどを用いて図６(a)にも示すように粉末層１０の表面と高密度焼結層１１Ｈの表面との高さの差δａの値を測定する場合、この測定結果に応じて上記高密度焼結層１１Ｈ’を形成した後に低密度焼結層１１Ｌの形成を行うか、あるいは上記高密度焼結層１１Ｈ’を形成することなく低密度焼結層１１Ｌの形成を行うかを決定するようにしてもよい。差δａが大きい場合には、図６(b)に示すように、ステージ２０を下降させることなく粉末の供給を行って上記高密度焼結層１１Ｈ’を形成することで差δａを小さくし、差δａが当初から小さい場合はステージ２０を下降させて粉末を供給し、低密度焼結層１１Ｌを形成するのである。
【００２５】
上記高さの差δａの検出は、図７に示すように、ブレード２１を動かして粉末を均す際にブレード２１の駆動に必要な力（ブレード２１にかかる負荷）Ｆを検出することで代用してもよい。負荷Ｆが小さい場合は、ブレード２１と高密度焼結層１１Ｈとの間の間隔が大（図７(a)）であることから、次層もステージ２０を下降させることなく粉末の供給を行うものとし、負荷Ｆが大である場合は、ブレード２１と高密度焼結層１１Ｈとの間の間隔が微小（図７(b)）であることから、次層はステージ２０を下降させた上で粉末を供給するのである。
【００２６】
ちなみに、ブレード２１にかかる負荷が大きいと移動指令に追従しようとして駆動用のモータに流れる電流が大きくなり、逆に負荷が小さいとブレード２１を動かすだけの電流に限りなく近づく。ここで、前回焼結した面の上をブレード２１が通過する場合、通常は上記の面の凹凸のために抵抗を受けてこれが負荷となるものであり、ブレード２１が上記面から離れておれば、上記抵抗を受けることはない。従って図７(c)に示すように、始動電流が流れた等速移動中の電流値を監視し、この電流値が予め実験結果などから定めた閾値より大きいか小さいかでステージ２０を下降させるか下降させないかを判断する。
【００２７】
また、図８に示すように、高密度焼結層１１Ｈから低密度焼結層１１Ｌへ切り換える時、ステージ２０の下降量を設計値ｔ（たとえば５０μｍ）よりも小さい値ｔｓ（たとえば２０μｍ）に無条件に変更し、この状態で粉末層１０を形成して低焼結条件での低密度焼結層１１Ｌの形成を行うようにしてもよい。
【００２８】
図９に更に他例を示す。これは高密度焼結層１１Ｈのための高焼結条件から低密度焼結層１１Ｌのための低焼結条件への移行に際し、高密度焼結層１１Ｈを余分に形成して高密度焼結層１１Ｈの高さを設計上の高さよりいったん高くし、次いで高密度焼結層１１Ｈの上面を設計値まで切削除去し、その後、低密度焼結層１１Ｌを形成するようにしたものである。
【００２９】
以上の各例では、一つの焼結層が高焼結条件もしくは低焼結条件あるいは中焼結条件のいずれかだけで焼結されるものを図で示したが、本発明は一つの焼結層中に高密度焼結部と低密度焼結部とが混在するものにおいても適用することができる。つまり、図１０に示すように、ある焼結層中の高密度焼結部Ｈの上に他の焼結層の低密度焼結部Ｌが配設される部分に対しても適用することができる。図中Ｍは中密度焼結部である。
【００３０】
なお、無機質の粉末材料としては、特開２００１−１５２２０４号に示されている鉄系粉末を好適に用いることができ、有機質の粉末材料としては、ナイロン、ＡＢＳ等を主成分とした熱可塑性樹脂を好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態の一例の説明図である。
【図２】他例の説明図である。
【図３】他の実施の形態の一例の説明図である。
【図４】更に他の実施の形態の一例の説明図である。
【図５】別の実施の形態の一例の説明図である。
【図６】他の実施の形態の一例を示すもので、(a)(b)は夫々説明図である。
【図７】更に他の実施の形態の一例を示すもので、(a)(b)(c)は夫々説明図である。
【図８】別の実施の形態の一例の説明図である。
【図９】更に別の実施の形態の一例の説明図である。
【図１０】他例の断面図である。
【図１１】従来例の説明図である。
【図１２】同上の他の説明図である。
【図１３】同上の更に他の説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
Ｌ  光ビーム
１１Ｈ  高密度焼結層
１１Ｌ  低密度焼結層
１１Ｍ  中密度焼結層
２０    ステージ
【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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