(57)【要約】粉末焼結積層法で得られた“任意に３次元配置された流体経路”から好適に付着粉末を除去するための方法が提供される。本発明の方法は、（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して当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、その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により粉末層形成および固化層形成を繰り返して行い、工程（ｉ）および（ｉｉ）では三次元形状造形物の内部領域の一部に相当する局所的領域を粉末状態部分として残しておき、その粉末状態部分の粉末を最終的に除去することによって造形物の内部に流体経路を形成し、造形物が得られた後、研磨剤を含んで成る流体を流体経路内に乱流として流すことによって流体経路の研磨処理を行う、三次元形状造形物の製造方法である。
2013137283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）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により粉末層形成および固化層形成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、
前記工程（ｉ）および（ｉｉ）では前記造形物の内部領域の一部に相当する局所的領域を粉末状態部分として残しておき、該粉末状態部分の粉末を最終的に除去することによって、前記造形物の内部に流体経路を形成し、
前記造形物が得られた後、研磨剤を含んで成る流体を前記流体経路内に乱流として流すことによって該流体経路を研磨処理する、三次元形状造形物の製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｉ）および（ｉｉ）では前記流体経路の径寸法が規則的または不規則に変化するように該流体経路を形成しておき、前記研磨処理では該径寸法の該規則的または該不規則的な変化に起因して前記流体経路内に前記乱流が発生す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３】
前記工程（ｉ）および（ｉｉ）では前記流体経路の経路形成面に突起状部または凹状部を形成しておき、前記研磨処理では該突起状部または該凹状部に起因して前記流体経路内に前記乱流が発生す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４】
前記流体の流れに伴って前記乱流を発生させるインターナル部材を前記流体経路内に設けることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項５】
前記研磨剤として着磁可能な研磨粒子を用いており、前記研磨処理では該研磨粒子が前記流体経路の経路形成面に一時的に寄った状態となるように該研磨粒子を着磁させることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項６】
前記工程（ｉ）および（ｉｉ）では、前記流体経路の全体的な形態の少なくとも一部を乱流が発生する形態にしておくことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項７】
前記研磨処理に先立って、前記流体経路の経路形成面に残留した粉末を腐食させることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項８】
前記研磨処理に際しては前記造形物を回転させることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項９】
前記研磨処理に用いる前記研磨剤として、粒径が１５０μｍ〜３００μｍの粒状物を用いることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項１０】
前記研磨処理に用いる前記流体の研磨剤濃度が３ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか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、
該三次元形状造形物は、その内部に流体経路を有して成り、該流体経路の流路形成面が研磨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る。一方、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。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ので、三次元形状造形物と造形プレートとは相互に一体化した状態となる。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】
本願発明者らは、上記のような粉末焼結積層法（即ち、光ビームによる積層造形法）において特有な問題が生じ得ることを見出した。具体的には下記の問題が生じることが分かった。【０００６】
粉末焼結積層法の特徴の１つは、三次元形状造形物の内部に任意形状（任意の全体的形態および断面形状）の流体経路を配置できることである（造形物をプラスチック成形金型として用いる場合、流体経路は温度調整用の水管として用いることができる）。例えば造形物内部に断面形状が円形の水管を配置する場合を想定すると、その円形部分に相当する箇所には光ビームを照射しなければよい。光ビームが照射されない局所的部分では粉末が残ったままとなるので、造形後にその粉末を除去すると空洞ができる。よって、その空洞を流体経路として、即ち水管として利用できる。しかしながら、このような粉末焼結積層法では、溶融箇所の周囲に未溶融の粉末が付着するので、流体経路を作製しても、経路内径や経路断面積などが意図したものよりも小さくなってしまう（図１９および２０参照）。その結果、造形物の流体経路に流せる水量は少なくなるので、温度コントロール性が低下してしまう、という問題が生じることが分かった。また、温度調整用水管の壁面（流体経路の形成面）に付着粉末を有する金型造形物品は、使用後には水を水管から抜いて保管されることになるが、付着粉末箇所に残る水分は完全には取りきれない。従って、この残存水分が原因で水管内部の腐食が進行してしまう、といった問題点もあることが分かった。【０００７】
付着粉末を除去することが望ましいものの、造形物内部の流体経路に付着した粉末を除去するのは容易ではない。直線的な配管であれば機械加工や電気加工で実施可能であるものの、粉末焼結積層法の特徴である“任意に３次元配置された水管”に対しては実施が困難である。更に、断面形状が円形の水管であれば、造形の途中で、“オーバーハングしていない下側半面”に対して切削加工を施すことで付着粉末除去を行うことができるが、“オーバーハングしている上側半面”に対しては立体的障害により切削除去を施すのが困難である（図２１参照）。【０００８】
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、粉末焼結積層法で得られた“任意に３次元配置された流体経路”から好適に付着粉末を除去する手法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明では、
（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して当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、その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
を含み、該工程（ｉｉ）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、
工程（ｉ）および（ｉｉ）では三次元形状造形物の内部領域の一部に相当する局所的領域を粉末状態部分として残しておき、その粉末状態部分の粉末を最終的に除去することによって、三次元形状造形物の内部に流体経路を形成し、
三次元形状造形物が得られた後、研磨剤を含んで成る流体を流体経路内に乱流として流すことによって流体経路の研磨処理を行う、三次元形状造形物の製造方法が提供される。【００１０】
ある好適な態様として、工程（ｉ）および（ｉｉ）では流体経路の径寸法が規則的または不規則に変化するように流体経路を形成しておき、研磨処理では「径寸法の規則的または不規則的な変化」によって流体経路内に乱流を発生させる。【００１１】
ある好適な態様として、工程（ｉ）および（ｉｉ）では流体経路の経路形成面において突起状部または凹状部を形成しておき、研磨処理では突起状部または凹状部に起因して流体経路内に乱流が発生するようにしてよい。【００１２】
研磨処理に先立って、インターナル部材、特に「流体の流れに伴って乱流を発生させるインターナル部材」を流体経路内に設けておいてもよい。また、工程（ｉ）および（ｉｉ）では流体経路の全体的な形態（経路の延在形態・延在形状）の少なくとも一部を乱流が発生するような形態にしておいてもよい。【００１３】
ある好適な態様において、研磨剤として着磁可能な研磨粒子を用いており、研磨処理では研磨粒子が流体経路の経路形成面に一時的に寄った状態（または経路形成面に集中した状態）となるように研磨粒子を着磁させる。【００１４】
研磨処理に先立っては、流体経路の経路形成面に残留した粉末を腐食させてもよい。また、研磨処理に際しては三次元形状造形物を回転させる操作を行ってもよい。【００１５】
研磨処理に用いる研磨剤としては、例えば粒径が１５０μｍ〜３００μｍの粒状物（研磨粒子）を用いることが好ましい。また、研磨処理に用いる流体の研磨剤濃度は３ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％であることが好ましい。尚、研磨剤を含んだ媒体の流体自体は、例えば水であってよい。【００１６】
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。かかる本発明に係る三次元形状造形物は、その内部に流体経路を有して成り、かかる流体経路の流路形成面が研磨面を成していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、流体経路が造形物内部に任意に３次元配置された形態であっても、その経路面（経路形成面）の少なくとも一部をよりきれいに磨くことができる。特に本発明においては、流体経路が３次元的に湾曲した形態であっても、その経路面の少なくとも一部を実質的により均一に研磨処理された面へと改善することができる。ここで本願発明者らが鋭意検討した結果、普通に研磨剤流体を流しただけでは流体速度の違いに起因して、きれいに磨ける箇所と、そうでない箇所が出てくることを見出している（図２２参照）。それゆえ、本発明では“研磨剤流体の乱流”を好適に利用し、それによって、研磨ムラを減じて流体経路内面を実質的により均一に磨くことを行う。つまり、本発明に従えば、“大きく又は複雑に湾曲した流体経路”であっても、きれいに磨ける箇所と、そうでない箇所との差を減じることができる。【００１８】
本発明は、流体経路の経路面を実質的により均一に研磨処理できるので、かかる流体経路が細い形態であっても（流路径が小さい水管径に相当するものであったとしても）、造形物を金型として使用する際、温調水量をより多く確保することができる。また、より均一に研磨処理できるということは、経路面に残留粉末が実質的に存在しないことを意味している。それゆえ、流体経路を水管（例えば、金型の冷却水管）として用いた後に残る残存水分は減じられることになる。つまり、本発明では“金型使用後に水が付着粉末部分に残留して腐食が進行する”といった不都合を好適に回避することができる。【００１９】
更にいえば、機械加工や電気加工によって研磨処理を行う場合では造形物を切断などで予め分割する必要があるものの、本発明では、研磨剤流体を乱流で流すといった簡易な操作で研磨処理を実施できる。そして、乱流の発生に寄与する「流体経路の径寸法の規則的または不規則的な変化」、「経路形成面突起状部または凹状部」および「流体経路の全体的な延在形態」などは、粉末焼結積層法に際して簡単かつ任意に得ることができる。それゆえ、本発明では、製造時間や製造コストを大幅に上げることなくより均一な研磨処理をより効率良く実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】本願発明に係る“乱流を用いた研磨処理態様”を表した模式図
【図８】流体経路の湾曲部分／コーナ部の下流部分にのみ乱流を形成する態様を表した模式図
【図９】流体経路の径寸法が規則的に変化するように形成して乱流を発生させる態様を表した模式図
【図１０】流体経路の径寸法が不規則的に変化するように形成して乱流を発生させる態様を表した模式図
【図１１】特に研磨剤流体が流れにくいと考えられる流体経路部分を太くした形態を表した模式図
【図１２】流体経路の経路形成面に突起状部を形成して乱流を発生させる態様を表した模式図
【図１３】流体経路の経路形成面に凹状部を形成して乱流を発生させる態様を表した模式図
【図１４】流体経路にインターナル部材を設けて乱流を発生させる態様を表した模式図
【図１５】流体経路の全体的な形態の少なくとも一部を乱流が発生するような形態にした態様を表した模式図
【図１６】研磨剤流体を流す際に三次元形状造形物を回転させる操作を行う態様を表した模式図
【図１７】研磨粒子が流体経路の経路形成面に一時的に寄った状態となるように研磨粒子を着磁させる態様を表した模式図
【図１８】算術平均粗さ（Ｒａ）の概念を模式的に示す図
【図１９】流体経路に付着粉末が存在して経路径や断面積が小さくなる態様を示した模式的断面図および写真図
【図２０】流体経路の経路形成面に付着粉末が存在する態様を示した模式図
【図２１】オーバーハング部分の切削除去が困難であることを示した模式図
【図２２】研磨剤流体を流しただけでは流体速度の違いに起因して「よりきれいに磨ける箇所」と「そうでない箇所」とが生じる態様を表した模式図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する（図面における寸法関係は、あくまでも例示であって、実際の寸法関係を反映するものではない）。
【００２２】
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。そして、「（光ビームが照射されない）局所的領域」は、製造される三次元形状造形物の“流体経路に相当する部分の粉末層領域”を実質的に指している。
【００２３】
あくまでも例示にすぎないが、本発明に用いることができる金属粉末は、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。一例として、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。
【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、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）。図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）。
【００２５】
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。
【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上げる。そして、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）に移行する。固化層形成ステップ（Ｓ２）では、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。
【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）。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。
【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）。
【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］
本発明は、上述した粉末焼結積層法で得られる造形物の処理態様に特徴を有している。具体的には、図７に示すように、三次元形状造形物の内部に形成された流体経路に対して“研磨剤を含んで成る流体”を乱流として流すことによって流体経路の研磨処理を行う。
【００３１】
流体経路（造形物を金型に用いる場合では“水管”に相当し得る）は、三次元形状造形物の積層造形の過程で形成される。具体的には、三次元形状造形物の内部領域の一部に相当する局所的領域を“光ビームを照射しない粉末状態部分”として残しておく。その粉末状態部分の粉末を造形後又は固化層形成後に除去すると、流体経路を形成できる。かかる流体経路は、粉末焼結積層法により形成されるので、全体形状や断面形状などは任意に得ることができる。しかしながら、“流体経路形成面（流体経路を形作っている面）”には造形物形成に寄与しなかった粉末が付着している（つまり、流体経路面に対して“未焼結粉末”が付着している）。したがって、本発明では、このような付着粉末を除去すべく、研磨剤を含んで成る流体を流体経路内に乱流として流して研磨処理を実施する（尚、以後では「研磨剤を含んで成る流体」を「研磨剤流体」または単に「流体」とも称する）。
【００３２】
本明細書でいう「乱流」とは、時間的または空間的に不規則な変動を伴う流れのことを意味している。かかる「乱流」は、特に本発明においては意図的に外部から作用を及ぼして上記不規則な変動を加えた流れのことを意味している（図７の下側詳細図を参照のこと）。つまり、本発明では、研磨剤流体を流体経路に単に流すのではなく、流体の流れに対して意図的に付加操作・付加手段を施して乱れた流れとなるようにしている。
【００３３】
“乱流”は、流体経路の全領域で生じている必要はない。少なくとも「研磨剤流体を流体経路に単に流すだけでは、よりきれいに磨ける箇所と、そうでない箇所とが出てくる領域」に対して乱流が生じていればよい。例えば、流体経路が湾曲している場合では、図８に示すように、少なくとも湾曲領域および／またはその近傍領域、特に流路コーナー部の下流側領域などに乱流が形成されていればよい。
【００３４】
乱流は種々の態様で研磨剤流体に発生させることができる。例えば、図９および図１０に示すように、流体経路８０の径寸法が規則的または不規則に変化するように形成しておき（図示する“８５”の部分）、そのような径寸法の規則的または不規則的な変化８５によって研磨剤流体に乱流を発生させてよい。つまり、研磨剤流体が流体経路８０を流れる際、その流れと「径寸法の規則的または不規則的な変化部分８５」との相互作用によって、研磨剤流体に乱流が発生するようにしてよい。換言すれば、研磨剤流体は「径寸法の規則的または不規則的な変化部分８５」と干渉しながら流れ、その干渉に伴って研磨剤流体に乱流が発生する。
【００３５】
かかる「径寸法の規則的または不規則的な変化部分８５」は、粉末焼結積層法に際して形成することができる。つまり、粉末層の一部に光ビームが照射されて、その照射部分が焼結又は溶融固化することによって「流体経路８０の径寸法の規則的または不規則的な変化部分８５」が形成される。これは、変化部分８５が造形物と同じ材質から一体的に得られることを意味している。変化部分８５の形態は、特に制限されない。例えば経路内面が曲線的に変化するような形態（図９参照）であってもよく、あるいは、非曲線的に変化する形態であってもよい。
【００３６】
「流体経路８０の径寸法の規則的または不規則的な変化部分８５」は必ずしも流路形成面の全領域に形成されている必要はない。例えば「研磨剤流体を流体経路に単に流すだけではよりきれいに磨ける箇所と、そうでない箇所とが出てくる領域」に「流体経路８０の径寸法の規則的または不規則的な変化部分８５」を形成しておくことが好ましい。例えば、流体経路が湾曲している場合、その湾曲領域および／またはその近傍部分（特に「流路コーナー部の下流側領域」など）にのみ“変化部分８５”を設けてもよい（図８参照）。
【００３７】
流体経路８０の径寸法変化の程度についていえば、最小径寸法Ｄｍｉｎと最大径寸法Ｄｍａｘとの差（Ｄｍａｘ−Ｄｍｉｎ）は、経路の平均径をＤａｖｅとすると、Ｄａｖｅ／１０〜３Ｄａｖｅ／１０程度であることが好ましい。また、「“規則的”な変化部分８５」を設ける場合、変化のピッチＰＡは、例えば２Ｄａｖｅ〜１０Ｄａｖｅ程度であることが好ましい（図９参照）。
【００３８】
流体経路８０の径寸法の変化についていうと、図１１に示すように、特に研磨剤流体が流れにくいと考えられる箇所（例えば、“付着粉末”が特に多いと考えられる部分やコーナー部分など）は、流体経路を太くしてもよい。これにより、任意に３次元配置された流体経路であっても、流体経路内面をより均一に磨くことが助力される。つまり、より効率良くよりきれいに磨ける箇所と、そうでない箇所との差をなくすことができる。
【００３９】
乱流は、突起状部または凹状部によって発生させてもよい。例えば、図１２および図１３に示すように、流体経路８０の経路形成面に突起状部９４または凹状部９６を形成しておき、その突起状部９４または凹状部９６によって研磨剤流体に乱流を発生させてもよい。つまり、研磨剤流体が流体経路８０を流れる際、その流れと突起状部９４または凹状部９６との相互作用によって、研磨剤流体に乱流が発生するようにしてよい。換言すれば、研磨剤流体は、突起状部９４または凹状部９６と干渉しながら流れ、その干渉に伴って研磨剤流体に乱流が発生する。
【００４０】
かかる突起状部９４または凹状部９６も、上記と同様に、粉末焼結積層法に際して形成することができる。突起状部９４または凹状部９６の断面形状は、特に制限されない。例えば突起状部９４または凹状部９６の断面形状は半円形状、矩形状、正方形状または三角形状などであってよい。また、突起状部９４または凹状部９６も必ずしも流路形成面の全領域に形成されている必要はない。例えば「研磨剤流体を流体経路に単に流すだけではよりきれいに磨ける箇所と、そうでない箇所とが出てくる領域」に突起状部９４または凹状部９６を形成しておくことが好ましい。流体経路が湾曲している場合では、その湾曲領域および／またはその近傍部分（特に「流路コーナー部の下流側領域」など）にのみ突起状部９４または凹状部９６を設けてもよい（図８参照）。
【００４１】
突起状部９４の突出高さまたは凹状部９６の深さの寸法は、経路径をＤとすると、Ｄ／１０〜３Ｄ／１０程度であることが好ましい。また、「突起状部９４のピッチＰＢ」または「凹状部９６のビッチＰＣ」は、例えば１Ｄ〜５Ｄ程度であることが好ましい（図１２および図１３参照）。
【００４２】
乱流は、インターナル部材９８を用いることによって発生させてもよい。つまり、研磨剤流体を流したときに、その流体に乱流が発生するような部材を流体経路内部に挿入しておいてよい。図１４に示すように、研磨剤流体がインターナル部材９８を通過する際、インターナル部材９８の立体的形態に起因して、研磨剤流体の流れが影響を受けることになり、その結果、研磨剤流体に乱流が発生する。つまり、研磨剤流体は、流体経路内部に設置されたインターナル部材９８と干渉しながら流れることによって、研磨剤流体に乱流が発生する。
【００４３】
インターナル部材９８の形態は、乱流が発生する限り特に制限されず、種々の形態を採用してよい。例えば、インターナル部材９８は、図１４（ａ）に示されるように板状形態を有していてよい。また、インターナル部材９８は、図１４（ｂ）に示されるように複数の板部材が相互に角度を成して連結された形態であってもよい。
【００４４】
インターナル部材９８は固定状態で設ける態様のみならず、それを回転自在に設けてもよい。かかる場合、乱流はインターナル部材９８の回転に伴って発生する。つまり、研磨剤を含んだ流体を流した際、乱流が発生するように挿入部材の回転が行われるような態様であってよい。換言すれば、研磨剤流体の流れを受けてインターナル部材９８が回転し、それによって、乱流が発生するような態様であってよい。あるいは別法にて、インターナル部材９８に外部から力を及ぼしてそれを強制的に回転させてよく、そのような強制的なインターナル部材の回転によって乱流が発生するようにしてもよい。
【００４５】
上述の態様と同様、インターナル部材９８は必ずしも流体経路内の全領域に設けられている必要はない。少なくとも、「研磨剤流体を流体経路に単に流すだけではよりきれいに磨ける箇所と、そうでない箇所とが出てくる領域」にインターナル部材９８が設けられていればよい。例えば、流体経路が湾曲している場合、その湾曲領域および／またはその近傍領域、例えば「流路コーナー部の下流側領域」などにのみインターナル部材９８が設けられていてよい（図８参照）。尚、インターナル部材９８は、固化層の積層過程で「光ビームを照射しない局所的な粉末状態部分」を適宜除去しつつ、その除去部分にインターナル部材を配置することによって設けることができる。
【００４６】
本発明においては、流体経路の全体形態（即ち、経路自体の全体的な形状）の少なくとも一部を乱流が発生する形態にしてよい。つまり、流体経路の径寸法に特に変化をもたせるのではなく、流体経路の全体的な延在形態に変化をもたせ、それによって、乱流を発生させるようにしてよい。特に流体経路の延在形態に対して規則的または不規則的な変化をもたせることが好ましい。例えば、図１５に示すように、流体経路８０の全体的な形態をらせん形態にしてよい。換言すれば、流体経路８０の全体形状がスパイラル形状、渦巻き形状またはヘリカル形状などを有していてよい。かかるらせん形態の流体経路のらせんピッチＰＤは、例えば１Ｄ〜５Ｄ程度であることが好ましい（図１５参照）。
【００４７】
また、本発明においては乱流を発生させるために三次元形状造形物を回転させてもよい。つまり、図１６に示すように、研磨剤流体を流すに際して三次元形状造形物１００を回転させる操作を行ってもよい。かかる場合、流体経路８０は少なくともその一部が湾曲形態を有していることが好ましい。これにより、回転操作時に好適に乱流が発生し易くなる。乱流が発生することになる限り、回転数は特に制限はない。一例を挙げるとすると高速回転となるように３０〜３００ｒｐｍ程度の回転数であってよい。
【００４８】
本発明においては磁場（または磁界もしくは磁気）を付加的に加える操作を行って研磨処理を行ってもよい（換言すれば、磁性を帯びた研磨粒子に磁場を加える操作を付加的に行ってもよい）。かかる場合、研磨剤として着磁させることが可能な研磨粒子を用い、図１７に示すように研磨処理では着磁させることで研磨粒子を流体経路の経路形成面に一時的に寄せた状態または集中させた状態にしておいてよい（換言すれば、磁性研磨粒子に対して磁場を及ぼし、それによって、研磨粒子を流体経路の経路形成面に一時的に寄せた状態または集中させた状態にしてよい）。例えば、着磁可能な研磨粒子としては、“焼き入れされたＳＫＨ鋼”や“硬化可能なセラミック粉末（ＮｂＣ）”などからなる粉末粒子を用いてよい。このような処理によって、研磨粒子を付着粉末箇所に効果的に集めることができる。よって、任意に３次元配置された流体経路であっても、流体経路内面をより均一に磨くことが助力される。つまり、より効率良くよりきれいに磨ける箇所と、そうでない箇所との差を減じることができる。
【００４９】
磁場を付加的に加える態様について、特に研磨剤流体が流れにくい箇所は外部から強い磁場をかけてよい。つまり、付着粉末が特に多い箇所などでは、強い磁場をかけることによって、その箇所に研磨粒子を集中させ、それによって、効果的な研磨処理を行うことが可能となる。尚、研磨後においては、流体経路内部に着磁して残留した研磨粒子を、脱磁させることで除去してよい。つまり、研磨後においては、磁場の印加を必要に応じて停止し、「研磨粒子の寄せた状態・集中させた状態」を適宜解除してよい。
【００５０】
研磨処理に先立っては、流体経路の経路形成面に残留した粉末を腐食させる処理を行ってよい。腐食によって残留粉末が脆くなるので、より効率良く研磨処理を行うことができる。つまり、腐食により脆くなった残留粉末は、乱流状態の研磨剤流体によって容易に除去されることになる。腐食処理は、例えば、硫酸などの酸性液体を流体経路へと流すことで行ってよい。
【００５１】
研磨剤流体について詳述しておく。本発明で用いる研磨剤流体は、研磨剤として機能する砥粒（即ち研磨粒子）が液体中に含まれたものであれば特に制限はない。このような研磨剤流体においては砥粒が液体中に分散・遊離した状態で存在している。かかる点に鑑みると、本発明は、遊離砥粒を流体経路内に乱流として供給することによって流体経路の研磨処理を実施するともいえる。
【００５２】
研磨剤自体は、例えばその粒径（特に平均粒径）が好ましくは１５０μｍ〜３００μｍ、より好ましくは２００μｍ〜２５０μｍの粒状物（即ち、研磨粒子）となっている。このような粒径の研磨剤を用いると、付着粉末の除去（即ち、研磨剤流体の研磨作用による除去）にとって特に望ましいものとなる。尚、本明細書にいう「平均粒径」とは、粒状物（即ち研磨粒子）の電子顕微鏡写真または光学顕微鏡写真に基づいて例えば３００個の粒子の粒径を測定し、その数平均として算出したものを実質的に意味している（尚、“粒径”は、粒子のあらゆる方向における長さのうち最大となる長さのことを実質的に指している）。
【００５３】
研磨剤の材質は、セラミックまたは金属などであることが好ましい。例えば、研磨剤は、アルミナ、ダイヤモンド、窒化ホウ素、ジルコニアおよび炭化ケイ素から成る群から選択される少なくとも１種以上の材質から成るものであってよい。
【００５４】
研磨剤が分散・遊離するための媒体液体は、例えば水であってよい。水を用いるとコスト的に有利であるだけでなく、常温下にて適度な流動性を有するので、研磨剤を好適に分散・遊離させることができる。
【００５５】
研磨処理に用いる流体の研磨剤濃度は、好ましくは３ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％程度であり、より好ましくは４ｖｏｌ％〜１５ｖｏｌ％程度、更に好ましくは５ｖｏｌ％〜１０ｖｏｌ％程度であることが好ましい（研磨剤流体の全体積基準）。
【００５６】
［本発明の三次元形状造形物］
次に、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する。本発明の三次元形状造形物は、プラスチックの成形金型または金型部品として用いることができる。ここで、本発明に係る三次元形状造形物は、その内部に流体経路を有して成り、かかる流体経路の流路形成面が研磨面を成していることを特徴としている。例えば、かかる研磨面の粗さについていえば、表面粗さＲａが好ましくは５μｍ〜２５μｍ、より好ましくは５μｍ〜２０μｍとなっている。本明細書でいう「算術平均粗さ（Ｒａ）」とは、図１８に示すような粗さ曲線（本発明でいうと「流路形成面の断面形状プロファイル」）から、その平均線の方向に基準長さＬだけ抜き取り、この抜き取り部分における平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計して得られる値を平均化したものを実質的に意味している。
【００５７】
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。
【００５８】
例えば、発明においては流体経路の少なくとも一部に乱流を発生させるが、発生箇所は流体経路の内部に限らず、その外部であってもよい例えば研磨剤流体を流体経路に導入するに先立って、乱流を流体に予め発生させておいてもよい。予め乱流を発生させる手段は、特に制限されず、上述の「突起状部９４または凹状部９６」や「インターナル部材９８」などを用いてよい。かかる態様では、造形物の製造後に付属手段を設けるだけで乱流を発生させることができるので、造形物の製造自体に影響を及ぼすことなく研磨処理を実施できる。
【００５９】
また、「突起状部９４または凹状部９６」や「インターナル部材９８」および上記「予め乱流を発生させる手段」などはそれぞれ単独で用いる態様に限らず、それらを適宜相互に組み合わせて用いる態様であっても構わない。
【００６０】
更にいえば、乱流を発生させるために、パルス状に脈打つように流体を供給してもよい。また、研磨剤流体を流す際に三次元形状造形物が振動するようにしてもよい。
【００６１】
尚、上述のような本発明は、次の態様を包含している：
第１態様：（ｉ）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
を通じて粉末層形成および固化層形成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、
前記工程（ｉ）および（ｉｉ）では前記造形物の内部領域の一部に相当する局所的領域を粉末状態部分として残しておき、該粉末状態部分の粉末を最終的に除去することによって、前記造形物の内部に流体経路を形成し、
前記造形物が得られた後、研磨剤を含んで成る流体を前記流体経路内に乱流として流すことによって該流体経路を研磨処理する、三次元形状造形物の製造方法。
第２態様：上記第１態様において、前記工程（ｉ）および（ｉｉ）では前記流体経路の径寸法が規則的または不規則に変化するように該流体経路を形成しておき、前記研磨処理では該径寸法の該規則的または該不規則的な変化に起因して前記流体経路内に前記乱流が発生することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第３態様：上記第１態様において、前記工程（ｉ）および（ｉｉ）では前記流体経路の経路形成面に突起状部または凹状部を形成しておき、前記研磨処理では該突起状部または該凹状部に起因して前記流体経路内に前記乱流が発生することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第４態様：上記第１態様〜第３態様のいずれかにおいて、前記流体の流れに伴って前記乱流を発生させるインターナル部材を前記流体経路内に設けることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第５態様：上記第１態様〜第４態様のいずれかにおいて、前記研磨剤として着磁可能な研磨粒子を用いており、前記研磨処理では該研磨粒子が前記流体経路の経路形成面に一時的に寄った状態となるように該研磨粒子を着磁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６態様：上記第１態様〜第５態様のいずれかにおいて、前記工程（ｉ）および（ｉｉ）では、前記流体経路の全体的な形態の少なくとも一部を乱流が発生する形態にしておくことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第７態様：上記第１態様〜第６態様のいずれかにおいて、前記研磨処理に先立って、前記流体経路の経路形成面に残留した粉末を腐食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８態様：上記第１態様〜第７態様のいずれかにおいて、前記研磨処理に際しては前記造形物を回転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９態様：上記第１態様〜第８態様のいずれかにおいて、前記研磨処理に用いる前記研磨剤として、粒径が１５０μｍ〜３００μｍの粒状物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１０態様：上記第１態様〜第９態様のいずれかにおいて、前記研磨処理に用いる前記流体の研磨剤濃度が３ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％であることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
第１１態様：上記第１態様〜第１０態様のいずれか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、
該三次元形状造形物は、その内部に流体経路を有して成り、該流体経路の流路形成面が研磨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】
【００６２】
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として用いることができる。
関連出願の相互参照【００６３】
本出願は、日本国特許出願第２０１２−６０２０７号（出願日：２０１２年３月１６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。
【符号の説明】
【００６４】
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・ブレード（均し板／均しブレード）
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
８０  流体経路（流路）
８５  流体経路の径寸法の規則的または不規則的な変化部分
８６  インターナル部材（経路内部挿入物）
８７  回転可能に設けられたインターナル部材（経路内部挿入物）
９４  突起状部
９６  凹状部
９８  インターナル部材
１００  三次元形状造形物（特に流体経路を備えた三次元形状造形物）
Ｌ  光ビーム
【図１】
2013137283.tif 000003
【図２】
2013137283.tif 000004
【図３】
2013137283.tif 000005
【図４】
2013137283.tif 000006
【図５】
2013137283.tif 000007
【図７】
2013137283.tif 000008
【図８】
2013137283.tif 000009
【図９】
2013137283.tif 000010
【図１０】
2013137283.tif 000011
【図１１】
2013137283.tif 000012
【図１２】
2013137283.tif 000013
【図１３】
2013137283.tif 000014
【図１４】
2013137283.tif 000015
【図１５】
2013137283.tif 000016
【図１６】
2013137283.tif 000017
【図１７】
2013137283.tif 000018
【図１８】
2013137283.tif 000019
【図２０】
2013137283.tif 000020
【図２２】
2013137283.tif 000021
【図６】
2013137283.tif 000022
【図１９】
2013137283.tif 000023
【図２１】
2013137283.tif 000024
【国際調査報告】
2013137283.tif 000025
2013137283.tif 000026
2013137283.tif 000027
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