(57)【要約】【課題】精密加工ないし微細加工による仕上げ面や鏡面といった極めて高品位な仕上げ面の生成が可能な三次元造形装置等を提供する。【解決手段】三次元造形装置１は、昇降可能なテーブル３上のベース部材４と、ベース部材４又は既成の固化部Ｄの上側に層状に金属粉末Ｐを供給する粉末層供給手段６と、ベース部材４又は既成の固化部Ｄの上側にレーザ光Ｌを照射することで、供給された金属粉末Ｐを溶融固化して層状の固化部Ｄを形成する照射手段８と、振動切削用工具４４を装着した先端部４２を振動可能である振動部４０、並びに振動部４０を移動させるＸＹ移動機構４６及びＡＢＣ移動機構４８を有する振動切削手段１０と、を備えており、振動切削手段１０は、固化部Ｄの表面を切削する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部材と、
前記ベース部材又は既成結合部に対し、金属粉末又は金属細線を供給する金属材料供給手段と、
前記ベース部材又は前記既成結合部に対し、レーザ光を照射し又はアーク放電を発生することで、供給された前記金属粉末又は前記金属細線との結合部を形成する結合手段と、
振動加工用工具を装着した先端部を振動可能である振動機構、及び当該振動機構を移動させる移動手段を有する振動加工手段と、
を備えており、
前記振動加工手段は、前記結合部の表面を加工する
ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記振動加工手段は、前記振動加工用工具を楕円振動させる
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
【請求項３】
前記ベース部材は、前記結合部と結合する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記金属材料供給手段は、前記ベース部材又は前記既成結合部の上側に前記金属粉末を層状に供給し、
前記結合手段は、層状の前記金属粉末を溶融固化し又は焼結することで、層状の前記結合部を形成する
ことを特徴とする請求項１ないしは請求項３の何れかに記載の三次元造形装置。
【請求項５】
前記金属材料供給手段は、ノズルによって前記金属粉末を供給する
ことを特徴とする請求項１ないしは請求項３の何れかに記載の三次元造形装置。
【請求項６】
前記金属材料供給手段は、前記ベース部材又は前記既成結合部の上側に前記金属細線を供給し、
前記結合手段は、前記金属細線を前記アーク放電によりアーク溶接することで、前記結合部を形成する
ことを特徴とする請求項１ないしは請求項３の何れかに記載の三次元造形装置。
【請求項７】
ベース部材又は既成結合部に対し、金属粉末又は金属細線を供給する金属材料供給工程と、
前記ベース部材又は前記既成結合部に対し、レーザ光を照射し又はアーク放電を発生することで、供給された前記金属粉末又は前記金属細線との結合部を形成する結合工程と、
振動加工用工具を装着した先端部を振動可能である振動加工手段における前記振動加工用工具を、前記結合部の表面に適用する振動加工工程と、
を有する
ことを特徴とする三次元造形方法。
【請求項８】
前記振動加工用工具は、楕円振動される
ことを特徴とする請求項７に記載の三次元造形方法。
【請求項９】
前記ベース部材は、前記結合部と結合する
ことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の三次元造形方法。
【請求項１０】
前記金属材料供給工程及び前記結合工程は、前記振動加工工程の前において繰り返し行われる
ことを特徴とする請求項７ないしは請求項９の何れかに記載の三次元造形方法。
【請求項１１】
前記振動加工工程は、異なる前記既成結合部の表面に対して繰り返し行われる
ことを特徴とする請求項７ないしは請求項１０の何れかに記載の三次元造形方法。
【請求項１２】
前記金属材料供給工程において、前記ベース部材又は前記既成結合部の上側に前記金属粉末を層状に供給し、
前記結合工程において、層状の前記金属粉末を溶融固化し又は焼結することで、層状の前記結合部を形成する
ことを特徴とする請求項７ないしは請求項１１の何れかに記載の三次元造形方法。
【請求項１３】
前記金属材料供給工程において、ノズルによって前記金属粉末を供給する
ことを特徴とする請求項７ないしは請求項１１の何れかに記載の三次元造形方法。
【請求項１４】
前記金属材料供給工程において、前記ベース部材又は前記既成結合部の上側に前記金属細線を供給し、
前記結合手段において、前記金属細線を前記アーク放電によりアーク溶接することで、前記結合部を形成する
ことを特徴とする請求項７ないしは請求項１１の何れかに記載の三次元造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層体を形成する積層体形成機能と、その積層体を加工する加工機能を併有する三次元造形装置、及びその三次元造形装置によって実行可能な三次元造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属の粉末層の所定箇所に光ビーム（レーザ）を照射して固化層（焼結層）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の造形物を製造する方法（レーザ焼結による粉末焼結積層法）として、下記特許文献１に記載のものが知られている。
この製造方法を実施する光造形複合加工機では、自由曲面や複雑形状にも対応しながら造形を高精度化するため、造形物表面を切削する小径のミーリングヘッド（エンドミル）が設けられている（当該文献の図５参照）。
そして、固化層の厚みがミーリングヘッド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と固化層形成ステップとが繰り返され、所定厚みとなるとミーリングヘッドの駆動により切削ステップが実行され、更に適宜これらのステップが繰り返されることで、切削だけでは制作不可能な工具が進入できない凹部等を有する形状の造形物も製造することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５８９５１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述の光造形複合加工機では、造形物表面の磨きレス鏡面加工は困難である。なぜなら、鏡面加工に必要とされるダイヤモンド工具等のきわめて鋭利な切れ刃が、鉄系材料を始めとする多くの金属の造形物表面に対して急速に摩耗するからである。かような金属として、鉄の他にも、タングステン、ニッケル、クロム、コバルト等が挙げられる。
又、特に高温でレーザ焼結された金属造形物には硬質な酸化物が生成し易く、一層難削性が高まり、鏡面等の高品位な仕上げ面を得ることが困難である。
更に、造形物表面を切削するミーリング工具が小径であるため、上記の工具摩耗がより顕著に表れるし、加工能率が低くなるし、その径以下の角部を加工することが困難である。
そこで、本開示は、精密加工ないし微細加工による仕上げ面や鏡面といった極めて高品位な仕上げ面の生成が可能な三次元造形装置や三次元造形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本開示は、三次元造形装置において、ベース部材と、前記ベース部材又は既成結合部に対し、金属粉末又は金属細線を供給する金属材料供給手段と、前記ベース部材又は前記既成結合部に対し、レーザ光を照射し又はアーク放電を発生することで、供給された前記金属粉末又は前記金属細線との結合部を形成する結合手段と、振動加工用工具を装着した先端部を振動可能である振動機構、及び当該振動機構を移動させる移動手段を有する振動加工手段と、を備えており、前記振動加工手段は、前記結合部の表面を加工することが望ましい。
又、本開示は、三次元造形方法において、ベース部材又は既成結合部の隣接部に対し、金属粉末又は金属細線を供給する金属材料供給工程と、前記金属粉末又は前記金属細線の所定箇所に対し、レーザ光を照射し又はアーク放電を発生することで、前記所定箇所を結合して結合部を形成し、既成の前記結合部である前記既成結合部が存在する場合には、当該既成結合部に対しても結合するように前記結合部を形成する結合工程と、振動加工用工具を装着した先端部を振動可能である振動加工手段における前記振動加工用工具を、前記結合部の表面に適用する振動加工工程と、を有することが望ましい。
【発明の効果】
【０００６】
本開示によれば、精密加工ないし微細加工による仕上げ面や鏡面といった極めて高品位な仕上げ面の生成が可能な三次元造形装置や三次元造形方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係る三次元造形装置の模式的な斜視図である。
【図２】図１の三次元造形装置に係る振動部の（ａ）縦振動，（ｂ）たわみ振動を示す模式図である。
【図３】図２の振動部の（ａ）等高線状の振動切削，（ｂ）刃先の位置や向きの制御，（ｃ）積層体表面の刃先による加工，（ｄ）ピックフィードに係る刃先の積層体表面との接触についての模式図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は図２の振動部による切削（振動一周期程度の極短時間に亘る微視的なもの）の模式図である。
【図５】（ａ）は角隅加工の事例を示す模式図であり、（ｂ）は角隅加工における図４同様図である。
【図６】高能率微細加工における図４同様図である。
【図７】図１の三次元造形装置の動作例に係るフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明に係る実施の形態やその変更例が、適宜図面に基づいて説明される。尚、本発明は、下記の実施の形態や変更例に限定されない。
【０００９】
≪全体構成等≫
図１は、本発明に係る三次元造形装置１の模式的な斜視図である。
三次元造形装置１は、機枠２と、機枠２内で上下に昇降可能であり水平な天面を有するテーブル３と、テーブル３上に置かれる板状のベース部材４と、金属粉末Ｐを所定の厚みで敷くことによってベース部材４の上方に金属粉末Ｐを供給する粉末層供給手段６と、レーザ光Ｌを任意の位置に照射する照射手段８と、造形物（積層体Ｗ；図３〜図６参照）の表面を振動切削する振動切削手段１０と、テーブル３や粉末層供給手段６を覆うカバー１１と、これらを制御する制御手段１２と、を備えている。
ここで、上下方向がＺ軸方向とされ、下方がＺ軸の正側とされる。又、水平面において、互いに直交するＸ軸ないしＹ軸がとられる。尚、各軸の設定は一例であり、正負を変えたり他の方向にしたりする等、他の設定がなされても良い。
【００１０】
金属材料供給手段としての粉末層供給手段６は、テーブル３の奥（Ｙ軸方向正側）に配置されており金属粉末Ｐを貯める粉末タンク２０と、粉末タンク２０の金属粉末Ｐを所定量分押し上げる粉末テーブル２２と、粉末タンク２０の奥からその手前のテーブル３にかけてＹ軸方向に移動可能であり、押し上げられた金属粉末Ｐをテーブル３上に均すことで金属粉末Ｐを層状に供給するスキージングブレード２６と、を備えている（パウダーベッド方式）。
【００１１】
照射手段８は、レーザ光Ｌを発するレーザ発振器３０と、レーザ光Ｌを金属粉末Ｐの上において走査するスキャン光学系３２と、を備えている。
スキャン光学系３２は、例えばガルバノミラー（の組合せ）である。
照射手段８により、レーザ光Ｌが、金属粉末Ｐの供給されるベース部材４又は既設の固化部Ｄに照射されると、照射部分が溶融され、レーザ光Ｌの走査により、供給された層状の金属粉末Ｐの一部又は全部が層状の固化部Ｄ（結合部）となることから、照射手段８は固化手段（結合手段）と捉えられても良い。
テーブル３のベース部材４のすぐ上側（隣接部）には、積層体Ｗにおける最も下層の固化部Ｄが、レーザ光Ｌの初回の走査により形成される。そして、粉末層供給手段６によりその固化部Ｄ即ち既成の固化部Ｄの上側（隣接部）において金属粉末Ｐが層状に供給され、照射手段８によりその金属粉末Ｐに対してレーザ光Ｌが走査されて、その層状の金属粉末Ｐのうち走査範囲内のものが上層の固化部Ｄとして層状に溶融・固化され、適宜かような層状の金属粉末Ｐの供給や溶融・固化が繰り返される。レーザ光Ｌの照射により、金属粉末Ｐは、既成の固化部Ｄが下層又は同層において隣接する場合には、当該既成の固化部Ｄと結合（固着）する。
粉末層供給手段６によって既成の下層の固化部Ｄの上で形成される層状の金属粉末Ｐは、レーザ光Ｌの出力や金属粉末Ｐの材質等に鑑み、既成の下層の固化部Ｄに対し溶融・固化によって積層可能である厚み（深さ）とされる。層状の金属粉末Ｐの厚みは、積層順毎あるいは層の群毎に異なっても良いが、制御の容易さや固化の質の安定性を確保する観点から、好ましくは一定とされる。
テーブル３（ベース部材４）は、固化部Ｄの積層（積層体Ｗの形成の進行）に従い、最上層の固化部Ｄ（その時点における積層体Ｗの最上部）が上下方向において同様な位置となるように順次下降される。
ベース部材４は、造形が完了した積層体Ｗ（造形物）の一部となったり積層体Ｗを取り出し易くするために設けられているが、省略されても良い。
【００１２】
振動加工手段としての振動切削手段１０は、振動機構としての振動部４０と、その先端部４２（下端部）に取り付けられる振動切削用工具４４と、振動部４０をＸＹ方向に移動させるＸＹ移動機構４６と、振動部４０をＡ軸，Ｂ軸，Ｃ軸で回転移動させるＡＢＣ移動機構４８と、を備えている。ＸＹ移動機構４６及びＡＢＣ移動機構４８は、移動機構を構成する。尚、振動切削手段１０（の移動機構）は、更に振動部４０をＺ軸方向に移動させるＺ移動機構を備えていても良いし、Ａ軸，Ｂ軸，Ｃ軸周りの移動の少なくとも何れかが省略されていても良い。三次元加工装置１では、基本的な加工は、Ａ軸，Ｂ軸，Ｃ軸のうち、Ｃ軸周りの移動のみで行え、Ａ軸又はＢ軸が追加された場合には、積層体Ｗのオーバーハングした逆傾斜面（真上から見えない面）も加工可能となる。又、Ｃ軸の先（工具側）にＡ軸又はＢ軸が追加された場合においては、Ａ軸の移動又はＢ軸の移動の制御により、工具の積層体Ｗに対する所定の傾斜角度（例えば３０°）が確保されても良い。加えて、テーブル３は、昇降により積層体Ｗに対する振動部３０の相対的な（Ｚ軸方向の）移動を行うため、移動手段と扱われても良い。
振動加工用工具としての振動切削用工具４４は、超精密加工用のもの（単結晶ダイヤモンドツール）であり、強力な楕円振動（円振動を含む）やそれによる切削負荷に耐えるものである。尚、振動切削用工具４４として、他の種類のものが用いられても良い。
振動部４０は、図２に示されるように、第１の圧電素子５２と、第２の圧電素子５４を備えており、これら圧電素子５２，５４の駆動により、振動切削用工具４４に楕円振動を付与し、振動切削用工具４４の刃先Ｅ（先端）を楕円振動させることが可能である。
圧電素子５２は、複数の圧電素子部を含んでも良いし、単独の圧電素子のみを含んでも良い。これは、圧電素子５４についても同様である。
【００１３】
制御手段１２は、プロセッサ６０とメモリ６２を有しており、メモリ６２は、加工プログラム６４や積層体Ｗの形状データ６６を記憶している。プロセッサ６０は、メモリ６２を参照して加工プログラム６４を実行し、形状データ６６に従った積層体Ｗに係る造形の制御を行う。形状データ６６は、積層体Ｗ毎に分けられており（形状データベース）、各層（層状の各固化部Ｄ）の形状に係る層形状データを含んでいる。
【００１４】
≪振動部等≫
図２にも示されるように、振動部４０は、ロッド状である。振動切削用工具４４は、振動部４０の軸方向即ち振動部中心軸Ｍに延びる状態で振動部４０の先端部４２（積層体Ｗ側の端部）に取り付けられる。
図２（ａ）に示されるように、第１の圧電素子５２は、その駆動により、振動部４０の先端部４２（振動部）について主に振動部中心軸Ｍ方向で振動させ、振動部４０に取り付けられた振動切削用工具４４を、主に振動部中心軸Ｍ方向で振動させるものである。以下、振動部中心軸Ｍ方向の振動は、縦振動と呼称されることがある。
図２（ｂ）に示されるように、第２の圧電素子５４は、その駆動により、振動部４０の先端部４２について主に振動部中心軸Ｍ方向に交わる（直交する）方向で往復するようにたわませて、振動部４０に取り付けられた振動切削用工具４４を、主に当該方向で振動させるものである。ここで、先端部４２を振動させるため、たわみによる振動としては、少なくとも先端部４２が自由端となる振動が選択され、好ましくは先端部と後端部の両端が自由である振動が選択される。以下、当該方向の振動（横振動）は、たわみ振動と呼称されることがある。
【００１５】
振動部４０は、その形状（振動部中心軸Ｍ方向の長さや、径の大きさないしその分布等）や重量配分等の構造により、縦振動とたわみ振動について、それぞれ所定の共振周波数を有している。
振動部４０の縦振動とたわみ振動の基本的な共振周波数（基準共振周波数）は、何れも１６．９ｋＨｚ（キロヘルツ）である。
振動部４０の先端部４２を含む前部は、先端部４２の振幅を拡大して振動切削用工具４４をより効率良く振動するため、振動切削用工具４４に近づくにつれて細くなるテーパ形状を有するように形成される。テーパ形状の種類としては、コニカルホーン形状や、エクスポネンシャルホーン形状、ステップホーン形状が例示される。
【００１６】
縦振動の周波数やたわみ振動の周波数は、振動部４０の各共振周波数に基づいて設定される。
制御手段によって第１の圧電素子５２と第２の圧電素子５４に対して周期的な電圧が印加され、第１の圧電素子５２と第２の圧電素子５４が駆動されると、縦振動とたわみ振動により振動部４０の先端部４２が楕円軌跡を描いて振動し、振動切削用工具４４が楕円振動する。振動切削用工具４４を楕円振動させるための振動は、所定の共振モードに係る振動である。
振動部４０では、図２に模式的な波形状の線（実波線と破波線）で示されるように、縦振動において１次の共振モードで振動するように圧電素子５２が駆動され（図２（ａ））、たわみ振動において３次の共振モードで振動するように圧電素子５４が駆動される（図２（ｂ））。
かような共振モードの設定は、振動切削用工具４４の容易な設置等様々な面で扱い易いロッド形状の振動部４０に適合している。
【００１７】
たわみ振動は、振動部４０において、振動切削用工具４４を取り付けた状態で、なるべく振動部中心軸Ｍを中心として行われるように調整される。その調整は、振動部中心軸Ｍを中心とした重量バランスの確保等により行われる。尚、以下では、振動部中心軸Ｍとたわみ振動の中心軸とが一致するものと仮定した説明がなされるが、実際にはこれらは互いに僅かにずれていることが多い（厳密な一致の確保は現状困難である）ものである。
振動部４０の先端部４２に注目した場合、先端部４２の振動中心軸が振動部中心軸Ｍとなるべく一致するようにするため、振動切削用工具４４が、他の先端部４２における部品の重量との兼ね合いで、振動部中心軸Ｍを中心とした重量バランスが確保されるように取り付けられる。尚、先端部４２においては、たわみ振動に影響をなるべく及ぼさないようにするために、重量の大きい部品は配置されない。
【００１８】
そして、振動部４０の縦振動とたわみ振動の基準共振周波数が一致するので、楕円振動が安定し、又縦振動の節（最も振動が小さくなる部分，ノード）の位置と、たわみ振動の節の位置が、振動部４０の中央部（先細部の後側）において概ね一致する。更に、たわみ振動の節は、中央部の前後にも存在する。振動部４０は、中央部の節の位置と、その後方のたわみ振動の節の位置とにおいて支持され（図２の黒三角印や黒丸印参照）、振動部４０は、かような位置を点接触で支持する図示されない支持体を有している。
尚、縦振動の周波数やたわみ振動の周波数、あるいは振動部４０の共振周波数や各振動における共振モードの次数は様々に変更可能である。又、振動部４０の基準共振周波数について、好ましくは１ｋＨｚ以上であり、より好ましくは５ｋＨｚ以上、更に好ましくは超音波領域以上である。超音波領域の周波数としては、概ね、１６ｋＨｚ以上とされても良いし、１７ｋＨｚ以上とされても良いし、２０ｋＨｚ以上とされても良い。超音波領域の周波数における振動は、超音波振動と適宜呼称される。
【００１９】
又、特に図３（ａ）に示されるように、三次元造形装置１では、振動部４０が、ＡＢＣ移動機構４８により、積層体Ｗの表面（次の固化部Ｄが固化しない面即ち側面）に対して、下方ほど積層体Ｗに近づく状態で鉛直線から３０°程度の任意の角度で傾斜した姿勢となるように制御される。そして、振動部４０の先端部４２が振動した場合に、振動切削用工具４４の刃先Ｅが、縦振動により積層体Ｗの表面に対して接したり離れたりし、たわみ振動により積層体Ｗの表面に対して主に積層体Ｗの等高線方向に微細に往復移動したりするように、刃先Ｅの位置や向きが制御される（図３（ｂ）参照）。刃先Ｅは、積層体Ｗが三次元曲面でうねっている場合にも容易に接触可能であるように、円弧状（半円状）になっている。尚、振動部４０が、ＡＢＣ移動機構４８により、更にＡ軸の移動又はＢ軸の移動について制御されるものとすることで、オーバーハングした逆傾斜面が加工されたり、振動切削用工具４４が積層体Ｗと干渉する事態が回避されたりしても良い。
そして、振動部４０は、ＸＹ移動機構４６により、振動切削用工具４４が積層体Ｗの等高線（積層体Ｗ表面とＸＹ平面の交線）に沿う所定の方向（等高線送り方向）に移動される。刃先Ｅを含む面（振動切削用工具４４のすくい面）は、主にＣ軸の制御により、積層体Ｗの等高線に交わる（垂直となる）ように制御される（但し後述の角隅加工時を除く）。
又、振動部４０は、等高線方向の移動による積層体Ｗ表面の帯状部分の加工を、等高線に交わる方向において等高線方向の移動が互いにずれた状態で繰り返すことが可能である。この場合、好適には、既に加工した帯状部分とこれから加工する帯状部分とが隣接する（一部重複する）ように、等高線に交わる方向における等高線方向の移動軌跡同士の間隔（ピックフィードｐ）が設定される。例えば、図３（ｃ）に示されるように、直前に加工された仕上げ面の一部に重なるように、振動切削用工具４４の刃先Ｅの等高線に交わる方向における送り量（ピックフィードｐ）が設定される。この場合、積層体Ｗには、振動切削用工具４４が、刃先Ｅの最下点Ｖ（仕上げ面生成位置の刃先点）を中心に作用し、最下点Ｖから前加工面側では、刃先Ｅのノーズ半径Ｒと切込み深さｄとで表される｛Ｒ２−（Ｒ−ｄ）２｝１／２の幅で積層体Ｗに接し、最下点Ｖから仕上げ面側では、ｐ／２の幅で積層体Ｗに接して、直前の仕上げ面に重なる。この場合において、１本の等高線方向の移動により使用される刃先Ｅの部分は、一点であり、あるいは僅かな範囲にわたる。
そして、図３（ｄ）に示されるように、振動切削用工具４４の等高線に交わる方向における移動（ピックフィード方向の移動）により積層体Ｗの表面形状が変化したとしても、円弧状の刃先Ｅにより、何れの場合にも当該表面は刃先Ｅを含む領域において接触して切削される。例えば、積層体Ｗにおける等高線方向に垂直な方向の傾きが水平かこれに近い場合（図３（ｄ）中央）、刃先Ｅは最下点Ｖあるいはその付近で接触し、積層体Ｗの当該傾きが垂直かこれに近い場合（図３（ｄ）左）、刃先Ｅは前加工面側において接触し、積層体Ｗの当該傾きがこれらの間である場合（図３（ｄ）右）、刃先Ｅは最下点Ｖと前加工面側の間において接触する。かようにして使用される刃先Ｅの部分は、積層体Ｗの形状にもよるが、概ね１２０°の範囲内にわたるものである。尚、刃先Ｅは、使用される範囲のみを有していても良い。
【００２０】
≪楕円振動加工プロセス等≫
図４において、振動部４０によって楕円振動される振動切削用工具４４が積層体Ｗを切削するプロセス（振動一周期程度の極短時間に亘る微視的なもの）が模式的に示される。
【００２１】
楕円振動の主にたわみ振動により等高線送り方向の後方に退いた振動切削用工具４４（図４（ａ））は、主に縦振動により積層体Ｗに近づく方向（切込み方向）に移動し、積層体Ｗに接触して切削を開始する（図４（ｂ））。振動切削用工具４４の刃先Ｅから等高線送り方向後方の部分には、刃先Ｅに対して積層体Ｗから逃げるような逃げ面Ｋが形成されており、刃先Ｅは、積層体Ｗに対して、進入角ξで入っていく。
切削において、振動切削用工具４４はまず、移動方向が比較的に等高線送り方向に近い状態で積層体Ｗに対して相対的に近づく（図４（ｂ）〜図４（ｃ））。このとき、振動切削用工具４４は、微視的に観察可能である図示されない丸みを有する刃先Ｅによって積層体Ｗを押しならし、逃げ面Ｋ側の刃先Ｅの丸み部において切削したばかりの面（既切削面Ｕ）を擦る。この加工プロセスは、バニシングプロセスあるいはプラウイングプロセスと呼ばれる。このプロセスは、直前の加工までにおいて既に形成された切屑Ｈに振動切削用工具４４が再接触するまでの期間が主体となり（図４（ｃ））、より詳細には、次に説明される材料除去プロセス中にも、刃先Ｅの丸み部では同時に行われている。
【００２２】
次いで、振動切削用工具４４は、移動方向が比較的に積層体Ｗから離れる方向（切込み方向と反対方向）に近い状態で積層体Ｗに対して等高線送り方向で相対的に近づく（図４（ｃ）〜図４（ｅ））。このとき、振動切削用工具４４は積層体Ｗを擦り上げ、切屑Ｈを適宜引き上げる。この加工プロセスは、材料除去プロセスと呼ぶことができる。このプロセスは、振動切削用工具４４の切屑Ｈへの再接触（図４（ｃ））から、振動切削用工具４４による切屑Ｈの引き上げ（図４（ｄ））を経て、振動切削用工具４４の切屑Ｈからの離脱（図４（ｅ）の直後）まで続く。
振動切削用工具４４が積層体Ｗから離れると、一周期内における材料除去プロセスは終了し、図４（ａ）の状態（但し一周期分進んだ位置）に戻る。
【００２３】
かような加工プロセスが用いられれば、振動切削用工具４４としてダイヤモンド工具のように極めて鋭利な刃先を有する工具が用いられても、焼入れ鋼やタングステン合金のような難削性の高い切削対象に対してすら工具摩耗が抑制されるため、金属粉末Ｐの溶融固化体である積層体Ｗの表面に対しても、磨きレスの鏡面加工や、微細溝加工ないし微細テクスチャ加工等の微細加工が実行可能である。
【００２４】
又、楕円振動加工プロセスでは、振動切削用工具４４の刃先Ｅが振動による切削速度を有するため、エンドミルのように切削において回転を利用する必要がなく、図５（ａ）に例示されるような、微小な楕円振動軌跡の丸み（例えば半径２ミクロン）のみを残す実用上の角隅加工が可能である。
即ち、図５（ｂ）に示されるように、振動切削用工具４４の刃先Ｅの基準的な（微細な振動を考慮しない）通過軌跡が、図中点線で示されるような角隅（コーナー）Ｎを有する軌跡Ｔとされれば、角隅Ｎを有する加工が可能となる。
【００２５】
更に、楕円振動加工において振幅制御法が用いられれば、高能率微細加工が可能となる。
即ち、図６に示されるように、第１の圧電素子５２と第２の圧電素子５４の駆動制御により、縦振動の振幅とたわみ振動の振幅が変化され、振動切削用工具４４の刃先Ｅの軌跡が当該振幅の変化に応じて変化することで、加工対象即ち積層体Ｗの表面形状も微細に変化する。
図６の場合では、縦振動の振幅が変化され、より具体的には周期的に変化されることで、積層体Ｗの表面形状が微細な振幅の波形状に加工され、その波形状の一波長分の加工は、約２０回程度の振動回数において完了するように効率的に行われる。
【００２６】
≪三次元造形方法等≫
図７は、三次元造形装置１の動作例ないし三次元造形装置１により実行される三次元造形方法に係るフローチャートである。以下、ステップは適宜Ｓと略される。
制御手段１２は、まず初期設定を行う（Ｓ１）。即ち、制御手段１２は、テーブル３を初期位置（最上部隣接位置）とすると共に、粉末テーブル２２を初期位置（最上部の金属粉末Ｐがテーブル３より上方にあるようにする位置）とし、テーブル３周辺から振動部４０を退避させる。
【００２７】
次に、制御手段１２は、今回の加工対象である積層体Ｗの全ｎ層のうち、所定の層数ｍ（例えば３層）毎に構成される第ｊ群（ｊ＝１〜ｎ／ｍ）の処理を、第１群から順に行う。ステップＳ２は、ｊに係るループの始端であり、ステップＳ３は、第ｊ群内の第ｉ層目を１層目（第ｊ群内の最下層）から順に処理するための、ｉに係るループの始端である。
制御手段１２は、粉末層供給手段６により、スキージングブレード２６で粉末タンク２０上部の金属粉末を層状に供給して、テーブル３（ベース部材４）上に所定の厚みを有する層状の金属粉末Ｐを形成する（金属材料供給工程としての粉末層供給工程Ｓ４；ｊ＝１，ｉ＝１）。
そして、制御手段１２は、積層体Ｗの形状データ６６における第１群（ｊ＝１）の第１層目（ｉ＝１）の形状を参照し、その形状内で、レーザ光Ｌが、金属粉末Ｐの供給されるベース部材４上に順次照射されるように、照射手段８（スキャン光学系３２）を制御する。レーザ光Ｌの照射部分は溶融して金属粉末Ｐと共に固化し、層状の金属粉末Ｐはレーザ光Ｌの走査により形状データ６６に従った形状で層状に固化して、第１群の第１層目に係る固化部Ｄとなる（結合工程としての固化工程Ｓ５；ｊ＝１，ｉ＝１）。第１群の第１層目に係る固化部Ｄは、ベース部材４に対しても溶融固化により結合する。
次いで、制御手段１２は、ｉのループ終端Ｓ６によってｉに１を加算してループ始端Ｓ３に処理を戻し、テーブル３を所定量下げると共に、粉末テーブル２２を所定量上げ、スキージングブレード２６をテーブル３に対しＹ軸方向で往復動させて、テーブル３（ベース部材４）上の固化部Ｄの上側に対し新たな層状の金属粉末Ｐを供給する（粉末層供給工程Ｓ４；ｊ＝１，ｉ＝２）。
更に制御手段１２は、積層体Ｗの形状データ６６における第１群の第２層目の形状を参照し、その形状内でレーザ光Ｌが金属粉末Ｐの供給される第１層目の既設の固化部Ｄ上に照射されるようにして、第１層目の上側で第２層目が溶融・固化して、第１層目の固化部Ｄの上側に第２層目の固化部Ｄが形成されるようにする（固化工程Ｓ５；ｊ＝１，ｉ＝２）。第２層目におけるレーザ光Ｌの照射部分の金属粉末Ｐは、走査における既設の固化部Ｄに対して固化すると共に、第１層目の固化部Ｄと上下で隣接する場合には、当該既設の固化部Ｄに対しても固化・結合する。
制御手段１２は、上述の処理を、ｉのループ終端Ｓ６により繰り返しループ始端Ｓ３に戻ることで、第１群の第ｍ層（第１群の最上層）まで繰り返す。
以上をまとめると、制御手段１２は、第１群の第ｉ層目（ｉ＝１〜ｍ）について、層状の金属粉末Ｐが上側に供給された状態のベース部材４に対し、その層の形状データ６６に従うようにレーザ光Ｌを照射して、第ｉ−１層目（ｉ＝１の場合はベース部材４）の上側（隣接部）での溶融・固化を行う（Ｓ３〜Ｓ６；ｊ＝１）。固化に係る形状は、次の振動切削における切削量を見越して、仕上げ形状より若干大きくすることができる。
【００２８】
続いて、制御手段１２は、振動切削手段１０により、第１群まで積層された積層体Ｗ（１〜ｍ層目の固化部Ｄ）の表面を切削する（振動加工工程としての振動切削工程Ｓ７；ｊ＝１）。
即ち、制御手段１２は、ＡＢＣ移動機構４８を制御して、振動部４０が積層体Ｗの表面に対向した状態で鉛直線に対し傾斜する姿勢となり、振動切削用工具４４のすくい面が積層体Ｗの等高線に交わる向きとなるようにし、形状データ６６に基づいてＸＹ移動機構４６を制御して、積層体Ｗの表面に係る等高線に沿った帯状部分に対し振動する刃先Ｅを適用し、積層体Ｗを振動切削する。又、制御手段１２は、必要に応じ、テーブル３を制御して、次の（既切削部分に隣接する）等高線に沿った帯状部分を振動切削するために、振動部４０（刃先Ｅ）を積層体Ｗに対してピックフィード方向で相対的に移動させる。但し、角隅加工の場合には、刃先Ｅの基準的な通過軌跡が、図５（ｂ）において点線で示されるような、角隅Ｎを有する軌跡Ｔとなるように移動される。尚、振動部４０は、Ａ軸やＢ軸等において、例えば鉛直方向から３０°程度傾いて固定されるといったように、最初から所定の角度で固定されていても良い。
この振動切削においては、上述の通り、鏡面加工や、微細加工、角隅加工、高能率微細加工が可能である。
【００２９】
そして、制御手段１２は、ｊのループ終端Ｓ８によりｊに１を加算して処理をｊのループ始端Ｓ２に戻し、第２群の積層（Ｓ３〜Ｓ６；ｊ＝２）、及び振動切削（Ｓ７；ｊ＝２）を第１群と同様に行う。
更に、制御手段１２は、同様に第３群以降を、全群（全層）の積層ないし振動切削が完了するまで造形する。
以上をまとめると、制御手段１２は、第ｊ群（ｊ＝１〜ｎ／ｍ）について、第ｉ層目（ｉ＝１〜ｍ）の金属粉末Ｐの供給ないし固化（Ｓ３〜Ｓ６；ｉのループ）と、固化部分表面（主に側周部分；積層体Ｗの表面となる部分）の振動切削（Ｓ７）を、順次行う（ｊのループ）。
尚、制御手段１２は、第ｊ群における振動切削（Ｓ７）の対象を、前回（第ｊ−１群）以前における固化部分の表面の一部又は全部に拡げても良い。又、制御手段１２は、群毎に積層数（群に含まれる層の数）を変化させても良く、この場合に群と層数の対応関係（群別層数データベース）がメモリ６２に記憶されていても良い。更に、制御手段１２は、一層毎に振動切削する（群内の層数ｍが１でありｉ＝１のみである）ようにしても良く、更に一層を複数回に分けて振動切削しても良く、あるいは全層積層後に振動切削する（群の数が１でありｍ＝ｎであってｊ＝１のみである）ようにしても良い。制御手段１２は、必ずしも積層体Ｗにおける固化部分の表面全体を振動切削する必要はなく、当該表面の一部を振動切削するようにしても良い。あるいは、積層体Ｗの表面となるかならないかにかかわらず、固化部Ｄの上面や下面を振動切削しても良い。又、振動部４０と通常の切削工具（を保持するユニット）とを交換可能としたり、振動部４０に加えてＸＹ移動等が可能な通常の切削工具を設けたりして、通常の切削が（振動切削の前において）併用されても良い。更に、振動切削用工具４４は、等高線に沿って移動されず、等高線に交わる方向で移動されても良い。
【００３０】
振動切削用工具４４は、振動部４０により、先端部４２を介して楕円振動された状態で積層体Ｗ（固化部Ｄ）の表面に適用され、これにより積層体Ｗの表面が振動切削される。即ち、振動切削用工具４４は、縦振動されると共にたわみ振動された状態で、ＸＹ移動機構４６により、等高線に沿った送り制御ないしＸＹ方向の位置制御がなされ、ＡＢＣ移動機構４８により、積層体Ｗ表面に対する傾倒姿勢の制御と、すくい面の向きの制御がなされる。
かような振動切削は、振動切削用工具４４の摩耗を抑制する効果や、加工力を低減する効果を有しており、極めて鋭利な振動切削用工具４４を用いた微細加工や精密加工、超精密加工、角隅加工、鏡面加工、高能率微細加工に利用され、金属粉末Ｐの固化体としての積層体Ｗに対しても、工具摩耗抑制効果の発揮や加工力低減効果の発揮が期待できる。
振動切削は、鋭利な振動切削用工具４４によって加工中の上滑りを防止するのみならず、振動による切屑引き上げ効果（材料除去プロセス）によって切削力（特に切込み方向の背分力）を低減することができるため、工具が振動しない通常の切削に比べ、振動切削では、より小さな切取り量で上滑りが防止されると共に、積層体Ｗの表面において微細な凹凸等が発生していたとしても、加工誤差や削り残しが防止される。
振動切削は、積層体Ｗの同じ表面箇所に対して複数回行われても良いが、加工時間を低減する観点や、仕上げ面上のつなぎ目の発生を防止する観点、又１回の切り込みであっても数十ミクロンないし数百ミクロンの表面の凹凸を十分除去可能である観点から、好ましくは積層体Ｗの同じ表面箇所に対して数十ミクロンないし数百ミクロンの切り込みで１回行われる。
【００３１】
制御手段１２は、全群（全層）の積層ないし振動切削が完了し、次の加工対象としての積層体Ｗが存在する場合には、適宜今回の積層体Ｗ（三次元造形物，本形態ではベース部材４を含む）の取り出しや、テーブル３上に残存した金属粉末Ｐの回収や、粉末タンク２０に対する金属粉末Ｐの補充等を行った後、次の加工対象において上述の処理をＳ１から繰り返す（Ｒｅｔｕｒｎ  Ｔｏ  Ｓｔａｒｔ）。
【００３２】
≪効果等≫
かように、三次元造形装置１は、ベース部材４と、ベース部材４又は既成の固化部Ｄに金属粉末Ｐを供給する粉末層供給手段６と、ベース部材４又は既成の固化部Ｄにレーザ光Ｌを照射することで、供給された金属粉末Ｐを溶融固化して固化部Ｄを形成する照射手段８と、振動切削用工具４４を装着した先端部４２を振動可能である振動部４０、並びに振動部４０を移動させるＸＹ移動機構４６及びＡＢＣ移動機構４８を有する振動切削手段１０と、を備えており、振動切削手段１０は、固化部Ｄの表面を切削する。
よって、三次元造形装置１は、金属粉末Ｐの結合により形成された固化部Ｄの表面に対し、鏡面加工や精密加工、微細加工といった、高品位な仕上げ面が得られる振動切削を施すことができる。
ここで、振動切削は、加工速度（見かけの切削速度）が振動速度より低くなければ間欠的な切削にならないため、加工速度に上限が存在する。しかし、三次元造形装置１では、一般に対象が自由曲面であるため、振動切削は金属粉末Ｐの積層体Ｗ表面における微小な積層分を曲線的な切削運動で精密に削り取るように用いられるのであり、加工速度を極めて高速にすることは工作機械の性能として困難であるし、かような振動切削における加工速度は、従来のエンドミル加工の加工速度（送り速度）と比較して決して低いものではない。むしろ、同じ理論粗さに対しては、加工速度や加工能率が増大する。
又、振動切削では、大きな切削力が加わると安定した振動を維持し難いため、加工負荷に上限が存在する。しかし、三次元造形装置１では、振動切削において、積層体Ｗの微小な積層分（直前に形成された群に係る層状の固化部Ｄ）における目的形状から主にＸＹ方向にはみ出した部分を僅かに削り取れば良く、当該加工負荷の上限を超えるような重切削は不要である。
更に、共振設計された振動部４０（振動子）の振動モードを大きく変化させないようにするため、振動切削用工具４４のインサート形状や質量に制約が存在し、例えば、ワークとの干渉を避けるために振動切削用工具４４の突き出しをかなり大きくする場合には、振動部４０の再設計が必要になる。しかし、三次元造形装置１では、積層体Ｗの形成中の最上層部を振動切削するため、振動切削用工具４４のインサート形状を大きく変える必要がなく、振動部４０の再設計が求められることは極めて稀である。
かように、三次元造形装置１における固化部Ｄの固化と振動切削の組合せは、互いの長所を失うことなく、互いの欠点をうまく補完し合うものとなり、その結果、従来困難であった高機能な表面（鏡面や角隅を有する表面、微細表面等）を有する三次元造形を実現することができる。
【００３３】
又、振動部４０は、振動切削用工具４４を楕円振動させる。
よって、積層体Ｗ表面の仕上げ加工をより正確に行える。
即ち、楕円振動切削の場合、プラウイングプロセスで振動切削用工具４４が上方に押される力と、材料除去プロセスで振動切削用工具４４が下方に引き込まれる力が相殺し、平均的に切込み方向の力が非常に小さくなり、静的な切込み量の変化（加工誤差）を抑制することができる。更に、楕円振動の周波数を、三次元造形装置１や積層体Ｗ等の大きな構造が応答しない程度に高くすることで、動的にも切込み量の変化（表面粗さ）を非常に小さくすることができる。従って、従来の切削や研削を適用する場合に比べ、金属粉末の固化体の表面に対しても、微細な切込み量を正確に維持し得るため、高精度な仕上げ面を得ることが可能となる。
加えて、従来のエンドミル加工を組み合わせる方法では、エンドミルが回転工具であるために、加工予定の角部の最小曲率半径を超えない小径のエンドミルを使用しなければならず、加工能率が低くなると共に工具寿命が短くなる課題があったところ、楕円振動切削では非回転工具で精密加工を実現し得る。このため、比較的大きな工具でも小さな曲率半径の角部を仕上げることが可能であり、当該課題を解決することができる。
【００３４】
又、ベース部材４は、これに隣接する固化部Ｄと溶融固化する。
よって、ベース部材４を基礎として積層体Ｗがより容易に形成される。
更に、粉末層供給手段６は、テーブル３又は既成の固化部Ｄの上側に金属粉末Ｐを層状に供給し、照射手段８は、層状の金属粉末Ｐを溶融固化することで、層状の固化部Ｄを形成する。
よって、三次元造形装置１において、積層体Ｗがパウダーベッド方式で容易に造形される。
【００３５】
加えて、三次元造形装置１によって行われる三次元造形方法では、ベース部材４又は既成の固化部Ｄに金属粉末Ｐを供給する粉末層供給工程Ｓ４と、ベース部材４又は既成の固化部Ｄにレーザ光Ｌを照射することで、供給された金属粉末Ｐとの固化部Ｄを形成する固化工程Ｓ５と、振動切削用工具４４を装着した先端部４２を振動可能である振動部４０における振動切削用工具４４を、固化部Ｄの表面に適用する振動切削工程Ｓ７と、を有する。
よって、固化部Ｄが積層された積層体Ｗの表面に対し、高品位な仕上げ面が得られる振動切削を施すことができる。
又、振動切削用工具４４は楕円振動されるから、積層体Ｗ表面の切削をより正確に行える。
加えて、ベース部材４は固化部Ｄと結合するから、ベース部材４を基礎として積層体Ｗがより容易に形成される。
【００３６】
更に、粉末層供給工程Ｓ４及び固化工程Ｓ５は、振動切削工程Ｓ７の前においてループ処理Ｓ３，Ｓ６により繰り返し行われるから、振動切削する固化部Ｄの厚みを調節することができ、造形の質や効率がより良好になる。
加えて、振動切削工程Ｓ７は、直前に固化された固化部Ｄの表面に対してループ処理Ｓ２，Ｓ８により繰り返し行われるので、固化部Ｄを積層する都度、表面に対し振動切削を施すことができ、積層体Ｗの造形の質や効率がより良好になる。
又、粉末層供給工程Ｓ４において、ベース部材４又は既成の固化部Ｄの上側に金属粉末Ｐが層状に供給され、固化工程Ｓ５において、層状の金属粉末Ｐを溶融固化することで、層状の固化部Ｄが形成されるから、積層体Ｗがパウダーベッド方式で容易に造形される。
【００３７】
≪変更例等≫
尚、三次元造形装置１の振動切削手段１０の振動部４０は、縦振動とたわみ振動を行うものであったが、これに代えて、２つの縦振動子を備えた振動部が用いられても良い。この場合、２つの縦振動子は、角度を持ってＬ型やＶ型に配置され、あるいは平行（Ｕ型）に配置され、２つの縦振動子の先端部を連結する連結部材が設けられて、連結部材に振動切削用工具が取り付けられる。そして、少なくとも何れかの縦振動子によって、連結部材に対し、等高線送り方向等の振動である横振動が与えられると共に、切込み方向等の振動である縦振動が与えられる。
更に、振動部４０の振動において、ねじり振動が組み合わされても良い。
又、楕円振動を発生する振動部４０に代えて、たわみ振動のみを発生する振動部が用いられても良い。
振動は、積層体Ｗに与えられても良いし、振動切削用工具４４と積層体Ｗに与えられても良い。
積層体Ｗに対する振動部４０（振動切削用工具４４）の移動は、相対的に移動可能であれば上記以外でも良く、例えばテーブル３がＸＹ方向やＣ軸方向のうちの少なくとも何れかの方向に移動可能であっても良い。
【００３８】
レーザ光Ｌの照射による固化に代えて、あるいはその固化と併用して、金属細線（溶接棒を含む）の既設結合部等への供給ないし金属細線と既設結合部等とのアーク溶接により、金属材料が結合されても良い（金属細線のアーク溶接方式）。例えば、金属細線の先端部とベース部材や既設結合部（既設アーク溶接部）とを近接させて互いにアーク溶接されるようにすることができる。この場合、金属細線の先端部は、形状データ６６に従い、レーザ光Ｌの走査と同様に移動されても良い。
又、金属材料供給手段として、ベース部材４の上方に層状の金属粉末（金属粉末層）を形成する粉末層供給手段６に代えて、金属粉末Ｐを噴射するノズルが用いられても良い（パウダー噴射方式，デポジション方式とも呼ばれる）。この場合、ノズルは、ベース部材４又は既成の固化部Ｄに金属粉末Ｐを供給し、照射手段８は、（ノズルによる金属粉末Ｐの供給と同時に）ベース部材４又は既成の固化部Ｄ（における金属粉末Ｐの供給される部分）に対してレーザ光Ｌを照射して、金属粉末Ｐを溶融固化させる。金属粉末Ｐは、レーザ光Ｌを受けつつ既成の固化部Ｄに供給された場合には、既成の固化部Ｄに対しても固化する。ノズルは、照射手段８の走査と同様に移動されても良く、照射手段８は、ノズルに搭載されても良い。金属粉末Ｐの吹き付けとレーザ光Ｌの照射は、同時ではなく、時間差を設けた状態で行われても良い。この場合、レーザ光Ｌの照射により溶融池を形成し、その溶融池に対して金属粉末Ｐを吹き付けても良い。
【００３９】
更に、金属材料の結合に関し、金属粉末Ｐは、レーザ光Ｌにより溶融固化されず、レーザ光Ｌにより焼結されても良いし、溶融固化と焼結が併用されても良い。レーザ光Ｌによる金属粉末Ｐの結合と、アーク溶接による金属細線の結合が組み合わせられても良い。
加えて、ベース部材４と固化部Ｄは、結合されなくても良い。ベース部材４は省略することができ、この場合にテーブル３が本発明に係るベース部材とみなされても良い。ベース部材４は、板状に限られず、円柱を始めとする柱状等であっても良く、又テーブル３上に置かれず、チャックに把持されていても良い。かような場合等において、積層方向は、上下方向ではなく、半径方向であっても良い。
【００４０】
各種の情報を表示可能な表示手段や、その表示手段を有しあるいは有さない操作盤が追加されたり、制御手段１２が別体とされたり、制御手段１２が照射手段８や振動部４０やその移動機構等において個別に分散して設けられたり、機枠２やカバー１１が省略されたり、加工プログラム６４と形状データ６６や形状データベースとを一体化したり、制御手段１２が形状データ６６や層形状データを特定の数式や関数により演算することで得るようにしたりする等、各種の工程や部材ないし部分の構成要素，順序，形状，配置，個数，有無，材質，形式等は、適宜変更されても良い。
【符号の説明】
【００４１】
１・・三次元造形装置、３・・テーブル（移動手段）、４・・ベース部材、６・・粉末層供給手段（金属材料供給手段）、８・・照射手段（結合手段）、１０・・振動切削手段（振動加工手段）、４０・・振動部（振動機構）、４２・・先端部、４４・・振動切削用工具（振動加工用工具）、４６・・ＸＹ移動機構（移動機構）、４８・・ＡＢＣ移動機構（移動機構）、Ｄ・・固化部（結合部）、Ｌ・・レーザ光、Ｐ・・金属粉末、Ｓ４・・粉末層供給工程（金属材料供給工程）、Ｓ５・・固化工程（結合工程）、Ｓ７・・振動切削工程（振動加工工程）、Ｗ・・積層体（造形物）。
【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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