(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体形状物のモデルデータをスライスデータに変換し、当該変換後のスライスデータに基づいて粉体を焼結し、複数の焼結層を積層して形成する積層造形法により立体形状物を製造する立体形状物の製造方法であって、
前記立体形状物のモデルデータのうち、互いに接する部品データの少なくとも一方の部品データの位置情報を修正し、前記部品データ同士を所定の重なり量で重ね合せる部品データ修正工程を備え、
前記部品データ修正工程により修正されたモデルデータをスライスデータに変換し、一方の部品と対応するスライスデータに基づいて焼結層を形成した後、他方の部品と対応するスライスデータに基づいて焼結層を形成することを特徴とする立体形状物の製造方法。
【請求項２】
立体形状物のモデルデータをスライスデータに変換し、当該変換後のスライスデータに基づいて粉体を焼結し、複数の焼結層を積層して形成する積層造形法により立体形状物を製造する立体形状物の製造方法であって、
前記立体形状物のモデルデータのうち、互いに接する部品データの少なくとも一方の部品データに含まれる形状情報を修正し、前記部品データ同士を所定の重なり量で重ね合せる部品データ修正工程を備え、
前記部品データ修正工程により修正されたモデルデータをスライスデータに変換し、一方の部品と対応するスライスデータに基づいて焼結層を形成した後、他方の部品と対応するスライスデータに基づいて焼結層を形成することを特徴とする立体形状物の製造方法。
【請求項３】
前記重なり量の最小値が、前記粉体に照射される光の照射径の半分の寸法、及び前記焼結層の厚さのうちいずれか大きい値に設定されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の立体形状物の製造方法。
【請求項４】
前記粉体に照射される光は、部品形状データ毎に光の照射条件が設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載の立体形状物の製造方法。
【請求項５】
タイヤ金型のモデルデータをスライスデータに変換し、当該変換後のスライスデータに基づいて粉体を焼結し、複数の焼結層を積層して形成する積層造形法により製造されたタイヤ金型であって、
前記タイヤ金型は、タイヤ踏面を形成する表面と、当該表面から突出し、前記タイヤ踏面に溝を形成する突部とを有し、
前記表面と前記突部との境界面下にある焼結層が、前記境界面の範囲内にある一の領域と、前記境界面の範囲外にある他の領域とを含み、
前記境界面の範囲内の領域の密度が、前記境界面の範囲外にある他の領域を形成する一部の焼結層、及び前記突部を形成する焼結層の密度よりも高いことを特徴とするタイヤ金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体形状物の製造方法及びタイヤ金型に関し、特に、積層造形法による金型の製造において、製造後の金型の所定部位に必要とされる物性特性が得られる製造方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金型の一例としてのタイヤ加硫金型の製造方法として、特許文献１で開示される積層造形法を用いたものが知られている。積層造形法では、ＣＡＤにより設計された３次元の金型形状を均一な厚さでスライスした層状の部分形状に分割して複数の部分形状データ（以下スライスデータという）に変換し、部分形状の厚みに対応して堆積された金属粉末に対して、スライスデータに基づいてレーザを照射し、レーザの照射により焼結した金属粉末の焼結層を順次積層することにより立体的な金型が製造される。タイヤ加硫金型には要求される強度や熱伝導性等の物性特性が、部位に応じて異なるため、特許文献１では、金属粉末に照射するレーザの強さ、照射時間、走査速度等の複数のレーザ照射条件を部位ごとに変化させ、焼結層に粗密を生じさせることで、部位に応じた物性特性を得るタイヤ加硫金型の製造方法が開示されている。
また、特許文献２では、３次元造形法による３次元形状造形物の造形において、３次元形状造形物の要素に応じて要求される強度等の物性を得るために、３次元形状造形物を物性の異なる要素毎に分割し、粉末に照射する光ビームの走査速度，走査ピッチ，集光径等を変化させるための光ビーム照射条件を要素毎に設定して造形することにより、３次元形状造形物に高密度領域と低密度領域を設ける３次元形状造形物の製造方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表ＷＯ２００４／０４８０６２号公報
【特許文献２】特表ＷＯ２０１０／０９８４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１で開示されるようにレーザの強さ、照射時間、走査速度等の複数のレーザ照射条件を部位ごとに変化させたり、特許文献２で開示されるように要素毎に光ビームの走査速度，走査ピッチ，集光径等を変化させた光ビーム照射条件を設定させても、実際には従来のこれらの製造方法では、立体形状物の中の異なる焼結層の粗密や高密度領域と低密度領域の部品と部品との間に隙間が生じることで一体に製造できないとともに、部品と部品との間との接合に必要な強度を得ることができない非常に強度の弱い境界部分ができてしまうという課題があった。
そこで、本発明では上記課題を解決すべく、初めて積層造形法による金型の製造において、立体形状物の中の異なる焼結層の粗密や高密度領域と低密度領域の部品と部品との間に隙間が生じることなく一体に製造できるとともに、部品と部品との接合に必要な強度を得ることができる金型の部位毎に必要とされる強度や熱伝導性等の物性特性を設定することが可能な金型の製造方法等を簡易な方法により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】
上述の課題を解決するための立体形状物の製造方法として、立体形状物のモデルデータをスライスデータに変換し、当該変換後のスライスデータに基づいて粉体を焼結し、複数の焼結層を積層して形成する積層造形法により立体形状物を製造する立体形状物の製造方法であって、立体形状物のモデルデータのうち、互いに接する部品データの少なくとも一方の部品データの位置情報を修正し、部品データ同士を所定の重なり量で重ね合せる部品データ修正工程を備え、部品データ修正工程により修正されたモデルデータをスライスデータに変換し、一方の部品と対応するスライスデータに基づいて焼結層を形成した後、他方の部品と対応するスライスデータに基づいて焼結層を形成するので、所定の重なり量が設定された部分において、例えば粉体を焼結するための光が２回照射されて焼結されるため、所定の重なり量が設定するという簡易な方法により、一方の部品と他方の部品との間に隙間が生じることなく一体に製造できるとともに、一方の部品と他方の部品との接合に必要な強度を得ることができる。すなわち、立体形状物の部位毎に必要とされる強度や熱伝導性等の物性特性を設定することが可能となる。上述の粉体を焼結する光には、例えば、通常のレーザ光の他半導体レーザの光半導体によるＬＥＤの光等が含まれる。
また、他の立体形状物の製造方法として、部品データ修正工程において、前記立体形状物のモデルデータのうち、互いに接する部品データの少なくとも一方の部品データに含まれる形状情報を修正し、前記部品データ同士を所定の重なり量で重ね合せるので、所定の重なり量が設定された部分において、例えば粉体を焼結するための光が２回照射されて焼結されるため、一方の部品と他方の部品との間に隙間が生じることなく一体に製造できるとともに、一方の部品と他方の部品との接合に必要な強度を得ることができる。すなわち、立体形状物の部位毎に必要とされる強度や熱伝導性等の物性特性を設定することが可能となる。
また、他の立体形状物の製造方法として、重なり量の最小値が、粉体に照射される光の照射径の半分の寸法、及び焼結層の厚さのうちいずれか大きい値に設定されるので、少ない修正により互いに隣接する部品同士を確実に接合させることができる。
また、他の立体形状物の製造方法として、粉体に照射される光は、部品形状データ毎に光の照射条件が設定されるので、立体形状物を構成する部品毎に要求される物性特性を得ることができる。
また、上記課題を解決するタイヤ金型の構成として、タイヤ金型のモデルデータをスライスデータに変換し、当該変換後のスライスデータに基づいて粉体を焼結し、複数の焼結層を積層して形成する積層造形法により製造されたタイヤ金型であって、タイヤ金型は、タイヤ踏面を形成する表面と、当該表面から突出し、タイヤ踏面に溝を形成する突部とを有し、表面と突部との境界面下にある焼結層が、境界面の範囲内にある一の領域と、境界面の範囲外にある他の領域とを含み、境界面の範囲内の領域の密度が、境界面の範囲外にある他の領域を形成する一部の焼結層、及び突部を形成する焼結層の密度よりも高い構成とした。本構成によれば、表面と突部同士を確実に接合させることができるとともに、部位毎に必要とされる強度や熱伝導性等の物性特性を設定することができる。また、境界面の範囲内の領域の密度が、境界面の範囲外にある他の領域を形成する一部の焼結層、及び突部を形成する焼結層の密度よりも高いので、部品同士を確実に接合させることができる。
【０００６】
なお、上記発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、特徴群を構成する個々の構成もまた発明となり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】加硫装置を示す断面図である。
【図２】金型製造装置の構成図である。
【図３】金型モデルを示す図である。
【図４】レーザ照射条件及び積層条件を示す図である。
【図５】部品データの修正概念を示す図である。
【図６】積層造形装置の概略構成図である。
【図７】金型の製造工程図である。
【図８】積層造形装置の動作図である。
【図９】部品データの修正方法の他の形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明の実施形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００９】
図１は、加硫装置２の要部を模式的に示す半断面図である。本実施形態の金型製造装置１により製造される金型は、例えば、図１に示す加硫装置２内に設けられる。加硫装置２は、タイヤＴの外側表面のうちサイド部Ｔｓを成型する一対のサイドモールド３，３と、トレッド部Ｔｔを成型するトレッドモールド４と、タイヤの内側表面を成型するブラダー５とを備える。サイドモールド３，３は、上下に対向して配置され、タイヤＴのサイド部Ｔｓの円周方向に沿うように略円盤状に形成される。トレッドモールド４は、上下のサイドモールド３，３の間に設けられ、タイヤＴの円周方向に沿って環状に配置された複数のセクターモールド６によって構成される。サイドモールド３，３は、ベース盤８と、サイド金型９とを備える。ベース盤８は、サイド金型９を取り付け固定するためのアタッチメントである。サイド金型９は、未加硫のタイヤＴのサイド部Ｔｓの表面に型付けするための所定の成型パターンを備える。セクターモールド６は、セクターセグメント１０と、トレッド金型１１とを備える。セクターセグメント１０は、複数に分割されたトレッド金型１１の分割ピースを取り付け固定するためのアタッチメントである。トレッド金型１１は、未加硫のタイヤＴのトレッド部Ｔｔに所定の型付けを行うための成型パターンを備える。
【００１０】
サイド金型９は、ベース盤８とともに上下方向に移動可能とされ、トレッド金型１１は、セクターセグメント１０とともに半径方向に移動可能に構成される。サイド金型９，９及び複数のトレッド金型１１を近接させることで未加硫のタイヤＴの全域を包囲する成型空間が形成される。成型空間内に未加硫のタイヤＴを収容した後に、タイヤＴの内面側に配置されたブラダー５を膨張させる。ブラダー５の膨張により、タイヤＴを内面側からサイド金型９，９及びトレッド金型１１に向けて押圧し、サイド金型９，９及びトレッド金型１１に形成された成型パターンがタイヤＴの外面に転写する。そして、成型パターンの転写とともに、タイヤＴを所定の温度で加熱することで、タイヤＴの加硫成型がなされる。なお、加硫成型の完了後には、サイド金型９，９及びトレッド金型１１が、互いに離間する方向に移動して型開き状態とされ、加硫完了後のタイヤＴの取り出しが行われる。
【００１１】
以下、金型の一例として、タイヤＴの外面を型付けするサイド金型９及びトレッド金型１１の製造方法について説明する。なお、説明の便宜上、以下、トレッド金型１１を例として説明する。
【００１２】
図２は、金型製造装置１の一実施形態を示す構成図を示し、図３は、設計処理制御装置２０により設計されたトレッド金型１１の金型モデル３０の一例を示す。図２に示す金型製造装置１は、立体の形状物を製造可能な立体形状物製造装置であって、本実施形態のように金型、特にタイヤ加硫用金型の製造に好適である。図２に示すように、金型製造装置１は、設計処理制御装置２０と、積層造形装置２４とを備える。設計処理制御装置２０は、いわゆるコンピュータからなり、演算処理手段としてのＣＰＵ、記憶手段としてのＲＯＭ，ＲＡＭ、キーボードやマウス等の入力装置及びモニター等の表示装置と接続される入出力インターフェイス、及び積層造形装置２４との通信を可能にする通信手段を備える。設計処理制御装置２０は、ＣＰＵを設計手段２１と、部品データ修正処理手段２２Ａと、造形データ変換処理手段２２Ｂと、造形装置制御手段２３として機能させるプログラムを備える。また、設計処理制御装置２０には、後述の処理に必要なレーザ照射条件及び積層条件が入力される。
【００１３】
図４は、後述の積層造形装置２４によるレーザＬａの照射動作を示す概念図であり、同図に示すように、レーザ照射条件とは、積層造形装置２４のレーザの照射制御に必要とされる照射ピッチＱ、照射径Ｒ及びレーザの強度、レーザの走査パターンＦ等である。レーザの照射ピッチ、照射径Ｒ、レーザの強度及び走査パターンＦは、例えば金型部品毎に要求される物性特性が得られるように個別に設定される。照射ピッチＱは、図中に示すＸ軸，Ｙ軸方向に沿って隣り合うレーザの照射部に所定の重なり値が得られるように設定される。このＸ軸，Ｙ軸は、後述の積層造形装置２４のワークテーブル４３にあらかじめ設定されている。また、積層条件とは、金属粉末Ｓを堆積する厚さ、すなわち、積層厚さδｈである。積層厚さδｈは、例えば、０．１μｍから０．２μｍの厚みに設定される。設計処理制御装置２０では、これらの条件に基づいて処理が実行される。
【００１４】
設計手段２１は、金型の設計処理を実行する所謂ＣＡＤからなり、図外の入力装置を操作に従って図３に示すようなトレッド金型１１の金型モデル３０を生成する。当該金型モデル３０には、例えば、トレッド金型１１が有する踏面部品３１、溝部品３２、サイプ部品３３及び取付部品３４等の複数の部位（金型要素）が３次元形状として表され、モデルデータとして記憶手段に保存される。
【００１５】
ここで、踏面部品３１、溝部品３２、サイプ部品３３及び取付部品３４には、要求される物性特性が異なる。物性特性とは、強度、熱伝達性、性能を意味する。例えば、踏面部品３１、溝部品３２及びサイプ部品３３には、タイヤの加硫成型時に均等な熱伝導がなされるように、熱伝導性の高さが要求される。特に、踏面部品３１は、熱伝導性さえ確保できれば、密度が小さく軽量に製造されることが好ましい。また、サイプ部品３３には、薄肉であるため、成型時に変形せず、成型後のタイヤの脱型時に破損しない強度が必要であり、取付部品３４には、金型を上述のセクターセグメント１０にボルト等の固定手段により締結・固定されたときに、割れが生じないような強度が必要とされる。また、部品３１，３２，３３，３４同士の接合部においても強度が必要とされる。例えば、金属粉末Ｓへのレーザによる熱入れ量を大きくすることで、強度及び密度を大きくすることが可能であるが、この場合、熱によるひずみも大きくなってしまう。そこで、製造時に与えた熱によるひずみを取り除くためには、製造後に矯正が必要となり不要な手間を要することになるため、必要最小限で熱入れを行う必要がある。
【００１６】
このように、トレッド金型１１における各金型要素は、要求される物性特性がそれぞれ異なるため、本例においては、設計手段２１により一体物として生成された金型モデル３０を分割し、踏面部品３１、溝部品３２、サイプ部品３３及び取付部品３４に相当する踏面部品データＤ１、溝部品データＤ２、サイプ部品データＤ３及び取付部品データＤ４を生成する。
【００１７】
各データＤ１〜Ｄ４の分割は、入力装置の操作により、モニターに表示された金型モデル３０から踏面部品３１、溝部品３２、サイプ部品３３及び取付部品３４の範囲を指定することにより例えばＣＡＤの機能により実行される。当該分割処理により、踏面部品データＤ１、溝部品データＤ２、サイプ部品データＤ３及び取付部品データＤ４には、それぞれの３次元の部品形状情報に加え、互いに接合する金型部品同士の互いの位置関係を特定するための位置情報、及び分割面を特定するための分割面情報が生成される。分割面情報は、例えば、分割面であることを示す法線ベクトルにより構成される。なお、法線ベクトルは、接合する部品方向に向かうように向きが設定される。当該分割処理によって複数の部品データＤ１〜Ｄ４に分割された金型モデル３０は、部品データ修正処理手段２２Ａによる部品データ修正処理が実行される。
【００１８】
部品データ修正処理手段２２Ａは、一方の金型部品に設定された分割面が他方の金型部品に食い込み、互いに接合するように、一方の金型部品の部品データを修正する。
【００１９】
例えば、サイプ部品データを修正せずに、積層造形装置２４による金型部品同士の接合部における強度を得る方法として、一体のモデルデータから分割した部品同士の分割面に不連続が生じないように、積層造形装置２４におけるレーザ照射条件のレーザＬａの照射ピッチを狭くし、さらに金属粉末Ｓの堆積層６０の積層厚さδｈを薄くして、造形データに変換後の部品データ同士の分割面に隙間が生じないようにすることも考えられるが、母材となる金属粉末Ｓが過加熱となって所望の物質特性が得られないとともに、焼結後の冷却時に熱ひずみによって全体として所望の精度が得られないという問題が生じてしまう。このような問題を避けるために、分割面の近傍において、部分的に照射ピッチや積層厚さδｈを変更した場合であっても、照射ピッチを狭く及び積層厚さδｈを薄く変更した部位において、冷却後に部分的なひずみが生じて所望の形状が維持されなくなる虞がある。そこで、部品データ修正処理手段２２Ａにより、一方の金型部品に設定された分割面が他方の金型部品に食い込み、互いに接合するように、一方の金型部品の部品データを修正する。
【００２０】
図５（ａ）は、図３（ｂ）の金型モデル３０におけるＡ−Ａ断面の丸で囲んだ部分の部分拡大図である。以下、踏面を成型する踏面部品３１の踏面部品データＤ１と、サイプを成型するサイプ部品３３のサイプ部品データＤ３を例として、部品データ修正処理手段２２Ａによる部品データ修正処理について説明する。
【００２１】
部品データ修正処理手段２２Ａは、作業者の入力装置の操作によって選択されたサイプ部品データＤ３と、当該サイプ部品データＤ３に接する踏面部品データＤ１との分割面３３ａの位置を修正する。当該修正処理では、選択されたサイプ部品データＤ３に含まれる分割面３３ａの法線ベクトルｎに沿って、サイプ部品データＤ３全体を踏面部品データＤ１の方向に移動させるように位置情報を修正する。これにより、サイプ部品データＤ３は、データ上において、踏面部品３１側（当面部品データＤ１側）に食い込むように修正される。ここで、サイプ部品データＤ３を移動させる移動量αは、次のように設定される。
【００２２】
図５（ｂ）は、部品データの修正前の、図５（ａ）に示す踏面部品データＤ１及びサイプ部品データＤ３を造形データに変換したときのモデル図である。図５（ａ）に示すように、分割後の金型モデル３０においては、踏面部品データＤ１及びサイプ部品データＤ３の分割面３３が互いに一致するように表されている。そして、当該分割後の金型モデル３０を積層造形装置２４において読み込み可能な造形データに変換した場合、踏面部品データＤ１及びサイプ部品データＤ３は、図５（ｂ）に示すようにスライスされたデータに変換される。
【００２３】
図５（ｂ）に示すように、上記分割後の金型モデル３０を造形データに変換した場合、踏面部品データＤ１とサイプ部品データＤ３との間には、隙間ｐが生じる。
金型モデル３０において踏面部品データＤ１とサイプ部品データＤ３との分割面３３は、互いに共通する面として処理されるが、金型モデル３０を造形データに変換する際、踏面部品データＤ１及びサイプ部品データＤ３は個別に変換処理される。このため、造形データへの変換後の踏面部品データＤ１とサイプ部品データＤ３における分割面３３には、互いに共通する面としての関連付けがなくなって隙間ｐが生じることになる。このような造形データへの変換は、積層造形装置２４を動作させるときの金属粉末Ｓの積層厚さδｈ、レーザＬａの照射ピッチＱの寸法を最小単位として分割面３１ａ及び分割面３３ａを近似するため、階段状となり、分割面３１ａ及び分割面３３ａは、頂点同士が接する状態に変換される。このように、頂点同士が接する状態のまま積層造形装置２４により金型が製造されると、製造後の踏面部品３１とサイプ部品３３との接合強度が不足する又は接合しないという不都合が生じ得る。
【００２４】
そこで、製造後の踏面部品３１とサイプ部品３３との適正な接合強度が得られるように、サイプ部品データＤ３の位置を修正するための移動量αを設定する。踏面部品データＤ１とサイプ部品データＤ３との間に生じうる隙間ｐの最大値は、層の延長方向において照射ピッチＱ分、積層方向においてδｈであるから、踏面部品３１とサイプ部品３３との適正な接合を得るため、照射径Ｒの半分の寸法及び積層厚さδｈのうち、いずれか大きい値に対応する寸法分、サイプ部品データＤ３を分割面３３ａの法線ベクトルに沿って移動させ、図５（ｃ）に示すように踏面部品データＤ１とサイプ部品データＤ３に重なり部３７を設定する。つまり、移動量αは、踏面部品データＤ１とサイプ部品データＤ３との重なり部３７の重なり量でもある。このように移動量αを設定することにより、最も少ない移動距離でサイプ部品データＤ３の一部を踏面部品データＤ１に重ねることができる。
【００２５】
より好ましくは、移動量αとして、照射径Ｒの寸法、及び積層厚さδｈの２倍の寸法のうち、いずれか大きい値を設定することにより、より広範囲の重なり部３７が得られるので、より高い接合強度を得ることができる。
【００２６】
以上のとおり、部品データ修正処理手段２２Ａにおいては、互いに接する分割面３１ａ；３３ａを有する踏面部品データＤ１及びサイプ部品データＤ３のうち、サイプ部品データＤ３が移動量αに従って踏面部品データＤ１側に移動するようにサイプ部品データＤ３に含まれる位置情報を修正することにより、製造後の踏面部品３１とサイプ部品３３とを接合させることができる。また、詳細については後述するが、上記重なり部３７においては、積層造形装置２４によって他の領域とは異なる物性特性となるため、その物性特性は、踏面部品データＤ１の重なり部３７以外の部分と、サイプ部品データＤ３の重なり部３７以外のいずれとも異なる。
【００２７】
このように、分割後の金型モデル３０を造形データに変換する前に接合すべき部品同士に重なり部３７が得られるように、少なくとも一方の部品データを予め修正することにより、後工程において別段の処理をすることなく、互いに接合されるべき金型部品同士を適正な接合強度を有した状態で接合させることができる。なお、上記説明では、互いに接合する踏面部品データＤ１とサイプ部品データＤ３のうち、一方のサイプ部品データＤ３を修正する例を説明したが、互いに接合される部品同士の両方の分割面３１ａ，３３ａの位置を互いに食い込むように修正し、重なり部３７を得るようにしても良い。
【００２８】
造形データ変換処理手段２２Ｂは、部品データ修正処理手段２２Ａにより修正された金型モデル３０を造形データに変換する。造形データとは、３次元の金型モデル３０を所定厚さでスライスし、層状をなす複数のスライスデータに変換したものをいう。
具体的には、造形データ変換処理手段２２Ｂは、設計手段２１において３次元の金型モデル３０を生成したときに設定される座標系に、スライスする方向及びスライスする厚さを指定し、各部品データＤ１〜Ｄ４それぞれを複数層のスライスデータに変換する。変換後の造形データは、造形装置制御手段２３に出力される。
【００２９】
造形装置制御手段２３は、造形データ変換処理手段２２Ｂから出力された造形データ、及び作業者の操作によって入力されたレーザ照射条件や積層条件に基づいて、積層造形装置２４を制御する。なお、レーザ照射条件は、部品データＤ１，Ｄ３ごとに設定可能であるが、以下の説明においては、レーザの強度、レーザの走査速度及び方向、レーザの照射径Ｒが、一定であるものとして説明する。
【００３０】
図６は、積層造形装置２４の一例を示す図である。積層造形装置２４は、所定距離離間して設けられた左右一対のステージ４１，４２と、左右のステージ４１，４２の間に昇降自在に配備されたワークテーブル４３とを備える。左右のステージ４１，４２は、互いの上面が１の平面上に位置するように、同一高さに設定される。ステージ４１，４２は、上下方向に延長する円筒状のシリンダ４４，４５を有する。シリンダ４４，４５は、ステージ４１，４２の上面４１ａ，４２ａ側に開口する。シリンダ４４，４５の内部には、内周面に沿って摺動可能なピストン４６Ａ，４７Ａを有するフィーダ４６，４７が設けられる。フィーダ４６，４７は、造形装置制御手段２３から出力される信号に基づいて駆動する図外の駆動機構の動作により、シリンダ４４，４５の軸線方向に沿って昇降する。ピストン４６Ａ，４７Ａ上には、金型を製造する素材となる粉体の金属粉末Ｓがステージ４１，４２の上面まで充填される。
【００３１】
ステージ４１，４２の上面４１ａ，４２ａには、当該上面４１ａ，４２ａに沿って移動するローラ４８が配置される。ローラ４８は、図外の駆動装置により左右のステージ４１，４２の上面４１ａ，４２ａに外周面を接触しながら転動し、左右のステージ４１，４２間を移動する。ワークテーブル４３の上方には、レーザＬａを照射するレーザガン５１と、レーザガン５１で発生したレーザを金属粉末Ｓに向けて照射する照射ミラー５２とが設けられる。照射ミラー５２は、造形装置制御手段２３から出力される制御信号に基づいて、ワークテーブル４３の上面に堆積した金属粉末Ｓを焼結して焼結層を形成する。照射ミラー５２は、図外の駆動手段の駆動により、スライスデータに基づいて、ワークテーブル４３に設定された図４に示すような座標軸Ｘ，Ｙを走査方向として移動し、ワークテーブル４３の上面に堆積した金属粉末Ｓを順次焼結する。１のスライスデータに対応する焼結層が形成された後には、当該スライスデータの上位に設定されたスライスデータに基づく焼結が開始され、以後、各スライスデータに対応する焼結層が積層するように形成され、金型モデル３０の形状に対応する金型が製造される。
【００３２】
図７は、金型の製造工程を示す工程図である。
［ステップ１０１］
まず、設計手段２１により、製造対象となる金型の３次元の金型モデル３０が生成される。
［ステップ１０２］
次に、金型において要求される物性特性が異なる部位（金型要素）毎に金型モデル３０が分割される。なお、本実施形態では、金型モデル３０から上述した各部品データＤ１〜Ｄ４が分割して生成される。
［ステップ１０３］
次に、部品データ修正処理手段２２Ａにより、分割された部品データ同士において、互いに接する一方の部品データの分割面の位置が、他方の部品データ側に食い込むように修正され、所定の重なり量が設定される。なお、上述の部品データ修正処理では、踏面データＤ１に対して接するサイプ部品データＤ３を例として説明したが、踏面データＤ１に対して接する溝部品データＤ２についても同様に修正される。
［ステップ１０４］
次に、修正処理後の金型モデル３０を造形データに変換する。即ち、上記金型モデル３０を層状をなす複数のスライスデータに変換する。
【００３３】
［ステップ１０５］
次に、上記造形データに基づいて金型を製造する。
図８は、積層造形装置２４により造形されたトレッド金型１１の一部を示す部分拡大図である。なお、同図に示す重なり部３７は誇張して記載してある。
積層造形装置２４は、造形装置制御手段から出力される造形データに基づいて動作し、１つのスライスデータの形状に焼結された焼結層を造形データの下層側から形成する毎に、ワークテーブル４３を下降させ、先に形成された焼結層の上に、積層ピッチ分の金属粉末Ｓを堆積させて、再びレーザを照射することで、焼結層が順次積層される。
【００３４】
以下図８を用いて、互いに接合される踏面部品３１とサイプ部品３３との積層造形を用いて積層造形装置２４による金型の製造について説明する。なお、同図に示す６１ａ乃至６１ｊは、造形データへ変換後の踏面部品データＤ１に基づいて積層された踏面部品３１の焼結層を示し、７１ａ乃至７１ｊは、造形データへ変換後のサイプ部品データＤ３に基づいて積層されたサイプ部品３３の焼結層を示している。同図に示すように、踏面部品の焼結層６１ａ及び焼結層６１ｂは、踏面部品データＤ１のみに基づいて焼結されている。一方、焼結層６１ｂの上層の焼結層６１ｃ乃至６１ｅは、踏面部品データＤ１にサイプ部品データＤ３が食い込むように重なるため、踏面部品データＤ１のスライスデータ及びサイプ部品データＤ３のスライスデータに基づいて焼結される。
【００３５】
具体的には、踏面部品データＤ１のスライスデータに基づいてレーザを照射して焼結層６１ｃを形成した後に、サイプ部品データＤ３のスライスデータに基づいてサイプ部品の焼結層７１ａを形成する。同様に焼結層６１ｄ及び焼結層７１ｂ、焼結層６１ｅ及び焼結層７１ｃを順次形成することで、踏面部品とサイプ部品との接合部分が形成される。踏面部品データＤ１及びサイプ部品データＤ３の重なり部３７として焼結された焼結部８０は、踏面部品データＤ１に基づくレーザの照射と、サイプ部品データＤ３に基づくレーザの照射により２度レーザが照射されているため、踏面部品データＤ１の重なり部３７以外の焼結密度や、サイプ部品データＤ３の重なり部３７以外の焼結密度に比べて焼結密度が高くなり、重なり部３７以外の部位に比べて強度が高くなる。すなわち、踏面部品データＤ１の重なり部３７以外で焼結された踏面部品の物性特性及びサイプ部品データＤ３の重なり部３７以外で焼結されたサイプ部品３３の物性特性に対して重なり部３７として焼結された踏面部品３１の一部の物性特性を変化させて接合部分における所望の物性特性を得ることができる。つまり、互いに隣接する部品同士の間に設定された重なり部３７は、最も高い強度を有することになる。すなわち、立体形状物の一つである金型を構成する要素の、互いに隣接する要素同士の境界部分である重なり部３７は、いずれの物性特性とも異なる物性特性となる。例えば、本実施形態で説明したように一種類の金属粉末Ｓにより造型した場合には、境界部分の物性特性は、隣接するそれぞれの構成要素の物性特性の中間の物性特性を有する、又は加えた物性特性になる。なお、中間の物性特性とは、隣接する構成要素の重なり部３７以外の物性特性同士を加えた強度や物性同士を平均した熱伝導特性となることを意味する。
【００３６】
さらに、焼結層６１ｅの上に、焼結層６１ｆから焼結層６１ｌを順次積層することにより踏面部品３１が形成され、焼結層７１ｃの上に、焼結層７１ｄから焼結層７１ｊを順次積層することによりサイプ部品３３が形成される。
【００３７】
このように、互いに隣接する金型部品同士の部品データを互いに重なり部を有するように修正しておくことにより、同一層内でのレーザの送り量、照射強度等のレーザ照射条件を変更することなく、接合部に必要とされる所望の物性特性を得ることができる。なお、上記説明では、踏面部品３１に対して接するサイプ部品３３との造形を例として説明したが、踏面部品３１に対して接する溝部品３２についても同様に、踏面データＤ１及び溝部品データＤ２に基づいて焼結され製造される。
【００３８】
なお、本例では、踏面部品データＤ１に基づいてレーザを照射するレーザ照射条件と、サイプ部品データＤ３に基づいてレーザを照射するレーザ照射条件とを同一に設定したが、踏面部品３１とサイプ部品３３とに所望の性能が得られるように、踏面部品データＤ１に基づいてレーザを照射するレーザ照射条件と、サイプ部品データＤ３に基づいてレーザを照射するレーザ照射条件とを変えても良い。上述したように金型を構成する踏面部品３１及びサイプ部品３３には、タイヤの加硫成型時に均等な熱伝導がなされるように熱伝導性の良好さが要求され、サイプ部品３３には、薄肉であるがゆえ、成型時に変形せず、成型後のタイヤの脱型時に破損しない強度がさらに要求される。また、部品同士が接合する接合部には、それぞれの部品の有する強度以上の強度が要求される。
【００３９】
すなわち、踏面部品３１を製造するための踏面部品データＤ１には、熱伝導性に優れた物性特性を有するようにレーザ照射条件を設定し、サイプ部品３３を製造するサイプ部品データＤ３には、熱伝導性に優れるとともに所定の強度が得られるように、踏面部品データＤ１とは異なるレーザ照射条件を設定して金型を製造することにより、踏面部品データＤ１の重なり部３７以外のデータにより製造された踏面部品３１や、サイプ部品データＤ３の重なり部３７以外のデータにより製造されたサイプ部品３３に所望の物性特性が得られる。また、踏面部品データＤ１内に食い込み重なり部３７として焼結された踏面部品３１の一部には、サイプ部品３３との接合部分として要求される強度を得ることができる。
【００４０】
また、例えば、踏面部品３１、溝部品３２及びサイプ部品３３が隣接する部位では、踏面部品データＤ１と溝部品データＤ２との重なり部、溝部品データＤ２とサイプ部品データＤ３の重なり部、サイプ部品データＤ３と踏面部品データＤ１との重なり部とが重複する場合もある。この場合３つの重なり部が重複する部分ではレーザが３回照射され、踏面部品データＤ１と溝部品データＤ２との重なり部、溝部品データＤ２とサイプ部品データＤ３の重なり部、サイプ部品データＤ３と踏面部品データＤ１との重なり部ではレーザが２回照射され、重なり部以外の踏面部品データＤ１、溝部品データＤ２、サイプ部品データＤ３では、レーザが１回照射される。つまり、踏面部品データＤ１、溝部品データＤ２、サイプ部品データＤ３に同じレーザ照射条件を設定した場合には、３つの異なる物性特性を有するように３つの金型部品を製造することができる。
【００４１】
以上説明したように、互いに接合する金型部品の少なくとも一方の部品形状データを修正して、一方の部品形状データと他方の金型部品の部品形状データとを所定の重なり量で重ね合わせ、一方の金型部品の部品形状データに基づいて金属粉末にレーザを照射した後に、他方の金型部品の部品形状データに基づいてレーザを金属粉末に照射するようにしたことにより、所定の重なり量が設定された部分においてレーザが少なくとも２回照射されて焼結されるため、一方の金型部品と他方の金型部品との間に隙間を生じることなく一体に製造できるとともに、一方の金型部品と他方の金型部品との接続に必要な強度を得ることができる。
【００４２】
すなわち、本実施形態では、部品データ修正工程により立体形状物のモデルデータのうち、互いに接する部品データの少なくとも一方の部品データの位置情報を修正し、部品データ同士を所定の重なり量で重ね合せることで、所定の重なり量が設定された部分において、例えば粉体を焼結するための光が２回照射されて焼結されるため、所定の重なり量を設定するという簡易な方法ながら、一方の部品と他方の部品との間に隙間が生じることなく一体に製造できるとともに、一方の部品と他方の部品との接合に必要な強度を得ることができる。つまり、立体形状物の部位毎に必要とされる強度や熱伝導性等の物性特性を設定することが可能となる。
従来の方法では、立体形状物を光による焼結方法で製造する際、立体形状物の部位に応じて強度や熱伝導性等の物性特性を異ならせるには、特許文献１では、金属粉末に照射するレーザの強さ、照射時間、走査速度等の複数のレーザ照射条件を部位ごとに変化させるという煩雑な前処理が必要となる。
また、特許文献２では、３次元形状造形物を物性の異なる要素毎に分割し、要素毎に粉末に照射する光ビームの走査速度，走査ピッチ，集光径等を変化させる光ビーム照射条件を設定することで、立体形状物の部位に応じて強度や熱伝導性等の物性特性を設けるようにしているが、分割した要素の隣接する要素同士（一方の部品と他方の部品同士）との間に隙間が生じたり、境界面において強度の弱い結合で接合したりするため、実際のところ立体形状物を一体に製造することができないという問題があった。
一方、本願発明では、立体形状物のモデルデータのうち、互いに接する部品データの少なくとも一方の部品データの位置情報を修正し、前記部品データ同士を所定の重なり量で重ね合せる部品データ修正工程を採用することで、初めて一方の部品と他方の部品との間に隙間が生じることなく一体に製造できるとともに、一方の部品と他方の部品との接合に必要な強度を得ることが可能となる。
【００４３】
引用文献１，２には、上述した課題も構成も効果も全く記載されていない。つまり、この課題を見出すこともできていないし、かつ、この課題を解決することもできていないのである。この課題を解決しない場合には、一方の部品と他方の部品との間に隙間が生じることなく、一体に製造することもできないし、かつ、一方の部品と他方の部品との接合に必要な強度を得ることもできない。
【００４４】
したがって、本実施形態によれば、従来のように、金属粉末に照射するレーザの強さ、照射時間、走査速度等の複数のレーザ照射条件を部位毎に変化させて焼結層に粗密を生じさせたり、金型を構成する要素毎に要求される強度等の物性を異ならせるために、金型を複数の要素に分割し、金属粉末に照射する光ビームの操作速度，走査ピッチ，集光径等の光ビーム照射条件を要素毎に設定し、要素毎に高密度領域や低密度領域を設けるような、複雑な処理を必要とせず、実際の金型製造を開始するまでに多くの時間を費やすことなく、短時間で実際の金型製造を開始することが可能となり、積層造形法による金型の生産性を大きく向上させることが可能となる。
【００４５】
また、金型モデルから要求される物性特性に見合うように、金型モデルを複数の部品に分割し、複数の部品データとすることで、金型の部位ごとに物性特性を変えることができ、金型に要求される性能も達しやすくなり、金型の性能を向上させることができる。また、金型モデルから複数の部品データに分割し、隣接する部品データの少なくとも一方の部品データを他方の部品データに所定の重なり量が得られるように、移動又は形状を修正するだけで良いので、金型製造における難易度を低下させることができる。これにより、金型の設計から積層造形法による金型の製造完了までの時間を短縮することができ、金型の生産性を向上させることができる。
【００４６】
上記実施形態では、部品データ修正処理手段２２Ａにより、踏面部品３１の踏面部品データに、サイプ部品３３のサイプ部品データが重なるように、サイプ部品３３を移動させるものとして説明したが、サイプ部品３３の分割面が踏面部品３１に食い込むように、サイプ部品３３の形状を変化させるように、サイプ部品データを修正しても良い。すなわち、図９に示すように、サイプ部品３３の分割面３３ａを移動量α分、分割面３３ａに設定された法線方向に、分割面３３ａを延長するようにしても良い。
【００４７】
また、部品データ修正処理手段２２Ａにより互いに接合する部品データの一方を修正するものとして説明したが、設計手段２１から部品データ修正処理手段２２Ａに出力されたモデルデータを造形データ変換処理手段２２Ｂにより、部品データ毎に部分形状データに先に変換した後に、同一層において接合される部品同士の部分形状データの少なくも一方を、他方の部品形状データと所定の重なり量が得られるように、各層毎に部品形状データを修正する部品形状データ修正処理手段を設計処理制御装置２０に設けるようにしても良い。
【００４８】
また、上記実施形態では、立体形状物としてのトレッド金型１１における踏面部品３１とサイプ部品３３との接合において要求される物性特性を例にして説明したが、例えば、サイプ部品３３の強度をより高める場合には、上述した重なり部３７を設定したサイプ部品３３の部品データを２重に設定しておくことにより、踏面部品３１と、重なり部３７と、サイプ部品３３とを異なる密度で形成できる。すなわち、重なり部３７以外においても物性特性を異ならせる場合には、所望の部位の部品データをそのまま重複させる、若しくは、形状や寸法を変更した部品データをもとの部品データに重複させれば良い。したがって、従来のようなレーザの照射条件を変更するという煩雑な処理や、部品データ同士の接合不良などを考慮することなく、上述したような簡単な方法で、立体形状物の部位に応じた、若しくは任意の位置における物性特性を設定することができる。
【００４９】
なお、本明細書における金型部品とは、見かけ上の形状の違いによるものを意味するものではなく、異なる物性特性を要求する部位ごとの違いについても１つの金型部品とみなすこともできる。すなわち、上記実施形態では、タイヤの踏面を成形する踏面金型部品を１つの部品とみなしたが、踏面金型部品も複数の金型部品により構成されているものとみなすことができる。例えば、金型の周方向の端部側では、金型同士が接触するため、割れや欠けを防止するために所定の強度を必要とし、両端部側を除く中央付近には、固定時のひずみを吸収する弾性が必要とされる。
【００５０】
また、上記実施形態では、立体形状物である金型を形成する粉体の金属粉末Ｓにレーザを照射して焼結するとして説明したが、このような通常のレーザ光の他に、半導体レーザの光半導体によるＬＥＤの光等の光を照射することも可能であり、焼結する粉体の性質に応じて粉体を焼結させるための光を含むエネルギー源を用いれば良い。
【符号の説明】
【００５１】
３０  金型モデル、３１  踏面部品、３２  溝部品、３３  サイプ部品、
３４  取付部品、Ｓ  金属粉末、Ｌａ  レーザ、６１乃至６３  焼結層、
α  移動量。
【要約】
【課題】積層造形法による立体形状物の製造において簡単な方法により、立体形状物の部位毎に必要とされる強度や熱伝導性等の物性特性を設定することが可能な立体形状物の製造方法及び立体形状物を提供する。
【解決手段】立体形状物のモデルデータをスライスデータに変換し、当該変換後のスライスデータに基づいて粉体を焼結し、複数の焼結層を積層して形成する積層造形法により立体形状物を製造する立体形状物の製造方法であって、立体形状物のモデルデータのうち、互いに接する部品データの少なくとも一方の部品データの位置情報を修正し、部品データ同士を所定の重なり量で重ね合せる部品データ修正工程を備え、部品データ修正工程により修正されたモデルデータをスライスデータに変換し、一方の部品と対応するスライスデータに基づいて焼結層を形成した後、他方の部品と対応するスライスデータに基づいて焼結層を形成するようにした。
【選択図】図２【図１】
0005745154.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７】
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【図８】
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【図９】
0005745154.tif 000009
【図６】
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