(57)【要約】【課題】３次元形状で外形の大きな造形物を、ベースプレートの反りを少なくし形状の歪みをなくして精度よく製造する。【解決手段】ベースプレート２２上に硬化層２を積み重ねて所望の造形物５を得る時、硬化層２の焼結時に粉と粉の間の空間が失われ体積が減少、さらに凝固収縮で造形物５の内部に収縮応力１１０が生じる。造形物５は一旦ベースプレート２２と結びつき体積収縮が起こることから、ベースプレート２２には引っ張り力による反力１１１が働く。収縮応力１１０＞反力１１１の時、ベースプレート２２が反って、その上に形成の３次元形状に歪みが生じる。造形物５の下部でベースプレート２２との接触面に切り欠き６を設け、ベースプレート２２と造形物５間の接触面積を小さくして、収縮で生じる曲げモーメントを小さくし、収縮応力１１０と反力１１１の釣り合いがベースプレート２２に有利になり、反りを抑えて造形する３次元形状を正しく形成する。【選択図】図１
2008101256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースプレート上に堆積した金属粉を硬化させた積層造形物からなる積層造形金型であって、
前記積層造形物と前記ベースプレートとの間に、前記ベースプレートとの接触面以外の面は前記積層造形物で囲まれてなる空間を有し、前記空間を前記積層造形物に形成したことを特徴とする積層造形金型。
【請求項２】
前記空間の前記ベースプレートと平行な任意の第１断面における第１面積が、前記第１断面と平行でかつ前記第１断面より積層方向に離れた任意の第２断面における第２面積よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の積層造形金型。
【請求項３】
前記空間の前記ベースプレートとの接触面の長さが２ｍｍ以上１５ｍｍ以下であり、前記ベースプレートとの接触面からの高さが１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の積層造形金型。
【請求項４】
前記空間は前記積層造形物と前記ベースプレートの間に複数あることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の積層造形金型。
【請求項５】
ベースプレート上に堆積した金属粉を硬化させた積層造形物からなる積層造形金型の製造方法であって、
前記積層造形物に、前記ベースプレートとの接触面以外の面が前記積層造形物で囲まれてなる空間を形成して、前記ベースプレート上に前記積層造形物を製造することを特徴とする積層造形金型の製造方法。
【請求項６】
前記空間の前記ベースプレートと平行な任意の第１断面における第１面積が、前記第１断面と平行でかつ前記第１断面より積層方向に離れた任意の第２断面における第２面積よりも大きく、前記空間を形成したことを特徴とする請求項５記載の積層造形金型の製造方法。
【請求項７】
前記空間は前記積層造形物と前記ベースプレートの間に複数を形成したことを特徴とする請求項５または６記載の積層造形金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元形状の積層造形物の製造方法に係り、詳しくは光ビームを利用して金属の粉末を層状に積層し連続的に硬化させた３次元形状造形物の積層造形金型とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
無機質粉末（金属粉）に対して光ビーム（指向性エネルギービーム、例えばレーザビーム）を照射して硬化させ、硬化層を積層して３次元形状造形物を形成する従来技術としては、例えば特許文献１に示される方法があった。図３（ａ）〜（ｄ）は、特許文献１に記載された３次元形状造形物の製造方法を模式的に示す断面図である。
【０００３】
図３（ａ）に示すように、供給部１０の底面１２と造形部２０の底面２４は昇降自在である。底面２４の上には板状のベースプレート２２が配置されており、ベースプレート２２の上に粉末材料１を焼結させてなる硬化層２が順次積み重ねられて造形物５が製造される。移送ブレード３０は、供給部１０および造形部２０の内幅よりも長い板状をなし、供給部１０の外側から供給部１０および造形部２０の上方を通過して造形部２０の外側まで水平移動する。予め造形部２０では先に形成され積み重ねられた硬化層２の上面を造形部２０の上端よりも少し下げている。また、供給部１０では、供給部１０の上端よりも少し高い位置まで粉末材料１が配置されている。
【０００４】
この状態で移送ブレード３０を供給部１０から造形部２０の方向に水平移動させる。図３（ｂ）に示すように供給部１０の上端よりも高い部分の粉末材料１が移送ブレード３０に押し動かされて、造形部２０に移送される。移送ブレード３０の下端で均された粉末材料１は、空間４に薄い層状に堆積する。造形部２０に粉末材料１を供給し終えた移送ブレード３０は、造形部２０の外側まで移動する。
【０００５】
図３（ｃ）に示すように、造形部２０の上面に光ビーム３を所定のパターン状に照射することにで、粉末材料１を硬化させ、新たな硬化層２’を形成する。この光照射工程の間もしくは後に移送ブレード３０を供給部１０の外側の待機位置に用意しておく。
【０００６】
供給部１０では、底面１２を上昇させて次回に造形部２０に供給する粉末材料１を用意しておき、図３（ｄ）に示すように、造形部２０の底面２４を下降させて、次回に粉末材料１が供給される空間４を設けておく。前記のような工程を繰り返すことによって、造形部２０のベースプレート２２の上には、複数層の硬化層２が積み重ねられ、所望の３次元形状を有する造形物５が得られることとなる。
【０００７】
この方法で製造した３次元形状の積層造形物は、ＣＡＤデータから直接変換したデータにより製造できるため、通常の機械加工で製造する場合よりも、速く加工ができる。このため、複雑な形状の金型に用いるとより好適である。
【特許文献１】特開２００１−１５０５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の構成では、造形物を形成する硬化層２が焼結する時に粉末状態で生じていた粉と粉の間の空間が溶融時に失われて体積が減少し、さらに凝固収縮することで、一旦ベースプレート２２と結びついてから体積収縮が起こることで、ベースプレート２２が引っ張り力を受けて反ってしまい、その上に形成される３次元形状が歪んでしまうという課題を有していた。特に、この反り量は造形物とベースプレート２２の間の接触面積と接触部分の長さに強い相関関係を持ち、外形が１００ｍｍを超える大きさとなる形状の造形物を製作する場合には、ベースプレート２２の厚みを十分に取らないと０．０１ｍｍ以上の反りが発生し、造形物の寸法にも誤差を生じさせることにつながり、精密な金型部品を製作するには支障があった。
【０００９】
本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、光ビームを利用して金属の粉末を層状に連続的に硬化させて製造する３次元形状の積層造形物で、外形が１００ｍｍを超える大きさの造形物を、ベースプレートの反りを少なくすることで形状の歪みを少なくして製造できる、積層造形金型とその製作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】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載した積層造形金型は、ベースプレート上に堆積した金属粉を硬化させた積層造形物からなる積層造形金型であって、積層造形物とベースプレートとの間に、ベースプレートとの接触面以外の面は積層造形物で囲まれなる空間を有し、この空間を積層造形物に形成したことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２〜３に記載した積層造形金型は、請求項１の積層造形金型において、空間のベースプレートと平行な任意の第１断面における第１面積が、第１断面と平行でかつ第１断面より積層方向に離れた任意の第２断面における第２面積よりも大きいこと、さらに、空間のベースプレートとの接触面の長さが２ｍｍ以上１５ｍｍ以下であり、ベースプレートとの接触面からの高さが１５ｍｍ以下であること、さらに、空間は積層造形物とベースプレートの間に複数あることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５に記載した積層造形金型の製造方法は、ベースプレート上に堆積した金属粉を硬化させた積層造形物からなる積層造形金型の製造方法であって、積層造形物に、ベースプレートとの接触面以外の面が積層造形物で囲まれてなる空間を形成して、ベースプレート上に積層造形物を製造することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６，７に記載した積層造形金型の製造方法は、請求項５の積層造形金型の製造方法において、空間のベースプレートと平行な任意の第１断面における第１面積が、第１断面と平行でかつ第１断面より積層方向に離れた任意の第２断面における第２面積よりも大きく、空間を形成したこと、さらに、空間は積層造形物とベースプレートの間に複数を形成したことを特徴とする。
【００１４】
前記構成によれば、光ビームを利用して金属の粉末を層状に連続的に硬化させて製造する３次元形状の積層造形物で、外形が１００ｍｍを超える大きさの造形物を、ベースプレートの反りを少なくすることで形状の歪みを少なくして、正確な形状で製造できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光ビームを利用して金属の粉末を層状に連続的に硬化させて製造する３次元形状の積層造形物で、外形が１００ｍｍを超える大きさの造形物を、ベースプレートの反りを少なくすることで形状の歪みを少なくして、正確な形状で製造することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における積層造形物であり、（ａ），（ｂ）は模式的な断面図、（ｃ）は簡略化した斜視図を示す図である。ここで、前記従来例を示す図３（ａ）〜（ｄ）において説明した構成部材に対応し同等の機能を有するものには同一の符号を付して示し、以下の各図においても同様とする。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、ベースプレート２２の上には、複数層の硬化層２が積み重ねられて、所望の３次元形状を有する造形物５が得られるのであるが、造形物５（硬化層２）が焼結する時に粉末状態で生じていた粉と粉の間の空間が溶融時に失われて体積が減少し、さらに凝固収縮することで、造形物５の内部には収縮応力１１０が生じることになる。さらに、造形物５は一旦ベースプレート２２と結びついてから体積収縮が起こることで、ベースプレート２２が引っ張り力を受け、反力１１１が働くこととなるのであるが、収縮応力１１０＞反力１１１となった場合、ベースプレート２２が反ってしまい、その上に形成される３次元形状が歪んでしまう。このため、図１（ｂ）に示すように造形物５の下部でベースプレート２２との接触面に、空間となる切り欠き６を設けてある。
【００１９】
この結果、分割した個々のベースプレート２２と造形物５間の接触面積が小さくなり、造形物５の収縮によりベースプレート２２上に生じる曲げモーメントの大きさが小さくなるとともに、造形物５自体にも切り欠き６の形状が追加されたことにより、造形物５の収縮応力１１０とベースプレート２２の反力１１１の釣り合いがベースプレート２２に有利になり、ベースプレート２２の反りを抑えることができる。このため、その上に造形される３次元形状を正しく形成することができる。
【００２０】
図１（ｃ）に示すように造形物５の全長をＬとして、図１（ｂ）に示す点Ａにおける歪量をｙとした時、収縮応力１１０を簡単に上向きの均等加重ｗで近似して、点Ｂを起点とした均等加重を受ける片持ち梁の式を当てはめると、ヤング率をＥ、断面２次モーメントをＩとして、（数１）
【００２１】
【数１】
2008101256.tif 000003
により、近似的に表すことができる。例えば、造形物５が点Ｃで完全に分割された場合、点Ｃを起点とした均等加重を受ける片持ち梁の式を当てはめると、（数２）
【００２２】
【数２】
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となり、歪量は１６分の１に低減できることになるが、実際には造形物５は、金型部品の３次元形状部であり、製品の３次元形状の大きさから全長Ｌが決まっているため、点Ｃで完全に分割することはできない。ところが、切り欠き６があるので、造形物５とベースプレート２２との接触面に空間を有し、かつ造形物５は空間の上部でつながっている形状を有している。このように、上部で結合されている影響で点Ｃの左右で各々の造形形状が相互作用を生じさせるため、その相互作用の係数をＤとすると、（数３）
【００２３】
【数３】
2008101256.tif 000005
で示されることになる。相互作用の係数がＤ＜１６の状態で、切り欠き６を追加した場合の歪量ｙが、切り欠き６のない場合に比べて小さいことになるが、造形物５の形状に着目すると、切り欠き６が存在することにより反力１１１に対する抵抗力は確実に弱まるため、相互作用の係数Ｄ＜１６となることは容易に予想できる。
【００２４】
本実施の形態１では、ベースプレート２２は直方体であり、断面２次モーメントＩは図１（ｃ）に示すようにベースプレート２２の幅をｂ、厚さをｈとして、（数４）
【００２５】
【数４】
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となる。効果を確認するために、全長Ｌを８５ｍｍとして、厚み４０ｍｍで直方体形状の造形物５を切り欠き６のあるものとないものの２つを、幅ｂが１００ｍｍ、厚さｈが１５ｍｍのベースプレート２２を使用して製作した。その結果、切り欠きなしの単純な直方体で造形した場合の歪量ｙ＝０．１８６ｍｍ、切り欠きありの場合ｙ＝０．１５ｍｍとなり、切り欠きの追加で歪量ｙが小さくなり、その結果ベースプレート２２上に形成される造形物５の歪量も小さくなり、所望の３次元形状を有する造形物５を得られることが確認できた。この場合の相互作用の係数Ｄは約１２．９７である。
【００２６】
参考までに、切り欠きありの場合の歪量ｙの値は、造形物５の積層厚さを４０ｍｍから２０ｍｍに減少させた場合の実測値に相当する。また、切り欠き６の断面形状の幅は、少なくとも２ｍｍ以上ないと、切り欠き６を設ける効果が得られておらず、また切り欠き６の断面形状の幅が１５ｍｍを超えたり、高さが造形物５の厚みの３分の１を超えたりすると、造形物５の強度が下がってしまい、金型部品としての実用に支障をきたす。実際には造形物５の厚みは金型の形状によって変化するため、切り欠きの高さは１５ｍｍ以下とすることで効果が高くなる。
【００２７】
なお、本実施の形態１において、切り欠き６として、ベースプレート２２と造形物５との接触面に設けた空間は３角形の断面形状となっているが、切り欠き６の空間は、ベースプレート２２との接触面側が広くて造形物５の積層方向に狭くなる形状であれば、台形や５角形や半円や楕円形などでも良く、必ずしも露出している必要はない。
【００２８】
図３（ｃ）に示した従来の造形物５となる硬化層２を形成するために、光ビーム３を所定のパターン状に照射する際、切り欠き６として光ビーム３を照射せず選択的に硬化層２を形成しない部分を形成し、かつ切り欠き６の面積を１層目のよりも２層目を小さくして形成し、これを繰り返して、ベースプレート２２と造形物５の間に切り欠き６となる空間を形成する。この場合、選択的に硬化層２を形成しない部分は粉末状のままとなることから、造形物５の形成後に取り除くことで切り欠き６となる空間を物理的に形成することになるが、取り除かなくとも、造形物５の構造上の強度に寄与しないため、切り欠き６と同様の機能を有することになる。
【００２９】
この切り欠き６の空間として、ベースプレート２２と平行な任意の第１断面における第１面積と、第１断面と平行でかつ第１断面より積層方向に離れた任意の第２断面における第２面積を比較した場合、第１面積が、第２面積より大きくなるような、空間を造形物５とベースプレート２２間に形成する。つまり、ベースプレート２２との接触面以外は造形物５で囲まれている空間を形成する。これにより、歪の少ない積層物５をベースプレート２２上に製造することができる。
【００３０】
本実施の形態１において、１箇所に１つだけ切り欠き６を施しているが、２箇所以上に切り欠き６を施しても良く、切り欠き６は直線である必要はないため曲線でも良く、複数の切り欠き６が交差したり接したりしていても良い。
【００３１】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における積層造形物の簡略化した斜視図である。図２において、造形物５はファンなどの回転体の成型を行うために、円筒形状の外形を持っている。この実施の形態２では、形状が４分割されており、それぞれの形状の歪量がばらつくことは望ましくないため、切り欠き６を４つの形状の境目に４箇所設けている。その結果、ベースプレート２２の歪量は小さくなるが、その歪量の減少も４つの形状に均等にもたらされることとなる。この切り欠き６は４箇所設けているが、ベースプレート２２との接合面で十字形状に交差する２つの切り欠き６であっても良い。
【００３２】
なお、切り欠き６の形状や個数は、積層後の造形物５の形状に合わせて所望の形状や個数とすると好適である。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明に係る積層造形金型とその製造方法は、光ビームを利用して金属の粉末を層状に連続的に硬化させて製造する３次元形状の積層造形物で、外形が１００ｍｍを超える大きさの造形物を、ベースプレートの反りを少なくすることで形状の歪みを少なくして、正確な形状で製造することができ、３次元形状造形物である積層造形金型およびその製造方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態１における積層造形物であり、（ａ），（ｂ）は模式的な断面図、（ｃ）は簡略化した斜視図を示す図
【図２】本発明の実施の形態２における積層造形物の簡略化した斜視図
【図３】従来の３次元形状造形物の製造方法であり、（ａ）〜（ｄ）は模式的に示す断面図
【符号の説明】
【００３５】
１  粉末材料
２，２’  硬化層
３  光ビーム
４  空間
５  造形物
６  切り欠き
１０  供給部
１２，２４  底面
２０  造形部
２２  ベースプレート
３０  移送ブレード
１１０  収縮応力
１１１  反力
【図１】
2008101256.tif 000007
【図２】
2008101256.tif 000008
【図３】
2008101256.tif 000009