(57)【要約】【課題】三次元形状造形物の製造方法において、三次元形状造形物の造形後に機械加工を容易に行なうことができるようにする。【解決手段】三次元形状造形物８の製造方法は、造形用プレート３に金属粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、粉末層に光ビームを照射して粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射工程とを備える。そして、照射工程の実施によって硬化されるであろう造形用プレート３の硬化層に相当する第１の領域Ｅ１のうち、三次元形状造形後に所定の機械加工が予定されている領域に相当する第２の領域Ｅ２を、三次元形状造形前に予め除去加工する。第２の領域Ｅ２が除去されて、造形用プレート３の機械加工が行なわれる領域に、硬化した箇所が無いので、三次元形状造形物８の機械加工を容易に行なうことができる。【選択図】図６
2008280581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元形状造形物が造形される造形用プレートに金属粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層に光ビームを照射して該粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射工程とを備え、前記粉末層形成工程と照射工程とを繰り返すことにより前記焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、
前記照射工程の実施によって硬化されるであろう前記造形用プレートの硬化層に相当する第１の領域のうち、三次元形状造形後に所定の機械加工が予定されている領域に相当する第２の領域を、三次元形状造形前に予め除去加工しておく除去加工ステップを含む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】
前記除去加工ステップは、前記第２の領域を除去した後に、さらに前記第１の領域のエッジ部に対して面取り加工するステップを含む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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粉末に光ビームの照射を行なう三次元形状造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属粉末で形成した粉末層に光ビームを照射し、粉末層を溶融して焼結硬化層を形成し、その焼結硬化層の上に新たな粉末層を形成して光ビームを照射し、焼結硬化層を形成することを繰り返して、三次元形状造形物を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このように光ビームの照射とその積層によって金属粉末から三次元形状造形物を得る製造方法は、迅速に複雑な三次元形状造形物を得ることができる。
【０００４】
しかしながら、この製造方法によって得られた三次元形状造形物を、例えばプラスチック金型として使用する場合には、造形完了後にエジェクタピン用の貫通穴を加工する等、各種機械加工を加える。この製造方法では、基台となる造形用プレートの上に金属粉末から成る粉末層を敷き、その粉末層に光ビームを照射して焼結硬化層を形成し、その焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形するが、造形プレートと三次元形状造形物との密着性を高めるために、１層目の造形は高エネルギーの光ビーム条件で行う。高エネルギーの光ビームを受けると、鋼材からなる造形プレート表面は、光ビーム照射を受けた箇所の近傍が急熱急冷によって焼入れられた組織となって硬化し、造形プレート内で硬度差が生じる。そのため、造形完了後に高硬度化された箇所にドリルによる穴開け加工や旋盤による旋削加工等を行なうと、ドリル刃先の欠損やドリルシャンクの折れやバイト刃先の欠損等が発生し易く、機械加工が困難である。
【特許文献１】特表平１−５０２８９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであり、三次元形状造形物の造形後に機械加工を容易に行なうことができる三次元形状造形物の製造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】
【０００６】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、三次元形状造形物が造形される造形用プレートに金属粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層に光ビームを照射して該粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射工程とを備え、前記粉末層形成工程と照射工程とを繰り返すことにより前記焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、前記照射工程の実施によって硬化されるであろう前記造形用プレートの硬化層に相当する第１の領域のうち、三次元形状造形後に所定の機械加工が予定されている領域に相当する第２の領域を、三次元形状造形前に予め除去加工しておく除去加工ステップを含むものである。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記除去加工ステップは、前記第２の領域を除去した後に、さらに前記第１の領域のエッジ部に対して面取り加工するステップを含むものである。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１の発明によれば、造形用プレートにおいて硬化する第１の領域のうち、三次元形状造形後に機械加工される第２の領域を造形前に予め除去するので、造形後に造形用プレートの機械加工が行なわれる領域に硬化した箇所が無く、従って、造形後の機械加工を容易に行なうことができる。
【０００９】
請求項２の発明によれば、第１の領域のエッジ部が除去されるので、光ビーム照射時の熱が逃げ易く造形用プレートが異常加熱しなくなり、造形用プレートにクラックが発生しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図面を参照して説明する。図１は、同製造方法に用いられる金属光造形加工機の構成を示す。金属光造形加工機１は、金属粉末２の粉末層２１が敷かれる造形用プレート３と、造形用プレート３を保持し、上下に昇降する造形用テーブル３１と、粉末層２１の厚さの基準となる基準テーブル３２と、金属粉末２を供給する供給槽４と、供給槽４の金属粉末２を上昇させる材料用テーブル４１と、粉末層２１を形成するスキージ５と、光ビームＬを発するビーム発信器６と、光ビームＬを集光する集光レンズ６１と、光ビームＬを粉末層２１の上にスキャニングするガルバノミラー６２と、を備えている。
【００１１】
金属粉末２の組成は、例えば、クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ−ＳＣＭ４４０）粉末、ニッケル（Ｎｉ）粉末、銅マンガン合金（ＣｕＭｎ）粉末、及び黒鉛（Ｃ）粉末であり、配合割合は、例えば、７０重量％ＳＣＭ４４０、２０重量％Ｎｉ、１０重量％ＣｕＭｎの粉末に黒鉛（Ｃ）粉末を０．３重量％加えている。造形用プレート３の材質は、例えば、Ｓ５０Ｃ鋼であり、硬さはＨＲＣ２０である。スキージ５は、方向Ａに移動して材料用テーブル４１上の金属粉末２を造形用プレート３上に供給する。ビーム発信器６は、例えば、炭酸ガスレーザやファイバーレーザの発信器である。
【００１２】
図２は、同製造方法のフローを、図３は、同製造方法の動作を示す。最初に、造形用プレート３中で光ビームが照射される箇所の一部を除去する（ステップＳ１）。この除去する部分は、後の照射工程において光ビームが照射されて硬化されるであろう造形用プレート３の硬化層の領域の内で、三次元形状造形後に所定の機械加工が予定されている領域に相当する領域である。このステップＳ１は除去工程を構成する。この除去工程の詳細は後述する。除去工程の次に、造形用プレート３を造形用テーブル３１の上に載置する（ステップＳ２）。次に、造形用プレート３の上面と基準テーブル３２の上面との段差が長さΔｔになるように、造形用テーブル３１を下降させる（ステップＳ３）。次に、スキージ５によって材料用テーブル４１上の金属粉末２を造形用プレート３上に供給する。スキージ５は、基準テーブル３２の上面と同じ高さで水平方向に移動し、造形用プレート３の上に厚みΔｔの粉末層２１を形成する（ステップＳ４）（図３（ａ）参照）。このステップＳ３及びＳ４は粉末層形成工程を構成する。
【００１３】
次に、集光レンズ６１によって集光した光ビームＬをガルバノミラー６２によって任意の位置に走査させ（ステップＳ５）、粉末層２１を溶融し造形用プレート３と一体化した厚みΔｔの焼結硬化層８ａを形成する（ステップＳ６）（図３（ｂ）参照）。このステップＳ５及びＳ６は照射工程を構成する。
【００１４】
次に、造形が終了したかを判断し（ステップＳ７）、終了していないときは、ステップＳ３へ戻り、ステップＳ４、Ｓ５、Ｓ６を繰り返し実行し、焼結硬化層８ａの上に焼結硬化層８ｂを積層する（図３（ｃ）、（ｄ）参照）。
【００１５】
こうして造形が終了するまでステップＳ３乃至Ｓ７を繰り返して、焼結硬化層８ａ乃至８ｆを積層する（図３（ｅ）参照）。このようにして、造形用プレート３の上に造形された三次元形状造形物８の一例を図４に示している。
【００１６】
次に、光ビームＬを走査させる経路データについて説明する。図５（ａ）は、三次元形状造形によって製造しようとする製品モデルの外観を、図５（ｂ）は、製品モデルの水平方向でのスライス面の形状を示す。三次元形状造形物を製造するにあたっては、製品モデル８１を設計した際の三次元ＣＡＤデータに基づいて、製品モデル８１を所定の間隔Δｔで水平にスライスしたときの各層８１ａ乃至８１ｆのスライス面の断面データを作成し、この断面データを基にして粉末層２１に照射する光ビームＬの走査経路を決定する。決定した走査経路に従って光ビームＬを粉末層２１に走査させることにより、三次元形状造形物８を造形することができる。
【００１７】
次に、本実施形態における除去工程について説明する前に、除去工程を有さない従来の製造方法によって造形した三次元形状造形物に機械加工を行なう動作の一例について説明する。図６（ａ）は、造形用プレート３の上に造形された三次元形状造形物の断面を示す。この例では三次元形状造形物８は、エジェクタピン用の穴８２を中央に形成されており、この穴８２に繋がる穴を造形用プレート３に形成する。造形用プレート３が三次元形状造形物８と接合している領域は、照射工程において三次元形状造形物８との密着性を高めるために、高エネルギーの光ビームＬが照射され、急熱急冷されて焼入組織となり硬化した領域となっている。この領域を第１の領域Ｅ１とする。この第１の領域Ｅ１の内で、三次元形状造形後に穴開け加工が予定されている領域に相当する領域を第２の領域Ｅ２とする。
【００１８】
この三次元形状造形物８の造形用プレート３に穴開け加工を行なうときの断面を図６（ｂ）に示す。造形用プレート３に三次元形状造形物８の穴８２に繋がる穴開け加工をドリルＦによって行なうときに、ドリルＦの先端が造形用プレート３の第２の領域Ｅ２に達すると、第２の領域Ｅ２と他の領域とで硬度差があるために、ドリルＦの刃先が欠損したり、ドリルシャンクが折れる虞がある。
【００１９】
そこで、本実施形態では、三次元形状造形後の穴開け加工の機械加工を容易に行なえるようにするために、第２の領域Ｅ２を造形前に予め除去する。本実施形態における除去工程によって第２の領域Ｅ２を除去した造形用プレート３の断面を、図６（ｃ）に示す。除去は、例えば、切削加工によって行なう。図６（ｄ）は、第２の領域Ｅ２を除去された造形用プレート３を用いた三次元形状造形物８において、造形後に造形用プレート３に穴開け加工を行なうときの断面を示す。この図において、穴開け加工が行なわれる領域を一点鎖線Ｇで示す。造形用プレート３は、第２の領域Ｅ２が除去されており、造形後に穴開け加工を行なう領域には硬化した箇所が無い。従って、造形用プレート３に穴開け加工を行なっても、ドリルＦの刃先が硬化した部分に当たることがなく、刃先が欠損したり、ドリルシャンクが折れる虞が少ないので、穴開け加工を容易に行なうことができる。このように除去される第２の領域Ｅ２は、三次元形状造形後に穴開け加工が行なわれる領域だけでなく、例えば旋削や切断等の機械加工が行なわれる領域としてもよい。
【００２０】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について説明する。本実施形態に係る製造方法においては、第１の実施形態の製造方法における第２の領域Ｅ２を除去した後に、除去した領域の周囲の面取りを行なう（図６（ｃ）参照）。図７（ａ）は、
第１の実施形態の製造方法により製造した三次元形状造形物の断面を示す。第２の領域Ｅ２を除去した周囲の造形用プレート３のエッジ部Ｅ３は、エッジ部の先端が直角形状に突出しているので、光ビーム照射時の熱が逃げ難いために異常加熱し、金属組織の変化により靭性が低下してクラックが発生し易い。そこで、本実施形態においては、図７（ｂ）に示すように、第２の領域Ｅ２の除去の後に、周囲のエッジ部Ｅ３の面取り加工を行なう。エッジ部Ｅ３が面取り加工され、光ビーム照射時に異常加熱する箇所が無くなる。そして、第２の領域Ｅ２を除去した周囲は、突出した領域がなく、光ビーム照射時の熱が逃げ易く異常加熱しなくなり、従って、金属組織の変化による靭性低下が生じずクラックが発生し難くなる。
【００２１】
なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、第２の領域Ｅ２の除去は、エッチング加工によって行なってもよい。また、金属粉末の組成や造形用プレートの材質も、上記各種実施形態の構成に限られない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る製造方法に用いる金属光造形加工機の斜視図。
【図２】同製造方法のフロー図。
【図３】（ａ）乃至（ｅ）は、同製造方法を時系列に説明する図。
【図４】同製造方法によって造形された三次元形状造形物の斜視図。
【図５】（ａ）は同製造方法によって製造しようとする製品モデルの斜視図、（ｂ）は製品モデルの水平方向のスライス面を示す図。
【図６】（ａ）は従来の製造方法による三次元形状造形物の断面図、（ｂ）は同製造方法による三次元形状造形物に穴開け加工を行なうときの断面図、（ｃ）は第１の実施形態に係る製造方法における造形用プレートの断面図、（ｄ）は同製造方法による三次元形状造形物の断面図。
【図７】（ａ）は第１の実施形態に係る製造方法による三次元形状造形物の断面図、（ｂ）は第２の実施形態に係る製造方法における造形用プレートの断面図。
【符号の説明】
【００２３】
２  金属粉末
２１  粉末層
３  造形用プレート
８  三次元形状造形物
８ａ乃至８ｆ  焼結硬化層
Ｅ１  第１の領域
Ｅ２  第２の領域
Ｅ３  エッジ部
Ｌ  光ビーム
【図１】
2008280581.tif 000003
【図２】
2008280581.tif 000004
【図３】
2008280581.tif 000005
【図４】
2008280581.tif 000006
【図５】
2008280581.tif 000007
【図６】
2008280581.tif 000008
【図７】
2008280581.tif 000009