(57)【要約】【課題】光造形法による造形物の製造過程において熱処理も同時に済ませてしまう。【解決手段】無機質あるいは有機質の粉末材料の層１０の所定箇所に光ビームＬを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層１１を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層１１と一体になった新たな焼結層１１を形成することを繰り返して所要の三次元形状造形物の造形を行う。この時、熱処理用光ビームＬｈの照射による表面の選択的熱処理を上記造形中に上記造形のための装置内で行う。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返して所要の三次元形状造形物の造形を行うにあたり、熱処理用光ビームの照射による表面の選択的熱処理を上記造形中に上記造形のための装置内で行う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】
無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作成した造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を行う工程を複数回の焼結層の作成工程中に挿入して所要の三次元形状造形物の造形を行うにあたり、切削加工での上記除去がなされた表面に対する熱処理用光ビームの照射による熱処理を、上記造形中に上記造形のための装置内で行うことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
【請求項３】
光ビームの照射による熱処理は、光ビームの照射による熱処理が可能な深さの造形の完了毎に行うことを特徴とする請求項１または２記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項４】
光ビームの照射による熱処理は造形物表層部の低硬度化であり、熱処理に次いで造形物の表層部の切削仕上げを行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は粉末材料を光ビームで焼結硬化させることで三次元形状造形物を製造する三次元形状造形物の製造方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光造形法として知られている三次元形状造形物の製造方法がある。特許第２６２０３５３号（特許文献１）などに示された該製造方法は、無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して該粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成するということを繰り返すことで、複数の焼結層が積層一体化された粉末焼結部品（三次元形状造形物）を作成するものであり、三次元形状造形物の設計データ（ＣＡＤデータ）であるモデルを所望の層厚みにスライスして生成する各層の断面形状データをもとに光ビームを照射することから、いわゆるＣＡＭ装置が無くとも任意形状の三次元形状造形物を製造することができるほか、切削加工などによる製造方法に比して、迅速に所望の形状の造形物を得ることができる。
【０００３】
【特許文献】
特許第２６２０３５３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、製造しようとする三次元形状造形物が量産用射出成形金型のように、表面が高硬度である必要がある時、上記製造方法で製造された造形物を熱処理炉で熱処理することになるが、このような熱処理工程を別途必要とすることは、製造設備として熱処理炉を必要とする上に、納期も長くなってしまう。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは光造形法による造形物の製造過程において熱処理も同時に済ませてしま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にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返して所要の三次元形状造形物の造形を行うにあたり、熱処理用光ビームの照射による表面の選択的熱処理を上記造形中に上記造形のための装置内で行うことに第１の特徴を有しており、また、無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作成した造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を行う工程を複数回の焼結層の作成工程中に挿入して所要の三次元形状造形物の造形を行うにあたり、切削加工での上記除去がなされた表面に対する熱処理用光ビームの照射による熱処理を、上記造形中に上記造形のための装置内で行うことに第２の特徴を有している。
【０００７】
光造形法による造形のための装置内で造形中に熱処理用光ビームの照射にて熱処理も行うようにしたものである。
【０００８】
この場合の光ビームの照射による熱処理は、光ビームの照射による熱処理が可能な深さの造形の完了毎に行うことが好ましい。
【０００９】
また、この熱処理は、高硬度化のためのものに限るものではなく、光ビームの照射による熱処理が造形物表層部の低硬度化であり、熱処理に次いで造形物の表層部の切削仕上げを行うものであってもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図２は光造形法による三次元形状造形物の製造装置を示しており、造形タンク２５で外周が囲まれた空間内を上下に昇降する昇降テーブル２０上に供給した無機質あるいは有機質の粉末材料をスキージング用ブレード２１でならすことで所定厚みΔｔ１の粉末層１０を形成する粉末層形成手段２と、レーザー発振器３０から出力されたレーザーをガルバノミラー３１等のスキャン光学系を介して上記粉末層１０に照射することで粉末を焼結して焼結層１１を形成する焼結層形成手段３を備えるとともに、上記粉末層形成手段２のベース部にＸＹ駆動機構（高速化の点で直動リニアモータ駆動のものが好ましい）４０を介してミーリングヘッド４１を設けた切削除去手段４を備えている。
【００１１】
このものにおける三次元形状造形物の製造は、図３に示すように、昇降テーブル２０上面の造形用ベース２２表面に無機質または有機質の粉末材料を供給してブレード２１でならすことで第１層目の粉末層１０を形成し、この粉末層１０の硬化させたい箇所に光ビーム（レーザー）Ｌを照射して粉末を焼結させてベース２２と一体化した焼結層１１を形成する。
【００１２】
この後、昇降テーブル２０を少し下げて再度無機質または有機質の粉末材料を供給してブレード２１でならすことで第２層目の粉末層１０を形成し、この粉末層１０の硬化させたい箇所に光ビーム（レーザー）Ｌを照射して粉末を焼結させて下層の焼結層１１と一体化した焼結層１１を形成するものであり、昇降テーブル２０を下降させて新たな粉末層１０を形成し、光ビームを照射して所要箇所を焼結層１１とする工程を繰り返すことで、目的とする三次元形状造形物を製造する。粉末材料としては例えば平均粒径約２０μｍの球形の鉄粉、光ビームとしては炭酸ガスレーザー、粉末層１０の厚みΔｔ１としては０．０５ｍｍを用いることができるが、このような条件に限定されるものではない。
【００１３】
光ビームＬの照射経路は、得ようとする三次元形状造形物の三次元ＣＡＤデータから予め作成しておく。すなわち、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（ここでは０．０５ｍｍ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。この時、三次元形状造形物の少なくとも最表面が高密度（気孔率５％以下）となるように焼結させることができるように光ビームの照射Ｌを行うのが好ましい。
【００１４】
そして、上記粉末層１０を形成しては光ビームＬを照射して焼結層１１を形成するということを繰り返していくのであるが、焼結層１１の全厚みがたとえば除去手段４におけるミーリングヘッド４１の工具長さなどから求めた所要の値になれば、いったん切削除去手段４を作動させてそれまでに造形した造形物の表面部を切削する。たとえば、ミーリングヘッド４１の工具（ボールエンドミル）が直径１ｍｍ、有効刃長３ｍｍで深さ３ｍｍの切削加工が可能であり、粉末層１０の厚みΔｔ１が０．０５ｍｍであるならば、６０層の焼結層１１を形成した時点で、切削除去手段４を作動させる。切削除去手段４による切削加工により、造形物の表面に付着した粉末による低密度表面層を除去すると同時に、高密度部まで削り込むことによって造形物表面に高密度部を全面的に露出させる。このために所望の形状よりも焼結層１１が少し大きくなるようにしておく。切削除去手段４による切削加工経路は、光ビームＬの照射経路と同様に予め三次元ＣＡＤデータから作成する。
【００１５】
また、本発明に係る製造方法においては、粉末層１０を形成しては光ビームＬを照射して焼結層１１を形成するということを繰り返していく過程において、図１に示すように、新たな焼結層１１の形成後でその上に粉末層１０を形成する前に、熱処理用光ビーム（レーザ）Ｌｈを照射することによる熱処理加工を行う。ここで照射する熱処理用光ビームＬｈは、上記の焼結用の光ビームＬを照射する焼結層形成手段３が熱処理に適した光ビームも出力することができる場合は焼結層形成手段３で熱処理用光ビームＬｈも出力するようにすればよい。また、熱処理用光ビームＬｈを専用の出力手段から照射する場合は、所要箇所に光ビームＬｈを照射することができるように、上記焼結層形成手段３と同様の構成のものとしておく。
【００１６】
ここで熱処理用光ビームＬｈは、最上層の焼結層１１の表面全面に照射する必要はなく、必要な箇所のみに選択的に照射すればよいものであり、図１中のＨは熱処理用光ビームＬｈの照射で高硬度化された部分を示している。
【００１７】
熱処理用光ビームＬｈの照射タイミングは、熱処理用光ビームＬｈの照射で高硬度化できる深度と、１層の焼結層１１の厚みとで決定すればよく、図４はほぼ３層の焼結層１１に匹敵する深さまで熱処理が可能であるために、２層の焼結層１１を形成する毎に熱処理用光ビームＬｈを照射する場合を示している。
【００１８】
また、熱処理は高硬度化に限るものではなく、低硬度化のための熱処理であってもよい。特に切削除去手段４を備えて、それまでに形成した造形物の上部表面に切削加工で表面仕上げの処理を行う場合、図５に示すように、切削除去手段４による切削除去加工の直前に低硬度化熱処理用の光ビームＬｈの照射を切削除去加工の対象となっている部分に対して行って低硬度化熱処理部Ｌを形成すると、切削除去（仕上げ）加工が容易となる。切削除去加工が終了した時点で高硬度化のための熱処理用光ビームＬｈを再照射することで、今度は高硬度化を行うようにしてもよいのはもちろんである。
【００１９】
ところで、切削除去手段４を備えて造形中に切削除去加工を行う場合、図６に示すように、切削除去用の工具（ミーリングヘッド４１）の通り道となった造形物外周には溝１９が生じる。このために、切削除去加工の直後に熱処理用光ビームＬｈを照射して熱処理を行う場合には、図７に示すように、斜め上方から光ビームＬｈを照射することで、溝１９に面している造形物外周面（や内周面）に光ビームＬｈを当てることができる。造形物の上面から光ビームＬｈを照射する場合に比して、多くの焼結層１１の外周面（や内周面）に熱処理を加えることができることになり、熱処理用光ビームＬｈの照射のサイクルを長く且つ回数を少なくすることができ、より短時間で熱処理も行った三次元形状造形物を得られることになる。
【００２０】
また、切削除去加工直後に光ビームＬｈを照射することは、切削除去加工に際して造形物に生じた切削バリの除去の機能を光ビームＬｈに担わせることができるために、より綺麗な造形物の製造が可能となる。
【００２１】
なお、ここでは切削除去加工を光造形用の装置内で行えるようにしたものを示したが、本発明は切削除去加工を装置内で行わないものにも適用することができるのはもちろんである。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返して所要の三次元形状造形物の造形を行うにあたり、熱処理用光ビームの照射による表面の選択的熱処理を上記造形中に上記造形のための装置内で行うものであり、光造形法による造形のための装置内で造形中に熱処理用光ビームの照射にて熱処理も行うために、造形が完了すれば熱処理も済ませた造形物を得ることができるものであり、別途熱処理のための設備や別途熱処理工程を必要とせず、迅速に且つ低コストで熱処理済みの三次元形状造形物を製造することができる。
【００２３】
また本発明は、無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作成した造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を行う工程を複数回の焼結層の作成工程中に挿入して所要の三次元形状造形物の造形を行うにあたり、切削加工での上記除去がなされた表面に対する熱処理用光ビームの照射による熱処理を、上記造形中に上記造形のための装置内で行うために、造形だけでなく、その造形物の表面部及びまたは不要部分の除去（仕上げ）と、熱処理とを同時に行ってしまうことができるものであり、迅速に且つ低コストで熱処理済みの最終製品としての三次元形状造形物を製造することができる。
【００２４】
いずれにしても、光ビームの照射による熱処理は、光ビームの照射による熱処理が可能な深さの造形の完了毎に行うことで、連続した熱処理部を造形物に形成することができる。
【００２５】
また、光ビームの照射による熱処理が造形物表層部の低硬度化であり、熱処理に次いで造形物の表層部の切削仕上げを行うものであってもよい。切削仕上げが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）（ｂ）は本発明の実施の形態の一例の説明図である。
【図２】同上の製造装置の概略斜視図である。
【図３】同上の動作説明図である。
【図４】同上の他の動作の説明図である。
【図５】同上の他の動作の説明図である。
【図６】同上の更に他の動作の説明図である。
【図７】同上の別の動作の説明図である。
【符号の説明】
１０　粉末層
１１　焼結層
Ｌ　　焼結用光ビーム
Ｌｈ　熱処理用光ビーム
【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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