(57)【要約】【課題】焼結工程と切削工程とを同時に実施して製造効率を向上させた三次元形状造形物の製造装置及びこれを用いた金型の製造方法を提供する。【解決手段】三次元形状造形物の製造装置を、無機質あるいは有機質の粉末材料の層が上面に形成される２つのステージ３，４と、各ステージ３，４上に粉末層２０を供給する粉末供給手段３０と、各ステージ３，４上の粉末層２０に光ビームＬを照射して焼結させる光ビーム照射手段３１と、各ステージ３，４上に積層された焼結層２１の表面部等の除去を行う切削手段３２とからなり、粉末供給手段３０と光ビーム照射手段３１を用いた焼結工程と、切削手段３２を用いた切削工程とを各ステージ３，４において交互に行わせる切換手段を備えたものとする。また、上記製造装置を用いることで対を成す金型を効率的に製造することができる。【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が上面に形成される少なくとも２つのステージと、各ステージ上に粉末層を供給する粉末供給手段と、各ステージ上の粉末層に光ビームを照射して焼結させる光ビーム照射手段と、各ステージ上に積層された焼結層で形成される造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を行う切削手段とからなるとともに、粉末供給手段による粉末層の形成及び光ビーム照射手段による焼結と、切削手段による造形物の表面部及びまたは不要部分の除去とを複数ステージにおいて交互に行わせる切換手段を備えていることを特徴とする三次元形状造形物の製造装置。
【請求項２】
光ビーム照射手段は、各ステージ上に光ビームを照射可能な単一のものであることを特徴とする請求項１記載の三次元形状造形物の製造装置。
【請求項３】
粉末供給手段は、各ステージ上に粉末を供給可能な単一のものである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装置。
【請求項４】
切換手段は複数のステージの位置を変更するものであることを特徴とする請求項１または２または３記載の三次元形状造形物の製造装置。
【請求項５】
切換手段は複数のステージを回転させて位置を入れ換えるものであることを特徴とする請求項４記載の三次元形状造形物の製造装置。
【請求項６】
無機質あるいは有機質の粉末材料の層が上面に形成される少なくとも２つのステージと、各ステージ上に粉末層を供給する粉末供給手段と、各ステージ上の粉末層に光ビームを照射して焼結させる光ビーム照射手段と、各ステージ上に積層された焼結層で形成される造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を行う切削手段とからなるとともに、粉末供給手段による粉末層の形成及び光ビーム照射手段による焼結と、切削手段による造形物の表面部及びまたは不要部分の除去とを複数ステージにおいて交互に行わせる切換手段を備えている三次元形状造形物の製造装置を用いた金型の製造方法であって、対をなす型で構成される金型のうちの一方の型を一方のステージ上に、他方の型を他方のステージ上に夫々三次元形状造形物として形成するとともに、いずれか一方の型に対する切削を他方の型に対する粉末層の形成及び焼結中に並行して行うことで対の型の製造を同時に行うことを特徴とする金型の製造方法。
【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て三次元形状造形物を製造するための製造装置及びこれを用いた金型の製造方法に関する。
【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。特願２００１−３６３７３２号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個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個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一連の作業を繰り返すことで、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る。そして、該製造方法においては、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】
ところで、光ビームを照射して焼結硬化させた部分の周囲には伝達された熱が原因となって不要な粉末が付着するものであり、該付着粉末が低密度の表面層を造形物の表面に形成してしまう。そこで、上記の製造方法においては、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を除去する工程（切削工程）を複数回の焼結層の作成工程（焼結工程）中に挿入することで（図１０参照）、仕上げにドリル長などの制約を受けることなく表面を仕上げるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のように焼結工程と切削工程とを或る間隔で交互に繰り返して一つの三次元造形物を製造する場合、一方の工程を実施している間は他方の機能が使用できなくて無駄な空き時間の発生により製造効率の悪いものになっていた。本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、焼結工程と切削工程とを同時に実施して製造効率を向上させることのできる三次元形状造形物の製造装置及びこれを用いた金型の製造方法を提供することを課題とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係る三次元形状造形物の製造装置を、無機質あるいは有機質の粉末材料の層が上面に形成される少なくとも２つのステージと、各ステージ上に粉末層を供給する粉末供給手段と、各ステージ上の粉末層に光ビームを照射して焼結させる光ビーム照射手段と、各ステージ上に積層された焼結層で形成される造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を行う切削手段とからなるとともに、粉末供給手段による粉末層の形成及び光ビーム照射手段による焼結と、切削手段による造形物の表面部及びまたは不要部分の除去とを複数ステージにおいて交互に行わせる切換手段を備えていることを特徴としたものとする。
【０００６】
このようにすることで、粉末供給手段による粉末層の形成及び光ビーム照射手段による焼結（即ち焼結工程）と、切削手段による造形物の表面部及びまたは不要部分の除去（即ち切削工程）とを、各ステージ上で交互に並行動作で行うことができるので、切削手段と光ビーム照射手段の空き時間を無くして三次元形状造形物を効率的に製造することができる。
【０００７】
また、光ビーム照射手段は、各ステージ上に光ビームを照射可能な単一のものであるもことも好ましく、このようにすることで、各ステージに対応してそれぞれ光ビーム照射手段を備えるものと比較して構造をコンパクト化することができる。
【０００８】
また、粉末供給手段は、各ステージ上に粉末を供給可能な単一のものであることも好ましく、このようにすることで、各ステージに対応してそれぞれ粉末供給手段を備えるものと比較して構造をコンパクト化することができる。
【０００９】
また、切換手段は複数のステージの位置を変更するものであることも好ましく、このようにすることで、光ビーム照射手段や切削手段を個別に別位置に移動させる必要がなくなり移動機構全体をコンパクト化することができる。
【００１０】
また、切換手段は複数のステージを回転させて位置を入れ換えるものであることも好ましく、このようにすることで、所定角の回転により各ステージの位置を容易に入れ換えることができ、移動機構全体を更にコンパクト化することができる。
【００１１】
また、本発明に係る金型の製造方法を、無機質あるいは有機質の粉末材料の層が上面に形成される少なくとも２つのステージと、各ステージ上に粉末層を供給する粉末供給手段と、各ステージ上の粉末層に光ビームを照射して焼結させる光ビーム照射手段と、各ステージ上に積層された焼結層で形成される造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を行う切削手段とからなるとともに、粉末供給手段による粉末層の形成及び光ビーム照射手段による焼結と、切削手段による造形物の表面部及びまたは不要部分の除去とを複数ステージにおいて交互に行わせる切換手段を備えている三次元形状造形物の製造装置を用いた金型の製造方法であって、対をなす型で構成される金型のうちの一方の型を一方のステージ上に、他方の型を他方のステージ上に夫々三次元形状造形物として形成するとともに、いずれか一方の型に対する切削を他方の型に対する粉末層の形成及び焼結中に並行して行うことで対の型の製造を同時に行うことを特徴としたものとすることも好ましい。
【００１２】
このようにすることで、粉末供給手段による粉末層の形成及び光ビーム照射手段による焼結（即ち焼結工程）と、切削手段による造形物の表面部及びまたは不要部分の除去（即ち切削工程）とを、各ステージ上で交互に並行作業で行うことができるので、切削手段と光ビーム照射手段の空き時間がないように対を成す型を製造し、この対を成す型で構成される金型を効率的に製造することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に示す実施の形態に基づいて説明する。図１には本発明の実施の形態における一例の三次元形状造形物の製造装置を示しており、第一造形タンク１と第二造形タンク２とを備えるとともに、第一造形タンク１に外周を囲まれて成る空間内には第一ステージ３を、第二造形タンク２に外周を囲まれて成る空間内には第二ステージ４を、それぞれ各空間内にて上下昇降自在に備えている。
【００１４】
第一造形タンク１には第一材料タンク５を近接して設置しており、この第一材料タンク５内から第一ステージ３にまで、ブレード移動用第一スライドテーブル９上を移動する第一ブレード７により無機質または有機質の粉末材料を供給してならすことで所定厚みの第一層目の粉末層２０を形成するようになっている。
【００１５】
そして、上記のような粉末供給手段３０により形成された粉末層２０の硬化させたい箇所に、光ビーム照射手段３１により光ビーム（レーザー）Ｌを照射して粉末を焼結させて焼結層２１を形成し、この後、第一ステージ３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第一ブレード７でならすことで第２層目の粉末層２０を形成し、この粉末層２０の硬化させたい箇所に光ビームＬを照射して粉末を焼結させて下層の焼結層２１と一体化した焼結層２１を形成するものであり、上記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ことができる。また、第二造形タンク２にも同様に粉末供給手段３０として第二材料タンク６やブレード移動用第二スライドテーブル１０や第二ブレード８を設置しており、同様の工程により三次元形状造形物を製造するようになっている。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Ｌとしては炭酸ガスレーザー、粉末層２０の厚みとしては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。
【００１６】
光ビーム照射手段３１は、レーザー発振器１１や、該レーザー発振器１１から出力された光ビームＬを粉末層２０に向けて照射するガルバノミラー等のスキャン光学系１２から成り、コンピュータ１４からの走査指令を受けた偏向制御装置１３により制御されるものである。また、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Ｌの照射を行うのが好ましい。
【００１７】
粉末供給手段３０のベース部には、各ステージ３，４上に積層された焼結層２１で形成される造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を行う切削手段３２として、スピンドル１６を、互いに直行するＸ方向テーブル１５ａとＹ方向テーブル１５ｂから成る２軸のスピンドル移動用スライドテーブル１５を介して水平方向（図中ＸＹ方向）に移動自在に備えており、更に該スピンドル１６は上下方向（図中Ｚ方向）にも移動自在となっている。
【００１８】
そして、各ステージ３，４において、上記粉末層２０を形成しては光ビームＬを照射して焼結層２１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２１の全厚みが所要の値になれば、いったん切削手段３２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。この切削手段３２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２１が少し大きくなるようにしておく。切削手段３２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。
【００１９】
ここで、本例の三次元形状造形物の製造装置においては、光ビーム照射手段３１が各ステージ３，４上に光ビームＬを照射可能な単一のものであり、更に、切削手段３２が各ステージ３，４上で切削作業可能な単一のものであるとともに、粉末供給手段３０による粉末層２０の形成及び光ビーム照射手段３１による焼結（即ち焼結工程）と、切削手段３２による造形物の表面部及びまたは不要部分の除去（即ち切削工程）とを各ステージ３，４において交互に行わせる切換手段を備えているので、切削工程と焼結工程が同時に行われるようにして、光ビーム照射手段３１及び切削手段３２の空き時間を無くして効率的に三次元形状造形物を自動で製造可能なものとなっている。なお、図４に示すように、最初は両ステージ３，４にうち一方（これをＡステージとする）で焼結工程を行った後に、他方（これをＢステージとする）と焼結／切削ステージ切換を行って各ステージ３，４において切削工程と焼結工程が連続して行われるようにするのであるが、Ａステージ側とＢステージ側で三次元形状造形物の製造工程数が異なる場合（図４の場合はＡステージの工程数Ｎ２＞Ｂステージの工程数Ｎ１）には、一方が完成した後は焼結／切削ステージ切換を行わずに従来例のように焼結工程と切削工程を繰り返すものである。
【００２０】
上記切換手段として具体的には、レーザ発振器１１やスキャン光学系１２から成る光ビーム照射手段３１をＸ方向にスライド自在に設置するとともに、スピンドル１６である切削手段３２を、スピンドル移動用スライドテーブル１５のＹ方向テーブル１５ｂのＸ方向テーブル１５ａに対するスライドによりＸ方向にスライド自在に設置している。第一造形タンク１と第二造形タンク２はＸ方向に並設しているので、図２（ａ）のように第一造形タンク１上に切削手段３２を位置させて第二造形タンク２上の対応箇所に光ビーム照射手段３１を位置させることで、第一ステージ３で切削工程を行って第二ステージ４で焼結工程を行うことができる。そして、各手段３１，３２のＸ方向スライドにより図２（ｂ）のように第一造形タンク１上の対応箇所に光ビーム照射手段３１を位置させて第二造形タンク２上に切削手段３２を位置させることで、第一ステージ３で焼結工程を行って第二ステージ４で切削工程を行うことができるものである。
【００２１】
なお、スピンドル移動用スライドテーブル１５としてＸ方向テーブル１５ａを一つ有したものを示しているが、剛性を考慮して図３に示すようにＸ方向テーブル１５ａを二つ有する門構え構造としても良い。
【００２２】
図５には、本発明の実施の形態における他例の三次元形状造形物の製造装置を示している。本例の基本的構成は既述した一例の構成と略同一であることから一例と同様の構成については同一符号を付して説明を省略し、特徴的な構成について以下に述べる。本例においては、第一造形タンク１及び第二造形タンク２をタンクユニットスライドテーブル１７上に載置しており、両造形タンク１，２が一体に図中Ｘ方向にスライド自在としている。また、一例のように各造形タンク１，２に専用の材料タンク５，６を設けるのではく、共有の材料タンク１８を一つ設けている。
【００２３】
図６に示すように、スライド方向の一端側を第一切削位置Ｐ１、中央を焼結位置Ｐ２、他端側を第二切削位置Ｐ３とし、前記材料タンク１８を焼結位置Ｐ２に近接して設置しておき、材料タンク１８内から焼結位置Ｐ２にまで無機質または有機質の粉末材料を供給してならすためのブレード２２及びブレード移動用スライドテーブル２３を設けることで、図７（ａ）に示すようにタンクユニットスライドテーブル１７を一端側に寄せて位置させた場合には、第一造形タンク１（即ち第一ステージ３）が第一切削位置Ｐ１にあって、第二造形タンク２（即ち第二ステージ４）が焼結位置Ｐ２にあり、図７（ｂ）に示すようにタンクユニットスライドテーブル１７を他端側に寄せて位置させた場合には、第一ステージ３が焼結位置Ｐ２にあって、第二ステージ４が第二切削位置Ｐ３にあるようにしている。
【００２４】
つまり、本例における切換手段は各ステージ３，４の位置をＸ方向のスライドにより変更するものであり、これにより、粉末供給手段３０を、材料タンク１８を一つ備えたものであって各ステージ３，４に粉末材料を供給可能な単一のものとすることができる。また本例においては、光ビーム照射手段３１は焼結位置Ｐ２の対応箇所に固定しておけばよいのでスライド機構を設けていない。
【００２５】
図８、図９には、本発明の実施の形態における更に他例の三次元形状造形物の製造装置を示している。本例の基本的構成は既述した一例の構成と略同一であることから一例と同様の構成については同一符号を付して説明を省略し、特徴的な構成について以下に述べる。本例においては、第一造形タンク１と第二造形タンク２とで材料タンク２４を挟むように、各タンク１，２，２４をそれぞれタンクユニット回転テーブル１９上に載置しており、両造形タンク１，２の中間位置を通る軸Ｃを中心にタンクユニット回転テーブル１９を各タンク１，２，２４と一体に回転自在に設けているので、タンクユニット回転テーブル１９を１８０°回転させれば第一造形タンク１（即ち第一ステージ３）と第二造形タンク２（即ち第二ステージ３）との位置を切換自在になっている。なお、軸Ｃは材料タンク２４内を通っているので回転によっても材料タンク２４は常時中央に位置している。
【００２６】
タンクユニット回転テーブル１９の軸Ｃを挟んで一方側を切削位置Ｐ４としてここの上方に切削手段３２を位置させ、他方を焼結位置Ｐ５としてここの上方の対応箇所に光ビーム照射手段３１を位置させている。また、材料タンク２４内から焼結位置Ｐ５にまで無機質または有機質の粉末材料を供給してならすためのブレード２５及びブレード移動用スライドテーブル２６を設けている。したがって、例えば図９に示すようにタンクユニット回転テーブル１９が所定の回転位置にあるときに第一ステージ３が切削位置Ｐ４にあって第二ステージ４が焼結位置Ｐ５にあるようにすれば、タンクユニット回転テーブル１９の１８０°の回転により各ステージ３，４において切削工程と焼結工程とを交互に行わせることができる。
【００２７】
つまり、本例における切換手段は各ステージ３，４を回転させて位置を入れ換えるものであって、このようなステージ３，４の位置変更を利用することで、光ビーム照射手段３１及び切削手段３２は各位置Ｐ４，Ｐ５の対応箇所から他の箇所にまで移動させる必要がなく、移動機構がコンパクト化されるという利点がある。また、材料タンク２４も一つ設けておくだけで済むものである。
【００２８】
そして、上記した各実施例の三次元形状造形物の製造装置を用いて、対をなす型で構成される金型（図示せず）を製造する場合には、一方の型を一方のステージ（例えば第一造形タンク１の第一ステージ３）上にて三次元形状造形物として形成し、他方の型を他方のステージ（例えば第二造形タンク２の第二ステージ４）上にて三次元形状造形物として形成して、いずれか一方の型に対する切削工程を他方の型に対する粉末層２０の形成及び焼結中（即ち焼結工程中）に並行して行うことで、対の型の製造を同時に行うことができるものである。
【００２９】
なお、上記の各実施例において、ステージは二つの場合に限らず三以上の複数ステージにおいても、同様の各切換手段を用いて焼結工程と切削工程を交互に繰り返すことができることは言うまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
上記のように請求項１記載の発明にあっては、粉末供給手段による粉末層の形成及び光ビーム照射手段による焼結と、切削手段による造形物の表面部及びまたは不要部分の除去とを、各ステージ上で交互に並行動作で行うことができ、これにより切削手段と光ビーム照射手段の空き時間を無くして三次元形状造形物を効率的に製造することができるという効果がある。
【００３１】
また、請求項２記載の発明にあっては、請求項１記載の発明の効果に加えて、各ステージに対応してそれぞれ光ビーム照射手段を備えるものと比較して構造をコンパクト化することができるという効果がある。
【００３２】
また、請求項３記載の発明にあっては、請求項１または２記載の発明の効果に加えて、各ステージに対応してそれぞれ粉末供給手段を備えるものと比較して構造をコンパクト化することができるという効果がある。
【００３３】
また、請求項４記載の発明にあっては、請求項１または２または３記載の発明の効果に加えて、光ビーム照射手段や切削手段を個別に別位置に移動させる必要がなくなり、移動機構全体をコンパクト化することができるという効果がある。
【００３４】
また、請求項５記載の発明にあっては、請求項４記載の発明の効果に加えて、所定角の回転により各ステージの位置を容易に入れ換えることができ、移動機構全体を更にコンパクト化することができるという効果がある。
【００３５】
また、請求項６記載の発明にあっては、粉末供給手段による粉末層の形成及び光ビーム照射手段による焼結と、切削手段による造形物の表面部及びまたは不要部分の除去とを、各ステージ上で交互に並行作業で行うことができるので、切削手段と光ビーム照射手段の空き時間がないように対を成す型を製造し、この対を成す型で構成される金型を効率的に製造することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における一例の製造装置を示す説明図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は同上の製造装置の切換手段を示す説明図である。
【図３】同上の製造装置におけるスピンドル移動用スライドテーブルの他の形態を示す説明図である。
【図４】同上の製造装置を用いた製造方法のフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態における他例の製造装置を示す説明図である。
【図６】同上の製造装置の位置関係を示す説明図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は同上の製造装置の切換手段を示す説明図である。
【図８】本発明の実施の形態における更に他例の製造装置を示す説明図である。
【図９】同上の製造装置の切換手段を示す説明図である。
【図１０】従来の製造方法のフローチャートである。
【符号の説明】
３　第一ステージ
４　第二ステージ
２０　粉末層
２１　焼結層
３０　粉末供給手段
３１　光ビーム照射手段
３２　切削手段
Ｌ　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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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