(57)【要約】【課題】  粉末の積層造形に要する時間を大幅に短縮し、三次元造形物を短時間で製造する。【解決手段】  レーザ照射方式またはインクジェット方式により粉末を選択的に結合及び積層して、三次元造形物の表層部を反映させたシェル部１を造形し、このシェル部１の内部に粉末（粉末層２）を封じ込めた中間造形物３を得る。そして、このようにして得られた中間造形物３にＨＩＰ処理（炉内焼結）を施して内部の粉末を含めた全体を焼結・高密度化し、シェル部１と内部の焼結層とが一体となった三次元造形物を完成させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末を選択的に結合及び積層して、製造すべき造形物の表層部のみを造形し、内部には前記粉末をそのまま残すことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項２】
粉末を選択的に結合及び積層して、製造すべき造形物の表層部のみを造形すると共に、内部に前記粉末をそのまま残し、次に、前記表層部および内部を含めた全体を炉内焼結することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項３】
表層部を造形する際、内部を隔壁により部分的に仕切ってスリットまたは穴を形成することを特徴とする請求項２に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項４】
粉末を選択的に結合及び積層して、製造すべき造形物の表層部のみを造形すると共に、内部に前記粉末をそのまま残し、次に、前記内部の粉末を、固化可能な充填材と置換することを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項５】
粉末の薄層にレーザビームを照射して粉末を選択的に結合及び積層することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項６】
粉末の薄層にインクジェットにより結合剤を噴射して粉末を選択的に結合及び積層することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項７】
粉末を選択的に結合及び積層して造形されたシェル部と該シェル部内に封じ込められた粉末層とからなることを特徴とする三次元造形物。
【請求項８】
粉末を選択的に結合及び積層して造形されたシェル部と該シェル部内に封じ込められた粉末の結合層とからなり、前記シェル部および結合層がそれぞれ焼結されていることを特徴とする三次元造形物。
【請求項９】
粉末を選択的に結合及び積層して造形されたシェル部と、該シェル部内に封じ込められた粉末と置換された充填材の固化層とからなることを特徴とする三次元造形物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラピッドプロトタイピングの一種である粉末積層造形法を利用する三次元造形物の製造方法と該方法により製造された三次元造形物とに関する。
【背景技術】
【０００２】
ラピッドプロトタイピングの一種である粉末積層造形法は、造形すべき造形物の断面に対応する粉末の薄層を結合及び積層して目的の三次元形状とするもので、成形型を必要としないことから、三次元造形物を迅速かつ簡易に得ることができる利点がある。この粉末積層造形法において、粉末の薄層を結合及び積層する方式には、大きく分けて二つの方式がある。その一つは、粉末の薄層にレーザビームを照射して粉末粒子を焼結しながら積層するレーザ照射方式（例えば、特許文献１参照）、他の一つは、粉末の薄層にインクジェットによりバインダ（結合剤）を噴射して粉末粒子を接合しながら積層するインクジェット方式（例えば、特許文献２参照）であり、造形物の使用目的に応じて、その何れかが採用される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２４５９８１号公報
【特許文献２】特開平６−２１８７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の粉末積層造形法によれば、レーザ照射方式を採用するにしろインクジェット方式を採用するにしろ、製造すべき造形物の全断面を反映させて積層造形するため、その積層造形に時間がかかり、早急に造形物を得たい場合に十分に対応できない、という問題があった。
【０００５】
本発明は、上記した技術的背景に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、粉末の積層造形に要する時間を大幅に短縮することを可能にした三次元造形物の製造方法を提供し、併せて該製造方法によって得られた三次元構造物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明に係る三次元造形物の製造方法の一つは、粉末を選択的に結合及び積層して、製造すべき造形物の表層部のみを造形し、内部には前記粉末をそのまま残すことを特徴とする。このように行う三次元造形物の製造方法においては、表層部のみを造形するため、粉末の積層造形に要する時間は、全断面を反映させて積層造形する場合に比べて大幅に短縮する。また、この方法によって得られる三次元造形物は、内部に粉末が封じ込められているので、全体として適度な強度および剛性が確保される。
【０００７】
本製造方法の他の一つは、粉末を選択的に結合及び積層して、製造すべき造形物の表層部のみを造形すると共に、内部に前記粉末をそのまま残し、次に、前記表層部および内部を含めた全体を炉内焼結することを特徴とする。このように行う三次元造形物の製造方法においては、粉末の積層造形が短時間で終了することに加え、最終的に炉内焼結を行うので、得られる三次元造形物は全体として強度および剛性に優れたものとなる。この製造方法において、前記表層部を造形する際、内部を隔壁により部分的に仕切ってスリットまたは穴を形成するようにしてもよい。この場合は、後の焼結に際して起こる収縮が、該スリットや穴の拡張によって吸収され、得られる三次元造形物の寸法形状精度が向上する。
【０００８】
本製造方法の、さらに他の一つは、粉末を選択的に結合及び積層して、製造すべき造形物の表層部のみを造形すると共に、内部に前記粉末をそのまま残し、次に、前記内部の粉末を、固化可能な充填材と置換することを特徴とする。このように行う三次元造形物の製造方法においては、粉末の積層造形が短時間で終了することに加え、内部の粉末を固化可能な充填材と置換するので、得られる三次元造形物は、全体として強度および剛性に優れたものとなる。
【０００９】
本製造方法において、粉末を選択的に結合及び積層する方式としては、粉末の薄層にレーザビームを照射するレーザ照射方式はもちろん、粉末の薄層にインクジェットにより結合剤を噴射するインクジェット方式を採用することができる。
【００１０】
本発明に係る三次元造形物は、上記各製造方法によって得られたもので、その一つは、粉末を選択的に結合及び積層して造形されたシェル部と該シェル部内に封じ込められた粉末層とからなることを特徴とする。また、他の一つは、粉末を選択的に結合及び積層して造形されたシェル部と該シェル部内に封じ込められた粉末の結合層とからなり、前記シェル部および結合層がそれぞれ焼結されていることを特徴とする。さらに他の一つは、粉末を選択的に結合及び積層して造形されたシェル部と、該シェル部内に封じ込められた粉末と置換された充填材の固化層とからなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る三次元造形物の製造方法によれば、製造すべき造形物の表層部のみを造形するので、粉末の積層造形に要する時間が大幅に短縮し、新たな試作品の開発に向けて好適となる。
また、本発明に係る三次元造形物によれば、表層のシェル部と内部の層とが一体となって、所望の強度および剛性が確保されるので、多目的に使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基いて説明する。
【００１３】
図１および２は、本発明に係る三次元造形物の製造方法の第１の実施形態を示したものである。本第１の実施形態においては、先ず粉末積層造形法を利用して、図１に示すように、製造すべき造形物の表層部のみを反映させたシェル部１と該シェル部１の内部に封じ込められた粉末層２とからなる中間造形物３を製造し、次に、図２に示すように、前記中間造形物３を熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）装置５内に装入し、所定の温度及び圧力下でＨＩＰ処理（炉内焼結）を行って内部の粉末層２を高密度の結合層４に変質させる。
【００１４】
上記中間造形物３の造形に際しては、後に詳述する積層造形工程（図３または図５）で、粉末の薄層にレーザビームを照射しまたはインクジェットによりバインダ（結合剤）を噴射して、粉末の薄層を所定のパターンに結合し、この上に粉末の薄層を更新しながら前記レーザ照射またはインクジェット噴射を繰返して結合部を順次積層してシェル部１を造形する。このとき、粉末の薄層に対する結合パターンの内側の粉末は未結合の状態で残り、積層造形の終了時点で前記シェル部１の内部に粉末層２として封じ込められる。
【００１５】
本実施形態において、上記積層造形工程で用いる粉末の種類は任意であり、金属（合金）、セラミックス等の無機材料はもとより、樹脂等の有機材料を選択することができる。そして、これら粉末の薄層にレーザビームを照射した場合は、粉末の粒子同士が焼結し、したがって表層のシェル部１の全体は焼結体となる。一方、粉末の薄層にインクジェットによりバインダを噴射した場合は、粉末の粒子同士がバインダを介して物理的に接合し、したがって表層のシェル部１の全体は粉末の接合体となる。
【００１６】
ＨＩＰ装置５は、ヒータ６を内装する圧力容器７を備えており、ＨＩＰ処理に際しては、前記圧力容器７内に適当な支持台８を用いて上記中間造形物３をセットし、圧力容器７内をアルゴンガス等の不活性ガス雰囲気として所定の圧力を加えると共に、ヒータ６により所定温度に加熱する。この場合、原料粉末の材種に応じてＨＩＰ処理条件（温度、圧力等）を適当に設定することで、中間造形物３の内部の粉末の粒子同士が焼結し、中間造形物３の内部の粉末層２が高密度の焼結体となる。このとき、前工程の積層造形工程でレーザ照射方式を採用している場合は、表層のシェル部１が既に焼結体となっているので、最終的に得られる三次元造形物Ｐ（図２）は、その全体が焼結体となる。このとき、シェル部１の焼結がさらに進んで、シェル部１はより高密度化する。一方、前工程の積層造形工程でインクジェット方式を採用している場合は、前記ＨＩＰ処理で表層のシェル部１を構成する粉末と内部の粉末層２を構成する粉末とが共に焼結し、したがって、最終的に得られる三次元造形物Ｐ（図２）は、前記レーザ照射方式を採用した場合と同様にその全体が焼結体となる。なお、ＨＩＰ処理条件としては、例えば、原料粉末として鉄系材料を用いた場合は、温度１０００〜１３００℃、圧力１００ＭＰａ以上が選択される。
【００１７】
このように行う三次元造形物の製造方法においては、製造すべき造形物の表層部のみを反映させたシェル部１のみを積層造形するので、粉末の積層造形に要する時間は大幅に短縮し、後のＨＩＰ処理工程を含めても、三次元積層体Ｐの製造に要する時間は短縮する。また、このようにして得られた三次元造形物Ｐは、表層のシェル部１と内部の結合層４とが共に焼結体からなっているので、強度および剛性は十分となる。
【００１８】
ここで、上記した粉末の積層造形工程は、一例として図３に示す手順で行われる。同図において、１１は、粉末１０を載せる粉末供給用昇降テーブル１２を内装する粉末容器、１３は、粉末の薄層１０´を載せる積層用昇降テーブル１４を内装する積層容器であり、両容器１１および１３は隣接して設置されている。また、１５は、粉末供給用ワイパーで、前記粉末容器１１と積層容器１３の上方に水平移動可能に配設されている。本積層造形工程は、レーザ照射方式を採用するもので、図３（Ｃ）に示されるように、前記積層容器１３の上方には、レーザ発振器１６から出射されたレーザビームＬを前記積層用昇降テーブル１４上の粉末の薄層１０´に照射させるための反射ミラー１７が配設されている。反射ミラー１７は、コンピュータ１８から指令で作動する駆動制御手段１９により揺動するようになっており、この反射ミラー１７の揺動に応じてレーザビームＬが前記粉末の薄層１０´上で走査される。反射ミラー１７を揺動させるための操作プログラムは、製造すべき造形物の三次元ＣＡＤデータから求めた断面データに基いて作製されており、レーザビームＬは、この操作プログラムに従って所定の軌跡で走査される。
【００１９】
図３（Ａ）は、積層用昇降テーブル１４上の粉末の薄層１０´に対するレーザ照射を終えて、次の薄層のレーザ照射に移る段階を示しており、前記薄層１０´内には、先のレーザ照射により選択的に焼結されたリング状の焼結層（黒塗りで示す）Ｓが形成されている。そして、この段階では、先ず積層用昇降テーブル１４が一層分だけ下降し、次いでワイパー１５が、図の右方向へ移動して粉末容器１１の外側の待機位置に戻り、続いて、粉末供給用昇降テーブル１２が一層分だけ上昇する。その後、同図（Ｂ）に示すように、ワイパー１５が粉末容器１１側から積層容器１３側へ移動する。すると、粉末供給用昇降テーブル１２上の一層分の粉末１０が、ワイパー１５により積層用昇降テーブル１４上に搬送される。そして、この搬送された粉末１０はワイパー１５によって均されて昇降テーブル１４上に薄く堆積し、これにより該昇降テーブル１４上には新たな粉末の薄層１０´が積層形成される。この薄層１０´の厚さは、使用する粉末１０の材種および粒径、製造すべき造形物の形状等によって異なるが、最大粒径２０μｍの鉄系粉末を用いる場合は、概ね０.０２〜０.０６ｍｍ程度となる。
【００２０】
上記新たな薄層１０´の形成を終えたワイパー１５は、そのまま移動を続けて積層容器１３の外側に待機する。その後、図３（Ｃ）に示すように、レーザ発振器１６からレーザビームＬが出射され、これと同時に駆動制御手段１９が反射ミラー１７を所定の走査プログラムに従って揺動させる。すると、反射ミラー１７から前記薄層１０´に照射されたレーザビームＬが、該薄層１０´上を所定の軌跡で走査され、これにより前記薄層１０´内の粉末１０が選択的に焼結されて新たなリング状の焼結層Ｓ´が形成され、この新たな焼結層Ｓ´は、先に形成された下層の焼結層Ｓに対しても焼結される。このときのレーザビームＬの走査条件は、使用する粉末１０の材種および粒径、製造すべき造形物の形状等によって異なるが、最大粒径が２０μｍの鉄系粉末を用いる場合、レーザビームＬの走査速度として１００〜８００ｍｍ/秒程度が、レーザビームＬの走査間隔として０.３〜３.０ｍｍ程度、レーザ出力として１００〜８００Ｗ程度が選択される。その後は、前記（Ａ）→（Ｂ）→（Ｃ）の手順が繰返されて、前記焼結層の積層が進み、遂には、図１に示したごとき、シェル部１内に粉末層２が封じ込められた中間造形物３が完成する。
【００２１】
ところで、上記した中間造形物３のシェル部１のように、上部側に向けて次第に絞られたオーバーハング形状のものを積層造形する場合は、オーバーハングの大きい部分、特に頂部では下側に焼結層が存在しない状態で、すなわち下層の焼結層による支持がない状態で新たな焼結層が形成されることになる。一方、レーザ照射方式で積層造形する場合、焼結層（Ｓ）の表面の面粗さがかなり悪く、場合によって焼結層の表面にかなり大きな突起が形成される。このため、前記したオーバーハングの大きい部分で積層造形を行おうとすると、ワイパー１５の移動に前記突起が干渉して、下層の焼結層が剥離してしまうことがあり、積層造形を安定して行うことが困難になる。
【００２２】
図４は、上記した不具合に対処するための対策を施した中間造形物３を示したもので、このものでは、シェル部１の内部に複数の支柱部２０を形成している。この支柱部２０は、上記したシェル部１の積層造形に際し、シェル部１の底面から連続して上方へ積層造形される。このような支柱部２０は、上記した第１の実施形態の積層造形工程において、反射ミラー１７（図３）を揺動させるための操作プログラムを変更することで簡単に形成することができる。このような支柱部２０の存在により、オーバーハングの大きい部分でも、その下側に支柱部２０の支持があるので、上記したワイパー１５の移動によって焼結層が剥離することはなく、積層造形が安定して進行する。なお、前記支柱部２０の形状は任意であり、棒状であってもよいことはもちろん、壁状または格子状であってもよい。
【００２３】
一方、シェル部１の積層造形にインクジェット方式を採用する場合は、例えば、図５に示すように、積層用昇降テーブル１４の上方に配置したＸ−Ｙプロッタ（Ｘ−Ｙテーブル）２５の移動体２６に、多数のノズルを備えたインクジェットヘッド２７を持たせるようにすればよい。この場合は、移動体２６を移動させながらインクジェットヘッド２７から昇降テーブル１４上の粉末の薄層１０´にバインダＢを適宜噴射させることで、粉末の薄層１０´内の粉末が選択的に接合されてリング状の結合層Ｍが形成される。したがって、図３に示した要領で粉末の薄層１０´を更新しながら前記走査を繰返すことで、上記レーザ照射方式による場合と同様に、接合構造物からなるシェル部１内に粉末層２が封じ込められた中間造形物３が完成する。
【００２４】
なお、本発明は、図５に示したＸ−Ｙプロッタ２５の移動体２６にレーザトーチを持たせて、レーザ照射方式でシェル部１の積層造形を行ってもよいもので、この場合は、図３に示したごとく、反射ミラー１７でレーザビームＬを走査させる場合よりも、駆動機構並びに制御系が簡単となる。
【００２５】
図６は、本発明に係る三次元造形物の製造方法の第２の実施形態を示したものである。本第２の実施形態の特徴とするところは、上記第１の実施形態と同様の手順で中間造形物３を製造する際、シェル部１の内部を隔壁３０により部分的に仕切ってスリット３１（または穴）を形成するようにした点にある。この隔壁３０は、上記した第１の実施形態の積層造形工程において、反射ミラー１７（図３）を揺動させるための操作プログラムまたはインクジェットヘッド２７（図５）を移動させるための操作プログラムを変更することで簡単に形成することができる。本第２の実施形態においては、中間造形物３にスリット３１（または穴）を形成していることから、その後のＨＩＰ処理による焼結（図２）に際して起こる収縮が、該スリット３１（または穴）の拡張によって吸収され、したがって、最終的に得られる三次元造形物Ｐの寸法形状精度が向上する。なお、これらスリット３１の間隔または穴の直径は、使用する粉末１０の材種および粒径、製造すべき造形物の寸法形状、ＨＩＰ条件等により異なるが、一例として、原料粉末として鉄系材料を用い、ＨＩＰ条件として温度１０００〜１３００℃、圧力１００ＭＰａ以上を選択する場合は、数ｍｍ程度（１〜５ｍｍ）で十分である。
【００２６】
図７および図８は、本発明に係る三次元造形物の製造方法の第３の実施形態を示したものである。本第３の実施形態の特徴とするところは、上記第１の実施形態と同様の手順で中間造形物３を製造する際、図７に示すように、シェル部１の一部（ここでは、底部）に孔３５を設け、中間造形物３を製造後、前記シェル部１内に封じ込められた粉末層２の粉末を前記孔３５を通して排出し、しかる後、図８に示すように、中間造形物３を反転して、そのシェル部１の内部に前記孔３５を通してラドル等３６から固化可能な充填材３７を注入し、該充填材３７をそのまま固化させた点にある。前記充填材３７は、固化可能であればその種類は任意であり、例えば、Ｓｎ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｂｉ等の低融点金属またはそれらの合金を、あるいは熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等の有機材料を選択することができる。本第３の実施形態においては、表層のシェル部１と内部の充填材の固化層とが一体となって、剛構造体となり、全体として強度および剛性に優れたものとなる。
【００２７】
なお、本発明は、上記第１の実施形態で得られた中間造形物３をそのまま製品（三次元造形物）として用いてもよいものである。この場合は、シェル部１の内部に粉末層２がそのまま残るので、剛性が若干不足するが、用途によっては十分に使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る三次元造形物の製造方法の第１の実施形態で得られる中間造形物の構造を示す断面図である。
【図２】本第１の実施形態における最終のＨＩＰ処理（炉内焼結）の状況を示す模式図である。
【図３】本第１の実施形態において中間造形物をレーザ照射方式で積層造形する場合の手順を示す模式図である。
【図４】本第１の実施形態で得られる中間造形物の、他の構造を示す断面図である。
【図５】本第１の実施形態において中間造形物をインクジェット方式で積層造形する場合の手順を示す模式図である。
【図６】本発明に係る三次元造形物の製造方法の第２の実施形態で得られる中間造形物の構造を示す断面図である。
【図７】本発明に係る三次元造形物の製造方法の第３の実施形態で得られる中間造形物の構造を示す断面図である。
【図８】本第３の実施形態における充填材の注入工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１    シェル部
２    粉末層
３    中間造形物
４    内部の結合層
１０  粉末
１０´  粉末の薄層
２０  支柱部
３０  隔壁
３１  スリット
３５  シェル部に設けた孔
Ｐ    三次元造形物
【図１】
2005171299.tif 000003
【図２】
2005171299.tif 000004
【図３】
2005171299.tif 000005
【図４】
2005171299.tif 000006
【図５】
2005171299.tif 000007
【図６】
2005171299.tif 000008
【図７】
2005171299.tif 000009
【図８】
2005171299.tif 000010