(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機質あるいは有機質からなる粉末の層の所定個所に光ビームを照射して焼結させることによって焼結層ｍを形成し、この焼結層ｍの上に前記粉末の層を被覆するとともにこの粉末の所定個所に光ビームを照射して焼結させることによって下の焼結層ｍと一体になった焼結層ｍを形成し、これを繰り返すことによって複数の焼結層ｍが積層一体化された三次元形状造形物を作製する方法において、
三次元形状造形物の作製中に、前記焼結層ｍのうちの光ビームを再照射しようとする焼結層ｍ´の周囲の粉末を、焼結層ｍ´の側端面が完全に露出する深さまで除去して、焼結層ｍ´の周囲に空孔を形成する工程(a) と、
光ビームを再照射して、焼結層ｍ´の側端面に付着したまま残っている粉末を溶融し、その位置で焼結層ｍ´の側端面に接合固化させて、焼結層ｍ´の側端面を覆う表面が平滑で緻密な再溶融固化層を形成する工程(b) とを含む、
ことを特徴とする、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、無機質あるいは有機質の粉末材料に光ビームを照射して焼結層を形成し、この焼結層を積み重ねて所望の三次元形状を有する造形物を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無機質粉末（金属）や有機質粉末（樹脂）に対して光ビーム（指向性エネルギービーム、レーザ）を照射して硬化させ、硬化層を積層して三次元形状造形物を製造する方法に関する従来技術が、特許第２６２０３５３号公報に示されている。
通常、上記方法により製造される部品の設計は、三次元ＣＡＤによって行われる。設計された三次元ＣＡＤモデルを所望の層厚みにスライスすることにより生成される各層の断面形状データをもとに、各層のレーザの経路が決定され、一層分の粉末が焼結（硬化）されると同時に、直前の層に対しても焼結（接合）され、連続して積み重ねることにより部品形状を製造する方法である。
【０００３】
この方法では、三次元ＣＡＤにより設計された形状が、従来このような三次元形状造形物の製造に使用されていたＣＡＭ装置がなくても製造可能である。また、従来の切削加工等の工法に比べて、迅速に所望の部品が製造できる点で大きなメリットがある。
また、上記方法で作製された造形物の表面仕上げ方法が、特開２０００−７３１０８号公報に開示されている。この方法は、金属粉末焼結部品の作製後あるいは作製中に、金属粉末焼結部品の表面をなす各焼結層の端縁の突出する段差部分を除去する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開２０００−７３１０８号公報に記載の方法では、レーザ照射による仕上げ方法の場合、造形物と周辺の未硬化粉末を完全に分離しないと、レーザ再照射時に熱伝導により粉末が造形物に付着し滑らかな表面が得られないという問題がある。また、焼結工程において十分な密度の焼結体を形成しておかないと、段差を除去しても除去後の表面に気孔が現れて滑らかな表面が得られない。
本発明が解決しようとする課題は、造形物の表面を滑らかに、かつ、高密度化することで、造形物の品質性能を向上させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる三次元形状造形物の製造方法は、無機質あるいは有機質からなる粉末の層の所定個所に光ビームを照射して焼結させることによって焼結層ｍを形成し、この焼結層ｍの上に前記粉末の層を被覆するとともにこの粉末の所定個所に光ビームを照射して焼結させることによって下の焼結層ｍと一体になった焼結層ｍを形成し、これを繰り返すことによって複数の焼結層ｍが積層一体化された三次元形状造形物を作製する方法において、三次元形状造形物の作製中に、前記焼結層ｍのうちの光ビームを再照射しようとする焼結層ｍ´の周囲の粉末を、焼結層ｍ´の側端面が完全に露出する深さまで除去して、焼結層ｍ´の周囲に空孔を形成する工程(a) と、光ビームを再照射して、焼結層ｍ´の側端面に付着したまま残っている粉末を溶融し、その位置で焼結層ｍ´の側端面に接合固化させて、焼結層ｍ´の側端面を覆う表面が平滑で緻密な再溶融固化層を形成する工程(b) とを含む、ことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
〔製造装置〕
図１および図２は、本発明の実施形態となる三次元形状造形物の製造装置を示している。
製造装置には、造形に用いる粉末材料Ｐが収容されたタンク状の供給部２０と、供給部２０に隣接して造形物の作製を行い、供給部２０と同様のタンク状をなす造形部１０とを備えている。供給部２０および造形部１０は同じ平面形状をなしている。
【０００７】
造形部１０の底面を構成する造形台１２は昇降自在である。供給部２０の底面２２も昇降自在である。造形台１２の上に粉末材料Ｐを光硬化させてなる硬化層ｍが順次積み重ねられて造形物Ｍが作製される。
移送ブレード３０は、造形部１０および供給部２０の内幅よりも長い細幅の板状をなし、両端が往復動装置３２に支持されている。移送ブレート３０は、供給部２０の外側から供給部２０および造形部１０の上方を通過して造形部１０の外側まで水平移動する。
造形部１０の上方には、レーザ光などの光ビームＬを照射する光ビーム照射装置４０が配置されている。光ビーム照射装置４０は、光ビームの照射器４２から照射された光ビームＬを、複数の可動鏡４３、４４やレンズを組み合わせた光学系で偏向させたり集束させたりして、造形部１０の中の粉末材料Ｐに照射する。可動鏡４３、４４などの光偏向装置は、図示しないコンピュータなどで制御されて光ビームＬの照射位置や焦点位置などを変える。
【０００８】
造形部１０の上方には、粉末除去ノズル５０が配置される。粉末除去ノズル５０は、可撓性のあるホース５３を経て、粉末分離装置５５および吸引ポンプ５６に接続されている。吸引ポンプ５６を作動させれば、粉末除去ノズル５０の先端から空気とともに粉末Ｐを吸い込む。粉末分離装置５５で、空気と粉末Ｐとを分離し、粉末Ｐは粉末分離装置５５に備えた補助タンク（図示せず）に貯めておいたり、粉末分離装置５５の下端から供給部２０に戻したりする。粉末Ｐが分離された空気は吸引ポンプ５６から外部に放出される。
粉末除去ノズル５０は、支持バー５２に摺動自在に取り付けられている。支持バー５２は、造形部１０および供給部２０の両外側に沿って配置された案内駆動部５４に支持されており、案内駆動部５４に沿って摺動する。その結果、粉末除去ノズル５０は、造形部１０の上方でＸＹ両方向に自由に移動することができる。
【０００９】
図２に示すように、製造装置の全体が、密閉空間を構成する加工室６０に収容されている。但し、光ビーム照射装置４０の大部分は加工室６０の外部に設置されていて、光ビームＬは、加工室６０の壁面に設けられたレンズ４５を通して加工室６０の内部へと照射される。加工室６０の壁面には吸排気口６２を介して配管６４およびバルブ６３が接続されており、加工室６０に圧力空気を送り込んだり、排気吸引したり、所望のガス雰囲気を作りだしたりすることができるようになっている。
〔製造装置の具体的構成〕
造形物の製造装置として、以下の構成を備えたものが使用できる。
【００１０】
光ビーム照射装置：ＣＯ2 レーザ発振装置
光ビーム偏向装置：ガルバノメター式スキャナ
テーブル駆動機構：造形部１０および供給部２０の造形台１２および底面２２の昇降を行う。サーボモータで回転駆動されるボールねじや、ボールねじの摺動体の昇降動作を案内する直動ガイドレール、ボールねじの摺動体に支持された平板（テーブル）およびテーブルを囲むシリンダなどで構成される。
粉末供給機構：サーボモータ、ボールねじ、ガイドレールにスキージングを行う移送ブレード３０を設置しておく。
【００１１】
粉末除去機構：ＸＹ駆動テーブルに、粉末除去ノズル５０を備えておく。ＸＹ駆動テーブルは、タイミングベルトやボールねじなどの機構を組み合わせて駆動することができる。ＸＹ駆動テーブルの動作は、造形作業全体を制御するコンピュータの指令によって各軸位置や動作速度などが制御され、造形物の断面形状に沿って正確に移動させることができる。ＸＹ駆動テーブルの作動に直動リニアモータを用いれば高速動作が可能になる。粉末除去ノズル５０を吸引駆動する吸引ポンプ５６には、掃除機用の吸引ポンプを利用することができる。掃除機に備えたゴミと空気の分離機構を利用すれば、粉末Ｐの分離が可能である。
【００１２】
〔基本的製造工程〕
図３は、基本的な製造工程を(a) 〜(d) へと段階的に示している。
図３(a) に示すように、造形部１０の造形台１２の上で造形物Ｍを作製する。作製途中の造形物Ｍは、複数の焼結層ｍが積み重ねられており、造形物Ｍの外側面には、後述する再溶融固化層Ｓが形成されている。造形物Ｍの周囲は粉末Ｐで埋められている。図示しないが、供給部２０において、底面２２を少し持ち上げることで、供給部２０の上面よりも上昇した部分の粉末Ｐを、移送ブレード３０で押し動かして、造形部１０の上方に供給する。このとき、造形部１０では、作製途中の造形物Ｍの上面を造形部１０の上面よりも少し低い状態まで下げておき、造形物Ｍの上に所定の厚みで粉末Ｐの層が形成されるようにする。
【００１３】
図３(b) に示すように、造形部１０の上方に造形物作製用の光ビームＬ0 を照射する。光ビームＬ0 が照射された部分の粉末Ｐは焼結して焼結層ｍを形成する。焼結層ｍは先に形成されている下層の焼結層ｍと融着一体化して造形物Ｍの一部を構成することになる。なお、この段階では、最上層の焼結層ｍの側端面には未だ再溶融固化層Ｓは形成されていない。
図３(a) と図３(b) の工程を順次繰り返すことで、複数層の焼結層ｍが積み重ねられた造形物Ｍを作製することができる。
上述のようにして、１段の焼結層ｍが作製されたあと、あるいは、複数段の焼結層ｍが作製されたあとで、図３(c) に示すように、造形物Ｍの周囲から、焼結層ｍの作製に使用されなかった粉末Ｐを分離し、造形物Ｍの側端面を露出させる。
【００１４】
具体的には、粉末除去ノズル５０で、造形物Ｍにおける前記焼結層ｍのうちの光ビームを再照射しようとする焼結層ｍ´の周囲の粉末Ｐを吸引除去する。このときは、再溶融固化層Ｓが形成されていない焼結層ｍ´の側端面が完全に露出する深さまで、粉末Ｐを除去して、造形物Ｍの外周に沿って焼結層ｍ´の周囲に空孔ｈを形成する。粉末除去ノズル５０をＸＹ方向に移動制御することで、任意の形状の造形物Ｍに対して周囲に空孔ｈを形成することができる。空孔ｈの幅は、造形物Ｍの外周端面から十分に離れたところに空孔ｈの反対側の内壁が配置されるようにしておく。造形物Ｍの周りに堆積された粉末Ｐの層が一部崩れたり変形したりしても空孔ｈが埋まってしまわないようにしておくことが好ましい。後述する光ビームＬ1 の照射時に、光ビームＬ1 が付着粉末Ｐ0 以外の粉末Ｐを溶融固化させないようにしておく。
【００１５】
粉末除去ノズル５０で除去された粉末Ｐは、供給部２０に戻されて再利用される。なお、造形物Ｍの側端面と粉末Ｐとを分離する手段としては、粉末除去ノズル５０のほかにも、加振装置などが使用できる。
図３(d) に示すように、露出された焼結層ｍ´の側端面に、再溶融固化のための光ビームＬ1 を照射することで、焼結層ｍ´の側端面に再溶融固化層Ｓが形成される。
再溶融固化層Ｓが形成されたあとは、空孔ｈは粉末Ｐで埋め戻し、再び図３(a) の工程から繰り返して、焼結層ｍの作製と積層を行う。
【００１６】
上記方法において、粉末Ｐとしては、例えば、平均粒径約２０μｍの鉄粉が使用できる。粉末Ｐは略球形のものが望ましい。光ビームとして、例えば、炭酸ガスレーザが使用できる。１層の焼結層ｍの厚みは、例えば０．０５mmに設定できる。
空孔ｈの深さとして、例えば、焼結層ｍの積層ピッチが０．１mmで、３層毎に再溶融固化層Ｓをまとめて形成する場合には、空孔ｈの深さを０．３mm以上に設定しておけばよい。
〔再溶融固化層の形成〕
図４は、再溶融固化層Ｓの形成状態を詳しく示している。
【００１７】
図４(a) に示すように、光ビームＬ0 を照射し粉末Ｐを焼結させて得られた焼結層ｍを複数層積み重ねて構成された造形物Ｍは、焼結層ｍの側端面に、未硬化あるいは半硬化状態の粉末Ｐ0 、あるいは、粒状のままで焼結した状態の粉末Ｐ0 が付着した状態になる。粉末除去ノズル５０で焼結されなかった粉末Ｐを吸引除去したとしても、一部の粉末Ｐ0 は造形物Ｍの外周にあたる焼結層ｍの側端面に付着したままになる。
なお、図では、焼結層ｍの断面形状を、光ビームＬ0 の焦点形状に対応する楕円断面がつながった状態で模式的に表しているが、実際には、楕円断面が並んだ包絡形状の層状をなすものである。
【００１８】
前記したように、造形物Ｍの外周面における焼結層ｍの側端面に粉末Ｐ0 が付着した状態では、当然、造形物Ｍの表面は付着粉末Ｐ0 に対応する凹凸が存在していて、滑らかな表面にはなっていない。また、粉末Ｐ0 の間に存在する空隙によって、ポーラスな状態になっており、緻密な焼結状態にはなっていない。表面を滑らかにするためには、樹脂や金属を含浸させたり、表面にヤスリやサンドペーパーなどで仕上げ加工を施す必要がある。表面に仕上げ加工を行っても、付着した粉末Ｐ0 を完全に削り取らない限り、表面を滑らかにすることは困難である。
【００１９】
図４(b) に示すように、造形物Ｍの外周端近くである焼結層ｍの側端面に光ビームＬ1 を照射することにより、焼結層ｍの側端面に付着した粉末Ｐ0 が溶融され、造形物Ｍの端面に存在する凹凸の空隙部分に流れ込んで固化する。これによって、造形物Ｍの外周面には、緻密で滑らかな焼結材料からなり、造形物Ｍと一体的に結合された再溶融固化層Ｓが形成される。
したがって、前記した樹脂や金属の含浸、あるいは表面仕上げ加工を行わなくても、滑らかで緻密な表面を現出させることができる。再溶融固化層Ｓは、粉末Ｐ0 の間に存在する空隙がなくなり、粉末Ｐの材料が一様で均一な焼結層を形成するので、材料の密度が高くなり、機械的強度などの特性や表面性状も良好になる。
【００２０】
〔再溶融固化光ビーム〕
再溶融固化させるための光ビームＬ1 は、造形物Ｍの外面に付着した粉末Ｐ0 を溶融させることができればよいので、造形物Ｍの本体部分を焼結させる際の光ビームＬ0 に比べてビーム径は細くてもよい。勿論、光ビームＬ1 を光ビームＬ0 と同じビーム径で照射することもできる。
再溶融固化光ビームＬ1 の照射範囲としては、造形物Ｍに付着した粉末Ｐ0 を確実に溶融させるためには、造形物Ｍの外周端よりも内側から外側までの広い範囲を覆っているのが好ましい。しかし、光ビームＬ1 が、前記図３(d) の空孔ｈの底まで届くと、造形物Ｍの外周に接触する部分に埋められた粉末Ｐまでが溶融固化してしまう。それでは、造形物Ｍの外形状が変わってしまったり、先に形成された再溶融固化層Ｓの外側に新たに粉末Ｐが付着してしまって、表面粗度や密度が低下し、寸法精度も悪くなる。
【００２１】
そこで、光ビームＬ1 の外周端が、造形物Ｍの外周端と同じ位置に配置されるか、それよりも少し内側に配置されるように、光ビームＬ1 の照射位置を決めるのが好ましい。より具体的には、光ビームＬ1 の中心線が、造形物Ｍを作製する際の光ビームＬ0 の照射経路の中心線よりも外側になり、かつ、光ビームＬ1 のビーム径の外周端が、造形物Ｍを作製する際の光ビームＬ0 のビーム径の外周端よりも内側に配置されるように、光ビームＬ1 のビーム径および照射位置を設定するのが好ましい。
なお、造形物Ｍの外面に付着した粉末Ｐ0 のほかには周囲に粉末Ｐが存在していなければ、造形物Ｍの外周端からはみ出るように光ビームＬ1 を照射しても前記のような問題は起こらない。この場合、光ビームＬ1 のうち、最もエネルギーが強いビーム径の中心部分を造形物Ｍに付着した粉末Ｐ0 の中心に当てるようにすれば、再溶融固化の効率を高めたり、緻密で滑らかな再溶融固化層Ｓを形成したりするのに有効である。
【００２２】
〔再溶融固化層の配置〕
前記した再溶融固化層Ｓは、造形物Ｍの任意の表面に形成することができる。前記実施形態では、造形物Ｍの外周の垂直な側面だけに再溶融固化層Ｓを形成していたが、造形物Ｍの上面あるいは傾斜した側面にも再溶融固化層Ｓを形成することができる。造形物Ｍの姿勢を変えたり、光ビームＬ1 の照射方向を変えれば、造形物Ｍの下面や凹凸の内部にも再溶融固化層Ｓを形成することができる。
但し、造形物Ｍのうち、表面の滑らかさや緻密さをそれほど要求されない個所については、再溶融固化層Ｓの形成を行わないでおくことができる。
【００２３】
図５に示す実施形態は、造形物Ｍとして金型を作製した場合を示す。
金型造形物Ｍは、パーティング面Ｘを境界にして、上部には金型で作製する製品の形状を表す製品形状部Ｍ0 が配置され、下部にはモールドベースに挿入されるポケット部Ｍ1 が配置される。ポケット部Ｍ1 は、寸法精度は要求されるが、表面密度や精度はそれほど要求されない。
そこで、造形物Ｍのうち、ポケット部Ｍ1 の作製段階では焼結層ｍの積み重ねだけを行って再溶融固化層Ｓの形成工程を行わずにおく。製品形状部Ｍ0 の作製段階に入って初めて造形物Ｍの外周面に再溶融固化層Ｓを形成する。
【００２４】
このようにして、必要な個所のみに選択的に再溶融固化層Ｓを形成すれば、再溶融固化層Ｓが不要な個所では、粉末分離・除去工程や光ビーム再照射工程を省略することで、造形物Ｍの製造工程全体の工数を削減し、造形時間を短縮することができる。
上記のような、再溶融固化層Ｓの選択的な形成を行うには、例えば、造形物Ｍの高さ方向において、所定の高さまでは再溶融固化層Ｓを形成せず、所定の高さを超えると再溶融固化層Ｓの形成を行えば、非常に簡単な制御操作で、再溶融固化層Ｓを選択的に形成することができる。
【００２５】
また、造形物Ｍの三次元形状データの処理段階で、製品形状部Ｍ0 とポケット部Ｍ1 の形状データを分割し、個々のモデルについて、一方（製品形状部Ｍ0 ）には光ビーム再照射の操作条件や命令を設定し、他方（ポケット部Ｍ1 ）には光ビーム再照射の操作条件や命令を設定しないでおき、処理命令や条件が設定されたあとの各モデルを、元の三次元形状データを再構成するように組み合わせればよい。
〔粉末材料の組み合わせ〕
前記図４において、再溶融固化用の光ビームＬ1 を真上から照射した場合、多くのエネルギーは最上層の付着粉末Ｐ0 に吸収されてしまい、その下の層の付着粉末Ｐ0 にはエネルギーが到達し難い。
【００２６】
焼結層ｍを複数層作製してから、まとめて再溶融固化層Ｓの形成を行ったほうが作業能率は良く造形時間は短縮できるが、前記した下方の層には光ビームＬ1 のエネルギーが届きにくいという問題があるため、下層の再溶融固化層Ｓは、表面の滑らかさや緻密性の点で劣ることになる。造形物Ｍの外表面に、滑らかさや密度の違う部分が生じてしまう。
そこで、図６に示す実施形態では、１工程でまとめて形成される再溶融固化層Ｓに対応する焼結層層ｍ1 、ｍ2 を形成する粉末Ｐ1 、Ｐ2 の材料について、融点の違うものを組み合わせている。
【００２７】
上側に配置される粉末Ｐ1 には、比較的融点が高い粉末材料を用い、下側に配置される粉末Ｐ2 には、比較的融点が低い粉末材料を用いる。具体的には、上側の粉末Ｐ1 として鉄粉を用い、下側に配置される粉末Ｐ2 に銅粉を用いることができる。
このような組み合わせの粉末Ｐ1 、Ｐ2 を用いて、焼結層ｍ1 、ｍ2 の各側端面に同時に再溶融固化層Ｓを形成すると、真上から照射される光ビームＬ1 のエネルギーは、焼結層ｍ1 の付着粉末Ｐ01には強く作用し、焼結層ｍ2 の付着粉末Ｐ02には弱く作用する。しかし、付着粉末Ｐ01の融点が高く、付着粉末Ｐ02の融点が低い。その結果、付着粉末Ｐ01、付着粉末Ｐ02の何れに対しても、ほぼ同じような再溶融固化状態が得られる。具体的には、表面の滑らかさや密度が同じ程度になる。
【００２８】
このような造形物Ｍの各層を構成する粉末Ｐの材料の変更や組み合わせは、再溶融固化層Ｓの品質や仕上がりを向上させるために行われるだけでなく、造形物Ｍの熱伝導率、電気伝導率、硬度などの物性を制御したり、部分的に違えたりするためにも利用することができる。
〔再照射光ビームの照射方向〕
前記した実施形態では、造形物Ｍの真上から垂直方向に再照射光ビームＬ1 を照射していたが、再溶融固化層Ｓの形成に適した方向に光ビームＬ1 の照射方向を変えることもできる。
【００２９】
図７に示す実施形態では、造形物Ｍの垂直な外周側面に対して、斜め方向から光ビームＬ1 を照射して付着粉末Ｐ0 の再溶融固化を行う。
前記したように、光ビームＬ1 を真上から照射した場合には、上層の焼結層ｍに付着した粉末Ｐ0 と下層焼結層ｍに付着した粉末Ｐ0 とで、供給される光エネルギーに大きな差が生じて、再溶融固化層Ｓの品質性能に違いが生じ易くなる。
しかし、斜め方向の光ビームＬ1 であれば、上下何れの層に対しても、大きなエネルギー差を生じることがなく、ほぼ同じ条件で光ビームＬ1 を当てることができる。その結果、複数層の焼結層ｍに対して一度でまとめて再溶融固化層Ｓの形成工程を実施しても、品質性能に悪影響を及ぼすことが少ない。造形物Ｍの品質性能を損なうことなく、造形物Ｍの製造工程全体の能率向上が達成できる。
【００３０】
図８に示す実施形態では、造形物Ｍとして、外周側面が傾斜面を有するものを作製している。
造形物Ｍの傾斜面に、再照射光ビームＬ1 を照射する場合、傾斜面に対して鉛直方向から光ビームＬ1 を照射すれば、付着粉末Ｐ0 に対して効率で品質性能にも優れた再溶融固化が行える。
光ビームＬ1 は、光ビームＬ1 の中心軸方向に対して直交する面で最も高いビームエネルギーが得られる。造形物Ｍの表面に対して、その表面の鉛直方向から光ビームＬ1 を照射するのが、最も効率の良い方法である。高いエネルギーが照射されるほど、付着粉末Ｐ0 の再溶融固化が良好に行われ、滑らかで密度の高い表面が得られる。
【００３１】
したがって、造形物Ｍの外周表面の面データをもとにして、光ビームＬ1 の照射方向を制御し、光ビームＬ1 が造形物Ｍの表面に対して常に鉛直方向から照射されるようにすれば、造形物Ｍの全面に対して効率良く、品質性能に優れた再溶融固化層Ｓを形成することができる。
なお、造形物Ｍの形状や光ビームＬ1 の制御構造によって、造形物Ｍの全表面に対して鉛直方向から光ビームＬ1 を照射することができない場合にも、出来るだけ鉛直方向に近い角度で光ビームＬ1 を照射するようにすることで、造形物Ｍの表面の滑らかさや密度を向上させることができる。
【００３２】
〔加工室の雰囲気制御〕
図２に示す実施形態において、加工室６０を加圧雰囲気にすることができる。
再溶融固化工程で、光ビームＬ1 によって付着粉末Ｐが再溶融固化する際に、加圧雰囲気であると、再溶融した粉末材料同士および粉末材料と焼結層ｍとが密着し易くなる。その結果、再溶融固化層Ｓが緻密になり、強度が向上したり表面粗度が小さくなったり寸法精度が向上したりする。
加工室６０を不活性ガス雰囲気にしておくこともできる。
不活性ガス雰囲気では、造形物Ｍの酸化が抑制され、再溶融した付着粉末Ｐおよび焼結層ｍが密着して強固に接合され易くなる。このような効果が期待できる不活性ガスの具体例としては、窒素、アルゴンが挙げられる。
【００３３】
加工室６０の全体を不活性ガス雰囲気にする代わりに、造形物Ｍの外表面で再溶融固化用の光ビームＬ1 が照射される個所に、ガス噴射ノズルを配置して、不活性ガスを吹きつけながら光ビームＬ1 の照射を行うこともできる。光ビームＬ1 の照射ヘッドに不活性ガスの噴射ノズルを一体的に組み込んでおくこともできる。
加工室６０を還元ガス雰囲気にしておくこともできる。
例えば水素などの還元ガス雰囲気で光ビームＬ1 を付着粉末Ｐ0 に照射すると、付着粉末Ｐ0 の溶融固化すなわち焼結時に生成される酸化物が還元ガスによって還元されるので、再溶融した粉末材料が密着し易くなるのである。
【００３４】
還元ガスについても、加工室６０の全体ではなく、光ビームＬ1 の照射個所だけに噴射ノズルなどで吹きつけることができる。
〔複数の光ビーム〕
図９に示す実施形態は、再溶融固化層Ｓを形成するための光ビームを、光ビームＬ11と光ビームＬ12の２種類を用いる。
第１の光ビームＬ11は、造形物Ｍのうち再溶融固化層Ｓを形成する個所の表面温度を上昇させる。第２の光ビームＬ12は、造形物Ｍに付着した粉末Ｐ0 を溶融させる。
【００３５】
第１の光ビームＬ11の照射機構は、前記図１に示した焼結層ｍを形成する光ビームＬ0 の照射機構を利用することができる。具体的には、反射鏡４４などの光学系を用いて、造形物Ｍの上方から光ビームＬ11を照射する。
第２の光ビームＬ12は、照射ヘッド１４０から照射される。照射ヘッド１４０は、ＸＹ駆動テーブル１４４に取り付けられている。ＸＹ駆動テーブル１４４は、造形部１０に対して、照射ヘッド１４０を水平方向でＸＹ両方向に自在に移動させる。照射ヘッド１４０には、可撓性のある光ファイバケーブル１４２を介して光ビームＬ11が供給される。
【００３６】
前記した図１に示す照射器４２から照射された光ビームＬを分岐させて、その一部を光ビームＬ11として照射し、別の一部を光ビームＬ12として照射することができる。光ビームＬの分岐には、光ファイバやレンズ、反射鏡などの光学系を組み合わせて行えばよい。
上記実施形態では、第１の光ビームＬ11で造形物Ｍの外周部分を昇温させた状態で、第２の光ビームＬ12で溶融させた付着粉末Ｐ0 を一体的に溶融固化させるので、付着粉末Ｐ0 と造形物Ｍとが短時間で効率的に強固かつ均一に一体化する。その結果、再溶融固化層Ｓの表面粗度が向上し、再溶融固化工程に要する作業時間を短縮することができる。
【００３７】
〔除去粉末の再充填〕
図１０に示す実施形態は、粉末除去ノズル５０で除去した粉末Ｐを、造形部１０に再充填する。
造形物Ｍの外周で、粉末除去ノズル５０を用いて粉末Ｐを除去し、空孔ｈを形成して、造形物Ｍの外周端面を露出させるのは、前記した実施形態と同様である。
空孔ｈに露出した造形物Ｍの外周端面に光ビームＬ1 を照射して、再溶融固化層Ｓを形成する工程も、前記実施形態と同じである。
【００３８】
この実施形態では、粉末除去ノズル５０とは別に、粉末充填ノズル５８を備えている。粉末充填ノズル５８には、ホース５９やポンプ（図示せず）などを介して、粉末除去ノズル５０のホース５３が接続されている。粉末除去ノズル５０で吸引除去された粉末Ｐが、粉末充填ノズル５８へと送り込まれるようになっている。また、粉末充填ノズル５８についても、ＸＹ駆動機構などに取り付けられていて、水平面内で自由に移動できるようになっている。
粉末充填ノズル５８は、再溶融固化層Ｓの形成が終了した個所の空孔ｈの上方に配置されて、空孔ｈを埋めるように粉末Ｐを充填する。
【００３９】
粉末充填ノズル５８としては、各種の粉末充填機構を利用することができる。例えば、インクジェット装置の原理を用いてインクの代わりに粉末Ｐを噴出させる機構が利用できる。
この実施形態では、粉末除去ノズル５０による粉末Ｐの除去、光ビームＬ1 の照射による再溶融固化層Ｓの形成、および、粉末充填ノズル５８による粉末Ｐの埋め戻しが、作業性良く効率的に行われるので、作業時間の短縮化が図れる。除去された粉末Ｐを再利用することで、材料の利用効率も高まる。
〔高融点材料の埋め戻し〕
造形物Ｍの周囲で空孔ｈに露出した端面に再溶融固化層Ｓを形成したあと、空孔ｈを粉末Ｐで埋め戻して、さらに造形物Ｍの上に新たな粉末Ｐの層を供給し焼結層ｍを形成すると、焼結層ｍを形成するための光ビームＬ0 の照射によって、下層の焼結層ｍの外周部分に粉末Ｐが付着する現象が生じることがある。
【００４０】
下層の焼結層ｍには既に再溶融固化層Ｓが形成されており、その外側に新たな粉末Ｐが付着してしまうと、表面の滑らかさは失われてしまう。
この問題を解消するために、再溶融固化層Ｓの形成後に空孔ｈに埋め戻す粉末Ｐとして、造形物Ｍを作製するための粉末Ｐよりも融点の高い粉末を埋め戻すことが有効である。
図１１(a) に示すように、焼結層ｍの周囲に空孔ｈを形成し、空孔ｈに露出する焼結層ｍの側端面に付着した付着粉末Ｐ0 に光ビームＬ1 を照射して再溶融固化層Ｓを形成するのは、前記した実施形態と同じである。
【００４１】
そのあと、図１１(b) に示すように、空孔ｈに、粉末Ｐとは別の材料からなる高融点粉末Ｐ3を埋め戻す。高融点粉末Ｐ3 は、焼結層ｍを形成する粉末Ｐよりも融点が高く、焼結層ｍを形成する光ビームＬ0 の照射によっては溶融しない材料を選択して使用する。具体的には、鉄やセラミックが挙げられる。
空孔ｈが高融点粉末Ｐ3 で埋め戻されたあと、通常の焼結層ｍの形成工程と同様に、造形物Ｍの上面には新たな粉末Ｐの層が形成される。この粉末Ｐの層に、光ビームＬ0 が照射されて、新たな焼結層ｍが形成される。焼結層ｍが形成される際には、光ビームＬ0 のエネルギーの一部が、先に形成された下層の焼結層ｍやその周辺の高融点粉末Ｐ3 に加わるが、高融点粉末Ｐ3 は光ビームＬ0 の照射によって溶融したり焼結層ｍに付着したりすることはない。
【００４２】
上記実施形態では、造形物Ｍの外周面に形成された再溶融固化層Ｓの滑らかで緻密な表面が、その後の焼結層ｍの形成工程において損なわれることがなく、造形物Ｍの表面を滑らかで緻密な状態に維持することができる。
〔高密度層の形成〕
造形物Ｍは、全体を同じ条件で焼結された一様な特性のものであってもよいし、部分的に光ビームＬ0 の照射条件を変えたりすることで特性の異なる部分が組み合わせられていてもよい。
造形物Ｍの外周面には再溶融固化層Ｓが形成されるが、この再溶融固化層Ｓは造形物Ｍの表面に付着した粉末Ｐ0 の厚み程度しかなく、かなり薄いものである。そのため、製造された造形物Ｍの表面にさらに仕上げ加工を行ったり、造形物Ｍを各種機器の部品として長期間使用している間の摩耗等で、再溶融固化層Ｓが削られて、造形物Ｍの表面がポーラスな状態になってしまうことがある。再溶融固化層Ｓが薄いと、造形物Ｍの表面強度が弱いという問題もある。
【００４３】
このような問題を解消するため、図１２に示すように、造形物Ｍの各焼結層ｍを光ビームＬ0 によって形成する際に、造形物Ｍの表層に配置される部分と内部に配置される部分とで、光ビームＬ0 の照射条件を違え、表層部Ｍ4 と中央部Ｍ3 とで構成される造形物Ｍを作製する。
具体的には、造形物Ｍの形状モデルデータを、表層部Ｍ4 と中央部Ｍ3 に対応して分割しておく。焼結層ｍを形成する際には、中央部Ｍ3 では通常の比較的ポーラスな状態で焼結するように光ビームＬ0 の照射条件を設定する。表層部Ｍ4 では、粉末Ｐが十分に溶融して高密度状態（好ましくは１００％の密度）で焼結するように光ビームＬ0 の照射条件を設定する。光ビームＬ0 の強度や照射時間など変更すればよい。
【００４４】
その結果、形成される焼結層ｍのうち、造形物Ｍの表層になる部分に高密度で強度的に優れた表層部Ｍ4 が配置されることになる。但し、粉末Ｐの層内で焼結層ｍを形成するので、焼結層ｍと焼結させない粉末Ｐとの境界部分では、熱伝導などによって、粉末Ｐの一部が溶融して焼結層ｍの端面に付着することが起こり、表面の滑らかさや緻密性が損なわれる問題は生じる。
そこで、上記のような中央部Ｍ3 と表層部Ｍ4 とで構成される焼結層ｍあるいは造形物Ｍを作製したあと、前記した実施形態と同様に、造形物Ｍの外周面では、周囲の粉末Ｐの分離や除去を行い、光ビームＬ1 を照射して再溶融固化層Ｓを形成する。
【００４５】
最終的に製造された造形物Ｍは、比較的にポーラスな中央部Ｍ3 と、その表層部分を覆う高密度な表層部Ｍ4 と、表層部Ｍ4 のさらに外面を覆う再溶融固化層Ｓとで構成されるものとなる。
造形物Ｍのうち、高密度性や強度は溶融されるが表面の滑らかさはそれほど要求されない部分であれば、再溶融固化層Ｓを形成せずに表層部Ｍ4 が露出したままであっても構わない。
前記した造形物Ｍの形状モデルデータの分割については、三次元ＣＡＤソフトにほぼ標準的に備えられている「シェル化」機能とブーリアン演算機能を用いることで、比較的簡単に表層部Ｍ4 と中央部Ｍ3 との２つの部分に分割することができる。この２つの部分がぴったりとはまるように造形空間にモデル配置して、造形物Ｍの作製作業を行えば、２つの部分の照射条件を確実かつ容易に制御することができる。データ空間上に２つの部品を隣接して配置し、別々に造形するイメージで作業を行えば、結果的には表層部Ｍ4 と中央部Ｍ3 とが一体化された一つの造形物Ｍが出来上がることになる。
【００４６】
表層部Ｍ4 の厚みは、造形物Ｍの寸法形状や要求性能に合わせて適宜に設定すればよいが、通常は、０．５〜３mm程度の範囲に設定することができる。
〔表層部と中央部からなる造形物の作製〕
図１３は、前記した高密度な表層部Ｍ4 とポーラスな中央部Ｍ3 とを備えた造形物Ｍを作製する工程の具体例を段階的に示している。
図１３(a) に示すように、造形部１０内で造形物Ｍの上面に移送ブレート３０を用いて粉末Ｐの層を供給する。
図１３(b) に示すように、新たな焼結層となる領域のうち、表層部Ｍ4 に対応する領域のみに光ビームＬ0 を照射する。このときの照射条件は、高密度な焼結が行われるように設定されている。表層部Ｍ4 は焼結層となる領域の外周に沿って周枠状に配置される。
【００４７】
図１３(c) に示すように、表層部Ｍ4 の周囲で、粉末除去ノズル５０によって粉末Ｐを除去して空孔ｈを形成させる。この作業と同時に、表層部Ｍ4 の内側部分に光ビームＬ0 を照射して中央部Ｍ3 を形成させる。このときの照射条件は、比較的にポーラスな焼結が行われるようにしておけばよい。
図１３(d) に示すように、空孔ｈに露出した表層部Ｍ4 の外周端部に、光ビームＬ1 を照射して再溶融固化層Ｓを形成する。
その後、空孔ｈを埋め戻し、図１３(a) 〜図１３(d) の工程を繰り返すことで、中央部Ｍ3 、表層部Ｍ4 および再溶融固化層Ｓで構成される造形物Ｍが作製される。
【００４８】
上記実施形態では、図１３(c) の工程で、粉末Ｐの除去作業と、中央部Ｍ3 の焼結作業とを、表層部Ｍ4 で間が仕切られた状態で同時に実施することができるので、作業工程の削減あるいは作業時間の短縮化は図ることができる。
〔表面改質〕
造形物Ｍの表面には、再溶融固化層Ｓの形成とともに表面改質処理を施すことができる。
再溶融固化層Ｓを形成するためには、造形物Ｍの外周表面を露出させるので、この段階で各種の表面改質処理を施せば、能率的な作業が行える。
【００４９】
図１４に示す実施形態では、造形物Ｍの外周面に付着粉末Ｐ0 に光ビームＬ1 を照射して再溶融固化層Ｓを形成する際に、光ビームＬ1 の照射個所に、噴射ノズル７０から表面改質材料を噴射して、表面改質材料と付着粉末Ｐ0 とを反応させたり混合させたりして、表面改質を行う。噴射ノズル７０には、供給ホース７２を経て表面改質材料となる粉末や液体あるいはガスが供給される。
表面改質材料の具体例としては、硬度向上を果たす炭素粉末、耐食性を向上させる亜鉛・アルミニウム合金粉末、耐食性、耐摩耗性、耐熱性などを向上させる自溶合金粉末などの粉末材料が使用できる。窒素ガスやアンモニアガスを吹きつけて、窒化物を生成させることで、表面硬度を向上させることもできる。
【００５０】
上記実施形態では、焼結層ｍを構成する粉末Ｐと実質的に同じ材料である付着粉末Ｐ0 で形成される再溶融固化層Ｓでは、その特性を大きく変えることは難しいが、噴射ノズル７０で表面改質材料を吹きつければ、再溶融固化層Ｓの特性を大きく変えることができ、造形物Ｍの使用目的や要求性能に合わせて造形物Ｍの表面特性を向上させることが可能になる。
また、表面改質処理作業と再溶融固化層Ｓの形成作業とが同時に行えるので、再溶融固化層Ｓを形成してから表面改質処理を行うのに比べて、作業工程が少なくなる。勿論、再溶融固化層Ｓの形成工程とは別の工程で、前記した表面改質処理工程を行うことも可能である。
【００５１】
〔光ビームの首振り〕
図１５に示す実施形態は、再溶融固化用の光ビームＬ1 を照射する照射ヘッド１４０に首振り機構を備えている。
照射ヘッド１４０には、Ｙ方向駆動軸１４７に対してボールジョイント１４６を介して取り付けられ、水平面内および垂直面内で回転自在になっている。Ｙ方向駆動軸１４７は、Ｘ方向駆動軸１４８に対して摺動自在に取り付けられている。Ｘ方向駆動軸１４８およびＹ方向駆動軸１４７で構成されるＸＹ駆動機構、および、ボールジョイント１４６による首振り機構は、コンピュータによって制御される。
【００５２】
上記実施形態では、造形物Ｍの外面形状に合わせて、照射ヘッド１４０を造形物Ｍの任意の位置に任意の角度で斜め方向から光ビームＬ1 を照射することが可能である。造形物Ｍの表面位置毎に最も適切な方向から効率的に光ビームＬ1 を照射することができる。
〔粉末除去機構と照射ヘッドの結合〕
図１６に示す実施形態は、粉末除去ノズル５０と、再溶融固化用の光ビームＬ1 を照射する照射ヘッド１４０とを一体化させている。
粉末除去ノズル５０の中心を貫通して軸状の照射ヘッド１４０が取り付けられている。照射ヘッド１４０の後端は粉末除去ノズル５０の外側で光ファイバケーブル１４２に接続されている。
【００５３】
上記装置の使用は、焼結層ｍが形成されたあと、焼結層ｍの外周部分に、粉末除去ノズル５０と照射ヘッド１４０とを配置する。粉末除去ノズル５０を作動させて焼結層ｍの周辺の粉末Ｐを除去し、焼結層ｍの側端面を露出させる。但し、焼結層ｍの側端面に付着した粉末Ｐ0 は粉末除去ノズル５０による吸引だけでは除去されない。
照射ヘッド１４０からは光ビームＬ1 が照射され、焼結層ｍの側端面に付着した粉末Ｐ0 に照射され、粉末Ｐ0 を溶融させて再溶融固化層Ｓを形成する。
上記実施形態では、焼結層ｍの周辺での粉末Ｐの除去と光ビームＬ1 の照射による再溶融固化層Ｓの形成とが、同時あるいは連続的に行えるので、作業効率が良い。
【００５４】
粉末除去ノズル５０と照射ヘッド１４０とを、同じＸＹ駆動機構などを利用して同時に同じ位置に移動させることができるので、移動装置が簡略化できるとともにコンピュータなどによる移動制御も容易になる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明にかかる三次元形状造形物の製造方法は、造形物の作製中に、光ビームを再照射して、焼結層の側端面に付着したまま残っている粉末を溶融固化させることによって、表面が滑らかで緻密であり、外観および品質性能に優れた造形物を効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態となる製造装置の全体構造を示す斜視図
【図２】  製造装置の全体構成図
【図３】  製造方法の基本的な工程を段階的に示す工程図
【図４】  再溶融固化層の形成工程を詳しく示す断面図
【図５】  別の実施形態となる造形物の断面図
【図６】  別の実施形態となる再溶融固化工程の断面図
【図７】  別の実施形態となる再溶融固化工程の断面図
【図８】  別の実施形態となる再溶融固化工程の断面図
【図９】  別の実施形態となる製造装置の要部構造断面図
【図１０】  別の実施形態となる製造装置の要部構造断面図
【図１１】  別の実施形態となる再溶融固化工程の断面工程図
【図１２】  別の実施形態となる再溶融固化工程の断面図
【図１３】  別の実施形態となる製造方法を段階的に示す工程図
【図１４】  別の実施形態となる再溶融固化工程の断面図
【図１５】  別の実施形態の光ビーム照射機構を表す断面図
【図１６】  別の実施形態の粉末除去／光ビーム照射機構を表す断面図
【符号の説明】
１０    造形部
２０    供給部
３０    移送ブレード
４０    光ビーム照射装置
４３、４４    光ビーム偏向装置
５０    粉末除去ノズル
５５    粉末分離装置
５６    吸引ポンプ
６０    加工室
１４０    再溶融固化用の光ビーム照射ヘッド
ｈ      空孔
Ｌ0     焼結層形成用の光ビーム
Ｌ1     再溶融固化用の光ビーム
Ｍ      造形物
ｍ      焼結層
Ｐ      粉末
Ｐ0     付着粉末
Ｓ      再溶融固化層
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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