(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箇所に光ビームを照射して溶融させることによって溶融層を形成し、この溶融層上に前記粉末の層を被覆するとともにこの粉末の所定箇所に光ビームを照射して溶融させることによって下の溶融層と一体になった溶融層を形成し、これを繰り返すことによって複数の溶融層が積層一体化された三次元形状造形物を製造する方法において、前記粉末の層において光ビームを照射して溶融する溶融領域と光ビームを照射しない非溶融領域とを設け、前記粉末が溶融された溶融部と前記粉末が溶融されなかった非溶融部とを形成するとともに、前記非溶融部の上端部における非溶融領域を積層する毎に漸減させて非溶融部上端部を稜線角度が４５度よりも大きい略三角錐状又は略半球状に形成し、非溶融部を造形物の底面側に開口する凹所又は造形物内部の空洞として形成する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】
前記非溶融部を、最下層から連続的に設け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方法。
【請求項３】
溶融部を３次元面格子状に配置し、上下に位置する非溶融部同士をその間に位置する溶融部の一部領域に形成された非溶融部において連通させることを特徴とする請求項２記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項４】
前記非溶融領域を、積層する毎に漸減させることを特徴とする請求項２記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項５】
前記造形物内部の溶融部をハニカム構造にすることを特徴とする請求項２記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項６】
前記造形物内部の溶融部を多数の円筒が並列された構造にすることを特徴とする請求項２記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項７】
完成後の三次元造形物に応力が掛かる部分に溶融部を多く配置し、応力が掛からない部分に溶融部を少なく配置することを特徴とする請求項２記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項８】
造形物の完成後に、造形プレートに開口を設け、当該開口より前記非溶融領域に、異種材料を注入及び／又は含浸することを特徴とする請求項２、３、４、５、６又は７のいずれかに記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項９】
造形物の完成後に、造形プレートに開口を設け、当該開口より前記非溶融領域の粉末を除去した後、異種材料を注入することを特徴とする請求項２、３、４、５、６又は７のいずれかに記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１０】
前記粉末を吸引除去することを特徴とする請求項９記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１１】
前記異種材料は、樹脂材料であることを特徴とする請求項８、９又は１０のいずれかに記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１２】
前記異種材料は、前記粉末よりも低融点の金属材料であることを特徴とする請求項８、９又は１０のいずれかに記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１３】
非開口の成形テーブル上に、最下層の非溶融領域に対応した領域に開口を開設した造形プレートを載置することを特徴とする請求項２のいずれかに記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１４】
前記三次元造形物は、金型であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の三次元造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、三次元形状造形物の製造方法に関する。具体的には、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溶融層を形成し、この溶融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】
無機質粉体（金属）や有機質粉末（樹脂）に対して、例えば指向性エネルギービーム、レーザビームなどの光ビーム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が、例えば特許第２６２０３５３号公報に開示されている。
【０００３】
当該方法では、まず、粉末の堆積層に目標とする造形物の第１の断面に対応する部分に光ビームを照射して焼結する。続いて当該粉末第１層上に粉末第２層を堆積し、目標造形物の第２の断面に対応する部分に再び光ビームを照射して、前記粉末第１層中の焼結した粉末と接合させる。この操作を必要な回数だけ連続して行い目標造形物を製造した後、周囲に存在する非焼結の粉末を除去して造形物を取り出す。
【０００４】
しかし、当該方法においては、焼結時粉末の収縮によって各層の変形が起こり、精度よい造形物が得られないという問題点があった。また、対応する収縮予防構造を使用した場合には、造形物表面の品質が悪くなるという問題点があった。
【０００５】
係る問題点を解決すべく、特表平８−５０４１３９号公報に、それぞれの層において、コア領域とシェル領域とに分離して、両領域の特性を相違させるために、コア領域では凝固時及びその後の物体の変形が最小であるように光ビームを照射し、シェル領域ではできるだけ平坦かつ精密な表面を生成するように光ビームを照射して、造形物を製造する方法が開示されている。
【０００６】
当該方法においては、積層されたシェル領域によって比較的安定したシェルを作製でき、造形物の安定性を落とすことなく変形を最低限に押さえることによってコア領域を製造でき、平坦かつ精密な表面を生成できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記方法においては、堆積した各層において、シェル領域とコア領域とで両特性が異なるように光ビームを制御しなければならず、操作が面倒なものであった。また各層毎に所望の形状の全領域に光ビームを照射して焼結層（溶融層）を積層する必要があり、造形物の完成までに時間を要するものとなっていた。
【０００８】
本発明は上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的とするところは、金属金型としての三次元形状造形物を短時間で精度よく得るとともに、強度を増し造形物の変形を防ぐことにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係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箇所に光ビームを照射して溶融させることによって溶融層を形成し、この溶融層上に前記粉末の層を被覆するとともにこの粉末の所定箇所に光ビームを照射して溶融させることによって下の溶融層と一体になった溶融層を形成し、これを繰り返すことによって複数の溶融層が積層一体化された三次元形状造形物を製造する方法において、前記粉末の層において光ビームを照射して溶融する溶融領域と光ビームを照射しない非溶融領域とを設け、前記粉末が溶融された溶融部と前記粉末が溶融されなかった非溶融部とを形成するとともに、前記非溶融部の上端部における非溶融領域を積層する毎に漸減させて非溶融部上端部を稜線角度が４５度よりも大きい略三角錐状又は略半球状に形成し、非溶融部を造形物の底面側に開口する凹所又は造形物内部の空洞として形成することを特徴としている。
【００１０】
特に本発明においては、前記非溶融部を、最下層から連続的に設けるようにするのが好ましく、例えば、溶融部を３次元面格子状に配置し、上下に位置する非溶融部同士をその間に位置する溶融部の一部領域に形成された非溶融部において連通させることができる。また、前記非溶融領域を積層する毎に漸減させるのが望ましい。
【００１１】
あるいは、前記造形物内部の溶融部をハニカム構造や多数の円筒が並列された構造にすることもできる。
【００１２】
さらには、完成後の三次元造形物に応力が掛かる部分に溶融部を多く配置し、応力が掛からない部分に溶融部を少なく配置することもできる。
【００１３】
これらの方法においては、造形物の完成後に、造形プレートに開口を設け、当該開口より前記非溶融領域に、異種材料を注入及び／又は含浸する、あるいは、当該開口より前記非溶融領域の粉末を除去した後、異種材料を注入するするのが好ましい。この場合には、前記粉末を吸引除去すればよい。
【００１４】
当該注入又は含浸する異種材料には、樹脂材料や造形に用いる粉末よりも低融点の金属材料を用いることができる。
【００１５】
また、本発明においては、非開口の成形テーブル上に、第１層の非溶融領域に対応した領域に開口を開設した造形テープルを載置して造形するのが好都合である。
【００１６】
本発明の三次元造形物の製造方法は、三次元造形物として金型であることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について各図に従って詳細に説明する。まず、図１の参考例に示すごとく、本発明の製造方法により得られた造形物１は、粉末材料５にレーザビーム等の光ビームが照射され粉末５が溶融焼結された溶融部２と光ビームが照射されずに粉末状態のままである非溶融部３とから構成される。本発明の製造方法は、従来の技術に示す三次元造形方法とほぼ同様な方法であって、所定の厚さに積層した粉末５の層に、所望する造形物１の断面形状と対応する領域のうち、必要な領域部分のみに光ビームを照射する。光ビームが照射された領域の粉末５は溶融焼結されて溶融領域となる。光ビームが照射されなかった領域は、そのまま粉末状態として残り非溶融領域となる。次いで、粉末５の層を所定の厚さに積層して、造形物１の断面形状と対応する領域に光ビームを照射して溶融領域を形成する。これを順次繰り返すことによって、溶融領域が連続的に積層されて溶融部２が形成され、非溶融領域が連続的に積層されて非溶融部３が形成される。本発明においては、光ビームを照射する溶融領域は、目的とする造形物１の構造等によって異なるものであり、少なくとも造形物１表面となる領域には光ビームが照射されるが、内部構造を形成する非溶融領域は目的に応じて任意に設定される。
【００１８】
より具体的に説明すれば、適当な厚さの金属板からなる造形プレート１１上に、例えば金属粉末を約０．０５ｍｍ程度の厚みで敷き詰め、所望の形状領域に光ビームを全面に照射して金属粉末を溶融させ、造形プレート１１上に最下層の溶融層（溶融領域）を形成する。このとき、金属粉末としては、例えば最大粒径が５０μｍ、平均粒径２０〜３０μｍの鉄粉などが用いられ、光ビームにはＣＯ<SUB>2</SUB>レーザやＹＡＧレーザなどが用いられる。
【００１９】
引き続いて当該溶融層上に、さらに金属粉末を約０．０５ｍｍ程度の厚みで敷き詰め、所望の形状領域に光ビームを照射して金属粉末を溶融させ、下層の溶融領域と一体となった溶融領域を形成する。そして非溶融領域が出現するまでこの工程を繰り返し溶融部２の一部を形成する。非溶融領域が出現したならば、所望する領域にのみ光ビームを照射して溶融領域及び非溶融領域を形成する。さらに金属粉末を積層して溶融領域及び非溶融領域を形成し、最上層においては、所望する形状となるように所定領域全面に光ビームを照射して溶融領域を形成する。こうして、図１の参考例に示す如く、内部に溶融されずに粉末状態となった非溶融部３が閉じ込められた造形物１を得ることができる。
【００２０】
この様な方法によれば、光ビームを照射する時間が少なくなり、造形時間を短縮できる。また、各層においてその全面が溶融焼結される訳ではないので熱変形を低減でき、しかも得られた造形物１の収縮を抑えることができる。
【００２１】
次に、図２の参考例においては、非溶融部３が最下層から連続して形成され、非溶融部３が円柱状に備えられている。この非溶融部３は、各層における非溶融領域を順次積層して得られるものであって、照射層直下の層における溶融領域と重ね合わせるようにして光ビームを照射することによって得られる。また当該造形物１では、図２（ｂ）の参考例に示す如く各層において、各非溶融領域が円を描くように光ビームが照射され溶融領域が形成され、最下層においても非溶融領域が設けられている。この結果、出来上がった造形物１の底面には、図２（ｂ）の参考例と同じ形状の開口６が得られる。従って、当該方法においては、造形後に焼結されていない非溶融部３の粉末材料５を開口６から取り出すことができ、金属金型のような内部に複雑な構造をした空洞、あるいは凹所を有する造形物１を容易にかつ精度よく作製できる。なお、本発明において、粉末が溶融されなかった非溶融部３には、図１の参考例に示す如く粉末５が充填された状態のものや粉末５が除去されて空洞になったものを意味するのはもちろんのこと、さらに以下に述べるように、粉末５の代わりに異種材料７が充填されたものも含む概念である。
【００２２】
例えば図３の参考例に示すものでは、溶融部２を３次元面格子状に配置し、上下に位置する非溶融部３同士をその間に位置する溶融部２の一部領域に形成された非溶融部３において連通させたものである。この造形物１の内部はいわゆるセル状に構成されており、周囲を溶融部２である面で囲まれた非溶融部３が立体的に配置された構造であって、上下に位置する非溶融部３が、上下面の溶融部２に開設された筒状部３ａ（非溶融部３である）によって連通した構造となっている。すなわち、当該造形物１は、第１の層において格子状に溶融領域を形成して一定の厚みとなるまで複数層積層し、第１段めのセル状層を形成する。次いで、第１段めのセル状層の上に、粉末５の層を積層し、第１段めのセル状層の非溶融領域のほぼ中央に、円形状の非溶融領域を形成して、溶融部２が一定の厚みとなるまで複数層積層する。この結果、第１段めの非溶融部３の上面に位置する溶融部２に筒状部３ａが形成される。次に、第１段めのセル状層と同様にして、第２段めのセル状層を形成する。そして、第２段めのセル状層の非溶融領域のほぼ中央に対応して、非溶融部３である円筒部３ａを形成する。これを繰り返すことによって、溶融部２が３次元面格子状をした構造を形成することができ、上下方向に配置されたセル状の非溶融部３は、その間に位置する溶融部２に開設された非溶融部３（円筒部３ａ）によって繋がった状態となる。このような３次元の面格子状に溶融部２を形成することにより、積層方向の上側及び側面からの圧力に対して、強固なものにできる。また、この場合にも、得られた造形物１の内部に残った粉末５を、造形物１下面の開口６より取り出すことができる。なお、図３においては粉末５は略されて示されている。
【００２３】
次に図４の参考例では、非溶融部３は同図（ｂ）に示す如く円錐台状に形成されており、粉末材料５からなる各層が上層に近づくにつれて非溶融領域が漸減されるようにして作製されている。下層から上層まで非溶融領域を大きくした状態で積層した場合、下層に硬化していない領域が大きい層があれば、上層では照射時の熱影響等で反り変形が生じやすく、また下層の溶融領域が強度的に弱くなり、上層で粉末５を供給した時の応力で破損する恐れがある。そこで、図示する如く上層に連れて溶融領域を大きくすることにより、強度を増し造形物１の変形等を防ぐこととしたものである。
【００２４】
この場合、図５（ａ）（ｂ）の実施形態に示すように、非溶融部３の上端部（オーバーハング部）において、徐々に非溶融領域を小さくすればより造形しやすくなる。同図（ａ）では、略三角錐状に形成されているが、この場合には稜線の角度を４５°以上に設定するのが好ましい。また、同図（ｂ）に示す如く、半球状に形成する場合には、当該領域は少なくとも高さ方向に１０ｍｍ以上なるように設定するのがよい。
【００２５】
これらの造形物１においては、下層から最上層の溶融層直下まで筒状に繋がった非溶融部３が形成されている。従って、造形プレート１１から出来上がった造形物１を取り外し、造形物１下面から内部の粉末５を取り出して当該非溶融部３内に異種材料を注入したり、あるいは粉末５を取り出すことなく異種材料を注入含浸させることもできる。
【００２６】
図６の参考例に示す方法においては、造形プレート１１を造形装置から取り外した後、造形物１を取り外すことなく、異種材料を注入及び／又は含浸させている。すなわち、造形装置から取り外した造形プレート１１の下面から、最下層の非溶融領域の位置に合わせてドリルなどで開口１２を開設し、非溶融の粉末５を取り出すことなく、異種材料７を注入する。この場合、異種材料７としては、例えばエポキシ樹脂やウレタン樹脂などの樹脂材料、さらにこれらの樹脂材料に金属粉やセラミック粉末を混合した液状系材料が好適に用いられる。一般的に各層における粉末５の充填率は６０〜８０％であるため、液状系のものであれば十分に注入含浸させることができる。この結果、得られた造形物１の強度が向上される。また、異種材料７によっては熱伝導率を高めたりすることができる。また、樹脂系材料を含浸させた場合には、空洞にして強度を大きく低下させることなく軽量化を図ることができる。
【００２７】
さらに、異種材料７としては、粉末材料５よりも融点の低い金属材料、例えば鉄の粉末材料５に対しては銅材、はんだ、ろう材などを用いることができる。この場合には、強度を向上できるだけでなく、熱伝導性や導電性などの電気的性能を向上できる。
【００２８】
また、図７（ａ）の参考例に示す如く非溶融部３の粉末５を除去した後、同図（ｂ）の参考例に示すごとく異種材料７を充填してもよい。この場合には、例えば、図８の参考例に示す如く、例えば漏斗状をした粉末吸引用の吸引具１３ａを備えた吸引装置１３を用い、開口１２が開設された造形プレート１１の下方から非溶融部３の粉末５を吸引できる。こうすれば、非溶融の粉末５を回収でき、再び粉末５として再利用を図ることができる。
【００２９】
これらの実施形態または参考例においては、造形後に造形プレート１１に開口１２を開設することにしたが、予め最下層の非溶融領域に対応して開口１２を設けた造形プレート１１を用いることもできる。図９の参考例は当該方法を示す図であるが、この場合には同図９（ａ）の参考例に示すように造形プレート１１に開口１２を設けておき、同図（ｂ）の参考例に示す如く、開口が設けられていない成形テーブル１４上に造形プレート１１を載置することにすればよい。この方法によれば、造形後に造形プレート１１ごと造形物１を取り出すことができ、その後の粉末除去作業、異種材料７の注入、含浸作業を至極簡単に行える。
【００３０】
上記実施形態または参考例においては、非溶融部３の形状を中心にして説明したが、本発明においては、各層ごとに光ビームの照射領域を調整して造形し、溶融部２及び非溶融部３の構造が定められる。従って、各層ごとに所定形状に溶融領域を設けて積層して、例えば図１０の参考例に示す如くハニカム構造の溶融部２を造形物１の内部に構成することもできる。また、図１１の参考例に示す如く円筒状の溶融部２を多数造形物１の内部に構成することもできる。このような構造とすることにより、造形物１の強度を向上できるとともに光ビームの照射領域を大きく削減できる。この結果、造形時間を大きく低減できる。
【００３１】
また、溶融部２の形状は特定の形状に限定されるものでもなく、図１２の参考例に示す如く、最終目標となる造形物１の利用目的によって、予め応力が高く掛かる部分には溶融部２を多く配置し、応力が低く掛かる部分には溶融部２を少なくなるように配置することもできる。例えば、金型のゲート部には特に大きな応力が掛かるため、このようなゲート部に溶融部２を多く配置するように設計するのがよい。
【００３２】
このように本発明においては、粉末５の層において光ビームを照射する溶融領域と、光ビームを照射しない非溶融領域とを設けているので、任意の位置に溶融されていない非溶融部３を設けることができる。この結果、例えば造形物１の底面に開口６が形成されるように非溶融部３を設けることによって、金型のような内部に複雑な凹所を有する造形物１も容易に得ることができる。さらに、異種材料７の注入、含浸、溶融部２形成部分の調整等により、造形物１の各部分において強度を種々と変えることもできる。それよりも本発明の製造方法においては、造形時間を非常に短くし、しかも、熱変形や収縮による変形を少なくして、精度よく目的とする造形物１を簡単に製造できる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、粉末の層において光ビームを照射する溶融領域と、光ビームを照射しない非溶融領域とを設け、溶融部と非溶融部とを形成しているので、各層において光ビームを照射する面積が少なくなり、造形時間を短くできる。また、非溶融領域が形成されることにより当該層における熱収縮が小さくなり、全体として熱変形を防ぐことができる。また、非溶融部の上端部における非溶融領域を積層する毎に漸減させて非溶融部上端部を稜線角度が４５度よりも大きい略三角錐状又は略半球状に形成されているので、徐々に非溶融領域を小さく形成でき、照射時の熱影響等による変形を防止し、造形しやすくなる。また、非溶融部を造形物の底面側に開口する凹所又は造形物内部の空洞として形成しているので、金属金型のような内部に複雑な構造をした空洞、あるいは底面側に開口する凹所を有する造形物を容易にかつ精度よく作製できる。
【００３４】
この場合、最下層から連続的に非溶融部を形成することにより、最下層の非溶融領域から、未溶融の粉末を取り出し除去できる。この結果、金型などの内部に複雑な形状をした空洞や凹所を簡単に設けることができる。
【００３５】
あるいは、造形プレートに当該領域に対応して開口を設け、開口から前記非溶融部に異種材料、例えば樹脂材料を注入及び／又は含浸させることにより、強度を高めたり、熱伝導率、導電率などの特性を制御することができる。
【００３６】
あるいは前記非溶融部の粉末を除去して異種材料を注入することにより、強度を著しく低下させることなく、造形物の軽量化を図ることもできる。
【００３７】
本発明においては、非溶融部や溶融部の形状は所望する形状に形成でき、例えば、溶融部を３次元の面格子状に配列された構造やハニカム構造、多数の円筒が並列された構造にすることにより、非溶融部を大きくしてより一層強度を増すことができる。また、非溶融領域を積層するごとに漸減させることにより、造形時における破損を防ぐことができる。さらに、部分的に応力が掛かる金型など、完成後の造形物の目的に応じて、応力が掛かる部分に溶融部を多く配置し、応力が掛からない部分に溶融部を少なく配置することもできる。
【００３８】
このように、本発明は、光ビームを照射する照射領域を種々制御することによって、金型など特定の部位に強度が要求されたり、内部に複雑な形状を有する造形物を、精度よく短時間で、しかも至極簡単に製造することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の参考例に係る製造方法を示す説明図である。
【図２】  同上の他の参考例に係る製造方法を示す説明図であって、同図（ａ）はその横断面説明図、同図（ｂ）は縦断面説明図である。
【図３】  同上のさらに他の参考例に係る製造方法を示す説明図であって、同図（ａ）はその一部を破断した説明図、同図（ｂ）は横断面説明図である。
【図４】  同上のさらに他の参考例に係る製造方法を示す説明図である。
【図５】  （ａ）（ｂ）はそれぞれ、本発明の実施形態に係る製造方法を示す説明図である。
【図６】  同上のさらに他の参考例に係る製造方法を示す説明図である。
【図７】  （ａ）（ｂ）は同上のさらに他の参考例に係る製造方法を示す説明図である。
【図８】  図７の製造方法に使用される製造装置の概略的構成図である。
【図９】  （ａ）（ｂ）は同上のさらに他の参考例に係る製造方法を示す説明図であって、同図（ａ）は造形プレートの斜視図、同図（ｂ）は当該造形プレートを利用した状態を示す図である。
【図１０】  同上のさらに他の参考例に係る製造方法を示す説明図である。
【図１１】  同上のさらに他の参考例に係る製造方法を示す説明図である。
【図１２】  同上のさらに他の参考例に係る製造方法を示す説明図である。
【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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