JP2006200030A - 立体造形物の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の焼結層が積層一体化されてなる立体造形物を製造するに際して、焼結層を形成する毎に表層部を除去する工程を実施しなくとも、表面を滑らかに形成することのできる立体造形物の製造方法及び製造装置を提供する。
【解決手段】 複数の焼結層が積層一体化された立体造形物を製造する方法であって、粉末材料１０を供給する箇所を移動させながらその供給した粉末材料１０を高密度エネルギー熱源２０により加熱して下層側の焼結層１６を形成する工程と、前記下層側の焼結層１６の上に、粉末材料１０を供給する箇所を移動させながらその供給した粉末材料１０を高密度エネルギー熱源２０により加熱して前記下層側の焼結層１６と一体となった新たな焼結層１８を形成する工程と、を備え、以後新たな焼結層１８を形成する工程を必要な回数だけ繰り返すことを特徴とする立体造形物の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の焼結層が積層一体化された立体造形物の製造方法および製造装置に関するものである。

複数の焼結層が積層一体化された立体造形物を製造するために、焼結用テーブルの上に無機質あるいは有機質の粉末層を形成して、この粉末層の所定部に光ビームを照射して焼結するとともに、この粉末層の上に新たな粉末層を形成してその所定部に光ビームを照射することによって、下層の焼結層と一体となった新たな焼結部を形成することを繰り返す立体造形物の製造方法が知られている（特許文献１，２を参照）。

特開２００２−１１５００４号公報 特開２００３−１５９７５５号公報

上述した従来の立体造形物の製造方法によれば、例えば特許文献１においても指摘されているように、粉末層を形成してからその所定部に光ビームを照射するので、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してしまう。この場合、付着した粉末が密度の低い表面層を形成してしまうために、表面が滑らかでかつ精密に形成された立体造形物を得ることができない。そこで、例えば特許文献２において提案されているように、粉末層の所定部位に光ビームを照射して新たな焼結層を形成する毎に、この密度の低い表面層を切削工具等によって除去する方法が考えられている。しかしながら、この方法を用いた場合には、焼結層を形成する毎に表面層を除去する工程が必要であるために、除去工程を必要としない場合と比較して、時間やコストを余計に費やしてしまうという問題がある。

そこで本発明は、複数の焼結層が積層一体化されてなる立体造形物を製造するに際して、焼結層を形成する毎に表層部を除去する工程を実施しなくとも、表面を滑らかに形成することのできる立体造形物の製造方法及び製造装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための手段は、以下の（１）〜（１０）に記載された通りの発明である。
（１）複数の焼結層が積層一体化された立体造形物を製造する方法であって、
粉末材料を供給する箇所を移動させながらその供給した粉末材料を高密度エネルギー熱源により加熱して下層側の焼結層を形成する工程と、
前記下層側の焼結層の上に、粉末材料を供給する箇所を移動させながらその供給した粉末材料を高密度エネルギー熱源により加熱して前記下層側の焼結層と一体となった新たな焼結層を形成する工程と、を備え、以後新たな焼結層を形成する工程を必要な回数だけ繰り返すことを特徴とする立体造形物の製造方法。
（２）上記（１）に記載の立体造形物の製造方法であって、
焼結層を形成する工程において、得ようとする立体造形物の表層側の部位では密度が高くなり、得ようとする立体造形物の内層側の部位では密度が低くなるようにして粉末材料を供給することを特徴とする立体造形物の製造方法。
（３）上記（１）または（２）に記載の立体造形物の製造方法であって、
焼結層を形成する工程において、得ようとする立体造形物の表層側の部位では粒径の小さな粉末材料を供給し、得ようとする立体造形物の内層側の部位では粒径の大きな粉末材料を供給することを特徴とする立体造形物の製造方法。
（４）上記（１）から（３）のうちいずれか１項に記載の立体造形物の製造方法であって、
焼結層を形成する工程において、得ようとする立体造形物の内層側の部位では、表層側の部位において供給する粉末材料を造粒して得られる造粒粉末材料を供給することを特徴とする立体造形物の製造方法。
（５）上記（１）から（４）のうちいずれか１項に記載の立体造形物の製造方法であって、
焼結層を形成する工程において、得ようとする立体造形物の表層側の部位では金属製の粉末材料を供給し、得ようとする立体造形物の内層側の部位では有機バインダを混合した金属製の粉末材料を供給することを特徴とする立体造形物の製造方法。
（６）上記（１）から（５）のうちいずれか１項に記載の立体造形物の製造方法であって、
焼結層を形成する工程において、得ようとする立体造形物の表層側の部位では粉末材料の供給速度を小さくし、得ようとする立体造形物の内層側の部位では粉末材料の供給速度を大きくすることを特徴とする立体造形物の製造方法。
（７）上記（１）から（６）のうちいずれか１項に記載の立体造形物の製造方法であって、
高密度エネルギー熱源として、レーザを使用することを特徴とする立体造形物の製造方法。
（８）上記（１）から（７）のうちいずれか１項に記載の立体造形物の製造方法であって、
粉末材料を供給する手段として、粉末材料の供給速度を変更することのできる粉末供給装置を使用することを特徴とする立体造形物の製造方法。
（９）上記（１）から（８）のうちいずれか１項に記載の立体造形物の製造方法であって、
粉末材料を供給する手段として、供給する粉末材料の種類を変更することのできる粉末供給装置を使用することを特徴とする立体造形物の製造方法。
（１０）複数の焼結層が積層一体化された立体造形物を製造する装置であって、
粉末材料の供給速度を変更することのできる粉末供給装置と、
前記粉末供給装置により供給される粉末材料を加熱することのできる高密度エネルギー熱源と、
前記粉末供給装置により粉末材料を供給する箇所を移動させることのできる粉末供給箇所移動手段と、を備えることを特徴とする立体造形物の製造装置。

本発明によれば、複数の焼結層が積層一体化されてなる立体造形物を製造するに際して、焼結層を形成する毎に表層部を除去する工程を実施しなくとも、表面を滑らかに形成することのできる立体造形物の製造方法及び製造装置を提供することができる。

本発明は、複数の焼結層が積層一体化された立体造形物を製造する方法であって、粉末材料を供給する箇所を移動させながらその供給した粉末材料を高密度エネルギー熱源により加熱して下層側の焼結層を形成する工程と、前記下層側の焼結層の上に、粉末材料を供給する箇所を移動させながらその供給した粉末材料を高密度エネルギー熱源により加熱して前記下層側の焼結層と一体となった新たな焼結層を形成する工程と、を備え、以後新たな焼結層を形成する工程を必要な回数だけ繰り返すことを特徴とする立体造形物の製造方法及び製造装置である。本発明によれば、複雑でかつ精密な三次元形状を有する立体造形物を短時間でかつ低コストに製造することができる。本発明によって製造された立体造形物は、例えば、複雑な内面形状を有する射出成形用金型に適用することが可能である。また、本発明によって製造された立体造形物は、複雑な三次元形状を有する部品やその試作品などに適用することが可能である。

本発明において使用する「粉末材料」とは、加熱により焼結する粉末材料のことである。ここでいう「焼結」とは、粉末粒子の少なくとも一部が加熱により軟化あるいは溶融して、その軟化あるいは溶融した部分において周囲の粉末粒子と一体化することを指している。「焼結」は、加熱により粉末粒子の一部を溶融させて周囲の粉末粒子と一体化させる液相焼結でもよく、溶融させずに粉末粒子同士の接触部位のみによって一体化させる固相焼結でもよい。本発明では、固相焼結を利用して粉末粒子同士を一体化させるのが好ましい。固相焼結により焼結させた方が、表面が滑らかでニアネットシェイプに形成された立体造形物を製造することができる。また、固体焼結により焼結させた方が、加える熱量が少なくて済むので短時間で立体造形物を製造することが可能になる。

本発明に使用する「粉末材料」としては、特に制限するものではないが、例えば、鉄やステンレスなどの金属からなる粉末材料や、セラミックスからなる粉末材料を使用することができる。これらを混合した粉末材料を使用することも可能である。ステンレス製の粉末材料としては、例えば、ＳＵＳ４２０やＳＵＳ４１０Ｌなどのステンレス鋼からなる粉末材料を用いることができる。
粉末材料の製造方法は特に制限するものではなく、例えば、粉砕法やアトマイズ法によって製造された粉末材料を使用することができる。本発明に使用する粉末材料は、粉末粒子の粒径ができるだけ均一で球形に形成されたものを使用するのが好ましく、例えば、アトマイズ法によって球形状に微粉化された粉末材料が好ましい。

また、本発明に使用する粉末材料は、造粒した粉末材料を使用することができる。造粒した粉末材料は、例えば、金属粒子からなる粉末材料に合成樹脂製のバインダを混合したのちに、加熱によりバインダを溶融させてスラリー状にしてから、スプレードライヤーやアトマイズ法によってそのスラリーの液滴を固化させることによって得られた粉末材料を使用することができる。
粉末材料の粒径は、特に制限するものではないが、例えば、平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは、平均粒径が１０μｍ以上５０μｍ以下の粉末材料を使用することができる。造粒した粉末材料を用いる場合には、造粒後の平均粒径が５０μｍ以上１０００μｍ以下、より好ましくは、造粒後の平均粒径が１００μｍ以上５００μｍ以下の造粒粉末材料を使用することができる。なお、ここでいう「平均粒径」とは、ふるい上曲線を描いたときに、Ｒ（ふるい上）＝５０％に相当する粒子径のことを意味している。

本発明に使用する「高密度エネルギー熱源」とは、粉末を供給した箇所を局所的に加熱できる手段のことを指している。例えば、移行性プラズマアーク、非移行性プラズマアーク、レーザ、あるいはこれらの高密度エネルギー熱源を組み合わせた加熱手段を使用することができる。レーザとしては、例えば、炭酸ガスレーザや、ＹＡＧレーザなどを用いることができる。これらの熱源は、粉末材料の種類、量、粒径、要求される立体造形物の表面成形精度、等の諸要因によって使い分けることができる。このように、局所的に加熱できる熱源を用いることによって、所定の箇所に供給した粉末材料のみを集中的に加熱して焼結させることが可能になるとともに、焼結させる箇所以外の部分に熱が伝達されることによって生ずる種々の不具合（成形精度の低下、表面部への粉末材料の付着等）を防止することが可能になる。

本発明では、所定の箇所に粉末材料を供給するのと同時あるいはその直後に、その供給した粉末材料を高密度エネルギー熱源により加熱する。これにより、供給した粉末材料のみを集中的に加熱することができるので、焼結硬化させる部分以外の周囲への熱の伝達が防止される。また、焼結硬化させる部分の周囲には余分な粉末材料が存在していないので、伝達された熱が原因となって得ようとする立体造形物の表面に不要な粉末が付着することが防止される。これにより、焼結層を形成する毎に、その焼結層の外周を切削工具等によって削除する工程を実施しなくとも、表面が滑らかでかつ精密に形成された立体造形物を製造することが可能になる。

図１は、焼結層を形成する工程の一実施例を示す図である。
図１に示すように、粉末材料１０を焼結させて焼結層を形成する工程では、工作用のテーブル１４の上に、粉体供給用のノズル１２によって粉末材料１０を供給する。そして、ノズル１２によって粉末材料１０を供給する箇所を移動させながら、この供給した粉末材料１０を、レーザ２０などの高密度エネルギー熱源を照射することによって加熱する。これにより、粉末材料１０を加熱により焼結させて焼結層１６を形成することができる。この焼結層１６の厚みは、特に制限するものではないが、例えば、０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲で任意に設定することができる。
新たな焼結層１８を形成するためには、下層側の焼結層１６の上に、粉体供給用のノズル１２によって粉末材料１０を供給する。そして、ノズル１２によって粉末材料１０を供給する箇所を移動させながら、この供給した粉末材料１０を、レーザ２０などの高密度エネルギー熱源を照射することによって加熱する。これにより、下層側の焼結層１６と一体となった新たな焼結層１８を形成することができる。この新たな焼結層１８の厚みは、特に制限するものではないが、例えば、０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲で任意に設定することができる。
そして、焼結層１６の上に新たな焼結層１８を形成する工程を必要な回数だけ繰り返すことによって、複数の焼結層が積層一体化されてなる立体造形物を製造することができる。このとき、各焼結層の平面形状を制御することによって、目的とする三次元形状を有する立体造形物を製造することが可能である。

目的とする三次元形状を有する立体造形物を製造するためには、ノズル１２とテーブル１４との相対的な位置関係を移動させることによって、ノズル１２によって粉末材料１０を供給する箇所の軌道を制御する必要がある。この場合、ノズル１２の方を移動させてもよいし、テーブル１４の方を移動させてもよい。勿論、両方を移動させてもよい。ノズル１２あるいはテーブル１４を移動させるための手段としては、リニアモータ等によって駆動する公知の送り機構（ＸＹ駆動機構）を使用することができる。
粉末材料１０を供給する箇所の軌道は、得ようとする立体造形物の三次元ＣＡＤデータ等によって決定することができる。例えば、得ようとする立体造形物の各断面に対応した輪郭形状データ等によって決定することができる。あるいは、例えば部品の試作品を作製する場合には、元になる部品の表面形状を立体形状センサによって測定して、その測定した立体形状データに基づいて粉末材料１０を供給する箇所の軌道を決定することができる。
粉末材料１０を供給する箇所の軌道は、実際に形成されている各焼結層の形状をセンサによって認識させながら、補正演算等を介在させることによって、適宜に補正することが好ましい。例えば、加熱して焼結させたときに焼結層が収縮するような粉末材料を用いる場合には、得ようとする立体造形物の実際の断面よりも一回りだけ大きな軌道を描くようにしてノズル１２を移動させるのが好ましい。反対に、加熱して焼結させたときに焼結層が膨張するような粉末材料を用いる場合には、得ようとする立体造形物の実際の断面よりも一回りだけ小さな軌道を描くようにしてノズル１２を移動させるのが好ましい。ノズル１２によって粉末材料１０を供給する箇所の軌道は、例えばＮＣ装置などの既存の装置によって制御することも可能である。

三次元形状を有する部品の試作品を作製する場合には、その部品の形状を忠実に再現した立体造形物を製作することが要求される。この場合、元になる部品の形状が忠実に再現されていることが最も重要である。これを言い換えると、試作品の見た目が重要であり、試作品の内層側の部位は粗密であってもよい場合があるということである。また、試作品の見た目が重要であり、試作品の内部の密度が均一であることは特に要求されていないということである。

したがって、本発明に係る立体造形物の製造方法は、焼結層を形成する工程において、得ようとする立体造形物の表層側の部位では密度が高くなり、得ようとする立体造形物の内層側の部位では密度が低くなるようにして粉末材料を供給することが好ましい。前記「得ようとする立体造形物」とは、本発明に係る製造方法によって製造しようとする立体造形物のことである。得ようとする立体造形物の「表層側の部位」とは、立体造形物の外表面に現れる部分のことであり、より具体的には、外表面から所定の深さ（例えば０．１ｍｍ〜１０ｍｍ程度の深さ）の部分のことである。得ようとする立体造形物の「内層側の部位」とは、「表層側の部位」よりもさらに内側（中心側）の部分のことである。「得ようとする立体造形物の表層側の部位では密度が高く」とあるのは、内層側の部位よりも密度が高いという意味であり、内層側の部位における密度との相対関係を指すものである。表層側の部位と内層側の部位との境界は特に明瞭である必要はなく、立体造形物の密度が表層側から内層側にかけて次第に低くなるような態様であってもよい。

得ようとする立体造形物の表層側の部位におけるレーザー照射後の密度が高くなるようにするためには、焼結層を形成する工程において、以下の（ａ）〜（ｅ）のうち少なくとも１つの工程を実施すればよい。
（ａ）表層側の部位に粉末材料を供給するときに、その粉末材料の供給量を、内層側の部位における供給量よりも少なくする。
（ｂ）表層側の部位に粉末材料を供給するときに、その粉末材料の供給速度を、内層側の部位における供給速度よりも小さくする。「供給速度」とは、単位時間あたりの粉末材料の供給量のことである。
（ｃ）得ようとする立体造形物の表層側の部位では粒径の小さな粉末材料を供給する。これに対し、得ようとする立体造形物の内層側の部位では、粒径の大きな粉末材料を供給する。なお、粒径の「小さな」、「大きな」とあるのは、表層側の部位及び内層側の部位にそれぞれ供給する粉末材料の粒径の相対関係を指すものである。
（ｄ）得ようとする立体造形物の内層側の部位では、表層側の部位において供給する粉末材料を造粒して得られる造粒粉末材料を供給する。つまり、立体造形物の内層側の部位では、表層側の部位におけるのと同種の粉末材料を供給するのであるが、造粒することにより粒径が大きくなった粉末材料を供給する、ということである。
（ｅ）得ようとする立体造形物の表層側の部位では金属製の粉末材料を供給し、得ようとする立体造形物の内層側の部位では有機バインダを混合した金属製の粉末材料を供給する。有機バインダとしては、例えば、ポリエステル樹脂などの公知のバインダ材料を使用することができる。

上記（ａ）〜（ｅ）のうち少なくとも１つの工程を実施することにより、得ようとする立体造形物の表層側の部位では密度が高くなり、得ようとする立体造形物の内層側の部位では密度が低くなるようにして粉末材料を供給することができる。これにより、外表面が緻密でかつ強度が高く形成されるとともに、人の目に触れない内層側の部位は粗密に形成された立体造形物を製造することができる。

図２は、本発明に係る製造方法によって得られた立体造形物の斜視図である。図３は、図２に示す立体造形物のＡ−Ａ線断面図である。
図２、図３に示すように、本発明に係る製造方法によれば、表層側の部位３２は密度が高く緻密に形成されており、内層側の部位３４は密度が低く粗密に形成された立体造形物３０を得ることができる。この立体造形物３０は、表層側の部位３２は緻密な焼結層により形成されているので、複雑な三次元形状であっても正確に再現することができる。したがって、原型となる部品とほぼ同じ立体形状を再現した試作品を作製することが可能である。また、表層側の部位３２は緻密な焼結層により形成されているので、熱収縮等による全体としての形状の歪みを最小限に抑えることができる。このため、従来よりも大型の製品であっても正確にその形状を再現することが可能である。

また、本発明に係る製造方法によれば、表層側の部位３２は密度が高く緻密に形成されているので、表面部において十分な強度を備えた立体造形物３０を製造することが可能である。

また、本発明に係る立体造形物の製造方法によれば、内層側の部位３４は粗密な焼結層により形成されている。このため、立体造形物３０を均一な密度でかつ高密度に成形する場合と比較すると、消費する粉末材料が少なくて済むという効果が得られる。このため、低コストでかつ高速な造形が可能になる。

また、上記（ｃ）に係る立体造形物の製造方法によれば、得ようとする立体造形物の表層側の部位３２では粒径の小さな粉末材料を供給するので、表面が緻密に形成された立体造形物３０を作製することが可能である。それとともに、得ようとする立体造形物の内層側の部位３４では粒径の大きな粉末材料を供給するので、粉末材料を焼結させるために必要とする熱エネルギーが少なくて済むという効果が得られる。すなわち、粉末材料を焼結させるためには、粉末粒子の平均粒径が大きい方が、粉末材料を加熱して焼結層を形成するために必要とする熱エネルギーが少なくて済む。なぜならば、粒径が大きな粉末粒子の方が、粒子同士の接触部が少ないので、その接触部を軟化あるいは溶融させるために必要とする熱エネルギーが少なくて済むからである。したがって、本発明に係る立体造形物の製造方法によれば、焼結のために必要とする熱エネルギーが少なくて済むので、低コストでかつ高速に立体造形物を製造することが可能である。

また、上記（ｄ）に係る立体造形物の製造方法によれば、得ようとする立体造形物の内層側の部位３４では、表層側の部位３２において供給する粉末材料を造粒して得られる造粒粉末材料を供給する。このため、表層側の部位３２が緻密であり、内層側の部位３４が粗密となるように立体造形物３０を製造することができる。それとともに、表層側の部位３２と、内層側の部位３４とが、同種の粉末材料が焼結した焼結層により形成されることとなる。このため、表層側の部位３２と内層側の部位３４との境界部における粉末材料同士の親和性が高まることとなって、表層側の部位３２と内層側の部位３４の接合強度が高められる。したがって、表層側の部位３２と内層側の部位３４との剥離といった不具合をなくすことが可能となる。

また、上記（ｅ）に係る立体造形物の製造方法によれば、得ようとする立体造形物の表層側の部位３２では金属製の粉末材料を供給し、得ようとする立体造形物の内層側の部位３４では有機バインダを混合した金属製の粉末材料を供給する。この場合、内層側の部位３４では、金属製の粉末材料に有機バインダを混合して、加熱によってその有機バインダをスラリー状にした後に、スプレードライヤーなどによってそのスラリーの液滴を固化させて造粒した粉末材料を供給することもできる。有機バインダとしては、特に制限するものではないが、ポリエステル樹脂などを使用することができる。このような製造方法によれば、焼結時の加熱によって、粉末材料中に含まれる有機バインダを燃焼により除去することが可能である。このため、内層側の部位３４が粗密に形成された立体造形物３０を極めて容易に製造することが可能となる。

本発明に係る立体造形物の製造方法において、粉末材料を所定の箇所に供給する手段としては、粉末材料の供給速度を変更することのできる粉末供給装置を使用するのが好ましい。あるいは、供給する粉末材料の種類を変更することのできる粉末供給装置を使用するのが好ましい。

粉末材料の供給速度を変更することのできる粉末供給装置としては、例えば、特開２００３−３０２２８１号公報に開示されている超音波振動送出機を備えた粉末供給装置を使用することができる。このような装置を使用することによって、粉末供給速度の微調整が可能となる。例えば、粉末材料を供給して焼結層を形成するに際して、表層側の部位３２では粉末供給速度を大きくして、内層側の部位３４では粉末供給速度を小さくする、というような切替え操作が可能となる。この場合、粉末供給速度の違いに応じて複数の粉末供給装置が必要とならないので、高速でかつ低コストに立体造形物３０を製造することが可能となる。

供給する粉末材料の種類を変更することのできる粉末供給装置としては、例えば、特開２００２−２７３２０１号公報に開示されている複数の補給ホッパを備えた粉末供給装置を使用することができる。このような装置を使用することによって、供給する粉末材料の種類を必要に応じて変更することができる。例えば、平均粒径が大小に異なる複数種類の粉末材料を準備しておいて、表層側の部位３２では平均粒径が小さい粉末材料を供給し、内層側の部位３４では平均粒径が大きな粉末材料を供給する、というような切替え操作が可能となる。この場合、供給する粉末材料の種類に応じて複数の粉末供給装置が必要とならないので、高速でかつ低コストに立体造形物３０を製造することが可能となる。
また、この応用として、表層側の部位３２をレーザなどの高密度エネルギー熱源で形成し、内層側の部位３４を非移行性プラズマを利用、もしくは、高圧ガス噴射で粉末材料を供給する学会で通称「コールドスプレー」と称されるプロセスを採用して形成してもよい。

したがって、本発明は、以下の（ｆ）、（ｇ）に示す立体造形物の製造装置として構成することも可能である。
（ｆ）複数の焼結層が積層一体化された立体造形物を製造する装置であって、粉末材料の供給速度を変更することのできる粉末供給装置と、前記粉末供給装置により供給される粉末材料を加熱することのできる高密度エネルギー熱源と、前記粉末供給装置により粉末材料を供給する箇所を移動させることのできる粉末供給箇所移動手段と、を備えることを特徴とする立体造形物の製造装置。
（ｇ）複数の焼結層が積層一体化された立体造形物を製造する装置であって、供給する粉末材料の種類を変更することのできる粉末供給装置と、前記粉末供給装置により供給される粉末材料を加熱することのできる高密度エネルギー熱源と、前記粉末供給装置により粉末材料を供給する箇所を移動させることのできる粉末供給箇所移動手段と、を備えることを特徴とする立体造形物の製造装置。

上記（ｆ）、（ｇ）の製造装置における「粉末供給箇所移動手段」としては、例えば、粉末材料供給装置に備え付けられた粉末供給用のノズル（例えば、図１におけるノズル１２）を移動させることのできる手段、あるいは、複数の焼結層を形成する際にその焼結層を載置するためのテーブル（例えば、図１におけるテーブル１４）を移動させることのできる手段を使用することができる。このような手段としては、例えば、リニアモータによって駆動する公知の送り機構（ＸＹ駆動機構）を使用することができる。
また、製造設備としては、表層用のレーザなどの高密度エネルギー熱源と、内層用の通称「コールドスプレー」と称される高圧ガス噴射装置とを並設し、粉末材料供給装置やワーク移動テーブルを有するものも考えられる。

以上説明したように、本発明に係る立体造形物の製造方法及び製造装置によれば、 複数の焼結層が積層一体化されてなる立体造形物を製造するに際して、焼結層を形成する毎に表層部を除去する工程を実施しなくとも、表面を滑らかに形成することのできる立体造形物の製造方法及び製造装置を提供することができる。このような製造方法あるいは製造装置によれば、必要な熱エネルギーが少なくて済むので、低コストでかつ高速に立体造形物を製造することができる。また、焼結層を形成するために消費する粉末材料の量が少なくて済むという効果が得られる。

本発明をさらに具体化した実施例について説明する。
本実施例では、粉末供給装置として、日本ウェルディング・ロッド(株)製のディスク型パウダーフィーダー（型式：ＰＦ−０１）を使用した。高密度エネルギー熱源として、三菱電機(株)製のＣＯ_２レーザ（型式：２０１２Ｈ、発信機：５０Ｃ、定格出力：５ｋＷ、シールドガス：Ａｒ）を使用した。粉末材料として、以下の表１に示す２種類の粉末材料を使用した。

これらの装置を使用して、図２に示すような100ｍｍ×100ｍｍ×100ｍｍの外形寸法を有する立体造形物３０を製作した。製作条件は、表層側の部位３２については、表１のＮＯ．１の粉末材料を使用し、レーザ出力２．８ｋＷ、レーザスポット径φ１．０ｍｍ、粉末供給箇所送り速度１０００ｍｍ／ｍｉｎに設定した。内層側の部位３４については、表１のＮＯ．２の粉末材料を使用し、レーザ出力２．０ｋＷ、レーザスポット径φ３．０ｍｍ、粉末供給箇所送り速度４０００ｍｍ／ｍｉｎに設定した。

このようにして得られた立体造形物３０は、外観形状が緻密に形成されており、全体を球状粉で形成した場合と比較しても見た目において遜色がなかった。また、製作に要した時間は、表層側の部位３２が２．０時間、内層側の部位３４が４．８時間であり、合計６．８時間であった。これは、従来の積層造形法と比較すると約３分の１の時間であり、極めて高速の造形を達成できることが判明した。

焼結層を形成する工程の一実施例を示す図である。 本発明に係る製造方法によって得られた立体造形物の斜視図である。 図２に示す立体造形物のＡ−Ａ線断面図である。

符号の説明

１０ 粉末材料
１２ ノズル
１４ テーブル
１６，１８ 焼結層
２０ レーザ
３０ 立体造形物
３２ 表層側の部位
３４ 内層側の部位

Claims (10)

1. 複数の焼結層が積層一体化された立体造形物を製造する方法であって、
   粉末材料を供給する箇所を移動させながらその供給した粉末材料を高密度エネルギー熱源により加熱して下層側の焼結層を形成する工程と、
   前記下層側の焼結層の上に、粉末材料を供給する箇所を移動させながらその供給した粉末材料を高密度エネルギー熱源により加熱して前記下層側の焼結層と一体となった新たな焼結層を形成する工程と、を備え、以後新たな焼結層を形成する工程を必要な回数だけ繰り返すことを特徴とする立体造形物の製造方法。
2. 請求項１に記載の立体造形物の製造方法であって、
   焼結層を形成する工程において、得ようとする立体造形物の表層側の部位では密度が高くなり、得ようとする立体造形物の内層側の部位では密度が低くなるようにして粉末材料を供給することを特徴とする立体造形物の製造方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の立体造形物の製造方法であって、
   焼結層を形成する工程において、得ようとする立体造形物の表層側の部位では粒径の小さな粉末材料を供給し、得ようとする立体造形物の内層側の部位では粒径の大きな粉末材料を供給することを特徴とする立体造形物の製造方法。
4. 請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の立体造形物の製造方法であって、
   焼結層を形成する工程において、得ようとする立体造形物の内層側の部位では、表層側の部位において供給する粉末材料を造粒して得られる造粒粉末材料を供給することを特徴とする立体造形物の製造方法。
5. 請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の立体造形物の製造方法であって、
   焼結層を形成する工程において、得ようとする立体造形物の表層側の部位では金属製の粉末材料を供給し、得ようとする立体造形物の内層側の部位では有機バインダを混合した金属製の粉末材料を供給することを特徴とする立体造形物の製造方法。
6. 請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の立体造形物の製造方法であって、
   焼結層を形成する工程において、得ようとする立体造形物の表層側の部位では粉末材料の供給速度を小さくし、得ようとする立体造形物の内層側の部位では粉末材料の供給速度を大きくすることを特徴とする立体造形物の製造方法。
7. 請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の立体造形物の製造方法であって、
   高密度エネルギー熱源として、レーザーを使用することを特徴とする立体造形物の製造方法。
8. 請求項１から請求項７のうちいずれか１項に記載の立体造形物の製造方法であって、
   粉末材料を供給する手段として、粉末材料の供給速度を変更することのできる粉末供給装置を使用することを特徴とする立体造形物の製造方法。
9. 請求項１から請求項８のうちいずれか１項に記載の立体造形物の製造方法であって、
   粉末材料を供給する手段として、供給する粉末材料の種類を変更することのできる粉末供給装置を使用することを特徴とする立体造形物の製造方法。
10. 複数の焼結層が積層一体化された立体造形物を製造する装置であって、
    粉末材料の供給速度を変更することのできる粉末供給装置と、
    前記粉末供給装置により供給される粉末材料を加熱することのできる高密度エネルギー熱源と、
    前記粉末供給装置により粉末材料を供給する箇所を移動させることのできる粉末供給箇所移動手段と、を備えることを特徴とする立体造形物の製造装置。
    

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