JP5250338B2 - 三次元形状造形物の製造方法、その製造装置および三次元形状造形物 - Google Patents

Description

本発明は、三次元形状造形物の製造方法およびその製造装置、ならびに、三次元形状造形物に関する。より詳細には、本発明は、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して固化層を形成することを繰り返し実施することによって複数の固化層が積層一体化した三次元形状造形物を製造する方法およびそのための装置に関すると共に、それによって得られる三次元形状造形物にも関する。

従来より、粉末材料に光ビームを照射して三次元形状造形物を製造する方法（一般的には「粉末焼結積層法」と称される）が知られている。かかる方法では、「（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射することよって、かかる所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成し、（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を敷いて同様に光ビームを照射して更に固化層を形成する」といったことを繰り返して三次元形状造形物を製造する（特許文献１または特許文献２参照）。粉末材料として金属粉末を用いた場合では、得られた三次元形状造形物をプラスチック成型用金型として用いることができ、粉末材料として樹脂粉末を用いた場合では、得られた三次元形状造形物をプラスチック成形品として用いることができる。このような製造技術によれば、複雑な三次元形状造形物を短時間で製造することが可能である。

かかる三次元形状造形物の製造は、造形物の酸化などを防止すべく所定の不活性雰囲気下に保たれたチャンバー内で行われる。チャンバー内には「粉末層を形成する手段」、「粉末層および／または固化層が形成されることになる造形テーブル」などが設置されている一方、チャンバー外には光ビーム照射手段が設置されている。光ビーム照射手段から発せられた光ビームは、チャンバーの光透過窓を通じて粉末層の所定箇所へと照射される。例えば図１および図１３を参照すると分かるように、チャンバー５０には光透過窓５２が設けられており、光ビームＬが光透過窓５２を通過してチャンバー５０内に入射される。

ここで、粉末層に光ビームを照射して粉末を焼結又は溶融固化させる際、図１に示すように、“ヒューム”６０と呼ばれる煙状の物質（例えば金属蒸気または樹脂蒸気）がビーム照射箇所から発生する。このヒュームは上昇してチャンバーの光透過窓に付着したり焼き付いたりするので、光透過窓が曇ってしまい光ビームの透過率が低下し得る。光ビームの透過率が低下すると、所望の固化層を得ることができず、意図する造形物を製造することができない。例えば、粉末層として金属粉末層を用いた場合では、「焼結が安定しない」とか「焼結密度を高くすることができない」等の理由によって三次元形状造形物の強度が低下してしまうといった問題が引き起こされてしまう。

また、ヒュームは、チャンバー内に入射した光ビームに対して直接的に影響を及ぼし得るものである。具体的には、発生したヒュームは上昇し得るが、上昇するヒュームが光ビームの経路を遮ることがあり、光ビームの照射量（粉末層に対して照射される量）が低減してしまう。つまり、上昇するヒュームの遮りに起因して、粉末層に供される光ビームのエネルギー量が所定の値よりも実質的に低下してしまうことが懸念される。
特表平１−５０２８９０号公報 特開２０００−７３１０８号公報

本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の課題は、発生するヒュームの影響をできるだけ抑えた「三次元形状造形物の製造方法」を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明では、
（ｉ）造形テーブルに設けた粉末層の所定箇所ａに対して光ビーム（例えばレーザ光のような指向性エネルギービーム）を照射して所定箇所ａの粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、かかる新たな粉末層の所定箇所ｂに光ビームを照射して所定箇所ｂの粉末を焼結又は溶融固化させて更なる固化層を形成する工程
をチャンバー内において繰り返して行う際に、
チャンバー内の雰囲気ガスの少なくとも一部を造形タンクの通気経路を介してチャンバー内から排気することを特徴としている、三次元形状造形物の製造方法が提供される。本発明の製造方法では、特に「造形テーブルの通気経路」を介して雰囲気ガスの排気を行って、ヒュームの少なくとも一部をチャンバー内から吸引除去することが好ましい。

本発明の製造方法は、発生したヒュームをより高く上昇させることなく、チャンバー内から除去する点で特徴を有している。換言すれば、本発明の製造方法は、ヒュームの発生ポイントよりも下方側へと雰囲気ガスを排気することを特徴の１つとしている。尚、ここでいう「ヒューム」とは、三次元形状造形物の製造方法に際して、光ビームが照射される粉末層および／または固化層から発生する煙状の物質（例えば「金属粉末材料に起因した金属蒸気」または「樹脂粉末材料に起因した樹脂蒸気」）を指している。

本明細書において「造形タンク」とは、造形物が形成される容器を実質的に意味しており、例えば、図５に示すような「造形テーブル２０」および「造形テーブル２０を包囲するように設けられるタンク壁２７」から成る容器を指している。

また、本明細書において「通気経路」とは、雰囲気ガス（特にヒュームを含んだ雰囲気ガス）が通過できる“通り道”（例えば開口部）を実質的に意味している。更には、本明細書で用いる「流体連通」とは、液体や気体などの流体が通過できるように接続されている状態を実質的に意味している。

尚、本明細書において「粉末層」とは、例えば「金属粉末から成る金属粉末層」または「樹脂粉末から成る樹脂粉末層」などを指している。また「粉末層の所定箇所」とは、製造される三次元形状造形物の領域を実質的に意味している。従って、かかる所定箇所に存在する粉末に対して光ビームを照射することによって、その粉末が焼結又は溶融固化して三次元形状造形物の形状を構成することになる。更に「固化層」とは、粉末層が金属粉末層である場合には「焼結層」を実質的に意味しており、粉末層が樹脂粉末層である場合には「硬化層」を実質的に意味している。

ある好適な態様では、造形テーブル上に設けられた造形プレートにて粉末層および／または固化層の形成を行うに際して、造形プレートの通気経路を更に介して雰囲気ガスの少なくとも一部を排気する（例えば吸引除去する）。つまり、「造形テーブルの通気経路」と「造形プレートの通気経路」とを相互に流体連通させて、それら２つの通気経路を介してヒュームを吸引除去する。

また、固化層に形成した通気経路を更に介して雰囲気ガスの排気を行ってもよい。つまり、「造形テーブルの通気経路」と「造形プレートの通気経路」と「固化層の通気経路」とを相互に流体連通させて、それら３つの通気経路を介してヒュームを吸引除去する。尚、「固化層の通気経路」は、粉末層に対して走査する光ビームを制御することによって形成できる。

更に、光ビームを制御することで固化層の一部をポーラス状に形成してよく、得られるポーラス状の固化部分を更に介して雰囲気ガスの排気を行ってもよい。つまり、「造形テーブルの通気経路」と「造形プレートの通気経路」と「ポーラス状の固化部分」とを相互に流体連通させて、それらを介してヒュームを吸引除去する。尚、「ポーラス状の固化部分」は、粉末層へと照射する光ビームのエネルギーなどを調整することによって形成できる。「ポーラス状の固化部分」が形成される態様では、造形プレートの通気経路を塞ぐようにポーラス状の固化部分を形成してもよい。換言すれば、造形プレートの通気経路の上方領域を全て「ポーラス状の固化部分」としてなくても、その上方領域の少なくとも一部だけを“ポーラス状”にしてもよい。

ある好適な態様では、造形プレートに通気経路を少なくとも２つ設け、一の通気経路からチャンバー内へとガス供給を行い、他の通気経路から雰囲気ガスの少なくとも一部（好ましくは「ヒュームを含んで成る雰囲気ガス」）を排気する。かかる場合、造形テーブルにも通気経路が少なくとも２つ設けられ、その各々が造形プレートの通気経路と流体連通している。

本発明の製造方法では、排気された雰囲気ガス（特に「ヒューム」を含んだ雰囲気ガス）は、集塵処理に付した後、チャンバーへと戻してもよい。つまり、ヒュームが除去されたガスは、粉末焼結積層法の雰囲気ガスとして再度使用することができる。

本発明では、上述した製造方法で得られる三次元形状造形物も提供される。かかる三次元形状造形物は金型として用いることができるものであって、固化層の通気経路の少なくとも一部を金型の冷却液通路（例えば金型温度調節用水管）として用いることを特徴としている。つまり、「固化層の通気経路」は、造形物製造時にてヒュームの通気経路として用いると共に、造形物完成後にて造形物の冷却水路として用いる。

本発明では、上述した製造方法を実施するための「三次元形状造形物の製造装置」も提供される。かかる三次元形状造形物の製造装置は、
粉末層を形成するための粉末層形成手段、
粉末層および／または固化層が形成されることになる造形テーブル、
固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段、ならびに
粉末層形成手段および造形テーブルを内部に具備するチャンバー
を有して成り、造形テーブルには、チャンバー内の雰囲気ガスを排気または給気するための通気経路が少なくとも１つ設けられており、その通気経路が配管を介して吸気手段または供給手段と接続されていることを特徴としている。

ある好適な態様では、造形テーブル上に造形プレートが更に設けられており、かかる造形プレートにチャンバー内の雰囲気ガスを排気または給気するための通気経路が少なくとも１つ設けられている。かかる態様では、「造形テーブルの通気経路」と「造形プレートの通気経路」とが相互に流体連通している。つまり、チャンバー内の雰囲気ガスは、「造形プレートの通気経路」および「造形テーブルの通気経路」を通ってチャンバー外へと排気される。

本発明では、光ビームの照射によって発生するヒュームが、チャンバー内から効果的に除去されるので、チャンバーの光透過窓の“曇り”を防止できる。つまり、チャンバー内へと入射される光ビームの透過率の低下を防ぐことができるので、所望の固化層を得ることができる。より具体的に言えば、粉末層が金属粉末層であって固化層が焼結層となる場合、『焼結が安定しないとか、あるいは、焼結部分の密度を高くすることができない』といったことを回避でき、三次元形状造形物の強度を実質的に均一に保持できる。

また、本発明では、発生したヒュームを、その発生ポイントの近傍から下方に向かって吸引除去するために、“ヒュームの上昇”が抑制されている。従って、ヒュームにより光ビームの経路が遮られることはなく、粉末層に照射される光ビームの照射量が低減することはない。つまり、本発明では、「上昇するヒュームに起因した光ビームエネルギーの低下」を防止できる。尚、発生したヒュームは直ぐにチャンバー内から除去されるので、「ヒュームに起因した垢がチャンバー内壁部に付着する」ことも防止され、チャンバーのメンテナンス性が向上するといった有利な効果も奏される。

以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

［粉末焼結積層法］
まず、本発明の製造方法の前提となる粉末焼結積層法について説明する。図２には、粉末焼結積層法を実施できる光造形複合加工機１の構成を示す。光造形複合加工機１は、「金属粉末および樹脂粉末などの粉末を所定の厚みで敷くことによって粉末層を形成する粉末層形成手段２」と「外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内においてシリンダー駆動で上下に昇降する造形テーブル２０（図４参照）」と「光ビームＬを任意の位置に照射する光ビーム照射手段３」と「造形物の周囲を削る切削手段４」とを主として備えている。粉末層形成手段２は、図４に示すように、「外周が壁２６で囲まれた粉末材料タンク２８内においてシリンダー駆動で上下に昇降する粉末テーブル２５」と「造形テーブル２０上に配され造形物の土台となる造形プレート２１」と「造形プレート上に粉末層２２を形成するためのスキージング用ブレード２３」とを主として有して成る。光ビーム照射手段３は、図２に示すように、「光ビームＬ（例えばレーザー等の指向性エネルギービーム）を発する光ビーム発振器３０」と「光ビームＬを粉末層２２の上にスキャニング（走査）するガルバノミラー３１（スキャン光学系）」とを主として有して成る。必要に応じて、光ビーム照射手段３には、光ビームスポットの形状を補正するビーム形状補正手段（例えば一対のシリンドリカルレンズと、かかるレンズを光ビームの軸線回りに回転させる回転駆動機構とを有して成る手段）やｆθレンズが具備されている。切削手段４は、「造形物の周囲を削るミーリングヘッド４０」と「ミーリングヘッド４０を切削箇所へと移動させるＸＹ駆動機構４１」とを主として有して成る。

光造形複合加工機１の動作を図３及び図４を参照して詳述する。図３は、光造形複合加工機の動作フローを示し、図４は、光造形複合加工機の動作を模式的に示す。

光造形複合加工機の動作は、粉末層２２を形成する粉末層形成ステップ（Ｓ１）と、粉末層２２に光ビームＬを照射して固化層２４を形成する固化層形成ステップ（Ｓ２）と、造形物の表面を切削する切削ステップ（Ｓ３）とから主に構成されている。粉末層形成ステップ（Ｓ１）では、最初に造形テーブル２０をΔｔ１下げる（Ｓ１１）。次いで、粉末テーブル２５をΔｔ１上げた後、図４（ａ）に示すように、スキージング用ブレード２３を、矢印Ａ方向に移動させ、粉末テーブル２５に配されていた粉末（例えば「平均粒径５μｍ〜１００μｍ程度の鉄粉」または「平均粒径３０μｍ〜１００μｍ程度のナイロン、ポリプロピレン、ＡＢＳ等の粉末」）を造形プレート２１上へと移送させつつ（Ｓ１２）、所定厚みΔｔ１にならして粉末層２２を形成する（Ｓ１３）。次に、固化層形成ステップ（Ｓ２）に移行し、光ビーム発振器３０から光ビームＬ（例えば炭酸ガスレーザーまたは紫外線）を発し（Ｓ２１）、光ビームＬをガルバノミラー３１によって粉末層２２上の任意の位置にスキャニングし（Ｓ２２）、粉末を溶融させ、固化させて造形プレート２１と一体化した固化層２４を形成する（Ｓ２３）。

固化層２４の厚みがミーリングヘッド４０の工具長さ等から求めた所定厚みになるまで粉末層形成ステップ（Ｓ１）と固化層形成ステップ（Ｓ２）とを繰り返し、固化層２４を積層する（図４（ｂ）参照）。尚、新たに積層される固化層は、焼結又は溶融固化に際して、既に形成された下層を成す固化層と一体化することになる。

積層した固化層２４の厚みが所定の厚みになると、切削ステップ（Ｓ３）へと移行し、ミーリングヘッド４０を駆動させる（Ｓ３１）。例えば、ミーリングヘッド４０の工具（ボールエンドミル）が直径１ｍｍ、有効刃長さ３ｍｍである場合、深さ３ｍｍの切削加工ができるので、Δｔ１が０．０５ｍｍであれば、６０層の固化層を形成した時点でミーリングヘッド４０を駆動させる。ＸＹ駆動機構４１によってミーリングヘッド４０を矢印Ｘ及び矢印Ｙ方向に移動させ、積層した固化層２４から成る造形物の表面を切削加工する（Ｓ３２）。そして、三次元形状造形物の製造が依然終了していない場合では、粉末層形成ステップ（Ｓ１）へ戻ることになる。以後、Ｓ１乃至Ｓ３を繰り返して更なる固化層２４を積層することによって、三次元形状造形物の製造を行う。

固化層形成ステップ（Ｓ２）における光ビームＬの照射経路と、切削ステップ（Ｓ３）における切削加工経路とは、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。この時、等高線加工を適用して加工経路を決定する。例えば、固化層形成ステップ（Ｓ２）では、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（例えばΔｔ１を０．０５ｍｍとした場合では０．０５ｍｍピッチ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。

［本発明の製造方法］
本発明の製造方法は、上述した粉末焼結積層法につき、チャンバー内の排気に特に着目したものである。即ち、本発明は、特に図１に示すようなチャンバー５０の内部の雰囲気ガスを排気する点において特徴を有している。尚、チャンバー内に仕込まれる雰囲気ガスは、例えば、窒素ガスなどの不活性ガスである。

図５に示すように、本発明の製造方法では、チャンバー内の雰囲気ガスの少なくとも一部を造形テーブルを介して下方へと排気する。排気される雰囲気ガスに同伴させることでヒュームをチャンバーの外部へと排出することができる。具体的な態様としては、図６に示すように、造形プレート２１の周囲の造形テーブル領域に通気経路２０ａ（例えば開口部）を設ける態様が考えられる。この場合、発生するヒューム６０を粉末層１９を介してチャンバー外へと下方に向かって排出することができる。

尚、上記のような通気経路を介して雰囲気ガスを排気するには、通気経路に対して設けた吸気ポンプ等の吸気手段を作動させることによって行ってよい（より具体的には、通気経路に接続された配管ラインの吸気ポンプを作動させる）。あるいは、チャンバー内部の圧力をチャンバー外部の圧力（例えば大気圧）よりも高くして圧力差によって雰囲気ガスを通気経路から排出してもよい。

チャンバーから排出される雰囲気ガスの流量は、発生するヒューム量などに依存し得るが、例えば５〜１００ＳＬＭ程度である（ＳＬＭ：気体の標準状態において１分間に排出されるガス量をリットルで表した単位）。また、ヒュームをできる限り除去する観点から雰囲気ガスの排気は連続的に行うことが好ましいものの、必要に応じてある一定の期間だけ排気を行ってもよい。つまり、雰囲気ガスの排気を断続的に行ってもよい。この場合、発生したヒューム量などに応じて雰囲気ガスの排気を行うことが好ましい。例えば、照射ターゲットＰ１（図１参照）を撮像する撮像カメラ等を用いてヒューム量やヒューム濃度を検出することが好ましい。雰囲気ガスのヒューム濃度が高くなれば、撮像カメラで撮像した照射ターゲットの明るさなどのパラメータが変化するので、このパラメータに基づいて雰囲気ガスの排気を行うタイミングを決定することができる。

通気経路サイズは、チャンバーの大きさ、ヒューム量または造形物サイズなどに依存し得るものの、例えば通気経路の開口径Ｄａ（図６参照）は１〜３０ｍｍ程度である。また、通気経路の個数も、チャンバーの大きさ、ヒューム量または造形物サイズなどに依存し得るものの、例えば１〜２０個程度である。これらは、後述する「造形プレートおよび固化層の通気経路」ならびに「ポーラス状固化部分」についても同様である。尚、通気経路の断面形状（より具体的には水平方向に切り取った場合の断面形状）は、特に限定されるわけではないが、例えば、円形状、楕円形状または多角形状などである。

造形テーブルの通気経路は、本発明の実施に先立って、ドリル加工またはレーザー加工などの適当な方法で予め形成しておくことができる。後述する「造形プレートの通気経路」の場合も同様に、本発明の実施に先立って、ドリル加工またはレーザー加工などの適当な方法で予め形成しておくことができる。尚、造形タンクに仕込んだ粉末（即ち、「未焼結の金属粉末層」または「未硬化の樹脂粉末層」）が通気経路を介して落下したり、吸引されたりしないように、通気経路には、固体状物質は通さず、ガス状物質のみを通す手段（例えば、フィルター）を設けてよい。

排気された雰囲気ガス（特に「ヒューム」を含んだ雰囲気ガス）は、集塵処理に付した後、チャンバーへと戻してもよい。これにより、チャンバー内の雰囲気ガスの給排気を連続的に行うことが可能となる。このように連続操作を行う場合では、循環路に設けた集塵装置およびポンプなどを使用する。

「雰囲気ガスの少なくとも一部を造形タンクを介して下方へと排気する」態様には、その他に種々の態様が考えられる。以下それについて詳述する。尚、以下の説明では、粉末として「金属粉末」を用い（即ち、粉末層として金属粉末層を用い）、固化層が焼結層となる態様を例にとって説明する。

（造形プレートの通気経路を介した排気）
「造形プレートの通気経路を介した排気」の態様を図７に示す。図示するように、造形テーブル２０の通路２０ａに加えて、造形プレート２１にも通気経路２１ａ（例えば開口部）を設けている。かかる態様では、「造形テーブル２０の通気経路２０ａ」と「造形プレート２１の通気経路２１ａ」とは相互に流体連通している。従って、「造形テーブル２０の通気経路２０ａ」は、原則的に造形プレート２１が配置される領域に設けられる。このような態様では、「光ビームＬの照射ポイントから発生するヒューム６０」が、金属粉末層１９、「造形プレート２１の通気経路２１ａ」および「造形テーブル２０の通気経路２０ａ」を介してチャンバー外へと排出される。かかる態様の利点は、造形プレートの配置領域から雰囲気ガスを排出できるので、ヒューム発生ポイントに近い位置からヒュームを吸引除去できることである。つまり、ヒュームをより効果的にチャンバー内から除去できる。

（造形プレートおよび焼結層の通気経路を介した排気）
「造形プレートおよび焼結層の通気経路を介した排気」の態様を図８に示す。図示するように、造形テーブル２０および造形プレート２１に通気経路２０ａ,２１ａを設けることに加えて、焼結層２４、即ち造形物領域にも通気経路２４ａ（開口部）を設けている。かかる態様では、「造形テーブル２０の通気経路２０ａ」と「造形プレート２１の通気経路２１ａ」と「焼結層２４の通気経路２４ａ」とは相互に流体連通している。従って、「造形テーブル２０の通気経路２０ａ」は、造形プレート２１が配置される領域に設けられており、「焼結層２４の通気経路２４ａ」は、それらの通気経路（２０ａ,２１ａ）の位置に合わせて設けられる。尚、「焼結層の通気経路」は、金属粉末層に対して照射される光ビームを制御することによって形成できる。例えば、通気経路２４ａを成す粉末層領域ａには光ビームは照射しない一方、粉末層領域ａの周辺の領域は光ビームを所定通り照射して金属粉末を焼結させることによって形成できる。図８に示すような態様では、発生したヒューム６０が、「焼結層２４の通気経路２４ａ」と「造形プレート２１の通気経路２１ａ」と「造形テーブル２０の通気経路２０ａ」とを介してチャンバー外へと下方に向かって排出される。かかる態様の利点は、金属粉末層／焼結層の表面を起点にして雰囲気ガスが排出されるので、ヒュームをより効果的にチャンバー内から除去できることである。特に、ヒュームの発生ポイントの極近傍から雰囲気ガスを排気できるので、発生したヒュームが上方へ向かって拡散する前にヒュームをより迅速に除去できる。

尚、焼結層の通気経路は、最終的には、図９（ａ）に示すように、その通気経路２４ａが造形物表面２４ｃに現れることのないように塞ぐことが好ましい。これにより、造形物２４を金型として好適に用いることができる。但し、通気経路２４ａをＫＯピンやノックアウトピン等の穴として用いる場合には、通気経路２４ａを塞ぐ必要は特にない。つまり、通気経路２４ａが造形物表面２４ｃに現れていてもよい。

また、図９（ｂ）に示すように、「造形物２４の通気経路２４ａ」は、冷却液通路（例えば金型温度調節用水管）として用いてもよい。つまり、「焼結層の通気経路」は、造形物製造時にて雰囲気ガス（ヒューム）の通気経路として用いると共に、造形物完成後にて造形物の冷却水路として用いる。これにより、造形時および造形後のいずれにとっても望ましい効果が奏されることになる。

（ポーラス状焼結物を介した排気）
かかる態様は、図１０（ａ）に示すように、造形物２４のポーラス状焼結部２４ｂを介してチャンバー内の雰囲気ガスを排気する態様である。図示するように、ポーラス状焼結部２４ｂは、「造形テーブル２０の通気経路２０ａ」および「造形プレート２１の通気経路２１ａ」と相互に流体連通している。尚、ポーラス状の焼結部２４ｂ（即ち“粗状態”の焼結部）は、光ビームＬの照射条件を制御することによって形成できる。例えば、「ポーラス状焼結部２４ｂ」を成す粉末層領域ｂに照射する光ビームの出力エネルギーを低くして焼結密度を不十分なものとする一方（例えば焼結密度を約４０％〜約９０％とする）、粉末層領域ｂの周辺の領域は光ビームを所定通り照射して焼結部を形成する。このように（ａ）光ビームの出力エネルギーを下げることの他に、（ｂ）光ビームの走査速度を上げる、（ｃ）光ビームの走査ピッチを拡げる、（ｄ）光ビームの集光径を大きくすること等によってもポーラス状焼結部２４ｂを形成することができる。上記（ａ）〜（ｄ）は、単独で行ってもよいものの、それらを種々に組み合わせて行ってもよい。尚、上記（ａ）について言えば、例えば光ビームの照射エネルギー密度Ｅを約２〜３Ｊ／ｍｍ^２とすることによって焼結密度を約７０〜８０％程度にすることができる。ポーラス状焼結部を形成する態様では、「焼結層２４のポーラス状焼結部２４ｂ」と「造形プレート２１の通気経路２１ａ」と「造形テーブル２０の通気経路２０ａ」を介してチャンバー外へとヒューム６０が排出される。かかる態様の利点は、金属粉末層／焼結層（ポーラス状焼結部）の表面を起点にして雰囲気ガスを排出できるので、ヒュームをより効果的にチャンバー内から除去できることである。特に、ヒュームの発生ポイントの極近傍から雰囲気ガスを迅速に排気できるので、発生したヒュームが上方へ向かって拡散する前にヒュームを除去できるだけでなく、ポーラス状焼結部が未焼結粉末の落下を防ぐように機能する点で利点を有する。また、例えば図１０（ａ）に示すようなポーラス状焼結部２４ｂが造形物に存在する場合、得られた造形物を金型として好適に用いることができる。これについて詳述すると次のようになる。一般に、溶融した樹脂を金型内に射出する際、キャビティー内の空気および発生したガスが抜けなければ樹脂の未充填が起こり、更に圧縮された空気やガスが異常加熱されて樹脂成型品に“焼け”などが発生してしまう。この点、図１０（ａ）に示すような造形物を金型として用いた場合では、ポーラス状焼結部２４ｂがガス抜き用経路として機能することになり、所望の樹脂成形品を得ることができる。

尚、「金属粉末の落下防止」の観点からは、ポーラス状焼結部２４ｂを図１０（ｂ）に示すように設けてもよい。つまり、造形プレート２１の通気経路２１ａに栓をするようにポーラス状の焼結部２４ｂを局所的に形成してもよい。これにより、ポーラス状焼結部よりも上方に供される金属粉末の落下を好適に防止することができる。

「ポーラス状焼結部を介した排気」については、その他に種々の態様が考えられ、例えば図１１（ａ）〜１１（ｃ）に示すような態様が想定される。図１１（ａ）は、ポーラス状焼結部２４ｂの下方に位置する「造形プレートの通気経路２１ａ」を折れ曲がるように形成した態様である。図示する態様では、通気経路２１ａの“折れ曲り”に起因して、その上の金属粉末が下方へと落下することを好ましく防止できる。図１１（ｂ）および図１１（ｃ）は、複数のポーラス状焼結部２４ｂと流体連通する「造形プレート２１の通気経路２１ａ」を１つの経路を成すべく相互に接続した態様である。これにより、ポーラス状焼結部２４ｂの個数および位置に拘わりなく、造形テーブルにつながる「造形プレートの通気経路」を１つにすることができる。換言すれば、造形プレートの通気経路の形態を変更するだけでポーラス状焼結部の位置および／または個数を適宜自由に決めることができるといえる。図１１（ｂ）に示す態様では、「造形プレートの通気経路２１ａ」と「造形テーブルの通気経路２０ａ」との間をチューブ５３で接続し、造形プレートが在置していない造形テーブル領域から吸引除去している一方、図１１（ｃ）に示す態様では、造形プレートが在置している造形テーブル領域から吸引除去している（図示するように造形プレート２１の通気経路２１ａに例えば栓部材５４を用いて排気経路を変えることができる）。図１１（ｂ）および１１（ｃ）から分かるように、造形プレートの通気経路の形態によって、雰囲気ガスの排気は所望の箇所から行うことができる。

（給気を組み合わせた排気）
かかる態様は、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、ヒューム６０が好ましく通気経路へと案内されるように、チャンバー内への給気を焼結層の近傍にて行う態様である。図示するように、発生したヒューム６０ができるだけ最短距離で通気経路に導かれるように給気を行う。これにより、ヒュームの上昇をできる限り抑えた状態でチャンバー内からヒュームを除去することができる。図１２（ａ）に示す態様では、一方の通気経路（２０ａ,２１ａ,２４ａ）から雰囲気ガスを供給しつつ、他方の通気経路（２０ａ’,２１ａ’,２４ａ’）から“ヒュームを含んだ雰囲気ガス”を吸引除去している。また、図１２（ｂ）では、上方から雰囲気ガスを供給しつつ、その給気ポイントの周囲に位置する通気経路（２１ａ，２０ａ／２１ａ’，２０ａ’）から“ヒュームを含んだ雰囲気ガス”を吸引除去している。このように“給気”および“吸引除去”を連続的に行う場合では、金属粉末層および／または焼結層の表面近傍にて不活性ガスが常時流れることになるので、いわゆる“不活性シールド”が形成され得る。その結果、焼結層の酸化を効果的に防止することができ、造形物の品質が向上し得るといった効果も奏される。

［本発明の製造装置］
次に、本発明の製造方法の実施に好適な装置について説明する（粉末として金属粉末を用い、固化層が焼結層となる態様を例にとって説明する）。かかる装置は、図１、図２および図１３に示すように
金属粉末層を形成するための粉末層形成手段２、
金属粉末層および／または焼結層が形成されることになる造形テーブル２０、
焼結層が形成されるように金属粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段３、ならびに
粉末層形成手段および造形テーブルを内部に具備するチャンバー５０
を有して成り、
造形テーブル２０には、チャンバー内の雰囲気ガスを排気または給気するための通気経路２０ａが設けられ、配管５５を介して通気経路２０ａが吸気ポンプまたは供給ポンプ（５７,５８）と接続されている。かかる製造装置は、図１３に示すように、造形テーブル２０に設けられた通気経路２０ａが吸気ポンプ５７（例えば排気ファン）と接続していることに起因して、チャンバー内の雰囲気ガスの少なくとも一部が造形テーブルを介して下方へと排気できるようになっている。かかる装置の動作も含めて、「粉末層形成手段２」、「造形テーブル２０」、「光ビーム照射手段３」および「チャンバー５０」等については、上述の［粉末焼結積層法］で説明しているので、重複を避けるために説明を省略する。

尚、造形に際して造形テーブル２０上に設けられる造形プレート２１を備える態様では、造形プレート２１にチャンバー５０内の雰囲気ガスを排気または給気するための通気経路２１ａが設けられる。この場合、造形テーブル２０の通気経路２０ａと造形プレート２１の通気経路２１ａとを相互に流体連通させる（例えば図７および図１３参照）。

造形テーブル２０の通気経路２０ａに接続されている配管５５には、集塵装置７０が設けられていることが好ましい（図１３参照）。これにより、排気された雰囲気ガスを集塵処理した後、チャンバー内へと戻すことができる。即ち、集塵除去のようなガス清浄化を行うことによって、連続的な給排気操作を行うことができ、ヒュームが連続的にチャンバー内から除去できる。集塵装置７０は、例えばフィルターを有して成るものであってよく、フィルターを通すことによってヒューム（更には「飛散して排気された金属粉末」）を捕捉する。フィルターとしては、ヒュームや金属粉末の捕捉に有効であればどのようなものであってもよく、例えばラビリンス型のものを用いてよい。また、遠心力を利用して集塵してもよい（つまり、サイクロンなどの遠心集塵器を使用してもよい）。更には、粉末が金属粉末の場合ではヒューム自体が金属蒸気を含み得るので、磁石等の手段を用いて集塵処理してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の適用範囲のうちの典型例を例示したに過ぎない。従って、本発明はこれに限定されず、種々の改変がなされ得ることを当業者は容易に理解されよう。

例えば、上述の説明では、通気経路が造形テーブル２０に設けられる態様を主として例示したが（図６参照）、必ずしもかかる態様に限定されるわけではない。例えば、造形タンクのタンク壁部（図６にて“２７”で示す部分）に通気経路を設けて、かかる通気経路からチャンバー内の雰囲気ガスを排気してもよい。

尚、上述の実施形態では、『粉末層が金属粉末層であって、固化層が焼結層となる態様Ａ』を例にとって主に説明しているが、『粉末層が樹脂粉末層であって、固化層が硬化層となる態様Ｂ』であっても、これまで説明してきた態様Ａと同様の特徴・効果などを有し得ることを当業者は容易に理解できるであろう。

本発明の三次元形状造形物の製造方法を実施することによって、種々の物品を製造することができる。例えば、『粉末層が金属粉末層であって、固化層が焼結層となる場合』では、得られる三次元形状造形物をプラスチック射出成形用金型、プレス金型、ダイカスト金型、鋳造金型、鍛造金型などの金型として用いることができる。また、『粉末層が樹脂粉末層であって、固化層が硬化層となる場合』では、得られる三次元形状造形物を樹脂成形品して用いることができる。

光ビームの照射によってヒュームがチャンバー内に発生する態様を模式的に表した斜視図 粉末焼結積層法が実施される光造形複合加工機の構成を模式的に示した斜視図 光造形複合加工機の動作のフローチャート 光造形複合加工機の動作を模式的に示した断面図 本発明の特徴を概念的に示した模式図 造形テーブルに通気経路を有する態様を模式的に示した断面図 造形テーブルおよび造形プレートに通気経路を有する態様を模式的に示した断面図 造形テーブル、造形プレートおよび焼結層に通気経路を有する態様を模式的に示した断面図 図９（ａ）：造形物の表面近傍の通気経路を塞いだ態様を模式的に示した断面図、図９（ｂ）：造形物の通気経路を金型の冷却液通路として用いる態様を模式的に示した断面図 図（ａ）：ポーラス状焼結部を介して排気する態様を模式的に示した断面図、図１０（ｂ）：造形プレートの通気経路に栓をするように局所的に形成するポーラス状の焼結部の態様を模式的に示した断面図 ポーラス状焼結部を介して排気する種々の態様を模式的に示した断面図 チャンバー内への給気を焼結層の近傍で行う態様を模式的に示した断面図 本発明の製造装置の主たる構成を示した模式図

符号の説明

１ 光造形複合加工機
２ 粉末層形成手段
３ 光ビーム照射手段
４ 切削手段
１９ 粉末／粉末層（例えば金属粉末/金属粉末層または樹脂粉末／樹脂粉末層）
２０ 造形テーブル
２０ａ 造形テーブルの通気経路
２０ａ’ 造形テーブルの通気経路
２１ 造形プレート
２１ａ 造形プレートの通気経路
２１ａ’ 造形プレートの通気経路
２２ 粉末層（例えば金属粉末層または樹脂粉末層）
２３ スキージング用ブレード
２４ 固化層（例えば焼結層または樹脂層）またはそれから得られる造形物
２４ａ 固化層（例えば焼結層または硬化層）の通気経路
２４ａ’ 固化層（例えば焼結層または硬化層）の通気経路
２４ｂ ポーラス状固化部分（例えばポーラス状焼結部またはポーラス状硬化部）
２５ 粉末テーブル
２６ 粉末材料タンクの壁部分
２７ 造形タンクの壁部分
２８ 粉末材料タンク
２９ 造形タンク
３０ 光ビーム発振器
３１ ガルバノミラー
４０ ミーリングヘッド
４１ ＸＹ駆動機構
５０ チャンバー
５２ 光透過窓
５３ チューブ
５４ 栓部材
５５ 配管
５７ 吸気ポンプ
５８ 給気ポンプ
６０ ヒューム
７０ 集塵装置
６１ バルブ
６２ バルブ
６３ バルブ
Ｌ 光ビーム

Claims (7)

1. （ｉ）造形テーブルに設けた粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
   （ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
   をチャンバー内において繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
   造形テーブルに設けられた造形プレート上において粉末層および／または固化層が形成され、
   造形プレートとして通気経路を少なくとも２つ有する造形プレートを用い、造形テーブルの、少なくとも２つあり、前記造形プレートの通気経路のそれぞれと流体連通する通気経路を介して、造形プレートの一の通気経路からチャンバー内へとガス供給を行うと共に造形プレートの他の通気経路からチャンバー内の雰囲気ガスの少なくとも一部をチャンバー内から排気することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
2. 雰囲気ガスの前記排気を行うことによって、光ビームの照射によって発生するヒュームの少なくとも一部をチャンバー内から除去することを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
3. 固化層に形成した通気経路を更に介して、雰囲気ガスの少なくとも一部を排気することを特徴とする、請求項１または２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
4. 固化層の一部をポーラス状に形成し、ポーラス状の固化部分を更に介して、雰囲気ガスの少なくとも一部を排気することを特徴とする、請求項１または２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
5. 造形プレートの通気経路に栓をするようにポーラス状の固化部分を形成することを特徴とする、請求項４に記載の三次元形状造形物の製造方法。
6. 前記排気された雰囲気ガスを集塵処理した後、チャンバーへと戻すことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
7. 粉末層を形成するための粉末層形成手段、
   粉末層および／または固化層が形成されることになる造形テーブル、
   固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段、ならびに
   粉末層形成手段および造形テーブルを内部に具備するチャンバー
   を有して成り、
   造形テーブルには、チャンバー内の雰囲気ガスを排気および給気するための少なくとも２つの通気経路が設けられ、該通気経路がそれぞれ吸気手段および供給手段と接続しており、
   造形テーブル上に造形プレートが設けられ、該造形プレートにチャンバー内の雰囲気ガスを排気および給気するための少なくとも２つの通気経路が設けられ、造形テーブルの通気経路と造形プレートの通気経路とが相互に流体連通している、三次元形状造形物の製造装置。

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