WO2015005497A1

WO2015005497A1 - 三次元形状造形物の製造方法およびその製造装置

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Publication number: WO2015005497A1
Application number: PCT/JP2014/068847
Authority: WO
Inventors: 阿部　諭; 武南　正孝; 武松本
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2015-01-15
Also published as: EP2910323A1; KR20150043564A; KR20160019558A; CN104768681A; KR102126243B1; TW201532711A; TWI542424B; JP2015017295A; EP2910323A4; JP5612735B1; CN104768681B; US20150290741A1; EP2910323B1; US9586285B2; KR20170038112A

Abstract

　"工具折損トラブル"などの不都合を減じることができる粉末焼結積層法を提供すること。本発明の製造方法は、（ｉ）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、該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によって粉末層形成および固化層形成を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、固化層および／または三次元形状造形物が得られた後において固化層および／または三次元形状造形物の表面に切削デバイスで表面切削処理を施す工程を少なくとも１回含み、表面切削処理に先立っては、固化層および／または三次元形状造形物の周囲の粉末を吸引ノズルによって吸引除去し、また、吸引除去に際しては、吸引ノズルの先端レベルＡが切削デバイスの先端レベルＢよりも低い位置になるように先端レベルＡと該先端レベルＢとの相対的な位置関係を変更し、また、吸引ノズルおよび切削デバイスが相互に隣接して設けられた状態で吸引ノズルを吸引除去に用いることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法である。

Description

三次元形状造形物の製造方法およびその製造装置

　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。

　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、以下の工程（ｉ）および（ｉｉ）を繰り返して三次元形状造形物を製造している（特許文献１または特許文献２参照）。
　（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する工程。
　（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工程。

　粉末材料として金属粉末やセラミック粉末などの無機質の粉末材料を用いた場合では、得られた三次元形状造形物を金型として用いることができる。一方、樹脂粉末やプラスチック粉末などの有機質の粉末材料を用いた場合では、得られた三次元形状造形物をモデルとして用いることができる。このような製造技術に従えば、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。

　粉末材料として金属粉末を用い、得られる三次元形状造形物を金型として用いる場合を例にとる。図１に示すように、まず、所定の厚みｔ１の粉末層２２を造形プレート２１上に形成した後（図１（ａ）参照）、光ビームを粉末層２２の所定箇所に照射して、造形プレート２１上において固化層２４を形成する（図１（ｂ）参照）。そして、形成された固化層２４の上に新たな粉末層２２を敷いて再度光ビームを照射して新たな固化層を形成する。このように繰り返し固化層を形成すると、複数の固化層２４が積層一体化した三次元形状造形物を得ることができる。最下層に相当する固化層は造形プレート面に接着した状態で形成され得るので、三次元形状造形物と造形プレートとは相互に一体化した状態となり、そのまま金型として用いることができる。

　光ビームの照射で得られる三次元形状造形物は、その表面が比較的粗く、一般的に数１００μｍＲｚ程度の表面粗さを有している。これは、固化層表面に粉末が付着するからである。固化層形成時では、光ビーム・エネルギーが熱に変換されるので照射粉末がいったん溶融してから冷却過程で粉末同士が融着する。この際、光ビームが照射されるポイントの周辺の粉末領域の温度も上昇し得るため、当該周辺の粉末が固化層表面に付着してしまう。かかる付着粉末は三次元形状造形物に“表面粗”さをもたらすことになるので、三次元形状造形物の表面を切削加工する必要がある。即ち、得られる三次元形状造形物の表面を全体的に切削加工に付す必要がある。

特表平１−５０２８９０号公報特開２０００−７３１０８号公報

　粉末焼結積層法の切削加工処理において、本願発明者らは、造形物周囲に粉末が存在すると、工具折損トラブルがより多く発生し得るといった現象を見出した（図１４（ａ）参照）。特定の理論に拘束されるわけではないが、造形物表面と切削工具との間に粉末が噛み込むことで切削工具に掛かる負荷が増加することが要因の１つとして考えられる。

　また、造形物周囲に粉末が存在すると、造形物表面に不必要な負荷がもたらされ、造形物の表面平滑性が損なわれ得るといった現象も見出した（図１４（ｂ）参照）。これも、造形物表面と切削工具との間の粉末の噛込みが原因の１つとして考えられる。

　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、“工具折損トラブル”などの不都合を減じることができる粉末焼結積層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）および（ｉｉ）の工程で粉末層形成および固化層形成を繰り返して行い、以下の如くの（ａ）~（ｃ）の特徴を有する三次元形状造形物の製造方法が提供される。
　（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して当該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。
　（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、その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。
　（ａ）固化層および／または三次元形状造形物が得られた後において固化層および／または三次元形状造形物の表面に切削デバイスで表面切削処理を施す工程を少なくとも１回含む。
　（ｂ）表面切削処理に先立っては、固化層および／または三次元形状造形物の周囲の粉末を吸引ノズルで吸引除去する。
　（ｃ）吸引除去に際しては「吸引ノズルの先端レベルＡ」と「切削デバイスの先端レベルＢ」との相対的な位置関係を変更する。

　ある好適な態様では、切削デバイスの先端レベルＢが吸引ノズルの先端レベルＡよりも上方となるように切削デバイスの形態を変え、それによって、「吸引ノズルの先端レベルＡ」と「切削デバイスの先端レベルＢ」との相対的な位置関係を変更する。例えば、切削デバイスが、主軸台、ツーリングおよび切削工具を有して成る場合、ツーリングおよび切削工具の代わりにダミー・ツーリングのみを主軸台に取り付けた状態としてよい。そして、かかる「ダミー・ツーリングのみを主軸台に取り付けた状態」でもって吸引ノズルの吸引除去を実施する。ダミー・ツーリングは例えばツーリングと同一種のツーリングであってよい。別法として、ツーリングおよび切削工具を主軸から取り外した状態とし、かかる「ツーリングおよび切削工具を主軸から取り外した状態」でもって吸引ノズルの吸引除去を実施してもよい。

　別のある好適な態様では、「吸引ノズルの先端レベルＡ」が「切削デバイスの先端レベルＢ」よりも下方レベルとなるように吸引ノズルを駆動させ、「吸引ノズルの先端レベルＡ」と「切削デバイスの先端レベルＢ」との相対的な位置関係を変更する。

　別のある好適な態様では、吸引除去時において「最直近にて形成された粉末層」と「吸引ノズルの先端レベルＡ」との間の離隔距離は５ｍｍ以内とする。

　別のある好適な態様では、吸引ノズルと切削デバイスとが相互に隣接して設けられた状態となっており、このように相互に隣接した状態で吸引ノズルの吸引除去を実施する。

　本発明では、上記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。かかる本発明の製造装置は、粉末層形成手段、光ビーム照射手段、造形テーブル、吸引ノズル、ならびに、切削デバイスを有して成る。粉末層形成手段は、粉末層を形成するための手段である。光ビーム照射手段は、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手段である。造形テーブルは、その上に粉末層および／または固化層が形成されることになるテーブルである。吸引ノズルは、粉末層の少なくとも一部の粉末を吸引除去するための器具である。そして、切削デバイスは、固化層および当該固化層から形成される三次元形状造形物に対して表面切削処理を施すための機械である。特に本発明の製造装置では「吸引ノズルの先端レベルＡ」と「切削デバイスの先端レベルＢ」との相対的な位置関係を変更できるように構成されている。

　本発明の製造装置のある好適な態様では、切削デバイスが、主軸台、ツーリングおよび切削工具を有して成り、かかるツーリングと取り替えることができるダミー・ツーリングを別途備えている。

　別のある好適な態様では、吸引ノズルの軸と切削デバイスの軸とが略平行となるように吸引ノズルおよび切削デバイスが相互に隣接して配置されている。

　本発明に従えば、固化層および／または三次元形状造形物の周囲の粉末が表面切削処理に先立って吸引除去されるので、“造形物表面と切削工具との間の粉末噛込みに起因した工具折損トラブル”を減じることができる。また、造形物表面と切削工具との間の粉末噛込みが減じられるので、切削処理に際して造形物表面に及ぼされる負荷を減少させることができ、造形物の表面平滑性を向上させることができる。

　粉末の吸引除去は吸引ノズルによって粉末層に局所的に施すことができるので、効率的に行うことができ、三次元形状造形物の製造時間への影響は少ない。特に本発明では“吸引ノズルの吸引除去”が切削デバイスによって阻害されないので、その点でより効率的な吸引除去が可能となる。具体的には、吸引除去処理において吸引ノズルを水平移動させて操作する際（例えば、吸引ノズルを造形物の断面輪郭に沿って周回するように水平移動させる場合）、切削デバイスと造形物との衝突を回避できる。

粉末焼結積層法を説明するための断面図粉末焼結積層法を実施するための装置を模式的に示した斜視図（図２（ａ）：切削機構を備えた光造形複合加工機、図２（ｂ）：切削機構を備えていない装置）粉末焼結積層法が行われる態様を模式的に示した斜視図粉末焼結積層法を表面切削処理と併せて実施する装置（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によるプロセスを経時的に示した模式図本発明の概念（本発明の製造方法の概念／本発明の製造装置の構成概念）を模式的に表した図本発明における“吸引ノズル”を説明するための図吸引ノズルおよび切削デバイスの配置態様を示す模式図 “切削デバイスの形態を変える態様”を説明するための模式図 “ダミー・ツーリングを用いる態様”に関連した模式図 “吸引ノズルに対して積極的に操作を施す態様”を説明するための模式図本発明に関連する実証実験を説明するための図・グラフ本願発明者らが見出した現象を説明するための図・写真図

　以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。図面における各種要素の形態・寸法などは、あくまでも例示であって、実際の形態・寸法を反映するものではないことに留意されたい。

　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」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。

　本明細書において「上方」とは造形物の製造時にて固化層が積層される方向を実質的に意味している一方、「下方」とは、当該“上方”と真逆の方向（即ち、鉛直方向）を実質的に意味している。

［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。説明の便宜上、材料粉末タンクから材料粉末を供給し、スキージング・ブレードを用いて材料粉末を均して粉末層を形成する態様を前提として粉末焼結積層法を説明する。また、粉末焼結積層法に際しては造形物の切削加工をも併せて行う複合加工の態様を例に挙げて説明する（つまり、図２（ｂ）ではなく図２（ａ）に表す態様を前提とする）。図１、３および４には、粉末焼結積層法と切削加工とを実施できる光造形複合加工機の機能および構成が示されている。光造形複合加工機１は、粉末層形成手段２と、造形テーブル２０と、造形プレート２１と、光ビーム照射手段３と、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、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ためのものである。造形テーブル２０は、外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内において上下に昇降できるテーブルである。造形プレート２１は、造形テーブル２０上に配され造形物の土台となるプレートである。光ビーム照射手段３は、光ビームＬを任意の位置に照射するための手段である。切削手段４は、造形物表面（特に側面）を削るための機械加工手段である。

　粉末層形成手段２は、図１に示すように、「外周が壁２６で囲まれた材料粉末タンク２８内において上下に昇降する粉末テーブル２５」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・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３および図４に示すように、「光ビームＬ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。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レンズなどが具備されていてよい。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（４１ａ，４１ｂ）」とを主として有して成る（図３および図４参照）。

　光造形複合加工機１の動作を図１、図５および図６を参照して詳述する。図５は、光造形複合加工機の一般的な動作フローを示しており、図６は、光造形複合加工機のプロセスを模式的に示している。

　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表面切削ステップ（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１（ａ）に示すように、スキージング・ブレード２３を、矢印ａの水平方向に移動させる。これにより、粉末テーブル２５に配されていた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に均して粉末層２２を形成する（Ｓ１３）。粉末層の粉末としては、例えば「平均粒径５μｍ~１００μｍ程度の鉄粉」および「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」を挙げることができる。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する（Ｓ２２）。これにより、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）。光ビームＬとしては、例えば炭酸ガスレーザ（５００Ｗ程度）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（５００Ｗ程度）、ファイバレーザ（５００Ｗ程度）および紫外線などを挙げることができる。光ビームＬは、空気中を伝達させることに限定されず、光ファイバーなどで伝送させてもよい。

　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１（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、表面切削ステップ（Ｓ３）へと移行する。図１および図６に示すような態様ではミーリングヘッド４０を駆動させることによって切削ステップの実施を開始している（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（４１ａ，４１ｂ）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から成る造形物に対して表面切削処理を施す（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の積層を継続することによって、三次元形状造形物の製造を行う（図６参照）。

　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、表面切削ステップ（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］
　本発明は、上述した粉末焼結積層法のなかでも、表面切削処理時の態様に特徴を有している。

　本発明の製造方法は、固化層および／または三次元形状造形物が得られた後においてそれらの表面（特に側面）に切削デバイスでもって表面切削処理を施す工程を少なくとも１回含んでいる。本発明では、かかる表面切削処理に先立って固化層および／または三次元形状造形物の周囲の粉末を吸引ノズルで除去することを実施し、かかる吸引除去に際して吸引ノズルと切削デバイスとの相対的な位置関係を変更する（図７参照）。

　より具体的には、本発明では「吸引ノズルの先端レベルＡ」と「切削デバイスの先端レベルＢ」との相対的な位置関係を吸引除去処理に先立って変更する。つまり、粉末の吸引除去に先立って「吸引ノズルの吸引口部」と「切削デバイスの切削側部品」との垂直方向レベル（高さレベル）を相対的に変更する。

　本発明にいう「吸引ノズル」とは、広義には、粉末層の粉末を吸い込むことができるデバイスのことを意味している。“ノズル”ゆえ、粉末の吸込みに供する部分が筒形態（特に細筒形態）を有していることが好ましい（かかる観点から、本発明における吸引ノズルは“筒状吸引デバイス”と称すこともできる）。例えば図７に示されるように、吸引ノズル６０は、細筒部６２と、その細筒部に接続された吸引器具６４とから少なくとも構成され得る。

　吸引ノズルの細筒部は、その内径が好ましくは０．５~１８ｍｍ、より好ましくは１．５ｍｍ~１５ｍｍ、更に好ましくは１．８ｍｍ~１０ｍｍとなっている。また、吸引ノズルの細筒部６２は、図８に示されるように、先端側がより狭窄した形態を有していることが好ましい。かかる場合、狭窄部分の内径は、好ましくは０．５ｍｍ~５ｍｍ、より好ましくは０．５ｍｍ~３ｍｍとなっている。このように細筒部の先端が狭窄した形態になっていると、吸引時の流速（吸引口部の粉末流速）が速くなるので吸引効率が向上し得る。

　図８に示されるように、吸引ノズルの細筒部６２は、連結ホース６６を介して吸引器具６４に接続されていることが好ましい。吸引器具６４は例えばサイクロン集塵機であってよく、連結ホース６６は例えばフレキシブルホースであってよい。

　本発明にいう「切削デバイス」とは、固化層及びそれから得られる三次元形状造形物の表面（特に側面部分）に対して表面切削処理を施すことができる機械のことを実質的に意味している。例えば、切削デバイスは、汎用の数値制御（ＮＣ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）工作機械またはそれに準ずるものである。特に、切削工具（エンドミル）を自動交換可能なマシニングセンタ（ＭＣ）であることが好ましい。

　図７に示されるように、かかる切削デバイス７０は、例えば「主軸台７２」、「主軸台に取り付けられたツーリング７４」および「ツーリングに取り付けられた切削工具７６」を少なくとも有して成る。切削デバイスのツーリング７４は、主軸台７２と切削工具７６との間に設けられるものであり、切削工具７６の保持固定に供する（かかる観点から、本発明におけるツーリングは“工具保持具”とも称すことができる）。切削デバイスの切削工具７６は、エンドミル、例えば超硬素材の二枚刃ボールエンドミル、スクエアエンドミル、ラジアスエンドミルなどであってよい。

　尚、切削デバイスの「先端レベルＢ」とは、直接的および間接的に切削に資することになる機械部品における下端部レベルのことを実質的に意味している。より具体的には、切削デバイスのうち主軸台、ツーリングおよび切削工具などが備えられた部分に相当する“切削側部品”における下端部レベルのことを意味している。

　本発明において、吸引ノズルと切削デバイスとは相互に隣接して設けられていることが好ましい。具体的には、図９に示すように、吸引ノズル６０の軸６０ａと切削デバイス７０の軸７０ａとが略平行となるように吸引ノズル６０および切削デバイス７０が相互に隣接していることが好ましい。「吸引ノズルの軸」とは、例えば吸引ノズルの細筒部の長手方向軸を意味する一方、「切削デバイスの軸」とは、例えば切削工具の長手方向軸、ツーリングもしくはダミー・ツーリングの長手方向軸または主軸の中央軸を意味している。尚、「相互に隣接している」とは、例えば吸引ノズル６０の軸６０ａと切削デバイス７０の軸７０ａとの離隔距離ＧまたはＧ’（図９参照）が好ましくは１０ｍｍ~４０ｍｍ、更に好ましくは１５ｍｍ~３０ｍｍとなっていることを意味している。

　表面切削処理に先立って行われる吸引除去に際しては、吸引ノズルを例えば水平方向に動かすように操作する。つまり、吸引ノズルの高さレベル（固化層の積層方向に沿った垂直方向の位置レベル）を実質的に変えることなく吸引ノズルを移動させる。換言すれば、「最直近にて形成された粉末層および／または固化層」の上方において吸引ノズルを移動させるが、当該粉末層および／または固化層に対する垂直方向の離隔距離を変えずに吸引ノズルを移動させる。上述の如く吸引ノズルと切削デバイスとが相互に隣接して設けられている場合では、水平方向にて切削デバイスと隣接した設置状態で吸引ノズルが吸引除去に用いられることになる。

　本発明の製造方法では、吸引除去に先立って「吸引ノズルの先端レベルＡ」と「切削デバイスの先端レベルＢ」との相対的な位置関係を変更するが、かかる変更は、例えば切削デバイスの形態を変えることによって行ってよい。より具体的には、「切削デバイスの先端レベルＢ」が「吸引ノズルの先端レベルＡ」よりも上方となるように「切削デバイスの形態を変え、それによって、「吸引ノズルの先端レベルＡ」と「切削デバイスの先端レベルＢ」との相対的な位置関係を変更してよい。あくまでも例示にすぎないが、「切削デバイスの先端レベルＢ」が「吸引ノズルの先端レベルＡ」よりも０（０を含まず）ｍｍ~１５ｍｍ上方、好ましくは２ｍｍ~１０ｍｍ上方となるようにそれらの相対的な位置関係を変更してよい。

　本発明にいう「切削デバイスの形態を変える」とは、吸引除去に先立って切削デバイスの外輪郭が全体として変わるように変化させることを意味している。例えば、切削デバイスの構成要素を積極的に変えることによって、切削デバイスの外輪郭を全体として変えることを意味している。

　“切削デバイスの形態を変える態様”は、切削デバイスの構成要素を部分的に取り外した状態とすることによって達成してよい。例えば切削デバイスが、主軸台７２、ツーリング７４および切削工具７６を有して成る場合、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、「ツーリング７４および切削工具７６を主軸台７２から取り外した状態」としてもよい。換言すれば、「ツーリング７４および切削工具７６を主軸台７２から取り外した状態」でもって、吸引ノズルによる吸引除去を実施してよい。かかる場合、吸引除去処理の前に、切削機械の主軸台７２からツーリング７４および切削工具７６を取り外し、その取り外した状態を維持して吸引除去を引き続いて実施する。ツーリング７４および切削工具７６を取り外すと、切削デバイスの全体レベルが吸引ノズルの先端レベルＡよりも上方となる。つまり、露出した主軸台７２の下面のレベルが吸引ノズルの先端レベルＡよりも上方に位置するので、切削デバイスによって阻害されずに“吸引ノズルの吸引除去”を効率的に実施できることになる。尚、吸引ノズルと切削デバイスとが相互に隣接して設けられている場合、切削デバイスの主軸台と隣接した状態で吸引ノズルが吸引除去に用いられることになる。

　“切削デバイスの形態を変える態様”は、図１０（ａ）および（ｃ）に示すように、ツーリング７４および切削工具７６の代わりに「ダミー・ツーリング７４’のみを主軸台７２に取り付けた状態」によって達成してもよい。つまり、「ダミー・ツーリング７４’のみを主軸台７２に取り付けた状態」でもって、吸引ノズルによる吸引除去を実施してよい。これは、吸引除去時にはダミー・ツーリングにエンドミルなどが設けられていない状態となっている（ツーリングの端面から下方側に何も設けられていない切削デバイスとなっている）ことを意味している。

　本発明における「ダミー・ツーリング」とは、切削工具を保持するためのツーリングではなく、吸引ノズルと切削デバイスとの相対的な位置関係を変更するためのツーリングを意味している。つまり、吸引ノズルと切削デバイスとの相対的な位置関係の変更に専ら資するツーリングが本発明におけるダミー・ツーリングに相当する。

　ダミー・ツーリングの態様では、吸引除去操作に先立って、切削機械の主軸台７２からツーリング７４および切削工具７６を取り外した後、ダミー・ツーリング７４’を主軸台７２に取り付ける。ダミー・ツーリング７４’を主軸台７２に設けた後、その状態で吸引除去を引き続いて実施する。ダミー・ツーリング７４’のみを主軸台に取り付けた状態とすることによって、切削デバイスの全体レベルが吸引ノズルの先端レベルＡよりも上方となる。つまり、ダミー・ツーリング７４’の下面のレベルが吸引ノズルの先端レベルＡより上方に位置するので、切削デバイスによって阻害されずに“吸引ノズルの吸引除去”を効率的に実施できる。尚、吸引ノズルと切削デバイスとが相互に隣接して設けられている場合、切削デバイスのダミー・ツーリングと隣接した状態で吸引ノズルが吸引除去に用いられることになる。

　図１１を参照して詳述する。表面切削処理時には所定距離Ｐ（“切削時のツーリング”と“最直近形成の固化層”とのギャップ）以上の長さを少なくとも有する切削工具を用いる（例えば、ツール番号や切削工具長さなどは一定とする）。これにより、固化層の側面に対して好適に表面切削処理を施すことができる。吸引ノズルは、その先端レベルが少なくとも“最直近形成の粉末層”よりも上方となるように設ける（即ち、“最直近形成の固化層”よりも上方となるように設ける）。一方、ダミー・ツーリングが用いられる場合、主軸に取り付けられたダミー・ツーリングについて、その下端部と“最直近形成の固化層”とのギャップＨが“吸引ノズルの先端”と“最直近形成の粉末層”とのギャップＩよりも大きくなることが求められる。換言すれば、そのような形態に資することになるサイズ（軸方向寸法）をダミー・ツーリングは有している。

　ダミー・ツーリング７４’は、主軸に取り付けられると、その下部レベルが吸引ノズルの先端レベルＡよりも上方となるようなものであれば、その種類に特に制限はない。この点、ダミー・ツーリング７４’の軸方向寸法は、必用以上に長くないものが好ましく、例えばツーリング７４（即ち、表面切削処理に用いられるツーリング）と同じ軸方向寸法であってよい。

　あくまでも例示にすぎないが、ダミー・ツーリング７４’は、ツーリング７４’と同一種であってよい。つまり、ダミー・ツーリング７４’が、表面切削処理時に用いられるツーリングと同じ種類のものであってよい。例えば、ダミー・ツーリング７４’として、表面切削処理時に用いるツーリングをそのまま利用してもよい。

　本発明の製造方法では、吸引ノズルに対して積極的に操作を施して「吸引ノズルの先端レベル」と「切削デバイスの先端レベル」との相対的な位置関係を変更してもよい（図１２参照）。より具体的には、「吸引ノズルの先端レベルＡ」が「切削デバイスの先端レベルＢ」よりも下方レベルとなるように吸引ノズルを駆動させ、それによって、「吸引ノズルの先端レベルＡ」と「切削デバイスの先端レベルＢ」との相対的な位置関係を変更してもよい。あくまでも例示にすぎないが、「吸引ノズルの先端レベルＡ」が「切削デバイスの先端レベルＢ」よりも０（０を含まず）ｍｍ~１５ｍｍ下方、好ましくは２ｍｍ~１０ｍｍ下方となるようにそれらの相対的な位置関係を変更してよい。

　かかる場合、吸引ノズルは昇降可能となっており、吸引除去に先立っては吸引ノズルを降下させる。図１２に示すように、吸引除去操作に先立って「吸引ノズルの先端レベル」が「切削デバイスの先端レベル」よりも下方レベルとなるまで吸引ノズルを降下させる。吸引ノズルは、その降下レベルが維持された状態で吸引除去に用いられる。このように吸引ノズルに対して積極的に操作を施すことによっても、切削デバイスによって阻害されず“吸引ノズルの吸引除去”をより効率的に実施できる。

　“切削デバイスの形態を変える態様”であれ、“吸引ノズルに対して積極的に操作を施す態様”であれ、本発明では、吸引ノズルの吸引口を粉末層の表面に近づけて好適に吸引除去を実施できる。特に、吸引除去時においては「吸引ノズルの先端レベルＡ」と「最直近にて形成された粉末層」との間の離隔距離を吸引除去に特に好適なものとすることが好ましい。例えば、「吸引ノズルの先端レベルＡ」と「最直近にて形成された粉末層」との間の離隔距離（積層方向に沿った離隔距離）は、５ｍｍ以内、即ち、０（０を含まず）~５ｍｍとすることが好ましい。より好ましくは、かかる離隔距離は１ｍｍ以内、即ち、０（０を含まず）~１ｍｍとすること、更に好ましくは０．４ｍｍ~１．０ｍｍ程度とする。これは、図１３で実証されている如く、吸引ノズルの先端レベルＡを「最直近形成の粉末層」により近づけた状態で吸引ノズルを移動させると、固化層周囲の粉末を効率良く除去できるからである。尚、「最直近にて形成された粉末層」と「最直近にて形成された固化層」とは、吸引除去前において、それらの上面が略面一となっている。よって、「吸引ノズルの先端レベルＡ」と「最直近にて形成された粉末層」との間の離隔距離は、「吸引ノズルの先端レベルＡ」と「最直近にて形成された固化層」との間の離隔距離と同義である。

　吸引ノズルと切削デバイスとが相互に隣接して設けられている場合では、切削デバイスの長手方向軸（例えば主軸）から所定量オフセットした位置に吸引ノズルが設けられていることになる。かかる場合、吸引処理時における吸引ノズルの移動経路は、切削デバイスの主軸と吸引ノズルとの間のオフセット量を考慮した経路となってよい。つまり、吸引ノズルの吸引経路が、切削工具の移動経路から「切削デバイスの主軸と吸引ノズルとの間のオフセット量」だけシフトした経路となるものであってよい。これにより、表面切削処理を施す固化層側面の周囲の粉末だけ局所的に除去することができる。

　本発明に従えば、表面切削処理に先立って固化層および／または三次元形状造形物の周囲の粉末が吸引ノズルで吸引除去されるので、造形物表面と切削工具との間の粉末噛込みに起因した工具折損トラブルを減じることができる。例えば工具折れまでの平均期間を８０~４００％程度増加させることができる（あくまでも例示にすぎないが、ある条件下における「工具折れ平均間隔」が３０~５０時間程度から約１４０~１５０時間程度にまで増加し得る）。また、造形物表面と切削工具との間の粉末噛込みが減じられるので、切削処理に際して造形物表面に及ぼされる負荷を減少させることができ、造形物の表面平滑性が向上し得る。例えば表面切削加工が施された箇所の表面粗さＲｚを、好ましくは６μｍ以下、より好ましくは５μｍ以下、更に好ましくは４μｍ以下とすることができる。ここで「表面粗さＲｚ」とは、粗さ曲線（本発明でいうと「固化層表面の断面形状プロファイル」）において平均線から“最も高い山頂部までの高さ”と“最も低い谷底部までの深さ”とを足し合わせることによって得られる粗さ尺度を意味している。

　本発明の製造方法では、吸引ノズルを例えば水平移動させるように操作するが、吸引する箇所の粉末層厚み（深さ）に応じて吸引条件（例えば、吸引量やノズルの移動速度など）を適宜変えてもよい。これにつき例示すると、粉末層厚みがより大きい場合（即ち、吸引除去すべき箇所の粉末層がより深い場合）、吸引ノズルの吸引量をより大きくしてよい。粉末層厚みがより大きい場合（即ち、吸引除去すべき箇所の粉末層がより深い場合）では、吸引ノズルの走査速度を減じてもよい。

　また、吸引する箇所に近接する造形物の形状に応じて吸引条件（例えば、吸引量やノズルの移動速度など）を適宜変えてもよい。これにつき例示すると、造形物の外郭部の近傍における吸引箇所のように周囲に粉末層が“広範に”存在する箇所（即ち、周囲に粉末が比較的多く存在する箇所）では、吸引ノズルの吸引量をより大きくしてよい。一方、造形物のリブ部の近傍における吸引箇所のように周囲に粉末層が“狭く”存在する箇所（即ち、周囲に粉末が比較的少なく存在する箇所）では、吸引ノズルの吸引量をより小さくしてよい。同様にして、造形物の外郭部の近傍における吸引箇所のように周囲に粉末層が“広範に”存在する箇所では、吸引ノズルの走査速度をより減じてよい。一方、造形物のリブ部の近傍における吸引箇所のように周囲に粉末層が“狭く”存在する箇所では、吸引ノズルの走査速度をより増加させてよい。

［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。かかる装置は、図１、図２、図４、図５および図７に示すように、粉末層形成手段２、光ビーム照射手段３、造形テーブル２０、吸引ノズル６０を有して成る。上述の［粉末焼結積層法］で説明した如く、粉末層形成手段２は、粉末層を形成するための手段であり、光ビーム照射手段３は、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手段である。また、造形テーブル２０は、粉末層および／または固化層が形成される土台となるものである。吸引ノズル６０は、粉末層の粉末を吸引するためのものである。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」、「吸引ノズル６０」等については、上述の［粉末焼結積層法］および［本発明の製造方法］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。

　特に、本発明の製造装置は、吸引ノズルの先端レベルＡと切削デバイスの先端レベルＢとの相対的な位置関係を変更できるように構成されている。ここでいう「相対的な位置関係を変更できるように構成されている」とは、粉末の吸引除去に先立って積極的に切削デバイスの形態を変えることができるようになっているか、あるいは、吸引ノズルが昇降可能となっていることを実質的に意味している。「積極的に切削デバイスの形態を変えることができるようになっている」とは、例えば、切削デバイスが、主軸台、ツーリングおよび切削工具を有して成る場合、かかるツーリングと取替え可能なダミー・ツーリングを備えているものとなっている。つまり、切削工具を保持するためのツーリングではなく、吸引ノズルと切削デバイスとの相対的な位置関係を変更するためのツーリングを別途備えている。また、「吸引ノズルが昇降可能となっている」とは、例えば駆動機構を利用することによって吸引ノズルを昇降移動できるようになっている。

　より具体的には、上記の如く積極的に切削デバイスの形態を変えることができるようになっている場合、それによって、切削デバイスの先端レベルＢが吸引ノズルの先端レベルＡよりも上方となるように切削デバイスの形態を変えることができる。同様にして、上記の如く吸引ノズルが昇降可能となっている場合、それによって、吸引ノズルの先端レベルＡが切削デバイスの先端レベルＢよりも下方レベルとなるように吸引ノズルを駆動させることができる。

　本発明の製造装置においては、吸引ノズルと切削デバイスとが相互に隣接して設けられていることが好ましい。具体的には、図９に示すように、吸引ノズル６０の軸６０ａと切削デバイス７０の工具軸７０ａとが略平行となるように吸引ノズル６０および切削デバイス７０が相互に隣接して設けられていることが好ましい。より具体的には、吸引ノズルの細筒部６２の長手方向軸と、切削デバイスの切削工具の長手方向軸とが略平行となるように吸引ノズルおよび切削デバイスが設けられることが好ましい。ここでいう「略平行」とは、完全に“平行”でなくてもよく、それから僅かにずれた態様（例えば図９に示す角度αが０°~１０°程度となる態様）であってもよいことを意味している。

　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、以下の変更態様・追加態様が考えられる。

上述においては、“切削デバイスの形態を変える態様”と“吸引ノズルに対して積極的に操作を施す態様”とを別々に説明したが、本発明では当該２つの態様を並列的に実施してもよい。即ち、“切削デバイスの形態を変える態様”を実施すると共に、“吸引ノズルに対して積極的に操作を施す態様”をも実施してもよい。
本発明においては、吸引ノズルで吸引除去した粉末は造形物の製造に再度利用してもよい。即ち、吸引除去した粉末をリサイクルしてよく、例えば、吸引除去した粉末を自動ふるいにかけて、材料粉末タンクへと戻してもよい。本発明においては、吸引ノズルによる吸引除去は固化層形成時および／または表面切削処理時にも実施してよい。つまり、固化層形成中や表面切削処理中においても粉末を吸引除去を行ってもよい。かかる変更態様では、固化層形成時に発生するヒュームを除去できたり、表面切削処理時に発生する浮遊粉末や切り屑（切り粉）などを付加的に又は代替的に吸引除去できたりする。
本発明においては、吸引ノズルによる吸引除去時にチャンバー内の不活性ガス注入量を増やしてよい。なぜなら、吸引除去時には雰囲気ガス（例えば窒素ガスを含むガス）が吸引ノズルに吸い込こまれて、チャンバー内の酸素濃度が上昇し得るからである。つまり、不活性ガス注入量を増やすことによって、吸引除去時にて不活性ガス雰囲気を好適に維持することができる。

　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、『粉末層が無機質の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、『粉末層が有機質の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として用いることができる。
関連出願の相互参照

　本出願は、日本国特許出願第２０１３−１４４２８１号（出願日：２０１３年７月１０日、発明の名称：「三次元形状造形物の製造方法およびその製造装置」）に基づくパリ条約上の優先権を主張する。当該出願に開示された内容は全て、この引用により、本明細書に含まれるものとする。

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（支持テーブル）
２１　造形プレート
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硬化層）またはそれから得られる三次元形状造形物
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
３２　反射ミラー
３３　集光レンズ
４０　ミーリングヘッド
４１　ＸＹ駆動機構
４１ａ　Ｘ軸駆動部
４１ｂ　Ｙ軸駆動部
４２　ツールマガジン
５０　チャンバー
５２　光透過窓
６０　吸引ノズル
６２　吸引ノズルの細筒部
６４　吸引器具
６６　連結ホース
７０　切削デバイス
７２　主軸台
７４　ツーリング
７６　切削工具
１００　本発明の製造装置の概念図
Ｌ　光ビーム

Claims

　（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該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、該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
によって粉末層形成および固化層形成を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
　前記固化層および／または前記三次元形状造形物が得られた後において該固化層および／または該三次元形状造形物の表面に切削デバイスで表面切削処理を施す工程を少なくとも１回含み、
　前記表面切削処理に先立っては、前記固化層および／または前記三次元形状造形物の周囲の粉末を吸引ノズルによって吸引除去し、また
　前記吸引除去に際しては、前記吸引ノズルの前記先端レベルＡが前記切削デバイスの前記先端レベルＢよりも低い位置になるように該先端レベルＡと該先端レベルＢとの相対的な位置関係を変更し、また
　前記吸引ノズルおよひ前記切削デバイスが相互に隣接して設けられた状態で該吸引ノズルを前記吸引除去に用いることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
　前記切削デバイスの形態を変えることによって前記先端レベルＡと前記先端レベルＢとの前記相対的な位置関係を変更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。
　前記切削デバイスが、主軸台、ツーリングおよび切削工具を有して成り、
　前記ツーリングおよび前記切削工具の代わりにダミー・ツーリングのみを前記主軸台に取り付けた状態とし、該状態で前記吸引除去を実施することを特徴とする、請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
　前記ダミー・ツーリングが前記ツーリングと同一種のツーリングであることを特徴とする、請求項３に記載の三次元形状造形物の製造方法。
　前記切削デバイスが、主軸台、ツーリングおよび切削工具を有して成り、
　前記ツーリングおよび前記切削工具を前記主軸から取り外した状態とし、該状態で前記吸引除去を実施することを特徴とする、請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
　前記吸引ノズルの前記先端レベルＡが前記切削デバイスの前記先端レベルＢよりも下方レベルとなるように前記吸引ノズルを駆動させることによって、前記先端レベルＡと前記先端レベルＢとの前記相対的な位置関係を変更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。
　前記吸引除去では、最直近にて形成された紛末層と前記吸引ノズルの前記先端レベルＡとの間の離隔距離を５ｍｍ以内とすることを特徴とする、請求項１~６のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
　三次元形状造形物の製造装置であって、
　粉末層を形成するための粉末層形成手段、
　固化層が形成されるように前記粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段、
　前記粉末層および／または前記固化層が形成されることになる造形テーブル、
　前記粉末層の少なくとも一部の粉末を吸引除去するための吸引ノズル、ならびに
　前記固化層および該固化層から形成される前記三次元形状造形物に表面切削処理を施すための切削デバイス
を有して成り、
　前記吸引ノズルの前記先端レベルＡが前記切削デバイスの前記先端レベルＢよりも低い位置になるように該先端レベルＡと該先端レベルＢとの相対的な位置関係を変更できる構成を有しており、また
　前記吸引ノズルの軸と前記切削デバイスの軸とが略平行となるように該吸引ノズルおよび該切削デバイスが相互に隣接して配置されていることを特徴とする、三次元形状造形物の製造装置。
　前記切削デバイスが、主軸台、ツーリングおよび切削工具を有して成り、該ツーリングと取り替えることができるダミー・ツーリングを別途備えていることを特徴とする、請求項８に記載の三次元形状造形物の製造装置。