JP6817561B2

JP6817561B2 - 三次元形状造形物の製造方法

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Publication number: JP6817561B2
Application number: JP2016130009A
Authority: JP
Inventors: 吉田　徳雄; 徳雄吉田; 暁史中村; 阿部　諭; 諭阿部; 雅憲森本; 内野々　良幸; 良幸内野々
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2036-06-30
Also published as: WO2018003798A1; JP2018003082A

Description

本発明は、三次元形状造形物の製造方法に関する。より詳細には、本発明は、粉末層への光ビーム照射によって固化層を形成する三次元形状造形物の製造方法に関する。

光ビームを粉末材料に照射することを通じて三次元形状造形物を製造する方法（一般的には「粉末床溶融結合法」と称される）は、従来より知られている。かかる方法は、以下の工程（ｉ）および（ｉｉ）に基づいて粉末層形成と固化層形成とを交互に繰り返し実施して三次元形状造形物を製造する。
（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射し、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形成し、同様に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程。

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となる。粉末材料として無機質の金属粉末を用いる場合、得られる三次元形状造形物を金型として使用することができる。一方、粉末材料として有機質の樹脂粉末を用いる場合、得られる三次元形状造形物を各種モデルとして使用することができる。

粉末材料として金属粉末を用い、それによって得られる三次元形状造形物を金型として使用する場合を例にとる。図１０に示すように、まず、スキージング・ブレード２３を動かして造形プレート２１上に所定厚みの粉末層２２を形成する（図１０（ａ）参照）。次いで、粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射して粉末層２２から固化層２４を形成する（図１０（ｂ）参照）。引き続いて、得られた固化層の上に新たな粉末層を形成して再度光ビームを照射して新たな固化層を形成する。このようにして粉末層形成と固化層形成とを交互に繰り返し実施すると固化層２４が積層することになり（図１０（ｃ）参照）、最終的には積層化した固化層２４から成る三次元形状造形物を得ることができる。最下層として形成される固化層２４は造形プレート２１と結合した状態になるので、三次元形状造形物と造形プレート２１とは一体化物を成すことになり、その一体化物を金型として使用できる。

特開２０１０−０６５２５９号公報

ここで、本願発明者らは、固化層形成段階において以下の事象を見出した。具体的には、本願発明者らは、金属粉末に光ビームを照射して固化層を形成する際において、当該固化層内に細孔が局所的に存在し得ることを見出した。細孔が固化層内に局所的に存在する場合、細孔が空隙を成していることに起因して、細孔が存在する領域の構造強度は相対的に弱くなっており、かかる領域を起点としてクラックが生じ得る虞があり得る。そのため、これに起因して最終的に得られる三次元形状造形物の構造強度が低下する虞があり得る。つまり、高精度な三次元形状造形物が得られない虞があり得る。

本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。すなわち、本発明の目的は、高精度な三次元形状造形物を得ることが可能な三次元形状造形物の製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明では、
光ビームの照射によって複数の固化層を逐次形成して三次元形状造形物を製造する方法であって、
固化層内の残存ガスに起因して生じる細孔を減じることを含んで成る、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、高精度な三次元形状造形物を得ることができる。

固化層内の細孔を減じる態様を模式的に示した断面図（図１（ａ）：細孔を減じる前、図１（ｂ）：細孔を減じた後）細孔の発生現象を模式的に示した断面図細孔の発生箇所を特定する態様を模式的に示した断面図細孔を含んで成る固化層の所定部分に光ビームを照射する態様を模式的に示した断面図（図４（ａ）：細孔の発生箇所特定、図４（ｂ）：光ビーム照射開始、図４（ｃ）：光ビーム照射終了後）光ビームの照射条件を調整する態様を模式的に示した断面図（図５（ａ）：光ビームの出力調整、図５（ｂ）：光ビームの走査速度調整、図５（ｃ）：光ビームのスポット径調整）細孔を含んで成る固化層の所定部分を外部から押圧する態様を模式的に示した断面図細孔を含んで成る固化層の所定部分を外部から押圧する別態様を模式的に示した断面図細孔を含んで成る固化層の所定部分を切削加工に付す態様を模式的に示した断面図（図８（ａ）：切削加工開始、図８（ｂ）：切削加工終了後、図８（ｃ）：粉末充填、図８（ｄ）：光ビーム照射）粉末から成る層の厚さを調整する態様を模式的に示した断面図（図９（ａ）：スキージング・ブレードによる厚さ調整、図９（ｂ）：粉末供給ノズルによる厚さ調整、図９（ｃ）：粉末吸引ノズルによる厚さ調整）粉末床溶融結合法が実施される光造形複合加工のプロセス態様を模式的に示した断面図（図１０（ａ）：粉末層形成時、図１０（ｂ）：固化層形成時、図１０（ｃ）：積層途中）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一般的な動作を示すフローチャート

以下では、図面を参照して本発明の一実施形態をより詳細に説明する。図面における各種要素の形態および寸法は、あくまでも例示にすぎず、実際の形態および寸法を反映するものではない。

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」を意味している。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指している。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「焼結層又は溶融固化層」を意味し、粉末層が樹脂粉末層である場合には「硬化層又は溶融結合層」を意味している。

また、本明細書で直接的または間接的に説明される“上下”の方向は、例えば造形プレートと三次元形状造形物との位置関係に基づく方向であって、造形プレートを基準にして三次元形状造形物が製造される側を「上方向」とし、その反対側を「下方向」とする。

［粉末床溶融結合法］
まず、本発明の製造方法の前提となる粉末床溶融結合法（いわゆるパウダーベッド方式）について説明する。特に粉末床溶融結合法において三次元形状造形物の切削処理を付加的に行う光造形複合加工を例として挙げる。図１０は、光造形複合加工のプロセス態様を模式的に示しており、図１１および図１２は、粉末床溶融結合法と切削処理とを実施できる光造形複合加工機の主たる構成および動作のフローチャートをそれぞれ示している。

光造形複合加工機１は、図１１に示すように、粉末層形成手段２、光ビーム照射手段３および切削手段４を備えている。

粉末層形成手段２は、金属粉末または樹脂粉末などの粉末を所定厚みで敷くことによって粉末層を形成するための手段である。光ビーム照射手段３は、粉末層の所定箇所に光ビームＬを照射するための手段である。切削手段４は、積層化した固化層の表面、すなわち、三次元形状造形物の表面を削るための手段である。

粉末層形成手段２は、図１０に示すように、粉末テーブル２５、スキージング・ブレード２３、造形テーブル２０および造形プレート２１を主に有して成る。粉末テーブル２５は、外周が壁２６で囲まれた粉末材料タンク２８内にて上下に昇降できるテーブルである。スキージング・ブレード２３は、粉末テーブル２５上の粉末１９を造形テーブル２０上へと供して粉末層２２を得るべく水平方向に移動できるブレードである。造形テーブル２０は、外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内にて上下に昇降できるテーブルである。そして、造形プレート２１は、造形テーブル２０上に配され、三次元形状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、図１１に示すように、光ビーム発振器３０およびガルバノミラー３１を主に有して成る。光ビーム発振器３０は、光ビームＬを発する機器である。ガルバノミラー３１は、発せられた光ビームＬを粉末層２２にスキャニングする手段、すなわち、光ビームＬの走査手段である。

切削手段４は、図１１に示すように、エンドミル４０および駆動機構４１を主に有して成る。エンドミル４０は、積層化した固化層の表面、すなわち、三次元形状造形物の表面を削るための切削工具である。駆動機構４１は、エンドミル４０を所望の切削すべき箇所へと移動させる手段である。

光造形複合加工機１の動作について詳述する。光造形複合加工機１の動作は、図１２のフローチャートに示すように、粉末層形成ステップ（Ｓ１）、固化層形成ステップ（Ｓ２）および切削ステップ（Ｓ３）から構成されている。粉末層形成ステップ（Ｓ１）は、粉末層２２を形成するためのステップである。かかる粉末層形成ステップ（Ｓ１）では、まず造形テーブル２０をΔｔ下げ（Ｓ１１）、造形プレート２１の上面と造形タンク２９の上端面とのレベル差がΔｔとなるようにする。次いで、粉末テーブル２５をΔｔ上げた後、図１０（ａ）に示すようにスキージング・ブレード２３を粉末材料タンク２８から造形タンク２９に向かって水平方向に移動させる。これによって、粉末テーブル２５に配されていた粉末１９を造形プレート２１上へと移送させることができ（Ｓ１２）、粉末層２２の形成が行われる（Ｓ１３）。粉末層２２を形成するための粉末材料としては、例えば「平均粒径５μｍ〜１００μｍ程度の金属粉末」および「平均粒径３０μｍ〜１００μｍ程度のナイロン、ポリプロピレンまたはＡＢＳ等の樹脂粉末」を挙げることができる。粉末層２２が形成されたら、固化層形成ステップ（Ｓ２）へと移行する。固化層形成ステップ（Ｓ２）は、光ビーム照射によって固化層２４を形成するステップである。かかる固化層形成ステップ（Ｓ２）においては、光ビーム発振器３０から光ビームＬを発し（Ｓ２１）、ガルバノミラー３１によって粉末層２２上の所定箇所へと光ビームＬをスキャニングする（Ｓ２２）。これによって、粉末層２２の所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させ、図１０（ｂ）に示すように固化層２４を形成する（Ｓ２３）。光ビームＬとしては、炭酸ガスレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ファイバレーザまたは紫外線などを用いてよい。

粉末層形成ステップ（Ｓ１）および固化層形成ステップ（Ｓ２）は、交互に繰り返して実施する。これにより、図１０（ｃ）に示すように複数の固化層２４が積層化する。

積層化した固化層２４が所定厚みに達すると（Ｓ２４）、切削ステップ（Ｓ３）へと移行する。切削ステップ（Ｓ３）は、積層化した固化層２４の表面、すなわち、三次元形状造形物の表面を削るためのステップである。エンドミル４０（図１０（ｃ）および図１１参照）を駆動させることによって切削ステップが開始される（Ｓ３１）。例えば、エンドミル４０が３ｍｍの有効刃長さを有する場合、三次元形状造形物の高さ方向に沿って３ｍｍの切削処理を行うことができるので、Δｔが０．０５ｍｍであれば６０層分の固化層２４が積層した時点でエンドミル４０を駆動させる。具体的には駆動機構４１によってエンドミル４０を移動させながら、積層化した固化層２４の表面に対して切削処理を施すことになる（Ｓ３２）。このような切削ステップ（Ｓ３）の最終では、所望の三次元形状造形物が得られているか否かを判断する（Ｓ３３）。所望の三次元形状造形物が依然得られていない場合では、粉末層形成ステップ（Ｓ１）へと戻る。以降、粉末層形成ステップ（Ｓ１）〜切削ステップ（Ｓ３）を繰り返し実施して更なる固化層の積層化および切削処理を実施することによって、最終的に所望の三次元形状造形物が得られる。

［本発明の製造方法］
本発明は、固化層形成段階において特徴を有している。

具体的には、本発明の製造方法は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように固化層２４の形成段階において、固化層２４内に生じる細孔１０を減じることを含んで成る。より具体的には、本発明の製造方法は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように固化層２４の形成段階において、固化層２４内の残存ガスに起因して生じる細孔１０を減じることを含んで成る。

ここでいう「細孔１０」とは、図１（ａ）の右上拡大図に示すように固化層２４内に形成される空隙を指し、断面視において特に限定されるものではないが２０〜１００μｍの寸法を有し得るものを指す。より具体的には、ここでいう「細孔１０」とは、固化層２４における固化密度が例えば８０〜１００％の高密度領域に生じる空隙を指す。換言すれば、ここでいう「細孔１０」とは、固化層２４における固化密度が例えば８０％未満の低/中密度領域には生じないものを指す。なお、固化層における固化密度が相対的に低い密度領域では、固化密度が相対的に低いことに起因していわゆるポーラス領域が内部に形成され得る。一方、本発明では、上述のように固化密度が相対的に高い密度領域内に細孔１０が存在し得る。以上の事からも、本発明における「細孔１０」は、固化層における固化密度が相対的に低い密度領域内に形成される「ポーラス領域」とは本質的に異なるものであることを確認的に付言しておく。

特定の理論に拘束されるものではないが、本発明における「細孔１０」は以下の現象により生じ得ると考えられる。具体的には、図２に示すように、光ビームＬを照射して新たな固化層２４Ｂを形成する際においては、光ビームＬの照射熱が既に形成した下層に位置する固化層２４Ａに伝わり得る。光ビームＬの照射熱が既に形成した下層に位置する固化層２４Ａに伝わると、当該固化層２４Ａ内に局所的に残存し得る残存ガス５が当該光ビームＬの照射熱により膨張し得る。かかる残存ガス５の膨張により、既に形成した下層に位置する固化層２４Ａ内に局所的に細孔１０が生じ得る。なお、ここでいう「残存ガス５」とは、特に限定されるものではないが、例えば、粉末層の所定箇所に光ビームを照射した際に生じるガスが固化層内に残存することに起因して生じるものであり得る。

図１（ｂ）に示すように、固化層２４内の残存ガスに起因して内部に局所的に生じ得る細孔１０を減じると、固化層２４の内部は空隙が減じられた状態となり得る。ここでいう「細孔を減じる」とは、細孔の数および/又は細孔の寸法を減じることを実質的に指す。また、ここでいう「減じる」とは、完全に除去したものも含む。空隙が減じられると、細孔１０が空隙を成していることに起因して細孔１０が存在する領域の構造強度が相対的に弱くなるといった問題を抑制することができ得る。これにより、固化層内の構造強度が相対的に弱い部分（すなわち、細孔１０が存在する領域）を起点としたクラックの発生を抑制することができ得る。これにより、クラックの発生抑制に起因して、最終的に得られる三次元形状造形物１００の構造強度を維持し得る。その結果として、本発明では、高精度な三次元形状造形物１００を得ることができ得る。

なお、本発明は、下記態様を採ってよい。

＜細孔の特定態様＞
一態様では、図３に示すように固化層２４内の細孔１０と当該細孔１０の周縁部分の温度差に基づき、細孔１０の発生箇所を予め特定してよい。

具体的には、図３に示すように、固化層２４の形成段階で固化層２４の最上面２４ａに光ビームＬを照射し、赤外線カメラ５０、特に赤外線サーモグラフィを用いて、光ビームＬを照射した最上面２４ａの所定部分の下方領域の温度分布を測定する。特定の理論に拘束されるものではないが、固化層２４内に細孔１０が生じている場合、細孔１０が空隙を成すことに起因して固化層２４の最上面２４ａに照射した光ビームＬの照射熱が固化層２４を介して細孔１０内へ伝わり得る。この時、細孔１０は空隙を成すため、これに起因して光ビームＬの照射熱が当該空隙に留まる状態、すなわち“こもる”状態となり得る。そのため、赤外線カメラ５０を用いて照射した最上面２４ａの所定部分の下方領域の温度分布を測定した場合、平面視において図３の右上図に示すように細孔１０発生部分の温度域６０と細孔１０発生部分の周縁部分の温度域７０との温度分布が異なり得る。具体的には、平面視において図３の右上図に示すように細孔１０発生部分の温度域６０が細孔１０発生部分の周縁部分の温度域７０よりも温度が相対的に高くなり得る（細孔部１０の発生部分：図３右上図の黒色部分）。かかる温度分布の違いを利用することで、細孔１０がいずれの箇所に生じているかを特定でき得る。

＜既に形成した固化層内に生じた細孔を減じるための態様＞
具体的には、本発明では下記態様により既に形成した固化層内の細孔を減じてよい。

一態様では、図４に示すように細孔１０の発生箇所を特定した上で、細孔１０を含んで成る固化層２４の所定部分２４’に光ビームＬを照射して当該部分２４’を溶融させて、細孔１０を減じてよい。

具体的には、図４（ａ）に示すように、上述の赤外線カメラ５０を用いて細孔１０の発生箇所を予め特定する。細孔１０の発生箇所を特定した後、図４（ｂ）に示すように細孔１０を含んで成る固化層２４の所定部分２４’に対して光ビームＬを照射する。なお、ここでいう「光ビームＬ」とは、新たな固化層（図４（ｂ）内の最上層の固化層に相当）の形成に用いる際のものであってよい。光ビームＬを照射すると、細孔１０を含んで成る固化層２４の所定部分２４’が溶融状態となり得る。その後、図４（ｃ）に示すように溶融状態となった細孔１０を含んで成る固化層２４の所定部分２４’は、かかる部分２４’の温度が低下することで固化状態となり得る。以上により、固化層２４内に存在し得る細孔１０を減じることができ得る。

なお、図５に示すように光ビームＬの照射条件を調節して、既に形成した固化層２４内の細孔１０を減じてよい。

一態様では、固化層形成段階において、上述の赤外線カメラを用いて特定する細孔１０の発生箇所の数が所定基準を超えている場合には、例えば図５（ａ）に示すように光ビームＬの出力を適宜変更してよい。具体的には、細孔１０の発生箇所の数が所定基準を超えている場合には、固化層２４内に細孔１０を生じさせる原因となり得る残存ガスが多いと判断し、それに応じて光ビームＬの出力を増大させてよい。光ビームＬの出力を増大させると、それに起因して下層に位置する細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４の所定部分に対して相対的に大きな光ビームＬの照射熱を供することができ得る。これにより、細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４の所定部分を好適に溶融状態にすることができ得る。その後、温度低下に伴い、好適な溶融状態である細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４の所定部分を好適に固化状態とすることができ得る。これにより、既に形成した固化層２４内の細孔１０を好適に減じることができ得る。なお、例えば、図５（ａ）に示すように、所定基準と比べて超過する当該特定した細孔１０の発生箇所の数の程度に応じて、通常の固化層形成時と比べて光ビームＬの出力をどの程度増大させるか決定してよい。一例を挙げると、所定基準と比べて超過する当該特定した細孔１０の発生箇所の数の程度が相対的に小さい場合、通常の固化層形成時と比べて増大させる光ビームＬの出力の程度は相対的に小さくてよい。所定基準と比べて超過する当該特定した細孔１０の発生箇所の数の程度が相対的に大きい場合、通常の固化層形成時と比べて増大させる光ビームＬの出力の程度は相対的に大きくてよい。

一態様では、固化層形成段階において、上述の赤外線カメラを用いて特定する細孔１０の発生箇所の数が所定基準を超えている場合には、例えば図５（ｂ）に示すように光ビームＬの走査速度を適宜変更してよい。具体的には、細孔１０の発生箇所の数が所定基準を超えている場合には、固化層２４内に細孔１０を生じさせる原因となり得る残存ガスが多いと判断し、それに応じて光ビームＬの走査速度を小さくしてよい。光ビームＬの走査速度を小さくすると、それに起因して下層に位置する細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４の所定部分に対して相対的に十分に光ビームＬの照射熱を供することができ得る。これにより、細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４の所定部分を好適に溶融状態にすることができ得る。その後、温度低下に伴い、好適な溶融状態である細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４の所定部分を好適に固化状態とすることができ得る。これにより、既に形成した固化層２４内の細孔１０を好適に減じることができ得る。なお、例えば、図５（ｂ）に示すように、所定基準と比べて超過する当該特定した細孔１０の発生箇所の数の程度に応じて、通常の固化層形成時と比べて光ビームＬの走査速度をどの程度小さくするか決定してよい。一例を挙げると、所定基準と比べて超過する当該特定した細孔１０の発生箇所の数の程度が相対的に小さい場合、通常の固化層形成時と比べて小さくする光ビームＬの走査速度の程度は相対的に小さくてよい。所定基準と比べて超過する当該特定した細孔１０の発生箇所の数の程度が相対的に大きい場合、通常の固化層形成時と比べて小さくする光ビームＬの出力の程度は相対的に大きくてよい。

一態様では、固化層形成段階において、上述の赤外線カメラを用いて特定する細孔１０の発生箇所の数が所定基準を超えている場合には、例えば図５（ｃ）に示すように光ビームＬのスポット径を適宜変更してよい。具体的には、細孔１０の発生箇所の数が所定基準を超えている場合には、固化層２４内に細孔１０を生じさせる原因となり得る残存ガスが多いと判断し、それに応じて光ビームＬのスポット径を通常の固化層形成時よりも小さくしてよい。光ビームＬのスポット径が小さくなると、それに起因して下層に位置する細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４の所定部分に対して相対的に大きな光ビームＬの照射熱を供することができ得る。これにより、細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４の所定部分を好適に溶融状態にすることができ得る。その後、温度低下に伴い、好適な溶融状態である細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４の所定部分を好適に固化状態とすることができ得る。これにより、既に形成した固化層２４内の細孔１０を好適に減じることができ得る。なお、例えば、図５（ｃ）に示すように、所定基準と比べて超過する当該特定した細孔１０の発生箇所の数の程度に応じて、通常の固化層形成時と比べて光ビームＬのスポット径をどの程度小さくさせるか決定してよい。一例を挙げると、所定基準と比べて超過する当該特定した細孔１０の発生箇所の数の程度が相対的に小さい場合、通常の固化層形成時と比べて小さくする光ビームＬのスポット径の程度は相対的に小さくてよい。所定基準と比べて超過する当該特定した細孔１０の発生箇所の数の程度が相対的に大きい場合、通常の固化層形成時と比べて小さくする光ビームＬのスポット径の程度は相対的に大きくてよい。

一態様では、図６に示すように細孔１０を含んで成る固化層２４の所定部分を外部から押圧して、既に形成した固化層２４内の細孔１０を減じてよい。

具体的には、図６に示すように細孔１０の発生箇所を特定した上で細孔１０を含んで成る固化層２４の所定部分２４’を例えば切削手段４（但し、切削刃が設置されていないもの）で外部から押圧してよい。押圧方向としては、図６に示すように積層方向に対向する方向であってよい。細孔１０を含んで成る固化層２４の所定部分２４’を外部から押圧することで、細孔１０を押しつぶすことができ得る。これにより、固化層２４内の細孔１０を減じることができ得る。なお、細孔１０を含んで成る固化層２４の所定部分２４’の押圧前後の固化層の最上面２４ａの高さを比べると、その差は約１０μｍであり得る（図６内の拡大図参照）。そのため、固化層２４の最上面２４ａの平坦性は確保されていると言える。

なお、細孔１０の大きさおよび形状によっては、細孔１０を含んで成る固化層２４の所定部分２４’を外部から押圧するのみでは好適に細孔１０を押しつぶすことができない場合があり得る。そこで、図７に示すように切削手段４を用いて細孔１０を含んで成る固化層２４の所定部分２４’に外部から押圧力を加えつつ、切削手段４を回転させて細孔１０を含んで成る固化層２４の所定部分２４’に回転力を更に加えてよい。これにより、細孔１０をより好適に押しつぶすことができ得る。その結果、既に形成した固化層２４内の細孔１０をより好適に減じることができ得る。

一態様では、図８に示すように細孔１０を含む固化層２４の所定部分２４’を切削加工に付して、細孔１０を減じてよい。

具体的には、赤外線カメラを用いて細孔１０の発生箇所を特定した上で、図８（ａ）に示すように細孔１０を含んで成る固化層２４の所定部分２４’を、切削手段４を用いて切削加工に付す。切削加工に付すと、図８（ｂ）に示すように固化層２４内に細孔１０を含んで成る固化層２４の所定部分２４’が存在し得ない状態になる。固化層２４内に細孔１０を含んで成る固化層２４の所定部分２４’が存在しない状態にした後、図８（ｃ）に示すように当該所定部分２４’が存在しない箇所に粉末１９を充填する。粉末１９を充填した後、図８（ｄ）に示すように、当該粉末１９を充填した部分に光ビームＬを照射して、充填した粉末１９を溶融固化させる。以上により、既に形成した固化層２４内から細孔１０を減じることができ得る。

一態様では、図９に示すように固化層の形成に用いる粉末の供給条件を調節して、既に形成した固化層内の細孔を減じてよい。

一態様では、上述の赤外線カメラを用いて特定する細孔１０の発生箇所の数が所定基準を超えている場合には、以下の態様をとってよい。具体的には、固化層２４内に細孔１０を生じさせる原因となり得る残存ガスが多いと判断し、それに応じて例えば図９（ａ）に示すようにスキージング・ブレード２３を用いて形成される粉末層２２の厚さを適宜調整してよい。例えば、図９（ａ）に示すように、所定基準と比べて超過する当該特定した細孔１０の発生箇所の数の程度に応じて、かかる層の厚さをＬ_１、Ｌ_２（＞Ｌ_１）、又はＬ_３（＞Ｌ_２）としてよい。なお、粉末層２２の厚さが相対的に小さくなると、粉末層２２の所定箇所に光ビームを照射して新たな固化層を形成する際に、下層に位置する細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４内の所定部分に対して光ビームの照射熱を好適に供することができ得る。これにより、下層に位置する細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４内の所定部分を好適に溶融状態にすることができ得る。その後、温度低下に伴い、好適な溶融状態である下層に位置する細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４内の所定部分を好適に固化状態とすることができ得る。これにより、既に形成した固化層２４内の細孔１０を好適に減じることができ得る。

なお、これまで主として粉末床溶融結合法（いわゆるパウダーベッド方式）で固化層を形成する態様に基づき説明してきたが、これに限定されることなく、例えば図８（ｂ）に示すようにパウダースプレー方式で固化層を形成してよい。ここでいう「パウダースプレー方式」とは、粉末供給と光ビーム照射とを実質的に同時に行って固化層を形成する方式である。粉末床溶融結合法（いわゆるパウダーベッド方式）との対比でいうと、パウダースプレー方式は、固化層を得るに際して粉末層形成を行わないといった特徴を有する。つまり、パウダースプレー方式では、粉末供給箇所に光ビームが照射されると共に、その粉末供給箇所に対して粉末等が直接的に供給されることを通じて、その供給される粉末から固化層を形成する。

一態様では、上述の赤外線カメラを用いて特定する細孔１０の発生箇所の数が所定基準を超えている場合には、以下の態様をとってよい。具体的には、固化層２４内に細孔１０を生じさせる原因となり得る残存ガスが多いと判断し、それに応じて例えば図９（ｂ）に示すように粉末供給ノズル８０から粉末１９を供給して形成される粉末１９から成る層の厚さを適宜調整してよい。例えば、図９（ｂ）に示すように、所定基準と比べて超過する当該特定した細孔１０の発生箇所の数の程度に応じて、かかる層の厚さをＬ_１、Ｌ_２（＞Ｌ_１）、又はＬ_３（＞Ｌ_２）としてよい。なお、粉末１９から成る層の厚さが相対的に小さくなると、新たに供給した粉末１９に光ビームを照射して新たな固化層を形成する際に、下層に位置する細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４内の所定部分に対して光ビームの照射熱を好適に供することができ得る。これにより、下層に位置する細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４内の所定部分を好適に溶融状態にすることができ得る。その後、温度低下に伴い、好適な溶融状態である下層に位置する細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４内の所定部分を好適に固化状態とすることができ得る。これにより、既に形成した固化層２４内の細孔１０を好適に減じることができ得る。

一態様では、上述の赤外線カメラを用いて特定する細孔１０の発生箇所の数が所定基準を超えている場合には、以下の態様をとってよい。具体的には、固化層２４内に細孔１０を生じさせる原因となり得る残存ガスが多いと判断し、それに応じて例えば図９（ｃ）に示すように粉末吸引ノズル９０から粉末１９を吸引して形成される粉末１９から成る層の厚さを適宜調整してよい。例えば、図９（ｃ）に示すように、所定基準と比べて超過する当該特定した細孔１０の発生箇所の数の程度に応じて、かかる層の厚さをＬ_１、Ｌ_２（＞Ｌ_１）、又はＬ_３（＞Ｌ_２）としてよい。なお、粉末１９から成る層の厚さが相対的に小さくなると、粉末１９に光ビームを照射して新たな固化層を形成する際に、下層に位置する細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４内の所定部分に対して光ビームの照射熱を好適に供することができ得る。これにより、下層に位置する細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４内の所定部分を好適に溶融状態にすることができ得る。その後、温度低下に伴い、好適な溶融状態である下層に位置する細孔１０を含んで成る既に形成した固化層２４内の所定部分を好適に固化状態とすることができ得る。これにより、既に形成した固化層２４内の細孔１０を好適に減じることができ得る。

＜新たに形成する固化層内に生じ得る細孔を減じるための態様＞
上記では、既に形成した固化層内に生じた細孔を減じるための態様について主として説明してきたが、新たに形成する固化層内に生じ得る細孔を減じるためには下記の態様をとってよい。

具体的には、下記態様により新たに形成する固化層内に生じ得る細孔を減じてよい。

上述のとおり、光ビームＬの照射熱が既に形成した下層に位置する固化層２４Ａに伝わると、当該固化層２４Ａ内に局所的に残存し得る残存ガス５が当該光ビームＬの照射熱により膨張し、かかる残存ガス５の膨張により、固化層２４Ａ内に局所的に細孔１０が生じ得る（図２参照）。特定の理論に拘束されるものではないが、特に、かかる残存ガス５は、形成時の固化層の温度が高い程発生し易いと考えられ得る。そこで、この点を鑑み、新たな固化層を形成する際には、細孔１０が生じる原因となり得る残存ガス５の発生を事前抑制するために、通常の固化層形成時と比べて光ビームＬの照射エネルギーを相対的に小さくする、光ビームＬの走査速度を相対的に大きくする、および/または光ビームＬのスポット径を相対的に大きくするといった光ビームＬの照射条件の調節を行うことがよい。また、これに限定されず、新たな固化層を形成する際には、細孔１０が生じる原因となり得る残存ガス５の発生を事前抑制するために、母材となる既に形成した固化層（造形物）および/または造形プレートの温度を低くして新たな粉末層表面の温度を低くするといった温度調節を行うことがよい。

以上、本発明の一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。

５残存ガス
１０細孔
１９粉末
２４固化層
２４’ 固化層の所定部分
６０細孔発生部分の温度域
７０細孔発生部分の周縁部分の温度域
１００三次元形状造形物
Ｌ光ビーム

Claims

光ビームの照射によって複数の固化層を逐次形成して三次元形状造形物を製造する方法であって、
前記光ビームを用いて粉末を溶融固化することで前記固化層を形成し、
前記固化層内の残存ガスに起因して生じる細孔を減じることを含んで成り、
前記細孔は前記固化層における固化密度が８０〜１００％の高密度領域に生じる、三次元形状造形物の製造方法。
前記細孔と該細孔の周縁部分との温度差に基づき、該細孔の発生箇所を特定する、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記細孔を含んで成る前記固化層の所定部分に前記光ビームを照射して該部分を溶融固化させ、前記細孔を減じる、請求項１又は２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記細孔を含んで成る前記固化層の前記所定部分を外部から押圧して、前記細孔を減じる、請求項１〜３のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記細孔を含んで成る前記固化層の前記所定部分を切削加工に付して、前記細孔を減じる、請求項１〜４のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記固化層を粉末床溶融結合法で形成する、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。