WO2017022145A1 - 三次元形状造形物の製造方法および三次元形状造形物 - Google Patents

Abstract

金型としてより適した除熱特性を有する三次元形状造形物の製造方法を提供するために、本発明では、（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、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によって粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法が提供される。特に、本発明の製造方法においては、三次元形状造形物の内部に冷却媒体路を形成すると共に、三次元形状造形物の表面を凹凸状に形成し、冷却媒体路の輪郭面の一部と凹凸状の表面とを互いに同一形状にする。

Description

三次元形状造形物の製造方法および三次元形状造形物

　本開示は、三次元形状造形物の製造方法および三次元形状造形物に関する。より詳細には、本開示は、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、およびそれによって得られる三次元形状造形物に関する。

　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「粉末焼結積層法」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体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６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６（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６（ｂ）参照）。引き続いて、得られた固化層２４の上に新たな粉末層２２を形成して再度光ビームを照射して新たな固化層２４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６（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することができる。

特表平１－５０２８９０号公報 特開２０００－７３１０８号公報

　三次元形状造形物を金型として使用する場合、いわゆる“コア側”と“キャビティ側”との金型を組み合わせて形成される金型キャビティ部に対して溶融状態の成形用原料を充填し、最終的な成形品を得る。具体的には、溶融状態の成形用原料を金型キャビティ部に充填した後、成形用原料を金型キャビティ部内で冷却に付すことによって成形用原料を固化させ、最終的な成形品を得る。つまり、金型キャビティ部内に充填された成形用原料は溶融状態から固化状態へと変化するように除熱され、成形用原料から成形品が得られることになる。

　成形用原料の除熱は、金型キャビティ部に充填された成形用原料の熱が金型へと伝わることによって為されるが、かかる除熱を助力すべく三次元形状造形物の内部に冷却媒体路を設ける場合がある。

　本願発明者らは、三次元形状造形物の内部に設けた冷却媒体路の形態の如何によっては成形用原料の所望の除熱を達成し得ない場合があることを見出した。一般的に用いられる冷却媒体路は、その断面輪郭が比較的簡易な形状（例えば、矩形状または円形状などの簡易な形状）になっているところ、そのような冷却媒体路では金型キャビティ部内の成形用原料の除熱が不均一となってしまう虞がある。つまり、成形不良が生じる虞がある。例えば、そのように除熱が不均一であることに起因して成形品の形状精度が低下するといった問題が生じ得る。

　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、本発明の主たる課題は、金型としてより適した除熱特性を有する三次元形状造形物の製造方法を提供することであり、また、除熱特性がより好適となった三次元形状造形物を提供することである。

　上記課題を解決するために、本発明の一実施形態では、
　（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、および
　（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
によって粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返し行って三次元形状造形物を製造する方法であって、
　三次元形状造形物の製造において、冷却媒体路を三次元形状造形物の内部に形成すると共に、三次元形状造形物の表面を凹凸状に形成し、また、
　冷却媒体路の輪郭面の一部と凹凸状の表面とを互いに同一形状にすることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法が提供される。

　また、本発明の一実施形態では、冷却媒体路を内部に備えた三次元形状造形物であって、
　三次元形状造形物の表面が凹凸状を有し、冷却媒体路の輪郭面の一部と凹凸状の表面とが互いに同一形状になっていることを特徴とする三次元形状造形物も提供される。

　本発明の製造方法および三次元形状造形物に従えば、金型としてより適した除熱特性を有する三次元形状造形物が得られる。より具体的には、三次元形状造形物が金型として使用される場合、冷却媒体路による除熱効果がより均一となる金型が得られる。

本発明の一実施形態に係る製造方法で得られる三次元形状造形物を示した模式的断面図 金型として使用される三次元形状造形物の態様を示した模式的断面図 「冷却媒体路の好適な設置位置の態様」を示した模式的断面図 「微細形状の態様」を示した模式的断面図 「ハイブリッド方式による固化層形成態様」を示した模式的断面図 粉末焼結積層法が実施される光造形複合加工のプロセス態様を示した模式的断面図 光造形複合加工機の構成を示した模式的斜視図 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に係る製造方法および三次元形状造形物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」を意味し、粉末層が樹脂粉末層である場合には「硬化層」を意味している。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。特に粉末焼結積層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６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７および図８は、粉末焼結積層法と切削処理とを実施できる光造形複合加工機１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７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側面、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６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７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７に示すように、ミーリングヘッド４０および駆動機構４１を主に有して成る。ミーリングヘッド４０は、積層化した固化層の側面を削るための切削工具である。駆動機構４１は、ミーリングヘッド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８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６（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６（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６（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の側面、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。切削工具として用いられるミーリングヘッド４０（図６（ｃ）および図７参照）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、ミーリングヘッド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が積層した時点でミーリングヘッド４０を駆動させる。具体的には駆動機構４１によってミーリングヘッド４０を移動させながら、積層化した固化層２４の側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）が終了すると、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２４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］
　本発明の製造方法は、上述した粉末焼結積層法のうち、固化層の積層化に関連した態様に特徴を有している。

　具体的には、粉末焼結積層法に基づいた製造に際して、冷却媒体路を三次元形状造形物の内部に形成すると共に、三次元形状造形物の表面を凹凸状に形成する。特に「三次元形状造形物の内部に形成する冷却媒体路の輪郭面の一部」と「三次元形状造形物の凹凸状の表面」とを互いに同一形状にする。このように、本発明の製造方法では三次元形状造形物の内部の冷却媒体路の輪郭面形状と三次元形状造形物の表面形状とを互いに相関付けたものにする。

　図１に、本発明の一実施形態に係る製造方法で得られる三次元形状造形物１００を示す。図１に示される三次元形状造形物１００は、その内部に冷却媒体路５０が含まれると共に、表面１００Ａが凹凸状になっている。図示されるように、冷却媒体路５０の輪郭面５０Ａの一部は三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａと同一形状になっている。このように、本発明の製造方法では、三次元形状造形物１００の表面１００Ａと冷却媒体路５０の輪郭面５０Ａの一部とが互いに反映された形状を有するように固化層の積層化を行って三次元形状造形物１００を製造する。

　本発明において「冷却媒体路」は、三次元形状造形物の降温に用いられる冷却媒体（例えば水）が流れるための通路を意味している。冷却媒体が流れるための通路ゆえ、冷却媒体路は、三次元形状造形物を貫通するように延在する中空部の形態を有している。図１に示されるように、冷却媒体路５０は、固化層の積層方向（“Ｚ”の方向）と交差するような方向に延在するものが好ましい。

　本発明において「同一形状」とは、図１に示されるように、固化層の積層方向に沿って切断して得られる三次元形状造形物１００の断面図において、冷却媒体路５０の輪郭面５０Ａの一部形状と三次元形状造形物１００の表面１００Ａの形状とが同一であることを意味している。ここでいう「同一」とは、実質的な同一を意味しており、不可避的または偶発的に僅かにずれた態様であっても本発明における「同一」に含まれる。また、冷却媒体路５０の輪郭面５０Ａの当該一部に着目していえば、それは三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａの全てと同一形状になっている必要はなく、表面１００Ａの少なくとも一部と同一形状になっていればよい（図１参照）。

　また、本発明において「表面を凹凸状に形成する」とは、三次元形状造形物１００において外表面の高さレベルが局所的に異なるように固化層を形成することを意味している。それゆえ、本発明において「凹凸状の表面」とは三次元形状造形物１００の高さレベルが局所的に異なった三次元形状造形物の外表面のことを指している。ここで、三次元形状造形物１００が金型として使用される場合を想定すると、「凹凸状の表面１００Ａ」はいわゆる“キャビティ形成面”に相当する（図２参照）。図２に示される形態では、金型として使用される三次元形状造形物１００（コア側の金型）と他の三次元形状造形物１００’（キャビティ側の金型）とが組み合わされて金型キャビティ部２００が形成される。

　本発明の製造方法で得られる三次元形状造形物１００が金型として成形に使用される場合、金型の内部に設けられた冷却媒体路５０による冷却効果はより均一なものとなる。特に冷却媒体路５０からキャビティ形成面への伝熱（冷却のための伝熱）がより均一となり得る。このように冷却媒体路５０の冷却効果がより均一になることに起因して、成形用原料の不均一な除熱は減じられ、最終的な成形品において形状精度の低下が防止され得る。

　本発明の一実施形態に係る製造方法では、「冷却媒体路の輪郭面の一部」は“近位側輪郭面”となることが好ましい。つまり、図１に示されるように、冷却媒体路５０の輪郭面５０Ａのうち凹凸状の表面１００Ａに対して近位側に位置する近位側輪郭面５０Ａ’を当該凹凸状の表面１００Ａと同一形状にすることが好ましい。三次元形状造形物１００が金型として使用される場合、「近位側輪郭面５０Ａ’」は、金型キャビティ部により近い側に位置する輪郭面に相当し、金型キャビティ部への伝熱に特に大きな影響を与え得る。それゆえ、本発明の一実施形態に係る製造方法では、そのような「金型キャビティ部への伝熱に大きな影響を与え得る近位側輪郭面５０Ａ’」につき三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａの形状を反映させる。

　本明細書において「近位側輪郭面」とは、冷却媒体路５０の輪郭面５０Ａのうち三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａに相対的に近い側に位置する輪郭面部分を指している。固化層の積層方向に沿って切断して得られる三次元形状造形物の断面図（図１参照）でいえば、三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａと直接的に対向する「冷却媒体路の輪郭面部分」が近位側輪郭面５０Ａ’に相当する。本発明の一実施形態に係る製造方法では近位側輪郭面５０Ａ’を凹凸状の表面１００Ａと同一形状にするものの、図１の断面図において示されるように近位側輪郭面５０Ａ’の最端部分５０Ａ’’は特に同一形状となっていなくてもよい。

　近位側輪郭面５０Ａ’を凹凸状の表面１００Ａと同一形状にすると、冷却媒体路５０からキャビティ形成面への伝熱をより均一にできる。つまり、本発明の一実施形態に係る製造方法で得られる三次元形状造形物１００を金型として使用する場合（図２参照）、冷却媒体路５０に起因した伝熱がより均一となり易く、成形用原料の不均一な除熱が効果的に減じられる。従って、最終的な成形品において形状精度の低下を効果的に防止できる。

　本発明の一実施形態に係る製造方法では、図１に示されるように、好ましくは近位側輪郭面５０Ａ’と凹凸状の表面１００Ａとの離隔距離を一定にする。つまり、三次元形状造形物１００の表面１００Ａの形状が“オフセット”された形状を冷却媒体路５０の近位側輪郭面５０Ａ’が有するようにする。ここでいう「離隔距離が一定」とは、相互に対向する「冷却媒体路５０の近位側輪郭面５０Ａ’」と「三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａ」とを結ぶ法線が、いずれのポイントでも同じ長さを有することを意味している。すなわち、近位側輪郭面５０Ａ’または表面１００Ａのいずれのポイントにおける法線であっても「冷却媒体路５０の近位側輪郭面５０Ａ’」と「三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａ」との間の長さは同じになることを意味している。これにより、三次元形状造形物１００が金型として使用される場合、金型の冷却媒体路５０から金型キャビティ部への伝熱が近位側輪郭面５０Ａ’に沿うような方向にてより均一なものとなる。従って、そのような金型から得られる最終的な成形品において形状精度の低下を効果的に防止できる。

　本発明の一実施形態に係る製造方法において、冷却媒体路は、固化層の積層化の途中で形成する。具体的には、粉末焼結積層法として粉末層形成と固体層形成とを交互に繰り返して固化層を積層化させていく途中で、一部の局所的領域を非照射部として固化させないことによって冷却媒体路を形成できる。非照射部は、粉末層に規定される「三次元形状造形物が形成される領域」において光ビームが照射されない箇所に相当するので、かかる非照射部では“固化層を構成しなかった粉末”が光ビーム照射後に残る。冷却媒体路は、かかる残った粉末を三次元形状造形物から最終的に除去することによって得られる。特に本発明においては、冷却媒体路の輪郭面の一部（すなわち、冷却媒体路を形作る中空部壁面の一部）を最終的に得られる三次元形状造形物の“凹凸状の表面”と同一形状にする。より好ましくは、冷却媒体路の輪郭面のうちで三次元形状造形物の凹凸状の表面に対して近位側に位置する輪郭面部分（すなわち、近位側輪郭面）を当該凹凸状の表面と同一形状にする。

　冷却媒体路の形成が完了すると、その形成前と同様の粉末焼結積層法を実施する。つまり、粉末層形成と固体層形成とを交互に繰り返し実施して固化層を再度積層化させる。最終的には三次元形状造形物の表面（特に、三次元形状造形物を金型として使用する際にキャビティ形成面となる表面）の少なくとも一部が冷却媒体路の輪郭面の一部（特に近位側輪郭面）と同一形状となるように固化層の積層化を行う。これによって、所望の三次元形状造形物が得られることになる。つまり、表面が凹凸状を有し、その凹凸状の表面と同一形状の近位側輪郭面を有する冷却媒体路が内部に設けられた三次元形状造形物を得ることができる。

　上記においては本発明の理解のために典型的な実施形態を説明したが、本発明の製造方法は、種々の態様を採ることができる。

（冷却媒体路の好適な設置位置の態様）
　本発明の一実施形態に係る製造方法では、三次元形状造形物の内部に形成する冷却媒体路の位置は、三次元形状造形物を金型として用いた際の“局所的な除熱”の観点から決めてよい。この点、本発明の一実施形態に係る製造方法では、凹凸状の表面１００Ａのコーナー部分に冷却媒体路５０を位置付けることが好ましい（図３（Ａ）および図３（Ｂ）参照）。より好ましくは、図３（Ａ）に示されるように、「凹凸状に起因して形成される三次元形状造形物１００の凸状局所部１００Ｂの天面側コーナー部分１００Ｂ’」に冷却媒体路５０を位置付ける。

　三次元形状造形物１００を金型として用いて成形を実施する場合、天面側コーナー部分１００Ｂ’の近傍に位置する成形用原料の局所的部分１５０（図３（Ａ）参照）は特に除熱されにくい箇所となる。このような除熱されにくい箇所が存在すると、最終的に得られる成形品において局所的な反りが生じやすくなる。つまり、かかる除熱されにくい箇所を起点にして成形品が部分的に反ってしまう現象が生じる虞がある。それゆえ、その箇所に対して積極的に冷却作用を及ぼすべく凸状局所部１００Ｂの天面側コーナー部分１００Ｂ’に冷却媒体路５０を位置付けることが好ましい。これにより、成形用原料の局所的部分１５０に対する均一な除熱が促進され、最終的な成形品において“局所的な反り”が効果的に減じられることになる。

　ここでいう「凸状局所部」とは、三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａにおいて特に隆起部分を成す箇所を指している。三次元形状造形物１００が金型として使用される場合を想定すると、金型キャビティ部を形作るキャビティ形成面の隆起部分が凸状局所部１００Ｂに相当する（図３（Ａ）参照）。そして、「天面側コーナー部分」とは、凸状局所部１００Ｂにおいて頂部の周縁部分を意味している。図３（Ａ）に示す形態でいうと、凸状局所部１００Ｂにおいてより上側に位置付けられ、それゆえ“凸状”の頂部を成していると共にその頂部にて相対的に周縁側に位置する局所的部分が天面側コーナー部分１００Ｂ’に相当する。

　複数の凸状局所部１００Ｂが設けられる場合、すなわち、金型キャビティ部を形作るキャビティ形成面の隆起部分が複数存在する場合、それに応じて冷却媒体路５０を複数設けてよい（図３（Ｂ）参照）。より具体的には、図３（Ｂ）に示すように、そのように複数存在する「凸状局所部１００Ｂの天面側コーナー部分１００Ｂ’」のそれぞれに対して冷却媒体路５０を設けてよい。これにより、成形品の複数の箇所において局所的な反りを減じることができ、全体として成形品の形状精度の低下を効果的に防止できる。

（微細形状の態様）
　本発明の一実施形態に係る製造方法では、冷却媒体路５０の輪郭面５０Ａに微細形状を付与してもよい。具体的には、図４に示すように、冷却媒体路５０の近位側輪郭面５０Ａ’において複数の微細陥部５１’から成る微細形状５１を形成してよい。このような微細形状５１が形成されると近位側輪郭面５０Ａ’の表面積を大きくすることができ、冷却媒体路５０からの伝熱がより効率的となる。かかる態様では、巨視的には近位側輪郭面５０Ａ’を凹凸状の表面１００Ａと同一形状にすることに加えて、微視的には近位側輪郭面５０Ａ’に「複数の微細陥部５１’から成る微細形状５１」を形成する。従って、冷却媒体路５０からキャビティ形成面への伝熱をより均一かつ効率的にすることができ、三次元形状造形物１００が金型として使用される場合に最終的な成形品の形状精度の低下をより効果的に防止できる。

　なお、本発明において「微細陥部」とは、冷却媒体路５０の中央側へと延在する微細な窪みを意味している。微細陥部の形状は、特に限定されず、近位側輪郭面５０Ａ’の表面積が大きくなるようなものであれば、いずれの形状であってよい。このような微細陥部は、固化層の形成に際して非照射部を残すことによって形成され、好ましくは冷却媒体路の形成に併せて得られる。より具体的には、形成されることになる微細陥部の高さレベルに相当する１つまたはそれよりも多い固化層の形成に際して非照射部を局所的に残し、その局所的な非照射部に残る粉末を最終的に除去することによって微細陥部を得ることができる。

　微細形状５１は、そのような微細陥部５１’から構成されるものであるが、近位側輪郭面５０Ａ’にて異なる種類の微細形状５１が含まれるようにしてもよい。具体的には、図４の一部拡大図に示すように、近位側輪郭面５０Ａ’において微細形状５１を少なくとも２種類含むように形成してよい。図示する態様では、微細形状５１ａおよび微細形状５１ｂの２種類の微細形状５１が近位側輪郭面５０Ａ’に形成されている。微細形状５１ａと微細形状５１ｂとでは表面積が互いに異なり、冷却媒体路５０から凹凸状の表面１００Ａへの熱の伝わり方に相違がもたらされる。よって、図示するように微細形状５１ａと微細形状５１ｂとを適宜組み合わせることによって、近位側輪郭面５０Ａ’を介した成形用原料の冷却の仕方により大きな自由度がもたらされる。つまり、金型キャビティ部の形状に起因して成形時に成形用原料にて除熱されやすさなどの違いがある場合であっても、そのような違いに応じて成形用原料をより好適に冷却することができる。

　なお、本発明において「微細形状の種類が異なる」とは、微細形状を構成する微細陥部の形状（窪み深さおよび窪み幅の寸法など）が異なること、ならびに複数の微細陥部のピッチが異なることの少なくとも１つを実質的に意味している。

（伝熱部材の設置態様）
　本発明の一実施形態に係る製造方法では、三次元形状造形物の内部において冷却媒体路の近位側輪郭面と三次元形状造形物の凹凸状の表面との間に伝熱部材を設けてよい。

　特に、高い熱伝導性を呈する伝熱部材を「近位側輪郭面」と「三次元形状造形物の凹凸状の表面」との間に設けることが好ましい。この点、三次元形状造形物の材質よりも高い熱伝導率を有する伝熱部材を用いることが好ましい。このような伝熱部材が用いられると、近位側輪郭面から凹凸状の表面への伝熱を促進することができる。従って、三次元形状造形物を金型として使用する場合、金型キャビティ部における成形用原料の冷却を促進することができる。伝熱部材の材質についていうと、金属材質が好ましい。かかる金属材質としてはより高い熱伝導率を有する点で銅系材質が好ましく、例えばベリリウム銅を含んで成る材質であってよい。

（ハイブリッド方式による固化層形成態様）
　本発明の一実施形態に係る製造方法では、粉末焼結積層法以外の手法を組み合わせて固化層形成を行ってよい。つまり、粉末焼結積層法とそれ以外の固化層形成手法と組み合わせたハイブリッド方式で固化層形成を実施してよい。

　具体的には、図５に示すように「粉末層２２の形成後に光ビーム照射が行われる層形成後照射方式６０」と「原料の供給時に光ビーム照射が行われる原料供給時照射方式７０」とを組み合わせたハイブリッド方式によって固化層２４を形成してよい。「層形成後照射方式６０」は、粉末層２２を形成した後に光ビームＬを粉末層２２に照射して固化層２４を形成する方式であって、上述した“粉末焼結積層法”に相当する。一方、「原料供給時照射方式７０」は、粉末７４または溶加材７６などの原料の供給と光ビームＬの照射とを実質的に同時に行って固化層２４を形成する方式である。「層形成後照射方式６０」は、形状精度を比較的高くできるものの、固化層形成のための時間が比較的長くなるといった特徴を有する。その一方、「原料供給時照射方式７０」は、形状精度が比較的低いものの、固化層形成のための時間を比較的短くできるといった特徴を有する。従って、そのように相反する特徴を備えた「層形成後照射方式６０」と「原料供給時照射方式７０」とを好適に組み合わせることによって、三次元形状造形物をより効率的に製造できる。より具体的にいえば、ハイブリッド方式では「層形成後照射方式６０」および「原料供給時照射方式７０」のそれぞれの長短を相互に補完することになるので、所望の形状精度を有する三次元形状造形物をより短い時間で製造できる。

　特に、本発明では、冷却媒体路の輪郭面の一部および三次元形状造形物の凹凸状の表面の形状に特徴を有しており、それらの形状精度が要求される。従って、それに関連する領域は「層形成後照射方式６０」で形成する一方、それ以外の領域は「原料供給時照射方式７０」で形成してよい。より具体的には、冷却媒体路の周囲に位置する固化層領域（例えば、冷却媒体路の壁面を成す固化層領域）および三次元形状造形物の凹凸状の表面を成す固化層領域などは「層形成後照射方式６０」で形成する一方、それ以外の領域は「原料供給時照射方式７０」で形成してよい。

（冷却媒体路の断面形状の変化態様）
　本発明の一実施形態に係る製造方法において、冷却媒体路は、その断面形状が延在方向に沿って相似変化するように設けてもよい。つまり、冷却媒体路の断面形状が冷却媒体路の延在方向において相似変化するように冷却媒体路を延在させてよい。特に本発明では、冷却媒体路の断面形状が延在方向に沿って相似変化する場合、任意の箇所における冷却媒体路の輪郭面の一部（好ましくは近位側輪郭面）と三次元形状造形物の凹凸状の表面との離隔距離を一定にすることが好ましい。ここでいう「任意の箇所」とは、具体的には延在方向に沿った冷却媒体路の任意の箇所を意味する。これによって、三次元形状造形物を金型として使用する場合、かかる任意の箇所における冷却媒体路の除熱効果をより均一にすることができる。

［本発明の三次元形状造形物］
　本発明の三次元形状造形物は上述の製造方法で得られるものである。従って、本発明の三次元形状造形物は、粉末層に対する光ビーム照射で形成される固化層が積層して構成されている。図１に示されるように、本発明の三次元形状造形物１００は、その内部に冷却媒体路５０を備えており、表面１００Ａが凹凸状を有すると共に、冷却媒体路５０の輪郭面５０Ａの一部と凹凸状の表面１００Ａとが互いに同一形状になっている特徴を有している。かかる特徴に起因して、より適した除熱特性が呈され、特に三次元形状造形物１００を金型として使用する場合、冷却媒体路５０からキャビティ形成面への伝熱（冷却のための伝熱）がより均一となる。

　金型として使用される三次元形状造形物に関していうと、本発明の三次元形状造形物１００は、特に成形用金型として好適に用いることができる。ここでいう「成形」とは、樹脂などから成る成形品を得るための一般的な成形であって、例えば射出成型、押出成形、圧縮成形、トランスファー成形またはブロー成形などを指している。また、図１に示される成形用金型は、いわゆる“コア側”に相当するものの、本発明の三次元形状造形物１００は“キャビティ側”の成形用金型に相当するものであってもよい。

　金型として使用するのに好適な本発明の一実施形態に係る三次元形状造形物１００は、冷却媒体路５０の輪郭面５０Ａの一部が三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａと同一形状になっている（図１参照）。特に、本発明の一実施形態に係る三次元形状造形物１００では、図１に示されるように、冷却媒体路５０の輪郭面５０Ａのうちで凹凸状の表面１００Ａに対して近位側に位置する近位側輪郭面５０Ａ’が凹凸状の表面１００Ａと同一形状となっていることが好ましい。より好ましくは冷却媒体路５０の近位側輪郭面５０Ａ’と凹凸状の表面１００Ａとの離隔距離が一定となっている。つまり、より好ましくは三次元形状造形物１００の表面１００Ａの一部が“オフセット”されたような近位側輪郭面５０Ａ’を冷却媒体路５０が有している。例えば、冷却媒体路５０の近位側輪郭面５０Ａ’と三次元形状造形物１００の凹凸状の表面１００Ａとの離隔距離は０．５～２０ｍｍ程度であってよい。このような三次元形状造形物１００が金型として成形に使用されると（図２参照）、冷却媒体路５０からキャビティ形成面への伝熱が更により均一なものとなる。従って、金型から得られる最終的な成形品において形状精度の低下が効果的に防止され得る。

　その他、三次元形状造形物の種々の具体的な特徴、変更態様および関連する効果などは、上述の［本発明の製造方法］で触れているので、重複を避けるためにここでの説明は省略する。

　以上、本発明の一実施形態に係る製造方法およびそれによって得られる三次元形状造形物について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく、特許請求の範囲に規定される発明の範囲から逸脱することなく種々の変更が当業者によってなされると理解されよう。

　なお、上述のような本発明は、次の好適な態様を包含している。
第１態様：
　（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交互に繰り返し行い三次元形状造形物を製造する方法であって、
　前記三次元形状造形物の前記製造において、冷却媒体路を該三次元形状造形物の内部に形成すると共に、該三次元形状造形物の表面を凹凸状に形成し、また、
　前記冷却媒体路の輪郭面の一部と前記凹凸状の前記表面とを互いに同一形状にすることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第２態様：
　上記第１態様において、前記冷却媒体路の前記輪郭面のうち前記凹凸状の前記表面に対して近位側に位置する近位側輪郭面を前記凹凸状の前記表面と前記同一形状にすることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第３態様：
　上記第２態様において、前記近位側輪郭面と前記凹凸状の前記表面との離隔距離を一定にすることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第４態様：
　上記第２態様又は第３態様において、前記近位側輪郭面において複数の微細陥部から成る微細形状を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。
第５態様：
　上記第４態様において、前記近位側輪郭面において前記微細形状を少なくとも２種類含むように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。
第６態様：
　上記第１態様～第５態様のいずれかにおいて、前記凹凸状に起因して形成される前記三次元形状造形物の凸状局所部の天面側コーナー部分に前記冷却媒体路を位置付けることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第７態様：
　冷却媒体路を内部に備えた三次元形状造形物であって、
　前記三次元形状造形物の表面が凹凸状を有し、前記冷却媒体路の輪郭面の一部と前記凹凸状の前記表面とが互いに同一形状になっていることを特徴とする、三次元形状造形物。

　本発明の一実施形態に係る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。一方、『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２０１５－１５２０５７号（出願日：２０１５年７月３１日、発明の名称：「三次元形状造形物の製造方法および三次元形状造形物」）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。

２２　　　粉末層
２４　　　固化層
５０　　　冷却媒体路
５０Ａ　　冷却媒体路の輪郭面
５０Ａ’　近位側輪郭面
５１　　　微細形状
５１’　　微細陥部
１００　　三次元形状造形物
１００Ａ　三次元形状造形物の凹凸状の表面
１００Ｂ　凸状局所部
１００Ｂ’凸状局所部の天面側コーナー部分
Ｌ　　　　光ビーム

Claims (7)

1. 　（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交互に繰り返し行い三次元形状造形物を製造する方法であって、
   　前記三次元形状造形物の前記製造において、冷却媒体路を該三次元形状造形物の内部に形成すると共に、該三次元形状造形物の表面を凹凸状に形成し、また、
   　前記冷却媒体路の輪郭面の一部と前記凹凸状の前記表面とを互いに同一形状にすることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
2. 前記冷却媒体路の前記輪郭面のうち前記凹凸状の前記表面に対して近位側に位置する近位側輪郭面を前記凹凸状の前記表面と前記同一形状に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. 前記近位側輪郭面と前記凹凸状の前記表面との離隔距離を一定に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。
4. 前記近位側輪郭面において複数の微細陥部から成る微細形状を形成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。
5. 前記近位側輪郭面において前記微細形状を少なくとも２種類含むように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. 前記凹凸状に起因して形成される前記三次元形状造形物の凸状局所部の天面側コーナー部分に前記冷却媒体路を位置付け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。
7. 冷却媒体路を内部に備えた三次元形状造形物であって、
   　前記三次元形状造形物の表面が凹凸状を有し、前記冷却媒体路の輪郭面の一部と前記凹凸状の前記表面とが互いに同一形状になっていることを特徴とする、三次元形状造形物。

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