三次元形状造形物の製造方法及び製造装置
【課題】三次元形状造形物の製造方法において、加工精度を良くする。
【解決手段】三次元形状造形物の製造方法は、造形用プレート２２に無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層２１を形成する粉末層形成工程と、粉末層２１の所定の箇所に光ビームを照射して粉末層２１を焼結、又は溶融硬化させ硬化層を形成する硬化工程とを備え、粉末層形成工程と硬化工程とを繰り返すことにより複数の硬化層が一体化された造形物１１の形成の途中において、造形物１１の表面及び表面内側を除去する除去工程を少なくとも１回以上繰り返す。そして、除去工程時に、造形用プレート２２を所定の冷却手段により冷却する冷却工程を含み、この冷却工程により所定の温度まで冷却した後に除去仕上げ加工を行なう。除去仕上げ加工がされた後に造形物１１が収縮しないので、加工精度が良くなる。
【解決手段】三次元形状造形物の製造方法は、造形用プレート２２に無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層２１を形成する粉末層形成工程と、粉末層２１の所定の箇所に光ビームを照射して粉末層２１を焼結、又は溶融硬化させ硬化層を形成する硬化工程とを備え、粉末層形成工程と硬化工程とを繰り返すことにより複数の硬化層が一体化された造形物１１の形成の途中において、造形物１１の表面及び表面内側を除去する除去工程を少なくとも１回以上繰り返す。そして、除去工程時に、造形用プレート２２を所定の冷却手段により冷却する冷却工程を含み、この冷却工程により所定の温度まで冷却した後に除去仕上げ加工を行なう。除去仕上げ加工がされた後に造形物１１が収縮しないので、加工精度が良くなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機質あるいは有機質の粉末材料に光ビームの照射を行なう三次元形状造形物の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、無機質あるいは有機質の粉末材料で形成した粉末層に光ビームを照射し、粉末層を溶融して硬化層を形成し、その硬化層の上に新たな粉末層を形成して光ビームを照射し、硬化層を形成することを繰り返して、三次元形状造形物を製造する方法が知られている。
【０００３】
また、粉末層と硬化層の形成を繰り返す工程において、粉末層を焼結温度に近い温度まで加熱してから光ビームを照射することにより、三次元形状造形物の加工精度を良くする製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、粉末層と硬化層の形成を繰り返して三次元形状造形物を造形する間に、造形物の表面を切削加工し、三次元形状造形物の加工精度を良くする製造方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に示されるような製造方法においては、三次元形状造形物が焼結されたままであるので、加工精度は不十分であり、また特許文献２に示される製造方法においては、三次元形状造形物が焼結されて高温状態のときに切削されるので、常温まで冷却されて収縮すると加工精度が悪化する虞がある。
【特許文献１】特表平１−５０２８９０号公報
【特許文献２】特開２００２−１１５００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであり、三次元形状造形物の加工精度が良い製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、造形用プレートに無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結、又は溶融硬化させ硬化層を形成する硬化工程とを備え、前記粉末層形成工程と硬化工程とを繰り返すことにより複数の硬化層が一体化された造形物の形成の途中に、該造形物の表面及び表面内側を除去する除去工程を少なくとも１回以上繰り返して三次元形状造形物を造形する方法において、前記除去工程時に、前記造形用プレートを所定の冷却手段により冷却する冷却工程を含み、この冷却工程により所定の温度まで冷却した後に除去仕上げ加工を行なうものである。
【０００８】
請求項２の発明は、造形用プレートに無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結、又は溶融硬化させ硬化層を形成する硬化工程とを備え、前記粉末層形成工程と硬化工程とを繰り返すことにより複数の硬化層が一体化された造形物の形成の途中に、該造形物の表面及び表面内側を除去する除去工程を少なくとも１回以上繰り返して三次元形状造形物を造形する方法において、前記除去工程時に、前記造形物の周囲の雰囲気を所定の冷却手段により冷却する冷却工程を含み、この冷却工程により所定の温度まで冷却した後に除去仕上げ加工を行なうものである。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記硬化工程時に、前記造形用プレートを所定の加熱手段により加熱する加熱工程を含み、この加熱工程により所定の温度まで加熱した後に硬化工程を行なうものである。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記硬化工程時に、前記三次元形状造形物の周囲の雰囲気を所定の加熱手段により加熱する加熱工程を含み、この加熱工程により所定の温度まで加熱した後に硬化工程を行なうものである。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記加熱工程及び冷却工程の両方又はいずれか一方において、造形中の造形物における上面全体の温度を測定し、予め定めた温度に達しているかを判断するステップを有するものである。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記加熱工程及び冷却工程の両方又はいずれか一方において、前記除去仕上げ加工を行なう除去手段の主軸に温度センサを取り付け、前記温度センサによって造形中の造形物の所定箇所の温度を測定し、予め定めた温度に達しているかを判断するステップを有するものである。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記冷却工程は、前記造形物を冷却するステップを有するものである。
【００１４】
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、三次元形状造形物の造形前に、前記造形用プレートに前記除去仕上げ加工の基準位置となる基準点の作成及び該基準点の位置の検出を行い、前記除去工程の前に前記基準点の位置を再度検出し、三次元形状造形物の造形前に検出した該基準点の位置との測定差に基づいて、前記除去工程を行なうＮＣプログラムの加工位置の補正を行なう補正工程を有するものである。
【００１５】
請求項９の発明は、造形用プレートに無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結、又は溶融硬化させ硬化層を形成する硬化手段と、三次元形状造形物を切削する除去手段と、を備え、前記粉末層の形成と、前記硬化層の形成とを繰り返すことにより複数の硬化層が一体化された造形物の形成の途中に、前記除去手段により該造形物の表面及び表面内側の除去を少なくとも１回以上繰り返して三次元形状造形物を製造する製造装置において、前記造形物の周囲の雰囲気及び前記造形用プレートの両方又はいずれか一方を冷却する冷却手段を備えたものである。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、造形物を冷却し、造形物の熱収縮が安定してから除去仕上げ加工を行なうので、除去仕上げ加工後の造形物の収縮が少なくなり、従って、除去仕上げの加工精度が良くなる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、造形物の周囲の雰囲気を冷却するので、造形物の冷却を効率良く行なうことができると共に、請求項１と同様の効果を得ることができる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、造形物の温度が上昇してから硬化工程を行なうので、光ビームの照射エネルギーが少なくてよく、焼結を効率良く行なうことができる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、造形物の周囲の雰囲気を加熱するので、造形物の加熱を効率良く行なうことができると共に、請求項３と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
請求項５の発明によれば、造形物の温度を測定するので、加熱及び冷却を過不足なく行うことができ、造形の効率が良くなる。
【００２１】
請求項６の発明によれば、造形物の任意の箇所の温度を測定するので、造形物の形状に拘わらずに、加熱及び冷却を過不足なく行うことができ、造形の効率が良くなる。
【００２２】
請求項７の発明によれば、造形物自体を冷却するので、冷却を効率良く行なうことができる。
【００２３】
請求項８の発明によれば、造形中に除去仕上げ加工の基準点のズレが補正されるので、加工精度が良くなる。
【００２４】
請求項９の発明によれば、冷却手段により造形物を冷却し、熱収縮が安定してから除去仕上げ加工を行なうので、除去仕上げ加工の後の造形物の収縮が少なくなり、従って、除去仕上げの加工精度が良くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図面を参照して説明する。図１は、同製造方法に用いられる金属光造形加工機の構成を示す。金属光造形加工機１は、金属粉末２の粉末層２１が敷かれる造形用プレート２２と、造形用プレート２２を保持し、上下に昇降する昇降テーブル２３と、昇降テーブルの外周を囲み金属粉末２を保持する造形タンク２４と、造形用プレート２２に粉末層２１を形成する粉末層形成部３と、光ビームにより粉末層２１を焼結、又は溶融硬化させ硬化層２５を形成する硬化部４と、造形物１１を切削する切削除去部５と、金属光造形加工機１の動作を制御する制御部（図示なし）を備えている。
【００２６】
粉末層形成部３は、金属粉末２を供給する粉末タンク３１と、供給された金属粉末２によって造形用プレート２２に粉末層２１を敷く粉末供給ブレード３２とを備えている。硬化部４は、光ビームＬを発光する光ビーム発振機４１と、光ビームＬを集光する集光レンズ４２と、集光された光ビームＬを粉末層２１の上にスキャニングするガルバノミラー４３と、を備えている。切削除去部５は、造形物１１を切削する切削工具５１と、切削工具５１を保持するミーリングヘッド５２と、ミーリングヘッド５２を切削位置に移動させるＸＹ駆動部５３と、種々の切削工具５１を保有し待機するツールマガジン５４とを備えている。金属粉末２は、例えば、平均粒径２０μｍの球形の鉄粉であり、光ビームは、例えば、炭酸ガスレーザである。
【００２７】
ここで、本実施形態における製造方法を説明する前に、硬化層の積層後に造形物の冷却を行なわずに除去仕上げ加工を行なう従来の製造方法を説明する。図１２は従来の製造方法のフローを、図１３はその動作をそれぞれ示す。制御部は、昇降テーブル２３に載置された造形用プレート２２の上に、粉末タンク３１の金属粉末２を粉末供給ブレード３２によって供給し、粉末層２１を形成する（ステップＳ１０１）（図１３（ａ）参照）。このステップＳ１０１は粉末層形成工程を構成する。次に、ガルバノミラー４３によって光ビームＬを粉末層２１の任意の箇所に走査させて金属粉末２を焼結、又は溶融硬化させ、造形用プレート２２と一体化した硬化層２５を形成する（ステップＳ１０２）（図１３（ｂ）参照）。このステップＳ１０２は、硬化工程を構成する。光ビームＬの照射経路は、予め三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬ（Ｓｔｅｒｅｏ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）データを、例えば、０．０５ｍｍの等ピッチでスライスした各断面の輪郭形状データに基づいて定める。この照射経路は、三次元形状造形物の少なくとも最表面が気孔率５％以下の高密度となるようにするのが好ましい。
【００２８】
上記粉末層形成工程と硬化工程とを繰り返して硬化層２５を積層し、硬化層２５の層数が造形物１１の表面を切削する切削工具５１の有効刃長から求めた層数Ｎになるまで積層を繰り返す（ステップＳ１０１乃至Ｓ１０４）。この層数Ｎは、例えば、切削工具５１が直径１ｍｍ、有効刃長３ｍｍで深さ３ｍｍの切削加工が可能であるボールエンドミルであり、粉末層の厚みが０．０５ｍｍであるならば、積層した粉末層の厚みが２．５ｍｍとなる５０層とする。そして、硬化層２５の層数が定めた総数Ｎになると、制御部は、ＸＹ駆動部５３によってミーリングヘッド５２を移動させ、造形物１１の表面を切削工具５１によって除去する（ステップＳ１０５）（図１３（ｃ）参照）。このステップＳ１０５は除去仕上げ工程を構成する。こうして、三次元形状造形物の造形が終了するまで、硬化層２５の形成と造形物１１の表面の除去とを繰り返す（ステップＳ１０６、Ｓ１０７）。除去仕上げ工程は、造形物の表面に付着した粉末による低密度表面層を除去するものであるが、高密度部まで削り込むことによって造形物表面に高密度部を全面的に露出させるようにしてもよく、この場合は所望の形状よりも硬化層が少し大きくなるようにしておく。
【００２９】
上記硬化工程では、光ビームＬからエネルギーを受けて造形物１１は加熱されて蓄熱する。光ビームＬが照射された部分の金属粉末２及び造形物１１は、局所的に１０００°Ｃ以上の温度まで上昇する。造形物１１は、放射や対流により冷却されるが、造形物内部に蓄熱する。さらに、造形物１１は金属粉末２に囲われており、金属粉末２は熱伝導率が低いために蓄熱しやすい。造形中の造形物１１の温度履歴を図１４に示す。硬化工程中に光ビームの照射により造形物の温度は上昇し、粉末層形成工程中には放熱するが、蓄熱により温度は少ししか低下せず、硬化層を積層している間は造形物の温度は上昇を続ける。そして、高温状態まま除去仕上げ工程になり、除去仕上げ工程中に冷却される。
【００３０】
このように、従来の製造方法においては、硬化工程後の造形物の温度が高い状態で除去仕上げ加工を行なうため、造形物が熱膨張した状態で加工することとなり、常温に戻ったときに熱収縮し、加工精度が悪くなる。造形物の熱収縮は、例えば、造形物の長さが１００ｍｍで温度が１００°Ｃであった場合、線膨張係数を鋼と同じ１．０×１０−５とすると、常温の２５°Ｃに戻ったときの寸法差は、１００×１．０×１０−５×（１００−２５）＝０．０７５ｍｍとなり、造形物が金型の場合には許容できない大きな量となる。
【００３１】
上記のような従来方法の問題を解消するため、本実施形態においては、除去仕上げ工程時の造形物の温度を下げて、除去仕上げ加工の寸法精度を良くするために、造形用プレートを冷却する。本実施形態における造形物の冷却状態を図２に示す。昇降テーブル２３は内部に冷媒回路６を有し、冷媒回路６は冷媒配管６１によって冷却温度調整装置６２と繋がっており、冷却温度調整装置６２は冷媒回路６に冷媒を循環させて昇降テーブル２３を冷却する。冷却温度調整装置６２は、プレート温度センサ６３によって造形用プレート２２の温度を測定しており、造形物を冷却するために、造形用プレート２２を所定の温度まで冷却する。
【００３２】
この製造方法のフローを図３に示し、その時の、造形物の温度履歴を図４に示す。制御部は、硬化層の層数が予め定めた層数Ｎになるまで、粉末層形成工程と硬化工程を繰り返し（ステップＳ１乃至Ｓ４）、層数Ｎになると造形用プレート２２の温度が、例えば、２５°Ｃの所定の温度に低下するまで、冷却温度調整装置６２によって、昇降テーブル２３を冷却し、所定の温度になるように温度調整を行なう（ステップＳ５乃至Ｓ７）。このステップＳ５乃至Ｓ７は、冷却工程を構成する。そして、所定の温度まで低下すると、温度調整を続けながら除去仕上げ工程を開始し（ステップＳ８）、除去仕上げが終了すると冷却を停止して温度調整を終了する（ステップＳ９）。こうして、三次元形状造形物の造形が終了するまで、硬化層２５の形成と造形物１１の表面の切削を繰り返す（ステップＳ１０及びＳ１１）。このように、造形物１１を冷却してから除去仕上げ工程を行なうので、造形物１１の加工後の熱収縮が少なく、加工誤差が小さくなる。
【００３３】
次に、本実施形態における製造方法の第１の変形例について図５を参照して説明する。本変形例では、造形物の硬化層近傍を冷却する。図５は本変形例における造形物の冷却状態を示す。硬化工程が終了した後に放熱フィン６４を有した放熱ブロック６５を造形物１１の上に載置し、冷却ファン６６からの送風によって放熱ブロック６５を冷却する。制御部は、放熱ブロック６５と造形用プレート２２のそれぞれの温度を、ブロック温度センサ６７とプレート温度センサ６３からのそれぞれの検出信号に基づいて、温度測定装置６８によって測定し、放熱ブロック６５と造形用プレート２２とが所定の温度まで冷却されると除去仕上げ工程を行なう。放熱ブロック６５によって、造形物の焼結が行なわれた直後の近傍部分を冷却するので、冷却を効率良く行なうことができる。また、この放熱ブロック６５による冷却を、上述した昇降テーブル２３による冷却と共に行なってもよい。さらに、効率良く冷却することができる。
【００３４】
次に、本実施形態における製造方法の第２の変形例について説明する。本変形例では、三次元形状造形物の周囲の雰囲気を冷却することにより、三次元形状造形物を冷却する。雰囲気を冷却するには、例えば、粉末層を囲んでいるチャンバー内の不活性ガスの雰囲気を冷却したり、粉末層に冷却した不活性ガスを吹き込むことにより冷却する。三次元形状造形物を周囲から冷却するので効率良く冷却することができる。
【００３５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図面を参照して説明する。本実施形態における造形物の加熱状態を図６に示す。本実施形態では、第１の実施形態における造形物の冷却に加えて、硬化工程の前に造形物を加熱する。昇降テーブル２３は内部に冷媒回路６と共にヒータ６９を有している。加熱冷却装置６２ａは冷媒回路６によって昇降テーブル２３を冷却すると共に、ヒータ６９によって昇降テーブル２３を加熱する。
【００３６】
図７は、同製造方法のフローを、図８は、同製造方法における三次元形状造形物の温度履歴を示す。三次元形状造形物を製造するときは、制御部は最初に昇降テーブル２３に配設したヒータ６９により、昇降テーブル２３を加熱し、造形用プレート２２を、例えば、２００°Ｃの所定の温度まで昇温させ、所定温度以上に温度調整する（ステップＳ２１乃至Ｓ２３）。このステップＳ２１及びＳ２３は加熱工程を構成する。造形用プレート２２が所定の温度まで昇温すると温度調整を続けながら、粉末層２１の形成と焼結又は溶融硬化とを繰り返し硬化層を積層する（ステップＳ２４乃至Ｓ２７）。造形物１１が加熱されているので、粉末層２１の焼結又は溶融硬化が行い易い。そして、硬化層の層数が所定の層数Ｎに達した後は、加熱を停止して温度調整を終了し（ステップＳ２８）、第１の実施形態と同様に造形物１１の除去仕上げ加工を行なう（ステップＳ２９乃至Ｓ３５）。
【００３７】
この製造方法において、造形物の加熱は、例えば、粉末層の上方に赤外線ヒータを設置し、赤外線によって三次元形状造形物を直接加熱したり、粉末層に加熱した不活性ガスを吹き込んで三次元形状造形物の周囲の雰囲気を加熱して行なってもよい。三次元形状造形物を効率良く加熱することができる。
【００３８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図９を参照して説明する。図９は、同製造方法に用いられる金属光造形加工機の構成を示す。本実施形態では、加熱工程や冷却工程において、造形物の温度を測定し所定の温度に達しているかを判断するステップを有している。金属光造形加工機１は、第１の実施形態における金属光造形加工機の構成に加えて、赤外線放射温度計７１を備えている。制御部は、加熱工程及び冷却工程において、赤外線放射温度計７１によって、造形物１１の上面全体の温度を測定し、加熱工程から粉末層形成工程への移行、及び冷却工程から削除仕上げ工程への移行を判断する。造形物１１の温度を測定するので、加熱工程及び冷却工程を効率良く行なうことができる。
【００３９】
次に、同製造方法の変形例について図１０を参照して説明する。本変形例では、造形物の上面全体の温度を測定するのでなく、造形物の所定の箇所の温度を測定する。図１０（ａ）は、本変形例において、局部温度センサがツールマガジンで待機している動作を、図１０（ｂ）及び（ｃ）は、局部温度センサによって、造形物の任意の箇所の温度を測定している動作を示す。本変形例の金属光造形加工機は、ミーリングヘッド５２に取り付けることができる局部温度センサ７２を備えている。局部温度センサ７２は、熱電対やサーミスタ等の接触式でも、赤外線放射温度計等の非接触式でもよい。ミーリングヘッド５２が切削工具５１を保持する部分はコレットタイプとなっており、局部温度センサ７２は切削工具５１と同一の直径の軸を有しているので、ミーリングヘッド５２は局部温度センサ７２を保持することができる。
【００４０】
局部温度センサ７２は、切削工具５１と同様にツールマガジン５４に置かれている。制御部は、冷却工程や加熱工程時に、ミーリングヘッド５２に局部温度センサ７２を取り付け、ＸＹ駆動部５３によって、局部温度センサ７２を造形物１１の任意の箇所に移動させ温度を測定する。測定する箇所としては、例えば、三次元形状造形物のＣＡＤデータの断面輪郭形状データから、各断面の重心点や、輪郭線から最も遠い点等を設定する。造形する三次元形状造形物の形状に応じた箇所の温度を測定し、冷却や加熱の状態を検出することができるので、冷却や加熱を過不足なく効率良く行なうことができる。
【００４１】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図１１を参照して説明する。三次元形状造形物の造形においては、造形中に加熱、冷却を繰り返すので、造形物、造形用プレート及び昇降テーブルは熱膨張、収縮を繰り返すこととなり、造形の基準点がずれる虞がある。そこで、本実施形態では、三次元形状造形物の造形前に切削工具によって、造形用プレートに除去仕上げ加工の基準位置となる基準点を作成する。図１１（ａ）乃至（ｆ）は、本実施形態での基準点の作成及び除去仕上げ加工の動作を示す。最初に、図１１（ａ）に示すように、三次元形状造形物の造形前に、制御部は、ミーリングヘッド５２を所定の位置に移動させて、切削工具５１によって、造形用プレート２２に除去仕上げ加工の基準位置となる、例えば、＋形状の基準点８を形成し、図１１（ｂ）に示すように、基準点８をミーリングヘッド５２に取り付けたＣＣＤカメラ８１によって検出しその位置データを記憶する。
【００４２】
次いで、図１１（ｃ）に示すように、制御部は所定の層数の硬化層を積層した後、図１１（ｄ）に示すように、冷却中に基準点８が見えるように未焼結の金属粉末２を吸引機８２により吸引する。次いで、図１１（ｅ）に示すように、制御部９はＣＣＤカメラ８１によって、基準点８を検出し、最初に記憶した位置データと比較して、その差に基づいて除去仕上げ工程を行なうＮＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）プログラムの加工位置を補正する。この補正する動作は補正工程を構成する。次いで、図１１（ｆ）に示すように、補正したＮＣプログラムにより造形物１１の除去仕上げ加工を行なう。除去仕上げ加工の前に加工位置の補正を行なうので、加工精度が良くなる。加工位置の補正は、除去仕上げ加工のプログラムだけでなく、光ビームを走査するプログラムの補正を行なってもよい。光ビームの走査位置が補正されるので、焼結の位置精度が良くなる。
【００４３】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について説明する。本実施形態では、第１乃至第４の実施形態における製造方法と異なり、除去仕上げ工程前の冷却中の待機を、温度を測定して行なうのでなく、製造条件から待機時間を算出して待機する。硬化工程後の冷却中の三次元形状造形物の温度は、金属粉末の種類、粒径、光ビームのエネルギー吸収率及び熱伝導率等の材料特性や、光ビームの照射条件や、冷却条件に基づいて予測することができる。また、冷却温度の要因には、上述した要因以外に、前回の除去仕上げ工程の後の光ビームによる加熱量と、造形物の蓄熱量が大きな要因となる。
【００４４】
上記待機時間を算出するには、前回の除去仕上げ工程の後の光ビームによる加熱量を表す指標として、前回の除去仕上げ工程後に造形した硬化層の面積Ｓを用いると共に、造形物の蓄熱量を表す指標としてそれまでに造形した体積Ｖを用いて、この面積Ｓと体積Ｖを変数とし、上述した金属粉末の材料特性等毎に基づいた式、待機時間Ｔ＝ｆ（Ｓ，Ｖ）を実験データ等から導きだす。そして、硬化工程の後、この式によって算出した待機時間Ｔの間、待機する。計算式から算出することにより、温度測定をすることなく、簡単に待機時間を決定することができる。また、除去仕上げ工程後の加熱工程での待機時間も、加熱量等を要因に加えて算出式を導き出し、待機時間を算出してもよい。温度測定をすることなく、簡単に加熱工程時の待機時間を決定することができる。
【００４５】
なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、金属粉末の組成は、上記実施形態の構成に限られないし、また、有機質の粉末材料でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る製造方法に用いる金属光造形加工機の斜視図。
【図２】同製造方法における造形物の冷却状態を示す図。
【図３】同製造方法のフロー図。
【図４】同製造方法における造形物の温度履歴を表す図。
【図５】同製造方法の変形例における造形物の冷却状態を示す図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る製造方法における造形物の加熱状態を示す図。
【図７】同製造方法のフロー図。
【図８】同製造方法における造形物の温度履歴を表す図。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る製造方法に用いる金属光造形加工機の斜視図。
【図１０】（ａ）乃至（ｃ）は、同製造方法の変形例を時系列に説明する図。
【図１１】（ａ）乃至（ｆ）は、本発明の第４の実施形態に係る製造方法を時系列に説明する図。
【図１２】従来の製造方法のフロー図。
【図１３】（ａ）乃至（ｃ）は、同製造方法を時系列に説明する図。
【図１４】同製造方法における造形物の温度履歴を表す図。
【符号の説明】
【００４７】
１ 金属光造形加工機（製造装置）
１１ 造形物（三次元形状造形物）
２ 金属粉末（粉末材料）
２１ 粉末層
２２ 造形用プレート
２５ 硬化層
３ 粉末層形成部（粉末層形成手段）
４ 硬化部（硬化手段）
５ 切削除去部（除去手段）
５２ ミーリングヘッド（主軸）
６ 冷媒回路（冷却手段）
６１ 冷媒配管（冷却手段）
６２ 冷却温度調整装置（冷却手段）
６４ 放熱フィン（冷却手段）
６５ 放熱ブロック（冷却手段）
６６ 冷却ファン（冷却手段）
６９ ヒータ（加熱手段）
７２ 局部温度センサ（温度センサ）
８ 基準点
Ｌ 光ビーム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機質あるいは有機質の粉末材料に光ビームの照射を行なう三次元形状造形物の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、無機質あるいは有機質の粉末材料で形成した粉末層に光ビームを照射し、粉末層を溶融して硬化層を形成し、その硬化層の上に新たな粉末層を形成して光ビームを照射し、硬化層を形成することを繰り返して、三次元形状造形物を製造する方法が知られている。
【０００３】
また、粉末層と硬化層の形成を繰り返す工程において、粉末層を焼結温度に近い温度まで加熱してから光ビームを照射することにより、三次元形状造形物の加工精度を良くする製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、粉末層と硬化層の形成を繰り返して三次元形状造形物を造形する間に、造形物の表面を切削加工し、三次元形状造形物の加工精度を良くする製造方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に示されるような製造方法においては、三次元形状造形物が焼結されたままであるので、加工精度は不十分であり、また特許文献２に示される製造方法においては、三次元形状造形物が焼結されて高温状態のときに切削されるので、常温まで冷却されて収縮すると加工精度が悪化する虞がある。
【特許文献１】特表平１−５０２８９０号公報
【特許文献２】特開２００２−１１５００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであり、三次元形状造形物の加工精度が良い製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、造形用プレートに無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結、又は溶融硬化させ硬化層を形成する硬化工程とを備え、前記粉末層形成工程と硬化工程とを繰り返すことにより複数の硬化層が一体化された造形物の形成の途中に、該造形物の表面及び表面内側を除去する除去工程を少なくとも１回以上繰り返して三次元形状造形物を造形する方法において、前記除去工程時に、前記造形用プレートを所定の冷却手段により冷却する冷却工程を含み、この冷却工程により所定の温度まで冷却した後に除去仕上げ加工を行なうものである。
【０００８】
請求項２の発明は、造形用プレートに無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結、又は溶融硬化させ硬化層を形成する硬化工程とを備え、前記粉末層形成工程と硬化工程とを繰り返すことにより複数の硬化層が一体化された造形物の形成の途中に、該造形物の表面及び表面内側を除去する除去工程を少なくとも１回以上繰り返して三次元形状造形物を造形する方法において、前記除去工程時に、前記造形物の周囲の雰囲気を所定の冷却手段により冷却する冷却工程を含み、この冷却工程により所定の温度まで冷却した後に除去仕上げ加工を行なうものである。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記硬化工程時に、前記造形用プレートを所定の加熱手段により加熱する加熱工程を含み、この加熱工程により所定の温度まで加熱した後に硬化工程を行なうものである。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記硬化工程時に、前記三次元形状造形物の周囲の雰囲気を所定の加熱手段により加熱する加熱工程を含み、この加熱工程により所定の温度まで加熱した後に硬化工程を行なうものである。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記加熱工程及び冷却工程の両方又はいずれか一方において、造形中の造形物における上面全体の温度を測定し、予め定めた温度に達しているかを判断するステップを有するものである。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記加熱工程及び冷却工程の両方又はいずれか一方において、前記除去仕上げ加工を行なう除去手段の主軸に温度センサを取り付け、前記温度センサによって造形中の造形物の所定箇所の温度を測定し、予め定めた温度に達しているかを判断するステップを有するものである。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記冷却工程は、前記造形物を冷却するステップを有するものである。
【００１４】
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、三次元形状造形物の造形前に、前記造形用プレートに前記除去仕上げ加工の基準位置となる基準点の作成及び該基準点の位置の検出を行い、前記除去工程の前に前記基準点の位置を再度検出し、三次元形状造形物の造形前に検出した該基準点の位置との測定差に基づいて、前記除去工程を行なうＮＣプログラムの加工位置の補正を行なう補正工程を有するものである。
【００１５】
請求項９の発明は、造形用プレートに無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結、又は溶融硬化させ硬化層を形成する硬化手段と、三次元形状造形物を切削する除去手段と、を備え、前記粉末層の形成と、前記硬化層の形成とを繰り返すことにより複数の硬化層が一体化された造形物の形成の途中に、前記除去手段により該造形物の表面及び表面内側の除去を少なくとも１回以上繰り返して三次元形状造形物を製造する製造装置において、前記造形物の周囲の雰囲気及び前記造形用プレートの両方又はいずれか一方を冷却する冷却手段を備えたものである。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、造形物を冷却し、造形物の熱収縮が安定してから除去仕上げ加工を行なうので、除去仕上げ加工後の造形物の収縮が少なくなり、従って、除去仕上げの加工精度が良くなる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、造形物の周囲の雰囲気を冷却するので、造形物の冷却を効率良く行なうことができると共に、請求項１と同様の効果を得ることができる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、造形物の温度が上昇してから硬化工程を行なうので、光ビームの照射エネルギーが少なくてよく、焼結を効率良く行なうことができる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、造形物の周囲の雰囲気を加熱するので、造形物の加熱を効率良く行なうことができると共に、請求項３と同様の効果を得ることができる。
【００２０】
請求項５の発明によれば、造形物の温度を測定するので、加熱及び冷却を過不足なく行うことができ、造形の効率が良くなる。
【００２１】
請求項６の発明によれば、造形物の任意の箇所の温度を測定するので、造形物の形状に拘わらずに、加熱及び冷却を過不足なく行うことができ、造形の効率が良くなる。
【００２２】
請求項７の発明によれば、造形物自体を冷却するので、冷却を効率良く行なうことができる。
【００２３】
請求項８の発明によれば、造形中に除去仕上げ加工の基準点のズレが補正されるので、加工精度が良くなる。
【００２４】
請求項９の発明によれば、冷却手段により造形物を冷却し、熱収縮が安定してから除去仕上げ加工を行なうので、除去仕上げ加工の後の造形物の収縮が少なくなり、従って、除去仕上げの加工精度が良くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図面を参照して説明する。図１は、同製造方法に用いられる金属光造形加工機の構成を示す。金属光造形加工機１は、金属粉末２の粉末層２１が敷かれる造形用プレート２２と、造形用プレート２２を保持し、上下に昇降する昇降テーブル２３と、昇降テーブルの外周を囲み金属粉末２を保持する造形タンク２４と、造形用プレート２２に粉末層２１を形成する粉末層形成部３と、光ビームにより粉末層２１を焼結、又は溶融硬化させ硬化層２５を形成する硬化部４と、造形物１１を切削する切削除去部５と、金属光造形加工機１の動作を制御する制御部（図示なし）を備えている。
【００２６】
粉末層形成部３は、金属粉末２を供給する粉末タンク３１と、供給された金属粉末２によって造形用プレート２２に粉末層２１を敷く粉末供給ブレード３２とを備えている。硬化部４は、光ビームＬを発光する光ビーム発振機４１と、光ビームＬを集光する集光レンズ４２と、集光された光ビームＬを粉末層２１の上にスキャニングするガルバノミラー４３と、を備えている。切削除去部５は、造形物１１を切削する切削工具５１と、切削工具５１を保持するミーリングヘッド５２と、ミーリングヘッド５２を切削位置に移動させるＸＹ駆動部５３と、種々の切削工具５１を保有し待機するツールマガジン５４とを備えている。金属粉末２は、例えば、平均粒径２０μｍの球形の鉄粉であり、光ビームは、例えば、炭酸ガスレーザである。
【００２７】
ここで、本実施形態における製造方法を説明する前に、硬化層の積層後に造形物の冷却を行なわずに除去仕上げ加工を行なう従来の製造方法を説明する。図１２は従来の製造方法のフローを、図１３はその動作をそれぞれ示す。制御部は、昇降テーブル２３に載置された造形用プレート２２の上に、粉末タンク３１の金属粉末２を粉末供給ブレード３２によって供給し、粉末層２１を形成する（ステップＳ１０１）（図１３（ａ）参照）。このステップＳ１０１は粉末層形成工程を構成する。次に、ガルバノミラー４３によって光ビームＬを粉末層２１の任意の箇所に走査させて金属粉末２を焼結、又は溶融硬化させ、造形用プレート２２と一体化した硬化層２５を形成する（ステップＳ１０２）（図１３（ｂ）参照）。このステップＳ１０２は、硬化工程を構成する。光ビームＬの照射経路は、予め三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬ（Ｓｔｅｒｅｏ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）データを、例えば、０．０５ｍｍの等ピッチでスライスした各断面の輪郭形状データに基づいて定める。この照射経路は、三次元形状造形物の少なくとも最表面が気孔率５％以下の高密度となるようにするのが好ましい。
【００２８】
上記粉末層形成工程と硬化工程とを繰り返して硬化層２５を積層し、硬化層２５の層数が造形物１１の表面を切削する切削工具５１の有効刃長から求めた層数Ｎになるまで積層を繰り返す（ステップＳ１０１乃至Ｓ１０４）。この層数Ｎは、例えば、切削工具５１が直径１ｍｍ、有効刃長３ｍｍで深さ３ｍｍの切削加工が可能であるボールエンドミルであり、粉末層の厚みが０．０５ｍｍであるならば、積層した粉末層の厚みが２．５ｍｍとなる５０層とする。そして、硬化層２５の層数が定めた総数Ｎになると、制御部は、ＸＹ駆動部５３によってミーリングヘッド５２を移動させ、造形物１１の表面を切削工具５１によって除去する（ステップＳ１０５）（図１３（ｃ）参照）。このステップＳ１０５は除去仕上げ工程を構成する。こうして、三次元形状造形物の造形が終了するまで、硬化層２５の形成と造形物１１の表面の除去とを繰り返す（ステップＳ１０６、Ｓ１０７）。除去仕上げ工程は、造形物の表面に付着した粉末による低密度表面層を除去するものであるが、高密度部まで削り込むことによって造形物表面に高密度部を全面的に露出させるようにしてもよく、この場合は所望の形状よりも硬化層が少し大きくなるようにしておく。
【００２９】
上記硬化工程では、光ビームＬからエネルギーを受けて造形物１１は加熱されて蓄熱する。光ビームＬが照射された部分の金属粉末２及び造形物１１は、局所的に１０００°Ｃ以上の温度まで上昇する。造形物１１は、放射や対流により冷却されるが、造形物内部に蓄熱する。さらに、造形物１１は金属粉末２に囲われており、金属粉末２は熱伝導率が低いために蓄熱しやすい。造形中の造形物１１の温度履歴を図１４に示す。硬化工程中に光ビームの照射により造形物の温度は上昇し、粉末層形成工程中には放熱するが、蓄熱により温度は少ししか低下せず、硬化層を積層している間は造形物の温度は上昇を続ける。そして、高温状態まま除去仕上げ工程になり、除去仕上げ工程中に冷却される。
【００３０】
このように、従来の製造方法においては、硬化工程後の造形物の温度が高い状態で除去仕上げ加工を行なうため、造形物が熱膨張した状態で加工することとなり、常温に戻ったときに熱収縮し、加工精度が悪くなる。造形物の熱収縮は、例えば、造形物の長さが１００ｍｍで温度が１００°Ｃであった場合、線膨張係数を鋼と同じ１．０×１０−５とすると、常温の２５°Ｃに戻ったときの寸法差は、１００×１．０×１０−５×（１００−２５）＝０．０７５ｍｍとなり、造形物が金型の場合には許容できない大きな量となる。
【００３１】
上記のような従来方法の問題を解消するため、本実施形態においては、除去仕上げ工程時の造形物の温度を下げて、除去仕上げ加工の寸法精度を良くするために、造形用プレートを冷却する。本実施形態における造形物の冷却状態を図２に示す。昇降テーブル２３は内部に冷媒回路６を有し、冷媒回路６は冷媒配管６１によって冷却温度調整装置６２と繋がっており、冷却温度調整装置６２は冷媒回路６に冷媒を循環させて昇降テーブル２３を冷却する。冷却温度調整装置６２は、プレート温度センサ６３によって造形用プレート２２の温度を測定しており、造形物を冷却するために、造形用プレート２２を所定の温度まで冷却する。
【００３２】
この製造方法のフローを図３に示し、その時の、造形物の温度履歴を図４に示す。制御部は、硬化層の層数が予め定めた層数Ｎになるまで、粉末層形成工程と硬化工程を繰り返し（ステップＳ１乃至Ｓ４）、層数Ｎになると造形用プレート２２の温度が、例えば、２５°Ｃの所定の温度に低下するまで、冷却温度調整装置６２によって、昇降テーブル２３を冷却し、所定の温度になるように温度調整を行なう（ステップＳ５乃至Ｓ７）。このステップＳ５乃至Ｓ７は、冷却工程を構成する。そして、所定の温度まで低下すると、温度調整を続けながら除去仕上げ工程を開始し（ステップＳ８）、除去仕上げが終了すると冷却を停止して温度調整を終了する（ステップＳ９）。こうして、三次元形状造形物の造形が終了するまで、硬化層２５の形成と造形物１１の表面の切削を繰り返す（ステップＳ１０及びＳ１１）。このように、造形物１１を冷却してから除去仕上げ工程を行なうので、造形物１１の加工後の熱収縮が少なく、加工誤差が小さくなる。
【００３３】
次に、本実施形態における製造方法の第１の変形例について図５を参照して説明する。本変形例では、造形物の硬化層近傍を冷却する。図５は本変形例における造形物の冷却状態を示す。硬化工程が終了した後に放熱フィン６４を有した放熱ブロック６５を造形物１１の上に載置し、冷却ファン６６からの送風によって放熱ブロック６５を冷却する。制御部は、放熱ブロック６５と造形用プレート２２のそれぞれの温度を、ブロック温度センサ６７とプレート温度センサ６３からのそれぞれの検出信号に基づいて、温度測定装置６８によって測定し、放熱ブロック６５と造形用プレート２２とが所定の温度まで冷却されると除去仕上げ工程を行なう。放熱ブロック６５によって、造形物の焼結が行なわれた直後の近傍部分を冷却するので、冷却を効率良く行なうことができる。また、この放熱ブロック６５による冷却を、上述した昇降テーブル２３による冷却と共に行なってもよい。さらに、効率良く冷却することができる。
【００３４】
次に、本実施形態における製造方法の第２の変形例について説明する。本変形例では、三次元形状造形物の周囲の雰囲気を冷却することにより、三次元形状造形物を冷却する。雰囲気を冷却するには、例えば、粉末層を囲んでいるチャンバー内の不活性ガスの雰囲気を冷却したり、粉末層に冷却した不活性ガスを吹き込むことにより冷却する。三次元形状造形物を周囲から冷却するので効率良く冷却することができる。
【００３５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図面を参照して説明する。本実施形態における造形物の加熱状態を図６に示す。本実施形態では、第１の実施形態における造形物の冷却に加えて、硬化工程の前に造形物を加熱する。昇降テーブル２３は内部に冷媒回路６と共にヒータ６９を有している。加熱冷却装置６２ａは冷媒回路６によって昇降テーブル２３を冷却すると共に、ヒータ６９によって昇降テーブル２３を加熱する。
【００３６】
図７は、同製造方法のフローを、図８は、同製造方法における三次元形状造形物の温度履歴を示す。三次元形状造形物を製造するときは、制御部は最初に昇降テーブル２３に配設したヒータ６９により、昇降テーブル２３を加熱し、造形用プレート２２を、例えば、２００°Ｃの所定の温度まで昇温させ、所定温度以上に温度調整する（ステップＳ２１乃至Ｓ２３）。このステップＳ２１及びＳ２３は加熱工程を構成する。造形用プレート２２が所定の温度まで昇温すると温度調整を続けながら、粉末層２１の形成と焼結又は溶融硬化とを繰り返し硬化層を積層する（ステップＳ２４乃至Ｓ２７）。造形物１１が加熱されているので、粉末層２１の焼結又は溶融硬化が行い易い。そして、硬化層の層数が所定の層数Ｎに達した後は、加熱を停止して温度調整を終了し（ステップＳ２８）、第１の実施形態と同様に造形物１１の除去仕上げ加工を行なう（ステップＳ２９乃至Ｓ３５）。
【００３７】
この製造方法において、造形物の加熱は、例えば、粉末層の上方に赤外線ヒータを設置し、赤外線によって三次元形状造形物を直接加熱したり、粉末層に加熱した不活性ガスを吹き込んで三次元形状造形物の周囲の雰囲気を加熱して行なってもよい。三次元形状造形物を効率良く加熱することができる。
【００３８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図９を参照して説明する。図９は、同製造方法に用いられる金属光造形加工機の構成を示す。本実施形態では、加熱工程や冷却工程において、造形物の温度を測定し所定の温度に達しているかを判断するステップを有している。金属光造形加工機１は、第１の実施形態における金属光造形加工機の構成に加えて、赤外線放射温度計７１を備えている。制御部は、加熱工程及び冷却工程において、赤外線放射温度計７１によって、造形物１１の上面全体の温度を測定し、加熱工程から粉末層形成工程への移行、及び冷却工程から削除仕上げ工程への移行を判断する。造形物１１の温度を測定するので、加熱工程及び冷却工程を効率良く行なうことができる。
【００３９】
次に、同製造方法の変形例について図１０を参照して説明する。本変形例では、造形物の上面全体の温度を測定するのでなく、造形物の所定の箇所の温度を測定する。図１０（ａ）は、本変形例において、局部温度センサがツールマガジンで待機している動作を、図１０（ｂ）及び（ｃ）は、局部温度センサによって、造形物の任意の箇所の温度を測定している動作を示す。本変形例の金属光造形加工機は、ミーリングヘッド５２に取り付けることができる局部温度センサ７２を備えている。局部温度センサ７２は、熱電対やサーミスタ等の接触式でも、赤外線放射温度計等の非接触式でもよい。ミーリングヘッド５２が切削工具５１を保持する部分はコレットタイプとなっており、局部温度センサ７２は切削工具５１と同一の直径の軸を有しているので、ミーリングヘッド５２は局部温度センサ７２を保持することができる。
【００４０】
局部温度センサ７２は、切削工具５１と同様にツールマガジン５４に置かれている。制御部は、冷却工程や加熱工程時に、ミーリングヘッド５２に局部温度センサ７２を取り付け、ＸＹ駆動部５３によって、局部温度センサ７２を造形物１１の任意の箇所に移動させ温度を測定する。測定する箇所としては、例えば、三次元形状造形物のＣＡＤデータの断面輪郭形状データから、各断面の重心点や、輪郭線から最も遠い点等を設定する。造形する三次元形状造形物の形状に応じた箇所の温度を測定し、冷却や加熱の状態を検出することができるので、冷却や加熱を過不足なく効率良く行なうことができる。
【００４１】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図１１を参照して説明する。三次元形状造形物の造形においては、造形中に加熱、冷却を繰り返すので、造形物、造形用プレート及び昇降テーブルは熱膨張、収縮を繰り返すこととなり、造形の基準点がずれる虞がある。そこで、本実施形態では、三次元形状造形物の造形前に切削工具によって、造形用プレートに除去仕上げ加工の基準位置となる基準点を作成する。図１１（ａ）乃至（ｆ）は、本実施形態での基準点の作成及び除去仕上げ加工の動作を示す。最初に、図１１（ａ）に示すように、三次元形状造形物の造形前に、制御部は、ミーリングヘッド５２を所定の位置に移動させて、切削工具５１によって、造形用プレート２２に除去仕上げ加工の基準位置となる、例えば、＋形状の基準点８を形成し、図１１（ｂ）に示すように、基準点８をミーリングヘッド５２に取り付けたＣＣＤカメラ８１によって検出しその位置データを記憶する。
【００４２】
次いで、図１１（ｃ）に示すように、制御部は所定の層数の硬化層を積層した後、図１１（ｄ）に示すように、冷却中に基準点８が見えるように未焼結の金属粉末２を吸引機８２により吸引する。次いで、図１１（ｅ）に示すように、制御部９はＣＣＤカメラ８１によって、基準点８を検出し、最初に記憶した位置データと比較して、その差に基づいて除去仕上げ工程を行なうＮＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）プログラムの加工位置を補正する。この補正する動作は補正工程を構成する。次いで、図１１（ｆ）に示すように、補正したＮＣプログラムにより造形物１１の除去仕上げ加工を行なう。除去仕上げ加工の前に加工位置の補正を行なうので、加工精度が良くなる。加工位置の補正は、除去仕上げ加工のプログラムだけでなく、光ビームを走査するプログラムの補正を行なってもよい。光ビームの走査位置が補正されるので、焼結の位置精度が良くなる。
【００４３】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について説明する。本実施形態では、第１乃至第４の実施形態における製造方法と異なり、除去仕上げ工程前の冷却中の待機を、温度を測定して行なうのでなく、製造条件から待機時間を算出して待機する。硬化工程後の冷却中の三次元形状造形物の温度は、金属粉末の種類、粒径、光ビームのエネルギー吸収率及び熱伝導率等の材料特性や、光ビームの照射条件や、冷却条件に基づいて予測することができる。また、冷却温度の要因には、上述した要因以外に、前回の除去仕上げ工程の後の光ビームによる加熱量と、造形物の蓄熱量が大きな要因となる。
【００４４】
上記待機時間を算出するには、前回の除去仕上げ工程の後の光ビームによる加熱量を表す指標として、前回の除去仕上げ工程後に造形した硬化層の面積Ｓを用いると共に、造形物の蓄熱量を表す指標としてそれまでに造形した体積Ｖを用いて、この面積Ｓと体積Ｖを変数とし、上述した金属粉末の材料特性等毎に基づいた式、待機時間Ｔ＝ｆ（Ｓ，Ｖ）を実験データ等から導きだす。そして、硬化工程の後、この式によって算出した待機時間Ｔの間、待機する。計算式から算出することにより、温度測定をすることなく、簡単に待機時間を決定することができる。また、除去仕上げ工程後の加熱工程での待機時間も、加熱量等を要因に加えて算出式を導き出し、待機時間を算出してもよい。温度測定をすることなく、簡単に加熱工程時の待機時間を決定することができる。
【００４５】
なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、金属粉末の組成は、上記実施形態の構成に限られないし、また、有機質の粉末材料でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る製造方法に用いる金属光造形加工機の斜視図。
【図２】同製造方法における造形物の冷却状態を示す図。
【図３】同製造方法のフロー図。
【図４】同製造方法における造形物の温度履歴を表す図。
【図５】同製造方法の変形例における造形物の冷却状態を示す図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る製造方法における造形物の加熱状態を示す図。
【図７】同製造方法のフロー図。
【図８】同製造方法における造形物の温度履歴を表す図。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る製造方法に用いる金属光造形加工機の斜視図。
【図１０】（ａ）乃至（ｃ）は、同製造方法の変形例を時系列に説明する図。
【図１１】（ａ）乃至（ｆ）は、本発明の第４の実施形態に係る製造方法を時系列に説明する図。
【図１２】従来の製造方法のフロー図。
【図１３】（ａ）乃至（ｃ）は、同製造方法を時系列に説明する図。
【図１４】同製造方法における造形物の温度履歴を表す図。
【符号の説明】
【００４７】
１ 金属光造形加工機（製造装置）
１１ 造形物（三次元形状造形物）
２ 金属粉末（粉末材料）
２１ 粉末層
２２ 造形用プレート
２５ 硬化層
３ 粉末層形成部（粉末層形成手段）
４ 硬化部（硬化手段）
５ 切削除去部（除去手段）
５２ ミーリングヘッド（主軸）
６ 冷媒回路（冷却手段）
６１ 冷媒配管（冷却手段）
６２ 冷却温度調整装置（冷却手段）
６４ 放熱フィン（冷却手段）
６５ 放熱ブロック（冷却手段）
６６ 冷却ファン（冷却手段）
６９ ヒータ（加熱手段）
７２ 局部温度センサ（温度センサ）
８ 基準点
Ｌ 光ビーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形用プレートに無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結、又は溶融硬化させ硬化層を形成する硬化工程とを備え、前記粉末層形成工程と硬化工程とを繰り返すことにより複数の硬化層が一体化された造形物の形成の途中に、該造形物の表面及び表面内側を除去する除去工程を少なくとも１回以上繰り返して三次元形状造形物を造形する方法において、
前記除去工程時に、前記造形用プレートを所定の冷却手段により冷却する冷却工程を含み、この冷却工程により所定の温度まで冷却した後に除去仕上げ加工を行なうことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
【請求項２】
造形用プレートに無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結、又は溶融硬化させ硬化層を形成する硬化工程とを備え、前記粉末層形成工程と硬化工程とを繰り返すことにより複数の硬化層が一体化された造形物の形成の途中に、該造形物の表面及び表面内側を除去する除去工程を少なくとも１回以上繰り返して三次元形状造形物を造形する方法において、
前記除去工程時に、前記造形物の周囲の雰囲気を所定の冷却手段により冷却する冷却工程を含み、この冷却工程により所定の温度まで冷却した後に除去仕上げ加工を行なうことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
【請求項３】
前記硬化工程時に、前記造形用プレートを所定の加熱手段により加熱する加熱工程を含み、この加熱工程により所定の温度まで加熱した後に硬化工程を行なうことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項４】
前記硬化工程時に、前記三次元形状造形物の周囲の雰囲気を所定の加熱手段により加熱する加熱工程を含み、この加熱工程により所定の温度まで加熱した後に硬化工程を行なうことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項５】
前記加熱工程及び冷却工程の両方又はいずれか一方において、造形中の造形物における上面全体の温度を測定し、予め定めた温度に達しているかを判断するステップを有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項６】
前記加熱工程及び冷却工程の両方又はいずれか一方において、前記除去仕上げ加工を行なう除去手段の主軸に温度センサを取り付け、
前記温度センサによって造形中の造形物の所定箇所の温度を測定し、
予め定めた温度に達しているかを判断するステップを有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項７】
前記冷却工程は、前記造形物を冷却するステップを有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項８】
三次元形状造形物の造形前に、前記造形用プレートに前記除去仕上げ加工の基準位置となる基準点の作成及び該基準点の位置の検出を行い、
前記除去工程の前に前記基準点の位置を再度検出し、
三次元形状造形物の造形前に検出した該基準点の位置との測定差に基づいて、前記除去工程を行なうＮＣプログラムの加工位置の補正を行なう補正工程を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項９】
造形用プレートに無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結、又は溶融硬化させ硬化層を形成する硬化手段と、三次元形状造形物を切削する除去手段と、を備え、前記粉末層の形成と、前記硬化層の形成とを繰り返すことにより複数の硬化層が一体化された造形物の形成の途中に、前記除去手段により該造形物の表面及び表面内側の除去を少なくとも１回以上繰り返して三次元形状造形物を製造する製造装置において、
前記造形物の周囲の雰囲気及び前記造形用プレートの両方又はいずれか一方を冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする三次元形状造形物の製造装置。
【請求項１】
造形用プレートに無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結、又は溶融硬化させ硬化層を形成する硬化工程とを備え、前記粉末層形成工程と硬化工程とを繰り返すことにより複数の硬化層が一体化された造形物の形成の途中に、該造形物の表面及び表面内側を除去する除去工程を少なくとも１回以上繰り返して三次元形状造形物を造形する方法において、
前記除去工程時に、前記造形用プレートを所定の冷却手段により冷却する冷却工程を含み、この冷却工程により所定の温度まで冷却した後に除去仕上げ加工を行なうことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
【請求項２】
造形用プレートに無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結、又は溶融硬化させ硬化層を形成する硬化工程とを備え、前記粉末層形成工程と硬化工程とを繰り返すことにより複数の硬化層が一体化された造形物の形成の途中に、該造形物の表面及び表面内側を除去する除去工程を少なくとも１回以上繰り返して三次元形状造形物を造形する方法において、
前記除去工程時に、前記造形物の周囲の雰囲気を所定の冷却手段により冷却する冷却工程を含み、この冷却工程により所定の温度まで冷却した後に除去仕上げ加工を行なうことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
【請求項３】
前記硬化工程時に、前記造形用プレートを所定の加熱手段により加熱する加熱工程を含み、この加熱工程により所定の温度まで加熱した後に硬化工程を行なうことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項４】
前記硬化工程時に、前記三次元形状造形物の周囲の雰囲気を所定の加熱手段により加熱する加熱工程を含み、この加熱工程により所定の温度まで加熱した後に硬化工程を行なうことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項５】
前記加熱工程及び冷却工程の両方又はいずれか一方において、造形中の造形物における上面全体の温度を測定し、予め定めた温度に達しているかを判断するステップを有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項６】
前記加熱工程及び冷却工程の両方又はいずれか一方において、前記除去仕上げ加工を行なう除去手段の主軸に温度センサを取り付け、
前記温度センサによって造形中の造形物の所定箇所の温度を測定し、
予め定めた温度に達しているかを判断するステップを有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項７】
前記冷却工程は、前記造形物を冷却するステップを有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項８】
三次元形状造形物の造形前に、前記造形用プレートに前記除去仕上げ加工の基準位置となる基準点の作成及び該基準点の位置の検出を行い、
前記除去工程の前に前記基準点の位置を再度検出し、
三次元形状造形物の造形前に検出した該基準点の位置との測定差に基づいて、前記除去工程を行なうＮＣプログラムの加工位置の補正を行なう補正工程を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項９】
造形用プレートに無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結、又は溶融硬化させ硬化層を形成する硬化手段と、三次元形状造形物を切削する除去手段と、を備え、前記粉末層の形成と、前記硬化層の形成とを繰り返すことにより複数の硬化層が一体化された造形物の形成の途中に、前記除去手段により該造形物の表面及び表面内側の除去を少なくとも１回以上繰り返して三次元形状造形物を製造する製造装置において、
前記造形物の周囲の雰囲気及び前記造形用プレートの両方又はいずれか一方を冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする三次元形状造形物の製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００８−３０７８９５（Ｐ２００８−３０７８９５Ａ）
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２７７１９（Ｐ２００８−１２７７１９）
【出願日】平成２０年５月１４日（２００８．５．１４）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月１４日（２００８．５．１４）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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