三次元造形物及びその製造方法
【課題】金型といった三次元造形物及びその三次元造形物の製造方法において、造形物の構造が簡易で、ヒータ発熱等の方法によらず溶融樹脂等の冷却プロセスにおける温度調節を可能とする。
【解決手段】三次元造形物の製造方法は、粉末材料２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を焼結又は溶融させて硬化層２２を形成する硬化層形成工程とを繰り返して硬化層２２を積層一体化した三次元造形物５を造形するものであり、この造形物内部の熱伝導率に分布を持たせる。これにより、造形物（例えば金型）内部の熱伝導率を制御することにより、樹脂の冷却温度を最適化することができ、成形品の反り等の発生を抑制できる造形物（金型）が得られる。また、この方法により製造された金型は、その内部にダクトや流動路等を設けることなく、簡易な構造により金型内部の温度調節を可能とする。
【解決手段】三次元造形物の製造方法は、粉末材料２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を焼結又は溶融させて硬化層２２を形成する硬化層形成工程とを繰り返して硬化層２２を積層一体化した三次元造形物５を造形するものであり、この造形物内部の熱伝導率に分布を持たせる。これにより、造形物（例えば金型）内部の熱伝導率を制御することにより、樹脂の冷却温度を最適化することができ、成形品の反り等の発生を抑制できる造形物（金型）が得られる。また、この方法により製造された金型は、その内部にダクトや流動路等を設けることなく、簡易な構造により金型内部の温度調節を可能とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末材料に光ビームを照射して焼結又は溶融させて成る金型等の三次元造形物及びこの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、粉末層を形成する粉末層形成工程と、その粉末層に光ビームを照射して粉末層の所定箇所を焼結させて硬化層を形成する硬化層形成工程とを繰り返し、硬化層を積層させることにより三次元造形物を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、例えば、従来の切削加工では複数の部品を組み合わせる必要があった射出成形用の金型を一体的に造形することができる。
【０００３】
ところで、金型を用いた射出成形においては、成形品が局所的な厚肉部を有する場合や、反りや光学ひずみが問題となるような成形品を成形する際には、金型内に注入された溶融樹脂等の冷却プロセスが成形品の品質に大きく影響する。例えば、樹脂成形品の射出成形においては、溶融させた樹脂（通常１５０〜３００℃程度）を金型内に射出充填させた後、樹脂の熱が金型へ伝達されることによって樹脂は冷却されて硬化し、成形が完了する。
【０００４】
しかし、樹脂成形品の厚肉部は、薄肉部に比べて熱がこもり易く樹脂が冷却され難い。そのため、金型自体の温度変化が一定であると、成形品の形状によっては樹脂全体の冷却速度が局所的に変化してしまい、これが成形品の反りやひずみの原因となる。そのため、高品質な成形品を得るためには、樹脂の冷却プロセスにおいて金型内の局所的な温度調節が必要になる。
【０００５】
このような金型内の温度調節には、ヒータ発熱による昇温方法や、水や有機水溶液等の温度調節媒体を金型内に流動させる方法が用いられる。例えば、樹脂の熱がこもり易く冷却が遅い厚肉部を成形する金型部分には冷却媒体を流動させ、冷却が早い薄肉部を成形する金型部分にはヒータ加熱等が行われる。これにより、樹脂成形品全体としての冷却速度が均一化され、成形品の反りやひずみの発生を抑制することができる。上述した三次元造形物の製造方法は、ヒータ配設用のダクトや温度調節媒体の流動路を金型内に一体的に成形する上でも好適である。
【特許文献１】特許第２６２０３５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、金型内にダクトや流動路を設けると、金型内部の構造が複雑化するので、金型設計が容易ではなく、しかも造形できる金型の自由度が制限される。また、金型の設計試作及び成形試作等を繰り返すことによるトライアンドエラーが多くなる。そうなると、要求される品質を満たす成形品を得るまでの成形品開発のリードタイムが長くなる。また、上述した温度調節方法によれば、ヒータ発熱、温度調節媒体の加熱又は冷却や、温度調節媒体の流動のためには電力等の多くのエネルギーを消費するので、省エネの観点からも好ましくない。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するものであり、簡易な構造で、しかもヒータ発熱等の方法によらず溶融樹脂等の冷却プロセスにおける温度調節を可能とする金型のような三次元造形物及びその三次元造形物の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】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、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、前記粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融させて硬化層を形成する硬化層形成工程とを繰り返すことにより前記硬化層又は粉末層を積層一体化して三次元造形物を造形する三次元造形物の製造方法において、一体造形された三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせるものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の三次元造形物の製造方法であって、前記硬化層形成工程において、前記硬化層の硬化密度を制御することにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせるものである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の三次元造形物の製造方法であって、前記硬化層形成工程において、未焼結部分又は未溶融部分を設けることにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせるものである。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法であって、空洞部を設けることにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせるものである。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４に記載の三次元造形物の製造方法において、前記空洞部に前記粉末材料とは熱伝導率が異なる材料が充填されるものである。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１に記載の三次元造形物の製造方法であって、前記粉末層形成工程において、前記粉末材料の材質及びその配合を制御することにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせるものである。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項３又は請求項６のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法において、熱伝導率が高い高熱伝導率部がセル構造に形成されると共に、該セル構造の高熱伝導率部内に、熱伝導率が低い低熱伝導率部が形成されるものである。
【００１５】
請求項８の発明は、請求項６に記載の三次元造形物の製造方法において、熱伝導率が低い低熱伝導率部がセル構造に形成されると共に、該セル構造の低熱伝導率部内に、熱伝導率が高い高熱伝導率部が形成されるものである。
【００１６】
請求項９の発明は、請求項１乃至請求項３又は請求項６乃至請求項８のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法において、一体造形された三次元造形物内部の熱伝導率を傾斜的に変化させるものである。
【００１７】
請求項１０の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法により製造される三次元造形物である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、造形物（例えば金型）内部の硬化密度を変化させて熱伝導率を制御することにより、樹脂の冷却温度を最適化することができ、成形品の反り等の発生を抑制できる造形物（金型）が得られる。また、この方法によれば、金型内にダクトや流動路等を設けることなく、簡易な構造により金型内部の温度調節が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の第１の実施形態に係る三次元造形物の製造方法（以下、造形物製造方法という）について図面を参照して説明する。図１は本実施形態の製造方法に用いられる金属光造形加工機（以下、光造形機１という）の構成を示し、図２（ａ）〜（ｃ）は光造型機１の動作を示す。光造形機１は、粉末材料２（例えば、平均粒径２０μｍの球形の鉄粉等）を供給して粉末層２１を形成する粉末層形成部３と、粉末層２１の所定箇所に光ビームＬ１を照射して粉末層２１を焼結又は溶融させて硬化層２２を形成する硬化層形成部４と、硬化層２２が積属されて成る三次元造形物（以下、造形物５という）を切削する切削除去部６とを備える。
【００２０】
粉末層形成部３は、粉末材料２の粉末層２１が上面に敷かれる造形用プレート（以下、プレート３１という（図２参照））と、プレート３１を保持し上下に昇降させる昇降テーブル３２（基板載置用テーブル（図２参照））と、プレート３１と昇降テーブル３２とを収容する造形タンク３３とを有する。更に、粉末層形成部３は、粉末材料２を貯蔵しておりその粉末材料２をせり上げる粉末タンク３４と、そのせり上げられた粉末材料２をプレート３１上に敷いて粉末層２１を形成する粉末供給プレート３５とを有している。プレート３１は、例えばＳ５５Ｃ等の炭素鋼等で形成される。
【００２１】
硬化層形成部４は、光ビームＬ１を出射する光ビーム発振器４１と、その出射された光ビームＬ１を集光する集光レンズ４２と、その集光された光ビームＬ１を粉末層２１の上に走査するガルバノミラー４３とを備える。光ビームＬ１には、例えば炭酸ガス光ビーム又はＮｄ−ＹＡＧ光ビーム等が用いられ、その出力は、例えば略５００Ｗとされる。切削除去部６は、造形物５を切削する切削工具６１と、切削工具６１を保持するミーリングヘッド６２と、ミーリングヘッド６２を移動させるＸＹ駆動機構６３とを備える。
【００２２】
また、光造形機１は、各部の動作を制御する制御部（図示せず）を備える。この制御部は、造形物５の三次元ＣＡＤデータに基づき、光ビームＬ１による照射経路、及び切削工具６１の工具経路を制御する。照射経路は、造形物５の三次元ＣＡＤデータから予め生成されたＳＴＬ（Stereo Lithography）を、例えば略０．０５ｍｍの等ピッチでスライスして得た各断面の輪郭形状データに基づいて設定される。また、照射経路は、造形物５の最表面が気孔率５％以下の高密度となるように設定されることが望ましい。
【００２３】
次に、光造形機１の造形動作を説明する。まず、図２（ａ）に示すように、昇降テーブル３２が下降した後、粉末供給プレート３５はプレート３１の面方向に移動して、粉末材料２をプレート３１の上に供給してならす。このようにして、粉末層２１が形成される。次に、ガルバノミラー４３（図１参照）のミラー面の向きが制御され、図２（ｂ）に示すように、光ビームＬ１が粉末層２１の所定の箇所に走査されて粉末材料２が焼結され、これにより硬化層２２が形成される。
【００２４】
そして、上述した図２（ａ）に示される粉末層形成工程と図２（ｂ）に示される硬化層形成工程とが繰り返され、これにより硬化層２２が積層される。硬化層２２の積層は、層数が所定回数になるまで繰り返される。硬化層２２の層数が所定回数になると、図２（ｃ）に示すように、ＸＹ駆動機構６３（図１参照）がミーリングヘッド６２を移動させ、切削工具６１により造形物５の表面の不要部分を除去し、造形物５の表面を滑らかにする。その後、光造形機１の造形動作は図２（ａ）に示す工程に戻る。こうして、造形が終了するまで硬化層２２の形成と造形物５の表面の不要部分の除去とが繰り返される。なお、本実施形態において、図２（ｃ）に示す切削加工は必須の工程ではない。
【００２５】
ここに一体造形された造形物５は、その内部において熱伝導率に分布を持たせるよう造形される。そして、本実施形態において、造形物内部の熱伝導率に分布を持たせる方法として、造形物内部における硬化密度を変化させる。具体的には、図３に示されるように、造形物５（金型）の内部において硬化密度の高い高密度部２２ａ又は硬化密度の低い低密度部２２ｂが設けられる。なお、「内部」とは、樹脂等が充填される金型等の内部空間ではなく、粉末層２１の焼結又は溶融により形成された硬化物自体の内部構造をいう。
【００２６】
粉末層２１を光ビーム等により焼結又は溶融させた硬化層２２を積層して造形された造形物５は、光ビーム等の照射エネルギーを制御することで、造形物内部に硬化密度の異なる（未焼結又は未溶融を含む）構造を造形することができる。例えば、高エネルギーの光ビーム等で焼結又は溶融された硬化層２２は、構成材料が十分に固化されて、図４（ａ）に示されるように、その切断断面はクラックが無い滑らかな状態となる。一方、低エネルギーの光ビーム等で焼結又は溶融された硬化層２２は、構成材料が十分に固化されず、図４（ｂ）に示されるように、その切断断面は多数の気孔が生じた状態となる。
【００２７】
図５は、硬化密度と熱伝導率との関係を示す。高密度部は、構成材料が密に結合しているため熱伝導性が高くなる。一方、低密度部は気孔により構成材料が部分的に分離しているので、熱伝導率が低くなる。すなわち、光ビーム等の照射エネルギーを制御して、造形物内部の硬化密度を局所的に変化させることにより、造形物内部における熱伝導率に任意の分布を持たせることが可能となる。なお、硬化密度が５０％以下であるものは、実質的にはほとんど硬化されていない粉末状態である。
【００２８】
従来の鋼材等を用いた金型では、金型内部の熱伝導率が一定であるため、樹脂のゲート近傍部と末端部とでは、樹脂の温度が局所的に変化して、これが成形品の反り等の製品不良を生じる原因となっていた。これに対して、図３に示したように、例えば、造形物５の主構造、及び樹脂のゲート近傍５Ａの金型内部に冷却効率の高い高密度部２２ａ（高熱伝導率部）を形成し、末端部５Ｂの金型内部に冷却効率の低い低密度部２２ｂ（低熱伝導率部）を形成することにより、成形品を構成する樹脂全体としての温度を均一化することができる。すなわち、本実施形態の製造方法によれば、造形物５（金型）内部の硬化密度を変化させて熱伝導率を制御することにより、樹脂の冷却温度を最適化することができ、成形品の反り等の発生を抑制できる造形物（金型）が得られる。また、この方法によれば、金型内にダクトや流動路等を設けることなく、簡易な構造により金型内部の温度調節が可能になる。
【００２９】
ここで、造形物５（金型）内部における高熱伝導率部（高密度部２２ａ）及び低熱伝導率部（低密度部２２ｂ）の好適な形成箇所について、図６を参照して説明する。例えば、金型内に樹脂を注入するためのゲート近傍５Ａは低熱伝導率部（低密度部２２ｂ）とすることが望ましい。通常、この領域の樹脂は、成形品の肉厚と比較して薄くて小さいため、すぐに冷却されて固まる。また、ゲート近傍５Ａで樹脂が固まって樹脂の流動性が低下すると、金型末端部５Ｂの方まで樹脂を充填するために射出圧力を高く設定する必要がある。更に、ゲート近傍５Ａで樹脂が固まりきってしまうと、樹脂は流れ込まなくなるので、樹脂の未充填不良や、成形品冷却中に発生する収縮による「ヒケ」等が発生しやすくなる。そのため、ゲート近傍５Ａは、樹脂の冷却速度が遅くなるような温度調節が望まれる。
【００３０】
また、成形品意匠部５Ｃも低熱伝導率部（低密度部２２ｂ）とすることが望ましい。この領域の熱伝導率を低下させると、流入された溶融樹脂が合流して融着した部分にできる線状の不良、いわゆる「ウエルドライン」の発生を抑制することができる。なお、成形品の表裏面において、例えば、ヒケを発生させたくない表面側を早く冷却固化させ、その反対側は熱伝導率を下げて冷却固化を遅らせると、冷却が遅いほうに裏面側にヒケが生じるが、表面側のヒケを抑制することができる。一方、スプル部５Ｄやランナ部５Ｅは、樹脂が厚肉となり易いので、冷却され難い。従って、冷却速度を速めて成形サイクルを向上させるため、これらの近傍は高熱伝導率部（高密度部２２ａ）とすることが望ましい。
【００３１】
上述した低密度部２２ｂには、造形物内部に未焼結部分又は未溶融部分が設けられる場合も含む。この場合、いわゆる低密度部２２ｂは粉末材料２が粉末のまま存在する。粉末状態の材料は、粉末間の隙間が多くなるので、上記図５に示したように、金属であるにも拘わらず熱伝導率は極めて低い。そのため、造形物内部に未焼結部分又は未溶融部分を設ける方法は、金型内部において特に熱伝導率を低くしたい部分を成形する上で好適である。
【００３２】
また、硬化層５を積層一体化させるときに、硬化層２２（高密度部２２ａ）の形成するときに、空洞部２３が設けられることにしてもよい。図７（ａ）〜（ｄ）は空洞部２３を形成する動作手順を示す。まず、空洞部２３の底面となる硬化層が形成された後に、空洞部２３の壁面を構成する層（壁面層）が積層される（図７（ａ））。壁面層は上層へ向かうほど空洞部２３の内方へ張り出すように積層され（図７（ｂ））、空洞部２３が閉じられる直前の層で、内部の粉末材料２が吸引ノズル７等により吸引除去される（図７（ｃ））。そして、粉末材料２の除去後、空洞部２３を閉じるように上層に硬化層が形成される（図７（ｄ））。ここでいう硬化層は高密度部２２ａを指す。すなわち、空洞部２３は、造形物内部に高密度部２２ａによって囲まれて成る空間である。
【００３３】
これら空洞部２３を形成する工程は、好ましくは窒素ガスが充填されたチャンバ内で行われ、上記空洞部２３には窒素ガスが充填される。窒素ガスのような気体は、一般に粉末材料を構成する鉄等の金属に比べて熱伝導率が遙かに低い。そのため、硬化層５を積層一体化させるときに、空洞部２３を設ければ、未焼結部分又は未溶融部分が設けられるよりも、造形物内部の熱伝導率をより低くすることができる。なお、図７（ａ）〜（ｄ）に示す工程は、真空チャンバ内で行われることがより好ましい。そうすれば、当該部分の熱伝導率を更に低くすることができる。
【００３４】
また、上記空洞部２３には、粉末材料２とは熱伝導率が異なる材料、つまり、粉末材料２よりも熱伝導率が高い高熱伝導率材料又は熱伝導率が低い低熱伝導率材料が充填されてもよい。この充填工程は、例えば、上述した図７（ｃ）及び図７（ｄ）に示した工程の間に行われる。こうすれば、充填される材料を適宜に選択することにより、当該部分の熱伝導率を任意に設定することができる。
【００３５】
更に、図８に示すように、複数の空洞部２３が、積層方向又は平面方向にマトリック状に形成されてもよい。この構成は、高密度部２２ａ（高熱伝導率部）がセル構造に形成すると共に、これらセル構造の高密度部２２ａ内に低密度部２２ｂ（低熱伝導率部）を形成するものである。なお、ここでいう低密度部２２ｂには、未焼結部分、未溶融部分、低熱伝導率材料が充填された空洞部２３を含む。通常、低密度部２２ｂは、高密度部２２ａに比べて構造的な強度が低い。そのため、造形物内部における低密度部２２ｂが占める体積が大きくなると、造形物自体の強度低下を招く。これに対して、上述したように、高強度の高密度部２２ａをセル構造に形成しておき、該セル構造の高密度部２２ａ内に低密度部２２ｂを形成すれば、造形物５の強度を確保した上で、造形物内に低熱伝導率部を形成することができる。
【００３６】
なお、高密度部２２ａ（高熱伝導率部）をセル構造とし、そのセル構造の中に低密度部２２ｂ（低熱伝導率部）を形成する場合、図９に示されるように、低密度部２２ｂを高密度部２２ａの中で小さな球体となるように配置してもよい。こうすれば、各セルの壁面層が内方へ張り出すオーバーハングを小さくすることができるので、低密度部２２ｂが未焼結又は未溶融の粉末状態であっても、内方へ張り出した硬化層が崩れ難く、造形を容易にすることができる。
【００３７】
高密度部２２ａ及び低密度部２２ｂを形成する方法は、上述したような光ビーム等の照射エネルギーを適宜に制御することに限られない。ここでは、その変形例について、図１０（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。この変形例は、まず、プレート３１上の１層目の硬化層２２全体が高密度部２２ａに形成される（図１０（ａ））。高密度部２２ａは、粉末層２１に、粉末材料を高密度に焼結する照射条件の光ビームＬ１を照射して成る。このときの光ビームＬ１の集光径は、例えば略０．５ｍｍとする。その後、低密度部２２ｂを設けたい所定部分に多数の小孔２２ｃを開ける（図１０（ｂ））。つまり、多数の小孔２２ｃが形成された領域が低密度部２２ｂとなる。小孔２２ｃの形成は、高密度部２２ａの形成時よりも、照射部分の単位面積あたりの照射エネルギーを高める光ビームＬ２により行われる。照射エネルギーを高めるため、例えば、集光径が絞られて略０．１ｍｍ以下とされ、又はパワーが略３００Ｗ以上とされ、若しくは光ビームがＱ−ＳＷ光ビーム等の高エネルギーのパルス光ビームとされる。
【００３８】
１層目に高密度部２２ａ及び低密度部２２ｂが形成された後、高密度部２２ａから成る硬化層２２が積層形成される（図１０（ｃ））。そして、その硬化層２２に、下層の小孔２２ｃの位置に合わせて小孔２２ｃが形成され、その部分が低密度部２２ｂに形成される（図１０（ｄ））。上述した高密度部２２ａ及び低密度部２２ｂの形成工程が繰り返されて造形物５が造形される。小孔２２ｃは、光ビームＬ１により形成するのではなく、微小径ドリル（図示せず）で孔を開けて形成してもよい。この場合、微小径ドリルの直径は０．１ｍｍ以下であることが望ましい。また、微小径ドリルとしては、開き角が略１２０度のものより先端が尖がったドリルを用いることが望ましい。微小径ドリルは、光造形機１の制御部により制御される。微小径ドリルは、切削工具６１と同一に構成されていてもよい。
【００３９】
また、切削除去部６は、切削工具６１、ミーリングヘッド６２、及びＸＹ駆動機構６３を備えた汎用の数値制御（ＮＣ：numerical Control）工作機械等で構成されることが望ましく、特に、切削工具６１を自動交換可能なマシニングセンタであることが望ましい。切削工具６１としては、例えば超硬素材で形成された二枚刃ボールエンドミルが主に用いられ、加工形状又は目的に応じてスクェアエンドミル、ラジアスエンドミル又はドリル等が使用される。
【００４０】
更に別の変形例として、プレート３１上の１層日の硬化層２２全体を、硬化密度が低い低密度部２２ｂとして形成しておき、低密度部２２ｂの形成後、硬化層２２の所定部分に光ビームを再照射して、硬化密度が高い高密度部２２ａを形成してもよい。このときの光ビームの照射条件は、低密度部２２ｂの形成時と同じであっても、異なっていてもよい。また、光ビームＬ１の照射回数は、１回であっても、複数回であってもよい。
【００４１】
また、光ビームＬ１を受けて消失する物質（図示せず）を、低密度部２２ｂを設けたい所定の部位のみに供給しておき、粉末層２１全体へ光ビームを照射して、その物質を消失させることにより、高密度部２２ａと低密度部２２ｂとを選択的に形成することもできる。この光ビームＬ１を受けて消失する物質は、例えば、カーボンファイバ等、略ファイバー状の物質である。なお、光ビームの照射条件は、例えは、上述した実施形態における高密度部２２ａ形成時と同じでよい。
【００４２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る三次元造形物の製造方法を説明する。本実施形態の三次元造形物の製造方法は、上述した粉末層形成工程において、粉末材料２の材質及びその配合を制御することにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせるものである。例えば、高熱伝導率としたい部分には、銅、銅合金、アルミ又はカーボン等といった熱伝導率の高い材料を粉末材料２として供給する。これら熱伝導率の低い材料は、通常の造形用の粉末材料である鉄粉に混合されて用いられてもよいし、また、熱伝導率の異なる複数種の材料が混合されてもよい。また、低熱伝導率としたい部分には、セラミック、樹脂粉末又はエポキシ樹脂等といった熱伝導率の低い材料を粉末材料２として供給する。
【００４３】
なお、上述した第１の実施形態においては、粉末層形成工程として、粉末供給プレート３５を平面方向に移動させる、いわゆるスキージングによる材料供給方法を示したが、本実施形態の三次元造形物の製造方法においては、プレート３１上に直接的に粉末材料２を供給できる個別の材料供給機構を備える。この材料供給機構としては、例えば、粉末材料２が充填されたカートリッジ（図示せず）を、切削除去部６に取付け可能とするものが挙げられる。
【００４４】
本実施形態の三次元造形物の製造方法によれば、上述した第１の実施形態とは異なる方法で三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせることができる。また、粉末材料を適宜に選択することにより、高密度部及び低密度部を形成する方法以上に、造形物内部における熱伝導率の分布差を大きくすることができる。
【００４５】
本実施形態の製造方法においては、熱伝導率が低い低熱伝導率部をセル構造に形成しておき、該セル構造の低熱伝導率部内に熱伝導率が高い高熱伝導率部を形成することもできる。すなわち、本実施形態においては、低熱伝導率部及び高熱伝導率部のいずれもが、焼結又は溶融によって十分に固化しているので、造形物の強度低下を招くことなく造形物内の熱伝導率に分布を持たせることが可能になる。
【００４６】
また、本実施形態の製造方法において、粉末層形成工程において供給される粉末を、熱伝導率が低い材料から高い材料へ、又は高い材料から低い材料へ漸増又は漸減させることにより、一体造形された造形物内部の熱伝導率を傾斜的に変化させることもできる。造形物内部の熱伝導率を傾斜的に変化させて形成した造形物５（金型）の側断面の構成例を図１１（ａ）（ｂ）に示す。同図の矢印は、低熱伝導率領域から高熱同率領域への熱伝導率の漸増方向を示す。図１１（ａ）の例は、成形品意匠部５Ｃの近傍が最も熱伝導率が低く、その周囲へ放射状に熱伝導率が漸増するように形成されている。また、図１１（ｂ）の例は、樹脂等が流入される上流側から下流側の領域へ、熱伝導率が漸増するように形成されている。
【００４７】
高熱伝導率部と低熱伝導率部との界面は、温度差が大きくなるので、熱応力によるクラック等が生じやすくなる。このようなクラック等は造形物の強度を低下させる原因となりかねない。しかし、造形物内部の熱伝導率を傾斜的に変化させれば、そのような界面における温度差が少なくなるので、クラック等の発生を抑制することができる。なお、一体造形された造形物内部の熱伝導率を傾斜的に変化させることは、上述した第１の実施形態の製造方法でも実現することができる。
【００４８】
本発明は、上述した第１又は第２の実施形態に示す製造方法に限定されるものでなく、様々な変形が可能である。例えば、第１及び第２の実施形態に示す製造方法が組み合わされてもよい。すなわち、造形物内の熱伝導率に分布を持たせる方法として、光ビームの照射エネルギーを制御して、硬化層２２の硬化密度を変化させると共に、粉末層２１に供給される粉末材料２として、熱伝導率の異なる複数の材料が適宜に供給されるようにしてもよい。また、例えば、セル構造の高密度部２２ａを形成しておいて、そのセル構造の内部において熱伝導率が漸増又は漸減するように、上記セル内に熱伝導率の異なる所定の材料を充填してもよい。なお、本発明は、上述したように、造形物内の熱伝導率に分布を持たせることにより造形物５の温度調節を可能としたものであるが、例えば、造形物内に冷却管等を形成してもよく、これらが組み合わせて用いられることにより、より効果的な温度調節が実現され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る三次元造形物の製造方法に用いられる金属光造形加工機の斜視図。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は上記加工機による造形物の製造手順を説明する一部側断面図。
【図３】上記加工機によって造形される三次元造形物の一例を示す側断面図。
【図４】（ａ）は高密度部の切断面の写真を示す図、（ｂ）は高密度部の切断面の写真を示す図。
【図５】硬化密度と熱伝導率との関係を示す図。
【図６】上記加工機によって造形される三次元造形物の他の例を示す側断面図。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は三次元造形物内部に空洞部を形成する工程を説明するための側断面図。
【図８】高密度部又は低密度部がセル構造に形成された三次元造形物の一部断面斜視図。
【図９】高密度部内に球体状の低密度部が形成された三次元造形物の側断面図。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る金属光造形加工機の斜視図。三次元造形物内部に熱伝導率の文武を持たせる他の方法を説明するための側断面図。
【図１１】（ａ）（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る三次元造形物の製造方法より造形された三次元造形物の側断面図。
【符号の説明】
【００５０】
１ 金属光造形加工機
２ 粉末材料
２１ 粉末層
２２ 硬化層
２２ａ 高密度部（高熱伝導率部）
２２ｂ 低密度部（低熱伝導率部）
２３ 空洞部
３ 粉末層形成部
４ 硬化層形成部
５ 三次元造形物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末材料に光ビームを照射して焼結又は溶融させて成る金型等の三次元造形物及びこの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、粉末層を形成する粉末層形成工程と、その粉末層に光ビームを照射して粉末層の所定箇所を焼結させて硬化層を形成する硬化層形成工程とを繰り返し、硬化層を積層させることにより三次元造形物を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、例えば、従来の切削加工では複数の部品を組み合わせる必要があった射出成形用の金型を一体的に造形することができる。
【０００３】
ところで、金型を用いた射出成形においては、成形品が局所的な厚肉部を有する場合や、反りや光学ひずみが問題となるような成形品を成形する際には、金型内に注入された溶融樹脂等の冷却プロセスが成形品の品質に大きく影響する。例えば、樹脂成形品の射出成形においては、溶融させた樹脂（通常１５０〜３００℃程度）を金型内に射出充填させた後、樹脂の熱が金型へ伝達されることによって樹脂は冷却されて硬化し、成形が完了する。
【０００４】
しかし、樹脂成形品の厚肉部は、薄肉部に比べて熱がこもり易く樹脂が冷却され難い。そのため、金型自体の温度変化が一定であると、成形品の形状によっては樹脂全体の冷却速度が局所的に変化してしまい、これが成形品の反りやひずみの原因となる。そのため、高品質な成形品を得るためには、樹脂の冷却プロセスにおいて金型内の局所的な温度調節が必要になる。
【０００５】
このような金型内の温度調節には、ヒータ発熱による昇温方法や、水や有機水溶液等の温度調節媒体を金型内に流動させる方法が用いられる。例えば、樹脂の熱がこもり易く冷却が遅い厚肉部を成形する金型部分には冷却媒体を流動させ、冷却が早い薄肉部を成形する金型部分にはヒータ加熱等が行われる。これにより、樹脂成形品全体としての冷却速度が均一化され、成形品の反りやひずみの発生を抑制することができる。上述した三次元造形物の製造方法は、ヒータ配設用のダクトや温度調節媒体の流動路を金型内に一体的に成形する上でも好適である。
【特許文献１】特許第２６２０３５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、金型内にダクトや流動路を設けると、金型内部の構造が複雑化するので、金型設計が容易ではなく、しかも造形できる金型の自由度が制限される。また、金型の設計試作及び成形試作等を繰り返すことによるトライアンドエラーが多くなる。そうなると、要求される品質を満たす成形品を得るまでの成形品開発のリードタイムが長くなる。また、上述した温度調節方法によれば、ヒータ発熱、温度調節媒体の加熱又は冷却や、温度調節媒体の流動のためには電力等の多くのエネルギーを消費するので、省エネの観点からも好ましくない。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するものであり、簡易な構造で、しかもヒータ発熱等の方法によらず溶融樹脂等の冷却プロセスにおける温度調節を可能とする金型のような三次元造形物及びその三次元造形物の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】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、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、前記粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融させて硬化層を形成する硬化層形成工程とを繰り返すことにより前記硬化層又は粉末層を積層一体化して三次元造形物を造形する三次元造形物の製造方法において、一体造形された三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせるものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の三次元造形物の製造方法であって、前記硬化層形成工程において、前記硬化層の硬化密度を制御することにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせるものである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の三次元造形物の製造方法であって、前記硬化層形成工程において、未焼結部分又は未溶融部分を設けることにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせるものである。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法であって、空洞部を設けることにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせるものである。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４に記載の三次元造形物の製造方法において、前記空洞部に前記粉末材料とは熱伝導率が異なる材料が充填されるものである。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１に記載の三次元造形物の製造方法であって、前記粉末層形成工程において、前記粉末材料の材質及びその配合を制御することにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせるものである。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項３又は請求項６のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法において、熱伝導率が高い高熱伝導率部がセル構造に形成されると共に、該セル構造の高熱伝導率部内に、熱伝導率が低い低熱伝導率部が形成されるものである。
【００１５】
請求項８の発明は、請求項６に記載の三次元造形物の製造方法において、熱伝導率が低い低熱伝導率部がセル構造に形成されると共に、該セル構造の低熱伝導率部内に、熱伝導率が高い高熱伝導率部が形成されるものである。
【００１６】
請求項９の発明は、請求項１乃至請求項３又は請求項６乃至請求項８のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法において、一体造形された三次元造形物内部の熱伝導率を傾斜的に変化させるものである。
【００１７】
請求項１０の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法により製造される三次元造形物である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、造形物（例えば金型）内部の硬化密度を変化させて熱伝導率を制御することにより、樹脂の冷却温度を最適化することができ、成形品の反り等の発生を抑制できる造形物（金型）が得られる。また、この方法によれば、金型内にダクトや流動路等を設けることなく、簡易な構造により金型内部の温度調節が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の第１の実施形態に係る三次元造形物の製造方法（以下、造形物製造方法という）について図面を参照して説明する。図１は本実施形態の製造方法に用いられる金属光造形加工機（以下、光造形機１という）の構成を示し、図２（ａ）〜（ｃ）は光造型機１の動作を示す。光造形機１は、粉末材料２（例えば、平均粒径２０μｍの球形の鉄粉等）を供給して粉末層２１を形成する粉末層形成部３と、粉末層２１の所定箇所に光ビームＬ１を照射して粉末層２１を焼結又は溶融させて硬化層２２を形成する硬化層形成部４と、硬化層２２が積属されて成る三次元造形物（以下、造形物５という）を切削する切削除去部６とを備える。
【００２０】
粉末層形成部３は、粉末材料２の粉末層２１が上面に敷かれる造形用プレート（以下、プレート３１という（図２参照））と、プレート３１を保持し上下に昇降させる昇降テーブル３２（基板載置用テーブル（図２参照））と、プレート３１と昇降テーブル３２とを収容する造形タンク３３とを有する。更に、粉末層形成部３は、粉末材料２を貯蔵しておりその粉末材料２をせり上げる粉末タンク３４と、そのせり上げられた粉末材料２をプレート３１上に敷いて粉末層２１を形成する粉末供給プレート３５とを有している。プレート３１は、例えばＳ５５Ｃ等の炭素鋼等で形成される。
【００２１】
硬化層形成部４は、光ビームＬ１を出射する光ビーム発振器４１と、その出射された光ビームＬ１を集光する集光レンズ４２と、その集光された光ビームＬ１を粉末層２１の上に走査するガルバノミラー４３とを備える。光ビームＬ１には、例えば炭酸ガス光ビーム又はＮｄ−ＹＡＧ光ビーム等が用いられ、その出力は、例えば略５００Ｗとされる。切削除去部６は、造形物５を切削する切削工具６１と、切削工具６１を保持するミーリングヘッド６２と、ミーリングヘッド６２を移動させるＸＹ駆動機構６３とを備える。
【００２２】
また、光造形機１は、各部の動作を制御する制御部（図示せず）を備える。この制御部は、造形物５の三次元ＣＡＤデータに基づき、光ビームＬ１による照射経路、及び切削工具６１の工具経路を制御する。照射経路は、造形物５の三次元ＣＡＤデータから予め生成されたＳＴＬ（Stereo Lithography）を、例えば略０．０５ｍｍの等ピッチでスライスして得た各断面の輪郭形状データに基づいて設定される。また、照射経路は、造形物５の最表面が気孔率５％以下の高密度となるように設定されることが望ましい。
【００２３】
次に、光造形機１の造形動作を説明する。まず、図２（ａ）に示すように、昇降テーブル３２が下降した後、粉末供給プレート３５はプレート３１の面方向に移動して、粉末材料２をプレート３１の上に供給してならす。このようにして、粉末層２１が形成される。次に、ガルバノミラー４３（図１参照）のミラー面の向きが制御され、図２（ｂ）に示すように、光ビームＬ１が粉末層２１の所定の箇所に走査されて粉末材料２が焼結され、これにより硬化層２２が形成される。
【００２４】
そして、上述した図２（ａ）に示される粉末層形成工程と図２（ｂ）に示される硬化層形成工程とが繰り返され、これにより硬化層２２が積層される。硬化層２２の積層は、層数が所定回数になるまで繰り返される。硬化層２２の層数が所定回数になると、図２（ｃ）に示すように、ＸＹ駆動機構６３（図１参照）がミーリングヘッド６２を移動させ、切削工具６１により造形物５の表面の不要部分を除去し、造形物５の表面を滑らかにする。その後、光造形機１の造形動作は図２（ａ）に示す工程に戻る。こうして、造形が終了するまで硬化層２２の形成と造形物５の表面の不要部分の除去とが繰り返される。なお、本実施形態において、図２（ｃ）に示す切削加工は必須の工程ではない。
【００２５】
ここに一体造形された造形物５は、その内部において熱伝導率に分布を持たせるよう造形される。そして、本実施形態において、造形物内部の熱伝導率に分布を持たせる方法として、造形物内部における硬化密度を変化させる。具体的には、図３に示されるように、造形物５（金型）の内部において硬化密度の高い高密度部２２ａ又は硬化密度の低い低密度部２２ｂが設けられる。なお、「内部」とは、樹脂等が充填される金型等の内部空間ではなく、粉末層２１の焼結又は溶融により形成された硬化物自体の内部構造をいう。
【００２６】
粉末層２１を光ビーム等により焼結又は溶融させた硬化層２２を積層して造形された造形物５は、光ビーム等の照射エネルギーを制御することで、造形物内部に硬化密度の異なる（未焼結又は未溶融を含む）構造を造形することができる。例えば、高エネルギーの光ビーム等で焼結又は溶融された硬化層２２は、構成材料が十分に固化されて、図４（ａ）に示されるように、その切断断面はクラックが無い滑らかな状態となる。一方、低エネルギーの光ビーム等で焼結又は溶融された硬化層２２は、構成材料が十分に固化されず、図４（ｂ）に示されるように、その切断断面は多数の気孔が生じた状態となる。
【００２７】
図５は、硬化密度と熱伝導率との関係を示す。高密度部は、構成材料が密に結合しているため熱伝導性が高くなる。一方、低密度部は気孔により構成材料が部分的に分離しているので、熱伝導率が低くなる。すなわち、光ビーム等の照射エネルギーを制御して、造形物内部の硬化密度を局所的に変化させることにより、造形物内部における熱伝導率に任意の分布を持たせることが可能となる。なお、硬化密度が５０％以下であるものは、実質的にはほとんど硬化されていない粉末状態である。
【００２８】
従来の鋼材等を用いた金型では、金型内部の熱伝導率が一定であるため、樹脂のゲート近傍部と末端部とでは、樹脂の温度が局所的に変化して、これが成形品の反り等の製品不良を生じる原因となっていた。これに対して、図３に示したように、例えば、造形物５の主構造、及び樹脂のゲート近傍５Ａの金型内部に冷却効率の高い高密度部２２ａ（高熱伝導率部）を形成し、末端部５Ｂの金型内部に冷却効率の低い低密度部２２ｂ（低熱伝導率部）を形成することにより、成形品を構成する樹脂全体としての温度を均一化することができる。すなわち、本実施形態の製造方法によれば、造形物５（金型）内部の硬化密度を変化させて熱伝導率を制御することにより、樹脂の冷却温度を最適化することができ、成形品の反り等の発生を抑制できる造形物（金型）が得られる。また、この方法によれば、金型内にダクトや流動路等を設けることなく、簡易な構造により金型内部の温度調節が可能になる。
【００２９】
ここで、造形物５（金型）内部における高熱伝導率部（高密度部２２ａ）及び低熱伝導率部（低密度部２２ｂ）の好適な形成箇所について、図６を参照して説明する。例えば、金型内に樹脂を注入するためのゲート近傍５Ａは低熱伝導率部（低密度部２２ｂ）とすることが望ましい。通常、この領域の樹脂は、成形品の肉厚と比較して薄くて小さいため、すぐに冷却されて固まる。また、ゲート近傍５Ａで樹脂が固まって樹脂の流動性が低下すると、金型末端部５Ｂの方まで樹脂を充填するために射出圧力を高く設定する必要がある。更に、ゲート近傍５Ａで樹脂が固まりきってしまうと、樹脂は流れ込まなくなるので、樹脂の未充填不良や、成形品冷却中に発生する収縮による「ヒケ」等が発生しやすくなる。そのため、ゲート近傍５Ａは、樹脂の冷却速度が遅くなるような温度調節が望まれる。
【００３０】
また、成形品意匠部５Ｃも低熱伝導率部（低密度部２２ｂ）とすることが望ましい。この領域の熱伝導率を低下させると、流入された溶融樹脂が合流して融着した部分にできる線状の不良、いわゆる「ウエルドライン」の発生を抑制することができる。なお、成形品の表裏面において、例えば、ヒケを発生させたくない表面側を早く冷却固化させ、その反対側は熱伝導率を下げて冷却固化を遅らせると、冷却が遅いほうに裏面側にヒケが生じるが、表面側のヒケを抑制することができる。一方、スプル部５Ｄやランナ部５Ｅは、樹脂が厚肉となり易いので、冷却され難い。従って、冷却速度を速めて成形サイクルを向上させるため、これらの近傍は高熱伝導率部（高密度部２２ａ）とすることが望ましい。
【００３１】
上述した低密度部２２ｂには、造形物内部に未焼結部分又は未溶融部分が設けられる場合も含む。この場合、いわゆる低密度部２２ｂは粉末材料２が粉末のまま存在する。粉末状態の材料は、粉末間の隙間が多くなるので、上記図５に示したように、金属であるにも拘わらず熱伝導率は極めて低い。そのため、造形物内部に未焼結部分又は未溶融部分を設ける方法は、金型内部において特に熱伝導率を低くしたい部分を成形する上で好適である。
【００３２】
また、硬化層５を積層一体化させるときに、硬化層２２（高密度部２２ａ）の形成するときに、空洞部２３が設けられることにしてもよい。図７（ａ）〜（ｄ）は空洞部２３を形成する動作手順を示す。まず、空洞部２３の底面となる硬化層が形成された後に、空洞部２３の壁面を構成する層（壁面層）が積層される（図７（ａ））。壁面層は上層へ向かうほど空洞部２３の内方へ張り出すように積層され（図７（ｂ））、空洞部２３が閉じられる直前の層で、内部の粉末材料２が吸引ノズル７等により吸引除去される（図７（ｃ））。そして、粉末材料２の除去後、空洞部２３を閉じるように上層に硬化層が形成される（図７（ｄ））。ここでいう硬化層は高密度部２２ａを指す。すなわち、空洞部２３は、造形物内部に高密度部２２ａによって囲まれて成る空間である。
【００３３】
これら空洞部２３を形成する工程は、好ましくは窒素ガスが充填されたチャンバ内で行われ、上記空洞部２３には窒素ガスが充填される。窒素ガスのような気体は、一般に粉末材料を構成する鉄等の金属に比べて熱伝導率が遙かに低い。そのため、硬化層５を積層一体化させるときに、空洞部２３を設ければ、未焼結部分又は未溶融部分が設けられるよりも、造形物内部の熱伝導率をより低くすることができる。なお、図７（ａ）〜（ｄ）に示す工程は、真空チャンバ内で行われることがより好ましい。そうすれば、当該部分の熱伝導率を更に低くすることができる。
【００３４】
また、上記空洞部２３には、粉末材料２とは熱伝導率が異なる材料、つまり、粉末材料２よりも熱伝導率が高い高熱伝導率材料又は熱伝導率が低い低熱伝導率材料が充填されてもよい。この充填工程は、例えば、上述した図７（ｃ）及び図７（ｄ）に示した工程の間に行われる。こうすれば、充填される材料を適宜に選択することにより、当該部分の熱伝導率を任意に設定することができる。
【００３５】
更に、図８に示すように、複数の空洞部２３が、積層方向又は平面方向にマトリック状に形成されてもよい。この構成は、高密度部２２ａ（高熱伝導率部）がセル構造に形成すると共に、これらセル構造の高密度部２２ａ内に低密度部２２ｂ（低熱伝導率部）を形成するものである。なお、ここでいう低密度部２２ｂには、未焼結部分、未溶融部分、低熱伝導率材料が充填された空洞部２３を含む。通常、低密度部２２ｂは、高密度部２２ａに比べて構造的な強度が低い。そのため、造形物内部における低密度部２２ｂが占める体積が大きくなると、造形物自体の強度低下を招く。これに対して、上述したように、高強度の高密度部２２ａをセル構造に形成しておき、該セル構造の高密度部２２ａ内に低密度部２２ｂを形成すれば、造形物５の強度を確保した上で、造形物内に低熱伝導率部を形成することができる。
【００３６】
なお、高密度部２２ａ（高熱伝導率部）をセル構造とし、そのセル構造の中に低密度部２２ｂ（低熱伝導率部）を形成する場合、図９に示されるように、低密度部２２ｂを高密度部２２ａの中で小さな球体となるように配置してもよい。こうすれば、各セルの壁面層が内方へ張り出すオーバーハングを小さくすることができるので、低密度部２２ｂが未焼結又は未溶融の粉末状態であっても、内方へ張り出した硬化層が崩れ難く、造形を容易にすることができる。
【００３７】
高密度部２２ａ及び低密度部２２ｂを形成する方法は、上述したような光ビーム等の照射エネルギーを適宜に制御することに限られない。ここでは、その変形例について、図１０（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。この変形例は、まず、プレート３１上の１層目の硬化層２２全体が高密度部２２ａに形成される（図１０（ａ））。高密度部２２ａは、粉末層２１に、粉末材料を高密度に焼結する照射条件の光ビームＬ１を照射して成る。このときの光ビームＬ１の集光径は、例えば略０．５ｍｍとする。その後、低密度部２２ｂを設けたい所定部分に多数の小孔２２ｃを開ける（図１０（ｂ））。つまり、多数の小孔２２ｃが形成された領域が低密度部２２ｂとなる。小孔２２ｃの形成は、高密度部２２ａの形成時よりも、照射部分の単位面積あたりの照射エネルギーを高める光ビームＬ２により行われる。照射エネルギーを高めるため、例えば、集光径が絞られて略０．１ｍｍ以下とされ、又はパワーが略３００Ｗ以上とされ、若しくは光ビームがＱ−ＳＷ光ビーム等の高エネルギーのパルス光ビームとされる。
【００３８】
１層目に高密度部２２ａ及び低密度部２２ｂが形成された後、高密度部２２ａから成る硬化層２２が積層形成される（図１０（ｃ））。そして、その硬化層２２に、下層の小孔２２ｃの位置に合わせて小孔２２ｃが形成され、その部分が低密度部２２ｂに形成される（図１０（ｄ））。上述した高密度部２２ａ及び低密度部２２ｂの形成工程が繰り返されて造形物５が造形される。小孔２２ｃは、光ビームＬ１により形成するのではなく、微小径ドリル（図示せず）で孔を開けて形成してもよい。この場合、微小径ドリルの直径は０．１ｍｍ以下であることが望ましい。また、微小径ドリルとしては、開き角が略１２０度のものより先端が尖がったドリルを用いることが望ましい。微小径ドリルは、光造形機１の制御部により制御される。微小径ドリルは、切削工具６１と同一に構成されていてもよい。
【００３９】
また、切削除去部６は、切削工具６１、ミーリングヘッド６２、及びＸＹ駆動機構６３を備えた汎用の数値制御（ＮＣ：numerical Control）工作機械等で構成されることが望ましく、特に、切削工具６１を自動交換可能なマシニングセンタであることが望ましい。切削工具６１としては、例えば超硬素材で形成された二枚刃ボールエンドミルが主に用いられ、加工形状又は目的に応じてスクェアエンドミル、ラジアスエンドミル又はドリル等が使用される。
【００４０】
更に別の変形例として、プレート３１上の１層日の硬化層２２全体を、硬化密度が低い低密度部２２ｂとして形成しておき、低密度部２２ｂの形成後、硬化層２２の所定部分に光ビームを再照射して、硬化密度が高い高密度部２２ａを形成してもよい。このときの光ビームの照射条件は、低密度部２２ｂの形成時と同じであっても、異なっていてもよい。また、光ビームＬ１の照射回数は、１回であっても、複数回であってもよい。
【００４１】
また、光ビームＬ１を受けて消失する物質（図示せず）を、低密度部２２ｂを設けたい所定の部位のみに供給しておき、粉末層２１全体へ光ビームを照射して、その物質を消失させることにより、高密度部２２ａと低密度部２２ｂとを選択的に形成することもできる。この光ビームＬ１を受けて消失する物質は、例えば、カーボンファイバ等、略ファイバー状の物質である。なお、光ビームの照射条件は、例えは、上述した実施形態における高密度部２２ａ形成時と同じでよい。
【００４２】
次に、本発明の第２の実施形態に係る三次元造形物の製造方法を説明する。本実施形態の三次元造形物の製造方法は、上述した粉末層形成工程において、粉末材料２の材質及びその配合を制御することにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせるものである。例えば、高熱伝導率としたい部分には、銅、銅合金、アルミ又はカーボン等といった熱伝導率の高い材料を粉末材料２として供給する。これら熱伝導率の低い材料は、通常の造形用の粉末材料である鉄粉に混合されて用いられてもよいし、また、熱伝導率の異なる複数種の材料が混合されてもよい。また、低熱伝導率としたい部分には、セラミック、樹脂粉末又はエポキシ樹脂等といった熱伝導率の低い材料を粉末材料２として供給する。
【００４３】
なお、上述した第１の実施形態においては、粉末層形成工程として、粉末供給プレート３５を平面方向に移動させる、いわゆるスキージングによる材料供給方法を示したが、本実施形態の三次元造形物の製造方法においては、プレート３１上に直接的に粉末材料２を供給できる個別の材料供給機構を備える。この材料供給機構としては、例えば、粉末材料２が充填されたカートリッジ（図示せず）を、切削除去部６に取付け可能とするものが挙げられる。
【００４４】
本実施形態の三次元造形物の製造方法によれば、上述した第１の実施形態とは異なる方法で三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせることができる。また、粉末材料を適宜に選択することにより、高密度部及び低密度部を形成する方法以上に、造形物内部における熱伝導率の分布差を大きくすることができる。
【００４５】
本実施形態の製造方法においては、熱伝導率が低い低熱伝導率部をセル構造に形成しておき、該セル構造の低熱伝導率部内に熱伝導率が高い高熱伝導率部を形成することもできる。すなわち、本実施形態においては、低熱伝導率部及び高熱伝導率部のいずれもが、焼結又は溶融によって十分に固化しているので、造形物の強度低下を招くことなく造形物内の熱伝導率に分布を持たせることが可能になる。
【００４６】
また、本実施形態の製造方法において、粉末層形成工程において供給される粉末を、熱伝導率が低い材料から高い材料へ、又は高い材料から低い材料へ漸増又は漸減させることにより、一体造形された造形物内部の熱伝導率を傾斜的に変化させることもできる。造形物内部の熱伝導率を傾斜的に変化させて形成した造形物５（金型）の側断面の構成例を図１１（ａ）（ｂ）に示す。同図の矢印は、低熱伝導率領域から高熱同率領域への熱伝導率の漸増方向を示す。図１１（ａ）の例は、成形品意匠部５Ｃの近傍が最も熱伝導率が低く、その周囲へ放射状に熱伝導率が漸増するように形成されている。また、図１１（ｂ）の例は、樹脂等が流入される上流側から下流側の領域へ、熱伝導率が漸増するように形成されている。
【００４７】
高熱伝導率部と低熱伝導率部との界面は、温度差が大きくなるので、熱応力によるクラック等が生じやすくなる。このようなクラック等は造形物の強度を低下させる原因となりかねない。しかし、造形物内部の熱伝導率を傾斜的に変化させれば、そのような界面における温度差が少なくなるので、クラック等の発生を抑制することができる。なお、一体造形された造形物内部の熱伝導率を傾斜的に変化させることは、上述した第１の実施形態の製造方法でも実現することができる。
【００４８】
本発明は、上述した第１又は第２の実施形態に示す製造方法に限定されるものでなく、様々な変形が可能である。例えば、第１及び第２の実施形態に示す製造方法が組み合わされてもよい。すなわち、造形物内の熱伝導率に分布を持たせる方法として、光ビームの照射エネルギーを制御して、硬化層２２の硬化密度を変化させると共に、粉末層２１に供給される粉末材料２として、熱伝導率の異なる複数の材料が適宜に供給されるようにしてもよい。また、例えば、セル構造の高密度部２２ａを形成しておいて、そのセル構造の内部において熱伝導率が漸増又は漸減するように、上記セル内に熱伝導率の異なる所定の材料を充填してもよい。なお、本発明は、上述したように、造形物内の熱伝導率に分布を持たせることにより造形物５の温度調節を可能としたものであるが、例えば、造形物内に冷却管等を形成してもよく、これらが組み合わせて用いられることにより、より効果的な温度調節が実現され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る三次元造形物の製造方法に用いられる金属光造形加工機の斜視図。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は上記加工機による造形物の製造手順を説明する一部側断面図。
【図３】上記加工機によって造形される三次元造形物の一例を示す側断面図。
【図４】（ａ）は高密度部の切断面の写真を示す図、（ｂ）は高密度部の切断面の写真を示す図。
【図５】硬化密度と熱伝導率との関係を示す図。
【図６】上記加工機によって造形される三次元造形物の他の例を示す側断面図。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は三次元造形物内部に空洞部を形成する工程を説明するための側断面図。
【図８】高密度部又は低密度部がセル構造に形成された三次元造形物の一部断面斜視図。
【図９】高密度部内に球体状の低密度部が形成された三次元造形物の側断面図。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る金属光造形加工機の斜視図。三次元造形物内部に熱伝導率の文武を持たせる他の方法を説明するための側断面図。
【図１１】（ａ）（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る三次元造形物の製造方法より造形された三次元造形物の側断面図。
【符号の説明】
【００５０】
１ 金属光造形加工機
２ 粉末材料
２１ 粉末層
２２ 硬化層
２２ａ 高密度部（高熱伝導率部）
２２ｂ 低密度部（低熱伝導率部）
２３ 空洞部
３ 粉末層形成部
４ 硬化層形成部
５ 三次元造形物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融させて硬化層を形成する硬化層形成工程とを繰り返すことにより前記硬化層又は粉末層を積層一体化して三次元造形物を造形する三次元造形物の製造方法において、
一体造形された三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせることを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項２】
前記硬化層形成工程において、前記硬化層の硬化密度を制御することにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項３】
前記硬化層形成工程において、未焼結部分又は未溶融部分を設けることにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項４】
空洞部を設けることにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項５】
前記空洞部に前記粉末材料とは熱伝導率が異なる材料が充填されることを特徴とする請求項４に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項６】
前記粉末層形成工程において、前記粉末材料の材質及びその配合を制御することにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項７】
熱伝導率が高い高熱伝導率部がセル構造に形成されると共に、該セル構造の高熱伝導率部内に、熱伝導率が低い低熱伝導率部が形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３又は請求項６のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項８】
熱伝導率が低い低熱伝導率部がセル構造に形成されると共に、該セル構造の低熱伝導率部内に、熱伝導率が高い高熱伝導率部が形成されることを特徴とする請求項６に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項９】
一体造形された三次元造形物内部の熱伝導率を傾斜的に変化させることを特徴とする請求項１乃至請求項３又は請求項６乃至請求項８のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法により製造される三次元造形物。
【請求項１】
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、前記粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融させて硬化層を形成する硬化層形成工程とを繰り返すことにより前記硬化層又は粉末層を積層一体化して三次元造形物を造形する三次元造形物の製造方法において、
一体造形された三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせることを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【請求項２】
前記硬化層形成工程において、前記硬化層の硬化密度を制御することにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項３】
前記硬化層形成工程において、未焼結部分又は未溶融部分を設けることにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項４】
空洞部を設けることにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項５】
前記空洞部に前記粉末材料とは熱伝導率が異なる材料が充填されることを特徴とする請求項４に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項６】
前記粉末層形成工程において、前記粉末材料の材質及びその配合を制御することにより三次元造形物内部の熱伝導率に分布を持たせることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項７】
熱伝導率が高い高熱伝導率部がセル構造に形成されると共に、該セル構造の高熱伝導率部内に、熱伝導率が低い低熱伝導率部が形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３又は請求項６のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項８】
熱伝導率が低い低熱伝導率部がセル構造に形成されると共に、該セル構造の低熱伝導率部内に、熱伝導率が高い高熱伝導率部が形成されることを特徴とする請求項６に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項９】
一体造形された三次元造形物内部の熱伝導率を傾斜的に変化させることを特徴とする請求項１乃至請求項３又は請求項６乃至請求項８のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の三次元造形物の製造方法により製造される三次元造形物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−１２１１８７（Ｐ２０１０−１２１１８７Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９７３５２（Ｐ２００８−２９７３５２）
【出願日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【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２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【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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