積層造形方法及び積層造形装置
材料粉末を押圧して形成した複数枚の平板状材料部材を準備した後、最初の平板状材料部材における設計断面形状に応じた領域に照射光（レーザ光）Ｌを照射し、溶融させた後に凝固させて当初断面要素を形成する。そして、当初断面要素の表面を平坦化する。次に、平坦化された一方側表面を有する既に造形された部分の表面上に次の平板状材料部材が配置される。引き続き、新たな平板状材料部材の積層位置の設計断面形状に応じた新たな平板状材料部材の領域に照明光を照射し、溶融させた後に凝固させることにより、積層断面要素が形成されるとともに、既に造形された部分と一体化させる。そして、積層断面要素の表面を平坦化する。以後、平板状材料部材の積層、積層断面要素形成及び積層表面平坦化を順次繰り返す。この結果、簡易かつ迅速に高強度の立体を造形することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層造形方法及び積層造形装置に係り、より詳しくは、粉末を材料として目的とする立体形状を造形する積層造形方法、及び、当該積層造形方法を使用する積層造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＣＡＤ（Computer Aided Design）で図面を作成した立体形状をラピッドプロトタイピング（Rapid Prototyping；以下、「ＲＰ」と略す）システムにより実体化することが、様々な分野で行われている。特に、積層造形方法を使用したＲＰシステムはマシニングセンタ等に比べて簡単な装置でありながら加工の自由度が高い。こうした長所を有する積層造形方法は、樹脂や紙を材料とするものに多く適用されてきたが、強度や経時・経年変化等の面で問題がある。このため、金属等を材料とする積層造形方法による立体造形の研究が盛んに進められている。
【０００３】
こうした金属等を材料とする立体の積層造形のうち、高強度の造形品を目指すものとして、（ａ）金属等の材料粉末の表面に樹脂を塗布した後、レーザ照射により加熱して溶融させた樹脂部を接着剤として機能させて断面要素を順次積層し、立体を造形する方法や、（ｂ）金属等の材料粉末を１種類のレーザ照射により直接加熱して溶融し、連続体を形成する方法が提案されている。こうした方法では、レーザ照射による所定領域の溶融及びその溶融部で凝固が起こる。しかし、こうした溶融及び凝固のみでは、造形された立体内部に空洞や樹脂が残留し、十分な強度が得られない。そこで、高温雰囲気中における残留樹脂成分の揮発や材料粒子の局所的な結合を促進させて焼結状態としたり、使用した金属等の材料よりも低融点材料を溶解して空洞部に浸透させたりする後処理が必要であり、こうした後処理により強度の向上を図っていた。
【０００４】
これに対し、最近になって、焼結や低融点材料といった後処理を必要とせずに高強度を達成できる金属等の積層造形方法が提案されている（非特許文献１参照；以下、「従来例」と呼ぶ）。この従来例の積層造形方法では、図１３Ａ〜図１４Ｂに示されるように、まず、材料粉末９１を供給する（図１３Ａ参照）。なお、図１３Ａには、目的形状の一部が既に内部に積層造形された圧縮材料体９８上に新たに積層造形される層のための材料粉末９１が供給される例が示されている。
【０００５】
引き続き、ブレード等を用いて材料粉末９１を平坦化させて、材料粉末層９２を形成する（図１３Ｂ参照）。そして、材料粉体層９２を高い圧力Ｐで圧縮し、圧縮材料層９３を形成する（図１３Ｃ参照）。
【０００６】
次に、比較的低パワーのレーザ光Ｌ１により、目的とする立体形状の積層方向（＋Ｚ方向）における圧縮材料層９３の位置の設計断面形状に応じた圧縮材料層９３の領域を照射する。この結果、照射領域の材料が加熱されて溶融する。そして、その溶融部へのレーザ光Ｌ１の照射を止めて凝固させる。この結果、圧縮材料層９３内に断面要素９５が形成される（図１４Ａ参照）。なお、レーザ光Ｌ１を適当な速度で、設計断面形状に応じた圧縮材料層９３の領域を走査することにより、材料を局所的に溶融して凝固させることが連続的に行われる。
【０００７】
次いで、レーザ光Ｌ１よりもパワーの高いレーザ光Ｌ２を、断面要素９５に照射して加熱し、既に積層造形されている部分と断面要素とを接合して一体化させる。この結果、断面要素９５が新たに積層された積層造形体９７が形成される（図１４Ｂ参照）。以後、上記と同様にして、順次積層造形を進行させることにより、目的とする立体形状が高強度に造形される。
【０００８】
【非特許文献１】徳永他 「２ステップレーザ照射法による純鉄粉体材料を用いた３次元造形」 精密工学会誌 第65巻 第８号 第1136〜1140頁、平成11年８月５日
【発明の開示】
【０００９】
＜発明が解決しようとする課題＞
上記の従来例の積層造形方法は、高強度の立体を造形する観点からは、非常に優れたものである。しかしながら、従来例においては、各層の断面要素の作成のために、既に積層造形された部分上に材料粉末層を形成することが必要であるため、材料粉末層の形成場所である可動ステージ等として高い圧力に対する耐えられるものが必要であったり、レーザ照射用のステージから既に積層造形された部分を取り外した後に材料粉末層を形成して、再度レーザ照射用のステージに戻したりする必要があった。
【００１０】
また、従来例では、パワーの異なる２種類のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を単一のレーザ発振器で出力することは可能であるが、圧縮粉体の溶融凝固のためのレーザ光Ｌ１の照射、及び、既に形成された造形部分との接合のためのレーザ光Ｌ２の照射という２回のレーザ光の照射が必要であった。
【００１１】
この結果、従来例の積層造形方法を採用した積層造形装置は、大規模なものにならざるを得ず、かつ、材料粉末の圧縮とレーザ照射という工程を混在させて実行することが必要であった。したがって、従来技術によっては、簡便に高強度の立体を造形することができるとはいい難かった。
【００１２】
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、簡易かつ迅速に高強度の立体を造形することができる積層造形方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明は、簡易かつ迅速に高強度の立体を造形することができる積層造形装置を提供することを目的とする。
【００１４】
＜課題を解決するための手段＞
本発明の積層造形方法は、粉末を材料として、目的とする立体形状を造形する積層造形方法であって、材料粉末を押圧して形成した平板状材料部材を複数枚準備する平板状材料部材準備工程と；前記平板状材料部材の最初の１枚における設計断面形状に応じた前記平板状材料部材の領域に一方側からレーザ光を照射し、局所的に加熱して溶融させた後に凝固させて当初断面要素を形成する当初断面要素形成工程と；前記当初断面要素の前記一方側の表面を平坦化する当初表面平坦化工程と；を実行した後に、前記平板状材料部材を既に造形された部分の前記一方側に配置する平板状材料部材積層工程と；前記目的とする立体形状における前記平板状材料部材の積層位置の設計断面形状に応じた前記平板状材料部材の領域に一方側からレーザ光を照射し、局所的に加熱して溶融させた後に凝固させて積層断面要素を形成するとともに、前記一方側とは反対側において既に造形された部分と一体化させる積層断面要素形成工程と；前記積層断面要素の前記一方側の表面を平坦化する積層表面平坦化工程と；を繰り返し、前記目的とする立体形状を造形することを特徴とする積層造形方法である。
【００１５】
この積層造形方法では、まず、平板状材料部材準備工程において、材料粉末を押圧して形成した平板状材料部材を複数枚準備する。ここで、平板状材料は、自重やロボットアームなどによるステージ上へのロードによって崩れたりせず、かつ、後述する当初断面要素形成工程や積層断面形成工程におけるレーザ光照射によって材料粉末が飛散しない程度に材料粉末が圧縮されている。
【００１６】
次に、当初断面要素形成工程において、平板状材料部材の最初の１枚における設計断面形状に応じた平板状材料部材の領域に一方側からレーザ光を照射し、局所的に加熱して溶融させた後に凝固させて当初断面要素を形成する。こうして形成された当初断面要素の一方側は、表面張力等により平坦とはなっていない。このため、引き続き、当初表面平坦化工程において、当初断面要素の前記一方側の表面を平坦化する。こうして、最初の平板状材料部材の積層位置における部分の造形が行われる。
【００１７】
次いで、平板状材料部材積層工程において、平坦化された一方側表面を有する既に造形された部分の一方側表面上に次の平板状材料部材が配置される。この結果、既に造形された部分の一方側表面上にほぼ密着した状態で、新たな平板状材料部材が載置される。
【００１８】
引き続き、積層断面要素形成工程において、目的とする立体形状における新たな平板状材料部材の積層位置の設計断面形状に応じた当該新たな平板状材料部材の領域に一方側からレーザ光を照射する。この結果、レーザ光が照射された領域が、局所的に加熱されて溶融する。この後、レーザ光の照射を停止すると、溶融部分が凝固して積層断面要素が形成されるとともに、当該積層断面要素が、一方側とは反対側において既に造形された部分と一体化する。
【００１９】
こうして形成された積層断面要素の一方側は、上述した当初断面要素の場合と同様に表面張力等により平坦とはなっていない。このため、積層表面平坦化工程において、積層断面要素の前記一方側の表面を平坦化する。
【００２０】
以後、上述した平板状材料部材積層工程、積層断面要素形成工程及び積層表面平坦化工程を順次繰り返すことにより、目的とする立体形状が高強度に造形される。
【００２１】
すなわち、本発明の積層造形方法では、各層の断面要素の作成のために、既に積層造形された部分上に材料粉末層を形成することが必要ではなくなるため、レーザ照射用に使用するステージ装置が高い圧力に対する耐えられるものとする必要がなくなる。また、レーザ照射用のステージから既に積層造形された部分を取り外した後に材料粉末層を形成して、再度レーザ照射用のステージに戻したりする必要もなくなる。また、パワーの異なる２種類のレーザ光Ｌ１，Ｌ２による２段階の照射を行う必要もなくなる。さらに、材料粉末の圧縮とレーザ照射という工程を混在させて実行する必要もなくなる。
【００２２】
したがって、本発明の積層造形方法によれば、簡易かつ迅速に高強度の立体を造形することができる。
【００２３】
本発明の積層造形方法では、前記平板状材料部材における空隙率を５０％未満とすることができる。この場合には、平板状材料部材を自重やロボットアームなどによるステージ上へのロードによって崩れたりせず、かつ、後述する当初断面要素形成工程や積層断面形成工程におけるレーザ光照射によって材料粉末が飛散しない程度に材料粉末が圧縮されたものとすることができる。なお、例えば、材料粉末が平均粒径が約１００μｍの純鉄粉である場合には、１００ＭＰａ以上で押圧することにより、材料粉末が占める割合を５０％以上とすることができる。
【００２４】
本発明の積層造形方法では、前記材料粉末として、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属の粉末、ニッケル−モリブデン（Ｎｉ−Ｍｏ）合金鋼等の合金の粉末を使用することができる。これらの中でも、後述するＮｉ−Ｍｏ系の合金を使用すると、高強度で耐磨耗性に優れた造形品を得ることができる。なお、これら以外の金属又は合金であっても、溶融凝固過程を経る金属又は合金であれば材料として採用することができる。また、ナイロンその他のポリアミド系のプラスチック；ソーダガラスその他のガラス；ジルコニアその他のセラミックスであっても、レーザを吸収し溶融凝固過程を経るものであれば、材料として採用することができる。
【００２５】
また、本発明の積層造形方法では、前記平板状材料部材それぞれの材料を、前記平板状材料部材それぞれの積層位置に応じて定めることができる。この場合には、積層造形体における積層方向に位置に応じて所望の強度等を有する材質として、積層造形体を製作することができる。
【００２６】
また、本発明の積層造形方法では、前記当初断面要素形成工程と前記当初表面平坦化工程との間に行われ、前記平板状材料部材の最初の１枚における前記当初断面要素以外の部分を除去する当初余剰材料除去工程と；前記積層断面要素形成工程と前記積層表面平坦化工程との間に行われ、前記積層された平板状材料部材における前記積層断面要素以外の部分を除去する積層余剰材料除去工程と；を更に備えることとすることができる。この場合には、断面要素の平坦化に先立って、断面要素以外の材料部分、すなわち圧縮粉体部分を除去するので、平坦化後の表面に圧縮粉体の切りくずが残ってしまうことを防止することができる。この結果、平坦化表面上に次の平板状材料部材を隙間無く配置することができ、断面要素同士をむらなく一体化することができる。
【００２７】
また、本発明の積層造形方法では、前記当初表面平坦化工程の直前又は直後、及び、前記積層表面平坦化工程の直前又は直後に、最新に形成された断面要素部分の側面を整形する側面整形工程を更に備えることとすることができる。この場合には、各断面要素が形成された後、次の断面要素が形成される前に形成された断面要素の形状を設計断面形状に精度良く一致させることができる。このため、滑らかな形状を有する立体形状であっても、精度良く造形することができる。
【００２８】
本発明の積層造形装置は、材料粉末を押圧して形成した複数枚の平板状材料部材を出発材として、目的とする立体形状を造形する積層造形装置であって、前記平板状材料部材を搭載するステージを有し、前記ステージを３次元的に駆動可能なステージ装置と；前記平板状材料部材を前記ステージへ向けて搬送する搬送手段と；前記平板状材料部材の所定領域を局所的に加熱して溶融させるためのレーザ光を一方側から照射するレーザ光照射手段と；前記レーザ光の照射後に凝固して形成された断面要素の前記一方側表面を平坦化させる表面平坦化手段と；を備える積層造形装置である。
【００２９】
この積層造形装置では、材料粉末を押圧して形成した複数枚の平板状材料部材を出発材として、まず、搬送手段が、最初の平板状材料部材をステージ装置のステージ上に載置する。引き続き、ステージを動かしながら、レーザ光照射手段からのレーザ光により、平板状材料部材の最初の１枚における設計断面形状に応じた平板状材料部材の領域に一方側からレーザ光を照射し、局所的に加熱して溶融させた後に凝固させて当初断面要素を形成する。そして、表面平坦化手段が、当初断面要素の一方側の表面を平坦化する。こうして、最初の平板状材料部材の積層位置における部分の造形が行われる。
【００３０】
次に、搬送手段が、平坦化された一方側表面を有する既に造形された部分の一方側表面上に次の平板状材料部材を配置する。引き続き、ステージを動かしながら、レーザ光照射手段からのレーザ光により、目的とする立体形状における新たな平板状材料部材の積層位置の設計断面形状に応じた当該新たな平板状材料部材の領域に一方側から照射する。この結果、レーザ光が照射された領域が、局所的に加熱されて溶融する。この後、溶融部分を凝固させることにより、積層断面要素が形成されるとともに、当該積層断面要素が、一方側とは反対側において既に造形された部分と一体化させる。そして、表面平坦化手段が、積層断面要素の一方側の表面を平坦化する。
【００３１】
以後、上述した平板状材料部材の積層、積層断面要素の形成及び積層断面要素を有する平板上材料部材の一方側表面の平坦化を順次繰り返すことにより、目的とする立体形状が高強度に造形される。
【００３２】
すなわち、本発明の積層造形装置では、上述した本発明の積層造形方法を使用して、目的とする立体を造形することができる。したがって、本発明の積層造形装置によれば、簡易かつ迅速に高強度の立体を造形することができる。
【００３３】
本発明の積層造形装置では、前記断面要素以外の余剰材料部分を除去する余剰材料除去手段を更に備える構成とすることができる。この場合には、表面平坦化手段による断面要素の一方側表面の平坦化に先立って、断面要素以外の材料部分を、余剰材料除去手段を用いて除去することにより、平坦化後の表面に圧縮粉体の切りくずが残ってしまうことを防止することができる。
【００３４】
また、本発明の積層造形装置では、前記一方側表面が平坦化された断面要素の側面を整形する側面整形手段を更に備える構成とすることができる。この場合には、側面整形手段を用いることにより、各断面要素が形成された後、次の断面要素が形成される前に形成された断面要素の形状を設計断面形状に精度良く一致させることができる。このため、滑らかな形状を有する立体形状であっても、精度良く造形することができる。
【００３５】
＜発明の効果＞
以上説明したように、本発明の積層造形方法によれば、簡易にかつ迅速に高強度の立体を造形することができるという顕著な効果がある。
【００３６】
また、本発明の積層造形装置によれば、簡易にかつ迅速に高強度の立体を造形することができるという顕著な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係る積層造形方法を使用するための積層造形装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の一実施形態において、造形目的とする立体の形状を説明するための図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その１）である。
【図３Ｂ】図３Ａの平板状材料部材７１1の断面を示す図である。
【図４Ａ】照射光の照射方法を説明するための図である。
【図４Ｂ】図４Ａにおける照射スポットのオーバラップ率を説明するための図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その２）である。
【図５Ｂ】図５Ａの平板状材料部材７１1及び断面要素７５1の断面を示す図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その３）である。
【図６Ｂ】図６Ａの断面要素７６1の断面を示す図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その４）である。
【図７Ｂ】図７Ａの断面要素７７1の断面を示す図である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その５）である。
【図８Ｂ】図８Ａの断面要素７７1及び平板状材料部材７１2の断面を示す図である。
【図９Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その６）である。
【図９Ｂ】図９Ａの断面要素７７1、平板状材料部材７１2及び断面要素７５2の断面を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その７）である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの断面要素７７1及び断面要素７６2の断面を示す図である。
【図１１Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その８）である。
【図１１Ｂ】図１１Ａの断面要素７７1及び断面要素７７2の断面を示す図である。
【図１２Ａ】第１の変形例を説明するための図である。
【図１２Ｂ】第２の変形例を説明するための図である。
【図１３Ａ】従来例の積層造形方法を説明するための図（その１）である。
【図１３Ｂ】従来例の積層造形方法を説明するための図（その２）である。
【図１３Ｃ】従来例の積層造形方法を説明するための図（その３）である。
【図１４Ａ】従来例の積層造形方法を説明するための図（その４）である。
【図１４Ｂ】従来例の積層造形方法を説明するための図（その５）である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の一実施形態を、図１〜図１１Ｂを参照して説明する。
【００３９】
図１には、本発明の一実施形態に係る積層造形装置１０の概略的な構成が示されている。図１に示されるように、この積層造形装置１０は、（ａ）目的とする立体形状を設計するとともに、設計データを格納する計算機システム２０と、（ｂ）計算機システム２０の制御のもとで、レーザ光を発生するレーザ装置３１と、（ｃ）レーザ装置３１から射出され、光ファイバ３２を介したレーザ光を、後述するステージ４１上に載置された平板状材料部材７１j（ｊ＝１〜Ｎ）に照射するための照射光学系３３と、（ｄ）計算機システム２０の制御のもとで、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の３軸方向に移動可能なステージ４１を有するステージ装置４０とを備えている。
【００４０】
ここで、計算機システム２０は、（ｉ）立体形状の設計プログラム等の様々なプログラムを実行するとともに、積層造形装置１０全体を制御する処理装置２１と、（ii）処理装置２１の指令に応じて、図形や文字等を表示する表示装置２２と、（iii）オペレータが処理装置２１に対して指令や文字データを入力するキーボード等のストロークデバイス２３と、（iv）オペレータが処理装置２１に対して表示装置２２の表示領域における位置を指定するマウス等のポインティングデバイス２４と、（ｖ）設計された立体形状のデータ等を格納する記憶装置２５とを備えている。
【００４１】
また、レーザ装置３１としては、例えば、材料粉末が平均粒径１００μｍの純鉄の粉体である場合には、０．５ｍｍの平板状材料部材に対し、ピークパワー２ｋＷ、パルス幅約１０ｍｓのレーザの出力が可能なＹＡＧレーザ発振機を、好適に採用することができる。
【００４２】
また、照射光学系３３は、計算機システム２０の制御により、フォーカス位置のＺ軸方向に沿って変化させることができるようになっている。
【００４３】
また、ステージ装置４０は、（ｉ）上述したステージ４１と、（ii）計算機システム２０（より詳細には処理装置２１）からの指令ＳＴＣに応じて、ステージ４１をＸＹＺの３軸方向に駆動する駆動装置４２とを備えている。また、ステージ４１上には、十分な耐熱性を有するベース板４３が載置されている。
【００４４】
また、積層造形装置１０は、（ｅ）計算機システム２０の制御のもとで、ステージ４１に載置された部材の＋Ｚ方向側表面をＸＹ面と平行となるように平坦化するための砥石等の平坦化加工器５１と、（ｆ）計算機システム２０の制御のもとで、ステージ４１に載置された部材の表面を磨砕し、積層段差よりも細かい精度で整形するためのボールエンドミル等の磨砕加工器５２と、（ｇ）計算機システム２０の制御のもとで、ステージ４１上の余剰物を除去するためのワイヤブラシ等の内部余剰物除去器５３とを備えている。これらの平坦化加工器５１、磨砕加工器５２及び内部余剰物除去器５３、並びに上述した照射光学系３３は、基台部材５４に取り付けられている。そして、計算機システム２０の制御により、平坦化加工器５１、磨砕加工器５２及び内部余剰物除去器５３は、それぞれが独立に、Ｚ軸方向に移動可能となっている。なお、本明細書においては、「磨砕」の用語を、切削をも含む意味で用いるものとする。
【００４５】
また、積層造形装置１０は、（ｈ）ロボットアーム５６を有する搬送装置５５を備えている。このロボットアーム５６は、計算機システム２０の制御により、ＸＹＺの３軸方向及びＺ軸回りの回転が可能となっている。そして、計算機システム２０の制御により、ロボットアーム５６が、材料部材収納器５９に収納された平板状材料部材７１1，７１2，…，７１Nを順次ステージ４１にロードするようになっている。
【００４６】
また、積層造形装置１０では、上述した照射光学系３３、ステージ装置４０、平坦化加工器５１、磨砕加工器５２、基台部材５４及び搬送装置５５は、収容壁６１が形成する内部空間に収容されている。そして、収容壁６１の外側に置かれたガスボンベ６５から配管６６を介して、収容壁６１が形成する内部空間おける照射光Ｌの照射位置付近にアルゴンガス等の不活性ガスが供給されるようになっている。ここで、ガスボンベ６５からの収容壁６１が形成する内部空間への不活性ガスの供給量は、計算機システム２０がガス供給弁６７の開閉の度合いを制御することにより調整が可能となっている。
【００４７】
また、積層造形装置１０は、吸引器６８を備えており、配管６９を介してステージ４１の余剰物を吸引できるようになっている。ここで、吸引器６８による吸引動作は、計算機システム２０により制御可能となっている。
【００４８】
なお、平板状材料部材７１1，７１2，…，７１Nは、材料の粉末を高圧で圧縮されて形成される。ここで、平板状材料部材７１1，７１2，…，７１Nそれぞれは、自重やロボットアーム５６によるステージ４１上へのロードによって崩れたりせず、かつ、レーザ光Ｌの照射によって材料粉末が飛散しない程度に材料粉末が圧縮されている。例えば、材料粉末が平均粒径が約１００μｍの純鉄粉である場合には、１００ＭＰａ以上で押圧し、平板状材料部材７１1，７１2，…，７１Nそれぞれにおいて材料粉末自体が占める割合を５０％以上とすることにより、自重やロボットアーム５６によるステージ４１上へのロードによって崩れたりせず、かつ、レーザ光Ｌの照射によって材料粉末が飛散しないものとなる。
【００４９】
平板状材料部材７１j（ｊ＝１〜Ｎ）の厚さは材料粉末の種類、並びにレーザ光Ｌのパワーに応じて適切な値が定まるものである。レーザ光Ｌのパワーに応じた平板状材料部材７１jの厚さの適切な値は、事前の実験等により定められる。
【００５０】
次に、上記のように構成された積層造形システムによる積層造形の動作について説明する。
【００５１】
前提として、平板状材料部材７１1，７１2，…，７１Nは、既に作成され、材料部材収納器５９に収納されているものとする。また、平板状材料部材７１1，７１2，…，７１Nが収納された材料部材収納器５９が、収容壁６１が形成する内部空間の所定位置に置かれているものとする。
【００５２】
まず、設計者が、計算機システム２０を使用して、目的とする立体形状を設計する。かかる設計作業は、処理装置により３次元ＣＡＤプログラムを実行させた状態で、設計者が、表示装置２２における表示を参照しながら、ストロークデバイス２３及びポインティングデバイス２４を操作することにより行われる。こうして設計された立体形状のデータ、及び当該立体を水平面（ＸＹ平面と並行な面）で所定の垂直方向（Ｚ方向）の厚さでスライスした場合における、各スライス部の断面形状のデータは、記憶装置２５に格納される。なお、本実施形態では、設計された立体は、図２に示されるように、Ｚ方向に沿って、ＸＹ断面形状である正方形枠の一辺の長さが変化している立体ＯＢＪであるものとする。
【００５３】
以上のようにして、ＣＡＤ設計が終了すると、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１が搬送装置５５のロボットアーム５６の可動範囲内となるように、ステージ４１を移動させる。引き続き、計算機システム２０が搬送装置５５を制御して、平板状材料部材７１1を材料部材収納器５９から取り出して、ステージ４１の表面のベース板４３上にロードする（図３Ａ参照）。この状態における平板状材料部材７１1は、図３Ｂに示されるＸＺ断面で代表的に示されるように、全体として平坦となっている。
【００５４】
次に、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１が照射光学系３３の−Ｚ方向側となるように、ステージ４１を移動させる。引き続き、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して平板状材料部材７１1の＋Ｚ方向側表面のＺ軸位置が照射光学系３３から射出される照射光Ｌの焦点面近傍となるように、ステージ４１をＺ軸方向に移動させる。なお、ステージ４１のＺ軸方向の移動に際しては、平板状材料部材７１1の＋Ｚ方向側表面が照射光Ｌに対して所定のデフォーカス量を有するように移動させる。この所定のデフォーカス量は、事前の実験等により定められる。
【００５５】
次いで、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１をＸＹ平面と平行に移動させながら、レーザ装置３１を制御して、平板状材料部材７１1における設計断面形状に応じた領域に照射光Ｌを照射して局所的な加熱を行う。この加熱に際し、計算機システム２０は、ガス供給弁６７の開閉を制御することにより、加熱部分付近に例えばアルゴン（Ａｒ）ガスや窒素（Ｎ2）ガス等の不活性ガスを適宜供給し、材料の酸化等による変質を防止する。なお、本実施形態においては、不活性ガスとして、コストが廉価な窒素（Ｎ2）ガスを使用している。
【００５６】
照射光Ｌの照射による局所的な加熱は、図４Ａに示されるように、平板状材料部材７１1の＋Ｚ方向側表面における照射光（パルス光）Ｌによるスポット状の照射領域ＳＰＴ１，ＳＰＴ２，…それぞれが、次の照射領域ＳＰＴ２，ＳＰＴ３，…とオーバラップするように、パルス間隔とステージの移動速度との調整を図りつつ行われる。なお、図４Ｂに示される照射領域ＳＰＴｊと次の照射領域ＳＰＴ（ｊ＋１）とのオーバラップ面積Ｓj,j+1を、照射領域ＳＰＴｊの面積（＝Ｓj＋Ｓj,j+1）の５０％以上とすることが、強度の高い造形物を形成する上で好ましい。このようにすることにより、従来の２ステップレーザ光照射と同様の強度で、強度の高い造形物を形成することができる。なお、照射光の照射による平板状材料部材７１1の局所的な加熱は、ガスボンベ６５から供給された不活性ガスの雰囲気内で行われる。
【００５７】
こうした照射光Ｌの照射の結果、第１層目の断面要素７５1が形成される（図５Ａ参照）。なお、第１層目の断面要素７５1の形成に際しては、ベース板４３に第１層目の断面要素７５1が仮止め固定される。こうした仮止め固定は、後述する第２層目以降の断面要素の形成時と比べて照射光Ｌのパワーを少々弱めることにより達成される。
【００５８】
こうして形成された断面要素７５1のＹ軸方向に沿って延びる部分における平板状材料部材７１1のＸＺ断面を図５Ｂに示す。この図５Ｂで代表的に示されるように、断面要素７５1は、照射光Ｌが照射された領域と照射されなかった領域との境界部が三日月の端部のような形状となる。また、断面要素７５1の中央部の＋Ｚ方向側表面のＺ軸方向位置が、照射前の平板状材料部材７１1の＋Ｚ方向側表面のＺ軸方向位置よりも−Ｚ方向にずれる。
【００５９】
引き続き、平板状材料部材７１1における断面要素７５1以外の余剰材料部分を除去する。かかる余剰材料部分の除去に際しては、計算機システム２０が、ステージ４１を適宜移動させつつ、平坦化加工器５１や内部余剰物除去器５３を用いて当該余剰材料部分を機械的に除去したり、吸引器６８により吸引除去したりする。なお、機械的な除去を行う場合には、断面要素７５1が形成する閉領域内については内部余剰物除去器５３を用いて余剰材料の部分を掻き出す。
【００６０】
次に、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１が平坦化加工器５１の−Ｚ方向側となるように、ステージ４１を移動させる。引き続き、計算機システム２０が駆動装置４２又は平坦化加工器５１を制御して、断面要素７５1の＋Ｚ方向側表面が、平坦化加工器５１の磨砕用部材の近傍に位置するようにする。この後、計算機システム２０が駆動装置４２及び平坦化加工器５１を制御して、断面要素７５1の＋Ｚ方向側表面を平坦化する。この結果、断面要素７５1が、＋Ｚ方向側表面が平坦化された断面要素７６1に加工される（図６Ａ参照）。こうして形成された断面要素７６1がＹ軸方向に沿って延びる部分のＸＺ断面を図６Ｂに示す。
【００６１】
次いで、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１が磨砕加工器５２の−Ｚ方向側となるように、ステージ４１を移動させる。引き続き、計算機システム２０が駆動装置４２又は平坦化加工器５１を制御して、断面要素７６1の＋Ｚ方向側表面が、磨砕加工器５２の磨砕用部材の近傍に位置するようにする。この後、計算機システム２０が駆動装置４２及び磨砕加工器５２を制御して、断面要素７６1の側面を磨砕して設計形状と精度良く一致するように整形する。この結果、断面要素７６1を整形した整形断面要素７７1が形成される（図７Ａ参照）。形成された整形断面要素７７1がＹ軸方向に沿って延びる部分におけるＸＺ断面を図７Ｂに示す。こうして形成された整形断面要素７７1が、この段階における造形体となる。
【００６２】
次に、計算機システム２０が、駆動装置４２を制御して、ステージ４１が搬送装置５５のロボットアーム５６の可動範囲内となるように、ステージ４１を移動させる。引き続き、計算機システム２０が搬送装置５５を制御して、平板状材料部材７１2を材料部材収納器５９から取り出して、ベース板４３に載置され、整形断面要素７７1上にロードする（図８Ａ参照）。この状態における整形断面要素７７1がＹ軸方向に延びる部分のＸＺ断面を図８Ｂに示す。この図８Ｂに示されるように、全体的に密着するように、平板状材料部材７１2が、整形断面要素７７1の＋Ｚ方向側表面上に載置される。
【００６３】
次いで、平板状材料部材７１1の場合と同様にして、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１が照射光学系３３の−Ｚ方向側となるように、ステージ４１を移動させた後、平板状材料部材７１2の＋Ｚ方向側表面のＺ軸位置が照射光学系３３から射出される照射光Ｌの焦点面近傍となるように、ステージ４１をＺ軸方向に移動させる。そして、平板状材料部材７１1の場合と同様にして、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１をＸＹ平面と平行に移動させながら、レーザ装置３１を制御して、平板状材料部材７１1の場合と同様にして、平板状材料部材７１2における設計断面形状に応じた領域に十分なパワーの照射光Ｌを照射して局所的な加熱を行う。この結果、整形断面要素７７1と一体化した第２層目の断面要素７５2が形成され、断面要素７５1と一体化される（図９Ａ参照）。こうして形成された断面要素７５2のＹ軸方向に沿って延びる部分における平板状材料部材７１1及び平板状材料部材７１2のＸＺ断面を図９Ｂに示す。この図９Ｂで代表的に示されるように、断面要素７５2は、上述した断面要素７５1と同様に、照射光Ｌが照射された領域と照射されなかった領域との境界部が三日月の端部のような形状となる。また、断面要素７５2の中央部の＋Ｚ方向側表面のＺ軸方向位置が、照射前の平板状材料部材７１2の＋Ｚ方向側表面のＺ軸方向位置よりも−Ｚ方向にずれる。
【００６４】
次に、平板状材料部材７１2における断面要素７５2以外の余剰材料部分を除去する。かかる余剰材料部分の除去に際しては、計算機システム２０が、ステージ４１を適宜移動させつつ、平坦化加工器５１や内部余剰物除去器５３を用いて当該余剰材料部分を機械的に打ち落とす等する。そして、吸引器６８により吸引除去する。引き続き、断面要素７５1の場合と同様にして、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１が平坦化加工器５１の−Ｚ方向側となるように、ステージ４１を移動させた後、計算機システム２０が駆動装置４２又は平坦化加工器５１を制御して、断面要素７５2の＋Ｚ方向側表面が、平坦化加工器５１の磨砕用部材の近傍に位置するようにする。
【００６５】
そして、断面要素７５1の場合と同様にして、計算機システム２０が駆動装置４２及び平坦化加工器５１を制御して、断面要素７５2の＋Ｚ方向側表面を平坦化する。この結果、断面要素７５2が、＋Ｚ方向側表面が平坦化された断面要素７６2に加工される（図１０Ａ参照）。こうして形成された断面要素７６2がＹ軸方向に沿って延びる部分のＸＺ断面を図１０Ｂに示す。
【００６６】
次いで、平板状材料部材７１1の場合と同様にして、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１が磨砕加工器５２の−Ｚ方向側となるように、ステージ４１を移動させた後、計算機システム２０が駆動装置４２又は平坦化加工器５１を制御して、断面要素７６2の＋Ｚ方向側表面が、磨砕加工器５２の磨砕用部材の近傍に位置するようにする。そして、平板状材料部材７１1の場合と同様にして、計算機システム２０が駆動装置４２及び磨砕加工器５２を制御して、断面要素７６2の側面を磨砕して設計形状と精度良く一致するように整形する。この結果、断面要素７６2を整形した整形断面要素７７2に形成される（図１１Ａ参照）。形成された整形断面要素７７2がＹ軸方向に沿って延びる部分のＸＺ断面を図１１Ｂに示す。こうして形成された整形断面要素７７1及び整形断面要素７７2が一体化したものが、この段階における造形体となる。
【００６７】
以後、上記の第２層目における積層造形と同様にして、第３層目以降の積層造形が行われる。そして、最終的に、目的とする立体ＯＢＪが高強度かつ高精度で造形される。
【００６８】
以上説明したように、本実施形態では、材料粉末を押圧して形成した複数枚の平板状材料部材７１1〜７１Nを準備した後、最初の平板状材料部材７１1における設計断面形状に応じた領域に照射光（レーザ光）Ｌを照射し、局所的に加熱して溶融させた後に凝固させて当初断面要素７５1を形成する。引き続き、当初断面要素７５1の表面を平坦化する。
【００６９】
次に、平坦化された一方側表面を有する既に造形された部分の表面上に次の平板状材料部材７１k（ｋ＝２〜Ｎ）が配置される。この結果、既に造形された部分の表面上にほぼ密着した状態で、新たな平板状材料部材が載置される。引き続き、新たな平板状材料部材７１kの積層位置の設計断面形状に応じた新たな平板状材料部材７１kの領域に照明光を照射し、局所的に加熱されて溶融させた後に凝固させることにより、積層断面要素７５kが形成されるとともに、既に造形された部分と一体化する。引き続き、積層断面要素７１kの表面を平坦化する。
【００７０】
以後、平板状材料部材の積層、積層断面要素形成及び積層表面平坦化を順次繰り返すことにより、目的とする立体形状が高強度に造形される。
【００７１】
したがって、本実施形態によれば、簡易かつ迅速に高強度の立体を造形することができる。
【００７２】
また、本実施形態では、平板状材料部材７１1〜７１Nにおいて、材料が占める体積が、空間が占める体積よりも大きい、すなわち、材料粉末が占める割合を５０％以上としている。このため、平板状材料部材７１1〜７１Nが自重やロボットアームなどによるステージ上へのロードによって崩れたりせず、かつ、照射光（レーザ光）の照射によって材料粉末が飛散しない程度に材料粉末が圧縮されたものとすることができる。
【００７３】
また、本実施形態では、断面要素７５j（ｊ＝１〜Ｎ）の形成後、平板状材料部材７１jにおける断面要素７５j以外の部分を除去した後、断面要素７５jの表面を平坦化する。このため、平坦化後の表面に圧縮粉体の切りくずが残ってしまうことを防止することができる。この結果、平坦化表面上に次の平板状材料部材を確実に隙間無く配置することができる。
【００７４】
また、本実施形態では、最新に形成された断面要素７５１，７５2，…それぞれが形成される度に側面も整形するので、造形結果を設計形状に精度良く一致させることができる。
【００７５】
なお、平板状材料部材の材料としては、上述した純鉄の粉末の他、チタン等の金属の粉末；Ｎｉ−Ｍｏ合金鋼（例えば、川崎製鉄（社）製 ＫＩＰシグマロイ４１５（商品名））その他の合金の粉末；ナイロンその他のポリアミド系のプラスチックの粉末；ジルコニアその他のセラミックスの粉末；又はソーダガラスその他のガラスの粉末等を材料として使用し、同様に積層造形を行うこともできる。
【００７６】
ここで、使用する材料に応じて加熱用のレーザの種類を適宜選択することが必要となる。例えば、材料が純鉄の粉末以外であっても、金属又は合金の粉末であれば、ＹＡＧレーザを採用することができる。また、材料が純鉄等の金属又は合金の粉末であっても、レーザとして、炭酸ガスレーザ、半導体レーザ等を採用することもできる。また、上述した各種の樹脂又はガラスに対しては炭酸ガスレーザ、上述したセラミックスに対してはＹＡＧレーザ又は炭酸ガスレーザ等を採用することができる。また、樹脂にカーボンなどの吸収剤を混入しておくことにより、半導体レーザやＹＡＧレーザを使用することもできる。
【００７７】
また、上記の実施形態では、ステージ４１がＸＹ軸方向で可動としたが、照射光学系３３による照射光の走査範囲が十分に広ければ、ステージ４１がＸＹ軸方向で固定されていてもよい。また、上記の実施形態では、ステージ４１のＺ軸方向への移動を計算機システムの制御のもとで行ったが、ステージ４１のＺ軸方向への移動を手動で行ってもよい。
【００７８】
また、上記の実施形態では、平板状材料部材と焦点面とのＺ軸方向の位置関係の調整を、ステージ４１をＺ軸方向に移動させることにより行うこととした。これに対して、照射光学系３３を移動したり、照射光学系３３の焦点位置を調整したりしてもよい。
【００７９】
また、上記の実施形態では、全ての平板状材料部材７１1〜７１Nの材料を同一としたが、平板状材料部材それぞれの材料を、平板状材料部材それぞれの積層位置に応じて定めることができる。この場合には、積層造形体における積層方向に位置に応じて所望の強度等を有する材質として、積層造形体を製作することができる。
【００８０】
また、上記の実施形態では、全ての平板状材料部材７１1〜７１Nの形状を円形としたが、図１２Ａに示されるような矩形状の平板状材料部材７１’を用いてもよい。さらに、図１２Ｂに示されるように、平板状材料部材７１’を複数個配列したものを一層分の材料部材とすることにより、大きなものを積層造形することができる。
【００８１】
また、上記の実施形態では吸引器６８を用いたが、エアブロアを用い余剰材料部分を吹き飛ばすようにしてもよい。
【００８２】
また、断面要素の表面の平坦化に先立って、断面要素の側面の整形を行うようにすることもできる。
【００８３】
また、積層造形の対象となる立体形状は、上記の実施形態における立体ＯＢＪの形状に限定されるものではなく、任意の立体形状とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
以上説明したように、本発明の積層造形方法及び積層造形装置は、粉末を材料として、目的とする立体形状を造形する積層造形に適用することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層造形方法及び積層造形装置に係り、より詳しくは、粉末を材料として目的とする立体形状を造形する積層造形方法、及び、当該積層造形方法を使用する積層造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＣＡＤ（Computer Aided Design）で図面を作成した立体形状をラピッドプロトタイピング（Rapid Prototyping；以下、「ＲＰ」と略す）システムにより実体化することが、様々な分野で行われている。特に、積層造形方法を使用したＲＰシステムはマシニングセンタ等に比べて簡単な装置でありながら加工の自由度が高い。こうした長所を有する積層造形方法は、樹脂や紙を材料とするものに多く適用されてきたが、強度や経時・経年変化等の面で問題がある。このため、金属等を材料とする積層造形方法による立体造形の研究が盛んに進められている。
【０００３】
こうした金属等を材料とする立体の積層造形のうち、高強度の造形品を目指すものとして、（ａ）金属等の材料粉末の表面に樹脂を塗布した後、レーザ照射により加熱して溶融させた樹脂部を接着剤として機能させて断面要素を順次積層し、立体を造形する方法や、（ｂ）金属等の材料粉末を１種類のレーザ照射により直接加熱して溶融し、連続体を形成する方法が提案されている。こうした方法では、レーザ照射による所定領域の溶融及びその溶融部で凝固が起こる。しかし、こうした溶融及び凝固のみでは、造形された立体内部に空洞や樹脂が残留し、十分な強度が得られない。そこで、高温雰囲気中における残留樹脂成分の揮発や材料粒子の局所的な結合を促進させて焼結状態としたり、使用した金属等の材料よりも低融点材料を溶解して空洞部に浸透させたりする後処理が必要であり、こうした後処理により強度の向上を図っていた。
【０００４】
これに対し、最近になって、焼結や低融点材料といった後処理を必要とせずに高強度を達成できる金属等の積層造形方法が提案されている（非特許文献１参照；以下、「従来例」と呼ぶ）。この従来例の積層造形方法では、図１３Ａ〜図１４Ｂに示されるように、まず、材料粉末９１を供給する（図１３Ａ参照）。なお、図１３Ａには、目的形状の一部が既に内部に積層造形された圧縮材料体９８上に新たに積層造形される層のための材料粉末９１が供給される例が示されている。
【０００５】
引き続き、ブレード等を用いて材料粉末９１を平坦化させて、材料粉末層９２を形成する（図１３Ｂ参照）。そして、材料粉体層９２を高い圧力Ｐで圧縮し、圧縮材料層９３を形成する（図１３Ｃ参照）。
【０００６】
次に、比較的低パワーのレーザ光Ｌ１により、目的とする立体形状の積層方向（＋Ｚ方向）における圧縮材料層９３の位置の設計断面形状に応じた圧縮材料層９３の領域を照射する。この結果、照射領域の材料が加熱されて溶融する。そして、その溶融部へのレーザ光Ｌ１の照射を止めて凝固させる。この結果、圧縮材料層９３内に断面要素９５が形成される（図１４Ａ参照）。なお、レーザ光Ｌ１を適当な速度で、設計断面形状に応じた圧縮材料層９３の領域を走査することにより、材料を局所的に溶融して凝固させることが連続的に行われる。
【０００７】
次いで、レーザ光Ｌ１よりもパワーの高いレーザ光Ｌ２を、断面要素９５に照射して加熱し、既に積層造形されている部分と断面要素とを接合して一体化させる。この結果、断面要素９５が新たに積層された積層造形体９７が形成される（図１４Ｂ参照）。以後、上記と同様にして、順次積層造形を進行させることにより、目的とする立体形状が高強度に造形される。
【０００８】
【非特許文献１】徳永他 「２ステップレーザ照射法による純鉄粉体材料を用いた３次元造形」 精密工学会誌 第65巻 第８号 第1136〜1140頁、平成11年８月５日
【発明の開示】
【０００９】
＜発明が解決しようとする課題＞
上記の従来例の積層造形方法は、高強度の立体を造形する観点からは、非常に優れたものである。しかしながら、従来例においては、各層の断面要素の作成のために、既に積層造形された部分上に材料粉末層を形成することが必要であるため、材料粉末層の形成場所である可動ステージ等として高い圧力に対する耐えられるものが必要であったり、レーザ照射用のステージから既に積層造形された部分を取り外した後に材料粉末層を形成して、再度レーザ照射用のステージに戻したりする必要があった。
【００１０】
また、従来例では、パワーの異なる２種類のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を単一のレーザ発振器で出力することは可能であるが、圧縮粉体の溶融凝固のためのレーザ光Ｌ１の照射、及び、既に形成された造形部分との接合のためのレーザ光Ｌ２の照射という２回のレーザ光の照射が必要であった。
【００１１】
この結果、従来例の積層造形方法を採用した積層造形装置は、大規模なものにならざるを得ず、かつ、材料粉末の圧縮とレーザ照射という工程を混在させて実行することが必要であった。したがって、従来技術によっては、簡便に高強度の立体を造形することができるとはいい難かった。
【００１２】
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、簡易かつ迅速に高強度の立体を造形することができる積層造形方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明は、簡易かつ迅速に高強度の立体を造形することができる積層造形装置を提供することを目的とする。
【００１４】
＜課題を解決するための手段＞
本発明の積層造形方法は、粉末を材料として、目的とする立体形状を造形する積層造形方法であって、材料粉末を押圧して形成した平板状材料部材を複数枚準備する平板状材料部材準備工程と；前記平板状材料部材の最初の１枚における設計断面形状に応じた前記平板状材料部材の領域に一方側からレーザ光を照射し、局所的に加熱して溶融させた後に凝固させて当初断面要素を形成する当初断面要素形成工程と；前記当初断面要素の前記一方側の表面を平坦化する当初表面平坦化工程と；を実行した後に、前記平板状材料部材を既に造形された部分の前記一方側に配置する平板状材料部材積層工程と；前記目的とする立体形状における前記平板状材料部材の積層位置の設計断面形状に応じた前記平板状材料部材の領域に一方側からレーザ光を照射し、局所的に加熱して溶融させた後に凝固させて積層断面要素を形成するとともに、前記一方側とは反対側において既に造形された部分と一体化させる積層断面要素形成工程と；前記積層断面要素の前記一方側の表面を平坦化する積層表面平坦化工程と；を繰り返し、前記目的とする立体形状を造形することを特徴とする積層造形方法である。
【００１５】
この積層造形方法では、まず、平板状材料部材準備工程において、材料粉末を押圧して形成した平板状材料部材を複数枚準備する。ここで、平板状材料は、自重やロボットアームなどによるステージ上へのロードによって崩れたりせず、かつ、後述する当初断面要素形成工程や積層断面形成工程におけるレーザ光照射によって材料粉末が飛散しない程度に材料粉末が圧縮されている。
【００１６】
次に、当初断面要素形成工程において、平板状材料部材の最初の１枚における設計断面形状に応じた平板状材料部材の領域に一方側からレーザ光を照射し、局所的に加熱して溶融させた後に凝固させて当初断面要素を形成する。こうして形成された当初断面要素の一方側は、表面張力等により平坦とはなっていない。このため、引き続き、当初表面平坦化工程において、当初断面要素の前記一方側の表面を平坦化する。こうして、最初の平板状材料部材の積層位置における部分の造形が行われる。
【００１７】
次いで、平板状材料部材積層工程において、平坦化された一方側表面を有する既に造形された部分の一方側表面上に次の平板状材料部材が配置される。この結果、既に造形された部分の一方側表面上にほぼ密着した状態で、新たな平板状材料部材が載置される。
【００１８】
引き続き、積層断面要素形成工程において、目的とする立体形状における新たな平板状材料部材の積層位置の設計断面形状に応じた当該新たな平板状材料部材の領域に一方側からレーザ光を照射する。この結果、レーザ光が照射された領域が、局所的に加熱されて溶融する。この後、レーザ光の照射を停止すると、溶融部分が凝固して積層断面要素が形成されるとともに、当該積層断面要素が、一方側とは反対側において既に造形された部分と一体化する。
【００１９】
こうして形成された積層断面要素の一方側は、上述した当初断面要素の場合と同様に表面張力等により平坦とはなっていない。このため、積層表面平坦化工程において、積層断面要素の前記一方側の表面を平坦化する。
【００２０】
以後、上述した平板状材料部材積層工程、積層断面要素形成工程及び積層表面平坦化工程を順次繰り返すことにより、目的とする立体形状が高強度に造形される。
【００２１】
すなわち、本発明の積層造形方法では、各層の断面要素の作成のために、既に積層造形された部分上に材料粉末層を形成することが必要ではなくなるため、レーザ照射用に使用するステージ装置が高い圧力に対する耐えられるものとする必要がなくなる。また、レーザ照射用のステージから既に積層造形された部分を取り外した後に材料粉末層を形成して、再度レーザ照射用のステージに戻したりする必要もなくなる。また、パワーの異なる２種類のレーザ光Ｌ１，Ｌ２による２段階の照射を行う必要もなくなる。さらに、材料粉末の圧縮とレーザ照射という工程を混在させて実行する必要もなくなる。
【００２２】
したがって、本発明の積層造形方法によれば、簡易かつ迅速に高強度の立体を造形することができる。
【００２３】
本発明の積層造形方法では、前記平板状材料部材における空隙率を５０％未満とすることができる。この場合には、平板状材料部材を自重やロボットアームなどによるステージ上へのロードによって崩れたりせず、かつ、後述する当初断面要素形成工程や積層断面形成工程におけるレーザ光照射によって材料粉末が飛散しない程度に材料粉末が圧縮されたものとすることができる。なお、例えば、材料粉末が平均粒径が約１００μｍの純鉄粉である場合には、１００ＭＰａ以上で押圧することにより、材料粉末が占める割合を５０％以上とすることができる。
【００２４】
本発明の積層造形方法では、前記材料粉末として、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属の粉末、ニッケル−モリブデン（Ｎｉ−Ｍｏ）合金鋼等の合金の粉末を使用することができる。これらの中でも、後述するＮｉ−Ｍｏ系の合金を使用すると、高強度で耐磨耗性に優れた造形品を得ることができる。なお、これら以外の金属又は合金であっても、溶融凝固過程を経る金属又は合金であれば材料として採用することができる。また、ナイロンその他のポリアミド系のプラスチック；ソーダガラスその他のガラス；ジルコニアその他のセラミックスであっても、レーザを吸収し溶融凝固過程を経るものであれば、材料として採用することができる。
【００２５】
また、本発明の積層造形方法では、前記平板状材料部材それぞれの材料を、前記平板状材料部材それぞれの積層位置に応じて定めることができる。この場合には、積層造形体における積層方向に位置に応じて所望の強度等を有する材質として、積層造形体を製作することができる。
【００２６】
また、本発明の積層造形方法では、前記当初断面要素形成工程と前記当初表面平坦化工程との間に行われ、前記平板状材料部材の最初の１枚における前記当初断面要素以外の部分を除去する当初余剰材料除去工程と；前記積層断面要素形成工程と前記積層表面平坦化工程との間に行われ、前記積層された平板状材料部材における前記積層断面要素以外の部分を除去する積層余剰材料除去工程と；を更に備えることとすることができる。この場合には、断面要素の平坦化に先立って、断面要素以外の材料部分、すなわち圧縮粉体部分を除去するので、平坦化後の表面に圧縮粉体の切りくずが残ってしまうことを防止することができる。この結果、平坦化表面上に次の平板状材料部材を隙間無く配置することができ、断面要素同士をむらなく一体化することができる。
【００２７】
また、本発明の積層造形方法では、前記当初表面平坦化工程の直前又は直後、及び、前記積層表面平坦化工程の直前又は直後に、最新に形成された断面要素部分の側面を整形する側面整形工程を更に備えることとすることができる。この場合には、各断面要素が形成された後、次の断面要素が形成される前に形成された断面要素の形状を設計断面形状に精度良く一致させることができる。このため、滑らかな形状を有する立体形状であっても、精度良く造形することができる。
【００２８】
本発明の積層造形装置は、材料粉末を押圧して形成した複数枚の平板状材料部材を出発材として、目的とする立体形状を造形する積層造形装置であって、前記平板状材料部材を搭載するステージを有し、前記ステージを３次元的に駆動可能なステージ装置と；前記平板状材料部材を前記ステージへ向けて搬送する搬送手段と；前記平板状材料部材の所定領域を局所的に加熱して溶融させるためのレーザ光を一方側から照射するレーザ光照射手段と；前記レーザ光の照射後に凝固して形成された断面要素の前記一方側表面を平坦化させる表面平坦化手段と；を備える積層造形装置である。
【００２９】
この積層造形装置では、材料粉末を押圧して形成した複数枚の平板状材料部材を出発材として、まず、搬送手段が、最初の平板状材料部材をステージ装置のステージ上に載置する。引き続き、ステージを動かしながら、レーザ光照射手段からのレーザ光により、平板状材料部材の最初の１枚における設計断面形状に応じた平板状材料部材の領域に一方側からレーザ光を照射し、局所的に加熱して溶融させた後に凝固させて当初断面要素を形成する。そして、表面平坦化手段が、当初断面要素の一方側の表面を平坦化する。こうして、最初の平板状材料部材の積層位置における部分の造形が行われる。
【００３０】
次に、搬送手段が、平坦化された一方側表面を有する既に造形された部分の一方側表面上に次の平板状材料部材を配置する。引き続き、ステージを動かしながら、レーザ光照射手段からのレーザ光により、目的とする立体形状における新たな平板状材料部材の積層位置の設計断面形状に応じた当該新たな平板状材料部材の領域に一方側から照射する。この結果、レーザ光が照射された領域が、局所的に加熱されて溶融する。この後、溶融部分を凝固させることにより、積層断面要素が形成されるとともに、当該積層断面要素が、一方側とは反対側において既に造形された部分と一体化させる。そして、表面平坦化手段が、積層断面要素の一方側の表面を平坦化する。
【００３１】
以後、上述した平板状材料部材の積層、積層断面要素の形成及び積層断面要素を有する平板上材料部材の一方側表面の平坦化を順次繰り返すことにより、目的とする立体形状が高強度に造形される。
【００３２】
すなわち、本発明の積層造形装置では、上述した本発明の積層造形方法を使用して、目的とする立体を造形することができる。したがって、本発明の積層造形装置によれば、簡易かつ迅速に高強度の立体を造形することができる。
【００３３】
本発明の積層造形装置では、前記断面要素以外の余剰材料部分を除去する余剰材料除去手段を更に備える構成とすることができる。この場合には、表面平坦化手段による断面要素の一方側表面の平坦化に先立って、断面要素以外の材料部分を、余剰材料除去手段を用いて除去することにより、平坦化後の表面に圧縮粉体の切りくずが残ってしまうことを防止することができる。
【００３４】
また、本発明の積層造形装置では、前記一方側表面が平坦化された断面要素の側面を整形する側面整形手段を更に備える構成とすることができる。この場合には、側面整形手段を用いることにより、各断面要素が形成された後、次の断面要素が形成される前に形成された断面要素の形状を設計断面形状に精度良く一致させることができる。このため、滑らかな形状を有する立体形状であっても、精度良く造形することができる。
【００３５】
＜発明の効果＞
以上説明したように、本発明の積層造形方法によれば、簡易にかつ迅速に高強度の立体を造形することができるという顕著な効果がある。
【００３６】
また、本発明の積層造形装置によれば、簡易にかつ迅速に高強度の立体を造形することができるという顕著な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係る積層造形方法を使用するための積層造形装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の一実施形態において、造形目的とする立体の形状を説明するための図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その１）である。
【図３Ｂ】図３Ａの平板状材料部材７１1の断面を示す図である。
【図４Ａ】照射光の照射方法を説明するための図である。
【図４Ｂ】図４Ａにおける照射スポットのオーバラップ率を説明するための図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その２）である。
【図５Ｂ】図５Ａの平板状材料部材７１1及び断面要素７５1の断面を示す図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その３）である。
【図６Ｂ】図６Ａの断面要素７６1の断面を示す図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その４）である。
【図７Ｂ】図７Ａの断面要素７７1の断面を示す図である。
【図８Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その５）である。
【図８Ｂ】図８Ａの断面要素７７1及び平板状材料部材７１2の断面を示す図である。
【図９Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その６）である。
【図９Ｂ】図９Ａの断面要素７７1、平板状材料部材７１2及び断面要素７５2の断面を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その７）である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの断面要素７７1及び断面要素７６2の断面を示す図である。
【図１１Ａ】本発明の一実施形態に係る積層造形方法における工程を説明するための図（その８）である。
【図１１Ｂ】図１１Ａの断面要素７７1及び断面要素７７2の断面を示す図である。
【図１２Ａ】第１の変形例を説明するための図である。
【図１２Ｂ】第２の変形例を説明するための図である。
【図１３Ａ】従来例の積層造形方法を説明するための図（その１）である。
【図１３Ｂ】従来例の積層造形方法を説明するための図（その２）である。
【図１３Ｃ】従来例の積層造形方法を説明するための図（その３）である。
【図１４Ａ】従来例の積層造形方法を説明するための図（その４）である。
【図１４Ｂ】従来例の積層造形方法を説明するための図（その５）である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の一実施形態を、図１〜図１１Ｂを参照して説明する。
【００３９】
図１には、本発明の一実施形態に係る積層造形装置１０の概略的な構成が示されている。図１に示されるように、この積層造形装置１０は、（ａ）目的とする立体形状を設計するとともに、設計データを格納する計算機システム２０と、（ｂ）計算機システム２０の制御のもとで、レーザ光を発生するレーザ装置３１と、（ｃ）レーザ装置３１から射出され、光ファイバ３２を介したレーザ光を、後述するステージ４１上に載置された平板状材料部材７１j（ｊ＝１〜Ｎ）に照射するための照射光学系３３と、（ｄ）計算機システム２０の制御のもとで、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の３軸方向に移動可能なステージ４１を有するステージ装置４０とを備えている。
【００４０】
ここで、計算機システム２０は、（ｉ）立体形状の設計プログラム等の様々なプログラムを実行するとともに、積層造形装置１０全体を制御する処理装置２１と、（ii）処理装置２１の指令に応じて、図形や文字等を表示する表示装置２２と、（iii）オペレータが処理装置２１に対して指令や文字データを入力するキーボード等のストロークデバイス２３と、（iv）オペレータが処理装置２１に対して表示装置２２の表示領域における位置を指定するマウス等のポインティングデバイス２４と、（ｖ）設計された立体形状のデータ等を格納する記憶装置２５とを備えている。
【００４１】
また、レーザ装置３１としては、例えば、材料粉末が平均粒径１００μｍの純鉄の粉体である場合には、０．５ｍｍの平板状材料部材に対し、ピークパワー２ｋＷ、パルス幅約１０ｍｓのレーザの出力が可能なＹＡＧレーザ発振機を、好適に採用することができる。
【００４２】
また、照射光学系３３は、計算機システム２０の制御により、フォーカス位置のＺ軸方向に沿って変化させることができるようになっている。
【００４３】
また、ステージ装置４０は、（ｉ）上述したステージ４１と、（ii）計算機システム２０（より詳細には処理装置２１）からの指令ＳＴＣに応じて、ステージ４１をＸＹＺの３軸方向に駆動する駆動装置４２とを備えている。また、ステージ４１上には、十分な耐熱性を有するベース板４３が載置されている。
【００４４】
また、積層造形装置１０は、（ｅ）計算機システム２０の制御のもとで、ステージ４１に載置された部材の＋Ｚ方向側表面をＸＹ面と平行となるように平坦化するための砥石等の平坦化加工器５１と、（ｆ）計算機システム２０の制御のもとで、ステージ４１に載置された部材の表面を磨砕し、積層段差よりも細かい精度で整形するためのボールエンドミル等の磨砕加工器５２と、（ｇ）計算機システム２０の制御のもとで、ステージ４１上の余剰物を除去するためのワイヤブラシ等の内部余剰物除去器５３とを備えている。これらの平坦化加工器５１、磨砕加工器５２及び内部余剰物除去器５３、並びに上述した照射光学系３３は、基台部材５４に取り付けられている。そして、計算機システム２０の制御により、平坦化加工器５１、磨砕加工器５２及び内部余剰物除去器５３は、それぞれが独立に、Ｚ軸方向に移動可能となっている。なお、本明細書においては、「磨砕」の用語を、切削をも含む意味で用いるものとする。
【００４５】
また、積層造形装置１０は、（ｈ）ロボットアーム５６を有する搬送装置５５を備えている。このロボットアーム５６は、計算機システム２０の制御により、ＸＹＺの３軸方向及びＺ軸回りの回転が可能となっている。そして、計算機システム２０の制御により、ロボットアーム５６が、材料部材収納器５９に収納された平板状材料部材７１1，７１2，…，７１Nを順次ステージ４１にロードするようになっている。
【００４６】
また、積層造形装置１０では、上述した照射光学系３３、ステージ装置４０、平坦化加工器５１、磨砕加工器５２、基台部材５４及び搬送装置５５は、収容壁６１が形成する内部空間に収容されている。そして、収容壁６１の外側に置かれたガスボンベ６５から配管６６を介して、収容壁６１が形成する内部空間おける照射光Ｌの照射位置付近にアルゴンガス等の不活性ガスが供給されるようになっている。ここで、ガスボンベ６５からの収容壁６１が形成する内部空間への不活性ガスの供給量は、計算機システム２０がガス供給弁６７の開閉の度合いを制御することにより調整が可能となっている。
【００４７】
また、積層造形装置１０は、吸引器６８を備えており、配管６９を介してステージ４１の余剰物を吸引できるようになっている。ここで、吸引器６８による吸引動作は、計算機システム２０により制御可能となっている。
【００４８】
なお、平板状材料部材７１1，７１2，…，７１Nは、材料の粉末を高圧で圧縮されて形成される。ここで、平板状材料部材７１1，７１2，…，７１Nそれぞれは、自重やロボットアーム５６によるステージ４１上へのロードによって崩れたりせず、かつ、レーザ光Ｌの照射によって材料粉末が飛散しない程度に材料粉末が圧縮されている。例えば、材料粉末が平均粒径が約１００μｍの純鉄粉である場合には、１００ＭＰａ以上で押圧し、平板状材料部材７１1，７１2，…，７１Nそれぞれにおいて材料粉末自体が占める割合を５０％以上とすることにより、自重やロボットアーム５６によるステージ４１上へのロードによって崩れたりせず、かつ、レーザ光Ｌの照射によって材料粉末が飛散しないものとなる。
【００４９】
平板状材料部材７１j（ｊ＝１〜Ｎ）の厚さは材料粉末の種類、並びにレーザ光Ｌのパワーに応じて適切な値が定まるものである。レーザ光Ｌのパワーに応じた平板状材料部材７１jの厚さの適切な値は、事前の実験等により定められる。
【００５０】
次に、上記のように構成された積層造形システムによる積層造形の動作について説明する。
【００５１】
前提として、平板状材料部材７１1，７１2，…，７１Nは、既に作成され、材料部材収納器５９に収納されているものとする。また、平板状材料部材７１1，７１2，…，７１Nが収納された材料部材収納器５９が、収容壁６１が形成する内部空間の所定位置に置かれているものとする。
【００５２】
まず、設計者が、計算機システム２０を使用して、目的とする立体形状を設計する。かかる設計作業は、処理装置により３次元ＣＡＤプログラムを実行させた状態で、設計者が、表示装置２２における表示を参照しながら、ストロークデバイス２３及びポインティングデバイス２４を操作することにより行われる。こうして設計された立体形状のデータ、及び当該立体を水平面（ＸＹ平面と並行な面）で所定の垂直方向（Ｚ方向）の厚さでスライスした場合における、各スライス部の断面形状のデータは、記憶装置２５に格納される。なお、本実施形態では、設計された立体は、図２に示されるように、Ｚ方向に沿って、ＸＹ断面形状である正方形枠の一辺の長さが変化している立体ＯＢＪであるものとする。
【００５３】
以上のようにして、ＣＡＤ設計が終了すると、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１が搬送装置５５のロボットアーム５６の可動範囲内となるように、ステージ４１を移動させる。引き続き、計算機システム２０が搬送装置５５を制御して、平板状材料部材７１1を材料部材収納器５９から取り出して、ステージ４１の表面のベース板４３上にロードする（図３Ａ参照）。この状態における平板状材料部材７１1は、図３Ｂに示されるＸＺ断面で代表的に示されるように、全体として平坦となっている。
【００５４】
次に、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１が照射光学系３３の−Ｚ方向側となるように、ステージ４１を移動させる。引き続き、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して平板状材料部材７１1の＋Ｚ方向側表面のＺ軸位置が照射光学系３３から射出される照射光Ｌの焦点面近傍となるように、ステージ４１をＺ軸方向に移動させる。なお、ステージ４１のＺ軸方向の移動に際しては、平板状材料部材７１1の＋Ｚ方向側表面が照射光Ｌに対して所定のデフォーカス量を有するように移動させる。この所定のデフォーカス量は、事前の実験等により定められる。
【００５５】
次いで、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１をＸＹ平面と平行に移動させながら、レーザ装置３１を制御して、平板状材料部材７１1における設計断面形状に応じた領域に照射光Ｌを照射して局所的な加熱を行う。この加熱に際し、計算機システム２０は、ガス供給弁６７の開閉を制御することにより、加熱部分付近に例えばアルゴン（Ａｒ）ガスや窒素（Ｎ2）ガス等の不活性ガスを適宜供給し、材料の酸化等による変質を防止する。なお、本実施形態においては、不活性ガスとして、コストが廉価な窒素（Ｎ2）ガスを使用している。
【００５６】
照射光Ｌの照射による局所的な加熱は、図４Ａに示されるように、平板状材料部材７１1の＋Ｚ方向側表面における照射光（パルス光）Ｌによるスポット状の照射領域ＳＰＴ１，ＳＰＴ２，…それぞれが、次の照射領域ＳＰＴ２，ＳＰＴ３，…とオーバラップするように、パルス間隔とステージの移動速度との調整を図りつつ行われる。なお、図４Ｂに示される照射領域ＳＰＴｊと次の照射領域ＳＰＴ（ｊ＋１）とのオーバラップ面積Ｓj,j+1を、照射領域ＳＰＴｊの面積（＝Ｓj＋Ｓj,j+1）の５０％以上とすることが、強度の高い造形物を形成する上で好ましい。このようにすることにより、従来の２ステップレーザ光照射と同様の強度で、強度の高い造形物を形成することができる。なお、照射光の照射による平板状材料部材７１1の局所的な加熱は、ガスボンベ６５から供給された不活性ガスの雰囲気内で行われる。
【００５７】
こうした照射光Ｌの照射の結果、第１層目の断面要素７５1が形成される（図５Ａ参照）。なお、第１層目の断面要素７５1の形成に際しては、ベース板４３に第１層目の断面要素７５1が仮止め固定される。こうした仮止め固定は、後述する第２層目以降の断面要素の形成時と比べて照射光Ｌのパワーを少々弱めることにより達成される。
【００５８】
こうして形成された断面要素７５1のＹ軸方向に沿って延びる部分における平板状材料部材７１1のＸＺ断面を図５Ｂに示す。この図５Ｂで代表的に示されるように、断面要素７５1は、照射光Ｌが照射された領域と照射されなかった領域との境界部が三日月の端部のような形状となる。また、断面要素７５1の中央部の＋Ｚ方向側表面のＺ軸方向位置が、照射前の平板状材料部材７１1の＋Ｚ方向側表面のＺ軸方向位置よりも−Ｚ方向にずれる。
【００５９】
引き続き、平板状材料部材７１1における断面要素７５1以外の余剰材料部分を除去する。かかる余剰材料部分の除去に際しては、計算機システム２０が、ステージ４１を適宜移動させつつ、平坦化加工器５１や内部余剰物除去器５３を用いて当該余剰材料部分を機械的に除去したり、吸引器６８により吸引除去したりする。なお、機械的な除去を行う場合には、断面要素７５1が形成する閉領域内については内部余剰物除去器５３を用いて余剰材料の部分を掻き出す。
【００６０】
次に、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１が平坦化加工器５１の−Ｚ方向側となるように、ステージ４１を移動させる。引き続き、計算機システム２０が駆動装置４２又は平坦化加工器５１を制御して、断面要素７５1の＋Ｚ方向側表面が、平坦化加工器５１の磨砕用部材の近傍に位置するようにする。この後、計算機システム２０が駆動装置４２及び平坦化加工器５１を制御して、断面要素７５1の＋Ｚ方向側表面を平坦化する。この結果、断面要素７５1が、＋Ｚ方向側表面が平坦化された断面要素７６1に加工される（図６Ａ参照）。こうして形成された断面要素７６1がＹ軸方向に沿って延びる部分のＸＺ断面を図６Ｂに示す。
【００６１】
次いで、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１が磨砕加工器５２の−Ｚ方向側となるように、ステージ４１を移動させる。引き続き、計算機システム２０が駆動装置４２又は平坦化加工器５１を制御して、断面要素７６1の＋Ｚ方向側表面が、磨砕加工器５２の磨砕用部材の近傍に位置するようにする。この後、計算機システム２０が駆動装置４２及び磨砕加工器５２を制御して、断面要素７６1の側面を磨砕して設計形状と精度良く一致するように整形する。この結果、断面要素７６1を整形した整形断面要素７７1が形成される（図７Ａ参照）。形成された整形断面要素７７1がＹ軸方向に沿って延びる部分におけるＸＺ断面を図７Ｂに示す。こうして形成された整形断面要素７７1が、この段階における造形体となる。
【００６２】
次に、計算機システム２０が、駆動装置４２を制御して、ステージ４１が搬送装置５５のロボットアーム５６の可動範囲内となるように、ステージ４１を移動させる。引き続き、計算機システム２０が搬送装置５５を制御して、平板状材料部材７１2を材料部材収納器５９から取り出して、ベース板４３に載置され、整形断面要素７７1上にロードする（図８Ａ参照）。この状態における整形断面要素７７1がＹ軸方向に延びる部分のＸＺ断面を図８Ｂに示す。この図８Ｂに示されるように、全体的に密着するように、平板状材料部材７１2が、整形断面要素７７1の＋Ｚ方向側表面上に載置される。
【００６３】
次いで、平板状材料部材７１1の場合と同様にして、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１が照射光学系３３の−Ｚ方向側となるように、ステージ４１を移動させた後、平板状材料部材７１2の＋Ｚ方向側表面のＺ軸位置が照射光学系３３から射出される照射光Ｌの焦点面近傍となるように、ステージ４１をＺ軸方向に移動させる。そして、平板状材料部材７１1の場合と同様にして、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１をＸＹ平面と平行に移動させながら、レーザ装置３１を制御して、平板状材料部材７１1の場合と同様にして、平板状材料部材７１2における設計断面形状に応じた領域に十分なパワーの照射光Ｌを照射して局所的な加熱を行う。この結果、整形断面要素７７1と一体化した第２層目の断面要素７５2が形成され、断面要素７５1と一体化される（図９Ａ参照）。こうして形成された断面要素７５2のＹ軸方向に沿って延びる部分における平板状材料部材７１1及び平板状材料部材７１2のＸＺ断面を図９Ｂに示す。この図９Ｂで代表的に示されるように、断面要素７５2は、上述した断面要素７５1と同様に、照射光Ｌが照射された領域と照射されなかった領域との境界部が三日月の端部のような形状となる。また、断面要素７５2の中央部の＋Ｚ方向側表面のＺ軸方向位置が、照射前の平板状材料部材７１2の＋Ｚ方向側表面のＺ軸方向位置よりも−Ｚ方向にずれる。
【００６４】
次に、平板状材料部材７１2における断面要素７５2以外の余剰材料部分を除去する。かかる余剰材料部分の除去に際しては、計算機システム２０が、ステージ４１を適宜移動させつつ、平坦化加工器５１や内部余剰物除去器５３を用いて当該余剰材料部分を機械的に打ち落とす等する。そして、吸引器６８により吸引除去する。引き続き、断面要素７５1の場合と同様にして、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１が平坦化加工器５１の−Ｚ方向側となるように、ステージ４１を移動させた後、計算機システム２０が駆動装置４２又は平坦化加工器５１を制御して、断面要素７５2の＋Ｚ方向側表面が、平坦化加工器５１の磨砕用部材の近傍に位置するようにする。
【００６５】
そして、断面要素７５1の場合と同様にして、計算機システム２０が駆動装置４２及び平坦化加工器５１を制御して、断面要素７５2の＋Ｚ方向側表面を平坦化する。この結果、断面要素７５2が、＋Ｚ方向側表面が平坦化された断面要素７６2に加工される（図１０Ａ参照）。こうして形成された断面要素７６2がＹ軸方向に沿って延びる部分のＸＺ断面を図１０Ｂに示す。
【００６６】
次いで、平板状材料部材７１1の場合と同様にして、計算機システム２０が駆動装置４２を制御して、ステージ４１が磨砕加工器５２の−Ｚ方向側となるように、ステージ４１を移動させた後、計算機システム２０が駆動装置４２又は平坦化加工器５１を制御して、断面要素７６2の＋Ｚ方向側表面が、磨砕加工器５２の磨砕用部材の近傍に位置するようにする。そして、平板状材料部材７１1の場合と同様にして、計算機システム２０が駆動装置４２及び磨砕加工器５２を制御して、断面要素７６2の側面を磨砕して設計形状と精度良く一致するように整形する。この結果、断面要素７６2を整形した整形断面要素７７2に形成される（図１１Ａ参照）。形成された整形断面要素７７2がＹ軸方向に沿って延びる部分のＸＺ断面を図１１Ｂに示す。こうして形成された整形断面要素７７1及び整形断面要素７７2が一体化したものが、この段階における造形体となる。
【００６７】
以後、上記の第２層目における積層造形と同様にして、第３層目以降の積層造形が行われる。そして、最終的に、目的とする立体ＯＢＪが高強度かつ高精度で造形される。
【００６８】
以上説明したように、本実施形態では、材料粉末を押圧して形成した複数枚の平板状材料部材７１1〜７１Nを準備した後、最初の平板状材料部材７１1における設計断面形状に応じた領域に照射光（レーザ光）Ｌを照射し、局所的に加熱して溶融させた後に凝固させて当初断面要素７５1を形成する。引き続き、当初断面要素７５1の表面を平坦化する。
【００６９】
次に、平坦化された一方側表面を有する既に造形された部分の表面上に次の平板状材料部材７１k（ｋ＝２〜Ｎ）が配置される。この結果、既に造形された部分の表面上にほぼ密着した状態で、新たな平板状材料部材が載置される。引き続き、新たな平板状材料部材７１kの積層位置の設計断面形状に応じた新たな平板状材料部材７１kの領域に照明光を照射し、局所的に加熱されて溶融させた後に凝固させることにより、積層断面要素７５kが形成されるとともに、既に造形された部分と一体化する。引き続き、積層断面要素７１kの表面を平坦化する。
【００７０】
以後、平板状材料部材の積層、積層断面要素形成及び積層表面平坦化を順次繰り返すことにより、目的とする立体形状が高強度に造形される。
【００７１】
したがって、本実施形態によれば、簡易かつ迅速に高強度の立体を造形することができる。
【００７２】
また、本実施形態では、平板状材料部材７１1〜７１Nにおいて、材料が占める体積が、空間が占める体積よりも大きい、すなわち、材料粉末が占める割合を５０％以上としている。このため、平板状材料部材７１1〜７１Nが自重やロボットアームなどによるステージ上へのロードによって崩れたりせず、かつ、照射光（レーザ光）の照射によって材料粉末が飛散しない程度に材料粉末が圧縮されたものとすることができる。
【００７３】
また、本実施形態では、断面要素７５j（ｊ＝１〜Ｎ）の形成後、平板状材料部材７１jにおける断面要素７５j以外の部分を除去した後、断面要素７５jの表面を平坦化する。このため、平坦化後の表面に圧縮粉体の切りくずが残ってしまうことを防止することができる。この結果、平坦化表面上に次の平板状材料部材を確実に隙間無く配置することができる。
【００７４】
また、本実施形態では、最新に形成された断面要素７５１，７５2，…それぞれが形成される度に側面も整形するので、造形結果を設計形状に精度良く一致させることができる。
【００７５】
なお、平板状材料部材の材料としては、上述した純鉄の粉末の他、チタン等の金属の粉末；Ｎｉ−Ｍｏ合金鋼（例えば、川崎製鉄（社）製 ＫＩＰシグマロイ４１５（商品名））その他の合金の粉末；ナイロンその他のポリアミド系のプラスチックの粉末；ジルコニアその他のセラミックスの粉末；又はソーダガラスその他のガラスの粉末等を材料として使用し、同様に積層造形を行うこともできる。
【００７６】
ここで、使用する材料に応じて加熱用のレーザの種類を適宜選択することが必要となる。例えば、材料が純鉄の粉末以外であっても、金属又は合金の粉末であれば、ＹＡＧレーザを採用することができる。また、材料が純鉄等の金属又は合金の粉末であっても、レーザとして、炭酸ガスレーザ、半導体レーザ等を採用することもできる。また、上述した各種の樹脂又はガラスに対しては炭酸ガスレーザ、上述したセラミックスに対してはＹＡＧレーザ又は炭酸ガスレーザ等を採用することができる。また、樹脂にカーボンなどの吸収剤を混入しておくことにより、半導体レーザやＹＡＧレーザを使用することもできる。
【００７７】
また、上記の実施形態では、ステージ４１がＸＹ軸方向で可動としたが、照射光学系３３による照射光の走査範囲が十分に広ければ、ステージ４１がＸＹ軸方向で固定されていてもよい。また、上記の実施形態では、ステージ４１のＺ軸方向への移動を計算機システムの制御のもとで行ったが、ステージ４１のＺ軸方向への移動を手動で行ってもよい。
【００７８】
また、上記の実施形態では、平板状材料部材と焦点面とのＺ軸方向の位置関係の調整を、ステージ４１をＺ軸方向に移動させることにより行うこととした。これに対して、照射光学系３３を移動したり、照射光学系３３の焦点位置を調整したりしてもよい。
【００７９】
また、上記の実施形態では、全ての平板状材料部材７１1〜７１Nの材料を同一としたが、平板状材料部材それぞれの材料を、平板状材料部材それぞれの積層位置に応じて定めることができる。この場合には、積層造形体における積層方向に位置に応じて所望の強度等を有する材質として、積層造形体を製作することができる。
【００８０】
また、上記の実施形態では、全ての平板状材料部材７１1〜７１Nの形状を円形としたが、図１２Ａに示されるような矩形状の平板状材料部材７１’を用いてもよい。さらに、図１２Ｂに示されるように、平板状材料部材７１’を複数個配列したものを一層分の材料部材とすることにより、大きなものを積層造形することができる。
【００８１】
また、上記の実施形態では吸引器６８を用いたが、エアブロアを用い余剰材料部分を吹き飛ばすようにしてもよい。
【００８２】
また、断面要素の表面の平坦化に先立って、断面要素の側面の整形を行うようにすることもできる。
【００８３】
また、積層造形の対象となる立体形状は、上記の実施形態における立体ＯＢＪの形状に限定されるものではなく、任意の立体形状とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
以上説明したように、本発明の積層造形方法及び積層造形装置は、粉末を材料として、目的とする立体形状を造形する積層造形に適用することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末を材料として、目的とする立体形状を造形する積層造形方法であって、
材料粉末を押圧して形成した平板状材料部材を複数枚準備する平板状材料部材準備工程と；
前記平板状材料部材の最初の１枚における設計断面形状に応じた前記平板状材料部材の領域に一方側からレーザ光を照射し、局所的に加熱して溶融させた後に凝固させて当初断面要素を形成する当初断面要素形成工程と；
前記当初断面要素の前記一方側の表面を平坦化する当初表面平坦化工程と；を実行した後に、
前記平板状材料部材を既に造形された部分の前記一方側に配置する平板状材料部材積層工程と；
前記目的とする立体形状における前記平板状材料部材の積層位置の設計断面形状に応じた前記平板状材料部材の領域に一方側からレーザ光を照射し、局所的に加熱して溶融させた後に凝固させて積層断面要素を形成するとともに、前記一方側とは反対側において既に造形された部分と一体化させる積層断面要素形成工程と；
前記積層断面要素の前記一方側の表面を平坦化する積層表面平坦化工程と；を繰り返し、前記目的とする立体形状を造形することを特徴とする積層造形方法。
【請求項２】
前記平板状材料部材における空隙率が５０％未満である、ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項３】
前記材料粉末は金属又は合金の粉末である、ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項４】
前記平板状材料部材それぞれの材料は、前記平板状材料部材それぞれの積層位置に応じて定められる、ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項５】
前記当初断面要素形成工程と前記当初表面平坦化工程との間に行われ、前記平板状材料部材の最初の１枚における前記当初断面要素以外の部分を除去する当初余剰材料除去工程と；
前記積層断面要素形成工程と前記積層表面平坦化工程との間に行われ、前記積層された平板状材料部材における前記積層断面要素以外の部分を除去する積層余剰材料除去工程と；を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項６】
前記当初表面平坦化工程の直前又は直後、及び前記積層表面平坦化工程の直前又は直後に、最新に形成された断面要素部分の側面を整形する側面整形工程を更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項７】
材料粉末を押圧して形成した複数枚の平板状材料部材を出発材として、目的とする立体形状を造形する積層造形装置であって、
前記平板状材料部材を搭載するステージを有し、前記ステージを３次元的に駆動可能なステージ装置と；
前記平板状材料部材を前記ステージへ向けて搬送する搬送手段と；
前記平板状材料部材の所定領域を局所的に加熱して溶融させるためのレーザ光を一方側から照射するレーザ光照射手段と；
前記レーザ光の照射後に凝固して形成された断面要素の前記一方側表面を平坦化させる表面平坦化手段と；を備える積層造形装置。
【請求項８】
前記断面要素以外の余剰材料部分を除去する余剰材料除去手段を更に備える、ことを特徴とする請求項７に記載の積層造形装置。
【請求項９】
前記一方側表面が平坦化された断面要素の側面を整形する側面整形手段を更に備える、ことを特徴とする請求項７に記載の積層造形装置。
【請求項１】
粉末を材料として、目的とする立体形状を造形する積層造形方法であって、
材料粉末を押圧して形成した平板状材料部材を複数枚準備する平板状材料部材準備工程と；
前記平板状材料部材の最初の１枚における設計断面形状に応じた前記平板状材料部材の領域に一方側からレーザ光を照射し、局所的に加熱して溶融させた後に凝固させて当初断面要素を形成する当初断面要素形成工程と；
前記当初断面要素の前記一方側の表面を平坦化する当初表面平坦化工程と；を実行した後に、
前記平板状材料部材を既に造形された部分の前記一方側に配置する平板状材料部材積層工程と；
前記目的とする立体形状における前記平板状材料部材の積層位置の設計断面形状に応じた前記平板状材料部材の領域に一方側からレーザ光を照射し、局所的に加熱して溶融させた後に凝固させて積層断面要素を形成するとともに、前記一方側とは反対側において既に造形された部分と一体化させる積層断面要素形成工程と；
前記積層断面要素の前記一方側の表面を平坦化する積層表面平坦化工程と；を繰り返し、前記目的とする立体形状を造形することを特徴とする積層造形方法。
【請求項２】
前記平板状材料部材における空隙率が５０％未満である、ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項３】
前記材料粉末は金属又は合金の粉末である、ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項４】
前記平板状材料部材それぞれの材料は、前記平板状材料部材それぞれの積層位置に応じて定められる、ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項５】
前記当初断面要素形成工程と前記当初表面平坦化工程との間に行われ、前記平板状材料部材の最初の１枚における前記当初断面要素以外の部分を除去する当初余剰材料除去工程と；
前記積層断面要素形成工程と前記積層表面平坦化工程との間に行われ、前記積層された平板状材料部材における前記積層断面要素以外の部分を除去する積層余剰材料除去工程と；を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項６】
前記当初表面平坦化工程の直前又は直後、及び前記積層表面平坦化工程の直前又は直後に、最新に形成された断面要素部分の側面を整形する側面整形工程を更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形方法。
【請求項７】
材料粉末を押圧して形成した複数枚の平板状材料部材を出発材として、目的とする立体形状を造形する積層造形装置であって、
前記平板状材料部材を搭載するステージを有し、前記ステージを３次元的に駆動可能なステージ装置と；
前記平板状材料部材を前記ステージへ向けて搬送する搬送手段と；
前記平板状材料部材の所定領域を局所的に加熱して溶融させるためのレーザ光を一方側から照射するレーザ光照射手段と；
前記レーザ光の照射後に凝固して形成された断面要素の前記一方側表面を平坦化させる表面平坦化手段と；を備える積層造形装置。
【請求項８】
前記断面要素以外の余剰材料部分を除去する余剰材料除去手段を更に備える、ことを特徴とする請求項７に記載の積層造形装置。
【請求項９】
前記一方側表面が平坦化された断面要素の側面を整形する側面整形手段を更に備える、ことを特徴とする請求項７に記載の積層造形装置。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１３Ｃ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０５６２２１
【国際公開日】平成１７年６月２３日（２００５．６．２３）
【発行日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１６１２７（Ｐ２００５−５１６１２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１８２１２
【国際出願日】平成１６年１２月７日（２００４．１２．７）
【出願人】（５０２２６５２８６）
【出願人】（５０３０４３４６９）
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年６月２３日（２００５．６．２３）
【発行日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１８２１２
【国際出願日】平成１６年１２月７日（２００４．１２．７）
【出願人】（５０２２６５２８６）
【出願人】（５０３０４３４６９）
【Ｆターム（参考）】
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