WO2010098479A1

WO2010098479A1 - 三次元形状造形物の製造方法およびそれから得られる三次元形状造形物

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Publication number: WO2010098479A1
Application number: PCT/JP2010/053188
Authority: WO
Inventors: 阿部諭; 武南正孝; 不破勲; 東喜万; 吉田徳雄
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2011-08-24
Also published as: EP2402097A4; JP5555222B2; US20120041586A1; EP2402097A1; JPWO2010098479A1; KR20110122195A; CN102333607B; CN102333607A; US8738166B2; KR101330977B1

Abstract

本発明は、（ｉ）造形プレート上に設けた粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記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、前記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を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、固化層を固化密度９５～１００％の高密度領域と固化密度０～９５％（９５％を含まず）の低密度領域とから成るように形成し、高密度領域が三次元形状造形物の使用時に力のかかる領域であることを特徴とする製造方法。

Description

三次元形状造形物の製造方法およびそれから得られる三次元形状造形物

　本発明は、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、本発明は、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して固化層を形成することを繰り返し実施することによって複数の固化層が積層一体化した三次元形状造形物を製造する方法に関すると共に、それによって得られる三次元形状造形物にも関する。

　従来より、粉末材料に光ビームを照射し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）が知られている。かかる方法では、「（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射することよって、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し、（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を敷いて同様に光ビームを照射して更に固化層を形成する」といったことを繰り返して三次元形状造形物を製造している（特表平１−５０２８９０号公報または特開２０００−７３１０８号公報参照）。粉末材料として金属粉末やセラミック粉末などの無機質の粉末材料を用いた場合では、得られた三次元形状造形物を金型として用いることができ、樹脂粉末やプラスチック粉末などの有機質の粉末材料を用いた場合では、得られた三次元形状造形物をモデルとして用いることができる。このような製造技術によれば、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である。

　粉末焼結積層法では、酸化防止等の観点から不活性雰囲気下に保たれたチャンバー内で三次元形状造形物が製造される場合が多い。粉末材料として金属粉末を用い、得られる三次元形状造形物を金型として用いる場合を例にとると、図１に示すように、まず、所定の厚みｔ１の粉末層２２を造形プレート２１上に形成した後（図１（ａ）参照）、光ビームを粉末層２２の所定箇所に照射して、造形プレート２１上において固化層２４を形成する。そして、形成された固化層２４の上に新たな粉末層２２を敷いて再度光ビームを照射して新たな固化層を形成する。このように固化層を繰り返し形成すると、複数の固化層２４が積層一体化した三次元形状造形物を得ることができる（図１（ｂ）参照）。最下層に相当する固化層は造形プレート面に接着した状態で形成され得る。従って、三次元形状造形物と造形プレートとは相互に一体化した状態となる。一体化した三次元形状造形物と造形プレートとは、そのまま金型として用いることができる。

　ここで、三次元形状造形物は、光ビームの照射を通じて製造されるため、光ビームによる熱の影響を少なからず受けてしまう。具体的には、粉末層の照射箇所が一旦溶けて溶融状態となり、その後固化することで固化層は形成されるが、その固化する際に収縮現象が生じ得る。特に、溶融した粉末が冷却され固化する際に収縮現象が生じる（図２（ａ）参照）。一方、固化層（即ち、三次元形状造形物）を支える造形プレート２１は、鋼材などから成る剛体であり、光ビームの照射位置から離れている。従って、造形プレート２１は、光ビームによる熱の影響を実質的に受けにくい。その結果、造形プレート上の三次元形状造形物２４には、反り上がる力（モーメント）が生じることになる。そして、この反り上がる力がある限度を超えると、図２（ｂ）に示すように製造時において三次元形状造形物２４が造形プレート２１から剥離する現象が生じてしまう。三次元形状造形物が反り上がったり、造形プレートから剥離したりすると、所望の三次元形状造形物を製造できなくなるので望ましくない。例えば、三次元形状造形物（即ち、固化層）が反り上がると、得られる三次元形状造形物の形状精度が出なくなる。また、固化層が反り上がること起因して、その固化層上に新たな粉末層を所定厚みで敷くことができなくなる（例えば、次に敷く粉末層の厚さよりも大きく固化層が反り上がると、その後にて均一に粉末層を敷けなくなる）。

　三次元形状造形物の収縮を考慮したものとしては、特表平８−５０４１３９号公報に記載されているような製造方法が提案されている。かかる製造方法では、三次元形状造形物を内部コア領域と外部シェル領域とに分離して製造している（図１７参照）。外部シェル領域は内部コア領域よりも固化密度が高いので、その形成には高いエネルギーが必要とされ、より長い時間が必要される。特表平８−５０４１３９号公報の発明は、造形物の最終的な使用用途を考慮したものとはなっておらず、外部シェル領域が、その名の通り“シェル”を成している。従って、特表平８−５０４１３９号公報の発明では、三次元形状造形物の全周囲を略均一な厚みで覆っており（図１７参照）、製造コストおよび造形時間の点で決して満足のいくものとなっていない。

　本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の課題は、得られる三次元形状造形物の反り変形を防止するだけでなく、製造時間・製造コストがより減じられた「三次元形状造形物の製造方法」を提供することである。

　上記課題を解決するために、本発明では、
　（ｉ）造形プレート上に設けた粉末層の所定箇所に光ビーム（例えばレーザ光のような指向性エネルギービーム）を照射して前記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、前記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
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
　固化層を固化密度９５~１００％の高密度領域と固化密度０~９５％（９５％を含まず）の低密度領域とから成るように形成し、高密度領域が三次元形状造形物の使用時に力のかかる領域であ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。好ましくは、光ビームが照射された所定箇所の粉末を完全溶融させることによって高密度領域を形成する。

　本発明の製造方法は、必要な箇所にのみ高密度領域を形成することを特徴の１つとしている。より具体的には、三次元形状造形物の使用時に力のかかる領域（および場合によってはその近傍領域）にのみ高密度領域を形成している。

　本明細書にいう「高密度領域」とは、いわゆる“メルティング”（即ち、粉末層を構成する粉末を実質的に完全に溶融した後で固化して形成される領域）のことを指している。つまり、「高密度領域」は、固化密度が非常に高く（固化密度９５~１００％程度）、液体や気体などの流体が通過できない領域のことを実質的に意味している。

　また、本明細書にいう「力」とは、流体などの圧力に起因する力、接触に起因する力、摩擦力に起因する力などを意味している。例えば、「力」は、樹脂、冷却水、油および／または蒸気などが三次元形状造形物に接することによって、その三次元形状造形物に加えられる力を実質的に意味している。

　更に確認までに述べておくと、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」などを指している。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意味している。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の形状を構成することになる。尚、「固化層」とは、粉末層が金属粉末層である場合には「焼結層」を実質的に意味しており、粉末層が樹脂粉末層である場合には「硬化層」を実質的に意味している。

　高密度領域の固化密度は９５~１００％程度であるが、好ましくは９８％~１００％、より好ましくは実質的に略１００％である。高密度領域の固化密度が高いほど、三次元形状造形物の使用時に加えられる力に対して高い強度が造形物に供される。一方、低密度領域は、固化密度が０~９５％（９５％を含まず）であればいずれの固化密度であってもよく、三次元形状造形物の機能や製造時間・製造コストなど考慮して決定すればよい。例えば、低密度領域は、固化密度が７０~９０％であり、また、場合によってはそれよりも低い固化密度であってもよい。

　ある好適な態様では、高密度領域を三次元形状造形物の表面領域の一部に形成する。つまり、“力”のかかる表面領域部にのみ“メルティング”を形成する。造形プレートと一体化した三次元形状造形物を分離せずに製品として用いる場合では、高密度領域を造形プレートと接する領域に形成してよい。かかる場合、「表面領域の一部に形成された高密度領域ａ」と「造形プレートと接する領域に形成された高密度領域ｂ」とが相互に接続されるように、三次元形状造形物の内部領域に高密度領域ｃを少なくとも１つ形成してもよい。

　また、別のある好適な態様では、高密度領域を三次元形状造形物の内部領域の一部に形成する。つまり、造形物の内部に“力”が加えられる部分（例えば金型の冷却水管壁に相当する部分）が存在し得る場合、その部分を“メルティング”にする。

　更に別の好適な態様では、三次元形状造形物の使用時において伝熱領域となる部分に高密度領域を形成する。つまり、高温または低温の物質と接する面を“メルティング”にする。

　本発明では、上述した製造方法で得られる三次元形状造形物も提供される。特に好適な態様では、かかる三次元形状造形物は、金型として用いることができるものであって、金型のキャビティ空間を形成する面（即ち、成形品を形作る金型内部の壁面）が“三次元形状造形物の表面領域の一部に形成された高密度領域”に相当する。また、金型の冷却水管壁が“三次元形状造形物の内部領域の一部に形成された高密度領域”に相当するものであってもよい。更には、金型の使用時に力がかかる部分が、上述したような“三次元形状造形物の高密度領域ａと高密度領域ｃとの接合部分”に相当するものであってもよい。
発明の効果

　本発明の製造方法では、必要な箇所にのみ高密度領域を形成しているので、製造時間を短縮することができるだけでなく、高いエネルギーが必要とされる高密度領域が減じられ、製造コストを低減することができる。

　また、本発明の製造方法では、必要な箇所にのみ高密度領域を形成しているので、三次元形状造形物の全体に占める高密度領域の割合が比較的小さくなっている。つまり、高密度領域は“溶融した粉末が冷却され固化する際の収縮率が比較的大きい領域”といえるところ、そのように収縮が大きい領域を可能な限り減じて三次元形状造形物の製造が行なわれる。それゆえ、三次元形状造形物の反り上がりの防止または減少に寄与し得るので、三次元形状造形物（即ち、固化層）が、造形プレート面から剥離する現象も防止できることになる。つまり、固化層上に新たな粉末層を所定厚みで敷くことが可能となるだけでなく、最終的に得られる三次元形状造形物の形状精度も向上する。

　更に、従来技術において三次元形状造形物の形状精度を出すには、“反り上がり”や“剥離”などの現象を予め想定した上で設計しておかなければならなかったものの、本発明では、造形物の必要箇所に高密度領域を設けるだけで、製造時間や製造コストを低減させつつ“反り上がり”や“剥離”を防止できる。つまり、本発明は、そのような具体的に予測困難な現象を視野に入れた設計を製造時間や製造コストを上げることなく省くことができるといった点でも非常に有益である。

　図１は、光造形複合加工機の動作を模式的に示した断面図である。
　図２は、三次元形状造形物の反り上がり又は剥離を引き起こす現象を模式的に示した断面図である。
　図３は、粉末焼結積層法が行われる態様を模式的に示した斜視図である。
　図４は、粉末焼結積層法が実施される光造形複合加工機の構成を模式的に示した斜視図である。
　図５は、光造形複合加工機の動作のフローチャートである。
　図６は、光造形複合加工プロセスを経時的に表した模式図である。
　図７は、本発明の製造方法で得られる三次元形状造形物の特徴を概念的に表した模式図である。
　図８は、本発明の製造方法で得られた三次元形状造形物のＳＥＭ写真（図７の破線部内の断面写真図）である。
　図９は、高密度領域（メルティング）および低密度領域のＳＥＭ写真（三次元形状造形物の断面写真）である。
　図１０は、造形物表面の一部に形成された高密度領域の態様を表した模式図である。
　図１１は、造形プレート面との界面部に形成された高密度領域の態様を表した模式図である。
　図１２は、造形物がセル構造またはトラス構造を有するように形成された高密度領域の態様を表した模式図である。
　図１３は、セル構造の態様を模式的に表した三次元形状造形物の斜視図である。
　図１４は、造形物がセル構造またはトラス構造を有するように形成された高密度領域を表した態様であって、力の加えられる箇所が補強されている態様を表した模式図である。
　図１５は、造形物内部の一部に形成された高密度領域の態様を表した模式図である。
　図１６は、造形プレートと一体化した三次元形状造形物（金型）の典型的な態様を表した模式図である。
　図１７は、従来技術（特表平８−５０４１３９号公報）の三次元形状造形物の態様を表した模式図である。

　尚、図面中、参照番号は次の要素を意味する。
　１　光造形複合加工機
　２　粉末層形成手段
　３　光ビーム照射手段
　４　切削手段
　１９　粉末／粉末層（例えば金属粉末／金属粉末層または樹脂粉末／樹脂粉末層）
　２０　造形テーブル
　２１　造形プレート
　２２　粉末層（例えば金属粉末層または樹脂粉末層）
　２３　スキージング用ブレード
　２４　固化層（例えば焼結層または硬化層）またはそれから得られる三次元形状造形物
　２４’　高密度領域（高密度メルティング）
　２４’ａ　高密度領域（＝高密度メルティング、例えば“金型のキャビティ空間面”）
　２４’ｂ　高密度領域（＝高密度メルティング、例えば“プレート面との界面に形成された高密度領域”）
　２４’ｃ　高密度領域（＝高密度メルティング、例えば“セル構造またはトラス構造を構成する高密度領域”）
　２４’ｄ　高密度領域（＝高密度メルティング、例えば“金型の冷却水管壁”）
　２４’’　低密度領域
　２５　粉末テーブル
　２６　粉末材料タンクの壁部分
　２７　造形タンクの壁部分
　２８　粉末材料タンク
　２９　造形タンク
　３０　光ビーム発振器
　３１　ガルバノミラー
　３２　反射ミラー
　３３　集光レンズ
　４０　ミーリングヘッド
　４１　ＸＹ駆動機構
　４１ａ　Ｘ軸駆動部
　４１ｂ　Ｙ軸駆動部
　４２　ツールマガジン
　５０　チャンバー
　５２　光透過窓
　Ｌ　光ビーム
　Ｐ　使用時に三次元形状造形物に加えられる“力”

　以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

［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。図１，図３および図４には、粉末焼結積層法を実施できる光造形複合加工機１の機能および構成が示されている。光造形複合加工機１は、「金属粉末および樹脂粉末などの粉末を所定の厚みで敷くことによって粉末層を形成する粉末層形成手段２」と「外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内においてシリンダー駆動で上下に昇降する造形テーブル２０」と「造形テーブル２０上に配され造形物の土台となる造形プレート２１」と「光ビームＬを任意の位置に照射する光ビーム照射手段３」と「造形物の周囲を削る切削手段４」とを主として備えている。粉末層形成手段２は、図１に示すように、「外周が壁２６で囲まれた粉末材料タンク２８内においてシリンダー駆動で上下に昇降する粉末テーブル２５」と「造形プレート上に粉末層２２を形成するためのスキージング用ブレード２３」とを主として有して成る。光ビーム照射手段３は、図３および図４に示すように、「光ビームＬを発する光ビーム発振器３０」と「光ビームＬを粉末層２２の上にスキャニング（走査）するガルバノミラー３１（スキャン光学系）」とを主として有して成る。必要に応じて、光ビーム照射手段３には、光ビームスポットの形状を補正するビーム形状補正手段（例えば一対のシリンドリカルレンズと、かかるレンズを光ビームの軸線回りに回転させる回転駆動機構とを有して成る手段）やｆθレンズなどが具備されている。切削手段４は、「造形物の周囲を削るミーリングヘッド４０」と「ミーリングヘッド４０を切削箇所へと移動させるＸＹ駆動機構４１（４１ａ，４１ｂ）」とを主として有して成る（図３および図４参照）。

　光造形複合加工機１の動作を図１、図５および図６を参照して詳述する。図５は、光造形複合加工機の動作フローを示している。図６は、光造形複合加工プロセスを模式的に簡易に示している。

　光造形複合加工機の動作は、粉末層２２を形成する粉末層形成ステップ（Ｓ１）と、粉末層２２に光ビームＬを照射して固化層２４を形成する固化層形成ステップ（Ｓ２）と、造形物の表面を切削する切削ステップ（Ｓ３）とから主に構成されている。粉末層形成ステップ（Ｓ１）では、最初に造形テーブル２０をΔｔ１下げる（Ｓ１１）。次いで、粉末テーブル２５をΔｔ１上げた後、図１（ａ）に示すように、スキージング用ブレード２３を、矢印Ａ方向に移動させる。これにより、粉末テーブル２５に配されていた粉末（例えば「平均粒径５μｍ~１００μｍ程度の鉄粉」または「平均粒径３０μｍ~１００μｍ程度のナイロン、ポリプロピレン、ＡＢＳ等の粉末」）を造形プレート２１上へと移送させつつ（Ｓ１２）、所定厚みΔｔ１にならして粉末層２２を形成する（Ｓ１３）。次に、固化層形成ステップ（Ｓ２）に移行し、光ビーム発振器３０から光ビームＬ（例えば炭酸ガスレーザ（５００Ｗ）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（５００Ｗ）または紫外線など）を発し（Ｓ２１）、光ビームＬをガルバノミラー３１によって粉末層２２上の任意の位置にスキャニングする（Ｓ２２）。これにより、粉末を溶融させ、固化させて造形プレート２１と一体化した固化層２４を形成する（Ｓ２３）。光ビームは、空気中を伝達させることに限定されず、光ファイバーなどで伝送させてもよい。

　固化層２４の厚みがミーリングヘッド４０の工具長さ等から求めた所定厚みになるまで粉末層形成ステップ（Ｓ１）と固化層形成ステップ（Ｓ２）とを繰り返し、固化層２４を積層する（図１（ｂ）参照）。尚、新たに積層される固化層は、焼結又は溶融固化に際して、既に形成された下層を成す固化層と一体化することになる。

　積層した固化層２４の厚みが所定の厚みになると、切削ステップ（Ｓ３）へと移行する。用いる切削手段は、汎用の数値制御（ＮＣ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）工作機械またはそれに準ずるものであってよい。特に、切削工具（エンドミル）を自動交換可能なマシニングセンタ（ＭＣ）であることが好ましい。エンドミルは、例えば超硬素材の二枚刃ボールエンドミルが主に用いられる。加工形状や目的に応じて、スクエアエンドミル、ラジアスエンドミル、ドリルなども用いてよい。図１および図６に示すような態様ではミーリングヘッド４０を駆動させることによって切削ステップの実施を開始している（Ｓ３１）。例えば、ミーリングヘッド４０の工具（ボールエンドミル）が直径１ｍｍ、有効刃長さ３ｍｍである場合、深さ３ｍｍの切削加工ができるので、Δｔ１が０．０５ｍｍであれば、６０層の固化層を形成した時点でミーリングヘッド４０を駆動させる。ＸＹ駆動機構４１（４１ａ，４１ｂ）によってミーリングヘッド４０を矢印Ｘ及び矢印Ｙ方向に移動させ、積層した固化層２４から成る造形物の表面を切削加工する（Ｓ３２）。そして、三次元形状造形物の製造が依然終了していない場合では、粉末層形成ステップ（Ｓ１）へ戻ることになる。以後、Ｓ１乃至Ｓ３を繰り返して更なる固化層２４を積層することによって、三次元形状造形物の製造を行う（図６参照）。

　固化層形成ステップ（Ｓ２）における光ビームＬの照射経路と、切削ステップ（Ｓ３）における切削加工経路とは、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。この時、等高線加工を適用して加工経路を決定する。例えば、固化層形成ステップ（Ｓ２）では、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（例えばΔｔ１を０．０５ｍｍとした場合では０．０５ｍｍピッチ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。

［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につき、得られる三次元形状造形物の用途を特に考慮したものである。具体的にいえば、本発明では、三次元形状造形物を使用するときに力のかかる面が“メルティング”となるように固化層を形成する。即ち、「三次元形状造形物を使用する時に他の物質を接触する面」が“メルティング”となるように固化層を形成する。

　以下の説明では、粉末として「金属粉末」を用いる態様を例にとって説明する。「金属粉末」を用いる態様とは「粉末層として金属粉末層を用いる態様」に相当する。ちなみに、本発明に用いる金属粉末は、鉄系粉末を主成分とした粉末であって、場合によってニッケル粉末、ニッケル系合金粉末、銅粉末、銅系合金粉末および黒鉛粉末などから成る群から選択される少なくとも１種類を更に含んで成る粉末であってよい。一例を挙げると、平均粒径２０μｍ程度の鉄系粉末の配合量が６０~９０重量％、ニッケル粉末及びニッケル系合金粉末の両方又はいずれか一方の配合量が５~３５重量％、銅粉末および／または銅系合金粉末の両方又はいずれか一方の配合量が５~１５重量％、ならびに、黒鉛粉末の配合量が０．２~０．８重量％となった金属粉末を挙げることができる。

　本発明の製造方法では、図７に示すように、三次元形状造形物２４の使用時に力Ｐのかかる領域を固化密度が９５~１００％の高密度領域２４’とし、それ以外の領域を固化密度が０~９５％（９５％を含まず）の低密度領域２４’’となるように固化層を形成する。特に、高密度領域（即ち、高密度メルティング）は、光ビームが照射された所定箇所の粉末を完全溶融させることを通じて形成することが好ましい。図８には、本発明の製造方法で形成された高密度領域と低密度領域との境界部分のＳＥＭ写真を示す。また、図９には、高密度領域および低密度領域のそれぞれの断面写真（ＳＥＭ写真）を示す。

　高密度領域の形成には、照射する光ビームの出力エネルギーを高くして粉末の完全溶融が生じるようにすればよい。その一方、低密度領域の形成では、照射する光ビームの出力エネルギーを低くして粉末の完全溶融が生じないようにすればよい。このように、（ａ）光ビームの出力エネルギーを高くすることの他に、（ｂ）光ビームの走査速度を下げる、（ｃ）光ビームの走査ピッチを狭める、（ｄ）光ビームの集光径を小さくすることよっても、高密度領域を形成できる。上記（ａ）~（ｄ）は、単独で行ってもよいものの、それを種々に組み合わせて行ってもよい。尚、上記（ａ）についていえば、例えば光ビームの照射エネルギー密度Ｅを約４~１５Ｊ／ｍｍ^２とすることによって、固化密度が９５~１００％の高密度領域を形成できる。同様に、低密度領域は、（ａ）光ビームの出力エネルギーを低くすることの他に、（ｂ）光ビームの走査速度を上げる、（ｃ）光ビームの走査ピッチを拡げる（ｄ）光ビームの集光径を大きくすることよっても形成できる。例えば光ビームの照射エネルギー密度Ｅを約１~３Ｊ／ｍｍ^２とすることによって、固化密度が７０~９０％の低密度領域を形成できる。

　光造形複合加工機の三次元ＣＡＤデータについていえば、例えば、高密度領域の三次元ＣＡＤモデルＡおよび低密度領域の三次元ＣＡＤモデルＢの２つのモデルを用意し、それぞれの条件を割り振って指定すると共に、それぞれをどこに形成するのかといった座標系を統一しておく。換言すれば、三次元形状造形物の密度や強度を変化させる場合、三次元ＣＡＤなどにより予め該当する部位に分割しておき、それぞれについて光ビーム照射条件などを設定することによって密度変化・強度変化が可能となる。これについてより具体的にいえば次のようになる。光ビームの照射経路は、予め三次元ＣＡＤモデルのデータから作成しておき、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（例えば０．０５ｍｍ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いることになるが、高密度領域と低密度領域とを形成する場合では、三次元ＣＡＤモデルを、高密度領域となる部分と低密度領域となる部分に分割しておく。そして、高密度領域となる部分および低密度領域となる部分のそれぞれのスライス断面輪郭形状データを作成し、それを用いて各部分において光ビーム照射を行って粉末材料を焼結または溶融固化させる。

　高密度領域は、液体や気体などの流体が通過することができない“密の領域”である。より具体的にいえば、高密度領域は、造形物の使用時の条件において流体が通過できない領域であるといえる。このような高密度領域では、その固化密度が９５~１００％となっており、好ましくは９８％~１００％、より好ましくは実質的に略１００％となっている。高密度領域の固化密度が高いほど、例えば、樹脂、冷却水、油および／または蒸気などに起因して三次元形状造形物に加えられる力に対して高い抗力が供されることになる。高密度領域は、三次元形状造形物の使用形態（特に、造形物の使用時に力のかかる態様など）に応じて種々の形状寸法を有し得る。例えば、高密度領域２４’が図７に示すような形態を有する場合、その厚さは、図７に示すように均一（例えば０．０１ｍｍ~１０ｍｍ程度）であってもよい。しかしながら、高密度領域２４’の厚さは“均一”であることに限定されず、“不均一”であってもよい。“均一厚さ”または“不均一厚さ”に拘わらず、高密度領域の厚さは、三次元形状造形物の機能に応じて変えてよい。一方、低密度領域２４’’（例えば図７参照）は、その固化密度が０~９５％（９５％を含まず）であって、“粗の領域”となっている。低密度領域の固化密度は、三次元形状造形物の機能やＳ造時間・製造コストなど考慮して最終的に決定すればよい。低密度領域の固化密度は、例えば７０~９０％であってよく、また、場合によってはそれよりも低い固化密度であってもよい。例えば、後述するセル構造またはトラス構造の造形物を製造する場合では、固化密度０％であってよい。これは低密度領域の形成に光ビームの照射が特に必要ないことを意味している。

　ここで、本明細書にいう「固化密度」とは、造形物の断面写真を画像処理することによって求めた焼結断面密度（金属材料の占有率）を実質的に意味している。使用する画像処理ソフトはＳｃｉｏｎ　Ｉｍａｇｅ　ｖｅｒ．４．０．２（フリーウェア）である。かかる場合、断面画像を焼結部（白）と空孔部（黒）とに二値化した後、画像の全画素数Ｐｘ_ａｌｌおよび焼結部（白）の画素数Ｐｘ_{ｗｈｉｔｅ}をカウントすることで、以下の式１により焼結断面密度ρ_Ｓを求めることができる。
［式１］

　「三次元形状造形物の使用時に力のかかる領域を固化密度９５~１００％の高密度領域とし、それ以外の領域を固化密度０~９５％（９５％を含まず）の低密度領域となるように固化層を形成する」といった態様には、種々の態様が考えられる。以下それについて詳述する。尚、以下の説明では、粉末として「金属粉末」を用いる態様を例にとって説明する。

　（造形物表面の一部に形成された高密度領域）
　「造形物表面の一部に形成された高密度領域」の態様を図１０に示す。図示するように、三次元形状造形物２４の使用時に力Ｐのかかる表面領域にのみ高密度領域２４’ａが形成されている。例えば、三次元形状造形物を金型として用いる場合、造形物の表面領域の一部に形成された高密度領域は金型の内面（即ち、キャビティー空間を成す成形面）に相当し得る。この場合、高密度領域の固化密度は９８％~１００％程度であって、その厚さＴａ（図１０参照）は、０．５~５ｍｍ程度であることが好ましい。一方、低密度領域２４’’の固化密度は７０~９０％程度であることが好ましい。

　（造形プレート面との界面部に形成された高密度領域）
　「造形プレート面との界面部に形成された高密度領域」の態様を図１１に示す。造形プレート２１と一体化した三次元形状造形物２４を分離することなく製品として用いる場合、図示するように、造形プレート２１と接する領域に高密度領域２４’ｂを形成してもよい。換言すれば、三次元形状造形物を造形プレートと一体化して使用する場合、造形プレートとの接合面は強固にする必要があるので、その部分により高いエネルギーを与えて“メルティング”とすることによって接合強度を高める。かかる態様では、高密度領域２４’ｂの固化密度は９８％~１００％程度であって、その厚さＴｂ（図１１参照）は、比較的薄くてよく、０．０５~０．３ｍｍ程度であることが好ましい。一方、低密度領域２４’’の固化密度は７０~９０％程度であることが好ましい。尚、三次元形状造形物を金型として用いる場合では、図１１に示すように、造形プレートと接する領域２４’ｂのみならず、金型のキャビティ空間面に相当する部分２４’ａにも高密度領域が形成され得る。

　（セル構造またはトラス構造）
　「セル構造またはトラス構造」の態様を図１２または図１３に示す。図示するように、造形プレートと一体化した三次元形状造形物を分離することなく製品として用いる場合、「表面領域の一部に形成された高密度領域ａ（２４’ａ）」と「造形プレートと接する領域に形成された高密度領域ｂ（２４’ｂ）」とが相互に接続されるように三次元形状造形物の内部領域に高密度領域ｃ（２４’ｃ）を少なくとも１つ形成してもよい。かかる場合、高密度領域ａと高密度領域ｃとの接合部は、外部の力に対してより強固なものとなるので、高密度領域ｃが補強部として機能し得る。換言すれば、図１４のように、三次元形状造形物の使用時に力Ｐのかかる表面領域が局所的に存在する場合、その局所的な部分が高密度領域ａ（２４’ａ）と高密度領域ｃ（２４’ｃ）との接合部”となるようにする。また、図１２に示すように、高密度領域ｃ（２４’ｃ）が、金型の冷却水管壁に相当する高密度領域ｄ（２４’ｄ）（“高密度領域ｄ”については後述する）と接合した形態で形成される場合では、冷却水からの熱（＝低熱）をより効果的に金型全体（特に、金型のキャビティ空間面）に伝えることが可能となる。

　（造形物内部の一部に形成された高密度領域）
　「造形物内部の一部に形成された高密度領域」の態様を図１５に示す。図示するように、三次元形状造形物２４の使用時に力Ｐのかかる内部領域にのみ高密度領域２４’ｄが形成されている。例えば、三次元形状造形物を金型として用いる場合、内部領域の一部に形成された高密度領域２４’ｄが金型の冷却水管壁に相当する。つまり、金型内部に冷却水を流す場合、冷却水管部分には冷却液が流れるので、液圧（冷却水の場合には“水圧”）がかかる。従って、そのような部分により高いエネルギーを与えて“メルティング”とすることによって、液漏れなどのトラブルを回避することができる。かかる態様では、高密度領域２４’ｄの固化密度が９８％~１００％程度であって、その厚さＴｃ（図１５参照）は、比較的大きくすることが好ましく、２~５ｍｍ程度であることが好ましい。一方、低密度領域２４’’の固化密度は７０~９０％程度であることが好ましい。尚、三次元形状造形物を造形プレートと一体化した金型として用いる場合、図１６に示すように、造形物の内部領域２４’ｄのみならず、「金型のキャビティ空間面に相当する部分２４’ａ」および「造形プレートと接する領域２４’ｂ」にも高密度領域が形成されることになる。

　（伝熱領域部に形成された高密度領域）
　「伝熱領域部に形成された高密度領域」の態様では、三次元形状造形物の使用時に伝熱領域部に相当する部分のみ高密度領域が形成されている。換言すれば、造形物において高温または低温の物質と接する面において熱交換を行う場合、その面部分を“メルティング”にする。高密度領域は、その強度が高いだけでなく、熱伝導率が高いので、効果的な熱効率を可能にする。例えば、高密度領域が金型の冷却水管壁２４’ｄに相当する場合（図１２参照）では、かかる高密度領域は冷却水などの圧力に耐える強度を金型に供するだけでなく、冷却水からの熱（＝低熱）をより効果的に金型全体に伝えることが可能となる。

　以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の適用範囲のうちの典型例を例示したに過ぎない。従って、本発明はこれに限定されず、種々の改変がなされ得ることを当業者は容易に理解されよう。

　尚、上述のような本発明は、次の態様を包含している：
　第１の態様：（ｉ）造形プレート上に設けた粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記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、前記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を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
　固化層を固化密度９５~１００％の高密度領域と固化密度０~９５％（９５％を含まず）の低密度領域とから成るように形成し、高密度領域が三次元形状造形物の使用時に力のかかる領域であることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
　第２の態様：上記第１の態様において、前記所定箇所の粉末を完全溶融させることを通じて高密度領域を形成することを特徴とする製造方法。
　第３の態様：上記第１または第２の態様において、低密度領域の固化密度が７０~９０％であることを特徴とする製造方法。
　第４の態様：上記第１~３の態様のいずれかにおいて、高密度領域を三次元形状造形物の表面領域の一部に形成することを特徴とする製造方法。
　第５の態様：上記第１~４の態様のいずれかにおいて、高密度領域を造形プレートと接する領域に形成することを特徴とする製造方法。
　第６の態様：上記第１~３の態様のいずれかにおいて、高密度領域を三次元形状造形物の内部領域の一部に形成することを特徴とする製造方法。
　第７の態様：上記第４の態様に従属する上記第５の態様において、表面領域の一部に形成された高密度領域ａと、造形プレートと接する領域に形成された高密度領域ｂとが相互に接続されるように、三次元形状造形物の内部領域に高密度領域ｃを少なくとも１つ形成することを特徴とする製造方法。
　第８の態様：上記第１~第７の態様のいずれかにおいて、三次元形状造形物の使用時に伝熱領域となる部分に高密度領域を形成することを特徴とする製造方法。
　第９の態様：上記第４の態様の製造方法で得られた三次元形状造形物であって、
　前記三次元形状造形物を金型として用い、前記表面領域の一部が金型のキャビティ空間を形成する面に相当することを特徴とする三次元形状造形物。
　第１０の態様：上記第６の態様の製造方法で得られた三次元形状造形物であって、
　前記三次元形状造形物を金型として用い、前記内部領域の一部が金型の冷却水管壁に相当することを特徴とする三次元形状造形物。
　第１１の態様：上記第７の態様の製造方法で得られた三次元形状造形物であって、
　前記三次元形状造形物を金型として用い、高密度領域ａと高密度領域ｃとの接合部分には金型の使用時に力がかかる部分であることを特徴とする三次元形状造形物。

　本発明の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。また、『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２００９−４０８６０号（出願日：２００９年２月２４日、発明の名称：「三次元形状造形物の製造方法およびそれから得られる三次元形状造形物」）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。

Claims

　（ｉ）造形プレート上に設けた粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記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、前記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
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
　固化層を固化密度９５~１００％の高密度領域と固化密度０~９５％（９５％を含まず）の低密度領域とから成るように形成し、高密度領域が三次元形状造形物の使用時に力のかかる領域であることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
　前記所定箇所の粉末を完全溶融させることを通じて高密度領域を形成することを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
　低密度領域の固化密度が７０~９０％であることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
　高密度領域を三次元形状造形物の表面領域の一部に形成することを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
　高密度領域を造形プレートと接する領域に形成することを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
　高密度領域を三次元形状造形物の内部領域の一部に形成することを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
　三次元形状造形物の表面領域の一部に高密度領域ａを形成すると共に、造形プレートと接する領域にも高密度領域ｂを形成し、
　高密度領域ａと高密度領域ｂとが相互に接続されるように、三次元形状造形物の内部領域に高密度領域ｃを少なくとも１つ形成することを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
　三次元形状造形物の使用時に伝熱領域となる部分に高密度領域を形成することを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
　請求項４に記載の製造方法で得られた三次元形状造形物であって、
　前記三次元形状造形物を金型として用い、前記表面領域の一部が金型のキャビティ空間を形成する面に相当することを特徴とする、三次元形状造形物。
　請求項６に記載の製造方法で得られた三次元形状造形物であって、
　前記三次元形状造形物を金型として用い、前記内部領域の一部が金型の冷却水管壁に相当することを特徴とする、三次元形状造形物。
　請求項７に記載の製造方法で得られた三次元形状造形物であって、
　前記三次元形状造形物を金型として用い、高密度領域ａと高密度領域ｃとの接合部分は金型の使用時に力がかかる部分であることを特徴とする、三次元形状造形物。