(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� �造形加工機の構成を示す。金属光造形加工� �1は、金属粉末2の粉末層21が敷かれる造形用� ��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� ��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。

 粉末層形成部3は、金属粉末2を供給する� �末タンク31と、供給された金属粉末2によっ� �造形用プレート22に粉末層21を敷く粉末供給� ��レード32とを備えている。硬化部4は、光ビ� ��ムLを発光する光ビーム発振機41と、光ビー� ��Lを集光する集光レンズ42と、集光された光� ��ームLを粉末層21の上にスキャニングするガ� ��バノミラー43と、を備えている。切削除去� �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� �リングヘッド52を切削位置に移動させるXY駆� ��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� ��、光ビームは、例えば、炭酸ガスレーザで� ��る。

 ここで、本実施形態における製造方法を� ��明する前に、硬化層の積層後に造形物の冷� ��を行なわずに除去仕上げ加工を行なう従来� ��製造方法を説明する。図12は従来の製造方� �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� ��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� �。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� ��)。このステップS102は、硬化工程を構成す� �。光ビームLの照射経路は、予め三次元CADモ� ��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� ��面の輪郭形状データに基づいて定める。こ� ��照射経路は、三次元形状造形物の少なくと� ��最表面が気孔率5%以下の高密度となるよう� �するのが好ましい。

 上記粉末層形成工程と硬化工程とを繰り� ��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� �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。� �して、硬化層25の層数が定めた総数Nになる� �、制御部は、XY駆動部53によってミーリング� ��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� ��)。このステップS105は除去仕上げ工程を構� �する。こうして、三次元形状造形物の造形� �終了するまで、硬化層25の形成と造形物11の� ��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。

 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� �造形物11は、局所的に1000°C以上の温度まで� �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。� �形中の造形物11の温度履歴を図14に示す。硬� ��工程中に光ビームの照射により造形物の温� ��は上昇し、粉末層形成工程中には放熱する� ��、蓄熱により温度は少ししか低下せず、硬� ��層を積層している間は造形物の温度は上昇� ��続ける。そして、高温状態まま除去仕上げ� ��程になり、除去仕上げ工程中に冷却される� ��

 このように、従来の製造方法においては、� ��化工程後の造形物の温度が高い状態で除去� ��上げ加工を行なうため、造形物が熱膨張し� ��状態で加工することとなり、常温に戻った� ��きに熱収縮し、加工精度が悪くなる。造形� ��の熱収縮は、例えば、造形物の長さが100mm� �温度が100°Cであった場合、線膨張係数を鋼� �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� ��、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。

 上記のような従来方法の問題を解消する� ��め、本実施形態においては、除去仕上げ工� ��時の造形物の温度を下げて、除去仕上げ加� ��の寸法精度を良くするために、造形用プレ� ��トを冷却する。本実施形態における造形物� ��冷却状態を図2に示す。昇降テーブル23は内� ��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� ��させて昇降テーブル23を冷却する。冷却温� �調整装置62は、プレート温度センサ63によっ� ��造形用プレート22の温度を測定しており、� �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。

 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� �は、硬化層の層数が予め定めた層数Nになる� ��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� �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� ��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� �停止して温度調整を終了する(ステップS9)。� ��うして、三次元形状造形物の造形が終了す� ��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� ��、造形物11を冷却してから除去仕上げ工程� �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。

 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。� �変形例では、造形物の硬化層近傍を冷却す� �。図5は本変形例における造形物の冷却状態� ��示す。硬化工程が終了した後に放熱フィン6 4を有した放熱ブロック65を造形物11の上に載� ��し、冷却ファン66からの送風によって放熱� �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� ��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� ��れると除去仕上げ工程を行なう。放熱ブロ� ��ク65によって、造形物の焼結が行なわれた� �後の近傍部分を冷却するので、冷却を効率� �く行なうことができる。また、この放熱ブ� �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。

 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。

(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� ��施形態における造形物の冷却に加えて、硬� ��工程の前に造形物を加熱する。昇降テーブ� ��23は内部に冷媒回路6と共にヒータ69を有し� �いる。加熱冷却装置62aは冷媒回路6によって� ��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。

 図7は、同製造方法のフローを、図8は、� �製造方法における三次元形状造形物の温度� �歴を示す。三次元形状造形物を製造すると� �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� ��S23は加熱工程を構成する。造形用プレート2 2が所定の温度まで昇温すると温度調整を続� �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� �至S27)。造形物11が加熱されているので、粉� �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S 28)、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)。

 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� ��し、赤外線によって三次元形状造形物を直� ��加熱したり、粉末層に加熱した不活性ガス� ��吹き込んで三次元形状造形物の周囲の雰囲� ��を加熱して行なってもよい。三次元形状造� ��物を効率良く加熱することができる。

(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� �説明する。図9は、同製造方法に用いられる� ��属光造形加工機の構成を示す。本実施形態� ��は、加熱工程や冷却工程において、造形物� ��温度を測定し所定の温度に達しているかを� ��断するステップを有している。金属光造形� ��工機1は、第1の実施形態における金属光造� �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� �程から粉末層形成工程への移行、及び冷却� �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。

 次に、同製造方法の変形例について図10� �参照して説明する。本変形例では、造形物� �上面全体の温度を測定するのでなく、造形� �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� ��の箇所の温度を測定している動作を示す。� ��変形例の金属光造形加工機は、ミーリング� ��ッド52に取り付けることができる局部温度� �ンサ72を備えている。局部温度センサ72は、� ��電対やサーミスタ等の接触式でも、赤外線� ��射温度計等の非接触式でもよい。ミーリン� ��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� ��切削工具51と同一の直径の軸を有している� �で、ミーリングヘッド52は局部温度センサ72� ��保持することができる。

 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� ��52に局部温度センサ72を取り付け、XY駆動部5 3によって、局部温度センサ72を造形物11の任� ��の箇所に移動させ温度を測定する。測定す� ��箇所としては、例えば、三次元形状造形物� ��CADデータの断面輪郭形状データから、各断� ��の重心点や、輪郭線から最も遠い点等を設� ��する。造形する三次元形状造形物の形状に� ��じた箇所の温度を測定し、冷却や加熱の状� ��を検出することができるので、冷却や加熱� ��過不足なく効率良く行なうことができる。

(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� ��説明する。三次元形状造形物の造形におい� ��は、造形中に加熱、冷却を繰り返すので、� ��形物、造形用プレート及び昇降テーブルは� ��膨張、収縮を繰り返すこととなり、造形の� ��準点がずれる虞がある。そこで、本実施形� ��では、三次元形状造形物の造形前に切削工� ��によって、造形用プレートに除去仕上げ加� ��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� �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� ��置に移動させて、切削工具51によって、造� �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1 1(b)に示すように、基準点8をミーリングヘッ� ��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。

 次いで、図11(c)に示すように、制御部は� �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� �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� �メラ81によって、基準点8を検出し、最初に� �憶した位置データと比較して、その差に基� �いて除去仕上げ工程を行なうNC(Numerical Contro l)プログラムの加工位置を補正する。この補� ��する動作は補正工程を構成する。次いで、� ��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� ��仕上げ加工の前に加工位置の補正を行なう� ��で、加工精度が良くなる。加工位置の補正� ��、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� ��ってもよい。光ビームの走査位置が補正さ� ��るので、焼結の位置精度が良くなる。

(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� ��製造方法と異なり、除去仕上げ工程前の冷� ��中の待機を、温度を測定して行なうのでな� ��、製造条件から待機時間を算出して待機す� ��。硬化工程後の冷却中の三次元形状造形物� ��温度は、金属粉末の種類、粒径、光ビーム� ��エネルギー吸収率及び熱伝導率等の材料特� ��や、光ビームの照射条件や、冷却条件に基� ��いて予測することができる。また、冷却温� ��の要因には、上述した要因以外に、前回の� ��去仕上げ工程の後の光ビームによる加熱量� ��、造形物の蓄熱量が大きな要因となる。

 上記待機時間を算出するには、前回の除� ��仕上げ工程の後の光ビームによる加熱量を� ��す指標として、前回の除去仕上げ工程後に� ��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� ��導きだす。そして、硬化工程の後、この式� ��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。

 なお、本発明は、上記各種実施形態の構� ��に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲� ��種々の変形が可能である。例えば、金属粉� ��の組成は、上記実施形態の構成に限られな� ��し、また、有機質の粉末材料でもよい。

 本出願は、日本国特許出願2007-128520に基� �いて優先権主張を行なう。その出願の内容� �全体が参照によって、この出願に組み込ま� �る。