WO2017154965A1

WO2017154965A1 - 三次元形状造形物の製造方法

Info

Publication number: WO2017154965A1
Application number: PCT/JP2017/009190
Authority: WO
Inventors: 阿部　諭; 不破　勲; 幹夫森
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2017-03-08
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2018-09-09
Also published as: EP3427870B1; JP6643631B2; KR20180111912A; JP2017160485A; EP3427870A1; CN108778575A; EP3427870A4; KR102145781B1; US10821663B2; US20190091923A1

Abstract

反り変形が減じられた三次元形状造形物の製造方法を提供するために、本発明の一実施形態では、粉末層形成および光ビームの照射による固化層形成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、三次元形状造形物の土台として、造形プレートおよびダミー固化層を有して成るプレート積層体を用い、造形プレートの一方の主面上にダミー固化層を設ける一方、造形プレートの他方の主面上で三次元形状造形物を製造する方法が提供される。

Description

三次元形状造形物の製造方法

　本発明は、三次元形状造形物の製造方法に関する。より詳細には、本発明は、粉末層への光ビーム照射によって固化層を形成する三次元形状造形物の製造方法に関する。

　光ビームを粉末材料に照射することを通じ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）は、従来より知られている。かかる方法は、以下の工程（ｉ）および（ｉｉ）に基づいて粉末層形成と固化層形成とを交互に繰り返し実施して三次元形状造形物を製造する。
　（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射し、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する工程。
　（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、同様に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程。

　このような製造技術に従えば、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となる。粉末材料として無機質の金属粉末を用いる場合、得られる三次元形状造形物を金型として使用することができる。一方、粉末材料として有機質の樹脂粉末を用いる場合、得られる三次元形状造形物を各種モデルとして使用することができる。

　粉末材料として金属粉末を用い、それによって得られる三次元形状造形物を金型として使用する場合の粉末焼結積層法を例にとる。図１０に示すように、まず、スキージング・ブレード２３を動かして造形プレート２１上に所定厚みの粉末層２２を形成する（図１０（ａ）参照）。次いで、粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射して粉末層２２から固化層２４を形成する（図１０（ｂ）参照）。引き続いて、得られた固化層２４の上に新たな粉末層２２を形成して再度光ビームを照射して新たな固化層２４を形成する。このようにして粉末層形成と固化層形成とを交互に繰り返し実施すると固化層２４が積層することになり（図１０（ｃ）参照）、最終的には積層化した固化層２４から成る三次元形状造形物を得ることができる。最下層として形成される固化層２４は造形プレート２１と結合した状態になるので、三次元形状造形物と造形プレート２１とは一体化物を成すことになり、その一体化物を金型として使用できる。

特表平１－５０２８９０号公報

　上記の粉末焼結積層法では、光ビームが照射される粉末層の照射箇所が焼結現象または溶融固化現象などを経ることによって固化層２４となる。かかる固化層２４の形成に際しては粉末材料間の空隙が減じられること等に起因して、図１１（ａ）に示すような収縮応力が生じ得る。その結果、三次元形状造形物１００とその土台の造形プレート２１との一体化物には反り変形が生じ易くなる（図１１（ｂ）参照）。つまり、三次元形状造形物１００について所望形状が得られない虞がある。

　本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。すなわち、本発明の目的は、反り変形が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。

　上記目的を達成するために、本発明の一実施形態では、
　（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して当該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、当該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
により粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
　三次元形状造形物の土台として、造形プレートおよびダミー固化層を有して成るプレート積層体を用い、
　造形プレートの一方の主面上にダミー固化層を形成する一方、造形プレートの他方の主面上で三次元形状造形物を製造する、三次元形状造形物の製造方法が提供される。

　本発明の製造方法では、反り変形が減じられた三次元形状造形物を得ることができる。

本発明の概念を模式的に示した断面図プレート積層体の調製を模式的に示した断面図（図２（ａ）：造形プレートの準備、図２（ｂ）：反り変形、図２（ｃ）：平面加工処理）プレート積層体の残留応力を模式的に示した断面図プレート積層体による反り変形の低減を模式的に示した断面図支持テーブルに設置するプレート積層体を模式的に示した断面図本発明の製造方法の経時的な態様を模式的に示した断面図（図６（ａ）：造形プレートの準備、図６（ｂ）：反り変形、図６（ｃ）：平面加工処理、図６（ｄ）：支持テーブルへの設置、図６（ｅ）：三次元形状造形物の製造）三次元形状造形物に生じ得る応力を示したグラフブラスト加工の態様を模式的に示した断面図ダミー固化層の輪郭サイズ変更を模式的に示した断面図（図９（ａ）：輪郭形状と略同一、図９（ｂ）：輪郭形状より大きい）粉末焼結積層法が実施される光造形複合加工のプロセス態様を模式的に示した断面図（図１０（ａ）：粉末層形成時、図１０（ｂ）：固化層形成時、図１０（ｃ）：積層途中）粉末焼結積層法で三次元形状造形物に反り変形が生じる現象を模式的に示した断面図（図１１（ａ）：収縮応力が発生した固化層、図１１（ｂ）：反り変形した三次元形状造形物）光造形複合加工機の構成を模式的に示した斜視図光造形複合加工機の一般的な動作を示すフローチャート

　以下では、図面を参照して本発明の一実施形態をより詳細に説明する。図面における各種要素の形態および寸法は、あくまでも例示にすぎず、実際の形態および寸法を反映するものではない。

　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」を意味している。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指している。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を構成することになる。更に「固化層」とは、粉末層が金属粉末層である場合には「焼結層」を意味し、粉末層が樹脂粉末層である場合には「硬化層」を意味している。

　また、本明細書で直接的または間接的に説明される“上下”の方向は、例えば三次元形状造形物の製造時におけるプレート積層体と三次元形状造形物との位置関係に基づいており、プレート積層体を基準にして三次元形状造形物が製造される側を「上方向」とし、その反対側を「下方向」とする。

［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。特に粉末焼結積層法において三次元形状造形物の切削処理を付加的に行う光造形複合加工を例として挙げる。図１０は、光造形複合加工のプロセス態様を模式的に示しており、図１２および図１３は、粉末焼結積層法と切削処理とを実施できる光造形複合加工機の主たる構成および動作のフローチャートをそれぞれ示している。

　光造形複合加工機１は、図１２に示すように、粉末層形成手段２、光ビーム照射手段３および切削手段４を備えている。

　粉末層形成手段２は、金属粉末または樹脂粉末などの粉末を所定厚みで敷くことによって粉末層を形成するための手段である。光ビーム照射手段３は、粉末層の所定箇所に光ビームＬを照射するための手段である。切削手段４は、積層化した固化層の側面、すなわち、三次元形状造形物の表面を削るための手段である。

　粉末層形成手段２は、図１０に示すように、粉末テーブル２５、スキージング・ブレード２３、支持テーブル２０および造形プレート２１を主に有して成る。粉末テーブル２５は、外周が壁２６で囲まれた粉末材料タンク２８内にて上下に昇降できるテーブルである。スキージング・ブレード２３は、粉末テーブル２５上の粉末１９を支持テーブル２０上へと供して粉末層２２を得るべく水平方向に移動できるブレードである。支持テーブル２０は、外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内にて上下に昇降できるテーブルである。そして、造形プレート２１は、支持テーブル２０上に配され、三次元形状造形物の土台となるプレートである。

　光ビーム照射手段３は、図１２に示すように、光ビーム発振器３０およびガルバノミラー３１を主に有して成る。光ビーム発振器３０は、光ビームＬを発する機器である。ガルバノミラー３１は、発せられた光ビームＬを粉末層２２にスキャニングする手段、すなわち、光ビームＬの走査手段である。

　切削手段４は、図１２に示すように、エンドミル４０および駆動機構４１を主に有して成る。エンドミル４０は、積層化した固化層の側面、すなわち、三次元形状造形物の表面を削るための切削工具である。駆動機構４１は、エンドミル４０を所望の切削すべき箇所へと移動させる手段である。

　光造形複合加工機１の動作について詳述する。光造形複合加工機１の動作は、図１３のフローチャートに示すように、粉末層形成ステップ（Ｓ１）、固化層形成ステップ（Ｓ２）および切削ステップ（Ｓ３）から構成されている。粉末層形成ステップ（Ｓ１）は、粉末層２２を形成するためのステップである。かかる粉末層形成ステップ（Ｓ１）では、まず支持テーブル２０をΔｔ下げ（Ｓ１１）、造形プレート２１の上面と造形タンク２９の上端面とのレベル差がΔｔとなるようにする。次いで、粉末テーブル２５をΔｔ上げた後、図１０（ａ）に示すようにスキージング・ブレード２３を粉末材料タンク２８から造形タンク２９に向かって水平方向に移動させる。これによって、粉末テーブル２５に配されていた粉末１９を造形プレート２１上へと移送させることができ（Ｓ１２）、粉末層２２の形成が行われる（Ｓ１３）。粉末層２２を形成するための粉末材料としては、例えば「平均粒径５μｍ～１００μｍ程度の金属粉末」および「平均粒径３０μｍ～１００μｍ程度のナイロン、ポリプロピレンまたはＡＢＳ等の樹脂粉末」を挙げることができる。粉末層２２が形成されたら、固化層形成ステップ（Ｓ２）へと移行する。固化層形成ステップ（Ｓ２）は、光ビーム照射によって固化層２４を形成するステップである。かかる固化層形成ステップ（Ｓ２）においては、光ビーム発振器３０から光ビームＬを発し（Ｓ２１）、ガルバノミラー３１によって粉末層２２上の所定箇所へと光ビームＬをスキャニングする（Ｓ２２）。これによって、粉末層２２の所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させ、図１０（ｂ）に示すように固化層２４を形成する（Ｓ２３）。光ビームＬとしては、炭酸ガスレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ファイバレーザまたは紫外線などを用いてよい。

　粉末層形成ステップ（Ｓ１）および固化層形成ステップ（Ｓ２）は、交互に繰り返して実施する。これにより、図１０（ｃ）に示すように複数の固化層２４が積層化する。

　積層化した固化層２４が所定厚みに達すると（Ｓ２４）、切削ステップ（Ｓ３）へと移行する。切削ステップ（Ｓ３）は、積層化した固化層２４の側面、すなわち、三次元形状造形物の表面を削るためのステップである。エンドミル４０（図１０（ｃ）および図１２参照）を駆動させることによって切削ステップが開始される（Ｓ３１）。例えば、エンドミル４０が３ｍｍの有効刃長さを有する場合、三次元形状造形物の高さ方向に沿って３ｍｍの切削処理を行うことができるので、Δｔが０．０５ｍｍであれば６０層分の固化層２４が積層した時点でエンドミル４０を駆動させる。具体的には駆動機構４１によってエンドミル４０を移動させながら、積層化した固化層２４の側面に対して切削処理を施すことになる（Ｓ３２）。このような切削ステップ（Ｓ３）の最終では、所望の三次元形状造形物が得られているか否かを判断する（Ｓ３３）。所望の三次元形状造形物が依然得られていない場合では、粉末層形成ステップ（Ｓ１）へと戻る。以降、粉末層形成ステップ（Ｓ１）～切削ステップ（Ｓ３）を繰り返し実施して更なる固化層の積層化および切削処理を実施することによって、最終的に所望の三次元形状造形物が得られる。

［本発明の製造方法］
　本発明は、上述した粉末焼結積層法で製造する三次元形状造形物の土台に特徴を有している。

　具体的には、本発明では、少なくとも２層から成るプレート積層体５０を三次元形状造形物の土台として用いる（図１参照）。プレート積層体５０を用いることによって、最終的に、反り変形が減じられた三次元形状造形物を得ることができる。

　プレート積層体５０は、図１に示されるように、造形プレート２１’およびダミー固化層２４’を有して成る。ここで、本明細書における「プレート積層体」といった用語は、三次元形状造形物を製造するための土台であって、特に積層構造を有するプレート状の土台のことを意味している。

　図示する態様から分かるように、プレート積層体５０の積層構造は、造形プレート２１’とダミー固化層２４’とが互いに積層した形態を有している。造形プレート２１’は、粉末焼結積層法で常套的に用いられる造形プレート２１（図１０（ａ）参照）に相当するところ、特に三次元形状造形物の製造前にて残留応力を内部に有し得るプレートである（“残留応力”については後述する）。一方、ダミー固化層２４’は、造形プレート２１’の主面に設けられる固化層であって、特に三次元形状造形物（固化層２４）が接する主面とは反対側の主面に設けられる固化層である（図１参照）。換言すれば、ダミー固化層２４’は、造形プレート２１’を介して三次元形状造形物と離隔する層に相当する。

　このような事項から分かるように、本明細書で用いる「ダミー固化層」の“ダミー”といった用語は、土台上で製造される三次元形状造形物を構成する固化層とは“異なる”固化層のことを実質的に意味している。

　本発明の製造方法において、プレート積層体５０は、反り変形を一旦経た積層体である。つまり、製造時に用いる三次元形状造形物の土台（プレート積層体５０）の前駆体に“意図的”に反り変形を生じさせている。特に、ダミー固化層２４’の形成によって得られる反り変形した積層体５０’に平面加工処理を施してプレート積層体５０を得ることが好ましい（図２参照）。このようなプレート積層体５０は、三次元形状造形物の製造に先立って調製しておくことが好ましい。

　より具体的には、まず、造形プレート２１’上にダミー固化層２４’を形成して積層体５０’を得る（図２（ａ）および図２（ｂ）参照）。図１１（ａ）および図１１（ｂ）を参照して説明した現象の如く、ダミー固化層２４’の形成に際しては積層体５０’に反り変形が生じる。次いで、かかる反り変形した積層体５０’を好ましくは平面加工処理に付す（図２（ｂ）および図２（ｃ）参照）。特に“土台”として好適な形状が得られるように平面加工処理を行うことが好ましい。平面加工処理は、反り変形した積層体５０’の主面を実質的に平らな面とする処理である。以上の如くの“反り変形”および“平面加工処理”が行われることによって、本発明で用いるのに好適なプレート積層体５０を得ることができる。

　なお、平面加工処理では、プレート積層体５０が三次元形状造形物の製造の“土台”としてより好適な形状を有するように、反り変形した積層体５０’の対向する両主面を切削加工に付すことが好ましい。より具体的には、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、反り変形に起因した湾曲部分を除去して平坦な面が両主面で得られるように積層体５０’に切削加工処理を施すことが好ましい。これにより、プレート積層体５０の両主面が互いに実質的に平行な関係を有することになり、“土台”としてプレート積層体５０を用いた際、実質的に水平となった面上で三次元形状造形物を好適に製造できる。

　プレート積層体５０は、反り変形を一旦経ているので、内部に応力が残存した状態となっている。つまり、プレート積層体５０はその内部に残留応力を有し得る。特に、プレート積層体５０を構成する造形プレート２１’においては、図３に示すように、外側に向いた応力１４が残存し得る。従って、三次元形状造形物の製造に際して、三次元形状造形物に生じ得る応力に抗するようにプレート積層体５０の残留応力を利用すれば、三次元形状造形物の反り変形を減じることができる。

　図４に示されるように、「プレート積層体５０の残留応力１４の向き」と「三次元形状造形物１００に生じ得る応力１５の向き」とが互いに逆になるようにプレート積層体５０を設置することが好ましい。三次元形状造形物１００の製造に際して、それらの応力（１４，１５）が相殺されるように相互作用するからである。つまり、図４に示すようにプレート積層体５０を設ければ、三次元形状造形物１００に生じ得る応力１５がプレート積層体５０の残留応力１４によって緩和されることになり、結果として、反り変形が減じられた三次元形状造形物１００を好適に得ることができる。

　「プレート積層体５０の残留応力１４の向き」と「三次元形状造形物１００に生じ得る応力１５の向き」とが互いに逆となるようにするには、プレート積層体５０の両主面のうちダミー固化層２４’が形成されていない側の主面が上側となるようにプレート積層体５０を設置することが好ましい。つまり、ダミー固化層２４’が形成される造形プレート２１’の主面を“表側主面”とみなすと、造形プレート２１’の“裏側主面”が上側となるようにプレート積層体５０を設置することが好ましい。

　例えば上述した光造形複合加工機１（図１０および図１２～１３参照）で三次元形状造形物を製造する場合を例にとると、プレート積層体５０を図５に示すように支持テーブル２０上に設置することが好ましい。かかる場合、支持テーブル２０に設置されたプレート積層体５０の上側の露出面は上記“裏側主面”に相当する。つまり、支持テーブル２０に固定化したプレート積層体５０を用いて粉末層形成および固化層形成を行うに際して、ダミー固化層２４’が造形プレート２１’と支持テーブル２０との間に位置付けられるようにプレート積層体５０を支持テーブル２０に固定化することが好ましい。図５に示すように支持テーブル２０に固定化されたプレート積層体５０では残留応力１４の向きは“外側”となっているところ、そのプレート積層体５０上に製造される三次元形状造形物に生じ得る応力の向きは“内側”となる。従って、結果的には、それらの応力が互いに相殺されるようになり、反り変形が減じられた三次元形状造形物を得ることができる。

　以下においては、本発明の一実施形態に係る製造方法を経時的に説明する。

（１）造形プレートの準備
　まず、図６（ａ）に示すように、造形プレート２１’を準備する。ここで準備する造形プレート２１’は、粉末焼結積層法で常套的に用いられる造形プレート２１（図１０（ａ）参照）であってよい。例えば粉末として金属粉末を用いることによって固化層として焼結層（鉄系材料から成る焼結層）を形成する場合、造形プレート２１’の材質は、スチール、超硬合金、高速度工具鋼、合金工具鋼、ステンレス鋼および機械構造用炭素鋼から成る群から選択される少なくとも１種類の材質であってよい。また、造形プレート２１’は、あくまでも“プレート”ゆえ、典型的には全体として扁平状となっていることが好ましい。造形プレート２１’の具体的な形状は、製造される三次元形状造形物に対して“土台”を供するものであれば、いずれの形状でもよい。それゆえ、造形プレート２１’の形状は、直方体形状に特に限定されず、円板形状または多角柱形状などであってもよい。造形プレート２１’の主面サイズは、一般的には三次元形状造形物の底面サイズよりも大きいことが求められ、例えば、三次元形状造形物の底面サイズの１１０～２００％程度であってよい。更に、造形プレート２１’の厚み（すなわち、三次元形状造形物の製造時における積層方向の造形プレート寸法）は、例えば１０～７０ｍｍ程度であってよい。

（２）反り変形の付加
　準備した造形プレート２１’は、ダミー固化層２４’の形成を通じて反り変形に付す（図６（ａ）および図６（ｂ）参照）。具体的には、まず、造形プレート２１’上に粉末層を形成し、その粉末層に対して光ビームを照射してダミー固化層２４’を形成する。

　ダミー固化層２４’の形成に用いられる粉末材料は、後刻の三次元形状造形物の製造に用いる粉末材料と同じであってよい。つまり、例えば平均粒径５μｍ～１００μｍ程度の金属粉末を用いてよい。そのような粉末材料を用いることによってダミー固化層２４’のための粉末層が形成される。粉末層に対しては光ビームが全体的に照射され、粉末材料の焼結又は溶融固化を経てダミー固化層２４’が形成されることになる。ダミー固化層２４’の厚みは例えば０．１ｍｍ～１０ｍｍ程度であってよい。なお、図６（ｂ）に示されるように、ダミー固化層２４’は、造形プレート２１’の主面全体に及ぶように広範に形成してよい。

　ここで、ダミー固化層２４’の形成時においては、粉末材料間の空隙が減じられることに起因して収縮応力が生じ、ダミー固化層２４’とそれが接合する造形プレート２１’とが反り変形する。つまり、ダミー固化層２４’と造形プレート２１’とから成る積層体５０’に反り変形が発生する。かかる積層体５０’では、“反り”に起因して造形プレート２１’にて外側に向かって働く応力１４が残存し得る（図６（ｂ）参照）。特に、ダミー固化層２４’が形成された造形プレート２１’の主面を“表側主面”とみなした場合、造形プレート２１’の“裏側主面”の近傍に外側に向かって働く応力１４が残存され得る。

（３）平面加工処理
　反り変形した積層体５０’に対しては、平面加工処理を施す（図６（ｂ）および図６（ｃ）参照）。より具体的には、反り変形に起因した湾曲部分を除去して平坦な面が得られるように積層体５０’を切削加工処理に付す。図示されるように、特に積層体５０’の対向する両主面に対して切削加工処理を施すことが好ましい。これにより、当該両主面が互いに実質的に平行となり、三次元形状造形物の土台としてより好適なプレート積層体５０が得られることになる。

　かかる平面加工処理を施すために切削加工手段を用いてよい。切削加工手段は、表面切削を施せるものであればいずれのものであってよく、例えば、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。必要に応じて、スクエアエンドミル、ラジアスエンドミルなどを用いてもよい。なお、切削加工手段を用いて切削加工を施した後、積層体５０’の両主面の平面度をより上げるために平面研削盤等を用いて平面研削加工を付加的に行ってもよい。

（４）プレート積層体の上下反転
　上記（１）～（３）を経ることで得られたプレート積層体５０は“反転”に付す。つまり、反り変形後に平面加工処理を施して得られたプレート積層体５０は上下ひっくり返される（図６（ｃ）および図６（ｄ）参照）。より具体的には、ダミー固化層２４’が相対的に上側に位置付けられ、造形プレート２１’が相対的に下側に位置付けられたプレート積層体５０を上下ひっくり返す。ダミー固化層２４’が形成された造形プレート２１’の主面を“表側主面”とみなすと、造形プレート２１’の“裏側主面”が上側となるようにプレート積層体５０を反転させることになる。

　図６（ｄ）に示されるように、“上下反転”によって、ダミー固化層２４’が造形プレート２１’と支持テーブル２０との間に位置付けられるようにプレート積層体５０を支持テーブル２０に固定化することが好ましい。これにより支持テーブル２０に固定化されたプレート積層体５０の残留応力１４の向きが“外側”となる一方、プレート積層体５０上で製造される三次元形状造形物１００に生じ得る応力１５の向きは“内側”となる（図６（ｅ）参照）。よって、三次元形状造形物１００が製造される際にはその“内側”の応力１５を打ち消すようにプレート積層体５０の残留応力１４が好適に作用できるようになる。

（５）三次元形状造形物の製造
　プレート積層体５０の固定化後、そのプレート積層体５０を土台として三次元形状造形物１００の製造を行う。図６（ｃ）および図６（ｅ）に示す態様から分かるように、プレート積層体５０における造形プレート２１’の“裏側主面”上で三次元形状造形物１００を製造することになる。

　プレート積層体５０上で製造される三次元形状造形物１００に生じ得る応力１５の向きは“内側”である。これに対して、プレート積層体５０では、“反り変形”に起因して残留応力１４の向きが“外側”となっている。つまり、三次元形状造形物１００の製造時の応力１５とプレート積層体５０の残留応力１４とは互いに逆方向となる。これにより、三次元形状造形物１００の製造時の応力１５が、プレート積層体５０の残留応力１４によって緩和され、三次元形状造形物１００の反りが減じられることになる。

　本願発明者らは、三次元形状造形物１００の製造時に生じる応力１５は、特に製造初期で相対的に大きく発生することを見出している（図７参照）。より具体的には、図７から分かるように、三次元形状造形物１００の底面に大きな応力が生じ得る。これは、三次元形状造形物１００とその土台との界面近傍に特に大きな応力が生じることを意味している。

　この点、本発明の製造方法では、土台としてプレート積層体５０が用いられるので、製造初期に三次元形状造形物１００に生じる応力に対して効果的に影響を与えることができる。より具体的にいえば、三次元形状造形物に生じる応力は、三次元形状造形物の底面で特に大きく発生し得るものの、かかる底面にはプレート積層体５０が設けられているので、プレート積層体５０の残留応力１４で三次元形状造形物の応力１５を効果的に減じることができる（図４参照）。

　上記においては本発明の理解のために典型的な実施形態を説明したが、本発明の製造方法としては、種々の具体的な実施形態が考えられる。

（ブラスト加工の態様）
　本発明の製造方法は、三次元形状造形物で生じ得る応力に抗するためにプレート積層体の残留応力を利用している。しかしながら、プレート積層体によってはその残留応力が三次元形状造形物に生じ得る応力よりも小さい場合も考えられる。

　かかる場合、プレート積層体に対してブラスト加工を施すことが好ましい。具体的には、平面加工処理を施した後で得られるプレート積層体５０の造形プレート２１’の“裏側主面”に対してブラスト加工を付加的に施すことが好ましい（図８参照）。

　ブラスト加工を施すと、プレート積層体５０において外側に向く応力１４が強まる作用が供され得る。つまり、プレート積層体５０において、三次元形状造形物の応力に抗することになる応力１４が増すことになる。これは、ブラスト加工によってプレート積層体５０の残留応力１４を適宜調整できることを意味しており、それゆえ三次元形状造形物の反り低減がより効率的に行える。

　なお、ブラスト加工を施すと、プレート積層体の表面粗さが増すことになる。表面粗さの増加は、プレート積層体とその上に製造される三次元形状造形物との接合面積の増加につながる。従って、ブラスト加工を実施した場合、プレート積層体と三次元形状造形物との間の接合力が向上し得、プレート積層体と三次元形状造形物との一体化物の構造強度が増す効果も奏され得る。

（ダミー固化層の輪郭サイズ変更の態様）
　プレート積層体の調製に際して、ダミー固化層は造形プレートの主面の一部にのみ形成してよい。例えば、図９（ａ）に示すようにダミー固化層２４’の輪郭形状が後刻に製造する三次元形状造形物１００の底面の輪郭形状と略同一となるようにダミー固化層２４’の形成を行う。かかる態様では、プレート積層体５０に残留応力を生じさせつつも、ダミー固化層２４’の形成のための時間を最小限に抑えることができる。つまり、ダミー固化層２４’に要する光ビームの使用を減じることができ、より効率的な三次元形状造形物１００の製造が実現され得る。

　なお、図９（ａ）に示す態様ではプレート積層体５０に必要な残留応力が足りない場合、ダミー固化層２４’の輪郭形状を後刻で製造する三次元形状造形物１００の底面の輪郭形状よりも大きくしてよい（図９（ｂ）参照）。ダミー固化層２４’のサイズが大きくなれば、その分だけプレート積層体５０の残留応力１４を大きくできるからである。あくまでも例示にすぎないが、ダミー固化層２４’の輪郭形状が後刻で製造する三次元形状造形物１００の底面の輪郭形状よりも０．５～１０ｍｍ程度大きくなるようにダミー固化層２４’を形成してよい。より具体的には、プレート積層体５０において図９（ｂ）に示す“Ｌ”に相当寸法が０．５～１０ｍｍ程度となるようにダミー固化層２４’を形成してよい。

　以上、本発明の一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。

　なお、上述のような本発明の一実施形態は、次の好適な態様を包含している。
第１態様：
　（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該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、該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
により粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
　前記三次元形状造形物の土台として、造形プレートおよびダミー固化層を有して成るプレート積層体を用い、
　前記プレート積層体においては、前記造形プレートの一方の主面上に前記ダミー固化層を形成する一方、前記造形プレートの他方の主面上で前記三次元形状造形物を製造する、三次元形状造形物の製造方法。
第２態様：
　上記第１態様において、前記ダミー固化層の形成によって得られる反り変形した積層体に平面加工処理を施して前記プレート積層体を得る、三次元形状造形物の製造方法。
第３態様：
　上記第２態様において、前記平面加工処理では前記反り変形した積層体の対向する両主面を切削加工に付す、三次元形状造形物の製造方法。
第４態様：
　上記第２態様又は第３態様において、前記プレート積層体に対してブラスト加工を施す、三次元形状造形物の製造方法。
第５態様：
　上記第１態様～第４態様のいずれかにおいて、支持テーブルに固定化した前記プレート積層体を用いて前記粉末層形成および前記固化層形成を行っており、
　前記ダミー固化層が前記造形プレートと前記支持テーブルとの間に位置付けられるように前記プレート積層体を該支持テーブルに前記固定化する、三次元形状造形物の製造方法。

　本発明の一実施形態に係る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。一方、『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として用いることができる。

Claims

　（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該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、該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
により粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
　前記三次元形状造形物の土台として、造形プレートおよびダミー固化層を有して成るプレート積層体を用い、
　前記プレート積層体においては、前記造形プレートの一方の主面上に前記ダミー固化層を形成する一方、前記造形プレートの他方の主面上で前記三次元形状造形物を製造する、三次元形状造形物の製造方法。
前記ダミー固化層の形成によって得られる反り変形した積層体に平面加工処理を施して前記プレート積層体を得る、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記平面加工処理では前記反り変形した積層体の対向する両主面を切削加工に付す、請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記プレート積層体に対してブラスト加工を施す、請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
支持テーブルに固定化した前記プレート積層体を用いて前記粉末層形成および前記固化層形成を行っており、
　前記ダミー固化層が前記造形プレートと前記支持テーブルとの間に位置付けられるように前記プレート積層体を該支持テーブルに前記固定化する、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。