JP2017137563A - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アンダーカット部を有して成る三次元形状造形物をより効率的に製造可能な方法を提供すること。【解決手段】（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して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、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って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が供される。特に、本発明の製造方法では、三次元形状造形物の製造に先立って、アンダーカット部を予め特定するためのモデル化処理を行う。【選択図】図２

Description

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体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を例にとる。図７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７（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７（ｂ）参照）。引き続いて、得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し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７（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することができる。

特表平１−５０２８９０号公報

本願発明者らは、いわゆる“アンダーカット部”を有する三次元形状造形物を製造する場合、以下の問題が生じ得ることを見出した。具体的には、アンダーカット部１０を形成する場合（図７（ａ）参照）、それを形成しない場合（図７（ｂ）参照）と比べて大きい隆起部１８が生じ得ることを見出した。特に、本願発明者らは、アンダーカット部１０における傾斜形態がより垂直でなくなるほど、アンダーカット部１０の周縁において隆起部１８がより大きく生じる傾向があることを見出した（図７（ａ）〜（ｃ）参照）。

特に大きな隆起部１８が生じる場合、次なる粉末層の形成のために用いるスキージング・ブレード２３（図８（ａ）参照）が隆起部１８に当たってしまい（図８（ｂ）参照）、それによってアンダーカット部１０の形成領域における固化層２４の一部が隆起部１８に同伴してもぎ取られてしまうおそれがあり得る（図８（ｃ）参照）。そのため、固化層２４上に所望の粉末層を形成できなくなり得る。

以上の事から、アンダーカット部１０を有する三次元形状造形物を製造する場合、アンダーカット部１０の形成領域における隆起部１８を除去する切削加工が必要となる。隆起部１８の発生を確認し、当該隆起部１８に切削加工を逐次施すことが考えられるが、そのような逐次の切削加工では効率的な三次元形状造形物の製造が阻害される虞がある。具体的には、逐次の切削加工は隆起部１８の発生箇所を総括的に捉えているとはいえない。

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、アンダーカット部を有して成る三次元形状造形物をより効率的に製造するための方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明では、
（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行うことによって、アンダーカット部を有して成る三次元形状造形物を製造するための方法であって、
かかる方法の実施に先立って、アンダーカット部を予め特定するためのモデル化処理を行う、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、アンダーカット部を有して成る三次元形状造形物をより効率的に製造することができる。

アンダーカット部の概略図（図１（ａ）：概略斜視図、図１（ｂ）：拡大概略断面図） アンダーカット部を特定するモデル化処理を模式的に示した斜視図（図２（ａ）：三次元形状造形物のモデル形態、図２（ｂ）：ピース分割された三次元形状造形物のモデル形態、図２（ｃ）：抽出されたアンダーカット部の表面） 切削加工パスを決定する処理を模式的に示した図（図３（ａ）：アンダーカット部を含む三次元形状造形物モデル、図３（ｂ）：アンダーカット部を含む三次元形状造形物モデルから取り出した複数のスライス面、図３（ｃ）：アンダーカット部の形成領域における固化層の輪郭の切削加工パスの決定） アンダーカット部の形成領域の固化層上面を切削加工に付す態様を模式的に示した斜視図（図４（ａ）：切削加工前、図４（ｂ）：切削加工後） 隆起部が生じたアンダーカット部を模式的に示した断面図 内部空間領域を有する三次元形状造形物を模式的に示した断面図 隆起部の種々の発生形態を模式的に示した断面図（図７（ａ）：急峻角度θが相対的に大きいアンダーカット部、図７（ｂ）：垂直な傾斜形態を有する固化層周縁部、図７（ｃ）：急峻角度θが相対的に小さいアンダーカット部） 隆起部が生じた状態でスキージング・ブレードを用いて次なる粉末層を形成する態様を模式的に示した断面図（図８（ａ）：隆起部接触前、図８（ｂ）：隆起部接触時、図８（ｃ）：隆起部接触後） 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９（ａ）：粉末層形成時、図９（ｂ）：固化層形成時、図９（ｃ）：積層途中） 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、例えば造形プレートと三次元形状造形物との位置関係に基づく方向であって、造形プレート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９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１０および図１１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１０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９に示すように、粉末テーブル２５、スキージング・ブレード２３、造形テーブル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を造形テーブル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。造形テーブル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、造形テーブル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１０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１０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１１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、まず造形テーブル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９（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９（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９（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９（ｃ）および図１０参照）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において、三次元形状造形物の製造に先立って行う前処理に特徴を有している。

具体的には、三次元形状造形物の製造に先立って、アンダーカット部を予め特定するためのモデル化処理を行う。アンダーカット部は、三次元形状造形物において“急峻”な形態を有する箇所であるところ、かかる箇所を予め特定するための処理を行う。

図１（ａ）および図１（ｂ）には、アンダーカット部１０が示されている。本明細書における「アンダーカット部」は、広義には図１（ａ）に示すように急峻角度１３を有する部分を意味している。「急峻角度θ」は、図１（ａ）に示されるように三次元造形物の下側傾斜面１５が水平面１４に対して成す角度（９０度未満）を指している。図示する態様から分かるように、本明細書においては、急峻角度θが大きい値であるほど、アンダーカット部１０がより垂直な傾斜形態を有することになる。

アンダーカット部１０は、三次元形状造形物の一部分であるので、積層された固化層から構成されている（図１（ｂ）参照）。従って、狭義にいえば「アンダーカット部」は、図１（ｂ）に示すように、一方の固化層１６から他方の固化層１７が外側に突出するような形態を有している。より具体的には、アンダーカット部１０においては、一方の固化層１６の端面１６ａと他方の固化層１７の端面１７ａとを結ぶ線分と、当該一方の固化層１６の水平面１６ｂとの間に形成される角度θ（急峻角度）が９０度未満となっている。ここで、一方の固化層１６からの他方の固化層１７の突出寸法、すなわち、オーバーハング寸法（ＯＨ寸法）は、各固化層の高さ寸法がΔｔである場合、下式で表すことができる。なお、ここでいう一方の固化層１６および他方の固化層１７は必ずしも互いに隣接する位置関係を有するものに限らず、それらが互いに離隔した位置関係を有するものであってもよい。
［式１］
突出寸法（ＯＨ寸法）＝Δｔ/ｔａｎθ

本発明におけるモデル化処理は、三次元形状造形物の設計データ（例えば、いわゆるＣＡＤデータ）に基づいてコンピュータ上で行うことができる。三次元形状造形物のＣＡＤデータを用いる場合、かかるＣＡＤ上にてアンダーカット部を特定する処理が行われることになる。具体的には、本発明におけるモデル化処理では、製造される三次元形状造形物の設計データに基づき三次元形状造形物の表面領域においてどの領域がアンダーカット部の表面領域に相当するのかを抽出する。これにより、相対的に大きな隆起部が生じ得るアンダーカット部の形成領域が予め特定され得るため、隆起部の発生を確認してアンダーカット部の所定箇所（後述の固化層の輪郭上面に相当）に切削加工を逐次施す場合と比べて、切削加工に要する時間が減じられる。つまり、三次元形状造形物の製造時間が全体として短くなり、より効率的な製造が実現され得る。

ある好適な態様では、モデル化処理において、三次元形状造形物モデルの表面を複数のピースに分割し、その分割された複数のピースの各々の法線ベクトルの向きに基づいて、アンダーカット部の表面を三次元形状造形物モデルの表面から抽出する。つまり、三次元形状造形物の設計データから得られる表面領域の法線ベクトルに基づいてアンダーカット部の表面を抽出する。ここでいう「抽出」とは、コンピュータ処理として、三次元形状造形物モデルの表面全体からアンダーカット部に相当する部分の表面領域を“取り出す”又は“抜き出す”ことを実質的に意味している。なお、本明細書でいう「三次元形状造形物モデル（三次元形状造形物のモデル）」とは、製造される三次元形状造形物のコンピュータ上におけるモデル形態を実質的に指す。

好ましくは、かかる抽出に際して、法線ベクトルの向きが水平よりも下向きとなるピースをアンダーカット部の表面とみなす。つまり、複数の法線ベクトルのなかでも所定の向きの法線ベクトルを有するピースのみを選択する。ここでいう「水平」とは、固化層の積層方向に対して垂直となる向きを実質的に指す。より具体的な例でいえば、固化層の幅方向における向きが“水平”な向きに相当する。

ある好適な態様では、三次元形状造形物モデルから複数のスライス面を取り出し、取り出した各スライス面の輪郭のうちアンダーカット部に相当する部分の輪郭を特定し、特定した輪郭から複数のポイントを選択し、選択した各ポイントの座標情報を得る。つまり、コンピュータ処理にて三次元形状造形物モデルのうちアンダーカット部に相当する部分の輪郭の任意のポイントの座標情報を得る。

ある好適な態様では、三次元形状造形物の製造方法の実施時において、アンダーカット部における固化層の輪郭上面を切削加工に付す。つまり、三次元形状造形物の製造時に相対的に大きな隆起部が生じ得るアンダーカット部における固化層の輪郭上面のみを切削加工に付す。かかる切削加工により、次なる粉末層を形成するために用いるスキージング・ブレードが隆起部に当たることを回避でき得る。そのため、アンダーカット部における固化層の一部が隆起部に同伴してもぎ取られてしまうことを回避でき得る。その結果、固化層上に所望の新たな粉末層を好適に形成でき得る。なお、本明細書でいう「隆起部」とは、光ビームを用いて粉末層から固化層を形成する際に固化層の輪郭に生じる突起物（端部隆起物に相当）のことを指しており、特にいえばアンダーカット部に相当する箇所における固化層の輪郭に生じる突起物（端部隆起物に相当）を指す。特定の理論に拘束されるわけではないが、粉末層に光ビームが照射される際、周辺の粉末領域にも光ビームが照射されることになり、溶融現象により隆起を誘発する表面張力が発生するので固化層の輪郭に隆起部が生じ易いと考えられる。

ある好適な態様では、アンダーカット部に相当する部分の輪郭から選択した複数のポイントの座標情報に基づき切削加工パスを形成し、当該切削加工パスに従い、アンダーカット部における固化層の輪郭上面を切削加工に付す。つまり、三次元形状造形物の製造時に相対的に大きな隆起部が生じ得るアンダーカット部における固化層の輪郭上面を、予め決定した切削加工パスに従い切削加工に付す。切削加工パスが予め決定されているため、三次元形状造形物の製造時に相対的に大きな隆起部が生じ得るアンダーカット部における固化層の輪郭上面をより効率的に切削加工に付すことができ得る。そのため、相対的に大きな隆起部が生じ得るアンダーカット部における固化層の輪郭上面の切削加工時間を短くすることができ得ると共に、次なる粉末層を形成するために用いるスキージング・ブレードが隆起部に当たることを回避でき得る。

ある好適な態様では、アンダーカット部における急峻角度に応じて、アンダーカット部における固化層の輪郭上面の切削加工の要否を判断する。アンダーカット部１０では急峻角度θが大きい値であるほど、アンダーカット部１０がより垂直な傾斜形態を有する一方、急峻角度θが小さい値であるほど、アンダーカット部１０がより垂直でない傾斜形態を有する（図７参照）。この点、アンダーカット部１０では、その傾斜面がより垂直でなくなるほど隆起部１８がより大きく生じる傾向があるところ、そのような隆起部１８の大きさを急峻角度θから間接的に把握し、それによって、アンダーカット部における固化層の輪郭上面の切削加工の要否を判断する。例えば、アンダーカット部１０における急峻角度θが比較的小さく（すなわち、アンダーカット部１０がより垂直でない傾斜形態を有し）、粉末層形成時のスキージング・ブレード２３の移動が隆起部１８によって阻害され得ると判断される場合のみアンダーカット部１０における固化層の輪郭上面の切削加工を施してよい。逆にいえば、アンダーカット部１０における急峻角度θが比較的大きく（すなわち、アンダーカット部１０がより垂直な傾斜形態を有し）、粉末層形成時のスキージング・ブレード２３の移動が隆起部１８によって阻害されないと判断される場合、アンダーカット部１０における固化層の輪郭上面の切削加工を施さなくてよい。

＜本発明の技術的思想＞
本発明の技術的思想について説明しておく。本発明は『固化層形成時に大きい隆起部が生じると考えられる箇所を予め特定し、より好適な切削加工パスを予め構築しておく』といった技術的思想に基づいている。

本願発明者は、アンダーカット部１０では比較的大きい隆起部１８が生じ易いといった現象を見出しており、本発明はかかる現象に鑑みている。更にいえば、アンダーカット部１０では急峻の程度が変わると、そこに生じる隆起部１８のサイズが変わる傾向があることも本願発明者は見出しており、そのような傾向を有するアンダーカット部１０に対してより好適に対処することにも鑑みている。

本発明の技術的思想に基づけば、サイズのより大きい隆起部が生じ得るアンダーカット部の形成領域が予め特定されるため、三次元形状造形物の製造をより効率的に行うことができる。

具体的には、相対的に大きな隆起部が生じ得るアンダーカット部の所定箇所（固化層の輪郭上面に相当）に対する切削加工に際してより適切な切削加工パスを予め決定することができる。従って、隆起部の発生を確認してアンダーカット部に切削加工を逐次施す場合と比べて、切削加工に要する時間が減じられる。つまり、三次元形状造形物の製造時間が全体として短くなり、より効率的な製造が実現され得る。

以下、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について、より具体的に説明する。本発明は、前処理として行うコンピュータ処理と、その後にて粉末焼結積層法として行う三次元形状造形物の製造とに大きく分けることができる。

《前処理（コンピュータ処理）》
まず、三次元形状造形物の製造に先立ってコンピュータを用いて行う前処理について説明する。かかる前処理は、好ましくは以下の（１）および（２）が行われる。

（１）アンダーカット部の特定
まず、三次元形状造形物を製造する前にＣＡＤソフトを用いてモデル化処理を行う。具体的には、例えばいわゆる“ＳＴＬ形式”のＣＡＤソフトを用いてモデル化処理を行う。このようなモデル化処理は、アンダーカット部を予め特定するためのコンピュータ処理に相当する。

モデル化処理に際しては、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、三次元形状造形物モデル１００’の表面を複数のピース１１’へと分割する。好ましくは、三次元形状造形物モデル１００’の表面全体を複数の幾何学形状のピース１１’に分割する。図示するように、三次元形状造形物モデル１００’の表面全体を例えば三角形状のピース１１’へと分割してよい。

複数のピース１１’に分割した後、図２（ｂ）に示されるように、各ピース１１’の面に対して垂直なベクトルの向き、すなわち、各ピース１１’の法線ベクトル１２’の向きをピース１１’毎に求める。具体的には、各ピース１１’の各々の頂点座標から各ピース１１’の中心座標（中心点）を求め、次いで当該中心座標に対して垂直なベクトル（法線ベクトル１２’）の向きを求める。

法線ベクトル１２’の向きをピース１１’毎に求めた後、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、法線ベクトル１２’の向きが水平よりも下向きとなるピース１１’のみを選び出す。ここで、本発明では法線ベクトル１２’の向きが下向きとなるピース１１’をアンダーカット部１０’における表面と判断する。なお、図示していないが、法線ベクトル１２’の向きが水平よりも“上向き”となるピース１１’については、アンダーカット部１０’以外の表面であると見なし、選び出さない。

このように、本発明では、複数のピース１１’の各々の法線ベクトル１２’の向きを指標としており、それによって、三次元形状造形物モデル１００’の表面全体からアンダーカット部１０’の表面を抽出している。

（２）切削加工パスの決定
アンダーカット部１０’を特定した後、かかるアンダーカット部１０’の所定箇所（固化層の輪郭上面に相当）に対する切削加工パスを決定するコンピュータ処理を行う。かかる処理に際しては、必要に応じて例えばＣＡＤ／ＣＡＭソフトなどを用いてよい。

まず、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、形成箇所を特定したアンダーカット部１０’を含む三次元形状造形物モデル１００’から複数のスライス面５０’を取り出す。当該スライス面５０’は、例えば水平方向に沿って固化層２４’の積層ピッチで三次元形状造形物モデル１００’をスライスすることで得られる面である。複数のスライス面５０’を取り出した後、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、各スライス面５０’の輪郭６０’のうち、アンダーカット部１０’に相当する輪郭６０’を特定する（図３（ｂ）および図３（ｃ）内の太線に相当）。アンダーカット部１０’における輪郭６０’を特定した後、当該輪郭６０’から任意の複数のポイント７０’を選択する。なお、アンダーカット部１０’に相当する輪郭６０’が、スライス面５０’の輪郭６０’のうちいずれの箇所に位置するかを特定するに際しては、上述のモデル化処理により抽出したアンダーカット部１０’の位置情報を活用してよい。選択する複数のポイント７０’としては、図３（ｃ）に示すように、例えば、アンダーカット部１０’の輪郭６０’の一端に位置する第１ポイント７１’、当該輪郭６０’の他端に位置する第２ポイント７２’、および第１ポイント７１’と第２ポイント７２’との間に位置する第３ポイント７３’であってよい。

任意の複数のポイント７０’を選択した後においては、各ポイント７０’の座標情報（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ、ｚ_ｎ）を得る。各ポイント７０’の座標情報（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ、ｚ_ｎ）を得ると、各ポイント７０’が三次元形状造形物モデル１００’のいずれの箇所に位置するかを精度良く空間把握することができ得る。例えば、上述の第１ポイント７１’、第２ポイント７２’および第３ポイント７３’を選択する場合を例に挙げると、第１ポイント７１’、第２ポイント７２’および第３ポイント７３’の座標情報をそれぞれ得る。具体的には、第１ポイント７１’の座標が（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）であること、第２ポイント７２’の座標が（ｘ_２、ｙ_２、ｚ_２）であること、および第３ポイント７３’の座標が（ｘ_３、ｙ_３、ｚ_３）であることを把握する。なお、上述のように水平方向に沿って三次元形状造形物モデル１００’をスライスする場合、所定箇所に位置する１枚のスライス面５０’の第１ポイント７１’のｚ座標ｚ_１と、第２ポイント７２’のｚ座標ｚ_２と、第３ポイント７３’のｚ座標ｚ_３は等しくなり得る。

各ポイントの座標情報を得た後、各ポイントをそれぞれ通る切削加工パス８０’を決定する。好ましくは、後述の三次元形状造形物の製造時にてアンダーカット部１０の形成領域の固化層２４の輪郭上面２４ａに対する切削加工がより効率的となり得る切削加工パスを選択する（図４参照）。具体的には、切削工具の移動距離が最短となり得る切削加工パス８０’を決定する。これにより、後述の三次元形状造形物の製造時においてアンダーカット部１０における固化層２４の輪郭上面２４ａを切削加工するための時間を短くし得る（図４参照）。例えば、上述のようにアンダーカット部１０’の輪郭６０’から第１〜第３ポイントを選択する場合、切削工具の移動距離が最短となるパスとして、例えば第１ポイント７１’⇒第３ポイント７３’⇒第２ポイント７２’を順に切削工具が通過し得る切削加工パスを選択する。これに限定されることなく、例えば第２ポイント７２’⇒第３ポイント７３’⇒第１ポイント７１’を順に切削工具が通過し得る切削加工パスを選択してよい。

更に、上述の切削加工パス８０’の決定と併せて、後述の三次元形状造形物の製造時においてアンダーカット部１０における固化層２４の輪郭上面２４ａを切削加工する際の切削工具の操作条件を予め決定してよい（図４参照）。例えば、アンダーカット部１０’の急峻角度θ（図３（ａ）参照）に応じて生じ得る隆起部の寸法が変わることを考慮して、例えば「エンドミルを３０００回転/分の速度で時計回りに回転させる」という操作条件、および「エンドミルを一端から他端まで５００ｍｍ/分の速度で動作させる」という操作条件を組み合わせたものを予め決定してよい。

以上の事からも、三次元形状造形物の製造に先立って、製造時にてアンダーカット部１０の形成領域における固化層２４の輪郭上面２４ａに切削加工を付すための（１）切削加工パスおよび（２）切削工具の操作条件に関するデータベースを予め構築しておく。当該データベースを予め構築しておくことで、後刻の三次元形状造形物の製造時にアンダーカット部１０の形成領域における固化層２４の輪郭上面２４ａに対する切削加工を好適に制御でき得る（図４参照）。

《粉末焼結積層法の実施時》
次に、三次元形状造形物の製造時における実施態様について説明する。

三次元形状造形物の製造時においては、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すようにそれに先立って決定した切削加工パスに基づいて、アンダーカット部１０の形成領域における固化層２４の輪郭上面２４ａを切削加工に付してよい。

具体的には、コンピュータ処理にて予め決定した切削加工パス８０’（図３（ｃ）参照）を形成するための各ポイント７０’の座標情報に基づき、実際の切削加工時において固化層２４の輪郭上面２４ａに対する切削手段４の切削加工パスを制御してよい。より具体的には、切削手段４として、数値制御（ＮＣ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）工作機械またはそれに準ずるもの（以下、ＮＣ工作機械等という。）を用い、コンピュータ処理にて得た各ポイント７０’の座標情報からプログラム変換した数値情報を、当該ＮＣ工作機械等に対して命令してよい。これにより、ＮＣ工作機械等として用いる切削手段４の構成要素であるエンドミル４０の切削加工パスを好適に制御でき得る。

コンピュータ処理にて「予め決定した切削加工パス」として、切削工具、すなわちエンドミル４０の移動距離が最短となるパスを選択した場合、アンダーカット部１０の形成領域における固化層２４の輪郭上面２４ａの切削加工に要する時間を好適に減じることができ得る。その結果として、全体として三次元形状造形物の製造時間をより短縮することができ得る。

また、三次元形状造形物の製造時においては、それに先立って決定した切削手段の操作条件に基づいて、アンダーカット部１０の形成領域における固化層２４の輪郭上面２４ａを切削加工に付してよい。

具体的には、コンピュータ処理にて予め決定した切削手段の操作条件に基づき、実際の切削加工時において切削手段４の動作を制御してよい。より具体的には、切削手段４として、数値制御（ＮＣ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）工作機械またはそれに準ずるもの（以下、ＮＣ工作機械等という。）を用い、コンピュータ処理にて得た切削手段の操作条件からプログラム変換した数値情報を、当該ＮＣ工作機械等に対して命令してよい。例えば、上述のコンピュータ処理にて予め決定した切削手段の操作条件（「エンドミルを３０００回転/分の速度で時計回りに回転させる」という操作条件、および「エンドミルを一端から他端まで５００ｍｍ/分の速度で動作させる」という操作条件を組み合わせたもの）からプログラム変換した数値情報を、当該ＮＣ工作機械等に対して命令してよい。これにより、数値情報に基づき動作することに起因して、ＮＣ工作機械等として用いる切削手段４の構成要素であるエンドミル４０の操作条件を好適に制御でき得る。

以上の事からも、ＮＣ工作機械等として用いる切削手段４の構成要素であるエンドミル４０の切削加工パスおよび操作条件を好適に制御でき得るため、三次元形状造形物の製造時においては、アンダーカット部１０の形成領域における固化層２４の輪郭上面２４ａを効率的に切削加工に付すことができ得る。そのため、相対的に大きな隆起部が生じ得るアンダーカット部における固化層の輪郭上面の切削加工時間を短くすることができ得る。また、
かかる切削加工により、次なる粉末層を形成するために用いるスキージング・ブレードが隆起部に当たることを回避でき得る。そのため、アンダーカット部における固化層が隆起部に同伴してもぎ取られてしまうことを回避でき得る。その結果、固化層上に所望の新たな粉末層を好適に形成でき得る。従って、最終的に所望の三次元形状造形物を好適に製造することができ得る。

本発明の製造方法は種々の態様で実施することができる。

＜急峻角度に基づく切削加工の態様＞
例えば、本発明では、アンダーカット部における傾斜の程度に応じて、アンダーカット部における固化層の輪郭上面の切削加工の要否を予め判断してよい。

図５に示すように、例えば２つの異なる急峻角度θを有するようにアンダーカット部１０が形成される場合、アンダーカット部１０では互いに異なるサイズの隆起部１８が発生し得る。具体的には、急峻角度θが相対的に大きいアンダーカット部１０の所定領域、すなわち、より垂直な傾斜形態となるアンダーカット領域の場合では、より小さな隆起部が生じ易い。一方、急峻角度θが相対的に小さいアンダーカット部の所定領域、すなわち、より垂直でない傾斜形態のアンダーカット領域の場合では、より大きな隆起部が生じ易い。あくまでも例示にすぎないが、急峻角度θが４５度未満となるアンダーカット領域では、急峻角度が４５度以上となるアンダーカット領域と比べて、サイズの大きい隆起部１８が生じ易い傾向がある。

上記の如くの傾向ゆえ、上記（１）の特定においては、アンダーカット部１０’のうち急峻角度θが小さい領域と急峻角度θが大きい領域とを予め特定する。経時的に説明すると次のようになる。三次元形状造形物モデル１００’の表面全体を複数のピース１１’に分割する（図２（ａ）および図２（ｂ）参照）。次に、各ピース１１’の法線ベクトル１２’の向きを求めて（図２（ｂ）参照）、かかる向きが水平よりも下向きとなるピース１１’を抽出する（図２（ｃ）参照）。下向きの法線ベクトル１２’を有するピース１１’を抽出した後、当該法線ベクトル１２’の向きと水平との間に形成される角度の違いから、急峻角度θが小さいアンダーカット領域か、あるいは急峻角度θが大きいアンダーカット領域かを判断する。

例えば急峻角度θがより大きいアンダーカット領域、すなわち、アンダーカット部がより垂直な傾斜形態となる領域の場合、隆起部のサイズが相対的に小さいことが想定され、その領域における固化層の輪郭上面を切削加工に付さないといった判断を行ってよい。これにより、三次元形状造形物の製造時において、切削加工を施す領域がより限定的となるため、アンダーカット部における固化層の輪郭上面の切削加工時間を減じることができる。従って、最終的には三次元形状造形物の製造時間をより短くすることができ、アンダーカット部を有して成る三次元形状造形物がより効率的に製造される。

＜固化層の積層数に基づく切削加工の態様＞
本発明では、例えば固化層の積層数に応じて切削加工の要否を予め判断してもよい。

具体的には、固化層の積層数が所定数を上回る場合、積層数が多いことに起因して各固化層のアンダーカット部に生じる隆起部が大きくなる傾向がある。かかる場合、粉末層形成時のスキージング・ブレードの移動が隆起部によって阻害され得るので、上記（２）のコンピュータ処理で切削加工パスを決定する判断を行ってよい。一方、固化層の積層数が所定数を下回る場合、各固化層のアンダーカット部の隆起部はあまり大きくなっていないと想定される。従って、上記（２）のコンピュータ処理で切削加工パスを決定しない判断を行ってよい。これに限定されず、固化層の積層数と固化層厚みとを乗じた値が所定値を上回るか否かによって切削加工パスを決定するか否かの判断を行ってもよい。このようにすると、切削加工を施すタイミングが減じられるので、アンダーカット部を有して成る三次元形状造形物がより効率的に製造される。

最後に、三次元形状造形物の製造時にアンダーカット部における固化層の輪郭上面を切削加工に付した場合の効果について説明する。

三次元形状造形物１００の製造時にアンダーカット部１０における固化層の輪郭上面を切削加工に付すと、アンダーカット部１０における固化層の輪郭に生じ得る隆起部を当該輪郭上面から取り除くことができ得る。そのため、次なる粉末層の形成のために用いるスキージング・ブレードが隆起部に当たってしまい、それによってアンダーカット部１０における固化層の一部が隆起部に同伴してもぎ取られてしまうことを回避することができ得る。そのため、固化層上に新たな粉末層を好適に形成することができ得る。これにより、アンダーカット部１０の形成領域においても光ビームを用いて新たな固化層を好適に形成することができ得る。その結果、アンダーカット部１０を有した三次元形状造形物１００を好適に製造することができ得る。

一例を挙げると、図６に示すようにアンダーカット部１０が形成され得る内部空間領域９０の形成面の一部（上側部分）および/または三次元形状造形物１００の外面を好適に形成することができ得る。アンダーカット部１０が形成され得る内部空間領域９０の形成面の一部が好適に形成されると、三次元形状造形物１００を金型として用いる場合、内部空間領域９０を温調管として好適に用いることができ得る。つまり、内部空間領域９０に対して温調水を所望流量で流すことができ、金型として好適な温調機能が奏され得る。また、アンダーカット部１０が形成され得る三次元形状造形物１００の外面が好適に形成されると、当該外面にクラックが生じることが回避され得るため、外部からの影響（例えば外圧）にも好適に耐えることができ得る。なお、アンダーカット部１０における固化層の輪郭上面のみを切削加工に付すと、アンダーカット部１０が形成され得る三次元形状造形物１００の外面（側面）に隆起部が残存し得る。この場合、当該アンダーカット部１０が形成され得る三次元形状造形物１００の外面（側面）を切削加工等の後加工を好適に行ってよい。

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。

１００ 三次元形状造形物
１００’ 三次元形状造形物モデル（三次元形状造形物のモデル）
１０’ 三次元形状造形物モデルのアンダーカット部
１０ 三次元形状造形物のアンダーカット部
１１’ ピース
１２’ 法線ベクトル
１３ 急峻角度
１９ 粉末
２２ 粉末層
２４ 固化層
２４ａ 固化層の輪郭上面
Ｌ 光ビーム

Claims (7)

1. （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行うことによって、アンダーカット部を有して成る三次元形状造形物を製造するための方法であって、
   前記方法の実施に先立って、前記アンダーカット部を予め特定するためのモデル化処理を行う、三次元形状造形物の製造方法。
2. 前記モデル化処理において、前記製造される前記三次元形状造形物のモデルの表面を複数のピースに分割し、該複数のピースの各々の法線ベクトルの向きに基づいて、前記三次元形状造形物の前記モデルの前記表面から前記アンダーカット部の表面を抽出する、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
3. 前記抽出に際して、前記法線ベクトルの向きが水平よりも下向きとなる前記ピースを前記アンダーカット部の前記表面とみなす、請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
4. 前記製造される前記三次元形状造形物の前記モデルから複数のスライス面を取り出し、取り出した各スライス面の輪郭のうち前記アンダーカット部に相当する部分の輪郭を特定し、特定した該輪郭から複数のポイントを選択し、選択した各ポイントの座標情報を得る、請求項１〜３のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
5. 前記方法の実施時において、前記アンダーカット部における前記固化層の輪郭上面を切削加工に付す、請求項１〜４のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
6. 前記座標情報に基づき切削加工パスを形成し、該切削加工パスに従い、前記アンダーカット部における前記固化層の前記輪郭上面を前記切削加工に付す、請求項４に従属する請求項５に記載の三次元形状造形物の製造方法。
7. 前記アンダーカット部における急峻角度に応じて、該アンダーカット部における前記固化層の前記輪郭上面の前記切削加工の要否を判断する、請求項５又は６に記載の三次元形状造形物の製造方法。