三维形状造型物的制造方法及由其获得的三维形状造型物的制作方法

专利名称：三维形状造型物的制造方法及由其获得的三维形状造型物的制作方法
技术领域：
本发明涉及三维形状造型物的制造方法及三维形状造型物。更详细而言，本发明涉及如下的三维形状造型物的制造方法及由该方法获得的三维形状造型物，即，所述三维形状造型物的制造方法通过反复实施对粉末层的规定部位照射光束来形成固化层的步骤， 从而制造多个固化层层叠一体化而成的三维形状造型物。
背景技术：
目前，已知有对粉末材料照射光束来制造三维形状造型物的方法(通常称作“粉末烧结层叠法”)。在该方法中，通过反复(i)和(ii)步骤来制造三维形状造型物，所述(i) 步骤是指对粉末层的规定部位照射光束，从而使所述规定部位的粉末烧结或熔融固化而形成固化层，所述(ii)步骤是指在获得的固化层上铺设新的粉末层，同样地照射光束而进一步形成固化层(参照专利文献1或专利文献幻。在粉末材料使用金属粉末或陶瓷粉末等无机质的粉末材料时，能够将获得的三维形状造型物用作模具，在粉末材料使用树脂粉末或塑料粉末等有机质的粉末材料时，能够将获得的三维形状造型物用作模型。根据这样的制造技术，能够在短时间内制造复杂的三维形状造型物。在粉末烧结层叠法中，出于防止氧化等观点，多在保持于非活性氛围下的腔室内制造三维形状造型物。以粉末材料使用金属粉末并将获得的三维形状造型物用作模具的情况为例，如图1所示，首先，将规定的厚度tl的粉末层22形成在造型板21上(参照图 1(a)),之后将光束向粉末层22的规定部位照射，从而在造型板21上形成固化层24。然后， 在形成的固化层M上铺设新的粉末层22，进一步照射光束而形成新的固化层。若这样反复形成固化层，则能够获得多个固化层对层叠一体化而成的三维形状造型物(参照图1(b))。 由于三维形状造型物能够在相当于最下层的固化层粘接于造型板面上的状态下形成，因此三维形状造型物与造型板成为彼此一体化的状态。一体化了的三维形状造型物和造型板可以直接用作模具。在光束的照射下获得的三维形状造型物的表面比较粗糙，通常具有几百μ mRz左右的表面粗糙度。这是因为在固化层表面上附着有粉末。在固化层形成时，光能被转换成热能，因此照射粉末暂时熔融后在冷却过程中粉末彼此熔接。此时，照射光束的点的周边的粉末区域的温度也会上升，因此周边的粉末附着在固化层表面上。这些附着粉末导致三维形状造型物的表面粗糙，因此需要对三维形状造型物的表面进行精加工。具体例举的话，需要对获得的三维形状造型物的表面整体进行切削加工。例如，在利用专利文献3所记载那样的制造方法而获得的三维形状造型物中，对三维形状造型物的外部壳体区域进行切削加工(参照图16)。就这样的切削加工的现状来说，没有考虑到造型物的最终使用用途，而对三维形状造型物的全部露出面进行了切削加工。例如，在专利文献3的发明中，对覆盖三维形状造型物的整个周围而存在的外部壳体区域的整体进行了切削加工。这绝不能说是在制造成本及制造时间方面优越的三维形状造型物。另外，所谓切削加工是指，对表面进行削除以达到所期望的形状·表面粗糙度的加工，但说到底还是机械加工(使用了切削工具的加工)，因此可能会因加工应力或切削热而引起三维形状造型物损伤。专利文献1日本特表平1-5(^890号公报专利文献2日本特开2000-73108号公报专利文献3日本特表平8-504139号公报

发明内容
发明要解决的课题本发明鉴于上述情况而提出。即，本发明的课题在于提供一种不仅能抑制制造时间和制造成本，还能够抑制质量降低的三维造型物的制造方法。用于解决课题的手段为了解决上述课题，本发明的三维形状造型物的制造方法反复进行(i)对形成在造型工作台(优选配设在造型工作台上的造型板)上的粉末层的规定部位照射光束而使所述规定部位的粉末烧结或熔融固化来形成固化层的工序、及(ii)在获得的固化层上形成新的粉末层，对所述新的粉末层的规定部位照射光束而进一步形成固化层的工序，所述三维形状造型物的制造方法的特征在于，对固化层中的在三维形状造型物的使用时力所施加的表面区域实施切削加工。本发明的制造方法的一个特征在于，考虑到三维形状造型物的用途而仅对必要的部位进行表面切削加工。更具体而言，仅对三维形状造型物的使用时力所施加的区域实施表面切削加工。本说明书所说的“力”实际上意味着三维形状造型物的用途使用时施加在三维形状造型物上的力。例如，可以举出“在使用时因与流体物或固体物的接触而施加在三维形状造型物上的力”。另外，本说明书所说的“切削加工”意味着使用工具来切削对象物。从而，就本发明的方式而言，“切削加工”意味着切削三维形状造型物的表面部分来除去表面凹凸的操作。进一步确认的话，在本说明书中，“粉末层”是指例如“由金属粉末构成的金属粉末层”或“由树脂粉末构成的树脂粉末层”等。另外，“粉末层的规定部位”实际上意味着要制造的三维形状造型物的区域。从而，通过对存在于所述规定部位的粉末照射光束，由此使这些粉末烧结或熔融固化而构成三维形状造型物的形状。需要说明的是，“固化层”在粉末层为金属粉末层时实际上意味着“烧结层”，在粉末层为树脂粉末层时实际上意味着“硬化层，，。在某优选的方式中，将三维形状造型物用作型芯侧或型腔侧的模具，对模具使用时形成型腔空间的面实施切削加工。这种情况下，“形成型腔空间的面”是在模具的使用时与成形树脂材料相接的部位，相当于“力所施加的表面区域”。另外，在其它优选的方式中，将三维形状造型物用作型芯侧或型腔侧的模具，对模具使用时型芯侧与型腔侧接触的表面区域的一部分(尤其是位于型腔空间形成面的稍外侧的环状的表面区域部)实施切削加工。这种情况下，“模具使用时型芯侧与型腔侧接触的表面区域”是指在合模时“型芯侧模具的周缘部”与“型腔侧模具的周缘部”相互密接的区域，相当于“力所施加的表面区域”。在该方式中，优选以使相互密接的表面区域中的“不实施切削加工的部分”的表面高度比相互密接的表面区域中的“实施切削加工的部分”的表面高度低的方式形成固化层。进而，在其它优选的方式中，对作为后加工基准的部分附加地实施切削加工。这里所说的“后加工基准”意味着“在后加工时的基准”。更具体而言，存在之后根据用途必须对三维形状造型物或与其一体化的造型板进一步实施加工的情况，用于该加工的基准为“后加工基准”。在本发明的制造方法中，优选以使在使用时力所施加的表面区域成为固化密度达 95 100%的高密度区域的方式形成固化层。在该情况下，通过使照射光束的规定部位的粉末完全熔融而形成高密度区域。这里所说的“高密度区域”是指所谓的“熔融区域”(即， 通过熔融固化而形成的区域)，是指固化密度非常高(固化密度达95 100%左右)而液体或气体等流体无法通过的区域。在本发明中，还提供由上述的制造方法获得的三维形状造型物。在特别优选的方式中，所述三维形状造型物可以用作型芯侧或型腔侧的模具，其中，模具的型腔空间形成面被实施了表面切削加工。另外，也可以对模具使用时型芯侧与型腔侧接触的区域的一部分实施表面切削加工。发明效果在本发明的制造方法中，由于仅对必要的部位实施表面切削加工，因此不仅能够缩短制造时间，还能够减少用于驱动切削工具的能量，因此能够整体降低制造成本。另外，在本发明的制造方法中，由于仅对必要的部位实施表面切削加工，因此能够相对减小切削加工区域占三维形状造型物的整体的比例。即，切削加工区域为“因加工应力·切削热而受到加工损伤的区域”，在本发明中，尽可能地减小这样受到损伤的区域而进行三维形状造型物的制造。因此，对三维形状造型物而言，能够尽量抑制机械强度的降低。 艮口，最终获得的三维形状造型物能够维持所期望的质量强度( 机械强度)。进而，在现有技术中，为了防止三维形状造型物的机械强度的降低，必须在预先假定了切削加工中的损伤的程度的基础上进行设计，但在本发明中，仅通过考虑用途来对造型物实施切削加工，就能够减少制造时间和制造成本且防止机械强度的降低。即，本发明能够在不提高制造时间和制造成本的前提下省略上述那样的需要考虑难以具体预测的加工损伤的设计，在这点上也是非常有益的。


图1是示意性地表示光造型复合加工机的动作的剖视图。图2是示意性地表示进行粉末烧结层叠法的方式的立体图。图3是示意性地表示实施粉末烧结层叠法的光造型复合加工机的结构的立体图。图4是光造型复合加工机的动作的流程图。图5是按时间顺序表示光造型复合加工过程的示意图。图6是概念性地表示由本发明的制造方法获得的三维形状造型物的特征的示意图。图7是示意性地表示用作型芯侧模具或型腔侧模具的三维形状造型物的形态的立体图。
图8是示意性地表示仅对形成型腔空间的表面实施切削加工的方式的立体图。图9是表示仅对模具使用时型芯侧与型腔侧接触的表面区域的一部分实施切削加工的方式的示意图。图10是示意性地表示仅对位于型腔空间的稍外侧的环状的表面区域部分实施切削加工的方式的立体图。图11是示意性地表示对作为后加工基准的部分·表面区域进一步进行切削加工的方式的立体图。图12是表示对作为后加工基准的部分·表面区域进一步进行切削加工的方式的示意图。图13是表示将三维形状造型物的使用时力所施加的区域形成为高密度区域，而对该高密度区域部分进行表面切削加工的方式的示意图。图14是高密度区域与低密度区域的交界部分的SEM照片。图15是高密度区域(熔融区域)及低密度区域的SEM照片(三维形状造型物的截面照片)。图16是表示现有技术(专利文献幻的三维形状造型物的形态的示意图。符号说明1 光造型复合加工机2 粉末层形成机构3 光束照射机构4 切削机构19 粉末/粉末层(例如金属粉末/金属粉末层或树脂粉末/树脂粉末层)20 造型工作台21 造型板22 粉末层(例如金属粉末层或树脂粉末层)23 挤压用刮板24 固化层(例如烧结层或硬化层)或由其获得的三维形状造型物25 粉末工作台26 粉末材料箱的壁部分27 造型箱的壁部分28 粉末材料箱29 造型箱30 光束振荡器31 检流计反射镜32 反射镜33 聚光透镜40 铣头41 XY驱动机构41a X轴驱动部41b Y轴驱动部
42 刀库50 腔室52 光透过窗60 后加工基准L 光束P 使用时施加在三维形状造型物上的“力”
具体实施例方式以下，参照附图对本发明更加详细地进行说明。[粉末烧结层叠法]首先，对作为本发明的制造方法的前提的粉末烧结层叠法进行说明。图1 图3 表示能够实施粉末烧结层叠法的光造型复合加工机的功能及结构。光造型复合加工机1主要具有通过铺设规定厚度的金属粉末及树脂粉末等粉末来形成粉末层的粉末层形成机构 2 ；在外周由壁27围成的造型箱四内通过工作缸驱动而上下升降的造型工作台20 ；配设在造型工作台20上且作为造型物的基座的造型板21 ；将光束L向任意的位置照射的光束照射机构3 ；对造型物的周围进行切削的切削机构4。如图1所示，粉末层形成机构2主要具有在外周由壁沈围成的粉末材料箱观内通过工作缸驱动而上下升降的粉末工作台25 ； 用于在造型工作台或造型板上形成粉末层22的挤压用刮板23。如图2及图3所示，光束照射机构3主要具有发出光束L的光束振荡器30 ；使光束L在粉末层22上扫描的检流计反射镜31 (扫描光学系统)。根据需要，光束照射机构3具备对光束点的形状进行修正的束形状修正机构(例如由一对柱面透镜和使该透镜绕光束的轴线旋转的旋转驱动机构构成的机构)或f θ透镜等。切削机构4主要具有切削造型物的周围的铣头40 ；使铣头40向切削部位移动的XY驱动机构41 (41a,41b)(参照图2及图3)。参照图1、图4及图5对光造型复合加工机1的动作进行详细叙述。图4表示光造型复合加工机的通常的动作流程。图5示意性地简单表示光造型复合加工过程。光造型复合加工机的动作主要包括形成粉末层22的粉末层形成步骤(Si)；向粉末层22照射光束L而形成固化层M的固化层形成步骤(S》；对造型物的表面进行切削的切削步骤(S3)。在粉末层形成步骤(Si)中，最初将造型工作台20降低Atl(Sll)。接着， 将粉末工作台25抬高Atl后，如图1(a)所示，使挤压用刮板23沿箭头A方向移动。由此，将粉末工作台25上的粉末(例如平均粒径为5 μ m 100 μ m左右的铁粉或平均粒径为30 μ m 100 μ m左右的尼龙、聚丙烯、ABS等的粉末)向造型板21上输送(S12)，将粉末平整为规定厚度Atl而形成粉末层22 (S13)。接着，移向固化层形成步骤(S2)，从光束振荡器30发出光束L (例如碳酸气体激光(500W左右)、Nd:YAG激光(500W左右)、光纤激光 (500W左右)或紫外线等)(S21)，利用检流计反射镜31使光束L在粉末层22上的任意位置扫描(S22)。由此，使粉末熔融且固化而形成与造型板21—体化的固化层对623)。光束并不限定于在空气中传播，也可以通过光纤等传播。反复粉末层形成步骤(Si)和固化层形成步骤(S》而层叠固化层M，直至固化层 24的厚度达到根据铣头40的工具长度等求出的规定厚度为止(参照图1 (b))。需要说明的是，新层叠的固化层在烧结或熔融固化时与已经形成的下层的固化层一体化。
当层叠的固化层M的厚度成为规定的厚度时，移向切削步骤(S3)。在图1及图5 所示那样的形态下驱动铣头40，由此开始实施切削步骤(S31)。例如，在铣头40的工具(球头立铣刀)的直径为1mm、有效刃长度为3mm的情况下，可以进行深度3mm的切削加工，因此若Atl为0.05mm，则在形成了 60层固化层的时刻驱动铣头40。通过XY驱动机构41 01a， 41b)使铣头40沿箭头X及箭头Y方向移动，对由层叠的固化层M构成的造型物的表面进行切削加工(S32)。并且，在三维形状造型物的制造仍未完成的情况下，返回到粉末层形成步骤(Si)。以后，反复Sl至S3来进一步层叠固化层24，由此进行三维形状造型物的制造 (参照图5)。固化层形成步骤(S2)中的光束L的照射路径和切削步骤(S3)中的切削加工路径预先根据三维CAD数据制成。此时，适用等高线加工来确定加工路径。例如，在固化层形成步骤(S》中，使用将从三维CAD模型生成的STL数据以等间距(例如在将AtlSSO. 05mm 的情况下，间距为0. 05mm)划分而成的各截面的轮廓形状数据。[本发明的制造方法]本发明的制造方法基于上述的粉末烧结层叠法而特别考虑了获得的三维形状造型物的用途。具体而言，在本发明中，对使用三维形状造型物时力所施加的面( 使用三维形状造型物时与其它物质或构件接触的面)实施切削加工。在以下的说明中，以作为粉末使用金属粉末的形态(即，作为粉末层使用金属粉末层的形态)为例进行说明。顺带而言，本发明所使用的金属粉末是以铁系粉末为主成分的粉末，根据情况不同，也可以是进一步含有从由镍粉末、镍系合金粉末、铜粉末、铜系合金粉末及石墨粉末等构成的组中选择的至少一种而成的粉末(作为一例，可以举出平均粒径为20 μ m左右的铁系粉末的配合量达60 90重量％、镍粉末及镍系合金粉末这两方或任一方的配合量达5 35重量％、铜粉末及/或铜系合金粉末两方或任一方的配合量达5 15重量％、及石墨粉末的配合量达0. 2 0. 8重量％的金属粉末)。需要说明的是，金属粉末并不限定于这样的铁系粉末，还可以是铜系粉末或铝粉末，进一步说，若将三维形状造型物用于模具以外的用途，则还可以是塑料粉末或陶瓷粉末。在本发明的制造方法中，如图6所示，仅对三维形状造型物M的使用时力P所施加的区域实施表面切削加工。作为三维形状造型物的用途，例如，考虑图7所示的型芯侧模具或型腔侧模具。在该情况下，在三维形状造型物的使用时对“形成型腔空间的面”施加力。即，由于向型芯侧模具与型腔侧模具相互合模而形成的型腔空间填充树脂材料来进行成形，因此型腔空间形成面从“树脂材料”或“成形物”受到力。从而，在本发明中，仅对这样的“形成型腔空间的面”实施表面切削加工(参照图8)。使用的切削加工机构只要能够实施表面切削即可，可以为任意。例如，切削加工机构为通用的数值控制(NC=Numerical Control)工作机械或以其为基准的机构。尤其优选能够自动更换切削工具(端铣刀)的加工中心(MC)。端铣刀主要使用例如超硬原材料的二刃球头立铣刀。根据加工形状或目的不同，可以使用方形端铣刀、圆角端铣刀、钻孔机等。在本发明中，通过实施表面切削加工，由此能够改善被施加了表面切削加工的部位的表面粗糙度。例如，实施了表面切削加工的部位的表面粗糙度Rz优选为10 μ m以下 (Rz = 0 10 μ m)，更优选为5μπι以下(Rz = O 5μπι)，进一步优选为0. 1 μ m以下(Rz = 0 0.1μπι)。这里，“表面粗糙度Rz”是指通过对粗糙度曲线(在本发明中是指“固化层表面的截面形状轮廓”)中从平均线至“最高的山顶部为止的高度”与从平均线至“最低的谷底部为止的深度”进行合计而得到的粗糙度尺度。需要说明的是，在将三维形状造型物用作模具时，无论成型件的种类·尺寸等如何，实施切削加工的表面区域所占的面积比例都达到三维形状造型物的表面整体的30 50%左右。从而，相应地，不仅制造时间缩短，而且三维形状造型物伴随切削加工所受到的损伤(加工应力或切削热)也减小。除了能够防止例如与切削相伴的裂纹等，还能够维持三维形状造型物所期望的机械强度(即，能够实际上维持光造型的时刻的强度)。“仅对在三维形状造型物的使用时力所施加的区域实施表面切削加工”具有多种方式。例如，在将三维形状造型物用作型芯侧或型腔侧的模具时，对模具使用时型芯侧与型腔侧接触的表面区域的一部分实施切削加工为好(参照图9)。即，对模具彼此接触的区域的一部分实施切削加工。更具体而言，不是对模具使用时型芯侧与型腔侧接触的表面整体实施切削加工，而是如图10所示，仅对位于型腔空间形成面的稍外侧的环状的表面区域部分实施切削加工。在该情况下，被实施了切削加工的面能够在将型芯侧模具与型腔侧模具相互合模时形成“密封面”。需要说明的是，在该方式中，如图9或图10所示，优选以“不实施切削加工的部分”的表面高度比“实施切削加工的部分”的表面高度低的方式造型。换言之，优选制成不进行基于切削加工的除去精加工的部分低一级的模型，从而成为使烧结面露出的状态。其原因在于，“实施切削加工的部分a”在加工后表面高度变低，因此若预先降低“不实施切削加工的部分b”的表面高度，则能够在切削加工后使部分a与部分b彼此在同一面上(由此，部分a作为密封面而可靠地发挥功能)。例如，在实施粉末烧结层叠法而获得的造型物中，优选“不实施切削加工的部分b”比“实施切削加工的部分a”低0. 3 Imm左右。在本发明的制造方法中，可以对作为后加工基准60的部分 表面区域进一步实施切削加工(参照图11及图12)。如上所述，“后加工基准”实际上意味着“在后加工时的基准”。例如，存在之后根据用途必须对三维形状造型物或与其一体化的造型板实施加工的情况，预先通过切削加工形成用于该加工的基准。更具体而言，在将三维形状造型物用作模具时，将与造型板一体化的模具安装在合模装置上，需要对造型板进行加工以使其成为适于安装的形状。因此，预先在三维造型物上形成该造型板的加工的基准。由此，三维形状造型物的制造后的“后加工”变得容易，能够以更佳的形态使用三维形状造型物。需要说明的是，在本发明的制造方法中，如图13所示，可以将在三维形状造型物的使用时力所施加的区域形成为高密度区域，对该高密度区域部分实施表面切削加工。由此，由于仅在必要的部位形成高密度区域，因此即使在固化层形成时，也能够实现制造时间的缩短及制造成本的降低。优选高密度区域(即，高密度熔融区域)通过使照射光束的规定部位的粉末完全熔融而形成。例如，可以通过形成为固化密度达95 100%的高密度区域、且将这以外的区域形成为固化密度达0 95% (不包含95%)的低密度区域的方式形成固化层。图14表示高密度区域与低密度区域的交界部分的SEM照片，图15表示高密度区域及低密度区域的各自的截面照片(SEM照片)。需要说明的是，本说明书所说的“固化密度”实际上意味着通过对造型物的截面照片进行图像处理而求出的烧结截面密度(金属材料的占有率)。使用的图像处理软件为 Scion Image ver. 4.0.2(免费软件)，将截面图像二值化成烧结部(白)和空孔部(黑)
9后，通过计算图像的全部像素数I3Xall及烧结部(白)的像素数Pxwhite,由此能够按以下的式 1求解烧结截面密度P S。式1
权利要求
1.一种三维形状造型物的制造方法，反复进行(i)对粉末层的规定部位照射光束而使所述规定部位的粉末烧结或熔融固化来形成固化层的工序、及(ii)在获得的固化层上形成新的粉末层，对所述新的粉末层的规定部位照射光束而进一步形成固化层的工序，所述三维形状造型物的制造方法的特征在于，对固化层中的在三维形状造型物的使用时力所施加的表面区域实施切削加工。
2.根据权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，将所述三维形状造型物用作型芯侧或型腔侧的模具，对模具使用时形成型腔空间的面实施切削加工。
3.根据权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，将所述三维形状造型物用作型芯侧或型腔侧的模具，对模具使用时型芯侧与型腔侧接触的表面区域的一部分实施切削加工。
4.根据权利要求3所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，以使所述表面区域中的不实施切削加工的部分的表面高度比所述表面区域中的实施切削加工的部分的表面高度低的方式形成固化层。
5.根据权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，对作为后加工基准的部分附加地实施切削加工。
6.根据权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，以使在所述使用时力所施加的表面区域成为固化密度达95 100%的高密度区域的方式形成固化层。
7.—种三维形状造型物，由权利要求2所述的三维形状造型物的制造方法获得，用作型芯侧或型腔侧的模具，所述三维形状造型物的特征在于，形成模具的型腔空间的面被实施了表面切削加工。
8.—种三维形状造型物，由权利要求3所述的三维形状造型物的制造方法获得，用作型芯侧或型腔侧的模具，所述三维形状造型物的特征在于，模具使用时型芯侧与型腔侧接触的区域的一部分被实施了表面切削加工。
全文摘要
本发明提供一种三维形状造型物的制造方法及由该方法获得的三维形状造型物，所述三维形状造型物的制造方法反复进行(i)对粉末层的规定部位照射光束而使所述规定部位的粉末烧结或熔融固化来形成固化层的工序、及(ii)在获得的固化层上形成新的粉末层，对所述新的粉末层的规定部位照射光束而进一步形成固化层的工序，所述三维形状造型物的制造方法的特征在于，对固化层中的在三维形状造型物的使用时力所施加的区域实施表面切削加工。
文档编号B22F3/105GK102458722SQ20108002511
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月23日 优先权日2009年6月23日
发明者不破勋, 东喜万, 武南正孝, 阿部谕 申请人:松下电器产业株式会社