專利名稱：三維形狀造型物的制造方法及由此得到的三維形狀造型物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維形狀造型物的制造方法以及三維形狀造型物。更詳細(xì)地講，本發(fā)明涉及通過反復(fù)實(shí)施對(duì)粉末層的規(guī)定部位照射光束而進(jìn)行的固化層形成來制造使多個(gè)固化層層疊一體化而成的三維形狀造型物的方法，還涉及通過該方法得到的三維形狀造型物。
背景技術(shù)：
以往，已知有對(duì)材料粉末照射光束來制造三維形狀造型物的方法(一般稱作“粉末燒結(jié)層疊法”)。在該方法中，反復(fù)進(jìn)行“(i)通過對(duì)粉末層的規(guī)定部位照射光束，使該規(guī)定部位的粉末燒結(jié)或熔融固化而形成固化層，(ii)在所得到的固化層上鋪設(shè)新的粉末層并同樣地照射光束進(jìn)而形成固化層”這樣的工序來制造三維形狀造型物(參照專利文獻(xiàn)I或?qū)＠墨I(xiàn)2)。作為材料粉末，在使用了金屬粉末或陶瓷粉末等無機(jī)質(zhì)的材料粉末的情況下，能夠?qū)⑺玫降娜S形狀造型物用作模具，在使用了樹脂粉末或塑料粉末等有機(jī)質(zhì)的材料粉末的情況下，能夠?qū)⑺玫降娜S形狀造型物用作模型。根據(jù)這種制造技術(shù)，能夠以短時(shí)間制造復(fù)雜的三維形狀造型物。以在支承部件上制造三維形狀造型物的情況為例，如圖I所示，首先，在造型物支承部件21上形成規(guī)定厚度tl的粉末層22 (參照?qǐng)DI (a))。接著，將光束向粉末層22的規(guī)定部位照射，從該被照射的粉末層的部分開始形成固化層24。然后，在所形成的固化層24上鋪設(shè)新的粉末層22并再次照射光束而形成新的固化層。若反復(fù)實(shí)施這樣的固化層的形成，則能夠得到層疊一體化有多個(gè)固化層24的三維形狀造型物(參照?qǐng)DI (b))?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I:特表平I 一 502890號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2:特開2000 — 73108號(hào)公報(bào)發(fā)明的概要發(fā)明要解決的課題三維形狀造型物能夠用作模具，在使用了模具的注塑成形中，在“模具具有2處以上澆口時(shí)”或者“雖然是I處澆口但在填充路徑中途具有將液流分離的模腔形狀時(shí)”的情況下，在模具模腔內(nèi)能夠得到2個(gè)樹脂原料流。該2個(gè)樹脂原料流合流的面被稱作“熔痕(或熔接線)”。若產(chǎn)生該熔痕，則為了隱藏熔痕而需要對(duì)得到的成形品進(jìn)行涂裝，或者，起因于由熔痕引起的外觀不合格而根本不能夠作用成形品來使用。關(guān)于這種熔痕，不拘于特定理論，可以想到如下等產(chǎn)生原因(1)由于樹脂流路內(nèi)的空氣或由樹脂產(chǎn)生的氣體被壓縮并滯留，而使得樹脂彼此接合不完全；(2)由于流動(dòng)中的樹脂的前端部接觸空氣而被冷卻，因此2個(gè)樹脂原料流合流時(shí)不易混合。為了防止熔痕的產(chǎn)生，需要使用多孔的銷，或通過銷插入來進(jìn)行通氣，或者在模具中形成蒸汽回路等來進(jìn)行加熱，模具構(gòu)造變得復(fù)雜，設(shè)計(jì)一般很困難。這是因?yàn)?，在這樣的模具中必須利用螺栓緊固等將例如溫度調(diào)節(jié)用部件和排氣部件連接。本申請(qǐng)的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)明出了“埋設(shè)包含具有貫通的中空部的溫度控制塊的埋設(shè)用部件而構(gòu)成的三維形狀造型物的模具”(參照特開2000 — 190086號(hào)公報(bào))。然而，本申請(qǐng)的發(fā)明人進(jìn)行了專心研究，結(jié)果得知，在該模具中就熔痕產(chǎn)生防止這一點(diǎn)未必能夠獲得滿足。之所以這樣說，是因?yàn)樵谔亻_2000 - 190086的模具中只不過是在埋設(shè)用部件的內(nèi)部空間內(nèi)設(shè)置了溫度調(diào)節(jié)元件，是因?yàn)樵谄鋬?nèi)部空間內(nèi)的空氣的熱傳導(dǎo)率非常低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于這樣的情況而做出的。即，本發(fā)明的課題在于提供一種三維形狀造型物，該三維形狀造型物能夠用作模具，并且特別適合防止熔痕產(chǎn)生。用于解決課題的手段為了解決上述課題，在本發(fā)明提供一種三維形狀造型物的制造方法，其特征在于，反復(fù)進(jìn)行如下工序(i)對(duì)粉末層的規(guī)定部位照射光束，使該規(guī)定部位的粉末燒結(jié)或熔融固化而形成固化層的工序；以及(ii)在所得到的固化層上形成新的粉末層，對(duì)該新的粉末層的規(guī)定部位照射光束而進(jìn)一步形成固化層的工序，在反復(fù)實(shí)施工序(i)和工序(ii)時(shí)，在固化層中配置加熱器元件，由此在三維形狀造型物的內(nèi)部設(shè)置加熱器元件。
本發(fā)明的制造方法的特征之一在于，考慮三維形狀造型物的用途，將加熱器元件設(shè)置在三維形狀造型物的內(nèi)部。具體地說，在本發(fā)明中，在反復(fù)實(shí)施工序(i )和工序(i i )的過程中的任意點(diǎn)處將加熱器元件配置在固化層中，然后，繼續(xù)形成更多的固化層。本說明書所述的“加熱器元件”實(shí)質(zhì)上是指發(fā)熱體，例如如盤管式等那樣若通電則發(fā)熱的元件。此外，本說明書所述的“在固化層中配置加熱器元件”實(shí)質(zhì)上是指在已經(jīng)形成的固化層的一部分區(qū)域中設(shè)置加熱器元件。特別是，在本發(fā)明中，意思是指以與固化層直接接觸的形態(tài)設(shè)置加熱器元件。進(jìn)而明確起見來說明，在本說明書中，“粉末層”實(shí)質(zhì)上是指例如“由金屬粉末構(gòu)成的金屬粉末層”。此外，“粉末層的規(guī)定部位”實(shí)質(zhì)上是指所制造的三維形狀造型物的區(qū)域。因此，通過對(duì)存在于該規(guī)定部位的粉末照射光束，使該粉末燒結(jié)或熔融固化而構(gòu)成三維形狀造型物的形狀。另外，“固化層”在粉末層為金屬粉末層的情況下相當(dāng)于“燒結(jié)層”，“固化密度”相當(dāng)于“燒結(jié)密度”。在某個(gè)優(yōu)選形態(tài)中，在造型物支承部件上實(shí)施工序(i)以及(ii)。即，在造型物支承部件上實(shí)施粉末層以及固化層的形成。在該情況下，優(yōu)選的是，作為加熱器元件而使用盤管式加熱器，經(jīng)由設(shè)于支承部件的開口部，在固化層中配置盤管式加熱器。另外，本說明書所述的“造型物支承部件”實(shí)質(zhì)上是指成為所制造的造型物的底座的部件。特別是在優(yōu)選形態(tài)中，“造型物支承部件”是指在造型臺(tái)上配設(shè)的板狀或長方體狀的部件(關(guān)于“造型臺(tái)”，請(qǐng)參照后述)。作為造型物支承部件的材質(zhì)，沒有特別限制，能夠列舉出從鋼、超硬合金、高速度工具鋼、合金工具鋼、不銹鋼以及機(jī)械構(gòu)造用碳素鋼中選擇的至少I種以上的材質(zhì)。
在某個(gè)優(yōu)選形態(tài)中，在形成于層疊化的固化層的槽部中配置加熱器元件。在該情況下，優(yōu)選的是，對(duì)槽部實(shí)施切削加工，對(duì)實(shí)施了該切削加工后的槽部面配置加熱器元件。
此外，優(yōu)選的是，在配置加熱器元件之后在槽部中填充低熔點(diǎn)金屬粉末材料。在該情況下，對(duì)該低熔點(diǎn)金屬粉末材料照射光束，利用所得到的固化部件來填埋槽部。在該形態(tài)中，針對(duì)低熔點(diǎn)金屬粉末材料的光束照射優(yōu)選以比向粉末層的光束照射低的能量來進(jìn)行。 此外，針對(duì)低熔點(diǎn)金屬粉末材料的光束照射優(yōu)選的是，隨著遠(yuǎn)離加熱器元件而使照射能量逐漸變大。而且，優(yōu)選在由低熔點(diǎn)金屬粉末材料形成固化部件之后，對(duì)固化部件及/或固化層進(jìn)行用于形成平面的切削加工。
在本發(fā)明中，還提供利用上述的制造方法得到的三維形狀造型物。本發(fā)明的三維形狀造型物內(nèi)置有加熱器元件，能夠適當(dāng)?shù)赜米髂＞?。作為加熱器元件的?yōu)選的內(nèi)置方式， 例如能夠列舉出以下方式
·與作為被導(dǎo)入模具的模腔部的原料樹脂所最終或最后到達(dá)的模腔區(qū)域相接近地內(nèi)置加熱器元件的方式。
在模具中與形成有薄壁成形部的模腔區(qū)域相接近地設(shè)置加熱器元件的方式。
·與模具的澆口部相接近地設(shè)置加熱器元件的方式。
發(fā)明效果
在本發(fā)明的制造方法中，在實(shí)施粉末燒結(jié)層疊法時(shí)，能夠?qū)⒓訜崞髟m當(dāng)?shù)芈裨O(shè)在造型物中。特別是，能夠在考慮到最終的用途的基礎(chǔ)上在造型物的任意的局部區(qū)域中簡(jiǎn)單地設(shè)置加熱器元件。
具體地說，在假定將三維形狀造型物用作模具的情況下，能夠僅在可能產(chǎn)生“熔痕”的區(qū)域的附近配置加熱器元件，因此，能夠有效地防止樹脂成形時(shí)的熔痕產(chǎn)生。關(guān)于該點(diǎn)，在以往的模具中，一般以在三維形狀造型物內(nèi)通過的方式在中空狀流路中流動(dòng)流動(dòng)性制熱劑，由于中空狀流路的設(shè)置路徑而存在模具整體被加熱的趨勢(shì)，而不是僅對(duì)需要的局部區(qū)域(例如可能產(chǎn)生熔痕的點(diǎn))進(jìn)行加熱。在以往的模具中，若假定對(duì)局部區(qū)域設(shè)置加熱元件的情況，則模芯側(cè)或模腔側(cè)的模具需要由2個(gè)部件來構(gòu)成，需要在一個(gè)部件中配置加熱元件之后由另一個(gè)部件作為蓋并通過緊固部件進(jìn)行固定，因此，部件數(shù)變多而構(gòu)造變復(fù)雜。相對(duì)于這種以往的形態(tài)，在本發(fā)明的制造方法中，在逐步形成的過程中將加熱器元件配置在固化層上，因此，部件數(shù)本身沒有特別增加，并且，加熱器元件的設(shè)置區(qū)域的制約比較少，能夠在所需的局部區(qū)域中適當(dāng)?shù)卦O(shè)置加熱器元件(由于對(duì)加熱器元件的設(shè)置部位的制約較少，因此，能夠適當(dāng)?shù)亟M合排氣部及冷卻管，能夠更有效地防止熔痕)。
本發(fā)明的三維形狀造型物能夠適當(dāng)?shù)赜米髂＞?。特別由于僅在期望的局部區(qū)域中設(shè)置發(fā)熱元件，并且，以與模具結(jié)構(gòu)件直接接觸的形態(tài)設(shè)置發(fā)熱元件，因此，實(shí)現(xiàn)了在“溫度控制效率”、“響應(yīng)性”等方面優(yōu)選的模具。此外，如上所述，對(duì)加熱器元件的設(shè)置部位的制約較少，排氣部及冷卻管也能夠設(shè)置在期望區(qū)域中，因此，鑒于該點(diǎn)可以說實(shí)現(xiàn)了在“溫度控制效率”、“響應(yīng)性”方面優(yōu)選的模具。


圖I是示意地表示光造型復(fù)合加工機(jī)的動(dòng)作的截面圖。
圖2是示意地表示光造型裝置的形態(tài)的立體圖(圖2 (a):具備切削機(jī)構(gòu)的復(fù)合裝置，圖2(b):不具備切削機(jī)構(gòu)的裝置)。
圖3是示意地表示進(jìn)行粉末燒結(jié)層疊法的形態(tài)的立體圖。
圖4是示意地表示實(shí)施粉末燒結(jié)層疊法的光造型復(fù)合加工機(jī)的結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖5是光造型復(fù)合加工機(jī)的動(dòng)作的流程圖。
圖6是按時(shí)間經(jīng)過表示光造型復(fù)合加工工序的示意圖。
圖7是示意地表示本發(fā)明的制造方法的概念的圖(圖7 (a):加熱器元件的設(shè)置； 圖7 (b):加熱器元件的設(shè)置后；圖7 (c):層疊化結(jié)束)。
圖8是示意地表示本發(fā)明的制造方法的工序的圖(設(shè)置加熱器元件之前的形態(tài))。
圖9是示意地表示本發(fā)明的制造方法的工序的圖(設(shè)置加熱器元件時(shí)的形態(tài))。
圖10是示意地表示在層疊化的固化層中形成的槽部的形態(tài)的圖。
圖11是示意地表示造型物支承部件的形態(tài)的立體圖。
圖12是示意地表示將殘留在開口部的金屬粉末吸出的形態(tài)的圖。
圖13是示意地表示本發(fā)明的制造方法的工序的圖(加熱器元件的設(shè)置后的形態(tài))。
圖14是示意地表示形成用于填埋槽部的固化部的形態(tài)的圖(圖14 (a):固化部形成的概念圖；圖14 (b):通過光束照射來一次性形成固化部的形態(tài)；圖14 (c):分成多層來形成固化部的形態(tài))。
圖15是示意地表示對(duì)槽部進(jìn)行切削加工的形態(tài)的圖。
圖16是示意地表示在槽部形成多孔狀固化部的形態(tài)的圖。
圖17是表示燒結(jié)密度(視密度)與熱傳導(dǎo)率之間的相關(guān)關(guān)系的圖表。
圖18是示意地表示用于形成平面的切削加工的形態(tài)的圖。
圖19是示意地表示排氣部的形成的工序的圖。
圖20是不意地表不排氣部的其他方式的圖。
圖21是示意地表示冷卻管的設(shè)置形態(tài)的圖。
圖22是示意地表示冷卻管的設(shè)置形態(tài)的立體圖。
圖23是示意地表示使用了本發(fā)明的模具進(jìn)行樹脂成形的操作形態(tài)的圖。
標(biāo)記說明
I光造型復(fù)合加工機(jī)
2粉末層形成機(jī)構(gòu)
3光束照射機(jī)構(gòu)
4切削機(jī)構(gòu)
8 休漠管(hume)
19粉末/粉末層(例如金屬粉末/金屬粉末層)
19’低熔點(diǎn)金屬粉末/低熔點(diǎn)金屬粉末層
20造型臺(tái)
21造型物支承部件
22粉末層(例如金屬粉末層或樹脂粉末層)
22’殘留的金屬粉末
23 擠壓(squeezing)用刀片
24固化層(例如燒結(jié)層)或由此得到的造型物6
24b多孔狀燒結(jié)部
24c加強(qiáng)用的梁部件
24d管狀的路徑
24d’管狀的路徑
24A固化層的上表面
25粉末臺(tái)
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光束振蕩器
31電鏡
40銑頭
4IXY驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
50腔室
52透光窗或透鏡
60吸引機(jī)
70加熱器元件(例如盤管式加熱器)
70a盤管式加熱器的發(fā)熱部
70b盤管式加熱器的驅(qū)動(dòng)部
80形成于固化層的槽部
80A固化部的上表面
80a填埋槽部的固化部
80b多孔狀固化部
80c由低熔點(diǎn)金屬粉末材料形成的固化部
90a、90b造型物支承部件的開口部、固化層的開口部
L光束具體實(shí)施方式
以下，參照附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明。
[粉末燒結(jié)層疊法]
首先，說明作為本發(fā)明的制造方法的前提的粉末燒結(jié)層疊法。為了便于說明，以從材料粉末箱供給材料粉末、使用疏砂板刮平材料粉末來形成粉末層的形態(tài)為前提，來說明粉末燒結(jié)層疊法(另外，附帶說明，即便是不具備切削機(jī)構(gòu)的圖2 (b)所示的形態(tài)也能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明)。此外，以在粉末燒結(jié)層疊法時(shí)也一并進(jìn)行造型物的切削加工的復(fù)合加工的形態(tài)為例進(jìn)行說明(換句話說，不是以圖2 (b)而是以圖2 (a)所示的形態(tài)為前提)。在圖1、3 以及4中示出了能夠?qū)嵤┓勰Y(jié)層疊法和切削加工的光造型復(fù)合加工機(jī)的功能及結(jié)構(gòu)。 光造型復(fù)合加工機(jī)I主要具備“粉末層形成機(jī)構(gòu)2，以規(guī)定厚度來鋪設(shè)金屬粉末，由此形成粉末層”;“造型臺(tái)20，在外周被壁27包圍的造型箱29內(nèi)沿上下進(jìn)行升降”;“造型物支承部件21，成為配設(shè)在造型臺(tái)20上的造型物的底座”；“光束照射機(jī)構(gòu)3，對(duì)任意的位置照射光束L”；以及“切削機(jī)構(gòu)4，對(duì)造型物的周圍進(jìn)行切削”。粉末層形成機(jī)構(gòu)2如圖I所示，主要具有“粉末臺(tái)25，在外周被壁26包圍的材料粉末箱28內(nèi)沿上下進(jìn)行升降”；以及“疏砂板 23，用于在造型物支承部件上形成粉末層22”。光束照射機(jī)構(gòu)3如圖3以及圖4所示，主要具有“產(chǎn)生光束L的光束振蕩器30”和“使光束L在粉末層22上掃描(scanning)的電鏡 (galvano-mirror) 31 (掃描光學(xué)系統(tǒng))”。根據(jù)需要，在光束照射機(jī)構(gòu)3中配設(shè)有對(duì)光束光斑的形狀進(jìn)行修正的光束形狀修正機(jī)構(gòu)(例如具有一對(duì)柱面透鏡和使該透鏡繞著光束的軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)而構(gòu)成的機(jī)構(gòu))、f Θ透鏡等。切削機(jī)構(gòu)4主要具備“對(duì)造型物的周圍進(jìn)行切削的銑頭40”和“使銑頭40向切削部位移動(dòng)的XY驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)41 (41a、41b)”(參照?qǐng)D3以及圖4)。
參照?qǐng)DI、圖5以及圖6來詳細(xì)描述光造型復(fù)合加工機(jī)I的動(dòng)作。圖5示出了光造型復(fù)合加工機(jī)的一般的動(dòng)作流程。圖6示意地簡(jiǎn)單示出了光造型復(fù)合加工工序。
光造型復(fù)合加工機(jī)的動(dòng)作主要包括形成粉末層22的粉末層形成步驟(SI);對(duì)粉末層22照射光束L而形成固化層24的固化層形成步驟(S2);和對(duì)造型物的表面進(jìn)行切削的切削步驟(S3)。在粉末層形成步驟(SI)中，首先使造型臺(tái)20下降A(chǔ)tl (S11)。接著，使粉末臺(tái)25上升Atl之后，如圖I (a)所示，使疏砂板23沿箭頭A方向移動(dòng)。由此，將配設(shè)于粉末臺(tái)25的粉末(例如“平均顆粒直徑5 μ m 100 μ m程度的鐵粉”)向造型物支承部件 21上移送(S12)并且將其刮平成規(guī)定厚度Atl而形成粉末層22 (S13)。接下來，移至固化層形成步驟(S2)，從光束振蕩器30發(fā)出光束L (例如二氧化碳?xì)怏w激光(500W程度)、Nd YAG激光(500W程度)、纖維激光(500W程度)或紫外線等)(S21)，通過電鏡31使光束L在粉末層22上的任意位置進(jìn)行掃描(S22)。由此，使粉末熔融、固化而形成與造型物支承部件 21 —體化的固化層24 (S23)。光束不限于在空氣中進(jìn)行傳遞，也可以由光纖等進(jìn)行傳送。
在固化層24的厚度成為根據(jù)銑頭40的工具長度等求出的規(guī)定厚度之前反復(fù)進(jìn)行粉末層形成步驟(SI)和固化層形成步驟(S2)，對(duì)固化層24進(jìn)行層疊(參照?qǐng)DI (b))。另外，新層疊的固化層在燒結(jié)或熔融固化時(shí)，與構(gòu)成已形成的下層的固化層一體化。
若層疊的固化層24的厚度成為規(guī)定厚度，則移至切削步驟(S3)。在圖I及圖6所示那樣的形態(tài)下，通過驅(qū)動(dòng)銑頭40來開始切削步驟的實(shí)施(S31)。例如，在銑頭40的工具 (球頭端銑刀)為直徑1mm、有效刀刃長度3mm的情況下，能夠進(jìn)行深度3mm的切削加工，因此，如果Atl為O. 05mm，則在形成了 60層固化層的時(shí)刻驅(qū)動(dòng)銑頭40。通過XY驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)41 (41a、41b)使銑頭40沿箭頭X及箭頭Y方向移動(dòng)，對(duì)由層疊的固化層24構(gòu)成的造型物的表面進(jìn)行切削加工(S32)。然后，在三維形狀造型物的制造仍未完成的情況下，返回粉末層形成步驟(SI)。以后，反復(fù)進(jìn)行SI至S3，層疊更多的固化層24，由此，進(jìn)行三維形狀造型物的制造(參照?qǐng)D6)。
固化層形成步驟(S2)中的光束L的照射路徑和切削步驟(S3)中的切削加工路徑， 預(yù)先根據(jù)三維CAD數(shù)據(jù)制作。此時(shí)，應(yīng)用等高線加工來決定加工路徑。例如，在固化層形成步驟(S2)中，使用對(duì)由三維CAD模型生成的STL數(shù)據(jù)以等節(jié)距(例如將Λ tl設(shè)為O. 05mm的情況下以O(shè). 05mm節(jié)距)進(jìn)行切片而形成的各截面的輪郭形狀數(shù)據(jù)。
[本發(fā)明的制造方法]
本發(fā)明在上述的粉末燒結(jié)層疊法中也具有特征，特別是在層疊化的過程中的工序中具有特征。具體地說，特征在于，在固化層形成的反復(fù)實(shí)施時(shí)，將加熱器元件70設(shè)置在固化層24中(參照?qǐng)D7 (a) (C))。在本發(fā)明中，能夠在固化層的任意部位安設(shè)加熱器元件， 因此，在最終得到的三維形狀造型物中，能夠在其內(nèi)部的期望部位設(shè)置加熱器元件。這樣得到的三維形狀造型物能夠用作樹脂成形用的模具，加熱器元件設(shè)置于局部并且以與模具結(jié)構(gòu)件直接接觸的方式設(shè)置，因此，對(duì)于熔痕防止特別有效。
以下，參照?qǐng)D8 圖13來按照時(shí)間經(jīng)過說明本發(fā)明的制造方法。本發(fā)明所使用的金屬粉末是以鐵系粉末為主成分的粉末，根據(jù)情況不同也可以是還含有從由鎳粉末、鎳系合金粉末、銅粉末、銅系合金粉末以及石墨粉末等構(gòu)成的組中選擇出的至少I種粉末而成的粉末(作為一例，能夠舉出如下的金屬粉末，該金屬粉末中，平均顆粒直徑20 μ m程度的鐵系粉末的配合量為60 90重量％，鎳粉末及鎳系合金粉末的雙方或任意一方的配合量為5 35重量％,銅粉末及/或銅系合金粉末的雙方或任意一方的配合量為5 15重量％，并且石墨粉末的配合量為O. 2 O. 8重量％)。另外，金屬粉末不限于這種鐵系粉末， 還可以是銅系粉末或鋁粉末。進(jìn)而附帶而言，如果將三維形狀造型物用作模具以外的用途， 還可以是塑料粉末或陶瓷粉末。
在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，首先，如圖8 (a)所示，使用疏砂板23等在造型物支承部件21 上形成金屬粉末層22。接著,如圖8 (b)所不。對(duì)該金屬粉末層22照射光束L,由金屬粉末層22形成燒結(jié)層24。金屬粉末層22及燒結(jié)層24的厚度沒有特別限制，可以是例如為O.02mm O. 5mm程度，優(yōu)選為O. 02mm O. 2mm程度。若反復(fù)實(shí)施這樣的燒結(jié)層24的形成 (參照?qǐng)D9(a))，則逐漸形成期望的造型物，在規(guī)定的時(shí)刻暫時(shí)使燒結(jié)層24的形成停止。然后，如圖9 (b)所示，對(duì)目前為止形成的固化層24配置加熱器元件70。
作為加熱器元件70，沒有特別限制，優(yōu)選使用盤管式加熱器。在此所述的“盤管式加熱器”實(shí)質(zhì)上是指具有能夠彎曲成螺旋狀的撓性發(fā)熱部的加熱器元件。在本發(fā)明中，例如圖9 (b)所示，優(yōu)選對(duì)層疊化的固化層的槽部80配置盤管式加熱器70的發(fā)熱部70a。
層疊化的固化層的槽部80能夠通過在形成燒結(jié)層24時(shí)分成照射光束的部位和不照射光束的部位來形成。換句話說，在金屬粉末層22中，想要設(shè)置槽部80的粉末區(qū)域不被照射光束而維持粉末狀態(tài)，最后，將該區(qū)域部分的粉末除去，而得到槽部80。
槽部80的形狀沒有特別限制，根據(jù)“所使用的盤管式元件的方式”、“盤管式元件設(shè)置的形態(tài)”等選擇適當(dāng)?shù)男螤罴纯?。在使用盤管式加熱器的情況下，如圖10所示，也可以是圓環(huán)狀或環(huán)狀的槽部80。在該情況下，如圖9 (b)所示，優(yōu)選通過使撓性的發(fā)熱部70a彎曲而沿著槽部配置盤管式加熱器。在圖示那樣的圓環(huán)狀或環(huán)狀的槽部80的情況下，可以是槽部的寬度尺寸w為O. I 5mm程度、槽部的高度尺寸h為O. I 5mm程度(參照?qǐng)D10)。
在此，盤管式加熱器70在設(shè)置于槽部80的情況下，優(yōu)選經(jīng)由“造型物支承部件21 ” 以及“燒結(jié)層24”的開口部90a、90b來進(jìn)行設(shè)置(“開口部”請(qǐng)參照?qǐng)D10)。具體地說，將盤管式加熱器70的發(fā)熱部70a從造型物支承部件21的開口部90a (特別是開口部的下側(cè)入口 90a’)插入，然后向燒結(jié)層24的開口部90b插入。由此，最終能夠相對(duì)于槽部從下側(cè)導(dǎo)入盤管式加熱器70的發(fā)熱部70a。在盤管式加熱器中，發(fā)熱部70a能夠可撓性地彎曲，因此， 在經(jīng)過了開口部90a、90b后也最終也能夠沿著槽部80的形狀適當(dāng)?shù)卦O(shè)置。在這樣設(shè)置盤管式加熱器時(shí)，作為造型物支承部件21，如圖11所示，使用預(yù)先設(shè)置有開口部90a的結(jié)構(gòu)即可(例如在金屬制的造型物支承部件21的情況下，能夠通過鉆頭加工等機(jī)械加工形成開口部90a)。此外，關(guān)于燒結(jié)層24的開口部90b，與槽部80的形成同樣，能夠通過在形成燒結(jié)層24時(shí)分成照射光束的部位和不照射光束的部位來形成。換句話說，在金屬粉末層22中， 與開口部90b相當(dāng)?shù)姆勰﹨^(qū)域不被照射光束而維持粉末狀態(tài)，最后將該區(qū)域部分的粉末除去，而得到開口部90b。燒結(jié)層的開口部90b如圖10所示，優(yōu)選形成為與造型物支承部件 21的開口部90a和槽部80這雙方相連通。由此，有助于經(jīng)由開口部順暢地配置盤管式加熱器70。
經(jīng)由開口部90a、90b的盤管式元件70的配置，在將燒結(jié)層和造型物支承部件的一體化物從材料粉末箱暫時(shí)取出后再進(jìn)行較好。由此，能夠容易地除去在開口部90a、90b中積存的金屬粉末。在除去金屬粉末時(shí)，如圖12所示，根據(jù)需要，也可以通過使用吸引機(jī)60 等來進(jìn)行將殘留于開口部90a、90b的金屬粉末22吸出的操作。
在將加熱器元件70配置于槽部80之后，重新開始燒結(jié)層24的形成。換句話說， 再次反復(fù)進(jìn)行金屬粉末層的鋪設(shè)及光束的照射(參照?qǐng)D13 (a)以及(b))。具體地說，首先， 填埋槽部80，然后，與上述同樣地反復(fù)實(shí)施“基于疏砂板等的金屬粉末層的形成”以及“基于光束照射的燒結(jié)層24的形成”。通過經(jīng)過以上的操作，最終得到在所需位置配設(shè)有加熱器元件的三維形狀造型物。
另外，優(yōu)選的是，在配置加熱器元件之后，在填埋槽部80時(shí)，利用形成金屬粉末層時(shí)使用的疏砂板等在槽部中填充金屬粉末后，對(duì)該填充的金屬粉末照射光束L (參照?qǐng)D 14 (a))。若對(duì)填充于槽部的金屬粉末照射光束，則該金屬粉末固化(即燒結(jié)而形成固化部 80a)，因此，適當(dāng)?shù)靥盥窳瞬鄄?0。此時(shí)，可以一次性對(duì)填充于槽部的金屬粉末賦予光束照射(圖14(b))?；蛘?，分成多層地形成填充于槽部的金屬粉末，對(duì)各個(gè)層分別進(jìn)行光束照射 (圖 14 (C))。
上述的形態(tài)只是示例了本發(fā)明的應(yīng)用范圍中的典型例。本發(fā)明不限于此，可以是各種變更形態(tài)。以下詳細(xì)描述各種變更形態(tài)。
(槽部的切削加工)
圖15示出了“槽部的切削加工”的形態(tài)。在該形態(tài)中，在固化層的槽部中配置加熱器元件之前，對(duì)槽部80實(shí)施切削加工。由此，改善了表面粗糙度，因此，提高了在槽部中配置的加熱器元件與槽部之間的緊貼性。若提高了加熱器元件的緊貼性，即加熱器元件與槽部面的接觸率提高，則在三維形狀造型物的最終用途中，來自加熱器元件的熱能夠高效地向三維形狀造型物傳遞。另外，在此，本說明書所述的“切削加工”是指使用工具對(duì)三維形狀造型物進(jìn)行切削，實(shí)質(zhì)上特別是指用于將三維形狀造型物的表面凹凸除去的操作。
所使用的切削加工機(jī)構(gòu)只要是能夠進(jìn)行表面切削即可，可以是任意的切削加工機(jī)構(gòu)。例如，能夠使用上述的光造型復(fù)合加工機(jī)的切削加工機(jī)構(gòu)(例如參照?qǐng)D2 (a))。換言之，切削加工機(jī)構(gòu)可以是通用的數(shù)值控制(NC Numerical Control)工作機(jī)械或與其相當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)。優(yōu)選為能夠自動(dòng)更換端銑刀等切削工具的加工中心(MC)。端銑刀例如主要使用超硬材料的雙刃球頭端銑刀。也可以根據(jù)需要，使用平頭端銑刀、圓角端銑刀、鉆頭等。
通過對(duì)槽部實(shí)施表面切削加工，能夠改善該槽部的表面粗糙度。例如，能夠使實(shí)施過表面切削加工的部位的表面粗糙度Rz優(yōu)選為 ο μ m以下、更優(yōu)選為5 μ m以下、進(jìn)一步優(yōu)選為O. I μ m以下。在此“表面粗糙度Rz”是指在粗糙度曲線(本發(fā)明中為“槽部表面的截面形狀輪廓(profile)”)中從平均線“至最高的峰頂部的高度”和“至最低的谷底部的深度”相加而得到的粗糙度尺度。
(多孔狀固化部的形成)
圖16示出了 “多孔狀固化部”的形態(tài)。在該形態(tài)中，在槽部80中填充了金屬粉末之后，對(duì)該填充的金屬粉末照射低能量的光束，形成用于填埋槽部80的多孔狀的固化部 80b (即“粗糙狀態(tài)的燒結(jié)部”)。即，使對(duì)填充于槽部80的金屬粉末照射的光束的輸出能量較低而使燒結(jié)密度不充分，形成燒結(jié)密度例如大約為40% 90%的固化部(三維形狀造型物的燒結(jié)層24的燒結(jié)密度約為90 100%程度)。通過這樣形成多孔狀固化部，能夠有效地防止光束對(duì)加熱器元件的損傷。在此，本說明書所述的“燒結(jié)密度(％)”實(shí)質(zhì)上是指通過對(duì)造型物的截面照片進(jìn)行圖像處理而求出的燒結(jié)截面密度(金屬材料的占有率)。所使用的圖像處理軟件為Scion Image ver. 4. O. 2 (免費(fèi)軟件)，將截面圖像二值化成燒結(jié)部(白)和空孔部(黑)之后，對(duì)圖像的全部像素?cái)?shù)Pxall及燒結(jié)部(白)的像素?cái)?shù)Pxwhito進(jìn)行計(jì)數(shù)，由此能夠通過以下的式I來求出燒結(jié)截面密度P so
[式I]
權(quán)利要求
1.一種三維形狀造型物的制造方法，其特征在于，反復(fù)進(jìn)行以下工序(i)對(duì)粉末層的規(guī)定部位照射光束，使所述規(guī)定部位的粉末燒結(jié)或熔融固化而形成固化層；以及(ii)在所得到的固化層上形成新的粉末層，對(duì)所述新的粉末層的規(guī)定部位照射光束而形成進(jìn)一步的固化層；在反復(fù)實(shí)施所述工序(i)和所述工序(ii)時(shí)，在固化層配置加熱器元件，由此在三維形狀造型物的內(nèi)部設(shè)置所述加熱器元件。
2.如權(quán)利要求I所述的三維形狀造型物的制造方法，其特征在于，在所述工序(i )及(ii )中，在造型物的支承部件上實(shí)施所述粉末層及所述固化層的形成，作為所述加熱器元件而使用盤管式加熱器，經(jīng)由設(shè)置于所述支承部件的開口部將所述盤管式加熱器配置在所述固化層。
3.如權(quán)利要求I所述的三維形狀造型物的制造方法，其特征在于，在形成于層疊化的固化層中的槽部配置所述加熱器元件。
4.如權(quán)利要求3所述的三維形狀造型物的制造方法，其特征在于，對(duì)所述槽部實(shí)施切削加工，向?qū)嵤┝嗽撉邢骷庸ず蟮拿媾渲盟黾訜崞髟?br> 5.如權(quán)利要求3所述的三維形狀造型物的制造方法，其特征在于，該三維形狀造型物的制造方法包括以下工序在所述槽部配置了所述加熱器元件之后，在該槽部填充低熔點(diǎn)金屬粉末材料；對(duì)所述低熔點(diǎn)金屬粉末材料照射光束，通過由此得到的固化部件來填埋該槽部。
6.如權(quán)利要求5所述的三維形狀造型物的制造方法，其特征在于，通過比向所述粉末層的光束照射低的能量，進(jìn)行針對(duì)所述低熔點(diǎn)金屬粉末材料的光束照射。
7.如權(quán)利要求6所述的三維形狀造型物的制造方法，其特征在于，隨著遠(yuǎn)離加熱器元件，針對(duì)所述低熔點(diǎn)金屬粉末材料的光束照射逐漸增大照射能量。
8.如權(quán)利要求5所述的三維形狀造型物的制造方法，其特征在于，在形成了所述固化部件之后，對(duì)該固化部件及/或所述固化層進(jìn)行用于形成平面的切削加工。
9.一種三維形狀造型物，是利用權(quán)利要求I所述的制造方法而得到的三維形狀造型物，其特征在于，內(nèi)置有加熱器元件以便能夠用作模具。
10.如權(quán)利要求9所述的三維形狀造型物，其特征在于，與向所述模具的模腔部導(dǎo)入的原料樹脂最終到達(dá)的模腔區(qū)域相接近地內(nèi)置有所述加熱器元件。
11.如權(quán)利要求9所述的三維形狀造型物，其特征在于，與所述模具中形成薄壁成形部的模腔區(qū)域相接近地設(shè)置有所述加熱器元件。
12.如權(quán)利要求9所述的三維形狀造型物，其特征在于，與所述模具的澆口部相接近地設(shè)置有所述加熱器元件。
全文摘要
一種三維形狀造型物的制造方法，其特征在于，反復(fù)進(jìn)行如下工序(i)對(duì)粉末層的規(guī)定部位照射光束，使所述規(guī)定部位的粉末燒結(jié)或熔融固化而形成固化層的工序；以及(ii)在所得到的固化層上形成新的粉末層，對(duì)所述新的粉末層的規(guī)定部位照射光束而進(jìn)一步形成固化層的工序，在反復(fù)實(shí)施工序(i)和工序(ii)時(shí)，在固化層中配置加熱器元件，由此在三維形狀造型物的內(nèi)部設(shè)置所述加熱器元件。
文檔編號(hào)B22F3/105GK102939177SQ20118002792
公開日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月9日
發(fā)明者阿部諭, 內(nèi)野野良幸, 不破勲, 吉田德雄, 森本一穗 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社, 株式會(huì)社Opm研究所