专利名称：三维造型物的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种由光束使原料粉末烧结硬化而制造三维造型物的三维造型物制造方法。
背景技术：
所谓三维造型物，是从三维造型物的设计数据(CAD数据)得到所希望层厚的切片多层截面形状数据，并根据这些层的截面数据计算出扫描轮廓形状，对原料粉末照射光束而使粉末固化，通过重复进行上述过程，形成多层进行三维叠层烧结硬化的造型物。所以，就是说即使没有CAM(Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)装置，也能够制造出任意形状的三维造型物，而且，与切削加工等加工方法相比，具有能够迅速制造所希望形状的造型物的优点。
在专利第2620353号中，公开了作为光造型法的周知的三维造型物的制造方法。在专利第2620353号中所公开的制造方法，是向原料粉末层的规定的地方照射光束，使原料粉末烧结而形成烧结层，交替重复原料粉末层的形成与烧结层的形成而制造出三维造型物。在这种方法中，通过对由叠层构成的临时三维造型物仅实行一次去除不要部分的去除工序，就能够最终制作具有所希望形状的三维造型物。
然而，在照射光束使原料粉末烧结时，是利用光束照射所产生的热。发生的热也会传导到烧结部分的周围，周围部分也会被加热到高的温度。被加热到高温的周围部分，由于其反应性增高，所以容易黏附周围所存在的原料粉末。当原料粉末黏附到周围部分时，该黏附的原料粉末，会因产生的热而变质为低密度的黏附物。为了得到具有光滑表面的三维造型物，就必须将低密度的黏附物去除。
因此，本发明人在专利2000-306546中提出了如下的制造方法。即，专利2000-306546中所提出的制造方法，包含形成原料粉末层的步骤，和通过对原料粉末层的规定的地方照射光束而使该处的原料粉末烧结、形成烧结层的步骤，和重复这些步骤，形成由多层烧结层叠层的烧结块的步骤，和从烧结块除去不要部分而得到所希望的外观形状的步骤，和对于除去不要部分的烧结块、重复原料粉末层形成步骤与烧结层形成步骤。也就是说，提出了先制作由多层烧结层叠层的下位烧结块，再从下位烧结块将不要部分切削去除后，接着形成上位烧结块的第一烧结层的方法。在这种方法中，通过重复进行烧结块的制作工序与从烧结块中将不要部分切削去除的工序，可以不受工具长度的限制，得到具有光滑平面的三维造型物。
但是，在具有从烧结块中将不要部分切削去除工序的上述方法中，存在有以下的问题。
即，如图14所示，首先，对于由多层烧结层叠层的下位烧结块B，使用切削工具4等对表面或侧面存在的不要部分去除。接着，当在下位烧结块B上形成由多层烧结层叠层而构成的上位烧结块B+1时，对于已经将不要部分去除、具有光滑完成面的下位烧结块B的外侧面，周围所存在的多余的粉末会黏附烧结。其结果是会生成像冰溜一样的垂下的剩余烧结部17。而且，即使是使用切削工具4等对烧结块B+1再进行切削去除，该剩余烧结部17也不能被去除而残留。因此，在所得到的三维形状的造型物的外面上，就生成由剩余烧结部17所形成的凹凸。
当然，在去除上位烧结块B+1的剩余烧结部17时，也将下位烧结块B的上层部外侧所生成的剩余烧结部17去除，从技术上讲是可能的。但是，在这种情况下，去除对象的区域增多，去除剩余烧结部17所需要的时间也延长。而且，由于在多个烧结块中去除剩余烧结部17的加工时间的增加，所以全体上会增加很多的去除加工时间。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种三维造型物的制造方法，能够解决由剩余烧结部所产生的问题。
本发明之1的三维造型物的制造方法，其特征是，具有(a)形成无机物原料粉末层的步骤；(b)通过对所述原料粉末层的规定的地方照射光束，使该处的原料粉末烧结而形成烧结层，并与紧接下面的烧结层一体化的步骤；(c)在重复步骤(a)与(b)，在形成多层烧结层叠层的烧结块的烧结块形成步骤中，在该当烧结块的侧面设置凹部的步骤；(d)从烧结块除去不要部分的步骤；(e)对于除去不要部分的烧结块，重复步骤(c)与(d)，制作由多层烧结块叠层的目标形状的三维造型物的步骤。通过在烧结块的侧面设置凹部，将烧结块的上层部相对地向外侧伸出，使烧结块下层的凹部能够接收剩余烧结部的垂下。
本发明之2的特征是所述凹部被设置在烧结块的下层部。剩余烧结部的垂下，在经过烧结块上层部的侧面后被下层部的凹部所接收。
本发明之3的特征是所述凹部的上面，从外侧向内侧向下稍微倾斜。剩余烧结部的垂下被烧结块的下层部的凹部所接收，仅在倾斜的空间部分接收更多的剩余烧结部的垂下。
本发明之4的特征是进而具有在除去不要部分的烧结块上、将覆盖该烧结块的薄板一体叠层的步骤。通过配置覆盖去除了不要部分的烧结块、比烧结块面积大的薄板，能够防止剩余烧结部的垂下。
本发明之5的特征是进而还具有对于除去不要部分的烧结块表面，实施表面处理，以使其不与原料粉末发生反应的步骤。通过对去除了不要部分的烧结块的表面实施低反应性的表面处理，能够防止原料粉末的黏附及剩余烧结部的生成。
本发明之6的特征是还具有在表面处理步骤之后、将非黏结性的粉体配置在烧结块周围的步骤。通过在进行了表面处理的烧结块的周围配置非黏结性的粉体，能够防止原料粉末的黏附及剩余烧结部的生成。
本发明之7的特征是还具有在表面处理步骤之后、配置具有与烧结块的轮廓大体相同的开口部的面罩部件的步骤。通过配置具有与进行了表面处理的烧结块的轮廓大体相同的开口部的面罩部件，能够防止原料粉末的黏附及剩余烧结部的生成。
本发明之8的特征是具有(a)形成无机物原料粉末层的步骤；(b)在所述原料粉末层中，对烧结对象部分的轮廓照射光束，形成轮廓烧结部的步骤；(c)通过对烧结对象全体照射光束，使该处的原料粉末烧结形成烧结层并与紧接下面的烧结层一体化的步骤；(d)重复步骤(a)及(c)，形成由多层烧结层叠层的烧结块的步骤；(e)从烧结块除去不要部分的步骤；(f)对于除去了不要部分的烧结块，重复步骤(a)～(e)，制作由多层烧结块叠层的目标形状的三维造型物的步骤。由于在烧结对象部分的轮廓上设置热传导性好的轮廓烧结部之后，对于烧结对象部分全体照射光束时，由光束照射所发生的热，沿热传导性好的轮廓烧结部传导至内侧的原料粉末层以及下位的烧结块，所以能够防止热从轮廓烧结部向外部的传导。其结果是，能够防止由于在下位的烧结块的侧面存在的原料粉末的黏附与烧结而生成冰溜那样的垂下剩余烧结部。
(发明效果)在本发明中，能够防止原料粉末在烧结块的侧面黏附与剩余烧结部的形成，或即使是剩余烧结部在烧结块的侧面形成，也能够防止剩余烧结部沿烧结块的侧面的下垂及从侧面的露出。其结果是，由于只要去除剩余烧结部的去除装置的加工深度大体相当于一个烧结块的厚度即可，所以能够缩短去除加工时间。
图1A是表示本发明的一实施例的立体图，图1B是截面图，图1C是说明图。
图2A是表示本发明的另一实施例的立体图，图2B是截面图。
图3是三维CAD模型的立体图。
图4A是说明在烧结块的下层部光束扫描的图，图4B是说明在烧结块的上层部光束扫描的图，图4C说明光束能量密度与光点直径之间关系的图。
图5A是表示本发明中其它实施例的、说明轮廓部的烧结(预烧结)模样的截面模式图，图5B是在图5A所示的轮廓部的烧结(预烧结)后实行的主烧结的模样的截面模式图。
图6是本发明的其它实施例的工序说明图。
图7是与图6的工序说明图相接续的工序说明图。
图8是说明本发明的另一个其它实施例的截面模式图。
图9是说明本发明的另一个其它实施例的截面模式图。
图10A是说明图9中所示实施例的立体图，图10B是截面图。
图11A是说明本发明的另一个其它实施例的截面模式图，表示了烧结层形成的模样，图11B表示了在烧结层上配置了面罩板的模样。
图12是表示三维造型物制造装置的整体结构的立体图。
图13是说明图12所示制造装置的基本动作的图。
图14是说明历来技术中三维造型物制造顺序的图。
具体实施例方式
图12是表示由光造型法制作三维造型物的装置。图12所示的装置设置有粉末层形成装置2、烧结层形成装置3、以及切削去除装置4。
粉末层形成装置2，是设置在三维造型物的制作用工作台、即设置在可上下升降的升降台20上并在外周被包围的空间(造型筒罐25)内，由滑动刀片21将供给的无机物原料粉末10a压平整，形成规定厚度Δt1的原料粉末层10的装置。烧结层形成装置3，是通过电流镜31等扫描光学系统将由激光发振器30所输出的激光在所述原料粉末层上扫描，使原料粉末层10烧结而形成烧结层11的装置。切削去除装置4，例如可以是铣削头41。铣削头41被安装在对于所述粉末层形成装置2的基板22可在XY方向自由移动的XY驱动结构40上。
下面，参照图13对三维造型物的基本制作顺序加以说明。在升降台20上面所配置的基板20的表面供给所定量的原料粉末10a，并由刀片21进行平整而形成第一层的原料粉末层10。通过对该原料粉末层10的欲烧结的地方照射光束(激光)L，使原料粉末层10烧结，同时，形成与基板22一体化的烧结层11。
而且，在将升降台20少许下降并再次供给原料粉末10后，由刀片21平整而形成第二层的原料粉末层10。通过对该原料粉末层10的欲烧结的地方照射光束(激光)L，使原料粉末层10烧结，同时形成与下层的烧结层11一体化的烧结层11。通过重复升降台20下降的工序、形成新的原料粉末层10的工序、照射光束L使所需要的地方形成烧结层11的工序，就能够制作构成目的三维造型物的一部分的烧结块B。
光束L的照射路径，是基于三维CAD模型的数据而预先制作的。也就是说，与历来的技术相同，将由三维CAD模型数据所生成的STL(StereoLithography)数据以等节距(例如0.05mm)切片为层状。在得到各截面层的外形轮廓形状P后，由外形轮廓形状P进而得到扫描轮廓形状R。此时，希望进行照射光束L，以便将烧结块B的至少最表面烧结为高密度(孔隙度为5％以下)。
在重复进行形成所述原料粉末层10后照射光束L形成烧结层11时，烧结层11的全厚度，当例如达到由切削去除装置4中铣削头41的工具长度等所决定的需要值时，使切削去除装置4一次动作，对至此为止所制作的烧结块B的表面部(含侧面)进行切削加工。其结果是，能够得到表面平滑、具有所希望的外形轮廓形状P的烧结块B。例如，如果是具有直径1mm，有效刃长3mm铣削头41的工具(圆头铣刀)，能够进行深3mm的铣削加工。而且，如果原料粉末层10的厚度Δt1为0.05mm，例如在制作出叠层50层的烧结层11的烧结块B时，使切削去除装置4动作，进行切削加工。
烧结块B的表面所黏附的原料粉末10a会由照射光束L所产生的热而变质，由此在烧结块B的表面上会生成低密度的表面层。该低密度的表面层由切削去除装置4去除。此时，可以切入至高密度部，这样使烧结块B的表面全面露出高密度部。在这种情况下，进行了切削加工的烧结块B是由比所希望的外形轮廓形状P稍大的尺寸所构成。由切削去除装置4进行切削加工的路径，与光束L的照射路径同样，是由三维CAD数据所预先制作的。而且，对于由所述切削去除装置4进行切削加工后的下位烧结块B，再次重复原料粉末层10的形成与烧结层11的形成，在下位烧结块B上形成新的上位烧结块B。
在多层烧结层11叠层的烧结块B中，该烧结块B的下层部Lp以向水平中心方向后退(回折)变短的设计尺寸构成。即，各层的扫描轮廓线R的尺寸构成，以使上层部Up的设计端侧比下层部Lp的设计端侧具有向外侧伸出的形状。例如，如图1A、1B、1C所示，由多层烧结层11所叠层的烧结块B的侧面，以具有从上层部Up到下层部Lp呈大体斜面状缺口而构成扫描轮廓形状R的数据。如图1C中详细所示，在形成各烧结层11时，沿着基于三维CAD数据的扫描轮廓线R照射光束L时，由于在照射对象的烧结层11的侧面所存在的原料粉末10a也一起被烧结，所以结果是在烧结层11的侧面形成剩余烧结部17。光束L所扫描的扫描轮廓线R，在下层部Lp的烧结层11中是层的长度方向(图中水平方向)内侧的短尺寸的位置，在上层部Up的烧结层11中是层的长度方向外侧的长尺寸的位置。随着从下层部Lp向上层部Up的行进，如果烧结层11的长度方向尺寸具有缓慢变大的结构，则凹部g的上面可以从外侧向内侧向下略微倾斜。而且，在照射光束L后的烧结块B中，在上层部Up的侧面上形成向外侧伸出的伸出部f，在下层部Lp的侧面上形成向斜下方缩进的凹部g。在叠层烧结层11的过程中所生成的剩余烧结部17被收容于凹部g，不会向紧接下面的烧结块B的侧面流出。通过对烧结块B的侧面的剩余烧结部17的切削加工，能够得到具有所希望外形轮廓形状P的烧结块B。另外，如图2A及2B所示，烧结块B的侧面的下层部Lp被设计为矩形缩进的尺寸结构。而且，在烧结块B的上层部Up的侧面上，形成向外侧伸出的伸出部f，在烧结块B的下层部Lp的侧面形成矩形向内侧缩进的凹部g。
而且，在制作具有这样形状的烧结块B的过程中，如图4C所示，在光束L的光点中，使用能够得到70～80％以上的烧结密度ρ的光点径2Lr的光束。在烧结块B的下层部Lp侧，如图4A所示，光束L沿着基于三维CAD数据所计算出的扫描轮廓线RL扫描。在烧结块B的上层部Up侧，如图4B所示，光束L沿着比基于三维CAD数据所计算出的扫描轮廓线RL向外扩展f的扫描轮廓线RU而扫描。这样，就能够形成向外突出的部分f。
而且，在烧结块B的上层部Up向外侧伸出的部分f，在该烧结块B上形成的下一个上位烧结块B的烧结结束的时候，与剩余烧结部17一起被切削去除。
另外，在上述实施例中，虽然有必要对上位烧结块B的上层部Up的伸出部f进行切削去除，但是与剩余烧结部17从上位烧结块B到下位烧结块B垂下的历来技术相比，切削去除所需要的工夫与时间都非常短。
图5表示的是其它的实施例。在图5中，在对下位烧结块B实行切削去除之后，使与下一个上位烧结块B相对应的原料粉末层10的所需要的地方进行烧结时，首先使光束L′沿应该烧结的部分，即外周缘或内周缘的扫描轮廓线扫描。其结果是形成沿着细的扫描轮廓线的预烧结部、即轮廓烧结部18。接着，通过对由轮廓烧结部18所围的应该烧结的区域照射光束L进行烧结，以形成作为主烧结部的烧结层11。这里，为形成轮廓烧结部18的光束L′，通过将其能量设定得比主烧结用的光束L的能量小，或进行高速扫描，使烧结的程度变小。
沿着扫描轮廓线形成的轮廓烧结部18(最小的剩余烧结部17)，在接受光束L照射时，能够起到使光束L所产生的热向已经形成的下位烧结块B中逃逸的作用。因此，能够防止剩余烧结部17的大的成长及向烧结块B的外侧部的垂下。在对下位烧结块B进行切削加工之后，形成下一个上位烧结块B的最初烧结层11时，形成轮廓烧结部18。但是，轮廓烧结部18的形成并不是仅对于最初的烧结层11，也可以对其以外的烧结层11形成。即，轮廓烧结部18的形成至少进行一次，而烧结层11的形成则进行多次。
图6及图7表示的是其他的实施例。在该实施例中，由切削去除装置4对下位烧结块B进行切削加工之后，在下位烧结块B上放置由薄铁板构成的薄板7，由薄板7将下位烧结块B与作为切削去除装置4的加工轨迹而生成的外周的沟槽19覆盖。接着，使用切削去除装置4，在薄板7与下位烧结块B上开设孔70，并在该孔70内填充原料粉末10a。通过对孔70内所填充的原料粉末10a照射光束L，使薄板7与下位烧结块B成为一体地烧结结合。
其后，转移到下一个上位烧结块B的制作工序。也就是说，在形成原料粉末层10之后，形成烧结层11。重复原料粉末层10的形成与烧结层11的形成而制作上位烧结块B。此时，由于由薄板7将下位烧结块B的沟槽19覆盖，所以来自上位烧结块B的剩余烧结部17就不会垂下进入沟槽19。而且，在上位烧结块B的切削去除工序中，使用切削去除装置4，将所述薄板7的不要部分切削去除。
进而，如图8所示，在作为使用切削去除装置4对烧结块B进行切削加工的加工轨迹所生成外周的沟槽19内，能够进行防止原料粉末10a黏附的表面处理。作为该表面处理，例如，可以在吹附空气或氧气A的同时进行照射光束La，在烧结块B的上层部侧面形成氧化膜。由于通过这样的表面处理能够使原料粉末10a不易黏附，所以可抑制由于原料粉末10a的黏附而引起的剩余烧结部17的形成。另外，即使在烧结块B上形成剩余烧结部17，由于剩余烧结部17对于烧结块B的结合力很弱，所以也容易将剩余烧结部17从烧结块B脱离。即，在对烧结块B进行切削加工时，剩余烧结部17很容易从烧结块B脱离去除。
另外，如图9所示，在作为由切削去除装置4进行切削加工的加工轨迹所生成的沟槽19内，也可以填充不易与烧结块B(即，烧结层11)黏结的材料C，例如填充粒径为φ10μm～φ50μm的陶瓷粉末，其后，再进行形成下一个上位烧结块B的烧结层11。即使是由上位烧结块B生成剩余烧结部17并向下位烧结块B垂下，但由于下位烧结块B的周围是由非黏结性材料C所覆盖，所以在下位烧结块B的侧面不会黏附结合剩余烧结部17。
如图10A及10B所示，非黏结性材料C是由分配器8所供给。也就是说，安装在XY驱动机构(可以利用切削去除装置4中的XY驱动机构40)上的分配器8，由烧结块B的周围形成的沟槽19定位。随后，从分配器8向沟槽19中正确地填充适当量的非黏结性材料C。
而且，如图11A所示，在由切削去除装置4对下位烧结块B进行切削去除之后，如图11B所示，由设置有与下位烧结块B的平面轮廓形状大体相同形状的开口部的面罩板M将烧结块B覆盖。在这种状态下，进行形成与下一个上位烧结块B相对应的原料粉末层10，并形成烧结层11。通过设置面罩板M，能够防止剩余烧结部17越过面罩板M而向下位烧结块B移动。
而且，作为原料粉末10a，可使用无机物或有机物的粉末。作为无机物的原料粉末，例如希望能够使用专利2001-152204中所公开的粉末，即包含铁基粉末与从由镍、镍基合金、铜、及铜基合金中所选择的一种以上的有色金属粉末所组成的粉末材料。另外，还可以使用铁、铜、钛、铝、镁、硬质合金等。作为有机物的原料粉末，希望使用以尼龙、ABS等为主要成分的热塑性树脂。
权利要求
1.一种三维造型物的制造方法，其特征在于，具有(a)形成无机物原料粉末层的步骤；(b)通过对所述原料粉末层的规定的地方照射光束，使该处的原料粉末烧结，形成烧结层并与紧接下面的烧结层一体化的步骤；(c)在重复步骤(a)与(b)、形成多层烧结层叠层的烧结块的烧结块形成步骤中，在该烧结块的侧面设置凹部的步骤；(d)从烧结块除去不要部分的步骤；(e)对于除去了不要部分的烧结块，重复步骤(c)与(d)，制作由多层烧结块叠层的目标形状的三维造型物的步骤。
2.根据权利要求1所述的三维造型物的制造方法，其特征在于所述凹部设置在烧结块的下层部。
3.根据权利要求1所述的三维造型物的制造方法，其特征在于所述凹部的上面从外侧向内侧向下稍微倾斜。
4.根据权利要求1所述的三维造型物的制造方法，其特征在于进而还具有在除去不要部分的烧结块上、将覆盖该烧结块的薄板一体叠层的步骤。
5.根据权利要求1所述的三维造型物的制造方法，其特征在于进而还具有对于除去不要部分的烧结块表面，实施表面处理，以使其不与原料粉末发生反应的步骤。
6.根据权利要求5所述的三维造型物的制造方法，其特征在于还具有在表面处理步骤之后、将非黏结性的粉体配置在烧结块周围的步骤。
7.根据权利要求5所述的三维造型物的制造方法，其特征在于还具有在表面处理步骤之后，配置具有与烧结块的轮廓大体相同的开口部的面罩部件的步骤。
8.一种三维造型物的制造方法，其特征在于，具有(a)形成无机物原料粉末层的步骤；(b)在所述原料粉末层中，对烧结对象部分的轮廓照射光束，形成轮廓烧结部的步骤；(c)通过对烧结对象部分的全体照射光束，使该处的原料粉末烧结形成烧结层，并与紧接下面的烧结层一体化的步骤；(d)重复步骤(a)及(c)、形成由多层烧结层叠层的烧结块的步骤；(e)从烧结块除去不要部分的步骤；(f)对于除去不要部分的烧结块，重复步骤(a)～(e)，制作由多层烧结块叠层的目标形状的三维造型物的步骤。
全文摘要
一种三维造型物的制造方法，具有(a)形成无机物原料粉末层的步骤；(b)通过对所述原料粉末层的规定的地方照射光束，使该处的原料粉末烧结，形成烧结层并与紧接下面的烧结层一体化的步骤；(c)在重复步骤(a)与(b)、形成多层烧结层叠层的烧结块的烧结块形成步骤中，在该烧结块的侧面设置凹部的步骤；(d)从烧结块除去不要部分的步骤；(e)对于除去了不要部分的烧结块，重复步骤(c)与(d)，制作由多层烧结块叠层的目标形状的三维造型物的步骤。这种三维造型物的制造方法，能够解决由剩余烧结部的生成所引起的问题。
文档编号B29C67/00GK1497480SQ0313596
公开日2004年5月19日 申请日期2003年9月30日 优先权日2002年9月30日
发明者阿部谕, 不破勋, 垰山裕彦, 吉田德雄, 武南正孝, 上永修士, 士, 孝, 彦, 雄 申请人:松下电工株式会社