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CN107848210A - 三维形状造型物的制造方法以及三维形状造型物 - Google Patents

三维形状造型物的制造方法以及三维形状造型物 Download PDF

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CN107848210A
CN107848210A CN201680044619.XA CN201680044619A CN107848210A CN 107848210 A CN107848210 A CN 107848210A CN 201680044619 A CN201680044619 A CN 201680044619A CN 107848210 A CN107848210 A CN 107848210A
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森本雅宪
阿部谕
不破勲
中村晓史
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Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Abstract

为了提供作为模具而具有更适合的加温特性的三维形状造型物的制造方法，在本发明中提供一种三维形状造型物的制造方法，通过(i)向粉末层的规定位置照射光束而使该规定位置的粉末烧结或熔融固化来形成固化层的工序、以及(ii)在所得到的固化层之上形成新的粉末层并对新的粉末层的规定位置照射光束而形成进一步的固化层的工序，交替地反复进行粉末层形成及固化层形成。特别是，在本发明的制造方法中，在三维形状造型物的内部设置加温源要素，并且将三维形状造型物的表面形成为凹凸状，使加温源要素的主面与凹凸状的表面彼此成为相同形状。

Description

三维形状造型物的制造方法以及三维形状造型物
技术领域
本发明涉及三维形状造型物的制造方法以及三维形状造型物。更详细地说，本发明涉及通过向粉末层照射光束来形成固化层的三维形状造型物的制造方法、以及由此得到的三维形状造型物。
背景技术
以往，已知通过向粉末材料照射光束来制造三维形状造型物的方法(一般称为“粉末烧结层叠法”)。所述方法基于以下的工序(i)及(ii)交替地反复实施粉末层形成及固化层形成，来制造三维形状造型物。
(i)向粉末层的规定位置照射光束，使所述规定位置的粉末烧结或熔融固化而形成固化层的工序。
(ii)在所得到的固化层之上形成新的粉末层，并同样照射光束而形成进一步的固化层的工序。
根据这样的制造技术，能够在短时间内制造出复杂的三维形状造型物。在作为粉末材料而使用无机质的金属粉末的情况下，能够将所得的三维形状造型物作为模具使用。另一方面，在作为粉末材料而使用有机质的树脂粉末的情况下，能够将所得的三维形状造型物作为各种模型使用。
将作为粉末材料而使用金属粉末、并将由此得到的三维形状造型物作为模具使用的情况作为例子。如图11所示那样，首先，使挤压叶片(squeezing blade)23运动而在造型板21上形成规定厚度的粉末层22(参照图11(a))。接着，向粉末层22的规定位置照射光束L而从粉末层22形成固化层24(参照图11(b))。接着，在所得到的固化层24上形成新的粉末层22并再次照射光束而形成新的固化层24。如此交替地反复实施粉末层形成及固化层形成从而固化层24层叠(参照图11(c))，最终能够得到由层叠化的固化层24形成的三维形状造型物。作为最下层形成的固化层24成为与造型板21结合的状态，因此三维形状造型物与造型板21成为一体化物，能够将该一体化物作为模具使用。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表平1-502890号公报
专利文献2：日本特开2000-73108号公报
发明内容
发明要解决的课题
在将三维形状造型物作为模具使用的情况下，对于将所谓的“芯(core)侧”及“腔室(cavity)侧”的模具组合而形成的模具腔室部，填充熔融状态的成型用原料，得到最终的成型品。具体地说，在将熔融状态的成型用原料向模具腔室部进行填充时，进行以使成型用原料遍及模具腔室部的整体的方式对成型用原料进行加压的保压操作，并且在模具腔室部内对成型用原料进行冷却而使成型用原料固化。由此，从成型用原料最终得到成型品。
填充于模具腔室部的成型用原料的热向模具传递，由此进行成型用原料的冷却，但是当成型用原料被超过需要地快速冷却，则在模具腔室部内无法对成型用原料充分地加压，成为引起成型不良的重要因素。因此，提出如下提案：在作为模具使用的三维形状造型物的内部设置加热器，对模具腔室部内的成型用原料进行加温(日本专利第3557926号公报以及日本专利第5584019号公报)。
本申请发明人发现：根据在三维形状造型物的内部设置的加热器或者加温介质路等加温源要素的形态的不同，有时不能有效地对成型用原料进行加温。在通常使用的加温源要素的截面轮廓成为比较简单的形状(例如矩形或圆形等简单的形状)的情况下，来自这样的加温源要素的热难以均匀地传递到模具腔室部，这被推测为重要因素之一。当来自加温源要素的导热特性进一步变得不均匀，则在模具腔室部中填充的成型用原料中产生被超过需要地快速冷却的部位，在模具腔室部内有可能无法将成型用原料整体充分地加压。即，有可能产生成型不良。例如，会在最终得到的成型品中产生熔合线(weld line)等从而产生成型品的形状精度降低这样的问题。
本发明是鉴于以上情况而做出的。即，本发明的主要课题在于，提供作为模具而具有更适合的加温特性的三维形状造型物的制造方法，此外，提供加温特性更适合的三维形状造型物。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，在本发明的一个实施方式中，提供一种三维形状造型物的制造方法，通过：
(i)向粉末层的规定位置照射光束而使该规定位置的粉末烧结或熔融固化来形成固化层的工序；以及
(ii)在所得到的固化层之上形成新的粉末层，对该新的粉末层的规定位置照射光束而形成进一步的固化层的工序，
交替地反复进行粉末层形成及固化层形成而制造三维形状造型物，该三维形状造型物的制造方法的特征在于，
在三维形状造型物的制造中，将加温源要素设置在三维形状造型物的内部，并且将三维形状造型物的表面形成为凹凸状，
使加温源要素的主面与凹凸状的表面彼此成为相同形状。
此外，在本发明的一个实施方式中，还提供一种三维形状造型物，该三维形状造型物在内部具备加温源要素，该三维形状造型物的特征在于，
三维形状造型物的表面具有凹凸状，加温源要素的主面与凹凸状的表面彼此成为相同形状。
发明效果
根据本发明的制造方法以及三维形状造型物，作为模具而能够得到具有更适合的加温特性的三维形状造型物。即，在将三维形状造型物作为模具使用的情况下，能够得到从加温源要素向模具腔室部的导热更均匀的模具。
附图说明
图1是表示通过本发明的一个实施方式的制造方法得到的三维形状造型物的示意性的截面图。
图2是表示作为模具使用的三维形状造型物的形态的示意性的截面图。
图3是随时间变化地表示在本发明的一个实施方式的制造方法中实施的工序的示意性的截面图。
图4是表示优选的挤压叶片的形态的示意性的立体图。
图5是表示“绝热多孔区域的形成形态”的示意性的截面图。
图6是表示“加温源要素保护部件的设置形态”的示意性的截面图。
图7是表示“导热部件的设置形态”的示意性的截面图。
图8是表示“基于混合方式的固化层形成形态”的示意性的截面图。
图9是表示设置有气体通气部的三维形状造型物的示意性的截面图。
图10是表示设置有冷却液路的三维形状造型物的示意性的截面图。
图11是表示实施粉末烧结层叠法的光造型复合加工的工序形态的示意性的截面图。
图12是表示光造型复合加工机的结构的示意性的立体图。
图13是表示光造型复合加工机的一般动作的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式的制造方法以及三维形状造型物更详细地进行说明。附图中的各种要素的形态及尺寸仅为例示，不反映实质的形态及尺寸。
在本说明书中，所谓“粉末层”，例如意味着“由金属粉末形成的金属粉末层”或者“由树脂粉末形成的树脂粉末层”。此外，所谓“粉末层的规定位置”，实质上是指制造的三维形状造型物的区域。因此，通过对存在于所述规定位置的粉末照射光束，该粉末烧结或熔融固化而构成三维形状造型物。进一步，所谓“固化层”，在粉末层为金属粉末层的情况下意味着“烧结层”，在粉末层为树脂粉末层的情况下意味着“硬化层”。
此外，在本说明书中直接或间接地说明的“上下”的方向，例如是基于造型板与三维形状造型物的位置关系的方向，以造型板为基准，将制造三维形状造型物的一侧设为“上方”，将其相反侧设为“下方”。
[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。特别地，以在粉末烧结层叠法中附加地进行三维形状造型物的切削处理的光造型复合加工作为例子。图11示意地表示光造型复合加工的工序形态，图12及图13分别表示能够实施粉末烧结层叠法及切削处理的光造型复合加工机1的主要结构以及动作的流程图。
如图12所示，光造型复合加工机1具备粉末层形成机构2、光束照射机构3以及切削机构4。
粉末层形成机构2是用于通过将金属粉末或树脂粉末等粉末铺设规定厚度来形成粉末层的机构。光束照射机构3是用于向粉末层的规定位置照射光束L的机构。切削机构4是用于对层叠化后的固化层的侧面、即三维形状造型物的表面进行切削的机构。
如图11所示，粉末层形成机构2主要具有粉末台25、挤压叶片23、造型台20以及造型板21。粉末台25是在外周被壁26围起的粉末材料箱28内能够上下升降的台。挤压叶片23是能够将粉末台25上的粉末19向造型台20上供给并使该粉末沿水平方向移动以得到粉末层22的叶片。造型台20是在外周被壁27围起的造型箱29内能够上下升降的台。并且，造型板21配置在造型台20上，是成为三维形状造型物的基座的板。
如图12所示，光束照射机构3主要具有光束振荡器30及电流镜(galvano mirror)31。光束振荡器30是产生光束L的设备。电流镜31是使所产生的光束L对粉末层进行扫描的机构、即光束L的扫描机构。
如图12所示，切削机构4主要具有铣头(milling head)40以及驱动机构41。铣头40是用于对层叠化的固化层的侧面进行切削的切削工具。驱动机构41是使铣头40移动到所希望的切削位置的机构。
对光造型复合加工机1的动作进行详细说明。如图13的流程图所示，光造型复合加工机1的动作由粉末层形成步骤(S1)、固化层形成步骤(S2)以及切削步骤(S3)构成。粉末层形成步骤(S1)是用于形成粉末层22的步骤。在所述粉末层形成步骤(S1)中，首先使造型台20降低Δt(S11)，使造型板21的上表面与造型箱29的上端面之间的高度差成为Δt。接着，在使粉末台25上升Δt之后，如图11(a)所示，使挤压叶片23从粉末材料箱28朝向造型箱29沿水平方向移动。由此，能够使配置在粉末台25上的粉末19向造型板21上移送(S12)，并进行粉末层22的形成(S13)。作为用于形成粉末层22的粉末材料，例如能够列举“平均粒径5μm～100μm程度的金属粉末”以及“平均粒径30μm～100μm程度的尼龙、聚丙烯或者ABS等树脂粉末”。在形成了粉末层22后，向固化层形成步骤(S2)转移。固化层形成步骤(S2)是通过光束照射来形成固化层24的步骤。在所述固化层形成步骤(S2)中，从光束振荡器30发出光束L(S21)，通过电流镜31使光束L向粉末层22上的规定位置进行扫描(S22)。由此，使粉末层22的规定位置的粉末烧结或熔融固化，如图11(b)所示那样形成固化层24(S23)。作为光束L，可以使用二氧化碳激光(carbon dioxide laser)、Nd：YAG激光、纤维激光(fiber laser)或者紫外线等。
粉末层形成步骤(S1)以及固化层形成步骤(S2)交替地反复实施。由此，如图11(c)所示，多个固化层24层叠化。
当层叠化的固化层24达到规定厚度(S24)，则向切削步骤(S3)转移。切削步骤(S3)是用于对层叠化的固化层24的侧面、即三维形状造型物的表面进行切削的步骤。通过使作为切削工具使用的铣头40(参照图11(c)及图12)驱动而开始切削步骤(S31)。例如，在铣头40具有3mm的有效刃长的情况下，能够沿着三维形状造型物的高度方向进行3mm的切削处理，因此如果Δt为0.05mm，则在层叠了60层的固化层24的时刻使铣头40驱动。具体地说，一边通过驱动机构41使铣头40移动，一边对层叠化的固化层24的侧面实施切削处理(S32)。当这样的切削步骤(S3)结束，判断是否得到了所希望的三维形状造型物(S33)。在依然未得到所希望的三维形状造型物的情况下，返回粉末层形成步骤(S1)。以后，反复实施粉末层形成步骤(S1)～切削步骤(S3)而实施进一步的固化层24的层叠化以及切削处理，从而最终得到所希望的三维形状造型物。
[本发明的制造方法]
本发明的制造方法中，在与上述粉末烧结层叠法中固化层的层叠化相关联的形态方面具有特征。
具体地说，在基于粉末烧结层叠法的制造时，在三维形状造型物的内部设置加温源要素，并且将三维形状造型物的表面形成为凹凸状。特别是，使“设置在三维形状造型物的内部的加温源要素的主面”与“三维形状造型物的凹凸状的表面”彼此成为相同的形状。如此，在本发明的制造方法中，将三维形状造型物的内部的加温源要素的形状与三维形状造型物的表面形状相互建立相关。
图1表示通过本发明的一个实施方式的制造方法得到的三维形状造型物100。三维形状造型物100，在其内部包括加温源要素12，并且表面100A成为凹凸状。如图示那样，加温源要素12的主面12A与三维形状造型物100的凹凸状的表面100A成为相同形状。如此，在本发明的一个实施方式的制造方法中，以三维形状造型物100的表面100A与加温源要素12的主面12A的轮廓具有相互反映的形状的方式，进行三维形状造型物100的制造。
在本发明中，“加温源要素”是指有助于提高或维持三维形状造型物100的温度的热源。以将三维形状造型物100作为模具使用的情况为例，“加温源要素”意味着提供对模具腔室部的成型用原料进行加温的效果的要素。作为所述加温源要素的具体例，不特别限定，能够列举加热器及加温介质路等。此外，与加温源要素关联而在本说明书中使用的“加温”这样的用语，鉴于通过供热来提高或维持三维形状造型物100的温度的实施方式而使用。并且，在本发明中，“加温源要素的主面”实质上意味着在加温源要素中占有更大范围的面积的面。在图1所示的形态中，加温源要素12的主面12A为上侧主面12A1以及下侧主面12A2，但在本发明中至少上侧主面12A1与三维形状造型物100的凹凸状的表面100A成为相同形状即可。优选为，如图1所示，加温源要素12的上侧主面12A1以及下侧主面12A2双方与三维形状造型物100的凹凸状的表面100A为相同形状。
在本发明中，所谓“相同形状”意味着：如图1所示，在沿着固化层的层叠方向切断而得到的三维形状造型物100的截面图中，加温源要素12的主面12A的轮廓形状与三维形状造型物100的表面100A的形状相同。这里所谓的“相同”意味着实质的相同，即使是不可避免或偶发地稍微偏差的形态，也包含于本发明的“相同”。此外，如果着眼于加温源要素12的主面12A，则其不需要与三维形状造型物100的凹凸状的表面100A的全部成为相同形状，与表面100A的至少一部分为相同形状即可(参照图1)。
此外，在本发明中，“将表面形成为凹凸状”意味着：在三维形状造型物中以外表面的高度水平局部地不同的方式形成固化层。因此，在本发明中，所谓“凹凸状的表面”，是指三维形状造型物的高度水平局部地不同的外表面。在此，当假定三维形状造型物100被作为模具使用的情况时，“凹凸状的表面100A”相当于所谓的“腔室形成面”(参照图2)。在图2所示的形态中，作为模具使用的三维形状造型物100(腔室侧的模具)与其他三维形状造型物100’(芯侧的模具)组合而形成模具腔室部200。
在通过本发明的制造方法得到的三维形状造型物100被作为模具而在成型中使用的情况下，来自埋设于模具的加温源要素12的导热变得更均匀。特别是，从加温源要素12向腔室形成面的导热变得更均匀。即，当将通过本发明的制造方法得到的三维形状造型物100作为模具使用时，由于来自加温源要素12的导热变得更均匀，能够防止填充在模具腔室部200中的成型用原料被不利地局部快速冷却，能够在模具腔室部200对成型用原料更充分地加压。结果，能够减少成型不良的产生。例如，熔合线等的产生减少，能够防止成型品的形状精度降低。此外，能够在模具腔室部对成型用原料更充分地加压意味着成型用原料能够相对于模具的腔室形成面以更大的压力紧密接触，在最终得到的成型品中能够提高模具转印性。
在本发明的一个实施方式的制造方法中，如图1所示那样，优选使加温源要素12的主面12A(特别是上侧主面12A1)与凹凸状的表面100A之间的相隔距离固定。即，使加温源要素12的主面12A(特别是上侧主面12A1)具有将三维形状造型物100的表面100A的轮廓形状进行了“偏移”的轮廓形状。这里所谓的“相隔距离固定”意味着：将相互对置的加温源要素12的主面12A与三维形状造型物100的凹凸状的表面100A连结的法线无论在哪个点都具有相同长度。即，意味着：无论是加温源要素12的主面12A或三维形状造型物100的表面100A的哪个点处的法线，加温源要素12的主面12A与三维形状造型物100的表面100A之间的长度都相同。由此，在三维形状造型物100被作为模具使用的情况下，从加温源要素12向模具腔室部的导热在沿着加温源要素12的主面12A那样的方向上变得更均匀。因此，在从模具得到的最终的成型品中，能够有效地防止形状精度的降低。
接下来，参照图3，随时间变化对本发明的一个实施方式的制造方法进行说明。如图3(a)～图3(d)所示，在本发明的一个实施方式的制造方法中，在通过粉末烧结层叠法将固化层24层叠化的中途阶段设置加温源要素12(在图示的形态中为加热器)。
首先，如图3(a)及图3(b)所示，在造型板21上形成了粉末层22之后，对该粉末层22照射光束L，从粉末层22形成固化层24。即，实施粉末烧结层叠法，交替地反复实施粉末层形成和固化层形成来进行固化层24的层叠化。在这样使固化层24层叠化的中途的阶段，如图3(c)所示，作为加温源要素12而设置加热器。具体地说，使粉末层形成及固化层形成暂时停止，在此前形成的固化层24上设置加热器作为加温源要素12。如图示的形态可知，优选在将没有贡献于固化层形成的粉末暂时除去之后，设置作为加温源要素12的加热器。此外，在设置这样的加温源要素12时，可以使用所谓的“CAE解析”(计算机辅助设计解析)，可以在由此预先确定出的位置设置加温源要素12。
在此，所设置的加温源要素12的主面优选具有与最终得到的三维形状造型物的凹凸状的表面相同的形状。在作为加温源要素12而使用加热器的情况下，优选使与该加温源要素12的主面相当的“加热器的发热面”与最终得到的三维形状造型物的凹凸状的表面为相同形状。换言之，优选使加热器发热部的主面与三维形状造型物的凹凸状的表面为相同形状。这样的加热器发热部不特别限定，例如可以通过喷镀方式等预先形成。
如图示的形态可知，设置加温源要素12的“固化层24的层叠体”的表面形状优选与加温源要素12的轮廓形状相同。由此，能够在最终得到的三维形状造型物100的内部无空隙地埋设加温源要素12。此外，由于加温源要素12的主面12A与最终得到的三维形状造型物100的凹凸状的表面100A彼此成为相同形状(参照图3(d))，因此设置加温源要素12的“固化层24的层叠体”的表面形状能够与三维形状造型物100的凹凸状的表面100A相同。
此外，不限于上述情况，也可以使设置加温源要素的“固化层的层叠体”的表面形状与加温源要素的轮廓形状为不同形状(未图示)。由此，在最终得到的三维形状造型物的内部，能够在“构成三维形状造型物的固化层”与“加温源要素”之间设置空隙。在作为加温源要素而使用加热器的情况下，根据加热器的发热条件的不同，加热器有可能产生应变或变形等。因此，通过设置该空隙，能够确保用于加热器的应变或变形的空间，能够有效地防止三维形状造型物在使用时的变形。
在作为加温源要素12使用的加热器的设置完成之后，继续实施与设置前同样的粉末烧结层叠法。即，交替地反复实施粉末层形成以及固化层形成而进行固化层24的层叠化。在此，在设置了加温源要素12之后，由于“加温源要素12的主面具有凹凸形状”以及“粉末被暂时除去”等，有时难以形成新的粉末层。该情况下，可以使用图4所示那样的挤压叶片23来形成粉末层。即，可以使用具有高度尺寸在宽度方向上局部地不同的形状的挤压叶片23。由此，能够在设置了加温源要素12之后的固化层的层叠体上良好地形成新的粉末层。这样的挤压叶片23优选能够使其形状自如地变化，由此，能够适当地形成所希望的形状的粉末层。此外，如图示那样具有高度尺寸在宽度方向上局部地不同的形状的挤压叶片23也可以在设置加温源要素12之前使用，由此，能够用于设置加温源要素12的凹凸状的固化层24的层叠体的形成。
最终，如图3(d)所示，以使三维形状造型物100的表面(在图示的形态中为三维形状造型物100的顶面)的至少一部分与加温源要素12的主面12A成为相同形状的方式，实施固化层的层叠化。由此，能够得到所希望的三维形状造型物100。即，能够得到表面100A具有凹凸状、并且埋设了具有与该凹凸状的表面100A相同形状的主面12A的加温源要素12的三维形状造型物100。
在此，对作为加温源要素12使用的加热器进行详细说明。加热器例如可以是薄板加热器或盘管加热器等。薄板加热器由于为“片状”，因此其主面比较大，在容易成为与三维形状造型物100的凹凸状的表面100A相同的形状这一点上较优选。此外，作为加温源要素12，例如也可以使用包含压电元件或珀耳贴元件等而形成的要素。
在图3(a)～图3(d)所示的形态中，例如使用加热器作为加温源要素12，在固化层24的层叠化的中途“设置”该加热器，由此在三维形状造型物100中埋设加温源要素12，但加温源要素12也可以是加温介质路。该情况下，通过在固化层24的层叠化的中途“形成”加温源要素12，在三维形状造型物100中设置加温源要素12。
特别是，在本发明的一个实施方式的制造方法中，优选使在三维形状造型物的内部形成的加温介质路的壁面与凹凸状的表面彼此为相同形状(未图示)。由此，在三维形状造型物被作为模具使用时，从在模具内部设置的加温介质路向腔室形成面的导热变得更均匀。
本发明的“加温介质路”意味着用于使液体等加温介质向三维形状造型物的内部流动的流路，因此，加温介质路在三维形状造型物中具有中空部的形态。在将这样的加温介质路作为加温源要素使用的情况下，在作为粉末烧结层叠法而交替地反复实施粉末层形成及固化层形成的固化层的层叠化的中途，使一部分的局部区域作为非照射部而不使其固化，由此能够形成加温介质路。非照射部由于相当于由粉末层规定的“形成三维形状造型物的区域”中未被照射光束的位置，因此在所述非照射部中，“没有构成固化层的粉末”在光束照射后残留。通过将所述残留的粉末从三维形状造型物最终地除去而得到加温介质路。特别是，在本发明中，使加温介质路的壁面即非照射部的主面与最终得到的三维形状造型物的“凹凸状的表面”为相同形状。优选为，使加温介质路的壁面中相对于三维形状造型物的凹凸状的表面位于近位侧的壁面部分与该凹凸状的表面成为相同形状。
进一步说，加温源要素也可以是呈高热传导性的材料体。呈高热传导性的材料体是能够使热良好地通过的材料体，能够经由这样的材料体从外部供给热。即，不是如加热器及加温介质路等那样、设置在三维形状造型物的内部的加温源要素实质上成为发热源的方式，而是可以在外部具有发热源而将加温源要素设置为用于将该发热源的热向三维形状造型物的内部传导的“热引导体”。作为热引导体使用的加温源要素、即呈高热传导性的材料体优选由金属材质形成。作为所述金属材质，优选为铜系材质，例如能够列举含有铍而形成的材质。
在上述中，为了理解本发明而对典型的实施方式进行了说明，但是本发明的制造方法能够采用各种形态。
(绝热多孔区域的形成形态)
在本发明的一个实施方式的制造方法中，如图5所示，可以在三维形状造型物100的内部在加温源要素12的周围形成绝热多孔区域14。
本发明所谓的“绝热多孔区域”，是指形成有微小空孔的固化密度较低的区域，因此意味着具有相对低的热传导率、如“绝热”的形态那样热难以传递的区域。通过在三维形状造型物100的内部设置这样的绝热多孔区域14，能够更良好地控制来自加温源要素12的导热。如图5所示，通过在加温源要素12的周围形成绝热多孔区域14，从加温源要素12向凹凸状的表面100A的导热被进一步促进。即，在将三维形状造型物100作为模具使用的情况下，模具腔室部200的成型用原料的加温被进一步促进。如图示那样，绝热多孔区域14优选设置在加温源要素12的周围的、加温源要素12与凹凸状的表面100A之间以外的区域。此外，绝热多孔区域14不限于一个，也可以如图示那样形成多个。
绝热多孔区域14的固化密度例如为40％～80％左右。这样低的固化密度除了能够通过(1)降低光束的输出能量来得到以外，还能够通过(2)提高光束的扫描速度、(3)扩大光束的扫描间距、(4)增大光束的聚光直径等来得到。在本说明书中所谓的“固化密度(％)”，实质上意味着通过对三维形状造型物的截面照片进行图像处理而求出的固化截面密度(固化材料的占有率)。所使用的图像处理软件为Scion Image ver.4.0.2(Scion公司制的免费软件)，在将截面图像二值化为固化部(白)和空孔部(黑)之后，对图像的全像素数Pxall以及固化部(白)的像素数Pxwhite进行计数，由此能够通过以下的式1来求出固化截面密度ρS。
[式1]
(加温源要素保护部件的设置形态)
在本发明的一个实施方式的制造方法中，如图6所示，可以在三维形状造型物100的内部在加温源要素12的主面12A上设置加温源要素保护部件16。特别是，在使用加热器作为加温源要素12的情况下，优选在其发热面上设置加温源要素保护部件16。
在使用加热器作为加温源要素12的情况下，在固化层的层叠化的中途设置了加热器之后，接着反复实施粉末层形成以及固化层形成。然而，当对设置在加热器上的粉末层照射光束而形成固化层时，通过该光束，不仅对粉末层照射而且对加热器也照射光束，加热器有可能损伤。因此，优选在加温源要素12的主面12A、即加热器的发热面上设置对加温源要素12进行保护的加温源要素保护部件16。由此，在以下的工序中能够避免由光束照射引起的加温源要素12的损伤，能够维持加温源要素12的所希望的特性。
如图6所示，加温源要素保护部件16优选设置为与加温源要素12紧密接触。即，优选以使加温源要素保护部件16的主面具有与加温源要素12的主面12A(特别是上侧主面)相同的轮廓形状的方式设置加温源要素保护部件16。该情况下，在加温源要素保护部件16与加温源要素12之间不产生间隙，因此能够避免加温源要素12直接被光束照射这样的不良情况。即，能够更有效地避免由光束照射引起的加温源要素12的损伤。此外，可以使用预先具有所希望的轮廓形状的主面的加温源要素保护部件16，也可以通过将其配置在加温源要素12上而将加温源要素保护部件16设置为与加温源要素12紧密接触。
加温源要素保护部件16的材质不特别限定，优选为金属材质。例如，可以是铁系材质、铜系材质或者铝系材质等。铁系材质是比较硬的金属材质，在能够使三维形状造型物的硬度提高这一点上较优选。铜系材质是热传导率比较高的金属材质，在能够使三维形状造型物的导热特性提高这一点上较优选。此外，铝系材质是密度比较小的金属材质，在能够使三维形状造型物轻量化这一点上较优选。
(导热部件的设置形态)
在本发明的一个实施方式的制造方法中，如图7所示，可以在三维形状造型物100的内部在相当于加温源要素12的主面12A与三维形状造型物100的表面100A之间的区域设置导热部件18。
特别是，优选将呈高热传导特性的导热部件18设置在相当于“加温源要素12的主面12A(上侧主面)”与“三维形状造型物100的表面100A”之间的区域。关于这一点，可以使用具有比三维形状造型物100的材质高的热传导率的导热部件18。使用这样的导热部件18能够促进从加温源要素12向凹凸状的表面100A的导热。因此，如图7所示那样，在将三维形状造型物100作为模具使用的情况下，能够促进模具腔室部200中的成型用原料的加温。
导热部件18优选由金属材质形成。作为所述金属材质，在具有更高热传导率的方面优选为铜系材质，例如可以是含有铍的材质。此外，如图7所示，导热部件18优选设置为具有与加温源要素12的主面12A(上侧主面)相同的轮廓形状。即，优选将导热部件18设置为，导热部件18与加温源要素12相互紧密接触。由此，来自加温源要素12的热更高效地向凹凸状的表面100A传递。此外，如图7所示那样，可以将导热部件18设置为，导热部件18的主面(上侧主面)成为三维形状造型物100的凹凸状的表面100A的一部分。
(基于混合方式的固化层形成形态)
在本发明的一个实施方式的制造方法中，也可以组合粉末烧结层叠法以外的方法来进行固化层形成。即，也可以通过将粉末烧结层叠法及其以外的固化层形成方法组合而成的混合方式来实施固化层形成。
具体地说，如图8所示，可以通过将“在粉末层22的形成后进行光束照射的层形成后照射方式50”以及“在原料的供给时进行光束照射的原料供给时照射方式60”组合而成的混合方式来形成固化层24。“层形成后照射方式50”是在形成了粉末层22之后向粉末层22照射光束L而形成固化层24的方式，与上述的“粉末烧结层叠法”相当。另一方面，“原料供给时照射方式60”是实质上同时地进行粉末64或填充材料66等原料的供给和光束L的照射而形成固化层24的方式。“层形成后照射方式50”具有的特征在于，虽然能够使形状精度比较高，但是用于固化层形成的时间比较长。另一方面，“原料供给时照射方式60”具有的特征在于，虽然形状精度比较低，但是能够使用于固化层形成的时间比较短。因此，通过将具备这样的相反的特征的“层形成后照射方式50”以及“原料供给时照射方式60”良好地组合，能够更高效地制造三维形状造型物。更具体地说，在混合方式中，能够使“层形成后照射方式50”以及“原料供给时照射方式60”各自的长处短处相互补充，因此能够在更短时间内制造具有所希望的形状精度的三维形状造型物。
特别是，在本发明中，在加温源要素的轮廓以及三维形状造型物的凹凸状的表面的形状方面具有特征，要求形状精度。因此，与这样的形状相关联的区域通过“层形成后照射方式50”形成，而其以外的区域可以通过“原料供给时照射方式60”形成。更具体地说，加温源要素周围的部分的固化层区域(例如，配置加温源要素的固化层区域)以及成为三维形状造型物的凹凸状的表面的固化层区域等通过“层形成后照射方式50”形成，而其以外的区域可以通过“原料供给时照射方式60”形成。由此，能够在更短时间内制造具有所希望的形状精度的三维形状造型物。此外，在其他方法中，也可以通过专门利用“原料供给时照射方式”来设置上述的加温源要素保护部件或导热部件等。
[本发明的三维形状造型物]
本发明的三维形状造型物通过上述制造方法来得到。因此，本发明的三维形状造型物是通过将对粉末层照射光束而形成的固化层进行层叠而构成的。如图1所示，本发明的三维形状造型物100具有的特征在于，其表面100A具有凹凸状，加温源要素12的主面12A与凹凸状的表面100A彼此成为相同形状。由于所述特征，呈现更适合的加温特性，特别是在将三维形状造型物作为模具使用的情况下，从加温源要素向腔室形成面的导热变得更均匀。
若对作为模具使用的三维形状造型物进行说明，则本发明的三维形状造型物能够特别良好地用作成型用模具。在此所谓的“成型”是用于得到由树脂等形成的成型品的一般成型，例如是指注射成型、挤出成型、压缩成型、传递成型或者吹塑成型等。此外，图1所示的成型用模具相当于所谓的“腔室侧”，但是本发明的三维形状造型物100也可以是相当于“芯侧”的成型用模具的造型物。
适合作为模具使用的本发明的一个实施方式的三维形状造型物100，在内部具备加热器或加温介质路等加温源要素12(参照图1)。特别是，在本发明的一个实施方式的三维形状造型物100中，如图1所示，优选加温源要素12的主面12A与凹凸状的表面100A之间的相隔距离固定。即，优选的是，加温源要素12具有将三维形状造型物100的表面100A的一部分进行了“偏移”那样的轮廓形状。例如，加温源要素12的主面12A(特别是相对于凹凸状的表面100A更位于近位侧的上侧主面12A1)与三维形状造型物100的凹凸状的表面100A之间的相隔距离可以为0.5～20mm左右。当这样的三维形状造型物100作为模具使用时(参照图2)，从加温源要素12向腔室形成面的导热更均匀。因此，在从模具得到的最终的成型品中能够更有效地防止形状精度降低。
此外，关于三维形状造型物的各种具体的特征、变更形态以及相关效果等，在上述的[本发明的制造方法]中涉及，因此为了避免重复而在此处省略说明。
[作为模具使用的三维形状造型物的各种具体形态]
说明与将本发明的一个实施方式的三维形状造型物作为模具使用的情况相关联的各种具体的形态。
可以对于通过粉末烧结层叠法制造的三维形状造型物设置气体通气部。如图9所示，可以在与本发明的一个实施方式的三维形状造型物100组合使用的其他三维形状造型物100’中设置气体通气部70。当向模具腔室部200填充了熔融状态的成型用原料时，有时产生由成型用原料引起的气体，该气体容易滞留在模具腔室部200内。因此，优选在三维形状造型物100’中设置气体通气部70，以便能够排出由向模具腔室部200填充的成型用原料产生的气体。气体通气部70例如能够设置为固化密度较低的多孔状的区域。多孔状的气体通气部70优选具有如下那样的固化密度：成型用原料不会从模具腔室部200漏出、并且能够适当地将气体向外部排出。虽然不特别限定，但多孔状的气体通气部70的固化密度优选为40～80％左右。这样的多孔状的气体通气部70能够与上述“绝热多孔区域”的情况同样地形成。即，除了能够通过(1)降低光束的输出能量来形成以外，还能够通过(2)提高光束的扫描速度、(3)扩大光束的扫描间距、(4)增大光束的聚光直径等来形成多孔状的气体通气部70。
在图9所示的形态中，多孔状的气体通气部70设置于与设置有加温源要素12的模具(在图9中为与腔室侧的模具相当的三维形状造型物100)不同的另一方的模具(在图9中为与芯侧的模具相当的三维形状造型物100’)。如图示那样，可以将多孔状的气体通气部70设置为，在模具的合模之后成为与加温源要素12对置的位置。特别是，优选将气体通气部70设置为，从成为腔室形成面的另一方的模具的表面一直到外部面为止将内部贯通。根据这样的多孔状的气体通气部70，能够不使由成型用原料等引起的气体滞留在模具腔室部200内而有效地向外部排出。因此，与三维形状造型物100的加温源要素12的加温特性的效果相互配合，在最终得到的成型品中模具转印性进一步提高。此外，不限于图9所示的形态，也可以仅在“芯侧”及“腔室侧”的某一方的模具中设置多孔状的气体通气部和加温源要素这双方。
此外，在将三维形状造型物作为模具使用的情况下，如图10所示，优选在三维形状造型物100的内部设置用于流动冷却液的冷却液路80。在由于所述冷却液路80的存在而能够对模具进行冷却的情况下，通过并用加温源要素12能够进行模具的适当的温度控制。
冷却液路80与上述的“加温介质路”同样，在三维形状造型物100中具有中空部的形态。因此，能够通过与加温介质路同样的方法来形成。即，能够在交替地反复进行粉末层形成及固化层形成的固化层的层叠化的中途，通过使一部分的局部区域作为非照射部而不使其固化来形成冷却液路80。
三维形状造型物100的内部的冷却液路80不限定于一个，例如可以设置多个。此外，冷却液路80的延伸方向不特别限定，可以是各种方向。可以如图10所示的冷却液路80a以及冷却液路80b那样，在相互正交的方向上设置冷却液路80。
在将三维形状造型物作为模具使用的情况下，在其内部设置的加温源要素可以能够进行开启-关闭控制。即，可以使用能够在加温状态与非加温状态之间进行切换控制的加温源要素。
在使用模具从成型用原料得到成型品时，大体上区分要经过5个工序。具体地说，经过(1)模具的合模工序、(2)向模具腔室部内填充成型用原料以及对所填充的成型用原料的保压工序、(3)模具腔室部的成型用原料的冷却工序、(4)模具的开模工序、以及(5)成型品的取出工序。在此，上述工序中，优选使加温源要素“开启”的工序为(1)及(2)的工序。关于(1)的工序，在模具的合模工序时预先对模具进行加温，由此能够防止在模具的合模后向模具腔室部填充成型用原料时不利地较快冷却的不良现象。此外，关于(2)的工序也同样，能够防止向模具腔室部填充的成型用原料不利地较快冷却的不良现象。当成型用原料被所需以上地快速冷却时，在模具腔室部内无法对成型用原料充分地加压，成为引起成型不良的重要因素。
因此，优选进行控制，以使得仅在这些(1)及(2)的工序中、即仅在需要加温的情况下，使加温源要素成为开启。此外，在(1)的合模工序时，不需要终始持续地使加温源要素成为“开启”。例如，可以仅在即将实施(2)的工序之前的阶段使加温源要素成为“开启”。同样，在(2)成型用原料的填充及保压的工序时，不需要终始持续地使加温源要素成为“开启”，可以在达到成型用原料能够流动的模具温度的时刻使加温源要素成为“关闭”。通过使用能够这样良好地进行开启-关闭控制的加温源要素，能够更高效地进行模具的加温操作。
此外，在将三维形状造型物作为模具使用的情况下，在该模具内部设置的加温源要素不限定于一个，可以为多个。
例如，可以在成为与在成型时被供给到模具腔室部内的成型用原料最终到达的腔室位置(即，容易产生所谓“熔合线”的位置)相邻接的区域的模具内部区域，设置多个加温源要素。通过这样的多个加温源要素，能够更有效地对容易产生熔合线的位置进行加温，结果，能够更有效地抑制由熔合线引起的成型不良。
多个加温源要素优选设置在模具腔室部中的与特别小的腔室部分(例如，厚度尺寸为0.1～1mm程度的较小的腔室部分)相邻接的模具内部区域。原因在于，这样较小的腔室部分成为成型用原料特别难以流动的位置，通过多个加温源要素能够更有效地进行加温。
并且，对于向模具腔室部内填充的成型用原料，也可以从外部实施气体加压。例如，可以在模具中设置将模具腔室部与外部之间连通的“固化密度更低的多孔状的区域”，经由该多孔状的区域从外部进行气体加压。由此，能够使“模具转印性”进一步提高，在最终得到的成型品中能够更有效地抑制下沉(成型品非所希望地局部地凹陷)等的产生。进一步说，所述多孔状的区域也可以用于模具腔室部内的气体排气。具体地说，也可以在成型用原料的填充之前或者与其相伴随地使模具腔室部内存在的气体经由多孔状的区域向外部排气。
以上，对本发明的一个实施方式的制造方法以及通过该方法得到的三维形状造型物进行了说明，但本发明不限定于此，可以理解，只要不脱离权利要求的范围规定的发明范围，则本领域技术人员能够进行各种变更。
此外，上述那样的本发明包含如下的优选形态。
第一形态：
一种三维形状造型物的制造方法，通过：
(i)向粉末层的规定位置照射光束而使该规定位置的粉末烧结或熔融固化来形成固化层的工序；以及
(ii)在所得到的固化层之上形成新的粉末层，对该新的粉末层的规定位置照射光束而形成进一步的固化层的工序，
交替地反复进行粉末层形成以及固化层形成而制造三维形状造型物，该三维形状造型物的制造方法的特征在于，
在上述三维形状造型物的上述制造中，将加温源要素设置在该三维形状造型物的内部，并且将该三维形状造型物的表面形成为凹凸状，
使上述加温源要素的主面与上述凹凸状的上述表面彼此成为相同形状。
第二形态：
如上述第一形态所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，使上述加温源要素的上述主面与上述凹凸状的上述表面之间的相隔距离固定。
第三形态：
如上述第一形态或第二形态所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，在上述三维形状造型物的上述内部，在上述加温源要素的周围形成绝热多孔区域。
第四形态：
如上述第一形态～第三形态的任一项所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，使用加热器作为上述加温源要素，使该加热器的与上述主面相当的发热面与上述凹凸状的上述表面成为上述相同形状。
第五形态：
如上述第一形态～第四形态的任一项所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，在上述三维形状造型物的上述内部，在上述加温源要素的上述主面上设置加温源要素保护部件。
第六形态：
如上述第五形态所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，将上述加温源要素保护部件设置为与上述加温源要素紧密接触。
第七形态：
如上述第一形态～第三形态的任一项所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，作为上述加温源要素，将加温介质路形成在上述三维形状造型物的上述内部，使该加温介质路的壁面的一部分与上述凹凸状的上述表面成为上述相同形状。
第八形态：
如上述第一形态～第七形态的任一项所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，在上述三维形状造型物的上述内部，在与上述加温源要素的上述主面和上述三维形状造型物的上述表面之间相当的区域设置导热部件。
第九形态：
一种三维形状造型物，在内部具备加温源要素，其特征在于，
上述三维形状造型物的表面具有凹凸状，上述加温源要素的主面与该凹凸状的该表面彼此成为相同形状。
工业上的可利用性
通过实施本发明的一个实施方式的三维形状造型物的制造方法，能够制造各种物品。例如，在『粉末层为无机质的金属粉末层并且固化层成为烧结层的情况』下，能够将所得到的三维形状造型物作为塑料注射成型用模具、冲压模具、压铸成型模具、铸造模具、锻造模具等模具使用。另一方面，在『粉末层为有机质的树脂粉末层并且固化层成为硬化层的情况』下，能够将所得到的三维形状造型物作为树脂成型品使用。
相关申请的相互参照
本申请主张基于日本专利申请第2015-152056号(申请日：2015年7月31日，发明名称：“三维形状造型物的制造方法以及三维形状造型物”)的巴黎公约优先权。该申请所公开的内容全部通过引用而包含于本说明书。
符号说明
12 加温源要素
12A 加温源要素的主面
14 绝热多孔区域
16 加温源要素保护部件
18 导热部件
22 粉末层
24 固化层
100 三维形状造型物
100A 三维形状造型物的凹凸状的表面
L 光束

Claims (9)

1.一种三维形状造型物的制造方法，通过：
(i)向粉末层的规定位置照射光束而使该规定位置的粉末烧结或熔融固化来形成固化层的工序；以及
(ii)在所得到的固化层之上形成新的粉末层，对该新的粉末层的规定位置照射光束而形成进一步的固化层的工序，
交替地反复进行粉末层形成及固化层形成而制造三维形状造型物，该三维形状造型物的制造方法的特征在于，
在上述三维形状造型物的上述制造中，将加温源要素设置在该三维形状造型物的内部，并且将该三维形状造型物的表面形成为凹凸状，
使上述加温源要素的主面与上述凹凸状的上述表面彼此成为相同形状。
2.如权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，
使上述加温源要素的上述主面与上述凹凸状的上述表面之间的相隔距离固定。
3.如权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，
在上述三维形状造型物的上述内部，在上述加温源要素的周围形成绝热多孔区域。
4.如权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，
使用加热器作为上述加温源要素，使该加热器的与上述主面相当的发热面与上述凹凸状的上述表面成为上述相同形状。
5.如权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，
在上述三维形状造型物的上述内部，在上述加温源要素的上述主面上设置加温源要素保护部件。
6.如权利要求5所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，
将上述加温源要素保护部件设置为与上述加温源要素紧密接触。
7.如权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，
作为上述加温源要素，将加温介质路形成在上述三维形状造型物的上述内部，使该加温介质路的壁面的一部分与上述凹凸状的上述表面成为上述相同形状。
8.如权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，
在上述三维形状造型物的上述内部，在与上述加温源要素的上述主面和上述三维形状造型物的上述表面之间相当的区域设置导热部件。
9.一种三维形状造型物，在内部具备加温源要素，其特征在于，
上述三维形状造型物的表面具有凹凸状，上述加温源要素的主面与该凹凸状的该表面彼此成为相同形状。
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