CN104768681B - 三维形状造型物的制造方法及其制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种反复进行粉末层形成及固化层形成的三维形状造型物的制造方法及其制造装置。在本发明的制造方法中，在得到固化层及/或三维形状造型物后包括至少1次用切削设备对该固化层及/或该三维形状造型物的表面实施表面切削处理的工序；在表面切削处理之前，将固化层及/或三维形状造型物的周围的粉末通过吸引嘴吸引除去；此外，在吸引除去时，变更吸引嘴的前端水平A和切削设备的前端水平B的相对的位置关系，以使前端水平A成为比前端水平B低的位置；此外，在吸引嘴及切削设备相互邻接设置的状态下，将该吸引嘴用于吸引除去。

Description

三维形状造型物的制造方法及其制造装置
技术领域
本发明涉及三维形状造型物的制造方法及其制造装置。更详细地讲，本发明涉及通过反复实施对粉末层的规定部位照射光束而形成固化层的处理来制造多个固化层层积一体化的三维形状造型物的方法及用于该方法的装置。
背景技术
以往以来，已知有向粉末材料照射光束来制造三维形状造型物的方法(一般称作“粉末烧结层积法”)。在这样的方法中，重复以下的工序(i)及(ii)来制造三维形状造型物(参照专利文献1或专利文献2)。
(i)通过向粉末层的规定部位照射光束，使这样的规定部位的粉末烧结或熔融固化而形成固化层的工序。
(ii)在得到的固化层之上铺上新的粉末层，同样照射光束，再形成固化层的工序。
在作为粉末材料而使用金属粉末或陶瓷粉末等的无机物的粉末材料的情况下，可以使用得到的三维形状造型物作为模具。另一方面，在使用树脂粉末或塑料粉末等的有机物的粉末材料的情况下，可以使用得到的三维形状造型物作为模型。按照这样的制造技术，能够在短时间制造复杂的三维形状造型物。
以作为粉末材料而使用金属粉末、使用得到的三维形状造型物作为模具的情况为例。如图1所示，首先，在将规定的厚度t1的粉末层22形成在造型板21上之后(参照图1(a))，将光束向粉末层22的规定部位照射，在造型板21上形成固化层24(参照图1(b))。接着，在形成的固化层24之上铺上新的粉末层22，再次照射光束，形成新的固化层。如果这样反复形成固化层，则能够得到多个固化层24层积一体化的三维形状造型物。由于相当于最下层的固化层能够以粘接在造型板面上的状态形成，所以三维形状造型物和造型板成为相互一体化的状态，能够原样作为模具使用。
通过光束的照射得到的三维形状造型物其表面比较粗糙，一般具有几百μmRz左右的表面粗糙度。这是因为在固化层表面上附着了粉末。在固化层形成时，由于将光束能量变换为热，所以照射粉末暂且熔融后在冷却过程中粉末彼此热粘合。此时，被照射光束的点的周边的粉末区域的温度也会上升，所以该周边的粉末附着在固化层表面上。这样的附着粉末给三维形状造型物带来“表面粗糙”，所以需要对三维形状造型物的表面进行切削加工。即，需要将得到的三维形状造型物的表面整体地施以切削加工。
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
在粉末烧结层积法的切削加工处理中，本发明的发明者们发现了如果在造型物周围存在粉末，则刀具折损故障会更多发生的现象(参照图14(a))。虽然不受特定的理论约束，但可以考虑由于粉末进入到造型物表面与切削刀具之间而作用在切削刀具上的负荷增加是主要原因之一。
此外，还发现了如果在造型物周围存在粉末，则给造型物表面带来不必要的负荷，造型物的表面平滑性可能受损的现象(参照图14(b))。对此，也考虑造型物表面与切削刀具之间的粉末的进入是原因之一。
本发明是鉴于这样的情况而做出的。即，本发明的课题是提供一种能够减少“刀具折损故障”等的不良状况的粉末烧结层积法。
为了解决上述课题，在本发明中，提供一种通过(i)及(ii)的工序反复进行粉末层形成及固化层形成，并具有以下这样的(a)～(c)的特征的三维形状造型物的制造方法。
(i)向粉末层的规定部位照射光束，使该规定部位的粉末烧结或熔融固化而形成固化层的工序。
(ii)在得到的固化层之上形成新的粉末层，向该新的粉末层的规定部位照射光束而形成进一步的固化层的工序。
(a)在得到固化层及/或三维形状造型物后，包括至少1次用切削设备对该固化层及/或该三维形状造型物的表面实施表面切削处理的工序。
(b)在表面切削处理之前，将固化层及/或三维形状造型物的周围的粉末通过吸引嘴吸引除去。
(c)在吸引除去时，变更“吸引嘴的前端水平A”和“切削设备的前端水平B”的相对的位置关系。
在一优选的技术方案中，改变切削设备的形态，以使切削设备的前端水平B成为比吸引嘴的前端水平A靠上方，由此来变更“吸引嘴的前端水平A”和“切削设备的前端水平B”的相对的位置关系。例如，在切削设备具有主轴台、刀夹及切削刀具的情况下，也可以设为代替刀夹及切削刀具而仅将假刀夹安装在主轴台上的状态。并且，以这样的“仅将假刀夹安装在主轴台上的状态”实施吸引嘴的吸引除去。假刀夹例如也可以是与刀夹相同种类的刀夹。作为其他方法，也可以设为将刀夹及切削刀具从主轴拆下的状态，也可以在这样的“将刀夹及切削刀具从主轴拆下的状态”下实施吸引嘴的吸引除去。
在另一优选的技术方案中，驱动吸引嘴而变更“吸引嘴的前端水平A”和“切削设备的前端水平B”的相对的位置关系，以使“吸引嘴的前端水平A”成为比“切削设备的前端水平B”靠下方水平。
在另一优选的技术方案中，在吸引除去时“最近形成的粉末层”与“吸引嘴的前端水平A”之间的离开距离为5mm以内。
在另一优选的技术方案中，吸引嘴和切削设备为相互邻接设置的状态，以这样相互邻接的状态实施吸引嘴的吸引除去。
在本发明中，还提供一种用来实施上述制造方法的三维形状造型物的制造装置。该本发明的制造装置具有粉末层形成机构、光束照射机构、造型工作台、吸引嘴及切削设备。粉末层形成机构是用来形成粉末层的机构。光束照射机构是用来向粉末层照射光束以形成固化层的机构。造型工作台是在其上形成粉末层及/或固化层的工作台。吸引嘴是用来将粉末层的至少一部分的粉末吸引除去的器具。并且，切削设备是用来对固化层及由该固化层形成的三维形状造型物实施表面切削处理的机器。特别是，在本发明的制造装置中，构成为，能够变更“吸引嘴的前端水平A”和“切削设备的前端水平B”的相对的位置关系。
在本发明的制造装置的一优选的技术方案中，切削设备具有主轴台、刀夹及切削刀具，另外具备能够与该刀夹替换的假刀夹。
在另一优选的技术方案中，吸引嘴及切削设备以使吸引嘴的轴与切削设备的轴大致平行的方式相互邻接配置。
发明效果
根据本发明，由于将固化层及/或三维形状造型物的周围的粉末在表面切削处理之前吸引除去，所以能够减少“起因于造型物表面与切削刀具之间的粉末进入的刀具折损故障”。此外，由于造型物表面与切削刀具之间的粉末进入被减少，所以能够使在切削处理时给造型物表面带来的负荷减小，能够使造型物的表面平滑性提高。
由于粉末的吸引除去能够通过吸引嘴对粉末层局部地实施，所以能够有效率地进行，向三维形状造型物的制造时间的影响较少。特别在本发明中，由于“吸引嘴的吸引除去”不会被切削设备阻碍，所以在这一点上能够进行更有效率的吸引除去。具体而言，在吸引除去处理中使吸引嘴水平移动而操作时(例如，在使之水平移动以使吸引嘴沿着造型物的截面轮廓旋绕的情况下)，能够避免切削设备与造型物的碰撞。
附图说明
图1是用来说明粉末烧结层积法的剖视图。
图2是示意地表示用来实施粉末烧结层积法的装置的立体图(图2(a)：具备切削机构的光造型复合加工机，图2(b)：不具备切削机构的装置)。
图3是示意地表示进行粉末烧结层积法的方式的立体图。
图4是示意地表示将粉末烧结层积法与表面切削处理一起实施的装置(光造型复合加工机)的结构的立体图。
图5是光造型复合加工机的动作的流程图。
图6是随着时间经过表示光造型复合加工机的工艺的示意图。
图7是示意地表示本发明的概念(本发明的制造方法的概念/本发明的制造装置的结构概念)的图。
图8是用来说明本发明的“吸引嘴”的图。
图9是表示吸引嘴及切削设备的配置方式的示意图。
图10是用来说明“改变切削设备的形态的方式”的示意图。
图11是与“使用假刀夹的方式”关联的示意图。
图12是用来说明“对吸引嘴主动地实施操作的方式”的示意图。
图13是用来说明与本发明关联的实证实验的图/曲线图。
图14是用来说明本发明者发现的现象的图/照片图。
具体实施方式
以下，参照附图更详细地说明本发明。请注意图中的各种要素的形态/尺寸等虽然只是例示，但不反映实际的形态/尺寸。
在本说明书中，所谓“粉末层”，例如是指“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”。此外，所谓“粉末层的规定部位”，实质上是指制造的三维形状造型物的区域。因而，通过对存在于这样的规定部位的粉末照射光束，该粉末烧结或熔融固化而构成三维形状造型物。进而，所谓“固化层”，在粉末层是金属粉末层的情况下实质上是指“烧结层”，在粉末层是树脂粉末层的情况下实质上是指“硬化层”。
在本说明书中，所谓“上方”，实质上是指在造型物的制造时固化层被层积的方向，另一方面，所谓“下方”，实质上是指与该“上方”正相反的方向(即铅直方向)。
[粉末烧结层积法]
首先，对作为本发明的制造方法的前提的粉末烧结层积法进行说明。为了说明的方便，以从材料粉末箱供给材料粉末、使用刮刀使材料粉末平整而形成粉末层的方式为前提说明粉末烧结层积法。此外，举在粉末烧结层积法时也一起进行造型物的切削加工的复合加工的方式为例进行说明(即，不是图2(b)而以图2(a)所示的方式为前提)。在图1、图3及图4中，表示能够实施粉末烧结层积法和切削加工的光造型复合加工机的功能及结构。光造型复合加工机1主要具备粉末层形成机构2、造型工作台20、造型板21、光束照射机构3和切削机构4。粉末层形成机构2用来通过将金属粉末及树脂粉末等的粉末以规定的厚度铺设而形成粉末层。造型工作台20是能够在外周被壁27包围的造型箱29内上下升降的工作台。造型板21是配设在造型工作台20上、作为造型物的基座的板。光束照射机构3是用来将光束L向任意的位置照射的机构。切削机构4是用来将造型物表面(特别是侧面)切削的机械加工机构。
粉末层形成机构2如图1所示，主要具有“在外周被壁26包围的材料粉末箱28内上下升降的粉末工作台25”和“用来在造型板上形成粉末层22的刮刀23”而成。光束照射机构3如图3及图4所示，主要具有“发出光束L的光束振荡器30”和“将光束L在粉末层22之上扫描(scanning)的扫描振镜(ガルバノミラー)31(扫描光学系统)”而成。在光束照射机构3中，也可以具备对光束斑点的形状进行修正的束形状修正机构(例如具有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而成的机构)或fθ透镜等。切削机构4主要具有“对造型物的周围进行切削的铣刀头40”和“使铣刀头40向切削部位移动的XY驱动机构41(41a，41b)”而成(参照图3及图4)。
参照图1、图5及图6详述光造型复合加工机1的动作。图5表示光造型复合加工机的一般的动作流程，图6示意地表示光造型复合加工机的工艺。
光造型复合加工机的动作主要由形成粉末层22的粉末层形成步骤(S1)、对粉末层22照射光束L而形成固化层24的固化层形成步骤(S2)和对造型物的表面进行切削的表面切削步骤(S3)构成。在粉末层形成步骤(S1)中，首先将造型工作台20降低Δt1(S11)。接着，将粉末工作台25升高Δt1后，如图1(a)所示，使刮刀23向箭头a的水平方向移动。由此，一边使配设在粉末工作台25上的粉末向造型板21上移送(S12)，一边平整为规定厚度Δt1，形成粉末层22(S13)。作为粉末层的粉末，可以举出例如“平均粒径5μm～100μm左右的铁粉”及“平均粒径30μm～100μm左右的尼龙、聚丙烯、ABS等的粉末”。接着，向固化层形成步骤(S2)转移，从光束振荡器30发出光束L(S21)，将光束L通过扫描振镜31向粉末层22上的任意的位置扫描(S22)。由此，使粉末熔融、固化，形成与造型板21一体化的固化层24(S23)。作为光束L，可以举出例如碳酸气体激光(500W左右)、Nd：YAG激光(500W左右)、纤维激光(500W左右)及紫外线等。光束L并不限定于在空气中传递，也可以用光纤等传送。
反复进行粉末层形成步骤(S1)和固化层形成步骤(S2)直到固化层24的厚度成为根据铣刀头40的刀具长度等要求的规定厚度，将固化层24层积(参照图1(b))。另外，新层积的固化层在烧结或熔融固化时与已经形成的作为下层的固化层一体化。
如果层积的固化层24的厚度成为规定的厚度，则向表面切削步骤(S3)转移。在图1及图6所示那样的方式中，通过驱动铣刀头40而开始切削步骤的实施(S31)。例如，在铣刀头40的刀具(球头立铣刀)是直径1mm、有效刃长度3mm的情况下，能够进行深度3mm的切削加工，所以如果Δt1是0.05mm，则在形成了60层的固化层的时刻使铣刀头40驱动。通过XY驱动机构41(41a、41b)使铣刀头40向箭头X及箭头Y方向移动，对由层积的固化层24构成的造型物实施表面切削处理(S32)。并且，在三维形状造型物的制造依然没有结束的情况下，向粉末层形成步骤(S1)返回。以后，通过将S1至S3重复而继续进一步的固化层24的层积，进行三维形状造型物的制造(参照图6)。
固化层形成步骤(S2)中的光束L的照射路径和表面切削步骤(S3)中的切削加工路径预先根据三维CAD数据制作。此时，应用等高线加工而决定加工路径。例如，在固化层形成步骤(S2)中，在使根据三维CAD模型生成的STL数据为等间距(例如在设Δt1为0.05mm的情况下，使用0.05mm间距)切片的各截面的轮廓形状数据。
[本发明的制造方法]
本发明在上述粉末烧结层积法中，在表面切削处理时的方式上具有特征。
本发明的制造方法在得到固化层及/或三维形状造型物后至少包括一次对它们的表面(特别是侧面)用切削设备实施表面切削处理的工序。在本发明中，在该表面切削处理之前实施将固化层及/或三维形状造型物的周围的粉末用吸引嘴除去的操作，在该吸引除去时将吸引嘴和切削设备的相对的位置关系变更(参照图7)。
更具体地讲，在本发明中将“吸引嘴的前端水平A”和“切削设备的前端水平B”的相对的位置关系在吸引除去处理之前变更。即，在粉末的吸引除去之前将“吸引嘴的吸引口部”和“切削设备的切削侧零件”的垂直方向水平(高度水平)相对地变更。
本发明中所谓的“吸引嘴”，在广义上是指能够将粉末层的粉末吸入的设备。因为是“嘴”，所以供粉末的吸入的部分优选的是具有筒形态(特别是细筒形态)(根据该观点，本发明的吸引嘴也可以称作“筒状吸引设备”)。例如如图7所示，吸引嘴60可以至少由细筒部62和连接在该细筒部上的吸引器具64构成。
吸引嘴的细筒部其内径优选的是0.5～18mm，更优选的是1.5mm～15mm，更加优选的是1.8mm～10mm。此外，吸引嘴的细筒部62如图8所示，优选的是具有前端侧更狭窄的形态。在此情况下，狭窄部分的内径优选的是0.5mm～5mm，更优选的是0.5mm～3mm。如果成为这样细筒部的前端狭窄的形态，则吸引时的流速(吸引口部的粉末流速)变快，所以吸引效率能够提高。
如图8所示，吸引嘴的细筒部62优选的是经由连结软管66连接在吸引器具64上。吸引器具64例如也可以是旋风集尘机，连结软管66例如也可以是柔性软管。
本发明中所谓的“切削设备”，实质上是指能够对固化层及由其得到的三维形状造型物的表面(特别是侧面部分)实施表面切削处理的机械。例如，切削设备是通用的数值控制(NC：NumericalControl)工作机械或依据它的设备。特别优选的是能够自动更换切削刀具(立铣刀)的加工中心(MC)。
如图7所示，该切削设备70例如至少具有“主轴台72”、“安装在主轴台上的刀夹(tooling)74”及“安装在刀夹上的切削刀具76”而成。切削设备的刀夹74设在主轴台72与切削刀具76之间，供切削刀具76的保持固定(从该观点，可以将本发明的刀夹也称作“刀具保持具”)。切削设备的切削刀具76也可以是立铣刀、例如硬质材料的双刃球头立铣刀、方形端铣刀、圆角端铣刀等。
另外，所谓切削设备的“前端水平B”，实质上是指直接及间接地贡献于切削的机械零件的下端部水平。更具体地讲，是指与切削设备中的具备主轴台、刀夹及切削刀具等的部分对应的“切削侧零件”的下端部水平。
在本发明中，吸引嘴和切削设备优选的是相互邻接设置。具体而言，如图9所示，吸引嘴60及切削设备70优选的是以使吸引嘴60的轴60a和切削设备70的轴70a大致平行的方式相互邻接。所谓“吸引嘴的轴”，是指例如吸引嘴的细筒部的长度方向轴，另一方面，所谓“切削设备的轴”，是指例如切削刀具的长度方向轴、刀夹或假刀夹(dummytooling)的长度方向轴或主轴的中央轴。另外，所谓“相互邻接”，是指例如吸引嘴60的轴60a与切削设备70的轴70a的离开距离G或G’(参照图9)优选的是10mm～40mm、更优选的是15mm～30mm。
在先于表面切削处理进行的吸引除去时，将吸引嘴操作，以使其例如在水平方向上运动。即，实质上不改变吸引嘴的高度水平(沿着固化层的层积方向的垂直方向的位置水平)而使吸引嘴移动。换言之，在“最近形成的粉末层及/或固化层”的上方使吸引嘴移动，但不改变相对于该粉末层及/或固化层的垂直方向的离开距离而使吸引嘴移动。在如上述那样吸引嘴和切削设备相互邻接设置的情况下，在水平方向上与切削设备邻接的设置状态下将吸引嘴用于吸引除去。
在本发明的制造方法中，在吸引除去之前将“吸引嘴的前端水平A”和“切削设备的前端水平B”的相对的位置关系变更，但该变更例如也可以通过改变切削设备的形态来进行。更具体地讲，也可以改变切削设备的形态，以使“切削设备的前端水平B”成为比“吸引嘴的前端水平A”靠上方，由此来变更“吸引嘴的前端水平A”和“切削设备的前端水平B”的相对的位置关系。虽然只是例示，但也可以变更它们的相对的位置关系，以使“切削设备的前端水平B”比“吸引嘴的前端水平A”靠上方0(不包括0)mm～15mm、优选的是靠上方2mm～10mm。
本发明中所谓的“改变切削设备的形态”，是指在吸引除去之前使之变化，以使切削设备的外轮廓整体上改变。例如是指通过将切削设备的构成要素主动地改变、将切削设备的外轮廓整体上改变。
“改变切削设备的形态的方式”也可以通过设为将切削设备的构成要素部分地拆下的状态来达成。例如在切削设备具有主轴台72、刀夹74及切削刀具76而成的情况下，如图10(a)及图10(b)所示，也可以设为“将刀夹74及切削刀具76从主轴台72拆下的状态”。换言之，也可以以“将刀夹74及切削刀具76从主轴台72拆下的状态”，实施通过吸引嘴进行的吸引除去。在此情况下，在吸引除去处理之前，从切削机械的主轴台72将刀夹74及切削刀具76拆下，维持该拆下的状态而接着实施吸引除去。如果将刀夹74及切削刀具76拆下，则切削设备的整体水平成为比吸引嘴的前端水平A靠上方。即，由于露出的主轴台72的下表面的水平位于比吸引嘴的前端水平A靠上方，所以能够不被切削设备阻碍而有效率地实施“吸引嘴的吸引除去”。另外，在吸引嘴和切削设备邻接设置的情况下，以与切削设备的主轴台邻接的状态将吸引嘴用于吸引除去。
“改变切削设备的形态的方式”如图10(a)及图10(c)所示，也可以通过代替刀夹74及切削刀具76而“仅将假刀夹74’安装在主轴台72上的状态”来达成。即，也可以以“仅将假刀夹74’安装在主轴台72上的状态”来实施通过吸引嘴的吸引除去。这意味着在吸引除去时成为在假刀夹上没有设置立铣刀等的状态(成为从刀夹的端面到下方侧什么都没有设置的切削设备)。
本发明的所谓“假刀夹”，不是用来保持切削刀具的刀夹，是指用来变更吸引嘴和切削设备的相对的位置关系的刀夹。即，专门用于吸引嘴和切削设备的相对的位置关系的变更的刀夹相当于本发明的假刀夹。
在假刀夹的方式中，在吸引除去操作之前，从切削机械的主轴台72将刀夹74及切削刀具76拆下后，将假刀夹74’向主轴台72安装。在将假刀夹74’设在主轴台72上之后，在该状态下接着实施吸引除去。通过设为仅将假刀夹74’安装在主轴台上的状态，切削设备的整体水平成为比吸引嘴的前端水平A靠上方。即，由于假刀夹74’的下表面的水平位于比吸引嘴的前端水平A靠上方，所以能够不受切削设备阻碍而有效率地实施“吸引嘴的吸引除去”。另外，在吸引嘴和切削设备相互邻接设置的情况下，以与切削设备的假刀夹邻接的状态将吸引嘴用于吸引除去。
参照图11详细说明。在表面切削处理时，使用至少具有规定距离P(“切削时的刀夹”与“最近形成的固化层”的间隙)以上的长度的切削刀具(例如，刀具号及切削刀具长度等为一定)。由此，能够对固化层的侧面适当地实施表面切削处理。吸引嘴设置为，使其前端水平至少比“最近形成的粉末层”靠上方(即，设置为比“最近形成的固化层”靠上方)。另一方面，在使用假刀夹的情况下，关于安装在主轴上的假刀夹，要求其下端部与“最近形成的固化层”的间隙H比“吸引嘴的前端”与“最近形成的粉末层”的间隙I大。换言之，假刀夹具有有助于这样的形态的尺寸(轴向尺寸)。
假刀夹74’只要是如果被安装到主轴上则其下部水平成为比吸引嘴的前端水平A靠上方那样的结构，其种类没有特别限制。关于这一点，假刀夹74’的轴向尺寸优选的是不会长到所需以上，例如也可以是与刀夹74(即在表面切削处理中使用的刀夹)相同的轴向尺寸。
虽然只是例示，但假刀夹74’也可以是与刀夹74相同种类。即，假刀夹74’也可以是与在表面切削处理时使用的刀夹相同的种类。例如，作为假刀夹74’，也可以将在表面切削处理时使用的刀夹原样利用。
在本发明的制造方法中，也可以对吸引嘴主动地实施操作而变更“吸引嘴的前端水平”和“切削设备的前端水平”的相对的位置关系(参照图12)。更具体地讲，也可以驱动吸引嘴以使“吸引嘴的前端水平A”成为比“切削设备的前端水平B”靠下方水平，由此来变更“吸引嘴的前端水平A”和“切削设备的前端水平B”的相对的位置关系。虽然只是例示，但也可以变更它们的相对的位置关系，以使“吸引嘴的前端水平A”比“切削设备的前端水平B”靠下方0(不包括0)mm～15mm、优选的是靠下方2mm～10mm。
在此情况下，吸引嘴能够升降，在吸引除去之前使吸引嘴下降。如图12所示，在吸引除去操作之前使吸引嘴下降直到“吸引嘴的前端水平”成为比“切削设备的前端水平”靠下方水平。吸引嘴在该下降水平被维持的状态下被用于吸引除去。通过这样对吸引嘴主动地实施操作，也能够不受切削设备阻碍而更有效率地实施“吸引嘴的吸引除去”。
不论是“改变切削设备的形态的方式”、还是“对吸引嘴主动地实施操作的方式”，在本发明中，都能够将吸引嘴的吸引口靠近粉末层的表面而适当地实施吸引除去。特别是优选的是，在吸引除去时，使“吸引嘴的前端水平A”与“最近形成的粉末层”之间的离开距离成为特别适合于吸引除去的距离。例如，“吸引嘴的前端水平A”与“最近形成的粉末层”之间的离开距离(沿着层积方向的离开距离)优选的是5mm以内，即0(不包括0)～5mm。更优选的是，该离开距离为1mm以内，即0(不包括0)～1mm，更优选的是0.4mm～1.0mm左右。这是因为，如在图13中实证那样，如果在使吸引嘴的前端水平A更接近于“最近形成的粉末层”的状态下使吸引嘴移动，则能够将固化层周围的粉末效率良好地除去。另外，“最近形成的粉末层”和“最近形成的固化层”在吸引除去前，它们的上表面为大致同面。由此，“吸引嘴的前端水平A”与“最近形成的粉末层”之间的离开距离和“吸引嘴的前端水平A”与“最近形成的固化层”之间的离开距离是同义的。
在吸引嘴和切削设备相互邻接设置的情况下，在从切削设备的长度方向轴(例如主轴)偏移了规定量的位置设有吸引嘴。在此情况下，吸引处理时的吸引嘴的移动路径也可以为考虑到切削设备的主轴与吸引嘴之间的偏移量的路径。即，吸引嘴的吸引路径也可以为从切削刀具的移动路径移动了“切削设备的主轴与吸引嘴之间的偏移量”的路径。由此，能够仅将实施表面切削处理的固化层侧面的周围的粉末局部地除去。
根据本发明，由于在表面切削处理之前将固化层及/或三维形状造型物的周围的粉末用吸引嘴吸引除去，所以能够减少起因于造型物表面与切削刀具之间的粉末进入的刀具折损故障。例如可以使刀具折断之前的平均期间增加80～400％左右(虽然只是例示，但某个条件下的“刀具折断平均间隔”可以从30～50小时左右增加到约140～150小时左右)。此外，由于造型物表面与切削刀具之间的粉末进入被减少，所以在切削处理能够使作用于造型物表面的负荷减小，造型物的表面平滑性能够提高。例如可以使被实施了表面切削加工的部位的表面粗糙度Rz优选的是6μm以下，更优选的是5μm以下，更加优选的是4μm以下。这里所谓“表面粗糙度Rz”，是指通过将在粗糙度曲线(在就发明而言是“固化层表面的截面形状轮廓线”)中从平均线“到最高的峰部的高度”和“到最低的底部的深度”相加而得到的粗糙度尺度。
在本发明的制造方法中，对吸引嘴进行操作以使其例如水平移动，但也可以根据吸引的部位的粉末层厚度(深度)而适当改变吸引条件(例如吸引量或嘴的移动速度等)。如果对其例示，则在粉末层厚度更大的情况下(即，要吸引除去的部位的粉末层更深的情况下)，也可以使吸引嘴的吸引量更大。在粉末层厚度更大的情况下(即，要吸引除去的部位的粉末层更深的情况下)，也可以减小吸引嘴的扫描速度。
此外，也可以根据与吸引的部位接近的造型物的形状来适当改变吸引条件(例如，吸引量或嘴的移动速度等)。如果对其例示，则在如造型物的外轮廓部的附近的吸引部位那样在周围“大范围地”存在粉末层的部位(即，在周围比较多地存在粉末的部位)中，也可以使吸引嘴的吸引量变大。另一方面，在如造型物的肋板部的附近的吸引部位那样在周围“狭窄地”存在粉末层的部位(即，在周围比较少地存在粉末的部位)中，也可以使吸引嘴的吸引量更小。同样，在如造型物的外轮廓部的附近的吸引部位那样在周围“大范围地”存在粉末层的部位(即，在周围比较多地存在粉末的部位)中，也可以将吸引嘴的扫描速度更加减低。另一方面，在如造型物的肋板部的附近的吸引部位那样在周围“狭窄地”存在粉末层的部位中，也可以使吸引嘴的扫描速度更加增加。
[本发明的制造装置]
接着，对适合于本发明的制造方法的实施的装置进行说明。该装置如图1、图2、图4、图5及图7所示，具有粉末层形成机构2、光束照射机构3、造型工作台20、吸引嘴60而成。如在上述[粉末烧结层积法]中说明那样，粉末层形成机构2是用来形成粉末层的机构，光束照射机构3是用来向粉末层照射光束以形成固化层的机构。此外，造型工作台20作为形成粉末层及/或固化层的基座。吸引嘴60用来吸引粉末层的粉末。包括装置的动作，关于“粉末层形成机构2”、“造型工作台20”、“光束照射机构3”、“吸引嘴60”等，在上述[粉末烧结层积法]及[本发明的制造方法]中进行了说明，所以为了避免重复而省略说明。
特别是，本发明的制造装置构成为，能够变更吸引嘴的前端水平A和切削设备的前端水平B的相对的位置关系。这里所述的“构成为能够变更相对的位置关系”，实质上是指能够在粉末的吸引除去之前主动地改变切削设备的形态、或者吸引嘴能够升降。所谓“能够主动地改变切削设备的形态”，例如在切削设备具有主轴台、刀夹及切削刀具而成的情况下，具备能够与该刀夹替换的假刀夹。即，不是用来保持切削刀具的刀夹，而另外具备用来变更吸引嘴和切削设备的相对的位置关系的刀夹。此外，所谓“吸引嘴能够升降”，例如可以通过使用驱动机构而将吸引嘴升降移动。
更具体地讲，在能够如上述那样主动地改变切削设备的形态的情况下，由此能够改变切削设备的形态，以使切削设备的前端水平B成为比吸引嘴的前端水平A靠上方。同样，在如上述那样吸引嘴能够升降的情况下，由此能够驱动吸引嘴以使吸引嘴的前端水平A成为比切削设备的前端水平B靠下方水平。
在本发明的制造装置中，优选的是吸引嘴和切削设备相互邻接设置。具体而言，如图9所示，优选的是吸引嘴60及切削设备70以使吸引嘴60的轴60a和切削设备70的刀具轴70a大致平行的方式相互邻接设置。更具体地讲，优选的是以使吸引嘴的细筒部62的长度方向轴和切削设备的切削刀具的长度方向轴大致平行的方式设置吸引嘴及切削设备。这里所述的“大致平行”，是指也可以不是完全“平行”、也可以与其稍稍错开的方式(例如图9所示的角度α为0°～10°左右的方式)。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但只不过是例示本发明的应用范围中的典型例。因而，本发明并不限定于此，本领域的技术人员应会容易地理解能够进行各种改变。例如，可以考虑以下的变更方式/追加方式。
在上述中，分别说明了“改变切削设备的形态的方式”和“对吸引嘴主动地实施操作的方式”，但在本发明中也可以将这两种方式并列地实施。即，也可以实施“改变切削设备的形态的方式”、并且也实施“对吸引嘴主动地实施操作的方式”。
在本发明中，由吸引嘴吸引除去的粉末也可以再次用于造型物的制造。即，也可以将吸引除去的粉末再循环，例如，也可以将吸引除去的粉末自动筛选并向材料粉末箱送回。在本发明中，吸引嘴的吸引除去也可以在固化层形成时及/或表面切削处理时也实施。即，也可以在固化层形成中或表面切削处理中也将粉末吸引除去。在该变更方式中，可以将在固化层形成时产生的烟雾除去、或将在表面切削处理时产生的悬浮粉末或切削屑(切削粉)等额外或代替地吸引除去。
在本发明中，也可以在通过吸引嘴的吸引除去时增加腔室内的惰性气体注入量。这是因为，在吸引除去时环境气体(例如包含氮气的气体)被吸引嘴吸入，腔室内的氧浓度有可能会上升。即，通过增加惰性气体注入量，在吸引除去时能够适当地维持惰性气体环境。
产业上的可利用性
通过实施本发明的三维形状造型物的制造方法，能够制造各种物品。例如，在“粉末层是无机物的金属粉末层、固化层为烧结层的情况下”，可以将得到的三维形状造型物作为塑料注射成形用模具、冲压模具、压铸模具、铸造模具、锻造模具等的模具使用。此外，在“粉末层是有机物的树脂粉末层、固化层为硬化层的情况下”，可以将得到的三维形状造型物作为树脂成形品使用。
标号说明
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(支承工作台)
21造型板
22粉末层(例如金属粉末层或树脂粉末层)
23刮刀
24固化层(例如烧结层或硬化层)或从其得到的三维形状造型物
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扫描振镜
32反射镜
33聚光透镜
40铣刀头
41XY驱动机构
41aX轴驱动部
41bY轴驱动部
42刀具仓
50腔室
52光透过窗
60吸引嘴
62吸引嘴的细筒部
64吸引器具
66连结软管
70切削设备
72主轴台
74刀夹
76切削刀具
100本发明的制造装置的概念图
L光束

Claims (9)

1.一种三维形状造型物的制造方法，通过以下的工序(i)和(ii)来反复进行粉末层形成及固化层形成，
(i)向粉末层的规定部位照射光束，使该规定部位的粉末烧结或熔融固化而形成固化层的工序；以及
(ii)在得到的固化层之上形成新的粉末层，向该新的粉末层的规定部位照射光束而形成进一步的固化层的工序，
其特征在于，
在得到上述固化层及/或上述三维形状造型物后，包括至少1次用切削设备对该固化层及/或该三维形状造型物的表面实施表面切削处理的工序；
在上述表面切削处理之前，将上述固化层及/或上述三维形状造型物的周围的粉末通过吸引嘴吸引除去；并且
在上述吸引除去时，变更上述吸引嘴的前端水平A和上述切削设备的前端水平B的相对的位置关系，以使该前端水平A成为比该前端水平B低的位置；并且
在上述吸引嘴及上述切削设备相互邻接设置的状态下，将该吸引嘴用于上述吸引除去。
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，
通过改变上述切削设备的形态，来变更上述前端水平A和上述前端水平B的上述相对的位置关系。
3.如权利要求2所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，
上述切削设备具有主轴台、刀夹及切削刀具；
成为代替上述刀夹及上述切削刀具而仅将假刀夹安装在上述主轴台上的状态，在该状态下实施上述吸引除去。
4.如权利要求3所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，
上述假刀夹是与上述刀夹相同种类的刀夹。
5.如权利要求2所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，
上述切削设备具有主轴台、刀夹及切削刀具而成；
成为将上述刀夹及上述切削刀具从上述主轴拆下的状态，在该状态下实施上述吸引除去。
6.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，
通过驱动上述吸引嘴以使上述吸引嘴的上述前端水平A与上述切削设备的上述前端水平B相比成为靠下方水平，由此变更上述前端水平A和上述前端水平B的上述相对的位置关系。
7.如权利要求1～6中任一项所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，
在上述吸引除去中，使最近形成的粉末层与上述吸引嘴的上述前端水平A之间的离开距离为5mm以内。
8.一种三维形状造型物的制造装置，其特征在于，
具有：
粉末层形成机构，用来形成粉末层；
光束照射机构，用来向上述粉末层照射光束以形成固化层；
造型工作台，上述粉末层及/或上述固化层被形成于该造型工作台；
吸引嘴，用来将上述粉末层的至少一部分的粉末吸引除去；以及
切削设备，用来对上述固化层及由该固化层形成的上述三维形状造型物实施表面切削处理；
具有能够变更上述吸引嘴的前端水平A和上述切削设备的前端水平B的相对的位置关系、以使该前端水平A成为比该前端水平B低的位置的结构；并且
上述吸引嘴及上述切削设备以使该吸引嘴的轴与该切削设备的轴大致平行的方式，相互邻接地配置。
9.如权利要求8所述的三维形状造型物的制造装置，其特征在于，
上述切削设备具有主轴台、刀夹及切削刀具，另外具备能够与该刀夹替换的假刀夹。
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