JP7462185B2 - How to create 3D fired objects - Google Patents

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特許法第30条第2項適用 令和2年1月20日にレーザー学会学術講演会第40回年次大会講演予稿集のウェブサイトで公開Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applied. Published on the Laser Society of Japan 40th Annual Conference Lecture Abstracts website on January 20, 2020.

特許法第30条第2項適用 令和2年1月21日に仙台国際センターにおいて開催されたレーザー学会学術講演会第40回年次大会で発表Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act Presented at the 40th Annual Meeting of the Laser Society of Japan held at the Sendai International Center on January 21, 2020

本発明は、土質材料を素材とする3次元焼成物を得るための、3次元焼成物の製作方法に関する。 The present invention relates to a method for producing three-dimensional fired products using soil materials.

従来より、樹脂や金属等の粉末に熱源であるレーザーを照射して焼結させ、造形物を製作する粉末床溶融結合法(PBF)が知られている。粉末床溶融結合法は、粉末状の素材を薄く敷いて粉末層を形成したのち、粉末層の焼結予定箇所にレーザーを照射する工程を繰り返し実施することで、3次元の造形物を製作する方法である。 Powder bed fusion (PBF) is a method for producing a 3D object by irradiating a powder of resin, metal, etc. with a laser, which is a heat source, to sinter it. Powder bed fusion is a method for producing a 3D object by repeatedly performing a process in which a powdered material is thinly laid out to form a powder layer, and then irradiating the areas of the powder layer to be sintered with a laser.

ところが、粉末床溶融結合法において熱源として用いるレーザーは、その照射径が小さく局所的に急加熱するものであるため、粉末層の表面に温度のばらつきを生じやすい。このため、例えば特許文献1では、レーザーの照射による到達温度が一定となるような粉末層へのレーザーの照射パスを設定し、照射位置を制御している。 However, the laser used as the heat source in powder bed fusion bonding has a small irradiation diameter and provides rapid localized heating, which can easily cause temperature variations on the surface of the powder layer. For this reason, for example, in Patent Document 1, the laser irradiation path on the powder layer is set so that the temperature reached by laser irradiation is constant, and the irradiation position is controlled.

具体的には、レーザーの照射径の2倍以上のスキャンピッチで第1照射パスを設定するとともに、このスキャンピッチを1/Nとなる距離だけずらした、第1照射パスの間を補完する第2照射パス~第N照射パスを設定する。そして、第1照射パスから順にレーザー照射を行うが、レーザー照射を行う際、粉末層が先行のレーザー照射による温度上昇歴を引きずって場合には、レーザー光を照射しない休止期間を設けるなどして、到達温度を一定にしている。 Specifically, the first irradiation pass is set with a scan pitch that is at least twice the laser irradiation diameter, and the second to Nth irradiation passes are set to complement the first irradiation pass by shifting this scan pitch by a distance that is 1/N. The laser is then irradiated in order starting from the first irradiation pass, but if the powder layer retains a history of temperature rise due to the preceding laser irradiation during the laser irradiation, a rest period during which no laser light is irradiated is provided to keep the reached temperature constant.

特開2019-151050号公報JP 2019-151050 A

特許文献1の方法は、粒径が一様で小径(例えば、100μm程度)な造粒物を粉末層を構成する素材として用いる場合に、適した方法である。しかし、この方法を例えば砂を素材とする砂層に適用しようとすると、様々な課題が生じる。 The method of Patent Document 1 is suitable when granulated material with a uniform and small particle size (for example, about 100 μm) is used as the material for the powder layer. However, when attempting to apply this method to a sand layer made of sand, for example, various problems arise.

具体的には、砂の粒径は、最大2mm程度と大きく、また一様でないため、砂を撒き出して形成した砂層は、部分的に層厚が大きくなるなど一定の厚さとはならない。また、砂層は、粉末床溶融結合法の素材として一般に用いられている金属や樹脂よりなる粉末層と比較して、熱伝導率は小さく、吸収係数は大きい。なお、吸収係数とは、放射線を照射した際、物質の中を進むときの単位長さ当たりに吸収される割合をいう。 Specifically, the grain size of sand is large, up to about 2 mm, and is not uniform, so the sand layer formed by spreading sand is not of a uniform thickness, with some parts being thicker than others. Also, compared to powder layers made of metal or resin, which are commonly used materials for powder bed fusion bonding, sand layers have a low thermal conductivity and a high absorption coefficient. The absorption coefficient refers to the proportion of radiation absorbed per unit length as it travels through a material when it is irradiated with radiation.

このため、砂層の表面に到達する到達温度を一定にしても、砂層全体の温度が一様とはなりにくいだけでなく、下面まで加熱されず溶融されない事態が生じやすい。これに対応するべく、レーザーの出力を上げることも考えられるが、これを用いて急加熱すると、粒径の小さいものや、砂に含まれる鉱物のうち沸点の低いものは揮発し、品質の高い造形物を製作することが困難となる。 For this reason, even if the temperature reached at the surface of the sand layer is constant, not only is it difficult for the temperature of the entire sand layer to be uniform, but it is also easy for the bottom surface to not be heated and melted. To address this, it is possible to increase the output of the laser, but if this is used to rapidly heat the sand, small grains and minerals with low boiling points will evaporate, making it difficult to produce high-quality objects.

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、土質材料を用いて、高品質な3次元焼成物を製作することの可能な、3次元焼成物の製作方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of these problems, and its main objective is to provide a method for producing three-dimensional fired products that can produce high-quality three-dimensional fired products using soil materials.

かかる目的を達成するため、本発明の3次元焼成物の製作方法は、土質材料を撒き出して粒子層を形成したのち、照射経路に沿って前記粒子層の表面にレーザー光を照射し、前記粒子層を溶融凝固する溶融凝固工程を、前記粒子層を積層しつつ繰り返す3次元焼成物の製作方法において、前記照射経路は、前記レーザー光の進行方向を示す照射ラインを備え、先行の前記照射ラインに対して、後行の前記照射ラインを幅方向にずらしながら略平行に重ね、前記粒子層における3次元焼成物となる領域が、前記レーザー光により複数回照射されるように設定され、前記レーザー光を、先行の前記照射ラインに沿って照射させたのち、後行の前記照射ラインに沿って照射させるまでの間には、前記粒子層の表面から深度方向への伝熱期間が設けられるものであって、前記土質材料は石英の占める割合が最も大きい砂であり、前記照射ラインを幅方向にずらすズレ量は、粒子層に対する1回の照射により付与可能なエネルギー密度を、下記式に基づいて算定するとともに、算定したエネルギー密度を石英の材料比熱及び材料密度で除して、照射1回あたりの上昇温度を取得し、取得した上昇温度と前記粒子層の融点及び沸点とに基づいて、融点を超えるものの揮発が生じる温度に到達しない繰り返し照射回数を決定したのち、決定した繰り返し照射回数で、前記レーザー光の走査ピッチを除することにより算出することを特徴とする。
Ed=P/(w×h×v)
Ed:エネルギー密度(J/mm
P :レーザー出力(W)
w :走査ピッチ(照射径:mm)
h :積層ピッチ(mm)
v :走査速度(mm/sec)
In order to achieve this object, the present invention provides a method for producing a three-dimensional sintered product, which comprises: forming a particle layer by spreading out an earthen material; irradiating a surface of the particle layer with a laser beam along an irradiation path; and repeating a melting and solidifying process for melting and solidifying the particle layer while stacking the particle layers; the irradiation path includes an irradiation line indicating the direction in which the laser beam travels; the subsequent irradiation line is shifted in the width direction relative to the preceding irradiation line while being overlapped substantially parallel to the preceding irradiation line; and the region of the particle layer that will become the three-dimensional sintered product is set to be irradiated with the laser beam a plurality of times; and the laser beam is irradiated along the preceding irradiation line and then irradiated along the subsequent irradiation line. a heat transfer period from the surface of the particle layer in the depth direction is provided between the irradiation of the particle layer and the irradiation of the soil material, the soil material being sand in which quartz accounts for the largest proportion, and the amount of shift of the irradiation line in the width direction is calculated by calculating the energy density that can be applied by one irradiation of the particle layer based on the following formula, dividing the calculated energy density by the material specific heat and material density of quartz to obtain the temperature rise per irradiation, determining the number of repeated irradiations that will exceed the melting point but not reach a temperature at which volatilization occurs based on the obtained temperature rise and the melting point and boiling point of the particle layer, and then dividing the scanning pitch of the laser light by the determined number of repeated irradiations .
Ed = P / (w x h x v)
Ed: Energy density (J/mm 3 )
P: Laser output (W)
w: Scanning pitch (irradiation diameter: mm)
h: Layer pitch (mm)
v: Scanning speed (mm/sec)

また、本発明の3次元焼成物の製作方法は、前記3次元焼成物となる領域を前記レーザー光で照射する回数を、前記レーザー光を前記照射ラインに沿って、1回照射したことによる前記粒子層の上昇温度に基づいて決定することを特徴とする。 The method for producing a three-dimensional fired product of the present invention is also characterized in that the number of times the area to be the three-dimensional fired product is irradiated with the laser light is determined based on the temperature rise of the particle layer resulting from irradiating the laser light once along the irradiation line.

本発明の3次元焼成物の製作方法によれば、レーザー光を、先行の照射ラインに沿って照射させたのち、後行の照射ラインに沿って照射させるまでの間に、粒子層の表面から深度方向への伝熱期間を設ける。これにより、先行の照射ラインに沿ってレーザー光を照射したことにより供給された熱が、粒子層の深度方向に伝熱されたのち、後行の照射ラインに沿ってレーザー光を照射する動作が繰り返される。 According to the method for producing a three-dimensional fired product of the present invention, a period of heat transfer from the surface of the particle layer in the depth direction is provided between irradiating the laser light along the preceding irradiation line and irradiating the laser light along the following irradiation line. As a result, the heat supplied by irradiating the laser light along the preceding irradiation line is transferred in the depth direction of the particle layer, and then the operation of irradiating the laser light along the following irradiation line is repeated.

したがって、一般に、粉末床溶融結合法(PBF)の素材として用いられる樹脂や金属等の粉末と比較して、熱伝導率が低く粒度分布のある土質材料よりなる粒子層に対して、表面に熱を集中させることなく底面に至るまで一様に加熱し、温度上昇させることができる。 Therefore, compared to powders such as resins and metals that are generally used as materials in powder bed fusion (PBF), a particle layer made of soil material with low thermal conductivity and particle size distribution can be heated uniformly all the way to the bottom without concentrating heat on the surface, thereby raising the temperature.

このため、粒子層を底面に至るまで溶融凝固させて、高品質な3次元焼成物を製作することが可能となる。また、粒子層を予熱する必要がなく、成形に型枠も不要なため、レーザー光を照射するのみの簡略な構成で、所望の形状を有する3次元焼成物を容易に製作することが可能となる。 This makes it possible to melt and solidify the particle layer all the way to the bottom surface, producing a high-quality three-dimensional fired product. In addition, since there is no need to preheat the particle layer, and no mold is required for molding, a simple configuration that only requires irradiating laser light makes it possible to easily produce a three-dimensional fired product with the desired shape.

さらに、レーザー光を照射ラインに沿って1回照射したことによる粒子層の上昇温度に基づいて、粒子層における3次元焼成物となる領域を照射する回数を決定する。これにより、粒子層を溶融するために必要なエネルギー密度の熱を、無駄なくかつ効率よく粒子層へ供給しつつ、短期間で3次元焼成物を製作することが可能となる。 Furthermore, the number of times to irradiate the area of the particle layer that will become the three-dimensional sintered product is determined based on the temperature rise of the particle layer caused by irradiating the laser light once along the irradiation line. This makes it possible to produce a three-dimensional sintered product in a short period of time while efficiently supplying heat with the energy density required to melt the particle layer to the particle layer without waste.

本発明によれば、粒子層にレーザー光を照射する期間と、粒子層の伝熱期間とを交互に設けることから、これまで粉末床溶融結合法(PBF)の素材として取り扱いが困難であると見做されていた、土質材料よりなる粒子層を、上面から下面に至るまで一様に加熱して温度上昇させて溶融凝固し、高品質な3次元焼成物を製作することが可能となる。 According to the present invention, by alternating periods of irradiating the particle layer with laser light and periods of heat transfer in the particle layer, it is possible to uniformly heat the particle layer from the top to the bottom, increasing the temperature and melting and solidifying the particle layer, which was previously considered difficult to handle as a material for powder bed fusion (PBF), and to produce a high-quality three-dimensional fired product.

本発明の実施の形態における粉末焼結積層法の概略を示す図である。1 is a diagram showing an outline of a powder sintering lamination method according to an embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態における3次元焼成物の製作に用いる装置を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an apparatus used to produce a three-dimensional fired product in an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における3次元焼成物の製作方法(その1)を示す図である。1A to 1C are diagrams showing a method (part 1) for producing a three-dimensional fired product in an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における素材となる砂の粒度分布を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the particle size distribution of sand used as a raw material in an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における3次元焼成物の製作方法(その2)を示す図である。11A to 11C are diagrams showing a method (part 2) for producing a three-dimensional fired product in an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における3次元焼成物の製作方法(その3)を示す図である。11A to 11C are diagrams showing a method (part 3) for producing a three-dimensional fired product in an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における3次元焼成物の製作方法(その4)を示す図である。11A to 11C are diagrams showing a method (part 4) for producing a three-dimensional fired product in an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における3次元焼成物を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a three-dimensional fired product according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における3次元焼成物の一軸圧縮強度試験の試験結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the test results of a uniaxial compressive strength test of a three-dimensional fired product according to an embodiment of the present invention.

本発明の3次元焼成物の製作方法は、土質材料を粉末床溶融結合法に基づいて溶融凝固させ、高品質な3次元焼成物を製作するものである。以下に、図1~図9を参照しつつ、3次元焼成物の製作方法の説明をするが、これに先立ち、粉末床溶融結合法についてその概略を説明する。 The method for producing three-dimensional fired products of the present invention involves melting and solidifying soil material using the powder bed fusion method to produce high-quality three-dimensional fired products. Below, we will explain the method for producing three-dimensional fired products with reference to Figures 1 to 9, but first we will provide an overview of the powder bed fusion method.

≪粉末床溶融結合法(PBF)≫
粉末床溶融結合法は、粉末状の素材に熱源となるレーザー光Lを照射して焼結し、立体的な造形物を作成する方法である。具体的には、図1(a)で示すように、チャンバーC内で上下動自在なステージS上に、粉末状の素材を所定の層厚で敷き均して1層目の粉末層31を形成する。次に、1層目の粉末層31に給熱した状態で、図1(b)で示すように、照射経路20に沿ってレーザー光Lを照射し、1層目の粉末層31の所望の領域を溶融凝固する。
Powder Bed Fusion (PBF)
Powder bed fusion is a method for irradiating a powdered material with a laser beam L as a heat source to sinter it and create a three-dimensional object. Specifically, as shown in Fig. 1(a), a powdered material is spread evenly in a predetermined layer thickness on a stage S that can move up and down in a chamber C to form a first powder layer 31. Next, while the first powder layer 31 is heated, a laser beam L is irradiated along an irradiation path 20 as shown in Fig. 1(b) to melt and solidify a desired area of the first powder layer 31.

こののち、図1(c)で示すように、1層目の粉末層31上に粉末状の素材を敷き均して2層目の粉末層32を作成する。上記と同様の手順で2層目の粉末層32を溶融凝固するとともに、1層目と2層目の粉末層31、32を結合する。この作業を、製作しようとする造形物の高さに到達するまで繰り返す。 After this, as shown in FIG. 1(c), a powdered material is spread evenly on the first powder layer 31 to create the second powder layer 32. Using the same procedure as above, the second powder layer 32 is melted and solidified, and the first and second powder layers 31 and 32 are bonded together. This process is repeated until the height of the object to be produced is reached.

上記のレーザー光Lによる照射は、図2で示すように、レーザー発生装置41と、スキャナー42を用いて行う。レーザー発生装置41は、粉末層30に向けて熱源となるレーザー光Lを照射するもので、いわゆるファイバーレーザーを採用している。また、スキャナー42は、レーザー光Lを粉末層30上に設定した照射経路20の沿って照射させるもので、いわゆるガルバノスキャナを採用している。 As shown in FIG. 2, the above-mentioned irradiation with the laser light L is performed using a laser generator 41 and a scanner 42. The laser generator 41 irradiates the powder layer 30 with the laser light L, which serves as a heat source, and employs a so-called fiber laser. The scanner 42 irradiates the laser light L along an irradiation path 20 set on the powder layer 30, and employs a so-called galvano scanner.

≪3次元焼成物の製作方法≫
上記の粉末床溶融結合法に基づいて、粉末層30に代えて粒度分布のある土質材料を敷き均した粒子層10を溶融凝固し、図8で示すような、3次元焼成物50を製作する手順を、以下に、図3~図8を参照しつつ、その詳細を説明する。
<How to create 3D fired objects>
Based on the above-mentioned powder bed fusion method, the procedure for melting and solidifying a particle layer 10 in which a soil material having a particle size distribution is spread evenly instead of the powder layer 30 to produce a three-dimensional fired product 50 as shown in FIG. 8 will be described in detail below with reference to FIGS. 3 to 8.

なお、粒子層10の予熱は不要であり、これに伴い粒子層10を保温するチャンバーCも不要となる。また、製作予定の3次元焼成物50を製作するにあたり、1層目の粒子層11にレーザー光Lを照射する照射予定領域Eは、図3(a)で示すように、X方向とY方向とが直交する矩形である場合を事例とする。 It is not necessary to preheat the particle layer 10, and therefore the chamber C for keeping the particle layer 10 warm is also not required. In addition, when producing the three-dimensional fired product 50 to be produced, the irradiation area E to be irradiated with the laser light L on the first particle layer 11 is, for example, a rectangle with the X direction and the Y direction perpendicular to each other, as shown in FIG. 3(a).

さらに、この照射予定領域Eに対してレーザー光Lを照射する際の照射経路20は、図3(b)で示すように、X方向を往復しながらY方向に進行させる経路としてもよいし、図3(c)で示すように、X方向の1方向への移動を順次繰り返しながらY方向に進行させる経路としてもよい。本実施の形態では、図3(c)で示すように、レーザー光LをX方向の1方向へ移動させる場合を事例に挙げる。 Furthermore, the irradiation path 20 when irradiating the laser light L to the intended irradiation area E may be a path that travels back and forth in the X direction while proceeding in the Y direction, as shown in FIG. 3(b), or a path that travels in the Y direction while sequentially repeating movements in one direction in the X direction, as shown in FIG. 3(c). In this embodiment, an example is given of the case where the laser light L travels in one direction in the X direction, as shown in FIG. 3(c).

また、溶融凝固する素材は、粒度分布のある土質材料であって、例えば、砂、礫、礫混じりの砂、砂混じりの礫等いずれでも採用可能である。なお、粒度分布のある土質材料は、粒径2mm程度以下であることが好ましい。本実施の形態では、図4の粒度分布で示すような、破線で囲まれた領域もしくはこれに沿うように分布するものを目安とし、最大粒径が約1.75mmで、石英の占める割合が最も大きい砂を事例に挙げる。 The material to be melted and solidified is a soil material with a grain size distribution, and can be any of sand, gravel, sand mixed with gravel, and gravel mixed with sand. It is preferable that the soil material with a grain size distribution has a grain size of about 2 mm or less. In this embodiment, the grain size distribution shown in Figure 4 is the area surrounded by the dashed line or a distribution along this line, and sand with a maximum grain size of about 1.75 mm and the largest proportion of quartz is used as an example.

<1層目の粒子層11の溶融凝固工程>
まず、図5(a)で示すように、ステージS上に溶融凝固する素材である砂を撒き出て、1層目の粒子層11を形成する。このとき、1層目の粒子層11は、その積層ピッチhを砂の最大粒径に設定する。したがって、本実施の形態では、積層ピッチh=1.75mmとなる。次に、前述した照射経路20を照射予定領域E内に設定し、これに沿って1層目の粒子層11の表面に照射径が1mmのレーザー光を照射する。
<Melting and solidifying step of first particle layer 11>
First, as shown in Fig. 5(a), sand, which is a material to be melted and solidified, is poured onto the stage S to form the first particle layer 11. At this time, the layer pitch h of the first particle layer 11 is set to the maximum grain size of the sand. Therefore, in this embodiment, the layer pitch h = 1.75 mm. Next, the above-mentioned irradiation path 20 is set within the planned irradiation area E, and a laser beam with an irradiation diameter of 1 mm is irradiated along this path onto the surface of the first particle layer 11.

照射経路20を設定するにあたり、まず、以下の事項を考慮し、レーザー光Lの照射方式を選択する。つまり、1層目の粒子層11を構成する砂が、粉末床溶融結合法の素材として広く用いられる樹脂や金属等の粉末と比較して、粒径が大きくまた一様ではないこと、及び熱伝導率が低いことを考慮する。 When setting the irradiation path 20, first, the irradiation method of the laser light L is selected taking into consideration the following points. That is, it is necessary to take into consideration that the sand constituting the first particle layer 11 has a large and non-uniform particle size and a low thermal conductivity compared to powders of resins, metals, and the like that are widely used as materials for powder bed fusion bonding.

粒径が大きく熱伝導率の低い砂を溶融するには、高いエネルギー密度の熱を供給する必要があるため、ワンパス方式(1か所あたり1回のみの照射)を採用すると、1層目の粒子層11に対して高出力のレーザー光Lを照射する必要が生じる。ところが、このような方法を採用すると、1層目の粒子層11を形成する砂のうち、粒径の大きいものはその上部が、また、粒径の小さいものは全体が揮発する恐れがある。 To melt sand with a large grain size and low thermal conductivity, it is necessary to supply heat with a high energy density, so if a one-pass method (irradiation only once per location) is used, it becomes necessary to irradiate the first particle layer 11 with high-power laser light L. However, when such a method is used, there is a risk that the upper part of the sand with large grain size that forms the first particle layer 11 will volatilize, and the entire sand with small grain size will volatilize.

そこで、1層目の粒子層11に設定した照射予定領域Eを、レーザー出力P=200w程度のレーザー光Lでマルチパス方式により照射し、溶融凝固する方法を採用する。マルチパス方式とは、図5(b)で示すように、レーザー光Lの照射径に相当する幅を有し、X方向に延在する照射ラインPを幅方向(Y方向)にズレ量Aだけずらしながら重ねていくことで、1層目の粒子層11における同じ位置に、レーザー光Lを複数回照射させる方式である。 Therefore, a method is adopted in which the irradiation target area E set in the first particle layer 11 is irradiated with laser light L having a laser output P of about 200 W by a multi-pass method to melt and solidify. The multi-pass method is a method in which the same position in the first particle layer 11 is irradiated with laser light L multiple times by overlapping irradiation lines P that have a width equivalent to the irradiation diameter of the laser light L and extend in the X direction while shifting them in the width direction (Y direction) by an amount of deviation A, as shown in Figure 5 (b).

また、マルチパス方式を採用するにあたり、1層目の粒子層11における同じ領域に対してレーザー光Lを照射するごとに、1層目の粒子層11の伝熱期間を設ける。伝熱期間は、1層目の粒子層11の表面にレーザー光Lを照射することにより供給した熱が、底面に至るまでに要する時間を確保することが好ましく、照射前の温度まで低下しない期間を適宜設定する。 When the multi-pass method is employed, a heat transfer period of the first particle layer 11 is provided each time the same region of the first particle layer 11 is irradiated with laser light L. The heat transfer period is preferably set to the time required for the heat supplied by irradiating the surface of the first particle layer 11 with laser light L to reach the bottom surface, and is appropriately set to a period during which the temperature does not drop to the temperature before irradiation.

これにより、1層目の粒子層11には、表面に熱が供給される期間と、供給された熱を1層目の粒子層11の底面まで伝導させ、1層目の粒子層11全体の温度を一様に上昇させる期間とが、交互に設けられることとなる。 As a result, the first particle layer 11 alternates between periods during which heat is supplied to the surface and periods during which the supplied heat is conducted to the bottom surface of the first particle layer 11, uniformly raising the temperature of the entire first particle layer 11.

そして、上記のレーザー光Lの照射経路20は、X方向に延在する複数の照射ラインPのうち、先行と後行の照射ラインPにおける、照射幅方向(Y方向)のズレ量Aを決定することにより、設定することができる。 The irradiation path 20 of the laser light L can be set by determining the amount of deviation A in the irradiation width direction (Y direction) between the leading and trailing irradiation lines P among the multiple irradiation lines P extending in the X direction.

<ズレ量Aの算定方法>
マルチパス方式により1層目の粒子層11の表面を、レーザー光Lで照射する際、X方向に延在する先行と後行の照射ラインPにおける幅方向(Y方向)のズレ量Aの決定方法を、以下に説明する。
<Calculation method of deviation amount A>
When the surface of the first particle layer 11 is irradiated with laser light L by the multi-pass method, a method for determining the amount of deviation A in the width direction (Y direction) between the preceding and succeeding irradiation lines P extending in the X direction will be described below.

まず、1層目の粒子層11に対する1回の照射により付与可能なエネルギー密度Edを、下記の(1)式に基づいて算定する。走査速度v=1000m/sec、レーザー出力P=200Wと仮定し、走査ピッチw=1mm、積層ピッチh=1.75mmを代入すると、照射1回あたりのエネルギー密度Ed=0.114J/mm3となる。 First, the energy density Ed that can be imparted to the first particle layer 11 by one irradiation is calculated based on the following formula (1). Assuming that the scanning speed v is 1000 m/sec, the laser output P is 200 W, and the scanning pitch w is 1 mm and the layer pitch h is 1.75 mm, the energy density Ed per irradiation is 0.114 J/ mm3 .

Ed=P/(w×h×v) ・・ ・・・・・・・・・・・・・・(1)
Ed:エネルギー密度(J/mm3
P :レーザー出力(W)
w :走査ピッチ(照射径:mm)
h :積層ピッチ(mm)
v :走査速度(mm/sec)
Ed = P / (w × h × v) (1)
Ed: Energy density (J/mm 3 )
P: Laser output (W)
w: Scanning pitch (irradiation diameter: mm)
h: Layer pitch (mm)
v: Scanning speed (mm/sec)

次に、照射1回あたりの1層目の粒子層11の上昇温度ΔTを、以下の(2)式に基づいて算定する。エネルギー密度Ed=0.114J/mm3、石英の材料比熱γ=0.71及び材料密度d=2.65×10-3g/mm3を代入すると、上昇温度ΔT=61℃となる。 Next, the temperature rise ΔT of the first particle layer 11 per irradiation is calculated based on the following formula (2). By substituting the energy density Ed = 0.114 J/mm 3 , the material specific heat γ of quartz = 0.71, and the material density d = 2.65 × 10 -3 g/mm 3 , the temperature rise ΔT = 61 °C.

ΔT=Ed/(γ×d) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
Ed:エネルギー密度(J/mm3
γ :材料比熱(J/gK)
d :材料密度(g/mm3)
ΔT=Ed/(γ×d) (2)
Ed: Energy density (J/mm 3 )
γ: Material specific heat (J/gK)
d: Material density (g/mm3)

1層目の粒子層11を形成する砂は、前述したように石英を多く含んでおり、石英の融点は1713℃で沸点は2230℃である。そこで、1層目の粒子層11において同じ領域を伝熱期間を挟みながら繰り返し照射した場合に、1713~2230℃の範囲まで温度上昇させるために、必要な照射回数を上昇温度ΔTに基づいて算定する。 As mentioned above, the sand that forms the first particle layer 11 contains a large amount of quartz, which has a melting point of 1713°C and a boiling point of 2230°C. Therefore, when the same area of the first particle layer 11 is repeatedly irradiated with a heat transfer period in between, the number of irradiations required to raise the temperature to the range of 1713 to 2230°C is calculated based on the temperature increase ΔT.

融点を超えるには29回(1713℃/61℃)、また、沸点近傍まで上昇させるには37回(2230℃/61℃)程度、同じ場所を繰り返し照射する必要がある。このとき、1層目の粒子層11の温度が沸点を超えると、揮発が生じて製作後の3次元焼成物50の品質に影響を及ぼしかねない。したがって、1層目の粒子層11の温度を上昇させるべく照射回数を決定する際には、1層目の粒子層11に揮発が生じるような温度に到達しないよう調整する。 The same location needs to be repeatedly irradiated 29 times (1713°C/61°C) to exceed the melting point, and about 37 times (2230°C/61°C) to raise the temperature close to the boiling point. If the temperature of the first particle layer 11 exceeds the boiling point at this time, volatilization may occur, which may affect the quality of the three-dimensional fired product 50 after production. Therefore, when determining the number of irradiations to raise the temperature of the first particle layer 11, adjustments are made so that the first particle layer 11 does not reach a temperature at which volatilization occurs.

そこで、本実施の形態では、マルチパス方式を採用するにあたり安全を考慮し、同一個所を35回繰り返し照射することとした。そして、照射ラインPの幅は照射径Wに相当し、その大きさは上述したように1mmである。 Therefore, in this embodiment, for safety reasons, the multi-pass method is adopted and the same location is repeatedly irradiated 35 times. The width of the irradiation line P corresponds to the irradiation diameter W, which is 1 mm as described above.

したがって、走査速度v=1000m/sec、レーザー出力P=200Wと仮定した場合の、走査ピッチw=1mmのレーザー光Lの照射経路20は、レーザー光Lを照射予定領域EのX方向に移動させたのち、Y方向にズレ量A=0.028mm(1mm/35回)だけ移動させる。こののち再度、レーザー光Lを照射予定領域EのX方向に移動させる、といった動作を照射予定領域E全体を網羅するよう繰り返す経路となる。 Therefore, assuming a scanning speed v = 1000 m/sec and a laser output P = 200 W, the irradiation path 20 of the laser light L with a scanning pitch w = 1 mm moves the laser light L in the X direction of the intended irradiation area E, and then moves it in the Y direction by a deviation amount A = 0.028 mm (1 mm/35 times). After this, the laser light L is moved again in the X direction of the intended irradiation area E, and this operation is repeated to cover the entire intended irradiation area E.

上記の算定方法により決定した照射経路20に沿って、1層目の粒子層11に設けた照射予定領域Eにレーザー光Lを照射する。すると、図5(b)で示すように、照射予定領域Eにおける35回の照射が繰り返された位置以降のY方向の領域は、表面から底面に至るまで温度が、2135℃(61℃×35回)程度まで上昇した状態となる。 Laser light L is irradiated to the irradiation area E in the first particle layer 11 along the irradiation path 20 determined by the above calculation method. Then, as shown in FIG. 5(b), the temperature in the area in the Y direction after the position where 35 irradiations have been repeated in the irradiation area E rises to about 2135°C (61°C x 35 times) from the surface to the bottom.

このように、1層目の粒子層11の溶融に必要なエネルギー密度Edの熱を複数回に分けて、伝熱期間を挟みつつ1層目の粒子層11の表面に供給する。すると、粒径が大きいとともに一様でなく、さらには熱伝導率が低い砂よりなる1層目の粒子層11に対して、表面に熱集中させることなく底面に至るまで一様に加熱し温度上昇させ、効率よく溶融凝固させることができる。 In this way, the heat of the energy density Ed required to melt the first particle layer 11 is supplied in multiple batches to the surface of the first particle layer 11 with a heat transfer period in between. This allows the first particle layer 11, which is made of sand with a large, non-uniform particle size and low thermal conductivity, to be heated uniformly all the way to the bottom surface without concentrating heat on the surface, raising the temperature and allowing efficient melting and solidification.

なお、3次元焼成物50を製作する範囲は、照射予定領域Eにおいてレーザー光Lが35回照射した範囲内に設定されている。また、1層目の粒子層11に対して1回の照射により付与するエネルギー密度Edは、レーザー出力P及び走査速度vを変更することで、適宜調整することが可能である。 The range in which the three-dimensional fired product 50 is produced is set within the range in the planned irradiation area E that is irradiated 35 times with the laser light L. The energy density Ed imparted to the first particle layer 11 by one irradiation can be appropriately adjusted by changing the laser output P and the scanning speed v.

<2層目の粒子層12の溶融凝固工程>
溶融凝固工程が終了したのちの1層目の粒子層11には、照射予定領域Eに図6(a)で示すような、砂どうしが凝結した凝固体111が形成された状態となる。したがって、これら凝固体111の隙間を埋めるようにして、図6(b)で示すように、1層目の粒子層11と同様に砂を敷き均し、2層目の粒子層12を形成する。
<Melting and solidifying step of second particle layer 12>
After the melting and solidifying process is completed, the first particle layer 11 has a state in which the sand particles have solidified into a solidified body 111 as shown in Fig. 6(a) in the irradiation planned area E. Therefore, the second particle layer 12 is formed by spreading sand evenly in the same manner as the first particle layer 11 so as to fill the gaps between the solidified bodies 111 as shown in Fig. 6(b).

こののち、図7(a)で示すように、1層目の粒子層11の溶融凝固工程と同様の手順により、2層目の粒子層12にレーザー光Lを照射し、図7(b)で示すように、2層目の粒子層12を構成していた砂どうしが凝結した凝固体121を形成する。こうすると、1層目の粒子層11の凝固体111と2層目の粒子層12の凝固体121との間に多少の隙間が形成されるものの、両者は強固に溶融凝固される。 After this, as shown in FIG. 7(a), the second particle layer 12 is irradiated with laser light L in the same procedure as the melting and solidifying process of the first particle layer 11, and as shown in FIG. 7(b), the sand particles that constituted the second particle layer 12 solidify to form a solidified body 121. In this way, although some gaps are formed between the solidified body 111 of the first particle layer 11 and the solidified body 121 of the second particle layer 12, both are firmly melted and solidified.

上記の工程を図8で示すように、所望の高さに到達するまで繰り返すことにより、砂を溶融凝結した3次元焼成物50を製作することができる。 The above process is repeated until the desired height is reached, as shown in Figure 8, to produce a three-dimensional fired product 50 made by melting and solidifying the sand.

上記の方法によれば、粒子層10に揮発を生じることなく、所望の密度を維持した高品質な3次元焼成物50を製作することが可能となる。また、粒子層10を予熱する必要がなく、成形に型枠も不要なため、レーザー光Lを照射するのみの簡略な構成で、所望の形状を有する3次元焼成物50を容易に製作することが可能となる。 The above method makes it possible to produce a high-quality three-dimensional fired product 50 that maintains the desired density without causing volatilization of the particle layer 10. In addition, since there is no need to preheat the particle layer 10 and no mold is required for molding, it is possible to easily produce a three-dimensional fired product 50 having the desired shape with a simple configuration that only requires irradiation with laser light L.

さらに、レーザー光Lを照射ラインPに沿って1回照射したことによる粒子層10の上昇温度Δtに基づいて、粒子層10における3次元焼成物50となる領域を照射する回数を決定することから、粒子層10を溶融するために必要なエネルギー密度Edの熱を、無駄なくかつ効率よく供給しつつ、短期間で3次元焼成物50を製作することが可能となる。 Furthermore, the number of times to irradiate the area of the particle layer 10 that will become the three-dimensional sintered product 50 is determined based on the temperature rise Δt of the particle layer 10 caused by irradiating the laser light L once along the irradiation line P, so it is possible to produce the three-dimensional sintered product 50 in a short period of time while efficiently supplying heat with the energy density Ed required to melt the particle layer 10 without waste.

<圧縮強度試験>
上述する製作方法に基づいて、砂を素材として製作した3次元焼結物50について、一軸圧縮強度試験を実施した結果を図9に示す。
<Compressive strength test>
FIG. 9 shows the results of a uniaxial compressive strength test carried out on a three-dimensional sintered body 50 produced using sand as a raw material based on the above-described production method.

実験には、溶融凝固する素材として石英を多く含む大沢石の粉砕物を採用した。大沢石の粉砕物は、あらかじめ粒度分布を調整し、3次元焼成物の製作方法で例示した粒子層10を構成する砂と同様で、図4で示すように、粒度が数μmから2mm程度の範囲であって破線で囲まれた領域近傍に沿うように分布している。また、一軸圧縮強度を測定する供試体の作成方法は、以下のとおりである。 In the experiment, crushed Osawa stone, which contains a large amount of quartz, was used as the material to be melted and solidified. The particle size distribution of the crushed Osawa stone was adjusted in advance, and it was similar to the sand that constitutes the particle layer 10 shown as an example of the method for producing a three-dimensional fired product. As shown in Figure 4, the particle size ranges from a few μm to about 2 mm, and it is distributed along the vicinity of the area surrounded by the dashed line. The method for producing the specimen to measure the uniaxial compressive strength is as follows.

大沢石の粉砕物を円形状に撒き出して粒子層を形成し、外周縁から中心に向けて、渦巻き状にレーザー光Lを照射する。この作業を複数層にわたって繰り返し、所定の高さを有する供試体を製作する。供試体は、図9(b)で示すように、層厚(積層ピッチh)、掃引速度(走査速度v)、レーザー出力P等を適宜変化させて、7種類作成し、それぞれ供試体密度と一軸圧縮強度を算定した。なお、レーザー光Lの掃引速度は、円形状に撒き出した粒子層に対して外周縁から中心に進むにつれて上昇させるよう調整し、粒子層の温度上昇が外縁部と中心部で一様になるようにした。 Crushed Osawa stone is spread out in a circular shape to form a particle layer, and laser light L is irradiated in a spiral pattern from the outer edge towards the centre. This process is repeated for multiple layers to produce a test specimen of a specified height. As shown in Figure 9 (b), seven types of test specimens were created by appropriately changing the layer thickness (layer pitch h), sweep speed (scanning speed v), laser output P, etc., and the test specimen density and uniaxial compressive strength were calculated for each. The sweep speed of the laser light L was adjusted so that it increased as it moved from the outer edge to the centre of the circularly spread particle layer, so that the temperature rise of the particle layer was uniform at the outer edge and centre.

図9(b)について、各供試体の圧縮強度を見ると、例えば、供試体番号4では、圧縮強度が、JIS普通れんが2種(15N/mm2)と同程度の14.9N/mm2まで発現している様子がわかる。また、図9(a)を見ると、供試体密度と圧縮強度との間に相関が認められ、供試体の密度を高めることにより圧縮強度が高まる様子がわかる。 Looking at the compressive strength of each specimen in Figure 9(b), for example, it can be seen that specimen number 4 exhibited a compressive strength of 14.9 N/ mm2 , which is similar to that of JIS ordinary brick type 2 (15 N/ mm2 ). Also, looking at Figure 9(a), a correlation was observed between specimen density and compressive strength, and it can be seen that compressive strength increases by increasing the density of the specimen.

これにより、図8で示すような3次元焼成物50を製作するにあたり、粒子層10を形成する際の砂の撒き出し方法やレーザー光Lの照射条件(例えば、レーザー出力P、掃引速度(走査速度)v等)等を適宜調整し、凝固体111、121間の隙間をより小さくして密度を高めれば、圧縮強度はさらに向上するものと想定できる。 As a result, when producing a three-dimensional fired product 50 as shown in Figure 8, it is expected that the compressive strength can be further improved by appropriately adjusting the method of scattering sand when forming the particle layer 10 and the irradiation conditions of the laser light L (e.g., laser output P, sweep speed (scanning speed) v, etc.) to reduce the gap between the solidified bodies 111, 121 and increase the density.

本発明の土質材料を用いた3次元焼成物の製作方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。 The method for producing three-dimensional fired products using the soil material of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.

例えば、本実施の形態では素材として、石英を多く含む砂を採用したが、これに限定するものではない。土質材料であれば、砂、礫、礫混じりの砂、砂混じりの礫等いずれでもよく、また、含まれる鉱物も何ら限定されるものではない。また、レーザー光Lの照射経路20を設定する際のズレ量Aも、採用する砂の融点及び沸点等を考慮し適宜設定すればよい。 For example, in this embodiment, sand containing a large amount of quartz is used as the material, but this is not limited to this. Any soil material such as sand, gravel, sand mixed with gravel, or gravel mixed with sand may be used, and the minerals contained are not limited in any way. The deviation amount A when setting the irradiation path 20 of the laser light L may also be set appropriately taking into consideration the melting point and boiling point of the sand used.

さらに、本実施の形態では、照射経路20を設定するに際し、照射ラインPがX方向へ直線状に延在する場合を事例に挙げたが、これに限定されるものではなく、円弧状もしくはらせん状等いずれに設定してもよい。 Furthermore, in this embodiment, when setting the irradiation path 20, the case where the irradiation line P extends linearly in the X direction is given as an example, but this is not limited to this, and it may be set to any shape such as an arc or a spiral.

10 粒子層
11 1層目の粒子層
111 凝固体
12 2層目の粒子層
121 凝固体
20 照射経路
30 粉末層
31 1層目の粉末層
32 2層目の粉末層
41 レーザー発生装置
42 スキャナー
50 3次元焼成物
S ステージ
L レーザー光
P 照射ライン
C チャンバー
E 照射予定領域(3次元焼成物となる領域)
10 Particle layer 11 First particle layer 111 Coagulated body 12 Second particle layer 121 Coagulated body 20 Irradiation path 30 Powder layer 31 First powder layer 32 Second powder layer 41 Laser generator 42 Scanner 50 Three-dimensional sintered product S Stage L Laser light P Irradiation line C Chamber E Planned irradiation area (area to become three-dimensional sintered product)

Claims (2)

土質材料を撒き出して粒子層を形成したのち、照射経路に沿って前記粒子層の表面にレーザー光を照射し、前記粒子層を溶融凝固する溶融凝固工程を、前記粒子層を積層しつつ繰り返す3次元焼成物の製作方法において、
前記照射経路は、前記レーザー光の進行方向を示す照射ラインを備え、先行の前記照射ラインに対して、後行の前記照射ラインを幅方向にずらしながら略平行に重ね、前記粒子層における3次元焼成物となる領域が、前記レーザー光により複数回照射されるように設定され、
前記レーザー光を、先行の前記照射ラインに沿って照射させたのち、後行の前記照射ラインに沿って照射させるまでの間には、前記粒子層の表面から深度方向への伝熱期間が設けられるものであって、
前記土質材料は、石英の占める割合が最も大きい砂であり、
前記照射ラインを幅方向にずらすズレ量は、
粒子層に対する1回の照射により付与可能なエネルギー密度を、下記式に基づいて算定するとともに、算定したエネルギー密度を石英の材料比熱及び材料密度で除して、照射1回あたりの上昇温度を取得し、
取得した上昇温度と前記粒子層の融点及び沸点とに基づいて、融点を超えるものの揮発が生じる温度に到達しない繰り返し照射回数を決定したのち、
決定した繰り返し照射回数で、前記レーザー光の走査ピッチを除することにより算出することを特徴とする3次元焼成物の製作方法。
Ed=P/(w×h×v)
Ed:エネルギー密度(J/mm
P :レーザー出力(W)
w :走査ピッチ(照射径:mm)
h :積層ピッチ(mm)
v :走査速度(mm/sec)
A method for producing a three-dimensional fired product, comprising the steps of: spreading out an earthen material to form a particle layer; irradiating a surface of the particle layer with a laser beam along an irradiation path; and repeating a melting and solidifying process for melting and solidifying the particle layer while stacking the particle layers;
The irradiation path includes an irradiation line indicating the traveling direction of the laser light, and the subsequent irradiation line is overlapped with the preceding irradiation line while being shifted in the width direction, so that the region in the particle layer that becomes the three-dimensional fired product is irradiated multiple times with the laser light.
A heat transfer period from the surface of the particle layer to a depth direction is provided between the time when the laser light is irradiated along the preceding irradiation line and the time when the laser light is irradiated along the following irradiation line ,
The soil material is sand with a highest proportion of quartz;
The amount of shift of the irradiation line in the width direction is
The energy density that can be applied to the particle layer by one irradiation is calculated based on the following formula, and the calculated energy density is divided by the material specific heat and material density of quartz to obtain the temperature rise per irradiation.
Based on the obtained temperature rise and the melting point and boiling point of the particle layer, a number of repeated irradiation times is determined that exceeds the melting point but does not reach a temperature at which volatilization occurs, and
A method for producing a three-dimensional fired product, characterized in that the scanning pitch of the laser light is divided by the determined number of repeated irradiations to calculate the scanning pitch .
Ed = P / (w x h x v)
Ed: Energy density (J/mm 3 )
P: Laser output (W)
w: Scanning pitch (irradiation diameter: mm)
h: Layer pitch (mm)
v: Scanning speed (mm/sec)
請求項1に記載の3次元焼成物の製作方法であって、
前記3次元焼成物となる領域を前記レーザー光で照射する回数を、
前記レーザー光を前記照射ラインに沿って、1回照射したことによる前記粒子層の上昇温度に基づいて、決定することを特徴とする3次元焼成物の製作方法。
A method for producing a three-dimensional fired product according to claim 1,
The number of times that the area to be the three-dimensional fired product is irradiated with the laser light is
A method for producing a three-dimensional fired product, characterized in that the temperature is determined based on the increase in temperature of the particle layer caused by irradiating the laser light once along the irradiation line.
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