CN106061717B

CN106061717B - 三维形状造型物的制造方法

Info

Publication number: CN106061717B
Application number: CN201580011285.1A
Authority: CN
Inventors: 阿部谕; 武南正孝; 松本武
Original assignee: 松下知识产权经营株式会社
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2015-03-04
Publication date: 2018-08-03
Also published as: EP3115182A4; US9776243B2; KR20180019780A; WO2015133138A1; US20170066052A1; JPWO2015133138A1; KR102020779B1; CN106061717A; EP3115182A1; JP6443698B2; KR20160123386A

Abstract

提供一种能够减少起因于光束的扫描方式的三维形状造型物的翘曲变形的粉末烧结层叠法。本发明的制造方法反复进行粉末层形成及通过光束照射的固化层形成，将光束的扫描分为用来对三维形状造型物的相当于轮廓部的部分进行光束照射的光束扫描A、和用来对作为比该轮廓部靠内侧的三维形状造型物的相当于内部区域部的部分进行光束照射的光束扫描B。特别在光束扫描A中，以光束的照射路径被向多个子照射路径分割的方式，对上述相当于轮廓部的部分施加非连续的光束照射。

Description

三维形状造型物的制造方法

技术领域

[0001]本公开涉及三维形状造型物的制造方法。更详细地讲，本公开涉及通过向粉末层照射光束形成固化层的三维形状造型物的制造方法。

背景技术

[0002]以往以来，已知有通过将光束向粉末材料照射来制造三维形状造型物的方法(通常称作“粉末烧结层叠法”）。这样的方法基于以下的工序（i)及(ii)交替地反复实施粉末层形成和固体层形成来制造三维形状造型物(参照专利文献1或专利文献2)。

[0003] (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。

[0004] (ii)在得到的固化层之上形成新的粉末层、同样照射光束而形成进一步的固化层的工序。

[0005]按照这样的制造技术，能够在短时间中制造复杂的三维形状造型物。在使用无机质的金属粉末作为粉末材料的情况下，能够将得到的三维形状造型物作为模具使用。另一方面，在使用有机质的树脂粉末作为粉末材料的情况下，能够将得到的三维形状造型物作为各种模型使用。

[0006] 以使用金属粉末作为粉末材料、将由其得到的三维形状造型物作为模具使用的情况为例。如图5所示，首先，将刮刀23移动，在造型板21上形成规定厚度的粉末层22渗照图5 (a))。接着，向粉末层的规定部位照射光束L，从粉末层形成固化层24 (参照图5 (b))。再接着，在得到的固化层之上形成新的粉末层，再次照射光束而形成新的固化层。如果这样交替地反复实施粉末层形成和固化层形成，则固化层24层叠（参照图5(c))，最终能够得到由层叠的固化层构成的三维形状造型物。作为最下层形成的固化层24由于为与造型板21结合的状态，所以三维形状造型物和造型板形成一体化物。三维形状造型物和造型板的一体化物能够作为模具使用。

[0007] 现有技术文献

[0008] 专利文献

[0009] 专利文献1:特表平1 一 502890号公报 [0010] 专利文献2:特开2000—73108号公报

发明内容

[0011] 发明所要解决的课题

[0012] 在上述那样的粉末烧结层叠法中，本申请的发明人发现了根据光束的扫描方式的情况而可能在三维形状造型物中发生翘曲变形。具体而言，发现了如果分为形成三维形状造型物的外表面部即形成三维形状造型物的外周轮廓而成的“轮廓部”、和比其靠内侧的 “内部区域部”而进行光束的扫描，则可能在最终得到的三维形状造型物中发生翘曲变形。不受特定的理论约束，但该“翘曲变形”可以被考虑为主要原因在于对于上述轮廓部的光束扫描。

[0013] 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三维形状造型物的翘曲变形的粉末烧结层叠法。

[0014] 用于解决课题的手段

[0015]为了解决上述课题，在本发明的一技术方案中，提供一种三维形状造型物的制造方法，通过

[0016] (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，及

[0017] (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

[0018] 交替地反复进行粉末层形成及固化层形成，

[0019] 其特征在于，

[0020] 将上述光束的扫描分为用来对上述三维形状造型物的相当于轮廓部的部分进行光束照射的光束扫描A、和用来对作为比该轮廓部靠内侧的该三维形状造型物的相当于内部区域部的部分进行光束照射的光束扫描B;

[0021] 在上述光束扫描A中，以上述光束的照射路径被向多个子照射路径分割（划分、日语:分断卞石）的方式将上述相当于轮廓部的部分施加非连续的光束照射。

[0022] 发明的效果

[0023]如果按照有关本发明的一技术方案的制造方法将光束扫描A的照射路径向多个子照射路径分割，则能够减少三维形状造型物的翘曲变形。即，通过将“三维形状造型物的相当于轮廓部的部分”施加非连续的光束照射，能减少三维形状造型物的翘曲变形。

附图说明

[0024]图1是示意地表示有关本发明的一方式的概念的图。

[0025]图2是示意地表示本发明一优选的方式(在相互相邻的子照射路径之间隔开间隙的方式)的图。

[0026]图3是示意地表示本发明一优选的方式(在三维形状造型物的相当于角落的部位将照射路径分割的方式)的图。

[0027]图4是示意地表示本发明一优选的方式(将光束离散地扫描的方式)的图。

[0028]图5是示意地表示在粉末烧结层叠法中附加地进行切削处理的光造型复合加工的过程状况的剖视图。

[0029]图6是示意地表示光造型复合加工机的结构的立体图。

[0030]图7是表示光造型复合加工机的通常的动作的流程图。

[0031]图8是用来说明本申请发明人发现的现象的示意图。

具体实施方式

[0032]以下，参照附图更详细地说明有关本发明的一方式的制造方法。图中的各种要素的形态及尺寸不过是例示，并不反映实际的形态及尺寸。

[0033]在本说明书中，所谓“粉末层”，是指例如“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，通过对存在于该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是指“烧结层”，在粉末层是树脂粉末层的情况下是指“硬化层”。

[0034] [粉末烧结层叠法]

[0035] 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。在粉末烧结层叠法中，作为例子可以举出附加性地进行三维形状造型物的切削处理的光造型复合加工。图5示意地表示光造型复合加工的过程状况，图6及图7分别表示能够实施粉末烧结层叠法和切削处理的光造型复合加工机的主要的结构及动作的流程图。

[0036] 光造型复合加工机1如图5及图6所示，具备粉末层形成单元2、光束照射单元3及切削单元4。

[0037]粉末层形成单元2是用来通过将金属粉末或树脂粉末等的粉末以规定厚度铺上而形成粉末层的单元。光束照射单元3是用来向粉末层的规定部位照射光束L的单元。切削单元4是用来将层叠的固化层的侧面、即三维形状造型物的表面切削的单元。

[0038]粉末层形成单元2如图5所示，主要具有粉末工作台25、刮刀23、造型工作台20及造型板21。粉末工作台25是能够在外周被壁26包围的粉末材料箱28内上下升降的工作台。刮刀23能够在水平方向上移动、以将粉末工作台25上的粉末19向造型工作台20上供给而得到粉末层22。造型工作台2〇是能够在外周被壁27包围的造型箱29内上下升降的工作台。并且，造型板21被配设在造型工作台2〇上，是作为三维形状造型物的基座的板。

[0039]光束照射单元3如图6所示，主要具有光束振荡器30及检流计反射镜 (galvanometer mirror) 31。光束振荡器30是发出光束L的设备。检流计反射镜31是将发出的光束L向粉末层扫描的单元，即光束L的扫描单元。

[0040]切削单元4如图6所示，主要具有铣刀头40及驱动机构41。铣刀头40是用来将层叠的固化层的侧面即三维形状造型物的表面切削的切削工具。驱动机构41是使铣刀头40向希望的要切削部位移动的单元。

[0041]对光造型复合加工机1的动作详细说明。光造型复合加工机的动作如图7的流程图所示，由粉末层形成步骤(S1)、固化层形成步骤(S2)及切削步骤(S3)构成。粉末层形成步骤 (S1)是用来形成粉末层22的步骤。在该粉末层形成步骤(si)中，首先将造型工作台20降低 A t (Sll)得造型板21的上表面与造型箱20的上端面的水平差成为a t。接着，在将粉末工作台25升高A t后，如图5 (a)所示，使刮刀23从粉末材料箱28朝向造型箱29在水平方向上移动。由此，能够使配设在粉末工作台25上的粉末19向造型板21上移送(S12)，进行粉末层 22的形成(S13)。作为用来形成粉末层的粉末材料，可以举出例如“平均粒径5wn〜1 〇〇Jam左右的金属粉末”及“平均粒径30wn〜lOOum左右的尼龙、聚丙烯或ABS等的树脂粉末”。在形成粉末层后，向固化层形成步骤(S2)转移。固化层形成步骤(S2)是通过光束照射形成固化层 24的步骤。在该固化层形成步骤(S2)中，从光束振荡器3〇发出光束匕^以），通过检流计反射镜W向粉末层22上的规定部位扫描光束L (S22)。由此，使粉末层的规定部位的粉末烧结或熔融固化，如图5(b)所不那样形成固化层24 (S23)。作为光束L，可以使用碳酸气体激光、Nd: YAG激光、纤维激光或紫外线等。

[0042]粉末层形成步骤(S1)及固化层形成步骤(S2)交替地反复实施。由此，如图5 (c)所示，多个固化层24层叠。

[0043]如果层叠的固化层24达到规定厚度(S24)，则向切削步骤(S3)转移。切削步骤(S3) 是用来将层叠的固化层24的侧面、S卩三维形状造型物的表面切削的步骤。通过驱动统刀头 40 (参照图5 (c)及图6)而开始切削步骤(S31)。例如，在铣刀头40具有3mm的有效刃长度的情况下，由于能够沿着三维形状造型物的高度方向进行3mm的切削处理，所以如果A t是 0.〇5mm，则能够在㈤层的固化层24层叠的时点驱动铣刀头40。具体而言，一边由驱动机构4i 使铣刀头40移动，一边对层叠的固化层24的侧面实施切削处理(S32)。如果这样的切削步骤 (S3)结束，则进行是否得到了希望的三维形状造型物的判断(S33)。在依然没有得到希望的三维形状造型物的情况下，向粉末层形成步骤(S1)返回。以后，通过反复实施粉末层形成步骤(S1)〜切削步骤(S3)，进一步实施固化层的层叠及切削处理，从而最终能够得到希望的三维形状造型物。

[0044][本发明的制造方法]

[0045]有关本发明的一方式的制造方法因为上述粉末烧结层叠法，在光束的扫描方式上具有特征。

[0046]具体而言，首先将光束的扫描分为“对三维形状造型物的相当于轮廓部的部分60 进行光束照射的光束扫描A (65)”和“对作为比轮廓部靠内侧的三维形状造型物的相当于内部区域部的部分70进行光束照射的光束扫描B (明)”。并且，在光束扫描A (65)中，以光束L的照射路径被向多个子照射路径分割(划分、日语:分断tS)的方式进行非连续的光束照射 (参照图1)。

[0047] S卩，在有关本发明的一方式的制造方法中，不是连续、而是断续地进行作为三维形状造型物的轮廓部的粉末层部分的光束扫描。通过这样的扫描，能够减少三维形状造型物的翘曲变形。虽然不受特定的理论约束，但如果在作为轮廓部的粉末层部分连续地进行光束的扫描，则收缩应力沿着轮廓部发生，推测如果该收缩应力的残留（即残留应力)变大则会在三维形状造型物上发生翘曲变形(参照图8)。所以，如果如有关本发明的一方式的制造方法那样非连续地扫描，则通过收缩应力的分割，能够降低残留应力，结果能够减小三维形状造型物的翘曲变形。

[0048] 从一般性的观点讲，关于三维形状造型物的“翘曲变形”，难以预测会发生怎样程度的“翘曲”，在预先设想这种难以预测的现象的基础上来设计三维形状造型物是较困难的。关于这一点，有关本发明的一方式的制造方法能够将这样设想难以预测的现象的设计本身通过“比较简单的光束的扫描技术方案”来省去。

[0049] 这里对以往的本领域技术人员的认识进行说明。以往，由于三维形状造型物的轮廓部是作为“三维形状造型物的外表面部”最终露出的部分，所以有需要彻底地精加工这样的先入之见。即，以往本领域技术人员有三维形状造型物的相当于轮廓部的部分当然需将光束扫描连续地扫描的认识。关于这一点，本申请发明人进行了专门研宄，结果发现，即使针对该“相当于轮廓部的部分”将光束断续地扫描，也实质上不损害三维形状造型物的外表面部，而且能减少三维形状造型物的翘曲变形。

[0050] 这里，在本说明书中，“轮廓部”是指形成三维形状造型物的外表面部的外周轮廓的部分。换言之，所谓“相当于轮廓部的部分”，在由粉末层规定的“被制造的三维形状造型物的区域”中相当于其周缘部分。“轮廓部”也可以采取在“周缘部分”具有宽度尺寸的形态，例如从三维形状造型物的取外表面到约0.01mm〜约1mm内侧(水平方向内侧）的局部性的区域相当于三维形状造型物的“轮廓部”。另一方面，在本说明书中，所谓“内部区域部”是指在三维形状造型物中比轮廓部靠内侧的实心部分。换言之，“相当于内部区域部的部分，，在由粉末层规定的“被制造的三维形状造型物的区域”中相当于除了上述“周缘部分”以外的部分。

[0051]有关本发明的一方式的制造方法，首先作为前提，将光束扫描分为“针对相当于轮廓部的部分的光束扫描A”和“针对相当于内部区域部的部分的光束扫描B”。并且，在光束扫描A中以将光束的照射路径向多个子照射路径分割的方式，对“相当于轮廓部的部分”付诸非连续的光束照射。这里所述的“非连续的光束照射”，是指将“相当于轮廓部的部分”的光束照射不是在途中不中断地以连续的方式进行，而是以在途中夹着休止的断续的方式进行。在“休止”中需要的时间优选的是将作为子照射路径而最近被付诸光束照射的部分被充分冷却所需要的时间。如果例示，则用于这样的“非连续的光束照射”的光束的休止时间优选的是约1P秒〜约1秒，更优选的是约50u秒〜约lOOu秒。

[0052]在有关本发明的一方式的制造方法中，“多个子照射路径”的各自优选的是具有约 1mm〜约10mm的长度，更优选的是具有约3mm〜约5mm的长度。即，优选的是以子照射路径具有这样的长度的方式进行非连续的光束照射。由此，更适当地发挥将起因于收缩应力的分割的残留应力降低的效果，能够有效地减少三维形状造型物的翘曲变形。这里所述的“多个子照射路径的各自的长度”是指沿着子照射路径的长度方向的长度尺寸D (参照图1)。

[0053] 在有关本发明的一方式的制造方法中，多个子照射路径可以作为沿着三维形状造型物的“相当于轮廓部的部分”的1个环状照射路径被分割来把握。即，“多个子照射路径”如果作为整体而大体上把握，则具有沿着三维形状造型物的轮廓部的环状的形态。另一方面，三维形状造型物的“相当于内部区域部的部分”可以具有多个直线状照射路径并列的形态。即，作为针对三维形状造型物的“相当于内部区域部的部分”进行的光束扫描B，也可以是直线地且并列地将光束进行扫描。即，作为该光束扫描B，也可以进行所谓的光栅扫描。

[0054] 在有关本发明的一方式的制造方法中，在光束扫描A中，也可以是以在相互相邻的子照射路径之间隔开间隙的方式将光束进行扫描。即，在针对“相当于轮廓部的部分”实施的非连续的光束照射中，优选的是使得“最近被施加光束照射的子照射路径的终点”与“接着被施加光束照射的子照射路径的始点”相互不一致。对于这一点，例示更具体的方式。优选的是，当作为光束扫描A (65)而将光束L在“相当于轮廓部的部分”中向相同方向或以描绘圆周的方式扫描时，如图1所示那样在光束照射部中设置“间断(65a) ”。“间断(65a) ”的尺寸 G优选的是约0.01mm〜约〇 • 5mm，更优选的是约0 • 05mm〜约0. lmm (参照图2)。通过这样的“间断(65a) ”的存在，进一步促进了收缩应力的分割效果，能有效地减少三维形状造型物的翘曲变形。

[0055] 此外，在有关本发明的一方式的制造方法中，优选的是，当关于光束扫描A将光束的照射路径向多个子照射路径分割时，至少在“三维形状造型物的相当于角落的部位”将照射路径分割。换言之，优选的是以将多个子照射路径的至少1个终点定位在三维形状造型物的相当于角落的部位的方式进行非连续的光束照射。在这样的方式中，如图3所示，用于光束扫描A (65)的照射路径以“三维形状造型物1〇〇的相当于角落67’的部位67”为边界被向2 个子照射路径分割。

[0056] —般而言，在“三维形状造型物的相当于角落的部位”的照射时需要降低光束的扫描速度，所以在该相当于角落的部位有被过剩供给光束的能量的趋向。即，在这样的相当于角落的部位，有可能过剩量的粉末贡献于固化从而固化层隆起。对于这一点，按照这样的本发明的一方式，如果以“三维形状造型物的相当于角落的部位”为边界将照射路径分割，则能够减少该部位处的光束的能量储存，“固化层的隆起”被抑制。

[0057]这里，本说明书中所述的“三维形状造型物的角落”，如在图3(b)中用标号67’表示的部位那样，通常是指三维形状造型物的轮廓部中的“形成角部的部位”。换言之，“三维形状造型物的相当于角落的部位”是指由粉末层规定的“被制造的三维形状造型物的区域”的周缘部分中的需要改变光束的扫描方向的部位。

[0058]此外，关于光束扫描A (65)，也可以将光束L离散地扫描，以使相互相邻的子照射路径不会被持续光束照射(参照图4)。换言之，也可以将针对三维形状造型物的相当于轮廓部的部分的光束扫描A在各种各样的方向上随机地进行。如果这样扫描，则在被施加光束照射的子照射路径部分被充分冷却之后，与其相邻的子照射路径部分被施加光束照射，所以进一步促进了收缩应力的分割效果，能有效地减少三维形状造型物的翘曲变形。

[0059]以上，对本发明的实施方式进行了说明，但只不过是表示本发明的应用范围中的典型示例。因而，本发明并不限定于上述实施方式，本领域技术人员可容易地理解能够进行各种各样的变更。例如，本发明的制造方法不仅对于附加地进行切削处理的粉末烧结层叠法(参照图5及图6)，对于不进行切削处理的粉末烧结层叠法也同样能够实施。

[0060] 另外，上述那样的本发明包含以下的优选的方式。

[0061] 第1方式:一种三维形状造型物的制造方法，通过

[0062] (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，及

[0063] (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

[0064]交替地反复进行粉末层形成及固化层形成，

[0065] 其特征在于，

[0066]将上述光束的扫描分为用来对上述三维形状造型物的相当于轮廓部的部分进行光束照射的光束扫描A、和用来对作为比该轮廓部靠内侧的该三维形状造型物的相当于内部区域部的部分进行光束照射的光束扫描B;

[0067]在上述光束扫描A中，以上述光束的照射路径被向多个子照射路径分割的方式对上述相当于轮廓部的部分施加非连续的光束照射。

[0068]第2方式:在上述第1方式中，其特征在于，在上述光束扫描A中，以在相互相邻的上述子照射路径之间隔开间隙的方式将上述光束进行扫描。

[0069]第3方式:在上述第1方式或第2方式中，其特征在于，在上述光束扫描A中，以至少在上述三维形状造型物的相当于角落的部位将上述照射路径分割的方式将上述光束进行扫描。

[0070] 第4方式:在上述第1方式〜第3方式的任一方式中，其特征在于，在上述光束扫描A 中，将上述光束离散地扫描，以使相互相邻的上述子照射路径不持续地被光束照射。

[0071] 第5方式:在上述第1方式〜第4方式的任一方式中，其特征在于，使上述多个子照射路径的各自的长度为1mm〜lOmra。

[0072] 产业上的可利用性

[0073]通过实施有关本发明的一方式的三维形状造型物的制造方法，能够制造各种各样的物品。例如，在“粉末层是无机质的金属粉末层、固化层为烧结层的情况下”，能够将得到的三维形状造型物用作注塑成型用模具、冲压模具、压铸模具、铸造模具、锻造模具等的模具。另一方面，在“粉末层是有机质的树脂粉末层、固化层为硬化层的情况下”，能够将得到的三维形状造型物用作树脂成形品。

[0074] 相关申请的相互参照

[0075] 本申请基于日本专利申请第2014 — 43107号（申请日：2014年3月5日，发明的名称： “三维形状造型物的制造方法”），根据巴黎公约主张其优先权。该申请中所公开的内容全部通过引用而包含在本说明书中。

[0076]符号的说明 [0077] 22粉末层

[0078] 24固化层

[0079] L 光束

[0080] 60三维形状造型物的相当于轮廓部的部分 [0081] 65光束扫描A

[0082] 66光束扫描B

[0083] 67三维形状造型物的相当于角落的部位

[0084] 70三维形状造型物的相当于内部区域部的部分

Claims

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，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，交替地反复进行粉末层形成及固化层形成，其特征在于，将上述光束的扫描分为用来对上述三维形状造型物的相当于轮廓部的部分进行光束照射的光束扫描A、和用来对作为比该轮廓部靠内侧的该三维形状造型物的相当于内部区域部的部分进行光束照射的光束扫描B; 在上述光束扫描A中，以上述光束的照射路径被向多个子照射路径分割的方式对上述相当于轮廓部的部分施加非连续的光束照射，用于上述非连续的光束照射的上述多个子照射路径沿着上述轮廓部，在上述光束扫描A中，以至少在上述三维形状造型物的相当于角的部位将上述照射路径分割的方式将上述光束进行扫描，当作为上述光束扫描A而将上述光束在上述相当于轮廓部的部分中向同一方向以描绘周缘的方式扫描时，设置间断。

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，在上述光束扫描A中，以在相互相邻的上述子照射路径之间隔开间隙的方式将上述光束进行扫描。

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，在上述光束扫描A中，将上述光束离散地进行扫描，以使相互相邻的上述子照射路径不被连续地进行光束照射。

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，使上述多个子照射路径的各个子照射路径的长度为lmm〜lOmra。