CN110340355B - 三维造型物的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种三维造型物的制造方法，其具备载置工序、造型工序以及上表面加工工序。载置工序是将形成有第一层材料粉体层的基板以及固定有基板的安装板载置于造型区域内的步骤，其中，基板是在不发生基板的位置偏移的范围内于基板的中心附近位置固定于安装板；造型工序是散布材料粉体形成材料粉体层后对材料粉体层照射光束形成烧结层，重复该操作以层叠烧结层，形成烧结体的步骤；上表面加工工序是将烧结体的上表面加工平坦形成加工面的步骤。该方法能够防止三维造型物破损和形状精度降低。

Description

三维造型物的制造方法
技术领域
本发明涉及三维造型物的制造方法。
背景技术
粉末床熔融结合法(powder bed fusion)中，在充满非活性气体的密闭腔室内，在载置于可沿上下方向移动的造型台的基板上层叠由金属构成的非常薄的烧结层。例如在作为粉末床熔融结合法的一种的选择性激光烧结法(selective laser sintering)中，平坦散布金属材料粉体形成材料粉体层，在材料粉体层的规定部位照射激光，加热照射位置的材料粉体使其熔融，其后冷却、固化，如此反复烧结，层叠多层烧结层，从而形成所期望的三维形状的造型物。应予说明，也可以使用电子束来代替激光。以下，将具有可将材料粉体烧结的能量的光简单称为光束，至少包含激光和电子束。
但是，已知经光束照射而加热熔融的材料粉体冷却固化时，烧结层会经时逐渐收缩。例如专利文献1所记载：其结果，烧结后上层的烧结层立即收缩，基板和固着于基板且已完成收缩的下层烧结层的端缘侧被向上方牵拉而变形。
【现有技术文献】
【专利文献】
专利文献1：日本专利第5535121号公报
发明内容
本发明是鉴于上述情况进行的，其目的是防止在通过照射光束对材料粉体进行烧结的过程中或烧结后，基板发生变形而导致形成对象的三维造型物破损或者形状精度降低。
根据本发明，提供一种三维造型物的制造方法，具备：载置工序：将形成有第一层材料粉体层的基板和在不发生基板的位置偏移的范围内于基板中心附近位置固定有基板的安装板载置于造型区域内；造型工序：散布材料粉体形成材料粉体层后对材料粉体层照射光束形成烧结层，重复该操作以层叠烧结层，形成烧结体；以及上表面加工工序：将烧结体的上表面加工平坦，形成加工面。
本发明中，由于形成烧结层时允许基板变形，所以在烧结体和基板的变形结束后，烧结体与基板的残余应力处于均衡状态，因而不会产生进一步变形。而且，在烧结体和基板的变形结束后，即使将烧结体的上表面加工至平坦，其后烧结体与基板的残余应力均衡的状态也可维持而不会发生变形，其结果能够防止三维造型物破损和形状精度降低。
附图说明
图1是本发明实施方式所涉及的层叠造型装置(lamination molding apparatus)的构成示意图。
图2是本发明实施方式所涉及的粉体层形成装置和激光照射部的立体图。
图3是本发明实施方式所涉及的重涂机头(recoater)的立体图。
图4是从其他角度观察本发明实施方式所涉及的重涂机头的立体图。
图5是表示安装板和基板的立体图。
图6是表示安装板和基板的平面图。
图7是图6中D－D截面的截面图。
图8是表示基板与安装板的固定处的位置关系的图。
图9是使用本发明实施方式所涉及的层叠造型装置的层叠造型方法的说明图。
图10是使用本发明实施方式所涉及的层叠造型装置的层叠造型方法的说明图。
图11是使用本发明实施方式所涉及的层叠造型装置的层叠造型方法的说明图。
图12是表示在基板上形成有烧结体的状态的说明图。
图13是表示进行本发明实施方式所涉及的上表面加工工序前的状态的说明图。
图14是表示进行本发明实施方式所涉及的上表面加工工序后的状态的说明图。
图15是表示本发明实施方式所涉及的第2背面加工工序中在基板上表面固定支柱后的状态的说明图。
图16是表示本发明实施方式所涉及的第2背面加工工序中支柱形成水平面后的状态的说明图。
图17是表示本发明实施方式所涉及的第2背面加工工序中使支柱水平面朝下地将烧结体和基板载置于加工台后的状态的说明图。
图18是表示进行本发明实施方式所涉及的第2背面加工工序后的状态的说明图。
图19是表示本发明实施方式中制造的三维造型物的图。
具体实施方式
以下使用附图对本发明实施方式进行说明。以下所示实施方式中示出的各种特征事项可相互组合。应予说明，各附图中，示意性表示各构成部件，特别是为使本发明易于理解，图中对变形后的基板和烧结体的形状进行了夸大表示。将基板33中层叠多个烧结层而形成烧结体81的面作为上表面。将与基板33的上表面相反一侧的面作为基板33的背面39。将烧结体81中最后形成的烧结层的表面作为烧结体81的上表面82。
(层叠造型装置)
如图1所示，本发明实施方式所涉及的层叠造型装置具备：腔室1、激光照射部13以及切削装置50。
由非活性气体供给装置15向覆盖所需造型区域R的腔室1供给清洁的非活性气体。另外，含有形成烧结层时产生的烟尘的非活性气体被从腔室1排出。这样，腔室1内充满规定浓度的非活性气体，可防止材料粉体层8和烧结层的变质。优选对从腔室1排出的非活性气体除去烟尘之后进行再利用。从腔室1排出的非活性气体通过风管箱21输送至烟尘收集器19。输送到烟尘收集器19的非活性气体被除去烟尘后再通过风管箱23返送至腔室1内。应予说明，非活性气体是实质上不与材料粉体发生反应气体，例如氮气、氩气、氦气。
粉体层形成装置3设置在腔室1内部。粉体层形成装置3具有基台4和重涂机头11。基台4具有形成三维造型物的造型区域R。造型区域R形成在造型台5上。造型台5被造型台驱动机构31可沿上下方向(图1的箭头A方向)移动。造型时，在造型台5上配置安装板7和基板33，在基板33上形成材料粉体层8。另外，规定的照射区域存在于造型区域R内，与以所期望的烧结体81(图1中未示出)的轮廓形状围成的区域大致一致。造型台5的周围设有粉体保持壁26。未烧结的材料粉体被保持在由粉体保持壁26和造型台5围成的粉体保持空间中。
如图2～4所示，重涂机头11具有材料收容部11a、材料供给部11b以及材料排出部11c。材料收容部11a用于收容材料粉体。应予说明，材料粉体例如为金属粉，例如是平均粒径20μm(微米)的球形。材料供给部11b设置在材料收容部11a的上表面，成为从未图示的材料供给装置供给到材料收容部11a的材料粉体的接受口。材料排出部11c设置在材料收容部11a的底面，用于将材料收容部11a内的材料粉体排出。应予说明，材料排出部11c是在与重涂机头11的移动方向(箭头B方向)正交的水平1轴方向(箭头C方向)上延伸的狭缝形状。另外，在重涂机头11的一个侧面设有刮刀11fb，另一侧面设有刮刀11rb。刮刀11fb、11rb使从材料排出部11c排出的材料粉体平坦化而形成材料粉体层8。
如图1所示，切削装置(cutting device)50具有设置有主轴60的加工头57。加工头57通过未图示的加工头驱动机构在铅锤1轴和水平2轴方向上移动，使主轴60移动到期望位置。主轴60以可安装未图示的端铣刀等切削工具且可旋转的方式构成，能干对烧结材料粉体得到的烧结层的表面或不需要的部分进行切削加工。特别是在本实施方式中，切削装置50可将烧结体81的上表面82(图1中未示出)加工平坦。另外，切削工具优选为多种切削工具，通过未图示的自动工具更换装置，即使在造型中也能更换所使用的切削工具。
应予说明，切削装置也可以是其它形态。例如，切削装置具有保持切刀等切削工具的旋转机构以及设置有旋转机构的加工头。采用这样的切削装置，能够对烧结体81的上表面82进行形削而将上表面82加工平坦。另外，如后文所述，在将烧结体81的上表面82加工平坦时，也可采用磨削加工来代替切削加工。在层叠造型装置内进行磨削加工时，层叠造型装置内可设置具有砂轮(grindstone)和使砂轮旋转的主轴的磨削装置(grinding device)。
腔室1的上表面设有窗1a和烟尘扩散装置17。窗1a由可透过激光L的材料形成。例如激光L为光纤激光或YAG(YttriumAluminiumGarnet，钇铝石榴石)激光时，窗1a可由石英玻璃构成。烟尘扩散装置17设置为覆盖窗1a。烟尘扩散装置17具备圆筒状的壳体17a和配置在壳体17a内的圆筒状的扩散部件17c。在壳体17a与扩散部件17c之间设有非活性气体供给空间17d。另外，在壳体17a的底面于扩散部件17c内侧设有开口部17b。扩散部件17c设有多个细孔17e，供给到非活性气体供给空间17d的清洁的非活性气体通过细孔17e充满在洁净室17f中。然后，充满在洁净室17f中的清洁非活性气体通过开口部17b向烟尘扩散装置17的下方被喷出。
如图1和图2所示，激光照射部13设置在腔室1上方。激光照射部13对形成在造型区域R上的材料粉体层8的规定部位照射激光L使照射位置的材料粉体烧结。具体而言，激光照射部13具有激光源42、聚焦控制单元44以及双轴流电扫描仪(图2中未标示)。流电扫描仪具有一对电流镜43a，43b、使各电流镜43a，43b旋转的一对致动器(图2中未示出)。
激光源42照射激光L。这里，激光L是能使材料粉体烧结的激光，例如可使用CO2(二氧化碳)激光、光纤激光、YAG激光等。聚焦控制单元44用于将使从激光源42输出的激光L聚光并调整为所期望的光斑直径。双轴电流镜43a，43b用于对从激光源42输出的激光L进行二维扫描。未图示的制御装置对致动器输出控制信号，控制电流镜43a，43b的旋转角度，对所期望的位置照射激光L。通过电流镜43a，43b的激光L透过窗1a照射到形成在造型区域R的材料粉体层8。
应予说明，在本实施方式的层叠造型装置中，使用激光L作为烧结材料粉体的光束，但是也可以使用例如电子束。此时，在材料粉体层8的期望位置设置扫描电子束的电子束照射部来代替激光照射部13。
(三维造型物的制造方法)
使用图5～图16对使用上述层叠造型装置的三维造型物的制造方法进行说明。应予说明，图9～图11中，考虑到可视性，省略了图1中示出的层叠造型装置的一部分构成要素。
首先，进行将基板33和安装板7载置于造型区域R内的载置工序。更具体而言，将基板33和安装板7固定在造型台5上。
图5是表示安装板7和基板33的立体图。图6是表示安装板7和基板33的平面图。图7是图6中D－D截面的截面图。为了便于说明，如图5或图6所示定义前后方向、左右方向、上下方向。本实施方式中，安装板7和基板33具备矩形平面，但并不限定于此。另外，安装板7和基板33例如由铁或钢铁等构成等金属构成。安装板7和基板33可以是相同材质也可以是不同材质。
如图5～图7所示，基板33可拆卸地安装于安装板7。在本发明的三维造型物的制造方法中，基本上为防止造型后因残余应力而产生变形，在造型中允许基板33的变形。一般而言，由于拉伸残余应力会导致基板33的端缘上翘变形，所以从调和烧结体81与基板33的残余应力的观点出发，优选在基板33正中间1点将基板33固定于安装板7。但是，变形时产生的强力集中作用于固定部位或者受到切削加工等外力可能会导致基板33的位置偏移，因此需要以不发生位置偏移的方式固定基板33。因此，基板33在基板33不发生位置偏移的范围内尽可能在基板33的中心附近位置且尽可能以1个以上的固定部位固定于安装板7。在本实施方式中，为了防止基板33的位置偏移，使用2根固定螺栓37从下方将基板33固定于安装板7。应予说明，将基板33固定于安装板7的固定手段只要是能在基板33中心附近的固定位置以足够的力将基板33固定于安装板7的固定手段即可，并不限定于固定螺栓37。
图8是表示基板33与安装板7的固定部位的位置关系的平面图。固定部位的位置和个数因基板33、烧结体81的材质、形状、尺寸而有所不同。图8中，烧结体81的材质为马氏体时效钢。基板33的材质为机械结构用碳钢(S50C)，基板33的尺寸为230mm(毫米)×180mm×50mm。将基板33平面图中从重心P到端部Q的长度表示为r1。这里，端部是指平面图中距离重心P最远的基板33上的点。并且将基板33的重心P作为中心，将将包围所有1个以上固定部位的圆表示为CR，将圆CR的半径表示为r2。此时，规定固定部位的位置为r2/r1≦0.70。
固定有基板5的安装板7配置在具有造型区域R的造型台5上。安装板7的四角通过例如4根固定螺栓35固定于造型台5。将安装板7固定于造型台5时，固定部位的位置和个数没有限定。另外，也可以使用固定螺栓35以外的其它手段进行固定，例如可介由夹具固定。
接着，散布材料粉体形成材料粉体层8并对材料粉体层8照射激光L形成烧结层，重复这一过程，进行层叠烧结层形成烧结体81的造型工序。
首先，如图9所示，在造型台5上载置有安装板7和基板33的状态下，将造型台5的高度调整至适当的位置。接着，如图10所示，将材料收容部11a内填充有材料粉体的重涂机头11沿箭头B方向从造型区域R左侧移动至右侧，由此在基板33上形成第一层材料粉体层8a。对第一层材料粉体层8a中的规定部位照射激光L使其烧结，由此在基板33上形成第一层烧结层81a。
接着，如图11所示，将造型台5的高度下降与材料粉体层8的厚度相当的距离，使重涂机头11从造型区域R右侧移动至左侧，由此在第一层烧结层81a上形成第二层材料粉体层8b。然后对第二层材料粉体层8b中的规定部位照射激光L使其烧结，由此在第一层烧结层81a上形成第二层烧结层81b。
通过如此重复材料粉体层8的形成和烧结层的形成，形成所期望的烧结体81。这样依次层叠的烧结层彼此被牢固地固定在一起。应予说明，可以每形成规定数量的烧结层就利用切削装置50对烧结层的端部进行切削加工。
图12是表示在基板33上形成有烧结体81的状态。如图12所示，基板33以端缘向上方翘曲的方式变形。在本实施方式中，于载置工序中，将基板33的重心P附近固定于安装板7。通过在形成烧结体81时照射激光L，材料粉体层8在加热熔融时膨胀，其后在冷却固化形成烧结层时收缩。因此，与烧结层接触的基板33也伴随烧结层的收缩而以端部向上方翘曲的方式变形。
然后进行上表面加工工序，将造型工序中生成的烧结体81的上表面82加工平坦而形成加工面84(如图14所示)。在本实施方式中，烧结体81的上表面82通过切削或磨削而在水平方向被加工平坦。通常在加工余量较大且上表面82的面积较小时切削加工有利，而在加工余量较小且上表面82的面积较大时磨削加工有利。但是，本实施方式的层叠造型装置具备切削装置50，所以可通过利用安装于切削装置50主轴60的旋转切削工具进行切削加工而将烧结体81的上表面82加工平坦。层叠造型装置具备切削装置50等加工装置(processing device)时，可在层叠造型装置内进行上表面加工工序。即优选在上表面加工工序中，在载置于造型区域R的安装板7上固定有形成了烧结体81的基板33的状态下将烧结体81的上表面82加工平坦而形成加工面84。层叠造型装置不具备加工装置时，需要从造型台5卸下安装板7，将层叠有烧结体81的基板33和安装板7移设至切削设备(cuttingapparatus)或磨削设备(grinding apparatus)以进行切削或磨削。本实施方式中，可防止移设时产生的误差且不存在移设操作的负担，因而是有利的。
图13和图14是从右方向观察安装板7和基板33时的侧面图。在图13示出的例子中，烧结体81的上表面82为端缘向上方翘曲的形状。通常，烧结体81上表面82的翘曲程度比基板33的翘曲程度平缓。在实施方式中的上表面加工工序中，造型工序完成后对所得烧结体81的上表面82进行切削加工，形成图14所示的加工面84。在本实施方式中加工面84被平坦加工为水平面，但并不限定于此。上表面加工工序优选在伴随有基板33的翘曲的变形结束后进行。这样，能够在烧结体81与基板33的残余应力均衡的状态下形成加工面84，因此在形成加工面84后基板33不会发生变形，能够防止加工面84的形状精度降低。通过上表面加工工序，能够得到具有平坦加工面84的所期望的三维造型物E。
如图17和图18所示，优选进行背面加工工序，对基板33的背面39进行加工而形成加工面33a。作为背面加工工序的一例的第1背面加工工序中，在上表面加工工序后，以烧结体81的加工面84作为基准面将基板33的背面39加工平坦。首先，在上表面加工工序后将基板33从安装板7卸下。接着，以加工面84成为基准面的方式将三维造型物E载置于切削设备或磨削设备。基板33背面39的面积较大，因此优选磨削加工。在本实施方式中，将三维造型物E载置于具有加工台D、砂轮、以及使砂轮旋转的主轴的磨削设备。上下翻转使烧结体81的加工面84位于下侧，将烧结体81固定于加工台D。由此能够使平坦形成的加工面84成为背面39加工时的基准面。然后将基板33的背面39加工平坦得到加工面33a。此时，在基板33与烧结体81之间残余应力均衡而不发生变形，因此得到形状精度良好的三维造型物E。应予说明，可使用具备切削装置50或者磨削装置的层叠造型装置作为进行背面加工工序的切削设备或磨削设备。
另外，作为背面加工工序的其它例的第2背面加工工序中，在上表面加工工序后将多个支柱38固定于基板33的上表面，分别将多个支柱38的上表面加工平坦，分别形成相同高度的水平面38a，以多个支柱38的水平面38a作为基准面将基板33的背面39加工平坦。图15和图16是从右方向观察安装板7和基板33时的侧面图。首先，如图15所示，在基板33的上表面安装多个支柱38。在基板33上安装支柱38时，例如使用固定螺栓34。使用固定螺栓34固定支柱38时，如图15和图16所示，优选事先在基板33上形成固定螺栓34可螺合的螺孔。此时，固定螺栓34的顶端低于形成的水平面38a。作为其它方式，例如可以在基板33的上表面形成凹部，将支柱38埋入。另外，例如可以在基板33的上表面设置槽，使支柱38成为可卡合于该槽的形状。只要能够在基板33的上表面以足够的力固定支柱38，可采用任意的固定方法。由于需要将水平面38a形成在比烧结体81的加工面84高的位置，因此使安装于基板33的支柱38的高度高于加工面84。应予说明，在本实施方式中支柱38具有棱柱状的形状，但只要能形成水平面38a，也可以是其它形状。本实施方式中4根支柱38立设于基板33的四角，但支柱38的根数和固定位置没有限定。
接着，如图16所示，将支柱38上表面加工平坦分别得到相同高度的水平面38a。支柱38的加工可通过切削来进行，也可以通过磨削进行。在本实施方式中，使用层叠造型装置的切削装置50进行切削加工。这样在进行支柱38加工时不需要将三维造型物E移设至其它切削设备或磨削设备，因而优选。
形成水平面38a后，将基板33从安装板7卸下，以水平面38a成为基准面的方式将三维造型物E载置于切削设备或磨削设备。与第1背面加工工序相同，背面39的加工可以是切削也可以是磨削。另外，可使用具备切削装置50或磨削装置的层叠造型装置作为进行背面39加工的切削设备或磨削设备。在本实施方式中，将三维造型物E载置于具备加工台D、砂轮以及使砂轮旋转的主轴的磨削设备。如图17所示，上下翻转使支柱38的水平面38a位于下侧，将烧结体81固定于加工台D。这样能够使平坦形成的水平面38a成为背面39加工时的基准面。然后，如图18所示，将基板33的背面39加工平坦得到加工面33a。最后卸下支柱38得到所期望的三维造型物。
在第2背面加工工序中，通过使用支柱38加工基板33的背面39，能够不依赖于烧结体81的加工面84而以与烧结体81的加工面84平行的基准面将基板33加工平坦。由此，可得到形状精度更良好的三维造型物E。另外，在烧结体81的加工面84面积小或几乎不存在时也能够将基板33的背面39加工平坦。因此，本实施方式的三维造型物的制造方法在与基板33一体得到三维造型物E的情况下特别有效。
如上所述可制造图16所示的三维造型物E。该三维造型物E例如可用作树脂成形用模具。上述方法中，由于在形成烧结体81时允许基板33的变形，因此烧结体81与基板33之间残余应力均衡，实质上不会进行一步变形。此外，由于在基板33的变形结束后将烧结体81的上表面82加工平坦，所以烧结体81与基板33间残余应力依然均衡，加工后基板33不会进一步变形。将基板33的背面39加工平坦时也相同。由此可维持三维造型物的形状精度。
(其它实施方式)
应予说明，本申请的技术思想的应用范围不限定于上述实施方式。例如，上述实施方式中将基板33的大致中央以2点固定于安装板7，但也可以3点或4点等固定，或者仅以1点固定。以1点固定时，为了使基板33相对于安装板7不旋转，优选在侧部设置止旋部件等。这样，在2点固定以外的情况下，也能够起到与上述实施方式相同的效果。

Claims (4)

1.一种三维造型物的制造方法，其特征在于，所述方法具备：
载置工序：将形成有第一层材料粉体层的基板以及在1个以上固定部位固定有所述基板的安装板载置于能够沿上下方向移动的造型台的造型区域内；
造型工序：散布材料粉体形成材料粉体层后对所述材料粉体层照射光束形成烧结层，重复该操作以层叠所述烧结层，形成烧结体；以及
上表面加工工序：将所述造型工序结束后得到的所述烧结体的上表面加工平坦，形成所述烧结体的加工面，
所述基板的重心到平面图中所述基板的端部的长度为r1，以所述重心为中心包围所有所述1个以上固定部位的圆的半径为r2；其中，
所述端部为所述平面图中距离所述重心最远的点，所述1个以上固定部位满足r2/r1≤0.70。
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，所述上表面加工工序中，在所述造型区域内的所述安装板上固定有形成了所述烧结体的所述基板的状态下，将所述烧结体的所述上表面加工平坦，形成所述加工面。
3.根据权利要求1或2所述的三维造型物的制造方法，其特征在于，在所述上表面加工工序后，还具备第1背面加工工序，其中，以所述加工面为基准面，将所述基板的背面加工平坦。
4.根据权利要求1或2所述的三维造型物的制造方法，其特征在于，在所述上表面加工工序后，还具备第2背面加工工序，其中，在所述基板的上表面固定多个支柱，分别将所述多个支柱的上表面加工平坦，分别形成相同高度的水平面，以所述水平面为基准面将所述基板的背面加工平坦。
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