CN1233491C

CN1233491C - 三维形状造型物的制造方法

Info

Publication number: CN1233491C
Application number: CNB031595987A
Authority: CN
Inventors: 阿部谕; 不破勋; 垰山裕彦; 吉田德雄; 武南正孝; 上永修士
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2005-12-28
Anticipated expiration: 2023-09-29
Also published as: DE10344901B4; US20040228754A1; DE10344901A1; KR20040028569A; US7255830B2; KR100553644B1; CN1496769A

Abstract

一种三维形状造型物的制造方法，其特征为，对粉末材料层的规定的地方照射第一强度的光束，将该处的粉末烧结，形成高密度烧结层，并在该烧结层上覆盖新的粉末材料层，对规定的地方照射第二强度的光束，通过将该处粉末的烧结而形成与下层的烧结层成为一体的新的烧结层，重复上述动作，使多层烧结层叠层一体化，制造三维形状造型物，这时，以在上述高密度烧结层上形成低密度烧结层的粉末层、不会烧结到与烧结条件相应的厚度以上而形成密合性优异的低密度烧结层。

Description

三维形状造型物的制造方法

技术领域

本发明涉及一种由光束对粉末材料进行烧结硬化而制造三维形状造型物的三维形状造型物制造方法，尤其涉及能够适用于将由激光束烧结的金属粉末的烧结层进行多层叠层而实现一体化制造的铸模的制造方法。

背景技术

作为光造型法，已知的有三维形状造型物的制造方法。专利第2620353号(专利文献1)等中所给出的制造方法，是对无机物或有机物粉末材料的层的规定处照射光束，使该处的粉末烧结(熔化黏附)，形成烧结层，并在该烧结层上覆盖新的粉末层，然后对该粉末层的规定处照射光束，将该处的粉末烧结，这样形成与下层的烧结层成为一体的新的烧结层，重复上述步骤，制作将多层烧结层一体化的粉末烧结部件(三维形状造型物)，以将作为三维形状造型物的数据(CAD数据)的模型切片生成所希望厚度的各层截面形状的数据为基础并照射光束，在不使用机械加工中心等装置的情况下能够制造任意形状的三维形状造型物，此外，与切削加工等方法相比，能够迅速得到所希望形状的造型物。

此时考虑到造型时间与由内部应力所引起的弯曲变形与破裂等问题，不是用相同的烧结条件使造型物整体达到相同的密度，而是希望仅对必要的部分施以高烧结条件而得到高密度的烧结层，而在其它部分则以低的烧结条件得到低密度的烧结层的造型。例如在欲制作的造型物为注射成形模具的情况下，与成形为成形品的表面及配置冷却水管的部分需要高密度，而其它部分则需要低密度。

然而，在高烧结条件下所形成的高密度烧结层，由于粉末几乎是在完全熔融后固化，所以完成后表面非常光滑，并且在对配置冷却水管进行造型的情况下不会漏水，但相对于覆盖薄层粉末的粉末层的密度为50～60％，上述高密度烧结层的密度几乎为100％，所以如图16所示，当对于以厚度为t₀形成的粉末层10以高烧结条件的光束L进行照射而形成高密度烧结层11H时，该高密度烧结层11H的表面比粉末层的表面仅低δ。

而且，如图17所示，在形成的粉末层10的厚度是由工作台20下降一定量所决定的情况下，在高密度烧结层11H上形成的粉末层的厚度会比设计值仅厚出δ的部分，进而当将该粉末层10在高烧结条件下烧结、成为高密度烧结层11H时，高密度烧结层11H的表面会比粉末层10的表面仅低一个台阶差δa(δa＞δ)。

然后进一步形成粉末层10，在下一次低烧结条件下形成低密度烧结层11L时，如图18所示，此时粉末层10的厚度会比设计值t仅厚出上述台阶δa。

这里，由于在低密度烧结条件下照射的光束L，是以厚度为t的粉末层10为前提而决定的条件，所以对于其厚度比设计值t厚了台阶差δa的粉末层10，容易发生其下层不能烧结、或即使能够烧结、但只能得到与位于下层的高密度烧结层11H的结合力(黏附力)变弱、而容易发生剥离的低密度的烧结层11L。

专利文献1：特许第2620353号公报

发明内容

本发明鉴于上述问题，其目的在于提供一种三维形状造型物的制造方法，能够提高由高密度烧结层向低密度烧结层过渡部分的结合力。

本发明，对粉末材料层的规定的地方照射光束，将该处的粉末烧结，形成烧结层，并在该烧结层上覆盖新的粉末材料层，对规定的地方照射光束，通过将该处粉末的烧结而形成与下层的烧结层成为一体的新的烧结层，重复上述动作，使多层烧结层叠层一体化，制造三维形状造型物，在该制造过程中，能够有选择地以高烧结条件形成高密度烧结层和以低烧结条件形成低密度烧结层，同时，在从为得到高密度烧结层的高烧结条件向为得到低密度烧结层的低烧结条件过渡时，第一特征为，在高密度烧结层上形成以两条件的中间烧结条件照射光束的中密度烧结层，在该中密度烧结层上形成低密度烧结层。通过在高密度烧结层与低密度烧结层之间的中密度烧结层的存在，可防止结合力的下降，同时控制作为低密度烧结层的粉末层的厚度不会过厚。

此时，可以形成多层中密度烧结层，同时，使这些中密度烧结层的烧结条件逐渐向低密度烧结层的烧结条件接近，使上层的中密度烧结层的密度降低，以缓和高密度烧结层与低密度烧结层之间的特性差，或者是根据粉末层的厚度决定中密度烧结层的烧结条件，在适当的烧结条件下形成中密度烧结层。

而且，本发明的第二特征在于，在从为得到高密度烧结层的高烧结条件向为得到低密度烧结层的低烧结条件过渡时，在最上层的高密度烧结层上设置比规定值小的粉末层，在低烧结条件下烧结该粉末层，形成低密度烧结层。控制作为低密度烧结层的粉末层的厚度不会过厚。即使形成的高密度烧结层的厚度在设计值以下，由于可形成与烧结条件相应的厚度的粉末层并形成低密度烧结层，所以不会形成黏附性差的低密度烧结层。

另外，本发明的第三特征在于，在从为得到高密度烧结层的高烧结条件向为得到低密度烧结层的低烧结条件过渡时，在最上层的高密度烧结层上设置厚度比规定值小的粉末层，在高烧结条件下烧结，形成剩余高密度烧结层，接着在剩余高密度烧结层上形成低密度烧结层。即使是形成设计值以下厚度的高密度烧结层，也可以通过追加的剩余高密度烧结层而消除台阶差，然后再形成低密度烧结层，因此可控制作为低密度烧结层的粉末层的厚度不会过厚，从而不形成黏附性差的低密度烧结层。

也可以在最上层的高密度烧结层上设置厚度比规定值小的粉末层，这时，将决定粉末层厚度的工作台的下降量设为零而形成下一个粉末层。能够减低工作台下降所需要的时间。

另外，在从为得到高密度烧结层的高烧结条件向为得到低密度烧结层的低烧结条件过渡时，基于至此为止所形成的造型物高度的测量结果来决定下一个粉末层的厚度及该粉末层的烧结条件，或基于上次粉末层形成时使粉末层表面均匀平整的刀片的驱动负载的测定结果了；来决定下一个粉末层的厚度及该粉末层的烧结条件。能够可靠防止成为低密度烧结层的粉末层的厚度不至于过厚。

另外，本发明的第四特征在于，在从为得到高密度烧结层的高烧结条件向为得到低密度烧结层的低烧结条件过渡时，形成比设计值高的高密度烧结层，接着将高密度烧结层切削除去至设计值，其后形成低密度烧结层。通过追加高密度烧结层直至低密度烧结层本应开始的高度，可使作为低密度烧结层的粉末层的厚度为原来的值，可以防止形成黏附性差的低密度烧结层。

在以上的本发明中，通过在高密度烧结层与低密度烧结层之间存在的中密度烧结层，或控制形成低密度烧结层的粉末层的厚度，或者形成剩余的高密度烧结层，使作为低密度烧结层的粉末层的厚度不至于过厚，所以可避免黏附性差的低密度烧结层的形成，防止其与高密度烧结层之间的剥离。

附图说明

图1是本发明的一实施例的说明图。

图2是其它例的说明图。

图3是其它一实施例的说明图。

图4是另一个其它实施例的说明图。

图5是别的实施例的说明图。

图6是表示其它实施例的一例，(a)、(b)分别是说明图。

图7是表示另一个其它实施例的一例，(a)、(b)、(c)分别是说明图。

图8是别的实施例一例的说明图。

图9是另一个别的实施例一例的说明图。

图10是其它例子的截面图。

图11是本发明实施例的动作说明图。

图12是图11中所示制造装置的动作方框图。

图13是图11中所示制造装置的概略立体图。

图14是关于由本发明制造的表面高密度部分的说明图。

图15(a)、(b)表示本发明中除去工序的截面图。

图16是历来例的说明图。

图17是同上的其它说明图。

图18是同上的另一个其它说明图。

图中：L-光束，11H-高密度烧结层。11L-低密度烧结层，11M-中密度烧结层，20-工作台。

具体实施方式

以下基于本发明实施例的一例进行详细说明。作为由光造型制造三维形状造型物的制造装置，虽然可以使用任何形式的装置，但在图中所示的是使用如下装置，在由造型桶罐25为外周所围的空间内配置可上下移动的工作台20，在桶罐25内的工作台20上，由滑动刀片将供给的无机物或有机物的粉末材料压平整，形成规定厚度的粉末层10，并通过扫描光学系统对上述粉末层的规定位置照射光束(激光)L，从而形成烧结层11。

另外，作为输出上述光束L的光束输出装置，使用的是能够改变光束L的扫描节距与扫描速度的装置。能够由缩小扫描节距与减慢扫描速度的高烧结条件而形成高密度烧结层11H，或由加大扫描节距与加快扫描速度的低烧结条件而形成低密度烧结层11L，而且，还可以通过改变光束输出装置的输出自身而进行改变上述条件。

具体地，图13是表示本发明中的三维形状造型物的制造装置，设置有将供给到在以圆筒为外周所围的空间内上下升降的升降台20上的无机物或有机物粉末材料、用滑动刀片21压平整而形成规定厚度Δt1的粉末层10的粉末层形成装置2，和通过电流镜31等扫描光学系统将激光发振器30所输出的激光照射到上述粉末层10上、使粉末烧结而形成烧结层11的烧结层形成装置3，以及在上述粉末层形成装置2的基座部上、通过XY驱动机构(从高速化出发，希望是直动线性马达驱动的机构)40设置铣削头41而形成的去除装置4。

在这种装置中的三维形状造型物的制造，如图11所示，由调节烧结层形成装置与烧结层的相对距离的调整装置，向某处的工作台20上面的造型物用基底22表面上供给无机物或有机物的粉末材料并用刀片21压平整而形成第一层粉末层10，对该粉末层10的欲硬化处照射光束(激光)L以使粉末层烧结，形成与基底22成为一体的烧结层11。

其后，升降工作台20少许下降，再次供给无机物或有机物的粉末材料，并由刀片21压平整而形成第二层的粉末层10，对该粉末层10的欲硬化处照射光束(激光L以使粉末层烧结，形成与下层的烧结层11成为一体的烧结层11。

重复进行下降升降工作台20形成新的粉末层10并对所需要的地方照射光束而形成烧结层11的工序，就可以制造作出为目的的三维形状造型物。例如，作为粉末材料最好是平均粒径为20μm的球形铁粉，作为光束优选CO₂激光，作为粉末层的厚度优选Δt1为0.05mm。

光束的照射路径是由预先的CAD数据所作成，也就是说，与历来的工艺相同，使用了将由三维CAD模型所生成的STL数据以等节距(这里为0.05mm)切片的各截面的轮廓形状数据。此时，希望能够照射光束，以便至少将三维形状造型物的最表面烧结为高密度(孔隙度小于5％)。即使是由去除装置进行后述的表面去除，但只要露出的部分为多孔，去除加工后的表面也是多孔状态，因此，如图14所示，将预备形状模型数据分为表层部分S与内部N，对于内部N以成为多孔体的烧结条件、对于表层部S则以几乎使粉末熔融成为高密度的条件照射光束，图15(a)中的12是表示高密度部分，而图中的16则是由上述黏附粉末形成的低密度表面层。

这样，重复形成上述粉末层10并照射光束形成烧结层11的工序，但例如当烧结层11的全厚度达到由铣削头41的工具长度等所要求的值时，使去除装置4动作，对至此为止造型的造型物的表面进行切削。例如，铣削头41的工具(圆头铣刀)的直径为1mm，有效刃长为3mm，能够进行深3mm的切削加工，如果粉末层的厚度Δt1为0.05mm，则在形成60层的烧结层11时，使去除装置4动作。

如图15所示，通过该去除装置4的切削加工，在将由黏附在造型物表面的粉末所形成的低密度表面层16去除的同时，通过切削到高密度部12，使造型物表面完全露出高密度部12。因此，烧结层11比所希望的形状M要稍大。

该去除装置4的切削加工路径与光束照射路径相同，预先由三维CAD数据作成。此时，虽然是适用于等高线加工而决定的加工路径，但在Z方向上的节距却没有必要拘泥于烧结时的叠层节距，在缓慢倾斜的情况下，通过在Z方向上的节距的细化内插，而得到光滑的表面，在以直径1mm的圆头铣刀进行切削加工的情况下，希望切入量为0.1～0.5mm，进刀速度为5～50mm/min，工具旋转速度为20000～100000rpm。

现在，如图1所示，在工作台20上以高烧结条件(例如激光输出为200W，扫描节距为0.2mm，扫描速度为50mm/sec)形成两层高密度烧结层11H、11H之后，以低烧结条件(例如激光输出为200W，扫描节距为0.5mm，扫描速度为300mm/sec)形成低密度烧结层11L之前，以两条件之间的烧结条件(例如激光输出为200W，扫描节距为0.3mm，扫描速度为100mm/sec)照射光束L，形成中密度烧结层11M，其后，再形成低密度烧结层11L。即使是由为了形成低密度烧结层11L的低烧结条件的光束L不能充分加热的厚度的粉末层10，由于能够由中烧结条件的光束L进行充分的加热，所以也不会产生与高密度烧结层11H之间的剥离。

此时，如图2所示，在形成多层的中密度烧结层11Ma、11Mb、11Mc的同时，可将这些中密度烧结层11Ma、11Mb、11Mc的烧结条件逐渐向低密度烧结层11L的烧结条件接近。例如，若与高密度烧结层11H相接的中密度烧结层11Ma的烧结条件为激光输出200W、扫描节距0.3mm、扫描速度100mm/sec；中密度烧结层11Mb的烧结条件为激光输出200W、扫描节距0.35mm、扫描速度150mm/sec；与低密度烧结层11L相接的中密度烧结层11Mc的烧结条件为激光输出200W、扫描节距0.4mm、扫描速度200mm/sec。

另外，如图3所示，在高密度烧结层11H形成之后，通过使用高度测定用探测器P等对粉末层10的表面与高密度烧结层11H的表面之间的高度差δa进行的测定，而求出下一个粉末层10的厚度(t+δa)，可以以与该(t+δa)值相对应的中烧结条件形成中密度烧结层11M。而且，与厚度(t+δa)的值相对应的中烧结条件，是由实验结果等预先决定的。

图4所表示的是另一个例子。在高密度烧结层11H之后形成低密度烧结层11L之前，通常是使工作台20只下降所定的量t，但在这里通过使下降量比所定的量t小(包括下降量为零)，使下一个粉末层10的厚度不至于过厚，在这种状态下，以低烧结条件进行形成低密度烧结层11L。

此外，如图5所示，为了消除粉末层10的表面与高密度烧结层11H的上面之间的高度为δa的台阶差，在高密度烧结层11H的烧结结束后，不使工作台20下降(或使工作台20的下降量比设计值t小)，进行供给粉末，在上述台阶差的部分填充粉末，通过在这种状态下形成以高烧结条件的高密度烧结层11H′来降低台阶差，之后，再进行低烧结条件下的低密度烧结层11L的制作。而且，在上述台阶差大的情况下，也可以用与上述相同的顺序形成多层上述高密度烧结层11H′。在这种情况下，在叠层厚度逐渐变薄的高密度烧结层11H′之后，形成低密度烧结层11L。图中21是滑动刀片。

另外，在使用上述高度测定用探测器P等对图6(a)中所表示的粉末层10的表面与高密度烧结层11H的表面之间高度差δa的值进行测定的情况下，也可以根据该测定结果决定在上述高密度烧结层11H′形成之后进行低密度烧结层11L的形成，或者是不形成高密度烧结层11H′而形成低密度烧结层11L。在差δa大的情况下，如图6(b)所示，通过不使工作台20下降而供给粉末，形成上述高密度烧结层11H′来缩小差δa，在差δa当初就小的情况下，可使工作台20下降而供给粉末，形成低密度烧结层11L。

如图7所示，上述高度差δa的检测，可以通过对驱动刀片21使粉末均匀平整时所必要的刀片21的驱动力(加在刀片21上的负载)F进行测定来代替。在负载F小的情况下，由于刀片21与高密度烧结层11H之间的间隔大(图7(a))，所以在下一层不使工作台20下降而供给粉末，在负载F大的情况下，由于刀片21与高密度烧结层11H之间的间隔小(图7(b))，所以在下一层使工作台20下降再供给粉末。

并且，加在刀片21上的负载大时，流过追从移动指令的驱动用马达的电流也大，反之，负载小时，则与只驱动刀片21的电流极为接近。这里，在刀片21通过上次烧结的面上的情况下，通常由于上述面的凹凸，受到阻力而成为负载，如果刀片21从上述面离开，则不受上述阻力。所以如图7(c)所示，监视始动电流流过后等速移动中的电流值，根据该电流值比从预先实验结果等所决定的阈值大还是小，来决定工作台20是否下降。

另外，如图8所示，在从高密度烧结层11H向低密度烧结层11L切换时，也可以无条件地将工作台20的下降量变更为比设计值t(例如50μm)小的值ts(例如20μm)，在该状态下形成粉末层10并形成以低烧结条件烧结的低密度烧结层11L。

图9是表示另一个其它的例子。这是在高密度烧结层11H的高烧结条件向低密度烧结层的低烧结条件过渡时，形成多余的高密度烧结层11H，使高密度烧结层11H的高度比设计值高，接着再将高密度烧结层11H的上面切削除去至设计值，其后，形成低密度烧结层11L。

在以上的各例中，虽然图示的是仅采用高烧结条件、或低烧结条件、或中烧结条件中的一个对一个烧结层进行烧结，但本发明也能够适用于在一个烧结层中是高密度烧结部与低密度烧结部混合存在的情况。也就是说，如图10所示，即使是对于在某一烧结层中的高密度烧结部H上设置有其它烧结层的低密度烧结部L的部分，也同样能够适用。图中M为中密度烧结部。

而且，作为无机物的粉末材料，特开2001-152204中所出示的铁粉，具体地讲，是由50wt％以上的铁粉、与从镍、镍基合金、铜、及铜基合金构成的组中所选择的一种以上的、由有色金属粉末所组成的粉末材料，更具体地讲，希望是由铬钼钢70～90wt％、磷铜或锰铜5～30wt％、镍0～10wt％所组成的粉末材料，平均粒径为0.1～200μm，希望为1～100μm，更希望为5～50μm。作为有机物的粉末材料，可以使用以尼龙、ABS等为主要成分的热塑性树脂。

Claims

1.一种三维形状造型物的制造方法，对粉末材料层的规定的地方照射第一强度的光束，将该处的粉末烧结，形成高密度烧结层，并在该烧结层上覆盖新的粉末材料层，对规定的地方照射第二强度的光束，通过该处粉末的烧结而形成与下层的烧结层成为一体的新的烧结层，重复上述动作，使多层烧结层叠层一体化，制造三维形状造型物，在该制造过程中，其特征在于：

能够有选择地以高烧结条件形成高密度烧结层和以低烧结条件形成低密度烧结层，同时，在从为得到高密度烧结层的高烧结条件向为得到低密度烧结层的低烧结条件过渡时，

为了使在上述高密度烧结层上形成的低密度烧结层的粉末层、不会烧结到与烧结条件相应的厚度以上，a)将烧结为设计值以上厚度的高密度烧结层去除到规定的高度，在其高密度烧结层上形成设计值的粉末层，或b)在烧结为设计值以下厚度的高密度烧结层上追加形成规定厚度的高密度或中密度烧结层的中间介在层，在该中间介在层上形成设计值的粉末层，或c)在烧结为设计值以下厚度的高密度烧结层上形成与烧结条件相应的粉末层，并形成低密度烧结层。

2.根据权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于：上述中间介在层是中密度烧结层，在进行多层叠层时，将为得到这些中密度烧结层的烧结条件逐渐向为得到低密度烧结层的条件接近，使上层的中密度烧结层的密度降低。

3.根据权利要求1或2所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于：根据粉末层的厚度决定上述中密度烧结层的烧结条件。

4.根据权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于：在高密度烧结层的最上层，设置厚度比规定值小的粉末层，以低烧结条件对该粉末层进行烧结，形成低密度烧结层。

5.根据权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于：在高密度烧结层的最上层设置厚度比规定值小的粉末层，在高烧结条件下对该粉末层进行烧结，形成高密度烧结层，接着在高密度烧结层上形成低密度烧结层。

6.根据权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于：当在最上层的高密度烧结层上设置厚度比规定值小的粉末层时，将决定粉末层厚度的工作台的下降量设为零而形成下一个粉末层。

7.根据权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于：在从为得到高密度烧结层的高烧结条件向为得到低密度烧结层的低烧结条件过渡时，基于至此为止所形成的造型物高度的测量结果来决定下一个粉末层的厚度及该粉末层的烧结条件。

8.根据权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于：在从为得到高密度烧结层的高烧结条件向为得到低密度烧结层的低烧结条件过渡时，基于对在上次粉末层形成时使粉末层表面均匀的刀片的驱动负载的测定结果来决定下一个粉末层的厚度及该粉末层的烧结条件。

9.根据权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，使用铁基粉末与从由镍、镍基合金、铜、及铜基合金构成的组中所选择的一种以上有色金属粉末所组成的、平均粒径为0.1～200μm的粉末材料，制造作为三维形状造型物的模具。