JP2003305777A

JP2003305777A - ３次元造形方法および３次元造形装置

Info

Publication number: JP2003305777A
Application number: JP2002112305A
Authority: JP
Inventors: Seiji Hayano; 誠治早野
Original assignee: ASPECT KK
Current assignee: ASPECT KK
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2002-04-15
Publication date: 2003-10-28

Abstract

(57)【要約】【課題】より強度の高い仮焼結後の成型物の作製を可能
とし、かつ熔浸工程を必要としない三次元造形物の間接
焼結造形法を提供する。【解決手段】９０％ｗ以上のナイロン１２、ナイロン１
１あるいはＰＭＭＡを含有する樹脂バインダを、１％ｗ
ないし４％ｗ均一な状態で含有する粉末材料を使用して
３次元積層造形を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、立体形状データか
ら、金属でできた造形物を直接造形することのできる３
次元積層造形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】３次元積層造形方法としては、光造形
法、シート積層造形法、溶融物堆積造形法、粉末焼結積
層造形法、粉末固着積層造形法などが知られている。

【０００３】粉末焼結積層造形法には、以下のような直
接焼結造形法と間接焼結造形法がある。これらの方法に
よれば、材質が１００％金属である物を得ることが可能
であり、既に商品化されている。

【０００４】直接焼結造形法は、図５に示すように、粒
子径が２０μｍないし４０μｍ程度の金属粒子からなる
層の表面に、樹脂バインダを混合させずに、高エネルギ
ーのレーザを選択的に照射して、直接、その金属を溶融
させ、それを５０μｍないし１００μｍのピッチで積層
して繰り返すことにより、造形物を得る方法がある。こ
れは仮焼結を経ないで直接焼結するものである。

【０００５】これに対して、図６に示すように、従来の
間接焼結造形法は、まず、粒子径が２０μｍないし４０
μｍ程度の金属粒子と樹脂バインダとしてのフェノール
樹脂とを混合して金属粒子の表面をフェノール樹脂でコ
ーティングする。これを薄層にしたものの表面にレーザ
を選択的に照射して、樹脂バインダを溶かすことによ
り、金属の粉末同士を接着する。かかる層を５０μｍな
いし１００μｍのピッチで積層し、仮焼結した状態の３
次元造形物を作製する。これにより、グリーンパーツが
完成する。さらにその後、炉に入れて加熱し脱ワックス
処理を施す。さらに、高温にして本焼結すると同時に、
焼結した金属に比べて低融点の異金属を毛細管現象によ
る熔浸を行う。これにより、収縮による歪みが小さくか
つ強固な造形物を得ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図５に示す
直接焼結造形法では、直接、高エネルギーにより金属を
溶融するため、局部的に高熱が発生し、造形時に歪みが
発生しやすい問題を抱えている。従って所望の精度が得
られにくいといえる。

【０００７】また、同時に金属間の結びつきが、炉でゆ
っくりと焼結する方式に比べて強度的に弱くなることは
否めない。さらに、金属粉末を積層した状態のまま焼結
されてしまうので、金属粒子間は疎の状態となってお
り、やはり、強度的に弱くなる原因となっている。

【０００８】また、この方法によれば、図５に示すよう
に、レーザ照射による露光量の大小によって焼結状況が
大きく異なり、適正量の制御が非常に困難であるという
問題がある。たとえば、露光量が少ないと焼結にいたら
ず粉末状態のままとなる。また露光量が大きすぎると、
成形物は数珠球のような集合体となってしまう。

【０００９】適度な露光量で焼結が行われた場合でも、
４０％程度の非常にポーラスな成形物となってしまう。

【００１０】一方、図６に示す間接焼結造形法では、樹
脂バインダがフェノールであるため仮焼結の状態での金
属間の接着が弱く、グリーンパーツ状態の造形物を取り
出すときに、造形物の形状によってはその自重により壊
れてしまうことがあった。また、低融点の異金属を熔浸
する際にはその形状によっては熔浸のむらが発生し、所
望の形状を得られないことがあった。

【００１１】さらに、熔浸を行うためには、熔浸する金
属が焼結した金属よりも低融点であることを必要とする
とともに、焼結した金属と熔浸する金属との濡れ性とい
った相性の良い金属を選択しなければならない。また、
熔浸する金属を焼結した金属間に存在する隙間の隅々ま
で染み渡らせる必要があるので、厳密な制御をしなけれ
ばならず、工程を複雑化していた。

【００１２】本願発明は、かかる従来の問題に鑑みて創
作されたものであり、金属焼結をより簡単に行うことが
可能で、丈夫な成形物を作製することが可能な３次元造
形方法および３次元造形装置の提供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記課題は、９０％ｗ以
上のナイロン１２、ナイロン１１あるいはＰＭＭＡを含
有する樹脂バインダを、１％ｗないし４％ｗ均一な状態
で含有する粉末材料を使用して３次元積層造形を行う方
法によって解決される。

【００１４】また、高融点粉末がチタンの場合は、チタ
ンの酸化や窒化を防ぐために、アルゴンガス雰囲気中で
造形を行う必要がある。一方、セラミックのようにアル
ゴンガスなどの希ガス雰囲気中で造形する必要のない高
融点粉末を使用することができる。その場合には窒素ガ
ス雰囲気中で造形すればよい。このように、３次元造形
装置内部に、使用する材料に応じて自動的に必要な処理
ガスを切り替える電磁弁を備えることにより、適切な処
理をすることが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態について
図１、図４および図７を参照しながら説明する。第１図
は高融点粉末にチタン、樹脂バインダにナイロン１２を
使用した場合の本発明の実施の形態に係る焼結造形法の
フローチャートである。

【００１６】（混合工程）まず、チタン微粉末とナイロ
ン１２微粉末を重量比９７：３で均一に混練する。チタ
ン微粉末は、ＭＩＭ（ＭｅｔａｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎ
Ｍｏｌｄ）に使用する微粉末で、今回は平均粒子径２５
マイクロメートルのものを使用した。ナイロン１２は、
チタンの微粒子と微粒子の間の空白を埋めるのに十分に
小さな粒子径のものとして、５分の１程度の粒子径もの
が望ましいことから、化粧品等の添加剤として市販され
ているもので、平均粒子径５マイクロメートルのものを
使用した（図７参照）。

【００１７】仮焼結実験によれば、重量比が９７：３ぐ
らいが最適で、それよりもナイロン１２を多くいれるに
つれ、積層時にナイロン１２の微粉末同士がくっつく傾
向があり、多すぎると均一に積層できないことが判明し
た。また、少なくしていくと、仮焼結時の強度が弱くな
っていき、少なすぎるとバインダとしての役割を果たさ
なくなってしまうことがわかった。

【００１８】従って、高融点粉末であるチタン微粉末の
平均粒子径と、バインダとしてのナイロン１２の平均粒
子径によって多少最適混合比が変動するので、その都度
最適な混合比を見極める必要がある。また、チタン以外
の高融点粉末を使用する場合も、変動するので、その都
度、最適な条件を見出す必要がある。

【００１９】（仮焼結工程）次に、図４（１）に示すよ
うに、粉末焼結積層造形装置のフィードベッドより粉末
を供給し、ローラーリコーダーにより表面を平らにして
薄層を形成する。次に、図４（２）に示すように、不図
示のコンピュータのデータに制御に基づき、ガルバノメ
ータミラーを介してCO₂レーザ光をスキャン照射する
と、ナイロン１２のポリアミド（Polyamide）粒子が溶
融して薄層の仮焼結が行われる。なお、仮焼結時のレー
ザ照射時の条件は以下の通りである。

【００２０】造形条件：レーザーパワー２５Ｗ、スキャ
ンスピード５０８０ｍｍ／ｓｅｃ、造形面設定温度１
２０℃、材料供給面設定温度１００℃、雰囲気アルゴン
ガス。

【００２１】スキャン照射によって薄層の所定領域の仮
焼結が終了すると、薄層の厚さだけテーブルを下降させ
て高さ調節するとともに、フィードベッドから粉末材料
を押し上げてパートベッド上に再び供給する（図４
（３））。そして、ローラーリコーダーにより表面を平
らにして薄層を形成する（図４（４））。この積層工程
を繰り返すことにより、所定の三次元成型品を作製する
ことができる。

【００２２】このようにして作製したグリーンパーツ
は、叩いても壊れない程度の強度が得られた。このた
め、ハンドリングによる取り扱いが容易であった。

【００２３】なお、仮焼結時の雰囲気をアルゴンガスと
した。窒素ガスを用いるとき、チタンが窒化チタンに変
質するからである。

【００２４】従来の粉末焼結積層造形装置では、通常は
酸化を防ぐために窒素雰囲気にて造形するが、材料にチ
タンを使用する場合には窒素の代りにアルゴンガス雰囲
気中で造形を行う必要があるので、造形する材料に応じ
て、自動的に供給するガスを切り替えられるようにして
おくことが望ましい。

【００２５】（脱脂工程）次に、グリーンパーツを電気
炉でアルゴンガス雰囲気にて、図２に示す昇温パターン
に従って加熱することにより、グリーンパーツからナイ
ロン１２を除去する（脱脂）。これにより、ブラウンパ
ーツを得る。

【００２６】（本焼結工程）さらに、脱脂されたブラウ
ンパーツを電気炉で、図３に示す昇温パターンに従って
アルゴンガス雰囲気にて加熱することにより本焼結す
る。これにより、９５．７％の密度のチタン造形物が得
られた。また、収縮率についても１５〜１７％程度であ
り、非常に優れた造形物が得られた。

【００２７】なお、電気炉の仕様によっては脱脂工程と
本焼結工程を一度に行うことも可能である。

【００２８】

【発明の効果】本発明では、間接焼結造形法において、
樹脂バインダとして、ナイロン１２、ナイロン１１もし
くはＰＭＭＡを使用することにより、仮焼結の状態での
金属間の接着が強くなり、造形物を取り出すときに自重
により壊れてしまうということがほとんどなくすことが
可能となる。

【００２９】また、本焼結を行うものの、熔浸を行う必
要がないので、造形物の形状によって熔浸むらそのもの
が発生しない。また、焼結した金属と熔浸する金属との
濡れ性といった相性を考慮する必要がなく、制御が簡単
である。さらに熔浸する金属との濡れ性等を配慮する必
要がないので、様々な金属粉末に応用することが可能と
なる。

【００３０】また、炉においてゆっくりと焼結するため
に、直接焼結造形法のような局部的な高熱の発生がない
ので歪みが発生しにくく、収縮率の少ない優れた三次元
造形物を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る間接焼結造形法の各
工程を示すフローチャートである。

【図２】本発明の実施の形態に係る脱脂工程における温
度パターンを示す図である。

【図３】本発明の実施の形態に係る焼結工程における温
度パターンを示す図である。

【図４】本発明の実施の形態に係る仮焼結工程を説明す
る図である。

【図５】従来の直接造形法の流れを説明する図である。

【図６】従来の間接直接造形法の流れを説明する図であ
る。

【図７】本発明の実施の形態に係る間接造形法の流れを
説明する図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高融点粉末に樹脂バインダを混合した粉
末材料にレーザを選択的に照射して３次元形状を積層造
形する選択的焼結工程と、その選択的焼結工程で積層造形された造形物を加熱本焼
結して造形物を得る熱処理工程とを含む３次元造形方法
において、前記樹脂バインダが９０％ｗ以上のナイロン１１または
ナイロン１２を含有し、かつ前記粉末材料に占める前記
樹脂バインダの重量が１％ないし４％であることを特徴
とする３次元造形方法。
【請求項２】高融点粉末に樹脂バインダを混合した粉
末材料にレーザを選択的に照射して３次元形状を積層造
形する選択的焼結工程と、その選択的焼結工程で積層造形された造形物を加熱本焼
結して強固な造形物を得る熱処理工程とを含む３次元造
形方法において、前記樹脂バインダが９０％ｗ以上のメタクリル酸メチル
重合体、またはその誘導体を含有し、かつ前記粉末材料
に占める前記樹脂バインダの重量が１％ないし４％であ
ることを特徴とする３次元造形方法。
【請求項３】請求項１あるいは請求項２のいずれかに
記載の前記高融点粉末がチタン、またはその合金である
ことを特徴とする３次元造形方法。
【請求項４】請求項１、請求項２、あるいは請求項３
のいずれかに記載の前記高融点粉末がセラミックである
ことを特徴とする３次元造形方法。
【請求項５】請求項１乃至請求項４のいずれかに記載
の前記高融点粉末の粒子径が、５μｍ乃至５０μｍであ
ることを特徴とする３次元造形方法。
【請求項６】請求項１乃至請求項５のいずれかに記載
の選択的焼結工程における前記粉末材料が、前記高融点
粉末と前記樹脂バインダを混練して製造されることを特
徴とする３次元造形方法。
【請求項７】請求項１乃至請求項６のいずれかに記載
の選択的焼結工程が、不活性ガス雰囲気中で行われるこ
とを特徴とする３次元造形方法。
【請求項８】請求項７に記載の不活性ガスは、アルゴ
ンまたは窒素であることを特徴とする３次元造形方法。
【請求項９】請求項８に記載の３次元造形方法を行う
造形装置であって、窒素雰囲気とアルゴン雰囲気とを切
り替える手段を備えたことを特徴とする３次元造形装
置。
【請求項１０】請求項１乃至８に記載の３次元造形方
法を行う造形装置であって、前記粉末材料を選択する手
段と、選択された前記粉末材料に基づいて選択的焼結工
程の条件を設定する手段とを備えたことを特徴とする３
次元造形装置。