JP2005097692A - 三次元形状造形物の製造方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】切削除去に際して生じた切削屑の影響を少なくする。
【解決手段】無機質あるいは有機質の粉末の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層１１を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作製した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う工程を複数回の焼結層の作製工程中に挿入して所要の三次元形状造形物の造形を行うにあたり、上記切削除去工程に次いで切削除去工程の際の切削工具通過跡として生じた溝を粉末で埋める。溝が生じたならばその直後に溝を埋めてしまうために、この後の他の処理に際して溝内に切削屑が集まってしまうということがない。
【選択図】図１

Description

本発明は無機質あるいは有機質の粉末からなる粉末層に光ビームを照射して焼結層を形成するとともにこの焼結層を積層することで所望の三次元形状造形物を製造する三次元形状造形物の製造方法及びその装置に関するものである。

ステージ上に形成した粉末層に光ビーム（指向性エネルギービーム、例えばレーザ）を照射して焼結層を形成し、この焼結層の上に新たな粉末層を形成して光ビームを照射することで焼結層を形成するということを繰り返して焼結層を積層することで三次元形状造形物を製造することは、特表平１−５０２８９０号公報（特許文献１）などにおいて知られている。

ここにおいて、光造形による三次元形状造形物の製造に際しては、光ビームを照射して焼結硬化させた部分の周囲には伝達された熱が原因となって不要な粉末が付着して、密度の低い表面層が造形物に形成されてしまう上に表面粗さがかなり粗くなってしまう。

この点を解決するために、本出願人は特開２００２−１１５００４号公報（特許文献２）や特開２００３−１５９７５５号公報（特許文献３）などにおいて、焼結層の形成後にそれまでに作製した造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を行う工程を複数回の焼結層の作製工程中に挿入することを提案した。

すなわち、図４に示すように、光ビームＬの照射による焼結層１１の形成を何層か行ったならば、切削除去手段４によって造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を行い、その後、焼結用ステージ２０を１段下降させて粉末の供給並びに光ビームＬの照射による焼結層１１の形成を何回か繰り返したならば、切削除去手段４によって造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を行うということを繰り返して、三次元形状造形物を製造するのである。この場合、密度の低い表面層を除去することができる上に、何層かの焼結層を形成する毎に切削除去を行うことから、切削除去用の工具（たとえばエンドミル）の工具長などの制約を受けることなく表面を仕上げることができる。

しかし、切削除去手段４を用いるということは、その切削動作によって切削屑１２が発生してしまうものであり、この切削屑１２は図５(a)に示すように、最上層の焼結層１１の表面や、切削除去用の工具が通過した際に生じた溝１３に入ってしまう。

この状態で次の粉末層１０の形成を図５(b)に示すようにブレード２１で均すことで行った場合、ブレード２１と焼結層１１の表面との間に切削屑１２が噛み込んでしまって粉末層１０の形成ができなくなることが多々生じる。

またブレード２１で粉末１０が押される時、切削屑１２は図５(b)に示すように溝１３内に溜まってしまうことになり、この場合、切削屑１２が多い箇所では粉末の充填密度が低下してしまうために、次層の焼結層１１の焼結状態がポーラスになったりする上に、時に切削屑１２が上方に突出した状態で固着してしまい、その次の粉末層の形成に際してブレード１２に引っ掛かってしまうトラブルが生じる。

このような事態を避けるために、上記特許文献１や特許文献３においても、切削除去の直後に切削屑の除去を行うことが示されているが、溝１３に入り込んだ切削屑１２の除去を行うことは実際上無理であり、切削屑１２を粉末とともに除去するとすれば、多量の粉末を取り除かなくてはならず、次の粉末層の形成に際しての粉末の供給量も多くしなくてはならないと同時に、その粉末量の的確な予測が困難となる等の弊害が生じている。
特許第２６２０３５３号公報 特開２００２−１１５００４号公報 特開２００３−１５９７５５号公報

本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは切削除去に際して生じた切削屑の影響を少なくすることができる三次元形状造形物の製造方法及びその装置を提供するにある。

しかして本発明に係る三次元形状造形物の製造方法は、無機質あるいは有機質の粉末の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作製した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う工程を複数回の焼結層の作製工程中に挿入して所要の三次元形状造形物の造形を行うにあたり、上記切削除去工程に次いで切削除去工程の際の切削工具通過跡として生じた溝を粉末で埋めることに特徴を有している。溝が生じたならばその直後に溝を埋めてしまうために、この後の他の処理に際して溝内に切削屑が集まってしまうということがなく、溝内に溜まった切削屑に起因する問題を無くすことができる。

溝を埋めるための粉末の供給用の粉末供給ノズルの移動経路を、切削除去工程の際の切削工具の移動経路から算出すると、粉末供給経路の移動経路の算出が容易となる。

また、切削工具通過跡として生じる溝の容積を算出し、該算出値を基に溝を埋めるための粉末の供給量を決定すれば、溝を粉末で的確に埋めることができる。 切削除去工程直前に切削屑除去のための粉末層を一層形成し、切削除去工程直後に切削工具通過跡として生じた溝を粉末で埋め、次いで粉末層最上部を所要の厚みで除去することで切削屑の除去を行うようにしてもよく、この場合、切削屑の除去が容易となる。

そして本発明に係る三次元形状造形物の製造装置は、無機質あるいは有機質の粉末の層を形成する粉末層形成手段と、最上層の粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成する光ビーム照射手段と、焼結層の形成後にそれまでに作製した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う切削除去手段と、切削除去手段における工具の通過跡として生じた溝に粉末を充填して溝を埋める粉末供給手段とを備えていることに特徴を有するものである。

本発明では、切削除去工程で生じた溝が即座に粉末で埋められてしまうために、その後の他の処理に際して切削屑が溝に集まってしまうということが生じないものであり、このために溝に集まった切削屑に起因する問題を無くすことができる。

以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図１は本発明に係る三次元形状造形物の製造装置を示している。図中２０は造形タンク２５内を上下に昇降する昇降テーブルとして形成された造形用のステージであり、造形タンク２５の近傍には粉末タンク２６が配されている。この粉末タンク２６内に収納された粉末１０は、その底面を構成する昇降テーブル２７の上昇と、粉末上部を上記ステージ２０側に掻き寄せて表面を均すスキージング用ブレード２１とによってステージ２０上に送られる。

ステージ２０に形成された所定厚みの粉末の層に対し、図示していない光ビーム照射手段から光ビーム（レーザ）の照射を行って焼結固化させることと、次にステージ２０を一段下げて、この状態で再度粉末の供給を行い、新たにできた粉末１０の層の所定部分に光ビームを照射して焼結固化させるということを繰り返す。

光ビームの照射経路は、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。すなわち、従来例で示したものと同様に、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（たとえば０．０５ｍｍ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。この時、三次元形状造形物の少なくとも最表面が高密度（気孔率５％以下）となるように焼結させることができるように光ビームの照射を行うのが好ましい。

そして、上記粉末１０の層を形成しては光ビームを照射して焼結層１１を形成するということを繰り返して最終的に求める三次元形状造形物を得るのであるが、焼結層１１の全厚みが切削除去手段４（たとえばエンドミル）の工具長さなどから求めた所要の値になれば、いったん切削除去手段４を作動させてそれまでに造形した造形物の表面部を切削し、造形物の表面に付着した粉末による低密度表面層を除去する。切削除去手段４の工具が直径１ｍｍ、有効刃長（首下長さ）３ｍｍで深さ３ｍｍの切削加工が可能であり、粉末１０の層の厚みが０．０５ｍｍであるならば、焼結層１１の形成時に過剰焼結部が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍほど垂れ下がって生じることから、たとえば４０層の焼結層１１を積層する毎に切削除去手段４を作動させ、前回の切削除去で一度切削したところも１ｍｍほどオーバーラップさせて切削することが好ましい。

切削除去手段４は図示例ではＸＹ駆動機構５によって切削加工位置を変更することができるようにしているとともに、その切削加工経路経路は、光ビームの照射経路と同様に予め三次元ＣＡＤデータから作成すればよい。

ここにおいて、切削除去手段４による切削除去で発生した切削屑対策として、ここでは上記ＸＹ駆動機構５によって位置を変更することができる粉末供給ノズル６をステージ２０の上方に配設している。この粉末供給ノズル６は、切削除去手段４による切削除去の際の移動経路と同じ移動経路を辿って、切削除去の際に生じた溝１３に粉末１０を供給して溝１３を埋めていく。図中６０は粉末供給ノズル６への粉末供給専用の粉末供給タンクである。

このように切削除去の直後に切削で生じた溝１３を埋めてしまうために、その後、どのような処理を行うにしても、溝１３内に切削屑１２が溜まってしまうということがなくなるものであり、このために溝１３内に溜まった切削屑１２が原因となる問題は生じなくなるものである。

なお、溝１３を埋めた後は、ブレード２１によるスキージングを行うことが望ましい。また、溝１３を粉末で埋める前に溝１３内に入ってしまっている切削屑１２の除去を行うことはできないが、この切削屑１２の量は微小であり、造形物の製造に関して悪影響を与えることはない。

粉末供給ノズル６の移動経路は、切削除去工程の際の切削除去手段４の移動経路から算出すればよく、特に切削除去手段４を移動させるためのＸＹ駆動機構５を用いて粉末供給ノズル６の移動も行わせる場合、機構的に簡単で済む上に、粉末供給ノズル６の移動経路は、切削除去手段４の工具位置と粉末供給ノズル６の位置の差だけ平行移動させたものとなるために、その算出も容易となる。

粉末供給ノズル６から供給する粉末の量は、切削除去手段４の切削で生じる溝１３の長さ及び工具の大きさと切り込み深さで定まる溝１３の断面積から溝１３全体の容積を求めて、この容積を元に算出すればよい。もっとも、この溝１３を粉末１０で埋める工程の後には、次の粉末１０の層を形成する工程が入ることから、厳密に算出する必要はない。

図２に他例を示す。これは粉末１０の層の形成のためのブレード２１を切削屑の除去にも用いることで、別途除去手段を設けなくても切削屑１２の除去を行うことができるようにしたものであり、この場合、切削除去手段４による切削除去工程の直前に、ステージ２０を一段下げた後、ブレード２１を用いて切削屑除去のための粉末層１０’を一層形成する。この粉末層１０’の厚みは通常の粉末層１０の厚みよりも厚いことが好ましいが、粉末層１０の厚みと同じであっても、薄くなっていてもよい。

そして既に形成した造形物を粉末層１０’で覆っている状態で切削除去手段４による切削除去を行い、更にその直後には粉末供給ノズル６からの粉末供給で切削の際に生じた溝１３を粉末で埋める。この後、昇降テーブル２０を少し上昇させた状態でブレード２１を動かすことで、さきほど形成した粉末層１０’を所定の厚みで掻き取って、粉末層１０’の上に飛散している切削屑１２を粉末層１０’と共に除去する。この処理が終われば、再度ステージ２０を一段下げて粉末１０の供給を行い、次いで焼結を行うことを繰り返す焼結処理に戻る。なお、図では粉末層１０’を掻き取るにあたり、焼結層１１が露出するようにしているが、粉末層１０’が少し残る状態で掻き取りを行ってもよい。また、掻き取った後に残る粉末層１０’が次の焼結層１１の形成のための粉末１０の層の厚みとなるようにしてもよいものであり、この場合、掻き取りの後に更に粉末１０の層を形成する必要がなくなる。

図３に他例を示す。ここではステージ２０脇に配した粉末供給タンク６２から粉末供給ノズル６が吸引によって粉末１０を補給するようにしている。切削除去によって生じた溝１３を埋めるにあたり、粉末供給ノズル６は上記吸引によって溝１３を埋めるのに必要な量の粉末１０を溜め込み、次いで溝１３に沿って移動しながら粉末１０を出していくことで、溝１３を埋める。なお、吸引する量は、前述のようにして算出した溝１３を埋めるのに必要な量よりも多目にしておくことが好ましい。

上記吸引に先立って、粉末供給ノズル６内に溜まっている粉末１０を一旦吐きだし、その後、所定量の粉末１０の吸引を行うようにしておくと、粉末１０の量の管理が容易となる。また、粉末供給ノズル６内の粉末量を監視するセンサ（たとえば重量センサ）を設けたものにおいては、上記必要量から残量を差し引いた分だけ吸引で補充するようにしてもよい。

本発明の実施の形態の一例の断面図である。 他例の動作説明図である。 (a)(b)は別の例の断面図である。 基本動作の説明図である。 (a)(b)は拡大断面図である。

符号の説明

６ 粉末供給ノズル
１０ 粉末
１１ 焼結層
１３ 溝

Claims (5)

1. 無機質あるいは有機質の粉末の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作製した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う工程を複数回の焼結層の作製工程中に挿入して所要の三次元形状造形物の造形を行うにあたり、上記切削除去工程に次いで切削除去工程の際の切削工具通過跡として生じた溝を粉末で埋めることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
2. 溝を埋めるための粉末の供給用の粉末供給ノズルの移動経路を、切削除去工程の際の切削工具の移動経路から算出していることを特徴とする請求項１記載の三次元形状造形物の製造方法。
3. 切削工具通過跡として生じる溝の容積を算出し、該算出値を基に溝を埋めるための粉末の供給量を決定していることを特徴とする請求項１または２記載の三次元形状造形物の製造方法。
4. 切削除去工程直前に切削屑除去のための粉末層を一層形成し、切削除去工程直後に切削工具通過跡として生じた溝を粉末で埋め、次いで粉末層最上部を所要の厚みで除去することで切削屑の除去を行うことを特徴とする請求項１記載の三次元形状造形物の製造方法。
5. 無機質あるいは有機質の粉末の層を形成する粉末層形成手段と、最上層の粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成する光ビーム照射手段と、焼結層の形成後にそれまでに作製した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う切削除去手段と、切削除去手段における工具の通過跡として生じた溝に粉末を充填して溝を埋める粉末供給手段とを備えていることを特徴とする三次元形状造形物の製造装置。

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