JP2005335203A

JP2005335203A - 三次元形状造形物の製造方法

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Publication number: JP2005335203A
Application number: JP2004156943A
Authority: JP
Inventors: Isao Fuwa; 勲不破; Yoshikazu Azuma; 喜万東; Hirohiko Tougeyama; 裕彦峠山; Satoshi Abe; 諭阿部; Masataka Takenami; 正孝武南; Takashi Shimizu; 俊清水
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: JP4487636B2

Abstract

【課題】無機質あるいは有機質の粉末材料の平坦層の所定箇所にレーザを照射して該当個所の粉末を焼結することで焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料を供給した後にブレードの走査により均して新たな平坦層を被覆し、この新たな平坦層の所定箇所にレーザを照射して該当個所の粉末を焼結す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して、複数の焼結層が積層一体化された粉末焼結部品を作成するにあたり、造形作業中に焼結層上に付着する溶融玉や切削による切屑などの突起物があっても、ブレードが停止することを防止するとともに、全体の造形時間を大幅に遅らせることのない作業性が向上した三次元形状造形物の製造方法を提供すること。
【解決手段】溶融玉や切削による切屑などの突起物ができる平坦層の形成時に、ブレード２１の走査速度を他の平坦層２０を形成するブレード２１よりも遅くするようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は粉末材料をレーザで焼結硬化させることで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に関する。

従来、無機質あるいは有機質の粉末材料の平坦層の所定箇所にレーザを照射して該当個所の粉末を焼結することで焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料を供給した後にブレードの走査により均して新たな平坦層を被覆し、この新たな平坦層の所定箇所にレーザを照射して該当個所の粉末を焼結す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して、複数の焼結層が積層一体化された粉末焼結部品を作成する三次元形状造形物の製造方法が提案されている。（特開２００２―１１５００４号公報）
この焼結層の上に粉末材料を供給し、ブレード操作により均して新たな平坦層を形成するには、造形タンク内に設置された昇降テーブル上面の造形用ベース表面に焼結層を形成した後、昇降テーブルを一段下げるとともに、造形タンクに隣設された材料タンクにおける材料供給テーブルを一段上昇させ、材料タンク内の材料供給テーブル上に蓄積された材料粉末をブレードで造形タンク側に移動させるとともに均すようにして行うものである。

ブレードは、材料タンクおよび造形タンクの横幅よりも長い板状に形成され、材料タンクおよび造形タンクの両側に設けた往復動可能なレールに固定され、レールの移動とともに材料タンクと造形タンク間をスライドするものである。レールの駆動はモータ駆動により行われるのが一般的であり、減速機などを介して速度制御可能となっている。ブレードは、材料粉末を材料タンク側から造形タンク側へ移動させる程度の負荷が非常に低いものであることと、造形時間を短縮したいことのために高速移動させており、停止トルクは低いものとなっている。

この三次元形状造形物の製造方法では、任意の三次元形状造形物を製造することができるほか、切削加工などによる製造方法に比べ、複雑な三次元形状を所望形状に迅速に造形することができる。

しかしながらこのような三次元形状造形物の製造方法では、レーザの照射条件を変えたときに発生する溶融玉や造形中に不要な焼結部を除去するための切削加工工程を挿入したときに発生する切屑などが焼結層上に突起物となって付着することがあり、このような焼結層上に停止トルクは低いブレード走査により材料供給を行うと、ブレード下部が突起物に衝突してブレードが停止して造形作業が中断するなどの不具合が発生することがある。

この不具合解消のため、焼結層上に付着した突起物を除去できる程度にブレード走査速度を遅くして停止トルクを大きくするやり方もあるが、この場合、一つの造形物の作成時間が短縮できないという問題がある。
特開２００３―２７７５８号公報

本願発明は、前記事由に鑑みてなされたものであり、その課題は、造形作業中に焼結層上に付着する溶融玉や切削による切屑などの突起物があっても、ブレードが停止することを防止するとともに、全体の造形時間を大幅に遅らせることのない作業性が向上した三次元形状造形物の製造方法を提供することである。

前記課題を解決するために、無機質あるいは有機質の粉末材料の平坦層の所定箇所にレーザを照射して該当個所の粉末を焼結することで焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料を供給した後にブレードの走査により均して新たな平坦層を被覆し、この新たな平坦層の所定箇所にレーザを照射して該当個所の粉末を焼結す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して、複数の焼結層が積層一体化された粉末焼結部品を作成するにあたり、粉末材料の所定の平坦層を形成するブレードの走査速度を他の平坦層を形成するブレードの走査速度よりも遅くするようにしたものである。

本願発明の三次元形状造形物の製造方法においては、焼結層上に突起物が形成されるような所定の平坦層を形成するに当たって、このような粉末材料の所定の平坦層を形成するブレードの走査速度を他の平坦層を形成するブレードの走査速度よりも遅くするようにしているので、このような平坦層を形成するときにはブレードの停止トルクが上昇し、ブレードが突起物に当たって停止することなく突起物を除去できるとともに、他の平坦層ではブレードの走査速度が遅くならないようにしているので、全体の造形時間が必要以上に大幅に遅くならず、造形作業性が向上している。

以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述する。図１は、本発明の実施形態の三次元形状造形物２４の製造装置の概略を示す斜視図である。また図２は、同上の三次元形状造形物２４の製造装置を用いた製造方法の概略を示す要部の縦断面図である。また図３は、同上の三次元形状造形物２４の製造装置により造形される造形物２４の一例を示す縦断面図である。また図４は、同上の三次元形状造形物２４の製造装置により造形される造形物２４の他の一例を示す縦断面図であり、（ａ）は全体、（ｂ）は一部分のレーザ照射時、（ｃ）は（ｂ）のレーザ照射後を示す。また図５は、同上の三次元形状造形物２４の製造装置を用いた製造方法の一部の製造工程を示す要部の縦断面図であり、（ａ）〜（ｆ）に各段階を示す。

図１〜図５に示すように、この三次元形状造形物２４の製造方法は、無機質あるいは有機質の粉末材料の平坦層２０の所定箇所にレーザを照射して該当個所の粉末を焼結することで焼結層８を形成し、この焼結層８の上に粉末材料を供給した後にブレード２１の走査により均して新たな平坦層２０を被覆し、この新たな平坦層２０の所定箇所にレーザを照射して該当個所の粉末を焼結することで下層の焼結層８と一体になった新たな焼結層８を形成することを繰り返して、複数の焼結層８が積層一体化された粉末焼結部品を作成するにあたり、粉末材料の所定の平坦層２０を形成するブレード２１の走査速度を他の平坦層２０を形成するブレード２１の走査速度よりも遅くするものである。また、三次元形状造形物２４の下端部が稠密に内部がポーラスになるようレーザの照射条件を高溶融条件から低溶融条件に変えて焼結層８を積層すると共に、前記ブレード２１の走査速度を遅くする所定の平坦層２０が、レーザの照射条件を高溶融条件から低溶融条件に移行したときに相当している。またブレード２１の走査速度を遅くする所定の平坦層２０が、その下層に燒結層を有しない部分上に燒結層を形成する層であることもある。さらに、燒結層の形成後にそれまでに作成した造形物２４の表面部又は不要部分の切削除去を行う工程を複数回の焼結層８の作成工程中に挿入するとともに、前記ブレード２１の走査速度を遅くする所定の平坦層２０が、前記切削除去工程後の最初の層であることもある。

製造装置として、シリンダーで外周が囲まれた空間内を上下に昇降する昇降テーブル２３上に供給した無機質あるいは有機質の粉末材料をスキージング用ブレード２１でならすことで所定厚みΔｔ１の粉末層を形成する粉末層形成手段２と、レーザ発振器３０から出力されたレーザをガルバノミラー３１等のスキャン光学系を介して上記粉末層に照射することで粉末を焼結して焼結層８を形成する焼結層形成手段３と、上記粉末層形成手段２のベース部にＸＹ駆動機構４０（高速化の点で直動リニアモータ駆動のものが好ましい）を介してミーリングヘッドを設けて、除去手段４を形成してある。

このものにおける三次元形状造形物２４の製造は、焼結層形成手段３と焼結層８との相対距離を調整する調整手段であるところの昇降テーブル２３上面の造形用ベース表面に無機質または有機質の粉末材料を供給してブレード２１でならすことで第１層目の粉末層を形成し、この粉末層の硬化させたい箇所にレーザ（レーザ）Ｌを照射して粉末を焼結させてベースと一体化した焼結層８を形成する。

この後、昇降テーブル２３を少し下げて再度無機質または有機質の粉末材料を供給してブレード２１でならすことで第２層目の粉末層を形成し、この粉末層の硬化させたい箇所にレーザ（レーザ）Ｌを照射して粉末を焼結させて下層の焼結層８と一体化した焼結層８を形成する。

昇降テーブル２３を下降させて新たな粉末層を形成し、レーザを照射して所要箇所を焼結層８とする工程を繰り返すことで、目的とする三次元形状造形物２４を製造するものであり、たとえば、粉末材料として平均粒径約２０μｍの球形の鉄粉、レーザとしては炭酸ガスレーザ、粉末層の厚みΔｔ１としては０．０５ｍｍが好適である。

レーザの照射経路は、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。すなわち、従来のものと同様に、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（ここでは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２４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レーザの照射を行うのが好ましい。除去手段４によって後述する表面除去を行っても、露出した部分がポーラスであれば、除去加工後の表面もポーラスな状態となるためであり、このために予め形状モデルデータを表層部と内部とに分割しておき、内部についてはポーラスとなるような焼結条件、表層部はほぼ粉末が溶融して高密度となる条件でレーザを照射する。図３に示す正面視略凸型の造形物２４の一例では、内部をさらに予め形状モデルデータを外側部と内側部と分割し、それぞれ内側部の方がよりポーラスとなるようレーザ照射条件を変えて、中密度部および低密度部を形成するようにしている。

この３種類の密度の異なる焼結層８を形成するには、レーザ照射条件（レーザ出力、レーザ走査速度、レーザ照射径）などを適宜設定変更することにより実現できるが、造形時間の短縮を狙いとした場合、特にレーザ走査速度のみを変えることによっても実現できる。例えば、照射面でのレーザ出力３００Ｗ、レーザ照射径０．６ｍｍのＣＯ２レーザを用いた場合、ガルバノスキャナの走査スピードを制御することにより、高密度層５０では１００〜２００ｍｍ／sec、中密度層５１では１５００〜２０００ｍｍ／sec、低密度層５２では２０００〜２５００ｍｍ／seｃを目安とすることができる。

このような三次元形状造形物２４の製造方法では、造形物２４の下端部から順に焼結層８を積層して造形していくため、図中Ａのラインは高密度層５０から中密度層５１へ変化する層であり、図中Ｂのラインは中密度層５１から低密度層５２へ変化する層であり、各密度変化に対応してレーザ照射条件を変化させて焼結を行う。この場合、高密度層５０では、レーザ走査速度が遅いために粉末が十分溶融して沈み込むため、他のポーラスな中密度層５１や低密度層５２に比べて平坦層２０のときの厚みよりも焼結層８のときの厚みがより薄くなる傾向がある。したがって、高密度層５０の上に所定厚さの平坦層２０を形成するときに、所定厚さと粉末の溶融沈み高さを加えた厚みの太い平坦層２０を中密度層５１のレーザ照射条件で焼結するとレーザ照射が平坦層２０の下部まで行き渡らず未焼結の粉末材料の上に密着不十分に団子形状の焼結部分が乗り、これが溶融玉となって焼結層８上に突起物として生成されることが起こる。この突起物にブレード２１が衝突して停止しないように、ブレード２１の走査速度を遅くして突起物を除去できる程度のトルク強度にする。例えば通常時のブレード２１走査速度を１００ｍｍ／ｓｅｃ程度とすると、上記の場合には８０ｍｍ／ｓｅｃ程度とする。その直上の平坦層２０を形成するときは、ブレード２１走査速度を１００ｍｍ／ｓｅｃ程度に戻して造形を継続する。

また図４に示すように、中央部に丸孔形状の横孔５３を有する外形略直方体形状の造形物２４を造形する場合、横孔５３に相当する部分はレーザ照射を行わない箇所であり未焼結の粉末材料がそのまま残ることになる。この際、横孔５３の中心よりも上方位置の焼結層８では粉末材料の直上の平坦層２０を焼結することになり、粉末材料との密着性が悪くなってめくり上がり現象などが起こることがある。このめくり上がった焼結片が突起物となって生成されることが起こる。この場合も、ブレード２１が衝突して停止しないように、ブレード２１の走査速度を遅くして突起物を除去できる程度のトルク強度にする。その後は、再びブレード２１走査速度を元に戻して造形を継続する。

そして、上記粉末層を形成してはレーザを照射して焼結層８を形成することを繰り返していくのであるが、焼結層８の全厚みがたとえばミーリングヘッドの工具長さなどから求めた所要の値になれば、いったん除去手段４を作動させてそれまでに造形した造形物２４の表面を切削する。たとえば、ミーリングヘッドの工具（ボールエンドミル４１）が直径１ｍｍ、有効刃長３ｍｍで深さ３ｍｍの切削加工が可能であり、粉末層の厚みΔｔ１が０．０５ｍｍであるならば、６０層の焼結層８を形成した時点で、除去手段４を作動させる。

この除去手段４による切削加工により、造形物２４表面に付着した粉末による低密度表面層を除去すると同時に、高密度部まで削り込むことで、造形物２４表面に高密度部を全面的に露出させる。このために、所望の形状よりも焼結層８が少し大きくなるようにしておく。

この除去手段４による切削加工経路は、レーザの照射経路と同様に予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。この時、等高線加工を適用して加工経路を決定するが、Ｚ方向ピッチは焼結時の積層ピッチにこだわる必要はなく、緩い傾斜の場合はＺ方向ピッチをより細かくして補間することで、滑らかな表面を得られるようにしておく。切削加工を直径１ｍｍのボールエンドミル４１で行う場合は、切り込み量を０．１〜０．５ｍｍ、送り速度を５ｍ／ｍｉｎ〜５０ｍ／ｍｉｎ、工具回転数を２０，０００ｒｐｍ〜１００，０００ｒｐｍとするのが好ましい。

また図５に示すように、この除去工程において、除去手段４による切削加工により、造形物表面に付着した粉末による低密度表面層を除去する場合に、切削による切屑７が飛散して焼結層上に付着することがある。この状態でブレード２１により材料粉末２５を供給すると同時に切屑７を押し上げるようになり、この切屑７が造形物とブレード２１の間に引っ掛かりブレード２１が停止することがある。この場合も、ブレード２１が衝突して停止しないように、ブレード２１の走査速度を遅くして突起物を除去できる程度のトルク強度にする。その後は、再びブレード走査速度を元に戻して造形を継続する。

このような三次元形状造形物の製造方法においては、焼結層８上に突起物が形成されるような所定の平坦層２０を形成するに当たって、このような粉末材料２５の所定の平坦層２０を形成するブレード２１の走査速度を他の平坦層２０を形成するブレード２１の走査速度よりも遅くするようにしているので、このような平坦層２０を形成するときにはブレード２１の停止トルクが上昇し、ブレード２１が突起物に当たって停止することなく突起物を除去できるとともに、他の平坦層２０ではブレード２１の走査速度が遅くならないようにしているので、全体の造形時間が必要以上に大幅に遅くならず、造形作業性が向上している。

図６は、同上と異なる三次元形状造形物の製造装置を用いた製造方法の一製造工程を示す説明図である。

図６に示すように、この三次元形状造形物の製造方法は、同上の製造方法と略同様なものである。異なる点は、焼結層の形成直後に表面形状の計測を行い、この計測結果に基づき表面形状の凸状部が所定基準よりも多いときに、この直後の平坦層が前記ブレードの走査速度を遅くする所定の平坦層であるとしていることである。

製造装置として前述のものに付加されるのは、造形物２４の表面に斜め方向から照明を落射させる観察用照明具３８と、造形物２４の表面の平面画像を撮影するＣＣＤカメラよりなる撮像カメラ３７と、撮像カメラ３７の撮像画像処理を行う画像処理装置である。観察用照明具３８は、造形タンク２２の両端部上方にそれぞれ設置され照明方向は造形タンク２２中央方向に向けた斜め下方向としている。また撮像カメラ３７は、造形タンク２２中央の上方位置に設置されている。またこの観察用照明具３８および撮像カメラ３７は、ＸＹ駆動機構に設けるとともに、照射角度および撮像角度が変更自在として造形物２４表面上の突起部を認識しやすくすることもよい。

画像処理方法の一例を以下に説明する。まず、造形物形状データ及び位置基準データより造形物の位置データを演算し、所定の記憶装置に記憶しておく。次にこの位置データより撮像カメラ３７や観察用照明具３８を位置制御し、造形物２４表面全体が撮像できるようにする。次にブレードにより材料粉末を供給する工程の直前で造形物表面の焼結層を撮像する。焼結層表面に突起物がある場合、斜め方向からの照明によって撮像画像には突起物の影が取りこまれる。そしてこの影面積が所定値より大きい場合に、ブレード停止可能性のある邪魔な突起物があるとし、この突起物の数により、ブレード負荷の程度を判断し、これに対応してブレード走査速度を複数変えることよい。この突起物の数とブレード走査速度とは記憶装置の判断テーブルに記憶しておく。この際、画像処理を行う範囲を各焼結層の外形に対応させて外形内部のみ行うようにすると、画像処理時間が短縮できて全体の造形時間を短くできる。

このような製造方法では、突起物を画像処理装置で計測してブレード速度制御を行うため、焼結層上に予期できない突起物がある場合に、ブレード停止を防止することができる。

また、ＸＹ駆動機構に図示しない吸引ノズルを設け、この画像処理により突起物と判断されたものを吸引ノズルで吸引するようにしてもよい。吸引ノズルである程度突起物を除去した後に通常の速度より遅い速度でブレード走査を行うことにより、ブレードの停止をより防止することができる。

本発明の実施形態の三次元形状造形物の製造装置の概略を示す斜視図である。同上の三次元形状造形物の製造装置を用いた製造方法の概略を示す要部の縦断面図である。同上の三次元形状造形物の製造装置により造形される造形物の一例を示す縦断面図である。同上の三次元形状造形物の製造装置により造形される造形物の他の一例を示す縦断面図であり、（ａ）は全体、（ｂ）は一部分のレーザ照射時、（ｃ）は（ｂ）のレーザ照射後を示す。同上の三次元形状造形物の製造装置を用いた製造方法の一部の製造工程を示す要部の縦断面図であり、（ａ）〜（ｃ）に各段階を示す。同上と異なる三次元形状造形物の製造装置を用いた製造方法の一製造工程を示す説明図である。

符号の説明

２粉末層形成手段
３焼結層形成手段
４除去手段
７切屑
８焼結層
１０材料供給テーブル
１１材料タンク
１２材料粉末
２０平坦層
２１ブレード
２２造形タンク
２３昇降テーブル
２４造形物
２５材料粉末
２６レール
２７造形テーブル
３０レーザ発振器
３１ガルバノミラー
３３光学スキャナ
３４偏向制御装置
３５パソコン
３６画像装置
３７撮像カメラ
３８観察用照明具
４０ＸＹ駆動機構
４１エンドミル
４３案内駆動部
５０高密度層
５１中密度層
５２低密度層
５３横孔

Claims

無機質あるいは有機質の粉末材料の平坦層の所定箇所にレーザを照射して該当個所の粉末を焼結することで焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料を供給した後にブレードの走査により均して新たな平坦層を被覆し、この新たな平坦層の所定箇所にレーザを照射して該当個所の粉末を焼結す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して、複数の焼結層が積層一体化された粉末焼結部品を作成するにあたり、粉末材料の所定の平坦層を形成するブレードの走査速度を他の平坦層を形成するブレードの走査速度よりも遅くすることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
三次元形状造形物の下端部が稠密に内部がポーラスになるようレーザの照射条件を高溶融条件から低溶融条件に変えて焼結層を積層すると共に、前記ブレードの走査速度を遅くする所定の平坦層が、レーザの照射条件を高溶融条件から低溶融条件に移行したときに相当することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記ブレードの走査速度を遅くする所定の平坦層が、その下層に燒結層を有しない部分上に燒結層を形成する層であることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
燒結層の形成後にそれまでに作成した造形物の表面部又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成工程中に挿入するとともに、前記ブレードの走査速度を遅くする所定の平坦層が、前記切削除去工程後の最初の層であることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
焼結層の形成直後に表面形状の計測を行い、この計測結果に基づき表面形状の凸状部が所定基準よりも多いときに、この直後の平坦層が前記ブレードの走査速度を遅くする所定の平坦層であることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。