JP2007070655A - ３次元形状造形物およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス抜き機能を有しつつ、成形ショット数の多い金型にも金型部品として活用できる強度を有した３次元形状造形物を形成する。
【解決手段】
焼結用テーブル６００上で、無機質あるいは有機質の粉末材料１０２の層を形成し、その粉末層１０３の所定部を光ビームＬの照射によって焼結させて焼結層１０１ａ，１０１ｂ，・・を形成することを繰り返すことにより、複数の焼結層１０１ａ，１０１ｂ，・・を一体化させて焼結部１０１となし、３次元形状造形物を製造する方法において、前記光ビームＬの照射量を変化させることにより、少なくとも１つの焼結層１０１ａ，１０１ｂ，・・の面内に焼結密度が高い高密度領域４０１と、それよりも低い焼結密度を有する複数の多孔質な低密度領域４０２とを設ける。
【選択図】 図３

Description

本発明は粉末材料の選択的焼結によって形成される３次元形状造形物およびその製造方法に関するものである。

３次元形状造形物の製造方法としては、例えば特許文献１に記載されているものがある。この方法は、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、焼結用テーブル６００に下部構成材となる基台１００を設置し、この基台１００上に無機質あるいは有機質の粉末材料１０２からなる粉末層１０３を形成し、その所定部に光ビーム（レーザービーム）Ｌを照射して焼結することで焼結部１０１ａを形成し、その後に、新たな粉末層１０３を形成し、その所定部に光ビームＬを照射して焼結することで、先の焼結部１０１ａと一体となった焼結部１０１ｂを形成する、というステップを繰り返すことにより、粉末材料１０２から焼結部１０１を一層ずつ積層的に形成して３次元形状造形物を製造するもので、複雑な３次元形状造形物も短時間で製造することができる。

強度を確保するために焼結密度を高くするとガス焼けなどの問題が発生するため、ガス抜き機能を付加したものもある。図５に示すように、基台１００に予め、焼結部１０１で覆われる表面で開口するガス抜き穴１００ａなどを加工して内部を多孔質材料で埋め込んでおき、焼結部１０１を形成する際に、ガス抜き穴１０１ａ上の下層の焼結部１０１はそれ以外の部分よりも焼結密度を低くして多孔質材料に似せることで、ガス抜き構造が形成されている。
特開２００３‐００１７１５公報

しかしながら、ガス抜き機能を付加した３次元形状造形物は、上記したようにガス抜き部分の焼結密度を低くして多孔質材料に似せていることから、そのガス抜き部分の強度が他の部分より劣る。そのため射出成形金型の入子として用いるには剛性や耐久性が不十分なことがあり、成形ショット数の多い金型には金型部品として活用しにくいという問題がある。

本発明は上記問題を解決するもので、ガス抜き機能を有しつつ、成形ショット数の多い金型にも金型部品として活用できる強度を有した３次元形状造形物を形成することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、焼結用テーブル上で、無機質あるいは有機質の粉末材料の層を形成し、その粉末材料の層の所定部を光ビームの照射によって焼結させて焼結層を形成することを繰り返すことにより、複数の焼結層を一体化させて３次元形状造形物を製造する際に、前記光ビームの照射量を変化させることにより、少なくとも１つの焼結層の面内に焼結密度が高い高密度領域と、それよりも低い焼結密度を有する複数の多孔質な低密度領域とを設けるようにしたものである。低密度領域を分散させることで、同一面積をたとえば１箇所に集中させる場合に較べて強度が高まるので、ガス抜き機能、強度を併せ持たせ得るだけでなく、ガス抜きの範囲や輪郭は１つの低密度領域を基本に自由に設定できるようになり、これにより光ビームの照射時間の短縮を図ることも可能となる。

隣接する焼結層の内、焼結用テーブル側の焼結層に、焼結用テーブルと反対側の焼結層の低密度領域の面積より面積が大きい低密度領域を設けてもよく、これにより、光ビームの照射時間のさらなる短縮を図ることができる。

高密度領域は気孔率が５％未満であり、低密度領域は気孔率が５％から２０％であるのが好ましい。高密度領域として気孔率が５％以上であると、強度及び硬度を確保することが困難となり、また低密度領域として、気孔率が５％未満であるとガス抜けが悪くなり、２０％を超えると強度が低くなるため、上述した金型部品としての使用が困難となる。

上記方法により製造される３次元形状造形物、すなわち、複数の焼結層が一体化されてなる積層構造を有し、前記焼結層の面内に高密度領域と複数の多孔質な低密度領域とを備えた３次元形状造形物も本発明を構成する。

本発明方法によれば、ガス抜き機能と、ショット数の多い射出成形金型の金型部品などとしても使用可能な強度とを併せ持つ３次元形状造形物が得られる。ガス抜きの設定範囲や輪郭は、１つの低密度領域の大きさを基準に自由に設定することができる。低密度領域を多くすることで光ビームの照射時間を短縮することもできる。

以下に本発明を実施する為の最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の一実施形態における３次元形状造形物の外観斜視図である。基台１００と、それを覆った焼結部１０１とで構成されている。焼結部１０１は、複数の焼結層が一体化された積層構造（後述する）を有するとともに、強度を確保するための高密度領域４０１とガス抜きのための多孔質な低密度領域４０２とが表面に格子状に、つまり縦横に複数個ずつ、分布している。

図２はこの３次元形状造形物を製造するための製造装置の一例を示しており、焼結用テーブル６００と、この焼結用テーブル６００を昇降させる昇降台６０１、焼結用テーブル６００上に粉末材料を供給する粉末供給装置６０２、焼結用テーブル６００上に偏光装置６０３を介して照射する光ビームＬを発生する光ビーム照射装置６０４、これらを制御する制御装置６０５で構成されている。粉末供給装置６０２はブレード６０６を有している。

上記した３次元形状造形物を製造する方法を説明する。
図３（ａ）に示すように、３次元形状造形物における下部構造の全てもしくは一部となる基台１００を焼結用テーブル６００上にセットする。この基台１００はその表面上で粉末材料を焼結させる時に焼結物と一体化するものであれば、どのような材料で形成されたものであってもよいが、予め所要の加工を済ませたものを用いる。ここでは焼結部１０１で覆われる表面で開口したガス抜き穴１００ａを加工したものを用いた。ガス抜き穴１００ａは多孔質材料で埋め込んでもよい。

次に、図３（ｂ）に示すように、焼結用テーブル６００上に粉末材料１０２を供給しつつその表面をブレード６０６によってならして、基台１００上にΔｔの厚みの粉末層１０３を形成する。次に、図３（ｃ）に示すように、光ビームＬを所定の領域に対して照射して粉末層１０３を焼結させ、基台１００と一体化した焼結部１０１ａを形成する。その際には光ビーム照射装置６０４からの光ビームＬは偏光装置６０３により偏光して粉末層１０３に照射する。またその際に制御装置６０５によって偏光装置６０３を制御することで光ビームＬの照射位置を移動させる。粉末材料１０２は、金属、プラスチック、重合体、セラミックス、またはこれらが複合された無機質あるいは有機質の粉末材料であってよい。

その後に、図３（ｄ）に示すように、さらに粉末層１０３を形成し、その粉末層１０３を焼結して下層の焼結部１０１ａと一体化した焼結部１０１ｂを形成する、ということを繰り返して順次に積層していき、所望の３次元形状に近づけていく。その際には、順次に形成される焼結部１０１ａ，１０１ｂ，・・・の所定範囲の表面形状に沿うように光ビームＬの照射位置を移動させる。

なお焼結の際に、焼結部１０１ａ，１０１ｂ，・・・の面内（基台１００の表面方向）における焼結密度を調整する。これは、制御装置６０５より、光ビーム照射装置６０４の出力を制御して光ビームＬの強度を変更するか、あるいは偏光装置６０３の動作を制御して光ビームＬの走査速度（照射位置の移動速度）を変更することによる。光ビームＬの強度が大きいほど、また光ビームＬの走査速度が遅いほど、焼結密度が大きくなる。ここでは、光ビーム照射装置６０４の出力は一定に保ち、偏光装置６０３を通じて光ビームＬの走査速度を変更することにより、気孔率０.１％という高密度領域と、気孔率１０％という多孔質な低密度領域とが形成される条件を設定する。このように条件を設定した上で焼結を開始する。

焼結による積層の初期の段階では、ガス抜きを設定する範囲（上述した低密度領域の分布範囲）の全体に対して光ビームＬの走査速度を速くすることで、図３（ｅ）に示すように、当該範囲にわたる低密度領域４０２を形成し、それ以外の部分は高密度領域４０１とする。ここでは低密度領域４０２を、基台１００のガス抜き穴１０１ａを覆うように中央に大きく矩形に形成し、それ以外の部分、すなわち周縁部のみに高密度領域４０１を配置している。このことにより、面積の広い低密度領域４０２が一般に用いられている多孔質材料に似ることになり、ガス抜き性能が向上する。また光ビームＬの照射時間についても、最初から高密度領域４０１と低密度領域４０２とを格子状に形成するのを目指すのに比べて、光ビームの走査速度が速い低密度領域４０２を広くとれることから、照射時間を短縮することができる。

ある程度の厚みまで積層されたら、光ビームＬの走査速度を制御装置６０５と偏光装置６０３により切り替えて、図３（ｆ）に示すように、高密度領域４０１と複数の低密度領域４０２とを混在させる。ここでは、低密度領域４０２を線状かつ並列に形成し、それ以外は高密度領域４０１としたものを図示しているが、上述した高密度領域４０１と低密度領域４０２とが格子状に配置されたものを簡略化して示したものである（もちろん、図示したような線状の分布を有するものであってもよい）。低密度領域４０２は先に形成した低密度領域４０２の上に配置する。焼結部１０１の最終的な厚みは、３次元形状造形物に要求される強度を、先に周縁部のみに形成した高密度領域４０１とここで形成した高密度領域４０１とによって確保できる厚みとする。これはシミュレーションによって決定する。

所定の厚みの焼結部１０１が形成されたら、焼結用テーブル６００から基台１００を取り外すとともに未焼結で残った粉末材料１０２を除去することにより、目的とした３次元形状造形物を得る。

以上のようにして、基台１００を下部構造とし、積層された焼結部１０１を上部構造とし、かつ焼結部１０１の表面にガス抜きの為の低密度領域４０２と高密度領域４０１とが格子状等に形成された３次元形状造形物を得ることができる。かかる３次元形状造形物を、粉末材料１０２として、鉄系粉末を５０質量％以上含み、残部がニッケルおよびニッケル系合金からなる粉末合金である粉末材料を用いて、家電製品の筐体を形成する樹脂射出成型金型、その金型部品のなかでも可動側の入子として製造したところ、強度、ガス抜き機能とも、良好な結果が得られた。

なおこの３次元形状造形物では、上述したように内部（下層）に低密度領域４０２を１箇所のみ、強度が確保できる限界まで広く設けることで照射時間の短縮を図ったが、内部も高密度領域４０１と低密度領域４０２とを格子状等に形成するようにしても構わない。

また基台１００にて下部構造を構成したが、全構造を焼結部１０１にて構成してもよく、その場合も同様の効果を得ることができる。
また高密度領域４０１および低密度領域４０２の形状を長方形またはそれが繋がった枠状等の形状とすることで、３次元形状造形物と光ビームＬの制御プログラムの製作負荷の軽減を図ったが、どのような形でも同様の効果を得ることはできる。ガス抜きの設定範囲や輪郭は、１つの低密度領域４０２の大きさを基準に自由に設定することができる。

本発明方法によれば、ガス抜き機能と強度とを併せ持った３次元形状造形物を製造することができ、ショット数の多い射出成形金型の金型部品などの製造にも有用である。

本発明の一実施形態における３次元形状造形物の外観斜視図 図１の３次元形状造形物を製造するための従来よりある製造装置の構造図 図１の３次元形状造形物の製造方法を説明する工程断面図 従来の３次元形状造形物の製造方法を説明する工程断面図 ガス抜き機能を付加した３次元形状造形物の製造方法を示す断面図

符号の説明

１００ 基台
１００ａ ガス抜き用穴
１０１ 焼結部
１０２ 粉末材料
１０３ 粉末層
４０１ 高密度領域
４０２ 低密度領域
６００ 焼結用テーブル
Ｌ 光ビーム

Claims (4)

1. 焼結用テーブル上で、無機質あるいは有機質の粉末材料の層を形成し、その粉末材料の層の所定部を光ビームの照射によって焼結させて焼結層を形成することを繰り返すことにより、複数の焼結層を一体化させて３次元形状造形物を製造する方法であって、
   前記光ビームの照射量を変化させることにより、少なくとも１つの焼結層の面内に焼結密度が高い高密度領域と、それよりも低い焼結密度を有する複数の多孔質な低密度領域とを設ける３次元形状造形物の製造方法。
2. 隣接する焼結層の内、焼結用テーブル側の焼結層に、焼結用テーブルと反対側の焼結層の低密度領域の面積より面積が大きい低密度領域を設ける請求項１記載の３次元形状造形物の製造方法。
3. 高密度領域は気孔率が５％未満であり、低密度領域は気孔率が５％から２０％である請求項１または請求項２のいずれかに記載の３次元形状造形物の製造方法。
4. 複数の焼結層が一体化されてなる積層構造を有し、前記焼結層の面内に高密度領域と複数の多孔質な低密度領域とを備えた３次元形状造形物。

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