JP2007100199A

JP2007100199A - ３次元形状造形物の製造方法

Info

Publication number: JP2007100199A
Application number: JP2005294793A
Authority: JP
Inventors: Tomomi Tanaka; 知実田中
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2025-10-07
Also published as: JP4792905B2

Abstract

【課題】硬化層２が造形部４の上端より突出して形成されてしまった場合、材料供給手段８と突出した部分とが干渉してしまい、３次元形状造形物が押し倒されてしまい、３次元形状造形物が正しく形成できなくなるという課題があった。
【解決手段】造形台７または硬化層２の上面を造形部４の上端より下に位置させるとともに金属粉末１を材料保持部３の上端より上に位置させ、材料供給手段１０を材料保持部３の造形部４と反対側の外側から造形部４の材料保持部３と反対側の外側まで材料供給手段１０が予め設定された力以上の力を受けた時には材料供給手段１０を一時的に退避させながら移動させて造形部４に金属粉末１を薄い層状に堆積させ、造形部４の上方から造形部４に供給された金属粉末１に対して光ビーム９を照射して金属粉末１を硬化させて硬化層２を形成することを複数回繰り返して硬化層２が複数積層された３次元形状造形物を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、３次元形状造形物の製造方法に関し、詳しくは光ビームを利用して金属粉末を層状に連続的に硬化させて３次元形状造形物を製造する３次元形状造形物の製造方法に関するものである。

従来の無機質粉末材料、例えば金属粉末に対して光ビーム、例えば指向性エネルギービームやレーザを照射して金属粉末を硬化させ、硬化層を積層させることにより３次元形状造形物を製造する方法について、図２を用いて説明する。

図２は、従来の３次元形状造形物の製造方法を示す模式的断面図である。

図２において、１は金属粉末などの無機質粉末材料であり、２は金属粉末１に対して光ビームを照射して硬化させた硬化層である。３は金属粉末１を保持する材料保持部、４は硬化層２を形成する造形部であり、５は材料保持部３に保持されている金属粉末１を上下させる材料昇降部、６は造形部４にて造形された硬化層２を上下させる造形昇降部である。７は造形昇降部６に載置された造形台であり、造形台７の上に硬化層２を複数積層することにより３次元形状造形物が造形される。８は材料供給手段であり、材料保持部３に保持された金属粉末１を造形部４に供給する。

従来の３次元形状造形物の製造方法は、まず、図２（ａ）に示すように、造形昇降部６を所定の高さ下げることにより硬化層２または造形台７の上面を造形部４の上端より下に位置させ、材料昇降部５を所定の高さ上げることにより金属粉末１を材料保持部３の上端より上に位置させる。

次に、図２（ｂ）に示すように、材料供給手段８を材料保持部３の造形部４と反対側の外側から造形部４の材料保持部３と反対側の外側まで水平移動させる。材料供給手段８は材料保持部３および造形部４の内幅よりも長い板状体であり、材料供給手段８を水平移動させることにより、材料保持部３の上端より上に位置している金属粉末１を押し動かして造形部４に移送する。このとき、金属粉末１は材料供給手段８により均され、造形部４で薄い層状に堆積される。

次に、図２（ｃ）に示すように、造形部４の上方から造形部４に供給された金属粉末１に対して光ビーム９を照射することにより金属粉末１を硬化させて硬化層２を形成する。この光ビーム９を照射している間または光ビーム９の照射が完了した後、材料供給手段８は、材料保持部３の造形部４と反対側の外側に移動させる。また、材料保持部３では、材料昇降部５を所定の高さ上げることにより金属粉末１を材料保持部３の上端より上に位置させる。

以上の工程を複数回繰り返すことにより、造形部４の造形台７上に硬化層２が複数積層された３次元形状造形物を製造していた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１５０５５７号公報

上記に示したような従来の方法では、金属粉末１を硬化させる際の金属粉末１の燃焼や材料の偏在、光ビーム９の照射エネルギーの時間的空間的な不均一さ等によって、硬化層２が想定よりも高く造形部４の上端より突出して形成されてしまう場合があった。その際、材料供給部８が造形部４の上を水平に移動するのみであるため、材料供給手段８と硬化層２の造形部４の上端より突出した部分とが干渉してしまい、材料供給手段８の進行方向と平行な方向の長さが短く、造形昇降部６の昇降方向と平行な方向の長さが長い３次元形状造形物は押し倒されてしまうため、３次元形状造形物が正しく形成できなくなるという課題があった。

上記課題を解決するために本発明は、造形台または硬化層の上面を造形部の上端より下に位置させるとともに無機質粉末材料を材料保持部の上端より上に位置させ、材料供給手段を前記材料保持部の前記造形部と反対側の外側から前記造形部の前記材料保持部と反対側の外側まで前記材料供給手段が予め設定された力以上の力を受けた時には前記材料供給手段を一時的に退避させながら移動させて前記造形部に前記無機質粉末材料を薄い層状に堆積させ、前記造形部の上方から前記造形部に供給された前記無機質粉末材料に対して光ビームを照射して前記無機質粉末材料を硬化させて硬化層を形成することを複数回繰り返して硬化層が複数積層された３次元形状造形物を形成することにより、硬化層が想定よりも高く造形部の上端より突出して形成されてしまった場合にも、材料供給手段が硬化層の造形部の上端よりも突出した部分と干渉して３次元形状造形物を押し倒してしまうことを回避することが可能となり、３次元形状造形物が正しく形成することが可能となる。

本発明によれば、材料供給手段の進行方向と平行な方向の長さが短く、造形昇降部の昇降方向と平行な方向の長さが長い３次元形状造形物を製造することが可能となる。特に、造形昇降部の昇降方向と平行な方向の長さが、材料供給手段の進行方向と平行な方向の長さの３倍以上である３次元形状造形物を製造することが可能となる。

本発明の一実施の形態について、図１を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施の形態における３次元形状造形物の製造方法を示す模式的断面図である。図１において、図２と同一物については同一番号を付して詳細な説明は省略する。

図１において、１０は金属粉末１を造形部４に押し動かして移送する際に、予め設定された力以上の力を受けた時に力を受け流す機構を有する材料供給手段であり、１１は金属粉末１を硬化させる際の金属粉末１の燃焼や材料の偏在、光ビーム９の照射エネルギーの時間的空間的な不均一さ等によって、硬化層２が想定よりも高く造形部４の上端より突出して形成されてしまった突起である。

本発明の一実施の形態における３次元形状造形物の製造方法は、まず、図１（ａ）に示すように、造形昇降部６を所定の高さ下げることにより硬化層２または造形台７の上面を造形部４の上端より下に位置させ、材料昇降部５を所定の高さ上げることにより金属粉末１を材料保持部３の上端より上に位置させる。

次に、図１（ｂ）に示すように、材料供給手段１０を材料保持部３の造形部４と反対側の外側から造形部４に向かって水平移動させる。材料供給手段１０は材料保持部３および造形部４の内幅よりも長い板状体であり、材料供給手段１０を水平移動させることにより、材料保持部３の上端より上に位置している金属粉末１を押し動かして造形部４に移送する。

図１（ｃ）は、材料供給手段１０が突起１１の存在する位置にさしかかった状態を示す。図１（ｃ）に示すように、材料供給手段１０が突起１１の存在する位置にさしかかった時には、材料供給手段１０は、通常の金属粉末１を移送する際にかかる力以上の力を受けることになる。このとき、材料供給手段１０は予め設定された力以上の力を受けた時に力を受け流す機構、例えば回転機構により一時的に退避させることで、材料供給手段１０と突起１１との干渉を回避する。ここでは、材料供給手段１０の退避を回転機構により回転させて行ったが、直線移動機構を用いて、上方あるいは斜め上方に退避させてもよい。

ここで、具体的な本発明の一実施例としは、材料保持部３の上方から見た面の大きさは、２５０ｍｍ×２５０ｍｍであり、金属粉末１を供給するために材料昇降部５が上昇する距離は０．５ｍｍ程度である。この場合、移送される金属粉末１の容積は、３１，２５０ｍｍ³となり、金属粉末１は平均粒径２０μｍの鉄粉を使用しているため、移送される金属粉末１の重量は約２５０ｇとなる。重量約２５０ｇの金属粉末１を移送する際に材料供給手段１０に通常かかる力としては、金属粉末１の重量の２〜３倍程度となるため、５〜８Ｎの力がかかることとなる。従って、本実施例では、材料供給手段１０を１０Ｎの張力で支持することにより、材料供給手段１０を通常の姿勢に保持させている。そして、予め設定された材料供給手段１０を支持する張力以上の力がかかった際には、材料供給手段１０を一時的に退避させている。

次に、図１（ｄ）に示すように、材料供給手段１０が突起１１の存在する位置を通過した後、元の姿勢に復帰し、造形部４の材料保持部３と反対側の外側まで移動して材料供給を完了する。このとき、金属粉末１は材料供給手段１０により均され、造形部４で薄い層状に堆積される。

次に、従来と同様に、造形部４の上方から造形部４に供給された金属粉末１に対して光ビーム９を照射することにより金属粉末１を硬化させて硬化層２を形成する。この光ビーム９を照射している間または光ビーム９の照射が完了した後、材料供給手段１０は、材料保持部３の造形部４と反対側の外側に移動させる。また、材料保持部３では、材料昇降部５を所定の高さ上げることにより金属粉末１を材料保持部３の上端より上に位置させる。

以上の工程を複数回繰り返すことにより、造形部４の造形台７上に硬化層２が複数積層された３次元形状造形物が製造される。

以上のように本発明の一実施の形態によれば、材料供給手段１０の進行方向と平行な方向の長さが短く、造形昇降部６の昇降方向と平行な方向の長さが長い３次元形状造形物を製造することが可能となる。特に、造形昇降部６の昇降方向と平行な方向の長さが、材料供給手段１０の進行方向と平行な方向の長さの３倍以上である３次元形状造形物を製造することが可能となる。

なお、本発明の一実施の形態においては、材料供給手段１０が材料保持部３および造形部４の内幅よりも長い板状体を用いたが、板状体を複数に分割した構成としてもよい。また、材料供給手段１０が予め設定された力以上の力を受けた時に力を受け流す機構として回転機構を用いたが、直線移動機構でもよく、さらに材料供給手段１０が予め設定された力以上の力を受けた時に屈曲する弾性体や薄板を用いてもよい。

また、材料供給手段は複数の線状部材から構成され、予め設定された力以上の力を受けた時に力を受けた部分が造形部の水平面内で退避するようにしてもよい。

本発明の３次元形状造形物の製造方法および製造装置は、複雑な形状を有する射出成形金型の金型部品の製造や金属製モックアップモデルの製作等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態における３次元形状造形物の製造方法を示す模式的断面図従来の３次元形状造形物の製造方法を示す模式的断面図

符号の説明

１金属粉末
２硬化層
３材料保持部
４造形部
５材料昇降部
６造形昇降部
７造形台
１０材料供給手段
１１突起

Claims

造形台または硬化層の上面を造形部の上端より下に位置させるとともに無機質粉末材料を材料保持部の上端より上に位置させ、材料供給手段を前記材料保持部の前記造形部と反対側の外側から前記造形部の前記材料保持部と反対側の外側まで前記材料供給手段が予め設定された力以上の力を受けた時には前記材料供給手段を一時的に退避させながら移動させて前記造形部に前記無機質粉末材料を薄い層状に堆積させ、前記造形部の上方から前記造形部に供給された前記無機質粉末材料に対して光ビームを照射して前記無機質粉末材料を硬化させて硬化層を形成することを複数回繰り返して硬化層が複数積層された３次元形状造形物を形成することを特徴とする３次元形状造形物の製造方法。
材料供給手段は、予め設定された力以上の力を受けた時に上方または斜め上方に退避することを特徴とする請求項１記載の３次元形状造形物の製造方法。
材料供給手段は複数の部材からなり、予め設定された力以上の力を受けた時に力を受けた部分のみ退避させることを特徴とする請求項１または２記載の３次元形状造形物の製造方法。
材料供給手段は複数の線状部材からなり、予め設定された力以上の力を受けた時に力を受けた部分が造形部の水平面内で退避することを特徴とする請求項１記載の３次元形状造形物の製造方法。