JP2008111151A

JP2008111151A - 光造形方法

Info

Publication number: JP2008111151A
Application number: JP2006293980A
Authority: JP
Inventors: Norio Takinami; 範男滝波; Toshio Maeda; 敏男前田
Original assignee: Matsuura Machinery Corp; Matsuura Kikai Seisakusho KK
Current assignee: Matsuura Machinery Corp; Matsuura Kikai Seisakusho KK
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2026-10-30
Also published as: DE102007023591B4; US20080099936A1; JP3923511B1; US7941241B2; DE102007023591A1

Abstract

【課題】光ビームによる焼結を介した三次元造形製品の成形において、造形領域毎において、必要な硬度及び密度を調整することができ、しかも作業効率において優れた光造形方法の構成を提供すること。
【解決手段】所定厚みの粉末層を形成した後、当該粉末層を光ビームによって焼結する工程を所定回数行った後、周囲の切削を行うことに基づく光造形方法において、各粉末層の周囲表面からの最短距離に対応して、光ビームの焼結面１１における単位面積当りの照射量を変化させることによって焼結の程度を変化させることに基づく光造形方法。
【選択図】図３

Description

本発明は、所定厚みの粉末層を形成した後、当該粉末層を光ビームによって焼結する工程を所定回数行った後、周囲の切削を行うことに基づく光造形方法に関するものである。

金属又は非金属粉末をレーザー光線などの光ビームによる焼結を介した三次元造形製品を成形する技術分野においては、既に諸構成が提案されているが、
（１）粉末の落下に伴う撒布及び撒布された粉末の上側表面又はその近傍を摺動する平坦化工程、
（２）造形領域に対するレーザー光線などの光ビームを照射することによって、当該照射領域を焼結する工程、
（３）前記（２）の焼結が行われた単数又は複数の層の周囲端部をエンドミルによって切削しながら周囲の成形を行う工程
を経ており、前記（１）、（２）、（３）を繰り返すことによって最終的に必要な三次元形状を成形することになる。

従来技術においては、特許文献１、２に示すように、前記（２）の焼結工程につき、図１に示すような照射面の造形領域において照射の程度は概略一定に保持されており、領域内において特に調整している訳ではない。

いうまでもなく、焼結の程度によって、造形対象物の硬度及び密度は当然変化するが、造形対象物は必ずしも全領域において、一定の硬度及び密度を要求されている訳ではない。

却って、造形対象物の表面周辺では、高い硬度及び高密度が要求されるのに対し、中心部では、さほどの硬度及び密度が要求されない場合が少なからず存在する。
但し、レアケースとして、逆の場合、即ち表面周辺では、低い硬度及び低密度が要求され、中心においては、高い硬度及び低密度が要求される場合も存在する。

このような場合、従来技術のように、全造形領域において、同程度の光ビームを照射することは、無駄な光ビームによる照射を行うことを意味しており、製造速度及び製造コストにおいて不適切である。

しかも、造形対象物の領域内において、硬度及び密度が順次変化することが必要であるにも拘らず、従来技術のように、略一様な硬度及び密度となるように焼結した造形対象物を各構成部分として相互に結合させた場合には、結合した境界部分において急激な密度及び高度の変化が出現し、結果として剥がれ、割れ等の欠陥が少なからず発生する。

そのような場合には、例えば、流体を通過させることが必要である管（パイプ）構造において、通過する水等の液体の漏洩、更には必要な機械剛性の低下等の基本的欠点を招聘することにならざるを得ない。

尤も、特許文献３においては、粉末焼結部分の表面を高密度に焼結させることが開示されているが、焼結領域全体にわたって硬度及び密度を順次調整することまで想定している訳ではない。

特表平８−５０２７０３号公報特表２００３−５０２５００号公報特許第３４４６７３３号公報

本発明は、光ビームによる焼結を介した三次元造形製品の成形において、造形領域毎において、必要な硬度及び密度を調整することができ、しかも作業効率において優れた光造形方法の構成を提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、所定厚みの粉末層を形成した後、当該粉末層を光ビームによって焼結する工程を所定回数行った後、周囲の切削を行うことに基づく光造形方法において、各粉末層の周囲表面からの最短距離に対応して、光ビームの焼結面における単位面積当りの照射量を変化させることによって焼結の程度を変化させることに基づく光造形方法からなる。

前記基本構成に基づき、本発明においては、周囲表面からの最短距離を基準とする造形領域毎に所望の硬度及び密度に必要な焼結を達成し、かつ全領域において同程度の焼結を行う場合に比し、製造速度及び製造コストを改善することが可能となる。

前記基本構成のように、造形周囲表面からの最短距離に対応して、光ビームの照射の程度を調整するのは、大抵の造形対象物１においては、表面からの距離に応じて必要な硬度及び密度が相違していることに由来している。
例えば、金型などの殆ど大抵の機械部品の場合、表面及びその近傍に比し、内側となるに従って必要な硬度及び密度は小さくなるという傾向にある。
但し、医療分野における人工骨などの人体に代置する素材などの特殊な分野においては、逆に、表面及びその近傍においては、小さな硬度及び密度が必要とされ、内側となるに従って、硬度及び密度が大きくなる場合も例外的に存在する。

このような硬度及び密度は、光ビームの焼結面における単位面積当りの照射量によって左右されるが、そのような単位面積当りの照射量の調整は、周囲表面からの最短距離に対応して、照射領域のスポット径の大きさ、又は光ビーム出力パワーなどの照射領域における光ビームの量又は走査速度を変化させることによって行われている。

本発明を実施するうえでは、現実に光ビームを走査させながら、単位面積当りの照射量を前記最短距離に従って変化させることを不可欠とする。

実際の光造形のプロセスにおいては、前記（１）の粉末の撒布及び平坦化工程、前記（２）の焼結工程、前記（３）の成形工程は、図２に示すようなＣＡＤ／ＣＡＭシステム３によって実現されている。

即ち、ＣＡＤシステム３１によって目的とする形状を設定し、ＣＡＤシステム３１又はＣＡＭシステム３２によって加工するうえで必要なデータを設定し、しかもＣＡＭシステム３２によって、前記（１）、（２）、（３）の制御に必要なプログラムを作成したうえで、ＮＣコントローラ４を介して、前記（１）、（２）、（３）の制御が行われている。

前記ＣＡＤ／ＣＡＭシステム３を前提とした場合における本発明の典型的な実施形態は、
（ａ）ＣＡＤシステム３１によって、各焼結単位の周囲表面の形状を設定したうえで、ＣＡＤシステム３１又はＣＡＭシステム３２によって、各焼結面１１において、周囲表面からの最短距離が等しい複数の点を結合することによる等ポテンシャルライン２を光ビームの照射領域におけるスポット幅以下の間隔にて複数本設定し、各等ポテンシャルライン２に沿って光ビームを単位面積当りの照射量を概略等しい状態にて走査し、かつ各等ポテンシャルライン２毎に単位面積当りの照射量を変化させることを特徴とする光造形方法、
又は、
（ｂ）ＣＡＤシステム３１によって、各焼結単位の形状を設定したうえで、ＣＡＤシステム３１又はＣＡＭシステム３２によって、各焼結面１１において、周囲表面からの最短距離が等しい点を結合することによる等ポテンシャルライン２を複数本設定すると共に、縦方向及び横方向に沿って光ビームの照射幅以下の幅の等区分による照射単位領域を設定し、ＣＡＭシステム３２が作成したソフトウエアによって、各照射単位領域を通過する等ポテンシャルライン２に対応して、各照射単位領域毎の光ビームの照射量を設定し、ＮＣコントローラ４を介して、各照射単位領域を縦方向又は横方向に走査する光ビーム照射装置に対し照射量を指令することを特徴とする光造形方法、
である。

光ビームを等ポテンシャルライン２に沿って移動させている（ａ）の実施形態の場合には、各等ポテンシャルライン２に沿って移動する光ビームの照射量及び走査速度を一定としながら、等ポテンシャルライン２毎に前記照射量又は走査速度の少なくとも一方をＣＡＤ/ＣＡＭシステム３によって調整することによって、極めて効率的な作業を実現することができる。
尚、前記（ａ）の実施形態において、光ビームが特定の等ポテンシャルライン２から隣接する次の等ポテンシャルライン２に移動させるためには、光ビームが等ポテンシャルライン２に沿って一巡したこと、即ち、当該等ポテンシャルライン２のスタートの位置と同位置に戻ったことを判別し、当該判別に基づいて、光ビームを隣接する等ポテンシャルライン２に移行させるような指令をＮＣコントローラ４を介して行い得るプログラムを予めＣＡＭシステム３２において予め設定すると良い。

前記各照射単位領域を設定している前記（ｂ）の実施形態の場合には、各照射単位領域毎に光ビームの照射量を調整しており、光ビームの走査速度を調整する方法に適合することは、不可能又は極めて困難である。
但し、前記（ｂ）の方法は、光ビームを直線方向に移動させるという従来技術の方法を踏襲することが可能である。

前記（ｂ）の実施形態においては、等ポテンシャルライン２同士の幅と区分領域１２の幅との関係如何によっては、各区分領域１２が必ずしも１個の等ポテンシャルライン２が通過している訳ではなく、複数個の等ポテンシャルライン２が通過している場合、又は等ポテンシャルライン２が１個の通過していない場合も生じ得る。

そして、特定の照射単位領域を複数の等ポテンシャルライン２が通過する場合には、ＣＡＭシステム３２が作成したソフトウエアによって当該照射単位領域につき、各複数の等ポテンシャルライン２毎の区画領域に更に分割し、当該分割領域において、それぞれ各等ポテンシャルライン２に対応する照射量を設定することによる光造形方法を採用し、
特定の照射単位領域を等ポテンシャルライン２が通過しない場合には、ＣＡＭシステム３２が作成したプログラムによって、当該照射単位領域につき、縦方向又は横方向に沿って最も近い位置にあり、かつ等ポテンシャルライン２が通過している両側の照射単位領域における光ビームの照射量の平均値を設定するか、又は当該両側の照射単位領域における光ビームの照射量から順次等差的又は等比的に変化させた照射量を各照射単位領域毎に設定することによる光造形方法、
を採用すると良い。

以下、実施例に即して説明する。

ＣＡＤ／ＣＡＭシステム３を採用しながら、特定の対象物の造形を終了した後に、次の対象物を造形する際、改めて制御に関するプログラムを作成しているのであれば、当該作成時間においては、当該プログラムに基づいて、ＮＣコントローラ４を介した制御を行うことができない。

実施例においては、前記のようにＣＡＤ／ＣＡＭシステム３に立脚したうえで、ＣＡＭシステム３２において、特定の造形対象物１に対する光ビームの照射の程度を指令する一方、次に造形を予定している造形対象物１に対する制御に関するプログラムを作成していることを特徴としている。

このような実施例の構成を採用した場合には、実質的には、ＣＡＭシステム３２におけるプログラム作成に要する時間を０とすることができ、極めて効率的な連続作業を実現することが可能となる。

本発明は、粉末層に対する光ビームによる焼結を採用した光造形方法の全分野において利用することが可能である。

造形対象物を順次成形する際、特定の平面領域が焼結の対象となることを示しており、(ａ)は側面図であり、（ｂ）は焼結面を示す平面図である。ＣＡＤ／ＣＡＭシステムを示すブロック図である。本発明の典型的な実施形態を示す平面図であって、（ａ）は、等ポテンシャルラインに沿って光ビームを走査させる前記（ａ）の実施形態を示しており、（ｂ）は、各照射単位領域毎に光ビームの照射量を調整する前記（ｂ）の実施形態を示している（但し、（ａ）は全平面領域を示しているのに対し、（ｂ）は部分領域における拡大図を示している。）

符号の説明

１造形対象物
１１焼結面
１２区分領域
２等ポテンシャルライン
３ＣＡＤ／ＣＡＭシステム
３１ＣＡＤシステム
３２ＣＡＭシステム
４ＮＣコントローラ
５ノズル

Claims

所定厚みの粉末層を形成した後、当該粉末層を光ビームによって焼結する工程を所定回数行った後、周囲の切削を行うことに基づく光造形方法において、各粉末層の周囲表面からの最短距離に対応して、光ビームの焼結面における単位面積当りの照射量を変化させることによって焼結の程度を変化させることに基づく光造形方法。
周囲表面からの最短距離に対応して、照射領域のスポット径の大きさ、又は光ビーム出力パワーなどの照射領域における光ビームの量を変化させることによって、焼結の程度を変化させることを特徴とする請求項１記載の光造形方法。
周囲表面からの最短距離に対応して、光ビームの走査速度を変化させることによって、焼結の程度を変化させることを特徴とする請求項１記載の光造形方法。
ＣＡＤシステムによって、各焼結単位の周囲表面の形状を設定したうえで、ＣＡＤシステム又はＣＡＭシステムによって、各焼結面において、周囲表面からの最短距離が等しい複数の点を結合することによる等ポテンシャルラインを光ビームの照射領域におけるスポット幅以下の間隔にて複数本設定し、各等ポテンシャルラインに沿って光ビームを単位面積当りの照射量を概略等しい状態にて走査し、かつ各等ポテンシャルライン毎に単位面積当りの照射量を変化させることを特徴とする請求項１、２、３記載の光造形方法。
ＣＡＤシステムによって、各焼結単位の形状を設定したうえで、ＣＡＤシステム又はＣＡＭシステムによって、各焼結面において、周囲表面からの最短距離が等しい点を結合することによる等ポテンシャルラインを複数本設定すると共に、縦方向及び横方向に沿って光ビームの照射幅以下の幅の等区分による照射単位領域を設定し、ＣＡＭシステムが作成したソフトウエアによって、各照射単位領域を通過する等ポテンシャルラインに対応して、各照射単位領域毎の光ビームの照射量を設定し、ＮＣコントローラを介して、各照射単位領域を縦方向又は横方向に走査する光ビーム照射装置に対し照射量を指令することを特徴とする請求項１、２記載の光造形方法。
特定の照射単位領域を複数の等ポテンシャルラインが通過する場合には、ＣＡＭシステムが作成したソフトウエアによって当該照射単位領域につき、各複数の等ポテンシャルライン毎の区画領域に更に分割し、当該分割領域において、それぞれ各等ポテンシャルラインに対応する照射量を設定することを特徴とする請求項５記載の光造形方法。
特定の照射単位領域を等ポテンシャルラインが通過しない場合には、ＣＡＭシステムが作成したソフトウエアによって、当該照射単位領域につき、縦方向又は横方向に沿って最も近い位置にあり、かつ等ポテンシャルラインが通過している両側の照射単位領域における光ビームの照射量の平均値を設定するか、又は当該両側の照射単位領域における光ビームの照射量から順次等差的又は等比的に変化させた照射量を各照射単位領域毎に設定することを特徴とする請求項５記載の光造形方法。
ＣＡＭシステムにおいて、特定の造形対象物に対する光ビームの照射の程度を指令する一方、次に造形を予定している造形対象物に対する制御に関するプログラムを作成していることを特徴とする請求項３、４記載の光造形方法。