JP2008240074A - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属粉末材料層を薄く形成することが可能な三次元形状造形物の製造方法を提供すること。
【解決手段】金属の粉末材料Ｐの層の所定箇所に光ビームＬを照射して当該箇所の粉末を焼結することで形成された焼結層ｍの表面上に新たな粉末材料Ｐの層を形成し、この新たな粉末材料Ｐの層の所定箇所に光ビームＬを照射して当該箇所の粉末材料Ｐを焼結することで下層の焼結層ｍと一体となった新たな焼結層ｍを形成するという工程を繰り返して、複数の焼結層ｍが積層一体化された三次元形状造形物Ｍを製造するにあたり、前記下層の焼結層ｍの表面に新たな粉末材料Ｐの層を形成する前に当該下層の焼結層ｍの表面粗さを増大させる加工を行い、当該表面粗さを増大させた焼結層ｍの表面に新たな粉末材料Ｐの層を積層する。
【選択図】図２

Description

本願発明は、金属粉末材料の層に光ビームを照射して焼結層を形成する工程を繰り返すことにより、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造する方法に関するものである。

従来、金属粉末材料で形成された層に光ビームを照射して焼結層を形成する工程を繰り返すことにより、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

金属光造形と称されているこの技術においては、光ビームのエネルギー密度の調整により、金属粉末がほぼ完全に溶融した後に固化した状態（すなわち、焼結密度がほぼ１００％の状態）を得ることができる。この状態を経て得られた造形物の表面（焼結層の表面）は非常に滑らかな面とすることができるので、滑らかな表面が要求される成形用金型等を製造する方法に適している。
特開２００５−４８２３４号公報

ところで、高精度な三次元形状造形物を形成するためには、微細な金属粉末材料の層をできるだけ薄くすることが必要である。

しかしながら、焼結層の表面が滑らかになるとその滑らかな表面の上に薄く金属粉末材料の層を形成することが困難となる。その結果、滑らかな表面を有する高精度な三次元形状造形物を形成することが困難となる。

本願発明は上記問題に鑑みなされたものであり、金属粉末材料層を薄く形成することが可能な三次元形状造形物の製造方法を提供することを目的とするものである。

以下、上記課題を解決するのに有効な手段等につき説明する。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明では、金属粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して当該箇所の粉末材料を焼結することで形成された焼結層の表面上に新たな粉末材料の層を形成し、この新たな粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して当該箇所の粉末材料を焼結することで下層の焼結層と一体となった新たな焼結層を形成するという工程を繰り返して、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造するにあたり、前記下層の焼結層の表面に新たな粉末材料の層を形成する前に当該下層の焼結層の表面粗さを増大させる加工を行い、当該表面粗さを増大させた焼結層の表面に新たな粉末材料の層を積層することを特徴としている。

これによると、下層の焼結層の表面粗さを増大させる加工をしているので、焼結層の表面の滑り抵抗を大きくすることができる。このため、下層の焼結層の表面上を金属粉末材料が滑りにくくなり、下層の焼結層の表面に薄く粉末材料の層を形成することが容易となる。この結果、製造される三次元形状造形物の精度を高めることが可能となる。

下層の焼結層の表面粗さを増大させる加工をすることで、請求項２に記載の発明のように、平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下の微細な粉末材料で形成される粉末層を薄く且つ均一の厚さに形成することが可能となる。そして、微細な粉末層を薄く形成することが可能となるので、滑らかな表面を有する高精度な三次元形状造形物を形成することが可能となる。

なお、請求項３に記載の発明のように、均表面粗さが１μｍＲａ以上５μｍＲａ以下、且つ、最大表面粗さが５μｍＲｚ以上２０μｍＲｚ以下となるように、前記下層の焼結層の表面粗さを増大させることで、平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下の微細な粉末材料で形成される粉末層を薄く且つ均一の厚さに形成することが可能となる。

請求項４記載の発明では、前記積層一体化された複数の焼結層の表面部の切削除去処理を行うための切削加工装置を用いることにより、前記下層の焼結層の表面粗さを増大させる加工を行うことを特徴としている。切削除去装置を用いて粗面加工処理を行うことにより、新たに特別の機構を設けることなく焼結層の表面粗さを増大させる加工を行うことが可能となる。

請求項５記載の発明では、ブレードを用いることにより、前記焼結層の表面上における前記粉末材料の層を形成するとともに、前記ブレードの移動方向前方に設けられた面粗し部により、前記下層の焼結層の表面粗さを増大させる加工を行うことを特徴としている。これにより、ブレードを移動させることでブレードに設けられた面粗し部で下層の焼結層の表面粗さを増大させる加工を行いつつ粉末材料の層を形成することが可能となる。すなわち、焼結層の表面粗さを増大させる工程と粉末材料層を形成する工程とを同一の工程で行うことができるため、効率よく三次元形状造形物の製造を行うことが可能となる。

請求項６記載の発明では、前記下層の焼結層の表面に光ビームを照射することにより、前記下層の焼結層の表面粗さを増大させる加工を行うことを特徴としている。光ビームにより焼結層の表面粗さを増大させる加工を行うことにより、表面粗さを増大させる処理を行うための特別な装置を設ける必要がなく、装置の構造が複雑化することを抑制することができる。

本発明の三次元形状造形物の製造方法においては、粉末層を形成する工程の前に下層の焼結層の表面粗さを増大させる加工をしているので、下層の焼結層の表面に薄く且つ均一な厚さの粉末材料の層を形成することが容易となる。この結果、製造される三次元形状造形物の精度を高めることが可能となる。

［第１実施形態］
以下本発明に係る三次元形状造形物の製造方法を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る三次元形状造形物製造装置の概略を示す斜視図であり、図２は三次元形状製造物製造装置の要部を模式的に示す縦断面図である。

図１および図２に示すように、三次元形状造形物製造装置（以下単に「製造装置」と呼ぶ）１は、造形部１０と供給部２０とを備えている。

供給部２０はタンク状をなしており、その底面部２２は昇降自在となっている。供給部２０の内部には造形に用いられる金属の粉末材料Ｐが収容されている。本実施形態では、金属粉末材料Ｐは、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４４０）、ニッケル（Ｎｉ）、銅マンガン合金（ＣｕＭｎＮｉ）及び黒鉛（Ｃ）の混合粉末であり、
（７０％ＳＣＭ４４０−２０％Ｎｉ−９％ＣｕＭｎＮｉ）＋０．３％Ｃ
の配合割合のものが用いられる。また、本実施形態の金属粉末材料Ｐは平均粒径が約１０μｍの略球状のものが用いられる。

造形部１０は供給部２０に隣接して設けられており、供給部２０と同様のタンク状をなしている。そして、造形部１０の底面部１１も供給部２０の底面部２２と同様に昇降自在となっている。底面部１１上には造形台１２が設置されており、造形台１２の上に粉末材料Ｐを焼結させてなる焼結層ｍが順次積み重ねられて造形物Ｍが作製される。なお、造形部１２の上面部表面は平均表面粗さが１μｍＲａ以上５μｍＲａ以下、最大表面粗さが５μｍＲｚ以上２０μｍＲｚ以下程度の粗面加工処理が予めなされている。

移送ブレード３０は、供給部２０から造形部１０に粉末材料Ｐを移送し、造形部１０上に所定の厚みΔｔの粉末層を形成するためのものである。移送ブレード３０は、造形部１０および供給部２０の内寸よりも長い板状をなし、両端が往復動装置３２に支持されている。移送ブレート３０は、供給部２０の外側から供給部２０および造形部１０の上方を通過して造形部１０の外側まで水平移動する。移送ブレード３０が造形部１０の上方を通過する際、移送ブレード３０の下部は造形台１２との距離を一定に保って平行に移動できるようになっている。この結果、移送ブレード３０で粉末材料Ｐを造形台１２上に移送しつつ、造形台１２又はその上に形成された焼結層ｍの上に均一の厚さΔｔの粉末層を形成できるようになっている。

造形部１０の上方には、レーザ光などの光ビームＬを照射する光ビーム照射装置４０が配置されている。光ビーム照射装置４０は、照射器４２から照射された光ビームＬを、ガルバノミラー等の複数の可動鏡４３、４４やレンズ４５を組み合わせた光学系で偏向させたり集束させたりして、造形部１０上の粉末層に照射する。可動鏡４３、４４などの光偏向装置は図示しないコンピュータなどで制御され、光ビームＬの照射位置や焦点位置などが変えられる。

造形部１０の上方には、ボールエンドミル５１を備えた切削除去装置５０が設けられている。切削除去装置５０は、支持バー５２に移動自在に取り付けられている。支持バー５２は、造形部１０および供給部２０の両外側に沿って配置された案内駆動部５４に支持されており、案内駆動部５４に沿って移動可能となっている。その結果、切削除去装置５０は、造形部１０の上方でＸＹ両方向に自由に移動することができるようになっている。切削除去装置５０はボールエンドミル５１の有効刃長以下の所定高さまで焼結層の形成を行った後に、それまでに作成した三次元形状造形物の表面部の切削除去を行うためのものである。本実施形態では、ボールエンドミル５１として直径Φ０．６ｍｍ、有効刃長１．０ｍｍのものを用い、積層厚さΔｔが０．０２５ｍｍ（２５μｍ）の焼結層を２０層積層するごと、すなわち０．５ｍｍの造形を行うごとに切削加工を行う。

図２に示すように、製造装置１の全体が、密閉空間を構成する加工室６０に収容されている。但し、光ビーム照射装置４０の大部分は加工室６０の外部に設置されていて、光ビームＬは、加工室６０の天面に設けられたレンズ４５を通して加工室６０の内部へと照射される。加工室６０の壁面には吸排気口６２を介して配管６４およびバルブ６３が接続されており、加工室６０に圧力空気を送り込んだり、排気吸引したり、所望のガス雰囲気を作り出したりすることができるようになっている。

以下、上述の構成の製造装置１を用いた三次元形状造形物の製造方法を説明する。図３（ａ）から（ｅ）は、本実施形態に係る三次元形状造形物の製造工程を模式的に示すための図である。また図４は、三次元形状造形物の製造装置により製造される三次元形状造形物の一例を示す斜視図である。

まず、供給部２０の底面部２２を少し上昇させることで粉末材料Ｐの一部を供給部２０の上面部よりも少し上昇させる。また、造形部１０の底面部１１を下降させることにより、造形台１２の上面を造形部１０の上面よりも下降させる。この際、造形台１２の上面と移送ブレード３０の下部との間隔がΔｔとなるように底面部１１の下降距離が設定される。なお、本実施形態では、Δｔは２５μｍとしている。

そして図３（ａ）に示すように、供給部２０の上面よりも上昇した部分の粉末材料Ｐを移送ブレード３０で押し動かして造形台１２の上面に供給し、造形台２２の上に所定の厚さΔｔの第１粉末層を形成する（第１粉末層形成工程）。

次に、図３（ｂ）に示すように、第１粉末層の所定箇所に光ビームＬを照射し、当該照射箇所の粉末材料Ｐを溶融して焼結させることで、第１の焼結層を形成する（第１焼結層形成工程）。

次に、図３（ｃ）に示すように、切削除去装置５０により、第１の焼結層ｍの上面部を粗面加工する（粗面加工工程）。なお、粗面加工は例えば直径のやや大きなボールエンドミル５１やフラットエンドミルを用いて、切削時の回転数を小さくするとともに、切削の送りピッチと切り込み深さを調整することで行うことができる。この際、焼結層ｍの表面は平均表面粗さが１μｍＲａ以上５μｍＲａ以下、最大表面粗さが５μｍＲｚ以上２０μｍＲｚ以下程度となるように粗面加工処理を行う。なお、粗面加工工程では粗面加工用に適したボールエンドミル５１に交換して行ってもよい。

次に、供給部２０の底面部２２を少し上昇させることで粉末材料Ｐの一部を供給部２０の上面部よりも少し上昇させる。また、造形部１０の底面部１１を下降させることにより、第１の焼結層ｍの上面を造形部１０の上面よりも下降させる。この際、第１の焼結層ｍの上面部と移送ブレード３０の下部との間隔がΔｔとなるように底面部１１の下降距離が設定される。そして図３（ｄ）に示すように、供給部２０の上面よりも上昇した部分の粉末材料Ｐを移送ブレード３０で押し動かして第１の焼結層ｍの上面部に供給し、第１の焼結層ｍの上に所定の厚さΔｔの第２粉末層を形成する（第２粉末層形成工程）。

この後、図３（ｆ）に示すように、第２粉末層の所定箇所に光ビームＬを照射し、当該照射箇所の粉末を溶融して焼結させることで、第２の焼結層ｍを形成する（第２焼結層形成工程）。第２の焼結層ｍとその下の第１の層の焼結層ｍとは融着一体化されて三次元形状造形物Ｍの一部を構成する。

この後、粗面加工工程、第２粉末層形成工程及び第２焼結層形成工程と同様の工程を必要な回数繰り返すことにより、図４に示すような所望の三次元形状造形物Ｍが製造される。なお、上述の通り、本実施形態では焼結層を２０層積層するたびにそれまでに作成した三次元形状造形物の表面部及び不要部分の切削除去を行う。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

本実施形態では、造形台１２の上面部を予め粗面加工処理している。また、本実施形態では、粉末層成形工程の前に粗面加工工程を行い、焼結層ｍの上面部の粗面加工処理をしている。すなわち、粉末層形成工程の前に造形台１２及び焼結層ｍの表面粗さを増大させる加工が施されている。これにより、造形台１２及び焼結層ｍの表面の滑り抵抗を大きくすることができ、粉末材料Ｐが造形台１２又は焼結層ｍの表面を滑りにくくすることができる。この結果、平均粒径約１０μｍという微細な金属粉末材料Ｐで形成される粉末層を薄く且つ均一の厚さに形成することが可能となる。そして、微細な粉末層を薄く且つ均一に形成することが可能となるので、滑らかな表面を有する高精度な三次元形状造形物を形成することが可能となる。

本実施形態では、焼結層ｍの粗面加工処理を切削除去装置５０のビールエンドミル５１で行っている。すなわち、三次元形状造形物の表面部の切削除去を行うための切削除去装置５０を用いて粗面加工処理を行っている。このため、新たに特別の機構を設けることなく粗面加工処理を行うことが可能となる。

［第２実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について、図５を参照して説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。

図５は本実施形態にかかる三次元形状造形物の製造工程のうち、粗面加工・粉末層形成工程を模式的に示すための図である。本実施形態では、移送ブレード３０における移送方向前部に面粗し部３４が設けられている。面粗し部３４は円周面が粗面加工された円柱状をしており、移送ブレード３０が移動する際にその前方で焼結層ｍ上を回転するようになっている。そして、面粗し部３４が焼結層ｍの上を回転することで、焼結層ｍの表面が粗面加工処理される。なお、本実施形態では、厚さΔｔで粉末層を形成できるように、面粗し部３４の下部と移送ブレード３０の下部との高低差はΔｔとなっている。

本実施形態では、焼結層ｍの表面の粗面加工工程と粉末層の形成工程とを一つの工程で行う。すなわち、移送ブレード３０を移動することによりその移動方向の前方における焼結層ｍの表面を粗面加工処理するとともに、その粗面加工処理がなされた表面上に移送ブレード３０で厚さΔｔの粉末層を形成する。

本実施形態では、粗面加工処理を行う工程と粉末材料層を形成する工程とを同一の工程で行うことができるため、効率よく三次元形状造形物の製造を行うことが可能となる。

なお、上記実施形態では、面粗し部３４は円周面が粗面加工された円柱状のものを用いたが、面粗し部３４の形状はこれに限られるものではない。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

金属粉末材料は上述のものに限られず、他のものを用いることも可能である。また、粉末材料の粒径も上述のものに限られない。粉末材料の粒径に関しては、１μｍ以上１００μｍ以下程度のものを用いれば滑らかな表面の三次元形状造形物を形成することが可能であり、特に１μｍ以上２０μｍ以下程度のものを用いることが好ましい。また、使用する粉末材料の粒径や要求される精度に応じて、粉末層の厚みΔｔは適宜変更することが可能である。

上記実施形態では、造形台１２及び焼結層ｍの表面粗さは、平均表面粗さが１μｍＲａ以上５μｍＲａ以下、最大表面粗さが５μｍＲｚ以上２０μｍＲｚ以下程度としたが、表面粗さは使用する粉末材料Ｐの粒径に応じて適宜変更することが可能である。具体的には、粉末材料Ｐの粒径が小さくなるほど表面粗さを増大させるようにすることが好ましい。

上記実施形態では切削除去装置５０又は面粗し部３４により焼結層ｍの粗面加工処理を行ったが、粉末材料Ｐの焼結を行うための光ビームＬにより粗面加工処理を行うことも可能である。すなわち、焼結層ｍの上面部に不連続的にパルス的な光ビームＬを照射して、焼結層ｍの表面を軽度の溶融状態とすることで表面を粗くすることが可能である。光ビームＬにより焼結層ｍの粗面加工処理を行うことにより、粗面加工処理を行うための特別な装置を設ける必要がなく、装置１の構造が複雑化することを抑制することができる。

本願発明の第１実施形態に係る三次元形状造形物製造装置の概略を示す斜視図である。 第１実施形態に係る三次元形状製造物製造装置の要部を模式的に示す縦断面図である。 第１実施形態に係る三次元形状造形物の製造工程を模式的に示すための図である。 三次元形状造形物の製造装置により製造される三次元形状造形物の一例を示す斜視図である。 第２実施形態に係る三次元形状造形物の製造工程のうち粗面加工・粉末層形成工程を模式的に示すための図である。

符号の説明

１…三次元形状造形物製造装置、１０…造形部、１１…底面部、１２…造形台２０…供給部、２２…底面部、３０…移送ブレード、４０…光ビーム照射装置、５０…切削除去装置、５１…ボールエンドミル、ｍ…焼結層、Ｍ…三次元形状造形物、Ｐ…粉末材料。

Claims (6)

1. 金属粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して当該箇所の粉末材料を焼結することで形成された焼結層の表面上に新たな粉末材料の層を形成し、この新たな粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して当該箇所の粉末材料を焼結することで下層の焼結層と一体となった新たな焼結層を形成するという工程を繰り返して、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造するにあたり、
   前記下層の焼結層の表面に新たな粉末材料の層を形成する前に当該下層の焼結層の表面粗さを増大させる加工を行い、当該表面粗さを増大させた焼結層の表面に新たな粉末材料の層を積層することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
2. 前記粉末材料の平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下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。
3. 平均表面粗さが１μｍＲａ以上５μｍＲａ以下、且つ、最大表面粗さが５μｍＲｚ以上２０μｍＲｚ以下となるように、前記下層の焼結層の表面粗さを増大させることを特徴とする請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
4. 前記積層一体化された複数の焼結層の表面部の切削除去処理を行うための切削加工装置を用いることにより、前記下層の焼結層の表面粗さを増大させる加工を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
5. ブレードを用いることにより、前記焼結層の表面上における前記粉末材料の層を形成するとともに、
   前記ブレードの移動方向前方に設けられた面粗し部により、前記下層の焼結層の表面粗さを増大させる加工を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
6. 前記下層の焼結層の表面に光ビームを照射することにより、前記下層の焼結層の表面粗さを増大させる加工を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。

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