JP2008280582A - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元形状造形物の製造方法において、三次元形状造形物の造形後に機械加工を容易に行なうことができるようにする。
【解決手段】三次元形状造形物８の製造方法は、造形用プレート３に金属粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、粉末層に光ビームを照射して粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射工程とを備える。そして、照射工程時に、造形用プレート３のうち三次元形状造形後に所定の機械加工が予定されている領域近傍に形成されている粉末層に対しては光ビームを照射しない。光ビームを照射しないので、造形用プレートには焼入れによる硬化が生じず、従って、機械加工される領域内は硬度差が小さいので、造形後の機械加工を容易に行なうことができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、金属粉末に光ビームの照射を行なう三次元形状造形物の製造方法に関する。

従来から、金属粉末で形成した粉末層に光ビームを照射し、粉末層を溶融して焼結硬化層を形成し、その焼結硬化層の上に新たな粉末層を形成して光ビームを照射し、焼結硬化層を形成することを繰り返して、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）。

このように光ビームの照射とその積層によって金属粉末から三次元形状造形物を得る製造方法は、迅速に複雑な三次元形状造形物を得ることができる。

しかしながら、この製造方法によって得られた三次元形状造形物を、例えばプラスチック金型として使用する場合には、造形完了後にエジェクタピン用の貫通穴を加工する等、各種機械加工を加える。この製造方法では、基台となる造形用プレートの上に金属粉末から成る粉末層を敷き、その粉末層に光ビームを照射して焼結硬化層を形成し、その焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形するが、造形プレートと三次元形状造形物との密着性を高めるために、１層目の造形は高エネルギーの光ビーム条件で行う。高エネルギーの光ビームを受けると、鋼材からなる造形プレート表面は、光ビーム照射を受けた箇所の近傍が急熱急冷によって焼入れられた組織となって硬化し、造形プレート内で硬度差が生じる。そのため、造形完了後に高硬度化された箇所にドリルによる穴開け加工や旋盤による旋削加工等を行なうと、ドリル刃先の欠損やドリルシャンクの折れやバイト刃先の欠損等が発生し易く、機械加工が困難である。
特表平１−５０２８９０号公報

本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであり、三次元形状造形物の造形後に機械加工を容易に行なうことができる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。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、三次元形状造形物が造形される造形用プレートに金属粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層に光ビームを照射して該粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射工程とを備え、前記粉末層形成工程と照射工程とを繰り返すことにより前記焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、前記照射工程時に、前記造形用プレートのうち三次元形状造形後に所定の機械加工が予定されている領域近傍に形成されている粉末層を除いて前記光ビームを照射するものである。

請求項２の発明は、三次元形状造形物が造形される造形用プレートに金属粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層に光ビームを照射して該粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射工程とを備え、前記粉末層形成工程と照射工程とを繰り返すことにより前記焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、前記照射工程時に、前記造形用プレートのうち三次元形状造形後に所定の機械加工が予定されている領域近傍に形成されている粉末層に対して照射する光ビームのエネルギーを、機械加工が予定されていない領域の粉末層に対して照射する光ビームよりも小さくして低密度の焼結硬化層を形成するものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記造形用プレートのうち、少なくとも、三次元形状造形後に所定の機械加工が予定されている領域は、前記光ビームの照射による硬度変化が起きにくい材料によって構成されているものである。

請求項４の発明は、請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記三次元形状造形物が射出成形金型であり、前記所定の機械加工が金型のエジェクタピン用の穴加工である場合、射出成形における離型時のエジェクタピン摺動時に前記加工された穴にガスを吹き込むための経路を三次元形状造形物に造形するステップを前記射出工程に有し、前記経路の造形は、前記射出工程において光ビームの照射エネルギーを小さくして低密度の焼結硬化層を形成することにより行なわれるものである。

請求項１の発明によれば、三次元形状造形後に造形用プレートの機械加工が予定されている領域の近傍には、光ビームが照射されないので、焼入れによる硬化が生じない。従って、造形用プレートの機械加工される領域内は硬度差が小さいので、造形後の機械加工を容易に行なうことができる。

請求項２の発明によれば、三次元形状造形後に造形用プレートの機械加工が予定されている領域の近傍には、光ビームが低エネルギーで照射されており、焼入れによる硬度変化が少なく、また、焼入れ深さも浅い。従って、造形用プレートの機械加工される領域内では、光ビームが照射された箇所と照射されなかった箇所との硬度差が小さいので、造形後の機械加工を容易に行なうことができる。

請求項３の発明によれば、造形用プレートは、光ビームを照射されても硬度が少ししか変化しない。従って、造形用プレートの機械加工される領域内で、光ビームが照射された箇所と照射されなかった箇所との硬度差が小さいので、造形後の機械加工を容易に行なうことができる。

請求項４の発明によれば、この三次元形状造形物の射出成形金型の使用時において、成形品の離型時におけるエジェクタピン摺動時に、三次元形状造形物の外部から、低密度の焼結硬化層により造形した経路を通してガスを吹き込むことにより、エジェクタピンの摺動性が向上して、成形品の離型がスムーズになり、成形サイクルタイムの短縮及び成形品質の向上を図ることができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１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面を参照して説明する。図１は、同製造方法に用いられる金属光造形加工機の構成を示す。金属光造形加工機１は、金属粉末２の粉末層２１が敷かれる造形用プレート３と、造形用プレート３を保持し、上下に昇降する造形用テーブル３１と、粉末層２１の厚さの基準となる基準テーブル３２と、金属粉末２を供給する供給槽４と、供給槽４の金属粉末２を上昇させる材料用テーブル４１と、粉末層２１を形成するスキージ５と、光ビームＬを発するビーム発信器６と、光ビームＬを集光する集光レンズ６１と、光ビームＬを粉末層２１の上にスキャニングするガルバノミラー６２と、を備えている。

金属粉末２の組成は、例えば、クロムモリブデン鋼（ＪＩＳ−ＳＣＭ４４０）粉末、ニッケル（Ｎｉ）粉末、銅マンガン合金（ＣｕＭｎ）粉末、及び黒鉛（Ｃ）粉末であり、配合割合は、例えば、７０重量％ＳＣＭ４４０、２０重量％Ｎｉ、１０重量％ＣｕＭｎの粉末に黒鉛（Ｃ）粉末を０．３重量％加えている。造形用プレート３の材質は、例えば、Ｓ５０Ｃ鋼であり、硬さはＨＲＣ２０である。スキージ５は、方向Ａに移動して材料用テーブル４１上の金属粉末２を造形用プレート３上に供給する。ビーム発信器６は、例えば、炭酸ガスレーザやファイバーレーザの発信器である。

図２は、同製造方法のフローを、図３は、同製造方法の動作を示す。最初に、造形用プレート３を造形用テーブル３１の上に載置する（ステップＳ１）。次に、造形用プレート３の上面と基準テーブル３２の上面との段差が長さΔｔになるように、造形用テーブル３１を下降させる（ステップＳ２）。次に、スキージ５によって材料用テーブル４１上の金属粉末２を造形用プレート３上に供給する。スキージ５は、基準テーブル３２の上面と同じ高さで水平方向に移動し、造形用プレート３の上に厚みΔｔの粉末層２１を形成する（ステップＳ３）（図３（ａ）参照）。このステップＳ２及びＳ３は粉末層形成工程を構成する。

次に、集光レンズ６１によって集光した光ビームＬをガルバノミラー６２によって任意の位置に走査させ（ステップＳ４）、粉末層２１を溶融し造形用プレート３と一体化した厚みΔｔの焼結硬化層８ａを形成する（ステップＳ５）（図３（ｂ）参照）。このステップＳ４及びＳ５は照射工程を構成する。

次に、造形が終了したかを判断し（ステップＳ６）、終了していないときは、ステップＳ２へ戻り、ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ５を繰り返し実行し、焼結硬化層８ａの上に焼結硬化層８ｂを積層する（図３（ｃ）、（ｄ）参照）。

こうして造形が終了するまでステップＳ２乃至Ｓ６を繰り返して、焼結層８ａ乃至８ｆを積層する（図３（ｅ）参照）。このようにして、造形用プレート３の上に造形された三次元形状造形物８の一例を図４に示している。

次に、光ビームＬを走査させる経路データについて説明する。図５（ａ）は、三次元形状造形によって製造しようとする製品モデルの外観を、図５（ｂ）は、製品モデルの水平方向でのスライス面の形状を示す。三次元形状造形物を製造するにあたっては、製品モデル８１を設計した際の三次元ＣＡＤデータに基づいて、製品モデル８１を所定の間隔Δｔで水平にスライスしたときの各層８１ａ乃至８１ｆのスライス面の断面データを作成し、この断面データを基にして粉末層２１に照射する光ビームＬの走査経路を決定する。決定した走査経路に従って光ビームＬを粉末層２１に走査させることにより、三次元形状造形物８を造形することができる。

上述した方法により、三次元形状造形物の造形を行なうが、従来の製造方法では、造形後に造形用プレートに機械加工を行なう場合にも、機械加工を行なう領域に光ビーム照射を行なっており、そのため、造形用プレートが硬化し、造形後の機械加工が行ないにくくなる。造形後に、三次元形状造形物に機械加工を行なう動作の一例について説明する。図６（ａ）は、従来の製造方法によって、造形用プレートの上に造形された三次元形状造形物の断面を示す。この例では三次元形状造形物８は、エジェクタピン用の穴８２を中央に形成されており、この穴８２に繋がる穴を造形用プレート３に形成する。この造形用プレート３が三次元形状造形物８と接合している領域は、照射工程において三次元形状造形物８との密着性を高めるために、高エネルギーの光ビームが照射され、急熱急冷されて焼入組織となり硬化した硬化領域Ｅ１となっている。

この三次元形状造形物８の造形用プレート３に穴開け加工を行なうときの断面を図６（ｂ）に示す。造形用プレート３に三次元形状造形物８の穴８２に繋がる穴開け加工をドリルＦによって行なうときに、ドリルＦの先端が造形用プレート３の硬化領域Ｅ１に達すると、硬化領域Ｅ１と他の領域とで硬度差があるために、ドリルＦの刃先が欠損したり、ドリルシャンクが折れる虞がある。

そこで、本実施形態では、造形後の穴開け加工を容易に行なえるようにするために、造形用プレート３の穴開け加工が予定されている領域の近傍に形成されている粉末層には、光ビーム照射を行なわない。図６（ｃ）は、穴開け加工が予定されている領域の近傍の粉末層に光ビーム照射を行なわなかった三次元形状造形物の断面を示す。この図において、穴開け加工が予定されている箇所を一点鎖線Ｇで示す。穴開け加工が予定されている領域の近傍には三次元形状造形物８が造形されておらず、造形用プレート３も穴開け加工が予定されている領域の近傍は焼入れされた硬化領域Ｅ１になっていない。その三次元形状造形物８における造形後の穴開け加工時の断面を図６（ｄ）に示す。穴開け加工される領域には、光ビームが照射されず、硬度差が生じていない。従って、造形用プレート３に穴開け加工を行なってもドリルＦの刃先が欠損したり、ドリルシャンクが折れる虞が少なく、穴開け加工を容易に行なうことができる。また、光ビーム照射を行なわない領域は、三次元形状造形後に穴開け加工が行なわれる領域の近傍の粉末層だけでなく、例えば旋削や切断等の機械加工が行なわれる領域の近傍の粉末層としてもよい。

（第２の実施形態）
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面を参照して説明する。本実施形態における製造方法においては、第１の実施形態と異なり、造形後に造形用プレートの穴開け加工が予定されている領域の近傍に形成されている粉末層には、光ビームのエネルギーを小さくして照射を行い、低密度の焼結硬化層を形成する。図７（ａ）は、本実施形態における製造方法によって造形した三次元形状造形物の断面を示す。造形用プレート３と三次元形状造形物８との接合部のうち、造形後の穴開け加工が予定された領域の近傍は、低エネルギーの光ビームが照射されているので、硬度変化が小さい低硬化領域Ｅ２となっている。三次元形状造形物８も硬化領域Ｅ１に接合している領域は、高エネルギーの光ビームが照射されているので、高密度造形領域８３ａとなっているが、低硬化領域Ｅ２に接合している領域は、低密度造形領域８３ｂとなっている。

この光ビームを高エネルギーと低エネルギーで行なうときの、エネルギー条件と、造形物の密度と、造形用プレート３の硬化領域の硬度と、硬化領域の深さを表１に示す。

エネルギー条件は、高エネルギー条件が２０Ｊ／ｍｍ^２に対し低エネルギー条件は５Ｊ／ｍｍ^２で行なっている。その結果、低エネルギー条件では高エネルギー条件よりも造形物の密度は小さく、造形用プレート３の硬化領域の硬度は低く、硬化領域の深さは浅い。特に、硬化領域の硬度が低エネルギー条件では、ＨＲＣ２５乃至３０であり、光ビームの照射が行なわれていない元の硬度のＨＲＣ２０とあまり変わらない。このような条件で造形された三次元形状造形物に穴開け加工を行なうときの断面を図７（ｂ）に示す。低硬化領域Ｅ２と、光ビームの照射が行なわれていない他の領域との硬度差が小さいので、ドリルＦの刃先が欠損したり、ドリルシャンクが折れる虞が少なく、穴開け加工を容易に行なうことができる。

また、本実施形態における製造方法では、三次元形状造形物８の中で、強度が必要とされない箇所については、低エネルギー条件で光ビームの照射を行なっている。低エネルギー条件で照射を行なうことにより、製造コストを下げると共に、三次元形状造形物８の軽量化を図ることができる。

次に、上記第２の実施形態における製造方法の変形例について図８を参照して説明する。図８は、本変形例の製造方法によって造形した三次元形状造形物の使用時の断面を示す。この三次元形状造形物８は、射出成形金型であり、中央にエジェクタピン用の穴８２が形成されており、その穴にエジェクタピンＨが貫通している。この製造方法では、第２の実施形態において、三次元形状造形物８が、射出成形金型であり、穴８２がエジェクタピン用の穴である場合に、穴開け加工が予定されている領域の近傍の低密度造形領域８３ｂを形成した後、低密度造形領域８３ｂによって穴８２と三次元形状造形物８の外部とを繋ぐ経路８４を造形するステップを有している。この低密度造形領域８３ｂは、低密度であるのでガスを通すことができる。

この三次元形状造形物８の射出成形金型の使用時において、成形品の離型時のエジェクタピンＨ摺動時に、三次元形状造形物８の外部から経路８４を通してガスを吹き込むことにより、エジェクタピンＨの摺動性が向上して、離型がスムーズになり、成形サイクルタイムの短縮及び成形品質の向上を図ることができる。また、この経路８４は、造形用プレート３に連続して成形せずに、造形用プレート３と離れた位置に成形してもよい。経路８４の位置を自由に設計することができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３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説明する。本実施形態における製造方法においては、第１の実施形態と造形用プレートの材質が異なっており、また、造形用プレートの穴開け加工が予定されている領域にも光ビームを照射する。造形用プレートのうち、少なくとも、三次元形状造形後に穴開け加工が予定されている領域は、光ビームの照射による硬度変化が起きにくい材料によって構成されている。

上述した光ビームの照射による硬度変化が起きにくい材料とは、硬度変化が起きにくければどんな材料でもよいわけではなく、特に、造形物が射出成形金型で、造形用プレートもその金型の一部として使用する場合、造形プレートそのものが高強度であるということに加え、造形物との密着性、溶接性及び機械特性や熱的特性が近いということが重要となる。特に、接合面は造形物と造形用プレートとが合金化された溶接組織となるため、造形物が鉄系ならば造形用プレートも鉄系とする等、同種の材料とすることが望ましい。そして、本実施形態の場合では、例えば、鋼材メーカーで予め熱処理を施したプレハードン鋼や、例えば、熱処理を行い硬度ＨＲＣ４０程度に調質されたＪＩＳ−ＳＫＤ６１鋼のような熱間工具鋼やＪＩＳ−ＳＫＨ５１鋼のような高速度工具鋼等のようなものが望ましい。

これらの材料は、予め熱処理が行なわれて硬化しているので、光ビームを照射されても硬度が少ししか変化しない。従って、造形用プレートの穴開け加工がされる領域内において、光ビームを照射された領域と照射されていない領域とで硬度差が小さいので、ドリルＦの刃先が欠損したり、ドリルシャンクが折れる虞が少なく、造形後の穴開け加工を容易に行なうことができる。また、造形用プレートのうちで、光ビームの照射による硬度変化が起きにくい材料によって構成する領域は、造形後に穴開け加工が行なわれる領域だけでなく、例えば旋削や切断等の機械加工が行なわれる領域としてもよい。

また、造形用プレートの穴開け加工が予定されている領域への光ビームの照射は、エネルギーを小さくして行なってもよいし、照射を行なわなくてもよい。造形用プレート内の硬度差がさらに小さくなるので、穴開け加工を容易に行なうことができる。

なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、金属粉末の組成や造形用プレートの材質も、上記各種実施形態の構成に限られない。

本発明の第１の実施形態に係る製造方法に用いる金属光造形加工機の斜視図。 同製造方法のフロー図。 （ａ）乃至（ｅ）は、同製造方法を時系列に説明する図。 同製造方法によって造形された三次元形状造形物の斜視図。 （ａ）は同製造方法によって製造しようとする製品モデルの斜視図、（ｂ）は製品モデルの水平方向のスライス面を示す図。 （ａ）は従来の製造方法による三次元形状造形物の断面図、（ｂ）は同製造方法による三次元形状造形物に穴開け加工を行なうときの断面図、（ｃ）は第１の実施形態に係る製造方法による三次元形状造形物の断面図、（ｄ）は同製造方法による三次元形状造形物に穴開け加工を行なうときの断面図。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係る製造方法による三次元形状造形物の断面図、（ｂ）は同製造方法による三次元形状造形物に穴開け加工を行なうときの断面図。 第２の実施形態の変形例に係る製造方法による三次元形状造形物の使用時の断面図。

符号の説明

２ 金属粉末
２１ 粉末層
３ 造形用プレート
８ 三次元形状造形物
８ａ乃至８ｆ 焼結硬化層
８４ 経路
Ｌ 光ビーム
Ｈ エジェクタピン

Claims (4)

1. 三次元形状造形物が造形される造形用プレートに金属粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層に光ビームを照射して該粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射工程とを備え、前記粉末層形成工程と照射工程とを繰り返すことにより前記焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、
   前記照射工程時に、前記造形用プレートのうち三次元形状造形後に所定の機械加工が予定されている領域近傍に形成されている粉末層を除いて前記光ビームを照射することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
2. 三次元形状造形物が造形される造形用プレートに金属粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層に光ビームを照射して該粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射工程とを備え、前記粉末層形成工程と照射工程とを繰り返すことにより前記焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、
   前記照射工程時に、前記造形用プレートのうち三次元形状造形後に所定の機械加工が予定されている領域近傍に形成されている粉末層に対して照射する光ビームのエネルギーを、機械加工が予定されていない領域の粉末層に対して照射する光ビームよりも小さくして低密度の焼結硬化層を形成することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
3. 前記造形用プレートのうち、少なくとも、三次元形状造形後に所定の機械加工が予定されている領域は、前記光ビームの照射による硬度変化が起きにくい材料によって構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
4. 前記三次元形状造形物が射出成形金型であり、
   前記所定の機械加工が金型のエジェクタピン用の穴加工である場合、射出成形における離型時のエジェクタピン摺動時に前記加工された穴にガスを吹き込むための経路を三次元形状造形物に造形するステップを前記射出工程に有し、
   前記経路の造形は、前記射出工程において光ビームの照射エネルギーを小さくして低密度の焼結硬化層を形成することにより行なわれ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。

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