JP2010047817A

JP2010047817A - 三次元形状造形物の製造方法

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Publication number: JP2010047817A
Application number: JP2008215219A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Abe; 諭阿部; Tokuo Yoshida; 徳雄吉田; Isao Fuwa; 勲不破; Masataka Takenami; 正孝武南
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-25
Also published as: DE102009038254A1; JP5186306B2; US20100047470A1

Abstract

【課題】三次元形状造形物の製造方法において、造形物の反りを抑えて高精度な造形物を作製し、かつコスト低減及び造形用プレートの交換作業等の作業効率向上を図る。
【解決手段】三次元形状造形物の製造方法は、粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融固化させ固化層を形成する固化層形成工程とを備える。粉末層形成工程と固化層形成工程とが繰り返されることにより固化層が積層一体化されて三次元形状造形物が造形される。固化層は造形用プレートの上面に一体形成される。造形用プレートの厚みは、造形物の水平断面積の最大値に応じて決定される。従って、造形時に造形物の水平断面積に応じて生じる反りを抑制して、高精度な造形物を作製することができ、かつコストの低減を図れる。また、造形用プレートを軽量化してその交換作業等の作業効率を向上できる。
【選択図】図８

Description

本発明は、粉末材料に光ビームを照射して焼結又は溶融固化させて成る三次元形状造形物の製造方法に関する。

従来から、粉末層を形成する粉末層形成工程と、その粉末層に光ビームを照射して粉末層の所定箇所を焼結させ、固化層を形成する固化層形成工程とを繰り返すことにより、固化層を積層一体化させて三次元形状造形物（以下、造形物と略記）を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記のような製造方法において、粉末材料を基板上に供給し、それをブレードでならして粉末層を形成し、焼結後に基板を固化層一層の厚さ分だけ下降させて、その上に粉末層を再び形成する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。このような方法では、最下層の粉末層が焼結の際に基板に固着し、造形物と基板とが一体に形成される。

このようにして造形物が形成されるときの現象を図１２に示す。造形物１０の作製時においては、粉末層１１に、光ビームＬ１照射による焼結固化に起因した体積収縮が生じ、粉末層１１は層の平面方向に収縮しようとする。この収縮応力により、造形物１０には造形物１０を上反りさせるモーメントが働き、造形物１０は反る。このため、基板１２が薄くてその剛性が十分でないと、基板１２も共に反ってしまう。

そこで、十分な剛性を持たせた基板１２を厚くすれば、造形物１０の反りを抑制することができ、高精度な造形物を作製できると考えられる。しかしながら、そのような基板１２を用いた場合は、コスト高となり、また基板の重量が増加するので、基板の交換作業等の作業効率が悪くなる。
特許第２６２０３５３号公報特開平８−２８１８０７号公報

本発明は、上記の従来の問題を解決するためになされたものであり、造形物の反りを抑えて高精度な造形物を作製することができ、かつコスト低減及び造形用基板の交換作業等の作業効率向上を図る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、粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融固化させ固化層を形成する固化層形成工程と、を備え、前記粉末層形成工程と固化層形成工程とを繰り返すことにより前記固化層を積層一体化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、前記固化層は基板の上面に一体形成され、前記基板の厚みは、前記造形物の水平断面積の最大値に応じて決定されるものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記基板は、前記造形物のヤング率よりも高いヤング率を有する材料により構成されるものである。

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、前記基板は基板載置用テーブルにボルトで固定され、前記ボルトの太さは、前記基板の厚み又は造形物の水平断面積の最大値に応じて決定されるものである。

請求項１の発明によれば、基板の厚みは該基板上に一体形成される造形物の水平断面積の最大値に応じて決定されるので、造形時に造形物の水平断面積に応じて生じる反りを抑制して高精度な造形物を作製することができ、かつコスト低減を図ると共に、基板を軽量化して基板交換作業等の作業効率を向上することができる。

請求項２の発明によれば、造形物の反りの原因はその収縮応力であり、ヤング率はそのような応力に対する歪み難さを示す定数であり、基板のヤング率は造形物のそれよりも高いので、造形物の反りを抑制して、高精度な造形物を作製することができる。

請求項３の発明によれば、基板を基板載置用テーブルに固定するボルトの太さは、基板上に形成された造形物の水平断面積の最大値又は基板の厚みに応じて決定されるので、造形物の水平断面と、基板の厚みによって決まるボルトの長さとに応じた基板の反りを抑制し、その結果として造形物の反りを抑制することができる。このため、高精度な造形物を作製することができる。

本発明の一実施の形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図１〜図１１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（以下、光造形機と略記）の構成を示す。

光造形機１は、金属粉末２（粉末材料）を供給して粉末層２１を形成する粉末層形成部３と、粉末層２１の所定の箇所に光ビームＬ１を照射して粉末層２１を焼結又は溶融固化（以下、単に焼結という）させ固化層２２を形成する固化層形成部４と、固化層２２を積層して成る三次元形状造形物５（以下、造形物５と略記）を切削する切削除去部６と、を備える。金属粉末２は、例えば、平均粒径２０μｍの球形の鉄粉である。

粉末層形成部３は、金属粉末２の粉末層２１が上面に敷かれる造形用プレート（以下、プレートという）３１（基板）と、プレート３１を保持し上下に昇降させる昇降テーブル３２（基板載置用テーブル）と、プレート３１と昇降テーブル３２とを収容する造形タンク３３とを有する。さらに、粉末層形成部３は、金属粉末２を貯留しておりその金属粉末２をせり上げる粉末タンク３４と、そのせり上げられた金属粉末２をプレート３１上に敷いて粉末層２１を形成する粉末供給ブレード３５とを有している。プレート３１は、Ｓ５５Ｃ等の炭素鋼等で形成されている。

固化層形成部４は、光ビームＬ１を出射する光ビーム発振器４１と、その出射された光ビームＬ１を集光する集光レンズ４２と、その集光された光ビームＬ１を粉末層２１の上に走査するガルバノミラー４３とを備えている。光ビームＬ１は、例えば炭酸ガスレーザ又はＮｄ−ＹＡＧレーザとし、その出力は、例えば略５００Ｗとする。切削除去部６は、造形物５を切削する切削工具６１と、切削工具６１を保持するミーリングヘッド６２と、ミーリングヘッド６２を移動させるＸＹ駆動機構６３と、を備えている。

また、光造形機１は、各部の動作を制御する制御部（図示せず）を備えている。この制御部は、造形物５の三次元ＣＡＤデータに基づき、光ビームＬ１による照射経路、及び切削工具６１の工具経路を制御する。照射経路は、造形物５の三次元ＣＡＤデータから予め生成されたＳＴＬ（Stereo Lithography）を例えば略０．０５ｍｍの等ピッチでスライスして得た各断面の輪郭形状データに基づいて設定される。また、照射経路は、造形物５の最表面が気孔率５％以下の高密度となるように設定されることが望ましい。

図２は光造形機１の造形動作を示し、図３は上記制御部による造形フローを示す。図２（ａ）に示されるように、昇降テーブル３２が下降した後、粉末供給ブレード３５はプレート３１の面方向（図中矢印Ｅ１方向）に移動して、金属粉末２をプレート３１の上に供給してならす。このようにして、粉末層２１が形成される。この工程は、図３の粉末層形成工程（Ｓ１）に相当する。

次に、ガルバノミラー４３（図１参照）のミラー面の向きが制御され、図２（ｂ）に示すように、光ビームＬ１が粉末層２１の所定の箇所に走査されて金属粉末２が焼結され、これにより固化層２２が形成される。この工程は、図３の固化層形成工程（Ｓ２）に相当する。ここに、ｉ層目（ｉは整数）の固化層が形成される。

そして、上述した図２（ａ）に示される粉末層形成工程と図２（ｂ）に示される固化層形成工程とが繰り返される。これにより、固化層２２が積層一体化される。固化層２２の積層は、層数ｉが所定の層数Ｎになるまで繰り返される（図３のＳ１乃至Ｓ４）。

固化層２２の層数ｉが層数Ｎになると、図２（ｃ）に示すように、ＸＹ駆動機構６３（図１参照）がミーリングヘッド６２を移動させ、切削工具６１により造形物５の表面の不要部分を除去し、その表面を滑らかにする。この工程は、図３の除去仕上げ工程（Ｓ５）に相当する。その後、動作は、図２（ａ）に示す工程に戻る。ここに、図３のＳ５の後に、造形が終了したかが判断され、造形が終了していない場合には（Ｓ６でＮｏ）、層数ｉが１に初期化され（Ｓ７）、動作はＳ１の工程に戻る。こうして、造形が終了するまで（Ｓ６でＹｅｓ）、固化層２２の形成と造形物５の表面の不要部分の除去とが繰り返される。

図４（ａ）〜（ｅ）は、造形物５の完成までの様子を示す。図４（ａ）に示されるように、まず、光ビームＬ１照射によりプレート３１上に１層目の固化層２２が形成される。この１層目の固化層２２は、焼結固化時にプレート３１の上面と接着して一体に形成される。その後、図４（ｂ）に示されるように固化層が積層され、その積層数が上述の所定の層数Ｎになると、図４（ｃ）に示されるように造形物５の表面の不要部分が切削工具６１により除去される。そして、固化層の積層と、表面の不要部分の除去仕上げとが繰り返され、最終的には、図４（ｄ）に示されるように最上層の固化層が積層されて、図４（ｅ）に示されるように未切削部分の除去仕上げが実施される。

ところで、造形物５には、その製造時に、焼結固化による収縮応力が発生し、これにより、上反りさせるモーメントが働いて、周縁部が上方に反る。その反り量は、造形物５の水平断面積（以下、断面積と略記）及び固化層の積層数のそれぞれに応じて変わる。ここで、反り量は、図５に示されるように、造形物５上面の側面視で両端に設けられた突起部５ａと、造形物５上面の略中央に設けられた突起部５ｂの高さの差分ｈ１から求めるものとする。

造形物５の断面積が大きくなるにつれ、造形物５を反らそうとする力いわゆるモーメントが大きくなるので、造形物５の反り量は多くなる。また、図６に示されるように、固化層の積層数が増えた場合においても、同様に反り量は多くなる。しかしながら、積層数が所定値以上になると、反り量は殆んど変化しない。

そこで、本実施形態においては、造形物５の断面積にだけ着目し、造形物５の反りを抑えるためプレート３１の厚みを造形物５の断面積の最大値に応じて決定する。

ここで、図７に、造形用プレートの厚みを変化させたときの造形物の反り量変化を示す。同図においては、造形物の断面を略正方形としたときのその一辺の長さをパラメータとする。また、反り量は、固化層の積層数を変化させたときの最大値とする。図示されるように、造形物の反り量は、造形用プレートが厚みを増すに連れて減少する。また、パラメータを変えた場合においても、造形物の反り量をパラメータの数値に拘らず所定値とするためには、パラメータの数値増加に合わせて、造形用プレートを厚くする必要がある。例えば、パラメータを略５０、１００、２００ｍｍと変化させた場合に、反り量を略０．３ｍｍ以下とするためには、プレート３１の厚みを、それぞれ、最低でも略１０、２０、５０ｍｍとする必要がある。

従って、本実施形態のプレート３１は、造形物５の断面積の最大値が大きいほど厚くする。造形物５の断面積の最大値とプレート３１の厚みとの対応関係は、例えば、表１及び図８に示すものに設定する。表１は、造形物５の最大断面が略正方形であるときのその一辺の長さと、その断面積、すなわち造形物５の断面積の最大値と、プレート３１の厚さとの対応関係を示す。同表における断面積の最大値は、造形物５の許容反り量を略０．３ｍｍとしたときの値である。

図８は、造形物５の断面積の最大値が略２５〜４００ｃｍ^２の範囲内にあるときの、その最大値とプレート３１の厚みとの対応関係を示す。同図では、許容反り量を略０．１、０．３ｍｍとしたときの対応関係を示す線がそれぞれ図示されている。許容反り量を略０．１〜０．３ｍｍのうちのいずれかの値とするときには、断面積の最大値に対応付けるプレート３１の厚みが、上述の線に挟まれる斜線領域内の値となるようにする。なお、プレート３１の厚みは、少なくとも略１０ｍｍ以上であることが望ましい。

次に、プレート３１の材料について説明する。プレート３１の材料は、造形物５のヤング率よりも高いヤング率を有する剛性材料とする。造形物５が鉄粉を焼結して成る場合、そのヤング率は略１００〜１５０ＭＰａ程度である。従って、この場合には、プレート３１の材料として、それよりも高いヤング率を有するプレハードン鋼（ヤング率：略２１０ＧＰａ）ハイスと呼ばれる高速度鋼（略２４０ＧＰａ）、超硬タングステン（４００〜５００ＧＰａ）、又はアルミナセラミック（略３００〜４００ＧＰａ）等が用いられる。

次に、プレート３１の昇降テーブル３２への固定方法について図９を参照して説明する。図９はプレート３１と昇降テーブル３２の外観を示す。プレート３１は、その略四隅の孔３１ａに通されたボルト７により昇降テーブル３２の上面に固定される。ところで、上述のように、造形物５は、その断面積が大きくなるにつれ、プレート３１を反らそうとする力が強くなる。また、プレート３１は、造形物５の反りを抑えるため造形物５の断面積が大きいほど厚くされており、このため、その厚みに応じてボルト７を長くする必要が生じる。しかしながら、ボルト７が長くなると、引っ張り応力に対する全体の伸び量が多くなるので、プレート３１の反り量が増える虞がある。そこで、本実施形態においては、ボルト７の太さは、プレート３１の厚み又は造形物５の断面積の最大値に応じて決定する。具体的には、図１０に示されるように、ボルト７の直径が大きくなると造形物５の反り量が減るので、ボルト７の直径は、プレート３１が厚くなるほど、また造形物５の断面積の最大値が大きくなるほど、大きくする。なお、ボルト７は、プレート３１を昇降テーブル３２に固定した状態で、その最頂部がプレート３１の上面以下の位置にあることが望ましい。

次に、昇降テーブル３２について図１１を参照して説明する。図１１は、昇降テーブル３２の外観を示す。昇降テーブル３２は、ボルト７がねじ込まれるねじ穴３２ａを有している。ねじ穴３２ａは、プレート３１の大きさが変わってもそれらに対応できるように、複数の大きさを想定して各大きさのプレート３１の孔の位置に対応して設けられている。ねじ穴３２ａの直径は、ボルト７の直径に合わせて、昇降テーブル３２の中央付近では小さく、端へ向かうに連れて大きくなる。

上述のようにした本実施形態においては、プレート３１の厚みはプレート３１上に一体形成される造形物５の断面積の最大値に応じて決定されるので、造形時に造形物５の断面積に応じて生じる反りを抑制して、高精度な造形物５を作製することができ、かつコストの低減を図ることができる。また、プレート３１を軽量化してプレート３１の交換作業等の作業効率を向上することができ、いわゆるハンドリングがし易くなる。また、昇降テーブル３２の可動範囲は予め決まっているので、高さが高い造形物５を作製することが可能となる。

また、造形物５の反りの原因はその収縮応力であり、ヤング率はそのような応力に対する歪み難さを示す定数であり、プレート３１のヤング率は造形物５のそれよりも高いので、造形物５の反りを抑制して、高精度な造形物５を作製することができる。

また、プレート３１を昇降テーブル３２に固定するボルト７の太さは、プレート３１上に形成された造形物５の断面積の最大値、又はプレート３１の厚みに応じて決定される。このため、造形物５の水平断面と、プレート３１の厚みによって決まるボルト７の長さとに応じたプレート３１の反りを抑制し、その結果として造形物の反りを抑制することができる。従って、高精度な造形物５を作製することができる。

なお、切削除去部６は、切削工具６１、ミーリングヘッド６２、及びＸＹ駆動機構６３を備えた汎用の数値制御（ＮＣ：Numerical Control）工作機械等で構成されることが望ましく、特に、切削工具６１を自動交換可能なマシニングセンタであることが望ましい。切削工具６１としては、例えば、超硬素材で形成された二枚刃ボールエンドミルが主に用いられ、加工形状又は目的に応じてスクエアエンドミル、ラジアスエンドミル、又はドリル等が使用される。

本発明は、上記の実施形態の構成に限定されるものでなく、使用目的に応じ、様々な変形が可能である。例えば、粉末材料は、金属粉末２に限定されず、セラミック等の無機質材料、又はプラスチック等の有機質材料であってもよい。また、光ビームＬ１は、空気中を伝送させても、光ファイバー中を伝送させてもよい。また、造形物５の製造フローにおいて、上記図２の除去仕上げ工程は省いてもよい。この場合、光造形機１は切削除去部６を有していなくてもよい。

本発明の一実施形態に係る金属光造形加工機の斜視図。（ａ）〜（ｃ）は上記加工機の造形物製造時における各部の動きを示す断面図。上記加工機による造形手順を示すフローチャート。（ａ）〜（ｅ）は上記加工機による造形物の造形過程を示す斜視図。造形物の反り量の測り方を説明するための断面図。造形物における固化層の積層数と反り量の関係を示す図。造形用プレートの厚みと造形物の反り量との関係を示す図。上記加工機による造形物製造時に用いられる造形用プレートの厚みと、造形物の断面積の最大値との関係を示す図。上記造形用プレートと昇降テーブルの斜視図。上記加工機による造形物製造時に用いられるボルトの太さと、造形物の反り量との関係を示す図。上記昇降テーブルの平面図。造形物に反りが生じる現象を示す図。

符号の説明

１金属光造形加工機
２金属粉末（粉末材料）
２１粉末層
２２固化層
３粉末層形成部
３１造形用プレート（基板）
３２昇降テーブル（基板載置用テーブル）
４固化層形成部
５三次元形状造形物
７ボルト
Ｌ１光ビーム

Claims

粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融固化させ固化層を形成する固化層形成工程と、を備え、前記粉末層形成工程と固化層形成工程とを繰り返すことにより前記固化層を積層一体化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、
前記固化層は基板の上面に一体形成され、
前記基板の厚みは、前記造形物の水平断面積の最大値に応じて決定されることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
前記基板は、前記造形物のヤング率よりも高いヤング率を有する材料により構成され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。
前記基板は基板載置用テーブルにボルトで固定され、
前記ボルトの太さは、前記基板の厚み又は造形物の水平断面積の最大値に応じて決定され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。