JP2017203191A

JP2017203191A - ハイブリッド造形物の製造方法及びハイブリッド造形物

Info

Publication number: JP2017203191A
Application number: JP2016095723A
Authority: JP
Inventors: 康之宮原; Yasuyuki Miyahara; 竜也妙島; Tatsuya Myojima
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2017-11-16
Anticipated expiration: 2036-05-12
Also published as: WO2017195773A1; JP6691429B2

Abstract

【課題】粉末焼結積層法による３次元造形物の生産性を向上させる。【解決手段】（１）第１造形物２をベースプレート６に脱着可能に取り付ける第１工程と、（２）第１造形物２を着脱可能に取り付けたベースプレート６を粉末焼結積層装置４の昇降テーブル５に取り付ける第２工程と、（３）第１造形物２と接合させることが可能な粉末層１２を第１造形物２上に形成する作業と、粉末層１２にレーザー光を照射して固化層１５を形成する作業と、を繰り返し行い、複数の固化層１５が積層一体化された３次元造形物としての第２造形物３を第１造形物２に一体に形成し、第１造形物２と第２造形物３とからなるハイブリッド造形物１を成形する第３工程と、（４）ハイブリッド造形物１及びベースプレート６を粉末焼結積層装置４の昇降テーブル５から取り外す第４工程と、（５）ベースプレート６からハイブリッド造形物１を取り外す第５工程と、を有する。【選択図】図１

Description

この発明は、第１造形物の上に、粉末焼結積層法を使用して第２造形物を一体に形成するハイブリッド造形物の製造方法、及びハイブリッド造形物に関するものである。

近年、粉末焼結積層法を使用して３次元造形物を形成する装置（粉末焼結積層装置）が広く普及している。この粉末焼結積層装置は、粉末材料タンクに収容してある金属粉末をブレードで金属製の造形プレート上に運び、ブレードで造形プレート上に所定の厚さの金属粉末層を形成した後、レーザー光照射手段から造形プレート上の金属粉末層の所定箇所にレーザー光を照射し、レーザー光が照射された部分の金属粉末層を焼き固める（固化させる）という工程を繰り返し行うことにより、複数の固化層が積層一体化した金属製の３次元造形物を造形プレート上に形成するようになっている（特許文献１参照）。

このような粉末焼結積層法を使用して形成された金属製の３次元造形物は、レーザー光照射手段の操作に３次元ＣＡＤソフトが使用されて、従来の射出成形や切削加工では作ることができなかった複雑な形状部分が容易に成形される。

特開平８−２８１８０７号公報

従来の粉末焼結積層法によって金属製の３次元造形物を成形する場合、金属製の造形プレートと金属粉末層との境界部分がレーザー光で溶けて一体化する。そのため、図５に示すように、従来の粉末焼結積層法は、造形プレート１００の上面１００ａに３次元造形物１０１を形成した後に（図５（ａ）〜（ｂ）参照）、一体化した造形プレート１００と３次元造形物１０１を粉末焼結積層装置から取り外し、３次元造形物１０１と造形プレート１００とを放電ワイヤ１０２又は切断具（例えば、金鋸）で切り離していた（図５（ｃ）参照）。そして、３次元造形物１０１が切り離された造形プレート１００は、図５（ｄ）に示すように、表面（上面１００ａ）に３次元造形物１０１の切り離し痕１０３が残るため、その３次元造形物１０１の切り離し痕１０３を研削加工等で除去し、新たな３次元造形物１０１の成形に備えるようになっていた。その結果、従来の粉末焼結積層法は、３次元造形１０１の成形に着手した後に次の新たな３次元造形１０１の成形に着手できるようになるまでに多くの時間（サイクルタイム）を要していた。

そこで、本発明は、３次元造形物の成形のサイクルタイムを短縮でき、３次元造形物の生産性を向上させることができるハイブリッド造形物の製造方法及びハイブリッド造形物の提供を目的とする。

本発明のハイブリッド造形物１の製造方法は、以下の第１工程乃至第５工程を有している。
（１）第１工程
第１造形物２をベースプレート６に脱着可能に取り付ける。
（２）第２工程
前記第１造形物２を着脱可能に取り付けた前記ベースプレート６を粉末焼結積層装置４の昇降テーブル５に取り付ける。
（３）第３工程
前記第１造形物２と接合させることが可能な粉末層１２を前記第１造形物２上に形成する作業と、前記粉末層１２にレーザー光を照射して固化層１５を形成する作業と、を繰り返し行い、
複数の前記固化層１５が積層一体化された３次元造形物としての第２造形物３を前記第１造形物２に一体に形成し、前記第１造形物２と前記第２造形物３とからなるハイブリッド造形物１を成形する。
（４）第４工程
前記ハイブリッド造形物１及び前記ベースプレート６を前記粉末焼結積層装置４の前記昇降テーブル５から取り外す。
（５）第５工程
前記ベースプレート６から前記ハイブリッド造形物１を取り外す。

また、本発明は、第１造形物２の接合面２ａに、３次元造形物である第２造形物３が粉末焼結積層法によって接合されたハイブリッド造形物１に関するものである。

本発明に係るハイブリッド造形物の製造方法によれば、ハイブリッド造形物は、第１造形物上に第２造形物が粉末焼結積層法によって造形された後、第１造形物をベースプレートから取り外すだけで、ベースプレートから分離される。その結果、本実施形態に係るハイブリッド造形物１の製造方法によれば、ベースプレートを次の新たなハイブリッド造形物の製造にそのまま利用できるため、従来例と比較して、３次元造形物（第２造形物）の成形のサイクルタイムを短縮でき、３次元造形物（第２造形物）の生産性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るハイブリッド造形物の製造方法を説明するための図であり、図１（ａ）はハイブリッド造形物を示す外観斜視図、図１（ｂ）〜（ｈ）はハイブリッド造形物の製造方法を説明するための図である。本発明の実施形態に係るハイブリッド造形物の製造方法を説明するための図であり、図２（ａ−１）は第１造形物を取り付けたベースプレートの外観斜視図、図２（ａ−２）は第１造形物を取り付けたベースプレートの縦断面図、図２（ｂ−１）はハイブリッド造形物が取り付けられたベースプレートの外観斜視図、図２（ｂ−２）はハイブリッド造形物が取り付けられたベースプレートの縦断面図、図２（ｃ）はハイブリッド造形物をベースプレートから取り外す途中の状態の断面図、図２（ｄ）はハイブリッド造形物をベースプレートから取り外した状態の断面図である。第１造形物の変形例を示す図であり、図３（ａ）は第１造形物の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の矢印Ａ１方向から見た第１造形物の正面図、図３（ｃ）は図３（ａ）の矢印Ａ２方向から見た第１造形部の右側面図、図３（ｄ）はベースプレートに取り付けられた第１造形部の平面図である。その他の変形例における第１造形物の接合面を示す断面図である。従来の粉末焼結積層法による３次元造形物の製造過程を示す図であり、図５（ａ）は造形プレートの外観斜視図、図５（ｂ）は造形プレート及び３次元造形物の外観斜視図、図５（ｃ）は３次元造形物を造形プレートから切り離す作業を説明する斜視図、図５（ｄ）は３次元造形物を造形プレートから切り離した状態を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳述する。

図１及び図２は、本発明の実施形態に係るハイブリッド造形物１の製造方法を説明するための図である。図１（ａ）に示すハイブリッド造形物１は、第１造形物２の接合面（上面）２ａに第２造形物３が接合されている。第１造形物２は、予め切削加工等によって高精度に形成された円柱状の部材である。また、第２造形物３は、第１造形物２と同径で且つ円柱状の部材であり、図１（ｂ）〜（ｈ）の各工程を経て第１造形物２の接合面２ａに接合・一体化される。なお、第１造形物２は、例えば、鉄系材料（炭素鋼等）が使用される。

（第１工程）
先ず、図１（ｂ）、図１（ｃ）、図２（ａ−１）、及び図２（ａ−２）に示すように、予め加工された第１造形物２は、粉末焼結積層装置４の昇降テーブル５に取り付けられるベースプレート６の第１造形物収容凹所７内に着脱可能に取り付けられる。ベースプレート６の第１造形物収容凹所７は、有底の丸穴であり、円柱状の第１造形物２の接合面（上面）２ａがベースプレート６の上面６ａよりも僅かに出っ張る穴深さに形成され、第１造形物２が底面７ａにボルト８で固定されている。なお、ベースプレート６は、平面形状が四角形状の金属製の平板部材である。

（第２工程）
次に、図１（ｃ）に示すように、第１造形物２が取り付けられたベースプレート６は、粉末焼結積層装置４の昇降テーブル５上に固定される（第２工程）。

（第３工程）
次に、図１（ｃ）に示すように、粉末焼結積層装置４は、ベースプレート６に取り付けられた第１造形物２の接合面２ａ上に第１造形物２と同種の金属粉末１０を供給し、第１造形物２の接合面２ａ上の金属粉末１０を水平方向（図１（ｃ）のＸ軸に沿った方向）に移動するブレード１１（又はローラ）によって均し、第１造形物２の接合面２ａ上に所望厚さの金属粉末層（粉末層）１２を形成する（粉末層形成工程部分）。

次に、図１（ｃ）に示すように、第１造形物２の接合面２ａ上の金属粉末層１０には、レーザー光照射手段１３からレーザー光１４が照射される。そして、第１造形物２の接合面２ａと金属粉末層１２との境界部分は、レーザー光１４で溶かされて一体化させられる。また、図１（ｄ）に示すように、第１造形物２の接合面２ａ上の金属粉末層１２は、レーザー光１４で焼き固められて、固化層１５になる（固化層形成工程部分）。なお、レーザー光照射手段１３は、３次元ＣＡＤデータ等の入力データに基づいて作動制御され、昇降テーブル５（ベースプレート６）に対して移動できるようになっている。また、昇降テーブル５は、図１（ｃ）のＺ軸方向に沿って昇降できるように構成されており、第１造形物２の接合面２ａ上に形成される金属粉末層１２の厚さ分だけ順次降下するようになっている。

次に、図１（ｅ）〜（ｈ）に示すように、第１造形物２の接合面２ａ上に金属粉末層１２を形成する粉末層形成工程部分と、金属粉末層１２にレーザー光１４を照射し、レーザー光１４が照射された部分の金属粉末層１２を焼き固めて固化層１５を形成する固化層形成工程部分と、を繰り返し行う。これによって、複数の固化層１５を積層一体化してなる３次元造形物としての第２造形物３が形成されると共に、この第２造形物３が第１造形物２の接合面２ａに接合され、第１造形物２と第２造形物３が一体化されたハイブリッド造形物１が形成される。

（第４工程）
次に、図２（ｂ−１）及び図２（ｂ−２）に示すように、ベースプレート６及びハイブリッド造形物１は、粉末焼結積層装置４の昇降テーブル５から取り外される（第４工程）。

（第５工程）
次に、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示すように、ハイブリッド造形物１は、ベースプレート６に固定したボルト８が取り外され、ベースプレート６から分離された後、ベースプレート６の第１造形物収容凹所７内から取り出される（第５工程）。

次に、ハイブリッド造形物１は、粉末焼結積層装置４のレーザー光１４の熱によって生じた内部歪みを取り除くため、研磨、研削、熱処理（焼鈍し）等の必要な処理が施される。

（本実施形態の効果）
以上のような本実施形態に係るハイブリッド造形物１の製造方法によれば、ハイブリッド造形物１は、第１造形物２の接合面２ａ上に第２造形物３が粉末焼結積層法によって造形された後、第１造形物２をベースプレート６に固定するボルト８を取り外すだけで、ベースプレート６から分離される。その結果、本実施形態に係るハイブリッド造形物１の製造方法によれば、ベースプレート６を次の新たなハイブリッド造形物１の製造にそのまま利用できるため、従来例（造形プレート１００から３次元造形物１０１を切断して分離した後、３次元造形物１０１の切り残し痕１０３を造形プレート１００上から研削加工等で取り除き、その後、造形プレート１００を次の新たな３次元造形物１０１の製造に利用する）と比較し、３次元造形物（第２造形物３）の成形のサイクルタイムを短縮でき、３次元造形物（第２造形物３）の生産性を向上させることができる。

本実施形態に係るハイブリッド造形物１は、第１造形物２が被取付部材（図示せず）の嵌合穴等に高精度で係合させる必要がある場合、第１造形物２を予め切削加工や研削加工で高精度に加工しておくことにより、被取付部材の嵌合穴等に高精度に係合させることができる。このような本実施形態に係るハイブリッド造形物１に対し、従来の粉末焼結積層法によって製造された３次元造形物１０１は、造形作業が終了した後に、被取付部材の嵌合穴等に係合される部分を切削加工又は研削加工で高精度に加工する必要があるが、外観形状が複雑な場合に、加工のための治具へのチャッキングができず、後加工ができないために、高精度の係合を求められる被取付部材への取り付けが困難になるという問題を生じることがある。

本実施形態に係るハイブリッド造形物１の製造方法は、ベースプレート６に第１造形物収容凹所７を形成し、第１造形物２をベースプレート６の第１造形物収容凹所７内に収容し、第１造形物２の接合面２ａをベースプレート６の上面６ａよりも僅かに出っ張らせるようになっているため、ベースプレート６の上面６ａに第１造形物２を固定する場合と比較し、ベースプレート６上に供給する金属粉末１０の量を少なくすることができ、ハイブリッド造形物１の製造の１サイクルで使用する金属粉末１０の量を節約することが可能になる。

本実施形態に係るハイブリッド造形物１の製造方法は、機械（例えば、複合旋盤）の治具への取付穴を第１造形物２に予め形成しておくことにより、３次元造形後におけるハイブリッド造形物１の後加工を効率的に且つ正確に行うことが可能になる。

（変形例１）
図３は、第１造形物２の変形例を示す図である。なお、図３（ａ）は第１造形物２の平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の矢印Ａ１方向から見た第１造形物２の正面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）の矢印Ａ２方向から見た第１造形部２の右側面図であり、図３（ｄ）はベースプレート６に取り付けられた第１造形部２の平面図である。

図３に示すように、第１造形物２は、円柱の周面の一部をＹ−Ｚ座標面と平行な仮想平面で且つＸ−Ｙ座標面に直交する仮想平面で削り取られたような平面１６（３次元造形の基準となる平面）が形成されている。そして、この第１造形物２は、図３（ｄ）及び図２（ａ−２）に示すように、ベースプレート６の第１造形物収容凹所７内に係合された後、ベースプレート６にボルト８で仮締めされ、平面１６がベースプレート６の４側面のうちの１側面（取付基準面１７）と平行になるように位置調整された後、ベースプレート６に本締めされる（強く締め付け固定される）。なお、第１造形物２の平面１６とベースプレート６の取付基準面１７とを平行にする作業は、例えば、フライス盤のベッド上において、ダイヤルゲージ、治具等を使用して行われる。

本変形例に係る第１造形物２は、上述のように、第１造形物２の平面１６とベースプレート６の取付基準面１７とを平行にすることができるため、第１造形物２が取り付けられたベースプレート６の取付基準面１７を粉末焼結積層装置４のレーザー照射手段１３の主走査方向又は副走査方向に合わせるだけで、第１造形物２の平面１６（３次元造形の基準となる平面）をレーザー照射手段１３の主走査方向又は副走査方向に位置決めすることが可能になる。そのため、本変形例に係る第１造形物２及びこの第１造形物２を取り付けたベースプレート６を使用する粉末焼結積層装置４は、第１造形物２に対する第２造形物３の造形を正確に行うことが可能になる（例えば、第１造形物２に予め形成された穴と第２造形物３（３次元造形物）に形成された穴とを正確に位置合わせすることが可能になる）。

（その他の変形例）
上記実施形態に係るハイブリッド造形物１の製造方法は、第１造形物２の接合面２ａを平坦な水平面で表しているが、これに限られず、粉末焼結積層法の実施を可能にする金属粉末層１２を形成することができる限り、接合面２ａをステップ状面（図４（ａ）参照）、凹凸面（図４（ｂ）参照）等にしてもよい。

また、上記実施形態に係るハイブリッド造形物１の製造方法は、第１造形物２の接合面２ａをベースプレート６の上面６ａよりも僅かに出っ張らせるようになっているが、これに限られず、第１造形物２の接合面２ａをベースプレート６の上面６ａと同一の平面上に位置するようにしてもよい。

また、上記実施形態に係るハイブリッド造形物１の製造方法は、第１造形物２の接合面２ａをベースプレート６の上面６ａよりも僅かに出っ張らせるようになっているが、これに限られず、３次元造形に適した金属粉末層１２を第１造形物２の接合面２ａ上に形成できる限り、第１造形物２の接合面２ａをベースプレート６の上面６ａよりも僅かに引っ込んで位置するようにしてもよい。

また、上記実施形態に係るハイブリッド造形物１の製造方法は、第１造形物２と金属粉末１０とを同種の鉄系材料（例えば、炭素鋼）にするように例示したが、これに限られず、第１造形物２と金属粉末１０とを鉄系材料以外の材料（例えば、チタン合金）やその他の金属材料にしてもよい。

また、上記実施形態に係るハイブリッド造形物１の製造方法は、第１造形物２と金属粉末１０とを同種の鉄系材料（例えば、炭素鋼）にするように例示したが、これに限られず、第１造形物２と金属粉末１０とを異種の金属材料（例えば、第１造形物２を炭素鋼とし、金属粉末１０をチタン合金とするか、又は第１造形物２をチタン合金とし、金属粉末１０を炭素鋼とする）にしてもよい。

また、上記実施形態に係るハイブリッド造形物１の製造方法は、第１造形物２と第２造形物３とを同一種の金属（例えば、炭素鋼）にするように例示したが、これに限られず、第１造形物２と第２造形物３とをセラミックスで形成するようにしてもよい。すなわち、本発明に係るハイブリッド造形物１の製造方法は、金属材料で形成された第１造形物２をセラミックスで形成された第１造形物２に置き換え、金属粉末１０をセラミックスの粉末１０に置き換えてもよい。

また、本発明に係るハイブリッド造形物１は、上記実施形態に係るハイブリッド造形物１に限定されず、円柱状のもの以外の三角柱、四角柱、六角柱等の様々な形状のものにしてもよい。

また、本発明に係るハイブリッド造形物１は、上記実施形態に係るハイブリッド造形物１に限定されず、第２造形物３を第１造形物２と異なる形状に形成するようにしてもよい。

１……ハイブリッド造形物、２……第１造形物、３……第２造形物、４……粉末焼結積層装置、５……昇降テーブル、６……ベースプレート、１２……金属粉末層（粉末層）、１５……固化層

Claims

（１）第１工程
第１造形物をベースプレートに脱着可能に取り付ける第１工程と、
（２）第２工程
前記第１造形物を着脱可能に取り付けた前記ベースプレートを粉末焼結積層装置の昇降テーブルに取り付ける第２工程と、
（３）第３工程
前記第１造形物と接合させることが可能な粉末層を前記第１造形物上に形成する作業と、前記粉末層にレーザー光を照射して固化層を形成する作業と、を繰り返し行い、
複数の前記固化層が積層一体化された３次元造形物としての第２造形物を前記第１造形物に一体に形成し、前記第１造形物と前記第２造形物とからなるハイブリッド造形物を成形する第３工程と、
（４）第４工程
前記ハイブリッド造形物及び前記ベースプレートを前記粉末焼結積層装置の前記昇降テーブルから取り外す第４工程と、
（５）第５工程
前記ベースプレートから前記ハイブリッド造形物を取り外す第５工程と、
を有することを特徴とするハイブリッド造形物の製造方法。
前記第１造形物は、ベースプレートに形成された第１造形物収容凹所内に収容され、
前記第１造形物収容凹所内に収容された前記第１造形物の上面には、前記固化層を形成するのに適した厚さの前記粉末層が形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド造形物の製造方法。
前記粉末層は、前記ベースプレートと同種金属の粉末で形成される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド造形物の製造方法。
前記粉末は、鋼の粉末であり、
前記ハイブリッド造形物は、前記ベースプレートから取り外された後、焼鈍しが行われる、
ことを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド造形物の製造方法。
第１造形物の接合面に、３次元造形物である第２造形物が粉末焼結積層法によって接合されてなる、ことを特徴とするハイブリッド造形物。