JP2018184634A - 積層構造物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な機械的物性を有する三次元造形物を作製することができ、かつ、生産性の向上を図ることができる積層構造物の製造方法を提供する。【解決手段】粉体材料の周囲の酸素ガス濃度を低減するために供給されるシールドガスの存在下で、前記粉体材料に熱を供給して、前記粉体材料が焼結又は溶融固化した層を造形し、造形された前記層を積層する積層構造物の製造方法であって、前記シールドガスの熱伝導率が少なくとも空気より高いことを特徴とする積層構造物の製造方法。【選択図】なし

Description

本発明は、積層構造物の製造方法に関する。

Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇと称される付加製造技術がある。付加製造技術の一例として、樹脂、金属等の層を造形し、造形された層を積層して三次元造形物を作製する積層構造物の製造方法が知られている。
付加製造技術による造形装置の代表例として、３Ｄプリンターが実用化されている。３Ｄプリンターは、複雑な形状の構造物を短時間で製造できるため、航空機産業、及び医療等の先端技術分野で有望な技術として注目されている。

３Ｄプリンターは、チャンバー内に設けられたステージ上の粉体材料をレーザー、又は電子ビーム等の照射によって焼結して粉体材料の焼結層を造形し、造形された層をステージ上で積層して三次元造形物を作製する。
かかる３Ｄプリンターにあっては、層形成における確実性の観点から、必要量のエネルギーのレーザー等を粉体材料に安定して照射することが求められている。さらに、レーザー等の照射による造形の際には、製造される三次元造形物の機械的物性等を高め、形状の劣化を防止する観点から、粉体材料の周囲の酸素ガス濃度をできる限り低減することが求められている。

一般的な従来の３Ｄプリンターは、粉体材料の周囲の酸素ガス濃度を低減すること等を目的として、シールドガスと呼ばれる窒素ガス、及びアルゴンガス等の不活性ガスの存在下で、粉体材料にレーザー等を照射して粉体材料の焼結層を造形し、三次元造形物を作製している（特許文献１）。

特開２０１１−２１２１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来の積層構造物の製造方法のように、シールドガス中の酸素ガス濃度を低減するだけでは、製造される三次元造形物が脆く、機械的物性が不十分であった。
また、従来の積層構造物の製造方法では、造形した複数の層を積層する際に長時間を要し、生産性の向上が求められていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、十分な機械的物性を有する三次元造形物を作製することができ、かつ、生産性の向上を図ることができる積層構造物の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
［１］ 粉体材料の周囲の酸素ガス濃度を低減するために供給されるシールドガスの存在下で、前記粉体材料に熱を供給して、前記粉体材料が焼結又は溶融固化した層を造形し、造形された前記層を積層する積層構造物の製造方法であって、前記シールドガスの熱伝導率が少なくとも空気より高いことを特徴とする積層構造物の製造方法。
［２］ 前記シールドガスが、ヘリウムガス及び水素ガスの少なくとも一方を含む、［１］に記載の積層構造物の製造方法。
［３］ 前記粉体材料に合わせて、前記シールドガスの組成を選択することを特徴とする［１］又は［２］に記載の積層構造物の製造方法。

本発明によれば、十分な機械的物性を有する三次元造形物を作製することができ、かつ、生産性の向上を図ることができる。

本発明を適用した一実施形態に係る積層構造物の製造方法を説明するための構成の一例を示す模式図である。

本明細書において、積層構造物の製造装置とは、粉体材料に熱を供給して粉体材料の層を造形し、造形された層を積層して三次元造形物を製造する装置を意味する。

積層構造物の製造装置が有する粉体材料に熱を供給する手段としては、レーザー、及び電子ビーム等を照射すること等が挙げられるがこれらに限定されない。積層構造物の製造装置は、レーザー、及び電子ビーム等の照射によって粉体材料を焼結、又は溶融固化して、粉体材料の層を造形し、造形された層を積層する。

粉体材料を焼結、又は溶融固化することを、「焼結等すること」とも記す。なお、粉体材料を焼結等して造形される粉体材料の層を、「粉体材料が焼結又は溶融固化した層」、又は単に、「粉体材料の焼結層」とも記すことがあるが、本明細書中、「粉体材料の焼結層」は、粉体材料を焼結して造形される層の意に限定して解釈されない。すなわち、本明細書において、「粉体材料の焼結層」とは、粉体材料が溶融固化した層の意味に解釈されてもよい用語である。

本明細書において、シールドガスとは、粉体材料を焼結などする際に、粉体材料の周囲の酸素ガス濃度を低減すること、及び粉体材料に必要量の熱を安定して供給すること等を目的として粉体材料の周囲に供給されるガスを意味する。

以下、粉体材料を焼結等する際の熱の供給手段としてレーザーを用いた場合を一例に、本発明を適用した一実施形態の積層構造物の製造方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１は、積層構造物の製造装置１０（以下、「製造装置１０」とも記す。）の構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、製造装置１０は、レーザー照射源１と、反射板２と、造形部３と、ステージ４と、シールドガス供給源５と、チャンバー６と、循環機７と、管路Ｌ１と、管路Ｌ２と、を備えて概略構成されている。
製造装置１０では、粉体材料がステージ４上に静置されている。粉体材料としては、３Ｄプリンター等の積層構造物の製造装置で使用される公知の金属、合金、及び樹脂等が挙げられるが、これらに限定されない。

製造装置１０は、ステージ４上の粉体材料に、レーザー照射源１から反射板２を介してレーザーを照射する。レーザーの照射により、レーザーが照射された位置の粉体材料を焼結等することができる。粉体材料上にレーザーが照射される位置は、反射板２の角度にしたがって決定することができる。製造装置１０は、入力されたデータにしたがって反射板２の角度を制御することにより、任意の形状の層をステージ４上に造形することができる。

造形部３は、ステージ４を収容している。造形部３は上下方向に移動することができる。製造装置１０は、粉体材料の焼結層をステージ４上に造形する工程と、造形部３を下方に移動する工程を繰り返すことで、任意の形状に造形された粉体材料の焼結層を積層して任意の三次元構造を有する三次元造形物を製造することができる。

ステージ４は、造形部３の内部に収容され、固定されている。ステージ４は、造形部３の上下方向の移動にしたがって、上下方向に移動することができる。ある一つの層がステージ４上に造形された後に、ステージ４が下方に移動することによって、製造装置１０は、造形された層の上から新たに粉体材料の焼結層を造形して積層することができる。そのため、粉体材料の焼結層の厚さは、ステージ４（造形部３）の下降距離によって決定される。

管路Ｌ１は第１端部がシールドガス供給源５と接続され、第２端部が造形部３と接続されている。管路Ｌ２は第１端部が造形部３と接続され、第２端部がチャンバー６内で開口している。

シールドガス供給源５は、管路Ｌ１を介して造形部３と接続されている。シールドガス供給源５は、管路Ｌ１を介してシールドガスを造形部３に収容されたステージ４の周囲に供給している。シールドガス供給源５は、造形部３、及びチャンバー６の内部のシールドガスの純度を高い水準に保持するために設けられている。

シールドガスとしては、シールドガスの熱伝導率が少なくとも空気より高ければ、特に制限されず、少なくとも１種以上の化学種のガスを含む混合ガスであってよい。シールドガスの熱伝導率を空気より高くする観点から、シールドガスは、ヘリウムガス及び水素ガスの少なくとも一方を含む、混合ガスであることが好ましい。

本実施形態の積層構造物の製造方法では、粉体材料の物性等の性質に合わせて、シールドガスの組成を選択することができる。
例えば、オーステナイト系ステンレス鋼、及びニッケル合金等のオーステナイト組織の金属は水素脆性感受性が低い。粉体材料がオーステナイト組織の金属を含む場合、粉体材料は酸化しやすく、これにより耐食性等が劣化しやすい。そのため、粉体材料がオーステナイト系ステンレス鋼、及びニッケル合金等のオーステナイト組織の金属を含む場合には、酸化防止の観点から、シールドガスとして水素ガス等の還元性ガスを適用することが好ましい。
一方、粉体材料が鉄を主成分とする合金を含む場合には、水素脆性防止の観点から、シールドガス中に水素ガスが含まれていないことが好ましい。粉体材料がアルミ、チタン又は、これらを主成分とする合金を含む場合には、ブローホールの形成を防止する観点から、シールドガス中に水素ガスが含まれていないことが好ましい。

チャンバー６は、造形部３を有している。チャンバー６には、管路Ｌ２を介して造形部３からシールドガスが導出されている。

循環機７は、チャンバー６に設けられている。循環機７は、造形部３等を介してチャンバー６に導出されたシールドガスを循環して、チャンバー６内のシールドガスの純度を高い水準に保持している。

以上説明した構成を有する製造装置１０に、本実施形態の積層構造物の製造方法を適用した場合を一例に、本実施形態の積層構造物の製造方法について以下説明する。
本実施形態の積層構造物の製造方法は、シールドガスの存在下で粉体材料の焼結層を造形し、造形された層を積層する積層構造物の製造方法であって、シールドガスの熱伝導率が少なくとも空気より高いことを特徴とする。

まず、本実施形態の積層構造物の製造方法は、粉体材料がステージ４上に静置された状態で、造形部３、及びチャンバー６の内部にシールドガスを供給して、酸素ガスをパージする。積層構造物の機械的物性を高め、形状の劣化を防止する観点から、酸素ガスの濃度が０．８％以下になるまでパージをおこなうことが好ましい。造形部３、及びチャンバー６の内部の酸素ガスの濃度が０．８％以下であれば、粉体材料が酸化されることによって変質することを防止しやすい。

次に、本実施形態の積層構造物の製造方法は、レーザー照射源１から反射板２を介して粉体材料にレーザーを照射する。レーザーの照射により、レーザーが照射された位置の粉体材料を焼結等して粉体材料の焼結層を造形することができる。粉体材料上にレーザーが照射される位置は、反射板２の角度によって制御できる。

次に、本実施形態の積層構造物の製造方法は、造形部３とともにステージ４を下方に移動させる。下方に移動させることにより、既に焼結等して造形した層の上から、新たな層を焼結等して造形することができる。その後、ステージ４を下方に移動させては、新たな層を造形して順次積層することによって、三次元造形物を製造することができる。

本実施形態の積層構造物の製造方法は、シールドガスの熱伝導率が少なくとも空気より高いので、シールドガスとして窒素ガス、及びアルゴンガス等の不活性ガスを用いた場合と比較して、レーザーの照射によって焼結等する際に、造形途中の三次元造形物への過入熱を防止できる。そのため、本実施形態の積層構造物の製造方法によれば、造形時の三次元造形物の温度を、シールドガスとして窒素ガス、及びアルゴンガス等の不活性ガスを用いたより、低下させることができる。

本実施形態の積層構造物の製造方法では、造形途中の三次元造形物の温度を下げるために、シールドガスの熱伝導率を空気より高くしている。ところで、造形途中の三次元造形物の温度を下げる手段として、レーザーの照射により粉体材料の焼結層を造形した後、ステージ４を下方に移動させ、次の粉体材料の焼結層を造形するまでの時間を長くすることが挙げられる。すなわち、レーザーを照射し、ステージ４を下方に移動させ、再度レーザーを照射するまでのレーザーの照射間隔を長くとれば、自然放熱により三次元造形物の温度を低下させることができる。

しかしながら、レーザーの照射間隔を長くすると、焼結して造形した粉体材料の焼結層を積層するのに長時間を要するので、生産性が低下する。本実施形態の積層構造物の製造方法では、レーザーの照射間隔を長くしなくとも、造形途中の三次元造形物の温度を下げ、過剰量の熱量が三次元造形物に蓄熱されることを防止できる。以上の理由から、本実施形態の積層構造物の製造方法によれば、生産性の向上を図ることができる。

（作用効果）
以上説明した本発明の一実施形態によれば、シールドガスの熱伝導率が少なくとも空気より高いので、造形途中の三次元造形物への過入熱を防止できる。そのため、造形途中の三次元造形物の酸化、機械的性質の劣化、及び形状劣化を防止することができ、十分な機械的物性を有する三次元造形物を作製することができ、かつ、生産性の向上を図ることができる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されない。また、本発明は特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が加えられてよい。

＜実施例＞
以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。

（実施例１）
積層構造物の製造装置１０として、金属３Ｄプリンター装置（ＣＯＮＣＥＰＴ Ｌａｓｅｒ社製「ｍ２ Ｃｕｓｉｎｇ」）を使用した。金属３Ｄプリンター装置のレーザー出力を２００Ｗ、積層時の層の厚さを３０μｍ、積層速度を１０００〜１５００ｍｍ／ｓとし、粉体材料として、チタン合金（Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ（Φ１０〜３８μｍ））を用いた。以上の接合条件にて、造形部３、及びチャンバー６内の酸素ガス濃度を０．８％以下にした後、シールドガス供給源５からシールドガスとしてヘリウムガス（濃度：１００％）を２０Ｌ／ｍｉｎの流量で、造形部３、及びチャンバー６に供給しながら、１０ｍｍ×１０ｍｍ×２０ｍｍの直方体の三次元造形物を製造した。なお、ヘリウムガスの熱伝導率は、１５５．３１（ｍＷ／ｍ／Ｋ（２５℃））である。

（比較例１）
シールドガスとしてアルゴンガス（濃度：１００％）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、１０ｍｍ×１０ｍｍ×２０ｍｍの直方体の三次元造形物を製造した。なお、アルゴンガスの熱伝導率は、１７．６２（ｍＷ／ｍ／Ｋ（２５℃））である。

各例で製造した三次元造形物について、ビッカース硬さ（Ｈｖ）を測定した結果を表１に示す。

目視により確認したところ、実施例１の三次元造形物の表面は、比較例１の三次元造形物と比べて、黒ずんだ表面部分が少なく、表面の酸化の度合いが小さくなっていることがわかった。これは熱伝導率が高いシールドガスを積層構造物の周囲に連続的に供給したことにより、粉体材料を焼結させる工程において、焼結部分の熱が効果的に除去され、粉体材料の酸化反応が抑制されたためであると考えられる。

また表１に示すように、実施例１の三次元造形物のビッカース硬さは、比較例１のビッカース硬さと比べると、減少していた。つまり、実施例１の三次元造形物は、比較例１の三次元造形物より脆くないことが判った。これは粉体材料がチタン系の活性金属であるため、焼結時に高温にさらされている時間が長い比較例１の三次元造形物の方が、三次元造形物に固溶した酸素ガスや窒素ガスの量が多くなったことに起因したと考えられる。
この結果により、比較例１の方が伸びや絞りが減少し、製造された三次元造形物が脆くなりやすいと考えられる。

本発明の積層構造物の製造方法は、付加製造技術による積層構造物の製造装置に適用する際、特に利用可能性が高い。

１…レーザー照射源、２…反射板、３…造形部、４…ステージ、５…シールドガス供給源、６…チャンバー、７…循環機、１０…積層構造物の製造装置、Ｌ１…管路、Ｌ２…管路

Claims (3)

1. 粉体材料の周囲の酸素ガス濃度を低減するために供給されるシールドガスの存在下で、前記粉体材料に熱を供給して、前記粉体材料が焼結又は溶融固化した層を造形し、造形された前記層を積層する積層構造物の製造方法であって、
   前記シールドガスの熱伝導率が少なくとも空気より高いことを特徴とする積層構造物の製造方法。
2. 前記シールドガスが、ヘリウムガス及び水素ガスの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の積層構造物の製造方法。
3. 前記粉体材料に合わせて、前記シールドガスの組成を選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の積層構造物の製造方法。

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