JP2018197372A - Ｓｕｓ３１６ｌの電子ビーム積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子ビーム積層造形装置を用いて、ステンレス鋼SUS316Lの造形を行う場合に、仮焼結部位の金属粉末が解放されやすく、造形物の歪みがないようにする。【解決手段】造形の前に、第１の走査速度で第１のスケールプレート上に電子ビームの軌跡を描き、電子ビームの軌跡が最も狭くなるフォーカスコイルの電流値を見つけ出して、溶融電流値として設定し、同じく第１の走査速度で第２のスケールプレート上に電子ビームの軌跡を描き、電子ビームの軌跡が観測されないフォーカスコイルの電流値を見つけ出して、予備加熱フォーカス電流値として設定し、SUS316Lの金属粉末を、該設定した予備加熱フォーカス電流値の電子ビームを前記第１の走査速度の２０倍から３０倍である第２の走査速度で走査することにより予備加熱した後に、前記造形を行う。【選択図】図３

Description

本発明は、ステンレス鋼SUS316Lの電子ビーム積層造形方法に関する。

近年、付加的製造方法（アディティブ・マニファクチュアリング。以下、『ＡＭ法』と称する。）が脚光を浴びており、このＡＭ法の中には、平坦な板（以下、『スタートプレート』と称する。）の上に、均一に撒かれた高分子化合物や金属のパウダーを、レーザービームや電子ビームの高エネルギービームで焼結あるいは溶融して固め、その上にパウダーを撒き、同じ作業を繰り返して造形を行う、パウダーベッド方式がある。
このパウダーベッド方式では、造形したい形状のデータに従って高エネルギービームを走査してパウダーに照射し、パウダーを固めて所望の造形物を得る。
ここで高エネルギー源としては、効率の高い電子ビームが注目されている。
この電子ビームによる加熱，溶融のプロセスは、光速に近い速度まで加速された静止質量が約9×10^-31Kgの電子（粒子）の運動エネルギーを熱エネルギーに変換して行われ、また運動エネルギーの約８０％が熱エネルギーとして使われると見られている。

このパウダーベッド方式で、電子ビームをエネルギーとして、金属粉末（パウダー）を選択的に溶融・凝固させた層を積層させることで３次元構造物を作製する、電子ビーム積層（ELECTRON BEAM MELTING。『ＥＢＭ』と称する）造形方法では、金属粉末を溶融して造形する際に、室温の金属粉末を溶融すると、スモークという現象が発生し、安定な造形が行えないことがある。
そこで、ＥＢＭ造形方法では、金属粉末全体を予め高温に加熱して仮焼結状態にし、その後、データに従って造形する。
ここで、金属粉末全体を予め高温に加熱する熱源としても、電子ビームを用いるが、電子ビーム密度が高いと、金属粉末が溶融に至ったり、あるいは仮焼結による強度が高くなって造形物の取り出しが困難になるため、電子ビーム密度を適度に抑えることが重要である。

ＥＢＭ造形方法による３次元造形では、これらの課題を克服するため、スタートプレートの裏面に温度計を設置し、まず、このスタートプレートに電子ビームを走査・照射して、所定の温度になるまで加熱する。
その後、金属粉末を撒いて全体に電子ビームを走査・照射して、金属粉末を加熱する。その後、データに従い、形状の輪郭を溶融し続けて、造形物の内部を溶融する。この工程を繰り返すことにより、３次元造形を達成することができる。

ＥＢＭ造形方法では、ＥＢＭ造形装置メーカーの戦略として、航空宇宙産業や医療産業で用いられるチタン合金，チタンアルミ合金（特許文献１）やニッケル合金に重点を置いて造形ソフトの開発を行い、その結果、機械的強度は、鋳物をはるかにしのぎ、鍛造の強度に迫り（非特許文献１）、ジェットエンジンのブレードや人工骨に適用されている。
一方、我が国で需要の多い、ステンレスや工具用金属の造形ソフトの開発には、消極的であった。
そのため、これら材料へのＥＢＭ造形方法の適用が急がれている。

ＥＢＭ造形方法では、図１に示すような構成の装置を用い、概ね下記の工程で造形を行う。
フィラメント（１）で発生した電子がグリッド（２）とアノード（３）で加速された電子ビーム（７）は、非点補正コイル（４）とフォーカスコイル（５）及び偏向コイル（６）で整形収束の後に走査され、エレベータ（９）に設置されたスタートプレート（１３）上に撒かれた金属粉末（１２）に照射される。
スタートプレート（１３）の裏面には、温度センサー（１４）が設置され、電子ビーム（７）の照射により上昇するスタートプレート（１３）の温度を測定することができる。
スタートプレート（１３）上には、パウダーコンテナー（１０）から供給された金属粉末（１２）を、レイキ（１１）で均して、一様な厚みにすることができる。
これらの工程は、真空チャンバー（８）内で行われる。
造形は、スタートプレート（１３）の加熱から始まり、温度センサー（１４）でスタートプレート（１３）の温度を監視し、所定の温度に到達するまで電子ビーム（７）の走査を続ける。
スタートプレート（１３）の温度が所定の温度に到達したら、パウダーコンテナー（１０）から金属粉末（１２）を流出させ、レイキ（１１）を動かしてスタートプレート（１３）上に均一に撒き、電子ビーム（７）を予備加熱モードで照射・走査する。
全面の予備加熱が終わると、データに基づき、溶融モードで溶融すべき形状に収束照射を行う。
ここで、予備加熱モードと溶融モードでは、照射される電子ビームの電子密度を、それぞれ所要の値に設定する。
また、投入する電子ビームの総量、すなわち総電力も、造形物の形状や金属材料により制御することが重要である。
このようなＥＢＭ造形装置で投入される総エネルギーは、３kwとされる。

例えば、20ミリアンペアの電子ビーム（1.2kWに相当）を照射した場合、照射される電子の総数は、約1.248316596×10¹⁸個／秒となる。
照射される電子ビームの強度分布は、基本的には図２のような、ほぼ正規分布で示される。
図２の縦軸は、電子密度を表している。
電子ビームが３σ300ミクロンに収束されていると仮定すれば、中心部の幅100ミクロンに照射される電子の数は、4.9907697×10¹⁶個／秒、３σ部の幅100ミクロンでは、1.123484×10¹⁵個／秒となる。
上記のように、３σ３００ミクロン程度に収束された電子ビームでは、周辺部でも十分高い電子密度のビームとなっている。

特許第５３３０６５６号公報

Ackelid, U and Svensson, M: Additive manufacturing of Dense Metal Parts by Electron Beam Melting, Materials Science and Technology,pp2711-2719 (2009)

このようなＥＢＭ造形装置を用いて、ステンレス鋼SUS316Lの造形を行う場合、チタン合金に比べて熱伝導度が高いことに起因する安定プロセスの許容温度幅が狭く、加熱モード及び溶融モードの設定に失敗が多く、造形時の歪みや残留歪の発生が多い。
また、投入する電子ビームの総量が多すぎる場合には、造形物に歪みが生じる他に、仮焼結が強くなり解放が困難になる。
また、投入する電子ビームの総量が適度であっても、仮焼結時の電子密度が高すぎると、解放が困難になる。
そして、投入する電子ビーム総量が少ない場合には、仮焼結不足のため溶融時に金属粉末が飛散するスモーク現象が発生して装置が停止したり、あるいは溶融すべき部位の温度が低いため溶融不足が発生したりする。

本発明は、前記課題を解決するために、次のような手段を採る。なお後述する発明を実施するための形態の説明及び図面で使用した符号を参考のために括弧書きで付記するが、本発明の構成要素は該付記したものには限定されない。

まず請求項１に係る発明は、図３を参照すると、
電子ビーム（７）をエネルギー源として用い、造形しようとする一つ以上の造形物の３次元ＣＡＤデータをレイアウトして作成された造形データに従って前記電子ビームを２次元に走査し収束する、非点補正コイル（４），フォーカスコイル（５），及び偏向コイル（６）を含む電子光学系と、前記電子ビームが収束する面であって、昇降機構（エレベータ９）の上面に載せられ、裏面に温度センサー（１４）を保持したスタートプレート（１３）と、を備える電子ビーム積層造形装置において、
金属粉末（１２）を、予め加熱された前記スタートプレートに撒きレイキ（１１）で平坦に均した後に前記電子ビームを２次元に走査して該金属粉末を溶融することにより層を形成し、該形成される層を前記昇降機構を下降させて積層することにより前記造形物の造形を行う、電子ビーム積層造形方法であって、
前記金属粉末として、ステンレス鋼SUS316Lを用い、前記造形の前に、
前記スタートプレート上に第１のスケールプレート（１５）を置き、前記フォーカスコイルの電流値を変化させることにより収束点を変化させながら、500mm/secから650mm/secに設定した第１の走査速度で前記電子ビームを走査することにより当該第１のスケールプレート上に該電子ビームの軌跡を描き、当該第１のスケールプレートを取り出して、前記電子ビームの軌跡が最も狭くなる前記フォーカスコイルの電流値を見つけ出して、前記金属粉末を溶融する溶融電流値として設定し、
前記スタートプレート上に第２のスケールプレートを置き、前記溶融電流値を中心に前記フォーカスコイルの電流値を変化させることにより収束点を変化させながら、前記第１の走査速度で前記電子ビームを走査することにより当該第２のスケールプレート上に該電子ビームの軌跡を描き、当該第２のスケールプレートを取り出して、前記電子ビームの軌跡が観測されない前記フォーカスコイルの電流値を見つけ出して、前記金属粉末を予備加熱する予備加熱フォーカス電流値として設定し、
前記スタートプレートに撒いてレイキで平坦に均した前記SUS316Lの金属粉末を、該設定した予備加熱フォーカス電流値の電子ビームを前記第１の走査速度の２０倍から３０倍である第２の走査速度で走査することにより予備加熱した後に、前記造形を行うことを特徴とする、SUS316Lの電子ビーム積層造形方法である。

また請求項２に係る発明は、
請求項１に記載したSUS316Lの電子ビーム積層造形方法であって、
前記スケールプレートの素材を、前記SUS316Lとすることを特徴とする、SUS316Lの電子ビーム積層造形方法である。

請求項３に係る発明は、
請求項１又は２に記載したSUS316Lの電子ビーム積層造形方法であって、
前記造形は、前記温度センサーが検知する温度が875℃から925℃である場合に行うことを特徴とする、SUS316Lの電子ビーム積層造形方法である。

まず、請求項１に係るSUS316Lの電子ビーム積層造形方法によれば、SUS316L金属粉末の３次元造形にあたって、スケールプレート上に溶融電流でフォーカスコイル電流を変えながら電子ビームを走査して軌跡を描き、結果を観察して最小収束点とその時のフォーカスコイル電流を求め、続いて予備加熱電流で前記作業と同様の走査を行い、電子ビーム軌跡が認められないフォーカスコイル電流を求め、この値を予備加熱時のフォーカスコイル電流と設定し、予備加熱の走査速度を、２０倍から３０倍の間に設定する。
この設定方法により、造形物の歪の発生がなく、仮焼結部位の金属粉末も解放されやすくなる。

また、請求項２に係るSUS316Lの電子ビーム積層造形方法によれば、スケールプレートにSUS316Lを用いることにより、金属粉末材料と同一のため、電子ビームの作用効果が近くなり、予備加熱のフォーカスコイル電流の設定範囲が狭められる。

さらに、請求項３に係るSUS316Lの電子ビーム積層造形方法によれば、造形時及び造形後の残留歪を極少化でき、良質なSUS316Lの造形物が得られる。

本発明により、造形歪が極少化され仮焼結部の開放が容易なSUS316Lの造形物が得られ、効果は顕著である。

ＥＢＭ造形方法の真空チャンバー内の構成を示す概略図である。 電子ビームの強度分布図である。 ＥＢＭ造形方法で、本発明に用いるスケールプレート設置の説明図である。 本発明に用いるスケールプレートの一例である。

本発明は、 電子ビームをエネルギー源として用い、造形しようとする一つ以上の造形物の３次元ＣＡＤデータをレイアウトして作成された造形データに従って前記電子ビームを２次元に走査し収束する非点補正コイル、フォーカスコイル、偏向コイルを含む電子光学系と、前記電子ビームが収束する面であってエレベータの上面に載せられ裏面に温度センサーを保持したスタートプレートとを備え、予め加熱された前記スタートプレートに金属粉末を撒き、レイキで平坦に均した後に、前記電子ビームを２次元に走査して、該金属粉末を加熱し仮焼結した後、データに従って必要箇所に電子ビームを照射し溶融することにより層を形成し、該形成される層を前記昇降機構を下降させ形成された層上に金属粉末を撒き上記工程を繰り返すことにより前記造形物の造形を行う３次元造形方法であって、造形工程に先立って、前記スタートプレート上にスケールプレートを置き、前記フォーカスコイルの電流を変化させて収束点を変化させながら前記電子ビームの走査速度を500mm/secから650mm/secのいずれかに設定して走査することにより前記スケールプレート上に電子ビーム軌跡を描き、前記スケールプレートを取り出して、電子ビームの軌跡が最も狭くなるフォーカスコイル電流を見つけ出して前記金属粉末を溶融する収束電流とし、さらに、電子ビームの出力を上げ予備加熱フォーカス電流値に設定し、フォーカスコイルの溶融・収束電流を中心にフォーカスコイル電流を変化させ、上記走査速度で電子ビーム軌跡を描く。これを取り出して観察し、電子ビーム軌跡が観測されないフォーカスコイル電流値を予備加熱時のフォーカスコイル電流と設定し、この時の走査速度の２０倍から３０倍の範囲で予備加熱を設定し、SUS316Lの造形を行う、SUS316L３次元造形方法である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図３は、この発明で用いられるＥＢＭ造形装置の電子ビームが作用する真空チャンバー（８）内の構成を示す模式図であり、図には示していない電気回路から電流が供給され、フィラメント（１）を加熱すると、電子が発生する。
この電子は、図には示されていない高圧電源から高圧電圧が印加されたグリッドカップ（２）とアノード（３）により加速され、前記アノードの開口部から電子ビーム（７）となって放出される。
このときの電子の速度は、光速の約半分に加速されている。
電子ビームは非点補正コイル（４）、フォーカスコイル（５）、偏向コイル（６）からなる磁気レンズにより収束・走査され、エレベータ（９）に設置されたスタートプレート（１２）上に置かれたスケールプレート（１５）表面に収束される。
スケールプレートは、電子ビームの径を測定し、最適化することが目的である。従って、熱による反りの影響を排除すること、さらには以下に述べるフォーカス変動による径の変化を測定すること等から、その適切なプレーとサイズを選択する。
実施例として、「２４０mm（縦）× ２４０mm（横）×５mm（厚）」を選定した。
この状態で、フィラメント電流値と走査速度を決める偏向コイルの電流値と収束点を制御するフォーカスコイルの電流値をパラメータとして、スケールプレートに電子ビームの走査軌跡を描く。この時、ビーム径を測定する初期設定として走査速度は500mm/秒乃至650mm/秒、フィラメント電流値は10ミリアンペア乃至25ミリアンペアで行う。

図４は、スケールプレートであるステンレス板に描いた例である。
図４から、溶融時電流10ミリアンペア、予備加熱時電流20ミリアンペア、溶融時フォーカスコイル電流のオフセットとして＋10ミリアンペア、予備加熱時フォーカスコイル電流のオフセットとして＋100ミリアンペアと設定する。オフセット値を大きくすることで、ビームがデフォーカスとなる。
溶融時は、ベストフォーカスを選択し、よく溶けるように設定する。予備加熱時は、パウダーが固まり過ぎないように、デフォーカスとする。
図４のスケールプレートの電子ビーム軌跡の観察には工具顕微鏡を用いて測定するのが推奨される。

なお、スケールプレートの素材は、前記SUS316Lとするのが好ましい。スケールプレートにSUS316Lを用いることにより、金属粉末材料と同一のため、電子ビームの作用効果が近くなり、予備加熱のフォーカスコイル電流の設定範囲が狭められるからである。

そして造形は、温度センサーが検知する温度が875℃から925℃である場合に行うのが好ましい。実験の結果、850℃の場合には焼結不足が認められ、950℃の場合には残留歪みが見られるので、875℃から925℃が適当だからである。

なお、本発明に用いるステンレス鋼SUS316Lの金属粉末には、商願２０１７−１４０２１号に係る商標「ＨＴＬｅｂｍＭＴＬ」を使用する予定である。

１…フィラメント
２…グリッドカップ
３…アノード
４…非点補正コイル
５…フォーカスコイル
６…偏向コイル
７…電子ビーム
８…真空チャンバ
９…エレベータ
１０…パウダーコンテナー
１１…レイキ
１２…金属粉末（パウダー）
１３…スタートプレート
１４…温度センサー
１５…スケールプレート

Claims (3)

1. 電子ビームをエネルギー源として用い、造形しようとする一つ以上の造形物の３次元ＣＡＤデータをレイアウトして作成された造形データに従って前記電子ビームを２次元に走査し収束する、非点補正コイル，フォーカスコイル，及び偏向コイルを含む電子光学系と、前記電子ビームが収束する面であって、昇降機構の上面に載せられ、裏面に温度センサーを保持したスタートプレートと、を備える電子ビーム積層造形装置において、
   金属粉末を、予め加熱された前記スタートプレートに撒きレイキで平坦に均した後に前記電子ビームを２次元に走査して該金属粉末を溶融することにより層を形成し、該形成される層を前記昇降機構を下降させて積層することにより前記造形物の造形を行う、電子ビーム積層造形方法であって、
   前記金属粉末として、ステンレス鋼SUS316Lを用い、前記造形の前に、
   前記スタートプレート上に第１のスケールプレートを置き、前記フォーカスコイルの電流値を変化させることにより収束点を変化させながら、500mm/secから650mm/secに設定した第１の走査速度で前記電子ビームを走査することにより当該第１のスケールプレート上に該電子ビームの軌跡を描き、当該第１のスケールプレートを取り出して、前記電子ビームの軌跡が最も狭くなる前記フォーカスコイルの電流値を見つけ出して、前記金属粉末を溶融する溶融電流値として設定し、
   前記スタートプレート上に第２のスケールプレートを置き、前記溶融電流値を中心に前記フォーカスコイルの電流値を変化させることにより収束点を変化させながら、前記第１の走査速度で前記電子ビームを走査することにより当該第２のスケールプレート上に該電子ビームの軌跡を描き、当該第２のスケールプレートを取り出して、前記電子ビームの軌跡が観測されない前記フォーカスコイルの電流値を見つけ出して、前記金属粉末を予備加熱する予備加熱フォーカス電流値として設定し、
   前記スタートプレートに撒いてレイキで平坦に均した前記SUS316Lの金属粉末を、該設定した予備加熱フォーカス電流値の電子ビームを前記第１の走査速度の２０倍から３０倍である第２の走査速度で走査することにより予備加熱した後に、前記造形を行うことを特徴とする、SUS316Lの電子ビーム積層造形方法。
2. 請求項１に記載したSUS316Lの電子ビーム積層造形方法であって、
   前記スケールプレートの素材を、前記SUS316Lとすることを特徴とする、SUS316Lの電子ビーム積層造形方法。
3. 請求項１又は２に記載したSUS316Lの電子ビーム積層造形方法であって、
   前記造形は、前記温度センサーが検知する温度が875℃から925℃である場合に行うことを特徴とする、SUS316Lの電子ビーム積層造形方法。