JP2019084723A - Three-dimensional modeling method, three-dimensional modeling apparatus, and three-dimensional object modeled by them - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、所謂３Ｄプリンタ装置に使用される、三次元造形方法に関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional shaping method used in a so-called 3D printer device.
近年、立体形状物の造形に用いられる三次元造形装置、所謂３Ｄプリンタ装置の利用、開発が盛んになっている。立体形状物を造形する方法は複数存在し、その１つに粉末床溶融結合方式が存在する。 In recent years, utilization and development of a three-dimensional modeling apparatus used for modeling a three-dimensional object, a so-called 3D printer apparatus has become popular. Several methods exist for shaping three-dimensional objects, one of which is powder bed fusion bonding.
粉末床溶融結合方式は、造形テーブル上に敷き詰められた粉末材料にレーザや電子ビームを照射し、選択的に材料を溶融結合させることで立体形状物を造形する方法である。
一般的に、粉末床溶融結合方式は以下のステップを行い、溶融結合された材料を積層することで、立体形状物を造形する。
The powder bed fusion bonding method is a method of forming a three-dimensional object by irradiating a laser or an electron beam to a powder material spread on a forming table to selectively melt and bond the material.
In general, the powder bed melt bonding method performs the following steps to form a three-dimensional object by laminating the melt bonded materials.
ステップ１：造形テーブル上に粉末材料を敷き詰める。 Step 1: Spread the powder material on the molding table.
ステップ２：粉末材料にレーザや電子ビームを照射し、選択的に溶融結合させ、第１層を造形する。 Step 2: Irradiate the powder material with a laser or an electron beam, selectively melt bond, and form the first layer.
ステップ３：造形テーブルを所定量下降させ、既に造形テーブル上に存在する粉末材料と、ステップ２で造形された第１層を覆うよう、新たな粉末材料を供給する。 Step 3: Lower the shaping table by a predetermined amount, and supply new powder material so as to cover the powder material already present on the shaping table and the first layer shaped in step 2.
ステップ４：新たに供給された粉末材料にレーザや電子ビームを照射し、選択的に溶融結合させ、第１層の上に第２層を積層する。 Step 4: Irradiate the newly supplied powder material with a laser or an electron beam to selectively fuse it, and stack a second layer on the first layer.
ステップ５：ステップ３とステップ４を所定の回数繰り返し、所望する立体形状物を造形する。 Step 5: Repeat steps 3 and 4 a predetermined number of times to form a desired three-dimensional object.
以上のような粉末床溶融結合方式に関する技術として、特許文献１〜３などが存在する。 Patent documents 1-3 etc. exist as a technique regarding the above powder bed fusion bonding methods.
特許文献１では、造形テーブルを水平方向に移動可能に構成することで、光ビームの照射領域よりも大きい立体形状物の造形を可能としている。 In patent document 1, modeling of a three-dimensional-shaped thing larger than the irradiation area | region of a light beam is enabled by comprising a modeling table so that a movement to a horizontal direction is possible.
特許文献２では、第１線分に沿ってレーザ光を照射した後、第１線分に隣接した第２線分に沿ってレーザ光の照射を行うまでの冷却時間内に、第１線分から離れた線分に沿ってレーザ光の照射を行うことで、造形に要する時間を増大させることなく、造形物の品質を向上させている。 In patent document 2, after irradiating a laser beam along a 1st line segment, within the cooling time until irradiating a laser beam along a 2nd line segment adjacent to a 1st line segment, By irradiating the laser light along the distant line segment, the quality of the object is improved without increasing the time required for the formation.
特許文献３では、粉末層を焼結するビームを、同一線上を通過せず、かつ交点を形成せずに連続する経路で走査させることで、造形効率を向上させている。 In Patent Document 3, shaping efficiency is improved by scanning a beam for sintering a powder layer in a continuous path without passing through the same line and without forming an intersection point.
以上述べたような従来の三次元造形装置は、大型の立体形状物を短時間で造形すること主眼に置いたものが多く、微細な構造を有する立体形状物を精度良く造形する方法については、開発途上である。 Many of the conventional three-dimensional shaping apparatuses described above are mainly aimed at shaping a large three-dimensional shaped object in a short time, and a method for accurately forming a three-dimensional shaped object having a fine structure is as follows. It is under development.
特に、φ１ｍｍ未満の小さな穴を有する立体形状物や、φ１ｍｍ未満の円柱といった立体形状物は、従来の装置では造形途中で穴が埋まってしまう、造形途中で折れてしまうといった課題が存在する。 In particular, with a conventional device, there is a problem that holes are embedded in the middle of modeling and broken in the middle of modeling in the case of a three-dimensional article having a small hole of less than φ1 mm or a cylinder of less than φ1 mm.
加えて、斜め方向への造形は従来の三次元造形装置が苦手とする造形として知られている。非特許文献１によると、造形テーブルに対する角度が４５°を下回る部分を有する立体形状物の造形は、造形不良が発生しやすく、困難である。 In addition, shaping in the oblique direction is known as shaping which the conventional three-dimensional shaping apparatus is not good at. According to Non-Patent Document 1, modeling of a three-dimensional object having a portion whose angle with respect to the modeling table is less than 45 ° is apt to cause modeling defects and is difficult.
本発明の課題は、従来の三次元造形方法と比較して微細な構造を有する立体形状物の造形が行え、斜め方向の造形も可能とする三次元造形方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a three-dimensional modeling method capable of modeling a three-dimensional object having a fine structure as compared with the conventional three-dimensional modeling method and also capable of modeling in an oblique direction.
本発明者は、粉末材料の溶融結合に用いられる光ビームが粉末材料に与えるエネルギー量の変化と、粉末材料の溶融結合状態の変化の関係を追及した結果、粉末材料の特性に応じた適切な光ビームを照射することで、従来の問題を解決した。 As a result of investigating the relationship between the change in the amount of energy given to the powder material by the light beam used for the melt bonding of the powder material and the change in the melt bond state of the powder material, the inventor has found that it is appropriate By irradiating the light beam, the conventional problem is solved.
本発明の三次元造形方法では、以下の効果が期待できる。
・従来の造形では困難であった、極細の穴を有する立体形状物や、極細の立体形状物の造形が可能となる。
・従来の造形では困難であった、造形テーブルに対する角度が４５°を下回る部分を有する立体形状物の造形が可能となる。
The following effects can be expected in the three-dimensional shaping method of the present invention.
-It becomes possible to form a three-dimensional object having an extra-fine hole or an extra-fine three-dimensional object, which was difficult in the conventional forming.
-It becomes possible to form a three-dimensional object having a portion having an angle of less than 45 ° with respect to the forming table, which was difficult in the conventional forming.
以下、図１を参照しながら、本発明について説明する。図１は本発明の三次元造形方法によって立体形状物の造形が行える、三次元造形装置の一例を示した模式図である。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic view showing an example of a three-dimensional modeling apparatus capable of modeling a three-dimensional object by the three-dimensional modeling method of the present invention.
図１に示した三次元造形装置１は、造形部６に存在する造形テーブル７上に保持された粉末材料１１に、光ビーム２を選択的に照射し、立体形状物８を造形することを意図したものである。 The three-dimensional modeling apparatus 1 shown in FIG. 1 selectively illuminates the light beam 2 on the powder material 11 held on the modeling table 7 present in the modeling unit 6 to model the three-dimensional shaped object 8. It is intended.
光ビーム２は光源３から発生し、走査ミラー４によって造形テーブル７へと進行方向が変えられ、集光光学系５によって所定のビーム直径に調整され、造形テーブル７上に保持された粉末材料１１に照射される。 The light beam 2 is generated from the light source 3, the traveling direction is changed to the shaping table 7 by the scanning mirror 4, and the powder material 11 is adjusted to a predetermined beam diameter by the focusing optical system 5 and held on the shaping table 7 Irradiated.
走査ミラー４は、所望する立体形状物８に応じた走査経路に従って、造形テーブル７上に保持された粉末材料１１に、光ビーム２が選択的に照射されるよう、光ビーム２を反射させる。 The scanning mirror 4 reflects the light beam 2 so that the light beam 2 is selectively irradiated to the powder material 11 held on the shaping table 7 in accordance with a scanning path according to the desired three-dimensional figure 8.
１層分の粉末材料１１が光ビーム２によって溶融結合された後、造形テーブル７は所定量下降する。その後、材料供給手段１２が造形部６に向かって移動することで、材料保持部９に存在する材料保持テーブル１０上に保持された粉末材料１１が、先の光ビーム照射で溶融結合した粉末材料１１の表面を覆うよう、造形部６へ供給される。造形部６に供給された粉末材料１１の表面は、材料供給手段によって平坦に均される。 After the powder material 11 of one layer is melted and bonded by the light beam 2, the shaping table 7 is lowered by a predetermined amount. Thereafter, the material supply means 12 moves toward the shaping unit 6 so that the powder material 11 held on the material holding table 10 present in the material holding unit 9 is melted and bonded by the previous light beam irradiation. It is supplied to the forming unit 6 so as to cover the surface 11. The surface of the powder material 11 supplied to the shaping unit 6 is leveled flat by the material supply means.
造形部６に供給された粉末材料１１に対して、新たに光ビーム２が選択的に照射され、先の光ビーム２の照射によって造形された層の上に、新たな層が積層される。材料保持テーブル１０は次の材料供給に備えて所定量上昇する。 The light beam 2 is newly selectively irradiated on the powder material 11 supplied to the forming unit 6, and a new layer is stacked on the layer formed by the previous irradiation of the light beam 2. The material holding table 10 is raised by a predetermined amount in preparation for the next material supply.
以上の動作を繰り返し、所望する立体形状物８を造形する。 The above operation is repeated to form a desired three-dimensional object 8.
給気手段１３は、立体形状物８が安定して造形できるよう、三次元造形装置１内に窒素やアルゴンに代表される、不活性ガスを供給する。 The air supply means 13 supplies an inert gas typified by nitrogen or argon into the three-dimensional modeling apparatus 1 so that the three-dimensional object 8 can be stably shaped.
排気手段１４は、粉末材料１１の蒸発ガスなど、造形中に発生した不要なガスを三次元造形装置１外に排気する。 The exhaust means 14 exhausts unnecessary gases generated during modeling, such as the evaporation gas of the powder material 11, to the outside of the three-dimensional modeling apparatus 1.
本発明で特徴的なことは、粉末材料１１の溶融結合に用いられる光ビーム２の、粉末材料１１に対する照射面において、光ビーム２の直径が粉末材料１１の平均粒子径の２倍未満となっていることである。 The characteristic feature of the present invention is that the diameter of the light beam 2 is less than twice the average particle diameter of the powder material 11 on the irradiation surface of the light beam 2 used for the fusion bonding of the powder material 11 to the powder material 11. It is
粉末材料１１に照射された光ビーム２は、光ビーム２の中心から概ねビーム直径の半分の範囲に存在する粉末材料１１を溶融結合する。このため、光ビーム２のビーム直径を粉末材料１１の平均粒子径の２倍以下とすることで、必要最小限の粉末材料１１のみを溶融結合させることができる。 The light beam 2 irradiated to the powder material 11 melts and bonds the powder material 11 present in the range of about half of the beam diameter from the center of the light beam 2. Therefore, by setting the beam diameter of the light beam 2 to twice or less the average particle diameter of the powder material 11, it is possible to melt-bond only the powder material 11 which is the minimum necessary.
必要最小限の粉末材料１１のみを溶融結合させることで、溶融した粉末材料１１による極細の穴の閉塞や、粉末材料１１の再溶融に起因する強度低下、強度低下に伴う破損の発生頻度を低減でき、微細構造を有する立体形状物８の造形に対して好適に寄与する。 By melting and bonding only the powder material 11 which is the minimum necessary, clogging of the very small holes by the molten powder material 11, reduction in strength due to re-melting of the powder material 11, and occurrence frequency of breakage due to strength reduction are reduced. It contributes favorably to the formation of the three-dimensional object 8 having a fine structure.
加えて、造形テーブル７の１層毎の下降量が、粉末材料１１の平均粒子径に略等しいことが好ましい。
このようにすることで、立体形状物８の１層あたりの厚さ（層厚）が粉末材料１１の平均粒子径に略等しくなり、１層分の溶融結合に必要な光ビーム２のエネルギー量を低く抑えることができる。
In addition, it is preferable that the descent amount of each layer of the shaping table 7 be substantially equal to the average particle size of the powder material 11.
By doing this, the thickness (layer thickness) per one layer of the three-dimensional shaped material 8 becomes approximately equal to the average particle diameter of the powder material 11, and the energy amount of the light beam 2 necessary for fusion bonding of one layer Can be kept low.
一般的に、立体形状物８の層厚が薄い方が、層厚が厚い場合と比べて１層分の溶融結合に必要な光ビーム２のエネルギー量が小さくなる。
加えて、必要最小限の粉末材料１１のみを溶融結合させるには、粉末材料１１に与えるエネルギー量が小さい方が好ましい。
Generally, when the layer thickness of the three-dimensional shaped object 8 is small, the amount of energy of the light beam 2 required for the fusion bonding of one layer is smaller than when the layer thickness is large.
In addition, in order to melt-bond only the minimum necessary powder material 11, it is preferable that the amount of energy given to the powder material 11 be smaller.
このため、造形テーブル７の１層毎の移動量を粉末材料１１の平均粒子径に略等しくすることで、１層分の溶融結合に必要な光ビーム２のエネルギー量が低く抑えられ、微細構造を有する立体形状物８の造形に対して好適に寄与する。 For this reason, the energy amount of the light beam 2 necessary for the fusion bonding of one layer can be suppressed to a low level by making the movement amount of each layer of the modeling table 7 substantially equal to the average particle diameter of the powder material 11, and the microstructure The present invention suitably contributes to the formation of the three-dimensional object 8 having the
なお、平均粒子径に略等しい量は、厳密に平均粒子径に等しい値である必要はなく、使用する粉末材料１１の粒子径分布を考慮の上決定された、平均粒子径に近い値であれば良い。具体的には、粉末材料１１の粒子径分布を求め、分布のピークに対する半値幅の範囲内の値に設定すれば良い。 The amount substantially equal to the average particle diameter does not have to be a value strictly equal to the average particle diameter, but it may be a value close to the average particle diameter determined in consideration of the particle diameter distribution of the powder material 11 used. Just do it. Specifically, the particle size distribution of the powder material 11 may be obtained and set to a value within the range of the half width with respect to the peak of the distribution.
加えて、光ビーム２の粉末材料１１に対する照射面におけるエネルギー密度が、粉末材料１１の溶融結合に必要な最低エネルギー密度の３倍以下であることが好ましい。エネルギー密度をこのように設定することで、より安定して必要最小限の粉末材料１１のみを溶融結合させることができ、微細構造を有する立体形状物８の造形に対して好適に寄与する。 In addition, it is preferable that the energy density in the irradiation surface with respect to the powder material 11 of the light beam 2 is three times or less of the minimum energy density required for the fusion bonding of the powder material 11. By setting the energy density in this manner, only the powder material 11 can be melt-bonded more stably and minimally, which contributes favorably to the formation of the three-dimensional figure 8 having a microstructure.
エネルギー密度とは、安定した造形が行えるレーザ条件をパラメータ化したもので、単位面積当たりのエネルギー入力量（単位：J／ｍｍ２）、もしくは単位体積当たりのエネルギー入力量（単位：J／ｍｍ３）として表される。本発明におけるエネルギー密度は単位体積当たりのエネルギー入力量で評価する。 The energy density is a parameterization of laser conditions that enables stable formation, and the energy input amount per unit area (unit: J / mm 2 ) or the energy input amount per unit volume (unit: J / mm 3) It is expressed as). The energy density in the present invention is evaluated by the amount of energy input per unit volume.
粉末床溶融結合方式に使用される代表的な粉末材料の溶融結合に必要な最低エネルギー密度は、非特許文献１によると、ステンレス鋼で５０〜７０J／ｍｍ３程度、ニッケル基合金で５０〜７０J／ｍｍ３程度である。より具体的な値は、実際に使用する粉末材料１１の組成や平均粒子径によって決まる。 According to Non-Patent Document 1, the minimum energy density required for the melt bonding of a typical powder material used in the powder bed melt bonding method is about 50 to 70 J / mm 3 for stainless steel and 50 to 70 J for a nickel base alloy. It is about 3 mm. More specific values are determined by the composition and average particle size of the powder material 11 actually used.
通常、三次元造形方法では、確実に粉末材料１１を溶融結合させるよう、粉末材料の溶融結合に必要な最低エネルギー密度の数倍となるように光ビーム２のエネルギー密度を設定するが、本発明は、必要最小限の粉末材料１１のみに光ビーム２を照射することを意図しているため、光ビーム２のエネルギー密度を低く設定することができる。
具体的には粉末材料１１の溶融結合に必要な最低エネルギー密度の３倍以下のエネルギー密度であっても、粉末材料１１の溶融結合を必要十分なレベルで行える。
Generally, in the three-dimensional shaping method, the energy density of the light beam 2 is set to be several times the minimum energy density necessary for the melt bonding of the powder material so as to ensure the powder material 11 is melt bonded. Since it is intended to irradiate the light beam 2 only to the minimum necessary powder material 11, the energy density of the light beam 2 can be set low.
Specifically, even if the energy density is three times or less of the minimum energy density required for the melt bonding of the powder material 11, the melt bonding of the powder material 11 can be performed at a necessary and sufficient level.
本発明は、粉末材料１１に与えるエネルギー量が小さい方が好ましいため、より好ましくは、粉末材料１１の溶融結合に必要な最低エネルギー密度の２倍以下のエネルギー密度、さらに好ましくは粉末材料１１の溶融結合に必要な最低エネルギー密度に略等しいエネルギー密度となるよう、光ビーム２のエネルギー密度を設定するのが良い。 In the present invention, since it is preferable that the amount of energy given to the powder material 11 is small, more preferably, the energy density is twice or less the minimum energy density necessary for the melt bonding of the powder material 11, more preferably the melting of the powder material 11 The energy density of the light beam 2 may be set to be approximately equal to the lowest energy density required for bonding.
さらに本発明では、光ビーム２の出力時に、光ビーム２の出力が所定の設定出力を超えることなく、設定出力に達するよう、光ビーム２を制御することが好ましい。 Furthermore, in the present invention, it is preferable to control the light beam 2 so that the output of the light beam 2 reaches the set output without the output of the light beam 2 exceeding the predetermined set output.
光源３から光ビーム２、特にレーザ光を出力する際、図２（ａ）に示すように、瞬間的に設定出力よりも高い光ビーム２が出力される現象が知られており、主に短時間で光ビーム２を設定出力まで立ち上げる際に発生しやすい。この現象はオーバーシュートと称される。
瞬間的に出力された高出力の光ビーム２が粉末材料１１に照射されると、その高エネルギーによって粉末材料１１が飛散、あるいは溶融する現象が発生することがある。粉末材料１１に与えるエネルギー量が小さい方が好ましい本発明においては、瞬間的であっても高エネルギーの発生は抑制するのが好ましい。
光ビーム２の出力時に、オーバーシュートが発生しないよう光ビーム２を出力させることで、粉末材料１１に意図しない高エネルギーが与えられてしまう事態を回避できる。
As shown in FIG. 2A, it is known that the light beam 2 higher than the setting output is instantaneously output when the light source 2 outputs the light beam 2, particularly the laser beam, and the shorting mainly occurs. It easily occurs when raising the light beam 2 to the set output in time. This phenomenon is called overshoot.
When the powder material 11 is irradiated with the instantaneously output high-power light beam 2, the high energy may cause the powder material 11 to be scattered or melted. In the present invention where it is preferable that the amount of energy given to the powder material 11 is small, it is preferable to suppress the generation of high energy even if it is instantaneous.
By outputting the light beam 2 so that overshoot does not occur at the time of the output of the light beam 2, it is possible to avoid the situation where the powder material 11 is given unintended high energy.
オーバーシュートを防ぐには、光ビーム２を出力する光源３の駆動回路に、オーバーシュート抑制機能を有するものを使用するなど、光源３に対するオーバーシュート抑制手段を適宜選択して使用すれば良い。 In order to prevent the overshoot, an overshoot suppressing means for the light source 3 may be appropriately selected and used, for example, one having an overshoot suppressing function may be used as a drive circuit of the light source 3 which outputs the light beam 2.
オーバーシュートが発生しないよう光ビーム２を出力させる際は、一般的には図２（ｂ）に示すよう連続的に設定出力まで上昇させることが多いが、この出力方法のみに限定されず、図２（ｃ）に示すように段階的に設定出力まで上昇させても良い。 When the light beam 2 is output so that overshoot does not occur, the output is generally continuously raised to the set output as shown in FIG. 2 (b), but it is not limited to this output method. As shown in 2 (c), it may be raised to the set output in stages.
加えて、本発明においては、造形時における光ビーム２の走査経路が、立体形状物８の輪郭部を除き、交点が形成されないよう設定されていることが好ましい。 In addition, in the present invention, it is preferable that the scanning path of the light beam 2 at the time of modeling is set so that the intersection is not formed except for the outline portion of the three-dimensional figure 8.
造形時における光ビーム２の走査経路に交点が存在する場合、交点では光ビーム２が２回照射されることになる。同一箇所に光ビーム２が２回照射されることは、その部分に高エネルギーを与えることになる。
粉末材料１１に与えるエネルギー量が小さい方が好ましい本発明においては、造形時における光ビーム２の走査経路を、交点が形成されないよう設定することで、より安定した微細構造を有する立体形状物８の造形が可能となる。
If there is an intersection in the scanning path of the light beam 2 at the time of modeling, the light beam 2 is irradiated twice at the intersection. The fact that the light beam 2 is irradiated twice to the same place gives high energy to that part.
In the present invention, in which the amount of energy given to the powder material 11 is preferably small, the scanning path of the light beam 2 at the time of shaping is set so as not to form intersections, and the three-dimensional figure 8 having a more stable microstructure. It becomes possible to form.
図３に、立体形状物８の輪郭部を除き、交点が形成されないよう設定した光ビーム２の走査経路の一例を示す。図３は造形テーブル７を真上から見た平面図であり、Ｖ−１〜Ｖ−４が縦方向の走査経路、Ｈ−１〜Ｈ−４が横方向の走査経路、Ｏ−１〜Ｏ−６が輪郭部の走査経路である。図３は縦方向にＶ−１、Ｖ−２、Ｖ−３、Ｖ−４の順に光ビーム２を照射した後、横方向にＨ−１、Ｈ−２、Ｈ−３、Ｈ−４の順に光ビーム２を照射し、最後にＯ−１、Ｏ−２、Ｏ−３、Ｏ−４、Ｏ−５、Ｏ−６の順に輪郭部に対して光ビーム２を照射する場合を意図したものである。平行して隣り合う走査経路の間隔が走査ピッチとなる。 FIG. 3 shows an example of the scanning path of the light beam 2 which is set so that no intersection is formed except for the outline of the three-dimensional figure 8. FIG. 3 is a plan view of the modeling table 7 as viewed from directly above, where V-1 to V-4 are scanning paths in the vertical direction, H-1 to H-4 are scanning paths in the horizontal direction, and O-1 to O -6 is a scanning path of the outline portion. In FIG. 3, after irradiating the light beam 2 in the order of V-1, V-2, V-3 and V-4 in the vertical direction, H-1, H-2, H-3 and H-4 in the horizontal direction In the case where the light beam 2 is irradiated in order and finally the light beam 2 is irradiated to the contour portion in the order of O-1, O-2, O-3, O-4, O-5, O-6 It is a thing. The distance between scanning paths adjacent in parallel is the scanning pitch.
図３に示すように、本来なら縦方向の走査経路と横方向の走査経路が交わり、交点が形成される部分において、縦方向の走査時、横方向の走査時とも光ビーム２の照射が中断されるよう照射状態を制御することで、走査経路の交点が形成されないようにする。
この際、光ビーム２が照射されない微細な領域が存在することになるが、周辺の領域への光ビーム２の照射によって与えられたエネルギーが伝搬して、光ビーム２が照射されない微細な領域に存在する粉末材料１１も溶融結合される。
As shown in FIG. 3, in the portion where the vertical scanning path and the horizontal scanning path originally cross each other and the intersection point is formed, the irradiation of the light beam 2 is interrupted in both the vertical scanning and the horizontal scanning. By controlling the irradiation state as described above, the intersections of the scanning paths are not formed.
At this time, there is a minute area where the light beam 2 is not irradiated, but the energy given by the irradiation of the light beam 2 to the peripheral area is propagated and the minute area where the light beam 2 is not irradiated The powder material 11 present is also melt bonded.
本発明においては、図３における縦方向の走査経路と横方向の走査経路の交点が形成されないことを意図しており、縦方向の走査経路と輪郭部の走査経路によって形成される交点、横方向の走査経路と輪郭部の走査経路によって形成される交点、輪郭部の走査経路同士によって形成される交点は存在しても良いし、存在しないようにしても良い。図３はこれらの交点が存在する場合の図である。 In the present invention, it is intended that the intersection of the longitudinal scanning path and the lateral scanning path in FIG. 3 is not formed, and the intersecting point formed by the longitudinal scanning path and the scanning path of the outline portion, the lateral direction The intersection formed by the scanning path of and the scanning path of the outline, and the intersection formed by the scanning paths of the outline may or may not exist. FIG. 3 is a diagram when these intersections exist.
図３において、輪郭部の走査経路Ｏ−１〜Ｏ−６は、縦方向の走査経路、及び横方向の走査経路と比較して太く記載されているが、これは視覚的に、縦方向の走査経路、及び横方向の走査経路と区別するためであり、輪郭部の走査経路に照射される光ビーム２の条件は、縦方向の走査経路、及び横方向の走査経路に照射される光ビーム２の条件と原則同じである。 In FIG. 3, the scanning paths O-1 to O-6 of the outline are described as being thicker than the scanning path in the longitudinal direction and the scanning path in the lateral direction. The condition of the light beam 2 irradiated to the scanning path of the contour portion is to distinguish the scanning path and the scanning path in the horizontal direction, the light beam irradiated to the scanning path in the longitudinal direction and the scanning path in the horizontal direction The principle is the same as the condition of 2.
本発明における光ビーム２は、シングルモード光が好ましい。本発明は微細構造を有する立体形状物８の造形を行う関係上、粉末材料１１に照射されるビーム直径が小さくなるように集光光学系５を構成し、光ビーム２の整形を行う必要がある。シングルモード光は原則として光のモード分散が発生せず、基本モードの光のみを整形すれば良いので、ビーム直径を小さくするのに好ましい光である。 The light beam 2 in the present invention is preferably single mode light. In the present invention, in order to form the three-dimensional object 8 having a fine structure, it is necessary to configure the condensing optical system 5 so as to reduce the diameter of the beam irradiated to the powder material 11 and to perform the shaping of the light beam 2 is there. In principle, single mode light does not generate mode dispersion of light and only needs to shape light of the fundamental mode, so it is preferable light for reducing the beam diameter.
光ビーム２をシングルモード光とするには、光源３としてＹｂ添加シングルモードファイバレーザに代表される、ファイバレーザを使用するのが好ましい。ファイバレーザはビーム品質に優れる点においても、本発明において好ましく利用できる In order to make the light beam 2 into single mode light, it is preferable to use a fiber laser represented by a Yb-doped single mode fiber laser as the light source 3. The fiber laser can be preferably used in the present invention even in the point that the beam quality is excellent.
また、本発明においては、光ビーム２の粉末材料１１に対する照射面において、光ビーム２の強度分布が均一であることが好ましい。光ビーム２の強度分布が均一であることで、照射面において粉末材料１１に均一にエネルギーが与えられ、立体形状物８の安定した造形に寄与する。
Further, in the present invention, it is preferable that the intensity distribution of the light beam 2 be uniform on the irradiation surface of the light beam 2 with respect to the powder material 11. Since the intensity distribution of the light beam 2 is uniform, the energy is uniformly given to the powder material 11 on the irradiation surface, which contributes to the stable formation of the three-dimensional shaped object 8.
光ビーム２の強度分布の均一化は、集光光学系５に光ビームの均一化を目的とした各種の光学系を適用することで実施でき、所謂トップハット形状の強度分布が得られる光学系や、ガウシアン分布を有する光ビームをデフォーカスし、照射面において強度分布を均一化する光学系などを、適宜選択して使用すれば良い。 The homogenization of the intensity distribution of the light beam 2 can be implemented by applying various optical systems for the purpose of homogenizing the light beam to the condensing optical system 5, and an optical system capable of obtaining a so-called top hat shaped intensity distribution. Alternatively, an optical system that defocuses a light beam having a Gaussian distribution and makes the intensity distribution uniform on the irradiation surface may be appropriately selected and used.
以上述べた三次元造形方法を実施できる三次元造形装置１を構成することで、従来困難であった微細造形や斜め造形が可能である。 By constructing the three-dimensional modeling apparatus 1 capable of implementing the three-dimensional modeling method described above, it is possible to perform fine modeling and oblique modeling which were conventionally difficult.
本発明に使用する粉末材料１１は、平均粒子径が１〜１００μｍ程度のものを想定しており、微細構造を有する立体形状物を造形する観点では、平均粒子径が１〜５０μｍ程度のものが特に好ましく利用できる。原則として、平均粒子径が小さい方が微細構造を有する立体形状物を造形する上で有利なため、所望する立体形状物に応じて平均粒子径が１μｍ以下の粉末材料を使用しても良い。 The powder material 11 used in the present invention is assumed to have an average particle diameter of about 1 to 100 μm, and from the viewpoint of forming a three-dimensional object having a fine structure, an average particle diameter of about 1 to 50 μm It can use especially preferably. In principle, since a smaller average particle size is advantageous for forming a three-dimensional object having a fine structure, a powder material having an average particle size of 1 μm or less may be used according to the desired three-dimensional object.
粉末材料１１の平均粒子径は、ＪＩＳ Ｚ８８２５−１（２０１３年）に準じて測定された、体積基準のメジアン径（Ｄ５０）を用いる。具体的な測定方法は以下の通りである。 The average particle diameter of the powder material 11 uses the volume-based median diameter (D50) measured according to JIS Z 8825-1 (2013). The specific measurement method is as follows.
・測定装置：株式会社堀場製作所製、レーザ回折・散乱式粒子径分布測定装置「ＬＡ−９２０」
・測定条件の設定および測定データの解析：ＬＡ−９２０に付属の専用ソフトを使用
・測定溶媒：予め不純固形物などを除去した蒸留水
Measurement device: Laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring device “LA-920” manufactured by HORIBA, Ltd.
・ Setting of measurement conditions and analysis of measurement data: Use special software attached to LA-920
-Measurement solvent: Distilled water from which impure solid matter etc. have been removed in advance
測定手順は、以下の通りである。
（１）フロー式セルホルダーをＬＡ−９２０に取り付ける。
（２）所定量の蒸留水をフロー式セルに入れ、フロー式セルをフロー式セルホルダーにセットする。
（３）専用のスターラーチップを用いて、フロー式セル内を撹拌する。
（４）蒸留水の溶媒屈折率を１．３３３に設定する。粉末材料１１の屈折率は、試料により設定を行う。
（５）「表示条件設定」画面において、粒子径基準を体積基準とする。
（６）１時間以上の暖気運転を行った後、光軸の調整、光軸の微調整、ブランク測定を行う。
（７）粉末材料１１を少量ずつ添加して、タングステンランプの透過率が７５％〜９０％の範囲となるように調整する。
（８）粒子径分布の測定を行い、得られた体積基準の粒子径分布のデータを元に、体積基準のメジアン径（Ｄ５０）を算出する。
The measurement procedure is as follows.
(1) Attach the flow cell holder to the LA-920.
(2) Put a predetermined amount of distilled water into the flow type cell, and set the flow type cell in the flow type cell holder.
(3) Stir the inside of the flow type cell using a dedicated stirrer tip.
(4) The solvent refractive index of distilled water is set to 1.333. The refractive index of the powder material 11 is set by the sample.
(5) In the "display condition setting" screen, the particle diameter standard is used as the volume standard.
(6) After performing warm-up operation for one hour or more, perform adjustment of the optical axis, fine adjustment of the optical axis, and blank measurement.
(7) The powder material 11 is added little by little to adjust the transmittance of the tungsten lamp to be in the range of 75% to 90%.
(8) The particle size distribution is measured, and the volume-based median diameter (D50) is calculated based on the obtained data of the volume-based particle size distribution.
粉末材料１１はステンレス鋼、マルエージング鋼、ニッケル基合金、鉄、銅、チタン、アルミニウム、タングステンなどの金属粉末、ナイロン、ＡＢＳ、ポリプロピレン、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＥＴＦＥ、ＦＥＰなどに代表されるふっ素樹脂などの樹脂粉末、アルミナ、ジルコニアなどのセラミック粉末を適宜選択して利用できる。 The powder material 11 is stainless steel, maraging steel, nickel base alloy, metal powder such as iron, copper, titanium, aluminum, tungsten, etc., fluorine resin represented by nylon, ABS, polypropylene, PTFE, PFA, ETFE, FEP, etc. The resin powder of the above, and ceramic powder such as alumina, zirconia, etc. can be appropriately selected and used.
粉末材料１１としてステンレス鋼や鉄を使用する場合、マルテンサイト系の材料とオーステナイト系の材料を選択することができるが、本発明ではマルテンサイト系の材料が好ましく使用できる。マルテンサイト系の材料は熱処理によって硬化する性質を持っているため、光ビーム２による熱処理を経て造形される立体形状物８の強度を高め、強度が弱くなりやすい微細構造の強度改善に寄与する。 When stainless steel or iron is used as the powder material 11, a martensitic material and an austenitic material can be selected, but in the present invention, a martensitic material can be preferably used. Since the martensitic material has the property of being hardened by heat treatment, it enhances the strength of the three-dimensional object 8 formed by heat treatment with the light beam 2 and contributes to the improvement of the strength of the fine structure in which the strength tends to be weak.
本発明の方法を実施する三次元造形装置１は、ブレードに代表される各種の材料供給手段１２によって粉末材料１１の供給、粉末表面の平滑化を採用することが想定されるが、材料供給手段１２の材料は造形する立体形状物８よりも柔軟な材料で構成することが好ましい。微細構造を有する立体形状物８は、一般的な立体形状物よりも強度面で弱いことが多い。材料供給手段１２を造形された立体形状物８よりも柔軟な材料、例えばゴム材料などで構成することで、材料供給手段１２による立体形状物８の破損を抑制できる。 The three-dimensional shaping apparatus 1 for carrying out the method of the present invention is assumed to adopt the supply of the powder material 11 and smoothing of the powder surface by various material supply means 12 represented by a blade, but the material supply means Preferably, the 12 materials are made of a softer material than the three-dimensional object 8 to be formed. The three-dimensional object 8 having a fine structure is often weaker in strength than a general three-dimensional object. The damage of the three-dimensional object 8 by the material supply means 12 can be suppressed by comprising the material supply means 12 with a softer material than the three-dimensional object 8 shaped, for example, a rubber material.
本発明によって造形できる立体形状物の典型例を、実施例として示す。実施には図１の構成を有する三次元造形装置を使用した。 Typical examples of three-dimensional objects which can be shaped by the present invention are shown as examples. A three-dimensional shaping apparatus having the configuration of FIG. 1 was used for implementation.
［実施例１］
第１の実施例として、垂直方向に極細の穴を多数有する立体形状物を造形した。
Example 1
As a first example, a three-dimensional object having a large number of ultrafine holes in the vertical direction was formed.
［使用材料］
使用する粉末材料は、平均粒子径が３０μｍと称されたＳＵＳ３１６粉末を使用した。この材料の溶融結合に必要なエネルギー密度は５７Ｊ／ｍｍ３である。
[Material used]
The powder material used was SUS316 powder with an average particle size of 30 μm. The energy density required for the melt bonding of this material is 57 J / mm 3 .
粉末材料の粒子径分布と実際の平均粒子径を、堀場製作所製、ＬＡ−９２０を使用し、先述した方法に従って測定した。測定の際、粉末材料１１の屈折率は専用ソフト上で「Ｆｅ」に設定した。
図４に測定したＳＵＳ３１６粉末の粒子径分布を示す。実際の平均粒子径は２６μｍ、粒子径分布のピークに対する半値幅の範囲は１６〜４１．５μｍであった。
なお、図４上では粒子径が１００μｍを越える巨大な粒子も存在することになるが、これについては粒子径分布の測定時に複数の粒子が集合したものを１つの粒子として測定した値と推測され、実際にはこの大きさの粒子は存在しないものと考えられる。
また、仮に粒子径が１００μｍを越える粒子が存在したとしても、図４においてＤ９０は４９．５μｍであったため、粒子径が４９．５μｍを越える粒子の出現頻度は粒子径が４９．５μｍ以下の粒子と比べて小さく、立体形状物の造形に対する影響は無いものとみなすことができる。
The particle size distribution of the powder material and the actual average particle size were measured according to the method described above using LA-920 manufactured by Horiba, Ltd. At the time of measurement, the refractive index of the powder material 11 was set to "Fe" on dedicated software.
FIG. 4 shows the particle size distribution of the measured SUS316 powder. The actual average particle size was 26 μm, and the range of the half-width to the peak of the particle size distribution was 16 to 41.5 μm.
In addition, although a huge particle with a particle diameter exceeding 100 μm also exists in FIG. 4, it is estimated that a value in which a plurality of particles are gathered at the time of measurement of the particle size distribution is measured as one particle. In fact, particles of this size are considered to be absent.
Furthermore, even if particles having a particle size exceeding 100 μm are present, since D90 is 49.5 μm in FIG. 4, the frequency of appearance of particles having a particle size exceeding 49.5 μm is particles having a particle size of 49.5 μm or less It can be considered to be smaller than the above, and has no influence on the formation of a three-dimensional object.
［三次元図面データ作成］
３Ｄ−ＣＡＭソフトを使用し、造形する立体形状物に対応する三次元図面データを作成。造形する立体形状物は１辺が１０ｍｍの立方体とし、垂直方向にφ０．１の穴が０．２ｍｍピッチで格子状に配列されたものとする。
[3D drawing data creation]
Using 3D-CAM software, create three-dimensional drawing data corresponding to the three-dimensional object to be modeled. The three-dimensional object to be formed is a cube having a side of 10 mm, and it is assumed that holes of φ0.1 are arranged in a lattice at a pitch of 0.2 mm in the vertical direction.
続いて、作成した三次元図面データをスライスデータに変換した。スライスデータとは、三次元図面データを立体形状物の底面に平行な面に沿って複数に均等分割したものである。スライスデータは厚さ方向のパラメータを有し、スライスデータの厚さが、粉末床溶融結合方式による造形の層厚に相当する。すなわち、スライスデータは立体形状物の所定の層厚における断面形状を表すデータと言える。
実施例１では、スライスデータの厚さは３０μｍに設定した。
Subsequently, the created three-dimensional drawing data was converted into slice data. The slice data is obtained by equally dividing the three-dimensional drawing data into a plurality of pieces along a plane parallel to the bottom surface of the three-dimensional object. The slice data has parameters in the thickness direction, and the thickness of the slice data corresponds to the layer thickness of shaping by the powder bed fusion bonding method. That is, it can be said that slice data is data representing a cross-sectional shape at a predetermined layer thickness of a three-dimensional object.
In Example 1, the thickness of slice data was set to 30 μm.
［造形ステージの移動量］
造形ステージの１層毎の下降量は、スライスデータの厚さに等しく、かつ使用するＳＵＳ３１６粉末の粒子径分布のピークに対する半値幅の範囲内である３０μｍに設定した。
[Movement amount of modeling stage]
The descent amount for each layer of the shaping stage was set to 30 μm, which was equal to the thickness of the slice data and within the range of the half width with respect to the peak of the particle size distribution of the SUS316 powder used.
［光ビーム条件］
使用する光ビームは以下の条件に設定した。
・光源：日星電気製、５００Ｗシングルモードファイバレーザ
・ビーム径：照射面において５０μｍ
・ビーム出力：２５．５Ｗ
[Light beam condition]
The light beam used was set to the following conditions.
· Light source: 500 W single mode fiber laser manufactured by Sunstar Electric · Beam diameter: 50 μm on the irradiated surface
Beam power: 25.5 W
［光ビーム走査条件］
光ビームは以下の条件で走査した。上述の光ビーム条件とこの走査条件により、粉末材料に与えられるエネルギー密度は５７Ｊ／ｍｍ３となる。
・走査速度：３７０ｍｍ／ｓ
・走査ピッチ：４０μｍ
・走査経路：図２に示す走査経路を、造形する立体形状物の形状に対応する経路に調整した。
[Light beam scanning condition]
The light beam was scanned under the following conditions. Due to the light beam conditions described above and this scanning condition, the energy density imparted to the powder material is 57 J / mm 3 .
・ Scanning speed: 370 mm / s
・ Scanning pitch: 40μm
Scan path: The scan path shown in FIG. 2 was adjusted to a path corresponding to the shape of the three-dimensional object to be shaped.
［不活性ガス］
造形時に三次元造形装置内へ供給する不活性ガスは窒素ガスとした。
[Inert gas]
The inert gas supplied into the three-dimensional modeling apparatus at the time of modeling was nitrogen gas.
［造形］
以上述べたデータ、条件を用いて三次元造形装置を動作させ、実施例１の立体形状物を造形した。
[molding]
The three-dimensional object was operated using the data and conditions described above, and the three-dimensional object of Example 1 was formed.
造形した立体形状物を図５に示す。造形結果を確認するために、垂直方向に形成されたφ０．１の穴に光を入射させて、反対面から目視で光の透過状況を確認したところ、全ての穴で光が透過しており、極細の穴を多数有する立体形状物を造形できた。 The three-dimensional object formed is shown in FIG. In order to confirm the modeling result, light was made incident on the hole of φ 0.1 formed in the vertical direction, and the light transmission state was visually confirmed from the opposite surface, and light was transmitted through all the holes. A three-dimensional object having a large number of extra-fine holes could be formed.
［実施例２］
第２の実施例として、極細の円柱を有する立体形状物を造形した。
Example 2
As a second example, a three-dimensional object having a very thin cylinder was formed.
［使用材料］
使用する粉末材料は平均粒子径が３０μｍと称されたＳＵＳ４２０Ｊ２粉末を使用した。この材料の溶融結合に必要なエネルギー密度は１１０Ｊ／ｍｍ３である。
[Material used]
The powder material used was SUS420J2 powder with an average particle size of 30 μm. The energy density required for the melt bonding of this material is 110 J / mm 3 .
粉末材料の粒子径分布と実際の平均粒子径を、堀場製作所製、ＬＡ−９２０を使用し、先述した方法に従って測定した。測定の際、粉末材料１１の屈折率は専用ソフト上で「Ｆｅ」に設定した。
図６に測定したＳＵＳ４２０Ｊ２粉末の粒子径分布を示す。
実際の平均粒子径は３５μｍ、粒子径分布のピークに対する半値幅の範囲は２６〜５５μｍであった。
また、図４と同様、図６上でも粒子径が１００μｍを越える巨大な粒子も存在することになるが、この現象については図４で発生したことと同じことが言え、図６においてＤ９０は６５．３μｍであったため、粒子径が６５．３μｍを越える粒子の出現頻度は小さく、立体形状物の造形に対する影響は無いものとみなすことができる。
The particle size distribution of the powder material and the actual average particle size were measured according to the method described above using LA-920 manufactured by Horiba, Ltd. At the time of measurement, the refractive index of the powder material 11 was set to "Fe" on dedicated software.
The particle size distribution of the measured SUS420J2 powder is shown in FIG.
The actual average particle size was 35 μm, and the range of the half-width to the peak of the particle size distribution was 26 to 55 μm.
Also, as in FIG. 4, even on FIG. 6 there are huge particles having a particle diameter of more than 100 μm. This phenomenon can be said to be the same as that shown in FIG. Since the particle diameter is 3 μm, the frequency of appearance of particles having a particle diameter exceeding 65.3 μm is small, and it can be considered that there is no influence on the formation of a three-dimensional object.
［三次元図面データ作成］
３Ｄ−ＣＡＭソフトを使用し、造形する立体形状物に対応する三次元図面データを作成。造形する立体形状物は台座上に、φ０．３ｍｍ、高さ２０ｍｍの円柱が、１ｍｍピッチで３０本×３０本配列されたものとする。
[3D drawing data creation]
Using 3D-CAM software, create three-dimensional drawing data corresponding to the three-dimensional object to be modeled. The three-dimensional object to be formed is one in which 30 columns × 30 columns of φ 0.3 mm and height 20 mm are arranged at a pitch of 1 mm on a pedestal.
続いて、作成した三次元図面データをスライスデータに変換した。実施例２では、スライスデータの厚さは３０μｍに設定した。 Subsequently, the created three-dimensional drawing data was converted into slice data. In Example 2, the thickness of slice data was set to 30 μm.
［造形ステージの移動量］
造形ステージの１層毎の下降量は、スライスデータの厚さに等しく、かつ使用するＳＵＳ４２０Ｊ２粉末の粒子径分布のピークに対する半値幅の範囲内である３０μｍに設定した。
[Movement amount of modeling stage]
The descent amount for each layer of the forming stage was set to 30 μm, which was equal to the thickness of the slice data and within the half width of the peak of the particle size distribution of the SUS420J2 powder used.
［光ビーム条件］
使用する光ビームは以下の条件に設定した
・光源：日星電気製、５００Ｗシングルモードファイバレーザ
・ビーム径：照射面において５０μｍ
・ビーム出力：５０Ｗ
[Light beam condition]
The light beam used was set to the following conditions
-Light source: manufactured by Nichise Electric, 500 W single mode fiber laser-Beam diameter: 50 μm on the irradiated surface
・ Beam output: 50 W
［光ビーム走査条件］
光ビームは以下の条件で走査した。上述の光ビーム条件とこの走査条件により、粉末材料に与えられるエネルギー密度は１１０Ｊ／ｍｍ３となる。
・走査速度：３７０ｍｍ／ｓ
・走査ピッチ：４０μｍ
・走査経路：図２に示す走査経路を、造形する立体形状物の形状に対応する経路に調整した。
[Light beam scanning condition]
The light beam was scanned under the following conditions. With the light beam conditions described above and this scanning condition, the energy density imparted to the powder material is 110 J / mm 3 .
・ Scanning speed: 370 mm / s
・ Scanning pitch: 40μm
Scan path: The scan path shown in FIG. 2 was adjusted to a path corresponding to the shape of the three-dimensional object to be shaped.
［不活性ガス］
造形時に三次元造形装置内へ供給する不活性ガスは窒素ガスとした。
[Inert gas]
The inert gas supplied into the three-dimensional modeling apparatus at the time of modeling was nitrogen gas.
［造形］
以上述べたデータ、条件を用いて三次元造形装置を動作させ、実施例２の立体形状物を造形した。
[molding]
The three-dimensional object was operated using the data and conditions described above, and the three-dimensional object of Example 2 was formed.
造形した立体形状物を図７に示す。途中で折れてしまったり、円柱同士が溶融結合してしまったりすることなく、φ０．３ｍｍ、高さ２０ｍｍの円柱が計９００本造形された。 The three-dimensional object formed is shown in FIG. A total of 900 cylinders with a diameter of 0.3 mm and a height of 20 mm were formed without breaking along the way or fusion bonding of the cylinders.
［実施例３］
第３の実施例として、水平方向に穴が形成された立体形状物を造形した。
[Example 3]
As a third example, a three-dimensional object in which a hole is formed in the horizontal direction was formed.
［使用材料］
使用する粉末材料は、実施例２と同じ、平均粒子径３５μｍのＳＵＳ４２０Ｊ２粉末を使用した。この材料の溶融結合に必要なエネルギー密度は１１０Ｊ／ｍｍ３である。
[Material used]
As the powder material used, the same SUS420J2 powder with an average particle diameter of 35 μm as in Example 2 was used. The energy density required for the melt bonding of this material is 110 J / mm 3 .
［三次元図面データ作成］
３Ｄ−ＣＡＭソフトを使用し、造形する立体形状物に対応する三次元図面データを作成する。水平方向に形成される穴の径は、φ６、φ１、φ０．５の３種類とした。
φ１、φ０．５の穴は、従来の三次元造形装置では得るのが困難な極細の穴である。また、φ６の穴は、微細構造とは言えないが、極細の穴と同様、従来の三次元造形装置では得るのが困難な大径の穴であるため、本発明の適用によって造形可能となるか併せて確認したものである。
[3D drawing data creation]
3D-CAM software is used to create three-dimensional drawing data corresponding to a three-dimensional object to be formed. The diameter of the hole formed in the horizontal direction was three kinds of φ6, φ1 and φ0.5.
The φ1 and φ0.5 holes are very thin holes which are difficult to obtain by the conventional three-dimensional shaping apparatus. In addition, although the hole of φ6 can not be said to be a fine structure, it is a large diameter hole which is difficult to obtain with a conventional three-dimensional shaping apparatus like an extra-fine hole, so that it can be shaped by the application of the present invention It was also confirmed.
造形する立体形状物は、長さ８ｍｍ×幅５ｍｍ×高さ７ｍｍの第１部分、長さ１０ｍｍ×幅５ｍｍ×高さ２ｍｍの第２部分が結合した略Ｌ字状の形状とし、幅方向に貫通するφ６の横穴を第１部分に、幅方向に貫通するφ１の横穴とφ０．５の横穴を第２部分に、それぞれ設けたものとした。 The three-dimensional object to be shaped has a substantially L shape in which the first portion of length 8 mm × width 5 mm × height 7 mm and the second portion of length 10 mm × width 5 mm × height 2 mm are combined. The horizontal hole of φ6 penetrating is provided in the first portion, and the horizontal hole of φ1 penetrating in the width direction and the horizontal hole of φ0.5 are provided in the second portion.
続いて、作成した三次元図面データをスライスデータに変換した。実施例３では、スライスデータの厚さは３０μｍに設定した。 Subsequently, the created three-dimensional drawing data was converted into slice data. In Example 3, the thickness of slice data was set to 30 μm.
［造形ステージの移動量］
造形ステージの１層毎の下降量は、スライスデータの厚さに等しく、かつ使用するＳＵＳ４２０Ｊ２粉末の粒子径分布のピークに対する半値幅の範囲内である３０μｍに設定した。
[Movement amount of modeling stage]
The descent amount for each layer of the forming stage was set to 30 μm, which was equal to the thickness of the slice data and within the half width of the peak of the particle size distribution of the SUS420J2 powder used.
［光ビーム条件］
使用する光ビームは以下の条件に設定した
・光源：日星電気製、５００Ｗシングルモードファイバレーザ
・ビーム径：照射面において５０μｍ
・ビーム出力：５０Ｗ
[Light beam condition]
The light beam used was set to the following conditions
· Light source: 500 W single mode fiber laser manufactured by Sunstar Electric · Beam diameter: 50 μm on the irradiated surface
・ Beam output: 50 W
［光ビーム走査条件］
光ビームは以下の条件で走査した。上述の光ビーム条件とこの走査条件により、粉末材料に与えられるエネルギー密度は１１０Ｊ／ｍｍ３となる。
・走査速度：３７０ｍｍ／ｓ
・走査ピッチ：４０μｍ
・走査経路：図２に示す走査経路を、造形する立体形状物の形状に対応する経路に調整した。
[Light beam scanning condition]
The light beam was scanned under the following conditions. With the light beam conditions described above and this scanning condition, the energy density imparted to the powder material is 110 J / mm 3 .
・ Scanning speed: 370 mm / s
・ Scanning pitch: 40μm
Scan path: The scan path shown in FIG. 2 was adjusted to a path corresponding to the shape of the three-dimensional object to be shaped.
［不活性ガス］
造形時に三次元造形装置内へ供給する不活性ガスは窒素ガスとした。
[Inert gas]
The inert gas supplied into the three-dimensional modeling apparatus at the time of modeling was nitrogen gas.
［造形］
以上述べたデータ、条件を用いて三次元造形装置を動作させ、実施例３の立体形状物を造形した。
[molding]
The three-dimensional object was operated using the data and conditions described above to form the three-dimensional object of Example 3.
造形した立体形状物を図５に示す。各穴は造形時には水平方向に形成されるが、図８は撮影のため、穴が垂直方向になるよう立体形状物を配置している。大径の穴が形成されている部分については、穴の形状が崩れることなく立体形状物が造形された。 The three-dimensional object formed is shown in FIG. Although each hole is formed in the horizontal direction at the time of modeling, FIG. 8 arranges the three-dimensional object so that the hole is in the vertical direction for photographing. In the portion where the large diameter hole was formed, a three-dimensional object was formed without the shape of the hole being broken.
図９は、図８において右端に存在する、φ０．５の穴、すなわち極細の穴の拡大写真である。反対面から入射された光が透過しており、極細の穴が埋まることなく立体形状物が造形された。 FIG. 9 is an enlarged photograph of a hole of φ 0.5, ie, a very thin hole, which exists at the right end in FIG. The light incident from the opposite surface was transmitted, and a three-dimensional object was formed without filling the extra fine holes.
［実施例４］
第４の実施例として、４５°を大きく下回る、造形テーブルに対して１５°の斜め方向に造形された部分を有する立体形状物を造形した。
Example 4
As a fourth example, a three-dimensional object having a portion that is shaped in an oblique direction of 15 ° with respect to the shaping table is formed significantly below 45 °.
［使用材料］
使用する粉末材料は、実施例２と同じ、平均粒子径３５μｍのＳＵＳ４２０Ｊ２粉末を使用した。この材料の溶融結合に必要なエネルギー密度は１１０Ｊ／ｍｍ３である。
[Material used]
As the powder material used, the same SUS420J2 powder with an average particle diameter of 35 μm as in Example 2 was used. The energy density required for the melt bonding of this material is 110 J / mm 3 .
［三次元図面データ作成］
３Ｄ−ＣＡＭソフトを使用し、造形する立体形状物に対応する三次元図面データを作成する。造形する立体形状物は台座の中心から、φ０．５ｍｍの棒が放射状に４５本広がったものとした。垂直方向については、造形テーブルに対する角度が０°から９０°まで、５°ピッチで棒が配置され、円周方向へは８°ピッチで棒が配置される構成とした。
[3D drawing data creation]
3D-CAM software is used to create three-dimensional drawing data corresponding to a three-dimensional object to be formed. The three-dimensional object to be formed was formed by radially expanding 45 rods of φ 0.5 mm from the center of the pedestal. In the vertical direction, the rods are arranged at a pitch of 5 ° from 0 ° to 90 ° with respect to the forming table, and the rods are arranged at a pitch of 8 ° in the circumferential direction.
続いて、作成した三次元図面データをスライスデータに変換した。実施例４では、スライスデータの厚さは３０μｍに設定した。 Subsequently, the created three-dimensional drawing data was converted into slice data. In Example 4, the thickness of slice data was set to 30 μm.
［造形ステージの移動量］
造形ステージの１層毎の下降量は、スライスデータの厚さに等しく、かつ使用するＳＵＳ４２０Ｊ２粉末の粒子径分布のピークに対する半値幅の範囲内である３０μｍに設定した。
[Movement amount of modeling stage]
The descent amount for each layer of the forming stage was set to 30 μm, which was equal to the thickness of the slice data and within the half width of the peak of the particle size distribution of the SUS420J2 powder used.
［光ビーム条件］
使用する光ビームは以下の条件に設定した
・光源：日星電気製、５００Ｗシングルモードファイバレーザ
・ビーム径：照射面において５０μｍ
・ビーム出力：５０Ｗ
[Light beam condition]
The light beam used was set to the following conditions
· Light source: 500 W single mode fiber laser manufactured by Sunstar Electric · Beam diameter: 50 μm on the irradiated surface
・ Beam output: 50 W
［光ビーム走査条件］
光ビームは以下の条件で走査した。上述の光ビーム条件とこの走査条件により、粉末材料に与えられるエネルギー密度は１１０Ｊ／ｍｍ３となる。
・走査速度：３７０ｍｍ／ｓ
・走査ピッチ：４０μｍ
・走査経路：図２に示す走査経路を、造形する立体形状物の形状に対応する経路に調整した。
[Light beam scanning condition]
The light beam was scanned under the following conditions. With the light beam conditions described above and this scanning condition, the energy density imparted to the powder material is 110 J / mm 3 .
・ Scanning speed: 370 mm / s
・ Scanning pitch: 40μm
Scan path: The scan path shown in FIG. 2 was adjusted to a path corresponding to the shape of the three-dimensional object to be shaped.
［不活性ガス］
造形時に三次元造形装置内へ供給する不活性ガスは窒素ガスとした。
[Inert gas]
The inert gas supplied into the three-dimensional modeling apparatus at the time of modeling was nitrogen gas.
［造形］
以上述べたデータ、条件を用いて三次元造形装置を動作させ、実施例４の立体形状物を造形した。
[molding]
The three-dimensional object was operated using the data and conditions described above to form the three-dimensional object of Example 4.
造形した立体形状物を図１０に示す。造形テーブルに対する角度が４５°を下回る棒が折れることなく造形されており、造形テーブルに対する角度が１５°の棒も、特段の問題が発生することなく造形できた。 The three-dimensional object formed is shown in FIG. The rod with an angle of less than 45 ° with respect to the forming table was formed without breaking, and the rod with an angle of 15 ° with respect to the forming table could be formed without any particular problem.
以上、本発明によって造形できる典型的な立体形状物を説明したが、造形される対象となる物品はこれらに限定されず、産業上利用される各種の物品の造形に利用できる。 As mentioned above, although the typical three-dimensional shaped object which can be modeled by the present invention was explained, the article used as the object to be modeled is not limited to these, and can be used for modeling of various articles used industrially.
本発明の三次元造形方法は上述の通り、産業上利用される各種の物品の造形に利用できる。一例として、微細な構造から得られる広い表面積を利用したヒートシンク、各種工業製品に使用される微細な部品や治具、キャラクターの人形、精密模型といった鑑賞用オブジェなどの造形に好適に利用できる。 As described above, the three-dimensional shaping method of the present invention can be used for shaping various articles used industrially. As an example, it can be suitably used for the formation of a heat sink utilizing a large surface area obtained from a fine structure, fine parts and jigs used in various industrial products, dolls of characters, and objects for appreciation such as precision models.
１ 三次元造形装置
２ 光ビーム
３ 光源装置
４ 走査ミラー
５ 集光光学系
６ 造形部
７ 造形テーブル
８ 立体形状物（造形物）
９ 材料保持部
１０ 材料保持テーブル
１１ 粉末材料
１２ 材料供給手段
１３ 給気手段
１４ 排気手段
Ｖ−１〜Ｖ−４ 縦方向の走査経路
Ｈ−１〜Ｈ−４ 横方向の走査経路
Ｏ−１〜Ｏ−６ 輪郭部の走査経路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 three-dimensional modeling apparatus 2 light beam 3 light source apparatus 4 scanning mirror 5 condensing optical system 6 modeling part 7 modeling table 8 three-dimensional shaped object (shaped object)
9 Material Holding Unit 10 Material Holding Table 11 Powder Material 12 Material Supply Means 13 Air Supply Means 14 Ejection Means V-1 to V-4 Longitudinal Scanning Path H-1 to H-4 Horizontal Transverse Scanning Path O-1 Scanning path of O-6 contour
Claims (9)
該光ビームの該粉末材料に対する照射面における該光ビームの直径が、該粉末材料の平均粒子径の２倍以下であることを特徴とする、三次元造形方法。 A three-dimensional shaping method using a powder bed fusion bonding method, in which a three-dimensional object is shaped by laminating a layer selectively irradiated with a light beam on a powder material,
The three-dimensional shaping method, wherein the diameter of the light beam at the irradiation surface of the light beam to the powder material is not more than twice the average particle diameter of the powder material.
A three-dimensional shaped object shaped using the three-dimensional shaping method according to any one of claims 1 to 7.
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