JP2019130854A - Powder material for powder bed fusion bonded molding and forming method thereof, and powder bed fusion bonded molding - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、粉末床溶融結合造形物の粉末材料及びその形成方法、並びに粉末床溶融結合造形物に関する。 The present invention relates to a powder material of a powder bed fusion bond model, a method for forming the powder material, and a powder bed melt bond model.
近年、機能試験用試作部品や少量多品種の製品に使用される部品等を造形する造形装置への要望が増えてきている。 In recent years, there has been an increasing demand for modeling apparatuses for modeling prototype parts for functional tests and parts used in a small variety of products.
このような造形装置として、光造形装置や粉末床溶融結合装置などがある。 Examples of such a modeling apparatus include an optical modeling apparatus and a powder bed fusion bonding apparatus.
これらの造形装置のうち、粉末床溶融結合装置では、収納容器内に粉末材料を収納している。その粉末材料をリコータによって収納容器から作製容器に運搬して、作製容器内の造形用テーブルの上に粉末材料の薄層を形成する。次に、その粉末材料の薄層の特定の領域にレーザ光を照射することにより、粉末材料を溶融して結合し、固化して、この領域に固化層を形成する。 Among these modeling apparatuses, the powder bed fusion bonding apparatus stores a powder material in a storage container. The powder material is transported from the storage container to the production container by the recoater, and a thin layer of the powder material is formed on the modeling table in the production container. Next, by irradiating a specific region of the thin layer of the powder material with laser light, the powder material is melted and bonded and solidified to form a solidified layer in this region.
このような粉末材料の薄層の形成、及びレーザ照射による固化層の形成を作製容器内で繰り返し行うことにより、造形用テーブルの上に固化層を積層していき、3次元造形物を作製する。 By repeatedly forming such a thin layer of powder material and forming a solidified layer by laser irradiation in the production container, the solidified layer is laminated on the modeling table to produce a three-dimensional modeled object. .
また、粉末床溶融結合装置では、収納容器及び作製容器の上方にヒータを設けている。そして、このヒータによって粉末材料の薄層を予備加熱し、この薄層の温度を粉末材料の融点よりも少し低い温度まで上げておいてから、レーザ光を照射するようにしている。 Further, in the powder bed fusion bonding apparatus, a heater is provided above the storage container and the production container. The thin layer of the powder material is preheated by the heater, and the temperature of the thin layer is raised to a temperature slightly lower than the melting point of the powder material, and then the laser beam is irradiated.
これにより、粉末材料の薄層のうちのレーザ光の照射を受ける領域とその周辺の領域との温度差が小さくなり、レーザ光を照射した後に固化層に過度な収縮が生じて、固化層に反りが生じるのを抑制することができる。 As a result, the temperature difference between the region receiving the laser beam in the thin layer of the powder material and the surrounding region is reduced, and excessive shrinkage occurs in the solidified layer after the laser beam is irradiated. It is possible to suppress the occurrence of warping.
粉末床溶融結合装置で使用される粉末材料としては、樹脂粉末、金属粉末、セラミック粉末、及びこれらの混合粉末がある。 Examples of the powder material used in the powder bed fusion bonding apparatus include resin powder, metal powder, ceramic powder, and mixed powders thereof.
粉末床溶融結合装置で樹脂の粉末材料を使用した場合に、粉末材料を収納容器から運搬板を介して作製容器に運搬するときに、粉末材料同士が擦れ合うことによって粉末材料に静電気が発生する。 When a resin powder material is used in the powder bed fusion bonding apparatus, when the powder material is transported from the storage container to the production container via the transport plate, static electricity is generated in the powder material due to friction between the powder materials.
粉末材料の個々の粉末は非常に軽いので、静電気による斥力(反発力)によって粉末材料が運搬板上方の装置内の空間に飛散することがある。そして、飛散した粉末材料は、静電気による引力によってリコータやヒータ等の装置内の種々の機器や部品に付着し、粉末材料の塊を形成することがある。 Since the individual powders of the powder material are very light, the powder material may be scattered in the space in the device above the transport plate due to repulsive force (repulsive force) due to static electricity. The scattered powder material may adhere to various devices and parts in the apparatus such as a recoater and a heater by an attractive force due to static electricity, and form a lump of powder material.
その粉末材料の塊が運搬板や作製容器等に落下すると、造形用テーブルの上に形成される薄層の厚さが設計よりも厚くなったり、薄層の表面に凹凸が生じて正確な固化層の形成を阻害したりするなど、造形物の作製に不具合が生じることになる。 When the lump of powdered material falls onto a transport plate or production container, the thickness of the thin layer formed on the modeling table becomes thicker than the design, or the surface of the thin layer is uneven, causing accurate solidification. Problems such as obstructing the formation of the layer will result in the production of the shaped object.
以上より、粉末床溶融結合造形物の粉末材料及びその形成方法において、粉末材料に発生する静電気を抑制して、造形物の作製の不具合を防止することを目的とする。 As mentioned above, in the powder material of a powder bed fusion bond modeling thing and its formation method, it aims at controlling the static electricity which occurs in a powder material and preventing the malfunction of preparation of a modeling thing.
開示の技術の一観点によれば、摩擦によって第1の極性の帯電性を有する造形用の樹脂粉末と、予め前記第1の極性と反対の第2の極性に帯電させた帯電粉末とを有する粉末床溶融結合造形物の粉末材料が提供される。 According to one aspect of the disclosed technology, the resin powder for modeling having the charging property of the first polarity by friction and the charged powder charged in advance to the second polarity opposite to the first polarity. A powder material for a powder bed fusion bonded structure is provided.
開示の技術の他の観点によれば、摩擦によって第1の極性の帯電性を有する造形用の樹脂粉末と、予め前記第1の極性と反対の第2の極性に帯電させた帯電粉末とを攪拌して、粉末材料を形成する工程を有する粉末床溶融結合造形物の粉末材料の形成方法が提供される。 According to another aspect of the disclosed technology, a modeling resin powder having a first polarity charging property by friction and a charged powder charged in advance to a second polarity opposite to the first polarity. Provided is a method for forming a powder material of a powder bed fusion bonded article having a step of forming a powder material by stirring.
開示の技術の一観点によれば、摩擦によって第1の極性の帯電性を有する造形用の樹脂粉末に、予め第1の極性と反対の第2の極性に帯電させた帯電粉末を加えているので、樹脂粉末の表面に帯電粉末が付着して、粉末材料の運搬時の摩擦によって樹脂粉末に発生した静電気を帯電粉末によってある程度打ち消すことができる。この結果、粉末材料に発生する静電気を抑制することができる。 According to one aspect of the disclosed technology, charged powder that has been charged in advance to a second polarity opposite to the first polarity is added to the resin powder for modeling having the chargeability of the first polarity by friction. Therefore, the charged powder adheres to the surface of the resin powder, and the static electricity generated in the resin powder due to friction during transportation of the powder material can be counteracted to some extent by the charged powder. As a result, static electricity generated in the powder material can be suppressed.
このため、静電気によって粉末床溶融結合装置内の空間に粉末材料が飛散して、種々の機器や部品に付着するのを回避することができる。この結果、粉末材料の塊の落下による造形物の作製の不具合を防止することができる。 For this reason, it is possible to avoid the powder material from being scattered in the space in the powder bed fusion bonding apparatus due to static electricity and adhering to various devices and parts. As a result, it is possible to prevent problems in the production of a shaped article due to the dropping of the lump of powder material.
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。 Prior to the description of the present embodiment, items studied by the inventor will be described.
樹脂の粉末材料に発生する静電気を抑制するために、樹脂粉末に帯電防止材としてカーボンブラックの粉末を添加して、粉末材料を形成することが考えられる。カーボンブラックは導電性を有するので、カーボンブラックを介して樹脂粉末に発生した静電気を除去することができる。 In order to suppress static electricity generated in the resin powder material, it is conceivable to form a powder material by adding carbon black powder as an antistatic material to the resin powder. Since carbon black has conductivity, static electricity generated in the resin powder through the carbon black can be removed.
しかし、この粉末材料を使用して作製された造形物は、カーボンブラックによって黒色となってしまう。このため、造形物に対する要望によっては、この粉末材料を使用することができないことがある。 However, the modeled object produced using this powder material becomes black due to carbon black. For this reason, this powder material may not be able to be used depending on the demand for the modeled object.
また、樹脂粉末に、流動性向上材としても使用される親水性のシリカの粉末を添加して、粉末材料を形成することが考えられる。親水性のシリカは空気中の水を吸着して、シリカの表面に水膜が形成されるようになる。この水膜を介して樹脂粉末に発生した静電気を除去することができる。 It is also conceivable to form a powder material by adding hydrophilic silica powder, which is also used as a fluidity improver, to the resin powder. Hydrophilic silica adsorbs water in the air and a water film is formed on the surface of the silica. Static electricity generated in the resin powder can be removed through this water film.
しかし、親水性のシリカの粉末が添加された粉末材料でも静電気が発生して、粉末床溶融結合装置内の空間に粉末材料が飛散することがある。その理由は以下のように考えられる。 However, even a powder material to which hydrophilic silica powder is added may generate static electricity and the powder material may be scattered in the space in the powder bed fusion bonding apparatus. The reason is considered as follows.
造形物の作製に使用する樹脂の種類によっては、予備加熱によって装置内の温度が100℃以上となり、装置内の空気中の水が蒸発してしまうことがある。この場合には、親水性のシリカの表面に水膜が形成されなくなるので、水膜を介して樹脂粉末に発生した静電気を除去することができなくなると考えられる。 Depending on the type of resin used for producing the modeled object, the temperature in the apparatus may be 100 ° C. or higher due to the preheating, and water in the air in the apparatus may evaporate. In this case, since a water film is not formed on the surface of hydrophilic silica, it is considered that static electricity generated in the resin powder cannot be removed via the water film.
このような検討を踏まえて、本実施形態では、以下のようにして粉末材料に発生する静電気を抑制する。 Based on such examination, in the present embodiment, static electricity generated in the powder material is suppressed as follows.
(本実施形態)
本実施形態に係る粉末床溶融結合造形物の粉末材料について、その形成方法と共に説明する。
(This embodiment)
The powder material of the powder bed fusion bonded model according to the present embodiment will be described together with its forming method.
まず、粉末材料の原料として、熱可塑性樹脂の樹脂粉末と帯電粉末とを用意する。 First, as a raw material for the powder material, a resin powder of a thermoplastic resin and a charged powder are prepared.
これらの原料のうち、樹脂粉末は、例えば、平均粒子径が50μm程度の球状のポリプロピレンの粉末である。 Among these raw materials, the resin powder is, for example, a spherical polypropylene powder having an average particle diameter of about 50 μm.
樹脂粉末の形成方法は特に限定されない。例えば、樹脂粉末として懸濁重合法によって形成された樹脂粉末を使用し得る。このように形成された樹脂粉末は、個々の形状が真球状になるので、流動性が良好となる。 The method for forming the resin powder is not particularly limited. For example, a resin powder formed by a suspension polymerization method can be used as the resin powder. Since the resin powder thus formed has a spherical shape, the fluidity is good.
そのポリプロピレンは、帯電列から摩擦によって負に帯電することが知られている。 It is known that the polypropylene is negatively charged by friction from the charge train.
一方、帯電粉末は、例えば、ヘキサメチルジシラザン及びアミノシランを使用して表面に化学的処理を施すことにより、予め正に帯電させたシリカ(SiO2)の粉末である。 On the other hand, the charged powder is, for example, silica (SiO 2 ) powder that has been positively charged in advance by chemically treating the surface with hexamethyldisilazane and aminosilane.
予め正に帯電させたシリカの粉末の種類は特に限定されない。例えば、そのようなシリカの粉末として、日本アエロジル株式会社製のフュームドシリカAEROSIL(登録商標)RA200Hの粉末を使用し得る。 The kind of the silica powder positively charged in advance is not particularly limited. For example, as such silica powder, fumed silica AEROSIL (registered trademark) RA200H powder manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd. may be used.
その帯電粉末は、形成時にシリカの粒子が凝集又は融着することにより、糸状や枝状など種々の形状を有している。このため、帯電粉末の大きさは特に限定されないが、500nm〜3μm程度となっている。 The charged powder has various shapes such as a thread shape and a branch shape by aggregation or fusion of silica particles during formation. For this reason, the size of the charged powder is not particularly limited, but is about 500 nm to 3 μm.
なお、樹脂粉末となるポリプロピレンは疎水性の材料である。一方、帯電粉末となるシリカは親水性の材料である。しかし、そのシリカの表面に前述した化学的処理を施すことにより、帯電粉末の性質は疎水性となっている。但し、帯電粉末の性質は疎水性であることに限定されるわけではなく、その性質が親水性であってもよい。 In addition, the polypropylene used as the resin powder is a hydrophobic material. On the other hand, silica used as a charged powder is a hydrophilic material. However, when the above-described chemical treatment is applied to the surface of the silica, the charged powder has a hydrophobic property. However, the property of the charged powder is not limited to being hydrophobic, and the property may be hydrophilic.
そして、前述した粉末材料の原料としての樹脂粉末及び帯電粉末を、例えば、ダブルコーン型の乾式粉体混合機に投入する。 Then, the resin powder and the charged powder as raw materials for the powder material described above are put into, for example, a double cone type dry powder mixer.
ダブルコーン型の乾式粉体混合機は、2つの円錐台形の容器の底面側を、直接又は円筒の容器を挟んで接合した中空の金属製の混合容器と、混合容器を回転させる回転機構とを備えている。 The double-cone type dry powder mixer has a hollow metal mixing container in which the bottom surfaces of two frustoconical containers are joined directly or sandwiching a cylindrical container, and a rotating mechanism for rotating the mixing container. I have.
粉末材料を形成する乾式粉体混合機の種類は特に限定されない。例えば、混合容器の形状がV字状や円柱状の乾式粉体混合機を使用し得る。また、混合容器内に撹拌器を備え、混合容器ではなく、その撹拌器を回転させることにより、原料を混合する乾式粉体混合機も使用し得る。 The type of dry powder mixer for forming the powder material is not particularly limited. For example, a dry powder mixer in which the shape of the mixing container is V-shaped or cylindrical can be used. Further, a dry powder mixer that includes a stirrer in a mixing container and rotates the stirrer instead of the mixing container to mix the raw materials may be used.
このような乾式粉体混合機の混合容器内に前述した粉末材料の原料を投入する。その際、粉末材料における帯電粉末の割合を0.1重量%〜0.3重量%にする。 The raw material of the powder material described above is put into a mixing container of such a dry powder mixer. At that time, the proportion of the charged powder in the powder material is set to 0.1 wt% to 0.3 wt%.
そして、その混合容器を10回/分程度の回転数で20分間程度回転させることにより、混合容器内で樹脂粉末及び帯電粉末を攪拌して、混合する。 Then, by rotating the mixing container for about 20 minutes at a rotation speed of about 10 times / minute, the resin powder and the charged powder are stirred and mixed in the mixing container.
このようにして粉末材料を形成する。その粉末材料における樹脂粉末及び帯電粉末の状態を、図1に模式的に示す。 In this way, a powder material is formed. The state of the resin powder and the charged powder in the powder material is schematically shown in FIG.
粉末材料を形成するときに樹脂粉末同士が擦れ合い、ポリプロピレンの樹脂粉末は負に帯電する。 When the powder material is formed, the resin powders rub against each other, and the polypropylene resin powder is negatively charged.
前述したように、ポリプロピレンは疎水性の材料なので、樹脂粉末の表面には水膜が形成され難く、樹脂粉末に静電気が発生し易い。 As described above, since polypropylene is a hydrophobic material, it is difficult to form a water film on the surface of the resin powder, and static electricity is likely to be generated in the resin powder.
更に、樹脂粉末は、樹脂粉末の形成時の状況によって平均粒子径が変動することがある。一般に、樹脂粉末の粒子径が小さくなると、樹脂粉末の比表面積が大きくなる。このため、樹脂粉末が規定値(例えば、50μm)よりも小さく形成された場合には、樹脂粉末の全体では樹脂粉末同士の接触面積が大きくなり、樹脂粉末に静電気が発生し易くなる。 Furthermore, the average particle diameter of the resin powder may vary depending on the situation when the resin powder is formed. In general, as the particle size of the resin powder decreases, the specific surface area of the resin powder increases. For this reason, when the resin powder is formed smaller than a specified value (for example, 50 μm), the entire resin powder has a large contact area between the resin powders, and static electricity is easily generated in the resin powder.
図1に示すように、本実施形態に係る粉末材料1では、摩擦によって負に帯電する樹脂粉末2に、予め正に帯電させた帯電粉末3を加えているので、樹脂粉末2の表面2aに帯電粉末3が付着して、粉末材料1の形成時の摩擦によって樹脂粉末2に発生した静電気を帯電粉末3によってある程度打ち消すことができる。この結果、粉末材料1に発生する静電気を抑制することができる。
As shown in FIG. 1, in the
このため、粉末材料1を乾式粉体混合機の混合容器から他の容器(例えば、後述する粉末床溶融結合装置の収納容器)に移し替える際に、静電気によって粉末材料1の製造室内に粉末材料1が飛散するのを抑制することができる。更に、静電気によって粉末材料1が混合容器の内側面や取出口に付着するのを抑制することもできる。しかも、これらの効果は、その製造室内の湿度が低い場合でも発揮される。
For this reason, when the
また、粉末材料1では、帯電粉末3の大きさが樹脂粉末2のそれよりも小さいので、樹脂粉末2間に帯電粉末3が介在することによって樹脂粉末2同士の摩擦が低減される。この結果、粉末材料1の流動性を向上させることができる。つまり、帯電粉末3は、静電気抑制材として機能するだけでなく、流動性向上材としても機能する。
Moreover, in the
このため、粉末材料1を混合容器から他の容器に円滑に移し替えることができる。更に、混合容器の内側面や取出口に粉末材料1が付着するのをより一層抑制することもできる。
For this reason, the
本実施形態では、このような粉末材料1を使用して造形物を作製する。
In this embodiment, such a
その造形物の作製方法を説明する前に、造形物を作製する粉末床溶融結合装置の構成について説明する。 Before explaining the method for producing the modeled object, the configuration of the powder bed fusion bonding apparatus for producing the modeled object will be described.
図2は、粉末床溶融結合装置の構成の一例を説明する図である。また、図3(a)は、粉末床溶融結合装置の筐体以外の構成を示す上面図であり、図3(b)は、図3(a)のI−I線における断面図である。 FIG. 2 is a diagram for explaining an example of the configuration of the powder bed fusion bonding apparatus. Moreover, Fig.3 (a) is a top view which shows structures other than the housing | casing of a powder bed fusion | bonding apparatus, FIG.3 (b) is sectional drawing in the II line | wire of Fig.3 (a).
図2に示すように、粉末床溶融結合装置4は、その筐体5内に、粉末材料1を収納する2つの収納容器6,7と、収納容器6,7の粉末材料1を使用して造形物が作製される作製容器8とが収容される。
As shown in FIG. 2, the powder bed fusion bonding apparatus 4 uses two
図3に示すように、これらの容器6〜7のうち、収納容器6,7は、鋼板を曲げ及び溶接等の加工を行うことによって形成され、上から見たときに矩形状に開口した筒状の容器である。
As shown in FIG. 3, among these
収納容器6,7内には、それぞれ供給用テーブル9,10が配置されている。その供給用テーブル9,10の上に粉末材料1が供給される。また、供給用テーブル9,10の下面には、図示しないドライバに接続された支持棒11,12が取り付けられている。このドライバを駆動することにより、支持棒11,12を介して供給用テーブル9,10が収納容器6,7内を昇降する。
In the
一方、作製容器8は、鋼板を曲げ及び溶接等の加工を行うことによって形成され、上かた見たときに正方形状に開口した筒状の容器である。
On the other hand, the
作製容器8内には、造形用テーブル13が配置されている。その造形用テーブル13の上に粉末材料1が供給される。また、造形用テーブル13の下面には、図示しないドライバに接続された支持棒14が取り付けられている。このドライバを駆動することにより、支持棒14を介して造形用テーブル13が作製容器8内を昇降する。
A modeling table 13 is arranged in the
収納容器6,7及び作製容器8の上には、運搬板15が設置されている。その運搬板15の上にはリコータ16が設けられている。
On the
運搬板15は、上面15a及び下面15bが平坦な鋼板であり、3つの貫通孔15c〜15eが設けられている。
The
これらの貫通孔15c〜15eのうち、図3では左側の貫通孔15c及び右側の貫通孔15eは、収納容器6,7の上側の開口と同じ形状及び大きさとなっている。また、中央の貫通孔15dは、作製容器8の上側の開口と同じ形状及び大きさとなっている。
Among these through
そして、貫通孔15cの下に収納容器6が配置され、貫通孔15dの下に作製容器8が配置され、貫通孔15eの下に収納容器7が配置されて、貫通孔15c、貫通孔15d、及び貫通孔15eが、それぞれ収納容器6の上側の開口、作製容器8の上側の開口、及び収納容器7の上側の開口に連通する。
And the
また、リコータ16は、運搬板15の上面15aに対して垂直な方向に立てられた細長い金属板であり、図示しないドライバに接続されている。このドライバを駆動することにより、リコータ16が運搬板15の上面15a上を左方向又は右方向に移動する。
Further, the
供給用テーブル9,10及び造形用テーブル13を昇降させると共に、リコータ16を左右に移動させることにより、収納容器6又は収納容器7の粉末材料1は運搬板15の上面15a及び貫通孔15c〜15eを介して作製容器8に運搬される。
By moving up and down the supply tables 9 and 10 and the modeling table 13 and moving the
運搬板15の上方の筐体5内の空間には、上部加熱部17〜19及び反射板20,21が設けられている。
上部加熱部17〜19のうち、上部加熱部17は、収納容器6の上方に配置され、2本の棒状のヒータ22,23を備えている。更に、上部加熱部18は、収納容器7の上方に配置され、2本の棒状のヒータ24,25を備えている。
Of the
これらのヒータ22〜25は、赤外線ヒータ又は抵抗加熱型ヒータであり、上から見たときに収納容器6,7の長手側の側部の内側においてこれらの側部の各々と平行に配置されている。これにより、収納容器6,7の粉末材料1は上から加熱される。
These
一方、上部加熱部19は、作製容器8の上方に配置され、4本の棒状のヒータ26〜29を備えている。
On the other hand, the
これらのヒータ26〜29は、赤外線ヒータ又は抵抗加熱型ヒータであり、上から見たときに作製容器8の全ての側部の内側においてこれらの側部の各々と平行に設置されている。これにより、作製容器8の粉末材料1は上から加熱される。
These
また、反射板20,21は、図示しない筐体5内の支柱に取り付けられ、運搬板15の上面15aに対して垂直な方向に立てられた金属板であり、収納容器6と作製容器8との間、及び作製容器8と収納容器7との間に配置されている。
The
また、図3では左側の反射板20は、作製容器8側の表面が鏡面仕上げされ、右側の反射板21は、作製容器8側の表面が鏡面仕上げされている。
In FIG. 3, the
これにより、反射板20,21はヒータ26〜29の熱(赤外線)を反射して、作製容器8の粉末材料1を加熱することができる。このため、上部加熱部19は、少ない消費電力で作製容器8の粉末材料1を所定の温度まで昇温させ、その温度を維持することができる。
Thereby, the reflecting
また、反射板20,21は、前述の筐体5内の支柱に固定された上部20a,21aと、蝶番20b,21bを介して上部20a,21aに接続され、左右にスイング可能となっている下部20c,21cからなる。これにより、リコータ16は下部20c,21cを介して反射板20,21を通過可能となっている。
The reflecting
なお、図示していないものの、粉末床溶融結合装置4には、上部加熱部17〜19とは別の加熱部も設けられている。 In addition, although not shown in figure, the powder bed fusion | bonding apparatus 4 is provided with the heating part different from the upper heating parts 17-19.
例えば、作製容器8の側部には、横から作製容器8の粉末材料1を加熱する側部加熱部が設けられている。更に、造形用テーブル13と支持棒14との間には、下から作製容器8の粉末材料1を加熱する下部加熱部が設けられている。また、運搬板15の下面15bには、運搬板15に接する粉末材料1を加熱する運搬板加熱部が設けられている。これらの加熱部は、いずれも板状の抵抗加熱型ヒータを備えている。
For example, a side heating unit that heats the
以上の収納容器6,7、作製容器8、運搬板15、リコータ16、上部加熱部17〜19、及び反射板20,21等が筐体5内に配置されている。
The
一方、筐体5の上部には、2つのガラスの窓5a,5bが嵌め込まれている。これらの窓5a,5bのうち、一方の窓5aの上方には温度検出部30が設けられている。
On the other hand, two
温度検出部30は、赤外線によって温度を検出する機器であり、上から見たときに作製容器8の側部の内側に配置されている。これにより、温度検出部30は、作製容器8の開口と連通する運搬板15の貫通孔15d内の粉末材料1の表面温度を検出することが可能となっている。
The
また、他方の窓5bの上方にはレーザ光出射部31が設けられている。
Further, a laser
レーザ光出射部31は、図示しないものの、レーザ光を出射する光源と、レーザ光の出射角度を変えてレーザ光を走査するミラーと、レーザ光の焦点距離を変えて粉末材料1の表面に合わせるレンズと、ミラー及びレンズを駆動するドライバなどを備えている。そのレーザ光出射部31は、上から見たときに作製容器8の側部の内側に配置されている。
Although not shown, the laser
これにより、レーザ光出射部31は、運搬板15の貫通孔15d内の粉末材料1の表面にレーザ光を出射し、走査することが可能となっている。
Thereby, the laser
粉末床溶融結合装置4は以上のように構成されている。その粉末床溶融結合装置4において行う造形物の作製方法を説明する。 The powder bed fusion bonding apparatus 4 is configured as described above. A method for producing a shaped article performed in the powder bed fusion bonding apparatus 4 will be described.
粉末床溶融結合装置4では、作製容器8で作製される造形物が造形用テーブル13の上面に固着しないようにするために、造形物の作製を開始する前に、造形用テーブル13の上に粉末材料のバッファ層を形成しておく。
In the powder bed fusion bonding apparatus 4, in order to prevent the shaped object produced in the
まず、バッファ層の形成方法について説明する。図4〜図7は、バッファ層の形成途中の断面図である。 First, a method for forming the buffer layer will be described. 4 to 7 are cross-sectional views during the formation of the buffer layer.
例えば、バッファ層の形成を開始する前の粉末床溶融結合装置4は、図3(b)に示した状態となっている。 For example, the powder bed fusion bonding apparatus 4 before starting the formation of the buffer layer is in the state shown in FIG.
すなわち、前述の乾式粉体混合機から粉末材料1が収納容器6,7の各々に供給された後、供給用テーブル9,10を上昇させることによって、収納容器6,7の粉末材料1の上面が運搬板15の上面15aと同じ高さになっている。
That is, after the
また、作製容器8の造形用テーブル13を上昇させることによって、造形用テーブル13の上面が運搬板15の上面15aと同じ高さになっている。更にまた、リコータ16は、運搬板15の上面15aのうちの収納容器6の左側に配置されている。
Further, by raising the modeling table 13 of the
粉末床溶融結合装置4がこのような状態となっているときに、まず、図4(a)に示すように、左側の収納容器6の供給用テーブル9を上昇させることにより、収納容器6の粉末材料1を貫通孔15cを介して運搬板15の上面15aよりも上に突出させる。
When the powder bed fusion bonding apparatus 4 is in such a state, first, as shown in FIG. 4 (a), the supply table 9 of the
更に、作製容器8の造形用テーブル13を粉末材料1の薄層の一層分の厚さ、例えば0.1mmだけ下降させると共に、右側の収納容器7の供給用テーブル10を下降させる。
Further, the modeling table 13 of the
続いて、図4(b)に示すように、リコータ16を運搬板15の上面15a上を右方向に移動させることにより、リコータ16は上面15aから突出した収納容器6の粉末材料1を掻き取り、上面15a及び貫通孔15dを介して作製容器8に運搬する。
Subsequently, as shown in FIG. 4B, the
このようにして、収納容器6の粉末材料1を作製容器8に供給して、造形用テーブル13の上に第1層目の粉末材料1の薄層32を形成する。
In this way, the
更に、図5(a)に示すように、リコータ16を右方向に移動させることにより、リコータ16は、薄層32の形成に使用されずに残った粉末材料1を上面15a及び貫通孔15eを介して収納容器7に運搬する。
Further, as shown in FIG. 5A, by moving the
このようにして、残った粉末材料1を収納容器7に収納する。
In this way, the remaining
そして、リコータ16を収納容器7の右側の位置で停止させる。
Then, the
次に、図5(b)に示すように、収納容器7の供給用テーブル10を上昇させることにより、収納容器7の粉末材料1を貫通孔15eを介して運搬板15の上面15aよりも上に突出させる。
Next, as shown in FIG. 5B, by raising the supply table 10 of the
更に、作製容器8の造形用テーブル13を粉末材料1の薄層の一層分の厚さだけ下降させると共に、収納容器6の供給用テーブル9を下降させる。
Furthermore, the modeling table 13 of the
続いて、図6(a)に示すように、リコータ16を運搬板15の上面15a上を左方向に移動させることにより、リコータ16が上面15aから突出した収納容器7の粉末材料1を掻き取り、上面15a及び貫通孔15dを介して作製容器8に運搬する。
Subsequently, as shown in FIG. 6A, the
このようにして、収納容器7の粉末材料1を作製容器8に供給して、造形用テーブル13の上に第2層目の粉末材料1の薄層33を形成する。
In this way, the
更に、図6(b)に示すように、リコータ16を左方向に移動させることにより、リコータ16は、薄層33の形成に使用されずに残った粉末材料1を上面15a及び貫通孔15cを介して収納容器6に運搬する。
Furthermore, as shown in FIG. 6B, the
このようにして、残った粉末材料1を収納容器6に収納する。
In this way, the remaining
そして、リコータ16を収納容器6の左側で停止させる。
Then, the
その後、作製容器8において、第1層目の薄層32の形成と同じようにして、第2層目の薄層33の上に第3層目の粉末材料1の薄層34を形成し、更に第2層目の薄層33の形成と同じようにして、第3層目の薄層34の上に第4層目の粉末材料1の薄層35を形成する。
Thereafter, in the
このような粉末材料1の薄層の形成を繰り返すことにより、図7に示すように、作製容器8の造形用テーブル13の上に粉末材料1の薄層を複数積層して、所定の厚さ(例えば、10mmの厚さ)のバッファ層36を形成する。
By repeating the formation of such a thin layer of the
なお、図7では、便宜上、4層の粉末材料1の薄層32〜35をバッファ層36として示しているが、実際の粉末材料1の薄層の層数はバッファ層36の厚さに応じた層数となる。
In FIG. 7, for convenience, four
また、粉末床溶融結合装置4では、バッファ層36の形成開始と同時に、上部加熱部17〜19のヒータ22〜29を含む全てのヒータをオンにする。
Further, in the powder bed fusion bonding apparatus 4, all the heaters including the
そして、上部加熱部17〜19については、温度検出部30で検出した運搬板15の貫通孔15d内の粉末材料1の表面温度のデータに基づいてヒータ22〜29の発熱量を調整する。また、上部加熱部17〜19以外の加熱部のヒータについても発熱量を調整する。
And about the upper heating parts 17-19, based on the data of the surface temperature of the
これらにより、運搬板15の貫通孔15d内の粉末材料1の表面温度は、作製容器8において造形物の作製を開始するのに適した温度、例えば、粉末材料1の融点よりも10℃〜15℃程度低い温度まで上げられ、更にこの適温が維持される。
As a result, the surface temperature of the
例えば、粉末材料1の樹脂粉末2としてポリプロピレンの粉末を使用する場合には、ポリプロピレンの融点が約130℃であるので、前述した適温として約115℃〜120℃まで上げられ、この温度が維持される。
For example, when polypropylene powder is used as the
このようにして、バッファ層36に対する予備加熱を行う。
In this way, the
本実施形態では、予備加熱を行うために、バッファ層36の形成開始と同時に粉末床溶融結合装置4の全てのヒータをオンにしているが、バッファ層36の形成開始よりも前に粉末床溶融結合装置4の全てのヒータをオンにしてもよい。例えば、粉末床溶融結合装置4の筐体5内に、粉末材料1を収納した収納容器6,7、及び作製容器8が収容されたときに、粉末床溶融結合装置4の全てのヒータをオンにしてもよい。
In this embodiment, in order to perform preheating, all the heaters of the powder bed melting and bonding apparatus 4 are turned on simultaneously with the start of the formation of the
バッファ層36の形成、及びバッファ層36に対する予備加熱を行った後に、造形物の作製を開始する。
After the formation of the
その造形物の作製方法について説明する。図8〜図12は、造形物の作製途中の断面図である。 A method for producing the shaped object will be described. 8-12 is sectional drawing in the middle of preparation of a molded article.
粉末床溶融結合装置4において、前述した予備加熱は、バッファ層36を形成する間だけでなく、バッファ層36の上に造形物を作製する間も行われる。これにより、作製容器8の粉末材料1の表面温度が適温に維持される。
In the powder bed fusion bonding apparatus 4, the above-described preheating is performed not only during the formation of the
粉末床溶融結合装置4がこのような状態となっているときに、まず、図8(a)に示すように、左側の収納容器6の供給用テーブル9を上昇させることにより、収納容器6の粉末材料1を貫通孔15cを介して運搬板15の上面15aよりも上に突出させる。
When the powder bed fusion bonding apparatus 4 is in such a state, first, as shown in FIG. 8A, the supply table 9 of the
更に、作製容器8の造形用テーブル13を粉末材料1の薄層の一層分の厚さだけ下降させると共に、右側の収納容器7の供給用テーブル10を下降させる。
Further, the modeling table 13 of the
続いて、図8(b)に示すように、リコータ16を運搬板15の上面15a上を右方向に移動させることにより、リコータ16は上面15aから突出した収納容器6の粉末材料1を掻き取り、上面15a及び貫通孔15dを介して作製容器8に運搬する。
Subsequently, as shown in FIG. 8B, the
このようにして、収納容器6の粉末材料1を作製容器8に供給して、バッファ層36の上に造形物作製用としては第1層目の粉末材料1の薄層37を形成する。
In this way, the
更に、図9(a)に示すように、リコータ16を右方向に移動させることにより、リコータ16は、薄層37の形成に使用されずに残った粉末材料1を上面15a及び貫通孔15eを介して収納容器7に運搬する。
Further, as shown in FIG. 9A, by moving the
このようにして、残った粉末材料1を収納容器7に収納する。
In this way, the remaining
そして、リコータ16を収納容器7の右側で停止させる。
Then, the
次に、図9(b)に示すように、作製する3次元造形物のスライスデータ(描画パターン)に基づいて、レーザ光出射部31のミラー及びレンズの動きを制御すると共に、光源の出力を制御して、第1層目の粉末材料1の薄層37にレーザ光を出射させ、走査させることにより、第1層目の薄層37のうちの特定の領域の粉末材料1を溶融して結合し、固化する。
Next, as shown in FIG. 9B, based on the slice data (drawing pattern) of the three-dimensional structure to be manufactured, the movement of the mirror and lens of the laser
このようにして、第1層目の薄層37の特定の領域に第1層目の固化層37aを形成する。
In this way, the first solidified
そして、レーザ光の出射及び走査を停止させる。 Then, emission and scanning of the laser beam are stopped.
次に、図10(a)に示すように、収納容器7の供給用テーブル10を上昇させることにより、収納容器7の粉末材料1を貫通孔15eを介して運搬板15の上面15aよりも上に突出させる。
Next, as shown in FIG. 10A, by raising the supply table 10 of the
更に、作製容器8の造形用テーブル13を粉末材料1の薄層の一層分の厚さだけ下降させると共に、収納容器6の供給用テーブル9を下降させる。
Furthermore, the modeling table 13 of the
続いて、図10(b)に示すように、リコータ16を運搬板15の上面15a上を左方向に移動させることにより、リコータ16は上面15aから突出した収納容器7の粉末材料1を掻き取り、上面15a及び貫通孔15dを介して作製容器8に運搬する。
Subsequently, as shown in FIG. 10 (b), the
このようにして、収納容器7の粉末材料1を作製容器8に供給して、第1層目の固化層37aが形成された粉末材料1の薄層37の上に、第2層目の粉末材料1の薄層38を形成する。
In this way, the
更に、図11(a)に示すように、リコータ16を左方向に移動させることにより、リコータ16は、薄層38の形成に使用されずに残った粉末材料1を上面15a及び貫通孔15cを介して収納容器6に運搬する。
Further, as shown in FIG. 11A, the
このようにして、残った粉末材料1を収納容器6に収納する。
In this way, the remaining
そして、リコータ16を収納容器6の左側で停止させる。
Then, the
次に、図11(b)に示すように、レーザ光出射部31を制御して、第2層目の粉末材料1の薄層38にレーザ光を出射させ、走査させることにより、第2層目の薄層38のうちの特定の領域の粉末材料1を溶融して結合し、固化する。
Next, as shown in FIG. 11B, the laser
このようにして、第2層目の薄層38の特定の領域に第2層目の固化層38aを形成する。
In this way, the second solidified
そして、レーザ光の出射及び走査を停止させる。 Then, emission and scanning of the laser beam are stopped.
その後、作製容器8において、第1層目の薄層37及び固化層37aの形成と同じようにして、第2層目の薄層38及び固化層38aの上に第3層目の粉末材料1の薄層39及び固化層39aを形成し、更に第2層目の薄層38及び固化層38aの形成と同じようにして、第3層目の薄層39及び固化層39aの上に第4層目の粉末材料1の薄層40及び固化層40aを形成する。
Thereafter, in the
このような造形物作製用の粉末材料1の薄層の形成、及びこの薄層での固化層の形成を繰り返すことにより、図12に示すように、作製容器8において、バッファ層36の上に固化層37a〜40aを複数積層して、3次元造形物41を作製する。
By repeating the formation of such a thin layer of the
造形物41の作製が終了すると、粉末床溶融結合装置4の全てのヒータをオフにする。
When the production of the molded
その後、筐体5内から収納容器6,7及び作製容器8を取り出す。そして、図示しないリフトによって作製容器8の造形用テーブル13を上昇させることにより、粉末材料1に埋もれている造形物41を取り出す。
Thereafter, the
このようにして、粉末床溶融結合装置4において粉末材料1を使用して造形物41を作製する。
In this way, the shaped
粉末材料1では、バッファ層36を形成するとき、及び造形物41を作製するときの収納容器6,7から作製容器8への粉末材料1の運搬、及び一方の収納容器6,7から他方の収納容器7,6への粉末材料1の運搬によって樹脂粉末2同士が擦れ合い、ポリプロピレンの樹脂粉末2は負に帯電する。
In the
前述したように、本実施形態に係る粉末材料1では、摩擦によって負に帯電する樹脂粉末2に、予め正に帯電させた帯電粉末3を加えているので、バッファ層36の形成時、及び造形物41の作製時の摩擦によって樹脂粉末2に発生した静電気を帯電粉末3によってある程度打ち消すことができる。この結果、粉末材料1に発生する静電気を抑制することができる。
As described above, in the
このため、粉末材料1を運搬する際に、静電気によって粉末床溶融結合装置4の筐体5内で粉末材料1が飛散して、リコータ16、反射板20,21、及びヒータ22〜29等の筐体5内の機器や部品に粉末材料1が付着するのを回避することができる。この結果、粉末材料1の塊の落下による造形物41の作製の不具合を回避することができる。
Therefore, when the
更に、作製容器8の粉末材料1から造形物41を取り出した後には、残った作製容器8の粉末材料1及び収納容器6,7の粉末材料1を他の容器に移し替えることになるが、その際にも静電気によって室内に粉末材料1が飛散するのを抑制することができる。更にまた、静電気によって粉末材料1が収納容器6,7及び作製容器8の内側面に付着するのを抑制することもできる。しかも、これらの効果はその室内の湿度が低い場合でも発揮される。
Furthermore, after taking out the
また、粉末材料1では、帯電粉末3の大きさが樹脂粉末2のそれよりも小さいので、樹脂粉末2間に帯電粉末3が介在することによって樹脂粉末2同士の摩擦が低減される。この結果、粉末材料1の流動性を向上させることができる。
Moreover, in the
このため、粉末材料1を収納容器6,7から作製容器8に円滑に運搬することができると共に、一方の収納容器6,7から他方の収納容器7,6に円滑に運搬することができる。更に、作製容器8の造形用テーブル13の上に粉末材料1の薄層32〜35,37〜40を均等な厚さに形成することができる。この結果、造形物41を良好な品質で作製することができる。
Therefore, the
更にまた、粉末材料1では、帯電粉末3が流動性向上材としても機能するので、樹脂粉末2に余分な添加材を加えなくても済む。
Furthermore, in the
言い換えると、例えば、樹脂粉末2に、流動性向上材としてのシリカの粉末を加えた上で、更に樹脂粉末2の摩擦帯電電荷量を制御するための染料系や金属塩系の帯電制御剤を加える必要はない。このため、意図しない造形物41の着色や造形物41の物性の変化を回避することができる。
In other words, for example, after adding silica powder as a fluidity improver to the
なお、シリカの融点は1600℃〜1700℃程度であり、ポリプロピレンのそれよりも高い。このため、粉末材料1の薄層37〜40の各々にレーザ光を照射したときに、粉末材料1のうちの樹脂粉末2は溶融しても、帯電粉末3は溶融しない。この結果、帯電粉末3は正に帯電した状態を維持したまま固化層37a〜40aの各々に取り込まれることになる。
The melting point of silica is about 1600 ° C. to 1700 ° C., which is higher than that of polypropylene. For this reason, when each of the
しかし、帯電粉末3が取り込まれていても造形物41の物性が変化することはない。その上、帯電粉末3により、樹脂粉末2を主成分とする造形物41の帯電を抑制することができる。
However, even if the charged
上述した実施形態では、粉末材料1の原料のうち、樹脂粉末2として摩擦によって負に帯電するポリプロピレンの粉末と、帯電粉末3として予め正に帯電させたシリカの粉末とを使用した場合について説明したが、樹脂粉末2及び帯電粉末3の組み合わせはこれに限定されない。
In the above-described embodiment, the case where, among the raw materials of the
例えば、摩擦によって負に帯電する熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン以外にポリスチレン、ポリエステル、アクリル、ポリエチレン、及びポリ塩化ビニル等がある。樹脂粉末2としてこれらの熱可塑性樹脂の樹脂粉末を使用し得る。このような樹脂粉末2を使用する場合には、帯電粉末3として予め正に帯電させたシリカの粉末を使用する。
For example, thermoplastic resins that are negatively charged by friction include polystyrene, polyester, acrylic, polyethylene, and polyvinyl chloride in addition to polypropylene. As the
一方、摩擦によって正に帯電する熱可塑性樹脂としては、ナイロン6、ナイロン11、及びナイロン12(ナイロンは登録商標)等のポリアミドがある。樹脂粉末2としてこれらの熱可塑性樹脂の樹脂粉末を使用し得る。このような樹脂粉末2を使用する場合には、帯電粉末3として予め負に帯電させたシリカの粉末を使用する。
On the other hand, examples of the thermoplastic resin that is positively charged by friction include polyamides such as
更に、帯電粉末3としては、上述したシリカの粉末以外に、表面に化学的処理を施すことにより、予め正又は負に帯電させたアルミナ(Al2O3)及びチタニア(TiO2)等の金属酸化物の粉末を使用し得る。このような帯電粉末3も、静電気抑制材として機能するだけでなく、流動性向上材としても機能する。
Further, as the charged
また、粉末材料1の原料は樹脂粉末2及び帯電粉末3のみに限定されない。例えば、作製する造形物41の仕様に応じて、樹脂粉末2及び帯電粉末3に、機械的強度を向上させるためのカーボンファイバ及びガラスビーズや、着色のための顔料及び染料等の添加材や添加剤を加えてもよい。
The raw material of the
1…粉末材料、2…樹脂粉末、2a…樹脂粉末の表面、3…帯電粉末、4…粉末床溶融結合装置、5…筐体、6,7…収納容器、8…作製容器、9,10…供給用テーブル、13…造形用テーブル、15…運搬板、15a…運搬板の上面、15c〜15e…運搬板の貫通孔、16…リコータ、17〜19…上部加熱部、20,21…反射板、22〜29…ヒータ、30…温度検出部、31…レーザ光出射部、32〜35,37〜40…粉末材料の薄層、36…粉末材料のバッファ層、37a〜40a…固化層、41…造形物。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
予め前記第1の極性と反対の第2の極性に帯電させた帯電粉末と
を有することを特徴とする粉末床溶融結合造形物の粉末材料。 A resin powder for modeling having a charge property of the first polarity by friction;
A powder material of a powder bed melt-bonded shaped product, comprising: a charged powder charged in advance with a second polarity opposite to the first polarity.
を有することを特徴とする粉末床溶融結合造形物の粉末材料の形成方法。 The step of forming a powder material by stirring the resin powder for modeling having the charging property of the first polarity by friction and the charged powder charged in advance to the second polarity opposite to the first polarity. A method for forming a powder material of a powder bed fusion bonded shaped product, comprising:
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JP7491761B2 (en) | 2020-07-20 | 2024-05-28 | ローランドディー.ジー.株式会社 | Three-dimensional modeling apparatus and charge collecting apparatus for the same |
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