JP2019147985A - 金属積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】造形精度を向上させつつ、造形速度の低下を抑制することが可能な金属積層造形方法を提供すること。【解決手段】本発明にかかる金属積層造形方法は、ベース金属体１１を下降させる工程と、ベース金属体１１上に金属粉体層ＳＬを形成する工程と、形成した金属粉体層ＳＬを焼結して金属層Ｍを形成する工程と、を繰り返し、金属層Ｍを順次積層していくことによって、立体構造の金属体Ｐを造形する金属積層造形方法であって、２層目から所定のＮ（Ｎは２より大きい整数）層目までの間のみにおいて、ベース金属体１１を下降させる際、前回形成した金属粉体層ＳＬと金属層Ｍとの段差を測定し、ベース金属体１１の降下量を決定する。【選択図】図３

Description

本発明は、金属積層造形方法に関する。

ベース金属体を下降させる工程と、ベース金属体上に金属粉体層を形成する工程と、形成した金属粉体層を焼結して金属層を形成する工程と、を繰り返し、形成した金属層を順次積層していくことによって、立体構造の金属体を造形する金属積層造形方法が知られている。
他方、特許文献１には、金属粉体層に架橋剤を吐出して金属粉体を結合させることを繰り返すことによって三次元構造物を造形する技術が開示されている。特許文献１では、全ての層において供給する粉体量を測定し、粉体量が不足している場合は再度粉体を供給する。そのため、造形精度を高めることができる。

特開２０１６−１３７５９８号公報

発明者らは、金属粉体層を繰り返し焼結させた金属層を順次積層していく金属積層造形方法に関し、以下の問題点を見出した。
一般に、このような金属積層造形方法では、造形開始段階において、形成された各金属層の厚さが一定にならず、充分な造形精度が得られないという問題があった。
金属層の厚さを一定にして造形精度を向上させるために、各金属粉体層の厚さを一定にすることが考えられる。ここで、形成した金属粉体層と金属層との段差を測定し、この測定値に基づいてベース金属体の降下量を決定すれば、各金属粉体層の厚さを一定にすることができる。しかしながら、全層についてそのような測定を行うと、造形速度が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、造形精度を向上させつつ、造形速度の低下を抑制することが可能な金属積層造形方法を提供するものである。

本発明にかかる金属積層造形方法は、ベース金属体を下降させる工程と、前記ベース金属体上に金属粉体層を形成する工程と、形成した前記金属粉体層を焼結して金属層を形成する工程と、を繰り返し、前記金属層を順次積層していくことによって、立体構造の金属体を造形する金属積層造形方法であって、２層目から所定のＮ（Ｎは２より大きい整数）層目までの間のみにおいて、前記ベース金属体を下降させる際、前回形成した前記金属粉体層と前記金属層との段差を測定し、前記ベース金属体の降下量を決定する。

本発明にかかる金属積層造形方法では、２層目から所定のＮ層目までの間のみにおいて、前記ベース金属体を下降させる際、前回形成した前記金属粉体層と前記金属層との段差を測定し、前記ベース金属体の降下量を決定する。よって、造形精度を向上させつつ、造形速度の低下を抑制することが可能な金属積層造形方法を提供することができる。

本発明により、立体構造の金属体の造形精度を向上させつつ、造形速度の低下を抑制することができる。

実施の形態にかかる金属積層造形方法に用いる金属積層造形装置の概略正面図である。 実施の形態にかかる金属積層造形方法に用いる金属積層造形装置の機能ブロック図である。 実施の形態にかかる金属積層造形方法の一連の流れを示すフローチャートである。 図１のＩＶで示す領域の拡大図である。 実施例及び比較例にかかる金属積層造形方法によって造形した立方体を示す写真である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、図面は適宜、簡略化されている。
なお、当然のことながら、図１、図４及び図５に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸プラス向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面である。

＜実施の形態＞
本実施の形態では、所望の立体構造（三次元構造物）の金属体を造形する。まず、所望の金属体の三次元ＣＡＤ（computer-aided design）データをスライスした、スライスデータを作製する。作製した１層ごとのスライスデータに基づき、金属積層造形装置１を用いて１層ずつ金属粉体を焼結した金属層を形成し、最終的に立体構造の金属体を造形する。

まず、図１を参照して、本実施の形態にかかる金属積層方法に用いる金属積層造形装置について説明する。
図１は、実施の形態にかかる金属積層造形方法に用いる金属積層造形装置１の概略正面図である。図１に示すように、金属積層造形装置１は、ベース金属体１１、造形チャンバー１２、粉体供給部１３、リコータ１４、粉敷きブレード１５、レーザー照射部１６、非接触式センサ１７、ベース金属体駆動軸１８（不図示）、制御部２０（不図示）を備える。

図１に示すように、ベース金属体１１は、金属粉体Ｓを積層するベースとなる部材であり、本実施の形態では立体構造の金属体の一部として使用される部材である。造形チャンバー１２は、例えば直方体であり、ベース金属体１１を収容する容器である。造形チャンバー１２の上面には凹部が形成されており、当該凹部にベース金属体１１が収容されている。

図１に示すように、粉体供給部１３は、ベース金属体１１上に金属粉体Ｓを供給するための粉体供給源である。粉体供給部１３は、例えばホッパーである。粉体供給部１３は、例えば、粉体供給部１３の底部に設けられたバルブが回転することによって、粉体供給部１３の下方向（ｚ軸負方向）に向かって金属粉体Ｓを供給する。ただし、金属粉体Ｓを所定量ずつ供給することができる装置であれば、これに限定されない。

図１に示すように、粉体供給部１３の底部にはリコータ１４が配設されている。リコータ１４は、上面と下面とが開口し、内部が中空の円錐台形状であるため、金属粉体Ｓはリコータ１４の内部を通過する。リコータ１４は、水平方向（ｘｙ方向）に移動可能である。

図１に示すように、粉敷きブレード１５はリコータ１４の先端に配設されている。粉敷きブレード１５は、リコータ１４の水平移動に伴い、粉体供給部１３から供給された金属粉体Ｓを均しつつ、金属粉体Ｓをベース金属体１１の上面に運搬する。図１に示すように、非接触式センサ１７はリコータ１４の側面に配設されている。

本実施の形態における非接触式センサ１７は、レーザ式変位センサを用いているが、非接触式であり、金属粉体層ＳＬと金属層Ｍとの段差を測定できるものであればよく、これに限定されない。なお、本実施の形態では、非接触式センサ１７はリコータ１４の側面に配設されているが、リコータ１４とは別体として作動する非接触式センサを、別途配設してもよい。

図１に示すように、レーザー照射部１６は、ベース金属体１１のｚ軸正方向の上部に配設されている。レーザー照射部１６は、制御部２０にあらかじめ登録されたスライスデータに基づき、金属粉体層ＳＬに対してレーザーＬを照射し、金属粉体層ＳＬを焼結させて金属層Ｍを形成する。

次に、図２を参照して、金属造形装置の構成について説明する。
図２は、実施の形態にかかる金属積層造形方法に用いる金属積層造形装置の機能ブロック図である。制御部２０が、粉体供給部１３、リコータ１４、レーザー照射部１６、非接触式センサ１７及びベース金属体駆動軸１８を制御している。制御部２０には、所望の金属体の三次元ＣＡＤデータをスライスした、スライスデータが保存されている。

次に、図３を参照して、金属積層造形方法の一連の流れについて説明する。
図３は、実施の形態にかかる金属積層造形方法の一連の流れを示すフローチャートである。まず、ベース金属体を下降させる（ステップＳ１）。次に、ベース金属体上に金属粉体層を形成する（ステップＳ２）。次に、形成した金属粉体層を焼結し、金属層を形成する（ステップＳ３）。次に、所定のＮ層まで形成したか否かを判定する（ステップＳ４）。２層目から所定のＮ層目までの間のみにおいて、ベース金属体を下降させる際、形成した金属粉体層と金属層との段差を測定し、取得する（ステップＳ５）。そして、取得した段差に応じて、ベース金属体の降下量を決定する（ステップＳ６）。以上の工程を繰り返し、立体構造の金属体を造形する。

以下、上記各ステップについて、図３及び図１を参照しつつ説明する。
＜ステップＳ１：ベース金属体の下降＞
ステップＳ１では、ベース金属体１１を下降させる。金属粉体Ｓの積層開始前は、ベース金属体１１の上面（ｘｙ平面）と、造形チャンバー１２の最上面（ｘｙ平面）とは、同一平面に位置する。１層目のベース金属体１１の降下量は、金属粉体Ｓの所望の積層ピッチに応じて設定する。なお、積層ピッチは所望の加工精度に応じて、適宜変更可能である。また、２層目から所定のＮ（Ｎは２より大きい整数）層目までのベース金属体の降下量については、ステップＳ５及びステップＳ６にて後述する。

＜ステップＳ２：金属粉体層の形成＞
ステップＳ２では、金属粉体Ｓを積層し、金属粉体層ＳＬを形成する。具体的には、ステップＳ１で下降したベース金属体１１と、造形チャンバー１２とで形成された凹部に、事前に作製したスライスデータ１層分の金属粉体Ｓを供給し、金属粉体層ＳＬを形成する。

まず、金属粉体Ｓを、粉体供給部１３から造形チャンバー１２の上面の一部に所定量供給する。本実施の形態における所定量とは、金属粉体Ｓの所望の積層ピッチに応じて設定される量であり、各層一定量ずつ粉体供給部１３から供給される。なお、金属粉体Ｓの量は所望の積層ピッチに応じて適宜変更可能である。

次に、リコータ１４を水平方向（ｘ軸正方向）に移動させる。リコータ１４の水平移動に伴い、リコータ１４の先端に配設された粉敷きブレード１５が、造形チャンバー１２の上面の一部に供給された金属粉体Ｓを均しつつ、金属粉体Ｓをベース金属体１１の上面に運搬する。なお、金属粉体Ｓの運搬後に余剰な金属粉体Ｓが生じた場合は、リコータ１４に配設された粉敷きブレード１５を用いて、別途設けられた容器等へ運搬することもできる（不図示）。リコータ１４は、金属粉体Ｓをベース金属体１１の上面及び造形チャンバー１２の上面に運搬すると、再び水平方向（ｘ軸負方向）に移動して原位置に戻る。

＜ステップＳ３：金属層の形成＞
ステップＳ３では、金属粉体層ＳＬを焼結させ、金属層Ｍを形成する。本実施の形態における金属積層造形方法では、粉末床溶融結合（パウダーベッド法）のうち、金属粉体Ｓに対してレーザーを照射し、金属粉体Ｓを溶融し焼結させるレーザー溶融法（Seceltive laser melting, SLM）を用いているが、電子ビーム溶融法（Electron Beam Melting, EBM）などを用いてもよい。

図１に示すように、レーザー照射部１６は、制御部２０にあらかじめ登録されたスライスデータに基づき、金属粉体層ＳＬに対してレーザーＬを照射し、金属粉体層ＳＬを焼結させて、金属層Ｍを形成する。図１に示すように、金属粉体層ＳＬが焼結すると、形成された金属層Ｍは、金属粉体層ＳＬより薄くなる。すなわち、金属粉体層ＳＬと金属層Ｍとの間には段差が形成され、金属層Ｍは金属粉体層ＳＬに対して凹部となる。

＜ステップＳ４：Ｎ層形成の判定＞
ステップＳ４では、所定のＮ層まで形成したか否かを判定する。Ｎ層以下の場合は（ステップＳ４：ＮＯ）、金属粉体層と金属層との段差の測定（ステップＳ５）へ進み、Ｎ層形成するまではステップＳ１〜ステップＳ６を繰り返す。
一方、Ｎ層形成した場合、すなわちＮ＋１層以降の場合は（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ステップＳ５及びステップＳ６は終了し、ステップＳ１（ベース金属体の下降）に戻り、ベース金属体の降下量を一定にしてステップＳ１〜ステップＳ３を繰り返す。

ここで、本実施の形態における「所定のＮ層」について説明する。本実施の形態では、ベース金属体１１が１層ずつ下降することによって、金属体Ｐを造形する。Ｎ＋１層目以降では、ベース金属体１１の降下量を変更せずとも、形成された各金属層の厚さが一定となる。ここでＮは、ベース金属体１１が下降する回数に等しい。

なお、本実施の形態では、Ｎ、すなわち段差の測定を行うベース金属体１１の下降回数をあらかじめ定めた上でベース金属体１１を下降させているが、これに限定されない。例えば、以下のステップＳ５及びステップＳ６において、前回形成した金属粉体層ＳＬと金属層Ｍとの間に形成された段差を測定しつつ、数回安定して所定の段差の範囲内になれば以降は測定しないようにＮを決定してもよい。

＜ステップＳ５：金属粉体層と金属層との段差の測定＞
ステップＳ５では、金属粉体層ＳＬと金属層Ｍとの段差ｈを測定し、取得する。図４は、図１のＩＶで示す領域の拡大図である。

図４に示すように、リコータ１４に配設された非接触式センサ１７を用いて、前回形成した金属粉体層ＳＬと金属層Ｍとのｚ軸方向の段差ｈを測定し、取得する。具体的には、ステップ２で原位置に戻したリコータ１４を、新たな金属粉体Ｓを供給せずに再び水平方向（ｘ軸正方向）に移動させつつ、リコータ１４に配設された非接触式センサ１７を用いて段差ｈを取得する。

＜ステップＳ６：ベース金属体の降下量の決定＞
ステップＳ６では、ステップＳ５で取得した段差ｈに基づき、ベース金属体１１の降下量を決定する。具体的には、制御部２０が、非接触式センサ１７から取得した段差ｈに基づき、ベース金属体１１の降下量を決定する。次に、ステップＳ１に戻り、制御部２０は決定された降下量に基づきベース金属体駆動軸１８を制御し、ベース金属体１１を下降させる。

従来の金属積層造形方法では、造形開始段階において、形成された各金属層の厚さが一定にならず、充分な造形精度が得られないという問題があった。
金属層の厚さを一定にして造形精度を向上させるために、各金属粉体層の厚さを一定にすることが考えられる。ここで、形成した金属粉体層と金属層との段差を測定し、この測定値に基づいてベース金属体の降下量を決定すれば、各金属粉体層の厚さを一定にすることができる。しかしながら、全層についてそのような測定を行うと、造形速度が低下してしまうという問題があった。

本実施の形態では、２層目から所定のＮ層目までの間のみにおいて、ベース金属体を下降させる際、前回形成した金属粉体層と金属層との段差を測定し、ベース金属体の降下量を決定している。すなわち、ベース金属体の降下量を決定するにあたり、前回形成した金属粉体層と金属層との段差の取得を、全ての層ではなく、金属粉体層の厚さが毎層一定になるまでの間のみにおいて行っている。したがって、立体構造の金属体の造形精度を向上させつつ、造形速度の低下を抑制することができる。さらに、造形精度を向上できるため、ベース金属体と造形した金属体との境界付近の内部欠陥の形成を抑制することができる。また、造形部の内部欠陥の形成を抑制できるため、内部欠陥に起因する製品の疲労破壊を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

次に、本発明の実施例について説明する。
以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

図５は、実施例及び比較例にかかる金属積層造形方法によって造形した立方体を示す写真である。実施例及び比較例ともに、金属粉体Ｓとしてアルミ粉末を用いた。金属粉体Ｓの粒子径は４０〜６３μｍのものを使用した。ベース金属体１１及びベース金属体１０１上にそれぞれ一辺１０ｍｍの立方体の金属体を造形した。

実施例では、２層目から１００層目までの間、すなわち非接触式センサ１７より取得した段差ｈが一定になるまでの間のみにおいて、制御部２０によるベース金属体１１の降下量の決定を行った。非接触式センサ１７を用いた段差ｈの取得は、分解能５μｍ、測定時間１０秒で行った。段差ｈが一定になった後は、ステップＳ４及びステップＳ５は終了し、ステップＳ１〜ステップＳ３の工程を繰り返して、金属体Ｐ１を造形した。造形時間は１３０分であった。このようにして造形した実施例にかかる金属体Ｐ１では、図５に示すように、ベース金属体１１と、積層された金属体Ｐ１との境界付近に内部欠陥が少なく、密度が高い金属体Ｐ１を得ることができた。

これに対し、比較例では、ベース金属体１０１の降下量を１００μｍに固定して、金属体Ｐ１００の造形を行った。このようにして造形した比較例にかかる金属体Ｐ１００では、図５に示すように、全体的に内部欠陥が多いという結果を得た。特に、金属粉体Ｓの積層開始直後であるベース金属体１０１と、金属粉体Ｓを積層して造形した金属体Ｐ１００との境界付近に内部欠陥が多く、実施例に比べ密度が低い金属体が形成されるという結果を得た。

以上より、実施例では全ての層ではなく、２層目から１００層目までの間、すなわち段差ｈが一定になるまでの間のみにおいて、制御部による降下量の決定を行ったため、立体構造の金属体の造形精度を向上させつつ、造形速度の低下を抑制することができた。また、実施例にかかる金属積層造形方法によって立体構造の金属体の造形を行った場合、比較例に比べより密度が高く、ベース金属体と造形した金属体との境界付近に内部欠陥が少ない金属体を得ることができた。

１ 金属積層造形装置
１１ ベース金属体
１２ 造形チャンバー
１３ 粉体供給部
１４ リコータ
１５ 粉敷きブレード
１６ レーザー照射部
１７ 非接触式センサ
１８ ベース金属体駆動軸
２０ 制御部
Ｌ レーザー
Ｍ 金属層
Ｐ 金属体
Ｓ 金属粉体
ＳＬ 金属粉体層

Claims (1)

1. ベース金属体を下降させる工程と、
   前記ベース金属体上に金属粉体層を形成する工程と、
   形成した前記金属粉体層を焼結して金属層を形成する工程と、を繰り返し、前記金属層を順次積層していくことによって、立体構造の金属体を造形する金属積層造形方法であって、
   ２層目から所定のＮ（Ｎは２より大きい整数）層目までの間のみにおいて、前記ベース金属体を下降させる際、
   前回形成した前記金属粉体層と前記金属層との段差を測定し、前記ベース金属体の降下量を決定する、
   金属積層造形方法。