JP2019147992A - Lamination molding device and production method of lamination molded article - Google Patents

Lamination molding device and production method of lamination molded article Download PDF

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Abstract

To provide a lamination molding device capable of more efficiently adjusting temperature of a solidification layer.SOLUTION: A lamination molding device comprises: a chamber for covering a molding region; a material layer formation device for forming a material layer for a plurality of split layers formed by dividing a prescribed three-dimensional molded article at a prescribed height; a first radiation device for radiating a first laser light or electron beam to a prescribed radiation region of the material layer for sintering or melting the material layer for forming a solidified layer; and a second radiation device for radiating a second laser light to the formed solidified layer and heating the solidified layer to first temperature being prescribed temperature. The solidified layer heated to the first temperature is cooled to prescribed second temperature, and when the first temperature is T1, the second temperature is T2, martensitic transformation start temperature of the solidified layer is Ms, and martensitic transformation finish temperature of the solidified layer is Mf, all relationships of formulae (1)-(3), T1≥Mf(1), T1>T2(2), T2≤Ms(3) are satisfied, in the lamination molding device.SELECTED DRAWING: Figure 11

Description

本発明は、積層造形装置および積層造形物の製造方法に関する。   The present invention relates to an additive manufacturing apparatus and an additive manufacturing method.

金属の積層造形には複数の方式があるが、例えば焼結積層造形法または溶融積層造形法では、不活性ガスが充満された密閉されたチャンバ内において、上下方向に移動可能な造形テーブル上に金属材料からなる材料層を形成し、この材料層の所定箇所にレーザ光または電子ビームを照射して照射位置の材料粉体を焼結または溶融させることを繰り返すことによって、複数の固化層を積層して所望の三次元造形物を造形する。なお、造形テーブル上に造形プレートを配置し、造形プレート上に1層目の固化層を形成してもよい。   There are several methods for additive manufacturing of metal.For example, in sintered additive manufacturing method or melt additive manufacturing method, in a sealed chamber filled with inert gas, it is placed on a forming table movable in the vertical direction. A material layer made of a metal material is formed, and a plurality of solidified layers are laminated by repeatedly irradiating a laser beam or electron beam to a predetermined portion of the material layer to sinter or melt the material powder at the irradiated position. Then, a desired three-dimensional structure is formed. A modeling plate may be arranged on the modeling table, and the first solidified layer may be formed on the modeling plate.

金属の積層造形において、材料層へのレーザ光または電子ビームの照射により形成された固化層は、固化直後は非常に高温であるが、既に形成されている固化層および造形プレートや、不活性ガス雰囲気への放熱等により温度が急速に低下する。このとき、金属では熱膨張係数が正であるために体積が収縮する。しかし、隣接する固化層や造形プレートとの密着により収縮量は制限されるため引張応力として残留する。   In metal layered modeling, the solidified layer formed by irradiation of the material layer with laser light or electron beam is very hot immediately after solidification, but already formed solidified layer and modeling plate, or inert gas The temperature drops rapidly due to heat dissipation to the atmosphere. At this time, the volume of the metal shrinks because the coefficient of thermal expansion is positive. However, since the amount of shrinkage is limited by the close contact with the adjacent solidified layer or modeling plate, it remains as a tensile stress.

一方、金属材料がマルテンサイト系の材料である場合、固化層として形成された直後はオーステナイト相であるが、所定の温度条件等を満たした上で冷却されることによってマルテンサイト相へと変態する。マルテンサイト変態は体積の膨張を伴うため、圧縮応力が発生する。   On the other hand, when the metal material is a martensite-based material, it is an austenite phase immediately after being formed as a solidified layer, but is transformed into a martensite phase by cooling after satisfying a predetermined temperature condition and the like. . Since the martensitic transformation is accompanied by volume expansion, compressive stress is generated.

上記の技術的背景の下、本出願人は、1層または複数層の固化層を形成する毎に意図的にマルテンサイト変態を進行させることで、金属の収縮による引張応力をマルテンサイト変態による圧縮応力で軽減して造形物の残留応力を制御することにより、造形物の変形を抑制可能な積層造形装置および積層造形物の製造方法に係る発明を提案した(特許文献1)。特許文献1の発明においては、意図的にマルテンサイト変態を進行させるために、1層または複数層の固化層を形成する毎に該固化層の温度調整を行っている。   Under the above technical background, the present applicant intentionally advances the martensitic transformation every time one or more solidified layers are formed, thereby compressing the tensile stress due to metal shrinkage by the martensitic transformation. The invention which concerns on the manufacturing method of the laminated modeling apparatus which can suppress the deformation | transformation of a molded article, and the manufacturing method of a laminated molded article by reducing the stress by controlling the residual stress of a molded article was proposed (patent document 1). In the invention of Patent Document 1, in order to intentionally advance the martensitic transformation, the temperature of the solidified layer is adjusted every time one or more solidified layers are formed.

特願2017−165090号Japanese Patent Application No. 2017-165090

このような積層造形方法を行う上で、固化層をより効率的に昇温可能な積層造形装置が望まれている。本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、固化層にレーザ光を照射することで、より効率的に固化層の温度調整を行うことができる積層造形装置を提供するものである。   In performing such a layered modeling method, a layered modeling apparatus that can raise the temperature of the solidified layer more efficiently is desired. This invention is made | formed in view of such a situation, and provides the additive manufacturing apparatus which can perform the temperature adjustment of a solidification layer more efficiently by irradiating a solidified layer with a laser beam. .

本発明によれば、造形領域を覆うチャンバと、前記造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成する材料層形成装置と、前記材料層の所定の照射領域に第1照射スポットを有する第1レーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する第1照射装置と、前記第1レーザ光または前記電子ビームによって形成された前記固化層に第2レーザ光を照射して所定の温度である第1温度まで加熱する第2照射装置と、を備え、前記第1温度まで加熱された前記固化層は、所定の温度である第2温度まで冷却され、前記第1温度をT1、前記第2温度をT2、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度をMs、前記固化層のマルテンサイト変態終了温度をMfとすると、下記式(1)から(3)の関係が全て満たされる、積層造形装置が提供される。
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
According to the present invention, a chamber that covers a modeling area, and a material layer forming apparatus that forms a material layer for each of a plurality of divided layers obtained by dividing a desired three-dimensional structure at a predetermined height with respect to the modeling area. Irradiating a predetermined irradiation region of the material layer with a first laser beam or electron beam having a first irradiation spot to sinter or melt to form a solidified layer; and the first laser beam or the A second irradiation device that irradiates the solidified layer formed by an electron beam with a second laser beam and heats the solidified layer to a first temperature, which is a predetermined temperature, and the solidified layer heated to the first temperature comprises: The first temperature is T1, the second temperature is T2, the martensitic transformation start temperature of the solidified layer is Ms, and the martensitic transformation end temperature of the solidified layer is Mf. Then, the following formula Relationship from 1) (3) are all satisfied, layered manufacturing device is provided.
T1 ≧ Mf (1)
T1> T2 (2)
T2 ≦ Ms (3)

本発明に係る積層造形装置は、このような第2照射装置を備えることで、効率的に固化層に対して加熱を行うことができる。   The additive manufacturing apparatus according to the present invention can efficiently heat the solidified layer by including such a second irradiation apparatus.

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記材料層は、炭素鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼からなる。
好ましくは、前記第2レーザ光の照射スポットは、前記第1レーザ光または前記電子ビームの照射スポットよりも大きく、前記第1レーザ光または前記電子ビームの照射スポットを囲繞する。
好ましくは、前記第2レーザ光は、前記第1レーザ光または前記電子ビームが照射される前の前記材料層を予熱する。
好ましくは、前記チャンバ内に配置され上下方向に移動可能な造形テーブルをさらに備え、前記材料層は造形テーブル上に形成され、前記造形テーブルは前記第2温度に温度調整される。
好ましくは、前記第1レーザ光または前記電子ビームと前記第2レーザ光は同軸光である。
好ましくは、前記第1レーザ光もしくは前記電子ビームまたは前記第2レーザ光のうち一方を透過し、他方を前記一方と同じ光路に偏光する偏光手段と、前記偏光手段によって同軸光となった前記第1レーザ光または前記電子ビームと前記第2レーザ光を走査する走査手段と、をさらに備える。
好ましくは、下記式(4)および(5)の関係をさらに満たす。
T1>Ms (4)
T2<Mf (5)
Hereinafter, various embodiments of the present invention will be exemplified. The following embodiments can be combined with each other.
Preferably, the material layer is made of carbon steel or martensitic stainless steel.
Preferably, the irradiation spot of the second laser light is larger than the irradiation spot of the first laser light or the electron beam, and surrounds the irradiation spot of the first laser light or the electron beam.
Preferably, the second laser light preheats the material layer before being irradiated with the first laser light or the electron beam.
Preferably, a modeling table arranged in the chamber and movable in the vertical direction is further provided, the material layer is formed on the modeling table, and the modeling table is temperature adjusted to the second temperature.
Preferably, the first laser light or the electron beam and the second laser light are coaxial light.
Preferably, one of the first laser beam, the electron beam, and the second laser beam is transmitted and the other is polarized in the same optical path as the one, and the first beam converted into the coaxial light by the polarization unit. Scanning means for scanning one laser beam or the electron beam and the second laser beam.
Preferably, the relationship of the following formulas (4) and (5) is further satisfied.
T1> Ms (4)
T2 <Mf (5)

本発明の別の観点によれば、造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成するリコート工程と、前記材料層の所定の照射領域に第1レーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する固化工程と、前記第1レーザ光または前記電子ビームによって形成された前記固化層に第2レーザ光を照射して所定の温度である第1温度まで加熱する加熱工程と、前記第1温度まで加熱された前記固化層を所定の温度である第2温度まで冷却する冷却工程と、を備え、前記第1温度をT1、前記第2温度をT2、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度をMs、前記固化層のマルテンサイト変態終了温度をMfとすると、下記式(1)から(3)の関係が全て満たされる、積層造形物の製造方法が提供される。
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
According to another aspect of the present invention, a recoating step of forming a material layer for each of a plurality of divided layers obtained by dividing a desired three-dimensional structure at a predetermined height with respect to a modeling region, and a predetermined of the material layer A solidification step in which a solidified layer is formed by irradiating the irradiated region with a first laser beam or an electron beam to sinter or melt, and a second laser beam is applied to the solidified layer formed by the first laser beam or the electron beam. And a heating step of heating the solidified layer heated to the first temperature to a second temperature which is a predetermined temperature, and a heating step of heating the solidified layer heated to the first temperature, When the first temperature is T1, the second temperature is T2, the martensite transformation start temperature of the solidified layer is Ms, and the martensite transformation end temperature of the solidified layer is Mf, the relationship of the following formulas (1) to (3) Is a laminated structure Method for manufacturing objects are provided.
T1 ≧ Mf (1)
T1> T2 (2)
T2 ≦ Ms (3)

本発明に係る積層造形物の製造方法は、このような加熱工程を備えることで、効率的に固化層に対して加熱を行うことができる。   The manufacturing method of the layered object according to the present invention can efficiently heat the solidified layer by including such a heating step.

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記材料層は、炭素鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼からなる。
好ましくは、前記第2レーザ光の照射スポットは、前記第1レーザ光または前記電子ビームの照射スポットよりも大きく、前記第1レーザ光または前記電子ビームの照射スポットを囲繞する。
好ましくは、前記第2レーザ光が前記第1レーザ光または前記電子ビームが照射される前の前記材料層を予熱する予熱工程をさらに備える。
好ましくは、前記チャンバ内に配置され上下方向に移動可能な造形テーブルをさらに備え、前記材料層は造形テーブル上に形成され、前記造形テーブルは前記第2温度に温度調整される。
好ましくは、前記第1レーザ光または前記電子ビームと前記第2レーザ光は同軸光である。
好ましくは、前記第1レーザ光もしくは前記電子ビームまたは前記第2レーザ光のうち一方を透過し、他方を前記一方と同じ光路に偏光する偏光手段と、前記偏光手段によって同軸光となった前記第1レーザ光または前記電子ビームと前記第2レーザ光を走査する走査手段と、をさらに備える。
好ましくは、下記式(4)および(5)の関係をさらに満たす。
T1>Ms (4)
T2<Mf (5)
Hereinafter, various embodiments of the present invention will be exemplified. The following embodiments can be combined with each other.
Preferably, the material layer is made of carbon steel or martensitic stainless steel.
Preferably, the irradiation spot of the second laser light is larger than the irradiation spot of the first laser light or the electron beam, and surrounds the irradiation spot of the first laser light or the electron beam.
Preferably, the method further includes a preheating step of preheating the material layer before the second laser light is irradiated with the first laser light or the electron beam.
Preferably, a modeling table arranged in the chamber and movable in the vertical direction is further provided, the material layer is formed on the modeling table, and the modeling table is temperature adjusted to the second temperature.
Preferably, the first laser light or the electron beam and the second laser light are coaxial light.
Preferably, one of the first laser beam, the electron beam, and the second laser beam is transmitted and the other is polarized in the same optical path as the one, and the first beam converted into the coaxial light by the polarization unit. Scanning means for scanning one laser beam or the electron beam and the second laser beam.
Preferably, the relationship of the following formulas (4) and (5) is further satisfied.
T1> Ms (4)
T2 <Mf (5)

本発明の実施形態に係る積層造形装置の概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of an additive manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係るリコータヘッドの斜視図。The perspective view of the recoater head concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係るリコータヘッドの別の角度から見た斜視図。The perspective view seen from another angle of the recoater head concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る照射装置の概略構成図。The schematic block diagram of the irradiation apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る各分割層における照射領域を示す説明図。Explanatory drawing which shows the irradiation area | region in each division layer concerning embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る第1レーザ光および第2レーザ光の走査方法を示す説明図。Explanatory drawing which shows the scanning method of the 1st laser beam and 2nd laser beam which concern on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図。Explanatory drawing of the additive manufacturing method using the additive manufacturing apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図。Explanatory drawing of the additive manufacturing method using the additive manufacturing apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図。Explanatory drawing of the additive manufacturing method using the additive manufacturing apparatus which concerns on embodiment of this invention. 所定部位における第1レーザ光および第2レーザ光の照射方法を示す説明図。Explanatory drawing which shows the irradiation method of the 1st laser beam and 2nd laser beam in a predetermined part. 本発明の実施形態に係る好ましい温度調整例による所定部位における最上位の材料層および上面層の温度変化の概略図。Schematic of the temperature change of the uppermost material layer and upper surface layer in the predetermined part by the preferable temperature adjustment example which concerns on embodiment of this invention.

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Various characteristic items shown in the following embodiments can be combined with each other.

本発明の実施形態に係る積層造形装置は、材料粉体からなる材料層8を形成し、この材料層8の所定箇所に第1レーザ光L1を照射して照射位置の材料粉体を焼結または溶融させることを繰り返すことによって、複数の固化層を積層して所望の三次元形状造形物を造形する積層造形装置である。なお、固化層とは焼結層および溶融層の総称である。図1に示すように、本発明の積層造形装置は、チャンバ1と照射装置13とを有する。   The additive manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention forms the material layer 8 made of the material powder, and irradiates a predetermined portion of the material layer 8 with the first laser beam L1 to sinter the material powder at the irradiation position. Alternatively, it is a layered manufacturing apparatus that stacks a plurality of solidified layers to form a desired three-dimensional shaped object by repeating melting. The solidified layer is a general term for a sintered layer and a molten layer. As shown in FIG. 1, the additive manufacturing apparatus of the present invention includes a chamber 1 and an irradiation device 13.

チャンバ1は、所要の造形領域Rを覆い且つ所定濃度の不活性ガスで充満される。チャンバ1には、内部に材料層形成装置3が設けられ、上面部に保護ウインドウ汚染防止装置17が設けられる。材料層形成装置3は、ベース台4とリコータヘッド11とを有する。   The chamber 1 covers a required modeling region R and is filled with an inert gas having a predetermined concentration. The chamber 1 is provided with a material layer forming device 3 inside, and a protective window contamination preventing device 17 is provided on the upper surface. The material layer forming apparatus 3 includes a base table 4 and a recoater head 11.

ベース台4は、積層造形物が形成される造形領域Rを有する。造形領域Rには、造形テーブル5が設けられる。造形テーブル5は、造形テーブル駆動機構31によって駆動されて上下方向(図1の矢印U方向)に移動することができる。積層造形装置の使用時には、造形テーブル5上に造形プレート7が配置され、その上に材料層8が形成される。また、所定の照射領域は、造形領域R内に存在し、所望の三次元造形物の輪郭形状で囲繞される領域とおおよそ一致する。   The base 4 has a modeling region R where a layered product is formed. In the modeling region R, a modeling table 5 is provided. The modeling table 5 is driven by the modeling table drive mechanism 31 and can move in the vertical direction (the direction of the arrow U in FIG. 1). When the additive manufacturing apparatus is used, the modeling plate 7 is disposed on the modeling table 5 and the material layer 8 is formed thereon. In addition, the predetermined irradiation region exists in the modeling region R and approximately matches the region surrounded by the contour shape of the desired three-dimensional structure.

造形テーブル5は、好ましくは所望の温度(後述の第2温度と略同一温度)に温度調整可能に構成される。造形テーブル5内部には温調器が設けられ、温調器は例えば冷媒を通す管路である。なお、造形テーブル駆動機構31の熱変位を防止するため、温調器と造形テーブル駆動機構31との間に一定の温度に保たれた恒温部が設けられてもよい。   The modeling table 5 is preferably configured so that the temperature can be adjusted to a desired temperature (substantially the same temperature as a second temperature described later). A temperature controller is provided inside the modeling table 5, and the temperature controller is, for example, a conduit through which a refrigerant passes. In addition, in order to prevent the thermal displacement of the modeling table drive mechanism 31, a constant temperature part maintained at a constant temperature may be provided between the temperature controller and the modeling table drive mechanism 31.

造形テーブル5の周りには、粉体保持壁26が設けられる。粉体保持壁26と造形テーブル5とによって囲まれる粉体保持空間には、未固化の材料粉体が保持される。図1においては不図示であるが、粉体保持壁26の下側には、粉体保持空間内の材料粉体を排出可能な粉体排出部が設けられてもよい。かかる場合、積層造形の完了後に造形テーブル5を降下させることによって、未固化の材料粉体が粉体排出部から排出される。排出された材料粉体は、シューターガイドによってシューターに案内され、シューターを通じてバケットに収容されることになる。   A powder holding wall 26 is provided around the modeling table 5. In the powder holding space surrounded by the powder holding wall 26 and the modeling table 5, unsolidified material powder is held. Although not shown in FIG. 1, a powder discharge unit capable of discharging the material powder in the powder holding space may be provided below the powder holding wall 26. In such a case, the solidified material powder is discharged from the powder discharge unit by lowering the modeling table 5 after completion of the layered modeling. The discharged material powder is guided to the shooter by the shooter guide and is accommodated in the bucket through the shooter.

リコータヘッド11は、図2および図3に示すように、材料収容部11aと材料供給部11bと材料排出部11cとを有する。   As shown in FIGS. 2 and 3, the recoater head 11 includes a material storage portion 11a, a material supply portion 11b, and a material discharge portion 11c.

材料収容部11aは材料粉体を収容する。材料供給部11bは、材料収容部11aの上面に設けられ、不図示の材料供給装置から材料収容部11aに供給される材料粉体の受口となる。材料排出部11cは、材料収容部11aの底面に設けられ、材料収容部11a内の材料粉体を排出する。なお、材料排出部11cは、リコータヘッド11の移動方向(矢印B方向)に直交する水平1軸方向(矢印C方向)に延びるスリット形状である。   The material accommodating part 11a accommodates material powder. The material supply unit 11b is provided on the upper surface of the material storage unit 11a, and serves as a receiving port for the material powder supplied from the material supply device (not shown) to the material storage unit 11a. The material discharge part 11c is provided in the bottom face of the material storage part 11a, and discharges the material powder in the material storage part 11a. In addition, the material discharge | emission part 11c is a slit shape extended in the horizontal uniaxial direction (arrow C direction) orthogonal to the moving direction (arrow B direction) of the recoater head 11. FIG.

また、リコータヘッド11の両側面には、それぞれブレード11fb、11rbが設けられる。ブレード11fb、11rbは、材料粉体を撒布する。換言するとブレード11fb、11rbは、材料排出部11cから排出された材料粉体を平坦化して材料層8を形成する。   Further, blades 11fb and 11rb are provided on both side surfaces of the recoater head 11, respectively. The blades 11fb and 11rb distribute the material powder. In other words, the blades 11fb and 11rb form the material layer 8 by flattening the material powder discharged from the material discharging portion 11c.

切削装置50は、スピンドルヘッド60が設けられた加工ヘッド57を有する。加工ヘッド57は、不図示の加工ヘッド駆動機構により、スピンドルヘッド60を所望の位置に移動させる。   The cutting device 50 has a machining head 57 provided with a spindle head 60. The machining head 57 moves the spindle head 60 to a desired position by a machining head drive mechanism (not shown).

スピンドルヘッド60は、不図示のエンドミル等の切削工具を取り付けて回転させることができるように構成されており、材料粉体を焼結または溶融して得られた固化層の表面や不要部分に対して切削加工を行うことができる。また切削工具は複数種類の切削工具であることが好ましく、使用する切削工具は不図示の自動工具交換装置によって、造形中にも交換可能である。   The spindle head 60 is configured so that a cutting tool such as an end mill (not shown) can be attached and rotated. The spindle head 60 is applied to the surface and unnecessary portions of the solidified layer obtained by sintering or melting the material powder. Can be cut. The cutting tools are preferably a plurality of types of cutting tools, and the cutting tools to be used can be replaced during modeling by an automatic tool changer (not shown).

チャンバ1の上面には、保護ウインドウ1aを覆うように保護ウインドウ汚染防止装置17が設けられる。保護ウインドウ汚染防止装置17は、円筒状の筐体17aと、筐体17a内に配置された円筒状の拡散部材17cを備える。筐体17aと拡散部材17cの間に不活性ガス供給空間17dが設けられる。また、筐体17aの底面には、拡散部材17cの内側に開口部17bが設けられる。拡散部材17cには多数の細孔17eが設けられており、不活性ガス供給空間17dに供給された清浄な不活性ガスは細孔17eを通じて清浄室17fに充満される。そして、清浄室17fに充満された清浄な不活性ガスは、開口部17bを通じて保護ウインドウ汚染防止装置17の下方に向かって噴出される。   A protective window contamination prevention device 17 is provided on the upper surface of the chamber 1 so as to cover the protective window 1a. The protective window contamination prevention device 17 includes a cylindrical casing 17a and a cylindrical diffusion member 17c disposed in the casing 17a. An inert gas supply space 17d is provided between the housing 17a and the diffusion member 17c. An opening 17b is provided on the bottom surface of the housing 17a inside the diffusion member 17c. The diffusion member 17c is provided with a large number of pores 17e, and the clean inert gas supplied to the inert gas supply space 17d fills the clean chamber 17f through the pores 17e. And the clean inert gas with which the clean room 17f was filled is ejected toward the downward direction of the protective window contamination prevention apparatus 17 through the opening part 17b.

照射装置13が、チャンバ1の上方に設けられる。ここで照射装置13は、材料層8の所定の照射領域に第1レーザ光Lを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する第1照射装置13aと、第1レーザL1によって形成された固化層に第2レーザ光L2を照射して所定の温度まで加熱する第2照射装置13bとを備える。具体的に本実施形態に係る第1照射装置13aは、図4に示すように、第1光源42aと、第1コリメータ43aと、第1フォーカス制御ユニット44aと、を含む。また、第2照射装置13bは、第2光源42bと、第2コリメータ43bと、を含む。さらに、偏光手段45と、走査手段とが設けられる。なお、必要に応じて他の部材を設けてもよく、例えば、第2照射装置13bは、第2レーザ光源42bより出力された第2レーザ光L2を所望の照射スポット径に調整する第2フォーカス制御ユニットをさらに備えてもよい。   An irradiation device 13 is provided above the chamber 1. Here, the irradiation device 13 is formed by a first irradiation device 13 a that irradiates a predetermined irradiation region of the material layer 8 with the first laser light L to sinter or melt and forms a solidified layer, and the first laser L 1. And a second irradiation device 13b that irradiates the solidified layer with the second laser beam L2 and heats the solidified layer to a predetermined temperature. Specifically, as shown in FIG. 4, the first irradiation device 13a according to the present embodiment includes a first light source 42a, a first collimator 43a, and a first focus control unit 44a. The second irradiation device 13b includes a second light source 42b and a second collimator 43b. Further, polarizing means 45 and scanning means are provided. In addition, you may provide another member as needed, for example, the 2nd irradiation apparatus 13b is the 2nd focus which adjusts the 2nd laser beam L2 output from the 2nd laser light source 42b to a desired irradiation spot diameter. A control unit may be further provided.

第1光源42aは第1レーザ光L1を出力する。ここで、第1レーザ光L1は、材料層8を焼結または溶融可能なレーザであって、例えば、CO2レーザ、ファイバーレーザ、YAGレーザ等である。   The first light source 42a outputs the first laser light L1. Here, the first laser light L1 is a laser capable of sintering or melting the material layer 8, and is, for example, a CO2 laser, a fiber laser, a YAG laser, or the like.

第1コリメータ43aは、第1レーザ光源42aより出力された第1レーザ光L1を平行光に変換する。第1フォーカス制御ユニット44aは、第1レーザ光源42aより出力された第1レーザ光L1を集光し所望のスポット径に調整する。その後、第1レーザ光L1は偏光手段45に到達し、偏光された第1レーザ光、ここでは反射光が2軸のガルバノミラー46a、46bへ進行する。   The first collimator 43a converts the first laser light L1 output from the first laser light source 42a into parallel light. The first focus control unit 44a collects the first laser light L1 output from the first laser light source 42a and adjusts it to a desired spot diameter. Thereafter, the first laser beam L1 reaches the polarization means 45, and the polarized first laser beam, here reflected light, travels to the biaxial galvanometer mirrors 46a and 46b.

第2光源42bは第2レーザ光L2を出力する。ここで、第2レーザ光L2は、固化層を所望の温度(後述の第1温度)に加熱可能なレーザであって、例えば、CO2レーザ、ファイバーレーザ、YAGレーザ等である。なお、本実施形態においては、第2レーザ光L2は第1レーザ光L1が照射される前の材料層8を予熱することにも使用される。第2レーザ光L2を予熱に使用する場合、その他の予熱手段は必須ではない。例えば、造形テーブル5に予熱のための加熱器を設けなくてもよい。   The second light source 42b outputs the second laser light L2. Here, the second laser light L2 is a laser capable of heating the solidified layer to a desired temperature (first temperature described later), and is, for example, a CO2 laser, a fiber laser, a YAG laser, or the like. In the present embodiment, the second laser light L2 is also used for preheating the material layer 8 before being irradiated with the first laser light L1. When the second laser beam L2 is used for preheating, other preheating means are not essential. For example, the modeling table 5 may not be provided with a heater for preheating.

第2コリメータ43bは、第2レーザ光源42bより出力された第2レーザ光L2を平行光に変換する。好ましくは、第2レーザ光L2の照射スポットは、第1レーザ光L1の照射スポットよりも大きく、第1レーザ光L1の照射スポットを囲繞するように構成される。なお、照射スポットとは照射位置、換言すれば材料層8または固化層における第1レーザ光L1および第2レーザ光L2の形状を意味する。第1レーザ光L1および第2レーザ光L2の照射スポットが略円形である場合、第1レーザ光L1の照射位置における照射スポットの径をd1、第2レーザ光L2の照射スポットの径をd2とすると、d2/d1は、例えば、10≦d2/d1≦1000である。このような第2レーザ光L2により、第1レーザ光L1が照射される前の材料層8の予熱と、第1レーザ光L1が照射され固化した固化層の加熱を好適に行うことができる。所望のスポット径に調整された第2レーザ光L2は偏光手段45に到達し、その透過光が2軸のガルバノミラー46a、46bへ進行する。   The second collimator 43b converts the second laser light L2 output from the second laser light source 42b into parallel light. Preferably, the irradiation spot of the second laser light L2 is larger than the irradiation spot of the first laser light L1, and is configured to surround the irradiation spot of the first laser light L1. The irradiation spot means the irradiation position, that is, the shape of the first laser beam L1 and the second laser beam L2 in the material layer 8 or the solidified layer. When the irradiation spots of the first laser light L1 and the second laser light L2 are substantially circular, the diameter of the irradiation spot at the irradiation position of the first laser light L1 is d1, and the diameter of the irradiation spot of the second laser light L2 is d2. Then, d2 / d1 is, for example, 10 ≦ d2 / d1 ≦ 1000. By such second laser light L2, preheating of the material layer 8 before irradiation with the first laser light L1 and heating of the solidified layer irradiated with the first laser light L1 can be suitably performed. The second laser light L2 adjusted to a desired spot diameter reaches the polarization means 45, and the transmitted light travels to the biaxial galvanometer mirrors 46a and 46b.

偏光手段45は、第1レーザ光L1または第2レーザ光L2のうち一方を透過させ、他方を一方と同じ光路に偏光させる。偏光手段45は例えばビームスプリッタ等のフィルタである。上述の通り、本実施形態においては、偏光手段45によって偏光した第1レーザ光L1と、偏光手段45を透過した第2レーザ光L2が同軸光となって2軸のガルバノミラー46a、46bへ進行するように構成される。このように構成することで、1つの走査手段によって同一位置に第1レーザ光L1および第2レーザ光L2を走査することができる。   The polarization unit 45 transmits one of the first laser light L1 and the second laser light L2 and polarizes the other in the same optical path as the one. The polarization means 45 is a filter such as a beam splitter. As described above, in the present embodiment, the first laser light L1 polarized by the polarizing means 45 and the second laser light L2 transmitted through the polarizing means 45 become coaxial light and travel to the biaxial galvanometer mirrors 46a and 46b. Configured to do. With this configuration, the first laser beam L1 and the second laser beam L2 can be scanned at the same position by one scanning unit.

走査手段は例えばガルバノスキャナであり、ガルバノスキャナは一対の各ガルバノミラー46a、46bは、それぞれガルバノミラー46a、46bをそれぞれ回転させるアクチュエータを備えている。2軸のガルバノミラー46a、46bは、第1および第2レーザ光源42a、42bより出力された第1および第2レーザ光L1、L2を制御可能に2次元走査する。ガルバノミラー46a、46bは、それぞれ、不図示の制御装置から入力される回転角度制御信号の大きさに応じて回転角度が制御される。かかる特徴により、ガルバノミラー46a、46bの各アクチュエータに入力する回転角度制御信号の大きさを変化させることによって、所望の位置に同軸光となった第1レーザ光L1および第2レーザ光L2を照射することができる。   The scanning means is, for example, a galvano scanner, and the galvano scanner includes a pair of galvanometer mirrors 46a and 46b, each of which includes an actuator that rotates the galvanometer mirrors 46a and 46b, respectively. The biaxial galvanometer mirrors 46a and 46b scan the two-dimensionally controllable first and second laser beams L1 and L2 output from the first and second laser light sources 42a and 42b. The rotation angles of the galvanometer mirrors 46a and 46b are controlled according to the magnitude of a rotation angle control signal input from a control device (not shown). With such a feature, the first laser light L1 and the second laser light L2 that have become coaxial light are irradiated to desired positions by changing the magnitude of the rotation angle control signal input to each actuator of the galvanometer mirrors 46a and 46b. can do.

ガルバノミラー46a、46bを通過した第1レーザ光L1および第2レーザL2は、チャンバ1に設けられた保護ウインドウ1aを透過して造形領域Rに形成された材料層8に照射される。保護ウインドウ1aは、第1および第2レーザ光L1、L2を透過可能な材料で形成される。例えば、第1レーザ光L1および第2レーザL2がファイバーレーザまたはYAGレーザの場合、保護ウインドウ1aは石英ガラスで構成可能である。   The first laser light L1 and the second laser L2 that have passed through the galvanometer mirrors 46a and 46b are transmitted through the protective window 1a provided in the chamber 1 and irradiated onto the material layer 8 formed in the modeling region R. The protective window 1a is formed of a material that can transmit the first and second laser beams L1 and L2. For example, when the first laser beam L1 and the second laser L2 are fiber lasers or YAG lasers, the protective window 1a can be made of quartz glass.

ここで、本実施形態における第1レーザ光L1および第2レーザ光L2の走査方法について説明する。本実施形態では、図5に示すように、各分割層における照射領域は所定幅w毎に1以上の分割領域に分割され、各分割領域毎に第1レーザ光L1および第2レーザ光L2の走査が行われる。具体的には、図6に矢印で示すように、分割領域における第1レーザ光L1および第2レーザ光L2の所定幅w方向の走査が、所定幅wに直交する走査方向sに沿って順に行われる。第2レーザ光L2の照射スポットは、第1レーザ光L1の照射スポットよりも大きく、各照射スポットの中心は略同一であるため、照射領域上の各部位においては、第1レーザ光L1よりも第2レーザ光L2がより長い時間照射されることとなる。なお、上記に示した第1レーザ光L1および第2レーザ光L2の走査方法はあくまで一例であり、種々の走査方法が採用可能である。具体的に、上記にはいわゆるラスタ走査の例を示したが、ベクトル走査であってもよいし、それらの組み合わせであってもよい。また、分割領域も任意の手法で設定してよい。   Here, a scanning method of the first laser light L1 and the second laser light L2 in the present embodiment will be described. In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the irradiation region in each divided layer is divided into one or more divided regions for each predetermined width w, and the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are divided into each divided region. A scan is performed. Specifically, as indicated by arrows in FIG. 6, the scanning in the predetermined width w direction of the first laser light L1 and the second laser light L2 in the divided regions is sequentially performed along the scanning direction s orthogonal to the predetermined width w. Done. The irradiation spot of the second laser beam L2 is larger than the irradiation spot of the first laser beam L1, and the center of each irradiation spot is substantially the same. Therefore, in each part on the irradiation region, it is more than the first laser beam L1. The second laser beam L2 is irradiated for a longer time. In addition, the scanning method of the 1st laser beam L1 and the 2nd laser beam L2 which were shown above is an example to the last, and various scanning methods are employable. Specifically, although an example of so-called raster scanning has been described above, vector scanning or a combination thereof may be used. Further, the divided areas may be set by an arbitrary method.

本発明の実施形態に係る積層造形装置は、前述の第2照射装置13bを少なくとも用いて上面層が第1温度まで加熱され、その後上面層が第2温度まで冷却されることを特徴とする。ここで、第1温度をT1、第2温度をT2、固化層のマルテンサイト変態開始温度をMsおよび固化層のマルテンサイト変態終了温度をMf、とすると、下記式(1)から(3)の関係が全て満たされる。
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
焼結または溶融後、冷却される前の上面層は、オーステナイト相を含む状態であって、冷却により少なくとも一部がマルテンサイト相へと変態する。なお、上面層とは、形成されてから第1温度、第2温度、第1温度の一連の順番で行われる温度調整、換言すればマルテンサイト変態のための加熱および冷却が1度も実施されていない固化層をいう。本実施形態においては、具体的に、上面層は後述の加熱工程時点での最上位の固化層である。
The additive manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention is characterized in that the upper surface layer is heated to the first temperature using at least the second irradiation device 13b described above, and then the upper surface layer is cooled to the second temperature. When the first temperature is T1, the second temperature is T2, the martensite transformation start temperature of the solidified layer is Ms, and the martensite transformation end temperature of the solidified layer is Mf, the following formulas (1) to (3) All relationships are satisfied.
T1 ≧ Mf (1)
T1> T2 (2)
T2 ≦ Ms (3)
After the sintering or melting, the upper surface layer before being cooled is in a state containing an austenite phase, and at least a part is transformed into a martensite phase by cooling. Note that the upper surface layer is subjected to temperature adjustment performed in a series of order of the first temperature, the second temperature, and the first temperature after being formed, in other words, heating and cooling for martensitic transformation are performed once. This refers to a solidified layer. In the present embodiment, specifically, the upper surface layer is the uppermost solidified layer at the time of the heating process described later.

以上のように、第2照射装置13bを構成することで上面層を所望の温度である第1温度に加熱することが可能である。また、第1温度に加熱された上面層は、下層の固化層や造形プレート7および周囲の不活性ガスに放熱されることで第2温度まで冷却される。特に、本実施形態のように、造形テーブル5が第2温度と略同一温度に温度調整される場合は、より効率的に上面層の冷却を行うことができる。   As described above, it is possible to heat the upper surface layer to the first temperature, which is a desired temperature, by configuring the second irradiation device 13b. Further, the upper surface layer heated to the first temperature is cooled to the second temperature by radiating heat to the lower solidified layer, the modeling plate 7 and the surrounding inert gas. In particular, as in the present embodiment, when the temperature of the modeling table 5 is adjusted to substantially the same temperature as the second temperature, the upper surface layer can be cooled more efficiently.

また、積層造形装置は、最上位の材料層8または上面層の温度を測定する不図示の温度センサを用いて、第2レーザ光L2の走査速度、レーザ強度、照射スポット径の大きさ等がフィードバック制御されてもよい。かかる構成により、より正確に最上位の材料層8または上面層の温度を制御することができる。なお、温度センサは、複数設けてもよい。また、温度センサは、例えば、赤外線温度センサである。   The additive manufacturing apparatus uses a temperature sensor (not shown) that measures the temperature of the uppermost material layer 8 or the upper surface layer, and the scanning speed of the second laser beam L2, the laser intensity, the size of the irradiation spot diameter, and the like. Feedback control may be performed. With this configuration, the temperature of the uppermost material layer 8 or the upper surface layer can be controlled more accurately. A plurality of temperature sensors may be provided. The temperature sensor is, for example, an infrared temperature sensor.

チャンバ1は所定濃度の不活性ガスが供給されるとともに、材料層8の焼結または溶融時に発生するヒュームを含んだ不活性ガスを排出している。具体的には、チャンバ1には、不活性ガス供給装置15と、ダクトボックス21、23を介してヒュームコレクタ19が接続されている。不活性ガス供給装置15は、不活性ガスを供給する機能を有し、例えば、周囲の空気から窒素ガスを取り出す膜式窒素セパレータを備える装置である。不活性ガス供給装置15は、チャンバ1に設けられた供給口から不活性ガスの供給を行い、チャンバ1を所定濃度の不活性ガスで充満させる。また、チャンバ1の排出口から排出されたヒュームを多く含む不活性ガスはヒュームコレクタ19へと送られ、ヒュームが除去された上でチャンバ1へと返送される。なお、本明細書において、不活性ガスとは、材料粉体と実質的に反応しないガスをいい、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等から材料粉体の種類に応じて適当なものが選択される。   The chamber 1 is supplied with an inert gas having a predetermined concentration and exhausts an inert gas containing fumes generated when the material layer 8 is sintered or melted. Specifically, an inert gas supply device 15 and a fume collector 19 are connected to the chamber 1 via duct boxes 21 and 23. The inert gas supply device 15 has a function of supplying an inert gas, and includes, for example, a membrane nitrogen separator that extracts nitrogen gas from ambient air. The inert gas supply device 15 supplies an inert gas from a supply port provided in the chamber 1 and fills the chamber 1 with an inert gas having a predetermined concentration. Further, the inert gas containing a large amount of fumes discharged from the discharge port of the chamber 1 is sent to the fume collector 19 and is returned to the chamber 1 after the fumes are removed. In this specification, the inert gas means a gas that does not substantially react with the material powder, and an appropriate gas is selected from nitrogen gas, argon gas, helium gas, etc. according to the type of the material powder. The

ここで、本発明の一実施形態に係る積層造形物の製造方法における各工程について図7〜図9および図10A〜図10Eを用いて説明する。なお、図7〜図9では、視認性を考慮し図1では示していた構成要素を一部省略している。また、以下において、造形領域Rに対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層8を形成する工程をリコート工程、第1レーザ光L1が照射される前の材料層8を第2レーザ光L2が予熱する予熱工程、材料層8の所定の照射領域に第1レーザ光L1を照射して焼結または溶融させ固化層を形成する工程を固化工程、第1レーザ光L1によって形成された固化層に第2レーザ光L2を照射して第1温度まで加熱する加熱工程、第1温度まで加熱された固化層を第2温度まで冷却する工程を冷却工程と呼ぶ。。   Here, each process in the manufacturing method of the laminate-molded article which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated using FIGS. 7-9 and FIG. 10A-FIG. 10E. 7 to 9, some of the components shown in FIG. 1 are omitted in consideration of visibility. Further, in the following, a step of forming the material layer 8 for each of a plurality of divided layers obtained by dividing a desired three-dimensional structure at a predetermined height with respect to the modeling region R is irradiated with the first laser light L1. A preheating step in which the second laser beam L2 preheats the material layer 8 before being heated, and a step in which a predetermined irradiation region of the material layer 8 is irradiated with the first laser beam L1 to be sintered or melted to form a solidified layer. A step of heating the solidified layer formed by the first laser beam L1 to the first temperature by irradiating the second laser beam L2, and a step of cooling the solidified layer heated to the first temperature to the second temperature. This is called a cooling process. .

まず、1回目のリコート工程が行われる。図7に示すように、造形テーブル5上に造形プレート7を載置し、造形テーブル5の高さを適切な位置に調整する。この状態で材料収容部11a内に材料粉体が充填されているリコータヘッド11を図7の矢印B方向に造形領域Rの左側から右側に移動させることによって、造形プレート7上に1層目の材料層8を形成する。   First, the first recoating step is performed. As shown in FIG. 7, the modeling plate 7 is mounted on the modeling table 5, and the height of the modeling table 5 is adjusted to an appropriate position. In this state, the recoater head 11 in which the material powder is filled in the material container 11a is moved from the left side to the right side of the modeling region R in the direction of arrow B in FIG. The material layer 8 is formed.

次に、1回目の予熱工程、固化工程、加熱工程および冷却工程が行われる。予熱工程、固化工程、加熱工程および冷却工程は平行して行われるが、ある部位に注目すれば、予熱工程、固化工程、加熱工程、冷却工程の順に行われる。ここでは図10A〜図10Eにおける所定部位Pに着目されたい。図10A〜図10Eにおいては、走査経路に所定部位Pを含む所定幅w方向の第1レーザ光L1および第2レーザ光L2の走査を概略的に示している。   Next, a first preheating step, a solidifying step, a heating step, and a cooling step are performed. Although a preheating process, a solidification process, a heating process, and a cooling process are performed in parallel, if a certain part is noted, it will be performed in order of a preheating process, a solidification process, a heating process, and a cooling process. Here, attention should be paid to the predetermined portion P in FIGS. 10A to 10E. 10A to 10E schematically show scanning of the first laser light L1 and the second laser light L2 in the predetermined width w direction including the predetermined part P in the scanning path.

図10Aに示す状態では、所定部位Pの材料層8には第1レーザ光L1および第2レーザ光L2が照射されておらず、予熱前の状態を表している。このとき、所定部位Pの温度は第2温度に保たれている。ここで、所定部位Pにおいて1回目の予熱工程が行われる。図10Bに示すように、第1レーザ光L1および第2レーザ光L2が図中の走査方向に走査され、そして所定部位Pに第2レーザ光L2が照射される。これによって、所定部位Pが固化に適した温度まで予熱される。なお、各分割領域における走査の始点付近の材料層8が固化に適した温度まで昇温するまで、分割領域において第1レーザ光L1および第2レーザ光L2を走査をさせる前に、第2レーザ光L2を所定時間始点付近の材料層8に照射することが望ましい。   In the state shown in FIG. 10A, the material layer 8 at the predetermined site P is not irradiated with the first laser light L1 and the second laser light L2, and represents a state before preheating. At this time, the temperature of the predetermined part P is kept at the second temperature. Here, the first preheating step is performed at the predetermined portion P. As shown in FIG. 10B, the first laser light L1 and the second laser light L2 are scanned in the scanning direction in the figure, and the predetermined laser beam P2 is irradiated to the predetermined portion P. As a result, the predetermined portion P is preheated to a temperature suitable for solidification. The second laser is scanned before the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are scanned in the divided regions until the temperature of the material layer 8 in the vicinity of the scanning start point in each divided region is raised to a temperature suitable for solidification. It is desirable to irradiate the material layer 8 near the start point for a predetermined time with the light L2.

次に、所定部位Pにおいて1回目の固化工程が行われる。すなわち、図10Cに示すように、材料層8中の所定部位Pに第1レーザ光L1を照射し材料層8のレーザ照射位置を焼結または溶融させる。すなわち、所定部位Pが固化層(図8に示すような1層目の固化層81fの一部)となる。   Next, the first solidification step is performed at the predetermined portion P. That is, as shown in FIG. 10C, the first laser beam L <b> 1 is irradiated to a predetermined portion P in the material layer 8 to sinter or melt the laser irradiation position of the material layer 8. That is, the predetermined part P becomes a solidified layer (a part of the first solidified layer 81f as shown in FIG. 8).

次に、所定部位Pにおいて1回目の加熱工程が行われる。図10Dに示すように、固化層となった所定部位Pは第2レーザ光L2が照射されて加熱がなされる。所定部位Pは、当該加熱によって少なくとも第1温度まで達する。なお、各分割領域における走査の終点付近の固化層が冷却後にマルテンサイト変態が起こるように十分加熱されるまで、第1レーザ光L1および第2レーザ光L2が分割領域における走査を終えた後、第2レーザ光L2を所定時間終点付近の固化層に照射することが望ましい。また、加熱工程における加熱時間および加熱温度は、使用する金属材料または使用が想定される金属材料に応じて適当な値に設定され、例えば、第2レーザ光L2の走査速度、レーザ強度、照射スポット径の大きさによって調整可能である。   Next, the first heating step is performed at the predetermined portion P. As shown in FIG. 10D, the predetermined portion P that has become a solidified layer is heated by being irradiated with the second laser light L2. The predetermined part P reaches at least the first temperature by the heating. After the first laser beam L1 and the second laser beam L2 have finished scanning in the divided regions until the solidified layer near the end point of scanning in each divided region is sufficiently heated so that martensitic transformation occurs after cooling, It is desirable to irradiate the solidified layer near the end point for a predetermined time with the second laser beam L2. In addition, the heating time and the heating temperature in the heating process are set to appropriate values according to the metal material to be used or the metal material to be used. For example, the scanning speed of the second laser beam L2, the laser intensity, the irradiation spot It can be adjusted according to the size of the diameter.

次に、所定部位Pにおいて1回目の冷却工程が行われる。図10Eに示すように、第2レーザ光L2による所定部位Pへの加熱が終了したため、所定部位Pは下層の固化層や造形プレート7、不活性ガス雰囲気等に熱を奪われ、第2温度まで冷却される。   Next, a first cooling step is performed at the predetermined portion P. As shown in FIG. 10E, since the heating of the predetermined portion P by the second laser beam L2 is completed, the predetermined portion P is deprived of heat by the lower solidified layer, the modeling plate 7, an inert gas atmosphere, etc. Until cooled.

これら1回目の各工程を経ることによって、図8に示すような1層目の固化層81fが形成される。   Through the first steps, a first solidified layer 81f as shown in FIG. 8 is formed.

次に、2回目のリコート工程として、造形テーブル5の高さを材料層8の所定厚(1層)分下げ、リコータヘッド11を造形領域Rの右側から左側に移動させることによって、固化層81f上に2層目の材料層8を形成する。   Next, as a second recoating step, the height of the modeling table 5 is lowered by a predetermined thickness (one layer) of the material layer 8, and the recoater head 11 is moved from the right side to the left side of the modeling region R, thereby solidifying the layer. A second material layer 8 is formed on 81f.

次に、2回目の予熱工程、固化工程、加熱工程および冷却工程が行われる。各工程は1回目の工程と同様である。   Next, a second preheating step, a solidifying step, a heating step, and a cooling step are performed. Each step is the same as the first step.

これら2回目の各工程を経ることによって、図9に示すような2層目の固化層82fが形成される。   Through these second steps, a second solidified layer 82f as shown in FIG. 9 is formed.

以上の工程を繰り返すことによって、3層目以降の固化層が形成される。   By repeating the above steps, the third and subsequent solidified layers are formed.

なお、本実施形態のように切削装置50を備える積層造形装置においては、所定数の固化層を形成する度に、固化層の端面に対して、スピンドルヘッド60に装着された回転切削工具によって切削加工を行う切削工程を実施してもよい。切削工程は、例えば、固化層が0.4mmから1mmの所定厚積層する毎に行われる。また、焼結または溶融時に発生したスパッタが固化層の表面に付着し突起部が生成されることがあるが、リコート工程時にリコータヘッド11が突起部に衝突したときは、突起部を除去するために最上位の固化層の上面に対して切削加工を行ってもよい。   In the additive manufacturing apparatus including the cutting device 50 as in the present embodiment, every time a predetermined number of solidified layers are formed, the end surface of the solidified layer is cut by a rotary cutting tool attached to the spindle head 60. You may implement the cutting process which processes. The cutting process is performed each time the solidified layer is laminated with a predetermined thickness of 0.4 mm to 1 mm, for example. In addition, spatter generated during sintering or melting may adhere to the surface of the solidified layer and produce a protrusion. If the recoater head 11 collides with the protrusion during the recoating process, the protrusion is removed. Therefore, cutting may be performed on the upper surface of the uppermost solidified layer.

このようなリコート工程、予熱工程、固化工程、加熱工程および冷却工程と、好ましくは切削工程が繰り返され、所望の三次元造形物が形成される。   Such a recoating process, a preheating process, a solidifying process, a heating process, and a cooling process, and preferably a cutting process are repeated to form a desired three-dimensional structure.

以上のような温度調整工程、すなわち加熱工程および冷却工程により、固化層の冷却による収縮に起因する引張応力を軽減し、造形物の変形を抑制することが可能である。すなわち、マルテンサイト変態が生じる金属材料においては、マルテンサイト変態時に体積が膨張し、冷却時の体積収縮が緩和される。ここで、マルテンサイト変態開始温度以下且つマルテンサイト変態終了温度以上の範囲でマルテンサイト変態が起こる。   By the temperature adjustment process as described above, that is, the heating process and the cooling process, it is possible to reduce the tensile stress caused by the shrinkage due to the cooling of the solidified layer and to suppress the deformation of the modeled object. That is, in the metal material in which martensitic transformation occurs, the volume expands during the martensitic transformation, and the volume shrinkage during cooling is alleviated. Here, the martensitic transformation occurs in the range below the martensitic transformation start temperature and above the martensitic transformation end temperature.

また、この変態量(=膨張量)は、第1温度、第2温度、マルテンサイト変態終了温度、およびマルテンサイト変態開始温度の関係により制御することができる。すなわち、それらの温度関係によって造形物の残留応力を制御することができる。特に、本実施形態に係る積層造形装置においては、図11に示すような例が好ましい。このグラフは所定部位Pにおける最上位の材料層8および上面層の温度変化を表している。図11に示す例では、マルテンサイト変態が起こる温度帯に第1温度、第2温度の両方が含まれない。すなわち、下記式(1)〜(5)をすべて満たす。
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
T1>Ms (4)
T2<Mf (5)
Further, this transformation amount (= expansion amount) can be controlled by the relationship between the first temperature, the second temperature, the martensite transformation end temperature, and the martensite transformation start temperature. That is, the residual stress of the shaped article can be controlled by their temperature relationship. In particular, in the additive manufacturing apparatus according to the present embodiment, an example as shown in FIG. 11 is preferable. This graph represents temperature changes of the uppermost material layer 8 and the upper surface layer at the predetermined portion P. In the example shown in FIG. 11, both the first temperature and the second temperature are not included in the temperature range where martensitic transformation occurs. That is, all the following formulas (1) to (5) are satisfied.
T1 ≧ Mf (1)
T1> T2 (2)
T2 ≦ Ms (3)
T1> Ms (4)
T2 <Mf (5)

この温度パターンにおいては、温度調整が可能な範囲で第1温度の上限および第2温度の下限に制限がなくなるため温度制御が容易となる。特に本実施形態に係る積層造形装置では、第2レーザ光L2を用いて上面層を加熱するため高い第1温度を実現することができる。すなわち、比較的マルテンサイト変態開始温度(Ms)が高い場合にも有効である。また、マルテンサイト変態開始温度以上から冷却を開始しマルテンサイト変態終了温度以下まで冷却を行う、換言すればマルテンサイト変態が起こる温度帯の全ての範囲でマルテンサイト変態を起こすため再現性が高い。マルテンサイト変態による膨張量が造形時の収縮量以下である材料に適する制御方法である。   In this temperature pattern, the upper limit of the first temperature and the lower limit of the second temperature are not limited as long as the temperature can be adjusted, so that temperature control becomes easy. In particular, in the additive manufacturing apparatus according to the present embodiment, the upper layer is heated using the second laser beam L2, so that a high first temperature can be realized. That is, it is also effective when the martensitic transformation start temperature (Ms) is relatively high. In addition, the cooling is started from the martensite transformation start temperature or higher and is cooled to the martensite transformation end temperature or lower, in other words, the martensite transformation is caused in the entire temperature range where the martensite transformation occurs, so that the reproducibility is high. This is a control method suitable for materials in which the amount of expansion due to martensitic transformation is equal to or less than the amount of shrinkage during modeling.

本発明の一実施形態の金属積層造形物の製造方法において使用可能な材料粉体は、マルテンサイト変態が生じる金属材料、例えば炭素鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼の粉体である。また、材料粉体の形状は、例えば平均粒径20μmの球形である。   The material powder that can be used in the method for producing a metal layered object according to an embodiment of the present invention is a metal material that causes martensitic transformation, for example, carbon steel or martensitic stainless steel powder. The shape of the material powder is, for example, a sphere with an average particle diameter of 20 μm.

また、マルテンサイト変態開始温度およびマルテンサイト変態終了温度は、材料の炭素含有量によってする上下することが分かっている。そこで、材料の炭素含有量を調整することで、本願発明のマルテンサイト変態を利用した造形方法を多様な材料に適応することができる。   It has also been found that the martensitic transformation start temperature and martensitic transformation end temperature vary depending on the carbon content of the material. Then, the modeling method using the martensitic transformation of the present invention can be applied to various materials by adjusting the carbon content of the material.

材料の炭素含有量の調整方法として、例えば、複数の材料を混合してもよい。具体的には、ある金属に対し、相対的に炭素含有量の高い金属または炭素の少なくとも一方を混合することで、所望のマルテンサイト変態開始温度またはマルテンサイト変態終了温度を有する混合材料を生成してもよい。   As a method for adjusting the carbon content of the material, for example, a plurality of materials may be mixed. Specifically, a mixed material having a desired martensite transformation start temperature or martensite transformation end temperature is produced by mixing at least one of a metal having a relatively high carbon content or carbon with a certain metal. May be.

本発明の実施形態に係る積層造形装置は、次のような態様によっても実施することができ、同様の効果を奏することが期待されうる。   The additive manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention can also be implemented in the following manner, and can be expected to exhibit the same effect.

第1に、本発明の実施形態に係る積層造形装置は粉末焼結積層造形方式または粉末溶融積層造形方式による積層造形装置であったが、シート積層方式による積層造形装置であってもよい。すなわち、材料粉体に代えて板状の金属シートを使用して材料層を形成し、材料層の所定箇所に第1レーザ光L1を照射して金属シートを溶融させることを繰り返すよう構成してもよい。   1stly, although the additive manufacturing apparatus which concerns on embodiment of this invention was an additive manufacturing apparatus by a powder sintering additive manufacturing method or a powder fusion additive manufacturing method, the additive manufacturing apparatus by a sheet | seat lamination method may be sufficient. That is, it is configured so that a material layer is formed using a plate-like metal sheet instead of the material powder, and the metal sheet is melted by irradiating a predetermined portion of the material layer with the first laser beam L1. Also good.

第2に、本実施形態では固化層の形成のための照射装置として第1レーザ光L1を照射する第1照射装置13aを使用したが、電子ビームを照射する第1照射装置を使用してもよい。この場合は、上述の実施形態に係る記載において、第1レーザ光L1を電子ビームと読み換えればよいので詳細な説明は省略する。   Secondly, in the present embodiment, the first irradiation device 13a that irradiates the first laser beam L1 is used as the irradiation device for forming the solidified layer. However, even if the first irradiation device that irradiates the electron beam is used. Good. In this case, in the description according to the above-described embodiment, the first laser light L1 may be read as an electron beam, and thus detailed description is omitted.

第3に、本発明の実施形態に係る積層造形装置では、偏光手段45によって偏光した第1レーザ光L1と、偏光手段45を透過した第2レーザ光L2が同軸光となって2軸のガルバノミラー46a、46bへ進行するように、第1照射装置13aおよび第2照射装置13bを配置している。しかしながら、これらを入れ替えて、偏光手段45を透過した第1レーザ光L1と、偏光手段45によって偏光した第2レーザ光L2が同軸光となって2軸のガルバノミラー46a、46bへ進行するように実施してもよい。   Thirdly, in the additive manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention, the first laser light L1 polarized by the polarizing means 45 and the second laser light L2 transmitted through the polarizing means 45 become coaxial light and are biaxial galvano. The first irradiation device 13a and the second irradiation device 13b are arranged so as to proceed to the mirrors 46a and 46b. However, these are interchanged so that the first laser light L1 transmitted through the polarizing means 45 and the second laser light L2 polarized by the polarizing means 45 become coaxial light and travel to the biaxial galvanometer mirrors 46a and 46b. You may implement.

第4に、下記式(1)から(3)の関係が全て満たされる限りにおいて、
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
第1温度および第2温度は造形中一定でなくてよい。例えば、各分割層毎に第1温度および第2温度の具体的数値は変化してもよい。
Fourth, as long as all the relationships of the following formulas (1) to (3) are satisfied,
T1 ≧ Mf (1)
T1> T2 (2)
T2 ≦ Ms (3)
The first temperature and the second temperature may not be constant during modeling. For example, the specific numerical values of the first temperature and the second temperature may change for each divided layer.

第5に、本実施形態では予熱工程、固化工程、加熱工程および冷却工程を平行して行ったが、各部位において予熱工程、固化工程、加熱工程、冷却工程の順に各工程が行われるのであれば、予熱工程、固化工程、加熱工程および冷却工程は平行して行われなくてもよい。例えば、1層または複数層の固化層の形成に係る固化工程を終える毎に、第2レーザ光L2による固化工程を行ってもよい。なお、この場合においては、上面層は加熱工程時点での最上位の固化層を少なくとも含む1層または複数層の固化層である。   Fifth, in the present embodiment, the preheating step, the solidification step, the heating step, and the cooling step were performed in parallel, but each step is performed in the order of the preheating step, the solidification step, the heating step, and the cooling step. For example, the preheating step, the solidifying step, the heating step, and the cooling step may not be performed in parallel. For example, every time the solidification process related to the formation of one or more solidified layers is completed, the solidification process using the second laser beam L2 may be performed. In this case, the upper surface layer is one or a plurality of solidified layers including at least the uppermost solidified layer at the time of the heating step.

本発明の実施形態やその変形例を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。   Although embodiments of the present invention and modifications thereof have been described, these are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1 :チャンバ
1a :保護ウインドウ
3 :材料層形成装置
4 :ベース台
5 :造形テーブル
7 :造形プレート
8 :材料層
11 :リコータヘッド
11a :材料収容部
11b :材料供給部
11c :材料排出部
11fb :ブレード
11rb :ブレード
13 :レーザ照射装置
13a :第1照射装置
13b :第2照射装置
15 :不活性ガス供給装置
17 :保護ウインドウ汚染防止装置
17a :筐体
17b :開口部
17c :拡散部材
17d :不活性ガス供給空間
17e :細孔
17f :清浄室
19 :ヒュームコレクタ
21 :ダクトボックス
23 :ダクトボックス
26 :粉体保持壁
31 :造形テーブル駆動機構
42a :第1光源
42b :第2光源
43a :第1コリメータ
43b :第2コリメータ
44a :第1フォーカス制御ユニット
45 :偏光手段
46a :ガルバノミラー
46b :ガルバノミラー
50 :切削装置
57 :加工ヘッド
60 :スピンドルヘッド
81f :固化層
82f :固化層
L1 :第1レーザ光
L2 :第2レーザ光
P :所定部位
R :造形領域
1: Chamber 1a: Protection window 3: Material layer forming device 4: Base table 5: Modeling table 7: Modeling plate 8: Material layer 11: Recoater head 11a: Material container 11b: Material supply unit 11c: Material discharge unit 11fb : Blade 11rb: blade 13: laser irradiation device 13a: first irradiation device 13b: second irradiation device 15: inert gas supply device 17: protective window contamination prevention device 17a: housing 17b: opening 17c: diffusion member 17d: Inert gas supply space 17e: pore 17f: clean chamber 19: fume collector 21: duct box 23: duct box 26: powder holding wall 31: modeling table drive mechanism 42a: first light source 42b: second light source 43a: first 1 collimator 43b: second collimator 44a: first focus control unit 45 Polarizing means 46a: galvanomirror 46b: galvanomirror 50: Cutting device 57: the processing head 60: Spindle head 81f: solidified layer 82f: solidified layer L1: first laser beam L2: second laser beam P: a predetermined portion R: shaping region

本発明によれば、造形領域を覆うチャンバと、前記造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成する材料層形成装置と、前記材料層の所定の照射領域に第1レーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する第1照射装置と、前記第1レーザ光または前記電子ビームによって形成された前記固化層に第2レーザ光を照射して所定の温度である第1温度まで加熱する第2照射装置と、を備え、前記第1温度まで加熱された前記固化層は、所定の温度である第2温度まで冷却され、前記第1温度をT1、前記第2温度をT2、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度をMs、前記固化層のマルテンサイト変態終了温度をMfとすると、下記式(1)から(3)の関係が全て満たされる、積層造形装置が提供される。
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
According to the present invention, a chamber that covers a modeling area, and a material layer forming apparatus that forms a material layer for each of a plurality of divided layers obtained by dividing a desired three-dimensional structure at a predetermined height with respect to the modeling area. A first irradiation device that irradiates a predetermined irradiation region of the material layer with a first laser beam or an electron beam to sinter or melt to form a solidified layer, and the first irradiation unit is formed by the first laser beam or the electron beam. A second irradiation device that irradiates the solidified layer with a second laser beam and heats the solidified layer to a first temperature, which is a predetermined temperature, and the solidified layer heated to the first temperature has a predetermined temperature. When cooled to the second temperature, the first temperature is T1, the second temperature is T2, the martensite transformation start temperature of the solidified layer is Ms, and the martensite transformation end temperature of the solidified layer is Mf. The relationship from 1) to (3) Is satisfied Te layered manufacturing device is provided.
T1 ≧ Mf (1)
T1> T2 (2)
T2 ≦ Ms (3)

照射装置13が、チャンバ1の上方に設けられる。ここで照射装置13は、材料層8の所定の照射領域に第1レーザ光Lを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する第1照射装置13aと、第1レーザL1によって形成された固化層に第2レーザ光L2を照射して所定の温度まで加熱する第2照射装置13bとを備える。具体的に本実施形態に係る第1照射装置13aは、図4に示すように、第1光源42aと、第1コリメータ43aと、第1フォーカス制御ユニット44aと、を含む。また、第2照射装置13bは、第2光源42bと、第2コリメータ43bと、を含む。さらに、偏光手段45と、走査手段とが設けられる。なお、必要に応じて他の部材を設けてもよく、例えば、第2照射装置13bは、第2光源42bより出力された第2レーザ光L2を所望の照射スポット径に調整する第2フォーカス制御ユニットをさらに備えてもよい。 An irradiation device 13 is provided above the chamber 1. Here, the irradiation device 13 is formed by a first irradiation device 13 a that irradiates a predetermined irradiation region of the material layer 8 with the first laser light L to sinter or melt and forms a solidified layer, and the first laser L 1. A second irradiation device 13b that irradiates the solidified layer with the second laser beam L2 and heats the solidified layer to a predetermined temperature; Specifically, as shown in FIG. 4, the first irradiation device 13a according to the present embodiment includes a first light source 42a, a first collimator 43a, and a first focus control unit 44a. The second irradiation device 13b includes a second light source 42b and a second collimator 43b. Further, polarizing means 45 and scanning means are provided. In addition, you may provide another member as needed, for example, the 2nd irradiation apparatus 13b is 2nd focus control which adjusts the 2nd laser beam L2 output from the 2nd light source 42b to a desired irradiation spot diameter. A unit may be further provided.

第1コリメータ43aは、第1光源42aより出力された第1レーザ光L1を平行光に変換する。第1フォーカス制御ユニット44aは、第1光源42aより出力された第1レーザ光L1を集光し所望のスポット径に調整する。その後、第1レーザ光L1は偏光手段45に到達し、偏光された第1レーザ光、ここでは反射光が2軸のガルバノミラー46a、46bへ進行する。 The first collimator 43a converts the first laser light L1 output from the first light source 42a into parallel light. The first focus control unit 44a collects the first laser light L1 output from the first light source 42a and adjusts it to a desired spot diameter. Thereafter, the first laser beam L1 reaches the polarization means 45, and the polarized first laser beam, here reflected light, travels to the biaxial galvanometer mirrors 46a and 46b.

第2コリメータ43bは、第2光源42bより出力された第2レーザ光L2を平行光に変換する。好ましくは、第2レーザ光L2の照射スポットは、第1レーザ光L1の照射スポットよりも大きく、第1レーザ光L1の照射スポットを囲繞するように構成される。なお、照射スポットとは照射位置、換言すれば材料層8または固化層における第1レーザ光L1および第2レーザ光L2の形状を意味する。第1レーザ光L1および第2レーザ光L2の照射スポットが略円形である場合、第1レーザ光L1の照射位置における照射スポットの径をd1、第2レーザ光L2の照射スポットの径をd2とすると、d2/d1は、例えば、10≦d2/d1≦1000である。このような第2レーザ光L2により、第1レーザ光L1が照射される前の材料層8の予熱と、第1レーザ光L1が照射され固化した固化層の加熱を好適に行うことができる。所望のスポット径に調整された第2レーザ光L2は偏光手段45に到達し、その透過光が2軸のガルバノミラー46a、46bへ進行する。 The second collimator 43b converts the second laser light L2 output from the second light source 42b into parallel light. Preferably, the irradiation spot of the second laser light L2 is larger than the irradiation spot of the first laser light L1, and is configured to surround the irradiation spot of the first laser light L1. The irradiation spot means the irradiation position, that is, the shape of the first laser beam L1 and the second laser beam L2 in the material layer 8 or the solidified layer. When the irradiation spots of the first laser light L1 and the second laser light L2 are substantially circular, the diameter of the irradiation spot at the irradiation position of the first laser light L1 is d1, and the diameter of the irradiation spot of the second laser light L2 is d2. Then, d2 / d1 is, for example, 10 ≦ d2 / d1 ≦ 1000. By such second laser light L2, preheating of the material layer 8 before irradiation with the first laser light L1 and heating of the solidified layer irradiated with the first laser light L1 can be suitably performed. The second laser light L2 adjusted to a desired spot diameter reaches the polarization means 45, and the transmitted light travels to the biaxial galvanometer mirrors 46a and 46b.

走査手段は例えばガルバノスキャナであり、ガルバノスキャナ一対の各ガルバノミラー46a、46bは、それぞれガルバノミラー46a、46bをそれぞれ回転させるアクチュエータを備えている。2軸のガルバノミラー46a、46bは、第1および第2光源42a、42bより出力された第1および第2レーザ光L1、L2を制御可能に2次元走査する。ガルバノミラー46a、46bは、それぞれ、不図示の制御装置から入力される回転角度制御信号の大きさに応じて回転角度が制御される。かかる特徴により、ガルバノミラー46a、46bの各アクチュエータに入力する回転角度制御信号の大きさを変化させることによって、所望の位置に同軸光となった第1レーザ光L1および第2レーザ光L2を照射することができる。 The scanning means is, for example, a galvano scanner, and each of the pair of galvanometer mirrors 46a and 46b of the galvano scanner includes an actuator that rotates the galvanometer mirrors 46a and 46b, respectively. The biaxial galvanometer mirrors 46a and 46b scan the two-dimensionally controllable first and second laser beams L1 and L2 output from the first and second light sources 42a and 42b. The rotation angles of the galvanometer mirrors 46a and 46b are controlled according to the magnitude of a rotation angle control signal input from a control device (not shown). With such a feature, the first laser light L1 and the second laser light L2 that have become coaxial light are irradiated to desired positions by changing the magnitude of the rotation angle control signal input to each actuator of the galvanometer mirrors 46a and 46b. can do.

本発明の実施形態に係る積層造形装置は、前述の第2照射装置13bを少なくとも用いて上面層が第1温度まで加熱され、その後上面層が第2温度まで冷却されることを特徴とする。ここで、第1温度をT1、第2温度をT2、固化層のマルテンサイト変態開始温度をMsおよび固化層のマルテンサイト変態終了温度をMf、とすると、下記式(1)から(3)の関係が全て満たされる。
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
焼結または溶融後、冷却される前の上面層は、オーステナイト相を含む状態であって、冷却により少なくとも一部がマルテンサイト相へと変態する。なお、上面層とは、形成されてから第1温度、第2温度の一連の順番で行われる温度調整、換言すればマルテンサイト変態のための加熱および冷却が1度も実施されていない固化層をいう。本実施形態においては、具体的に、上面層は後述の加熱工程時点での最上位の固化層である。
The additive manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention is characterized in that the upper surface layer is heated to the first temperature using at least the second irradiation device 13b described above, and then the upper surface layer is cooled to the second temperature. When the first temperature is T1, the second temperature is T2, the martensite transformation start temperature of the solidified layer is Ms, and the martensite transformation end temperature of the solidified layer is Mf, the following formulas (1) to (3) All relationships are satisfied.
T1 ≧ Mf (1)
T1> T2 (2)
T2 ≦ Ms (3)
After the sintering or melting, the upper surface layer before being cooled is in a state containing an austenite phase, and at least a part is transformed into a martensite phase by cooling. Note that the upper surface layer, a first temperature after being formed, the temperature adjustment performed by the sequential order of the second temperature, heating and cooling for the martensitic transformation is not performed even once in other words solidified Refers to the layer. In the present embodiment, specifically, the upper surface layer is the uppermost solidified layer at the time of the heating process described later.

ここで、本発明の一実施形態に係る積層造形物の製造方法における各工程について図7〜図9および図10A〜図10Eを用いて説明する。なお、図7〜図9では、視認性を考慮し図1では示していた構成要素を一部省略している。また、以下において、造形領域Rに対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層8を形成する工程をリコート工程、第1レーザ光L1が照射される前の材料層8を第2レーザ光L2が予熱する予熱工程、材料層8の所定の照射領域に第1レーザ光L1を照射して焼結または溶融させ固化層を形成する工程を固化工程、第1レーザ光L1によって形成された固化層に第2レーザ光L2を照射して第1温度まで加熱する加熱工程、第1温度まで加熱された固化層を第2温度まで冷却する工程を冷却工程と呼ぶ Here, each process in the manufacturing method of the laminate-molded article which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated using FIGS. 7-9 and FIG. 10A-FIG. 10E. 7 to 9, some of the components shown in FIG. 1 are omitted in consideration of visibility. Further, in the following, a step of forming the material layer 8 for each of a plurality of divided layers obtained by dividing a desired three-dimensional structure at a predetermined height with respect to the modeling region R is irradiated with the first laser light L1. A preheating step in which the second laser beam L2 preheats the material layer 8 before being heated, and a step in which a predetermined irradiation region of the material layer 8 is irradiated with the first laser beam L1 to be sintered or melted to form a solidified layer. A step of heating the solidified layer formed by the first laser beam L1 to the first temperature by irradiating the second laser beam L2, and a step of cooling the solidified layer heated to the first temperature to the second temperature. This is called a cooling process .

次に、所定部位Pにおいて1回目の冷却工程が行われる。図10Eに示すように、第2レーザ光L2による所定部位Pへの加熱が終了したため、所定部位Pは造形プレート7や不活性ガス雰囲気等に熱を奪われ(前述の通り、2回目以降の冷却工程では下層の固化層によっても熱を奪われる)、第2温度まで冷却される。 Next, a first cooling step is performed at the predetermined portion P. As shown in FIG. 10E, since the heating of the predetermined portion P by the second laser beam L2 is completed, the predetermined portion P is deprived of heat by the modeling plate 7 or the inert gas atmosphere (as described above, the second and subsequent times) In the cooling step, heat is also taken away by the lower solidified layer) , and is cooled to the second temperature.

1 :チャンバ
1a :保護ウインドウ
3 :材料層形成装置
4 :ベース台
5 :造形テーブル
7 :造形プレート
8 :材料層
11 :リコータヘッド
11a :材料収容部
11b :材料供給部
11c :材料排出部
11fb :ブレード
11rb :ブレード
13 :照射装置
13a :第1照射装置
13b :第2照射装置
15 :不活性ガス供給装置
17 :保護ウインドウ汚染防止装置
17a :筐体
17b :開口部
17c :拡散部材
17d :不活性ガス供給空間
17e :細孔
17f :清浄室
19 :ヒュームコレクタ
21 :ダクトボックス
23 :ダクトボックス
26 :粉体保持壁
31 :造形テーブル駆動機構
42a :第1光源
42b :第2光源
43a :第1コリメータ
43b :第2コリメータ
44a :第1フォーカス制御ユニット
45 :偏光手段
46a :ガルバノミラー
46b :ガルバノミラー
50 :切削装置
57 :加工ヘッド
60 :スピンドルヘッド
81f :固化層
82f :固化層
L1 :第1レーザ光
L2 :第2レーザ光
P :所定部位
R :造形領域
1: Chamber 1a: Protection window 3: Material layer forming device 4: Base table 5: Modeling table 7: Modeling plate 8: Material layer 11: Recoater head 11a: Material container 11b: Material supply unit 11c: Material discharge unit 11fb : Blade 11rb: blade 13: irradiation device 13a: first irradiation device 13b: second irradiation device 15: inert gas supply device 17: protective window contamination prevention device 17a: housing 17b: opening 17c: diffusion member 17d: non Active gas supply space 17e: Fine hole 17f: Clean chamber 19: Fume collector 21: Duct box 23: Duct box 26: Powder holding wall 31: Modeling table drive mechanism 42a: First light source 42b: Second light source 43a: First Collimator 43b: Second collimator 44a: First focus control unit 45: Polarized light Stage 46a: galvanomirror 46b: galvanomirror 50: Cutting device 57: the processing head 60: Spindle head 81f: solidified layer 82f: solidified layer L1: first laser beam L2: second laser beam P: a predetermined portion R: shaping region

Claims (16)

造形領域を覆うチャンバと、
前記造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成する材料層形成装置と、
前記材料層の所定の照射領域に第1照射スポットを有する第1レーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する第1照射装置と、
前記第1レーザ光または前記電子ビームによって形成された前記固化層に第2レーザ光を照射して所定の温度である第1温度まで加熱する第2照射装置と、を備え、
前記第1温度まで加熱された前記固化層は、所定の温度である第2温度まで冷却され、
前記第1温度をT1、前記第2温度をT2、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度をMs、前記固化層のマルテンサイト変態終了温度をMfとすると、下記式(1)から(3)の関係が全て満たされる、
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
積層造形装置。
A chamber covering the modeling area;
A material layer forming apparatus for forming a material layer for each of a plurality of divided layers obtained by dividing a desired three-dimensional structure at a predetermined height with respect to the modeling region;
A first irradiation device that forms a solidified layer by irradiating a first laser beam or an electron beam having a first irradiation spot to a predetermined irradiation region of the material layer to sinter or melt;
A second irradiation device that heats the solidified layer formed by the first laser beam or the electron beam to a first temperature that is a predetermined temperature by irradiating the solidified layer with a second laser beam;
The solidified layer heated to the first temperature is cooled to a second temperature, which is a predetermined temperature,
When the first temperature is T1, the second temperature is T2, the martensite transformation start temperature of the solidified layer is Ms, and the martensite transformation end temperature of the solidified layer is Mf, the following formulas (1) to (3) All relationships are satisfied,
T1 ≧ Mf (1)
T1> T2 (2)
T2 ≦ Ms (3)
Additive manufacturing equipment.
前記材料層は、炭素鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼からなる、
請求項1に記載の積層造形装置。
The material layer is made of carbon steel or martensitic stainless steel.
The additive manufacturing apparatus according to claim 1.
前記第2レーザ光の照射スポットは、前記第1レーザ光または前記電子ビームの照射スポットよりも大きく、前記第1レーザ光または前記電子ビームの照射スポットを囲繞する、
請求項1または請求項2に記載の積層造形装置。
The irradiation spot of the second laser light is larger than the irradiation spot of the first laser light or the electron beam and surrounds the irradiation spot of the first laser light or the electron beam.
The additive manufacturing apparatus according to claim 1 or 2.
前記第2レーザ光は、前記第1レーザ光または前記電子ビームが照射される前の前記材料層を予熱する、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の積層造形装置。
The second laser light preheats the material layer before being irradiated with the first laser light or the electron beam.
The additive manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 3.
前記チャンバ内に配置され上下方向に移動可能な造形テーブルをさらに備え、
前記材料層は造形テーブル上に形成され、
前記造形テーブルは前記第2温度に温度調整される、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の積層造形装置。
Further comprising a shaping table arranged in the chamber and movable in the vertical direction;
The material layer is formed on a modeling table,
The modeling table is temperature adjusted to the second temperature,
The additive manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 4.
前記第1レーザ光または前記電子ビームと前記第2レーザ光は同軸光である、
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の積層造形装置。
The first laser light or the electron beam and the second laser light are coaxial light,
The additive manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 5.
前記第1レーザ光もしくは前記電子ビームまたは前記第2レーザ光のうち一方を透過し、他方を前記一方と同じ光路に偏光する偏光手段と、
前記偏光手段によって同軸光となった前記第1レーザ光または前記電子ビームと前記第2レーザ光を走査する走査手段と、をさらに備える、
請求項6に記載の積層造形装置。
Polarizing means for transmitting one of the first laser light, the electron beam, or the second laser light and polarizing the other in the same optical path as the one;
Scanning means for scanning the first laser light or the electron beam and the second laser light that have been converted into coaxial light by the polarizing means;
The additive manufacturing apparatus according to claim 6.
下記式(4)および(5)の関係をさらに満たす、
T1>Ms (4)
T2<Mf (5)
請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の積層造形装置。
Further satisfy the relationship of the following formulas (4) and (5):
T1> Ms (4)
T2 <Mf (5)
The additive manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 7.
造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成するリコート工程と、
前記材料層の所定の照射領域に第1レーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する固化工程と、
前記第1レーザ光または前記電子ビームによって形成された前記固化層に第2レーザ光を照射して所定の温度である第1温度まで加熱する加熱工程と、
前記第1温度まで加熱された前記固化層を所定の温度である第2温度まで冷却する冷却工程と、を備え、
前記第1温度をT1、前記第2温度をT2、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度をMs、前記固化層のマルテンサイト変態終了温度をMfとすると、下記式(1)から(3)の関係が全て満たされる、
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
積層造形物の製造方法。
A recoating step of forming a material layer for each of a plurality of divided layers obtained by dividing a desired three-dimensional structure at a predetermined height with respect to a modeling region;
A solidification step in which a predetermined irradiation region of the material layer is irradiated with a first laser beam or an electron beam to be sintered or melted to form a solidified layer;
A heating step of irradiating the solidified layer formed by the first laser beam or the electron beam with a second laser beam to heat it to a first temperature which is a predetermined temperature;
Cooling the solidified layer heated to the first temperature to a second temperature, which is a predetermined temperature, and
When the first temperature is T1, the second temperature is T2, the martensite transformation start temperature of the solidified layer is Ms, and the martensite transformation end temperature of the solidified layer is Mf, the following formulas (1) to (3) All relationships are satisfied,
T1 ≧ Mf (1)
T1> T2 (2)
T2 ≦ Ms (3)
Manufacturing method of layered object.
前記材料層は、炭素鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼からなる、
請求項9に記載の積層造形物の製造方法。
The material layer is made of carbon steel or martensitic stainless steel.
The method for producing a layered object according to claim 9.
前記第2レーザ光の照射スポットは、前記第1レーザ光または前記電子ビームの照射スポットよりも大きく、前記第1レーザ光または前記電子ビームの照射スポットを囲繞する、
請求項9または請求項10に記載の積層造形物の製造方法。
The irradiation spot of the second laser light is larger than the irradiation spot of the first laser light or the electron beam and surrounds the irradiation spot of the first laser light or the electron beam.
The manufacturing method of the laminate-molded article of Claim 9 or Claim 10.
前記第2レーザ光が前記第1レーザ光または前記電子ビームが照射される前の前記材料層を予熱する予熱工程をさらに備える、
請求項9から請求項11のいずれか1項に記載の積層造形物の製造方法。
A preheating step of preheating the material layer before the second laser light is irradiated with the first laser light or the electron beam;
The method for producing a layered object according to any one of claims 9 to 11.
前記チャンバ内に配置され上下方向に移動可能な造形テーブルをさらに備え、
前記材料層は造形テーブル上に形成され、
前記造形テーブルは前記第2温度に温度調整される、
請求項9から請求項12のいずれか1項に記載の積層造形物の製造方法。
Further comprising a shaping table arranged in the chamber and movable in the vertical direction;
The material layer is formed on a modeling table,
The modeling table is temperature adjusted to the second temperature,
The method for manufacturing a layered object according to any one of claims 9 to 12.
前記第1レーザ光または前記電子ビームと前記第2レーザ光は同軸光である、
請求項9から請求項13のいずれか1項に記載の積層造形物の製造方法。
The first laser light or the electron beam and the second laser light are coaxial light,
The method for manufacturing a layered object according to any one of claims 9 to 13.
前記第1レーザ光もしくは前記電子ビームまたは前記第2レーザ光のうち一方を透過し、他方を前記一方と同じ光路に偏光する偏光手段と、
前記偏光手段によって同軸光となった前記第1レーザ光または前記電子ビームと前記第2レーザ光を走査する走査手段と、をさらに備える、
請求項14に記載の積層造形物の製造方法。
Polarizing means for transmitting one of the first laser light, the electron beam, or the second laser light and polarizing the other in the same optical path as the one;
Scanning means for scanning the first laser light or the electron beam and the second laser light that have been converted into coaxial light by the polarizing means;
The method for producing a layered object according to claim 14.
下記式(4)および(5)の関係をさらに満たす、
T1>Ms (4)
T2<Mf (5)
請求項9から請求項15のいずれか1項に記載の積層造形物の製造方法。
Further satisfy the relationship of the following formulas (4) and (5):
T1> Ms (4)
T2 <Mf (5)
The method for manufacturing a layered object according to any one of claims 9 to 15.
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