JP2019183219A - 三次元造形物の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザ光の照射による材料粉体の焼結中または焼結後にベースプレートが変形することにより、形成対象の積層造形物の形状精度が低下することを防ぐ。【解決手段】本発明によれば、造形領域内に載置される治具プレートに対して、材料粉体を積層するためのベースプレートを、固定部材を用いて前記ベースプレートの位置ずれが生じない可能な限り前記ベースプレートの中心に近い位置において１以上の箇所で前記治具プレートに固定する第１の工程と、前記ベースプレートの上において前記材料粉体を均一に平坦に撒布して所定の照射領域にレーザ光を照射し、当該材料粉体を焼結して焼結層を形成し前記焼結層を積層して焼結体を生成する第２の工程と、前記焼結体の少なくとも上面を平坦に削り出して加工面を形成する第３の工程とを含んでなる三次元造形物の製造方法が提供される。【選択図】図８

Description

この発明は、三次元造形物の製造方法に関する。
レーザ光による積層造形法では、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に載置されたベースプレート上に、金属からなる非常に薄い焼結層を積層する。具体的には、金属材料粉体を平坦に撒布して形成される材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射し、照射位置の材料粉体を加熱して溶融させた後に冷却して固化させる焼結を繰り返し、複数の焼結層を積層して所望の三次元形状の造形物を形成する。以下、本発明においては、複数の焼結層を積層してなる焼結体とベースプレートとが一体になった物体を三次元造形物という。さらに、焼結層の積層途中または三次元造形物の生成後に、鉛直１軸方向と水平２軸方向に同期して移動可能なエンドミル等の切削工具を用いて、三次元形状に所定の切削加工を行って表面を仕上ることがある。
ところで、レーザ光の照射によって加熱され溶融した材料粉体が冷却されて固化したときに、焼結層が時間の経過とともに徐々に収縮することが知られている。その結果、焼結直後の上層の焼結層が収縮するのにともなって、ベースプレートとベースプレートに固着してすでに収縮が完了している下層の焼結層の端縁側が上方向に引っ張られるように変形してしまう。そこで、たとえば特許文献１は、ベースプレートをボルトのような取外し可能な留具によって造形テーブルに対して固定することにより、ベースプレートの変形を防止する技術を開示している。なお、特許文献２に開示されているように、造形前に予めベースプレートに熱処理をして変形させておく技術も知られている。
特許第５６１１４３３号公報 特許第５５３５１２１号公報
しかし、特許文献１の方法では、焼結層の収縮によるベースプレートの変形が抑制されることによって、ベースプレートとベースプレートに固着された焼結層の内部に主に引張応力が残留しているため、ベースプレートを造形テーブルから取り外した後に焼結層とベースプレートとが時間とともに徐々に変形し、焼結体にひび割れが発生したり、ベースプレート上に形成された焼結体の形状精度が低下したりするといった不具合が発生していた。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、レーザ光の照射による材料粉体の焼結中または焼結後にベースプレートが変形することにより、形成対象の三次元造形物が破損したり、形状精度が低下したりすることを防止することを目的とする。
本発明によれば、造形領域内に載置された治具プレートに対して、材料粉体を積層するためのベースプレートを、固定部材を用いて前記ベースプレートの位置ずれが生じない可能な限り前記ベースプレートの中心に近い位置において１以上の箇所で前記治具プレートにする第１の工程と、前記ベースプレートの上において前記材料粉体を均一に平坦に撒布して所定の照射領域にレーザ光を照射し、当該材料粉体を焼結して焼結層を形成し前記焼結層を積層して焼結体を生成する第２の工程と、前記焼結体の少なくとも上面を平坦に削り出す第３の工程と、を含んでなる三次元造形物の製造方法が提供される。
本発明では、焼結層が形成される際にベースプレートの変形を許容しているため、焼結体とベースプレートの変形が終息した後は、焼結体とベースプレートの残留応力が釣り合った状態にあるためにそれ以上の変形が生じない。そして、焼結体とベースプレートの変形終息後の焼結体の上面ないしはベースプレートの裏面に対して平坦に削り出すだけであるため、その後も焼結体とベースプレートの残留応力が釣り合った状態が維持されて変形することはなく、その結果、三次元造形物の破損と形状精度の低下を防止することができる。
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、前記第３の工程において、前記造形領域内の前記治具プレート上に前記焼結体を含む前記ベースプレートを載置した状態で、前記焼結体の上面を平坦に削り出す。
好ましくは、前記第３の工程後に前記焼結体の上面を基準面にして前記ベースプレートの裏面を平坦に削り出す第４の工程を含んでなる。
好ましくは、前記第３の工程において前記焼結体の上面を平坦に削り出した後、前記ベースプレートの上面に複数の支柱を取り付け、前記複数の支柱の上面をそれぞれ同じ高さの水平面上で水平に平坦に削り出してから前記複数の支柱によって前記ベースプレートを上下逆に支持する。
本発明の実施形態に係る積層造形装置の概略構成図である。 本発明の実施形態に係る粉体層形成装置３およびレーザ光照射部１３の斜視図である。 本発明の実施形態に係るリコータヘッド１１の斜視図である。 本発明の実施形態に係るリコータヘッド１１の別の角度から見た斜視図である。 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である。 治具プレート７およびベースプレート３３を示す斜視図である。 治具プレート７およびベースプレート３３を示す平面図である。 ベースプレート３３と固定ボルト３７との位置関係を示す図である。 図７におけるＡ−Ａ断面における断面図である。 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である。 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である。 ベースプレート３３上に焼結体８１が形成された状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る切削工程を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る支柱取付工程を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る研削工程を示す説明図である。 本発明の実施形態において製造された三次元造形物を示す図である。
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。また、各特徴事項について独立して発明が成立する。
（積層造形装置）
図１に示すように、本発明の実施形態に係る積層造形装置は、チャンバ１とレーザ光照射部１３とを有する。
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、内部に粉体層形成装置３が設けられ、上面部にヒューム拡散装置１７が設けられる。粉体層形成装置３は、ベース台４とリコータヘッド１１とを有する。
ベース台４は、三次元造形物が形成される造形領域Ｒを有する。造形領域Ｒは、造形テーブル５の上に形成される。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Ａ方向）に移動することができる。造形時には、造形テーブル５上に治具プレート７およびベースプレート３３が配置され、その上に材料粉体層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われる領域とおおよそ一致する。
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、未焼結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、未焼結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。
リコータヘッド１１は、図２〜図４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。
材料収容部１１ａは材料粉体を収容する。なお、材料粉体は、例えば金属粉（例：鉄粉）であり、例えば平均粒径２０μｍの球形である。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。
また、リコータヘッド１１の両側面には、ブレード１１ｆｂ、１１ｒｂとリコータヘッド供給口１１ｆｓとリコータヘッド排出口１１ｒｓとが設けられる。ブレード１１ｆｂ、１１ｒｂは、材料排出部１１ｃから供給される材料粉体を撒布して平坦にする。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粉体層８を形成する。リコータヘッド供給口１１ｆｓおよびリコータヘッド排出口１１ｒｓ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）に沿ってそれぞれ設けられ、不活性ガスの供給および排出を行う。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であり、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等が例示される。
図１に示すように、切削装置５０は、スピンドル６０と撮像部４１と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制御可能に、スピンドル６０と撮像部４１とを所望の位置に鉛直１軸および水平２軸方向に同期させて移動させる。
スピンドル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可能に構成されており、材料粉体を焼結して得られた焼結層の表面や不要な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。なお、本実施形態における「焼結」とは、レーザ光Ｌが材料粉体に照射されることにより、材料粉体が加熱されて溶融した後に冷却されて固化することを意味する。
撮像部４１は、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等の撮像素子であり、レーザ光Ｌが材料粉体を焼結することによって得られる焼結痕を未焼結の材料粉体と区別可能に撮像することができる。撮像部４１が例えば焼結痕を撮像することで、レーザ光Ｌの造形テーブル５の高さでの実際の照射位置（実照射位置）を取得することができ、照射位置の補正処理に使用することができる。
つまり、スピンドル６０と撮像部４１とは、ともに同一の駆動系（ここでは加工ヘッド５７）に設けられているため、撮像部４１の撮像より得られるレーザ光Ｌの実照射位置とスピンドル６０に装着される切削工具の位置制御に係る平面座標系とは対応関係が既知となる。かかる構成によって、撮像部４１を用いて切削工具の位置制御に係る平面座標系とレーザ光Ｌの位置制御に係る平面座標系との対応付けをより高精度に行うことができる。あるいは、撮像部４１を光検出器に置き換え、ここに直接レーザ光Ｌを照射することによって、照射位置の補正処理を実行してもよい。
チャンバ１の上面には、ウィンドウ１ａを覆うようにヒューム拡散装置１７が設けられる。ヒューム拡散装置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を通じてヒューム拡散装置１７の下方に向かって噴出される。
図２に示すように、レーザ光照射部１３は、チャンバ１の上方に設けられる。レーザ光照射部１３は、造形領域Ｒ上に形成される材料粉体層８の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して照射位置の材料粉体を焼結させる。具体的には、レーザ光照射部１３は、レーザ光源４２とフォーカス制御ユニット４４とレーザ光走査ユニットとを有する。本実施形態のレーザ走査ユニットは、２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂである。なお、各ガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、それぞれガルバノミラー４３ａ、４３ｂを回転させるアクチュエータを備えている。
レーザ光源４２はレーザ光Ｌを照射する。ここで、レーザ光Ｌは、材料粉体を焼結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レーザ等を用いることができる。
フォーカス制御ユニット４４は、レーザ光源４２より出力されたレーザ光Ｌを集光し所望のスポット径に調整する。２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、レーザ光源４２より出力されたレーザ光Ｌを制御可能に２次元走査する。特にガルバノミラー４３ａは、レーザ光Ｌを矢印Ｂ方向（Ｘ軸方向）に走査し、ガルバノミラー４３ｂは、レーザ光Ｌを矢印Ｃ方向（Ｙ軸方向）に走査する。ガルバノミラー４３ａ、４３ｂ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４３ａ、４３ｂ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、所望の位置にレーザ光Ｌを照射することができる。
ガルバノミラー４３ａ、４３ｂを通過したレーザ光Ｌは、チャンバ１に設けられたウィンドウ１ａを透過して造形領域Ｒに形成された材料粉体層８に照射される。ウィンドウ１ａは、レーザ光Ｌを透過可能な材料で形成される。例えば、レーザ光ＬがファイバーレーザまたはＹＡＧレーザの場合、ウィンドウ１ａは石英ガラスで構成可能である。
図１、図３および図４を参照して、不活性ガス給排系統について説明する。不活性ガス給排系統は、チャンバ１に設けられる複数の不活性ガスの供給口および排出口と、各供給口および各排出口と不活性ガス供給装置１５およびヒュームコレクタ１９とを接続する配管を含む。本実施形態では、リコータヘッド供給口１１ｆｓ、チャンバ供給口１ｂ、副供給口１ｅ、およびヒューム拡散装置供給口１７ｇを含む供給口と、チャンバ排出口１ｃ、リコータヘッド排出口１１ｒｓ、副排出口１ｆを含む排出口とを備える。
図３および図４に示すように、リコータヘッド供給口１１ｆｓは、チャンバ排出口１ｃの設置位置に対応してチャンバ排出口１ｃに対面するように設けられる。好ましくは、リコータヘッド供給口１１ｆｓは、リコータヘッド１１が不図示の材料供給装置の設置位置に対して所定の照射領域を挟んで反対側に位置しているときにチャンバ排出口１ｃと対面するように、矢印Ｃ方向に沿ってリコータヘッド１１の片面に設けられる。
チャンバ排出口１ｃは、チャンバ１の側板にリコータヘッド供給口１１ｆｓに対面するように所定の照射領域から所定距離離れて設けられる。また、チャンバ排出口１ｃに接続するように不図示の吸引装置が設けられるとよい。当該吸引装置は、レーザ光Ｌの照射経路からヒュームを効率よく排除することを助ける。また、吸引装置によってチャンバ排出口１ｃにおいて、より多くの量のヒュームを排出することができ、造形空間１ｄ内にヒュームが拡散しにくくなる。
チャンバ供給口１ｂは、ベース台４の端上に所定の照射領域を間に置いてチャンバ排出口１ｃに対面するように設けられる。チャンバ供給口１ｂは、リコータヘッド１１が所定の照射領域を通過してリコータヘッド供給口１１ｆｓが所定の照射領域を間に置かずにチャンバ排出口１ｃに直面する位置にあるとき、リコータヘッド供給口１１ｆｓからチャンバ供給口１ｂに選択的に切り換えられて開放される。そのため、チャンバ供給口１ｂは、リコータヘッド供給口１１ｆｓから供給される不活性ガスと同じ所定の圧力と流量の不活性ガスをチャンバ排出口１ｃに向けて供給するので、常に同じ方向に不活性ガスの流れを作り出し、安定した焼結を行える点で有利である。
リコータヘッド排出口１１ｒｓは、リコータヘッド１１のリコータヘッド供給口１１ｆｓが設けられている片面に対して反対側の側面に、矢印Ｃ方向に沿って設けられる。リコータヘッド供給口１１ｆｓから不活性ガスを供給できないとき、換言すれば、チャンバ供給口１ｂから不活性ガスを供給するときに、所定の照射領域のより近くで不活性ガスの流れを作り出していくらかのヒュームを排出するので、ヒュームをより効率よくレーザ光Ｌの照射経路から排除することができる。
また、本実施形態の不活性ガス給排系統は、チャンバ排出口１ｃに対面するようにチャンバ１の側板に設けられヒュームコレクタ１９から送給されるヒュームが除去された清浄な不活性ガスを造形空間１ｄに供給する副供給口１ｅと、チャンバ１の上面に設けられヒューム拡散装置１７へ不活性ガスを供給するヒューム拡散装置供給口１７ｇと、チャンバ排出口１ｃの上側に設けられチャンバ１の上側に残留するヒュームを多く含む不活性ガスを排出する副排出口１ｆとを備える。
チャンバ１への不活性ガス供給系統には、不活性ガス供給装置１５と、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。本実施形態では、図１に示すように、リコータヘッド供給口１１ｆｓ、チャンバ供給口１ｂ、およびヒューム拡散装置供給口１７ｇと接続される。
図１に示すように、ヒュームコレクタ１９は、その上流側および下流側にそれぞれダクトボックス２１、２３を有する。チャンバ１からチャンバ排出口１ｃおよび副排出口１ｆを通じて排出されたヒュームを含む不活性ガスは、ダクトボックス２１を通じてヒュームコレクタ１９に送られ、ヒュームコレクタ１９においてヒュームが除去された清浄な不活性ガスがダクトボックス２３を通じてチャンバ１の副供給口１ｅへ送られる。このような構成により、不活性ガスの再利用が可能になっている。
ヒューム排出系統として、チャンバ排出口１ｃ、リコータヘッド排出口１１ｒｓ、および副排出口１ｆとヒュームコレクタ１９とがダクトボックス２１を通じてそれぞれ接続される。ヒュームコレクタ１９においてヒュームが取り除かれた後の清浄な不活性ガスは、チャンバ１へと返送され再利用される。
（三次元造形物の製造方法）
図５〜図１６を用いて、上述した積層造形装置を用いた積層造形物の製造方法について説明する。なお、図５〜図１６では、視認性を考慮し図１〜図４で示していた積層造形装置の構成要素を一部省略している。
まず、図５に示すように、造形テーブル５上に治具プレート７およびベースプレート３３を載置した状態で造形テーブル５の高さを適切な位置に調整する。治具プレート７およびベースプレート３３は、いずれも鉄または鋼鉄などの金属で構成される。治具プレート７およびベースプレート３３は、同一の材質でもよく、または、異なる材質としてもよい。
図６は、造形テーブル５上に載置される治具プレート７およびベースプレート３３を示す斜視図である。図６に示すように、治具プレート７は、その四隅において固定ボルト３５で造形テーブル５に固定される。治具プレート７の上には、さらにベースプレート３３が固定される。本実施形態では、治具プレート７およびベースプレート３３は略正方形となる平面を備えるが、その例に限定されない。以降の説明のため、図６に示すように、前後方向、左右方向、上下方向を定義する。
図７は、治具プレート７およびベースプレート３３を示す平面図である。図８は、図７におけるＡ−Ａ断面における断面図である。図７および図８に示されるように、固定工程において、ベースプレート３３は、固定部材としての固定ボルト３７，３７によって治具プレート７に対して固定される。
本発明の積層造形による三次元造形物の製造方法における第１の工程は、ベースプレート３３を治具プレート７に固定する工程である。本発明の三次元造形物の製造方法においては、基本的に、造形後に残留応力による変形が生じないようにするために、造形中にベースプレート３３の変形を許容する。一般的に、引張りの残留応力によってベースプレート３３の端縁が反り上がるように変形するので、ベースプレート３３の真中の１点でベースプレート３３を治具プレート７に固定することが望ましい。ただし、変形するときに発生する強い力が固定している箇所に集中して作用し、あるいは外の力を受けることによってベースプレート３３の位置がずれてしまうおそれがあるので、ベースプレート３３を位置ずれが生じないように固定する必要がある。したがって、ベースプレート３３は、ベースプレート３３の位置ずれが生じない範囲で可能な限りベースプレート３３の中心に近い位置において可能な限り少ない１以上の箇所で治具プレート７に固定するようにする。
図９は、ベースプレート３３と固定ボルト３７との位置関係を示す平面図である。どの位置を何箇所で固定するかは、ベースプレート３３と焼結体８１の材質、形状、サイズによって異なるが、固定部材が固定ボルト３７であるときに検証した具体的な例を図９に示す。図９において、焼結体８１の材質は、マルエージング鋼であり、ベースプレート３３の材質は、機械構造用炭素鋼（Ｓ５０Ｃ）でサイズが２３０ｍｍ×１８０ｍｍ×５０ｍｍである。ベースプレート３３の重心Ｐから端部Ｑまでの長さをｒ１として示す。ここで、端部とは、平面視において重心Ｐから最も離れたベースプレート３３の点を意味する。そして、ベースプレート３３の重心Ｐを中心として、固定ボルト３７，３７をいずれも取り囲む円をＣＲとし、円ＣＲの半径をｒ２として示す。このとき、ｒ２／ｒ１≦０．７０となるように固定ボルト３７の位置を定める。ｒ２／ｒ１の値は、具体的には例えば、０．０５、０．１０、０．１５、０．２０、０．２５、０．３０、０．３５、０．４０、０．４５、０．５０、０．５５、０．６０、０．６５、０．７０であり、ここで例示した数値のいずれか２つの間の範囲内であってもよい。
第２の工程は、第１の工程で固定されたベースプレート３３の上において所定の厚さで平坦に撒布された材料粉体をレーザ光の照射によって加熱し溶融した後に冷却して固化することによって材料粉体を焼結して焼結層を形成することを繰り返して焼結体８１を生成する工程である。焼結体８１は、造形の途中の段階の複数の焼結層で形成された物体である場合と、所期の造形が完了して複数の焼結層で形成された物体である場合とを含む。
具体的には、第２の工程は、図１０に示すように、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、ベースプレート３３上に１層目の材料粉体層８ａを形成し、材料粉体層８ａ中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することで材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、ベースプレート３３上に１層目の焼結層８１ａを形成する。
次に、図１１に示すように、造形テーブル５の高さを１層目の焼結層８１ａの厚さ分下げ、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、焼結層８１ａ上に２層目の材料粉体層８ｂを形成する。そして、材料粉体層８ｂ中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することによって材料粉体層８ｂのレーザ光照射部位を焼結させ、ベースプレート３３上に２層目の焼結層８１ｂを形成する。そして、複数の焼結層８１ａ，８１ｂ...の形成を繰り返すことによって、焼結体８１が形成される。このようにして順次積層される焼結層同士は、互いに強く固着される。
図１２は、ベースプレート３３上に焼結体８１が形成された状態を示す図である。ここで図１２に示すように、ベースプレート３３は、端縁が上方に反り返るように変形している。これは、焼結体８１を形成する際のレーザ光の照射によって、材料粉体層８が加熱されて溶融する際に膨張し、その後に冷却されて固化する際に収縮するため、焼結層８１ａ，８１ｂ...と接触しているベースプレート３３も焼結層８１ａ，８１ｂ...の収縮に伴って、上方に反り返るように変形すると考えられる。そして、第１の工程において、ベースプレート３３は、その重心Ｐの近傍が治具プレート７に対して固定されているため、ベースプレート３３の端縁が上方に反り返ることとなる。
第３の工程は、第２の工程で生成された焼結体８１の少なくとも上面８２を平坦に削り出す工程である。焼結体８１の上面８２は、切削または研削によって水平に平坦に削り出すことができる。取り代が比較的大きく焼結体８１の上面８２の面積が比較的小さい場合は、切削加工が有利であり、その反対は、研削加工が有利である。本発明の三次元造形物の製造方法を実施するための積層造形装置は、すでに説明されているように、スピンドル６０を備えているので、切削によって焼結体８１の上面を水平に平坦に削り出す。したがって、治具プレート７上に焼結体８１を含むベースプレート３３を載置した状態でそのまま焼結体８１の上面を平坦に削り出すことができるので、ベースプレート３３を切削機械または研削機械に取り付け替えるときに生じる誤差の発生を防ぐとともにベースプレート３３の付替え作業の負担がない点で有利である。
具体的には、第３の工程は、スピンドル６０に装着された回転切削工具によって、焼結体８１に対して切削加工を行う切削工程を実施する。図１３は、治具プレート７およびベースプレート３３を右方向から左方向へ見た側面図を示す。図１３Ａに示す例では、焼結体８１の上面８２は端縁が上方に反る形状となっている。ここで、焼結体８１の上面８２の反り具合は、ベースプレート３３の反り具合に比べると緩やかとなる。焼結体８１の形成工程において、上面の反り具合に合わせて積層する材料粉体の量を調整できるためである。実施形態における第３の工程では、造形が完了した後の焼結体８１の上面８２に対して切削加工を行い、図１３Ｂに示す加工面８４を形成する。本実施形態では、加工面８４が水平面となるように平坦に削り出すようにしているが、その例に限定されない。ただし、第３の工程は、ベースプレート３３の反り返りを伴う変形が終息してから行うのが好ましい。このようにすることで、焼結体８１とベースプレート３３の残留応力が釣り合っている状態で加工面８４の形成後にベースプレート３３が変形することがなく、加工面８４の形状精度が低下することを防ぐことができる。なお、本実施形態における積層造形装置とは異なり、切削装置５０を備えていない積層造形装置を用いる場合には、治具プレート７を造形テーブル５より取り外すことにより、上記切削工程を実施することが可能となる。第３の工程によって上面８２が平坦に仕上られた所望の三次元造形物Ｅを得ることができる。
第４の工程は、第３の工程後にベースプレート３３を治具プレート７から取り外し、平坦に仕上られた焼結体８１の上面８２が下側に位置するように反転して所定の加工台Ｄ上に焼結体８１を設置する。そして、ベースプレート３３の裏面３９を水平に平坦に削り出す。このとき、ベースプレート３３と焼結体８１との間で残留応力が釣り合っていて変形が生じないので、図１６に示されるように、形状精度が良好な三次元造形物Ｅを得ることができる。ベースプレート３３の裏面３９は、面積が比較的大きいので、研削によって水平に平坦に加工することが望ましいが、切削によって水平に平坦に削り出すことも可能である。
本実施形態では、第３の工程において焼結体８１の上面８２を水平に平坦に削り出した後に、ベースプレート３３の上面に複数の支柱３８を取り付けて、複数の支柱３８の上面をそれぞれ同じ高さの水平面上で水平に平坦に削り出してから複数の支柱３８によってベースプレート３３を上下逆に支持するようにする工程を実施する。図１４は、治具プレート７およびベースプレート３３を右方向から左方向へ見た側面図を示す。具体的には、図１４Ａに示すように、ベースプレート３３の上面に複数の支柱３８を取り付ける。本実施形態では、角柱状の支柱３８をベースプレート３３の上面における四隅に埋め込んでいるが、この例に限定されない。ここで、ベースプレート３３に取り付けた支柱３８の高さが、加工面８４よりも高くなるようにする。その後、図１４Ｂに示すように、支柱３８の上面に対して切削加工を行い、水平面３８ａを形成する。
次に、図１５Ａに示すように、ベースプレート３３を治具プレート７から取り外し、所定の加工台Ｄ上にベースプレート３３を逆さに載置する。このとき、ベースプレート３３は、支柱３８の水平面３８ａが加工台Ｄに接するように載置される。そして、図１５Ｂに示すように、ベースプレート３３の裏面３９を水平に平坦に削り出す第４の工程を実施し、ベースプレート３３の裏面に水平面３３ａを形成する。最後に、支柱３８を取り外してベースプレート３３を含む三次元造形物Ｅを得る。支柱３８を使用して仕上ることによって、焼結体８１の上面８２に依存しないで焼結体８１の上面８２と同じ水平の基準面でベースプレート３３を水平に平坦に削り出すことができるので、形状精度がより良好な三次元造形物Ｅを得ることができる。また、焼結体８１の上面８２の面積が小さいか殆ど存在しないときにもベースプレート３３の裏面３９を水平に平坦に削り出すことができる。したがって、実施形態の三次元造形物の製造方法は、ベースプレート３３と一体で三次元造形物Ｅを得る場合に特に有効である。
以上のようにして、図１６に示す三次元造形物Ｅが製造される。この三次元造形物Ｅは、例えば樹脂成形用の金型として利用することができる。上記方法では、焼結体８１が形成される際にベースプレート３３の変形を許容しているため、焼結体８１とベースプレート３３との間で残留応力が釣り合っており、それ以上変形することがない。そして、ベースプレート３３の変形が終息した後に焼結体８１の上面８２ないしはベースプレートの裏面３９に対して水平に平坦に削り出す加工を行うため、依然として焼結体８１とベースプレート３３との間で残留応力が釣り合ったままであって水平に平坦に削り出す加工後にベースプレート３３がさらに変形することはなく、三次元造形物の形状精度を維持することができる。
（他の実施形態）
なお、本願における技術的思想の適用範囲は、上記実施形態に限定されない。たとえば、上記実施形態にはおいては、ベースプレート３３の中央を治具プレート７に対して２点で固定しているが、３点または４点などで固定してもよく、１点のみで固定してもよい。１点で固定する場合は、ベースプレート３３が治具プレート７に対して回転しないように、側部に回転止めを設ける等の工夫があると好ましい。このように２点固定以外の場合においても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
１ ：チャンバ
１ａ ：ウィンドウ
１ｂ ：チャンバ供給口
１ｃ ：チャンバ排出口
１ｄ ：造形空間
１ｅ ：副供給口
１ｆ ：副排出口
３ ：粉体層形成装置
４ ：ベース台
５ ：造形テーブル
７ ：治具プレート
８ ：材料粉体層
８ａ ：材料粉体層
８ｂ ：材料粉体層
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
１１ｆｓ ：リコータヘッド供給口
１１ｒｂ ：ブレード
１１ｒｓ ：リコータヘッド排出口
１３ ：レーザ光照射部
１５ ：不活性ガス供給装置
１７ ：ヒューム拡散装置
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
１７ｇ ：ヒューム拡散装置供給口
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
３３ ：ベースプレート
３３ａ ：水平面
３５ ：固定ボルト
３７ ：固定ボルト
３８ ：支柱
３８ａ ：水平面
３９ ：裏面
４１ ：撮像部
４２ ：レーザ光源
４３ａ ：ガルバノミラー
４３ｂ ：ガルバノミラー
４４ ：フォーカス制御ユニット
５０ ：切削装置
５７ ：加工ヘッド
６０ ：スピンドル
８１ ：焼結体
８１ａ ：焼結層
８１ｂ ：焼結層
８２ ：上面
８４ ：加工面
レーザ光による積層造形法では、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に載置されたベースプレート上に、金属からなる非常に薄い焼結層を積層する。具体的には、金属材料粉体を平坦に撒布して形成される材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射し、照射位置の材料粉体を加熱して溶融させた後に冷却して固化させる焼結を繰り返し、複数の焼結層を積層して所望の三次元形状の造形物を形成する。以下、本発明においては、複数の焼結層を積層してなる焼結体とベースプレートとが一体になった物体を三次元造形物という。さらに、焼結層の積層途中または三次元造形物の生成後に、鉛直１軸方向と水平２軸方向に同期して移動可能なエンドミル等の切削工具を用いて、三次元形状に所定の切削加工を行って表面を仕上げることがある。
ところで、レーザ光の照射によって加熱され溶融した材料粉体が冷却されて固化したときに、焼結層が時間の経過とともに徐々に収縮することが知られている。その結果、焼結直後の上層の焼結層が収縮するのにともなって、ベースプレートとベースプレートに固着してすでに収縮が完了している下層の焼結層の端縁側が上方向に引っ張られるように変形してしまう。そこで、たとえば従来技術においては、ベースプレートをボルトのような取外し可能な留具によって造形テーブルに対して固定することにより、ベースプレートの変形を防止している。なお、特許文献２に開示されているように、造形前に予めベースプレートに熱処理をして変形させておく技術も知られている。
しかし、従来技術の方法では、焼結層の収縮によるベースプレートの変形が抑制されることによって、ベースプレートとベースプレートに固着された焼結層の内部に主に引張応力が残留しているため、ベースプレートを造形テーブルから取り外した後に焼結層とベースプレートとが時間とともに徐々に変形し、焼結体にひび割れが発生したり、ベースプレート上に形成された焼結体の形状精度が低下したりするといった不具合が発生していた。
本発明によれば、造形領域内に載置される治具プレートに対して、材料粉体を積層するためのベースプレートを、固定部材を用いて前記ベースプレートの位置ずれが生じない可能な限り前記ベースプレートの中心に近い位置において１以上の箇所で前記治具プレートに固定する第１の工程と、前記ベースプレートの上において前記材料粉体を均一に平坦に撒布して所定の照射領域にレーザ光を照射し、当該材料粉体を焼結して焼結層を形成し前記焼結層を積層して焼結体を生成する第２の工程と、前記焼結体の少なくとも上面を平坦に削り出して加工面を形成する第３の工程と、を含んでなる三次元造形物の製造方法が提供される。
本発明では、焼結層が形成される際にベースプレートの変形を許容しているため、焼結体とベースプレートの変形が終息した後は、焼結体とベースプレートの残留応力が釣り合った状態にあるためにそれ以上の変形が生じない。そして、焼結体とベースプレートの変形終息後の焼結体の上面に対して平坦に削り出すだけであるため、その後も焼結体とベースプレートの残留応力が釣り合った状態が維持されて変形することはなく、その結果、三次元造形物の破損と形状精度の低下を防止することができる。
好ましくは、前記第３の工程において、前記造形領域内の前記治具プレート上に前記焼結体が積層された前記ベースプレートを載置した状態で、前記焼結体の上面を平坦に削り出す。
好ましくは、前記第３の工程後に前記加工面を基準面にして前記ベースプレートの裏面を平坦に削り出す第４の工程を含んでなる。
好ましくは、前記第３の工程において前記焼結体の上面を平坦に削り出した後、前記ベースプレートの上面に複数の支柱を取り付け、前記複数の支柱の上面をそれぞれ同じ高さの水平面上で水平に平坦に削り出してから前記複数の支柱によって前記ベースプレートを上下逆に支持する。
ベース台４は、三次元造形物が形成される造形領域Ｒを有する。造形領域Ｒは、造形テーブル５の上に形成される。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Ａ方向）に移動することができる。造形時には、造形テーブル５上に治具プレート７およびベースプレート３３が配置され、その上に材料粉体層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、所望の焼結体８１の輪郭形状で囲われる領域とおおよそ一致する。
図７は、治具プレート７およびベースプレート３３を示す平面図である。図８は、図７におけるＤ−Ｄ断面における断面図である。図７および図８に示されるように、第１の工程において、ベースプレート３３は、固定部材としての固定ボルト３７，３７によって治具プレート７に対して固定される。
本発明の積層造形による三次元造形物の製造方法における第１の工程は、ベースプレート３３を治具プレート７に固定する工程である。本発明の三次元造形物の製造方法においては、基本的に、造形後に残留応力による変形が生じないようにするために、造形中にベースプレート３３の変形を許容する。一般的に、引張りの残留応力によってベースプレート３３の端縁が反り上がるように変形するので、ベースプレート３３の真中の１点でベースプレート３３を治具プレート７に固定することが望ましい。ただし、変形するときに発生する強い力が固定している箇所に集中して作用し、あるいは外力を受けることによってベースプレート３３の位置がずれてしまうおそれがあるので、ベースプレート３３を位置ずれが生じないように固定する必要がある。したがって、ベースプレート３３は、ベースプレート３３の位置ずれが生じない範囲で可能な限りベースプレート３３の中心に近い位置において可能な限り少ない１以上の箇所で治具プレート７に固定するようにする。
具体的には、第２の工程は、図１０に示すように、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、ベースプレート３３上に１層目の材料粉体層８ａを形成し、１層目の材料粉体層８ａ中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することで１層目の材料粉体層８ａのレーザ光照射部位を焼結させることによって、ベースプレート３３上に１層目の焼結層８１ａを形成する。
次に、図１１に示すように、造形テーブル５の高さを１層目の焼結層８１ａの厚さ分下げ、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、１層目の焼結層８１ａ上に２層目の材料粉体層８ｂを形成する。そして、２層目の材料粉体層８ｂ中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することによって２層目の材料粉体層８ｂのレーザ光照射部位を焼結させ、ベースプレート３３上に２層目の焼結層８１ｂを形成する。そして、複数の焼結層８１ａ，８１ｂ...の形成を繰り返すことによって、焼結体８１が形成される。このようにして順次積層される焼結層同士は、互いに強く固着される。
第３の工程は、第２の工程で生成された焼結体８１の少なくとも上面８２を平坦に削り出す工程である。焼結体８１の上面８２は、切削または研削によって水平に平坦に削り出すことができる。取り代が比較的大きく焼結体８１の上面８２の面積が比較的小さい場合は、切削加工が有利であり、その反対は、研削加工が有利である。本発明の三次元造形物の製造方法を実施するための積層造形装置は、すでに説明されているように、スピンドル６０を備えているので、切削によって焼結体８１の上面８２を水平に平坦に削り出す。したがって、治具プレート７上に焼結体８１が積層されたベースプレート３３を載置した状態でそのまま焼結体８１の上面８２を平坦に削り出すことができるので、治具プレート７を切削機械または研削機械に取り付け替えるときに生じる誤差の発生を防ぐとともに治具プレート７の付替え作業の負担がない点で有利である。
具体的には、第３の工程は、スピンドル６０に装着された回転切削工具によって、焼結体８１に対して切削加工を行う切削工程を実施する。図１３は、治具プレート７およびベースプレート３３を右方向から左方向へ見た側面図を示す。図１３Ａに示す例では、焼結体８１の上面８２は端縁が上方に反る形状となっている。ここで、焼結体８１の上面８２の反り具合は、ベースプレート３３の反り具合に比べると緩やかとなる。実施形態における第３の工程では、造形が完了した後の焼結体８１の上面８２に対して切削加工を行い、図１３Ｂに示す加工面８４を形成する。本実施形態では、加工面８４が水平面となるように平坦に削り出すようにしているが、その例に限定されない。ただし、第３の工程は、ベースプレート３３の反り返りを伴う変形が終息してから行うのが好ましい。このようにすることで、焼結体８１とベースプレート３３の残留応力が釣り合っている状態で上面８２に対して加工を行うので、加工面８４の形成後にベースプレート３３が変形することがなく、加工面８４の形状精度が低下することを防ぐことができる。なお、本実施形態における積層造形装置とは異なり、切削装置５０を備えていない積層造形装置を用いる場合には、治具プレート７を造形テーブル５より取り外すことにより、上記切削工程を実施することが可能となる。第３の工程によって平坦な加工面８４が形成された所望の三次元造形物Ｅを得ることができる。
第４の工程は、第３の工程後にベースプレート３３を治具プレート７から取り外し、平坦に仕上げられた焼結体８１の加工面８４が下側に位置するように反転して所定の加工台Ｄ上に焼結体８１を設置する。そして、ベースプレート３３の裏面３９を水平に平坦に削り出す。このとき、ベースプレート３３と焼結体８１との間で残留応力が釣り合っていて変形が生じないので、図１６に示されるように、形状精度が良好な三次元造形物Ｅを得ることができる。ベースプレート３３の裏面３９は、面積が比較的大きいので、研削によって水平に平坦に加工することが望ましいが、切削によって水平に平坦に削り出すことも可能である。
次に、図１５Ａに示すように、ベースプレート３３を治具プレート７から取り外し、所定の加工台Ｄ上にベースプレート３３を逆さに載置する。このとき、ベースプレート３３は、支柱３８の水平面３８ａが加工台Ｄに接するように載置される。そして、図１５Ｂに示すように、ベースプレート３３の裏面３９を水平に平坦に削り出す第４の工程を実施し、ベースプレート３３の裏面３９を削り出し水平面３３ａを形成する。最後に、支柱３８を取り外してベースプレート３３を含む三次元造形物Ｅを得る。支柱３８を使用して仕上げることによって、焼結体８１の加工面８４に依存しないで焼結体８１の加工面８４に平行な水平の基準面でベースプレート３３を水平に平坦に削り出すことができるので、形状精度がより良好な三次元造形物Ｅを得ることができる。また、焼結体８１の加工面８４の面積が小さいか殆ど存在しないときにもベースプレート３３の裏面３９を水平に平坦に削り出すことができる。したがって、実施形態の三次元造形物の製造方法は、ベースプレート３３と一体で三次元造形物Ｅを得る場合に特に有効である。
以上のようにして、図１６に示す三次元造形物Ｅが製造される。この三次元造形物Ｅは、例えば樹脂成形用の金型として利用することができる。上記方法では、焼結体８１が形成される際にベースプレート３３の変形を許容しているため、焼結体８１とベースプレート３３との間で残留応力が釣り合っており、それ以上変形することがない。そして、ベースプレート３３の変形が終息した後に焼結体８１の上面８２に対して、好ましくはさらにベースプレート３３の裏面３９に対して水平に平坦に削り出す加工を行うため、依然として焼結体８１とベースプレート３３との間で残留応力が釣り合ったままであって水平に平坦に削り出す加工後にベースプレート３３がさらに変形することはなく、三次元造形物Ｅの形状精度を維持することができる。

Claims (4)

  1. 造形領域内に載置された治具プレートに対して、材料粉体を積層するためのベースプレートを、固定部材を用いて前記ベースプレートの位置ずれが生じない可能な限り前記ベースプレートの中心に近い位置において１以上の箇所で前記治具プレートにする第１の工程と、
    前記ベースプレートの上において前記材料粉体を均一に平坦に撒布して所定の照射領域にレーザ光を照射し、当該材料粉体を焼結して焼結層を形成し前記焼結層を積層して焼結体を生成する第２の工程と、
    前記焼結体の少なくとも上面を平坦に削り出す第３の工程と、を含んでなる三次元造形物の製造方法。
  2. 前記第３の工程において、前記造形領域内の前記治具プレート上に前記焼結体を含む前記ベースプレートを載置した状態で、前記焼結体の上面を平坦に削り出すことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
  3. 前記第３の工程後に前記焼結体の上面を基準面にして前記ベースプレートの裏面を平坦に削り出す第４の工程を含んでなる請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
  4. 前記第３の工程において前記焼結体の上面を平坦に削り出した後、前記ベースプレートの上面に複数の支柱を取り付け、
    前記複数の支柱の上面をそれぞれ同じ高さの水平面上で水平に平坦に削り出してから前記複数の支柱によって前記ベースプレートを上下逆に支持するようにした請求項３に記載の三次元造形物の製造方法。
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