JP2020012145A - 三次元造形物の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】焼結層とベースプレートとの境界周辺に歪みや割れなどの不具合が発生することを防止する三次元造形物の製造方法。【解決手段】造形領域内に載置されたベースプレート上に金属の材料粉体を所定の高さに均一に撒布して材料層を形成し、前記材料層の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して前記材料粉体を加熱溶融、冷却固化を繰り返して焼結層を形成、積層して所望の三次元形状を有する焼結体を生成し、前記焼結体と前記ベースプレートの少なくとも一部分を含んで所望の三次元造形物を得る三次元造形物の製造方法において、前記ベースプレートは、熱処理を施していない生材であって、熱処理を施したときに組織が変態することによって体積が変化する鋼材でなり、前記焼結体の材質に固有の熱処理特性と同類の熱処理特性を有し、かつ、前記焼結体の材質と異なる材質であることを特徴とする三次元造形物の製造方法、が提供される。【選択図】図１１

Description

本発明は、三次元造形物の製造方法に関する。
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合金を含む材料粉体を所定の高さに均一に撒布して形成される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させることによって、複数の焼結層を積層して所望の三次元造形物を造形する（特許文献１）。
焼結積層造形法によって三次元造形物を製造する方法においては、基本的には、ベースプレートは、造形テーブルを保護するとともに焼結層を固着しやすくするための捨て材であって、ベースプレートを所望の三次元形状を有する焼結体と一体で造形テーブルから取り外した後は、焼結体をベースプレートから切り離して所望の三次元造形物を得るものであるが、ベースプレートの全部または一部分を使って所望の三次元造形物を得る造形例も少なくない。例えば、上面側は、高い形状精度が要求される部位であるが、底面側は、平坦な面であればよい部位であるという三次元造形物であるなら、三次元構造物の一部分をベースプレートで構成するように三次元造形物を製造する方法は、焼結体をベースプレートから切り離す作業を不要にすることができたり、三次元造形物を生成する時間を短縮することができたり、あるいは比較的高価な材質の材料粉体の使用量を減らすことができるというようないくつかの利点がある。
特許第５６５３６５７号公報
ベースプレートの全部または一部分を使って所望の三次元造形物を得る製造方法において、多くの場合は、焼結体と同じ材質のベースプレートを使用することが困難であるか、または有益ではないので、焼結体の材質と異なる材質のベースプレートが使用されている。また、焼結積層造形法によって円滑に造形を行なうために、ベースプレートは、基本的に熱処理が施されていない、いわゆる生材である。例えば、三次元造形物を金型として使用する場合は、三次元造形物において高い形状精度が要求されるコアまたはキャビティが形成されるパーティング面側の部位に対して反対側の取付面側の部位を生材のベースプレートで形成することができる。
一方、三次元造形物が金型のように強度が要求される製品である場合は、焼入れと焼戻しのような熱硬化処理を施して硬度を向上させる必要があるが、熱処理によって硬度が増す材質の三次元造形物に熱処理を施すと、三次元造形物を構成している焼結体とベースプレートのそれぞれにおいて、それぞれ固有の熱処理特性に従って組織が変態して体積が変化する。体積が増大するか減少するかを含めて三次元造形物を構成する焼結体とベースプレートとの間である時点における体積の変化の差が大きくなると、三次元造形物に回復不能の変形が発生して形状精度が低下するばかりか、焼結体とベースプレートの境界面付近でクラックが発生して三次元造形物が損傷してしまうおそれがある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、本発明は、上層を焼結体として下層をベースプレートとする構造の三次元造形物における熱処理後の形状精度の低下を抑制し、または、三次元造形物の損傷を防止することを主たる目的とする。
本発明によれば、造形領域内に載置されたベースプレート上に金属の材料粉体を所定の高さに均一に撒布して材料層を形成することと、前記材料層の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して前記材料粉体を加熱溶融させた後に冷却固化させることによって前記所定の照射領域における材料層を焼結して焼結層を形成することとを繰り返して、前記焼結層を積層して所望の三次元形状を有する焼結体を生成し、前記焼結体と前記ベースプレートの少なくとも一部分を含んで所望の三次元造形物を得る三次元造形物の製造方法において、
前記ベースプレートは、熱処理を施していない生材であって、熱処理を施したときに組織が変態することによって体積が変化する鋼材でなり、前記焼結体の材質に固有の熱処理特性と同類の熱処理特性を有し、かつ、前記焼結体の材質と異なる材質であることを特徴とする三次元造形物の製造方法、が提供される。
本発明では、三次元造形物の下層を構成するベースプレートが三次元造形物の上層を構成し合金を含む金属の材料粉体を焼結して生成される焼結体の熱処理特性と同様の熱処理特性を備えるため、三次元造形物に熱処理を施すときに、焼結体と同じ種類の熱処理特性に従ってベースプレートの寸法ないし体積が変化するため、熱処理にともなって組織が変態するときに焼結体とベースプレートの間で体積の変化の差が著しく生じることがなく、言い換えると、同じように寸法が変化するので、三次元造形物の変形が抑えられ、三次元造形物の形状精度が低下したり、三次元造形物が損傷したりすることがない。
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、１層以上所定の数の前記焼結層が新たに形成される毎に少なくとも新たに形成された前記焼結層でなる上面層を第１温度、第２温度の順番で温度調整するものであって、前記第１温度をＴ１、前記第２温度をＴ２、前記焼結層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび前記焼結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ように温度調整を行ないながら前記焼結体を生成することを特徴とする三次元造形物の製造方法が提供される。
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
好ましくは、前記焼結体の材質がマルテンサイト系ステンレス鋼であるときには、前記ベースプレートの材質が熱処理を施すときにマルテンサイト変態を生じる炭素鋼であることを特徴とする三次元造形物の製造方法が提供される。
好ましくは、前記焼結体の材質がマルエージング鋼であるときには、前記ベースプレートの材質が析出硬化型ステンレス鋼であることを特徴とする三次元造形物の製造方法が提供される。
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レーザ照射装置１３の概略構成図である。 本発明の実施形態に係る温度調整装置９０を備える造形テーブル５の一例の概略構成図である。 本発明の他の実施形態の温度調整装置９５および温度センサ９９を備え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。 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温度調整の一例の場合における上面層の温度変化の概略図である。 実施例におけるベースプレートの材質と焼結層との寸法変化の結果を示す図である。 実施例におけるベースプレートの材質と焼結層との寸法変化の差を説明する図である。 図１３Ａは、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４２０Ｊ２の焼戻しにおける温度と寸法変化率との関係を示すグラフである。図１３Ｂは、マルテンサイト系鋼材であるＳＫＤ１１の焼戻しにおける温度と寸法変化率との関係を示すグラフである。 マルエージング鋼の時効処理における保持時間と寸法変化率との関係を示すグラフである。
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。
図１に示すように、本発明の製造方法に適用される焼結体とベースプレートの少なくとも一部分で構成される三次元造形物を生成する積層造形装置は、チャンバ１とレーザ照射装置１３とを有する。図１に示される積層造形装置は、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ことによって、複数の焼結層を積層して所望の三次元造形物を造形する積層造形装置である。ここでいう「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。
チャンバ１は、所定の造形領域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。
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Ａ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上にベースプレート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。
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。
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。
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。
切削装置５０は、スピンドル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６０を所望の位置に移動させる。
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、材料粉体を焼結して得られた焼結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。
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。
照射装置として、レーザ照射装置１３が、チャンバ１の上方に設けられる。レーザ照射装置１３は、造形領域Ｒ上に形成される材料層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、図４に示すように、レーザ照射装置１３は、レーザ光源４２と２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂとフォーカス制御ユニット４４とを有する。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レーザ等である。
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。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、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、保護ウインドウ１ａは石英ガラスで構成可能である。
本発明の実施形態に係る積層造形装置においては、焼結体の材質がマルテンサイト系の材料であるときには、温度調整装置によって、１層または複数層の焼結層が新たに形成される毎に、焼結層のうち少なくとも新たに形成された焼結層を第１温度、第２温度の順番で温度調整するようにし、マルテンサイト変態にともなう変形を制御して、残留応力による変形を抑制することができるようにしている。なお、第１温度および第２温度は温度調整装置によって調整可能な温度幅に含まれ、第１温度をＴ１、第２温度をＴ２、焼結層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび焼結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）
また、以下において、新たに形成された焼結層、すなわち形成されてから第１温度、第２温度の順番で行われる温度調整が１度も実施されていない焼結層を上面層と呼ぶ。焼結後、温度調整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、温度調整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。
温度調整装置は、上面層を第１温度および第２温度に温度調整可能に構成されていればよい。特に、温度調整装置は上面層を加熱可能な加熱器と、上面層を冷却可能な冷却器のうち少なくともいずれか一方を有し、好ましくは両者を有する。
例えば、温度調整装置９０は、造形テーブル５に設けられる。図５に示すように、一実施形態においては、温度調整装置９０を備える造形テーブル５は、天板５ａおよび３つの支持板５ｂ，５ｃ，５ｄを備える。天板５ａとこれに隣接する支持板５ｂの間には天板５ａを加熱可能な加熱器９２が配置されている。また、支持板５ｂの下側の２枚の支持板５ｃ，５ｄの間には天板５ａを冷却可能な冷却器９３が配置されている。造形テーブル５は、加熱器９２および冷却器９３によって温度調整可能に構成されており、加熱器９２および冷却器９３が温度調整装置９０を構成する。なお、図５に示される実施形態では、管材を支持板５ｃ，５ｄの間に挟み込むようにして冷却器９３を構成しているが、例えば、支持板５ｃ，５ｄの一方または両方に配管穴を形成し支持板５ｃ，５ｄを合わせることによって支持板５ｃ，５ｄに直接冷却配管を形成するようにして冷却器９３を構成するようにすることができる。なお、造形テーブル駆動機構３１の熱変位を防止するため、温度調整装置９０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。以上のように温度調整装置９０を構成することで、所望の温度に設定された造形テーブル５の天板５ａと接触するベースプレート７および下層の焼結層を介して、上面層を所望の温度に調整することが可能である。なお、材料層８は焼結にあたり所定温度に予熱されていることが望ましいが、温度調整装置９０は材料層８の予熱装置としての役割も果たす。具体的に、材料層８は温度調整装置９によって第１温度に保温される。
また、例えば、図６に示すように、積層造形装置は、上面層をその上方側から温度調整するように構成されている温度調整装置９５を備えるよう構成してもよい。温度調整装置９５の加熱器９７は、例えば、ハロゲンランプである。また、温度調整装置９５の冷却器９８は、例えば、上面層に対しチャンバ１に充満される不活性ガス等と同種の冷却気体を吹き付ける送風機であってもよいし、あるいはペルチェ素子等によって冷却された冷却板を上面層に接触させるよう構成してもよい。このような温度調整装置９５によれば、直接上面層を温度調整することができるため、多数層の焼結層を形成した後でも迅速に上面層の温度調整を行うことができる。
前述の通り、温度調整装置は、上面層を第１温度および第２温度に温度調整可能に構成されればよく、種々の形態を採用可能である。上に具体的に示した温度調整装置９０，９５は組み合わせて実施してもよいし、一方のみでもよい。またはその他の形態であってもよい。
また、図６に示すように、積層造形装置は、上面層の温度を測定する温度センサ９９を有し、温度調整装置９０，９５はフィードバック制御されてもよい。かかる構成により、より正確に上面層の温度を制御することができる。なお、温度センサ９９は、複数設けてもよい。また、温度センサ９９は、例えば、赤外線温度センサである。
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。
以下に、図７〜図９を用いて焼結体を形成して三次元造形物を生成するプロセスを具体的に説明する。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、材料層８の所定の照射領域にレーザ光Ｌを照射して焼結させ焼結層８１を形成する工程を焼結工程、焼結層８１のうち少なくとも上面層を第１温度、第２温度の順番で温度調整する工程を温度調整工程と呼ぶ。
まず、１回目のリコート工程を行う。図７に示すように、造形テーブル５上にベースプレート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、ベースプレート７上に１層目の材料層８を形成する。
次に、１回目の焼結工程を行う。材料層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射し材料層８のレーザ照射位置を焼結させることによって、図８に示すように、１層目の焼結層８１ａを得る。ここで、１層目の焼結層８１ａは、第１温度に温度調整される。
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、焼結層８１ａ上に２層目の材料層８を形成する。
次に、２回目の焼結工程として、材料層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射し材料層８のレーザ照射位置を焼結させることによって、図９に示すように、２層目の焼結層８１ｂを得る。ここで、２層目の焼結層８１ｂは、第１温度に温度調整される。
以上の工程を繰り返すことによって、３層目以降の焼結層が形成される。所定数の焼結層が形成された段階で、温度調整装置によって温度調整工程が行われる。まず、第１温度に保持されている上面層を冷却し、第２温度へと温度調整する。次に、第２温度へと温度調整された上面層を昇温し、第１温度へと再び温度調整する。
このようなリコート工程、焼結工程および温度調整工程が繰り返され、所望の焼結層８１が積層造形物として形成される。なお、温度調整工程は焼結層を１層形成する毎に実施してもよいし、複数層形成する毎に実施してもよいし、切削工程を実施する場合は切削工程毎に実施してもよい。また、造形物の形状に応じて温度調整工程の周期は可変に設定してもよい。例えば、通常時には焼結層を５ｍｍ積層する毎に温度調整工程を行うが、割れやすい形状の焼結層を形成する直前には温度調整工程を割り込ませるようにしてもよい。
以上のような温度調整工程により、焼結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は焼結層がマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）からマルテンサイト変態終了温度（Ｍｆ）まで急冷する際に発生する。すなわち、Ｍｓ以下かつＭｆ以上の範囲でマルテンサイト変態が起こる。
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三次元造形物の残留応力を制御することができる。そして、変形の大きさに関係する、例えば、焼結体およびベースプレートの材質とサイズ等に対応して、要求される変態量に従っていくつかの温度制御パターンに基づいて温度制御を行なう。
一例として、マルテンサイト変態が起こる温度帯には第１温度、第２温度の両方が含まれないようにする温度制御パターンを提示する。この制御パターンは、下記式（１）〜（５）をすべて満たす。この温度制御パターンの上面層の温度変化の概略図を図１０に示す。
Ｔ１≧Ｍｆ （１）
Ｔ１＞Ｔ２ （２）
Ｔ２≦Ｍｓ （３）
Ｔ１＞Ｍｓ （４）
Ｔ２＜Ｍｆ （５）
この温度制御パターンでは、温度調整装置による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。また、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。
温度調整工程によって変形を抑制することができる焼結体の材質は、上記温度調整工程によってマルテンサイト変態が生じる金属材料であり、好ましくは、変態量を調整することが比較的容易であるマルテンサイト系ステンレス鋼が有効である。マルテンサイト変態が生じる金属材料の他の例として、炭素鋼がある。材料粉体の形状は、例えば平均粒径２０μｍの球形である。以上のように、造形中に温度制御を行って残留応力による変形を抑制するようにしておくことによって、造形完了後に三次元造形物に熱処理を施すときに生じる変形がより抑制される利点がある。
次に、本発明を実施するために適切なベースプレート７について具体的に説明する。ベースプレート７は、熱処理を施していない生材であって、熱処理を施したときに組織が変態することによって体積が変化する材質であって、焼結体の材質に固有の熱処理特性と同じ種類の熱処理特性を有する材質である。
ここで、本発明でいう焼結体とは、所定の高さ毎に規定される分割層毎に金属材料粉体を所定の高さに均一に撒布して材料層８を形成し材料層８の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して加熱溶融させた後に冷却固化させることによって所定の照射領域における材料層８を焼結して焼結層を形成することを繰り返して焼結層を積層して造形完了後に生成される金属体である。特に、本発明においては、焼結体は、所望の三次元造形物の上層の部位を構成する。
また、熱処理特性が同じ種類であるということは、熱処理において温度に対して膨張または縮小する寸法の変化の仕方あるいは体積の変化の度合が同じであるということ意味する。具体的には、温度に対する寸法または体積の変化を表わすグラフの曲線がおおよそ同じ形状になる場合は、熱処理特性が同類であるという。したがって、焼結体とベースプレート７の材質が全く同じであるなら、図１２Ａに示されるとおりに、熱処理における寸法の変化の状態が同じであって、理論上、変形しない。
熱処理における三次元造形物の焼結体の部位とベースプレート７の部位のそれぞれの体積の変化は、それぞれの組織の変態に依存するので、焼結体の材質と同じ組織の変態をする材質のベースプレート７が適用できる可能性が高い。温度に対する寸法または変化の度合は、具体的に、例えば、マルテンサイト系ステンレス鋼ＳＵＳ４２０Ｊ２の焼戻しのときの温度に対する寸法の変化の状態は、図１３Ａに示されるとおりである。また、マルテンサイト系の鋼材である冷間合金工具鋼ＳＫＤ１１の焼戻しのときの温度に対する寸法の変化の状態は、図１３Ｂに示されるとおりである。したがって、ＳＵＳ４２０Ｊ２とＳＫＤ１１とは、共に焼入れのときの温度の上昇に合わせてオーステナイト相がマルテンサイト相に変態することによって体積が膨張し、焼戻しのときに図１３Ａおよび図１３Ｂに示されるような寸法の変化をする熱処理特性を有している。そのため、材料粉体の材質、言い換えると焼結体の材質がマルテンサイト系ステンレス鋼であるときに、ベースプレート７の材質が同じマルテンサイト系の冷間合金工具鋼であるならば、同じ種類の熱処理特性であるので、図１２Ｂのような体積の変化の関係にあり、熱処理後の変形を抑えることができる。
また、例えば、焼結体の材質がマルエージング鋼である場合、析出硬化型の熱処理特性を有しており、図１４に示されるように、時効処理中に徐々に収縮する特徴を有するが、析出硬化型ステンレス鋼ＳＵＳ６３０は、図示しないが、マルエージング鋼と同じように、時効処理中に体積が収縮する熱処理特性を有している。したがって、マルエージング鋼のように、ベースプレート７として入手することが困難な材質の焼結体に対しては、ベースプレート７の材質を析出硬化型ステンレス鋼にすることによって、図１２Ｂに示される矢印とは反対の収縮する方向の体積の変化の関係で、熱処理後の変形を抑えることができる。
反対に、例えば、焼結体の材質がマルテンサイト系ステンレス鋼であるときに、析出硬化型ステンレス鋼のベースプレート７を使用すると、焼結体とベースプレート７の材質が同じステンレス鋼でありながら、一方の熱処理特性が膨張であり、他方の熱処理特性が収縮であって、おおよそ相反する関係にあるので、図１２Ｃに示すように、熱処理後に変形して形状精度が低下し、三次元造形物が損傷するおそれもある。
より具体的に、焼結層８１を形成する材料粉体にＳＵＳ４２０Ｊ２（マルテンサイト系ステンレス鋼）として、製品名ＯＰＭ-ＳＵＰＥＲＳＴＡＲ（ＯＰＭラボラトリー社）を用い、ベースプレート７には、ＳＵＳ４２０Ｊ２を改良した同規格製品である製品名ＳＴＡＶＡＸ（ウッデホルム社）、製品名Ｓ−ＳＴＡＲ（大同特殊鋼）、製品名ＨＰＭ３８（日立金属）などを用いる場合は、それぞれのベースプレート７の材質は、合金を形成する各含有成分の含有比率が異なっているため、それぞれ固有の熱処理特性を有しているものの、全てマルテンサイト系ステンレス鋼であって熱処理特性が同じ種類であることから、同じ寸法の変化の特徴を有し、熱処理後に、三次元造形物の形状精度の低下を抑えることができ、三次元造形物の損傷を免れることが期待できる。
本発明の代表的な実施形態といくつか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、本発明の技術思想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。
以下、詳細な内容について実施例を用いて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
材料粉体として、平均粒径２０μｍのＳＵＳ４２０Ｊ２（マルテンサイト系ステンレス鋼、炭素含有量：＜０．４４ｗｔ％、Ｍｓ：約１００℃、Ｍｆ：約０℃、）を用い、種々の温度条件において、１２５×１２５×１５ｍｍ（縦×横×厚さ）のベースプレート７上に、８０×８０×３５ｍｍ（縦×横×厚さ）の造形物の積層造形を行った。
＜実施例＞
造形テーブル５上に材料粉体と同じマルテンサイト系ステンレス鋼で構成されるベースプレート７を載置して、厚さ１００μｍの材料層８の上面層を形成した後にレーザ光を照射して焼結しながら温度調整を行なって約７０℃に保たれていた造形テーブル５の温度を２９℃まで降温して上面層の温度が２９℃に降温してから所定期間後に再び造形テーブル５の温度を７０℃に昇温した。材料層８を形成する毎に同様の工程を繰り返して、８０×８０×３５ｍｍ（縦×横×厚さ）の焼結体を得た。また、同じ造形を材質が冷間合金工具鋼ＳＫＤ１１および機械構造用炭素鋼Ｓ４５Ｃのベースプレート７を用いて、それぞれ同じように焼結体を得た。その後、焼結体とベースプレート７とで一体で構成される三次元造形物に焼入れと焼戻しを行った。
＜比較例＞
実施例と同じ工程を、材質が一般構造用鋼ＳＳ４００のベースプレート７を用いて、同様に三次元造形物全体に焼入れと焼戻しを行った。また、材質が析出硬化系ステンレス鋼ＳＵＳ６３０のベースプレート７を用いて、三次元造形物に熱処理を施した。
上記実施例および比較例の造形結果を図１１および図１２に示す。図１１および図１２に示すように、ベースプレート７に焼結体と同じ系統のマルテンサイト系ステンレス鋼材質を適用した場合、または炭素鋼適用した場合には、焼入れと焼戻しによる熱処理において同類の熱処理特性で体積が変化し（図１２Ａ）、三次元造形物の形状精度の低下が比較的小さく抑えられた。
それに対して、ベースプレート７の材質に一般構造用圧延鋼（ＳＳ４００）を用いた場合には、熱硬化処理によって材料層８が膨張するのに対して、ベースプレート７が熱処理による組織の変態をおこさないため、ベースプレート７は寸法変化は生じない結果となった（図１２Ｂ）。この場合、ベースプレート７と材料層８とを比較すると、材料層８の膨張分のみの寸法差が生じることとなった。
さらに、ベースプレート７の材質を析出硬化系ステンレス鋼にした場合には、熱処理によってベースプレート７が収縮し、ベースプレート７と焼結層８１との間には、大きな寸法差が生じた（図１２Ｃ）。この場合、焼結体とベースプレート７との境界に大きな割れが発生し、三次元造形物の損傷が確認された。
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
５ａ ：天板
５ｂ ：支持板
５ｃ ：支持板
５ｄ ：支持板
７ ：ベースプレート
８ ：材料層
９ ：温度調整装置
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
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
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 ：焼結層
８１ａ ：焼結層
８１ｂ ：焼結層
９０ ：温度調整装置
９２ ：加熱器
９３ ：冷却器
９５ ：温度調整装置
９７ ：加熱器
９８ ：冷却器
９９ ：温度センサ

Claims (4)

  1. 造形領域内に載置されたベースプレート上に金属の材料粉体を所定の高さに均一に撒布して材料層を形成することと、前記材料層の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して前記材料粉体を加熱溶融させた後に冷却固化させることによって前記所定の照射領域における材料層を焼結して焼結層を形成することとを繰り返して、前記焼結層を積層して所望の三次元形状を有する焼結体を生成し、前記焼結体と前記ベースプレートの少なくとも一部分を含んで所望の三次元造形物を得る三次元造形物の製造方法において、
    前記ベースプレートは、熱処理を施していない生材であって、熱処理を施したときに組織が変態することによって体積が変化する鋼材でなり、前記焼結体の材質に固有の熱処理特性と同類の熱処理特性を有し、かつ、前記焼結体の材質と異なる材質であることを特徴とする三次元造形物の製造方法。
  2. １層以上所定の数の前記焼結層が新たに形成される毎に少なくとも新たに形成された前記焼結層でなる上面層を第１温度、第２温度の順番で温度調整するものであって、前記第１温度をＴ１、前記第２温度をＴ２、前記焼結層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび前記焼結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ように温度調整を行ないながら前記焼結体を生成する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。
    Ｔ１≧Ｍｆ （１）
    Ｔ１＞Ｔ２ （２）
    Ｔ２≦Ｍｓ （３）
  3. 前記焼結体の材質がマルテンサイト系ステンレス鋼であるときには、前記ベースプレートの材質が熱処理を施すときにマルテンサイト変態を生じる炭素鋼である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。
  4. 前記焼結体の材質がマルエージング鋼であるときには、前記ベースプレートの材質が析出硬化型ステンレス鋼である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。
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