JP2020041168A

JP2020041168A - 金属積層造形方法

Info

Publication number: JP2020041168A
Application number: JP2018167012A
Authority: JP
Inventors: 中川　幸彦; Yukihiko Nakagawa; 幸彦中川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-09-06
Filing date: 2018-09-06
Publication date: 2020-03-19
Also published as: US20200078863A1

Abstract

【課題】サポート部の構造を複雑化することなく、残留応力を低減することができる金属積層造形方法を提供する。【解決手段】金属積層造形方法は、造形物に対し、造形物を支持するためのサポート部を設計する第１のステップと、サポート部が形成された状態の造形物について、金属積層造形解析を実施する第２のステップと、金属積層造形解析の結果により、造形物において、残留応力が所定の値よりも大きくなる箇所を検出する第３のステップと、残留応力が所定の値よりも大きくなる箇所に接触させる熱パス部を設計する第４のステップと、サポート部及び熱パス部が形成された状態の造形物について、金属積層造形解析を実施する第５のステップと、設計したサポート部及び熱パス部が形成されるように造形工程を実施する第６のステップと、を備える。【選択図】図１０

Description

本発明は、金属積層造形方法に関する。

金属粉末に部分的にレーザビームを照射して、溶融及び硬化させ、さらに金属粉末を積層してレーザビームの照射による溶融及び硬化を繰り返すことで、目的とする造形物を形成する金属積層造形方法が知られている。特許文献１には、金属積層造形方法において、造形物に生じる残留応力（引張応力）を解析し、この解析結果に基づいて、残留応力を減少させるように、造形工程において造形物を支持するためのサポート部の構造やレーザビームの照射エネルギーを変更する技術が開示されている。

特開２０１７−１７９５１７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、造形物の形状が複雑である場合、残留応力を低減するためにはサポート部の構造を非常に複雑にする必要があり、現実的ではなかった。

本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、サポート部の構造を複雑化することなく、残留応力を低減することができる金属積層造形方法を提供することを目的とする。

本発明は、金属粉末に部分的にレーザビームを照射して、溶融及び硬化させ、さらに金属粉末を積層してレーザビームの照射による溶融及び硬化を繰り返すことで、目的とする造形物を形成する金属積層造形方法であって、前記造形物に対し、前記造形物を支持するためのサポート部を設計する第１のステップと、前記サポート部が形成された状態の前記造形物について、金属積層造形解析を実施する第２のステップと、金属積層造形解析の結果により、前記造形物において、残留応力が所定の値よりも大きくなる箇所を検出する第３のステップと、前記残留応力が所定の値よりも大きくなる箇所に接触させる熱パス部を設計する第４のステップと、前記サポート部及び前記熱パス部が形成された状態の前記造形物について、金属積層造形解析を実施する第５のステップと、設計した前記サポート部及び前記熱パス部が形成されるように造形工程を実施する第６のステップと、を備えるものである。

サポート部を配置した状態で金属積層造形解析を行ったときに残留応力が高くなった箇所において、熱パス部を配置する。これにより、レーザビームによる熱エネルギーが、当該残留応力が高くなった箇所から熱パス部を介して放出されるので、当該残留応力が高くなった箇所における温度分布が軽減され、残留応力を低減することができる。

さらに、前記第１のステップにおいて、前記サポート部が、前記造形物における、積層方向とのなす角度が所定の角度以上の箇所に形成されるように設計するようにしてもよい。このようにすることで、造形工程中において、造形物が自重で崩れて形状が維持できなくなるのを防止することができる。

さらに、前記第４のステップにおいて、前記熱パス部が積層方向とのなす角度が所定の角度未満の箇所に形成されるように設計するようにしてもよい。

本発明によれば、サポート部の構造を複雑化することなく、残留応力を低減することができる。

本実施の形態にかかる金属積層造形方法に使用する造形装置の概略構成を示す模式図である。造形工程において形成された造形物の一例を示す模式図である。造形工程において形成された造形物の別の一例を示す模式図である。造形工程において形成された造形物に熱パス部が形成された状態を示す模式図である。サポート部が形成された状態のＶ字状部材に対し、金属積層造形解析を行ったときの残留応力の分布を示すコンター図である。図５において破線で囲まれた領域Ｓを拡大した拡大図である。Ｖ字状部材に対し、熱パス部を配置した状態を示す模式図である。サポート部及び熱パス部が形成された状態のＶ字状部材に対し、金属積層造形解析を行ったときの残留応力の分布を示すコンター図である。図８において破線で囲まれた領域Ｓを拡大した拡大図である。本実施の形態にかかる金属積層造形方法の処理の流れを示すフローチャートである。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

まず、図１を参照して本実施の形態にかかる金属積層造形方法に使用する造形装置について説明する。図１は、本実施の形態にかかる金属積層造形方法に使用する造形装置１の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、造形装置１は、チャンバ２と、造形槽３と、ベースプレート４と、レーザ光源５と、粉末供給部６と、リコータ７と、ビーム走査機構８と、を備えている。

ベースプレート４は、造形物Ｗの土台となる板材で、造形槽３の内部において上下動可能に配置されている。造形槽３の上部には、金属粉末を供給する粉末供給部６が配置されている。ここで、金属粉末は、例えば、アルミニウム合金、チタン合金などである。リコータ７は、粉末供給部６より供給された金属粉末をベースプレート４に層状に敷くためのものである。造形槽３、ベースプレート４、粉末供給部６及びリコータ７は、チャンバ２の内部に納められている。チャンバ２の内部には窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを導入してもよい。また、チャンバ２の内部を真空にしてもよい。

レーザ光源５は、レーザビームＬを発光するための光源である。ビーム走査機構８は、レーザビームＬが金属粉末の所定位置に照射されるように走査するための機構で、例えばガルバノミラーである。レーザ光源５及びビーム走査機構８は、チャンバ２の外部に設けられている。レーザビームＬは、チャンバ２に設けられた透光部９よりチャンバ２の内部に入射させる。

次に、本実施の形態にかかる金属積層造形方法における、金属積層造形工程（以下、「造形工程」という）について説明する。なお、以下の説明では、図１についても適宜参照する。
造形工程では、ビーム走査機構８によりレーザビームＬを走査し、金属粉末の所定の部分にレーザビームＬを照射して、溶融及び硬化させる。そして、一層が形成されたら、粉末供給部６及びリコータ７によりさらに金属粉末を積層し、レーザビームＬの照射により金属粉末の所定の部分を溶融及び硬化させて、次の一層を形成する。このように、金属粉末の積層と溶融及び硬化を繰り返すことで目的とする造形物を形成する。

造形工程において、造形物Ｗを支持するためのサポート部を同時に形成する。なお、サポート部は造形物Ｗと同様に、金属粉末の積層と溶融及び硬化を繰り返すことで形成される。図２は、造形工程において形成された造形物の一例（造形物Ｗ１）を示す模式図である。図２に示すように、サポート部Ｂ１は、造形物Ｗ１における、積層方向Ｚとのなす角度が所定の角度以上の箇所に形成される。ここで、所定の角度をα（例えば４５°）とする。造形物Ｗ１における箇所Ｐ１では、積層方向Ｚとのなす角度θ１が所定の角度α以上であるとすると（θ１≧α）、箇所Ｐ１にはサポート部Ｂ１が設けられる。一方、造形物Ｗ１における箇所Ｐ２では、積層方向Ｚとのなす角度θ２が所定の角度α未満であるとすると（θ２＜α）、箇所Ｐ２にはサポート部Ｂ１が設けられない。このようにすることで、造形工程中において、造形物Ｗ１が自重で崩れて形状が維持できなくなるのを防止することができる。

図３は、造形工程において形成された造形物の別の一例（造形物Ｗ２）を示す模式図である。図３に示すように、造形物Ｗ２における、積層方向Ｚとのなす角度が所定の角度α以上の箇所は存在しない。このため、造形物におけるサポート部の設計工程において、造形物Ｗ２ではサポート部は必要ないと判断される。

しかしながら、造形物Ｗ２では、太さが変化している箇所Ｍにおいて、残留応力が相対的に大きくなると考えられる。一般的に、残留応力が大きくなりやすい箇所は、箇所Ｍのように形状の変化が大きい箇所である。これは、形状の変化が大きい箇所では、レーザビームの照射により温度分布（冷却ムラ）が生じやすいためである。目的の対象物において、残留応力が大きくなる箇所は、金属積層造形解析を実施することで予め予測することができる。ここで、金属積層造形解析は、造形工程におけるレーザビームの照射による熱変形を解析するものである。金属積層造形解析には市販の解析ツールを用いることができる。

本実施の形態にかかる金属積層造形方法では、目的の造形物において、予め実施した金属積層造形解析により残留応力が大きくなると想定される箇所に熱パス部を形成するようにする。なお、熱パス部は、造形物と同様に、金属粉末の積層と溶融及び硬化を繰り返すことで形成される。図４は、造形工程において形成された造形物Ｗ２に熱パス部が形成された状態を示す模式図である。図４に示すように、残留応力が大きくなると想定される箇所である箇所Ｍに熱パス部Ｂ２を接触させている。このようにすると、レーザビームによる熱エネルギーＱが、箇所Ｍから熱パス部Ｂ２を介してベースプレート４に放出されるので、箇所Ｍにおける温度分布が軽減され、残留応力を低減することができる。

図５は、サポート部Ｂ１が形成された状態のＶ字状部材Ｗ３に対し、金属積層造形解析を行ったときの残留応力の分布を示すコンター図である。図６は、図５において破線で囲まれた領域Ｓを拡大した拡大図である。ここで、残留応力は最大主応力で、単位は［ＭＰａ］である。図５及び図６に示すように、穴Ｈの近傍領域Ｔにおいて残留応力が１８０［ＭＰａ］程度に上昇している。

図７は、Ｖ字状部材Ｗ３に対し、熱パス部Ｂ２を配置した状態を示す模式図である。図７に示すように、金属積層造形解析を行ったときに残留応力が高くなった箇所において熱パス部Ｂ２を配置するようにする。

図８は、サポート部Ｂ１及び熱パス部Ｂ２が形成された状態のＶ字状部材Ｗ３に対し、金属積層造形解析を行ったときの残留応力の分布を示すコンター図である。図９は、図８において破線で囲まれた領域Ｓを拡大した拡大図である。ここで、残留応力は最大主応力で、単位は［ＭＰａ］である。なお、図８及び図９では、熱パス部Ｂ２の表示は省略している。図８及び図９に示すように、穴Ｈの近傍領域Ｔにおいて残留応力が７０［ＭＰａ］程度に低減している。よって、サポート部Ｂ１を配置した状態で金属積層造形解析を行ったときに残留応力が高くなった箇所において、熱パス部Ｂ２を配置することで、当該箇所の残留応力を効果的に低減できることが確認できた。

次に、本実施の形態にかかる金属積層造形方法の処理の流れについて説明する。
図１０は、本実施の形態にかかる金属積層造形方法の処理の流れを示すフローチャートである。図１０に示すように、まず、目的の造形物に対し、サポート部を設計する（ステップＳ１０１）。なお、サポート部が、造形物における、積層方向とのなす角度が所定の角度以上の箇所に形成されるように設計してもよい。このようにすることで、造形工程中において、造形物が自重で崩れて形状が維持できなくなるのを防止することができる。続いて、サポート部が形成された状態の造形物について、金属積層造形解析を実施する（ステップＳ１０２）。

ステップＳ１０２に続いて、金属積層造形解析の結果により、造形物において、残留応力が所定の値よりも大きくなる箇所を検出する（ステップＳ１０３）。続いて、残留応力が所定の値よりも大きくなる箇所に接触させる熱パス部を設計する（ステップＳ１０４）。なお、造形物において、金属積層造形解析の結果で残留応力が所定の値よりも大きくなり、かつ、積層方向とのなす角度が所定の角度未満である箇所に熱パス部が形成されるように設計してもよい。このようにすることで、サポート部と重複して熱パス部が形成されるのを防止することができる。続いて、サポート部及び熱パス部が形成された状態の造形物について、金属積層造形解析を実施する（ステップＳ１０５）。

ステップＳ１０５に続いて、金属積層造形解析の結果により、造形物において、残留応力が所定の値よりも大きくなる箇所があるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６において、造形物において、残留応力が所定の値よりも大きくなる箇所があると判断された場合は、処理をステップＳ１０４に戻す。ステップＳ１０６において、造形物において、残留応力が所定の値よりも大きくなる箇所がないと判断された場合は、設計したサポート部及び熱パス部が形成されるように造形工程を実施する（ステップＳ１０７）。なお、ステップＳ１０６におけるループ判定をせずに、ステップＳ１０５の処理に続いてステップＳ１０７の処理を実施するようにしてもよい。

以上により、本実施の形態にかかる金属積層造形方法では、サポート部を配置した状態で金属積層造形解析を行ったときに残留応力が高くなった箇所において、熱パス部を配置する。これにより、レーザビームによる熱エネルギーが、当該残留応力が高くなった箇所から熱パス部を介してベースプレート４に放出されるので、当該残留応力が高くなった箇所における温度分布が軽減され、残留応力を低減することができる。

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

１造形装置
２チャンバ
３造形槽
４ベースプレート
５レーザ光源
６粉末供給部
７リコータ
８ビーム走査機構
９透光部
Ｂ１サポート部
Ｂ２熱パス部
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３造形物

Claims

金属粉末に部分的にレーザビームを照射して、溶融及び硬化させ、さらに金属粉末を積層してレーザビームの照射による溶融及び硬化を繰り返すことで、目的とする造形物を形成する金属積層造形方法であって、
前記造形物に対し、前記造形物を支持するためのサポート部を設計する第１のステップと、
前記サポート部が形成された状態の前記造形物について、金属積層造形解析を実施する第２のステップと、
金属積層造形解析の結果により、前記造形物において、残留応力が所定の値よりも大きくなる箇所を検出する第３のステップと、
前記残留応力が所定の値よりも大きくなる箇所に接触させる熱パス部を設計する第４のステップと、
前記サポート部及び前記熱パス部が形成された状態の前記造形物について、金属積層造形解析を実施する第５のステップと、
設計した前記サポート部及び前記熱パス部が形成されるように造形工程を実施する第６のステップと、を備える金属積層造形方法。
前記第１のステップにおいて、前記サポート部が、前記造形物における、積層方向とのなす角度が所定の角度以上の箇所に形成されるように設計する、請求項１に記載の金属積層造形方法。
前記第４のステップにおいて、前記熱パス部が積層方向とのなす角度が所定の角度未満の箇所に形成されるように設計する、請求項２に記載の金属積層造形方法。