JP2020128584A - Laminate molding method - Google Patents

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Mitsutaka Yoshida
光崇 芳田
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Abstract

To provide a laminate molding method capable of sufficiently removing fume and a sputter.SOLUTION: A laminate molding method molds a three-dimensional structure 10 by repeating, in a chamber 2, a step (step S6) of radiating a laser 9 to a prescribed part of a metal powder layer 10a for forming a solidification layer 10b and a step (step S4) of paving the solidification layer 10b with metal powder for forming a next powder layer 10a. A flow rate of a gas to be supplied into the chamber 2 is increased to an amount at which the metal powder layer 10a does not scatter in the step (step S6) for forming the solidification layer 10b, and is decreased relative to that in the step (step S6) for forming the solidification layer 10b in the step (step S4) for forming the metal powder layer 10a.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、積層造形方法に関する。 The present invention relates to an additive manufacturing method.

3次元構造体の造形方法として、金属粉末層の所定箇所にレーザーを照射して固化層を形成する工程と、前記固化層の上に金属粉末を敷き詰めて次なる金属粉末層を形成する工程と、をチャンバー内において繰り返し行う、積層造形方法が知られている。
例えば特許文献1には、チャンバー内に局所的にガスを流すことによって、レーザー照射時に発生するヒュームを除去する技術が開示されている。
As a method for forming a three-dimensional structure, a step of irradiating a predetermined portion of the metal powder layer with a laser to form a solidified layer, and a step of spreading the metal powder on the solidified layer to form a next metal powder layer. There is known a layered manufacturing method in which the above steps are repeatedly performed in a chamber.
For example, Patent Document 1 discloses a technique of removing fumes generated during laser irradiation by locally flowing a gas into a chamber.

特許第5653358号公報Japanese Patent No. 5653358

発明者らは、積層造形方法に関し、下記の課題を見出した。
特許文献1に開示されている技術では、居所的にガスを流すことによって、ガスにヒューム及びスパッタを同伴させて除去している。したがって、局所的に流れるガスの近傍以外の部分で発生したヒューム及びスパッタを除去することができない。そのため、十分にヒューム及びスパッタを除去することができない。
The inventors have found the following problems regarding the additive manufacturing method.
In the technique disclosed in Patent Document 1, the gas is caused to flow locally to remove the fumes and spatters together with the gas. Therefore, it is not possible to remove the fume and spatter generated in the portion other than the vicinity of the locally flowing gas. Therefore, it is not possible to sufficiently remove fume and spatter.

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、ヒューム及びスパッタを十分に除去可能な積層造形方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a layered manufacturing method capable of sufficiently removing fume and spatter.

上記目的を達成するための一態様は、金属粉末層の所定箇所にレーザーを照射して固化層を形成する工程と、前記固化層の上に金属粉末を敷き詰めて次なる金属粉末層を形成する工程と、をチャンバー内において繰り返し行って3次元構造体を造形する積層造形方法であって、前記チャンバー内に供給するガスの流量を、前記固化層を形成する工程では前記金属粉末層が飛び散らない量まで多くし、前記金属粉末層を形成する工程では前記固化層を形成する工程よりも少なくする。 One mode for achieving the above object is a step of irradiating a predetermined portion of the metal powder layer with a laser to form a solidified layer, and spreading the metal powder on the solidified layer to form a next metal powder layer. And a step of repeatedly forming a three-dimensional structure in a chamber, wherein the metal powder layer does not scatter in the step of forming the solidified layer at a flow rate of a gas supplied into the chamber. The amount is increased up to the amount, and the amount in the step of forming the metal powder layer is smaller than that in the step of forming the solidified layer.

本発明に係る積層造形方法では、チャンバー内に供給するガスの流量を、固化層を形成する工程では金属粉末層が飛び散らない量まで多くし、金属粉末層を形成する工程では固化層を形成する工程よりも少なくする。したがって、固化層を形成する工程において十分にヒューム及びスパッタを除去することができる。 In the layered manufacturing method according to the present invention, the flow rate of the gas supplied into the chamber is increased to an amount that does not scatter the metal powder layer in the step of forming the solidified layer, and the solidified layer is formed in the step of forming the metal powder layer. Less than the process. Therefore, it is possible to sufficiently remove fumes and spatters in the step of forming the solidified layer.

本発明によれば、ヒューム及びスパッタを十分に除去可能な積層造形方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a layered manufacturing method capable of sufficiently removing fume and spatter.

本実施の形態に係る積層造形装置の模式図である。It is a schematic diagram of the additive manufacturing apparatus which concerns on this Embodiment. レーザー照射時における、本実施の形態に係る積層造形装置の模式断面図である。It is a schematic cross section of the additive manufacturing apparatus which concerns on this Embodiment at the time of laser irradiation. 本実施の形態に係る積層造形方法を示すフローチャートである。It is a flow chart which shows the additive manufacturing method concerning this embodiment. レーザー照射時における、金属粉末層の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of a metal powder layer at the time of laser irradiation. 金属粉末層を形成する際における、本実施の形態に係る積層造形装置の模式断面図である。It is a schematic cross section of the additive manufacturing apparatus which concerns on this Embodiment at the time of forming a metal powder layer. 実施例1〜3及び比較例1〜5における、3次元構造体の密度を示すグラフである。It is a graph which shows the density of the three-dimensional structure in Examples 1-3 and Comparative Examples 1-5. 実施例1における、X線CT計測画像である。3 is an X-ray CT measurement image in Example 1. 実施例2における、X線CT計測画像である。9 is an X-ray CT measurement image in Example 2. 実施例3における、X線CT計測画像である。9 is an X-ray CT measurement image in Example 3. 比較例1における、X線CT計測画像である。8 is an X-ray CT measurement image in Comparative Example 1. 比較例5における、X線CT計測画像である。9 is an X-ray CT measurement image in Comparative Example 5. 実施例1及び比較例1における、欠陥個数を示すグラフである。7 is a graph showing the number of defects in Example 1 and Comparative Example 1. 従来の積層造形方法において、レーザー照射時の金属粉末層の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of a metal powder layer at the time of laser irradiation in the conventional additive manufacturing method.

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments. Further, in order to clarify the explanation, the following description and drawings are appropriately simplified.

まず、図1及び図2を参照して、本実施の形態に係る積層造形方法を実施する装置(本実施の形態に係る積層造形装置)の構成について説明する。図1に示すように、積層造形装置1は、チャンバー2、ホッパー3、リコーター3a、ブレード3b、ベースプレート5、ガス置換部6、ガス供給部7、及び排気部8を備える。チャンバー2内には、造形空間4が形成されている。 First, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, a configuration of an apparatus (a layered manufacturing apparatus according to the present embodiment) for performing the layered manufacturing method according to the present embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the additive manufacturing apparatus 1 includes a chamber 2, a hopper 3, a recoater 3 a, a blade 3 b, a base plate 5, a gas replacement unit 6, a gas supply unit 7, and an exhaust unit 8. A modeling space 4 is formed in the chamber 2.

積層造形装置1は、図2に示すように、図1に示した構成に加えて、レーザー発振器91を備える。なお、図1には、積層造形装置1に加えて、レーザー9及び3次元構造体10を図示している。また、図2には、積層造形装置1に加えて、レーザー9、3次元構造体10、及び金属粉末層10aを図示している。なお、図2では、チャンバー2の上部、ガス置換部6、ガス供給部7、及び排気部8の図示を省略している。 As shown in FIG. 2, the additive manufacturing apparatus 1 includes a laser oscillator 91 in addition to the configuration shown in FIG. Note that FIG. 1 shows a laser 9 and a three-dimensional structure 10 in addition to the layered manufacturing apparatus 1. In addition, FIG. 2 illustrates the laser 9, the three-dimensional structure 10, and the metal powder layer 10 a in addition to the layered manufacturing apparatus 1. 2, the upper part of the chamber 2, the gas replacement part 6, the gas supply part 7, and the exhaust part 8 are not shown.

図1に示すように、積層造形装置1は、チャンバー2を備える。チャンバー2は、内部に空間を有する構造体である。チャンバー2内の下側には、造形空間4が形成されている。造形空間4は、底面がベースプレートであり、かつ、側面がチャンバー2の内周面である。ベースプレート5は、板状部材である。ベースプレート5は、図2に示すように、チャンバー2内に上下動可能に配置される。 As shown in FIG. 1, the additive manufacturing apparatus 1 includes a chamber 2. The chamber 2 is a structure having a space inside. A modeling space 4 is formed below the chamber 2. The modeling space 4 has a bottom surface as a base plate and a side surface as an inner peripheral surface of the chamber 2. The base plate 5 is a plate-shaped member. As shown in FIG. 2, the base plate 5 is arranged in the chamber 2 so as to be vertically movable.

ホッパー3は、内部に金属粉末を貯留する。ホッパー3の底は、開閉可能である。ホッパー3の下方には、リコーター3aが配置されている。ホッパー3の底を開けることによって、リコーター3aに所定量の金属粉末を供給することができる。リコーター3aは、水平方向に移動可能である。リコーター3aの下部には、ブレード3bが取り付けられている。ブレード3bは、リコーター3aの移動方向に垂直な方向に延びる板状部材である。ブレード3bは、リコーター3aと共に水平方向に移動可能である。 The hopper 3 stores metal powder inside. The bottom of the hopper 3 can be opened and closed. A recoater 3 a is arranged below the hopper 3. By opening the bottom of the hopper 3, a predetermined amount of metal powder can be supplied to the recoater 3a. The recoater 3a is movable in the horizontal direction. A blade 3b is attached to the lower portion of the recoater 3a. The blade 3b is a plate-shaped member extending in a direction perpendicular to the moving direction of the recoater 3a. The blade 3b is movable in the horizontal direction together with the recoater 3a.

詳細は後述するが、3次元構造体10を造形する際には、ホッパー3の底を開けて所定量の金属粉末をリコーター3aに供給する。そして、リコーター3aを造形空間4に向かって動かし、造形空間4に所定量の金属粉末を供給する。リコーター3aの下部にはブレード3bが取り付けられているため、リコーター3aを造形空間4に向かって動かすと、金属粉末がブレード3bによって均される。金属粉末は、ブレード3bによって均されて金属粉末層10aとなる。 Although details will be described later, when the three-dimensional structure 10 is formed, the bottom of the hopper 3 is opened and a predetermined amount of metal powder is supplied to the recoater 3a. Then, the recoater 3a is moved toward the modeling space 4, and a predetermined amount of metal powder is supplied to the modeling space 4. Since the blade 3b is attached to the lower portion of the recoater 3a, when the recoater 3a is moved toward the modeling space 4, the metal powder is leveled by the blade 3b. The metal powder is leveled by the blade 3b to form the metal powder layer 10a.

図1に示すように、チャンバー2には、ガス置換部6が形成されている。ガス置換部6は、チャンバー2内にガスを供給し、チャンバー2内の雰囲気を置換することができる。ガス置換部6が供給するガスは、ヘリウムガスである。ガス置換部6が形成される位置は、チャンバー2内の雰囲気を置換可能である位置であれば、特に限定されない。ガス置換部6は、例えば、図1に示すように、チャンバー2の側壁に形成される。ガス置換部6は、チャンバー2の天井等に形成されてもよい。 As shown in FIG. 1, the gas replacement portion 6 is formed in the chamber 2. The gas replacement unit 6 can supply gas into the chamber 2 and replace the atmosphere in the chamber 2. The gas supplied by the gas replacement unit 6 is helium gas. The position where the gas replacement portion 6 is formed is not particularly limited as long as it can replace the atmosphere in the chamber 2. The gas replacement portion 6 is formed, for example, on the side wall of the chamber 2 as shown in FIG. The gas replacement unit 6 may be formed on the ceiling of the chamber 2 or the like.

チャンバー2には、ガス供給部7が形成されている。ガス供給部7は、チャンバー2内にガスを供給し、金属粉末層10aの上方にガスの流れを発生させる。ガス供給部7が供給するガスは、ヘリウムガスである。ガス供給部7が形成される位置は、金属粉末層10aの上方にガスの流れを発生させる位置であれば、特に限定されない。ガス供給部7は、例えば図1に示すように、チャンバー2の側壁であって、金属粉末層10aの上面よりも上の部分に形成される。 A gas supply unit 7 is formed in the chamber 2. The gas supply unit 7 supplies gas into the chamber 2 to generate a gas flow above the metal powder layer 10a. The gas supplied by the gas supply unit 7 is helium gas. The position where the gas supply unit 7 is formed is not particularly limited as long as it is a position where a gas flow is generated above the metal powder layer 10a. The gas supply unit 7 is formed, for example, as shown in FIG. 1, on the side wall of the chamber 2 and above the upper surface of the metal powder layer 10a.

チャンバー2には、排気部8が形成されている。排気部8は、チャンバー2内の雰囲気を排気することができる。ガス置換部6から供給されたガス、及び、ガス供給部7から供給されたガス、は、排気部8から排気される。排気部8は、図1に示すように、ガス供給部7と向かい合うように形成される。ガス供給部7から供給されたガスは、ガス供給部7から排気部8に向かって流れる。したがって、金属粉末層10aの上面全体を覆うようにガスの流れが発生する。 An exhaust unit 8 is formed in the chamber 2. The exhaust unit 8 can exhaust the atmosphere in the chamber 2. The gas supplied from the gas replacement unit 6 and the gas supplied from the gas supply unit 7 are exhausted from the exhaust unit 8. The exhaust part 8 is formed so as to face the gas supply part 7, as shown in FIG. 1. The gas supplied from the gas supply unit 7 flows from the gas supply unit 7 toward the exhaust unit 8. Therefore, a gas flow is generated so as to cover the entire upper surface of the metal powder layer 10a.

図2に示すように、積層造形装置1は、レーザー発振器91を備える。レーザー発振器91は、レーザー9を金属粉末層10aに向かって照射する。3次元構造体10を造形する際には、図2に示すように、造形空間4に金属粉末層10aを形成する。そして、金属粉末層10aの所定箇所にレーザー9を照射して固化層10bを形成する。固化層10bの上に次なる金属粉末層10aを形成する。このように、固化層10bを繰り返し形成して3次元構造体10を形成する。 As shown in FIG. 2, the additive manufacturing apparatus 1 includes a laser oscillator 91. The laser oscillator 91 irradiates the laser 9 toward the metal powder layer 10a. When modeling the three-dimensional structure 10, the metal powder layer 10 a is formed in the modeling space 4, as shown in FIG. 2. Then, the laser 9 is applied to a predetermined portion of the metal powder layer 10a to form the solidified layer 10b. The next metal powder layer 10a is formed on the solidified layer 10b. In this way, the solidified layer 10b is repeatedly formed to form the three-dimensional structure 10.

次に、図1〜図5、及び図13を参照して、本実施の形態に係る積層造形方法について説明する。図3は、本実施の形態に係る積層造形方法を示すフローチャートである。図4は、レーザー照射時における、金属粉末層の拡大断面図である。図5は、金属粉末層を形成する際における、本実施の形態に係る積層造形装置の模式断面図である。図13は、従来の積層造形方法において、レーザー照射時の金属粉末層の拡大断面図である。 Next, the additive manufacturing method according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5 and 13. FIG. 3 is a flowchart showing the additive manufacturing method according to the present embodiment. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the metal powder layer at the time of laser irradiation. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the additive manufacturing apparatus according to the present embodiment when forming the metal powder layer. FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of a metal powder layer at the time of laser irradiation in the conventional additive manufacturing method.

本実施の形態に係る積層造形方法では、図3に示すように、まず、ガスを置換する工程(ステップS1)を行う。ガスを置換する工程(ステップS1)では、ガス置換部6を用いてチャンバー2内の雰囲気を置換し、チャンバー2内の酸素濃度を100ppm以下とする。次に、金属粉末を供給する工程(ステップS2)を行う。金属粉末を供給する工程(ステップS2)では、ホッパー3から所定量の金属粉末をリコーター3aに供給する。 In the layered manufacturing method according to the present embodiment, as shown in FIG. 3, first, a gas replacement step (step S1) is performed. In the step of replacing the gas (step S1), the atmosphere in the chamber 2 is replaced by using the gas replacement unit 6, and the oxygen concentration in the chamber 2 is set to 100 ppm or less. Next, the step of supplying the metal powder (step S2) is performed. In the step of supplying the metal powder (step S2), a predetermined amount of the metal powder is supplied from the hopper 3 to the recoater 3a.

次に、ベースプレート5を降下させる工程(ステップS3)を行う。本実施の形態に係る積層造形方法を開始する際には、予めベースプレート5を上昇させる工程を行い、ベースプレート5の上面がチャンバー2の底側の内周面と同一面を形成する位置まで、ベースプレートを上昇させる。ベースプレート5を降下させる工程(ステップS3)では、ベースプレート5を金属粉末層10aの厚みに相当する分降下させる。 Next, the step of lowering the base plate 5 (step S3) is performed. When the additive manufacturing method according to the present embodiment is started, the step of raising the base plate 5 is performed in advance, and the base plate 5 is moved to a position where the upper surface of the base plate 5 forms the same surface as the inner peripheral surface on the bottom side of the chamber 2. Raise. In the step of lowering the base plate 5 (step S3), the base plate 5 is lowered by an amount corresponding to the thickness of the metal powder layer 10a.

図3に示す例では、金属粉末を供給する工程(ステップS2)を行った後に、ベースプレート5を降下させる工程(ステップS3)を行う。しかしながら、ステップS2及びステップS3を行う順は限定されない。例えば、ベースプレート5を降下させる工程(ステップS3)を行った後に、金属粉末を供給する工程(ステップS2)を行ってもよい。また、金属粉末を供給する工程(ステップS2)とベースプレート5を降下させる工程(ステップS3)とを並行して行ってもよい。 In the example shown in FIG. 3, after the step of supplying the metal powder (step S2) is performed, the step of lowering the base plate 5 (step S3) is performed. However, the order of performing step S2 and step S3 is not limited. For example, after the step of lowering the base plate 5 (step S3) is performed, the step of supplying the metal powder (step S2) may be performed. Further, the step of supplying the metal powder (step S2) and the step of lowering the base plate 5 (step S3) may be performed in parallel.

次に、金属粉末層10aを形成する工程(ステップS4)を行う。金属粉末層10aでは、図4に示すように、ステップS1において所定量の金属粉末を供給されたリコーター3aを造形空間4に向かって動かし、造形空間4に所定量の金属粉末を供給する。リコーター3aの下部にはブレード3bが取り付けられているため、リコーター3aを造形空間4に向かって動かすと、金属粉末がブレード3bによって造形空間4に敷き詰められて、金属粉末層10aが形成される。 Next, the step of forming the metal powder layer 10a (step S4) is performed. In the metal powder layer 10a, as shown in FIG. 4, the recoater 3a supplied with the predetermined amount of the metal powder in step S1 is moved toward the modeling space 4 to supply the modeling space 4 with the predetermined amount of the metal powder. Since the blade 3b is attached to the lower part of the recoater 3a, when the recoater 3a is moved toward the modeling space 4, the metal powder is spread over the modeling space 4 by the blade 3b to form the metal powder layer 10a.

次に、ガスの流量を多くする工程(ステップS5)を行う。ガスの流量を多くする工程(ステップS5)では、ガス供給部7を用いて、チャンバー2内にガスを供給する。したがって、ステップS5では、ステップS1〜S4に比較して、チャンバー2内におけるガスの流量が多い。ガスの流量を多くする工程(ステップS5)におけるガスの流量は、15L/min未満であり、好ましくは5L/min以上15L/min未満であり、さらに好ましくは10L/min以上12L/min以下である。ガスをこのような流量で流すと、金属粉末層10aが飛び散らない。ガスの流量を多くする工程(ステップS5)を行うと、チャンバー2内にガスの流れが発生する。 Next, a step of increasing the gas flow rate (step S5) is performed. In the step of increasing the flow rate of gas (step S5), gas is supplied into the chamber 2 using the gas supply unit 7. Therefore, in step S5, the gas flow rate in the chamber 2 is higher than in steps S1 to S4. The gas flow rate in the step of increasing the gas flow rate (step S5) is less than 15 L/min, preferably 5 L/min or more and less than 15 L/min, and more preferably 10 L/min or more and 12 L/min or less. .. When the gas is flowed at such a flow rate, the metal powder layer 10a does not scatter. When the step of increasing the gas flow rate (step S5) is performed, a gas flow is generated in the chamber 2.

次に、レーザー9を照射する工程(ステップS6)を行う。レーザー9を照射する工程(ステップS6)では、図2に示すように、レーザー発振器91からステップS4において形成した金属粉末層10aの所定箇所にレーザー9を照射して、固化層10bを形成する。レーザー9を照射する工程(ステップS6)では、金属粉末層10aの上面を走査するようにレーザー9の照射位置を動かす。レーザー9の照射位置は、ガスの流れと反対向きとなるように動かす。 Next, the step of irradiating the laser 9 (step S6) is performed. In the step of irradiating the laser 9 (step S6), as shown in FIG. 2, the laser oscillator 91 irradiates the metal powder layer 10a formed in step S4 at a predetermined position with the laser 9 to form the solidified layer 10b. In the step of irradiating the laser 9 (step S6), the irradiation position of the laser 9 is moved so as to scan the upper surface of the metal powder layer 10a. The irradiation position of the laser 9 is moved so as to be opposite to the gas flow.

図5は、レーザー9を照射する工程(ステップS6)における、金属粉末層10aの一部拡大図である。図5に示す点線矢印は、レーザー9の反射方向である。図5に示すように、金属粉末層10aは、レーザー9が照射されると、溶融して溶融金属10cとなる。金属粉末は、溶融する際にスパッタ12やヒューム13を生じる。 FIG. 5 is a partially enlarged view of the metal powder layer 10a in the step of irradiating the laser 9 (step S6). The dotted arrow shown in FIG. 5 indicates the reflection direction of the laser 9. As shown in FIG. 5, when the metal powder layer 10a is irradiated with the laser 9, the metal powder layer 10a is melted and becomes a molten metal 10c. The metal powder produces spatters 12 and fumes 13 when melted.

レーザー9を照射する工程(ステップS6)を行う際には、レーザー9の進行方向と反対方向に向かう、ガスの流れが発生している。したがって、発生したスパッタ12及びヒューム13は、ガスの流れによって、レーザー9よりもレーザー9の進行方向後ろ側に流れる。つまり、レーザー9の進路上からスパッタ12及びヒューム13を十分除去することができる。 When performing the step of irradiating the laser 9 (step S6), a gas flow is generated in a direction opposite to the traveling direction of the laser 9. Therefore, the generated spatters 12 and fumes 13 flow behind the laser 9 in the traveling direction of the laser 9 due to the gas flow. That is, the spatter 12 and the fume 13 can be sufficiently removed from the path of the laser 9.

ここで、スパッタ12及びヒューム13を十分に除去しない場合について説明する。図13は、従来の積層造形方法において、レーザー照射時の金属粉末層の拡大断面図である。従来の積層造形方法では、図13に示すように、固化層100bの上に金属粉末層100aを形成し、金属粉末層100aにレーザー900を照射する。金属粉末層100aは、レーザー900が照射されると、溶融して溶融金属100cとなる。金属粉末は、溶融する際にスパッタ120やヒューム130を生じる。 Here, a case where the spatter 12 and the fume 13 are not sufficiently removed will be described. FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of a metal powder layer at the time of laser irradiation in the conventional additive manufacturing method. In the conventional additive manufacturing method, as shown in FIG. 13, a metal powder layer 100a is formed on a solidified layer 100b, and the metal powder layer 100a is irradiated with a laser 900. When the laser powder 900 is irradiated, the metal powder layer 100a melts and becomes the molten metal 100c. The metal powder produces spatters 120 and fumes 130 when melted.

従来の積層造形方法では、レーザー900を照射する際におけるガスの流量が、本実施の形態に係る積層造形方法に比較して、少ない。したがって、従来の積層造形方法では、スパッタ120やヒューム130が十分に除去されない状態でレーザー900を照射する。そのため、レーザー900の進路上にスパッタ120やヒューム130が存在する。 In the conventional additive manufacturing method, the gas flow rate when irradiating the laser 900 is smaller than that in the additive manufacturing method according to the present embodiment. Therefore, in the conventional additive manufacturing method, the laser 900 is applied in a state where the spatter 120 and the fume 130 are not sufficiently removed. Therefore, the spatter 120 and the fume 130 are present on the path of the laser 900.

レーザー900は、スパッタ120やヒューム130が進路上に存在すると、溶融金属100cに向かって反射することがある。レーザー900が溶融金属100cに向かって反射すると、図13に示すように、溶融金属100cが対流する際に空気を巻き込みやすい。溶融金属100cが空気を巻き込んで固化すると、固化層100b内に欠陥が発生する。 The laser 900 may reflect toward the molten metal 100c when the spatter 120 and the fume 130 are present on the path. When the laser 900 reflects toward the molten metal 100c, as shown in FIG. 13, it is easy for air to be entrained when the molten metal 100c convects. When the molten metal 100c is entrained with air and solidified, defects occur in the solidified layer 100b.

本実施の形態に係る積層造形方法では、レーザー9の進路上からスパッタ12及びヒューム13が除去されているため、レーザー9は図5に示すように、上から数えて2つ目の固化層10bの上面近傍まで進入しやすい。そのため、溶融金属10cが対流する際に空気を巻き込みにくい。したがって、固化層10bに空気が入り込んで生じる欠陥の発生を抑制することができる。 In the layered manufacturing method according to the present embodiment, since the spatter 12 and the fume 13 are removed from the path of the laser 9, the laser 9 is, as shown in FIG. 5, the second solidified layer 10b counted from the top. Easy to enter near the upper surface of. Therefore, it is difficult for air to be entrained when the molten metal 10c convects. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of defects caused by the air entering the solidified layer 10b.

次に、ガスの流量を少なくする工程(ステップS7)を行う。ガスの流量を少なくする工程(ステップS7)では、ガス供給部7からのガス供給を止め、チャンバー2内におけるガスの流量を少なくする。 Next, a step of reducing the gas flow rate (step S7) is performed. In the step of reducing the gas flow rate (step S7), the gas supply from the gas supply unit 7 is stopped to reduce the gas flow rate in the chamber 2.

次に、3次元構造体10が所定厚みであるかを判定する工程(ステップS8)を行う。3次元構造体10が所定厚みであるかを判定する工程(ステップS8)は、例えば、固化層10bを何層形成すれば3次元構造体10が所定厚みとなるかを予め調べ、所定回数の固化層10bを形成しているか否かを判定することによって行われる。 Next, a step of determining whether the three-dimensional structure 10 has a predetermined thickness (step S8) is performed. In the step of determining whether the three-dimensional structure 10 has a predetermined thickness (step S8), for example, it is checked in advance how many solidified layers 10b should be formed to give the three-dimensional structure 10 a predetermined thickness, and the predetermined number of times is determined. This is performed by determining whether or not the solidified layer 10b is formed.

3次元構造体10が所定厚みであるかを判定する工程(ステップS8)において、3次元構造体10が所定厚みであった場合(ステップS8Yes)、積層造形方法を終了する。3次元構造体10が所定厚みであるかを判定する工程(ステップS8)において、3次元構造体10が所定厚み以下であった場合(ステップS8No)、再びステップS2〜S8を行う。 In the step of determining whether the three-dimensional structure 10 has the predetermined thickness (step S8), if the three-dimensional structure 10 has the predetermined thickness (step S8 Yes), the additive manufacturing method ends. In the step of determining whether the three-dimensional structure 10 has the predetermined thickness (step S8), if the three-dimensional structure 10 has the predetermined thickness or less (step S8 No), steps S2 to S8 are performed again.

再び金属粉末を供給する工程(ステップS2)を行う際には、ガスの流量を少なくする工程(ステップS7)においてガス供給部7からのガス供給を止め、チャンバー2内におけるガスの流量が少ない。したがって、金属粉末が飛び散ることを抑制しつつ金属粉末を敷き詰めることができる。このように、本実施の形態に係る積層造形方法は、ヒューム13を十分に除去しつつ金属粉末層10aにレーザー9を照射することができる。 When performing the step of supplying the metal powder again (step S2), the gas supply from the gas supply part 7 is stopped in the step of reducing the gas flow rate (step S7), and the gas flow rate in the chamber 2 is low. Therefore, it is possible to spread the metal powder while suppressing the scattering of the metal powder. Thus, the additive manufacturing method according to the present embodiment can irradiate the laser 9 on the metal powder layer 10a while sufficiently removing the fume 13.

以下、本発明について実施例を示して具体的に説明する。これらの記載により本発明を制限するものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples. These descriptions do not limit the present invention.

[実施例1]
(密度の測定)
レーザー照射時におけるガスの流量を10L/minとし、金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を10L/minよりも小さくして、3次元構造体を造形した。実施例1において造形された3次元構造体のX線CT計測を行い、密度を計測した。実施例1における3次元構造体の密度は、99.8%であった。実施例1におけるX線CT計測断面図を図7に示す。
[Example 1]
(Measurement of density)
The gas flow rate during laser irradiation was 10 L/min, and the gas flow rate when forming the metal powder layer was smaller than 10 L/min, thereby forming a three-dimensional structure. The three-dimensional structure formed in Example 1 was subjected to X-ray CT measurement to measure the density. The density of the three-dimensional structure in Example 1 was 99.8%. FIG. 7 shows an X-ray CT measurement sectional view in the first embodiment.

[実施例2]
レーザー照射時におけるガスの流量を5L/minとし、金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を5L/minよりも小さくして、3次元構造体を造形した。実施例2において造形された3次元構造体のX線CT計測を行い、密度を計測した。実施例2における3次元構造体の密度は、98.5%であった。実施例2におけるX線CT計測断面図を図8に示す。
[Example 2]
The gas flow rate at the time of laser irradiation was 5 L/min, and the gas flow rate at the time of forming the metal powder layer was smaller than 5 L/min to form a three-dimensional structure. X-ray CT measurement of the three-dimensional structure formed in Example 2 was performed to measure the density. The density of the three-dimensional structure in Example 2 was 98.5%. FIG. 8 shows a cross-sectional view of X-ray CT measurement in Example 2.

[実施例3]
レーザー照射時におけるガスの流量を12L/minとし、金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を12L/minよりも小さくして、3次元構造体を造形した。実施例3において造形された3次元構造体のX線CT計測を行い、密度を計測した。実施例3における3次元構造体の密度は、99.6%であった。実施例3におけるX線CT計測断面図を図9に示す。
[Example 3]
The gas flow rate at the time of laser irradiation was 12 L/min, and the gas flow rate at the time of forming the metal powder layer was smaller than 12 L/min to form a three-dimensional structure. X-ray CT measurement of the three-dimensional structure formed in Example 3 was performed to measure the density. The density of the three-dimensional structure in Example 3 was 99.6%. FIG. 9 shows a sectional view of X-ray CT measurement in Example 3.

[比較例1]
レーザー照射時及び金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を2L/minとして、3次元構造体を造形した。比較例1において造形された3次元構造体のX線CT計測を行い、密度を計測した。比較例1における3次元構造体の密度は、98.2%であった。比較例1におけるX線CT計測断面図を図10に示す。
[Comparative Example 1]
A three-dimensional structure was formed with a gas flow rate of 2 L/min during laser irradiation and formation of the metal powder layer. An X-ray CT measurement of the three-dimensional structure formed in Comparative Example 1 was performed to measure the density. The density of the three-dimensional structure in Comparative Example 1 was 98.2%. FIG. 10 shows an X-ray CT measurement sectional view in Comparative Example 1.

[比較例2]
レーザー照射時及び金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を5L/minとして、3次元構造体を造形した。しかしながら、比較例2では、金属粉末層を形成する際に金属粉末が飛び散り、3次元構造体を造形することができなかった。
[Comparative Example 2]
A three-dimensional structure was formed with a gas flow rate of 5 L/min during laser irradiation and formation of the metal powder layer. However, in Comparative Example 2, the metal powder was scattered during the formation of the metal powder layer, and the three-dimensional structure could not be formed.

[比較例3]
レーザー照射時及び金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を10L/minとして、3次元構造体を造形した。しかしながら、比較例3では、金属粉末層を形成する際に金属粉末が飛び散り、3次元構造体を造形することができなかった。
[Comparative Example 3]
A three-dimensional structure was formed with a gas flow rate of 10 L/min during laser irradiation and formation of the metal powder layer. However, in Comparative Example 3, the metal powder was scattered during the formation of the metal powder layer, and the three-dimensional structure could not be formed.

[比較例4]
レーザー照射時及び金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を15L/minとして、3次元構造体を造形した。しかしながら、比較例4では、金属粉末層を形成する際に金属粉末が飛び散り、3次元構造体を造形することができなかった。
[Comparative Example 4]
A three-dimensional structure was formed with a gas flow rate of 15 L/min during laser irradiation and formation of the metal powder layer. However, in Comparative Example 4, the metal powder was scattered when the metal powder layer was formed, and the three-dimensional structure could not be formed.

[比較例5]
レーザー照射時におけるガスの流量を15L/minとし、金属粉末層を形成する際におけるガスの流量を15L/minよりも小さくして、3次元構造体を造形した。比較例5において造形された3次元構造体のX線CT計測を行い、密度を計測した。比較例5における3次元構造体の密度は、89%であった。比較例5におけるX線CT計測断面図を図9に示す。
[Comparative Example 5]
The gas flow rate at the time of laser irradiation was set to 15 L/min, and the gas flow rate at the time of forming the metal powder layer was made smaller than 15 L/min to form a three-dimensional structure. X-ray CT measurement of the three-dimensional structure modeled in Comparative Example 5 was performed to measure the density. The density of the three-dimensional structure in Comparative Example 5 was 89%. FIG. 9 shows an X-ray CT measurement sectional view in Comparative Example 5.

(密度計測結果)
図6に、実施例1〜3及び比較例1〜5における、密度の計測結果をまとめて示す。図6に示すように、実施例1〜3は、比較例1及び比較例5に比較して、より高密度の3次元構造体を造形することができた。このことから、実施例1〜3では、ヒュームを十分に除去しつつレーザーの照射を行うことができたと考えられる。
(Density measurement result)
FIG. 6 collectively shows the measurement results of the density in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5. As shown in FIG. 6, in Examples 1 to 3, compared to Comparative Example 1 and Comparative Example 5, a higher density three-dimensional structure could be formed. From this, it is considered that in Examples 1 to 3, laser irradiation could be performed while sufficiently removing fume.

また、比較例2〜4では、金属粉末が飛び散り、3次元構造体を造形することができなかった。このことから、実施例1〜3では、金属粉末層を形成する際にガスの流量を少なくすることによって金属粉末が飛び散ることを抑制していることが確認された。 Further, in Comparative Examples 2 to 4, the metal powder was scattered and the three-dimensional structure could not be formed. From this, it was confirmed that in Examples 1 to 3, scattering of the metal powder was suppressed by reducing the flow rate of the gas when forming the metal powder layer.

(欠陥個数のカウント)
実施例1において造形した3次元構造体と、比較例1において造形した3次元構造体と、において、X線CT計測断面図から欠陥箇所の個数をカウントした。カウント結果を図13に示す。図13に示すように、実施例1では、比較例1に比較して、欠陥個数が少なかった。このことから、実施例1では、欠陥の発生を抑制しつつ3次元構造体を造形することができることが確認された。
(Counting the number of defects)
With respect to the three-dimensional structure formed in Example 1 and the three-dimensional structure formed in Comparative Example 1, the number of defective portions was counted from the X-ray CT measurement sectional view. The counting result is shown in FIG. As shown in FIG. 13, in Example 1, the number of defects was smaller than in Comparative Example 1. From this, in Example 1, it was confirmed that the three-dimensional structure can be formed while suppressing the generation of defects.

以上で説明した本実施の形態に係る発明により、ヒューム及びスパッタを十分に除去可能な積層造形方法を提供することができる。 By the invention according to the present embodiment described above, it is possible to provide a layered manufacturing method capable of sufficiently removing fume and spatter.

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。 The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, but can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

1 積層造形装置
2 チャンバー
3 ホッパー
3a リコーター
3b ブレード
4 造形空間
5 ベースプレート
6 ガス置換部
7 ガス供給部
8 排気部
9 レーザー
91 レーザー発振器
10 3次元構造体
10a、100a 金属粉末層
10b、100b 固化層
10c、100c 溶融金属
12、120 スパッタ
13、130 ヒューム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laminated modeling device 2 Chamber 3 Hopper 3a Recoater 3b Blade 4 Modeling space 5 Base plate 6 Gas replacement part 7 Gas supply part 8 Exhaust part 9 Laser 91 Laser oscillator 10 Three-dimensional structure 10a, 100a Metal powder layer 10b, 100b Solidification layer 10c , 100c Molten metal 12,120 Sputter 13,130 Fume

Claims (1)

金属粉末層の所定箇所にレーザーを照射して固化層を形成する工程と、前記固化層の上に金属粉末を敷き詰めて次なる金属粉末層を形成する工程と、をチャンバー内において繰り返し行って3次元構造体を造形する積層造形方法であって、
前記チャンバー内に供給するガスの流量を、前記固化層を形成する工程では前記金属粉末層が飛び散らない量まで多くし、前記金属粉末層を形成する工程では前記固化層を形成する工程よりも少なくする、
積層造形方法。
A step of irradiating a predetermined portion of the metal powder layer with a laser to form a solidified layer, and a step of spreading the metal powder on the solidified layer to form the next metal powder layer are repeated in the chamber 3 A layered manufacturing method for forming a three-dimensional structure,
The flow rate of the gas supplied into the chamber is increased to an amount that does not scatter the metal powder layer in the step of forming the solidified layer, and is smaller in the step of forming the metal powder layer than in the step of forming the solidified layer. To do
Additive manufacturing method.
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