JP2020143335A - 三次元的な構造を有する金属物品を製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属物品の三次元積層造形において、サポートの除去は生産性を著しく損なう工程である。【解決手段】 三次元的な構造を有する金属物品を製造する方法は、前記構造を支える複数の板状のサポートと前記物品の原型とを一体に含む構造体を三次元積層造形し、前記構造体を腐食液に浸漬して前記サポートを除去する、ことよりなる。【選択図】 図２

Description

以下の開示は三次元的な構造を有する金属物品を製造する方法に関し、特にオーバーハング構造を支持するためのサポートを効率よく除去する段階を含む三次元積層造形法に関する。

三次元積層造形法は、三次元的な構造を有する物品を製造する一連の技術であり、一般には３Ｄプリンティングの名称で知られる。三次元積層造形法は、特に樹脂を造形する技術として成功を収めており、一般消費者向けにもその装置が市販されている。

金属を対象とする場合には樹脂と異なり、光硬化や接着等の手段が通常には利用できないので、利用できる造形手段が限られる。今のところ、金属の粉末を焼結または溶融する方法が一般的であり、その例は、電子ビーム積層造形法、レーザ焼結法、レーザ溶融法等である。これらの方法によれば、例えば真空中において純金属または合金の粉末を薄い層（ベッド）状に均し、電子ビームないしレーザを照射することにより粉末を選択的に焼結または溶融することにより固化させ、これを繰り返すことによって積層的に三次元的な金属物品を造形する。特許文献１は関連する技術を開示する。

特表２００９−５４４５０１号公報

造形の途中における金属粉末は容易に変形してしまうので、オーバーハングを含む構造を造形しようとすると、それが崩落しないように支持する所謂サポートと呼ばれる部材を含めて造形する必要がある。また粉末の固化は必ずしも完全に選択的ではなく、造形物の周りには仮焼結した粉末が付着しがちである。造形の後にはこれらを除去せねばならないが、サポートも仮焼結体も造形物の本体と同種の素材よりなるから、物性の違いを利用して除去する等の簡易な手段がなく、手作業によるほかない。また金属においては樹脂と異なり、造形物の本体に対する固着が強固であるから、かかる除去作業は極めて厄介である。すなわちサポートや仮焼結体の除去が必要であることは、生産性を著しく損なう要因である。あるいは三次元積層造形法の利点の一つとして内部に空洞を有する構造が容易に製造できることがあるが、空洞内のサポートは取り出すことすら難しいという難問がある。以下に開示する技術は、これらの問題を解決するために為された。

一局面によれば、三次元的な構造を有する金属物品を製造する方法は、前記構造を支える複数の板状のサポートと前記物品の原型とを一体に含む構造体を三次元積層造形し、前記構造体を腐食液に浸漬して前記サポートを除去する、ことよりなる。

好ましくは、前記三次元積層造形する段階において、前記原型が余肉を含むべく前記構造体を造形する。さらに好ましくは、前記三次元積層造形する段階において、前記余肉が前記サポートと厚さにおいて同一またはより薄くなるよう前記構造体を造形する。また好ましくは、前記三次元積層造形する段階において、前記原型にそれぞれその頂点でのみ結合するべく前記縁が複数の歯形または波形を描くように前記構造体を造形する。あるいは好ましくは、前記三次元積層造形する段階において、前記サポートを前記腐食液の流路を構成するべく配列する。さらに好ましくは、前記除去する段階において、前記腐食液を前記流路に沿って流す。あるいは好ましくは、前記三次元積層造形する段階において、前記複数のサポートのうちの一以上を前記原型の内部に配置する。

腐食液により、造形された金属物品の表面仕上げができるのみならず、サポートが自然に原型から離脱するので、仕上げ工程とサポートを除去する工程とが並行的に実行でき、生産性が著しく向上する。

図１は、三次元金属積層造形装置の概念的な立面図である。 図２は、物品を三次元金属積層造形するための目標形状の一例であって、その立面断面および側面を示す図であり、図２（ａ）の断面は図２（ｂ）のＩＩＡ−ＩＩＡ線に対応する。 図３は、目標形状の拡大部分立面断面図である。 図４は、目標形状の側面断面図であって、図３のＩＶ−ＩＶ線から取られたものである。 図５は、造形の途中における造形物および金属粉末の模式的な断面図である。 図６は、金属粉末から取り出された造形物の断面および側面を示す図である。 図７は、液槽に貯留された腐食液に造形物が浸漬された態様を示す模式図である。 図８は、三次元金属積層造形された物品の一例であって、その立面断面および側面を示す図である。

添付の図面を参照して以下に幾つかの例示的な実施形態を説明する。

本実施形態により三次元的な構造を有する金属物品を製造する方法は、概して、構造体を三次元積層造形し、かかる構造体を腐食液に浸漬する、ことよりなる。構造体は、構造を支える複数の板状のサポートと前記物品の原型とを一体に含むが、構造体を腐食液に浸漬することにより、原型とサポートとの接合点が腐食されてサポートが自然に原型から離脱する。また造形に伴い原型の表面は粗面となっているが、腐食によりその表面仕上げがなされる。すなわち、造形された金属物品の表面仕上げをする工程と、サポートを除去する工程とが並行的に進行する。

金属物品を三次元積層造形するには、公知の何れの方法を利用することもできるが、以下では便宜的に、パウダベッド式による電子ビーム積層造形法を利用するプロセスに基づいて本実施形態を説明する。言うまでもなく、他の適宜の方法を利用することができ、例えばデポジション式によってもよいし、粉末を焼結または溶解するには電子ビームに代えてレーザその他の高エネルギ粒子流によることができる。電子ビーム積層造形法は、レーザによるよりも造形が高速であるが、造形ままの構造体の表面は比較的に粗く、仕上げ加工を要するために、本実施形態を適用するに特に適していると考えられる。

図１を参照するに、三次元金属積層造形装置１は、概して、鉛直に延長された筐体３と、その上部に固定された電子銃５と、電子ビームＢを収束するための電子レンズ７と、金属粉末Ｍを載せる昇降テーブル１３と、を備える。

筐体３は内部を適宜の真空に保つことができるように構成されている。電子ビームＢを出射する電子銃５と、金属粉末Ｍを供給するホッパ９およびこれを均すリコータ１１、また金属粉末Ｍを載せる昇降テーブル１３は、何れもかかる真空中に置かれ、以って金属物品への不純物の混入が防止される。昇降テーブル１３は昇降装置１５により制御可能に昇降する。

金属粉末Ｍは、例えば純チタニウムのごとき純金属、あるいはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金のごとき合金よりなるが、電子ビームにより焼結または溶融することができる何れの金属の粉末であってもよい。合金の場合、通常には予め合金化した粉末を利用するが、異種の金属の混合物を利用して焼結または溶融の際に合金化させてもよい。

装置１は、また、その各要素に電気的に接続されたコントローラ１７を備える。コントローラ１７は、通常、ハードディスクドライブあるいはソリッドステートドライブのごときストレージと、ランダムアクセスメモリのごとき一時記憶装置と、演算素子とを備えた汎用コンピュータであり、適宜のアルゴリズムとの組み合わせにより各要素を制御する。ストレージは、かかるアルゴリズムを実行するプログラムのみならず、造形のための三次元ＣＡＤ（コンピュータ援用設計）データを格納することができる。格納されたデータに基づき、コントローラ１７は、電子銃５、電子レンズ７、ホッパ９、リコータ１１および昇降装置１５を制御し、以って以下に説明する三次元積層造形を行う。

図８に示す物品１００を製造する例に基づき、以下に本実施形態を説明する。物品１００は外部に開口した空洞Ｈを備え、また図８（ａ）に示される通り、その基部に対して上部が図中の右方に倒れてオーバーハングを有している。言うまでもなく、これは説明の便宜のための一例に過ぎず、本実施形態によれば種々の三次元構造を有する金属物品が製造できる。

図２を参照するに、まず物品１００の半製品たる構造体２１の三次元ＣＡＤデータを準備する。構造体２１は、物品１００の形状に近似した原型２３と、原型２３の基部を支持するサポート２５と、オーバーハングを支持するためのサポート２７と、空洞Ｈをその内部において支持するためのサポート２９とを含む。

サポート２５は原型２３の基部に沿った薄い三次元構造物であり、図中に示されるごとく一体であってもよく、あるいは複数の小片よりなっていてもよい。サポート２７，２９はそれぞれオーバーハングおよび空洞Ｈを支えるべく適宜に並べられた、比較的に薄い、それぞれ複数の板である。サポート２７の各板は、また二以上の小片２７Ａ，２７Ｂよりなっていてもよく、サポート２９の各板も同様に小片２９Ａ，２９Ｂよりなっていてもよい。

サポート２５，２７，２９の配置および向きは、構造を支持するべく専ら力学的配慮に基づき決定されるが、さらに流体学的な考慮がなされていてもよい。すなわち、後述の腐食液に浸漬する段階において、腐食液が流れ、あるいは循環する向きにサポート２５，２７，２９を配列することができる。図２に示す例においては、複数のサポート２７は開口の入口から出口に向かう向きに配列されており、またサポート２５は開口の入口（あるいは出口）を囲んでおり、かかる方向に腐食液が流れる流路を構成する。同様に複数のサポート２９はこれに沿った方向に向けられており、腐食液の流路を構成する。かかる配列は、造形物の各部にくまなく新鮮な腐食液を流すのに有利であり、以って均一な仕上げ加工を可能にする。またかかる配列は、特に原型２３とサポート２７，２９との境界に新鮮な腐食液を届けるのに有利であり、以ってサポートが原型２３から腐食により離脱することを促す。

上述の説明に関わらず、サポート２５，２７，２９の配置，向き，材質は、個別の配慮に基づき決定することができる。例えばサポート２９は腐食液の流れの向きに沿って向け、サポート２７はこれと異なる向きに向けることができる。例えばサポート２７に関しては、力学的配慮あるいは熱変形に対する配慮を優先し、格子状の形状および配置を採用することができる。もちろんこれとは逆であってもよく、あるいはサポート２７，２９のそれぞれ一部のみを流体学的配列とし、他の部分をそれと異なる配列とするなど、種々の組み合わせが可能である。

サポート２５，２７，２９は、その縁の面において原型２３と全面的に結合していてもよいが、結合部の周りは離脱を促す構造を有していてもよい。例えば図３に示す例によれば、サポート２７，２９の縁は多数の歯形または波形２７Ｓ，２９Ｓを描いており、それぞれその頂点でのみ原型２３と結合している。このような構造によれば、腐食により結合点は消失しやすく、あるいは結合点の周りは表面積が大きいために優先的に腐食され易く、従ってサポート２５，２７，２９を原型２３から早期に離脱せしめるのに有利である。

主に図４を参照するに、原型２３は腐食代を見込んで目標形状より僅かに余肉を含む厚さＴとすることができる。ここで余肉はサポート２５，２７，２９の厚さｔと同一または同程度にすることができる。するとサポート２７，２９が離脱または消失することを以って仕上げ加工の終了と判断することができる。あるいは上述のごとくサポート２５，２７，２９と原型２３とを点結合とする工夫によれば、早期にサポート２５，２７，２９が離脱するので、余肉はより薄くてもよい。

上述のごとき構造体２１の三次元ＣＡＤデータを作成し、コントローラ１７に入力する。コントローラ１７は入力されたデータに基づき三次元金属積層造形装置１を制御する。

すなわち図１に組み合わせて図５を参照するに、ホッパ９から供給された金属粉末Ｍは、リコータ１１により水平かつ均等に均されて薄い粉末層であるパウダベッドＭＢとなる。あるいはリコータ１１自体が金属粉末Ｍを供給する機能を持っていてもよい。かかるパウダベッドＭＢ上に、電子銃５から出射されて電子レンズ７により収束された電子ビームＢが入射し、パウダベッドＭＢは選択的に溶融および固化をする。コントローラ１７による制御の下、電子ビームＢは二次元的に走査され、以って１層分の造形がなされる。

１層分の造形が終了すると、コントローラ１７による制御の下、昇降テーブル１３が１層分降ろされ、再びホッパ９から供給された金属粉末Ｍがリコータ１１により水平かつ均等に均されて、新たなパウダベッドＭＢが前の層の上に積層される。コントローラ１７による制御の下、再び電子ビームＢが走査されて、次の層の造形が実行される。

上述の工程が繰り返されることにより、構造体２１が徐々に三次元的に積層造形される。図５より容易に理解されるように、ＣＡＤデータに従い、構造体２１においてオーバーハングの部分の直下には、予めサポート２７が形成されている。これが後に形成されるオーバーハングの部分を支持するので、構造体２１はその形状を損なうことなく、積層造形される。

電子ビームＢによる入熱は必ずしもその焦点に限定されず、その周囲に熱影響をもたらす。それゆえ造形体３１の周りの金属粉末Ｍも僅かながら焼結または溶融を起こす傾向がある。積層造形された直後の造形体３１は、例えば図６に示すごとく、しばしば構造体２１の全体を仮焼結体３３が覆った形態をとる。仮焼結体３３が付着するか否か、またその量は、金属粉末Ｍの性状や電子ビームＢのエネルギ密度等の諸条件に依存する。また仮焼結体３３が付着するか否かに関わらず、構造体２１内の空洞は金属粉末Ｍにより埋まっている。

仮焼結体３３は、通常にはごく弱い凝集力により固まっているに過ぎないので、エアブロー、ブラスト、刷毛あるいは手作業によって容易に除去することができる。しかしながら、積層造形された直後において造形体３１の形態がこのようであるから、必然的にその表面は相当程度の粗さがあって、造形ままでは実用に適さないことが多い。それゆえ滑らかな表面を得るべく仕上げ加工が通常には必要である。

仮焼結体３３および金属粉末Ｍを除去した後、あるいは付着したまま、造形体３１は適宜の籠４３に収められ、液槽４１に貯留した腐食液４５に浸漬される。金属粉末Ｍが純チタニウムあるいはチタニウム合金の場合には、腐食液４５は硝酸あるいはフッ酸であるが、もちろんこれは金属種による。

腐食液４５は発泡等が生み出す対流に任せてもよいが、ポンプやスクリュー等を利用してこれに流れを与えてもよい。籠４３中における造形体３１の向きは、腐食液４５の流れの向きを考慮して決められる。既に述べた通り、流れの向きに配列したサポート２５，２７，２９が腐食液４５を導くので、造形体３１の全体が均等に腐食され、またサポート２５，２７，２９との結合点は優先的に腐食される。

腐食液による仕上げ加工が終了するのに相前後してサポート２５，２７，２９は構造体２１から離脱し、以って図８に示す物品１００が得られる。本実施形態によれば、サポートを除去するための特段の工程を必要とせず、仕上げ加工と並行してサポートの除去ができるので、良好な生産性が期待できる。

幾つかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。

サポートの除去に特段の工程を必要としない三次元金属積層造形の方法が提供される。

１ 三次元金属積層造形装置
３ 筐体
５ 電子銃
７ 電子レンズ
９ ホッパ
１１ リコータ
１３ 昇降テーブル
１５ 昇降装置
１７ コントローラ
２１ 構造体
２３ 原型
２５，２７，２９ サポート
２７Ａ，２７Ｂ，２９Ａ，２９Ｂ 小片
２７Ｓ，２９Ｓ 歯形または波形
３１ 造形体
３３ 仮焼結体
４１ 液槽
４３ 籠
４５ 腐食液
１００ 物品
Ｂ ビーム
Ｈ 空洞
Ｍ 金属粉末
ＭＢ パウダベッド
ｔ 厚さ
Ｔ 厚さ

Claims (7)

1. 三次元的な構造を有する金属物品を製造する方法であって、
   前記構造を支える複数の板状のサポートと前記物品の原型とを一体に含む構造体を三次元積層造形し、
   前記構造体を腐食液に浸漬して前記サポートを除去する、ことを含む方法。
2. 前記三次元積層造形する段階において、前記原型が余肉を含むべく前記構造体を造形する、請求項１の方法。
3. 前記三次元積層造形する段階において、前記余肉が前記サポートと厚さにおいて同一またはより薄くなるよう前記構造体を造形する、請求項２の方法。
4. 前記三次元積層造形する段階において、前記原型にそれぞれその頂点でのみ結合するべく前記サポートの縁が複数の歯形または波形を描くように前記構造体を造形する、請求項１から３の何れか１項の方法。
5. 前記三次元積層造形する段階において、前記サポートを前記腐食液の流路を構成するべく配列する、請求項１から４の何れか１項の方法。
6. 前記除去する段階において、前記腐食液を前記流路に沿って流す、請求項５の方法。
7. 前記三次元積層造形する段階において、前記複数のサポートのうちの一以上を前記原型の内部に配置する、請求項１から６の何れか１項の方法。

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