JP2021004395A - Laminate forming apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層造形装置に関する。より具体的には、原料粉末を供給することによる粉末層の形成と、粉末層に対してレーザ光を照射することによる粉末層の局所的な溶融・固化とを繰り返し行うことで積層造形物を得るのに好適な積層造形装置に関する。 The present invention relates to a laminated modeling apparatus. More specifically, a laminated model is formed by repeatedly forming a powder layer by supplying raw material powder and locally melting and solidifying the powder layer by irradiating the powder layer with laser light. The present invention relates to a laminated molding apparatus suitable for obtaining.
金属や合金を成形する方法としては、鋳造、押し出し、切削、粉末冶金などの従来の加工法のほか、積層造形法が知られている。積層造形法は、被加工物を搭載するステージの上に金属や合金などからなる原料粉末を薄く積層させ、そこに高エネルギーのレーザ光を走査しながら照射し、照射された部分を局所的に溶融し固化させることで1層分の造形を行い、ステージを1層分の厚さだけ下降させて再び原料粉末を積層させ、同様に1層ずつ造形を繰り返すことで、所望の3次元形状を有する積層造形物を得るものである。 As a method for forming a metal or an alloy, in addition to conventional processing methods such as casting, extrusion, cutting, and powder metallurgy, additive manufacturing methods are known. In the additive manufacturing method, raw material powder made of metal or alloy is thinly laminated on a stage on which a work piece is mounted, and a high-energy laser beam is scanned and irradiated on the raw material powder, and the irradiated part is locally irradiated. By melting and solidifying, molding for one layer is performed, the stage is lowered by the thickness of one layer, the raw material powder is laminated again, and molding is repeated layer by layer in the same manner to obtain a desired three-dimensional shape. It is to obtain a laminated model to have.
積層造形法は、従来の加工法では容易に作製できないような複雑な形状を有する造形物を得ることが可能であるとともに、ソフト上で設計された3次元形状に基づいて造形物を得ることが可能なため、テーラーメイドが求められる製品づくりにも対応することができる。また、レーザ・電子ビームによって加熱された粉末が急冷凝固されるため、新しい特性をもつ材料を得ることも可能である。 The additive manufacturing method can obtain a modeled object having a complicated shape that cannot be easily produced by a conventional processing method, and can also obtain a modeled object based on a three-dimensional shape designed on software. Because it is possible, it is possible to respond to the production of products that require tailor-made products. Further, since the powder heated by the laser / electron beam is rapidly cooled and solidified, it is possible to obtain a material having new characteristics.
このような積層造形法に用いられる原料粉末として、例えば、特許文献1には、アルミニウムを0.2質量%以上1.3質量%以下含有し、残部が銅および不可避不純物からなる、銅合金粉末が記載されている。 As a raw material powder used in such additive manufacturing method, for example, Patent Document 1 contains a copper alloy powder containing 0.2% by mass or more and 1.3% by mass or less of aluminum, and the balance is copper and unavoidable impurities. Is described.
また、このような積層造形法に用いられる積層造形装置として、特許文献2には、レーザ光の集光光学系の射出面側の所定面内におけるレーザ光の強度分布を変更可能な装置が記載されている。 Further, as a layered manufacturing device used in such a layered manufacturing method, Patent Document 2 describes a device capable of changing the intensity distribution of laser light in a predetermined surface on the emission surface side of a focusing optical system for laser light. Has been done.
銅材料は、近赤外波長域での光吸収率が低く、熱伝導率が高いため、レーザ光の照射によって加熱(溶融)しにくい特性を有し、それゆえ積層造形法による加工が難しい材料である。 Copper material has low light absorption in the near-infrared wavelength region and high thermal conductivity, so it has the property of being difficult to heat (melt) by irradiation with laser light, and is therefore difficult to process by additive manufacturing. Is.
銅材料のようにレーザ光の照射によって加熱(溶融)しにくい特性を有する材料では、レーザ光の照射によって材料に与えるエネルギー密度を高めれば、材料を溶融させること自体は可能である。しかしながら、レーザ光の照射による高いエネルギー密度や、レーザ光が照射される加工点における材料の激しい蒸発によって、材料にキーホールと呼ばれる深い穴が形成されるとともに、加工点の材料が飛び散るスパッタ現象が発生し易くなるため、積層造形物における空隙率の上昇や、それによる導電率の低下が問題となる。 In a material having a property of being difficult to heat (melt) by irradiation with a laser beam, such as a copper material, it is possible to melt the material by increasing the energy density given to the material by irradiation with a laser beam. However, due to the high energy density due to the irradiation of the laser beam and the violent evaporation of the material at the processing point where the laser beam is irradiated, a deep hole called a keyhole is formed in the material, and the material at the processing point is scattered. Since it is likely to occur, there is a problem that the porosity of the laminated model is increased and the conductivity is decreased due to the increase.
この点、特許文献1に記載される銅合金粉末は、銅にアルミニウムを添加することで、積層造形物に含まれる空隙を低減して充填率を高め、それにより積層造形物の機械的強度や導電率を高めるものであるが、それでも積層造形物の導電率は低い傾向にあった。したがって、銅材料のようにレーザ光の照射によって加熱(溶融)しにくい特性を有する材料を用いる場合であっても、得られる積層造形物の充填率が高く、かつ高い導電率を有する積層造形物を得ることが可能な、積層造形の手法を開発することが求められていた。 In this regard, the copper alloy powder described in Patent Document 1 reduces the voids contained in the laminated model by adding aluminum to copper to increase the filling rate, thereby increasing the mechanical strength of the laminated model. Although it increases the conductivity, the conductivity of the laminated model tends to be low. Therefore, even when a material having a property of being difficult to heat (melt) by irradiation with a laser beam such as a copper material is used, the obtained laminated model has a high filling rate and high conductivity. It has been required to develop a method of laminated modeling that can obtain the above.
また、特許文献2に記載される積層造形装置は、マトリックス状に配置された複数のミラーを用いてレーザ光の強度分布を変更するものであるが、そのビームプロファイルはミラーのサイズ、個数によって制限されるものであったため、より精細にビームプロファイルを制御することが可能な積層造形装置が求められていた。 Further, the laminated modeling apparatus described in Patent Document 2 changes the intensity distribution of laser light by using a plurality of mirrors arranged in a matrix, but the beam profile is limited by the size and number of mirrors. Therefore, there has been a demand for a laminated molding apparatus capable of controlling the beam profile more finely.
本発明の目的は、より精細にビームプロファイルを制御することが可能であるとともに、銅材料のようにレーザ光の照射によって加熱(溶融)しにくい特性を有する材料を原料粉末として用いる場合であっても、得られる積層造形物の充填率が高く、かつ高い導電率を有する積層造形物を得ることが可能な積層造形装置を提供することである。 An object of the present invention is a case where a material having a property of being able to control a beam profile more finely and having a property of being hard to be heated (melted) by irradiation with a laser beam such as a copper material is used as a raw material powder. Another object of the present invention is to provide a laminated modeling apparatus capable of obtaining a laminated model having a high filling rate and a high conductivity.
本発明者らは、レーザ光出射手段から出射される第1レーザ光を、粉末層に照射する複数の第2レーザ光に分岐させる分光部として回折光学素子を用いることで、回折光学素子で分岐して得られる複数の第2レーザ光のビームプロファイルをより精細に制御することが可能となり、それにより得られる積層造形物の充填率や導電率を高めることが可能であることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成させるに至った。 The present inventors use a diffractive optical element as a spectroscopic unit that branches the first laser light emitted from the laser light emitting means into a plurality of second laser lights that irradiate the powder layer, thereby branching at the diffractive optical element. It has been found that the beam profiles of the plurality of second laser beams thus obtained can be controlled more finely, and the filling rate and conductivity of the obtained laminated model can be increased. The present invention has been completed based on the above.
すなわち、本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
(1)粉末層を形成する原料粉末の供給ならびに前記粉末層の溶融および固化を繰り返して積層造形物を形成する造形物加工手段と、第1レーザ光を出射するレーザ光出射手段と、前記第1レーザ光を複数の第2レーザ光に分岐させる回折光学素子である分光部、および前記分光部で分岐した前記複数の第2レーザ光を集光する集光部を含むビームプロファイル制御手段と、前記集光部で集光した前記複数の第2レーザ光を、3次元形状データに基づいて前記造形物加工手段に供給された前記原料粉末によって形成した前記粉末層上を走査させて、前記粉末層を溶融させるレーザ光走査手段とを備え、前記造形物加工手段が、前記原料粉末を下方から支持するステージと、前記ステージ上に前記原料粉末を供給して前記粉末層を形成する粉末供給部と、を有する、積層造形装置。
(2)前記ビームプロファイル制御手段は、前記第1レーザ光の光軸をx軸として、x軸、y軸およびz軸の3つの座標軸をもつ3次元直交座標系で考えるとき、前記x軸、前記y軸および前記z軸のうちの少なくとも一つの軸を中心として、前記分光部を回転させる構造を有する回転駆動部をさらに備える、上記(1)に記載の積層造形装置。
(3)前記回転駆動部は、前記x軸を中心として前記分光部を回転させる構造を有する、上記(2)に記載の積層造形装置。
(4)前記回転駆動部は、前記y軸を中心として前記分光部を回転させる構造を有する、上記(2)に記載の積層造形装置。
(5)前記回転駆動部は、前記z軸を中心として前記分光部を回転させる構造を有する、上記(2)に記載の積層造形装置。
(6)前記ビームプロファイル制御手段は、前記分光部と前記集光部の距離を調整する距離調整部をさらに備える、上記(1)〜(5)のいずれか1項に記載の積層造形装置。
(7)前記粉末層に照射される前記複数の第2レーザ光は、主ビームと副ビームとで構成され、前記主ビームは、前記粉末層を溶融し、前記副ビームは、前記粉末層を373K以上前記原料粉末の融点未満で加熱する、上記(1)〜(6)のいずれか1項に記載の積層造形装置。
(8)前記レーザ光走査手段は、ガルバノミラーを有し、前記ガルバノミラーによって、前記主ビームおよび前記副ビームを、前記副ビームが前記主ビームよりも前方側になる位置関係で前記粉末層上を走査させる、上記(7)に記載の積層造形装置。
(9)前記原料粉末に照射される位置における、前記主ビームのパワー密度I1の、前記副ビームのパワー密度I2に対する比(I1/I2)が、1.2以上9.0以下の範囲である、上記(7)または(8)に記載の積層造形装置。
That is, the gist structure of the present invention is as follows.
(1) A model processing means for forming a laminated model by repeatedly supplying raw material powder for forming a powder layer and melting and solidifying the powder layer, a laser light emitting means for emitting a first laser beam, and the first. A beam profile control means including a spectroscopic unit that is a diffraction optical element that branches one laser beam into a plurality of second laser beams, and a condensing unit that condenses the plurality of second laser beams branched by the spectroscopic unit. The plurality of second laser beams focused by the condensing unit are scanned on the powder layer formed by the raw material powder supplied to the modeled object processing means based on the three-dimensional shape data, and the powder is obtained. A powder supply unit including a laser light scanning means for melting the layer, in which the shaped object processing means supports the raw material powder from below, and supplies the raw material powder onto the stage to form the powder layer. And, a laminated molding device.
(2) When the beam profile control means considers a three-dimensional Cartesian coordinate system having three coordinate axes of x-axis, y-axis and z-axis with the optical axis of the first laser beam as the x-axis, the x-axis, The laminated molding apparatus according to (1) above, further comprising a rotation driving unit having a structure for rotating the spectroscopic unit about at least one of the y-axis and the z-axis.
(3) The laminated modeling apparatus according to (2) above, wherein the rotation drive unit has a structure for rotating the spectroscopic unit about the x-axis.
(4) The laminated modeling apparatus according to (2) above, wherein the rotation drive unit has a structure for rotating the spectroscopic unit about the y-axis.
(5) The laminated modeling apparatus according to (2) above, wherein the rotation drive unit has a structure for rotating the spectroscopic unit around the z-axis.
(6) The laminated modeling apparatus according to any one of (1) to (5) above, wherein the beam profile control means further includes a distance adjusting unit for adjusting the distance between the spectroscopic unit and the condensing unit.
(7) The plurality of second laser beams irradiated to the powder layer are composed of a main beam and a sub beam, the main beam melts the powder layer, and the sub beam melts the powder layer. The laminated molding apparatus according to any one of (1) to (6) above, which heats at 373 K or more and below the melting point of the raw material powder.
(8) The laser light scanning means has a galvano mirror, and the galvano mirror makes the main beam and the sub beam on the powder layer in a positional relationship in which the sub beam is on the front side of the main beam. The laminated molding apparatus according to (7) above.
(9) in a position to be irradiated to the raw material powder, the main beam power density I 1 of the ratio power density I 2 of sub-beams (I 1 / I 2) is 1.2 to 9.0 The laminated modeling apparatus according to (7) or (8) above, which is in the range of.
本発明によれば、より精細にビームプロファイルを制御することが可能であるとともに、銅材料のようにレーザ光の照射によって加熱(溶融)しにくい特性を有する材料を用いる場合であっても、得られる積層造形物の充填率が高く、かつ高い導電率を有する積層造形物を得ることが可能な積層造形装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to control the beam profile more finely, and even when a material having a property of being difficult to heat (melt) by irradiation with a laser beam such as a copper material is used, it can be obtained. It is possible to provide a laminated molding apparatus capable of obtaining a laminated molded product having a high filling rate and a high conductivity.
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made without changing the gist of the present invention.
図1は、本実施形態に係る積層造形装置の構成の一例を示す正面図である。本実施形態の積層造形装置1は、粉末層Pを形成する原料粉末の供給ならびに粉末層Pの溶融および固化を繰り返して積層造形物Mを形成する造形物加工手段10と、第1レーザ光L1を出射するレーザ光出射手段11と、第1レーザ光L1を複数の第2レーザ光L20、L21に分岐させる回折光学素子である分光部13、および分光部13で分岐した複数の第2レーザ光L20、L21を集光する集光部14を含むビームプロファイル制御手段12と、集光部14で集光した複数の第2レーザ光L20、L21を、3次元形状データに基づいて造形物加工手段10に供給された原料粉末によって形成した粉末層P上を走査させて、粉末層Pを溶融させるレーザ光走査手段15とを備え、造形物加工手段10が、原料粉末を下方から支持するステージ17と、ステージ17上に原料粉末を供給して粉末層Pを形成する粉末供給部16とを有している。
FIG. 1 is a front view showing an example of the configuration of the laminated modeling apparatus according to the present embodiment. The laminated molding apparatus 1 of the present embodiment includes a shaped object processing means 10 for forming a laminated shaped object M by repeatedly supplying a raw material powder forming the powder layer P and melting and solidifying the powder layer P, and a first laser beam L. The laser light emitting means 11 that emits 1 and the
本実施形態に係る積層造形装置1では、レーザ光出射手段11から出射される第1レーザ光L1を、粉末層Pに照射する複数の第2レーザ光L20、L21に分岐させる分光部13として回折光学素子を用いることで、回折光学素子によって少なくとも0次光(第2レーザ光L20)と1次光(第2レーザ光L21)に分岐する複数の第2レーザ光が得られるとともに、これらの第2レーザ光L20、L21のビームプロファイルを、所望の形態により精細に制御することが可能である。それにより、レーザ光が照射される加工点において、材料の激しい蒸発によるキーホールの発生や、加工点での溶融金属の飛散によるスパッタ現象が発生し難くなるため、得られる積層造形物Mの充填率や導電率を高めることができる。
In laminate molding apparatus 1 according to the present embodiment, the first laser beam L 1 emitted from the laser
[レーザ光出射手段]
レーザ光出射手段11は、第1レーザ光L1を出射するものであり、例えば数kWの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成されている。レーザ光出射手段11は、例えば内部に複数の半導体レーザ素子を備え、当該複数の半導体レーザ素子の合計の出力として数kWの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成することとしてもよい。また、レーザ光出射手段11として、ファイバレーザ、YAGレーザ、ディスクレーザなどの様々なレーザを用いてもよい。
[Laser light emitting means]
The laser light emitting means 11 emits the first laser light L 1 , and is configured to be capable of oscillating a multimode laser light having an output of, for example, several kW. The laser light emitting means 11 may be configured to include, for example, a plurality of semiconductor laser elements inside, and to oscillate a multimode laser light having an output of several kW as the total output of the plurality of semiconductor laser elements. Good. Further, as the laser light emitting means 11, various lasers such as a fiber laser, a YAG laser, and a disk laser may be used.
レーザ光出射手段11から出射されるレーザ光の波長は、原料粉末の種類に応じて設定され、例えば780nm〜1600nmの範囲、好ましくは1000nm〜1200nmの範囲とすることができる。他方で、特に原料粉末が銅粉末(銅粒子)や銅合金粉末(銅合金粒子)である場合は、レーザ光の波長を300nm〜600nmの範囲にしてもよく、それにより原料粉末によるレーザ光の反射率が低くなるため、積層造形におけるエネルギー効率を高めることができる。 The wavelength of the laser light emitted from the laser light emitting means 11 is set according to the type of the raw material powder, and can be, for example, in the range of 780 nm to 1600 nm, preferably in the range of 1000 nm to 1200 nm. On the other hand, especially when the raw material powder is copper powder (copper particles) or copper alloy powder (copper alloy particles), the wavelength of the laser light may be in the range of 300 nm to 600 nm, whereby the laser light produced by the raw material powder may be used. Since the reflectance is low, the energy efficiency in laminated molding can be improved.
[ビームプロファイル制御手段]
ビームプロファイル制御手段12は、分光部13で分岐した複数の第2レーザ光L20、L21のビームプロファイルを制御するものであって、第1レーザ光L1を複数の第2レーザ光L20、L21に分岐させる回折光学素子である分光部13と、分光部13で生成した複数の第2レーザ光L20、L21を集光する集光部14を含む。
[Beam profile control means]
The beam profile control means 12 controls the beam profiles of the plurality of second laser beams L 20 and L 21 branched by the
(分光部)
分光部13は、回折光学素子によって構成され、レーザ光出射手段11から出射される第1レーザ光L1を、複数の第2レーザ光L20、L21に分岐するものである。回折光学素子13から得られる光は、少なくとも、回折光学素子によって回折することなく直進する0次光(第2レーザ光L20)と、回折光学素子によって回折する1次光(第2レーザ光L21)に分岐するが、2次光以降の光(図示せず。例えば2次光や3次光)が存在してもよい。ここでは、分光部13によって第1レーザ光L1から分岐した0次光(第2レーザ光L20)と1次光(第2レーザ光L21)とを、それぞれ粉末層Pに照射する例を説明する。
(Spectroscope)
The
本実施形態で分光部13として用いられる回折光学素子は、1つの回折光学素子で構成されていてもよく、複数の回折光学素子を組み合わせて構成されていてもよい。例えば、図2に示すように、格子周期の異なる複数の回折光学素子131の組合せであってもよく、これら複数の回折光学素子131を組み合わせたものと等価な1つの回折光学素子132であってもよい。
The diffractive optical element used as the
分光部(回折光学素子)13で分岐したレーザ光(第2レーザ光L20、L21)からは、分光部13を構成する回折光学素子の光学設計に応じた、任意のビームプロファイルを持ったレーザ光を得ることができる。
The laser light (second laser light L 20 , L 21 ) branched by the spectroscopic unit (diffractive optical element) 13 has an arbitrary beam profile according to the optical design of the diffractive optical element constituting the
例えば、分光部13を構成する回折光学素子を用いて、原料粉末からなる粉末層Pの第2レーザ光L20、L21の照射位置において、パワー密度が高い主ビーム20(例えば、0次光である第2レーザ光L20)と、パワー密度が低い副ビーム21(例えば、1次光である第2レーザ光L21)を有するように、複数の第2レーザ光L20、L21を得ることができる。
For example, the main beam 20 (for example, 0th-order light) having a high power density is used at the irradiation positions of the second laser beams L 20 and L 21 of the powder layer P made of the raw material powder by using the diffractive optical element constituting the
主ビーム20である第2レーザ光L20は、粉末層Pを溶融するものであるとともに、副ビーム21である第2レーザ光L21は、粉末層Pを373K以上原料粉末の融点Tm[K]未満の温度範囲に加熱するものであることが好ましく、原料粉末の融点Tm[K]の0.5倍(0.5Tm[K])以上0.8倍(0.8Tm[K])以下の範囲の温度で加熱することがより好ましい。これにより、副ビーム21によって粉末層Pが弱く焼結されることで、照射部分での原料粉末の飛散を低減することができる。また、主ビーム20の照射によるキーホールの発生や、照射部分でのスパッタ現象が起こり難くなるとともに、副ビーム21による原料粉末の融解が起こらないため、副ビーム21によるキーホールの発生も低減することができる。したがって、得られる積層造形物Mの充填率や導電率を高めることができる。特に、原料粉末の焼結は、融点Tm[K]の0.7倍(0.7Tm[K])以上で起こり易くなるため、その近傍の温度範囲になるように副ビーム21を照射することが好ましい。
The second laser beam L 20 is a
また、副ビーム21である第2レーザ光L21による加熱温度は、原料粉末の融点Tmを超えない範囲で、主ビーム20である第2レーザ光L20による加熱温度に近いことが好ましい。これにより、主ビーム20を照射した部分と、その周辺の副ビーム21を照射した原料粉末との温度差が小さくなるため、主ビーム20を照射した部分から周囲の原料粉末に熱が逃げ難くなるため、主ビーム20を照射した部分における溶融物の流動を促進することができ、また、原料粉末の突沸によるスパッタを低減できるため、得られる積層造形物Mの空隙率を低減することができる。
The heating temperature by the second laser beam L 21 is a sub-beam 21 is within a range that does not exceed the melting point Tm of the raw material powder, it is preferably close to the heating temperature by the main beam second laser beam L 20 is 20. As a result, the temperature difference between the portion irradiated with the
また、分光部13で分岐したレーザ光(第2レーザ光L20、L21)は、照射部分における第2レーザ光L20、L21を走査する方向のうち少なくともいずれかの方向について、主ビーム20である第2レーザ光L20が照射される位置よりも前方に副ビーム21である第2レーザ光L21が照射されるように、主ビーム20および副ビーム21の形状や位置関係を調整することが好ましい。これにより、副ビーム21が主ビーム20よりも先に粉末層Pに照射されて照射部分が予備加熱されることで、粉末層Pのうち副ビーム21の照射された部分が弱く焼結されるため、照射部分での原料粉末の飛散を低減することができる。また、主ビーム20の照射によるキーホールの発生や、照射部分でのスパッタ現象が起こり難くなるため、得られる積層造形物Mの充填率や導電率を高めることができる。加えて、レーザが照射された部分の周辺のみを予備加熱することが可能になることで、原料粉末のリサイクル性を高めることができ、また、加熱時間が短いことで原料粉末の酸化の影響を低減することもできる。
Further, the laser light (second laser light L 20 , L 21 ) branched by the
また、粉末層Pの第2レーザ光L20、L21の照射位置における、主ビーム20のパワー密度I1の、副ビーム21のパワー密度I2に対する比(I1/I2)が、1.2以上9.0以下の範囲であることが好ましい。これにより、第2レーザ光L20、L21が粉末層Pに照射される加工点において、材料の激しい蒸発による、材料へのキーホールの発生や、加工点でのスパッタ現象を発生し難くすることができるため、得られる積層造形物Mの充填率や導電率を高めることができる。
Further, the irradiation position of the second laser beam L 20, L 21 of the powder layer P, the power density I 1 of the
本明細書における、主ビーム20および副ビーム21のパワー密度は、ピークを含み、かつピーク強度の1/e2以上の強度を有する領域でのパワー密度であるものとする。また、主ビームまたは副ビームのビーム径は、ピークを含み、ピーク強度の1/e2以上の強度の領域の径であるものとする。ここで、円形でないビームの場合は、ビームの進行方向と移動方向の両方に対して直角な方向についての、ピーク強度の1/e2以上の強度となる領域の長さをビーム径とする。
In the present specification, the power densities of the
主ビームおよび副ビームの(粉末層上に照射されるときの)配置形状は、特に限定はしないが、例えば、図3(a)では、円形スポット状の主ビーム20から、ある程度近い間隔dで、楕円状(または直線状)に分散させた副ビーム21を配置した場合(配置パターンA)、図3(b)では、円形スポット状の主ビーム20aから、ある程度近い間隔dで、主ビーム20aの外周の一部を取り囲むように曲線状に分散させた副ビーム21aを配置した場合(配置パターンB)、図3(c)では、円形スポット状の主ビーム20bに近接させて、リング状に分散させた副ビーム21bを配置した場合(配置パターンC)、そして、図3(d)では、円形スポット状の主ビーム20cから、ある程度近い間隔dで、リング状に分散させた副ビーム21cを配置した場合(配置パターンD)の例を示す。なお、図3(a)、(b)の態様では、第2レーザ光L20、L21を照射する際、右側(副ビームのある側)が第2レーザ光L20、L21の走査方向について前方になるように、主ビームおよび副ビームを配置することが好ましく、このとき、図3(a)、(b)の左側(主ビームのある側)は、第2レーザ光L20、L21の走査方向について後方にすることが好ましい。
The arrangement shape of the main beam and the sub beam (when irradiated on the powder layer) is not particularly limited, but for example, in FIG. 3A, the interval d is close to some extent from the circular spot-shaped
ここで、副ビーム21は、連続的な線状であってもよく、点線のようにドットが連なっていてもよい。副ビーム21が点線である場合のドットの中心間隔は、例えば1μm〜500μmの範囲とすることができる。このとき、主ビーム20と副ビーム21の最短距離(間隔)dは、例えば1000μm以下の範囲とすることができ、1μm〜1000μmの範囲とすることが好ましい。他方で、円環状の副ビーム21を設ける態様では、図3(c)に示すように、主ビーム20bと副ビーム21bの最短距離dは0であってもよく、この場合、主ビーム20bと副ビーム21bとが連続する。主ビーム20と副ビーム21の最短距離dをこの範囲内にすることで、副ビーム21による照射領域の温度が低下する前に主ビーム20を照射し易くすることができる。
Here, the sub-beam 21 may have a continuous linear shape, or the dots may be continuous like a dotted line. When the sub-beam 21 is a dotted line, the center spacing of the dots can be, for example, in the range of 1 μm to 500 μm. At this time, the shortest distance (interval) d between the
本明細書における、主ビーム20と副ビーム21の最短距離dは、主ビーム20についてのピーク強度の1/e2以上の強度となる領域の外縁と、副ビーム21についてのピーク強度の1/e2以上の強度となる領域の外縁との間隔とする。
In the present specification, the shortest distance d between the
(集光部)
集光部14は、分光部13で分岐した複数の第2レーザ光L20、L21を集光するものであって、集光レンズなどで構成することができる。このとき、分岐した第2レーザ光L20、L21が、粉末層Pの表面の異なる照射位置に照射される。ここで、粉末層Pに照射される複数の第2レーザ光L20、L21のビームプロファイルを容易に制御する観点から、集光部14は、複数の第2レーザ光L20、L21を、分岐したビームプロファイル状態を維持して造形物加工手段15に集光することができる。図1では、簡単のために集光部14として単レンズを用いた場合を示しているが、これに限定されるものではなく、複数の光学素子の組合せによって構成してもよく、また、例えばコリメートレンズのような集光以外の作用を持った光学素子やその組み合わせを含んでもよい。
(Condensing part)
The condensing
(回転駆動部)
また、ビームプロファイル制御手段12は、図4に示すように、第1レーザ光L1の光軸をx軸として、x軸、y軸およびz軸の3つの座標軸をもつ3次元直交座標系で考えるとき、x軸、y軸およびz軸のうちの少なくとも一つの軸を中心として、分光部13の回折光学素子を回転させる構造を有する、図示しない回転駆動部を備えることが好ましい。
(Rotation drive unit)
The beam profile control means 12, as shown in FIG. 4, the optical axis of the first laser beam L 1 as the x-axis, x-axis, three-dimensional orthogonal coordinate system having three axes of y-axis and z-axis When considered, it is preferable to include a rotation drive unit (not shown) having a structure for rotating the diffractive optical element of the
より具体的には、回転駆動部は、第1レーザ光L1の光軸であるx軸を中心として分光部13の回折光学素子を回転させる構造を有することが好ましく、このとき、回折光学素子は、図4の回転方向αに回転することが可能である。これにより、後述するレーザ光走査手段15によって第2レーザ光L20、L21を走査させる方向が変わる場合であっても、走査方向に応じて主ビーム20である第2レーザ光L20と副ビーム21である第2レーザ光L21の位置関係を変えることで、走査方向について同じビームプロファイルを維持することが可能なため、主ビーム20と副ビーム21の走査方向や対称性によらず、副ビーム21を用いた予熱による積層造形物Mの充填率や導電率を高める効果を奏することができる。
More specifically, the rotation driving unit preferably has a structure for rotating the diffractive optical element of the
また、回転駆動部は、第1レーザ光の光軸に垂直な軸であるy軸またはz軸を中心として、分光部13の回折光学素子を回転させる構造を有することも好ましく、このとき、回折光学素子は、図4の回転方向βおよび回転方向γに回転することが可能である。これにより、粉末層Pに照射される第2レーザ光L20、L21のビーム形状を調整することができることで、原料粉末の材質や、得られる積層造形物Mで求められている充填率に応じて、粉末層Pの厚さ方向に対するビームプロファイルを調整することが可能になるため、所望の特性を有する積層造形物Mを得易くすることができる。加えて、第2レーザ光L20、L21を粉末層Pに照射したときに煙が発生するような場合に、煙による第2レーザ光L20、L21の散乱を低減することができる。
Further, it is also preferable that the rotation drive unit has a structure in which the diffraction optical element of the
回転駆動部としては、第1レーザ光の光軸に垂直な軸であるy軸とz軸の2軸を中心として、分光部13の回折光学素子を回転させる構造を有してもよく、また、x軸、y軸、z軸の3軸を中心として、分光部13の回折光学素子を回転させる構造を有してもよい。
The rotation drive unit may have a structure for rotating the diffractive optical element of the
他方で、ビームプロファイル制御手段12は、分光部13と集光部14の距離fを調整する、図示しない距離調整部を備えることも好ましい。これにより、原料粉末の材質や、得られる積層造形物Mで求められている充填率に応じて、粉末層Pの厚さ方向についてのビームプロファイルを調整することが可能になるため、所望の特性を有する積層造形物Mを得易くすることができる。
On the other hand, it is also preferable that the beam profile control means 12 includes a distance adjusting unit (not shown) that adjusts the distance f between the
ここで、原料粉末が銅粉末(銅粒子)や銅合金粉末(銅合金粒子)である場合には、距離調整部を用いて、集光部14の焦点距離からのオフセット値を0.1mm〜1mmとなるように調整することが好ましい。特に、得られる積層造形物Mで求められている充填率が98%以上である場合には、距離調整部を用いてオフセット値を0.2mm〜0.4mmとなるように調整することが好ましい。
Here, when the raw material powder is copper powder (copper particles) or copper alloy powder (copper alloy particles), the offset value from the focal distance of the condensing
[レーザ光走査手段]
レーザ光走査手段15は、集光部14で集光した複数の第2レーザ光L20、L21が、造形物加工手段10に供給された原料粉末によって形成されている粉末層Pに照射するように設けられるとともに、粉末層Pの表面上を走査するように構成されるものであり、3次元形状データに基づいて、粉末層Pに照射される第2レーザ光L20、L21を走査させることで、粉末層Pを溶融させるものである。
[Laser light scanning means]
The laser light scanning means 15 irradiates the powder layer P formed by the raw material powder supplied to the model processing means 10 with the plurality of second laser beams L 20 and L 21 focused by the
レーザ光走査手段15は、少なくともミラーを有しており、その中でもガルバノミラーを有することが好ましい。第2レーザ光L20、L21が粉末層Pに照射される範囲内で、レーザ光走査手段15を用いてレーザ光のミラーへの入射角θを変動させることで、粉末層Pの上で、主ビームである第2レーザ光L20と、副ビームである第2レーザ光L21が集光する位置を走査できるように構成されている。これにより、3次元形状データに基づく集光位置の走査をスムーズに行うことができるため、積層造形物Mを効率よく作製することができる。 The laser light scanning means 15 has at least a mirror, and it is preferable to have a galvano mirror among them. Within the range in which the second laser beams L 20 and L 21 are irradiated on the powder layer P, the angle of incidence θ of the laser light on the mirror is changed by using the laser beam scanning means 15 on the powder layer P. , The position where the second laser beam L 20 which is the main beam and the second laser beam L 21 which is the secondary beam are focused can be scanned. As a result, the scanning of the condensing position based on the three-dimensional shape data can be smoothly performed, so that the laminated model M can be efficiently produced.
なお、図1では、レーザ光走査手段15は分光部13の下流側(造形物加工手段10の側)に設けられているが、この態様に限定されるものではない。例えば、分光部13の上流側(レーザ光出射手段11の側)に設けてもよく、上流側および下流側の両方に設けてもよい。特に、レーザ光走査手段15を複数設けた場合、第2レーザ光L20、L21の照射位置の走査範囲を広げられるほか、積層造形装置1の小型化にも寄与することができる。
In FIG. 1, the laser light scanning means 15 is provided on the downstream side of the spectroscopic unit 13 (the side of the model processing means 10), but the present invention is not limited to this mode. For example, it may be provided on the upstream side (the side of the laser light emitting means 11) of the
[造形物加工手段]
本実施形態における造形物加工手段10は、粉末層Pを形成する原料粉末の供給と、上述の第2レーザ光L20の照射による粉末層Pの溶融と、冷却による固化とを繰り返すことで、積層造形物Mを形成するものである。より具体的には、原料粉末を下方から支持するステージ17と、ステージ17上に原料粉末を供給して粉末層Pを形成する粉末供給部16と、を少なくとも有する。
[Model processing means]
Molded
このうち、ステージ17は、積層造形物Mが形成される基材となるものであり、側方から粉末層Pを支持する側壁18とともに、粉末層Pを下方から支持するものであり、また、形成される積層造形物Mを下方から支持するものである。また、ステージ17は、昇降によって原料粉末の高さ位置h(積層造形物Mの表面の積層方向についての位置)を調整するものでもある。ここで、ステージ17の上方側の表面が平坦であると、粉末層Pの照射面を容易に平坦化することができる。積層造形物Mを造形した後は、ステージ17から積層造形物Mを切り離すことで、積層造形物Mを得ることができる。このようなステージ17を設けることで、上述のビームプロファイル制御手段12と、粉末層Pの表面との距離を一定に保つことができるため、層状の加工領域の積層による造形を、より安定して行うことができる。
Of these, the
ステージ17の材質としては、得られる積層造形物Mの物性への悪影響を抑えるため、原料粉末と同じ材料からなることが好ましい。
The material of the
粉末供給部16としては、原料粉末をステージ17上に供給する手段(図示せず)を備える。また、粉末供給部16は、原料粉末の表面を高さ方向(図1のy軸の方向)について平坦にする手段を備えることが好ましい。粉末供給部16を用いて原料粉末を供給することで、粉末層Pが積層され、その表面に第2レーザ光L20、L21が照射されることで積層造形が行われる。ここで、粉末供給部16としては、例えばリコータを用いることができる。
The
なお、積層造形物Mの基となる原料粉末の材料としては、第2レーザ光L20、L21を吸収しうる材料を広く用いることが可能である。特に、本実施形態の積層造形装置1では、銅粉末(銅粒子)や銅合金粉末(銅合金粒子)などの銅材料を原料粉末に用いた場合であっても、得られる積層造形物Mの充填率が高く、かつ高い導電率を有する積層造形物Mを得ることができる。ここで、銅合金としては、例えばクロム(Cr)を0.01質量%〜1.0質量%、スズ(Sn)を0.01〜1.0質量%、ニッケル(Ni)を0.01質量%〜1.0質量%含有し、不純物元素である酸素(O)、リン(P)、鉄(Fe)、銀(Ag)の合計含有量が0.5質量%以下であり、残部が銅(Cu)からなる銅合金を挙げることができる。 As the material of the raw material powder that is the basis of the laminated model M, a material that can absorb the second laser beams L 20 and L 21 can be widely used. In particular, in the laminated modeling apparatus 1 of the present embodiment, even when a copper material such as copper powder (copper particles) or copper alloy powder (copper alloy particles) is used as the raw material powder, the laminated model M obtained can be obtained. It is possible to obtain a laminated model M having a high filling rate and a high conductivity. Here, as the copper alloy, for example, chromium (Cr) is 0.01% by mass to 1.0% by mass, tin (Sn) is 0.01 to 1.0% by mass, and nickel (Ni) is 0.01% by mass. % To 1.0% by mass, the total content of the impurity elements oxygen (O), phosphorus (P), iron (Fe), and silver (Ag) is 0.5% by mass or less, and the balance is copper. A copper alloy made of (Cu) can be mentioned.
[積層造形装置を用いた積層造形方法]
本実施形態の積層造形装置1を用いた積層造形方法は、例えば、粉末供給部16から原料粉末を供給して粉末層Pを形成し、次いで、レーザ光出射手段11から出射される第1レーザ光L1を、ビームプロファイル制御手段12における回折光学素子である分光部13を用いて複数の第2レーザ光L20、L21に分光し、これらを集光部14によって集光させるとともに、レーザ光走査手段15を用いて集光位置を走査させながら、第2レーザ光L20、L21を粉末層Pに照射して粉末層Pの予備加熱および溶融を行なうことで、所望の形状を有する1層の加工領域を得ることができる。そして、1層分の加工領域が得られたところで、粉末供給部16から1層分の厚さだけ原料粉末を供給するとともに、ステージ17を1層分の厚さだけ下降させ、同様に加工領域を得ることを繰り返すことで、所望の3次元形状を有する積層造形物Mを得ることができる。
[Laminate modeling method using a laminate modeling device]
In the laminated modeling method using the laminated modeling device 1 of the present embodiment, for example, the raw material powder is supplied from the
次に、本発明の実施例を説明するが、本発明はその趣旨を超えない限り、これらの例に限定されるものではない。 Next, examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited to these examples as long as the gist of the present invention is not exceeded.
(1)積層造形装置を用いた積層造形物の作製
原料としてクロム(Cr)を0.01質量%〜1.0質量%、スズ(Sn)を0.01〜1.0質量%、ニッケル(Ni)を0.01質量%〜1.0質量%含有し、不純物元素である酸素(O)、リン(P)、鉄(Fe)、銀(Ag)の合計含有量が0.5質量%以下であり、残部が銅(Cu)からなる銅合金(融点:1354K程度)を用い、秤量した成分を溶解炉に投入し、溶解して銅合金(インゴット)を作製した。作製した銅合金(インゴット)を機械的に粉砕し、粉砕した銅合金の粉砕物を溶解した後、ガスアトマイズ装置を用いて85体積%の窒素ガス(N2)と15体積%の水素ガス(H2)との混合ガスに噴霧して、原料粉末となる銅合金粒子(粒径:20〜50μm)を得た。得られた原料粉末を、造形物加工手段にステージを有する積層造形装置のステージ上に、リコータを用いて厚さ50μmの粉末層Pが形成されるように供給した。
(1) Preparation of Laminated Model Using Laminated Modeling Equipment As raw materials, chromium (Cr) is 0.01% by mass to 1.0% by mass, tin (Sn) is 0.01 to 1.0% by mass, and nickel ( Ni) is contained in an amount of 0.01% by mass to 1.0% by mass, and the total content of the impurity elements oxygen (O), phosphorus (P), iron (Fe), and silver (Ag) is 0.5% by mass. A copper alloy (melting point: about 1354K) having a balance of copper (Cu) was used as described below, and the weighed components were put into a melting furnace and melted to prepare a copper alloy (ingot). The produced copper alloy (ingot) is mechanically crushed to dissolve the crushed crushed copper alloy, and then 85% by volume of nitrogen gas (N 2 ) and 15% by volume of hydrogen gas (H) are used using a gas atomizing device. The mixture gas with 2 ) was sprayed to obtain copper alloy particles (particle size: 20 to 50 μm) as a raw material powder. The obtained raw material powder was supplied by using a recorder so that a powder layer P having a thickness of 50 μm was formed on the stage of a laminated modeling apparatus having a stage as a model processing means.
表1に記載の出力を有するファイバレーザ(波長:1070nm)を第1レーザ光L1として用い、本発明例1〜11については、回折光学素子を用いて図3(a)に示す配置パターンAをなす複数の第2レーザ光L20、L21に分光した。このとき、主ビームである第2レーザ光L20と副ビームである第2レーザ光L21の最短距離(間隔)dは、100μmであった。また、第2レーザ光L20、L21を走査する方向のうち少なくともいずれかの方向について、主ビームである第2レーザ光L20が照射される位置よりも前方に副ビームである第2レーザ光L21が照射されるように回折光学素子を設けるとともに、第2レーザ光L20、L21を反射するガルバノミラーへの入射角θを変動させ、それにより粉末層Pに照射される第2レーザ光L20、L21の集光位置を200mm/sの走査速度で走査させることで原料粉末の予備加熱および溶融固化を行ない、1層の造形層を得た。 A fiber laser (wavelength: 1070 nm) having the output shown in Table 1 is used as the first laser light L 1 , and in Examples 1 to 11 of the present invention, an arrangement pattern A shown in FIG. 3A is used by using a diffractive optical element. The light was dispersed into a plurality of second laser beams L 20 and L 21 . At this time, the shortest distance (interval) d between the second laser beam L 20 which is the main beam and the second laser beam L 21 which is the secondary beam was 100 μm. Further, in at least one of the directions in which the second laser beams L 20 and L 21 are scanned, the second laser which is the secondary beam is in front of the position where the second laser beam L 20 which is the main beam is irradiated. A diffractive optical element is provided so that the light L 21 is irradiated, and the angle of incidence θ on the galvanometer mirror that reflects the second laser beams L 20 and L 21 is changed, whereby the powder layer P is irradiated with the second laser beam P. By scanning the condensing positions of the laser beams L 20 and L 21 at a scanning speed of 200 mm / s, the raw material powder was preheated and melt-solidified to obtain a single molding layer.
他方で、比較例1〜3については、回折光学素子による分光を行うことなく、レーザ光を集光させて粉末層Pに照射し、第1レーザ光L1を反射するガルバノミラーへの入射角θを変動させ、それにより粉末層Pに照射される第1レーザ光L1の集光位置を200mm/sの走査速度で走査させることで原料粉末の溶融固化を行ない、1層の造形層を得た。 On the other hand, Comparative Examples 1 to 3, without performing spectroscopy using diffractive optical elements, the incident angle of the galvanometer mirror by focusing the laser beam is irradiated to the powder layer P, and reflecting the first laser beam L 1 varying the theta, thereby the focusing position of the first laser light L 1 irradiated to the powder layer P performs vitrification of the raw material powder by scanning at a scan rate of 200 mm / s, a shaped layer of one layer Obtained.
本発明例では、主ビームは銅合金である原料粉末の融点以上に粉末層を加熱するようにした。第2レーザ光L20、L21の照射位置における、主ビームのパワー密度I1の、副ビームのパワー密度I2に対する比(I1/I2)を表1に示す。また、副ビームによって加熱された原料粉末の温度について、サーモグラフィを用いて測定したところ、表1に記載のとおりであった。 In the example of the present invention, the main beam heats the powder layer above the melting point of the raw material powder which is a copper alloy. At the irradiation position of the second laser beam L 20, L 21, shown main beam power density I 1 of the ratio power density I 2 of sub-beams (I 1 / I 2) in Table 1. Moreover, when the temperature of the raw material powder heated by the secondary beam was measured by using thermography, it was as shown in Table 1.
また、本発明例2〜11については、第1レーザ光L1の光軸(x軸)を中心軸として回折光学素子を回転させる回転機構を設け、x軸を中心として回折光学素子を回転させて、走査方向が変わっても、主ビームである第2レーザ光L20が照射される位置よりも前方に副ビームである第2レーザ光L21が照射されるように、ビームプロファイルを維持した。他方で、本発明例1と、比較例1〜3については、回折光学素子を回転させる回転機構を設けずに、回折光学素子が同じ方向を向いた状態で造形層の作製を行った。このうち、本発明例1は、回折光学素子が同じ方向を向いた状態で、第2レーザ光L20、L21の集光する位置が往復するように走査させた例であり、一方の走査方向についてのみ、第2レーザ光L20の照射位置よりも前方に、第2レーザ光L21が照射されるようにした例である。 Further, the present invention examples 2-11, a rotating mechanism for rotating the diffractive optical element a first laser beam L 1 of the optical axis (x-axis) as the center axis is provided, by rotating the diffractive optical element about the x-axis Therefore, even if the scanning direction is changed, the beam profile is maintained so that the second laser beam L 21 which is the secondary beam is irradiated in front of the position where the second laser beam L 20 which is the main beam is irradiated. .. On the other hand, in Examples 1 of the present invention and Comparative Examples 1 to 3, the modeling layer was produced in a state where the diffractive optical elements were oriented in the same direction without providing a rotation mechanism for rotating the diffractive optical elements. Of these, Example 1 of the present invention is an example in which the diffractive optical elements are oriented in the same direction, and the second laser beams L 20 and L 21 are scanned so that the condensing positions reciprocate. This is an example in which the second laser beam L 21 is irradiated in front of the irradiation position of the second laser beam L 20 only in the direction.
また、本発明例3、5〜11については、y軸またはz軸を中心軸として回折光学素子を回転させる回転機構を設け、回折光学素子を第1レーザ光L1の光軸から5°傾けた状態(入射角度が5°の状態)で造形層の作製を行った。他方で、本発明例1、2、4と、比較例1〜3については、回折光学素子を傾けずに造形層の作製を行った。 Further, the present invention example 3,5~11 is provided with a rotating mechanism for rotating the diffractive optical element as the center axis y-axis or z-axis, 5 ° tilted diffractive optical element from the first laser light L 1 of the optical axis The modeling layer was produced in a state where the incident angle was 5 °. On the other hand, in Examples 1, 2 and 4 of the present invention and Comparative Examples 1 to 3, the modeling layer was produced without tilting the diffractive optical element.
また、本発明例4〜11については、分光部13と集光部14の距離についてのオフセット値を、集光部14の焦点距離よりも0.3mm短くなるように調整した。他方で、本発明例1〜3と、比較例1〜3については、分光部13と集光部14の距離についての、集光部14の焦点距離からのオフセット値を0mmにした。
Further, in Examples 4 to 11 of the present invention, the offset value for the distance between the
造形層を得た後、同様にして、粉末供給部から1層分の原料粉末をステージ上に供給するとともに、ステージを1層分の厚さだけ下降させ、同様にレーザを照射させて造形層を得る操作を繰り返すことで、縦10mm×横10mm×厚さ10mmのブロック形状の積層造形物を得た。 After obtaining the modeling layer, in the same manner, one layer of raw material powder is supplied onto the stage from the powder supply unit, the stage is lowered by the thickness of one layer, and the laser is similarly irradiated to the modeling layer. By repeating the operation of obtaining the above, a block-shaped laminated model having a length of 10 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 10 mm was obtained.
(2)積層造形物の充填率に関する評価
得られた積層造形物について、アルキメデス法によって見掛け密度の測定を実施し、真密度との差異から以下の式(A)を用いて充填率(%)を試算した。ここで、電子天秤としては、Sartorius社のQUINTIX5100−1SJPを用いた。
充填率(%)=100−(真密度−見掛け密度)÷真密度×100 ・・・(A)
その結果について、以下の基準で評価した。結果を表1に示す。
◎:充填率が98%以上である
〇:充填率が95%以上98%未満である
×:充填率が95%未満である
(2) Evaluation of packing rate of laminated model The apparent density of the obtained laminated model was measured by the Archimedes method, and the filling rate (%) was calculated using the following formula (A) based on the difference from the true density. Was calculated. Here, as the electronic balance, QUINTIX5100-1SJP manufactured by Sartorius was used.
Filling rate (%) = 100- (true density-apparent density) ÷ true density x 100 ... (A)
The results were evaluated according to the following criteria. The results are shown in Table 1.
⊚: Filling rate is 98% or more 〇: Filling rate is 95% or more and less than 98% ×: Filling rate is less than 95%
(3)積層造形物の導電率に関する評価
得られた積層造形物について、JIS H0505−1975に準じた四端子法を用いて、20℃(±1℃)に管理された恒温槽中で、各試験片の2本について測定し、その平均値(%IACS)を算出した。本評価では、四端子法における端子間距離を100mmとして測定を行った。その結果について、以下の基準で評価した。結果を表1に示す。
〇:導電率が70%IACS以上である
×:導電率が70%IACS未満である
(3) Evaluation of Conductivity of Laminated Model The obtained laminated model was used in a constant temperature bath controlled at 20 ° C (± 1 ° C) using the four-terminal method according to JIS H0505-1975. Two test pieces were measured, and the average value (% IACS) was calculated. In this evaluation, the measurement was performed with the distance between terminals in the four-terminal method as 100 mm. The results were evaluated according to the following criteria. The results are shown in Table 1.
〇: Conductivity is 70% IACS or more ×: Conductivity is less than 70% IACS
表1から明らかなように、回折光学素子を用いて、複数の第2レーザ光L20、L21に分光している積層造形装置を用いて作製された積層造形物(本発明例1〜11)では、積層造形物の充填率に関する評価結果と、積層造形物の導電率に関する評価結果がいずれも「○」評価以上であったため、充填率と導電率の両方において良好であることが分かった。 As is clear from Table 1, a laminated model (Examples 1 to 11 of the present invention) produced by using a layered modeling device that disperses the second laser beams L 20 and L 21 using a diffractive optical element. In), both the evaluation result regarding the filling rate of the laminated model and the evaluation result regarding the conductivity of the laminated model were equal to or higher than the “○” evaluation, and thus it was found that both the filling rate and the conductivity were good. ..
他方で、回折光学素子を用いておらず、単一のレーザ光を粉末層Pに照射している比較例1〜3の積層造形物では、積層造形物の充填率に関する評価結果と、積層造形物の導電率に関する評価結果がいずれも「×」であり、充填率と導電率の両方において劣るものであった。 On the other hand, in the laminated shaped products of Comparative Examples 1 to 3 in which the powder layer P is irradiated with a single laser beam without using a diffractive optical element, the evaluation result regarding the filling rate of the laminated molded product and the laminated molding The evaluation results regarding the conductivity of the objects were all "x", which were inferior in both the filling rate and the conductivity.
上記結果より、回折光学素子である分光部を用いて、複数の第2レーザ光L20、L21に分光している積層造形装置を用いて作製された積層造形物(本発明例1〜11)では、比較例1〜3の積層造形物と比較して、充填率と導電率の両方において良好であることが分かった。 Based on the above results, a laminated model (Examples 1 to 11 of the present invention) produced by using a laminated modeling device that disperses the second laser beams L 20 and L 21 using a spectroscopic unit that is a diffractive optical element. ), It was found that both the filling rate and the conductivity were better than those of the laminated shaped products of Comparative Examples 1 to 3.
1 積層造形装置
10 造形物加工手段
11 レーザ光出射手段
12 ビームプロファイル制御手段
13 分光部(または回折光学素子)
14 集光部
15 レーザ光走査手段
16 粉末供給部
17 ステージ
18 側壁
20、20a、20b、20c 主ビーム
21、21a、21b、21c 副ビーム
131、132 回折光学素子
L1 第1レーザ光
L20 第2レーザ光
L21 第2レーザ光
M 積層造形物
P 粉末層
θ 入射角
h 原料粉末の高さ位置
1
14
Claims (9)
第1レーザ光を出射するレーザ光出射手段と、
前記第1レーザ光を複数の第2レーザ光に分岐させる回折光学素子である分光部、および前記分光部で分岐した前記複数の第2レーザ光を集光する集光部を含むビームプロファイル制御手段と、
前記集光部で集光した前記複数の第2レーザ光を、3次元形状データに基づいて前記造形物加工手段に供給された前記原料粉末によって形成した前記粉末層上を走査させて、前記粉末層を溶融させるレーザ光走査手段と
を備え、
前記造形物加工手段が、
前記原料粉末を下方から支持するステージと、
前記ステージ上に前記原料粉末を供給して前記粉末層を形成する粉末供給部と、
を有する、積層造形装置。 A model processing means for forming a laminated model by repeatedly supplying the raw material powder for forming the powder layer and melting and solidifying the powder layer.
Laser light emitting means for emitting the first laser light and
A beam profile control means including a spectroscopic unit that is a diffraction optical element that branches the first laser beam into a plurality of second laser beams, and a condensing unit that collects the plurality of second laser beams branched by the spectroscopic unit. When,
The plurality of second laser beams focused by the condensing unit are scanned on the powder layer formed by the raw material powder supplied to the modeled object processing means based on the three-dimensional shape data, and the powder is obtained. Equipped with a laser beam scanning means for melting the layer,
The modeled object processing means
A stage that supports the raw material powder from below,
A powder supply unit that supplies the raw material powder onto the stage to form the powder layer,
Laminated modeling equipment.
前記主ビームは、前記粉末層を溶融し、
前記副ビームは、前記粉末層を373K以上、前記原料粉末の融点未満で加熱する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の積層造形装置。 The plurality of second laser beams irradiated to the powder layer are composed of a main beam and a sub beam.
The main beam melts the powder layer and
The laminated modeling apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the sub-beam heats the powder layer at 373 K or more and below the melting point of the raw material powder.
前記ガルバノミラーによって、前記主ビームおよび前記副ビームを、前記副ビームが前記主ビームよりも前方側になる位置関係で前記粉末層上を走査させる、請求項7に記載の積層造形装置。 The laser light scanning means has a galvanometer mirror.
The laminated modeling apparatus according to claim 7, wherein the galvanometer mirror scans the main beam and the sub beam on the powder layer in a positional relationship in which the sub beam is on the front side of the main beam.
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