JP2021031685A - Method for manufacturing three-dimensional molded article, three-dimensional molding apparatus, program, recording medium, and die for resin molding - Google Patents

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Abstract

To provide a method capable of controlling a nitridation degree in each portion to be molded, when a three-dimensional molded article containing a metal nitride is to be molded by laying a metal source powder into a layer and irradiating the layer with a laser beam to selectively solidify a part of the powder layer.SOLUTION: A method for manufacturing a three-dimensional molded article is provided, which includes repeatedly performing a powder layer formation step of depositing a metal powder to form a powder layer and a solidification step of irradiating a predetermined region of the powder layer with a laser beam to form a solidified portion. The solidification step performed during manufacturing the three-dimensional molded article includes a first solidification step and a second solidification step. In the second solidification step, a solidified portion having a larger nitridation degree than that of a solidified portion formed in the first solidification step is formed at a position different from that of the solidified portion formed in the first solidification step.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、いわゆる粉末積層溶融法を用いた三次元造形物の製造方法、およびそれに用いる三次元造形装置に関する。特に、三次元造形物を製造する際に、三次元造形物の部位毎の窒化度を制御する方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional model using a so-called powder lamination and melting method, and a three-dimensional modeling device used therefor. In particular, the present invention relates to a method of controlling the nitriding degree of each part of the three-dimensional modeled object when manufacturing the three-dimensional modeled object.

近年、いわゆる3Dプリンタの開発が盛んに行われており、さまざまな方式が試みられている。例えば、熱溶融積層造形法、光硬化性樹脂を用いた光造形法、粉末積層溶融法、等のさまざまな方式が知られている。
粉末積層溶融法(Powder Bed Fusion)は、ナイロン樹脂、セラミクス、金属等の原料粉末を層状に敷く工程と、レーザ光を照射して粉末層の一部を選択的に溶融させる工程とを繰り返し行なうことにより三次元造形物を形成する方法である。これに関連して、レーザを使い無機物を焼結させて造形する方式を、選択的レーザ焼結法(SLS:Selective Laser Sintering)と呼ぶ場合もある。
In recent years, so-called 3D printers have been actively developed, and various methods have been tried. For example, various methods such as a hot melt lamination modeling method, a stereolithography method using a photocurable resin, and a powder lamination fusion method are known.
In the powder additive manufacturing method (Power Bed Fusion), a step of laying raw material powders such as nylon resin, ceramics, and metal in layers and a step of irradiating a laser beam to selectively melt a part of the powder layer are repeated. This is a method of forming a three-dimensional model. In connection with this, a method of sintering an inorganic substance using a laser to form a model may be called a selective laser sintering method (SLS: Selective Laser Sintering).

近年では、高い機械強度や良好な熱伝導性が要求される物品を製造する方法として、金属粉末を原料に用いた粉末積層溶融法が活用されはじめている。また、金属等の窒化物焼結体には高温領域でも優れた特性を備えるものがあり、高温用の機械部品や構造材への応用が期待されている。
特許文献1には、金属等の第1粉末と金属窒化物等の第2粉末を混合して粉末層を形成し、窒素ガス雰囲気下でレーザ光を照射することにより窒化物焼結体を製造する方法が開示されている。
In recent years, a powder laminating and melting method using a metal powder as a raw material has begun to be used as a method for producing an article that requires high mechanical strength and good thermal conductivity. In addition, some nitride sintered bodies such as metals have excellent properties even in a high temperature region, and are expected to be applied to mechanical parts and structural materials for high temperatures.
In Patent Document 1, a first powder such as a metal and a second powder such as a metal nitride are mixed to form a powder layer, and a nitride sintered body is manufactured by irradiating a laser beam in a nitrogen gas atmosphere. The method of doing so is disclosed.

特開2015−105201号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-105201

金属窒化物の応用が期待される種々の分野においては、物品全体にわたり窒化度が均一であることが望まれる場合もあるが、用途によっては部位毎に窒化度が異なる物品が望まれる場合も有り得る。
特許文献1には、窒化物焼結体を製造する方法が開示されているが、製造誤差を除けば組成は均一であり、三次元造形物の各部位の窒化度を制御することについては検討されていない。
In various fields where the application of metal nitride is expected, it may be desired that the nitriding degree is uniform throughout the article, but depending on the application, an article having a different nitriding degree for each part may be desired. ..
Patent Document 1 discloses a method for producing a nitride sintered body, but the composition is uniform except for production errors, and it is studied to control the nitriding degree of each part of a three-dimensional model. It has not been.

そこで、金属の原料粉末を層状に敷き、レーザ光を照射して粉末層の一部を選択的に固化させて金属の窒化物を含んだ三次元造形物を造形する際に、造形する部位毎の窒化度を制御可能な方法が求められていた。 Therefore, when metal raw material powder is laid in layers and irradiated with laser light to selectively solidify a part of the powder layer to form a three-dimensional model containing metal nitride, each part to be modeled is formed. There has been a demand for a method capable of controlling the degree of nitriding of.

本発明の一態様は、金属粉末を堆積させて粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層の所定領域にレーザ光を照射して固化部を形成する固化工程と、を繰り返し行い三次元造形物を製造する方法において、前記三次元造形物を製造する間に行われる前記固化工程には、第1固化工程と第2固化工程が含まれ、前記第2固化工程においては、前記第1固化工程において形成される固化部とは異なる位置に、前記第1固化工程において形成される固化部よりも窒化度が大きい固化部を形成することを特徴とする三次元造形物の製造方法である。 One aspect of the present invention is a tertiary process in which a powder layer forming step of depositing metal powder to form a powder layer and a solidifying step of irradiating a predetermined region of the powder layer with laser light to form a solidified portion are repeated. In the method of manufacturing the original model, the solidification step performed during the production of the three-dimensional model includes a first solidification step and a second solidification step, and in the second solidification step, the first solidification step is performed. A method for manufacturing a three-dimensional model, characterized in that a solidified portion having a higher degree of nitridedness than the solidified portion formed in the first solidification step is formed at a position different from the solidified portion formed in the first solidification step. is there.

また、本発明の別の一態様は、粉末層形成部と、レーザ光照射部と、雰囲気調整部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記粉末層形成部を駆動して、金属粉末の粉末層を形成する粉末層形成処理と、前記レーザ光照射部を駆動して、前記粉末層の所定領域にレーザ光を照射して固化部を形成する固化処理と、を繰り返し行うが、前記固化処理の一部では第1固化処理を行い、他の一部では第2固化処理を行い、前記第2固化処理は、前記第1固化処理において形成される固化部とは異なる位置に、前記第1固化処理において形成される固化部よりも窒化度が大きい固化部を形成する処理である、ことを特徴とする三次元造形装置である。 Further, another aspect of the present invention includes a powder layer forming unit, a laser beam irradiation unit, an atmosphere adjusting unit, and a control unit, and the control unit drives the powder layer forming unit. A powder layer forming process for forming a powder layer of metal powder and a solidifying process for driving a laser beam irradiating portion to irradiate a predetermined region of the powder layer with laser light to form a solidifying portion are repeatedly performed. In a part of the solidification treatment, a first solidification treatment is performed, and in another part, a second solidification treatment is performed, and the second solidification treatment is performed at a position different from the solidification portion formed in the first solidification treatment. The three-dimensional modeling apparatus is characterized in that it is a process of forming a solidified portion having a higher degree of nitridedness than the solidified portion formed in the first solidifying process.

また、本発明の別の一態様は、金型面の第1部分における水に対する接触角が、前記金型面の第2部分における水に対する接触角よりも小さい、ことを特徴とする樹脂成形用の金型である。 Another aspect of the present invention is for resin molding, wherein the contact angle of the first portion of the mold surface with water is smaller than the contact angle of the second portion of the mold surface with water. It is a mold of.

また、本発明の別の一態様は、金型面の第1部分が第1材料により形成され、前記金型面の第2部分が第2材料により形成され、前記第2材料は前記第1材料よりも窒化度が大きな材料である、ことを特徴とする樹脂成形用の金型である。 Further, in another aspect of the present invention, the first portion of the mold surface is formed of the first material, the second portion of the mold surface is formed of the second material, and the second material is the first material. It is a mold for resin molding characterized in that it is a material having a higher degree of nitriding than the material.

本発明は、金属の原料粉末を層状に敷き、レーザ光を照射して粉末層の一部を選択的に固化させて金属の窒化物を含んだ三次元造形物を造形する際に、造形する部位毎の窒化度を制御可能な方法を提供する。 The present invention forms a three-dimensional model containing a metal nitride by laying a metal raw material powder in a layer and irradiating a laser beam to selectively solidify a part of the powder layer. Provided is a method capable of controlling the degree of nitriding for each site.

実施形態の三次元造形装置の構成を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the structure of the 3D modeling apparatus of embodiment. 実施形態の三次元造形方法を説明するためのフローチャート。The flowchart for demonstrating the three-dimensional modeling method of an embodiment. (a)実施形態にかかる三次元造形物の一例を示す図。(b)従来の三次元造形方法におけるスライスデータを示す図。(c)実施形態の三次元造形方法にかかるスライスデータの一例を示す図。(d)実施形態の三次元造形方法にかかるスライスデータの別の一例を示す図。(A) The figure which shows an example of the three-dimensional model | object which concerns on embodiment. (B) The figure which shows the slice data in the conventional three-dimensional modeling method. (C) The figure which shows an example of the slice data which concerns on the 3D modeling method of embodiment. (D) The figure which shows another example of the slice data which concerns on the 3D modeling method of embodiment. (a)〜(d):実施形態の三次元造形方法にかかる造形手順1の各工程を説明するための模式図。(A) to (d): Schematic diagram for explaining each step of the modeling procedure 1 according to the three-dimensional modeling method of the embodiment. (a)〜(d):実施形態の三次元造形方法にかかる造形手順2の各工程を説明するための模式図。(A) to (d): Schematic diagram for explaining each step of the modeling procedure 2 according to the three-dimensional modeling method of the embodiment. (a)〜(d):実施形態の三次元造形方法にかかる造形手順3の各工程を説明するための模式図。(A) to (d): Schematic diagram for explaining each step of the modeling procedure 3 according to the three-dimensional modeling method of the embodiment. (a)実施形態にかかる三次元造形物の一例を示す図。(b)実施形態にかかる三次元造形物の他の一例を示す図。(A) The figure which shows an example of the three-dimensional model | object which concerns on embodiment. (B) The figure which shows another example of the 3D model | object which concerns on embodiment. (a)回折光学素子の構造を示す模式的断面図。(b)回折光学素子の製造方法を示す模式的断面図。(A) Schematic cross-sectional view showing the structure of a diffractive optical element. (B) Schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing a diffractive optical element. (a)実施形態にかかる回折光学素子の製造用金型を示す模式図。(b)実施形態にかかる製造用金型を積層造形するためのスライスデータの一例を示す拡大図。(A) The schematic diagram which shows the manufacturing mold of the diffractive optical element which concerns on embodiment. (B) An enlarged view showing an example of slice data for laminating and modeling a manufacturing mold according to an embodiment. (a)マイクロレンズアレイの構造を示す模式的断面図。(b)マイクロレンズアレイの製造方法を示す模式的断面図。(A) Schematic cross-sectional view showing the structure of a microlens array. (B) Schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing a microlens array. (a)実施形態にかかる人口骨を示す模式図。(b)実施形態にかかる人口骨を積層造形する手順を説明するための模式図。(A) Schematic diagram showing an artificial bone according to an embodiment. (B) Schematic diagram for explaining a procedure for laminating and modeling artificial bones according to an embodiment.

図面を参照して、本発明の実施形態である三次元造形物の製造方法、三次元造形装置、三次元造形物について説明する。尚、以下の説明において参照する図面では、特に但し書きがない限り、同一の機能を有する部材については同一の参照番号を付して示すものとする。
また、以下の説明で参照する図面においては、実際よりも1層の厚みが大きく描かれたり、層の数が少なく描かれたりする場合があるが、図示の便宜のため模式的に表現したに過ぎず、本発明の技術的範囲は図面の例示に限定されるものではない。
A method for manufacturing a three-dimensional model, a three-dimensional modeling device, and a three-dimensional model, which are embodiments of the present invention, will be described with reference to the drawings. In the drawings referred to in the following description, unless otherwise specified, members having the same function shall be indicated with the same reference number.
Further, in the drawings referred to in the following description, the thickness of one layer may be drawn larger than the actual thickness, or the number of layers may be drawn smaller than the actual one. However, the technical scope of the present invention is not limited to the examples of the drawings.

尚、焼結という用語は、固体粉末の集合体を、融点よりも低い温度で加熱することにより粉末が固まって焼結体と呼ばれる緻密な物体になる現象を指す場合もある。しかし、以下の説明では、焼結という用語はより広い意味で使用する。すなわち、焼結とは、固体粉末の集合体が加熱を経て一体化(固化)することを指し、融点よりも高い温度に加熱することにより溶融してから冷却して固化する場合も含むものとする。 The term sintering may also refer to a phenomenon in which an aggregate of solid powder is heated at a temperature lower than the melting point to solidify the powder into a dense object called a sintered body. However, in the following description, the term sintering is used in a broader sense. That is, sintering means that an aggregate of solid powders is integrated (solidified) through heating, and includes a case where the solid powder is melted by heating to a temperature higher than the melting point and then cooled to solidify.

[三次元造形装置]
まず、本実施形態にかかる三次元造形装置について説明する。図1は、三次元造形装置の構成を説明するための模式図である。
三次元造形装置1が備えるチャンバ113は、三次元造形装置1内部の雰囲気を外気から遮蔽するための外囲器である。チャンバ113は、実質的に気密性を有する容器であるのが望ましい。
[Three-dimensional modeling device]
First, the three-dimensional modeling apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of a three-dimensional modeling apparatus.
The chamber 113 included in the three-dimensional modeling device 1 is an outer enclosure for shielding the atmosphere inside the three-dimensional modeling device 1 from the outside air. The chamber 113 is preferably a container that is substantially airtight.

三次元造形装置1はチャンバ113内の雰囲気を調整する雰囲気調整部を備える。すなわち、チャンバ113には、排気調整バルブ115を介して排気ポンプ114が接続されるとともに、給気調整バルブ117を介してガス供給源116が接続されている。ガス供給源116には、窒素、アンモニア等の窒素供給性(窒素供給能)を有するガスや、アルゴン等の不活性ガス、水素あるいは炭化水素ガス(プロパン等)のような還元性ガスが貯留されている。ガス供給源116は、給気調整バルブ117を介してチャンバ113内に各種ガスを所望の分圧で供給することができる。排気ポンプ114は、排気調整バルブ115を介してチャンバ113内を所望の排気速度で排気可能である。チャンバ113内の雰囲気制御については、後述する。 The three-dimensional modeling apparatus 1 includes an atmosphere adjusting unit that adjusts the atmosphere in the chamber 113. That is, the exhaust pump 114 is connected to the chamber 113 via the exhaust adjustment valve 115, and the gas supply source 116 is connected to the chamber 113 via the air supply adjustment valve 117. The gas supply source 116 stores a gas having a nitrogen supply capacity (nitrogen supply capacity) such as nitrogen and ammonia, an inert gas such as argon, and a reducing gas such as hydrogen or a hydrocarbon gas (propane or the like). ing. The gas supply source 116 can supply various gases into the chamber 113 at a desired partial pressure via the air supply adjusting valve 117. The exhaust pump 114 can exhaust the inside of the chamber 113 at a desired exhaust speed via the exhaust adjustment valve 115. The atmosphere control in the chamber 113 will be described later.

プレート102は、三次元造形物を形成する際の支持台であるが、支持台として機能するものであれば必ずしも板状である必要はない。造形テーブル101は、プレート102を装着するためのテーブルで、位置基準としてピン103を備えている。ピン103とプレート102のピン穴を嵌合させることで、プレート102の位置決めがなされる。本実施形態では、プレート102は、ネジ104により造形テーブル101に着脱可能に固定されるが、造形テーブルへの位置決め固定方法は、この例に限られるわけではない。造形テーブル101は、垂直移動機構106により垂直方向に移動可能に支持されている。三次元造形物を形成する際には、粉末層の形成と粉末層の所定部分の固化とを繰り返し行い固化層を積層してゆくが、積層する度に垂直移動機構106により造形テーブル101を下方に移動させ、粉末層の形成とレーザ光の照射を容易にする。通常、数10μmの高さで上下動させるため、高さ分解能は1μm以下であることが望ましい。 The plate 102 is a support base for forming a three-dimensional model, but it does not necessarily have to be plate-shaped as long as it functions as a support base. The modeling table 101 is a table for mounting the plate 102, and includes a pin 103 as a position reference. The plate 102 is positioned by fitting the pin 103 and the pin hole of the plate 102. In the present embodiment, the plate 102 is detachably fixed to the modeling table 101 by screws 104, but the positioning and fixing method to the modeling table is not limited to this example. The modeling table 101 is supported so as to be movable in the vertical direction by the vertical movement mechanism 106. When forming a three-dimensional model, the formation of the powder layer and the solidification of a predetermined portion of the powder layer are repeated to stack the solidified layers, and each time the solidified layers are laminated, the modeling table 101 is lowered by the vertical movement mechanism 106. To facilitate the formation of a powder layer and irradiation of laser light. Normally, since it is moved up and down at a height of several tens of μm, it is desirable that the height resolution is 1 μm or less.

造形テーブル101の上方には、粉末層形成部として、粉末堆積装置107と移動ガイド108が配置されている。粉末堆積装置107は、原料となる金属粉末を粉末層119としてプレート102上に堆積するための装置で、水平方向に移動することができるように移動ガイド108に支持されている。具体的にはスキージを用いて敷いてもよいし、ローラーを使っても良いし、スキージとローラーを併用しても良い。ローラーは鉛直下方向に粉を圧縮できるため、造形物の密度を高めることができるが、レーザ照射直後の造形物に凹凸などが生じた場合には、粉体の圧縮が難しくなってしまう。スキージは、平面方向に力を掛けながら粉を敷くため、粉自体を圧縮する効果は小さい。一方、構造物に凹凸があった場合に、その構造に対してせん断方向に力を掛けられるため、均一な膜厚としやすい。そのため、スキージとローラーを併用し、スキージで粉厚を調整した後に、ローラーで圧縮して造形物の密度を上げる方法が効果的である。 Above the modeling table 101, a powder depositing device 107 and a moving guide 108 are arranged as a powder layer forming portion. The powder depositing device 107 is a device for depositing a metal powder as a raw material on the plate 102 as a powder layer 119, and is supported by a moving guide 108 so as to be able to move in the horizontal direction. Specifically, it may be laid using a squeegee, a roller may be used, or a squeegee and a roller may be used together. Since the roller can compress the powder in the vertical downward direction, the density of the modeled object can be increased, but if the modeled object immediately after the laser irradiation has irregularities or the like, it becomes difficult to compress the powder. Since the squeegee spreads the powder while applying force in the plane direction, the effect of compressing the powder itself is small. On the other hand, when the structure has irregularities, a force is applied to the structure in the shearing direction, so that it is easy to obtain a uniform film thickness. Therefore, it is effective to use a squeegee and a roller together, adjust the powder thickness with the squeegee, and then compress with the roller to increase the density of the modeled object.

原料となる粉末は、加熱により窒素が滲入拡散して窒化物を形成可能な金属材料の中から、三次元造形物の用途に応じて適宜選択すればよい。例えば、Li、Mg、Ca、Al、Ti、Si、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Ni、Y、Zr、Nb、In、Zn、Ga、Mo、W、Hf、Ta、Ce、Th、U、Pu等の単体もしくは、これらを含む合金から選択可能である。 The powder as a raw material may be appropriately selected from among metal materials capable of forming nitrides by infiltrating and diffusing nitrogen by heating, depending on the use of the three-dimensional model. For example, Li, Mg, Ca, Al, Ti, Si, V, Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Y, Zr, Nb, In, Zn, Ga, Mo, W, Hf, Ta, Ce, It can be selected from simple substances such as Th, U, and Pu, or alloys containing these.

金属粉末の粒径は、5μm〜500μm程度であれば良く、基本的には、作成する三次元造形物に求められる形状精度によって決めればよい。より微細で形状精度が高い造形物を得たい場合は、粒径が小さな粉末を使用すべきであり、より高速に造形したい場合は、粒径が大きな粉末を使用すると良い。一般的には、細かい粉末は凝集しやすく粉敷きが困難となるため、100μm程度の粒径の金属粉末を使用すると良い。金属粉末の形状は、粉敷き時の充填密度を上げるため球状に近いものが好ましい。また、粒径分布に関しては、均一な粒径のものを使用するよりは、複数のピークをもつ、もしくはなだらかなピークをもつような粉末を使用する方が、粉末層の充填率を高めやすい。 The particle size of the metal powder may be about 5 μm to 500 μm, and is basically determined by the shape accuracy required for the three-dimensional model to be produced. If you want to obtain a finer and more accurate model, you should use a powder with a small particle size, and if you want to model at a higher speed, you should use a powder with a large particle size. In general, fine powder tends to agglomerate and it is difficult to spread the powder. Therefore, it is preferable to use a metal powder having a particle size of about 100 μm. The shape of the metal powder is preferably close to a spherical shape in order to increase the packing density when laying the powder. Further, regarding the particle size distribution, it is easier to increase the filling rate of the powder layer by using a powder having a plurality of peaks or having a gentle peak, rather than using a powder having a uniform particle size.

金属粉末を作製する方法としては、水アトマイズ法よりもガスアトマイズ法の方が好ましい。これは、水アトマイズ法は大量に粉末を作製することが可能である反面、急冷されることにより粉末の形状が球形でなくなるからである。また、水アトマイズ法では、粉末内に残留した水分が、レーザ照射により蒸発し、造形物に影響する場合があるからである。尚、通常の金属粉末は、表面が酸化膜により被覆されていることが多いため、造形の直前に除去するための前処理を行っても良い。例えば、酸化膜を事前に薄くしておくため、還元雰囲気に暴露しても良いし、酸溶液中でのウェットエッチにより表面酸化膜を取り除いておいても良い。 As a method for producing the metal powder, the gas atomization method is preferable to the water atomization method. This is because the water atomizing method can produce a large amount of powder, but the shape of the powder becomes non-spherical due to quenching. Further, in the water atomization method, the water remaining in the powder may evaporate due to laser irradiation and affect the modeled object. Since the surface of ordinary metal powder is often covered with an oxide film, a pretreatment for removing it may be performed immediately before molding. For example, since the oxide film is thinned in advance, it may be exposed to a reducing atmosphere, or the surface oxide film may be removed by wet etching in an acid solution.

造形テーブル101の上方には、レーザ光源109、スキャナ110、集光レンズ111が配置されており、これらは粉末層119の所定領域にレーザ光LBを局所選択的に照射するためのレーザ光照射部を構成している。レーザ光源109としては、例えばファイバーレーザ、YAGレーザ、COレーザ、エキシマレーザ等のレーザ光源が用いられ得るが、粉末層を焼結し得る加熱能を有する光源であればこれらに限られない。駆動方式はパルス式でも良いし、連続照射方式でも良い。照射波長は、金属粉末の吸収波長に応じて選択することが好ましい。可能であれば50%以上の吸収波長であれば良く、より好ましくは80%以上の吸収波長であると良い。スキャナ110は、レーザ光LBの照射位置を制御するためのデバイスで、例えばガルバノミラーが用いられ得る。粉末層119のうちレーザ光LBが照射された部分には、焼結により固化層SLが形成される。レーザ光LBを粉末層119に照射する際の照射パワーの制御については、後述する。 A laser light source 109, a scanner 110, and a condenser lens 111 are arranged above the modeling table 101, and these are laser light irradiation units for locally and selectively irradiating a predetermined region of the powder layer 119 with the laser light LB. Consists of. As the laser light source 109, for example, a laser light source such as a fiber laser, a YAG laser, a CO 2 laser, or an excimer laser can be used, but the laser light source 109 is not limited to any light source having a heating ability capable of sintering a powder layer. The drive method may be a pulse type or a continuous irradiation method. The irradiation wavelength is preferably selected according to the absorption wavelength of the metal powder. If possible, the absorption wavelength may be 50% or more, and more preferably 80% or more. The scanner 110 is a device for controlling the irradiation position of the laser beam LB, and for example, a galvanometer mirror can be used. A solidified layer SL is formed by sintering in the portion of the powder layer 119 that has been irradiated with the laser beam LB. The control of the irradiation power when irradiating the powder layer 119 with the laser beam LB will be described later.

制御部112は、三次元造形装置1の動作を制御するためのコンピュータで、内部には、CPU、ROM、RAM、I/Oポート等を備えている。ROMには、三次元造形装置1の動作プログラムが記憶(記録)されている。I/Oポートは、外部機器やネットワークと接続され、たとえば三次元造形に必要なデータの入出力を、外部コンピュータ118との間で行うことができる。三次元造形に必要なデータには、作成する三次元造形物の形状や各部位の窒化度に関するデータや、粉末材料の情報や、焼結により形成する固化層の1層毎の形状および窒化度にかかるデータ(すなわちスライスデータ)を含むことができる。スライスデータは、造形物の形状と各部位の窒化度に関するデータに基づいて制御部112内のCPUが作成してもよいし、外部のコンピュータが作成したスライスデータを制御部112が受け取って記録媒体であるRAMに記憶しても良い。
尚、制御部112は、図示ではチャンバ113の中に設置しているが、場合によってはチャンバ113の外に配置してもよい。
The control unit 112 is a computer for controlling the operation of the three-dimensional modeling apparatus 1, and internally includes a CPU, a ROM, a RAM, an I / O port, and the like. The operation program of the three-dimensional modeling apparatus 1 is stored (recorded) in the ROM. The I / O port is connected to an external device or network, and can input / output data necessary for, for example, three-dimensional modeling to / from an external computer 118. The data required for 3D modeling includes data on the shape of the 3D model to be created and the degree of nitridement of each part, information on powder materials, and the shape and degree of nitridement of each solidified layer formed by sintering. (Ie, slice data) can be included. The slice data may be created by the CPU in the control unit 112 based on the data related to the shape of the modeled object and the nitriding degree of each part, or the slice data created by an external computer is received by the control unit 112 and recorded as a recording medium. It may be stored in the RAM which is.
Although the control unit 112 is installed inside the chamber 113 in the drawing, it may be arranged outside the chamber 113 in some cases.

制御部112は、造形テーブルの垂直移動機構106、粉末堆積装置107と制御信号を授受可能に接続されており、これらを制御して粉末層119を形成する動作を制御する。
また、制御部112は、レーザ光源109、スキャナ110、集光レンズ111と制御信号を授受可能に接続されており、これらを制御して粉末層119にレーザ光LBを照射する動作を制御する。この制御には、レーザ光源109が出射するレーザ光のパワー制御、レーザ光LBを照射する位置の制御、レーザ光LBが粉末層119上を走査する走査速度の制御、レーザ光LBの照射スポット径の制御が含まれる。
The control unit 112 is connected to the vertical movement mechanism 106 of the modeling table and the powder deposition device 107 so as to be able to exchange control signals, and controls these to control the operation of forming the powder layer 119.
Further, the control unit 112 is connected to the laser light source 109, the scanner 110, and the condenser lens 111 so as to be able to send and receive control signals, and controls these to control the operation of irradiating the powder layer 119 with the laser light LB. This control includes power control of the laser light emitted by the laser light source 109, control of the position where the laser light LB is irradiated, control of the scanning speed at which the laser light LB scans on the powder layer 119, and irradiation spot diameter of the laser light LB. Control is included.

また、制御部112は、排気調整バルブ115、排気ポンプ114、給気調整バルブ117、ガス供給源116と制御信号を授受可能に接続されており、これらを制御してチャンバ113内の雰囲気調整動作を制御する。この制御には、チャンバ113内雰囲気の全圧制御、窒素供給能を有するガスの分圧制御、不活性ガスや還元性ガスの各分圧制御が含まれる。尚、チャンバ113内にガス圧計(不図示)を設けて制御部112と接続しておき、制御部112が各種ガスの分圧をモニターしながら雰囲気調整動作を行うのが望ましい。 Further, the control unit 112 is connected to the exhaust adjustment valve 115, the exhaust pump 114, the air supply adjustment valve 117, and the gas supply source 116 so as to be able to send and receive control signals, and controls these to adjust the atmosphere in the chamber 113. To control. This control includes total pressure control of the atmosphere in the chamber 113, partial pressure control of a gas having a nitrogen supply ability, and partial pressure control of each of an inert gas and a reducing gas. It is desirable that a gas pressure gauge (not shown) is provided in the chamber 113 and connected to the control unit 112, and the control unit 112 performs an atmosphere adjusting operation while monitoring the partial pressures of various gases.

次に、三次元造形装置1の基本的な動作を説明する。
図2に示すのは、三次元造形装置1の基本動作を説明するためのフローチャートである。
まず、ステップS1にて、三次元造形しようとする物品の形状データと、当該物品の各部位の窒化度のデータを準備する。具体的には、物品の設計にかかるCADデータ等を制御部112のRAMにロードする。
Next, the basic operation of the three-dimensional modeling apparatus 1 will be described.
FIG. 2 is a flowchart for explaining the basic operation of the three-dimensional modeling apparatus 1.
First, in step S1, the shape data of the article to be three-dimensionally modeled and the nitriding degree data of each part of the article are prepared. Specifically, CAD data and the like related to the design of the article are loaded into the RAM of the control unit 112.

以下では、図3(a)に模式的に示す物品200を三次元造形する場合について説明する。物品200は、金属(例えばTi)を材料とする機械部品で、相対的に小さな窒化度MN(−)である部位と、相対的に大きな窒化度MN(+)である部位を備えるとする。ここで、窒化度とは、例えばTiの場合であれば、XPSで組成分析した時に得られる分析結果において、TixNyで組成比を表したときのXに対するYの比率をいう。すなわち、Xに対するYの比率が大きいほど窒化度が大きいと言える。 Hereinafter, a case where the article 200 schematically shown in FIG. 3A is three-dimensionally modeled will be described. It is assumed that the article 200 is a mechanical component made of a metal (for example, Ti) and includes a portion having a relatively small nitriding degree MN (−) and a portion having a relatively large nitriding degree MN (+). Here, the nitriding degree means, for example, in the case of Ti, the ratio of Y to X when the composition ratio is expressed by TixNy in the analysis result obtained when the composition is analyzed by XPS. That is, it can be said that the larger the ratio of Y to X, the larger the degree of nitriding.

次に、ステップS2では、ステップS1で準備した物品の形状データと各部位の窒化度のデータに基づき、三次元造形装置1が1層ごとに固化層を積層形成してゆくために必要な各層の造形データ、すなわちスライスデータを作成する。
従来の粉末積層溶融法で作成していたスライスデータは、図3(b)に示すように、物品200を例えばL1〜L6の6つの層に分割し、各層の形状のみを定義したものであった。
Next, in step S2, each layer required for the three-dimensional modeling apparatus 1 to stack and form a solidified layer for each layer based on the shape data of the article prepared in step S1 and the nitriding degree data of each part. Create modeling data, that is, slice data.
As shown in FIG. 3B, the slice data created by the conventional powder additive manufacturing method divides the article 200 into six layers, for example, L1 to L6, and defines only the shape of each layer. It was.

これに対して、本実施形態では、同一層であっても窒化度が異なる部位については別個のスライスデータを作成し、各スライスデータには当該部位の平面形状、厚み、および窒化度が紐付けられる。すなわち、単に物品200を造形可能な1層の厚みで分割するだけでなく、例えば図3(c)に示すように、同一層であっても窒化度が異なる部位については別個のスライスデータを作成する。各スライスデータには当該部位の形状と窒化度が紐付けられる。 On the other hand, in the present embodiment, separate slice data is created for parts having different nitriding degrees even in the same layer, and the plane shape, thickness, and nitriding degree of the parts are linked to each slice data. Be done. That is, not only the article 200 is divided by the thickness of one layer that can be modeled, but also separate slice data is created for parts having different nitriding degrees even if they are the same layer, for example, as shown in FIG. 3C. To do. The shape of the portion and the degree of nitriding are associated with each slice data.

例えば、下から3層目には、小さな窒化度MN(−)の部位と大きな窒化度MN(+)である部位が存在するが、従来のように単一のスライスデータL3とするのではなく、L3MN(−)とL3MN(+)の2つのスライスデータを作成する。L3MN(−)は下から3層目のうち窒化度が小さな部位のスライスデータで、この部位の形状と窒化度が紐付けられたデータである。L3MN(+)は下から3層目のうち窒化度が大きな部位のスライスデータで、この部位の形状と窒化度が紐付けられたデータである。下から4層目についても、下から3層目と同様である。 For example, in the third layer from the bottom, there are a portion having a small nitriding degree MN (-) and a portion having a large nitriding degree MN (+), but instead of using a single slice data L3 as in the conventional case. , L3MN (−) and L3MN (+) are created as two slice data. L3MN (−) is slice data of a portion of the third layer from the bottom where the nitriding degree is small, and is data in which the shape of this portion and the nitriding degree are linked. L3MN (+) is slice data of a portion of the third layer from the bottom having a large nitriding degree, and is data in which the shape of this portion and the nitriding degree are linked. The fourth layer from the bottom is the same as the third layer from the bottom.

また、本実施形態では、層毎の厚みが異なるスライスデータも作成され得る。図3(c)の例では各層の厚みは同一であったが、例えば図3(d)の例では、L5MN’(+)、L6MN’(+)、L7MN’(+)の厚みは、他の層の厚みに比べて小さくなるようにスライスデータが作成されている。 Further, in the present embodiment, slice data having different thicknesses for each layer can be created. In the example of FIG. 3C, the thickness of each layer was the same, but in the example of FIG. 3D, for example, the thicknesses of L5MN'(+), L6MN'(+), and L7MN'(+) are different. The slice data is created so as to be smaller than the thickness of the layer of.

以上のように、平面形状、厚み、および窒化度が紐付けられたスライスデータを作成したら、制御部112のRAMにロードする。尚、スライスデータは、制御部112が作成してもよいし、外部コンピュータで作成して制御部112のRAMにロードしてもよい。 After creating the slice data in which the plane shape, the thickness, and the nitriding degree are associated with each other as described above, the slice data is loaded into the RAM of the control unit 112. The slice data may be created by the control unit 112, or may be created by an external computer and loaded into the RAM of the control unit 112.

次に、ステップS3では、ステップS2で作成した形状と窒化度が紐付けられたスライスデータに基づいて、装置各部の動作条件を決定する。言い換えれば、物品200の各層を作成する際に装置各部を制御する手順やパラメータを決定し、制御プログラムとして制御部112のRAMに記憶する。 Next, in step S3, the operating conditions of each part of the apparatus are determined based on the slice data in which the shape and the nitriding degree are associated with each other created in step S2. In other words, when creating each layer of the article 200, the procedure and parameters for controlling each part of the device are determined and stored in the RAM of the control unit 112 as a control program.

装置各部の動作条件について説明するために、三次元造形物の窒化度を制御する原理についてまず説明する。
定性的には、雰囲気に窒素供給能を有するガスが存在することを条件として、粉末層119にレーザ光LBを照射して加熱する際に粉末が到達する温度(以後、加熱温度[K]と呼ぶ)を高くするほど、固化層SLの窒化度は大きくなる。
また、粉末層119にレーザ光LBを照射して加熱する際に、焼結が生じる温度以上まで加熱されることを条件として、雰囲気に存在する窒素供給能を有するガスの分圧を高くするほど、固化層SLの窒化度は大きくなる。
In order to explain the operating conditions of each part of the device, the principle of controlling the nitriding degree of the three-dimensional model will be described first.
Qualitatively, the temperature reached by the powder when the powder layer 119 is irradiated with the laser beam LB and heated on the condition that a gas having a nitrogen supply ability is present in the atmosphere (hereinafter referred to as the heating temperature [K]). The higher the value), the greater the degree of nitriding of the solidified layer SL.
Further, when the powder layer 119 is heated by irradiating the powder layer 119 with laser light LB, the higher the partial pressure of the gas having the nitrogen supply ability existing in the atmosphere, the more the powder layer 119 is heated to a temperature higher than the temperature at which sintering occurs. , The degree of nitriding of the solidified layer SL increases.

まず、加熱温度[K]と窒化度の関係について説明する。粉末堆積装置107により金属を材料とする原料粉末の粉末層119が敷設されたとき、通常は原料粉末の表面は金属酸化膜で覆われている。原料粉末は、製造されてから粉末堆積装置107に導入されるまでに大気環境を経るが、金属の酸化反応の方が窒化反応よりも優勢であるため、表面に金属酸化膜が形成されているのである。原料粉末の表面に金属酸化膜が一旦形成されると、窒素供給能を有するガスが粉末の周囲に存在したとしても、金属酸化膜がバリアとなって窒化の進行が抑制されてしまう。一方、レーザ光LBが照射されることにより金属酸化物の昇華温度を上回る温度まで粉末が加熱されると、表面の金属酸化物が昇華し、窒化に対するバリアを消滅させる効果が生じる。また、金属の粉末が加熱されて溶融すると、溶融金属の温度が高いほど窒素の拡散係数が大きくなる。すなわち、加熱温度が高いほど、窒素が金属中に拡散しやすくなり固溶量が増えて窒化が促進される効果が生じる。このように、レーザ光LBの照射による加熱温度[K](粉末が到達する温度)が高いほど、バリアを消滅させる効果と窒素の拡散を促進する効果が大きくなるため、固化層SLの窒化度が大きくなる。 First, the relationship between the heating temperature [K] and the degree of nitriding will be described. When the powder layer 119 of the raw material powder made of a metal is laid by the powder depositing device 107, the surface of the raw material powder is usually covered with a metal oxide film. The raw material powder goes through the atmospheric environment from the time it is manufactured until it is introduced into the powder deposition apparatus 107, but since the metal oxidation reaction is predominant over the nitride reaction, a metal oxide film is formed on the surface. It is. Once the metal oxide film is formed on the surface of the raw material powder, even if a gas having a nitrogen supply ability exists around the powder, the metal oxide film acts as a barrier and the progress of nitriding is suppressed. On the other hand, when the powder is heated to a temperature higher than the sublimation temperature of the metal oxide by irradiating the laser beam LB, the metal oxide on the surface is sublimated, which has the effect of extinguishing the barrier against nitridation. Further, when the metal powder is heated and melted, the higher the temperature of the molten metal, the larger the diffusion coefficient of nitrogen. That is, the higher the heating temperature, the easier it is for nitrogen to diffuse into the metal, increasing the amount of solid solution and promoting nitriding. As described above, the higher the heating temperature [K] (the temperature at which the powder reaches) due to the irradiation of the laser beam LB, the greater the effect of extinguishing the barrier and the effect of promoting the diffusion of nitrogen. Becomes larger.

加熱温度[K]を高くするには、レーザ光LBが照射される照射領域における単位面積当たりのパワー密度[W/mm]および/または単位面積に照射を継続させる照射時間[s]を増大させればよい。逆に加熱温度[K]を低くするには、照射領域における単位面積当たりのパワー密度[W/mm]および/または単位面積に照射を継続させる照射時間[s]を小さくするように制御すればよい。粉末層119の照射領域におけるパワー密度[W/mm]を変更するには、レーザ光LBのパワー[W]、および/または照射スポットの面積[mm]を適宜制御すればよい。レーザ光LBのパワー[W]はレーザ光源109により制御でき、照射スポットの面積[mm]は集光レンズ111や造形テーブル101の垂直方向における位置により制御することができる。
また、レーザ光LBが照射される単位面積当たりの照射時間[s]を変更するには、粉末層上でのレーザ光LBの走査速度[mm/s]を適宜制御すればよい。粉末層上でのレーザ光LBの走査速度[mm/s]はスキャナ110により制御することが可能である。
尚、レーザ光LBの走査ピッチを照射スポット径よりも小さくして、粉末層の一部または全部にレーザ光を複数回重複して照射し、実質的に単位面積当たりの照射時間[s]を長くする構成とすることもできる。例えば、照射スポット内におけるパワー強度がガウシアン分布のように不均一である場合には、重複して照射することにより加熱をより均一にできるが、その際に走査ピッチを小さくするほど加熱温度[K]を高くすることができる。照射ピッチを変更するには、スキャナ110を適宜制御すればよい。
In order to increase the heating temperature [K], the power density [W / mm 2 ] per unit area in the irradiation area irradiated with the laser beam LB and / or the irradiation time [s] for continuing the irradiation in the unit area is increased. Just let me do it. On the contrary, in order to lower the heating temperature [K], the power density [W / mm 2 ] per unit area in the irradiation region and / or the irradiation time [s] for continuing the irradiation in the unit area should be controlled to be small. Just do it. In order to change the power density [W / mm 2 ] in the irradiation region of the powder layer 119, the power [W] of the laser beam LB and / or the area [mm 2 ] of the irradiation spot may be appropriately controlled. The power [W] of the laser beam LB can be controlled by the laser light source 109, and the area [mm 2 ] of the irradiation spot can be controlled by the position of the condenser lens 111 or the modeling table 101 in the vertical direction.
Further, in order to change the irradiation time [s] per unit area where the laser light LB is irradiated, the scanning speed [mm / s] of the laser light LB on the powder layer may be appropriately controlled. The scanning speed [mm / s] of the laser beam LB on the powder layer can be controlled by the scanner 110.
The scanning pitch of the laser beam LB is made smaller than the irradiation spot diameter, and a part or all of the powder layer is irradiated with the laser beam a plurality of times to substantially reduce the irradiation time [s] per unit area. It can also be configured to be longer. For example, when the power intensity in the irradiation spot is non-uniform as in the Gaussian distribution, the heating can be made more uniform by overlapping irradiation, but at that time, the smaller the scanning pitch, the higher the heating temperature [K]. ] Can be increased. In order to change the irradiation pitch, the scanner 110 may be appropriately controlled.

また、加熱温度[K]の変更は、一定の範囲内であれば粉末層の厚み[μm]を変更することによっても可能である。三次元造形においては、レーザ光の照射領域において、粉末層の厚み方向全体にわたり焼結することが必要となるため、焼結可能な厚みの範囲内であることが前提になる。この範囲内において粉末層の厚み[μm]を大きくすれば、粉末層の熱容量を大きくすることができる。すなわち、焼結可能な範囲内で粉末層の厚さ[μm]を大きくすれば、単位面積当たりのパワー密度[W/mm]や照射時間[s]が同じであっても加熱温度[K]を小さくすることができ、固化層SLの窒化度を小さくすることができる。逆に、粉末層の厚さ[μm]を小さくすれば熱容量が小さくなるので、パワー密度[W/mm]や照射時間[s]が同じであっても加熱温度[K]を大きくすることができ、固化層SLの窒化度を大きくすることができる。 Further, the heating temperature [K] can be changed by changing the thickness [μm] of the powder layer within a certain range. In three-dimensional modeling, since it is necessary to sinter the entire powder layer in the thickness direction in the laser beam irradiation region, it is premised that the thickness is within the sinterable thickness range. If the thickness [μm] of the powder layer is increased within this range, the heat capacity of the powder layer can be increased. That is, if the thickness [μm] of the powder layer is increased within the sinterable range, the heating temperature [K] is the same even if the power density [W / mm 2] and the irradiation time [s] per unit area are the same. ] Can be reduced, and the degree of nitridedness of the solidified layer SL can be reduced. On the contrary, if the thickness [μm] of the powder layer is reduced, the heat capacity is reduced. Therefore, even if the power density [W / mm 2 ] and the irradiation time [s] are the same, the heating temperature [K] should be increased. The degree of nitridedness of the solidified layer SL can be increased.

次に、雰囲気に存在する窒素供給能を有するガスの分圧と窒化度の関係について説明する。たとえば、粉末層119にレーザ光LBを照射して加熱する際に、チャンバ113内における窒素供給能を有するガスの分圧[Pa]が実質的にゼロであれば、形成される固化層は実質的に窒化物を含まない金属層になる。チャンバ113内の雰囲気に窒素供給能を有するガスが存在する場合には、当該ガスの分圧[Pa]が高いほど、溶融した金属中に窒素が拡散しやすくなり固溶量が増え、窒化度が大きくなる効果が生じる。チャンバ113内の雰囲気に存在する窒素供給能を有するガスの分圧[Pa]は、排気調整バルブ115、排気ポンプ114、給気調整バルブ117、ガス供給源116により制御することが可能である。 Next, the relationship between the partial pressure of the nitrogen-supplying gas present in the atmosphere and the degree of nitriding will be described. For example, when the powder layer 119 is irradiated with the laser beam LB and heated, if the partial pressure [Pa] of the gas having the nitrogen supply ability in the chamber 113 is substantially zero, the solidified layer formed is substantially zero. It becomes a metal layer that does not contain nitride. When a gas having a nitrogen supply ability is present in the atmosphere in the chamber 113, the higher the partial pressure [Pa] of the gas, the easier it is for nitrogen to diffuse into the molten metal, the more the solid solution amount increases, and the degree of nitriding Has the effect of increasing. The partial pressure [Pa] of the gas having a nitrogen supply ability existing in the atmosphere in the chamber 113 can be controlled by the exhaust adjustment valve 115, the exhaust pump 114, the air supply adjustment valve 117, and the gas supply source 116.

そこで、原料粉末の種類、粉末層の厚さ[μm]、レーザ光LBのパワー[W]、粉末層上におけるレーザ光LBの走査速度[mm/s]、照射スポットの面積[mm]、窒素供給能を有するガスの分圧[Pa]をパラメータとして予備実験を行っておく。すなわち、三次元造形装置1の各部の動作を制御し、これらのパラメータを変更した組み合わせについて造形動作を行い、固化層の窒化度を計測しておく。予備実験においては、レーザ光LBのパワーについては、例えば10〜1000[W]の範囲で変更し、照射スポットの面積については、例えばスポット径を5〜500[μm]の範囲で変更する。また、レーザ光LBの走査速度については、例えば10〜10000[m/s]の範囲で変更し、粉末層の厚さについては、例えば5〜500[μm]の範囲で変更する。窒素供給性を有するガスの分圧については、窒素ガスおよび/またはアンモニアガスについて、例えば1×10〜3×10[Pa]の範囲で変更する。窒素ガスおよび/またはアンモニアガスの分圧が原料粉末の蒸気圧と同程度、もしくは低い場合には、原料粉末が揮発し、チャンバ113内を汚染するため、Arなどの不活性ガスとの混合ガスとすることにより蒸気圧よりも十分高い真空雰囲気とした。一方、窒素ガスおよび/またはアンモニアガスの分圧が、大気圧よりも高い場合は、粉塵爆発などの問題が発生することも考慮し、チャッキバルブをチャンバ113に備え付けておくと良い。
そして、これらのパラメータの組み合わせの各々に対する窒化度を三次元造形装置1の各部の動作条件と紐付けしてテーブル化し、窒化条件テーブルとして制御部112に予め記憶させておく。
Therefore, the type of raw material powder, the thickness of the powder layer [μm], the power of the laser beam LB [W], the scanning speed of the laser beam LB on the powder layer [mm / s], the area of the irradiation spot [mm 2 ], A preliminary experiment is conducted with the partial pressure [Pa] of the gas capable of supplying nitrogen as a parameter. That is, the operation of each part of the three-dimensional modeling apparatus 1 is controlled, the modeling operation is performed for the combination in which these parameters are changed, and the nitriding degree of the solidified layer is measured. In the preliminary experiment, the power of the laser beam LB is changed in the range of, for example, 10 to 1000 [W], and the area of the irradiation spot is changed, for example, in the range of 5 to 500 [μm]. The scanning speed of the laser beam LB is changed in the range of, for example, 10 to 10,000 [m / s], and the thickness of the powder layer is changed in the range of, for example, 5 to 500 [μm]. The partial pressure of the gas having a nitrogen supply property is changed for nitrogen gas and / or ammonia gas, for example, in the range of 1 × 10 1 to 3 × 10 5 [Pa]. When the partial pressure of nitrogen gas and / or ammonia gas is about the same as or lower than the vapor pressure of the raw material powder, the raw material powder volatilizes and contaminates the inside of the chamber 113, so that it is a mixed gas with an inert gas such as Ar. As a result, a vacuum atmosphere sufficiently higher than the vapor pressure was created. On the other hand, when the partial pressure of nitrogen gas and / or ammonia gas is higher than the atmospheric pressure, it is preferable to provide a check valve in the chamber 113 in consideration of the occurrence of problems such as dust explosion.
Then, the degree of nitriding for each combination of these parameters is associated with the operating conditions of each part of the three-dimensional modeling apparatus 1 to create a table, which is stored in advance in the control unit 112 as a nitriding condition table.

図2に戻り、ステップS3では、ステップS2で作成した平面形状、厚み、および窒化度が紐付けられたスライスデータと、予め記憶した窒化条件テーブルとに基づいて、物品200の各層を形成するための装置各部の動作手順を作成する。そして、物品200を造形するための制御プログラムとして、制御部112のRAMに記憶する。 Returning to FIG. 2, in step S3, in order to form each layer of the article 200 based on the slice data associated with the plane shape, thickness, and nitriding degree created in step S2 and the nitriding condition table stored in advance. Create the operation procedure of each part of the device. Then, it is stored in the RAM of the control unit 112 as a control program for modeling the article 200.

例えば、実質的に窒化していない金属よりなる固化層を形成する場合には、チャンバ113内に存在する窒素供給能を有するガスの分圧[Pa]を実質的にゼロにし、必要な場合には加熱温度を低めに設定するような制御手順が決定される。すなわち、排気調整バルブ115、排気ポンプ114、給気調整バルブ117、ガス供給源116、レーザ光源109、スキャナ110、集光レンズ111の具体的な動作手順が定められる。 For example, when forming a solidified layer made of a metal that is substantially non-nitrided, the partial pressure [Pa] of the nitrogen-supplying gas existing in the chamber 113 is set to substantially zero, and when necessary. The control procedure is determined so that the heating temperature is set low. That is, a specific operation procedure of the exhaust adjustment valve 115, the exhaust pump 114, the air supply adjustment valve 117, the gas supply source 116, the laser light source 109, the scanner 110, and the condenser lens 111 is defined.

また、所定の窒化度の金属窒化物よりなる固化層を形成する場合には、窒化条件テーブルに基づき、装置各部の具体的な動作手順が定められる。尚、同じ窒化度の固化層を形成することが可能なパラメータの組み合わせが、窒化条件テーブルに複数存在する場合が有り得る。その場合には、消費電力の小さいもの、高価なガスの使用量の小さいもの、当該層の前後に形成する他の層の形成条件から変更するのに要する時間が短いもの、等の観点でパラメータの組み合わせが選択され、装置各部の具体的な動作手順が定められる。ユーザーがあらかじめ優先するパラメータを設定してもよい。 Further, when forming a solidified layer made of a metal nitride having a predetermined nitriding degree, a specific operation procedure of each part of the apparatus is determined based on the nitriding condition table. In addition, there may be a plurality of combinations of parameters that can form a solidified layer having the same nitriding degree in the nitriding condition table. In that case, the parameters are such that the power consumption is small, the amount of expensive gas used is small, and the time required to change from the formation conditions of other layers formed before and after the layer is short. The combination of is selected, and the specific operation procedure of each part of the device is determined. The user may set prioritized parameters in advance.

ステップS3で物品200を造形するための制御プログラムが作成されてRAMに記憶されると、制御部112は順次そのプログラムを読み出して実行する。
すなわち、ステップS4では、垂直移動機構106、粉末堆積装置107を駆動して所定の厚さの粉末層を1層形成する。尚、このステップを、粉末層形成処理、あるいは粉末層形成工程と呼ぶことができる。
When a control program for modeling the article 200 is created in step S3 and stored in the RAM, the control unit 112 sequentially reads and executes the program.
That is, in step S4, the vertical movement mechanism 106 and the powder depositing device 107 are driven to form one powder layer having a predetermined thickness. This step can be referred to as a powder layer forming process or a powder layer forming step.

続くステップS5では、所望の窒化度の固化層を形成するための造形条件にてレーザ光LBを走査し、所定の平面形状の固化層を形成する(固化処理)。ステップS4で形成した1層の粉末層から窒化度が異なる複数の固化層を形成する場合には、各固化層を形成するための造形条件下にてレーザ光LBを走査し、複数の固化層を順次形成してゆく。 In the following step S5, the laser beam LB is scanned under the molding conditions for forming a solidified layer having a desired degree of nitriding to form a solidified layer having a predetermined planar shape (solidification treatment). When a plurality of solidified layers having different nitriding degrees are formed from the one powder layer formed in step S4, the laser beam LB is scanned under the molding conditions for forming each solidified layer, and the plurality of solidified layers are scanned. Will be formed in sequence.

ステップS5が終了したら、ステップS6にて、物品200を作成するための全固化層の形成が完了したかを判定し、未完了の場合(ステップS6:NO)にはステップS4に戻り次の粉末層を形成する。以下、ステップS6にて完了(ステップS6:YES)と判定されるまで、ステップS4とステップS5を繰り返し実行し、固化層を積層してゆく。
ステップS4とステップS5を繰り返して三次元造形物を製造する間のいずれかの時点において、窒化度が小さい固化部を形成する第1固化工程(第1固化処理)と、窒化度が大きい固化部を形成する第2固化工程(第2固化処理)が行われる。
When step S5 is completed, it is determined in step S6 whether the formation of the fully solidified layer for producing the article 200 is completed, and if it is not completed (step S6: NO), the process returns to step S4 and the next powder. Form a layer. Hereinafter, steps S4 and S5 are repeatedly executed until it is determined that the step S6 is complete (step S6: YES), and the solidified layers are laminated.
At any time during the process of repeating steps S4 and S5 to produce a three-dimensional model, the first solidification step (first solidification process) of forming a solidified portion having a small nitriding degree and the solidifying portion having a large nitriding degree The second solidification step (second solidification treatment) for forming the above is performed.

[造形手順1]
次に、図3(c)に示したスライスデータに従って図3(a)に示した物品200を作成する際の造形手順の第1の具体例を説明する。スライスデータL1MN(−)に対応する最下層の固化層から、スライスデータL6MN(+)に対応する最上層の固化層までを順次形成してゆく。
[Modeling procedure 1]
Next, a first specific example of the modeling procedure when creating the article 200 shown in FIG. 3A according to the slice data shown in FIG. 3C will be described. From the bottom solidified layer corresponding to the slice data L1MN (−) to the top solidified layer corresponding to the slice data L6MN (+) are sequentially formed.

造形テーブル101にプレート102の装着が完了したら、三次元造形装置1は以下のように動作して三次元造形物である物品200を形成する。まず、制御部112は、垂直移動機構106に指令を送り、造形動作をするための初期位置に造形テーブル101を移動させる。
次に、所定の窒化度の固化層を形成するための準備として、排気調整バルブ115、排気ポンプ114、給気調整バルブ117、ガス供給源116を適宜動作させて、チャンバ113内の窒素ガスの分圧をPN(1)に調整する。尚、造形手順1では、これ以後、最上層の固化層の形成が完了するまで、チャンバ113内の窒素ガスの分圧がPN(1)に維持されるよう、制御部112は各部を制御する。
When the mounting of the plate 102 on the modeling table 101 is completed, the three-dimensional modeling device 1 operates as follows to form the article 200 which is a three-dimensional modeled object. First, the control unit 112 sends a command to the vertical movement mechanism 106 to move the modeling table 101 to an initial position for performing a modeling operation.
Next, as a preparation for forming the solidified layer having a predetermined nitriding degree, the exhaust adjusting valve 115, the exhaust pump 114, the air supply adjusting valve 117, and the gas supply source 116 are appropriately operated to control the nitrogen gas in the chamber 113. Adjust the voltage division to PN 2 (1). In the modeling procedure 1, the control unit 112 controls each unit so that the partial pressure of the nitrogen gas in the chamber 113 is maintained at PN 2 (1) until the formation of the solidified layer of the uppermost layer is completed. To do.

次に、制御部112は、粉末堆積装置107に指令を送り、プレート102の上に原料粉末(例えばTi粉末)を堆積させる粉末層形成処理(粉末層形成工程)を実行する。図4(a)に示すように、厚さがt1である最下層の粉末層PLYを形成させる。粉末堆積装置107は移動ガイド108に沿って造形テーブル101上を移動しながら粉末を堆積してゆく。尚、造形手順1では、以後形成する粉末層の厚みは、全てt1とする。 Next, the control unit 112 sends a command to the powder depositing device 107 to execute a powder layer forming process (powder layer forming step) for depositing the raw material powder (for example, Ti powder) on the plate 102. As shown in FIG. 4A, the lowest powder layer PLY having a thickness of t1 is formed. The powder depositing device 107 deposits powder while moving on the modeling table 101 along the moving guide 108. In the modeling procedure 1, the thickness of the powder layer to be formed thereafter is set to t1.

次に、制御部112は、レーザ光源109、スキャナ110、集光レンズ111に指令を送り、図4(b)に示すように、形成しようとする固化層の形状に沿ってレーザ光LP1を照射させ、原料粉末を焼結させ、窒化度MN(−)の固化層を形成する。レーザ光LP1は、窒素ガスの分圧がPN(1)である雰囲気において、Tiの粉末層の厚さがt1であるときに、窒化度MN(−)の固化層を形成する条件(パワー密度、走査速度)にて照射される。これにより、図3(c)に示すスライスデータL1MN(−)に対応する所定領域に固化層(固化部)が形成される。 Next, the control unit 112 sends a command to the laser light source 109, the scanner 110, and the condenser lens 111, and irradiates the laser beam LP1 along the shape of the solidified layer to be formed as shown in FIG. 4 (b). The raw material powder is sintered to form a solidified layer having a degree of nitridedness MN (−). The laser beam LP1 is a condition (power) for forming a solidified layer having a nitriding degree of MN (-) when the thickness of the Ti powder layer is t1 in an atmosphere where the partial pressure of the nitrogen gas is PN 2 (1). Irradiation is performed at (density, scanning speed). As a result, a solidified layer (solidified portion) is formed in a predetermined region corresponding to the slice data L1MN (−) shown in FIG. 3 (c).

さらに、図4(a)と図4(b)に示す工程を同様に繰り返して、スライスデータL2MN(−)に対応する固化層(固化部)を形成する。その後、スライスデータL3MN(−)とスライスデータL3MN(+)に対応する固化層(固化部)を形成するための粉末層を形成する。 Further, the steps shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b) are repeated in the same manner to form a solidified layer (solidified portion) corresponding to the slice data L2MN (−). After that, a powder layer for forming a solidified layer (solidified portion) corresponding to the slice data L3MN (−) and the slice data L3MN (+) is formed.

図4(c)は、スライスデータL3MN(−)に対応する窒化度MN(−)の固化層と、スライスデータL3MN(+)に対応する窒化度MN(+)の固化層を形成するため、レーザ光をどのように照射するかを説明するための図である。スライスデータL3MN(−)に対応する領域には、前述したパワー密度と走査速度でレーザ光LP1を照射する。一方、スライスデータL3MN(+)に対応する領域には、窒素ガスの分圧がPN(1)である雰囲気において、Tiの粉末層の厚さがt1であるときに、窒化度MN(+)の固化層を形成する条件(パワー密度、走査速度)にてレーザ光LP2が照射される。レーザ光LP1とレーザ光LP2の照射条件を比較すれば、高い窒化度の固化層を形成するためのレーザ光LP2の方が、レーザ光LP1よりもパワー密度が大きい、および/または走査速度が小さい。これにより、図3(c)に示すスライスデータL3MN(−)とスライスデータL3MN(+)に対応する所定領域に固化層(固化部)が形成される。 FIG. 4C shows a solidified layer having a nitriding degree MN (−) corresponding to the slice data L3MN (−) and a solidifying layer having a nitriding degree MN (+) corresponding to the slice data L3MN (+). It is a figure for demonstrating how to irradiate a laser beam. The region corresponding to the slice data L3MN (−) is irradiated with the laser beam LP1 at the power density and scanning speed described above. On the other hand, in the region corresponding to the slice data L3MN (+), the nitriding degree MN (+) is obtained when the thickness of the Ti powder layer is t1 in an atmosphere where the partial pressure of the nitrogen gas is PN 2 (1). ) Is irradiated with the laser beam LP2 under the conditions (power density, scanning speed) for forming the solidified layer. Comparing the irradiation conditions of the laser light LP1 and the laser light LP2, the laser light LP2 for forming the solidified layer having a high degree of nitridedness has a higher power density and / or a lower scanning speed than the laser light LP1. .. As a result, a solidified layer (solidified portion) is formed in a predetermined region corresponding to the slice data L3MN (−) and the slice data L3MN (+) shown in FIG. 3 (c).

さらに、図4(c)を参照して説明した工程を同様に繰り返して、スライスデータL4MN(−)とスライスデータL4MN(+)に対応する固化層を形成する。その後、スライスデータL5MN(+)に対応する固化層を形成するための粉末層を形成する。 Further, the steps described with reference to FIG. 4C are repeated in the same manner to form a solidified layer corresponding to the slice data L4MN (−) and the slice data L4MN (+). Then, a powder layer for forming a solidified layer corresponding to the slice data L5MN (+) is formed.

図4(d)は、スライスデータL5MN(+)に対応する窒化度MN(+)の固化層を形成するため、レーザ光をどのように照射するかを説明するための図である。スライスデータL5MN(+)に対応する領域には、前述した窒化度MN(+)の固化層を形成する条件(パワー密度、走査速度)でレーザ光LP2を照射する。
さらに、粉末層の形成と図4(d)を参照して説明した照射工程を同様に繰り返して、スライスデータL6MN(+)に対応する固化層を形成し、物品200を完成させる。
FIG. 4D is a diagram for explaining how to irradiate a laser beam in order to form a solidified layer having a nitriding degree MN (+) corresponding to the slice data L5MN (+). The region corresponding to the slice data L5MN (+) is irradiated with the laser beam LP2 under the conditions (power density, scanning speed) for forming the solidified layer having the nitridedness MN (+) described above.
Further, the formation of the powder layer and the irradiation step described with reference to FIG. 4D are repeated in the same manner to form a solidified layer corresponding to the slice data L6MN (+), and the article 200 is completed.

本造形手順では、1回の粉末層形成工程で敷設した1つの粉末層から窒化度が異なる固化層(固化部)を作成する際に、照射するレーザ光のパワー密度、および/または走査速度を変更した。この変更は、レーザ光源109の出力制御、および/またはスキャナ110による走査速度の制御、および/または集光レンズ111による照射スポットの面積の制御により可能であるが、いずれも制御応答速度が速いため造形時間の増大を抑制できる。 In this modeling procedure, the power density and / or scanning speed of the laser beam to be irradiated when creating a solidified layer (solidified portion) having different nitriding degrees from one powder layer laid in one powder layer forming step is determined. changed. This change is possible by controlling the output of the laser light source 109 and / or the scanning speed by the scanner 110 and / or controlling the area of the irradiation spot by the condenser lens 111, but all of them have a high control response speed. It is possible to suppress an increase in modeling time.

[造形手順2]
図3(a)に示した物品200を作成する際に用いられ得る造形手順の第2の例を説明する。造形手順2においても、造形手順1と同様に、図3(c)に示したスライスデータに従ってスライスデータL1MN(−)に対応する最下層の固化層から、スライスデータL6MN(+)に対応する最上層の固化層までを順次形成してゆく。
図5(a)〜図5(d)は、造形手順2にかかる各工程の説明図であるが、このうち図5(a)〜図5(c)に示す工程は、図4(a)〜図4(c)を参照して説明した造形手順1と同様であるため、説明を省略する。
[Modeling procedure 2]
A second example of a modeling procedure that can be used when creating the article 200 shown in FIG. 3A will be described. In the modeling procedure 2, as in the modeling procedure 1, from the bottom solidified layer corresponding to the slice data L1MN (−) according to the slice data shown in FIG. 3C, the most corresponding to the slice data L6MN (+). The upper solidified layer is formed in sequence.
5 (a) to 5 (d) are explanatory views of each step according to the modeling procedure 2. Of these, the steps shown in FIGS. 5 (a) to 5 (c) are shown in FIG. 4 (a). -Since it is the same as the modeling procedure 1 described with reference to FIG. 4 (c), the description thereof will be omitted.

造形手順2は、下から5層目のスライスデータL5MN(+)に対応する固化層の造形手順、および下から6層目のスライスデータL6MN(+)に対応する固化層の造形手順が、造形手順1と異なる。
造形手順1では、粉末層の加熱温度を高くすることにより、これら2層の窒化度が高い固化層を形成した。すなわち、レーザ光源109の出力を増大させる、および/またはスキャナ110による走査速度を低下させる、および/または集光レンズ111による照射スポットの面積を小さくすることにより高窒化度の固化層を形成した。造形手順1は制御応答速度が速いという利点がある反面、例えばレーザ光源109の出力を増大させれば、固化層形成に要する消費電力が増大する。また、走査速度を低下させれば、固化層形成に要する時間が増大するとともに、総消費電力が増大する。また、照射スポットの面積を小さくすれば、レーザ光の照射領域をカバーするため走査ピッチを小さくしなければならず、走査回数が増えて固化層形成に要する時間が増大するとともに、総消費電力が増大する。すなわち、造形手順1のように粉末層の加熱温度を高くして窒化度を大きくしようとすれば、消費電力が増大する。
In the modeling procedure 2, the modeling procedure of the solidified layer corresponding to the slice data L5MN (+) of the fifth layer from the bottom and the modeling procedure of the solidified layer corresponding to the slice data L6MN (+) of the sixth layer from the bottom are modeled. Different from step 1.
In the modeling procedure 1, the heating temperature of the powder layer was raised to form a solidified layer having a high degree of nitriding of these two layers. That is, a solidified layer having a high degree of nitridedness was formed by increasing the output of the laser light source 109 and / or reducing the scanning speed by the scanner 110 and / or reducing the area of the irradiation spot by the condenser lens 111. The modeling procedure 1 has an advantage that the control response speed is high, but on the other hand, if the output of the laser light source 109 is increased, the power consumption required for forming the solidified layer increases. Further, if the scanning speed is lowered, the time required for forming the solidified layer increases and the total power consumption increases. Further, if the area of the irradiation spot is reduced, the scanning pitch must be reduced in order to cover the irradiation region of the laser beam, the number of scannings increases, the time required for forming the solidified layer increases, and the total power consumption increases. Increase. That is, if the heating temperature of the powder layer is raised to increase the degree of nitriding as in the molding procedure 1, the power consumption increases.

これに対して、造形手順2では、図5(d)に示すように、レーザ光の照射条件は変えずに(粉末層の加熱温度は変えずに)、チャンバ113内の雰囲気中の窒素分圧をPN(1)よりも大きなPN(2)に変更して窒化度が大きな固化層を形成する。窒化度が高い大面積の固化層を形成する場合や、窒化度が高い固化層を連続して積層する場合に、造形手順2によれば消費電力の増大を抑制することができる。 On the other hand, in the modeling procedure 2, as shown in FIG. 5D, the nitrogen content in the atmosphere in the chamber 113 was not changed (the heating temperature of the powder layer was not changed) without changing the irradiation conditions of the laser beam. The pressure is changed to PN 2 (2), which is larger than PN 2 (1), to form a solidified layer with a large degree of nitriding. According to the modeling procedure 2, an increase in power consumption can be suppressed when a large-area solidified layer having a high degree of nitriding is formed or when the solidified layer having a high degree of nitriding is continuously laminated.

[造形手順3]
図3(a)に示した物品200を作成する際に用いられ得る造形手順の第3の例を説明する。造形手順1においては、図3(c)に示したスライスデータに基づいて図3(a)に示した物品200を作成したが、造形手順3では図3(d)に示したスライスデータに基づいて物品200を作成する。造形手順1では、物品200のうち窒化度が高い頂部について、L5MN(+)とL6MN(+)の2層のスライスデータを用いた。これに対して、造形手順3では、より層の厚さが小さな3層のスライスデータL5MN’(+)〜スライスデータL7MN’(+)を用いて窒化度が高い頂部を形成する。
すなわち、造形手順3では、物品200のうち窒化度が高い頂部を形成する際に、粉末層の厚さを小さくすることで単位面積当たりの熱容量を小さくし、造形手順1よりもレーザ光の照射パワーが低減された状態で高窒化のための加熱温度に到達させる。
図6(a)〜図6(d)は、造形手順3にかかる各工程の説明図であるが、図6(a)〜図6(c)に示す工程は、図4(a)〜図4(c)を参照して説明した造形手順1と同様であるため、説明を省略する。
[Modeling procedure 3]
A third example of the modeling procedure that can be used when creating the article 200 shown in FIG. 3A will be described. In the modeling procedure 1, the article 200 shown in FIG. 3 (a) was created based on the slice data shown in FIG. 3 (c), but in the modeling procedure 3, the article 200 was created based on the slice data shown in FIG. 3 (d). To create the article 200. In the modeling procedure 1, two layers of slice data of L5MN (+) and L6MN (+) were used for the top of the article 200 having a high degree of nitriding. On the other hand, in the modeling procedure 3, a top having a high degree of nitriding is formed by using the slice data L5MN'(+) to the slice data L7MN'(+) of three layers having a smaller layer thickness.
That is, in the modeling procedure 3, when forming the top of the article 200 having a high degree of nitriding, the heat capacity per unit area is reduced by reducing the thickness of the powder layer, and the irradiation of laser light is performed as compared with the modeling procedure 1. The heating temperature for high nitriding is reached with the power reduced.
6 (a) to 6 (d) are explanatory views of each step according to the modeling procedure 3, but the steps shown in FIGS. 6 (a) to 6 (c) are shown in FIGS. 4 (a) to 4 (c). Since it is the same as the modeling procedure 1 described with reference to 4 (c), the description thereof will be omitted.

造形手順3においては、図6(d)示すように、粉末層の厚さt2を下層の厚さt1よりも小さくし(t1>t2)、レーザ光LP3の照射パワー密度は、高い窒化度の下層を形成したレーザ光LP2よりも小さくした。かかるレーザ光の照射条件においても、厚さの小さな粉末層は熱容量が小さいため十分な加熱温度に到達し、高い窒化度MN(+)の固化層を形成することが可能であった。
PBF方式(粉末積層溶融法)の造形においては、表面付近の粉にレーザが吸収されるため深さ方向に熱勾配が発生し、その結果、単一層内で窒素の濃度分布が発生する可能性がある。一方、造形手順3のように1層当たりの膜厚を小さくしてレーザ照射を行うと、熱勾配を小さくすることができ、かつ窒素の拡散時間も短くできることから、均一な組成の窒化造形物を作製できる。
In the modeling procedure 3, as shown in FIG. 6D, the thickness t2 of the powder layer is made smaller than the thickness t1 of the lower layer (t1> t2), and the irradiation power density of the laser beam LP3 has a high nitriding degree. It was made smaller than the laser beam LP2 that formed the lower layer. Even under such laser light irradiation conditions, the powder layer having a small thickness had a small heat capacity, so that it reached a sufficient heating temperature, and it was possible to form a solidified layer having a high nitriding degree MN (+).
In the PBF method (powder layering and melting method), the laser is absorbed by the powder near the surface, which causes a thermal gradient in the depth direction, and as a result, there is a possibility that a nitrogen concentration distribution will occur in a single layer. There is. On the other hand, if the film thickness per layer is reduced and laser irradiation is performed as in the molding procedure 3, the thermal gradient can be reduced and the diffusion time of nitrogen can be shortened. Can be produced.

[三次元造形物]
図3(a)に示した物品200を例として実施形態の三次元造形方法を説明してきたが、本発明により造形可能な三次元造形物はこれに限られるわけではない。物品200のように、窒化度MN(−)である部位と、相対的に大きな窒化度MN(+)である部位の2種の部位のみから構成される物品でなくともよい。
例えば、図7(a)に示すように、窒化度MN(−)や窒化度MN(+)の部位だけではなく、窒化度M(0)の部位(実質的に窒化度がゼロの金属よりなる部位)や、極めて大きな窒化度である窒化度MN(++)の部位を含む物品でもよい。
また、例えば図7(b)に示すように、窒化度が多段階のグラデーションで変化するように構成された物品でもよい。
また、選択的レーザ焼結法で形成可能でさえあれば、三次元造形物の形状には特段の制限はない。
[Three-dimensional model]
Although the three-dimensional modeling method of the embodiment has been described by taking the article 200 shown in FIG. 3A as an example, the three-dimensional modeled object that can be modeled by the present invention is not limited to this. It does not have to be an article composed of only two types of parts, such as the article 200, a portion having a nitriding degree MN (−) and a portion having a relatively large nitriding degree MN (+).
For example, as shown in FIG. 7A, not only the nitriding degree MN (−) and nitriding degree MN (+) parts but also the nitriding degree M (0) part (from a metal having substantially zero nitriding degree). It may be an article containing a portion having a nitriding degree of MN (++), which is an extremely large nitriding degree.
Further, for example, as shown in FIG. 7B, the article may be configured so that the degree of nitriding changes in a multi-step gradation.
Further, there is no particular limitation on the shape of the three-dimensional model as long as it can be formed by the selective laser sintering method.

尚、説明で用いた図では、説明の便宜のため固化層どうしを区別する境界が描かれている場合があるが、実際の三次元造形物において、固化層どうしの境界が区別できるとは限らない。特に、同じ窒化度の固化層どうしの境界は固化層の融合により区別できない場合がある。ただし、物品の各部の窒化度は、例えば、XPS等の分析手段により計測することが可能である。 In the figure used in the explanation, a boundary for distinguishing between the solidified layers may be drawn for convenience of explanation, but it is not always possible to distinguish between the solidified layers in an actual three-dimensional model. Absent. In particular, the boundaries between solidified layers having the same nitriding degree may not be distinguishable due to the fusion of the solidified layers. However, the nitriding degree of each part of the article can be measured by an analytical means such as XPS.

本実施形態における窒化部の形状精度は、造形ステージを平面視した場合における面内分解能と、固体層の膜厚方向に視た場合の高さ分解能に分けて考えることができる。面内分解能は、レーザスポット径に依存する。例えば、スポット径が60μmのレーザを用いた場合は、同サイズの面内分解能となるし、レーザスポット径を絞ることができれば、さらに高分解能な窒化が可能となる。高さ分解能に関しては、粉末層を形成する厚みに応じた値となる。高さ分解能は垂直移動機構106の動作精度に依存するが、例えば市販のマイクロメータを使用した場合には、サブμmで高さ制御が可能となる。以上のように、面内と高さ方向のいずれについても、数10μmよりも微小な形状精度で部位を形成して窒化することが可能となる。 The shape accuracy of the nitrided portion in the present embodiment can be considered separately for the in-plane resolution when the modeling stage is viewed in a plan view and the height resolution when the solid layer is viewed in the film thickness direction. The in-plane resolution depends on the laser spot diameter. For example, when a laser having a spot diameter of 60 μm is used, the in-plane resolution of the same size is obtained, and if the laser spot diameter can be narrowed down, nitriding with higher resolution becomes possible. The height resolution is a value according to the thickness of the powder layer. The height resolution depends on the operating accuracy of the vertical movement mechanism 106, but when a commercially available micrometer is used, for example, the height can be controlled with a sub μm. As described above, it is possible to form a portion and nitriding with a shape accuracy smaller than several tens of μm in both the in-plane and the height direction.

金属を窒化することにより期待できる特性はいくつかある。例えば、硬度、強度、融点、密着性、生体適合性、色彩、光学特性などを窒化度により制御できる。このため、本発明は、上述した微小な造形分解能と相まって、種々の物品を製造する際に局所的な特性の制御に応用し得る。
以下に、光学部品の製造に用いる金型の製造、人口骨の製造、装飾部品などの製造において本発明を実施した例を示す。
There are several properties that can be expected by nitriding a metal. For example, hardness, strength, melting point, adhesion, biocompatibility, color, optical characteristics, etc. can be controlled by the degree of nitriding. Therefore, the present invention, in combination with the above-mentioned minute modeling resolution, can be applied to the control of local characteristics when manufacturing various articles.
The following is an example in which the present invention is carried out in the manufacture of molds used for manufacturing optical parts, the manufacture of artificial bones, the manufacture of decorative parts, and the like.

[光学部品の製造用金型]
光学部品の製造用金型の作成において、本発明を実施した例を示す。
図8(a)に示すのは光学部品の一例として示す回折光学素子300で、ガラスレンズGLの光学面上に樹脂製の回折溝PLを一体化させたものである。図8(b)は、かかる回折光学素子300の製造方法を説明するための模式的な断面図である。ガラスレンズGLを金型MD1と対向させてセットし、ガラスレンズGLと金型MD1の間の空間に紫外線硬化樹脂を注入してからガラスレンズGL側から紫外線を照射して硬化させ、ガラスレンズGLに樹脂製の回折溝PLを付設する。
紫外線硬化樹脂を注入する空間には、図8(b)においてAで指示するように樹脂の厚みが小さい部分(以下、薄肉部Aと記す)と、Bで指示するように樹脂の厚みが大きい部分(以下、厚肉部Bと記す)が存在する。
[Mold for manufacturing optical parts]
An example in which the present invention is carried out in the production of a mold for manufacturing an optical component is shown.
FIG. 8A shows a diffractive optical element 300 shown as an example of an optical component, in which a resin diffractive groove PL is integrated on the optical surface of the glass lens GL. FIG. 8B is a schematic cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the diffractive optical element 300. The glass lens GL is set facing the mold MD1, the ultraviolet curable resin is injected into the space between the glass lens GL and the mold MD1, and then the glass lens GL is irradiated with ultraviolet rays to cure the glass lens GL. A resin diffraction groove PL is attached to the lens.
In the space for injecting the ultraviolet curable resin, a portion having a small resin thickness (hereinafter referred to as a thin portion A) as indicated by A in FIG. 8B and a portion having a large resin thickness as indicated by B are provided. There is a portion (hereinafter referred to as a thick portion B).

従来の金属製金型、すなわち実質的に一様な組成の金属材料から成る金型を用いた場合には、厚肉部Bにおいて金型の凹部と樹脂の間に隙間が生じた状態で樹脂が固化してしまう現象(いわゆるヒケ)が発生する傾向があった。厚肉部Bにおいてヒケが生じると、図8(a)にDEFとして指示する部位では型形状が正確に樹脂に転写されないため角が丸くなり、回折格子の形状精度が低下して光学性能が低下してしまっていた。 When a conventional metal mold, that is, a mold made of a metal material having a substantially uniform composition is used, the resin is formed in a thick portion B with a gap between the recess of the mold and the resin. There was a tendency for the phenomenon of solidification (so-called sink mark) to occur. When sink marks occur in the thick portion B, the mold shape is not accurately transferred to the resin at the portion designated as DEF in FIG. 8A, so that the corners are rounded, the shape accuracy of the diffraction grating is lowered, and the optical performance is lowered. I had done it.

従来の金属製金型を用いた場合には、ヒケ現象は以下の過程を経て発生すると考えられる。ガラスレンズGLと金型の間に注入した紫外線硬化樹脂にガラスレンズGL側から紫外線を照射して硬化させる際には、まず薄肉部Aにて硬化が完了し、薄肉部Aから厚肉部Bに向けて硬化部分が拡大するように硬化が進行してゆく。紫外線硬化樹脂が硬化する時の収縮は、例えば5%〜20%と言われているが、部位により硬化するタイミングが異なると、硬化が先行する薄肉部Aに向けて樹脂が流動し、結果的に厚肉部Bの端部に空隙が生じ、ヒケが発生してしまう。 When a conventional metal mold is used, the sink mark phenomenon is considered to occur through the following process. When the ultraviolet curable resin injected between the glass lens GL and the mold is cured by irradiating the ultraviolet curable resin from the glass lens GL side with ultraviolet rays, the curing is first completed in the thin portion A, and then the thin portion A to the thick portion B. Curing progresses so that the cured portion expands toward. It is said that the shrinkage of the UV-curable resin when it is cured is, for example, 5% to 20%, but if the curing timing differs depending on the site, the resin will flow toward the thin portion A where the curing precedes, resulting in the shrinkage. A gap is generated at the end of the thick portion B, and sink marks occur.

本実施形態では、ヒケの発生を抑制するため、樹脂と接触する金型面の窒化度を、部位により異ならせた金属性の金型MD1を作成して用いる。樹脂と接触する金型面の金属材料の窒化度を部位により異ならせることにより、紫外線硬化樹脂と金型面との密着性を、部位毎に異ならせるのである。 In the present embodiment, in order to suppress the occurrence of sink marks, a metallic mold MD1 in which the degree of nitriding of the mold surface in contact with the resin is different depending on the site is prepared and used. By making the nitriding degree of the metal material on the mold surface in contact with the resin different depending on the part, the adhesion between the ultraviolet curable resin and the mold surface is made different for each part.

具体的には、厚肉部Bの金型面を構成する金属の窒化度を、薄肉部Aの金型面を構成する金属の窒化度よりも相対的に小さくする。これにより、相対的に窒化度が小さな厚肉部Bでは、相対的に窒化度が大きな薄肉部Aよりも、紫外線硬化樹脂と金型面の密着性が大きくなる。このように、厚肉部Bの金型面の密着性を薄肉部Aよりも相対的に高くしておくことにより、硬化時の各部の収縮をバランスさせて隙間が局在化するのを抑え、形状精度の低下を抑制することができる。 Specifically, the nitriding degree of the metal forming the mold surface of the thick portion B is made relatively smaller than the nitriding degree of the metal forming the mold surface of the thin-walled portion A. As a result, the adhesion between the ultraviolet curable resin and the mold surface is greater in the thick portion B having a relatively small nitriding degree than in the thin portion A having a relatively large nitriding degree. In this way, by making the adhesion of the mold surface of the thick portion B relatively higher than that of the thin portion A, the shrinkage of each portion during curing is balanced and the localization of the gap is suppressed. , It is possible to suppress a decrease in shape accuracy.

金型面と紫外線硬化樹脂との密着性を示す指標としては、金型面の水に対する接触角が有用である。密着性が高い場合は水に対する接触角が小さくなり、密着性が低い場合は接触角が大きくなる。例えば、Ti、Cr、Si、Alの場合であれば、これらの材料の対水接触角は5°以下と小さいが、窒化させTiN、CrN、SiN、AlNとした場合には50°以上と大きくなる。例えばTiの場合であれば、XPSで組成分析した時に得られる分析結果において、TixNyで組成比を表すときのXに対するYの比率、つまり窒化度を変化させることにより、型表面の部位毎の密着性(水に対する接触角)を制御できる。Tiの場合における窒化度と接触角の関係を、表1に示す。 The contact angle of the mold surface with water is useful as an index showing the adhesion between the mold surface and the ultraviolet curable resin. When the adhesion is high, the contact angle with water becomes small, and when the adhesion is low, the contact angle becomes large. For example, in the case of Ti, Cr, Si, and Al, the contact angle of these materials with water is as small as 5 ° or less, but in the case of nitrided TiN, CrN, SiN, and AlN, the contact angle with water is as large as 50 ° or more. Become. For example, in the case of Ti, in the analysis result obtained when the composition is analyzed by XPS, the ratio of Y to X when expressing the composition ratio by TixNy, that is, by changing the degree of nitriding, the adhesion of each part of the mold surface is achieved. The sex (contact angle with water) can be controlled. Table 1 shows the relationship between the degree of nitriding and the contact angle in the case of Ti.

Figure 2021031685
表1はTiの例であるが、Ti以外にも金型に使用可能な材料に関して窒化度と接触角の関係のデータを、予め実験等により作成しておくことが可能である。
Figure 2021031685
Table 1 shows an example of Ti, but it is possible to prepare data on the relationship between the nitriding degree and the contact angle in advance by experiments or the like for materials other than Ti that can be used for the mold.

そこで、三次元造形装置1を用いて金型MD1を作成する際に、図9(a)に点線202で囲んで示す部位、すなわち厚肉部Bの金型面を構成する部位の窒化度が、それ以外の部位の窒化度よりも小さくなるようにする。言い換えれば、物品の厚肉部の形状を樹脂に転写する部分を金型面の第1部分、物品の薄肉部の形状を樹脂に転写する部分を金型面の第2部分としたとき、第1部分を形成する第1材料よりも第2部分を形成する第2材料の方が窒化度が大きな材料にする。これにより、金型面の第1部分における水に対する接触角が、金型面の第2部分における水に対する接触角よりも小さくなるようにする。 Therefore, when the mold MD1 is created by using the three-dimensional modeling apparatus 1, the degree of nitriding of the portion surrounded by the dotted line 202 in FIG. 9A, that is, the portion constituting the mold surface of the thick portion B is determined. , Make it smaller than the nitriding degree of other parts. In other words, when the portion that transfers the shape of the thick portion of the article to the resin is the first portion of the mold surface, and the portion that transfers the shape of the thin portion of the article to the resin is the second portion of the mold surface, the first portion. The second material forming the second portion has a larger degree of nitriding than the first material forming the first portion. As a result, the contact angle of the first portion of the mold surface with water is made smaller than the contact angle of the second portion of the mold surface with water.

前述した造形手順1〜造形手順3のいずれかにより、三次元造形装置1を用いて金型MD1を作成することができるが、例えば造形手順1により作成する場合には、図3(c)を参照して説明したように窒化度が紐付けられたスライスデータを作成する。図9(b)は、図9(a)中の点線203で囲まれた部分についての窒化度が紐付けられたスライスデータを示した図である。従来ヒケが発生しやすかった部位の型表面には、小さな窒化度MN(−)の層が露出するようにし、他の部位の型表面には、大きな窒化度MN(+)の層が露出するように構成している。 The mold MD1 can be created by using the three-dimensional modeling apparatus 1 by any of the modeling procedure 1 to the modeling procedure 3 described above. For example, when the mold MD1 is created by the modeling procedure 1, FIG. 3C is shown. Create slice data associated with the degree of nitriding as explained with reference to. FIG. 9B is a diagram showing slice data in which the nitriding degree is associated with the portion surrounded by the dotted line 203 in FIG. 9A. A small layer of nitriding MN (-) is exposed on the mold surface of the part where sink marks are likely to occur in the past, and a large layer of nitriding MN (+) is exposed on the mold surface of other parts. It is configured as follows.

尚、窒化度は、MN(−)とMN(+)の2段階に限るわけではなく、厚肉部Bから薄肉部Aに向かって、図7(b)を参照して説明したように多段階で徐々に窒化度が変化するように構成してもよい。
また、前述した造形手順1〜造形手順3のいずれかにより造形した後、必要に応じて型面の形状を修正するための研削や表面研磨を行ってもよい。尚、修正加工を行うことが予定されている場合には、修正加工による肉減りがあったとしても所定の窒化度の層が金型の表面に必ず存在するように、制御部112はスライスデータの形状を設計する。
The degree of nitriding is not limited to two stages of MN (−) and MN (+), and is increased from the thick portion B to the thin portion A as described with reference to FIG. 7 (b). It may be configured so that the degree of nitriding gradually changes in each step.
Further, after modeling by any one of the above-mentioned modeling procedure 1 to modeling procedure 3, grinding or surface polishing for correcting the shape of the mold surface may be performed as necessary. When the correction process is planned, the control unit 112 uses slice data so that a layer having a predetermined nitriding degree is always present on the surface of the mold even if the thickness is reduced due to the correction process. Design the shape of.

回折光学素子を製造するための金型について説明したが、次に、他の光学部品を製造するための金型の例を挙げる。図10(a)に示すのは、ガラス基板GSの上に多数の樹脂製マイクロレンズPLMが配列形成されたマイクロレンズアレイ201である。図10(b)は、かかるマイクロレンズアレイ201の製造方法を説明するための模式的な断面図である。ガラス基板GSを金型MD2と対向させてセットし、ガラス基板GSと金型MD2の間の空間に紫外線硬化樹脂を注入してからガラス基板GS側から紫外線を照射して硬化させ、ガラス基板GSに多数の樹脂製マイクロレンズPLMを付設する。 The mold for manufacturing the diffractive optical element has been described. Next, an example of the mold for manufacturing other optical components will be given. FIG. 10A shows a microlens array 201 in which a large number of resin microlens PLMs are arranged on a glass substrate GS. FIG. 10B is a schematic cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the microlens array 201. The glass substrate GS is set facing the mold MD2, the ultraviolet curable resin is injected into the space between the glass substrate GS and the mold MD2, and then ultraviolet rays are irradiated from the glass substrate GS side to cure the glass substrate GS. A large number of resin microlenses PLM are attached to the.

紫外線硬化樹脂を注入する空間には、図10(b)においてAとして指示するように樹脂の厚みが小さい部分(以下、薄肉部Aと記す)と、Bとして指示するように樹脂の厚みが大きい部分(以下、厚肉部Bと記す)が存在する。厚肉部Bに対応する部分は、従来の金型ではヒケが発生しやすく、図10(a)においてDEFとして指示する部位では型形状が正確に樹脂に転写されないため、樹脂製マイクロレンズPLMの曲率半径が大きくなり、光学性能が低下してしまっていた。 In the space for injecting the ultraviolet curable resin, a portion having a small resin thickness (hereinafter referred to as a thin portion A) as indicated as A in FIG. 10B and a portion having a large resin thickness as indicated as B are provided. There is a portion (hereinafter referred to as a thick portion B). In the portion corresponding to the thick portion B, sink marks are likely to occur in the conventional mold, and the mold shape is not accurately transferred to the resin at the portion designated as DEF in FIG. 10 (a). The radius of curvature became large and the optical performance deteriorated.

そこで、マイクロレンズアレイ201を作成するための金型MD2においても、厚肉部Bの金型面を構成する金属の窒化度を、薄肉部Aの金型面を構成する金属の窒化度よりも相対的に小さくする。かかる金型MD2を前述した方法で製造して用いることにより、形状精度の高いマイクロレンズアレイ201を量産することができる。 Therefore, even in the mold MD2 for creating the microlens array 201, the nitriding degree of the metal forming the mold surface of the thick portion B is higher than the nitriding degree of the metal forming the mold surface of the thin portion A. Make it relatively small. By manufacturing and using the mold MD2 by the method described above, the microlens array 201 with high shape accuracy can be mass-produced.

尚、部位により異なる窒化度の金属材料で構成された金型は、光学部品を製造するための金型には限られない。本発明によれば、様々な樹脂製品を製造するための樹脂成形用の金型において、樹脂製品にヒケを生じさせたくない部分に対応する部位の窒化度を、他の部位の窒化度よりも相対的に小さくすることができ、ヒケによる樹脂成形品の形状劣化を抑制できる。例えば、樹脂の厚肉部にて生じるヒケを抑制する場合には、樹脂に厚肉部形状を転写する部位の金型の窒化度を、薄肉部形状を転写する部位の窒化度よりも相対的に小さくすることができる。逆に、例えば成形後の面取りを省略するために、局部的にヒケを発生させるように成形したい場合には、ヒケを生じさせたい部分に対応する金型の部位の窒化度を、他の部位の窒化度よりも相対的に大きくすることもできる。 It should be noted that the mold made of a metal material having a different nitriding degree depending on the portion is not limited to the mold for manufacturing an optical component. According to the present invention, in a resin molding die for manufacturing various resin products, the nitriding degree of a portion corresponding to a portion where sink marks are not desired to occur in the resin product is set to be higher than the nitriding degree of other portions. It can be made relatively small, and the shape deterioration of the resin molded product due to sink marks can be suppressed. For example, in the case of suppressing sink marks that occur in the thick portion of the resin, the nitriding degree of the mold at the portion where the thick portion shape is transferred to the resin is relative to the nitriding degree of the portion where the thin wall portion shape is transferred. Can be made smaller. On the contrary, for example, in order to omit chamfering after molding, when it is desired to mold so as to locally generate sink marks, the nitriding degree of the mold portion corresponding to the portion where sink marks are desired to be generated is set to another portion. It can also be made relatively larger than the degree of nitriding of.

[人口骨]
次に、人口骨の製造において、本発明を実施した例を示す。図11(a)に示すのは、人口骨400の一部分である。人口骨400は、他の骨と接する関節部301と、支持構造体である支柱部302を有している。関節部301は他の骨と接するため耐摩耗性が必要であるが、支柱部302には外力の衝撃を受けても破断しないような柔軟性が必要である。
[Artificial bone]
Next, an example in which the present invention is carried out in the production of artificial bone will be shown. Shown in FIG. 11 (a) is a part of the artificial bone 400. The artificial bone 400 has a joint portion 301 in contact with other bones and a strut portion 302 which is a support structure. Since the joint portion 301 is in contact with other bones, wear resistance is required, but the strut portion 302 is required to have flexibility so as not to break even when it receives an impact of an external force.

そこで、図11(b)に示すように、関節部301は大きな窒化度MN(+)を有する金属材料を積層造形して形成し、支柱部302は小さな窒化度MN(−)を有する金属材料を積層造形して形成する。関節部301は、窒化度を高くすることで耐摩耗性を上げられる。さらには、関節部301は、滑膜などの生体膜により潤滑性が保たれているため生体適合性も必要であるが、金属窒化物は生体適合性が高いことが知られており、その点でも耐摩耗性の高い窒化物が有利に働く。尚、生体膜は骨の内部まで浸潤させる方が耐久性に優れるため、関節部301の内部に空隙(不図示)が形成されるように、レーザ光を照射しない部分を含むような形状のスライスデータを作成すると良い。支柱部302については、関節部301よりも相対的に小さな窒化度の材料(窒化されていない金属を含む)で形成することにより、衝撃を受けても破断しないようなしなやかさを備えることができる。
かかる人口骨は、例えばTiの粉末を用いて前述した造形手順1〜造形手順3のいずれかにより、三次元造形装置1を用いて作成することができる。
Therefore, as shown in FIG. 11B, the joint portion 301 is formed by laminating and modeling a metal material having a large nitriding degree MN (+), and the strut portion 302 is a metal material having a small nitriding degree MN (−). Is formed by laminating modeling. The wear resistance of the joint portion 301 can be improved by increasing the degree of nitriding. Furthermore, the joint portion 301 is required to have biocompatibility because its lubricity is maintained by a biological membrane such as synovium, but metal nitride is known to have high biocompatibility. However, nitrides with high wear resistance work advantageously. Since it is more durable to infiltrate the biological membrane to the inside of the bone, a slice having a shape including a portion not irradiated with laser light so that a gap (not shown) is formed inside the joint portion 301. It is good to create data. By forming the strut portion 302 with a material having a nitriding degree relatively smaller than that of the joint portion 301 (including a metal that is not nitrided), it is possible to provide flexibility so that the strut portion 302 does not break even when subjected to an impact. ..
Such artificial bone can be produced by using the three-dimensional modeling apparatus 1 by any of the above-mentioned modeling procedures 1 to 3 using, for example, Ti powder.

[装飾部品など]
装飾部品あるいは装飾性が付与された機能部品の製造において、本発明を実施する例を説明する。金属材料は、当該金属に特有の色と金属光沢を備えるが、窒化することにより色調や光沢が変化するものがある。例えば、Tiは銀色の光沢をもつ金属であるが、窒化することにより黄金色に変化することが知られている。また、例えばCu−Ti合金は、窒化することにより、赤から紫まで色を変化させることができる。
[Decorative parts, etc.]
An example of carrying out the present invention in the manufacture of a decorative part or a functional part to which the decorative property is imparted will be described. The metal material has a color and metallic luster peculiar to the metal, but some of them change in color tone and luster by nitriding. For example, Ti is a metal having a silvery luster, but it is known that it changes to a golden color by nitriding. Further, for example, a Cu—Ti alloy can change its color from red to purple by nitriding.

本発明によれば、前述したように高い形状精度で部位毎の窒化度を制御して三次元造形することができるため、精細な形状で金属光沢特有の色調を変化させることが可能である。したがって、例えば時計の文字盤やロゴプレートなどのような人間に視認される物品(あるいは部品)において、美観や視認性を向上させることができる。すなわち、前述した造形手順1〜造形手順3のいずれかにより、三次元造形装置1を用いて従来にない装飾部品あるいは装飾性が付与された機能部品を作成することが可能である。 According to the present invention, as described above, it is possible to control the nitriding degree of each part with high shape accuracy to perform three-dimensional modeling, so that it is possible to change the color tone peculiar to metallic luster with a fine shape. Therefore, it is possible to improve the aesthetics and visibility of an article (or part) that is visible to humans, such as a clock face or a logo plate. That is, by any of the above-mentioned modeling procedure 1 to modeling procedure 3, it is possible to create a decorative part or a functional part to which decorativeness is imparted, which has never existed before, by using the three-dimensional modeling device 1.

[他の実施形態]
なお、本発明は、以上説明した実施形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形や組み合わせが可能である。
例えば、物品を積層造形する際の層の配置は、図3(c)、図3(d)、図9(b)、図11(b)に示した例に限られるわけではなく、図示と直交する向きに層を積層してゆくことも可能である。物品の形状、消費電力、高価なガスの使用量、積層に要する時間、等の観点から最適な積層方向を決め、図2のステップS2において窒化度が紐付けられたスライスデータを作成すればよい。
[Other Embodiments]
The present invention is not limited to the embodiments and examples described above, and many modifications and combinations are possible within the technical idea of the present invention.
For example, the arrangement of layers when laminating articles is not limited to the examples shown in FIGS. 3 (c), 3 (d), 9 (b), and 11 (b). It is also possible to stack layers in orthogonal directions. The optimum stacking direction may be determined from the viewpoints of the shape of the article, power consumption, amount of expensive gas used, time required for stacking, etc., and slice data linked with the degree of nitridedness may be created in step S2 of FIG. ..

また、部位により窒化度を変えるための造形手順は、上記の造形手順1〜造形手順3に限られるわけではない。窒化度を変える時に、レーザ光のパワー密度、照射時間の長さ、粉末層の厚さ、窒素供給性を有するガスの分圧、等のパラメータのうち一つだけを選んで変更しなければならないわけではない。所望の窒化度を達成するために、複数のパラメータを変更しても差し支えない。
また、以上では、粉末床溶融方式(粉末溶融積層方式)で三次元造形を行う場合について説明したが、本発明の技術思想は指向性エネルギー堆積方式による三次元造形にも適用することができる。つまり、指向性エネルギー堆積方式で三次元造形を行う際、レーザ光のパワー密度、材料粉末の吐出量、窒素供給性を有するガスの分圧等のパラメータを変更して、造形部位により窒化度を変えることができる。
例えば、作成する物品の概略形状に合わせて予め加工した母材を準備し、母材表面に原料粉末を吹き付けながらレーザ光を照射して固化層を形成する方式(例えばCladding方式)において、パラメータを変更して造形部位により窒化度を変えてもよい。母材には、金属や金属窒化物よりなる固化層と密着性が高い材料を用いるのが望ましく、例えばステンレスやクロム合金ステンレス、例えばウッデホルム社製のSTAVAX ESR(登録商標)が用いられる。
Further, the modeling procedure for changing the degree of nitriding depending on the portion is not limited to the above modeling procedures 1 to 3. When changing the nitriding degree, only one of the parameters such as the power density of the laser beam, the length of the irradiation time, the thickness of the powder layer, and the partial pressure of the gas having nitrogen supply must be selected and changed. Do not mean. Multiple parameters may be changed to achieve the desired degree of nitriding.
Further, in the above, the case where the three-dimensional modeling is performed by the powder bed melting method (powder melting and laminating method) has been described, but the technical idea of the present invention can also be applied to the three-dimensional modeling by the directed energy deposition method. In other words, when performing three-dimensional modeling with the directed energy deposition method, parameters such as the power density of the laser beam, the discharge amount of the material powder, and the partial pressure of the gas having nitrogen supply are changed, and the degree of nitridedness is adjusted depending on the modeling site. Can be changed.
For example, in a method (for example, a cladding method) in which a base material processed in advance according to the approximate shape of an article to be produced is prepared and a solidified layer is formed by irradiating a laser beam while spraying raw material powder on the surface of the base material, parameters are set. It may be changed and the degree of nitriding may be changed depending on the modeling site. As the base material, it is desirable to use a material having high adhesion to the solidified layer made of metal or metal nitride, and for example, stainless steel or chromium alloy stainless steel, for example, STAVAX ESR (registered trademark) manufactured by Woodeholm Co., Ltd. is used.

本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。 The present invention supplies a program that realizes one or more functions of the above-described embodiment to a system or device via a network or storage medium, and one or more processors in the computer of the system or device reads and executes the program. It can also be realized by the processing to be performed. It can also be realized by a circuit (for example, ASIC) that realizes one or more functions.

1・・・三次元造形装置/101・・・造形テーブル/102・・・プレート/106・・・垂直移動機構/107・・・粉末堆積装置/109・・・レーザ光源/110・・・スキャナ/111・・・集光レンズ/112・・・制御部/113・・・チャンバ/114・・・排気ポンプ/115・・・排気調整バルブ/116・・・ガス供給源/117・・・給気調整バルブ/119・・・粉末層/L1MN(−)〜L4MN(−)、L3MN(+)〜L6MN(+)・・・スライスデータ/MD1、MD2・・・金型 1 ... Three-dimensional modeling device / 101 ... Modeling table / 102 ... Plate / 106 ... Vertical movement mechanism / 107 ... Powder deposition device / 109 ... Laser light source / 110 ... Scanner / 111 ... Condensing lens / 112 ... Control unit / 113 ... Chamber / 114 ... Exhaust pump / 115 ... Exhaust adjustment valve / 116 ... Gas supply source / 117 ... Supply Air adjustment valve / 119 ... Powder layer / L1MN (-) to L4MN (-), L3MN (+) to L6MN (+) ... Slice data / MD1, MD2 ... Mold

Claims (23)

金属粉末を堆積させて粉末層を形成する粉末層形成工程と、
前記粉末層の所定領域にレーザ光を照射して固化部を形成する固化工程と、
を繰り返し行い三次元造形物を製造する方法において、
前記三次元造形物を製造する間に行われる前記固化工程には、第1固化工程と第2固化工程が含まれ、
前記第2固化工程においては、前記第1固化工程において形成される固化部とは異なる位置に、前記第1固化工程において形成される固化部よりも窒化度が大きい固化部を形成する、
ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
A powder layer forming process in which metal powder is deposited to form a powder layer,
A solidification step of irradiating a predetermined region of the powder layer with a laser beam to form a solidified portion,
In the method of manufacturing a three-dimensional model by repeating
The solidification step performed during the production of the three-dimensional modeled object includes a first solidification step and a second solidification step.
In the second solidification step, a solidified portion having a higher nitriding degree than the solidified portion formed in the first solidification step is formed at a position different from the solidified portion formed in the first solidification step.
A method for manufacturing a three-dimensional model, which is characterized in that.
前記第2固化工程は、窒素供給性を有するガスを含む雰囲気中で、前記第1固化工程よりも加熱温度が高くなる条件で前記レーザ光を照射する、
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。
The second solidification step irradiates the laser beam in an atmosphere containing a gas having a nitrogen supply property under a condition that the heating temperature is higher than that of the first solidification step.
The method for manufacturing a three-dimensional model according to claim 1.
前記第2固化工程において前記粉末層に照射する前記レーザ光の単位面積当たりのパワー密度が、前記第1固化工程において前記粉末層に照射する前記レーザ光の単位面積当たりのパワー密度よりも大きい、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の三次元造形物の製造方法。
The power density per unit area of the laser beam irradiating the powder layer in the second solidification step is larger than the power density per unit area of the laser beam irradiating the powder layer in the first solidification step.
The method for manufacturing a three-dimensional model according to claim 1 or 2.
前記第2固化工程において前記粉末層に照射する前記レーザ光の単位面積当たりの照射時間が、前記第1固化工程において前記粉末層に照射する前記レーザ光の単位面積当たりの照射時間よりも長い、
ことを特徴とする請求項1乃至3の中のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法。
The irradiation time per unit area of the laser beam irradiating the powder layer in the second solidification step is longer than the irradiation time per unit area of the laser light irradiating the powder layer in the first solidification step.
The method for manufacturing a three-dimensional model according to any one of claims 1 to 3.
前記第2固化工程において前記レーザ光を照射するときの雰囲気は、前記第1固化工程において前記レーザ光を照射するときの雰囲気よりも、窒素供給性を有するガスの分圧が高い、
ことを特徴とする請求項1乃至4の中のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法。
The atmosphere when irradiating the laser beam in the second solidification step has a higher partial pressure of the gas having nitrogen supply than the atmosphere when irradiating the laser beam in the first solidification step.
The method for manufacturing a three-dimensional model according to any one of claims 1 to 4, wherein the three-dimensional modeled object is manufactured.
前記窒素供給性を有するガスは、窒素ガスまたはアンモニアガスである、
ことを特徴とする請求項2または5に記載の三次元造形物の製造方法。
The gas having a nitrogen supply property is nitrogen gas or ammonia gas.
The method for manufacturing a three-dimensional model according to claim 2 or 5.
前記第1固化工程においては、窒素供給性を有するガスを含まない雰囲気中で前記レーザ光を照射する、
ことを特徴とする請求項1乃至6の中のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法。
In the first solidification step, the laser beam is irradiated in an atmosphere that does not contain a gas having a nitrogen supply property.
The method for manufacturing a three-dimensional model according to any one of claims 1 to 6, wherein the three-dimensional modeled object is manufactured.
1回の前記粉末層形成工程で形成された前記粉末層に対して、前記第1固化工程と前記第2固化工程を行う、
ことを特徴とする請求項1乃至7の中のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法。
The first solidification step and the second solidification step are performed on the powder layer formed in one powder layer forming step.
The method for manufacturing a three-dimensional model according to any one of claims 1 to 7.
1回の前記粉末層形成工程で形成された前記粉末層に対して前記第1固化工程を行い、他の1回の前記粉末層形成工程で形成された前記粉末層に対して前記第2固化工程を行う、
ことを特徴とする請求項1乃至7の中のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法。
The first solidification step is performed on the powder layer formed in one powder layer forming step, and the second solidification is performed on the powder layer formed in another one powder layer forming step. Perform the process,
The method for manufacturing a three-dimensional model according to any one of claims 1 to 7.
請求項1乃至9の中のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造方法を、
三次元造形装置に実行させるプログラム。
The method for manufacturing a three-dimensional model according to any one of claims 1 to 9.
A program to be executed by a 3D modeling device.
前記プログラムは、前記固化部の平面形状、厚み、および窒化度が紐付けられたスライスデータに基づいて作成されたプログラムを含む、
ことを特徴とする請求項10に記載のプログラム。
The program includes a program created based on slice data in which the planar shape, thickness, and nitriding degree of the solidified portion are linked.
The program according to claim 10.
請求項10または11に記載のプログラムを記録したコンピュータにより読み取り可能な記録媒体。 A computer-readable recording medium on which the program according to claim 10 or 11 is recorded. 粉末層形成部と、レーザ光照射部と、雰囲気調整部と、制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記粉末層形成部を駆動して、金属粉末の粉末層を形成する粉末層形成処理と、
前記レーザ光照射部を駆動して、前記粉末層の所定領域にレーザ光を照射して固化部を形成する固化処理と、を繰り返し行うが、
前記固化処理の一部では第1固化処理を行い、他の一部では第2固化処理を行い、
前記第2固化処理は、前記第1固化処理において形成される固化部とは異なる位置に、前記第1固化処理において形成される固化部よりも窒化度が大きい固化部を形成する処理である、
ことを特徴とする三次元造形装置。
A powder layer forming unit, a laser beam irradiation unit, an atmosphere adjusting unit, and a control unit are provided.
The control unit
A powder layer forming process for forming a powder layer of metal powder by driving the powder layer forming portion,
The solidification process of driving the laser beam irradiation unit to irradiate a predetermined region of the powder layer with laser light to form a solidification portion is repeatedly performed.
A first solidification process is performed in a part of the solidification process, and a second solidification process is performed in another part.
The second solidification treatment is a process of forming a solidification portion having a higher nitriding degree than the solidification portion formed in the first solidification treatment at a position different from the solidification portion formed in the first solidification treatment.
A three-dimensional modeling device characterized by this.
前記制御部は、前記固化部の平面形状、厚み、および窒化度が紐付けられたスライスデータに基づいて作成されたプログラムにより、前記粉末層形成処理と前記固化処理を実行する、
ことを特徴とする請求項13に記載の三次元造形装置。
The control unit executes the powder layer forming process and the solidifying process by a program created based on slice data in which the plane shape, thickness, and nitriding degree of the solidifying unit are linked.
The three-dimensional modeling apparatus according to claim 13.
前記制御部は、
前記雰囲気調整部を駆動して窒素供給性のガスを含む雰囲気を形成してから前記第2固化処理を実行し、
前記第2固化処理においては、前記第1固化処理よりも加熱温度が高くなる条件で前記レーザ光照射部を駆動する、
ことを特徴とする請求項13または14に記載の三次元造形装置。
The control unit
After driving the atmosphere adjusting unit to form an atmosphere containing a nitrogen-supplying gas, the second solidification process is executed.
In the second solidification treatment, the laser light irradiation unit is driven under a condition that the heating temperature is higher than that of the first solidification treatment.
The three-dimensional modeling apparatus according to claim 13 or 14.
前記制御部は、
前記粉末層形成部を駆動して厚さがt1の粉末層を形成する前記粉末層形成処理を実行した後に、厚さがt1の前記粉末層に対して前記第2固化処理を実行し、
前記粉末層形成部を駆動して厚さが前記t1よりも大きなt2の粉末層を形成する前記粉末層形成処理を実行した後に、厚さがt2の前記粉末層に対して前記第1固化処理を実行する、
ことを特徴とする請求項13乃至15の中のいずれか1項に記載の三次元造形装置。
The control unit
After executing the powder layer forming process of driving the powder layer forming portion to form a powder layer having a thickness of t1, the second solidification process is executed on the powder layer having a thickness of t1.
After performing the powder layer forming process of driving the powder layer forming portion to form a powder layer having a thickness of t2 larger than that of t1, the first solidification process is performed on the powder layer having a thickness of t2. To execute,
The three-dimensional modeling apparatus according to any one of claims 13 to 15.
前記制御部は、
前記第2固化処理において前記粉末層に照射する前記レーザ光の単位面積当たりのパワー密度が、前記第1固化処理において前記粉末層に照射する前記レーザ光の単位面積当たりのパワー密度よりも大きくなるよう前記レーザ光照射部を制御する、
ことを特徴とする請求項13乃至16の中のいずれか1項に記載の三次元造形装置。
The control unit
The power density per unit area of the laser beam irradiating the powder layer in the second solidification treatment becomes larger than the power density per unit area of the laser light irradiating the powder layer in the first solidification treatment. To control the laser beam irradiation unit,
The three-dimensional modeling apparatus according to any one of claims 13 to 16.
前記制御部は、
前記第2固化処理において前記粉末層に照射する前記レーザ光の単位面積当たりの照射時間が、前記第1固化処理において前記粉末層に照射する前記レーザ光の単位面積当たりの照射時間よりも長くなるよう前記レーザ光照射部を制御する、
ことを特徴とする請求項13乃至17の中のいずれか1項に記載の三次元造形装置。
The control unit
The irradiation time per unit area of the laser beam irradiating the powder layer in the second solidification treatment is longer than the irradiation time per unit area of the laser light irradiating the powder layer in the first solidification treatment. To control the laser light irradiation unit,
The three-dimensional modeling apparatus according to any one of claims 13 to 17, wherein the three-dimensional modeling apparatus is characterized.
前記制御部は、
前記第2固化処理において前記レーザ光を照射するときの雰囲気が、前記第1固化処理において前記レーザ光を照射するときの雰囲気よりも、窒素供給性のガスの分圧が高くなるよう前記雰囲気調整部を制御する、
ことを特徴とする請求項13乃至18の中のいずれか1項に記載の三次元造形装置。
The control unit
The atmosphere is adjusted so that the atmosphere when irradiating the laser beam in the second solidification process is higher than the atmosphere when irradiating the laser beam in the first solidification process. Control the part,
The three-dimensional modeling apparatus according to any one of claims 13 to 18.
前記雰囲気調整部は、窒素ガスおよび/またはアンモニアガスを供給することが可能である、
ことを特徴とする請求項13乃至19の中のいずれか1項に記載の三次元造形装置。
The atmosphere adjusting unit can supply nitrogen gas and / or ammonia gas.
The three-dimensional modeling apparatus according to any one of claims 13 to 19.
金型面の第1部分における水に対する接触角が、前記金型面の第2部分における水に対する接触角よりも小さい、
ことを特徴とする樹脂成形用の金型。
The contact angle of the first portion of the mold surface with water is smaller than the contact angle of the second portion of the mold surface with water.
A mold for resin molding, which is characterized by this.
金型面の第1部分が第1材料により形成され、前記金型面の第2部分が第2材料により形成され、前記第2材料は前記第1材料よりも窒化度が大きな材料である、
ことを特徴とする樹脂成形用の金型。
The first portion of the mold surface is formed of the first material, the second portion of the mold surface is formed of the second material, and the second material is a material having a higher degree of nitriding than the first material.
A mold for resin molding, which is characterized by this.
前記金型面の第1部分は物品の厚肉部の形状を樹脂に転写する部分で、前記金型面の第2部分は前記物品の薄肉部の形状を樹脂に転写する部分である、
ことを特徴とする請求項21または22に記載の樹脂成形用の金型。
The first portion of the mold surface is a portion that transfers the shape of the thick portion of the article to the resin, and the second portion of the mold surface is a portion that transfers the shape of the thin portion of the article to the resin.
The mold for resin molding according to claim 21 or 22, characterized in that.
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