JP2021130877A - 三次元造形物の製造方法、および三次元造形装置 - Google Patents

三次元造形物の製造方法、および三次元造形装置 Download PDF

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Abstract

【課題】粉末焼結法等の三次元造形法では、造形物と同質の硬質な焼結物でサポート部を形成していた。三次元造形物を形成後に、造形物をサポート部から分離するが、サポート部が三次元造形物と同質の硬い焼結体で形成されているため、ワイヤカッタ等の切断器具で切断するのが簡単ではなく、切断後の後加工にも手間がかかっていた。【解決手段】サポート部の少なくとも一部を、造形部３０よりも密度が低い低密度サポート部３２で形成する。脆性の低密度サポート部３２を用いることで、造形部３０からのサポート部の分離が容易になった。また、分離後に物品（造形物）に付着していたサポート部由来の残留物を除去するのも、きわめて容易になった。【選択図】図３

Description

本発明は、いわゆる粉末焼結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。
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、粉末焼結法等のさまざまな方式が知られている。
粉末焼結法は、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焼結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。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焼結法が活用されはじめている。
たとえば、特許文献１には、表面に光沢を有する金属製の三次元造形物を製造するための製造方法が提案されている。
特開２０１５−９６６４６号公報
粉末焼結法では、三次元造形装置の造形テーブル上に直接造形物を形成すると、造形物が造形テーブルに固着してしまい、分離が困難になってしまう。そこで、造形テーブルに着脱可能なプレートを用いて、プレート上に造形物を形成する方法が行われていた。
プレートを用いる場合であっても、目的とする三次元造形物をプレート上に直接形成すると、三次元造形物をプレートから分離する際に、造形物の一部がプレートに固着するため造形物が破損する問題が起きる。かといって、プレートの上に粉末層を厚く敷いて、粉末層の上に造形物を形成しようとすると、焼結体はプレートに固定されていないため、粉末層上で移動したり熱変形で反ったりして、所望の形状の三次元造形物を形成できなくなってしまう。
そこで、プレート上に粉末焼結法で土台を形成してから、その土台上に所望の形状の三次元造形物を形成することが行われる。三次元造形物を形成後に、土台部分からの分離が行われるが、土台部分が三次元造形物と同質の硬い焼結体で形成されているため、ワイヤカッタ等の切断器具で切断する際に、三次元造形物を損傷しないように切断線を土台部側に寄せて切断していた。切断時の損傷を確実に予防しようとすれば、三次元造形物には土台部分がより多く残ることになる。このため、三次元造形物に固着した土台部分を除去するために、精密な切削や研磨等の追加加工を長時間かけて作業する必要が生じていた。
本発明は、粉末焼結法で三次元造形物を作成する際に、三次元造形物を土台部分から分離するのが容易になる方法を提供する。
本発明は、三次元造形装置にプレートを装着する工程と、前記プレートの上に原料粉末を堆積し、光を照射して、サポート部を形成する工程と、前記サポート部の上に原料粉末を堆積し、光を照射して、三次元造形物を形成する工程と、前記三次元造形物と前記サポート部を分離する工程と、を有する三次元造形物の製造方法であって、前記サポート部を形成する工程は、前記原料粉末を堆積させた後、前記光を照射して、前記三次元造形物を形成する工程で形成する三次元造形物と比較して密度が小さい低密度サポート部と、前記低密度サポート部より密度が高い高密度サポート部を前記低密度サポート部と隣接して形成する工程を含み、前記高密度サポート部は、前記三次元造形物と当接する面積が前記プレートと当接する面積よりも小さい、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法である。
また、本発明は、光源を含む照射光学系と、造形材料の粉末を堆積させる粉末堆積装置と、制御部と、を有する三次元造形装置において、前記制御部は、前記粉末堆積装置に造形材料の粉末を堆積させる処理と、前記照射光学系に光を照射させて、サポート部を形成する処理と、前記照射光学系に光を照射させて、前記サポート部の上に三次元造形部を形成する処理と、を実行するが、前記サポート部を形成する処理は、前記粉末を堆積させた後、前記光を照射して、三次元造形物を形成する処理で形成する三次元造形物と比較して密度が小さい低密度サポート部と、前記低密度サポート部より密度が高い高密度サポート部を前記低密度サポート部と隣接してプレートの上に形成する工程を含み、前記高密度サポート部は、前記三次元造形物と当接する面積が前記プレートと当接する面積よりも小さい処理である、ことを特徴とする三次元造形装置である。
本発明によれば、粉末焼結法で三次元造形物を作成する際に、三次元造形物を土台部分から分離するのが容易になる。
実施形態の三次元造形装置を示す模式的な断面図。 実施形態の三次元造形方法のフローチャート。 第一の実施形態のサポート部と造形部を示す模式的な断面図。 （ａ）第一の実施形態のサポート部の形成を示す模式図。（ｂ）第一の実施形態の造形部の形成を示す模式図。 （ａ）第一の実施形態の取り外したプレートを示す模式図。（ｂ）第一の実施形態の物品からの残留物除去を示す模式図。（ｃ）完成した物品を示す模式図。 （ａ）第二の実施形態の造形工程を示す模式図。（ｂ）第二の実施形態のサポート部の平面形状を示す模式図。 （ａ）第三の実施形態の造形工程を示す模式図。（ｂ）第四の実施形態の造形工程を示す模式図。 （ａ）第五の実施形態の造形工程を示す模式図。（ｂ）第五の実施形態のサポート部の平面形状を示す模式図。 第六の実施形態の造形工程を示す模式図。 第七の実施形態のサポート部と造形部を示す模式的な断面図。
以下、図面を参照して、本発明の三次元造形物の製造方法と三次元造形装置の実施形態を説明する。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で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こともあるが、以下の説明では、より広い意味で使用する。すなわち、焼結とは、固体粉末の集合体を加熱することで一体化した状態を形成する意味であり、融点よりも高い温度に加熱する場合も含むものとする。
［第一の実施形態］
［三次元造形装置］
まず、図１を用いて、本実施形態で使用する三次元造形装置１について説明する。
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に固定される。尚、プレートは、三次元造形物を形成する際の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く、造形テーブルへの位置決め固定方法も、この例には限られない。造形テーブル１０１は、水平移動機構１０５と垂直移動機構１０６により、水平方向および垂直方向に移動可能に支持されている。
造形テーブル１０１の上方には、粉末堆積装置１０７、移動ガイド１０８、レーザ光源１０９、スキャナ１１０、集光レンズ１１１が配置されている。粉末堆積装置１０７は、原料となる粉末を所定の厚さで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。レーザ光源１０９、スキャナ１１０、集光レンズ１１１は、原料粉末層にレーザ光を局所選択的に照射するための照射光学系を構成している。
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、外部コンピュータとの間で行うことができる。三次元造形に必要なデータとは、作成する三次元造形物の形状データや、作成に使用する材料の情報や、１層ごとの焼結層の形状データ、すなわちスライスデータを含む。スライスデータは、外部のコンピュータから受け取っても良いし、造形物の形状データに基づいて制御部１１２内のＣＰＵが作成してＲＡＭに記憶しても良い。
制御部１１２は、造形テーブルの水平移動機構１０５と垂直移動機構１０６、粉末堆積装置１０７、レーザ光源１０９、スキャナ１１０、集光レンズ１１１などの各部と接続され、これらの動作を制御して造形に係る処理を実行する。
次に、三次元造形装置１の基本的な動作を説明する。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粉末焼結部を形成する。まず、制御部１１２は、水平移動機構１０５と垂直移動機構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、制御部１１２は、粉末堆積装置１０７に指令を送り、プレート１０２の上に原料粉末を堆積させ、一層目の原料粉末の層１１３を形成させる。粉末層を形成する際には、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させる。
１層目の粉末層が形成されたら、制御部１１２は、水平移動機構１０５とレーザ光源１０９、スキャナ１１０、集光レンズ１１１に指令を送り、焼結させようとする箇所にレーザ光を照射させて原料粉末を焼結させる。レーザ光源１０９から出射したレーザ光は、スキャナ１１０によって、図１において紙面に対して垂直方向に走査される。この方向を主走査方向と呼ぶ。レーザ光１１５は、集光レンズ１１１で粉末層の極めて狭い領域に集束され、粉末層のうち局所加熱された部分が焼結する。造形テーブル１０１が水平移動機構１０５によって移動する方向、すなわち図１の左右方向を副走査方向と呼ぶ。主走査と副走査を組合せて走査しながら、レーザ光源１０９を明滅させることにより、粉末層の任意の位置にレーザ光を照射して焼結部１１４を形成することができる。制御部１１２は、１層目として形成したい形状パターンに沿ってレーザ光を照射させ、粉末を焼結させる。
こうして、１層目の焼結が完了したら、制御部１１２は、垂直移動機構１０６に指令を送り造形テーブル１０１の高さを１層の厚さ分だけ下降させ、さらに粉末堆積装置１０７に指令を送り、２層目の原料粉末の層を堆積させる。続いて、制御部１１２は、水平移動機構１０５とレーザ光源１０９、スキャナ１１０、集光レンズ１１１に指令を送り、２層目の形状パターンに沿ってレーザ光を照射させ、２層目の焼結部を形成させる。同様の工程を繰り返して、各層の焼結部を順次形成してゆき、積層造形してゆく。
尚、本実施形態の三次元造形装置は、後述するように焼結部を形成する際に、レーザ光の照射を制御して、形成される焼結部の密度の大小を制御することができる。焼結部の密度を変更するには、粉末層に照射するレーザ光のエネルギ密度を変更する。エネルギ密度を大きくすれば、照射された部位の局所的温度が高まり、材料粉末は溶融状態に近くなり、粉末間の空隙が減少して密度が大きくなる。逆に、照射するレーザ光のエネルギ密度を小さくすれば、粉末は接触部で互いに融着するが、粒子間に空隙が多く残るので、密度の増加は少ない。
ここで、粉末層に照射するエネルギ密度（Ｊ／ｍｍ２）とは、単位面積あたりにかかる熱量であり、次の式により算出される。
[数１]
Ｅ＝ｐ／（ｖ×ｄ）
ただし、Ｅ：エネルギ密度（Ｊ／ｍｍ２）、 ｐ：レーザビーム出力（Ｗ）、 ｖ：走査速度（ｍｍ／ｓ）、 ｄ：スキャンピッチ粉末層に照射するビームスポット径（ｍｍ）、である。
照射するエネルギ密度を変更するには、レーザ光源１０９の発光強度、スキャナ１１０のスキャン速度、集光レンズ１１１の焦点制御、水平移動機構１０５の移動速度の一部または全部を、制御部１１２が適宜変更して行う。
制御部１１２は、造形に用いる粉末材料の種類毎に、焼結後の密度を所望の大きさに制御するための上記各部の駆動条件を、制御テーブルとしてＲＯＭに記憶している。
尚、焼結部の密度を変更する別の方法として、粉末堆積装置１０７の動作を制御して粉末層の積層状態を変更する方法もある。たとえば、粉末をソフトに堆積させて空隙の比率を高くしたり、堆積後にローラで押圧して充填密度を高くしたりすることで、粉末の充填密度を制御することができる。粉末の充填密度を制御すれば、粒子を液状に溶融させない程度のレーザ光照射強度で焼結すれば、粉末の充填密度を反映した密度の焼結体を形成することが可能である。
本実施形態あるいは他の実施形態において、レーザ光の照射エネルギ密度の制御に代えて、粉末の充填密度を制御して焼結部の密度を制御してもよい。さらに、粉末の充填密度の制御と、照射するレーザ光のエネルギ密度の制御の両方を組み合わせれば、焼結体の密度の制御範囲を広げることが可能である。
［製造方法］
本実施形態の物品の製造方法について、図１〜図５を参照しながら説明する。尚、図２は、製造方法の工程を示すフローチャートである。以下の説明では、作成対象物の最終形態を物品と呼ぶ場合がある。また、粉末焼結法によりプレート上に形成する形成物のうち、物品に対応する部分を造形部または三次元造形物と呼ぶ。そして、プレートと造形部とを接続する部分、すなわち三次元造形物を支持する部分をサポート部と呼ぶ。
まず、作成すべき物品の形状データを準備する。図２の工程Ｓ１である。物品の形状データは、３ＤＣＡＤや三次元スキャナから制御部１１２のＩ／Ｏポートを介して入力し、ＲＡＭに記憶する。
次に、物品の形状データに基づいて、三次元造形装置で造形部を形成する際に造形部を支えるサポート部の形状を設計する。図２の工程Ｓ２である。たとえば、図３に側面形状を図示した直方体状の物品すなわち造形部３０を形成する場合には、プレートとの間に造形部３０を支持するサポート部を形成する必要がある。
本実施形態では、図３に示すように、高密度サポート部３１と低密度サポート部３２を組み合わせた構造のサポート部を用いる。高密度サポート部３１は、低密度サポート部３２との比較において密度が高く、三次元造形物との比較においてはそれ以下の密度を有する部分である。
高密度サポート部３１は、造形部３０を形成する焼結体の密度を基準にすれば、密度が９０％を超えて１００％以下の焼結体で形成される。低密度サポート部３２は、造形部３０を形成する焼結体の密度を基準にすれば、密度が９０％以下の焼結体で形成される。さらに望ましくは、低密度サポート部３２は、密度が６０％以上でかつ８０％以下の焼結体で形成される。
焼結体は、密度が高ければ機械的強度が強く、熱伝導率も大きい。高密度サポート部３１は、造形部３０を焼結により形成する際に、土台として十分な強度を担保するとともに、熱をプレートに逃がす役割をする。
低密度サポート部３２は、脆性材料として機械的強度が低く形成されているため、造形部３０を形成した後にサポート部を分離する際に、分離作業を容易にすることができる。たとえば、適度な衝撃力を付与すれば、低密度サポート部に容易に亀裂を生じさせることができる。焼結後の粒子同士の接着が弱すぎたり、熱伝導率が低すぎると、造形部３０を形成する際に不都合なため、低密度サポート部の密度は６０％以上になるようにするのが望ましい。一方、密度が高すぎると、機械的強度が強くなりすぎて造形部を分離する際の容易性が低減してしまうため、密度は８０％以下になるようにするのが望ましい。
そして、本実施形態では、造形部３０をサポート部から容易に分離できるようにするため、造形部の底面のほとんどの部分が、低密度の焼結物から成る低密度サポート部３２と当接する形とした。すなわち、図３の側面図に示すように、高密度サポート部３１を錐体形状にし、その頂点で造形部３０と当接する形とした。
次に、三次元造形装置が１層ごとに積層形成するために必要な１層ごとの形状データ、すなわちサポート部と造形部のスライスデータを準備する。図２の工程Ｓ３である。スライスデータは、外部のコンピュータからＩ／Ｏポートを経由して受け取っても良いし、造形物およびサポート部の形状データに基づいて制御部のＣＰＵが作成してＲＡＭに記憶しても良い。サポート部に関しては、高密度サポート部３１と低密度サポート部３２のそれぞれのスライスデータを作成する。高密度サポート部３１と低密度サポート部３２のスライスデータを準備することにより、制御部１１２は照射光学系や水平移動機構１０５の動作を適宜変更することが可能になり、異なる密度を有する焼結部を所定形状で形成することが可能になる。
次に、三次元造形装置１に、プレート１０２を位置決め固定する。図２の工程Ｓ４である。
次に、三次元造形装置１は、プレート１０２の上にサポート部を形成する。図２の工程Ｓ５である。図４（ａ）は、三次元造形装置がサポート部を形成する状況を模式的に示した断面図である。図１を用いて説明したように、三次元造形装置１は、１層分の原料粉末を堆積させてレーザ光をスライスデータに従って照射することで１層の焼結部を形成する。図４では図示の便宜のため模式的に示したが、実際の原料粉末は粒径が数μｍから数十μｍと細かく、粉末層は１層の厚さが数十μｍ程度の薄い層であり、たとえば２．５２ｍｍの高さのサポート部を形成するには、非常に多くの層が積層される。
各層を形成する際に、制御部１１２はレーザ光を照射するエネルギ密度をスライスデータに従って適宜変更することで、高密度サポート部３１と低密度サポート部３２を形成してゆく。すなわち、制御部１１２は、水平移動機構１０５、レーザ光源１０９、スキャナ１１０、集光レンズ１１１に指令を送り、粉末層に照射するレーザ光のエネルギ密度を変更して、高密度サポート部３１または低密度サポート部３２を形成する。
サポート部の形成が完了したら、三次元造形装置１は、サポート部の上に物品に対応する部分である造形部３０を形成する。図２の工程Ｓ６である。図４（ｂ）は、三次元造形装置が造形部を形成する状況を模式的に示した断面図である。造形部３０を形成する際には、密度がバルク材料の密度の９９．５％〜９９．９％になるよう、粉末層に照射するレーザ光のエネルギ密度を十分大きくして、焼結部中の空隙をなるべく小さくして造形部の強度を大きくする。
造形部の形成が完了したら、三次元造形装置１からプレート１０２を取り外す。図２の工程Ｓ７である。取り外されたプレート１０２には、図５（ａ）に示すように高密度サポート部３１、低密度サポート部３２、造形部３０が一体となって固着している。
次に、サポート部と造形部が固着したプレート１０２を、熱処理装置に移動させ、造形物に蓄積している内部応力を熱処理によって緩和させる。図２の工程Ｓ８である。
粉末焼結法で三次元造形する際には、温度が高い状態で焼結が行われるが、造形終了後に温度が下がることにより、造形物は寸法変化する。この寸法変化の影響は、造形物に蓄積している内部応力を熱処理によって緩和する事により軽減できる。
そこで、本実施形態では、完成した物品をサポート部を介してプレートに固定したままアニール（熱処理）することにより、形態を保ったまま応力を緩和させる。例えば材料が鉄系の場合、ひずみ取り焼なましとして、摂氏５００度程度から徐々に冷却する処理を行う。尚、造形物が寸法変化するとしても、当該物品の仕様上問題ない範囲である場合は、この熱処理工程は省略することも可能である。
次に、造形部３０とサポート部を分離する。図２の工程Ｓ９である。本実施形態では、造形部の底面の大部分が低密度サポート部３２と固着している。先に述べたように、低密度サポート部３２は、その脆性のため、機械的強度が高い造形部３０からの分離が容易である。たとえば、図５（ａ）に示す適度の衝撃力Ｆを造形部に印加することにより、点線Ｓに沿って容易に破断させることができる。もちろん、造形部を保持して、サポート部に衝撃力Ｆを印加して分離しても差し支えない。あるいは、脆性な低密度サポート部３２を、ワイヤカッタ等の切断具を用いて点線Ｓに沿って切断してもよい。
分離した造形部３０すなわち物品に付着した残留物を除去する。図２の工程Ｓ１０である。図５（ｂ）に示すように、サンドブラスト等のブラスト加工Ｃを付与して物品の底面に仕上げ加工を行うことにより、図５（ｃ）に示す完成物品を得る。尚、本実施形態では、工程Ｓ９で分離した際に、物品にほとんど残留物が付着しない場合もあるので、その際には工程Ｓ１０を省略しても差し支えない。
本実施形態によれば、サポート部を錐形状の高密度サポート部と低密度サポート部で構成し、造形部の底面の大部分が低密度サポート部と当接するようにして造形した。また、高密度サポート部が造形部と当接する面積を、プレートと当接する面積よりも小さくした。前記その結果、造形部をサポート部から極めて容易に分離することができた。また、分離後に物品に付着していたサポート部由来の残留物があったとしても少量なので、除去するのは極めて容易であった。
尚、第一の実施形態では、錐形状の高密度サポート部と低密度サポート部を組み合わせて用いたが、断面が三角形になる形態であれば、円錐、角錐、あるいは一次元に延びる楔形であってもよい。また、頂部が鋭い点でなければならないとは限らず、場合によっては頂部がある程度の面積を有する台形状の形態であってもよい。
［第二の実施形態］
第一の実施形態が、錐形状の高密度サポート部と低密度サポート部を組み合わせて用いたのに対し、第二の実施形態では、柱状の高密度サポート部と、格子状の低密度サポート部を組み合わせて用いる点が異なる。本実施形態においても図２のフローチャートに従って物品を形成する。
図６（ａ）は、第二の実施形態のサポート部と造形部を、図１で説明した三次元造形装置１が形成している状況を模式的に示す図である。図１と同一の部分には同一番号を付し、説明を省略する。６０は、形成する物品に対応した三次元造形物すなわち造形部で、６１は高密度サポート部、６２は低密度サポート部である。
また、図６（ｂ）は、高密度サポート部６１と低密度サポート部６２の形態の理解を容易にするため、サポート部を上から見た平面形状を示した模式的な平面図である。
図６（ａ）および図６（ｂ）に示されるように、本実施形態では、高密度サポート部６１は、複数の直方体形状をした柱状構造を有している。そして、高密度サポート部６１を取り囲むように、格子状の低密度サポート部６２が配されている。柱状の高密度サポート部６１を、平面的に見たとき均一になるよう分散配置したことにより、造形物６０を形成する際にプレート１０２に効果的に熱を逃がすとともに、応力ひずみが偏在しないようにすることができる。また、高密度サポート部の各々の柱は、造形物６０と当接する面積は小さいので、図２の工程Ｓ９で造形部とサポート部を分離する際に、各柱を容易に分離することができる。
造形部とサポート部を分離する作業をさらに容易にするため、本実施形態では、高密度サポート部６１と低密度サポート部６２が造形物６０と当接する面積のうち、低密度サポート部６２が当接する部分が占める割合を規定した。すなわち、高密度サポート部６１と低密度サポート部６２が造形物６０と当接する面積のうち、低密度サポート部６２が当接する部分が４０％以上になるようにするのがよい。そこで、図６（ｂ）の例においては、高密度サポート部６１と低密度サポート部６２が造形物６０と当接する面積のうち、低密度サポート部６２が当接する部分が約７０％を占める形状とした。
本実施形態によれば、サポート部を柱状の高密度サポート部と格子状の低密度サポート部で構成し、造形部の底面の４０％以上が低密度サポート部と当接するようにして造形した。その結果、造形部をサポート部から極めて容易に分離することができた。また、分離後に物品に付着していたサポート部由来の残留物を除去するのも、きわめて容易であった。
［第三の実施形態］
第一の実施形態が、錐形状の高密度サポート部と低密度サポート部を組み合わせて用いたのに対し、第三の実施形態では、低密度サポート部のみで造形部を支持する点が異なる。本実施形態においても図２のフローチャートに従って物品を形成する。
図７（ａ）は、第三の実施形態のサポート部と造形部を、図１で説明した三次元造形装置１が形成している状況を模式的に示す図である。図１と同一の部分には同一番号を付し、説明を省略する。７０は形成する物品に対応した造形部で、７２は低密度サポート部である。
本実施形態では、造形部７０を形成する焼結体の密度を基準にすれば、サポート部は全て密度が９０％以下の低密度の焼結体で形成されている。本実施形態は、造形部７０のサイズが小さな場合に特に有効で、図２の工程Ｓ２におけるサポート部の設計工程が簡易になる。
本実施形態によれば、サポート部を全て低密度サポート部７２で構成した。その結果、造形部をサポート部から極めて容易に分離することができた。また、分離後に物品に付着していたサポート部由来の残留物を除去するのも、きわめて容易であった。
［第四の実施形態］
第一の実施形態が、錐形状の高密度サポート部と低密度サポート部を組み合わせて用いたのに対し、第四の実施形態では、高密度サポート部の上に低密度サポート部を積層して造形部を支持する点が異なる。本実施形態においても図２のフローチャートに従って物品を形成する。
図７（ｂ）は、第四の実施形態のサポート部と造形部を、図１で説明した三次元造形装置１が形成している状況を模式的に示す図である。図１と同一の部分には同一番号を付し、説明を省略する。７０は形成する物品に対応した造形部で、７１は高密度サポート部、７２は低密度サポート部である。
本実施形態は、造形部７０のサイズが小さな場合に特に有効で、図２の工程Ｓ２におけるサポート部の設計工程が簡易になる。
本実施形態によれば、高密度サポート部の上に低密度サポート部を積層してサポート部を構成した。その結果、造形部をサポート部から極めて容易に分離することができた。また、分離後に物品に付着していたサポート部由来の残留物を除去するのも、きわめて容易であった。
［第五の実施形態］
第一の実施形態が、錐形状の高密度サポート部と低密度サポート部を組み合わせて用いたのに対し、第五の実施形態では、筋交い状の高密度サポート部と、筋交い間の空間を埋める低密度サポート部を組み合わせて用いる点が異なる。本実施形態においても図２のフローチャートに従って物品を形成する。
図８（ａ）は、第五の実施形態のサポート部と造形部を、図１で説明した三次元造形装置１が形成している状況を模式的に示す図である。図１と同一の部分には同一番号を付し、説明を省略する。８０は、形成する物品に対応した造形部で、８１は高密度サポート部、８２は低密度サポート部である。
また、図８（ｂ）は、高密度サポート部８１と低密度サポート部８２の形態の理解を容易にするため、サポート部を形成している際の平面形状を示した模式的な平面図である。
図８（ａ）および図８（ｂ）に示されるように、本実施形態では、高密度サポート部８１は、筋交い構造を有している。そして、高密度サポート部８１の間を埋めるように低密度サポート部８２が配されている。筋交い状の高密度サポート部８１を、平面的に見て均一に分散配置したことにより、造形部８０を形成する際にプレート１０２に効果的に熱を逃がすとともに、応力ひずみが偏在しないようにすることができる。本実施形態は、サポート部の構造強度が強く、プレート１０２への熱伝導も良好であるため、造形部８０のサイズが比較的大きな場合に適する。
本実施形態によれば、筋交い状の高密度サポート部と、その間を埋める低密度サポート部を組み合わせてサポート部を構成した。その結果、比較的大きな造形部を高い形状精度で作成でき、サポート部から極めて容易に分離することができた。また、分離後に物品に付着していたサポート部由来の残留物を除去するのも、きわめて容易であった。
［第六の実施形態］
第一の実施形態が、錐形状の高密度サポート部と低密度サポート部を組み合わせて用いたのに対し、第六の実施形態では、高密度サポート部と、２層構造の低密度サポート部を組み合わせて用いる点が異なる。本実施形態においても図２のフローチャートに従って物品を形成する。
図９は、第六の実施形態のサポート部と造形部を、図１で説明した三次元造形装置１が形成している状況を模式的に示す図である。図１と同一の部分には同一番号を付し、説明を省略する。９０は、形成する物品に対応した造形部で、９１は高密度サポート部、９２Ａは上部低密度サポート部、９２Ｂは下部低密度サポート部である。
本実施形態においても、高密度サポート部９１は、造形部９０を形成する焼結体の密度を基準にすれば、密度が９０％を超え１００％以下の焼結体で形成される。上部低密度サポート部９２Ａおよび下部低密度サポート部９２Ｂは、造形部９０を形成する焼結体の密度を基準にすれば、密度が６０％以上でかつ８０％以下の焼結体で形成される。ただし、本実施形態においては、上部低密度サポート部９２Ａの密度は、下部低密度サポート部９２Ｂの密度よりも小さくする。その結果、造形部をサポート部から極めて容易に分離することができた。また、分離後に物品に付着していたサポート部由来の残留物を除去するのも、きわめて容易であった。
［第七の実施形態］
第一〜第六の実施形態が、形成しようとする物品の最下面のみに対してサポート部を設けていたのに対し、第七の実施形態では、物品のオーバーハング部の下面にも形成する点が異なる。本実施形態においても図２のフローチャートに従って物品を形成する。
図１０は、第七の実施形態のサポート部と造形部の形状を模式的に示す図である。１９０は、形成する物品に対応した造形部で、図中の右側にオーバーハングした部分を含んでいる。１９１は造形部１９０の最下面を支持する高密度サポート部、１９２は造形部１９０の最下面を支持する低密度サポート部である。また、１９１Ｂは、造形部１９０のオーバーハング部の下面を支持する高密度サポート部である。また、高密度サポート部１９１Ｂの上には、造形部１９０のオーバーハング部と当接する高密度サポート部１９１Ａと低密度サポート部１９２Ａが設けられている。
本実施形態によれば、オーバーハング部を含む複雑な形状の物品を形成する場合であっても、底面およびオーバーハング部の下面を支持するサポート部に低密度の焼結体を配する。これにより、造形部をサポート部から極めて容易に分離することができた。また、分離後に物品に付着していたサポート部由来の残留物を除去するのも、きわめて容易であった。
［他の実施形態］
本発明の実施形態は、上述した第一〜第七の実施形態に限られるものではなく、適宜変更したり、組み合わせたりすることが可能である。たとえば、上記実施形態では、主走査を行うスキャナと副走査を行う水平移動機構を用いて、レーザ光を粉末層に対して二次元走査していたが、この方式に限らない。造形テーブルは移動させずに、２軸または３軸のガルバノスキャナを用いてレーザ光を二次元走査する構成あってもよい。また、堆積した原料粉末を加熱する光源として、上記実施形態ではレーザ光源を用いたが、照射エネルギ密度の制御や、照射光の走査ができるものであれば、用いる光は必ずしもレーザ光でなくてもよい。たとえば、高輝度ランプ、シャッタ、可変焦点レンズ、走査ミラー等の光学要素を組み合わせた照射光学系を用いることも、場合によっては可能である。
次に、実施例を示す。実施例１〜実施例１６について、サポート部の構造、各部の作成条件、評価結果、等をまとめて、表１〜表３に示す。評価結果に関しては、実用性に鑑みて４段階の評価尺度を用い、優は◎、良は○、可は△、不可は×、として結果を表に記載した。尚、各実施例において、不可の評価項目は無かった。
評価結果の項目の中で、反りとは、物品に対応した造形部の形状精度の評価である。サポート部の支持強度が不足していると、造形部が変形して形状精度が不十分となることに対する評価である。具体的には、造形部にそりがないかを寸法を測定し、そりが０．０５ｍｍ以下なら◎、０．１ｍｍ以下なら○、０．３ｍｍ以下なら△、０．５ｍｍ以上なら×とした。
また、面粗さとは、サポート部を通じたプレートへの放熱が不足すると、物品に対応した造形部が過熱して変形し、表面の平坦性が損なわれることに対する評価である。造形部の表面粗さを測定し、最大高さＲzが、５０μｍ以下なら◎、１００μｍ以下なら○、３００μｍ以下なら△、５００μｍ以上なら×とした。
また、分離容易性とは、衝撃力あるいはカッタを用いて、物品に対応した三次元造形部とサポート部を分離する際の容易性の評価である。具体的には、サポート部に工具で所定の衝撃を与えることで、サポート部と三次元造形部の分離を行い、分離するのに要する衝撃強度および衝撃付与回数の多少で分離作業の容易さを評価した。分離に伴い物品側に損傷が生ずる場合は、×とした。
また、焼結部の密度に関しては、形成物を機械加工して試料を切り出し、断面を顕微鏡で観察し、画像処理により充填率を算出する手法で測定した。場合によっては、試料を切り出してアルキメデス法で計測してもよい。表では、物品に対応する三次元造形部の密度を基準にして、サポート部の各部の密度を％で表示している。
実施例１〜実施例１６では、実施例９を除き、造形材料として平均粒径１８μｍのＳＵＳ６３０の粉末を用いた。実施例９は、造形材料として平均粒径５０μｍのナイロン１２の粉末を用いた。ＳＵＳ６３０の粉末を用いた全ての実施例では、光源としてファイバレーザを用い、温度が摂氏３０度の雰囲気下で焼結を行った。ナイロン１２を用いた実施例９では、雰囲気温度は摂氏１５０度とし、光源にＣＯ２レーザを用いた。
実施例１〜実施例９は、サポート層の厚さを２.５２ｍｍとし、図６で説明した柱状の高密度サポート部を備えたサポート構造を用いて物品を作成した例である。また、実施例１０は、図３で説明した錐状の高密度サポート部を備えたサポート構造を用いて物品を作成した例である。また、実施例１１は、図８で説明した筋交い状の高密度サポート部を備えたサポート構造を用いて物品を作成した例である。また、実施例１１〜実施例１６は、図９で説明した高密度サポート部、上部低密度サポート部、下部低密度サポート部を備えたサポート構造を用いて物品を作成した例である。
柱状の高密度サポート部と、格子状の低密度サポート部を用いた実施例１〜実施例９は、実用上良好であるという評価結果を得た。実施例１〜実施例８のような金属材料でも、実施例９のような樹脂材料でも、良好であった。
実施例１０は、高密度サポート部を錘形状で構成したため、造形部に接続する面積が極めて小さくなっている。一方、低密度サポート部が造形部に接続する面積が大きいため、分離容易性が極めて優れていた。
実施例１１は高密度サポート部を筋かい形状で構成することで、冷却効率が向上し過昇温による造形部の表面形状変化を抑制する効果が大きく、面粗さが小さかった。さらに、サポート部の剛性が向上したことにより、造形部の変形を抑制する効果が大きく、反りが小さかった。
実施例１２〜実施例１６は、サポート部に３種類の密度の部分を採用している。上部低密度サポート部の密度を特に小さくした実施例１２〜実施例１５は、分離容易性が非常に優れていた。
Figure 2021130877
Figure 2021130877
Figure 2021130877
１・・・三次元造形装置／１０１・・・造形テーブル／１０２・・・プレート／１０３・・・ピン／１０５・・・水平移動機構／１０６・・・垂直移動機構／１０７・・・粉末堆積装置／１０８・・・移動ガイド／１０９・・・レーザ光源／１１０・・・スキャナ／１１１・・・集光レンズ／１１２・・・制御部／１１３・・・原料粉末の層／１１４・・・焼結部／３０・・・造形部（物品）／３１・・・高密度サポート部／３２・・・低密度サポート部／Ｆ・・・衝撃力／Ｓ・・・切断線／Ｃ・・・ブラスト加工
本発明は、プレートの上の原料粉末に光を照射して、サポート部を形成する工程と、前記サポート部の上の原料粉末に光を照射して、三次元造形物を形成する工程と、を有する三次元造形物の製造方法であって、前記サポート部を形成する工程は、前記三次元造形物を形成する工程で形成する三次元造形物と比較して密度が小さい低密度サポート部と、前記低密度サポート部より密度が高い高密度サポート部を、隣接して形成する工程を含み、前記高密度サポート部および前記低密度サポート部は、前記三次元造形物と当接している、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法である。
また、本発明は、光源を含む照射光学系と、制御部と、を有する三次元造形装置において、前記制御部は、前記照射光学系に光を照射させて、サポート部を形成する処理と、前記照射光学系に光を照射させて、前記サポート部の上に三次元造形部を形成する処理と、を実行し、前記サポート部を形成する処理は、粉末に前記光を照射して、三次元造形物を形成する処理で形成する三次元造形物と比較して密度が小さい低密度サポート部と、前記低密度サポート部より密度が高い高密度サポート部を、隣接してプレートの上に形成する工程を含み、前記サポート部の上に三次元造形部を形成する処理は、前記低密度サポート部および前記高密度サポート部に当接するように前記三次元造形物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。
実施形態の三次元造形装置を示す模式的な断面図。 実施形態の三次元造形方法のフローチャート。 第一の実施形態のサポート部と造形部を示す模式的な断面図。 （ａ）第一の実施形態のサポート部の形成を示す模式図。（ｂ）第一の実施形態の造形部の形成を示す模式図。 （ａ）第一の実施形態の取り外したプレートを示す模式図。（ｂ）第一の実施形態の物品からの残留物除去を示す模式図。（ｃ）完成した物品を示す模式図。 （ａ）第二の実施形態の造形工程を示す模式図。（ｂ）第二の実施形態のサポート部の平面形状を示す模式図。 （ａ）第一の参考形態の造形工程を示す模式図。（ｂ）第二の参考形態の造形工程を示す模式図。 （ａ）第五の実施形態の造形工程を示す模式図。（ｂ）第五の実施形態のサポート部の平面形状を示す模式図。 第六の実施形態の造形工程を示す模式図。 第七の実施形態のサポート部と造形部を示す模式的な断面図。
［第一の参考形態］
第一の実施形態が、錐形状の高密度サポート部と低密度サポート部を組み合わせて用いたのに対し、本参考形態では、低密度サポート部のみで造形部を支持する点が異なる。本実施形態においても図２のフローチャートに従って物品を形成する。
図７（ａ）は、本参考形態のサポート部と造形部を、図１で説明した三次元造形装置１が形成している状況を模式的に示す図である。図１と同一の部分には同一番号を付し、説明を省略する。７０は形成する物品に対応した造形部で、７２は低密度サポート部である。
本参考形態では、造形部７０を形成する焼結体の密度を基準にすれば、サポート部は全て密度が９０％以下の低密度の焼結体で形成されている。本参考形態は、造形部７０のサイズが小さな場合に特に有効で、図２の工程Ｓ２におけるサポート部の設計工程が簡易になる。
本参考形態によれば、サポート部を全て低密度サポート部７２で構成した。その結果、造形部をサポート部から極めて容易に分離することができた。また、分離後に物品に付着していたサポート部由来の残留物を除去するのも、きわめて容易であった。
［第二の参考形態］
第一の実施形態が、錐形状の高密度サポート部と低密度サポート部を組み合わせて用いたのに対し、本参考形態では、高密度サポート部の上に低密度サポート部を積層して造形部を支持する点が異なる。本参考形態においても図２のフローチャートに従って物品を形成する。
図７（ｂ）は、本参考形態のサポート部と造形部を、図１で説明した三次元造形装置１が形成している状況を模式的に示す図である。図１と同一の部分には同一番号を付し、説明を省略する。７０は形成する物品に対応した造形部で、７１は高密度サポート部、７２は低密度サポート部である。
本参考形態は、造形部７０のサイズが小さな場合に特に有効で、図２の工程Ｓ２におけるサポート部の設計工程が簡易になる。
本参考形態によれば、高密度サポート部の上に低密度サポート部を積層してサポート部を構成した。その結果、造形部をサポート部から極めて容易に分離することができた。また、分離後に物品に付着していたサポート部由来の残留物を除去するのも、きわめて容易であった。

Claims (9)

  1. 三次元造形装置にプレートを装着する工程と、
    前記プレートの上に原料粉末を堆積し、光を照射して、サポート部を形成する工程と、
    前記サポート部の上に原料粉末を堆積し、光を照射して、三次元造形物を形成する工程と、
    前記三次元造形物と前記サポート部を分離する工程と、
    を有する三次元造形物の製造方法であって、
    前記サポート部を形成する工程は、
    前記原料粉末を堆積させた後、前記光を照射して、前記三次元造形物を形成する工程で形成する三次元造形物と比較して密度が小さい低密度サポート部と、前記低密度サポート部より密度が高い高密度サポート部を前記低密度サポート部と隣接して形成する工程を含み、
    前記高密度サポート部は、前記三次元造形物と当接する面積が前記プレートと当接する面積よりも小さい、
    ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
  2. 前記サポート部を形成する工程において照射する光のエネルギ密度を、前記三次元造形物を形成する工程において照射する光のエネルギ密度よりも小さくする、
    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。
  3. 前記サポート部を形成する工程において堆積する原料粉末の充填率を、前記三次元造形物を形成する工程において堆積する原料粉末の充填率よりも小さくする、
    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。
  4. 前記サポート部を形成する工程において形成する前記低密度サポート部の密度は、前記三次元造形物を形成する工程において形成する前記三次元造形物の密度の６０％以上で８０％以下である、
    ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
  5. 前記三次元造形物を形成する工程において、前記三次元造形物が前記サポート部と接する面積のうち４０％以上が前記低密度サポート部と接するように前記三次元造形物を形成する、
    ことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
  6. 前記サポート部を形成する工程において、錐形状の前記高密度サポート部を形成する、
    ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
  7. 前記サポート部を形成する工程において、台形状の前記高密度サポート部を形成する、
    ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
  8. 前記三次元造形物の形状データを準備する工程と、
    前記高密度サポート部および前記低密度サポート部の形状データを準備する工程と、を有する、
    ことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
  9. 光源を含む照射光学系と、
    造形材料の粉末を堆積させる粉末堆積装置と、
    制御部と、を有する三次元造形装置において、
    前記制御部は、
    前記粉末堆積装置に造形材料の粉末を堆積させる処理と、
    前記照射光学系に光を照射させて、サポート部を形成する処理と、
    前記照射光学系に光を照射させて、前記サポート部の上に三次元造形部を形成する処理と、を実行するが、
    前記サポート部を形成する処理は、
    前記粉末を堆積させた後、前記光を照射して、三次元造形物を形成する処理で形成する三次元造形物と比較して密度が小さい低密度サポート部と、前記低密度サポート部より密度が高い高密度サポート部を前記低密度サポート部と隣接してプレートの上に形成する工程を含み、
    前記高密度サポート部は、前記三次元造形物と当接する面積が前記プレートと当接する面積よりも小さい処理である、
    ことを特徴とする三次元造形装置。
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