JP2023083048A - 積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層造形中におけるサポート部の崩壊を抑えつつ、サポート部によってオーバーハング部を十分に支持し、造形後にサポート部を容易に除去することが可能な積層造形物を製造すること。【解決手段】造形部１３に金属粉末２３の層を形成する粉末敷設工程と、造形部１３に敷設された金属粉末２３を選択的に溶融接合させる溶融接合工程と、を繰り返し、溶融結合体２５を順次に積層してオーバーハング部３１を有する積層造形物３０を造形する積層造形方法であって、溶融接合工程において、薄板状の複数のサポート片４１Ａ，４１Ｂからなる立体構造のサポート部４０を形成するとともに、積層方向Ｌに直交する面におけるサポート部４０の外縁部分にサポート片４１Ａ，４１Ｂの端部を連結する連結壁４３を形成し、連結壁４３を有するサポート部４０によってオーバーハング部３１を支持する。【選択図】図４

Description

本発明は、積層造形方法に関する。

金属粉末を用いて積層造形物を製造する積層造形方法が知られている。この積層造形方法には、粉末床溶融結合（Powder bed fusion）が採用された代表的なものとして、電子ビームを用いて粉末を溶融させる電子ビーム溶融法（ＥＢＭ：Electron Beam Melting）と、レーザ光を用いて粉末を溶融させるレーザ溶融法（ＳＬＭ：Selective Laser Melting）とが挙げられる。

このような粉末床溶融結合方式による積層造形方法では、下方に成形層が形成されていないオーバーハング部を備える積層造形物を造形する場合に、オーバーハング部が重力等によって変形しないように、オーバーハング部を下方から支持するサポート部が必要となる。

特許文献１には、サポート部を菱形の格子状に造形し、積層造形物の造形後におけるサポート部の除去性能を向上させることが記載されている。

特開２０１８－１３５５４８号公報（段落［００４５］）

ところで、オーバーハング部を支持するサポート部としては、全体の熱変形を抑えつつオーバーハング部を良好に支持し、造形後に容易に除去できることが要求される。

特許文献１に記載のサポート部では、菱形の格子状に造形することにより、除去性能を向上させることが可能であるが、造形中に受ける外力によって崩壊するおそれがある。例えば、造形部に金属粉末の薄層を形成するリコータが移動する際に、このリコータから受ける外力によって崩壊してしまうおそれがある。

そこで本発明は、積層造形中におけるサポート部の崩壊を抑えつつ、サポート部によってオーバーハング部を十分に支持し、造形後にサポート部を容易に除去することが可能な積層造形方法を提供することを目的とする。

本発明は下記構成からなる。
造形部に金属粉末の層を形成する粉末敷設工程と、前記造形部に敷設された金属粉末を選択的に溶融接合させる溶融接合工程と、を繰り返し、溶融結合体を順次に積層してオーバーハング部を有する積層造形物を造形する積層造形方法であって、
前記溶融接合工程において、
薄板状または棒状の複数のサポート片からなる立体構造のサポート部を形成するとともに、積層方向に直交する面における前記サポート部の外縁部分の少なくとも一部に前記サポート片の端部を連結する連結壁を形成し、
前記連結壁を有する前記サポート部によって前記オーバーハング部を支持する、
積層造形方法。

本発明によれば、積層造形中におけるサポート部の崩壊を抑えつつ、サポート部によってオーバーハング部を十分に支持し、造形後にサポート部を容易に除去できる。

図１は、積層造形装置の概略構成図である。 図２は、積層造形物の製造工程を（Ａ）～（Ｆ）に示す工程説明図である。 図３は、オーバーハング部を有する積層造形物の概略形状を示す斜視図である。 図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線断面におけるサポート部を表す模式的な断面図である。 図５は、参考例に係るサポート部の積層方向に直交する方向の模式的な断面図である。 図６は、変形例１に係るサポート部の積層方向に直交する方向の模式的な断面図である。 図７は、変形例２に係るサポート部の積層方向に直交する方向の模式的な断面図である。 図８は、変形例３に係るサポート部の積層方向に直交する方向の模式的な断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
ここでは、粉末床溶融結合方式のレーザ溶融法による積層造形装置について説明するが、以下に示す積層造形装置の構成は一例であり、本発明はこれに限らない。

＜積層造形装置＞
図１は、積層造形装置の概略構成図である。
積層造形装置１００は、ハウジング１１に設けられた造形部１３と、パウダーポッド１５と、リコータ１７と、レーザ出力部１９とを備える。造形部１３は、ハウジング１１に形成されたスライド孔１１ａ内に昇降自在に配置されたベースプレート２１を有する。ベースプレート２１は、不図示の上下方向駆動機構によってスライド孔１１ａ内で昇降駆動される。ベースプレート２１は、ハウジング１１の上方からの平面視で長方形であり、その上面が平坦面にされている。

パウダーポッド１５は、ハウジング１１の上方に設けられ、金属粉末２３を貯留する。また、パウダーポッド１５は、金属粉末２３を下方に排出する不図示のノズルを有する。

リコータ１７は、ハウジング１１上に配置され、不図示の水平方向駆動機構によって、パウダーポッド１５の下方から造形部１３までの間を含む領域を、水平方向（矢印Ｓ方向：リコート方向ともいう）に移動自在となっている。リコータ１７は、水平移動方向に交差する方向（図１の奥行き方向）に延びる細長状であって、水平移動によってベースプレート２１の全面を走査可能な奥行き長さに形成される。リコータ１７は、パウダーポッド１５から装填された金属粉末２３を造形部１３に供給し、これにより、ベースプレート２１上に金属粉末２３の層を形成する。

レーザ出力部１９は、入力された３次元形状データに応じて、レーザ光ＬＢを造形部１３に向けて照射する。レーザ光ＬＢの走査軌跡は、造形する積層造形物の形状に応じて予め設定されており、レーザ出力部１９は、設定された走査軌跡に沿ってレーザ光ＬＢを走査する。レーザ光ＬＢは、金属粉末２３の溶融熱源であり、レーザ光ＬＢの照射領域内の金属粉末２３を選択的に溶融接合させ、溶融結合体２５を形成する。この溶融結合体２５を順次に積層することで積層造形物が得られる。

ここで、本明細書では、図１に示す上下方向をＺ方向、リコータ１７の移動方向をＸ方向、また、Ｘ方向及びＺ方向に直交する奥行き方向をＹ方向と定義する。なお、リコータ１７の移動方向は必ずしも水平方向に限らず、積層造形装置１００の構造等に応じて適宜設定される。

金属粉末２３としては、例えば、合金工具鋼材（ＳＫＤ）、アルミ、ステンレス鋼材、又はチタン等の粉末材料を用いることができる。

＜積層造形装置による基本的な造形手順＞
次に、上記構成の積層造形装置１００による積層造形物の基本的な造形手順を説明する。
図２は、積層造形物の製造工程を（Ａ）～（Ｆ）に示す工程説明図である。以下に説明する各工程の動作は、ＣＰＵ、メモリ、又はストレージ等を備えるコンピュータ装置からなる不図示の制御部からの指令により行われる。

まず、図２の（Ａ）に示すように、リコータ１７をパウダーポッド１５の下方に配置して、パウダーポッド１５から所定量の金属粉末２３をリコータ１７に供給する。そして、ベースプレート２１をΔｔだけ降下させ、ハウジング１１の上面とベースプレート２１の上面との間に厚さΔｔの段差を形成する。

次に、（Ｂ）に示すように、リコータ１７をパウダーポッド１５の下方から造形部１３に向けて移動させる。これにより、リコータ１７から金属粉末２３が流れ落ち、ベースプレート２１上に、金属粉末２３の薄層が敷設される（粉末敷設工程）。

その後、（Ｃ）に示すように、レーザ出力部１９が、ベースプレート２１上に敷設された薄層の金属粉末２３に向けてレーザ光ＬＢを照射する。レーザ光ＬＢは、目標形状の３次元形状データに応じて、薄層の金属粉末２３の所定の位置へ選択的に照射される。レーザ光ＬＢが照射された領域では、薄層の金属粉末２３が溶融して１層分の溶融結合体２５が形成される（溶融接合工程）。

さらに、（Ｄ）に示すように、ベースプレート２１を更にΔｔだけ降下させ、ハウジング１１の上面とベースプレート２１上の金属粉末２３の薄層との間に厚さΔｔの段差を形成する。そして、（Ｅ）に示すように、リコータ１７を移動先からパウダーポッド１５側に移動させ、段差内に金属粉末２３の薄層を形成する（リコート工程）。その後、（Ｆ）に示すように、形成された薄層に向けてレーザ出力部１９から３次元形状データに応じたレーザ光ＬＢを照射する（溶融接合工程）。

上記の金属粉末２３の敷設（粉末敷設工程）とレーザ光ＬＢの照射（溶融接合工程）とを繰り返し、造形部１３で溶融結合体２５を順次に積層することで、３次元形状データに応じた形状の積層造形物が得られる。

＜オーバーハング部を有する積層造形物の造形＞
図３は、オーバーハング部３１を有する積層造形物３０の概略形状を示す斜視図である。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線断面におけるサポート部を表す模式的な断面図である。
図３に示すように、粉末床溶融結合方式により、柱部３５に接続されるオーバーハング部３１を有した積層造形物３０を造形する場合がある。このような、オーバーハング部３１を有する積層造形物３０を造形するには、オーバーハング部３１の形状を崩さないように造形することが必要となる。ここでいうオーバーハングとは、積層方向に関して、上層が下層から張り出して形成された部分を指し、庇のように下層より上層が突き出た部分を意味する。

このため、オーバーハング部３１を有する積層造形物３０を造形する際には、オーバーハング部３１を下方から支持するサポート部４０（図３に点線で示す領域）を造形する。そして、造形したサポート部４０の上部にオーバーハング部３１を造形し、サポート部４０、柱部３５及びオーバーハング部３１が一体に設けられた積層造形物３０を造形する。その後、この積層造形物３０からサポート部４０を除去する。

図４に示すように、本例では、サポート部４０は、複数のサポート片４１Ａ，４１Ｂから立体的に形成されている。これらのサポート片４１Ａ，４１Ｂは、薄板状に形成されており、鉛直方向である積層方向Ｌ（図３参照）に沿って立設されている。サポート部４０では、積層方向Ｌに直交する面において、サポート片４１Ａ，４１Ｂが互いに直交するように交差した格子状に形成されている。

また、サポート部４０は、積層方向Ｌに直交する面において、外縁部分に連結壁４３が形成されている。図４においては、サポート部４０の外周に連結壁４３を形成した様子を示している。この連結壁４３は、サポート部４０の外縁が長方形状の壁部からなる。連結壁４３は、サポート部４０の全周にわたって設けられている。これにより、連結壁４３は、積層方向Ｌに直交する面において、環状に形成されており、この連結壁４３によってサポート片４１Ａ，４１Ｂの端部が連結されている。連結壁４３の肉厚は、条件に応じて任意に設定され、厚くするほど強度が向上する。

このような薄板状のサポート片４１Ａ，４１Ｂからなるサポート部４０を溶融接合工程で造形してオーバーハング部３１を造形すれば、全体の熱変形を抑えつつオーバーハング部３１を良好に支持でき、しかも、積層造形物３０の造形後に容易に除去することが可能である。

また、積層方向Ｌに直交する面において、サポート部４０の外縁部分に、サポート片４１Ａ，４１Ｂの端部を連結する連結壁４３を形成することにより、積層造形中におけるサポート部４０の崩壊を抑えることができる。

ここで、参考例に係るサポート部について説明する。
図５は、参考例に係るサポート部４０Ｒの積層方向Ｌに直交する方向の模式的な断面図である。
図５に示すように、参考例においても、サポート部４０Ｒは、薄板状に形成された複数のサポート片４１Ａ，４１Ｂから構成されている。これらのサポート片４１Ａ，４１Ｂも、鉛直方向である積層方向Ｌ（図３参照）に沿って立設されており、積層方向Ｌに直交する面において、互いに直交するように交差した格子状に形成されている。

このような薄板状のサポート片４１Ａ，４１Ｂからなる参考例に係るサポート部４０Ｒを溶融接合工程で造形してオーバーハング部３１を支持すれば、積層造形物３０の造形後に容易に除去することが可能である。

このように、参考例に係るサポート部４０Ｒでは、造形後における高い除去性能を有するが、例えば、粉末敷設工程におけるリコータ１７の移動時に、サポート片４１Ａ，４１Ｂの端部にリコータ１７からの外力が付与されて崩壊してしまうおそれがある。

これに対して、本構成の積層造形方法では、積層方向Ｌに直交する面において、サポート部４０の外縁部分に、サポート片４１Ａ，４１Ｂの端部を連結する連結壁４３を形成することにより、粉末敷設工程においてリコータ１７が移動しても、サポート部４０の崩壊を抑えることができる。つまり、サポート部４０を崩壊させることなく、サポート部４０によってオーバーハング部３１を十分に支持し、造形後にサポート部４０を容易に除去できる。

なお、上記構成例では、複数の薄板状のサポート片４１Ａ，４１Ｂから立体的なサポート部４０を形成する場合を例示したが、サポート片としては棒状であってもよく、例えば、複数の棒状のサポート片を鉛直方向及び水平方向に交差させて立体的なサポート部４０を形成してもよい。

次に、本構成の積層造形方法の変形例について説明する。
（変形例１）
図６は、変形例１に係るサポート部４０Ａの積層方向Ｌに直交する方向の模式的な断面図である。
図６に示すように、変形例１では、積層方向Ｌに直交する断面が楕円状の外形を有したサポート部材４０Ａを形成する。このサポート部４０Ａの外縁に沿って、幅（肉厚）を変化させた連結壁４３が設けられている。サポート部４０Ａの連結壁４３は、具体的には、リコータ１７の移動方向であるリコート方向Ｓと交差する部分を、リコート方向Ｓに沿う部分よりも幅広に形成する。

このようなサポート部４０Ａを形成すれば、特に連結壁４３におけるリコータ１７から外力が付与されるリコート方向Ｓと交差する部分を幅広とするので、このリコータ１７からの外力による崩壊を良好に抑えつつ、サポート部４０Ａによってオーバーハング部３１を十分に支持し、造形後にサポート部４０Ａをより容易に除去できる。これは、断面が楕円形状のサポート部材４０Ａのような場合、このサポート部４０Ａの外縁位置に応じて、リコータ１７からの力と連結壁４３との交差角が異なることから、この力の方向に対する剛性が異なり、結果、発生応力が異なることに起因する。すなわち、このような発生応力の違いを考慮して、それぞれの外縁位置で必要な連結壁４３の幅を、剛性（つまり、リコート方向Ｓと外縁との交差角）に応じて適切に形成しているため、サポート部４０Ａは、オーバーハング部３１を十分に支持し、造形後に容易に除去される。なお、図４に示すように、サポート部材４０の断面が矩形状である場合には、リコート方向Ｓと交差する外縁の辺（対向する２辺）を、他の２辺の外縁よりも幅広にすればよい。

（変形例２）
図７は、変形例２に係るサポート部４０Ｂの積層方向Ｌに直交する方向の模式的な断面図である。

図７に示すように、変形例２では、積層方向Ｌに直交する断面がＬ字状の外形を有したサポート部４０Ｂを形成する。そして、このサポート部４０Ｂでは、リコータ１７の移動方向であるリコート方向Ｓと交差する部分のみに直線状の連結壁４３を形成する。

このようなサポート部４０Ｂを形成すれば、リコータ１７から受ける外力によるサポート部４０Ｂの崩壊を連結壁４３で抑えつつ、サポート部４０Ｂによってオーバーハング部３１を十分に支持し、造形後にサポート部４０Ｂをより容易に除去できる。

なお、サポート部４０Ｂに形成する連結壁４３は、少なくともリコータ１７のリコート方向Ｓの後方側の縁部に形成すればよい。したがって、リコータ１７を一方向へ移動させて造形部１３に金属粉末２３を敷設し、その後、リコータ１７を上昇させてパウダーポッド１５の下方である他方向へ戻す場合では、一方向へ向かうリコート方向Ｓの後方側の縁部だけに連結壁４３を形成すればよい。

（変形例３）
図８は、変形例３に係るサポート部４０Ｃの積層方向Ｌに直交する方向の模式的な断面図である。

図８に示すように、変形例３では、積層方向Ｌに直交する断面が楕円状の外形を有したサポート部材４０Ｃを形成する。このサポート部材４０Ｃは、複数の分割連結壁４５からなる連結壁４３を有する。複数の分割連結壁４５は、サポート片４１Ａ，４１Ｂの端部に連結されてサポート部４０Ｃの外縁に沿って互いに隣接されている。

このようなサポート部４０Ｃを形成すれば、積層造形中におけるサポート部４０Ｃの崩壊を良好に抑えることができ、また、連結壁４３自体の強度が抑えられるので、造形後により容易に除去できる。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせること、及び明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 造形部に金属粉末の層を形成する粉末敷設工程と、前記造形部に敷設された金属粉末を選択的に溶融接合させる溶融接合工程と、を繰り返し、溶融結合体を順次に積層してオーバーハング部を有する積層造形物を造形する積層造形方法であって、
前記溶融接合工程において、
薄板状または棒状の複数のサポート片からなる立体構造のサポート部を形成するとともに、積層方向に直交する面における前記サポート部の外縁部分の少なくとも一部に前記サポート片の端部を連結する連結壁を形成し、
前記連結壁を有する前記サポート部によって前記オーバーハング部を支持する、積層造形方法。
この構成の積層造形方法によれば、オーバーハング部を支持するサポート部として、薄板状または棒状の複数のサポート片からなるサポート部によって前記オーバーハング部を支持する。このように、薄板状または棒状の複数のサポート片からなるサポート部は、全体の熱変形を抑えつつオーバーハング部を良好に支持し、造形後に容易に除去できる。
また、積層方向に直交する面において、サポート部の外縁部分の少なくとも一部に、サポート片の端部を連結する連結壁を形成することにより、積層造形中におけるサポート部の崩壊を抑えることができる。
このように、本構成によれば、サポート部を崩壊させることなく、サポート部によってオーバーハング部を十分に支持し、造形後にサポート部を容易に除去できる。

（２） 曲線状または直線状の前記連結壁を前記サポート部の外縁に沿って形成する、（１）に記載の積層造形方法。
この構成の積層造形方法によれば、サポート部の外縁に沿う曲線状または直線状の連結壁を形成することにより、積層造形中におけるサポート部の崩壊を良好に抑えることができる。

（３） 前記サポート片の端部に連結されて前記サポート部の外縁に沿って互いに隣接する複数の分割連結壁からなる前記連結壁を形成する、（１）または（２）に記載の積層造形方法。
この構成の積層造形方法によれば、サポート片の端部に形成されてサポート部の外縁に沿って互いに隣接する複数の分割連結壁からなる連結壁を形成することにより、積層造形中におけるサポート部の崩壊を良好に抑えることができる。また、連結壁自体の強度が抑えられるので、造形後により容易に除去できる。

（４） 前記粉末敷設工程において、前記造形部上でリコータを移動させて前記金属粉末の層を形成し、
前記溶融接合工程において、前記リコータの移動方向であるリコート方向と交差する部分が前記リコート方向に沿う部分よりも幅広な前記連結壁を前記サポート部の外縁部分に形成する、（１）～（３）のいずれか一つに記載の積層造形方法。
この構成の積層造形方法によれば、粉末敷設工程の際に移動するリコータから受ける力によるサポート部の崩壊を抑えつつ、サポート部によってオーバーハング部を十分に支持し、造形後にサポート部をより容易に除去できる。

（５） 前記粉末敷設工程において、前記造形部上でリコータを移動させて前記金属粉末の層を形成し、
前記溶融接合工程において、前記サポート部における前記リコータの移動方向であるリコート方向と交差する少なくとも前記リコート方向の後方側の縁部に前記連結壁を形成する、（１）～（３）のいずれか一つに記載の積層造形方法。
この構成の積層造形方法によれば、粉末敷設工程の際に移動するリコータから受ける力によるサポート部の崩壊を抑えつつ、サポート部によってオーバーハング部を十分に支持できる。また、少なくともサポート部におけるリコート方向の後方側の縁部に連結壁を形成するので、造形後にサポート部をより容易に除去できる。

１３ 造形部
１７ リコータ
２３ 金属粉末
２５ 溶融結合体
３０ 積層造形物
３１ オーバーハング部
４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ サポート部
４１Ａ，４１Ｂ サポート片
４３ 連結壁
４５ 分割連結壁
Ｌ 積層方向
Ｓ リコート方向

Claims (5)

1. 造形部に金属粉末の層を形成する粉末敷設工程と、前記造形部に敷設された金属粉末を選択的に溶融接合させる溶融接合工程と、を繰り返し、溶融結合体を順次に積層してオーバーハング部を有する積層造形物を造形する積層造形方法であって、
   前記溶融接合工程において、
   薄板状または棒状の複数のサポート片からなる立体構造のサポート部を形成するとともに、積層方向に直交する面における前記サポート部の外縁部分の少なくとも一部に前記サポート片の端部を連結する連結壁を形成し、
   前記連結壁を有する前記サポート部によって前記オーバーハング部を支持する、
   積層造形方法。
2. 曲線状または直線状の前記連結壁を前記サポート部の外縁に沿って形成する、
   請求項１に記載の積層造形方法。
3. 前記サポート片の端部に連結されて前記サポート部の外縁に沿って互いに隣接する複数の分割連結壁からなる前記連結壁を形成する、
   請求項１または請求項２に記載の積層造形方法。
4. 前記粉末敷設工程において、前記造形部上でリコータを移動させて前記金属粉末の層を形成し、
   前記溶融接合工程において、前記リコータの移動方向であるリコート方向と交差する部分が前記リコート方向に沿う部分よりも幅広な前記連結壁を前記サポート部の外縁部分に形成する、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の積層造形方法。
5. 前記粉末敷設工程において、前記造形部上でリコータを移動させて前記金属粉末の層を形成し、
   前記溶融接合工程において、前記サポート部における前記リコータの移動方向であるリコート方向と交差する少なくとも前記リコート方向の後方側の縁部に前記連結壁を形成する、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の積層造形方法。

Images