JP3405357B1 - 金属粉末焼結部品の製造方法 - Google Patents
金属粉末焼結部品の製造方法Info
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Abstract
確実に除去して、金属粉末焼結部品の表面を滑らかに仕
上げること。 【解決手段】 複数の焼結層Mを積層一体化する粉末焼
結工程の中に、焼結層Mの焼結加工後に所定の除去加工
領域Aで焼結層Mの表面部の表層及び不要部分を除去す
るための除去仕上加工をおこなう除去加工工程を複数回
挿入することにより三次元形状の金属粉末焼結部品1を
製造する方法である。焼結層Mの除去仕上加工時に、少
なくとも該焼結層Mの焼結加工時に生じた過剰焼結部分
M1が含まれるように、除去加工領域Aを設定する。
Description
質の金属粉末に光ビームを照射して焼結層(硬化層)を
形成し、複数の焼結層を積み重ねて所望の三次元形状の
金属粉末焼結部品を作成する途中で、その焼結層の表面
部の除去仕上加工を挿入するようにした金属粉末焼結部
品の製造方法に関するものである。
方法として特開2000−73108号が知られてい
る。この従来例では金属粉末の層の所定個所に光ビーム
を照射して焼結させることによって焼結層を形成し、こ
の焼結層の上に金属粉末の層を被覆すると共に、この金
属粉末の所定箇所に光ビームを照射して焼結させること
によって下側の焼結層と一体になった焼結層を形成し、
これを繰り返して複数の焼結層が積層一体化された三次
元形状の金属粉末焼結部品を作成する粉末焼結工程を備
えている。ここにおいて、図12(a)に示すように、
金属粉末焼結部品1の所望の形状よりも所定寸法だけ大
きくなるように焼結層Mを形成すると共に、図12
(b)に示すように、焼結層Mの形成後にボールエンド
ミル等の工具3を用いてそれまでに作成した焼結層Mの
表面部の表層及び不要部分を除去する除去加工工程を上
記焼結工程の中に挿入するようにしている。このように
粉末焼結工程の中に除去加工工程を挿入することによっ
て三次元形状の金属粉末焼結部品を製造している。なお
図12中のAは上側の焼結層Mの除去加工領域、Bは焼
結領域である。
程が完了した下側の焼結層Mの上に焼結層Mを焼結加工
する際に、所望の形状よりも所定寸法だけ大きくなるよ
うに光ビームLを照射して焼結させて上側の焼結層Mを
形成しているため、上側の焼結層Mの焼結加工時に、下
側の焼結層Mの除去仕上加工が完了した壁面周囲に余分
な金属粉末4が過剰焼結して、図12(c)のように、
つらら状に固化した過剰焼結部分M1が生じる。
領域Bとが同じ領域に設定されているため、その範囲の
みの加工パスでは工具3が過剰焼結部分M1まで到達し
なくなり、そのために図12(d)のように過剰焼結部
分M1が取り残されてしまい、金属粉末焼結部品1の表
面を滑らかに仕上げることができないという問題があっ
た。
発明したものであって、その目的とするところは、焼結
層の焼結加工時に生じた過剰焼結部分を確実に除去で
き、表面を滑らかに仕上げることができる金属粉末焼結
部品の製造方法を提供することにある。
に本発明にあっては、金属粉末4の層の所定個所に光ビ
ームLを照射して焼結させることによって焼結層Mを形
成し、この焼結層Mの上に金属粉末4の層を被覆すると
共に、この金属粉末4の所定箇所に光ビームLを照射し
て焼結させることによって下側の焼結層Mと一体になっ
た上側の焼結層Mを形成し、これを繰り返して複数の焼
結層Mが積層一体化された三次元形状の金属粉末焼結部
品1を作成する粉末焼結工程を備え、金属粉末焼結部品
1の所望の形状よりも所定寸法だけ大きくなるように焼
結層Mを形成すると共に、焼結層Mの形成後にそれまで
作成した焼結層Mの表面部の表層及び不要部分の除去仕
上加工をおこなう除去加工工程を上記粉末焼結工程の中
に複数回挿入することにより三次元形状の金属粉末焼結
部品1を製造する方法であって、上記焼結層Mの除去仕
上加工時に、少なくとも該焼結層Mの焼結加工時に生じ
た過剰焼結部分M1が含まれるように、除去加工領域A
を設定することを特徴としており、このように構成する
ことで、焼結層Mの焼結加工時に生じた過剰焼結部分M
1が例えば下側の焼結層Mの除去仕上加工が完了した壁
面周囲に固化した場合であっても、除去加工用の工具3
が過剰焼結部分M1まで到達することができ、過剰焼結
部分M1を除去できるようになる。
くとも過剰焼結部分M1が含まれるように除去加工領域
Aを焼結領域Bとは異ならせるのが好ましく、この場
合、過剰焼結部分M1を確実に除去できるようになる。
領域Bの上端B2よりも上方に位置し且つ除去加工領域
Aの下端A1が焼結領域Bの下端B1よりも下方に位置
して少なくとも過剰焼結部分M1が含まれるように、除
去加工領域Aを焼結領域Bよりも大きく設定するのが好
ましく、この場合、焼結領域Bの上方から除去仕上加工
をおこなう際には最初は焼結層Mが存在しないために工
具3は空転し、切り込み開始時から工具3による切込み
が徐々に進行することとなるため、切り込み開始時に工
具3に急激な切削抵抗がかからず、工具3の損傷等を防
ぐことができると共に、過剰焼結部分M1の除去も確実
におこなうことができる。
焼結層Mの焼結領域Bの上部B3を所定の量だけ残して
除去仕上加工をおこなうので、次層の焼結層Mを焼結加
工する際に前層の焼結層Mの上部B3が残されているた
めに、前層の焼結層Mの除去仕上加工が完了した壁面周
囲につらら状の過剰焼結部分M1が発生しなくなり、除
去仕上加工時に工具3の負担を軽減できる。
領域Bよりも少なくとも1つ以上、下の焼結領域を除去
加工領域Aとするのが好ましく、この場合、焼結領域B
と除去加工領域Aとのオーバーラップがなくなり、重複
して切削加工をしなくて済む。
状データから焼結レーザ照射経路と除去加工工具経路と
を作成するにあたって、少なくとも過剰焼結部分を含む
ように除去加工経路データを焼結レーザ経路データとは
異なる位置で分割するのが好ましい。
ザ経路データVよりも少なくとも過剰焼結部分M1を含
む範囲だけ下方に大きくなるように分割するのが好まし
い。
施形態に基づいて説明する。
焼結部分M1を工具3で除去する場合の一例を説明する
概念図であり、図2は金属粉末焼結部品1の造形装置の
説明図である。図2中の3はボールエンドミルなどの工
具、6は除去加工機構、7は光ビーム照射装置、8は光
ビーム偏向装置、10は加工領域である。図3は金属粉
末4の供給工程から粉末焼結工程、除去加工工程(高速
切削仕上げ)に至る説明図であり、図4はデータ生成部
11から加工部12に至る説明図である。
したい昇降テーブル2のベース5上に第1層目の無機質
または有機質の金属粉末4を所定の厚みΔtで被覆す
る。その後、図3(b)に示すように、硬化させたい箇
所に光ビームLを照射して粉末を焼結させ、ベース5
(2層目以降は焼結層M)と一体化させる。その後、上
記図3(a)と(b)の工程を繰り返すことによって、
複数の焼結層Mが積層一体化された所望の形状の金属粉
末焼結部品1が完成するまで繰り返す。この工程におい
て、金属粉末焼結部品1の所望の形状よりも所定寸法だ
け大きくなるように焼結層Mを形成すると共に、図3
(c)に示すように、焼結層Mの形成後にそれまでに作
成した焼結層Mの表面部の表層及び不要部分を除去する
ための除去仕上加工をおこなう除去加工工程を上記粉末
焼結工程の中に挿入する。ここで、金属粉末4として
は、例えば平均粒径約20μmの球形の鉄粉を用い、光
ビームLとしては、例えば炭酸ガスレーザを用い、積層
硬化させたい厚さとして、例えば0.05mmとする。
粉末を被覆する方法としては、例えば鉄製の平板ブレー
ド9を光ビーム照射範囲(造形領域)と平行に移動する
こととする。また、図3(c)に示す除去仕上加工にお
いては、小径(φ1mm)で、例えば有効な刃長が3m
mのボールエンドミルを使用する。このボールエンドミ
ルでは、深さ5mmまで加工可能なので、図3(c)の
除去仕上加工は、(加工可能な深さ)/(積層厚み)=
60層としたとき、各層毎におこなう。このボールエン
ドミルは、装置内に配置されたX−Yテーブルに設置さ
れる。平面方向(水平方向)にはX−Yテーブルを駆動
することによりボールエンドミルを移動し、Z軸方向
(上下方向)には、昇降テーブル2を昇降させることで
昇降テーブル2(ワーク)を移動させる。なおボールエ
ンドミルによる切削に限らず、フラットエンドミルを用
いたり、或いは研磨したり、ブラスト処理したりする機
械的手段でもよく、さらにレーザビームなどを照射する
加熱による熱的手段や、化学研磨などの科学的方法等、
任意の手段を採用することができる。
路は、図4に示すデータ生成部11において、あらかじ
め三次元CADデータから作成される。レーザ照射経路
は従来の造形方法と同様に、三次元CADモデルから生
成されたSTLデータを等ピッチ(この実施例では0.
05mm)でスライスした各断面の輪郭形状データを用
いる。一方、加工部12では、等高線加工を適用し、上
記と同じ三次元CADモデルから焼結レーザ経路データ
及び除去加工経路データを生成する。なお等高線加工経
路のZ軸方向ピッチは、レーザ焼結時の積層ピッチにこ
だわる必要はなく、緩い傾斜の場合はZ軸方向ピッチを
細かくして全表面が加工できるように補完する。
移行する。先ず図1(a)に示すように、昇降テーブル
2のベース5上に供給された金属粉末4の層の所定個所
に光ビームLを照射して焼結させることによって下側の
焼結層Mを形成する。次に図1(b)に示すように、下
側の焼結層Mの表面部の表層及び不要部分を除去する除
去仕上加工をおこなった後に、図1(c)に示すよう
に、除去仕上加工が完了した下側の焼結層Mの上に上側
の焼結層Mを焼結加工する。ここまでは従来と同様であ
る。本発明では、焼結層Mの除去仕上加工時に、少なく
とも焼結層Mの焼結加工時に焼結領域Bよりも下側に生
じた過剰焼結部分M1が含まれるように除去加工領域A
を設定するものである。ここで、焼結領域Bとは粉末焼
結工程を実施する範囲であり、除去加工領域Aとは除去
加工工程をおこなう範囲であり、図1(c)に示すよう
に、除去仕上加工が完了した下側の焼結層Mの壁面周囲
に余分な金属粉末4が過剰焼結して、つららのように固
化した状態となった場合を想定して、この過剰焼結部分
M1を除去できるように除去加工経路データUを作成す
る。
するときにその除去加工領域Aの中に少なくとも過剰焼
結部分M1の領域を含ませることによって、図1(d)
に示すように、ボールエンドミル等の工具3を焼結領域
Bよりも下側に生じた過剰焼結部分M1まで到達させる
ことができる。これにより、従来のように過剰焼結部分
M1が残らず除去される結果、金属粉末焼結部品1の表
面を滑らかに仕上げることができ、製品の高品質化を実
現できる。
加工領域幅AHとし且つ除去加工領域Aの下端A1を焼
結領域Bの下端B1よりも下方に設定し、オーバーラッ
プした領域a中に過剰焼結部分M1が含まれるようにし
ているので、焼結領域Bの下方に生じた過剰焼結部分M
1を確実に除去することができる。
ように、焼結領域幅BH=除去加工領域幅AHとし且つ
除去加工領域Aの下端A1に少なくとも過剰焼結部分M
1が含まれるように除去加工領域Aを焼結領域Bと異な
らせる(下方にずらせる)ようにしてもよい。なお図5
の例では除去仕上加工面はテーパー面Cとなっている
が、図1のような垂直面Dであってもよい。図5の例で
は、除去仕上加工を焼結領域Bの途中の高さから開始し
て、焼結領域Bの下端B1よりも下方に切り込むように
工具経路を設定している。これにより、焼結層Mの焼結
加工時に生じた過剰焼結部分M1を確実に除去できると
共に、図5(b)に示すように、上側の焼結層Mの焼結
領域Bの上部B3が除去仕上加工されないため、その上
に次層を焼結加工したときに、焼結領域Bの上部B3の
存在によって過剰焼結部分M1がつらら状に生じにくく
なり、これにより過剰焼結部分M1の発生量を減少させ
ることができる。なお、除去加工されない焼結領域Bの
上部B3は次層以降の除去仕上加工時に除去すればよ
い。
を作成するにあたり、焼結領域Bと除去加工領域Aとの
分割面Wを水平且つ平行に設定したが、必ずしもこれに
限らず、例えば図6に示すように、分割面Wを傾斜させ
てもよいものである。
うに、除去加工領域Aの上端A2が焼結領域Bの上端B
2よりも上方に位置し且つ除去加工領域Aの下端A1が
焼結領域Bの下端B1よりも下方に位置して少なくとも
過剰焼結部分M1が含まれるように、焼結領域幅BH<
除去加工領域幅AHとしてもよい。このように除去加工
領域Aの下端A1に少なくとも過剰焼結部分M1を含ま
せることで、図5の場合と同様、切り込み終期において
過剰焼結部分M1を確実に除去できるようになる。さら
に図7の例では除去加工領域Aの上端A2を焼結領域B
の上端B2よりも上方に設定しているので、上方から除
去仕上加工をおこなう際に最初は焼結層Mが存在しない
ために工具3は空回りし、やがて工具3による切込みが
徐々に進行することとなる。従って、切り込み開始時に
工具3に急激な切削抵抗がかからず、工具3の損傷等を
防ぐことができるという利点もある。
焼結層Mの焼結領域Bの上部B3を所定の量だけ残して
除去仕上加工をおこなう場合の一例を示している。基本
的には前記図5の場合と同様であるが、本例では焼結領
域幅BH=除去加工領域幅AHには限定されないもので
ある。先ず図8(a)に示すように、下側の焼結層M1
をその上部B3’だけ残して除去加工工程をおこない、
その後、次層の焼結層M2を焼結加工した後に、図8
(b)に示すように、次層の焼結層M2の上部B3を所
定量だけ残して除去加工工程をおこなう。さらに図8
(c)に示すように、次々層の焼結層M2を焼結加工し
ていく。このとき、次層の焼結層M2(M3)を焼結加
工する際に前層の焼結層M1(M2)の上部B3’(B
3)が残されているために、前層の焼結層M1(M2)
の除去仕上加工が完了した壁面周囲に過剰焼結部分がつ
らら状に発生することがなくなる。従って、除去仕上加
工時に工具3の負担を軽減でき、きわめて効率的とな
る。
とオーバーラップするように除去加工領域Aを設定して
いるが、これに限らず、図9に示すように、粉末焼結工
程を終えた焼結層Mの焼結領域Bよりも少なくとも1つ
以上、下の焼結領域を除去加工領域Aとしてもよい。図
9の例では、焼結層M2の焼結完了後には焼結領域Bの
除去仕上加工はおこなわず、次層の焼結層M3の焼結完
了後に1つ下の焼結層M2(或いは2つ下の焼結層M
1、或いは更に下の焼結層でもよい)の除去仕上加工を
おこなうものであり、これにより焼結領域Bと除去加工
領域Aとのオーバーラップがなくなり、重複して切削加
工をしなくても済むようになるため、きわめて効率的と
なる。
形状データから焼結レーザ照射経路と除去加工工具経路
とを作成するにあたって、予め、過剰焼結部分M1を含
むように除去加工経路データUを焼結レーザ経路データ
Vとは異なる位置(高さ、幅)で分割する場合の一例を
示している。具体的には図11に示すように、除去加工
経路データUを焼結レーザ経路データVよりも少なくと
も過剰焼結部分(図1、図5〜図7)を含む領域MUだ
け下方に大きくなるように分割している。しかして、除
去加工経路データUの下端に過剰焼結部分を含む領域M
Uを存在させることで過剰焼結部分を確実に除去できる
ようになる。なお、経路データの分割幅は図10、図1
1の例のように均等である必要はなく、三次元のモデル
の形状や使用する工具によって異なる幅で分割してもよ
いものである。
ては、焼結層の除去仕上加工時に、少なくとも該焼結層
の焼結加工時に生じた過剰焼結部分が含まれるように、
除去加工領域を設定するので、焼結層の焼結加工時に生
じた過剰焼結部分が焼結領域外部、例えば下側の焼結層
の除去仕上加工が完了した壁面周囲に固化した場合であ
っても、除去加工用の工具が過剰焼結部分まで到達する
ことができ、過剰焼結部分を除去することができる結
果、金属粉末焼結部品の表面を滑らかに仕上げることが
でき、製品の高品質化を実現できる。
の効果に加えて、上記除去加工領域の下端に少なくとも
過剰焼結部分が含まれるように除去加工領域を焼結領域
とは異ならせるので、過剰焼結部分を確実に除去するこ
とができる。
の効果に加えて、上記除去加工領域の上端が焼結領域の
上端よりも上方に位置し且つ除去加工領域の下端が焼結
領域の下端よりも下方に位置して少なくとも過剰焼結部
分が含まれるように、除去加工領域を焼結領域よりも大
きく設定するので、焼結領域の上方から除去仕上加工を
おこなう際には最初は焼結層が存在しないために工具は
空転し、切り込み開始時から工具による切込みが徐々に
進行することとなるため、切り込み開始時に工具に急激
な切削抵抗がかからず、工具の損傷等を防ぐことができ
ると共に、過剰焼結部分も確実に除去できるようにな
る。
の効果に加えて、上記焼結層の除去仕上加工時に、該焼
結層の焼結領域の上部を所定の量だけ残して除去仕上加
工をおこなうので、次層の焼結層を焼結加工する際に前
層の焼結層の上部が残されているために、前層の焼結層
の除去仕上加工が完了した壁面周囲につらら状の過剰焼
結部分が発生しなくなり、従って、除去仕上加工時に工
具の負担を軽減でき、きわめて効率的となる。
の効果に加えて、粉末焼結工程を終えた焼結層の焼結領
域よりも少なくとも1つ以上、下の焼結領域を除去加工
領域とするので、焼結領域と除去加工領域とのオーバー
ラップがなくなり、重複して切削加工をしなくて済むた
め、きわめて効率的となる。
請求項5のいずれかに記載の効果に加えて、上記金属粉
末焼結部品の三次元の形状データから焼結レーザ照射経
路と除去加工工具経路とを作成するにあたって、少なく
とも過剰焼結部分を含むように除去加工経路データを焼
結レーザ経路データとは異なる位置で分割するので、過
剰焼結部分を確実に除去できるようになる。
の効果に加えて、上記除去加工経路データを焼結レーザ
経路データよりも少なくとも過剰焼結部分を含む範囲だ
け下方に大きくなるように分割するので、除去仕上加工
時に過剰焼結部分を確実に除去できるようになる。
の焼結層の焼結加工時の説明図、(b)は下側の焼結層
の除去仕上加工時の説明図、(c)は上側の焼結層の焼
結加工時の説明図、(d)は上側の焼結層の除去仕上加
工時の説明図である。
に至る工程の説明図である。
程の説明図である。
である。
明図である。
明図である。
説明図である。
明図である。
成される除去加工経路データ、焼結レーザ経路データを
概念的に示す図である。
データの関係を示す概念図である。
加工時の説明図、(b)は下側の焼結層の除去仕上加工
時の説明図、(c)は上側の焼結層の焼結加工時の説明
図、(d)は上側の焼結層の除去仕上加工時の説明図で
ある。
Claims (7)
- 【請求項1】 金属粉末の層の所定個所に光ビームを照
射して焼結させることによって焼結層を形成し、この焼
結層の上に金属粉末の層を被覆すると共に、この金属粉
末の所定箇所に光ビームを照射して焼結させることによ
って下側の焼結層と一体になった焼結層を形成し、これ
を繰り返して複数の焼結層が積層一体化された三次元形
状の金属粉末焼結部品を作成する粉末焼結工程を備え、
金属粉末焼結部品の所望の形状よりも所定寸法だけ大き
くなるように焼結層を形成すると共に、焼結層の形成後
にそれまでに作成した焼結層の表面部の表層及び不要部
分の除去仕上加工をおこなう除去加工工程を上記粉末焼
結工程の中に複数回挿入することにより三次元形状の金
属粉末焼結部品を製造する方法であって、上記焼結層の
除去仕上加工時に、少なくとも該焼結層の焼結加工時に
生じた過剰焼結部分が含まれるように、除去加工領域を
設定することを特徴とする金属粉末焼結部品の製造方
法。 - 【請求項2】 上記除去加工領域の下端に少なくとも過
剰焼結部分が含まれるように除去加工領域を焼結領域と
は異ならせることを特徴とする請求項1記載の金属粉末
焼結部品の製造方法。 - 【請求項3】 上記除去加工領域の上端が焼結領域の上
端よりも上方に位置し且つ除去加工領域の下端が焼結領
域の下端よりも下方に位置して少なくとも過剰焼結部分
が含まれるように、除去加工領域を焼結領域よりも大き
く設定することを特徴とする請求項1記載の金属粉末焼
結部品の製造方法。 - 【請求項4】 上記焼結層の除去仕上加工時に、該焼結
層の焼結領域の上部を所定の量だけ残して除去仕上加工
をおこなうことを特徴とする請求項1記載の金属粉末焼
結部品の製造方法。 - 【請求項5】 粉末焼結工程を終えた焼結層の焼結領域
よりも少なくとも1つ以上、下の焼結領域を除去加工領
域とすることを特徴とする請求項4記載の金属粉末焼結
部品の製造方法。 - 【請求項6】 上記金属粉末焼結部品の三次元の形状デ
ータから焼結レーザ照射経路と除去加工工具経路とを作
成するにあたって、少なくとも過剰焼結部分を含むよう
に除去加工経路データを焼結レーザ経路データとは異な
る位置で分割することを特徴とする請求項1乃至請求項
5のいずれかに記載の金属粉末焼結部品の製造方法。 - 【請求項7】 除去加工経路データを焼結レーザ経路デ
ータよりも少なくとも過剰焼結部分を含む範囲だけ下方
に大きくなるように分割することを特徴とする請求項6
記載の金属粉末焼結部品の製造方法。
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