JP3697567B2 - 積層造形方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属粉末、合成樹脂粉末、セラミックス粉末等のレーザビームの照射により焼結しうる粉末を使用し、水平断面形状に角部を有する３次元造形物を製造する積層造形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
この種積層造形方法として、製造すべき３次元造形物を複数の異なるレベルで分割したと想定した場合の各分割部の平面形状および厚さを求めておき、レーザビームの照射により焼結しうる粉末からなる所定厚さの粉末層を形成し、この粉末層に、分割部の平面形状に合致するようにレーザビームを照射することにより、レーザビーム照射部分の粉末を焼結してこの分割部の平面形状および厚さに対応した固化層をつくるという操作を、製造すべき３次元造形物の下端側の分割部から上端側の分割部に向かって順次繰り返して行うことによって、複数の固化層からなる３次元造形物を形成する方法が知られている。
【０００３】
この積層造形方法を実施する装置の一例を図１１に示す。
【０００４】
図１１において、積層造形装置は、枠(1) と、枠(1) 内に上下動自在に配置されたベースプレート(2) と、枠(1) 内にレーザビームの照射により焼結しうる粉末を所定量ずつ供給する粉末散布装置(3) と、レーザ(4) と、偏向鏡(5) を有しかつレーザ(4) から発せられたレーザビーム(B) を偏向して枠(1) 内の任意の範囲に導く偏向装置(6) とを備えている。ベースプレート(2) を上下動させる駆動装置（図示略）、レーザ(4) および偏向装置(6) は、コンピュータを備えた制御装置(7) に接続されている。制御装置(7) には、たとえばＣＡＤシステムから製造すべき３次元造形物(D) を、図１２に示すように複数の異なるレベル(L1)〜(Ln-1)で分割したと想定した場合の各分割部(D1)〜(Dn)の平面形状および厚さに関するデータが取り込まれている。
【０００５】
このような装置を用いて３次元造形物(D) を積層造形する方法を、図１３を参照して説明する。
【０００６】
まず、制御装置(7) は、上記データに基づいてベースプレート(2) を上昇させるとともに、粉末散布装置(3) からベースプレート(2) 上に所定量の粉末を供給し、ベースプレート(2) 上に最下端の分割部(D1)を形成するのに必要な厚さの粉末層(P1)をつくる。ついで、制御装置(7) は、上記データに基づいて、レーザ(4) からレーザビーム(B) を発するとともに、偏向装置(6) により粉末層(P1)における分割部(D1)の平面形状に合致した範囲にレーザビーム(B) を照射し、レーザビーム照射部分の粉末を焼結してこの分割部(D1)の平面形状および厚さに対応した固化層(S1)をつくる（図１３(a) 参照）。ついで、制御装置(7) は、レーザビーム(B) の照射を停止し、ベースプレート(2) を所定距離下降させる。ついで、制御装置(7) は、粉末散布装置(3) からベースプレート(2) 上に所定量の粉末を供給し、先の固化層(S1)および粉末層(P1)上に下から２番目の分割部(D2)を形成するのに必要な厚さの粉末層(P2)をつくる。ついで、制御装置(7) は、上記データに基づいて、レーザ(4) からレーザビーム(B) を発するとともに、偏向装置(6) により粉末層(P2)における分割部(D2)の平面形状に合致した範囲にレーザビーム(B) を照射し、レーザビーム照射部分の粉末を焼結してこの分割部(D2)の平面形状および厚さに対応した固化層(S2)をつくるとともに、この固化層(S2)を先につくられた固化層(S1)に接合する（図１３(b) 参照）。このような操作を、３次元造形物(D) の最上端の分割部(Dn)まで順次繰り返して行うことによって、複数の固化層(S1)〜(Sn)からなる３次元造形物(D) を製造する（図１３(c) 参照）。
【０００７】
このような積層造形方法は、ＣＡＤデータを与えれば制御装置(7) による自動製造が可能で、造形物の修正等もＣＡＤデータ上で比較的簡単に行うことができるので、形状確認や機能試験も含めた製品の試作や多品種少量生産にも適用されている。
【０００８】
しかしながら、上述した積層造形方法により、図１４に示すような各分割部の平面形状が同じ大きさの４角形である直方体状の３次元造形物(10)を製造した場合、図１４に示すように、その上下方向に伸びる稜線部(11)に亀裂(12)が発生するという問題がある。
【０００９】
また、上述した積層造形方法により、図１５に示すような各分割部の平面形状が同じ大きさの４角形である直方体状の基部(16)と、基部(16)に一体に設けられ、かつ各分割部の平面形状が同じ大きさであるとともに基部(16)の分割部の平面形状よりも小さな４角形である直方体状の上方突出部(17)とよりなる３次元造形物(15)を製造した場合、図１５に示すように、基部(16)および上方突出部(17)の上下方向に伸びる稜線部(18)(19)に亀裂(20)(21)が発生するという問題がある。また、上方突出部(17)の稜線部(19)の下端部と、基部(16)との連接部にも亀裂(22)が発生するという問題がある。しかも、この亀裂(22)は同図に矢印で示す方向に進展する。
【００１０】
図１４および図１５に示すような亀裂(12)(20)(21)(22)が発生する理由は、次の通りであると考えられる。
【００１１】
すなわち、製造された直後の３次元造形物(10)(15)は、その周囲に存在するレーザビーム(B) を照射していない未焼結粉末への熱伝導により冷却されて収縮し、この収縮のさいに３次元造形物(10)(15)は、未焼結末から摩擦力による拘束を受ける。したがって、３次元造形物(10)(15)の上下方向に伸びる稜線部(11)(18)(19)には上向きの拘束力が作用し、この拘束力が３次元造形物(10)(15)の稜線部(11)(18)(19)の強度を越えた場合、３次元造形物(10)(15)の稜線部(11)(18)(19)に亀裂(12)(20)(21)が発生すると考えられる。また、３次元造形物(15)が基部(16)と上方突出部(17)とよりなるものである場合、上方突出部(17)の上下方向に伸びる稜線部(19)近傍と基部(16)との連接部の強度は必然的に小さくなっているので、上記拘束力によりここに亀裂(22)が発生すると考えられる。
【００１２】
また、図１４および図１５に示すような亀裂(12)(20)(21)(22)は、次の理由によっても発生すると考えられる。すなわち、３次元造形物(10)(15)およびその周囲の未焼結粉末(P) における温度分布は図１６に示すようになり、３次元造形物(10)(15)内における周面寄りの部分と中心寄りの部分との温度差が大きくなり、その結果発生する熱応力によって亀裂(12)(20)(21)が発生すると考えられる。また、３次元造形物(15)が基部(16)と上方突出部(17)とよりなるものである場合、上方突出部(17)の上下方向に伸びる稜線部(19)近傍と基部(16)との連接部の強度は必然的に小さくなっているので、上記熱応力により亀裂(22)が発生すると考えられる。
【００１３】
この発明の目的は、上記問題を解決し、製造される３次元造形物に亀裂が発生するのを防止することができる積層造形方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段と発明の効果】
請求項１の発明による積層造形方法は、水平断面形状に角部を有する３次元造形物を製造する方法であって、製造すべき３次元造形物を複数の異なるレベルで分割したと想定した場合の各分割部の平面形状および厚さを求めておき、レーザビームの照射により焼結しうる粉末からなる所定厚さの粉末層を形成し、この粉末層に、分割部の平面形状に合致するようにレーザビームを照射することにより、レーザビーム照射部分の粉末を焼結してこの分割部の平面形状および厚さに対応した固化層をつくるという操作を、製造すべき３次元造形物の下端側の分割部から上端側の分割部に向かって順次繰り返して行うことによって、複数の固化層からなる３次元造形物を製造する積層造形方法において、粉末層にレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭内における角部の近傍に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項１の発明の積層造形方法によれば、粉末層にレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭内における角部の近傍に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射するので、製造された３次元造形物における上下方向に伸びる稜線部近傍では、粉末の焼結が他の部分に比較して進行しており、この稜線部の強度が他の部分に比較して大きくなる。したがって、製造された３次元造形物における上下方向に伸びる稜線部近傍の強度を、上述した未焼結粉末から受ける拘束力や、発生する熱応力よりも大きくすることができ、その結果亀裂の発生を防止することができる。
【００１６】
請求項２の発明による積層造形方法は、請求項１の発明の方法において、製造すべき３次元造形物が、水平断面形状に角部を有する基部と、基部に一体に設けられ、かつ基部よりも小さな水平断面形状を有するとともにその水平断面形状に角部を有する上方突出部とよりなり、粉末層にレーザビームを照射して基部の上部から上方突出部の下部にかけての部分を構成する固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭内における上方突出部の上下方向に伸びる稜線部の近傍に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射するものである。
【００１７】
請求項２の発明の積層造形方法によれば、製造された３次元造形物における上方突出部の稜線部の近傍と基部との連接部では、粉末の焼結が他の部分に比較して進行しており、この連接部の強度が他の部分に比較して大きくなる。したがって、製造された３次元造形物における上下方向に伸びる稜線部近傍と、基部との連接部の強度を、上述した未焼結粉末から受ける拘束力や、発生する熱応力よりも大きくすることができ、その結果亀裂の発生を防止することができる。
【００１８】
請求項３の発明による積層造形方法は、水平断面形状に角部を有する３次元造形物を製造する方法であって、製造すべき３次元造形物を複数の異なるレベルで分割したと想定した場合の各分割部の平面形状および厚さを求めておき、レーザビームの照射により焼結しうる粉末からなる所定厚さの粉末層を形成し、この粉末層に、分割部の平面形状に合致するようにレーザビームを照射することにより、レーザビーム照射部分の粉末を焼結してこの分割部の平面形状および厚さに対応した固化層をつくるという操作を、製造すべき３次元造形物の下端側の分割部から上端側の分割部に向かって順次繰り返して行うことによって、複数の固化層からなる３次元造形物を製造する積層造形方法において、粉末層にレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭外における角部の近傍に、レーザビームを照射し、このレーザビーム照射部分の粉末を焼結することを特徴とするものである。
【００１９】
請求項３の発明の積層造形方法によれば、各固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭外における角部の近傍に、レーザビームを照射し、このレーザビーム照射部分の粉末を焼結するので、製造された３次元造形物の上下方向に伸びる稜線部の近傍には、未焼結粉末を介して角柱状の造形物が形成される。したがって、製造された３次元造形物と角柱状造形物との間に存在する未焼結粉末の温度が高くなり、３次元造形物内における周面寄りの部分と中心寄りの部分との温度差が小さくなる。その結果、３次元造形物内における温度分布の不均一の度合いを小さくすることができ、発生する熱応力が小さくなって亀裂の発生が防止される。
【００２０】
請求項４の発明による積層造形方法は、請求項１の発明の方法において、粉末層にレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭内における角部の近傍に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射するとともに、上記輪郭外における角部の近傍に、レーザビームを照射し、このレーザビーム照射部分の粉末を焼結することを特徴とするものである。
【００２１】
請求項４の発明の積層造形方法によれば、粉末層にレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭内における角部の近傍に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射するとともに、上記輪郭外における角部の近傍に、レーザビームを照射し、このレーザビーム照射部分の粉末を焼結するので、請求項１の発明の場合と同様にして、製造された３次元造形物における上下方向に伸びる稜線部近傍の強度を、上述した未照射粉末から受ける拘束力や、発生する熱応力よりも大きくすることができるとともに、請求項３の発明の場合と同様にして、３次元造形物内における温度分布の不均一の度合いが小さくして、発生する熱応力を小さくすることができる。したがって、３次元造形物に亀裂が発生することが防止できる。
【００２２】
請求項５の発明による積層造形方法は、請求項１〜４のうちのいずれかにおいて、下端の固化層を形成するベースプレートの下方に低熱伝導率材料からなる熱伝導抑制層を設けておくものである。
【００２３】
請求項５の発明の積層造形方法によれば、製造された３次元造形物からベースプレートへの熱伝導が抑制されるので、３次元造形物内における上下方向の温度分布の不均一の発生が抑制される。したがって、３次元造形物内における上下方向の温度分布の不均一により発生する熱応力が小さくなり、この熱応力による亀裂の発生が防止される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２５】
実施形態１
この実施形態は、この発明の積層造形方法を、図１に示すような直方体状の３次元造形物(30)を製造するのに適用したものである。
【００２６】
この実施形態の場合、図１１に示す装置を用いて上述した方法で３次元造形物(30)を製造するにあたり、各粉末層(P1)〜(Pn)に、３次元造形物(30)を複数の異なるレベル(L1)〜(Ln-1)で分割したと想定した場合の各分割部(D1)〜(Dn)の平面形状、ここでは４角形状に合致するようにレーザビーム(B) を照射して各固化層(S1)〜(Sn)をつくるさいに、図２に示すように、レーザビーム(B) を照射すべき４角形状の輪郭(31)内における各角部の近傍の円形部分(32)に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビーム(B) を照射する。たとえば、円形部分(32)に同じレーザ出力のレーザビームを２度以上照射したり、円形部分(32)にレーザ出力が他の部分よりも大きくなるように、レーザビーム(B) を照射する。すると、この円形部分(32)では他の部分に比較して粉末の焼結が進行し、この部分の強度が他の部分に比較して大きくなる。したがって、製造された３次元造形物(30)においては、上下方向に伸びる稜線部(33)の近傍に、図１に破線で示すような垂直円柱状の高強度部分(34)が存在することになる。その結果、３次元造形物(30)の上下方向に伸びる稜線部(33)近傍の強度が、上述した未焼結粉末から受ける拘束力や、発生する熱応力よりも大きくなり、稜線部(33)での亀裂の発生を防止することができる。
【００２７】
実施形態２
この実施形態は、この発明の積層造形方法を、図３に示すような４角形状水平断面を有する基部(41)と、基部(41)に一体に設けられかつ基部(41)の水平断面形状よりも小さな４角形状水平断面を有する上方突出部(42)とよりなる３次元造形物(40)を製造するのに適用したものである。
【００２８】
この実施形態の場合、図１１に示す装置を用いて上述した方法で３次元造形物(30)を製造するにあたり、基部(41)を構成する固化層を形成するさいに、図４(a) に示すように、粉末層のレーザビーム(B) を照射すべき４角形状の輪郭(43)内における各角部の近傍の円形部分(44)に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビーム(B) を照射するとともに、上方突出部(42)を構成する固化層を形成するさいに、図４(b) に示すように、粉末層のレーザビームを照射すべき４角形状の輪郭(45)内における各角部の近傍の円形部分(46)に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビーム(B) を照射する。さらに、基部(41)の上部を構成する固化層を形成するさいに、図４(a) に示すように、粉末層のレーザビームを照射すべき４角形状の輪郭(43)内における上方突出部(42)の上下方向に伸びる稜線部(47)の近傍の円形部分(48)（上方突出部(42)を構成する固化層を形成するさいにレーザビームを照射すべき輪郭(45)内の各角部の近傍の円形部分(48)）に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射する。この円形部分(48)の位置は、平面から見て上方突出部(42)を構成する固化層を形成するさいにレーザビームを照射すべき輪郭(45)内の円形部分(46)と合致している。円形部分(44)(16)(48)への照射エネルギを、他の部分と比較して大きくする方法は、実施形態１の場合と同じである。
【００２９】
すると、各円形部分(44)(46)(48)では他の部分に比較して粉末の焼結が進行し、この部分の強度が他の部分に比較して大きくなる。したがって、製造された３次元造形物(40)においては、基部(41)および上方突出部(42)の上下方向に伸びる稜線部(49)(47)の近傍に、それぞれ図３に鎖線で示すような垂直円柱状の高強度部分(50)(51)が存在することになる。しかも、基部(41)の上部には、上方突出部(42)の高強度部分(51)に連続した垂直円柱状の高強度部分(52)が存在することになる。その結果、３次元造形物(40)の上下方向に伸びる稜線部(47)(49)近傍の強度が、上述した未焼結粉末から受ける拘束力や、発生する熱応力よりも大きくなり、稜線部(47)(49)での亀裂の発生を防止することができる。さらに、上方突出部(42)の上端から基部(41)の高さの中間部にかけても連続した高強度部分(51)(52)が存在するので、基部(41)の上部と上方突出部(42)の下部とにまたがって高強度部分(51)(52)が存在することになる。したがって、上方突出部(42)の上下方向に伸びる稜線部(47)の下端と、基部(41)との連接部の強度が未焼結粉末から受ける拘束力や、発生する熱応力よりも大きくなり、この連接部での亀裂の発生を防止することができる。
【００３０】
なお、この実施形態において、基部(41)の全高さにわたって上方突出部(42)の高強度部分(51)に連なった高強度部分を形成するように、粉末層にレーザビームを照射してもよい。また、この実施形態において、基部(41)の上部と上方突出部(42)の下部とにまたがる高強度部分を、上方突出部(42)の高強度部分(51)とは異なった位置に形成するように、粉末層にレーザビームを照射してもよい。
【００３１】
実施形態３
この実施形態は、この発明の積層造形方法を、図５に示すような直方体状の３次元造形物(60)を製造するのに適用したものである。
【００３２】
この実施形態の場合、図１１に示す装置を用いて上述した方法で３次元造形物(60)を製造するにあたり、各粉末層に、製造すべき３次元造形物を複数の異なるレベル(L1)〜(Ln-1)で分割したと想定した場合の各分割部(D1)〜(Dn)の平面形状、ここでは４角形状に合致するようにレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、図６に示すように、レーザビームを照射すべき４角形状の輪郭(61)外における各角部の近傍の略Ｌ形部分(62)にレーザビーム(B) を照射する。すると、この略Ｌ形部分(62)においても粉末が焼結し、製造された３次元造形物(60)の上下方向に伸びる稜線部(63)の外側に、稜線部(63)と間隔をおいて横断面略Ｌ形の垂直多角柱状造形物(64)が形成される。そして、製造された３次元造形物(60)、多角柱状造形物(64)、ならびに両者間に存在する未焼結粉末(65)における温度分布は、図７に示すようになり、３次元造形物(60)内における周面寄りの部分と中心寄りの部分との温度差が小さくなる。したがって、３次元造形物(60)内に発生する熱応力が小さくなって亀裂の発生が防止される。
【００３３】
上記実施形態３において、レーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、レーザビームを照射すべき４角形状の輪郭(61)外における各角部の近傍の略Ｌ形部分(62)にレーザビーム(B) を照射するのに代えて、図６に鎖線で示すように、輪郭(61)と間隔をおいた額縁状部分(66)にレーザビームを照射してもよい。
【００３４】
上記において、実施形態１の方法と実施形態３の方法とを同時に行ってもよい。すなわち、３次元造形物(30)を製造するにあたり、実施形態１の方法において円形部分(32)に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射するのと同時に、レーザビームを照射すべき４角形状の輪郭(61)外における各角部の近傍の略Ｌ形部分(62)にレーザビーム(B) を照射する。この場合、亀裂の発生をより効果的に防止することができる。
【００３５】
実施形態４
この実施形態は、この発明の積層造形方法を、図８に示すような４角錐台状の３次元造形物(80)を製造するのに適用したものである。
【００３６】
この実施形態の場合、図１１に示す装置を用いて上述した方法で３次元造形物(80)を製造するにあたり、各粉末層に、３次元造形物(80)を複数の異なるレベル(L1)〜(Ln-1)で分割したと想定した場合の各分割部(D1)〜(Dn)の平面形状、ここでは４角形状に合致するようにレーザビーム(B) を照射して各固化層(S1)〜(Sn)をつくるさいに、レーザビーム(B) を照射すべき４角形状の輪郭内における各角部の近傍の円形部分に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビーム(B) を照射する。たとえば、円形部分に同じレーザ出力のレーザビームを２度以上照射したり、円形部分にレーザ出力が他の部分よりも大きくなるように、レーザビーム(B) を照射する。すると、この円形部分では他の部分に比較して粉末の焼結が進行し、この部分の強度が他の部分に比較して大きくなる。したがって、製造された３次元造形物(80)においては、上下方向に伸びる稜線部(81)の近傍に、図８に破線で示すような水平断面円形の傾斜円柱状の高強度部分(82)が、稜線部(81)と平行になるように存在することになる。その結果、３次元造形物(80)の上下方向に伸びる稜線部(81)近傍の強度が、上述した未焼結粉末から受ける拘束力や、発生する熱応力よりも大きくなり、稜線部(81)での亀裂の発生を防止することができる。
【００３７】
実施形態５
この実施形態は、この発明の積層造形方法を、図９に示すような４角錐台状の３次元造形物(90)を製造するのに適用したものである。
【００３８】
この実施形態の場合、図１１に示す装置を用いて上述した方法で３次元造形物(90)を製造するにあたり、各粉末層に、製造すべき３次元造形物を複数の異なるレベル(L1)〜(Ln-1)で分割したと想定した場合の各分割部(D1)〜(Dn)の平面形状、ここでは４角形状に合致するようにレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、レーザビームを照射すべき４角形状の輪郭外における各角部の近傍の略Ｌ形部分にレーザビーム(B) を照射する。すると、この略Ｌ形部分においても粉末が焼結し、製造された３次元造形物(90)の上下方向に伸びる稜線部(91)の外側に、稜線部(63)と間隔をおいて水平断面略Ｌ形の傾斜多角柱状の造形物(92)が、稜線部(91)と平行になるように形成される。そして、製造された３次元造形物(90)、造形物(92)、ならびに両者間に存在する未焼結粉末における温度分布は、実施形態３の場合と同様に図７に示すようになり、３次元造形物(90)内における周面寄りの部分と中心寄りの部分との温度差が小さくなる。したがって、３次元造形物(90)内に発生する熱応力が小さくなって亀裂の発生が防止される。
【００３９】
上記実施形態５において、レーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、レーザビームを照射すべき４角形状の輪郭外における各角部の近傍の略Ｌ形部分にレーザビーム(B) を照射するのに代えて、実施形態３の場合と同様に、輪郭と間隔をおいた額縁状部分にレーザビームを照射してもよい。
【００４０】
上記５つの実施形態において、下端の固化層を形成するベースプレート(2) の下方に低熱伝導率材料からなる熱伝導抑制層を設けておくことが好ましい。この場合、製造された３次元造形物からベースプレートへの熱伝導が抑制されるので、３次元造形物内における上下方向の温度分布の不均一の発生が抑制される。したがって、３次元造形物内における上下方向の温度分布の不均一により発生する熱応力が小さくなり、この熱応力による亀裂の発生が防止される。
【００４１】
また、上記５つの実施形態においては、製造すべき３次元造形物の水平断面形状は４角形状であるが、製造すべき３次元造形物の水平断面形状はこれに限定されるものではなく、他の多角形状、あるいは少なくとも１つの角部および曲線部よりなる異形状であってもよい。
【００４２】
次に、この発明の方法の具体的実施例について説明する。
【００４３】
実施例１
銅系の粉末を使用し、図１０に示すような直方体状３次元造形物(70)を製造した。この３次元造形物(70)の寸法は、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、高さ１０ｍｍである。また、この３次元造形物(70)には、これを上下に貫通した内径０．５ｍｍの貫通穴(71)、および同じく縦横に貫通した内径０．５ｍｍの貫通穴(72)がそれぞれ多数形成されている。そして、この３次元造形物(70)を製造するにあたり、上述した実施形態１のようにして、その上下方向に伸びる稜線部の近傍に、直径２ｍｍの円柱状高強度部分をつくった。その結果、製造された３次元造形物(70)の上下方向に伸びる稜線部には亀裂は発生しなかった。
【００４４】
なお、図１０においては、分かり易くするために、貫通穴(71)(72)の内径を実際よりは拡大して示している。
【００４５】
実施例２
銅系の粉末を使用し、実施例１と同じ３次元造形物(70)を製造するにあたり、上述した実施形態３のようにして、その上下方向の稜線部の近傍に、１ｍｍの間隔をおいて、横断面略Ｌ形の多角柱をつくった。その結果、製造された３次元造形物の上下方向に伸びる稜線部には亀裂は発生しなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１において製造する３次元造形物を示す斜視図である。
【図２】実施形態１において３次元造形物を構成する固化層を形成するさいに粉末層にレーザビームを照射する部分を示す平面図である。
【図３】実施形態２において製造する３次元造形物を示す斜視図である。
【図４】 (a) は実施形態２において３次元造形物の基部を構成する固化層を形成するさいに粉末層にレーザビームを照射する部分を示す平面図であり、(b) は同じく上方突出部を構成する固化層を形成するさいに粉末層にレーザビームを照射する部分を示す平面図である。
【図５】実施形態３において製造する３次元造形物を示す斜視図である。
【図６】実施形態３において３次元造形物を構成する固化層を形成するさいに粉末層にレーザビームを照射する部分を示す平面図である。
【図７】実施形態３において製造した３次元造形物の温度分布を示す垂直断面図である。
【図８】実施形態４において製造する３次元造形物を示す斜視図である。
【図９】実施形態５において製造する３次元造形物を示す斜視図である。
【図１０】実施例１において製造する３次元造形物を示す斜視図である。
【図１１】積層造形方法の実施に用いられる装置を示す概略図である。
【図１２】積層造形方法で製造する３次元造形物を示す垂直断面図である。
【図１３】積層造形方法を工程順に示す垂直断面図である。
【図１４】従来の方法により製造した直方体状の３次元造形物を示す斜視図である。
【図１５】従来の方法により製造した基部および上方突出部よりなる３次元造形物を示す斜視図である。
【図１６】従来の方法により製造した３次元造形物の温度分布を示す垂直断面図である。
【符号の説明】
(30)(40)(60)(70)(80)(90)：３次元造形物
(31)(43)(45)(61)：輪郭
(32)(44)(46)(48)：円形部分
(62)：略Ｌ形部分
(D)：３次元造形物
(D1)〜(Dn)：分割部
(L1)〜(Ln-1)：レベル
(P1)〜(Pn)：粉末層
(S1)〜(Sn)：固化層
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属粉末、合成樹脂粉末、セラミックス粉末等のレーザビームの照射により焼結しうる粉末を使用し、水平断面形状に角部を有する３次元造形物を製造する積層造形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
この種積層造形方法として、製造すべき３次元造形物を複数の異なるレベルで分割したと想定した場合の各分割部の平面形状および厚さを求めておき、レーザビームの照射により焼結しうる粉末からなる所定厚さの粉末層を形成し、この粉末層に、分割部の平面形状に合致するようにレーザビームを照射することにより、レーザビーム照射部分の粉末を焼結してこの分割部の平面形状および厚さに対応した固化層をつくるという操作を、製造すべき３次元造形物の下端側の分割部から上端側の分割部に向かって順次繰り返して行うことによって、複数の固化層からなる３次元造形物を形成する方法が知られている。
【０００３】
この積層造形方法を実施する装置の一例を図１１に示す。
【０００４】
図１１において、積層造形装置は、枠(1) と、枠(1) 内に上下動自在に配置されたベースプレート(2) と、枠(1) 内にレーザビームの照射により焼結しうる粉末を所定量ずつ供給する粉末散布装置(3) と、レーザ(4) と、偏向鏡(5) を有しかつレーザ(4) から発せられたレーザビーム(B) を偏向して枠(1) 内の任意の範囲に導く偏向装置(6) とを備えている。ベースプレート(2) を上下動させる駆動装置（図示略）、レーザ(4) および偏向装置(6) は、コンピュータを備えた制御装置(7) に接続されている。制御装置(7) には、たとえばＣＡＤシステムから製造すべき３次元造形物(D) を、図１２に示すように複数の異なるレベル(L1)〜(Ln-1)で分割したと想定した場合の各分割部(D1)〜(Dn)の平面形状および厚さに関するデータが取り込まれている。
【０００５】
このような装置を用いて３次元造形物(D) を積層造形する方法を、図１３を参照して説明する。
【０００６】
まず、制御装置(7) は、上記データに基づいてベースプレート(2) を上昇させるとともに、粉末散布装置(3) からベースプレート(2) 上に所定量の粉末を供給し、ベースプレート(2) 上に最下端の分割部(D1)を形成するのに必要な厚さの粉末層(P1)をつくる。ついで、制御装置(7) は、上記データに基づいて、レーザ(4) からレーザビーム(B) を発するとともに、偏向装置(6) により粉末層(P1)における分割部(D1)の平面形状に合致した範囲にレーザビーム(B) を照射し、レーザビーム照射部分の粉末を焼結してこの分割部(D1)の平面形状および厚さに対応した固化層(S1)をつくる（図１３(a) 参照）。ついで、制御装置(7) は、レーザビーム(B) の照射を停止し、ベースプレート(2) を所定距離下降させる。ついで、制御装置(7) は、粉末散布装置(3) からベースプレート(2) 上に所定量の粉末を供給し、先の固化層(S1)および粉末層(P1)上に下から２番目の分割部(D2)を形成するのに必要な厚さの粉末層(P2)をつくる。ついで、制御装置(7) は、上記データに基づいて、レーザ(4) からレーザビーム(B) を発するとともに、偏向装置(6) により粉末層(P2)における分割部(D2)の平面形状に合致した範囲にレーザビーム(B) を照射し、レーザビーム照射部分の粉末を焼結してこの分割部(D2)の平面形状および厚さに対応した固化層(S2)をつくるとともに、この固化層(S2)を先につくられた固化層(S1)に接合する（図１３(b) 参照）。このような操作を、３次元造形物(D) の最上端の分割部(Dn)まで順次繰り返して行うことによって、複数の固化層(S1)〜(Sn)からなる３次元造形物(D) を製造する（図１３(c) 参照）。
【０００７】
このような積層造形方法は、ＣＡＤデータを与えれば制御装置(7) による自動製造が可能で、造形物の修正等もＣＡＤデータ上で比較的簡単に行うことができるので、形状確認や機能試験も含めた製品の試作や多品種少量生産にも適用されている。
【０００８】
しかしながら、上述した積層造形方法により、図１４に示すような各分割部の平面形状が同じ大きさの４角形である直方体状の３次元造形物(10)を製造した場合、図１４に示すように、その上下方向に伸びる稜線部(11)に亀裂(12)が発生するという問題がある。
【０００９】
また、上述した積層造形方法により、図１５に示すような各分割部の平面形状が同じ大きさの４角形である直方体状の基部(16)と、基部(16)に一体に設けられ、かつ各分割部の平面形状が同じ大きさであるとともに基部(16)の分割部の平面形状よりも小さな４角形である直方体状の上方突出部(17)とよりなる３次元造形物(15)を製造した場合、図１５に示すように、基部(16)および上方突出部(17)の上下方向に伸びる稜線部(18)(19)に亀裂(20)(21)が発生するという問題がある。また、上方突出部(17)の稜線部(19)の下端部と、基部(16)との連接部にも亀裂(22)が発生するという問題がある。しかも、この亀裂(22)は同図に矢印で示す方向に進展する。
【００１０】
図１４および図１５に示すような亀裂(12)(20)(21)(22)が発生する理由は、次の通りであると考えられる。
【００１１】
すなわち、製造された直後の３次元造形物(10)(15)は、その周囲に存在するレーザビーム(B) を照射していない未焼結粉末への熱伝導により冷却されて収縮し、この収縮のさいに３次元造形物(10)(15)は、未焼結末から摩擦力による拘束を受ける。したがって、３次元造形物(10)(15)の上下方向に伸びる稜線部(11)(18)(19)には上向きの拘束力が作用し、この拘束力が３次元造形物(10)(15)の稜線部(11)(18)(19)の強度を越えた場合、３次元造形物(10)(15)の稜線部(11)(18)(19)に亀裂(12)(20)(21)が発生すると考えられる。また、３次元造形物(15)が基部(16)と上方突出部(17)とよりなるものである場合、上方突出部(17)の上下方向に伸びる稜線部(19)近傍と基部(16)との連接部の強度は必然的に小さくなっているので、上記拘束力によりここに亀裂(22)が発生すると考えられる。
【００１２】
また、図１４および図１５に示すような亀裂(12)(20)(21)(22)は、次の理由によっても発生すると考えられる。すなわち、３次元造形物(10)(15)およびその周囲の未焼結粉末(P) における温度分布は図１６に示すようになり、３次元造形物(10)(15)内における周面寄りの部分と中心寄りの部分との温度差が大きくなり、その結果発生する熱応力によって亀裂(12)(20)(21)が発生すると考えられる。また、３次元造形物(15)が基部(16)と上方突出部(17)とよりなるものである場合、上方突出部(17)の上下方向に伸びる稜線部(19)近傍と基部(16)との連接部の強度は必然的に小さくなっているので、上記熱応力により亀裂(22)が発生すると考えられる。
【００１３】
この発明の目的は、上記問題を解決し、製造される３次元造形物に亀裂が発生するのを防止することができる積層造形方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段と発明の効果】
請求項１の発明による積層造形方法は、水平断面形状に角部を有する３次元造形物を製造する方法であって、製造すべき３次元造形物を複数の異なるレベルで分割したと想定した場合の各分割部の平面形状および厚さを求めておき、レーザビームの照射により焼結しうる粉末からなる所定厚さの粉末層を形成し、この粉末層に、分割部の平面形状に合致するようにレーザビームを照射することにより、レーザビーム照射部分の粉末を焼結してこの分割部の平面形状および厚さに対応した固化層をつくるという操作を、製造すべき３次元造形物の下端側の分割部から上端側の分割部に向かって順次繰り返して行うことによって、複数の固化層からなる３次元造形物を製造する積層造形方法において、粉末層にレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭内における角部の近傍に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項１の発明の積層造形方法によれば、粉末層にレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭内における角部の近傍に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射するので、製造された３次元造形物における上下方向に伸びる稜線部近傍では、粉末の焼結が他の部分に比較して進行しており、この稜線部の強度が他の部分に比較して大きくなる。したがって、製造された３次元造形物における上下方向に伸びる稜線部近傍の強度を、上述した未焼結粉末から受ける拘束力や、発生する熱応力よりも大きくすることができ、その結果亀裂の発生を防止することができる。
【００１６】
請求項２の発明による積層造形方法は、請求項１の発明の方法において、製造すべき３次元造形物が、水平断面形状に角部を有する基部と、基部に一体に設けられ、かつ基部よりも小さな水平断面形状を有するとともにその水平断面形状に角部を有する上方突出部とよりなり、粉末層にレーザビームを照射して基部の上部から上方突出部の下部にかけての部分を構成する固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭内における上方突出部の上下方向に伸びる稜線部の近傍に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射するものである。
【００１７】
請求項２の発明の積層造形方法によれば、製造された３次元造形物における上方突出部の稜線部の近傍と基部との連接部では、粉末の焼結が他の部分に比較して進行しており、この連接部の強度が他の部分に比較して大きくなる。したがって、製造された３次元造形物における上下方向に伸びる稜線部近傍と、基部との連接部の強度を、上述した未焼結粉末から受ける拘束力や、発生する熱応力よりも大きくすることができ、その結果亀裂の発生を防止することができる。
【００１８】
請求項３の発明による積層造形方法は、水平断面形状に角部を有する３次元造形物を製造する方法であって、製造すべき３次元造形物を複数の異なるレベルで分割したと想定した場合の各分割部の平面形状および厚さを求めておき、レーザビームの照射により焼結しうる粉末からなる所定厚さの粉末層を形成し、この粉末層に、分割部の平面形状に合致するようにレーザビームを照射することにより、レーザビーム照射部分の粉末を焼結してこの分割部の平面形状および厚さに対応した固化層をつくるという操作を、製造すべき３次元造形物の下端側の分割部から上端側の分割部に向かって順次繰り返して行うことによって、複数の固化層からなる３次元造形物を製造する積層造形方法において、粉末層にレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭外における角部の近傍に、レーザビームを照射し、このレーザビーム照射部分の粉末を焼結することを特徴とするものである。
【００１９】
請求項３の発明の積層造形方法によれば、各固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭外における角部の近傍に、レーザビームを照射し、このレーザビーム照射部分の粉末を焼結するので、製造された３次元造形物の上下方向に伸びる稜線部の近傍には、未焼結粉末を介して角柱状の造形物が形成される。したがって、製造された３次元造形物と角柱状造形物との間に存在する未焼結粉末の温度が高くなり、３次元造形物内における周面寄りの部分と中心寄りの部分との温度差が小さくなる。その結果、３次元造形物内における温度分布の不均一の度合いを小さくすることができ、発生する熱応力が小さくなって亀裂の発生が防止される。
【００２０】
請求項４の発明による積層造形方法は、請求項１の発明の方法において、粉末層にレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭内における角部の近傍に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射するとともに、上記輪郭外における角部の近傍に、レーザビームを照射し、このレーザビーム照射部分の粉末を焼結することを特徴とするものである。
【００２１】
請求項４の発明の積層造形方法によれば、粉末層にレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭内における角部の近傍に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射するとともに、上記輪郭外における角部の近傍に、レーザビームを照射し、このレーザビーム照射部分の粉末を焼結するので、請求項１の発明の場合と同様にして、製造された３次元造形物における上下方向に伸びる稜線部近傍の強度を、上述した未照射粉末から受ける拘束力や、発生する熱応力よりも大きくすることができるとともに、請求項３の発明の場合と同様にして、３次元造形物内における温度分布の不均一の度合いが小さくして、発生する熱応力を小さくすることができる。したがって、３次元造形物に亀裂が発生することが防止できる。
【００２２】
請求項５の発明による積層造形方法は、請求項１〜４のうちのいずれかにおいて、下端の固化層を形成するベースプレートの下方に低熱伝導率材料からなる熱伝導抑制層を設けておくものである。
【００２３】
請求項５の発明の積層造形方法によれば、製造された３次元造形物からベースプレートへの熱伝導が抑制されるので、３次元造形物内における上下方向の温度分布の不均一の発生が抑制される。したがって、３次元造形物内における上下方向の温度分布の不均一により発生する熱応力が小さくなり、この熱応力による亀裂の発生が防止される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２５】
実施形態１
この実施形態は、この発明の積層造形方法を、図１に示すような直方体状の３次元造形物(30)を製造するのに適用したものである。
【００２６】
この実施形態の場合、図１１に示す装置を用いて上述した方法で３次元造形物(30)を製造するにあたり、各粉末層(P1)〜(Pn)に、３次元造形物(30)を複数の異なるレベル(L1)〜(Ln-1)で分割したと想定した場合の各分割部(D1)〜(Dn)の平面形状、ここでは４角形状に合致するようにレーザビーム(B) を照射して各固化層(S1)〜(Sn)をつくるさいに、図２に示すように、レーザビーム(B) を照射すべき４角形状の輪郭(31)内における各角部の近傍の円形部分(32)に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビーム(B) を照射する。たとえば、円形部分(32)に同じレーザ出力のレーザビームを２度以上照射したり、円形部分(32)にレーザ出力が他の部分よりも大きくなるように、レーザビーム(B) を照射する。すると、この円形部分(32)では他の部分に比較して粉末の焼結が進行し、この部分の強度が他の部分に比較して大きくなる。したがって、製造された３次元造形物(30)においては、上下方向に伸びる稜線部(33)の近傍に、図１に破線で示すような垂直円柱状の高強度部分(34)が存在することになる。その結果、３次元造形物(30)の上下方向に伸びる稜線部(33)近傍の強度が、上述した未焼結粉末から受ける拘束力や、発生する熱応力よりも大きくなり、稜線部(33)での亀裂の発生を防止することができる。
【００２７】
実施形態２
この実施形態は、この発明の積層造形方法を、図３に示すような４角形状水平断面を有する基部(41)と、基部(41)に一体に設けられかつ基部(41)の水平断面形状よりも小さな４角形状水平断面を有する上方突出部(42)とよりなる３次元造形物(40)を製造するのに適用したものである。
【００２８】
この実施形態の場合、図１１に示す装置を用いて上述した方法で３次元造形物(30)を製造するにあたり、基部(41)を構成する固化層を形成するさいに、図４(a) に示すように、粉末層のレーザビーム(B) を照射すべき４角形状の輪郭(43)内における各角部の近傍の円形部分(44)に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビーム(B) を照射するとともに、上方突出部(42)を構成する固化層を形成するさいに、図４(b) に示すように、粉末層のレーザビームを照射すべき４角形状の輪郭(45)内における各角部の近傍の円形部分(46)に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビーム(B) を照射する。さらに、基部(41)の上部を構成する固化層を形成するさいに、図４(a) に示すように、粉末層のレーザビームを照射すべき４角形状の輪郭(43)内における上方突出部(42)の上下方向に伸びる稜線部(47)の近傍の円形部分(48)（上方突出部(42)を構成する固化層を形成するさいにレーザビームを照射すべき輪郭(45)内の各角部の近傍の円形部分(48)）に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射する。この円形部分(48)の位置は、平面から見て上方突出部(42)を構成する固化層を形成するさいにレーザビームを照射すべき輪郭(45)内の円形部分(46)と合致している。円形部分(44)(16)(48)への照射エネルギを、他の部分と比較して大きくする方法は、実施形態１の場合と同じである。
【００２９】
すると、各円形部分(44)(46)(48)では他の部分に比較して粉末の焼結が進行し、この部分の強度が他の部分に比較して大きくなる。したがって、製造された３次元造形物(40)においては、基部(41)および上方突出部(42)の上下方向に伸びる稜線部(49)(47)の近傍に、それぞれ図３に鎖線で示すような垂直円柱状の高強度部分(50)(51)が存在することになる。しかも、基部(41)の上部には、上方突出部(42)の高強度部分(51)に連続した垂直円柱状の高強度部分(52)が存在することになる。その結果、３次元造形物(40)の上下方向に伸びる稜線部(47)(49)近傍の強度が、上述した未焼結粉末から受ける拘束力や、発生する熱応力よりも大きくなり、稜線部(47)(49)での亀裂の発生を防止することができる。さらに、上方突出部(42)の上端から基部(41)の高さの中間部にかけても連続した高強度部分(51)(52)が存在するので、基部(41)の上部と上方突出部(42)の下部とにまたがって高強度部分(51)(52)が存在することになる。したがって、上方突出部(42)の上下方向に伸びる稜線部(47)の下端と、基部(41)との連接部の強度が未焼結粉末から受ける拘束力や、発生する熱応力よりも大きくなり、この連接部での亀裂の発生を防止することができる。
【００３０】
なお、この実施形態において、基部(41)の全高さにわたって上方突出部(42)の高強度部分(51)に連なった高強度部分を形成するように、粉末層にレーザビームを照射してもよい。また、この実施形態において、基部(41)の上部と上方突出部(42)の下部とにまたがる高強度部分を、上方突出部(42)の高強度部分(51)とは異なった位置に形成するように、粉末層にレーザビームを照射してもよい。
【００３１】
実施形態３
この実施形態は、この発明の積層造形方法を、図５に示すような直方体状の３次元造形物(60)を製造するのに適用したものである。
【００３２】
この実施形態の場合、図１１に示す装置を用いて上述した方法で３次元造形物(60)を製造するにあたり、各粉末層に、製造すべき３次元造形物を複数の異なるレベル(L1)〜(Ln-1)で分割したと想定した場合の各分割部(D1)〜(Dn)の平面形状、ここでは４角形状に合致するようにレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、図６に示すように、レーザビームを照射すべき４角形状の輪郭(61)外における各角部の近傍の略Ｌ形部分(62)にレーザビーム(B) を照射する。すると、この略Ｌ形部分(62)においても粉末が焼結し、製造された３次元造形物(60)の上下方向に伸びる稜線部(63)の外側に、稜線部(63)と間隔をおいて横断面略Ｌ形の垂直多角柱状造形物(64)が形成される。そして、製造された３次元造形物(60)、多角柱状造形物(64)、ならびに両者間に存在する未焼結粉末(65)における温度分布は、図７に示すようになり、３次元造形物(60)内における周面寄りの部分と中心寄りの部分との温度差が小さくなる。したがって、３次元造形物(60)内に発生する熱応力が小さくなって亀裂の発生が防止される。
【００３３】
上記実施形態３において、レーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、レーザビームを照射すべき４角形状の輪郭(61)外における各角部の近傍の略Ｌ形部分(62)にレーザビーム(B) を照射するのに代えて、図６に鎖線で示すように、輪郭(61)と間隔をおいた額縁状部分(66)にレーザビームを照射してもよい。
【００３４】
上記において、実施形態１の方法と実施形態３の方法とを同時に行ってもよい。すなわち、３次元造形物(30)を製造するにあたり、実施形態１の方法において円形部分(32)に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射するのと同時に、レーザビームを照射すべき４角形状の輪郭(61)外における各角部の近傍の略Ｌ形部分(62)にレーザビーム(B) を照射する。この場合、亀裂の発生をより効果的に防止することができる。
【００３５】
実施形態４
この実施形態は、この発明の積層造形方法を、図８に示すような４角錐台状の３次元造形物(80)を製造するのに適用したものである。
【００３６】
この実施形態の場合、図１１に示す装置を用いて上述した方法で３次元造形物(80)を製造するにあたり、各粉末層に、３次元造形物(80)を複数の異なるレベル(L1)〜(Ln-1)で分割したと想定した場合の各分割部(D1)〜(Dn)の平面形状、ここでは４角形状に合致するようにレーザビーム(B) を照射して各固化層(S1)〜(Sn)をつくるさいに、レーザビーム(B) を照射すべき４角形状の輪郭内における各角部の近傍の円形部分に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビーム(B) を照射する。たとえば、円形部分に同じレーザ出力のレーザビームを２度以上照射したり、円形部分にレーザ出力が他の部分よりも大きくなるように、レーザビーム(B) を照射する。すると、この円形部分では他の部分に比較して粉末の焼結が進行し、この部分の強度が他の部分に比較して大きくなる。したがって、製造された３次元造形物(80)においては、上下方向に伸びる稜線部(81)の近傍に、図８に破線で示すような水平断面円形の傾斜円柱状の高強度部分(82)が、稜線部(81)と平行になるように存在することになる。その結果、３次元造形物(80)の上下方向に伸びる稜線部(81)近傍の強度が、上述した未焼結粉末から受ける拘束力や、発生する熱応力よりも大きくなり、稜線部(81)での亀裂の発生を防止することができる。
【００３７】
実施形態５
この実施形態は、この発明の積層造形方法を、図９に示すような４角錐台状の３次元造形物(90)を製造するのに適用したものである。
【００３８】
この実施形態の場合、図１１に示す装置を用いて上述した方法で３次元造形物(90)を製造するにあたり、各粉末層に、製造すべき３次元造形物を複数の異なるレベル(L1)〜(Ln-1)で分割したと想定した場合の各分割部(D1)〜(Dn)の平面形状、ここでは４角形状に合致するようにレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、レーザビームを照射すべき４角形状の輪郭外における各角部の近傍の略Ｌ形部分にレーザビーム(B) を照射する。すると、この略Ｌ形部分においても粉末が焼結し、製造された３次元造形物(90)の上下方向に伸びる稜線部(91)の外側に、稜線部(63)と間隔をおいて水平断面略Ｌ形の傾斜多角柱状の造形物(92)が、稜線部(91)と平行になるように形成される。そして、製造された３次元造形物(90)、造形物(92)、ならびに両者間に存在する未焼結粉末における温度分布は、実施形態３の場合と同様に図７に示すようになり、３次元造形物(90)内における周面寄りの部分と中心寄りの部分との温度差が小さくなる。したがって、３次元造形物(90)内に発生する熱応力が小さくなって亀裂の発生が防止される。
【００３９】
上記実施形態５において、レーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、レーザビームを照射すべき４角形状の輪郭外における各角部の近傍の略Ｌ形部分にレーザビーム(B) を照射するのに代えて、実施形態３の場合と同様に、輪郭と間隔をおいた額縁状部分にレーザビームを照射してもよい。
【００４０】
上記５つの実施形態において、下端の固化層を形成するベースプレート(2) の下方に低熱伝導率材料からなる熱伝導抑制層を設けておくことが好ましい。この場合、製造された３次元造形物からベースプレートへの熱伝導が抑制されるので、３次元造形物内における上下方向の温度分布の不均一の発生が抑制される。したがって、３次元造形物内における上下方向の温度分布の不均一により発生する熱応力が小さくなり、この熱応力による亀裂の発生が防止される。
【００４１】
また、上記５つの実施形態においては、製造すべき３次元造形物の水平断面形状は４角形状であるが、製造すべき３次元造形物の水平断面形状はこれに限定されるものではなく、他の多角形状、あるいは少なくとも１つの角部および曲線部よりなる異形状であってもよい。
【００４２】
次に、この発明の方法の具体的実施例について説明する。
【００４３】
実施例１
銅系の粉末を使用し、図１０に示すような直方体状３次元造形物(70)を製造した。この３次元造形物(70)の寸法は、縦２０ｍｍ、横２０ｍｍ、高さ１０ｍｍである。また、この３次元造形物(70)には、これを上下に貫通した内径０．５ｍｍの貫通穴(71)、および同じく縦横に貫通した内径０．５ｍｍの貫通穴(72)がそれぞれ多数形成されている。そして、この３次元造形物(70)を製造するにあたり、上述した実施形態１のようにして、その上下方向に伸びる稜線部の近傍に、直径２ｍｍの円柱状高強度部分をつくった。その結果、製造された３次元造形物(70)の上下方向に伸びる稜線部には亀裂は発生しなかった。
【００４４】
なお、図１０においては、分かり易くするために、貫通穴(71)(72)の内径を実際よりは拡大して示している。
【００４５】
実施例２
銅系の粉末を使用し、実施例１と同じ３次元造形物(70)を製造するにあたり、上述した実施形態３のようにして、その上下方向の稜線部の近傍に、１ｍｍの間隔をおいて、横断面略Ｌ形の多角柱をつくった。その結果、製造された３次元造形物の上下方向に伸びる稜線部には亀裂は発生しなかった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１において製造する３次元造形物を示す斜視図である。
【図２】実施形態１において３次元造形物を構成する固化層を形成するさいに粉末層にレーザビームを照射する部分を示す平面図である。
【図３】実施形態２において製造する３次元造形物を示す斜視図である。
【図４】 (a) は実施形態２において３次元造形物の基部を構成する固化層を形成するさいに粉末層にレーザビームを照射する部分を示す平面図であり、(b) は同じく上方突出部を構成する固化層を形成するさいに粉末層にレーザビームを照射する部分を示す平面図である。
【図５】実施形態３において製造する３次元造形物を示す斜視図である。
【図６】実施形態３において３次元造形物を構成する固化層を形成するさいに粉末層にレーザビームを照射する部分を示す平面図である。
【図７】実施形態３において製造した３次元造形物の温度分布を示す垂直断面図である。
【図８】実施形態４において製造する３次元造形物を示す斜視図である。
【図９】実施形態５において製造する３次元造形物を示す斜視図である。
【図１０】実施例１において製造する３次元造形物を示す斜視図である。
【図１１】積層造形方法の実施に用いられる装置を示す概略図である。
【図１２】積層造形方法で製造する３次元造形物を示す垂直断面図である。
【図１３】積層造形方法を工程順に示す垂直断面図である。
【図１４】従来の方法により製造した直方体状の３次元造形物を示す斜視図である。
【図１５】従来の方法により製造した基部および上方突出部よりなる３次元造形物を示す斜視図である。
【図１６】従来の方法により製造した３次元造形物の温度分布を示す垂直断面図である。
【符号の説明】
(30)(40)(60)(70)(80)(90)：３次元造形物
(31)(43)(45)(61)：輪郭
(32)(44)(46)(48)：円形部分
(62)：略Ｌ形部分
(D)：３次元造形物
(D1)〜(Dn)：分割部
(L1)〜(Ln-1)：レベル
(P1)〜(Pn)：粉末層
(S1)〜(Sn)：固化層
Claims (5)
- 水平断面形状に角部を有する３次元造形物を製造する方法であって、製造すべき３次元造形物を複数の異なるレベルで分割したと想定した場合の各分割部の平面形状および厚さを求めておき、レーザビームの照射により焼結しうる粉末からなる所定厚さの粉末層を形成し、この粉末層に、分割部の平面形状に合致するようにレーザビームを照射することにより、レーザビーム照射部分の粉末を焼結してこの分割部の平面形状および厚さに対応した固化層をつくるという操作を、製造すべき３次元造形物の下端側の分割部から上端側の分割部に向かって順次繰り返して行うことによって、複数の固化層からなる３次元造形物を製造する積層造形方法において、
粉末層にレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭内における角部の近傍に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射することを特徴とする積層造形方法。 - 製造すべき３次元造形物が、水平断面形状に角部を有する基部と、基部に一体に設けられ、かつ基部よりも小さな水平断面形状を有するとともにその水平断面形状に角部を有する上方突出部とよりなり、粉末層にレーザビームを照射して基部の上部から上方突出部の下部にかけての部分を構成する固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭内における上方突出部の上下方向に伸びる稜線部の近傍に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射する請求項１記載の積層造形方法。
- 水平断面形状に角部を有する３次元造形物を製造する方法であって、製造すべき３次元造形物を複数の異なるレベルで分割したと想定した場合の各分割部の平面形状および厚さを求めておき、レーザビームの照射により焼結しうる粉末からなる所定厚さの粉末層を形成し、この粉末層に、分割部の平面形状に合致するようにレーザビームを照射することにより、レーザビーム照射部分の粉末を焼結してこの分割部の平面形状および厚さに対応した固化層をつくるという操作を、製造すべき３次元造形物の下端側の分割部から上端側の分割部に向かって順次繰り返して行うことによって、複数の固化層からなる３次元造形物を製造する積層造形方法において、
粉末層にレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭外における角部の近傍に、レーザビームを照射し、このレーザビーム照射部分の粉末を焼結することを特徴とする積層造形方法。 - 請求項１記載の積層造形方法において、粉末層にレーザビームを照射して各固化層をつくるさいに、これに対応した分割部の平面形状の輪郭内における角部の近傍に、照射エネルギが他の部分と比較して大きくなるようにレーザビームを照射するとともに、上記輪郭外における角部の近傍に、レーザビームを照射し、このレーザビーム照射部分の粉末を焼結することを特徴とする積層造形方法。
- 下端の固化層を形成するベースプレートの下方に低熱伝導率材料からなる熱伝導抑制層を設けておく請求項１〜４のうちのいずれかに記載の積層造形方法。
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