JP3752427B2 - 立体物造形方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は立体物造形方法に係り、特に金属粉末をレーザ光により焼結して造形を行う立体物造形方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
立体物造形方法としてラピッドプロトタイピング(Rapid Prototyping;RPと称す)技術があるが、レーザ光を用いる方式では、金属粉末、金属粉末と樹脂(バインダと称す)の混合物、あるいは光硬化樹脂を用いる方式が知られている。RP技術は、特定の型が不要、切削くずが発生しないなどの特長があり、3D-CADの普及と共に、産業分野に急速に浸透しつつある。特開平10-88201号公報では金属粉末を用いる方式が、特開平1-228827号公報では光硬化樹脂を用いる方式が述べられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記RP技術の内、金属粉末を使用する方式では、レーザ光により金属粉末を部分的に溶融して金属紛末相互を融着するので、一次造形品(グリーンパートと称す)の強度は大きいが、造型速度が遅くなるという問題がある。
【0004】
光硬化樹脂を用いる方式では、樹脂で接合するため、造形物の機械的強度が低いという問題がある。
【0005】
本発明の目的は、金属粉末を使用するRP技術において、造形速度が大きくかつ機械的強度の大きい造形物を得ることのできる立体物造形方法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
(1)上記目的を達成するために、本発明の立体物造形方法は、低融点金属を含む接合用の金属と骨格金属とからなる金属粉末をレーザ光の照射により焼結してグリーンパートを造形する第1工程と、このグリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱する第2工程と、前記グリーンパートを溶浸用金属材料と共に加熱して溶浸用金属材料をグリーンパートの空隙部に溶浸する第3工程とを有し、前記第2工程は、前記グリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱することにより、前記接合用の金属を前記骨格金属中へ拡散させ前記金属粉末の接合部の融点を昇温させる工程であり、前記第3工程は、前記溶浸用金属材料として、前記接合用の金属よりも融点が高く前記骨格金属よりも融点が低い材料を用い、その溶浸用金属材料が溶融するよう加熱する工程であるものとする。
【0007】
このように第1工程で、低融点金属を含む接合用の金属と骨格金属とからなる金属粉末をレーザ光の照射により焼結してグリーンパートを造形することにより、造形速度を増大させることができる。また、第2工程で接合用の金属の融点より低い温度でグリーンパート加熱することにより、グリーンパートの形状を保持している前記金属粉末の接合部の融点が上昇し、機械的強度が高まる。また、第3の工程でグリーンパートを加熱してその空隙部に溶浸用金属材料を溶浸することにより、中実の造形物が作成でき、このとき接合部の融点は上昇しているので、接合用の金属より融点の高い溶浸用金属材料を空隙部に溶浸することができる。
【0008】
以上により金属粉末を使用するRP技術において、造形速度が大きくかつ機械的強度の大きい造形物を得ることができる。また、これにより特定の型が不要で、切削くずの発生しない造形が行える。
【0009】
(2)また、上記目的を達成するために、本発明の立体物造形方法は、低融点金属を含む接合用の金属で薄く被覆された骨格金属からなる金属粉末をレーザ光の照射により焼結してグリーンパートを造形する第1工程と、このグリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱する第2工程と、前記グリーンパートを溶浸用金属材料と共に加熱して溶浸用金属材料をグリーンパートの空隙部に溶浸する第3工程とを有し、前記第2工程は、前記グリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱することにより、前記接合用の金属を前記骨格金属中へ拡散させ前記金属粉末の接合部の融点を昇温させる工程であり、前記第3工程は、前記溶浸用金属材料として、前記接合用の金属よりも融点が高く前記骨格金属よりも融点が低い材料を用い、その溶浸用金属材料が溶融するよう加熱する工程であるものとする。
【0010】
これにより上記(1)で述べたように、金属粉末を使用するRP技術において、造形速度が大きくかつ機械的強度の大きい造形物を得ることができる。また、これにより特定の型が不要で、切削くずの発生しない造形が行える。
【0011】
(3)上記(1)又は(2)において、好ましくは、前記第2工程でグリーンパートを加熱する温度は前記接合用の金属の前記骨格金属中への拡散を促進する温度である。
【0012】
これにより接合用の金属は骨格金属中は拡散し、焼結により接合された部分の融点が上昇し、機械的強度が高まる。
【0015】
(4)更に、上記(1)又は(2)において、好ましくは、前記第3工程は、前記第1工程で用いたのと同じ金属粉末を焼結して作られた溶浸用台座上に前記グリーンパートと溶浸用金属材料を置き、加熱することで、溶浸用金属材料を溶浸用台座を介してグリーンパートの空隙部に溶浸させる。
【0016】
これにより加熱溶融した溶浸用金属材料は、毛細管現象により、溶浸用台座内の空隙部を通じてグリーンパートの空隙部に到達し、溶浸用金属材料の空隙部への充填がスムースに行える。
【0019】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施の形態を図1〜図13により説明する。
【0020】
図1は本発明による金属粉末を使用して、選択的レーザ焼結により立体物を造形する工程のフローチャートを示す。図2〜13は各工程の詳細を説明するための図である。
【0021】
図1において、まず最初にレーザ焼結に用いる金属粉末1を用意する(工程101)。
【0022】
図2はその金属粉末1の拡大断面図である。金属粉末1は骨格金属2を有し、骨格金属2は、外径30〜50μm程度の球形または方形であり、拡散(濃度差により物質が浸透する現象)性を有する低融点の金属、あるいは低融点の金属を含む合金(以下、被覆金属という)3で薄く被覆されている。被覆金属3は接合用であり、被覆厚さは、例えば5〜10μm程度である。
【0023】
被覆金属3としては、例えばSn、P、Zn、Si、B等が単体あるいは合金(例えば、CuNiSnP、NiSiB等)で使用され、融点が低い程レーザ焼結時の処理速度を早くすることができるが、200〜1000℃が実用レベルの融点となる。
【0024】
骨格金属2としては、Cu、Ni、Fe等が単体あるいは合金として使用される。微粉金属である骨格金属2は一般には高圧液体アトマイズ法、ガスアトマイズ法により製造され、低融点金属は、骨格金属にメッキ、スパッタ、蒸着等により被覆される。
【0025】
なお、低融点金属を骨格金属に被覆するのではなく、5〜10μmの微粉末とし、混合して使用することもできる。
【0026】
以上のような金属粉末1を用意した後、次にこの金属粉末1をレーザ焼結装置に充填してレーザ焼結によりグリーンパート(一次造形品)を作成する(図1の工程102,103)。
【0027】
図3は、選択的レーザ焼結により立体物を造形する場合の情報の流れを示すものであり、コンピュータ4では、造形したい立体物(以下、造形物)の3次元データ(3次元CAD(Computer Aided Design)データ)や、X線CT(Computer Tomography)のデータを水平にスライスして輪切りのデータを作成する。輪切りのデータは選択的レーザ焼結装置5内の制御用コンピュータ6に送られる。制御用コンピュータ6は、輪切りのデータにしたがって、レーザ光源7のON−OFF、スキャンミラー8、金属粉末散布用ローラ9、金属粉末供給ピストン10a,10b、およびグリーンパート用ピストン11を操作する。
【0028】
図4は例えばSinterstation2500(米国DTM社商標)を使用した選択的レーザ焼結装置5の概略図であり、図5〜図9は異なる工程におけるその部分断面図である。図4及び図5〜図9によりこの選択的レーザ焼結装置5を使用した焼結状況を説明する。
【0029】
図4において、10,10は金属粉末収納箱であり、金属粉末供給ピストン10a,10bは図5〜図9に示すように金属粉末収納箱10,10内の底部に上下動可能に収納されている。グリーンパート用ピストン11は金属粉末収納箱10,10の間に位置し、図5〜図9に示すようにシリンダ容器30内に上下動可能に収納されている。金属粉末収納箱10,10とシリンダ容器30間には床部31が設けられ、ワーク面12を形成している。図4では図示の便宜上シリンダ容器30と床部31は省略している。
【0030】
まず、図5に示すように、第一層目の形成に先立ち金属粉末供給用ピストン10aを上昇させて金属粉末収納箱内10の金属粉末1を一層の厚みに相当する分だけ上方に押し出す。次に、図6に示すように、金属粉末散布用ローラ9を図示右方向に移動させて、ワーク面12に第一層目の厚みhに相当する金属粉末1の層を形成する。次いで、図7に示すように、制御用コンピュータ6から送られる造形物の第一層目の輪切りデータに基づいた制御信号により、レーザ光源6からのレーザ光13をスキャニングミラー8を介してワーク面12に照射し、第一層目の断面相当部分の金属粉末1を選択的に焼結して、造形物の第一層14aの造形が完了する。制御用コンピュータ6からの制御信号により、ワーク面12の断面相当位置においてのみレーザ光13が照射されるように、スキャニングミラー8の位置と連動してレーザ光13がON−OFFされる。
【0031】
次に、第二層目の造形作業につき説明する。まず、グリーンパート用ピストン11を造形物の第二層の厚みに相当する高さ分だけ下降させてワーク面12に凹部(図示せず)を形成する。次いで、金属粉末供給用ピストン10bを上昇させて金属粉末収納箱内10の金属粉末1を一層の厚みに相当する分だけ上方に押し出した後、図8に示すように、金属粉末散布用ローラ9を図示左方向に移動させて、ワーク面12に第二層目の厚みhに相当する金属粉末1の層を形成する。この作業により、先に形成された凹部が埋められる。その後、図9に示すように、制御用コンピュータ6から送られる造形物の第一層目の輪切りデータに基づいた制御信号により、レーザ光源6からのレーザ光13をスキャニングミラー8を介してワーク面12に照射し、第二層目の断面相当部分の金属粉末1を選択的に焼結して、造形物の第二層14bの造形が完了する。既に造形が完了している第一層14aと第二層14bは、第二層相当部形成時のレーザ光照射により相互に焼結されて一体化される。
【0032】
制御用コンピュータ6からの制御信号により、以後、造形物の輪切りデータの数だけ、金属粉末供給用ピストン10a,10bの上昇、グリーンパート用ピストン11の下降、金属粉末散布用ローラ9の移動による金属粉末層の形成、及びレーザ光による金属粉末1の選択的焼結を繰り返し、例えば図10に示すような所望する造形物のグリーンパート15を製作する。
【0033】
金属粉末1の組成にもよるが、レーザ光源のパワーは概ね100〜300Wであり、走査速度は300〜1000mm/分程度である。
【0034】
図11はグリーンパート15の部分拡大断面を示すもので、レーザ光13の照射により被覆金属3が溶融して接合部16を形成し、グリーンパート15の形状が保持される。レーザ光13により低融点の被覆金属3を溶融することによりグリーンパート15を造形するので、造形速度を増大させることができる。接合した金属粉末1間には空隙部17があり、この空隙部17には後述の溶浸工程で金属が充填される。
【0035】
グリーンパート15を作成した後、グリーンパート15を加熱炉内に設置し加熱工程を経て中実の造形物を作成する(図1の工程104,105,106)。
【0036】
図12は加熱及び溶浸作業の説明図である。加熱炉18内でグリーンパート15は、坩堝19内の溶浸用台座20上に設置されている。グリーンパート15と坩堝19との隙間には、セラミック粉末21が充填され、加熱中におけるグリーンパートの変形を防止する。溶浸用金属材料22がグリーンパート15の周辺で溶浸用台座20上に置かれている。
【0037】
溶浸用台座20は、金属粉末1を用いて成形した板材を焼結したものであり、グリーンパート15と同様、図11に示すような接合部16と空隙部17を有している。溶浸用金属材料22としては、被覆金属3より融点が高く骨格金属2よりは融点の低い材料、例えばブロンズ(CuSn合金)等が用いられる。
【0038】
図13は、加熱炉18内の温度制御チャート及び温度制御時における接合部16(金属粉末1の表面)の融点の変化を示す。
【0039】
加熱炉18は先ず、被覆金属3の融点Tcより少し低い温度T1で時間H1(被覆金属3にもよるが1〜5時間程度)に亘り保持される。この熱処理により、被覆金属3の骨格金属2内への拡散が促進される。温度T1は、被覆金属3が実質的に溶融せずかつ骨格金属2内への拡散が適切な速度で進行する温度であり、被覆金属3にもよるがおよそ被覆金属3の融点Tcより20〜30℃低い温度である。拡散の進行と共に、接合部16(金属粉末1の表面)の融点は上昇し最終的には、骨格金属2の融点Tb付近に達する。同時に接合部16の微視的な機械強度は骨格金属2の値に近いものとなる。
【0040】
時間H1(被覆金属3に関係するが、概略1〜5時間程度)経過後、加熱炉17内の温度を溶浸用金属材料22の融点Tiに設定し、時間H2(溶浸用金属材料22に関係するが、概略2〜5時間)加熱する。この工程で溶浸用金属材料22は溶融し、毛細管現象により、溶浸用台座20内の空隙部17を通じてグリーンパート15の空隙部17を充填し、中実の造形物が作成される。
【0041】
以下、金属粉末1として、骨格金属=SUS304、被覆金属=Snを使用した場合を説明する。先ず、加熱炉17内の温度をSnの融点(Tc)=232℃より少し低い、T1=200℃として、H1=3〜5時間加熱してSnをSUS316中ヘの拡散させる。この結果、接合部16の融点がSUS316の融点≒1300〜1400℃近くまで上昇する。次いで、加熱炉17内温度を溶浸用金属材料22であるブロンズの融点(Ti)より少し高いT2=1050℃で、H2=2〜3時間保持する。この過程で、毛細管現象により、溶浸用台座20内の空隙部17を通じてグリーンパート15の空隙部17をブロンズで充填し、中実の造形物が作成される。
【0042】
以上のように本実施の形態によれば、レーザ光により低融点の被覆金属を溶融することによりグリーンパート15を造形するので、金属粉末を使用するRP技術において、造形速度を増大させることができる。また、グリーンパート15の形状を保持している接合部16の融点及び機械的強度を高めることにより、融点が高く、機械的強度に優れる造形物を得ることができる。また、接合部16の融点を高めるので、被覆金属3より融点の高い溶浸用金属材料22を溶浸することができ、この点でも機械的強度が高まる。さらに、被覆金属3は熱処理によって骨格金属2中へ拡散し、空隙部17に滞留しないので、溶浸用台座20を用いて溶浸用金属材料22の空隙部17への充填がスムースに完了し、中実の造形物が容易に作成できる。加熱炉18内の雰囲気としては、金属の酸化を防止するため、非酸化雰囲気(N2ガス充填)あるいは真空とするのが望ましい。
【0043】
なお、上述の説明では、グリーンパート15を加熱炉18内に設置した後、加熱炉18内からグリーンパート15を取り出すことなく、接合部の融点及び機械的強度を高める加熱工程と溶浸を行う加熱工程を行ったが、低温炉で接合部の融点及び機械的強度を高める加熱工程を行い、その後低温炉から高温炉に入れ替えて、高温炉で溶浸を行うよう2工程の作業に分離しても良い。
【0044】
【発明の効果】
本発明によれば、金属粉末を使用するRP技術において、造形速度が大きくかつ機械的強度の大きい造形物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態による立体物造形方法を示すフローチャートである。
【図2】 金属粉末の拡大断面図である。
【図3】 レーザ焼結作業の情報の流れ説明図である。
【図4】 レーザ焼結装置及びレーザ焼結作業の説明図である。
【図5】 レーザ焼結作業の説明図である。
【図6】 レーザ焼結作業の説明図である。
【図7】 レーザ焼結作業の説明図である。
【図8】 レーザ焼結作業の説明図である。
【図9】 レーザ焼結作業の説明図である。
【図10】 作成されたグリーンパートの断面図である。
【図6】 グリーンパートの部分拡大断面図である。
【図12】 加熱炉内の配置状況を説明する図である。
【図13】 加熱炉内の温度制御チャート及び、接合部の融点変化、機械強度変化の説明図である。
【符号の説明】
1:金属粉末
2:骨格金属
3:低融点の金属(被覆金属)
4:上位コンピュータ
5:レーザ焼結装置
6:制御用コンピュータ
7:レーザ光源
8:スキャンミラー
9:金属粉末散布用ローラ
10:金属粉末収納箱
10a,10b:金属粉末供給ピストン
11:グリーンパート用ピストン
12:ワーク面
13:レーザ光
15:グリーンパート
16:接合部
17:空隙部
30:シリンダ容器
31:床部
Claims (4)
- 低融点金属を含む接合用の金属と骨格金属とからなる金属粉末をレーザ光の照射により焼結してグリーンパートを造形する第1工程と、このグリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱する第2工程と、前記グリーンパートを溶浸用金属材料と共に加熱して溶浸用金属材料をグリーンパートの空隙部分に溶浸する第3工程とを有し、
第2工程は、前記グリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱することにより、前記接合用の金属を前記骨格金属中へ拡散させ前記金属粉末の接合部の融点を昇温させる工程であり、
第3工程は、前記溶浸用金属として、前記接合用の金属よりも融点が高く前記骨格金属よりも融点が低い材料を用い、その溶浸用金属材料が溶融するよう加熱する工程であることを特徴とする立体物造形方法。 - 低融点金属を含む接合用の金属で薄く被覆された骨格金属からなる金属粉末をレーザ光の照射により焼結してグリーンパートを造形する第1工程と、このグリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱する第2工程と、前記グリーンパートを溶浸用金属材料と共に加熱して溶浸用金属材料をグリーンパートの空隙部に溶浸する第3工程とを有し、
前記第2工程は、前記グリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱することにより、前記接合用の金属を前記骨格金属中に拡散させ前記金属粉末の接合部の融点を昇温させる工程であり、
第3工程は、前記溶浸用金属として、前記接合用の金属よりも融点が高く前記骨格金属よりも融点が低い材料を用い、その溶浸用金属材料が溶融するよう加熱する工程であることを特徴とする立体物造形方法。 - 請求項1又は2記載の立体物造形方法において、前記第2工程でグリーンパートを加熱する温度は前記接合用の金属の前記骨格金属中への拡散を促進する温度であることを特徴とする立体物造形方法。
- 請求項1又は2記載の立体物造形方法において、前記第3工程は、前記第1工程で用いたのと同じ金属粉末を焼結して作られた溶浸用台座上に前記グリーンパートと溶浸用金属材料を置き、加熱することで、溶浸用金属材料を溶浸用台座を介してグリーンパートの空隙部に溶浸させることを特徴とする立体物造形方法。
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