JP4519560B2 - Additive manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、積層造形方法に係り、より詳しくは、粉末を材料として目的とする立体形状を造形する積層造形方法に関する。 The present invention relates to an additive manufacturing method, and more particularly to an additive manufacturing method for forming an intended three-dimensional shape using powder as a material.
従来から、CAD(Computer Aided Design)で図面を作成した立体形状をラピッドプロトタイピング(Rapid Prototyping;以下、「RP」と略す)システムにより実体化することが、様々な分野で行われている。特に、積層造形方法を使用したRPシステムはマシニングセンタ等に比べて簡単な装置でありながら加工の自由度が高い。こうした長所を有する積層造形方法は、樹脂や紙を材料とするものに多く適用されてきたが、強度や経時・経年変化等の面で問題がある。このため、金属等を材料とする積層造形方法による立体造形の研究が盛んに進められている。 Conventionally, a solid shape created by CAD (Computer Aided Design) has been materialized by a rapid prototyping (hereinafter referred to as “RP”) system in various fields. In particular, the RP system using the layered manufacturing method has a high degree of freedom in processing while being a simple device as compared with a machining center or the like. The additive manufacturing method having such advantages has been widely applied to materials made of resin or paper, but there are problems in terms of strength, aging and aging. For this reason, research of three-dimensional modeling by a layered modeling method using a metal or the like as a material has been actively promoted.
こうした金属等を材料とする立体の積層造形のうち、高強度の造形品を目指すものとして、(a)金属等の材料粉末の表面に樹脂を塗布した後、レーザ照射により加熱して溶融させた樹脂部を接着剤として機能させて断面要素を順次積層し、立体を造形する方法や、(b)金属等の材料粉末を1種類のレーザ照射により直接加熱して溶融し、連続体を形成する方法が提案されている。こうした方法では、レーザ照射による所定領域の溶融及びその溶融部で凝固が起こる。しかし、こうした溶融及び凝固のみでは、造形された立体内部に空洞や樹脂が残留し、十分な強度が得られない。そこで、高温雰囲気中における残留樹脂成分の揮発や材料粒子の局所的な結合を促進させて焼結状態としたり、使用した金属等の材料よりも低融点材料を溶解して空洞部に浸透させたりする後処理が必要であり、こうした後処理により強度の向上を図っていた。 Among the three-dimensional additive manufacturing using such metals as materials, (a) after applying a resin to the surface of the material powder such as metal, it was heated and melted by laser irradiation. The resin part is made to function as an adhesive and the cross-sectional elements are sequentially laminated to form a solid, or (b) a material powder such as metal is directly heated and melted by one type of laser irradiation to form a continuous body. A method has been proposed. In such a method, a predetermined region is melted by laser irradiation and solidification occurs in the melted portion. However, only with such melting and solidification, cavities and resin remain inside the shaped solid, and sufficient strength cannot be obtained. Therefore, the volatilization of the residual resin component in the high-temperature atmosphere and the local bonding of the material particles are promoted to be in a sintered state, or a material having a melting point lower than that of the metal used is dissolved and penetrated into the cavity. Therefore, post-treatment is required, and the strength is improved by such post-treatment.
これに対し、最近になって、焼結や低融点材料といった後処理を必要とせずに高強度を達成できる金属等の積層造形方法が提案されている(非特許文献1参照;以下、「従来例1」と呼ぶ)。この従来例の積層造形方法では、図8に示されるように、まず、材料粉末91を供給する(図8(A)参照)。なお、図8(A)には、目的形状の一部が既に内部に積層造形された圧縮材料体98上に新たに積層造形される層のための材料粉末91が供給される例が示されている。 On the other hand, recently, a layered manufacturing method for metals and the like that can achieve high strength without requiring post-treatment such as sintering or a low melting point material has been proposed (see Non-Patent Document 1; Called Example 1). In this conventional layered manufacturing method, as shown in FIG. 8, first, a material powder 91 is supplied (see FIG. 8A). FIG. 8A shows an example in which a material powder 91 for a layer to be newly layered is supplied onto a compressed material body 98 in which a part of the target shape has already been layered and modeled. ing.
引き続き、ブレード等を用いて材料粉末91を平坦化させて、材料粉末層92を形成する(図8(B)参照)。そして、材料粉体層92を高い圧力Pで圧縮し、圧縮材料層93を形成する(図8(C)参照)。 Subsequently, the material powder 91 is flattened using a blade or the like to form the material powder layer 92 (see FIG. 8B). Then, the material powder layer 92 is compressed with a high pressure P to form a compressed material layer 93 (see FIG. 8C).
次に、比較的低パワーのレーザ光L1により、目的とする立体形状の積層方向(+Z方向)における圧縮材料層93の位置の設計断面形状に応じた圧縮材料層93の領域を照射する。この結果、照射領域の材料が加熱されて溶融する。そして、その溶融部へのレーザ光L1の照射を止めて凝固させる。この結果、圧縮材料層93内に断面要素95が形成される(図8(D)参照)。なお、レーザ光L1を適当な速度で、設計断面形状に応じた圧縮材料層93の領域を走査することにより、材料を局所的に溶融して凝固させることが連続的に行われる。 Next, the region of the compression material layer 93 corresponding to the design cross-sectional shape at the position of the compression material layer 93 in the target three-dimensional stacking direction (+ Z direction) is irradiated with a relatively low power laser beam L1. As a result, the material in the irradiated region is heated and melted. And the irradiation of the laser beam L1 to the fusion | melting part is stopped, and it solidifies. As a result, a cross-sectional element 95 is formed in the compressed material layer 93 (see FIG. 8D). The material is locally melted and solidified continuously by scanning the region of the compressed material layer 93 corresponding to the design cross-sectional shape with the laser beam L1 at an appropriate speed.
次いで、レーザ光L1よりもパワーの高いレーザ光L2を、断面要素95に照射して加熱し、既に積層造形されている部分と断面要素とを一体化させる。この結果、断面要素95が新たに積層された積層造形体97が形成される(図8(E)参照)。以後、上記と同様にして、順次積層造形を進行させることにより、目的とする立体形状が高強度に造形される。 Next, the laser beam L2 having a higher power than the laser beam L1 is irradiated to the cross-sectional element 95 and heated, so that the already layered part and the cross-sectional element are integrated. As a result, a layered product 97 in which the cross-sectional elements 95 are newly stacked is formed (see FIG. 8E). Thereafter, in the same manner as described above, the target three-dimensional shape is formed with high strength by sequentially proceeding the layered modeling.
また、上記の従来例1における、材料粉体層を高い圧力Pで圧縮する工程を省略する技術も提案されている(非特許文献2参照;以下、「従来例2」と呼ぶ)。 In addition, a technique that omits the step of compressing the material powder layer at a high pressure P in the above-described conventional example 1 is also proposed (see Non-Patent Document 2; hereinafter referred to as “Conventional Example 2”).
上記の従来例1及び従来例2の積層造形方法は、それまでの高温雰囲気中における残留樹脂成分の揮発や材料粒子の局所的な結合を促進させて焼結状態としたり、使用した金属等の材料よりも低融点材料を溶解して空洞部に浸透させたりする後処理が必要な積層造形法と比べると、後処理の必要がないという点で非常に優れたものである。しかしながら、従来例1においては、例えば100MPaオーダーという非常に高い圧力で材料粉末層を積層方向に沿って圧縮する工程が必須であった。このため、従来技術の積層造形方法を使用して、高強度の立体を造形するには、大規模な圧縮装置が必要であるととともに、材料粉末層の形成場所である可動ステージ等も、こうした高い圧力に対する耐えられるものであることが必要であった。この結果、従来技術の積層造形方法を採用した積層造形装置は、大規模なものにならざるを得なかった。したがって、従来技術によっては、簡便に高強度の立体を造形することができるとはいい難かった。 The additive manufacturing method of the above-mentioned conventional example 1 and conventional example 2 promotes volatilization of residual resin components and local bonding of material particles in a high-temperature atmosphere so far, and a sintered state is used. Compared to a layered manufacturing method that requires post-processing such as dissolving a low-melting-point material rather than the material and allowing it to penetrate into the cavity, it is very excellent in that no post-processing is required. However, in the conventional example 1, the process of compressing the material powder layer along the stacking direction with a very high pressure, for example, on the order of 100 MPa is essential. For this reason, in order to form a high-strength solid using the additive manufacturing method of the prior art, a large-scale compression device is required, and a movable stage that is a place where the material powder layer is formed is also like this. It was necessary to be able to withstand high pressures. As a result, the additive manufacturing apparatus that employs the additive manufacturing method of the prior art has to be large-scale. Therefore, it is difficult to easily form a high-strength solid depending on the prior art.
また、従来例2においては、上記のような後処理の必要がないこと、非常に高い圧力で材料粉末層を積層方向に沿って圧縮する工程の必要はないが、最終的に達成される造形体における充填率は60〜70%程度であった。ここで、「充填率」とは、空隙部分の体積を全体積から差し引いた体積の全体積に対する割合をいう。すなわち、空隙率をαとした場合に、充填率は、(1−α)によって定義される。このため、更なる充填率の改善による更なる高強度の実現が望まれていた。 Moreover, in the prior art example 2, there is no need for the post-processing as described above, and there is no need for a step of compressing the material powder layer along the laminating direction with a very high pressure, but the shaping that is finally achieved The filling factor in the body was about 60 to 70%. Here, the “filling rate” refers to the ratio of the volume to the total volume obtained by subtracting the volume of the void from the total volume. That is, when the porosity is α, the filling rate is defined by (1−α). For this reason, the realization of the further high intensity | strength by the improvement of the further filling rate was desired.
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、簡易かつ迅速に高強度の立体を造形することができる積層造形方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an additive manufacturing method capable of easily and quickly forming a high-strength solid.
本発明の積層造形方法は、純鉄又は鉄を主成分とする合金の粉末を材料として目的とする立体形状を造形する積層造形方法であって、材料粉末の種類に応じて定まる所定の厚さに前記材料粉末を平坦化させた材料粉末層を形成する材料層形成工程と;前記目的とする立体形状における前記材料粉末層の積層位置の設計断面形状に応じた前記材料粉末層の領域を、第1レーザ光により走査し、局所的に加熱して溶融した後に凝固させて断面要素を形成する断面要素形成工程と;パルスレーザ光である第2レーザ光により前記断面要素を走査し、局所的に加熱して既に造形された部分と前記断面要素とを一体化させる一体化工程と;パルスレーザ光であり、かつ、ピークパワーが前記第2レーザ光よりも高い第3レーザ光により前記一体化工程により一体化された断面要素を走査し、前記一体化された断面要素の表面を整形する表面整形工程と;を繰り返し、前記目的とする立体形状を造形する積層造形方法であり、前記第1レーザ光は、ビーム直径d 1 [mm]の連続発振レーザ光が焦点距離f 1 [mm]の集光光学系を介した後の光であり、前記粉末材料層の厚さt[mm]は、前記第1レーザ光の焦点位置と前記粉末材料層の表面との間の距離をz 1 [mm]とした場合に、
t=k・ω 1 =k・z 1 ・d 1 /(2f 1 )
ここで、3.2≦k≦4.0
の条件を満たし、前記第1レーザ光のパワーPM[W]及び走査速度v[mm/s]は、
PM=A・v+B
ここで、10<A<11、25<B<40
の条件を満たし、前記第2レーザ光は、ビーム直径d 2 [mm]、ピークパワーPW[W]及びパルス幅8〜12[ms]のパルスレーザ光が焦点距離f 2 [mm]の集光光学系を介した後の光であり、前記ピークパワーPW[W]は、前記第2レーザ光の焦点位置と前記断面要素の表面との間の距離をz 2 [mm]とした場合に、定数aを600、定数bを470として、
PW=a・ω 2 +b=a・z 2 ・d 2 /(2f 2 )+b
の条件を満たすとともに、(ω 2 /2)の距離を隔てて1パルスずつ、前記第2レーザ光が、順次、前記断面要素に照射される、ことを特徴とする積層造形方法である。
The additive manufacturing method of the present invention is an additive manufacturing method for forming a desired three-dimensional shape using pure iron or an iron-based alloy powder as a material, and has a predetermined thickness determined according to the type of material powder. A material layer forming step of forming a material powder layer obtained by flattening the material powder; and a region of the material powder layer corresponding to a design cross-sectional shape of a stacking position of the material powder layer in the target three-dimensional shape, A cross-section element forming step of scanning with a first laser beam, locally heating and melting and then solidifying to form a cross-section element; and scanning the cross-section element with a second laser beam, which is a pulsed laser beam, An integration step of integrating the already shaped part and the cross-sectional element by heating to a pulsed laser beam and a third laser beam having a peak power higher than that of the second laser beam. In the process Ri scans the integrated cross sectional element, the integrated and surface shaping step for shaping the surface of the cross sectional element; repeatedly, a laminate molding method for molding a three-dimensional shape to the object, the first laser The light is light after continuous wave laser light having a beam diameter d 1 [mm] passes through a condensing optical system having a focal length f 1 [mm], and the thickness t [mm] of the powder material layer is: When the distance between the focal position of the first laser beam and the surface of the powder material layer is z 1 [mm],
t = k · ω 1 = k · z 1 · d 1 / (2f 1 )
Here, 3.2 ≦ k ≦ 4.0
The power PM [W] and the scanning speed v [mm / s] of the first laser beam are as follows:
PM = A ・ v + B
Here, 10 <A <11, 25 <B <40
The second laser beam satisfies the above condition, and the pulse laser beam having the beam diameter d 2 [mm], the peak power PW [W], and the pulse width of 8 to 12 [ms ] is condensed with the focal length f 2 [mm]. It is the light after passing through the optical system, and the peak power PW [W] is obtained when the distance between the focal position of the second laser beam and the surface of the cross-sectional element is z 2 [mm] Assuming that constant a is 600 and constant b is 470,
PW = a · ω 2 + b = a · z 2 · d 2 / (2f 2 ) + b
Together satisfy the, one pulse at a distance of (omega 2/2), the second laser beam is sequentially irradiated to the cross sectional element is a layered manufacturing method characterized by.
この積層造形方法では、材料層形成工程において、純鉄又は鉄を主成分とする合金の材料粉末の種類に応じて定まる所定の厚さに材料粉末を平坦化させた材料粉末層を形成する。引き続き、断面要素形成工程において、目的とする立体形状における材料粉末層の積層位置の設計断面形状に応じた材料粉末層の領域を、材料を実質的に飛散させない第1レーザ光により走査し、局所的に加熱して溶融した後に凝固させる。
ここで、第1レーザ光は、ビーム直径d 1 [mm]の連続発振レーザ光が焦点距離f 1 [mm]の集光光学系を介した後の光であり、粉末材料層の厚さt[mm]は、第1レーザ光の焦点位置と粉末材料層の表面との間の距離をz 1 [mm]とした場合に、次の式の条件を満たしている。
t=k・ω 1 =k・z 1 ・d 1 /(2f 1 )
ここで、3.2≦k≦4.0
上記の定数kは、材料粉末層の材料が溶融された段階で、表面張力により液滴(粒状)とならず、ある程度広い面積を緩やかに加熱して溶融材料が材料粉末層に沈下するように選ばれる。溶融材料が材料粉末層に沈下するためには、厚さtをある程度以上とすることが必要であるが、厚さtを大きくしすぎると、断面要素が厚くなりすぎてしまい、造形体の形状精度を損ねることになってしまう。発明者が様々な実験の結果から得た知見によれば、粉末材料層の材料が、純鉄又は鉄を主成分とする合金である場合には、定数kが3.2≦k≦4.0の条件を満たすことが望ましい。
また、第1レーザ光のパワーPM[W]及び走査速度v[mm/s]は、次の式の条件を満たしている。
PM=A・v+B
ここで、10<A<11、25<B<40
以上のように、粉末材料層の材料が、純鉄又は鉄を主成分とする合金である場合に、定数k、第1レーザ光のパワーPM及び走査速度vを選ぶことにより、溶融された段階で、表面張力により液滴(粒状)とならず、溶融材料が材料粉末層に沈下するようにすることができる。
In this additive manufacturing method, in the material layer forming step, a material powder layer is formed by flattening the material powder to a predetermined thickness determined according to the type of material powder of pure iron or an alloy containing iron as a main component . Subsequently, in the cross-section element forming step, the region of the material powder layer corresponding to the design cross-sectional shape of the material powder layer in the target three-dimensional shape is scanned with the first laser beam that does not substantially scatter the material, It is solidified after being heated and melted.
Here, the first laser light is light after the continuous wave laser light with the beam diameter d 1 [mm] passes through the condensing optical system with the focal length f 1 [mm], and the thickness t of the powder material layer [Mm] satisfies the condition of the following expression when the distance between the focal position of the first laser beam and the surface of the powder material layer is z 1 [mm].
t = k · ω 1 = k · z 1 · d 1 / (2f 1 )
Here, 3.2 ≦ k ≦ 4.0
The above constant k is such that when the material of the material powder layer is melted, it does not become droplets (granular) due to surface tension, but rather slowly heats a wide area to some extent so that the molten material sinks into the material powder layer. To be elected. In order for the molten material to sink to the material powder layer, it is necessary to make the thickness t more than a certain level. However, if the thickness t is too large, the cross-sectional element becomes too thick, and the shape of the shaped body The accuracy will be lost. According to the knowledge obtained by the inventors from the results of various experiments, when the material of the powder material layer is pure iron or an alloy containing iron as a main component, the constant k is 3.2 ≦ k ≦ 4. It is desirable to satisfy the condition of zero.
Further, the power PM [W] and the scanning speed v [mm / s] of the first laser light satisfy the condition of the following expression.
PM = A ・ v + B
Here, 10 <A <11, 25 <B <40
As described above, when the material of the powder material layer is pure iron or an alloy containing iron as a main component, the melted stage is selected by selecting the constant k, the power PM of the first laser beam, and the scanning speed v. Thus, the molten material does not become droplets (granular) due to the surface tension, and the molten material can sink to the material powder layer.
次に、一体化工程において、第2レーザ光により断面要素を走査し、局所的に加熱して既に造形された部分と断面要素とを一体化させる。この結果、従来技術により得られるものと同質の断面要素から成る中間造形体が形成される。
ここで、第2レーザ光を、ビーム直径d 2 [mm]、ピークパワーPW[W]及びパルス幅8〜12[ms]のパルスレーザ光が焦点距離f 2 [mm]の集光光学系を介した後の光としている。そして、ピークパワーPW[W]を、第2レーザ光の焦点位置と断面要素の表面との間の距離をz 2 [mm]とした場合に、定数aを600、定数bを470として、概ね次の式の条件を満たすように選んでいる。
PW=a・ω 2 +b=a・z 2 ・d 2 /(2f 2 )+b
こうして選ばれたピークパワーを有する第2レーザ光を、(ω 2 /2)の距離を隔てて1パルスずつ、順次、前記断面要素に照射すると、新たに形成された断面要素と、既に造形された部分とをしっかりと一体化させることができる。
Next, in the integration step, the cross-sectional element is scanned with the second laser beam, and the already shaped portion and the cross-sectional element are integrated by locally heating. As a result, an intermediate shaped body composed of cross-sectional elements of the same quality as that obtained by the prior art is formed.
Here, the second laser beam is a condensing optical system in which a pulse laser beam having a beam diameter d 2 [mm], a peak power PW [W], and a pulse width of 8 to 12 [ms] is a focal length f 2 [mm]. The light after passing through. When the peak power PW [W] is z 2 [mm] between the focal position of the second laser beam and the surface of the cross-sectional element , the constant a is 600 and the constant b is 470. It chooses to satisfy the following formula.
PW = a · ω 2 + b = a · z 2 · d 2 / (2f 2 ) + b
Thus the second laser beam having a peak power selected, one by one pulse at a distance of (omega 2/2), sequentially, is irradiated to the cross-sectional element, the cross-sectional element that is newly formed, already shaped Can be firmly integrated with each other.
次いで、表面整形工程において、パルスレーザ光であり、かつ、ピークパワーが第2レーザ光よりも高い第3レーザ光により一体化工程により一体化された断面要素を走査し、当該一体化された断面要素の表面における閉ざされかかったくぼみを除去する整形を行い、当該一体化された断面要素の表面を平滑化する。このため、次層の造形のために行われる材料層形成工程により形成される材料粉末層における粉末を均等化することができ、最終的な造形体内に生じる空隙の発生を低減することができる。この結果、最終的な造形体における充填率を90%以上に向上させることができるとともに、当該断面要素と既に造形された部分との一体化も強固なものとなる。 Next, in the surface shaping process, the integrated cross section is scanned by scanning the cross sectional element integrated by the integration process with the third laser light which is pulsed laser light and whose peak power is higher than that of the second laser light. Shaping is performed to remove the closed recesses on the surface of the element, and the surface of the integrated cross-sectional element is smoothed. For this reason, the powder in the material powder layer formed by the material layer formation process performed for modeling of the next layer can be equalized, and the generation of voids generated in the final modeled body can be reduced. As a result, the filling rate in the final shaped body can be improved to 90% or more, and the integration between the cross-sectional element and the already shaped part is also strong.
以後、材料層形成工程、断面要素形成工程、一体化工程及び表面整形工程とを繰り返し行うことにより、目的とする立体形状が高強度に造形される。 Thereafter, by repeatedly performing the material layer forming step, the cross-sectional element forming step, the integration step, and the surface shaping step, the intended three-dimensional shape is formed with high strength.
したがって、本発明の積層造形方法によれば、簡易かつ迅速に高強度の立体を造形することができる。 Therefore, according to the layered manufacturing method of the present invention, a high-strength solid can be modeled easily and quickly.
本発明の積層造形方法では、前記表面整形工程において、前記第3レーザ光のピークパワーを走査位置に応じて変化させることとすることができる。この場合には、第3レーザ光のピークパワーを走査位置に応じて変化させることにより、走査位置に応じて一体化された断面要素における表面付近の材料の一部を飛散させる程度を調整することができる。このため、一体化された断面要素における表面を平坦化させたり、表面付近における凹凸形状が所望の微細構造を有するように微細加工を行ったりすることができる。 In the additive manufacturing method of the present invention, in the surface shaping step, the peak power of the third laser beam can be changed according to the scanning position. In this case, by changing the peak power of the third laser light according to the scanning position, the degree of scattering of a part of the material near the surface in the integrated cross-sectional element according to the scanning position is adjusted. Can do. For this reason, the surface of the integrated cross-sectional element can be flattened, or fine processing can be performed so that the uneven shape near the surface has a desired fine structure.
また、本発明の積層造形方法では、前記第1レーザ光による特定線状領域の走査後に、前記特定線状領域に隣接する線状領域を前記第1レーザ光により走査する際には、前記特定線状領域の40〜60%が前記隣接する線状領域に含まれることとすることができる。特定線状領域を第1レーザ光により走査しただけでは、当該走査によって形成される造形物の走査方向に垂直な断面形状が弓なりとなってしまい、厚さが均一な断面要素を形成できない。しかし、特定線状領域に隣接する線状領域を第1レーザ光により走査する際に、特定線状領域の40〜60%が隣接する線状領域に含まれることとすることにより、厚さが均一化された板状の断面要素を形成することができる。ここで、特定線状領域と隣接する線状領域との重なり領域の面積の特定線状領域の面積に対する割合が小さいと断面要素の厚さのむらが大きくなってしまい、また、この割合が大きくなると断面形成工程に要する時間が長くなってしまうが、この割合を40〜60%とすると、断面要素の厚さのむらの発生を抑制しつつ、迅速に断面要素を形成することができる。 In the additive manufacturing method of the present invention, when the linear region adjacent to the specific linear region is scanned by the first laser light after the specific linear region is scanned by the first laser light, the specific laser 40 to 60% of the linear regions can be included in the adjacent linear regions. By simply scanning the specific linear region with the first laser beam, the cross-sectional shape perpendicular to the scanning direction of the shaped object formed by the scanning becomes a bow, and a cross-sectional element having a uniform thickness cannot be formed. However, when the linear region adjacent to the specific linear region is scanned with the first laser light, 40 to 60% of the specific linear region is included in the adjacent linear region. A uniform plate-like cross-sectional element can be formed. Here, if the ratio of the area of the overlapping region of the specific linear region and the adjacent linear region to the specific linear region is small, the unevenness of the thickness of the cross-sectional element becomes large, and when this proportion increases. Although the time required for the cross-section forming process becomes long, when this ratio is 40 to 60%, the cross-section element can be formed quickly while suppressing the occurrence of uneven thickness of the cross-section element.
また、本発明の積層造形方法では、前記一体化工程と前記表面整形工程との間で、パルスレーザ光であり、かつ、ピークパワーが前記第3レーザ光よりも高い第4レーザ光を照射し、前記断面要素を前記設計断面形状となるように切断する切断工程を更に備えることとすることができる。In the additive manufacturing method of the present invention, a fourth laser beam that is a pulse laser beam and has a peak power higher than that of the third laser beam is irradiated between the integration step and the surface shaping step. The cutting step of cutting the cross-sectional element so as to have the designed cross-sectional shape may be further provided.
ここで、第4レーザ光を、平均パワーPC[W]、パルス幅が数百[ns]、パルス周波数1〜3[kHz]のパルスレーザ光が集光光学系を介して前記断面要素の表面に集光された光とすることができる。そして、前記平均パワーPC[W]が、走査速度vc[mm/s]の場合、定数cを5〜15、定数dを15〜25として、次の式の条件を満たすようにすることが好ましい。Here, the fourth laser beam is a surface of the cross-sectional element that has an average power PC [W], a pulse width of several hundreds [ns], and a pulse frequency of 1 to 3 [kHz] via a focusing optical system. The light can be condensed. When the average power PC [W] is the scanning speed vc [mm / s], it is preferable that the constant c is 5 to 15 and the constant d is 15 to 25 so that the following equation is satisfied. .
PC=c・vc+dPC = c · vc + d
この場合には、一体化された断面要素が形成された後、次の断面要素が形成される前に形成された断面要素の形状を設計断面形状に精度良く一致させることができる。このため、目的とする立体形状を精度良く造形することができる。In this case, after the integrated cross-sectional element is formed, the shape of the cross-sectional element formed before the next cross-sectional element is formed can be matched with the design cross-sectional shape with high accuracy. For this reason, the target three-dimensional shape can be accurately modeled.
以上説明したように、本発明の積層造形方法によれば、簡易にかつ迅速に高強度の立体を造形することができるという顕著な効果がある。 As described above, according to the layered manufacturing method of the present invention, there is a remarkable effect that a high-strength solid can be modeled easily and quickly.
以下、本発明の一実施形態を、図1〜図7を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1には、本発明の一実施形態に係る積層造形方法を実施する積層造形システム10の概略的な構成が示されている。図1に示されるように、この積層造形システム10は、(a)目的とする立体形状を設計するとともに、設計データを格納する計算機システム20と、(b)計算機システム20の制御のもとで、連続光又はパルス光を発生するレーザ照射装置30Aと、(c)計算機システム20の制御のもとで、パルス光を発生するレーザ照射装置30Bと、(d)計算機システム20の制御のもとで、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の3軸方向に移動可能なステージ41を有するステージ装置40とを備えている。 FIG. 1 shows a schematic configuration of an additive manufacturing system 10 that performs an additive manufacturing method according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the additive manufacturing system 10 includes (a) a computer system 20 for designing a target solid shape and storing design data, and (b) under the control of the computer system 20. A laser irradiation device 30A for generating continuous light or pulsed light; (c) a laser irradiation device 30B for generating pulsed light under the control of the computer system 20; and (d) under control of the computer system 20. And a stage device 40 having a stage 41 that can move in the three axial directions of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.
計算機システム20は、(i)立体形状の設計プログラム等の様々なプログラムを実行するとともに、積層造形システム10全体を制御する処理装置21と、(ii)処理装置21の指令に応じて、図形や文字等を表示する表示装置22と、(iii)オペレータが処理装置21に対して指令や文字データを入力するキーボード等のストロークデバイス23と、(iv)オペレータが処理装置21に対して表示装置22の表示領域における位置を指定するマウス等のポインティングデバイス24と、(v)設計された立体形状のデータ等を格納する記憶装置25とを備えている。 The computer system 20 executes (i) various programs such as a three-dimensional design program, and also controls a processing device 21 that controls the entire additive manufacturing system 10, and (ii) a figure or a pattern according to a command from the processing device 21. A display device 22 for displaying characters and the like; (iii) a stroke device 23 such as a keyboard for an operator to input commands and character data to the processing device 21; and (iv) an operator for the processing device 21 with a display device 22 A pointing device 24 such as a mouse for designating a position in the display area, and (v) a storage device 25 for storing designed solid shape data and the like.
レーザ照射装置30Aは、(i)計算機システム20(より詳細には処理装置21)からの指令LCAに応じて、連続光発振及びパルス光発振の一方を択一的に行うレーザ発振器31Aと、(ii)レーザ発振器31Aから射出されたレーザ光を、ステージ41の+Z方向の所定平面上に集光するとともに、計算機システム20からの当指定に応じて該所定平面FP(以下、「焦点面FP」と呼ぶ)上における集光位置(焦点位置)を変化させる照射光学系32Aとを備えている。本実施形態では、レーザ発振器31Aは、最大100Wのパワーの連続光を出力することができるYAGレーザと、このYAGレーザに付加可能なパルス光出力ユニット(Qスイッチパルスユニット)とを有している。そして、計算機システム20は、YAGレーザを制御することによりレーザ光出力のON/OFFを制御するとともに、パルス光出力ユニットを制御することにより連続光とパルス光との切換を行うようになっている。ここで、レーザ照射装置30Aは、計算機システム20からパルス光発生の指令を受信したときには、Qスイッチ方式により、1〜3[kHz]の繰り返し周波数で、幅が数百[ns]で数百[kW]から数[MW]のピーク値のパルス光を射出するようになっている。 The laser irradiation device 30A includes (i) a laser oscillator 31A that selectively performs one of continuous light oscillation and pulsed light oscillation in response to a command LCA from the computer system 20 (more specifically, the processing device 21); ii) The laser beam emitted from the laser oscillator 31A is condensed on a predetermined plane in the + Z direction of the stage 41, and the predetermined plane FP (hereinafter referred to as “focal plane FP”) according to the designation from the computer system 20. And an irradiating optical system 32A that changes the light condensing position (focal position). In the present embodiment, the laser oscillator 31A includes a YAG laser that can output continuous light with a maximum power of 100 W, and a pulsed light output unit (Q switch pulse unit) that can be added to the YAG laser. . The computer system 20 controls ON / OFF of the laser light output by controlling the YAG laser, and switches between continuous light and pulsed light by controlling the pulse light output unit. . Here, when the laser irradiation apparatus 30A receives a pulse light generation command from the computer system 20, the laser irradiation apparatus 30A has a repetition frequency of 1 to 3 [kHz] and a width of several hundred [ns] to several hundred [ns] by the Q switch method. kW] to several [MW] peak light is emitted.
本実施形態においては、照射光学系32Aでは、連続光及びパルス光の双方の場合において、最終段の集光レンズは焦点距離f1が約100[mm]となっている。また、最終段の集光レンズに入射する直前においては、ビーム直径d1が約10[mm]となっている。 In the present embodiment, in the irradiation optical system 32A, the focal length f 1 of the condensing lens at the final stage is about 100 [mm] in both cases of continuous light and pulsed light. In addition, the beam diameter d 1 is about 10 [mm] immediately before entering the final stage condenser lens.
なお、レーザ照射装置30Aから射出される連続光が、後述するレーザ光L1として使用される。また、レーザ照射装置30Aから射出されるパルス光が、後述するレーザ光L3及びレーザ光L4として使用される。 The continuous light emitted from the laser irradiation device 30A is used as a laser light L1 described later. Further, pulsed light emitted from the laser irradiation device 30A is used as laser light L3 and laser light L4 described later.
レーザ照射装置30Bは、(i)計算機システム20(より詳細には処理装置21)からの指令LCBに応じて、ノーマルパルスのパルス光発振を行うレーザ発振器31Bと、(ii)レーザ発振器31Bから射出されたレーザ光を、ステージ41の+Z方向の所定平面上に集光するとともに、計算機システム20からの当指定に応じて焦点面FP上における集光位置(焦点位置)を変化させる照射光学系32Bとを備えている。本実施形態では、レーザ発振器31Bは、パルス光を出力可能なYAGレーザを有している。なお、レーザ照射装置30Bから射出されるパルス光が、後述するレーザ光L2として使用される。 The laser irradiation device 30B includes (i) a laser oscillator 31B that performs pulsed light oscillation of a normal pulse in response to a command LCB from the computer system 20 (more specifically, the processing device 21), and (ii) an emission from the laser oscillator 31B. The irradiated optical system 32B that condenses the laser beam thus formed on a predetermined plane in the + Z direction of the stage 41 and changes the condensing position (focal position) on the focal plane FP in accordance with the designation from the computer system 20. And. In the present embodiment, the laser oscillator 31B has a YAG laser that can output pulsed light. Note that the pulsed light emitted from the laser irradiation device 30B is used as a laser light L2 described later.
本実施形態においては、照射光学系32Bでは、最終段の集光レンズは焦点距離f2が約100[mm]となっている。また、最終段の集光レンズに入射する直前においては、ビーム直径d2が約10[mm]となっている。 In the present embodiment, in the irradiation optical system 32B, the focal length f 2 of the final stage condensing lens is about 100 [mm]. In addition, the beam diameter d 2 is about 10 [mm] immediately before entering the final stage condenser lens.
ステージ装置40は、(i)上述したステージ41と、(ii)計算機システム20(より詳細には処理装置21)からの指令STCに応じて、ステージ41をXYZの3軸方向に駆動する駆動装置42とを備えている。また、ステージ41上には、十分な耐熱性を有するベース板43が載置されている。 The stage device 40 includes (i) the stage 41 described above, and (ii) a drive device that drives the stage 41 in the three-axis directions of XYZ in response to a command STC from the computer system 20 (more specifically, the processing device 21). 42. On the stage 41, a base plate 43 having sufficient heat resistance is placed.
次に、上記のように構成された積層造形システムによる積層造形の動作について説明する。 Next, the operation of additive manufacturing by the additive manufacturing system configured as described above will be described.
まず、設計者が、計算機システム20を使用して、目的とする立体形状を設計する。かかる設計作業は、処理装置により3次元CADプログラムを実行させた状態で、設計者が、表示装置22における表示を参照しながら、ストロークデバイス23及びポインティングデバイス24を操作することにより行われる。こうして設計された立体形状のデータ、及び当該立体を水平面(XY平面と並行な面)で所定の垂直方向(Z方向)の厚さでスライスした場合における、各スライス部の断面形状のデータは、記憶装置25に格納される。なお、本実施形態では、設計された立体は、図2に示されるように、Z方向に沿って、XY断面形状である正方形枠(+Z方向側では、正方形枠の一部が除去されている)の一辺の長さが変化している立体OBJであるものとする。 First, the designer uses the computer system 20 to design a target three-dimensional shape. Such a design work is performed by the designer operating the stroke device 23 and the pointing device 24 while referring to the display on the display device 22 in a state where the three-dimensional CAD program is executed by the processing device. The data of the solid shape designed in this way, and the data of the cross-sectional shape of each slice part when the solid is sliced with a thickness in a predetermined vertical direction (Z direction) on a horizontal plane (a plane parallel to the XY plane), It is stored in the storage device 25. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the designed solid is a square frame having an XY cross-sectional shape along the Z direction (a part of the square frame is removed on the + Z direction side). ) Is a solid OBJ in which the length of one side is changed.
以上のようにして、CAD設計が終了すると、計算機システム20が駆動装置42を制御してステージ41上のベース板43がレーザ照射装置30Aの射出位置の−Z方向側となるように、ステージ41を移動させる。 As described above, when the CAD design is completed, the computer system 20 controls the driving device 42 so that the base plate 43 on the stage 41 is on the −Z direction side of the injection position of the laser irradiation device 30A. Move.
次に、第1層目用の材料粉末511を、ベース板43の+Z方向側表面上に供給する(図3(A)参照)。なお、本実施形態では、材料粉末511,…としては、100〜200μmに粒系の40%程度が集中しているNi−Mo合金鋼(川崎製鉄製 KIP シグマロイ415(商品名))を用いている。なお、材料粉末511,…としては、Ni−Mo合金鋼以外に、純鉄等の金属や合金を用いることができる。 Next, the material powder 51 1 for the first layer is supplied onto the + Z direction side surface of the base plate 43 (see FIG. 3A). In this embodiment, Ni-Mo alloy steel (KIP Sigmaloy 415 (trade name) manufactured by Kawasaki Steel Corporation) in which about 40% of the grain system is concentrated in 100 to 200 μm is used as the material powder 51 1 ,. ing. The material powder 51 1, as is ..., in addition to Ni-Mo alloy steel, may be used, such as pure iron metals and alloys.
引き続き、ブレード等を用いて、材料粉末511を平坦化して材料粉末層521を形成する(図3(B)参照)。ここで、材料粉末層521の厚さtは材料粉末511の種類、並びに後述するレーザ光L1の材料粉末層521への照射条件に応じて適切な値が定まるものである。すなわち、厚さtは、材料ごとに定まる定数をkとして、次の(1)式により定まる。
t≦k・ω1=k・z1・d1/(2f1) …(1)
Subsequently, the material powder 51 1 is flattened by using a blade or the like to form the material powder layer 52 1 (see FIG. 3B). The thickness t of the material powder layer 52 1 is the type of material powder 51 1, and in accordance with the irradiation conditions of the material powder layer 52 1 of the laser beam L1 to be described later are those determined appropriate value. That is, the thickness t is determined by the following equation (1), where k is a constant determined for each material.
t ≦ k · ω 1 = k · z 1 · d 1 / (2f 1 ) (1)
ここで、材料粉末511の種類が本実施形態にように鉄を主成分(組成の50%以上を占める成分)とする合金の場合には、3.2≦k≦4.0となる値kを選ぶことが望ましい。なお、材料粉末511の種類が純鉄の場合にも、値kの範囲は同様となる。 Here, when the kind of the material powder 51 1 is an alloy containing iron as a main component (a component occupying 50% or more of the composition) as in this embodiment, a value satisfying 3.2 ≦ k ≦ 4.0. It is desirable to select k. Note that the range of the value k is the same when the type of the material powder 51 1 is pure iron.
本実施形態では、距離z1(デフォーカス量)を5[mm]とするとともに、材料粉末層の521の厚さtを、定数kが4となる1[mm]としている。 In the present embodiment, the distance z 1 (defocus amount) is set to 5 [mm], and the thickness t of the material powder layer 52 1 is set to 1 [mm] where the constant k is 4.
次に、計算機システム20が駆動装置42を制御して材料粉末層521のZ位置が焦点面FPから約5[mm]だけ−Z方向側となるように、ステージ41をZ軸方向に移動させる。引き続き、計算機システム20がレーザ照射装置30Aを制御することにより、材料粉末層521における設計断面形状に応じた領域にレーザ光L1を照射して局所的な加熱を行う。ここで、レーザ光L1の照射による局所的な加熱を行うためのレーザ光L1による当該設計断面形状に応じた領域を走査する走査速度v[mm/s]及び連続レーザ光L1のパワーPM[W]は、次の(2)式の条件により定まる。
PM=A・v+B …(2)
ここで、10<A<11、25<B<40
Next, the computer system 20 controls the driving device 42 to move the stage 41 in the Z-axis direction so that the Z position of the material powder layer 52 1 is on the −Z direction side by about 5 [mm] from the focal plane FP. Let Subsequently, by the computer system 20 controls the laser irradiation apparatus 30A, performs local heating by irradiation with a laser beam L1 in an area corresponding to the design cross-sectional shape in the material powder layer 52 1. Here, the scanning speed v [mm / s] for scanning the region corresponding to the designed cross-sectional shape by the laser light L1 for performing the local heating by the irradiation of the laser light L1, and the power PM [W of the continuous laser light L1. ] Is determined by the condition of the following equation (2).
PM = A · v + B (2)
Here, 10 <A <11, 25 <B <40
なお、本実施形態では、定数Aを10.8、定数Bを30、走査速度vを2.8〜3.7[mm/s]として、レーザ光L1のパワーPWを60〜70[W]とすることにより、上記の(2)式の条件を満たすようにしている。 In this embodiment, the constant A is 10.8, the constant B is 30, the scanning speed v is 2.8 to 3.7 [mm / s], and the power PW of the laser light L1 is 60 to 70 [W]. Thus, the condition of the above equation (2) is satisfied.
上記の厚さtの条件を満たした材料粉末層521に、上記の(2)式の条件を満たした走査速度v[mm/s]及びパワーPM[W]でレーザ光L1を照射することにより、材料粉末層521の被照射領域が、溶融された段階で表面張力により液滴(粒状)とならず、溶融材料が材料粉末層に沈下する。 The material powder layer 52 1 that satisfies the conditions of the thickness t, is irradiated with laser light L1 at a scanning speed satisfies the condition of the above equation (2) v [mm / s] and power PM [W] Thus, the irradiated region of the material powder layer 52 1 does not become droplets (granular) due to surface tension at the stage of melting, and the molten material sinks into the material powder layer.
また、レーザ光L1による材料粉末層521の走査に際しては、線状領域の走査後に、当該線状領域に隣接する線状領域をレーザ光L1により走査する際には、当該線状領域の約50%が隣接する線状領域に含まれるようにしている。これは、走査に際して、走査方向と垂直な方向で隣り合うレーザ光L1の照射領域に重なりがないと、当該レーザ光L1の走査によって形成される断面要素の走査方向に垂直な断面形状が弓なりとなってしまい、厚さが均一な断面要素を形成できないためである。こうした断面形状が弓なりになることを防止するためには、当該線状領域と隣接する線状領域との重なり部分の割合を40%以上とすればよい。また、迅速な断面要素の形成のためには、重なり部分の割合を60%以下とすることが好ましい。 Further, when the laser beam L1 material powder layer 52 1 of the scanning by, after scanning of the linear region, a linear region adjacent to the linear region when scanned by the laser beam L1 is approximately of the linear region 50% is included in the adjacent linear region. This is because, when scanning, there is no overlap between adjacent irradiation areas of the laser light L1 in the direction perpendicular to the scanning direction, the cross-sectional shape perpendicular to the scanning direction of the cross-sectional element formed by the scanning of the laser light L1 becomes a bow. This is because a cross-sectional element having a uniform thickness cannot be formed. In order to prevent such a cross-sectional shape from becoming a bow, the ratio of the overlapping portion between the linear region and the adjacent linear region may be 40% or more. Further, in order to quickly form the cross-sectional element, it is preferable that the ratio of the overlapping portion is 60% or less.
以上のような条件で、レーザ光L1を、当該設計断面形状に応じた領域内で走査させることにより、第1層目の断面要素551が形成される(図3(C)参照)。こうして形成された断面要素551のX軸方向に沿って延びる部分のYZ断面を図4(A)に示す。この図4(A)で代表的に示されるように、断面要素551は、レーザ光L1が照射された領域と照射されなかった領域との境界部が三日月の端部のような形状となる。なお、断面要素551のZ軸方向厚さは、材料粉末層521のZ軸方向厚さの約30%程度となっている。 In the above conditions, the laser light L1, by scanning in a region corresponding to the design cross-sectional element 55 1 of the first layer is formed (see FIG. 3 (C)). The YZ cross section of the formed cross-sectional element 55 portion extending along one of the X-axis direction in this way is shown in FIG. 4 (A). As representatively shown in this FIG. 4 (A), the cross sectional element 55 1 is the boundary portion between the area where the laser light L1 is not irradiated with the irradiation region becomes the shape as of the end of the crescent . The Z-axis direction thickness of the cross-sectional element 55 1 is about 30% of the Z-axis direction thickness of the material powder layer 52 1 .
図3に戻り、次いで、計算機システム20が、レーザ照射装置30Aを制御して、パルス光L3を、立体OBJにおける断面要素551のZ位置に応じた断面形状、すなわち第1層目における設計断面形状の輪郭に沿って断面要素551内で走査させ、断面要素551を切断する。ここで、かかる切断に際しては、レーザ光L3を、パルス幅が数百[ns]、パルス周波数1〜3[kHz]のパルスレーザ光とし、レーザ光L3の焦点面に対する断面要素551表面のデフォーカス量を約0[mm]とする場合には、レーザ光L3の秒単位における平均パワーPC[W]及び走査速度vc[mm/s]が、次の(3)式の条件を満たすと、精度良く断面要素551が切断される。
PC=c・vc+d …(3)
ここで、cは5〜15、dは15〜25
Returning to Figure 3, then the computer system 20 controls the laser irradiation apparatus 30A, the pulse light L3, cross sectional shape corresponding to the Z position of the cross sectional element 55 1 in the stereoscopic OBJ, ie design cross-section in the first layer The cross-sectional element 55 1 is scanned along the contour of the shape, and the cross-sectional element 55 1 is cut. Here, when such cutting, the laser light L3, one hundred pulse width of several [ns], a pulse laser beam having a pulse frequency 1 to 3 [kHz], the cross sectional element 55 1 surface to the focal plane of the laser beam L3 de When the focus amount is about 0 [mm], when the average power PC [W] and the scanning speed vc [mm / s] in the second unit of the laser light L3 satisfy the condition of the following expression (3): accurately cross sectional element 55 1 is disconnected.
PC = c · vc + d (3)
Here, c is 5 to 15, d is 15 to 25
本実施形態では、走査速度vcを1[mm/s]とするともに、平均パワーPCを20〜40[W]として、(3)式の条件を満たすようにしている。 In the present embodiment, the scanning speed vc is set to 1 [mm / s] and the average power PC is set to 20 to 40 [W] so as to satisfy the condition of the expression (3).
こうしたレーザ光L3の照射により、第1層目における設計断面形状の輪郭に沿って断面要素551が切断され、整形断面要素571が形成される(図3(D)参照)。この整形断面要素571は、第1層目における設計断面形状に精度良く一致する。この整形断面要素571のZ軸と平行な面による断面の形状を、整形断面要素571がX軸方向に沿って延びる部分のYZ断面図として、図4(B)において代表的に示す。 The irradiation of such laser beam L3, cross sectional element 55 1 is cut along the contour of the design cross-sectional shape in the first layer, shaping the cross-sectional element 57 1 is formed (see FIG. 3 (D)). The shaping section element 57 1 is precisely matches the design cross-sectional shape in the first layer. The shaping section element 57 1 of the Z-axis and of a section along a plane parallel shape, a YZ cross-sectional view of a portion shaped cross-sectional element 57 1 extends along the X-axis direction are representatively shown in FIG. 4 (B).
図3に戻り、次に、計算機システム20が駆動装置42を制御して整形断面要素571のZ位置が焦点面FPから約5[mm]だけ−Z方向側となるように、ステージ41をZ軸方向に移動させる。引き続き、計算機システム20が、レーザ照射装置30Aを制御して、パルス光L4により整形断面要素571の表面を走査させることにより、整形断面要素571の表面における閉ざされかけたくぼみを除去し平滑化させる表面整形が行われる。この際、閉ざされかけたくぼみを除去と同時に、レーザ光L4のピークパワーを走査位置に応じて変化させることにより、整形断面要素571における表面付近の材料の一部を飛散させる程度を変化させることができる。この結果、各走査位置に応じて所望の量だけ材料の飛散をさせることができる。このため、整形断面要素571の表面を平坦化させたり、表面付近における凹凸形状が所望の微細構造を有するように微細加工を行ったりすることが自在にできる。なお、本実施形態においては、レーザ光L4による走査により、整形断面要素571の表面の平坦化を行うこととしている。 Returning to Figure 3, then the computer so that the system 20 controls the drive unit 42 the Z position of the shaping cross-sectional element 57 1 is about 5 [mm] by -Z direction from the focal plane FP, the stage 41 Move in the Z-axis direction. Subsequently, the computer system 20 controls the laser irradiation apparatus 30A, by scanning the surface of the shaping cross-sectional element 57 1 by the pulse light L4, to remove the indentation was about to be closed at the surface of the shaping cross-sectional element 57 1 smoothness Surface shaping is performed. At this time, simultaneously with the removal of the depression was about to be closed, by changing in accordance with the peak power of the laser beam L4 to the scan position, varying degrees to scatter a portion of the material near the surface of the shaping cross-sectional element 57 1 be able to. As a result, the material can be scattered by a desired amount in accordance with each scanning position. Therefore, it freely be or to planarize the surface of the shaping cross-sectional element 57 1, irregularities in the vicinity of the surface to or perform fine processing to have a desired microstructure. In the present embodiment, the scanning with the laser light L4, is set to be performed to planarize the shaping cross-sectional element 57 1 of the surface.
こうしたレーザ光L4の照射により、表面が平坦化された整形断面要素581が形成され(図3(E)参照)、この段階における造形体となる。この造形体581のZ軸と平行な面による断面の形状を、造形体581がX軸方向に沿って延びる部分のYZ断面図として、図4(C)において代表的に示す。なお、整形断面要素571の表面の平滑化(この層の場合には平坦化)を行うことにより、次層の造形のための材料粉末層521の(図5(B)参照)における材料粉末の均等化を図ることができ、ひいては、最終的な造形体の充填率を向上させることができる。 The irradiation of such laser beam L4, (see FIG. 3 (E)) surface shaped cross-sectional element 58 1 having a flattened is formed, and shaped bodies at this stage. The cross-sectional shape by the Z axis and parallel to the plane of the shaped body 58 1, a YZ cross-sectional view of a portion shaped bodies 58 1 extends along the X-axis direction are representatively shown in FIG. 4 (C). The material in the material powder layer 52 1 (see FIG. 5B) for shaping the next layer is obtained by smoothing the surface of the shaped cross-section element 57 1 (in the case of this layer, flattening). It is possible to equalize the powder, and consequently improve the filling rate of the final shaped body.
次に、第2層目用の材料粉末512を、材料粉末層521の+Z方向側表面上に供給する(図5(A)参照)。引き続き、ブレード等を用いて、材料粉末512を平坦化して材料粉末層522を形成する(図5(B)参照)。なお、材料粉末層522の厚さは、上記の材料粉末層521の場合と同様の厚さとしている。 Next, the material powder 51 2 for the second layer is supplied onto the + Z direction side surface of the material powder layer 52 1 (see FIG. 5A). Subsequently, using a blade or the like, a material powder 51 2 is planarized to form a material powder layer 52 2 (see FIG. 5 (B)). The thickness of the material powder layer 52 2 is in the thickness of the same as in the case of the material powder layer 52 1 described above.
次に、上述した図4(C)の場合と同様にして、計算機システム20が、駆動装置42を制御して材料粉末層522のZ位置が焦点面FPから5[mm]だけ−Z方向側となるように、ステージ41をZ軸方向に移動させる。引き続き、計算機システム20がレーザ照射装置30Aを制御することにより、材料粉末層521の場合と同様にして、材料粉末層522における設計断面形状に応じた領域にレーザ光L1を照射して局所的な加熱を行う。この結果、第2層目の断面要素552が形成される(図5(C)参照)。こうして形成された断面要素551のX軸方向に沿って延びる部分のYZ断面を図6(A)に示す。この図6(A)で代表的に示されるように、断面要素552は、断面要素551と同様に、レーザ光L1が照射された領域と照射されなかった領域との境界部が三日月の端部のような形状となる。 Next, in the same manner as shown in FIG. 4 (C) described above, the computer system 20, Z position of the material powder layer 52 2 is only 5 [mm] from the focal plane FP controls the drive unit 42 -Z direction The stage 41 is moved in the Z-axis direction so as to be on the side. Subsequently, the computer system 20 controls the laser irradiation apparatus 30A to irradiate the region corresponding to the design cross-sectional shape in the material powder layer 52 2 with the laser beam L1 in the same manner as in the case of the material powder layer 52 1. Heat. As a result, cross-sectional element 55 2 of the second layer is formed (see FIG. 5 (C)). The YZ cross section of the formed cross-sectional element 55 portion extending along one of the X-axis direction in this way is shown in FIG. 6 (A). As representatively shown in FIG. 6A, the cross-sectional element 55 2 has a crescent-shaped boundary between the region irradiated with the laser light L1 and the region not irradiated with the cross-sectional element 55 1 . It has a shape like an end.
次いで、計算機システム20が駆動装置42を制御してステージ41上のベース板43がレーザ照射装置30Bの射出位置の−Z方向側となるように、ステージ41を移動させる。引き続き、計算機システム20が駆動装置42を制御して、断面要素552が焦点面FPから5[mm]だけ−Z方向側となるように、ステージ41をZ軸方向に移動させる。そして、計算機システム20が、レーザ照射装置30Bを制御して、パルスレーザ光L2を断面要素552の形成領域内で走査させることにより、局所的な加熱を行い、断面要素552と、それまでの造形体581とを溶接して一体化させる(図5(D)参照)。 Next, the computer system 20 controls the driving device 42 to move the stage 41 so that the base plate 43 on the stage 41 is on the −Z direction side of the emission position of the laser irradiation device 30B. Subsequently, the computer system 20 controls the drive unit 42, so that the cross-sectional element 55 2 is only -Z direction side 5 [mm] from the focal plane FP, moves the stage 41 in the Z-axis direction. Then, the computer system 20 controls the laser irradiation device 30B, by scanning the pulsed laser beam L2 by the cross sectional element 55 2 in the formation region, performs a localized heating, the cross-sectional element 55 2, until it It is integrated by welding the shaped bodies 58 1 (see FIG. 5 (D)).
こうした溶接のためのレーザ光L2のピークパワーPW[W]は、次の(4)式によって概ね定まる。
PW=a・ω2+b=a・z2・d2/(2f2)+b …(4)
ここで、aは600、bは470
The peak power PW [W] of the laser beam L2 for such welding is generally determined by the following equation (4).
PW = a · ω 2 + b = a · z 2 · d 2 / (2f 2 ) + b (4)
Here, a is 600, b is 470
本実施形態では、レーザ光L2のパルス幅を8〜12msとするとともに、ピークパワーPWを560〜650[W]として、(4)式の条件を満たすようにしている。そして、レーザ光L2を、(ω 2 /2)の距離を隔てて1パルスずつ、順次、断面要素552に照射している。 In the present embodiment, the pulse width of the laser beam L2 is set to 8 to 12 ms, and the peak power PW is set to 560 to 650 [W] so that the condition of the expression (4) is satisfied. Then, the laser beam L2, one pulse at a distance of (omega 2/2), sequentially, and irradiating the cross-sectional element 55 2.
こうしたレーザ光L2の照射により、それまでの造形体581と断面要素552とが、しっかりと一体化する。この一体化された状態におけるZ軸と平行な面による断面の形状を、積層体572がX軸方向に沿って延びる部分のYZ断面図として図6(B)において代表的に示す。 The irradiation of such laser light L2, it until the shaped body 58 1 and the cross sectional element 55 2 of, integrated firmly. The cross-sectional shape by the Z axis and parallel to a plane in the integrated state, representatively shown in FIG. 6 (B) as a YZ cross-sectional view of a portion laminate 57 2 extends along the X-axis direction.
図5に戻り、次に、計算機システム20が駆動装置42を制御してステージ41上のベース板43がレーザ照射装置30Aの射出位置の−Z方向側となるように、ステージ41を移動させる。引き続き、計算機システム20が駆動装置42を制御して、断面要素552が焦点面FPとほぼ一致するように、ステージ41をZ軸方向に移動させる。そして、計算機システム20がレーザ照射装置30Aを制御することにより、断面要素551の場合と同様にして、パルス光L3を、立体OBJにおける断面要素552のZ位置に応じた断面形状、すなわち第2層目における設計断面形状の輪郭に沿って断面要素552内で走査させ、断面要素552を切断する。この結果、第2層目における設計断面形状の輪郭に沿って断面要素552が切断され、整形断面要素572が形成される(図5(E)参照)。この状態におけるZ軸と平行な面による断面の形状を、整形断面要素572がX軸方向に沿って延びる部分のYZ断面図として、図6(C)において代表的に示す。 Returning to FIG. 5, next, the computer system 20 controls the driving device 42 to move the stage 41 so that the base plate 43 on the stage 41 is on the −Z direction side of the injection position of the laser irradiation device 30A. Subsequently, the computer system 20 controls the drive unit 42, as cross sectional element 55 2 is substantially coincident with the focal plane FP, moves the stage 41 in the Z-axis direction. By the computer system 20 controls the laser irradiation apparatus 30A, as in the case of cross sectional element 55 1, the pulsed light L3, cross sectional shape corresponding to the Z position of the cross sectional element 55 2 in the stereoscopic OBJ, i.e. the It is scanned by the cross sectional element 55 within 2 along the contour of the design cross-sectional shape in the second layer, to cut the cross-sectional element 55 2. As a result, along the contour of the design cross-sectional shape in the second layer is cross sectional element 55 2 is cut, shaped cross-sectional element 57 2 is formed (see FIG. 5 (E)). The cross-sectional shape by the Z axis and parallel to the plane in this state, as YZ cross-sectional view of a portion shaped cross-sectional element 57 2 extends along the X-axis direction are representatively shown in FIG. 6 (C).
図5に戻り、次いで、計算機システム20が駆動装置42を制御して整形断面要素572のZ位置が焦点面FPから約5[mm]だけ−Z方向側となるように、ステージ41をZ軸方向に移動させる。引き続き、計算機システム20が、レーザ照射装置30Aを制御して、パルス光L4により、整形断面要素571の表面を走査させることにより、整形断面要素572の表面における閉ざされかけたくぼみを除去する表面整形、及び、整形断面要素572の表面付近における凹凸形状を所望の微細構造を有するようにする微細加工を行う。この結果、この段階における造形体582が形成される(図5(F)参照)。この造形体582のZ軸と平行な面による断面の形状を、造形体582がX軸方向に沿って延びる部分のYZ断面図として、図6(D)において代表的に示す。なお、レーザ光L4による整形断面要素572の表面加工として、図6(C)における整形断面要素572のY方向中央部は平坦化を行うとともに、Y方向端部は丸みを帯びさせる加工を行った。 Returning to FIG. 5, then the computer so that the system 20 is the Z position of the control to shaping cross-sectional element 57 2 the drive unit 42 is about 5 [mm] by -Z direction from the focal plane FP, the stage 41 Z Move in the axial direction. Subsequently, the computer system 20 controls the laser irradiation apparatus 30A, the pulse light L4, by scanning the surface of the shaping cross-sectional element 57 1, to remove the indentation was about to be closed at the surface of the shaping cross-sectional element 57 2 surface shaping, and performs fine processing to the irregular shape in the vicinity of the surface of the shaping cross sectional element 57 2 to have a desired microstructure. As a result, the shaped bodies 58 2 at this stage is formed (see FIG. 5 (F)). The cross-sectional shape by the Z axis and parallel to the plane of the shaped bodies 58 2, as YZ cross-sectional view of a portion shaped bodies 58 2 extends along the X-axis direction are representatively shown in FIG. 6 (D). As surface treatment of the shaped cross-sectional element 57 2 by a laser beam L4, Y-direction central portion of the shaping cross-sectional element 57 2 in FIG. 6 (C), together with the planarized, Y-direction end portion of the machining to form a round went.
以後、上記の第2層目における積層造形と同様にして、第3層目以降の積層造形が行われる。そして、最終的に、目的とする立体OBJが高強度かつ高精度で造形される。 Thereafter, the layered modeling of the third and subsequent layers is performed in the same manner as the layered modeling of the second layer. Finally, the target solid OBJ is modeled with high strength and high accuracy.
こうして形成された積層造形体の断面写真が図7(A)に示されるとともに、上述した図3(E)及び図5(E)におけるレーザ光L4の照射を省略した場合に形成される比較例(すなわち、上述した従来例2)の積層造形体の断面写真が図7(B)に示されている。比較例の積層造形体の充填率は63.1%であるのに対して、本実施形態による積層造形体の充填率は95.0%であり、本実施形態による充填率の向上が確認された。 A cross-sectional photograph of the layered object formed in this way is shown in FIG. 7A, and a comparative example formed when the laser beam L4 irradiation in FIGS. 3E and 5E is omitted. FIG. 7B shows a cross-sectional photograph of the layered manufacturing body of Conventional Example 2 (that is, Conventional Example 2 described above). While the filling rate of the layered object of the comparative example is 63.1%, the filling rate of the layered object according to this embodiment is 95.0%, and the improvement of the filling rate according to this embodiment is confirmed. It was.
以上説明したように、本実施形態では、材料粉末の種類等に応じて定まる所定の厚さに材料粉末を平坦化させた材料粉末層を形成する。そして、レーザ光L1を用いて断面要素の形成し、レーザ光L2を用いて断面要素をそれまでに形成された造形体と一体化させた後、レーザ光L4により断面要素の表面を平滑化する表面整形を行っている。したがって、本実施形態によれば、最終的な造形体の充填率を向上させることができ、簡易にかつ迅速に高強度の立体を造形することができる。 As described above, in this embodiment, the material powder layer is formed by flattening the material powder to a predetermined thickness determined according to the type of the material powder. Then, the cross-sectional element is formed using the laser light L1, and the cross-sectional element is integrated with the shaped body formed so far using the laser light L2, and then the surface of the cross-sectional element is smoothed by the laser light L4. Surface shaping is performed. Therefore, according to this embodiment, the filling rate of the final shaped body can be improved, and a high-strength solid can be shaped easily and quickly.
また、本実施形態では、レーザ光L4による断面要素の表面整形を行う際に、レーザ光L4のピークパワーを走査位置に応じて変化させるので、断面要素の表面を所望の形状に加工することができる。
In the present embodiment, when the surface of the cross-sectional element is shaped by the laser light L4, the peak power of the laser light L4 is changed according to the scanning position, so that the surface of the cross-sectional element can be processed into a desired shape. it can.
また、本実施形態では、各層の断面要素を形成する度に、断面要素の形状が設計断面要素形状に精度良く一致するように、レーザ光L3を用いて断面要素を切断している。したがって、目的とする立体形状を精度良く造形することができる。 In the present embodiment, each time the cross-sectional elements of each layer are formed, the cross-sectional elements are cut using the laser light L3 so that the shape of the cross-sectional elements matches the design cross-sectional element shape with high accuracy. Therefore, the target three-dimensional shape can be accurately modeled.
なお、上記の実施形態では、レーザ光L1として連続光を採用したが、パルス高及びパルス間隔が適切なものであれば、パルス光を採用することもできる。 In the above-described embodiment, continuous light is used as the laser light L1, but pulsed light may be used as long as the pulse height and the pulse interval are appropriate.
また、粉末材料粉末としては、上述したNi−Mo合金鋼の粉末、他の合金の粉末、純鉄等の金属の粉末以外に、セラミックの粉末等を材料として使用しても、同様に積層造形を行うこともできる。なお、合金粉末の組成において、炭素の含有量が多い場合には、窒素雰囲気又はアルゴン雰囲気という酸素を実質的に含まない雰囲気中で、レーザ光照射を行うことが好ましい。 In addition to the Ni-Mo alloy steel powder, other alloy powders, and metal powders such as pure iron, as a powder material powder, even if ceramic powder or the like is used as a material, additive manufacturing is similarly performed. Can also be done. In addition, when the content of carbon is high in the composition of the alloy powder, it is preferable to perform laser light irradiation in an atmosphere that does not substantially contain oxygen, such as a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere.
また、上記の実施形態では、ステージ41がXY軸方向で可動としたが、レーザ照射装置30A,30Bによるレーザ光の走査範囲が十分に広ければ、ステージ41がXY軸方向で固定されていてもよい。また、上記の実施形態では、ステージ41のZ軸方向への移動を計算機システムの制御のもとで行ったが、ステージ41のZ軸方向への移動を手動で行ってもよい。 In the above-described embodiment, the stage 41 is movable in the XY axis direction. However, if the scanning range of the laser beam by the laser irradiation devices 30A and 30B is sufficiently wide, the stage 41 may be fixed in the XY axis direction. Good. In the above embodiment, the stage 41 is moved in the Z-axis direction under the control of the computer system. However, the stage 41 may be manually moved in the Z-axis direction.
また、上記の実施形態では、新たな材料粉末の供給に伴い必要となる材料粉末層と焦点面とのZ軸方向の位置関係の調整を、ステージ41をZ軸方向に移動させることにより、行った。これに対して、レーザ照射装置30A,30Bを移動したり、照射光学系32A,32Bを調整したりすることにより、レーザ光L1、L2、L3、L4の焦点面のZ位置を調整するようにしてもよい。 Further, in the above embodiment, the adjustment of the positional relationship in the Z-axis direction between the material powder layer and the focal plane, which is required when a new material powder is supplied, is performed by moving the stage 41 in the Z-axis direction. It was. On the other hand, the Z position of the focal plane of the laser beams L1, L2, L3, and L4 is adjusted by moving the laser irradiation devices 30A and 30B and adjusting the irradiation optical systems 32A and 32B. May be.
また、上記の実施形態では、レーザ光L1,L2,L3、L4による走査は、可動ミラー等を用いて行ってもよいし、レーザ光L1,L2,L3、L4を導波する光ファイバの光射出位置を移動させて行ってもよい。 In the above embodiment, the scanning with the laser beams L1, L2, L3, and L4 may be performed using a movable mirror or the like, or the optical fiber light that guides the laser beams L1, L2, L3, and L4. The injection position may be moved.
また、上記の実施形態では、レーザとしてYAGレーザを使用したが、炭酸ガスレーザ、半導体レーザ等を使用することもできる。 In the above embodiment, a YAG laser is used as the laser, but a carbon dioxide laser, a semiconductor laser, or the like can also be used.
また、上記実施形態では、レーザ照射装置30A,30Bそれぞれが、独立して照射光学系を備えることとした。これに対し、レーザ発振器31A,31Bから射出された光の一方を択一的に選択出力する光切換器により共通の照射光学系に導くようにすることにより、照射光学系を1つとすることもできる。こうした光切換器は、1つ以上のミラーを移動可能とすることにより構成することができる。 In the above embodiment, each of the laser irradiation devices 30A and 30B is independently provided with an irradiation optical system. On the other hand, one irradiation optical system can be obtained by guiding one of the lights emitted from the laser oscillators 31A and 31B to a common irradiation optical system by an optical switch that selectively outputs one of the lights. it can. Such a light switch can be constructed by making one or more mirrors movable.
また、積層造形の対象となる立体形状は、上記の実施形態における立体OBJの形状に限定されるものではなく、任意の立体形状とすることができる。 In addition, the three-dimensional shape that is the object of the layered modeling is not limited to the shape of the three-dimensional OBJ in the above-described embodiment, and can be an arbitrary three-dimensional shape.
以上説明したように、本発明の積層造形方法は、粉末を材料として、目的とする立体形状を造形する積層造形に適用することができる。 As described above, the additive manufacturing method of the present invention can be applied to additive manufacturing for forming an intended three-dimensional shape using powder as a material.
10…積層造形システム、20…計算機システム、30A,30B…レーザ照射装置、40…ステージ装置、511,512…材料粉末、521,522…材料粉末層、551,552…断面要素、571,572…整形断面要素、581,582…造形体、L1…レーザ光(第1レーザ光)、L2…レーザ光(第2レーザ光)、L3…レーザ光(第4レーザ光)、L4…レーザ光(第3レーザ光)、OBJ…造形目的の立体。
10 ... laminate shaping system, 20 ... computer system, 30A, 30B ... laser irradiation apparatus, 40 ... stage device, 51 1, 51 2 ... material powder, 52 1, 52 2 ... material powder layer, 55 1, 55 2 ... cross Element, 57 1 , 57 2 ... shaped cross-section element, 58 1 , 58 2 ... shaped body, L1 ... laser beam (first laser beam), L2 ... laser beam (second laser beam), L3 ... laser beam (fourth) Laser light), L4 ... laser light (third laser light), OBJ ... solid for modeling purposes.
Claims (4)
材料粉末の種類に応じて定まる所定の厚さに前記材料粉末を平坦化させた材料粉末層を形成する材料層形成工程と;
前記目的とする立体形状における前記材料粉末層の積層位置の設計断面形状に応じた前記材料粉末層の領域を、第1レーザ光により走査し、局所的に加熱して溶融した後に凝固させて断面要素を形成する断面要素形成工程と;
パルスレーザ光である第2レーザ光により前記断面要素を走査し、局所的に加熱して既に造形された部分と前記断面要素とを一体化させる一体化工程と;
パルスレーザ光であり、かつ、ピークパワーが前記第2レーザ光よりも高い第3レーザ光により前記一体化工程により一体化された断面要素を走査し、前記一体化された断面要素の表面を整形する表面整形工程と;を繰り返し、前記目的とする立体形状を造形する積層造形方法であり、
前記第1レーザ光は、ビーム直径d 1 [mm]の連続発振レーザ光が焦点距離f 1 [mm]の集光光学系を介した後の光であり、
前記粉末材料層の厚さt[mm]は、前記第1レーザ光の焦点位置と前記粉末材料層の表面との間の距離をz 1 [mm]とした場合に、
t=k・ω 1 =k・z 1 ・d 1 /(2f 1 )
ここで、3.2≦k≦4.0
の条件を満たし、
前記第1レーザ光のパワーPM[W]及び走査速度v[mm/s]は、
PM=A・v+B
ここで、10<A<11、25<B<40
の条件を満たし、
前記第2レーザ光は、ビーム直径d 2 [mm]、ピークパワーPW[W]及びパルス幅8〜12[ms]のパルスレーザ光が焦点距離f 2 [mm]の集光光学系を介した後の光であり、前記ピークパワーPW[W]は、前記第2レーザ光の焦点位置と前記断面要素の表面との間の距離をz 2 [mm]とした場合に、定数aを600、定数bを470として、
PW=a・ω 2 +b=a・z 2 ・d 2 /(2f 2 )+b
の条件を満たすとともに、(ω 2 /2)の距離を隔てて1パルスずつ、前記第2レーザ光が、順次、前記断面要素に照射される、
ことを特徴とする積層造形方法。 It is a layered modeling method for modeling a target three-dimensional shape using pure iron or a powder of an alloy containing iron as a main component ,
A material layer forming step of forming a material powder layer obtained by flattening the material powder to a predetermined thickness determined according to the type of material powder;
The region of the material powder layer corresponding to the design cross-sectional shape of the lamination position of the material powder layer in the target three-dimensional shape is scanned by the first laser beam, locally heated and melted, and then solidified and cross-sectioned. A cross-sectional element forming step for forming the element;
An integration step in which the cross-sectional element is scanned with a second laser beam, which is a pulsed laser beam, and a portion that has already been shaped by locally heating is integrated with the cross-sectional element;
The cross-sectional element integrated by the integration step is scanned with a third laser light that is pulsed laser light and has a peak power higher than that of the second laser light, and the surface of the integrated cross-sectional element is shaped. A surface shaping step to repeat; and a layered shaping method for shaping the intended three-dimensional shape ,
The first laser light is light after a continuous wave laser light having a beam diameter d 1 [mm] passes through a condensing optical system having a focal length f 1 [mm],
The thickness t [mm] of the powder material layer is determined when the distance between the focal position of the first laser beam and the surface of the powder material layer is z 1 [mm]
t = k · ω 1 = k · z 1 · d 1 / (2f 1 )
Here, 3.2 ≦ k ≦ 4.0
Meet the requirements of
The power PM [W] and scanning speed v [mm / s] of the first laser light are as follows:
PM = A ・ v + B
Here, 10 <A <11, 25 <B <40
Meet the requirements of
The second laser beam passes through a condensing optical system in which a pulse laser beam having a beam diameter d 2 [mm], a peak power PW [W], and a pulse width of 8 to 12 [ms] is focal length f 2 [mm]. And the peak power PW [W] is a constant a of 600 when the distance between the focal position of the second laser beam and the surface of the cross-sectional element is z 2 [mm]. Assuming that constant b is 470,
PW = a · ω 2 + b = a · z 2 · d 2 / (2f 2 ) + b
Together satisfy the, one pulse at a distance of (omega 2/2), the second laser beam is sequentially irradiated to the cross sectional element,
An additive manufacturing method characterized by that.
前記第4レーザ光は、平均パワーPC[W]、パルス幅が数百[ns]、パルス周波数1〜3[kHz]のパルスレーザ光が集光光学系を介して前記断面要素の表面に集光された光であり、
前記平均パワーPCは、走査速度vc[mm/s]の場合、定数cを5≦c≦15、定数dを15≦d≦25として、
PC=c・vc+d
の条件を満たす、
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の積層造形方法。 Between the integration step and the surface shaping step, a fourth laser beam which is a pulse laser beam and whose peak power is higher than that of the third laser beam is irradiated, and the cross-sectional element is changed to the designed cross-sectional shape. Further comprising a cutting step of cutting so that
In the fourth laser beam, a pulse laser beam having an average power PC [W], a pulse width of several hundreds [ns], and a pulse frequency of 1 to 3 [kHz] is collected on the surface of the cross-sectional element via a condensing optical system. Light
When the scanning speed vc [mm / s], the average power PC is set such that the constant c is 5 ≦ c ≦ 15 and the constant d is 15 ≦ d ≦ 25.
PC = c · vc + d
Satisfying the conditions of
The additive manufacturing method according to any one of claims 1 to 3 , wherein the additive manufacturing method is performed.
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