JP4693681B2 - 光造形物の製造方法 - Google Patents
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まず、図15(a)に示すように昇降テーブル1の上に金属粉末2をスキージー3で所定の厚みに被覆する。昇降テーブル1は基準テーブル4の側面に沿って昇降するものであり、スキージー3は基準テーブル4の上面と同じレベルで水平方向に往復運動するようにしてある。従って、昇降テーブル1の上面と基準テーブル4の上面との間のΔtの段差に相当する厚みで金属粉末2の層を昇降テーブル1の上に形成することができる。
また本発明の光造形物の製造方法は、第1成形材料の層の所定箇所にレーザ光を照射して前記第1成形材料を溶融させた後焼結させて第1焼結層を形成し、前記第1焼結層にレーザ光を照射し前記第1焼結層を再溶融させた後に前記第1焼結層を焼結して第1再焼結層を形成し、さらに前記第1再焼結層の上に第2成形材料の層を被覆すると共に前記第2成形材料の所定箇所にレーザ光を照射して前記第2成形材料を焼結させて下の前記第1焼結層と一体になった焼結体を形成し、この工程を繰り返すことで複数の焼結層が積層一体化された焼結体を有する光造形物を作製するに際し、前記第1焼結層が形成された後、前記第2成形材料の被覆が行われるまでに、前記第1焼結層を加熱して前記第1焼結層の厚みより小さい深さの再溶融部を形成することを特徴とする。
また本発明の光造形物の製造方法は、第1成形材料の層の所定箇所にレーザ光を照射して前記第1成形材料を溶融させた後焼結させて第1焼結層を形成し、前記第1焼結層にレーザ光を照射し前記第1焼結層を再溶融させた後に前記第1焼結層を焼結して第1再焼結層を形成し、さらに前記第1再焼結層の上に第2成形材料の層を被覆すると共に前記第2成形材料の所定箇所にレーザ光を照射して前記第2成形材料を焼結させて下の前記第1焼結層と一体になった焼結体を形成し、この工程を繰り返すことで複数の焼結層が積層一体化された焼結体を有する光造形物を作製するに際し、前記第1焼結層の溶融時の溶融体積より、前記第1焼結層の再溶融時の溶融体積の方が小さい溶融体積であることを特徴とする。
(実施の形態1)
図1〜図6は本発明の(実施の形態1)を示す。
なお、図15と同じ構成要素については同じ符号を付けてその説明を省略する。
図1は、昇降テーブル1に取り付けられたベース板としての金属板20の上に、図2に示す形状の焼結体13の金型Aを、光造形で形成する光造形物製造装置である。
基準テーブル4の開口4aから金属粉末2の供給を受ける側の昇降テーブル1は、基準テーブル4の上面よりも焼結層の1層の厚み分として50μmだけ下がった位置で停止しており、基準テーブル4の開口4bの上面より上に出た金属粉末2が、スキージー3の右側への移動によって基準テーブル4の上面に一致するように昇降テーブル1の上に供給される。
金型Aの焼結状態は、図4に示すように、高焼結密度層24、中焼結密度層25、低焼結密度層26の3層で形成されている。強固な外形を得るために表面は高焼結密度層24とし、内部には形状が維持できる程度の強度で反りを小さくするために中焼結密度層25と低焼結密度層26の多層が形成されるように、焼結時にレーザの照射条件を変えて、上記の3つの異なる焼結密度の領域を焼結体13内に形成し、反りの発生をできるだけ小さくした。
図7は、本発明の(実施の形態2)の光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置を示し、図1の構成と違う点は、加熱機構18、加熱ランプ19とエアーブロー27を除いたことであって、(実施の形態2)では、焼結層21が形成された後、次の金属粉末2が被覆される前に、焼結層21の上に焼結時とは照射条件を変えたレーザ光Lを再照射し加熱焼鈍する。その結果、照射しない場合の反り0.11mmが0.07mmまで減少した。
図8において、21は焼結層、29は焼鈍で生じた再溶融部で、再溶融部29の深さは焼結層21の厚みより小さくなるように形成してある。レーザ光Lの照射ピッチは、焼結時と同じである必要はなく、広くても良い。
図10はレーザ照射で焼鈍した後の表面の模式図で、再溶融部が存在する場合である。焼結時と同じくパルスのレーザ光Lが照射されるので、表面の再溶融部29は、円状の照射跡が重なった形態を示す。レーザ強度を下げ再溶融部が存在しない場合には、表面状態は図9の焼結後の状態から変化は無い。これらの表面形態は、切削等の後加工が施されない限り残り、成形した樹脂部品等の表面に転写される。
最大溶融深さ=0.16×パワー密度×(パルス幅−tm)/(密度×融解潜熱)
この式は、例えば、山中千代衛 監著;レーザ工学,1981年,第178頁に詳しい。
tm=(円周率/熱拡散係数)×(融点×熱伝導率/(2×パワー密度))2
である。上式から分かるように、同じパルス幅のレーザ光Lであれば、パワー密度はエネルギー密度に比例するので、最大溶融深さはレーザ光のエネルギー密度に比例する。3種類の焼結密度層によって多少状態に差はあったが、3J/mm2のレーザ光Lを照射することで、再溶融層の深さは、およそ37μmであった。再溶融によって焼結時の残留応力は一旦無くなる。また、再溶融部29の体積は焼結時の溶融体積よりも小さいため、再凝固時に凝固収縮に起因して発生する残留応力も小さくなる。再溶融部29よりも深い所では加熱のみ起こる。このとき加熱された領域の再溶融部29の近傍の温度は、1500〜1450℃程度になる。レーザ加熱による温度勾配は106℃/cmと言われており、このときの焼結層21の底面における到達温度を推定すると150〜200℃になる。パルス幅3msの間でこの温度上昇が起こっているとすると、同じ硬さが得られる条件を推定できる焼もどしパラメーターを用いれば、底面は100℃で10分間の焼鈍が行われた状態に相当すると見積もれるので、残留応力は除去される。
図11は、本発明の(実施の形態3)の光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置を示し、図11が(実施の形態1)や(実施の形態2)に用いた装置と異なる点は、加熱ランプ19によって金属粉末2の被覆層を加熱しながらレーザ光Lで焼結を行うことである。加熱ランプ19の加熱により、焼結工程中の金属粉末2の表面が100℃から300℃になるようにしておけば、焼結層21が絶えず焼鈍され、焼結工程が進む間に並行して残留応力を軽減することができ、また周辺の金属粉末2同士の固着なども起こらない。
図12は、本発明の(実施の形態4)の光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置を示し、図12が(実施の形態1)〜(実施の形態3)と異なる点は、焼結に用いるレーザ光Lに対し、波長が異なる焼鈍用の連続発振YAGレーザ発振器30を90度回転した位置に設け、YAGレーザ発振器30から出た焼鈍用レーザ光31をコリメータ32でビーム径などの調整を施した後、焼鈍用レーザ光31のみを45度全反射し炭酸ガスレーザ光Lを透過する45度全反射ミラー33によってレーザ光Lと焼鈍用レーザ光31を同軸化してレーザ光35を形成し、レーザ光35を2波長用ガルバノ走査装置34と集光レンズ5によって焼結体13上に被覆された金属粉末2へ照射することである。ここで、炭酸ガスレーザ光15の波長は10.6μm、YAGレーザ光31の波長は1.06μmである。焼鈍用レーザ光31はレーザ光15よりもパルス幅が長いか連続発振光が良い。
表面の溶融部36の形態は、パルス光で円状の焼結跡が形成されるが、並行して連続的に溶融凝固したために最終的には線状の形態を示す。(実施の形態2)と同様に、この表面形態は切削等の後加工が施されない限り、成形した樹脂部品等の表面に転写される。
パワー密度が100W/mm2で焼鈍用レーザ光31を照射すると、深さ4μm程度の溶融部36が連続的に形成される。この場合、深さ17μmぐらいまでが残留応力が軽減される領域となる。
2 金属粉末(成形材料)
3 移動するスキージー
4 基準テーブル
4a 基準テーブル4の開口
4b 基準テーブル4の開口
5 集光レンズ
11a 昇降機構
11b 昇降機構
12 昇降テーブル
13 焼結体
L レーザ光
14 炭酸ガスレーザ発振器
15 パルス発振のレーザ光
16 コリメータ
17 ガルバノ走査装置
18 加熱機構
19 加熱ランプ
20 金属板
21 焼結層
22 クロムモリブデン鋼粒子
23 ニッケル粒子
24 高焼結密度層
25 中焼結密度層
26 低焼結密度層
27 エアーブロー
28 固定ボルト
29 再溶融部
30 焼鈍用の連続発振YAGレーザ発振器
31 焼鈍用レーザ光
32 コリメータ
33 45度全反射ミラー
34 2波長用ガルバノ走査装置
35 レーザ光Lとレーザ光31を同軸化したレーザ光
36 溶融部
Claims (3)
- 成形材料の層の所定箇所にレーザ光を照射して前記成形材料を焼結させて焼結層を形成し、さらに前記焼結層の上に成形材料の層を被覆すると共にこの成形材料の所定箇所にレーザ光を照射して前記成形材料を焼結させて下の焼結層と一体になった焼結体を形成し、これらの工程を繰り返すことで複数の焼結層が積層一体化された焼結体を有する光造形物を作製するに際し、前記焼結層が形成された後、次の成形材料の被覆が行われるまでに、最新に形成された焼結層を加熱して前記最新の焼結層の厚みより小さい深さの再溶融部を形成することで前記焼結層の残留応力を除去する
光造形物の製造方法。 - 第1成形材料の層の所定箇所にレーザ光を照射して前記第1成形材料を溶融させた後焼結させて第1焼結層を形成し、前記第1焼結層にレーザ光を照射し前記第1焼結層を再溶融させた後に前記第1焼結層を焼結して第1再焼結層を形成し、さらに前記第1再焼結層の上に第2成形材料の層を被覆すると共に前記第2成形材料の所定箇所にレーザ光を照射して前記第2成形材料を焼結させて下の前記第1焼結層と一体になった焼結体を形成し、この工程を繰り返すことで複数の焼結層が積層一体化された焼結体を有する光造形物を作製するに際し、
前記第1焼結層が形成された後、前記第2成形材料の被覆が行われるまでに、前記第1焼結層を加熱して前記第1焼結層の厚みより小さい深さの再溶融部を形成することを特徴とする
光造形物の製造方法。 - 第1成形材料の層の所定箇所にレーザ光を照射して前記第1成形材料を溶融させた後焼結させて第1焼結層を形成し、前記第1焼結層にレーザ光を照射し前記第1焼結層を再溶融させた後に前記第1焼結層を焼結して第1再焼結層を形成し、さらに前記第1再焼結層の上に第2成形材料の層を被覆すると共に前記第2成形材料の所定箇所にレーザ光を照射して前記第2成形材料を焼結させて下の前記第1焼結層と一体になった焼結体を形成し、この工程を繰り返すことで複数の焼結層が積層一体化された焼結体を有する光造形物を作製するに際し、
前記第1焼結層の溶融時の溶融体積より、前記第1焼結層の再溶融時の溶融体積の方が小さい溶融体積であることを特徴とする
光造形物の製造方法。
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