JP4882868B2 - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉末材料の層に光ビームを照射して焼結層を形成する工程を繰り返すことにより、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造する方法に関する。

粉末材料の層に光ビーム（指向性エネルギービーム、例えば、レーザー）を照射して焼結層を形成し、この焼結層の上に新たな粉末材料の層を形成して光ビームを照射することで焼結層を形成する工程を繰り返すことにより、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

光造形法と称されるこの技術においては、光ビームのエネルギー密度を調整することで、粉末材料がほぼ完全に溶融した後に固化した状態（すなわち、焼結密度がほぼ１００％の状態）を得ることができる。この状態を経て得られた三次元形状造形物の表面（焼結層の表面）は、仕上げ加工をすることで非常に滑らかな面となる。したがって、三次元形状造形物は、滑らかな面が要求されるプラスチック成形用金型などに適用できる。また、光造形法によれば、複雑な三次元形状物を短時間で製造することができる。
特許３６８７６６７号公報

ところで、三次元形状造形物を高精度に製造するためには、粉末材料の層をできるだけ薄くかつ均一にする必要があり、そのためには、粉末の粒径をできるだけ小さくすることが望ましい。

しかし、粉末の粒径が小さくなればなるほど、粉末どうしが凝集を起こし、結果的に粉末自身の流動性が低下して、粉末材料の層を形成しにくくなるだけでなく、粒径が小さい粉末材料の層に光ビームを照射して、焼結層を形成すると、焼結層の光ビームが照射された面は、非常に滑らかな面となり、焼結層の上にさらに粒径が小さい粉末材料の層を薄く形成することが困難になるという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、光造形法により三次元形状造形物を製造するにあたり、粒径が小さい粉末材料を用いつつも、粉末材料の層を薄くかつ均一に形成することにより、三次元形状造形物を高精度に製造することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法は、粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返して、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造するにあたり、光ビームが照射されるテーブル上に供給された粉末材料に上部から圧力を付加することにより粉末どうしを圧着固化させてテーブルの全面にならす工程Ａと、その後、テーブルの全面にならされた粉末材料の所定厚さの表面部を切削除去する工程Ｂと、を含むことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、上記請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法において、工程Ｂに鋭利な刃物または線材を用いることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、上記請求項１または２に記載の三次元形状造形物の製造方法において、工程Ｂと同時にまたは工程Ｂの後に、切削除去された不要な粉末材料を回収することを特徴とする。

本発明によれば、光造形法により三次元形状造形物を製造するにあたり、粒径が小さい粉末材料を用いつつも、粉末材料の層を薄くかつ均一に形成することにより、三次元形状造形物を高精度に製造することができる。

（実施形態１）
以下、図面を参照しながら実施形態１について説明する。以下の説明では具体例を挙げて本発明を説明する場合があるが、本発明は以下の具体例に限定されない。

図１に実施形態１に係る三次元形状造形物の製造装置（以下、単に「製造装置」と呼ぶ）を示す。

製造装置は、シリンダー１５で外周が囲まれた空間内を上下に昇降するテーブル２０上にスキージング用ブレード２１で粉末材料を供給し粉末材料の層（粉末層）１０を形成する粉末層形成手段２と、粉末層形成手段２のベース部にＸＹ駆動機構（高速化の点で直動リニアモータ駆動のものが好ましい）４０を介して設けられた加圧体４１で粉末層１０に上部から圧力を付加することにより粉末どうしを圧着固化させてならす加圧手段３と、粉末層１０の所定厚さの表面部１３（図２参照）を鋭利な刃物４２により切削除去する粉末層切削手段４と、レーザー発振器３０から出力された光ビーム（レーザー）Ｌをガルバノミラー３１等のスキャン光学系を介して粉末層１０の所定箇所に照射することで当該箇所を焼結して焼結層１１を形成する焼結層形成手段５と、を基本構成とする。

このものにおける三次元形状造形物の製造は、図２に示すように、焼結層形成手段５と焼結層１１との相対距離を調整する調整手段であるところのテーブル２０上面の造形用ベース２２表面にシリンダー１５の上面と同じレベルで水平方向に往復移動するブレード２１により粉末材料を供給して粉末層１０を形成し、次に、テーブルを少し上昇させ加圧体４１で粉末層１０に上部から圧力を付加することにより粉末どうしを圧着固化させてならし、その後、粉末層１０をシリンダー１５の上面に沿って所定厚さΔｔの表面部１３を切削除去することで第１層目の粉末層１０とし、この粉末層１０の硬化させたい箇所に光ビームＬを照射して粉末を焼結させてベース２２と一体化した焼結層１１を形成する。

そして、テーブル２０を少し下げて再度ブレード２１により粉末材料を供給して粉末層１０を形成し、次に、テーブル２０を少し上昇させ加圧体４１で粉末層１０に上部から圧力を付加することにより粉末どうしを圧着固化させてならし、その後、粉末層１０をシリンダー１５の上面に沿って所定厚さの表面部１３を切削除去することで第２層目の粉末層１０とし、この粉末層１０の硬化させたい箇所に光ビームＬを照射して粉末を焼結させて下層の焼結層１１と一体化した焼結層１１を形成する。

上記工程を繰り返すことにより、目的とする三次元形状造形物が製造される。

ここで、粉末材料は、粒径が１〜１００μｍの細かい金属粉末を含む。粉末材料が粒径の細かい金属粉末を含むことで、粉末材料の表面積が大きくなり光ビームＬの吸収率も大きくなるので、エネルギー密度の低い照射条件でも粉末材料が焼結しやすく、造形速度が向上する。また、ある程度の造形強度を得るためには、隣接する焼結層１１どうしの密着強度を高くする必要があるが、粉末材料であれば、粉末間にある隙間を通して、光ビームＬが下の焼結層１１にも照射され、下の焼結層１１も加熱されて密着強度が向上する。

具体的には、粉末材料は、クロムモリブデン鋼からなる鉄系粉末と、ニッケル粉末と、銅リンまたは銅マンガン粉末とを含む混合粉末である。クロムモリブデン鋼粉末はその硬度や強度の点から、ニッケル粉末は強度、靭性および加工性の点から、銅リンまたは銅マンガン粉末は濡れ性および流動性の点から採用している。

なお、鉄系粉末のみに光ビームＬを照射して高密度な三次元形状造形物を製造することは困難である。これは、鉄系粉末のみを用いた場合には、先に形成された焼結層１１に次の焼結層１１を、隙間を作ることなく一体化することが困難だからである。クロムモリブデン鋼自体は硬度が高く機械的強度に優れていても、クロムモリブデン鋼粉末のみに光ビームＬを照射して得られる三次元形状造形物の造形密度は低く、造形強度も小さい。

また、鉄系粉末がニッケル成分を多く含む合金の場合、鉄系粉末の表面に形成される強固な酸化膜が鉄系粉末同士の融着一体化を阻害するため、前記の問題が甚だしくなる。鉄系金属にニッケル成分を含有させることは、その鉄系金属の靭性や強度および耐食性を向上できるという利点はあるが、光ビームＬの照射により三次元形状造形物を製造する場合には、その利点が全く発揮できない。

光ビームＬの照射エネルギーを大きくすれば、クロムモリブデン鋼自体やニッケル成分を含む鉄系粉末でも、十分に融着一体化できる場合があるが、その場合には、光ビームＬの照射装置が大掛かりになったり、過大な電力が必要になったり、製造コストが高くついたりするという欠点がある他、光ビームＬの走査速度を高められないため、製造効率も低下する。また、過大な照射エネルギー量でつくられた三次元形状造形物は、熱応力により反りや変形を起こしやすくなる。

そして、光ビームＬが照射された粉末材料は、その一部または全部が一旦溶融し、その後冷却凝固されて焼結層１１となるが、この溶融した時の濡れ性が大きいと隣接する焼結層１１との接合面積が大きくなり、流動性が大きければ上面の盛り上がりが小さくそこに新たな粉末層１０を形成しやすいことから、溶融した時の流動性が大きく且つ濡れ性も良いことが望まれる。

ここで、銅は、溶融された時にその流動性が良く、溶融状態で鉄系材料との濡れ性が良く、かつ鉄系材料と合金化された場合でも特性の劣化がほとんどない。鉄系粉末と銅合金粉末からなる混合粉末に光ビームＬを照射すると、この銅合金粉末が先に溶融し、鉄系粉末間のすきまを埋めてくれるとともに、これが結合材となって融着一体化する。光ビームＬの照射エネルギーが高い場合は本混合粉末を形成する全鉄系粉末および銅合金粉末が溶融し合金となる。また、溶融金属の流動性は、溶融時の温度と融点の差が大きいほど良く、融点は、純銅よりも銅リン合金や銅マンガン合金の方が低いため、光ビームＬを同じエネルギーで照射した場合の流動性は、純銅よりも銅リン合金や銅マンガン合金の方が良い。

なお、前述したように、鉄系粉末がニッケル成分を含む合金である場合には、粉末表面に形成される強固な酸化膜によって、粉末同士の融着一体化が阻害されるが、鉄系粉末とは別個の粉末としてニッケル粉末が銅合金粉末とともに混合された場合には、これらの粉末同士の融着一体化は良好に行われる。そして、この混合粉末からなる焼結層１１は、その焼結密度が高く、その結果、靭性や強度の高いものとなる。

特に、クロムモリブデン鋼粉末の配合比率を６０〜９０重量パーセント、ニッケル粉末の配合比率を５〜３５重量パーセント、銅マンガン合金粉末の配合比率を５〜１５重量パーセントとすれば、特に好ましい結果を得ることができる。なお、この混合粉末は、平均粒径が１〜１００μｍで、略球状の形状をしている。

また、加圧体４１として、例えば、加圧ローラーを用いる。

そして、本実施形態では、粉末層１０の所定厚さの表面部１３を切削除去するために、鋭利な刃物４２を用いているが、これに限らず、線材（ピアノ線や糸）を用いてもよい。なお、表面部１３が切削除去された粉末層１０の厚さは、０．２〜０．０１ｍｍとなる。刃物４２や線材を用いて表面部１３を切削除去する場合には、下方向よりもむしろ横方向に力がかかるので、下方向への力が刃物４２や線材よりも大きくかかるブレード２１を用いて表面部１３を切削除去する場合に比べて、確実に所望の粉末層１０を形成することができる。

また、光ビームＬとしては炭酸ガスレーザーが用いられる。光ビームＬの照射経路は、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。すなわち、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチでスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。

したがって、光造形法により三次元形状造形物を製造するにあたり、粒径が小さい粉末材料を用いつつも、粉末層１０を薄くかつ均一に形成することにより、三次元形状造形物を高精度に製造することができる。
（実施形態２）
図３に実施形態２に係る製造装置を、図４に当該製造装置の動作を示す。実施形態１とは、切削除去された不要な粉末材料を回収する回収手段６が設けられている点で異なり、その他の点については同様である。

ここで、回収手段６は、エアポンプ５０およびエアポンプ５０に接続された吸引ノズル５１からなり、吸引ノズル５１は、自在に移動することができるように、ＸＹ駆動機構４０に設けられている。

なお、実施形態２では、粉末層１０の所定厚さの表面部１３を切削除去するために線材４３を用いている。粉末層１０は、先に行われた加圧により、粉末どうしが圧着固化しているが、粉末層１０の切削除去に線材４３を用いることにより、切削除去された不要な粉末材料は、粉末どうしが分離し、回収しやすくなるからである。

また、切削除去された不要な粉末材料の回収は、不要な粉末材料の切削除去と同時に行ってもよい。

したがって、不要な粉末材料を再利用することが可能となる。
（実施形態３）
図５は、実施形態３に係る製造装置の要部概略斜視図である。

テーブル２０およびテーブル２０全面を覆う加圧体４１は略円柱形状をしており、加圧体４１は、テーブル２０上面と略平行に回転しながら、テーブル２０上の粉末材料に上部から圧力を付加する。その結果、粉末材料は、テーブルの全面にならされて、厚さが薄くかつ均一な粉末層１０になるとともに、加圧体４１の回転により、不要な粉末材料は、テーブル２０の外に押し出され、この不要な粉末材料を除去することができる。

なお、テーブル２０の外に押し出された不要な粉末材料を回収すれば、粉末材料の再利用が可能となる。不要な粉末材料の回収には、実施形態２で述べたようなエアポンプ５０およびエアポンプ５０に接続された吸引ノズル５１からなる回収手段６を用いることができる。

したがって、光造形法により三次元形状造形物を製造するにあたり、粒径が小さい粉末材料を用いつつも、粉末材料の層を薄くかつ均一に形成することにより、三次元形状造形物を高精度に製造することができる。

なお、各実施形態に記載の事項は、適宜に選択し、組み合わせることができる。

実施形態１の一例に係る概略斜視図である。 同上の動作説明図である。 実施形態２の一例に係る概略斜視図である。 同上の動作説明図である。 実施形態３の一例に係る要部概略斜視図である。

符号の説明

３ 加圧手段
４ 粉末層切削手段
６ 回収手段
１０ 粉末層
１１ 焼結層
１３ 表面部
４１ 加圧体
４２ 鋭利な刃物
４３ 線材
Ｌ 光ビーム

Claims (3)

1. 粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返して、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造するにあたり、
   光ビームが照射されるテーブル上に供給された粉末材料に上部から圧力を付加することにより粉末どうしを圧着固化させてテーブルの全面にならす工程Ａと、
   その後、テーブルの全面にならされた粉末材料の所定厚さの表面部を切削除去する工程Ｂと、
   を含むことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
2. 工程Ｂに鋭利な刃物または線材を用いることを特徴とする請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
3. 工程Ｂと同時にまたは工程Ｂの後に、切削除去された不要な粉末材料を回収することを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状造形物の製造方法。

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