JP4888220B2 - Manufacturing method of three-dimensional shaped object - Google Patents
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Description
本発明は、金属粉末に光ビームの照射を行なう三次元形状造形物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional shaped object that irradiates a metal powder with a light beam.
従来から、金属粉末で形成した粉末層に光ビームを照射し、粉末層を溶融して焼結硬化層を形成し、その焼結硬化層の上に新たな粉末層を形成して光ビームを照射し、焼結硬化層を形成することを繰り返して、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)。 Conventionally, a light beam is irradiated onto a powder layer formed of metal powder, the powder layer is melted to form a sintered hardened layer, a new powder layer is formed on the sintered hardened layer, and the light beam is irradiated. A method of manufacturing a three-dimensional shaped object by repeating irradiation and forming a sintered hardened layer is known (for example, see Patent Document 1).
このように光ビームの照射とその積層によって金属粉末から三次元形状造形物を得る製造方法は、迅速に複雑な三次元形状造形物を得ることができる。 Thus, the manufacturing method for obtaining a three-dimensional shaped object from metal powder by irradiation with a light beam and its lamination can quickly obtain a complicated three-dimensional shaped object.
しかしながら、この製造方法によって得られた三次元形状造形物を、例えばプラスチック金型として使用する場合には、造形完了後にエジェクタピン用の貫通穴を加工する等、各種機械加工を加える。この製造方法では、基台となる造形用プレートの上に金属粉末から成る粉末層を敷き、その粉末層に光ビームを照射して焼結硬化層を形成し、その焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形するが、造形プレートと三次元形状造形物との密着性を高めるために、1層目の造形は高エネルギーの光ビーム条件で行う。高エネルギーの光ビームを受けると、鋼材からなる造形プレート表面は、光ビーム照射を受けた箇所の近傍が急熱急冷によって焼入れられた組織となって硬化し、造形プレート内で硬度差が生じる。そのため、造形完了後に高硬度化された箇所にドリルによる穴開け加工や旋盤による旋削加工等を行なうと、ドリル刃先の欠損やドリルシャンクの折れやバイト刃先の欠損等が発生し易く、機械加工が困難である。
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであり、三次元形状造形物の造形後に機械加工を容易に行なうことができる三次元形状造形物の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a three-dimensional shaped object that can be easily machined after the three-dimensional shaped object is formed. And
上記目的を達成するために請求項1の発明は、三次元形状造形物が造形される造形用プレートに金属粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層に光ビームを照射して該粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射工程とを備え、前記粉末層形成工程と照射工程とを繰り返すことにより前記焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、前記照射工程の実施によって硬化されるであろう前記造形用プレートの硬化層に相当する第1の領域のうち、三次元形状造形後に所定の機械加工が予定されている領域に相当する第2の領域を、三次元形状造形前に予め除去加工しておく除去加工ステップと、三次元形状造形後に、前記造形用プレートにおける前記第2の領域の反対側から前記除去加工ステップで除去した領域に達するまで、所定の機械加工を行なう機械加工ステップと、を含むものである。
In order to achieve the above object, the invention of
請求項2の発明は、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、前記除去加工ステップは、前記第2の領域を除去した後に、さらに前記第1の領域のエッジ部に対して面取り加工するステップを含むものである。 According to a second aspect of the present invention, in the method for manufacturing a three-dimensional shaped article according to the first aspect, after the removal processing step removes the second region, the edge portion of the first region is further removed. And chamfering.
請求項1の発明によれば、造形用プレートにおいて硬化する第1の領域のうち、三次元形状造形後に機械加工される第2の領域を造形前に予め除去するので、造形後に造形用プレートの機械加工が行なわれる領域に硬化した箇所が無く、従って、造形後の機械加工を容易に行なうことができる。 According to the first aspect of the present invention, the second region that is machined after the three-dimensional shape modeling is removed in advance before modeling out of the first region that is cured in the modeling plate. There is no cured portion in the area where machining is performed, and therefore machining after shaping can be performed easily.
請求項2の発明によれば、第1の領域のエッジ部が除去されるので、光ビーム照射時の熱が逃げ易く造形用プレートが異常加熱しなくなり、造形用プレートにクラックが発生しない。
According to the invention of
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図面を参照して説明する。図1は、同製造方法に用いられる金属光造形加工機の構成を示す。金属光造形加工機1は、金属粉末2の粉末層21が敷かれる造形用プレート3と、造形用プレート3を保持し、上下に昇降する造形用テーブル31と、粉末層21の厚さの基準となる基準テーブル32と、金属粉末2を供給する供給槽4と、供給槽4の金属粉末2を上昇させる材料用テーブル41と、粉末層21を形成するスキージ5と、光ビームLを発するビーム発信器6と、光ビームLを集光する集光レンズ61と、光ビームLを粉末層21の上にスキャニングするガルバノミラー62と、を備えている。
(First embodiment)
A method for manufacturing a three-dimensional shaped object according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of a metal stereolithography machine used in the manufacturing method. The
金属粉末2の組成は、例えば、クロムモリブデン鋼(JIS−SCM440)粉末、ニッケル(Ni)粉末、銅マンガン合金(CuMn)粉末、及び黒鉛(C)粉末であり、配合割合は、例えば、70重量%SCM440、20重量%Ni、10重量%CuMnの粉末に黒鉛(C)粉末を0.3重量%加えている。造形用プレート3の材質は、例えば、S50C鋼であり、硬さはHRC20である。スキージ5は、方向Aに移動して材料用テーブル41上の金属粉末2を造形用プレート3上に供給する。ビーム発信器6は、例えば、炭酸ガスレーザやファイバーレーザの発信器である。
The composition of the
図2は、同製造方法のフローを、図3は、同製造方法の動作を示す。最初に、造形用プレート3中で光ビームが照射される箇所の一部を除去する(ステップS1)。この除去する部分は、後の照射工程において光ビームが照射されて硬化されるであろう造形用プレート3の硬化層の領域の内で、三次元形状造形後に所定の機械加工が予定されている領域に相当する領域である。このステップS1は除去工程を構成する。この除去工程の詳細は後述する。除去工程の次に、造形用プレート3を造形用テーブル31の上に載置する(ステップS2)。次に、造形用プレート3の上面と基準テーブル32の上面との段差が長さΔtになるように、造形用テーブル31を下降させる(ステップS3)。次に、スキージ5によって材料用テーブル41上の金属粉末2を造形用プレート3上に供給する。スキージ5は、基準テーブル32の上面と同じ高さで水平方向に移動し、造形用プレート3の上に厚みΔtの粉末層21を形成する(ステップS4)(図3(a)参照)。このステップS3及びS4は粉末層形成工程を構成する。
FIG. 2 shows a flow of the manufacturing method, and FIG. 3 shows an operation of the manufacturing method. First, a part of the portion irradiated with the light beam in the
次に、集光レンズ61によって集光した光ビームLをガルバノミラー62によって任意の位置に走査させ(ステップS5)、粉末層21を溶融し造形用プレート3と一体化した厚みΔtの焼結硬化層8aを形成する(ステップS6)(図3(b)参照)。このステップS5及びS6は照射工程を構成する。
Next, the light beam L condensed by the
次に、造形が終了したかを判断し(ステップS7)、終了していないときは、ステップS3へ戻り、ステップS4、S5、S6を繰り返し実行し、焼結硬化層8aの上に焼結硬化層8bを積層する(図3(c)、(d)参照)。
Next, it is determined whether or not the shaping has been completed (step S7). If it has not been completed, the process returns to step S3, and steps S4, S5, and S6 are repeatedly executed to sinter harden on the sintered hardened
こうして造形が終了するまでステップS3乃至S7を繰り返して、焼結硬化層8a乃至8fを積層する(図3(e)参照)。このようにして、造形用プレート3の上に造形された三次元形状造形物8の一例を図4に示している。
Steps S3 to S7 are repeated until the modeling is completed in this manner, thereby stacking the sintered hardened
次に、光ビームLを走査させる経路データについて説明する。図5(a)は、三次元形状造形によって製造しようとする製品モデルの外観を、図5(b)は、製品モデルの水平方向でのスライス面の形状を示す。三次元形状造形物を製造するにあたっては、製品モデル81を設計した際の三次元CADデータに基づいて、製品モデル81を所定の間隔Δtで水平にスライスしたときの各層81a乃至81fのスライス面の断面データを作成し、この断面データを基にして粉末層21に照射する光ビームLの走査経路を決定する。決定した走査経路に従って光ビームLを粉末層21に走査させることにより、三次元形状造形物8を造形することができる。
Next, path data for scanning the light beam L will be described. FIG. 5A shows the appearance of the product model to be manufactured by three-dimensional shape modeling, and FIG. 5B shows the shape of the slice plane in the horizontal direction of the product model. In manufacturing a three-dimensional shaped object, based on the three-dimensional CAD data when the
次に、本実施形態における除去工程について説明する前に、除去工程を有さない従来の製造方法によって造形した三次元形状造形物に機械加工を行なう動作の一例について説明する。図6(a)は、造形用プレート3の上に造形された三次元形状造形物の断面を示す。この例では三次元形状造形物8は、エジェクタピン用の穴82を中央に形成されており、この穴82に繋がる穴を造形用プレート3に形成する。造形用プレート3が三次元形状造形物8と接合している領域は、照射工程において三次元形状造形物8との密着性を高めるために、高エネルギーの光ビームLが照射され、急熱急冷されて焼入組織となり硬化した領域となっている。この領域を第1の領域E1とする。この第1の領域E1の内で、三次元形状造形後に穴開け加工が予定されている領域に相当する領域を第2の領域E2とする。
Next, before explaining the removal process in the present embodiment, an example of an operation for performing machining on a three-dimensionally shaped object formed by a conventional manufacturing method that does not have a removal process will be described. FIG. 6A shows a cross section of a three-dimensional shaped object that is formed on the
この三次元形状造形物8の造形用プレート3に穴開け加工を行なうときの断面を図6(b)に示す。造形用プレート3に三次元形状造形物8の穴82に繋がる穴開け加工をドリルFによって行なうときに、ドリルFの先端が造形用プレート3の第2の領域E2に達すると、第2の領域E2と他の領域とで硬度差があるために、ドリルFの刃先が欠損したり、ドリルシャンクが折れる虞がある。
FIG. 6B shows a cross section of the three-dimensional modeled
そこで、本実施形態では、三次元形状造形後の穴開け加工の機械加工を容易に行なえるようにするために、第2の領域E2を造形前に予め除去する。本実施形態における除去工程によって第2の領域E2を除去した造形用プレート3の断面を、図6(c)に示す。除去は、例えば、切削加工によって行なう。図6(d)は、第2の領域E2を除去された造形用プレート3を用いた三次元形状造形物8において、造形後に造形用プレート3に穴開け加工を行なうときの断面を示す。この図において、穴開け加工が行なわれる領域を一点鎖線Gで示す。造形用プレート3は、第2の領域E2が除去されており、造形後に穴開け加工を行なう領域には硬化した箇所が無い。従って、造形用プレート3に穴開け加工を行なっても、ドリルFの刃先が硬化した部分に当たることがなく、刃先が欠損したり、ドリルシャンクが折れる虞が少ないので、穴開け加工を容易に行なうことができる。このように除去される第2の領域E2は、三次元形状造形後に穴開け加工が行なわれる領域だけでなく、例えば旋削や切断等の機械加工が行なわれる領域としてもよい。
Therefore, in the present embodiment, the second region E2 is removed in advance before modeling in order to facilitate the drilling process after the three-dimensional shape modeling. FIG. 6C shows a cross section of the
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について説明する。本実施形態に係る製造方法においては、第1の実施形態の製造方法における第2の領域E2を除去した後に、除去した領域の周囲の面取りを行なう(図6(c)参照)。図7(a)は、
第1の実施形態の製造方法により製造した三次元形状造形物の断面を示す。第2の領域E2を除去した周囲の造形用プレート3のエッジ部E3は、エッジ部の先端が直角形状に突出しているので、光ビーム照射時の熱が逃げ難いために異常加熱し、金属組織の変化により靭性が低下してクラックが発生し易い。そこで、本実施形態においては、図7(b)に示すように、第2の領域E2の除去の後に、周囲のエッジ部E3の面取り加工を行なう。エッジ部E3が面取り加工され、光ビーム照射時に異常加熱する箇所が無くなる。そして、第2の領域E2を除去した周囲は、突出した領域がなく、光ビーム照射時の熱が逃げ易く異常加熱しなくなり、従って、金属組織の変化による靭性低下が生じずクラックが発生し難くなる。
(Second Embodiment)
A method for manufacturing a three-dimensional shaped object according to the second embodiment of the present invention will be described. In the manufacturing method according to the present embodiment, after removing the second region E2 in the manufacturing method of the first embodiment, chamfering around the removed region is performed (see FIG. 6C). FIG. 7 (a)
The cross section of the three-dimensional shape molded article manufactured by the manufacturing method of 1st Embodiment is shown. The edge portion E3 of the surrounding
なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、第2の領域E2の除去は、エッチング加工によって行なってもよい。また、金属粉末の組成や造形用プレートの材質も、上記各種実施形態の構成に限られない。 In addition, this invention is not restricted to the structure of the said various embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not change the meaning of invention. For example, the removal of the second region E2 may be performed by etching. Further, the composition of the metal powder and the material of the modeling plate are not limited to the configurations of the various embodiments.
2 金属粉末
21 粉末層
3 造形用プレート
8 三次元形状造形物
8a乃至8f 焼結硬化層
E1 第1の領域
E2 第2の領域
E3 エッジ部
L 光ビーム
2
Claims (2)
前記照射工程の実施によって硬化されるであろう前記造形用プレートの硬化層に相当する第1の領域のうち、三次元形状造形後に所定の機械加工が予定されている領域に相当する第2の領域を、三次元形状造形前に予め除去加工しておく除去加工ステップと、
三次元形状造形後に、前記造形用プレートにおける前記第2の領域の反対側から前記除去加工ステップで除去した領域に達するまで、所定の機械加工を行なう機械加工ステップと、を含むことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。 A powder layer forming step of forming a powder layer by supplying metal powder to a modeling plate on which a three-dimensional shaped object is formed, and a sintered hardened layer by irradiating the powder layer with a light beam to melt the powder layer In the manufacturing method of a three-dimensional shaped article, the three-dimensional shaped article is formed by laminating the sintered hardened layer by repeating the powder layer forming step and the irradiation step.
Of the first region corresponding to the cured layer of the modeling plate that will be cured by performing the irradiation step, the second region corresponding to the region where predetermined machining is scheduled after the three-dimensional shape modeling The removal processing step of removing the region in advance before the three-dimensional shape modeling ,
And a machining step for performing predetermined machining until reaching the area removed in the removing process step from the opposite side of the second area in the modeling plate after the three-dimensional shape modeling. A manufacturing method of a three-dimensional shaped object.
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