JP5016300B2 - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

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本発明は金属材料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。
従来から、金属材料で形成した材料層に光ビーム(指向性エネルギービーム、例えばレーザ光)を照射して焼結層又は溶融層を形成し、この焼結層又は溶融層の上に新たな材料層を形成して光ビームを照射することで焼結層又は溶融層を形成するということを繰り返して三次元形状造形物を製造する技術が知られている。この技術の特徴は、複雑な三次元形状物を短時間で製造することができることである。エネルギー密度の高い光ビームを照射することで金属材料がほぼ完全に溶融した後に固化した状態、つまり溶融後の材料密度がほぼ100%の状態となり、この高密度の造形物の表面を仕上げ加工することにより滑らかな面を形成することができ、プラスチック成形用金型などに適用される。
金属光造形と称されるこの技術において、通常使用する金属材料は、粉末の状態で用いられている。積層する材料を金属粉末とすることで、材料の表面積が大きくなりレーザ光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材料を焼結又は溶融することが可能となり、造形速度が向上する。
ある程度の強度を有する造形物を得るためには、レーザ光を照射する材料層においてレーザ光走査箇所に隣接する造形部との密着強度を高めると共に、照射された造形部とその下層にある造形層との密着強度も高くしなければならない。積層する材料が金属粉末であれば、粉末間にある隙間を通してレーザ光が下層の造形層にも照射され、下層の造形層も加熱されて密着強度が向上する。
更に、レーザ照射された箇所の上面があまり大きく盛り上がってはならない。次の層を造形するための次の材料層を形成する際に、盛り上がり高さが金属粉末を積層する厚み以上となると、材料層の形成そのものが困難となってしまう。
もちろん、造形物の外観に割れが生じてはならないし、内部組織にもマイクロクラックの無いことが望まれる。
ここにおいて、レーザ照射された金属材料は、その一部、又は全部が一旦溶融し、その後冷却凝固されて造形物となるが、この溶融した時の濡れ性が大きいと隣接する造形部との接合面積が大きくなり、流動性が大きければ盛り上がりが小さくなることから、溶融した時の流動性が大きく、かつ、濡れ性が良いことが望まれる。
このような観点から、本出願人は特許文献1に示されるように、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、リン銅又はマンガン銅粉末からなる金属光造形用の混合粉末を提案した。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、靭性及び加工性の点から、リン銅又はマンガン銅粉末は濡れ性及び流動性の点から採用している。
鉄系粉末のみにレーザ光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、先に形成された鉄の造形層に次の造形層を、隙間を作ることなく一体化することが困難であるからである。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でレーザ照射をして得られる三次元造形物の造形密度は低く、その強度も弱い。
鉄系粉末がニッケル成分を多く含む合金の場合、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を含有させることは、その鉄系金属の靭性や強度及び耐食性を向上できるという利点があるが、レーザ照射による三次元造形物の製造に使用した場合には、その利点が全く発揮されない。
レーザ照射のエネルギーを大きくすれば、クロムモリブデン鋼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が、その場合には、レーザ光の照射装置が大掛かりになったり、過大な電力が必要となり、製造コストが高くつくという欠点がある他、レーザ光の走査速度を高められないため、製造能率が低下する。また、過大な照射エネルギー量でつくられた造形物は、熱応力により反りや変形を起こし易くなる。
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金属材料が銅である。鉄系粉末と銅合金粉末からなる混合粉末にレーザ光を照射すると、この銅合金が先に溶融し、鉄系粉末間の隙間を埋めると同時に、これが結合材となって融着一体化する。レーザ光の照射エネルギーが高い場合は混合粉末を形成する全鉄系粉末及び銅合金粉末が溶融し合金となる。
溶融金属の流動性は、溶融時の温度と融点との差が大きいほど良くなる。純銅よりもリン銅合金やマンガン銅合金の方が融点は低く、同じエネルギーで照射した場合の流動性は、純銅よりもリン銅合金やマンガン銅合金の方が良い。
従来の金属光造形用鉄系粉末材料には、ニッケル粉末も含まれている。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と共に混合された場合には、これらの粉末同上の融着一体化は良好に行なわれる。そして、鉄系成分とニッケルと銅合金成分とからなる硬化層は、その焼結密度は高く、その結果、靭性や強度が高くなる。
特に、クロムモリブデン鋼の配合量が60〜90重量%、ニッケル粉末の配合量が5〜35重量%、銅マンガン合金粉末の配合量が5〜15重量%である時に、特に好ましい結果を得ることができる。
上述した金属粉末を材料として使った金属光造形において、レーザ照射とその積層によって複雑な三次元形状造形物を得るという点において、概ね好ましい結果を得ることができている。
しかしながら、金属粉末材料はある程度の粒度分布や形状の違いをもっており、均一の厚さで粉末を薄く敷いた時の粉末充填密度が一定にならず、また、成分の異なる複数の粉末からなる混合粉末を用いると、成分の偏析を起こす虞がある。
また、粒径の細かい粉末を用いる場合、作業者がその粉末を取り扱う際に細かい粉末が舞い上がる等、取り扱い性が良くなく、また舞い上がったその粉末が造形装置内に堆積して機械的な装置トラブルを起こす虞がある。
特開2005−48234号公報
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、材料における成分の偏析がなく、材料密度が一定であり、かつ、材料の取り扱い易いが容易な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。
上記目的を達成するために請求項1の発明は、金属材料に光ビームを照射して三次元形状造形物を製造する三次元形状造形物の製造方法において、金属線により形成された金網に光ビームを照射して、凝固層又は溶解層を形成する照射工程と、前記照射工程を金網に対して繰り返すことにより前記凝固層又は溶解層を積層して三次元形状造形物を製造する積層工程と、を備え、前記金網は、鉄系金属線と、ニッケル金属線及びニッケル系合金金属線の両方又はいずれか一方と、銅金属線及び銅系合金金属線の両方又はいずれか一方と、を有するものである。
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、前記金属線の線径が0.01mm以上0.1mm以下であるものである。
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記金網における前記金属線の間隙が0.01mm以上0.1mm以下であるものである。
請求項の発明は、請求項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記金網は、前記鉄系金属線の構成比率が60〜90重量%であり、ニッケル金属線及びニッケル系合金金属線の両方又はいずれか一方の構成比率が5〜35重量%であり、銅金属線及び銅系合金金属線の両方又はいずれか一方の構成比率が5〜15重量%であるものである。
請求項の発明は、請求項1乃至請求項のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記金網は、鉄系金属線からなる金網と、ニッケル金属線及びニッケル系合金金属線の両方又はいずれか一方からなる金網と、銅金属線及び銅系合金金属線の両方又はいずれか一方からなる金網と、を重ねて有するものである。
請求項の発明は、請求項1乃至請求項のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記凝固層又は溶解層の形成後に、それまでに積層して得られた三次元形状造形物の表面部及び/又は不要部分の切削除去を行なう切削工程を更に備えたものである。
請求項1の発明によれば、金属線により形成された金網に光ビームを照射するので、成分の偏析がなく、材料密度が一定した三次元形状造形物の製造が可能である。また、材料の取り扱いが容易であるので、三次元形状造形物を製造し易い。また、凝固層の盛り上がりが小さくなり、次に積層する金属網を精度良く、配置することができる。
請求項2の発明によれば、金属線の線径が細いので、三次元形状造形物の寸法精度が良い。また、金属線の線径が細すぎないので、光ビーム照射時に、材料が飛散しない。
請求項3の発明によれば、光ビームが下層の凝固層を照射して加熱するので、下層の凝固層との密着強度が向上する。
請求項の発明によれば、製造される三次元形状造形物の外観での割れや、内部組織のマイクロクラックの発生が抑えられる。
請求項の発明によれば、一つの金網を複数の材料の金属線から構成せずに、1種類の材料の金属線から構成された複数種類の金属網を組み合わせて使用するので、金網のコストが安価であり、また、材料の配合比を簡単に変えることができる。
請求項の発明によれば、製造される三次元形状造形物の表面粗さが細かくなり、寸法精度が向上する。
(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、三次元形状造形物の製造に用いる金属光造形加工機の構成を、図2は材料に用いる金網の構成を示す。金属光造形加工機1は、材料となる金網2が載置される造形用ベース3と、造形用ベース3を保持し、上下に昇降する昇降テーブル4と、光ビームLを発する光ビーム発信器5と、光ビームLを金網2の上にスキャニングするガルバノミラー6とを備えている。
金網2は、縦方向と横方向に並べられた金属線21により構成されており、金属線21同士は、電気溶接により接合されている。金属線21の線径Aは0.01〜0.1mmであり、金属線21間の間隔Bは、0.01〜0.1mmである。金属線21は鉄系金属線21aと、ニッケル金属線21b及び/又はニッケル系合金金属線21cと、銅金属線21d及び/又は銅系合金金属線21eとから構成されている。そして、鉄系金属線21aの構成比率が60〜90重量%であり、ニッケル金属線21b及び/又はニッケル系合金金属線21cの構成比率が5〜35重量%であり、銅金属線21d及び/又は銅系合金金属線21eの構成比率が5〜15重量%となっている。
図3は、本実施形態に係る製造方法のフローを、図4は、同製造方法の動作を示す。最初に、昇降テーブル4を金網2の厚みに相当する長さDだけ下げ(S1)、造形用ベース3に金網2を載置する(S2)(図4(a)参照)。光ビーム発信器5から光ビームLを発し(S3)、光ビームLをガルバノミラー6によって金網2上の任意の位置にスキャニングし(S4)、金網2を溶融し、凝固させて造形用ベース3と一体化した凝固層を形成する(S5)(図4(b)参照)。このS1乃至S5は、照射工程を構成する。そして、造形が終了したかを判断し(S6)、造形が終了するまでS1〜S5を繰り返す(図4(c)参照)。このS1乃至S6は、積層工程を構成する。こうして、凝固層を積層することで、三次元形状造形物を製造する(図4(d)参照)。
上述の製造方法においては、材料が金網2であるので、成分の偏析や材料密度のバラツキがなく、組成や金属組織が一定した三次元形状造形物の製造が可能である。また、金属粉末のように飛散することがないので、材料の取扱い性が良く、三次元形状造形物を製造し易い。金属線21の線径が細いので、三次元形状造形物の寸法精度が良く、また、細すぎないので、光ビーム照射時に、材料が飛散しない。金属線21の間隔が広すぎないので、材料の密度が低くなく、また、狭すぎないので、光ビームLが下層の造形層をよく照射して加熱し、新たな凝固層と下層の造形層との密着強度が強くなる。
金属線21は鉄系金属線21aと、ニッケル金属線21b及び/又はニッケル系合金金属線21cと、銅金属線21d及び/又は銅系合金金属線21eとから構成されているので、凝固層の盛り上がりが小さくなり、次に積層する金属網を精度良く、配置することができる。そして、鉄系金属線21aの構成比率が60〜90重量%であり、ニッケル金属線21b及び/又はニッケル系合金金属線21cの構成比率が5〜35重量%であり、銅金属線21d及び/又は銅系合金金属線21eの構成比率が5〜15重量%となっているので、製造される三次元形状造形物の外観の割れや、内部組織のマイクロクラックの発生が抑えられる。
三次元形状造形物の材料となる金網2は、金属線21の種類毎に作成してもよい。図5は、金属線21の種類毎の金網2を用いた製造方法を示す。鉄系金属線21aから作成した金網2aと、ニッケル金属線21b及び/又はニッケル系合金金属線21cから作成した金網2bcと、銅金属線21d及び/又は銅系合金金属線21eから作成した金網2deを重ねて造形用ベース3に載置し、光ビームLを照射して三次元形状造形物を造形している。構成比率を鉄系金属線21aが60〜90重量%であり、ニッケル金属線21b及び/又はニッケル系合金金属線21cが5〜35重量%であり、銅金属線21d及び/又は銅系合金金属線21eが5〜15重量%となるように金網2を組み合わせている。金網2の作成が簡単で低コストとなる。また、材料の配合比を簡単に変えることができる。
(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。図6は、本実施形態に係る製造方法のフローを、図7は、同製造方法の動作を示す。本実施形態では、金網22が長尺であり、巻き出しロール71に巻かれており、金属光造形加工機1の両側に巻き出しロール71と巻き取りロール72とがセットされている。最初に、昇降テーブル4を金網22の厚みに相当する長さDだけ下げ(S21)、巻き出しロール71から巻き取りロール72に光造形に必要な分の金網22を送り出し、造形用ベース3に金網2を載置する(S22)(図7(a)参照)。光ビーム発信器5から光ビームLを発し(S23)、光ビームLをガルバノミラー6によって金網2上の任意の位置にスキャニングし(S24)、金網2を溶融し、凝固させて造形用ベース3と一体化した凝固層を形成する(S25(図7(b)参照)。この時、光ビームLによって、造形物と金網2とを切り離す。そして、造形が終了したかを判断し(S26)、造形が終了したと判断するまでS21〜S25を繰り返す。こうして、凝固層を積層することで、三次元形状造形物を製造する(図7(c)参照)。金網22の供給を簡単に行うことができ、低コストとなる。
三次元形状造形物の材料となる金網22は、金属線21の種類毎に作成してもよい。図8は、金属線21の種類毎の金網2を用いた製造方法を示す。巻き出しロール71aからは鉄系金属線21aの金網22aを、巻き出しロール71bからはニッケル金属線21b及び/又はニッケル系合金金属線21cの金網22bcを、巻き出しロール71cからは銅金属線21d及び/又は銅系合金金属線21eの金網22deを送り出し、造形用ベース3に重ねて載置し、巻き取りロール72によって巻き取る。金網22の作成が簡単で低コストとなる。また、材料の配合比を簡単に変えることができる。
(第3の実施形態)
本発明の第3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。本実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法は、第1の実施形態に係る製造方法に加えて、造形物の周囲を削る工程を備えている。図9は、本実施形態に係る製造方法に用いる金属光造形複合加工機8の構成を示す。金属光造形複合加工機8は、第1の実施形態に係る金属光造形加工機1に加えて、造形物の周囲を削るミーリングヘッド81と、ミーリングヘッド81を切削箇所に移動させるXY駆動機構82とを有している。ミーリングヘッド81の工具(ボールエンドミル)は直径が0.6mm(有効刃長1mm)のものを使用し、凝固層の厚みが0.5mmになった時点でミーリングヘッド81を作動させる。
図10は、本実施形態に係る製造方法のフローを、図11は、同製造方法8の動作を示す。最初に、造形用ベース3を金網2の厚みに相当する長さDだけ下げ(S31)、造形用ベース3に金網2を載置する(S32)。光ビーム発信器5から光ビームLを発し(S33)、光ビームLをガルバノミラー6によって金網2上の任意の位置にスキャニングし(S34)、金網2を溶融し、凝固させて造形用ベース3と一体化した凝固層を形成する(S35)。凝固層の厚みが0.5mmになったかを判断し(S36)、0.5mmになるまでS31からS35を繰り返し、凝固層を積層する。
そして、積層した凝固層の厚みが0.5mmになると、ミーリングヘッド81を駆動する(S37)。XY駆動機構82によってミーリングヘッド81を矢印X及び矢印Y方向に移動させ、凝固層が積層した造形物の表面を切削する(S38)。このS37及びS38は、切削工程を構成する。そして、三次元形状造形物の造形が終了したかを判断し(S39)、終了していないと判断すると、粉末層形成ステップ(S31)へ戻る。こうして、S31乃至S38を繰り返して凝固層を積層することで、三次元形状造形物を製造する。製造される三次元形状造形物の表面粗さが細かくなり、寸法精度が向上する。
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、金網2は金属線21を編んで作成してもよいし、金属線21を圧着により接合して作成してもよい。また、金網2において、金属線21を2方向でなく、3方向に組み合わせてもよい。
本発明の第1の実施形態に係る製造方法に用いる金属光造形加工機の斜視図。 同製造方法に用いる金網の構成図。 同製造方法のフローチャート。 同製造方法を時系列に説明する図。 同製造方法の変形例を説明する図。 本発明の第2の実施形態に係る製造方法のフローチャート。 同製造方法を時系列に説明する図。 同製造方法の変形例を説明する図。 本発明の第3の実施形態に係る製造方法に用いる金属光造形加工機の斜視図。 同製造方法のフローチャート。 同製造方法を時系列に説明する図。
符号の説明
2、2a、2bc、2de 金網
21、21a、21b、21c、21d、21e 金属線

Claims (6)

  1. 金属材料に光ビームを照射して三次元形状造形物を製造する三次元形状造形物の製造方法において、
    金属線により形成された金網に光ビームを照射して、凝固層又は溶解層を形成する照射工程と、
    前記照射工程を金網に対して繰り返すことにより前記凝固層又は溶解層を積層して三次元形状造形物を製造する積層工程と、を備え
    前記金網は、鉄系金属線と、ニッケル金属線及びニッケル系合金金属線の両方又はいずれか一方と、銅金属線及び銅系合金金属線の両方又はいずれか一方と、を有することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
  2. 前記金属線の線径が0.01mm以上0.1mm以下であ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. 前記金網における前記金属線の間隙が0.01mm以上0.1mm以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の三次元形状造形物の製造方法。
  4. 前記金網は、前記鉄系金属線の構成比率が60重量%以上90重量%以下であり、ニッケル金属線及びニッケル系合金金属線の両方又はいずれか一方の構成比率が5重量%以上35重量%以下であり、銅金属線及び銅系合金金属線の両方又はいずれか一方の構成比率が5重量%以上15重量%以下であることを特徴とする請求項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
  5. 前記金網は、鉄系金属線からなる金網と、ニッケル金属線及びニッケル系合金金属線の両方又はいずれか一方からなる金網と、銅金属線及び銅系合金金属線の両方又はいずれか一方からなる金網と、を重ねて有することを特徴とする請求項1乃至請求項のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
  6. 前記凝固層又は溶解層の形成後に、それまでに積層して得られた三次元形状造形物の表面部及び/又は不要部分の切削除去を行なう切削工程を更に備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
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