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

Description

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４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５の発明は、請求項１乃至請求項４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６の発明は、請求項１乃至請求項５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４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５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６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１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４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５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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