JP5943963B2 - 三次元造形用材料、及び、三次元造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属でできた造形物を造形するための三次元造形用材料及び三次元造形方法に関する。

この種の三次元造形方法としては、粉末焼結積層造形法が知られている。粉末焼結積層造形法には、直接焼結造形法と間接焼結造形法があり、そのうち、直接焼結造形法は、粒子径が２０μｍ〜４０μｍ程度の金属粒子からなる層の表面に、樹脂バインダを混合させずに、高エネルギーのレーザを選択的に照射して、直接、その金属を溶融させ、それを５０μｍ〜１００μｍのピッチで積層して繰り返すことにより、造形物を得る方法である。

しかし、直接焼結造形法では、直接、高エネルギーにより金属を溶融するため、局部的に高熱が発生し、造形時に歪みが発生しやすい問題を抱え、所望の精度が得られにくいと言われている。

また、金属間の結びつきが、炉でゆっくりと焼結する方式に比べて強度的に弱くなることは否めない。さらに、金属粉末を積層した状態のまま焼結されてしまうので、金属粒子間は疎の状態となっており、やはり、強度的に弱くなる原因となっている。

間接焼結造形法は、例えば、特許文献１に開示されているように、高融点粉末に樹脂バインダを混合した粉末材料にレーザを選択的に照射して三次元形状を積層造形する。

しかし、間接焼結造形法では、造形後に、仮焼結工程、脱脂工程、さらに、本焼結工程を実行しなければならず、造形工程数が多くなる。

特開２００３−３０５７７７号公報

本発明の課題は、造形精度が高く、機械的強度に優れた造形物を、少ないプロセスで造形し得る三次元造形用材料、及び、三次元造形方法を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係る三次元造形用材料は、高融点金属成分と低融点金属成分とを含む。本発明において、「金属」には、金属元素の他、合金も含まれる。

本発明に係る三次元造形用材料は、基本的には、直接焼結造形法の範疇に属する造形方法によって、金属造形物を造形する場合に用いられる。ここで、本発明に係る三次元造形用材料は、高融点金属成分と低融点金属成分とを含むから、溶融プロセス（加熱プロセス）では、低温度で低融点金属成分を溶融させるとともに、低融点金属成分と高融点金属成分との間で金属拡散を生じさせ、凝固プロセスでは、高融点金属成分の有する高い凝固点で固化させることができる。

このため、溶融時における熱エネルギー消費を低減すると共に、高融点金属成分の有する高い凝固点を利用して迅速に固化させ、型崩れのない高精度の三次元造形物を迅速に造形することができる。

しかも、得られる造形物には、低融点金属成分と高融点金属成分との間の相互的金属拡散が生じている。このような金属拡散は、通常、組成分濃度傾斜を生じさせる。組成分濃度傾斜が存在することは、複数種の金属成分における相互的な拡散接合が、物理的距離をおいて徐々に変化してゆくことを意味する。従って、原子空孔（格子）の集積が回避され、カーケンダルボイドの発生が抑制され、信頼性及び品質に優れ、しかも機械的強度が大きい三次元造形物が得られることになる。

高融点金属成分及び低融点金属成分は、一般には、多結晶の金属粒子である。この場合、多結晶を構成する単結晶の粒界又は内部に、金属酸化物、金属窒化物、金属珪化物、金属炭化物もしくは金属硫化物がｎｍサイズの薄膜状又は粒子状で存在するナノコンポジット構造を有することが好ましい。

上記と異なって、三次元造形用材料は、線材であってもよい。線材は、高融点金属材料でなる第１線材と、低融点金属材料でなる第２線材とで構成してもよいし、高融点金属成分及び低融点金属成分を含む線材であってもよい。

また、高融点金属成分と低融点金属成分とともに、酸化防止成分及び/又はフラックスを含んでいてもよい。

更に、本発明は、上述した三次元造形用材料を用いて造形する三次元造形方法をも開示する。この場合、上記説明から、既に明らかなように、溶融、造形、凝固という少ないプロセスによって金属の三次元造形物を造形できる。

以上述べたように、本発明によれば、造形精度が高く、機械的強度に優れた造形物を、少ないプロセスで造形し得る三次元造形用材料、及び、三次元造形方法を提供することができる。

本発明に係る三次元造形用材料の概要を示す図である。 本発明に係る三次元造形用材料の別の形態を示す図である。 本発明に係る三次元造形用材料の更に別の形態を示す図である。 本発明に係る三次元造形方法を説明する図である。 本発明に係る三次元造形方法の別の形態を説明する図である。 本発明に係る三次元造形方法の別の形態を説明する図である。

図１を参照すると、本発明に係る三次元造形用材料は、高融点金属成分１０１と低融点金属成分１０２とを含む。高融点金属成分１０１は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｓｉ、または、Ｎｉの群から選択された少なくても１種を含むことができ、低融点金属成分１０２は、Ｓｎ、Ｉｎ、ＢｉまたはＧａの群から選択された少なくても１種を含むことができる。例えば、高融点金属成分１０１として、Ｃｕ及びＡｇを選択し、低融点金属成分１０２としてＳｎを選択することができる。

図１に示す実施の形態において、高融点金属成分１０１及び低融点金属成分１０２は、多結晶の金属粒子である。この場合、多結晶を構成する単結晶の粒界又は内部に、金属酸化物、金属窒化物、金属珪化物、金属炭化物もしくは金属硫化物がｎｍサイズの薄膜状又は粒子状で存在する構造（ナノコンポジット構造）を有することが好ましい。高融点金属成分１０１及び低融点金属成分１０２は、造形精度の観点から、粒径が３００μｍ以下、好ましくは、１００μｍ以下、更に好ましくは１μｍ以下である。粒子形状は、球状であってもよいし、扁平状等であってもよい。高融点金属成分１０１及び低融点金属成分１０２とともに、酸化防止剤及び/又はフラックスを含んでいてもよい。これらは、粒子状等の固相であってもよいし、液相であってもよい。

上記と異なって、三次元造形用材料は、線材であってもよい。線材は、例えば、図２に示すように、高融点金属成分でなる第１線材１０１と、低融点金属成分でなる第２線材１０２とで構成してもよい。第１線材１０１及び第２線材１０２の本数、組成分等は任意である。

あるいは、図３に示すように、高融点金属成分及び低融点金属成分を含む線材１０３であってもよい。図３において、符号１０４は、フラックスである。

本発明に係る三次元造形用材料は、基本的には、直接焼結造形法の範疇に属する造形方法によって、金属造形物を造形する。その一例を図４〜図６に示してある。これらの図において、対応する構成部分については、同一の参照符号を付し、重複説明はこれを省略することがある。

まず、図４の実施の形態では、XYZテーブル５と、制御装置７０１と、ＣＡＭComputer Aided Manufacturing）システム７０２と、ヘッド９と、レーザヘッド１１を含んでいる。XYZテーブル５は、その一面が造形物を成形すべき基準面となる。制御装置７０１は、XYZテーブル５をヘッド９に対してＸ、Ｙ、Ｚ方向に相対移動および回転させる。XYZテーブル５の代わりに、ヘッド９をＸ、Ｙ、Ｚ方向に相対移動および回転させてもよい。

ＣＡＭシステム７０２は、制御装置７０１およびヘッド９の動作を指令する。このＣＡＭシステム７０２は、必要に応じてＣＡＤシステムと接続して設計情報を受ける。

ヘッド９は、第１ノズル９０１と、第２ノズル９０２とを備える。第１ノズル９０１は、第１タンク１３に収納された三次元造形用材料１を、XYZテーブル５の基準面に堆積し、所望の金属造形物を形成する。図示の三次元造形用材料１は、高融点金属粒子と低融点金属粒子とを混合した金属粉末である。

第２ノズル９０２は、第２タンク１５に収納された補助材３を、XYZテーブル５の基準面に堆積し、造形パターンを形成する。三次元造形用材料１は、補助材３によって画定された造形パターンに従って堆積され、積層される。補助材３は、例えば、耐熱性の高い合成樹脂によって構成することができる。第１タンク１３及び第２タンク１５からヘッド９に至る供給路には、流量や圧力を調節する機構１７，１９を設けてある。

加熱手段を構成するレーザヘッド１１は、第１ノズル９０１からXYZテーブル５の基準面に堆積された三次元造形用材料１にレーザを照射して溶融させる。

上述の構成をなす立体成形装置は、ＣＡＤシステムから受けた造形物の三次元設計情報をＣＡＭシステム７０２によって、層別加工データに変換し、制御装置７０１によって、ヘッド９の第１ノズル９０１及び第２ノズル９０２の吐出を制御しつつ、XYZテーブル５をヘッド９に対して各軸方向に相対移動および回転させる。そして、第２ノズル９０２から供給された補助材３によって、XYZテーブル５の基準面５０１上に造形パターンとなる補助材パターン３０１を画定する。この補助材パターン３０１の内部に、第１ノズル９０１から三次元造形用材料１たる金属粉末を供給し、供給された金属粉末にレーザヘッド１１からレーザを照射して溶融させ、その後、冷却して凝固させる。このプロセスを繰り返して、前記造形パターンに従った金属の三次元造形を行う。

ここで、本発明に係る三次元造形用材料１は、図１〜図３に図示し、これを参照して説明したように、高融点金属成分１０１と低融点金属成分１０２とを含むから、溶融プロセスでは、低温度で低融点金属成分１０２を溶融させるとともに、低融点金属成分１０２と高融点金属成分１０１との間で、相互的金属拡散を生じさせ、凝固プロセスでは、高融点金属成分１０１の有する高い凝固点で固化させることができる。

このため、溶融時における熱エネルギー消費を低減すると共に、凝固プロセスでは、高融点金属成分１０１の有する高い凝固点を利用して迅速に固化させ、型崩れを回避しつつ、三次元造形物を迅速に造形することができる。

しかも、得られる造形物には、低融点金属成分１０２と高融点金属成分１０１との間の金属拡散が生じている。このような金属拡散は、通常、組成分濃度傾斜を生じさせる。組成分濃度傾斜が存在することは、複数種の金属成分における相互的な拡散接合が、物理的距離をおいて徐々に変化してゆくことを意味する。従って、原子空孔（格子）の集積が回避され、カーケンダルボイドの発生が抑制され、信頼性及び品質に優れ、機械的強度が大きい三次元造形物が得られることになる。

高融点金属成分１０１及び低融点金属成分１０２は、一般には、多結晶の金属粒子である。この場合、多結晶を構成する単結晶の粒界又は内部に、金属酸化物、金属窒化物、金属珪化物、金属炭化物もしくは金属硫化物がｎｍサイズの薄膜状又は粒子状で存在するナノコンポジット構造を有することが好ましい。

上記説明から、既に明らかなように、本発明に係る三次元造形方法によれば、金属の三次元造形物を、高融点金属成分及び低融点金属成分を含む三次元造形用材料の溶融、造形、凝固という少ないプロセスによって、短時間で造形できる。

次に、図５の実施の形態では、図４の実施の形態と異なって、三次元造形用材料１として、高融点金属粒子及び低融点金属粒子を溶融させた溶融金属をヘッド９に供給するようになっている。この実施の形態の場合も、図４に示した実施の形態と同様の作用効果を奏する。

更に、図６の実施の形態では、図４及び図５の実施の形態と異なって、三次元造形用材料として、高融点金属成分及び低融点金属成分を含有する線材１を用いる。この線材１は、図２及び図３に示したような構造を持ち、例えばドラム状に巻かれている。ドラム状に巻かれた線材１は、送り装置２１を経て、ヘッド９に導かれる。そして、ヘッド９に敷設された加熱手段２３によって加熱され、溶融され、XYZテーブル５の基準面５０１において、補助材パターン３０１によって画定された造形パターン内に供給され、積層される。これにより、金属の三次元造形物が造形される。

図６に示した実施の形態においても、図４に示した実施の形態と同様の作用効果を奏する。

以上、好ましい実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、その基本的技術思想および教示に基づき、種々の変形例を想到できることは自明である。

１ 三次元造形用材料
１０１ 高融点金属成分
１０２ 低融点金属成分

Claims (4)

1. 金属粉末でなり、前記金属粉末により金属造形物を造形するための三次元造形用材料であって、
   前記金属粉末は、高融点金属粒子と低融点金属粒子とを混合したものでなり、
   前記高融点金属粒子は、Ag、Cu、Au、Pt、Ti、Zn、Al、Fe、Si、または、Niの群から選択された少なくとも1種からなり、
   前記低融点金属粒子は、Sn、In、Biまたは、Gaの群から選択された少なくとも1種からなる、
   三次元造形用材料。
2. 金属の線材でなり、前記線材により金属造形物を造形するための三次元造形用材料であって、
   前記線材は、高融点金属成分でなる第1線材と、低融点金属成分でなる第2線材とで構成され、
   前記高融点金属成分は、Ag、Cu、Au、Pt、Ti、Zn、Al、Fe、Si,又はNiの群から選択された少なくとも1種からなり、
   前記低融点金属成分は、Sn、In、BiまたはGaの群から選択された少なくとも1種からなる、
   三次元造形用材料。
3. 金属の線材でなり、前記線材により金属造形物を造形するための三次元造形用材料であって、
   前記線材は、高融点金属成分及び低融点金属成分を含んでおり、
   前記高融点金属成分は、Ag、Cu、Au、Pt、Ti、Zn、Al、Fe、Si,又はNiの群から選択された少なくとも1種からなり、
   前記低融点金属成分は、Sn、In、BiまたはGaの群から選択された少なくとも1種からなる、
   三次元造形用材料。
4. 金属造形物を造形する三次元造形方法であって、
   請求項１乃至３の何れか一項に記載された三次元造形用材料を用いて造形する工程を含み、
   前記工程は、熱処理により、前記高融点金属粒子と前記低融点金属粒子との間、又は、前記高融点金属成分と前記低融点金属成分との間に金属拡散を生じさせるプロセスを含む、
   三次元造形方法。