JP6236112B2 - サポート及びワーク並びに当該サポートの造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形システムによって製造の対象となるワークを支えるサポート、及びワーク並びに当該サポートの造形方法に関するものである。

工具等によって加工の対象となるワークを下方から支えるサポートは、ワークの形状及び大きさによって、対応する形状及び大きさが相違しており、ワークに対する加工が終了した段階では、ワークから除去され、かつ廃棄処分されている。

然るに、従来技術においては、サポートにおいては基本的に柱状又は筒状の形状が採用され、かつワークを下方から支持するうえで過分な強度による構成が採用されていた。

その結果、廃棄処分を行うためには、複数の工具の使用、又は格別の機械の使用を余儀なくされ、更には多大な労力を必要とする。

のみならず、過分な強度のサポートは、無駄な材料費を要することとなり、製造コスト上無意味である。

特許文献１、２においては、インクジェットを伴う光造形によってモデル材及びサポートを造形する方法を提唱している。

このような光造形の場合には、サポートを構成する素材に対し、光の照射の成否を調節することによって、空隙を有するサポートを製造することができる。

しかしながら、特許文献１、２のような従来技術においては、どのような構成による空隙の場合に、効率的な支持が可能であって、かつ必要な素材を節約し得るサポートを実現し得るかにつき、格別の考慮が行われている訳ではない。

しかも、特許文献１、２は、ワーク及びサポートを三次元造形システムによって効率的に製造することについては、全く考慮されていない。

特開２０１２−１１１２２６号公報 特開２０１５−２２７０５７号公報

本発明は、ワークを下方から支えるサポートにつき、効率的な支持を可能とし、かつ必要な素材を節約し得るサポートを提供し、かつワーク及びサポートを効率的に造形し得る造形方法を提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
（１） 造形加工の対象となるワークを下方から支える中空状のサポートが均一な太さ又は均一でない太さの何れかを採用しており、かつ直線状又は曲線状の柱状体の交叉による格子形状であって、ワークとの接続領域における焼結強度が他の領域における焼結強度よりも小さい状態にあるサポート、
（２）粉末層形成工程と移動するレーザービーム又は電子ビームの照射によって前記粉末層を焼結する焼結工程との交互の繰り返しからなる積層を伴う三次元造形システムを採用したうえで、上側領域においてワークを造形対象物とし、下側領域において前記（１）のサポートを造形対象物とするサポートの造形方法、
からなる。

基本構成（１）においては、サポートが中空状であることによって、ワークの荷重を略均一状態に分布させ、ひいては、上記荷重の負担と素材の節約とを両立させることができる。
しかも、ワークと接触する領域の焼結強度が他の領域よりも小さいことから、ワークとの切断を容易に実現することができる。

基本構成（２）においては、三次元造形システムを採用したうえで、ワークと基本構成（１）のサポートを一挙に造形するという効率的な作業を実現することができる。

基本構成（１）のサポートの中空状として、柱状態の交叉による格子形状を採用した実施形態を示す側断面図であって、（ａ）は、各格子が上下方向に対して斜交する格子形状の場合を示しており、（ｂ）は、一部が上下方向と一致しており、残部が当該方向と直交している格子形状の場合を示し、（ｃ）は、各格子が下端において垂直方向であり、順次湾曲することによって、上端において水平方向となるような格子形状の場合を示す。 基本構成（１）の格子形状のサポートにおいて、上端にワークを支える面を形成した実施形態を示す鉛直方向断面図である。 基本構成（２）の造形方法において、格子形状のサポートを造形する実施形態を示す側断面図である。 尚、点線は、コントローラから各作動部に対する制御情報の伝達状態を示す。

基本構成（１）は、サポート１が中空状であり、かつ直線状又は曲線上の柱状態の交叉による格子形状であることを基本的前提としており、このような前提によって、ワーク２の荷重の略均一な分布と、素材の節約との両立を実現している。
格子形状の場合には、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、通常、均一の太さによる実施形態を採用している。

上記実施形態の場合には、各領域における断面積が変化しないことから、太さが均一でない場合のように、断面積の小さい部分に歪が集中することによる破壊を避けるため、当該小さい部分を所定の太さとすることによって、その余の領域が無意味かつ不要な太さを形成するという素材上の無駄な使用を免れることができる。

基本構成（１）においては、下側となるに従って水平方向断面積が順次大きくなる実施形態の場合には、ワーク２を支える位置が高い場合であっても、サポート１の転倒を防止することができ、この点は、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の格子形状においても同様である。

図１（ａ）は、各格子がワーク２を支える方向に沿った上下方向に対し、斜方向に設定されていることを特徴とする実施形態の状態を示す。
尚、図１（ａ）に示すように、水平方向端部には、各格子と交差する垂直方向の格子を設定し、下端部には、各格子と交差する水平方向の格子を設けることによって、ワーク２に対する安定した支持を実現することも可能であり、この点は、図１（ｃ）に示す実施形態の場合においても同様である。

上下方向に対し斜交する格子形状の場合には、ワーク２の荷重を原因として格子形状の各断面に曲げモーメントＭが発生するが、曲げモーメントＭによって曲がった場合の曲率半径をρとした場合には、

（但し、Ｅ：縦弾性係数、即ちヤング率、Ｉ：断面の二次モーメント）
という基本的な一般式が成立する。

上記一般式からも明らかなように、曲率半径ρを大きくすることによって変形を少なくするためには、ヤング率Ｅが大きく、かつ二次モーメントＩが大きい断面形状（具体的には、断面円形状）の素材を選択するとよい。

上記素材については、各ワーク２に対応する格子形状のサポート１に即した具体的な実験において、サポート１が破壊しないだけでなく、殆ど変形しないという基準によって選択されることになる。

図１（ｂ）は、各格子の一部がワーク２を支える方向に沿った上下方向と一致しており、残部が上記上下方向と直交していることを特徴とする実施形態の状態を示す。

上記実施形態において、各格子形状の断面に対して作用するワーク２の荷重をＦとし、かつ当該格子形状の断面の上端において、上下方向に偏位する長さをｘとした場合には、

（但し、Ｓ：断面積、Ｅ：ヤング率、Ｌ：サポートの上下方向における長さ）
という基本的な一般式が成立する。

上記一般式からも明らかなように、変形の度合いを示すｘを少なくするためには、所定の断面積Ｓの下に、ヤング率の高い素材を選択するとよい。

図１（ｃ）は、各格子が下端において垂直方向であり、順次湾曲することによって、上端において水平方向となるように設定された実施形態を示す。

上記実施形態においては、下端部及びその近傍においては、前記［数２］の一般式による偏位が生じており、その余の領域は、前記［数１］の一般式による曲げモーメントＭが発生していることに帰する。

上記実施形態の場合には、下端部及びその近傍においてサポート１が耐押圧状態にてワーク２を支持する一方、上端部においては、水平方向の格子によってワーク２を安定した状態にて支持することができる。

上記素材については、各ワーク２に対応する格子形状のサポート１に即した具体的な実験において、サポート１が破壊しないだけでなく、殆ど変形しないという基準によって選択されることになる。

基本構成（１）においては、サポート１の除去の便宜を考慮し、図１（ａ）に示すように、サポート１のワーク２からの切除に際し、作業者の手先を挿入するための切込１１を格子形状の上端及びその近傍にて水平方向に設けたことを特徴とする実施形態を採用することができる。

上記実施形態の場合には、作業者においては、自らの手先を切込１１中に挿入することによって、サポート１をワーク２から円滑に除去することが可能となる。

基本構成（１）において、サポート１の上端まで格子形状が延長している場合には、ワーク２の支持が不安定である場合がある。

このような状況を考慮し、基本構成（１）においては、図２に示すように、格子形状の上端において、ワーク２を支えるための平坦面又は湾曲面１４が形成されていることを特徴とする実施形態を採用することができる（図２においては、平坦面の場合を示す。）。

上記平坦面又は湾曲面１４にワーク２を配置した場合には、ワーク２を安定した状態にてサポート１が支持することになる。

基本構成（２）の造形方法においては、図３に示すように、三次元造形システムを採用したうえで、上側領域にてワーク２を造形し、下側領域にて基本構成（１）のサポート１を造形している。

上記三次元造形システムにおいては、通常の三次元造形システムの場合と同様に、レーザービーム又は電子ビームの供給源５、スキャナ６、粉末供給用具７、スキージ８、テーブル９、コントローラ１０を不可欠の構成要素として採用している。

上記造形に際し、通常、ワーク２の形状及び荷重に対応するサポート１の各高さ位置における形状をＣＡＭシステム又はＣＡＥシステムによって設計している。

ＣＡＭシステム又はＣＡＥシステムによる上記形状を具体的に設計する場合には、過去の蓄積したデータに基づいて、所定のワーク２の形状及び荷重に対応して、どのような形状が最も適切かを選択することになる。
但し、ワーク２の新たな形状又は荷重に対応して、各高さ位置における形状を設計する場合には、過去に蓄積したワーク２の形状又は荷重のデータのうち、最も近いデータ及び当該データに対応するサポート１の各高さ位置の形状を選択したうえで、双方のデータの比率に即して、上記のように選択した各高さ位置の形状の寸法について按分比例計算による修正を行うプログラムを採用することによって、上記の自動的設計を推進することができる。
尚、図１（ａ）に示す切込１１についても、ＣＡＭシステム又はＣＡＥシステムによって設計する実施形態もまた当然採用可能である。

このように、ＣＡＤ及びＣＡＭシステムを採用した基本構成（２）においては、極めて効率的なサポート１の造形を実現することができる。

ワーク２を構成する素材について、当該ワーク２の機能に応じて選択することが要求されると同様に、サポート１についても、ワーク２に対する支持状態として、適切な素材を選択することが好ましい。

基本構成（２）においては、サポート１の太さ、各高さ位置における方向に対応して、適切な素材を選択することも可能である。

サポート１とワーク２は、必要な素材としての性状は、当然相違している。
即ち、単位体積当たりの必要な強度は、サポート１の方がワーク２の場合よりも少なくて済むことから、サポート１における焼結の程度がワーク２における焼結の程度よりも小さいことを特徴とする実施形態を採用することができる。

このように、異なる焼結の程度を実現するための具体的な方法としては、
（１）積層の各単位４において、サポート１の厚みをワーク２の厚みよりも大きく設定する方法、
（２）積層単位４の厚みを同一にしたうえで、サポート１における単位面積当たりのレーザービーム又は電子ビームの照射量をワーク２よりも小さく設定する方法、
（３）積層単位４の厚み及び単位面積当たりの照射量を同一に設定したうえで、サポート１の場合には、複数個毎に照射するのに対し、ワーク２の場合には、一個毎に照射する方法、
を選択することができる。

このような選択に基づき、基本構成（２）においては、サポート１につき、ワーク２ほどの強固な程度による焼結を不要とする状態を選択することができ、効率的な製造を実現することが可能となる。

以下、実施例に即して説明する。

実施例１は、サポート１の上端とワーク２の下端との間に形成される１個又は複数個の粉末層につき、焼結の程度が、サポート１の他の下側の造形領域における焼結の程度よりも小さいことを特徴としている。

このような特徴を有する実施例１においては、サポート１及びワーク２の双方を造形する一工程が終了した段階では、双方の間にサポート１の焼結の程度よりも小さな焼結の程度の領域が形成され、双方を容易に分離することが可能となる。

上記のような小さい焼結の程度として、必要にして十分な状態とは、ワーク２の加工に際し振動が生じても、ワーク２とサポート１とが分離せずに辛うじて結合を維持し得る程度の焼結状態である。

このような焼結状態の設定基準については、各ワーク２とサポート１との組み合わせに即して、試行錯誤を伴う実験の蓄積によって確認する以外にない。

実施例２は、上記特徴を最終的に実現するためには、サポート１の上端とワーク２の下端との間に複数個の粉末層を形成したうえで、このうちの一部の粉末層につき、焼結を省略することを特徴としている。

一部の粉末層につき、焼結を省略したとしても、他の領域の焼結によって、当該焼結を省略した一部の粉末層同士の結合を維持することができるが、当該結合の程度は、本来の焼結が行われた場合に比し極めて微小である。

その結果、実施例２においても、サポート１とワーク２との双方を容易に分離することが可能となる。

サポート１とワーク２との結合状態を維持しながら、容易に分離することを可能とするような一部の粉末層における焼結の省略の程度の領域範囲もまた、試行錯誤を伴う実験の蓄積によって確認する以外にない。

このように、本発明は、ワークを支持するサポートにつき、必要な強度と経済コストとの両立を実現する一方、ワークとサポートの双方につき効率的な製造条件を実現しており、工作機械の分野における利用価値は絶大である。

１ サポート
１１ 切込
１４ 平坦面又は湾曲面
２ ワーク
３ コンテナ
４ 粉末層による積層単位
５ レーザービーム又は電子ビームの供給源
６ スキャナ
７ 粉末供給用具
８ スキージ
９ テーブル
１０ コントローラ

Claims (12)

1. 造形加工の対象となるワークを下方から支える中空状のサポートが均一な太さ又は均一でない太さの何れかを採用しており、かつ直線状又は曲線状の柱状体の交叉による格子形状であって、ワークとの接続領域における焼結強度が他の領域における焼結強度よりも小さい状態にあるサポート。
2. 柱状体の交叉による格子形状として、上下方向に対して、斜方向に設定した格子形状、一部が上下方向と一致しており、残部が当該方向と直交している格子形状、各格子が下端において垂直方向であり、順次湾曲することによって上端において水平方向となるような格子形状の何れかを採用していることを特徴とする請求項１記載のサポート。
3. 下側となるにしたがって、水平方向断面が順次大きくなる形状であることを特徴とする請求項１，２の何れか１項に記載のサポート。
4. サポートのワークからの切除に際し、作業者の手先を挿入するための切込を上端及びその近傍にて水平方向に設けたことを特徴とする請求項１、２、３の何れか一項に記載のサポート。
5. 上端において、ワークを支えるための平坦面又は湾曲面が形成されていることを特徴とする請求項１、２、３、４の何れか一項に記載のサポート。
6. 粉末層形成工程と移動するレーザービーム又は電子ビームの照射によって前記粉末層を焼結する焼結工程との交互の繰り返しからなる積層を伴う三次元造形システムを採用したうえで、上側領域においてワークを造形対象物とし、下側領域において請求項１、２、３、４、５の何れか一項に記載のサポートを造形対象物とするサポートの造形方法。
7. ワークの形状及び重量に対応するサポートの各高さ位置における形状をＣＡＭシステム又はＣＡＥシステムによって設計していることを特徴とする請求項６記載のサポートの造形方法。
8. サポートを構成する材料をＣＡＭシステム又はＣＡＥシステムが選択することを特徴とする請求項７記載のサポートの造形方法。
9. 請求項４の切込をＣＡＭシステム又はＣＡＥシステムによって設計していることを特徴とする請求項７記載のサポートの造形方法。
10. サポートの造形領域における各層の焼結の程度が、ワークの造形領域における各層の焼結の程度よりも小さいことを特徴とする請求項６、７、８、９の何れか一項に記載のワーク及びサポートの造形方法。
11. サポートの上端とワークの下端との間に形成される１個又は複数個の粉末層につき、焼結の程度が、サポートの他の下側の造形領域における焼結の程度よりも小さいことを特徴とする請求項６、７、８、９、１０の何れか一項に記載のワーク及びサポートの造形方法。
12. サポートの上端とワークの下端との間に形成される複数個の粉末層のうち、一部の粉末層につき焼結を省略することを特徴とする請求項６、７、８、９、１０、１１の何れか一項に記載のサポートの造形方法。

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