JP6295001B1 - 積層造形装置および積層造形物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、シート積層法では、金属材料粉体の代わりに板状の金属シートを使用して材料層を形成し、材料層の所定箇所にレーザ光を照射して金属シートを焼結または溶融させることを繰り返すことによって、複数の固化層を積層して所望の三次元造形物を造形する(特許文献2)。
なお、以上の方式において、固化層を形成するために、レーザ光に代えて電子ビームを用いてもよい(特許文献3)。
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
積層造形装置が提供される。
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
積層造形物の製造方法が提供される。
好ましくは、前記材料層は、炭素鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼からなる。
好ましくは、前記材料層は、第1の金属と、前記第1の金属よりも炭素含有量の高い第2の金属または炭素の少なくとも一方を含む混合材料からなる。
好ましくは、前記上面層の温度を測定する温度センサをさらに備え、前記温度調整装置は前記温度センサによって測定された温度によりフィードバック制御される。
好ましくは、前記固化層を切削する切削装置をさらに備え、前記切削装置は、前記温度調整装置が前記上面層を前記第1温度から前記第2温度に温度調整後、前記第2温度から前記第1温度に温度調整する前に、前記上面層を含む前記固化層の端面に対し切削を行う。
好ましくは、前記上面層の温度は、温度センサにより測定され、前記温度調整工程は、前記温度センサによって測定された温度によりフィードバック制御される。
好ましくは、前記固化層を切削する切削工程をさらに備え、前記切削工程は、前記上面層を前記第1温度から前記第2温度に温度調整後、前記第2温度から前記第1温度に温度調整する前に、前記上面層を含む前記固化層の端面に対し切削を行う。
好ましくは、下記式(4)および(5)の関係をさらに満たす。
T1>Ms (4)
T2<Mf (5)
好ましくは、下記式(4)および(6)の関係をさらに満たす。
T1>Ms (4)
T2≧Mf (6)
好ましくは、下記式(7)および(6)の関係をさらに満たす。
T1≦Ms (7)
T2≧Mf (6)
好ましくは、下記式(7)および(5)の関係をさらに満たす。
T1≦Ms (7)
T2<Mf (5)
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
また、以下において、新たに形成された固化層、すなわち形成されてから第1温度、第2温度、第1温度の一連の順番で行われる温度調整が1度も実施されていない固化層を上面層と呼ぶ。焼結または溶融後、温度調整される前の上面層は、オーステナイト相を含む状態であって、温度調整により少なくとも一部がマルテンサイト相へと変態する。
パターンAでは、マルテンサイト変態が起こる温度帯に第1温度、第2温度の両方が含まれない。すなわち、下記式(1)〜(5)をすべて満たす。また、パターンAの上面層の温度変化の概略図を図10に示す。
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
T1>Ms (4)
T2<Mf (5)
パターンAでは、温度調整装置による温度調整が可能な範囲で第1温度の上限および第2温度の下限に制限がなくなるため温度制御が容易となる。また、マルテンサイト変態が起こる温度帯の全ての範囲でマルテンサイト変態を起こすため再現性が高い。マルテンサイト変態による膨張量が造形時の収縮量以下である材料に適する制御方法である。
パターンBでは、マルテンサイト変態が起こる温度帯に第2温度のみ含まれる。すなわち、下記式(1)〜(4)、および(6)をすべて満たす。また、パターンBの上面層の温度変化の概略図を図11に示す。
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
T1>Ms (4)
T2≧Mf (6)
パターンBでは、レーザ光Lの照射による固化層の温度上昇の影響を考慮する必要がなく、残留応力を抑えた状態で造形を進行することができ、造形終了後に温度を下げることにより圧縮応力を発生させることができる。造形物に適度な圧縮応力を残留させることで、割れの発生を抑制できる。マルテンサイト変態による膨張量が造形時の収縮量よりも十分大きな材料に適する制御方法である。
パターンCでは、マルテンサイト変態が起こる温度帯に第1温度、第2温度の両方が含まれる。すなわち、下記式(1)〜(3)、および(6)〜(7)をすべて満たす。また、パターンCの上面層の温度変化の概略図を図12に示す。
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
T1≦Ms (7)
T2≧Mf (6)
パターンCでは、正確に温度制御ができる場合には、造形中および造形が完了して温度が下がった後の残留応力を制御することが可能である。マルテンサイト変態による膨張量が造形時の収縮量よりも十分大きな材料に適する制御方法である。
パターンDでは、マルテンサイト変態が起こる温度帯に第1温度のみ含まれる。すなわち、下記式(1)〜(3)、(5)、および(7)をすべて満たす。また、パターンDの上面層の温度変化の概略図を図13に示す。
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
T1≦Ms (7)
T2<Mf (5)
パターンDでは、レーザ光Lの照射による固化層の温度上昇の影響はあるものの、造形中の残留応力と造形完了後の残留応力とは略一致し管理が容易である。特に、前述のように、第2温度に温度調整された上面層に対して切削加工する切削工程を実施する場合は、より高精度に造形物を仕上げることができ好適である。マルテンサイト変態による膨張量が造形時の収縮量よりも十分大きな材料に適する制御方法である。
<実施例>
まず、造形テーブル5の温度を温度調整装置90により、70℃に調整した。続いて、造形テーブル5上にリコータヘッド11により材料粉体を均一に撒布して材料層8を形成するリコート工程と、材料層8の所定箇所にレーザ光Lを約4分照射して材料粉体を焼結する固化工程とを繰り返し、複数の固化層により形成される厚さ5mmの上面層を形成した。その後約70℃に保たれていた造形テーブル5の温度を29℃まで降温した。上面層の温度が29℃に降温後、造形テーブル5の温度を70℃に昇温した。すなわち、上記パターンDに相当する温度調整工程を行った。その後、同様の工程を6回繰り返し80×80×35mm(縦×横×厚さ)の造形物を得た。得られた造形物について、造形プレート7の裏面(造形物が形成された面の反対の面)の反りの状態を測定することにより、残留応力の状態を確認した。その結果、図14および図15に示すように、残留応力が抑制された状態であった。
造形テーブル5の温度を24℃で略一定に保ち、温度調整工程を行わずに、リコート工程と固化工程を繰り返し80×80×35mm(縦×横×厚さ)の造形物を得た。実施例と同様に造形物の状態を確認した結果、図16および図17に示すように、ひずみが大きく、引張応力が大きい状態であった。なお、造形プレート7との境界に大きな割れが発生し、造形物に割れが確認された。
1a :保護ウインドウ
3 :材料層形成装置
4 :ベース台
5 :造形テーブル
5a :天板
5b :支持板
5c :支持板
5d :支持板
7 :造形プレート
8 :材料層
11 :リコータヘッド
11a :材料収容部
11b :材料供給部
11c :材料排出部
11fb :ブレード
11rb :ブレード
13 :レーザ照射装置
15 :不活性ガス供給装置
17 :保護ウインドウ汚染防止装置
17a :筐体
17b :開口部
17c :拡散部材
17d :不活性ガス供給空間
17e :細孔
17f :清浄室
19 :ヒュームコレクタ
21 :ダクトボックス
23 :ダクトボックス
26 :粉体保持壁
31 :造形テーブル駆動機構
42 :レーザ光源
43a :ガルバノミラー
43b :ガルバノミラー
44 :フォーカス制御ユニット
50 :切削装置
57 :加工ヘッド
60 :スピンドルヘッド
81f :固化層
82f :固化層
90 :温度調整装置
92 :加熱器
93 :冷却器
95 :温度調整装置
97 :加熱器
98 :冷却器
99 :温度センサ
L :レーザ光
R :造形領域
Claims (18)
- 造形領域を覆うチャンバと、
前記造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成する材料層形成装置と、
前記材料層の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する照射装置と、
1層または複数層の前記固化層が新たに形成される毎に、前記固化層のうち少なくとも新たに形成された前記固化層である上面層を第1温度、第2温度、前記第1温度の順番で温度調整する温度調整装置と、を備え、
前記第1温度をT1、前記第2温度をT2、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度をMsおよび前記固化層のマルテンサイト変態終了温度をMf、とすると、下記式(1)から(3)の関係が全て満たされる、
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
積層造形装置。
- 前記材料層は、炭素鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼からなる、請求項1に記載の積層造形装置。
- 前記材料層は、第1の金属と、前記第1の金属よりも炭素含有量の高い第2の金属または炭素の少なくとも一方を含む混合材料からなる、請求項1または請求項2に記載の積層造形装置。
- 前記上面層の温度を測定する温度センサをさらに備え、
前記温度調整装置は前記温度センサによって測定された温度によりフィードバック制御される、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の積層造形装置。
- 前記固化層を切削する切削装置をさらに備え、
前記切削装置は、前記温度調整装置が前記上面層を前記第1温度から前記第2温度に温度調整後、前記第2温度から前記第1温度に温度調整する前に、前記上面層を含む前記固化層の端面に対し切削を行う、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の積層造形装置。 - 下記式(4)および(5)の関係をさらに満たす、
T1>Ms (4)
T2<Mf (5)
請求項1から請求項5に記載の積層造形装置。 - 下記式(4)および(6)の関係をさらに満たす、
T1>Ms (4)
T2≧Mf (6)
請求項1から請求項5に記載の積層造形装置。 - 下記式(7)および(6)の関係をさらに満たす、
T1≦Ms (7)
T2≧Mf (6)
請求項1から請求項5に記載の積層造形装置。 - 下記式(7)および(5)の関係をさらに満たす、
T1≦Ms (7)
T2<Mf (5)
請求項1から請求項5に記載の積層造形装置。 - 造形領域に対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成するリコート工程と、
前記材料層の所定の照射領域にレーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する固化工程と、
1層または複数層の前記固化層が新たに形成される毎に、前記固化層のうち少なくとも新たに形成された前記固化層である上面層を第1温度、第2温度、前記第1温度の順番で温度調整する温度調整工程と、を備え、
前記第1温度をT1、前記第2温度をT2、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度をMsおよび前記固化層のマルテンサイト変態終了温度をMf、とすると、下記式(1)から(3)の関係が全て満たされる、
T1≧Mf (1)
T1>T2 (2)
T2≦Ms (3)
積層造形物の製造方法。
- 前記材料層は、炭素鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼からなる、請求項10に記載の積層造形物の製造方法。
- 前記材料層は、第1の金属と、前記第1の金属よりも炭素含有量の高い第2の金属または炭素の少なくとも一方を含む混合材料からなる、請求項10または請求項11に記載の積層造形物の製造方法。
- 前記上面層の温度は、温度センサにより測定され、
前記温度調整工程は、前記温度センサによって測定された温度によりフィードバック制御される、請求項10から請求項12のいずれか1項に記載の積層造形物の製造方法。 - 前記固化層を切削する切削工程をさらに備え、
前記切削工程は、前記上面層を前記第1温度から前記第2温度に温度調整後、前記第2温度から前記第1温度に温度調整する前に、前記上面層を含む前記固化層の端面に対し切削を行う、請求項10から請求項13のいずれか1項に記載の積層造形物の製造方法。 - 下記式(4)および(5)の関係をさらに満たす、
T1>Ms (4)
T2<Mf (5)
請求項10から請求項14に記載の積層造形物の製造方法。 - 下記式(4)および(6)の関係をさらに満たす、
T1>Ms (4)
T2≧Mf (6)
請求項10から請求項14に記載の積層造形物の製造方法。 - 下記式(7)および(6)の関係をさらに満たす、
T1≦Ms (7)
T2≧Mf (6)
請求項10から請求項14に記載の積層造形物の製造方法。 - 下記式(7)および(5)の関係をさらに満たす、
T1≦Ms (7)
T2<Mf (5)
請求項10から請求項14に記載の積層造形物の製造方法。
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