JP6443698B2 - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

三次元形状造形物の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6443698B2
JP6443698B2 JP2016506143A JP2016506143A JP6443698B2 JP 6443698 B2 JP6443698 B2 JP 6443698B2 JP 2016506143 A JP2016506143 A JP 2016506143A JP 2016506143 A JP2016506143 A JP 2016506143A JP 6443698 B2 JP6443698 B2 JP 6443698B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light beam
shaped object
dimensional shaped
irradiation
powder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2016506143A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2015133138A1 (ja
Inventor
阿部 諭
諭 阿部
武南 正孝
正孝 武南
武 松本
武 松本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Publication of JPWO2015133138A1 publication Critical patent/JPWO2015133138A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6443698B2 publication Critical patent/JP6443698B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20Direct sintering or melting
    • B22F10/28Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30Process control
    • B22F10/31Calibration of process steps or apparatus settings, e.g. before or during manufacturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30Process control
    • B22F10/36Process control of energy beam parameters
    • B22F10/366Scanning parameters, e.g. hatch distance or scanning strategy
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/80Data acquisition or data processing
    • B22F10/85Data acquisition or data processing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342Build-up welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/40Structures for supporting 3D objects during manufacture and intended to be sacrificed after completion thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/50Treatment of workpieces or articles during build-up, e.g. treatments applied to fused layers during build-up
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/24After-treatment of workpieces or articles
    • B22F2003/247Removing material: carving, cleaning, grinding, hobbing, honing, lapping, polishing, milling, shaving, skiving, turning the surface
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10Processes characterised by the sequence of their steps
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/30Organic material
    • B23K2103/42Plastics
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00Materials specially adapted for additive manufacturing
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Description

本開示は、三次元形状造形物の製造方法に関する。より詳細には、本開示は、粉末層への光ビーム照射によって固化層を形成する三次元形状造形物の製造方法に関する。
光ビームを粉末材料に照射することを通じて三次元形状造形物を製造する方法(一般的には「粉末焼結積層法」と称される)は、従来より知られている。かかる方法は、以下の工程(i)および(ii)に基づいて粉末層形成と固体層形成とを交互に繰り返し実施して三次元形状造形物を製造する(特許文献1または特許文献2参照)。
(i)粉末層の所定箇所に光ビームを照射し、かかる所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程。
(ii)得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、同様に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程。
このような製造技術に従えば、複雑な三次元形状造形物を短時間で製造することが可能となる。粉末材料として無機質の金属粉末を用いる場合、得られる三次元形状造形物を金型として使用することができる。一方、粉末材料として有機質の樹脂粉末を用いる場合、得られる三次元形状造形物を各種モデルとして使用することができる。
粉末材料として金属粉末を用い、それによって得られる三次元形状造形物を金型として使用する場合を例にとる。図5に示すように、まず、スキージング・ブレード23を動かして造形プレート21上に所定厚みの粉末層22を形成する(図5(a)参照)。次いで、粉末層の所定箇所に光ビームLを照射して粉末層から固化層24を形成する(図5(b)参照)。引き続いて、得られた固化層の上に新たな粉末層を形成して再度光ビームを照射して新たな固化層を形成する。このようにして粉末層形成と固化層形成とを交互に繰り返し実施すると固化層24が積層することになり(図5(c)参照)、最終的には積層化した固化層から成る三次元形状造形物を得ることができる。最下層として形成される固化層24は造形プレート21と結合した状態になるので、三次元形状造形物と造形プレートとは一体化物を成すことになる。三次元形状造形物と造形プレートとの一体化物は金型として使用することができる。
特表平1−502890号公報 特開2000−73108号公報
上記のような粉末焼結積層法において、本願発明者らは光ビームの走査態様の如何によって三次元形状造形物に反り変形が生じ得ることを見出した。具体的には、三次元形状造形物の外面部を成す、即ち、三次元形状造形物の外周輪郭を成すことになる“輪郭部”と、それよりも内側の“内部領域部”とに分けて光ビームの走査を行うと、最終的に得られる三次元形状造形物に反り変形が生じ得ることを見出した。特定の理論に拘束されるわけではないが、かかる“反り変形”は上記輪郭部に対する光ビーム走査が要因として考えられる。
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の課題は、三次元形状造形物の反り変形を減じることができる粉末焼結積層法を提供することである。
上記課題を解決するため、本発明の一態様では、
(i)粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
(ii)得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、該新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
によって粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
光ビームの走査を「三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査A」と「前記輪郭部よりも内側となる三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査B」とに分け、
光ビーム走査Aでは、光ビームの照射パスが複数のサブ照射パスへと分断されるように前記輪郭部に相当する部分を非連続的な光ビーム照射に付すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法が提供される。
本発明の一態様に係る製造方法に従って光ビーム走査Aの照射パスを複数のサブ照射パスへと分断すると、三次元形状造形物の反り変形を減じることができる。つまり、“三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分”を非連続的な光ビーム照射に付すことによって、三次元形状造形物の反り変形が減じられる。
本発明の一態様に係る概念を模式的に表した図 本発明のある好適な態様(相互に隣り合うサブ照射パスの間に隙間を空ける態様)を模式的に表した図 本発明のある好適な態様(三次元形状造形物のコーナーに相当する箇所にて照射パスを分断する態様)を模式的に表した図 本発明のある好適な態様(光ビームを離散的に走査する態様)を模式的に表した図 粉末焼結積層法において切削処理を付加的に行う光造形複合加工のプロセス態様を模式的に示した断面図 光造形複合加工機の構成を模式的に示した斜視図 光造形複合加工機の一般的な動作を示すフローチャート 本願発明者らが見出した現象を説明するための模式図
以下では、図面を参照して本発明の一態様に係る製造方法をより詳細に説明する。図面における各種要素の形態および寸法は、あくまでも例示にすぎず、実際の形態および寸法を反映するものではない。
本明細書において「粉末層」とは、例えば「金属粉末から成る金属粉末層」または「樹脂粉末から成る樹脂粉末層」を意味している。また「粉末層の所定箇所」とは、製造される三次元形状造形物の領域を実質的に指している。従って、かかる所定箇所に存在する粉末に対して光ビームを照射することによって、その粉末が焼結又は溶融固化して三次元形状造形物を構成することになる。更に「固化層」とは、粉末層が金属粉末層である場合には「焼結層」を意味し、粉末層が樹脂粉末層である場合には「硬化層」を意味している。
[粉末焼結積層法]
まず、本発明の製造方法の前提となる粉末焼結積層法について説明する。粉末焼結積層法において三次元形状造形物の切削処理を付加的に行う光造形複合加工を例として挙げる。図5は、光造形複合加工のプロセス態様を模式的に示しており、図6および図7は、粉末焼結積層法と切削処理とを実施できる光造形複合加工機の主たる構成および動作のフローチャートをそれぞれ示している。
光造形複合加工機1は、図5および図6に示すように、粉末層形成手段2、光ビーム照射手段3および切削手段4を備えている。
粉末層形成手段2は、金属粉末または樹脂粉末などの粉末を所定厚みで敷くことによって粉末層を形成するための手段である。光ビーム照射手段3は、粉末層の所定箇所に光ビームLを照射するための手段である。切削手段4は、積層化した固化層の側面、即ち、三次元形状造形物の表面を削るための手段である。
粉末層形成手段2は、図5に示すように、粉末テーブル25、スキージング・ブレード23、造形テーブル20および造形プレート21を主に有して成る。粉末テーブル25は、外周が壁26で囲まれた粉末材料タンク28内にて上下に昇降できるテーブルである。スキージング・ブレード23は、粉末テーブル25上の粉末19を造形テーブル20上へと供して粉末層22を得るべく水平方向に移動できるブレードである。造形テーブル20は、外周が壁27で囲まれた造形タンク29内にて上下に昇降できるテーブルである。そして、造形プレート21は、造形テーブル20上に配され、三次元形状造形物の土台となるプレートである。
光ビーム照射手段3は、図6に示すように、光ビーム発振器30およびガルバノミラー31を主に有して成る。光ビーム発振器30は、光ビームLを発する機器である。ガルバノミラー31は、発せられた光ビームLを粉末層にスキャニングする手段、即ち、光ビームLの走査手段である。
切削手段4は、図6に示すように、ミーリングヘッド40および駆動機構41を主に有して成る。ミーリングヘッド40は、積層化した固化層の側面、即ち、三次元形状造形物の表面を削るための切削工具である。駆動機構41は、ミーリングヘッド40を所望の切削すべき箇所へと移動させる手段である。
光造形複合加工機1の動作について詳述する。光造形複合加工機の動作は、図7のフローチャートに示すように、粉末層形成ステップ(S1)、固化層形成ステップ(S2)および切削ステップ(S3)から構成されている。粉末層形成ステップ(S1)は、粉末層22を形成するためのステップである。かかる粉末層形成ステップ(S1)では、まず造形テーブル20をΔt下げ(S11)、造形プレート21の上面と造形タンク29の上端面とのレベル差がΔtとなるようにする。次いで、粉末テーブル25をΔt上げた後、図5(a)に示すようにスキージング・ブレード23を粉末材料タンク28から造形タンク29に向かって水平方向に移動させる。これによって、粉末テーブル25に配されていた粉末19を造形プレート21上へと移送させることができ(S12)、粉末層22の形成が行われる(S13)。粉末層を形成するための粉末材料としては、例えば「平均粒径5μm〜100μm程度の金属粉末」および「平均粒径30μm〜100μm程度のナイロン、ポリプロピレンまたはABS等の樹脂粉末」を挙げることができる。粉末層が形成されたら、固化層形成ステップ(S2)へと移行する。固化層形成ステップ(S2)は、光ビーム照射によって固化層24を形成するステップである。かかる固化層形成ステップ(S2)においては、光ビーム発振器30から光ビームLを発し(S21)、ガルバノミラー31によって粉末層22上の所定箇所へと光ビームLをスキャニングする(S22)。これによって、粉末層の所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させ、図5(b)に示すように固化層24を形成する(S23)。光ビームLとしては、炭酸ガスレーザ、Nd:YAGレーザ、ファイバレーザまたは紫外線などを用いてよい。
粉末層形成ステップ(S1)および固化層形成ステップ(S2)は、交互に繰り返して実施する。これにより、図5(c)に示すように複数の固化層24が積層化する。
積層化した固化層24が所定厚みに達すると(S24)、切削ステップ(S3)へと移行する。切削ステップ(S3)は、積層化した固化層24の側面、即ち、三次元形状造形物の表面を削るためのステップである。ミーリングヘッド40(図5(c)および図6参照)を駆動させることによって切削ステップが開始される(S31)。例えば、ミーリングヘッド40が3mmの有効刃長さを有する場合、三次元形状造形物の高さ方向に沿って3mmの切削処理を行うことができるので、Δtが0.05mmであれば60層分の固化層24が積層した時点でミーリングヘッド40を駆動させる。具体的には駆動機構41によってミーリングヘッド40を移動させながら、積層化した固化層24の側面に対して切削処理を施すことになる(S32)。このような切削ステップ(S3)が終了すると、所望の三次元形状造形物が得られているか否かの判断を行う(S33)。所望の三次元形状造形物が依然得られていない場合では、粉末層形成ステップ(S1)へと戻る。以降、粉末層形成ステップ(S1)〜切削ステップ(S3)を繰り返し実施して更なる固化層の積層化および切削処理を実施することによって、最終的に所望の三次元形状造形物を得ることができる。
[本発明の製造方法]
本発明の一態様に係る製造方法は、上述した粉末焼結積層法につき、光ビームの走査態様に特徴を有している。
具体的には、まず光ビームの走査を「三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分60を光ビーム照射する光ビーム走査A(65)」と「輪郭部よりも内側となる三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分70を光ビーム照射する光ビーム走査B(66)」とに分ける。そして、光ビーム走査A(65)では、光ビームLの照射パスが複数のサブ照射パスへと分断されるように非連続的な光ビーム照射を行う(図1参照)。
つまり、本発明の一態様に係る製造方法では、三次元形状造形物の輪郭部となる粉末層部分の光ビーム走査を連続的でなく、断続的に行う。このような走査によって、三次元形状造形物の反り変形を減じることができる。特定の理論に拘束されないが、輪郭部となる粉末層部分で光ビームの走査を連続的に行うと収縮応力が輪郭部に沿って発生し、その収縮応力の残留(即ち、残留応力)が大きくなると三次元形状造形物に反り変形が生じるものと推測される(図8参照)。それゆえ、本発明の一態様に係る製造方法のように非連続的に走査すると、収縮応力の分断によって残留応力を低減でき、結果として三次元形状造形物の反り変形を減じることができる。
一般的な観点からいえば、三次元形状造形物の“反り変形”について、どの程度の“反り”が生じるかは予測し難く、かかる予測し難い現象を予め想定した上で三次元形状造形物を設計するのは困難とされる。この点、本発明の一態様に係る製造方法は、そのように予測し難い現象を想定した設計そのものを“比較的簡易な光ビームの走査態様”によって省くことが可能となる。
ここで従来における当業者の認識について説明しておく。従来においては、三次元形状造形物の輪郭部は“三次元形状造形物の外面部”として最終的に露出する部分であるがゆえ、きれいに仕上げる必要があるとの先入観があった。つまり、従来において、三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分は光ビーム走査を連続的に走査するのが当然であるとの認識が当業者にあった。この点につき、本願発明者らが鋭意検討した結果、その“輪郭部に相当する部分”に対して光ビームを断続的に走査しても三次元形状造形物の外面部を実質的に損なわず、そのうえで三次元形状造形物の反り変形を減じれることを見出した。
本明細書において「輪郭部」は、三次元形状造形物の外面部を成すことになる外周輪郭の部分を意味している。換言すれば、“輪郭部に相当する部分”とは、粉末層にて規定される「製造される三次元形状造形物の領域」において、その周縁部分に相当する。「輪郭部」は、“周縁部分”において、幅寸法を有する形態ととらえてもよく、例えば、三次元形状造形物の最外表面から約0.01mm〜約1mm内側(水平方向内側)に至るまでの局所的な領域が三次元形状造形物の“輪郭部”に相当する。一方、本明細書において「内部領域部」とは、三次元形状造形物において輪郭部よりも内側となる中実部分を意味している。換言すれば、“内部領域部に相当する部分”は、粉末層にて規定される「製造される三次元形状造形物の領域」において、上記“周縁部分”を除いた部分に相当する。
本発明の一態様に係る製造方法は、まず前提として、光ビーム走査を「輪郭部に相当する部分に対する光ビーム走査A」と「内部領域部に相当する部分に対する光ビーム走査B」とに分ける。そして、光ビーム走査Aにおいては光ビームの照射パスが複数のサブ照射パスへと分断されるように“輪郭部に相当する部分”を非連続的な光ビーム照射に付す。ここでいう「非連続的な光ビーム照射」とは、“輪郭部に相当する部分”の光ビーム照射を途中で途切れないように連続的な態様で行うのではなく、途中で休止を挟む断続的な態様で行うことを意味している。“休止”に要する時間は、好ましくは、サブ照射パスとして直近で光ビーム照射に付された部分が十分に冷却されるのに要する時間である。例示すると、このような「非連続的な光ビーム照射」のための光ビームの休止時間は、好ましくは約1μ秒〜約1秒であり、より好ましくは約50μ秒〜約100μ秒である。
本発明の一態様に係る製造方法では、“複数のサブ照射パス”の各々が、好ましくは約1mm〜約10mmの長さ、より好ましくは約3mm〜約5mmの長さを有する。つまり、かかる長さをサブ照射パスが有するように非連続的な光ビーム照射を行うことが好ましい。これによって、収縮応力の分断に起因した残留応力の低減効果がより好適に奏されることになり、三次元形状造形物の反り変形を効果的に減じることができる。ここでいう「複数のサブ照射パスの各々の長さ」は、サブ照射パスの長手方向に沿った長さ寸法Dを意味している(図1参照)。
本発明の一態様に係る製造方法において、複数のサブ照射パスは、三次元形状造形物の“輪郭部に相当する部分”に沿った1つの環状照射パスが分断されたものと捉えることができる。つまり、“複数のサブ照射パス”は、全体として大きく捉えると、三次元形状造形物の輪郭部に沿った環状の形態を有している。一方、三次元形状造形物の“内部領域部に相当する部分”は、複数の直線状照射パスが並列する形態を有し得る。つまり、三次元形状造形物の“内部領域部に相当する部分”に対して行う光ビーム走査Bとしては、直線的かつ並列的に光ビームを走査してよい。つまり、かかる光ビーム走査Bとして、いわゆるラスタ走査を行ってよい。
本発明の一態様に係る製造方法では、光ビーム走査Aにおいて、相互に隣り合うサブ照射パスの間に隙間が空くように光ビームを走査してよい。つまり、“輪郭部に相当する部分”に対して実施する非連続的な光ビーム照射においては「直近で光ビーム照射に付されたサブ照射パスの終点」と「次に光ビーム照射に付されるサブ照射パスの始点」とが互いに一致しないようにすることが好ましい。これにつき、より具体的な態様を例示する。光ビーム走査A(65)として光ビームLを“輪郭部に相当する部分”において同一方向に又は周を描くように走査する際、図1に示すように光ビーム照射部に“切れ間(65a)”が設けられるようにすることが好ましい。“切れ間(65a)”の寸法Gは、好ましくは約0.01mm〜約0.5mm、より好ましくは約0.05mm〜約0.1mmである(図2参照)。このような“切れ間(65a)”の存在によって、収縮応力の分断効果がより促進され、三次元形状造形物の反り変形が効果的に減じられる。
また、本発明の一態様に係る製造方法では、光ビーム走査Aにつき光ビームの照射パスが複数のサブ照射パスへと分断されるところ、少なくとも“三次元形状造形物のコーナーに相当する箇所”で照射パスが分断されることが好ましい。換言すれば、複数のサブ照射パスの少なくとも1つの終点が三次元形状造形物のコーナーに相当する箇所に位置付けられるように非連続的な光ビーム照射を行うことが好ましい。このような態様では、図3に示すように、光ビーム走査A(65)のための照射パスが「三次元形状造形物100のコーナー67’に相当する箇所67」を境に2つのサブ照射パスへと分断されることになる。
一般的には“三次元形状造形物のコーナーに相当する箇所”の照射に際しては光ビームの走査速度を下げる必要があるので、そのコーナーに相当する箇所で光ビームのエネルギーが過剰に供される傾向がある。つまり、そのようなコーナーに相当する箇所では過剰量の粉末が固化に寄与して固化層が隆起してしまう虞がある。この点、かかる本発明の一態様に従って“三次元形状造形物のコーナーに相当する箇所”を境にして照射パスを分断すれば、その箇所における光ビームのエネルギー蓄積を減じることができ、“固化層の隆起”が抑制される。
ここで、本明細書でいう「三次元形状造形物のコーナー」とは、図3(b)にて符号67’で示される箇所のように、三次元形状造形物の輪郭部のうち“角部を成す箇所”を一般的に指している。換言すれば、「三次元形状造形物のコーナーに相当する箇所」は、粉末層にて規定される「製造される三次元形状造形物の領域」の周縁部分のうち、光ビームの走査方向を変える必要がある箇所を意味している。
また、光ビーム走査A(65)については、相互に隣り合うことになるサブ照射パスが続けて光ビーム照射されないように光ビームLを離散的に走査してもよい(図4参照)。換言すれば、三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分に対する光ビーム走査Aを、種々の方向でランダムに行ってよい。このように走査すると、光ビーム照射に付されたサブ照射パス部分が十分に冷却された後で、それに隣接するサブ照射パス部分が光ビーム照射に付されることになるので、収縮応力の分断効果がより促進され、三次元形状造形物の反り変形が効果的に減じられる。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の適用範囲における典型例を示したに過ぎない。従って、本発明は、上記の実施形態に限定されず、種々の変更がなされ得ることを当業者は容易に理解されよう。例えば、本発明の製造方法は、切削処理を付加的に行う粉末焼結積層法(図5および図6参照)に対してのみならず、切削処理を行わない粉末焼結積層法に対しても同様に実施することができる。
尚、上述のような本発明は、次の好適な態様を包含している。
第1態様:(i)粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
(ii)得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、該新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
によって粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
前記光ビームの走査を、前記三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Aと、該輪郭部よりも内側となる該三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Bとに分け、
前記光ビーム走査Aでは、前記光ビームの照射パスが複数のサブ照射パスへと分断されるように前記輪郭部に相当する部分を非連続的な光ビーム照射に付すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第2態様:上記第1態様において、前記光ビーム走査Aでは、相互に隣り合う前記サブ照射パスの間に隙間が空くように前記光ビームを走査することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第3態様:上記第1態様または第2態様において、前記光ビーム走査Aでは、少なくとも前記三次元形状造形物のコーナーに相当する箇所で前記照射パスが分断されるように前記光ビームを走査することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第4態様:上記第1態様〜第3態様のいずれかにおいて、前記光ビーム走査Aでは、相互に隣り合うことになる前記サブ照射パスが続けて光ビーム照射されないように前記光ビームを離散的に走査することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第5態様:上記第1態様〜第4態様のいずれかにおいて、前記複数のサブ照射パスの各々の長さを1mm〜10mmとすることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
本発明の一態様に係る三次元形状造形物の製造方法を実施することによって、種々の物品を製造することができる。例えば、『粉末層が無機質の金属粉末層であって、固化層が焼結層となる場合』では、得られる三次元形状造形物をプラスチック射出成形用金型、プレス金型、ダイカスト金型、鋳造金型、鍛造金型などの金型として用いることができる。一方、『粉末層が有機質の樹脂粉末層であって、固化層が硬化層となる場合』では、得られる三次元形状造形物を樹脂成形品として用いることができる。
関連出願の相互参照
本出願は、日本国特許出願第2014−43107号(出願日:2014年3月5日、発明の名称:「三次元形状造形物の製造方法」)に基づくパリ条約上の優先権を主張する。当該出願に開示された内容は全て、この引用により、本明細書に含まれるものとする。
22 粉末層
24 固化層
L 光ビーム
60 三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分
65 光ビーム走査A
66 光ビーム走査B
67 三次元形状造形物のコーナーに相当する箇所
70 三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分

Claims (3)

  1. (i)粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
    (ii)得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、該新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
    によって粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
    前記光ビームの走査を、前記三次元形状造形物の輪郭部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Aと、該輪郭部よりも内側となる該三次元形状造形物の内部領域部に相当する部分を光ビーム照射するための光ビーム走査Bとに分け、
    前記光ビーム走査Aでは、前記光ビームの照射パスが複数のサブ照射パスへと分断されるように前記輪郭部に相当する部分を非連続的な光ビーム照射に付し、
    前記非連続的な光ビーム照射のための前記複数のサブ照射パスが前記輪郭部に沿っており、該非連続的な光ビーム照射では、前記輪郭部に相当する部分にて同一方向に周を描くように走査する際に切れ間が設けられ、
    前記光ビーム走査Aでは、少なくとも前記三次元形状造形物のコーナーに相当する箇所で前記照射パスが分断されるように前記光ビームを走査する、三次元形状造形物の製造方法。
  2. 前記光ビーム走査Aでは、相互に隣り合う前記サブ照射パスの間に隙間が空くように前記光ビームを走査す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. 前記複数のサブ照射パスの各々の長さを1mm〜10mmとす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。
JP2016506143A 2014-03-05 2015-03-04 三次元形状造形物の製造方法 Active JP6443698B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014043107 2014-03-05
JP2014043107 2014-03-05
PCT/JP2015/001156 WO2015133138A1 (ja) 2014-03-05 2015-03-04 三次元形状造形物の製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2015133138A1 JPWO2015133138A1 (ja) 2017-04-06
JP6443698B2 true JP6443698B2 (ja) 2018-12-26

Family

ID=54054953

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016506143A Active JP6443698B2 (ja) 2014-03-05 2015-03-04 三次元形状造形物の製造方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9776243B2 (ja)
EP (1) EP3115182A4 (ja)
JP (1) JP6443698B2 (ja)
KR (2) KR20180019780A (ja)
CN (1) CN106061717B (ja)
WO (1) WO2015133138A1 (ja)

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2952633C (en) 2014-06-20 2018-03-06 Velo3D, Inc. Apparatuses, systems and methods for three-dimensional printing
CN106573412B (zh) 2014-07-30 2019-11-05 松下知识产权经营株式会社 三维形状造型物的制造方法及三维形状造型物
CN108367498A (zh) 2015-11-06 2018-08-03 维洛3D公司 Adept三维打印
US10207454B2 (en) 2015-12-10 2019-02-19 Velo3D, Inc. Systems for three-dimensional printing
US10744562B2 (en) * 2016-01-25 2020-08-18 General Electric Company Additive manufacturing employing a plurality of electron beam sources
US10434573B2 (en) 2016-02-18 2019-10-08 Velo3D, Inc. Accurate three-dimensional printing
US10500791B2 (en) * 2016-03-09 2019-12-10 Technology Reseach Association For Future Additive Manufacturing Three-dimensional laminating and fabricating system, three-dimensional laminating and fabricating method, laminating and fabricating control apparatus and method of controlling the same, and control program
CN105711102B (zh) * 2016-04-19 2018-01-02 山东大学 一种基于费马尔螺旋线的3d打印路径规划方法
EP3492244A1 (en) 2016-06-29 2019-06-05 VELO3D, Inc. Three-dimensional printing system and method for three-dimensional printing
US11691343B2 (en) 2016-06-29 2023-07-04 Velo3D, Inc. Three-dimensional printing and three-dimensional printers
US20180339457A1 (en) * 2016-10-05 2018-11-29 Technology Research Association For Future Additive Manufacturing Three-dimensional laminating and shaping apparatus, control method of three-dimensional laminating and shaping apparatus, and control program of three-dimensional laminating and shaping apparatus
US10661341B2 (en) 2016-11-07 2020-05-26 Velo3D, Inc. Gas flow in three-dimensional printing
US20180186081A1 (en) 2017-01-05 2018-07-05 Velo3D, Inc. Optics in three-dimensional printing
US10442003B2 (en) 2017-03-02 2019-10-15 Velo3D, Inc. Three-dimensional printing of three-dimensional objects
US20180281283A1 (en) 2017-03-28 2018-10-04 Velo3D, Inc. Material manipulation in three-dimensional printing
EP3582914A1 (de) * 2017-04-13 2019-12-25 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum pulverbettbasierten additiven herstellen eines werkstücks, verfahren zum erstellen von korrekturparametern für das erstgenannte verfahren und computerprogrammprodukt für das zweitgenannte verfahren
DE102017110241A1 (de) * 2017-05-11 2018-11-15 Nanoscribe Gmbh Verfahren zum Erzeugen einer 3D-Struktur mittels Laserlithographie sowie Computerprogrammprodukt
JP6868474B2 (ja) * 2017-06-06 2021-05-12 日本電子株式会社 3次元積層造形装置
US10272525B1 (en) 2017-12-27 2019-04-30 Velo3D, Inc. Three-dimensional printing systems and methods of their use
US10144176B1 (en) 2018-01-15 2018-12-04 Velo3D, Inc. Three-dimensional printing systems and methods of their use
US20210069793A1 (en) * 2018-01-31 2021-03-11 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Method for manufacturing three-dimensional shaped object
JP2019151050A (ja) * 2018-03-05 2019-09-12 株式会社リコー 立体造形方法および立体造形装置
RU2690875C1 (ru) * 2018-04-13 2019-06-06 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" Способ изготовления державки режущего инструмента
US11167375B2 (en) 2018-08-10 2021-11-09 The Research Foundation For The State University Of New York Additive manufacturing processes and additively manufactured products
US20200147689A1 (en) * 2018-11-09 2020-05-14 Layerwise Nv Alternating Dual Layer Contouring and Hatching for Three-Dimensional Manufacturing
US20220355380A1 (en) * 2019-06-13 2022-11-10 SLM Solutions Group AG Apparatus and method for producing a three-dimensional work piece
JP7096405B1 (ja) * 2021-06-10 2022-07-05 株式会社ソディック 積層造形方法
CN113427755B (zh) * 2021-06-30 2022-06-07 湖南华曙高科技股份有限公司 一种3d打印方法及3d打印设备
CN113351885B (zh) * 2021-08-11 2021-11-30 西安赛隆金属材料有限责任公司 高能束扫描路径规划方法、增材制造方法及装置
DE102021129468A1 (de) * 2021-11-11 2023-05-11 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Verfahren, Planungsvorrichtung und Computerprogrammprodukt zum Planen einer lokal selektiven Bestrahlung eines Arbeitsbereichs mit einem Energiestrahl, sowie Verfahren, Fertigungsvorrichtung und Computerprogrammprodukt zum additiven Fertigen von Bauteilen aus einem Pulvermaterial

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0287657B2 (en) 1986-10-17 1999-08-11 Board Of Regents, The University Of Texas System Method and apparatus for producing parts by selective sintering
JP2715527B2 (ja) 1989-03-14 1998-02-18 ソニー株式会社 立体形状形成方法
SG47634A1 (en) 1989-10-30 1998-04-17 3D Systems Inc Improved stereolithographic construction techniques
JP2919982B2 (ja) 1991-01-22 1999-07-19 松下電工株式会社 三次元形状の形成方法
DE4233812C1 (de) 1992-10-07 1993-11-04 Eos Electro Optical Syst Verfahren und vorrichtung zum herstellen von dreidimensionalen objekten
JP3446618B2 (ja) 1998-08-26 2003-09-16 松下電工株式会社 金属粉末焼結部品の表面仕上げ方法
JP2001038813A (ja) 1999-08-03 2001-02-13 Toyota Motor Corp 粉粒体積層造形方法
DE10245617A1 (de) 2002-09-30 2004-04-08 Eos Gmbh Electro Optical Systems Vorrichtung und Verfahren zum schichtweisen Herstellen von dreidimensionalen Objekten
JP2010052318A (ja) 2008-08-29 2010-03-11 Hitachi Kokusai Electric Inc 光造形方法
DE102010041284A1 (de) * 2010-09-23 2012-03-29 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum selektiven Lasersintern und für dieses Verfahren geeignete Anlage zum selektiven Lasersintern
WO2013132840A1 (ja) 2012-03-09 2013-09-12 パナソニック株式会社 三次元形状造形物の製造方法
WO2014010144A1 (ja) * 2012-07-09 2014-01-16 パナソニック株式会社 三次元形状造形物の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US9776243B2 (en) 2017-10-03
CN106061717B (zh) 2018-08-03
US20170066052A1 (en) 2017-03-09
EP3115182A1 (en) 2017-01-11
EP3115182A4 (en) 2017-03-08
WO2015133138A1 (ja) 2015-09-11
KR20180019780A (ko) 2018-02-26
KR102020779B1 (ko) 2019-09-11
JPWO2015133138A1 (ja) 2017-04-06
KR20160123386A (ko) 2016-10-25
CN106061717A (zh) 2016-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6443698B2 (ja) 三次元形状造形物の製造方法
JP5764753B2 (ja) 三次元形状造形物の製造方法
JP5599957B2 (ja) 三次元形状造形物の製造方法
TWI549807B (zh) 三維形狀模製物之製造方法
JP5539347B2 (ja) 三次元形状造形物の製造方法およびそれから得られる三次元形状造形物
WO2017022226A1 (ja) 三次元形状造形物の製造方法
JP6414588B2 (ja) 三次元形状造形物の製造方法
JPWO2016017155A1 (ja) 三次元形状造形物の製造方法および三次元形状造形物
KR102099574B1 (ko) 3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 3차원 형상 조형물
JP5612530B2 (ja) 三次元形状造形物の製造方法
JP6857861B2 (ja) 三次元形状造形物の製造方法
WO2018003798A1 (ja) 三次元形状造形物の製造方法
JPWO2017221912A1 (ja) 三次元形状造形物の製造方法
JP6688997B2 (ja) 三次元形状造形物の製造方法
WO2017221712A1 (ja) 三次元形状造形物の製造方法
WO2017130834A1 (ja) 三次元形状造形物の製造方法
JP2017226882A (ja) 三次元形状造形物の製造方法
WO2019151540A1 (ja) 三次元形状造形物の製造方法
WO2017221913A1 (ja) 三次元形状造形物の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161125

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20161125

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180130

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180327

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180905

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20181106

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20181114

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6443698

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151