JP6532180B1 - 金属製の三次元造形物および金属製の三次元造形物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ポーラス構造の気体流路は、通気性と強度が不十分である。【解決手段】気体流路２は、ラティス構造の第１の構造部位２Ａでなり、望ましくは、ラティス構造のような角形状の空間分割構造の第２の構造部位２Ｂとでなる。第１の構造部位２Ａは、最大幅が０．０１ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下の複数の直線状の通気孔１０と、幅が０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下で固化密度が９０％以上の枠体部位２０とでなるラティス構造であって、厚さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。また、第２の構造部位２Ｂは、最大幅が第１の構造部位の通気孔１０の最大幅の１．５倍以上を有し、通気孔１０と接続する複数の直線状の通気孔３０と、焼結密度が固化密度が９０％以上の枠体部位４０とでなるラティス構造のような角形状の空間分割構造であって、第１の構造部位２Ａと一体で結合する。【選択図】図１
Description
本発明は、金属製の三次元造形物および金属製の三次元造形物の製造方法に関する。特に、本発明は、ラティス構造の気体流路を有する金属製の三次元造形物および金属製の三次元造形物の製造方法に関する。
金属製の三次元造形物を製造する三次元造形装置、いわゆる金属３Ｄプリンタにおける三次元造形物の製造方法の１つとして、金属材料粉体を均一に撒布して粉末層を形成し、粉末層上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所定の照射領域の材料粉体を溶融固化することを繰り返して焼結層を積層していき、三次元造形物を生成する金属粉末積層造形法が知られている。
ところで、三次元造形物に気体だけを流通させるための気体流路が要求されることがある。具体的には、例えば、樹脂成形金型において、コア型とキャビティ型の少なくとも一方の金型にキャビティ空間内に滞留するガスだけをキャビティ空間の外に排出するベントが設けらる。あるいは、例えば、真空チャックにおいて、空気を吸引して吸着面と吸着する物体の面との間を真空に近い状態にする吸気孔が設けられる。
金属粉末積層造形法によると、特許文献１に代表的に開示されているように、レーザ光のエネルギ密度を比較的小さくして、気体流路に相当する部位を低密度で焼結することによって、ポーラス構造（多孔質構造）の気体流路を形成することができる。特許文献１に開示されているような金属粉末積層造形法によると、気体だけを流通させる気体流路を比較的容易に生成することができる。
しかしながら、レーザ光によって材料粉体を焼結して形成されるポーラス構造の気体流路は、固化した材料の密度を低くすることによって生成されているので、比較的強度が小さい。また、ポーラス構造の気体流路は、気体が流通する経路が直線状に繋がっておらず、気体流路における気体の流量が比較的少ない。
そのため、気体が流通する経路が長くなると、十分な通気性を確保することができないことから、ポーラス構造部位の厚さを増大することによって強化することができない。その結果、焼結式粉末積層造形法によって形成されたポーラス構造の気体流路を有する三次元造形物は、例えば、金型のような高い強度と耐久性が要求される物品としての使用に適していない。
非特許文献１および非特許文献２は、粉末積層造形法によって気体の入口側の部位をポーラス構造で形成し、気体の出口側の部位をラティス構造（格子構造）で形成して、気体の入口側のポーラス構造体を出口側のラティス構造体で補強する造形方法を開示している。非特許文献１または非特許文献２の造形方法によると、ポーラス構造体をラティス構造体で補強することによって、気体流路における通気性を確保しながら、三次元構造物を強化することができる。
２０１６年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集第（第５４７頁−第５４８頁「産業用３Ｄプリンタを用いた金属通気性金型の電子ビーム加工による性能向上」（藤丸浩宣，是澤宏之，楢原弘之）
２０１６年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集第（第５４９頁−第５５０頁「産業用３Ｄプリンタを用いた金属光造形通気性金型における基本通気特性の調査」（吉岡亮祐，楢原弘之，是澤宏之）
ポーラス構造の気体流路において、通気性を十分に確保するためには、多数のポア（空洞）が０．１ｍｍφ以上の均一の大きさである必要がある。しかしながら、高い技能を有する作業者であっても、適するレーザ光の照射条件を設定して均一な形状と大きさの多数のポアを有するポーラス構造の気体流路を安定して得るということは、容易なことではない。
とりわけ、例えば、金属製の三次元造形物が樹脂成形金型の場合では、高温高圧の成形材料がポアに押し込まれるように流入してポアを詰まらせたりするので、頻繁に金型を清掃する必要があり、作業性を低下させている。そして、成形材料が気体流路の奥まで侵入して固化してしまうと、成形材料を気体流路から除去することが困難になり、継続して使用することができなくなることがある。また、気体流路の入口がポーラス構造であって、粗面であるので、成形品に気体流路の入口の表面形状が転写されてしまって成形品の品質を低下させることがある。
本発明は、上記課題に鑑みて、複数の通気孔の断面形状が均一であって通気性が十分に確保できるとともに、十分な強度を有する気体流路を含んでなる金属製の三次元造形物を提供することを目的とする。また、複数の通気孔の断面の形状が均一であって通気性が十分に確保できるとともに、十分な強度を有する気体流路を含んでなる金属製の三次元造形物をより容易に製造することができる金属製の三次元造形物の製造方法を提供することを目的とする。その他、本発明によって得ることができるいくつかの有利な点については、具体的な実施の形態の説明において、その都度詳しく示される。
本発明の金属製の三次元造形物は、上記課題を解決するために、最大幅が０．０１ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下の複数の直線状の通気孔と幅が０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下で固化密度が９０％以上の枠体部位とでなるラティス構造であって厚さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の第１の構造部位と、最大幅が第１の構造部位における通気孔の最大幅の１．５倍以上を有し上記通気孔と接続する複数の直線状の通気孔と焼結密度が固化密度が９０％以上の枠体部位とでなる角形状の空間分割構造であって第１の構造部位と一体で結合する第２の構造部位と、を含んでなる気体流路を有する金属製の三次元造形物とする。
特に、本発明の金属製の三次元造形物は、第２の構造部位が気体流路の中心部位ほど厚さが小さくなるテーパ形状であるようにして、通気性を維持して強度を向上させることができる。
また、本発明の金属製の三次元造形物の製造方法は、金属粉末積層造形法によるラティス構造の気体流路を有する金属製の三次元造形物の製造方法であって、所要の出力を有するレーザ光のスポット径を０．１ｍｍφ以上０．２ｍｍφ以下とし、レーザ光の走査経路がラスタ走査線形状であってラスタ走査線間のピッチをラティス構造における直線状の通気孔の所望の最大幅以上にした状態で、積層する第Ｎ層目の粉末層における走査経路を第１のラスタ走査線とするときに、第Ｎ＋１層目の粉末層における走査経路を前記第１のラスタ走査線に対して直交する第２のラスタ走査線とし、第Ｎ＋２層目の粉末層における走査経路を第１のラスタ走査線とし、第Ｎ＋３層目の粉末層における走査経路を第２のラスタ走査線として、粉末層の各層毎に第１のラスタ走査線または第２のラスタ走査線の走査経路に沿ってレーザ光を所定の走査速度で移動させながらレーザ光の照射を繰り返して、前記通気孔の最大幅が０．０１ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下のラティス構造の気体流路を形成する。
また、ラティス構造の気体流路を第１の構造部位として、第１の構造部位における通気孔と連通し第１の構造部位の通気孔の最大幅よりも大きい最大幅の通気孔を有する角形状の空間分割構造の第２の構造部位を第１の構造部位と一体で結合するように生成し気体流路を形成する。
本発明の三次元造形物は、気体流路がラティス構造であって枠体が高密度で形成されているので、強度が要求される三次元造形物として使用に耐える十分な強度を有する。また、本発明の三次元構造物は、ポーラス構造の気体流路に比べて通気性に優れる均一な直線状の通気孔を有するラティス構造の気体流路を有する。その結果、本発明の三次元造形物は、最大幅が十分に小さい気体流路を有する。
そのため、気体以外の物質が気体流路により侵入しにくいので、三次元造形物のメインテナンスにおける作業性が向上する。また、各通気孔に侵入した物質を除去することができるので、三次元造形物の寿命を長くすることができる。とりわけ、三次元構造物が金型である場合に、ラティス構造体における通気孔の入口の構成形状が成形品に転写されにくいので、成形品の品質を保持することができる。
本発明の金属製の三次元造形物の製造方法によると、作業者が再現性が高い適する照射条件を設定しやすく、レーザ光を走査するだけで均一な形状と大きさの直線状の通気孔を効率よく形成することができるとともに、高密度の格子枠体を形成することができる。そして、通気性に優れ、十分な強度を有する気体流路を含む三次元造形物を製造することができ、金属製の三次元造形物における作業性が向上し、三次元造形物の寿命を長くすることができる。とりわけ、三次元造形物が金型であるときに、成形品の品質を保持することができる。
図１は、本発明の代表的な実施の形態の金属製の三次元造形物の構造を模式的に示す。図１は、三次元造形物の全体のうちの気体流路がある部位を抽出して部分的に示している。図１に示される三次元造形物において、第１の構造部位と第２の構造部位の各通気孔が繋がっていないように見受けられる箇所があっても、別の方向から見たときには、繋がっているものとする。
図１に示される金属製の三次元造形物１は、複数の気体流路２を有する。気体流路２は、ラティス構造の第１の構造部位２Ａと、第１の構造部位２Ａと一体で結合して第１の構造部位２Ａを補強するラティス構造の第２の構造部位２Ｂと、空洞部位２Ｃとを含んでなる。ただし、概念上は、空洞部位２Ｃを単なる空間として、空洞部位２Ｃを気体流路２に含まないと見做すこともできる。また、三次元造形物１の最大厚Ｔが比較的薄い場合には、空洞部位２Ｃが存在しないことがある。
第１の構造部位２Ａが要求される通気性を確保するためには、通気孔１０の形状と大きさが均一であって、直線状に設けられている必要がある。このとき、理論的には、各通気孔１０が気体を通過することができる大きさを有しているならば、気体流路２の機能を有していると言える。しかしながら、断面形状が正方形の通気孔１０の場合、実用上、気体が十分な流量で通気孔１０を通過するためには、気体流路２の各通気孔１０の最大幅ｄｘは、０．０１ｍｍ以上必要である。なお、広く通気孔には、様々な断面形状が存在することから、本発明においては、通気孔の大きさを最大幅で示す。
レーザ光のエネルギによって材料粉体を溶融固化させる特性上、高密度に焼結させるための大きいエネルギのレーザ光を照射する際に、レーザ光のスポットよりも外側の材料粉体に熱的エネルギが及んで、予定よりも通気孔１０の大きさが小さくなる傾向にある。そのため、レーザ光による粉末積層造形法によって要求される強度を満足する高密度の枠体部位２０を形成しながら明確な輪郭形状を有する通気孔１０を形成することができる製造可能な最大幅ｄｘの下限値もおよそ０．０１ｍｍである。
通気孔１０の最大幅ｄｘが大きいほど通気性が向上することは当然のことである。しかしながら、通気孔１０の最大幅ｄｘが０．１０ｍｍを超えると、気体以外の物質、例えば、気体よりも粘性があって高温で高密度の溶融樹脂のような高分子化合物であっても、通気孔１０に侵入してくる可能性が高い。したがって、通気孔１０の最大幅ｄｘは、０．１０ｍｍ以下であることが望ましい。
通気孔１０の最大幅ｄｘが０．１０ｍｍ以下である場合は、気体流路２の第１の構造部位２Ａの厚さｔ１、言い換えると、直線状の通気孔１０の長さは、気体が加圧空気である場合で、１０ｍｍ以下であることが望ましい。少なくとも、通気孔１０の最大幅が０．１０ｍｍである場合であっても、通気孔１０の長さが１５ｍｍを超えているときは、加圧空気であっても、実用上、要求に耐える流量が不足することが判明している。
ただし、第１の構造部位２Ａの厚さｔ１を同じようなレーザ光による粉末積層造形法によって形成されているポーラス構造の気体流路２の最大厚に比べて大きくすることができるので、実施の形態の三次元造形物１は、依然として優位である。
第１の構造部位２Ａが要求される強度を満足するためには、少なくとも、枠体部位２０の幅ｗｘが通気孔１０の最大幅ｄｘよりも大きく、所定の密度以上の高密度である必要がある。具体的には、通気孔１０の最大幅ｄｘが０．０２ｍｍのときで、枠体部位２０の幅ｗｘは、０．０８ｍｍ程度必要である。一方、第１の構造部位２Ａの気体流路２における全体の通気性を確保するために、十分な数の通気孔１０を設けるためには、枠体部位２０の幅ｗｘが０．２５ｍｍ以下であるとよい。
密度は、焼結密度または固化密度（嵩密度）の何れで表現してもよいが、本発明において、高密度とは、固化密度で９０％以上、望ましくは、９９％以上の場合をいう。密度の測定は、三次元造形物を切断したときの断面を画像処理して空間の体積を解析する方法で行なっている。なお、密度を焼結密度で表わした場合でも、高密度として要求される数値は、固化密度とおよそ同じ数値になると推定される。
図１に示される実施の形態の気体流路２における第１の構造部位２Ａがラティス構造であって、通気孔１０が直線状に貫通して設けられているので、仮に、通気孔２に溶融樹脂が侵入してしまったときでも、侵入した樹脂を取り除くことが可能であり、三次元造形物の寿命を長くすることができる。
第１の構造部位２Ａの気体流路２をハニカム構造（正六角形構造）にして形成することは可能である。しかしながら、ハニカム構造は、ラスタ走査線の走査経路に沿って枠体部位２０を一気に形成し通気孔１０を容易に得ることができるラティス構造に比べて設計がより難しく、また、製造プロセスがより複雑であって、作業に要する時間を余計に要するので、ラティス構造に比べて利益が小さい。
第２の構造部位２Ｂにおいては、主に気体だけを流通させたい第１の構造部位２Ａの通気孔１０に対して、通気孔３０の最大幅をより大きくすることができる。第２の構造部位２Ｂは、第１の構造部位２Ａと一体で結合して第１の構造部位２Ａを補強する。第２の構造部位２Ｂにおける通気孔３０は、最大幅が第１の構造部位２における通気孔１０の最大幅の１．５倍以上を有する。ただし、第２の構造部位２Ｂにおいて、気体流路２の強度を維持するための枠体部位４０の剛性を考慮して、通気孔３０の最大幅が制限されることがある。
第２の構造部位２Ｂは、通気孔３０の最大幅を第１の構造部位２Ａの通気孔１０の最大幅ｄｘに対して大きくすることができるので、十分な通気性を有することから、気体部位２Ａに比べて厚さｔ２を十分に大きくすることができる。例えば、第２の構造部位２Ｂの厚さｔ２を第１の構造部位２Ａの厚さｔ１の２倍以上にすることができる。
通気孔３０は、第１の構造部位２Ａにおける通気孔１０と接続する。枠体部位４０は、密度が固化密度で９０％以上であって、望ましくは、９９％以上である。なお、第２の構造部位２Ｂは、第１の構造部位１Ａよりも厚さを大きくすることができるので、十分な厚さを有しているならば、第１の構造部位１Ａに比べて低い密度であっても強度を得ることは可能である。
第２の構造部位２Ｂの枠体部位４０の幅に制約を設ける必要はないが、第１の構造部位２Ａにおける通気孔１０と第２の構造部位２Ｂにおける通気孔３０とを連通させるために、第２の構造部位２Ｂにおける通気孔３０の中心位置を第１の構造部位２Ａにおける通気孔１０の中心位置に合わせることが望ましい。
第２の構造部位２Ｂは、通気孔１０の最大幅ｄｘに実質的な制約がないので、ラティス構造以外の角形状の空間分割構造にすることができる。本発明でいう角形状の空間分割構造とは、正方形を組み合わせた格子構造のラティス構造のように、枠体部位で多数の多角形の空間を形成した構造をいう。具体的には、例えば、第２の構造部位をハニカム構造にすることができる。
図３は、本発明の他の実施の形態の金属製の三次元造形物の構造を模式的に示す。図３は、三次元造形物の全体のうちの気体流路がある部位を抽出して部分的に示している。図３に示される三次元造形物において、第１の構造部位と第２の構造部位の各通気孔が繋がっていないように見受けられる箇所があっても、別の方向から見たときには、繋がっているものとする。
図３に示される金属製の三次元造形物１は、複数の気体流路２を有する。気体流路２は、ラティス構造の第１の構造部位２Ａと、第１の構造部位２Ａと一体で結合して第１の構造部位２Ａを補強するラティス構造の第２の構造部位２Ｂと、空洞部位２Ｃとを含んでなる。ただし、概念上は、空洞部位２Ｃを単なる空間として、空洞部位２Ｃを気体流路２に含まないと見做すこともできる。また、三次元造形物１の最大厚Ｔが比較的薄い場合には、空洞部位２Ｃが存在しないことがある。
図３に示される実施の形態における気体流路２の第１の構造部位２Ａは、図１に示される実施の形態における気体流路２の第１の構造部位２Ａと実質同じである。具体的には、気体流路２における第１の構造部位２Ａは、ラティス構造であって、複数の直線状の通気孔１０の最大幅ｄｘが０．０１ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下であり、枠体部位２０の幅ｗｘが０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下で、密度は、固化密度で９０％以上であって、厚さｔ１が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。
図３に示される三次元造形物１における第２の構造部位２Ｂは、気体流路２の中心部位ほど厚さが小さくなるようなテーパ面５０を有するテーパ形状である。第１の構造部位２Ａにおける複数の通気孔１０と第２の構造部位２Ｂにおける通気孔３０とは、基本的に接続して連通し、第１の構造部位２Ａにおける通気孔１０が第２の構造部位２Ｂの枠体部位４０によって完全に塞がれてしまわないように設計される。
図３に示される三次元構造物１は、強度を低下させることなく、気体流路２の構造体全体における中央の周囲の通気孔１０と通気孔３０とにおける長さを短くすることができるので、結果的に、第１の構造部位２Ａにおける通気性を確保する点で有利である。
図４は、本発明の金属製の三次元造形物の製造方法の１つの実施の形態におけるレーザ光の走査経路を示す図である。図４において、実線は、第１の構造部位におけるレーザ光の走査経路を示し、二点鎖線は、第２の構造部位におけるレーザ光の走査経路を示す。矢印を含む点線は、レーザ光を照射しないアプローチ経路である。また、括弧内の番号は、レーザ光を照射する順番を示す。また、符号Ｋは、第１の構造部位における通気孔の輪郭線を示し、符号Ｈは、第２の構造部位における通気孔の輪郭線を示し、符号Ｏは、通気孔の中心を示す。
レーザ光の走査経路は、ラスタ走査線である。ラスタ走査線の開始位置から終了位置までのレーザ光の照射を１回の照射とすると、レーザ光のスポット径が０．１ｍｍφ以上０．２ｍｍφ以下で第１の構造部位２Ａにおける枠体部位２０の幅ｗｘが０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下であるとするなら、走査速度を調整することによって原則１回の照射で粉末層１層の焼結を完了する。したがって、本発明の製造方法によると、レーザ光の照射条件の設定がしやすく、レーザ光をラスタ走査線の走査経路に沿って照射するだけで高密度の格子枠体を形成し効率よく通気孔を形成することができる。
例えば、厚さが５ｍｍで、通気孔の最大幅が０．１０ｍｍ以下のラティス構造の気体流路を炭素鋼の鋼板から形成して製作しようとする場合、切削加工によると、作業が相当に困難である。放電加工によると、平坦面に通気孔１０を形成することは可能であるが、相当に多く時間を要する。また、放電加工であっても、三次元造形物における気体流路の配置によっては、より困難であるか、実質的に不可能であるかも知れない。実施の形態の製造方法によると、切削加工または放電加工のような金属加工に比べて、より容易にラティス構造の気体流路を得ることができる。
通気孔１０の最大幅ｄｘが０．１０ｍｍ以下のとき、気体流路２における全体の通気性を確保するためには、相当多数の均一な形状の通気孔１０が要求される。レーザ光を照射して材料粉体を溶融固化して気体流路２を生成する場合、通気孔１０の輪郭形状を維持しながら、固化密度で９９％の高密度の枠体部位２０を形成して強度を得るために要求されるエネルギ密度を考慮すると、可能な限りスポット径を小さくすることが望まれる。例えば、ファイバレーザの場合で、安定して繰返し良好な結果を得ることができるレーザ光のスポット径の下限は、現在のところ、０．１ｍｍφであることを確認している。
レーザ光のエネルギを大きくするほど密度を高くして強度を大きくすることができるが、通気孔１０の最大幅ｄｘが０．１０ｍｍ以下と極めて小さいことから、ラスタ走査線に沿った１回のレーザ光の照射によって通気孔１０の輪郭形状を維持しながら、枠体部位２０を高密度に形成しようとするときは、レーザ光のエネルギが大きいほど、余剰硬化部位が枠体部位２０の外側に拡大することによって、通気孔１０の輪郭線を維持しにくくする関係にある。
表１に示されるように、試料１において、レーザ光のスポット径が０．２ｍｍφでラスタ走査線間のピッチが０．２ｍｍのときは、計算上は、平行する２本の直線状の照射軌跡の間隔が０ｍｍであるので、そもそも通気孔１０が形成されないはずである。しかしながら、走査速度を比較的高速である２０００ｍｍ／ｓｅｃにしてレーザ光を走査すると、最大幅ｄｘが平均で０．０８ｍｍの通気孔が概ね均一に形成されることが確認できた。なお、試験結果には、孔として形成されていないものも存在するが、そのようなものを含めて全て「孔」と総称する。
スポット径を０．２ｍｍφよりも大きくすると、枠体部位２０の幅ｗｘが大きくなるので、生成できる通気孔１０の数が減って通気性を確保しにくくなる。また、焼結層各層毎に通気孔１０の輪郭に生じる余剰硬化部位がより大きくなって、通気孔１０の輪郭形状を得ることが難しくなり、通気孔１０が途中で塞がってしまう可能性がある。したがって、基本的にスポット径を０．２ｍｍφ以下にしないとならない。
表１において、試料２から試料６における通気孔１０の最大幅ｄｘと枠体部位２０の格子幅ｗｘは、実際に測定せず、所定量の圧縮空気を供給して通気性だけを確認した。ただし、ラスタ走査線間のピッチの間隔が０ｍｍである試料１における通気孔１０の最大幅ｄｘと枠体部位２０の幅ｗｘを測定し、圧縮空気の流通度合から通気性を確認しているので、計算上は、試料１における通気孔１０の最大幅ｄｘよりも大きい最大幅ｄｘの通気孔１０が形成されていると推定できる。
レーザ光のスポット径が０．１ｍｍφの場合は、走査速度が速すぎて枠体部位２０の密度が低くなり、輪郭形状が均一の通気孔１０を得ることができなかった。加圧空気の通気性と輪郭形状の状態が最も良好であった試料１の水平切断面の写真を図５に示す。また、加圧空気の通気性が最も不良であった試料６の水平切断面の写真を図６に示す。
表２に示されるように、走査速度を１４００ｍｍ／ｓｅｃの中速度領域にした場合、余剰硬化部位が拡がって通気孔１０の開口面積が狭くなり、通気性が低下するが、走査速度が２０００ｍｍ／ｓｅｃのときに比べて所定距離毎の加熱時間が長くなるので、枠体部位２０の密度が上がって強度が増し、通気孔１０の輪郭形状をより均一にすることができている。
走査速度が１４００ｍｍ／ｓｅｃでラスタ走査線間のピッチを小さくすると、余剰硬化部位が拡大することによって通気孔１０が埋まって輪郭形状が崩れる。例えば、表２における試料１１の場合は、通気孔１０が殆ど形成されていない。
結論として、走査速度が中速度領域である場合は、ラスタ走査線のピッチをより大きくしないと、通気孔１０の輪郭形状を得ることができず、ピッチを大きくすると、通気孔１０の最大幅ｄｗが大きくならざるを得ない。通気孔１０が形成されたかった試料１１の水平切断面の写真を図７に示し、通気性と通気孔１０の輪郭形状が比較的良好であった試料１６の水平切断面の写真を図８に示す。なお、図７および図８の写真は、倍率１０倍のレーザ顕微鏡による拡大写真である。
次に、スポット径を０．１ｍｍφとして枠体部位２０の最大幅ｄｘを可能な限り狭くなるようにし、余剰硬化部位の拡大を考慮してピッチをより大きくして、走査速度を段階的に低下させていき、通気性と通気孔１０の輪郭形状を確認した。
表３に示されるように、走査速度が６００ｍｍ／ｓｅｃのときに、枠体部位２０の最大幅ｄｘが比較的大きくなるものの、余剰硬化部位がそれほど大きくならず、通気孔１０の最大幅ｄｘをより小さくし均一で安定した輪郭形状を得ることができる。走査速度が６００ｍｍ／ｓｅｃである試料２６の水平切断面の写真を図９に示す。なお、図９の写真は、倍率１０倍のレーザ顕微鏡による拡大写真である。
表４に示すように、出力３７０Ｗで、走査速度を６００ｍｍ／ｓｅｃにして、スポット径を０．１ｍｍφにし、ピッチを０．１０ｍｍずつ小さくした場合に、十分な通気性を有する通気孔１０の最大幅ｄｘを４１μｍまで小さくすることができることが確認できた。通気孔１０の最大幅ｄｘが４１μｍのときの試料３５の水平切断面の写真を図１０に示す。なお、図１０の写真は、倍率１０倍のレーザ顕微鏡による拡大写真である。
本発明の製造方法において、基本は、レーザ光の出力を３５０Ｗ以上とし、スポット径を０．１ｍｍφ以上０．２ｍｍφ以下にし、レーザ光の走査経路をラスタ走査線形状とし、ラスタ走査線のピッチを通気孔１０の最大幅ｄｘ以上として、通気孔１０の最大幅が０．０３ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下のラディス構造の気体流路２を形成するようにする。その結果、ラスタ走査線の走査経路に従う１回のレーザ光の照射によって高密度の枠体部位２０を形成し、通気性が十分で輪郭形状が良好な通気孔１０を得ることができる。
とりわけ、スポット径が０．１ｍｍφで小さいときは、レーザ光の所定の走査速度が６００ｍｍ／ｓｅｃ以上８００ｍｍ／ｓｅｃ以下程度の低速度領域であることが望ましく、スポット径０．２ｍｍφで大きいときは、所定の走査速度が１０００ｍｍ／ｓｅｃ以上１４００ｍｍ／ｓｅｃ以下程度の中速度領域であることが望ましい。ただし、適する走査速度は、照射エネルギあるいは材料の種類のようなパラメータとの関係で相対的に決まるので、本発明が高速度領域の走査速度で実施できないというものではなく、また、本発明において、走査速度が具体的な数値の範囲に限定されるものではない。
そして、ラスタ走査線間のピッチを通気孔１０の所望の最大幅ｄｘよりも十分に大きくした状態で、積層する第Ｎ層目の粉末層における走査経路を第１のラスタ走査線とするときに、第Ｎ＋１層目の粉末層における走査経路を第１のラスタ走査線に対して直交する第２のラスタ走査線とし、第Ｎ＋２層目の粉末層における走査経路を第１のラスタ走査線とし、第Ｎ＋３層目の粉末層における走査経路を第２のラスタ走査線として、粉末層の各層毎に各走査経路に沿ってレーザ光を所定の走査速度で移動させながらレーザ光の照射を繰り返すようにする。
第１の構造部位２Ａの枠体部位２０が必要な剛性を有しておらず、気体流路２の強度が不足する場合には、第１の構造部位２Ａにおける通気孔１０と連通し第１の構造部位２Ａの通気孔１０の最大幅よりも大きい最大幅を有する通気孔３０を有するラティス構造またはハニカム構造の第２の構造部位２Ｂを第１の構造部位２Ａと一体に結合するように生成して、第１の構造部位２Ａを第２の構造部位２Ｂで補強するようにすることができる。
このとき、第２の構造部位２Ｂが角形状の空間分割構造である場合は、第１の構造部位２Ｂにおける空洞部位を橋渡しするように第１の構造部位２Ａを形成していく、いわゆる“アンダー焼結”の状態になる。
アンダー焼結の状態で最大幅ｄｘが小さい第１の構造部位２Ａの通気孔１０を閉塞しないようにするためには、図４に示されるように、第１の構造部位２Ａにおけるラスタ走査線に沿って形成される通気孔１０の中心Ｏに、第１の構造部位２Ａにおけるラスタ走査線よりも大きいピッチの第２の構造部位２Ｂにおけるラスタ走査線に沿って生成される通気孔３０の中心が一致するように、第２の構造部位２Ｂにおけるラスタ走査線を設定することが望ましい。
ただし、通気孔１０と通気孔３０の中心が一致するように第１の構造部位２Ａにおけるラスタ走査線と第２の構造部位におけるラスタ走査線とを設定できない場合、言い換えると、第１の構造部位２Ａにおけるラスタ走査線間の中心軸線と第２の構造部位２Ｂにおけるラスタ走査線間の中心軸線がずれている場合でも、第２の構造部位２Ｂを気体流路２の中心部位ほど厚さが小さくなるテーパ形状に形成することによって、通気性を確保しながら気体流路２を形成することができる。
すでに示されているが、第２の構造部位２Ｂにおける通気孔３０の最大幅と枠体部位４０の幅は、第１の構造部位２Ａの通気孔１０の最大幅ｄｘと枠体部位２０の幅ｗｘに比べてより大きくすることができるので、通気性を著しく低下させることがない範囲で第２の構造部位２Ｂをラティス構造以外の角形状の空間分割構造にすることができる。
第２の構造部位２Ｂをハニカム構造体で形成する場合は、ラティス構造体に比べてより強度を大きくすることができるので、気体流路２の通気孔の最大幅をより大きくすることができる。ハニカム構造体を生成するときの走査経路は、ラスタ走査線形状に限定されず、任意に設定することができる。
本発明は、以上に説明される実施の形態に限定されず、すでにいくつかの例が示されているが、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、第２の構造部位をラティス構造体以外の角形状の空間分割構造として、トラス構造（三角形構造）、あるいはアイソグリッド構造（正三角形構造）にすることができる。
本発明は、金属粉末積層造形法において、金属製の三次元造形物の製造に利用することができる。とりわけ、本発明は、金型産業と金属製部品産業の発展に寄与する。
１ 三次元造形物
２ 気体流路
２Ａ 第１の構造部位
２Ｂ 第２の構造部位
２Ｃ 空洞部位
１０ 通気孔
２０ 枠体部位
３０ 通気孔
４０ 枠体部位
５０ テーパ部位
２ 気体流路
２Ａ 第１の構造部位
２Ｂ 第２の構造部位
２Ｃ 空洞部位
１０ 通気孔
２０ 枠体部位
３０ 通気孔
４０ 枠体部位
５０ テーパ部位
Claims (4)
- 最大幅が０．０１ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下の複数の直線状の通気孔と幅が０．０８ｍｍ以上０．２５ｍｍ以下で固化密度が９０％以上の枠体部位とでなるラティス構造であって厚さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の第１の構造部位と、最大幅が前記第１の構造部位における前記通気孔の最大幅の１．５倍以上を有し前記通気孔と接続する複数の直線状の通気孔と焼結密度が固化密度が９０％以上の枠体部位とでなる角形状の空間分割構造であって前記第１の構造部位と一体で結合する第２の構造部位と、を含んでなる気体流路を有する金属製の三次元造形物。
- 前記第２の構造部位が前記気体流路の中心部位ほど厚さが小さくなるテーパ形状であることを特徴とする請求項１に記載の金属製の三次元造形物。
- 金属粉末積層造形法によるラティス構造の気体流路を有する金属製の三次元造形物の製造方法であって、所要の出力を有するレーザ光のスポット径を０．１ｍｍφ以上０．２ｍｍφ以下とし、前記レーザ光の走査経路がラスタ走査線形状であって前記ラスタ走査線間のピッチをラティス構造における直線状の通気孔の所望の最大幅以上にした状態で、積層する第Ｎ層目の粉末層における前記走査経路を第１のラスタ走査線とするときに、第Ｎ＋１層目の粉末層における前記走査経路を第１のラスタ走査線に対して直交する第２のラスタ走査線とし、第Ｎ＋２層目の粉末層における前記走査経路を前記第１のラスタ走査線とし、第Ｎ＋３層目の粉末層における前記走査経路を前記第２のラスタ走査線として、前記粉末層の各層毎に前記第１のラスタ走査線または前記第２のラスタ走査線の前記走査経路に沿って前記レーザ光を所定の走査速度で移動させながらレーザ光の照射を繰り返して、前記通気孔の最大幅が０．０１ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下のラティス構造の気体流路を形成することを特徴とする金属製の三次元造形物の製造方法。
- 前記ラティス構造の気体流路を第１の構造部位として、前記第１の構造部位における前記通気孔と連通し前記第１の構造部位の前記通気孔の最大幅よりも大きい最大幅の通気孔を有する角形状の空間分割構造の第２の構造部位を第１の構造部位と一体で結合するように生成し前記気体流路を形成することを特徴とする請求項３に記載の金属製の三次元造形物の製造方法。
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