JP6635227B1 - 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 PDFInfo
- Publication number
- JP6635227B1 JP6635227B1 JP2019519427A JP2019519427A JP6635227B1 JP 6635227 B1 JP6635227 B1 JP 6635227B1 JP 2019519427 A JP2019519427 A JP 2019519427A JP 2019519427 A JP2019519427 A JP 2019519427A JP 6635227 B1 JP6635227 B1 JP 6635227B1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- powder
- layer
- mixed
- base plate
- shaped object
- 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.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 76
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 364
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims abstract description 58
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 46
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 25
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims abstract description 19
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 29
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 20
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 20
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 20
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 23
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 11
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 185
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 37
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 14
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 10
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 101001139126 Homo sapiens Krueppel-like factor 6 Proteins 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 3
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 3
- 239000000779 smoke Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- -1 4.5 to 5.5 wt% Co Substances 0.000 description 1
- 101000710013 Homo sapiens Reversion-inducing cysteine-rich protein with Kazal motifs Proteins 0.000 description 1
- 229910001374 Invar Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000009689 gas atomisation Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 238000009692 water atomization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
- B22F1/12—Metallic powder containing non-metallic particles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/105—Sintering only by using electric current other than for infrared radiant energy, laser radiation or plasma ; by ultrasonic bonding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/12—Both compacting and sintering
- B22F3/16—Both compacting and sintering in successive or repeated steps
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive 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
- B29C64/10—Processes of additive manufacturing
- B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
- B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive 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
- B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
- B29C64/307—Handling of material to be used in additive manufacturing
- B29C64/321—Feeding
- B29C64/336—Feeding of two or more materials
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE 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
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE 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
- B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/10—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing cobalt
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/48—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with niobium or tantalum
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Abstract
ベースプレートと造形物との間の熱膨張係数の差を緩和し、造形物に欠陥が発生することを抑制する三次元形状造形物の製造方法及びその製造装置を得る。三次元形状造形物３の原料である第１粉末１及び第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２が混合された混合粉末４の層をベースプレート３２上に形成する。ベースプレート３２上の混合粉末４にビームを照射することにより、混合粉末４を焼結又は溶融して固化させて混合層５を形成する。そして、混合層５上に三次元形状造形物３の材料となる第１粉末１の層を形成し、混合層５上の第１粉末１にビームを照射することにより焼結又は溶融して固化された層を形成する工程を繰り返し行うことにより、混合層５上に三次元形状造形物３を形成する。三次元形状造形物３から混合層５を切除して三次元形状造形物３を製造する。
Description
本発明は、粉末材料にビームを照射して固化させた層が積層された三次元形状造形物の製造方法及びその製造装置に関する。
近年、三次元形状造形物（以下、単に造形物と記す）の新たな製造方法として、一般に粉末積層造形法又は光造形法と称される方法が注目されている。この方法では、金属やセラミックス等の粉末材料を薄く均一に敷き、選択的に電子ビームやレーザー等を照射することにより焼結又は溶融して固化させて固化層を形成する。そして当該固化層を繰り返し積層させることで造形物を製造している。この方法によれば、複雑な構造を有する造形物を短時間で製造することができる。一方、粉末材料と、粉末材料を載置するベースプレートとの熱膨張係数の差に起因して応力が負荷されることにより、造形物にクラック等の欠陥が発生しやすいという問題がある。これに対し、特許文献１では、金属基台上に供給された造形物の粉末粒子と金属基台の表層とをレーザーにより溶融して固化させて混合層を形成し、混合層上に造形物を形成することによって、金属基台と造形物との熱膨張係数の差を緩和している。
しかしながら、造形物の粉末材料とベースプレートの表層とをレーザーにより溶融して固化させて混合層を形成する方法では、混合層中において造形物の粉末材料の成分とベースプレートの成分との拡散が十分に起こらず、ベースプレートと造形物との間の熱膨張係数の差により造形物に欠陥が発生するという課題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ベースプレートと造形物との間の熱膨張係数の差を緩和し、造形物に欠陥が発生することを抑制する三次元形状造形物の製造方法を提供することを目的とする。また、三次元形状造形物の製造装置を提供することを目的とする。
本発明に係る三次元形状造形物の製造方法は、三次元形状造形物の原料である第１粉末を、ベースプレートを土台として積層する三次元形状造形物の製造方法であって、下記式（１）及び下記式（２）を満たすように、第１粉末と異なる組成を有し、ベースプレートと同一の組成を有する理論密度Ｄ２（ｇ／ｃｍ３）の第２粉末を、第２粉末が配置された第２粉末テーブル及び造形テーブルを上又は下方向に移動させて、ベースプレート上に均し板の水平方向の移動により第２粉末を移動させて厚さｔ２（μｍ）の第２粉末の層を形成し、理論密度Ｄ１（ｇ／ｃｍ３）の第１粉末を、第１粉末が配置された第１粉末テーブル及び造形テーブルを上又は下方向に移動させて、第２粉末の層上に均し板の水平方向への移動により第１粉末を移動させて厚さｔ１（μｍ）の第１粉末の層を形成し、第１粉末及び第２粉末が、それぞれ混合比率ｍ１（ｗｔ％）及び混合比率ｍ２（ｗｔ％）で混合された厚さｔｄ（μｍ）の第１粉末及び第２粉末から構成される混合粉末の層を形成する混合粉末形成ステップと、
混合粉末にビームを照射することにより焼結又は溶融して固化させ、ベースプレートの熱膨張係数と三次元形状造形物の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する混合層を形成する混合層形成ステップと、形成された混合層中の第１粉末の混合比率よりも、新たに積層される次の層の第１粉末の混合比率が大きくなるように、第１粉末及び第２粉末の供給量を調整し、混合粉末形成ステップ及び混合層形成ステップを所定の回数繰り返して混合層を積層するステップと、積層された混合層上に、第１粉末の層を形成してビームを照射することにより焼結又は溶融して固化させる工程を繰り返し行い、三次元形状造形物を形成する造形物形成ステップと、三次元形状造形物から混合層を切除する混合層切除ステップとを備える。
本発明の三次元形状造形物の製造方法及びその製造装置によれば、ベースプレートと造形物との間に、造形物の原料である第１粉末及び第１粉末と異なる組成を有する第２粉末が混合され、焼結又は溶融され固化された混合層を形成することで、ベースプレートと造形物との熱膨張係数の差を緩和し、造形物に欠陥が発生することを抑制することができる。
以下、本発明の三次元形状造形物の製造方法の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。本実施の形態に係る三次元形状造形物は、粉末積層造形法によって製造される。
実施の形態１．
図１、図２は、本発明を実施するための実施の形態１に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す断面図である。図１は、粉末層を形成する工程を説明するための図であり、図２は、ビームを照射する工程を説明するための図である。
図１、図２は、本発明を実施するための実施の形態１に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す断面図である。図１は、粉末層を形成する工程を説明するための図であり、図２は、ビームを照射する工程を説明するための図である。
図１、図２に示すように、製造装置１００は、造形物３の原料である第１粉末１が貯蔵される第１粉末貯蔵部１０と、第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２が載置される第２粉末載置部２０、造形物３が形成される造形物形成部３０と、これらの上方において水平方向に移動可能なように設けられた均し板４０と、造形物形成部３０の上方に設けられたビーム照射部５０とを備える。第１粉末貯蔵部１０、第２粉末載置部２０及び造形物形成部３０は、互いに壁６１、６２、６３、６４によって仕切られ、チャンバー６０内に配置されている。また製造装置１００は、チャンバー６０の外に各部を制御する制御部７０（図示せず）を有する。
第１粉末貯蔵部１０には、上下方向に移動可能な第１粉末テーブル１１が設けられている。第１粉末貯蔵部１０の内部には、造形物３の原料である第１粉末１が収容されている。ここで、第１粉末貯蔵部１０に収容される第１粉末１の量は、造形物３の大きさに応じて調整されればよく、造形物３の体積に対して過剰に収容されることが好ましい。
第２粉末載置部２０は、第１粉末貯蔵部１０と造形物形成部３０との間に配置される。第２粉末載置部２０は、上方に水平方向に移動可能な第２粉末供給部２１が設けられている。第２粉末供給部２１は、第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２が充填されており、量を調整して第２粉末載置部２０上に第２粉末２を供給する。
造形物形成部３０には、上下方向に移動可能な造形テーブル３１が設けられている。造形テーブル３１上には、造形物３の土台となるベースプレート３２が設けられている。ベースプレート３２は、ビーム照射部５０から照射されるビームＥの照射に対して耐熱性の高い材料で構成されると好ましく、例えばステンレス鋼、炭素鋼、銅、チタン、アルミニウム、セラミックス等から構成される。
均し板４０は、第１粉末貯蔵部１０、第２粉末載置部２０及び造形物形成部３０の上方に設けられる。均し板４０は、図示しないモータにより水平方向に移動し、第１粉末貯蔵部１０から造形物形成部３０までの間を往復する。
製造装置１００は、第１粉末貯蔵部１０から第１粉末１及び第２粉末供給部２１から第２粉末２の少なくともいずれかが供給された場合、造形物形成部３０の造形テーブル３１を所定の距離まで下降させ、均し板４０を第１粉末貯蔵部１０又は第２粉末載置部２０から造形物形成部３０に水平方向に移動させ、第１粉末１又は第２粉末２をベースプレート３２上に移動させる。また製造装置１００は、均し板４０を用いてベースプレート３２上の第１粉末１及び第２粉末２の少なくともいずれかの粉末の表面を均すことで、各粉末の層を形成する。ここで造形物形成部３０及び均し板４０を合わせて粉末層形成部４１とする。
ビーム照射部５０は、造形物形成部３０の上方に設けられる。ビーム照射部５０は、ベースプレート３２上の任意の位置にビームＥを照射する。ビーム照射部５０が照射するビームＥは、例えば電子ビーム、レーザービームである。ビームＥが照射される位置は、ビームＥが電子ビームである場合、電子レンズによる電磁気的なビーム偏向によって調整される。またビームＥがレーザービームである場合、ガルバノミラーを機械的に制御し、レーザービームを反射させることにより走査される。
チャンバー６０は、内部を真空、減圧状態下又は窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスの雰囲気に調整可能なように設けられる。
制御部７０は、上述した製造装置１００を構成する各部の制御を行う。例えば、制御部７０は、第１粉末貯蔵部１０の第１粉末テーブル１１及び造形物形成部３０の造形テーブル３１の昇降を制御する。また制御部７０は、第２粉末供給部２１が供給する第２粉末２の量を制御する。また制御部７０は、ビーム照射部５０が照射するビームＥの照射強度や照射する位置を制御する。制御部７０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）及びメモリを用いて構成される。
図３は、本発明を実施するための実施の形態１に係る三次元形状造形物の製造方法を説明するための模式図である。図３は、三次元形状造形物を製造する過程で得られる積層体を示す。図３に示すように、積層体６は、ベースプレート３２上に、第１粉末１及び第２粉末２が混合された、少なくとも一層からなる混合層５と、第１粉末１のみからなる造形物３とが一体化されて形成される。
混合層５は、第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４がビームＥにより焼結又は溶融して固化され、ベースプレート３２の熱膨張係数と造形物３の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有するようにベースプレート３２上に形成される。ここで、混合層５を形成する際、ベースプレート３２と混合粉末４との間には、第２粉末２のみからなる層が焼結又は溶融して固化された層を設けてもよい。
混合粉末４は、造形物３を形成するための第１粉末１と、造形物３の形成には用いられない、第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２とが混合されて形成される。混合粉末４は、製造装置１００内で第１粉末１と第２粉末２とが混合されてもよいし、製造装置１００外で混合されていてもよい。
第１粉末１は、造形物３を形成するための原料であり、金属、合金、セラミックス等から選択される少なくとも１種類の材料が用いられる。第１粉末１は、例えば、鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３６Ｎｉ、Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏ）、チタン、タングステン等の低熱膨張の材料を用いることができる。造形物３は、第１粉末１のみを用いて形成される。
第２粉末２は、第１粉末１と異なる組成を有する粉末である。ここで異なる組成とは、第２粉末２を構成する材料の成分若しくは材料の成分比が異なる、又は材料の成分が同じであっても熱膨張係数や熱伝導率等の物質的性質が異なる組成をいう。第２粉末２は、例えば、ステンレス鋼、炭素鋼、銅、チタン、アルミニウム、セラミックス等から選択される少なくとも１種類の材料が用いられる。第２粉末２は、第１粉末１と混合され混合粉末４を形成するために用いられ、造形物３を形成する際には用いられない。
例えば、第１粉末１の熱膨張係数がベースプレート３２の熱膨張係数よりも小さい場合、第２粉末２は、熱膨張係数がベースプレート３２の熱膨張係数と同じ又はそれより小さく、第１粉末１の熱膨張係数より大きい材料から構成される。また例えば、第１粉末１の熱膨張係数がベースプレート３２の熱膨張係数よりも大きい場合、第２粉末２は、熱膨張係数がベースプレート３２の熱膨張係数と同じ又はそれより大きく、第１粉末１の熱膨張係数より小さい材料から構成される。
第２粉末２は、ベースプレート３２と同一の組成を有するとさらに好ましい。ここで同一の組成とは、第２粉末２を構成する材料の成分及び材料の成分比が、本願の効果を奏する程度に同一であればよい。第２粉末２が、ベースプレート３２と同一の組成を有することにより、第１粉末１と第２粉末２とを混合させた場合に、ベースプレート３２と造形物３との中間の熱膨張係数を有する混合層５を容易に得ることができる。
このように、ベースプレート３２と造形物３との間に、造形物３の原料である第１粉末１及び第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２が混合された混合層５を形成することで、ベースプレート３２と造形物３との熱膨張係数の差を緩和し、造形物３に欠陥が発生することを抑制することができる。
ここで混合層５は、複数積層されることが好ましい。このとき、ベースプレート３２側の下層の混合層５から造形物３側の上層の混合層５にかけて、混合層５中の第１粉末１の混合比率が増加するように形成される。以下では、ベースプレート３２側の最下層の混合層５を一層目とし、一層目をＣ１、二層目をＣ２・・・ｎ層目をＣｎとする。
ｎ層の混合層５が積層される場合、一層目とｎ層目の間の任意のｘ層目の混合層Ｃｘにおける第１粉末１の混合比率は、｛ｘ／（ｎ＋１）｝×１００（ｗｔ％）であることが好ましい。例えば９層の混合層５が積層される場合、各混合層５中の第１粉末１の混合比率は一層目から１０、２０、３０・・・（ｗｔ％）と増加し、最上段の９層目の混合層Ｃ９では、第１粉末１の混合比率が９０％で構成される。
このように、ベースプレート３２と造形物３との間に、下層の混合層５から上層の混合層５にかけて第１粉末１の混合比率が増加するように各混合層５を形成することで、ベースプレート３２と造形物３との間の熱膨張係数の変化を緩やかにすることができ、造形物３に欠陥が発生することをさらに抑制できる。
次に、製造装置１００を用いた三次元形状造形物３の製造方法を説明する。図４、図５は、本発明を実施するための実施の形態１に係る三次元形状造形物の製造方法の工程の一例を示すフローチャートである。以下に説明する製造装置１００の各部の動作は、制御部７０が各部を制御することにより行われる。
図４、図５に示すように、三次元形状造形物３の製造方法は、ベースプレート３２上に第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４の層を形成する混合粉末形成ステップ（ＳＴ１）と、混合粉末４にビームＥを照射することにより焼結又は溶融して固化させ、ベースプレート３２と造形物３との間の熱膨張係数を有する混合層５を形成する混合層形成ステップ（ＳＴ２）と、混合層５上に、第１粉末１のみの層を形成してビームＥを照射することにより第１粉末１を焼結又は溶融して固化させる工程を繰り返し、造形物３を形成する造形物形成ステップ（ＳＴ３）と、造形物３から混合層５を切除する混合層切除ステップ（ＳＴ４）を備える。
（ＳＴ１）〜（ＳＴ３）の各工程は、第１粉末１及び第２粉末２の酸化又は窒化を防ぐため、製造装置１００のチャンバー６０内で、真空、減圧状態下又は窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス中で行われる。また混合粉末４を形成する工程（ＳＴ１）の前に、ベースプレート３２は、図示しないヒータ等の加熱手段又はビーム照射部５０より照射されるビームＥにより加熱されることが好ましい。これにより、第１粉末１及び第２粉末２が舞い上がりスモークが発生することを抑制できる。
まず、ベースプレート３２上に第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４の層を形成する（ＳＴ１）。第１粉末貯蔵部１０は、第１粉末テーブル１１を所定の距離まで上昇させる（ＳＴ１１）。そして均し板４０により、第１粉末１を第１粉末貯蔵部１０から第２粉末載置部２０に移動させる。（ＳＴ１２）。
第２粉末供給部２１は、第２粉末２を第２粉末載置部２０に供給する（ＳＴ１３）。第２粉末供給部２１は、水平方向に移動しながら第２粉末２を供給することにより、第２粉末載置部２０全体に第２粉末２を載置する。第２粉末供給部２１は、所定の混合比率を満たすように、第２粉末載置部２０に移動された第１粉末１の量に応じて供給量が調整される。
造形物形成部３０は、造形テーブル３１をｔｄ下降させる（ＳＴ１４）。そして均し板４０により、第１粉末１及び第２粉末２を、第２粉末載置部２０から造形物形成部３０まで移動させ、第１粉末１及び第２粉末２の表面を均して層を形成する（ＳＴ１５）。これにより、ベースプレート３２上に第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４の層が形成される。
次に、ビーム照射部５０からビームＥを照射させ、ベースプレート３２上の混合粉末４の所定の位置に走査し、焼結又は溶融して固化させる（ＳＴ２）。これにより、第１粉末１と第２粉末２とが所定の混合比率で混合され、ベースプレート３２と造形物３との間の熱膨張係数を有する混合層５が形成される。
そして、（ＳＴ１）及び（ＳＴ２）を所定の回数繰り返すことにより、混合層５を複数積層する。このとき、混合粉末形成ステップ（ＳＴ１）において、新たに形成される混合粉末４中の第１粉末１の混合比率が、直前の層における第１粉末１の混合比率よりも大きくなるように、第１粉末１及び第２粉末２の供給量が調整される。繰り返しによって新たに積層される層は、既に形成された下層と一体化される。
次に、複数積層された混合層５上に第１粉末１のみの層を形成し、ビームＥを照射して焼結又は溶融して固化させる工程を繰り返すことにより造形物３を形成する（ＳＴ３）。図６、図７は、本発明を実施するための実施の形態１に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す断面図である。図６は、混合層上に第１粉末を形成する工程を説明するための図であり、図７は、混合層上の第１粉末にビームを照射する工程を説明するための図である。
造形物形成部３０は、造形テーブル３１を下方に距離ｔｓ移動させるとともに、第１粉末貯蔵部１０の第１粉末テーブル１１を上方に移動させる（ＳＴ３１）。そして均し板４０を第１粉末貯蔵部１０から造形物形成部３０まで水平方向に移動させ、複数積層された混合層５上に厚さｔｓの第１粉末１の層を形成する（ＳＴ３２）。ここで、ベースプレート３２上に形成される第１粉末１の厚さｔｓは、第１粉末１の平均粒径以上である。第１粉末１は、例えば、混合層５との間に何も挟まず直接形成される。
ビーム照射部５０からビームＥを照射させ、第１粉末１の所定の位置に走査し、焼結又は溶融して固化させた層を形成する（ＳＴ３３）。ここで、ビームＥの走査経路は、予め三次元ＣＡＤデータから作成する。例えば、三次元ＣＡＤデータを所定のピッチでスライスした各断面の輪郭形状データを用いてビームＥの走査経路を決定する。例えば、第１粉末１の層の厚さｔｓを５０μｍとした場合、ピッチは５０μｍである。
そして、（ＳＴ３１）から（ＳＴ３３）を繰り返して所定の厚さになるまで積層することにより、混合層５上に造形物３が形成される。積層回数は、（造形物３の最大高さ）／（第１粉末１の層の厚さｔｓ）から求められる。ここで、造形物形成部３０において、溶融されずに残った第１粉末１は回収されて次の造形物３を製造する際に再利用することができる。
このように、混合層５上に形成された造形物３は、混合層５及びベースプレート３２と一体化し、周囲が余分な第１粉末１及び第２粉末２が連結して一固まりとなった集合体で覆われている。そのため、周囲の集合体を除去し、その後造形物３から混合層５及びベースプレート３２を切除する（ＳＴ４）。混合層５の切除は、製造装置１００内に設けられた加工機により行われてもよいし、製造装置１００の外部で適当な工具を用いて行われてもよい。これにより、造形物３を作製することができる。
上述のとおり、本実施の形態に係る三次元形状造形物の製造方法は、ベースプレート３２上に造形物３の原料である第１粉末１と、第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２とが混合された混合粉末４の層を形成する混合粉末形成ステップと、混合粉末４が焼結又は溶融され固化され、ベースプレート３２と造形物３との間の熱膨張係数を有する混合層５を形成する混合層形成ステップと、混合層５上に第１粉末１の層を形成し、焼結又は溶融して固化させた層を積層することで造形物３を形成する造形物形成ステップと、造形物３から混合層５を切除する混合層切除ステップとを備える構成とした。
また、本実施の形態に製造装置１００は、造形物３の原料である第１粉末１及び第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２の少なくともいずれかの層を形成する粉末層形成部４１と、第１粉末１及び第２粉末２の少なくともいずれかの層を焼結又は溶融して固化させるビーム照射部５０とを備え、粉末層形成部４１がベースプレート３２上に第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４の層を形成し、ビーム照射部５０が混合粉末４にビームＥを照射させて焼結又は溶融して固化させて混合層５を形成し、混合層５上に造形物３を形成する制御を行う制御部７０とを備える構成とした。
この構成により、ベースプレート３２と造形物３との間に、造形物３の原料からなる第１粉末１及び第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２が混合された混合層５を形成し、造形物３とベースプレート３２との熱膨張係数の差を緩和することができ、造形物３に欠陥が発生することを抑制することができる。
ここで、第１粉末１及び第２粉末２の平均粒径は、３０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。第１粉末１及び第２粉末２の粒径を１００μｍ以下とすることで、粉末層内の充填密度を高くすることができ、照射されるビームＥのエネルギー吸収率を向上させることができる。また第１粉末１の粒径を小さくすることで、造形物３の造形を高精度に行えるとともに、表面粗さを小さくすることができる。
また、第１粉末１及び第２粉末２の平均粒径を３０μｍ以上とすることで、第１粉末１及び第２粉末２が凝集し、充填密度が小さくなることを抑制できる。これにより、凝集した粉末が均し板４０に引き摺られ、粉末層にスジや割れ等の欠陥が発生することを抑制することができ、薄く均一に粉末層を形成できる。また、均し板４０を用いて第１粉末１及び第２粉末２を均して粉末層を形成する際に、粉末粒子が舞い上がりスモークが発生することを抑制できる、これにより、スモークによりビームＥが減退することなく、十分に粉末層を溶融することができる。
第１粉末１及び第２粉末２をそれぞれ構成する粉末粒子の形状は、球状、楕円体状、多面体状等であり、球状であるとより好ましい。球状であることにより、流動性が高くなり、粉末の充填密度を増して薄く均一な粉末層を得ることができる。ここで球状とは、種々の方向で測定した場合の最大長さと最小長さとの比を示すアスペクト比が１．０〜２．０の範囲にある形状である。
第１粉末１及び第２粉末２は、当該技術分野において公知の方法を用いて作製することができる。例えば、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、プラズマアトマイズ法等のアトマイズ法を用いてもよい。アトマイズ法を用いることにより、均一且つ球状の流動性に優れた粉末を容易に得ることができる。
実施の形態２．
図８は、本発明を実施するための実施の形態２に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す断面図である。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。本実施の形態に係る三次元形状造形物３の製造方法では、造形物形成部３０を挟んで両側に第１粉末貯蔵部１０と第２粉末貯蔵部２２が設けられた製造装置１１０を用いた。
図８は、本発明を実施するための実施の形態２に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す断面図である。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。本実施の形態に係る三次元形状造形物３の製造方法では、造形物形成部３０を挟んで両側に第１粉末貯蔵部１０と第２粉末貯蔵部２２が設けられた製造装置１１０を用いた。
第２粉末貯蔵部２２は、上下方向に移動可能な第２粉末テーブル２３が設けられている。第２粉末貯蔵部２２の内部に第２粉末２が収容されている。
混合粉末形成ステップ（ＳＴ１）において、第１粉末１と、第２粉末２との混合比率がｍ１（ｗｔ％）：ｍ２（ｗｔ％）となる厚さｔｄの混合粉末４の層をベースプレート３２上に形成するとする。このとき、混合粉末４中の第１粉末１の層の厚さｔ１及び第２粉末２の層の厚さｔ２は、式（１）、式（２）より求められる。
ただし、Ｄ１は第１粉末１の理論密度（ｇ／ｃｍ３）、Ｄ２は第２粉末２の理論密度（ｇ／ｃｍ３）、ｍ１は第１粉末１の混合比率（ｗｔ％）、ｍ２は第２粉末２の混合比率（ｗｔ％）、ｔｄは混合粉末４の厚さ（μｍ）である。
造形物形成部３０は、造形テーブル３１を下方に距離ｔ２移動させるとともに、第２粉末貯蔵部２２の第２粉末テーブル２３を上方に移動させる（ＳＴ１１）。そして均し板４０を第２粉末貯蔵部２２から造形物形成部３０まで水平方向に移動させ、ベースプレート３２上に厚さｔ２の第２粉末２の層を形成する（ＳＴ１２）。
造形物形成部３０は、造形テーブル３１を下方に距離ｔ１移動させるとともに、第１粉末貯蔵部１０の第１粉末テーブル１１を上方に移動させる（ＳＴ１３）。そして均し板４０を第１粉末貯蔵部１０から造形物形成部３０まで水平方向に移動させ、ベースプレート３２上の第２粉末２上に厚さｔ１の第１粉末１の層を形成する（ＳＴ１４）。これにより、ベースプレート３２上に厚さｔｄの第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４の層が形成される。
次に、ビーム照射部５０からビームＥを照射させ、ベースプレート３２上の第１粉末１及び第２粉末２の任意の位置に走査し、焼結又は溶融して固化させる（ＳＴ２）。これにより、混合比率がｍ１（ｗｔ％）：ｍ２（ｗｔ％）となる混合層５を形成できる。
そして、形成された混合層５中の第１粉末１の混合比率よりも、新たに積層される次の層の第１粉末１の混合比率が大きくなるように、第１粉末１及び第２粉末２の供給量を調整し、（ＳＴ１）及び（ＳＴ２）を所定の回数繰り返して積層する。
次に、複数積層された混合層５上に第１粉末１のみの層を形成し、ビームＥを照射して溶融して固化させる工程を複数繰り返すことにより混合層５上に造形物３を形成する（ＳＴ３）。次に、造形物３から混合層５を切除し（ＳＴ４）、造形物３を作製する。
上述のとおり、ベースプレート３２と造形物３との間に、第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４が溶融され固化された混合層５を形成することにより、ベースプレート３２と造形物３との熱膨張係数の差を緩和することができる。さらに、本実施の形態では、造形物形成部３０を挟んで両側に第１粉末貯蔵部１０と第２粉末貯蔵部２２を設けた製造装置１１０を用いることにより、造形テーブル３１を昇降させる距離を制御するという簡単な工程により、所定の混合比率で第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４を形成することができる。
実施の形態３．
図９は、本発明を実施するための実施の形態３に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す断面図である。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。本実施の形態に係る三次元形状造形物の製造方法では、第１粉末貯蔵部１０の上部に第１粉末１及び第２粉末２が予め混合された混合粉末４が収容された製造装置１２０を用いた。
図９は、本発明を実施するための実施の形態３に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す断面図である。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。本実施の形態に係る三次元形状造形物の製造方法では、第１粉末貯蔵部１０の上部に第１粉末１及び第２粉末２が予め混合された混合粉末４が収容された製造装置１２０を用いた。
図９に示すように、第１粉末貯蔵部１０の第１粉末１が収容された箇所の上部には、第１粉末１と第２粉末２が製造装置１２０の外部で予め混合された混合粉末４が収容されている。混合粉末４は、複数の層から形成され、下層から上層へ向かうにつれ、第２粉末２の混合比率が増加するように形成される。
混合粉末形成ステップ（ＳＴ１）において、第１粉末貯蔵部１０の第１粉末テーブル１１を、混合粉末４の一層の厚さに相当する距離ｔｂ上方に移動させるとともに、造形物形成部３０は、造形テーブル３１を下方に移動させる（ＳＴ１１）。均し板４０を第１粉末貯蔵部１０から造形物形成部３０まで水平方向に移動させ、ベースプレート３２上に混合粉末４の層を形成する（ＳＴ１２）。
次に、ビーム照射部５０からビームＥを照射させ、ベースプレート３２上の第１粉末１及び第２粉末２の任意の位置に走査し、焼結又は溶融して固化させる（ＳＴ２）。（ＳＴ１）及び（ＳＴ２）を所定の回数繰り返して混合層５を積層する。
次に、複数積層された混合層５上に第１粉末１のみの層を形成し、ビームＥを照射して溶融して固化させる工程を複数繰り返すことにより造形物３を形成する（ＳＴ３）。次に、造形物３から混合層５を切除し（ＳＴ４）、造形物３を作製する。
上述のとおり、ベースプレート３２と造形物３との間に第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４が溶融され固化された混合層５を形成することにより、ベースプレート３２と造形物３との熱膨張係数の差を緩和することができる。さらに、本実施の形態では、第１粉末貯蔵部１０の上部に第１粉末１と第２粉末２とが予め混合された混合粉末４が収容された製造装置１２０を用いることにより、製造装置１２０内で、第１粉末１及び第２粉末２が混合されることにより生じるスモークや粉塵爆発が発生する恐れを低減することができる。
以下、実施例により本発明の詳細を説明するが、これによって本発明が限定されるものではない。
第１粉末１として、平均粒径７０μｍの一般にスーパーインバーと呼ばれる鉄ニッケル合金の粉末を用いた。第１粉末１は、３１．０以上３３．０以下ｗｔ％のＮｉ、４．５以上５．５ｗｔ％以下のＣｏ、０．１５以上０．６５以下ｗｔ％のＭｎ、０．０１ｗｔ％以下のＳｉ、０．０５ｗｔ％のＣ、０．０１ｗｔ％のＳ、０．５ｗｔ％のＭｎ、０残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有する。
第２粉末２として、平均粒径７０μｍのＳＵＳ３０４の粉末を用いた。第２粉末２は、１８．０以上２０．０以下のＣｒｗｔ％、８．０以上１０．５以下のＮｉｗｔ％、３．５ｗｔ％のＣｕ、０．２ｗｔ％のＮｂ、０．０２ｗｔ％のＣ、０．５ｗｔ％のＳｉ、０．５ｗｔ％のＭｎ、０．０１ｗｔ％以下のＰ、０．０１ｗｔ％のＳを含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有する。
ここで、第１粉末１及び第２粉末２の平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて測定した粒度分布から得られる平均粒径を用いた。
図１、図２に示す製造装置１００を用いて造形物３の造形を行った。ベースプレート３２は、第２粉末２と同一の組成を有するＳＵＳ３０４を用いた。ビーム照射部５０として、電子ビームＥが照射可能な電子銃を用いた。また、第１粉末貯蔵部１０、第２粉末載置部２０、造形物形成部３０及び均し板４０をチャンバー６０内に設けた。
まず、第１粉末貯蔵部１０及び第２粉末供給部２１に、それぞれ第１粉末１及び第２粉末２を充填し、チャンバー６０内を真空引きした。電子銃により電子ビームＥをベースプレート３２に照射し、ベースプレート３２の温度を約８００℃〜８５０℃に加熱保持した。
次に、第１粉末貯蔵部１０の第１粉末テーブル１１を所定の距離まで上昇させ、均し板４０により、第１粉末１を第１粉末貯蔵部１０から第２粉末載置部２０に移動させた。第２粉末供給部２１より、所定の量の第２粉末２を第２粉末載置部２０に供給した。
次に、造形テーブル３１を下方に７０μｍ移動させた後、均し板４０を移動させ、第１粉末１及び第２粉末２を、第２粉末載置部２０から造形物形成部３０まで移動し、均し板４０で均すことによりベースプレート３２上に７０μｍの厚さで混合粉末４の層を形成した。
次に、造形物形成部３０の上方に設けられた電子銃から所定の位置に電子ビームＥを照射することにより、ベースプレート３２上の混合粉末４を溶融して固化させた混合層５を形成した。このとき、電子ビームの電流は４Ａ、スキャン速度５０ｍｍ、スキャンピッチ２０μｍとした。この動作を繰り返し、９層の混合層５を積層した。各混合層５の第１粉末１の混合比率は、一層目から１０、２０、３０・・９０（ｗｔ％）とした。
次に、造形テーブル３１を下方に７０μｍ移動させた後、第１粉末テーブル１１を上方に移動し、均し板４０より第１粉末貯蔵部１０から造形物形成部３０まで水平方向に移動させた。均し板４０で均すことにより、ベースプレート３２上に複数積層された混合層５の上に、７０μｍの厚さで第１粉末１の層を形成した。
電子銃から電子ビームＥを照射し、予め入力された造形物のスライスデータに沿って、第１粉末１に電子ビームＥを走査し、溶融して固化させた層を形成した。
次に、溶融して固化させた層の上に、上記と同様の条件で、第１粉末１の層を形成し、所定の位置に電子ビームＥを照射することを繰り返し、混合層５上に造形物３を形成した。その後、チャンバー６０内に不活性ガスを注入し冷却を行った。このとき、造形物３への熱応力を緩和するために、１００℃／ｈｒで徐々に冷却した。十分に冷却した後、造形テーブル３１を上昇させ、造形物３と一体化された混合層５、ベースプレート３２及び造形物３の周囲に付着した第１粉末１及び第２粉末２の集合体を取り出した。そして、造形物３から集合体を除去し、混合層５及びベースプレート３２を切除することによって、造形物３を作製した。
上述のとおり、本発明に係る三次元形状造形物３の製造方法によれば、第１粉末１及び第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２が混合された混合層５を形成することで、ベースプレート３２と造形物３との熱膨張係数の差を緩和することができる。これにより、鉄ニッケル合金等の低熱膨張の材料からなる造形物３を製造する場合でも、ベースプレート３２の材質によらず、造形物３に欠陥が発生することを抑制できる。
実施の形態４．
本発明を実施するための実施の形態４に係る三次元形状造形物の製造方法について説明する。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。本実施の形態では、混合粉末４の各層ごとに焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度に応じてビームＥを照射する。
本発明を実施するための実施の形態４に係る三次元形状造形物の製造方法について説明する。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。本実施の形態では、混合粉末４の各層ごとに焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度に応じてビームＥを照射する。
三次元形状造形物３の製造方法は、ベースプレート３２上に第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４の層を形成する混合粉末形成ステップ（ＳＴ１）と、混合粉末４にビームＥを照射することにより焼結又は溶融して固化させ、ベースプレート３２と造形物３との間の熱膨張係数を有する混合層５を形成する混合層形成ステップ（ＳＴ２と、混合層５上に、第１粉末１のみの層を形成してビームＥを照射することにより第１粉末１を焼結又は溶融して固化させる工程を繰り返し、造形物３を形成する造形物形成ステップ（ＳＴ３）と、造形物３から混合層５を切除する混合層切除ステップ（ＳＴ４）を備える。ここで、造形物３の製造に用いられる製造装置は、図１、図８、図９に示す製造装置１００、１１０、１２０のいずれであってもよい。
混合層５は複数積層され、下層の混合層５から上層の混合層５にかけて第２粉末２に対して第１粉末１の混合比率が増加するように形成される。例えば、積層される混合層５の総数をｎ層とした場合、一層目とｎ層目の間の任意のｘ層目の混合層Ｃｘにおける第１粉末１の混合比率は、｛ｘ／（ｎ＋１）｝×１００（ｗｔ％）である。
ビーム照射部５０は、造形物形成部３０の上方に設けられ、所定の位置にビームＥを照射することにより、ベースプレート３２上の混合粉末４を焼結又は溶融して固化させ、混合層５を形成する。また、混合層５上に積層された第１粉末１を焼結又は溶融して固化させ、造形物３を形成する。
ここで、ビームＥの出力Ｐ（Ｗ）、走査速度ｖ（ｍｍ／ｓ）、走査ピッチｓ（ｍｍ）、積層厚みｔ（ｍｍ）としたとき、ビーム照射部５０が各粉末層に照射するビームＥのエネルギー密度Ｅｋ（Ｊ／ｍｍ３）は、Ｅｋ＝Ｐ／ｖｓｔで定義される。各粉末を焼結又は溶融して固化させるのに必要なエネルギー密度Ｅｋは、各粉末の組成に応じて異なる。本実施の形態では、混合層形成ステップ（ＳＴ２）において、混合粉末４の各層ごとに焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度Ｅｋに応じてビームＥを照射する、
例えば、第１粉末１の焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度をＥａ、第２粉末２の焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度をＥｂとした場合、ビーム照射部５０は、積層される混合粉末４の下層から上層にかけて、第２粉末２の焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度Ｅｂから、第１粉末１の焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度Ｅａに近づくようにビームＥを照射する。すなわち、エネルギー密度がＥａ＜Ｅｂである場合、ビーム照射部５０は、下層から上層にかけて照射するビームＥのエネルギー密度Ｅｋを徐々に減少させ、Ｅａ＞Ｅｂである場合、下層から上層にかけて照射するビームＥのエネルギー密度Ｅｋを徐々に増加させる。
例えば、積層される混合層５の総数をｎ層、ベースプレート３２側の最下層の混合層５を一層目とした場合、ｘ層目（１≦ｘ≦ｎ）の混合粉末４の層に照射されるビームＥのエネルギー密度Ｅｘは、式（３）を満たすことが好ましい。
式（３）を満たすことで、第１粉末１の比率が下層から上層にかけて徐々に増加する混合層５を形成する場合において、混合粉末４の各層ごとに焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度Ｅｋに応じてビームＥを照射することができる。ここで、厳密に式（３）と同値でなくともよく、効果を奏する範囲で同じであればよい。
上述のとおり、本発明に係る三次元形状造形物３の製造方法によれば、第１粉末１及び第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２が混合された混合層５を形成することで、ベースプレート３２と造形物３との熱膨張係数の差を緩和することができる。これにより、鉄ニッケル合金等の低熱膨張の材料からなる造形物３を製造する場合でも、ベースプレート３２の材質によらず、造形物３に欠陥が発生することを抑制できる。さらに本実施の形態では、混合層形成ステップにおいて、混合粉末４の各層ごとに焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度に応じてビームを照射することで、混合層５へのエネルギー過剰による過溶融や、エネルギー不足による混合層５の焼結不足に陥ることなく、健全な混合層５が形成できる。
なお、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で、実施の形態１から４に開示されている複数の構成要素の適宜組み合わせてもよい。
１ 第１粉末、２ 第２粉末、３ 造形物、４ 混合粉末、５ 混合層、６ 積層体、１０ 第１粉末貯蔵部、１１ 第１粉末テーブル、２０ 第２粉末載置部、２１ 第２粉末供給部、２２ 第２粉末貯蔵部、２３ 第２粉末テーブル、３０ 造形物形成部、３１ 造形テーブル、３２ ベースプレート、４０ 均し板、４１ 粉末層形成部、５０ ビーム照射部、６０ チャンバー、７０ 制御部、１００，１１０，１２０ 製造装置。
Claims (2)
- 三次元形状造形物の原料である第１粉末を、ベースプレートを土台として積層する三次元形状造形物の製造方法であって、
下記式（１）及び下記式（２）を満たすように、前記第１粉末と異なる組成を有し、前記ベースプレートと同一の組成を有する理論密度Ｄ２（ｇ／ｃｍ３）の第２粉末を、前記第２粉末が配置された第２粉末テーブル及び造形テーブルを上又は下方向に移動させて、前記ベースプレート上に均し板の水平方向の移動により前記第２粉末を移動させて厚さｔ２（μｍ）の第２粉末の層を形成し、
理論密度Ｄ１（ｇ／ｃｍ３）の前記第１粉末を、前記第１粉末が配置された第１粉末テーブル及び前記造形テーブルを上又は下方向に移動させて、前記第２粉末の層上に前記均し板の水平方向への移動により前記第１粉末を移動させて厚さｔ１（μｍ）の第１粉末の層を形成し、
前記第１粉末及び前記第２粉末が、それぞれ混合比率ｍ１（ｗｔ％）及び混合比率ｍ２（ｗｔ％）で混合された厚さｔｄ（μｍ）の前記第１粉末及び前記第２粉末から構成される混合粉末の層を形成する混合粉末形成ステップと、
形成された前記混合層中の前記第１粉末の混合比率よりも、新たに積層される次の層の前記第１粉末の混合比率が大きくなるように、前記第１粉末及び前記第２粉末の供給量を調整し、前記混合粉末形成ステップ及び前記混合層形成ステップを所定の回数繰り返して前記混合層を積層するステップと、
積層された前記混合層上に、前記第１粉末の層を形成してビームを照射することにより焼結又は溶融して固化させる工程を繰り返し行い、前記三次元形状造形物を形成する造形物形成ステップと、
前記三次元形状造形物から前記混合層を切除する混合層切除ステップと
を備えることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。 - 前記第１粉末は、鉄ニッケル合金、チタン、タングステン、セラミックスの少なくともいずれかで構成され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。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2018038563 | 2018-03-05 | ||
| JP2018038563 | 2018-03-05 | ||
| PCT/JP2018/044870 WO2019171689A1 (ja) | 2018-03-05 | 2018-12-06 | 三次元形状造形物の製造方法及びその製造装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP6635227B1 true JP6635227B1 (ja) | 2020-01-22 |
| JPWO2019171689A1 JPWO2019171689A1 (ja) | 2020-04-16 |
Family
ID=67845994
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2019519427A Expired - Fee Related JP6635227B1 (ja) | 2018-03-05 | 2018-12-06 | 三次元形状造形物の製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6635227B1 (ja) |
| WO (1) | WO2019171689A1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116504742A (zh) * | 2023-06-21 | 2023-07-28 | 青岛泰睿思微电子有限公司 | 半导体封装用框架及其制作方法、以及封装方法 |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020195405A1 (ja) * | 2019-03-26 | 2020-10-01 | 日本鋳造株式会社 | 低温安定性に優れる低熱膨張合金およびその製造方法 |
| KR102345951B1 (ko) | 2019-03-26 | 2021-12-30 | 니폰추조 가부시키가이샤 | 저온 안정성이 우수한 저열팽창 합금 및 그의 제조 방법 |
| JP7261728B2 (ja) * | 2019-11-28 | 2023-04-20 | 日本鋳造株式会社 | 低熱膨張合金およびその製造方法 |
| EP4074434A4 (en) * | 2019-12-13 | 2022-12-21 | Mitsubishi Electric Corporation | ALLOY, WIRE AND ALLOY POWDER |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010255033A (ja) * | 2009-04-23 | 2010-11-11 | Nippon Light Metal Co Ltd | 金属基複合材 |
| WO2016143137A1 (ja) * | 2015-03-12 | 2016-09-15 | 株式会社ニコン | 三次元造形物製造装置および構造物の製造方法 |
| JP2016204720A (ja) * | 2015-04-27 | 2016-12-08 | 株式会社ソディック | 積層造形装置 |
| JP2017019111A (ja) * | 2015-07-07 | 2017-01-26 | 日本電気株式会社 | 積層造形装置及び積層造形方法 |
| JP2017082293A (ja) * | 2015-10-29 | 2017-05-18 | セイコーエプソン株式会社 | 三次元構造物の製造方法、その製造装置及びその制御プログラム |
| WO2017104705A1 (ja) * | 2015-12-15 | 2017-06-22 | 国立大学法人大阪大学 | 金属間化合物を含有する構造物の製造方法 |
| WO2017163405A1 (ja) * | 2016-03-25 | 2017-09-28 | 技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構 | ３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラム |
| WO2017203717A1 (ja) * | 2016-05-27 | 2017-11-30 | 地方独立行政法人大阪府立産業技術総合研究所 | 積層造形用の金属粉末、積層造形物の製造方法及び積層造形物 |
-
2018
- 2018-12-06 WO PCT/JP2018/044870 patent/WO2019171689A1/ja active Application Filing
- 2018-12-06 JP JP2019519427A patent/JP6635227B1/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010255033A (ja) * | 2009-04-23 | 2010-11-11 | Nippon Light Metal Co Ltd | 金属基複合材 |
| WO2016143137A1 (ja) * | 2015-03-12 | 2016-09-15 | 株式会社ニコン | 三次元造形物製造装置および構造物の製造方法 |
| JP2016204720A (ja) * | 2015-04-27 | 2016-12-08 | 株式会社ソディック | 積層造形装置 |
| JP2017019111A (ja) * | 2015-07-07 | 2017-01-26 | 日本電気株式会社 | 積層造形装置及び積層造形方法 |
| JP2017082293A (ja) * | 2015-10-29 | 2017-05-18 | セイコーエプソン株式会社 | 三次元構造物の製造方法、その製造装置及びその制御プログラム |
| WO2017104705A1 (ja) * | 2015-12-15 | 2017-06-22 | 国立大学法人大阪大学 | 金属間化合物を含有する構造物の製造方法 |
| WO2017163405A1 (ja) * | 2016-03-25 | 2017-09-28 | 技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構 | ３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラム |
| WO2017203717A1 (ja) * | 2016-05-27 | 2017-11-30 | 地方独立行政法人大阪府立産業技術総合研究所 | 積層造形用の金属粉末、積層造形物の製造方法及び積層造形物 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116504742A (zh) * | 2023-06-21 | 2023-07-28 | 青岛泰睿思微电子有限公司 | 半导体封装用框架及其制作方法、以及封装方法 |
| CN116504742B (zh) * | 2023-06-21 | 2023-12-08 | 青岛泰睿思微电子有限公司 | 半导体封装用框架及其制作方法、以及封装方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPWO2019171689A1 (ja) | 2020-04-16 |
| WO2019171689A1 (ja) | 2019-09-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6635227B1 (ja) | 三次元形状造形物の製造方法 | |
| US10821518B2 (en) | Additive manufacturing method and apparatus | |
| CN107130124B (zh) | 一种增材制造技术成形高熵合金的方法 | |
| JP6717573B2 (ja) | 繊維強化を用いた付加製造方法 | |
| EP3187285B1 (en) | Powder for layer-by-layer additive manufacturing, and process for producing object by layer-by-layer additive manufacturing | |
| JP5760222B2 (ja) | 金属ガラス成形体の製造方法 | |
| US20200108445A1 (en) | Additive manufacturing of articles comprising beryllium | |
| CN109396434B (zh) | 一种基于选区激光熔化技术制备钛合金零件的方法 | |
| JP6344004B2 (ja) | 単結晶の製造方法 | |
| WO2017104705A1 (ja) | 金属間化合物を含有する構造物の製造方法 | |
| JP6864346B2 (ja) | ヒートシンク | |
| JP2007016312A (ja) | 焼結体形成方法 | |
| JP2017186653A (ja) | 三次元形状造形物及びその製造方法 | |
| JP2006257463A (ja) | レーザ焼結処理用の粉状材料及びその製造方法、並びに、３次元構造物及びその製造方法 | |
| TWI232786B (en) | Method of making a three-dimensional sintered product | |
| Qi et al. | Scanning method of filling lines in electron beam selective melting | |
| WO2017203717A1 (ja) | 積層造形用の金属粉末、積層造形物の製造方法及び積層造形物 | |
| US11084096B2 (en) | Movable wall for additive powder bed | |
| US20210362267A1 (en) | Method of manufacturing metal articles | |
| JP7216363B2 (ja) | 三次元造形物の製造方法と三次元造形システム | |
| Sun et al. | Microstructure and properties of Fe-base alloy fabricated using selective laser melting | |
| JP2019111684A (ja) | 造形物の製造方法 | |
| JP2019081935A (ja) | 金属部材の作製方法 | |
| JP2021085079A (ja) | 積層造形物の製造方法 | |
| JP2023031963A (ja) | 立体造形物の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20190410 |
|
| A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20190410 |
|
| A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20190425 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190604 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190708 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20190820 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20191015 |
|
| 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: 20191119 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20191202 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 6635227 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |