JP7031557B2 - 積層造形体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は積層造形体の製造方法に関する。

近年、金属粉体にレーザビームを照射し、焼結または溶融凝固させることにより、３次元形状の積層造形体を製造する製造装置が注目されている。具体的には、ベースプレート上に金属粉体を供給する工程と、供給された金属粉体を部分的に加熱して溶融凝固させる工程とを繰り返すことで、ベースプレート上に積層造形体を形成することができる。

特許文献１には、金属製のベースプレート上に金属粉体を配置し、この金属粉体にレーザ光を照射することで、ベースプレート上に積層造形体を形成する技術が開示されている。

特開２０１７－０８８９９２号公報

上述のように、金属粉体にレーザビームを照射し、焼結または溶融凝固させることにより形成された積層造形体は、様々な分野で用いられてきている。積層造形体を使用する分野によっては、積層造形体の一部を軟らかくすることが求められる。一例を挙げると、車両に用いられるクラッシュボックスは衝突時のエネルギーを吸収するための部材であるが、このようなクラッシュボックスを上述の積層造形体の製造方法を用いて形成する場合は、積層造形体を形成する際に、車両に取り付けられる側を硬くし、衝突する側を軟らかくする必要がある。すなわち、積層造形体の硬さを積層方向において制御する技術が必要とされている。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、積層造形体の硬さを積層方向において制御することが可能な積層造形体の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明の一態様にかかる積層造形体の製造方法は、ベースプレート上に金属粉体を供給し、当該供給された金属粉体を部分的に加熱して溶融凝固させることで、前記ベースプレート上に積層造形体を形成する積層造形体の製造方法である。前記ベースプレートは前記ベースプレート上に形成された積層造形体に対してアニール処理を実施するためのヒータを備えており、前記ヒータは、前記積層造形体の形成開始から第１の期間経過時に前記ベースプレートが最高温度に到達し、当該最高温度に到達した後、当該最高温度よりも低い温度を第２の期間維持するように前記ベースプレートを加熱し、前記第１及び第２の期間の長さを調整することで、前記積層造形体の積層方向における硬さを調整する。

本発明の一態様にかかる積層造形体の製造方法では、ベースプレート上に積層造形体を形成している間、ベースプレート上に形成された積層造形体に対してアニール処理を実施している。具体的には、積層造形体の形成開始から第１の期間経過時にベースプレートが最高温度に到達し、当該最高温度に到達した後、当該最高温度よりも低い温度を第２の期間維持するようにしている。そして、第１及び第２の期間の長さを調整することで、積層造形体の積層方向における硬さを調整している。したがって、積層造形体の硬さを積層方向において制御することができる。

本発明により、積層造形体の硬さを積層方向において制御することが可能な積層造形体の製造方法を提供することができる。

実施の形態にかかる積層造形体製造装置を説明するための図である。 ベースプレートの構造を説明するための斜視図である。 実施の形態にかかる積層造形体の製造方法を説明するための斜視図である。 実施の形態にかかる積層造形体の製造方法を説明するための斜視図である。 ベースプレートの温度プロファイルの一例を示す図である。 アルミニウム合金の熱処理（焼なまし）データベースの一例を示す図である。 本発明の効果を説明するための図である。 本発明の効果を説明するための図である。 ベースプレートの温度プロファイルを決定する工程を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
まず、本実施の形態にかかる積層造形体の製造方法を実施するための装置（積層造形体製造装置）について説明する。図１は、本実施の形態にかかる積層造形体製造装置を説明するための図である。図１に示すように、積層造形体製造装置１は、ベースプレート１０、原料供給手段１１、溶融手段１２、ヒータ１５、温度センサ１６、及び温度制御部１７を備える。

図１に示す積層造形体製造装置１は、原料供給手段１１からベースプレート１０上に金属粉体２１を供給（積層）し、供給された金属粉体２１を溶融手段１２を用いて部分的に加熱して溶融凝固させる処理を繰り返すことで、ベースプレート１０上に積層造形体２２を形成する。つまり、積層造形体製造装置１は、３Ｄプリンタ技術を利用した製造装置である。また、図１に示す積層造形体製造装置１のベースプレート１０は、ベースプレート１０上に形成された積層造形体２２に対してアニール処理を実施するためのヒータ１５を備えている。以下、積層造形体製造装置１について詳細に説明する。

原料供給手段１１は、ベースプレート１０上に金属粉体２１を供給可能に構成されている。具体的には、原料供給手段１１は、ベースプレート１０上に金属粉体２１の層を１層毎に順番に積層することができるように構成されている。例えば、原料供給手段１１には移動手段が取り付けられており、この移動手段を用いることで、ベースプレート１０に対する原料供給手段１１の位置を調整することができる。

金属粉体２１には、溶融手段１２を用いて加熱することで溶融凝固することができる材料を用いることができる。例えば、単一の金属元素や複数の金属元素を含む合金などを用いることができる。一例を挙げると、アルミニウム合金（例えば、ＡＬ－１０％Ｓｉ－０．３Ｍｇ合金）を用いることができる。

溶融手段１２は、ベースプレート１０上に供給（積層）された金属粉体２１を部分的に加熱して溶融凝固させることで、ベースプレート１０上に積層造形体２２を形成する。溶融手段１２は、例えば、レーザ光を出力可能なレーザ装置を用いて構成することができる。また、溶融手段（レーザ装置）１２は、レーザ光を走査する走査手段を備えており、ベースプレート１０上の任意の場所にレーザ光を照射することができるように構成されている。したがって、ベースプレート１０上の任意の場所の金属材料２１に対してレーザ光を照射することができる。

ベースプレート１０は、積層造形体２２を形成するためのステージとして機能する。また、ベースプレート１０は、ベースプレート１０上に形成された積層造形体２２に対してアニール処理を実施する機能を有する。ベースプレート１０は、ヒータ１５と温度センサ１６とを備えており、温度制御部１７を用いてベースプレート１０の温度が制御される。

図１に示すベースプレート１０の断面図、及び図２に示すベースプレート１０の斜視図に示すように、ベースプレート１０には複数のヒータ１５が取り付けられている。ヒータ１５には、例えばカートリッジヒータを用いることができる。このように、ベースプレート１０にヒータ１５を設けることで、ベースプレート１０の表面を加熱することができる。また、ベースプレート１０には温度センサ１６が設けられている。例えば温度センサ１６には熱電対などを用いることができる。温度センサ１６は、ベースプレート１０の表面の温度を正確に測定できる位置に取り付けられている。なお、図１、図２に示したヒータ１５の配置や温度センサ１６の配置は一例であり、本実施の形態にかかる積層造形体製造装置１ではこのような構成に限定されることはない。

温度制御部１７は、予め決定されたベースプレート１０の温度プロファイルに基づいてヒータ１５を制御する。温度制御部１７は、温度センサ１６で測定されたベースプレート１０の実際の温度が、温度プロファイルの設定温度となるようにヒータ１５を制御する。なお、ベースプレート１０の温度プロファイルについては後述する。

次に、本実施の形態にかかる積層造形体の製造方法について説明する。図３、図４は、本実施の形態にかかる積層造形体の製造方法を説明するための斜視図である。図５は、ベースプレート１０の温度プロファイルの一例を示す図である。なお、図５ではヒータ１５の温度設定値を示している。本実施の形態にかかる積層造形体の製造方法では、積層造形体を形成する過程において、積層造形体の積層厚さに合わせてベースプレート１０の温度を調整することで、積層造形体の積層方向における硬さを制御している。本実施の形態にかかる積層造形体の製造方法では、ベースプレート１０上に形成された積層造形体２２に対してアニール処理を実施する際の温度プロファイルに特徴がある。

具体的には、図５に示すように、積層造形体の形成開始（積層高さ＝０）から期間ｔ１経過時にベースプレートが最高温度に到達し、当該最高温度に到達した後、当該最高温度よりも低い温度を期間ｔ２の間、維持するように、ヒータ１５がベースプレート１０を加熱するように制御している。そして、期間ｔ１の長さと期間ｔ２の長さを調整することで（換言すると期間ｔ１と期間ｔ２との割合を調整することで）、積層造形体の積層方向における硬さを調整している。図５に示す例では、期間ｔ１が期間ｔ２よりも短くなるように設定している。

以下で説明する本実施の形態にかかる積層造形体の製造方法では、一例として、直径５０ｍｍ、高さ１００ｍｍ、肉厚２ｍｍの筒状の積層造形体（図７参照）を、ＡＬ－１０％Ｓｉ－０．３Ｍｇ合金を用いて形成する場合について説明する。このときの造形条件は、金属粉体２１の１層当たりの厚さを０．０５ｍｍとし、１層当たりの処理時間を０．２分としている。この条件では、厚さ１ｍｍの積層造形体を形成するのに２０層必要となり、このときの処理時間は４分となる。

なお、以下に示す例は一例であり、本実施の形態にかかる積層造形体の製造方法は、他の任意の形状を有する積層造形体や他の任意の金属材料（金属粉体）を用いた積層造形体の製造にも適用することができる。

図３のステップＳ１に示すように、積層造形体３１の造形開始直後において、ベースプレート１０の温度は１００℃に設定されている（図５参照）。なお、図３、図４では、積層造形体３１の周囲の金属粉体（図１の金属粉体２１に対応）の図示を省略している。

その後、ステップＳ２に示すように、造形開始後４０分が経過したタイミングにおいて、積層造形体３１の積層高さが最終形状の１０％（１０ｍｍ）に到達する。このとき、ベースプレート１０の温度は最高温度である３００℃に到達する（図５参照）。

その後、ステップＳ３に示すように、造形開始後８０分が経過したタイミングにおいて、積層造形体３１の積層高さが最終形状の２０％（２０ｍｍ）に到達する。ベースプレート１０の温度は、ステップＳ２において最高温度（３００℃）に到達した後、この最高温度よりも低い温度を維持するように設定されており、ステップＳ３では、ベースプレート１０の温度は２５０℃に設定されている（図５参照）。

その後、ステップＳ４に示すように、造形開始後１２０分が経過したタイミングにおいて、積層造形体３１の積層高さが最終形状の３０％（３０ｍｍ）に到達する。また、ステップＳ４では、ベースプレート１０の温度は２２５℃に設定されている（図５参照）。

その後、図４のステップＳ５に示すように、造形開始後２００分が経過したタイミングにおいて、積層造形体３１の積層高さが最終形状の５０％（５０ｍｍ）に到達する。また、ステップＳ５では、ベースプレート１０の温度は２００℃に設定されている（図５参照）。

その後、ステップＳ６に示すように、造形開始からの経過時間が４００分に到達すると、積層造形体３１の積層高さが最終形状の高さ（１００ｍｍ）に到達する。ステップＳ５からステップＳ６までの間において、ベースプレート１０の温度が２００℃から１００℃まで緩やかに下がるように設定されている（図５参照）。また、積層造形体の造形が終了すると、ヒータ１５の温度は室温に設定される。最後にステップＳ７に示すように、ベースプレート１０から積層造形体３１を切り離す。

このように、本実施の形態にかかる積層造形体の製造方法では、ベースプレート１０の上に積層造形体を形成している間、ベースプレート１０上に形成された積層造形体に対してアニール処理を実施している。そして、このときのベースプレート１０の温度プロファイルが図５に示す温度プロファイルとなるようにしている。すなわち、積層造形体の形成開始（積層高さ＝０）から期間ｔ１経過後にベースプレートが最高温度に到達し、当該最高温度に到達した後、当該最高温度よりも低い温度を期間ｔ２の間、維持するように、ヒータ１５がベースプレート１０を加熱するように制御している。そして、期間ｔ１の長さと期間ｔ２の長さを調整することで（換言すると期間ｔ１と期間ｔ２の割合を調整することで）、積層造形体の積層方向における硬さを調整している。図５に示す例では、期間ｔ１が期間ｔ２よりも短くなるように設定している。よって、積層造形体の硬さを積層方向において制御することができる。以下、本発明のメカニズムについて詳細に説明する。

図６は、アルミニウム合金の熱処理（焼なまし）データベースの一例を示す図である。図６では、アルミニウム合金をアニール処理した際の温度と時間に対するビッカース硬さ（Ｈｖ５ｋｇ）の値を示している。図６に示すように、アルミニウム合金のアニール処理温度が高くなるほど、またアニール処理の時間が長くなるほど、ビッカース硬さ（Ｈｖ５ｋｇ）の値が小さくなる（つまり、金属材料が軟らかくなる）傾向にある。これは、アニール処理の温度が高く、またアニール処理の時間が長いほど、金属材料中の結晶粒径が大きくなり、その結果、金属材料が軟らかくなるからである。逆に、アルミニウム合金のアニール処理温度が低くなるほど、またアニール処理の時間が短くなるほど、ビッカース硬さ（Ｈｖ５ｋｇ）の値が大きくなる（つまり、金属材料が硬くなる）傾向にある。

本実施の形態にかかる積層造形体の製造方法では、積層造形体のアニール処理の条件（つまり、ベースプレート１０の温度）を積層造形体の積層厚さに合わせて調整することで、積層造形体の硬さを積層方向において制御している。すなわち、ベースプレート１０を加熱して積層造形体３１をアニールする際に、図５に示す温度プロファイルのように、積層造形体の形成開始から短時間（ｔ１）でベースプレート１０の温度が最高温度に到達し、その後、最高温度よりも低い温度を長時間（ｔ２）維持した状態で緩やかにベースプレート１０の温度が下がるようにする。

このようなアニール処理を施すことで、図７に示す積層造形体３１のベースプレート１０側の根元部分３２が高温で長時間アニールされる。よって、積層造形体３１の根元部分３２のビッカース硬さ（Ｈｖ５ｋｇ）の値が小さくなる（つまり、軟らかくなる）。一方、積層造形体３１のベースプレート１０から離れた側の先端部分３３は、ベースプレート１０の根元部分３２よりも低温でアニールされるので、ビッカース硬さ（Ｈｖ５ｋｇ）の値が大きくなる（つまり硬くなる）。

上述の理由から、図７に示す積層造形体３１では、根元部分３２から先端部分３３に向かうにしたがって、ビッカース硬さ（Ｈｖ５ｋｇ）の値が大きくなる。具体的には、ビッカース硬さ（Ｈｖ５ｋｇ）の値が、根元部分３２から先端部分３３に向かって、６５～７５、７５～１００、１００～、のようになる。したがって、積層造形体３１の硬さを積層方向において制御することができる。

また、上述のように本実施の形態では、期間ｔ１の長さと期間ｔ２の長さを調整することで（換言すると期間ｔ１と期間ｔ２との割合を調整することで）、積層造形体の積層方向における硬さを調整することができる。具体的には、期間ｔ１の長さを長くするほど（換言すると、期間ｔ２に対する期間ｔ１の割合が大きいほど）、積層造形体３１が高温でアニールされる領域が増える。したがって、図７に示す例において、ビッカース硬さ（Ｈｖ５ｋｇ）の値が小さくなる（つまり、軟らかくなる）領域を積層造形体３１の先端部分３３側に向かって増やすことができる。

逆に、期間ｔ１の長さが短いほど（換言すると、期間ｔ２に対する期間ｔ１の割合が小さいほど）、積層造形体３１が高温でアニールされる領域が減少する。つまり、高温でアニールされる領域が積層造形体３１の根元部分３２側に限定される。この場合は、ビッカース硬さ（Ｈｖ５ｋｇ）の値が小さくなる（つまり、軟らかくなる）領域を減少させることができる。

このように、本実施の形態では、期間ｔ１の長さと期間ｔ２の長さを調整することで（換言すると期間ｔ１と期間ｔ２との割合を調整することで）、積層造形体の積層方向における硬さを調整することができる。

特に、本実施の形態にかかる積層造形体の製造方法は、クラッシュボックスの製造に好適に用いることができる。車両に用いられるクラッシュボックスは衝突時のエネルギーを吸収するための部材である。このため、クラッシュボックスの車両に取り付けられる側を硬くするとともに、クラッシュボックスの衝突する側を軟らかくする必要がある。このような構造を備える積層造形体は、上述した本実施の形態にかかる積層造形体の製造方法を用いることで容易に形成することができる。

つまり、図８に示すように、積層造形体３１の先端部分３３（硬い側）を車両の土台３４に取り付け、積層造形体３１の根元部分３２（軟らかい側）を衝突する側に配置することでクラッシュボックスを構成する。このような構成とすることで、クラッシュボックス（積層造形体３１）の衝突する側（根元部分３２側）を軟らかくすることができるので、エネルギー吸収性能の優れたクラッシュボックスを構成することができる。また、クラッシュボックス（積層造形体３１）の土台３４に取り付ける側（先端部分３３）を硬くすることができるので、衝突時にクラッシュボックスの土台３４側の部分が折れることを抑制することができる。

次に、図９のフローチャートを用いて、アニール処理時におけるベースプレートの温度プロファイルを決定する工程について説明する。まず、積層造形体を形成する際に用いる金属材料の熱処理データベース５０（図６参照）を予め準備する。次に、形成する積層造形体の目標とする硬さ分布を決定する（ステップＳ１０）。例えば、図７に示したように、積層造形体３１の積層方向における硬さ分布を決定する。次に、形成する積層造形体のＣＡＤ（Computer-Aided Design）データから積層造形体（ワーク）の形状を抽出する（ステップＳ１１）。次に、抽出した積層造形体の形状から積層造形体の断面形状（つまり、積層方向における厚さ）を抽出する（ステップＳ１２）。また、積層造形体を形成する際の１層当たりの積層時間を算出する（ステップＳ１３）。

次に、ステップＳ１２で算出した積層造形体の断面形状（積層方向における厚さ）と、ステップＳ１３で算出した１層当たりの積層時間とを用いて、積層造形体を形成する際の全体の積層時間を算出する（ステップＳ１４）。具体的には、「積層造形体の積層方向における厚さ」を「１層当たりの厚さ」で除算することで、積層造形体を形成する際の「総層数」を求める。そして、求めた「総層数」と「１層当たりの積層時間」とを乗算することで、「積層造形体の積層時間（処理時間）」を算出することができる。なお、上述の例では、各々の層における処理時間が同一であることを前提としているが、各々の層における処理時間が異なる場合は、各々の層毎に処理時間を求めて同様の計算を行う。

その後、熱処理データベース５０の熱処理データと、ステップＳ１０で決定した積層造形体の目標とする硬さ分布と、ステップＳ１４で算出した全体の積層時間とを用いて、ベースプレートの温度プロファイル（図５参照）を決定する（ステップＳ１５）。このような処理を行うことで、積層造形体に対してアニール処理を実施する際のベースプレート１０の温度プロファイルを決定することができる。なお、図９に示した温度プロファイルを決定する工程は、コンピュータ等の情報処理装置でプログラムを実行することで行うことができる。

以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１ 積層造形体製造装置
１０ ベースプレート
１１ 原料供給手段
１２ 溶融手段
１５ ヒータ
１６ 温度センサ
１７ 温度制御部
２１ 金属粉体
２２、３１ 積層造形体

Claims (3)

1. ベースプレート上に金属粉体を供給し、当該供給された金属粉体を部分的に加熱して溶融凝固させることで、前記ベースプレート上に積層造形体を形成する積層造形体の製造方法であって、
   前記ベースプレートは前記ベースプレート上に形成された積層造形体に対してアニール処理を実施するためのヒータを備えており、
   前記ヒータは、前記積層造形体の形成開始から第１の期間経過時に前記ベースプレートが最高温度に到達し、当該最高温度に到達した後、前記積層造形体の造形が終了するまでの間の第２の期間、前記最高温度よりも低い温度を維持するように前記ベースプレートを加熱し、
   前記第１及び第２の期間の長さを調整することで、前記積層造形体の積層方向における硬さを調整する、
   積層造形体の製造方法。
2. 前記金属粉体としてアルミニウム合金を使用し、
   前記積層造形体の前記ベースプレート側の根元部分から先端部分に向かうにしたがって、ビッカース硬さの値が大きくなるようにする、
   請求項１に記載の積層造形体の製造方法。
3. 前記第２の期間に対する前記第１の期間の長さを長くすることで、ビッカース硬さの値が小さくなる領域を前記積層造形体の先端部分側に向かって増加させる、請求項２に記載の積層造形体の製造方法。

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