JP7207020B2 - Method for manufacturing metal article having three-dimensional structure - Google Patents
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Description
以下の開示は三次元的な構造を有する金属物品を製造する方法に関し、特にオーバーハング構造を支持するためのサポートを効率よく除去する段階を含む三次元積層造形法に関する。 The following disclosure relates to a method of manufacturing a metal article having a three-dimensional structure, and more particularly to a three-dimensional additive manufacturing process that includes efficiently removing supports for supporting overhang structures.
三次元積層造形法は、三次元的な構造を有する物品を製造する一連の技術であり、一般には3Dプリンティングの名称で知られる。三次元積層造形法は、特に樹脂を造形する技術として成功を収めており、一般消費者向けにもその装置が市販されている。 Three-dimensional additive manufacturing is a set of techniques for manufacturing articles having three-dimensional structures, commonly known under the name of 3D printing. Three-dimensional additive manufacturing has been particularly successful as a technology for modeling resin, and its equipment is commercially available for general consumers.
金属を対象とする場合には樹脂と異なり、光硬化や接着等の手段が通常には利用できないので、利用できる造形手段が限られる。今のところ、金属の粉末を焼結または溶融する方法が一般的であり、その例は、電子ビーム積層造形法、レーザ焼結法、レーザ溶融法等である。これらの方法によれば、例えば真空中において純金属または合金の粉末を薄い層(ベッド)状に均し、電子ビームないしレーザを照射することにより粉末を選択的に焼結または溶融することにより固化させ、これを繰り返すことによって積層的に三次元的な金属物品を造形する。特許文献1は関連する技術を開示する。
In the case of metals, unlike resins, means such as photo-curing and adhesion cannot be normally used, so the available shaping means are limited. Currently, methods of sintering or melting metal powders are common, examples of which include electron beam additive manufacturing, laser sintering, laser melting, and the like. According to these methods, for example, pure metal or alloy powder is leveled in a thin layer (bed) in a vacuum, and solidified by selectively sintering or melting the powder by irradiation with an electron beam or laser. By repeating this process, a three-dimensional metal article is formed in layers.
造形の途中における金属粉末は容易に変形してしまうので、オーバーハングを含む構造を造形しようとすると、それが崩落しないように支持する所謂サポートと呼ばれる部材を含めて造形する必要がある。また粉末の固化は必ずしも完全に選択的ではなく、造形物の周りには仮焼結した粉末が付着しがちである。造形の後にはこれらを除去せねばならないが、サポートも仮焼結体も造形物の本体と同種の素材よりなるから、物性の違いを利用して除去する等の簡易な手段がなく、手作業によるほかない。また金属においては樹脂と異なり、造形物の本体に対する固着が強固であるから、かかる除去作業は極めて厄介である。すなわちサポートや仮焼結体の除去が必要であることは、生産性を著しく損なう要因である。あるいは三次元積層造形法の利点の一つとして内部に空洞を有する構造が容易に製造できることがあるが、空洞内のサポートは取り出すことすら難しいという難問がある。以下に開示する技術は、これらの問題を解決するために為された。 Metal powder is easily deformed during molding, so if you try to mold a structure that includes an overhang, it is necessary to include a member called a support that supports it so that it does not collapse. Also, solidification of the powder is not always completely selective, and pre-sintered powder tends to adhere to the periphery of the model. After molding, these must be removed, but since both the support and the pre-sintered body are made of the same material as the main body of the molded object, there is no simple means such as removing them by making use of the difference in physical properties. It depends. In addition, unlike resin, metal adheres firmly to the main body of the modeled object, so the removal work is extremely troublesome. That is, the need to remove the support and the pre-sintered body is a factor that significantly impairs productivity. Alternatively, one of the advantages of the three-dimensional additive manufacturing method is that a structure having a cavity inside can be easily manufactured, but there is a difficult problem that it is difficult to even remove the support inside the cavity. The techniques disclosed below have been made to solve these problems.
一局面によれば、三次元的な構造を有する金属物品を製造する方法は、前記構造を支える複数の板状のサポートと前記物品の原型とを一体に含む構造体を三次元積層造形し、前記構造体を腐食液に浸漬して前記サポートを除去する、ことよりなり、前記三次元積層造形する段階において、前記原型にそれぞれその頂点でのみ結合するべく前記サポートの縁が複数の歯形または波形を描くように前記構造体を造形し、前記サポートを前記腐食液の流路を構成するべく配列する、ことを含む。 According to one aspect, a method for manufacturing a metal article having a three-dimensional structure includes three-dimensional additive manufacturing of a structure integrally including a plurality of plate-like supports that support the structure and a prototype of the article, immersing the structure in an etchant to remove the support , wherein in the step of additively manufacturing the structure, the edge of the support has a plurality of tooth profiles or teeth to bond only at the vertices thereof to the master, respectively; Shaping the structure in a wavy pattern and arranging the supports to form flow paths for the etchant.
好ましくは、前記三次元積層造形する段階において、前記原型が余肉を含むべく前記構造体を造形する。さらに好ましくは、前記三次元積層造形する段階において、前記余肉が前記サポートと厚さにおいて同一またはより薄くなるよう前記構造体を造形する。さらに好ましくは、前記除去する段階において、前記腐食液を前記流路に沿って流す。あるいは好ましくは、前記三次元積層造形する段階において、前記複数のサポートのうちの一以上を前記原型の内部に配置する。 Preferably, in the step of three-dimensional additive manufacturing, the structure is shaped such that the original mold includes excess material. More preferably, in the step of three-dimensional layered manufacturing, the structure is shaped so that the excess thickness is the same as or thinner than the support. More preferably, in the step of removing, the corrosive liquid is caused to flow along the channel. Alternatively preferably, one or more of the plurality of supports are positioned inside the master during the three-dimensional additive manufacturing step.
腐食液により、造形された金属物品の表面仕上げができるのみならず、サポートが自然に原型から離脱するので、仕上げ工程とサポートを除去する工程とが並行的に実行でき、生産性が著しく向上する。 The etchant not only allows surface finishing of the shaped metal article, but also allows the support to naturally separate from the original mold, allowing the finishing process and the support removal process to be performed in parallel, significantly improving productivity. .
添付の図面を参照して以下に幾つかの例示的な実施形態を説明する。 Several exemplary embodiments are described below with reference to the accompanying drawings.
本実施形態により三次元的な構造を有する金属物品を製造する方法は、概して、構造体を三次元積層造形し、かかる構造体を腐食液に浸漬する、ことよりなる。構造体は、構造を支える複数の板状のサポートと前記物品の原型とを一体に含むが、構造体を腐食液に浸漬することにより、原型とサポートとの接合点が腐食されてサポートが自然に原型から離脱する。また造形に伴い原型の表面は粗面となっているが、腐食によりその表面仕上げがなされる。すなわち、造形された金属物品の表面仕上げをする工程と、サポートを除去する工程とが並行的に進行する。 A method of manufacturing a metal article having a three-dimensional structure according to this embodiment generally comprises three-dimensional additive manufacturing of a structure and immersing the structure in an etchant. The structure integrally includes a plurality of plate-like supports that support the structure and the prototype of the article, but by immersing the structure in the corrosive liquid, the joints between the prototype and the supports are corroded, and the supports are naturally formed. to break away from the prototype. Also, the surface of the prototype becomes rough due to molding, but the surface is finished by corrosion. That is, the steps of surface finishing the shaped metal article and removing the support proceed in parallel.
金属物品を三次元積層造形するには、公知の何れの方法を利用することもできるが、以下では便宜的に、パウダベッド式による電子ビーム積層造形法を利用するプロセスに基づいて本実施形態を説明する。言うまでもなく、他の適宜の方法を利用することができ、例えばデポジション式によってもよいし、粉末を焼結または溶解するには電子ビームに代えてレーザその他の高エネルギ粒子流によることができる。電子ビーム積層造形法は、レーザによるよりも造形が高速であるが、造形ままの構造体の表面は比較的に粗く、仕上げ加工を要するために、本実施形態を適用するに特に適していると考えられる。 Any known method can be used for three-dimensional additive manufacturing of a metal article, but for the sake of convenience, the present embodiment will be described below based on a process that utilizes a powder bed type electron beam additive manufacturing method. explain. Of course, other suitable methods could be used, such as by deposition, and instead of electron beams, lasers or other high energy particle streams could be used to sinter or melt the powder. Electron beam additive manufacturing is faster than laser manufacturing, but the surface of the as-built structure is relatively rough and requires finishing work, so it is particularly suitable for applying this embodiment. Conceivable.
図1を参照するに、三次元金属積層造形装置1は、概して、鉛直に延長された筐体3と、その上部に固定された電子銃5と、電子ビームBを収束するための電子レンズ7と、金属粉末Mを載せる昇降テーブル13と、を備える。
Referring to FIG. 1, a three-dimensional metal
筐体3は内部を適宜の真空に保つことができるように構成されている。電子ビームBを出射する電子銃5と、金属粉末Mを供給するホッパ9およびこれを均すリコータ11、また金属粉末Mを載せる昇降テーブル13は、何れもかかる真空中に置かれ、以って金属物品への不純物の混入が防止される。昇降テーブル13は昇降装置15により制御可能に昇降する。
The
金属粉末Mは、例えば純チタニウムのごとき純金属、あるいはTi-6Al-4V合金のごとき合金よりなるが、電子ビームにより焼結または溶融することができる何れの金属の粉末であってもよい。合金の場合、通常には予め合金化した粉末を利用するが、異種の金属の混合物を利用して焼結または溶融の際に合金化させてもよい。 The metal powder M consists of a pure metal such as pure titanium, or an alloy such as Ti-6Al-4V alloy, but may be any metal powder that can be sintered or melted by an electron beam. In the case of alloys, pre-alloyed powders are typically utilized, but mixtures of dissimilar metals may also be utilized and alloyed during sintering or melting.
装置1は、また、その各要素に電気的に接続されたコントローラ17を備える。コントローラ17は、通常、ハードディスクドライブあるいはソリッドステートドライブのごときストレージと、ランダムアクセスメモリのごとき一時記憶装置と、演算素子とを備えた汎用コンピュータであり、適宜のアルゴリズムとの組み合わせにより各要素を制御する。ストレージは、かかるアルゴリズムを実行するプログラムのみならず、造形のための三次元CAD(コンピュータ援用設計)データを格納することができる。格納されたデータに基づき、コントローラ17は、電子銃5、電子レンズ7、ホッパ9、リコータ11および昇降装置15を制御し、以って以下に説明する三次元積層造形を行う。
The
図8に示す物品100を製造する例に基づき、以下に本実施形態を説明する。物品100は外部に開口した空洞Hを備え、また図8(a)に示される通り、その基部に対して上部が図中の右方に倒れてオーバーハングを有している。言うまでもなく、これは説明の便宜のための一例に過ぎず、本実施形態によれば種々の三次元構造を有する金属物品が製造できる。
This embodiment will be described below based on an example of manufacturing an
図2を参照するに、まず物品100の半製品たる構造体21の三次元CADデータを準備する。構造体21は、物品100の形状に近似した原型23と、原型23の基部を支持するサポート25と、オーバーハングを支持するためのサポート27と、空洞Hをその内部において支持するためのサポート29とを含む。
Referring to FIG. 2, first, three-dimensional CAD data of the
サポート25は原型23の基部に沿った薄い三次元構造物であり、図中に示されるごとく一体であってもよく、あるいは複数の小片よりなっていてもよい。サポート27,29はそれぞれオーバーハングおよび空洞Hを支えるべく適宜に並べられた、比較的に薄い、それぞれ複数の板である。サポート27の各板は、また二以上の小片27A,27Bよりなっていてもよく、サポート29の各板も同様に小片29A,29Bよりなっていてもよい。
サポート25,27,29の配置および向きは、構造を支持するべく専ら力学的配慮に基づき決定されるが、さらに流体学的な考慮がなされていてもよい。すなわち、後述の腐食液に浸漬する段階において、腐食液が流れ、あるいは循環する向きにサポート25,27,29を配列することができる。図2に示す例においては、複数のサポート27は開口の入口から出口に向かう向きに配列されており、またサポート25は開口の入口(あるいは出口)を囲んでおり、かかる方向に腐食液が流れる流路を構成する。同様に複数のサポート29はこれに沿った方向に向けられており、腐食液の流路を構成する。かかる配列は、造形物の各部にくまなく新鮮な腐食液を流すのに有利であり、以って均一な仕上げ加工を可能にする。またかかる配列は、特に原型23とサポート27,29との境界に新鮮な腐食液を届けるのに有利であり、以ってサポートが原型23から腐食により離脱することを促す。
The placement and orientation of
上述の説明に関わらず、サポート25,27,29の配置,向き,材質は、個別の配慮に基づき決定することができる。例えばサポート29は腐食液の流れの向きに沿って向け、サポート27はこれと異なる向きに向けることができる。例えばサポート27に関しては、力学的配慮あるいは熱変形に対する配慮を優先し、格子状の形状および配置を採用することができる。もちろんこれとは逆であってもよく、あるいはサポート27,29のそれぞれ一部のみを流体学的配列とし、他の部分をそれと異なる配列とするなど、種々の組み合わせが可能である。
Notwithstanding the above description, the placement, orientation and materials of
サポート25,27,29は、その縁の面において原型23と全面的に結合していてもよいが、結合部の周りは離脱を促す構造を有していてもよい。例えば図3に示す例によれば、サポート27,29の縁は多数の歯形または波形27S,29Sを描いており、それぞれその頂点でのみ原型23と結合している。このような構造によれば、腐食により結合点は消失しやすく、あるいは結合点の周りは表面積が大きいために優先的に腐食され易く、従ってサポート25,27,29を原型23から早期に離脱せしめるのに有利である。
The supports 25, 27, 29 may be fully bonded to the
主に図4を参照するに、原型23は腐食代を見込んで目標形状より僅かに余肉を含む厚さTとすることができる。ここで余肉はサポート25,27,29の厚さtと同一または同程度にすることができる。するとサポート27,29が離脱または消失することを以って仕上げ加工の終了と判断することができる。あるいは上述のごとくサポート25,27,29と原型23とを点結合とする工夫によれば、早期にサポート25,27,29が離脱するので、余肉はより薄くてもよい。
Mainly referring to FIG. 4, the
上述のごとき構造体21の三次元CADデータを作成し、コントローラ17に入力する。コントローラ17は入力されたデータに基づき三次元金属積層造形装置1を制御する。
Three-dimensional CAD data of the
すなわち図1に組み合わせて図5を参照するに、ホッパ9から供給された金属粉末Mは、リコータ11により水平かつ均等に均されて薄い粉末層であるパウダベッドMBとなる。あるいはリコータ11自体が金属粉末Mを供給する機能を持っていてもよい。かかるパウダベッドMB上に、電子銃5から出射されて電子レンズ7により収束された電子ビームBが入射し、パウダベッドMBは選択的に溶融および固化をする。コントローラ17による制御の下、電子ビームBは二次元的に走査され、以って1層分の造形がなされる。
That is, referring to FIG. 5 in combination with FIG. 1, the metal powder M supplied from the
1層分の造形が終了すると、コントローラ17による制御の下、昇降テーブル13が1層分降ろされ、再びホッパ9から供給された金属粉末Mがリコータ11により水平かつ均等に均されて、新たなパウダベッドMBが前の層の上に積層される。コントローラ17による制御の下、再び電子ビームBが走査されて、次の層の造形が実行される。
When one layer of modeling is completed, the elevating table 13 is lowered by one layer under the control of the
上述の工程が繰り返されることにより、構造体21が徐々に三次元的に積層造形される。図5より容易に理解されるように、CADデータに従い、構造体21においてオーバーハングの部分の直下には、予めサポート27が形成されている。これが後に形成されるオーバーハングの部分を支持するので、構造体21はその形状を損なうことなく、積層造形される。
By repeating the above steps, the
電子ビームBによる入熱は必ずしもその焦点に限定されず、その周囲に熱影響をもたらす。それゆえ造形体31の周りの金属粉末Mも僅かながら焼結または溶融を起こす傾向がある。積層造形された直後の造形体31は、例えば図6に示すごとく、しばしば構造体21の全体を仮焼結体33が覆った形態をとる。仮焼結体33が付着するか否か、またその量は、金属粉末Mの性状や電子ビームBのエネルギ密度等の諸条件に依存する。また仮焼結体33が付着するか否かに関わらず、構造体21内の空洞は金属粉末Mにより埋まっている。
The heat input by electron beam B is not necessarily confined to its focal point, but has a thermal effect on its surroundings. Therefore, the metal powder M around the shaped
仮焼結体33は、通常にはごく弱い凝集力により固まっているに過ぎないので、エアブロー、ブラスト、刷毛あるいは手作業によって容易に除去することができる。しかしながら、積層造形された直後において造形体31の形態がこのようであるから、必然的にその表面は相当程度の粗さがあって、造形ままでは実用に適さないことが多い。それゆえ滑らかな表面を得るべく仕上げ加工が通常には必要である。
Since the temporary
仮焼結体33および金属粉末Mを除去した後、あるいは付着したまま、造形体31は適宜の籠43に収められ、液槽41に貯留した腐食液45に浸漬される。金属粉末Mが純チタニウムあるいはチタニウム合金の場合には、腐食液45は硝酸あるいはフッ酸であるが、もちろんこれは金属種による。
After the temporary
腐食液45は発泡等が生み出す対流に任せてもよいが、ポンプやスクリュー等を利用してこれに流れを与えてもよい。籠43中における造形体31の向きは、腐食液45の流れの向きを考慮して決められる。既に述べた通り、流れの向きに配列したサポート25,27,29が腐食液45を導くので、造形体31の全体が均等に腐食され、またサポート25,27,29との結合点は優先的に腐食される。
The
腐食液による仕上げ加工が終了するのに相前後してサポート25,27,29は構造体21から離脱し、以って図8に示す物品100が得られる。本実施形態によれば、サポートを除去するための特段の工程を必要とせず、仕上げ加工と並行してサポートの除去ができるので、良好な生産性が期待できる。
The supports 25, 27, 29 are released from the
幾つかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。 Although several embodiments have been described, modifications or variations of the embodiments are possible based on the above disclosure.
サポートの除去に特段の工程を必要としない三次元金属積層造形の方法が提供される。 A method for three-dimensional metal additive manufacturing is provided that does not require a special step for removing the support.
1 三次元金属積層造形装置
3 筐体
5 電子銃
7 電子レンズ
9 ホッパ
11 リコータ
13 昇降テーブル
15 昇降装置
17 コントローラ
21 構造体
23 原型
25,27,29 サポート
27A,27B,29A,29B 小片
27S,29S 歯形または波形
31 造形体
33 仮焼結体
41 液槽
43 籠
45 腐食液
100 物品
B ビーム
H 空洞
M 金属粉末
MB パウダベッド
t 厚さ
T 厚さ
1 three-dimensional metal
Claims (5)
前記構造を支える複数の板状のサポートと前記物品の原型とを一体に含む構造体を三次元積層造形し、
前記構造体を腐食液に浸漬して前記サポートを除去する、ことを含む方法であって、
前記三次元積層造形する段階において、前記原型にそれぞれその頂点でのみ結合するべく前記サポートの縁が複数の歯形または波形を描くように前記構造体を造形し、前記サポートを前記腐食液の流路を構成するべく配列する、ことを含む方法。 A method of manufacturing a metal article having a three-dimensional structure, comprising:
Three-dimensional additive manufacturing of a structure integrally including a plurality of plate-shaped supports that support the structure and the prototype of the article,
immersing the structure in an etchant to remove the support , the method comprising:
In the step of three-dimensional additive manufacturing, the structure is shaped so that the edges of the support form a plurality of tooth shapes or corrugations so that each edge of the support is connected to the master only at its vertices. and arranging to form a.
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