JP7366529B2 - 造形物の製造方法および造形物 - Google Patents
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Description
無機化合物粉末を含む材料粉末からなる粉末層を形成する工程と、前記粉末層の表面の所定の領域にエネルギービームを照射して前記材料粉末を熔融/凝固させる工程と、を一回または複数回行って造形物を作製する造形物の製造方法であって、
前記材料粉末を熔融/凝固させる工程において、非晶質の割合が多い領域と結晶質の割合が多い領域とを、前記エネルギービームの出力、前記粉末層の表面と前記エネルギービームの焦点との相対位置、および前記エネルギービームのスキャン速度のうち少なくとも一つを変更して作り分けることを特徴とする。
無機化合物の粉末を含む材料粉末からなる粉末層を形成する工程と、前記粉末層の表面の所定の領域にエネルギービームを照射して前記材料粉末を熔融/凝固させる工程と、を一回または複数回行って造形物を作製する造形物の製造方法であって、
前記材料粉末を熔融/凝固させる工程において、前記エネルギービームを一方向に一回走査したときに形成される凝固部の、走査方向に垂直な方向の幅Lと表面からの深さDの比であるD/Lが、1.0より大きくなる条件で前記エネルギービームを照射して、非晶質の割合が多い領域を形成する工程と、前記D/Lが1.0以下となる条件で前記エネルギービームを照射して、結晶質の割合が多い領域を形成する工程とを含むことを特徴とする。
まず、図11を用いて、本実施形態で使用する三次元造形装置100について説明する。
造形テーブル101は、プレート102を装着するためのテーブルで、造形容器103の底面を兼ねている。造形テーブル101は不図示のピンを有しており、プレート102の不図示のピン穴と嵌合させることで、プレート102の位置決めがなされる。また、プレート102は、ネジにより造形テーブル101に固定される構成が好ましい。尚、プレートは、三次元造形物を形成する際の支持台として機能するものであれば、必ずしも板状である必要はなく、造形テーブルへの位置決めや固定方法も、この例には限られない。造形テーブル101は、垂直移動機構104により、垂直方向に移動可能に支持されている。
メモリは、ランダムアクセスメモリ(RAM)やリードオンリーメモリ(ROM)である。記憶装置は、ハードディスクドライブ、ディスクドライブおよび磁気テープドライブなどであり、後述するフローチャートの処理が実現されるプログラムが格納される。
I/Oポートは、外部機器やネットワークと接続され、たとえば三次元造形に必要なデータの入出力を、外部コンピュータとの間で行うことができる。三次元造形に必要なデータとは、作製する造形物の形状データや、造形に用いる材料の情報や、所定の方向に連続する複数の層に分割した1層ごとの焼結層の形状データ、すなわちスライスデータを含む。スライスデータは、外部のコンピュータから受け取っても良いし、造形モデルの形状データに基づいて制御部112内のCPUが作成してメモリに記憶しても良い。
CPUは、記憶装置に格納されたプログラムをメモリに展開して実行することで、三次元造形装置100に後述する各工程の処理を行わせる。
図1に基づいて、造形物の製造方法の全体を説明したのち、本発明の特徴的な部分を説明する。以下で説明する造形物の製造方法の各工程は、CPUが記憶装置に格納されたプログラムをメモリに展開して実行することにより実現される。
本発明で用いる材料粉末は、セラミックス粉末であることが好ましい。ここで、セラミックスとは金属を除く固体状の無機化合物のことであり、固体の結合状態(結晶質または非晶質)は問わない。本明細書において無機化合物とは、水素を除く周期表1族から14族までの元素に、アンチモンおよびビスマスを加えた元素群のうちの1種類以上の元素を含有する酸化物、窒化物、酸窒化物、炭化物、あるいはホウ化物を指す。材料粉末として使用可能なセラミックス粉末としては、金属酸化物、非金属の酸化物、窒化物、フッ化物、ホウ化物、塩化物、硫化物などが挙げられる。材料粉末は1種類の無機化合物により構成されてもよく、2種類以上の無機化合物を混合したものでもよい。また、セラミックス粉末とは、セラミックスを主成分とする粉末を意味し、セラミックス以外の粉末を含むことを排除するものではない。
本発明における粉末層の形成工程の好適な実施形態の一例を説明する。
粉末層形成工程では、無機化合物の粉末を含む材料粉末を用いて粉末層を形成する。基板320の上に一層目の粉末層を形成する工程では、図2(b)に示すように、所定の厚さを有する粉末層302を形成する。二層目以降の粉末層の形成工程では、前の工程で形成された粉末層302および造形部300の上に、新たな粉末層302を形成する(図2(d))。粉末層302の形成方法は特に限定されない。図2(a)に示すようなローラー352やブレード等で層厚を規定しながら、粉末層302を形成するとよい。
本発明における、粉末層の表面の所定の領域にエネルギービームを照射して前記材料粉末を熔融および凝固させる工程(以下、熔融/凝固工程と略称する)について、好適な実施形態に基づいて説明する。
本発明において用いられる基板の材料としては、造形物の製造において通常用いられる金属、セラミックス等の材料から造形物の用途や製造条件等を考慮して適宜選択、使用することができる。
本発明における造形物は、粉末層形成工程と熔融/凝固工程を一回または複数回行って形成され、機械的強度が相対的に高い領域と、機械的強度が相対的に低い領域とを有する。具体的には、造形物の主要部分をその機械的強度が相対的に高くなるように造形し、造形物の加工処理によって除去する部分と除去しない部分との境界部や、除去しない部分の表面部を、その機械的強度が相対的に低くなるように造形する。これにより、造形物の処理工程において造形物の不要部分を効率よく除去することができる。
造形物の処理においては、非造形部の材料粉末を取り除いた上で、造形物に含まれる支持体(不要な部分)を除去する。支持体の除去前に、未凝固の材料粉末を取り除いて回収することで、除去した屑が材料粉末に混入することがないため、回収した材料粉末を粉末層の形成に再利用することができる。不要部分の除去後、表面に付着した加工屑を洗浄等によって取り除けば、処理済の造形物を得ることができる。
本発明における造形物の構造体の80体積%以上は結晶質からなることが好ましい。これにより、機械的強度が高く、耐久性に優れた造形物を得ることができる。エネルギービームの照射の際に、前記エネルギービームの出力、粉末層の表面とビームの焦点との相対位置およびスキャン速度のうち少なくとも一つを照射領域に応じて変更して前記凝固時の冷却速度を遅くすることにより結晶質の割合が多い領域を得ることができる。この場合、造形物の処理によって不要部分を除去した後の造形物の80体積%以上が結晶質となるように造形物を設計し、形成する。構造体中の結晶質の体積率は、造形物断面のX線回折または電子線回折によって導出した結晶質の面積率と同じと考えてよい。
下記実施例1~8は、レーザーのスキャン速度を変更して単位面積当たりの投入熱量を変えることで、結晶質の割合が多い領域と非晶質の割合が多い領域とを作り分けた実施例である。
α-Al2O3粉末、Gd2O3粉末、Tb2O3.5粉末(Tb4O7粉末)を用意し、モル比がAl2O3:Gd2O3:Tb2O3.5=77.4:20.8:1.8となるように各粉末を秤量した。秤量粉末をエタノール溶媒の湿式ボールミルに24時間かけて粉砕混合した後、エタノールを除去して混合粉末(材料粉末)を得た。
最初に、ローラーを用いてアルミナ基板上に前記混合粉末の20μm厚の粉末層を形成した。次いで、YLR-300-SM(商品名;IPGフォトニクスジャパン(株)製)を用いたレーザー加工機を用いてYbファイバーレーザー(λ=1070nm)を粉末層に照射し、混合粉末を熔融/凝固させた。レーザーの出力は30W、照射径は100μmφ、スキャン速度は200mm/sとした。粉末層の表面とレーザーの焦点との相対位置は、基板や粉末層が載るステージ高さによって調整できる。本実施例では、ステージ高さを合焦位置から-1.0mmの位置に設定した。長さ5mmのラインを100μmピッチで並列に50本造形し、約5mm角の正方形の造形部を形成した(図6(a)参照)。次に、造形部を覆うように20μm厚の粉末層をローラーで形成した。前記ラインと直交するような形で前記ラインの真上の粉末層にレーザーを照射し、同様に50本のラインを造形した。このような工程を繰り返して、図6(b)に示すような、基板320の上に計10層分の造形部が一体となった造形物306を形成した。
レーザーのスキャン速度を50mm/sに設定した以外は、実施例1と同様にして造形物を形成した。レーザーの照射条件から単位面積当たりの投入熱量Qを算出したところ、Qは約76[J/mm2]であった。
レーザーのスキャン速度を100mm/sに設定した以外は、実施例1と同様にして造形物を形成した。レーザーの照射条件から単位面積当たりの投入熱量Qを算出したところ、Qは約38[J/mm2]であった。
レーザーのスキャン速度を150mm/sに設定した以外は、実施例1と同様にして造形物を形成した。レーザーの照射条件から単位面積当たりの投入熱量Qを算出したところ、Qは約25[J/mm2]であった。
無機化合物の粉末としてα-Al2O3粉末を用い、Ybレーザーの出力を40W、レーザーのスキャン速度を40mm/sに設定した以外は、実施例1と同様にして造形物を形成した。レーザーの照射条件から単位面積当たりの投入熱量Qを算出したところ、Qは約127[J/mm2]であった。
レーザーのスキャン速度を80mm/sに設定した以外は、実施例5と同様にして造形物を形成した。レーザーの照射条件から単位面積当たりの投入熱量Qを算出したところ、Qは約64[J/mm2]であった。
レーザーのスキャン速度を160mm/sに設定した以外は、実施例5と同様にして造形物を形成した。レーザーの照射条件から単位面積当たりの投入熱量Qを算出したところ、Qは約32[J/mm2]であった。
レーザーのスキャン速度を200mm/sに設定した以外は、実施例5と同様にして造形物を形成した。レーザーの照射条件から単位面積当たりの投入熱量Qを算出したところ、Qは約25[J/mm2]であった。
レーザーのスキャン速度を5mm/sに設定した以外は実施例1と同様にして造形物を形成した。結果として、単位面積当たりの投入熱量が約764[J/mm2]と大きすぎたため、混合粉末の熔融が広範囲に及び、造形精度が著しく低下した。
レーザーのスキャン速度を1000mm/sに設定した以外は実施例1と同様にして造形物を形成した。結果として、単位面積当たりの投入熱量が約4[J/mm2]と小さすぎたため、混合粉末の熔融/凝固が不十分であった。
レーザーのスキャン速度を5mm/sに設定した以外は実施例5と同様にして造形物を形成した。結果として、単位面積当たりの投入熱量が約1019[J/mm2]と大きすぎたため、混合粉末の熔融が広範囲に及び、造形精度が著しく低下した。
レーザーのスキャン速度を1000mm/sに設定した以外は、実施例5と同様にして造形物を形成した。結果として、単位面積当たりの投入熱量が約5[J/mm2]と小さすぎたため、混合粉末の熔融/凝固が不十分であった。
球状α-Al2O3粉末(平均粒径20μm)、球状Gd2O3粉末(平均粒径25μm)、Tb4O7粒子(平均粒径3μm)を用意し、質量比でAl2O3:Gd2O3:Tb4O7=2.10:2.00:0.18となるように各粉末を秤量した。各秤量粉末を乾式ボールミルで30分間混合して混合粉末(材料粉末)を得た。
ステージ高さ、レーザービームの出力、スキャン速度を表2に示した条件に設定し、実施例9と同様にして実施例11~22の造形物の作製および評価を行った。各実施例のD/Lの値と結晶質の割合を表2に示す。
ステージ高さを-7.0mm、レーザービームの出力を20W、スキャン速度を100mm/sとした以外は実施例9と同様にして比較例5の比較用造形物の作製および評価を試みた。その結果、本比較例の条件では材料粉末が十分に熔融せず、ラインの描画および造形物の作製ができなかった。
実施例1~8のように、レーザービームのスキャン速度を変更することで単位面積当たりの投入熱量を調整し、凝固時の冷却速度を制御することで、結晶質と非晶質を作り分けることができる。
301 材料粉末
302 粉末層
304 構造体(造形部)
306 造形物
307 処理済の造形物
Claims (25)
- 無機化合物の粉末を含む材料粉末からなる粉末層を形成する工程と、前記粉末層の表面の所定の領域にエネルギービームを照射して前記材料粉末を熔融/凝固させる工程と、を一回または複数回行って造形物を作製する造形物の製造方法であって、前記材料粉末を熔融/凝固させる工程において、非晶質の割合が多い領域と結晶質の割合が多い領域とを、前記エネルギービームの出力、前記粉末層の表面と前記エネルギービームの焦点との相対位置、および前記エネルギービームのスキャン速度のうち少なくとも一つを変更して作り分けることを特徴とする造形物の製造方法。
- 前記エネルギービームを前記粉末層の表面に対して合焦状態で照射することにより、非晶質の割合が多い領域を形成し、前記エネルギービームを前記粉末層の表面に対して非合焦状態で照射することにより、結晶質の割合が多い領域を形成することを特徴とする請求項1に記載の造形物の製造方法。
- 前記エネルギービームのスキャン速度を相対的に大きくして非晶質の割合が多い領域を形成し、前記エネルギービームのスキャン速度を相対的に小さくして結晶質の割合が多い領域を形成することを特徴とする請求項1に記載の造形物の製造方法。
- 前記エネルギービームの出力を相対的に大きくして非晶質の割合が多い領域を形成し、前記エネルギービームの出力を相対的に小さくして結晶質の割合が多い領域を形成することを特徴とする請求項1に記載の造形物の製造方法。
- 前記エネルギービームを一方向に一回走査したときに形成される凝固部の、走査方向に垂直な方向の幅Lと表面からの深さDの比であるD/Lが1.0よりも大きくなるように、前記エネルギービームの出力、前記粉末層の表面と前記エネルギービームの焦点との相対位置および前記エネルギービームのスキャン速度のうち少なくとも一つを照射領域に応じて変更し、非晶質の割合が多い領域を部分的に形成することを特徴とする請求項1に記載の造形物の製造方法。
- 前記D/Lが1.2以上となるように、前記エネルギービームの出力、前記粉末層の表面と前記エネルギービームの焦点との相対位置および前記エネルギービームのスキャン速度のうち少なくとも一つを照射領域に応じて変更し、非晶質の割合が多い領域を部分的に形成することを特徴とする請求項5に記載の造形物の製造方法。
- 前記エネルギービームを直線状に照射したときに、前記材料粉末の熔融の幅Lと熔融の深さDの比であるD/Lが1.0以下となるように、前記エネルギービームの出力、前記粉末層の表面と前記エネルギービームの焦点との相対位置および前記エネルギービームのスキャン速度のうち少なくとも一つを照射領域に応じて変更し、結晶質の割合が多い領域を部分的に形成することを特徴とする請求項1、5、6のいずれか一項に記載の造形物の製造方法。
- 前記D/Lが0.2以上0.7以下となるように、前記エネルギービームの出力、前記粉末層の表面と前記エネルギービームの焦点との相対位置および前記エネルギービームのスキャン速度のうち少なくとも一つを照射領域に応じて変更し、結晶質の割合が多い領域を部分的に形成することを特徴とする請求項7に記載の造形物の製造方法。
- 所定の領域にエネルギービームを走査しながら照射し、前記エネルギービームの照射位置に無機化合物の粉末を含む材料粉末を供給することにより、造形面の上で前記材料粉末を熔融/凝固させて造形物を作製する造形物の製造方法であって、非晶質の割合が多い領域と結晶質の割合が多い領域とを、前記エネルギービームの出力、前記造形面と前記エネルギービームの焦点との相対位置および前記エネルギービームのスキャン速度のうち少なくとも一つを照射領域に応じて変更して作り分けることを特徴とする造形物の製造方法。
- 前記エネルギービームを、前記造形面で非合焦となるように照射することで、結晶質の割合が多い領域を形成することを特徴とする請求項9に記載の造形物の製造方法。
- 無機化合物の粉末を含む材料粉末からなる粉末層を形成する工程と、前記粉末層の表面の所定の領域にエネルギービームを照射して前記材料粉末を熔融/凝固させる工程と、を一回または複数回行って造形物を作製する造形物の製造方法であって、
前記材料粉末を熔融/凝固させる工程において、前記エネルギービームを一方向に一回走査したときに形成される凝固部の、走査方向に垂直な方向の幅Lと表面からの深さDの比であるD/Lが、1.0より大きくなる条件で前記エネルギービームを照射して、非晶質の割合が多い領域を形成する工程と、前記D/Lが1.0以下となる条件で前記エネルギービームを照射して、結晶質の割合が多い領域を形成する工程とを含むことを特徴とする造形物の製造方法。 - 前記エネルギービームの出力、前記粉末層の表面と前記エネルギービームの焦点との相対位置および前記エネルギービームのスキャン速度のうち少なくとも一つを調整することにより、前記D/Lの値を制御することを特徴とする請求項11に記載の造形物の製造方法。
- 前記D/Lが0.2以上0.7以下となる条件で、前記エネルギービームを照射して、前記粉末層に結晶質の割合が多い領域を形成することを特徴とする請求項11または12に記載の造形物の製造方法。
- 前記D/Lが1.2以上となる条件で前記エネルギービームを照射して、前記粉末層に非晶質の割合が多い領域を形成することを特徴とする請求項11~13のいずれか一項に記載の造形物の製造方法。
- 無機化合物の粉末を含む材料粉末からなる粉末層を形成する工程と、前記粉末層の表面の所定の領域にエネルギービームを照射して前記材料粉末を熔融/凝固させる工程と、を一回または複数回行って造形物を作製する造形物の製造方法であって、
前記材料粉末を熔融/凝固させる工程が、
材料粉末を熔融/凝固させる工程において、結晶質の割合の多い領域を形成するためにレーザー出力、速度、合焦状態の少なくとも一つを設定された第1の走査段階と、
非晶質の割合の多い領域を形成するために前記第1の走査段階とはエネルギービームの出力、造形面とエネルギービームの焦点との相対位置、およびエネルギービームのスキャン速度の少なくとも一つが異なる状態に設定された第2の走査段階と、
を含むことを特徴とする造形物の製造方法。 - 前記造形物が基板に結合した状態で形成され、非晶質の割合が多い領域が、前記造形物と前記基板とを分離する際の切断位置に設けられることを特徴とする請求項1~15のいずれか一項に記載の造形物の製造方法。
- 前記非晶質の割合が多い領域を除去する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1~16のいずれか一項に記載の造形物の製造方法。
- 前記非晶質の割合が多い領域を除去する工程を施した後の造形物は、80体積%以上が結晶質からなることを特徴とする請求項17に記載の造形物の製造方法。
- 前記無機化合物の粉末が、セラミックス粉末を含むことを特徴とする請求項1~18のいずれか一項に記載の造形物の製造方法。
- 前記無機化合物の粉末が、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムと酸化マグネシウムと酸化シリコンのうちの少なくとも2つ、または、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムと第1の希土類酸化物と第2の希土類酸化物のうちの少なくとも2つを含むことを特徴とする請求項1~19のいずれか一項に記載の造形物の製造方法。
- 前記非晶質の割合が多い領域の70体積%以上が非晶質であることを特徴とする請求項1~20のいずれか一項に記載の造形物の製造方法。
- 前記結晶質の割合が多い領域の80体積%以上が結晶質であることを特徴とする請求項1~21のいずれか一項に記載の造形物の製造方法。
- 前記結晶質が、2相以上からなる相分離構造を有することを特徴とする請求項1~22のいずれか一項に記載の造形物の製造方法。
- 前記エネルギービームが、レーザービームまたは電子ビームであることを特徴とする請求項1~23のいずれか一項に記載の造形物の製造方法。
- 無機化合物の粉末を含む材料粉末からなる粉末層を形成する第1のステップと、エネルギービームを照射して前記材料粉末を熔融/凝固させる第2のステップとを、一回または複数回、三次元造形装置に実行させるためのプログラムであって、
造形モデルおよび支持体を含む三次元形状データに、非晶質の割合の多い領域と結晶質の割合の多い領域の情報を付与した三次元形状データを、所定の方向に連続する複数の層に分割して作製されたスライスデータを取得し、
前記スライスデータに基づいて、前記エネルギービームの出力、前記粉末層の表面と前記エネルギービームの焦点との相対位置および前記エネルギービームのスキャン速度のうち少なくとも1つを調整しながら、前記三次元造形装置に前記第1のステップおよび前記第2のステップを実行させることを特徴とするプログラム。
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