JP7396613B2

JP7396613B2 - 積層造形装置、三次元形状造形物に対する加工方法、三次元形状造形物及び金型

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Publication number: JP7396613B2
Application number: JP2019099111A
Authority: JP
Inventors: 浩行千葉
Original assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Current assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2023-12-12
Anticipated expiration: 2039-05-28
Also published as: JP2019209688A

Description

本発明は、粉末材料を焼結又は溶融固化させる造形作業を行うことにより造形される三次元形状造形物に対して加工することができる積層造形装置、三次元形状造形物に対する加工方法、また、その加工方法によって加工された三次元形状造形物、そして、その三次元形状造形物を用いた金型本体と入子から構成される金型で、詳しくは、三次元形状造形物の造形作業中に、三次元形状造形物の所定箇所を加工する積層造形装置や、三次元形状造形物に対する加工方法等に関するものである。

従来から、自動車や、航空・宇宙分野においては、さらなる燃費向上が求められており、内燃機関の効率化や、軽量化の技術が重要とされている。そこで、例えば、金属積層造形は、流路構造等の複雑形状を造形可能なことから、内燃機関周辺部品や、軽量化部品製造のための鋳造、そして、射出成型でのガス抜き機構等といった流路最適化を図る技術が期待されてきている。

ところで、例えば、金属積層造形においては、流路形成に必要な造形孔分解能としては、造形機の仕様にもよるが、φ０．５ｍｍ前後が造形の限界である。しかし、鋳造や射出成形型の分野においてみると、φ０．２ｍｍ以下のガス抜きを使用している例も多く、金属造形によるメリットが活かしきれていないといった問題があった。このように、従来の金属積層技術では、流路最適化となる金属積層造形に対する、例えば、φ０．３ｍｍ以下の小径孔造形は、非常に困難であるため、更なる技術開発が望まれていた。

そこで、例えば、特許文献１には、粉末の層の所定箇所に光ビームを照射して溶融結合させることによって粉末が結合した結合層を形成し、この結合層の上に粉末の層を被覆すると共にこの粉末の所定箇所に光ビームを照射して結合させることによって下の結合層と一体になった結合層を形成し、これを繰り返すことによって複数の結合層が積層一体化された粉末結合体で三次元形状造形物を作成するにあたって、光ビームの照射条件を変えて粉末結合体の密度を部分的に変化させることによって、溶融結合させた部分のうちの密度が低い部分で入口と出口を有する流体経路を形成することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法が開示されている。

つまり、金属積層造形において、レーザー条件を調整する（通常よりエネルギーが低い条件）ことによりポーラス状の構造体を成形し、エア等の経路とする成形型を製作する技術で、この技術によれば、粉末の層に光ビームを照射して粉末が結合した結合層を積層する操作を繰り返す手法で三次元形状造形物の粉末結合体を作製しながら、粉末結合体の内部に流体経路を形成することができるものであり、粉末結合体を作製した後に切削や孔あけ加工を行なう場合のように形状が制限されるようなことなく、最適な形状で自由に流体経路を設計して形成することが可能になるとしている。

また、非特許文献１には、金属積層造形におけるレーザー走査を格子状に行い、その行使間隔を調整することで、メッシュ状の構造体を造形する技術が開示されており、この技術によれば、連続した空洞を造形することが可能とされている。

特許第３４４６７４８号公報

『Koresawa H., Tanaka K., Narahara H.:Low-Energy Injection Molding Process by a Mold with Permeability Fabricated by Additive Manufacturing, International Journal of Automation Technology, 10(1),(2016) 101-105』

しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、エア等の通気性は構造体の密度で調整するが、内部の空洞は、複雑に連結する形状になってしまう。つまり、レーザー条件の調整により、造形体の密度を低下させポーラス状の構造体を成形するため、通気経路が複雑になってしまい、通気度の制御が難しい。また、故意的に造形体の密度を低下させるため、強度に対する懸案がある。

また、非特許文献１に開示されている技術では、レーザーを格子状に照射することで、メッシュ構造を持った構造体を成形する技術であり、直線的な通気経路を有するものである。しかし、成形の性質上、格子部分はレーザースポット径に近い肉厚しか有していないため、強度が高くなく、曲線孔や、斜め孔の成形は困難であり、形状自由度に制限が生じてしまう。また、この技術では、メッシュ構造以外の製作が困難である。

また、従来技術においては、三次元形状造形物の孔輪郭外周部分にレーザーを照射し、孔形状を成形するが、このような小径孔の成形となると、従来の方法では、例えば、金属積層造形の場合、孔周辺部で溶融した金属粉末溶湯の孔形状部への流入、粉末形状による輪郭崩れ、レーザー照射による周辺部への熱影響による孔形状周辺部での粉末固着化によって、小径孔自体が閉塞してしまうという問題が指摘されている。

本発明が解決しようとしている課題は、上述の課題に対応するためのもので、三次元形状造形物の低密度化による強度懸念や、通気度制御の困難性、そして、形状自由度への制約を解決する三次元形状造形物を造形可能とする積層造形装置、三次元形状造形物に対する加工方法、さらに、その加工方法により加工された三次元形状造形物及び、三次元形状造形物を用いた金型本体と入子から構成される金型を提供することにある。

つまり、本発明は、例えば、三次元形状造形物に対する加工をする際、造形用のレーザーを照射する工程の後に、対象箇所における粉末材料が固結している部分（固着形状）と、未固結粉末状態の粉末形状が混在する範囲に高出力（短周期）のレーザーを当て、レーザー照射による蒸発反力を利用して不要な粉末及び固着形状を除去する工程を追加するものである。これにより、例えば、対象箇所が、三次元形状造形物に形成された小径孔であれば、確実に小径孔部分を層として積み重ね、最終的に貫通した小径孔を得ることができる。さらに、造形用のアウトライン走査を用いる工程を追加すると、より対象箇所の加工（例えば、小径孔輪郭（内面）の加工）の精度を上げることができる。

上述の課題を解決するために、本発明は、以下の技術的手段を講じている。
即ち、請求項１記載の発明は、供給された粉末材料に対して造形用光ビームを照射することで、当該粉末材料を焼結又は溶融固化させて層状の造形物を形成する造形作業を繰り返すことにより造形していく三次元形状造形物に対する加工方法において、前記造形作業それぞれの作業中において、前記層状の造形物の所定箇所のうち、前記粉末材料が固結している部分と、未固結状態の粉末材料が混在する範囲における所定箇所に対して、前記造形用光ビームの条件とは異なる加工用の所定条件に調整した加工用光ビームを照射していく工程を含み、前記所定箇所は、前記層状の造形物に形成された小径孔の内面であることを特徴とする三次元形状造形物に対する加工方法である。

さらに、請求項２記載の発明は、供給された粉末材料に対して電子ビームを照射することで、当該粉末材料を焼結又は溶融固化させて層状の造形物を形成する造形作業を繰り返すことにより造形していく三次元形状造形物に対する加工方法において、前記造形作業それぞれの作業中において、前記層状の造形物の所定箇所のうち、前記粉末材料が固結している部分と、未固結状態の粉末材料が混在する範囲における所定箇所に対して、加工用の所定条件に調整した光ビームを照射していく工程を含み、前記所定箇所は、前記層状の造形物に形成された小径孔の内面であることを特徴とする三次元形状造形物に対する加工方法である。

またさらに、請求項３記載の発明は、供給された粉末材料に対して造形用電子ビームを照射することで、当該粉末材料を焼結又は溶融固化させて層状の造形物を形成する造形作業を繰り返すことにより造形する三次元形状造形物に対する加工方法において、前記造形作業それぞれの作業中において、前記層状の造形物の所定箇所のうち、前記粉末材料が固結している部分と、未固結状態の粉末材料が混在する範囲における所定箇所に対して、前記造形用電子ビームの条件とは異なる加工用の所定条件に調整した加工用電子ビームを照射していく工程を含み、前記所定箇所は、前記層状の造形物に形成された小径孔の内面であることを特徴とする三次元形状造形物に対する加工方法である。

続いて、請求項４記載の発明は、請求項１又は２項記載の三次元形状造形物に対する加工方法であって、前記光ビームは、レーザーを用いることを特徴としている。そして、請求項５記載の発明は、請求項１、２、４何れか１項記載の三次元形状造形物に対する加工方法であって、前記光ビームを照射していく工程は、前記光ビーム単体又は、前記光ビームと及び造形用のアウトライン走査を組み合わせることで行われることを特徴としている。

また、請求項６記載の発明は、請求項１～５何れか１項記載の三次元形状造形物に対する加工方法であって、前記造形作業それぞれの作業中において、前記層状の造形物に形成された直径が０．５ｍｍ以下の小径孔に対して加工することを特徴としている。

本発明によれば、例えば、従来の積層造形では成形困難であった小径孔の精度の高い加工が可能となる。また、三次元形状造形物及び三次元形状造形物からなる金型（金型本体と入子から構成される）によれば、三次元形状造形物の低密度化による強度懸念や、通気度制御の困難性、そして、形状自由度への制約を解決することができる。

また、本発明によれば、鋳造や射出成型等の金型において、ガス抜きを今まで以上に最適配置することができ、薄肉軽量化部品を製造することができるようになる。さらに、内燃機関においても、従来製造できなかった構造の製品の実用化ができるようになることから、自動車や航空宇宙分野等において、燃費向上技術に貢献することができる。

本発明に係る積層造形装置の第１の実施形態を示した簡略構成図である。本発明に係る積層造形装置の第２の実施形態を示した簡略構成図である。本発明に係る積層造形装置の第３の実施形態を示した簡略構成図である。本発明に係る積層造形装置のその他の実施形態において用いられる電子ビーム照射装置を示した簡略構成図である。本発明に係る三次元形状造形物に対する加工方法の実施形態における加工の流れを示した概略図で、（ａ）及び（ｂ）は三次元形状造形物の造形作業中の状態を上方から見たもの、（ｃ）及び（ｄ）は三次元形状造形物の造形作業中の状態を示した側断面、（ｅ）は三次元形状造形物に対して光ビームを照射し、小径孔の加工を行っている状態を示した側断面、（ｆ）は三次元形状造形物の小径孔が加工された状態を示した側断面である。本発明に係る三次元形状造形物に対する加工方法の実施形態による実験において用いられた小径孔通気確認用試験片を示したものである。本発明に係る三次元形状造形物に対する加工方法の実施形態による実験において用いられた小径孔通気流量測定治具を示したものである。本発明に係る三次元形状造形物に対する加工方法の実施形態による実験結果と、従来の加工方法による実験結果を示したグラフである。本発明に係る三次元形状造形物に対する加工方法の実施形態において、小径孔形成の成立するレーザー条件範囲を示した図である。本発明に係る三次元形状造形物に対する加工方法の実施形態において、アウトライン走査を併用した際の小径孔形状を示した顕微鏡画像である。本発明に係る三次元形状造形物に対する加工方法の実施形態において、アルミニウム合金（Ａｌ－１２％Ｓｉ合金）での小径孔の加工が可能な高出力のレーザー照射工程におけるレーザー条件範囲を示した図である。本発明に係る三次元形状造形物に対する加工方法の実施形態において、マルエージング鋼での小径孔の加工が可能な高出力のレーザー照射工程におけるレーザー条件範囲を示した図である。本発明に係る三次元形状造形物に対する加工方法の実施形態により加工した小径孔からなるガス抜き経路を有する入子の、鋳造金型における有効性を確認するための実験手段を示す図で、（ａ）は鋳物形状の一例、（ｂ）は鋳造金型の一例である。本発明に係る三次元形状造形物に対する加工方法の実施形態により加工した小径孔からなるガス抜き経路を有する入子の一例図である。本発明に係る三次元形状造形物に対する加工方法の実施形態により加工した小径孔からなるガス抜き経路を有する入子のガス抜き経路のエア流量と鋳物湯先長さの関係を示したグラフである。

続いて、本発明に係る積層造形装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る積層造形装置の第１の実施形態を示した簡略構成図で、図２は、本発明に係る積層造形装置の第２の実施形態を示した簡略構成図、図３は、本発明に係る積層造形装置の第３の実施形態を示した簡略構成図、そして、図４は、本発明に係る積層造形装置のその他の実施形態において用いられる電子ビーム照射装置を示した簡略構成図である。

そして、図５は、本発明に係る三次元形状造形物に対する加工方法の実施形態における加工の流れを示した概略図で、（ａ）及び（ｂ）は三次元形状造形物の造形作業中の状態を上方から見たもの、（ｃ）及び（ｄ）は三次元形状造形物の造形作業中の状態を示した側断面、（ｅ）は三次元形状造形物に対して光ビームを照射し、小径孔の加工を行っている状態を示した側断面、（ｆ）は三次元形状造形物の小径孔が加工された状態を示した側断面である。

また、符号については、１０は積層造形装置、１２は光ビーム発振器、１４は走査ミラー、１６は集光レンズ、１８は粉末供給ユニット、２０は造形用プレートハウジング、２２はスキージ、２４は粉末材料、２６は造形用プレート、２８は造形物、３０はカメラ、３２は造形用ビーム発振器、３４は第１の走査ミラー、３６は第１の集光レンズ、３８は加工用ビーム発振器、４０は第２の走査ミラー、４２は第２の集光レンズ、４４は電子ビーム照射装置、４６はフィラメント、４８はアノード、５０は照射系レンズ群、５２は造形部位、５４は粉末材料、５６は熱影響部、５８は未固結粉末材料、６０は固結粉末材料、６２は粉末依存形状、６４は造形用のレーザー、６６は高出力レーザー、６８は小径孔を示している。

まず、本発明における積層造形装置の第１の実施形態における積層造形装置１０は、図１に示すように、光ビーム発振器１２と、光ビーム発振器１２からの光ビームを所定方向へと誘導する走査ミラー１４（本実施形態では、ガルバノミラーを使用）と、走査ミラー１４により誘導される光ビームを集光する集光レンズ１６とを備えており、光ビーム発振器１２から造形用光ビームを発振し、光ビームを走査ミラー１４と、集光レンズ１６を通じ、供給された粉末材料２４に対して照射することで、粉末材料２４を焼結又は溶融固化させて造形物２８を形成する造形作業を繰り返していくことにより三次元形状の造形物２８を造形するもので、造形作業それぞれの作業中において、造形物２８のうち、粉末材料２４が固結している部分と、未固結状態の粉末材料が混在する範囲における所定箇所に対して加工を行う際には、光ビーム発振器１２から、造形用光ビームの条件とは異なる加工用の所定条件に調整した加工用光ビームを発振し、この光ビームを走査ミラー１４と、集光レンズ１６を通じて、該当箇所に照射していくというものである。

以下、本発明における積層造形装置の第１の実施形態と三次元形状造形物に対する加工方法の実施形態について、詳しく説明する。まず、スキージ２２が、昇降可能な粉末供給ユニット１８から供給される粉末材料２４を造形用プレートハウジング２０に設けられた昇降可能な造形用プレート２６上に薄く敷き詰める（供給する）動作を行う。そして、光ビーム発振器１２から造形用光ビームを発振し、造形用光ビームを走査ミラー１４と、集光レンズ１６を通じ、造形用プレート２６上に供給された粉末材料２４に対して照射することで、粉末材料２４を焼結又は溶融固化させて造形物２８を形成する造形作業が行われる。そして、この造形作業を繰り返していくことで、三次元形状の造形物２８が造形されていく。

次に、繰り返される造形作業それぞれの作業中において、造形物２８のうち、粉末材料２４が固結している部分と、未固結状態の粉末材料が混在する範囲における所定箇所に対して加工を行う際には、光ビーム発振器１２から、造形用光ビームの条件とは異なる加工用の所定条件に調整した加工用光ビームを発振し、この加工用光ビームを走査ミラー１４と、集光レンズ１６を通じて、該当箇所に照射していく。なお、造形用光ビームと、加工用光ビームの切り替えを行う切替手段を設け、所定の造形作業毎に発生する電気信号に基づいて、光ビームの切り替え制御を行うように構成しても良い。

このような構成、加工方法を採用するため、例えば、従来の積層造形では成形困難であった小径孔の精度の高い加工が可能となり、また、その成果物からなる三次元形状造形物や、三次元形状造形物からなる金型本体と入子から構成される金型を用いれば、三次元形状造形物の低密度化による強度懸念や、通気度制御の困難性、そして、形状自由度への制約を解決することが可能となる。なお、所定箇所に光ビームを照射する際には、光ビーム単体で行う他、造形用のアウトライン走査を組み合わせることで、より適確に造形物２８の加工を行うことができる。

また、本実施形態では、カメラ３０が配置されており、粉末材料２４が固結している部分と、造形物２８の境界の加工を行った際の、加工形状を確認するようにするのが好ましい。さらに、カメラ３０に、２色温度測定機能を内蔵させ、２色温度測定により、粉末材料２４が固結している部分と、造形物２８の境界の加工前後の温度分布を計測し、加工時の熱影響を確認するようにし、加工精度の管理を行うようにするのが良い。なお、加工形状の確認用のカメラと、２色温度測定用のカメラを別に設置しても良い。

例えば、図５に一例と示すように、造形物２８に形成された小径孔６８の加工を行う場合には、造形物２８の造形作業中に、造形部位５２に形成された小径孔６８の輪郭内面のうち、造形用のレーザー６４（造形用光ビーム）の照射による熱影響部５６周辺に生じた粉末依存形状６２、そして、孔形状周辺部の未固結粉末材料５８、固結粉末材料６０に対して、（ｃ）に示すように、高出力レーザー６６（加工用光ビーム）を照射することで、これらを除去していく。このようにして、（ｄ）に示すように、造形部位５２に形成された小径孔６８の加工が完了し、続けて造形作業により、造形物２８を積層させていくことにより、加工済みの造形物２８の小径孔６８が貫通した状態にさせることができる。また、このような加工を行えることから、曲線形状の小径孔６８や、造形物２８の表面から内部に向かって所定の角度で傾斜する直線状の小径孔６８も加工することが可能である。

さらに、このような加工を行うことにより、小径孔周辺部で溶融した金属粉末溶湯の孔形状部への流入や、粉末形状による輪郭崩れ、レーザー照射による周辺部への熱影響による孔形状周辺部での粉末固結化による小径孔自体の閉塞を回避できることになる。特に、直径が０．５ｍｍ以下の小径孔に対しても非常に効果が発揮される。なお、本実施形態では、金属積層造形を想定しているが、本積層造形装置や、加工方法は、例えば、樹脂積層造形においても実施できるものである。

続いて、本発明における積層造形装置の第２の実施形態について説明する。本実施形態における積層造形装置１０は、図２に示すように、造形用光ビーム発振器３２と、造形用光ビーム発振器３２からの造形用光ビームを所定方向へと誘導する第１の走査ミラー３４（本実施形態では、ガルバノミラーを使用）と、第１の走査ミラー３４により誘導される造形用光ビームを集光する第１の集光レンズ３６と、さらに、加工用光ビーム発振器３８と、加工用光ビーム発振器３８からの加工用光ビームを所定方向へと誘導する第２の走査ミラー４０（本実施形態では、ガルバノミラーを使用）と、第２の走査ミラー４０により誘導される加工用光ビームを集光する第２の集光レンズ４２と、を備え、造形用光ビーム発振器３２から造形用光ビームを発振し、この造形用光ビームを第１の走査ミラー３４と、第１の集光レンズ３６を通じ、供給された粉末材料４に対して照射することで、粉末材料２４を焼結又は溶融固化させて造形物２８を形成する造形作業を繰り返していくことにより三次元形状の造形物２８を造形するもので、造形作業それぞれの作業中において、造形物２８のうち、粉末材料２４が固結している部分と、未固結状態の粉末材料２４が混在する範囲における所定箇所に対して加工を行う際には、加工用光ビーム発振器３８から、造形用光ビームの条件とは異なる加工用の所定条件に調整した加工用光ビームを発振し、この加工用光ビームを第２の走査ミラー４０と、第２の集光レンズ４２を通じて、所定箇所に照射していくというものである。

次に、本発明における積層造形装置の第２の実施形態と三次元形状造形物に対する加工方法の実施形態について、詳しく説明する。まず、スキージ２２が、昇降可能な粉末供給ユニット１８から供給される粉末材料２４を造形用プレートハウジング２０に設けられた昇降可能な造形用プレート２６上に薄く敷き詰める（供給する）動作を行う。そして、造形用光ビーム発振器３２から造形用光ビームを発振し、光ビームを第１の走査ミラー３４と、第１の集光レンズ３６を通じ、造形用プレート２６上に供給された粉末材料２４に対して照射することで、粉末材料２４を焼結又は溶融固化させて造形物２８を形成する造形作業を行われる。そして、この造形作業を繰り返していくことで、三次元形状の造形物２８が造形されていく。

次に、繰り返される造形作業それぞれの作業中において、造形物２８のうち、粉末材料２４が固結している部分と、未固結状態の粉末材料が混在する範囲における所定箇所に対して加工を行う際には、加工用光ビーム発振器３８から、造形用光ビームの条件とは異なる加工用の所定条件に調整した加工用光ビームを発振し、この加工用光ビームを第２の走査ミラー４０と、第２の集光レンズ４２を通じて、該当箇所に照射していく。なお、造形用光ビーム発振器３２と、加工用光ビーム発振器３８の切り替えを行う切替手段を設け、所定の造形作業毎に発生する電気信号に基づいて、光ビームの切り替え制御を行うように構成しても良い。

続いて、本発明における積層造形装置の第３の実施形態について説明する。本実施形態における積層造形装置１０は、図３に示すように、造形用光ビーム発振器３２と、加工用光ビーム発振器３８と、これら両者の光ビーム発振器からの光ビームを所定方向へと誘導する走査ミラー１４（本実施形態では、ガルバノミラーを使用）と、走査ミラー１４により誘導される光ビームを集光する集光レンズ１６と、を備え、造形用光ビーム発振器３２から造形用光ビームを発振し、造形用光ビームを走査ミラー１４と、集光レンズ１６を通じ、供給された粉末材料２４に対して照射することで、粉末材料２４を焼結又は溶融固化させて造形物２８を形成する造形作業を繰り返していくことにより三次元形状造形物を造形するもので、造形作業それぞれの作業中において、造形物２８のうち、粉末材料２４が固結している部分と、未固結状態の粉末材料２４が混在する範囲における所定箇所に対して加工を行う際には、加工用光ビーム発振器３８から、造形用光ビームの条件とは異なる加工用の所定条件に調整した加工用光ビームを発振し、光ビームを走査ミラー１４と、集光レンズ１６を通じて、所定箇所に照射していくものである。

次に、本発明における積層造形装置の第３の実施形態と三次元形状造形物に対する加工方法の実施形態について、詳しく説明する。まず、スキージ２２が、昇降可能な粉末供給ユニット１８から供給される粉末材料２４を造形用プレートハウジング２０に設けられた昇降可能な造形用プレート２６上に薄く敷き詰める（供給する）動作を行う。そして、造形用光ビーム発振器３２から造形用光ビームを発振し、造形用光ビームを走査ミラー１４と、集光レンズ１６を通じ、造形用プレート２６上に供給された粉末材料２４に対して照射することで、粉末材料２４を焼結又は溶融固化させて造形物２８を形成する造形作業を行われる。そして、この造形作業を繰り返していくことで、三次元形状の造形物２８が造形されていく。

次に、繰り返される造形作業それぞれの作業中において、造形物２８のうち、粉末材料２４が固結している部分と、未固結状態の粉末材料が混在する範囲における所定箇所に対して加工を行う際には、造形用ビーム発信器３２から、加工用光ビーム発振器３８に制御を切り替え、加工用光ビーム発振器３８から、造形用光ビームの条件とは異なる加工用の所定条件に調整した加工用光ビームを発振し、この加工用光ビームを走査ミラー１４と、光レンズ１６を通じて、該当箇所に照射していく。なお、造形用光ビーム発振器３２と、加工用光ビーム発振器３８の切り替えを行う切替手段を設け、所定の造形作業毎に発生する電気信号に基づいて、光ビームの切り替え制御を行うように構成しても良い。

さらに、本発明における積層造形装置のその他の実施形態について説明する。本実施形態における積層造形装置１０は、上記実施形態における造形用光ビーム発信器３２に代わり、電子ビーム照射装置４４を用いて造形物２８の造形を行うもので、図４に示すように、電子ビーム照射装置４４と、光ビーム発振器（図示せず）と、当該光ビーム発振器からの光ビームを所定方向へと誘導する走査ミラー（図示せず）と、当該走査ミラーにより誘導される光ビームを集光する集光レンズ（図示せず）と、を備え、電子ビーム照射装置４４からの電子ビームを供給された粉末材料２４に対して照射することで、粉末材料２４を焼結又は溶融固化させて造形物２８を形成する造形作業を繰り返していくことにより三次元形状造形物を造形するもので、造形作業それぞれの作業中において、造形物２８のうち、粉末材料２４が固結している部分と、未固結状態の粉末材料が混在する範囲における所定箇所に対して加工を行う際には、光ビーム発振器から、加工用の所定条件に調整した光ビームを発振し、当該光ビームを走査ミラーと、集光レンズを通じて、所定箇所に照射していくというものである。

なお、本実施形態における電子ビーム照射装置４４は、図４に示すように、従来から用いられているもので、真空中にて高温に加熱したフィラメント４６から放出される熱電子を、アノード４８において高電圧で加速させ、さらに電磁レンズから構成される照射系レンズ群５０により、細く収束させるものである。

また、その他の本発明における積層造形装置の実施形態として、電子ビーム照射装置４４が、造形用光ビーム発信器３２と、加工用光ビーム発信器３８両者の役割を担う構成や、その構成によりもたらされる加工方法を採用しても良い。

次に、本発明に係る積層造形装置、及び三次元形状造形物の加工方法により小径孔を加工した三次元形状造形物の精度測定のために行った実験について説明する。粉末材料１７－４ＰＨステンレス鋼において、図６に示すような、造形物中心に、φ０．１ｍｍの貫通孔が空いた試験片を造形し、本発明に係る積層造形装置（3DSystems ProX300の場合）、及び三次元形状造形物の加工方法により、高出力のレーザーによる照射で小径孔を加工したものと、加工しないものの貫通孔を通るエア流量の変化を測定した（図７に示す冶具を用いた。）。

その結果を図８に示す。グラフから分かるように、従来の技術では、φ０．１ｍｍの貫通孔はエアが導通していないが、本発明の技術によれば、φ０．１ｍｍの貫通孔はエアが導通し、孔の長さによって、エア流量に変化が生じることが確認できた。

また、小径孔の加工が可能な高出力のレーザー照射工程における条件範囲を図９に示す。レーザー出力４３３～４５１Ｗ、レーザー走査速度０．６～１．５ｍ／ｓの範囲での検証では、エネルギー密度が４．６９～６．７８Ｊ／ｃｍ^２、且つ、レーザー走査速度が０．９～１．３ｍ／ｓの範囲が加工成立範囲であった。また、小径孔の加工精度向上には、造形用のアウトライン走査も併用することが有用であると考える（図１０参照、左図：アウトライン不使用、右図：アウトライン使用）。なお、上記条件範囲は、あくまで一例であり、本発明を限定するものではない。

また、図１１にアルミニウム合金（Ａｌ－１２％Ｓｉ合金）、図１２にマルエージング鋼での小径孔の加工が可能な高出力のレーザー照射工程における条件範囲を示す。材料により小径孔の加工が可能な高出力のレーザー照射工程における条件範囲は異なるが、１７－４ＰＨステンレス鋼以外の材料でも小径孔加工は可能であることが分かる。

さらに、本発明に係る積層造形装置、及び三次元形状造形物の加工方法により加工した鋳造金型における有効性の確認も行った。図１３に鋳物形状及び金型の概略を示す。（ａ）に示すように、鋳物７０は板厚５ｍｍ、一定の平板形状であり、（ｂ）に示すように、鋳物形状の最端部における金型本体７２は、入子構造となっており、その部分に、本発明に係る積層造形装置、及び三次元形状造形物の加工方法により加工したガス抜き機構を有する入子７４を挿入した。

図１４に入子形状を示す。入子７４の下部側内部がガス抜き経路７６となっており、φ０．１ｍｍと、φ０．２ｍｍの小径孔を組み合わせ、経路から抜けるエア流量を調整したものである。また、金型本体７２内部の背圧を測定する背圧測定経路７８も有する。なお、エア流量の指標は、図７に示す冶具を用いて評価した。図１５に、入子ガス抜き経路７６のエア流量と、鋳物湯先長さの関係を示す。エア流量が大きくなると、湯先長さが長くなり、また、鋳造中に吸引を行うと、鋳造性への効果が高いことを確認した。以上より、鋳造における湯回り性にガス抜きが有効であり、そのための、金型へのガス抜き機構付与が重要なものということが明確なものとなった。

１０積層造形装置
１２光ビーム発振器
１４走査ミラー
１６集光レンズ
１８粉末供給ユニット
２０造形用プレートハウジング
２２スキージ
２４粉末材料
２６造形用プレート
２８造形物
３０カメラ
３２造形用ビーム発振器
３４第１の走査ミラー
３６第１の集光レンズ
３８加工用ビーム発振器
４０第２の走査ミラー
４２第２の集光レンズ
４４電子ビーム照射装置
４６フィラメント
４８アノード
５０照射系レンズ群
５２造形部位
５４粉末材料
５６熱影響部
５８未固結粉末材料
６０固結粉末材料
６２粉末依存形状
６４造形用のレーザー
６６高出力レーザー
６８小径孔
７０鋳物
７２金型本体
７４入子
７６入子ガス抜き経路
７８背圧測定経路

Claims

供給された粉末材料に対して造形用光ビームを照射することで、当該粉末材料を焼結又は溶融固化させて層状の造形物を形成する造形作業を繰り返すことにより造形していく三次元形状造形物に対する加工方法において、前記造形作業それぞれの作業中において、前記層状の造形物の所定箇所のうち、前記粉末材料が固結している部分と、未固結状態の粉末材料が混在する範囲における所定箇所に対して、前記造形用光ビームの条件とは異なる加工用の所定条件に調整した加工用光ビームを照射していく工程を含み、前記所定箇所は、前記層状の造形物に形成された直径が０．５ｍｍ以下の小径孔の内面であることを特徴とする三次元形状造形物に対する加工方法。
供給された粉末材料に対して電子ビームを照射することで、当該粉末材料を焼結又は溶融固化させて層状の造形物を形成する造形作業を繰り返すことにより造形していく三次元形状造形物に対する加工方法において、前記造形作業それぞれの作業中において、前記層状の造形物の所定箇所のうち、前記粉末材料が固結している部分と、未固結状態の粉末材料が混在する範囲における所定箇所に対して、加工用の所定条件に調整した光ビームを照射していく工程を含み、前記所定箇所は、前記層状の造形物に形成された直径が０．５ｍｍ以下の小径孔の内面であることを特徴とする三次元形状造形物に対する加工方法。
供給された粉末材料に対して造形用電子ビームを照射することで、当該粉末材料を焼結又は溶融固化させて層状の造形物を形成する造形作業を繰り返すことにより造形する三次元形状造形物に対する加工方法において、前記造形作業それぞれの作業中において、前記層状の造形物の所定箇所のうち、前記粉末材料が固結している部分と、未固結状態の粉末材料が混在する範囲における所定箇所に対して、前記造形用電子ビームの条件とは異なる加工用の所定条件に調整した加工用電子ビームを照射していく工程を含み、前記所定箇所は、前記層状の造形物に形成された直径が０．５ｍｍ以下の小径孔の内面であることを特徴とする三次元形状造形物に対する加工方法。
前記光ビームは、レーザーを用いることを特徴とする請求項１又は２項記載の三次元形状造形物に対する加工方法。
前記光ビームを照射していく工程は、前記光ビーム単体又は、前記光ビームと及び造形用のアウトライン走査を組み合わせることで行われることを特徴とする請求項１、２、４何れか１項記載の三次元形状造形物に対する加工方法。