JP7419665B2

JP7419665B2 - 金属部品の積層造形方法

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Publication number: JP7419665B2
Application number: JP2019064268A
Authority: JP
Inventors: 晶牛; 孝介桑原
Original assignee: Proterial Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2024-01-23
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: JP2020164890A

Description

本発明は、オーバーハング部を有する金属部品の３Ｄ積層造形法による造形方法に関する。

金属粉末を用いる積層造形法にレーザ溶融法(Selective Laser Melting, SLM)がある。ＳＬＭ法は金属粉末層の形成とその粉末にレーザ光を照射して、領域内の金属粉末の溶融・凝固させることを繰り返すことによって金属部品を形成することができる。

ＳＬＭ法を用いてオーバーハング部を有する金属部品を積層造形すると、オーバーハング部を下から支持するのは溶融・凝固していない金属粉末層であるため、オーバーハング部を形成する溶融・凝固部が本来の位置に留まることができずオーバーハング部の平坦度が低下していた。

そこでＳＬＭ法を用いてオーバーハング部を有する金属部品を積層造形する際、オーバーハング部を支持するサポート部材を金属部品と共に積層造形する必要がある。その後、サポート部材を手作業で除去し更にオーバーハング部の平坦度を高めるために残留サポート部材の除去加工も必要である。サポート部材の量を多く付与すると、オーバーハング部の平坦度が良くなるが、サポート部材の除去や加工に要するコストは高くなる。また、サポート部材の量が多いと造形時間が長くなり、粉末原料も多く消費されることによって造形コストは大幅に増加するという問題がある。そこで、造形品のオーバーハング部の平坦度を維持しつつ、サポート部材の量を低減し、かつ容易に除去できる方法が探索されている。

特許文献１は、除去用部材と一体形成されたサポート部材上に、金属部材を一体形成する工程と、一体形成された除去用部材、サポート部材、及び金属部材から、除去用部材を捩ることにより、除去用部材とサポート部材を除去する工程と、を備える金属部材の製造方法を開示し、サポート部材の具体的な構造として１辺が１ｍｍの正方形の断面をもち、壁の厚さが０．１５ｍｍの角柱が隙間なく集合したセル構造のものを例示している（段落００３４、図４）。

非特許文献１は、オーバーハング部の角度と積層状態の関係および除去しやすさを考慮したサポートとしてＺ方向にピン形状を多数配置して造形品を固定するコーンサポート、２方向のクロスハッチの薄いブレードの上に造形品を固定するグリッドサポート、平行する複数の平板の端部で造形品を固定する平行ラインサポート等を開示している。特許文献１および非特許文献１の開示する製造方法およびサポートによればサポート部材の除去作業を容易にすることができるとともに、積層金属部品のオーバーハング部の平坦度も向上する。

特許第６３５８２０６号公報

東京都立産業技術研究センター研究報告，第11号，2016年「金属粉末積層造形におけるモデル形状に対する条件データベースの構築」

特許文献１に開示されている金属部材の製造方法は、手作業でサポートを除去しやすくなるが、金属粉末を層状に敷き詰める際に、それまでに形成したサポート部材の最上部と金属粉末を敷き詰めるためのブレードとが干渉して金属粉末層に隙間が形成されることがあるという課題を有する。オーバーハング部を支持するサポート部材の量が多いため、サポート部材を除去した後の金属部品の表面を平滑化するための加工コストが高いという課題を有する。また、除去用部材を設ける方法は、造形時間や造形コストの増大を招くという課題を有する。非特許文献１には、平行ラインサポート部材は除去しやすくなるが、特許文献１と同様に金属粉末層に隙間が形成されることがあるという課題や、造形部の形状に歪みが発生することがあるという課題を有する。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、金属粉末を層状に敷き詰める際に金属粉末層に隙間が形成されることを防止すること、オーバーハング部を持つ部品の積層造形の際に、オーバーハング部の平坦度を維持すること、及びサポート部材の量を少なくし、容易に除去することができる金属部品の造形方法を提供することを目的とする。

本発明の金属部品の積層造形方法は、金属粉末を所定方向に掃くことにより敷き詰めて金属粉末層を形成する敷詰工程と、前記金属粉末層の表面に区画される金属部品を形成するための第１の領域および前記金属部品のオーバーハング部を下方から支持するサポート部材を形成するための第２の領域内の金属粉末を溶融凝固させる照射工程とを繰り返して前記金属部品を形成する金属部品の積層造形方法であって、
前記敷詰工程において金属粉末を掃く方向と前記第２の領域とが成す角度が４５°未満であり、かつ、前記サポート部材が鉛直方向である積層方向に平行な薄板状であることを特徴とする金属部品の積層造形方法である。

本発明においては、第２の領域どうしが互いに交差して交差部を形成することが好ましい。

本発明においては、交差部を複数個所で形成し、互いに隣接する交差部どうしの距離を２ｍｍ～１０ｍｍとすることが好ましい。

本発明によりオーバーハング部を持つ金属部品の積層造形の際に、オーバーハング部の平坦度を維持するとともに、サポート部材の量を少なくし、容易に除去することができる。

オーバーハング部を有する金属部品をベースプレート上で積層造形する形態を示す斜視図である。図１のＡ－Ａ’断面矢視図である。金属粉末を敷く方向に対するサポート部材を形成するための第２の領域の角度の定義を説明する図である。図２とは別の図１のＡ－Ａ’断面矢視図である。実施例、比較例で積層造形した金属部品の斜視図である。実施例、比較例におけるレーザ照射後の金属粉末層の写真。オーバーハング部のサポート支持面に生じる窪みを説明する模式図と写真である。

以下、本発明を実施するための形態について適宜、図面を使って説明する。本発明は以下の実施形態に限定されない。

本実施形態の金属部品の積層造形方法は、ＳＬＭ法におけるオーバーハング部を持つ金属部品の製造方法である。図１は、本実施形態に係る金属部品の積層造形方法において、サポート部材及び金属部品を示す斜視図である。図３はサポートの交差部の定義を示し、図２及び図４はＡ－Ａ’断面矢視図である。図１に示すように、積層造形するのはオーバーハング部２に２つの脚部３が接続されてコの字形状をした金属部品１である。２つの脚部３がベースプレート４の上面と接触しオーバーハング部２を支える姿勢で金属部品１は積層造形される。本実施形態では、金属部品１の積層造形において、オーバーハング部２が積層造形される間、オーバーハング部２を支えるためにサポート部材１０，２０，３０を形成する。金属部品１およびサポート部材１０，２０，３０の形成方法を説明する。金属部品及びサポート部材の積層造形方法において、図１に示すように、ステンレスのベースプレート４を準備する。ベースプレートの上面は水平面であり、XYZ座標系を導入する。X方向およびY方向が水平方向であり、Z方向は鉛直方向である。

［敷詰工程］
ベースプレート４の上に一層を形成するのに必要な金属粉末より少し多い金属粉末を供給し所定方向にリコータ（図示省略）で掃いて金属粉末を敷き詰めて金属粉末層を形成する。余剰粉末は回収される。金属粉末は、例えば、インコネル718、マルエージング鋼などからガスアトマイズ法や水アトマイズ法やプラズマ回転電極法等で形成した粉末であり、平均粒子径は10～200μｍ程度、金属粉末層の厚さは0.01～0.2ｍｍ程度が好ましい。リコータと呼ばれる粉末層形成機を用いることにより金属粉末を薄く、均一厚さで、かつ緻密に敷き詰めて金属粉末層を形成することができる。

［照射工程］
図２は図１のＡ－Ａ’断面矢視図である。敷詰工程でベースプレート４の上に敷き詰めた金属粉末層の表面に区画される金属部品を形成するための第１の領域１００および／または金属部品のオーバーハング部２を支持するサポート部材１０，２０，３０を形成するための第２の領域２００をレーザ照射して、選択的に溶融・凝固させた造形層を形成する。溶融・凝固させた造形層の形状は金属部品及びサポート部材の断面形状と等しい。
次に、形成された造形層及び未焼結の金属粉末上に、再び敷詰工程と照射工程を実施することにより新たな造形層及び未焼結の金属粉末を積層する。更に敷詰工程と照射工程とを繰り返して金属部品を積層造形する。

金属部品を積層造形する過程でベースプレート４の上に、金属部品１及びそれぞれが薄板状のサポート部材１０，２０，３０が一体的に形成される。第２の領域２００を直線状とし敷詰工程と照射工程とを繰り返すことで積層方向に平行な薄板状のサポート部材１０，２０，３０を形成することができる。第２の領域の形状は任意であり、直線状の他に、例えば、曲線状、折れ線状、線に比べてある程度幅のある長方形形状、又はこれらのうちの２種以上の組み合わせとすることもできる。直線状がサポート部材の量を抑制しやすいため好ましい。曲線状の場合、曲線上の全ての接線と金属粉末を敷く方向との角度を４５°未満とする。

実施形態に係る金属部品の積層造形法におけるサポート部材について図３を用いて更に説明する。図３は図２の一部拡大図である。図３に示すように金属粉末層の表面における金属粉末を敷く方向（矢印Ｘ方向）に対するサポート部材１０，２０すなわち第２の領域２００の角度を交差角θとする。サポート部材１０の交差角をθ_１，サポート部材２０の交差角をθ_２とする。交差角θ_１，交差角θ_２の何れも４５°未満である。交差角θ_１と交差角θ_２は異なる角度であってもよい。交差角θ_１および／またはθ_２が４５°以上になるとサポート部材１０，２０とリコータとが干渉し金属粉末層に隙間ができたり、干渉が著しいときはサポートが破損することもあるため寸法精度の高いサポート部材を造ることができず造形に悪影響を与える。

図３において第２の領域２００，２００どうしは、交差して交差部５を形成する。金属粉末を敷く方向（矢印Ｘ方向）に対して直角方向に互いに隣接する交差部５間の距離Ｄ_１は２ｍｍ～８ｍｍであることが好ましい。サポート部材の量を抑制するには、できるだけ薄く形成することが好ましい。サポート部材の厚さはレーザ照射条件に依存し、適切な厚さ範囲は０．０２ｍｍ～０．４ｍｍである。０．０２ｍｍ未満ではサポート強度が弱いため、オーバーハング部を支えなくなり、０．４ｍｍを超えるとサポート強度が強すぎるために造形後の除去が困難となる。このような構造とすることによりサポート部材１０，２０，３０に高い剛性を付与し、オーバーハング部２を支持することができる。また、オーバーハング部を支えるサポート部材の量が大幅に減少する。サポート部材20を容易に除去することができる。

サポート部材の別形態を図４に示す。図４は図２とは別の図１のＡ－Ａ’断面矢視図である。サポートの交差部５は金属部品のオーバーハング部２の端部に位置している。金属粉末を敷く方向（矢印Ｘ方向）に対して直角方向に互いに隣接する交差部５間の距離Ｄ_２は２ｍｍ～８ｍｍであることが好ましい。このような場合でも、サポート部材の量は大幅に減少ができ、容易に除去することができる。

（実施例１）
本実施例で積層造形した金属部品の斜視図と寸法を図５に示す。金属部品の形状は図１のコの字形状をした金属部品と同形状であり、サポート部材の構造は図２で説明したものと同様とした。積層造形機はEOS社製M290である。積層造形用ベースプレートはS45C製でサイズは250mm×250mm×35mmである。

ベースプレート４上に、リコータ（図示省略）を用いてインコネル718の金属粉末（平均粒子径40μｍ）を図３の矢印Ｘ方向に掃くことにより０．０４ｍｍの厚さで緻密に敷き詰めて金属粉末層を形成した（敷詰工程）。

そして、金属粉末層の表面に区画される金属部品１を形成するための第１の領域１００および金属部品のオーバーハング部２を支持するサポート部材１０，２０，３０を形成するための第２の領域２００をレーザ照射して、選択的に溶融・凝固させた造形層を形成した。第２の領域の交差角度θ_１，θ_２は何れも１０°とした（照射工程）。

敷詰工程と照射工程を繰り返すことにより図５の金属部品を積層造形した。第２の領域２００は直線状であり、形成されるサポート部材は積層方向に平行で厚さ０．１ｍｍの薄板状とした。交差部５，５間の距離Ｄ_１は２ｍｍとした。

［敷き詰め性］
積層造形の途中の段階で、レーザ照射後の金属粉末層に生じる隙間の有無から敷き詰め性を評価した。本実施例におけるレーザ照射後の金属粉末層の写真を図６（１）に示す。隙間は認められなかった。隙間の数は金属粉末層の表面であって第１の領域の全てと第２の領域の全てを含む領域を目視にて確認した。隙間数０～１箇所を○、隙間数２～４箇所を△、隙間数５箇所以上を×として表１に示す。

［平坦度］
オーバーハング部のサポート支持面の平坦度を評価した。積層造形した金属部品をベースプレートから取り外し、未焼結金属粉末を取り除き、サポート部材を除去した。平坦度は窪みの有無で評価した。窪みの有無は光学式非接触測定機（VR３２００、キーエンス）で深さ分布を色で評価して確認した。本実施例では窪みは認められなかった。窪みの深さが０～０．２ｍｍ範囲を○、深さが０．２ｍｍ超～0.5mm範囲を△として表１に示す。オーバーハング部に評価△の窪みがあっても実用上の問題は無い。

（実施例２）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも２０°としたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間、窪みの何れも認められなかった。

（実施例３）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも３０°としたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間、窪みの何れも認められなかった。

（比較例１）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも４５°としたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間数は２箇所であった。本比較例におけるレーザ照射後の金属粉末層の写真を図６（２）に示す。一部のサポートに沿って隙間が認められる。リコータを用いて金属粉末を敷き詰める際に、リコータとサポートとの接触があり、振動によって隙間ができたものと考えられる。窪みは認められなかった。

（比較例２）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも６０°としたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間数は１９箇所であった。本比較例におけるレーザ照射後の金属粉末層の写真を図６（３）に示す。多くのサポートに沿って隙間が認められる。比較例１と同様の原因で隙間ができたと考えられる。窪みは認められたが実用上の問題はなかった。オーバーハング部のサポート支持面の模式図を図７（ａ）に示す。サポート部材の痕跡１１，２１，３１に囲まれる領域に窪み５０が生じていることがある。窪みの一例の写真を図７（ｂ）に示す。サポート部材の痕跡１１の間の黒ずんで見える箇所が窪み５０である。深さ0.5ｍｍを超える窪みが生じるとサポート部材のオーバーハング部支持機能が不十分と判断される。

（実施例4）
交差部５，５間の距離Ｄ_１を３ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間、窪みの何れも認められなかった。

（実施例5）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも２０°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を３ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間、窪みの何れも認められなかった。

（実施例6）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも３０°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を３ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間、窪みの何れも認められなかった。

（比較例3）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも４５°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を３ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間数は３箇所であった。一部のサポートに沿って隙間が認められた。窪みは認められなかった。

（比較例4）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも６０°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を３ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間数は１０箇所であった。多くのサポートに沿って隙間が認められた。窪みは認められた。

（実施例7）
交差部５，５間の距離Ｄ_１を５ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間、窪みの何れも認められなかった。

（実施例8）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも２０°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を５ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間、窪みの何れも認められなかった。

（実施例9）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも３０°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を５ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間、窪みの何れも認められなかった。

（比較例5）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも４５°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を５ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間数は４箇所であった。一部のサポートに沿って隙間が認められた。窪みは認められなかった。

（比較例6）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも６０°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を５ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間数は１３箇所であった。多くのサポートに沿って隙間が認められた。窪みは認められた。

（実施例10）
交差部５，５間の距離Ｄ_１を８ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間、窪みの何れも認められなかった。

（実施例11）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも２０°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を８ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間、窪みの何れも認められなかった。

（実施例12）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも３０°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を８ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間、窪みの何れも認められなかった。

（比較例7）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも４５°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を８ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間数は４箇所であった。一部のサポートに沿って隙間が認められた。窪みは認められなかった。

（比較例8）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも６０°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を８ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間数は１５箇所であった。多くのサポートに沿って隙間が認められた。窪みは認められた。

（実施例13）
交差部５，５間の距離Ｄ_１を１０ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間は認められなかった。窪みは認められた。

（実施例14）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも２０°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を１０ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間は認められなかった。窪みは認められた。

（実施例15）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも３０°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を１０ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間は認められなかった。窪みは認められた。

（比較例9）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも４５°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を１０ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間数は３箇所であった。一部のサポートに沿って隙間が認められた。窪みも認められた。

（比較例10）
第２の領域の交差角度θ_１，θ_２を何れも６０°としたこと及び交差部５，５間の距離Ｄ_１を１０ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様に金属部品を積層造形し、敷き詰め性と平坦度を評価した。隙間数は１１箇所であった。多くのサポートに沿って隙間が認められた。窪みも認められた。

１金属部品
２オーバーハング部
３脚部
４ベースプレート
５交差部
１０，２０，３０サポート部材
１００第１の領域
２００第２の領域

Claims

金属粉末を所定方向に掃くことにより敷き詰めて金属粉末層を形成する敷詰工程と、前記金属粉末層の表面に区画される金属部品を形成するための第１の領域および前記金属部品のオーバーハング部を下方から支持するサポート部材を形成するための第２の領域にレーザ光又は電子ビームを照射して前記第１の領域内および前記第２の領域内の金属粉末を溶融凝固させる照射工程とを繰り返して前記金属部品を形成する金属部品の積層造形方法であって、
前記敷詰工程において金属粉末を掃く方向と前記第２の領域とが成す角度が４５°未満であり、かつ、前記サポート部材が鉛直方向である積層方向に平行な薄板状であることと、
前記第２の領域どうしが互いに交差して交差部を形成すること
を特徴とする金属部品の積層造形方法。
前記交差部を複数個所で形成し、互いに隣接する交差部どうしの距離を２ｍｍ～１０ｍｍとする請求項１に記載の金属部品の積層造形方法。