JPH1088201A

JPH1088201A - レーザ応用粉体成形加工方法

Info

Publication number: JPH1088201A
Application number: JP8238768A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakazawa; 弘中澤
Original assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mitsui Seiki Kogyo Co Ltd
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 1998-04-07

Abstract

(57)【要約】【課題】任意の内外輪郭形状を有する成形品を任意の
材料で高精度に、且つ非切削に成形できるレーザ応用粉
体成形加工方法を提供する。【解決手段】目標成形品を多層の積層体として仮定
し、各層の輪郭形状を求め、任意の材質の粉体を供給し
圧粉した後、この輪郭形状に対応する領域にレーザ光を
照射し、更に全体を圧縮し、その上に順次各層を同一加
工方法によって積重して中間成形品を作りこれを焼結し
て成形品を作る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザを利用した
粉体の成形加工方法に係り、特に、成形型を使用しない
で任意の形状の固形状の成形体を短時間に、且つ高精度
に作るレーザ応用粉体成形加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ラピッドプロトタイピング（Ｒａｐｉｄ
Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，ＲＰと略す）は近年急速の
進歩を遂げてきた。この方法は、特定の型の必要がな
く、切粉の発生もないためＲＰの成形に適するものであ
る。然し乍ら、従来のこの成形方法は光硬化性樹脂や紙
等の非金属材料を素材とするものであり、金属を用いた
ものはなかった。最近では粉末鉄粉に粘結剤を混合しそ
れ等にレーザ光を照射し、その後、焼結して固形化する
成形方法も開発されたが、高精度で緻密性のある任意の
形状の物体を作ることができず、実用化されたものはな
かった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ＲＰの課題としては、
任意の輪郭形状を有する金属製の成形体を高精度に成形
加工することができ、内部の組織が緻密に形成され、各
種の材料の混合体が可能であり、容易に、且つ短時間で
加工ができ、バインダーの残渣や溶媒の残渣による汚染
や組織の品質低下が防止される成形加工を開発すること
が要請される。

【０００４】本発明は、以上の要請に鑑みて創案された
ものであり、形状精度が高く成形作業性がよく短時間で
加工でき、各層も境界が見分けられないほど緻密な組織
となり除去加工のような切削油が不要で切粉の発生もな
く、特別な型を必要とせず、残渣による汚染や品質低下
もなく、任意の輪郭形状の固形体状の金属，セラミック
ス等の成形体が容易に成形加工できるレーザ応用粉体成
形加工方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の目的を
達成するために、任意な内外輪郭形状を有する固形状の
成形体を粉体の圧粉とレーザ光の照射と焼結により成形
加工する方法であって、供給された粉体を圧粉する第１
の手順と、前記物体を多数層（Ｎ層）に分割した第１層
の前記輪郭形状に対応する領域にレーザ光の照射を行な
う第２の手順と、全体を圧縮する第３の手順と、圧縮さ
れた第１層上に粉体を供給し圧粉する第４の手順と、第
２層の前記輪郭形状に対応する領域にレーザ光の照射を
行なう第５の手順と、全体を圧縮する第６の手順を行な
い、更にその上に粉体を供給し圧粉し、順次第３層から
最終層（Ｎ層）までレーザ光の照射，圧縮，粉体供給，
圧粉を繰返し行ない、不要の周辺の粉体を除去してレー
ザ加工された中間成形体を取り出して焼結し成形体を作
るレーザ応用粉体成形加工方法を特徴とする。また、よ
り簡単方法として任意な内外輪郭形状を有する固形状の
成形体を粉体の圧粉とレーザ光の照射と焼結により成形
加工する方法であって、供給された粉体を圧粉する第１
の手順と、前記物体を多数層（Ｎ層）に分割した第１層
の前記輪郭形状に対応する領域にレーザ光の照射を行な
う第２の手順と、第１層上に粉体を供給し圧粉する第３
の手順と、第２層の前記輪郭形状に対応する領域にレー
ザ光の照射を行なう第４の手順と、更にその上に粉体を
供給し圧粉し、順次第３層から最終層までレーザ光の照
射，粉体供給，圧粉を繰返し行ない、不要の粉体を除去
してレーザ加工された物体を取り出して焼結するレーザ
応用粉体成形加工方法を特徴とする。

【０００６】更に具体的に、前記第１層および最終層
は、それ等の前記輪郭形状に対応する領域以外の内面又
は外面の領域にもレーザ光の照射を行なうことを特徴と
し、第ｎ層［ｎ＝１〜Ｎ（分割数）］と第ｎ＋１層との
間に形成される段差部にレーザ光を照射することを特徴
とし、レーザ光の照射が非酸化零囲気内で行なわれるこ
とを特徴とするものである。

【０００７】また、粉体材料が、細粒子のＦｅ，Ｃｕ，
Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｗ等の金属粉体，セラ
ミックス粉体，プラスチック粉体のうちの１つ又は混合
からなることを特徴とする。また、細粒子の粉体が非球
形状のものからなり、前記焼結が、使用された粉体材料
のうちの最高融点以下の温度で行なわれ、粉体材料が、
バインダー及び溶媒を含まないものであることを特徴と
する。

【０００８】また、レーザ光の照射が、前記輪郭形状に
対応の領域外の任意の場所から開始され、続いて前記輪
郭形状に対応する領域に対して行なわれることを特徴と
し、前記物体の輪郭形状に相当する領域が多角形状のも
のからなる場合において、夫々の対辺ごとにレーザ光の
照射を行なうことを特徴とするものである。

【０００９】任意の内外輪郭形状の物体でもこれを多数
の層に分割すれば夫々の層の輪郭は比較的単純なものか
らなり、その輪郭はＮＣ制御機構を有する機械によって
トレースすることは十分に可能である。従って、各層ご
とに物体を形成し、層間を確実に密着させることにより
緻密な成形体を作ることが可能である。また、成形体を
金属で形成するには金属粉体を用いてこれを圧粉し、レ
ーザ光の照射により硬化させることが必要である。そこ
で本発明は各層毎に供給粉体を圧粉し、輪郭形状に対応
する領域をレーザ光で照射し、その後、全体を圧縮して
緻密度と密着性を向上させ、その上に粉体を供給し圧粉
し、次の層の輪郭形状に対応する領域のレーザ光照射を
行ない、更にその後に全体を圧縮して緻密度と密着性の
向上を図るようにする。以上の工程を全体の層について
順次行なった後、焼結により全体を焼くことにより対応
の輪郭の固形状の成形体を作ることができる。なお、レ
ーザ光は前記領域のみを原則として照射するもので熱変
形や反りが少なく、粉体の飛散もない。

【００１０】以上の成形加工法の場合には、レーザ光の
照射後に圧縮工程を入れたが、工程を簡易化するためこ
の圧縮工程を除いてもある程度の精度を有する成形品を
作ることができる。然し乍ら、緻密性，密着性は前者の
方がよい。

【００１１】また、輪郭形状に対応する領域以外の領域
については第１層および最終層のもののみについてレー
ザ光を照射することにより搬送に耐える強度を有する成
形品を作ることができる。また、段差部にもレーザ光を
照射することに高強度の成形体を作ることができる。

【００１２】また、レーザ光の照射を非酸化零囲気内で
行なわせることにより、緻密性の向上が図れる。

【００１３】また、各種の金属やセラミックスを用いて
物体を作ることができ、難削材でもよく、変形の少ない
高強度の物体を作ることができる。

【００１４】粉体は微細な非球形状のものからなり、密
着性の向上が図れる。

【００１５】また、焼結が混合粉体の最低融点で行なわ
れ、溶融金属が内部に浸透し緻密性の向上が図れると共
に、融点が加熱温度以上の材料は製品の骨格を維持でき
る。

【００１６】バインダー及び溶剤を含まないため残渣に
よる汚染や組織変動のない物体を作ることができる。

【００１７】また、レーザ光の照射をまず領域から外れ
た位置から始めるため、レーザ光照射の初工程における
レーザ光量の過不足による焼きムラが領域内に生じな
い。従って、均一の組織の成形体を形成することができ
る。

【００１８】また、多角形状の場合、対辺の部分ごとに
レーザ光の照射を行なうことにより変形が防止される。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明のレーザ応用粉体成
形加工方法の実施の形態を図面を参照して詳述する。図
１４は本発明の加工原理を用いた加工装置の構造の概要
を示す。本発明により成形加工すべき物体を成形体１と
する。ＣＡＤ装置２は、入力された成形体１の全体の目
標輪郭形状を基にしてこれを多数個（Ｎ個）の平行な層
に分割して夫々の層の輪郭形状のパターンを決定する機
能を有する。なお、説明の都合上、Ｎ分割された層の最
下層を第１層とし、最後の第Ｎ層を最終層と称呼し、そ
の途中を第２層，第３層・・・第Ｎ−１層と称す。層の
厚みは例えば０．１乃至１．０［ｍｍ］程度とし、成形
体１の要求精度が高い程、層の厚さを薄くする。図１４
の成形体１の下方の図面は第１層１ａとこれに形成され
るレーザ光照射部１３，１５（図１１）を示す。なお、
本例ではレーザ光照射部１３が輪郭形状に相当する領域
に形成されたレーザ光照射部であり、点線で示したレー
ザ光照射部１５は輪郭形状の内部（外部の場合もある）
に形成されたレーザ光照射部である。ＣＡＤ装置２によ
り各層の輪郭形状のパターンが決められると、この値は
ＮＣ装置３に入力される。ＮＣ装置３はレーザ４を前記
のパターンに基づきコントロールする。

【００２０】レーザ４はここではＣＯ₂レーザを用いて
いるが、ガラスレーザやルビーレーザあるいはＹＡＧレ
ーザ等でもよい。例えば最大出力１０乃至１０００Ｗ程
度のものが適用される。なお、レーザ光は熱源として利
用し、波長や発振モード等は任意である。

【００２１】下部ダイ５にはホッパ６から粉体７が供給
される。下部ダイ５の上方側は上部ダイ８が設けられ
る。上部ダイ８は下部ダイ５内の粉体７を圧縮するもの
である。また、図２，図７に示すように粉体７が供給さ
れた後に一定の厚さにならすならし具２２が必要とな
る。なお、下部ダイ５は図略のＸＹテーブル等にセット
されＸ方向，Ｙ方向に移動し得るようにされる。また、
ＸＹテーブルはＮＣ装置３によりコントロールされる。
なお、前記ＸＹテーブルを固定としレーザ４側を移動す
る構造のものでもよい。また、レーザ４，下部ダイ５，
ホッパ６および上部ダイ８等は気密室９内に収納され、
気密室９は開閉弁１０を介し、例えばアルゴンガスボン
ベ１１に連通する。従って、レーザ光の照射はアルゴン
ガスの非酸化零囲等で行なわれる。なお、非酸化零囲気
はアルゴンガス（Ａｒ）に限らずＮ₂やＣＯ₂あるいはＣ
Ｏ₂−Ｈ₂等が使用される。また、本発明の気密室９内で
レーザ光の照射により成形された中間成形体１Ａは電気
炉１２又はガス炉１２等で焼結される。

【００２２】粉体材料としては、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃ
ｒ，Ｃｏ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｗ等の金属の他、セラミックス
粉，プラスチック粉等が用いられる。溶媒やバインダー
は原則として含有させないが、場合により溶媒やバイン
ダーを加えたグリーンシート状のものを用いてもよい。
しかし、有機溶媒やバインダーは炭素残渣となって焼結
体を汚染し、また、溶媒に水を用いると金属媒体を酸化
して焼結性を低下させるため溶媒やバインダーは極力含
まない方がよい。また、例えば金属は各種の金属を混在
させて粉体７（図１３）を作ってもよく、セラミックス
粉やプラスチック粉と混ぜてもよい。また、Ｃｕは従来
技術では鉄に少量しか混在させられないが本発明では相
当量のＣｕをＦｅに混合させ組織の緻密化，高品質化，
高強度化を図ることもできる。

【００２３】次に、本発明の成形方法の一つの実施の形
態を図１乃至図１３および図１５のフローチャートによ
り説明する。図１５においてＣＡＤステップのステップ
１００，１０１，１０２は前記したとおりＣＡＤ装置２
により実施されるステップであり、このステップにより
前記したように第１層１ａから最終層１Ｎまでのレーザ
光を照射すべき輪郭形状に相当する領域が求められる。
レーザ４はこの輪郭形状に従って自動制御される。

【００２４】図１に製作すべき成形体１の全体外観形状
を示す。成形体１は１〜Ｎの多数層に仮りに分割され、
前記したように各層ごとに輪郭形状のパターンがＮＣ装
置３に記録される。

【００２５】次に、実際の成形加工方法を説明する。ま
ず、図２に示すように粉体７が図１３に示した下部ダイ
５内のピストン２１上に供給される（ステップ２０
０）。なお、もり上った粉体７はならし具２２により平
坦にならされる。次に、図３に示すように上部ダイ８に
より第１層１ａの輪郭形状よりもやや広い面積の部分を
圧粉する（ステップ２０１）。次に、図４に示すよう
に、第１層１ａの輪郭形状に相当する領域にレーザ光を
照射し、レーザ光照射部１３を形成する。なお、このレ
ーザ光の照射は非酸化零囲気内で行なわれる（ステップ
２０２）。次に、図５に示すように上部ダイ８により第
１層１ａの全体を圧縮して図６に示すように圧縮された
第１層１ａを形成する（ステップ２０３）。次に、図１
５のフローチャートに示すように最終層１Ｎになったか
否かをチェックするが（ステップ２０４）、Ｎｏの場
合、即ち、第２層１ｂを成形する必要がある場合にはス
テップ２００に戻り、ピストン２１を下げて図７に示す
ように粉体７が供給される。粉体７はならし具２２によ
りならされる。次に、図８およびステップ２０１に示す
ように上部ダイ８により圧粉が行なわれ、図９およびス
テップ２０２に示すように第２層１ｂの輪郭形状に相当
する領域にレーザ光の照射が行なわれ第２層１ｂのレー
ザ光照射部１４が形成される。次に、図１０およびステ
ップ２０３に示すように上部ダイ８により第１層１ａ，
第２層１ｂの全体が圧縮され、再び最終層か否かのチェ
ックのステップ２０４に入り、ｎｏの場合には引き続き
第３層１ｃの成形加工が同様に行なわれる。以上のステ
ップを繰返し行なってステップ２０４がｙｅｓになった
場合には最終層１Ｎの成形加工が終了したことになる。
また、本例では図１１に示すように上下の層即ち、第１
層１ａと最終層１Ｎのみレーザ光照射されない粉体７の
部分にレーザ光を照射し、レーザ光照射部１５，１６を
形成する（ステップ２０５）。以上により図１１および
図１２に示した中間成形体１Ａが形成され、下部ダイ５
内の不要の粉体７をブラシ等により除去し（ステップ２
０６）中間成形体１Ａを取り出す。次に、図１２および
図１４に示すように電気炉１２又はガス炉１２内で中間
成形体１Ａを焼結する（ステップ２０７）。焼結は非酸
化雰囲気内で行われ、粉体７が混合物の場合には最も融
点の高い金属の融点温度（例えば、１０００℃程度）以
下の温度により行なわれる。焼結終了により図１３に示
すように図１に示した成形体１が完成する。なお、前記
の説明で第１層１ａと最終層１Ｎにレーザ光照射部１
５，１６を形成したのは内部の粉体７が上下面からこぼ
れるのを防止するためである。また、最終ステップ２０
７の焼結により中間成形体１Ａ内の粉体７も焼かれて硬
化される。以上により適宜の強度を有する固体状の成形
体１が製作される。なお、本例では成形体１として単純
な形状の円錐体を採用したが任意の輪郭形状のものでも
勿論よい。また、本例では成形体１は雄型としたが雌型
のものも同様に製作することができる。

【００２６】前記したように、レーザ光の照射は非酸化
雰囲気で基本的には輪郭形状に対応する領域に行なわ
れ、内外部にはレーザ光の照射が特定の層を除いて行な
われない。そのため、残留酸素による金属粉体の酸化は
少なく、且つレーザ光の照射によって層間の組織の不均
一性がなくなり電気炉１２等での焼結では層間の酸化層
が焼結を阻害せず、層間の密着性が高い。レーザ光の照
射を輪郭形状に対応する領域に押えることにより、過熱
による層の変形，反り，層間の剥離あるいは層の表面か
らの粉体材料の飛散がなく、成形精度が高くなる。ま
た、各層の内部は未焼結の粉体のままのため焼結活性が
高く、電気炉１２で均一に焼結される。なお、輪郭形状
に相対する領域におけるレーザ光の照射も実際上、その
領域を完全に溶融させるものではなく、中間成形体１Ａ
の下部ダイ５からの取り出しや搬送が可能な程度にレー
ザ光を照射するので、輪郭形状に対応する領域の形崩れ
や酸化も少ない。また、各層毎に材質を変えることも自
由にできる。

【００２７】粉体としては前記したように、金属，セラ
ミックス，プラスチック等任意のもので採用されるが、
１つ１つの粒子の形状は球体よりも非球体がよい。球体
の場合には層間の密度が粗く、中間体製作時にバラバラ
になり易く、且つヒビの発生の原因となる。これに対し
て非球体の粒子を用いることにより密着性，緻密性が向
上し、層間の粒子がバラバラになることが少なくヒビ等
の発生もない。なお、粒子のサイズは一定ではなくても
よく、大小様々のものをミックスして使用しても勿論よ
い。

【００２８】前記した成形体１の成形方法では各層の輪
郭形状に対応する領域をレーザ光で照射した後、圧縮工
程を入れることに特徴を有するが、本発明の請求項２に
示すように、この工程を除去する成形方法も採用可能で
ある。勿論、前者の方が高品質，高精度の製品を製作す
ることができるが、要求される製品品質，精度およびコ
スト等との関係で圧縮工程を除いた成形方法によって製
品を作成してもよい。

【００２９】図１６は各層間で段差部１７が形成される
中間成形体１Ｂの成形方法の概要を示すものである。層
間に挟まれた粉体７の部分はレーザ光を照射する必要は
ないが、段差部１７は粉体７のままの場合は搬送時に段
差部１７の粉体が飛散する恐れがある。そのため、この
ような輪郭形状の場合は輪郭形状に対応した領域にレー
ザ光照射部１３，１４等を作ると同時に、段差部１７に
もレーザ光を照射し、レーザ光照射部１８等を形成す
る。なお、このレーザ光照射部１８等のレーザ光の照射
エネルギは輪郭形状に対応する領域におけるレーザ光の
照射エネルギよりも少なくてよい。

【００３０】本発明における成形方法は前記したように
任意の形状の成形体に対して適用可能であるが、例え
ば、図１７に示すように傘歯車１９を成形加工すること
もできる。本例では粉体として鉄カルボニルを分解した
純鉄粉を用いた。勿論、バインダーや溶媒は含有させな
い乾燥鉄粉体を用いた。各層の厚さは０．３［ｍｍ］程
度である。図において、中央側の４つの同心円が第１層
の内部へのレーザ光の照射パターンを示し、その周囲の
密の線が傘歯車１９の外輪郭形状に対応する領域への照
射パターンを示す。レーザ光の照射条件は、輪郭形状に
対応する領域に対しては、出力６５［Ｗ］，デューティ
１３［％］のパルス発振で、発振周波数は３００［Ｈ
ｚ］，レーザ光のパワー密度は１．３８×１０⁵［Ｗ／
ｃｍ²］，レーザ４からの照射距離は９５［ｍｍ］，ビ
ームの送り速度は４００［ｍｍ／分］である。また、第
１層の内部のレーザ光の照射条件は、出力２７［Ｗ］の
連続発振で、パワー密度は５．４８×１０³［Ｗ／ｃ
ｍ²］，照射距離は１１０［ｍｍ］，ビームの送り速度
は４００［ｍｍ／分］であり、最終層の内部のレーザ光
の照射条件は、出力１５［Ｗ］の連続発振で、パワー密
度は７．２８×１０⁴［Ｗ／ｃｍ²］，照射距離は１００
［ｍｍ］，ビームの送り速度は４００［ｍｍ／分］であ
る。また、気密室９（図１３等）での残留酸素濃度は約
０．５［％］であった。以上の条件によりレーザ照射加
工された中間成形体を電気炉１２で１０００［℃］で５
分間焼結することにより所望の傘歯車１９を製作するこ
とができた。層間に空孔やキレツが見られず、表面は滑
らかで荒れや穴がなく、反りもない高品質の傘歯車が非
切削の状態で形成された。

【００３１】図１８は本発明におけるレーザ光の照射軌
跡の数例を模式的に示すものである。前記したように、
レーザ光は各層の輪郭形状に対応する領域に照射され、
その軌跡はＮＣ装置３（図１４）によりコントロールさ
れる。然し乍ら、レーザ光の照射の初期において、輪郭
形状に対応する領域の１箇所にレーザ光を当てその位置
から所定の輪郭形状に沿ってレーザ４を移動させると、
前記１箇所の部分にレーザ光の照射過ぎや照射不足が生
じ易く、他の輪郭形状の箇所と異なる条件でレーザ照射
される恐れがある。その結果、高精度の成形加工ができ
なくなる問題点がある。その対策としてレーザ光の初期
の照射点を輪郭形状に対応する領域から外れた位置にセ
ットする方法が採用される。

【００３２】図１８は輪郭形状に対応する領域が円の場
合の実施の形態を示す。レーザ光の照射の初期点２０を
１番とし、レーザ光はこの初期点２０から接線方向に沿
って１番から輪郭形状に対応する領域の２番に移動さ
れ、次に、３番から４番にわたり輪郭形状に対応する領
域を移動する。以上により、前記した問題点は解決され
る。なお、１番から２番のレーザ照射部分は焼結時に消
えて痕跡は残らない。

【００３３】

【発明の効果】

１）本発明の請求項１に記載のレーザ応用粉体成形加工
方法によれば、任意の輪郭形状を有し、且つ任意の材質
からなる成形体を高精度に非除去加工により製作するこ
とができる。このため、従来技術では不可能であった複
雑な形状の成形体が容易に、且つ短時間で製作すること
ができる。また、粉体を複数種類混合して用いることも
できるため、任意の特性を有する成形品の製作が可能に
なる。特に、請求項１の成形方法ではレーザ照射後に圧
縮工程を入れるため、層間の密着性がよく、緻密の内部
組織をもった高品質の成形品を作ることができる。勿
論、非切削のため、切削油が不要で環境汚染もなく、特
別の型も不要で多品種少量生産やプロトタイプの製造に
適し、また、安価に実施できる。２）本発明の請求項２に記載のレーザ応用粉体成形加工
方法によれば、請求項１の成形方法よりも、密度，精度
の点で劣るが、迅速に、且つ安価に製作できる。勿論、
この成形方法によっても任意の形状，材質の成形品を製
作することができる。３）本発明の請求項３および４に記載のレーザ応用粉体
成形加工方法によれば、第１層，最終層および段差部の
粉体の部分にもレーザ照射が行なわれるため、取り扱い
性の向上や強度の向上が図れる。４）本発明の請求項５に記載のレーザ応用粉体成形加工
方法によれば、レーザ光の照射が非酸化零囲気の内で行
なわれるため、より高品質で緻密性のある実用的な成形
品を製作することができる。なお、従来のＲＰでは光硬
化性樹脂や紙を用いていたのでモデルとしては使えた
が、本方式は実際に使用できる製品が得られる。５）本発明の請求項６に記載のレーザ応用粉体成形加工
方法によれば、本発明の成形品は金属，セラミックス，
プラスチック等の任意の粉体を単独又は混合したものか
ら成形されるため、任意の特性を有する成形品を容易に
作ることができる。また、層間の材質を変化させること
も自由にできる。６）本発明の請求項７に記載のレーザ応用粉体成形加工
方法によれば、使用される物体の粒子が非球状のものか
らなり、球体のものに較べて密着性がよく、緻密性が向
上し、高品質，高精度の成形品を得ることができる。７）本発明の請求項８に記載のレーザ応用粉体成形加工
方法によれば、焼結が使用された粉体の材料のうちの最
高の融点以下の温度で行なわれるため、その溶融された
物体が他の粉体間に滲透し、密着性および緻密性が向上
し、高品質，高精度の成形品が製作される。８）本発明の請求項９に記載のレーザ応用粉体成形加工
方法によれば、バインダーや溶媒を必要としないため、
これ等の残渣による汚染が生じない。９）本発明の請求項１０に記載のレーザ応用粉体成形加
工方法によれば、輪郭形状に対応する領域から外れた位
置を初期のレーザ光の照射点とするため、部分的なレー
ザ照射の過不足が発性せず、変形，反りのない高精度の
成形品を作ることができる。１０）本発明の請求項１１に記載のレーザ応用粉体成形
加工方法によれば、前記９）項に記載した効果を有する
と共に、レーザ照射時における反りが生じない描画法が
採用されるため、変形の少ない高品質の成形品を作るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により成形加工される成形体の一例を示
す斜視図。

【図２】本発明の加工方法の第１の手順の１つを示す模
式図。

【図３】本発明の加工方法の第１の手順の１つを示す模
式図。

【図４】本発明の加工方法の第２の手順を示す模式図。

【図５】本発明の加工方法の第３の手順を示す模式図。

【図６】本発明の加工方法の第３の手順を示す模式図。

【図７】本発明の加工方法の第４の手順を示す模式図。

【図８】本発明の加工方法の第４の手順を示す模式図。

【図９】本発明の加工方法の第５の手順を示す模式図。

【図１０】本発明の加工方法の第６の手順を示す模式
図。

【図１１】本発明の加工方法により成形された中間成形
体を示す模式図。

【図１２】本発明の焼結工程と成形品を示す模式図。

【図１３】本発明の成形品を示す斜視図。

【図１４】本発明のレーザ応用粉体成形加工方法の基本
原理を示す模式図。

【図１５】本発明のレーザ応用粉体成形加工方法の実施
の形態の加工方法を説明するためのフローチャート。

【図１６】本発明のレーザ応用粉体成形加工方法の段差
部のレーザ照射を説明するための模式図。

【図１７】本発明のレーザ応用粉体成形加工方法による
傘歯車の成形方法を説明するための平面図。

【図１８】本発明における円状の成形体におけるレーザ
光の照射経路を説明するための模式図。

【符号の説明】

１成形体１ａ第１層１ｂ第２層１Ｎ最終層２ＣＡＤ装置３ＮＣ装置４レーザ５下部ダイ６ホッパ７粉体８上部ダイ９気密室１０開閉弁１１アルゴンガスボンベ１２電気炉又はガス炉１３レーザ光照射部１４レーザ光照射部１５レーザ光照射部１６レーザ光照射部１７段差部１８レーザ光照射部１９傘歯車２０初期点２１ピストン２２ならし具

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【手続補正書】

【提出日】平成８年１１月２０日

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項４

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】更に具体的に、前記第１層および最終層
は、それ等の前記輪郭形状に対応する領域以外の内面又
は外面の領域にもレーザ光の照射を行なうことを特徴と
し、第ｎ層［ｎ＝１〜Ｎ−１］と第ｎ＋１層との間に形
成される段差部にレーザ光を照射することを特徴とし、
レーザ光の照射が非酸化零囲気内で行なわれることを特
徴とするものである。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】また、輪郭形状に対応する領域以外の領域
については第１層および最終層のもののみについてレー
ザ光を照射することにより搬送に耐える強度を有する中
間成形体を作ることができる。また、段差部にもレーザ
光を照射することに高強度の中間成形体を作ることがで
きる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】下部ダイ５にはホッパ６から粉体７が供給
される。下部ダイ５の上方側は上部ダイ８が設けられ
る。上部ダイ８は下部ダイ５内の粉体７を圧縮するもの
である。また、図２，図７に示すように粉体７が供給さ
れた後に一定の厚さにならすならし具２２が必要とな
る。なお、下部ダイ５は図略のＸＹテーブル等にセット
されＸ方向，Ｙ方向に移動し得るようにされる。また、
ＸＹテーブルはＮＣ装置３によりコントロールされる。
なお、前記ＸＹテーブルを固定としレーザ４側でレーザ
ビームを振らせる構造のものでもよい。また、レーザ
４，下部ダイ５，ホッパ６および上部ダイ８等は気密室
９内に収納され、気密室９は開閉弁１０を介し、例えば
アルゴンガスボンベ１１に連通する。従って、レーザ光
の照射はアルゴンガスの非酸化零囲等で行なわれる。な
お、非酸化零囲気はアルゴンガス（Ａｒ）に限らずＮ_２
やＣＯ_２あるいはＣＯ_２−Ｈ_２等が使用される。また、
本発明の気密室９内でレーザ光の照射により成形された
中間成形体１Ａは電気炉１２又はガス炉１２等で焼結さ
れる。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】次に、実際の成形加工方法を説明する。ま
ず、図２に示すように粉体７が図１３に示した下部ダイ
５内のピストン２１上に供給される（ステップ２０
０）。なお、もり上った粉体７はならし具２２により平
坦にならされる。次に、図３に示すように上部ダイ８に
より第１層１ａの輪郭形状よりもやや広い面積の部分を
圧粉する（ステップ２０１）。次に、図４に示すよう
に、第１層１ａの輪郭形状に相当する領域にレーザ光を
照射し、レーザ光照射部１３を形成する。第１層の場合
は必要があれば対応する領域以外の内面又は外面にも照
射し、レーザ光照射部１１３を形成する。なお、このレ
ーザ光の照射は非酸化零囲気内で行なわれる（ステップ
２０２）。次に、図５に示すように上部ダイ８により第
１層１ａの全体を圧縮して図６に示すように圧縮された
第１層１ａを形成する（ステップ２０３）。次に、図１
５のフローチャートに示すように最終層１Ｎになったか
否かをチェックするが（ステップ２０４）、Ｎｏの場
合、即ち、第２層１ｂを成形する必要がある場合にはス
テップ２００に戻り、ピストン２１を下げて図７に示す
ように粉体７が供給される。粉体７はならし具２２によ
りならされる。次に、図８およびステップ２０１に示す
ように上部ダイ８により圧粉が行なわれ、図９およびス
テップ２０２に示すように第２層１ｂの輪郭形状に相当
する領域にレーザ光の照射が行なわれ第２層１ｂのレー
ザ光照射部１４が形成される。次に、図１０およびステ
ップ２０３に示すように上部ダイ８により第１層１ａ，
第２層１ｂの全体が圧縮され、再び最終層か否かのチェ
ックのステップ２０４に入り、ｎｏの場合には引き続き
第３層１ｃの成形加工が同様に行なわれる。以上のステ
ップを繰返し行なってステップ２０４がｙｅｓになった
場合には最終層１Ｎの成形加工が終了したことになる。
また必要がある場合には、本例の図１１に示すように最
終層１Ｎのレーザ光照射されない粉体７の部分にレーザ
光を照射し、レーザ光照射部１６を形成する（ステップ
２０５）。以上により図１１および図１２に示した中間
成形体１Ａが形成され、下部ダイ５内の不要の粉体７を
ブラシ等により除去し（ステップ２０６）中間成形体１
Ａを取り出す。次に、図１２および図１４に示すように
電気炉１２又はガス炉１２内で中間成形体１Ａを焼結す
る（ステップ２０７）。焼結は非酸化雰囲気内で行わ
れ、粉体７が混合物の場合には最も融点の高い金属の融
点温度（例えば、１０００℃程度）以下の温度により行
なわれる。焼結終了により図１３に示すように図１に示
した成形体１が完成する。なお、前記の説明で第１層１
ａと最終層１Ｎにレーザ光照射部１５，１６を形成した
のは内部の粉体７が上下面からこぼれるのを防止するた
めであるが、場合によってははぶくことも可能である。
また、最終ステップ２０７の焼結により中間成形体１Ａ
内の粉体７も焼かれて硬化される。以上により適宜の強
度を有する固体状の成形体１が製作される。なお、本例
では成形体１として単純な形状の円錐体を採用したが任
意の輪郭形状のものでも勿論よい。また、本例では成形
体１は雄型としたが雌型のものも同様に製作することが
できる。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２７】粉粉体としては前記したように、金属，セ
ラミックス，プラスチック等任意のものが採用される
が、１つ１つの粒子の形状は球体よりも非球体がよい。
球体の場合には粒子間の密着度が弱く、中間体製作時に
バラバラになり易く、且つヒビの発生の原因となる。こ
れに対して非球体の粒子を用いることにより密着性，緻
密性が向上し、層間の粒子がバラバラになることが少な
くヒビ等の発生もない。なお、粒子のサイズは一定では
なくてもよく、大小様々のものをミックスして使用して
も勿論よい。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２９】図１６は各層間で段差部１７が形成される
中間成形体１Ｂの成形方法の概要を示すものである。層
間に挟まれた粉体７の部分はレーザ光を照射する必要は
ないが、段差部１７は粉体７のままの場合は搬送時に段
差部１７の粉体が飛散する恐れがある。そのため、この
ような輪郭形状の場合は輪郭形状に対応した領域にレー
ザ光照射部１３，１４等を作ると同時に、段差部１７に
もレーザ光を照射し、レーザ光照射部１８等を形成す
る。なお、このレーザ光照射部１８等のレーザ光の照射
エネルギは輪郭形状に対応する領域におけるレーザ光の
照射エネルギよりも少なくてよい。なお、この成形方法
では図示のように別に用意された台５ａ上に成形して行
くことが望ましい。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３０】本発明における成形方法は前記したように
任意の形状の成形体に対して適用可能であるが、例え
ば、図１７に示すように傘歯車１９を成形加工すること
もできる。本例では粉体として鉄カルボニルを分解した
純鉄粉を用いた。勿論、バインダーや溶媒は含有させな
い乾燥鉄粉体を用いた。各層の厚さは０．３［ｍｍ］程
度である。図において、中央側の４つの同心円が第１層
の内部へのレーザ光の照射パターンを示し、その周囲の
密の線が傘歯車１９の外輪郭形状に対応する領域への照
射パターンを示す。レーザ光の照射条件は、輪郭形状に
対応する領域に対しては、出力６５［Ｗ］，デューティ
比１３［％］のパルス発振で、発振周波数は３００［Ｈ
ｚ］，レーザ光のパワー密度は１．３８×１０^５［Ｗ／
ｃｍ^２］，レーザ４からの照射距離は９５［ｍｍ］，ビ
ームの送り速度は４００［ｍｍ／ｍｉｎ］である。ま
た、第１層の内部のレーザ光の照射条件は、出力２７
［Ｗ］の連続発振で、パワー密度は５．４８×１０
^３［Ｗ／ｃｍ^２］，照射距離は１１０［ｍｍ］，ビーム
の送り速度は４００［ｍｍ／ｍｉｎ］であり、最終層の
内部のレーザ光の照射条件は、出力１５［Ｗ］の連続発
振で、パワー密度は７．２８×１０^４［Ｗ／ｃｍ^２］，
照射距離は１００［ｍｍ］，ビームの送り速度は４００
［ｍｍ／ｍｉｎ］である。また、気密室９（図１４等）
での残留酸素濃度は約０．５［％］であった。以上の条
件によりレーザ照射加工された中間成形体を電気炉１２
で１０００［℃］で５分間焼結することにより所望の傘
歯車１９を製作することができた。層間に空孔やキレツ
が見られず、表面は滑らかで荒れや穴がなく、反りもな
い高品質の傘歯車が非切削の状態で形成された。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３１】図１８は本発明におけるレーザ光の照射軌
跡の数例を模式的に示すものである。前記したように、
レーザ光は各層の輪郭形状に対応する領域に照射され、
その軌跡はＮＣ装置３（図１４）によりコントロールさ
れる。然し乍ら、レーザ光の照射の初期において、輪郭
形状に対応する領域の１箇所にレーザ光を当てその位置
から所定の輪郭形状に沿ってレーザ４を移動させると、
前記１箇所の部分にレーザ光の照射過ぎや照射不足が生
じ易く、他の輪郭形状の箇所と異なる条件でレーザ照射
される恐れがある。その結果、高精度の成形加工ができ
なくなる問題点がある。その対策としてレーザ光の照射
開始点を輪郭形状に対応する領域から外れた位置にセッ
トする方法が採用される。

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３２】図１８は輪郭形状に対応する領域が円の場
合の実施の形態を示す。レーザ光の照射の開始点２０を
１番とし、レーザ光はこの開始点２０から接線方向に沿
って１番から輪郭形状に対応する領域の２番に移動さ
れ、次に、３番から４番にわたり輪郭形状に対応する領
域を移動する。以上により、前記した問題点は解決され
る。なお、１番から２番のレーザ照射部分は焼結時に消
えて痕跡は残らない。

【手続補正１２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３３】

【発明の効果】１）本発明の請求項１に記載のレーザ応用粉体成形加工
方法によれば、任意の輪郭形状を有し、且つ任意の材質
からなる成形体を高精度に非除去加工により製作するこ
とができる。このため、従来技術では不可能であった複
雑な形状の成形体が容易に、且つ短時間で製作すること
ができる。また、粉体を複数種類混合して用いることも
できるため、任意の特性を有する成形品の製作が可能に
なる。特に、請求項１の成形方法ではレーザ照射後に圧
縮工程を入れるため、層間の密着性がよく、緻密な内部
組織をもった高品質の成形品を作ることができる。勿
論、非切削のため、切削油が不要で環境汚染もなく、特
別の型も不要で多品種少量生産やプロトタイプの製造に
適し、また、安価に実施できる。２）本発明の請求項２に記載のレーザ応用粉体成形加工
方法によれば、請求項１の成形方法よりも、密度，精度
の点で劣るが、迅速に、且つ安価に製作できる。勿論、
この成形方法によっても任意の形状，材質の成形品を製
作することができる。３）本発明の請求項３および４に記載のレーザ応用粉体
成形加工方法によれば、第１層，最終層および段差部の
粉体の部分にもレーザ照射が行なわれるため、取り扱い
性の向上や強度の向上が図れる。４）本発明の請求項５に記載のレーザ応用粉体成形加工
方法によれば、レーザ光の照射が非酸化零囲気の内で行
なわれるため、より高品質で緻密性のある実用的な成形
品を製作することができる。なお、従来のＲＰでは光硬
化性樹脂や紙を用いていたのでモデルとしては使えた
が、本方式は実際に使用できる製品が得られる。５）本発明の請求項６に記載のレーザ応用粉体成形加工
方法によれば、本発明の成形品は金属，セラミックス，
プラスチック等の任意の粉体を単独又は混合したものか
ら成形されるため、任意の特性を有する成形品を容易に
作ることができる。また、層間の材質を変化させること
も自由にできる。６）本発明の請求項７に記載のレーザ応用粉体成形加工
方法によれば、使用される物体の粒子が非球状のものか
らなり、球体のものに較べて密着性がよく、緻密性が向
上し、高品質，高精度の成形品を得ることができる。７）本発明の請求項８に記載のレーザ応用粉体成形加工
方法によれば、焼結が使用された粉体の材料のうちの最
高の融点以下の温度で行なわれるため、その溶融された
物体が他の粉体間に滲透し、密着性および緻密性が向上
し、高品質，高精度の成形品が製作される。８）本発明の請求項９に記載のレーザ応用粉体成形加工
方法によれば、バインダーや溶媒を必要としないため、
これ等の残渣による汚染が生じない。９）本発明の請求項１０に記載のレーザ応用粉体成形加
工方法によれば、輪郭形状に対応する領域から外れた位
置を初期のレーザ光の照射点とするため、部分的なレー
ザ照射の過不足が発性せず、変形，反りのない高精度の
成形品を作ることができる。１０）本発明の請求項１１に記載のレーザ応用粉体成形
加工方法によれば、前記９）項に記載した効果を有する
と共に、レーザ照射時における反りが生じない描画法が
採用されるため、変形の少ない高品質の成形品を作るこ
とができる。

【手続補正１３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図４】本発明の加工方法の第２の手順を示す模式図。

【図５】本発明の加工方法の第３の手順を示す模式図。

【図６】本発明の加工方法の第３の手順を示す模式図。

【図７】本発明の加工方法の第４の手順を示す模式図。

【図８】本発明の加工方法の第４の手順を示す模式図。

【図９】本発明の加工方法の第５の手順を示す模式図。

【図１０】本発明の加工方法の第６の手順を示す模式
図。

【図１２】本発明の焼結工程と成形品を示す模式図。

【図１３】本発明の成形品を示す斜視図。

【符号の説明】１成形体１ａ第１層１ｂ第２層１Ｎ最終層２ＣＡＤ装置３ＮＣ装置４レーザ５下部ダイ５ａ台６ホッパ７粉体８上部ダイ９気密室１０開閉弁１１アルゴンガスボンベ１２電気炉又はガス炉１３レーザ光照射部１４レーザ光照射部１５レーザ光照射部１６レーザ光照射部１７段差部１８レーザ光照射部１９傘歯車２０開始点２１ピストン２２ならし具

【手続補正１４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１４】

【手続補正１５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１５】

【手続補正１６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１６】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】任意な内外輪郭形状を有する固形状の成
形体を粉体の圧粉とレーザ光の照射と焼結により成形加
工する方法であって、供給された粉体を圧粉する第１の
手順と、前記物体を多数層（Ｎ層）に分割した第１層の
前記輪郭形状に対応する領域にレーザ光の照射を行なう
第２の手順と、全体を圧縮する第３の手順と、圧縮され
た第１層上に粉体を供給し圧粉する第４の手順と、第２
層の前記輪郭形状に対応する領域にレーザ光の照射を行
なう第５の手順と、全体を圧縮する第６の手順を行な
い、更にその上に粉体を供給し圧粉し、順次第３層から
最終層（Ｎ層）までレーザ光の照射，圧縮，粉体供給，
圧粉を繰返し行ない、不要の周辺の粉体を除去してレー
ザ加工された中間成形体を取り出して焼結し成形体を作
ることを特徴とするレーザ応用粉体成形加工方法。
【請求項２】任意な内外輪郭形状を有する固形状の成
形体を粉体の圧粉とレーザ光の照射と焼結により成形加
工する方法であって、供給された粉体を圧粉する第１の
手順と、前記物体を多数層（Ｎ層）に分割した第１層の
前記輪郭形状に対応する領域にレーザ光の照射を行なう
第２の手順と、第１層上に粉体を供給し圧粉する第３の
手順と、第２層の前記輪郭形状に対応する領域にレーザ
光の照射を行なう第４の手順と、更にその上に粉体を供
給し圧粉し、順次第３層から最終層までレーザ光の照
射，粉体供給，圧粉を繰返し行ない、不要の粉体を除去
してレーザ加工された中間成形体を取り出して焼結し成
形体を作ることを特徴とするレーザ応用粉体成形加工方
法。
【請求項３】前記第１層および最終層は、それ等の前
記輪郭形状に対応する領域以外の内面又は外面の領域に
もレーザ光の照射を行なうことを特徴とする請求項１又
は２に記載のレーザ応用粉体成形加工方法。
【請求項４】第ｎ層［ｎ＝１〜Ｎ（分割数）］と第ｎ
＋１層との間に形成される段差部にレーザ光を照射する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ応用粉
体成形加工方法。
【請求項５】レーザ光の照射が非酸化零囲気内で行な
われることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記
載のレーザ応用粉体成形加工方法。
【請求項６】粉体材料が、細粒子のＦｅ，Ｃｕ，Ｎ
ｉ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｗ等の金属粉体，セラミ
ックス粉体，プラスチック粉体のうちの１つ又は混合か
らなる請求項１乃至５のいずれかに記載のレーザ応用粉
体成形加工方法。
【請求項７】細粒子の粉体が非球形状のものからなる
請求項６に記載のレーザ応用粉体成形加工方法。
【請求項８】前記焼結が、使用された粉体材料のうち
の最高融点以下の温度で行なわれるものである請求項１
乃至７のいずれかに記載のレーザ応用粉体成形加工方
法。
【請求項９】粉体材料が、バインダー及び溶媒を含ま
ないものである請求項１乃至８のいずれかに記載のレー
ザ応用粉体成形加工方法。
【請求項１０】レーザ光の照射が、前記輪郭形状に対
応の領域外の任意の場所から開始され、続いて前記輪郭
形状に対応する領域に対して行なわれることを特徴とす
る請求項１乃至９に記載のレーザ応用粉体成形加工方
法。
【請求項１１】前記物体の輪郭形状に相当する領域が
多角形状のものからなる場合において、夫々の対辺ごと
にレーザ光の照射を行なうことを特徴とする請求項１乃
至１０のいずれかに記載のレーザ応用粉体成形加工方
法。