KR20160123387A - 3차원 형상 조형물의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
"3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분"의 융기를 줄일 수 있는 분말 소결 적층법을 제공한다. 본 발명의 제조 방법은, (ⅰ) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및, (ⅱ) 얻어진 고화층의 위에 새로운 분말층을 형성하고, 그 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 공정에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 교대로 반복하여 행하고, 광 빔의 주사를, 3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분을 광 빔 조사하기 위한 광 빔 주사 A와, 윤곽부보다 안쪽이 되는 3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분을 광 빔 조사하기 위한 광 빔 주사 B로 나누고 있고, 윤곽부에 상당하는 부분에 대한 광 빔의 피크 파워 PA가 내부 영역부에 상당하는 부분에 대한 광 빔의 피크 파워 PB보다 낮아지도록, 광 빔 주사 A와 광 빔 주사 B의 사이에서 상대적으로 피크 파워 P를 조정한다.
Description
본 개시는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 개시는, 분말층으로의 광 빔 조사에 의해 고화층(固化層)을 형성하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법에 관한 것이다.
광 빔을 분말 재료에 조사하는 것을 통해서 3차원 형상 조형물을 제조하는 방법(일반적으로는 「분말 소결 적층법」이라고 칭해진다)은, 종래로부터 알려져 있다. 이러한 방법은, 이하의 공정 (ⅰ) 및 (ⅱ)에 근거하여 분말층 형성과 고체층 형성을 교대로 반복 실시하여 3차원 형상 조형물을 제조한다(특허 문헌 1 또는 특허 문헌 2 참조).
(ⅰ) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하고, 이러한 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정.
(ⅱ) 얻어진 고화층의 위에 새로운 분말층을 형성하고, 마찬가지로 광 빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 공정.
이와 같은 제조 기술에 따르면, 복잡한 3차원 형상 조형물을 단시간에 제조하는 것이 가능하게 된다. 분말 재료로서 무기질의 금속 분말을 이용하는 경우, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 금형으로서 사용할 수 있다. 한편, 분말 재료로서 유기질의 수지 분말을 이용하는 경우, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 각종 모델로서 사용할 수 있다.
분말 재료로서 금속 분말을 이용하고, 그것에 의해 얻어지는 3차원 형상 조형물을 금형으로서 사용하는 경우를 예로 든다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 우선, 스퀴징 블레이드(23)를 움직여 분말(19)을 이송시켜 조형 플레이트(21)상에 소정 두께의 분말층(22)을 형성한다(도 6(a) 참조). 그 다음에, 분말층의 소정 개소에 광 빔 L을 조사하여 분말층으로부터 고화층(24)을 형성한다(도 6(b) 참조). 계속하여, 얻어진 고화층의 위에 새로운 분말층을 형성하여 재차 광 빔을 조사하여 새로운 고화층을 형성한다. 이와 같이 하여 분말층 형성과 고화층 형성을 교대로 반복 실시하면 고화층(24)이 적층되게 되고(도 6(c) 참조), 최종적으로는 적층화한 고화층으로 이루어지는 3차원 형상 조형물을 얻을 수 있다. 최하층으로서 형성되는 고화층(24)은 조형 플레이트(21)와 결합한 상태가 되므로, 3차원 형상 조형물과 조형 플레이트는 일체화물을 이루게 된다. 3차원 형상 조형물과 조형 플레이트의 일체화물은 금형으로서 사용할 수 있다.
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌)
(특허 문헌 1) 일본 특허 공표 평 1-502890호 공보
(특허 문헌 2) 일본 특허 공개 2000-73108호 공보
상기와 같은 분말 소결 적층법에 있어서, 본원 발명자들은, 광 빔의 주사 조건의 여하에 의해 고화층이 융기하는 현상을 찾아냈다. 구체적으로는, 3차원 형상 조형물의 외면부를 이루게 되는, 즉, 3차원 형상 조형물의 외주 윤곽을 이루게 되는 "윤곽부"와, 그것보다 안쪽의 "내부 영역부"로 나누어 광 빔의 주사를 행하면, 주사 조건에 기인한다고 생각되는 융기가 생길 수 있는 것을 찾아냈다. 특히, 효율적인 고화층 형성을 행하도록 고출력으로 광 빔의 고속 주사를 실시하면, 상기 윤곽부에 상당하는 부분에 융기(80)가 생기기 쉬운 것을 알 수 있었다(도 9 참조).
이와 같은 융기(80)는, 효율적인 고화층 형성을 행하도록 "윤곽부에 상당하는 부분" 및 "내부 영역부에 상당하는 부분"의 양쪽에 대하여 고출력으로 광 빔을 고속 주사하는 경우에 특히 현저하게 생길 수 있다.
융기(80)가 일단 생기면, 분말층 형성시에 스퀴징 블레이드(23)가 융기(80)에 충돌하여 분말층 형성이 저해될 수 있다(도 9 참조). 구체적으로는, 스퀴징 블레이드(23)를 이동시켜 분말(19)로부터 분말층을 형성함에 있어서는, 스퀴징 블레이드(23)의 이동이 융기(80)의 존재에 의해 저지될 수 있다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명의 과제는, "3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분"의 융기를 줄일 수 있는 분말 소결 적층법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 양태에서는,
(ⅰ) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 그 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및
(ⅱ) 얻어진 고화층의 위에 새로운 분말층을 형성하고, 그 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 공정
에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 교대로 반복하여 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서,
광 빔의 주사를 「3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분을 광 빔 조사하기 위한 광 빔 주사 A」와 「상기 윤곽부보다 안쪽이 되는 3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분을 광 빔 조사하기 위한 광 빔 주사 B」로 나누고 있고,
윤곽부에 상당하는 부분에 대한 광 빔의 피크 파워 PA가 내부 영역부에 상당하는 부분에 대한 광 빔의 피크 파워 PB보다 낮아지도록, 광 빔 주사 A와 광 빔 주사 B의 사이에서 상대적으로 피크 파워 P를 조정하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법에 따라서 3차원 형상 조형물의 "윤곽부에 상당하는 부분"과 "내부 영역부에 상당하는 부분"의 사이에서 상대적으로 광 빔의 피크 파워 P를 바꾸면 "윤곽부에 상당하는 부분"의 융기를 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법은 「분말층 형성시에 스퀴징 블레이드가 "융기"에 충돌하여 분말층 형성이 저해되는 문제」를 회피할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 양태와 관련되는 개념을 모식적으로 나타낸 도면.
도 2는 광 빔의 파워 프로파일.
도 3은 "피크 파워 PA"와 "3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분의 융기 높이 H"의 상관 관계.
도 4는 본 발명의 임의의 적합한 양태("3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분"에 있어서 복수의 환형 조사 패스가 서로 인접하는 양태)를 모식적으로 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 임의의 적합한 양태("3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분"에 있어서 복수의 직선형 조사 패스가 병렬하는 양태)를 모식적으로 나타낸 도면.
도 6은 분말 소결 적층법에 있어서 절삭 처리를 부가적으로 행하는 광 조형 복합 가공의 프로세스 양태를 모식적으로 나타낸 단면도.
도 7은 광 조형 복합 가공기의 구성을 모식적으로 나타낸 사시도.
도 8은 광 조형 복합 가공기의 일반적인 동작을 나타내는 플로차트.
도 9는 본원 발명자들이 찾아낸 현상을 설명하기 위한 모식도.
도 2는 광 빔의 파워 프로파일.
도 3은 "피크 파워 PA"와 "3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분의 융기 높이 H"의 상관 관계.
도 4는 본 발명의 임의의 적합한 양태("3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분"에 있어서 복수의 환형 조사 패스가 서로 인접하는 양태)를 모식적으로 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 임의의 적합한 양태("3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분"에 있어서 복수의 직선형 조사 패스가 병렬하는 양태)를 모식적으로 나타낸 도면.
도 6은 분말 소결 적층법에 있어서 절삭 처리를 부가적으로 행하는 광 조형 복합 가공의 프로세스 양태를 모식적으로 나타낸 단면도.
도 7은 광 조형 복합 가공기의 구성을 모식적으로 나타낸 사시도.
도 8은 광 조형 복합 가공기의 일반적인 동작을 나타내는 플로차트.
도 9는 본원 발명자들이 찾아낸 현상을 설명하기 위한 모식도.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법을 보다 상세하게 설명한다. 도면에 있어서의 각종 요소의 형태 및 치수는, 어디까지나 예시에 지나지 않고, 실제의 형태 및 치수를 반영하는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서 「분말층」이란, 예컨대 「금속 분말로 이루어지는 금속 분말층」 또는 「수지 분말로 이루어지는 수지 분말층」을 의미하고 있다. 또한 「분말층의 소정 개소」란, 제조되는 3차원 형상 조형물의 영역을 실질적으로 가리키고 있다. 따라서, 이러한 소정 개소에 존재하는 분말에 대하여 광 빔을 조사하는 것에 의해, 그 분말이 소결 또는 용융 고화하여 3차원 형상 조형물을 구성하게 된다. 또한 「고화층」이란, 분말층이 금속 분말층인 경우에는 「소결층」을 의미하고, 분말층이 수지 분말층인 경우에는 「경화층」을 의미하고 있다.
[분말 소결 적층법]
우선, 본 발명의 제조 방법의 전제가 되는 분말 소결 적층법에 대하여 설명한다. 분말 소결 적층법에 있어서 3차원 형상 조형물의 절삭 처리를 부가적으로 행하는 광 조형 복합 가공을 예로서 든다. 도 6은 광 조형 복합 가공의 프로세스 양태를 모식적으로 나타내고 있고, 도 7 및 도 8은 분말 소결 적층법과 절삭 처리를 실시할 수 있는 광 조형 복합 가공기의 주된 구성 및 동작의 플로차트를 각각 나타내고 있다.
광 조형 복합 가공기(1)는, 도 6 및 도 7에 나타내는 바와 같이, 분말층 형성 수단(2), 광 빔 조사 수단(3) 및 절삭 수단(4)을 구비하고 있다.
분말층 형성 수단(2)은, 금속 분말 또는 수지 분말 등의 분말을 소정 두께로 까는 것에 의해 분말층을 형성하기 위한 수단이다. 광 빔 조사 수단(3)은, 분말층의 소정 개소에 광 빔 L을 조사하기 위한 수단이다. 절삭 수단(4)은, 적층화한 고화층의 측면, 즉, 3차원 형상 조형물의 표면을 깎기 위한 수단이다.
분말층 형성 수단(2)은, 도 6에 나타내는 바와 같이, 분말 테이블(25), 스퀴징 블레이드(23), 조형 테이블(20) 및 조형 플레이트(21)를 주로 갖고 이루어진다. 분말 테이블(25)은, 외주가 벽(26)으로 둘러싸인 분말 재료 탱크(28) 내에서 상하로 승강할 수 있는 테이블이다. 스퀴징 블레이드(23)는, 분말 테이블(25)상의 분말(19)을 조형 테이블(20)상으로 제공하여 분말층(22)을 얻을 수 있도록 수평 방향으로 이동할 수 있는 블레이드이다. 조형 테이블(20)은, 외주가 벽(27)으로 둘러싸인 조형 탱크(29) 내에서 상하로 승강할 수 있는 테이블이다. 그리고, 조형 플레이트(21)는, 조형 테이블(20)상에 배치되고, 3차원 형상 조형물의 토대가 되는 플레이트이다.
광 빔 조사 수단(3)은, 도 7에 나타내는 바와 같이, 광 빔 발진기(30) 및 갈바노 미러(31)를 주로 갖고 이루어진다. 광 빔 발진기(30)는, 광 빔 L을 발하는 기기이다. 갈바노 미러(31)는, 발하여진 광 빔 L을 분말층에 스캐닝하는 수단, 즉, 광 빔 L의 주사 수단이다.
절삭 수단(4)은, 도 7에 나타내는 바와 같이, 밀링 헤드(40) 및 구동 기구(41)를 주로 갖고 이루어진다. 밀링 헤드(40)는, 적층화한 고화층의 측면, 즉, 3차원 형상 조형물의 표면을 깎기 위한 절삭 공구이다. 구동 기구(41)는, 밀링 헤드(40)를 소망하는 절삭해야 할 개소로 이동시키는 수단이다.
광 조형 복합 가공기(1)의 동작에 대하여 상술한다. 광 조형 복합 가공기의 동작은, 도 8의 플로차트에 나타내는 바와 같이, 분말층 형성 스텝(S1), 고화층 형성 스텝(S2) 및 절삭 스텝(S3)으로 구성되어 있다. 분말층 형성 스텝(S1)은, 분말층(22)을 형성하기 위한 스텝이다. 이러한 분말층 형성 스텝(S1)에서는, 우선 조형 테이블(20)을 Δt 내리고(S11), 조형 플레이트(21)의 상면과 조형 탱크(29)의 상단면의 레벨 차이가 Δt가 되도록 한다. 그 다음에, 분말 테이블(25)을 Δt 올린 후, 도 6(a)에 나타내는 바와 같이 스퀴징 블레이드(23)를 분말 재료 탱크(28)로부터 조형 탱크(29)로 향해 수평 방향으로 이동시킨다. 이것에 의해, 분말 테이블(25)에 배치되어 있던 분말(19)을 조형 플레이트(21)상으로 이송시킬 수 있고(S12), 분말층(22)의 형성이 행해진다(S13). 분말층을 형성하기 위한 분말 재료로서는, 예컨대 「평균 입경 5㎛~100㎛ 정도의 금속 분말」 및 「평균 입경 30㎛~100㎛ 정도의 나일론, 폴리프로필렌 또는 ABS 등의 수지 분말」을 들 수 있다. 분말층이 형성되면, 고화층 형성 스텝(S2)으로 이행한다. 고화층 형성 스텝(S2)은, 광 빔 조사에 의해 고화층(24)을 형성하는 스텝이다. 이러한 고화층 형성 스텝(S2)에 있어서는, 광 빔 발진기(30)로부터 광 빔 L을 발하고(S21), 갈바노 미러(31)에 의해 분말층(22)상의 소정 개소로 광 빔 L을 스캐닝한다(S22). 이것에 의해, 분말층의 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜, 도 6(b)에 나타내는 바와 같이 고화층(24)을 형성한다(S23). 광 빔 L로서는, 탄산 가스 레이저, Nd : YAG 레이저, 파이버 레이저 또는 자외선 등을 이용하더라도 좋다.
분말층 형성 스텝(S1) 및 고화층 형성 스텝(S2)은, 교대로 반복하여 실시한다. 이것에 의해, 도 6(c)에 나타내는 바와 같이 복수의 고화층(24)이 적층화한다.
적층화한 고화층(24)이 소정 두께에 도달하면(S24), 절삭 스텝(S3)으로 이행한다. 절삭 스텝(S3)은, 적층화한 고화층(24)의 측면, 즉, 3차원 형상 조형물의 표면을 깎기 위한 스텝이다. 밀링 헤드(40)(도 6(c) 및 도 7 참조)를 구동시키는 것에 의해 절삭 스텝이 개시된다(S31). 예컨대, 밀링 헤드(40)가 3㎜의 유효 칼날 길이를 갖는 경우, 3차원 형상 조형물의 높이 방향을 따라 3㎜의 절삭 처리를 행할 수 있으므로, Δt가 0.05㎜이면 60층만큼의 고화층(24)이 적층한 시점에 밀링 헤드(40)를 구동시킨다. 구체적으로는 구동 기구(41)에 의해 밀링 헤드(40)를 이동시키면서, 적층화한 고화층(24)의 측면에 대하여 절삭 처리를 실시하게 된다(S32). 이와 같은 절삭 스텝(S3)이 종료되면, 소망하는 3차원 형상 조형물이 얻어지고 있는지 아닌지의 판단을 행한다(S33). 소망하는 3차원 형상 조형물이 여전히 얻어지고 있지 않은 경우에는, 분말층 형성 스텝(S1)으로 돌아간다. 이후, 분말층 형성 스텝(S1)~절삭 스텝(S3)을 반복 실시하여 고화층(24)의 적층화 및 절삭 처리를 더 실시하는 것에 의해, 최종적으로 소망하는 3차원 형상 조형물을 얻을 수 있다.
[본 발명의 제조 방법]
본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법은, 상술한 분말 소결 적층법에 대하여, 광 빔의 주사 조건에 특징을 갖고 있다.
구체적으로는, 우선 광 빔의 주사를 「3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분을 광 빔 조사하기 위한 광 빔 주사 A」와 「윤곽부보다 안쪽이 되는 3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분을 광 빔 조사하기 위한 광 빔 주사 B」로 나눈다. 도 1에서는 광 빔 주사 A가 부호 "65"로 도시됨과 아울러, 광 빔 주사 B가 부호 "75"로 도시된다. 그리고, 광 빔 주사 A와 광 빔 주사 B의 사이에서 상대적으로 피크 파워 P를 조정한다. 구체적으로는 "윤곽부에 상당하는 부분"에 대한 광 빔 LA의 피크 파워 PA가 "내부 영역부에 상당하는 부분"에 대한 광 빔 LB의 피크 파워 PB보다 낮아지도록 피크 파워 P의 상대적인 조정을 행한다(도 1 참조). 바꿔 말하면, "윤곽부에 상당하는 부분"의 피크 파워 PA를 "내부 영역부에 상당하는 부분"의 피크 파워 PB보다 낮게 한다.
이와 같이 본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법에서는, 광 빔 주사 A와 광 빔 주사 B의 사이에서 상대적으로 광 빔의 주사 조건을 조정한다.
본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법에 따라서 광 빔의 주사 조건을 상대적으로 조정하면, 고화층 형성에 있어서 생길 수 있는 "융기"를 줄일 수 있다. 보다 구체적으로는, "윤곽부에 상당하는 부분"에 대한 피크 파워 PA가 "내부 영역부에 상당하는 부분"에 대한 피크 파워 PB보다 낮아지도록 피크 파워 P를 조정하면, "윤곽부에 상당하는 부분"에 생길 수 있는 융기를 줄일 수 있다. 본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법에 따르면, 3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분과, 그것보다 안쪽이 되는 내부 영역부에 상당하는 부분으로 나누어 광 빔을 주사하는 경우에도, 윤곽부에 상당하는 부분의 융기를 줄일 수 있다.
"윤곽부에 상당하는 부분" 및 "내부 영역부에 상당하는 부분"의 사이에서 마찬가지의 조건으로 광 빔을 주사하는 경우에 있어서는, "윤곽부에 상당하는 부분"에서 과잉량의 분말이 고화에 기여하게 되고, 융기가 생기기 쉬워지는 것이라고 추측된다. 보다 구체적으로 말하면, "윤곽부에 상당하는 부분"에 있어서는, 그 주위에 분말이 보다 많이 존재하기 때문에 과잉량의 분말이 용융하는 경향이 있고, 표면장력에 기인하여 "융기"가 생기기 쉬워지는 것이라고 추측된다.
이 점, 본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법과 같이 「윤곽부에 상당하는 부분의 피크 파워 PA」를 「내부 영역부에 상당하는 부분의 피크 파워 PB」보다 낮게 하면, "과잉량의 분말의 용해"를 회피하는 것이 가능하게 된다. 그러므로, 본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법은, 융기, 특히 "3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분"의 융기를 줄일 수 있고, 결과적으로, 그 후의 분말층(22) 형성시에 스퀴징 블레이드(23)의 이동이 저해되지 않게 된다.
여기서, 본 명세서에 있어서 「윤곽부」는, 3차원 형상 조형물의 외면부를 이루게 되는 외주 윤곽의 부분을 의미하고 있다. 바꿔 말하면, "윤곽부에 상당하는 부분"이란, 분말층에서 규정되는 「제조되는 3차원 형상 조형물의 영역」에 있어서, 그 주연 부분에 상당한다. 「윤곽부」는, "주연 부분 "에 있어서, 폭 치수를 갖는 형태로 파악하더라도 좋고, 예컨대, 3차원 형상 조형물의 가장 바깥 표면으로부터 약 0.01㎜~약 3㎜ 안쪽(수평 방향 안쪽)에 이를 때까지, 바람직하게는 약 0.05㎜~약 0.3㎜ 안쪽(수평 방향 안쪽)에 이를 때까지의 국소적인 영역이 3차원 형상 조형물의 "윤곽부"에 상당한다. 한편, 본 명세서에 있어서 「내부 영역부」란, 3차원 형상 조형물에 있어서 윤곽부보다 안쪽이 되는 중실(中實) 부분을 의미하고 있다. 바꿔 말하면, "내부 영역부에 상당하는 부분"은, 분말층에서 규정되는 「제조되는 3차원 형상 조형물의 영역」에 있어서, 상기 "주연 부분"을 제외한 부분에 상당한다.
또한, 본 명세서에 있어서 「피크 파워 P」란, 도 2에 나타내는 바와 같은 가우스 분포를 갖는 광 빔의 파워 프로파일에 있어서 최대의 파워를 가리키고 있고, 그 단위는 예컨대 [W]이다. 보다 구체적으로 말하면, 도 2의 가우스 분포의 파워 프로파일을 나타내는 이하의 식에 대하여, 피크 파워 P0은, r=0에 있어서의 파워 p(0)에 상당한다(아베 사토시 외 1명, 가나자와대학 대학원 자연과학연구과 시스템창성과학 전공의 박사 논문 「금속 광 조형법 복합 가공법 및 금형에 관한 개발 연구」, 2008년 3월 31일, P52-53).
(P : 광 빔의 파워[W], P0 : 피크 파워[W], r : 집광 반경(스폿 지름/2)[㎜], σ : 표준편차[-], S : 집광 면적[㎟])
본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법은, 광 빔 주사 A와 광 빔 주사 B의 사이에서 상대적으로 피크 파워 P를 조정한다. 구체적으로는 「3차원 형상 조형물의 윤곽부가 되는 부분에 조사하는 광 빔의 피크 파워 PA」를 「3차원 형상 조형물의 내부 영역부가 되는 부분에 조사하는 광 빔의 피크 파워 PB」보다 낮게 한다. 예컨대, 피크 파워 PA를 피크 파워 PB보다 30%~80% 낮게 하는 것이 바람직하고, 40%~70% 낮게 하는 것이 보다 바람직하다.
3차원 형상 조형물의 윤곽부가 되는 부분에 조사하는 광 빔의 피크 파워 PA의 구체적인 값에 대해서는, 「피크 파워 PA와 3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분의 융기 높이 H의 상관 관계」로부터 결정하는 것이 바람직하다. 이것에 대하여 상술한다. 광 빔의 에너지 밀도가 일정하게 되는 조건하에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이 "피크 파워 PA"와 "3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분의 융기 높이 H"는 대략 비례의 관계를 가질 수 있다. 그러므로, 형성해야 할 분말층의 두께(즉, 분말층 형성시에 있어서의 스퀴징 블레이드와 조형 플레이트의 극간 치수 "ha")로부터 피크 파워 PA의 구체적인 값을 결정할 수 있다. 도 3에 나타내는 그래프에 근거하면, "ha"로부터 도출되는 "a점"의 값보다 작은 피크 파워 PA로 광 빔 주사 A를 실시하면, 융기가 생겼다고 하더라도, 그 높이 치수는, 분말층 형성시의 스퀴징 블레이드와 조형 플레이트의 극간 치수보다 작아진다. 그 결과, 분말층 형성시에 스퀴징 블레이드가 "윤곽부의 융기"에 충돌하지 않고, 분말층 형성이 저해되지 않는다.
본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법에서는, 광 빔 주사 A와 광 빔 주사 B의 사이에서 상대적으로 광 빔의 출력을 바꾸는 것에 의해, 피크 파워 P의 상대적인 조정을 행하더라도 좋다. 다시 말해, 피크 파워 PA와 피크 파워 PB의 상대적인 조정은, 광 빔 주사 A와 광 빔 주사 B의 사이에서 광 빔의 출력을 상대적으로 바꾸는 것에 의해 행하더라도 좋다. 구체적으로는, 광 빔 주사 A를 위한 광 빔의 출력 UA를, 광 빔 주사 B를 위한 광 빔의 출력 UB보다 낮게 하는 것에 의해, 피크 파워 PA를 피크 파워 PB보다 낮게 하더라도 좋다.
또한, 피크 파워 PA와 피크 파워 PB의 상대적인 조정은, 광 빔 주사 A와 광 빔 주사 B의 사이에서 광 빔의 스폿 지름을 상대적으로 바꾸는 것에 의해 행하더라도 좋다. 구체적으로는, 광 빔 주사 A를 위한 광 빔의 스폿 지름 DA를, 광 빔 주사 B를 위한 광 빔의 스폿 지름 DB보다 크게 하는 것에 의해, 피크 파워 PA를 피크 파워 PB보다 낮게 하더라도 좋다.
광 빔의 출력을 바꾸는 것 또는 광 빔의 스폿 지름을 바꾸는 것에 의한 피크 파워 P의 상대적인 조정은 비교적 간이한 조작이다. 일반적으로 "3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분"의 융기에 대하여, 어느 정도의 크기의 "융기"가 생길지는 예측하기 어렵고, 이러한 예측하기 어려운 현상을 미리 상정한 다음 3차원 형상 조형물을 설계하는 것은 곤란하게 여겨진다. 이 점, 본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법은, 그와 같이 예측하기 어려운 현상을 상정한 설계 그 자체를 "광 빔의 비교적 간이한 조정"에 의해 생략하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법에서는, 바람직하게는, 광 빔 주사 A에 앞서 광 빔 주사 B가 행해지도록 광 빔의 주사를 행한다. 다시 말해, 「3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분을 광 빔 조사하기 위한 광 빔 주사 B」를 실시한 다음에 「3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분을 광 빔 조사하기 위한 광 빔 주사 A」를 실시하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, "윤곽부에 상당하는 부분"의 주위에서는 광 빔 조사에 있어서 용융되는 분말량이 보다 줄어들게 되어, "윤곽부에 상당하는 부분"의 융기를 효과적으로 줄일 수 있다.
임의의 적합한 양태에서는, 광 빔 주사 A와 광 빔 주사 B의 사이에서 광 빔의 에너지 밀도를 동일하게 하더라도 좋다. 다시 말해, "윤곽부에 상당하는 부분"의 피크 파워 PA가 "내부 영역부에 상당하는 부분"의 피크 파워 PB보다 낮은 조건하에 있어서 "윤곽부에 상당하는 부분"과 "내부 영역부에 상당하는 부분"의 사이에서 광 빔의 에너지 밀도를 동일하게 하더라도 좋다. 이것에 의해, 3차원 형상 조형물의 윤곽부와 내부 영역부의 사이에서 고화층의 밀도(즉, 고화 밀도)를 실질적으로 동일하게 할 수 있다.
덧붙여서, 여기서 말하는 「광 빔의 에너지 밀도」란, 이하의 식으로 나타내어진다.
E[J/㎟] : 에너지 밀도
U[W] : 빔 출력
V[㎜/s] : 주사 속도
D[㎜] : 스폿 지름
"에너지 밀도를 동일하게 하는 양태"는, 3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분의 융기를 줄이면서도, 얻어지는 3차원 형상 조형물에 있어서 윤곽부의 고화 밀도를 내부 영역부의 고화 밀도보다 저하시키지 않고 서로 동일하게 할 수 있다. 또, 분말 재료로서 금속 분말을 이용하는 경우, 「고화 밀도」는 「소결 밀도」에 상당하므로, 이러한 양태는, 3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분의 융기를 줄이면서도, 3차원 형상 조형물의 윤곽부와 내부 영역부에서 소결 밀도를 실질적으로 동일하게 할 수 있다.
본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법에 있어서, 3차원 형상 조형물의 "윤곽부에 상당하는 부분"을 위한 광 빔 주사 A로서는 다양한 양태가 생각된다. 예컨대, 광 빔 주사 A에 있어서, 3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분을 따라서 복수의 환형 조사 패스가 서로 인접하도록 광 빔을 주사하더라도 좋다. 구체적으로는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 광 빔 주사 A(65)로서, "윤곽부에 상당하는 부분"(60)을 따라서 복수의 환형 조사 패스 Mi =1,2,3,…가 서로 인접하게 되도록 광 빔을 주사하더라도 좋다. 다시 말해, "윤곽부에 상당하는 부분"을 따라서 닫히는 것과 같은 형태를 갖는 복수의 조사 패스가 서로 인접하도록 광 빔 주사 A를 실시하더라도 좋다. 이러한 복수의 환형 조사 패스에 대하여 말하면, 「상대적으로 바깥쪽에 위치하는 환형 조사 패스의 광 빔」이 「상대적으로 안쪽에 위치하는 환형 조사 패스의 광 빔」보다 피크 파워 P가 낮아지도록 광 빔의 주사를 행하는 것이 바람직하다. 예컨대 도 4에 나타내는 양태로 말하면, 환형 조사 패스 M1, M2 및 M3에 대한 피크 파워를 각각 PA(M1), PA(M2) 및 PA(M3)으로 하는 경우, PA(M1)<PA(M2)<PA(M3)의 관계가 되도록 광 빔 주사 A를 실시하는 것이 바람직하다. 이와 같이 피크 파워 P를 조정하면, 윤곽부에 상당하는 부분의 융기를 보다 효과적으로 줄일 수 있다.
또한, 광 빔 주사 A에 있어서, 3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분에 있어서 복수의 직선형 조사 패스가 병렬하도록 광 빔을 주사하더라도 좋다. 구체적으로는, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 광 빔 주사 A(65)에 있어서는, "윤곽부에 상당하는 부분"(60)에서 복수의 직선형 조사 패스 Ni =1,2,3…가 병렬하게 되도록 광 빔을 주사하더라도 좋다. 다시 말해, 복수의 직선형 조사 패스가 "윤곽부에 상당하는 부분"을 차지하게 되도록, 광 빔 주사 A를 실시하더라도 좋다. 도 5(a)에 나타내는 양태는, 직선형 조사 패스가 "윤곽부에 상당하는 부분"의 끝에서 끝까지 길게 연장되는 형태를 갖고 있지만, 그것에 한정되지 않고, 도 5(b)에 나타내는 양태와 같이 직선형 조사 패스가 짧은 서브 조사 패스 N′i=1,2,3…로 분단된 형태를 갖고 있더라도 좋다.
"복수의 직선형 조사 패스의 양태"에서는 「상대적으로 바깥쪽에 위치하는 직선형 조사 패스의 광 빔」이 「상대적으로 안쪽에 위치하는 직선형 조사 패스의 광 빔」보다 피크 파워 P가 낮아지도록 광 빔의 주사를 행하는 것이 바람직하다. 예컨대 도 5(a)에 나타내는 양태를 예로 들면, "윤곽부에 상당하는 부분"에 있어서 「상대적으로 바깥쪽에 위치하는 직선형 조사 패스」와 「상대적으로 안쪽에 위치하는 직선형 조사 패스」가 존재하고 있다. 도시하는 양태에서는, "윤곽부에 상당하는 환형 부분" 중 가로 방향 영역(도 5(a)의 "X 영역")에 있어서 「상대적으로 바깥쪽에 위치하는 직선형 조사 패스」와 「상대적으로 안쪽에 위치하는 직선형 조사 패스」가 존재한다("X 영역"은, 그 긴 방향이 직선형 조사 패스의 연장 방향에 상당하는 영역이다). 이와 같은 도 5(a)에 나타내는 양태에서는, 직선형 조사 패스 N1, N2 및 N3에 대한 피크 파워를 각각 PA(N1), PA(N2) 및 PA(N3)으로 하면, PA(N1)<PA(N2)<PA(N3)의 관계가 되도록 광 빔 주사 A를 실시하는 것이 바람직하다. 이와 같이 피크 파워 P를 조정하면, 윤곽부에 상당하는 부분의 융기를 보다 효과적으로 줄일 수 있다. 또, "윤곽부에 상당하는 환형 부분" 중 세로 방향 영역(도 5(a)의 "Y 영역")에 있어서는, 피크 파워 P의 상대적인 변경을 특별히 실시하지 않더라도 좋다. 그러므로, "Y 영역"에서는, 예컨대 도 3에 나타내는 그래프에서 "ha"로부터 도출되는 "a점"의 값보다 작은 피크 파워 PA로 광 빔 주사 A를 실시하더라도 좋다("Y 영역"은, 그 긴 방향이 직선형 조사 패스의 연장 방향에 대하여 직교하는 방향에 상당하는 영역이다).
마지막으로 「3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분」의 광 빔 주사 B에 대하여 부언하여 둔다. 이러한 "내부 영역부에 상당하는 부분"의 광 빔 조사는, 복수의 직선형 조사 패스가 병렬하는 형태로 되어 있더라도 좋다. 다시 말해, 「3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분」에 대하여 실시하는 광 빔 주사 B로서는, 직선적이고 병렬적으로 광 빔을 주사하는, 이른바 래스터 주사를 행하더라도 좋다. 이것에 대하여 더 말하면, 도 5(a) 및 (b)에 나타내는 광 빔 주사 A(65)도 래스터 주사로 파악할 수 있다. 그러므로, 도 5(a) 및 (b)에 나타내는 양태는, 3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분 및 윤곽부에 상당하는 부분의 양쪽에 대하여 래스터 주사를 실시하는 양태라고 할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하여 왔지만, 본 발명의 적용 범위에 있어서의 전형적인 예를 나타낸 것에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은, 상기의 실시 형태로 한정되지 않고, 다양한 변경이 이루어질 수 있는 것을 당업자는 용이하게 이해할 것이다. 예컨대, 본 발명의 제조 방법은, 절삭 처리를 부가적으로 행하는 분말 소결 적층법(도 6 및 도 7 참조)에 대해서만이 아니고, 절삭 처리를 행하지 않는 분말 소결 적층법에 대해서도 마찬가지로 실시할 수 있다.
또, 상술한 바와 같은 본 발명은, 다음의 적합한 양태를 포함하고 있다.
제 1 양태 : (ⅰ) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 그 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및
(ⅱ) 얻어진 고화층의 위에 새로운 분말층을 형성하고, 그 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 공정
에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 교대로 반복하여 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서,
상기 광 빔의 주사를, 상기 3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분을 광 빔 조사하기 위한 광 빔 주사 A와, 그 윤곽부보다 안쪽이 되는 그 3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분을 광 빔 조사하기 위한 광 빔 주사 B로 나누고 있고,
상기 윤곽부에 상당하는 부분에 대한 상기 광 빔의 피크 파워 PA가 상기 내부 영역부에 상당하는 부분에 대한 상기 광 빔의 피크 파워 PB보다 낮아지도록, 상기 광 빔 주사 A와 상기 광 빔 주사 B의 사이에서 상대적으로 피크 파워 P를 조정하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 2 양태 : 상기 제 1 양태에 있어서, 상기 광 빔 주사 A에 앞서 상기 광 빔 주사 B가 행해지도록 상기 광 빔을 주사하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 3 양태 : 상기 제 1 양태 또는 제 2 양태에 있어서, 상기 광 빔 주사 A에 있어서, 상기 윤곽부에 상당하는 부분을 따라서 복수의 환형 조사 패스가 서로 인접하도록 상기 광 빔을 주사하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 4 양태 : 상기 제 1 양태 또는 제 2 양태에 있어서, 상기 광 빔 주사 A에 있어서, 상기 윤곽부에 상당하는 부분에서 복수의 직선형 조사 패스가 병렬하도록 상기 광 빔을 주사하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 5 양태 : 상기 제 1 양태~제 4 양태의 어느 하나에 있어서, 상기 광 빔 주사 A와 상기 광 빔 주사 B의 사이에서 상대적으로 상기 광 빔의 출력을 바꾸는 것에 의해, 상기 피크 파워 P의 상기 상대적인 조정을 행하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 6 양태 : 상기 제 1 양태~제 5 양태의 어느 하나에 있어서, 상기 광 빔 주사 A와 상기 광 빔 주사 B의 사이에서 상대적으로 상기 광 빔의 스폿 지름을 바꾸는 것에 의해, 상기 피크 파워 P의 상기 상대적인 조정을 행하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 7 양태 : 상기 제 1 양태~제 6 양태의 어느 하나에 있어서, 상기 광 빔 주사 A와 상기 광 빔 주사 B의 사이에서 상기 광 빔의 에너지 밀도를 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
(산업상 이용가능성)
본 발명의 일 양태와 관련되는 3차원 형상 조형물의 제조 방법을 실시하는 것에 의해, 다양한 물품을 제조할 수 있다. 예컨대, 「분말층이 무기질인 금속 분말층으로서, 고화층이 소결층이 되는 경우」에서는, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 플라스틱 사출 성형용 금형, 프레스 금형, 다이캐스트 금형, 주조 금형, 단조 금형 등의 금형으로서 이용할 수 있다. 한편, 「분말층이 유기질인 수지 분말층으로서, 고화층이 경화층이 되는 경우」에서는, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 수지 성형품으로서 이용할 수 있다.
(관련 출원의 상호 참조)
본 출원은, 일본 특허 출원 제 2014-43102호(출원일 : 2014년 3월 5일, 발명의 명칭 : 「3차원 형상 조형물의 제조 방법」)에 근거하는 파리 조약상의 우선권을 주장한다. 해당 출원에 개시된 내용은 모두, 이 인용에 의해, 본 명세서에 포함되는 것으로 한다.
22 : 분말층
24 : 고화층
60 : 3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분
65 : 광 빔 주사 A
75 : 광 빔 주사 B
L : 광 빔
LA : "3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분"에 대한 광 빔
LB : "3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분"에 대한 광 빔
PA : "3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분"에 대한 광 빔의 피크 파워
PB : "3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분"에 대한 광 빔의 피크 파워
M1, M2, M3 : 환형 조사 패스
N1, N2, N3(N＇1, N＇2, N＇3) : 직선형 조사 패스
24 : 고화층
60 : 3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분
65 : 광 빔 주사 A
75 : 광 빔 주사 B
L : 광 빔
LA : "3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분"에 대한 광 빔
LB : "3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분"에 대한 광 빔
PA : "3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분"에 대한 광 빔의 피크 파워
PB : "3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분"에 대한 광 빔의 피크 파워
M1, M2, M3 : 환형 조사 패스
N1, N2, N3(N＇1, N＇2, N＇3) : 직선형 조사 패스
Claims (7)
- (ⅰ) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및
(ⅱ) 얻어진 고화층의 위에 새로운 분말층을 형성하고, 상기 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 공정
에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 교대로 반복하여 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서,
상기 광 빔의 주사를, 상기 3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분을 광 빔 조사하기 위한 광 빔 주사 A와, 상기 윤곽부보다 안쪽이 되는 상기 3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분을 광 빔 조사하기 위한 광 빔 주사 B로 나누고 있고,
상기 윤곽부에 상당하는 부분에 대한 상기 광 빔의 피크 파워 PA가 상기 내부 영역부에 상당하는 부분에 대한 상기 광 빔의 피크 파워 PB보다 낮아지도록, 상기 광 빔 주사 A와 상기 광 빔 주사 B의 사이에서 상대적으로 피크 파워 P를 조정하는
것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광 빔 주사 A에 앞서 상기 광 빔 주사 B가 행해지도록 상기 광 빔을 주사하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광 빔 주사 A에 있어서, 상기 윤곽부에 상당하는 부분을 따라서 복수의 환형 조사 패스가 서로 인접하도록 상기 광 빔을 주사하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광 빔 주사 A에 있어서, 상기 윤곽부에 상당하는 부분에서 복수의 직선형 조사 패스가 병렬하도록 상기 광 빔을 주사하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광 빔 주사 A와 상기 광 빔 주사 B의 사이에서 상대적으로 상기 광 빔의 출력을 바꾸는 것에 의해, 상기 피크 파워 P의 상기 상대적인 조정을 행하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광 빔 주사 A와 상기 광 빔 주사 B의 사이에서 상대적으로 상기 광 빔의 스폿 지름을 바꾸는 것에 의해, 상기 피크 파워 P의 상기 상대적인 조정을 행하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광 빔 주사 A와 상기 광 빔 주사 B의 사이에서 상기 광 빔의 에너지 밀도를 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
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