KR20180019780A - 3차원 형상 조형물의 제조 방법 - Google Patents

3차원 형상 조형물의 제조 방법 Download PDF

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마사타카 다케나미
이사무 마츠모토
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파나소닉 아이피 매니지먼트 가부시키가이샤
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Abstract

광 빔의 주사 양태에 기인한 3차원 형상 조형물의 휘어짐 변형을 줄일 수 있는 분말 소결 적층법을 제공한다. 본 발명의 제조 방법은, 분말층 형성 및 광 빔 조사에 의한 고화층 형성을 반복하여 행하고, 광 빔의 주사를, 3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분을 광 빔 조사하기 위한 광 빔 주사 A와, 그 윤곽부보다 안쪽이 되는 3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분을 광 빔 조사하기 위한 광 빔 주사 B로 나눈다. 특히 광 빔 주사 A에 있어서는 광 빔의 조사 패스가 복수의 서브 조사 패스로 분단되도록 상기 윤곽부에 상당하는 부분을 비연속적인 광 빔 조사의 대상으로 한다.

Description

3차원 형상 조형물의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING THREE-DIMENSIONALLY SHAPED OBJECT}
본 개시는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 개시는, 분말층으로의 광 빔 조사에 의해 고화층을 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 5에 나타내는 바와 같이, 우선, 스퀴징 블레이드(23)를 움직여 조형 플레이트(21)상에 소정 두께의 분말층(22)을 형성한다(도 5(a) 참조). 그 다음에, 분말층의 소정 개소에 광 빔 L을 조사하여 분말층으로부터 고화층(24)을 형성한다(도 5(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 5(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 양태의 여하에 의해 3차원 형상 조형물에 휘어짐 변형이 생길 수 있는 것을 찾아냈다. 구체적으로는, 3차원 형상 조형물의 외면부를 이루는, 즉, 3차원 형상 조형물의 외주 윤곽을 이루게 되는 "윤곽부"와, 그것보다 안쪽의 "내부 영역부"로 나누어 광 빔의 주사를 행하면, 최종적으로 얻어지는 3차원 형상 조형물에 휘어짐 변형이 생길 수 있는 것을 찾아냈다. 특정한 이론에 구속되는 것은 아니지만, 이러한 "휘어짐 변형"은 상기 윤곽부에 대한 광 빔 주사가 요인으로서 생각된다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명의 과제는, 3차원 형상 조형물의 휘어짐 변형을 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,
광 빔 주사 A에서는, 광 빔의 조사 패스가 복수의 서브 조사 패스로 분단되도록 상기 윤곽부에 상당하는 부분을 비연속적인 광 빔 조사의 대상으로 하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법에 따라서 광 빔 주사 A의 조사 패스를 복수의 서브 조사 패스로 분단하면, 3차원 형상 조형물의 휘어짐 변형을 줄일 수 있다. 다시 말해, "3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분"을 비연속적인 광 빔 조사의 대상으로 하는 것에 의해, 3차원 형상 조형물의 휘어짐 변형이 줄어든다.
도 1은 본 발명의 일 양태와 관련되는 개념을 모식적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 한 적합한 양태(서로 이웃하는 서브 조사 패스의 사이에 극간을 두는 양태)를 모식적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 한 적합한 양태(3차원 형상 조형물의 코너에 상당하는 개소에서 조사 패스를 분단하는 양태)를 모식적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 한 적합한 양태(광 빔을 이산적으로 주사하는 양태)를 모식적으로 나타낸 도면.
도 5는 분말 소결 적층법에 있어서 절삭 처리를 부가적으로 행하는 광 조형 복합 가공의 프로세스 양태를 모식적으로 나타낸 단면도.
도 6은 광 조형 복합 가공기의 구성을 모식적으로 나타낸 사시도.
도 7은 광 조형 복합 가공기의 일반적인 동작을 나타내는 플로차트.
도 8은 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 5는 광 조형 복합 가공의 프로세스 양태를 모식적으로 나타내고 있고, 도 6 및 도 7은 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 5 및 도 6에 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 5에 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 6에 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 6에 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 7의 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 5(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 5(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 5(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 5(c) 및 도 6 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 따라서 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 고화층의 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 양태에 특징을 갖고 있다.
구체적으로는, 우선 광 빔의 주사를 「3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분(60)을 광 빔 조사하는 광 빔 주사 A(65)」와 「윤곽부보다 안쪽이 되는 3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분(70)을 광 빔 조사하는 광 빔 주사 B(66)」로 나눈다. 그리고, 광 빔 주사 A(65)에서는, 광 빔 L의 조사 패스가 복수의 서브 조사 패스로 분단되도록 비연속적인 광 빔 조사를 행한다(도 1 참조).
다시 말해, 본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법에서는, 3차원 형상 조형물의 윤곽부가 되는 분말층 부분의 광 빔 주사를 연속적이 아닌, 단속적으로 행한다. 이와 같은 주사에 의해, 3차원 형상 조형물의 휘어짐 변형을 줄일 수 있다. 특정한 이론에 구속되지 않지만, 윤곽부가 되는 분말층 부분에서 광 빔의 주사를 연속적으로 행하면 수축 응력이 윤곽부를 따라서 발생하고, 그 수축 응력의 잔류(즉, 잔류 응력)가 커지면 3차원 형상 조형물에 휘어짐 변형이 생기는 것이라고 추측된다(도 8 참조). 그러므로, 본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법과 같이 비연속적으로 주사하면, 수축 응력의 분단에 의해 잔류 응력을 저감할 수 있고, 결과적으로 3차원 형상 조형물의 휘어짐 변형을 줄일 수 있다.
일반적인 관점으로부터 말하면, 3차원 형상 조형물의 "휘어짐 변형"에 대하여, 어느 정도의 "휘어짐"이 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 "비교적 간이한 광 빔의 주사 양태"에 의해 생략하는 것이 가능하게 된다.
여기서 종래에 있어서의 당업자의 인식에 대하여 설명하여 둔다. 종래에 있어서는, 3차원 형상 조형물의 윤곽부는 "3차원 형상 조형물의 외면부"로서 최종적으로 노출되는 부분이기 때문에, 깨끗하게 마무리할 필요가 있다는 선입관이 있었다. 다시 말해, 종래에 있어서, 3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분은 광 빔 주사를 연속적으로 주사하는 것이 당연하다는 인식이 당업자에게 있었다. 이 점에 대하여, 본원 발명자들이 예의 검토한 결과, 그 "윤곽부에 상당하는 부분"에 대하여 광 빔을 단속적으로 주사하더라도 3차원 형상 조형물의 외면부를 실질적으로 손상시키지 않고, 게다가 3차원 형상 조형물의 휘어짐 변형을 줄일 수 있는 것을 찾아냈다.
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 1㎜ 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.
본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법은, 우선 전제로서, 광 빔 주사를 「윤곽부에 상당하는 부분에 대한 광 빔 주사 A」와 「내부 영역부에 상당하는 부분에 대한 광 빔 주사 B」로 나눈다. 그리고, 광 빔 주사 A에 있어서는 광 빔의 조사 패스가 복수의 서브 조사 패스로 분단되도록 "윤곽부에 상당하는 부분"을 비연속적인 광 빔 조사의 대상으로 한다. 여기서 말하는 「비연속적인 광 빔 조사」란, "윤곽부에 상당하는 부분"의 광 빔 조사를 도중에 중단되지 않도록 연속적인 양태로 행하는 것이 아니고, 도중에 휴지를 사이에 두는 단속적인 양태로 행하는 것을 의미하고 있다. "휴지"에 요하는 시간은, 바람직하게는, 서브 조사 패스로서 가장 최근의 광 빔 조사의 대상이 된 부분이 충분히 냉각되는데 요하는 시간이다. 예시하면, 이와 같은 「비연속적인 광 빔 조사」를 위한 광 빔의 휴지 시간은, 바람직하게는 약 1㎲~약 1s이고, 보다 바람직하게는 약 50㎲~약 100㎲이다.
본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법에서는, "복수의 서브 조사 패스"의 각각이, 바람직하게는 약 1㎜~약 10㎜의 길이, 보다 바람직하게는 약 3㎜~약 5㎜의 길이를 갖는다. 다시 말해, 이러한 길이를 서브 조사 패스가 갖도록 비연속적인 광 빔 조사를 행하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 수축 응력의 분단에 기인한 잔류 응력의 저감 효과가 보다 적합하게 나타나게 되고, 3차원 형상 조형물의 휘어짐 변형을 효과적으로 줄일 수 있다. 여기서 말하는 「복수의 서브 조사 패스의 각각의 길이」는, 서브 조사 패스의 긴 방향을 따른 길이 치수 D를 의미하고 있다(도 1 참조).
본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법에 있어서, 복수의 서브 조사 패스는, 3차원 형상 조형물의 "윤곽부에 상당하는 부분"을 따른 1개의 환형 조사 패스가 분단된 것으로 파악할 수 있다. 다시 말해, "복수의 서브 조사 패스"는, 전체적으로 크게 파악하면, 3차원 형상 조형물의 윤곽부를 따른 환형의 형태를 갖고 있다. 한편, 3차원 형상 조형물의 "내부 영역부에 상당하는 부분"은, 복수의 직선형 조사 패스가 병렬하는 형태를 가질 수 있다. 다시 말해, 3차원 형상 조형물의 "내부 영역부에 상당하는 부분"에 대하여 행하는 광 빔 주사 B로서는, 직선적이고 병렬적으로 광 빔을 주사하더라도 좋다. 다시 말해, 이러한 광 빔 주사 B로서, 이른바 래스터 주사를 행하더라도 좋다.
본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법에서는, 광 빔 주사 A에 있어서, 서로 이웃하는 서브 조사 패스의 사이에 극간을 두도록 광 빔을 주사하더라도 좋다. 다시 말해, "윤곽부에 상당하는 부분"에 대하여 실시하는 비연속적인 광 빔 조사에 있어서는 「가장 최근에 광 빔 조사의 대상이 된 서브 조사 패스의 종점」과 「다음으로 광 빔 조사의 대상이 되는 서브 조사 패스의 시점」이 서로 일치하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이것에 대하여, 보다 구체적인 양태를 예시한다. 광 빔 주사 A(65)로서 광 빔 L을 "윤곽부에 상당하는 부분"에 있어서 동일 방향으로 또는 원을 그리도록 주사할 때, 도 2에 나타내는 바와 같이 광 빔 조사부에 "틈(65a)"이 마련되도록 하는 것이 바람직하다. "틈(65a)"의 치수 G는, 바람직하게는 약 0.01㎜~약 0.5㎜, 보다 바람직하게는 약 0.05㎜~약 0.1㎜이다(도 2 참조). 이와 같은 "틈(65a)"의 존재에 의해, 수축 응력의 분단 효과가 보다 촉진되고, 3차원 형상 조형물의 휘어짐 변형이 효과적으로 줄여진다.
또한, 본 발명의 일 양태와 관련되는 제조 방법에서는, 광 빔 주사 A에 대하여 광 빔의 조사 패스가 복수의 서브 조사 패스로 분단되는 바, 적어도 "3차원 형상 조형물의 코너에 상당하는 개소"에서 조사 패스가 분단되는 것이 바람직하다. 바꿔 말하면, 복수의 서브 조사 패스의 적어도 1개의 종점이 3차원 형상 조형물의 코너에 상당하는 개소에 위치되도록 비연속적인 광 빔 조사를 행하는 것이 바람직하다. 이와 같은 양태에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 광 빔 주사 A(65)를 위한 조사 패스가 「3차원 형상 조형물(100)의 코너(67＇)에 상당하는 개소(67)」를 경계로 2개의 서브 조사 패스로 분단되게 된다.
일반적으로는 "3차원 형상 조형물의 코너에 상당하는 개소"의 조사에 있어서는 광 빔의 주사 속도를 내릴 필요가 있으므로, 그 코너에 상당하는 개소에서 광 빔의 에너지가 과잉 제공되는 경향이 있다. 다시 말해, 그와 같은 코너에 상당하는 개소에서는 과잉량의 분말이 고화에 기여하여 고화층이 융기하여 버릴 우려가 있다. 이 점, 이러한 본 발명의 일 양태에 따라서 "3차원 형상 조형물의 코너에 상당하는 개소"를 경계로 하여 조사 패스를 분단하면, 그 개소에 있어서의 광 빔의 에너지 축적을 줄일 수 있고, "고화층의 융기"가 억제된다.
여기서, 본 명세서에서 말하는 「3차원 형상 조형물의 코너」란, 도 3(b)에서 부호 67＇로 나타내어지는 개소와 같이, 3차원 형상 조형물의 윤곽부 중 "코너 부분을 이루는 개소"를 일반적으로 가리키고 있다. 바꿔 말하면, 「3차원 형상 조형물의 코너에 상당하는 개소」는, 분말층에서 규정되는 「제조되는 3차원 형상 조형물의 영역」의 주연 부분 중, 광 빔의 주사 방향을 바꿀 필요가 있는 개소를 의미하고 있다.
또한, 광 빔 주사 A(65)에 대해서는, 서로 이웃하게 되는 서브 조사 패스가 계속하여 광 빔 조사되지 않도록 광 빔 L을 이산적으로 주사하더라도 좋다(도 4 참조). 바꿔 말하면, 3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분에 대한 광 빔 주사 A를, 다양한 방향에서 랜덤으로 행하더라도 좋다. 이와 같이 주사하면, 광 빔 조사의 대상이 된 서브 조사 패스 부분이 충분히 냉각된 다음에, 그것에 인접하는 서브 조사 패스 부분이 광 빔 조사의 대상이 되게 되므로, 수축 응력의 분단 효과가 보다 촉진되고, 3차원 형상 조형물의 휘어짐 변형이 효과적으로 줄여진다.
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 5 및 도 6 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,
상기 광 빔 주사 A에서는, 상기 광 빔의 조사 패스가 복수의 서브 조사 패스로 분단되도록 상기 윤곽부에 상당하는 부분을 비연속적인 광 빔 조사의 대상으로 하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 2 양태 : 상기 제 1 양태에 있어서, 상기 광 빔 주사 A에서는, 서로 이웃하는 상기 서브 조사 패스의 사이에 극간을 두도록 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 A에서는, 적어도 상기 3차원 형상 조형물의 코너에 상당하는 개소에서 상기 조사 패스가 분단되도록 상기 광 빔을 주사하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 4 양태 : 상기 제 1 양태~제 3 양태의 어느 하나에 있어서, 상기 광 빔 주사 A에서는, 서로 이웃하게 되는 상기 서브 조사 패스가 계속하여 광 빔 조사되지 않도록 상기 광 빔을 이산적으로 주사하는 것을 특징으로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 5 양태 : 상기 제 1 양태~제 4 양태의 어느 하나에 있어서, 상기 복수의 서브 조사 패스의 각각의 길이를 1㎜~10㎜로 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 2014-43107호(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
L : 광 빔
60 : 3차원 형상 조형물의 윤곽부에 상당하는 부분
65 : 광 빔 주사 A
66 : 광 빔 주사 B
67 : 3차원 형상 조형물의 코너에 상당하는 개소
70 : 3차원 형상 조형물의 내부 영역부에 상당하는 부분

Claims (5)

  1. (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,
    상기 광 빔 주사 A에서는, 상기 광 빔의 조사 패스가 복수의 서브 조사 패스로 분단되도록 상기 윤곽부에 상당하는 부분을 비연속적인 광 빔 조사의 대상으로 하고,
    상기 비연속적인 광 빔 조사를 위한 상기 복수의 서브 조사 패스가 상기 윤곽부를 따르고 있는
    것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 빔 주사 A에서는, 서로 이웃하는 상기 서브 조사 패스의 사이에 극간을 두도록 상기 광 빔을 주사하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 빔 주사 A에서는, 적어도 상기 3차원 형상 조형물의 코너에 상당하는 개소에서 상기 조사 패스가 분단되도록 상기 광 빔을 주사하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 빔 주사 A에서는, 서로 이웃하게 되는 상기 서브 조사 패스가 계속하여 광 빔 조사되지 않도록 상기 광 빔을 이산적으로 주사하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 서브 조사 패스의 각각의 길이를 1㎜~10㎜로 하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
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