KR20180111912A - 3차원 형상 조형물의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

휨 변형을 감소시킨 3차원 형상 조형물의 제조 방법을 제공하기 위해서, 본 발명의 일실시 형태에서는, 분말층 형성 및 광 빔의 조사에 의한 고화층 형성을 반복해서 실시하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서, 3차원 형상 조형물의 토대로서, 조형 플레이트 및 더미 고화층을 갖는 플레이트 적층체를 이용하고, 조형 플레이트의 한쪽의 주면 상에 더미 고화층을 마련하는 한편, 조형 플레이트의 다른 쪽의 주면 상에서 3차원 형상 조형물을 제조하는 방법이 제공된다.

Description

3차원 형상 조형물의 제조 방법
본 발명은 3차원 형상 조형물의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 분말층으로의 광 빔 조사에 의해 고화(固化)층을 형성하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법에 관한 것이다.
광 빔을 분말 재료에 조사함으로써 3차원 형상 조형물을 제조하는 방법(일반적으로는 「분말 소결 적층법」이라고 칭함)은 종래부터 알려져 있다. 이러한 방법은 이하의 공정 (i) 및 (ii)에 근거해서 분말층 형성과 고화층 형성을 교대로 반복 실시해서 3차원 형상 조형물을 제조한다.
(i) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사하고, 이러한 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정.
(ii) 얻어진 고화층 위에 새로운 분말층을 형성하고, 마찬가지로 광 빔을 조사해서 추가의 고화층을 형성하는 공정.
이러한 제조 기술에 따르면, 복잡한 3차원 형상 조형물을 단시간에 제조하는 것이 가능해진다. 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 경우의 분말 소결 적층법을 예로 든다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 우선, 스키징(squeezing)·블레이드(23)를 움직여서 조형 플레이트(21) 상에 소정 두께의 분말층(22)을 형성한다(도 10(a) 참조). 그 다음에, 분말층(22)의 소정 개소에 광 빔(L)을 조사해서 분말층(22)으로부터 고화층(24)을 형성한다(도 10(b) 참조). 계속해서, 얻어진 고화층(24) 위에 새로운 분말층(22)을 형성해서 재차 광 빔을 조사해서 새로운 고화층(24)을 형성한다. 이와 같이 해서 분말층 형성과 고화층 형성을 교대로 반복 실시하면 고화층(24)이 적층하게 되어(도 10(c) 참조), 최종적으로는 적층화된 고화층(24)으로 이루어지는 3차원 형상 조형물을 얻을 수 있다. 최하층으로서 형성되는 고화층(24)은 조형 플레이트(21)와 결합한 상태가 되므로, 3차원 형상 조형물과 조형 플레이트(21)는 일체화물을 이루게 되고, 그 일체화물을 금형으로서 사용할 수 있다.
일본 특표평 1-502890호 공보
상기의 분말 소결 적층법에서는, 광 빔이 조사되는 분말층의 조사 개소가 소결 현상 또는 용융 고화 현상 등을 거치는 것에 의해 고화층(24)으로 된다. 이러한 고화층(24)이 형성될 때에는 분말 재료 간의 공극이 감소하는 것 등으로 인해, 도 11(a)에 나타내는 수축 응력이 생길 수 있다. 그 결과, 3차원 형상 조형물(100)과 그 토대(土臺)의 조형 플레이트(21)의 일체화물에는 휨 변형이 생기기 쉬어진다(도 11(b) 참조). 즉, 3차원 형상 조형물(100)에 대해 소망 형상을 얻을 수 없는 우려가 있다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 휨 변형이 감소된 3차원 형상 조형물의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일실시 형태로는,
(i) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사해서 당해 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및
(ii) 얻어진 고화층 위에 새로운 분말층을 형성하고, 당해 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사해서 추가의 고화층을 형성하는 공정
에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 교대로 반복해서 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서,
3차원 형상 조형물의 토대로서, 조형 플레이트 및 더미 고화층을 가지고 있는 플레이트 적층체를 이용하고,
조형 플레이트의 한쪽의 주면(主面) 상에 더미 고화층을 형성하는 한편, 조형 플레이트의 다른 쪽의 주면 상에서 3차원 형상 조형물을 제조하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 제조 방법으로는, 휨 변형을 감소시킨 3차원 형상 조형물을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 개념을 모식적으로 나타낸 단면도.
도 2는 플레이트 적층체의 조제를 모식적으로 나타낸 단면도(도 2(a) : 조형 플레이트의 준비, 도 2(b)：휨 변형, 도 2(c)：평면 가공 처리).
도 3은 플레이트 적층체의 잔류 응력을 모식적으로 나타낸 단면도.
도 4는 플레이트 적층체에 의한 휨 변형의 저감을 모식적으로 나타낸 단면도.
도 5는 지지 테이블에 설치하는 플레이트 적층체를 모식적으로 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 제조 방법의 경시(經時)적인 형태를 모식적으로 나타낸 단면도(도 6(a)：조형 플레이트의 준비, 도 6(b)：휨 변형, 도 6(c)：평면 가공 처리, 도 6(d)：지지 테이블에의 설치, 도 6(e)：3차원 형상 조형물의 제조).
도 7은 3차원 형상 조형물에 생길 수 있는 응력을 나타낸 그래프.
도 8은 블래스트 가공의 형태를 모식적으로 나타낸 단면도.
도 9는 더미 고화층의 윤곽 사이즈 변경을 모식적으로 나타낸 단면도(도 9(a)：윤곽 형상과 대략 동일, 도 9(b)：윤곽 형상보다 크다).
도 10은 분말 소결 적층법이 실시되는 광 조형 복합 가공의 프로세스 형태를 모식적으로 나타낸 단면도(도 10(a)：분말층 형성시, 도 10(b)：고화층 형성시, 도 10(c)：적층 도중).
도 11은 분말 소결 적층법으로 3차원 형상 조형물에 휨 변형이 생기는 현상을 모식적으로 나타낸 단면도(도 11(a)：수축 응력이 발생한 고화층, 도 11(b)：휨 변형한 3차원 형상 조형물).
도 12는 광 조형 복합 가공기의 구성을 모식적으로 나타낸 사시도.
도 13은 광 조형 복합 가공기의 일반적인 동작을 나타내는 흐름도.
이하에서는, 도면을 참조해서 본 발명의 일실시 형태를 보다 상세하게 설명한다. 도면에 있어서의 각종 요소의 형태 및 치수는 어디까지나 예시에 불과하고, 실제의 형태 및 치수를 반영하는 것은 아니다.
본 명세서에 있어서 「분말층」이란, 예를 들면 「금속 분말로 이루어지는 금속 분말층」 또는 「수지 분말로 이루어지는 수지 분말층」을 의미하고 있다. 또 「분말층의 소정 개소」란, 제조되는 3차원 형상 조형물의 영역을 실질적으로 나타내고 있다. 따라서, 이러한 소정 개소에 존재하는 분말에 대해서 광 빔을 조사함으로써, 그 분말이 소결 또는 용융 고화해서 3차원 형상 조형물을 구성하게 된다. 또한, 「고화층」이란, 분말층이 금속 분말층인 경우에는 「소결층」을 의미하고, 분말층이 수지 분말층인 경우에는 「경화층」을 의미하고 있다.
또, 본 명세서에서 직접적 또는 간접적으로 설명되는 “상하”의 방향은, 예를 들면 3차원 형상 조형물의 제조시에 있어서의 플레이트 적층체와 3차원 형상 조형물의 위치 관계에 근거하고 있고, 플레이트 적층체를 기준으로 해서 3차원 형상 조형물이 제조되는 측을 「윗 방향」이라고 하고, 그 반대측을 「아랫 방향」이라고 한다.
[분말 소결 적층법]
우선, 본 발명의 제조 방법의 전제가 되는 분말 소결 적층법에 대해 설명한다. 특히, 분말 소결 적층법에 있어서 3차원 형상 조형물의 절삭 처리를 부가적으로 실시하는 광 조형 복합 가공을 예로서 든다. 도 10은 광 조형 복합 가공의 프로세스 형태를 모식적으로 나타내고 있고, 도 12 및 도 13은 분말 소결 적층법과 절삭 처리를 실시할 수 있는 광 조형 복합 가공기의 주된 구성 및 동작의 흐름을 각각 나타내고 있다.
광 조형 복합 가공기(1)는, 도 12에 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 깔아서 분말층을 형성하기 위한 수단이다. 광 빔 조사 수단(3)은 분말층의 소정 개소에 광 빔(L)을 조사하기 위한 수단이다. 절삭 수단(4)은 적층화된 고화층의 측면, 즉, 3차원 형상 조형물의 표면을 깎기 위한 수단이다.
분말층 형성 수단(2)은, 도 10에 나타내는 바와 같이, 분말 테이블(25), 스키징·블레이드(23), 지지 테이블(20) 및 조형 플레이트(21)를 주로 갖는다. 분말 테이블(25)은, 외부 둘레가 벽(26)으로 둘러싸인 분말 재료 탱크(28) 내에서 상하로 승강할 수 있는 테이블이다. 스키징·블레이드(23)는 분말 테이블(25) 상의 분말(19)을 지지 테이블(20) 상에 제공해서 분말층(22)을 얻을 수 있도록 수평 방향으로 이동할 수 있는 블레이드이다. 지지 테이블(20)은, 외부 둘레가 벽(27)으로 둘러싸인 조형 탱크(29) 내에서 상하로 승강할 수 있는 테이블이다. 그리고, 조형 플레이트(21)는, 지지 테이블(20) 상에 배치되어, 3차원 형상 조형물의 토대가 되는 플레이트이다.
광 빔 조사 수단(3)은, 도 12에 나타내는 바와 같이, 광 빔 발진기(30) 및 갈바로 미러(galvanometer mirror)(31)를 주로 갖는다. 광 빔 발진기(30)는 광 빔(L)을 발하는 기기이다. 갈바로 미러(31)는 발해진 광 빔(L)을 분말층(22)에 스캐닝하는 수단, 즉, 광 빔(L)의 주사 수단이다.
절삭 수단(4)은, 도 12에 나타내는 바와 같이, 엔드 밀(end mill)(40) 및 구동 기구(41)를 주로 갖는다. 엔드 밀(40)은 적층화된 고화층의 측면, 즉, 3차원 형상 조형물의 표면을 깎기 위한 절삭 공구이다. 구동 기구(41)는 엔드 밀(40)을 소망의 절삭해야 할 개소로 이동시키는 수단이다.
광 조형 복합 가공기(1)의 동작에 대해 상세히 설명한다. 광 조형 복합 가공기(1)의 동작은, 도 13의 흐름도에 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 지지 테이블(20)을 Δt 내리고(S11), 조형 플레이트(21)의 상면과 조형 탱크(29)의 상단면의 레벨 차가 Δt로 되도록 한다. 그 다음에, 분말 테이블(25)을 Δt 올린 후, 도 10(a)에 나타내는 바와 같이, 스키징·블레이드(23)를 분말 재료 탱크(28)로부터 조형 탱크(29)를 향해서 수평 방향으로 이동시킨다. 이것에 의해, 분말 테이블(25)에 배치되어 있는 분말(19)을 조형 플레이트(21) 상으로 이송시킬 수 있고(S12), 분말층(22)의 형성이 행해진다(S13). 분말층(22)을 형성하기 위한 분말 재료로서는, 예를 들면 「평균 입경 5㎛~100㎛ 정도의 금속 분말」 및 「평균 입경 30㎛~100㎛ 정도의 나일론, 폴리프로필렌 또는 ABS 등의 수지 분말」을 들 수 있다. 분말층(22)이 형성되면, 고화층 형성 스텝(S2)으로 이동한다. 고화층 형성 스텝(S2)은 광 빔 조사에 의해 고화층(24)을 형성하는 스텝이다. 이러한 고화층 형성 스텝(S2)에서는, 광 빔 발진기(30)로부터 광 빔(L)을 발하고(S21), 갈바로 미러(31)에 의해 분말층(22)상의 소정 개소로 광 빔(L)을 스캐닝한다(S22). 이것에 의해, 분말층(22)의 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜, 도 10(b)에 나타내는 바와 같이, 고화층(24)을 형성한다(S23). 광 빔(L)으로서는, 탄산 가스 레이저, Nd：YAG 레이저, 파이버 레이저 또는 자외선 등을 이용해도 좋다.
분말층 형성 스텝(S1) 및 고화층 형성 스텝(S2)은 교대로 반복 실시된다. 이것에 의해, 도 10(c)에 나타내는 바와 같이 복수의 고화층(24)이 적층화된다.
적층화된 고화층(24)이 소정 두께에 이르면(S24), 절삭 스텝(S3)으로 이동한다. 절삭 스텝(S3)은 적층화된 고화층(24)의 측면, 즉, 3차원 형상 조형물의 표면을 깎기 위한 스텝이다. 엔드 밀(40)(도 10(c) 및 도 12 참조)을 구동시킴으로써 절삭 스텝이 개시된다(S31). 예를 들면, 엔드 밀(40)이 3㎜의 유효 블레이드 길이를 갖는 경우, 3차원 형상 조형물의 높이 방향을 따라서 3㎜의 절삭 처리를 행할 수 있으므로, Δt가 0.05㎜이면 60층분의 고화층(24)이 적층된 시점에서 엔드 밀(40)을 구동시킨다. 구체적으로는 구동 기구(41)에 의해 엔드 밀(40)을 이동시키면서, 적층화된 고화층(24)의 측면에 대해서 절삭 처리를 실시하게 된다(S32). 이러한 절삭 스텝(S3)의 최종에서는, 소망의 3차원 형상 조형물이 얻어졌는지 아닌지를 판단한다(S33). 소망의 3차원 형상 조형물을 여전히 얻지 못한 경우에는, 분말층 형성 스텝(S1)으로 돌아간다. 이후, 분말층 형성 스텝(S1) ~ 절삭 스텝(S3)을 반복 실시해서 추가의 고화층의 적층화 및 절삭 처리를 실시함으로써, 최종적으로 소망의 3차원 형상 조형물이 얻어진다.
[본 발명의 제조 방법]
본 발명은 상술한 분말 소결 적층법으로 제조하는 3차원 형상 조형물의 토대에 특징을 가지고 있다.
구체적으로는, 본 발명에서는, 적어도 2층으로 구성되는 플레이트 적층체(50)를 3차원 형상 조형물의 토대로서 이용한다(도 1 참조). 플레이트 적층체(50)를 이용함으로써, 최종적으로, 휨 변형을 감소시킬 수 있는 3차원 형상 조형물을 얻을 수 있다.
플레이트 적층체(50)는 도 1에 나타내는 바와 같이, 조형 플레이트(21') 및 더미 고화층(24')을 갖는다. 여기서, 본 명세서에 있어서의 「플레이트 적층체」라는 용어는, 3차원 형상 조형물을 제조하기 위한 토대로서, 특히 적층 구조를 갖는 플레이트 형상의 토대를 의미하고 있다.
도시하는 형태로부터 알 수 있는 바와 같이, 플레이트 적층체(50)의 적층 구조는 조형 플레이트(21')와 더미 고화층(24')이 서로 적층된 형태를 가지고 있다. 조형 플레이트(21')는 분말 소결 적층법에서 통상적으로 이용되는 조형 플레이트(21)(도 10(a) 참조)에 상당하는 곳, 특히 3차원 형상 조형물의 제조 전에 잔류 응력을 내부에 가질 수 있는 플레이트이다(“잔류 응력”에 대해서는 후술한다). 한편, 더미 고화층(24')은 조형 플레이트(21')의 주면에 마련되는 고화층으로서, 특히 3차원 형상 조형물(고화층(24))이 접하는 주면과는 반대측의 주면에 마련되는 고화층이다(도 1 참조). 환언하면, 더미 고화층(24')은 조형 플레이트(21')을 사이에 두고 3차원 형상 조형물과 이격하는 층에 상당한다.
이러한 사항으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 명세서에서 이용하는 「더미 고화층」의 “더미”라는 용어는, 토대 상에서 제조되는 3차원 형상 조형물을 구성하는 고화층과는 “상이한” 고화층을 실질적으로 의미하고 있다.
본 발명의 제조 방법에 있어서, 플레이트 적층체(50)는 휨 변형을 일단 거친 적층체이다. 즉, 제조시에 이용하는 3차원 형상 조형물의 토대(플레이트 적층체(50))의 전구체(前驅體)에 “의도적”으로 휨 변형을 일으키게 하고 있다. 특히, 더미 고화층(24')의 형성에 의해 얻어지는 휨 변형된 적층체(50')에 평면 가공 처리를 실시해서 플레이트 적층체(50)를 얻는 것이 바람직하다(도 2 참조). 이러한 플레이트 적층체(50)는 3차원 형상 조형물의 제조에 앞서 조제해 두는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로는, 우선, 조형 플레이트(21') 상에 더미 고화층(24')을 형성해서 적층체(50')를 얻는다(도 2(a) 및 도 2(b) 참조). 도 11(a) 및 도 11(b)을 참조해서 설명한 현상과 같이, 더미 고화층(24')을 형성할 때에는 적층체(50')에 휨 변형이 생긴다. 그 다음에, 이러한 휨 변형된 적층체(50')에 대해 바람직하게는 평면 가공 처리를 행한다(도 2(b) 및 도 2(c) 참조). 특히 “토대”로서 적합한 형상이 얻어지도록 평면 가공 처리를 행하는 것이 바람직하다. 평면 가공 처리는, 휨 변형된 적층체(50')의 주면을 실질적으로 평평한 면으로 하는 처리이다. 이상과 같은 “휨 변형” 및 “평면 가공 처리”를 함으로써, 본 발명에서 이용하는데 적합한 플레이트 적층체(50)를 얻을 수 있다.
한편, 평면 가공 처리에서는, 플레이트 적층체(50)가 3차원 형상 조형물의 제조의 “토대”로서 보다 적합한 형상을 갖도록, 휨 변형된 적층체(50')의 대향하는 주면 양쪽을 절삭 가공하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 도 2(b) 및 도 2(c)에 나타내는 바와 같이, 휨 변형으로 인한 만곡 부분을 제거해서 평탄한 면이 주면 양쪽에서 얻어지도록 적층체(50')에 절삭 가공 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 플레이트 적층체(50)의 주면 양쪽이 서로 실질적으로 평행한 관계를 갖게 되고, “토대”로서 플레이트 적층체(50)를 이용했을 때, 실질적으로 수평으로 된 면 위에서 3차원 형상 조형물을 적절히 제조할 수 있다.
플레이트 적층체(50)는 휨 변형을 일단 거치므로, 내부에 응력이 잔존하는 상태로 되어 있다. 즉, 플레이트 적층체(50)는 그 내부에 잔류 응력을 가질 수 있다. 특히, 플레이트 적층체(50)를 구성하는 조형 플레이트(21')에 있어서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 외측을 향하는 응력(14)이 잔존할 수 있다. 따라서, 3차원 형상 조형물을 제조할 때에, 3차원 형상 조형물에 생길 수 있는 응력에 저항하도록 플레이트 적층체(50)의 잔류 응력을 이용하면, 3차원 형상 조형물의 휨 변형을 감소시킬 수 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 「플레이트 적층체(50)의 잔류 응력(14)의 방향」과 「3차원 형상 조형물(100)에 생길 수 있는 응력(15)의 방향」이 서로 반대로 되도록 플레이트 적층체(50)를 설치하는 것이 바람직하다. 3차원 형상 조형물(100)을 제조할 때에, 그들의 응력(14, 15)이 상쇄되도록 상호 작용하기 때문이다. 즉, 도 4에 나타내는 바와 같이 플레이트 적층체(50)를 마련하면, 3차원 형상 조형물(100)에 생길 수 있는 응력(15)이 플레이트 적층체(50)의 잔류 응력(14)에 의해 완화되게 되어, 결과적으로, 휨 변형이 감소된 3차원 형상 조형물(100)을 적절히 얻을 수 있다.
「플레이트 적층체(50)의 잔류 응력(14)의 방향」과 「3차원 형상 조형물(100)에 생길 수 있는 응력(15)의 방향」이 서로 역으로 되도록 하려면, 플레이트 적층체(50)의 주면 양쪽 중 더미 고화층(24')이 형성되어 있지 않은 쪽의 주면이 위쪽으로 되도록 플레이트 적층체(50)를 설치하는 것이 바람직하다. 즉, 더미 고화층(24')이 형성되는 조형 플레이트(21')의 주면을 “표면측 주면”으로 보면, 조형 플레이트(21')의 “이면측 주면”이 위쪽으로 되도록 플레이트 적층체(50)를 설치하는 것이 바람직하다.
예를 들면 상술한 광 조형 복합 가공기(1)(도 10 및 도 12~13 참조)로 3차원 형상 조형물을 제조하는 경우를 예로 들면, 플레이트 적층체(50)를 도 5에 나타내는 바와 같이 지지 테이블(20) 상에 설치하는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 지지 테이블(20)에 설치된 플레이트 적층체(50)의 위쪽의 노출면은 상기 “이면측 주면”에 상당한다. 즉, 지지 테이블(20)에 고정화한 플레이트 적층체(50)를 이용해서 분말층 형성 및 고화층 형성을 실시할 때에, 더미 고화층(24')이 조형 플레이트(21')와 지지 테이블(20)의 사이에 위치하도록 플레이트 적층체(50)를 지지 테이블(20)에 고정화하는 것이 바람직하다. 도 5에 나타내는 바와 같이 지지 테이블(20)에 고정화된 플레이트 적층체(50)에서는 잔류 응력(14)의 방향은 “외측”으로 되어 있는 바, 그 플레이트 적층체(50) 상에 제조되는 3차원 형상 조형물에 생길 수 있는 응력의 방향은 “내측”으로 된다. 따라서, 결과적으로는, 그들의 응력이 서로 상쇄되게 되어, 휨 변형을 감소시킨 3차원 형상 조형물을 얻을 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일실시 형태에 따른 제조 방법을 경시적으로 설명한다.
(1) 조형 플레이트의 준비
우선, 도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 조형 플레이트(21')를 준비한다. 여기서 준비하는 조형 플레이트(21')는 분말 소결 적층법에서 통상적으로 이용되는 조형 플레이트(21)(도 10(a) 참조)이어도 좋다. 예를 들면 분말로서 금속 분말을 이용함으로써 고화층으로서 소결층(철계 재료로 이루어지는 소결층)을 형성하는 경우, 조형 플레이트(21')의 재질은 스틸, 초경합금, 고속도 공구강, 합금 공구강, 스테인리스강 및 기계 구조용 탄소강으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1 종류의 재질이어도 좋다. 또, 조형 플레이트(21')는 어디까지나 “플레이트”이며, 전형적으로는 전체적으로 편평 형상으로 되어 있는 것이 바람직하다. 조형 플레이트(21')의 구체적인 형상은, 제조되는 3차원 형상 조형물에 대해서 “토대”를 제공하는 것이면, 어느 형상이라도 좋다. 그러므로, 조형 플레이트(21')의 형상은 직방체 형상에 특별히 한정되지 않고, 원판 형상 또는 다각 기둥 형상 등이어도 좋다. 조형 플레이트(21')의 주면 사이즈는 일반적으로는 3차원 형상 조형물의 저면 사이즈보다 큰 것이 요구되고, 예를 들면, 3차원 형상 조형물의 저면 사이즈의 110~200% 정도여도 좋다. 또한, 조형 플레이트(21')의 두께(즉, 3차원 형상 조형물의 제조시에 있어서의 적층 방향의 조형 플레이트 치수)는 예를 들면 10~70㎜ 정도여도 좋다.
(2) 휨 변형의 부가
준비한 조형 플레이트(21')는 더미 고화층(24')의 형성을 통해서 휨 변형이 부여된다(도 6(a) 및 도 6(b) 참조). 구체적으로는, 우선, 조형 플레이트(21') 상에 분말층을 형성하고, 그 분말층에 대해서 광 빔을 조사해서 더미 고화층(24')을 형성한다.
더미 고화층(24')의 형성에 이용되는 분말 재료는 차후의 3차원 형상 조형물의 제조에 이용하는 분말 재료와 동일해도 좋다. 즉, 예를 들면 평균 입경 5㎛~100㎛ 정도의 금속 분말을 이용해도 좋다. 그러한 분말 재료를 이용함으로써 더미 고화층(24')을 위한 분말층이 형성된다. 분말층에 대해서는 광 빔이 전체적으로 조사되고, 분말 재료의 소결 또는 용융 고화를 거쳐서 더미 고화층(24')이 형성되게 된다. 더미 고화층(24')의 두께는 예를 들면 0.1㎜~10㎜ 정도여도 좋다. 또한, 도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 더미 고화층(24')은 조형 플레이트(21')의 주면 전체에 이르도록 광범위하게 형성해도 좋다.
여기서, 더미 고화층(24')의 형성시에는, 분말 재료 간의 공극을 줄일 수 있는 것에 기인해서 수축 응력이 생기고, 더미 고화층(24')과 그것이 접합하는 조형 플레이트(21')가 힘 변형한다. 즉, 더미 고화층(24')과 조형 플레이트(21')로 이루어지는 적층체(50')에 휨 변형이 발생한다. 이러한 적층체(50')에서는, “휨”에 기인해서 조형 플레이트(21')에서 외측을 향해 작용하는 응력(14)이 잔존할 수 있다(도 6(b) 참조). 특히, 더미 고화층(24')이 형성된 조형 플레이트(21')의 주면을 “표면측 주면”으로 본 경우, 조형 플레이트(21')의 “이면측 주면”의 근방에 외측을 향해 작용하는 응력(14)이 잔존할 수 있다.
(3) 평면 가공 처리
휨 변형된 적층체(50')에 대해서는, 평면 가공 처리를 실시한다(도 6(b) 및 도 6(c) 참조). 보다 구체적으로는, 휨 변형에 기인한 만곡 부분을 제거해서 평탄한 면이 얻어지도록 적층체(50')에 절삭 가공 처리를 행한다. 도시되어 있는 바와 같이, 특히 적층체(50')의 대향하는 주면 양쪽에 대해서 절삭 가공 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 당해 주면 양쪽이 서로 실질적으로 평행하게 되어, 3차원 형상 조형물의 토대로서 보다 적합한 플레이트 적층체(50)가 얻어지게 된다.
이러한 평면 가공 처리를 실시하기 위해서 절삭 가공 수단을 이용해도 좋다. 절삭 가공 수단은 표면 절삭을 실시할 수 있는 것이면 어느 것도 좋고, 예를 들면, 범용의 수치 제어(NC：Numerical　Control) 공작 기계 또는 거기에 준하는 것이어도 좋다. 특히, 절삭 공구(엔드 밀)를 자동 교환 가능한 머신 센터(MC)인 것이 바람직하다. 엔드 밀은 예를 들면 초경 소재의 블레이드가 2매인 볼 엔드 밀이 주로 이용된다. 필요에 따라서, 스퀘어 엔드 밀(square end mill), 라디어스 엔드 밀(radius end mill) 등을 이용해도 된다. 또한, 절삭 가공 수단을 이용해서 절삭 가공을 실시한 후, 적층체(50')의 주면 양쪽의 평면도(平面度)를 더 올리기 위해서 평면 연삭 선반 등을 이용해서 평면 연삭 가공을 부가적으로 행해도 좋다.
(4) 플레이트 적층체의 상하 반전
상기(1)~(3)를 거쳐서 얻어진 플레이트 적층체(50)에 대해 “반전”이 행해진다. 즉, 휨 변형 후에 평면 가공 처리를 실시해서 얻어진 플레이트 적층체(50)는 상하 뒤집어진다(도 6(c) 및 도 6(d) 참조). 보다 구체적으로는, 더미 고화층(24')이 상대적으로 상측에 위치하고, 조형 플레이트(21')가 상대적으로 하측에 위치하는 플레이트 적층체(50)를 상하 뒤집는다. 더미 고화층(24')이 형성된 조형 플레이트(21')의 주면을 “표면측 주면”으로 보면, 조형 플레이트(21')의 “이면측 주면”이 상측으로 되도록 플레이트 적층체(50)를 반전시키게 된다.
도 6(d)에 나타내는 바와 같이, “상하 반전”에 의해, 더미 고화층(24')이 조형 플레이트(21')와 지지 테이블(20)의 사이에 위치되도록 플레이트 적층체(50)를 지지 테이블(20)에 고정화하는 것이 바람직하다. 이것에 의해 지지 테이블(20)에 고정화된 플레이트 적층체(50)의 잔류 응력(14)의 방향이 “외측”으로 되는 한편, 플레이트 적층체(50) 상에서 제조되는 3차원 형상 조형물(100)에 생길 수 있는 응력(15)의 방향은 “내측”으로 된다(도 6(e) 참조). 따라서, 3차원 형상 조형물(100)이 제조될 때에 그 “내측”의 응력(15)을 없애도록 플레이트 적층체(50)의 잔류 응력(14)이 적절히 작용할 수 있게 된다.
(5) 3차원 형상 조형물의 제조
플레이트 적층체(50)의 고정화 후, 그 플레이트 적층체(50)를 토대로 해서 3차원 형상 조형물(100)의 제조를 행한다. 도 6(c) 및 도 6(e)에 나타내는 형태로부터 알 수 있는 바와 같이, 플레이트 적층체(50)에 있어서의 조형 플레이트(21')의 “이면측 주면” 상에서 3차원 형상 조형물(100)을 제조하게 된다.
플레이트 적층체(50) 상에서 제조되는 3차원 형상 조형물(100)에 생길 수 있는 응력(15)의 방향은 “내측”이다. 이것에 대해서, 플레이트 적층체(50)에서는, “휨 변형”에 기인해서 잔류 응력(14)의 방향이 “외측”으로 되고 있다. 즉, 3차원 형상 조형물(100)의 제조시의 응력(15)과 플레이트 적층체(50)의 잔류 응력(14)은 서로 역방향으로 된다. 이것에 의해, 3차원 형상 조형물(100)의 제조시의 응력(15)이 플레이트 적층체(50)의 잔류 응력(14)에 의해 완화되어, 3차원 형상 조형물(100)의 휨을 감소시킬 수 있게 된다.
본 발명자 등은 3차원 형상 조형물(100)의 제조시에 생기는 응력(15)이 특히 제조 초기에 상대적으로 크게 발생한다는 것을 찾아냈다(도 7 참조). 보다 구체적으로는, 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 3차원 형상 조형물(100)의 저면에 큰 응력이 생길 수 있다. 이것은, 3차원 형상 조형물(100)과 그 토대의 계면 근방에 특히 큰 응력이 생기는 것을 의미하고 있다.
이 점에서, 본 발명의 제조 방법에서는, 토대로서 플레이트 적층체(50)가 이용되므로, 제조 초기에 3차원 형상 조형물(100)에 생기는 응력에 대해서 효과적으로 영향을 줄 수 있다. 보다 구체적으로 말하면, 3차원 형상 조형물에 생기는 응력은 3차원 형상 조형물의 저면에서 특히 크게 발생할 수 있지만, 이러한 저면에는 플레이트 적층체(50)가 마련되어 있으므로, 플레이트 적층체(50)의 잔류 응력(14)으로 3차원 형상 조형물의 응력(15)을 효과적으로 감소시킬 수 있다(도 4 참조).
상기에서는 본 발명의 이해를 위해서 전형적인 실시형태를 설명했지만, 본 발명의 제조 방법으로서는, 여러 구체적인 실시형태가 생각된다.
(블래스트 가공의 형태)
본 발명의 제조 방법은, 3차원 형상 조형물에서 생길 수 있는 응력에 저항하기 위해서 플레이트 적층체의 잔류 응력을 이용하고 있다. 그렇지만, 플레이트 적층체에 따라서는 그 잔류 응력이 3차원 형상 조형물에 생길 수 있는 응력보다 작은 경우도 생각할 수 있다.
이러한 경우, 플레이트 적층체에 대해서 블래스트 가공을 실시하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 평면 가공 처리를 실시한 후에 얻어지는 플레이트 적층체(50)의 조형 플레이트(21')의 “이면측 주면”에 대해서 블래스트 가공을 부가적으로 실시하는 것이 바람직하다(도 8 참조).
블래스트 가공을 실시하면, 플레이트 적층체(50)에 있어서 외측을 향하는 응력(14)이 강해지는 작용이 제공될 수 있다. 즉, 플레이트 적층체(50)에 있어서, 3차원 형상 조형물의 응력에 저항하게 되는 응력(14)이 증가하게 된다. 이것은, 블래스트 가공에 의해 플레이트 적층체(50)의 잔류 응력(14)을 적절히 조정할 수 있는 것을 의미하고, 따라서 3차원 형상 조형물의 휨 저감이 보다 효율적으로 행해진다.
한편, 블래스트 가공을 실시하면, 플레이트 적층체의 표면 거칠기가 증가하게 된다. 표면 거칠기의 증가는, 플레이트 적층체와 그 위에 제조되는 3차원 형상 조형물의 접합 면적의 증가로 이어진다. 따라서, 블래스트 가공을 실시한 경우, 플레이트 적층체와 3차원 형상 조형물의 사이의 접합력이 향상될 수 있고, 플레이트 적층체와 3차원 형상 조형물의 일체화물의 구조 강도가 증가하는 효과도 얻을 수 있다.
(더미 고화층의 윤곽 사이즈 변경의 형태)
플레이트 적층체를 조제할 때에, 더미 고화층은 조형 플레이트의 주면의 일부에만 형성해도 좋다. 예를 들면, 도 9(a)에 나타내는 바와 같이 더미 고화층(24')의 윤곽 형상이 차후에 제조하는 3차원 형상 조형물(100)의 저면의 윤곽 형상과 대략 동일하게 되도록 더미 고화층(24')을 형성한다. 이러한 형태에서는, 플레이트 적층체(50)에 잔류 응력을 발생시켜도, 더미 고화층(24')의 형성을 위한 시간을 최소한으로 억제할 수 있다. 즉, 더미 고화층(24')에 필요한 광 빔의 사용을 줄일 수 있어, 보다 효율적인 3차원 형상 조형물(100)의 제조를 실현할 수 있다.
또한, 도 9(a)에 나타내는 형태에서는 플레이트 적층체(50)에 필요한 잔류 응력이 부족한 경우, 더미 고화층(24')의 윤곽 형상을 차후에 제조하는 3차원 형상 조형물(100)의 저면의 윤곽 형상보다 크게 해도 좋다(도 9(b) 참조). 더미 고화층(24')의 사이즈가 커지면, 그만큼 플레이트 적층체(50)의 잔류 응력(14)을 크게 할 수 있기 때문이다. 어디까지나 예시에 불과하지만, 더미 고화층(24')의 윤곽 형상이 차후에 제조하는 3차원 형상 조형물(100)의 저면의 윤곽 형상보다 0.5~10㎜ 정도 커지도록 더미 고화층(24')을 형성해도 좋다. 보다 구체적으로는, 플레이트 적층체(50)에 있어서 도 9(b)에 나타내는 “L”에 상당한 치수가 0.5~10㎜ 정도가 되도록 더미 고화층(24')을 형성해도 좋다.
이상, 본 발명의 일실시 형태에 대해 설명해 왔지만, 본 발명의 적용 범위 중 전형예를 예시한 것에 불과하다. 따라서, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 여러 변경이 이루어질 수 있는 것을 당업자에게는 자명하다.
또한, 상술한 본 발명의 일실시 형태는 다음의 바람직한 형태를 포함하고 있다.
제 1 형태：
(i) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사해서 해당 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및
(ii) 얻어진 고화층 위에 새로운 분말층을 형성하고, 해당 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사해서 추가의 고화층을 형성하는 공정
에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 교대로 반복해서 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서,
상기 3차원 형상 조형물의 토대로서, 조형 플레이트 및 더미 고화층을 갖는 플레이트 적층체를 이용하고,
상기 플레이트 적층체에 있어서는, 상기 조형 플레이트의 한쪽의 주면 상에 상기 더미 고화층을 형성하는 한편, 상기 조형 플레이트의 다른 쪽의 주면 상에서 상기 3차원 형상 조형물을 제조하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 2 형태：
상기 제 1 형태에 있어서, 상기 더미 고화층의 형성에 의해 얻어지는 휨 변형된 적층체에 평면 가공 처리를 실시해서 상기 플레이트 적층체를 얻는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 3 형태：
상기 제 2 형태에 있어서, 상기 평면 가공 처리에서는 상기 휨 변형된 적층체의 대향하는 주면 양쪽에 대해 절삭 가공을 실시하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 4 형태：
상기 제 2 형태 또는 제 3 형태에 있어서, 상기 플레이트 적층체에 대해서 블래스트 가공을 실시하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
제 5 형태：
상기 제 1 형태 ~ 제 4 형태 중 어느 하나에 있어서, 지지 테이블에 고정화한 상기 플레이트 적층체를 이용해서 상기 분말층 형성 및 상기 고화층 형성을 행하고 있고,
상기 더미 고화층이 상기 조형 플레이트와 상기 지지 테이블의 사이에 위치하록 상기 플레이트 적층체를 해당 지지 테이블에 고정화하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
산업상의 이용 가능성
본 발명의 일실시 형태에 따른 3차원 형상 조형물의 제조 방법을 실시함으로써, 여러 물품을 제조할 수 있다. 예를 들면, 「분말층이 무기질인 금속 분말층에 있어서, 고화층이 소결층으로 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 분말층에 있어서, 고화층이 경화층으로 되는 경우」에서는, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 수지 성형품으로서 이용할 수 있다.
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 일본 특허 출원 제2016-045893호(출원일：2016년 3월 9일, 발명의 명칭：「3차원 형상 조형물의 제조 방법」)에 근거하는 파리 조약상의 우선권을 주장한다. 당해 출원에 개시된 내용은 모두, 이 인용에 의해, 본 명세서에 포함되는 것으로 한다.
50 : 플레이트 적층체 　21' : 조형 플레이트
24' : 더미 고화층 　100　: 3차원 형상 조형물
20 : 지지 테이블

Claims (5)

  1. (i) 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사해서 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 공정, 및
    (ii) 얻어진 고화층 위에 새로운 분말층을 형성하고, 상기 새로운 분말층의 소정 개소에 광 빔을 조사해서 추가의 고화층을 형성하는 공정
    에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 교대로 반복해서 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서,
    상기 3차원 형상 조형물의 토대(土臺)로서, 조형 플레이트 및 더미 고화층을 갖는 플레이트 적층체를 이용하고
    상기 플레이트 적층체에 있어서는, 상기 조형 플레이트의 한쪽의 주면 상에 상기 더미 고화층을 형성하는 한편, 상기 조형 플레이트의 다른 쪽의 주면 상에서 상기 3차원 형상 조형물을 제조하는
    3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 더미 고화층의 형성에 의해 얻어지는 휨 변형된 적층체에 평면 가공 처리를 실시해서 상기 플레이트 적층체를 얻는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 평면 가공 처리에서는 상기 휨 변형된 적층체의 대향하는 주면 양쪽에 대해 절삭 가공을 실시하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 플레이트 적층체에 대해서 블래스트 가공을 실시하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  5. 지지 테이블에 고정화한 상기 플레이트 적층체를 이용해서 상기 분말층 형성 및 상기 고화층 형성을 행하고,
    상기 더미 고화층이 상기 조형 플레이트와 상기 지지 테이블의 사이에 위치하도록 상기 플레이트 적층체를 해당 지지 테이블에 고정화하는
    3차원 형상 조형물의 제조 방법.
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