WO2019171689A1 - 三次元形状造形物の製造方法及びその製造装置 - Google Patents
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Abstract
ベースプレートと造形物との間の熱膨張係数の差を緩和し、造形物に欠陥が発生することを抑制する三次元形状造形物の製造方法及びその製造装置を得る。 三次元形状造形物３の原料である第１粉末１及び第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２が混合された混合粉末４の層をベースプレート３２上に形成する。ベースプレート３２上の混合粉末４にビームを照射することにより、混合粉末４を焼結又は溶融して固化させて混合層５を形成する。そして、混合層５上に三次元形状造形物３の材料となる第１粉末１の層を形成し、混合層５上の第１粉末１にビームを照射することにより焼結又は溶融して固化された層を形成する工程を繰り返し行うことにより、混合層５上に三次元形状造形物３を形成する。三次元形状造形物３から混合層５を切除して三次元形状造形物３を製造する。
Description
本発明は、粉末材料にビームを照射して固化させた層が積層された三次元形状造形物の製造方法及びその製造装置に関する。
近年、三次元形状造形物（以下、単に造形物と記す）の新たな製造方法として、一般に粉末積層造形法又は光造形法と称される方法が注目されている。この方法では、金属やセラミックス等の粉末材料を薄く均一に敷き、選択的に電子ビームやレーザー等を照射することにより焼結又は溶融して固化させて固化層を形成する。そして当該固化層を繰り返し積層させることで造形物を製造している。この方法によれば、複雑な構造を有する造形物を短時間で製造することができる。一方、粉末材料と、粉末材料を載置するベースプレートとの熱膨張係数の差に起因して応力が負荷されることにより、造形物にクラック等の欠陥が発生しやすいという問題がある。これに対し、特許文献１では、金属基台上に供給された造形物の粉末粒子と金属基台の表層とをレーザーにより溶融して固化させて混合層を形成し、混合層上に造形物を形成することによって、金属基台と造形物との熱膨張係数の差を緩和している。
しかしながら、造形物の粉末材料とベースプレートの表層とをレーザーにより溶融して固化させて混合層を形成する方法では、混合層中において造形物の粉末材料の成分とベースプレートの成分との拡散が十分に起こらず、ベースプレートと造形物との間の熱膨張係数の差により造形物に欠陥が発生するという課題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ベースプレートと造形物との間の熱膨張係数の差を緩和し、造形物に欠陥が発生することを抑制する三次元形状造形物の製造方法を提供することを目的とする。また、三次元形状造形物の製造装置を提供することを目的とする。
本発明に係る三次元形状造形物の製造方法は、ベースプレート上に三次元形状造形物の原料である第１粉末及び第１粉末と異なる組成を有する第２粉末が混合された混合粉末の層を形成する混合粉末形成ステップと、混合粉末にビームを照射することにより焼結又は溶融して固化させ、ベースプレートの熱膨張係数と三次元形状造形物の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する混合層を形成する混合層形成ステップと、混合層上に、第１粉末の層を形成してビームを照射することにより焼結又は溶融して固化させる工程を繰り返し行い、三次元形状造形物を形成する造形物形成ステップと、三次元形状造形物から混合層を切除する混合層切除ステップとを備える。
また本発明に係る三次元形状造形物の製造装置は、三次元形状造形物の原料である第１粉末及び第１粉末と異なる組成を有する第２粉末の少なくともいずれかの層を形成する粉末層形成部と、第１粉末及び第２粉末の少なくともいずれかの層を焼結又は溶融して固化させるビーム照射部と、粉末層形成部が、ベースプレート上に第１粉末及び第２粉末を混合した混合粉末の層を形成し、ビーム照射部が、混合粉末にビームを照射させて焼結又は溶融して固化させ、ベースプレートの熱膨張係数と三次元形状造形物の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する混合層を形成し、混合層上に、粉末層形成部が第１粉末の層を形成してビーム照射部からビームを照射させて焼結又は溶融して固化させた層を複数積層させて三次元形状造形物を形成する制御を行う制御部とを備える。
本発明の三次元形状造形物の製造方法及びその製造装置によれば、ベースプレートと造形物との間に、造形物の原料である第１粉末及び第１粉末と異なる組成を有する第２粉末が混合され、焼結又は溶融され固化された混合層を形成することで、ベースプレートと造形物との熱膨張係数の差を緩和し、造形物に欠陥が発生することを抑制することができる。
以下、本発明の三次元形状造形物の製造方法の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。本実施の形態に係る三次元形状造形物は、粉末積層造形法によって製造される。
実施の形態１．
図１、図２は、本発明を実施するための実施の形態１に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す断面図である。図１は、粉末層を形成する工程を説明するための図であり、図２は、ビームを照射する工程を説明するための図である。
図１、図２は、本発明を実施するための実施の形態１に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す断面図である。図１は、粉末層を形成する工程を説明するための図であり、図２は、ビームを照射する工程を説明するための図である。
図１、図２に示すように、製造装置１００は、造形物３の原料である第１粉末１が貯蔵される第１粉末貯蔵部１０と、第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２が載置される第２粉末載置部２０、造形物３が形成される造形物形成部３０と、これらの上方において水平方向に移動可能なように設けられた均し板４０と、造形物形成部３０の上方に設けられたビーム照射部５０とを備える。第１粉末貯蔵部１０、第２粉末載置部２０及び造形物形成部３０は、互いに壁６１、６２、６３、６４によって仕切られ、チャンバー６０内に配置されている。また製造装置１００は、チャンバー６０の外に各部を制御する制御部７０（図示せず）を有する。
第１粉末貯蔵部１０には、上下方向に移動可能な第１粉末テーブル１１が設けられている。第１粉末貯蔵部１０の内部には、造形物３の原料である第１粉末１が収容されている。ここで、第１粉末貯蔵部１０に収容される第１粉末１の量は、造形物３の大きさに応じて調整されればよく、造形物３の体積に対して過剰に収容されることが好ましい。
第２粉末載置部２０は、第１粉末貯蔵部１０と造形物形成部３０との間に配置される。第２粉末載置部２０は、上方に水平方向に移動可能な第２粉末供給部２１が設けられている。第２粉末供給部２１は、第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２が充填されており、量を調整して第２粉末載置部２０上に第２粉末２を供給する。
造形物形成部３０には、上下方向に移動可能な造形テーブル３１が設けられている。造形テーブル３１上には、造形物３の土台となるベースプレート３２が設けられている。ベースプレート３２は、ビーム照射部５０から照射されるビームＥの照射に対して耐熱性の高い材料で構成されると好ましく、例えばステンレス鋼、炭素鋼、銅、チタン、アルミニウム、セラミックス等から構成される。
均し板４０は、第１粉末貯蔵部１０、第２粉末載置部２０及び造形物形成部３０の上方に設けられる。均し板４０は、図示しないモータにより水平方向に移動し、第１粉末貯蔵部１０から造形物形成部３０までの間を往復する。
製造装置１００は、第１粉末貯蔵部１０から第１粉末１及び第２粉末供給部２１から第２粉末２の少なくともいずれかが供給された場合、造形物形成部３０の造形テーブル３１を所定の距離まで下降させ、均し板４０を第１粉末貯蔵部１０又は第２粉末載置部２０から造形物形成部３０に水平方向に移動させ、第１粉末１又は第２粉末２をベースプレート３２上に移動させる。また製造装置１００は、均し板４０を用いてベースプレート３２上の第１粉末１及び第２粉末２の少なくともいずれかの粉末の表面を均すことで、各粉末の層を形成する。ここで造形物形成部３０及び均し板４０を合わせて粉末層形成部４１とする。
ビーム照射部５０は、造形物形成部３０の上方に設けられる。ビーム照射部５０は、ベースプレート３２上の任意の位置にビームＥを照射する。ビーム照射部５０が照射するビームＥは、例えば電子ビーム、レーザービームである。ビームＥが照射される位置は、ビームＥが電子ビームである場合、電子レンズによる電磁気的なビーム偏向によって調整される。またビームＥがレーザービームである場合、ガルバノミラーを機械的に制御し、レーザービームを反射させることにより走査される。
チャンバー６０は、内部を真空、減圧状態下又は窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガスの雰囲気に調整可能なように設けられる。
制御部７０は、上述した製造装置１００を構成する各部の制御を行う。例えば、制御部７０は、第１粉末貯蔵部１０の第１粉末テーブル１１及び造形物形成部３０の造形テーブル３１の昇降を制御する。また制御部７０は、第２粉末供給部２１が供給する第２粉末２の量を制御する。また制御部７０は、ビーム照射部５０が照射するビームＥの照射強度や照射する位置を制御する。制御部７０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）及びメモリを用いて構成される。
図３は、本発明を実施するための実施の形態１に係る三次元形状造形物の製造方法を説明するための模式図である。図３は、三次元形状造形物を製造する過程で得られる積層体を示す。図３に示すように、積層体６は、ベースプレート３２上に、第１粉末１及び第２粉末２が混合された、少なくとも一層からなる混合層５と、第１粉末１のみからなる造形物３とが一体化されて形成される。
混合層５は、第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４がビームＥにより焼結又は溶融して固化され、ベースプレート３２の熱膨張係数と造形物３の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有するようにベースプレート３２上に形成される。ここで、混合層５を形成する際、ベースプレート３２と混合粉末４との間には、第２粉末２のみからなる層が焼結又は溶融して固化された層を設けてもよい。
混合粉末４は、造形物３を形成するための第１粉末１と、造形物３の形成には用いられない、第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２とが混合されて形成される。混合粉末４は、製造装置１００内で第１粉末１と第２粉末２とが混合されてもよいし、製造装置１００外で混合されていてもよい。
第１粉末１は、造形物３を形成するための原料であり、金属、合金、セラミックス等から選択される少なくとも１種類の材料が用いられる。第１粉末１は、例えば、鉄ニッケル合金（Ｆｅ－３６Ｎｉ、Ｆｅ－３２Ｎｉ－５Ｃｏ）、チタン、タングステン等の低熱膨張の材料を用いることができる。造形物３は、第１粉末１のみを用いて形成される。
第２粉末２は、第１粉末１と異なる組成を有する粉末である。ここで異なる組成とは、第２粉末２を構成する材料の成分若しくは材料の成分比が異なる、又は材料の成分が同じであっても熱膨張係数や熱伝導率等の物質的性質が異なる組成をいう。第２粉末２は、例えば、ステンレス鋼、炭素鋼、銅、チタン、アルミニウム、セラミックス等から選択される少なくとも１種類の材料が用いられる。第２粉末２は、第１粉末１と混合され混合粉末４を形成するために用いられ、造形物３を形成する際には用いられない。
例えば、第１粉末１の熱膨張係数がベースプレート３２の熱膨張係数よりも小さい場合、第２粉末２は、熱膨張係数がベースプレート３２の熱膨張係数と同じ又はそれより小さく、第１粉末１の熱膨張係数より大きい材料から構成される。また例えば、第１粉末１の熱膨張係数がベースプレート３２の熱膨張係数よりも大きい場合、第２粉末２は、熱膨張係数がベースプレート３２の熱膨張係数と同じ又はそれより大きく、第１粉末１の熱膨張係数より小さい材料から構成される。
第２粉末２は、ベースプレート３２と同一の組成を有するとさらに好ましい。ここで同一の組成とは、第２粉末２を構成する材料の成分及び材料の成分比が、本願の効果を奏する程度に同一であればよい。第２粉末２が、ベースプレート３２と同一の組成を有することにより、第１粉末１と第２粉末２とを混合させた場合に、ベースプレート３２と造形物３との中間の熱膨張係数を有する混合層５を容易に得ることができる。
このように、ベースプレート３２と造形物３との間に、造形物３の原料である第１粉末１及び第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２が混合された混合層５を形成することで、ベースプレート３２と造形物３との熱膨張係数の差を緩和し、造形物３に欠陥が発生することを抑制することができる。
ここで混合層５は、複数積層されることが好ましい。このとき、ベースプレート３２側の下層の混合層５から造形物３側の上層の混合層５にかけて、混合層５中の第１粉末１の混合比率が増加するように形成される。以下では、ベースプレート３２側の最下層の混合層５を一層目とし、一層目をＣ１、二層目をＣ２・・・ｎ層目をＣｎとする。
ｎ層の混合層５が積層される場合、一層目とｎ層目の間の任意のｘ層目の混合層Ｃｘにおける第１粉末１の混合比率は、｛ｘ／（ｎ＋１）｝×１００（ｗｔ％）であることが好ましい。例えば９層の混合層５が積層される場合、各混合層５中の第１粉末１の混合比率は一層目から１０、２０、３０・・・（ｗｔ％）と増加し、最上段の９層目の混合層Ｃ９では、第１粉末１の混合比率が９０％で構成される。
このように、ベースプレート３２と造形物３との間に、下層の混合層５から上層の混合層５にかけて第１粉末１の混合比率が増加するように各混合層５を形成することで、ベースプレート３２と造形物３との間の熱膨張係数の変化を緩やかにすることができ、造形物３に欠陥が発生することをさらに抑制できる。
次に、製造装置１００を用いた三次元形状造形物３の製造方法を説明する。図４、図５は、本発明を実施するための実施の形態１に係る三次元形状造形物の製造方法の工程の一例を示すフローチャートである。以下に説明する製造装置１００の各部の動作は、制御部７０が各部を制御することにより行われる。
図４、図５に示すように、三次元形状造形物３の製造方法は、ベースプレート３２上に第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４の層を形成する混合粉末形成ステップ（ＳＴ１）と、混合粉末４にビームＥを照射することにより焼結又は溶融して固化させ、ベースプレート３２と造形物３との間の熱膨張係数を有する混合層５を形成する混合層形成ステップ（ＳＴ２）と、混合層５上に、第１粉末１のみの層を形成してビームＥを照射することにより第１粉末１を焼結又は溶融して固化させる工程を繰り返し、造形物３を形成する造形物形成ステップ（ＳＴ３）と、造形物３から混合層５を切除する混合層切除ステップ（ＳＴ４）を備える。
（ＳＴ１）～（ＳＴ３）の各工程は、第１粉末１及び第２粉末２の酸化又は窒化を防ぐため、製造装置１００のチャンバー６０内で、真空、減圧状態下又は窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス中で行われる。また混合粉末４を形成する工程（ＳＴ１）の前に、ベースプレート３２は、図示しないヒータ等の加熱手段又はビーム照射部５０より照射されるビームＥにより加熱されることが好ましい。これにより、第１粉末１及び第２粉末２が舞い上がりスモークが発生することを抑制できる。
まず、ベースプレート３２上に第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４の層を形成する（ＳＴ１）。第１粉末貯蔵部１０は、第１粉末テーブル１１を所定の距離まで上昇させる（ＳＴ１１）。そして均し板４０により、第１粉末１を第１粉末貯蔵部１０から第２粉末載置部２０に移動させる。（ＳＴ１２）。
第２粉末供給部２１は、第２粉末２を第２粉末載置部２０に供給する（ＳＴ１３）。第２粉末供給部２１は、水平方向に移動しながら第２粉末２を供給することにより、第２粉末載置部２０全体に第２粉末２を載置する。第２粉末供給部２１は、所定の混合比率を満たすように、第２粉末載置部２０に移動された第１粉末１の量に応じて供給量が調整される。
造形物形成部３０は、造形テーブル３１をｔｄ下降させる（ＳＴ１４）。そして均し板４０により、第１粉末１及び第２粉末２を、第２粉末載置部２０から造形物形成部３０まで移動させ、第１粉末１及び第２粉末２の表面を均して層を形成する（ＳＴ１５）。これにより、ベースプレート３２上に第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４の層が形成される。
次に、ビーム照射部５０からビームＥを照射させ、ベースプレート３２上の混合粉末４の所定の位置に走査し、焼結又は溶融して固化させる（ＳＴ２）。これにより、第１粉末１と第２粉末２とが所定の混合比率で混合され、ベースプレート３２と造形物３との間の熱膨張係数を有する混合層５が形成される。
そして、（ＳＴ１）及び（ＳＴ２）を所定の回数繰り返すことにより、混合層５を複数積層する。このとき、混合粉末形成ステップ（ＳＴ１）において、新たに形成される混合粉末４中の第１粉末１の混合比率が、直前の層における第１粉末１の混合比率よりも大きくなるように、第１粉末１及び第２粉末２の供給量が調整される。繰り返しによって新たに積層される層は、既に形成された下層と一体化される。
次に、複数積層された混合層５上に第１粉末１のみの層を形成し、ビームＥを照射して焼結又は溶融して固化させる工程を繰り返すことにより造形物３を形成する（ＳＴ３）。図６、図７は、本発明を実施するための実施の形態１に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す断面図である。図６は、混合層上に第１粉末を形成する工程を説明するための図であり、図７は、混合層上の第１粉末にビームを照射する工程を説明するための図である。
造形物形成部３０は、造形テーブル３１を下方に距離ｔｓ移動させるとともに、第１粉末貯蔵部１０の第１粉末テーブル１１を上方に移動させる（ＳＴ３１）。そして均し板４０を第１粉末貯蔵部１０から造形物形成部３０まで水平方向に移動させ、複数積層された混合層５上に厚さｔｓの第１粉末１の層を形成する（ＳＴ３２）。ここで、ベースプレート３２上に形成される第１粉末１の厚さｔｓは、第１粉末１の平均粒径以上である。第１粉末１は、例えば、混合層５との間に何も挟まず直接形成される。
ビーム照射部５０からビームＥを照射させ、第１粉末１の所定の位置に走査し、焼結又は溶融して固化させた層を形成する（ＳＴ３３）。ここで、ビームＥの走査経路は、予め三次元ＣＡＤデータから作成する。例えば、三次元ＣＡＤデータを所定のピッチでスライスした各断面の輪郭形状データを用いてビームＥの走査経路を決定する。例えば、第１粉末１の層の厚さｔｓを５０μｍとした場合、ピッチは５０μｍである。
そして、（ＳＴ３１）から（ＳＴ３３）を繰り返して所定の厚さになるまで積層することにより、混合層５上に造形物３が形成される。積層回数は、（造形物３の最大高さ）／（第１粉末１の層の厚さｔｓ）から求められる。ここで、造形物形成部３０において、溶融されずに残った第１粉末１は回収されて次の造形物３を製造する際に再利用することができる。
このように、混合層５上に形成された造形物３は、混合層５及びベースプレート３２と一体化し、周囲が余分な第１粉末１及び第２粉末２が連結して一固まりとなった集合体で覆われている。そのため、周囲の集合体を除去し、その後造形物３から混合層５及びベースプレート３２を切除する（ＳＴ４）。混合層５の切除は、製造装置１００内に設けられた加工機により行われてもよいし、製造装置１００の外部で適当な工具を用いて行われてもよい。これにより、造形物３を作製することができる。
上述のとおり、本実施の形態に係る三次元形状造形物の製造方法は、ベースプレート３２上に造形物３の原料である第１粉末１と、第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２とが混合された混合粉末４の層を形成する混合粉末形成ステップと、混合粉末４が焼結又は溶融され固化され、ベースプレート３２と造形物３との間の熱膨張係数を有する混合層５を形成する混合層形成ステップと、混合層５上に第１粉末１の層を形成し、焼結又は溶融して固化させた層を積層することで造形物３を形成する造形物形成ステップと、造形物３から混合層５を切除する混合層切除ステップとを備える構成とした。
また、本実施の形態に製造装置１００は、造形物３の原料である第１粉末１及び第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２の少なくともいずれかの層を形成する粉末層形成部４１と、第１粉末１及び第２粉末２の少なくともいずれかの層を焼結又は溶融して固化させるビーム照射部５０とを備え、粉末層形成部４１がベースプレート３２上に第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４の層を形成し、ビーム照射部５０が混合粉末４にビームＥを照射させて焼結又は溶融して固化させて混合層５を形成し、混合層５上に造形物３を形成する制御を行う制御部７０とを備える構成とした。
この構成により、ベースプレート３２と造形物３との間に、造形物３の原料からなる第１粉末１及び第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２が混合された混合層５を形成し、造形物３とベースプレート３２との熱膨張係数の差を緩和することができ、造形物３に欠陥が発生することを抑制することができる。
ここで、第１粉末１及び第２粉末２の平均粒径は、３０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。第１粉末１及び第２粉末２の粒径を１００μｍ以下とすることで、粉末層内の充填密度を高くすることができ、照射されるビームＥのエネルギー吸収率を向上させることができる。また第１粉末１の粒径を小さくすることで、造形物３の造形を高精度に行えるとともに、表面粗さを小さくすることができる。
また、第１粉末１及び第２粉末２の平均粒径を３０μｍ以上とすることで、第１粉末１及び第２粉末２が凝集し、充填密度が小さくなることを抑制できる。これにより、凝集した粉末が均し板４０に引き摺られ、粉末層にスジや割れ等の欠陥が発生することを抑制することができ、薄く均一に粉末層を形成できる。また、均し板４０を用いて第１粉末１及び第２粉末２を均して粉末層を形成する際に、粉末粒子が舞い上がりスモークが発生することを抑制できる、これにより、スモークによりビームＥが減退することなく、十分に粉末層を溶融することができる。
第１粉末１及び第２粉末２をそれぞれ構成する粉末粒子の形状は、球状、楕円体状、多面体状等であり、球状であるとより好ましい。球状であることにより、流動性が高くなり、粉末の充填密度を増して薄く均一な粉末層を得ることができる。ここで球状とは、種々の方向で測定した場合の最大長さと最小長さとの比を示すアスペクト比が１．０～２．０の範囲にある形状である。
第１粉末１及び第２粉末２は、当該技術分野において公知の方法を用いて作製することができる。例えば、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、プラズマアトマイズ法等のアトマイズ法を用いてもよい。アトマイズ法を用いることにより、均一且つ球状の流動性に優れた粉末を容易に得ることができる。
実施の形態２．
図８は、本発明を実施するための実施の形態２に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す断面図である。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。本実施の形態に係る三次元形状造形物３の製造方法では、造形物形成部３０を挟んで両側に第１粉末貯蔵部１０と第２粉末貯蔵部２２が設けられた製造装置１１０を用いた。
図８は、本発明を実施するための実施の形態２に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す断面図である。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。本実施の形態に係る三次元形状造形物３の製造方法では、造形物形成部３０を挟んで両側に第１粉末貯蔵部１０と第２粉末貯蔵部２２が設けられた製造装置１１０を用いた。
第２粉末貯蔵部２２は、上下方向に移動可能な第２粉末テーブル２３が設けられている。第２粉末貯蔵部２２の内部に第２粉末２が収容されている。
混合粉末形成ステップ（ＳＴ１）において、第１粉末１と、第２粉末２との混合比率がｍ１（ｗｔ％）：ｍ２（ｗｔ％）となる厚さｔｄの混合粉末４の層をベースプレート３２上に形成するとする。このとき、混合粉末４中の第１粉末１の層の厚さｔ１及び第２粉末２の層の厚さｔ２は、式（１）、式（２）より求められる。
ただし、Ｄ１は第１粉末１の理論密度（ｇ／ｃｍ３）、Ｄ２は第２粉末２の理論密度（ｇ／ｃｍ３）、ｍ１は第１粉末１の混合比率（ｗｔ％）、ｍ２は第２粉末２の混合比率（ｗｔ％）、ｔｄは混合粉末４の厚さ（μｍ）である。
造形物形成部３０は、造形テーブル３１を下方に距離ｔ２移動させるとともに、第２粉末貯蔵部２２の第２粉末テーブル２３を上方に移動させる（ＳＴ１１）。そして均し板４０を第２粉末貯蔵部２２から造形物形成部３０まで水平方向に移動させ、ベースプレート３２上に厚さｔ２の第２粉末２の層を形成する（ＳＴ１２）。
造形物形成部３０は、造形テーブル３１を下方に距離ｔ１移動させるとともに、第１粉末貯蔵部１０の第１粉末テーブル１１を上方に移動させる（ＳＴ１３）。そして均し板４０を第１粉末貯蔵部１０から造形物形成部３０まで水平方向に移動させ、ベースプレート３２上の第２粉末２上に厚さｔ１の第１粉末１の層を形成する（ＳＴ１４）。これにより、ベースプレート３２上に厚さｔｄの第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４の層が形成される。
次に、ビーム照射部５０からビームＥを照射させ、ベースプレート３２上の第１粉末１及び第２粉末２の任意の位置に走査し、焼結又は溶融して固化させる（ＳＴ２）。これにより、混合比率がｍ１（ｗｔ％）：ｍ２（ｗｔ％）となる混合層５を形成できる。
そして、形成された混合層５中の第１粉末１の混合比率よりも、新たに積層される次の層の第１粉末１の混合比率が大きくなるように、第１粉末１及び第２粉末２の供給量を調整し、（ＳＴ１）及び（ＳＴ２）を所定の回数繰り返して積層する。
次に、複数積層された混合層５上に第１粉末１のみの層を形成し、ビームＥを照射して溶融して固化させる工程を複数繰り返すことにより混合層５上に造形物３を形成する（ＳＴ３）。次に、造形物３から混合層５を切除し（ＳＴ４）、造形物３を作製する。
上述のとおり、ベースプレート３２と造形物３との間に、第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４が溶融され固化された混合層５を形成することにより、ベースプレート３２と造形物３との熱膨張係数の差を緩和することができる。さらに、本実施の形態では、造形物形成部３０を挟んで両側に第１粉末貯蔵部１０と第２粉末貯蔵部２２を設けた製造装置１１０を用いることにより、造形テーブル３１を昇降させる距離を制御するという簡単な工程により、所定の混合比率で第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４を形成することができる。
実施の形態３．
図９は、本発明を実施するための実施の形態３に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す断面図である。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。本実施の形態に係る三次元形状造形物の製造方法では、第１粉末貯蔵部１０の上部に第１粉末１及び第２粉末２が予め混合された混合粉末４が収容された製造装置１２０を用いた。
図９は、本発明を実施するための実施の形態３に係る三次元形状造形物の製造方法に用いられる製造装置の概略構成を示す断面図である。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。本実施の形態に係る三次元形状造形物の製造方法では、第１粉末貯蔵部１０の上部に第１粉末１及び第２粉末２が予め混合された混合粉末４が収容された製造装置１２０を用いた。
図９に示すように、第１粉末貯蔵部１０の第１粉末１が収容された箇所の上部には、第１粉末１と第２粉末２が製造装置１２０の外部で予め混合された混合粉末４が収容されている。混合粉末４は、複数の層から形成され、下層から上層へ向かうにつれ、第２粉末２の混合比率が増加するように形成される。
混合粉末形成ステップ（ＳＴ１）において、第１粉末貯蔵部１０の第１粉末テーブル１１を、混合粉末４の一層の厚さに相当する距離ｔｂ上方に移動させるとともに、造形物形成部３０は、造形テーブル３１を下方に移動させる（ＳＴ１１）。均し板４０を第１粉末貯蔵部１０から造形物形成部３０まで水平方向に移動させ、ベースプレート３２上に混合粉末４の層を形成する（ＳＴ１２）。
次に、ビーム照射部５０からビームＥを照射させ、ベースプレート３２上の第１粉末１及び第２粉末２の任意の位置に走査し、焼結又は溶融して固化させる（ＳＴ２）。（ＳＴ１）及び（ＳＴ２）を所定の回数繰り返して混合層５を積層する。
次に、複数積層された混合層５上に第１粉末１のみの層を形成し、ビームＥを照射して溶融して固化させる工程を複数繰り返すことにより造形物３を形成する（ＳＴ３）。次に、造形物３から混合層５を切除し（ＳＴ４）、造形物３を作製する。
上述のとおり、ベースプレート３２と造形物３との間に第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４が溶融され固化された混合層５を形成することにより、ベースプレート３２と造形物３との熱膨張係数の差を緩和することができる。さらに、本実施の形態では、第１粉末貯蔵部１０の上部に第１粉末１と第２粉末２とが予め混合された混合粉末４が収容された製造装置１２０を用いることにより、製造装置１２０内で、第１粉末１及び第２粉末２が混合されることにより生じるスモークや粉塵爆発が発生する恐れを低減することができる。
以下、実施例により本発明の詳細を説明するが、これによって本発明が限定されるものではない。
第１粉末１として、平均粒径７０μｍの一般にスーパーインバーと呼ばれる鉄ニッケル合金の粉末を用いた。第１粉末１は、３１．０以上３３．０以下ｗｔ％のＮｉ、４．５以上５．５ｗｔ％以下のＣｏ、０．１５以上０．６５以下ｗｔ％のＭｎ、０．０１ｗｔ％以下のＳｉ、０．０５ｗｔ％のＣ、０．０１ｗｔ％のＳ、０．５ｗｔ％のＭｎ、０残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有する。
第２粉末２として、平均粒径７０μｍのＳＵＳ３０４の粉末を用いた。第２粉末２は、１８．０以上２０．０以下のＣｒｗｔ％、８．０以上１０．５以下のＮｉｗｔ％、３．５ｗｔ％のＣｕ、０．２ｗｔ％のＮｂ、０．０２ｗｔ％のＣ、０．５ｗｔ％のＳｉ、０．５ｗｔ％のＭｎ、０．０１ｗｔ％以下のＰ、０．０１ｗｔ％のＳを含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有する。
ここで、第１粉末１及び第２粉末２の平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて測定した粒度分布から得られる平均粒径を用いた。
図１、図２に示す製造装置１００を用いて造形物３の造形を行った。ベースプレート３２は、第２粉末２と同一の組成を有するＳＵＳ３０４を用いた。ビーム照射部５０として、電子ビームＥが照射可能な電子銃を用いた。また、第１粉末貯蔵部１０、第２粉末載置部２０、造形物形成部３０及び均し板４０をチャンバー６０内に設けた。
まず、第１粉末貯蔵部１０及び第２粉末供給部２１に、それぞれ第１粉末１及び第２粉末２を充填し、チャンバー６０内を真空引きした。電子銃により電子ビームＥをベースプレート３２に照射し、ベースプレート３２の温度を約８００℃～８５０℃に加熱保持した。
次に、第１粉末貯蔵部１０の第１粉末テーブル１１を所定の距離まで上昇させ、均し板４０により、第１粉末１を第１粉末貯蔵部１０から第２粉末載置部２０に移動させた。第２粉末供給部２１より、所定の量の第２粉末２を第２粉末載置部２０に供給した。
次に、造形テーブル３１を下方に７０μｍ移動させた後、均し板４０を移動させ、第１粉末１及び第２粉末２を、第２粉末載置部２０から造形物形成部３０まで移動し、均し板４０で均すことによりベースプレート３２上に７０μｍの厚さで混合粉末４の層を形成した。
次に、造形物形成部３０の上方に設けられた電子銃から所定の位置に電子ビームＥを照射することにより、ベースプレート３２上の混合粉末４を溶融して固化させた混合層５を形成した。このとき、電子ビームの電流は４Ａ、スキャン速度５０ｍｍ、スキャンピッチ２０μｍとした。この動作を繰り返し、９層の混合層５を積層した。各混合層５の第１粉末１の混合比率は、一層目から１０、２０、３０・・９０（ｗｔ％）とした。
次に、造形テーブル３１を下方に７０μｍ移動させた後、第１粉末テーブル１１を上方に移動し、均し板４０より第１粉末貯蔵部１０から造形物形成部３０まで水平方向に移動させた。均し板４０で均すことにより、ベースプレート３２上に複数積層された混合層５の上に、７０μｍの厚さで第１粉末１の層を形成した。
電子銃から電子ビームＥを照射し、予め入力された造形物のスライスデータに沿って、第１粉末１に電子ビームＥを走査し、溶融して固化させた層を形成した。
次に、溶融して固化させた層の上に、上記と同様の条件で、第１粉末１の層を形成し、所定の位置に電子ビームＥを照射することを繰り返し、混合層５上に造形物３を形成した。その後、チャンバー６０内に不活性ガスを注入し冷却を行った。このとき、造形物３への熱応力を緩和するために、１００℃／ｈｒで徐々に冷却した。十分に冷却した後、造形テーブル３１を上昇させ、造形物３と一体化された混合層５、ベースプレート３２及び造形物３の周囲に付着した第１粉末１及び第２粉末２の集合体を取り出した。そして、造形物３から集合体を除去し、混合層５及びベースプレート３２を切除することによって、造形物３を作製した。
上述のとおり、本発明に係る三次元形状造形物３の製造方法によれば、第１粉末１及び第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２が混合された混合層５を形成することで、ベースプレート３２と造形物３との熱膨張係数の差を緩和することができる。これにより、鉄ニッケル合金等の低熱膨張の材料からなる造形物３を製造する場合でも、ベースプレート３２の材質によらず、造形物３に欠陥が発生することを抑制できる。
実施の形態４．
本発明を実施するための実施の形態４に係る三次元形状造形物の製造方法について説明する。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。本実施の形態では、混合粉末４の各層ごとに焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度に応じてビームＥを照射する。
本発明を実施するための実施の形態４に係る三次元形状造形物の製造方法について説明する。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。本実施の形態では、混合粉末４の各層ごとに焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度に応じてビームＥを照射する。
三次元形状造形物３の製造方法は、ベースプレート３２上に第１粉末１と第２粉末２とが混合された混合粉末４の層を形成する混合粉末形成ステップ（ＳＴ１）と、混合粉末４にビームＥを照射することにより焼結又は溶融して固化させ、ベースプレート３２と造形物３との間の熱膨張係数を有する混合層５を形成する混合層形成ステップ（ＳＴ２と、混合層５上に、第１粉末１のみの層を形成してビームＥを照射することにより第１粉末１を焼結又は溶融して固化させる工程を繰り返し、造形物３を形成する造形物形成ステップ（ＳＴ３）と、造形物３から混合層５を切除する混合層切除ステップ（ＳＴ４）を備える。ここで、造形物３の製造に用いられる製造装置は、図１、図８、図９に示す製造装置１００、１１０、１２０のいずれであってもよい。
混合層５は複数積層され、下層の混合層５から上層の混合層５にかけて第２粉末２に対して第１粉末１の混合比率が増加するように形成される。例えば、積層される混合層５の総数をｎ層とした場合、一層目とｎ層目の間の任意のｘ層目の混合層Ｃｘにおける第１粉末１の混合比率は、｛ｘ／（ｎ＋１）｝×１００（ｗｔ％）である。
ビーム照射部５０は、造形物形成部３０の上方に設けられ、所定の位置にビームＥを照射することにより、ベースプレート３２上の混合粉末４を焼結又は溶融して固化させ、混合層５を形成する。また、混合層５上に積層された第１粉末１を焼結又は溶融して固化させ、造形物３を形成する。
ここで、ビームＥの出力Ｐ（Ｗ）、走査速度ｖ（ｍｍ／ｓ）、走査ピッチｓ（ｍｍ）、積層厚みｔ（ｍｍ）としたとき、ビーム照射部５０が各粉末層に照射するビームＥのエネルギー密度Ｅｋ（Ｊ／ｍｍ３）は、Ｅｋ＝Ｐ／ｖｓｔで定義される。各粉末を焼結又は溶融して固化させるのに必要なエネルギー密度Ｅｋは、各粉末の組成に応じて異なる。本実施の形態では、混合層形成ステップ（ＳＴ２）において、混合粉末４の各層ごとに焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度Ｅｋに応じてビームＥを照射する、
例えば、第１粉末１の焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度をＥａ、第２粉末２の焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度をＥｂとした場合、ビーム照射部５０は、積層される混合粉末４の下層から上層にかけて、第２粉末２の焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度Ｅｂから、第１粉末１の焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度Ｅａに近づくようにビームＥを照射する。すなわち、エネルギー密度がＥａ＜Ｅｂである場合、ビーム照射部５０は、下層から上層にかけて照射するビームＥのエネルギー密度Ｅｋを徐々に減少させ、Ｅａ＞Ｅｂである場合、下層から上層にかけて照射するビームＥのエネルギー密度Ｅｋを徐々に増加させる。
例えば、積層される混合層５の総数をｎ層、ベースプレート３２側の最下層の混合層５を一層目とした場合、ｘ層目（１≦ｘ≦ｎ）の混合粉末４の層に照射されるビームＥのエネルギー密度Ｅｘは、式（３）を満たすことが好ましい。
式（３）を満たすことで、第１粉末１の比率が下層から上層にかけて徐々に増加する混合層５を形成する場合において、混合粉末４の各層ごとに焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度Ｅｋに応じてビームＥを照射することができる。ここで、厳密に式（３）と同値でなくともよく、効果を奏する範囲で同じであればよい。
上述のとおり、本発明に係る三次元形状造形物３の製造方法によれば、第１粉末１及び第１粉末１と異なる組成を有する第２粉末２が混合された混合層５を形成することで、ベースプレート３２と造形物３との熱膨張係数の差を緩和することができる。これにより、鉄ニッケル合金等の低熱膨張の材料からなる造形物３を製造する場合でも、ベースプレート３２の材質によらず、造形物３に欠陥が発生することを抑制できる。さらに本実施の形態では、混合層形成ステップにおいて、混合粉末４の各層ごとに焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度に応じてビームを照射することで、混合層５へのエネルギー過剰による過溶融や、エネルギー不足による混合層５の焼結不足に陥ることなく、健全な混合層５が形成できる。
なお、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で、実施の形態１から４に開示されている複数の構成要素の適宜組み合わせてもよい。
１ 第１粉末、２ 第２粉末、３ 造形物、４ 混合粉末、５ 混合層、６ 積層体、１０ 第１粉末貯蔵部、１１ 第１粉末テーブル、２０ 第２粉末載置部、２１ 第２粉末供給部、２２ 第２粉末貯蔵部、２３ 第２粉末テーブル、３０ 造形物形成部、３１ 造形テーブル、３２ ベースプレート、４０ 均し板、４１ 粉末層形成部、５０ ビーム照射部、６０ チャンバー、７０ 制御部、１００，１１０，１２０ 製造装置。
Claims (9)
- ベースプレート上に三次元形状造形物の原料である第１粉末及び前記第１粉末と異なる組成を有する第２粉末が混合された混合粉末の層を形成する混合粉末形成ステップと、
前記混合粉末にビームを照射することにより焼結又は溶融して固化させ、前記ベースプレートの熱膨張係数と前記三次元形状造形物の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する混合層を形成する混合層形成ステップと、
前記混合層上に、前記第１粉末の層を形成してビームを照射することにより焼結又は溶融して固化させる工程を繰り返し行い、前記三次元形状造形物を形成する造形物形成ステップと、
前記三次元形状造形物から前記混合層を切除する混合層切除ステップと
を備えることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。 - 前記混合粉末形成ステップ及び前記混合層形成ステップを交互に繰り返し行うことにより前記混合層を複数積層し、前記混合粉末形成ステップでは、下層の前記混合層から上層の前記混合層にかけて前記第１粉末の比率が増加するように前記混合粉末を形成することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 積層される前記混合層の総数をｎ層とした場合、前記ベースプレート側の最下層からｘ層目の前記混合層に含まれる前記第１粉末の比率が｛ｘ／（ｎ＋１）｝×１００［ｗｔ％］であることを特徴とする請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 前記混合層形成ステップにおいて、前記混合粉末の各層ごとに焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度に応じてビームを照射することを特徴とする請求項２又は３に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 前記第１粉末の焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度をＥａ、前記第２粉末の焼結又は溶融固化に必要なエネルギー密度をＥｂ、積層される前記混合層の総数をｎ層とした場合、前記ベースプレート側の最下層からｘ層目の前記混合粉末の層に照射されるビームのエネルギー密度Ｅｘは、Ｅａ×（ｘ／ｎ＋１）＋｛Ｅｂ×（ｎ＋１－ｘ）／（ｎ＋１｝｝であることを特徴とする請求項４に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 前記第２粉末の熱膨張係数は、前記第１粉末の熱膨張係数よりも大きく、前記ベースプレートの熱膨張係数と同じ又はそれより小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 前記第２粉末は、前記ベースプレートと同一の組成を有する材料で構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 前記第１粉末は、鉄ニッケル合金、チタン、タングステン、セラミックスの少なくともいずれかで構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 三次元形状造形物の原料である第１粉末及び前記第１粉末と異なる組成を有する第２粉末の少なくともいずれかの層を形成する粉末層形成部と、
前記第１粉末及び前記第２粉末の少なくともいずれかの層を焼結又は溶融して固化させるビーム照射部と、
前記粉末層形成部が、ベースプレート上に前記第１粉末及び前記第２粉末を混合した混合粉末の層を形成し、前記ビーム照射部が、前記混合粉末にビームを照射させて焼結又は溶融して固化させ、前記ベースプレートの熱膨張係数と前記三次元形状造形物の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する混合層を形成し、前記混合層上に、前記粉末層形成部が前記第１粉末の層を形成して前記ビーム照射部からビームを照射させて焼結又は溶融して固化させた層を複数積層させて前記三次元形状造形物を形成する制御を行う制御部と
を備えることを特徴とする三次元形状造形物の製造装置。
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