CN108778576A - 三维形状造型物的制造方法 - Google Patents

Abstract

为了提供翘曲变形减少的三维形状造型物的制造方法，在本发明的一个实施方式中，提供一种三维形状造型物的制造方法，是在造型盘上重复进行粉末层形成以及利用光束照射的固化层形成的三维形状造型物的制造方法，其中，使相对于在后形成的后续固化层而言在先形成的至少一个先行固化层以与后续固化层相比相对较高的温度条件形成。

Description

三维形状造型物的制造方法

技术领域

本发明涉及三维形状造型物的制造方法。具体而言，本发明涉及通过对粉末层的光束照射而形成固化层的三维形状造型物的制造方法。

背景技术

以往已知有通过向粉末材料照射光束来制造三维形状造型物的方法(一般称为“粉末烧结层叠法”)。该方法基于以下的工序(i)和(ii)交替地重复实施粉末层形成和固化层形成来制造三维形状造型物。

(i)向粉末层的规定部位照射光束、使该规定部位的粉末烧结或熔融固化而形成固化层的工序。

(ii)在得到的固化层之上形成新的粉末层、并同样地照射光束而形成进一步的固化层的工序。

按照这样的制造技术，能够在短时间内制造复杂的三维形状造型物。在将无机质的金属粉末用作粉末材料的情况下，能够将得到的三维形状造型物作为模具使用。另一方面，在将有机质的树脂粉末用作粉末材料的情况下，能够将得到的三维形状造型物作为各种模型使用。

将作为粉末材料而使用金属粉末、并将由其得到的三维形状造型物用作模具的情况作为例子。如图6所示，首先，使刮板23动作而在造型盘21上形成规定厚度的粉末层22(参照图6的(a))。接下来，向粉末层22的规定部位照射光束L而从粉末层22形成固化层24(参照图6的(b))。继而，在得到的固化层24之上形成新的粉末层22并再次照射光束而形成新的固化层24。这样交替地重复实施粉末层形成和固化层形成从而固化层24层叠(参照图6的(c))，最终能够获得由层叠化的固化层24构成的三维形状造型物。作为最下层而形成的固化层24由于成为与造型盘21粘合的状态，因此三维形状造型物与造型盘21成为一体物，能够将该一体物作为模具使用。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008－307895号公报

发明概要

发明要解决的课题

在上述的粉末烧结层叠法中，被照射光束的粉末层的照射部位经过烧结现象或熔融固化现象等从而成为固化层24。在形成该固化层24时，由于粉末材料间的空隙减少等原因，会产生如图7的(a)所示那样的收缩应力。结果，三维形状造型物100与作为其基座的造型盘21的一体物容易发生翘曲变形(参照图7的(b))。即，三维形状造型物100存在无法得到所希望的形状的问题。

发明内容

本发明是针对该情况而做出的。即，本发明的目的在于，提供翘曲变形减少的三维形状造型物的制造方法。

解决课题的手段

为了实现上述目的，在本发明的一个实施方式中，提供一种三维形状造型物的制造方法，其通过(i)向粉末层的规定部位照射光束使该规定部位的粉末烧结或熔融固化而形成固化层的工序、以及(ii)在得到的固化层之上形成新的粉末层并向该新的粉末层的规定部位照射光束而进一步形成固化层的工序，在造型盘上交替地重复进行粉末层形成以及固化层形成，

其中，使相对于在后形成的后续固化层而言在先形成的至少一个先行固化层以与后续固化层相比相对较高的温度条件形成。

发明効果

根据本发明的制造方法，能够得到翘曲变形减少的三维形状造型物。

附图说明

图1是示意性地表示本发明概念的剖视图。

图2是示意性地表示本发明的制造方法的经时形态的剖视图(图2的(a)：先行固化层的形成、图2的(b)：后续固化层的形成、图2的(c)：三维形状造型物的制造完成)。

图3是示意性地表示可能在造型盘及先行固化层中产生的应力的剖视图。

图4是表示可能在三维形状造型物中产生的翘曲应力的曲线图。

图5是示意性地表示造型盘的加热单元的剖视图。

图6是示意性地表示实施粉末烧结层叠法的光造型复合加工的工艺形态的剖视图(图6的(a)：粉末层形成时、图6的(b)：固化层形成时、图6的(c)：层叠中途)。

图7是示意性地表示在粉末烧结层叠法中三维形状造型物发生翘曲变形的现象的剖视图(图7的(a)：产生了收缩应力的固化层、图7的(b)：翘曲变形的三维形状造型物)。

图8是示意性地表示光造型复合加工机的结构的立体图。

图9是表示光造型复合加工机的一般动作的流程图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的一个实施方式更具体地进行说明。图中各要素的形态及尺寸仅为例示，并不反映实际的形态及尺寸。

在本说明书中，“粉末层”例如是指“由金属粉末形成的金属粉末层”或者“由树脂粉末形成的树脂粉末层”。另外，“粉末层的规定部位”实质上是指所制造的三维形状造型物的区域。因此，通过对存在于该规定部位的粉末照射光束，该粉末烧结或熔融固化而构成三维形状造型物。此外，所谓“固化层”，在粉末层为金属粉末层的情况下是指“烧结层”，而在粉末层为树脂粉末层的情况下是指“硬化层”。

另外，在本说明书中直接或间接说明的“上下”的方向例如是基于造型盘和三维形状造型物的位置关系的方向，以造型盘为基准将制造三维形状造型物的一侧作为“上方向”，将其相反侧作为“下方向”。

[粉末烧结层叠法]

首先，对作为本发明制造方法的前提的粉末烧结层叠法进行说明。特别是，在粉末烧结层叠法中作为例子而举出附加地进行三维形状造型物的切削处理的光造型复合加工。图6示意性地表示了光造型复合加工的工艺形态，图8及图9分别示出了能够实施粉末烧结层叠法和切削处理的光造型复合加工机的主要结构以及动作流程图。

如图8所示，光造型复合加工机1具备粉末层形成单元2、光束照射单元3以及切削单元4。

粉末层形成单元2用于将金属粉末或树脂粉末等粉末以规定厚度敷设来形成粉末层。光束照射单元3用于向粉末层的规定部位照射光束L。切削单元4用于对层叠化的固化层的侧面、即三维形状造型物的表面进行切削。

如图6所示，粉末层形成单元2主要具有粉末台25、刮板23、造型台20以及造型盘21。粉末台25能够在外周被壁26包围的粉末材料箱28内上下升降。刮板23为了将粉末台25上的粉末19向造型台20上供给而得到粉末层22而能够在水平方向上移动。造型台20能够在外周被壁27包围的造型箱29内上下升降。另外，造型盘21配设在造型台20上，成为三维形状造型物的基座。

如图8所示，光束照射单元3主要具有光束振荡器30以及检流计镜(galvanometermirror)31。光束振荡器30是发出光束L的设备。检流计镜31是将发出的光束L向粉末层22进行扫描的单元、即光束L的扫描单元。

如图8所示，切削单元4主要具有立铣刀(end mill)40以及驱动机构41。立铣刀40是用于对层叠化的固化层的侧面、即三维形状造型物的表面进行切削的切削工具。驱动机构41是使立铣刀40向所希望的应切削部位移动的单元。

对光造型复合加工机1的动作进行详述。如图9的流程图所示，光造型复合加工机1的动作主要由粉末层形成步骤(S1)、固化层形成步骤(S2)以及切削步骤(S3)构成。粉末层形成步骤(S1)是用于形成粉末层22的步骤。在该粉末层形成步骤(S1)中，首先使造型台20下降Δt(S11)，使得造型盘21的上表面与造型箱29的上端面的水平差为Δt。接下来，在使粉末台25上升Δt之后，如图6的(a)所示那样，使刮板23从粉末材料箱28朝向造型箱29沿水平方向移动。由此，能够将配置于粉末台25的粉末19移送到造型盘21上(S12)，进行粉末层22的形成(S13)。作为用于形成粉末层22的粉末材料，例如能够举出“平均粒径为5μm～100μm程度的金属粉末”以及“平均粒径为30μm～100μm程度的尼龙、聚丙烯或ABS等的树脂粉末”。在形成粉末层22之后，转移到固化层形成步骤(S2)。固化层形成步骤(S2)是利用光束照射而形成固化层24的步骤。在该固化层形成步骤(S2)中，从光束振荡器30发出光束L(S21)，利用检流计镜31使光束L向粉末层22上的规定部位扫描(S22)。由此，使粉末层22的规定部位的粉末烧结或熔融固化，如图6的(b)所示那样形成固化层24(S23)。作为光束L，可以使用二氧化碳激光、Nd：YAG激光、光纤激光或紫外线等。

粉末层形成步骤(S1)和固化层形成步骤(S2)交替地重复实施。由此，如图6的(c)所示那样使多个固化层24层叠化。

若层叠化的固化层24达到规定厚度(S24)，则转移到切削步骤(S3)。切削步骤(S3)是用于对层叠化的固化层24的侧面、即三维形状造型物的表面进行切削的步骤。通过使立铣刀40(参照图6的(c)及图8)驱动而开始切削步骤(S31)。例如，在立铣刀40具有3mm的有效刃长的情况下，能够沿着三维形状造型物的高度方向进行3mm的切削处理，因此如果Δt为0.05mm，则在层叠了60层固化层24的时间点使立铣刀40驱动。具体而言，是一边利用驱动机构41使立铣刀40移动，一边对层叠化的固化层24的侧面实施切削处理(S32)。在这样的切削步骤(S3)的最终，判断是否得到了所希望的三维形状造型物(S33)。在仍然没有得到所希望的三维形状造型物下，回到粉末层形成步骤(S1)。之后，重复实施粉末层形成步骤(S1)～切削步骤(S3)而进一步实施固化层的层叠化以及切削处理，从而最终得到所希望的三维形状造型物。

[本发明的制造方法]

本发明在上述的粉末烧结层叠法中关于固化层的形成形态具有特征。

具体而言，在本发明的制造方法中，关于构成三维形状造型物的多个固化层的形成，相对地改变温度条件。如图1所示，使相对于后形成的后续固化层24B而言先行形成的至少一个先行固化层24A以比后续固化层24B相对高的温度条件形成。即，在本发明中，使时间上在先的固化层以比之后形成的固化层高的温度条件形成。详情将在后面叙述，本申请发明者们发现，可能成为引起最终得到的三维形状造型物的翘曲变形的主要因素的向内的应力尤其会在造型盘与三维形状造型物的界面区域产生(参照图4)，基于如何减小该界面区域的向内的应力这样的考虑而做出了本发明。具体而言，本申请发明者们为了减少三维形状造型物的翘曲变形，基于如何形成与该界面区域的向内的应力相反方向的力这样的考虑而做出了本发明。

基于更具体的方式进行说明。首先，在造型盘21上以相对较高的温度条件形成先行固化层24A(参照图2的(a))。形成先行固化层24A之后，在该先行固化层24A上以相对较低的温度条件形成后续固化层24B(参照图2的(b))。重复实施后续固化层24B的形成，从而最终得到三维形状造型物100(参照图2的(c))。由这种方式可知，本发明具有如下的技术思想：积极地使位于三维形状造型物的底侧的固化层与该底侧以外的固化层以不同的温度条件形成。

本说明书中所说的“先行”是指时间上“在先”，因此“先行固化层”这一用语是指相对地早期形成的固化层。另一方面，本说明书中所说的“后续”是指时间上“在后”，因此“后续固化层”这一用语是指相对地后期形成的固化层。

另外，本说明书中所说的“较高的温度条件”在广义上是指固化层形成时的温度较高，狭义而言则是指用于形成固化层的粉末层(相当于固化层的前身阶段的层的粉末层)的温度较高。因此，就典型的例子而言，“相对较高的温度条件”是指用于形成先行固化层的粉末层的温度比用于形成后续固化层的粉末层的温度高。

“相对较高的温度条件”可以利用造型盘的温度来形成。即，用于先行固化层形成的相对较高的温度条件可以利用造型盘的温度达成。在造型盘上直接形成先行固化层时，优选的是，该造型盘的热量传导至“用于形成先行固化层的粉末层”而成为“相对较高的温度条件”。在该情况下，需要造型盘成为较高的温度，因此优选进行造型盘的加热。当造型盘被加热，则造型盘高温化，该高温化后的造型盘的热量传导至“用于形成先行固化层的粉末层”而能得到“相对较高的温度条件”。

在本发明的制造方法中，通过使先行固化层以与后续固化层相比相对较高的温度条件形成，从而能够减少最终得到的三维形状造型物的翘曲变形。关于设想的机理，以不受特定理论局限为前提来进行详述。在使先行固化层以相对较高的温度条件形成的情况下，为此而高温化了的造型盘具有容易因热膨胀而朝向外侧产生应力的倾向。另一方面，在形成先行固化层时，如参照图7的(a)及图7的(b)说明的现象那样，由于粉末材料间的空隙的减小等而会在固化层24中产生收缩应力。如图3所示，在高温化了的造型盘21中产生的应力21’由于起因于热膨胀，所以其朝向是进行扩展的方向即“向外”，相对于此，在先行固化层24A中产生的应力24A’的朝向则相反。因此，在制造三维形状造型物时，这些应力(24A’，21’)以相互抵消的方式发生作用，结果，能够防止三维形状造型物的翘曲变形。

此外，也可以考虑后续固化层也同样地以较高的温度条件形成。但是发现，在三维形状造型物的制造时产生的应力尤其会在制造初期相对较大地发生，之后应力较小(参照图4)。更具体而言，由图4可知：尤其是在三维形状造型物的底面附近会产生较大的应力，越是远离三维形状造型物的底面的位置则应力越小。即，在进行后续固化层的形成时产生的应力不大。另外，毕竟“较高的温度”有可能对三维形状造型物的尺寸精度不利而并不理想。因此，后续固化层的温度条件不需要高于先行固化层的温度条件，即“使先行固化层以与后续固化层相比相对较高的温度条件形成”。

依据如图4所示那样在三维形状造型物的底面附近产生较大应力的现象，可以说，以较高的温度条件形成的先行固化层的高度水平在某一范围内即可。即，在本发明的制造方法中，可以使至少一个先行固化层的厚度在从造型盘起为规定高度的范围内。虽然仅为例示，该至少一个先行固化层的厚度可以是从造型盘的上侧表面起为5mm以内。在此情况下，使从造型盘的上侧表面起为5mm以内的范围的先行固化层(例如若一个先行固化层的厚度为0.05mm，则是从第1层到第100层的固化层)以相对较高的温度条件形成。

在本发明的一个优选方式中，在形成与造型盘相接的第一层的粉末层之前开始造型盘的加热。即，在造型盘上形成用于至少一个先行固化层形成的第一层的粉末层之前，预先开始造型盘的加热。由此，能够使造型盘高温化，更好地在造型盘21中产生对抗“在三维形状造型物的底面附近产生的较大的应力24A’”的向外的应力21’(参照图3)。即，能够更加有效地防止三维形状造型物的翘曲变形。

以下，按照时间顺序对本发明一实施方式的制造方法进行说明。

(1)造型盘的准备

首先，准备造型盘。这里准备的造型盘可以是在粉末烧结层叠法中通常使用的造型盘。例如在使用金属粉末作为粉末而形成烧结层(由铁类材料形成的烧结层)作为固化层的情况下，造型盘的材质可以是从钢、超硬合金、高速度工具钢、合金工具钢、不锈钢以及机械结构用碳钢所构成的组中选择的至少一种材质。另外，造型盘既然称为“盘”，典型地优选为整体呈扁平状。只要能够用作所制造的三维形状造型物的“基座”，则造型盘的具体形状可以是任何形状。因此，造型盘的形状不特别限定于长方体形状，也可以是圆板形状或多棱柱形状等。

(2)造型盘的加热

对造型盘进行加热处理。通过该加热处理，造型盘高温化并发生热膨胀。当发生热膨胀，会在造型盘膨胀的方向即向外产生应力。

造型盘的加热方法没有特别限定，例如能够举出以下方法。

－通过向造型盘的表面照射光束而实现的造型盘的局部加热。

－使用在造型盘的内部和/或侧面配置的加热器的造型盘的整体加热。

－使用在对造型盘进行支承的造型台的内部或侧面设置的加热器的造型盘的整体加热。

－通过使温水或蒸气向对造型盘进行支承的造型台的内部所设置的调温管流动而实现的造型盘的整体加热。

－通过红外线放射实现的造型盘的整体加热或局部加热。

－通过电磁感应加热实现的造型盘的整体加热或局部加热。

此外，上述例示中的“整体加热”是指以热量传递到造型盘的中心部的方式使造型盘整体地高温化。

上述的在造型台内部设置加热器的方式以及使温水或蒸气向造型台的调温管流动的方式中，可以考虑到对于与造型台的底面侧及侧面侧相邻接的区域而言不希望的热影响。因此，为了减小该热影响，可以对设有加热器或调温管50的造型台20的底面及侧面设置隔热材料60(参照图5)。该隔热材料60例如可以采用树脂材料。

(3)先行固化层的形成

在通过加热处理而高温化后的造型盘21上形成粉末层，向该粉末层照射光束而形成先行固化层24A(参照图2的(a))。用于形成先行固化层24A的粉末层与造型盘21相接，因此来自高温化的造型盘21的热量传递至该粉末层。在像这样粉末层具有较高温度的条件下(特别是在成为与用于形成后续固化层的粉末层的温度相比相对较高的温度的条件下)进行先行固化层24A的形成。即，对具有相对较高的温度的粉末层照射光束而形成先行固化层24A。

先行固化层24A可以仅为1层，或是也可以由多层构成(参照图2的(a)的引出图)。虽然没有特别限定，但是先行固化层24A例如由1～100层构成，优选由1～50层构成，更优选由1～20层构成。

(4)后续固化层的形成

在形成先行固化层24A之后，在先行固化层24A上形成新的粉末层，向该粉末层照射光束而形成后续固化层24B(参照图2的(b))。重复实施后续固化层24B的形成，最终能够得到三维形状造型物100(参照图2的(c))。另外，“较高的温度”在三维形状造型物100的尺寸精度这一点上原则上是不优选的，因此后续固化层24B的温度条件不需要高于先行固化层24A的温度条件。换言之，从防止后续固化层24B的不必要的热膨胀的观点出发，优选的是，在后形成的后续固化层24B以与先行固化层24A相比相对较低的温度条件形成。具体而言，可以是，以使得与先行固化层24A的形成时的温度条件的温度差小于例如100℃的方式，使后续固化层24B的形成在相对较低的温度条件下进行。这意味着，以使得与后续固化层24B的形成时的温度条件的温度差小于例如100℃的方式，在相对较高的温度条件下进行先行固化层24A的形成。

以上为了理解本发明而对典型实施方式进行了说明，但是本发明的制造方法可以考虑多种具体的实施方式。

(相对较高的温度条件的测定方式)

在本发明中，使先行固化层以与后续固化层相比相对较高的温度条件形成，但是对先行固化层以及后续固化层的温度条件进行直接控制并不容易。因此，例如，可以通过适当地改变在与先行固化层相接的造型盘或其正下方的造型台处设置的加热器等的设定温度来对先行固化层及后续固化层的温度条件进行控制。换言之，可以是，与后续固化层相比，在先行固化层的形成时使在造型盘或造型台处设置的加热源的设定温度较高，从而形成“相对较高的温度条件”。

(伴随造型盘的热膨胀的光束照射条件)

在利用造型盘的加热来形成“相对较高的温度”的情况下，可以考虑由于造型盘的热膨胀而导致在该造型盘上形成的粉末层的厚度不均匀的情况。该情况下，可以是，在形成粉末层之前测定刮板与造型盘之间的距离，对应于该距离而适当地改变对粉末层的局部部位的光束的照射条件。由此能够减轻“因粉末层的厚度的局部差异而导致固化层的密度不均匀”的问题。具体而言，可以是，对于刮板与造型盘之间的相隔尺寸相对较小的部位上的粉末层部分，更加提高光束照射速度，或更加减小光束照射输出。另一方面，也可以是，对于刮板与造型盘之间的相隔尺寸相对较大的部位上的粉末层部分，更加降低光束照射速度，或更加增大光束照射输出。

以上对本发明的一个实施方式进行了说明，但是其只不过示出了本发明的适用范围中的典型例。因此，本发明并不限定于此，可进行各种改变对于本领域人员而言是容易理解的。

此外，上述那样的本发明的一个实施方式包含以下的优选方式。

第一方式：

一种三维形状造型物的制造方法，通过(i)向粉末层的规定部位照射光束使该规定部位的粉末烧结或熔融固化而形成固化层的工序；以及(ii)在得到的固化层之上形成新的粉末层、向该新的粉末层的规定部位照射光束而进一步形成固化层的工序，在造型盘上交替地重复进行粉末层形成以及固化层形成，

使相对于在后形成的后续固化层而言在先形成的至少一个先行固化层以与该后续固化层相比相对较高的温度条件形成。

第二方式：

一种三维形状造型物的制造方法，在上述第一方式中，上述至少一个上述先行固化层的厚度在从上述造型盘起为规定高度的范围内。

第三方式：

一种三维形状造型物的制造方法，在上述第一方式或第二方式中，利用上述造型盘的温度，形成上述相对较高的温度条件。

第4方式：

一种三维形状造型物的制造方法，在上述第三方式中，在形成与上述造型盘相接的第一层的粉末层之前开始该造型盘的加热。

产业上的利用可能性

通过实施本发明的一个实施方式的三维形状造型物的制造方法，能够制造各种物品。例如，在“粉末层是无机质的金属粉末层而固化层为烧结层的情况”下，能够将得到的三维形状造型物用作塑料注塑成型用模具、模压模具、压铸模具、铸造模具、锻造模具等模具。另一方面，在“粉末层是有机质的树脂粉末层而固化层为硬化层的情况”下，能够将得到的三维形状造型物用作树脂成形品。

关联申请的相互参照

本申请基于日本发明专利申请第2016－045898号(申请日：2016年3月9日、发明名称：“三维形状造型物的制造方法”)而主张巴黎公约的优先权。该申请公开的全部内容通过引用并入本说明书。

符号说明

21 造型盘

24A 先行固化层

24B 后续固化层

100 三维形状造型物

Claims (4)

1.一种三维形状造型物的制造方法，通过

(i)向粉末层的规定部位照射光束使该规定部位的粉末烧结或熔融固化而形成固化层的工序；以及

(ii)在得到的固化层之上形成新的粉末层并向该新的粉末层的规定部位照射光束而进一步形成固化层的工序，

在造型盘上交替地重复进行粉末层形成以及固化层形成，

该三维形状造型物的制造方法的特征在于，

使相对于在后形成的后续固化层而言在先形成的至少一个先行固化层以与该后续固化层相比相对较高的温度条件形成。

2.根据权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，

上述至少一个上述先行固化层的厚度在从上述造型盘起为规定高度的范围内。

3.根据权利要求1所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，

利用上述造型盘的温度，形成上述相对较高的温度条件。

4.根据权利要求3所述的三维形状造型物的制造方法，其特征在于，

在与上述造型盘相接的第一层的粉末层的形成之前，开始该造型盘的加热。