JP2006257463A - レーザ焼結処理用の粉状材料及びその製造方法、並びに、３次元構造物及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形成された３次元構造物の硬度を確保し、レーザ焼結時における溶融性を確保する。
【解決手段】粉状材料に対してレーザ光を照射することにより当該粉状材料を焼結させて硬化層を形成し、当該硬化層を積層して３次元構造物を形成するレーザ焼結処理に用いる粉状材料であり、金属粒の周囲に異なる１又は複数種類の金属が１又は多層コーティングされた多数の粒子を含んでいる。例えば、上記粒子は、高融点の金属粒の外側に低融点金属がコーティングされている。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ焼結処理用の粉状材料及びその製造方法、並びに、レーザ焼結処理により製造した３次元構造物及びその製造方法に関するものである。

金属粉体等をレーザ焼結法で焼結し、所望の形状の３次元構造物を形成する方法が提案されている（例えば、非特許文献１，２参照）。また、このレーザ焼結法を利用して、金属金型を形成する方法も提案されている（例えば、特許文献１，２，３参照。）
特表平０８−５０９６６６ 特許３２１５８８１ 特開平１１−３４８０４５ Int.J.of Powder Mettallurgy 28(1992)4,pp369-381 Mettallurgical Transactions A 24/1993,pp.757-759 松下電工技報，２００２年８月，ｐ．５７−６３

粉体をレーザ焼結して金型を形成する場合、形成体に熱が印加されるため熱応力がかかり、高精度な形状を実現できない。この熱応力を緩和して高精度の形状を実現するために、形成体を表面部、中間部、中心部から形成し、その密度が徐々に小さくなるように熱の印加を少なくする方法がある（例えば非特許文献３参照。）。

しかし、この方法は、熱応力は低下するが、熱の印加が減るので金属の溶融が十分に進まず、緻密な表面を形成できず、結果、金型として質が低下してしまう。

そのため、比較的に低い融点の金属材料を用いてレーザ焼結を行い、金型を製造する必要がある。

もっとも、融点の低い金属は一般に柔らかいため、低い融点の金属材料のみから形成された物を、金型として用いるのには適さない。

以上のように、レーザ焼結法により形成した３次元構造物を金型として用いる場合、複数の問題を同時に解決しなければならない。具体的には、レーザ光による熱の印加量を減らして熱応力の緩和し、且つ、金型として用いた場合にも充分な硬度を得ることができなければならない。

また、金属は溶融状態や高温では一般に低温よりも体積が膨張するため、金属を焼結・積層して３次元構造物を得る際に、固化した下層に溶融あるいは高温の上層が接触するため高温と低温を繰り返すことになり、この際に生じる膨張・収縮で段差が生じてしまう。

この表面の段差は金型としての特性を大きく損なうため、段差を生じさせないようにする必要がある。

そこで、本発明は、以上のような問題を解決し、複数の特性を同時に得ることが可能な、例えば、熱応力を緩和するとともに充分な硬度を得ることが可能なレーザ焼結処理用の粉状材料及びその製造方法、並びに、それらを用いて製造された３次元構造物及びその製造方法を提供することを目的とする。

以上のような課題を解決するには、特性の異なる複数の金属が含まれている粉状材料を用いてレーザ焼結を行えばよい。例えば、硬度を確保する高融点の金属（例えば鉄系の金属又は合金）と、溶融性を確保するための低融点の金属（例えば銅系の金属又は合金）とがともに含まれた粉状材料を用いてレーザ焼結を行えばよい。

さらに膨張・収縮による段差を軽減するために、溶融時よりも固化時の方が体積が膨張するビスマスを低融点金属として含んだ粉状材料を用いてレーザー焼結を行えばよい。

ただし、高融点の金属と低融点の金属とが完全に均一に混合されていなければ、高融点の金属が固定されない可能性があり、充分な硬度が得られない可能性がある。

そこで、本発明者は、次のような発明を提案した。

本発明に係るレーザ焼結処理用の粉状材料は、粉状材料に対してレーザ光を照射することにより当該粉状材料を焼結させて硬化層を形成し、当該硬化層を積層して３次元構造物を形成するレーザ焼結処理に用いる粉状材料であって、金属粒の周囲に異なる１又は複数種類の金属がコーティングされた多数の粒子を含んでいることを特徴とする。

また、本発明に係るレーザ焼結処理用の粉状材料の製造方法は、粉状材料に対してレーザ光を照射することにより当該粉状材料を焼結させて硬化層を形成し、当該硬化層を積層して３次元構造物を形成するレーザ焼結処理に用いる粉状材料を製造する製造方法であって、多数の金属粒を攪拌しながら、他の種類の金属をスパッタリングすることを特徴とする。

また、本発明に係る３次元構造物は、金属粒の周囲に異なる１又は複数種類の金属がコーティングされた多数の粒子を含んだ粉状材料に対してレーザ光を照射することにより当該粉状材料を焼結させて形成された硬化層が、積層されて構成されたことを特徴とする。

また、本発明に係る３次元構造物の製造方法は、金属粒の周囲に異なる１又は複数種類の金属がコーティングされた多数の粒子を含んだ粉状材料に対してレーザ光を照射することにより当該粉状材料を焼結させて硬化層を形成し、当該硬化層を積層して３次元構造物を形成することを特徴とする。

以上のような本発明に係るレーザ焼結処理用の粉状材料及びその製造方法によれば、異なる複数の特性を有する３次元構造物を製造することができる。例えば、形成された３次元構造物の硬度を確保し、且つ、レーザ焼結時における溶融性を確保することができる。さらに、３次元構造物の表面の凹凸の少ないものとすることができる。

また、本発明に係る３次元構造物及びその製造方法は、充分な硬度を得ることができるとともに、緻密な表面形状とすることができる。さらに、３次元構造物の表面の凹凸の少ないものとすることができる。

以下、本発明が適用されたレーザ焼結処理用の粉状材料、及び、その粉状材料を用いたレーザ焼結処理について説明をする。

本発明が適用された粉状材料１０は、レーザ焼結処理により３次元構造物を形成する際の材料となる。レーザ焼結処理とは、３次元構造物を形成する製造処理の一つをいう。レーザ焼結処理では、粉状材料１０に対してレーザ光を照射することにより当該粉状材料１０を一旦溶融された後に硬化させて硬化層を形成し、当該硬化層を何重にも積層して、３次元構造物を形成するものである。

粉状材料１０は、図１に示すように、直径が数１０〜２０μｍ程度の粒が多数集合して構成された粉体である。

粉状材料１０を構成する一つ一つの粒（以下、金属粒１１という。）は、図２に示すように、中心の金属の粒子に、１又は複数の他の種類の金属がコーティングされた多層構造となっている。

金属粒１１は、例えば、図２に示すよう、中心に位置する第１の金属粒子１２と、第１の金属粒子１２の周囲にコーティングされた第２の金属層１３と、第２の金属層１３の周囲にコーティングされた第３の金属層１４とから構成されている。なお、ここでは、３層構造の金属粒１１を示しているが、複数の金属から構成されていれば、２層構造であってもよいし、４層以上の構造であってもよい。

金属粒１１の各層を構成している金属は、異なる種類の金属となっている。金属粒１１がこのように異なる金属の多層構造で構成されていることにより、レーザ焼結処理時又は処理後の３次元構造物に対して、複数の特性を同時に与えることが可能となる。

ここで、例えば、第１の金属粒子１２は鉄等の高融点金属で構成し、第２の金属層１３はニッケル等の中間の融点の金属で構成し、第３の金属層１４は銅等の低融点金属で構成する。

金属粒１１をこのように構成すると、第１の金属粒子１２は最も融点が高く、第２の金属層１３は融点が中間程度となり、第３の金属層１４は融点が最も低くなる。つまり、内側に高融点金属が配置され、外側に低融点金属が配置される。このため、レーザ焼結処理をした場合、図３に示すように、内側の高融点金属（鉄）は溶融せず、最も外側の低融点金属（銅）が溶融したのちに硬化するので、内側の高融点金属（鉄）同士を低融点金属（銅）が接着するように硬化する。この際に、金属粒１１では、高融点金属（鉄）の周囲に低融点金属（銅）がコーティングされているので、全ての高融点金属（鉄）が均一に接続されることとなる。

このような金属粒１１を用いたレーザ焼結用の粉状材料１０では、内側に配置された高融点金属（例えば鉄）により硬度を確保し、外側に配置された低融点金属（例えば銅）により溶融性を確保することができるため、レーザ光による熱の印加量を減らして熱応力の緩和し、且つ、金型として用いた場合にも充分な硬度を得るという２つの問題を同時に解決することができる。

なお、高融点金属（鉄）の粒子と低融点金属（銅）の粒子とをそれぞれ混合するのみの構成では、図４に示すように、一部に浮遊した高融点金属（鉄）が発生してしまう。

つぎに、粉状材料１０の製造方法について説明をする。

粉状材料１０は、中心に配置される金属粒群を攪拌しながら、外側に配置する金属をスパッタリングすることにより製造することができる。

例えば、図５に示すようなスパッタ装置２０により粉状材料１０を製造することができる。スパッタ装置２０は、内部が真空とされたチャンバ２１と、チャンバ２１内に配置されたターゲット金属２２と、カップ２３と、カップ２３を振動させる振動ユニット２４とを備えている。

ターゲット金属２２は、膜の原料となる金属である。カップ２３には、スパッタの対象となる粉状体の金属２５が内部に配置される。振動ユニット２４は、カップ２３を支持しているとともにスパッタ最中にカップ２３を上下に振動させる。

例えば、第１の金属粒子１２が鉄、第２の金属層１３がニッケル、第３の金属層１４が銅により構成される粉状材料１０を製造する場合、スパッタ装置２０を用いて次のように処理がされる。

まず、カップ２３内に粉状の鉄を配置し、ターゲット金属２２としてニッケルを配置する。続いて、スパッタ装置２０を動作させ、カップ２３を上下に振動させながら、ニッケルをスパッタリングする。一定時間が経過すると、鉄粒子の周囲にニッケルがコーティングされた粉体が形成される。続いて、ターゲット金属２２として銅を配置する。続いて、スパッタ装置２０を動作させ、カップ２３を上下に振動させながら、銅をスパッタリングする。すると、鉄粒子の周囲にニッケルがコーティングされ、ニッケルの周囲に銅がコーティングされた粒子から構成された粉状材料１０がカップ２３内に形成される。

つぎに、粉状材料１０を用いて射出成形のための金型を生成するレーザ焼結処理について説明をする。

図６は、レーザ焼結装置の構成を示した図である。

レーザ焼結装置３０は、図６に示すように、造形部３１と、レーザ発光装置３２と、ミラー３３と、形状記憶部３４と、制御部３５とを備えている。

造形部３１は、金型が形成される空間を形成しているタンク４１と、タンク４１の内部で堆積されている粉状材料１０を載せるテーブル４２と、テーブル４２を上下に昇降させる昇降部４３と、テーブル４２上に粉状材料１０を供給する材料供給部４４と、テーブル４２上に載せられた粉状材料１０を平坦にするワイパー４５とを備えている。

レーザ発光装置３２は、レーザ光を出射する。

ミラー３３は、タンク４１内のテーブル４２上に堆積された粉状材料１０上に、レーザ発光装置３２から出射されたレーザ光を導く。さらに、ミラー３３は、そのレーザスポットを、堆積された粉状材料１０の表面上の任意の位置に移動させることが可能である。

形状記憶部３４は、当該レーザ焼結装置３０により形成する金型の３次元形状を、所定のピッチでスライスしたときの各層の断面形状を記憶している。

制御部３５は、形状記憶部３４に記憶されている断面形状等に基づき、レーザ発光装置３２から発光されるレーザ光の強度の制御、ミラー３３の方向制御、材料供給部４による材料供給制御、テーブル４２の昇降制御等を行う。

次に、このような構成のレーザ焼結装置３０を用いた金型作成手順について説明をする。

まず、レーザ焼結装置３０は、図７（Ａ）に示すように、所定量の粉状材料１０をテーブル４２上に注入する。

続いて、レーザ焼結装置３０は、図７（Ｂ）に示すように、ワイパー４５を移動させて、所定量の粉状材料１０をテーブル４２上に平坦にする。

続いて、レーザ焼結装置３０は、図７（Ｃ）に示すように、平坦化した粉状材料１０上にレーザ光を照射するとともに、ミラー３３を制御して金型の３次元形状の最下層のスライスの断面形状と同一に光スポットが照射されるようにする。

このようにレーザ光を照射すると、照射された部分だけ粉状材料１０が溶融し、冷却に伴いその部分が硬化する。すなわち、金型の３次元形状の最下層部分の硬化層が形成される。

続いて、レーザ焼結装置３０は、図７（Ｄ）に示すように、昇降部４３を制御してテーブル４２を所定のピッチ分だけ下降させる。

続いて、レーザ焼結装置３０は、図７（Ｅ）に示すように、所定量の粉状材料１０を硬化層の上にさらに注入し、ワイパー４５を移動させて所定量の粉状材料１０をテーブル４２上に平坦にする。

続いて、レーザ焼結装置３０は、図７（Ｆ）に示すように、平坦化した粉状材料１０上にレーザ光を照射するとともに、ミラー３３を制御して金型の３次元形状の対応する層のスライスの断面形状と同一に光スポットが照射されるようにする。

このようにレーザ光を照射すると、照射された部分だけ粉状材料１０が溶融し、冷却に伴いその部分が硬化し、先に形成されている硬化層の上にさらに新たな硬化層が積層される。

以後、レーザ焼結装置３０は、図７（Ｅ）〜図７（Ｆ）の作業を繰り返する。

そして、図７（Ｇ）に示すように、金型の最上部まで硬化層を形成する。

最後に、図７（Ｈ）に示すように、硬化していない粉状材料１０を除き、タンク４１内から最終形成された３次元形状の金型５０を取り出す。

以上のように形成された金型５０は、粉状材料１０を用いているので、充分な硬度を有するとともに、高精度の形状を有している。

（具体例）
次に、粉状材料１０を構成する材料の一具体例について説明をする。

本具体例では、粉状材料１０を構成する金属粒１１を、中心に位置する第１の金属粒子１２の材料を鉄等の高融点金属で構成し、第２の金属層１３をビスマスで構成するものとした。なお、本具体例は、二層構造としているので、第３の金属層１４はない。

粉状材料１０をこのように構成すると、層状に焼結、積層した３次元造形物の側面部分の表面は、層間の段差が少なくなり、滑らかとなる。

これは、図８に示すように、レーザにより焼成した後（図８（Ａ））、鉄等の高融点金属は固化する際に体積収縮するが、ビスマスは体積膨張する（図８（Ｂ））。このために、収縮と膨張とが相殺され、できあがった積層体の層間の段差が形成されなくなるためである（図８（Ｃ））。

例えば、低融点金属として銅を用いた場合は、図９に示すように、レーザにより焼成した後（図９（Ａ））、鉄も銅も固化する際に体積収縮する（図９（Ｂ））。このために、できあがった積層体の層間の段差が大きくなる（図９（Ｃ））。

例えば、高融点金属として鉄を用い、低融点金属としてビスマスを用いた場合、鉄の収縮をビスマスの膨張で相殺するには、ビスマスを２乃至１０重量％含むようにするのが望ましい。

図１０は、作成した金型５０の多層側面部分の表面形状を粗度計により測定した結果を示している。図１０（Ａ）,（Ｂ）,（Ｃ）は、第１の金属粒子１２に鉄を用い第２の金属層１３にビスマスを用いて作成したサンプルの表面形状であり、図１０（Ｄ）,（Ｅ）,（Ｆ）は、第１の金属粒子１２に鉄を用い第２の金属層１３に銅を用いて作成した金型の表面形状である。この図１０を参照してわかるように、ビスマスを用いた方が、表面の凹凸を少なく、すなわち滑らかにすることができる。

実施形態の粉状材料を示す模式的な斜視図である。 実施形態の粉状材料の断面図である。 実施形態の粉状材料をレーザ焼結させた場合の焼結後の金属構成を示す図である。 従来の粉状材料をレーザ焼結させた場合の焼結後の金属構成を示す図である。 スパッタ装置の構成を示す図である。 レーザ焼結装置の構成を示す図である。 レーザ焼結時の処理手順を示す図である。 粉状材料を形成する層にビスマスを用いた場合の構造物の作成手順を示す図である。 粉状材料を形成する層にビスマス以外を用いた場合の構造物の作成手順を示す図である。 粉状材料を形成する層にビスマスを用いた場合の構造物の表面形状と、ビスマス以外を用いた場合の表面形状を示す図である。

符号の説明

１０ 粉状材料 １１ 金属粒、２０ スパッタ装置、３０ レーザ焼結装置

Claims (11)

1. 粉状材料に対してレーザ光を照射することにより当該粉状材料を焼結させて硬化層を形成し、当該硬化層を積層して３次元構造物を形成するレーザ焼結処理に用いる粉状材料において、
   金属粒の周囲に異なる１又は複数種類の金属が１又は多層コーティングされた多数の粒子を含んでいること
   を特徴とするレーザ焼結処理用の粉状材料。
2. 上記粒子は、高融点の金属粒の外側に低融点金属がコーティングされていること
   を特徴とする請求項１記載のレーザ焼結処理用の粉状材料。
3. 粉状材料に対してレーザ光を照射することにより当該粉状材料を焼結させて硬化層を形成し、当該硬化層を積層して３次元構造物を形成するレーザ焼結処理に用いる粉状材料を製造する製造方法において、
   多数の金属粒を攪拌しながら、他の種類の金属をスパッタリングすること
   を特徴とするレーザ焼結処理用の粉状材料の製造方法。
4. 金属粒の周囲に異なる１又は複数種類の金属がコーティングされた多数の粒子を含んだ粉状材料に対してレーザ光を照射することにより当該粉状材料を焼結させて形成された硬化層が、積層されて構成されたこと
   を特徴とする３次元構造物。
5. 上記粒子は、高融点の金属粒の外側に低融点金属がコーティングされており、
   上記硬化層は、高融点の金属粒と、融解したのちに硬化することにより高融点の金属粒同士を接着している低融点の金属とから構成されていること
   を特徴とする請求項４記載の３次元構造物。
6. 上記粒子は、上記高融点の金属として鉄を、上記低融点の金属としてビスマスを用いること
   を特徴とする請求５記載の３次元構造物。
7. 上記粒子は、ビスマスが２乃至１０重量％含まれていること
   を特徴とする請求項６記載の３次元構造物。
8. 金属粒の周囲に異なる１又は複数種類の金属がコーティングされた多数の粒子を含んだ粉状材料に対してレーザ光を照射することにより当該粉状材料を焼結させて硬化層を形成し、
   当該硬化層を積層して３次元構造物を形成すること
   を特徴とする３次元構造物の製造方法。
9. 上記粒子は、上記高融点の金属粒の外側に低融点金属がコーティングされていること
   を特徴とする請求項８記載の３次元構造物の製造方法。
10. 上記粒子は、上記高融点の金属として鉄を、上記低融点の金属としてビスマスを用いること
    を特徴とする請求項９記載の３次元構造物の製造方法。
11. 上記粒子は、ビスマスが２乃至１０重量％含まれていること
    を特徴とする請求項１０記載の３次元構造物の製造方法。

Images