JP2015124395A - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザの多点化あるいは大容量化を行うことなく、造形スピードを速めることが可能な三次元形状造形物の製造方法を提供する。【解決手段】原料粉末層５２を形成する工程（Ａ）と、原料粉末層５２の特定領域Ｘに対してレーザ光Ｌを走査しながら照射して、原料粉末層５２の特定領域Ｘをパターン層５３とする工程（Ｂ）とを複数サイクル繰り返すことにより、複数のパターン層５３を積層して、三次元形状造形物２を製造する。工程（Ｂ）は、三次元形状造形物２の外周部となる外周部相当部分に対して、原料粉末層５２が厚み方向に見て完全に溶融する完全溶融条件でレーザ光Ｌの照射を行う工程（ＢＸ）と、外周部相当部分以外の部分に対して、原料粉末層５２が厚み方向に見て部分的に溶融する半溶融条件でレーザ光Ｌの照射を行う工程（ＢＹ）とを含む。【選択図】図１
Description
本発明は、三次元形状造形物の製造方法に関するものである。
金属粉末等の原料粉末層を形成する工程と、原料粉末層に対してレーザ光を走査しながら照射して、原料粉末層の特定領域を溶融および凝固により焼結させてパターン層とする工程とを複数サイクル繰り返すことにより、複数のパターン層を積層して、三次元形状造形物を製造する粉末焼結積層造形法がある（特許文献１、２等）。
上記造形法においては通常、複数のパターン層を積層して三次元形状造形物を得た後、最後に全体を熱処理して仕上げる時硬処理が行われる。
上記造形法においては通常、複数のパターン層を積層して三次元形状造形物を得た後、最後に全体を熱処理して仕上げる時硬処理が行われる。
従来の粉末焼結積層造形法では複雑形状の造形が可能である反面、以下の理由により造形スピードが遅いという欠点がある。
従来の方法では、レーザ光の照射領域の全域について、原料粉末層が厚み方向に見て完全に溶融する完全溶融条件でレーザ光の照射を行っている。そのため、レーザ光の照射領域全体を処理するのに時間を要している。
ガルバノミラー等のスキャナミラーを使用してレーザ光の走査を行うため、レーザ出力をスキャナミラーの耐熱温度以上に挙げることができず、レーザ出力には限界がある。そのため、レーザ出力を上げて造形スピードを速めることには限界がある。
造形スピードを速めるためにレーザの数を増やす多点化あるいはレーザの容量を高める大容量化が考えられるが、高額なレーザの多点化あるいは大容量化は高コストであり、設備上の制約も大きい。
従来の方法では、レーザ光の照射領域の全域について、原料粉末層が厚み方向に見て完全に溶融する完全溶融条件でレーザ光の照射を行っている。そのため、レーザ光の照射領域全体を処理するのに時間を要している。
ガルバノミラー等のスキャナミラーを使用してレーザ光の走査を行うため、レーザ出力をスキャナミラーの耐熱温度以上に挙げることができず、レーザ出力には限界がある。そのため、レーザ出力を上げて造形スピードを速めることには限界がある。
造形スピードを速めるためにレーザの数を増やす多点化あるいはレーザの容量を高める大容量化が考えられるが、高額なレーザの多点化あるいは大容量化は高コストであり、設備上の制約も大きい。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザの多点化あるいは大容量化を行うことなく、造形スピードを速めることが可能な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ものである。
本発明の三次元形状造形物の製造方法は、
原料粉末層を形成する工程（Ａ）と、前記原料粉末層の特定領域に対してレーザ光を走査しながら照射して、前記原料粉末層の前記特定領域をパターン層とする工程（Ｂ）とを複数サイクル繰り返すことにより、複数の前記パターン層を積層して、三次元形状造形物を製造する三次元形状造形物の製造方法であって、
工程（Ｂ）は、
前記三次元形状造形物の外周部となる外周部相当部分に対して、前記原料粉末層が厚み方向に見て完全に溶融する完全溶融条件で前記レーザ光の照射を行う工程（ＢＸ）と、
前記外周部相当部分以外の部分に対して、前記原料粉末層が厚み方向に見て部分的に溶融する半溶融条件で前記レーザ光の照射を行う工程（ＢＹ）とを含むものである。
原料粉末層を形成する工程（Ａ）と、前記原料粉末層の特定領域に対してレーザ光を走査しながら照射して、前記原料粉末層の前記特定領域をパターン層とする工程（Ｂ）とを複数サイクル繰り返すことにより、複数の前記パターン層を積層して、三次元形状造形物を製造する三次元形状造形物の製造方法であって、
工程（Ｂ）は、
前記三次元形状造形物の外周部となる外周部相当部分に対して、前記原料粉末層が厚み方向に見て完全に溶融する完全溶融条件で前記レーザ光の照射を行う工程（ＢＸ）と、
前記外周部相当部分以外の部分に対して、前記原料粉末層が厚み方向に見て部分的に溶融する半溶融条件で前記レーザ光の照射を行う工程（ＢＹ）とを含むものである。
本発明によれば、レーザの多点化あるいは大容量化を行うことなく、造形スピードを速めることが可能な三次元形状造形物の製造方法を提供することができる。
「三次元形状造形物の製造方法」
図面を参照して、本発明に係る一実施形態の三次元形状造形物の製造方法について説明する。
図１は、粉末焼結積層造形装置（以下、単に造形装置と略記する場合がある。）の構成例を示す模式斜視図である。この図では、内部を視認しやすくするため、前方部分を取り除いて図示してある。また、造形室内は透視図にしてある。この図は、粉末焼結積層造形装置を用いて造形を行っている様子を示している。
図２Ａ〜図２Ｃは、本実施形態の三次元形状造形物の製造方法を示す工程図であり、各図は模式平面図である。
図面を参照して、本発明に係る一実施形態の三次元形状造形物の製造方法について説明する。
図１は、粉末焼結積層造形装置（以下、単に造形装置と略記する場合がある。）の構成例を示す模式斜視図である。この図では、内部を視認しやすくするため、前方部分を取り除いて図示してある。また、造形室内は透視図にしてある。この図は、粉末焼結積層造形装置を用いて造形を行っている様子を示している。
図２Ａ〜図２Ｃは、本実施形態の三次元形状造形物の製造方法を示す工程図であり、各図は模式平面図である。
図１に示す粉末焼結積層造形装置（造形装置）１は、内部に原料粉末５１が装填され、粉末焼結積層造形が行われる造形室１１を有する金属製等の造形コンテナ１０と、造形室１１内に原料粉末５１を装填するリコータ２０と、造形コンテナ１０内の原料粉末５１に対して、レーザ光Ｌを走査しながら照射するレーザ光照射装置３０とを備えている。
本実施形態において、レーザ光照射装置３０は、レーザ光Ｌとしてレーザビームをスポット照射する。
本実施形態において、レーザ光照射装置３０は、レーザ光Ｌとしてレーザビームをスポット照射する。
原料粉末５１としては特に制限なく、金属粉末等が挙げられる。
金属粉末の種類は、用途等に応じて選定される。たとえば、治具／工具等では、ＳＫＤ材、ハイス鋼、および超硬合金の金属粉末が用いられる。モーターコイルおよびアルミダイカス製品等では、銅およびアルミ合金等の金属粉末が用いられる。
金属粉末の種類は、用途等に応じて選定される。たとえば、治具／工具等では、ＳＫＤ材、ハイス鋼、および超硬合金の金属粉末が用いられる。モーターコイルおよびアルミダイカス製品等では、銅およびアルミ合金等の金属粉末が用いられる。
造形コンテナ１０内には、造形室１１の底面を形成するステージ１２とこれを上下移動するピストン１３とが備えられている。ピストン１３を上下移動する機構は公知のものと同様であり、図示および説明を省略する。
造形室１１において、ステージ１２に対向する上面側は開口部１４となっている。
ステージ１２から開口部１４までの高さによって、造形室１１の高さが規定される。
造形室１１において、ステージ１２に対向する上面側は開口部１４となっている。
ステージ１２から開口部１４までの高さによって、造形室１１の高さが規定される。
造形コンテナ１０には、造形室１１の開口部１４の周りにリコータ２０が摺動する摺動面を有するテーブル１５が設けられている。
リコータ２０は長手方向である図示奥行き方向の幅が開口部１４の図示奥行き方向の幅よりも大きく設計されており、テーブル１５上を摺動して、造形室１１の開口部１４を含む平面上を図示左右方向に移動可能とされている。
リコータ２０は造形室１１内に原料粉末５１を供給しつつ、造形室１１内に供給された原料粉末５１の表面をならして、原料粉末層５２を形成する。
リコータ２０に原料粉末５１を供給する機構およびリコータ２０を図示左右方向に移動する機構は公知のものと同様であり、図示および説明を省略する。
リコータ２０は長手方向である図示奥行き方向の幅が開口部１４の図示奥行き方向の幅よりも大きく設計されており、テーブル１５上を摺動して、造形室１１の開口部１４を含む平面上を図示左右方向に移動可能とされている。
リコータ２０は造形室１１内に原料粉末５１を供給しつつ、造形室１１内に供給された原料粉末５１の表面をならして、原料粉末層５２を形成する。
リコータ２０に原料粉末５１を供給する機構およびリコータ２０を図示左右方向に移動する機構は公知のものと同様であり、図示および説明を省略する。
レーザ光照射装置３０は、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器３１と、レーザ発振器３１から発振されたレーザ光Ｌを走査するガルバノミラー等のスキャナミラー３２とを備えている。
レーザ発振器３１としては特に制限なく、Ｙｂレーザ、半導体レーザ、またはＣＯ２レーザ等の公知のレーザを使用できる。レーザ発振器３１の出力は特に制限なく、４００〜８０００Ｗ程度が好ましい。
スキャナミラー３２によって、造形室１１内の最表層の原料粉末層５２に対して、レーザ光Ｌは２次元走査される。
レーザ発振器３１とスキャナミラー３２との間の光路には、必要に応じて、コリメートレンズ、反射ミラー、および集光レンズ等の１種または２種以上の光学部材が設けられる。
スキャナミラー３２と造形室１１との間の光路には、必要に応じて、集光レンズおよび保護ガラス等の１種または２種以上の光学部材が設けられる。
図中、符号３３は必要に応じて設けられる保護ガラスである。
レーザ発振器３１としては特に制限なく、Ｙｂレーザ、半導体レーザ、またはＣＯ２レーザ等の公知のレーザを使用できる。レーザ発振器３１の出力は特に制限なく、４００〜８０００Ｗ程度が好ましい。
スキャナミラー３２によって、造形室１１内の最表層の原料粉末層５２に対して、レーザ光Ｌは２次元走査される。
レーザ発振器３１とスキャナミラー３２との間の光路には、必要に応じて、コリメートレンズ、反射ミラー、および集光レンズ等の１種または２種以上の光学部材が設けられる。
スキャナミラー３２と造形室１１との間の光路には、必要に応じて、集光レンズおよび保護ガラス等の１種または２種以上の光学部材が設けられる。
図中、符号３３は必要に応じて設けられる保護ガラスである。
本実施形態では、造形室１１内に原料粉末５１を供給して原料粉末層５２を形成する工程（Ａ）と、原料粉末層５２の特定領域Ｘに対してレーザ光Ｌを走査しながら照射して、原料粉末層５２の特定領域Ｘをパターン層５３とする工程（Ｂ）とを複数サイクル繰り返すことにより、複数のパターン層５３を積層して、三次元形状造形物２を製造する。
工程（Ｂ）においては基本的には、原料粉末５１が溶融および凝固により焼結して、パターン層５３が形成される。原料粉末層５２において、特定領域Ｘ以外の領域の原料粉末５１は未焼結のまま残る。
工程（Ａ）と工程（Ｂ）とを１サイクル実施するごとに、ステージ１２を下げて新たな原料粉末層５２を形成し、その特定領域Ｘにレーザ光Ｌを照射する。
図１では、工程（Ａ）と工程（Ｂ）とを複数サイクル繰り返した後の工程（Ｂ）の様子を示してある。
工程（Ｂ）においては基本的には、原料粉末５１が溶融および凝固により焼結して、パターン層５３が形成される。原料粉末層５２において、特定領域Ｘ以外の領域の原料粉末５１は未焼結のまま残る。
工程（Ａ）と工程（Ｂ）とを１サイクル実施するごとに、ステージ１２を下げて新たな原料粉末層５２を形成し、その特定領域Ｘにレーザ光Ｌを照射する。
図１では、工程（Ａ）と工程（Ｂ）とを複数サイクル繰り返した後の工程（Ｂ）の様子を示してある。
従来、工程（Ｂ）においては、レーザ光の照射領域の全域について、原料粉末層が厚み方向に見て完全に溶融する完全溶融条件でレーザ光の照射を行っている。そのため、レーザ光の照射領域全体を処理するのに時間を要している。
本実施形態の三次元形状造形物の製造方法において、
工程（Ｂ）は、
最終的に製造したい三次元形状造形物２の外周部となる外周部相当部分Ｘ１に対して、原料粉末層５２が厚み方向に見て完全に溶融する完全溶融条件でレーザ光Ｌの照射を行う工程（ＢＸ）と、
外周部相当部分Ｘ１以外の部分Ｘ２に対して、原料粉末層５２が厚み方向に見て部分的に溶融する半溶融条件でレーザ光Ｌの照射を行う工程（ＢＹ）とを含む。
工程（Ｂ）は、
最終的に製造したい三次元形状造形物２の外周部となる外周部相当部分Ｘ１に対して、原料粉末層５２が厚み方向に見て完全に溶融する完全溶融条件でレーザ光Ｌの照射を行う工程（ＢＸ）と、
外周部相当部分Ｘ１以外の部分Ｘ２に対して、原料粉末層５２が厚み方向に見て部分的に溶融する半溶融条件でレーザ光Ｌの照射を行う工程（ＢＹ）とを含む。
本実施形態の製造方法において、原料粉末層５２に対して実施する工程（ＢＸ）および工程（ＢＹ）の工程順序は特に制限されない。
たとえば図２Ａおよび図２Ｂに示すように、原料粉末層５２を形成した後、特定領域Ｘの外周部相当部分Ｘ１については上記完全溶融条件でレーザ光Ｌの照射を行い、特定領域Ｘの外周部相当部分Ｘ１以外の部分Ｘ２については上記半溶融条件でレーザ光Ｌの照射を行う。
なお、図２Ａは工程（Ａ）実施後工程（Ｂ）実施前の平面図を示し、図２Ｂは工程（Ｂ）実施後の平面図を示してある。
完全溶融条件では原料粉末層５２は厚み方向に見て全体的にレーザ焼結され、半溶融条件では原料粉末層５２は厚み方向に見て溶融した部分のみが部分的にレーザ焼結される。
図２Ｂに示すように、工程（Ｂ）後において、外周部相当部分Ｘ１は完全焼結のパターン層５３Ａとなり、その他の部分Ｘ２は部分焼結のパターン層５３Ｂとなり、完全焼結のパターン層５３Ａと部分焼結のパターン層５３Ｂとからなるパターン層５３が形成される。
なお、三次元形状造形物２の底部および上部については、全域が三次元形状造形物２の外周部に含まれるので、原料粉末層５２全域について原料粉末層５２が厚み方向に見て完全に溶融する完全溶融条件でレーザ光Ｌの照射を行う。
なお、図２Ａは工程（Ａ）実施後工程（Ｂ）実施前の平面図を示し、図２Ｂは工程（Ｂ）実施後の平面図を示してある。
完全溶融条件では原料粉末層５２は厚み方向に見て全体的にレーザ焼結され、半溶融条件では原料粉末層５２は厚み方向に見て溶融した部分のみが部分的にレーザ焼結される。
図２Ｂに示すように、工程（Ｂ）後において、外周部相当部分Ｘ１は完全焼結のパターン層５３Ａとなり、その他の部分Ｘ２は部分焼結のパターン層５３Ｂとなり、完全焼結のパターン層５３Ａと部分焼結のパターン層５３Ｂとからなるパターン層５３が形成される。
なお、三次元形状造形物２の底部および上部については、全域が三次元形状造形物２の外周部に含まれるので、原料粉末層５２全域について原料粉末層５２が厚み方向に見て完全に溶融する完全溶融条件でレーザ光Ｌの照射を行う。
工程（Ａ）と工程（Ｂ）とを複数サイクル繰り返して得られる三次元形状造形物２は、外周部は完全にレーザ焼結され、それより内側の部分は部分的にレーザ焼結されたものとなる。
工程（Ａ）で形成する原料粉末層５２の厚みは特に制限なく、たとえば０．０１〜１ｍｍが好ましい。
半溶融条件において、原料粉末層５２の溶融厚みは特に制限なく、たとえば原料粉末層５２の全体厚みに対して１０〜９０％が好ましい。
半溶融条件において、原料粉末層５２の溶融厚みは特に制限なく、たとえば原料粉末層５２の全体厚みに対して１０〜９０％が好ましい。
レーザ発振器３１の出力が同一条件であれば、外周部相当部分Ｘ１とその他の部分Ｘ２において、レーザ光Ｌのビームスポット径を変えてレーザ光Ｌの照射エネルギーを変えることができる。
レーザ発振器３１の出力が同一条件の場合、外周部相当部分Ｘ１では、レーザ光Ｌのビームスポット径を相対的に小さくして、単位面積当たりの照射エネルギーを相対的に高くし、その他の部分Ｘ２では、レーザ光Ｌのビームスポット径を相対的に大きくして、単位面積当たりの照射エネルギーを相対的に小さくする。
レーザ光Ｌのビームスポット径は、公知方法により調整できる。たとえば、集光レンズのｚ軸位置（高さ方向の位置）を変化させてその焦点位置を変化させる、あるいは集光レンズから出射されるレーザ光Ｌの光路長を光路スイッチミラー等で変化させることで、調整できる。
レーザ発振器３１の出力が同一条件の場合、外周部相当部分Ｘ１では、レーザ光Ｌのビームスポット径を相対的に小さくして、単位面積当たりの照射エネルギーを相対的に高くし、その他の部分Ｘ２では、レーザ光Ｌのビームスポット径を相対的に大きくして、単位面積当たりの照射エネルギーを相対的に小さくする。
レーザ光Ｌのビームスポット径は、公知方法により調整できる。たとえば、集光レンズのｚ軸位置（高さ方向の位置）を変化させてその焦点位置を変化させる、あるいは集光レンズから出射されるレーザ光Ｌの光路長を光路スイッチミラー等で変化させることで、調整できる。
本実施形態の製造方法では、最終的に製造したい三次元形状造形物２の外周部となる外周部相当部分Ｘ１に対して、原料粉末５１が厚み方向に見て完全に溶融する完全溶融条件でレーザ光Ｌの照射を行うので、工程（Ａ）と工程（Ｂ）とを複数サイクル繰り返して得られる三次元形状造形物２は、少なくとも外周部は充分に焼結されており、充分な強度を有する。
本実施形態の製造方法では、外周部相当部分Ｘ１以外の部分Ｘ２に対して、原料粉末５１が厚み方向に見て部分的に溶融する半溶融条件でレーザ光Ｌの照射を行うので、外周部相当部分Ｘ１以外の大部分のレーザ処理時間を短縮化することができる。これにより、レーザの多点化あるいは大容量化を行うことなく、造形スピードを速めることができる。
本実施形態の製造方法では、外周部相当部分Ｘ１以外の部分Ｘ２に対して、原料粉末５１が厚み方向に見て部分的に溶融する半溶融条件でレーザ光Ｌの照射を行うので、外周部相当部分Ｘ１以外の大部分のレーザ処理時間を短縮化することができる。これにより、レーザの多点化あるいは大容量化を行うことなく、造形スピードを速めることができる。
（工程（Ｃ））
工程（Ａ）と工程（Ｂ）とを複数サイクル繰り返して三次元形状造形物２を得た後、必要に応じて、全体を熱処理して仕上げる時硬処理を行う工程（Ｃ）を実施することができる。
図２Ｃに示すように、時硬処理により部分焼結部分を完全焼結させ、完全焼結のパターン層５３を形成することができる。この場合、三次元形状造形物２全体の強度を向上することができる。
時硬処理の温度は、原料粉末の種類および三次元形状造形物２の未焼結部分の割合にもよるが、７００〜８５０℃程度が好ましい。
工程（Ａ）と工程（Ｂ）とを複数サイクル繰り返して三次元形状造形物２を得た後、必要に応じて、全体を熱処理して仕上げる時硬処理を行う工程（Ｃ）を実施することができる。
図２Ｃに示すように、時硬処理により部分焼結部分を完全焼結させ、完全焼結のパターン層５３を形成することができる。この場合、三次元形状造形物２全体の強度を向上することができる。
時硬処理の温度は、原料粉末の種類および三次元形状造形物２の未焼結部分の割合にもよるが、７００〜８５０℃程度が好ましい。
本実施形態によれば、レーザの多点化あるいは大容量化を行うことなく、造形スピードを速めることが可能な三次元形状造形物の製造方法を提供することができる。
本発明は、金属等からなる三次元形状造形物の製造に好ましく適用できる。
１ 粉末焼結積層造形装置（造形装置）
２ 三次元形状造形物
１０ 造形コンテナ
１１ 造形室
１２ ステージ
１３ ピストン
１４ 開口部
１５ テーブル
２０ リコータ
３０ レーザ光照射装置
３１ レーザ発振器
３２ スキャナミラー
５１ 原料粉末
５２ 原料粉末層
５３ パターン層
５３Ａ 完全焼結のパターン層
５３Ｂ 部分焼結のパターン層
Ｌ レーザ光
Ｘ 特定領域
Ｘ１ 外周部相当部分
Ｘ２ 外周部相当部分以外の部分
２ 三次元形状造形物
１０ 造形コンテナ
１１ 造形室
１２ ステージ
１３ ピストン
１４ 開口部
１５ テーブル
２０ リコータ
３０ レーザ光照射装置
３１ レーザ発振器
３２ スキャナミラー
５１ 原料粉末
５２ 原料粉末層
５３ パターン層
５３Ａ 完全焼結のパターン層
５３Ｂ 部分焼結のパターン層
Ｌ レーザ光
Ｘ 特定領域
Ｘ１ 外周部相当部分
Ｘ２ 外周部相当部分以外の部分
Claims (1)
- 原料粉末層を形成する工程（Ａ）と、前記原料粉末層の特定領域に対してレーザ光を走査しながら照射して、前記原料粉末層の前記特定領域をパターン層とする工程（Ｂ）とを複数サイクル繰り返すことにより、複数の前記パターン層を積層して、三次元形状造形物を製造する三次元形状造形物の製造方法であって、
工程（Ｂ）は、
前記三次元形状造形物の外周部となる外周部相当部分に対して、前記原料粉末層が厚み方向に見て完全に溶融する完全溶融条件で前記レーザ光の照射を行う工程（ＢＸ）と、
前記外周部相当部分以外の部分に対して、前記原料粉末層が厚み方向に見て部分的に溶融する半溶融条件で前記レーザ光の照射を行う工程（ＢＹ）とを含む、
三次元形状造形物の製造方法。
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