JP5918499B2 - Structure manufacturing method and structure - Google Patents
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Description
本発明は、構造体の製造方法及び構造体に関し、さらに詳しくは、人工関節や骨プレートに代表される医用インプラントや、自動車、航空機及び船舶に代表される移動体、又は、産業機械等に利用可能な構造体の製造方法及びその構造体に関する。 The present invention relates to a structure manufacturing method and structure, and more particularly, to a medical implant represented by an artificial joint and a bone plate, a moving body represented by an automobile, an aircraft and a ship, or an industrial machine. The present invention relates to a method for manufacturing a possible structure and the structure.
人工関節又は骨プレートに代表される医用インプラントは、チタン合金に代表される金属からなる。医用インプラントには、骨と類似の力学特性が要求される。具体的には、インプラントには、骨と近似する低いヤング率や、優れた衝撃吸収性等の力学特性が求められる。 A medical implant represented by an artificial joint or a bone plate is made of a metal represented by a titanium alloy. Medical implants require mechanical properties similar to bone. Specifically, implants are required to have a low Young's modulus that approximates that of bone and mechanical properties such as excellent shock absorption.
特開２００５−３２９１７９号公報（特許文献１）及び特開平６−９０９７１号公報（特許文献２）は、金属インプラントを開示する。 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-329179 (Patent Document 1) and Japanese Patent Laid-Open No. 6-909971 (Patent Document 2) disclose metal implants.
特許文献１に開示された金属インプラントは、中実（Solid）の金属材からなる。そのため、特許文献１の金属インプラントのヤング率は生体骨よりも大幅に大きい。一方、特許文献２に開示された金属インプラントは、内部に中空を有する。したがって、中実の金属インプラントと比較してヤング率は低い。しかしながら、中空を有する金属インプラントであっても衝撃吸収性は生体骨よりも低い。
The metal implant disclosed in
国際公開第２０１０／０６７１４６号公報（特許文献３）は、低いヤング率と優れた衝撃吸収性とを有する衝撃吸収構造体を提案する。特許文献３に開示された衝撃吸収構造体は、無機粉末粒子が溶解されて形成される凝固部と、無機粉末粒子が焼結されて形成され、凝固部と結合される焼結部とを備える。焼結部は、内部に隙間を有するため、中実材と比較して密度が低い。そのため、特許文献３の衝撃吸収構造体は、中実材と比較して軽量であり、そのヤング率も低い。さらに、焼結部及び凝固部の組み合わせにより、優れた衝撃吸収性も得られる。
International Publication No. 2010/067146 (Patent Document 3) proposes an impact-absorbing structure having a low Young's modulus and an excellent impact-absorbing property. The shock absorbing structure disclosed in
特許文献３に開示された衝撃吸収構造体を医用インプラントとして使用する場合、従来の金属インプラントと比較して、低いヤング率及び優れた衝撃吸収性を実現する。しかしながら、生体骨は、ミクロな内部構造からマクロな外形状に至るまで、複雑な階層的異方構造を有し、力学異方性を有する。したがって、医用インプラントでは、生体骨に近い力学異方性を実現できる方が好ましく、代替する生体骨に応じて、医用インプラントの異方性等の力学特性の制御が容易であることが好ましい。
When using the impact-absorbing structure disclosed in
さらに、異方性に代表される力学特性の制御は、医用インプラントに限られない。自動車等の移動体や、産業機械等においても、その用途に応じて、構造体の力学特性を容易に制御できる方が好ましい。 Furthermore, control of mechanical properties represented by anisotropy is not limited to medical implants. Even in a moving body such as an automobile or an industrial machine, it is preferable that the mechanical properties of the structure can be easily controlled according to the application.
本発明の目的は、用途に応じて構造体の力学特性を容易に制御できる構造体の製造方法及びその構造体を提供することである。 The objective of this invention is providing the manufacturing method of a structure which can control the mechanical characteristic of a structure easily according to a use, and its structure.
本実施の形態による構造体の製造方法は、無機粉体粒子が溶解されて形成される複数の凝固部と、無機粉末粒子が焼結されて形成される複数の焼結部とを含む構造体の製造方法であって、構造体の形状を特定する工程と、特定された形状を複数の領域に区画する工程と、構造体に掛かる荷重条件を設定する工程と、荷重条件において各領域の力学特性を求める工程と、領域の力学特性に基づいて、複数の領域における凝固部及び焼結部の配置を決定する工程と、無機粉末粒子からなる粉末層を形成する工程と、粉末層のうち凝固部が配置される領域に第１ビームを照射して無機粉末粒子を溶解し、凝固部を形成する加工工程と、加工後の粉末層上に新たな粉末層を形成する積層工程と、加工工程及び積層工程を繰り返して、凝固部と、焼結部に対応する領域に配置される無機粉末粒子からなる粉末部とを含む中間構造体を形成する形成工程と、中間構造体を加熱して粉末部の無機粉末粒子を焼結して焼結部を形成する焼結工程とを備える。 The structure manufacturing method according to the present embodiment includes a plurality of solidified portions formed by dissolving inorganic powder particles and a plurality of sintered portions formed by sintering inorganic powder particles. A method for identifying the shape of the structure, a step for partitioning the identified shape into a plurality of regions, a step for setting a load condition applied to the structure, and a dynamics of each region under the load condition A step of determining characteristics, a step of determining the arrangement of solidified portions and sintered portions in a plurality of regions based on the mechanical properties of the regions, a step of forming a powder layer composed of inorganic powder particles, and a solidification of the powder layers A process for forming the solidified part by irradiating the region where the part is disposed with the first beam to dissolve the inorganic powder particles, a laminating process for forming a new powder layer on the processed powder layer, and a processing process And the lamination process is repeated, the solidified part and the sintered part A forming step of forming an intermediate structure including a powder portion made of inorganic powder particles arranged in a corresponding region, and heating the intermediate structure to sinter the inorganic powder particles in the powder portion to form a sintered portion A sintering process.
本実施の形態による構造体は、上記製造方法により製造される。 The structure according to the present embodiment is manufactured by the above manufacturing method.
本実施の形態による構造体の製造方法は、構造体の用途に応じて構造体の力学特性を容易に制御できる。 The structure manufacturing method according to the present embodiment can easily control the mechanical properties of the structure according to the use of the structure.
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
［第１の実施の形態］
図１は、本実施の形態による構造体１の一例を示す斜視図である。図１の構造体１は、医用インプラントであり、より具体的には、股関節の大腿骨部に代替される医用インプラントである。構造体１は、医用インプラント以外の他の用途にも利用可能である。以降の説明では、構造体１の一例として、構造体１を医用インプラントに適用する場合について説明する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a
大腿骨では、部位によって骨密度が異なる。具体的には、大腿骨は、外面を覆う皮質骨と、内部に形成される海綿骨とを備える。高い応力が掛かる部位では、海綿骨は多くなり、低い応力しか掛からない部位では、海綿骨は少ない。したがって、大腿骨は、力学的異方性を有する。 In the femur, the bone density varies depending on the site. Specifically, the femur includes cortical bone that covers the outer surface and cancellous bone formed inside. In areas where high stress is applied, the number of cancellous bone increases, and in areas where only low stress is applied, there are few cancellous bones. Therefore, the femur has mechanical anisotropy.
構造体１は、大腿骨の代替として使用される。そのため、構造体１も大腿骨と同様の力学特性を有する方が好ましい。したがって、構造体１内の構造は、部位によって異なる方が好ましい。たとえば、構造体１内の部位１０及び部位２０は、次に示す構造を有する。
The
図２は、部位１０の微小構造体の斜視図である。図２を参照して、部位１０の微小構造体（以下、単に微小構造体１０という）は、複数の凝固部２と、複数の焼結部３とを備える。
FIG. 2 is a perspective view of the microstructure of the
凝固部２は、複数の無機粉末粒子が溶解し、溶解後に凝固することにより形成される。無機粉末粒子は、無機物からなる粉末粒子である。無機粉末粒子はたとえば、金属や金属間化合物、セラミックス等である。金属は、純金属や合金である。好ましくは、無機粉末粒子は金属である。
The solidified
図３は、微小構造体１０を説明するための模式図である。図３を参照して、微小構造体１０は、複数の立体的な領域（以下、ボクセルという）ＢＣに区画される。図３では、微小構造体１０は、直交座標系（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）において、５×５×５＝１２５個のボクセルＢＣに区画されている。
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the
各ボクセルＢＣには、凝固部２及び焼結部３のいずれかが配置される。図４は、図２に示す微小構造体１０のうち、凝固部２のみを示した図である。図４を参照して、微小構造体１０では、各面（ｘｙ面、ｙｚ面、ｚｘ面）の対角線上に配列されたボクセルＢＣと、微小構造体１０の中心に位置するボクセルＢＣに、凝固部２がそれぞれ配置されている。そして、微小構造体１０のうち、凝固部２が配置されていないボクセルＢＣには、焼結部３が配置される。したがって、微小構造体１０は、直交座標系の各軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）に対して等方性を有する構造体である。
Each voxel BC is provided with either the solidified
焼結部３は、複数の無機粉末粒子が焼結されて形成される。焼結部３は、凝固部２と同じ組成の無機粉末粒子から製造される。要するに、焼結部３は凝固部２と実質的に同じ組成を有する。
The
図５は、焼結部３の断面図である。図５を参照して、焼結部３は、複数の無機粉末粒子３１と、複数のネック３２とを含む。複数のネック３２は、複数の無機粉末粒子３１の間に形成される。焼結処理において、隣り合う無機粉末粒子３１の一部が焼結により結合し、ネック３２が形成される。このようなネック３２の形成工程はネッキングと呼ばれる。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the
ネック３２はさらに、無機粉末粒子と凝固部２との間にも形成される。ネック３２により、焼結部３は凝固部２に結合される。ネック３２は、原子拡散により形成される。
The
図５では、焼結部３はネック３２により凝固部２と結合する。しかしながら、焼結部３は他の方法により凝固部２と結合してもよい。たとえば、焼結部３及び／又は凝固部２の一部が溶解することにより、焼結部３が凝固部２と結合されてもよい。
In FIG. 5, the
図５に示すとおり、焼結部３内には複数の隙間（空隙）３３が形成される。複数の隙間３３は、複数の無機粉末粒子３１の間に形成される。
As shown in FIG. 5, a plurality of gaps (voids) 33 are formed in the
図６は、図１中の部位２０の微小構造体の斜視図である。図６を参照して、部位２０の微小構造体（以下、単に微小構造体２０という）は、微小構造体１０と異なる構造を有する。より具体的には、微小構造体２０も、微小構造体１０と同様に、複数の凝固部２と複数の焼結部３とを含む。しかしながら、微小構造体２０では、凝固部２及び焼結部３の配置が微小構造体１０と異なる。
6 is a perspective view of the microstructure of the
具体的には、微小構造体２０も、微小構造体１０と同様に、図３に示す複数のボクセルＢＣに区画される。そして、各ボクセルＢＣ内に凝固部２及び焼結部３のいずれかが配置される。図７は、図６に示す微小構造体２０の構成のうち、凝固部２のみを示した図である。図７を参照して、微小構造体２０では、複数の凝固部２がｙ軸方向及びｚ軸方向に直列に配列される。具体的には、ｚ軸方向に凝固部２が直列に配列されて形成された凝固柱２１が６本配置される。さらに、一対の凝固柱２１の間に、ｙ軸方向に凝固部２が直列に配列されて形成される凝固梁２２が３本配置される。凝固柱２１及び凝固梁２２において、互いに隣接する凝固部２同士（たとえば、図７中の凝固部２Ａ及び２Ｂ）は、溶解により結合されている。
Specifically, similarly to the
図７では、凝固部２は、ｘ方向には直列に配置されない。微小構造体２０のうち、凝固部２が配置されていないボクセルＢＣには、焼結部３が配置される。したがって、微小構造体２０は、直交座標系の各軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）において異方性を有する構造体である。なお、微小構造体１０及び微小構造体２０は、図２及び図６の構造を収容する筐体を備えてもよい。筐体は無機粉末粒子が溶解して凝固することにより形成される。
In FIG. 7, the solidified
図８は、微小構造体１０と、微小構造体２０とにおける、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向における応力−歪み曲線を示す図である。図９は、微小構造体１０及び微小構造体２０のｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向における見掛けのヤング率（ＧＰａ）を示す図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating stress-strain curves in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction in the
図８及び図９では、微小構造体１０及び２０は筐体を備え、その形状はいずれも１１×１１×１１ｍｍであり、筐体の各壁の厚さは０．５ｍｍであった。構造体内の各ボクセルＢＣは２ｍｍ×２ｍｍ×２ｍｍであった。各構造体の凝固部２及び焼結部３はともに、ＪＩＳＴ−７４０１−２：２００２に規定されるチタン ６−アルミニウム ４−バナジウム合金からなる無機粉末粒子から形成された。
In FIGS. 8 and 9, the
後述する製造方法により、微小構造体１０と、微小構造体２０とを複数製造した。製造された各構造体に対して、インストロン型圧縮試験機を用いて、常温（２５℃）の大気中において圧縮試験を実施し、図８に示す応力−歪み曲線を得た。圧縮試験では、圧縮方向を、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向とした。図９に示す見掛けのヤング率（ＧＰａ）は、応力−歪み曲線の弾性ひずみ範囲から、その直線領域を最小二乗法で計算して算出した。
A plurality of
図８及び図９を参照して、微小構造体１０では、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向からの圧縮試験のいずれにおいても、曲線１０ｘｙｚに示す応力−歪み曲線が得られ、見掛けのヤング率１０ｘｙｚは、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向いずれも同じであった。つまり、部位１０構造体の力学特性（本例では応力−歪み曲線及びヤング率）は、等方性を示した。
With reference to FIGS. 8 and 9, in the
一方、微小構造体２０では、ｚ軸方向の応力−ひずみ曲線２０ｚの降伏応力が最も高く、ｙ軸方向の応力−歪み曲線２０ｙの降伏応力が次に高く、ｘ軸方向の応力−歪み曲線２０ｘの降伏応力が最も低かった。換言すれば、微小構造体２０では、６本の凝固柱２１を有するｚ軸方向の降伏応力が最も高く、３本の凝固梁２２を有するｙ軸方向の降伏応力が次に高く、凝固柱２１及び凝固梁２２のいずれも有しないｘ軸方向の降伏応力が最も低かった。見掛けのヤング率についても、同じ傾向であった。つまり、図９を参照して、ｚ軸方向の見掛けのヤング率２０ｚが最も大きく、ｙ軸方向の見掛けのヤング率２０ｙは次に大きくｘ軸方向の見掛けのヤング率２０ｘが最も小さかった。したがって、微小構造体２０の力学特性は、異方性を示した。
On the other hand, in the
このように、構造体１は、内部に、力学特性の異なる複数の微小構造体（たとえば、微小構造体１０及び２０）を備える。要するに、構造体１の形状は、図３に示すような複数のボクセルＢＣに区画され、構造体１内の各ボクセルＢＣには、凝固部２又は焼結部３が配置される。
As described above, the
凝固部２及び焼結部３の配置は、構造体１の各部位（又は各ボクセルＢＣ）に要求される力学特性（応力−歪み曲線、ヤング率、降伏応力、衝撃吸収性等）に応じて決定される方が好ましい。この場合、構造体１の力学特性を、その用途に適した力学特性に近づけることができる。構造体１が生体骨の代替として医用インプラントである場合、構造体１の力学特性を、生体骨の力学特性に近づけることができる。このような構造体１は、次の製造方法により製造することができる。
The arrangement of the solidified
［構造体の製造方法］
構造体１は、ラピッドプロトタイピング法、より具体的には積層造形法をベースとした次の製造方法により製造される。下記の製造方法では、構造体１の用途に応じて、構造体１の力学特性を容易に制御できる。
[Method of manufacturing structure]
The
［積層造形装置の構成］
図１０は、構造体１を製造するための積層造形装置の構成図である。図１０を参照して、積層造形装置５０は、照射装置５１と、調整装置５２と、造形室５３と、制御装置６０とを備える。積層造形装置５０は、構造体１の中間品である中間構造体１００を製造する。
[Configuration of additive manufacturing equipment]
FIG. 10 is a configuration diagram of an additive manufacturing apparatus for manufacturing the
照射装置５１は、積層造形装置５０の上部に配置される。照射装置５１は、下方に向かって電子ビーム５１０を照射する。調整装置５２は、照射装置５１の下方に配置される。調整装置５２は、制御装置６０の指示に応じて、電子ビーム５１０を偏向する。これにより、電子ビーム５１０は所定の領域を照射できる。調整装置５２はさらに、電子ビーム５１０の焦点や非点収差を補正する。これにより、電子ビーム５１０のフルエンス（単位面積当たりに与えるエネルギ量）が調整される。
The
調整装置５２は、非点収差コイル５２１と、焦点コイル５２２と、偏向コイル５２３とを備える。非点収差コイル５２１は、電子ビーム５１０の非点収差を補正する。焦点コイル５２２は、電子ビーム５１０の焦点を補正する。偏向コイル５２３は、電子ビーム５１０を偏向する。つまり、偏向コイル５２３は、電子ビーム５１０の照射方向を変更する。
The
造形室５３は、調整装置５２の下方に配置される。造形室５３内では、凝固部２が形成される。造形室５３は、図示しない真空ポンプと接続されている。凝固部２が製造されるとき、造形室５３内は真空に引かれる。
The
造形室５３は、一対の粉末供給装置５４と、レーキ５５と、造形テーブル５６と、粉末収納室５７と、ベースプレート５８とを備える。
The
粉末収納室５７は、造形室５３の下部中央に配置される。粉末収納室５７は、上端に開口を有する筐体状であり、側壁５７１を有する。造形テーブル５６は、粉末収納室５７に収納され、上下方向に昇降可能に支持される。造形テーブル５６は、図示しないモータにより昇降する。造形テーブル５６上には、ベースプレート５８が配置される。凝固部２は、ベースプレート５８上に形成される。ベースプレート５８により、造形テーブル５６上に中間構造体１００が結合するのを防止できる。
The
一対の粉末供給装置５４は、粉末収納室５７よりも上に配置され、かつ、積層造形装置５０の上方から見たとき、粉末収納室５７を挟んで配置される。粉末供給装置５４は凝固部２及び焼結部３の原料となる複数の無機粉末粒子３１を収納し、制御装置６０の指示に応じて複数の無機粉末粒子３１を排出する。
The pair of
レーキ５５は、粉末収納室５７の上端近傍に配置される。レーキ５５は、図示しないモータにより水平方向に移動し、一対の粉末供給装置５４間を往復する。レーキ５５は、水平方向に移動することにより、粉末供給装置５４から排出された無機粉末粒子３１を粉末収納室５７に供給する。粉末収納室５７に堆積された複数の無機粉末粒子３１により、造形テーブル５６上に粉末層３５が形成される。レーキ５５は、水平方向に移動することにより、粉末層３５の表面を平坦に整える。
The
制御装置６０は、図示しない中央演算処置装置（ＣＰＵ）と、メモリと、ハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤという）とを備える。ＨＤＤには、構造体設計アプリケーションと、ＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）アプリケーションとが格納される。制御装置６０は、構造体設計アプリケーションを利用して、構造体１の３次元形状データ及び凝固部２及び焼結部３の配置データを作成する。以降、３次元形状データ及び配置データを合わせて、「設計データ」という。
The
制御装置６０はさらに、ＣＡＭアプリケーションを利用して、設計データに基づいて、加工条件データを作成する。積層造形法では、電子ビーム５１０により形成される層状の加工部が順次積層され、中間構造体１００が形成される。加工条件データは、各加工部の製造条件を含む。つまり、加工条件データは、加工部ごとに作成される。
The
制御装置６０は、各加工条件データに基づいて電子ビーム５１０を制御して加工部を形成し、加工部を順次積層して中間構造体１００を形成する。
The
［製造プロセスの詳細］
図１１は、構造体１の製造方法の詳細を示すフロー図である。図１１を参照して、初めに、構造体１を設計する（設計工程：Ｓ１００）。設計工程では、構造体１の形状と、凝固部２及び焼結部３の配置とを設計し、設計データを作成する。次に、設計データに基づいて、積層造形法により中間構造体１００を形成する（Ｓ２００：造形工程）。中間構造体１００は、構造体１のうちの焼結部３が形成されていない状態の構造体である。次に、焼結処理により焼結部３が形成され、構造体１を完成する（Ｓ３００：焼結工程）。以下、製造プロセスの詳細を説明する。
[Details of manufacturing process]
FIG. 11 is a flowchart showing details of the manufacturing method of the
［設計工程（Ｓ１００）］
図１２は、図１１中の設計工程（Ｓ１００）の詳細を示すフロー図である。図１２を参照して、制御装置６０は初めに、構造体設計アプリケーションを利用して、設計工程を実施する（Ｓ１００）。構造体設計アプリケーションは、制御装置６０内の図示しないメモリにロードされ、ＣＰＵで実行される。
[Design process (S100)]
FIG. 12 is a flowchart showing details of the design process (S100) in FIG. Referring to FIG. 12,
制御装置６０は、構造体１の形状を特定する（Ｓ１０１）。たとえば、構造体１が、図１に示す大腿骨代用の医用インプラントである場合、図１の形状を特定する。以下、ステップＳ１で特定された形状を、「構造体形状」という。
The
次に、制御装置６０は、構造体形状を、図３に示すような複数のボクセルＢＣに区画する（Ｓ１０２）。制御装置６０はたとえば、構造体形状を直交座標系に配置して、各軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）に基づいて、３次元的に構造体形状を区画して複数のボクセルＢＣを設定する。このとき、各ボクセルＢＣには同じ力学特性が設定される。たとえば、各ボクセルＢＣのヤング率は一定とする。
Next, the
次に、設定された複数のボクセルＢＣにおいて、凝固部２と焼結部３の配置を決定する（Ｓ１０３〜Ｓ１０８）。制御装置６０はまず、構造体１への荷重条件を設定する（Ｓ１０３）。たとえば、構造体１が図１に示す大腿骨の医用インプラントである場合、生活において大腿骨に掛かる荷重の条件を設定する。通常、大腿骨に掛かる荷重は、立脚時に掛かる荷重と、股関節外転時に掛かる荷重と、股関節内転時に掛かる荷重とが存在する。荷重条件では、これらの複数の荷重が繰り返し掛かることを想定して設定される。たとえば、上述の荷重が所定の順序で所定の回数（繰り返し回数）掛かると仮定し、この条件を荷重条件と設定する。医用インプラントの場合、荷重条件は、医用インプラントを利用する患者の生活スタイルに応じて設定してもよい。
Next, in the set plurality of voxels BC, the arrangement of the solidified
荷重条件を設定した後、上記荷重条件における１回目の荷重負荷において、構造体１内の各ボクセルＢＣに掛かる応力を数値解析により算出する（Ｓ１０４）。数値解析はたとえば、有限要素法（ＦＥＭ）を利用する。
After setting the load conditions, the stress applied to each voxel BC in the
数値解析により各ボクセルＢＣに掛かる応力を解析した後、掛かる応力に基づいて、ボクセルＢＣの力学特性を調整する（Ｓ１０８）。本例では、ボクセルＢＣの力学特性として、ヤング率を調整する。具体的には、制御装置６０は、複数の下限応力値と上限応力値とを設定し、図示しないメモリに格納している。ステップＳ１０４で得られた応力が上限応力値を超えたとき、制御装置６０は、対応するボクセルＢＣのヤング率を所定の割合引き上げる（Ｓ１０８）。一方、ステップＳ１０４で得られた応力が下限応力値未満であったとき、制御装置６０は、対応するボクセルＢＣのヤング率を所定の割合引き下げる（Ｓ１０８）。得られた応力が上限応力値及び下限応力値のいずれも超えない場合、対応するボクセルＢＣのヤング率を変更しない。
After analyzing the stress applied to each voxel BC by numerical analysis, the mechanical characteristics of the voxel BC are adjusted based on the applied stress (S108). In this example, the Young's modulus is adjusted as a mechanical characteristic of the voxel BC. Specifically, the
力学特性（本例ではヤング率）の調整を行った後（Ｓ１０８）、ステップＳ１０４に戻り、制御装置６０は２回目の荷重負荷を実施し、数値解析により各ボクセルＢＣに掛かる応力を再び求める（Ｓ１０４）。
After adjusting the mechanical characteristics (in this example, Young's modulus) (S108), the process returns to step S104, the
以上の計算をステップＳ１０３で設定された繰り返し回数分実施する。繰り返し回数分実施した後（Ｓ１０５でＹＥＳ）、構造体１の力学特性（ヤング率）の分布が決定される。決定されたヤング率の分布は、構造体１全体に一様ではない。局所的にヤング率の高い部位が存在する。さらに、構造体１内の複数の部位のうち、等方的な力学特性が要求される部位も存在すれば、異方的な力学特性が要求される部位も存在する。そこで、制御装置６０は、決定されたヤング率の分布に基づいて、複数のボクセルＢＣにおける凝固部２と焼結部３の配置を決定する（Ｓ１０６）。たとえば、高いヤング率が要求される部位では、凝固部２の配置を多くし、焼結部３の配置を少なくする。また、力学的異方性が要求される場合、図６に示すように、凝固部２を非対称に配置する。力学的等方性が要求される場合、図２に示すように、凝固部２を対称に配置する。
The above calculation is performed for the number of repetitions set in step S103. After the number of repetitions (YES in S105), the distribution of the mechanical properties (Young's modulus) of the
以上の方法により凝固部２及び焼結部３の配置を決定した後、制御装置６０は、構造体１の３次元形状と、凝固部２及び焼結部３の配置に関する配置データとを含む、設定データを作成する（Ｓ１０７）。
After determining the arrangement of the solidified
以上の設定工程（Ｓ１００）では、構造体１の形状を複数の領域（ボクセル）ＢＣに区画し、各ボクセルＢＣに掛かる応力に応じて、各ボクセルＢＣの力学特性を決定する。これにより、構造体１内の力学特性の分布（本例ではヤング率の分布）が決定される。そして、力学特性の分布に基づいて、凝固部２及び焼結部３の配置を決定する。このような方法によれば、構造体１の力学特性を、構造体１の用途に適した力学特性に容易に制御できる。
In the above setting step (S100), the shape of the
再び図１１を参照して、制御装置６０は、設計工程（Ｓ１００）で得られた設計データを利用して、造形工程（Ｓ２００）を実施し、中間構造体１００を製造する。具体的には、制御装置６０は、ＣＡＭアプリケーションを用いて、設計データに基づいて加工条件データを作成する（Ｓ２）。ＣＡＭアプリケーションは、制御装置６０内のメモリにロードされ、ＣＰＵで実行される。
Referring to FIG. 11 again, the
上述のとおり、中間構造体１００は、複数の加工部Ｕ１〜Ｕｎｍａｘが順次積層されて形成される。加工条件データは、加工部Ｕ１〜Ｕｎｍａｘごとに作成される。
As described above, the
初めに、構造体１を予め設定された積層数ｎｍａｘ（個）でスライスした場合を想定する。このとき、スライスされた構造体１の１層分（１スライス分）に相当する加工部Ｕｎの加工条件データは、次の方法で作成される。ここで、第１層は最下層であり、第ｎｍａｘ層は最上層である。
First, it is assumed that the
制御装置６０はまず、設計データに基づいて、第ｎ層における加工部Ｕｎの断面形状データを作成する。続いて、制御装置６０は、断面形状データに基づいて、加工条件データを作成する。加工条件データは、領域条件とフルエンス条件とを含む。制御装置６０は、断面形状データに基づいて、電子ビームを照射する領域（ボクセルＢＣ）を決定し、領域条件として定義する。
First, the
続いて、凝固部２を形成するために必要なフルエンスに応じて、電子ビーム５１０の電流値、走査速度、走査間隔値、電子ビームフォーカス値を決定し、フルエンス条件として定義する。フルエンスに関する情報は、無機粉末粒子の組成に対応して、制御装置６０内のＨＤＤに予め格納されている。以上の工程により、各層における加工条件データが作成される。作成された複数の加工条件データは、制御装置６０内のメモリに格納される。
Subsequently, the current value, scanning speed, scanning interval value, and electron beam focus value of the
続いて、真空ポンプを用いて、造形室５３が真空に引かれる（Ｓ３）。造形室５３内が真空になった後、造形テーブル５６上に配置されたベースプレート５８を予熱する（Ｓ４）。
Subsequently, the
続いて、制御装置６０は、カウンタｎを「１」に設定し（Ｓ５）、第１層（最下層）の加工部Ｕ１の作製を開始する（Ｓ６〜Ｓ８）。
Subsequently, the
制御装置６０はまず、粉末層３５を形成する（Ｓ６）。制御装置６０は、一対の粉末供給装置５４に対して、複数の無機粉末粒子３１を排出するよう指示する。一対の粉末供給装置５４は、制御装置６０からの指示に応じて、複数の無機粉末粒子３１を排出する。このとき、レーキ５５が水平方向に移動して、排出された無機粉末粒子３１を粉末収納室５７に供給する。図１３に示すとおり、無機粉末粒子３１はベースプレート５８及び造形テーブル５６上に堆積し、粉末層３５が形成される。粉末供給装置５４内の無機粉末粒子３１には、バインダ樹脂粒子は含まれない。そのため、粉末層３５は実質的に複数の無機粉末粒子３１からなる。レーキ５５はさらに、粉末層３５の表面上を水平に移動して、粉末層３５を平坦に整える。その結果、図１３に示すように、粉末層３５の表面は平坦になる。
First, the
次に、制御装置６０は、積層造形法における周知の方法で、粉末層３５を予熱する（Ｓ７）。照射装置５１は、低フルエンスを有する電子ビーム５１０を粉末層３５の表面に照射する。このとき、粉末層３５は、焼結を生じない程度の温度に上昇する。
Next, the
次に、電子ビーム５１０により第１層の加工部Ｕ１を形成する（Ｓ８：加工工程）。制御装置６０は、ステップＳ２で作成された複数の加工条件データのうち、第１層の加工条件データをメモリから読み出す。読み出された加工条件データに基づいて、制御装置６０は電子ビーム５１０を制御する。制御装置６０は、加工条件データ内の領域条件に基づいて調整装置５２を制御して、粉末層３５の所定の領域、具体的には、凝固部２が配置されるボクセルＢＣに、電子ビーム５１０を照射する。制御装置６０はさらに、加工条件データ内のフルエンス条件に基づいて照射装置５１及び調整装置５２を制御して、電子ビーム５１０のフルエンスを調整する。その結果、電子ビーム５１０が照射された領域（ボクセルＢＣ）内の無機粉末粒子３１が溶解して凝固し、図１４に示すように第１層の加工部Ｕ１がベースプレート５８上に形成される。加工部Ｕ１は、凝固部２と、凝固部２に囲まれ無機粉末粒子からなる粉末部とからなる。
Next, the first layer processed portion U1 is formed by the electron beam 510 (S8: processing step). The
なお、粉末層３５のうち、加工部Ｕ１以外の領域に配置された無機粉末粒子３１は、溶解しておらず、焼結していない。
In the
第１層の加工部Ｕ１が形成された後、制御装置６０は、カウンタがｎｍａｘか否かを判断する（Ｓ９）。ここでは、カウンタｎ＝１であるため（Ｓ９でＮＯ）、制御装置６０はカウンタｎをインクリメントしてｎ＋１＝２とする（Ｓ１０）。要するに、制御装置６０は、第２層の加工部Ｕ２の作製を準備する。
After the processing part U1 of the first layer is formed, the
制御装置６０は、造形テーブル５６を積層ピッチΔｈだけ降下する（Ｓ１１）。その結果、図１５に示すように、粉末層３５の表面が、図１３及び図１４と比較して、Δｈだけ低下する。
The
ステップＳ１１が完了した後、ステップＳ６に戻る。このとき、制御装置６０は、加工部Ｕ１が形成された粉末層３５上に、新たな粉末層３５を形成する（Ｓ６：積層工程）。具体的には、制御装置６０の指示に応じて、一対の粉末供給装置５４は、再び無機粉末粒子を排出する。このとき、図１６に示すように、レーキ５５が水平に移動する。その結果、無機粉末粒子が粉末収納室５７に供給され、厚さΔｈを有する新たな粉末層３５が形成される。新たな粉末層３５の表面は、レーキ５５により平坦に整えられる。
After step S11 is completed, the process returns to step S6. At this time, the
続いて、制御装置６０は、粉末層３５を予熱し（Ｓ７）、第２層の加工部Ｕ２を形成する（Ｓ８：加工工程）。このとき、制御装置６０は、第ｎ層（ここではｎ＝２）の加工条件データに基づいて、電子ビーム５１０を粉末層３５に照射する。その結果、図１７を参照して、電子ビーム５１０が照射された領域内の無機粉末粒子が溶解して凝固して凝固部２が形成され、凝固部２と、粉末部とを備える加工部Ｕ２が形成される。このとき、図１７に示すとおり、加工部Ｕ２は加工部Ｕ１上に積層される。
Subsequently, the
続いて、ステップＳ９に進み、ｎ＝ｎｍａｘとなるまで、つまり、最上層の加工部Ｕｎｍａｘが形成されるまで、制御装置６０は、ステップＳ６〜ステップＳ１１までの動作を繰り返す。要するに、制御装置６０は、凝固部２が完成するまで、加工工程（Ｓ８）と積層工程（Ｓ６）とを繰り返す。
Subsequently, the process proceeds to step S9, and the
図１８は、第ｋ層（ｋは自然数、１＜ｋ＜ｎｍａｘ）の加工部Ｕｋが形成された後の、製造途中の中間構造体１００の鉛直方向の断面図の一例である。図１８を参照して、製造途中の中間構造体１００は、加工部Ｕ１〜Ｕｋが積層されて形成される。加工部Ｕ１〜Ｕｋは、複数の凝固部２と、無機粉末粒子３１からなる複数の粉末部とを含む。粉末部は、焼結部３の原料となる。
FIG. 18 is an example of a cross-sectional view in the vertical direction of the
ステップＳ６〜ステップＳ１１を繰り返した結果、カウンタｎ＝ｎｍａｘであるとき、つまり、最上層ｎｍａｘの加工部Ｕｎｍａｘが形成されたとき（Ｓ９でＹＥＳ）、図１９に示すように、中間構造体１００が完成する。中間構造体１００は、複数の加工部Ｕ１〜Ｕｎｍａｘが積層して形成され、複数の凝固部２と複数の粉末部とを含む。
As a result of repeating Step S6 to Step S11, when the counter n = nmax, that is, when the processed portion Unmax of the uppermost layer nmax is formed (YES in S9), as shown in FIG. Complete. The
粉末部を構成する複数の無機粉末粒子３１は、未溶解であり、焼結されてもいない。つまり、粉末供給装置５４から排出される無機粉末粒子３１と実質的に同じ粒子形状を保っている。完成された中間構造体１００は、粉末層３５から取り出され（Ｓ１２）、造形工程（Ｓ２００）が完了する。
The plurality of
［焼結工程（Ｓ３００）］
続いて、焼結工程（Ｓ３００）を実行し、焼結部３を形成する（Ｓ３００）。中間構造体１００を焼結炉に装入する。そして、中間構造体１００内の粉末部（無機粉末粒子３１）の融点未満の焼結温度にて、中間構造体１００を加熱する。中間構造体１００は、焼結部３が配置される領域に、粉末部を有する。そのため、焼結温度で加熱されることにより、粉末部内の無機粉末粒子は焼結されてネッキングし、複数のネック３２が形成される。以上の工程により、設計工程Ｓ１００で決定された配置場所に、複数の焼結部３が形成され、構造体１が完成する。なお、焼結工程中において、焼結部３は、凝固部２に結合する。
[Sintering Step (S300)]
Then, a sintering process (S300) is performed and the
ネック３２の数及び成長は、加熱時間及び／又は加熱温度に応じて調整できる。加熱時間が長ければ、ネック３２は多数発生し、各ネック３２は太る。そのため、加熱時間が長いほど、焼結部３内のネック３２は太る。
The number and growth of the
以上、本実施の形態による構造体１の製造方法では、構造体１の形状を複数の領域（ボクセルＢＣ）に区画し、各ボクセルＢＣに掛かる応力に応じて、各ボクセルＢＣの力学特性を決定する。これにより、構造体１内に力学特性の分布が決定される。そして、力学特性の分布に基づいて、凝固部２及び焼結部３の配置を決定する。このような方法によれば、構造体１を、構造体の用途に適した力学特性に容易に制御できる。
As described above, in the method for
［第２の実施の形態］
構造体１は、図１１中の焼結処理（Ｓ３００）を実施することなく、積層造形装置５０で製造することもできる。つまり、本実施の形態による製造方法は、積層造形装置５０内で凝固部２と焼結部３とを製造する。
[Second Embodiment]
The
具体的には、積層造形装置５０は、加工部Ｕ１〜Ｕｎｍａｘを製造するとき、各加工部Ｕｎにおいて、凝固部２とともに焼結部３を製造する。焼結部３は凝固部２と同じ粉末層３５で形成される。つまり、積層造形装置５０は、新たな粉末層３５が形成されたとき、新たな粉末層３５に、凝固部２及び焼結部３を含む加工部Ｕｎを形成する。複数の加工部Ｕ１〜Ｕｎｍａｘが積層されると、構造体１が完成する。以下、本実施の形態による製造方法を詳述する。
Specifically, the
図２０を参照して、初めに、制御装置６０は、構造体１の設計データを作成する（Ｓ１００）。設計工程Ｓ１００は、第１の実施の形態と同様である。
Referring to FIG. 20, first,
次に、制御装置６０は、設計データに基づいて、複数の加工部Ｕ１〜Ｕｎｍａｘの加工条件データを作成する（Ｓ２）。このとき、制御装置６０は、加工部Ｕｎにおける凝固部２の加工条件を決定し（Ｓ２０１）、かつ、焼結部３の加工条件を決定する（Ｓ２０２）。具体的には、制御装置６０は、設計データに基づいて、第ｎ層における加工部Ｕｎの断面形状データを作成する。続いて、制御装置６０は、断面形状データに基づいて、加工条件データを作成する。凝固部２の加工条件の作成方法は、第１の実施の形態と同じである。焼結部３の加工条件の作成方法は、凝固部２の加工条件の作成方法と同様であるが、焼結部３を形成するときの電子ビーム５１０のフルエンスは、凝固部２を形成するときの電子ビーム５１０のフルエンスよりも小さくする。無機粉末粒子３１を溶解させずに焼結させるためである。ステップＳ２で作製された加工部Ｕｎの加工条件データは、制御装置６０内のメモリに格納される。
Next, the
続いて、制御装置６０は、ステップＳ３〜ステップＳ５の動作を実行し、さらに、粉末層３５を形成する（ステップＳ６：積層工程）。そして、制御装置６０は、第１層の加工部Ｕ１を形成する（Ｓ７、Ｓ８及びＳ８０１：加工工程）。
Then, the
制御装置６０はまず、粉末層３５を予熱する（Ｓ７）。続いて、制御装置６０は、凝固部２の加工条件データをメモリから読み出し、凝固部２を形成する（Ｓ８：凝固工程）。続いて、制御装置６０は、焼結部３の加工条件データをメモリから読み出し、焼結部３を形成する（Ｓ８０１：焼結工程）。
First, the
焼結部３は次のとおりに製造される。制御装置６０は、加工条件データに基づいて、電子ビーム５１０を制御する。制御装置６０は、加工条件データ内の領域条件に基づいて調整装置５２を制御して、粉末層３５の所定の領域に電子ビーム５１０を照射する。このとき、制御装置６０は、加工条件データ内のフルエンス条件に基づいて、ステップＳ８で照射される電子ビームよりも低いフルエンスを有する電子ビームを照射する。電子ビーム５１０が照射された領域内の複数の無機粉末粒子は、融点未満の温度に上昇し、焼結される。その結果、焼結部３が形成される。焼結時、焼結部３は、隣接する凝固部２に結合される。
The
以上の造形工程により、粉末層３５に加工部Ｕ１が形成される。以降、制御装置６０は、第ｎｍａｘ層の加工部Ｕｎｍａｘが形成されるまで（Ｓ９）、積層工程（Ｓ６）と加工工程（Ｓ７、凝固工程Ｓ８及び焼結工程Ｓ８０１）とを繰り返す。第ｎｍａｘ層の加工部Ｕｎｍａｘが形成されたとき（Ｓ９でＹＥＳ）、構造体１が完成する。完成された構造体１は、粉末層３５から取り出される（Ｓ１２）。
The processed part U1 is formed in the
なお、図２０では凝固工程Ｓ８を先に実行し、その後、焼結工程Ｓ８０１を実行しているが、焼結工程Ｓ８０１を先に実行し、凝固工程Ｓ８を後に実行してもよい。以上の製造方法によっても、構造体１を製造できる。
In FIG. 20, the solidification step S8 is executed first and then the sintering step S801 is executed. However, the sintering step S801 may be executed first and the solidification step S8 may be executed later. The
［第３の実施の形態］
第１及び第２の実施の形態では、構造体１は、複数の凝固部２と、複数の焼結部３とを備える。ここで、複数の焼結部３は、互いにネック３２の太さが異なる複数の焼結部を含んでもよい。
[Third Embodiment]
In the first and second embodiments, the
図２１は、本実施の形態における構造体５００を説明するための模式図である。図２１を参照して、構造体５００は、複数のボクセルＢＣに区画される。各ボクセルＢＣには、凝固部２及び焼結部３のいずれかが配置される。
FIG. 21 is a schematic diagram for explaining a
図２１では、構造体５００の形状を立方体とし、構造体５００を５×５×５のボクセルＢＣに区画する。しかしながら、構造体５００の形状及びボクセルＢＣの個数は、図２１に限定されない。構造体５００は、図１に示す形状であってもよいし、他の形状であってもよい。
In FIG. 21, the
複数の焼結部３は、ネック３２の太さが異なる複数の焼結部３０１及び３０２を含む。図２２を参照して、焼結部３０１のネック３２の外径ｄ１の無機粉末粒子３１の外径Ｄに対する比（＝ｄ１／Ｄ：以下、ネックサイズ比という）は、焼結部３０２のネックサイズ比（ｄ２／Ｄ）よりも小さい。
The plurality of
ここで、各焼結部３０１及び３０２のネックサイズ比は、次の方法で測定される。各焼結部内の略中央部において、ＳＥＭ画像を生成する。ＳＥＭ画像内の所定の領域内における、各ネック３２の外径ｄ１を測定する。測定された外径ｄ１の平均を求める。求めた外径ｄ１の平均の無機粉末粒子３１に対する比を、ネックサイズ比という。
Here, the neck size ratio of each
本実施の形態では、上述のとおり、焼結部３０１のネックサイズ比は、焼結部３０２のネックサイズ比よりも小さい。したがって、焼結部３０１の強度（たとえば降伏応力）は、焼結部３０２の強度よりも小さい。要するに、ネックサイズ比は、強度と相関する。
In the present embodiment, as described above, the neck size ratio of the
本実施の形態による構造体５００は、要するに、強度の異なる複数の焼結部３０１及び３０２を有する。そのため、構造体１と比較して、力学特性の制御が容易になる。換言すれば、構造体５００は、構造体１と比較して、さらに精度の高い力学特性を得やすい。
In short, the
構造体５００は、次の方法で製造される。
The
図２３は、構造体５００の製造方法の一例を示すフロー図である。図２３を参照して、初めに、制御装置６０は、構造体５００の設計データを作成する（Ｓ１００）。このとき、構造体５００の形状と、構造体５００内の凝固部２、焼結部３０１、焼結部３０２の配置が決定される。
FIG. 23 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing the
次に、制御装置６０は、設計データに基づいて、各加工部Ｕｎの加工条件データを作成する（Ｓ２）各加工部Ｕｎは、凝固部２、焼結部３０１及び３０２を含む。凝固部２の加工条件の設定方法（Ｓ２０１）は、第２の実施の形態と同じである。
Next, the
焼結部３（焼結部３０１及び３０２）の加工条件の設定方法（Ｓ２０２）は、次のとおり実施する。焼結部３０２の加工条件の設定方法は、第２の実施の形態と同様である。一方、焼結部３０１の加工条件は設定されない。より具体的には、焼結部３０２を形成するための電子ビーム５１０のフルエンスは設定されるが、焼結部３０１を形成するための電子ビーム５１０のフルエンスは設定されない。したがって、焼結部３０２が配置されるボクセルＢＣには、電子ビームが照射されるが、焼結部３０１が配置されるボクセルＢＣには、電子ビームが照射されない。
The processing condition setting method (S202) of the sintered part 3 (sintered
続いて、制御装置６０は、ステップＳ３〜ステップＳ５の動作を実行し、さらに、粉末層３５を形成する（ステップＳ６：積層工程）。そして、制御装置６０は、第１層の加工部Ｕ１を形成する（Ｓ７、Ｓ８及びＳ８１０：加工工程）。
Then, the
ステップＳ８において、制御装置６０は、電子ビーム５１０を照射して凝固部２を形成する。制御装置６０はさらに、ステップＳ８１０において、凝固部２を形成するときの電子ビームよりも低いフルエンスの電子ビーム５１０を、焼結部３０２が配置されるボクセルＢＣに照射する。このとき、焼結部３０２の中間品である準焼結部が形成される。なお、制御装置６０は、焼結部３０１が配置されるボクセルＢＣには、電子ビーム５１０を照射しない。
In step S <b> 8, the
以上の造形工程により、粉末層３５に加工部Ｕ１が形成される。以降、制御装置６０は、第ｎｍａｘ層の加工部Ｕｎｍａｘが形成されるまで（Ｓ９）、積層工程（Ｓ６）と加工工程（Ｓ７、Ｓ８及びＳ８１０）とを繰り返す。第ｎｍａｘ層の加工部Ｕｎｍａｘが形成されたとき（Ｓ９でＹＥＳ）、中間構造体が形成される。中間構造体は、凝固部２と、焼結部３０２の中間品である準焼結部と、焼結部３０１が配置されるボクセルＢＣに配置され、無機粉末粒子３１からなる粉末部とを含む。
The processed part U1 is formed in the
中間構造体を粉末層３５から取り出す（Ｓ１２）。そして、中間構造体を焼結炉に装入し、所定の焼結温度で、中間構造体を加熱する（Ｓ３００）。このとき、中間構造体内では、焼結部３０１が配置されるボクセルＢＣの粉末部内で無機粉末粒子３１が焼結して、焼結部３０１を形成する。さらに、準焼結部において、ネックの成長が進み、焼結部３０１よりもネックが太い焼結部３０２が形成される。以上の工程により、構造体５００が製造される。
The intermediate structure is taken out from the powder layer 35 (S12). Then, the intermediate structure is charged into a sintering furnace, and the intermediate structure is heated at a predetermined sintering temperature (S300). At this time, in the intermediate structure, the
本実施の形態による製造方法では、造形工程（Ｓ２００）で焼結部３０２の中間品である準焼結部を形成し、焼結工程（Ｓ３００）で焼結部３０１及び焼結部３０２を形成する。このとき、焼結部３０２は、造形工程（Ｓ２００）と焼結工程（Ｓ３００）とで熱を受けるため、焼結部３０１よりも多くの熱量を受ける。そのため、ネックの太さが異なる焼結部３０１及び３０２を構造体５００内に形成することができる。
In the manufacturing method according to the present embodiment, a semi-sintered portion that is an intermediate product of the
後述するとおり、焼結部３０１及び３０２は、焼結工程（Ｓ３００）を省略しても製造することができる。しかしながら、本実施の形態により構造体５００を製造した場合、隣接する上下の層（たとえば、加工部Ｕｎと加工部Ｕｎ＋１）における焼結部同士の結合が、より強固になる。層間の結合は、焼結工程（Ｓ３００）により強固になるためである。
As will be described later, the
［第４の実施の形態］
構造体５００は、上述の焼結工程を省略して製造することもできる。この場合、上述の造形工程において、電子ビームの強度を調整して、焼結部３０１及び３０２を製造する。
[Fourth Embodiment]
The
図２４は、本実施の形態による構造体５００の製造方法のフロー図である。図２４を参照して、ステップＳ２で、制御装置６０は、凝固部２の加工条件データと、焼結部３０１の加工条件データと、焼結部３０２の加工条件データとを作成する。このとき、焼結部３０１を形成するときの電子ビームのフルエンスを、焼結部３０２を形成するときの電子ビームのフルエンスよりも小さく設定する。要するに、本実施の形態では、フルエンスの異なる３種類の電子ビームを設定する。
FIG. 24 is a flowchart of the method for manufacturing the
設定された電子ビームのフルエンスに基づいて、造形工程（Ｓ２００）中のステップＳ８〜Ｓ８１１において、凝固部２と、焼結部３０２と、焼結部３０１とを形成する。具体的には、ステップＳ８において、最も高いフルエンスの電子ビームで凝固部２を形成する。次に、ステップＳ８０１において、凝固部２を形成する電子ビームよりも低いフルエンスの電子ビームで焼結部３０２を形成する。さらに、ステップＳ８０２において、焼結部３０２を形成する電子ビームよりも低いフルエンスの電子ビームで焼結部３０１を形成する。以降、制御装置６０は、第ｎｍａｘ層の加工部Ｕｎｍａｘが形成されるまで（Ｓ９）、積層工程（Ｓ６）と加工工程（Ｓ７、Ｓ８及びＳ８０１、Ｓ８１０、Ｓ８１１）とを繰り返す。以上の工程により構造体５００が製造される。本実施の形態では、構造体５００を製造するとき、焼結工程（Ｓ３００）を省略できる。
Based on the set fluence of the electron beam, the solidified
［第５の実施の形態］
構造体１及び構造体５００ではさらに、ボクセルＢＣに、未溶解及び未焼結の無機粉末粒子からなる粉末部が収納されていてもよい。要するに、本実施の形態による構造体は、凝固部２と、焼結部３と、無機粉末粒子が収納された粉末部とを備えてもよい。無機粉末粒子の粉末部のヤング率は、焼結部３よりも低い。そのため、凝固部２と、焼結部３と、粉末部とを組み合わせることにより、構造体内の力学特性をさらに精度高く調整することができ、構造体の用途に応じて、最適な力学特性が得やすくなる。複数の焼結部３が、強度（ネックの太さ）の異なる複数の焼結部３０１及び３０２を含む場合はさらに、構造体内の力学特性をより精度高く調整することができる。
[Fifth Embodiment]
In the
このような粉末部を備える構造体は、第２及び第４の実施の形態の製造方法に準じて製造することができる。本実施の形態による構造体の製造方法を、図２４を参照して説明する。 A structure including such a powder part can be manufactured according to the manufacturing methods of the second and fourth embodiments. A structure manufacturing method according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
ステップＳ１００において、制御装置６０は、複数のボクセルＢＣにおける凝固部２、焼結部３０１、焼結部３０２及び粉末部の配置を決定する。次に、ステップＳ２において、制御装置６０は、凝固部２、焼結部３０１、３０２の加工条件データを作成する。このとき、粉末部が配置されるボクセルＢＣには、加工条件が設定されない。したがって、加工工程（Ｓ７、Ｓ８、Ｓ８１０及びＳ８１１）において、粉末部が配置されるボクセルＢＣには、電子ビームが照射されない。
In step S100, the
したがって、ステップＳ２で設定された加工条件にしたがって、ステップＳ６〜ステップＳ１１、Ｓ８１０及びＳ８１１の工程を繰り返せば、凝固部２と、焼結部３（焼結部３０１及び３０２）と、粉末部とを含む構造体が製造される。
Therefore, according to the processing conditions set in step S2, if steps S6 to S11, S810 and S811 are repeated, the solidified
［構造体の用途］
本実施の形態による構造体は、種々の力学特性が要求される様々な用途に利用可能である。構造体はたとえば、上述のとおり、医用インプラントに利用可能である。本実施の形態によれば、生体骨の力学特性に近似した力学特性を有する構造体を製造できる。
[Use of structure]
The structure according to the present embodiment can be used for various applications that require various mechanical characteristics. The structure can be used for medical implants, for example, as described above. According to the present embodiment, it is possible to manufacture a structure having a mechanical characteristic approximate to that of a living bone.
構造体はさらに、自動車や航空機、船舶、鉄道等の移動体及び産業機械等にも利用できる。本実施の形態によれば、移動体及び産業機械の種類及び適用部位に応じて、構造体の力学特性（強度、応力−歪み特性、剛性、衝撃吸収性等）を調整できる。 Further, the structure can be used for a moving body such as an automobile, an aircraft, a ship, and a railway, and an industrial machine. According to the present embodiment, the mechanical characteristics (strength, stress-strain characteristics, rigidity, shock absorption, etc.) of the structure can be adjusted according to the types of mobile bodies and industrial machines and the application site.
なお、上述の実施の形態では、設計工程Ｓ１００は制御装置６０により実施される。しかしながら、設計工程Ｓ１００は、制御装置６０以外の他の装置で実施してもよい。たとえば、積層造形装置５０とは異なるコンピュータにより、設計工程を実施してもよい。
In the above-described embodiment, the design process S100 is performed by the
［まとめ］
以上のとおり、本実施の形態における構造体の製造方法では、無機粉体粒子が溶解されて形成される複数の凝固部と、無機粉末粒子が焼結されて形成される複数の焼結部とを含む構造体の製造方法であって、構造体の形状を特定する工程と、特定された形状を複数の領域に区画する工程と、構造体に掛かる荷重条件を設定する工程と、荷重条件において各領域の力学特性を求める工程と、領域の力学特性に基づいて、複数の領域における凝固部及び焼結部の配置を決定する工程と、無機粉末粒子からなる粉末層を形成する工程と、粉末層のうち凝固部が配置される領域に第１ビームを照射して無機粉末粒子を溶解し、凝固部を形成する加工工程と、加工後の粉末層上に新たな粉末層を形成する積層工程と、加工工程及び積層工程を繰り返して、凝固部と、焼結部に対応する領域に配置される無機粉末粒子からなる粉末部とを含む中間構造体を形成する形成工程と、中間構造体を加熱して粉末部の無機粉末粒子を焼結して焼結部を形成する焼結工程とを備える。
[Summary]
As described above, in the structure manufacturing method in the present embodiment, a plurality of solidified portions formed by dissolving inorganic powder particles, and a plurality of sintered portions formed by sintering inorganic powder particles; A method of manufacturing a structure including: a step of specifying a shape of the structure, a step of partitioning the specified shape into a plurality of regions, a step of setting a load condition applied to the structure, and a load condition Determining the mechanical properties of each region, determining the arrangement of solidified and sintered portions in a plurality of regions based on the mechanical properties of the regions, forming a powder layer composed of inorganic powder particles, and powder A process of forming a solidified part by irradiating the first beam to a region of the layer where the solidified part is disposed to dissolve the inorganic powder particles, and a layering process of forming a new powder layer on the processed powder layer And repeat the processing and lamination steps A forming step of forming an intermediate structure including a solidified portion and a powder portion made of inorganic powder particles disposed in a region corresponding to the sintered portion, and heating the intermediate structure to burn the inorganic powder particles in the powder portion. And a sintering step for forming a sintered part.
この場合、構造体の用途に応じて、区画された複数の領域における凝固部及び焼結部の配置を決定して構造体を製造できる。したがって、構造体の用途に応じて構造体の力学特性を容易に制御できる。 In this case, according to the use of the structure, the structure can be manufactured by determining the arrangement of the solidified portion and the sintered portion in the plurality of partitioned regions. Therefore, the mechanical properties of the structure can be easily controlled according to the use of the structure.
好ましくは、加工工程ではさらに、粉末層のうち焼結部が配置される複数の領域のうちのいくつかに対して、第１ビームよりもフルエンスが低い第２ビームを照射し、無機粉末粒子を焼結して準焼結部を形成し、形成工程では、凝固部と、準焼結部と、粉末部とを含む中間構造体を形成し、焼結工程では、中間構造体を加熱して、凝固部と、粉末部の無機粉末粒子が加熱により焼結されて形成される第１焼結部と、準焼結部が加熱によりさらに焼結されて形成される第２焼結部とを備える構造体を形成する。 Preferably, in the processing step, the inorganic powder particles are further irradiated with a second beam having a lower fluence than the first beam to some of the plurality of regions in the powder layer where the sintered portion is disposed. Sintering to form a semi-sintered part. In the forming process, an intermediate structure including a solidified part, a semi-sintered part, and a powder part is formed. In the sintering process, the intermediate structure is heated. A solidified part, a first sintered part formed by sintering inorganic powder particles in the powder part by heating, and a second sintered part formed by further sintering the semi-sintered part by heating. Form a structure with.
この場合、強度の異なる複数種類の焼結部を形成できる。そのため、構造体の力学特性をより精度高く制御できる。 In this case, a plurality of types of sintered parts having different strengths can be formed. Therefore, the mechanical characteristics of the structure can be controlled with higher accuracy.
本実施の形態による構造体の製造方法は、無機粉体粒子が溶解されて形成される複数の凝固部と、無機粉末粒子が焼結されて形成される複数の焼結部とを含む構造体の製造方法であって、構造体の形状を特定する工程と、特定された形状を複数の領域に区画する工程と、構造体に掛かる荷重条件を設定する工程と、荷重条件において各領域の力学特性を求める工程と、領域の力学特性に基づいて、複数の領域における凝固部及び焼結部の配置を決定する配置決定工程と、無機粉末粒子からなる粉末層を形成する工程と、粉末層のうち凝固部が配置される領域に凝固用ビームを照射して無機粉末粒子を溶解し、凝固部を形成する凝固工程と、粉末層のうち焼結部が配置される領域に凝固用ビームよりもフルエンスの低い焼結用ビームを照射して無機粉末粒子を焼結し、焼結部を形成する焼結工程と、凝固工程及び焼結工程後の粉末層上に新たな粉末層を形成する積層工程と、凝固工程、焼結工程及び積層工程を繰り返して、凝固部と、焼結部とを含む構造体を形成する形成工程とを備える。 The structure manufacturing method according to the present embodiment includes a plurality of solidified portions formed by dissolving inorganic powder particles and a plurality of sintered portions formed by sintering inorganic powder particles. A method for identifying the shape of the structure, a step for partitioning the identified shape into a plurality of regions, a step for setting a load condition applied to the structure, and a dynamics of each region under the load condition A step of determining characteristics, a step of determining the arrangement of solidified portions and sintered portions in a plurality of regions based on the mechanical properties of the regions, a step of forming a powder layer composed of inorganic powder particles, Among them, the solidification part is irradiated with the solidification beam to melt the inorganic powder particles to form the solidification part, and the solidification part of the powder layer is more than the solidification beam in the area where the sintered part is arranged. Irradiate a low fluence sintering beam Sintering process to sinter machine powder particles to form sintered part, laminating process to form new powder layer on powder layer after solidification process and sintering process, solidification process, sintering process and lamination The process is repeated and the formation process which forms the structure containing a solidification part and a sintering part is provided.
この場合、焼結炉での焼結工程を実施することなく、ビームの強度を変えることにより、凝固部と焼結部とを含む構造体を製造できる。 In this case, a structure including a solidified part and a sintered part can be manufactured by changing the intensity of the beam without performing a sintering process in a sintering furnace.
好ましくは、焼結部は、第１焼結部と、第１焼結部よりも低い強度を有する第２焼結部とを含み、焼結用ビームは、第１ビームと、第１ビームよりもフルエンスの低い第２ビームとを含み、上記焼結工程は、粉末層のうち第１焼結部が配置される領域に第１ビームを照射して第１焼結部を形成する工程と、粉末層のうち第２焼結部が配置される領域に第２ビームを照射して第２焼結部を形成する工程とを備える。 Preferably, the sintered part includes a first sintered part and a second sintered part having lower strength than the first sintered part, and the sintering beam is more than the first beam and the first beam. A second beam having a low fluence, and the sintering step includes irradiating the first beam to a region of the powder layer where the first sintered portion is disposed to form the first sintered portion; A step of irradiating a region of the powder layer where the second sintered portion is disposed with a second beam to form the second sintered portion.
この場合、焼結炉での焼結工程を実施することなく、強度の異なる複数種類の焼結部を形成できる。そのため、構造体の力学特性をより精度高く制御できる。 In this case, a plurality of types of sintered parts having different strengths can be formed without performing a sintering process in a sintering furnace. Therefore, the mechanical characteristics of the structure can be controlled with higher accuracy.
好ましくは、構造体はさらに、無機粉末粒子からなる粉末部を備え、配置決定工程では、領域の力学特性に基づいて、複数の領域における凝固部、焼結部及び粉末部の配置を決定し、形成工程では、凝固工程、焼結工程及び積層工程を繰り返して、凝固部と、焼結部と、粉末部とを含む構造体を形成する。 Preferably, the structure further includes a powder part composed of inorganic powder particles, and in the arrangement determining step, the arrangement of the solidified part, the sintered part, and the powder part in a plurality of regions is determined based on the dynamic characteristics of the region, In the forming step, the solidification step, the sintering step, and the lamination step are repeated to form a structure including a solidified portion, a sintered portion, and a powder portion.
この場合、凝固部、焼結部及び粉末部といった、力学特性の異なる構成を、構造体内に区画された複数の領域に配置することができる。そのため、構造体の力学特性をより精度高く制御できる。 In this case, configurations having different mechanical characteristics such as a solidified part, a sintered part, and a powder part can be arranged in a plurality of regions partitioned in the structure. Therefore, the mechanical characteristics of the structure can be controlled with higher accuracy.
本実施の形態による構造体は、無機粉末粒子が溶解されて形成される複数の凝固部と、無機粉末粒子が焼結されて形成される複数の第１焼結部と、無機粉末粒子が焼結されて形成され、前記第１焼結部よりも低い強度を有する複数の第２焼結部とを備える。 The structure according to the present embodiment includes a plurality of solidified portions formed by dissolving inorganic powder particles, a plurality of first sintered portions formed by sintering inorganic powder particles, and the inorganic powder particles are sintered. And a plurality of second sintered parts having a lower strength than the first sintered part.
この場合、構造体は、凝固部、第１焼結部、第２焼結部といった力学特性の異なる構成を備える。そのため、所望の力学特性を得やすくなる。 In this case, the structure includes a configuration having different mechanical characteristics such as a solidified portion, a first sintered portion, and a second sintered portion. Therefore, it becomes easy to obtain desired mechanical characteristics.
好ましくは、第１焼結部は、積層造形法においてビームを無機粉末粒子に照射して形成される準焼結部を、所定の焼結温度で加熱して形成され、第２焼結部は、無機粉末粒子を前記焼結温度で加熱して形成される。 Preferably, the first sintered part is formed by heating a semi-sintered part formed by irradiating the inorganic powder particles with a beam in the additive manufacturing method at a predetermined sintering temperature, and the second sintered part is The inorganic powder particles are formed by heating at the sintering temperature.
この場合、凝固部、第１及び第２焼結部を容易に製造できる。 In this case, the solidified part, the first and second sintered parts can be easily manufactured.
好ましくは、第１焼結部は、積層造形法において第１ビームを無機粉末粒子に照射して形成され、第２焼結部は、積層造形法において、第１ビームよりもフルエンスの低い第２ビームを無機粉末粒子に照射して形成される。 Preferably, the first sintered part is formed by irradiating the inorganic powder particles with the first beam in the additive manufacturing method, and the second sintered part is the second having a lower fluence than the first beam in the additive manufacturing method. It is formed by irradiating the inorganic powder particles with a beam.
この場合、焼結工程を省略できる。 In this case, the sintering step can be omitted.
本実施の形態による構造体は、無機粉末粒子が溶解されて形成される複数の凝固部と、無機粉末粒子が焼結されて形成される複数の焼結部と、無機粉末粒子からなる複数の粉末部とを備える。 The structure according to the present embodiment includes a plurality of solidified portions formed by dissolving inorganic powder particles, a plurality of sintered portions formed by sintering inorganic powder particles, and a plurality of inorganic powder particles. A powder part.
この場合、構造体は、凝固部、焼結部、粉末部といった力学特性の異なる構成を備える。そのため、所望の力学特性を得やすくなる。 In this case, the structure has a structure with different mechanical properties such as a solidified part, a sintered part, and a powder part. Therefore, it becomes easy to obtain desired mechanical characteristics.
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。 While the embodiments of the present invention have been described above, the above-described embodiments are merely examples for carrying out the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented by appropriately modifying the above-described embodiment without departing from the spirit thereof.
本発明による構造体は、種々の力学特性が要求される種々の分野に利用可能である。特に、自動車や航空機、船舶、鉄道等の移動体や産業機械、医用インプラントに利用可能である。 The structure according to the present invention can be used in various fields where various mechanical properties are required. In particular, it can be used for mobile objects such as automobiles, airplanes, ships, railways, industrial machines, and medical implants.
１，５００ 構造体
２ 凝固部
３，３０１，３０２ 焼結部
１０，２０ 微小構造体
３１ 無機粉末粒子
３２ ネック
３５ 粉末層
５０ 積層造形装置
６０ 制御装置
１００ 中間構造体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,500
Claims (5)
前記構造体の形状を特定する工程と、
特定された前記形状を複数の領域に区画する工程と、
前記構造体に掛かる荷重条件を設定する工程と、
前記荷重条件において前記各領域の力学特性を求める工程と、
前記領域の力学特性に基づいて、前記複数の領域における前記凝固部及び前記焼結部の配置を決定する工程と、
前記無機粉末粒子からなる粉末層を形成する工程と、
前記粉末層のうち前記凝固部が配置される領域に第１ビームを照射して無機粉末粒子を溶解し、前記凝固部を形成する加工工程と、
前記加工後の粉末層上に新たな粉末層を形成する積層工程と、
前記加工工程及び前記積層工程を繰り返して、前記凝固部と、前記焼結部に対応する領域に配置される無機粉末粒子からなる粉末部とを含む中間構造体を形成する形成工程と、
前記中間構造体を加熱して前記粉末部の無機粉末粒子を焼結して焼結部を形成する焼結工程とを備える、構造体の製造方法。 A plurality of solidified portions inorganic Powder particles are formed by dissolving the inorganic powder particles is a method for producing a structure comprising a plurality of sintered portion is formed by sintering,
Identifying the shape of the structure;
Partitioning the identified shape into a plurality of regions;
Setting a load condition applied to the structure;
Obtaining mechanical characteristics of each region under the load conditions;
Determining the arrangement of the solidified portion and the sintered portion in the plurality of regions based on the mechanical properties of the region;
Forming a powder layer comprising the inorganic powder particles;
A processing step of irradiating a first beam to a region of the powder layer where the solidified portion is disposed to dissolve inorganic powder particles and forming the solidified portion;
A laminating step of forming a new powder layer on the processed powder layer;
Forming the intermediate structure including the solidified part and a powder part made of inorganic powder particles arranged in a region corresponding to the sintered part by repeating the processing step and the laminating step;
And a sintering step of heating the intermediate structure to sinter the inorganic powder particles of the powder part to form a sintered part.
前記加工工程ではさらに、前記粉末層のうち前記焼結部が配置される複数の領域のうちのいくつかに対して、前記第１ビームよりもフルエンスが低い第２ビームを照射し、無機粉末粒子を焼結して準焼結部を形成し、
前記形成工程では、前記凝固部と、前記準焼結部と、前記粉末部とを含む中間構造体を形成し、
前記焼結工程では、前記中間構造体を加熱して、凝固部と、前記粉末部の無機粉末粒子が加熱により焼結されて形成される第１焼結部と、準焼結部が加熱によりさらに焼結されて形成される第２焼結部とを備える構造体を形成する、構造体の形成方法。 It is a manufacturing method of the structure according to claim 1,
In the processing step, some of the plurality of regions in the powder layer where the sintered portion is disposed are irradiated with a second beam having a lower fluence than the first beam, and inorganic powder particles To form a semi-sintered part,
In the forming step, an intermediate structure including the solidified part, the semi-sintered part, and the powder part is formed,
In the sintering step, the intermediate structure is heated, the solidified part, the first sintered part formed by sintering the inorganic powder particles of the powder part, and the semi-sintered part are heated. Furthermore, the structure formation method of forming a structure provided with the 2nd sintering part formed by sintering.
前記構造体の形状を特定する工程と、
特定された前記形状を複数の領域に区画する工程と、
前記構造体に掛かる荷重条件を設定する工程と、
前記荷重条件において前記各領域の力学特性を求める工程と、
前記領域の力学特性に基づいて、前記複数の領域における前記凝固部及び前記焼結部の配置を決定する配置決定工程と、
無機粉末粒子からなる粉末層を形成する工程と、
前記粉末層のうち前記凝固部が配置される領域に凝固用ビームを照射して無機粉末粒子を溶解し、前記凝固部を形成する凝固工程と、
前記粉末層のうち前記焼結部が配置される領域に前記凝固用ビームよりもフルエンスの低い焼結用ビームを照射して無機粉末粒子を焼結し、前記焼結部を形成する焼結工程と、
前記凝固工程及び焼結工程後の粉末層上に新たな粉末層を形成する積層工程と、
前記凝固工程、前記焼結工程及び前記積層工程を繰り返して、前記凝固部と、前記焼結部とを含む構造体を形成する形成工程とを備える、構造体の製造方法。 A plurality of solidified portions inorganic Powder particles are formed by dissolving the inorganic powder particles is a method for producing a structure comprising a plurality of sintered portion is formed by sintering,
Identifying the shape of the structure;
Partitioning the identified shape into a plurality of regions;
Setting a load condition applied to the structure;
Obtaining mechanical characteristics of each region under the load conditions;
An arrangement determining step for determining an arrangement of the solidified portion and the sintered portion in the plurality of regions based on the mechanical properties of the region;
Forming a powder layer composed of inorganic powder particles;
A solidification step of irradiating a solidification beam to a region of the powder layer where the solidified portion is disposed to dissolve the inorganic powder particles and forming the solidified portion;
A sintering step of forming the sintered portion by irradiating a region of the powder layer where the sintered portion is disposed with a sintering beam having a lower fluence than the solidifying beam to sinter inorganic powder particles. When,
A lamination step of forming a new powder layer on the powder layer after the solidification step and the sintering step;
A manufacturing method of a structure comprising: a solidification step, a sintering step, and a laminating step, and a forming step of forming a structure including the solidified portion and the sintered portion.
前記焼結部は、
第１焼結部と、
前記第１焼結部よりも低い強度を有する第２焼結部とを含み、
前記焼結用ビームは、
第１ビームと、
前記第１ビームよりもフルエンスの低い第２ビームとを含み、
前記焼結工程は、
前記粉末層のうち前記第１焼結部が配置される領域に前記第１ビームを照射して前記第１焼結部を形成する工程と、
前記粉末層のうち前記第２焼結部が配置される領域に前記第２ビームを照射して前記第２焼結部を形成する工程とを備える、構造体の製造方法。 It is a manufacturing method of the structure according to claim 3,
The sintered part is
A first sintered part;
A second sintered part having a lower strength than the first sintered part,
The sintering beam is:
The first beam;
A second beam having a lower fluence than the first beam,
The sintering step includes
Irradiating the first beam to a region of the powder layer where the first sintered portion is disposed to form the first sintered portion;
Irradiating the second beam to a region of the powder layer where the second sintered portion is disposed to form the second sintered portion.
前記構造体はさらに、無機粉末粒子からなる粉末部を備え、
前記配置決定工程では、前記領域の力学特性に基づいて、前記複数の領域における前記凝固部、前記焼結部及び前記粉末部の配置を決定し、
前記形成工程では、前記凝固工程、前記焼結工程及び前記積層工程を繰り返して、前記凝固部と、前記焼結部と、前記粉末部とを含む構造体を形成する、構造体の製造方法。 It is a manufacturing method of the structure according to claim 3,
The structure further includes a powder portion made of inorganic powder particles,
In the arrangement determining step, the arrangement of the solidified part, the sintered part and the powder part in the plurality of regions is determined based on the mechanical characteristics of the region,
In the forming step, the solidification step, the sintering step, and the lamination step are repeated to form a structure including the solidified portion, the sintered portion, and the powder portion.
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