JP6621072B2 - 三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents
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Description
(i)粉末層の所定箇所に光ビームを照射し、かかる所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程。
(ii)得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、同様に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程。
(i)粉末層の所定箇所に光ビームを照射して所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
(ii)得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
によって粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
固化層の表面に対して切削加工処理を施しており、切削加工処理を超音波振動条件で行うことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法が提供される。
まず、本発明の製造方法の前提となる粉末焼結積層法について説明する。特に粉末焼結積層法において三次元形状造形物の切削処理を付加的に行う光造形複合加工を例として挙げる。図22は、光造形複合加工のプロセス態様を模式的に示しており、図23および図24は、粉末焼結積層法と切削処理とを実施できる光造形複合加工機の主たる構成および動作のフローチャートをそれぞれ示している。
本発明は、上述した粉末焼結積層法のうち、特に固化層表面の切削工程に特徴を有している。
固化層表面の切削処理に際しては、エンドミル等の回転切削工具を用いて特に固化層の“側面”を切削するところ、当業者にとってみれば当該回転切削工具を用いた切削処理は振動条件等に付すことなく行うことが一般的な認識である。何故なら、三次元形状造形物を成す固化層側面切削処理に対して振動条件は特に効果的でないと考えられていたからである。かかる考えは、回転切削工具が取り付けられた切削デバイスは専ら工具回転に資する機能を有するものであるところ、切削工具を振動に付すに際して水平方向(即ち、横方向)よりも垂直方向(即ち、上下方向)に振動させることが相対的に容易と考えられていたことに存する。
まず、本発明の具体的態様を説明する前に本発明の概念について図1を用いて説明する。
(切削工具の超音波振動)
まず、“切削工具を超音波振動に付す”という技術的思想である本発明の第1実施形態について説明する。
まず、粉末層に光ビームLを照射して得られた固化層24の表面(図4(a))を、超音波振動に付した回転切削工具43を回転させて切削加工する。具体的には、図4(b)に示すように、回転切削工具43の延在方向に沿った方向(垂直方向)に超音波振動させた回転切削工具43を回転させることで固化層24の表面を粗加工する。本明細書で言う“粗加工”とは、5〜50μm、好ましくは10〜50μm、より好ましくは20〜50μm、更に好ましくは40〜50μmの振動振幅で超音波振動させながら固化層24の表面を切削加工することを指す。
まず、粉末層に光ビームLを照射して得られた固化層24の表面(図5(a))を、超音波振動に付した回転切削工具43を回転させて切削加工する。具体的には、図5(b)に示すように、回転切削工具43の延在方向に沿った方向(垂直方向)に超音波振動させた回転切削工具43を回転させることで固化層24の表面を粗加工する。次いで、図5(c)に示すように、軸付砥石工具44の延在方向に対して垂直な方向(水平方向)に超音波振動させた軸付砥石工具44を回転させることで固化層24の表面を研磨仕上げ加工する。なお、研磨仕上げ加工では、軸付砥石工具44を必ずしも水平方向に超音波振動させなくてもよい。なお、本明細書で言う“軸付砥石工具”とは先端部に固化層表面を研磨するための砥石(研磨部材)を備えた工具を指す。
まず、粉末層に光ビームLを照射して得られた固化層24の表面(図6(a))を、超音波振動に付した回転切削工具43を回転させて切削加工する。具体的には、図6(b)に示すように、回転切削工具43の延在方向に沿った方向(垂直方向)に超音波振動させた回転切削工具43を回転させることで固化層24の表面を粗加工する。次いで、図6(c)に示すように、回転切削工具43の延在方向に対して垂直な方向(水平方向)に超音波振動させた回転切削工具43を回転させることで固化層24の表面を切削仕上げ加工する。最後に、図6(d)に示すように、軸付砥石工具44の延在方向に対して垂直な方向(水平方向)に超音波振動させた軸付砥石工具44を回転させることで固化層24の表面を研磨仕上げ加工する。なお、研磨仕上げ加工では、軸付砥石工具44を必ずしも水平方向に超音波振動させなくてもよい。
(造形テーブルの超音波振動)
本発明の第2実施形態では、図8に示すように粉末層および固化層24を形成するための造形テーブル20(具体的には造形テーブル20上に配される造形プレート21)を超音波振動に付して、固化層24の表面の切削加工処理を行う。つまり、本発明の第2実施形態では、造形プレート21から固化層24の表面の切削加工する部分に対して超音波振動を供し固化層24の表面の切削加工処理を行うことを特徴とする。特に限定されるものではないが、例えば、振動子を造形プレート21又は造形テーブル20内に設け、当該振動子から超音波振動を垂直方向又は水平方向に供することで造形テーブル20を垂直方向又は水平方向に超音波振動させてよい。造形テーブル20を垂直方向に超音波振動させる場合、切削工具40と固化層24の表面との間の“接触”箇所が上下にずれるように固化層24の表面を切削加工でき、それによって固化層の切削加工した部分の表面粗さを小さくすることができる。また、造形テーブル20を水平方向に超音波振動させる場合、切削工具40と固化層24の表面の切削する部分との間での“接触”と“非接触”が繰り返して行われ、それによって固化層の切削加工した部分の表面粗さを小さくすることができる。なお、造形テーブル20の側面は壁27と接するように配置されていることも考慮し、造形テーブル20を垂直方向に超音波振動にさせることが好ましい。
比較例<超音波振動無し(切削加工)>
切削工具を用いて溝部(凹部)が形成された固化層の切削加工を行った。具体的には、エンドミル(R0.3mm(図22)、AlTiNコーティング有)を用いて固化層の溝部を形作る表面の切削加工を行った。切削加工した部分の拡大写真図を図9に示す。
超音波振動させたエンドミル(R0.3mm、AlTiNコーティング有)を用いて固化層の溝部を形作る表面の切削加工を行い、次いで、切削加工を行った面に対して超音波振動させた軸付砥石工具を用いて研磨加工を行った。超音波振動条件で切削加工および研磨加工を行った部分の拡大写真図を図10に示す。なお、超音波振動条件としては、回転数6000min−1、振動振幅30〜50μm、振動数40kHz、振動方向:エンドミル延在方向とした。
比較例<超音波振動無し(切削加工)>
エンドミル(R0.3mm、AlTiNコーティング有)を用いて固化層表面の切削加工を行った。切削加工を行った後(切削距離100m)のエンドミルの先端部の摩耗状態を図11に示す。
超音波振動させたエンドミル(R0.3mm、AlTiNコーティング有)を用いて固化層表面の切削加工を行った。超音波振動条件で切削加工を行った後(切削距離100m)のエンドミルの先端部の摩耗状態を図12に示す。なお、超音波振動条件としては、回転数6000min−1、振動振幅30〜50μm、振動数40kHz、振動方向:エンドミル延在方向とした。
比較例<超音波振動無し(切削加工)>
エンドミル(R0.3mm、AlTiNコーティング有)を用いて固化層表面を切削加工した場合の切削距離に対するエンドミルの先端部の摩耗量を調べた。その結果を図13に示す。
超音波振動させたエンドミル(R0.3mm、AlTiNコーティング有)を用いて固化層表面を切削加工した場合の切削距離に対するエンドミルの先端部の摩耗量を調べた。その結果を図13に示す。なお、超音波振動条件としては、回転数6000min−1、振動振幅30〜50μm、振動数40kHz、振動方向:エンドミル延在方向とした。
比較例<超音波振動無し(切削加工)>
エンドミル(R0.3mm、AlTiNコーティング有)を用いて固化層表面の切削加工を行った。切削加工を行った後(切削距離100m)の切屑の拡大写真図を図14に示す。
超音波振動させたエンドミル(R0.3mm、AlTiNコーティング有)を用いて固化層表面の切削加工を行った。超音波振動条件で切削加工を行った後(切削距離100m)の切屑の拡大写真図を図15に示す。なお、超音波振動条件としては、回転数6000min−1、振動振幅30〜50μm、振動数40kHz、振動方向:エンドミル延在方向とした。
比較例<超音波振動無し(切削加工)>
エンドミル(R0.3mm、AlTiNコーティング有)を用いて固化層表面を切削加工した場合の切削距離に対するエンドミルの切削抵抗を調べた。その結果を図16に示す。
超音波振動させたエンドミル(R0.3mm、AlTiNコーティング有)を用いて固化層表面を切削加工した場合の切削距離に対するエンドミルの切削抵抗を調べた。その結果を図16に示す。なお、超音波振動条件としては、回転数6000min−1、振動振幅30〜50μm、振動数40kHz、振動方向:エンドミル延在方向とした。
比較例<超音波振動無し(切削加工)>
エンドミル(R0.3mm、AlTiNコーティング有)を用いて固化層表面を切削加工した場合のバリ発生状況を調べた。その結果を図17に示す。
超音波振動させたエンドミル(R0.3mm、AlTiNコーティング有)を用いて固化層表面を切削加工した場合のバリ発生状況を調べた。その結果を図18に示す。なお、超音波振動条件としては、回転数6000min−1、振動振幅30〜50μm、振動数40kHz、振動方向:エンドミル延在方向とした。
比較例<超音波振動無し(切削加工)>
エンドミル(R0.3mm、AlTiNコーティング有)を用いて固化層表面の切削加工を行った。切削加工した部分の拡大写真図を図19に示す。
超音波振動させたエンドミル(R0.3mm、AlTiNコーティング有)を用いて固化層表面の切削加工を行い、次いで、切削加工を行った面に対して超音波振動させた軸付砥石工具を用いて研磨加工を行った。超音波振動条件で切削加工および研磨加工を行った部分の拡大写真図を図20に示す。なお、超音波振動条件としては、回転数6000min−1、振動振幅30〜50μm、振動数40kHz、振動方向:エンドミル延在方向とした。
第1態様:
(i)粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
(ii)得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、該新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
によって粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
前記固化層の表面に対して切削加工処理を施しており、該切削加工処理を超音波振動条件で行うことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第2態様:
上記第1態様において、前記超音波振動条件として、前記切削加工処理に用いる切削工具を超音波振動に付すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第3態様:
上記第1態様又は第2態様において、前記粉末層および前記固化層を造形テーブル上で形成しており、前記超音波振動条件として、前記造形テーブルを超音波振動に付すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第4態様:
上記第2態様又は第3態様において、前記切削工具として回転切削工具を用い、該回転切削工具を回転させながら前記超音波振動に付すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第5態様:
上記第4態様において、前記切削加工処理において前記回転切削工具の振動方向を垂直方向と水平方向との間で切り替えることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第6態様:
上記第5態様において、前記回転切削工具を前記垂直方向に振動させる際の振幅を、該回転切削工具を前記水平方向に振動させる際の振幅よりも大きくすることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第7態様:
上記第1態様〜第6態様のいずれかにおいて、前記切削加工処理として、粗加工および仕上げ加工の少なくとも2段階の切削加工を行うことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第8態様:
上記第7態様において、前記仕上げ加工として、前記回転切削工具を用いる切削仕上げ、軸付砥石工具を用いる研磨仕上げ、および、該切削仕上げと該研磨仕上げとの組合せのいずれかを実施することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第9態様:
上記第5態様又は第6態様に従属する第7態様において、前記回転切削工具を前記垂直方向に振動させることによって前記粗加工を行った後、該回転切削工具を前記水平方向に振動させることによって前記仕上げ加工を行うことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第10態様:
上記第1態様〜第3態様のいずれかにおいて、前記切削加工処理に用いる切削工具として、非回転切削工具を用いることを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
第11態様:
上記第10態様において、前記非回転切削工具を用いて超音波楕円振動に付すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
L 光ビーム
24 固化層
40 切削工具(エンドミル)
20 造形テーブル
43 回転切削工具
44 軸付砥石工具
45 非回転切削工具
Claims (10)
- (i)粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
(ii)得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、該新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
によって粉末層形成および固化層形成を交互に繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
前記固化層の側面に対して切削加工処理を施しており、該切削加工処理を超音波振動条件で行い、および、
前記超音波振動条件として、前記切削加工処理に用いる切削工具を超音波振動に付すことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。 - 前記粉末層および前記固化層を造形テーブル上で形成しており、
前記超音波振動条件として、前記造形テーブルを超音波振動に付すことを特徴とする、請求項1に記載の三次元形状造形物の製造方法。 - 前記切削工具として回転切削工具を用い、該回転切削工具を回転させながら前記超音波振動に付すことを特徴とする、請求項1又は2に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 前記切削加工処理において前記回転切削工具の振動方向を垂直方向と水平方向との間で切り替えることを特徴とする、請求項3に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 前記回転切削工具を前記垂直方向に振動させる際の振幅を、該回転切削工具を前記水平方向に振動させる際の振幅よりも大きくす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。
- 前記切削加工処理として、粗加工および仕上げ加工の少なくとも2段階の切削加工を行うことを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 前記仕上げ加工として、前記回転切削工具を用いる切削仕上げ、軸付砥石工具を用いる研磨仕上げ、および、該切削仕上げと該研磨仕上げとの組合せのいずれかを実施することを特徴とする、請求項3に従属する請求項6に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 前記回転切削工具を垂直方向に振動させることによって前記粗加工を行った後、該回転切削工具を水平方向に振動させることによって前記仕上げ加工を行うことを特徴とする、請求項3に従属する請求項6に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 前記切削加工処理に用いる切削工具として、非回転切削工具を用いることを特徴とする、請求項1又は2に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 前記非回転切削工具を用いて超音波楕円振動に付すことを特徴とする、請求項9に記載の三次元形状造形物の製造方法。
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