JP6688997B2 - 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当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、当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
により粉末層形成および固化層形成を造形プレート上で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、
後に形成される後続固化層に対して先行して形成される少なくとも1つの先行固化層を後続固化層よりも相対的に高い温度条件で形成する、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6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8および図9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、上述の粉末焼結積層法において固化層の形成態様に特徴を有している。
まず、造形プレートを準備する。ここで準備する造形プレートは、粉末焼結積層法で常套的に用いられる造形プレートであってよい。例えば粉末として金属粉末を用いることによって固化層として焼結層(鉄系材料から成る焼結層)を形成する場合、造形プレートの材質は、スチール、超硬合金、高速度工具鋼、合金工具鋼、ステンレス鋼および機械構造用炭素鋼から成る群から選択される少なくとも1種類の材質であってよい。また、造形プレートは、あくまでも“プレート”ゆえ、典型的には全体として扁平状になっていることが好ましい。造形プレートの具体的な形状は、製造される三次元形状造形物に対して“土台”を供するものであれば、いずれの形状でもよい。それゆえ、造形プレートの形状は、直方体形状に特に限定されず、円板形状または多角柱形状などであってもよい。
造形プレートに対して加熱処理を行う。かかる加熱処理によって、造形プレートが高温化され熱膨張が生じることになる。熱膨張が生じると、造形プレートが膨らむ方向、すなわち外向きに応力が生じることになる。
− 造形プレートの表面を光ビーム照射することによる造形プレートの部分加熱
− 造形プレートの内部および/または側面に配置したヒータを用いる造形プレートの全体加熱
− 造形プレートを支持する造形テーブルの内部または側面に設置したヒータを用いる造形プレートの全体加熱
− 造形プレートを支持する造形テーブルの内部に設けられた温調管に対して温水または蒸気を流すことによる造形プレートの全体加熱
− 赤外線放射による造形プレートの全体加熱または部分加熱
− 電磁誘導加熱による造形プレートの全体加熱または部分加熱
なお、上記例示における「全体加熱」とは造形プレートの中心部分まで熱が伝わるように造形プレートが全体的に高温化されることを意味している。
加熱処理により高温化された造形プレート21上に粉末層を形成し、かかる粉末層に光ビームを照射して先行固化層24Aを形成する(図2(a)参照)。先行固化層24Aの形成のために用いられる粉末層は造形プレート21に接するので、高温化された造形プレート21からの熱が、かかる粉末層へと伝わることになる。このように粉末層が高い温度を有する条件下(特には、後続固化層形成のための粉末層の温度よりも相対的に高い温度となる条件下)で先行固化層24Aの形成を行う。つまり、相対的に高い温度を有する粉末層に対して光ビームを照射して先行固化層24Aを形成する。
先行固化層24Aの形成後、先行固化層24A上に新たな粉末層を形成し、かかる粉末層に光ビームを照射して後続固化層24Bを形成する(図2(b)参照)。後続固化層24Bの形成を繰り返し実施すると、最終的に三次元形状造形物100を得ることができる(図2(c)参照)。なお、“高い温度”というものは三次元形状造形物100の寸法精度の点で原則好ましくないので、後続固化層24Bの温度条件は、先行固化層24Aの温度条件よりも高くする必要はない。換言すれば、後続固化層24Bの不必要な熱膨張を防止する観点から、後刻に形成する後続固化層24Bは先行固化層24Aよりも相対的に低い温度条件で形成することが好ましい。具体的には、先行固化層24Aの形成時における温度条件との温度差が例えば100℃未満となるように後続固化層24Bの形成を相対的に低い温度条件下で行ってよい。このことは、後続固化層24Bの形成時における温度条件との温度差が例えば100℃未満となるように相対的に高い温度条件下で先行固化層24Aの形成を行うことを意味している。
本発明では、先行固化層を後続固化層よりも相対的に高い温度条件で形成するが、先行固化層および後続固化層の温度条件を直接制御することは容易でない。そのため、例えば、先行固化層と接する造形プレートまたはその直下の造形テーブルに設けたヒータなどの設定温度を適宜変更することによって、先行固化層および後続固化層の温度条件を制御してよい。換言すれば、造形プレートまたは造形テーブルに設けられた加熱源の設定温度を後続固化層よりも先行固化層の形成時に高くすることによって“相対的に高い温度条件”を形成してよい。
造形プレートの加熱によって「相対的に高い温度」を形成する場合、造形プレートの熱膨張に起因して、その造形プレート上に形成される粉末層の厚さが均一とならない場合が考えられる。かかる場合、粉末層の形成に先立ってスキージング・ブレードと造形プレートとの間の距離を測定し、当該距離に応じて粉末層の局所的な箇所に対する光ビームの照射条件を適宜変更してよい。これにより「粉末層の厚さの局所的な違いに起因して固化層の密度が均一にならなくなる」といった不都合を減じることができる。具体的には、スキージング・ブレードと造形プレートとの間の離隔寸法が相対的に小さい箇所に位置する粉末層部分に対しては光ビーム照射速度をより上げたり、光ビーム照射出力をより小さくしたりしてよい。一方、スキージング・ブレードと造形プレートとの間の離隔寸法が相対的に大きい箇所に位置する粉末層部分に対しては光ビーム照射速度をより下げたり、光ビーム照射出力をより大きくしたりしてよい。
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
により粉末層形成および固化層形成を造形プレート上で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、
後に形成される後続固化層に対して先行して形成される少なくとも1つの先行固化層を該後続固化層よりも相対的に高い温度条件で形成する、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、前記少なくとも1つの前記先行固化層の厚みが前記造形プレートから所定の高さ範囲内にある、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、前記相対的に高い温度条件を前記造形プレートの温度により形成する、三次元形状造形物の製造方法。
第4態様:
上記第3態様において、前記造形プレートに接する第1層目の粉末層の形成に先立って該造形プレートの加熱を開始する、三次元形状造形物の製造方法。
24A 先行固化層
24B 後続固化層
100 三次元形状造形物
Claims (3)
- (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
により粉末層形成および固化層形成を造形プレート上で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、
後に形成される後続固化層に対して先行して形成される少なくとも1つの先行固化層を該後続固化層よりも相対的に高い温度条件で形成し、
前記相対的に高い温度条件を前記造形プレートの温度により形成する、三次元形状造形物の製造方法。 - 前記少なくとも1つの前記先行固化層の厚みが前記造形プレートから所定の高さ範囲内にある、請求項1に記載の三次元形状造形物の製造方法。
- 前記造形プレートに接する第1層目の粉末層の形成に先立って該造形プレートの加熱を開始する、請求項1に記載の三次元形状造形物の製造方法。
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