(57)【要約】【課題】溶融温度が高い金属粉末を用いた、熱伝導率の高い積層造形体の反り変形を抑制することが可能な積層造形体の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態に係る積層造形体の製造方法は、ベースプレート２０上に、第１金属板第２金属板とを配置し、第１金属板及び第２金属板上に金属粉末を配置し、第１金属板の第１部位（Ｐ（１））にビームを照射した後、第２金属板の第２部位（Ｐ（１））にビームを照射し、再度第１金属板にビームを照射する際に、第１部位から所定の距離離れた第３部位（Ｐ（２））にビームを照射した後、再度第２金属板にビームを照射する際に、第２部位から所定の距離離れた第４部位（Ｐ（２））にビームを照射し、金属粉末の配置、ビームの照射を繰り返して、第１金属板、第２金属板上に複数のピンを形成する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースプレート上に、第１金属板と該第１金属板から所定の距離離れた第２金属板とを配置し、
前記第１金属板及び前記第２金属板上に金属粉末を配置し、
前記第１金属板の第１部位にビームを照射して第１積層部を形成した後、前記第２金属板の第２部位にビームを照射して第２積層部を形成し、
再度前記第１金属板にビームを照射する際に、前記第１部位から所定の距離離れた第３部位にビームを照射して第３積層部を形成した後、再度前記第２金属板にビームを照射する際に、前記第２部位から所定の距離離れた第４部位にビームを照射して第４積層部を形成し、
前記金属粉末の配置、前記第１積層部〜前記第４積層部の形成を繰り返して、前記第１金属板上に前記第１積層部、前記第３積層部による複数のピンを形成し、前記第２金属板上に前記第２積層部、前記第４積層部による複数のピンを形成する、
積層造形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層造形体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、熱可塑性樹脂の粉末からなる粉末層を形成する工程と、粉末層にレーザ等の加熱作用を持つビームを照射して粉末層を溶融・焼結する工程とを繰り返し行うことで、積層造形体を得る技術が開示されている。特許文献１では、レーザ粉末積層造形時の材料収縮による造形体の反り変形を防止するために、レーザの照射される照射面を複数の小領域に分割し、小領域毎にレーザ照射を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−１２６９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、冷却ユニットに用いられるピン付きの冷却プレートは、金属からなるプレート上に金属粉末を配置し、該金属粉末にレーザを照射することで積層造形される。金属粉末は樹脂粉末よりも溶融温度が高いため、金属粉末に照射するレーザのエネルギー量は樹脂粉末に照射するレーザのエネルギー量よりも高くなる。また、金属からなる積層造形体は樹脂からなるものよりも熱伝導率が高い。このため、特許文献１のように、レーザの照射される照射面を小領域に分割し、該小領域を１つずつレーザスキャンしたとしても、金属からなる積層造形体の反り変形を完全に抑制することは困難であった。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、溶融温度が高い金属粉末を用いた、熱伝導率の高い積層造形体の反り変形を抑制することが可能な積層造形体の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る積層造形体の製造方法は、ベースプレート上に、第１金属板と該第１金属板から所定の距離離れた第２金属板とを配置し、前記第１金属板及び前記第２金属板上に金属粉末を配置し、前記第１金属板の第１部位にビームを照射して第１積層部を形成した後、前記第２金属板の第２部位にビームを照射して第２積層部を形成し、再度前記第１金属板にビームを照射する際に、前記第１部位から所定の距離離れた第３部位にビームを照射して第３積層部を形成した後、再度前記第２金属板にビームを照射する際に、前記第２部位から所定の距離離れた第４部位にビームを照射して第４積層部を形成し、前記金属粉末の配置、前記第１積層部〜前記第４積層部の形成を繰り返して、前記第１金属板上に前記第１積層部、前記第３積層部による複数のピンを形成し、前記第２金属板上に前記第２積層部、前記第４積層部による複数のピンを形成する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、溶融温度が高い金属粉末を用いた、熱伝導率の高い積層造形体の反り変形を抑制することが可能な積層造形体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】積層造形体の一例を示す図である。
【図２】図１の積層造形体を形成するための金属板と、該金属板を配置するベースプレートを示す図である。
【図３】図２の金属板をベースプレート上に配置した状態を示す図である。
【図４】実施の形態に係る積層造形体の製造方法を説明する図である。
【図５】実施の形態に係る積層造形体の製造方法を説明する図である。
【図６】ベースプレート上に複数の積層造形体が同時に製造された状態を示す図である。
【図７】積層造形体の他の例を示す図である。
【図８】図７の積層造形体を形成するための金属板をベースプレート上に配置した状態を示す図である。
【図９】実施の形態に係る積層造形体の製造方法を説明する図である。
【図１０】実施の形態に係る積層造形体の製造方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図における同等の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１０】
実施の形態は、溶融温度が高い金属粉末を用いた、複数のピンを備える積層造形体の製造方法に関する。実施の形態に係る積層造形体の製造方法は、金属板上に金属粉末を配置し、金属粉末にレーザを照射して、溶融・凝固させることを繰り返して複数のピンを備える積層造形体を製造する。実施の形態では、ベースプレート上に、第１金属板と該第１金属板から所定の距離離れた第２金属板とを配置する。そして、第１金属板の第１部位にビームを照射して第１積層部を形成した後、第２金属板の第２部位にビームを照射して第２積層部を形成する。
【００１１】
再度第１金属板にビームを照射する際に、第１部位から所定の距離離れた第３部位にビームを照射して第３積層部を形成した後、再度第２金属板にビームを照射する際に、第２部位から所定の距離離れた第４部位にビームを照射して第４積層部を形成する。金属粉末の配置、第１積層部〜前記第４積層部の形成を繰り返して、第１金属板上に第１積層部、第３積層部による複数のピンを形成し、第２金属板上に第２積層部、第４積層部による複数のピンを形成する。
【００１２】
このように、１枚の金属板にビームを照射した後、所定の距離離れた位置に配置された金属板にビームの照射を行うことにより、金属板の熱が一定程度放熱された状態になった後に、次の照射を行うことができる。また、１枚の金属板の中でも、前回ビームを照射して形成した積層部から所定の距離離れた位置の積層部を形成することで、１枚の金属板の中でも熱の蓄積を抑制できる。これにより、金属板の過加熱による、反り変形を抑制することができる。
以下、具体的な実施の形態について説明する。
【００１３】
図１は、実施の形態に係る積層造形体の製造方法により製造される積層造形体の一例である、冷却ユニットに用いられる、ピン付きの冷却プレート１０の構成を示す図である。図１に示すように、冷却プレート１０は、金属板１１、ピン１２を備えている。正方形状の金属板１１上には、５本のピン１２が立設している。ピン１２は、金属板１１の中央に１本、金属板１１の４つの角部にそれぞれ１本ずつ、所定の距離離れるように設けられている。
【００１４】
図２は、図１の冷却プレート１０を形成するための金属板１１と、該金属板１１を配置するベースプレート２０を示す図である。ベースプレート２０のベース部２１には、複数の凹部２２が設けられている。図２に示す例では、ベース部２１は凹部２２が設けられた面側から見て正方形状である。ベース部２１上には、９個の凹部２２が縦横３つずつ所定の距離離れるように形成されている。
【００１５】
図３は、金属板１１をベースプレート２０上に配置した状態を示す図である。９枚の金属板１１が、９つの凹部２２内にそれぞれ配置される。この複数の金属板１１を配置したベースプレート２０が積層造形装置にセットされる。積層造形装置としては、例えば、選択的レーザ溶融方式の金属積層造形システム「ＳＬＭ２８０」（ＳＬＭソリューションズ製）を用いることができる。なお、選択的レーザ溶融方式（ＳＬＭ：Selective Laser Melting）は、積層された金属粉末に対して、微細レーザを用いて選択的に溶融焼結させ、その焼結層を積層させることで造形する方法である。
【００１６】
実施の形態に係る積層造形体の製造方法では、ベースプレート２０上に配置された複数の金属板１１上に、例えばＡｌ合金からなる金属粉末をリコータにより敷設する（粉敷工程）。そして、以下に説明する順序でレーザを照射し（レーザ照射工程）、金属粉末を溶融・凝固させてピン１２となる積層部を形成する。粉敷工程、レーザ照射工程をピン１２の最上端に至るまで繰り返し、最後に、未溶融の金属粉末を除去することで、複数の冷却プレート１０が同時に製造される。
【００１７】
ここで、図４、５を参照して、実施の形態に係る積層造形体の製造方法における、レーザ照射について説明する。図４では、ベースプレート２０における９枚の金属板１１の位置を規定するために、ベースプレート２０の左の列において下から上に向かって、Ｂ（１、１）、Ｂ（１、２）、Ｂ（１、３）、中央の列において下から上に向かって、Ｂ（２、１）、Ｂ（２、２）、Ｂ（２、３）、右の列において下から上に向かって、Ｂ（３、１）、Ｂ（３、２）、Ｂ（３、３）の番地が示されている。
【００１８】
また、図５では、金属板１１上のピン１２の位置を規定するために、金属板１１の左列下側がＰ（１）、右列上側がＰ（２）、左列上側がＰ（３）、右列下側がＰ（４）、中央がＰ５）の番地が示されている。
【００１９】
実施の形態では、造形中のそれぞれの金属板１１の温度分布を均一にする目的でレーザを照射する順序を規定する。図４に示すように、まず、ベースプレート２０の左下のＢ（１、１）の金属板１１（第１基板）のＰ（１）（第１部位）にレーザが照射され、第１積層部が形成される。その後、Ｂ（３、３）の金属板１１（第２基板）のＰ（１）（第２部位）にレーザが照射され、第２積層部が形成される。このように、実施の形態では、ベースプレート２０の対角の位置にある、所定の距離離れた金属板１１に順にレーザが照射される。
【００２０】
その後、Ｂ（１、３）、Ｂ（３、１）、Ｂ（２、３）、Ｂ（２、１）Ｂ（１、２）、Ｂ（３、２）、Ｂ（２、２）の順序で、それぞれの金属板１１のＰ（１）の位置にレーザが照射される。このように、１枚の金属板１１にレーザを照射した後、所定の距離離れた位置の金属板１１にレーザ照射を行うことにより、金属板の熱が一定程度放熱された状態になった後に、次の照射を行うことができる。
【００２１】
次に、再度Ｂ（１、１）の金属板１１にレーザが照射される。このとき、Ｂ（１、１）の金属板１１（第１基板）のＰ（２）（第３部位）にレーザが照射され、第３積層部が形成される。このＢ（１、１）の金属板１１において、前回レーザを照射したＰ（１）と今回レーザを照射するＰ（２）とは、所定の距離離れている。このため、１枚の金属板１１中の熱の蓄積を抑制できる。
【００２２】
その後、再度Ｂ（３、３）の金属板１１（第２基板）にレーザが照射される。このとき、Ｂ（３、３）の金属板１１（第２基板）のＰ（２）（第４部位）にレーザが照射され、第４積層部が形成される。その後、Ｂ（１、３）、Ｂ（３、１）、Ｂ（２、３）、Ｂ（２、１）Ｂ（１、２）、Ｂ（３、２）、Ｂ（２、２）の順序で、それぞれの金属板１１のＰ（２）の位置にレーザが照射される。
【００２３】
以下、金属板１１のＰ（３）、Ｐ（４）、Ｐ（５）の位置についても同様に、Ｂ（１、１）、Ｂ（３、３）、Ｂ（１、３）、Ｂ（３、１）、Ｂ（２、３）、Ｂ（２、１）Ｂ（１、２）、Ｂ（３、２）、Ｂ（２、２）の順序でレーザが照射され、積層部が形成される。
【００２４】
Ｂ（２、２）の金属板１１のＰ（５）の位置のレーザ照射が終わった後、再度、粉敷工程、上記の順序によるレーザ照射工程が、第１〜第４積層部がピン１２の最上端に至るまで繰り返される。これにより、図６に示すように、ベースプレート２０上に複数の冷却プレート１０が同時に形成される。
【００２５】
以上説明したように、実施の形態によれば、造形中の金属板１１の温度が均一となるようにレーザ照射を行うため、樹脂と比較して溶融温度が高く、さらに熱伝導率も高い、金属を用いた積層造形体を形成する場合でも、金属板１１の反り変形を抑制することが可能となる。また、金属板１１の変形が抑制されることにより、粉敷工程において金属粉末を敷設するリコータの異常停止を防止することが可能となる。
【００２６】
図７は、冷却プレート１０の他の例を示す図である。図７に示すように、冷却プレート１０は、金属板１１、ピン１２を備えている。矩形状の金属板１１上には、複数のピン１２が所定の距離離れて立設している。
【００２７】
これらの複数のピンのうち、一番手前の第１列のピン１２は、金属板１１の一辺に平行な直線上に並ぶように、所定の距離離れて配置されている。第１列に隣接する第２列のピン１２は、第１列に所定の距離離れた平行な直線上に並ぶように、第１列のピン１２とピン１２との間の位置に配置されている。
【００２８】
第２列に隣接する第３列のピン１２は、第２列に所定の距離離れた平行な直線上に並ぶように、第２列のピン１２とピン１２との間の位置に配置されている。金属板１１の短手方向において、第１列のピン１２の位置と第３列のピン１２の位置とは等しい。
【００２９】
第３列に隣接する第４列のピン１２は、第３列に所定の距離離れた平行な直線上に並ぶように、第３列のピン１２とピン１２との間の位置に配置されている。金属板１１の短手方向において、第２列のピン１２の位置と第４列のピン１２の位置とは等しい。すなわち、金属板１１の短手方向において、奇数列同士のピンの配置位置は略等しく、偶数列同士のピンの配置位置は略等しい。
【００３０】
また、これらのピン１２を金属板１１の角部から見ると、直線状に並ぶように配置されている。これらのピン１２は、金属板１１を上面から見ると、中心から順に大きくなる相似のひし形上に並んでいるように視認される。
【００３１】
図８は、金属板１１をベースプレート２０上に配置した状態を示す図である。図８に示す例では、ベースプレート２０には、１８個の凹部が設けられており、１８枚の金属板１１が凹部内にそれぞれ配置される。この複数の金属板１１を配置したベースプレート２０が積層造形装置にセットされる。
【００３２】
ここで、図９、１０を参照して、実施の形態に係る積層造形体の製造方法における、レーザ照射について説明する。図９では、ベースプレート２０における１８枚の金属板１１の位置を規定するために、ベースプレート２０の左の列において下から上に向かって、Ｂ（１、１）、・・・、Ｂ（１、６）、中央の列において下から上に向かって、Ｂ（２、１）、・・・、Ｂ（２、６）、右の列において下から上に向かって、Ｂ（３、１）、・・・、Ｂ（３、６）の番地が示されている。また、図１０に示すように、所定のラインＬ（１）、・・・、Ｌ（２５）上を所定のレーザパターンで走査することにより、各ピン１２となる積層部が形成される。
【００３３】
この例においても、造形中のそれぞれの金属板１１の温度分布を均一にする目的でレーザを照射する順序を規定する。図９に示すように、まず、ベースプレート２０の左下のＢ（１、１）の金属板１１（第１基板）のＬ（１）（第１部位）に沿ってレーザが走査され、第１積層部が形成される。その後、Ｂ（３、６）の金属板１１（第２基板）のＬ（１）（第２部位）にレーザが照射され、第２積層部が形成される。このように、本例でも、ベースプレート２０の対角の位置にある、所定の距離離れた金属板１１に順にレーザが照射される。その後、図９に示す順序で、それぞれの金属板１１のラインＬ（１）に沿ってレーザが照射される。
【００３４】
次に、再度Ｂ（１、１）の金属板１１にレーザが照射される。このとき、Ｂ（１、１）の金属板１１（第１基板）のＬ（２）（第３部位）にレーザが照射され、第３積層部が形成される。このＢ（１、１）の金属板１１において、前回レーザを照射したＬ（１）と今回レーザを照射するＬ（２）とは、所定の距離離れている。
【００３５】
その後、再度Ｂ（３、６）の金属板１１（第２基板）にレーザが照射される。このとき、Ｂ（３、３）の金属板１１（第２基板）のＬ（２）（第４部位）にレーザが照射され、第４積層部が形成される。その後、図９に示す順序で、それぞれの金属板１１のＬ（２）の位置にレーザが照射される。以下、Ｌ（３）、Ｌ（４）についても同様に図９に示す順序でレーザが走査され、積層部が形成される。
【００３６】
次に、Ｂ（１、１）の金属板１１のＬ（５）に沿ってレーザが走査される。Ｌ（１）〜Ｌ（４）が金属板１１の四隅の直線であったのに対し、Ｌ（５）は金属板１１の中心部であり、ピン１２が並ぶ最小のひし形の４つの辺に対応する。その後、図９に示す順序で、各金属板１１のＬ（５）についてレーザ走査が行われる。
【００３７】
そして、図９に示す順序で、各金属板１１のＬ（６）〜Ｌ（９）についてそれぞれレーザが走査される。Ｌ（６）〜Ｌ（９）は、Ｌ（１）〜Ｌ（４）にそれぞれ平行で、Ｌ（１）〜Ｌ（４）よりも内側に配置される。次に、図９に示す順序で、各金属板１１のＬ（１０）に沿ってレーザが走査される。Ｌ（１０）は、Ｌ（５）よりも大きいひし形の４つの辺に対応する。以降、図９に示す順序で、各金属板１１のＬ（１１）〜Ｌ（２５）についてそれぞれレーザが走査される。
【００３８】
このように、金属板１１の４つの角部における直線のレーザ走査と、金属板１１の中心部のひし形の４辺のレーザ走査とが交互に行われる。金属板１１の４つの角部では、対角の位置にある直線が順にレーザ走査される。また、金属板１１の４つの角部における直線の走査が終わる毎に、それぞれ内側の直線に移動して走査が行われる。さらに、金属板１１の中心部のひし形の走査が終わる毎に、周囲に向かって広がったひし形に移動して走査が行われる。
【００３９】
このように、金属板１１上に形成されるピン１２の数が多い場合は、造形中のそれぞれの金属板１１の温度分布を均一にするように、所定の順番で直線上をレーザ走査することができる。これにより、金属を用いた積層造形体を形成する場合でも、金属板１１の反り変形を抑制することが可能となる。
【００４０】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、正方形状のベースプレート２０に９枚の正方形状の金属板１１を配置し、図４に示す順序で照射しつつ、１枚の金属板１１の中で図１０に示す順序で照射することも可能である。
【００４１】
すなわち、ベースプレート２０上において対角の位置にある金属板１１に順にレーザ照射した後、中心の位置にある金属板１１にレーザ照射する。また、１枚の金属板１１の中で、金属板１１の４つの角部における直線のレーザ走査と、金属板１１の中心部の正方形の４辺のレーザ走査を交互に行うことができる。金属板１１の４つの角部における直線の走査では、順に内側の直線に移動して走査が行われる。また、金属板１１の中心部の製法形の走査では、中心から周囲に向かって広がった正方形に移動して走査が行われる。
【符号の説明】
【００４２】
１０  冷却プレート
１１  金属板
１２  ピン
２０  ベースプレート
２１  ベース部
２２  凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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