(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末材料に光ビームを照射して硬化層を形成し、この硬化層を積み重ねて所望の三次元形状を有する造形物を製造する方法に用いられる粉末材料であって、
クロムモリブデン鋼からなる鉄系粉末を６０〜８０重量％、
リン銅またはマンガン銅からなる非鉄系粉末を５〜２５重量％、
ニッケルからなる非鉄系粉末を１０〜３０重量％
を含んでいることを特徴とする金属光造形用金属粉末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属粉末からなる粉末層に光ビームを照射して焼結層を形成するとともにこの焼結層を積層することで所望の三次元形状造形物を得る金属光造形に用いる金属粉末に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属粉末で形成した粉末層の特定エリアに光ビーム（指向性エネルギービーム、例えばレーザ）を照射して焼結層を形成し、この焼結層の上に新たな粉末層を形成してその特定エリアに光ビームを照射することで焼結層を形成するということを繰り返して焼結層の積層物としての三次元形状造形物を製造する技術が知られている。
【０００３】
金属光造形と称されているこの技術においては、光ビームのエネルギー密度の調整により、造形物に隙間（空孔）が多く存在している状態から、金属粉末がほぼ完全に溶融した後に固化した状態、つまり造形密度（焼結密度）がほぼ１００％の状態まで得ることができるものであり、このために表面が滑らかな面となっていることが求められる成形用金型なども形成することもできる。また、表面は高密度、内部は低密度、その間は中密度に形成することも可能であるとともに、このように密度を変化させる場合、滑らかな表面を持つものを造形速度を犠牲にすることなく得ることができる。
【０００４】
しかし、このような密度差が表面と内部とにある造形物を金属光造形で得るにあたっては、通常の粉末焼結に用いられる金属粉末とは異なった特性のものが必要となる。
【０００５】
たとえば、金属粉末の粒径は、粉末層の厚みよりも小さくする必要があり、この時、粒子径は細かい方が粉末の充填密度が高く、造形時の光ビーム（レーザ）吸収率も良いために造形密度も高くすることができるとともに表面粗さも小さくすることができるが、粉末が細かすぎて凝集を起こしてしまうと、逆に粉末の充填密度は小さくなり、薄く均一に敷けなくなってしまう。
【０００６】
また、ある程度の造形強度を得るためには、レーザ照射された造形部とその下層の焼結層との接合面積が大きく、かつその密着強度が高いものである必要がある。
【０００７】
さらに、レーザ照射された箇所の上面があまり大きく盛り上がってはならない。次の層を造形するために次の粉末層を敷く際に、盛り上がり量が粉末層の厚み以上となると、粉末層の形成そのものが困難となってしまうからである。
【０００８】
また、造形された造形物の表面には金属粉末が付着してしまっていることから、この不要な金属粉末を落として高密度な表面を露出させるための切削仕上げ等の加工を行う時の加工性が良いことが望まれる。
【０００９】
もちろん、外観に大きな割れが生じてはならないし、射出成形用金型などの内部に流体（冷却水）を流す場合のことなども考慮すると、内部組織にマイクロクラックが無いことが望まれる。
【００１０】
ここにおいて、レーザ照射された金属粉末は、その一部または全部が一旦溶融し、その後急冷凝固されて焼結品となるが、この溶融した時の濡れ性が大きいと隣接する焼結部との接合面積が大きくなり、流動性が大きければ盛り上がりが小さくなることから、溶融した時の流動性が大きく且つ濡れ性も良いことが望まれる。
【００１１】
このような観点から、本出願人は特願平１１−３３５１７８号（特開２００１−１５２２０４号公報：特許文献１）において、クロムモリブデン鋼からなる鉄系粉末７０〜９０重量％と、リン銅またはマンガン銅からなる非鉄系粉末５〜３０重量％と、ニッケルからなる非鉄系粉末０〜１０重量％とを含む金属光造形用金属粉末を提案した。クロムモリブデン鋼はその強度や靭性の点から、リン銅またはマンガン銅は濡れ性及び流動性の点から、ニッケルは強度及び加工性の点から採用している。
【特許文献１】特開２００１−１５２２０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記配合の金属光造形用金属粉末は、金属光造形によって表面と内部とに密度差がある造形物を金属光造形で得るという点において、概ね好ましい結果を得ることができているが、上記濡れ性及び流動性の点で造形時にやや問題があるほか、切削加工が困難で超硬エンドミルの刃先にチッピングが生じてしまうという問題が生じている。これは造形後の硬度がＨｖ４００と高いことが原因ではなく、非常に硬い金属粉末粒子が造形物中に残存していることが原因と思われ、硬度を下げるだけでは解決することができない。また、高密度焼結させた部分にマイクロクラックが多数生じてしまうものであり、このマイクロクラックは、強度及び靭性の低下の原因となっているとともに得られた造形物を成型用金型として用いる場合において特に問題となる。
【００１３】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは金属光造形に際しての造形性及び得られた造形物の切削加工性に優れているとともにマイクロクラックのない造形物を得ることができる金属粉末を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る金属光造形用金属粉末は、粉末材料に光ビームを照射して硬化層を形成し、この硬化層を積み重ねて所望の三次元形状を有する造形物を製造する方法に用いられる粉末材料であって、クロムモリブデン鋼からなる鉄系粉末を６０〜８０重量％、リン銅またはマンガン銅からなる非鉄系粉末を５〜２５重量％、ニッケルからなる非鉄系粉末を１０〜３０重量％含んでいることに特徴を有している。前記従来例に比してニッケルからなる非鉄系粉末の配合量を増やしたことにより、得られた造形物の硬度が少々低下するものの切削加工性に優れる上にマイクロクラックが少なくて強度及び靭性の高いものを得ることができる。ただし、ニッケルからなる非鉄系粉末の量を多くし過ぎると、造形用の基台との密着強度が低下して造形物が基台から剥がれる現象が起こることから、３０重量％以内としておく。更にはクロムモリブデン鋼粉末の配合量を６０〜８０重量％、リン銅または銅マンガン合金粉末からなる非鉄系粉末の配合量を５〜１５重量％、ニッケルからなる非鉄系粉末の配合量を１５〜２５重量％とする時、特に好ましい結果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の金属光造形用金属粉末においては、ニッケルからなる非鉄系粉末を１０〜３０重量％としたことで、溶融時の濡れ性の向上及び凝固時におけるマイクロクラックの発生の低減に有効であるほか、焼結後の切削加工性に優れたものとなった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述する。なお、図示例では造形途中での切削加工のための除去手段４を備えて、造形途中にそれまでに造形した造形物表面の切削加工を行うものを示しているが、本発明は、この除去手段４を有しておらず、造形途中での切削加工を行わない通常の金属光造形に対しても適用することができる。
【００１９】
図２は金属光造形のための装置の一例を示しており、外周が囲まれた空間内をシリンダーで上下に昇降する昇降テーブル２０上に供給した金属粉末をスキージング用ブレード２１でならすことで所定厚みΔｔ１の粉末層１０を形成する粉末層形成手段２と、レーザー発振器３０から出力されたレーザーをガルバノミラー３１等のスキャン光学系を介して上記粉末層１０に照射することで金属粉末を焼結して焼結層１１を形成する焼結層形成手段３と、上記粉末層形成手段２のベース部にＸＹ駆動機構４０を介してミーリングヘッド４１を設けることで形成した除去手段４とを備えている。
【００２０】
このものにおける三次元形状造形物の製造は、図３に示すように、焼結層形成手段と焼結層との相対距離を調整する調整手段であるところの昇降テーブル２０上面の造形用ベース２２表面に金属粉末をブレード２１で供給すると同時にブレード２１でならすことで第１層目の粉末層１０を形成し、この粉末層１０の硬化させたい箇所に光ビーム（レーザー）Ｌを照射して粉末を焼結させてベース２２と一体化した焼結層１１を形成する。
【００２１】
この後、昇降テーブル２０を少し下げて再度金属粉末を供給してブレード２１でならすことで第２層目の粉末層１０を形成し、この粉末層１０の硬化させたい箇所に光ビーム（レーザー）Ｌを照射して粉末を焼結させて下層の焼結層１１と一体化した焼結層１１を形成する。
【００２２】
昇降テーブル２０を下降させて新たな粉末層１０を形成し、光ビームを照射して所要箇所を焼結層１１とする工程を繰り返すことで、目的とする三次元形状造形物を製造するものであり、光ビームとしては炭酸ガスレーザーを好適に用いることができ、粉末層１０の厚みΔｔ１としては、得られた三次元形状造形物を成形用金型などに利用する場合、０．０５ｍｍ程度とするのが好ましい。
【００２３】
光ビームの照射経路は、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。すなわち、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（Δｔ１を０．０５ｍｍとした場合、０．０５ｍｍピッチ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。この時、三次元形状造形物の少なくとも最表面が高密度（気孔率５％以下）となるように焼結させることができるように光ビームの照射を行い、内部は低密度となるように焼結させることで、つまりは形状モデルデータを予め、表層部と内部とに分割しておき、内部についてはポーラスとなるような焼結条件、表層部はほぼ粉末が溶融して高密度となる条件で光ビームを照射することで、緻密な表面を持つ造形物を高速に得ることができる。
【００２４】
そして、上記粉末層１０を形成しては光ビームを照射して焼結層１１を形成することを繰り返していくのであるが、焼結層１１の全厚みがたとえばミーリングヘッド４１の工具長さなどから求めた所要の値になれば、いったん除去手段４を作動させてそれまでに造形した造形物の表面を切削する。たとえば、ミーリングヘッド４１の工具（ボールエンドミル）が直径１ｍｍ、有効刃長３ｍｍで深さ３ｍｍの切削加工が可能であり、粉末層１０の厚みΔｔ１が０．０５ｍｍであるならば、６０層の焼結層１１を形成した時点で、除去手段４を作動させる。
【００２５】
この除去手段４による切削加工により、造形物表面に付着した粉末による低密度表面層を除去すると同時に、高密度部まで削り込むことで、造形物表面に高密度部を全面的に露出させる。
【００２６】
この除去手段４による切削加工経路は、光ビームの照射経路と同様に予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。この時、等高線加工を適用して加工経路を決定するが、Ｚ方向ピッチは焼結時の積層ピッチにこだわる必要はなく、緩い傾斜の場合はＺ方向ピッチをより細かくして補間することで、滑らかな表面を得られるようにしておく。
【００２７】
このような金属光造形での三次元形状造形物の製造にあたっては、前述のように金属粉末としてどのようなものを用いるかが、造形性の点や造形物の出来上がり具合に大きな影響を及ぼすのであるが、この金属光造形用金属粉末として要求されている前述の点から、クロムモリブデン鋼からなる鉄系粉末と、リン銅またはマンガン銅からなる非鉄系粉末と、ニッケルからなる非鉄系粉末とからなるなるものを用いているとともに、本発明においては、クロムモリブデン鋼からなる鉄系粉末を６０〜８０重量％、リン銅またはマンガン銅からなる非鉄系粉末を５〜２５重量％、ニッケルからなる非鉄系粉末を１０〜３０重量％の配合のものを用いている。
【００２８】
また、鉄系粉末と非鉄系粉末の各平均粒子径は５〜５０μｍであることが望ましいが、粒子径が小さすぎる場合は凝集を起こしてしまうことから、粉末層１０の厚みΔｔ１を０．０５ｍｍとする場合、平均粒子径をほぼ３０μｍとしておくとよい。高密度部分にマイクロクラックの発生が少なく、しかも高密度部分及び低密度部分のいずれについても良好な造形性を得ることができた。
【００２９】
また鉄系粉末として、浸炭させたものを用いた場合、溶融時の濡れ性の向上及び凝固時におけるマイクロクラックの発生の更なる低減を得ることができた。なお、浸炭はＣＯとＣＯ2の混合ガス雰囲気での浸炭（促進のためにメタンガスやブタンガスを数％（３〜１５％）添加することも好ましい）等の常法を用いればよい。
【００３０】
［実施例］
非球形粒子状で平均粒子径２０μｍのクロムモリブデン鋼ＳＣＭ４４０粉末（図４参照）と、球形粒子状で平均粒子径が３０μｍのニッケルＮｉ粉末（図５参照）と、球形粒子状で平均粒子径が３０μｍの銅マンガン合金ＣｕＭｎＮｉ（たとえばＣｕ−１０％Ｍｎ−３％Ｎｉ）粉末（図６参照）とを用意し、
ａ  ７０％ＳＣＭ４４０−２１％Ｎｉ−９％ＣｕＭｎＮｉ
ｂ  ８０％ＳＣＭ４４０−１０％Ｎｉ−１０％ＣｕＭｎＮｉ
の配合量で金属光造形用金属粉末を形成した。なお、各％はいずれも重量％である。
【００３１】
この金属粉末を用いて金属光造形を行った。粉末層の厚みは０．０５ｍｍとし、使用したレーザは炭酸ガスレーザ（出力２００Ｗの９０％出力）であり、レーザスキャン速度７５ｍｍ／ｓｅｃ、スキャンピッチ０．２５ｍｍで焼結させたところ、ニッケルＮｉの配合量を２０％としたａのもの（図１参照）は、ニッケルＮｉの配合量を１０％としたｂのものよりもマイクロクラックの発生量が少なく、またｂのものは切削加工に際して超硬エンドミルの刃先にチッピングが発生したが、ａのものではチッピングが発生するようなことはなく、切削加工性も良好であった。
【００３２】
また上記配合における銅マンガン合金に代えて銅リン（ＣｕＰ）合金粉末（球形粒子状で平均粒子径は３０μｍ）を用いてやはり同じ条件で焼結させたところ、上記ａ，ｂのものと同じ結果であった。
【００３３】
また、上記ａにおけるクロムモリブデン鋼として前述の浸炭処理で浸炭を行ったものを用いて同じ条件で焼結させたところ、上記ａのものよりもマイクロクラックの発生量が少ない造形物を得ることができた。
【００３４】
以上の各例における金属粉末は、造粒粉として形成されたものであってもよい。取り扱いが容易なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態の一例の金属粉末で製造した金属光造形物の倍率２５倍の断面写真である。
【図２】同上の金属粉末を用いて金属光造形を行う装置の一例の概略斜視図である。
【図３】同上の説明図である。
【図４】同上の非球形粒子状のクロムモリブデン鋼粉末のＳＥＭ写真である。
【図５】同上の球形粒子状のニッケル粉末のＳＥＭ写真である。
【図６】同上の球形粒子状の銅マンガン合金粉末のＳＥＭ写真である。
【図２】
0003687667.tif 000002
【図３】
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【図１】
0003687667.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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