(57)【要約】      （修正有）【課題】造形時の温度制御を有効に行うことが出来、精度の良い造形物を造形できる造形方法の提供。【解決手段】粉体槽２１内の粉末材料ＰＤの薄層にレーザ光Ｌを選択的に照射して前記薄層を固化させ、該固化した薄層を繰り返し積層して造形物を形成する造形方法は、前記造形物の造形と同時に、前記薄層にレーザ光Ｌを選択的に照射することにより、筒状の周壁と前記周壁の内部に形成された連通気孔構造とを有する温調管ＴＴを造形し、前記温調管ＴＴ内に気体を流すことで前記連通気孔構造を介して熱交換を行い、前記粉体槽２１内の温度分布を制御する造形方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉体槽内の粉末材料の薄層にレーザ光を選択的に照射して前記薄層を固化させ、該固化した薄層を繰り返し積層して造形物を形成する造形方法において、
前記造形物の造形と同時に、前記薄層にレーザ光を選択的に照射することにより、筒状の周壁と前記周壁の内部に形成された連通気孔構造とを有する温調管を造形し、前記温調管内に気体を流すことで前記連通気孔構造を介して熱交換を行い、前記粉体槽内の温度分布を制御する造形物の造形方法。
【請求項２】
前記連通気孔構造の平均気孔径がφ５〜４５ｍｍ、気孔率が５５〜８５％である請求項１に記載の造形物の造形方法。
【請求項３】
前記平均気孔径は、前記温調管の長手方向に直交する前記連通気孔構造の断面に含まれる気孔の平均フェレ径の平均値である請求項２に記載の造形物の造形方法。
【請求項４】
前記温調管を長手方向に微少間隔Δで切断して前記連通気孔構造の断面を複数とったとき、各断面における前記平均気孔径を足し合わせた合計値を、前記断面の数で割ることにより、前記連通気孔構造の平均気孔径が求められる請求項３に記載の造形物の造形方法。
【請求項５】
前記温調管の長手方向に直交する断面において、前記周壁に接しない気孔については当該気孔に内接する円の直径が２ｍｍ以上であり、また前記周壁に接する気孔については当該気孔と前記温調管の周壁に内接する円の直径が２ｍｍ以上である気孔が少なくとも１つ存在する請求項１〜４のいずれかに記載の造形物の造形方法。
【請求項６】
前記温調管の単位長さあたりの圧力損失が１３０ｋＰａ／ｃｍ以下である請求項１〜５のいずれかに記載の造形物の造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末材料の薄層にレーザ光を照射した上で積層し造形物を造形する造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、形状モデル、機能試験用試作部品、或いは少量多品種の製品に使用される部品や製品等を造形することができる積層造形法への要望が増えてきつつある。この要求を満たす積層造形法の一つとして例えば粉末焼結積層造形法があり、さまざまな用途で使用されている。
【０００３】
粉末焼結積層造形法は、粉末材料を用いた積層造形法で、その造形法では、まず粉末材料の薄層を形成し、作成すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、粉末材料の薄層ごとにレーザ光により選択的に加熱して特定領域だけを焼結し、これを数百層或いは数千層にわたって積層して３次元造形物を作製するものである。
【０００４】
ところで、造形時に薄層にレーザ光を照射すると局所的に高熱となる。従って、造形物の形状に応じて、大量のレーザ光が照射された箇所と、少量のレーザ光が照射された箇所が混在すると、不均一な温度分布が生じ、造形物の歪みなどを招来する恐れがある。
【０００５】
これに対し特許文献１には、造形物の造形と同時に、粉末材料の薄層にレーザ光を照射することを繰り返して中空のダクトを形成し、かかるダクトから未溶融粉末材料を除去した後に冷却用冷媒を導入し、それにより温度分布を制御する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１８３１４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１のダクトが中空である場合、冷却用冷媒とダクトの間で効率的な熱交換を行えないため、温度制御しにくいという問題がある。尚、特許文献１にはダクトの周壁を多孔質状にできるという記載はあるものの、単にダクトの周壁を多孔質状とするのみでは、熱交換効率は大幅に向上せず、また多孔質状の周壁から冷媒が洩れ出ることによる悪影響も懸念される。
【０００８】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、造形時の温度制御を有効に行うことが出来、精度の良い造形物を造形できる造形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の造形物の造形方法は、粉体槽内の粉末材料の薄層にレーザ光を選択的に照射して前記薄層を固化させ、該固化した薄層を繰り返し積層して造形物を形成する造形方法において、
前記造形物の造形と同時に、前記薄層にレーザ光を選択的に照射することにより、筒状の周壁と前記周壁の内部に形成された連通気孔構造とを有する温調管を造形し、前記温調管内に気体を流すことで前記連通気孔構造を介して熱交換を行い、前記粉体槽内の温度分布を制御するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、造形時の温度制御を有効に行うことが出来、精度の良い造形物を造形できる造形方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態にかかる造形装置の概略図である。
【図２】本実施の形態の造形方法により造形された温調管の斜視図である。
【図３】図２に示す温調管の内部に形成された連通気孔構造を示す斜視図である。
【図４】図２に示す温調管と連通気孔構造とを組み合わせた状態で、軸線方向に沿って切断した断面図である。
【図５】（ａ）は、温調管ＴＴの任意の位置における長手方向断面をとって連通気孔構造を示す図であり、（ｂ）は、同断面で気孔相当円に変換した状態を示す図である。
【図６】（ａ）は、実際の気孔の断面形状を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示す気孔を気孔相当円に変換した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態にかかる造形装置の概略図であるが、造形物の造形が終了した時点での状態を示している。本実施の形態に係る造形方法を実現できる造形装置は、主としてレーザ光出射部１０と、造形部２０とから構成されている。
【００１３】
図１において、レーザ光出射部１０は、レーザ光源１１と、レーザ光源１１から出射されたレーザ光を反射させる駆動ミラー１２と，駆動ミラー１２で反射されたレーザ光を集光するレンズ１３と、レーザ光源１１の出射を制御する駆動部１４とを有する。駆動ミラー１２は一定速度で回転するポリゴンミラー等であって良い。駆動部１４は、造形したい造形物ＯＢＪの層毎に分割された断面となるスライスデータと、同時に造形したい温調管ＴＴの層毎に分割された断面となるスライスデータとを、それぞれ層毎に記憶している。
【００１４】
造形部２０は、粉体槽２１と、粉体槽２１内で上下に昇降可能なステージ２２と、リコータ２３と、温調管ＴＴに気体を圧送するための気体圧送系２４とを有する。リコータ２３は、内部に貯留された粉末材料（金属又は樹脂）ＰＤを粉体槽２１内の造形領域まで運搬し、一定の速度で往復移動しつつ一定量の粉末材料ＰＤを排出することで、ステージ２２上に一定厚さの粉末材料ＰＤの薄層を形成する機能を有する。リコータ２３が１回往復動作する毎に、ステージ２２が一段下降する。単一の薄層の厚さは、ステージ２２の下降量で決まる。
【００１５】
気体圧送系２４は、温度調整された気体を圧送するポンプ２４ａと、ポンプ２４ａと温調管ＴＴとを連結し、ポンプ２４ａから圧送された気体を温調管ＴＴに伝達する外部配管２４ｂと、温調管ＴＴの下流に設けられたフィルタ２４ｃとを有する。本実施の形態では、閉じた外部配管２４ｂを用いているが、フィルタ２４ｃの下流で大気に開放した外部配管を用いても良い。
【００１６】
本実施の形態にかかる造形装置の動作について説明する。ステージ２２は、粉体槽２１の最上端に対して１層の厚さに相当する量だけ下方に位置している。かかる状態でリコータ２３が、図１で左右方向に往復移動し、その間に内部に貯留された粉末材料ＰＤをステージ２２上に敷き詰めて１層目の薄層を形成し、図１に示す待機位置へと戻る。
【００１７】
その後、駆動部１４は、造形したい造形物ＯＢＪの最下層のスライスデータに基づいて、レーザ光源１１を駆動し、駆動ミラー１２の回転角度に応じてレーザ光Ｌを照射させると、レーザ光Ｌは駆動ミラー１２により走査された後、集光レンズ１３を透過して、ステージ２２上の１層目の薄層に対して照射される。レーザ光Ｌが照射された粉末材料ＰＤは固化し、レーザ光Ｌが照射されなかった粉末材料ＰＤは粉体のままであるので、固化した粉末材料ＰＤにより造形物ＯＢＪの最下層に相当する部位が造形できることとなる。
【００１８】
更に、１層目の薄層のレーザ光Ｌの照射が終了すると、ステージ２２を２層目の薄層の厚さに相当する量だけ下降させ、リコータ２３を往復移動させて用いて粉末材料ＰＤを１層目の薄層上に敷き詰めて２層目の薄層を形成する。その後、レーザ光Ｌを照射することで、造形物ＯＢＪの２層目に相当する部位が造形できることとなる。以上を繰り返すことで、造形したい造形物ＯＢＪの３次元形状を造形できる。
【００１９】
一方、駆動部１４は、温調管ＴＴ（内部の連通気孔構造ＰＦを含む）の層毎のスライスデータも記憶しているので、温調管ＴＴを設けたいＮ層目になったとき、造形物ＯＢＪのスライスデータに加えて、温調管ＴＴのスライスデータに基づきレーザ光源１１を駆動制御し、それによりＮ層目の造形物ＯＢＪと温調管ＴＴとを造形するようになっている。
【００２０】
更に粉末材料ＰＤの積層とレーザ光照射とを繰り返すことで温調管ＴＴの周壁の筒形状が完成すれば、温調管ＴＴに冷却ガスを流した際に、外周からの外部漏れを起こすことなく冷却機能を発揮できる。そこで、かかる段階にて、図１に簡略図示するように温調管ＴＴに外部配管２４ｂを連結し、ポンプ２４ａを駆動すると、ポンプ２４ａから圧送された冷却ガスが温調管ＴＴ内に流れ込むこととなる。このとき温調管ＴＴ内には、後述するように造形された連通気孔構造と、固化していない粉末材料ＰＤすなわち粉体とが混在しているので、圧送された冷却ガスは粉体のみを外部の配管２４ｂに押し出すこととなり、押し出された粉体はフィルタ２４ｃに捕捉されることとなる。
【００２１】
粉末材料ＰＤが温調管ＴＴ内から押し出された後、温調管ＴＴ内を通過する冷却ガスは表面積の大きな連通気孔構造に直に接することとなり、このとき連通気孔構造との間で熱交換を効率的に行うことが出来、これにより温調管ＴＴの周囲の温度上昇を抑え、粉体槽２１内の温度分布を均一化させることができる。又、温調管ＴＴが中空であると冷却ガスの流れは一様になりがちであるが、温調管ＴＴ内に連通気孔構造を設けると、その内部を冷却ガス通過する際に乱流となり、更に連通気孔構造との間で熱交換を効率的に行うことが出来る。
【００２２】
ステージ２２が所定位置まで下降し、造形物ＯＢＪの造形が完了した後、造形装置の動作を停止させる。その後、粉体槽２１内から造形物ＯＢＪを取り出し、付着した粉末材料ＰＤを除去することで、所望の造形物ＯＢＪを得ることができる。
【００２３】
図２は、本実施の形態の造形方法により造形された温調管の斜視図であり、図３は、図２に示す温調管の内部に形成された連通気孔構造を示す斜視図であり、図４は、図２に示す温調管と連通気孔構造とを組み合わせた状態で、軸線方向に沿って切断した断面図である。
【００２４】
図２において、温調管ＴＴは周壁を持った略円管状の形状を有し、その両端に外部配管２４ｂと接続する接続部ＴＴａを有する。温調管ＴＴは外周が閉じていれば、円筒状に限らず、楕円管状又は角管状であっても良く、またストレート形状に限らず、折れ曲がった形状や円弧形状であって良い。
【００２５】
図３において、連通気孔構造ＰＦは、少なくとも温調管ＴＴの一方の接続部ＴＴａから他方の接続部ＴＴａまで連通する連通路（空洞）ＰＦａと、最外周が温調管ＴＴの内周に接して一体化している本体部ＰＦｂとを有している。図４では、温調管ＴＴの両端の接続部ＴＴａが本体部ＰＦｂで充填されているように見えるが、図４とは異なる断面には連通路ＰＦａが存在している。
【００２６】
ここで、図５（ａ）に示すように、温調管ＴＴの長手方向断面をとったとき、３つの連通路ＰＦａが存在したものとする。各連通路は別の箇所で互いに接続していても良いし、独立していても良い。第１の連通路の断面を気孔Ａ１、第２の連通路の断面を気孔Ａ２，第３の連通路の断面を気孔Ａ３とする。尚、ＴＴｂは温調管ＴＴの周壁における内周面である。
【００２７】
例えば気孔が円形断面を有すれば、断面内周距離を容易に求めることができるから、熱交換効率等の評価が容易になるが、図５（ａ）に示すように気孔が非円形断面を有する場合、どのように評価するかが問題となる。そこで、ここではフェレ径を用いて、気孔断面形状を置換することとする。
【００２８】
具体的には、図６（ａ）に示すように、気孔断面の実形状に対して任意にｘ軸、ｙ軸をとり、気孔のｘ方向寸法をフェレ径Ｘとし、ｙ方向寸法をフェレ径Ｙとする。但し、気孔が接する内周面ＴＴＢも気孔の形状の一部とできる。このとき、平均フェレ径ｄ＝（Ｘ＋Ｙ）／２とし、この平均フェレ径ｄを有する円を、図６（ｂ）に示すように気孔相当円として評価に用いることとする。尚、フェレ径については、ＪＩＳＺ８８２７−１に粒子径解析として類似の規定がある。
【００２９】
図５（ａ）に示す気孔Ａ１，Ａ２，Ａ３を、平均フェレ径を用いて気孔相当円Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３に変換すると、図５（ｂ）に示すようになる。気孔相当円Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の径がそれぞれ平均フェレ径ｄ１，ｄ２、ｄ３であるとすると、平均気孔径は（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）／３となる。
【００３０】
ここで、温調管ＴＴを軸線方向に微少間隔Δで切断してｎ（ｎは２以上の整数）個の断面をとったとき、各断面における気孔の平均気孔径（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）／３をそれぞれ足し合わせた合計値Σ（（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）／３）を、断面の数ｎで割る「（１／ｎ）Σ（（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）／３）」ことにより、温調管ＴＴ全体における平均気孔径が近似的に求まる。又、気孔率は、原則的には（連通路ＰＦａの容積／温調管ＴＴの容積）×１００％で求められるが、微少間隔Δで切断してなるｎ個の断面毎に、連通路ＰＦａの合計面積ＴＡと温調管ＴＴの内周面ＴＴｂ内の円形面積ＣＡとを求め、（１／ｎ）Σ（ＴＡ／ＣＡ）×１００％を計算することにより、気孔率を近似的に求めることもできる。
【００３１】
従来の連通気孔（多孔質）構造を用いた熱交換器においては、表面積を大きくして熱交換効率を確保する為に１ｍｍ程度より小さい径の気孔を使用することが多い。しかしながら、本実施の形態の造形方法においては、冷却ガスを流すために造形中に連通気孔構造ＰＦ内部の粉末材料ＰＤを除去しなくてはならないから、粉末材料ＰＤの抜きやすさと熱交換効率を両立させる必要がある。よって、連通気孔構造ＰＦの平均気孔径がφ５〜４５ｍｍ、気孔率が５５〜８５％であると好ましい。この範囲の根拠については、実施例を用いて後述する。
【００３２】
尚、図５（ａ）に示す気孔Ａ１は、温調管ＴＴの内周面ＴＴｂに接していないが、気孔Ａ２、Ａ３は、温調管ＴＴの内周面ＴＴｂに接している。このような場合、いずれかの断面において、内周面ＴＴｂに接しない気孔Ａ１については気孔に内接する円ＩＣ１の直径が２ｍｍ以上であり、また内周面ＴＴｂに接する気孔Ａ２，Ａ３については気孔と温調管ＴＴの内周面ＴＴｂに内接する円ＩＣ２，ＩＣ３の直径が２ｍｍ以上である気孔が少なくとも１つ存在することが好ましい。これにより、気孔を通過する際における冷却ガスの抵抗を減らし、連通気孔構造ＰＦ内を通過する冷却ガスの流速を高めて粉末材料を効率的に追い出すことができると共に、冷却効果を高めることができる。
【００３３】
（実施例）
以下、本発明者が行った実験結果について説明する。本発明者は、平均気孔径と気孔率とを変化させた温調管ＴＴとして実施例１〜１０と比較例とを作製し、実際に造形することによる温度分布を測定した。また、長さだけを変えた温調管ＴＴを閉回路に繋ぎ、圧力計にて圧力損失を測定した。その仕様・条件について表１に示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
実施例１〜１０と比較例の温調管のサイズは、周壁外径１４．４ｍｍ×周壁内径９．２ｍｍ×長さ５７ｍｍとしたが、圧力損失の測定は長さ４００ｍｍの温調管を用いて行った。使用した粉末材料はＰＡ１２であり、その粒子径は０．０６〜０．０７ｍｍ（分布０．０３〜０．０９ｍｍ）であり、使用した冷却ガスの種類は圧縮空気であり、その圧力は０．５ＭＰａであり、その流量は０．５ｌ／ｍｉｎであり、その温度は１５０℃であった。
【００３６】
温度分布評価基準は、造形した温調管に上記の冷却ガスを流し、粉体槽内の最高温度と最低温度との最大差を温度分布とし、比較例である中空の温調管使用時の温度分布（１４．３℃）を比較値として、以下のように比較して評価した。
×：温度の最大差が比較値以上である。
△：温度の最大差が比較値より僅かに（１℃以内）小さい。
○：温度の最大差が比較値より（１℃を超え、４．７℃未満）小さい。
◎：温度の最大差が比較値の１／３（４．７℃）以下である。
【００３７】
また、粉末材料の抜きやすさの評価基準は以下とした。
×：所定圧のガスを供給しても粉末材料が抜けない。
△：所定圧のガスを供給したとき、（１分以上）時間を掛ければ粉末材料が抜ける。
○：所定圧のガスを供給すれば、（１分以内に）粉末材料が抜ける。
◎：所定圧のガスを供給すれば、短時間（１０秒以内）で粉末材料が抜ける。
【００３８】
連通気孔構造を持たない中空の比較例では、粉体の抜きやすさ評価が◎である代わりに、温度分布評価が×である。これに対し、平均気孔径が２ｍｍであり、気孔率が６０％である実施例１においては、温度分布評価が◎であり、粉体の抜きやすさ評価が△であった。実施例１は平均気孔径が比較的小さいため、連通気孔構造を介しての熱交換効率は高くなるが、圧力損失が１３９．２（ｋＰａ／ｃｍ）と増大することで、粉末材料が幾分抜けにくくなることが分かる。
【００３９】
これに対し、平均気孔径が５〜７ｍｍであり、気孔率が６２〜５６％である実施例２〜３においては、温度分布評価が◎であり、粉体の抜きやすさ評価が○となり、更に平均気孔径が１０ｍｍであり、気孔率が７３％である実施例４においては、温度分布評価及び粉体の抜きやすさ評価が共に◎となって、平均気孔径を増大することにより粉末材料が抜けやすくなることが分かる。
【００４０】
一方、平均気孔径が２０〜４５ｍｍであり、気孔率が６８〜８４％である実施例５〜９においては、粉体の抜きやすさ評価が◎であるのに対し、温度分布評価が○となり、更に平均気孔径が５０ｍｍであり、気孔率が８７％である実施例１０においては、粉体の抜きやすさ評価が◎であるのに対し、温度分布評価が△となった。これは平均気孔径が増大することにより、冷却ガスが接するポーラス表面積が減少し、それに伴い熱交換効率が低下したことによるものといえる。
【００４１】
以上の実験結果を考察すると、平均気孔径が５ｍｍより小さいと粉末材料が抜きにくくなる一方で、平均気孔径が４５ｍｍより大きいと熱交換効率低下により温度分布が、中空の温調管と同レベルになることが分った。よって両者のバランスをとり、平均気孔径は５〜４５ｍｍ（より好ましくは７〜４０ｍｍ）とするのが好ましく、気孔率は５５〜８５％（より好ましくは６０〜８０％）とするのが好ましいといえる。又、温調管の単位長さあたりの圧力損失は１３０ｋＰａ／ｃｍ以下とするのが好ましい。このような形状を有する連通気孔構造は、シミュレーション等を行った上で予め形状を設計して、駆動部１４にスライスデータとして保存することができる。
【００４２】
本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。
【符号の説明】
【００４３】
１０            レーザ光出射部
１１            レーザ光源
１２            駆動ミラー
１３            レンズ
１３            集光レンズ
１４            駆動部
２０            造形部
２１            粉体槽
２２            ステージ
２３            リコータ
２４            気体圧送系
２４ａ            ポンプ
２４ｂ            外部配管
２４ｃ            フィルタ
Ｌ            レーザ光
ＯＢＪ            造形物
ＰＤ            粉末材料
ＰＦ            連通気孔構造
ＰＦａ            連通路
ＰＦｂ            本体部
ＴＴ            温調管
ＴＴａ            接続部
ＴＴｂ            内周面
【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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