(57)【要約】【課題】熱エネルギーの損失を抑えて熱歪みを大幅に低減する。【解決手段】陰極基板１と陽極電極４とを電解浴５中で対向配置して選択電極４Ａに一定の電圧を加えて陰極基板１に電鋳層１Ａ，１Ａを発生させ（Ａ）、電鋳層１Ａに対して切削等によって不要な部分を除去する除去加工を行い（Ｂ）、電鋳層１Ａを含む陰極基板１の表面全体に、導電性犠牲層６を形成し（Ｃ）、導電性犠牲層６における表層部分を切削等によって除去して電鋳層１Ａを露出させて（Ｄ）、電解浴５中で選択電極４Ａに電圧を加えて、新たな電鋳層１Ｂを発生させる（Ｅ）。（Ｂ）〜（Ｅ）の工程を繰り返すことにより、所定の３次元形状を造形することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料からなる基材の所定部位に電鋳層を形成する電鋳工程と、形成した前記電鋳層を所定形状に加工する加工工程とを繰り返して実行することで前記電鋳層を積層し、所定の３次元形状を造形することを特徴とする金属３次元造形方法。
【請求項２】
前記加工工程の後に、導電性材料からなり、前記電鋳層の厚みと等しい厚みを有する導電性犠牲層を形成して、続く前記電鋳工程では、前記電鋳層と前記導電性犠牲層とに跨がって新たな電鋳層を形成することを特徴とする請求項１に記載の金属３次元造形方法。
【請求項３】
前記電鋳工程の前に、絶縁材料からなる絶縁性犠牲層を、前記電鋳層の形成部位を除いて形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の金属３次元造形方法。
【請求項４】
金属材料からなる基材の所定部位に電鋳層を形成する電鋳ユニットと、形成した前記電鋳層を所定形状に加工する加工ユニットとを含んでなることを特徴とする金属３次元造形装置。
【請求項５】
前記電鋳ユニットは、陽極金属にマトリックス電極を備えて、電鋳層の形成部位に応じて通電させる電極が選択可能であることを特徴とする請求項４に記載の金属３次元造形装置。
【請求項６】
前記加工ユニットは、前記基材に導電性材料からなる導電性犠牲層を所定の厚みで形成する導電性犠牲層形成手段と、前記基材に絶縁材料からなる絶縁性犠牲層を所定の厚みで形成する絶縁性犠牲層形成手段との少なくとも一方を備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の金属３次元造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料から所定の３次元形状を造形するための造形方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料を用いて所定の３次元形状を造形する３次元造形方法及び装置として、例えば特許文献１には、造形用プレートに金属粉末を含む材料を供給して材料層を形成し、材料層に光ビームを照射して焼結層又は溶解層を形成し、材料層の形成と光ビームの照射とを繰り返すことにより焼結層又は溶解層を積層する造形方法が開示されている。
また、特許文献２には、レーザ照射部と材料吐出部とを備えるヘッドと、三軸方向へ移動制御されるステージとを備え、ステージの移動とヘッドからの金属粉末の吐出とレーザ照射による焼結とを行う造形方法及び装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１８４６２２号公報
【特許文献２】特開２０１６−１７２８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようにして得られる立体造形物において、高精度化を狙う場合、切削加工を組み合わせて、積層造形のステップと切削のステップとを繰り返しながら積層高さを増していくことで、切削だけでは製作できない形状も造形することができる。
しかし、従来のレーザ焼結やアーク溶接といった造形方法では、製品となる材料を全て溶融・凝固させるため、熱エネルギーの損失が大きく、また、完成した製品には大きな熱歪みが残留する。さらに、ポイントで材料を溶融・凝固させるため、１つの層の面積が大きくなると、理論的にはその寸法の２乗に比例して加工能率が低くなってしまう。
【０００５】
そこで、本開示は、熱エネルギーの損失を抑えて熱歪みを大幅に低減することができる金属３次元造形方法及び装置を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本開示は、金属３次元造形方法として、金属材料からなる基材の所定部位に電鋳層を形成する電鋳工程と、形成した電鋳層を所定形状に加工する加工工程とを繰り返して実行することで電鋳層を積層し、所定の３次元形状を造形することを特徴とする。
また、本開示は、金属３次元造形装置として、金属材料からなる基材の所定部位に電鋳層を形成する電鋳ユニットと、形成した前記電鋳層を所定形状に加工する加工ユニットとを含んでなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、熱エネルギーの損失を抑えて熱歪みを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（Ａ）〜（Ｅ）は、形態１の金属３次元造形方法の説明図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｈ）は、形態２の金属３次元造形方法の説明図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｊ）は、形態３の金属３次元造形方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明では、電鋳を利用する金属３次元造形方法及び装置を提案する。電鋳は、材料を溶融・凝固させるプロセスではなく、電気化学反応によって材料を付着させることができるプロセスである。よって、熱エネルギーの損失が少なく、熱歪みを大幅に低減することができる。また、積層造形を行う際の１つの層の面積が大きくなっても、理論的にはその面積に比例して必要電流が増大するだけで、積層速度は変化しない。すなわち、上記２つの課題を解決することが可能である。
本発明の金属３次元造形方法のさらなる特徴として、電鋳工程と加工工程との繰り返しに加えて、加工工程の後に、導電性材料からなり、電鋳層の厚みと等しい厚みを有する導電性犠牲層を形成して、続く電鋳工程では、電鋳層と導電性犠牲層とに跨がって新たな電鋳層を形成することが望ましい。この場合、先の電鋳層の形成領域を越えた電鋳層を積層することができる。
また、電鋳工程の前に、絶縁材料からなる絶縁性犠牲層を、電鋳層の形成部位を除いて形成することが望ましい。この場合、電鋳層の位置精度を高めることができる。
そして、本発明の金属３次元造形装置のさらなる特徴として、電鋳ユニットは、陽極金属にマトリックス電極を備えて、電鋳層の形成部位に応じて通電させる電極が選択可能であることが望ましい。この場合、無駄になる電鋳材料を減らすことができる。
また、加工ユニットは、基材に導電性材料からなる導電性犠牲層を所定の厚みで形成する導電性犠牲層形成手段と、基材に絶縁材料からなる絶縁性犠牲層を所定の厚みで形成する絶縁性犠牲層形成手段との少なくとも一方を備えることが望ましい。この場合、導電性犠牲層と絶縁性犠牲層とを加工ユニット内で形成することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
［形態１］
図１は、本発明の金属３次元造形方法のプロセスを示す説明図である。
同図（Ａ）において、１は金属材料からなる基材としての陰極基板で、例えばニッケル、銅やこれらの合金が使用できる。
２は絶縁部分であり、ここでは陽極金属に複数の電極４，４・・を直交する二軸方向へ所定間隔ごとに配列したマトリックス電極３が設けられて、電極４を選択して通電し、電界に強弱をつけることができるようになっている。
この陰極基板１と陽極電極４とを電鋳槽の電解浴５中で対向配置して、選択した電極４（以下「選択電極４Ａ」として区別して表す。）に一定の電圧を加えると、選択電極４Ａの部分から強い電解が生じ、陰極基板１には金属の還元による電鋳層（析出部分）１Ａ，１Ａが発生する（電鋳工程）。
【００１１】
次に、陰極基板１を電解浴５から一旦取り出し、同図（Ｂ）に示すように、電鋳層１Ａに対して切削等によって不要な部分を除去する除去加工を行う（加工工程）。
次に、同図（Ｃ）に示すように、電鋳層１Ａを含む陰極基板１の表面全体に、導電性犠牲層６を形成する。この導電性犠牲層６は、ハンダ等の低融点金属（合金も含む）や銀ペースト塗料等を、流し込みやスプレーからの吹き付け等することで形成することができる。
次に、同図（Ｄ）に示すように、導電性犠牲層６における表層部分を切削等によって除去して電鋳層１Ａを露出させる除去加工を行う。
【００１２】
次に、陰極基板１を再び電解浴５中に戻して陽極電極４と対向配置し、同図（Ｅ）に示すように、所定の選択電極４Ａに電圧を加えて、新たな電鋳層１Ｂを発生させる。この場合、造形する形状により、先の電鋳層１Ａの領域内は勿論、電鋳層１Ａと導電性犠牲層６とに跨がって電鋳層１Ｂを形成することができる。
この同図（Ｂ）〜（Ｅ）の工程を繰り返すことにより、所定の３次元形状を造形することができる。完成後は、造形品を導電性犠牲層６の融点まで加熱して導電性犠牲層６を溶融除去する。
【００１３】
このように、上記形態１の金属３次元造形方法によれば、金属材料からなる陰極基板１の所定部位に電鋳層１Ａ，１Ｂを形成する電鋳工程と、形成した電鋳層１Ａ，１Ｂを所定形状に加工する加工工程とを繰り返して実行することで電鋳層１Ａ，１Ｂ・・を積層し、所定の３次元形状を造形することで、熱エネルギーの損失が少なく、熱歪みを大幅に低減することができる。また、積層造形を行う際の１つの層の面積が大きくなっても積層速度は変化しないため、高い加工効率も維持することができる。
特にここでは、加工工程の後に、導電性材料からなり、電鋳層１Ａの厚みと等しい厚みを有する導電性犠牲層６を形成して、続く電鋳工程では、電鋳層１Ａと導電性犠牲層６とに跨がって新たな電鋳層１Ｂを形成しているので、先の電鋳層１Ａの形成領域を越えた電鋳層１Ｂを積層することができる。なお、選択電極は無駄になる電鋳材料を減らす目的で使用するものであって必須ではなく、通常の電鋳のように通常の電極のみを用いて全面に電鋳層を形成した後、不要部分を除去加工してもよい。
【００１４】
以下、本発明の他の形態を説明する。但し、形態１と同じ構成部には同じ符号を付して重複する説明は省略する。
［形態２］
形態１のように電界の強弱によって電鋳位置を制御する場合、従来の金属粉末のレーザ焼結やアーク溶接に比べると位置精度が高くなく、切削と組み合わせても複雑な形状の造形が難しい。そこで、形態２では、絶縁性犠牲層の生成プロセスを組み合わせることで、複雑な形状の造形も可能としている。以下、図２に基づいて説明するが、マトリックス電極３は省略している。
【００１５】
まず、電鋳槽内に収容する前に、図２（Ａ）に示すように、陰極基板１の表面全体に絶縁性犠牲層７を形成する。これは、ワックスや樹脂等の塗布や吹き付けによって行うことができる。
次に、同図（Ｂ）に示すように、切削等によって次に積層すべき領域の絶縁性犠牲層７を除去加工して陰極基板１の露出部分８を形成する。但し、除去加工によらず、露出部分を予めマスキングした上で絶縁性犠牲層７を形成することで露出部分８を得るようにしてもよい。
次に、同図（Ｃ）に示すように、陰極基板１を電解浴中で陽極電極４と対向配置して図示しない通常の電極に電圧を印加して、露出部分８に電鋳層１Ａを発生させる（電鋳工程）。
次に、同図（Ｄ）に示すように、電鋳層１Ａに対して切削等によって不要な部分を除去する除去加工を行う（加工工程）。
【００１６】
次に、同図（Ｅ）に示すように、電鋳層１Ａの表面全体に新たな絶縁性犠牲層７を生成し、同図（Ｆ）に示すように、切削等によって次に積層すべき領域の絶縁性犠牲層７を除去加工して露出部分８を形成する。
次に、同図（Ｇ）に示すように、陰極基板１を電解浴中で陽極電極４と対向配置して選択電極４Ａに電圧を印加して、露出部分８に電鋳層１Ｂを発生させ（電鋳工程）、同図（Ｈ）に示すように、電鋳層１Ｂに対して切削等によって不要な部分を除去する除去加工を行う（加工工程）。
後は同図（Ｅ）〜（Ｈ）の工程を繰り返すことにより、所定の３次元形状を造形することができる。絶縁性犠牲層７は、完成した造形品を溶剤中に浸漬したり加熱したりすることで除去する。
【００１７】
このように、上記形態２の金属３次元造形方法においても、電鋳工程と加工工程とを繰り返して電鋳層１Ａ，１Ｂ・・を積層し、所定の３次元形状を造形することで、熱エネルギーの損失が少なく、熱歪みを大幅に低減することができる。また、積層造形を行う際の１つの層の面積が大きくなっても積層速度は変化しないため、高い加工効率も維持することができる。
特にここでは、電鋳工程の前に、絶縁材料からなる絶縁性犠牲層７を、電鋳層１Ａ，１Ｂの形成部位を除いて形成するプロセスを組み合わせているため、電鋳層１Ａ，１Ｂの位置精度を高めることができる。
【００１８】
［形態３］
ここでは導電性犠牲層と絶縁性犠牲層との形成を組み合わせたプロセスとなっている。
まず、図３（Ａ）に示すように、陰極基板１の表面全体に絶縁性犠牲層７を生成した後、同図（Ｂ）に示すように、切削等によって積層すべき領域の絶縁性犠牲層７を除去加工して露出部分８を形成する。
次に、陰極基板１を電解浴中で通常の電極に電圧を印加して、同図（Ｃ）に示すように、露出部分８に電鋳層１Ａを発生させる（電鋳工程）。
次に、同図（Ｄ）に示すように、電鋳層１Ａに対して切削等によって不要な部分を除去する除去加工を行う（加工工程）。このとき、高精度の造形を行う場合は電鋳層１Ａの外周の絶縁性犠牲層７も切削する。
次に、同図（Ｅ）に示すように、表面全体に導電性犠牲層６を形成した後、同図（Ｆ）に示すように、その表面全体に絶縁性犠牲層７を形成する。
【００１９】
次に、同図（Ｇ）に示すように、絶縁性犠牲層７の表面を所定厚さ切削等して除去する除去加工を行った後、同図（Ｈ）に示すように、導電性犠牲層６とその上層の絶縁性犠牲層７とをそれぞれ形成する。
次に、同図（Ｉ）に示すように、最初の電鋳層１Ａの領域で当該電鋳層１Ａに至る深さまでの部分Ｄ１と、Ｄ１から離れた領域で最初の導電性犠牲層６に至る深さまでの部分Ｄ２と、両部分Ｄ１，Ｄ２の間を繋ぐ領域で２回目の導電性犠牲層６に至る深さまでの部分Ｄ３とを除去した後、同図（Ｊ）に示すように、陰極基板１を電解浴中で部分Ｄ１〜Ｄ３に、電鋳層１Ａの上方から外側へ大きく張り出す電鋳層１Ｂを形成する（電鋳工程）。後は加工工程と電鋳工程とを、必要に応じて導電性犠牲層６の形成と絶縁性犠牲層７の形成とを挟んで繰り返すことにより、所定の３次元形状を造形することができる。
【００２０】
このように、上記形態３の金属３次元造形方法においても、電鋳工程と加工工程とを繰り返して電鋳層１Ａ，１Ｂ・・を積層し、所定の３次元形状を造形することで、熱エネルギーの損失が少なく、熱歪みを大幅に低減することができる。また、積層造形を行う際の１つの層の面積が大きくなっても積層速度は変化しないため、高い加工効率も維持することができる。
特にここでは、絶縁性犠牲層７及び導電性犠牲層６の生成プロセスを組み合わせているため、電鋳層１Ａ，１Ｂの位置精度を高めることができると共に、複雑な形状の造形も可能となる。
【００２１】
そして、上記各形態の金属３次元造形方法を実施する金属３次元造形装置としては、加工ユニットとしてのマシニングセンタ等の工作機械と、電鋳ユニットとしての、電鋳槽や整流器等を有して陽極金属にマトリックス電極又は通常電極を備えた電鋳装置とを並設し、陰極基板を工作機械と電鋳装置との間で受け渡し（手動でも搬送装置等による自動でも可）て交互に電鋳層の形成と電鋳層の加工とを行うように構成することが考えられる。工作機械と電鋳装置とを一体化して１つの領域内で造形を行うことも考えられる。導電性犠牲層や絶縁性犠牲層を形成する工程がある場合は、導電性犠牲層形成手段及び絶縁性犠牲層形成手段として、工作機械内に導電性材料や絶縁材料のスプレー等を設置したり、導電性材料の流し込み装置を工作機械に並設したりすることで実現できる。
【００２２】
また、上記形態では、平板状の基板に電鋳や加工を施しているが、基材は平板状に限らず、表面に凹凸がある基材や円筒状や円錐状等の基材であっても電鋳と加工とを繰り返すことで同様に３次元形状の造形は可能である。よって、電鋳層は旋削によって加工することもできる。さらに、クロムメッキ等の硬質材料を電鋳する場合は、加工ユニット側に、切削工具の刃先を超音波楕円振動させながら切削工具又は基材の一方を他方に対して相対移動させて切削を行う超音波楕円振動切削装置（例えば特開２００８−２２１４２７号公報参照）を採用することもできる。
【００２３】
一方、３次元形状の造形は、所定形状の基材に対して付加的に行うこともできる。例えば、クロムメッキ等の硬質材料を電鋳で所定形状の基材の上へ付加的に造形し、その造形箇所を絶縁性犠牲層や導電性犠牲層で制御したり、造形と切削加工等を組み合わせて機能的な材料又は形状の表面を創製する方法も本発明には含まれる。例えば、マシニングセンタとクロムメッキ装置と超音波楕円振動切削装置とを一体とし、まずマシニングセンタによるエンドミル加工で金型形状を概ね形成し、クロムメッキ装置で必要な表面に硬質クロムメッキを施し、最後に超音波楕円振動切削装置によって鏡面加工を実施することで、段取り替えなく自動的に磨きレスの金型加工を実現することができる。
また、ターニングセンタとクロムメッキ装置と超音波楕円振動切削装置とを一体化し、まずターニングセンタによる旋削加工でシャフト形状を概ね形成し、クロムメッキ装置で必要な表面に硬質クロムメッキを施し、最後に超音波楕円振動切削装置によって高精度加工を実施することで、段取り替えなく自動的にベアリング等を装着する硬質表面処理のシャフト加工を実現することができる。
【符号の説明】
【００２４】
１・・陰極基板、１Ａ，１Ｂ・・電鋳層、２・・絶縁部分、３・・マトリックス電極、４・・電極、４Ａ・・選択電極、５・・電解浴、６・・導電性犠牲層、７・・絶縁性犠牲層、８・・露出部分。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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