(57)【要約】      （修正有）【課題】焼結層の形成後にそれまでに製造した造形物における表面部または不要部分の少なくとも一方の切削除去を行うにあたり、細い切削工具を用いても、効率の良い切削を行うことができる三次元形状造形物の製造方法を提供する。【解決手段】切削除去に使用する切削工具４１の工具径に応じて、焼結層１１を形成するために供給する粉末材料の被覆厚さおよび照射する光ビームＬのエネルギー量、集光径、さらに被覆する粉末の粒径を設定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで焼結層を形成し、当該焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返して、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造するにあたり、
焼結層の形成後にそれまでに製造した造形物における表面部または不要部分の少なくとも一方の除去を行う除去工程を含み、当該除去工程が切削工程である三次元形状造形物の製造方法において、
除去工程で、使用する切削工具の工具径に応じて、焼結層を形成するために供給する粉末材料の被覆厚さおよび照射する光ビームのエネルギー量を設定することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
【請求項２】
除去工程で、使用する切削工具の工具径に応じて、さらに光ビームの集光径も設定することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項３】
除去工程で、使用する切削工具の工具径に応じて、さらに被覆する粉末の粒径も設定することを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項４】
粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで焼結層を形成し、当該焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返して、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造するにあたり、
焼結層の形成後にそれまでに製造した造形物における表面部または不要部分の少なくとも一方の除去を行う除去工程を含み、当該除去工程が切削工程である三次元形状造形物の製造方法において、
除去工程で、使用する切削工具の工具径が小さい場合には、被覆する粉末材料の粒径を細かくし、被覆する粉末厚さを薄くし、焼結層を形成する時の光ビームの照射エネルギー量を小さくし、その集光径も小さくすることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
【請求項５】
粉末材料が金属粉末を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末材料の層に光ビームを照射して焼結層を形成する工程を繰り返すことにより、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光造形法として知られている三次元形状造形物の製造方法がある。例えば、特許文献１に示された該製造方法は、粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して該粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成するということを繰り返すことで、複数の焼結層が積層一体化された粉末焼結部品（三次元形状造形物）を製造するものであり、三次元形状造形物の設計データ（ＣＡＤデータ）であるモデルを所望の層厚みにスライスして生成する各層の断面形状データをもとに光ビームを照射することから、任意形状の三次元形状造形物を製造することができるほか、切削加工などによる製造方法に比して、迅速に所望の形状の造形物を得ることができる。
【０００３】
ところで、光ビームを照射して、焼結硬化させた部分の周囲には、伝達された熱が原因となって、不要な粉末が付着し、密度の低い表面層が造形物に形成されてしまう。この密度の低い表面層を除去して滑らかな表面の三次元形状造形物を得るために、例えば、特許文献２には、焼結層の形成後に、それまでに製造した造形物における表面部または不要部分の少なくとも一方の除去を行う工程を複数回の焼結層の製造工程中に挿入する方法が記載されている。この方法を採用することにより、焼結層の製造とそれまでに製造した造形物における表面部または不要部分の少なくとも一方の除去とを繰り返し行うことで、ドリル長などの制約を受けることなく表面を仕上げることができる。
【特許文献１】特許２６２０３５３号公報
【特許文献２】特許３４４６７３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献２に記載の方法を採用する場合、各焼結層はその大きさ（水平断面積）を本来の値より大きくしておき、それまでに製造した造形物における表面部または不要部分の少なくとも一方を除去する際に本来の寸法となるようにすることで、滑らかで且つ硬度の高い表面を確実に得ることができるものとなるが、次のような問題が新たに生ずる。
【０００５】
すなわち、それまでに製造した造形物の表面部に付着している不要粉末量が多かったり、その不要粉末のサイズが大きかったりした場合、細い切削工具で切削除去を行うと、少しずつしか切削除去できないため非常に効率が悪い。しかし、三次元形状造形物の形状によっては、細い切削工具でしか形状加工できないような細い溝形状や複雑形状は存在する。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであって、除去工程において、細い切削工具を用いても、効率の良い切削を行うことができる三次元形状造形物の製造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】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法は、粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで焼結層を形成し、当該焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返して、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造するにあたり、焼結層の形成後にそれまでに製造した造形物における表面部または不要部分の少なくとも一方の除去を行う除去工程を含み、当該除去工程が切削工程である三次元形状造形物の製造方法において、除去工程で、使用する切削工具の工具径に応じて、焼結層を形成するために供給する粉末材料の被覆厚さおよび照射する光ビームのエネルギー量を設定することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、上記請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法において、除去工程で、使用する切削工具の工具径に応じて、さらに光ビームの集光径も設定することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、上記請求項１または２に記載の三次元形状造形物の製造方法において、除去工程で、使用する切削工具の工具径に応じて、さらに被覆する粉末の粒径も設定することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の三次元形状造形物の製造方法は、粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで焼結層を形成し、当該焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返して、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造するにあたり、焼結層の形成後にそれまでに製造した造形物における表面部または不要部分の少なくとも一方の除去を行う除去工程を含み、当該除去工程が切削工程である三次元形状造形物の製造方法において、除去工程で、使用する切削工具の工具径が小さい場合には、被覆する粉末材料の粒径を細かくし、被覆する粉末厚さを薄くし、焼結層を形成する時の光ビームの照射エネルギー量を小さくし、その集光径も小さくすることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、上記請求項１〜４のいずれか１項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、粉末材料が金属粉末を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、細い切削工具を用いても、効率の良い切削を行うことができる三次元形状造形物の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。以下の説明では具体例を挙げて本発明を説明する場合があるが、本発明は以下の具体例に限定されない。
【００１４】
図１に実施形態に係る三次元形状造形物の製造装置（以下、単に「製造装置」と呼ぶ）を示す。
【００１５】
製造装置は、シリンダーで外周が囲まれた空間内を上下に昇降する昇降テーブル２０上に供給した粉末材料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（図２参照）の粉末材料の層（粉末層）１０を形成する粉末層形成手段２と、粉末層形成手段２の上方に設けられレーザー発振器３０から出力された光ビーム（レーザー）Ｌ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の所定箇所に照射することで当該箇所を焼結して焼結層１１を形成する焼結層形成手段３と、ボールエンドミルを備え上記粉末層形成手段２のベース部にＸＹ駆動機構（高速化の点で直動リニアモータ駆動のものが好ましい）４０を介して設けられた切削工具４１によりそれまでに製造された造形物における表面部または不要部分の少なくとも一方を除去する除去手段４と、を基本構成とする。
【００１６】
このものにおける三次元形状造形物の製造は、図２に示すように、焼結層形成手段３と焼結層１１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表面に粉末材料を供給してブレード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。
【００１７】
この後、昇降テーブル２０を少し下げて再度粉末材料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。
【００１８】
上記工程を繰り返すことにより、目的とする三次元形状造形物が製造される。
【００１９】
ここで、粉末材料は、粒径が１〜１００μｍの細かい金属粉末を含む。具体的には、粉末材料は、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４４０）、ニッケル（Ｎｉ）、銅マンガン合金（ＣｕＭｎＮｉ）および黒鉛（Ｃ）の混合粉末であり、その配合割合は、（７０重量％ＳＣＭ４４０−２０重量％Ｎｉ−９重量％ＣｕＭｎＮｉ）＋０．３重量％Ｃである。
【００２０】
また、光ビームＬとしては炭酸ガスレーザーが用いられる。光ビームＬ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データを等ピッチでスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。このとき、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Ｌの照射を行うのが好ましい。除去手段４によって後述する表面除去を行っても、露出した部分がポーラスであれば、除去加工後の表面もポーラスな状態となるためである。このために予め形状モデルデータを図３に示すように、表層部Ｓと内部Ｎとに分割しておき、内部Ｎについてはポーラスとなるような焼結条件、表層部Ｓはほぼ粉末が溶融して高密度となる条件で光ビームＬを照射する。図４に、高密度部１２と前述の付着粉末によるところの低密度表面層１６を示す。
【００２１】
ここで、粉末層１０の厚さおよび照射する光ビームＬのエネルギー量は、切削工具４１の工具径に応じて設定される。具体的には、工具径が１．０ｍｍの切削工具４１を用いる場合には、粉末層１０の厚みΔｔ１として０．０５ｍｍ、光ビームＬのエネルギー量として１０．０Ｊ／ｍｍ2が好適である。一方、工具径が０．５ｍｍの切削工具４１を用いる場合には、粉末層１０の厚みΔｔ１として０．０２５ｍｍ、光ビームＬのエネルギー量として５．０Ｊ／ｍｍ2が好適である。
【００２２】
また、光ビームＬの集光径についても、切削工具４１の工具径に応じて設定することが好ましい。具体的には、工具径が１．０ｍｍの切削工具４１を用いる場合には、光ビームＬの集光径として０．６ｍｍが好適である。一方、工具径が０．５ｍｍの切削工具４１を用いる場合には、光ビームＬの集光径として０．４ｍｍが好適である。
【００２３】
さらに、粉末材料の粒径についても、切削工具４１の工具径に応じて設定することが好ましい。具体的には、工具径が１．０ｍｍの切削工具４１を用いる場合には、粉末材料の平均粒径として３０μｍが好適である。一方、工具径が０．５ｍｍの切削工具４１を用いる場合には、粉末材料の平均粒径として１５μｍが好適である。
【００２４】
なお、粉末層１０の厚さおよび照射する光ビームＬのエネルギー量、光ビームＬの集光径、粉末材料の粒径は、切削工具４１の工具径に応じて自動的に制御されるようにしてもよい。
【００２５】
そして、上記粉末層１０を形成しては光ビームＬ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の全厚みが例えば切削工具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、工具径１．０ｍｍ、有効刃長３．０ｍｍで深さ３．０ｍｍの切削加工が可能である切削工具４１を用いる場合には、粉末層１０の厚みΔｔ１を０．０５ｍｍとしているので、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。
【００２６】
この除去手段４による切削加工により、図４に示すように、造形物表面に付着した粉末による低密度表面層１６を除去すると同時に、高密度部１２まで削り込むことで、造形物表面に高密度部１２を全面的に露出させる。これにより、造形物表面の面粗度を高くすることができる。このために、所望の形状Ｍよりも焼結層１１が少し大きくなるようにしておく。
【００２７】
この除去手段４による切削加工経路は、光ビームＬ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。切削加工を工具径１ｍｍの切削工具４１で行う場合は、切り込み量を０．１〜０．５ｍｍ、送り速度を５ｍ／ｍｉｎ〜５０ｍ／ｍｉｎ、工具回転数を２０，０００ｒｐｍ〜１００，０００ｒｐｍとするのが好ましい。
【００２８】
なお、切削による除去に際しては、図５に示すように、切削加工の直前の部分にエネルギー密度を小さくした光ビームＬを照射して加熱することで軟化させておき、この軟化した状態の部分を切削工具４１が切削していくようにすると、切削抵抗が小さくなるために切削加工時間を短くできるとともに切削工具４１の寿命を延ばすことができる。
【００２９】
また、図６に示すように、切削除去直後の部分に再度光ビームＬを照射して、溶融硬化させたり、熱処理したりすることで、表面密度を高めるようにすることも好ましい。
【００３０】
ところで、除去手段４による造形物表面および不要部分の除去に際して、未焼結粉末や除去手段４による切削屑が除去作業の邪魔になる上に、次の粉末層１０の形成に際して、ブレード２１に切削屑が引っかかって平坦な粉末層１０を形成することができなかったり、ブレード２１と造形物との間に切削屑が挟まってブレード２１が停止してしまったりすることがある。このために、図７および図８（ａ）あるいは図８（ｂ）に示すように、例えば、エアポンプ５０および吸引ノズル５１からなる排除手段５を設けることが好ましい。ここで、エアポンプ５０に接続した吸引ノズル５１を切削工具４１に隣接させて配置し、切削と同時に未焼結粉末および切削屑を吸引してしまうとよい。吸引ノズル５１で切削工具４１を囲んでいる図８（ｂ）に示すものでは、切削工具４１にスピンドルヘッドを好ましく用いることができる。
【００３１】
図９に示すように、切削加工前に、未焼結粉末のみを吸引回収し、切削加工と同時に切削屑を吸引排除するようにしてもよく、この場合、未焼結粉末に切削屑が混入することがないために、未焼結粉末の再利用が容易となる。
【００３２】
ところで、未焼結粉末を吸引回収してしまった場合、除去工程後にさらに粉末層１０を積層する時、多量の粉末が必要となり、除去工程を複数回繰り返す場合、その都度、未焼結粉末がなくなった全空間に粉末を埋めなくてはならず、時間的なロスが大きくなる。このために、未焼結粉末がなくなった空間には、図１０に示すように、樹脂あるいはろう材を流し込んで固化させることで固化部１８を形成し、次の粉末層１０は最上層の焼結層１１と上記固化部１８の上面に形成するとよい。使用する粉末量を削減することができる。
【００３３】
なお、上記排除手段５における吸引ノズル５１は、除去工程に先だって未焼結粉末を吸引回収するものについては、図１１に示すように、粉末層形成手段２におけるブレード２１の駆動部に取り付けておくと、全域の未焼結粉末の吸引回収を行うことができるとともに吸引ノズル５１のための専用の駆動機構を必要としなくなるために、装置構成を簡単にすることができる。
【００３４】
また、図１２に示すように、吸引ノズル５１を専用のＸＹ駆動機構５５、もしくは除去手段４におけるＸＹ駆動機構４０に取り付けた場合には、造形物の断面輪郭線形状に沿って吸引ノズル５１を移動させることができる。
【００３５】
未焼結粉末については、除去工程前に吸引回収してしまうのではなく、例えば液体窒素などを吹き付ける（必要とあれば湿気を含んだガスを同時に吹き付ける）ことで未焼結粉末を冷凍して固化させたり、樹脂やろう材などを流し込んで固化させたりしておき、この状態で除去手段４を動作させるようにしてもよい。切削屑が未焼結粉末内に入り込んでしまうことがないために、粉末の再充填などを必要とすることなく、切削屑のみを容易に吸引排除することができる。
【００３６】
図１３に示すものは、焼結直後もしくは除去加工直後の造形物の形状および位置を測定するための計測手段６を設けたものである。光ビームの照射精度や除去加工の加工精度をオンマシンで計測することができるものであり、計測結果をフィードバックして、測定データ（位置座標データ）とＣＡＤデータを比較することで、造形精度を算出することができるとともに、比較結果に基づいて次の光ビーム照射経路データを修正したり、次の除去加工経路データを修正したりすることで、より高精度な造形が可能となる。
【００３７】
上記計測手段６が例えば圧電型接触センサである場合には、除去手段４におけるＸＹ駆動機構４０に計測手段６を設けると、計測手段６のための専用駆動機構を必要とすることなく、計測を行うことができる。
【００３８】
また、計測手段６としてはＣＣＤカメラのような撮像手段を用いてもよい。測定しようとする点が画像の中心となるように撮像手段を移動させて、画像中心と造形物中の測定しようとしている点とのずれた画素数からずれ量を計測するのである。
【００３９】
なお、除去部分は造形物の表面部に限るものではなく、造形の都合上、本来ならば不要である部分も造形しなくてはならない場合、この不要部分の除去も行うことができる。
【００４０】
したがって、除去工程で使用する切削工具４１の工具径に応じて、粉末材料の被覆厚さおよび照射する光ビームＬのエネルギー量を設定することにより、造形物の表面に付着する不要な粉末の量を切削工具４１の工具径に応じた量に設定することができるため、効率的に切削除去加工を行うことができ、その結果、表面の外観がよい三次元形状造形物を短時間で製造することができる。
【００４１】
また、除去工程で使用する切削工具４１の工具径に応じて、光ビームＬの集光径も設定することにより、造形物の表面に付着する不要な粉末の量を切削工具４１の工具径に応じた量に設定することができるため、さらに効率的に三次元形状造形物を製造することができる。
【００４２】
そして、除去工程で使用する切削工具４１の工具径に応じて、被覆する粉末の粒径も設定することにより、造形物の表面に付着する不要な粉末の粒径を切削工具４１の工具径に応じた粒径に設定することができるため、さらに効率的に三次元形状造形物を製造することができる。
【００４３】
特に、工具径が小さい切削工具４１を用いた場合には、被覆する粉末材料の粒径を細かくし、被覆する粉末厚さを薄くし、焼結層を形成する時の光ビームの照射エネルギー量を小さくし、その集光径も小さくすることにより、効率的に三次元形状造形物を製造することができるとともに、切削工具４１の破損を少なくすることができる。
【００４４】
なお、粉末材料が粒径の細かい金属粉末を含むことにより、粉末材料の表面積が大きくなり光ビームＬの吸収率も大きくなるので、エネルギー密度の低い照射条件でも粉末材料が焼結しやすく、造形速度が向上する。また、ある程度の造形強度を得るためには、隣接する焼結層１１どうしの密着強度を高くする必要があるが、粉末材料であれば、粉末間にある隙間を通して、光ビームＬが下の焼結層１１にも照射され、下の焼結層１１も加熱されて密着強度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態の一例に係る概略斜視図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】同上の表面高密度部に関する説明図である。
【図４】同上の除去工程を示す断面図である。
【図５】同上の他例の動作を示す斜視図である。
【図６】同上のさらなる他例の動作を示す斜視図である。
【図７】同上の他例の概略斜視図である。
【図８】排除手段の一例を示す概略断面図である。
【図９】排除手段の他例の動作を示す概略断面図である。
【図１０】排除後の処理を示す概略断面図である。
【図１１】排除手段の他例を示す概略断面図である。
【図１２】排除手段のさらなる他例を示す概略斜視図である。
【図１３】計測手段を備えた例の概略斜視図である。
【符号の説明】
【００４６】
４  除去手段
１０  粉末層
１１  焼結層
４１  切削工具
Ｌ  光ビーム
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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