(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒径が２０〜２００μｍの一種以上の金属で成る金属微粉体、又は粒径が２０〜２００μｍの一種以上の金属及びセラミックスの混合微粉体にバインダーを加えて成形し、成形された微粉体物を粘結剤でテープ面に粘結して微粉体テープを形成し、前記微粉体テープを造形位置に供給し、前記微粉体テープ面にレーザー光を照射して熱エネルギーを与えることにより少なくとも金属の一部を溶融凝固させ、前記溶融凝固面の上に更に前記微粉体テープを供給してレーザー光を照射する工程を繰り返し、金属単体又は金属及びセラミックスの混合物から成る造形体を積層して造形することを特徴とする微粉体テープを用いたレーザーマイクロ積層造形方法。
【請求項２】
前記微粉体テープに補強テープを密着成形し、前記微粉体テープを造形位置に供給する前に前記補強テープを剥離するようになっている請求項１に記載のレーザーマイクロ積層造形方法。
【請求項３】
異なる成分の前記金属微粉体又は混合微粉体で成る複数の微粉体テープを形成し、前記複数の微粉体テープを任意の順序で前記造形位置に供給して前記レーザー光を照射するようになっている請求項１又は２に記載のレーザーマイクロ積層造形方法。
【請求項４】
前記微粉体テープ面に前記レーザー光を照射する際、前記微粉体テープの溶融凝固による収縮部に前記金属微粉体又は前記混合微粉体を補給し、その上に前記微粉体テープ供給して前記レーザー光を照射する請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザーマイクロ積層造形方法。
【請求項５】
前記レーザー光がＣＡＤデータにより制御されている請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザーマイクロ積層造形方法。
【請求項６】
金属微粉体又は金属及びセラミックスの混合微粉体を粘結された微粉体テープを造形部に連続的又は間欠的に供給するテープ供給部と、前記造形部に供給された前記微粉体テープ面にレーザー光を照射するレーザー光照射部と、前記造形部の基板をＣＡＤデータに基づいて位置制御する基板駆動装置とを具備し、前記基板位置と前記微粉体テープの供給とを制御し、前記基板上に金属単体又は金属及びセラミックスの混合物から成る造形体を積層して造形することを特徴とする微粉体テープを用いたレーザーマイクロ積層造形装置。
【請求項７】
レーザー光照射部近傍に前記金属微粉体又は前記混合微粉体の供給部を併設し、前記レーザー光の照射時に前記微粉体テープ上に前記金属微粉体又は前記混合微粉体を供給する請求項６に記載のレーザーマイクロ積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー光を用い金属を含む造形体を製造する方法及びその装置に関する。さらに詳しくは、金属微粉体又は金属とセラミックスの混合微粉体を成形して得た微粉体テープ面にレーザー光を照射し造形体を製造する方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＡＤ設計データから試作、製造までを迅速化するラビットプロトタイピング技術の一つとして、光エネルギーを用い光硬化性樹脂を硬化して造形体を得る積層造形法（特公昭６３−４０６５０号公報参照）、光硬化性樹脂とシリカなどのセラミックス粉体とからなるスラリーを光照射により造形し、強度の高い造形体を製造する方法が提案されている（特開平８−２５４８６号公報参照）。また、光硬化性流動樹脂内に焼結可能な無機粉末材料を混合した粉末混合光硬化性流動樹脂の層に光像を照射して光硬化層を形成し、この光硬化層を順次積み重ねて形成して造形体とする光造形工程と、この光造形体を熱間等方加圧処理により焼結体とする工程からなる焼結体製造方法が提案されている（特開平８−２５２８６７号公報参照）。その他、特殊樹脂や溶融金属をインクジェット方式で積層したり、紙シートの接合方式による積層造形法などが開発されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
金属の積層造形体を製造する場合、先に形成された造形体表面を数十μｍの厚みで覆った金属の微粉体層をレーザー光で照射する必要があるが、このように金属の微粉体を薄く、均一にかつ高密度に覆うことは難しく、しかも、例えば成分の異なる層を重ねて積層する場合、それぞれの微粉体が不必要に混合した状態になりやすく、明確な異相が形成した積層造形体を得ることが困難である。また、単に微粉体の状態でレーザー光の照射部に供給しても、形成された造形体を所定の形状に保持するための支持力が弱く、造形体に変形が生じ、寸法精度の確保が困難であるばかりでなく、微粉体を緻密に積層することが極めて困難で、高密度な造形体を得る上で問題があった。
【０００４】
本発明は、寸法精度が高く高密度で、例え明確な異相の存在が求められる積層造形体、及び空洞部を持つ比較的複雑な形状の造形体についても、高精度、高品質の積層造形体として比較的簡便に得る方法及びその装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した課題の解決のため鋭意研究した結果、積層造形体を構成する原料成分をレーザー光照射により造形する際、テープ状に成形した原料成分をレーザー光照射部に供給することにより上記課題が解決できるとの知見を得て本発明を完成した。
【０００６】
即ち、本発明は、粒径が２０〜２００μｍの一種以上の金属で成る金属微粉体、又は粒径が２０〜２００μｍの一種以上の金属及びセラミックスの混合微粉体にバインダーを加えて成形し、成形された微粉体物を粘結剤でテープ面に粘結して微粉体テープを形成し、前記微粉体テープを造形位置に供給し、前記微粉体テープ面にレーザー光を照射して熱エネルギーを与えることにより少なくとも金属の一部を溶融凝固させ、前記溶融凝固面の上に更に前記微粉体テープを供給してレーザー光を照射する工程を繰り返し、金属単体又は金属及びセラミックスの混合物から成る造形体を積層して造形することを特徴とする微粉体テープを用いたレーザーマイクロ積層造形方法に関するものである。さらに本発明者らは、上記方法を実施する装置について好適な構成を創出した。
【０００７】
次に本発明の方法についてさらに詳述する。本発明の方法では、原料成分として金属又は金属とセラミックスの混合物などの微粉体を用いるが、用いる金属はＦｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏなどの単独またはステンレス鋼、Ｎｉ−Ｂなどの合金で、粒径２０〜２００μｍの微粉体が用いられる。またこれら金属成分と混合して用いるセラミックスはＷＣ、ＴｉＣ、Ｃｒ3Ｃ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣなどで金属成分と同様２０〜２００μｍの微粉体が用いられる。金属とセラミックスの混合物を用いる場合その構成割合は、目的とする造形体により異なるが、金属／セラミックス＝５０〜９５／５〜５０（wt％）である。
【０００８】
本発明はこれら原料微粉体成分をテープ状に成形し後述のレーザー光照射部に供給することが特徴である。微粉体成分の成形は、微粉体と粘結剤との混合物をロールにより圧延するなどの通常の方法で行うことができる。ここで用いる粘結剤は有機系の粘結剤、例えばアクリル系粘結剤に可塑剤としてフタル酸ジオキシル、トルエン等を加えたものまたは無機系の粘結剤などで、微粉体重量に対して０．１〜１０wt％用い、必要に応じてホウ砂（Ｎａ2Ｂ4Ｏ7）、ホウ酸（Ｈ3ＢＯ3）、フッ化カリウム（ＫＦ）などのフラックスを混合することもできる。微粉体と粘結剤との混合物は二軸ロールなどで混練し厚さ２０〜５００μｍ、幅１００〜５００ｍｍのテープに成形する。
【０００９】
得られる微粉体テープが巻き取り時や送給中に破損する恐れのある時は、紙テープ、ポリエチレンなどの薄いプラスチックテープ上に微粉体テープを密着成形して微粉体テープを補強し、使用時に補強テープを剥離して微粉体テープを必要箇所に供給することもできる。
【００１０】
微粉体テープは金属、セラミックスなどで構成された基板上に供給しレーザー光を照射するが、金属基板を用いた場合は造形体と基板が一体として、またセラミックス基板を用いた場合は造形体と基板とを分離した形で得ることができる。勿論、原料成分と基板とは同種、異種のいずれの材質でも良い。
【００１１】
本発明の方法で用いるレーザーはＹＡＧレーザー、ＣＯ2レーザーなどで、レーザー光照射部の条件は、これらが発光するレーザー光が、成形した微粉体テープ中に含まれる金属の少なくとも一部が溶融凝固するエネルギーを与える条件で、例えば、ビーム強度が５３ｗ、走査速度が２００ｍｍ／ｍｉｎ、走査間隔が０．１５ｍｍであるが、上記した条件を満たす範囲であれば、前記具体例に制限されることはない。
【００１２】
次に本発明の装置を図面に基づき説明すると共に、この装置を用いた本発明の方法の一実施態様を説明する。図１は本発明の装置の構成の一例を示す図である。微粉体テープ５は、テープ巻取りロール１２から送給ロール１４などを経て基板６に供給する微粉体テープ供給部から基板上のレーザー光照射部に供給される。この際微粉体テープの補強テープ３は微粉体テープから剥離されて補強テープ巻取りロール１３に回収される。微粉体テープはカッター１５により所定の長さに切断され基板６に供給される。基板に供給された微粉体テープはレーザー源１９から発射したレーザー光１１により微粉体成分は少なくとも一部溶融される。
【００１３】
微粉体テープを保持する基板及び微粉体テープ面を照射するレーザー光は、所定の造形体９の形状を入力したＣＡＤデータ２０に基づき、コンピュータ２１、ＮＣデータ２２を経てその動作を制御された駆動装置１０、移動床２３により、造形体９の中心縦軸に直交する断面形状を形成する状態に移動する。造形体の前記した断面形状が形成された後、移動床２３を降下させ、形成断面形状の面上に新規な微粉体テープを供給積層しレーザー光照射により所定の断面形状を形成する。このように微粉体テープを順次連続的に供給し造形する。この方法でのレーザー光照射はＡｒ、Ｈｅ、Ｎ2などの不活性雰囲気下で行うことが、造形体などの酸化による劣化を防止する上で好ましい。これら不活性ガスはノズル１７から供給される。
【００１４】
図２に微粉体１、バインダー２、補強テープ３を圧縮ロール４を経て微粉体テープ５を成形し、レーザー光照射部に供給する工程を示した。なお、微粉体テープの成形は、図３に示したロール成形法を用いることができる。微粉体１にバインダー２を混合しホッパー２５に入れ巻取りロール２４からの補強テープ３と共に圧縮ロール４で圧延しテープ巻取りロール２６に巻取る（図３（ａ））。微粉体テープの強度が充分な場合は補強テープを省略できる（図３（ｂ））。
【００１５】
本発明の方法ではこのテープ供給、レーザー光照射、断面形状形成を繰返し行い所定の造形体を形造る。積層した微粉体テープのレーザー光未照射部分は、造形体形成後機械的な力などにより除去する。同種の微粉体テープを積層して得た造形体の断面図を図４他に示した
微粉体テープを、レーザー光照射により熱エネルギーを与え少なくとも一部溶融すると、その部分が収縮する場合があるが、そのような場合にはテープ成分と同種の微粉体を微粉体供給部１６から（例えば図２の造形体上部の微粉体１）補給しレーザー光照射を行うことにより、均一形状の造形体が得られ好ましい。なおこの際同種微粉体に限らず、必要に応じて異種微粉体を補給しても良い。
【００１６】
さらに、複数の微粉体テープ供給部を併設し、異種の構成成分からなる微粉体テープを所定の順序でレーザー光照射部に供給し、上記したテープ供給、レーザー光照射、断面形状形成を繰返すことにより、異種成分が積層した造形体を形造ることもできる。またあらかじめ異種の微粉体を混合した混合微粉体から形成した微粉体テープを用いることもできる。例えば、低炭素ステンレス鋼層と無酸素銅層との異相造形体（断面図を図４（ｂ）に示した）、ＷＣ粉体とＮｉ−Ｂ粉体混合層とＣｏ粉体層とが交互に積層した異種混合造形体（断面図を図４（ｃ）に示した）で、従来加工が困難であった積層造形体などが製造可能となる。また高機械的強度で低靭性の層と高靭性の層を交互に積層することにより、高機械的強度で高靭性の造形体を得る。また各層の成分を順次変えて積層造形することにより、成分分布の異なったいわゆる傾斜合金体を製造することもできる。さらにＦｅ合金などをポーラスに積層し、Ｃｕなどの濡れ性の高い金属を積層して用いると濡れ性の高い金属で補強された造形体が、ＷＣとＣｏとの組合せにより超硬材料の造形体などが得られる。このように本発明の方法は、二種以上の異種構成成分からなる微粉体テープを用い、交互にまたは適当な層数間隔でレーザー光照射部に供給することにより、異相のハイブリッド層造形体を簡便に製造することができることに大きな特徴がある。
【００１７】
造形体とそれを保持する基板とは、前述のとおり同種、異種のいずれでも良いが、例えば、金属基板に低炭素ステンレス鋼を用い無酸素銅の微粉体テープを加工した場合は基板にＣｕ造形体が一体として形成され、セラミックス基板に一層目にＴｉ、Ｚｒ、Ｂなどの活性金属を用い、二層目に他の金属を用い加工した場合も一体造形体として得られる。図５（ｃ）にその断面図を示した。またセラミックス基板を用い基板と造形体とが分離した例の断面図（図５（ａ））、金属基板を用い基板と造形体とが接合した例の断面図（図５（ｂ））を示した。
【００１８】
また、最終的にレーザー光未照射部分を内部に持ち表面が密封状態の造形体についても、原料粉体の成形に用いた粘結剤を加熱（２００〜３００℃）焼成し基板または造形体に設けた開口部から廃棄することにより、中空の造形体を製造できる。図６に基板と一体となった造形体の断面図（ａ）、造形体単独の断面図  （ｂ）を示した。本発明の方法で、単独または異相のポーラスな造形体を形成することにより、触媒作用を持った機能的な積層造形体を得ることができる。
【００１９】
【発明の効果】
この発明の方法は、レーザー光照射による金属などの積層造形体形成の際、金属などの原料成分からなる微粉体テープを用いるので、原料供給などの取扱いが容易であり、緻密で寸法精度の高い造形体を製造することができる。また、異種原料を組合わせ積層して造形できるので、従来の単純な溶融法や粉末焼結法では造形困難な特殊な合金や、成分が順次異なる傾斜合金の造形体の製造が可能である。さらに、マイクロ構造物の空洞造形体も容易に製造できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例を用いて説明する。
【００２１】
実施例１
図１に示した装置を用いた。粒径約４０μｍの無酸素銅の微粉体にアクリル系の有機粘結剤（１wt％）を混合混練し、厚さ２００μｍの層としてポリエチレンシート上に密着成形し、幅１００ｍｍの微粉体テープを作成した。このテープを、シートを剥離しながら、長さ５０ｍｍに切断し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを用いたレーザー光照射部（ビーム強度：５３ｗ、走査速度：２００ｍｍ／ｍｉｎ、走査間隔：０．１５ｍｍ）のステンレス鋼基板（２０ｍｍ×４０ｍｍ×厚さ２ｍｍ）上に供給した。レーザー光及び基板は予め設定したデータによるコンピューター制御により駆動させ、合計１２枚の微粉体テープを供給してレーザー光を照射し、未照射部を除去して、幅４ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ２．４ｍｍの棒状の造形体を製造した。この造形体の引張り強度を測定した結果４０ＭＰａ、密度は４．８ｇ／ｃｍ3であった。
【００２２】
実施例２
ＷＣ粉体（粒径約４０μｍ）にＮｉ−３％Ｂ粉体（粒径約４０μｍ）を２０：８０（wt）で混合した微粉体、およびＣｏ粉体（粒径約４０μｍ）を実施例１と同様にして得た微粉体テープを交互に供給し、実施例１と同様の装置、条件でレーザー光照射した。得られた棒状の造形体の強度は２００ＭＰａであった。得られた造形体の断面の一部を図４（ｃ）に示した。図中造形体ＢはＷＣ＋Ｎｉ−３％Ｂ、造形体ＡはＣｏからなる。
【００２３】
実施例３
セラミックス基板を用い、Ｔｉ粉体（粒径約４０μｍ）を含む微粉体テープを一層目に、二層目以降にＣｕを含む微粉体テープを用いた以外は実施例１と同様にして造形体を製造した。得られた造形体の断面の一部を図５（ｃ）に示した。図中造形体ＢはＴｉ、造形体ＡはＣｕからなる。
【００２４】
実施例４
実施例１に於いて、基板のほぼ中央に約２ｍｍ径の小孔を開け、その小孔を中心として約１０ｍｍ四方から１２ｍｍ四方までの２ｍｍ幅にレーザー光を照射する状態として合計３６枚の微粉体テープを供給し実施例１と同様に造形した。次いで、同じく１２ｍｍ四方で囲まれる部分にレーザー光を照射する状態として合計４枚の微粉体テープを供給し造形した後、造形体を２００℃に加熱し、基板の小孔からおよび周囲のレーザー光未照射の部分を除去し空洞を持つ造形体を得た。得られた造形体の断面を図６（ａ）に示した（積層数は少なくして示した）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の構成の一例を示す図。
【図２】本発明の装置の構成の他の一例を示す図。
【図３】本発明で用いる微粉体テープの成形装置の一例を示す図。
【図４】本発明の方法で得た造形体例の断面図。
【図５】本発明の方法で得た造形体の他の例の断面図。
【図６】本発明で方法で得た空洞造形体例の断面図。
【符号の説明】
１：微粉体
２：バインダー
３：補強テープ
４：圧縮ロール
５：微粉体テープ
６：基板
７：微粉体テープＡ
８：微粉体テープＢ
９：造形体
１０：Ｘ−Ｙ駆動装置
１１：レーザー光
１２：微粉体テープ巻取りロール
１３：剥離補強テープ巻取りロール
１４：送給ロール
１５：カッター
１６：微粉体供給ノズル
１７：不活性ガスノズル
１８：レベルロール
１９：レーザー源
２０：ＣＡＤデータ
２１：コンピューター
２２：ＮＣデータ
２３：移動床
２４：補強テープ巻取りロール
２５：ホッパー
２６：微粉体テープ巻取りロール
２７：造形体Ａ
２８：造形体Ｂ
２９：セラミックス基板
３０：金属基板
【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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