(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースプレート上に粉末体を供給し、この粉末体にレーザを照射して該粉末体を焼結してベースプレートと結合し、以降、順次粉末体の供給と焼結を行って造形物を製作する造形装置を用いた光造形による造形方法において、
造形物の表面から内側の所定領域は最も低速でレーザ照射を行い、その内部を内側から外側に向かって複数領域に分割し、その各領域に対してレーザ照射速度を外側から内側に向けて段階的に速くすることを特徴とする光造形による造形方法。
【請求項２】
請求項１記載の光造形による造形方法において、
上面から見ると格子状で、かつ、前記ベースプレートと前記所定領域に囲まれた内部領域を貫通する柱を、前記表面領域と同じ速度のレーザ照射で形成することを特徴とする光造形による造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末体にレーザを照射してこれを焼結して造形物を製造する光造形装置で造形物を製造する造形物の造形方法に関するものである。
【０００２】
本発明は、粉末体にレーザを照射してこれを焼結して造形物を製造する光造形装置で造形物を製造する際に必要な三次元モデルを用いる造形物の造形方法に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
金型等を製作する技術として、金属粉末にレーザを照射することでこれを焼結して造形物を製作する造形装置を用いる技術がある。
【０００４】
図９は造形装置の一例を示す説明図である。
この造形装置では、造形するモデルの三次元データを基に積層厚毎の断面のスライスデータを作成し、まず、昇降可能な造形側のプラットホーム１にスチールプレートを金属粉末で被覆したベースプレート２を乗せて、これを造形物３の土台とし、このベースプレート２上に一層分の厚みで金属粉末４を供給側のプラットホーム５上からリコータ６により供給し、前記作成したスライスデータでレーザ７を金属粉末４に照射することで金属粉末４を焼結させ、第１層の金属粉末層をスライスデータで特定される形状に硬化させるとともに、第１層とベースプレート２を結合する。次に、プラットホーム１を降下させ、１層分の厚みで新たに金属粉末４を供給し、前記作成したスライスデータでレーザ７を金属粉末層に照射することで金属粉末を焼結し、第２の層の金属粉末層をスライスデータで特定される形状に硬化させるとともに、第１層と第２層を結合する。この処理を繰り返して造形物３を製作する。
【０００５】
この装置では、レーザの照射速度を低くすると、金属粉末が強く焼結することで造形物の密度が高くなり、レーザの照射速度を上げると、金属粉末の焼結が弱くなり、造形物の密度が低くなるものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、レーザによる金属粉末の焼結で成形金型の入れ駒を作成する場合、造形時のレーザ照射により造形物表面で発生した熱が冷えることで生じる収縮による内部応力で、第１層以降の層にベースプレートに対して剥離方向の力が発生し、造形物のコーナ部分がベースプレートと剥離し、反りが発生してしまうことがあった。
図１０は剥離発生の原理を示す説明図で、まず、造形時のレーザ照射で造形物３表面には熱が発生する。そして、この熱が冷えることで生じる収縮により、造形物全体を曲げようとする力が発生する、これにより、ベースプレート２に対して剥離方向の力が発生し、造形物３のコーナ部分がベースプレート２と剥離してしまうものである。
【０００７】
この傾向は、金型形状のように造形物の厚さが厚くなるほど剥離荷重が大きくなるため、顕著である。造形物を金型として使う場合、ベースプレートは入れ駒の一部として利用するため、剥離が発生すると、必要な強度が得られず、ベースプレートとの密着性も悪くなり、最終的に全面が剥がれてしまう可能性があるということ、さらに、反りによる変形で寸法精度が悪くなることから、剥離が発生した場合、再造形が必要であった。
【０００８】
また、金型は、表面に巣があると、その巣が成形品の表面に転写され、成形品の表面品質が悪くなるとともに、金型表面の強度も落ちる。このため、金型の表面は密度が高くなるようにしなければならない。そこで、金型を造形する際、表面を造形する際には、レーザの照射速度を低く、内部を造形する際にはレーザの照射速度を高くして、表面は密度が高く、内部は密度の粗い金型を作成することとして、造形時間が長くならないようにしている。
【０００９】
しかしながら、このような２重構造となるように造形すると、表面と内部で密度差が大きくなり、造形途中で応力による割れが発生することがある。また、内部の造形時は、造形時間を短縮するため、２層に１回ずつ照射するという技術も考えられているが、２層に１回ずつの照射では上下の繋がりが弱くなり、表面に割れが発生した場合、焼結金属は収縮する特性があるので繋がりが弱い部分で剥がれて引き裂かれることもある。
【００１０】
また、金型を２重構造とした場合、密度の高い底面側では強い収縮が発生するため、やはりコーナ部分がベースプレートから剥離しやすいものであった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するため、請求項１の発明は、ベースプレート上に粉末体を供給し、この粉末体にレーザを照射して該粉末体を焼結してベースプレートと結合し、以降、順次粉末体の供給と焼結を行って造形物を製作する造形装置を用いた光造形による造形方法において、造形物の表面から内側の所定領域は最も低速でレーザ照射を行い、その内部を内側から外側に向かって複数領域に分割し、その各領域に対してレーザ照射速度を外側から内側に向けて段階的に速くすることを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、上面から見ると格子状で、かつ、前記ベースプレートと前記所定領域に囲まれた内部領域を貫通する柱を、前記表面領域と同じ速度のレーザ照射で形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
上述した請求項１の本発明は、造形物の底部を造形物の表面から内側の所定領域の次に遅い速度でレーザ照射を行って造形するようにしているため、強度は保ちつつ収縮を抑えることができ、底部が収縮する際の造形物のコーナ部をひっぱり上げる力が緩和されるので、ベースプレートからの剥離を防止できるという効果が得られる。
また、造形物の一番内側から前記所定の領域に向かって段階的にレーザの照射速度を遅くし、密度を上げていくため、各領域間で密度差が極端に大きくなることがなく、応力の影響による造形物の割れを防止できる。これにより造形物の表面から内側の所定領域の密度をより高くすることが可能となり、表面の巣を減少させ、成形品表面の品質を向上させることが可能になるという効果が得られる。
【００１４】
さらに、各領域にレーザを照射することで各領域間の繋がりが強化される。
また、請求項２の発明によれば、密度の高い格子状の柱を造形することから、上下方向の繋がりはより強化されて、内部での剥離がなくなるとともに、上下方向の圧力に対する強度も増加するという効果が得られる。
【発明の実施の形態】
【００１５】
図１は本発明の第１の実施の形態を示す三次元モデル構造の一例を示す斜視図、図２は本実施の形態の光造形の流れを示すフローチャート、図３は第１の実施の形態における造形物の一例を示す説明図であり、図２のフローの流れに従い、図１に示す三次元モデル、図３に示す造形物の説明を行う。
まず、造形物の三次元モデルを作成する（ＳＡ１）。次に、この三次元モデルに、ベースプレートとの剥離防止サポート形状を追加する（ＳＡ２）。第１の実施の形態において、造形物は、図３に示すように、ベースプレート２と造形物３の境界に、テーパ状の剥離防止サポート形状８が設けられるものであり、造形時に、ベースプレート２と造形物３の境界に、この剥離防止サポート形状８が造形されるように、図１に示すように、造形物３の三次元モデル３ａに剥離防止サポート形状８を追加する。この剥離防止サポート形状８は、最外形部から徐々に厚みが厚くなる形状が望ましく、また、造形物３の形状が長方形の場合、各コーナに剥離防止サポート形状８が形成されるようにする。なお、造形物３自体の設計段階では、剥離防止サポート形状を考慮することはなく、三次元モデル３ａ作成時に、造形物３の形状、サイズに応じて剥離防止サポート形状８を付加するものである。
【００１６】
次に、剥離防止サポート形状８を追加した三次元モデル３ａから、スライスデータを作成する（ＳＡ３）。
スライスデータを作成すると、レーザの照射速度等、造形条件を設定する（ＳＡ４）。そして、上記作成したデータを用いて、造形装置で造形を行う（ＳＡ５）。
これにより、図３に示すような剥離防止サポート形状８が設けられた造形物３が製作される。
【００１７】
図４は剥離荷重の分布を示す説明図で、図４（ａ）は剥離防止サポート形状がある場合の剥離荷重の分布を示し、図４（ｂ）は比較のため剥離防止サポート形状のない従来の場合の剥離荷重の分布を示す。
剥離防止サポート形状８を設ける場合、図４（ａ）に示すように、造形開始時は、剥離防止サポート形状８の最外形部は十分に薄いため、剥離荷重は小さくベースプレート２と十分に固着している。積層が進むと、剥離荷重は剥離防止サポート形状８の厚みの増加に従って徐々に大きくなって行くが、剥離防止サポート形状８の最外形部が十分に固着しているため、剥離することはない。積層がさらに進み剥離防止サポート形状８のない部分となると、造形物３は剥離防止サポート形状８と一体で造形しているため、充分ベースプレート２に固着している剥離防止サポート形状８に支えられて、剥離荷重は弱められる。
【００１８】
剥離防止サポート形状８がない場合、図４（ｂ）に示すように、積層が進むと、造形物３の表面に行くに従い剥離荷重が大きくなり、造形物３がベースプレート２から剥離しやすくなる。特に、コーナ部は剥離荷重がより大きくなるので、より剥離しやすくなる。そこで、図３に示すように、各コーナに剥離防止サポート形状８が形成されるようにすれば、剥離を防止することが可能となる。
【００１９】
図５は本発明の第２の実施の形態における造形物の一例を示す説明図で、図５（ａ）は平面断面図、図５（ｂ）は側断面図である。図６は造形物の外観斜視図で、第２の実施の形態の造形物３の外観は、その一例として、表面に直方体の窪みがあり、さらにこの窪みから２本の穴３ｂが設けられているもので、図５（ａ）は図６の造形物３をＡ線で切断した平面断面図、図５（ｂ）は図６の造形物３をＢ線で切断した平面断面図である。この第２の実施の形態では、図２に示すフローＳＡ４の造形条件の設定において、レーザの照射速度を内側から外側に向かって段階的に遅くする設定と、造形物内部に格子状の柱を同時に造形する設定とを付加する。なお。第２の実施の形態では、剥離防止サポート形状は付加しなくてもよい。
【００２０】
第２の実施の形態では、造形物３の内部を、内側から外側に向かってコア９ａ、コア９ｂ、コア９ｃと複数領域に分割し、コア９ｃの外側に造形物３の表面となるスキン１０を造形するものである。さらに、柱１１を、上面から見ると格子状に、かつ、ベースプレート２からスキン１０の間を貫通して入れるものである。
図７および図８はレーザ速度別照射領域を示す説明図で、以下に第２の実施の形態における造形条件設定の詳細を説明する。なお、図７は図５に示す造形物の各領域の平面断面図、図８は図５に示す造形物の各領域の側断面図である。
【００２１】
まず、図７（ａ）、図８（ａ）に示すスキン１０の領域を指定し、底部の領域指定を削除したスキン１０用造形データを作成する。次に、スキン１０より内側部分に図７（ｂ）、図８（ｂ）に示すコア９ｃの領域指定と、毎層レーザを照射する指定を行い、底部の領域をスキン１０から削除した分下方へ延長したコア９ｃ用造形データを作成する。次に、コア９ｃより内側部分に図７（ｃ）、図８（ｃ）に示すコア９ｂの領域指定と、毎層レーザを照射する指定を行い、コア９ｂ用造形データを作成する。次に、コア９ｂより内側部分に図７（ｄ）、図８（ｄ）に示すコア９ａの領域指定と、毎層レーザを照射する指定を行い、コア４ａ用造形データを作成する。
【００２２】
そして、スキン１０用造形データに最も遅いレーザ照射速度を設定し、コア９ｃ、９ｂ、９ａの順にスキン１０よりも速いレーザ照射速度を設定する。
なお、図７、図８では図示していないが、図５に示す格子状の柱１１の部分も、スキン１０と同じ最も遅いレーザ照射速度で造形する設定を行う。この設定で造形物を製作すると、図５に示す造形物が得られる。
【００２３】
図５に示す造形物では、コア９ａからスキン１０に向かって段階的にレーザの照射速度を遅くし、密度を上げていくため、各領域間で密度差が極端に大きくなることがなく、応力の影響による造形物の割れを防止できる。これにより、スキン１０の密度をより高くすることが可能となり、表面の巣を減少させ、成形品表面の品質を向上させることが可能となる。
【００２４】
また、造形物３の底部をコア９ｃの条件で造形することで、強度は保ちつつ収縮を抑え、底部が収縮する際の造形物３のコーナ部をひっぱり上げる力が緩和され、ベースプレート２からの剥離を防止できる。
さらに、コア９ａ〜９ｃは毎層レーザを照射することで上下の層間での繋がりが強化され、さらに、密度の高い格子状の柱１１を上下に入れることから、上下方向の繋がりはより強化されて、内部での剥離がなくなるとともに、上下方向の圧力に対する強度も増加する。
【００２５】
なお、第２の実施の形態では、造形物３は４重構造としたが、これに限るものではなく、造形物の大きさ等を考慮して変更されるものである。上述した本発明は、金属粉末を焼結して造形物を製造するものとして説明したが、他の樹脂を硬化させて造形する光造形技術にも応用可能である。
以上説明したように、本発明は、光造形による造形物構造で、造形物とベースプレートの境界にテーパ状の剥離防止サポート形状を一体に造形することとしたので、境界面における剥離荷重の発生を抑え、ベースプレートとの剥離や造形物の反りを抑えることができる。
【００２６】
また、本発明は、造形物を内側から外側に向かって複数領域に分割し、内側から外側に向かって段階的に密度が高くなるように一体に造形するとともに、最下層から表面まで密度の高い格子状の柱を一体に造形することとしたので、内部応力の発生を抑えつつ表面の高密度化が図れるとともに、成形圧力による変形を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す三次元モデル構造の一例を示す斜視図
【図２】本実施の形態の光造形の流れを示すフローチャート
【図３】第１の実施の形態における造形物の一例を示す説明図
【図４】剥離荷重の分布を示す説明図
【図５】本発明の第２の実施の形態における造形物の一例を示す説明図
【図６】造形物の外観斜視図
【図７】レーザ速度別照射領域を示す説明図
【図８】レーザ速度別照射領域を示す説明図
【図９】造形装置の一例を示す説明図
【図１０】剥離発生の原理を示す説明図
【符号の説明】
【００２８】
２ ベースプレート
３ 造形物
３ａ 造形物の三次元モデル
８ 剥離防止サポート形状
【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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