(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低融点金属を含む接合用の金属と骨格金属とからなる金属粉末をレーザ光の照射により焼結してグリーンパートを造形する第１工程と、このグリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱する第２工程と、前記グリーンパートを溶浸用金属材料と共に加熱して溶浸用金属材料をグリーンパートの空隙部分に溶浸する第３工程とを有し、
第２工程は、前記グリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱することにより、前記接合用の金属を前記骨格金属中へ拡散させ前記金属粉末の接合部の融点を昇温させる工程であり、
第３工程は、前記溶浸用金属として、前記接合用の金属よりも融点が高く前記骨格金属よりも融点が低い材料を用い、その溶浸用金属材料が溶融するよう加熱する工程であることを特徴とする立体物造形方法。
【請求項２】
低融点金属を含む接合用の金属で薄く被覆された骨格金属からなる金属粉末をレーザ光の照射により焼結してグリーンパートを造形する第１工程と、このグリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱する第２工程と、前記グリーンパートを溶浸用金属材料と共に加熱して溶浸用金属材料をグリーンパートの空隙部に溶浸する第３工程とを有し、
前記第２工程は、前記グリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱することにより、前記接合用の金属を前記骨格金属中に拡散させ前記金属粉末の接合部の融点を昇温させる工程であり、
第３工程は、前記溶浸用金属として、前記接合用の金属よりも融点が高く前記骨格金属よりも融点が低い材料を用い、その溶浸用金属材料が溶融するよう加熱する工程であることを特徴とする立体物造形方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の立体物造形方法において、前記第２工程でグリーンパートを加熱する温度は前記接合用の金属の前記骨格金属中への拡散を促進する温度であることを特徴とする立体物造形方法。
【請求項４】
請求項１又は２記載の立体物造形方法において、前記第３工程は、前記第１工程で用いたのと同じ金属粉末を焼結して作られた溶浸用台座上に前記グリーンパートと溶浸用金属材料を置き、加熱することで、溶浸用金属材料を溶浸用台座を介してグリーンパートの空隙部に溶浸させることを特徴とする立体物造形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は立体物造形方法に係り、特に金属粉末をレーザ光により焼結して造形を行う立体物造形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
立体物造形方法としてラピッドプロトタイピング（Rapid Prototyping；RPと称す）技術があるが、レーザ光を用いる方式では、金属粉末、金属粉末と樹脂（バインダと称す）の混合物、あるいは光硬化樹脂を用いる方式が知られている。ＲＰ技術は、特定の型が不要、切削くずが発生しないなどの特長があり、３Ｄ-ＣＡＤの普及と共に、産業分野に急速に浸透しつつある。特開平10-88201号公報では金属粉末を用いる方式が、特開平1-228827号公報では光硬化樹脂を用いる方式が述べられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記ＲＰ技術の内、金属粉末を使用する方式では、レーザ光により金属粉末を部分的に溶融して金属紛末相互を融着するので、一次造形品（グリーンパートと称す）の強度は大きいが、造型速度が遅くなるという問題がある。
【０００４】
光硬化樹脂を用いる方式では、樹脂で接合するため、造形物の機械的強度が低いという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、金属粉末を使用するＲＰ技術において、造形速度が大きくかつ機械的強度の大きい造形物を得ることのできる立体物造形方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明の立体物造形方法は、低融点金属を含む接合用の金属と骨格金属とからなる金属粉末をレーザ光の照射により焼結してグリーンパートを造形する第１工程と、このグリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱する第２工程と、前記グリーンパートを溶浸用金属材料と共に加熱して溶浸用金属材料をグリーンパートの空隙部に溶浸する第３工程とを有し、前記第２工程は、前記グリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱することにより、前記接合用の金属を前記骨格金属中へ拡散させ前記金属粉末の接合部の融点を昇温させる工程であり、前記第３工程は、前記溶浸用金属材料として、前記接合用の金属よりも融点が高く前記骨格金属よりも融点が低い材料を用い、その溶浸用金属材料が溶融するよう加熱する工程であるものとする。
【０００７】
このように第１工程で、低融点金属を含む接合用の金属と骨格金属とからなる金属粉末をレーザ光の照射により焼結してグリーンパートを造形することにより、造形速度を増大させることができる。また、第２工程で接合用の金属の融点より低い温度でグリーンパート加熱することにより、グリーンパートの形状を保持している前記金属粉末の接合部の融点が上昇し、機械的強度が高まる。また、第３の工程でグリーンパートを加熱してその空隙部に溶浸用金属材料を溶浸することにより、中実の造形物が作成でき、このとき接合部の融点は上昇しているので、接合用の金属より融点の高い溶浸用金属材料を空隙部に溶浸することができる。
【０００８】
以上により金属粉末を使用するＲＰ技術において、造形速度が大きくかつ機械的強度の大きい造形物を得ることができる。また、これにより特定の型が不要で、切削くずの発生しない造形が行える。
【０００９】
（２）また、上記目的を達成するために、本発明の立体物造形方法は、低融点金属を含む接合用の金属で薄く被覆された骨格金属からなる金属粉末をレーザ光の照射により焼結してグリーンパートを造形する第１工程と、このグリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱する第２工程と、前記グリーンパートを溶浸用金属材料と共に加熱して溶浸用金属材料をグリーンパートの空隙部に溶浸する第３工程とを有し、前記第２工程は、前記グリーンパートを前記接合用の金属の融点より低い温度で加熱することにより、前記接合用の金属を前記骨格金属中へ拡散させ前記金属粉末の接合部の融点を昇温させる工程であり、前記第３工程は、前記溶浸用金属材料として、前記接合用の金属よりも融点が高く前記骨格金属よりも融点が低い材料を用い、その溶浸用金属材料が溶融するよう加熱する工程であるものとする。
【００１０】
これにより上記（１）で述べたように、金属粉末を使用するＲＰ技術において、造形速度が大きくかつ機械的強度の大きい造形物を得ることができる。また、これにより特定の型が不要で、切削くずの発生しない造形が行える。
【００１１】
（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記第２工程でグリーンパートを加熱する温度は前記接合用の金属の前記骨格金属中への拡散を促進する温度である。
【００１２】
これにより接合用の金属は骨格金属中は拡散し、焼結により接合された部分の融点が上昇し、機械的強度が高まる。
【００１５】
（４）更に、上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記第３工程は、前記第１工程で用いたのと同じ金属粉末を焼結して作られた溶浸用台座上に前記グリーンパートと溶浸用金属材料を置き、加熱することで、溶浸用金属材料を溶浸用台座を介してグリーンパートの空隙部に溶浸させる。
【００１６】
これにより加熱溶融した溶浸用金属材料は、毛細管現象により、溶浸用台座内の空隙部を通じてグリーンパートの空隙部に到達し、溶浸用金属材料の空隙部への充填がスムースに行える。
【００１９】
【発明の実施形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図１３により説明する。
【００２０】
図１は本発明による金属粉末を使用して、選択的レーザ焼結により立体物を造形する工程のフローチャートを示す。図２〜１３は各工程の詳細を説明するための図である。
【００２１】
図１において、まず最初にレーザ焼結に用いる金属粉末１を用意する（工程１０１）。
【００２２】
図２はその金属粉末１の拡大断面図である。金属粉末１は骨格金属２を有し、骨格金属２は、外径30〜50μm程度の球形または方形であり、拡散（濃度差により物質が浸透する現象）性を有する低融点の金属、あるいは低融点の金属を含む合金（以下、被覆金属という）３で薄く被覆されている。被覆金属３は接合用であり、被覆厚さは、例えば５〜10μm程度である。
【００２３】
被覆金属３としては、例えばＳn、Ｐ、Ｚn、Ｓi、Ｂ等が単体あるいは合金（例えば、ＣuＮiＳnＰ、ＮiＳiＢ等）で使用され、融点が低い程レーザ焼結時の処理速度を早くすることができるが、200〜1000℃が実用レベルの融点となる。
【００２４】
骨格金属２としては、Ｃu、Ｎi、Ｆe等が単体あるいは合金として使用される。微粉金属である骨格金属２は一般には高圧液体アトマイズ法、ガスアトマイズ法により製造され、低融点金属は、骨格金属にメッキ、スパッタ、蒸着等により被覆される。
【００２５】
なお、低融点金属を骨格金属に被覆するのではなく、５〜10μmの微粉末とし、混合して使用することもできる。
【００２６】
以上のような金属粉末１を用意した後、次にこの金属粉末１をレーザ焼結装置に充填してレーザ焼結によりグリーンパート（一次造形品）を作成する（図１の工程１０２，１０３）。
【００２７】
図３は、選択的レーザ焼結により立体物を造形する場合の情報の流れを示すものであり、コンピュータ４では、造形したい立体物（以下、造形物）の３次元データ（３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）データ）や、Ｘ線ＣＴ（Computer Tomography）のデータを水平にスライスして輪切りのデータを作成する。輪切りのデータは選択的レーザ焼結装置５内の制御用コンピュータ６に送られる。制御用コンピュータ６は、輪切りのデータにしたがって、レーザ光源７のＯＮ−ＯＦＦ、スキャンミラー８、金属粉末散布用ローラ９、金属粉末供給ピストン１０ａ，１０ｂ、およびグリーンパート用ピストン１１を操作する。
【００２８】
図４は例えばSinterstation2500（米国ＤＴＭ社商標）を使用した選択的レーザ焼結装置５の概略図であり、図５〜図９は異なる工程におけるその部分断面図である。図４及び図５〜図９によりこの選択的レーザ焼結装置５を使用した焼結状況を説明する。
【００２９】
図４において、１０，１０は金属粉末収納箱であり、金属粉末供給ピストン１０ａ，１０ｂは図５〜図９に示すように金属粉末収納箱１０，１０内の底部に上下動可能に収納されている。グリーンパート用ピストン１１は金属粉末収納箱１０，１０の間に位置し、図５〜図９に示すようにシリンダ容器３０内に上下動可能に収納されている。金属粉末収納箱１０，１０とシリンダ容器３０間には床部３１が設けられ、ワーク面１２を形成している。図４では図示の便宜上シリンダ容器３０と床部３１は省略している。
【００３０】
まず、図５に示すように、第一層目の形成に先立ち金属粉末供給用ピストン１０ａを上昇させて金属粉末収納箱内１０の金属粉末１を一層の厚みに相当する分だけ上方に押し出す。次に、図６に示すように、金属粉末散布用ローラ９を図示右方向に移動させて、ワーク面１２に第一層目の厚みｈに相当する金属粉末１の層を形成する。次いで、図７に示すように、制御用コンピュータ６から送られる造形物の第一層目の輪切りデータに基づいた制御信号により、レーザ光源６からのレーザ光１３をスキャニングミラー８を介してワーク面１２に照射し、第一層目の断面相当部分の金属粉末１を選択的に焼結して、造形物の第一層１４ａの造形が完了する。制御用コンピュータ６からの制御信号により、ワーク面１２の断面相当位置においてのみレーザ光１３が照射されるように、スキャニングミラー８の位置と連動してレーザ光１３がＯＮ−ＯＦＦされる。
【００３１】
次に、第二層目の造形作業につき説明する。まず、グリーンパート用ピストン１１を造形物の第二層の厚みに相当する高さ分だけ下降させてワーク面１２に凹部（図示せず）を形成する。次いで、金属粉末供給用ピストン１０ｂを上昇させて金属粉末収納箱内１０の金属粉末１を一層の厚みに相当する分だけ上方に押し出した後、図８に示すように、金属粉末散布用ローラ９を図示左方向に移動させて、ワーク面１２に第二層目の厚みｈに相当する金属粉末１の層を形成する。この作業により、先に形成された凹部が埋められる。その後、図９に示すように、制御用コンピュータ６から送られる造形物の第一層目の輪切りデータに基づいた制御信号により、レーザ光源６からのレーザ光１３をスキャニングミラー８を介してワーク面１２に照射し、第二層目の断面相当部分の金属粉末１を選択的に焼結して、造形物の第二層１４ｂの造形が完了する。既に造形が完了している第一層１４ａと第二層１４ｂは、第二層相当部形成時のレーザ光照射により相互に焼結されて一体化される。
【００３２】
制御用コンピュータ６からの制御信号により、以後、造形物の輪切りデータの数だけ、金属粉末供給用ピストン１０ａ，１０ｂの上昇、グリーンパート用ピストン１１の下降、金属粉末散布用ローラ９の移動による金属粉末層の形成、及びレーザ光による金属粉末１の選択的焼結を繰り返し、例えば図１０に示すような所望する造形物のグリーンパート１５を製作する。
【００３３】
金属粉末１の組成にもよるが、レーザ光源のパワーは概ね100〜300Wであり、走査速度は300〜1000mm／分程度である。
【００３４】
図１１はグリーンパート１５の部分拡大断面を示すもので、レーザ光１３の照射により被覆金属３が溶融して接合部１６を形成し、グリーンパート１５の形状が保持される。レーザ光１３により低融点の被覆金属３を溶融することによりグリーンパート１５を造形するので、造形速度を増大させることができる。接合した金属粉末１間には空隙部１７があり、この空隙部１７には後述の溶浸工程で金属が充填される。
【００３５】
グリーンパート１５を作成した後、グリーンパート１５を加熱炉内に設置し加熱工程を経て中実の造形物を作成する（図１の工程１０４，１０５，１０６）。
【００３６】
図１２は加熱及び溶浸作業の説明図である。加熱炉１８内でグリーンパート１５は、坩堝１９内の溶浸用台座２０上に設置されている。グリーンパート１５と坩堝１９との隙間には、セラミック粉末２１が充填され、加熱中におけるグリーンパートの変形を防止する。溶浸用金属材料２２がグリーンパート１５の周辺で溶浸用台座２０上に置かれている。
【００３７】
溶浸用台座２０は、金属粉末１を用いて成形した板材を焼結したものであり、グリーンパート１５と同様、図１１に示すような接合部１６と空隙部１７を有している。溶浸用金属材料２２としては、被覆金属３より融点が高く骨格金属２よりは融点の低い材料、例えばブロンズ（ＣuＳn合金）等が用いられる。
【００３８】
図１３は、加熱炉１８内の温度制御チャート及び温度制御時における接合部１６（金属粉末１の表面）の融点の変化を示す。
【００３９】
加熱炉１８は先ず、被覆金属３の融点Ｔcより少し低い温度Ｔ1で時間Ｈ1（被覆金属３にもよるが１〜５時間程度）に亘り保持される。この熱処理により、被覆金属３の骨格金属２内への拡散が促進される。温度Ｔ1は、被覆金属３が実質的に溶融せずかつ骨格金属２内への拡散が適切な速度で進行する温度であり、被覆金属３にもよるがおよそ被覆金属３の融点Ｔcより２０〜３０℃低い温度である。拡散の進行と共に、接合部１６（金属粉末１の表面）の融点は上昇し最終的には、骨格金属２の融点Ｔｂ付近に達する。同時に接合部１６の微視的な機械強度は骨格金属２の値に近いものとなる。
【００４０】
時間Ｈ1（被覆金属３に関係するが、概略１〜５時間程度）経過後、加熱炉１７内の温度を溶浸用金属材料２２の融点Ｔiに設定し、時間Ｈ2（溶浸用金属材料２２に関係するが、概略２〜５時間）加熱する。この工程で溶浸用金属材料２２は溶融し、毛細管現象により、溶浸用台座２０内の空隙部１７を通じてグリーンパート１５の空隙部１７を充填し、中実の造形物が作成される。
【００４１】
以下、金属粉末１として、骨格金属＝SUS304、被覆金属＝Ｓnを使用した場合を説明する。先ず、加熱炉１７内の温度をＳnの融点（Ｔc）＝２３２℃より少し低い、Ｔ1＝２００℃として、Ｈ1＝３〜５時間加熱してＳnをSUS316中ヘの拡散させる。この結果、接合部１６の融点がSUS316の融点≒１３００〜１４００℃近くまで上昇する。次いで、加熱炉１７内温度を溶浸用金属材料２２であるブロンズの融点（Ｔi）より少し高いＴ2＝１０５０℃で、Ｈ2＝２〜３時間保持する。この過程で、毛細管現象により、溶浸用台座２０内の空隙部１７を通じてグリーンパート１５の空隙部１７をブロンズで充填し、中実の造形物が作成される。
【００４２】
以上のように本実施の形態によれば、レーザ光により低融点の被覆金属を溶融することによりグリーンパート１５を造形するので、金属粉末を使用するＲＰ技術において、造形速度を増大させることができる。また、グリーンパート１５の形状を保持している接合部１６の融点及び機械的強度を高めることにより、融点が高く、機械的強度に優れる造形物を得ることができる。また、接合部１６の融点を高めるので、被覆金属３より融点の高い溶浸用金属材料２２を溶浸することができ、この点でも機械的強度が高まる。さらに、被覆金属３は熱処理によって骨格金属２中へ拡散し、空隙部１７に滞留しないので、溶浸用台座２０を用いて溶浸用金属材料２２の空隙部１７への充填がスムースに完了し、中実の造形物が容易に作成できる。加熱炉１８内の雰囲気としては、金属の酸化を防止するため、非酸化雰囲気（Ｎ2ガス充填）あるいは真空とするのが望ましい。
【００４３】
なお、上述の説明では、グリーンパート１５を加熱炉１８内に設置した後、加熱炉１８内からグリーンパート１５を取り出すことなく、接合部の融点及び機械的強度を高める加熱工程と溶浸を行う加熱工程を行ったが、低温炉で接合部の融点及び機械的強度を高める加熱工程を行い、その後低温炉から高温炉に入れ替えて、高温炉で溶浸を行うよう２工程の作業に分離しても良い。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、金属粉末を使用するＲＰ技術において、造形速度が大きくかつ機械的強度の大きい造形物を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態による立体物造形方法を示すフローチャートである。
【図２】  金属粉末の拡大断面図である。
【図３】  レーザ焼結作業の情報の流れ説明図である。
【図４】  レーザ焼結装置及びレーザ焼結作業の説明図である。
【図５】  レーザ焼結作業の説明図である。
【図６】  レーザ焼結作業の説明図である。
【図７】  レーザ焼結作業の説明図である。
【図８】  レーザ焼結作業の説明図である。
【図９】  レーザ焼結作業の説明図である。
【図１０】  作成されたグリーンパートの断面図である。
【図６】  グリーンパートの部分拡大断面図である。
【図１２】  加熱炉内の配置状況を説明する図である。
【図１３】  加熱炉内の温度制御チャート及び、接合部の融点変化、機械強度変化の説明図である。
【符号の説明】
１：金属粉末
２：骨格金属
３：低融点の金属（被覆金属）
４：上位コンピュータ
５：レーザ焼結装置
６：制御用コンピュータ
７：レーザ光源
８：スキャンミラー
９：金属粉末散布用ローラ
１０：金属粉末収納箱
１０ａ，１０ｂ：金属粉末供給ピストン
１１：グリーンパート用ピストン
１２：ワーク面
１３：レーザ光
１５：グリーンパート
１６：接合部
１７：空隙部
３０：シリンダ容器
３１：床部
【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】
0003752427.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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