JP3893992B2

JP3893992B2 - 光造型物の製造方法

Info

Publication number: JP3893992B2
Application number: JP2002024617A
Authority: JP
Inventors: 光弘新郷; 卯三太田; 隆史松尾
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2022-01-31
Also published as: JP2003225948A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉末に光ビームを照射して結合層を形成し、この結合層を積重ねて所望の三次元形状に造形するようにした光造形物の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属粉末などの無機質粉末あるいは樹脂粉末などの有機質粉末の層にレーザビームなどの光ビームを照射し、光ビームを照射した部分の粉末を溶融固化させて結合させることによって結合層を形成し、この結合層の上にさらに粉末の層を被覆すると共にこの粉末に光ビームを照射して同様に結合させることによって下の結合層と一体になった結合層を形成し、そしてこれを繰り返すことによって、複数の結合層が積層一体化された粉末結合体を作製する方法がある。
【０００３】
特に粉末として金属粉末を用い、金属粉末の層にレーザビームなどの光ビームを照射して金属粉末を焼結させることによって、金属粉末が焼結して結合した焼結層として結合層を形成し、この結合層の上に金属粉末の層を被覆すると共にこの金属粉末にレーザビームを照射して焼結させることによって下の結合層と一体になった結合層を形成し、そしてこれを繰り返すことによって、複数の結合層が積層一体化された金属粉末焼結体からなる粉末結合体を作製する方法が、例えば特許第２６２０３５３号公報や特開２０００−７３１０８公報などで提供されている。
【０００４】
図８はその一例を示すものであり、まず図８（ａ）のように昇降テーブル１の上に金属粉末２をスキージー３で所定の厚みに分与する。昇降テーブル１は基準テーブル４の側面に沿って昇降するものであり、スキージー３は基準テーブル４の上面と同じレベルで水平方向に往復移動するようにしてある。従って、昇降テーブル１の上面と基準テーブル４の上面との間のΔｔの段差に相当する厚みで金属粉末２の層を昇降テーブル１の上に形成することができる。この後、図８（ｂ）のように、集光レンズ５で集光したレーザビームなどの光ビームＬを走査させ、この金属粉末２の層の必要な部分にのみ光ビームＬを照射することによって、光ビームＬを照射した部分の金属粉末２の層を焼結し、厚みΔｔの結合層６ａを焼結層として形成させる。次に、昇降テーブル１をΔｔの寸法で下降させ、この結合層６ａの上に金属粉末２を供給し、図８（ｃ）のようにスキージー３によってΔｔの厚みで金属粉末２の層を結合層６ａの上に被覆させ、次いで図８（ｄ）のようにこの金属粉末２の層の必要な部分にのみ光ビームＬを照射して焼結し、結合層６ａの上に結合層６ｂを一体に積層させる。
【０００５】
そしてこの操作を必要な層数だけ繰り返すことによって、図８（ｅ）のように所定数の結合層６ａ〜６ｆを積層一体化し、図９のような複数の結合層６ａ〜６ｆからなる金属粉末焼結体として粉末結合体Ａを作製することができるものである。
【０００６】
ここで、上記のようにして粉末結合体Ａを作製するにあたっては、図１０（ａ）のような製品モデル１０を設計する際の三次元ＣＡＤデータに基づいて、製品モデル１０を図１０（ｂ）のように所定の間隔Δｔで水平にスライスしたときの各層１０ａ〜１０ｆのスライス面の断面データを得て、このスライス断面データを基にして金属粉末２の各層に照射する光ビームＬの走査経路を決定し、各層１０ａ〜１０ｆに対応する水平断面形状で各結合層６ａ〜６ｆを形成することによって、製品モデル１０と同じ三次元形状に造形された粉末結合体Ａを作製することができるものである。そしてこのように各結合層６ａ〜６ｆを順次形成して積み重ねていく工法をとることによって、三次元ＣＡＤにより設計された形状に従って三次元的に切削加工するＣＡＭを用いるような必要がなくなり、二次元的な加工の繰り返しで三次元的に造形された製品を作製することが可能になるものであり、複雑な機構の装置を用いる必要なく三次元造形物を迅速に製作することができるものである。
【０００７】
上記のようにして三次元造形物として製作される粉末結合体Ａにあって、粉末結合体Ａを例えば成形金型などとして用いる場合には、冷却や加熱などの機能を持たせるために、粉末結合体Ａ内に流体が流通する経路を形成することが行なわれている。そして、粉末結合体Ａの内部は粉末が焼結などで結合された緻密な状態で充填されているので、粉末結合体Ａ内に流体経路を形成する場合には、粉末結合体Ａを造形した後、粉末結合体Ａに切削や孔あけなどの加工を行なう必要がある。しかし、このような切削や孔あけなどの加工では、粉末結合体Ａ内に形成する流体経路の形状が単純なものに制限されるものであり、最適な形状で自由に流体経路を設計して形成することはできない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本出願人は、特願２０００−１２６６０８号の特許出願において、粉末２の層の所定箇所に光ビームを照射して結合層６を形成する際に、光ビームＬの照射条件を変えて粉末結合体Ａの密度を部分的に変化させることによって、密度が低い部分で入口と出口を有する流体経路を粉末結合体Ａに形成する技術を提案した。このように三次元造形物の粉末結合体Ａを作製しながら、粉末結合体Ａの内部に流体経路を形成することによって、粉末結合体Ａを作製した後に切削や孔あけ加工を行なう場合のような、流体経路の形状が制限されるようなことがなくなり、最適な形状で自由に流体経路を設計して形成することが可能になるのである。
【０００９】
またこの特願２０００−１２６６０８号の特許出願では、光ビームを照射しない部分で流体経路を形成することによって、流体経路の粉末が溶融結合されないようにし、そしてこの結合されていない粉末を粉末結合体Ａの流体経路から抜き出すことによって、流体経路内を空洞に形成して、流体経路に流体を流す際の流動抵抗を小さくすることができるようにすることも提案されている。
【００１０】
しかしこのように流体経路から粉末を取り除くにあたって、流体経路が短く、単純な形状のものであれば粉末を流体経路から流し出して容易に取り出すことができるが、流体経路が長く、形状が複雑になると粉末を流体経路から流し出すことが困難になって、流体経路から粉末を取り出すことができなくなる。従って、流体経路を最適な形状にするために流体経路の設計を自由に行なうことは難しいものであり、この点がまだ未解決の課題として残されているものである。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、粉末結合体内に形成した流体経路から未結合の粉末を容易に取り出して除くことができる光造型物の製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る光造型物の製造方法は、粉末２の層の所定箇所に光ビームＬを照射して溶融結合させることによって粉末２が結合した結合層６を形成し、この結合層６の上に粉末２の層を被覆すると共にこの粉末の所定箇所に光ビームＬを照射して結合させることによって下の結合層６と一体になった結合層６を形成し、これを繰り返すことによって複数の結合層６が積層一体化された粉末結合体Ａで三次元形状の光造形物を作製するにあたって、粉末２の層に光ビームＬを照射して結合層６を形成する際に部分的に光ビームＬを照射しないで未結合のまま粉末２を残すことによって、未結合の粉末２が連続する部分で粉末結合体Ａ内に流体経路９を形成し、粉末結合体Ａの表面に開口する流体経路９の複数の開口部７，８の一方を蓋１１で塞ぐと共に他方から流体経路９内を加圧し、流体経路９内を高圧にした後に上記の蓋１１を開くことによって、一方の開口部８から流体経路９内の未結合の粉末２を取り除くことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の請求項２に係る光造型物の製造方法は、粉末結合体Ａの表面に開口する開口部７，８から屈曲自在な吸引ホース１２を流体経路９内に入れ、吸引ホース１２の先端から未結合の粉末２を吸引しながら流体経路９内に沿って吸引ホース１２を挿入することによって、流体経路９内の未結合の粉末２を取り除くことを特徴とするものである。
【００１７】
また請求項３の発明は、請求項２において、吸引ホース１２の先端部にブラシ１３を取り付け、流体経路９内の内周をブラシ１３で擦りながら流体経路９内に沿って吸引ホース１２を挿入することを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１９】
粉末結合体Ａは既述の図８〜図１０のようにして、金属粉末など無機質の粉末２、あるいは樹脂粉末など有機質の粉末２を用い、レーザビーム等の光ビームＬを照射することによって、作製することができる。
【００２０】
すなわち、粉末２として金属粉末を用いる場合は、金属粉末２の層に光ビームＬを照射して焼結させることによって、粉末が焼結して結合した結合層６ａを形成し、この結合層６ａの上に金属粉末２の層を被覆すると共にこの金属粉末２に光ビームＬを照射して焼結させることによって下の結合層６ａと一体になった結合層６ｂを形成し、そしてこれを繰り返すことによって、複数の結合層６ａ，６ｂ，６ｃ…を積層一体化させることによって、三次元造形物として粉末結合体Ａを作製することができるものである。ここで、金属粉末２としては例えば平均粒径２０〜３０μｍ程度の鉄粉や、ブロンズとニッケルの混合粉末などを用いることができ、各結合層６ａ，６ｂ，６ｃ…は厚みΔｔ＝０．０２〜０．２ｍｍ程度に形成することができる。また粉末２としては上記のような金属粉末の他に、無機質粉末としてセラミック粉末を用いることができ、金属粉末の場合と同様に光ビームＬを照射して焼結することによって結合層６ａ，６ｂ，６ｃ…を形成することができる。さらに粉末２として樹脂粉末などの有機質粉末を用いる場合は、光ビームＬを照射して粉末２を溶融・固化させることによって、粉末２を結合させた結合層６ａ，６ｂ，６ｃ…を形成することができるものである。
【００２１】
ここで、上記のようにして粉末結合体Ａを作製するにあたっては、まず三次元ＣＡＤによって流体経路９を有する製品モデルを作製する際に、製品モデルの全体から流体経路９を差し引いた図２（ａ）のような構造体モデル１４を作製する。次に、構造体モデル１４の三次元ＣＡＤデータに基づいて、構造体モデル１４を既述の図１０（ｂ）の場合と同様に所定間隔で水平にスライスし、スライスした各層のスライス面の断面データを得ることができる。そしてこのスライス断面データを基にして既述の図８のように粉末２の各層に照射する光ビームＬの走査経路が決定されるものである。
【００２２】
ここで、構造体モデル１４は流体経路９が差し引かれた三次元ＣＡＤデータからなるので、スライス断面データにおいて構造体モデル１４の断面の部分では光ビームＬが照射され、流体経路９の部分は構造体モデル１４の断面の部分ではないので光ビームＬは照射されないようになっている。従って、このスライス断面データによって粉末２の各層に光ビームＬを照射して結合層６ａ〜６ｎからなる粉末結合体Ａを作製するにあたって、図２（ｂ）に示すように、各層６ａ〜６ｎのうち光ビームＬが照射された部分は粉末２は溶融結合しているが、光ビームＬが照射されていない部分は粉末２は結合していず、バラバラの状態のままになっている。そしてこの粉末２が結合していない部分が各結合層６ａ〜６ｎにおいて連続して形成されることによって、この部分が流体経路９となるものである。この流体経路９は少なくとも両端の２箇所は粉末結合体Ａの表面で開口する開口部７，８となっている。流体経路９には２箇所以上の複数箇所に開口部を形成することができるが、流体経路９に流体を流す際の入口と出口となる開口部７，８が流体経路９の両端の２箇所に形成されるのが一般的である。
【００２３】
上記のように作製される粉末結合体Ａにあって、流体経路９内の粉末２は上記のように結合していずバラバラのままである。そこで本発明は、流体経路９から粉末２を取り除くことによって、流体経路９内を空洞に形成し、流体経路９に流体を流す際の流動抵抗を小さくするようにしたものである。
【００２４】
図１（ａ）（ｂ）はそれぞれ参考例の一例を示すものであり、図１（ａ）の実施の形態では、粉末結合体Ａの表面で開口する流体経路９の両端の開口部７，８のうち、一方の開口部７にエアーガン２０を配置し、流体経路９内にエアーガン２０から０．４ＭＰａ以上の圧縮エアーを吹き込むようにしてある。このように流体経路９の一方の開口部７から圧縮エアーを吹き込むことによって、流体経路９内の結合されていない粉末２を圧縮エアーの圧力で押し出して、流体経路９の他方の開口部８から粉末２を吹き出させることができ、流体経路９内の粉末２を開口部８から容易に取り出して除去することができるものである。圧縮エアーの圧力は流体経路９の形状や経路長に応じて変化させる必要があるが、流体経路９の形状や長さがどのようなものであっても、エアー圧で流体経路９内の粉末２を押し出して取り出すことができるものであり、従って、粉末２を取り出すことができる形状や長さに流体経路９が制限されるようなことがなくなり、最適な形状で自由に流体経路を設計して形成することが可能になるものである。そしてこのように粉末２を取り除いて流体経路２内を空洞に形成することによって、流体経路２に冷媒や熱媒などの流体を流動抵抗を小さく流すことができるものである。
【００２５】
図１（ｂ）の実施の形態では、粉末結合体Ａの表面で開口する流体経路９の両端の開口部７，８のうち、一方の開口部８に吸引ノズル２１を配置し、流体経路９内を吸引することができるようにしてある。このように流体経路９内を吸引ノズル２１で吸引することによって、流体経路９内の結合されていない粉末２を吸引して開口部８から吸い出すことができ、流体経路９内の粉末２を開口部８から容易に取り出して除去することができるものである。吸引ノズル２１による吸引力は流体経路９の形状や経路長に応じて変化させる必要があるが、流体経路９の形状や長さがどのようなものであっても、吸引による吸い出しで流体経路９内の粉末２を取り出すことができるものである。
【００２６】
図３は参考例の他の一例を示すものであり、粉末結合体Ａの表面で開口する流体経路９の両端の２箇所の開口部７，８のうち、一方の開口部７にエアーガン２０を配置すると共に他方の開口部８に吸引ノズル２１を配置してある。そして流体経路９内に開口部７からエアーガン２０によって圧縮エアーを吹き込むと同時に開口部８から吸引ノズル２１によって吸引することによって、流体経路９内の結合されていない粉末２を圧縮エアーの圧力で押し出しながら、吸引ノズル２１で吸引して吸い出すことができ、押し出し力と吸引力の相乗作用で短時間で効率良く流体経路９内の粉末２を開口部８から取り出して除去することができるものである。従って、流体経路９の形状が複雑で経路長が長い場合にも、流体経路９内の粉末２を開口部８から容易に除去することができるものである。
【００２７】
図４は参考例の他の一例を示すものであり、流体経路９を形成した粉末結合体Ａを振動装置２２の上に載せ、粉末結合体Ａに振動を与えながら、上記の図１、図２、図３のように、エアーガン２０による圧縮エアーの吹き込みや、吸引ノズル２１からの吸引によって、流体経路９内の結合されていない粉末２を除去するようにしたものである。このように粉末結合体Ａを振動させることによって、流体経路９内の未結合の粉末２が流動し易くなるものであり、流動し易くなっている粉末２をエアーガン２０による圧縮エアーの圧力で容易に押し出したり、吸引ノズル２１によって容易に吸い出したりすることができ、流体経路９内の粉末２を開口部８から効率良く容易に除去することができるものである。
【００２８】
図５は請求項１の発明の実施の形態の一例を示すものであり、流体経路９を形成した粉末結合体Ａを作業台２３の上に載置して粉末２の取り除き操作を行なうようにしてある。すなわち作業台２３には流体ノズル２４がセットされる加圧口２５と、蓋１１が開閉自在に設けられる開閉口２６とが形成してある。蓋１１は作業台２３の下面に上下方向に回動自在に枢支してあって、バネによって上方へ回動付勢してあり、バネの力によって開閉口２６を蓋１１で閉じるようにしてある。そして流体経路９を形成した粉末結合体Ａは、流体経路９の両端に設けた２箇所の開口部７，８のうち、一方の開口部７が加圧口２５に、他方の開口部８が開閉口２６に気密的に合致するように作業台２３の上に載置されるものである。
【００２９】
そして図５（ａ）のように蓋１１で開閉口２６を閉じて、開口部８を密閉した状態で、開口部７から流体ノズル２４によって流体経路９内に流体を圧入して、流体経路９内を加圧する。この流体としては空気、水、油など流動するものであれば何でも良い。このように流体経路９内が加圧されて流体経路９内の圧力が所定の高圧になると、この高圧によって蓋１１が押されて開閉口２６を開口し、流体経路９の開口部８が開放され、図５（ｂ）のように高圧状態の流体経路９内から結合されていない粉末２が一気に開口部８から押し出される。この流体経路９内の加圧と開口部８の開放の操作を繰り返すことによって、流体経路９内の未結合の粉末２を完全に流体経路９から抜き出して除去することができるものである。
【００３０】
図６は請求項２の発明の実施の形態の一例を示すものであり、粉末結合体Ａの表面で開口する流体経路９の両端の開口部７，８のうち、一方の開口部７から流体経路９内に吸引ホース１２を差し込むようにしてある。吸引ホース１２は可撓性を有する材料によって屈曲自在に形成してあり、先端のノズル部から吸引することができるようにしてある。そして吸引ホース１２の先端のノズル部から結合されていない粉末２を吸引しながら、吸引ホース１２を流体経路９内に挿入することによって、流体経路９内の未結合の粉末２を取り出すことができるものであり、流体経路９が屈曲した形状であっても、吸引ホース１２を流体経路９に沿って屈曲させながら流体経路９の奥へ向かって挿入することができるものである。このように吸引ホース１２を一方の開口部７から流体経路９に挿入して、未結合の粉末２を吸引しながら、吸引ホース１２を他方の開口部８にまで送ることによって、流体経路９内の未結合の粉末２を完全に流体経路９から抜き出して除去することができるものである。ここで、流体経路９の屈曲部が曲率半径の大きいアールを有するように形成しておくと、吸引ホース１２をスムーズに挿入して送ることができるものであり、また吸引ホース１２の先端に金属などのカラーを取り付けると、滑り易くなってよりスムーズに挿入することができるものである。このように流体経路９に挿入する吸引ホース１２で未結合の粉末２を吸引するようにすれば、粉末２を飛散させることなく、流体経路９内の未結合の粉末２を取り除くことができるものである。
【００３１】
図７は請求項３の発明の実施の形態の一例を示すものであり、このものでは図６のように流体経路９に挿入する吸引ホース１２で未結合の粉末２を吸引して除去するにあたって、吸引ホース１２として先端部の外周にブラシ１３を設けたものを用いるようにしたものである。ブラシ１３の材質は、粉末２の種類などに応じてナイロン、真鍮、鉄、毛など任意のものを選択することができる。そしてこのものでは、未結合の粉末２を先端のノズル部から吸引しながら流体経路９内に吸引ホース１２を挿入する際に、流体経路９内の内周がブラシ１３で擦られるものであり、流体経路９の内周に付着する未結合の粉末２を擦り落すことができるものである。このように擦り落された粉末２は吸引ホース１２の先端から吸引して除去されるものであり、流体経路９の内周面を滑らかに仕上げることができるものである。
【００３２】
【発明の効果】
上記のように請求項１の発明は、粉末の層の所定箇所に光ビームを照射して溶融結合させることによって粉末が結合した結合層を形成し、この結合層の上に粉末の層を被覆すると共にこの粉末の所定箇所に光ビームを照射して結合させることによって下の結合層と一体になった結合層を形成し、これを繰り返すことによって複数の結合層が積層一体化された粉末結合体で三次元形状の光造形物を作製するにあたって、粉末の層に光ビームを照射して結合層を形成する際に部分的に光ビームを照射しないで未結合のまま粉末を残すことによって、未結合の粉末が連続する部分で粉末結合体内に流体経路を形成し、粉末結合体の表面に開口する流体経路の複数の開口部の一方を蓋で塞ぐと共に他方から流体経路内を加圧し、流体経路内を高圧にした後に上記の蓋を開くことによって、一方の開口部から流体経路内の未結合の粉末を取り除くようにしたので、流体経路内を高圧にした後に蓋を開くと、流体経路内の未結合の粉末が一気に押し出されるものであり、この流体経路内の加圧と蓋を開く操作を繰り返すことによって、流体経路内の未結合の粉末を完全に除去することができるものである。
【００３６】
また請求項２の発明は、粉末結合体の表面に開口する開口部から屈曲自在な吸引ホースを流体経路内に入れ、吸引ホースの先端から未結合の粉末を吸引しながら流体経路内に沿って吸引ホースを挿入することによって、流体経路内の未結合の粉末を取り除くようにしたので、未結合の粉末を吸引しながら吸引ホースを一方の開口部から他方の開口部にまで挿入することによって、粉末を飛散させることなく、流体経路内の粉末を完全に除去することができるものである。
【００３７】
また請求項３の発明は、請求項２において、吸引ホースの先端部にブラシを取り付け、流体経路内の内周をブラシで擦りながら流体経路内に沿って吸引ホースを挿入するようにしたので、流体経路内の未結合の粉末を吸引ホースで吸引する際に、流体経路の内周に付着する未結合の粉末をブラシで擦り落すことができ、流体経路の内周面を滑らかに仕上げることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例の一例を示すものであり、（ａ），（ｂ）はそれぞれ一例の断面図である。
【図２】（ａ）は構造体モデルを示す断面図、（ｂ）は粉末結合体の一部の拡大した断面図である。
【図３】参考例の他の一例を示す断面図である。
【図４】参考例の他の一例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態の一例を示すものであり、（ａ），（ｂ）はそれぞれ断面図である。
【図６】本発明の他の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図７】本発明の他の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図８】粉末結合体の製造の各工程を示すものであり、（ａ）乃至（ｅ）はそれぞれ断面図である。
【図９】同上によって製造された粉末結合体の斜視図である。
【図１０】（ａ）は同上に用いる設計された製品モデル、（ｂ）は製品モデルをスライスした各層を示す斜視図である。
【符号の説明】
２粉末
６結合層
７開口部
８開口部
９流体経路
１１蓋
１２吸引ホース
１３ブラシ

Claims

粉末の層の所定箇所に光ビームを照射して溶融結合させることによって粉末が結合した結合層を形成し、この結合層の上に粉末の層を被覆すると共にこの粉末の所定箇所に光ビームを照射して結合させることによって下の結合層と一体になった結合層を形成し、これを繰り返すことによって複数の結合層が積層一体化された粉末結合体で三次元形状の光造形物を作製するにあたって、粉末の層に光ビームを照射して結合層を形成する際に部分的に光ビームを照射しないで未結合のまま粉末を残すことによって、未結合の粉末が連続する部分で粉末結合体内に流体経路を形成し、粉末結合体の表面に開口する流体経路の複数の開口部の一方を蓋で塞ぐと共に他方から流体経路内を加圧し、流体経路内を高圧にした後に上記の蓋を開くことによって、一方の開口部から流体経路内の未結合の粉末を取り除くことを特徴とする光造型物の製造方法。
粉末の層の所定箇所に光ビームを照射して溶融結合させることによって粉末が結合した結合層を形成し、この結合層の上に粉末の層を被覆すると共にこの粉末の所定箇所に光ビームを照射して結合させることによって下の結合層と一体になった結合層を形成し、これを繰り返すことによって複数の結合層が積層一体化された粉末結合体で三次元形状の光造形物を作製するにあたって、粉末の層に光ビームを照射して結合層を形成する際に部分的に光ビームを照射しないで未結合のまま粉末を残すことによって、未結合の粉末が連続する部分で粉末結合体内に流体経路を形成し、粉末結合体の表面に開口する開口部から屈曲自在な吸引ホースを流体経路内に入れ、吸引ホースの先端から未結合の粉末を吸引しながら流体経路内に沿って吸引ホースを挿入することによって、流体経路内の未結合の粉末を取り除くことを特徴とする光造型物の製造方法。
吸引ホースの先端部にブラシを取り付け、流体経路内の内周をブラシで擦りながら流体経路内に沿って吸引ホースを挿入することを特徴とする請求項２に記載の光造型物の製造方法。