JP6229155B2

JP6229155B2 - 三次元形状造形物の製造方法

Info

Publication number: JP6229155B2
Application number: JP2013208016A
Authority: JP
Inventors: 康介山内; 収請川; 健太郎小谷; 惠二花田; 義和小間
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-10-03
Filing date: 2013-10-03
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2033-10-03
Also published as: WO2015049875A1; JP2015071257A

Description

本発明は、三次元形状造形物の製造方法に使用される光ビームを照射して溶融層を形成し、この溶融層を積み重ねて三次元形状を有する造形物を製造する方法に関するものであ
る。

従来、この種の三次元形状造形物は、無機質粉体（金属）や有機質粉体（樹脂）に対して、例えば指向性エネルギービーム、レーザビームを照射して溶融固化させ、その硬化層を積層して三次元形状造形物を製造されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、その三次元形状造形物（以降、三次元形状造形物は、造形物として記す。）の製造方法について、図８〜図１１を参照しながら説明する。

図８に示すように、造形物１０１は、レーザビームを照射して、粉末材料を溶融固化し、造形物を形成する。造形物１０１は、ベースプレート１０２に密着され、一体の構造物として形成される。

また、図９に示すように、前記レーザビームを照射して、粉末材料を溶融固化した硬化領域１０３と、レーザビームを照射しない非硬化領域１０４を、ベースプレート１０５上に造形する。所定の造形物を製作完了後、ベースプレート１０５に設けた少なくとも１個以上の粉末材料の材料回収孔１０６により、粉末材料を回収させ、粉末材料の使用量を削減する。

しかし、図９に示す造形物を製作する過程において、図１０（ａ）に示すように、造形物の下層に硬化領域１０３が存在せず、非硬化領域１０４をレーザビームにて照射して溶融固化層として、最上部の硬化領域１０７を形成した場合、図１０（ｂ）に示すように次の上層の粉末材料をスキージングブレード１０８にて被覆する際に、そのスキージングブレード１０８の抵抗により、最上部の硬化領域１０７を破損させてしまい、造形物の破損物１０９として残る。

従って、通常は、図１１（ａ）に示すように硬化領域１１１内に、非硬化領域１１２を円錐状に形成しており、造形物製作時、非硬化領域１１２からなる各層が、上層に近づくにつれて非硬化領域１１２が減少されるように製作されているが、各円錐状ごとに粉末材料を回収するために、ベースプレート１１３に粉末材料の回収穴１１４が必要である。また、非硬化領域が多すぎると、造形強度が低下してしまう。（例えば、特許文献１参照）

特開２００２−２４９８０５号公報

このような従来の造形工法においては、造形物を中空化する場合、粉末材料を回収するのが困難であり、中空化と強度は相反するものとなっていたので、中空化すればするほど、造形強度の確保が難しく、安定した造形も困難であるという課題を有していた。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、中空化しても、強度を確保し、材料回収を可能にした造形物を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明は、無機質あるいは有機質からなる粉末の層の所定箇所に光ビームを照射して前記粉末を溶融させた後硬化させる硬化層を形成し、
この硬化層上に前記粉末の層を被覆するとともにこの粉末の所定箇所に光ビームを照射して溶融させた後硬化させることによって下の硬化層と一体になった硬化層を形成し、これを繰り返すことによって複数の硬化層が積層一体化される三次元形状造形物の製造方法において、
前記粉末の層は、回収孔を備えたベースプレート上に形成され、前記粉末の複数の層において光ビームを照射して溶融させた後硬化させる硬化領域と光ビームを照射しない非硬化領域とを設け、前記硬化領域の少なくとも一部は、中空の球または多面体の集合体より構成され、前記球または多面体は積層方向に重なり部を有するとともに、中空の球または多面体に前記非硬化領域の前記粉末の通り抜けができる貫通孔を設け、前記貫通孔を通り抜けた前記粉末は、前記回収孔を通って回収されるものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、無機質あるいは有機質からなる粉末の層の所定箇所に光ビームを照射して前記粉末を溶融させた後硬化させる硬化層を形成し、この硬化層上に前記粉末の層を被覆するとともにこの粉末の所定箇所に光ビームを照射して溶融させた後硬化させることによって下の硬化層と一体になった硬化層を形成し、これを繰り返すことによって複数の硬化層が積層一体化される三次元形状造形物の製造方法において、前記粉末の層は、回収孔を備えたベースプレート上に形成され、前記粉末の複数の層において光ビームを照射して溶融させた後硬化させる硬化領域と光ビームを照射しない非硬化領域とを設け、前記硬化領域の少なくとも一部は、中空の球または多面体の集合体より構成され、前記球または多面体は積層方向に重なり部を有するとともに、中空の球または多面体に前記非硬化領域の前記粉末の通り抜けができる貫通孔を設け、前記貫通孔を通り抜けた前記粉末は、前記回収孔を通って回収されるという構成にしたことにより、造形内部を中空化にし、かつ造形強度、材料回収が可能となるので、通常の造形物に対して、材料費の削減、加工時間の短縮、反り低減等の造形品質向上という効果を得ることができる。

（ａ）本発明の実施の形態１の中空造形形状の断面を示す構成図、（ｂ）同中空球一部側面図（ａ）同中空造形部分斜視図、（ｂ）同中空球一部斜視図、（ｃ）同中空球一部平面図同中空造形形状のＡ断面を示す構成図（ａ）同中空造形形状のＢ断面を示す構成図、（ｂ）同中空造形形状の球内部の材料回収の流れ図（ａ）同中空造形形状のＣ断面を示す構成図、（ｂ）同中空造形形状の球外部の材料回収の流れ図（ａ）同中空球における強度向上のリブ形状を示す斜視図、（ｂ）同中空球における強度向上によるリブ形状の断面を示す構成図（ａ）本発明の実施の形態２の中空造形形状の断面を示す構成図、（ｂ）同球径の異なる中空造形形状の断面を示す構成図、（ｃ）同球径の小さい中空造形形状の断面を示す構成図従来の三次元形状造形物（非硬化領域を含まない）の概要図従来の三次元形状造形物（非硬化領域を含む）の概要図（ａ）従来の三次元形状造形物のスキージング前の断面を示す構成図、（ｂ）従来の三次元形状造形物のスキージング中の断面を示す構成図（ａ）従来の三次元形状造形物の硬化領域と非硬化領域の構成図、（ｂ）従来の三次元形状造形物の非硬化領域の構成図

本発明の請求項１記載の無機質あるいは有機質からなる粉末の層の所定箇所に光ビームを照射して前記粉末を溶融させた後硬化させる硬化層を形成し、この硬化層上に前記粉末の層を被覆するとともにこの粉末の所定箇所に光ビームを照射して溶融させた後硬化させることによって下の硬化層と一体になった硬化層を形成し、これを繰り返すことによって複数の硬化層が積層一体化される三次元形状造形物の製造方法において、前記粉末の層は、回収孔を備えたベースプレート上に形成され、前記粉末の複数の層において光ビームを照射して溶融させた後硬化させる硬化領域と光ビームを照射しない非硬化領域とを設け、前記硬化領域の少なくとも一部は、中空の球または多面体の集合体より構成され、前記球または多面体は積層方向に重なり部を有するとともに、中空の球または多面体に前記非硬化領域の前記粉末の通り抜けができる貫通孔を設け、前記貫通孔を通り抜けた前記粉末は、前記回収孔を通って回収されるという構成を有する。これにより、造形内部を中空化にし、かつ造形強度、材料回収が可能となるので、材料費の削減、加工時間の短縮、反り低減等の造形品質向上という効果を奏する。

また、非硬化領域の中空の球または多面体は、同一サイズの球または多面体だけでなく、大小異なる球または多面体の集合体という構成にしてもよい。これにより、複雑な三次元形状造形物においても、より効果的に中空化を行うことができ、材料費の削減、加工時間の短縮、反り低減等の造形品質向上という効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１（ａ）に示すように、本発明の製造方法により得られた三次元形状造形物１は、造形用のベースプレート２上に形成した、無機質あるいは有機質からなる粉末の層の所定箇所に光ビームを照射して前記粉末を溶融させた後硬化させる硬化層を形成し、この硬化層上に前記粉末の層を被覆するとともにこの粉末の所定箇所に光ビームを照射して溶融させた後硬化させることによって下の硬化層と一体になった硬化層を形成し、これを繰り返すことによって複数の硬化層を積層一体化して製造される。

すなわち、粉末の複数の層において光ビームを照射して溶融させた後硬化させる硬化領域３と光ビームを照射しない非硬化領域４とを設け、硬化領域３は、中空球３ａの集合体と外郭３ｂより構成され、非硬化領域４は中空球３ａ内の中空部４ａと隣り合う中空球３ａの隙間４ｂにより構成されている。

図１（ｂ）に示すように、各層の中空球３ａは側面視の積層方向に重なり部５を有するとともに、中空球３ａの上下に非硬化領域の粉末の通り抜けができる貫通孔６、造形用のベースプレート２に回収孔７を設けている。

ここで、無機質からなる粉末とは、金属粉末材料のことである。

また図２（ａ）は、硬化領域３の中空球３ａのみの斜視図を示している。

図２（ａ）に示すように、複数の中空球３ａが縦横に並び、最大１２個の中空球３ａに接触し密着することで三次元形状造形物１の強度確保を有している。

図２（ｂ）は図２（ａ）の一部拡大斜視図、図２（ｃ）はその平面図である。図２（ｂ）、（ｃ）から、中空球３ａは上下で各３個の中空球３ａと接触している。

また、図３は、図２（ａ）のＡ断面での中空球３ａの配列を表している。この図３から外周部以外に配置された中空球３ａは、各周囲に６個で囲まれており、密着している。

この図２、図３から、中空球３ａは上下で各３個、水平方向の周囲の６個と接触しており、上述のように最大１２個に接触している。

次に、図４、図５を用いて、粉末の回収について説明する。

図４（ａ）は、図２（ａ）のＢ断面であり、中空球の中心の断面図を示している。図４（ｂ）に示すように、中空球３ａ内の非硬化領域の材料は、実線で示すような、中空球３ａの下部に設けた貫通孔６から中空球３ａ外へ排出され、一層下の中空球３ａの上部に設けた貫通孔６から中空球３ａ内へ入り、再度中空球３ａの下部に設けた貫通孔６から中空球３ａ外へ排出され、造形用のベースプレート２の回収孔７を通り、回収されます。

また、中空球３ａの下部に設けた貫通孔６から中空球３ａ外へ排出された非硬化領域の材料の一部は、破線で示すようにそのまま中空球３ａ外表面に沿って水平方向に移動しながら最下層まで落下し、造形用のベースプレート２の回収孔７を通り、回収されます。

図５（ａ）は、図２（ａ）のＣ断面であり、中空球同士の接触部での断面図を示している。図５（ｂ）に示すように、中空球３ａの外部の非硬化領域の材料は、図４と同様に、実線と破線で示すように、中空球の外部または中空球の内部を通り、最下層まで落下し、造形用のベースプレート２の回収孔７を通り、回収されます。

ここで、図４、５では、造形用のベースプレート２の回収孔７へ直接落ちるそれぞれ２経路を説明したが、回収孔７へ直接落ちない他の経路もあるが、最下層の中空球３ａと造形用のベースプレート２の間には、連続した空間が形成されており、さらに中空球３ａの上下に貫通孔６を設けているため、２個の回収孔７で、非硬化領域の材料を回収することができる。

また、実際には、三次元形状造形物１を傾けたり揺動させたりして非硬化領域の材料を回収しており、貫通孔６は必ずしも中空球３ａの上下に設けられる必要性はなく、中空球３ａ内の非硬化領域の材料が傾けたり揺動させたりして中空球３ａ外へ排出できればよい。

また、回収孔７の数については、多くすれば回収時間を短縮可能であるが、造形用のベースプレート２には金型を構成するための部品、例えば、傾斜ピン、エジェクタピン等の配置するためのスペースが必要であるため、あまり多く配置することはできず、２〜４個が好ましい。同じ理由で、回収孔７の孔径についても、あまり大きくすることはできず、１０ｍｍ前後が好ましい。

また、中空球３ａの強度向上のため、図６（ａ）に示すように内壁面に複数のリブ８をつけてもよい。図６（ｂ）では、４個設けたが、３個以上が好ましく、材料や粉の回収からは、少ない方がよい。

以上のように、本発明の製造方法により得られた三次元形状造形物１は、複数の球形状が縦横に並び、密着することで強度確保を有しているので、造形内部を中空化しても、造形強度が確保でき、粉末材料の回収が可能となるので、通常の造形物に対して、材料費の削減、加工時間の短縮、反り低減等の造形品質向上という効果を奏する。

なお、本実施形態では、中空形状を球で説明したが、２０面体以上の多面体構造でも、同様の効果を奏する。また、その他の形状として、ハニカム構造があるが、ハニカム構造は、筒形状であり、筒内部の高さ方向に硬化領域を形成できないため、筒径のサイズに制
約が生じ、大きな筒径のハニカム形状は形成できない欠点がある。これに対し、球または２０面体以上の多面体構造による中空化形状は、高さ方向に複数の球または２０面以上の多面体が存在し、硬化領域を形成できるため、ハニカム形状より大きな径でも形成でき、造形強度の向上および造形の形状に応じて、中空化形状のサイズ変更、または配置しやすい利点がある。

また、造形物の外郭３ｂは金型には必要であるが、金型以外の三次元形状造形物によっては不要の場合もある。

（実施の形態２）
図７（ａ），（ｂ）、（ｃ）でより強度確保が必要な場合の構成について説明する。

図７（ａ）は、右半分の造形物の強度確保が必要な場合、例えば右半分に金型を構成する傾斜ピン、エジェクタピンを配置し、その周囲に硬化領域１１を設ける場合で、左半分のみ中空球を含む非硬化領域１２で構成している例である。

同様に図７（ｂ）は、球径の異なる中空球から構成している例で、例えば、右半分に製品形状にボス、リブ等が密集している場合に球径の小さい中空球で構成し、強度を確保している。

図７（ｃ）は、中空球の球径を全て小さくして造形全体の強度を向上させている例である。

なお実施の形態において、図７（ａ），（ｂ）、（ｃ）のそれぞれの球の集合体を混合させても良く、以上の構成により、部分的または全体的に強度向上が行えるという効果を奏する。

本発明にかかる三次元造形物の製造方法は、通常の造形物に対して、材料費の削減、加工時間の短縮、反り低減等の造形品質向上を可能とするものであるので、金型製作、部品製作のスピード加工に使用される金型の入れ子製作等として有用である。

１三次元形状造形物
２ベースプレート
３、１１硬化領域
３ａ中空球
３ｂ外郭
４、１２非硬化領域
４ｂ隙間
５重なり部
６貫通孔
７回収孔

Claims

無機質あるいは有機質からなる粉末の層の所定箇所に光ビームを照射して前記粉末を溶融させた後硬化させる硬化層を形成し、
この硬化層上に前記粉末の層を被覆するとともにこの粉末の所定箇所に光ビームを照射して溶融させた後硬化させることによって下の硬化層と一体になった硬化層を形成し、
これを繰り返すことによって複数の硬化層が積層一体化される三次元形状造形物の製造方法において、
前記粉末の層は、回収孔を備えたベースプレート上に形成され、
前記粉末の複数の層において光ビームを照射して溶融させた後硬化させる硬化領域と光ビームを照射しない非硬化領域とを設け、
前記硬化領域の少なくとも一部は、中空の球または多面体の集合体より構成され、
前記球または多面体は積層方向に重なり部を有するとともに、中空の球または多面体に前記非硬化領域の前記粉末の通り抜けができる貫通孔を設け、
前記貫通孔を通り抜けた前記粉末は、前記回収孔を通って回収されることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
前記非硬化領域の中空の球または多面体は、同一サイズの球または多面体だけでなく、大小異なる球または多面体の集合体である請求項１記載の三次元形状造形物の製造方法。