JP7567372B2

JP7567372B2 - 三次元造形装置

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Publication number: JP7567372B2
Application number: JP2020182320A
Authority: JP
Inventors: 武宮下
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2024-10-16
Anticipated expiration: 2040-10-30
Also published as: US20220134432A1; CN114433875A; JP2022072723A

Description

本発明は、三次元造形装置に関する。

三次元造形物を造形する三次元造形装置が知られている。

例えば特許文献１には、造形用プレートに金属粉末と溶剤と粘着増進材とを有する材料を供給し、レーザー光を照射することで三次元造形物を製造する方法が記載されている。

特開２００８－１８４６２２号公報

しかしながら、上記のように金属粉末および粘着増進材を含む材料にレーザー光を照射すると、レーザー光によって金属粉末が溶融または焼結する前に、沸点の低い粘着増進材が先に気化し、金属粉末を飛散させてしまう場合がある。金属粉末が飛散すると、三次元造形物の厚さがばらつくなど造形精度が低下する。

本発明に係る三次元造形装置の一態様は、
ステージと、
無機粉末およびバインダーを含む材料を供給する材料供給手段と、
移動手段と、
レーザーと、
制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記材料供給手段を制御して前記ステージ上に前記材料を供給する処理と、
前記レーザーを制御して、前記ステージ上の前記材料に、エネルギー密度が１４０Ｊ／ｍｍ^３以上のレーザー光を照射する処理を行う。

本実施形態に係る三次元造形装置を模式的に示す断面図。本実施形態に係る三次元造形装置の制御部の処理を説明するためのフローチャート。本実施形態に係る三次元造形装置で製造される三次元造形物の製造工程を模式的に示す断面図。本実施形態に係る三次元造形装置で製造される三次元造形物の製造工程を模式的に示す断面図。レーザー光のエネルギー密度と、造形層の残膜率および表面粗さＳｚと、の関係を示す表。レーザー光のエネルギー密度と、造形層の残膜率と、の関係を示すグラフ。レーザー光のエネルギー密度と、造形層の表面粗さＳｚと、の関係を示すグラフ。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．三次元造形装置
１．１．全体の構成
まず、本実施形態に係る三次元造形装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る三次元造形装置１００を模式的に示す断面図である。なお、図１では、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を示している。Ｘ軸方向およびＹ軸方向は、例えば、水平方向である。Ｚ軸方向は、例えば、鉛直方向である。

三次元造形装置１００は、図１に示すように、例えば、造形ユニット１０と、ステージ２０と、移動手段３０と、制御部４０と、を含む。

造形ユニット１０は、例えば、支持部材１１０と、材料供給手段１２０と、レーザー１３０と、を含む。

支持部材１１０は、例えば、板状の部材である。支持部材１１０は、材料供給手段１２０およびレーザー１３０を支持している。

材料供給手段１２０は、ステージ２０上に材料を供給する。供給される材料については、後述する。材料供給手段１２０は、例えば、材料導入部１２１と、モーター１２２と、フラットスクリュー１２３と、バレル１２４と、ヒーター１２５と、ノズル１２６と、を有している。

材料供給手段１２０の材料導入部１２１は、フラットスクリュー１２３のバレル１２４側の面に設けられた溝１２３ａに材料を導入する。溝１２３ａに導入される材料は、例えば、粉末状である。フラットスクリュー１２３は、モーター１２２によって回転させる。ヒーター１２５は、バレル１２４に設けられている。ヒーター１２５の熱によって、材料は、溝１２３ａにおいて可塑化される。可塑化された材料は、バレル１２４に設けられた連通孔１２４ａを通って、ノズル１２６からステージ２０に向かって吐出される。吐出された材料は、ステージ２０において流動性を失った状態となる。

レーザー１３０は、ステージ２０上の材料にレーザー光を照射する。レーザーは、例えば、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザー、ファイバーレーザー、ＵＶ（ultraviolet）レーザーなどである。

レーザー光は、角トップハット形状を有する。角トップハット形状を有するレーザー光は、ガウシアン形状を有するレーザー光に比べて、均一性の高いフラットトップと急峻な境界特性とを有している。

ステージ２０は、造形ユニット１０の下方に設けられている。ステージ２０上には、材料が供給され、三次元造形物が形成される。

移動手段３０は、造形ユニット１０とステージ２０との相対的な位置を変化させる。移動手段３０は、例えば、ステージ２０と材料供給手段１２０との相対的な位置、およびステージ２０とレーザー１３０との相対的な位置を、同時に変化させる。図示の例では、ステージ２０は、固定されており、移動手段３０は、ステージ２０に対して、造形ユニット
１０を移動させる。これにより、ステージ２０と、材料供給手段１２０およびレーザー１３０と、の相対的な位置を変化させることができる。図示の例では、移動手段３０は、支持部材１１０に接続されており、支持部材１１０を移動させることにより、造形ユニット１０を移動させる。

移動手段３０は、例えば、図示しない３つのモーターの駆動力によって、造形ユニット１０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向に移動させる３軸ポジショナーによって構成される。移動手段３０のモーターは、制御部４０によって制御される。

なお、移動手段３０は、造形ユニット１０を移動させずに、ステージ２０を移動させる構成であってもよい。この場合、移動手段３０は、ステージ２０に接続されている。または、移動手段３０は、造形ユニット１０およびステージ２０の両方を移動させる構成であってもよい。この場合、移動手段３０は、造形ユニット１０およびステージ２０の両方に接続されている。

制御部４０は、例えば、プロセッサーと、主記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェースと、を有するコンピューターによって構成されている。制御部４０は、例えば、主記憶装置に読み込んだプログラムをプロセッサーが実行することによって、種々の機能を発揮する。制御部４０は、造形ユニット１０および移動手段３０を制御する。制御部４０の具体的な処理は、後述する。なお、制御部４０は、コンピューターではなく、複数の回路の組み合わせによって構成されてもよい。

１．２．材料
材料供給手段１２０によってステージ２０上に供給される材料は、無機粉末およびバインダーを含む。無機粉末の材質は、例えば、金属、セラミックである。材料供給手段１２０によって供給される材料は、金属粉末とセラミック粉末との両方を含んでいてもよい。

金属としては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単一の金属、もしくはこれらの金属を１つ以上含む合金、また、マルエージング鋼、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金が挙げられる。

セラミックとしては、例えば、二酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物セラミックスや、窒化アルミニウムなどの非酸化物セラミックスなどが挙げられる。

バインダーとしては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）などの合成樹脂が挙げられる。バインダーは、レーザーが照射される前の状態において、無機粉末同士を結着させる。バインダーは、例えば、レーザー光の照射によって気化される。

ノズル１２６から吐出される材料におけるバインダーの含有量は、例えば、６質量％以上９質量％以下であり、好ましくは７．５質量％以上８．５質量％以下である。バインダーの含有量が６質量％以上であれば、材料の潤滑性を高くすることができ、ノズル１２６から材料を吐出することができる。バインダーの含有量が９質量％以下であれば、低コスト化を図ることができる。なお、ノズル１２６から吐出される材料とは、レーザー光によって照射される前の材料である。

１．３．制御部の処理
制御部４０は、移動手段３０、材料供給手段１２０、およびレーザー１３０を制御する。図２は、制御部４０の処理を説明するためのフローチャートである。図３および図４は、三次元造形装置１００で製造される三次元造形物の製造工程を模式的に示す断面図である。

ユーザーは、例えば、図示せぬ操作部を操作して、制御部４０に処理開始信号を送信する。操作部は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネルなどによって実現される。制御部４０は、処理開始信号を受けると、図２に示すように、処理を開始する。

まず、制御部４０は、造形データを取得する処理を行う（ステップＳ１）。造形データは、三次元造形物を造形するための造形データである。造形データは、造形される三次元造形物の形状、大きさ、および材質などに関する情報を含む。以下に示す制御部４０の処理は、造形データに基づいて行われる。造形データは、例えば、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターにインストールされたスライサーソフトによって生成される。制御部４０は、三次元造形装置１００に接続されたコンピューターや、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリーなどの記録媒体から造形データを取得する。

次に、制御部４０は、移動手段３０を制御してステージ２０に対して造形ユニット１０を移動させながら、図３に示すように、材料供給手段１２０を制御して、ステージ２０上に材料５０を供給する処理を行う（ステップＳ２）。

ステップＳ２では、制御部４０は、ステージ２０の第１領域２２に材料５０を供給し、ステージ２０の第２領域２４には材料５０を供給しない。すなわち、制御部４０は、第１領域２２にのみ材料５０を供給する。第２領域２４は、第１領域２２と異なる領域である。第２領域２４は、例えば、Ｚ軸方向からみて、第１領域２２を囲んでいる。

次に、制御部４０は、移動手段３０を制御してステージ２０に対し造形ユニット１０を移動させながら、図４に示すように、レーザー１３０を制御してステージ２０上の材料５０にレーザー光を照射する処理を行う（ステップＳ３）。材料５０にレーザー光を照射することにより、材料５０は、焼結または溶融され、平坦性の高い造形層５２を形成することができる。

ステップＳ３では、制御部４０は、ステージ２０上の材料５０に、エネルギー密度が１４０Ｊ／ｍｍ^３以上のレーザー光を照射する処理を行う。レーザー光のエネルギー密度が１４０Ｊ／ｍｍ^３以上であれば、後述する実験例のように、残膜率を大きくすることができ、無機粉末の飛散を抑制することができる。このように、三次元造形装置１００では、エネルギー密度が１４０Ｊ／ｍｍ^３以上のレーザー光を照射して、三次元造形物を造形する。レーザー光のエネルギー密度は、好ましくは１４５Ｊ／ｍｍ^３以上である。

ステップＳ３において、レーザー光の照射は、材料５０に含まれる無機粉末の沸点を超えないようなエネルギー密度で行われる。無機粉末の沸点を超えるようなエネルギー密度でレーザー光を照射すると、無機粉末が気化して、無機粉末の量が少なくなってしまう。レーザー光のエネルギー密度は、例えば、５００Ｊ／ｍｍ^３以下であり、好ましくは４００Ｊ／ｍｍ^３以下であり、より好ましくは３５０Ｊ／ｍｍ^３以下である。レーザー光のエネルギー密度は、例えば、５００Ｊ／ｍｍ^３以下であれば、省エネルギー化を図ることができる。

ステップＳ３では、制御部４０は、式（１）に示される関係式により制御を行う。例えば塗布厚ｄを１００μｍ、レーザー光の出力Ｐｗを５００Ｗ、レーザー光のビーム幅Ｄｂを２００μｍと設定した場合、制御部４０は、レーザー光のスキャン速度Ｓをおよそ１８
０ｍｍ／ｓｅｃ以下、エネルギー密度Ｅｇを１４０Ｊ／ｍｍ^３以上となるように制御する。

Ｅｇ＝Ｐｗ／（Ｄｂ×Ｓ×ｄ）・・・・・（１）

次に、制御部４０は、取得した造形データに基づいて、造形層５２の積層数が所定数になったか否か判定する処理を行う（ステップＳ４）。造形層５２の積層数が所定数になっていないと判定した場合（ステップＳ４で「ＮＯ」の場合）、制御部４０は、ステップＳ２に戻り、造形層５２の積層数が所定数になるまで、ステップＳ２およびステップＳ３を繰り返す。造形層５２の積層数が所定数になったと判定した場合（ステップＳ４で「ＹＥＳ」の場合）、制御部４０は、処理を終了する。

１．４．作用効果
三次元造形装置１００では、制御部４０は、材料供給手段１２０を制御して、ステージ２０上に材料５０を供給する処理と、レーザー１３０を制御して、ステージ２０上の材料５０に、エネルギー密度が１４０Ｊ／ｍｍ^３以上のレーザー光を照射する処理を行う。そのため、三次元造形装置１００では、後述する実験例のように、造形層５２の残膜率を大きくすることができ、無機粉末の飛散を抑制することができる。これにより、三次元造形物の厚さの安定化を図ることができる。

三次元造形装置１００では、材料供給手段１２０は、材料５０を吐出するノズル１２６を有し、レーザー光が照射される前の材料５０におけるバインダーの含有量は、６質量％以上９質量％以下である。そのため、三次元造形装置１００では、低コスト化を図りつつ、ノズル１２６から材料５０を吐出させることができる。

三次元造形装置１００では、レーザー光は、角トップハット形状を有する。そのため、三次元造形装置１００では、後述する実験例のように、レーザー光がガウシアン形状を有する場合に比べて、造形層５２の表面粗さ（最大高さ）Ｓｚを小さくすることができる。

三次元造形装置１００では、制御部４０は、材料５０を供給する処理において、ステージ２０の第１領域２２に材料５０を供給し、ステージ２０の第１領域２２と異なる第２領域２４に材料５０を供給しない。例えば、材料供給手段としてホッパーを用い、ステージの全面に材料を供給するＰＢＦ（粉末床溶融結合）方式では、無機粉末の飛散が生じて第１造形層の厚さがばらついたとしても、第１造形層の上に形成する第２造形層の材料供給において厚さの均一化を図ることができる。一方、材料供給手段がノズルを有するＦＤＭ（熱溶解積層方式）やＰＩＪ（ペーストインクジェット）方式では、ステージ上に選択的に材料を供給するため、第１造形層で厚さがばらついた場合、第２造形層の材料供給において、厚さのばらつきを回復させることは難しい。したがって、三次元造形装置１００は、ステージ２０の第１領域２２に材料５０を供給し、第２領域２４に材料５０を供給しない場合において、高い効果を有することができる。

なお、上記の例では、ステージ２０と、材料供給手段１２０およびレーザー１３０と、の相対的な位置を同時に変化させることができる例について説明したが、材料供給手段１２０とレーザー１３０とは、別々に移動される構成であってもよい。また、レーザー１３０は、固定されており、ガルバノミラーを用いてレーザー光を移動させてもよい。この場合、ガルバノミラーは、制御部４０によって制御される。

また、上記の例では、フラットスクリュー１２３を用いた例について説明したが、フラットスクリュー１２３の代わりにインラインスクリューまたはＦＤＭ方式のヘッドを用いてもよい。

２．実験例
無機粉末としてＳＵＳ６３０の粉末と、バインダーとしてＰＶＡと、を含む材料を用意した。材料におけるＰＶＡの含有量を、８質量％とした。この材料をノズルからステージ上に供給し、レーザー光を照射した。レーザー光として、角トップハット形状のものと、ガウシアン形状のものと、の２種類を用いた。レーザー光のビーム幅、出力、およびスキャン速度を調整することにより、照射エネルギー密度を振った。

図５は、レーザー光のエネルギー密度と、造形層の残膜率および表面粗さＳｚと、の関係を示す表である。図６は、レーザー光のエネルギー密度と、造形層の残膜率と、の関係を示すグラフである。図７は、レーザー光のエネルギー密度と、造形層の表面粗さＳｚと、の関係を示すグラフである。図６および図７は、図５に示す値をプロットしたものである。なお、表面粗さＳｚは、ＫＥＹＥＮＣＥ製ワンショット３Ｄ形状測定機ＶＲ３２００によって測定した。

図５において、残膜率は、グリーン体の厚さに対するバルク体の厚さの比である。グリーン体とは、ステージに供給された材料であって、レーザー光によって照射される前の状態の材料である。バルク体とは、ステージに供給された材料であって、レーザー光によって照射された後の状態の材料である。

図５および図６に示すように、レーザー光のエネルギー密度が１４０Ｊ／ｍｍ^３以上であれば、残膜率が４０％程度となった。ここで、グリーン体におけるＳＵＳ粉末の含有量は、３８．４体積％であった。そのため、残膜率が４０％程度であれば、レーザー光の照射によるＳＵＳ粉末の飛散が起きていないといえる。図６では、残膜率の３８．４％を破線で示している。なお、残膜率が３８．４体積％を超えているものは、誤差である。レーザー光のエネルギー密度が小さいと、ＰＶＡが気化する際の体積膨張によってＳＵＳ粉末が飛散してしまうため、残膜率が小さくなってしまう。

図５および図６に示すように、レーザー光が角トップハット形状を有する場合は、ガウシアン形状を有する場合に比べて、エネルギー密度が小さくても、残膜率が４０％程度となった。また、図５および図７に示すように、レーザー光が角トップハット形状を有する場合は、ガウシアン形状を有する場合に比べて、表面粗さＳｚが小さかった。レーザー光がガウシアン形状を有する場合は、角トップハット形状を有する場合に比べて、局所的に高温となる。そのため、ＳＵＳ粉末の飛散が起きやすく、表面粗さＳｚが大きくなる。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成、例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

上述した実施形態から以下の内容が導き出される。

三次元造形装置の一態様は、
ステージと、
無機粉末およびバインダーを含む材料を供給する材料供給手段と、
レーザーと、
制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記材料供給手段を制御して、前記ステージ上に前記材料を供給する処理と、
前記レーザーを制御して、前記ステージ上の前記材料に、エネルギー密度が１４０Ｊ／ｍｍ^３以上のレーザー光を照射する処理を行う。

この三次元造形装置によれば、無機粉末の飛散を抑制することができる。

前記三次元造形装置の一態様において、
前記材料供給手段は、前記材料を吐出するノズルを有し、
前記レーザー光が照射される前の前記材料における前記バインダーの含有量は、６質量％以上９質量％以下であってもよい。

この三次元造形装置によれば、低コスト化を図りつつ、ノズルから材料を吐出させることができる。

前記三次元造形装置の一態様において、
前記レーザー光は、角トップハット形状を有してもよい。

この三次元造形装置によれば、レーザー光がガウシアン形状を有する場合に比べて、造形層の表面粗さＳｚを小さくすることができる。

前記三次元造形装置の一態様において、
前記制御部は、前記材料を供給する処理において、前記ステージの第１領域に前記材料を供給し、前記ステージの前記第１領域と異なる第２領域に前記材料を供給しなくてもよい。

１０…造形ユニット、２０…ステージ、２２…第１領域、２４…第２領域、３０…移動手段、４０…制御部、５０…材料、５２…造形層、１００…三次元造形装置、１１０…支持部材、１２０…材料供給手段、１２１…材料導入部、１２２…モーター、１２３…フラットスクリュー、１２３ａ…溝、１２４…バレル、１２４ａ…連通孔、１２５…ヒーター、１２６…ノズル、１３０…レーザー

Claims

ステージと、
無機粉末およびバインダーを含む材料を供給する材料供給手段と、
レーザーと、
制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記材料供給手段を制御して、前記ステージ上に前記材料を供給する処理と、
前記レーザーを制御して、前記ステージ上の前記材料に、エネルギー密度が１４０Ｊ／ｍｍ^３以上５００Ｊ／ｍｍ ^３以下のレーザー光を照射する処理を行い、
前記材料供給手段は、前記材料を吐出するノズルを有し、
前記レーザー光が照射される前の前記材料における前記バインダーの含有量は、６質量％以上９質量％以下である、三次元造形装置。
請求項１において、
前記レーザー光は、角トップハット形状の形状を有する、三次元造形装置。
請求項１または２において、
前記制御部は、前記材料を供給する処理において、前記ステージの第１領域に前記材料を供給し、前記ステージの前記第１領域と異なる第２領域に前記材料を供給しない、三次元造形装置。