JP7806412B2 - Method for manufacturing a shaped body and shaping apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、造形体の製造方法、および、造形装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a shaped object and a shaping apparatus.
従来から、金属を含んだ造形層を積層させて造形体を製造する造形体の製造方法が知られている(例えば、特許文献1、2)。一般的に、積層される造形層は、レーザ光の集光点に供給されることで溶融する金属粉末を凝固させることで形成される。 Methods for manufacturing a shaped body by stacking metal-containing shaping layers have been known for some time (see, for example, Patent Documents 1 and 2). Generally, the stacked shaping layers are formed by solidifying metal powder that is melted by supplying it to the focal point of a laser beam.
しかしながら、異なる種類の造形層を積層させて造形体を形成する場合、造形層の熱膨張係数の違いによってクラックが発生するおそれがある。クラックが発生すると、造形体の強度が低下する。この問題は、上記先行技術によっても解決することは困難であった。 However, when forming a model by stacking different types of modeling layers, there is a risk of cracks occurring due to differences in the thermal expansion coefficients of the modeling layers. When cracks occur, the strength of the model decreases. This problem has been difficult to solve even with the above-mentioned prior art.
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、造形体の製造方法において、造形体の強度低下を抑制する技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a technology for suppressing a decrease in the strength of a shaped body in a manufacturing method for the shaped body.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve at least some of the above-mentioned problems, and can be realized in the following forms.
(1)本発明の一形態によれば、金属を含んだ造形層を積層させて造形体を製造する造形体の製造方法が提供される。この造形体の製造方法は、第1の金属粉末を溶融し凝固させることで、基材の上に第1造形層を形成する第1工程と、前記第1造形層を加熱する第2工程と、前記第1造形層よりも熱膨張係数が小さい第2造形層を形成する第3工程であって、第2の金属粉末を溶融し凝固させることで、加熱された前記第1造形層の上に前記第2造形層を形成する第3工程と、を備える。 (1) According to one aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a shaped body, in which a shaped body is manufactured by stacking shaped layers containing a metal. This method for manufacturing a shaped body includes a first step of forming a first shaped layer on a substrate by melting and solidifying a first metal powder, a second step of heating the first shaped layer, and a third step of forming a second shaped layer having a smaller thermal expansion coefficient than the first shaped layer, in which the second shaped layer is formed on the heated first shaped layer by melting and solidifying a second metal powder.
この構成によれば、造形体の製造方法では、基材の上に第1造形層を形成する第1工程の後、第2工程において第1造形層を加熱し、第3工程において、熱膨張係数が小さい第2造形層を加熱された第1造形層の上に形成し、造形体を製造する。これにより、第2造形層が形成された後、造形体の温度が低下するときの第1造形層と第2造形層との熱収縮差が小さくなるため、第2造形層の収縮歪みによって第1造形層で発生するクラックの数を低減することができる。したがって、クラックによる造形体の強度低下を抑制することができる。 According to this configuration, in the method for manufacturing a shaped body, after the first step of forming a first shaping layer on a substrate, the first shaping layer is heated in the second step, and in the third step, a second shaping layer with a low thermal expansion coefficient is formed on the heated first shaping layer to manufacture the shaped body. This reduces the difference in thermal contraction between the first and second shaping layers when the temperature of the shaped body decreases after the second shaping layer is formed, thereby reducing the number of cracks that occur in the first shaping layer due to shrinkage distortion of the second shaping layer. This therefore makes it possible to suppress a decrease in the strength of the shaped body due to cracks.
(2)上記形態の造形体の製造方法において、前記第1工程では、前記第1の金属粉末にレーザ光を照射することで、前記第1の金属粉末を溶融し、前記第3工程では、前記第1工程において前記第1の金属粉末に照射されるレーザ光よりも強度が小さいレーザ光を前記第2の金属粉末に照射することで、前記第2の金属粉末を溶融してもよい。この構成によれば、第3工程では、第2の金属粉末に照射されるレーザ光の強度を、第1工程において第1の金属粉末に照射されるレーザ光の強度より小さくする。これにより、第2造形層の温度は上昇しにくくなるため、第2造形層を形成しているときの第1造形層の温度と第2造形層の温度との差を小さくすることができる。したがって、造形体の温度が低下したときの第1造形層と第2造形層との熱収縮差が小さくなるため、クラックによる造形体の強度低下を抑制することができる。 (2) In the method for manufacturing a molded body of the above aspect, in the first step, the first metal powder may be irradiated with laser light to melt the first metal powder, and in the third step, the second metal powder may be irradiated with laser light having a lower intensity than the laser light irradiated with the first metal powder in the first step to melt the second metal powder. According to this configuration, in the third step, the intensity of the laser light irradiated with the second metal powder is set lower than the intensity of the laser light irradiated with the first metal powder in the first step. This makes it difficult for the temperature of the second molded layer to rise, thereby reducing the difference in temperature between the first molded layer and the second molded layer when the second molded layer is being formed. Therefore, the difference in thermal contraction between the first molded layer and the second molded layer when the temperature of the molded body decreases is reduced, thereby suppressing a decrease in the strength of the molded body due to cracks.
(3)上記形態の造形体の製造方法において、前記第1工程は、前記基材上に前記第1造形層の第1層を形成する第1層形成工程と、前記第1造形層の第2層を前記第1層の上に形成する第2層形成工程であって、熱膨張係数が、前記第2造形層より大きく、かつ、前記第1層より小さい前記第2層を形成する第2層形成工程と、を含み、前記第3工程では、前記第2層の上に、前記第2造形層を形成してもよい。この構成によれば、第1工程の第1層形成工程では、基材上に第1層を形成し、第1工程の第2層積層工程では、第1層の上に、熱膨張係数が、第2造形層より大きく、かつ、第1層より小さい第2層と、を形成する。その後、第3工程では、第2層の上に、第2造形層を形成する。これにより、第1造形層の第2造形層側と第2造形層との熱収縮差をさらに小さくすることができるため、造形体の温度が低下したときの第2造形層の収縮歪みによって第1造形層で発生するクラックの数をさらに低減することができる。したがって、造形体の強度低下をさらに抑制することができる。 (3) In the method for manufacturing a shaped body of the above aspect, the first step may include a first layer forming step of forming a first layer of the first shaping layer on the base material, and a second layer forming step of forming a second layer of the first shaping layer on the first layer, the second layer having a thermal expansion coefficient greater than that of the second shaping layer but smaller than that of the first layer, and the third step may include forming the second shaping layer on the second layer. According to this configuration, the first layer forming step of the first step forms the first layer on the base material, and the second layer laminating step of the first step forms a second layer on the first layer, the second layer having a thermal expansion coefficient greater than that of the second shaping layer but smaller than that of the first layer. Thereafter, the third step forms the second shaping layer on the second layer. This further reduces the difference in thermal contraction between the second modeling layer and the first modeling layer, further reducing the number of cracks that occur in the first modeling layer due to shrinkage distortion of the second modeling layer when the temperature of the modeled object drops. This further reduces the reduction in strength of the modeled object.
(4)上記形態の造形体の製造方法において、前記第2層形成工程では、前記第1の金属粉末と前記第2の金属粉末との混合粉末を溶融し凝固することで、前記第2層を形成してもよい。この構成によれば、第2層を形成するとき、第1の金属粉末と第2の金属粉末との混合粉末を溶融し凝固させる。これにより、熱膨張係数が、第2造形層より大きく、かつ、第1層より小さい第2層を容易に形成することができる。したがって、第1造形層の第2造形層側と第2造形層との熱収縮差を容易に小さくすることができるため、クラックによる造形体の強度低下を容易に抑制することができる。 (4) In the method for manufacturing a molded body of the above aspect, the second layer formation step may form the second layer by melting and solidifying a mixed powder of the first metal powder and the second metal powder. According to this configuration, when forming the second layer, the mixed powder of the first metal powder and the second metal powder is melted and solidified. This makes it possible to easily form a second layer having a thermal expansion coefficient greater than that of the second molded layer but smaller than that of the first layer. Therefore, the difference in thermal contraction between the second molded layer side of the first molded layer and the second molded layer can be easily reduced, making it possible to easily prevent a decrease in the strength of the molded body due to cracks.
(5)上記形態の造形体の製造方法において、前記第2層形成工程では、前記第2層の厚みが厚くなるにしたがって前記第1の金属粉末の含有率が小さくなる前記混合粉末を溶融し凝固することで、前記第2層を形成してもよい。この構成によれば、第2層を形成するとき、第2層の厚みが厚くなるにしたがって第1の金属粉末の含有率が小さくなる混合粉末を溶融し凝固させる。これにより、第1造形層の特性を、基材側から第2造形層側にかけて、第2造形層の特性に徐々に近づけることができる。したがって、造形体の温度が低下したときの第2造形層の収縮歪みを緩和しやすくなるため、クラックが発生しにくくなり、造形体の強度低下をさらに抑制することができる。 (5) In the method for manufacturing a molded body of the above aspect, the second layer formation step may form the second layer by melting and solidifying the mixed powder, in which the content of the first metal powder decreases as the thickness of the second layer increases. According to this configuration, when forming the second layer, the mixed powder is melted and solidified, in which the content of the first metal powder decreases as the thickness of the second layer increases. This allows the characteristics of the first molded layer to gradually approach the characteristics of the second molded layer from the substrate side to the second molded layer side. Therefore, it is easier to alleviate shrinkage distortion of the second molded layer when the temperature of the molded body decreases, making cracks less likely to occur and further suppressing a decrease in the strength of the molded body.
(6)本発明の別の形態によれば、金属を含んだ造形層を積層させて造形体を製造する造形装置が提供される。この造形装置は、複数種の金属粉末を基材の上に供給する粉末供給部と、前記基材の上の金属粉末を加熱し溶融させる粉末加熱部と、溶融した金属粉末が凝固して形成される造形層を加熱する造形層加熱部と、を備える。この構成によれば、造形装置は、造形層加熱部によって、溶融した金属粉末が凝固して形成される造形層を加熱することができる。これにより、造形体を製造するとき、加熱された造形層の上で、金属粉末を溶融し凝固させて造形層を形成することで、隣接する造形層間での熱膨張係数の違いによって生じる熱収縮差を小さくすることができる。したがって、第2造形層の収縮歪みによって第1造形層に発生するクラックの数を低減することができるため、造形体の強度低下を抑制することができる。 (6) Another aspect of the present invention provides a modeling device that produces a shaped object by stacking metal-containing modeling layers. This modeling device includes a powder supply unit that supplies multiple types of metal powder onto a substrate, a powder heating unit that heats and melts the metal powder on the substrate, and a modeling layer heating unit that heats the modeling layer formed by solidifying the molten metal powder. According to this configuration, the modeling device can heat the modeling layer formed by solidifying the molten metal powder using the modeling layer heating unit. Thus, when producing a shaped object, by melting and solidifying the metal powder on the heated modeling layer to form the modeling layer, it is possible to reduce the difference in thermal contraction caused by differences in the thermal expansion coefficients between adjacent modeling layers. Therefore, it is possible to reduce the number of cracks that occur in the first modeling layer due to shrinkage distortion of the second modeling layer, thereby suppressing a decrease in the strength of the shaped object.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、造形体の製造方法で製造された造形体、造形装置を含むシステム、これら装置およびシステムの制御方法、これら装置およびシステムにおいて造形体の製造方法を実行させるコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、そのコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms, such as a shaped body manufactured by a shaped body manufacturing method, a system including a shaping device, a control method for these devices and systems, a computer program for causing these devices and systems to execute a shaped body manufacturing method, a server device for distributing the computer program, and a non-transitory storage medium on which the computer program is stored.
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態の造形装置1の概略構成を示す模式図である。図2は、第1実施形態の造形装置1での造形体5の製造方法を説明する図である。造形装置1は、レーザ出射部10と、ベースプレート20と、原料供給部31と、ノズル部40と、制御部50と、を備える。本実施形態の造形装置1によって造形される造形体5は、図1に示すように、基材6と、第1造形層7と、第2造形層8と、を備える。なお、説明の便宜上、図1および図2では、本実施形態の造形装置1において、鉛直方向をz軸方向とする。また、z軸に垂直な方向をx軸方向とし、z軸とx軸とに垂直な方向をy軸方向とする。
First Embodiment
FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a modeling apparatus 1 of the first embodiment. FIG. 2 is a diagram illustrating a method for manufacturing a modeled body 5 using the modeling apparatus 1 of the first embodiment. The modeling apparatus 1 includes a laser emission unit 10, a base plate 20, a raw material supply unit 31, a nozzle unit 40, and a control unit 50. As shown in FIG. 1 , the modeled body 5 formed by the modeling apparatus 1 of the present embodiment includes a substrate 6, a first modeling layer 7, and a second modeling layer 8. For ease of explanation, in FIGS. 1 and 2 , the vertical direction in the modeling apparatus 1 of the present embodiment is defined as the z-axis direction. Furthermore, the direction perpendicular to the z-axis is defined as the x-axis direction, and the direction perpendicular to the z-axis and x-axis is defined as the y-axis direction.
レーザ出射部10は、図示しないレーザ光源を有する。レーザ出射部10は、制御部50と電気的に接続されており、制御部50が出力する指令に応じて、レーザ光源を用いてレーザ光Lzを出射する。レーザ出射部10が出射するレーザ光Lzは、ノズル部40を介して、ベースプレート20に照射される。本実施形態では、レーザ光Lzは、ノズル部40からz軸のマイナス方向に向けて照射される。レーザ出射部10は、特許請求の範囲の「粉末加熱部」に相当する。 The laser emission unit 10 has a laser light source (not shown). The laser emission unit 10 is electrically connected to the control unit 50 and emits laser light Lz using the laser light source in response to commands output by the control unit 50. The laser light Lz emitted by the laser emission unit 10 is irradiated onto the base plate 20 via the nozzle unit 40. In this embodiment, the laser light Lz is irradiated from the nozzle unit 40 in the negative direction of the z-axis. The laser emission unit 10 corresponds to the "powder heating unit" in the claims.
ベースプレート20は、レーザ光Lzが照射される方向、具体的には、ノズル部40の下方(z軸のマイナス方向)に配置されている平板形状の部材である。本実施形態では、ベースプレート20は、プリハードン鋼から形成されている。ベースプレート20には、通電によって発熱するヒータ21が内蔵されている。ヒータ21は、制御部50と電気的に接続されており、制御部50の指令に応じて、発熱する。 The base plate 20 is a flat member that is positioned in the direction in which the laser light Lz is emitted, specifically below the nozzle portion 40 (in the negative direction of the z-axis). In this embodiment, the base plate 20 is made of pre-hardened steel. The base plate 20 contains a heater 21 that generates heat when electricity is applied. The heater 21 is electrically connected to the control unit 50 and generates heat in response to commands from the control unit 50.
原料供給部31は、ノズル部40に複数種の金属粉末Mを供給する。原料供給部31は、制御部50と電気的に接続されており、制御部50が出力する指令に応じて、ノズル部40に供給される金属粉末Mの種類や量、供給タイミングを調整する。本実施形態では、原料供給部31は、図示しない金属粉末貯留部に接続されている。原料供給部31は、図示しないガス供給部が供給するキャリアガス、例えば、アルゴンガスとともに、金属粉末Mをノズル部40に供給する。原料供給部31は、特許請求の範囲の「粉末供給部」に相当する。 The raw material supply unit 31 supplies multiple types of metal powder M to the nozzle unit 40. The raw material supply unit 31 is electrically connected to the control unit 50, and adjusts the type, amount, and supply timing of the metal powder M supplied to the nozzle unit 40 in accordance with commands output by the control unit 50. In this embodiment, the raw material supply unit 31 is connected to a metal powder storage unit (not shown). The raw material supply unit 31 supplies the metal powder M to the nozzle unit 40 together with a carrier gas, such as argon gas, supplied by a gas supply unit (not shown). The raw material supply unit 31 corresponds to the "powder supply unit" in the claims.
ノズル部40は、ノズル41と、駆動部42と、を備える。ノズル41は、ベースプレート20とレーザ出射部10との間に配置されている。ノズル41は、図2に示すように、二重管構造を有しており、内管部43と、外管部44とを有する。内管部43は、z軸のマイナス方向に向かうにしたがって、外径が小さくなるように形成されている管状部材である。内管部43は、レーザ出射部10から出射されたレーザ光Lzが通るように形成されている。本実施形態では、内管部43の内側を通るレーザ光Lzの周囲には、レーザ光Lzを囲むようにシールドガスG1が供給されている。外管部44は、内管部43の外側に配置されている管状部材である。外管部44は、z軸のマイナス方向に向かうにしたがって、外径が小さくなるように形成されている。内管部43と外管部44との間には、原料供給部31が供給する金属粉末Mが通る通路45が形成されている。通路45を通る金属粉末Mは、上述したキャリアガス(図2の符号G2参照)とともにベースプレート20の上に供給される。 The nozzle unit 40 includes a nozzle 41 and a drive unit 42. The nozzle 41 is disposed between the base plate 20 and the laser emission unit 10. As shown in FIG. 2 , the nozzle 41 has a double-tube structure and includes an inner tube unit 43 and an outer tube unit 44. The inner tube unit 43 is a tubular member formed so that its outer diameter decreases in the negative direction of the z-axis. The inner tube unit 43 is formed to allow the laser light Lz emitted from the laser emission unit 10 to pass through. In this embodiment, a shielding gas G1 is supplied around the laser light Lz passing through the inside of the inner tube unit 43 so as to surround the laser light Lz. The outer tube unit 44 is a tubular member disposed outside the inner tube unit 43. The outer tube unit 44 is formed so that its outer diameter decreases in the negative direction of the z-axis. A passage 45 is formed between the inner tube unit 43 and the outer tube unit 44, through which the metal powder M supplied by the raw material supply unit 31 passes. The metal powder M passing through the passage 45 is supplied onto the base plate 20 together with the above-mentioned carrier gas (see symbol G2 in Figure 2).
駆動部42は、ノズル41に連結されている。駆動部42は、制御部50と電気的に接続されており、制御部50の指令に応じて、ノズル41を駆動する駆動力を発生する。本実施形態では、ノズル41は、ベースプレート20に対してz軸方向、x軸方向、および、y軸方向のいずれの方向にも移動可能に設けられている。これにより、ベースプレート20の表面20aの任意の場所に、造形体5を形成することができる。 The drive unit 42 is connected to the nozzle 41. The drive unit 42 is electrically connected to the control unit 50, and generates a drive force to drive the nozzle 41 in response to commands from the control unit 50. In this embodiment, the nozzle 41 is movable in any of the z-axis, x-axis, and y-axis directions relative to the base plate 20. This allows the shaped body 5 to be formed at any location on the surface 20a of the base plate 20.
制御部50は、ROM、RAM、および、CPUを含んで構成されるコンピュータである。制御部50は、レーザ出射部10と、原料供給部31と、駆動部42とのそれぞれと、電気的に接続しており、事前に入力されているコンピュータプログラムに応じて、これらの動作を制御する。具体的には、制御部50は、レーザ出射部10から出射されるレーザ光Lzの出射タイミングやレーザ光Lzの強度を制御する。制御部50は、ベースプレート20にヒータ21の発熱タイミングや発熱量を制御する。制御部50は、原料供給部31が供給する金属粉末の種類や供給量、供給タイミングなどを制御する。制御部50は、駆動部42によるノズル41の移動を制御する。 The control unit 50 is a computer including ROM, RAM, and a CPU. The control unit 50 is electrically connected to the laser emission unit 10, the raw material supply unit 31, and the drive unit 42, and controls their operation according to a computer program that has been input in advance. Specifically, the control unit 50 controls the emission timing and intensity of the laser light Lz emitted from the laser emission unit 10. The control unit 50 controls the heat generation timing and heat amount of the heater 21 on the base plate 20. The control unit 50 controls the type, supply amount, and supply timing of the metal powder supplied by the raw material supply unit 31. The control unit 50 controls the movement of the nozzle 41 by the drive unit 42.
次に、本実施形態の造形体5の製造方法を説明する。本実施形態の造形体5の製造方法は、例えば、指向性エネルギ堆積方式(デポジション方式)による製造方法である。指向性エネルギ堆積方式では、ベースプレート20に照射されるレーザ光Lzの集光点に、キャリアガスG2によって金属粉末Mを供給することで、レーザ光Lzによって溶融された金属粉末Mを基材6の上に堆積させて、任意の形状の造形体5を造形する。基材6は、造形体5の製造方法とは異なる方法で製造された部材であってもよいし、上述した指向性エネルギ堆積方式によって金属粉末から形成された既造形体であってもよい。本実施形態では、基材6は、マルエージング鋼から形成されている。なお、造形体5の製造方法は、指向性エネルギ堆積方式に限定されず、第1造形層7や第2造形層8を形成する金属を一旦溶融して凝固させることで、任意の形状の造形体5を造形することが可能な方法であればよい。 Next, a method for manufacturing the shaped body 5 of this embodiment will be described. The method for manufacturing the shaped body 5 of this embodiment is, for example, a manufacturing method using a directed energy deposition method (deposition method). In the directed energy deposition method, metal powder M is supplied to the focal point of the laser light Lz irradiated on the base plate 20 using a carrier gas G2. The metal powder M melted by the laser light Lz is deposited on the substrate 6 to form a shaped body 5 of any shape. The substrate 6 may be a component manufactured using a method different from the method for manufacturing the shaped body 5, or it may be a pre-formed body formed from metal powder using the directed energy deposition method described above. In this embodiment, the substrate 6 is made of maraging steel. Note that the method for manufacturing the shaped body 5 is not limited to the directed energy deposition method, and any method may be used as long as it is capable of forming a shaped body 5 of any shape by first melting and solidifying the metal that forms the first and second modeling layers 7 and 8.
最初に、ベースプレート20上に配置されている基材6の表面60に第1造形層7を形成する(第1工程)。制御部50は、レーザ出射部10によって、基材6の表面60に向けてレーザ光Lzを出射しつつ、原料供給部31によって、基材6の表面60のレーザ光Lzが照射されている部分に、第1造形層7の材料である第1の金属粉末を供給する。本実施形態では、第1の金属として、熱膨張係数が11.9×10-6(1/℃)の高速度工具鋼を用いる。高速度工具鋼の粉末は、レーザ光Lzのエネルギによって溶融したのち、基材6の表面60において凝固する。これにより、基材6の表面60上に第1造形層7が形成される。 First, a first modeling layer 7 is formed on the surface 60 of the substrate 6 placed on the base plate 20 (first step). The control unit 50 controls the laser emission unit 10 to emit laser light Lz toward the surface 60 of the substrate 6, while the raw material supply unit 31 supplies a first metal powder, which is the material for the first modeling layer 7, to the portion of the surface 60 of the substrate 6 that is irradiated with the laser light Lz. In this embodiment, high-speed tool steel with a thermal expansion coefficient of 11.9 × 10 -6 (1/°C) is used as the first metal. The high-speed tool steel powder is melted by the energy of the laser light Lz and then solidifies on the surface 60 of the substrate 6. This forms the first modeling layer 7 on the surface 60 of the substrate 6.
次に、第1造形層7を加熱しつつ(第2工程)、第1造形層7の表面70に第2造形層8を形成する(第3工程)。制御部50は、ヒータ21に電力を供給し、発熱させる。ヒータ21によって発生した熱は、ベースプレート20と基材6を介して第1造形層7に伝わるため(図の点線矢印H1参照)、第1造形層7の温度が上昇する。本実施形態では、制御部50は、第1造形層7の温度が200℃となるように、ヒータ21に電力を供給する。 Next, while the first modeling layer 7 is heated (second step), the second modeling layer 8 is formed on the surface 70 of the first modeling layer 7 (third step). The control unit 50 supplies power to the heater 21 to generate heat. The heat generated by the heater 21 is transferred to the first modeling layer 7 via the base plate 20 and substrate 6 (see dotted arrow H1 in the figure), causing the temperature of the first modeling layer 7 to rise. In this embodiment, the control unit 50 supplies power to the heater 21 so that the temperature of the first modeling layer 7 reaches 200°C.
第1造形層7が200℃になっている状態で、制御部50は、原料供給部31を制御し、第2造形層8の材料である第2の金属粉末をレーザ光Lzに供給する。本実施形態では、第2の金属として、熱膨張係数が10.1×10-6(1/℃)のマルエージング鋼を用いる。本実施形態では、第2造形層8を形成するとき、制御部50は、レーザ出射部10を制御し、第1造形層7を形成するときのレーザ光Lzの強度より小さいレーザ光Lzを第1造形層7の表面70に照射する。制御部50は、原料供給部31によって、第1造形層7の表面70のレーザ光Lzが照射されている部分に、マルエージング鋼の粉末を供給する。マルエージング鋼の粉末は、レーザ光Lzのエネルギによって溶融されることで、第1造形層7の表面70には、マルエージング鋼のメルトプール80が形成される。このマルエージング鋼のメルトプール80が凝固することで、第1造形層7の表面70の上に第2造形層8が形成され、造形体5が製造される。 With the first modeling layer 7 at 200°C, the control unit 50 controls the raw material supply unit 31 to supply the laser beam Lz with a second metal powder, which is the material for the second modeling layer 8. In this embodiment, maraging steel with a thermal expansion coefficient of 10.1 × 10 -6 (1/°C), is used as the second metal. In this embodiment, when forming the second modeling layer 8, the control unit 50 controls the laser emission unit 10 to irradiate the surface 70 of the first modeling layer 7 with laser beam Lz having an intensity lower than that of the laser beam Lz used when forming the first modeling layer 7. The control unit 50 controls the raw material supply unit 31 to supply maraging steel powder to the portion of the surface 70 of the first modeling layer 7 that is irradiated with the laser beam Lz. The maraging steel powder is melted by the energy of the laser beam Lz, forming a melt pool 80 of maraging steel on the surface 70 of the first modeling layer 7. As this maraging steel melt pool 80 solidifies, a second modeling layer 8 is formed on the surface 70 of the first modeling layer 7, and a modeled body 5 is produced.
次に、本実施形態の造形体5の製造方法の効果について説明する。最初に、条件が異なる3つの造形体の製造方法のそれぞれによって製造された造形体の状態を評価する。具体的には、ベースプレートの上に、基材と、第1造形層と、第2造形層とを積層することで形成される造形体について、第2造形層を形成するときの第1造形層の温度条件を変化させた造形体の断面を比較する。3つの造形体の製造方法のぞれぞれでは、指向性エネルギ堆積方式によって、出力が750Wのレーザ光に、供給量0.08g/sの金属粉末(キャリアガス流量25L/min)を供給し、直方体形状の造形体を形成した。 Next, the effects of the manufacturing method for the molded body 5 of this embodiment will be described. First, the state of the molded bodies manufactured using three manufacturing methods for molded bodies with different conditions will be evaluated. Specifically, for molded bodies formed by stacking a substrate, a first modeling layer, and a second modeling layer on a base plate, the cross sections of the molded bodies will be compared when the temperature conditions of the first modeling layer when forming the second modeling layer are changed. In each of the three manufacturing methods for molded bodies, a directional energy deposition method was used to supply a laser beam with an output of 750 W with metal powder at a supply rate of 0.08 g/s (carrier gas flow rate of 25 L/min), forming a rectangular parallelepiped molded body.
図3は、比較例の造形体A5の断面写真である。図3には、ベースプレートBP20上に形成されている造形体A5が示されている。造形体A5は、基材A6と、第1造形層A7と、第2造形層A8とを備えている。造形体A5を製造する比較例の製造方法では、第2造形層A8を形成するとき、第1造形層A7の温度を調整していない。図3に示すように、造形体A5には、第1造形層A7に、2か所のクラックCr1が確認できる。 Figure 3 is a cross-sectional photograph of a comparative example of a molded body A5. Figure 3 shows a molded body A5 formed on a base plate BP20. The molded body A5 comprises a substrate A6, a first molded layer A7, and a second molded layer A8. In the comparative example manufacturing method for producing the molded body A5, the temperature of the first molded layer A7 is not adjusted when the second molded layer A8 is formed. As shown in Figure 3, two cracks Cr1 can be seen in the first molded layer A7 of the molded body A5.
図4は、第1の実施例の造形体B5の断面写真である。図4には、ベースプレートBP20上に形成されている造形体B5が示されている。造形体B5は、基材B6と、第1造形層B7と、第2造形層B8とを備えている。造形体B5を製造する第1の実施例の製造方法では、第2造形層B8を形成するとき、第1造形層B7を100℃に維持している。図4に示すように、造形体B5には、第1造形層B7に、クラックCr2が形成されているが、比較例の造形体A5に比べ、クラックの数や大きさが小さくなることが確認された。 Figure 4 is a cross-sectional photograph of the formed body B5 of the first example. Figure 4 shows the formed body B5 formed on the base plate BP20. The formed body B5 comprises a substrate B6, a first forming layer B7, and a second forming layer B8. In the manufacturing method of the first example for producing the formed body B5, the first forming layer B7 is maintained at 100°C when forming the second forming layer B8. As shown in Figure 4, cracks Cr2 are formed in the first forming layer B7 of the formed body B5, but it was confirmed that the number and size of the cracks are smaller than those of the formed body A5 of the comparative example.
図5は、第2の実施例の造形体C5の断面写真である。図5には、ベースプレートBP20上に形成されている造形体C5が示されている。造形体C5は、基材C6と、第1造形層C7と、第2造形層C8とを備えている。造形体C5を製造する第2の実施例の製造方法では、第2造形層C8を形成するとき、第1造形層C7を200℃に維持している。図5に示すように、第1造形層C7には、図3や図4の断面写真で確認されたようなクラックは、確認されなかった。 Figure 5 is a cross-sectional photograph of the formed body C5 of the second embodiment. Figure 5 shows the formed body C5 formed on the base plate BP20. The formed body C5 comprises a substrate C6, a first forming layer C7, and a second forming layer C8. In the manufacturing method of the second embodiment for producing the formed body C5, the first forming layer C7 is maintained at 200°C when forming the second forming layer C8. As shown in Figure 5, no cracks, such as those observed in the cross-sectional photographs of Figures 3 and 4, were observed in the first forming layer C7.
次に、図3から図5に示した造形体のそれぞれにおける、第1造形層と第2造形層との熱収縮差について説明する。第1造形層と第2造形層との熱収縮差は、第2造形層の形成が終了したときの温度と、第2造形層の形成が終了してから一定の時間が経過したときの温度を用いて、第1造形層と第2造形層のそれぞれの熱収縮量から求める。造形層の熱収縮量は、以下の式(1)を用いて算出される。
ΔL=α×(T1-T2)×L ・・・(1)
ΔL:熱収縮量(μm)
α:熱膨張係数(×10-6/℃)
T1:第2造形層の形成が終了したときの温度(℃)
T2:第2造形層の形成が終了してから一定の時間が経過したときの温度(℃)
L:直方体形状の造形体の1辺の長さ(mm)
Next, we will explain the difference in thermal shrinkage between the first and second modeling layers in each of the modeling bodies shown in Figures 3 to 5. The difference in thermal shrinkage between the first and second modeling layers is calculated from the amount of thermal shrinkage of each of the first and second modeling layers, using the temperature at the end of formation of the second modeling layer and the temperature a certain time after formation of the second modeling layer is completed. The amount of thermal shrinkage of the modeling layer is calculated using the following formula (1):
ΔL=α×(T1-T2)×L...(1)
ΔL: Heat shrinkage amount (μm)
α: Coefficient of thermal expansion (×10 -6 /°C)
T1: Temperature (°C) when formation of the second modeling layer is completed
T2: Temperature (°C) at a certain time after the formation of the second modeling layer is completed
L: length of one side of the rectangular parallelepiped shaped object (mm)
図6は、造形体の表面温度の時間変化を説明する図である。図6は、第2造形層の表面温度の時間変化を示した図であり、第2造形層の形成終了時(図6での時間0分)から、13分までの温度の時間変化を示している。第1造形層と第2造形層との熱収縮差を求めるにあたって、最初に、第2造形層の形成終了時の第2造形層の温度T1を算出する。図6に示す温度の時間変化のデータを用いて、第2造形層の形成が終了したときの温度T1を外挿によって求めた以下の温度が、第2造形層の温度T1となる。
比較例(温度調整なし):217℃
第1の実施例(温度100℃):152℃
第2の実施例(温度200℃):127℃
FIG. 6 is a diagram illustrating the change in the surface temperature of the molded body over time. FIG. 6 shows the change in the surface temperature of the second molded layer over time, from the end of the formation of the second molded layer (time 0 minutes in FIG. 6 ) to 13 minutes. To calculate the difference in thermal contraction between the first and second molded layers, the temperature T1 of the second molded layer at the end of the formation of the second molded layer is first calculated. Using the data on the change in temperature over time shown in FIG. 6 , the temperature T1 at the end of the formation of the second molded layer is extrapolated to obtain the following temperature:
Comparative example (without temperature adjustment): 217°C
First Example (Temperature 100°C): 152°C
Second Example (Temperature 200°C): 127°C
第2造形層の形成が終了してから一定の時間が経過したときの第2造形層の温度T2は、図6に示す第2造形層の形成終了から3分後の温度を用いた。また、第1造形層の温度T2は、第2造形層の形成終了から3分後の以下の温度を用いた。
比較例:41℃
第1の実施例:102℃
第2の実施例:201℃
The temperature T2 of the second modeling layer after a certain time has elapsed since the formation of the second modeling layer was completed was the temperature 3 minutes after the formation of the second modeling layer was completed, as shown in Figure 6. The temperature T2 of the first modeling layer was the following temperature 3 minutes after the formation of the second modeling layer was completed.
Comparative example: 41°C
First Example: 102°C
Second Example: 201°C
図7は、造形体の熱収縮差の違いを説明する図である。図7は、図6に示す温度の時間変化のデータを用いて、比較例の造形体A5、第1の実施例の造形体B5、および、第2の実施例の造形体C5のそれぞれについて求めた熱収縮差を示している。図7に示すように、比較的大きなクラックCr1が2つ確認された比較例の造形体A5は、熱収縮差が1.55μmとなった。一方、比較例の造形体A5に比べクラックの数や大きさが小さい第1の実施例の造形体A5は、熱収縮差が比較例の造形体A5の熱収縮差より小さい0.90μmとなることが明らかとなった。また、クラックが確認されなかった第2の実施例の造形体C5では、熱収縮差は、0.29μmとなることが明らかとなった。すなわち、第1の実施例と第2の実施例についての評価結果から、第2造形層を形成するとき、第1造形層を加熱することで、クラックの数や大きさを小さくできることが明らかとなった。特に、本実施形態の条件(直方体形状の造形体、第1造形層:高速度工具鋼、第2造形層:マルエージング鋼)では、第1造形層と第2造形層との熱収縮差が0.3μm以下になるように第1造形層を200℃に加熱すること(第2の実施例)で、第1造形層にクラックが発生することを抑制できることが確認された。 Figure 7 illustrates the difference in thermal shrinkage between the formed bodies. Figure 7 shows the thermal shrinkage difference calculated for the formed body A5 of the comparative example, the formed body B5 of the first example, and the formed body C5 of the second example using the data on the temperature change over time shown in Figure 6. As shown in Figure 7, the formed body A5 of the comparative example, in which two relatively large cracks Cr1 were observed, had a thermal shrinkage difference of 1.55 μm. On the other hand, the formed body A5 of the first example, in which the number and size of cracks were smaller than those of the formed body A5 of the comparative example, had a thermal shrinkage difference of 0.90 μm, which is smaller than the thermal shrinkage difference of the formed body A5 of the comparative example. Furthermore, the formed body C5 of the second example, in which no cracks were observed, had a thermal shrinkage difference of 0.29 μm. In other words, the evaluation results for the first and second examples reveal that heating the first forming layer when forming the second forming layer can reduce the number and size of cracks. In particular, under the conditions of this embodiment (rectangular shaped object, first modeling layer: high-speed tool steel, second modeling layer: maraging steel), it was confirmed that the occurrence of cracks in the first modeling layer can be suppressed by heating the first modeling layer to 200°C so that the difference in thermal contraction between the first and second modeling layers is 0.3 μm or less (Second Example).
図8は、比較例の造形体A5の製造方法を説明する第1の図である。比較例の造形体A5では、上述したように、第2造形層A8を形成するとき、第1造形層A7の温度は調整されていないため、比較的低温となっている。したがって、比較的低温の第1造形層A7の上に、レーザ光のエネルギによって高温となっている第2造形層A8が形成されることとなる。 Figure 8 is the first diagram illustrating the manufacturing method for the comparative example molded body A5. As described above, in the comparative example molded body A5, when the second molded layer A8 is formed, the temperature of the first molded layer A7 is not adjusted, and therefore is relatively low. Therefore, the second molded layer A8, which has been heated to a high temperature by the energy of the laser light, is formed on top of the relatively low-temperature first molded layer A7.
図9は、比較例の造形体A5の製造方法を説明する第2の図であって、第2造形層A8を形成した後の造形体A5を示している。第2造形層A8が形成されて造形体A5が完成したのち、造形体A5全体の温度は低下するため、高温となっている第2造形層A8は、温度変化によって比較的大きく収縮する(図9の白抜き矢印F1参照)。一方、第2造形層A8に隣接する第1造形層A7は、比較的低温であったため、温度変化による収縮量が比較的小さい。このため、第2造形層A8の収縮歪みによる応力が発生し、第1造形層A7にクラックCr1が多数発生する。クラックCr1が発生すると、造形体A5の強度が低下し、破損するおそれがある。 Figure 9 is the second diagram illustrating the manufacturing method for the comparative example molded body A5, showing the molded body A5 after the second molded layer A8 has been formed. After the second molded layer A8 is formed and the molded body A5 is completed, the temperature of the entire molded body A5 drops, and the second molded layer A8, which is at a high temperature, shrinks relatively significantly due to the temperature change (see the open arrow F1 in Figure 9). On the other hand, the first molded layer A7 adjacent to the second molded layer A8 was at a relatively low temperature, and therefore shrinks relatively little due to the temperature change. As a result, stress is generated due to shrinkage distortion in the second molded layer A8, and numerous cracks Cr1 occur in the first molded layer A7. When cracks Cr1 occur, the strength of the molded body A5 decreases, potentially resulting in damage.
以上説明した、本実施形態の造形体5の製造方法によれば、基材6の上に第1造形層7を形成する第1工程の後、第2工程において第1造形層7を加熱し、第3工程において、熱膨張係数が小さい第2造形層8を加熱された第1造形層7の上に形成し、造形体5を製造する。これにより、第2造形層8が形成された後、造形体5の温度が低下するとき、第1造形層7と第2造形層8との熱収縮差が小さくなるため、第2造形層8の収縮歪みによって第1造形層7で発生するクラックの数を低減することができる。したがって、クラックによる造形体5の強度低下を抑制することができる。 According to the method for manufacturing the molded body 5 of this embodiment described above, after the first step of forming the first molded layer 7 on the substrate 6, the first molded layer 7 is heated in the second step, and in the third step, the second molded layer 8, which has a small thermal expansion coefficient, is formed on the heated first molded layer 7 to manufacture the molded body 5. As a result, when the temperature of the molded body 5 decreases after the second molded layer 8 is formed, the difference in thermal contraction between the first molded layer 7 and the second molded layer 8 becomes smaller, thereby reducing the number of cracks that occur in the first molded layer 7 due to shrinkage distortion of the second molded layer 8. Therefore, a decrease in the strength of the molded body 5 due to cracks can be suppressed.
また、本実施形態の造形体5の製造方法によれば、第3工程では、マルエージング鋼の粉末に照射されるレーザ光Lzの強度を、第1工程において高速度工具鋼の粉末に照射されるレーザ光Lzの強度より小さくする。これにより、第2造形層8が高温になりにくいため、第2造形層8を形成しているときの第1造形層7の温度と第2造形層8の温度との差を小さくすることができる。したがって、造形体5の温度が低下したときの第1造形層7と第2造形層8との熱収縮差が小さくなるため、クラックによる造形体5の強度低下を抑制することができる。 Furthermore, according to the manufacturing method of the shaped body 5 of this embodiment, in the third step, the intensity of the laser light Lz irradiated onto the maraging steel powder is set lower than the intensity of the laser light Lz irradiated onto the high-speed tool steel powder in the first step. This makes it difficult for the second shaping layer 8 to become too hot, and therefore the difference in temperature between the first shaping layer 7 and the second shaping layer 8 when the second shaping layer 8 is being formed can be reduced. Therefore, the difference in thermal contraction between the first shaping layer 7 and the second shaping layer 8 when the temperature of the shaped body 5 drops is reduced, and therefore a decrease in the strength of the shaped body 5 due to cracks can be suppressed.
また、本実施形態の造形装置1によれば、ヒータ21によって、溶融した高速度工具鋼の粉末が凝固して形成される第1造形層7を加熱することができる。これにより、造形体5を製造するとき、加熱された第1造形層7の上で、マルエージング鋼の粉末を溶融し凝固させて第2造形層8を形成することで、第1造形層7と第2造形層8との間での熱膨張係数の違いによって生じる熱収縮差を小さくすることができる。したがって、第2造形層8の収縮歪みによって第1造形層7に発生するクラックの数を低減することができるため、造形体5の強度低下を抑制することができる。 Furthermore, with the modeling device 1 of this embodiment, the heater 21 can heat the first modeling layer 7, which is formed by solidifying molten high-speed tool steel powder. As a result, when manufacturing the modeled body 5, the second modeling layer 8 is formed by melting and solidifying maraging steel powder on the heated first modeling layer 7, thereby reducing the difference in thermal contraction caused by differences in the thermal expansion coefficients between the first modeling layer 7 and the second modeling layer 8. Therefore, the number of cracks that occur in the first modeling layer 7 due to shrinkage distortion of the second modeling layer 8 can be reduced, thereby suppressing a decrease in the strength of the modeled body 5.
<第2実施形態>
図10は、第2実施形態の造形装置での造形体の製造方法を説明する図である。第2実施形態の造形体の製造方法は、第1実施形態の造形体の製造方法(図2)と比較すると、第1造形層の厚みに応じて、第1造形層の特性を変化させる点が異なる。
Second Embodiment
10 is a diagram illustrating a method for manufacturing a molded body using the molding apparatus of the second embodiment. The method for manufacturing a molded body of the second embodiment differs from the method for manufacturing a molded body of the first embodiment ( FIG. 2 ) in that the characteristics of the first molded body are changed depending on the thickness of the first molded layer.
本実施形態の造形装置2は、レーザ出射部10と、ベースプレート20と、原料供給部32と、ノズル部40と、制御部50と、を備える。 The modeling device 2 of this embodiment includes a laser emission unit 10, a base plate 20, a raw material supply unit 32, a nozzle unit 40, and a control unit 50.
原料供給部32は、ノズル部40に複数種の金属粉末Mを供給する。原料供給部32は、制御部50と電気的に接続されており、制御部50が出力する指令に応じて、ノズル部40に供給される金属粉末Mの種類や量、供給タイミングを調整する。本実施形態では、原料供給部32は、制御部50の指令に応じて、高速度工具鋼の粉末とマルエージング鋼の粉末とを混合した混合粉末をノズル部40に供給することが可能である。原料供給部32は、特許請求の範囲の「粉末供給部」に相当する。 The raw material supply unit 32 supplies multiple types of metal powder M to the nozzle unit 40. The raw material supply unit 32 is electrically connected to the control unit 50, and adjusts the type, amount, and supply timing of the metal powder M supplied to the nozzle unit 40 in response to commands output by the control unit 50. In this embodiment, the raw material supply unit 32 is capable of supplying a mixed powder of high-speed tool steel powder and maraging steel powder to the nozzle unit 40 in response to commands from the control unit 50. The raw material supply unit 32 corresponds to the "powder supply unit" in the claims.
次に、本実施形態の造形体5の製造方法を説明する。本実施形態の造形体5の製造方法では、第1造形層7を形成する第1工程において、最初に、第1造形層7のうちの基材6側の第1層71を形成する(第1層形成工程)。制御部50は、レーザ出射部10を制御して、ベースプレート20の表面20a上に配置されている基材6の表面60にレーザ光Lzを照射させつつ、原料供給部31を制御して、高速度工具鋼の粉末を供給する。これにより、基材6の表面60の上に、高速度工具鋼から形成される第1層71が形成される。 Next, a method for manufacturing the molded body 5 of this embodiment will be described. In the method for manufacturing the molded body 5 of this embodiment, in the first step of forming the first molded layer 7, first, a first layer 71 of the first molded layer 7 on the substrate 6 side is formed (first layer formation step). The control unit 50 controls the laser emission unit 10 to irradiate the surface 60 of the substrate 6 placed on the surface 20a of the base plate 20 with laser light Lz, while controlling the raw material supply unit 31 to supply high-speed tool steel powder. This forms a first layer 71 made of high-speed tool steel on the surface 60 of the substrate 6.
次に、第1造形層7のうちの第2造形層8側となる第2層72を形成する(第2層形成工程)。制御部50は、レーザ出射部10を制御して、第1層71の表面にレーザ光Lzを照射させつつ、原料供給部31を制御して、高速度工具鋼の粉末とマルエージング鋼の粉末とを混合した混合粉末を供給する。本実施形態では、第2層72を形成するとき、最初は、マルエージング鋼の粉末よりも高速度工具鋼の粉末の割合が多い混合粉末を供給して、第2層72の一部を形成する。その後、第2層72の厚みが厚くなるにしたがって、混合粉末における高速度工具鋼の粉末の割合を小さくし、マルエージング鋼の粉末の割合を大きくした混合粉末を供給する。これにより、第2層72は、第1層71側に、第1層71の特性に近い部分が形成され、第2層72側に、第2造形層8の特性に近い部分が形成される。 Next, the second layer 72 of the first modeling layer 7, which will be on the second modeling layer 8 side, is formed (second layer formation process). The control unit 50 controls the laser emission unit 10 to irradiate the surface of the first layer 71 with laser light Lz, while controlling the raw material supply unit 31 to supply a mixed powder of high-speed tool steel powder and maraging steel powder. In this embodiment, when forming the second layer 72, a mixed powder with a higher proportion of high-speed tool steel powder than maraging steel powder is initially supplied to form a portion of the second layer 72. Thereafter, as the thickness of the second layer 72 increases, a mixed powder with a smaller proportion of high-speed tool steel powder and a larger proportion of maraging steel powder is supplied. As a result, a portion of the second layer 72 with characteristics similar to those of the first layer 71 is formed on the first layer 71 side, and a portion of the second layer 72 with characteristics similar to those of the second modeling layer 8 is formed on the second layer 72 side.
次に、第1実施形態と同様に、ヒータ21によって第1造形層7を加熱しつつ、第2層72の表面に第2造形層8を形成する。これにより、第1造形層7の表面70の上に、第2造形層8が形成され、造形体5が製造される。 Next, as in the first embodiment, the first modeling layer 7 is heated by the heater 21 while the second modeling layer 8 is formed on the surface of the second layer 72. This forms the second modeling layer 8 on the surface 70 of the first modeling layer 7, producing the modeled body 5.
以上説明した、本実施形態の造形体5の製造方法によれば、第1工程の第1層形成工程では、基材6上に第1層71を形成し、第1工程の第2層形成工程では、第1層71の上に、熱膨張係数が、第2造形層8より大きく、かつ、第1層71より小さい第2層72を形成する。その後、第3工程では、第2層72の上に、第2造形層8を形成する。これにより、第1造形層7の第2造形層側と、第2造形層8との熱収縮差とをさらに小さくすることができるため、造形体5の温度が低下したときの第2造形層8の収縮歪みによって第1造形層7で発生するクラックの数をさらに低減することができる。したがって、クラックによる造形体5の強度低下をさらに抑制することができる。 According to the manufacturing method of the molded body 5 of this embodiment described above, in the first step, the first layer formation step, a first layer 71 is formed on the substrate 6. In the first step, the second layer formation step, a second layer 72 is formed on the first layer 71. The second layer 72 has a thermal expansion coefficient greater than that of the second molded layer 8 but less than that of the first layer 71. Then, in the third step, the second molded layer 8 is formed on the second layer 72. This further reduces the difference in thermal contraction between the second molded layer side of the first molded layer 7 and the second molded layer 8, thereby further reducing the number of cracks that occur in the first molded layer 7 due to shrinkage distortion of the second molded layer 8 when the temperature of the molded body 5 drops. This further reduces the reduction in strength of the molded body 5 due to cracks.
また、本実施形態の造形体5の製造方法によれば、第2層72を形成するとき、高速度工具鋼の粉末とマルエージング鋼の粉末との混合粉末を溶融し凝固させる。これにより、熱膨張係数が、第2造形層8より大きく、かつ、第1層71より小さい第2層72を容易に形成することができる。したがって、第1造形層7の第2造形層側と、第2造形層8との熱収縮差とを容易に小さくすることができるため、クラックによる造形体5の強度低下を容易に抑制することができる。 Furthermore, according to the manufacturing method of the molded body 5 of this embodiment, when forming the second layer 72, a mixed powder of high-speed tool steel powder and maraging steel powder is melted and solidified. This makes it easy to form the second layer 72 with a thermal expansion coefficient greater than that of the second molding layer 8 but smaller than that of the first layer 71. Therefore, the difference in thermal contraction between the second molding layer side of the first molding layer 7 and the second molding layer 8 can be easily reduced, making it easy to prevent a decrease in the strength of the molded body 5 due to cracks.
また、本実施形態の造形体5の製造方法によれば、第2層72を形成するとき、第2層72の厚みが厚くなるにしたがって高速度工具鋼の粉末の含有率が小さくなる混合粉末を溶融し凝固させる。これにより、第1造形層7の特性を、基材6側から第2造形層8側にかけて、第2造形層8の特性に徐々に近づけることができる。したがって、造形体5の温度が低下したときの第2造形層8の収縮歪みによる応力を緩和しやすくなるため、クラックが発生しにくくなり、造形体5の強度低下をさらに抑制することができる。 Furthermore, according to the manufacturing method of the molded body 5 of this embodiment, when forming the second layer 72, a mixed powder is melted and solidified in which the content of high-speed tool steel powder decreases as the thickness of the second layer 72 increases. This allows the characteristics of the first molded layer 7 to gradually approach the characteristics of the second molded layer 8 from the substrate 6 side to the second molded layer 8 side. Therefore, stress caused by shrinkage distortion in the second molded layer 8 when the temperature of the molded body 5 decreases is more easily alleviated, making cracks less likely to occur and further suppressing a decrease in the strength of the molded body 5.
<本実施形態の変形例>
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
<Modification of this embodiment>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be embodied in various forms without departing from the spirit of the invention. For example, the following modifications are also possible.
[変形例1]
第1実施形態では、第2造形層8を形成するとき、「造形層加熱部」としてのヒータ21によって、基材6ごと第1造形層7を加熱するとしたが、第1造形層7だけ加熱されてもよい。この場合、例えば、第1造形層7のみを加熱可能なヒートガンによって加熱してもよく、加熱の方法は、これらに限定されない。
[Modification 1]
In the first embodiment, when forming the second modeling layer 8, the heater 21 serving as the "modeling layer heating unit" heats the first modeling layer 7 together with the substrate 6, but it is also possible to heat only the first modeling layer 7. In this case, for example, the first modeling layer 7 may be heated using a heat gun capable of heating only the first modeling layer 7, and the heating method is not limited to these.
[変形例2]
上述の実施形態では、「第2工程」として第1造形層7を加熱しつつ、「第3工程」として第2造形層8を形成するとしたが、第1造形層7を加熱するタイミングは、これに限定されない。第2造形層8を形成するとき、第1造形層7の温度が上昇していればよく、例えば、「第3工程」として第2造形層8を形成する前に、「第2工程」として第1造形層7を加熱してもよい。
[Modification 2]
In the above embodiment, the first modeling layer 7 is heated in the "second step" while the second modeling layer 8 is formed in the "third step," but the timing of heating the first modeling layer 7 is not limited to this. When the second modeling layer 8 is formed, it is sufficient that the temperature of the first modeling layer 7 has risen. For example, the first modeling layer 7 may be heated in the "second step" before the second modeling layer 8 is formed in the "third step."
[変形例3]
上述の実施形態では、第1造形層7を形成する高速度工具鋼の粉末と、第2造形層8を形成するマルエージング鋼の粉末とのそれぞれを、レーザ光Lzによって加熱するとした。金属粉末の加熱の方法は、これに限定されない。また、レーザ光Lzの強度は、第1工程と第3工程とのそれぞれで同じであってもよいし、第3工程の方が第1工程に比べ大きくてもよい。
[Modification 3]
In the above-described embodiment, the high-speed tool steel powder forming the first molding layer 7 and the maraging steel powder forming the second molding layer 8 are each heated by the laser light Lz. The method of heating the metal powder is not limited to this. The intensity of the laser light Lz may be the same in the first and third steps, or may be greater in the third step than in the first step.
[変形例4]
第2実施形態では、第2層72を形成するとき、高速度工具鋼の粉末とマルエージング鋼の粉末との混合粉末を供給するとした。第2層72を形成するとき、熱膨張係数が、第2造形層8より大きく、かつ、第1層71より小さい金属の粉末を供給してもよい。
[Modification 4]
In the second embodiment, a mixed powder of high-speed tool steel powder and maraging steel powder is supplied when forming the second layer 72. When forming the second layer 72, a powder of a metal having a thermal expansion coefficient larger than that of the second modeling layer 8 but smaller than that of the first layer 71 may be supplied.
[変形例5]
第2実施形態では、第2層72を形成するとき、第2層72の厚みが厚くなるにしたがって高速度工具鋼の粉末の含有率が小さくなる混合粉末を溶融し凝固させるとした。例えば、高速度工具鋼の粉末とマルエージング鋼の粉末の含有率がそれぞれ50%の混合粉末を溶融し凝固させて、第2層72を形成してもよい。
[Modification 5]
In the second embodiment, the second layer 72 is formed by melting and solidifying a mixed powder in which the content of high-speed tool steel powder decreases as the thickness of the second layer 72 increases. For example, the second layer 72 may be formed by melting and solidifying a mixed powder in which the content of high-speed tool steel powder and the content of maraging steel powder each are 50%.
[変形例6]
上述の実施形態では、基材6は、鉄系材料であるマルエージング鋼から形成されているとした。基材6は、別の鉄系材料から形成されていてもよいし、鉄系材料とは異なる材料から形成されていてもよい。
[Modification 6]
In the above-described embodiment, the base material 6 is made of maraging steel, which is an iron-based material. The base material 6 may be made of another iron-based material, or may be made of a material different from the iron-based material.
[変形例7]
上述の実施形態では、造形体5は、基材6と、第1造形層7と、第2造形層8とを備えるとした。造形体5の構成は、これに限定されない。基材6は、なくてもよく、ベースプレート20の上に、第1造形層7と、第2造形層8と、を積層してもよい。また、造形体5が備える造形層の数は2つに限定されず、3つ以上であってもよい。この場合、溶融した金属粉末が載せられている造形層が加熱されることで高温となっていればよい。また、基材6は、造形体5の製造方法とは異なる方法で製造された部材、または、指向性エネルギ堆積方式によって金属粉末から形成された既造形体であってもよいとしたが、複数の層が積層されて構成されていてもよい。
[Modification 7]
In the above-described embodiment, the shaped body 5 includes a substrate 6, a first shaped layer 7, and a second shaped layer 8. The configuration of the shaped body 5 is not limited to this. The substrate 6 may be omitted, and the first shaped layer 7 and the second shaped layer 8 may be stacked on a base plate 20. The number of shaped layers included in the shaped body 5 is not limited to two, and may be three or more. In this case, it is sufficient that the shaped layer on which the molten metal powder is placed is heated to a high temperature. Furthermore, although the substrate 6 may be a member manufactured by a method different from the manufacturing method of the shaped body 5, or a pre-shaped body formed from metal powder by directed energy deposition, the substrate 6 may be configured by stacking multiple layers.
[変形例8]
上述の実施形態では、造形体の製造方法は、指向性エネルギ堆積方式による製造方法であるとしたが、造形体の製造方法は、これに限定されない。基材の表面に、第2造形層を形成したのち、第2造形層の上に、第1造形層を積層させて造形体を造形する方法であればよい。
[Modification 8]
In the above-described embodiment, the manufacturing method of the shaped body is a manufacturing method using directed energy deposition, but the manufacturing method of the shaped body is not limited to this. Any method may be used as long as the shaped body is manufactured by forming a second shaped layer on the surface of a base material and then stacking a first shaped layer on the second shaped layer.
[変形例9]
上述の実施形態では、第3工程では、マルエージング鋼の粉末に照射されるレーザ光Lzの強度を、第1工程において高速度工具鋼の粉末に照射されるレーザ光Lzの強度より小さくするとした。さらに、第2造形層8を形成するとき、マルエージング鋼の粉末の供給量を少なくし、第2造形層8の成形速度を抑制しても、クラックの発生を抑制することができる。
[Modification 9]
In the above-described embodiment, in the third step, the intensity of the laser light Lz irradiated onto the maraging steel powder is set to be smaller than the intensity of the laser light Lz irradiated onto the high-speed tool steel powder in the first step. Furthermore, when forming the second molding layer 8, even if the supply amount of the maraging steel powder is reduced and the molding speed of the second molding layer 8 is suppressed, the occurrence of cracks can be suppressed.
[変形例10]
第1実施形態の図3~図7において説明したように、第2造形層C8を形成するときの第1造形層C7の温度を200℃にすること(第2の実施例)で、第1造形層C7にクラックが発生することを抑制できることが確認した。一方で、第2造形層B8を形成するときの第1造形層B7の温度を100℃とした第1の実施例のように、第2造形層を形成するときに、第1造形層を一定程度加熱することで、熱収縮差が比較例の造形体よりも小さくなる(図7参照)。これにより、比較例の造形体A5よりもクラックの数や大きさを小さくすることができる。すなわち、第2造形層を形成するときの第1造形層を加熱することで、第1造形層と第2造形層との熱収縮差は小さくなるため、クラックの数や大きさが小さくなり、造形体の強度低下を抑制することができる。
[Modification 10]
As described in Figures 3 to 7 of the first embodiment, we confirmed that setting the temperature of the first modeling layer C7 to 200°C when forming the second modeling layer C8 (Second Example) can suppress the occurrence of cracks in the first modeling layer C7. On the other hand, as in the first Example where the temperature of the first modeling layer B7 when forming the second modeling layer B8 was set to 100°C, by heating the first modeling layer to a certain degree when forming the second modeling layer, the thermal contraction difference is smaller than that of the comparative modeling body (see Figure 7). This allows the number and size of cracks to be smaller than that of the comparative modeling body A5. In other words, by heating the first modeling layer when forming the second modeling layer, the thermal contraction difference between the first and second modeling layers is reduced, thereby reducing the number and size of cracks and suppressing a decrease in the strength of the modeling body.
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。 This aspect has been described above based on embodiments and variations, but the above-described embodiments are intended to facilitate understanding of this aspect and are not intended to limit this aspect. This aspect may be modified or improved without departing from its spirit or the scope of the claims, and equivalents are included in this aspect. Furthermore, if a technical feature is not described as essential in this specification, it may be deleted as appropriate.
1,2…造形装置
5…造形体
6…基材
7…第1造形層
8…第2造形層
10…レーザ出射部
21…ヒータ
31,32…原料供給部
71…第1層
72…第2層
Lz…レーザ光
M…金属粉末
REFERENCE SIGNS LIST 1, 2... Modeling device 5... Modeled body 6... Base material 7... First modeling layer 8... Second modeling layer 10... Laser emission unit 21... Heater 31, 32... Raw material supply unit 71... First layer 72... Second layer Lz... Laser light M... Metal powder
Claims (6)
高速度工具鋼からなる第1造形層の原料となる第1の金属粉末を溶融し凝固させることで、基材の上に前記第1造形層を形成する第1工程と、
前記第1造形層を加熱する第2工程と、
高速度工具鋼よりも熱膨張係数が小さいマルエージング鋼からなる第2造形層を形成する第3工程であって、前記第2造形層の原料となる第2の金属粉末を溶融し凝固させることで、加熱された前記第1造形層の上に前記第2造形層を形成する第3工程と、を備える、
造形体の製造方法。 A method for manufacturing a shaped body by stacking shaping layers containing a metal,
a first step of melting and solidifying a first metal powder, which is a raw material for a first modeling layer made of high-speed tool steel , to form the first modeling layer on a base material;
a second step of heating the first modeling layer;
a third step of forming a second modeling layer made of maraging steel having a smaller thermal expansion coefficient than high-speed tool steel , wherein the second modeling layer is formed on the heated first modeling layer by melting and solidifying a second metal powder that is a raw material for the second modeling layer;
A method for manufacturing a shaped object.
前記第1工程では、前記第1の金属粉末にレーザ光を照射することで、前記第1の金属粉末を溶融し、
前記第3工程では、前記第1工程において前記第1の金属粉末に照射されるレーザ光よりも強度が小さいレーザ光を前記第2の金属粉末に照射することで、前記第2の金属粉末を溶融する、
造形体の製造方法。 The method for manufacturing a shaped body according to claim 1,
In the first step, the first metal powder is melted by irradiating the first metal powder with a laser beam;
In the third step, the second metal powder is melted by irradiating the second metal powder with a laser beam having an intensity lower than that of the laser beam irradiated to the first metal powder in the first step.
A method for manufacturing a shaped object.
前記第1工程は、
前記基材上に前記第1造形層の第1層を形成する第1層形成工程と、
前記第1造形層の第2層を前記第1層の上に形成する第2層形成工程であって、熱膨張係数が、前記第2造形層より大きく、かつ、前記第1層より小さい前記第2層を形成する第2層形成工程と、を含み、
前記第3工程では、前記第2層の上に、前記第2造形層を形成する、
造形体の製造方法。 The method for manufacturing a shaped body according to claim 1 or 2, comprising:
The first step comprises:
a first layer forming step of forming a first layer of the first modeling layer on the base material;
a second layer forming step of forming a second layer of the first modeling layer on the first layer, the second layer having a thermal expansion coefficient greater than that of the second modeling layer and smaller than that of the first layer;
In the third step, the second modeling layer is formed on the second layer.
A method for manufacturing a shaped object.
前記第2層形成工程では、前記第1の金属粉末と前記第2の金属粉末との混合粉末を溶融し凝固することで、前記第2層を形成する、
造形体の製造方法。 The method for manufacturing a shaped body according to claim 3,
In the second layer forming step, the second layer is formed by melting and solidifying a mixed powder of the first metal powder and the second metal powder.
A method for manufacturing a shaped object.
前記第2層形成工程では、前記第2層の厚みが厚くなるにしたがって前記第1の金属粉末の含有率が小さくなる前記混合粉末を溶融し凝固することで、前記第2層を形成する、
造形体の製造方法。 The method for manufacturing a shaped body according to claim 4,
In the second layer forming step, the second layer is formed by melting and solidifying the mixed powder, in which the content of the first metal powder decreases as the thickness of the second layer increases.
A method for manufacturing a shaped object.
高速度工具鋼からなる第1造形層の原料となる第1の金属粉末と、高速度工具鋼よりも熱膨張係数が小さいマルエージング鋼からなる第2造形層の原料となる第2の金属粉末とのそれぞれを基材の上に供給する粉末供給部と、
前記基材の上に供給される金属粉末を加熱し溶融させることで造形層を形成する粉末加熱部と、
前記第1の金属粉末が溶融し凝固することで形成される前記第1造形層を加熱する造形層加熱部と、を備え、
前記粉末供給部は、前記第1の金属粉末を前記基材上に供給したのち、前記第2の金属粉末を前記第1造形層上に供給することで、前記第2の金属粉末が溶融し凝固した前記第2造形層を形成し、
前記造形層加熱部は、前記粉末供給部によって前記第2の金属粉末が前記第1造形層上に供給されるとき、前記第1造形層を加熱する、
造形装置。 A molding apparatus for manufacturing a molded object by stacking metal-containing molding layers,
a powder supply unit that supplies, onto the substrate, a first metal powder that is a raw material for the first molding layer made of high-speed tool steel, and a second metal powder that is a raw material for the second molding layer made of maraging steel that has a smaller thermal expansion coefficient than high-speed tool steel;
a powder heating unit that heats and melts metal powder supplied onto the base material to form a modeling layer;
a modeling layer heating unit that heats the first modeling layer formed by melting and solidifying the first metal powder,
The powder supply unit supplies the first metal powder onto the base material, and then supplies the second metal powder onto the first modeling layer , thereby forming the second modeling layer in which the second metal powder is melted and solidified;
the modeling layer heating unit heats the first modeling layer when the second metal powder is supplied onto the first modeling layer by the powder supply unit;
Modeling equipment.
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