光造形物の製造方法
【課題】レーザ光を用いて焼結した金属粉末の焼結層を複数積層一体化して作製される反りの小さな光造形物の製造方法を提供する。
【解決手段】金属板２０の上に被覆された金属粉末２の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して焼結させて焼結層を形成する工程を繰り返すことで、複数の焼結層が積層一体化された焼結体１３を有する光造形物を作製する際に、前記焼結層を加熱し残留応力を除去して反りを小さくする。
【解決手段】金属板２０の上に被覆された金属粉末２の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して焼結させて焼結層を形成する工程を繰り返すことで、複数の焼結層が積層一体化された焼結体１３を有する光造形物を作製する際に、前記焼結層を加熱し残留応力を除去して反りを小さくする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いて焼結した成形材料の焼結層を複数積層一体化して作製される光造形物の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光造形物の製造方法は、金属粉末の層にレーザ光を照射して焼結させて焼結層を形成し、この焼結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光を照射して焼結させることによって下の焼結層と一体になった焼結体を形成し、更にこれらの工程を繰り返すことで複数の焼結層が積層一体化された焼結体を作製するものである。例えば、下記の特許文献１，特許文献２を参照。
【０００３】
図１５は、特許文献２に記載された従来の光造形物の製造方法における工程の模式図である。
まず、図１５（ａ）に示す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で所定の厚みに被覆する。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運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。
【０００４】
この後、図１５（ｂ）に示すように、集光レンズ５で集光したレーザ光Ｌを走査して、金属粉末２の層の必要な部分にのみにレーザ光Ｌを照射することによって焼結して焼結層６ａとする。次に、昇降テーブル１を、レーザ光Ｌを照射した部分の金属粉末２の層Δｔの寸法で下降させ、図１５（ｃ）に示すように、焼結層６ａの上にスキージー３によって金属粉末２を供給し、次いで図１５（ｄ）に示すように、この金属粉末２の層の必要な部分にのみレーザ光Ｌを照射して焼結し、焼結層６ａの上に焼結層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１５（ｅ）に示すように所定数の焼結層６ａ〜６ｆを積層して一体化し、これを取り出すと、図１６に示すような複数の焼結層６ａ〜６ｆからなる光造形物Ａを作製することができる。
【０００６】
しかし、この方法では、積層された焼結体の端面は階段状に段差を有して形成され、また不要な金属粉末の付着もあるため、機械的手段、熱的手段や化学的手段によって表面を滑らかに形成することができる表面仕上げ方法も提供されている。
【特許文献１】特許第２６２０３５３号
【特許文献２】特開２０００−７３１０８号公報（第２頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成では、焼結時の急熱・急冷による熱収縮に起因した残留応力によって反りが発生する。また、焼結体内部にクラックが発生し、割れの原因ともなる。反りの大きさは焼結条件や焼結体の形状によって変化し、一般には強固な焼結状態を得るために高い強度のレーザ光を照射する条件や、面積や厚さの大きな焼結体を作製する場合に、反りは大きくなる。反り量は例えば０．１ｍｍ以上に大きくなると、焼結層上に新しく金属粉末の被覆層を形成しても、厚さが不均一になり、全体を良好に焼結できなくなる。また、形成した焼結体の表面を滑らかにする機械加工などを行う際に、加工具の刃先が加工不要な箇所と干渉するため加工できなくなる。この反りの原因となる残留応力を抑制するために、焼結体の表面部の焼結密度を高くし内部の密度は小さくするなど焼結方法の工夫をしたり、焼結体の底部となる金属板に対する加熱が行われている（例えば、東喜万，阿部諭，峠山裕彦，吉田徳雄，不破勲 著；松下電工技報，２００２年８月，第６２頁を参照）。しかし、前述した焼結方法の工夫では焼結体の強度を確保には、低焼結密度領域の比率を大きくするには限界がある。また焼結体の加熱を金属板から行っているが、焼結体は金属粉末に埋没しているので、この方法では金属板の周辺も温度上昇するため、あまり高温に設定できない。また底部側からの熱伝導であるため、焼結体が厚くなるほど上面側の到達温度が低くなり、残留応力が除去されにくくなるという課題を有している。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、反りの小さな光造形物の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の光造形物の製造方法は、成形材料の層の所定箇所にレーザ光を照射して前記成形材料を焼結させて焼結層を形成し、さらに前記焼結層の上に成形材料の層を被覆すると共にこの成形材料の所定箇所にレーザ光を照射して前記成形材料を焼結させて下の焼結層と一体になった焼結体を形成し、これらの工程を繰り返すことで複数の焼結層が積層一体化された焼結体を有する光造形物を作製するに際し、形成した焼結層を加熱し残留応力を除去するものである。
【発明の効果】
【００１０】
この構成によると、焼結状態が強固な状態であったり、面積や厚さの大きな焼結体を有する光造形物でも、小さな反りで作製できるだけでなく、焼結層そのものを加熱するので装置全体が受ける熱負荷を小さくすることができる。
【００１１】
本発明の光造形物の製造方法によれば、形成した焼結層を加熱することによって、残留応力を除去することができ、反りの小さな光造形物を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の光造形物の製造方法を、具体的な各実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図６は本発明の（実施の形態１）を示す。
【００１３】
図１は光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置を示す。
なお、図１５と同じ構成要素については同じ符号を付けてその説明を省略する。
図１は、昇降テーブル１に取り付けられたベース板としての金属板２０の上に、図２に示す形状の焼結体１３の金型Ａを、光造形で形成する光造形物製造装置である。
【００１４】
昇降テーブル１は、昇降機構１１ｂによって基準テーブル４の開口４ａに向かって昇降駆動される。基準テーブル４には開口４ａに隣接して開口４ｂが設けられており、昇降テーブル１２は昇降機構１１ａによって開口４ｂに向かって昇降駆動される。
【００１５】
昇降テーブル１２の上には、成形材料である金属粉末２が充填されており、昇降機構１１ａによって昇降テーブル１２を所定の高さに持ち上げることによって、開口４ｂから基準テーブル４の上面に適量の金属粉末２が押し出される。
【００１６】
基準テーブル４の上面に押し出された適量の金属粉末２は、基準テーブル４の開口４ｂから開口４ａに向かって移動するスキージー３によって掻き取って移送する。
基準テーブル４の開口４ａから金属粉末２の供給を受ける側の昇降テーブル１は、基準テーブル４の上面よりも焼結層の１層の厚み分として５０μｍだけ下がった位置で停止しており、基準テーブル４の開口４ｂの上面より上に出た金属粉末２が、スキージー３の右側への移動によって基準テーブル４の上面に一致するように昇降テーブル１の上に供給される。
【００１７】
金属粉末２は、鉄系のクロムモリブデン鋼とニッケルの２種類の粒子から成り、平均粒径は約３０μｍである。昇降テーブル１は、内部に設置された加熱機構１８により１２０℃まで昇温されている。これ以上の加熱では、装置の構成部材の熱膨張により動作や精度に不具合が発生したり、安全面で好ましくない。なお、加熱機構１８は無くても良いが、反りの発生は大きくなる。
【００１８】
このようにして昇降テーブル１の上に供給された金属粉末２のうちで、さらに、金属板２０の上に位置している金属粉末２の層うちの、必要な部分にのみレーザ光Ｌを照射して焼結し、焼結層を形成する。レーザ光Ｌは、炭酸ガスレーザ発振器１４から出射したパルス発振のレーザ光１５を、コリメータ１６によってビーム径などが調整され、さらにガルバノ走査装置１７および集光レンズ５によって所定の場所に誘導して照射され、金属粉末２を焼結させる。
【００１９】
金属粉末２が焼結体１３の最表面に被覆された状態を、図３に拡大した模式図として示す。金属板２０の上に厚さ５０μｍの焼結層２１が１層形成され、その上に金属粉末２の構成粒子であるクロムモリブデン鋼粒子２２とニッケル粒子２３が被覆されている。被覆の厚さが５０μｍで、粒子の平均粒径は３０μｍなので、粒子はおよそ２個ずつ並んでいる。これにレーザ光Ｌを照射して焼結し、焼結層を形成する。
【００２０】
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、所定数の焼結層を積層一体化し、これを取り出すと、図２に示すような金型Ａを作製することができる。
金型Ａの焼結状態は、図４に示すように、高焼結密度層２４、中焼結密度層２５、低焼結密度層２６の３層で形成されている。強固な外形を得るために表面は高焼結密度層２４とし、内部には形状が維持できる程度の強度で反りを小さくするために中焼結密度層２５と低焼結密度層２６の多層が形成されるように、焼結時にレーザの照射条件を変えて、上記の３つの異なる焼結密度の領域を焼結体１３内に形成し、反りの発生をできるだけ小さくした。
【００２１】
焼結状態に影響するレーザ照射条件の因子には、レーザ光パルスの照射エネルギーとスポット径から決まるエネルギー密度、パルス幅と、走査速度と発振周波数から決まるオーバーラッピング率がある。本実施の形態では、ビームスポット径０．５ｍｍ、パルス幅３．０ｍｓ、走査速度１８ｍｍ／ｓ、発振周波数９０Ｈｚとし、加工点のエネルギー密度が９Ｊ／ｍｍ２で焼結密度９９％、２Ｊ／ｍｍ２で焼結密度９６％、０．９Ｊ／ｍｍ２で焼結密度９２％がそれぞれ得られた。焼結層２１の形成を繰り返して積層することで焼結体１３が作製されるが、各レーザ照射条件では、焼結層２１がその下の焼結層と接合されていることが必要である。
【００２２】
このようにして積層が終了した焼結体１３に対して、次に図５に示すように、積層が終了した焼結体１３をハロゲンランプなどの加熱ランプ１９で加熱する。この工程では、焼結体１３が未焼結の金属粉末２の中に埋没した状態では加熱焼鈍できないため、加熱ランプ１９による加熱ができる位置まで焼結体１３を昇降機構１１ｂによって上昇させる。上昇後に、焼結体１３の表面に残った金属粉末２をエアーブロー２７により除去して焼結体１３の表面を露出させ、加熱ランプ１９により加熱する。
【００２３】
鋼の場合、加熱による回復現象でほとんどの残留応力は消滅し、再結晶温度付近に加熱すれば完全に軟化する。１００℃で１０分間加熱すると、格子欠陥が消滅して残留応力は消滅し、反りも減少する。また加熱温度が高いほど、残留応力の除去に必要な加熱時間は短くなる。残留応力が減少すると、例えば当該部分の硬さが減少したり、Ｘ線回折パターンに現れる結晶面のピーク幅が狭くなることなどから確認することができる。
【００２４】
図６は昇降テーブル１に取り付けられた金属板２０と焼結体１３とから成る造形物の金型Ａが、加熱焼鈍前に反っている状態を示した模式図である。金属板２０は固定ボルト２８により昇降テーブル１に締め付け固定されているが、それでも焼結体１３の面積や厚みに応じて焼結側が凹面状に反る。本実施の形態では、金属板２０は縦横が２００ｍｍで厚みが４０ｍｍ、焼結体１３は縦横が１２０ｍｍで高さ３０ｍｍで、焼結後の反りは０．１１ｍｍであった。この焼結体１３を加熱ランプ１９で３０分間加熱すると、反りは０．１ｍｍ以下に減少した。
【００２５】
なお、本実施の形態において、焼結体１３の加熱方法として加熱ランプ１９を設けたが、焼結体１３の外周にコイルを設ける高周波加熱方式としても良い。高周波加熱方式では焼結体１３の形状に応じてコイル形状の最適化が必要になるが、加熱速度が速いという特徴がある。
【００２６】
（実施の形態２）
図７は、本発明の（実施の形態２）の光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置を示し、図１の構成と違う点は、加熱機構１８、加熱ランプ１９とエアーブロー２７を除いたことであって、（実施の形態２）では、焼結層２１が形成された後、次の金属粉末２が被覆される前に、焼結層２１の上に焼結時とは照射条件を変えたレーザ光Ｌを再照射し加熱焼鈍する。その結果、照射しない場合の反り０．１１ｍｍが０．０７ｍｍまで減少した。
【００２７】
図８は焼結体をレーザ光で焼鈍した後の断面の模式図である。
図８において、２１は焼結層、２９は焼鈍で生じた再溶融部で、再溶融部２９の深さは焼結層２１の厚みより小さくなるように形成してある。レーザ光Ｌの照射ピッチは、焼結時と同じである必要はなく、広くても良い。
【００２８】
図９は焼結体を焼鈍する前の表面の模式図である。パルスのレーザ光Ｌが重ねて照射されたので、焼結層２１の表面は、円状の照射跡が重なった形態を示す。
図１０はレーザ照射で焼鈍した後の表面の模式図で、再溶融部が存在する場合である。焼結時と同じくパルスのレーザ光Ｌが照射されるので、表面の再溶融部２９は、円状の照射跡が重なった形態を示す。レーザ強度を下げ再溶融部が存在しない場合には、表面状態は図９の焼結後の状態から変化は無い。これらの表面形態は、切削等の後加工が施されない限り残り、成形した樹脂部品等の表面に転写される。
【００２９】
パルスレーザ光を照射したときの最大溶融深さは、次式で推定することができる。
最大溶融深さ＝０．１６×パワー密度×（パルス幅−ｔｍ）／（密度×融解潜熱）
この式は、例えば、山中千代衛 監著；レーザ工学，１９８１年，第１７８頁に詳しい。
【００３０】
ここでｔｍは、
ｔｍ＝（円周率／熱拡散係数）×（融点×熱伝導率／（２×パワー密度））２
である。上式から分かるように、同じパルス幅のレーザ光Ｌであれば、パワー密度はエネルギー密度に比例するので、最大溶融深さはレーザ光のエネルギー密度に比例する。３種類の焼結密度層によって多少状態に差はあったが、３Ｊ／ｍｍ２のレーザ光Ｌを照射することで、再溶融層の深さは、およそ３７μｍであった。再溶融によって焼結時の残留応力は一旦無くなる。また、再溶融部２９の体積は焼結時の溶融体積よりも小さいため、再凝固時に凝固収縮に起因して発生する残留応力も小さくなる。再溶融部２９よりも深い所では加熱のみ起こる。このとき加熱された領域の再溶融部２９の近傍の温度は、１５００〜１４５０℃程度になる。レーザ加熱による温度勾配は１０６℃／ｃｍと言われており、このときの焼結層２１の底面における到達温度を推定すると１５０〜２００℃になる。パルス幅３ｍｓの間でこの温度上昇が起こっているとすると、同じ硬さが得られる条件を推定できる焼もどしパラメーターを用いれば、底面は１００℃で１０分間の焼鈍が行われた状態に相当すると見積もれるので、残留応力は除去される。
【００３１】
この（実施の形態２）によれば、焼結体２１の各層は残留応力を除去して積層されるので、（実施の形態１）のように焼結体１３の表面から加熱する方式と比べ、焼結体１３の反りを積層する毎に修正するだけでなく、また内部全体を満遍なく加熱することになるため、焼結体の形状精度がより良くなるという効果がある。
【００３２】
（実施の形態３）
図１１は、本発明の（実施の形態３）の光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置を示し、図１１が（実施の形態１）や（実施の形態２）に用いた装置と異なる点は、加熱ランプ１９によって金属粉末２の被覆層を加熱しながらレーザ光Ｌで焼結を行うことである。加熱ランプ１９の加熱により、焼結工程中の金属粉末２の表面が１００℃から３００℃になるようにしておけば、焼結層２１が絶えず焼鈍され、焼結工程が進む間に並行して残留応力を軽減することができ、また周辺の金属粉末２同士の固着なども起こらない。
【００３３】
また、（実施の形態３）は、（実施の形態２）の場合と比較して焼鈍のための別工程を必要としないので、従来の方法で焼結体１３を形成する場合と製造時間が変わらないという特有の効果もある。
【００３４】
（実施の形態４）
図１２は、本発明の（実施の形態４）の光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置を示し、図１２が（実施の形態１）〜（実施の形態３）と異なる点は、焼結に用いるレーザ光Ｌに対し、波長が異なる焼鈍用の連続発振ＹＡＧレーザ発振器３０を９０度回転した位置に設け、ＹＡＧレーザ発振器３０から出た焼鈍用レーザ光３１をコリメータ３２でビーム径などの調整を施した後、焼鈍用レーザ光３１のみを４５度全反射し炭酸ガスレーザ光Ｌを透過する４５度全反射ミラー３３によってレーザ光Ｌと焼鈍用レーザ光３１を同軸化してレーザ光３５を形成し、レーザ光３５を２波長用ガルバノ走査装置３４と集光レンズ５によって焼結体１３上に被覆された金属粉末２へ照射することである。ここで、炭酸ガスレーザ光１５の波長は１０．６μｍ、ＹＡＧレーザ光３１の波長は１．０６μｍである。焼鈍用レーザ光３１はレーザ光１５よりもパルス幅が長いか連続発振光が良い。
【００３５】
図１３は焼結体表面の形態の模式図である。
表面の溶融部３６の形態は、パルス光で円状の焼結跡が形成されるが、並行して連続的に溶融凝固したために最終的には線状の形態を示す。（実施の形態２）と同様に、この表面形態は切削等の後加工が施されない限り、成形した樹脂部品等の表面に転写される。
【００３６】
図１４は焼結体断面の形態の模式図である。
パワー密度が１００Ｗ／ｍｍ２で焼鈍用レーザ光３１を照射すると、深さ４μｍ程度の溶融部３６が連続的に形成される。この場合、深さ１７μｍぐらいまでが残留応力が軽減される領域となる。
【００３７】
この（実施の形態４）によれば、（実施の形態３）と同様に焼鈍するための別工程を必要としないので製造時間が長くなることがなく、また焼結工程を援助するので焼結用のレーザ強度を小さくできるだけでなく、焼鈍作用がレーザ光３５の照射部の近傍に限られるため装置等に与える熱影響が小さいという特有の効果もある。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の光造形物の製造方法は、反りの小さな光造形物の製造方法を提供することができ、金型だけでなく、粉末材料を焼結させる構造部材や電子部品等の製造方法にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の（実施の形態１）における光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置の構成図
【図２】同実施の形態における光造形物の拡大断面図
【図３】同実施の形態における金属粉末の被覆状態の拡大模式図
【図４】同実施の形態における焼結状態の構成図
【図５】同実施の形態における焼結体を加熱する状態の装置構成図
【図６】同実施の形態における金属板および焼結体の加熱焼鈍前の模式図
【図７】本発明の（実施の形態２）における光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置の構成図
【図８】同実施の形態における焼鈍後の焼結体断面形態の模式図
【図９】同実施の形態における焼鈍前の焼結体表面形態の模式図
【図１０】同実施の形態における焼鈍後の焼結体表面形態の模式図
【図１１】本発明の（実施の形態３）における光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置の構成図
【図１２】本発明の（実施の形態４）における光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置の構成図
【図１３】同実施の形態における焼結体表面形態の模式図
【図１４】同実施の形態における焼結体断面形態の模式図
【図１５】従来の光造形物の製造方法における工程の模式図
【図１６】従来の光造形物の模式図
【符号の説明】
【００４０】
１ 昇降テーブル
２ 金属粉末（成形材料）
３ 移動するスキージー
４ 基準テーブル
４ａ 基準テーブル４の開口
４ｂ 基準テーブル４の開口
５ 集光レンズ
１１ａ 昇降機構
１１ｂ 昇降機構
１２ 昇降テーブル
１３ 焼結体
Ｌ レーザ光
１４ 炭酸ガスレーザ発振器
１５ パルス発振のレーザ光
１６ コリメータ
１７ ガルバノ走査装置
１８ 加熱機構
１９ 加熱ランプ
２０ 金属板
２１ 焼結層
２２ クロムモリブデン鋼粒子
２３ ニッケル粒子
２４ 高焼結密度層
２５ 中焼結密度層
２６ 低焼結密度層
２７ エアーブロー
２８ 固定ボルト
２９ 再溶融部
３０ 焼鈍用の連続発振ＹＡＧレーザ発振器
３１ 焼鈍用レーザ光
３２ コリメータ
３３ ４５度全反射ミラー
３４ ２波長用ガルバノ走査装置
３５ レーザ光Ｌとレーザ光３１を同軸化したレーザ光
３６ 溶融部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いて焼結した成形材料の焼結層を複数積層一体化して作製される光造形物の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の光造形物の製造方法は、金属粉末の層にレーザ光を照射して焼結させて焼結層を形成し、この焼結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光を照射して焼結させることによって下の焼結層と一体になった焼結体を形成し、更にこれらの工程を繰り返すことで複数の焼結層が積層一体化された焼結体を作製するものである。例えば、下記の特許文献１，特許文献２を参照。
【０００３】
図１５は、特許文献２に記載された従来の光造形物の製造方法における工程の模式図である。
まず、図１５（ａ）に示す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で所定の厚みに被覆する。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運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。
【０００４】
この後、図１５（ｂ）に示すように、集光レンズ５で集光したレーザ光Ｌを走査して、金属粉末２の層の必要な部分にのみにレーザ光Ｌを照射することによって焼結して焼結層６ａとする。次に、昇降テーブル１を、レーザ光Ｌを照射した部分の金属粉末２の層Δｔの寸法で下降させ、図１５（ｃ）に示すように、焼結層６ａの上にスキージー３によって金属粉末２を供給し、次いで図１５（ｄ）に示すように、この金属粉末２の層の必要な部分にのみレーザ光Ｌを照射して焼結し、焼結層６ａの上に焼結層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１５（ｅ）に示すように所定数の焼結層６ａ〜６ｆを積層して一体化し、これを取り出すと、図１６に示すような複数の焼結層６ａ〜６ｆからなる光造形物Ａを作製することができる。
【０００６】
しかし、この方法では、積層された焼結体の端面は階段状に段差を有して形成され、また不要な金属粉末の付着もあるため、機械的手段、熱的手段や化学的手段によって表面を滑らかに形成することができる表面仕上げ方法も提供されている。
【特許文献１】特許第２６２０３５３号
【特許文献２】特開２０００−７３１０８号公報（第２頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記従来の構成では、焼結時の急熱・急冷による熱収縮に起因した残留応力によって反りが発生する。また、焼結体内部にクラックが発生し、割れの原因ともなる。反りの大きさは焼結条件や焼結体の形状によって変化し、一般には強固な焼結状態を得るために高い強度のレーザ光を照射する条件や、面積や厚さの大きな焼結体を作製する場合に、反りは大きくなる。反り量は例えば０．１ｍｍ以上に大きくなると、焼結層上に新しく金属粉末の被覆層を形成しても、厚さが不均一になり、全体を良好に焼結できなくなる。また、形成した焼結体の表面を滑らかにする機械加工などを行う際に、加工具の刃先が加工不要な箇所と干渉するため加工できなくなる。この反りの原因となる残留応力を抑制するために、焼結体の表面部の焼結密度を高くし内部の密度は小さくするなど焼結方法の工夫をしたり、焼結体の底部となる金属板に対する加熱が行われている（例えば、東喜万，阿部諭，峠山裕彦，吉田徳雄，不破勲 著；松下電工技報，２００２年８月，第６２頁を参照）。しかし、前述した焼結方法の工夫では焼結体の強度を確保には、低焼結密度領域の比率を大きくするには限界がある。また焼結体の加熱を金属板から行っているが、焼結体は金属粉末に埋没しているので、この方法では金属板の周辺も温度上昇するため、あまり高温に設定できない。また底部側からの熱伝導であるため、焼結体が厚くなるほど上面側の到達温度が低くなり、残留応力が除去されにくくなるという課題を有している。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、反りの小さな光造形物の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の光造形物の製造方法は、成形材料の層の所定箇所にレーザ光を照射して前記成形材料を焼結させて焼結層を形成し、さらに前記焼結層の上に成形材料の層を被覆すると共にこの成形材料の所定箇所にレーザ光を照射して前記成形材料を焼結させて下の焼結層と一体になった焼結体を形成し、これらの工程を繰り返すことで複数の焼結層が積層一体化された焼結体を有する光造形物を作製するに際し、形成した焼結層を加熱し残留応力を除去するものである。
【発明の効果】
【００１０】
この構成によると、焼結状態が強固な状態であったり、面積や厚さの大きな焼結体を有する光造形物でも、小さな反りで作製できるだけでなく、焼結層そのものを加熱するので装置全体が受ける熱負荷を小さくすることができる。
【００１１】
本発明の光造形物の製造方法によれば、形成した焼結層を加熱することによって、残留応力を除去することができ、反りの小さな光造形物を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の光造形物の製造方法を、具体的な各実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図６は本発明の（実施の形態１）を示す。
【００１３】
図１は光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置を示す。
なお、図１５と同じ構成要素については同じ符号を付けてその説明を省略する。
図１は、昇降テーブル１に取り付けられたベース板としての金属板２０の上に、図２に示す形状の焼結体１３の金型Ａを、光造形で形成する光造形物製造装置である。
【００１４】
昇降テーブル１は、昇降機構１１ｂによって基準テーブル４の開口４ａに向かって昇降駆動される。基準テーブル４には開口４ａに隣接して開口４ｂが設けられており、昇降テーブル１２は昇降機構１１ａによって開口４ｂに向かって昇降駆動される。
【００１５】
昇降テーブル１２の上には、成形材料である金属粉末２が充填されており、昇降機構１１ａによって昇降テーブル１２を所定の高さに持ち上げることによって、開口４ｂから基準テーブル４の上面に適量の金属粉末２が押し出される。
【００１６】
基準テーブル４の上面に押し出された適量の金属粉末２は、基準テーブル４の開口４ｂから開口４ａに向かって移動するスキージー３によって掻き取って移送する。
基準テーブル４の開口４ａから金属粉末２の供給を受ける側の昇降テーブル１は、基準テーブル４の上面よりも焼結層の１層の厚み分として５０μｍだけ下がった位置で停止しており、基準テーブル４の開口４ｂの上面より上に出た金属粉末２が、スキージー３の右側への移動によって基準テーブル４の上面に一致するように昇降テーブル１の上に供給される。
【００１７】
金属粉末２は、鉄系のクロムモリブデン鋼とニッケルの２種類の粒子から成り、平均粒径は約３０μｍである。昇降テーブル１は、内部に設置された加熱機構１８により１２０℃まで昇温されている。これ以上の加熱では、装置の構成部材の熱膨張により動作や精度に不具合が発生したり、安全面で好ましくない。なお、加熱機構１８は無くても良いが、反りの発生は大きくなる。
【００１８】
このようにして昇降テーブル１の上に供給された金属粉末２のうちで、さらに、金属板２０の上に位置している金属粉末２の層うちの、必要な部分にのみレーザ光Ｌを照射して焼結し、焼結層を形成する。レーザ光Ｌは、炭酸ガスレーザ発振器１４から出射したパルス発振のレーザ光１５を、コリメータ１６によってビーム径などが調整され、さらにガルバノ走査装置１７および集光レンズ５によって所定の場所に誘導して照射され、金属粉末２を焼結させる。
【００１９】
金属粉末２が焼結体１３の最表面に被覆された状態を、図３に拡大した模式図として示す。金属板２０の上に厚さ５０μｍの焼結層２１が１層形成され、その上に金属粉末２の構成粒子であるクロムモリブデン鋼粒子２２とニッケル粒子２３が被覆されている。被覆の厚さが５０μｍで、粒子の平均粒径は３０μｍなので、粒子はおよそ２個ずつ並んでいる。これにレーザ光Ｌを照射して焼結し、焼結層を形成する。
【００２０】
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、所定数の焼結層を積層一体化し、これを取り出すと、図２に示すような金型Ａを作製することができる。
金型Ａの焼結状態は、図４に示すように、高焼結密度層２４、中焼結密度層２５、低焼結密度層２６の３層で形成されている。強固な外形を得るために表面は高焼結密度層２４とし、内部には形状が維持できる程度の強度で反りを小さくするために中焼結密度層２５と低焼結密度層２６の多層が形成されるように、焼結時にレーザの照射条件を変えて、上記の３つの異なる焼結密度の領域を焼結体１３内に形成し、反りの発生をできるだけ小さくした。
【００２１】
焼結状態に影響するレーザ照射条件の因子には、レーザ光パルスの照射エネルギーとスポット径から決まるエネルギー密度、パルス幅と、走査速度と発振周波数から決まるオーバーラッピング率がある。本実施の形態では、ビームスポット径０．５ｍｍ、パルス幅３．０ｍｓ、走査速度１８ｍｍ／ｓ、発振周波数９０Ｈｚとし、加工点のエネルギー密度が９Ｊ／ｍｍ２で焼結密度９９％、２Ｊ／ｍｍ２で焼結密度９６％、０．９Ｊ／ｍｍ２で焼結密度９２％がそれぞれ得られた。焼結層２１の形成を繰り返して積層することで焼結体１３が作製されるが、各レーザ照射条件では、焼結層２１がその下の焼結層と接合されていることが必要である。
【００２２】
このようにして積層が終了した焼結体１３に対して、次に図５に示すように、積層が終了した焼結体１３をハロゲンランプなどの加熱ランプ１９で加熱する。この工程では、焼結体１３が未焼結の金属粉末２の中に埋没した状態では加熱焼鈍できないため、加熱ランプ１９による加熱ができる位置まで焼結体１３を昇降機構１１ｂによって上昇させる。上昇後に、焼結体１３の表面に残った金属粉末２をエアーブロー２７により除去して焼結体１３の表面を露出させ、加熱ランプ１９により加熱する。
【００２３】
鋼の場合、加熱による回復現象でほとんどの残留応力は消滅し、再結晶温度付近に加熱すれば完全に軟化する。１００℃で１０分間加熱すると、格子欠陥が消滅して残留応力は消滅し、反りも減少する。また加熱温度が高いほど、残留応力の除去に必要な加熱時間は短くなる。残留応力が減少すると、例えば当該部分の硬さが減少したり、Ｘ線回折パターンに現れる結晶面のピーク幅が狭くなることなどから確認することができる。
【００２４】
図６は昇降テーブル１に取り付けられた金属板２０と焼結体１３とから成る造形物の金型Ａが、加熱焼鈍前に反っている状態を示した模式図である。金属板２０は固定ボルト２８により昇降テーブル１に締め付け固定されているが、それでも焼結体１３の面積や厚みに応じて焼結側が凹面状に反る。本実施の形態では、金属板２０は縦横が２００ｍｍで厚みが４０ｍｍ、焼結体１３は縦横が１２０ｍｍで高さ３０ｍｍで、焼結後の反りは０．１１ｍｍであった。この焼結体１３を加熱ランプ１９で３０分間加熱すると、反りは０．１ｍｍ以下に減少した。
【００２５】
なお、本実施の形態において、焼結体１３の加熱方法として加熱ランプ１９を設けたが、焼結体１３の外周にコイルを設ける高周波加熱方式としても良い。高周波加熱方式では焼結体１３の形状に応じてコイル形状の最適化が必要になるが、加熱速度が速いという特徴がある。
【００２６】
（実施の形態２）
図７は、本発明の（実施の形態２）の光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置を示し、図１の構成と違う点は、加熱機構１８、加熱ランプ１９とエアーブロー２７を除いたことであって、（実施の形態２）では、焼結層２１が形成された後、次の金属粉末２が被覆される前に、焼結層２１の上に焼結時とは照射条件を変えたレーザ光Ｌを再照射し加熱焼鈍する。その結果、照射しない場合の反り０．１１ｍｍが０．０７ｍｍまで減少した。
【００２７】
図８は焼結体をレーザ光で焼鈍した後の断面の模式図である。
図８において、２１は焼結層、２９は焼鈍で生じた再溶融部で、再溶融部２９の深さは焼結層２１の厚みより小さくなるように形成してある。レーザ光Ｌの照射ピッチは、焼結時と同じである必要はなく、広くても良い。
【００２８】
図９は焼結体を焼鈍する前の表面の模式図である。パルスのレーザ光Ｌが重ねて照射されたので、焼結層２１の表面は、円状の照射跡が重なった形態を示す。
図１０はレーザ照射で焼鈍した後の表面の模式図で、再溶融部が存在する場合である。焼結時と同じくパルスのレーザ光Ｌが照射されるので、表面の再溶融部２９は、円状の照射跡が重なった形態を示す。レーザ強度を下げ再溶融部が存在しない場合には、表面状態は図９の焼結後の状態から変化は無い。これらの表面形態は、切削等の後加工が施されない限り残り、成形した樹脂部品等の表面に転写される。
【００２９】
パルスレーザ光を照射したときの最大溶融深さは、次式で推定することができる。
最大溶融深さ＝０．１６×パワー密度×（パルス幅−ｔｍ）／（密度×融解潜熱）
この式は、例えば、山中千代衛 監著；レーザ工学，１９８１年，第１７８頁に詳しい。
【００３０】
ここでｔｍは、
ｔｍ＝（円周率／熱拡散係数）×（融点×熱伝導率／（２×パワー密度））２
である。上式から分かるように、同じパルス幅のレーザ光Ｌであれば、パワー密度はエネルギー密度に比例するので、最大溶融深さはレーザ光のエネルギー密度に比例する。３種類の焼結密度層によって多少状態に差はあったが、３Ｊ／ｍｍ２のレーザ光Ｌを照射することで、再溶融層の深さは、およそ３７μｍであった。再溶融によって焼結時の残留応力は一旦無くなる。また、再溶融部２９の体積は焼結時の溶融体積よりも小さいため、再凝固時に凝固収縮に起因して発生する残留応力も小さくなる。再溶融部２９よりも深い所では加熱のみ起こる。このとき加熱された領域の再溶融部２９の近傍の温度は、１５００〜１４５０℃程度になる。レーザ加熱による温度勾配は１０６℃／ｃｍと言われており、このときの焼結層２１の底面における到達温度を推定すると１５０〜２００℃になる。パルス幅３ｍｓの間でこの温度上昇が起こっているとすると、同じ硬さが得られる条件を推定できる焼もどしパラメーターを用いれば、底面は１００℃で１０分間の焼鈍が行われた状態に相当すると見積もれるので、残留応力は除去される。
【００３１】
この（実施の形態２）によれば、焼結体２１の各層は残留応力を除去して積層されるので、（実施の形態１）のように焼結体１３の表面から加熱する方式と比べ、焼結体１３の反りを積層する毎に修正するだけでなく、また内部全体を満遍なく加熱することになるため、焼結体の形状精度がより良くなるという効果がある。
【００３２】
（実施の形態３）
図１１は、本発明の（実施の形態３）の光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置を示し、図１１が（実施の形態１）や（実施の形態２）に用いた装置と異なる点は、加熱ランプ１９によって金属粉末２の被覆層を加熱しながらレーザ光Ｌで焼結を行うことである。加熱ランプ１９の加熱により、焼結工程中の金属粉末２の表面が１００℃から３００℃になるようにしておけば、焼結層２１が絶えず焼鈍され、焼結工程が進む間に並行して残留応力を軽減することができ、また周辺の金属粉末２同士の固着なども起こらない。
【００３３】
また、（実施の形態３）は、（実施の形態２）の場合と比較して焼鈍のための別工程を必要としないので、従来の方法で焼結体１３を形成する場合と製造時間が変わらないという特有の効果もある。
【００３４】
（実施の形態４）
図１２は、本発明の（実施の形態４）の光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置を示し、図１２が（実施の形態１）〜（実施の形態３）と異なる点は、焼結に用いるレーザ光Ｌに対し、波長が異なる焼鈍用の連続発振ＹＡＧレーザ発振器３０を９０度回転した位置に設け、ＹＡＧレーザ発振器３０から出た焼鈍用レーザ光３１をコリメータ３２でビーム径などの調整を施した後、焼鈍用レーザ光３１のみを４５度全反射し炭酸ガスレーザ光Ｌを透過する４５度全反射ミラー３３によってレーザ光Ｌと焼鈍用レーザ光３１を同軸化してレーザ光３５を形成し、レーザ光３５を２波長用ガルバノ走査装置３４と集光レンズ５によって焼結体１３上に被覆された金属粉末２へ照射することである。ここで、炭酸ガスレーザ光１５の波長は１０．６μｍ、ＹＡＧレーザ光３１の波長は１．０６μｍである。焼鈍用レーザ光３１はレーザ光１５よりもパルス幅が長いか連続発振光が良い。
【００３５】
図１３は焼結体表面の形態の模式図である。
表面の溶融部３６の形態は、パルス光で円状の焼結跡が形成されるが、並行して連続的に溶融凝固したために最終的には線状の形態を示す。（実施の形態２）と同様に、この表面形態は切削等の後加工が施されない限り、成形した樹脂部品等の表面に転写される。
【００３６】
図１４は焼結体断面の形態の模式図である。
パワー密度が１００Ｗ／ｍｍ２で焼鈍用レーザ光３１を照射すると、深さ４μｍ程度の溶融部３６が連続的に形成される。この場合、深さ１７μｍぐらいまでが残留応力が軽減される領域となる。
【００３７】
この（実施の形態４）によれば、（実施の形態３）と同様に焼鈍するための別工程を必要としないので製造時間が長くなることがなく、また焼結工程を援助するので焼結用のレーザ強度を小さくできるだけでなく、焼鈍作用がレーザ光３５の照射部の近傍に限られるため装置等に与える熱影響が小さいという特有の効果もある。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の光造形物の製造方法は、反りの小さな光造形物の製造方法を提供することができ、金型だけでなく、粉末材料を焼結させる構造部材や電子部品等の製造方法にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の（実施の形態１）における光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置の構成図
【図２】同実施の形態における光造形物の拡大断面図
【図３】同実施の形態における金属粉末の被覆状態の拡大模式図
【図４】同実施の形態における焼結状態の構成図
【図５】同実施の形態における焼結体を加熱する状態の装置構成図
【図６】同実施の形態における金属板および焼結体の加熱焼鈍前の模式図
【図７】本発明の（実施の形態２）における光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置の構成図
【図８】同実施の形態における焼鈍後の焼結体断面形態の模式図
【図９】同実施の形態における焼鈍前の焼結体表面形態の模式図
【図１０】同実施の形態における焼鈍後の焼結体表面形態の模式図
【図１１】本発明の（実施の形態３）における光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置の構成図
【図１２】本発明の（実施の形態４）における光造形物の製造方法の実施に使用する光造形物製造装置の構成図
【図１３】同実施の形態における焼結体表面形態の模式図
【図１４】同実施の形態における焼結体断面形態の模式図
【図１５】従来の光造形物の製造方法における工程の模式図
【図１６】従来の光造形物の模式図
【符号の説明】
【００４０】
１ 昇降テーブル
２ 金属粉末（成形材料）
３ 移動するスキージー
４ 基準テーブル
４ａ 基準テーブル４の開口
４ｂ 基準テーブル４の開口
５ 集光レンズ
１１ａ 昇降機構
１１ｂ 昇降機構
１２ 昇降テーブル
１３ 焼結体
Ｌ レーザ光
１４ 炭酸ガスレーザ発振器
１５ パルス発振のレーザ光
１６ コリメータ
１７ ガルバノ走査装置
１８ 加熱機構
１９ 加熱ランプ
２０ 金属板
２１ 焼結層
２２ クロムモリブデン鋼粒子
２３ ニッケル粒子
２４ 高焼結密度層
２５ 中焼結密度層
２６ 低焼結密度層
２７ エアーブロー
２８ 固定ボルト
２９ 再溶融部
３０ 焼鈍用の連続発振ＹＡＧレーザ発振器
３１ 焼鈍用レーザ光
３２ コリメータ
３３ ４５度全反射ミラー
３４ ２波長用ガルバノ走査装置
３５ レーザ光Ｌとレーザ光３１を同軸化したレーザ光
３６ 溶融部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形材料の層の所定箇所にレーザ光を照射して前記成形材料を焼結させて焼結層を形成し、さらに前記焼結層の上に成形材料の層を被覆すると共にこの成形材料の所定箇所にレーザ光を照射して前記成形材料を焼結させて下の焼結層と一体になった焼結体を形成し、これらの工程を繰り返すことで複数の焼結層が積層一体化された焼結体を有する光造形物を作製するに際し、形成した焼結層を加熱し残留応力を除去する
光造形物の製造方法。
【請求項２】
前記焼結層が形成された後、次の成形材料の被覆が行われるまでに、最新に形成された焼結層を加熱することを特徴とする
請求項１記載の光造形物の製造方法。
【請求項３】
前記最新の焼結層への加熱により再溶融部を形成し、この再溶融部の深さは最新の焼結層の厚みより小さいことを特徴とする
請求項２記載の光造形物の製造方法。
【請求項４】
前記形成した焼結層を、焼結と同時に加熱することを特徴とする
請求項１記載の光造形物の製造方法。
【請求項５】
それぞれ波長の異なる焼結用と加熱用の２本のレーザ光を同時照射することを特徴とする
請求項４記載の光造形物の製造方法。
【請求項１】
成形材料の層の所定箇所にレーザ光を照射して前記成形材料を焼結させて焼結層を形成し、さらに前記焼結層の上に成形材料の層を被覆すると共にこの成形材料の所定箇所にレーザ光を照射して前記成形材料を焼結させて下の焼結層と一体になった焼結体を形成し、これらの工程を繰り返すことで複数の焼結層が積層一体化された焼結体を有する光造形物を作製するに際し、形成した焼結層を加熱し残留応力を除去する
光造形物の製造方法。
【請求項２】
前記焼結層が形成された後、次の成形材料の被覆が行われるまでに、最新に形成された焼結層を加熱することを特徴とする
請求項１記載の光造形物の製造方法。
【請求項３】
前記最新の焼結層への加熱により再溶融部を形成し、この再溶融部の深さは最新の焼結層の厚みより小さいことを特徴とする
請求項２記載の光造形物の製造方法。
【請求項４】
前記形成した焼結層を、焼結と同時に加熱することを特徴とする
請求項１記載の光造形物の製造方法。
【請求項５】
それぞれ波長の異なる焼結用と加熱用の２本のレーザ光を同時照射することを特徴とする
請求項４記載の光造形物の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００７−２７０２２７（Ｐ２００７−２７０２２７Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−９６１８３（Ｐ２００６−９６１８３）
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３１日（２００６．３．３１）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]