三維形狀造型物的製造方法
2023-10-11 23:44:29 2
專利名稱：三維形狀造型物的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種由光束對粉末材料進行燒結硬化而製造三維形狀造型物的三維形狀造型物製造方法，尤其涉及能夠適用於將由雷射束燒結的金屬粉末的燒結層進行多層疊層而實現一體化製造的鑄模的製造方法。
背景技術：
作為光造型法，已知的有三維形狀造型物的製造方法。專利第2620353號(專利文獻1)等中所給出的製造方法，是對無機物或有機物粉末材料的層的規定處照射光束，使該處的粉末燒結(熔化黏附)，形成燒結層，並在該燒結層上覆蓋新的粉末層，然後對該粉末層的規定處照射光束，將該處的粉末燒結，這樣形成與下層的燒結層成為一體的新的燒結層，重複上述步驟，製作將多層燒結層一體化的粉末燒結部件(三維形狀造型物)，以將作為三維形狀造型物的數據(CAD數據)的模型切片生成所希望厚度的各層截面形狀的數據為基礎並照射光束，在不使用機械加工中心等裝置的情況下能夠製造任意形狀的三維形狀造型物，此外，與切削加工等方法相比，能夠迅速得到所希望形狀的造型物。
此時考慮到造型時間與由內部應力所引起的彎曲變形與破裂等問題，不是用相同的燒結條件使造型物整體達到相同的密度，而是希望僅對必要的部分施以高燒結條件而得到高密度的燒結層，而在其它部分則以低的燒結條件得到低密度的燒結層的造型。例如在欲製作的造型物為注射成形模具的情況下，與成形為成形品的表面及配置冷卻水管的部分需要高密度，而其它部分則需要低密度。
然而，在高燒結條件下所形成的高密度燒結層，由於粉末幾乎是在完全熔融後固化，所以完成後表面非常光滑，並且在對配置冷卻水管進行造型的情況下不會漏水，但相對於覆蓋薄層粉末的粉末層的密度為50～60％，上述高密度燒結層的密度幾乎為100％，所以如圖16所示，當對於以厚度為t0形成的粉末層10以高燒結條件的光束L進行照射而形成高密度燒結層11H時，該高密度燒結層11H的表面比粉末層的表面僅低δ。
而且，如圖17所示，在形成的粉末層10的厚度是由工作檯20下降一定量所決定的情況下，在高密度燒結層11H上形成的粉末層的厚度會比設計值僅厚出δ的部分，進而當將該粉末層10在高燒結條件下燒結、成為高密度燒結層11H時，高密度燒結層11H的表面會比粉末層10的表面僅低一個臺階差δa(δa＞δ)。
然後進一步形成粉末層10，在下一次低燒結條件下形成低密度燒結層11L時，如圖18所示，此時粉末層10的厚度會比設計值t僅厚出上述臺階δa。
這裡，由於在低密度燒結條件下照射的光束L，是以厚度為t的粉末層10為前提而決定的條件，所以對於其厚度比設計值t厚了臺階差δa的粉末層10，容易發生其下層不能燒結、或即使能夠燒結、但只能得到與位於下層的高密度燒結層11H的結合力(黏附力)變弱、而容易發生剝離的低密度的燒結層11L。
專利文獻1特許第2620353號公報發明內容本發明鑑於上述問題，其目的在於提供一種三維形狀造型物的製造方法，能夠提高由高密度燒結層向低密度燒結層過渡部分的結合力。
本發明，對粉末材料層的規定的地方照射光束，將該處的粉末燒結，形成燒結層，並在該燒結層上覆蓋新的粉末材料層，對規定的地方照射光束，通過將該處粉末的燒結而形成與下層的燒結層成為一體的新的燒結層，重複上述動作，使多層燒結層疊層一體化，製造三維形狀造型物，在該製造過程中，能夠有選擇地以高燒結條件形成高密度燒結層和以低燒結條件形成低密度燒結層，同時，在從為得到高密度燒結層的高燒結條件向為得到低密度燒結層的低燒結條件過渡時，第一特徵為，在高密度燒結層上形成以兩條件的中間燒結條件照射光束的中密度燒結層，在該中密度燒結層上形成低密度燒結層。通過在高密度燒結層與低密度燒結層之間的中密度燒結層的存在，可防止結合力的下降，同時控制作為低密度燒結層的粉末層的厚度不會過厚。
此時，可以形成多層中密度燒結層，同時，使這些中密度燒結層的燒結條件逐漸向低密度燒結層的燒結條件接近，使上層的中密度燒結層的密度降低，以緩和高密度燒結層與低密度燒結層之間的特性差，或者是根據粉末層的厚度決定中密度燒結層的燒結條件，在適當的燒結條件下形成中密度燒結層。
而且，本發明的第二特徵在於，在從為得到高密度燒結層的高燒結條件向為得到低密度燒結層的低燒結條件過渡時，在最上層的高密度燒結層上設置比規定值小的粉末層，在低燒結條件下燒結該粉末層，形成低密度燒結層。控制作為低密度燒結層的粉末層的厚度不會過厚。即使形成的高密度燒結層的厚度在設計值以下，由於可形成與燒結條件相應的厚度的粉末層並形成低密度燒結層，所以不會形成黏附性差的低密度燒結層。
另外，本發明的第三特徵在於，在從為得到高密度燒結層的高燒結條件向為得到低密度燒結層的低燒結條件過渡時，在最上層的高密度燒結層上設置厚度比規定值小的粉末層，在高燒結條件下燒結，形成剩餘高密度燒結層，接著在剩餘高密度燒結層上形成低密度燒結層。即使是形成設計值以下厚度的高密度燒結層，也可以通過追加的剩餘高密度燒結層而消除臺階差，然後再形成低密度燒結層，因此可控制作為低密度燒結層的粉末層的厚度不會過厚，從而不形成黏附性差的低密度燒結層。
也可以在最上層的高密度燒結層上設置厚度比規定值小的粉末層，這時，以決定裝載有至此為止所形成的造型物的工作檯的粉末層厚度的下降量作為零而形成下一個粉末層，能夠減低工作檯下降所需要的時間。
另外，在從為得到高密度燒結層的高燒結條件向為得到低密度燒結層的低燒結條件過渡時，基於至此為止所形成的造型物高度的測量結果來決定下一個粉末層的厚度及該粉末層的燒結條件，或基於上次粉末層形成時使粉末層表面均勻平整的刀片的驅動負載的測定結果了；來決定下一個粉末層的厚度及該粉末層的燒結條件。能夠可靠防止成為低密度燒結層的粉末層的厚度不至於過厚。
另外，本發明的第四特徵在於，在從為得到高密度燒結層的高燒結條件向為得到低密度燒結層的低燒結條件過渡時，形成比設計值高的高密度燒結層，接著將高密度燒結層切削除去至設計值，其後形成低密度燒結層。通過追加高密度燒結層直至低密度燒結層本應開始的高度，可使作為低密度燒結層的粉末層的厚度為原來的值，可以防止形成黏附性差的低密度燒結層。
在以上的本發明中，通過在高密度燒結層與低密度燒結層之間存在的中密度燒結層，或控制形成低密度燒結層的粉末層的厚度，或者形成剩餘的高密度燒結層，使作為低密度燒結層的粉末層的厚度不至於過厚，所以可避免黏附性差的低密度燒結層的形成，防止其與高密度燒結層之間的剝離。
圖1是本發明的一實施例的說明圖。
圖2是其它例的說明圖。
圖3是其它一實施例的說明圖。
圖4是另一個其它實施例的說明圖。
圖5是別的實施例的說明圖。
圖6是表示其它實施例的一例，(a)、(b)分別是說明圖。
圖7是表示另一個其它實施例的一例，(a)、(b)、(c)分別是說明圖。
圖8是別的實施例一例的說明圖。
圖9是另一個別的實施例一例的說明圖。
圖10是其它例子的截面圖。
圖11是本發明實施例的動作說明圖。
圖12是圖11中所示製造裝置的動作方框圖。
圖13是圖11中所示製造裝置的概略立體圖。
圖14是關於由本發明製造的表面高密度部分的說明圖。
圖15(a)、(b)表示本發明中除去工序的截面圖。
圖16是歷來例的說明圖。
圖17是同上的其它說明圖。
圖18是同上的另一個其它說明圖。
圖中L-光束，11H-高密度燒結層。11L-低密度燒結層，11M-中密度燒結層，20-工作檯。
具體實施例方式
以下基於本發明實施例的一例進行詳細說明。作為由光造型製造三維形狀造型物的製造裝置，雖然可以使用任何形式的裝置，但在圖中所示的是使用如下裝置，在由造型桶罐25為外周所圍的空間內配置可上下移動的工作檯20，在桶罐25內的工作檯20上，由滑動刀片將供給的無機物或有機物的粉末材料壓平整，形成規定厚度的粉末層10，並通過掃描光學系統對上述粉末層的規定位置照射光束(雷射)L，從而形成燒結層11。
另外，作為輸出上述光束L的光束輸出裝置，使用的是能夠改變光束L的掃描節距與掃描速度的裝置。能夠由縮小掃描節距與減慢掃描速度的高燒結條件而形成高密度燒結層11H，或由加大掃描節距與加快掃描速度的低燒結條件而形成低密度燒結層11L，而且，還可以通過改變光束輸出裝置的輸出自身而進行改變上述條件。
具體地，圖13是表示本發明中的三維形狀造型物的製造裝置，設置有將供給到在以圓筒為外周所圍的空間內上下升降的升降臺20上的無機物或有機物粉末材料、用滑動刀片21壓平整而形成規定厚度Δt1的粉末層10的粉末層形成裝置2，和通過電流鏡31等掃描光學系統將雷射發振器30所輸出的雷射照射到上述粉末層10上、使粉末燒結而形成燒結層11的燒結層形成裝置3，以及在上述粉末層形成裝置2的基座部上、通過XY驅動機構(從高速化出發，希望是直動線性馬達驅動的機構)40設置銑削頭41而形成的去除裝置4。
在這種裝置中的三維形狀造型物的製造，如圖11所示，由調節燒結層形成裝置與燒結層的相對距離的調整裝置，向某處的工作檯20上面的造型物用基底22表面上供給無機物或有機物的粉末材料並用刀片21壓平整而形成第一層粉末層10，對該粉末層10的欲硬化處照射光束(雷射)L以使粉末層燒結，形成與基底22成為一體的燒結層11。
其後，升降工作檯20少許下降，再次供給無機物或有機物的粉末材料，並由刀片21壓平整而形成第二層的粉末層10，對該粉末層10的欲硬化處照射光束(雷射)L以使粉末層燒結，形成與下層的燒結層11成為一體的燒結層11。
重複進行下降升降工作檯20形成新的粉末層10並對所需要的地方照射光束而形成燒結層11的工序，就可以製造作出為目的的三維形狀造型物。例如，作為粉末材料最好是平均粒徑為20μm的球形鐵粉，作為光束優選CO2雷射，作為粉末層的厚度優選Δt1為0.05mm。
光束的照射路徑是由預先的CAD數據所作成，也就是說，與歷來的工藝相同，使用了將由三維CAD模型所生成的STL數據以等節距(這裡為0.05mm)切片的各截面的輪廓形狀數據。此時，希望能夠照射光束，以便至少將三維形狀造型物的最表面燒結為高密度(孔隙度小於5％)。即使是由去除裝置進行後述的表面去除，但只要露出的部分為多孔，去除加工後的表面也是多孔狀態，因此，如圖14所示，將預備形狀模型數據分為表層部分S與內部N，對於內部N以成為多孔體的燒結條件、對於表層部S則以幾乎使粉末熔融成為高密度的條件照射光束，圖15(a)中的12是表示高密度部分，而圖中的16則是由上述黏附粉末形成的低密度表面層。
這樣，重複形成上述粉末層10並照射光束形成燒結層11的工序，但例如當燒結層11的全厚度達到由銑削頭41的工具長度等所要求的值時，使去除裝置4動作，對至此為止造型的造型物的表面進行切削。例如，銑削頭41的工具(圓頭銑刀)的直徑為1mm，有效刃長為3mm，能夠進行深3mm的切削加工，如果粉末層的厚度Δt1為0.05mm，則在形成60層的燒結層11時，使去除裝置4動作。
如圖15所示，通過該去除裝置4的切削加工，在將由黏附在造型物表面的粉末所形成的低密度表面層16去除的同時，通過切削到高密度部12，使造型物表面完全露出高密度部12。因此，燒結層11比所希望的形狀M要稍大。
該去除裝置4的切削加工路徑與光束照射路徑相同，預先由三維CAD數據作成。此時，雖然是適用於等高線加工而決定的加工路徑，但在Z方向上的節距卻沒有必要拘泥於燒結時的疊層節距，在緩慢傾斜的情況下，通過在Z方向上的節距的細化內插，而得到光滑的表面，在以直徑1mm的圓頭銑刀進行切削加工的情況下，希望切入量為0.1～0.5mm，進刀速度為5～50mm/min，工具旋轉速度為20000～100000rpm。
現在，如圖1所示，在工作檯20上以高燒結條件(例如雷射輸出為200W，掃描節距為0.2mm，掃描速度為50mm/sec)形成兩層高密度燒結層11H、11H之後，以低燒結條件(例如雷射輸出為200W，掃描節距為0.5mm，掃描速度為300mm/sec)形成低密度燒結層11L之前，以兩條件之間的燒結條件(例如雷射輸出為200W，掃描節距為0.3mm，掃描速度為100mm/sec)照射光束L，形成中密度燒結層11M，其後，再形成低密度燒結層11L。即使是由為了形成低密度燒結層11L的低燒結條件的光束L不能充分加熱的厚度的粉末層10，由於能夠由中燒結條件的光束L進行充分的加熱，所以也不會產生與高密度燒結層11H之間的剝離。
此時，如圖2所示，在形成多層的中密度燒結層11Ma、11Mb、11Mc的同時，可將這些中密度燒結層11Ma、11Mb、11Mc的燒結條件逐漸向低密度燒結層11L的燒結條件接近。例如，若與高密度燒結層11H相接的中密度燒結層11Ma的燒結條件為雷射輸出200W、掃描節距0.3mm、掃描速度100mm/sec；中密度燒結層11Mb的燒結條件為雷射輸出200W、掃描節距0.35mm、掃描速度150mm/sec；與低密度燒結層11L相接的中密度燒結層11Mc的燒結條件為雷射輸出200W、掃描節距0.4mm、掃描速度200mm/sec。
另外，如圖3所示，在高密度燒結層11H形成之後，通過使用高度測定用探測器P等對粉末層10的表面與高密度燒結層11H的表面之間的高度差δa進行的測定，而求出下一個粉末層10的厚度(t+δa)，可以以與該(t+δa)值相對應的中燒結條件形成中密度燒結層11M。而且，與厚度(t+δa)的值相對應的中燒結條件，是由實驗結果等預先決定的。
圖4所表示的是另一個例子。在高密度燒結層11H之後形成低密度燒結層11L之前，通常是使工作檯20隻下降所定的量t，但在這裡通過使下降量比所定的量t小(包括下降量為零)，使下一個粉末層10的厚度不至於過厚，在這種狀態下，以低燒結條件進行形成低密度燒結層11L。
此外，如圖5所示，為了消除粉末層10的表面與高密度燒結層11H的上面之間的高度為δa的臺階差，在高密度燒結層11H的燒結結束後，不使工作檯20下降(或使工作檯20的下降量比設計值t小)，進行供給粉末，在上述臺階差的部分填充粉末，通過在這種狀態下形成以高燒結條件的高密度燒結層11H′來降低臺階差，之後，再進行低燒結條件下的低密度燒結層11L的製作。而且，在上述臺階差大的情況下，也可以用與上述相同的順序形成多層上述高密度燒結層11H′。在這種情況下，在疊層厚度逐漸變薄的高密度燒結層11H′之後，形成低密度燒結層11L。圖中21是滑動刀片。
另外，在使用上述高度測定用探測器P等對圖6(a)中所表示的粉末層10的表面與高密度燒結層11H的表面之間高度差δa的值進行測定的情況下，也可以根據該測定結果決定在上述高密度燒結層11H′形成之後進行低密度燒結層11L的形成，或者是不形成高密度燒結層11H′而形成低密度燒結層11L。在差δa大的情況下，如圖6(b)所示，通過不使工作檯20下降而供給粉末，形成上述高密度燒結層11H′來縮小差δa，在差δa當初就小的情況下，可使工作檯20下降而供給粉末，形成低密度燒結層11L。
如圖7所示，上述高度差δa的檢測，可以通過對驅動刀片21使粉末均勻平整時所必要的刀片21的驅動力(加在刀片21上的負載)F進行測定來代替。在負載F小的情況下，由於刀片21與高密度燒結層11H之間的間隔大(圖7(a))，所以在下一層不使工作檯20下降而供給粉末，在負載F大的情況下，由於刀片21與高密度燒結層11H之間的間隔小(圖7(b))，所以在下一層使工作檯20下降再供給粉末。
並且，加在刀片21上的負載大時，流過追從移動指令的驅動用馬達的電流也大，反之，負載小時，則與只驅動刀片21的電流極為接近。這裡，在刀片21通過上次燒結的面上的情況下，通常由於上述面的凹凸，受到阻力而成為負載，如果刀片21從上述面離開，則不受上述阻力。所以如圖7(c)所示，監視始動電流流過後等速移動中的電流值，根據該電流值比從預先實驗結果等所決定的閾值大還是小，來決定工作檯20是否下降。
另外，如圖8所示，在從高密度燒結層11H向低密度燒結層11L切換時，也可以無條件地將工作檯20的下降量變更為比設計值t(例如50μm)小的值ts(例如20μm)，在該狀態下形成粉末層10並形成以低燒結條件燒結的低密度燒結層11L。
圖9是表示另一個其它的例子。這是在高密度燒結層11H的高燒結條件向低密度燒結層的低燒結條件過渡時，形成多餘的高密度燒結層11H，使高密度燒結層11H的高度比設計值高，接著再將高密度燒結層11H的上面切削除去至設計值，其後，形成低密度燒結層11L。
在以上的各例中，雖然圖示的是僅採用高燒結條件、或低燒結條件、或中燒結條件中的一個對一個燒結層進行燒結，但本發明也能夠適用於在一個燒結層中是高密度燒結部與低密度燒結部混合存在的情況。也就是說，如圖10所示，即使是對於在某一燒結層中的高密度燒結部H上設置有其它燒結層的低密度燒結部L的部分，也同樣能夠適用。圖中M為中密度燒結部。
而且，作為無機物的粉末材料，特開2001-152204中所出示的鐵粉，具體地講，是由50wt％以上的鐵粉、與從鎳、鎳基合金、銅、及銅基合金構成的組中所選擇的一種以上的、由有色金屬粉末所組成的粉末材料，更具體地講，希望是由鉻鉬鋼70～90wt％、磷銅或錳銅5～30wt％、鎳0～10wt％所組成的粉末材料，平均粒徑為0.1～200μm，希望為1～100μm，更希望為5～50μm。作為有機物的粉末材料，可以使用以尼龍、ABS等為主要成分的熱塑性樹脂。
權利要求
1.一種三維形狀造型物的製造方法，對粉末材料層的規定的地方照射第一強度的光束，將該處的粉末燒結，形成高密度燒結層，並在該燒結層上覆蓋新的粉末材料層，對規定的地方照射第二強度的光束，通過該處粉末的燒結而形成與下層的燒結層成為一體的新的燒結層，重複上述動作，使多層燒結層疊層一體化，製造三維形狀造型物，在該製造過程中，其特徵在於能夠有選擇地以高燒結條件形成高密度燒結層和以低燒結條件形成低密度燒結層，同時，在從為得到高密度燒結層的高燒結條件向為得到低密度燒結層的低燒結條件過渡時，為了使在上述高密度燒結層上形成的低密度燒結層的粉末層、不會燒結到與燒結條件相應的厚度以上，a)將燒結為設計值以上厚度的高密度燒結層去除到規定的高度，在其高密度燒結層上形成設計值的粉末層，或b)在燒結為設計值以下厚度的高密度燒結層上追加形成規定厚度的高密度或中密度燒結層的中間介在層，在該中間介在層上形成設計值的粉末層，或c)在燒結為設計值以下厚度的高密度燒結層上形成與燒結條件相應的粉末層，並形成低密度燒結層。
2.根據權利要求1所述的三維形狀造型物的製造方法，其特徵在於上述中間介在層是中密度燒結層，在進行多層疊層時，將為得到這些中密度燒結層的燒結條件逐漸向為得到低密度燒結層的條件接近，使上層的中密度燒結層的密度降低。
3.根據權利要求1或2所述的三維形狀造型物的製造方法，其特徵在於對應於粉末層的厚度決定為得到上述中密度燒結層的燒結條件。
4.根據權利要求1所述的三維形狀造型物的製造方法，其特徵在於在高密度燒結層的最上層，設置厚度比規定值小的粉末層，以低燒結條件對該粉末層進行燒結，形成低密度燒結層。
5.根據權利要求1所述的三維形狀造型物的製造方法，其特徵在於在高密度燒結層的最上層設置厚度比規定值小的粉末層，在高燒結條件下對該粉末層進行燒結，形成高密度燒結層，接著在高密度燒結層上形成低密度燒結層。
6.根據權利要求1所述的三維形狀造型物的製造方法，其特徵在於當在最上層的高密度燒結層上設置厚度比規定值小的粉末層時，將決定裝載至此為止所形成的造型物的工作檯的粉末層的厚度的下降量作為零而形成下一個粉末層。
7.根據權利要求1所述的三維形狀造型物的製造方法，其特徵在於在從為得到高密度燒結層的高燒結條件向為得到低密度燒結層的低燒結條件過渡時，基於至此為止所形成的造型物高度的測量結果來決定下一個粉末層的厚度及該粉末層的燒結條件。
8.根據權利要求1所述的三維形狀造型物的製造方法，其特徵在於在從為得到高密度燒結層的高燒結條件向為得到低密度燒結層的低燒結條件過渡時，基於對在上次粉末層形成時使粉末層表面均勻的刀片的驅動負載的測定結果來決定下一個粉末層的厚度及該粉末層的燒結條件。
9.根據權利要求1所述的三維形狀造型物的製造方法，使用鐵基粉末與從由鎳、鎳基合金、銅、及銅基合金構成的組中所選擇的一種以上有色金屬粉末所組成的、平均粒徑為0.1～200μm的粉末材料，製造作為三維形狀造型物的模具。
全文摘要
一種三維形狀造型物的製造方法，其特徵為，對粉末材料層的規定的地方照射第一強度的光束，將該處的粉末燒結，形成高密度燒結層，並在該燒結層上覆蓋新的粉末材料層，對規定的地方照射第二強度的光束，通過將該處粉末的燒結而形成與下層的燒結層成為一體的新的燒結層，重複上述動作，使多層燒結層疊層一體化，製造三維形狀造型物，這時，以在上述高密度燒結層上形成低密度燒結層的粉末層、不會燒結到與燒結條件相應的厚度以上而形成密合性優異的低密度燒結層。
文檔編號B22F3/105GK1496769SQ03159598
公開日2004年5月19日 申請日期2003年9月29日 優先權日2002年9月30日
發明者阿部諭, 不破勳, 垰山裕彥, 吉田德雄, 武南正孝, 上永修士, 士, 孝, 彥, 雄 申請人:松下電工株式會社