特許 6170238 ３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6170238

(24)【登録日】2017年7月7日

(45)【発行日】2017年7月26日

(54)【発明の名称】３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   B22F 3/16 20060101AFI20170713BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20170713BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20170713BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20170713BHJP

   B33Y 70/00 20150101ALI20170713BHJP

【ＦＩ】

   B22F3/16

   B22F3/105

   B33Y30/00

   B33Y50/02

   B33Y70/00

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-510842(P2016-510842)

(86)(22)【出願日】2015年12月25日

(86)【国際出願番号】JP2015086432

【審査請求日】2016年2月29日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度 経済産業省「産業技術開発（次世代産業用三次元造形システム技術開発）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】514227988

【氏名又は名称】技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100134430

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 卓士

(74)【代理人】

【識別番号】100198960

【弁理士】

【氏名又は名称】奥住 忍

(72)【発明者】

【氏名】深瀬 泰志

【審査官】 米田 健志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１８３２８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｆ ３／１０５

Ｂ２２Ｆ ３／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

３次元積層造形物の材料を造形面に供給する材料供給手段と、
前記材料に光線を照射する照射手段と、
前記材料供給手段を制御する制御手段と、
を備える３次元積層造形装置であって、
前記３次元積層造形物は異種材料を接合した接合部材であり、
前記制御手段は、前記３次元積層造形物の前記異種材料の境界領域において、材料の積層方向の傾斜組成が、前記材料の積層方向に対して垂直な垂直方向の材料の比率の変化により形成され、前記垂直方向に前記異種材料が交互に現れる境界が形成されるように前記材料供給手段を制御する３次元積層造形装置。

【請求項2】

前記傾斜組成は、前記積層方向にさらに形成されている請求項１に記載の３次元積層造形装置。

【請求項3】

前記傾斜組成は、前記３次元積層造形物の熱膨張方向に基づいて形成されている請求項１に記載の３次元積層造形装置。

【請求項4】

３次元積層造形物の材料を造形面に供給する材料供給手段と、
前記材料に光線を照射する照射手段と、
前記材料供給手段を制御する制御手段と、
を備える３次元積層造形装置の制御方法であって、
前記３次元積層造形物は、異種材料を接合させた接合部材であり、
前記制御手段は、前記３次元積層造形物の境界領域において、材料の積層方向の傾斜組成が、前記材料の積層方向に対して垂直な垂直方向の材料の比率の変化により形成され、前記垂直方向に前記異種材料が交互に現れる境界が形成されるように前記材料供給手段を制御するステップを含む３次元積層造形装置の制御方法。

【請求項5】

３次元積層造形物の材料を造形面に供給する材料供給手段と、
前記材料に光線を照射する照射手段と、
前記材料供給手段を制御する制御手段と、
を備える３次元積層造形装置の制御プログラムであって、
前記３次元積層造形物は、異種材料を接合させた接合部材であり、
前記制御手段は、前記３次元積層造形物の境界領域において、材料の積層方向の傾斜組成が、前記材料の積層方向に対して垂直な垂直方向の材料の比率の変化により形成され、前記垂直方向に前記異種材料が交互に現れる境界が形成されるように前記材料供給手段を制御するステップをコンピュータに実行させる３次元積層造形装置の制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

上記技術分野において、特許文献１には、マグネシウム部材とアルミニウム部材とを結合した結合部材において、両者の間に中間層を設けて結合する技術が開示されている（同文献段落［００２６］等）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１１／１５５２１４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記文献に記載の技術では、３次元積層造形装置を用いて異種材料接合３次元積層造形物を造形することができなかった。

【0005】

本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置は、
３次元積層造形物の材料を造形面に供給する材料供給手段と、
前記材料に光線を照射する照射手段と、
前記材料供給手段を制御する制御手段と、
を備える３次元積層造形装置であって、
前記３次元積層造形物は異種材料を接合した接合部材であり、
前記制御手段は、前記３次元積層造形物の前記異種材料の境界領域において、材料の積層方向の傾斜組成が、前記材料の積層方向に対して垂直な垂直方向の材料の比率の変化により形成され、前記垂直方向に前記異種材料が交互に現れる境界が形成されるように前記材料供給手段を制御する。

【0007】

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置の制御方法は、
３次元積層造形物の材料を造形面に供給する材料供給手段と、
前記材料に光線を照射する照射手段と、
前記材料供給手段を制御する制御手段と、
を備える３次元積層造形装置の制御方法であって、
前記３次元積層造形物は、異種材料を接合させた接合部材であり、
前記制御手段は、前記３次元積層造形物の境界領域において、材料の積層方向の傾斜組成が、前記材料の積層方向に対して垂直な垂直方向の材料の比率の変化により形成され、前記垂直方向に前記異種材料が交互に現れる境界が形成されるように前記材料供給手段を制御するステップを含む。

【0008】

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置の制御プログラムは、
３次元積層造形物の材料を造形面に供給する材料供給手段と、
前記材料に光線を照射する照射手段と、
前記材料供給手段を制御する制御手段と、
を備える３次元積層造形装置の制御プログラムであって、
前記３次元積層造形物は、異種材料を接合させた接合部材であり、
前記制御手段は、前記３次元積層造形物の境界領域において、材料の積層方向の傾斜組成が、前記材料の積層方向に対して垂直な垂直方向の材料の比率の変化により形成され、前記垂直方向に前記異種材料が交互に現れる境界が形成されるように前記材料供給手段を制御するステップをコンピュータに実行させる。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、３次元積層造形装置を用いて異種材料接合３次元積層造形物を造形することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の構成の概略を説明する図である。

【図2A】本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した異種材料接合３次元積層造形物の構成を説明する断面図である。

【図2B】本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した異種材料接合造形物の構成を説明するＤ−Ｄ’線断面図である。

【図3】本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した異種材料接合造形物の接合界面の構成を説明する図である。

【図4A】本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術により製造された接合部材の構成を説明する断面図である。

【図4B】本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術により製造された接合部材の構成を説明する部分拡大断面図である。

【図5】本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した異種材料接合造形物の構成を説明する上面図である。

【図6】本発明の第３実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した異種材料接合造形物の構成を説明する上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

【0012】

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての３次元積層造形装置１００について、図１乃至図４Ｂを用いて説明する。

【0013】

＜前提技術＞
まず、図４Ａおよび図４Ｂを参照して、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００により造形した３次元積層造形物１２０の前提技術に係る３次元積層造形物４２０について説明する。図４Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術により製造された接合部材の構成を説明する断面図である。図４Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術により製造された接合部材の構成を説明する部分拡大断面図である。

【0014】

図４Ａ（ａ）および（ｂ）に示したように、異種材料を接合した接合部材４２０の接合界面４０１は、材料Ａによる部材と材料Ｂによる部材との平面同士による接合となる。この場合、図４Ｂに示したように、材料Ａと材料Ｂとの間の熱膨張差による残留応力を緩和させるために、接合部材４２０の構造として、接合界面４０１に、中間材Ａ’４１１と中間材Ｂ’４１２を設けた構造とすることがある。つまり、中間材Ａ’４１１および中間材Ｂ’４１２が、接着材の役割をする。このような構造とすることにより、材料Ａと材料Ｂとの接着力が高まり、安定した接合強度を持つ接合部材４２０が得られる。

【0015】

しかしながら、例えば、ＬＭＤ（Laser Metal Deposition）方式の３次元積層造形装置によりこのような構造を造形するためには、材料Ａおよび材料Ｂを混合するための機構や、材料Ａおよび材料Ｂの混合量を調整するための機構が必要となる。さらに、材料供給位置や接合界面４０１の造形位置などを精密に制御することも必要となるので、これらを精密に制御する機構が必要となり、３次元積層造形装置の装置構成が複雑となる。

【0016】

＜本実施形態の技術＞
図１は、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００の構成の概略を説明する図である。なお、図１では、ここに示した部材以外の部材などについては、図が煩雑になるのを避けるため適宜省略している。

【0017】

３次元積層造形装置１００は、３次元積層造形物の材料である金属粉体などにレーザビームを照射して、金属粉体を溶融、凝固させて積層することにより造形台１３０上に３次元積層造形物１２０を造形する装置である。

【0018】

図１に示すように、３次元積層造形装置１００は、光源１０１と、鏡筒１０２と、ノズル１０３と、制御部１０４と、材料貯蔵部１０５とを含む。光源１０１は、レーザビームなどを発生させる。鏡筒１０２は、発生したレーザビームの経路を調整して、造形台１３０に誘導する。ノズル１０３は、ノズル１０３の先端からキャリアガス１４０を噴射して、造形台１３０上に３次元積層造形物１２０の材料を供給する。キャリアガス１４０は、アルゴンガスや窒素ガス、ヘリウムガスなどの不活性ガスであり、３次元積層造形物１２０の材料である金属粉体などを造形台１３０上に搬送するガスである。材料貯蔵部１０５は、３次元積層造形物１２０の材料を貯蔵し、材料搬送管１５１を通じて、圧送などにより、ノズル１０３に対して材料を供給する。

【0019】

制御部１０４は、光源１０１、鏡筒１０２、ノズル１０３および材料貯蔵部１０５と接続されている。制御部１０４は、光源１０１を制御して、レーザビームなどの出力などを調整する。同様に、制御部１０４は、鏡筒１０２を制御して、レーザビームなどの光軸や集束状態などの調整をする。さらに、制御部１０４は、ノズル１０３および材料貯蔵部１０５を制御して、ノズル１０３の走査速度やノズル１０３からのキャリアガス１４０の噴射量などを調整し、材料の供給量を調整する。

【0020】

図２Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した異種材料接合３次元積層造形物１２０の構成を説明する断面図である。異種材料接合３次元積層造形物１２０は、材料Ａと材料Ｂとが接する接合界面２０１において、積層（複層）方向に直角な方向である直角方向に波型の傾斜組成が形成されている。このように、接合界面２０１において、傾斜組成を形成することにより、複層材（材料Ａおよび材料Ｂ）同士の接着面積が増加し、接合界面２０１に生じる応力が分散されるので、材料Ａと材料Ｂとの接合強度を確保することができる。

【0021】

図２Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した異種材料接合造形物の構成を説明するＤ−Ｄ’線断面図である。図２Ａに示したように、接合界面２０１は波型の形状をしているので、図２Ｂ（図２Ａ矢視）に示したように、材料Ａおよび材料Ｂは、造形方向に対して、材料Ａと材料Ｂとが交互に現れる配置となっている。

【0022】

図３は、本実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した異種材料接合造形物の接合界面の構成を説明する図である。同図（ａ），（ｂ），（ｃ）に示したように、接合界面２０１の形状は、正弦波型、鋸歯型など様々な形状とすることができるが、これらには限定されない。例えば、図３に示した以外にも、矩形波型、台形波型、三角波型、階段波型などであってもよい。

【0023】

なお、上述の説明では、ＬＭＤ（Laser Metal Deposition）方式のように、レーザビームなどを照射して溶融プールを作っておき、溶融プールの中に材料を放り込む方式を想定して説明をした。しかしながら、パウダーベッド方式のように、最初に材料を造形面に散布し、散布した材料にレーザビームなどを照射する方式にも適用可能である。また、上述の説明では、１層の中で傾斜組成を形成する例で説明したが、例えば、このような積層方法を、複数層の間に適用することも可能である。

【0024】

本実施形態によれば、接着剤などの中間材を設ける必要がないので、３次元積層造形装置を用いて容易に異種材料接合３次元積層造形物を造形することができる。また、中間材を設けない構造としたので、極低温から高温域までの温度履歴を繰り返し与えても異種材料接合３次元積層造形物を損傷させることなく使用できる。さらに、爆着などの方法以外の方法、つまり、積層造形により異種材料を接合した異種材料接合３次元積層造形物が得られる。

【0025】

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した異種材料接合３次元積層造形物について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した異種材料接合造形物の構成を説明する上面図である。つまり、接合界面２０１と平行な面で切った断面図である。

【0026】

接合境界（接合界面２０１）と平行な方向（複層方向と直角な方向）にパターン化した傾斜組成を形成することもよい。すなわち、層が積み上がるごとに徐々に材料の比率が変化している。例えば、図５に示したように、下層から上層へ材料が積み上がるごとに（同図（ｃ）〜（ａ））、各層における材料Ａの占有する面積が減少、つまり、材料Ｂの占有する面積が増大するような傾斜組成を形成してもよい。

【0027】

本実施形態によれば、爆着などの方法以外の方法、つまり、積層造形により異種金属を接合した接合部材が得られる。また、極低温から高温域までの温度履歴を繰り返し与えても、損傷することなく使用できる接合部材が得られる。

【0028】

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した異種材料接合３次元積層造形物について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した異種材料接合造形物の構成を説明する上面図である。つまり、接合界面２０１と平行な面で切った断面図である。

【0029】

異種材料接合３次元積層造形物の熱膨張量と熱膨張方向とに応じて、接合境界（接合界面２０１）と平行な方向に傾斜組成を形成してもよい。この際、造形物が熱膨張する方向に向けて傾斜組成を持つ領域を多く形成すれば、効率よく接合界面の応力を緩和することができる。すなわち、同図（ｄ）に示した熱膨張中心からの熱膨張方向を考慮して、層が積み上がるごとに（同図（ｃ）〜（ａ））、各層における材料Ａおよび材料Ｂが占有する面積を変化させてもよい。

【0030】

本実施形態によれば、部材の熱膨張の方向に応じて接合境界と平行な方向にパターンを形成するので、熱膨張の方向に傾斜組成領域が多く形成され、効率よく応力緩和を図ることができる。

【0031】

［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

【0032】

また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

【要約】

３次元積層造形装置を用いて異種材料接合３次元積層造形物を造形すること。３次元積層造形物の材料を造形面に供給する材料供給手段と、前記材料に光線を照射する照射手段と、前記材料供給手段を制御する制御手段と、を備える３次元積層造形装置であって、前記３次元積層造形物は異種材料を接合した接合部材であり、前記制御手段は、前記３次元積層造形物の前記異種材料の境界領域において、材料の傾斜組成が形成されるように前記材料供給手段を制御する。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】