特開 2023-183596 金属積層造形方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023183596

(43)【公開日】2023-12-28

(54)【発明の名称】金属積層造形方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 10/37 20210101AFI20231221BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20231221BHJP

   B22F 10/66 20210101ALI20231221BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20231221BHJP

   B33Y 40/20 20200101ALI20231221BHJP

【ＦＩ】

B22F10/37

B22F10/28

B22F10/66

B33Y10/00

B33Y40/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022097193

(22)【出願日】2022-06-16

(71)【出願人】

【識別番号】000241500

【氏名又は名称】トヨタ紡織株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】三窪 裕幸

【テーマコード（参考）】

4K018

【Ｆターム（参考）】

4K018AA06

4K018AA24

4K018AA33

4K018BA03

4K018BA13

4K018BA17

4K018CA44

4K018EA60

4K018FA06

(57)【要約】

【課題】金属造形物を精度よく製造することができる金属積層造形方法を提供する。
【解決手段】金属積層造形方法は、金属粉末層を形成することと、金属粉末層の少なくとも一部を焼結させて金属層を形成することとを繰り返し、金属層を順次積層することによって金属造形物を造形する方法である。金属積層造形方法は、ベースプレート１２上に、一部に保持層２４を有した第１層２６を、金属造形物を支持する支持造形物として第１金属層２３によって形成する第１層形成工程と、第１層２６上に、第２層２８を金属造形物として第２金属層２７によって形成する第２層形成工程と、を備える。第１層２６における保持層２４以外の部分である一般層２５の密度は、保持層２４の密度及び第２層２８の密度よりも小さくなっている。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属粉末層を形成することと、前記金属粉末層の少なくとも一部を焼結させて金属層を形成することとを繰り返し、前記金属層を順次積層することによって金属造形物を造形する金属積層造形方法であって、
ベースプレート上に、一部に保持層を有した第１層を、前記金属造形物を支持する支持造形物として前記金属層によって形成する第１層形成工程と、
前記第１層上に、第２層を前記金属造形物として前記金属層によって形成する第２層形成工程と、
を備え、
前記第１層における前記保持層以外の部分の密度は、前記保持層の密度及び前記第２層の密度よりも小さくなっていることを特徴とする金属積層造形方法。

【請求項2】

前記第２層形成工程を行った後に、前記第２層を切削加工する切削工程を備えることを特徴とする請求項１に記載の金属積層造形方法。

【請求項3】

前記保持層は、前記第１層における中央部に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属積層造形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属積層造形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、金属積層造形方法として、例えば特許文献１に示す３次元物体の製造方法が知られている。こうした３次元物体の製造方法では、まず、昇降可能な物体支持体の上面に平板を固定する。続いて、平板上に金属粉末材料を供給して第１層目の金属粉末材料層を形成した後、この金属粉末材料層を焼結することにより、造形する物体の第１層目を平板に強く接着する。この第１層目の上に物体の第２層目以上を上記第１層目と同様にして必要分だけ積層することで、物体の完成品が造形される。その後、物体の完成品は、金鋸によって平板から切り離される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平８－２８１８０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、上述のような３次元物体の製造方法では、金属粉末材料層の焼結によって生じる収縮応力が完成品の物体に残留した状態となっている。このため、この状態で物体を平板から切り離すと、物体に残留する収縮応力が解放されて物体が大きく変形してしまう。この結果、物体の精度が低下するという問題がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する金属積層造形方法は、金属粉末層を形成することと、前記金属粉末層の少なくとも一部を焼結させて金属層を形成することとを繰り返し、前記金属層を順次積層することによって金属造形物を造形する金属積層造形方法であって、ベースプレート上に、一部に保持層を有した第１層を、前記金属造形物を支持する支持造形物として前記金属層によって形成する第１層形成工程と、前記第１層上に、第２層を前記金属造形物として前記金属層によって形成する第２層形成工程と、を備え、前記第１層における前記保持層以外の部分の密度は、前記保持層の密度及び前記第２層の密度よりも小さくなっていることを要旨とする。

【0006】

通常、ベースプレート上に金属層を積層して金属造形物を造形すると、金属粉末層の焼結による金属層の形成によって生じる収縮応力が金属造形物に残留した状態となる。この状態で金属造形物をベースプレートから切り離すと、金属造形物に残留する収縮応力が解放されて金属造形物が大きく変形してしまう。この点、上記構成によれば、第１層（支持造形物）における保持層以外の部分の密度は、保持層の密度及び第２層（金属造形物）の密度よりも小さくなっている。このため、第１層上に第２層を形成すると、第２層に残留する収縮応力が第１層における保持層以外の部分による第２層の保持力よりも大きくなる。したがって、第２層に残留する収縮応力が解放されるので、第１層における保持層以外の部分と第２層との間にクラックが生じて第２層が変形する。このとき、第２層に残留する収縮応力は第１層における保持層による第２層の保持力よりも小さいため、第２層はほぼ保持層のみに保持された状態となる。つまり、第２層が保持層を介してベースプレートに繋がった状態で第２層に残留する収縮応力が解放された状態になる。この状態で変形した第２層の形状を切削加工して正規の形状にした後に、第２層を保持層から切り離しても、第２層に残留する収縮応力は既に解放されているため、第２層はほとんど変形しない。したがって、金属造形物（第２層）を精度よく製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】一実施形態の金属積層造形装置の側面模式図。

【図2】ベースプレート上に第１層を形成したときの状態を示す平面模式図。

【図3】図２の３－３線矢視断面図。

【図4】ベースプレート上の第１層の上に第２層を形成したときの状態を示す平面模式図。

【図5】図４の５－５線矢視断面図。

【図6】ベースプレート上の第１層の上で第２層が収縮応力の解放によって変形したときの状態を示す断面模式図。

【図7】図６において変形した第２層を切削加工によって正規の形状にしたときの状態を示す断面模式図。

【図8】完成した金属造形物の側面模式図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、金属積層造形方法の一実施形態を図面に従って説明する。
＜金属積層造形装置１１＞
図１に示すように、金属積層造形装置１１は、矩形状のベースプレート１２を支持する矩形板状のステージ１３と、昇降機構１４と、リコーター１５と、レーザー発振器１６と、ガルバノスキャナー１７と、金属を切削する切削機構１８とを備えている。

【0009】

ステージ１３上には、ベースプレート１２が例えばボルト（図示略）によって着脱自在に固定される。昇降機構１４は、ステージ１３を上下に移動させる。リコーター１５は、ベースプレート１２の上方において３次元的に自由に移動可能に構成されている。リコーター１５は、移動しながら金属粉末材料１９をベースプレート１２上に薄く均一に敷くように供給する。

【0010】

レーザー発振器１６は、ベースプレート１２の上方に配置されたガルバノスキャナー１７に向けてレーザービーム２０を発振する。ガルバノスキャナー１７は、レーザー発振器１６から発振されたレーザービーム２０を反射してベースプレート１２上に敷かれた金属粉末材料１９に照射する。

【0011】

ガルバノスキャナー１７は、レーザー発振器１６から発振されたレーザービーム２０をベースプレート１２上の任意の位置に照射可能に構成されている。ベースプレート１２上に敷かれた金属粉末材料１９におけるレーザービーム２０が照射された部分は、レーザービーム２０によって焼結される。

【0012】

切削機構１８は、ベースプレート１２の上方において３次元的に自由に移動可能に構成されている。切削機構１８は、例えばエンドミルなどの回転工具２１を有している。切削機構１８における回転工具２１は、種類が異なる例えばドリルなどの別の回転工具と自由に交換可能に構成されている。切削機構１８における回転工具２１の交換は、例えば自動的に行われる。

【0013】

＜金属積層造形方法＞
次に、金属積層造形装置１１を用いた金属積層造形方法、すなわち粉末焼結法による金属造形物３０の造形方法について説明する。

【0014】

金属造形物３０（図８参照）は、例えば、内部に冷却媒体が流れる流路を有した樹脂成型用の金型である。金属造形物３０（図８参照）は、第１層形成工程と、第２層形成工程と、切削工程とを経ることによって造形される。金属積層造形方法は、第１層形成工程と、第２層形成工程と、切削工程とを備えている。第１層形成工程、第２層形成工程、及び切削工程は、連続して行われる。

【0015】

＜第１層形成工程＞
図１及び図２に示すように、第１層形成工程では、まず、ステージ１３上に固定されたベースプレート１２上に、金属粉末材料１９を薄く均一に敷くようにリコーター１５を移動させながら供給することで、金属粉末層２２を形成する。金属粉末材料１９として用いられる金属としては、例えば、マルエージング鋼、ステンレス、チタンなどが挙げられる。続いて、金属粉末層２２にレーザービーム２０を照射しながら走査して金属粉末層２２全体を焼結させることによって金属層の一例としての第１金属層２３を形成する。

【0016】

このとき、図２に示すように、第１金属層２３の中央部に保持層２４を形成する。保持層２４は、第１金属層２３における保持層２４以外の部分である一般層２５よりも密度を大きくした部分である。この場合、一般層２５を形成するときのレーザービーム２０の走査速度は、保持層２４を形成するときのレーザービーム２０の走査速度よりも速くする。さらにこの場合、一般層２５を形成するときのレーザービーム２０の走査ピッチを、保持層２４を形成するときのレーザービーム２０の走査ピッチよりも大きくする。

【0017】

つまり、第１金属層２３は、一般層２５の方が保持層２４よりも密度が小さくなるように形成する。一層分の第１金属層２３を形成した後は、ステージ１３を一層分の第１金属層２３の厚さ分だけ下降させる。すなわち、ステージ１３を第１金属層２３の積層ピッチ分だけ下降させる。

【0018】

その後、上述した一層目の第１金属層２３を形成する場合と同様にして、一層目の第１金属層２３の上に二層目の第１金属層２３を積層する。このようにして、第１金属層２３を予め設定した所定数の分だけ積層する。これにより、図２及び図３に示すように、ベースプレート１２上に、中央部（一部）に保持層２４を有した第１層２６を、金属造形物３０（図８参照）を支持する支持造形物として第１金属層２３によって形成する第１層形成工程が完了する。

【0019】

上述のように、第１層２６は、金属粉末層２２を形成することと、金属粉末層２２の全部を焼結させて第１金属層２３を形成することとを繰り返して第１金属層２３を順次積層することによって形成される。したがって、第１層２６は、積層された複数の第１金属層２３によって構成される。このため、第１層２６における第１金属層２３の一般層２５によって構成された部分の密度は、第１層２６における第１金属層２３の保持層２４によって構成された部分の密度よりも小さくなっている。保持層２４は、第１層２６における中央部に配置されている。

【0020】

＜第２層形成工程＞
図１及び図４に示すように、第２層形成工程では、まず、第１層２６上に、金属粉末材料１９を薄く均一に敷くようにリコーター１５を移動させながら供給することで、金属粉末層２２を形成する。続いて、金属粉末層２２にレーザービーム２０を照射しながら走査して金属粉末層２２における予め設定された領域である設定領域を焼結させることによって金属層の一例としての第２金属層２７を形成する。

【0021】

金属粉末層２２における設定領域は、金属造形物３０（図８参照）の形状に合わせて予め設定される。第２金属層２７における焼結された領域である被焼結領域以外の領域は、焼結されないので、金属粉末材料１９のままになっている。この場合、第２金属層２７の被焼結領域を焼結するときのレーザービーム２０の走査速度及び走査ピッチは、上述した保持層２４を形成するときのレーザービーム２０の走査速度及び走査ピッチとそれぞれ同じにする。このため、第２金属層２７の被焼結領域は、上述した保持層２４と密度が同じになる。

【0022】

第１層２６上に一層分の第２金属層２７を形成した後は、ステージ１３を一層分の第２金属層２７の厚さ分だけ下降させる。すなわち、ステージ１３を第２金属層２７の積層ピッチ分だけ下降させる。その後、上述した一層目の第２金属層２７を形成する場合と同様にして、一層目の第２金属層２７の上に二層目の第２金属層２７を積層する。

【0023】

このようにして、第２金属層２７を予め設定した金属造形物３０（図８参照）の形状及び大きさに合わせた所定数の分だけ積層する。積層される第２金属層２７の各々の被焼結領域は、金属造形物３０（図８参照）の形状及び大きさに合わせてそれぞれ設定される。これにより、図４及び図５に示すように、第１層２６上に、第２層２８を金属造形物３０（図８参照）として第２金属層２７によって形成する第２層形成工程が完了する。

【0024】

上述のように、第２層２８は、金属粉末層２２を形成することと、金属粉末層２２の一部または全部を焼結させて第２金属層２７を形成することとを繰り返して第２金属層２７を順次積層することによって形成される。この場合、第２層２８は、第１層２６によって保持されている。そして、上述したように、第１層２６における第１金属層２３の一般層２５によって構成された部分の密度は、第１層２６における第１金属層２３の保持層２４によって構成された部分の密度よりも小さくなっている。

【0025】

このため、第１層２６における第１金属層２３の一般層２５によって構成された部分による第２層２８の保持力は、第１層２６における第１金属層２３の保持層２４によって構成された部分による第２層２８の保持力よりも小さくなる。本例では、第１層２６における第１金属層２３の一般層２５によって構成された部分による第２層２８の保持力は、第１層２６における第１金属層２３の保持層２４によって構成された部分による第２層２８の保持力の３割程度になっている。

【0026】

そして、第２層２８は、第２金属層２７の積層の過程で、第２金属層２７の被焼結領域の焼結（溶融及び固化）を繰り返すため、例えば図５における第２層２８の左右方向の両端部から左右方向の中央部に向かう収縮応力が残留した状態となる。

【0027】

この残留応力は、第１層２６における第１金属層２３の一般層２５によって構成された部分による第２層２８の保持力よりも大きいとともに、第１層２６における第１金属層２３の保持層２４によって構成された部分による第２層２８の保持力よりも小さくなる。このため、図６に示すように、第２層２８の残留応力により、第２層２８と第１層２６における第１金属層２３の一般層２５によって構成された部分との間にクラック２９が生じて第２層２８が反るように変形する。

【0028】

これにより、第２層２８は、その残留応力がほぼ解放された状態になる。そして、第２層２８は、ほぼ第１層２６における第１金属層２３の保持層２４によって構成された部分のみによって支持された状態となる。

【0029】

＜切削工程＞
切削工程は、第２層形成工程の後に、第２層形成工程で変形した図６に示す第２層２８を図１に示す切削機構１８の回転工具２１によって切削加工することにより、第２層２８が図７に示す正規の形状となるように仕上げる工程である。

【0030】

図７に示すように、切削工程で第２層２８を正規の形状に仕上げた後は、ステージ１３上からベースプレート１２を取り外す。その後、後工程で第２層２８を図７における二点鎖線Ｌで示す切断位置において切断する。つまり、第２層２８における金属造形物３０として採用する部分をベースプレート１２側から切り離すことで、図８に示す金属造形物３０が得られる。このとき、切り離した図８に示す金属造形物３０は、その残留応力がほぼ解放された状態になっているため、残留応力によって変形することはほとんどない。したがって、図８に示す金属造形物３０を精度よく製造できる。

【0031】

＜実施形態の効果＞
以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）金属積層造形方法は、ベースプレート１２上に、一部に保持層２４を有した第１層２６を、金属造形物３０を支持する支持造形物として第１金属層２３によって形成する第１層形成工程と、第１層２６上に、第２層２８を金属造形物３０として第２金属層２７によって形成する第２層形成工程と、を備える。第１層２６における保持層２４以外の部分の密度は、保持層２４の密度及び第２層２８の密度よりも小さくなっている。

【0032】

通常、ベースプレート上に金属層を積層して金属造形物を造形すると、金属粉末層の焼結（溶融及び固化）による金属層の形成によって生じる収縮応力が金属造形物に残留した状態となる。この状態で金属造形物をベースプレートから切り離すと、金属造形物に残留する収縮応力が解放されて金属造形物が大きく変形してしまう。この点、上記構成によれば、第１層２６（支持造形物）における保持層２４以外の部分である一般層２５の密度は、保持層２４の密度及び第２層２８（金属造形物３０）の密度よりも小さくなっている。このため、第１層２６上に第２層２８を形成すると、第２層２８に残留する収縮応力が第１層２６の一般層２５による第２層２８の保持力よりも大きくなる。したがって、第２層２８に残留する収縮応力が解放されるので、第１層２６の一般層２５と第２層２８との間にクラック２９が生じて第２層２８が変形する。このとき、第２層２８に残留する収縮応力は第１層２６の保持層２４による第２層２８の保持力よりも小さいため、第２層２８はほぼ保持層２４のみに保持された状態となる。つまり、第２層２８が保持層２４を介してベースプレート１２に繋がった状態で第２層２８に残留する収縮応力が解放された状態になる。この状態で変形した第２層２８の形状を切削加工して正規の形状にした後に、第２層２８を保持層２４から切り離しても、この切り離した第２層２８である金属造形物３０に残留する収縮応力は既に解放されているため、金属造形物３０はほとんど変形しない。したがって、金属造形物３０（第２層２８）を精度よく製造することができる。

【0033】

（２）金属積層造形方法は、第２層形成工程を行った後に、第２層２８を切削加工する切削工程を備える。
上記構成によれば、第２層形成工程で形成されるとともに収縮応力の解放によって変形した第２層２８は、保持層２４によって保持された状態で切削工程が行われる。このため、第２層形成工程と切削工程とを連続して行うことができる。したがって、第２層２８を保持層２４から切り離した後に、後工程で切削工程を行う場合に比べて、金属造形物３０（第２層２８）を効率よく製造することができる。

【0034】

（３）金属積層造形方法において、保持層２４は、第１層２６における中央部に配置されている。
上記構成によれば、第２層２８に残留する収縮応力が解放されて第１層２６の一般層２５と第２層２８との間にクラック２９が生じて第２層２８が変形した場合でも、第２層２８を保持層２４のみによって安定して保持することができる。

【0035】

（変更例）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0036】

・保持層２４は、必ずしも第１層２６における中央部に配置する必要はない。すなわち、保持層２４は、例えば第１層２６における端部に配置してもよい。
・金属積層造形方法において、切削工程は、省略してもよい。この場合、切削工程は、後工程で行われる。

【0037】

・第１層２６における保持層２４の密度は、一般層２５の密度よりも大きければ、第２層２８の密度よりも小さくしてもよい。

【符号の説明】

【0038】

１１…金属積層造形装置
１２…ベースプレート
１３…ステージ
１４…昇降機構
１５…リコーター
１６…レーザー発振器
１７…ガルバノスキャナー
１８…切削機構
１９…金属粉末材料
２０…レーザービーム
２１…回転工具
２２…金属粉末層
２３…金属層の一例としての第１金属層
２４…保持層
２５…一般層
２６…第１層
２７…金属層の一例としての第２金属層
２８…第２層
２９…クラック
３０…金属造形物
Ｌ…二点鎖線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】