特開 2023-28044 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】P2023028044

(43)【公開日】2023-03-03

(54)【発明の名称】積層造形方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 10/47 20210101AFI20230224BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20230224BHJP

   B22F 3/16 20060101ALI20230224BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20230224BHJP

【ＦＩ】

B22F10/47

B22F10/28

B22F3/16

B33Y10/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021133487

(22)【出願日】2021-08-18

(71)【出願人】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】110002000

【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所

(72)【発明者】

【氏名】初田 光嶺

【テーマコード（参考）】

4K018

【Ｆターム（参考）】

4K018AA06

4K018AA14

4K018AA33

4K018AA34

4K018BA03

4K018BA08

4K018BA16

4K018BA17

(57)【要約】

【課題】リコート動作によってサポート部を崩壊させることなく、サポート部によってオーバーハング部を十分に支持し、造形後にサポート部を容易に除去することが可能な積層造形物を製造すること。
【解決手段】リコータ１７を造形部１３上で移動させて造形部１３に金属粉末２３の層を形成するリコート工程と、造形部１３に敷設された金属粉末２３を選択的に溶融接合させる溶融接合工程と、を繰り返し、溶融結合体２５を順次に積層してオーバーハング部３１を有する積層造形物３３を造形する。溶融接合工程において、平面視において、互いに平行な複数の第１の壁部４１と、互いに平行な複数の第２の壁部４３とを互いに交差させた格子状のサポート部４０を、第１の壁部４１及び第２の壁部４３がリコート工程におけるリコータ１７の移動方向であるリコート方向Ｓ１に対して４５°以下となるように形成する。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

リコータを造形部上で移動させて前記造形部に金属粉末の層を形成するリコート工程と、前記造形部に敷設された金属粉末を選択的に溶融接合させる溶融接合工程と、を繰り返し、溶融結合体を順次に積層してオーバーハング部を有する積層造形物を造形する積層造形方法であって、
前記溶融接合工程において、
前記オーバーハング部を支持し、平面視において、互いに平行な複数の第１の壁部と、互いに平行な複数の第２の壁部とを互いに交差させた格子状のサポート部を、前記第１の壁部及び前記第２の壁部が前記リコート工程における前記リコータの移動方向であるリコート方向に対して４５°以下となるように形成する、
積層造形方法。

【請求項2】

前記溶融接合工程において、前記第１の壁部及び前記第２の壁部における少なくとも前記リコート方向の後方側の端部に他の部分よりも厚い厚肉部を形成する、
請求項１に記載の積層造形方法。

【請求項3】

前記リコート工程において、前記リコータを前記造形部上で往復移動させて前記造形部に前記金属粉末の層を形成し、
前記溶融接合工程において、前記第１の壁部及び前記第２の壁部における前記リコータを往復移動させる際のそれぞれの前記リコート方向の後方側の端部に他の部分よりも厚い厚肉部を形成する、
請求項１に記載の積層造形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層造形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

金属粉末を用いて積層造形物を製造する積層造形方法が知られている。この積層造形方法には、粉末床溶融結合（Powder bed fusion）が採用された代表的なものとして、電子ビームを用いて粉末を溶融させる電子ビーム溶融法（ＥＢＭ：Electron Beam Melting）と、レーザ光を用いて粉末を溶融させるレーザ溶融法（ＳＬＭ：Selective Laser Melting）とが挙げられる。

【0003】

このような粉末床溶融結合方式による積層造形方法では、下方に成形層が形成されていないオーバーハング部を備える積層造形物を造形する場合に、オーバーハング部が重力等によって変形しないように、オーバーハング部を下方から支持するサポート部が必要となる。

【0004】

特許文献１には、サポート部を菱形の格子状に造形し、積層造形物の造形後におけるサポート部の除去性能を向上させることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１８－１３５５４８号公報（段落［００４５］）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、オーバーハング部を支持するサポート部としては、全体の熱変形を抑えつつオーバーハング部を良好に支持し、造形後に容易に除去できることが要求される。

【0007】

特許文献１に記載のサポート部では、除去性能を向上させることが可能であるが、造形部に金属粉末の薄層を形成するリコータが移動する際に、このリコータのリコート動作によって崩壊してしまうおそれがある。

【0008】

そこで本発明は、リコート動作によってサポート部を崩壊させることなく、サポート部によってオーバーハング部を十分に支持し、造形後にサポート部を容易に除去することが可能な積層造形物を製造する製造積層造形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】

本発明は下記の構成からなる。
リコータを造形部上で移動させて前記造形部に金属粉末の層を形成するリコート工程と、前記造形部に敷設された金属粉末を選択的に溶融接合させる溶融接合工程と、を繰り返し、溶融結合体を順次に積層してオーバーハング部を有する積層造形物を造形する積層造形方法であって、
前記溶融接合工程において、
前記オーバーハング部を支持し、平面視において、互いに平行な複数の第１の壁部と、互いに平行な複数の第２の壁部とを互いに交差させた格子状のサポート部を、前記第１の壁部及び前記第２の壁部が前記リコート工程における前記リコータの移動方向であるリコート方向に対して４５°以下となるように形成する、
積層造形方法。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、リコート動作によってサポート部を崩壊させることなく、サポート部によってオーバーハング部を十分に支持し、造形後にサポート部を容易に除去することが可能な積層造形物を製造できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、積層造形装置の概略構成図である。

【図2】図２は、積層造形物の製造工程を（Ａ）～（Ｆ）に示す工程説明図である。

【図3】図３は、オーバーハング部を有する積層造形物の形状を示す概略構成図である。

【図4】図４は、オーバーハング部を支持するサポート部を説明する斜視図である。

【図5】図５は、リコート方向に対する第１の壁部及び第２の壁部の角度を説明するサポート部の一部の概略平面図である。

【図6】図６は、第１の壁部及び第２の壁部からなるサポート部の一部の概略平面図である。

【図7】図７は、第１の壁部及び第２の壁部からなるサポート部の一部の概略平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
ここでは、粉末床溶融結合方式のレーザ溶融法による積層造形装置について説明するが、以下に示す積層造形装置の構成は一例であり、本発明はこれに限らない。

【0013】

＜積層造形装置＞
図１は、積層造形装置の概略構成図である。
積層造形装置１００は、ハウジング１１に設けられた造形部１３と、パウダーポッド１５と、リコータ１７と、レーザ出力部１９とを備える。造形部１３は、ハウジング１１に形成されたスライド孔１１ａ内に昇降自在に配置されたベースプレート２１を有する。ベースプレート２１は、不図示の上下方向駆動機構によってスライド孔１１ａ内で昇降駆動される。ベースプレート２１は、ハウジング１１の上方からの平面視で長方形であり、その上面が平坦面にされている。

【0014】

パウダーポッド１５は、ハウジング１１の上方に設けられ、金属粉末２３を貯留する。また、パウダーポッド１５は、金属粉末２３を下方に排出する不図示のノズルを有する。

【0015】

リコータ１７は、ハウジング１１上に配置され、不図示の水平方向駆動機構によって、パウダーポッド１５の下方から造形部１３までの間を含む領域を、水平方向（矢印Ｓ方向）に移動自在となっている。リコータ１７は、水平移動方向に交差する方向（図１の奥行き方向）に延びる細長状であって、水平移動によってベースプレート２１の全面を走査可能な奥行き長さに形成される。リコータ１７は、パウダーポッド１５から装填された金属粉末２３を造形部１３に供給し、これにより、ベースプレート２１上に金属粉末２３の層を形成する。

【0016】

レーザ出力部１９は、入力された３次元形状データに応じて、レーザ光ＬＢを造形部１３に向けて照射する。レーザ光ＬＢの走査軌跡は、造形する積層造形物の形状に応じて予め設定されており、レーザ出力部１９は、設定された走査軌跡に沿ってレーザ光ＬＢを走査する。レーザ光ＬＢは、金属粉末２３の溶融熱源であり、レーザ光ＬＢの照射領域内の金属粉末２３を選択的に溶融接合させ、溶融結合体２５を形成する。この溶融結合体２５を順次に積層することで積層造形物が得られる。

【0017】

ここで、本明細書では、図１に示す上下方向をＺ方向、リコータ１７の移動方向をＸ方向、また、Ｘ方向及びＺ方向に直交する奥行き方向をＹ方向と定義する。なお、リコータ１７の移動方向は必ずしも水平方向に限らず、積層造形装置１００の構造等に応じて適宜設定される。

【0018】

金属粉末２３としては、例えば、合金工具鋼材（ＳＫＤ）、アルミ、ステンレス鋼材、又はチタン等の粉末材料を用いることができる。

【0019】

＜積層造形装置による基本的な造形手順＞
次に、上記構成の積層造形装置１００による積層造形物の基本的な造形手順を説明する。
図２は、積層造形物の製造工程を（Ａ）～（Ｆ）に示す工程説明図である。以下に説明する各工程の動作は、ＣＰＵ、メモリ、又はストレージ等を備えるコンピュータ装置からなる不図示の制御部からの指令により行われる。

【0020】

まず、図２の（Ａ）に示すように、リコータ１７をパウダーポッド１５の下方に配置して、パウダーポッド１５から所定量の金属粉末２３をリコータ１７に供給する。そして、ベースプレート２１をΔｔだけ降下させ、ハウジング１１の上面とベースプレート２１の上面との間に厚さΔｔの段差を形成する。

【0021】

次に、（Ｂ）に示すように、リコータ１７をパウダーポッド１５の下方から造形部１３に向けて移動させる。これにより、リコータ１７から金属粉末２３が流れ落ち、ベースプレート２１上に、金属粉末２３の薄層が敷設される（リコート工程）。

【0022】

その後、（Ｃ）に示すように、レーザ出力部１９が、ベースプレート２１上に敷設された薄層の金属粉末２３に向けてレーザ光ＬＢを照射する。レーザ光ＬＢは、目標形状の３次元形状データに応じて、薄層の金属粉末２３の所定の位置へ選択的に照射される。レーザ光ＬＢが照射された領域では、薄層の金属粉末２３が溶融して１層分の溶融結合体２５が形成される（溶融接合工程）。

【0023】

さらに、（Ｄ）に示すように、ベースプレート２１を更にΔｔだけ降下させ、ハウジング１１の上面とベースプレート２１上の金属粉末２３の薄層との間に厚さΔｔの段差を形成する。そして、（Ｅ）に示すように、リコータ１７を移動先からパウダーポッド１５側に移動させ、段差内に金属粉末２３の薄層を形成する（リコート工程）。その後、（Ｆ）に示すように、形成された薄層に向けてレーザ出力部１９から３次元形状データに応じたレーザ光ＬＢを照射する（溶融接合工程）。

【0024】

上記の金属粉末２３の敷設（リコート工程）とレーザ光ＬＢの照射（溶融接合工程）とを繰り返し、造形部１３で溶融結合体２５を順次に積層することで、３次元形状データに応じた形状の積層造形物が得られる。

【0025】

＜オーバーハング部を有する積層造形物の造形＞
粉末床溶融結合方式によりオーバーハング部を形成する場合がある。
図３は、オーバーハング部３１を有する積層造形物３３の形状を示す概略構成図である。

【0026】

積層造形物３３は、柱部３５と、柱部３５の上部から側方に向けて延出されたオーバーハング部３１とを有する。このような積層造形物３３を造形する際には、オーバーハング部３１の形状を崩さないように造形することが必要となる。

【0027】

このため、図４に示すように、オーバーハング部３１を有する積層造形物３３を造形する際に、オーバーハング部３１を下方から支持するサポート部４０を柱部３５とともに造形する。そして、造形した柱部３５及びサポート部４０の上部にオーバーハング部３１を造形し、サポート部４０が一体に設けられた積層造形物３３を造形する。その後、この積層造形物３３からサポート部４０を除去する。

【0028】

このサポート部４０は、複数の第１の壁部４１と、複数の第２の壁部４３とを有している。第１の壁部４１同士は、互いに平行に配置され、第２の壁部４３同士は互いに平行に配置されている。これらの第１の壁部４１と第２の壁部４３とは、それぞれ異なる方向に延在されて互いに交差されている。これにより、サポート部４０は、平面視において、第１の壁部４１と第２の壁部４３とが交差された菱形の格子状に形成されている。

【0029】

このようなサポート部４０によれば、第１の壁部４１と第２の壁部４３とを互いに交差させて菱形の格子状に形成することで、全体の熱変形を抑えつつオーバーハング部３１を良好に支持することができ、しかも、積層造形物３３の造形後に容易に除去することが可能である。

【0030】

しかし、サポート部４０を造形する際に、リコータ１７を移動させて造形部１３に金属粉末の薄層を形成するリコート動作が行われると、サポート部４０の既に形成した部分がリコータ１７から受ける力によって崩壊してしまうおそれがある。このため、本実施形態では、造形後に容易に除去することが可能なサポート部４０を、崩壊を抑えつつ造形する。

【0031】

具体的には、図５に示すように、リコータ１７の移動方向であるリコート方向Ｓ１に対する第１の壁部４１の角度θ１及び第２の壁部４３の角度θ２がそれぞれ４５°以下の角度となるようにサポート部４０を形成する。

【0032】

このように、リコート方向Ｓ１に対する第１の壁部４１の角度θ１及び第２の壁部４３の角度θ２が４５°以下となるように形成することで、リコート工程時にリコータ１７から受ける力を受け流すことができる。

【0033】

以上、説明したように、本構成の積層造形方法によれば、オーバーハング部３１を支持するサポート部４０として、平面視において、互いに平行な複数の第１の壁部４１と、互いに平行な複数の第２の壁部４３とを互いに交差させた格子状のサポート部４０を形成する。このように、複数の第１の壁部４１と複数の第２の壁部４３とを互いに交差させた格子状のサポート部４０は、全体の熱変形を抑えつつオーバーハング部３１を良好に支持し、造形後に容易に除去できる。

【0034】

また、第１の壁部４１及び第２の壁部４３をリコート方向Ｓ１に対して４５°以下となるように形成することで、リコート工程時にリコータ１７から受ける力を受け流することができる。なお、第１の壁部４１及び第２の壁部４３のリコート方向Ｓ１に対する角度θ１，θ２は、３０°以下とするのがより好ましい。

【0035】

このように、本構成の積層造形方法によれば、リコート動作によってサポート部４０を崩壊させることなく、サポート部４０によってオーバーハング部３１を十分に支持し、造形後にサポート部４０を容易に除去することができる。

【0036】

ところで、リコータ１７を移動させて造形部１３に金属粉末２３の薄層を形成する場合、サポート部４０は、特にリコート方向Ｓ１の後方側の端部で大きな力を受けて崩壊するおそれがある。

【0037】

このため、図６に示すように、第１の壁部４１及び第２の壁部４３における少なくともリコート方向Ｓ１の後方側の端部に他の部分よりも厚い厚肉部４５，４７を形成するのが好ましい。

【0038】

このように、第１の壁部４１及び第２の壁部４３における少なくともリコート方向Ｓ１の後方側の端部の肉厚を他の部分よりも厚く形成することにより、造形後における良好な除去性を確保しつつ、特に崩壊しやすい第１の壁部４１及び第２の壁部４３におけるリコート方向Ｓ１の後方側の端部の強度を高めることができる。

【0039】

また、リコート工程において、リコータ１７を造形部１３上で往復移動させて造形部１３に金属粉末２３の薄層を形成してもよい。

【0040】

この場合、図７に示すように、溶融接合工程において、第１の壁部４１及び第２の壁部４３におけるリコータ１７を往復移動させる際のそれぞれのリコート方向Ｓ１，Ｓ２の後方側の端部に他の部分よりも厚い厚肉部４５，４７を形成する。

【0041】

このようにすると、リコータ１７を造形部１３上で往復移動させる場合においても、造形後における良好な除去性を確保しつつ、特に崩壊しやすい第１の壁部４１及び第２の壁部４３におけるリコート方向Ｓ１，Ｓ２の後方側の端部の強度を高めることができる。

【0042】

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせること、及び明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

【0043】

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） リコータを造形部上で移動させて前記造形部に金属粉末の層を形成するリコート工程と、前記造形部に敷設された金属粉末を選択的に溶融接合させる溶融接合工程と、を繰り返し、溶融結合体を順次に積層してオーバーハング部を有する積層造形物を造形する積層造形方法であって、
前記溶融接合工程において、
前記オーバーハング部を支持し、平面視において、互いに平行な複数の第１の壁部と、互いに平行な複数の第２の壁部とを互いに交差させた格子状のサポート部を、前記第１の壁部及び前記第２の壁部が前記リコート工程における前記リコータの移動方向であるリコート方向に対して４５°以下となるように形成する、積層造形方法。
この構成の積層造形方法によれば、オーバーハング部を支持するサポート部として、平面視において、互いに平行な複数の第１の壁部と、互いに平行な複数の第２の壁部とを互いに交差させた格子状のサポート部を形成する。このように、複数の第１の壁部と複数の第２の壁部とを互いに交差させた格子状のサポート部は、全体の熱変形を抑えつつオーバーハング部を良好に支持し、造形後に容易に除去できる。
また、第１の壁部及び第２の壁部をリコート方向に対して４５°以下となるように形成することで、リコート工程時にリコータから受ける力を受け流することができる。
このように、本構成によれば、リコート動作によってサポート部を崩壊させることなく、サポート部によってオーバーハング部を十分に支持し、造形後にサポート部を容易に除去することができる。

【0044】

（２） 前記溶融接合工程において、前記第１の壁部及び前記第２の壁部における少なくとも前記リコート方向の後方側の端部に他の部分よりも厚い厚肉部を形成する、（１）に記載の積層造形方法。
この構成の積層造形方法によれば、第１の壁部及び第２の壁部における少なくともリコート方向の後方側の端部の肉厚を他の部分よりも厚く形成することにより、造形後における良好な除去性を確保しつつ、特に崩壊しやすい第１の壁部及び第２の壁部におけるリコート方向の後方側の端部の強度を高めることができる。

【0045】

（３） 前記リコート工程において、前記リコータを前記造形部上で往復移動させて前記造形部に前記金属粉末の層を形成し、
前記溶融接合工程において、前記第１の壁部及び前記第２の壁部における前記リコータを往復移動させる際のそれぞれの前記リコート方向の後方側の端部に他の部分よりも厚い厚肉部を形成する、（１）に記載の積層造形方法。
この構成の積層造形方法によれば、リコート工程において、リコータを造形部上で往復移動させて薄層を形成する場合においても、造形後における良好な除去性を確保しつつ、特に崩壊しやすい第１の壁部及び第２の壁部におけるそれぞれのリコート方向の後方側の端部の強度を高めることができる。

【符号の説明】

【0046】

１３ 造形部
１７ リコータ
２３ 金属粉末
３１ オーバーハング部
３３ 積層造形物
４０ サポート部
４１ 第１の壁部
４３ 第２の壁部
４５，４７ 厚肉部
Ｓ１，Ｓ２ リコート方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】