【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄い単位造形層をレーザ照射により順次形成しながら積層させることで目的造形物の造形がなされる積層造形法およびそれに用いる積層造形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
積層造形法は、薄い単位造形層を多数積層して造形を行なうものであり、どのように複雑な形状でも容易に造形することができるという優れた特徴を持っており、意匠性の高い工業製品について設計形状の適否を検討するためのプロトタイプの作製（ラピッド・プロトタイピングと呼ばれる）への利用から始まって、最近は複雑な形状を有する機械部品の製造などにも好適な手法として用いられている。こうした積層造形法には二つのタイプがある。その一つは、造形材料として、レーザ光の照射で高温になって溶着や焼結を生じることで結合する粉末材料を用いるタイプである。その代表的な例としては、例えば特許文献１に開示される選択的レーザ焼結法（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ：ＳＬＳ法）がある。ＳＬＳ法の粉末材料としては、例えば合成樹脂材をベースとした粉末材料や金属材をベースとした粉末材料が用いられる。そして金属材ベース粉末材料は、通常は金属の粉末粒子の表面に合成樹脂バインダをコーティングした粉末材料であり、その合成樹脂バインダがレーザ光の照射で溶けて溶着を生じる。
【０００３】
図７に、ＳＬＳ法で用いられる選択的レーザ焼結装置の一構成例を模式化して示す。選択的レーザ焼結装置（積層造形装置）は、焼結台ピストン１、粉末材料供給ピストン２、展延ローラ３、ＣＯ２レーザなどが用いられるレーザ４、レーザ４からのレーザ光のビーム５を収束させるレンズ系６、レーザビーム５の照射操作を行なうミラー（ガルバノミラー）７、および制御部８を備えており、その焼結台ピストン１と粉末材料供給ピストン２が温度制御を可能とされたチャンバー９で覆われている。またその制御部８には、ミラー７の制御用である照射走査制御手段１１、レーザ４の制御用であるレーザ制御手段１２、および焼結台ピストン１と粉末材料供給ピストン２それぞれの動作制御およびチャンバー９内の温度制御などをなす造形条件制御手段１３がコンピュータ・プログラムの形態で設けられている。なお図中の一点鎖線矢印は信号などの伝達関係を示している。
【０００４】
このような選択的レーザ焼結装置による積層造形処理は以下のようになされる。まず粉末材料供給ピストン２を所定高さだけ上昇させることで焼結台ピストン１に供給すべき粉末材料１４の計量がなされ、展延ローラ３がその計量分の粉末材料１４を焼結台ピストン１の上に例えば１００μｍ程度といった薄層で展延させる。それからこの粉末材料の薄層（これはパーツヘッドとも呼ばれる）にレーザ光を照射する。レーザ光の照射は照射走査制御手段１１でミラー７を制御することにより所定のパターンでなされる。その照射パターン制御は、目的の製品つまり目的造形物を仮想的に多数の層にスライスすることで目的造形物の中実部分に対応する造形パターンの前記スライス数に応じた集まりとして得られる造形データに基づいてなされる。そのような造形データは、目的造形物の３次元ＣＡＤデータをコンピュータ処理して得るのが通常で、目的造形物やそのモデルをＸ線ＣＴ装置で断層撮影して得られるビットマップデータを用いることも可能である。
【０００５】
粉末材料の薄層にレーザ光を照射すると、その照射部位において粉末材料が高温状態になり、これによりレーザ光の照射パターン、つまり一つのスライス面における造形パターンに対応する輪郭形状で粉末材料が溶着あるいは焼結して結合することで一つの単位造形層１５が形成される。一つの単位造形層１５の形成を終えたら、その厚み分だけ焼結台ピストン１を下降させ、それに続いて以上と同じ作業を繰り返す。これら一連の作業を数繰り返すことで単位造形層１５、１５、……が順次積層され、その積層数が所定数つまり目的造形物のスライス数に達すれば目的造形物の一次中間体となる積層造形物が得られる。なおＳＬＳ法で造形されたこの積層造形物は、金属粒子のバインダが溶着しているだけであり、あるいは金属粒子が不十分な焼結を生じているだけなので脆い状態にある。そのためＳＬＳ法による積層造形処理に続いて加熱炉での本焼結物処理を施し、必要な場合にはさらに溶浸材を溶浸させて強度を高める溶浸処理を施して最終製品とする。
【０００６】
以上の粉末材料を用いる積層造形法は、機械部品などの実用製品を製造するのにも用いられる。これに対して、設計の適否を検討するためのプロトタイプなどを作製するのに主に用いられるもう一つの積層造形法は光造形法とも呼ばれ、造形材料として液状の光硬化性樹脂を用いる（例えば特許文献２〜５）。この光造形法では、液状の光硬化性樹脂を満たせるようにしたタンク内に上下動可能とした可動テーブルを設けた構造の造形装置を用いて積層造形がなされる。すなわち液状の光硬化性樹脂を満たしたタンク内で可動テーブルのテーブル面上に光硬化性樹脂液の薄層を生成させ、この薄層にレーザ光を上記ＳＬＳ法と同様な手法で照射することにより、その照射パターンに応じたパターンで光硬化性樹脂を硬化させて一つの単位造形層を形成する。一つの単位造形層の形成を終えたら、その厚み分だけ可動テーブルを下降または上昇させ、形成済みの単位造形層の上または下に次の単位造形層のための薄層を生成させて同様にレーザ光の照射をなし、次の単位造形層を形成する。そして以降、可動テーブルの下降または上昇による薄層の生成とそれへのレーザ光の照射による単位造形層の形成を所定回数繰り返して目的の造形物を得る。
【０００７】
【特許文献１】
特表平１１−５０８３２２号公報
【特許文献２】
特開平７−３０４１０４号公報
【特許文献３】
特開平８−１０８４８１号公報
【特許文献４】
特開平８−８５１５５号公報
【特許文献５】
特開２０００−２３８１３７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
積層造形法は、上述のようにラピッド・プロトタイピングへの利用の他に、最近は複雑な形状を有する機械部品の製造などでも多く用いられるようになってきている。特に、金属材を造形材料とすることのできるＳＬＳ法で機械部品などを製造することが多くなってきており、それに伴って従来ではそれほど重視されていなかった造形精度の向上に関心が移ってきている。そのなかで、ＳＬＳ法により細密な構造を有する機械部品の造形を行なった場合に、その細密部分の細かなパターンが太って精度が低下するという現象を生じることが見出されてきた。その原因を追求してみると、パーツヘッドの温度状態が大きく影響していることが判ってきた。このことを説明するにあたって、まずＳＬＳ法におけるレーザ光の走査の概略を説明する。積層造形法ではレーザ光の走査にラスタス走査を用いるのが通常である。図８に示すような造形パターンＰに対して横方向の走査Ｓを縦方向に繰り返して行なうのがラスタス走査である。
【０００９】
またこのラスタス走査においては、レーザ光のビームに重なりを生じるようにするラップ制御がなされる。図９にレーザ光のビームにおけるエネルギーの密度分布パターンを模式化して示し、図１０にレーザ光のビームがラップされる様子を模式化して示す。レーザ光のビームＢは一定の広がり幅Ｂｗ（これは例えば０．３５〜０．４ｍｍ程度である）を有し、また両側端部分に若干の傾斜のある台形に近似したパターンのエネルギー密度分布を有するのが一般的である。図１０に示すように、このビームは、一つの走査ビームＢａに対してそれに続く走査ビームＢｂ、Ｂｃ、Ｂｄがそれぞれの一部を重ならせるように走査させられる。そのラップ率（ラップ程度）は、ビームＢのエネルギー密度分布パターンにもよるが、一つの走査に対してそれに続く三つの走査が重なる程度とするのが一般的である。なお、隣接する走査ビーム間の非重なり部分Ｌｓはラインスペースとも呼ばれている。
【００１０】
このようなラップ走査を行なうのは以下の理由による。すなわちレーザ光の出力は、エネルギー密度分布パターンの中央部分のエネルギー密度を前提に設定されており、その部分よりエネルギー密度の低い側端部分の照射だけを造形材料が受けるとすると、その部分では造形材料の結合や硬化が不十分となり、造形精度が低下する。そこで、造形材料に対して常に中央部分のエネルギー密度での照射をなせるようにラップ走査を行なうのである。
【００１１】
以上のようなレーザ光の走査照射においてレーザ光を照射された部分は、図７におけるチャンバー９内の温度により与えられる造形材料の基礎温度（これは金属ベースの粉末材料の場合であれば摂氏９０〜１００度程度であるのが通常）から瞬時的に上昇して所定の温度（これは金属ベースの粉末材料の場合であれば摂氏２５０〜３００度程度であるのが通常）に達し、それにより造形材料に適切な結合を生じる。この場合に、造形材料の熱伝導率が高いと、レーザ光の照射部位の周辺もかなりの温度に達して基礎温度を大幅に超えた温度状態になる。この状態でレーザ光の照射がなさると造形材料の温度が必要以上に上昇し、その影響でレーザ光照射部位以外の部分にも造形材料の結合を生じてしまう。そしてこの照射周辺部位での造形材料の結合が例えば図８の造形パターンＰの輪郭外に生じると、造形精度を低下させることになる。ただ、造形パターンＰのレーザ光の走査方向に関する造形幅Ｗが広ければ、次の走査までに造形材料が十分に冷却して基礎温度まで戻ることができるので、上記のような照射部位外結合を生じることはない。しかし、造形幅Ｗが一定以下であり、しかもレーザ光の走査の幅が造形幅Ｗになる造形パターン部分においては、次の走査までの時間が造形材料の十分な冷却に不足する状態になり、照射部位外結合、特に造形パターン輪郭外での造形材料の結合を生じる。これが細密部分の細かなパターンを太らせて造形精度を低下させるメカニズムである。このような造形パターン輪郭外結合はラップ走査により助長される。すなわちラップ走査を行なうと、ラップ程度に応じて、同じ部位に照射が何回か繰り返されることになり、照射周辺部位の過剰温度上昇を招き易い状態になる。
【００１２】
本発明は、以上のような知見に基づいてなされたものであり、細密構造を有する目的造形物でも高精度な造形を可能とする積層造形法およびそのための積層造形装置の提供を目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的のために本発明では、目的造形物を仮想的に多数の層にスライスすることで前記目的造形物の中実部分に対応する造形パターンの前記スライス数に応じた集まりとして得られる造形データに基づいた制御により造形材料の薄層にレーザ光を走査させながら選択的に照射し、このレーザ光の選択的照射部分で前記造形材料に結合や硬化を生じさせつつ前記造形パターンに対応した輪郭形状の結合部分や硬化部分からなる単位造形層を形成する操作を順次繰り返し、この繰り返し形成の単位造形層の積層により前記目的造形物の造形をなす積層造形法において、前記レーザ光の走査方向に関する造形幅Ｗが所定以下で、かつ前記レーザ光の走査の幅が前記造形幅Ｗとなる前記造形パターン部分に対して、前記造形幅Ｗに相関させてレーザ光の照射条件を制御するようにしたことを特徴としている。
【００１４】
また本発明では、上記のような積層造形法について、前記レーザ光の照射条件制御として、前記レーザ光の強度を制御するようにしている。
【００１５】
また本発明では、上記のような積層造形法について、隣接する走査間で前記レーザ光のビームに重なりを生じるように前記レーザ光の走査をなすビームラップにおける前記重なりの程度を制御するようにしている。
【００１６】
また本発明では上記目的のために、目的造形物を仮想的に多数の層にスライスすることで前記目的造形物の中実部分に対応する造形パターンの前記スライス数に応じた集まりとして得られる造形データに基づいた制御により造形材料の薄層にレーザ光を走査させながら選択的に照射し、このレーザ光の選択的照射部分で前記造形材料に結合や硬化を生じさせつつ前記造形パターンに対応した輪郭形状の結合部分や硬化部分からなる単位造形層を形成する操作を順次繰り返し、この繰り返し形成の単位造形層の積層により前記目的造形物の造形をなす積層造形装置において、前記レーザ光の走査方向に関する造形幅Ｗが所定以下で、かつ前記レーザ光の走査の幅が前記造形幅Ｗとなる前記造形パターン部分に対して、前記造形幅Ｗに相関させてレーザ光の照射条件を制御するための細密部照射制御手段を備えたことを特徴としている。
【００１７】
【発明実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に関連させて本発明をより具体的に説明する。図１に、本発明の一実施形態で用いる積層造形装置の構成を模式化して示す。この積層造形装置は、その制御部２１に細密部照射制御手段２２が設けられている。その他の構成は上で説明した従来の積層造形装置（レーザ焼結装置）と同様であるので、共通する部分には同一の符号を付してある。
【００１８】
この積層造形装置における積層造形処理の説明をするのに先立って、当該積層造形装置の特性について説明する。その特性とは、レーザ光照射部位における粉末材料の温度変化特性と造形偏差特性である。図２に、レーザパワー（レーザ強度）、レーザ走査速度、ラインスペース幅、レーザビーム幅、パーツヘッドの基礎温度などを通常的な条件に設定して実験的に求めた温度変化特性に関するグラフを示す。その縦軸はパーツヘッドの温度であり、横軸はパーツヘッドに対してレーザ光を照射してからの経過時間である。この図に見られるように、図１の積層造形装置においてパーツヘッドにレーザビーム５を照射するとチャンバー９内の温度により与えられるパーツヘッドの基礎温度（図２では摂氏１００度であり、点線で示してある）から瞬時的に上昇して所定の温度（図２では摂氏２５０度程度）に達する。そしてそこから２００度程度までは急激に下降し、それから徐々に低下して０．２５ｍｓ程度で基礎温度に戻る。つまりレーザ光の照射で昇温した粉末材料が基礎温度まで戻るのに０．２５ｍｓ程度の時間を必要とするということである。図３に、温度変化特性の場合と同様な条件で実験的に求めた造形偏差特性に関するグラフを示す。その縦軸は予定した造形パターンと実際に得られた造形パターンとの偏差δ、つまり実際に得られた造形パターンの太り量であり、横軸は予定した造形パターンにおけるのレーザ光の走査方向に関する幅（造形幅）Ｗである。この図に見られるように、造形幅Ｗが２ｍｍ以下にあっては、２ｍｍからだいたい０．５ｍｍの間で徐々に太り量δが大きくなって最大値に達し、それ以下ではその最大値に固定する。このように造形幅Ｗが２ｍｍ以下において、実際に得られる造形パターンが予定した造形パターンより太るのは、上述したように次の走査までの時間がパーツヘッドの十分な冷却に不足するからである。
【００１９】
本発明ではこのような積層造形装置における特性を前提にしてレーザ光の照射条件を制御しながら積層造形を行なう。以下、その積層造形処理について説明する。処理の基本的なところは上で説明した従来の積層造形装置におけるそれと同様なのでそれを援用し、要点について説明する。図４や図５に示すような造形パターンに対してレーザビーム５の照射を行なうとする。これらの造形パターンは、非細密パターン部分Ｎと細密パターン部分Ｍを含んでいる。ただし、上で説明した造形偏差特性に基づいて、レーザ光の走査Ｓの方向に関する造形幅Ｗが２ｍｍ以下となることを第１の条件とし、さらにレーザ光の走査Ｓの走査幅が造形幅Ｗとなることを第２の条件とし、この両条件を満たす部分を細密パターン部分Ｍとし、造形幅Ｗが２ｍｍより広い部分を非細密パターン部分Ｎとしている。
密パターン部分Ｍとするのに上記のような第２の条件を必要とする理由は以下の通りである。例えば図６に示す造形パターンの場合、第１の条件である造形幅Ｗが２ｍｍ以下を満たすパターン部分ｍがある。しかし、パターン部分ｍは、造形幅Ｗが２ｍｍ以上であるパターン部分Ｎａとパターン的に一体化した状態でレーザ光の走査方向に複数並列している。このようなパターン部分に対しては、レーザ光の走査Ｓが複数のパターン部分ｍを横断してなされる。そのため次の走査までの時間がパーツヘッドの十分な冷却に不足することがない。すなわち実際に得られる造形パターンが予定した造形パターンより太るという現象を生じない。したがってこのようなレーザ光の走査方向に複数並列するパターン部分ｍは「細密パターン部分」から除外することになる。
【００２０】
ここで、図６のパターン部分ｍに対しては複数のパターン部分ｍを横断してレーザ光を走査させ、図４の細密パターン部分Ｍに対しては個別にレーザ光を走査させることには、造形パターンのためのデータ処理が関係している。すなわち、図４の造形パターンのように、非細密パターン部分Ｎから独立している細密パターン部分Ｍに対して横断走査をさせるように造形パターンを作成しようとすると、個別走査で造形パターンを作成する場合に較べて処理するデータ量が格段に多くなる。データ量が多くなると、ＣＡＤデータなどから造形パターンを作成するためのコストが高くなるだけでなく、造形パターンに対するレーザ光の走査制御に際してのデータ処理量が多くなって造形効率を低下させる。このような理由から、図４の細密パターン部分Ｍに対しては個別にレーザ光を走査させるように造形パターンを作成する必要があり、その結果、レーザ光走査幅が造形幅Ｗとなる。
【００２１】
図４や図５のような造形パターンにレーザビーム５の照射を行なう場合、非細密パターン部分Ｎに対しては、レーザ制御手段１２と造形条件制御手段１３による制御の下で、通常の照射条件により照射を行なう。一方、細密パターン部分Ｍに至ると、細密部照射制御手段２２を機能させて照射制御を行なう。以下、これについて説明する。レーザパワーＬｐ（Ｗ）、レーザ照射密度Ｌｐｄ（Ｊ／ｍｍ２）、レーザ走査速度Ｓｓ（ｍｍ／ｓ）、ラインスペースＬｓ（ｍｍ）、レーザビーム幅Ｂｗ（ｍｍ）、パーツヘッドの基礎温度Ｔｈｂ（°Ｃ）、レーザ光照射後のパーツヘッドの温度Ｔｈ（°Ｃ）、造形幅Ｗ（ｍｍ）、レーザ光が照射されてからの経過時間ｔｐ（ｓ）、および造形幅Ｗに対する走査時間ｔｓ（ｓ）については、以下の数１〜数４として示す数式で関係付けることができる。なお各項目の後における括弧内は単位である。
【数１】
ただし、Ａは、粉末材料のレーザ光吸収率を含む熱量換算項として与えられる定数である。
【数２】
【数３】
【数４】
【００２２】
細密部照射制御手段２２は、このような関係を前提に、造形幅Ｗに対する走査時間ｔｓとパーツヘッドが基礎温度になるまでの所要時間（経過時間：上記の温度変化特性に基づけば、０．２５ｍｓ程度）ｔｐがｔｓ≧ｔｐとなるようにする制御プログラムが組み込まれている。そしてこれに基づいて細密パターン部分Ｍにおける照射制御を行なうことで、実際に得られた造形パターンの太り現象を有効に防止する。ｔｓ≧ｔｐとする制御は、ｔｐがレーザ光の強度、レーザビームの走査速度、およびラインスペース幅に相関していることから、これらの何れか一つ、あるいはそれらの組み合わせてなすことが可能である。なかでもレーザ光の強度を調整する方法が最も行ない易いという点で好ましく、ラインスペース幅の調整がそれに続いて好ましい。
【００２３】
レーザ光の強度によって制御する場合には、以下のような手順となる。細密部照射制御手段２２は、照射走査制御手段１１からそれが有している造形パターンに関する情報を受ける。その情報に基づいて、造形幅Ｗが所定の臨界幅Ｗｃ、例えば２ｍｍ以下であるか否かを常に判断している。そして、Ｗ≦Ｗｃとなったと判断したら、レーザ４に対する出力の制御を開始する。その制御は、上記のような関係とｔｓ≧ｔｐを前提にして、例えば造形幅Ｗをパラメータとする関数：Ｌｐｄ＝Ｆ（Ｗ）により必要なレーザ照射密度Ｌｐｄを求める形態で行なう。一方、Ｗ＞Ｗｃとなったと判断したらレーザ制御手段１２による通常の制御に移る。
【００２４】
ラインスペース幅による場合には、レーザ光強度による場合と同様に、Ｗ≦Ｗｃとの判断を条件に、やはりレーザ光強度による場合と同様に、造形幅Ｗをパラメータとする関数：Ｌｓｗ＝Ｆ（Ｗ）により適切な必要なラインスペース幅Ｌｓｗを求める形態で行なう。
【００２５】
以上の実施形態は本発明を実施する上での代表的な例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でこれらを適宜に変更することができる。例えば以上の実施形態は金属材をベースとした粉末材料を造形材料とする例であったが、その他の造形材料、例えば合成樹脂粉末材料の場合でも「太り現象」を生じる材料であれば本発明を適用できる。また以上の実施形態ではＳＬＳ法に関した例であったが、レーザ光照射がその照射部位外に影響して「太り現象」を生じる場合であれば、ＳＬＳ法に限らず本発明を適用することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、レーザ光の走査方向に関する幅が所定以下である造形パターン部分に対して、その幅に相関させてレーザ光の照射条件を制御するようにしている。このため本発明によれば、細密な造形パターンでも太り現象を生じることなく高精度で造形することができ、積層造形法の有用性をより一層高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態による積層造形装置の構成を模式化して示す図である。
【図２】実験的に求められた粉末材料の温度変化特性に関する図である。
【図３】実験的に求められた造形偏差特性に関する図である。
【図４】細密パターン部分を有する造形パターンの例を模式化して示す図である。
【図５】細密パターン部分を有する造形パターンの他の例を模式化して示す図である。
【図６】細密パターン部分を有しない造形パターンの例を模式化して示す図である。
【図７】従来の積層造形装置の一般的な構成を模式化して示す図である。
【図８】造形パターンの例を模式化して示す図である。
【図９】レーザビームにおけるエネルギーの密度分布パターンを模式化して示す図である。
【図１０】レーザビームがラップされる様子を模式化して示す図である。
【符号の説明】
５ レーザビーム
１４ 粉末材料（造形材料）
１５ 単位造形層
２２ 細密部照射制御手段
Ｐ 造形パターン
Ｗ レーザ光の走査方向に関する幅[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an additive manufacturing method for forming a target object by laminating thin unit modeling layers sequentially by laser irradiation, and an additive manufacturing apparatus used therefor.
[0002]
[Prior art]
The additive manufacturing method is a process in which a number of thin unit modeling layers are stacked to perform modeling, and has the excellent feature that any shape can be easily formed, and is an industrial product with a high design quality. Starting with the use of prototypes (called rapid prototyping) to examine the suitability of design shapes, recently it has been used as a suitable method for manufacturing mechanical parts with complex shapes, etc. . There are two types of such additive manufacturing methods. One is a type in which a powder material is used as a modeling material, which is bonded by being welded or sintered by being heated to a high temperature by laser light irradiation. As a typical example, there is a selective laser sintering (SLS) method disclosed in Patent Document 1, for example. As the powder material of the SLS method, for example, a powder material based on a synthetic resin material or a powder material based on a metal material is used. The metal base powder material is usually a powder material in which the surface of metal powder particles is coated with a synthetic resin binder, and the synthetic resin binder is melted by laser light irradiation to cause welding.
[0003]
FIG. 7 schematically shows a configuration example of a selective laser sintering apparatus used in the SLS method. The selective laser sintering apparatus (additive manufacturing apparatus) includes a sintering table piston 1, a powder material supply piston 2, a spreading roller 3, a laser 4 using a CO 2 laser or the like, and a laser beam 5 from the laser 4. A sintering base piston 1 and a powder material supply piston 2 are provided with a lens system 6 for focusing, a mirror (galvano mirror) 7 for performing an irradiation operation of the laser beam 5, and a control unit 8, and the temperature can be controlled. It is covered with a chamber 9. The control unit 8 includes an irradiation scanning control unit 11 for controlling the mirror 7, a laser control unit 12 for controlling the laser 4, and operation control of the sintering table piston 1 and the powder material supply piston 2. Modeling condition control means 13 for controlling the temperature in the chamber 9 is provided in the form of a computer program. Note that the dashed-dotted arrow in the figure indicates the transmission relationship of signals and the like.
[0004]
The additive manufacturing process by such a selective laser sintering device is performed as follows. First, the powder material 14 to be supplied to the sintering table piston 1 is measured by raising the powder material supply piston 2 by a predetermined height, and the spreading roller 3 applies the measured amount of the powder material 14 to the sintering table piston 1. , For example, in a thin layer of about 100 μm. A thin layer of this powder material (which is also called the parts head) is irradiated with laser light. The irradiation of the laser beam is performed in a predetermined pattern by controlling the mirror 7 by the irradiation scanning control means 11. The irradiation pattern control is performed by slicing the target product, that is, the target object virtually into many layers, and forming data obtained as a set corresponding to the number of slices of the forming pattern corresponding to the solid portion of the target object. It is made based on. Such modeling data is usually obtained by computer processing of three-dimensional CAD data of a target object, and bitmap data obtained by tomographic imaging of the target object or its model with an X-ray CT apparatus is used. Is also possible.
[0005]
When a thin layer of powdered material is irradiated with laser light, the powdered material is heated to a high temperature at the irradiated area, and the powdered material is welded in a contour shape corresponding to the laser light irradiation pattern, that is, the shaping pattern on one slice plane. Alternatively, one unit molding layer 15 is formed by sintering and bonding. When the formation of one unit modeling layer 15 is completed, the sintering table piston 1 is lowered by the thickness thereof, and then the same operation as described above is repeated. By repeating these series of operations several times, the unit molding layers 15, 15,... Are sequentially laminated, and when the number of laminations reaches a predetermined number, that is, the number of slices of the target molding, the layered molding which becomes the primary intermediate of the target molding. Things are obtained. In addition, the laminate molded article formed by the SLS method is in a fragile state because only the binder of the metal particles is welded or the metal particles are only insufficiently sintered. Therefore, following the additive manufacturing process by the SLS method, the main sintered product process is performed in a heating furnace, and if necessary, an infiltration material is further infiltrated to perform an infiltration process for increasing the strength to obtain a final product.
[0006]
The above-described additive manufacturing method using a powder material is also used for producing a practical product such as a mechanical part. On the other hand, another additive manufacturing method mainly used for producing a prototype or the like for examining the suitability of the design is also called an optical manufacturing method, and a liquid photocurable resin is used as a modeling material ( For example, Patent Documents 2 to 5). In this stereolithography method, a layered molding is performed using a molding apparatus having a structure in which a movable table that can move up and down is provided in a tank that can be filled with a liquid photocurable resin. That is, a thin layer of the photo-curable resin liquid is generated on the table surface of the movable table in a tank filled with the liquid photo-curable resin, and the thin layer is irradiated with laser light in the same manner as in the above-described SLS method. Thereby, the photocurable resin is cured in a pattern corresponding to the irradiation pattern to form one unit modeling layer. When the formation of one unit modeling layer is completed, the movable table is lowered or raised by the thickness thereof, and a thin layer for the next unit modeling layer is generated above or below the formed unit modeling layer, and similarly, Irradiation with laser light is performed to form the next unit modeling layer. Thereafter, the formation of the thin layer by lowering or rising the movable table and the formation of the unit forming layer by irradiating the thin layer with the laser beam are repeated a predetermined number of times to obtain the target object.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 11-508322 [Patent Document 2]
JP-A-7-304104 [Patent Document 3]
JP-A-8-108481 [Patent Document 4]
JP-A-8-85155 [Patent Document 5]
JP 2000-238137 A
[Problems to be solved by the invention]
The additive manufacturing method has recently been widely used in the manufacture of mechanical parts having complicated shapes, in addition to the use for rapid prototyping as described above. In particular, the production of mechanical parts and the like by the SLS method, which can use a metal material as a molding material, has been increasing, and with this, attention has been shifted to the improvement of molding accuracy, which was not so much valued in the past. I have. Among them, it has been found that when a mechanical part having a fine structure is formed by the SLS method, a phenomenon occurs in which the fine pattern of the fine part is fat and the accuracy is reduced. In pursuit of the cause, it was found that the temperature condition of the parts head had a great effect. To explain this, first, the outline of scanning with laser light in the SLS method will be described. In the additive manufacturing method, it is usual to use raster scanning for scanning with laser light. Raster scanning is performed by repeatedly performing the scanning S in the horizontal direction on the modeling pattern P as shown in FIG. 8 in the vertical direction.
[0009]
In this raster scanning, lap control is performed so that laser beams overlap each other. FIG. 9 schematically shows an energy density distribution pattern in a laser beam, and FIG. 10 schematically shows how the laser beam is wrapped. The laser beam B has a certain spread width Bw (for example, about 0.35 to 0.4 mm), and has an energy density distribution of a pattern approximated to a trapezoid with a slight inclination at both end portions. It is common to have. As shown in FIG. 10, this beam is scanned so that one scanning beam Ba and subsequent scanning beams Bb, Bc, and Bd partially overlap each other. The lap rate (approximate lap) depends on the energy density distribution pattern of the beam B, but is generally set to such an extent that three subsequent scans overlap one scan. The non-overlapping portion Ls between adjacent scanning beams is also called a line space.
[0010]
Such lap scanning is performed for the following reason. That is, the output of the laser beam is set based on the energy density of the central part of the energy density distribution pattern, and if the molding material receives only the irradiation at the side end part having the lower energy density than that part, the molding is performed at that part Insufficient bonding and hardening of the materials results in poor modeling accuracy. Therefore, lap scanning is performed so that the molding material can always be irradiated with the energy density of the central portion.
[0011]
The portion irradiated with the laser beam in the scanning irradiation of the laser beam as described above corresponds to the base temperature of the molding material given by the temperature in the chamber 9 in FIG. 7 (90 degrees Celsius if this is a metal-based powder material). １００100 ° C.) to a predetermined temperature (usually about 250-300 ° C. in the case of a metal-based powder material). Produces a suitable bond to the build material. In this case, if the thermal conductivity of the modeling material is high, the temperature around the laser beam irradiation site also reaches a considerable temperature, and the temperature state greatly exceeds the basic temperature. If laser light irradiation is performed in this state, the temperature of the modeling material rises more than necessary, and the influence of this causes the modeling material to be bonded to portions other than the laser beam irradiation site. When the bonding of the modeling material at the irradiation peripheral portion occurs, for example, outside the contour of the modeling pattern P in FIG. 8, the modeling accuracy is reduced. However, if the shaping width W of the shaping pattern P in the scanning direction of the laser beam is large, the shaping material can be sufficiently cooled and returned to the base temperature by the next scan, so that the above-described coupling outside the irradiation site is prevented. Will not occur. However, in the modeling pattern portion where the modeling width W is equal to or less than a certain value and the scanning width of the laser beam becomes the modeling width W, the time until the next scanning is insufficient for sufficiently cooling the modeling material, Out-of-illumination bonding, especially bonding of the build material outside of the build pattern contour, results. This is the mechanism that makes the fine pattern of the minute portion thick and reduces the modeling accuracy. Such out-of-profile pattern connections are facilitated by lap scanning. That is, when the lap scan is performed, the same portion is repeatedly irradiated several times in accordance with the degree of the lap, so that the temperature around the irradiated portion is likely to be excessively increased.
[0012]
The present invention has been made based on the above-described knowledge, and an object of the present invention is to provide an additive manufacturing method capable of performing high-precision modeling even with a target object having a fine structure and an additive manufacturing apparatus therefor.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
For the above purpose, in the present invention, modeling data obtained as a set according to the number of slices of a modeling pattern corresponding to a solid portion of the target object by virtually slicing the target object into many layers The laser beam is selectively irradiated while scanning the thin layer of the molding material by the control based on the contour, and the contour corresponding to the molding pattern is generated while causing the bonding and curing of the molding material at the selectively irradiated portion of the laser light. The operation of forming a unit molding layer composed of a joint portion and a cured portion of a shape is sequentially repeated, and in the lamination molding method of forming the target molding by laminating the unit molding layers of the repetitive formation, the scanning direction of the laser beam is related. The shaping width W is equal to or less than a predetermined value, and the laser beam is scanned in correlation with the shaping width W with respect to the shaping pattern portion where the scanning width of the laser beam is the shaping width W. It is characterized in that the the control the irradiation condition.
[0014]
In the present invention, in the above-described additive manufacturing method, the intensity of the laser light is controlled as the laser light irradiation condition control.
[0015]
Further, in the present invention, for the above-described additive manufacturing method, by controlling the degree of the overlap in the beam wrap that performs the scanning of the laser light so as to cause the beam of the laser light to overlap between adjacent scans. I have.
[0016]
Further, in the present invention, for the above-described object, a molding obtained as a group corresponding to the number of slices of a molding pattern corresponding to a solid portion of the target molding by virtually slicing the target molding into many layers. By selectively irradiating a thin layer of the molding material with laser light by control based on the data, the laser light was selectively irradiated, and the selective irradiation of the laser light corresponded to the molding pattern while causing bonding and curing to the molding material. The operation of forming a unit forming layer composed of a joint portion and a cured portion of a contour shape is sequentially repeated, and in the stacking device for forming the target object by laminating the unit forming layers of the repetitive formation, the scanning direction of the laser light is used. The shaping width W is less than or equal to a predetermined value, and the width of the scanning of the laser beam is the shaping width W. It is characterized by having a fine portion irradiation control means for controlling the irradiation conditions of the laser light.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the embodiments of the present invention. FIG. 1 schematically shows a configuration of an additive manufacturing apparatus used in an embodiment of the present invention. This lamination molding apparatus is provided with a fine portion irradiation control means 22 in a control section 21 thereof. Other configurations are the same as those of the above-described conventional additive manufacturing apparatus (laser sintering apparatus), and therefore, common portions are denoted by the same reference numerals.
[0018]
Prior to describing the additive manufacturing process in the additive manufacturing apparatus, characteristics of the additive manufacturing apparatus will be described. The characteristics are a temperature change characteristic and a modeling deviation characteristic of the powder material at the laser beam irradiation site. FIG. 2 is a graph showing temperature change characteristics experimentally obtained by setting laser power (laser intensity), laser scanning speed, line space width, laser beam width, basic temperature of a part head, and the like under ordinary conditions. . The vertical axis indicates the temperature of the parts head, and the horizontal axis indicates the time elapsed after the laser light was irradiated to the parts head. As shown in this figure, when the laser beam 5 is irradiated on the parts head in the additive manufacturing apparatus of FIG. 1, the base temperature of the parts head given by the temperature in the chamber 9 (100 degrees Celsius in FIG. 2 and indicated by a dotted line) ) To a predetermined temperature (about 250 degrees Celsius in FIG. 2). Then, the temperature suddenly drops to about 200 degrees, and then gradually decreases to return to the base temperature in about 0.25 ms. That is, it takes about 0.25 ms for the powder material heated by the laser beam irradiation to return to the base temperature. FIG. 3 shows a graph relating to the modeling deviation characteristic experimentally obtained under the same conditions as in the case of the temperature change characteristic. The vertical axis is the deviation δ between the planned modeling pattern and the actually obtained modeling pattern, that is, the thickness of the actually obtained modeling pattern, and the horizontal axis is the scanning direction of the laser beam in the planned modeling pattern. The width (modeling width) W. As shown in this figure, when the molding width W is less than 2 mm, the thickness δ gradually increases from 2 mm to about 0.5 mm and reaches the maximum value, and when it is less than that, it is fixed to the maximum value. I do. As described above, when the modeling width W is 2 mm or less, the actually obtained modeling pattern is thicker than the planned modeling pattern because the time until the next scan is insufficient for sufficiently cooling the parts head as described above. .
[0019]
In the present invention, the additive manufacturing is performed while controlling the irradiation condition of the laser beam on the premise of the characteristics of the additive manufacturing apparatus. Hereinafter, the additive manufacturing process will be described. Since the basic processing is the same as that of the above-described conventional additive manufacturing apparatus, it will be referred to and the main points will be described. It is assumed that the laser beam 5 is applied to the modeling pattern as shown in FIGS. These modeling patterns include a non-fine pattern portion N and a fine pattern portion M. However, based on the modeling deviation characteristics described above, the first condition is that the modeling width W in the direction of the scanning S of the laser beam is 2 mm or less, and the scanning width of the scanning S of the laser beam is also reduced to the modeling width W. Is a second condition, a portion satisfying both conditions is defined as a fine pattern portion M, and a portion having a modeling width W larger than 2 mm is defined as a non-fine pattern portion N.
The reason why the second condition as described above is required to form the dense pattern portion M is as follows. For example, in the case of the modeling pattern shown in FIG. 6, there is a pattern portion m in which the modeling width W, which is the first condition, satisfies 2 mm or less. However, a plurality of the pattern portions m are arranged in parallel in the scanning direction of the laser beam in a state where the pattern portions m are integrated with the pattern portions Na having a modeling width W of 2 mm or more in a pattern. For such a pattern portion, the scanning S of the laser beam is performed across the plurality of pattern portions m. Therefore, the time until the next scan is not insufficient for sufficiently cooling the parts head. That is, the phenomenon that the actually obtained pattern is thicker than the predetermined pattern does not occur. Accordingly, a plurality of pattern portions m arranged in parallel in the scanning direction of the laser beam are excluded from the “fine pattern portion”.
[0020]
Here, to scan the pattern portion m in FIG. 6 with the laser light across the plurality of pattern portions m and to scan the fine pattern portion M in FIG. Data processing for the build pattern is relevant. That is, as in the case of the modeling pattern of FIG. 4, when creating a modeling pattern so that the fine pattern portion M independent of the non-fine pattern portion N is scanned in a transverse direction, the modeling pattern is created by individual scanning. The amount of data to be processed is much larger than in the case. When the data amount increases, not only does the cost for creating a shaping pattern from CAD data and the like increase, but also the data processing amount at the time of laser beam scanning control on the shaping pattern increases, thereby lowering the shaping efficiency. For such a reason, it is necessary to create a shaping pattern so that the laser beam is individually scanned for the fine pattern portion M in FIG. 4, and as a result, the laser beam scanning width becomes the shaping width W.
[0021]
In the case where the laser beam 5 is applied to the shaping pattern as shown in FIGS. 4 and 5, the non-fine pattern portion N is controlled under the control of the laser control means 12 and the shaping condition control means 13 under normal irradiation conditions. Irradiation is performed. On the other hand, when the fine pattern portion M is reached, the fine portion irradiation control means 22 functions to perform irradiation control. Hereinafter, this will be described. Laser power Lp (W), laser irradiation density Lpd (J / mm 2 ), laser scanning speed Ss (mm / s), line space Ls (mm), laser beam width Bw (mm), base temperature of part head Thb ( ° C), the temperature Th (° C) of the parts head after laser light irradiation, the shaping width W (mm), the elapsed time tp (s) since the laser light was irradiated, and the scanning time ts (ts) for the shaping width W About s), it can be related by the numerical formula shown as following Formula 1-4. The unit in parentheses after each item is a unit.
(Equation 1)
Here, A is a constant given as a calorific value conversion term including the laser light absorption of the powder material.
(Equation 2)
[Equation 3]
(Equation 4)
[0022]
Based on such a relationship, the fine part irradiation control means 22 determines the scanning time ts with respect to the molding width W and the time required for the part head to reach the base temperature (elapsed time: 0. A control program for making tp satisfy ts ≧ tp is incorporated. Then, by performing irradiation control on the fine pattern portion M based on this, the thickening phenomenon of the formed pattern actually obtained is effectively prevented. The control of ts ≧ tp can be performed by any one of these or a combination thereof since tp is correlated with the intensity of the laser beam, the scanning speed of the laser beam, and the line space width. is there. Above all, the method of adjusting the intensity of the laser beam is preferable because it is easiest to perform, and the adjustment of the line space width is preferable subsequently.
[0023]
When the control is performed based on the intensity of the laser beam, the following procedure is performed. The fine portion irradiation control means 22 receives information on the modeling pattern of the irradiation scanning control means 11 from the irradiation scanning control means 11. Based on the information, it is always determined whether or not the molding width W is equal to or less than a predetermined critical width Wc, for example, 2 mm. Then, when it is determined that W ≦ Wc, the control of the output to the laser 4 is started. The control is performed in such a manner that the required laser irradiation density Lpd is obtained by a function: Lpd = F (W), for example, with the modeling width W as a parameter, assuming the above relationship and ts ≧ tp. On the other hand, when it is determined that W> Wc, the control shifts to the normal control by the laser control means 12.
[0024]
In the case of the line space width, similarly to the case of the laser beam intensity, a function using the molding width W as a parameter: Lsw = F ( W) to obtain an appropriate required line space width Lsw.
[0025]
The above embodiments are representative examples for implementing the present invention, and these can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the molding material is a powder material based on a metal material. However, other molding materials, such as a synthetic resin powder material, may be used as long as a material that causes a "thickening phenomenon" is used. Can be applied. Further, in the above embodiment, the example related to the SLS method is used. However, if the laser beam irradiation affects the outside of the irradiated area and causes a “breadth phenomenon”, the present invention is not limited to the SLS method and may be applied. Can be.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the laser beam irradiation condition is controlled in relation to the width of a shaping pattern portion whose width in the scanning direction of the laser beam is equal to or smaller than a predetermined value. For this reason, according to the present invention, it is possible to form a fine modeling pattern with high accuracy without causing a thickening phenomenon, and it is possible to further enhance the usefulness of the additive manufacturing method.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of an additive manufacturing apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram relating to a temperature change characteristic of a powder material obtained experimentally.
FIG. 3 is a diagram relating to a modeling deviation characteristic obtained experimentally.
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating an example of a modeling pattern having a fine pattern portion.
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating another example of a shaping pattern having a fine pattern portion.
FIG. 6 is a diagram schematically illustrating an example of a molding pattern having no fine pattern portion.
FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a general configuration of a conventional additive manufacturing apparatus.
FIG. 8 is a diagram schematically illustrating an example of a molding pattern.
FIG. 9 is a diagram schematically showing an energy density distribution pattern in a laser beam.
FIG. 10 is a diagram schematically illustrating how a laser beam is wrapped.
[Explanation of symbols]
5 Laser beam 14 Powder material (molding material)
15 Unit Modeling Layer 22 Fine Part Irradiation Control Means P Modeling Pattern W Width in Laser Scanning Direction