JP2019155883A - 立体造形方法及び立体造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】立体造形の途中で発生する変形を抑制できる立体造形方法及び立体造形装置を提供する。【解決手段】立体造形方法は、１以上の粉体層が積層された積層体の上に粉体を配置する工程と、前記粉体へレーザー光を照射して第１の温度に加熱する工程と、前記粉体へのレーザー光の照射の前又は照射に並行して、前記積層体へレーザー光を照射して前第１の温度より低い第２の温度に加熱する工程とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、立体造形方法及び立体造形装置に関する。

立体造形の方法として、複数の層を積層する積層造形法（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）が利用されている。積層造形法の１つであるＰＢＦ方式では、粉体を層状に配置したものにレーザー光を選択的に照射し、粉体を溶融接着させて粉体層として成膜する。その後、その紛体層の上に別の粉体を層状に配置し、同様の操作を繰り返す。これにより、粉体層を順次積層し、積層体としての立体造形物を得ることができる。

特許文献１には、積層造形法で補強穴を設けた三次元造形物を製作し、その補強穴に流動性物質を充填して硬化させることが記載されている。これにより、特許文献１によれば、三次元造形物の内部強度を高めることができるとされている。

特許文献１に記載の技術では、三次元造形物が製作されてから三次元造形物中に補強材が形成されるため、三次元造形物を造形している途中（立体造形の途中）で発生する変形を防止することが困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、立体造形の途中で発生する変形を抑制できる立体造形方法及び立体造形装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかる立体造形方法は、１以上の粉体層が積層された積層体の上に粉体を配置する工程と、前記粉体へレーザー光を照射して第１の温度に加熱する工程と、前記粉体へのレーザー光の照射の前又は照射に並行して、前記積層体へレーザー光を照射して前第１の温度より低い第２の温度に加熱する工程とを含むことを特徴とする。

本発明の１つの側面によれば、立体造形の途中で発生する変形を抑制できるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係る立体造形装置の構成を示す斜視図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる立体造形装置を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

（実施形態）
実施形態に係る立体造形装置は、粉体を用いて立体造形を行う。立体造形には、数種類の方式があり、方式ごとに使える材料や造形物の特性は異なる。いくつかある造形方式の中の一つとして、高強度高精度な造形が可能な粉末床溶融（ＰＢＦ：Ｐｏｗｄｅｒ Ｂｅｄ Ｆｕｓｉｏｎ）方式がある。

ＰＢＦ方式には、選択的にレーザーを照射して立体造形物を形成する選択的レーザー焼結法（ＳＬＳ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｌｅｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）方式や、マスクを使い平面状にレーザーを当てる選択的マスク焼結法（ＳＭＳ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｍａｓｋ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）方式などがある。

ＰＢＦ方式は、レーザー光線を金属やセラミック又は樹脂の粉体を薄層状に配置したものに選択的にレーザーを選択的に照射することにより粉体を加熱して溶融接着させ、粉体層として成膜する。その後、その成膜された粉体層の上に別の粉体を薄層状に配置して同様の操作を繰り返す。これにより、粉体層を順次積層し、積層体としての立体造形物を得ることができる。

ＰＢＦ方式に樹脂の粉末を使用する場合では、薄層間の内部応力を低く維持することと緩和（リラックス）しながら、供給槽に供給された樹脂粉末の層を樹脂の軟化点付近の温度まで加熱しておき、この層にレーザー光線を選択的に照射し、照射された樹脂粉末自身を軟化点以上の温度まで加熱して相互に融着させることにより立体造形が行われる。

このとき、造形物の変形（例えば、反り）を抑制させるために、供給された樹脂粉末の層を所定の低めの温度に加熱して造形を行うことが考えられる。所定の低めの温度は、樹脂粉末材料の結晶化温度以上かつ融点以下の温度である。所定の低めの温度に保たれることで、レーザー照射により融解した樹脂は、過冷却状態となり結晶化が進行しにくくなる可能性があるが、材料によっては結晶化温度と融点との温度差が狭く、所定の温度に加熱した際に熱による造形物の変形を抑制しにくいことがある。

一方、造形物の変形を抑制するために、造形物の内部に補強材を設けることが考えられる。すなわち、積層造形法で補強穴を設けた造形物を製作し、その補強穴に流動性物質を充填して硬化させることで、造形物の内部強度を高めることができるようにも考えられる。

しかし、造形物が製作されてから造形物中に補強材が形成されると、造形物を造形している途中（立体造形の途中）で発生する変形を抑制することが困難である。また、補強材が不要である場合、補強材の除去が作業者にとっての大きな負担になり得るとともに、除去後の造形物の表面の凹凸が粗くなってしまう。

そこで、本実施形態では、立体造形装置において、粉体層の積層体の上に配置された粉体に溶融可能な温度に加熱するレーザー光の照射を行うとともに、その照射の前又はその照射に並行して積層体へより低い温度に加熱するレーザー光の照射を行うことで、立体造形の途中における変形の抑制を図る。

具体的には、モデル造形時のレーザー照射の前もしくは同時に、モデル造形を行う箇所を含む、もしくはモデル造形部以外の領域に存在する粉体すべてもしくは一部に対してレーザー加熱を行う。そして、造形部周辺の粉の表面を若干量融解させ、粉同士を融着させる。これにより、造形物の表面粗さを悪化させることなく、モデル造形の反り発生を抑制することが可能となる。

より具体的には、立体造形装置１００は、図１に示すように構成される。図１は、立体造形装置１００の構成を示す斜視図であり略説明図である。

立体造形装置１００は、電磁照射源１、反射鏡２、ヒーター３、ローラ４、供給槽５、造形槽６、レンズシステム７、反射鏡駆動部８、及びコントローラ９を有する。コントローラ９は、配置部９ａ、第１の加熱部９ｂ、及び第２の加熱部９ｃを有する。

供給槽５は、立体造形の造形材料としての粉末を貯蔵する。ローラ４は、供給槽５に貯蔵された粉末をその使用量に応じて造形槽６へ供給するように回転動作する。造形槽６には、１以上の粉体層が積層された積層体６ａが既に配されている。配置部９ａは、供給槽５からローラ４を介して供給された粉末が粉体６ｂとして積層体６ａの上に配置されるように、ローラ４の動作を制御する。

電磁照射源１は、コントローラ９による制御に従い、ガウシアン分布のレーザー光を発生させ、レーザー光をレンズシステム７へ導く。レンズシステム７は、電磁照射源１から導かれたレーザー光をトップハット形状のレーザー光に変換し反射鏡２へ導く。反射鏡２は、例えば、ガルバノミラーであり、レーザー光を反射し造形槽６へ照射させる。このとき、反射鏡駆動部８は、例えば、ガルバノモータであり、コントローラ９による制御に従い、反射鏡２をスキャン駆動する。これにより、造形槽６へ照射されるレーザー光は、積層体６ａの上に配置された粉体６ｂに対して２次元的にスキャンされ得る。レーザー光による熱により、粉体６ｂを焼結させて立体造形物を得ることができる。

このとき、第１の加熱部９ｂは、粉体６ｂを第１の温度に加熱するように制御する。また、第２の加熱部９ｃは、粉体６ｂへのレーザー光の照射の前又は照射に並行して、積層体６ａへレーザー光を照射して第１の温度より低い第２の温度に加熱するように制御する。第１の温度は、粉体６ｂの融点以上の温度とすることができ、第２の温度は、粉体６ｂの融点未満の温度とすることができる。あるいは、第１の温度は、粉体６ｂの結晶化温度以上融点以下の温度とすることができ、第２の温度は、粉体６ｂの結晶化温度未満の温度とすることができる。

例えば、第２の加熱部９ｃは、積層体６ａへのレーザー光の照射を積層体６ａにおける任意の領域に対して行うができる。第２の加熱部９ｃは、積層体６ａへのレーザー光の照射を積層体６ａにおける粉体６ｂから３次元的に離れた領域に対して行うことができる。第２の加熱部９ｃは、積層体６ａへのレーザー光の照射を積層体６ａにおける粉体６ｂより積層方向の高さが低い位置に対して選択的に行うことができる。

また、第１の加熱部９ｂは、粉体６ｂへ照射されるレーザー光のエネルギー密度が第１のエネルギー密度になるように制御する。第２の加熱部９ｃは、積層体６ａへ照射されるレーザー光のエネルギー密度が第１のエネルギー密度より低い第２のエネルギー密度になるように制御する。

例えば、第１の加熱部９ｂは、電磁照射源１を制御して、粉体６ｂへ照射されるレーザー光の出力値が第１の出力値になるように制御する。第２の加熱部９ｃは、電磁照射源１を制御して、積層体６ａへ照射されるレーザー光の出力値が第１の出力値より低い第２の出力値になるように制御する。

あるいは、第１の加熱部９ｂは、反射鏡駆動部８を制御して、粉体６ｂへ照射されるレーザー光のスキャン速度が第１のスキャン速度になるように制御する。第２の加熱部９ｃは、反射鏡駆動部８を制御して、積層体６ａへ照射されるレーザー光のスキャン速度が第１のスキャン速度より速い第２のスキャン速度になるように制御する。

あるいは、第１の加熱部９ｂは、反射鏡駆動部８を制御して、粉体６ｂへ照射されるレーザー光のスキャンピッチが第１のスキャンピッチになるように制御する。第２の加熱部９ｃは、反射鏡駆動部８を制御して、積層体６ａへ照射されるレーザー光のスキャンピッチが第１のスキャン速度より大きい第２のスキャンピッチになるように制御する。

樹脂粉末を対象としたＰＢＦ方式の造形においては、アンカーやサポート構造と呼ばれるような、造形物の変形を拘束することを目的とした補助的な構造を造形する手法が用いられないことが多い。そのため、レーザー照射された箇所の樹脂は溶融後、変形する自由度を持った状態で周囲の粉もしくは造形物に囲まれることになる。造形対象の樹脂種が収縮しやすい種類であったり、造形装置の温度設定が適していない場合、そのような状況下におかれている溶融した樹脂は体積収縮にともなう変形が発生し、結果として造形物の反り返り等の欠陥あるいは造形の失敗が発生する。

本実施形態によると、アンカーやサポート構造と呼ばれるような、造形物の変形を拘束することを目的とした補助的な構造を造形することなく、反り等の造形物の変形を抑制することが可能となる。

サポート構造を造形するわけではないため、造形物以外の領域の粉末は、多少の熱ダメージを受けたケーキ粉としてリサイクルが可能である。

＜レーザー書き込みの形態＞
加熱を目的としたレーザー照射時の、レーザーに関連するパラメータとしては、レーザーパワー、スキャン速度、スキャンピッチ、レーザービーム径が挙げられる。レーザーパワーは、レーザーの出力値であり、ワット（Ｗ）やジュール（Ｊ）等のエネルギーの単位で表現される。

スキャン速度は、レーザー書き込み時の走査速度である。スキャンピッチは、モデル造形時のレーザー書き込み時の、１ラインごとの変位量であり、どの程度レーザーを重ね書きするかを示している。ここで、レーザーパワー、スキャン速度、スキャンピッチを用いたか式から計算される、レーザーエネルギー密度も重要な指標である。レーザーエネルギー密度は、例えば、次の式で求められ得る。
レーザーエネルギー密度［ｋＪ／ｍ２］＝ レーザーパワー［Ｗ］／（スキャン速度［ｍ／ｓ］×スキャンピッチ［ｍ］）

レーザーによる加熱は、造形用のレーザーエネルギー密度よりも低い値で書き込むことが好ましい。また、スキャン速度は、加熱用の書き込みのほうが造形用の書き込みよりも速いほうが好ましい。

＜レーザーによる加熱の領域＞
各層の造形モデルが存在する領域から、少なくとも１００ｍｍ、好ましくは５０ｍｍ、さらに好ましくは１０ｍｍ以内の範囲に照射することで、本実施形態の効果を最大限生かすことができる。

＜レーザーによる加熱時の粉温度＞
融点近傍まで上昇させることで、本実施形態の効果を発現することができる。

本発明における融点とは、ＩＳＯ ３１４６（プラスチック転移温度測定方法、ＪＩＳＫ７１２１）により測定される融解ピーク温度を意味し、複数の融解温度が存在する場合は、高温側の融点を使用する。

融点近傍とは、材料の熱特性あるいは粉体の造形槽内充填状況次第で変化するため、値を制限することはできないが、少なくとも材料の（融点−１０）度、好ましくは（融点−５）度、さらに好ましくは（融点−２）度の温度に、レーザーによって加熱することができれば、本実施形態の効果を期待できる。

この加熱による粉面の温度上昇は、サーモカメラやＩＲセンサといった非接触式の温度センサによって計測および制御可能である。加熱時のレーザー条件は、この温度の上昇量によって調整することが好ましい。

立体造形用樹脂粉末を用いて、レーザー焼結により形成される立体造形物は、滑らかであり、最小オレンジピール以下を呈する十分な解像度を示す表面を形成できる。ここで、オレンジピールとは、一般にＰＢＦでのレーザー焼結により形成される立体造形物の表面上に不適切な粗面、又は空孔問題やゆがみ問題のような表面欠陥の存在を意味し、前記空孔は、例えば、美観を示すだけでなく、機械強度にも著しく影響を及ぼす。

以上のように、本実施形態では、立体造形装置１００において、粉体層の積層体の上に配置された粉体に溶融可能な温度に加熱するレーザー光の照射を行うとともに、その照射の前又はその照射に並行して積層体へより低い温度に加熱するレーザー光の照射を行う。これにより、造形物の変形を拘束することを目的とした補助的な構造を造形することなく、立体造形の途中において、粉体周辺の粉の表面を若干量融解させ粉同士を融着させることができる。この結果、造形物の表面粗さを悪化させることなく、造形物の変形を抑制できる。

なお、立体造形装置１００は、新規層をローラ等により引くごとに焼結処理を行い、立体造形用樹脂粉末からの立体造形を行ってもよい。この焼結処理では粉末層部分を選択的に溶融させる。新たな粉末層を先行して形成した層に施用し、再度選択的に溶融させ、これが繰り返され所望の立体造形物が製造されるまでこの処理を継続する。

あるいは、他の実施態様として、選択的マスク焼結（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｍａｓｋ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ：ＳＭＳ）技術を使用して、立体造形物を製造してもよい。ＳＭＳプロセスについては、例えば、米国特許第６，５３１，０８６号明細書に記載されているものを好適に用いることができる。

ＳＭＳプロセスとしては、遮蔽マスクを使用して選択的に赤外放射を遮断し、粉末層の一部の選択的照射をもたらす。本発明の立体造形用樹脂粉末から物品を製造するためにＳＭＳプロセスを使用する場合、立体造形用樹脂粉末の赤外吸収特性を増強させる粉末組成物中の１種以上物質を含有させることが好ましく、立体造形用樹脂粉末には１種以上の熱吸収剤及び／又は暗色物質（カーボンファイバー、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、もしくはカーボンファイバー、セルロースナノファイバー等）を含有することができる。

９ コントローラ
９ａ 配置部
９ｂ 第１の加熱部
９ｃ 第２の加熱部
１００ 立体造形装置

特開２０１５−１３４４１１号公報

Claims (9)

1. １以上の粉体層が積層された積層体の上に粉体を配置する工程と、
   前記粉体へレーザー光を照射して第１の温度に加熱する工程と、
   前記粉体へのレーザー光の照射の前又は照射に並行して、前記積層体へレーザー光を照射して前第１の温度より低い第２の温度に加熱する工程と、
   を含むことを特徴とする立体造形方法。
2. 前記加熱する工程は、
   前記積層体へのレーザー光の照射を前記積層体における任意の領域に対して行うことを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形方法。
3. 前記加熱する工程は、
   前記積層体へのレーザー光の照射を前記積層体における前記粉体から３次元的に離れた領域に対して行うことを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形方法。
4. 前記加熱する工程は、
   前記積層体へのレーザー光の照射を前記積層体における前記粉体より積層方向の高さが低い位置に対して選択的に行うことを含む。
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の立体造形方法。
5. 前記積層体へのレーザー光の照射に用いられるレーザー光のエネルギー密度は、前記粉体へのレーザー光の照射に用いられるレーザー光のエネルギー密度よりも低い
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形方法。
6. 前記積層体へのレーザー光の照射に用いられるレーザー光の出力値は、前記粉体へのレーザー光の照射に用いられるレーザー光の出力値よりも低い
   ことを特徴とする請求項５に記載の立体造形方法。
7. 前記積層体へのレーザー光の照射に用いられるレーザー光のスキャン速度は、前記粉体へのレーザー光の照射に用いられるレーザー光のスキャン速度よりも速い
   ことを特徴とする請求項５に記載の立体造形方法。
8. 前記積層体へのレーザー光の照射に用いられるレーザー光のスキャンピッチは、前記粉体へのレーザー光の照射に用いられるレーザー光のスキャンピッチよりも大きい
   ことを特徴とする請求項５に記載の立体造形方法。
9. １以上の粉体層が積層された積層体に粉体を配置する配置部と、
   前記粉体へレーザー光を照射して第１の温度に加熱する第１の加熱部と、
   前記粉体へのレーザー光の照射の前又は照射に並行して、前記積層体へレーザー光を照射して前第１の温度より低い第２の温度に加熱する第２の加熱部と、
   を備えたことを特徴とする立体造形装置。

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