三维形状造型物的制造方法以及三维形状造型物的制作方法
【专利摘要】本发明提供三维形状造型物的制造方法，其反复进行下述工序：（i）对粉末层的规定部位照射光束，使该规定部位的粉末烧结或者熔融固化而形成固化层的工序；以及（ii）在所得到的固化层上形成新的粉末层，对所述新的粉末层的规定部位照射光束而形成进一步的固化层的工序，其中，在三维形状造型物的至少一部分，形成高密度固化区域、中密度固化区域以及低密度固化区域这三个固化密度分别不同的固化区域，将其中的中密度固化区域以构成造型物的表面区域的至少一部分的方式形成。
【专利说明】三维形状造型物的制造方法以及三维形状造型物
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维形状造型物的制造方法以及通过该方法得到的三维形状造型物。更详细地，本发明涉及通过反复实施基于对粉末层的规定部位照射光束的固化层形成来制造由多个固化层层叠一体化而成的三维形状造型物的方法，并且还涉及通过该方法得到的三维形状造型物。
【背景技术】
[0002]一直以来，已知对材料粉末照射光束而制造三维形状造型物的方法(一般称为“粉末烧结层叠法”)。在所述方法中，反复进行“(i)通过对粉末层的规定部位照射光束，由此使所述规定部位的粉末烧结或者熔融固化而形成固化层，(ii)在所得到的固化层上铺设新的粉末层并同样照射光束而形成进一步的固化层”，从而制造三维形状造型物(参照专利文献I或者专利文献2)。在作为材料粉末而使用了金属粉末、陶瓷粉末等无机质的材料粉末的情况下，能够将所得到的三维形状造型物作为模具使用，在使用了树脂粉末、塑料粉末等有机质的材料粉末的情况下，能够将所得到的三维形状造型物作为模型使用。根据这种制造技术，能够在短时间内制造复杂的三维形状造型物。
[0003]以在支撑部件上制造三维形状造型物的情况为例，如图1所示那样，首先，在造型板21上形成规定厚度tl的粉末层22 (参照图1 (a))。接着，对粉末层22的规定部位照射光束，从该被照射的粉末层的部分开始形成固化层24。然后，在所形成的固化层24上铺设新的粉末层22，并再次照射光束而形成新的固化层。当反复实施这种固化层的形成时，能够得到由多个固化层24层叠一体化而成的三维形状造型物(参照图1 (b))。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本特表平1-502890号公报
[0007]专利文献2:日本特开2000-73108号公报
【发明内容】
[0008]发明要解决的课题
[0009]在三维形状造型物作为模具使用的情况下，该三维形状造型物需要用于将成型时的气体排出的排气孔(vent)。具体地说，需要用于将树脂供给路上存在的空气或从熔融的树脂原料产生的气体等排出的气体排气孔(gas vent)。
[0010]对于这种气体排气孔，其在三维形状造型物中能够通过形成密度较低的部分来设置(参照图16)，但是这种低密度部分有可能使成型品表面变粗糙。也就是说，由于在造型物的低密度部分存在细孔(例如细孔尺寸为50 μ m?500 μ m)，因此细孔(pore)形状有可能转印到成型品上。因此，可以考虑为了减少细孔而提高排气孔部的密度，但是如果这样的话，这次不能够确保规定的气体通气量，从而不能够得到足够的排气效果。
[0011]即，在由上述那样的三维形状造型物形成的模具中，在成型品的转印性和排气效果之间存在权衡的关系。
[0012]本发明是鉴于这种情况而完成的。即，本发明的课题为提供一种能够作为模具使用的三维形状造型物的制造方法，是能够对成型品的转印性和排气效果这两者良好地应对的三维形状造型物的制造方法。
[0013]用于解决课题的手段
[0014]为了解决上述课题，在本发明中提供一种三维形状造型物的制造方法，其特征在于，反复进行下述工序:
[0015](i)对粉末层的规定部位照射光束，使上述规定部位的粉末烧结或者熔融固化而形成固化层的工序；以及
[0016](ii)在所得到的固化层上形成新的粉末层，对上述新的粉末层的规定部位照射光束而形成进一步的固化层的工序，
[0017]其中，在三维形状造型物的至少一部分，形成高密度固化区域、中密度固化区域以及低密度固化区域这三个固化密度分别不同的固化区域，
[0018]以构成三维形状造型物的表面区域的至少一部分的方式形成中密度固化区域。
[0019]在某个优选的方案中，使中密度固化区域的固化密度为70%?90%。
[0020]在另外的某个优选的方案中，以气体经由中密度固化区域以及低密度固化区域而通过的方式，将中密度固化区域以及低密度固化区域相互邻接地形成。
[0021]在另外的更优选的方案中，分多次进行用于形成中密度固化区域的光束照射。在这种情况下，优选分多次进行的光束照射的照射能量密度阶段性地减少。此外，优选在某一光束的照射和其后接着进行的其它光束的照射之间，向照射区域供给新的原料粉末。优选在上述原料粉末的供给之前，以使在先进行的通过“某一光束的照射”而被照射后的区域的高度成为规定高度的方式，对该区域的表面进行切削。此外，也可以在这种新的原料粉末的供给时，对在先进行的通过“某一光束的照射”而被照射后的区域和/或原料粉末赋予振动。
[0022]在本发明中，还提供通过上述的制造方法而得到的三维形状造型物。所述本发明的三维形状造型物是作为模芯侧或者模腔侧的模具使用的造型物，其特征在于，
[0023]在模具的至少一部分，设置有高密度固化区域、中密度固化区域以及低密度固化区域这三个固化密度分别不同的固化区域，
[0024]并且，在模具的模腔形成面的至少一部分设置有中密度固化区域。
[0025]在某个优选的方案中，中密度固化区域的厚度为0.05_?5_的范围。
[0026]在另外的优选的方案中，中密度固化区域的细孔尺寸为50 μ m以下。
[0027]在另外的更优选的方案中，中密度固化区域以及低密度固化区域相互邻接设置，由此构成模具的气体排气孔。
[0028]发明的效果
[0029]对于通过本发明的制造方法得到的三维形状造型物，在造型物表面上形成有中密度固化区域(特别是与低密度固化区域相邻接的中密度固化区域)，因此气体能够通过，并且该造型物表面的细孔变得比较小。因此，即使在将三维形状造型物作为模具使用的情况下，也能够将树脂供给路上存在的空气、从熔融的树脂原料产生的气体从中密度固化区域排出，并且能够减少“造型物表面的细孔形状向成型品转印的现象”。[0030]也就是说，本发明能够良好地应对“成型品的转印性”和“排气效果”这两者。
[0031]进一步地说，在本发明中，通过调整中密度固化区域的厚度、固化密度等，能够适当改变气体通过时的流体阻力、细孔尺寸。由此，能够根据成型材料的种类、成型条件等，选择最佳的气体排气孔、转印性，树脂成型的设计自由度变大。例如，在对粘性较低的树脂原料进行注射成型的情况(即，造型物的细孔形状容易向成型品转印的条件)下，提高中密度固化区域的固化密度而减小细孔尺寸、并且使中密度固化区域的厚度变薄即可。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是示意性地表示光造型复合加工机的动作的截面图。
[0033]图2是示意性地表示光造型装置的形态的立体图(图2 (a):具备切削机构的复合装置，图2 (b):不具备切削机构的装置)。
[0034]图3是示意性地表示进行粉末烧结层叠法的形态的立体图。
[0035]图4是示意性地表示实施粉末烧结层叠法的光造型复合加工机的构成的立体图。
[0036]图5是光造型复合加工机的动作的流程图。
[0037]图6是经时地表示光造型复合加工工序的示意图。
[0038]图7是示意性地表示本发明的概念的图(图7 (a):示意性地表示通过本发明的制造方法得到的三维形状造型物的截面图，图7 (b):示意性地表示具有气体排气孔功能的模具的形态的截面图)。
[0039]图8是示意性地表示通过本发明的制造方法得到的三维形状造型物的截面图。
[0040]图9是中密度烧结区域的优选形成形态的说明图。
[0041]图10是经时地表示对于分多次进行的光束照射而新供给原料粉末的形态的示意截面图(图10 (a):某一光束的照射，图10 (b):新原料粉末的供给，图10 (c):接着进行的光束的照射)。
[0042]图11是经时地表示对于分多次进行光束照射而切削照射区域的表面的形态的示意截面图(图11 (a):某一光束的照射，图11 (b):照射区域表面的切削，图11 (c):接着进行的光束的照射)。
[0043]图12是经时地表示对于分多次进行的光束照射而对照射区域和/或原料粉末赋予振动的形态的示意截面图(图12 (a):某一光束的照射，图12 (b):照射区域和/或原料粉末的振动，图12 (c):接着进行的光束的照射)。
[0044]图13是示意性地表示将中密度烧结区域用于气体加压操作的形态的截面图。
[0045]图14是通过实施例制造的三维形状造型物的截面图以及显微镜照片。
[0046]图15是细孔形状的转印性确认试验的结果。
[0047]图16是表示以往的三维形状造型物的气体排气孔形态的照片图以及示意图。
[0048]在附图中，参照编号表示下述要素:
[0049]I 光造型复合加工机
[0050]2 粉末层形成机构
[0051]3 光束照射机构
[0052]4 切削机构
[0053]8 烟雾(fume)[0054]19粉末/粉末层(例如金属粉末/金属粉末层)
[0055]20造型物支撑部件(造型物台)
[0056]21造型板
[0057]22粉末层(例如金属粉末层或者树脂粉末层)
[0058]22’分为多次被照射光束的粉末层或者部分烧结层
[0059]23挤压用刀片
[0060]24固化层(例如烧结层)
[0061]24a高密度固化区域(例如高密度烧结部)
[0062]24b中密度固化区域(例如中密度烧结区域)
[0063]24c低密度固化区域(例如低密度烧结区域)
[0064]24d中空区域
[0065]25粉末台
[0066]26粉末材料箱的壁部分
[0067]27造型箱的壁部分
[0068]28粉末材料箱
[0069]29造型箱
[0070]30光束振荡器
[0071]31电流计镜
[0072]40铣头
[0073]41XY驱动机构
[0074]50腔室
[0075]52透光窗或者透镜
[0076]L光束
[0077]100三维形状造型物
[0078]200成型品或者树脂原料
【具体实施方式】
[0079]以下，参照附图进一步详细地说明本发明。
[0080]在本说明书中，“粉末层”实质上是指例如“由金属粉末形成的金属粉末层”。此外，“粉末层的规定部位”实质上是指所制造的三维形状造型物的区域。因此，通过对所述规定部位所存在的粉末照射光束，由此其粉末烧结或者熔融固化而构成三维形状造型物的形状。另外，在粉末层为金属粉末层的情况下，“固化层”可以相当于“烧结层”，“固化密度”可以相当于“烧结密度”。
[0081][粉末烧结层叠法]
[0082]首先，对成为本发明的制造方法的前提的粉末烧结层叠法进行说明。为了便于说明，以从材料粉末箱供给材料粉末、使用整平板将材料粉末整平而形成粉末层的形态为前提，对粉末烧结层叠法进行说明。此外，以在进行粉末烧结层叠法时还一并进行造型物的切削加工的复合加工的形态为例进行说明(也就是说，不以图2 (b)而以图2 (a)所示的形态为前提进行说明。然而，需要预先说明的是，本发明通过不具备切削机构的图2 (b)所示的形态也能够实现。)在图1、3以及4中，表示能够实施粉末烧结层叠法和切削加工的光造型复合加工机的功能以及构成。光造型复合加工机I主要具备:“通过将金属粉末以规定的厚度铺设而形成粉末层的粉末层形成机构2” ；“在外周被壁27包围的造型箱29内上下升降的造型台20”;“配置在造型台20上的、成为造型物的基础的造型板21”;“将光束L向任意位置照射的光束照射机构3”；以及“对造型物的周围进行切削的切削机构4”。如图1所示那样，粉末层形成机构2主要具有“在外周被壁26包围的材料粉末箱28内上下升降的粉末台25”和“用于在造型板上形成粉末层22的整平板23”。如图3以及图4所示那样，光束照射机构3主要具有“产生光束L的光束振荡器30”和“使光束L在粉末层22上扫描(scanning)的电流计镜31 (扫描光学系统)”。根据需要，光束照射机构3具备对光束斑点的形状进行修正的光束形状修正机构(例如具有一对柱面透镜和使所述透镜沿着光束的轴线旋转的旋转驱动机构而成的机构)、以及?.θ透镜等。切削机构4主要具有“对造型物的周围进行切削的铣头40”和“使铣头40向切削部位移动的XY驱动机构41 (41a、41b)”而构成(参照图3以及图4)。
[0083]参照图1、图5以及图6详述光造型复合加工机I的动作。图5表示光造型复合加工机的一般的动作流程，图6示意且简单地表示光造型复合加工工序。
[0084]光造型复合加工机的动作 主要包括:形成粉末层22的粉末层形成步骤(SI);对粉末层22照射光束L而形成固化层24的固化层形成步骤(S2);以及对造型物的表面进行切削的切削步骤(S3)。在粉末层形成步骤(SI)中，最先使造型台20下降Atl (S11)。接着，在使粉末台25上升Atl之后，如图1 (a)所示那样，使整平板23向箭头A方向移动。由此，使粉末台25上所配置的粉末(例如“平均粒径为5 μ m?100 μ m左右的铁粉”)向造型板21上移送(S12)，并且整平为规定厚度Atl而形成粉末层22 (S13)。接下来，转移至固化层形成步骤(S2)，从光束振荡器30发出光束L (例如二氧化碳激光(500W左右)、Nd:YAG激光(500W左右)、纤维激光(500W左右)或者紫外线等)(S21)，通过电流计镜31使光束L在粉末层22上的任意位置进行扫描(S22)。由此，使粉末熔融、固化而形成与造型板21 —体化了的固化层24 (S23)。另外，光束不限定于在空气中传递，也可以使其通过光纤等传送。
[0085]直至固化层24的厚度成为根据铣头40的工具长度等而求出的规定厚度为止，反复进行粉末层形成步骤(SI)和固化层形成步骤(S2)，对固化层24进行层叠(参照图1(b))。另外，新层叠的固化层在烧结或者熔融固化时，与已经形成的作为下层的固化层一体化。
[0086]当层叠的固化层24的厚度成为规定厚度时，转移到切削步骤(S3)。在图1以及图6所示那样的形态中，通过驱动铣头40来开始切削步骤的实施(S31 )。例如，在铣头40的工具(圆头槽铣刀)为直径1mm、有效刀刃长度3mm的情况下，能够进行深度3mm的切削加工，因此如果AtlS0.05mm,则在形成了 60层的固化层的时刻使铣头40驱动。通过XY驱动机构41 (41a、41b)使铣头40向箭头X以及箭头Y方向移动，对由层叠的固化层24形成的造型物的表面进行切削加工(S32)。然后，在三维形状造型物的制造依然未结束的情况下，返回粉末层形成步骤(SI)。以后，反复进行SI至S3而将进一步的固化层24层叠，由此进行三维形状造型物的制造(参照图6)。
[0087]预先根据三维CAD数据来制作固化层形成步骤(S2)中的光束L的照射路径、切削步骤(S3)中的切削加工路径。此时，应用等高线加工来决定加工路径。例如，在固化层形成步骤(S2)中，使用将根据三维CAD模型生成的STL数据以等间距(例如在使Atl为0.05mm的情况下以0.05mm间距)进行了切片的各剖面的轮廓形状数据。
[0088][本发明的制造方法]
[0089]本发明在上述的粉末烧结层叠法中，特别是在固化层的形成方式上具有特征。具体地说，如图7 (a)所示那样，在三维形状造型物100中，至少形成高密度固化区域24a、中密度固化区域24b以及低密度固化区域24c这三个固化密度(松密度)分别不同的固化区域。特别是，在本发明中，将中密度固化区域24b形成为从造型物表面露出。
[0090]中密度固化区域24b优选形成为其固化密度为约70%?约90%的区域。在本发明中，比所述“中密度”的固化密度d+ss高的区域相当于高密度固化区域24a，而比固化密度d+ss低的区域相当于低密度固化区域24c。因此，在中密度固化区域24b的固化密度为70%?90%的情况下，高密度固化区域24a的固化密度能够成为90% (不包含90%)?100%，而低密度固化区域24c的固化密度能够成为40%?70% (不包含70%)。
[0091]关于固化区域24a?24c的细孔尺寸(细孔大小)，可以说固化密度越高则细孔尺寸具有越变小的倾向，而固化密度越低则细孔尺寸具有越变大的倾向。在此，中密度固化区域24b的细孔尺寸(平均细孔直径)优选为5 μ m?50 μ m左右。因此，低密度固化区域24c的细孔尺寸(平均细孔直径)能够成为50 μ m (不包含50 μ m)?500 μ m,而高密度固化区域24a的细孔尺寸(平均细孔直径)能够成为0.1 μ m?5 μ m (不包含5 μ m)。
[0092]为了使经由中密度固化区域24b的气体通过能够合适地进行，优选使低密度固化区域24c以与中密度固化区域24b连接的方式相邻接地形成(参照图7 (b))。通过如此地设置低密度固化区域24c，能够减少中密度固化区域24b的厚度，因此，能够有效地减少气体通过时的流体阻力。并且，如图7 (b)所示那样，也可以形成与低密度固化区域24c连通那样的中空区域(空洞部)24d。如图示那样，对于中空区域24d，优选形成在低密度固化区域24c的背面侧，且以将所述中空区域24d与造型物外部连通的方式形成。
[0093]在将图7 Ca)以及(b)所示那样的三维形状造型物100用作为树脂成型用的模具的情况下，能够将树脂供给路上存在的空气或从熔融的树脂原料产生的气体等气体通过中密度固化区域24b以及低密度固化区域24c排出。因此，中密度固化区域24b以及低密度固化区域24c能够合适地作为模具的气体排气孔起作用。
[0094]参照附图对本发明的制造方法进一步进行说明。本发明使用的金属粉末既可以是以铁系粉末为主成分的粉末，根据情况不同也可以是进一步包含从由镍粉末、镍系合金粉末、铜粉末、铜系合金粉末以及石墨粉末等构成的组中选择的至少I种而成的粉末(作为一个例子，能够举出如下的金属粉末:平均粒径20 μ m左右的铁系粉末的配合量为60?90重量％，镍粉末以及镍系合金粉末这两者或任一者的配合量为5?35重量％,铜粉末和/或铜系合金粉末这两者或任一者的配合量为5?15重量％，以及石墨粉末的配合量为0.2?0.8重量％)。另外，作为金属粉末，不限定于这种铁系粉末，也能够是铜系粉末、铝粉末，进一步需要预先说明的是，如果是模具以外的用途的用作加压部件的用途，还能够是塑料粉末或陶瓷粉末。
[0095]在本发明的制造方法中，反复进行下述操作:在造型板21上形成了规定厚度的金属粉末层22之后，使光束照射金属粉末层22的规定部位,从该被照射的金属粉末层的部分形成烧结层(参照图1 (a)以及(b))。特别是，在本发明的制造方法中，在反复实施所述操作时，通过对照射的光束的能量等进行调整，能够形成高密度烧结区域24a (高密度烧结部)、中密度烧结区域24b (中密度烧结部)以及低密度烧结区域24c (低密度烧结部)这三个烧结密度分别不同的区域。
[0096]具体地说，当使对粉末区域照射的光束的照射能量相对较低时，能够形成低密度烧结区域24c，而当使对粉末区域照射的光束的照射能量相对较高时，能够形成高密度烧结区域24a。然后，当以可相当于“用于低密度烧结区域24c的照射能量”和“用于高密度烧结区域24a的照射能量”之间的能量照射光束时，能够形成中密度烧结区域24b。例如，高密度烧结区域24a (烧结密度90?100%)通过照射能量密度E为8?15J/mm2左右的光束来形成。低密度烧结区域24c (烧结密度40?70%)通过照射能量密度E为约I?3.5J/mm2的光束来形成。然后，中密度烧结区域24b (烧结密度70?90%)通过照射能量密度E为约4?约7J/mm2的光束来形成。另外，能量密度E =激光输出(W)/ (扫描速度(mm/s)X扫描间距(mm)(制造条件例如为,粉末的层叠厚度:0.05mm,激光的种类:C02 (二氧化碳)激光，光斑直径:0.5mm)。在此，照射能量的上述数值范围仅为例示，可以依赖于粉末材料的种类。因此，请注意:用于形成高密度烧结区域24a、中密度烧结区域24b以及低密度烧结区域24c的照射能量密度E的值能够根据形成粉末层的粉末材料的种类而适当地变更。
[0097]在此，本说明书所述的“烧结密度(％)”实质上意味着通过对造型物的剖面照片进行图像处理而求出的烧结剖面密度(金属材料的占有率)。使用的图像处理软件为ScionImage ver.4.0.2 (免 费软件)，将截面图像二值化为烧结部(白)和空孔部(黑)之后，对图像的全部像素数Pxall以及烧结部(白)的像素数Pxwhite进行计数，由此通过以下的式I能够求出烧结剂面S度P S。
[0098][式I]
[0099]
【权利要求】
1.一种三维形状造型物的制造方法，其特征在于，反复进行下述工序: (i)对粉末层的规定部位照射光束，使所述规定部位的粉末烧结或者熔融固化而形成固化层的工序；以及 (ii)在所得到的固化层上形成新的粉末层，对所述新的粉末层的规定部位照射光束而形成进一步的固化层的工序， 其中，在所述三维形状造型物的至少一部分，形成高密度固化区域、中密度固化区域以及低密度固化区域这三个固化密度分别不同的固化区域， 以构成所述三维形状造型物的表面区域的至少一部分的方式形成所述中密度固化区域。
2.如权利要求1记载的三维形状造型物的制造方法，其特征在于， 使所述中密度固化区域的固化密度为70%?90%。
3.如权利要求1记载的三维形状造型物的制造方法，其特征在于， 以气体经由所述中密度固化区域以及所述低密度固化区域而通过的方式，将所述中密度固化区域以及所述低密度固化区域相互邻接地形成。
4.如权利要求1记载的三维形状造型物的制造方法，其特征在于， 在所述中密度固化区域的形成中，分多次进行所述光束的照射。
5.如权利要求4记载的三维形状造型物的制造方法，其特征在于， 对于所述分多次进行的所述光束的照射，使该光束的照射能量密度阶段性地减少。
6.如权利要求4记载的三维形状造型物的制造方法，其特征在于， 对于所述分多次进行的所述光束的照射，在某一光束的照射和其后接着进行的其它光束的照射之间，向照射区域供给新的原料粉末。
7.如权利要求6记载的三维形状造型物的制造方法，其特征在于， 在所述原料粉末的供给之前，以使通过所述某一光束的照射而被照射后的区域的高度成为规定高度的方式，对该区域的表面进行切削。
8.如权利要求6记载的三维形状造型物的制造方法，其特征在于， 在所述原料粉末的供给时，对通过所述某一光束的照射而被照射后的区域和/或该原料粉末赋予振动。
9.一种三维形状造型物，其是通过权利要求1记载的制造方法得到的，且作为模芯侧或者模腔侧的模具使用，其特征在于， 在所述模具的至少一部分区域中，设置有高密度固化区域、中密度固化区域以及低密度固化区域这三个固化密度分别不同的固化区域， 并且，在所述模具的模腔形成面的至少一部分设置有所述中密度固化区域。
10.如权利要求9记载的三维形状造型物，其特征在于， 所述中密度固化区域的厚度为0.05mm?5mm的范围。
11.如权利要求9记载的三维形状造型物，其特征在于， 所述中密度固化区域的细孔尺寸为50 μ m以下。
12.—种三维形状造型物，其是通过权利要求3记载的制造方法得到的，且作为模芯侧或者模腔侧的模具使用，其特征在于， 在所述模具的至少一部分区域中，设置有高密度固化区域、中密度固化区域以及低密度固化区域这三个固化密度分别不同的固化区域， 在所述模具的模腔形成面的至少一部分设置有所述中密度固化区域， 并且，所述中密度固化区域以及所述低密度固化区域相互邻接地设置，由此构成所述模具的气体排气孔。.
【文档编号】B22F3/105GK103442830SQ201280013745
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2012年3月15日 优先权日:2011年3月17日
【发明者】松本武, 阿部谕, 武南正孝, 内野野良幸 申请人:松下电器产业株式会社