JP2004168610A

JP2004168610A - Method for producing three-dimensionally shaped sintered body and three-dimensionally shaped sintered body

Info

Publication number: JP2004168610A
Application number: JP2002337911A
Authority: JP
Inventors: Kenji Katsuki; 謙治香月; Eisaku Kakiuchi; 栄作垣内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2004-06-17

Abstract

【課題】異種素材で組成が均一の粉末や単一種類の粉末や均一粒子径の粉末を使用した場合であっても任意の方向に傾斜機能を有することができる三次元形状焼結体の製造方法を提供する。
【解決手段】３次元ＣＡＤデータの三次元形状を入力する（Ｓ１）。３次元ＣＡＤデータを２次元断面データに分割する（Ｓ２）。焼結体造形ステージ１に粉末を供給し、粉末層を形成する（Ｓ３）。層断面データに基づき、粉末層の所定位置に所望の空孔率を得る照射条件にてレーザを照射して、粉末層の所定位置を焼結させて所望の位置に空孔が形成された焼結層を形成する（Ｓ４）。そして、ステップＳ３とステップＳ４を繰り返して、複数の焼結層からなり、内部に形成された空孔により傾斜機能を有する三次元形状焼結体が形成される。続いて、この三次元形状焼結体にアルミニウムを溶浸する（Ｓ６）。
【選択図】図３[Problem] To manufacture a three-dimensionally shaped sintered body capable of having a function of tilting in any direction even when powders of different materials having a uniform composition, a single kind of powder, or a powder having a uniform particle diameter are used. Provide a method.
A three-dimensional shape of three-dimensional CAD data is input (S1). The three-dimensional CAD data is divided into two-dimensional cross-sectional data (S2). The powder is supplied to the sintered body molding stage 1 to form a powder layer (S3). Based on the layer cross-sectional data, a laser is irradiated under the irradiation conditions to obtain a desired porosity at a predetermined position of the powder layer, and the powder layer is sintered at a predetermined position to form a hole at a desired position. A tie layer is formed (S4). Steps S3 and S4 are repeated to form a three-dimensional sintered body including a plurality of sintered layers and having a tilting function by the holes formed therein. Subsequently, aluminum is infiltrated into the three-dimensionally shaped sintered body (S6).
[Selection diagram] FIG.

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属粉末やセラミックス粉末等をレーザにより焼結させて形成する三次元形状焼結体の製造方法及び三次元形状焼結体に関するものである。特に、傾斜機能を有する三次元形状焼結体の製造方法及び三次元形状焼結体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、三次元形状焼結体のうち傾斜機能を有するものが利用されている。傾斜機能を有することにより、例えば、熱膨張、熱伝導、ヤング率等を変化させることができ、さらに、軽量化、製造時間の短縮等を図ることも可能となる。
【０００３】
従来、傾斜機能を有する三次元形状焼結体の製造方法として、金属粉末やセラミックス粉末等をレーザにより焼結させて形成する方法が、特開平３−１４６６０６号公報に記載されている。すなわち、母材表面に粉末を焼結するに際し、母材表面に粉末を配列した後、この粉末にレーザを照射して加熱焼結させることを繰り返して三次元形状焼結体を形成することが記載されている。そして、前記粉末は、母材表面から順次異種素材となるように組成が連続して変化するようにされている。このようにして、例えば金属とセラミックス等の異種素材材料からなる傾斜機能を有する三次元形状焼結体が形成される。
【０００４】
また、傾斜機能を有する三次元形状焼結体の製造方法として、特開平７−３１０３０６号公報に記載されたものがある。すなわち、型に流し込まれる平均粒子径が異なる２種以上の粉末の沈降速度の変化によって、傾斜機能を有する三次元形状焼結体が形成されることが記載されている。すなわち、２種以上の粉末の沈降速度の変化により、上方から下方に向かって粒子径が小から大と配置される。そのため、上方から下方に向かって気孔率が大から小に連続的に変化することになる。そして、形成された気孔に低融点成分を溶浸することにより、傾斜機能を有する三次元形状焼結体を形成している。
【０００５】
【特許文献１】
特開平３−１４６６０６号公報
【特許文献２】
特開平７−３１０３０６号公報
【特許文献３】
特開平６−２５７７５号公報
【特許文献４】
特表２００２−５０３６３２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平３−１４６６０６号公報に記載された傾斜機能を有する三次元形状焼結体の製造方法は、異種素材からなり連続的に組成を変化させた三次元形状焼結体の製造方法である。また、特開平７−３１０１０６号公報に記載の傾斜機能を有する三次元形状焼結体の製造方法は、平均粒子径が異なる２種以上の粉末による製造方法である。
【０００７】
すなわち、これらの製造方法では、異種素材の組成を変化させる若しくは異なる粒子径の粉末を使用しなければ傾斜機能を有する三次元形状焼結体を製造することができない。つまり、異種素材からなり組成が均一の粉末又は単一種類の粉末あるいは均一粒子径からなる粉末により傾斜機能を有する三次元形状焼結体を製造することができない。
【０００８】
さらに、特開平３−１４６６０６号公報に記載された製造方法は、母材表面から順次異種素材となるように組成が連続して変化するようにされているため、粉末を積層する方向のみに傾斜機能を有する。また、特開平７−３１０１０６号公報に記載された製造方法は、沈降速度により傾斜機能を有するようにしているため、上下方向のみに傾斜機能を有する。
【０００９】
すなわち、何れも一定の方向にのみ傾斜機能を有するものであって、任意の方向に傾斜機能を有するようにすることができない。例えば、三次元形状焼結体の表面から内側に向かって傾斜機能を有するようにすることができない。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、異種素材からなり組成が均一の粉末又は単一種類の粉末あるいは均一粒子径からなる粉末を使用した場合であっても傾斜機能を有することができる三次元形状焼結体の製造方法を提供することを目的とする。また、任意の方向に傾斜機能を有することができる三次元形状焼結体の製造方法及び三次元形状焼結体を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、レーザの照射条件を変化させることにより、所望の位置に空孔が形成された傾斜機能を有する三次元形状焼結体を製造することを思いつき、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明の三次元形状焼結体の製造方法は、第１粉末層形成工程と、第１焼結層形成工程と、第２粉末層形成工程と、第２焼結層形成工程と、前記第２粉末層形成工程と前記第２焼結層形成工程とを繰り返して複数の焼結層が一体になった三次元形状焼結体を形成する三次元形状焼結体の製造方法において、前記焼結層は、前記第１焼結層形成工程と前記第２焼結層形成工程とからなる焼結層形成工程におけるレーザの照射条件を変化させることにより所望の位置に空孔が形成され、前記三次元形状焼結体は、所望の位置に空孔が形成された傾斜機能を有することを特徴とする。ここで、第１粉末層形成工程は、レーザの照射により焼結し得る粉末が所定厚さに配置された第１粉末層を形成する工程である。第１焼結層形成工程は、第１粉末層の所定位置にレーザを照射して第１粉末層の所定位置を焼結させた焼結層を形成する工程である。第２粉末層形成工程は、焼結層の上に前記粉末が所定厚さに配置された第２粉末層を形成する工程である。第２焼結層形成工程は、第２粉末層の所定位置にレーザを照射して第２粉末層の所定位置を焼結させると共に前記焼結層と一体になった新たな焼結層を形成する工程である。
【００１３】
つまり、レーザの照射条件を変化させることにより、各焼結層に所望の空孔が形成される。そして、所望の空孔が形成された焼結層が積層されることにより三次元形状焼結体が形成されるので、形成された三次元形状焼結体は、所望の位置に空孔が形成されることになる。これにより、空孔による傾斜機能を有する三次元形状焼結体を形成することができる。
【００１４】
このように、本発明の製造方法により形成される三次元形状焼結体は、レーザの照射条件により傾斜機能を有するようにしているので、焼結させる粉末が異種素材からなり組成が均一のものや単一種類のものであっても均一粒径のものであっても、傾斜機能を有するようにすることができる。
【００１５】
さらに、粉末を積層する方向とは異なる方向であっても傾斜機能を有するようにすることができる。これは、上述のように、レーザの照射条件を変化させることにより傾斜機能を有するようにしているため、例えば、同一層内であっても傾斜機能の基になる空孔の位置を変化させることができることによる。その他、例えば三次元形状焼結体の表面側の空孔率を低くして、中央側の空孔率を高くすることもできる。このように、任意の方向に傾斜機能を有するようにすることができる。
【００１６】
また、一般に、空孔の少ない位置は強度が高くなり、空孔が多い位置は強度が低くなる。そこで、例えば、表面側のみに高い強度を要する部品の場合には、表面側の空孔率を低くし内側の空孔率を高くすることにより、表面側のみに高い強度を有するようにすることができる。このことは、三次元形状焼結体全体の軽量化を図ることにもなる。さらに、空孔率が高いところは、焼結に要する時間を短くすることができる。すなわち、製造時間を短縮することができる。
【００１７】
また、本発明の三次元形状焼結体は、第１粉末層形成工程と、第１焼結層形成工程と、第２粉末層形成工程と、第２焼結層形成工程と、前記第２粉末層形成工程と前記第２焼結層形成工程とを繰り返して複数の焼結層が一体になった三次元形状焼結体を形成する三次元形状焼結体の製造方法において、前記焼結層は、前記第１焼結層形成工程と前記第２焼結層形成工程とからなる焼結層形成工程におけるレーザの照射条件を変化させることにより所望の位置に空孔が形成され、前記三次元形状焼結体は、所望の位置に空孔が形成された傾斜機能を有することを特徴とする。これにより、本発明の三次元形状焼結体は、上述の効果を奏する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
【００１９】
本発明の三次元形状焼結体の製造方法は、レーザにより各層毎に粉末を塗布し焼結することを繰り返している。ここで、第１粉末層形成工程および第２粉末層形成工程において、配置される粉末は、金属を主成分とする粉末であってもよいし、セラミックスを主成分とする粉末であってもよい。この金属には、鉄、銅やアルミニウム等がある。
【００２０】
当該粉末は、単一種類の金属やセラミックス等を主成分とする粉末としても良いし、もちろん異種素材からなり組成が均一の金属やセラミックス等を主成分とする粉末としても良い。すなわち、特開平３−１４６６０６号公報に記載されたように異種素材からなり連続的に組成を変化させた粉末を使用しなくとも、単一種類又は異種素材からなり組成が均一の粉末を使用して傾斜機能を有する三次元形状焼結体を形成することができる。
【００２１】
また、当該粉末は、略均一粒径からなる粉末としても良い。すなわち、特開平７−３１０１０６号公報に記載されたように複数の粒径からなる粉末を使用しなくとも、略均一粒径からなる粉末を使用して傾斜機能を有する三次元形状焼結体を形成することができる。さらに、特開平７−３１０１０６号公報に記載されたように粉末の沈降速度の違いにより傾斜機能を有するようにする製造方法に比べて、本発明のレーザの照射条件の変化により傾斜機能を有する製造方法は、より正確に所望の空孔を形成することができる。
【００２２】
また、第１粉末層形成工程および第２粉末層形成工程において、配置される粉末の厚さは、粉末の材質、レーザの照射出力及び焼結層に形成される空孔の位置との関係により適宜変更される。なお、この厚さが薄い程、より正確に所望の空孔を形成することができる。ただし、配置される粉末の厚さが厚い場合に比べると、粉末形成工程および焼結層形成工程の繰り返し回数が増加するため製造時間が延びることになる。
【００２３】
また、第１焼結層形成工程と第２焼結層形成工程とからなる焼結層形成工程において、粉末を焼結するために使用されるレーザは、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ等がある。このレーザは、照射位置が第１粉末層や第２粉末層に対して相対的に移動するようにされている。
【００２４】
そして、レーザの照射条件とは、レーザの走査速度、レーザの走査間隔、レーザの走査パターン、及びレーザの照射出力等である。これらのうち何れか一つ若しくは複数のものを変化させることができる。これらの照射条件を種々変化させることにより、三次元形状焼結体の所望の位置に空孔を形成することができる。
【００２５】
ここで、レーザの走査速度とは、レーザの照射位置の三次元形状焼結体に対する移動速度である。そして、レーザの走査速度が速い程、焼結層に形成される空孔は多くなる。一方、レーザの走査速度が遅い程、焼結層に形成される空孔は少なくなる。
【００２６】
また、レーザの走査間隔とは、例えば、平行に同一方向にレーザを照射する場合を例にとる。この場合、最初のレーザの照射する線と隣のレーザの照射する線との距離をレーザの走査間隔という。もちろん、レーザの照射する位置を任意の曲線の場合でも同様である。そして、レーザの走査間隔が大きい程、焼結層に形成される空孔は多くなる。一方、レーザの走査間隔が小さい程、焼結層に形成される空孔は少なくなる。これは、レーザの照射により、照射中心から遠い程、焼結層に空孔が形成されやすいことによる。
【００２７】
また、レーザの走査パターンとは、レーザの照射経路である。例えば、同一方向に平行なパターンや、格子状のパターン等がある。また、レーザの照射出力については、照射出力が高い程、焼結層に形成される空孔が少なくなり、照射出力が低い程、焼結層に形成される空孔が多くなる。これは、照射出力が高い程、照射範囲が広くなり、さらに、照射深さも深くなる。
【００２８】
また、レーザの照射条件は、連続的に変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。さらに、焼結層毎に変化させてもよいし、一の焼結層内で変化させてもよい。
【００２９】
ここで、レーザの照射条件の変化について、例えば、レーザの照射出力を変化させる場合を例にとり説明する。まず、レーザの照射条件の連続的な変化とは、レーザの照射出力を少しずつ高くしたり、低くしたりする変化である。最初の照射出力が例えば１００Ｗとすると、その後徐々に照射出力を例えば２００Ｗまで高くしていき、その後徐々に照射出力を例えば１００Ｗまで低くする場合等である。このようにレーザの照射条件を連続的に変化させることにより、任意の位置に所望の空孔を形成することができる。
【００３０】
また、レーザの照射条件の段階的な変化とは、例えば、レーザの照射出力を１００Ｗの一定値として照射を行った後、照射出力を２００Ｗの一定値に瞬間的に高くして照射を行うような場合である。これにより、例えば、同一の焼結層内で空孔率をほぼ同一とする範囲が複数ある場合等には、空孔率が同一の範囲内のみある照射条件にて焼結し、その後他の空孔率が同一の範囲内を他の照射条件にて焼結することができる。このように、空孔率が同一の範囲内においては、同一の照射条件とすることにより、照射条件を変化させることによる形成される空孔のばらつきをより抑制することができる。ただし、照射条件を瞬間的に変化させる位置では、照射条件の急激な変化により、形成される空孔がばらつくおそれがあるが、その部分の締める割合を少なくすることにより十分に適用することができる。
【００３１】
また、レーザの照射条件の焼結層毎の変化について説明する。形成される三次元形状焼結体は、複数の焼結層からなる。そして、この焼結層毎にレーザの照射条件を変化させることにより、焼結層の積層方向に空孔による傾斜機能を有するように容易に形成することができる。
【００３２】
また、レーザの照射条件を一の焼結層内で変化させるとは、ある焼結層における焼結層形成工程内で照射条件を変化させることである。つまり、上述のレーザの照射条件の連続的な変化や段階的な変化等を行うことができる。これにより、任意の位置に所望の空孔を形成することができる。
【００３３】
また、本発明の三次元形状焼結体の製造方法は、前記粉末による前記三次元形状焼結体を形成後に、前記粉末より低融点成分からなる低融点粉末を前記三次元形状焼結体の前記空孔に溶浸する低融点溶浸工程とを備えるようにしてもよい。これにより、低融点粉末を所望の位置に溶浸することが可能となり、所望の傾斜機能をより発揮させることができる。
【００３４】
なお、本発明の三次元形状焼結体は、例えば、自動車部品や金型等とすることもできる。
【００３５】
【実施例】
次に、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。図１（ａ）に示すような三次元形状焼結体を製造する場合について説明する。
【００３６】
このような三次元形状焼結体を製造する製造装置を模式的に示したものを図２に示す。図２に示すように、焼結体造形ステージ１と、粉末供給ステージ２と、仕切り部分３と、ワイパー４と、レーザ照射装置（図示せず）と、制御装置（図示せず）とからなる。
【００３７】
焼結体造形ステージ１は、三次元形状焼結体を形成するステージであって、造形側シリンダ５と、造形側ピストン６とからなる。造形側シリンダ５は、水平方向の断面形状が長方形であって、鋼材からなる。そして、この造形側シリンダ５の内側を造形側ピストン６が、図２の上下方向に摺動可能に配設されている。
【００３８】
粉末供給ステージ２は、三次元形状焼結体を形成する粉末７が蓄積されたステージであって、供給側シリンダ８と、供給側ピストン９とからなる。供給側シリンダ８は、水平方向の断面形状が長方形であって、鋼材からなる。そして、この供給側シリンダ８の内側を供給側ピストン９が、図２の上下方向に摺動可能に配設されている。
【００３９】
そして、仕切り部分３は、焼結体造形ステージ１及び粉末供給ステージ２の上面側の周囲に配設されている。また、ワイパー４は、先端の高さが、焼結体造形ステージ１側の粉末上面及び粉末供給ステージ２側の粉末上面と同じ高さとなっている。そして、ワイパー４により粉末供給ステージ２から焼結体造形ステージ１側へ粉末７を移動させるために、ワイパー４は粉末供給ステージ２と焼結体造形ステージ１間を往復移動することができる。さらに、ワイパー４により、焼結体造形ステージ１に供給した粉末７の上面を水平にすることができる。なお、ワイパー４の幅は、造形側シリンダ５及び供給側シリンダ８のワイパー幅方向の寸法より大きく形成されている。
【００４０】
そして、レーザ照射装置により、焼結体造形ステージ１に配設された粉末７へレーザ１０を照射させて、粉末７を焼結させる。制御装置は、レーザ照射装置のレーザの照射位置や照射条件の制御、造形側ピストン６及び供給側ピストン９の動作の制御、並びにワイパー４の動作の制御等を行う。
【００４１】
ここで、粉末７は、鉄を主成分とする平均粒径１０〜２０μｍの粉末である。
【００４２】
次に、図２に示す製造装置の動作を図３のフローチャートを参照しながら説明する。図３は、本発明の三次元形状焼結体の製造方法を示すフローチャートである。
【００４３】
まず、粉末供給ステージ２の中には、鉄を主成分とする粉末７を蓄積しておく。そして、造形側ピストン６は、仕切り部分３と上面が一致する位置に移動しておく。
【００４４】
一方、３次元ＣＡＤデータからなる三次元形状を制御装置（図示せず）に入力する（ステップＳ１）。この３次元ＣＡＤデータは、図１（ａ）に示す形状のデータであって、空孔の密度等である空孔情報を有している。なお、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図を図１（ｂ）に示し、Ｂ−Ｂ断面図を図１（ｃ）に示す。図１（ｂ）に示すように、三次元形状焼結体の内部側には空孔が形成されている。具体的には、中央の下側には大きな空孔が形成されており、上側程空孔の大きさが小さくなっている。そして、図１（ｃ）に示すように、水平方向の断面（ＸＹ断面）では、外周側から中央に向かって、空孔が大きく形成されている。
【００４５】
続いて、入力された３次元ＣＡＤデータを２次元断面データに分割する（ステップＳ２）。この２次元断面データとは、図１（ａ）に示す上下方向（Ｚ軸方向）へ２０μｍ毎に分割して生成されたデータである。すなわち、各Ｚ軸位置におけるＸＹ平面の形状データである。さらに、分割された２次元断面データには、それぞれの断面に応じた空孔情報を有している。以下、分割された２次元断面データのうち、最下位のデータを第１層断面データといい、その上側に形成される層のデータを第２層断面データ、・・・、第Ｎ層断面データという。
【００４６】
続いて、焼結体造形ステージ１に粉末を供給し、第１粉末層１１を形成する。これは、まず、造形側ピストン６を２０μｍ下方へ移動させる。同時に、供給側ピストン９を２０μｍ上方へ移動させる。その後、ワイパー４を粉末供給ステージ２から焼結体造形ステージ１側へ移動させる。このようにして、２０μｍの厚さの第１粉末層１１が形成される（第１粉末層形成工程）（ステップＳ３）。なお、ワイパー４は、焼結体造形ステージ１側にて待機しておく。
【００４７】
続いて、第１層断面データに基づき、第１粉末層１１の所定位置に所望の空孔率を得る照射条件にてレーザを照射して、第１粉末層１１の所定位置を焼結させて第１焼結層１２を形成する（第１焼結層形成工程）（ステップＳ４）。ここで、第１粉末層１１の所定位置に所望の空孔率を得る照射条件は、第１層断面データが有する空孔情報に基づいて算出される。その後、ワイパー４を粉末供給ステージ２側へ移動させる。
【００４８】
続いて、焼結体造形ステージ１に粉末を供給し、第２粉末層１３を形成する。これは、まず、第１焼結層１２と焼結されていない第１粉末層１１とが載置された焼結体造形側ピストン６をさらに２０μｍ下方へ移動させる。同時に、供給側ピストン９を２０μｍ上方へ移動させる。その後、ワイパー４を粉末供給ステージ２から焼結体造形ステージ１側へ移動させる。このようにして、２０μｍの厚さの第２粉末層１３が第１焼結層１２及び焼結されていない第１粉末層１１の上に形成される（第２粉末層形成工程）（ステップＳ３）。なお、ワイパー４は、再び粉末供給ステージ２側へ移動させる。
【００４９】
続いて、第２層断面データに基づき、第２粉末層１３の所定位置に所望の空孔率を得る照射条件にてレーザを照射して、第２粉末層１３の所定位置を焼結させて第２焼結層１４を形成する（第２焼結層形成工程）（ステップＳ４）。ここで、第２粉末層１３の所定位置に所望の空孔率を得る照射条件は、第２層断面データが有する空孔情報に基づいて算出される。そして、第２粉末層１３を焼結することにより、第１焼結層１２と一体となる。
【００５０】
このように、ステップＳ３とステップＳ４とを第Ｎ層まで繰り返して、内部に形成された空孔により傾斜機能を有する三次元形状焼結体が形成される。
【００５１】
続いて、焼結体造形ステージ１から形成された上述の三次元形状焼結体を取出す（ステップＳ５）。そして、この三次元形状焼結体をアルミニウム又は銅等を溶融した容器の中に入れて、形成された空孔に溶浸する（低融点溶浸工程）（ステップＳ６）。なお、アルミニウム及び銅は、鉄より低融点の材料である。また、低融点材料には、アルミニウム及び銅に限られることなく、鉄より低融点な材料であればよい。
【００５２】
最後に、三次元形状焼結体の表面を研磨等による仕上げ加工を施す（ステップＳ７）。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の三次元形状焼結体の製造方法によれば、異種素材からなり組成が均一の粉末又は単一種類の粉末あるいは均一粒子径からなる粉末を使用した場合であっても傾斜機能を有することができる。さらに、任意の方向に傾斜機能を有するようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】三次元形状焼結体を示す図である。
【図２】三次元形状焼結体を形成する製造装置の概略図である。
【図３】三次元形状焼結体の製造方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１・・・焼結体造形ステージ
２・・・粉末供給ステージ
３・・・仕切り部分
４・・・ワイパー
５・・・造形側シリンダ
６・・・造形側ピストン
７・・・粉末
８・・・供給側シリンダ
９・・・供給側ピストン
１０・・・レーザ
１１・・・第１粉末層
１２・・・第１焼結層
１３・・・第２粉末層
１４・・・第２焼結層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body formed by sintering a metal powder, a ceramics powder, or the like with a laser, and a three-dimensionally shaped sintered body. In particular, the present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body having a tilt function and a three-dimensionally shaped sintered body.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a three-dimensionally shaped sintered body having a tilt function has been used. By having the inclination function, for example, thermal expansion, heat conduction, Young's modulus, and the like can be changed, and further, it is possible to reduce the weight, shorten the manufacturing time, and the like.
[0003]
Conventionally, as a method of manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body having a tilting function, a method of sintering a metal powder, a ceramic powder, or the like by using a laser is described in JP-A-3-146606. In other words, when sintering the powder on the base material surface, after arranging the powder on the base material surface, it is possible to form a three-dimensional sintered body by repeatedly irradiating the powder with a laser and heating and sintering the powder. Has been described. The composition of the powder is changed continuously so that the powder becomes a different material sequentially from the surface of the base material. In this way, a three-dimensionally shaped sintered body having a tilting function and made of a different material such as metal and ceramics is formed.
[0004]
As a method for producing a three-dimensionally shaped sintered body having a tilting function, there is a method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-310306. That is, it is described that a three-dimensional sintered body having a tilting function is formed by a change in sedimentation speed of two or more kinds of powders having different average particle diameters poured into a mold. That is, due to the change in the sedimentation velocity of two or more kinds of powders, the particle diameter is arranged from small to large from top to bottom. Therefore, the porosity continuously changes from large to small from top to bottom. Then, a low-melting point component is infiltrated into the formed pores to form a three-dimensionally shaped sintered body having a gradient function.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-3-146606 [Patent Document 2]
JP-A-7-310306 [Patent Document 3]
JP-A-6-25775 [Patent Document 4]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-503632
[Problems to be solved by the invention]
However, the method of manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body having a tilt function described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-146606 is a method of manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body made of dissimilar materials and continuously changing the composition. is there. Further, the method for producing a three-dimensionally shaped sintered body having a tilt function described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-310106 is a production method using two or more kinds of powders having different average particle diameters.
[0007]
That is, in these manufacturing methods, it is not possible to manufacture a three-dimensionally shaped sintered body having a gradient function unless the composition of the different materials is changed or powders having different particle diameters are used. In other words, it is impossible to manufacture a three-dimensionally shaped sintered body having a gradient function by using a powder composed of different materials and having a uniform composition, a single type of powder or a powder having a uniform particle diameter.
[0008]
Further, in the manufacturing method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-146606, since the composition changes continuously from the surface of the base material so as to become a different material sequentially, the composition is inclined only in the direction in which the powder is laminated. Has functions. Further, the manufacturing method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-310106 has a tilting function according to the sedimentation speed, and thus has a tilting function only in the vertical direction.
[0009]
That is, each has a tilt function only in a certain direction, and cannot have a tilt function in an arbitrary direction. For example, the three-dimensional shaped sintered body cannot have a function of inclining from the surface toward the inside.
[0010]
The present invention has been made in view of such circumstances, and has a gradient function even when a powder composed of different materials and having a uniform composition or a single type of powder or a powder having a uniform particle diameter is used. It is an object of the present invention to provide a method for producing a three-dimensionally shaped sintered body that can have the following. It is another object of the present invention to provide a method for manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body having a function of tilting in an arbitrary direction, and a three-dimensionally shaped sintered body.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The inventor of the present invention has conducted intensive research to solve this problem, and has conducted trial and error. As a result, by changing the laser irradiation conditions, a three-dimensional shape having a tilting function in which holes are formed at desired positions is provided. The inventors came up with the idea of manufacturing a sintered body and completed the present invention.
[0012]
That is, the method for producing a three-dimensionally shaped sintered body of the present invention includes a first powder layer forming step, a first sintered layer forming step, a second powder layer forming step, and a second sintered layer forming step. A method for manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body, wherein the three-dimensionally shaped sintered body in which a plurality of sintered layers are integrated by repeating the second powder layer forming step and the second sintered layer forming step, In the sintered layer, holes are formed at desired positions by changing laser irradiation conditions in the sintered layer forming step including the first sintered layer forming step and the second sintered layer forming step. The three-dimensionally shaped sintered body has a tilting function in which holes are formed at desired positions. Here, the first powder layer forming step is a step of forming a first powder layer in which powder sinterable by laser irradiation is arranged at a predetermined thickness. The first sintered layer forming step is a step of irradiating a predetermined position of the first powder layer with a laser to form a sintered layer obtained by sintering the predetermined position of the first powder layer. The second powder layer forming step is a step of forming a second powder layer in which the powder is arranged at a predetermined thickness on the sintered layer. The second sintered layer forming step includes irradiating a predetermined position of the second powder layer with a laser to sinter the predetermined position of the second powder layer and forming a new sintered layer integrated with the sintered layer. This is the step of performing
[0013]
That is, by changing the laser irradiation conditions, desired holes are formed in each sintered layer. Then, since the three-dimensionally shaped sintered body is formed by stacking the sintered layers in which the desired pores are formed, the formed three-dimensionally shaped sintered body has pores formed at desired positions. Will be done. This makes it possible to form a three-dimensionally shaped sintered body having a function of inclining by holes.
[0014]
As described above, since the three-dimensionally shaped sintered body formed by the manufacturing method of the present invention has a tilt function according to the laser irradiation conditions, the powder to be sintered is made of a different material and has a uniform composition. In addition, a single type or a uniform particle size can have a tilt function.
[0015]
Further, the tilt function can be provided even in a direction different from the direction in which the powders are stacked. This is because, as described above, the tilting function is provided by changing the laser irradiation conditions. For example, even in the same layer, the position of the hole serving as the base of the tilting function is changed. Depends on what you can do. Alternatively, for example, the porosity on the surface side of the three-dimensionally shaped sintered body may be reduced, and the porosity on the center side may be increased. In this way, it is possible to have a tilt function in any direction.
[0016]
In general, a position with few holes has a high strength, and a position with many holes has a low strength. Therefore, for example, in the case of a component that requires high strength only on the front side, the porosity on the front side is reduced and the porosity on the inner side is increased, so that only the front side has high strength. Can be. This also reduces the weight of the entire three-dimensionally shaped sintered body. Further, where the porosity is high, the time required for sintering can be shortened. That is, the manufacturing time can be reduced.
[0017]
Further, the three-dimensionally shaped sintered body of the present invention includes a first powder layer forming step, a first sintered layer forming step, a second powder layer forming step, a second sintered layer forming step, and the second powder layer forming step. The method of manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body, wherein the powdery layer forming step and the second sintered layer forming step are repeated to form a three-dimensionally shaped sintered body in which a plurality of sintered layers are integrated, In the layer, holes are formed at desired positions by changing laser irradiation conditions in the sintered layer forming step including the first sintered layer forming step and the second sintered layer forming step, and the tertiary layer is formed. The original shape sintered body is characterized in that it has a tilting function in which holes are formed at desired positions. Thereby, the three-dimensionally shaped sintered body of the present invention has the above-described effects.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments.
[0019]
In the method for manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body according to the present invention, application and sintering of powder for each layer by laser are repeated. Here, in the first powder layer forming step and the second powder layer forming step, the powder arranged may be a powder mainly composed of a metal or a powder mainly composed of a ceramic. . This metal includes iron, copper, aluminum and the like.
[0020]
The powder may be a powder mainly composed of a single kind of metal or ceramic, or may be a powder mainly composed of a metal or ceramic composed of different materials and having a uniform composition. That is, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-146606, it is possible to use a powder composed of a single kind or a heterogeneous material and having a uniform composition without using a powder composed of different materials and having a continuously changed composition. Thus, a three-dimensional shaped sintered body having a tilt function can be formed.
[0021]
Further, the powder may be a powder having a substantially uniform particle size. That is, as described in JP-A-7-310106, a three-dimensional sintered body having a gradient function can be obtained by using powder having a substantially uniform particle size without using a powder having a plurality of particle sizes. Can be formed. Furthermore, as compared with the manufacturing method of having a tilting function due to a difference in sedimentation speed of powder as described in JP-A-7-310106, a manufacturing method having a tilting function due to a change in laser irradiation conditions of the present invention. The method can more precisely form the desired holes.
[0022]
Further, in the first powder layer forming step and the second powder layer forming step, the thickness of the powder to be arranged depends on the relationship between the material of the powder, the laser irradiation output, and the position of the holes formed in the sintered layer. It is changed as appropriate. The smaller the thickness, the more accurately a desired hole can be formed. However, as compared with the case where the thickness of the powder to be arranged is large, the number of repetitions of the powder forming step and the sintered layer forming step increases, so that the manufacturing time increases.
[0023]
In the sintering layer forming step including the first sintering layer forming step and the second sintering layer forming step, a laser used for sintering the powder includes a CO ₂ laser and a YAG laser. The irradiation position of this laser moves relatively to the first powder layer and the second powder layer.
[0024]
The laser irradiation conditions include laser scanning speed, laser scanning interval, laser scanning pattern, laser irradiation output, and the like. Any one or a plurality of these can be changed. By changing these irradiation conditions variously, holes can be formed at desired positions in the three-dimensionally shaped sintered body.
[0025]
Here, the scanning speed of the laser is a moving speed of the irradiation position of the laser with respect to the three-dimensional sintered body. And, the faster the laser scanning speed is, the more holes are formed in the sintered layer. On the other hand, the lower the scanning speed of the laser, the smaller the number of holes formed in the sintered layer.
[0026]
The laser scanning interval is, for example, a case where laser irradiation is performed in the same direction in parallel. In this case, the distance between the line irradiated by the first laser and the line irradiated by the adjacent laser is called a laser scanning interval. Of course, the same applies to the case where the laser irradiation position is an arbitrary curve. And the larger the laser scanning interval is, the more holes are formed in the sintered layer. On the other hand, the smaller the laser scanning interval is, the fewer holes are formed in the sintered layer. This is because holes are easily formed in the sintered layer as the distance from the irradiation center is increased by laser irradiation.
[0027]
The laser scanning pattern is a laser irradiation path. For example, there are a pattern parallel to the same direction, a lattice pattern, and the like. Regarding the irradiation output of the laser, the higher the irradiation output is, the fewer holes are formed in the sintered layer, and the lower the irradiation output is, the more holes are formed in the sintered layer. This means that the higher the irradiation output, the wider the irradiation range and the deeper the irradiation depth.
[0028]
Further, the laser irradiation conditions may be changed continuously or stepwise. Further, it may be changed for each sintered layer or may be changed within one sintered layer.
[0029]
Here, a change in the laser irradiation condition will be described by taking, as an example, a case in which the laser irradiation output is changed. First, a continuous change in the laser irradiation condition is a change in which the laser irradiation output is gradually increased or decreased. Assuming that the initial irradiation output is, for example, 100 W, the irradiation output is gradually increased to, for example, 200 W, and thereafter, the irradiation output is gradually decreased to, for example, 100 W. By continuously changing the laser irradiation conditions in this manner, a desired hole can be formed at an arbitrary position.
[0030]
The stepwise change of the laser irradiation condition is, for example, such that irradiation is performed with the laser irradiation output set to a constant value of 100 W, and then the irradiation output is instantaneously increased to a constant value of 200 W. This is the case. Thereby, for example, when there are a plurality of ranges in which the porosity is substantially the same in the same sintered layer, sintering is performed under a certain irradiation condition only in the same range of the porosity, and then other Sintering can be performed under other irradiation conditions within the same porosity range. As described above, when the porosity is in the same range, by using the same irradiation condition, it is possible to further suppress the variation of the vacancies formed by changing the irradiation condition. However, at a position where the irradiation condition is instantaneously changed, there is a possibility that the formed holes may vary due to a sudden change in the irradiation condition, but it can be applied sufficiently by reducing the tightening ratio of that portion. .
[0031]
Further, a change in laser irradiation conditions for each sintered layer will be described. The formed three-dimensionally shaped sintered body includes a plurality of sintered layers. Then, by changing the laser irradiation conditions for each of the sintered layers, the sintered layers can be easily formed so as to have a function of tilting by holes in the stacking direction of the sintered layers.
[0032]
Changing the laser irradiation conditions in one sintered layer means changing the irradiation conditions in a sintered layer forming step in a certain sintered layer. That is, a continuous change or a stepwise change of the laser irradiation condition described above can be performed. Thereby, a desired hole can be formed at an arbitrary position.
[0033]
Further, the method for producing a three-dimensionally shaped sintered body of the present invention includes, after forming the three-dimensionally shaped sintered body from the powder, a low-melting-point powder composed of a component having a lower melting point than the powder. And a low-melting-point infiltration step of infiltrating the pores. This makes it possible to infiltrate the low-melting-point powder at a desired position, so that a desired tilt function can be further exhibited.
[0034]
It should be noted that the three-dimensionally shaped sintered body of the present invention can be, for example, an automobile part or a mold.
[0035]
【Example】
Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples. A case where a three-dimensionally shaped sintered body as shown in FIG. 1A is manufactured will be described.
[0036]
FIG. 2 schematically shows a manufacturing apparatus for manufacturing such a three-dimensionally shaped sintered body. As shown in FIG. 2, it comprises a sintered compact molding stage 1, a powder supply stage 2, a partition portion 3, a wiper 4, a laser irradiation device (not shown), and a control device (not shown). .
[0037]
The sintered body molding stage 1 is a stage for forming a three-dimensionally shaped sintered body, and includes a molding side cylinder 5 and a molding side piston 6. The molding side cylinder 5 has a rectangular cross section in the horizontal direction, and is made of steel. A molding-side piston 6 is disposed inside the molding-side cylinder 5 so as to be slidable in the vertical direction in FIG.
[0038]
The powder supply stage 2 is a stage in which powder 7 forming a three-dimensionally shaped sintered body is accumulated, and includes a supply side cylinder 8 and a supply side piston 9. The supply-side cylinder 8 has a rectangular cross section in the horizontal direction, and is made of steel. A supply-side piston 9 is disposed inside the supply-side cylinder 8 so as to be slidable in the vertical direction in FIG.
[0039]
The partition part 3 is disposed around the upper surface side of the sintered body molding stage 1 and the powder supply stage 2. The height of the tip of the wiper 4 is the same as the upper surface of the powder on the sintered compact molding stage 1 side and the upper surface of the powder on the powder supply stage 2 side. Then, in order to move the powder 7 from the powder supply stage 2 to the sintered body forming stage 1 side by the wiper 4, the wiper 4 can reciprocate between the powder supply stage 2 and the sintered body forming stage 1. Further, the upper surface of the powder 7 supplied to the sintered compact molding stage 1 can be made horizontal by the wiper 4. The width of the wiper 4 is formed larger than the dimensions of the molding side cylinder 5 and the supply side cylinder 8 in the wiper width direction.
[0040]
Then, the laser 7 is irradiated on the powder 7 disposed on the sintered compact molding stage 1 by a laser irradiation device, and the powder 7 is sintered. The control device controls the laser irradiation position and irradiation conditions of the laser irradiation device, controls the operations of the molding-side piston 6 and the supply-side piston 9, controls the operation of the wiper 4, and the like.
[0041]
Here, the powder 7 is a powder mainly composed of iron and having an average particle diameter of 10 to 20 μm.
[0042]
Next, the operation of the manufacturing apparatus shown in FIG. 2 will be described with reference to the flowchart of FIG. FIG. 3 is a flowchart showing a method for manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body according to the present invention.
[0043]
First, the powder 7 mainly containing iron is accumulated in the powder supply stage 2. Then, the molding-side piston 6 is moved to a position where the upper surface of the piston 6 coincides with the partition portion 3.
[0044]
On the other hand, a three-dimensional shape composed of three-dimensional CAD data is input to a control device (not shown) (step S1). The three-dimensional CAD data is data having a shape shown in FIG. 1A and has hole information such as a hole density. 1A is a cross-sectional view of FIG. 1A, and FIG. 1C is a cross-sectional view of BB. As shown in FIG. 1B, pores are formed inside the three-dimensionally shaped sintered body. Specifically, a large hole is formed below the center, and the size of the hole becomes smaller toward the upper side. Then, as shown in FIG. 1C, in the horizontal cross section (XY cross section), the pores are formed larger from the outer peripheral side toward the center.
[0045]
Subsequently, the input three-dimensional CAD data is divided into two-dimensional cross-sectional data (step S2). The two-dimensional cross-section data is data generated by dividing the data in the vertical direction (Z-axis direction) shown in FIG. That is, it is shape data on the XY plane at each Z-axis position. Further, the divided two-dimensional cross-section data has hole information corresponding to each cross-section. Hereinafter, of the divided two-dimensional cross-sectional data, the lowest data is referred to as first layer cross-sectional data, and the data of the layer formed above it is referred to as second layer cross-sectional data,. That.
[0046]
Subsequently, the powder is supplied to the sintered compact forming stage 1 to form the first powder layer 11. For this, first, the molding side piston 6 is moved downward by 20 μm. At the same time, the supply piston 9 is moved upward by 20 μm. Thereafter, the wiper 4 is moved from the powder supply stage 2 to the sintered compact forming stage 1 side. Thus, the first powder layer 11 having a thickness of 20 μm is formed (first powder layer forming step) (step S3). The wiper 4 is on standby on the sintered compact molding stage 1 side.
[0047]
Subsequently, based on the first layer cross-sectional data, a predetermined position of the first powder layer 11 is irradiated with a laser under irradiation conditions for obtaining a desired porosity, and the predetermined position of the first powder layer 11 is sintered. The first sintered layer 12 is formed (first sintered layer forming step) (Step S4). Here, the irradiation condition for obtaining a desired porosity at a predetermined position of the first powder layer 11 is calculated based on the vacancy information included in the first layer cross-sectional data. Thereafter, the wiper 4 is moved to the powder supply stage 2 side.
[0048]
Subsequently, the powder is supplied to the sintered compact forming stage 1 to form the second powder layer 13. For this, first, the sintered body forming side piston 6 on which the first sintered layer 12 and the unsintered first powder layer 11 are placed is further moved down by 20 μm. At the same time, the supply piston 9 is moved upward by 20 μm. Thereafter, the wiper 4 is moved from the powder supply stage 2 to the sintered compact forming stage 1 side. Thus, the second powder layer 13 having a thickness of 20 μm is formed on the first sintered layer 12 and the unsintered first powder layer 11 (second powder layer forming step) (step S3). ). The wiper 4 is moved to the powder supply stage 2 again.
[0049]
Subsequently, based on the second layer cross-sectional data, a predetermined position of the second powder layer 13 is irradiated with a laser under irradiation conditions for obtaining a desired porosity, and the predetermined position of the second powder layer 13 is sintered. The second sintered layer 14 is formed (second sintered layer forming step) (Step S4). Here, the irradiation condition for obtaining a desired porosity at a predetermined position of the second powder layer 13 is calculated based on the vacancy information included in the second layer cross-sectional data. Then, the second powder layer 13 is integrated with the first sintered layer 12 by sintering.
[0050]
In this way, the steps S3 and S4 are repeated up to the N-th layer to form a three-dimensional sintered body having a tilting function by the holes formed therein.
[0051]
Subsequently, the above-described three-dimensionally shaped sintered body formed from the sintered body forming stage 1 is taken out (step S5). Then, the three-dimensionally shaped sintered body is put in a container in which aluminum or copper or the like is melted and infiltrated into the formed holes (low melting point infiltration step) (step S6). Note that aluminum and copper are materials having a lower melting point than iron. Further, the low melting point material is not limited to aluminum and copper, and may be any material having a lower melting point than iron.
[0052]
Finally, the surface of the three-dimensionally shaped sintered body is subjected to finish processing such as polishing (step S7).
[0053]
【The invention's effect】
According to the method for producing a three-dimensionally shaped sintered body of the present invention, even if a powder composed of different materials and having a uniform composition or a single type of powder or a powder having a uniform particle size is used, the composition has a gradient function. be able to. Furthermore, it is possible to have a tilt function in any direction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a three-dimensionally shaped sintered body.
FIG. 2 is a schematic view of a manufacturing apparatus for forming a three-dimensionally shaped sintered body.
FIG. 3 is a flowchart showing a method for manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sintered molding stage 2 ... Powder supply stage 3 ... Partition part 4 ... Wiper 5 ... Molding side cylinder 6 ... Molding side piston 7 ... Powder 8 ... Supply-side cylinder 9 Supply-side piston 10 Laser 11 First powder layer 12 First sintered layer 13 Second powder layer 14 Second sintered layer

Claims

A first powder layer forming step of forming a first powder layer in which powder sinterable by laser irradiation is arranged at a predetermined thickness;
A first sintered layer forming step of irradiating a predetermined position of the first powder layer with a laser to form a sintered layer obtained by sintering the predetermined position of the first powder layer;
A second powder layer forming step of forming a second powder layer in which the powder is disposed at a predetermined thickness on the sintered layer;
Irradiating a predetermined position of the second powder layer with a laser to sinter the predetermined position of the second powder layer and forming a new sintered layer integrated with the sintered layer; Process and
The method for manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body, wherein the second powder layer forming step and the second sintered layer forming step are repeated to form a three-dimensionally shaped sintered body in which a plurality of the sintered layers are integrated. ,
In the sintered layer, holes are formed at desired positions by changing laser irradiation conditions in the sintered layer forming step including the first sintered layer forming step and the second sintered layer forming step. ,
A method for manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body, characterized in that the three-dimensionally shaped sintered body has a tilting function in which holes are formed at desired positions.

The method for producing a three-dimensionally shaped sintered body according to claim 1, wherein the powder has a uniform composition or a single type of material as a main component.

The method for producing a three-dimensionally shaped sintered body according to claim 1, wherein the powder has a substantially uniform particle size.

The method for producing a three-dimensionally shaped sintered body according to claim 1, wherein the laser irradiation conditions are continuously changed.

The method for manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body according to claim 1, wherein the laser irradiation condition is changed stepwise.

2. The method according to claim 1, wherein the laser irradiation conditions are changed for each of the sintered layers.

The method for manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body according to claim 1, wherein the irradiation condition of the laser is changed in the step of forming the sintered layer in the sintered layer.

Further, after forming the three-dimensionally shaped sintered body by the powder, a low melting point infiltration step of infiltrating a low melting point powder having a lower melting point component than the powder into the pores of the three-dimensionally shaped sintered body. The method for manufacturing a three-dimensionally shaped sintered body according to claim 1, further comprising:

The three-dimensional shape printing apparatus according to claim 1, wherein the laser irradiation condition is at least one of a laser scanning speed, a laser scanning interval, a laser scanning pattern, and a laser irradiation output. The method of manufacturing the aggregate.

A first powder layer forming step of forming a first powder layer in which powder sinterable by laser irradiation is arranged at a predetermined thickness;
A first sintered layer forming step of irradiating a predetermined position of the first powder layer with a laser to form a sintered layer obtained by sintering the predetermined position of the first powder layer;
A second powder layer forming step of forming a second powder layer in which the powder is disposed at a predetermined thickness on the sintered layer;
Irradiating a predetermined position of the second powder layer with a laser to sinter the predetermined position of the second powder layer and forming a new sintered layer integrated with the sintered layer; Process and
In the three-dimensional sintered body in which the plurality of sintered layers are integrally formed by repeating the second powder layer forming step and the second sintered layer forming step,
In the sintered layer, holes are formed at desired positions by changing a laser irradiation condition in a sintered layer forming step including the first sintered layer forming step and the second sintered layer forming step. ,
The three-dimensionally shaped sintered body has a tilting function in which holes are formed at desired positions.