JP4296355B2 - 金属粉末焼結部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属粉末に光ビームの照射を行なって造形する金属粉末焼結部品の製造方法に関する。

従来から、金属粉末で形成した粉末層に光ビームを照射し、粉末層を溶融して焼結層を形成し、その焼結層の上に新たな粉末層を形成して光ビームを照射することを繰り返して金属粉末焼結部品を製造する製造装置が知られている。図１８に、このような金属粉末焼結部品製造装置の一構成を示す。金属粉末焼結部品製造装置１０１は、金属粉末１１１を供給する材料タンク１２１と、粉末層１１２が敷かれる造形プレート１２３と、造形プレート１２３を保持し、上下に昇降する造形テーブル１２４と、材料タンク１２１の金属粉末１１１を造形プレート１２３の上に敷くワイパ１２６と、光ビームＬを発振する光ビーム発振器１３１と、光ビーム発振器１３１からの光ビームＬを粉末層１１２に照射し走査する走査ヘッド１３７と、金属粉末焼結部品製造装置の動作を制御する制御部１０５を備えている。

走査ヘッド１３７は、光ビームＬを集光する集光レンズ１３８と、光ビームＬを反射する回転自在な２枚の走査ミラー１３４と、走査ミラー１３４の回転の角度制御を行うスキャナ１３５とを備えている。制御部１０５は、光ビーム発振器１３１に光ビームＬを発振させ、発振された光ビームＬを集光レンズ１３８によって集光する。そして、スキャナ１３５によって走査ミラー１３４を回転させ、集光された光ビームＬを走査ミラー１３４によって反射して粉末層１１２に照射し、金属粉末１１１を焼結させ焼結層１１３を形成する。

しかし、このような金属粉末焼結部品製造装置においては、照射高さが一定なので、光ビームＬの走査精度を調整することができない。図１９は照射高さと照射面積の関係を示す。照射高さを高さＨ２から高さＨ１にすると、走査ミラー１３４の回転による照射位置の変化が小さくなるので、光ビームＬの走査精度が良くなる。一方、照射高さを高さＨ１から高さＨ２にすると、光ビームＬの走査精度は悪くなるが、走査速度は速くなる。

また、プロッタ式の金属粉末焼結部品製造装置が知られている。図２０に、このような金属粉末焼結部品製造装置の一構成を示す。金属粉末焼結部品製造装置２０１は光ビームＬを発振する光ビーム発振器２３１と、光ビームＬを反射する２枚のＸ反射ミラー２３２、Ｙ反射ミラー２３３と、反射された光ビームＬを集光する光学部２３４と、粉末層２１２が敷かれた造形タンク２２５と、Ｘ反射ミラー２３２をＸ方向に移動させるＸ移動軸２３５と、Ｙ反射ミラー２３３をＹ方向に移動させるＹ移動軸２３６と、を備えている。光ビーム発振器２３１から発振された光ビームＬは、Ｘ反射ミラー２３２とＹ反射ミラー２３３とによって反射し、光学部２３４によって集光されて粉末層２１２に照射し、Ｘ移動軸２３５とＹ移動軸２３６によって粉末層２１２上を走査する。

しかし、このような金属粉末焼結部品製造装置２０１においては、光ビームＬの走査精度が悪い。図２１は、光ビーム発振器２３１からの光ビームＬの照射角度と、照射位置の関係を示す。光ビームＬの光軸長が長いので、光ビーム発振器２３１からの光ビームＬの照射角度が少しずれるだけで、照射位置の誤差が大きく、走査精度は悪い。図２２は、Ｘ反射ミラー２３２の移動方向と光ビームＬの光軸とのズレと、照射位置の関係を示す。Ｘ反射ミラー２３２の移動方向が光ビームＬの光軸と少しずれるだけで、移動距離が長くなるほど照射位置の誤差が大きく、走査精度は悪い。Ｙ反射ミラー２３３の移動方向が光ビームＬの光軸とずれても、照射位置の誤差は大きくなる。

また、光ビーム発振器と光ビームを照射する走査ヘッドとが、粉末層と平行な１方向に移動して光ビームを走査する金属粉末焼結部品製造装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１に示されるような金属粉末焼結部品製造装置においても、照射高さは一定なので、光ビームの照射精度を調整することができない。
特開２００４−１２２４８９号公報

本発明は、上記問題を解消するものであり、照射面積が広く、かつ光ビームの走査精度が良い金属粉末焼結部品の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、造形プレートに金属粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層形成手段により形成された粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結させ焼結層を形成する光ビーム照射手段と、前記各手段の動作を制御する制御部と、を備え、前記粉末層の形成と、前記焼結層の形成とを繰り返すことにより複数の焼結層が一体化した造形物を形成して三次元形状の金属粉末焼結部品を製造する製造装置を用いた金属粉末焼結部品の製造方法であって、前記光ビーム照射手段は、前記光ビームを反射して走査する少なくとも２枚の角度制御できる走査ミラーを有する走査ヘッドを備え、前記走査ヘッドは前記光ビームの照射平面に対して法線方向に移動するものであり、前記照射平面を複数の造形領域に分割し、この分割された各造形領域に順に光ビームを照射させ、前記分割は、照射平面の下に形成されている焼結層の各造形領域間の境界と、前記照射平面の各造形領域間の境界とが重ならないように行うものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の金属粉末焼結部品の製造方法おいて、前記走査ヘッドは、さらに前記照射平面に対して平行ないずれの方向にも移動するものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の金属粉末焼結部品の製造方法おいて、前記造形物の形成の途中に、該造形物の表面部の表層及び不要部分を少なくとも１回以上繰り返して切削する切削手段を備え、前記切削手段は、前記照射平面に対して平行な方向と法線方向とに移動するミーリングヘッドを有し、前記走査ヘッドは、前記ミーリングヘッドを移動させるミーリングヘッド移動手段によって移動するものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の金属粉末焼結部品の製造方法おいて、前記制御部は、前記走査ヘッドが前記照射平面に最も近い照射高さに位置する場合の光ビームの照射位置及び集光径を設定値に補正する第１の補正データと、前記走査ヘッドが前記照射平面から最も遠い照射高さに位置する場合の光ビームの照射位置及び集光径を設定値に補正する第２の補正データとを有し、前記走査ヘッドが任意の照射高さに位置するときの補正データを、前記第１の補正データ及び第２の補正データから補間して算出し、この算出した補正データを用いて光ビームを照射するものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の金属粉末焼結部品の製造方法おいて、前記走査ヘッドは、造形物表面部分には、前記照射平面に近い位置から光ビームを照射し、造形物中心部分には、前記照射平面から遠い位置から光ビームを照射するものである。

請求項６の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の金属粉末焼結部品の製造方法おいて、前記制御部は、予め定められた複数の照射高さから、光ビームの照射位置及び集光径を設定値に補正するそれぞれの照射高さに応じた補正データに基づいて前記走査ヘッドに光ビームを照射させるものである。

請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の金属粉末焼結部品の製造方法おいて、前記照射平面を複数の造形領域に分割し、この分割された各造形領域の内で、互いに隣接しない造形領域に順に光ビームを照射させるものである。

請求項８の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の金属粉末焼結部品の製造方法おいて、前記照射平面を、造形される造形物の中心部分、表面部分、及び前記中心部分と表面部分の間の中間部分の各々に対応する構成領域に区分し、これら区分された各構成領域をさらに複数の造形領域に分割し、この分割された各造形領域の内で、互いに隣接しない造形領域に順に光ビームを照射させるものである。

請求項１の発明によれば、走査ヘッドが照射平面に対して法線方向に移動し、照射高さを変えることができるので、走査ヘッドの照射高さを変えて、光ビームの走査精度を調整することができる。また、走査ヘッドの照射高さを変えて、光ビームの集光径を調整することができる。また、照射平面の下に形成されている焼結層の各造形領域間の境界と、前記照射平面の各造形領域間の境界とが重ならないように照射平面が分割されているので、造形物の各造形領域間の強度が強くなる。

請求項２の発明によれば、走査ヘッドが照射平面に対して平行に移動するので照射面積を広くすることができ、大きな金属粉末焼結部品を製造することができる。また、照射高さが低くてよいので、光ビームの走査精度が良く、造形物の表面切削量が少なくなり、加工時間が短縮される。

請求項３の発明によれば、走査ヘッドをミーリングヘッドに固定させて移動させるので、金属粉末焼結部品の製造装置の構成が簡単になり、低コストにすることができる。

請求項４の発明によれば、走査ヘッドの任意の照射高さにおける、光ビームの照射位置及び集光径を設定値に補正する補正データを容易に求めることができるので、光ビームの走査精度が良くなる。

請求項５の発明によれば、造形物表面部分は、照射平面に近い位置から光ビームを照射するので、光ビームの走査精度が良くなり、このため、造形物表面の切削量を少なくすることができるので、切削時間が短くなり加工時間が短縮される。また、造形物中心部分は走査精度が低く焼結密度も低くてよいので、照射平面に遠い位置から照射し、走査速度を速くすることができ、加工時間を短縮することができる。

請求項６の発明によれば、予め定められた複数の照射高さから光ビームを照射するので、造形物の走査精度や走査速度の必要性に応じて光ビームの照射条件を容易に変えることができ、加工時間が短縮される。

請求項７の発明によれば、互いに隣接しない造形領域に順に光ビームを照射するので、焼結熱の熱溜まりが造形物に発生せず、造形物の熱歪を防ぎ、造形物の加工精度が良くなる。

請求項８の発明によれば、照射平面が複数の造形領域に分割されており、造形領域に応じた照射高さにすることができるので、造形物の表面部分の照射高さを低くすることにより、表面部分の走査精度が良くなる。また、互いに隣接しない造形領域に順に光ビームを照射するので、焼結熱の熱溜まりが造形物に発生せず、造形物の熱歪が防がれる。これらにより、大きな造形物を高精度に造形することができる。

本発明の製造方法に係る金属粉末焼結部品製造装置（以下、本装置と記す）について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１及び図２は、第１の実施形態に係る本装置の構成を示し、図３は本装置における走査ヘッドの光学カバーを取り外した光ビーム照射部の構成を示している。本装置１は、金属粉末１１を供給して粉末層１２を形成する粉末層形成部（粉末層形成手段）２と、粉末層形成部２により形成された粉末層１２の所定の箇所に光ビームを照射して粉末層１２を焼結させ焼結層１３を形成する光ビーム照射部（光ビーム照射手段）３と、焼結層１３が積層一体化された三次元形状の造形物を切削する切削部（切削手段）４と、各部の動作を制御する制御部５と、を備えている。本明細書においては、金属粉末焼結部品の製造工程中における形態を造形物とよんでいる。

粉末層形成部２は、金属粉末を供給する材料タンク２１と、材料タンク２１の金属粉末を上昇させる材料テーブル２２と、粉末層１２が敷かれる造形プレート２３と、造形プレート２３を保持し、上下に昇降する造形テーブル２４と、造形テーブル２４を囲む造形タンク２５と、材料タンク２１の金属粉末を造形プレート２３の上に敷くワイパ２６と、ワイパ２６を移動させるワイパ移動軸２７を有している。光ビーム照射部３は、光ビームを発振する光ビーム発振器３１と、発振された光ビームＬを送る光ファイバ３２と、集光レンズ（図示なし）等を有して光ファイバ３２から受けた光ビームＬを粉末層に集光する光学部３３とを有している。光ビーム発振器３１は、例えば、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザ、ファイバーレーザの発振器である。光ビーム照射部３は、また、光学部３３からの光ビームＬを反射する回転自在な２枚の走査ミラー３４と、走査ミラー３４の回転の角度制御を行うスキャナ３５とを備えている。制御部５は、スキャナ３５を介して走査ミラー３４の回転角度を調整し、光ビームＬを粉末層１２の上を走査する。光学部３３、走査ミラー３４、スキャナ３５は光学カバー３６によって覆われており、光学カバー３６と共に走査ヘッド３７を構成している。

走査ヘッド３７は、走査ヘッド３７ｚによって光ビームの照射平面に対し法線方向に移動する。切削部４は、造形物を切削する切削工具４１と切削工具４１を回転保持するミーリングヘッド４２を備えている。ミーリングヘッド４２はミーリングヘッドＺ軸４２ｚに固定されており、ミーリングヘッドＺ軸４２ｚ、ミーリングヘッドＸ軸４２ｘ及びミーリングヘッドＹ軸４２ｙによって、光ビームの照射平面に対して法線方向及び平行な方向に移動する。ミーリングヘッドＺ軸４２ｚ、ミーリングヘッドＸ軸４２ｘ及びミーリングヘッドＹ軸４２ｙは、ミーリングヘッド移動部（ミーリングヘッド移動手段）４３を構成する。光ビームの照射平面はチャンバ（図示せず）によって覆われており、チャンバ内は金属粉末が酸化しないように、例えば窒素ガスのような不活性ガスによって満たされている。不活性ガスの供給は、チャンバ内の酸素濃度等を測定することにより管理される。

このように構成された本装置１の動作について説明する。図４（ａ）乃至（ｃ）は、この動作の時系列状態を示す。最初に、造形プレート２３の上面と造形タンク２５の上面との段差が長さΔｔになるように、造形テーブル２４を下降させ、ワイパ２６によって材料テーブル２２上の金属粉末１１を造形プレート２３上に供給し、粉末層１２を形成する（図４（ａ））。

続いて、走査ヘッド３７は、走査ミラーを回転させて、光ビームＬを粉末層１２に走査させ、粉末層１２を溶融し、焼結層１３を形成する（図４（ｂ））。続いて、走査ヘッド３７は、図４（ａ）及び（ｂ）の動作を繰り返して粉末層１２と焼結層１３の形成を繰り返し、焼結層１３を積層する。焼結層１３が所定の厚みになると、ミーリングヘッド４２の切削工具４１によって造形物の表面部の表層及び不要部分を切削する（図４（ｃ））。このような動作を繰り返して、金属粉末焼結部品を製造する。

図５（ａ）及び（ｂ）は、走査ヘッド３７の照射高さＨと光ビームＬの走査精度の関係を示す。図５（ａ）は走査ヘッド３７の照射高さＨが高い場合を示し、図５（ｂ）は照射高さＨが低い場合を示す。走査ヘッド３７から照射される光ビームＬが同一角度θ振れた場合、照射高さＨが高い方が光ビームＬの振幅幅は大きくなるので、光ビームＬの走査精度は悪くなる。

このように走査ヘッド３７の照射高さを変えることにより、光ビームＬの走査精度を変えることができる。高い走査精度が必要な場合には、走査ヘッド３７の照射高さＨを低くし、走査精度が必要でない場合には、走査ヘッド３７の照射高さＨを高くして光ビームＬを照射する。

図６（ａ）乃至（ｃ）は、走査ヘッド３７の照射高さＨと、光ビームＬの集光径Ｄとの関係を示す。図６（ａ）は、走査ヘッド３７の照射高さＨが標準よりも高い場合の集光径Ｄを、図６（ｂ）は照射高さＨが標準の場合の集光径Ｄを、図６（ｃ）は、照射高さＨが標準よりも低い場合の集光径Ｄを示す。照射高さＨが標準よりも高い場合には、照射高さＨが標準の場合よりも集光径Ｄは大きくなり、照射高さＨが標準よりも低い場合には、照射高さＨが標準の場合よりも集光径Ｄは小さくなる。集光レンズ等の条件を同一のままで、照射高さＨを変えることにより、集光径Ｄを容易に調整することができる。このように、造形物の必要に応じて照射高さＨを変えることにより、光ビームＬの走査精度と集光径を容易に調整することができるので、加工時間を短縮することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る本装置について図７を参照して説明する。図７は本装置の構成を示す。図７において、前述の実施形態と同一の構成物には同一番号を付し、説明を略す（以下、同様）。本実施形態の本装置１は、第１の実施形態の構成に加えて光ビームの照射平面に平行でＸ方向に移動する走査ヘッドＸ軸３７ｘと、照射平面に平行でＹ方向に移動する走査ヘッドＹ軸３７ｙを備えている。走査ヘッドＺ軸３７ｚは走査ヘッドＹ軸３７ｙに接続されており、走査ヘッド３７は走査ヘッドＺ軸３７ｚに保持されている。この構成により、走査ヘッド３７は、照射平面に対して法線方向のみならず、照射平面に対して平行な方向にも移動することができる。

本装置１においては、走査ヘッド３７を照射平面に対して平行な方向に移動させることができるので、走査ヘッド３７と照射平面との距離が近いままで、大きな面積の走査が可能になり、大きな金属粉末焼結部品を製造できる。走査ヘッド３７と照射平面との距離が近いので、光ビームＬの走査精度が悪くならず、造形物の寸法精度が良い。造形物の寸法精度が良いので、切削工具４１による切削量が少なくなり、切削時間が短くなって加工時間が短縮される。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る本装置について図面を参照して説明する。図８は、本装置１の構成を示す。本実施形態において走査ヘッド３７はミーリングヘッド４２に固定されている。走査ヘッド３７はミーリングヘッドＸ軸４２ｘ、ミーリングヘッドＹ軸４２ｙ、及びミーリングヘッドＺ軸４２ｚによって、光ビームの照射平面に対して平行な方向と法線方向に移動する。

このように走査ヘッド３７をミーリングヘッド４２に固定させて移動させるので、走査ヘッド３７を移動させるための走査ヘッドＸ軸、走査ヘッドＹ軸、及び走査ヘッドＺ軸が不要となり、本装置の構成が簡単になり、低コストにすることができる。また、走査ヘッド３７は、造形物の表面部等の切削中は不要なので、切削動作を開始する前にミーリングヘッド４２から取り外し、切削動作が終了して光ビームＬを照射する前にミーリングヘッド４２に取り付けてもよい。このように、切削動作中に走査ヘッド３７を取り外すことにより、切削動作中のミーリングヘッド４２の急激な加速度運動によって走査ヘッド３７が故障する虞が少なくなる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る本装置について図面を参照して説明する。図９（ａ）及び（ｂ）は走査ヘッド３７からの光ビームの照射状態を示し、図９（ａ）は照射高さＨが最も高い状態を、図９（ｂ）は、照射高さＨが最も低い状態を示す。本実施形態における本装置の構成は第２の実施形態と同等である。本装置の制御部は、走査ヘッド３７の照射高さＨを変更して光ビームＬを照射するときは、走査ヘッド３７の照射高さＨに応じて、光ビームＬの照射位置及び集光径Ｄを設定値に補正しなければならない。照射位置の補正は走査ミラー３４の回転角度によって行い、集光径Ｄの補正は光学部３３内の集光レンズの位置等によって行う。

本実施形態においては、照射高さＨが最も高い位置と最も低い位置での、照射位置の補正データ（ΔＸ、ΔＹ）と集光径の補正データ（ΔＺ）を求める。照射高さＨが最も高い位置での補正データを第１の補正データとし、照射高さＨが最も低い位置での補正データを第２の補正データとする。この補正は、照射面積Ｒと集光径を同一にして行う。そして、走査ヘッド３７の任意高さＨにおける補正データを、その高さに応じて、第１の補正データ及び第２の補正データから補間して求める。例えば、第１の補正データのΔＸが０．１ｍｍで、第２の補正データのΔＸが０．２ｍｍである場合、照射高さが最も高い位置と最も低い位置のちょうど中間であるときのΔＸの補正データは０．１５ｍｍとなる。このように、走査ヘッド３７の任意の照射高さＨにおける、光ビームＬの照射位置及び集光径を設定値に補正する補正データを容易に求めることができるので、光ビームＬの走査精度が良くなる。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態に係る本装置について図面を参照して説明する。図１０は造形物の垂直断面を示す。本実施形態における本装置の構成は第２の実施形態と同等である。本実施形態においては、光ビームの照射を次のように行う。造形物１４を表面部分Ｖ１、中心部分Ｖ３、及び表面部分と中心部分の間の中間部分Ｖ２の構成領域に区分する。そして、焼結密度をそれぞれの構成領域で変え、表面部分Ｖ１では９８％以上、中間部分Ｖ２では７０〜９０％、中心部分Ｖ３では６０〜８０％とする。焼結密度は、光ビームの集光径によって変化させることができる。

表面部分Ｖ１は造形後の表面切削量を少なくするために、高精度に走査する必要があるので照射高さを低くする。そして、照射高さを低くし集光径を小さくすることにより、面積当たりの照射エネルギが大きくなるので、焼結密度が高くなる。中心部分Ｖ３は、照射位置がずれても造形物の寸法精度に影響がなく、走査精度は低くてもよいので、照射高さを高くする。そして、照射高さを高くし集光径を大きくすることにより、面積当たりの照射エネルギが小さくなるので、焼結密度が低くなる。また、照射高さが高いので、走査ミラーの回転角速度が、照射高さが低い場合と同じでも、光ビームの走査速度は速くなり、焼結密度を低くすることができる。そして、中間部分Ｖ２を照射する場合は、表面部分Ｖ１を照射する照射高さと中心部分Ｖ３を照射する照射高さとの間の照射高さで照射する。焼結密度は、また、レーザ出力、走査速度、走査ピッチ、によって変化させてもよい。

このように、造形物表面部分は、照射高さを低くして照射するので、光ビームの走査精度が良い。走査精度が良いと表面の切削量が少なくなるので、切削時間が短くなり加工時間が短縮される。また、造形物中心部分は走査精度が低く、焼結密度も低くてよいので、照射高さを高くして走査速度を早くすることができ、加工時間を短縮することができる。

（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態に係る本装置について図１１を参照して説明する。図１１（ａ）乃至（ｃ）は走査ヘッド３７からの光ビームの照射状態を示す。本実施形態における本装置の構成は第２の実施形態と同等である。本実施形態においては、複数の照射高さを予め定めておき、それぞれの照射高さに応じた補正データに基づいて前記走査ヘッドに光ビームを照射させる。図１１は照射高さを３水準定めた場合の例を示し、図１１（ａ）は、照射高さＨが高い場合の、図１１（ｂ）は、照射高さＨが中位の場合の、図１１（ｃ）は、照射高さＨが低い場合の照射状態を示す。それぞれの照射高さでの、照射位置の補正データ（ΔＸ、ΔＹ）と集光径の補正データ（ΔＺ）を求める。この補正は、照射面積Ｒと集光径を同一にして行う。そして、照射速度を早くする場合には高い位置で、高い照射精度が必要な場合には低い位置で、通常の照射条件でよい場合には中位の高さの位置で光ビームを照射する。

このように、予め定められた複数の照射高さから光ビームを照射するので、造形物の走査精度や走査速度の必要性に応じて光ビームの照射条件を容易に変えることができ、加工時間を短縮することができる。

（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態に係る本装置について図１２を参照して説明する。図１２は照射平面の平面視を示す。照射平面が複数の造形領域に分割されている。造形領域中の数字は、説明のために付した造形領域の番号である。本実施形態では照射平面を複数の造形領域に分割し、この分割された各造形領域の内で、互いに隣接しない造形領域に走査ヘッドを順に走査ヘッドＸ軸及び走査ヘッドＹ軸によって移動させ、走査ミラーを回転させて光ビームを造形領域に走査する。図１２の照射平面では、例えば造形領域の番号１，５，３，４，２，６の順に繰り返して光ビームの照射を行う。互いに隣接しない造形領域に順に光ビームを照射するので、焼結熱の熱溜まりが造形物に発生せず、造形物の熱歪を防ぎ、造形物の寸法精度が良くなる。

次に、第７の実施形態の第１の変形例について図面を参照して説明する。図１３（ａ）は照射平面の平面視を示し、図１３（ｂ）は造形物の垂直断面を示す。図１３（ａ）中の造形領域中の数字は、説明のために付した造形領域の番号である。本変形例では、照射平面を複数の造形領域に分割し、この分割された造形領域に走査ヘッドを順に移動させて光ビームを造形領域に走査する。そして、この分割は、照射平面の下に形成されている焼結層の各造形領域間の境界と、これから光ビームを照射する照射平面の各造形領域間の境界とが重ならないように行う。図１３（ａ）及び（ｂ）では、造形領域の番号１，３，２，４の順に繰り返して光ビームの照射を行うが、各造形領域間の境界は、図１３（ｂ）に示すように、重なる上下の焼結層で位置が異なり、境界が上下の焼結層で重ならない。

図１４は、光ビーム照射の時系列状態を示す。図中の粉末層１２を一点鎖線で区分した領域の数字は、説明のために付した造形領域の番号である。走査ヘッド３７は最初、造形領域１上に位置し、造形領域１に光ビームを照射する（図１４（ａ））。続いて、走査ヘッド３７は造形領域３上に移動し、造形領域３に光ビームを照射する（図１４（ｂ））。続いて、同様に造形領域２、４に光ビームを照射し、第１層を焼結する（図１４（ｃ）、（ｄ））。続いて、第２層の造形領域１に照射を行うが、このとき、造形領域１と造形領域２との境界の位置を第１層での境界の位置とはずらして光ビームを照射する（図１４（ｅ））。続いて、走査ヘッド３７は造形領域３上に移動し、第１層での境界の位置とはずらして造形領域３に光ビームを照射する（図１４（ｆ））。続いて、同様に造形領域２、４に光ビームを照射し、第２層を焼結する（図１４（ｇ）、（ｈ））。

図１５（ａ）は、このようにして形成した造形物１４の構成を、図１５（ｂ）は、各焼結層の造形領域の境界を揃えた場合の造形物１４の構成を示す。このように、照射平面の下に形成されている焼結層の各造形領域間の境界と、照射平面の各造形領域間の境界とが重ならないように照射平面が分割されているので、造形物の造形領域間の強度が強くなる。

次に、第７の実施形態の第２の変形例について説明する。図１６（ａ）は造形物の水平断面を、図１６（ｂ）は造形物の垂直断面を示し、図１６（ｃ）は造形物の造形領域の一部分を分離して示す。図中の造形領域中の数字は、説明のために付した造形領域の番号である。本変形例では、照射平面を造形される造形物の中心部分、表面部分、及び中心部分と表面部分の間の中間部分の各々に対応する構成領域に区分し、これら区分された各構成領域をさらに複数の造形領域に分割している。そして、第７の実施形態と同様に、この分割された各造形領域の内で、互いに隣接しない造形領域に走査ヘッドを順に移動させ、走査ミラーを回転させて光ビームを造形領域に走査する。互いに隣接しない造形領域に順に光ビームを照射するので、焼結熱の熱溜まりが造形物に発生せず、造形物の熱歪が防がれて、造形物の寸法精度が良くなる。

本変形例では、光ビームの照射を、例えば造形領域の１，６，９，２，８，１０，４，７，１２，３，５，１１の順に繰り返して行なう。そして、焼結密度をそれぞれの構成領域で変え、表面部分は９８％以上、中間部分は７０〜９０％、中心部分は６０〜８０％とする。光ビームの照射高さは、上述した第５の実施形態と同様に、表面部分は照射高さを低くし、中心部分は照射高さを高くし、中間部分は中位の照射高さにする。これにより、表面部分は照射高さが低いので、走査精度が良く、集光径が小さくなって焼結密度が高くなる。また、中心部分は、照射高さが高いので走査速度を速くし、焼結密度が低くなる。このように、造形物の熱歪が防がれ、造形物表面部分の光ビームの走査精度が良いので、大きな造形物を高精度に造形することができる。

この第２の変形例において、構成領域間の境界を第１の変形例のように造形領域の分割を、照射平面の下に形成されている焼結層の各造形領域間の境界と、これから光ビームを照射する照射平面の各造形領域間の境界とが重ならないように行なってもよい。図１７は、そのように分割した図１６（ｃ）の中心部分の造形領域３の形状を示す。造形領域３と他の造形領域との境界の位置が焼結層によって異なり、重なる上下の焼結層で境界が重ならない。この中心部の造形領域が隣接する中間部の造形領域に入り込んでいる部分の焼結密度は中心部の焼結密度にする。これにより、造形領域間の強度が増すので、造形物が強固になる。

なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、照射平面を覆うチャンバ内は真空雰囲気としてもよく、この場合においても、チャンバ内を不活性ガスで満たした場合と同等の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る本装置の斜視図。 同本装置の構成図。 同本装置の光ビーム照射部の斜視図。 同本装置における製造方法を時系列に示す図。 同本装置における照射高さと走査精度の関係を示す図。 同本装置における照射高さと集光径の関係を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る本装置の構成図。 本発明の第３の実施形態に係る本装置の構成図。 本発明の第４の実施形態に係る本装置における光ビームの照射状態を示す図。 本発明の第５の実施形態に係る本装置における造形物の垂直断面図。 本発明の第６の実施形態に係る本装置における光ビームの照射状態を示す図。 本発明の第７の実施形態に係る本装置における照射平面の平面図。 （ａ）は同本装置の第１の変形例における照射平面の平面図、（ｂ）は同変形例における造形物の垂直断面図。 同変形例における製造方法を時系列に示す図。 同変形例における造形物の斜視図。 （ａ）は本発明の第７の実施形態に係る本装置の第２の変形例における造形物の水平断面図、（ｂ）は同造形物の垂直断面図、（ｃ）は同造形物の斜視図。 同造形物の一部の斜視図。 従来の第１の本装置の構成図。 同本装置における光ビームの照射状態を示す図。 従来の第２の本装置の斜視図。 同本装置における光ビームの照射角度と、照射位置の関係を示す図。 同本装置における反射ミラーの移動方向のズレと、照射位置の関係を示す図。

符号の説明

１ 金属粉末焼結部品製造装置
１２ 粉末層
１３ 焼結層
１４ 造形物
２ 粉末層形成部（粉末層形成手段）
２３ 造形プレート
３ 光ビーム照射部（光ビーム照射手段）
３４ 走査ミラー
３７ 走査ヘッド
４ 切削部（切削手段）
４２ ミーリングヘッド
４３ ミーリングヘッド移動部（ミーリングヘッド移動手段）
５ 制御部
Ｌ 光ビーム

Claims (8)

1. 造形プレートに金属粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層形成手段により形成された粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結させ焼結層を形成する光ビーム照射手段と、前記各手段の動作を制御する制御部と、を備え、前記粉末層の形成と、前記焼結層の形成とを繰り返すことにより複数の焼結層が一体化した造形物を形成して三次元形状の金属粉末焼結部品を製造する製造装置を用いた金属粉末焼結部品の製造方法であって、
   前記光ビーム照射手段は、前記光ビームを反射して走査する少なくとも２枚の角度制御できる走査ミラーを有する走査ヘッドを備え、
   前記走査ヘッドは前記光ビームの照射平面に対して法線方向に移動するものであり、
   前記照射平面を複数の造形領域に分割し、この分割された各造形領域に順に光ビームを照射させ、
   前記分割は、照射平面の下に形成されている焼結層の各造形領域間の境界と、前記照射平面の各造形領域間の境界とが重ならないように行うことを特徴とする金属粉末焼結部品の製造方法。
2. 前記走査ヘッドは、さらに前記照射平面に対して平行ないずれの方向にも移動することを特徴とする請求項１に記載の金属粉末焼結部品の製造方法。
3. 前記造形物の形成の途中に、該造形物の表面部の表層及び不要部分を少なくとも１回以上繰り返して切削する切削手段を備え、
   前記切削手段は、前記照射平面に対して平行な方向と法線方向とに移動するミーリングヘッドを有し、
   前記走査ヘッドは、前記ミーリングヘッドを移動させるミーリングヘッド移動手段によって移動することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の金属粉末焼結部品の製造方法。
4. 前記制御部は、前記走査ヘッドが前記照射平面に最も近い照射高さに位置する場合の光ビームの照射位置及び集光径を設定値に補正する第１の補正データと、
   前記走査ヘッドが前記照射平面から最も遠い照射高さに位置する場合の光ビームの照射位置及び集光径を設定値に補正する第２の補正データとを有し、
   前記走査ヘッドが任意の照射高さに位置するときの補正データを、前記第１の補正データ及び第２の補正データから補間して算出し、この算出した補正データを用いて光ビームを照射することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の金属粉末焼結部品の製造方法。
5. 前記走査ヘッドは、造形物表面部分には、前記照射平面に近い位置から光ビームを照射し、造形物中心部分には、前記照射平面から遠い位置から光ビームを照射することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の金属粉末焼結部品の製造方法。
6. 前記制御部は、予め定められた複数の照射高さから、光ビームの照射位置及び集光径を設定値に補正するそれぞれの照射高さに応じた補正データに基づいて前記走査ヘッドに光ビームを照射させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の金属粉末焼結部品の製造方法。
7. 前記照射平面を複数の造形領域に分割し、この分割された各造形領域の内で、互いに隣接しない造形領域に順に光ビームを照射させることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の金属粉末焼結部品の製造方法。
8. 前記照射平面を、造形される造形物の中心部分、表面部分、及び前記中心部分と表面部分の間の中間部分の各々に対応する構成領域に区分し、これら区分された各構成領域をさらに複数の造形領域に分割し、この分割された各造形領域の内で、互いに隣接しない造形領域に順に光ビームを照射させることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の金属粉末焼結部品の製造方法。

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