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JP6768459B2 - Three-dimensional laminated molding method and three-dimensional laminated molding equipment - Google Patents

Three-dimensional laminated molding method and three-dimensional laminated molding equipment Download PDF

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JP6768459B2 JP2016222081A JP2016222081A JP6768459B2 JP 6768459 B2 JP6768459 B2 JP 6768459B2 JP 2016222081 A JP2016222081 A JP 2016222081A JP 2016222081 A JP2016222081 A JP 2016222081A JP 6768459 B2 JP6768459 B2 JP 6768459B2
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Description

この発明は、電子ビームにより三次元の造形物を形成する三次元積層造形方法、および三次元積層造形装置に関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional laminated modeling method for forming a three-dimensional modeled object by an electron beam, and a three-dimensional laminated modeling apparatus.

従来の三次元積層造形装置では、粉末の層を敷くことと、その層上に光ビームを照射して下層の凝固した層と一体化させることを繰り返し、造形物を製作する作業の途中において、造形物と一体化されなかった粉末を分離もしくは除去する工程と、光ビームを再照射し造形物の表面に付着した粉末を溶融・凝固させる工程を実施し、造形物を形成している(例えば特許文献1)。 In the conventional three-dimensional laminated modeling device, a layer of powder is laid and a light beam is irradiated on the layer to integrate it with the solidified layer of the lower layer, and in the middle of the work of manufacturing the modeled object, A modeled object is formed by performing a step of separating or removing the powder that is not integrated with the modeled object and a process of re-irradiating the light beam to melt and solidify the powder adhering to the surface of the modeled object (for example). Patent Document 1).

また、電子ビームにより金属パウダーを溶融させて造形する装置(例えば特許文献2)や、電子ビームで溶融した後、端部の処理をレーザビームで行う造形装置(例えば特許文献3)も提案されている。 In addition, a device for forming by melting a metal powder with an electron beam (for example, Patent Document 2) and a modeling device for processing an end portion with a laser beam after melting with an electron beam (for example, Patent Document 3) have also been proposed. There is.

特開2002−38201号公報JP-A-2002-382201 特開2010−255057号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-255557 特開2015−168877号公報JP 2015-168877

特許文献1では、粉末焼結部品の作製中に、既に焼結された造形物と焼結されなかった粉末を分離もしくは除去している。除去後に再び積層造形を行う必要があるため、造形物全体は粉末から取出されておらず、造形物の複雑な形状の表面や、積層造形時の光ビームの照射方向に対して裏側の表面には粉末が除去できず、光ビームの再照射が困難で、表面を滑らかにすることが困難であった。また、再照射の光ビームは、光ビームを供給する光ファイバーのXY駆動機構の移動、あるいは、ガルバノスキャナなどの偏向装置で制御されている。このため、造形物の表面の曲面や凹凸面に対して光ビームの位置と焦点を迅速に制御することは困難であり、表面に投入されるエネルギー密度が均一でなく、表面処理や硬化の程度にばらつきが生じて表面が滑らかにすることが困難であった。 In Patent Document 1, during the production of a powder sintered part, an already sintered model and an unsintered powder are separated or removed. Since it is necessary to perform laminated modeling again after removal, the entire modeled object is not taken out from the powder, and it is on the surface of the complex shape of the modeled object or on the surface behind the irradiation direction of the light beam during laminated modeling. The powder could not be removed, it was difficult to re-irradiate the light beam, and it was difficult to smooth the surface. Further, the light beam for re-irradiation is controlled by the movement of the XY drive mechanism of the optical fiber that supplies the light beam, or by a deflection device such as a galvano scanner. For this reason, it is difficult to quickly control the position and focus of the light beam with respect to the curved or uneven surface of the surface of the modeled object, the energy density applied to the surface is not uniform, and the degree of surface treatment and curing is not uniform. It was difficult to smooth the surface due to variations in the surface.

また、特許文献1に記載されている積層造形方法では、原料の粉末が光ビームのエネルギーを吸収しにくかった。特に、原料が金属材の場合、光ビームの金属粉末の表面で反射し、溶融するために必要な熱が与えられずに、不十分な溶融で造形物を形成することになり、溶融凝固していない粉末を取り除くなどの後工程で造形物が崩れてしまうことがあった。さらに、積層造形の途中段階で表面処理を行うために、まだ完成していない造形物の端面を露出させて光ビームを照射する手段をとっており、積層造形途中に局部的に加熱されるため、造形物が熱変形してしまうといった問題があった。 Further, in the laminated modeling method described in Patent Document 1, it is difficult for the raw material powder to absorb the energy of the light beam. In particular, when the raw material is a metal material, it is reflected on the surface of the metal powder of the light beam, and the heat required for melting is not given, and a modeled object is formed by insufficient melting, resulting in melt solidification. The modeled object sometimes collapsed in a post-process such as removing the unworn powder. Furthermore, in order to perform surface treatment in the middle of the laminated molding, a means is taken to expose the end face of the unfinished model and irradiate the light beam, and the surface is locally heated during the laminated molding. , There was a problem that the modeled object was thermally deformed.

特許文献3では、電子ビームで溶融した後、同一方向から電子ビームを再照射することにより表面を平滑化しているが、端部を平滑化することはできない。また、特許文献3では、電子ビームで溶融した後、端部に残った未溶融の金属粉末を電子ビームのエネルギーよりも高エネルギーのレーザビームで行うことが提案されているが、この造形方法では、電子ビームと高エネルギーのレーザビームという2つの熱源を必要とする。 In Patent Document 3, the surface is smoothed by re-irradiating the electron beam from the same direction after melting with the electron beam, but the end portion cannot be smoothed. Further, Patent Document 3 proposes that the unmelted metal powder remaining at the end after being melted by the electron beam is performed by a laser beam having a higher energy than the energy of the electron beam. However, in this modeling method, it is proposed. It requires two heat sources, an electron beam and a high-energy laser beam.

本発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、熱源として電子ビームだけを利用して、金属材の造形物の表面、特に積層造形時に側面となる表面、すなわち端面の凹凸を平滑化し滑らかにすることができる三次元積層造形方法および三次元積層造形装置を得るものである。 The present invention has been made to solve the above problems, and uses only an electron beam as a heat source to form a surface of a metal model, particularly a surface that becomes a side surface during laminated modeling, that is, an end face. This is to obtain a three-dimensional laminated molding method and a three-dimensional laminated molding apparatus capable of smoothing and smoothing the unevenness of the above.

本発明の三次元積層造形方法は、層状に敷き詰めた金属粉末に第1の電子ビームを照射して金属粉末を溶融させた後凝固して形成された金属凝固層の上に、層状に金属粉末を敷き詰め、第1の電子ビームを照射して、新たに敷き詰めた金属粉末を溶融させた後凝固した金属凝固層を形成することを繰り返して、金属が凝固した一次造形物を形成する積層造形工程と、積層造形工程において凝固せずに一次造形物に付着した金属粉末を除去して二次造形物を形成する金属粉末除去工程と、二次造形物に第2の電子ビームを照射して二次造形物の表面を再溶融させて造形物を形成する表面処理工程とを有し、表面処理工程において、第2の電子ビームと二次造形物との少なくとも一方を移動させることにより、第2の電子ビームが二次造形物の表面における金属凝固層の層の境界線に交差するように移動して照射するとともに、第2の電子ビームの照射により二次造形物の表面に形成される溶融池における、第2の電子ビームが二次造形物の表面を移動する方向の幅が、積層造形工程において形成された金属凝固層の1層の厚さの2倍以上となるよう、第2の電子ビームのパラメータを設定するようにしたものである。 In the three-dimensional laminated molding method of the present invention, the metal powder spread in layers is irradiated with a first electron beam to melt the metal powder, and then the metal powder is solidified and then solidified on the metal powder in layers. And irradiating the first electron beam to melt the newly spread metal powder and then forming a solidified metal solidified layer is repeated to form a primary model in which the metal is solidified. In the laminated molding step, the metal powder that adheres to the primary model without solidification is removed to form the secondary model, and the secondary model is irradiated with a second electron beam. have a surface treatment step by re-melting the surface of the next shaped object to form a shaped object, the surface treatment step, by moving at least one of the second electron beam and the secondary shaped object, the second The electron beam of the above moves and irradiates so as to intersect the boundary line of the metal solidified layer on the surface of the secondary model, and the melting formed on the surface of the secondary model by the irradiation of the second electron beam. The width in the direction in which the second electron beam moves on the surface of the secondary model in the pond is at least twice the thickness of one layer of the metal solidified layer formed in the laminated molding process. The parameters of the electron beam are set .

また、本発明の三次元積層造形装置は、第1の電子ビーム照射室と第1の電子銃とを備え、第1の電子ビーム照射室内において、層状に敷き詰めた金属粉末に第1の電子ビームを照射して金属粉末を溶融させた後凝固して形成された金属凝固層の上に、層状に金属粉末を敷き詰め、第1の電子ビームを照射して、新たに敷き詰めた前記金属粉末を溶融させた後凝固して金属凝固層を形成することを繰り返して、金属が凝固した一次造形物を形成するように制御される第1の電子ビーム照射機と、一次造形物に凝固せずに付着した金属粉末を除去して一次造形物を二次造形物とする金属粉末除去室を備えた金属粉末除去機と、第2の電子ビーム照射室と第2の電子銃を備え、第2の電子ビーム照射室内において、二次造形物に第2の電子ビームを照射して二次造形物の表面を再溶融させて造形物を形成するよう構成された第2の電子ビーム照射機とを備え、第2の電子ビームが二次造形物の表面を移動するとともに、第2の電子ビームが、二次造形物の表面を移動する方向と平行な方向に振動するよう構成されたものである。


Further, the three-dimensional laminated modeling apparatus of the present invention includes a first electron beam irradiation chamber and a first electron gun, and in the first electron beam irradiation chamber, a first electron beam is formed on a metal powder spread in layers. The metal powder is spread in layers on the metal solidified layer formed by solidifying after irradiating the metal powder with a first electron beam to melt the newly spread metal powder. The first electron beam irradiator, which is controlled so that the metal forms a solidified primary model by repeating the process of solidifying and forming a metal solidified layer, adheres to the primary model without solidifying. A metal powder remover equipped with a metal powder removing chamber for removing the metal powder and making the primary model a secondary model, a second electron beam irradiation chamber and a second electron gun, and a second electron A second electron beam irradiator configured to irradiate the secondary model with a second electron beam and remelt the surface of the secondary model to form the model in the beam irradiation chamber . The second electron beam moves on the surface of the secondary model, and the second electron beam vibrates in a direction parallel to the direction of movement on the surface of the secondary model .


本発明によれば、一次造形物に付着した金属粉末を除去した後表面を溶融するようにしたので、造形時に側面となる端面の凹凸が平滑化された造形物を形成することができる。 According to the present invention, since the metal powder adhering to the primary model is removed and then the surface is melted, it is possible to form a model in which the unevenness of the end surface, which is the side surface during modeling, is smoothed.

本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置を説明するための断面模式図である。It is sectional drawing for demonstrating the 3D laminated modeling method and 3D laminated modeling apparatus according to Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における積層造形工程を説明するための第一の断面模式図である。It is a 1st cross-sectional schematic diagram for demonstrating the 3D laminated modeling method by Embodiment 1 of this invention and the laminated modeling process in 3D laminated modeling apparatus. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における積層造形工程を説明するための第二の断面模式図である。It is a 2nd cross-sectional schematic diagram for demonstrating the 3D laminated modeling method by Embodiment 1 of this invention and the laminated modeling process in 3D laminated modeling apparatus. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における積層造形工程を説明するための第三の断面模式図である。It is a 3rd cross-sectional schematic diagram for demonstrating the 3D laminated modeling method by Embodiment 1 of this invention, and the laminated modeling process in 3D laminated modeling apparatus. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における金属粉末除去工程を説明するための断面模式図である。It is sectional drawing for demonstrating the three-dimensional laminated molding method according to Embodiment 1 of this invention, and the metal powder removal process in a three-dimensional laminated molding apparatus. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程を説明するための断面模式図である。It is sectional drawing for demonstrating the 3D laminated modeling method and the surface treatment process in the 3D laminated modeling apparatus according to Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程の電子ビーム照射方向を説明するための斜視模式図である。It is a perspective schematic diagram for demonstrating the electron beam irradiation direction of the 3D laminated modeling method and the surface treatment process in the 3D laminated modeling apparatus according to Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における金属粉末除去工程後の造形物の端部を拡大して示す断面図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing an end portion of a modeled object after a metal powder removing step in the three-dimensional laminated modeling method and the three-dimensional laminated modeling apparatus according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における金属粉末除去工程後の造形物の側面表面の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the side surface of the modeled object after the metal powder removal process in the 3D laminated modeling method and the 3D laminated modeling apparatus according to Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における金属粉末除去工程後の造形物の上面表面の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the upper surface surface of the modeled object after the metal powder removal step in the 3D laminated modeling method and the 3D laminated modeling apparatus according to Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における金属粉末除去工程後の造形物の裏面表面の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the back surface surface of the modeled object after the metal powder removal process in the 3D laminated modeling method and the 3D laminated modeling apparatus according to Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における積層造形工程を説明するための概念斜視図である。It is a conceptual perspective view for demonstrating the three-dimensional laminated modeling method and the laminated modeling process in a three-dimensional laminated modeling apparatus according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程を説明するための概念斜視図である。It is a conceptual perspective view for demonstrating the three-dimensional laminated modeling method and the surface treatment process in a three-dimensional laminated modeling apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the three-dimensional laminated modeling method and the surface treatment process in the three-dimensional laminated modeling apparatus according to Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程の造形物表面の状態を示す拡大断面図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing a state of the surface of a modeled object in a surface treatment step in the three-dimensional laminated modeling method and the three-dimensional laminated modeling apparatus according to the first embodiment of the present invention. 比較例による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程の造形物表面の状態を示す拡大断面図である。It is an enlarged cross-sectional view which shows the state of the surface of the modeled object of the surface treatment process in the 3D laminated modeling method and the 3D laminated modeling apparatus by the comparative example. 電子ビームのビーム径を説明する線図である。It is a diagram explaining the beam diameter of an electron beam. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程後の造形物の側面表面の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the side surface of the modeled object after the surface treatment process in the 3D laminated modeling method and the 3D laminated modeling apparatus according to Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程後の造形物の上面表面の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the upper surface surface of the modeled object after the surface treatment process in the 3D laminated modeling method and the 3D laminated modeling apparatus according to Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程後の造形物の裏面表面の状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state of the back surface surface of the modeled object after the surface treatment process in the 3D laminated modeling method and the 3D laminated modeling apparatus according to Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程を説明するための断面模式図である。It is sectional drawing for demonstrating the 3D laminated modeling method and the surface treatment process in the 3D laminated modeling apparatus according to Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程を説明するための断面模式図である。It is sectional drawing for demonstrating the 3D laminated modeling method and the surface treatment process in 3D laminated modeling apparatus according to Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態3による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程の電子ビーム照射機の構成を説明するための断面模式図である。It is sectional drawing for demonstrating the structure of the electron beam irradiator of the 3D laminated modeling method and the surface treatment process in the 3D laminated modeling apparatus according to Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程を説明するための概念斜視図である。It is a conceptual perspective view for demonstrating the three-dimensional laminated modeling method and the surface treatment process in the three-dimensional laminated modeling apparatus according to Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態4による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における積層造形工程と表面処理工程の電子ビームの照射方向説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the irradiation direction of the electron beam of the 3D laminated modeling method and the laminated modeling process and the surface treatment process in the 3D laminated modeling apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. 本発明の実施の形態5による三次元積層造形装置の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the schematic structure of the 3D laminated modeling apparatus according to Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態6による三次元積層造形装置の概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the schematic structure of the 3D laminated modeling apparatus according to Embodiment 6 of this invention.

実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1による三次元積層造形方法の各工程を示す概略図であり、各工程における三次元積層造形装置の断面図により示している。本発明に係る三次元積層造形方法は、積層造形工程、金属粉末除去工程、表面処理工程を有する。図1A、図1Bは積層造形工程を示す図、図1C、図1Dは金属粉末除去工程を示す図、図1Eは表面処理工程を示す図である。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a schematic view showing each step of the three-dimensional laminated molding method according to the first embodiment of the present invention, and is shown by a cross-sectional view of a three-dimensional laminated molding apparatus in each step. The three-dimensional laminated molding method according to the present invention includes a laminated molding step, a metal powder removing step, and a surface treatment step. 1A and 1B are diagrams showing a laminated molding process, FIGS. 1C and 1D are diagrams showing a metal powder removing process, and FIG. 1E is a diagram showing a surface treatment process.

金属材の三次元積層造形を行うため、原料には金属粉末を用いる。図1A、図1Bに示すように、積層造形工程において、金属粉末から一次造形物81を形成する。給粉機7により、加工室である電子ビーム照射室3内に設置された造形ボックス4に金属粉末6を供給して金属粉末6を層状に敷く。層状の金属粉末の一部に電子銃1から発生される電子ビーム2を照射し、金属粉末の予め定めた部分を溶融・凝固させる。所定の部分の層状の金属粉末が凝固した後、昇降ステージ5を所定距離降下させて、給粉機7から金属粉末を供給して凝固した金属の上に層状に金属粉末を敷く。その後、層状の金属粉末の一部に電子銃1から発生される電子ビーム2を照射し、金属粉末の予め定めた部分を溶融・凝固させる。この時、下層の既に凝固した部分と一体となって凝固部を形成する。これらの薄層の粉敷きとビーム照射を繰り返して、図1Bに示すように、一体となった金属の一次造形物81が形成される。一次造形物81の周りには未溶融の金属粉末6が残ったままとなっている。 Metal powder is used as a raw material in order to perform three-dimensional laminated modeling of metal materials. As shown in FIGS. 1A and 1B, the primary model 81 is formed from the metal powder in the laminated modeling process. The metal powder 6 is supplied to the modeling box 4 installed in the electron beam irradiation chamber 3 which is a processing chamber by the dust feeder 7, and the metal powder 6 is laid in layers. A part of the layered metal powder is irradiated with an electron beam 2 generated from the electron gun 1 to melt and solidify a predetermined portion of the metal powder. After the layered metal powder of a predetermined portion is solidified, the elevating stage 5 is lowered by a predetermined distance, the metal powder is supplied from the dusting machine 7, and the metal powder is spread in layers on the solidified metal. Then, a part of the layered metal powder is irradiated with an electron beam 2 generated from the electron gun 1 to melt and solidify a predetermined portion of the metal powder. At this time, a solidified portion is formed together with the already solidified portion of the lower layer. By repeating these thin layers of powder laying and beam irradiation, as shown in FIG. 1B, an integrated metal primary model 81 is formed. The unmelted metal powder 6 remains around the primary model 81.

次の金属粉末除去工程では、図1C、図1Dに示すように、一次造形物81の周りの未溶融の金属粉末6を取り除く。周りに未溶融の金属粉末6が付着した状態の一次造形物81を、ジェットノズル12を備えた金属粉末除去室11に設置して、ジェットノズル12から高圧の気体を噴射させて未溶融の金属粉末6を除去する。電子ビームが照射されていない部分の金属粉末も溶融には至っていないが、高温になっていたため、一次造形物81の周りに付着している。この未溶融部の金属粉末を気体を吹き付けることにより取り除き、金属粉末が除去された二次造形物82として取出す。 In the next metal powder removing step, as shown in FIGS. 1C and 1D, the unmelted metal powder 6 around the primary model 81 is removed. The primary model 81 with the unmelted metal powder 6 attached around it is installed in the metal powder removing chamber 11 provided with the jet nozzle 12, and a high-pressure gas is injected from the jet nozzle 12 to inject the unmelted metal. Remove the powder 6. The metal powder in the portion not irradiated with the electron beam has not been melted, but has been heated to a high temperature, so that it adheres around the primary model 81. The metal powder in the unmelted portion is removed by blowing a gas, and the metal powder is taken out as a secondary model 82 from which the metal powder has been removed.

表面処理工程では、加工室である電子ビーム照射室23内に二次造形物82を設置して、二次造形物82の表面に電子銃21から発生した電子ビーム22を照射する。電子ビームの照射位置を偏向により二次造形物82の表面上で高速に移動させる。二次造形物82の表面の薄い層のみが溶融し凝固する。表面の凹凸は電子ビームによる溶融・凝固で平均化され平滑になり最終的な造形物8とすることができる。 In the surface treatment step, the secondary model 82 is installed in the electron beam irradiation chamber 23, which is a processing chamber, and the surface of the secondary model 82 is irradiated with the electron beam 22 generated from the electron gun 21. The irradiation position of the electron beam is moved at high speed on the surface of the secondary model 82 by deflection. Only the thin layer on the surface of the secondary model 82 melts and solidifies. The unevenness of the surface is averaged and smoothed by melting and solidification by the electron beam, and the final model 8 can be obtained.

各工程について詳細に説明する。図2〜図4は金属粉末の積層造形工程を、積層造形工程において使用する電子ビーム照射機100の断面図により示す図である。電子ビーム照射機100は、主要構成要素として電子銃1と電子ビーム照射室3を備えている。電子銃1には電子ビーム2を発生する電子源31、発生した電子ビーム2を金属粉末6上に集束させる集束レンズ32、金属粉末6上の所定の位置に電子ビーム2の照射位置を移動して走査するための偏向器33で構成される。積層造形工程において使用する電子ビーム照射機およびその構成要素を、第1の電子ビーム照射機100、第1の電子銃1、第1の電子ビーム照射室3、のように、また電子ビーム2を第1の電子ビームと、「第1の」を付して称することもある。 Each process will be described in detail. 2 to 4 are views showing a metal powder laminating molding step by a cross-sectional view of an electron beam irradiator 100 used in the laminating molding step. The electron beam irradiator 100 includes an electron gun 1 and an electron beam irradiation chamber 3 as main components. The electron gun 1 has an electron source 31 that generates an electron beam 2, a focusing lens 32 that focuses the generated electron beam 2 on the metal powder 6, and an irradiation position of the electron beam 2 is moved to a predetermined position on the metal powder 6. It is composed of a deflector 33 for scanning. The electron beam irradiator and its components used in the laminating molding step are described as the first electron beam irradiator 100, the first electron gun 1, the first electron beam irradiation chamber 3, and the electron beam 2. It may be referred to as a first electron beam with a "first".

電子銃制御装置34は、電子ビーム電流制御器35を介して電子源31を、集束レンズ電源36を介して集束レンズ32を、偏向電源37を介して偏向器33を制御するように構成されている。電子銃制御装置34は、予め、造形物の形状に応じた各積層の層毎の所定の形状に応じて作成したビーム電流データ341、ビーム焦点制御データ342、偏向データ343を記憶しておき、これらのデータをもとにビーム電流、ビームの焦点、偏向によるビーム照射位置を制御するように構成されている。 The electron gun control device 34 is configured to control the electron source 31 via the electron beam current controller 35, the focusing lens 32 via the focusing lens power supply 36, and the deflector 33 via the deflection power supply 37. There is. The electron gun control device 34 stores in advance beam current data 341, beam focus control data 342, and deflection data 343 created according to a predetermined shape for each layer of each layer according to the shape of the modeled object. Based on these data, it is configured to control the beam irradiation position by beam current, beam focus, and deflection.

図中に積層造形工程における電子ビームの中心経路である中央ビーム軸25を示す。この中央ビーム軸25は偏向をかけない場合の電子ビームの軌道に相当する。電子ビーム照射室3内には、造形ボックス4、積層を繰り返すごとに金属粉末と造形物を移動させる昇降ステージ5、新しい金属粉末の層を敷くための給粉機7で構成される積層槽150が配置される。他に真空排気のための真空ポンプや真空計などの真空排気系、機構の制御装置などが備えられるが、本発明とは直接関係ないため省略している。 The central beam axis 25, which is the central path of the electron beam in the laminated molding process, is shown in the figure. The central beam axis 25 corresponds to the trajectory of the electron beam when no deflection is applied. In the electron beam irradiation chamber 3, a stacking tank 150 composed of a modeling box 4, an elevating stage 5 for moving the metal powder and the modeled object each time the lamination is repeated, and a dusting machine 7 for laying a new layer of metal powder. Is placed. In addition, a vacuum pump for vacuum exhaust, a vacuum exhaust system such as a vacuum gauge, a control device for a mechanism, and the like are provided, but they are omitted because they are not directly related to the present invention.

金属粉末はTiや各種鋼、Cuなど、用途に応じた金属粉末が使われる。金属粉末は平均粒径20〜200μmの金属粉末が選ばれる。造形ボックス4内に金属粉末が充填されている。図2は複数の積層が繰り返された後に電子ビームが照射される状態を示す図である。電子ビーム2は電子銃制御装置34のデータに従い偏向され、電子ビームが照射された部分の金属粉末が溶融・凝固する。 As the metal powder, metal powder such as Ti, various steels, and Cu is used according to the application. As the metal powder, a metal powder having an average particle size of 20 to 200 μm is selected. The modeling box 4 is filled with metal powder. FIG. 2 is a diagram showing a state in which an electron beam is irradiated after a plurality of stacking is repeated. The electron beam 2 is deflected according to the data of the electron gun control device 34, and the metal powder of the portion irradiated with the electron beam is melted and solidified.

電子ビームに対する金属材のエネルギー吸収率は80〜90%と高く、金属粉末の表面での反射の影響もない。金属粉末が効率よく加熱され、安定に溶融凝固する。電子ビームの照射されていない部分の金属粉末は溶融していないため、金属粉末同士は強固に固着していない。 The energy absorption rate of the metal material for the electron beam is as high as 80 to 90%, and there is no influence of reflection on the surface of the metal powder. The metal powder is heated efficiently and stably melts and solidifies. Since the metal powder in the portion not irradiated with the electron beam is not melted, the metal powders are not firmly fixed to each other.

図3は、図2の状態で金属粉末6の表面層の所定領域を電子ビームで走査して金属粉末6を溶融凝固させた後、新たに金属粉末が給粉機7により供給された様子を示している。図2の状態から昇降ステージ5が積層の1層分、下方に降下した後に、給粉機7がすでに敷かれた金属粉末上を移動しながら一定の層厚さになるように新たな金属粉末を敷く。層厚さは20〜200μmの範囲内で選ばれることが多い。 FIG. 3 shows a state in which a predetermined region of the surface layer of the metal powder 6 is scanned with an electron beam to melt and solidify the metal powder 6 in the state of FIG. 2, and then the metal powder is newly supplied by the dust feeder 7. Shown. After the elevating stage 5 descends downward by one layer of the laminate from the state shown in FIG. 2, a new metal powder has a constant layer thickness while moving on the metal powder already laid by the dusting machine 7. Lay out. The layer thickness is often selected in the range of 20 to 200 μm.

図4は新しい層に電子ビーム2が照射されている様子を示す。電子銃制御装置34は新しい層のビーム照射位置に応じた偏向データに従い偏向器33を制御し、電子ビームが照射される。下層のすでに凝固している部分と一緒に溶融し、一体となって凝固し凝固部80を形成する。電子ビームの照射は上述した金属粉末の溶融・凝固のほかに、金属粉末全体の温度を予め設定した温度に保つためにも照射されることがある。 FIG. 4 shows how the electron beam 2 is irradiated to the new layer. The electron gun control device 34 controls the deflector 33 according to the deflection data according to the beam irradiation position of the new layer, and the electron beam is irradiated. It melts together with the already solidified portion of the lower layer and solidifies together to form the solidified portion 80. In addition to the above-mentioned melting and solidification of the metal powder, the electron beam may be irradiated to keep the temperature of the entire metal powder at a preset temperature.

この金属粉末の粉敷きと、そこへ電子ビームの照射を繰り返して金属粉末を所定の形状に凝固させる。予め定めた積層の高さに達するまで、粉敷きと電子ビーム照射を繰り返して行い、一次造形物81を形成して積層造形工程は終了する。この間、金属粉末には積層造形のために溶融・凝固を行わせる電子ビーム照射と、金属粉末全体の温度を高温に保つための電子ビームの照射がなされるだけである。余分な加熱あるいは局部的な加熱は行われず、造形物の熱変形は抑制されている。 The metal powder is spread and irradiated with an electron beam to solidify the metal powder into a predetermined shape. The powder laying and electron beam irradiation are repeated until the height of the laminated structure reaches a predetermined value, the primary modeled object 81 is formed, and the layered modeling process is completed. During this period, the metal powder is only irradiated with an electron beam for melting and solidifying for laminated molding and an electron beam for keeping the temperature of the entire metal powder at a high temperature. No extra heating or local heating is performed, and thermal deformation of the modeled object is suppressed.

金属粉末除去工程について説明する。図5は、金属粉末除去機200による金属粉末除去工程の説明図である。金属粉末除去機200は、主要構成要素として金属粉末除去室11とジェットノズル12を備えている。一次造形物81の周りには未溶融の金属粉末6が付着している。金属粉末全体の温度を定められた高温状態に保持しているため、溶融凝固させたパターン以外の部分の金属粉末も溶融はしていないが、造形物や金属粉末同士で付着している。未溶融の金属粉末が付着した造形物を金属粉末除去室11内に入れる。ジェットノズル12から高圧の気体の噴射で、未溶融の金属粉末を一次造形物81から取り除く。未溶融の金属粉末を取り除いた二次造形物82の表面には凹凸が残っている。電子ビーム照射側で、積層造形工程のビーム軸に垂直な面は表面の凹凸が小さい。一方、積層造形工程のビーム軸に平行な面や、ビーム照射側と反対側の面では凹凸が大きくなっている。金属粉末が酸化しやすい材料の場合や、粒径が小さい場合には、粉末の酸化、発火を防ぐため、吹き付ける気体として不活性ガスを使用してもよい。また、機械的な振動や衝撃を与える方法など他の方法を用いてもよい。 The metal powder removing step will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram of a metal powder removing step by the metal powder removing machine 200. The metal powder removing machine 200 includes a metal powder removing chamber 11 and a jet nozzle 12 as main components. Unmelted metal powder 6 is attached around the primary model 81. Since the temperature of the entire metal powder is maintained at a predetermined high temperature, the metal powder in the parts other than the melt-solidified pattern is not melted, but the shaped objects and the metal powders adhere to each other. The modeled object to which the unmelted metal powder is attached is placed in the metal powder removing chamber 11. The unmelted metal powder is removed from the primary model 81 by injecting a high-pressure gas from the jet nozzle 12. Unevenness remains on the surface of the secondary model 82 from which the unmelted metal powder has been removed. On the electron beam irradiation side, the surface perpendicular to the beam axis in the lamination molding process has small surface irregularities. On the other hand, the surface parallel to the beam axis in the laminated modeling process and the surface opposite to the beam irradiation side have large irregularities. When the metal powder is a material that is easily oxidized or the particle size is small, an inert gas may be used as the gas to be sprayed in order to prevent oxidation and ignition of the powder. Further, other methods such as a method of applying mechanical vibration or impact may be used.

次に、表面処理工程について説明する。図6は表面処理工程を、表面処理工程で使用する電子ビーム照射機300の断面図により示す図である。表面処理工程に使用される電子ビーム照射機300は、主要構成要素として電子銃1と電子ビーム照射室3を備えている。電子銃21は電子源41、集束レンズ42、偏向器43で構成されている。電子銃制御装置44は、電子ビーム電流制御器45を介して電子源41を、集束レンズ電源46を介して集束レンズ42を、偏向電源47を介して偏向器43を制御するように構成されている。電子銃制御装置44は、造形物の形状や加工室内で配置される位置に応じて作成したビーム電流データ441、ビーム焦点制御データ442、偏向データ443を記憶しておき、これらのデータをもとにビーム電流、ビームの焦点、偏向によるビーム照射位置を制御するように構成されている。図中に表面処理工程における電子ビームの中心経路である中央ビーム軸26を示す。中央ビーム軸26は、偏向をかけない場合の電子ビームの軌道に相当する。二次造形物82は、積層造形工程の中央ビーム軸25に対して表面処理工程での中央ビーム軸26が直角になるように配置した。なお、表面処理工程において使用する電子ビーム照射機およびその構成要素を、第2の電子銃21、第2の電子ビーム照射室23、第2の電子ビーム照射機300のように、また電子ビーム22を第2の電子ビーム22と、「第2の」を付して称することもある。 Next, the surface treatment step will be described. FIG. 6 is a diagram showing the surface treatment step by a cross-sectional view of the electron beam irradiator 300 used in the surface treatment step. The electron beam irradiator 300 used in the surface treatment step includes an electron gun 1 and an electron beam irradiation chamber 3 as main components. The electron gun 21 is composed of an electron source 41, a focusing lens 42, and a deflector 43. The electron gun control device 44 is configured to control the electron source 41 via the electron beam current controller 45, the focusing lens 42 via the focusing lens power supply 46, and the deflector 43 via the deflection power supply 47. There is. The electron gun control device 44 stores beam current data 441, beam focus control data 442, and deflection data 443 created according to the shape of the modeled object and the position arranged in the processing chamber, and based on these data. It is configured to control the beam current, the focus of the beam, and the beam irradiation position by deflection. The central beam axis 26, which is the central path of the electron beam in the surface treatment step, is shown in the figure. The central beam axis 26 corresponds to the trajectory of the electron beam when no deflection is applied. The secondary model 82 was arranged so that the central beam axis 26 in the surface treatment process was perpendicular to the center beam axis 25 in the laminated modeling process. The electron beam irradiator and its components used in the surface treatment step can be used as in the second electron gun 21, the second electron beam irradiation chamber 23, the second electron beam irradiator 300, and the electron beam 22. May be referred to as a second electron beam 22 with a "second".

ここで、図7を参照して、積層造形工程における中央ビーム軸25と表面処理工程における中央ビーム軸26のなす角度について説明する。積層における層間の境界面60に対して積層造形工程の中央ビーム軸25のなす角α、積層における層間の境界面60に対して表面処理工程の中央ビーム軸26のなす角βとする。角度の極性は積層造形工程における中央ビーム軸側を正とする。α-βを中央ビーム軸25と中央ビーム軸26のなす角θ
とする。αは通常90度である。図2〜図4と図6で示した例の場合、αは90度、βは0度でありθは90度となる。
Here, with reference to FIG. 7, the angle formed by the central beam shaft 25 in the laminating molding process and the central beam axis 26 in the surface treatment process will be described. The angle α formed by the central beam shaft 25 in the lamination molding process is set with respect to the boundary surface 60 between the layers in the lamination, and the angle β formed by the central beam shaft 26 in the surface treatment step with respect to the boundary surface 60 between the layers in the lamination. The polarity of the angle is positive on the central beam axis side in the lamination molding process. The angle θ between α-β and the central beam axis 25 and the central beam axis 26
And. α is usually 90 degrees. In the case of the examples shown in FIGS. 2 to 4 and 6, α is 90 degrees, β is 0 degrees, and θ is 90 degrees.

電子銃制御装置44に記憶されているデータをもとに、電子ビーム22が偏向され二次造形物82の表面形状に応じて電子ビーム22の照射位置が移動して二次造形物82の表面を走査する。電子ビーム22が照射さている領域では表面深さ方向10〜300μmが溶融し、電子ビームが通り過ぎると凝固する。 Based on the data stored in the electron gun control device 44, the electron beam 22 is deflected and the irradiation position of the electron beam 22 moves according to the surface shape of the secondary model 82 to move the surface of the secondary model 82. To scan. In the region irradiated with the electron beam 22, 10 to 300 μm in the surface depth direction melts, and when the electron beam passes by, it solidifies.

ここで、造形物の表面の凹凸について説明する。図8に二次造形物82の断面の模式図を示す。図は3つの金属凝固層51が積層されている模様を示している。説明のために溶融前の金属粉末52を描いている。図の左側が二次造形物82の端面53である。積層の1層分の厚さを薄くすることが高精度化には有利であるが、同じ高さあたりに必要な積層数が増加するため、造形時間が大幅に増加する。積層厚さは50〜200μmが適切である。上述したように平均粒径20〜200μmの金属粉末が使われており、金属凝固層51の1層分の厚さと平均粒径は近い値になる。特に、平均粒径は50〜100μm、また積層の厚さも100μm前後が使われる場合が多く。積層の厚さと平均粒径が近い値の場合が多い。二次造形物82の端面53の表面には不完全結合部や余剰造形部が生じ凹凸が発生するが、図のように、電子ビームが照射された時の1層の溶融部の端面の形状は、層厚さに対して粒径が大きいため、粒の形の影響を受けて凹凸が多くなる。積層造形時の中央ビーム軸25に垂直な面では表面の凹凸は小さく、中央ビーム軸25に平行に近づくに従って表面の凹凸が大きくなる。電子ビーム照射方向に対して裏側の面も、端面と同様に表面の凹凸が大きくなる。 Here, the unevenness of the surface of the modeled object will be described. FIG. 8 shows a schematic view of a cross section of the secondary model 82. The figure shows a pattern in which three solidified metal layers 51 are laminated. For the sake of explanation, the metal powder 52 before melting is drawn. The left side of the figure is the end face 53 of the secondary model 82. Although reducing the thickness of one layer of lamination is advantageous for improving accuracy, the number of laminations required per the same height increases, so that the molding time increases significantly. A suitable stack thickness is 50 to 200 μm. As described above, a metal powder having an average particle size of 20 to 200 μm is used, and the thickness of one layer of the metal solidified layer 51 and the average particle size are close to each other. In particular, the average particle size is 50 to 100 μm, and the thickness of the laminate is often around 100 μm. In many cases, the thickness of the laminate and the average particle size are close to each other. On the surface of the end face 53 of the secondary model 82, incompletely bonded portions and excess shaped portions are formed and unevenness is generated. As shown in the figure, the shape of the end face of the one-layer fused portion when the electron beam is irradiated. Since the particle size is larger than the layer thickness, the unevenness increases due to the influence of the grain shape. The surface irregularities on the surface perpendicular to the central beam axis 25 during the laminated molding are small, and the surface irregularities increase as they approach parallel to the central beam axis 25. The surface on the back side with respect to the electron beam irradiation direction also has large irregularities on the surface as well as the end surface.

造形後の造形物の表面の凹凸の例を図9、10、11に示す。図は造形物表面の断面の模様である。横方向は表面に平行方向で縦方向がそこでの凹凸の様子になる。図9は積層造形時の中央ビーム軸25に平行な面、図10は中央ビーム軸25に直交する面、図11は電子ビーム照射側に対して裏側の面である。それぞれの表面粗さは、Raは
積層造形工程の中央ビーム軸25に平行な面 29μm
積層造形工程の中央ビーム軸25に直交する面 9μm
積層造形工程の電子ビーム照射側に対して裏面 27μm
程度であった。このように、積層造形時の中央ビーム軸25に平行な面において、積層方向にそって連続した凸、あるいは連続した凹が発生することが多い。
Examples of irregularities on the surface of the modeled object after modeling are shown in FIGS. 9, 10 and 11. The figure is a cross-sectional pattern on the surface of the modeled object. The horizontal direction is parallel to the surface, and the vertical direction is the appearance of unevenness there. FIG. 9 is a surface parallel to the central beam axis 25 during laminated molding, FIG. 10 is a surface orthogonal to the central beam axis 25, and FIG. 11 is a surface on the back side with respect to the electron beam irradiation side. As for each surface roughness, Ra is a surface 29 μm parallel to the central beam axis 25 in the laminating molding process.
A surface orthogonal to the central beam axis 25 in the laminating molding process 9 μm
27 μm on the back side with respect to the electron beam irradiation side of the lamination molding process
It was about. As described above, in the plane parallel to the central beam axis 25 at the time of laminating modeling, continuous convexes or continuous concaves are often generated along the laminating direction.

二次造形物82に対する表面処理工程の電子ビームの照射方向に関して説明する。図12は積層造形工程での一次造形物81と電子ビーム2の位置関係を示す。造形物の形状は球体の例で示す。球体の表面の点線は積層の各層の境界線61を示す。中央ビーム軸25は積層における各層の境界面に垂直方向を向いている。図13は表面処理工程での二次造形物82に対する電子ビーム22の照射方向を示す。積層造形工程における電子ビーム2の中央ビーム軸25に対して、表面処理工程の電子ビーム22の中央ビーム軸26が略直角となる方向に照射している。そのため、表面処理工程において、積層造形時の中央ビーム軸25に平行な面に対して電子ビームを効率よく照射できる。71は造形物上の電子ビームの照射位置の軌跡を示す。 The irradiation direction of the electron beam in the surface treatment step on the secondary model 82 will be described. FIG. 12 shows the positional relationship between the primary model 81 and the electron beam 2 in the laminated modeling process. The shape of the modeled object is shown by the example of a sphere. The dotted line on the surface of the sphere indicates the boundary line 61 of each layer of the stack. The central beam axis 25 is oriented perpendicular to the interface of each layer in the stack. FIG. 13 shows the irradiation direction of the electron beam 22 on the secondary model 82 in the surface treatment step. The central beam axis 26 of the electron beam 22 in the surface treatment step is irradiated in a direction substantially perpendicular to the central beam axis 25 of the electron beam 2 in the laminated molding step. Therefore, in the surface treatment step, the electron beam can be efficiently irradiated to the surface parallel to the central beam axis 25 at the time of laminated molding. Reference numeral 71 denotes a locus of the irradiation position of the electron beam on the modeled object.

図14は表面処理工程での、二次造形物82上における電子ビーム22の照射の軌跡71を示している。電子ビームの照射位置は同図中で上下方向に移動している。電子ビーム照射位置が上の端まで移動した後、同図中の右方向に移動し、72で示す軌跡の間隔をあけて下方向に移動する。以下、この往復の動きを繰り返す。従って、積層造形工程での積層の各層の境界線61に対して電子ビームの照射位置の軌跡は直交する。電子ビーム照射位置は電子ビーム22を偏向器43で制御するのが好ましい。 FIG. 14 shows the irradiation locus 71 of the electron beam 22 on the secondary model 82 in the surface treatment step. The irradiation position of the electron beam moves in the vertical direction in the figure. After the electron beam irradiation position moves to the upper end, it moves to the right in the figure and moves downward with an interval of the locus shown by 72. Hereinafter, this reciprocating movement is repeated. Therefore, the locus of the irradiation position of the electron beam is orthogonal to the boundary line 61 of each layer of the lamination in the lamination molding step. The electron beam irradiation position is preferably controlled by the deflector 43 of the electron beam 22.

二次造形物82の表面に電子ビームが照射されることにより金属が溶融した溶融池が形成される。電子ビームの照射位置の移動にともない溶融池は移動する。電子ビームを照射したときに発生する溶融池は電子ビームの移動方向を長軸とする楕円になるため、上記のように積層の各層の境界線に対して直交方向に電子ビームを移動させると、積層の複数の層にまたがる長い溶融池を形成し、積層の層毎に形成されていた凹凸を溶かして平滑化効果を高めることができる。 By irradiating the surface of the secondary model 82 with an electron beam, a molten pool in which the metal is melted is formed. The molten pool moves as the irradiation position of the electron beam moves. Since the molten pool generated when the electron beam is irradiated becomes an ellipse with the moving direction of the electron beam as the major axis, if the electron beam is moved in the direction orthogonal to the boundary line of each layer of the stack as described above, It is possible to form a long molten pool that spans a plurality of laminated layers and melt the unevenness formed in each laminated layer to enhance the smoothing effect.

上記では、電子ビームを偏向器43により制御して、造形物表面上を移動(図中の右方向への移動)させて照射する例で説明したが、電子ビームの進行方向を固定して、二次造形物82を回転ステージ等で回転させながら、造形物表面上の電子ビームの照射位置を移動させることもできる。この場合、電子ビームを二次造形物82の表面に効率的に照射でき、短時間で表面処理を行うことができる。また、電子ビームと造形物の両方を移動させても良いのは言うまでもない。 In the above, the example in which the electron beam is controlled by the deflector 43 to move on the surface of the modeled object (move to the right in the figure) to irradiate the object has been described. However, the traveling direction of the electron beam is fixed. It is also possible to move the irradiation position of the electron beam on the surface of the modeled object while rotating the secondary modeled object 82 on a rotating stage or the like. In this case, the surface of the secondary model 82 can be efficiently irradiated with the electron beam, and the surface treatment can be performed in a short time. Needless to say, both the electron beam and the modeled object may be moved.

ここで、電子ビームを照射することによる造形物の表面の平滑化に関して図15および図16を参照して説明する。図は二次造形物の表面にある凹凸の状況75を示している。凹凸の間隔(凸と凸の間隔または凹と凹の間隔)は積層の1層分の層厚さや金属粉末の粒径に依存する。一実施例として実験した、積層の1層分の厚さが100μm、金属粉末の平均粒径が60μmの場合、凹凸の間隔は100〜200μmが多かった。 Here, the smoothing of the surface of the modeled object by irradiating the electron beam will be described with reference to FIGS. 15 and 16. The figure shows the state 75 of the unevenness on the surface of the secondary model. The spacing between irregularities (interval between convex and convex or between concave and concave) depends on the layer thickness of one layer of the laminate and the particle size of the metal powder. In the experiment as an example, when the thickness of one layer of the laminate was 100 μm and the average particle size of the metal powder was 60 μm, the interval between the irregularities was often 100 to 200 μm.

この凹凸部に電子ビーム22を照射すると溶融池76が形成される。電子ビーム22は図中の矢印78の方向に移動している。図中のwは溶融池の幅を示す。凹凸部が溶融し、電子ビーム22の終端部から順番に凝固していく。図15に示すように、溶融池76の幅wが凹凸の間隔以上の広い範囲であると、凹凸は溶けてしまい平均化されるため凹凸が小さくなり平滑化される。図16に示すように、凹凸の間隔に対して溶融池76の幅wが狭いと凹凸の平滑化効果は小さくなる。よって、溶融池の幅wが、凹凸の間隔に対応して予め設定した寸法以上となるようにするのが良い。凹凸の間隔は、上述のように、積層造形工程において形成された金属凝固層の厚さに対応して生ずる。このため、積層造形工程において形成された金属凝固層の厚さ方向における溶融池の幅wが金属凝固層の厚さの2倍以上となるようにするのが好ましい。 When the uneven portion is irradiated with the electron beam 22, the molten pool 76 is formed. The electron beam 22 is moving in the direction of arrow 78 in the figure. W in the figure indicates the width of the molten pool. The uneven portion melts and solidifies in order from the terminal portion of the electron beam 22. As shown in FIG. 15, when the width w of the molten pool 76 is a wide range equal to or larger than the interval of the unevenness, the unevenness is melted and averaged, so that the unevenness becomes small and smoothed. As shown in FIG. 16, when the width w of the molten pool 76 is narrower than the distance between the irregularities, the smoothing effect of the irregularities becomes small. Therefore, it is preferable that the width w of the molten pool is equal to or larger than the preset size corresponding to the interval between the irregularities. As described above, the spacing between the irregularities is generated corresponding to the thickness of the solidified metal layer formed in the laminating molding step. Therefore, it is preferable that the width w of the molten pool in the thickness direction of the metal solidified layer formed in the laminated molding step is twice or more the thickness of the metal solidified layer.

溶融池の幅wを調整するためにビーム径、ビームパワー、ビームの強度分布形状などの電子ビーム22のパラメータを調整する。すなわち、積層造形工程において形成された金属凝固層の厚さ方向における溶融池の幅wが予め設定した寸法以上となるよう電子ビーム22のパラメータを設定する。ここで、ビーム径について説明する。図17に集束された電子ビームのビームプロファイルを示す。横軸が径方向の寸法、縦軸は電流密度である。電流密度のピーク値Jpに対して、半分の電流密度のビームの幅(半値全幅)dでビーム径を表す。また、強度分布がフラットな形状のビームにすることもできる、この場合、ビーム径はフラット部分の径として定義できる。 The parameters of the electron beam 22 such as the beam diameter, the beam power, and the beam intensity distribution shape are adjusted in order to adjust the width w of the molten pool. That is, the parameters of the electron beam 22 are set so that the width w of the molten pool in the thickness direction of the metal solidified layer formed in the laminated molding step is equal to or larger than a preset dimension. Here, the beam diameter will be described. FIG. 17 shows the beam profile of the focused electron beam. The horizontal axis is the radial dimension, and the vertical axis is the current density. The beam diameter is represented by the width (full width at half maximum) d of the beam having half the current density with respect to the peak value Jp of the current density. Further, the beam may have a shape with a flat intensity distribution. In this case, the beam diameter can be defined as the diameter of the flat portion.

適切なビームパワーを与えた場合、溶融池の幅wはビーム径相当となるため、積層の層厚さの2倍以上にビーム径を制御するとよい。層厚さが100μmの場合は、ビーム径が200
μm以上がよい。ビーム径の簡単な調整は、ビーム照射位置での電子ビームの集束状態を
調整することで可能である。電子ビームの集束状態は集束レンズ電流により調整することができる。ビームパワーは、電子源41で電子ビームを加速する加速電圧は一定に保ち、電子ビームの電流値を変えて調整することが多い。
When an appropriate beam power is applied, the width w of the molten pool is equivalent to the beam diameter, so it is preferable to control the beam diameter to be at least twice the layer thickness of the laminated layer. When the layer thickness is 100 μm, the beam diameter is 200.
μm or more is good. The beam diameter can be easily adjusted by adjusting the focused state of the electron beam at the beam irradiation position. The focused state of the electron beam can be adjusted by the focusing lens current. The beam power is often adjusted by keeping the accelerating voltage for accelerating the electron beam at the electron source 41 constant and changing the current value of the electron beam.

溶融池の幅が広すぎると、本来必要な形状、例えば小さな突起部分やエッジなどが滑らかになってしまうことがある。200μmより大きい凹凸を精度よく形成するには、溶融池、ビーム径の上限は積層厚さの5倍程度より小さいことが望ましい。これらのことから、積層厚さに対して2〜5倍の溶融池を形成するのが望ましい。このためには、積層厚さの2〜5倍のビーム径に制御することが望ましい。突起部やエッジ部、他精度の必要な箇所は、表面処理のビームを照射しないように制御すればよい。これは、形状データをもとに偏向データにより制御することができる。 If the width of the molten pool is too wide, the originally required shape, such as small protrusions and edges, may become smooth. In order to accurately form irregularities larger than 200 μm, it is desirable that the upper limit of the molten pool and beam diameter is smaller than about 5 times the laminated thickness. From these facts, it is desirable to form a molten pool that is 2 to 5 times the laminated thickness. For this purpose, it is desirable to control the beam diameter to be 2 to 5 times the laminated thickness. The protrusions, edges, and other parts that require precision may be controlled so as not to irradiate the surface-treated beam. This can be controlled by deflection data based on the shape data.

ここで、一実施例による結果を示す。Tiの平均粒径60μmの粉末を使用し、層の厚さを100μmmとして実験を行った。積層の各層の境界線に対して電子ビームの照射位置の移動方向が直角の方向になるように電子ビームを偏向で移動させた。ビーム移動速度は1m/s、ビームパワーは600Wである。また、このとき電子ビームの軌跡の間隔(図14の符号72で示す間隔)は100μmとした。表面処理工程後の最終の造形物の表面の凹凸の例を図18(積層造形時のビーム軸に平行な面)、図19(ビーム軸に直交する面)、図20(ビーム照射側に対して裏側の面)に示す。表面処理によって、積層造形時のビーム軸に平行な面、ビーム軸に直交する面、ビーム照射側に対して裏側の面の表面粗さRaは次のように改善された。 Here, the result by one example is shown. Experiments were conducted using a powder with an average Ti particle size of 60 μm and a layer thickness of 100 μmm. The electron beam was deflected so that the moving direction of the irradiation position of the electron beam was perpendicular to the boundary line of each layer of the stack. The beam moving speed is 1 m / s and the beam power is 600 W. At this time, the interval between the trajectory of the electron beam (the interval indicated by reference numeral 72 in FIG. 14) was set to 100 μm. Examples of surface irregularities of the final modeled product after the surface treatment step are FIG. 18 (plane parallel to the beam axis during laminated molding), FIG. 19 (plane orthogonal to the beam axis), and FIG. 20 (with respect to the beam irradiation side). Shown on the back side). By the surface treatment, the surface roughness Ra of the surface parallel to the beam axis, the surface orthogonal to the beam axis, and the surface on the back side with respect to the beam irradiation side at the time of laminated molding was improved as follows.

Figure 0006768459
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このように、三次元積層造形方法および装置では、積層造形工程、金属粉末除去工程、表面処理工程に分離し、積層造形が完了し、金属粉末を除去した二次造形物に、積層造形工程の中央ビーム軸とは異なる方向から電子ビームを照射できるように構成したため、二次造形物の表面の凹凸が大きく表面粗さが大きな表面に電子ビームを照射でき、表面を滑らかにできる効果が得られた。 In this way, the three-dimensional laminated modeling method and device are separated into a laminated modeling step, a metal powder removing step, and a surface treatment step, and the laminated modeling is completed, and the secondary model from which the metal powder has been removed is subjected to the laminated modeling step. Since the electron beam can be irradiated from a direction different from the central beam axis, the electron beam can be irradiated to the surface of the secondary model having large irregularities and large surface roughness, and the effect of smoothing the surface can be obtained. It was.

熱源に電子ビームを適用したため、金属粉末の表面での反射の影響なく効率よく加熱され、溶融・凝固が行われ、造形物の崩れ等が発生せず安定に生産できる効果がある。また、積層造形の工程が完了し造形物の形成が完了したあとに、表面処理のため熱源として電子ビームを照射するように構成したため、造形物の熱変形が抑制でき精度の高い積層造形が可能になる効果がある。 Since the electron beam is applied to the heat source, it is efficiently heated without being affected by reflection on the surface of the metal powder, melted and solidified, and there is an effect that stable production can be performed without collapse of the modeled object. In addition, after the process of laminated modeling is completed and the formation of the modeled object is completed, it is configured to irradiate an electron beam as a heat source for surface treatment, so that thermal deformation of the modeled object can be suppressed and highly accurate laminated modeling is possible. Has the effect of becoming.

さらに、積層造形工程での積層の各層の境界線に対して、表面処理工程の電子ビームの照射位置の軌跡が直交するようにビーム照射位置を移動させることで、表面の凹凸を低減
する効果を高くできる効果があった。
Furthermore, by moving the beam irradiation position so that the trajectory of the electron beam irradiation position in the surface treatment process is orthogonal to the boundary line of each layer of the lamination in the lamination molding process, the effect of reducing surface irregularities can be achieved. There was an effect that could be increased.

なお、表面処理工程における電子ビームの照射位置の移動方向は積層の層間の境界線に直交方向に限ったものではなく、積層の層間の境界線に対して電子ビームの照射位置が交差するように移動し、その時に形成される溶融池が、積層における1層の層厚さ以上あり、造形物の凹凸の間隔以上にまたがる程度であれば同等の効果を得ることができる。 The moving direction of the electron beam irradiation position in the surface treatment step is not limited to the direction orthogonal to the boundary line between the layers of the stack, but the irradiation position of the electron beam intersects the boundary line between the layers of the stack. The same effect can be obtained as long as the molten pool that moves and is formed at that time has a layer thickness of one layer or more in the lamination and extends over the interval of the unevenness of the modeled object.

表面処理工程において、二次造形物を回転させることで、表面処理を短時間でできることを示したように、積層造形工程の電子ビームの軸に対して、相対的に、表面処理工程の電子ビームのビーム軸の方向が変わるようにすることで短時間に表面処理できる効果を得ることができた。 As shown by showing that the surface treatment can be performed in a short time by rotating the secondary model in the surface treatment step, the electron beam in the surface treatment step is relative to the axis of the electron beam in the laminated molding step. By changing the direction of the beam axis, it was possible to obtain the effect of surface treatment in a short time.

なお、図13では電子銃を横に配置した例を示したが、電子銃は上方に固定し二次造形物82の向きを一次造形物81の向きとは異なる向きに変えて設置して電子ビーム22を照射しても同等の効果が得られる。また、積層造形工程の中央ビーム軸25と表面処理工程の中央ビーム軸26のなす角θ(=α―β、図8参照)が90度の場合を示したが、角度θは90度に限定されるものではなく、造形物の表面に効率よく電子ビームを照射できる角度であれば同等の効果を得ることができる。 Although FIG. 13 shows an example in which the electron gun is arranged horizontally, the electron gun is fixed upward and the direction of the secondary model 82 is changed to a direction different from the direction of the primary model 81. The same effect can be obtained by irradiating the beam 22. Further, the case where the angle θ (= α-β, see FIG. 8) formed by the central beam axis 25 in the laminating molding process and the central beam axis 26 in the surface treatment process is 90 degrees is shown, but the angle θ is limited to 90 degrees. The same effect can be obtained as long as the surface of the modeled object can be efficiently irradiated with the electron beam.

また、三次元積層造形方法および装置では、仕上げ加工なしで、複雑な形状で精度の高い造形物を安定に供給できる効果がある。 In addition, the three-dimensional laminated modeling method and apparatus have the effect of being able to stably supply a highly accurate modeled object having a complicated shape without finishing.

実施の形態2.
この発明の実施の形態2による三次元積層造形方法における表面処理工程での電子ビーム照射の模様を、電子ビーム照射機300の断面図により図21に示す。出力がkwオーダの電子ビームでは、通常、数mm以上の焦点深度を持つ。偏向によるビーム収差のない範囲では、造形物の平坦な面に対して電子ビームを照射する場合、焦点変動の影響は無視しても効果はかわらない。焦点深度は有限であり、造形物の形状が曲面や複数の面の組合せ、穴やへこみの組合せなど複雑な場合、焦点の補正により表面処理の効果を高めることができる。
Embodiment 2.
FIG. 21 shows a pattern of electron beam irradiation in the surface treatment step in the three-dimensional laminated molding method according to the second embodiment of the present invention by a cross-sectional view of the electron beam irradiator 300. An electron beam with an output of kw order usually has a depth of focus of several mm or more. In the range where there is no beam aberration due to deflection, when the electron beam is irradiated to the flat surface of the modeled object, the effect does not change even if the influence of the focus fluctuation is ignored. The depth of focus is finite, and when the shape of the modeled object is complicated, such as a combination of curved surfaces and multiple surfaces, and a combination of holes and dents, the effect of surface treatment can be enhanced by correcting the focus.

電子ビームの焦点を調整しビーム照射部の溶融状態を一定に保ち、安定な表面処理を行う。本実施の形態では集束レンズの焦点距離を調整して造形物の表面に焦点が合うように調整する。図21は、球状の二次造形物82に電子ビームを照射した例を示している。電子ビームの照射方向が91になるように偏向されている場合、二次造形物82の表面92の位置に電子ビームの焦点があっている。偏向器43の制御により電子ビームの照射方向が93に移動した時に、焦点調整を行わなかった場合の焦点は94の位置となる。集束レンズ42を調整し焦点を95で示す位置に遠ざけることで二次造形物82の表面で常に電子ビームの焦点を結ばせることができる。 The focus of the electron beam is adjusted to keep the molten state of the beam irradiation part constant, and stable surface treatment is performed. In the present embodiment, the focal length of the focusing lens is adjusted so that the surface of the modeled object is in focus. FIG. 21 shows an example in which a spherical secondary model 82 is irradiated with an electron beam. When the irradiation direction of the electron beam is deflected to 91, the electron beam is focused at the position of the surface 92 of the secondary model 82. When the irradiation direction of the electron beam is moved to 93 by the control of the deflector 43, the focus is at the position of 94 when the focus is not adjusted. By adjusting the focusing lens 42 and moving the focal point away from the position indicated by 95, the electron beam can always be focused on the surface of the secondary model 82.

電子銃では通常、磁気集束レンズを用いておりレンズ電流値を制御することで調整できる。光ビームのように機械的な駆動装置によるビーム照射ヘッドの制御やガルバノメータ式スキャナーは不要である。ビーム照射方向を制御する偏向器43の制御信号に同期して集束レンズの電流を電気的に制御することで、常に二次造形物82の表面に電子ビームの焦点を合わすことができる。これにより安定に表面処理でき、表面の滑らかな造形物8を得ることができた。なお、集束レンズ電流は造形物の形状データを元にビーム照射位置に応じた焦点距離に相当する電流値を予め計算しておく。 Electron guns usually use a magnetically focused lens, which can be adjusted by controlling the lens current value. There is no need to control the beam irradiation head with a mechanical drive device like an optical beam or a galvanometer scanner. By electrically controlling the current of the focusing lens in synchronization with the control signal of the deflector 43 that controls the beam irradiation direction, the electron beam can always be focused on the surface of the secondary model 82. As a result, the surface could be treated stably, and a model 8 having a smooth surface could be obtained. For the focused lens current, the current value corresponding to the focal length according to the beam irradiation position is calculated in advance based on the shape data of the modeled object.

電子ビームの場合、表面処理における造形物上の電子ビームの移動速度は1〜10m/sで高速に移動しているが、電気的に集束レンズ電流を制御するため、機械的な動きが不
要であり、ビーム移動に十分に追随させた焦点補正が可能である。なお、集束レンズ42は直流用の集束レンズと補正用の高速動作用の集束レンズ(ダイナミックフォーカスレンズと呼ばれる)の2個の集束レンズを組合せて使用しても同等の効果を得ることができる。
In the case of an electron beam, the moving speed of the electron beam on the modeled object in surface treatment is as high as 1 to 10 m / s, but since the focused lens current is electrically controlled, no mechanical movement is required. Yes, it is possible to correct the focus so that it follows the beam movement sufficiently. The same effect can be obtained by using the focusing lens 42 in combination with two focusing lenses, a DC focusing lens and a high-speed operation focusing lens (called a dynamic focus lens) for correction.

この発明の実施の形態2による三次元積層造形方法および装置では、実施の形態1で示したように二次造形物82の表面の凹凸が大きく表面粗さが大きな表面に電子ビームを照射でき、表面を滑らかにできる効果があることに加えて、造形物の表面形状にあわせて、電子ビームの照射位置とビーム径を制御するように構成したため、表面形状が複雑な造形物でも表面を滑らかにできる効果がある。なお、図21では球状の造形物で説明したが、他の複雑な形状の造形物においても同様に表面処理が可能である。 In the three-dimensional laminated modeling method and apparatus according to the second embodiment of the present invention, as shown in the first embodiment, the surface of the secondary model 82 having large irregularities and a large surface roughness can be irradiated with an electron beam. In addition to the effect of smoothing the surface, the electron beam irradiation position and beam diameter are controlled according to the surface shape of the modeled object, so the surface can be smoothed even on a modeled object with a complicated surface shape. There is an effect that can be done. In FIG. 21, the spherical shaped object has been described, but the surface treatment can be similarly applied to other complicated shaped objects.

実施の形態3.
この発明の実施の形態3による三次元積層造形方法における表面処理工程での電子ビーム照射の模様を、電子ビーム照射機300の断面図により図22に示す。電子ビームをある方向に向けて照射する場合に、96の矢印の幅で電子ビームをビーム軸の垂直な方向に振動させる、いわゆるビームオシレーションをかけて照射する。図23はビームオシレーションをかけるための電子銃21の構成を説明する図である。偏向器43で電子ビーム22のビーム照射位置(照射方向)を制御している。ビーム位置の移動を示す偏向データ402とビームオシレーション信号403を加算器401で加算した信号で偏向電源47を介して偏向器43を駆動する。オシレーション信号は数kHzから100kHz程度の高周波数の三角波で振幅はビーム照射位置の振幅で0.1〜2mm程度が選ばれる。偏向データは通常のビーム照射位置を移動するデータである。オシレーション信号により、ワーク193上で、電子ビームは細線矢印96で示す小さな振幅で高周波に振動しながら、ビーム照射位置が太線矢印192で示すように移動する。電子ビームはビームオシレーションの周波数が高いため、ワークに対しては見かけ上ビーム径が大きくなったのと同等に作用する。
Embodiment 3.
FIG. 22 shows a pattern of electron beam irradiation in the surface treatment step in the three-dimensional laminated molding method according to the third embodiment of the present invention by a cross-sectional view of the electron beam irradiator 300. When the electron beam is irradiated in a certain direction, the electron beam is vibrated in the direction perpendicular to the beam axis with the width of the arrow 96, that is, so-called beam oscillation is applied to irradiate the electron beam. FIG. 23 is a diagram illustrating a configuration of an electron gun 21 for applying beam oscillation. The deflector 43 controls the beam irradiation position (irradiation direction) of the electron beam 22. The deflector 43 is driven via the deflection power supply 47 by the signal obtained by adding the deflection data 402 indicating the movement of the beam position and the beam oscillation signal 403 by the adder 401. The oscillation signal is a high-frequency triangular wave of about several kHz to 100 kHz, and the amplitude is selected to be about 0.1 to 2 mm depending on the amplitude of the beam irradiation position. The deflection data is data that moves the normal beam irradiation position. Due to the oscillation signal, the electron beam oscillates at a high frequency with a small amplitude indicated by the thin line arrow 96 on the work 193, and the beam irradiation position moves as shown by the thick line arrow 192. Since the electron beam has a high beam oscillation frequency, it acts on the work as if the beam diameter was apparently increased.

図22ではビーム偏向で二次造形物82の表面に電子ビームを照射している時に、偏向器43に高周波のオシレーション信号を重畳し、ビーム照射位置を振動させるビームオシレーションを加えた、矢印96で示す幅だけ振動させる。オシレーションの振幅0.5mm、
周波数10kHz、オシレーション波形三角波でビームオシレーションを加え、表面処理の溶融池の幅を安定に制御できた。
In FIG. 22, when the surface of the secondary model 82 is irradiated with an electron beam by beam deflection, a high-frequency oscillation signal is superimposed on the deflector 43, and beam oscillation is added to vibrate the beam irradiation position. Vibrate by the width indicated by 96. Oscillation amplitude 0.5 mm,
Beam oscillation was applied with a frequency of 10 kHz and an oscillation waveform triangular wave, and the width of the molten pool for surface treatment could be controlled stably.

実施の形態1で説明したように造形物の表面を滑らかにするためには、積層の層の厚さ、金属粉末の粒径に応じて溶融池の幅を制御することで効果を高めることができる。溶融池の幅はビームパワーで制御可能であるが、溶融深さも同時に変わってしまう。ビームオシレーションを用いることで、深さ方向の溶け込み幅を大きくせず、また熱影響を少なく保って、溶融池の幅を大きくすることができる。 As described in the first embodiment, in order to smooth the surface of the modeled object, it is possible to enhance the effect by controlling the width of the molten pool according to the thickness of the laminated layer and the particle size of the metal powder. it can. The width of the molten pool can be controlled by beam power, but the melting depth also changes at the same time. By using beam oscillation, it is possible to increase the width of the molten pool without increasing the penetration width in the depth direction and keeping the heat effect small.

実施の形態3による三次元積層造形方法および装置では、実施の形態1、2で示したように造形物の表面の凹凸が大きく表面粗さの大きな表面を滑らかにでき、表面形状の複雑な造形物の表面を滑らかにできる効果があることに加えて、造形物への熱影響を少ない状態に保ちながら、表面を滑らかにできる効果がある。 In the three-dimensional laminated modeling method and apparatus according to the third embodiment, as shown in the first and second embodiments, the surface of the modeled object has large irregularities and a large surface roughness can be smoothed, and the surface shape is complicated. In addition to having the effect of smoothing the surface of an object, it also has the effect of smoothing the surface while keeping the heat effect on the modeled object small.

また、積層造形工程における1層の層の厚さを変えたときや、金属粉末の粒径が変わったときには、造形物の表面の凹凸の間隔が変わる。表面の凹凸を平滑化するために最適な溶融池の幅の調整するために、ビームオシレーションの振幅の調整が適しており、簡単に表面の滑らかな造形物を製造できる。 Further, when the thickness of one layer in the laminated modeling step is changed or when the particle size of the metal powder is changed, the interval between the irregularities on the surface of the modeled object changes. In order to adjust the width of the molten pool that is optimal for smoothing the unevenness of the surface, the amplitude of the beam oscillation is suitable, and a model with a smooth surface can be easily manufactured.

実施の形態4.
この発明の実施の形態4による三次元積層造形方法における表面処理工程での電子ビーム照射の模様を図24に概念図として示す。積層造形工程での中央ビーム軸25に対して、表面処理工程での中央ビーム軸26のなす角θが135度になる位置に電子銃21を配置した。なお、積層造形工程の中央ビーム軸25と表面処理工程の中央ビーム軸が交差する場合は角θは簡単に表される。交差しない場合は図7で説明したように、積層における層間の境界面に対する角度により定義される。
Embodiment 4.
The pattern of electron beam irradiation in the surface treatment step in the three-dimensional laminated molding method according to the fourth embodiment of the present invention is shown as a conceptual diagram in FIG. The electron gun 21 was arranged at a position where the angle θ formed by the central beam shaft 26 in the surface treatment step was 135 degrees with respect to the central beam shaft 25 in the laminating molding step. When the central beam axis 25 in the laminated molding process and the central beam axis in the surface treatment process intersect, the angle θ is simply represented. If they do not intersect, they are defined by the angle with respect to the interface between the layers in the stack, as described in FIG.

本実施の形態4によれば、表面処理工程において、積層造形時に電子ビーム照射側からみて造形物の裏側となる面に電子ビームを効率よく照射できる。二次造形物82の裏面の表面粗さは側面と同等の凹凸が発生している。表面処理工程において、裏面に対して電子ビームを効率的に照射でき、表面の凹凸を低減し、表面を平滑にすることが可能である。図25は装置構成の例を示している。左側の図25Aは積層造形工程を示す図、右側の図25Bは表面処理工程を示す図である。図では積層造形工程における一次造形物81と表面処理工程における二次造形物82の配置方向を同じ方向にして、それぞれの電子銃の配置方向を変えている。ただし、ビーム軸方向が同一の電子銃を用いて、造形物の配置方向を変えてもよい。また、電子銃1と電子銃21として同じ電子銃、電子ビーム照射室3と電子ビーム照射室23として同じ電子ビーム照射室を使用してもよい。上記では、積層造形時の中央ビーム軸25と表面処理時の中央ビーム軸26のなす角度が135度の例を示したが、造形物の形状により、θとして90度〜180度の間の角度を選べばよい。 According to the fourth embodiment, in the surface treatment step, the electron beam can be efficiently irradiated to the surface which is the back side of the modeled object when viewed from the electron beam irradiation side during the laminated modeling. The surface roughness of the back surface of the secondary model 82 has the same unevenness as the side surface. In the surface treatment step, the back surface can be efficiently irradiated with an electron beam, the unevenness of the surface can be reduced, and the front surface can be smoothed. FIG. 25 shows an example of the device configuration. FIG. 25A on the left side is a diagram showing a laminated molding process, and FIG. 25B on the right side is a diagram showing a surface treatment process. In the figure, the arrangement directions of the primary model 81 in the laminated modeling process and the secondary model 82 in the surface treatment process are set to the same direction, and the arrangement directions of the respective electron guns are changed. However, the arrangement direction of the modeled object may be changed by using electron guns having the same beam axis direction. Further, the same electron gun as the electron gun 1 and the electron gun 21, and the same electron beam irradiation chamber as the electron beam irradiation chamber 3 and the electron beam irradiation chamber 23 may be used. In the above, an example is shown in which the angle formed by the central beam shaft 25 during laminated molding and the central beam shaft 26 during surface treatment is 135 degrees, but the angle between 90 degrees and 180 degrees as θ depends on the shape of the modeled object. You just have to choose.

特許文献1に記載されている従来の積層造形方法では、粉末の層を敷くことと、その層へ光ビームを照射して下層の凝固した層との一体化を繰り返し、積層造形作業の途中に、積層造形の途中の造形物を粉末の層から取出し、光ビームを端面に水平方向から照射していた。積層造形の途中で、端面に光ビームを照射するため、再び積層造形を行うことができるように、直前に敷かれた粉末の層から、造形物を鉛直方向に少し持ちあげて光ビームを水平方向から照射するという複雑な方法が使われている。しかし、この方法でも、光ビームの再照射のときには、造形物のほとんどの部分は金属粉末に埋まっており、光ビームを任意の方向、特に下側から上向きに光ビームを照射することはできないという課題があった。 In the conventional laminated molding method described in Patent Document 1, a layer of powder is laid and the layer is irradiated with a light beam to repeatedly integrate with the solidified layer of the lower layer, and during the laminated molding work. , The modeled object in the middle of the laminated modeling was taken out from the powder layer, and the end face was irradiated with a light beam from the horizontal direction. Since the end face is irradiated with the light beam in the middle of the laminated modeling, the light beam is horizontally lifted from the layer of powder laid immediately before so that the laminated modeling can be performed again. A complicated method of irradiating from the direction is used. However, even with this method, when the light beam is re-irradiated, most of the modeled object is buried in metal powder, and the light beam cannot be irradiated in any direction, especially from the bottom to the top. There was a challenge.

本発明の実施の形態4による三次元積層造形方法および装置では、上述したように、積層造形工程、金属粉末除去工程、表面処理工程に分離し、積層造形が完了し金属粉末を除去した二次造形物に、任意の方向から電子ビームを照射できるように構成したため、積層造形工程のビーム照射方向に対して反対側にあたる二次造形物の表面に対しても、表面処理工程で電子ビームを照射でき、表面を滑らかにできる効果が得られる。 In the three-dimensional laminated molding method and apparatus according to the fourth embodiment of the present invention, as described above, the secondary molding step, the metal powder removing step, and the surface treatment step are separated, and the laminated molding is completed and the metal powder is removed. Since the modeled object is configured to be able to irradiate the electron beam from any direction, the surface of the secondary modeled object, which is on the opposite side of the beam irradiation direction in the laminated modeling process, is also irradiated with the electron beam in the surface treatment process. It is possible to obtain the effect of smoothing the surface.

実施の形態5.
図26は、本発明の実施の形態5による三次元積層造形装置の概略構成を示す断面図である。実施の形態5による三次元積層造形装置では、三次元積層造形装置として、積層造形工程を実行する第1の電子ビーム照射機100、金属粉末除去工程を実行する金属粉末除去機200、表面処理工程を実行する第2の電子ビーム照射機300を有し、連続して処理できるように構成している。第1の電子ビーム照射機100の電子ビーム照射室3と金属粉末除去機200の金属粉末除去室11の間は第1のゲート102で仕切られている。積層造形工程中は第1のゲート102は閉められており、積層造形工程終了後、第1のゲート102を開けて未溶融の金属粉末が付着した一次造形物81を第1のゲート102を通して金属粉末除去装置200に送り込む。金属粉末除去機200の金属粉末除去室11と第2の電子ビーム照射機300の第2の電子ビーム照射室23間は第2のゲート203で仕切られている。金属粉末除去機200において金属粉末除去工程を実行している間は、第1のゲート102および第2のゲート203は閉められている。金属粉末除去工程終了後、第2のゲート203を開け、付着していた金属粉末が除去された二次造形物82を第2の電子ビーム照射室23に送り込む。その後、第2の電子ビーム照射室23内で表面処理工程を実行する。なお、処理される各造形物を金属粉末除去室と各電子ビーム照射室の間で移動させるためのステージなどの輸送機構も備えている。
Embodiment 5.
FIG. 26 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a three-dimensional laminated modeling apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. In the three-dimensional laminated molding apparatus according to the fifth embodiment, as the three-dimensional laminated molding apparatus, a first electron beam irradiator 100 that executes a laminated molding step, a metal powder removing machine 200 that executes a metal powder removing step, and a surface treatment step. It has a second electron beam irradiator 300 for executing the above, and is configured to be capable of continuous processing. The electron beam irradiation chamber 3 of the first electron beam irradiator 100 and the metal powder removal chamber 11 of the metal powder remover 200 are partitioned by a first gate 102. The first gate 102 is closed during the laminating molding process, and after the laminating molding process is completed, the first gate 102 is opened and the primary model 81 to which the unmelted metal powder is attached is passed through the first gate 102 to metal. It is sent to the powder removing device 200. The metal powder removing chamber 11 of the metal powder removing machine 200 and the second electron beam irradiating chamber 23 of the second electron beam irradiator 300 are separated by a second gate 203. While the metal powder removing step is being performed in the metal powder removing machine 200, the first gate 102 and the second gate 203 are closed. After the metal powder removing step is completed, the second gate 203 is opened, and the secondary model 82 from which the adhering metal powder has been removed is sent to the second electron beam irradiation chamber 23. After that, the surface treatment step is executed in the second electron beam irradiation chamber 23. It also has a transport mechanism such as a stage for moving each model to be processed between the metal powder removal chamber and each electron beam irradiation chamber.

第1の電子ビーム照射機100、金属粉末除去機200、第2の電子ビーム照射機300および各ゲートは、中央制御装置50により制御され、積層造形工程、金属粉末除去工程、表面処理工程が実行される。中央制御装置50は、CPUとメモリを備えており、メモリに保存された各装置の制御パラメータなどに基づいてCPUが必要な演算処理を行い、各装置に対する指令を送出する。中央制御装置50と各装置の間に、電子銃制御装置のようなローカル制御装置を設けても良い。また、中央制御装置50は複数の計算機で構成されていても良い。 The first electron beam irradiator 100, the metal powder remover 200, the second electron beam irradiator 300, and each gate are controlled by the central control device 50, and the laminating molding step, the metal powder removing step, and the surface treatment step are executed. Will be done. The central control device 50 includes a CPU and a memory, and the CPU performs necessary arithmetic processing based on the control parameters of each device stored in the memory and sends a command to each device. A local control device such as an electron gun control device may be provided between the central control device 50 and each device. Further, the central control device 50 may be composed of a plurality of computers.

本実施の形態5によれば、積層造形、金属粉末除去、表面処理の連続した処理が可能となり、生産性が向上する効果を得ることができる。 According to the fifth embodiment, continuous processing of laminated molding, removal of metal powder, and surface treatment becomes possible, and the effect of improving productivity can be obtained.

実施の形態6.
図27は、本発明の実施の形態6による三次元積層造形装置の概略構成を示す断面図である。実施の形態6による三次元積層造形装置では、三次元積層造形装置として、積層造形工程および表面処理工程を実行する電子ビーム照射機110、金属粉末除去工程を実行する金属粉末除去機200を有し、各工程を連続して処理できるように構成している。電子ビーム照射機110の電子ビーム照射室3と金属粉末除去機200の金属粉末除去室11の間はゲート103で仕切られている。積層造形工程中はゲート103は閉められており、積層造形工程終了後、ゲート103を開けて未溶融の金属粉末が付着した造形物81をゲート103を通して金属粉末除去室11に送り込む。金属粉末除去室11において金属粉末除去工程を実行している間はゲート103は閉められている。金属粉末除去工程終了後、ゲート103を開け、付着していた金属粉末が除去された二次造形物82を再び電子ビーム照射室3に送り込む。その後、電子ビーム照射機110内で表面処理工程を実行する。表面処理工程を実行する際は、二次造形物82に第2の電子ビームを照射できるよう、積層槽150は退避させる。なお、処理される各造形物を電子ビーム照射室と金属粉末除去室との間で移動させるためのステージなどの輸送機構も備えている。
Embodiment 6.
FIG. 27 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a three-dimensional laminated modeling apparatus according to the sixth embodiment of the present invention. The three-dimensional laminated molding apparatus according to the sixth embodiment includes an electron beam irradiator 110 that executes a laminated molding step and a surface treatment step, and a metal powder remover 200 that executes a metal powder removing step as the three-dimensional laminated modeling apparatus. , It is configured so that each process can be processed continuously. The electron beam irradiation chamber 3 of the electron beam irradiator 110 and the metal powder removal chamber 11 of the metal powder remover 200 are partitioned by a gate 103. The gate 103 is closed during the laminating molding step, and after the laminating molding step is completed, the gate 103 is opened and the modeled object 81 to which the unmelted metal powder is attached is sent to the metal powder removing chamber 11 through the gate 103. The gate 103 is closed while the metal powder removing step is being performed in the metal powder removing chamber 11. After the metal powder removing step is completed, the gate 103 is opened, and the secondary model 82 from which the adhered metal powder has been removed is sent to the electron beam irradiation chamber 3 again. After that, the surface treatment step is executed in the electron beam irradiator 110. When executing the surface treatment step, the stacking tank 150 is retracted so that the secondary model 82 can be irradiated with the second electron beam. It also has a transport mechanism such as a stage for moving each model to be processed between the electron beam irradiation chamber and the metal powder removal chamber.

電子ビーム照射機110、金属粉末除去機200およびゲート103は、中央制御装置501により制御され、積層造形工程、金属粉末除去工程、表面処理工程が実行される。 The electron beam irradiator 110, the metal powder remover 200, and the gate 103 are controlled by the central control device 501, and a laminating molding step, a metal powder removing step, and a surface treatment step are executed.

本実施の形態6による三次元積層造形装置では積層造形工程に使用した電子ビーム照射機110を表面処理工程でも使用する。実施の形態5の、第1の電子銃1と第2の電子銃21とが同一の電子銃であり、第1の電子ビーム照射室3と第2の電子ビーム照射室23とが同一の電子ビーム照射室である場合、すなわち第1の電子ビーム照射機100と第2の電子ビーム照射機300を同一の電子ビーム照射機110とした場合に相当する。造形物8を電子ビーム照射ステージ105と金属粉末除去ステージ106間で移動させて処理することで、最終的な造形物8が完成する。本実施の形態6によれば、実施の形態5による効果に加え、電子銃1や付随する電源、排気系等を共有でき、設備費用の抑制が可能となる効果がある。 In the three-dimensional laminated modeling apparatus according to the sixth embodiment, the electron beam irradiator 110 used in the laminated modeling step is also used in the surface treatment step. In the fifth embodiment, the first electron gun 1 and the second electron gun 21 are the same electron gun, and the first electron beam irradiation chamber 3 and the second electron beam irradiation chamber 23 are the same electrons. This corresponds to the case where the beam irradiation chamber is used, that is, the case where the first electron beam irradiator 100 and the second electron beam irradiator 300 are the same electron beam irradiator 110. The final model 8 is completed by moving the model 8 between the electron beam irradiation stage 105 and the metal powder removal stage 106 for processing. According to the sixth embodiment, in addition to the effect of the fifth embodiment, the electron gun 1, the accompanying power source, the exhaust system, and the like can be shared, and the equipment cost can be suppressed.

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。 In the present invention, each embodiment can be combined, and each embodiment can be appropriately modified or omitted within the scope of the invention.

1 電子銃(第1の電子銃)、2 電子ビーム(第1の電子ビーム)、3 電子ビーム照射室(第1の電子ビーム照射室)、4 造形ボックス、5 昇降ステージ、6 金属粉末、7 給粉機、8 造形物、81 一次造形物、82 二次造形物、11 金属粉末除去室、12 ジェットノズル、21 電子銃(第2の電子銃)、22 電子ビーム(第2の電子ビーム)、23 電子ビーム照射室(第2の電子ビーム照射室)、25 積層造形工程の中央ビーム軸、26 表面処理工程の中央ビーム軸、76 溶融池、100 電子ビーム照射機(第1の電子ビーム照射機)、110 電子ビーム照射機、300 電子ビーム照射機(第2の電子ビーム照射機、150 積層槽、200 金属粉末除去機、102 第1のゲート、103 ゲート、203 第2のゲート、



1 electron gun (first electron gun), 2 electron-beam (first electron beam), three electron beam irradiation chamber (first electron beam irradiation chamber), 4 modeling box, 5 temperature descending stage, 6 Metal powder , 7 Powder dispenser, 8 Modeled object, 81 Primary modeled object, 82 Secondary modeled object, 11 Metal powder removal chamber, 12 Jet nozzle, 21 Electron gun (second electron gun), 22 Electron beam (second electron) Beam), 23 electron beam irradiation chamber (second electron beam irradiation chamber), 25 central beam axis of laminated molding process, 26 central beam axis of surface treatment process, 76 molten pool, 100 electron beam irradiator (first electron) Beam irradiator), 110 electron beam irradiator, 300 electron beam irradiator (second electron beam irradiator, 150 stacking tank, 200 metal powder remover, 102 first gate, 103 gate, 203 second gate,



Claims (14)

層状に敷き詰めた金属粉末に第1の電子ビームを照射して前記金属粉末を溶融させた後凝固して形成された金属凝固層の上に、層状に金属粉末を敷き詰め、前記第1の電子ビームを照射して、新たに敷き詰めた前記金属粉末を溶融させた後凝固した金属凝固層を形成することを繰り返して、金属が凝固した一次造形物を形成する積層造形工程と、
前記積層造形工程において凝固せずに前記一次造形物に付着した金属粉末を除去して二次造形物を形成する金属粉末除去工程と、
前記二次造形物に第2の電子ビームを照射して前記二次造形物の表面を再溶融させて造形物を形成する表面処理工程と
を有し、
表面処理工程において、前記第2の電子ビームと前記二次造形物との少なくとも一方を移動させることにより、前記第2の電子ビームが前記二次造形物の表面における前記金属凝固層の層の境界線に交差するように移動して照射するとともに、
前記第2の電子ビームの照射により前記二次造形物の表面に形成される溶融池における、前記第2の電子ビームが前記二次造形物の表面を移動する方向の幅が、前記積層造形工程において形成された前記金属凝固層の1層の厚さの2倍以上となるよう、前記第2の電子ビームのパラメータを設定することを特徴とする三次元積層造形方法。
A first electron beam is irradiated on the metal powder spread in layers to melt the metal powder, and then the metal powder is spread in layers on a solidified metal layer formed by solidification, and the first electron beam is spread. A laminated molding step of forming a primary model in which the metal is solidified by repeating the process of forming a solidified metal solidified layer after melting the newly spread metal powder by irradiating with the metal powder.
In the laminated molding step, a metal powder removing step of removing the metal powder adhering to the primary shaped object without solidifying to form a secondary shaped object, and
Have a surface treatment step of forming a shaped product by irradiating a second electron beam to remelt the surface of the secondary molded article to the secondary molded product,
In the surface treatment step, by moving at least one of the second electron beam and the secondary model, the second electron beam is the boundary between the layers of the metal solidified layer on the surface of the secondary model. While moving to cross the line and irradiating,
The width of the direction in which the second electron beam moves on the surface of the secondary model in the molten pool formed on the surface of the secondary model by the irradiation of the second electron beam is the width of the laminated modeling step. A three-dimensional laminated modeling method, characterized in that the parameters of the second electron beam are set so as to be at least twice the thickness of one layer of the metal solidified layer formed in 1 .
金属粉末除去工程において、前記一次造形物の表面に気体を噴射して前記一次造形物に付着した金属粉末を除去することを特徴とする請求項1に記載の三次元積層造形方法。 The three-dimensional laminated molding method according to claim 1, wherein in the metal powder removing step, gas is injected onto the surface of the primary modeled object to remove the metal powder adhering to the primary modeled object. 前記第1の電子ビームは、偏向させることにより前記層状に敷き詰められた金属粉末上を走査して前記金属粉末を溶融させることを特徴とする請求項1または2に記載の三次元積層造形方法。 The three-dimensional laminated modeling method according to claim 1 or 2 , wherein the first electron beam is deflected to scan on the metal powders spread in layers to melt the metal powders. 前記第2の電子ビームの前記二次造形物に対する中央ビーム軸の方向は、前記第1の電子ビームの前記一次造形物に対する中央ビーム軸の方向とは異なることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の三次元積層造形方法。 Claims 1 to 3 are characterized in that the direction of the central beam axis of the second electron beam with respect to the secondary model is different from the direction of the central beam axis of the first electron beam with respect to the primary model. The three-dimensional laminated modeling method according to any one of the above. 前記金属凝固層の層の面に対して前記第1の電子ビームの中央ビーム軸が成す角度と、前記金属凝固層の層の面に対して前記第2の電子ビームの中央ビーム軸が成す角度との差が、90度から180度の範囲の角度であることを特徴とする請求項に記載の三次元積層造形方法。 The angle formed by the central beam axis of the first electron beam with respect to the surface of the metal solidified layer and the angle formed by the central beam axis of the second electron beam with respect to the surface of the metal solidified layer. The three-dimensional laminated molding method according to claim 4 , wherein the difference from the angle is an angle in the range of 90 degrees to 180 degrees. 前記第2の電子ビームは、偏向させることにより前記二次造形物上を走査して前記二次造形物の表面を再溶融させることを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の三次元積層造形方法。 The second electron beam according to any one of claims 1 to 5 , wherein the second electron beam scans on the secondary model by deflecting and remelts the surface of the secondary model. Three-dimensional laminated modeling method. 前記第2の電子ビームのパラメータがビームパワーであることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の三次元積層造形方法。 The three-dimensional laminated modeling method according to any one of claims 1 to 6, wherein the parameter of the second electron beam is beam power. 前記第2の電子ビームのパラメータがビーム径であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の三次元積層造形方法。 The three-dimensional laminated modeling method according to any one of claims 1 to 6, wherein the parameter of the second electron beam is a beam diameter. 前記第2の電子ビームは、前記第2の電子ビームが移動する方向と平行な方向に振動させた電子ビームであり、前記振動の幅を調整して前記溶融池の幅を制御することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の三次元積層造形方法。 The second electron beam is an electron beam vibrated in a direction parallel to the direction in which the second electron beam moves , and is characterized in that the width of the vibration is adjusted to control the width of the molten pool. The three-dimensional laminated molding method according to any one of claims 1 to 6 . 第1の電子ビーム照射室と第1の電子銃とを備え、前記第1の電子ビーム照射室内において、層状に敷き詰めた金属粉末に第1の電子ビームを照射して前記金属粉末を溶融させた後凝固して形成された金属凝固層の上に、層状に金属粉末を敷き詰め、前記第1の電子ビームを照射して、新たに敷き詰めた前記金属粉末を溶融させた後凝固して金属凝固層を形成することを繰り返して、金属が凝固した一次造形物を形成するように制御される第1の電子ビーム照射機と、
前記一次造形物に凝固せずに付着した金属粉末を除去して前記一次造形物を二次造形物とする金属粉末除去室を備えた金属粉末除去機と、
第2の電子ビーム照射室と第2の電子銃を備え、前記第2の電子ビーム照射室内において、前記二次造形物に第2の電子ビームを照射して前記二次造形物の表面を再溶融させて造形物を形成するよう構成された第2の電子ビーム照射機とを備え
前記第2の電子ビームが前記二次造形物の表面を移動するとともに、前記第2の電子ビームが、前記二次造形物の表面を移動する方向と平行な方向に振動するよう構成されていることを特徴とする三次元積層造形装置。
A first electron beam irradiation chamber and a first electron gun are provided, and in the first electron beam irradiation chamber, the metal powder spread in layers is irradiated with the first electron beam to melt the metal powder. A metal powder is spread in a layer on the metal solidified layer formed by post-solidification, and the first electron beam is irradiated to melt the newly spread metal powder and then solidified to form a solidified metal layer. The first electron beam irradiator, which is controlled to form a primary model in which the metal is solidified by repeating the formation of
A metal powder remover equipped with a metal powder removing chamber for removing metal powder adhering to the primary model without solidifying and using the primary model as a secondary model.
A second electron beam irradiation chamber and a second electron gun are provided, and in the second electron beam irradiation chamber, the secondary model is irradiated with a second electron beam to re-surface the surface of the secondary model. It is equipped with a second electron beam irradiator configured to melt to form a model .
The second electron beam moves on the surface of the secondary model, and the second electron beam vibrates in a direction parallel to the direction of movement on the surface of the secondary model. A three-dimensional laminated molding device characterized by this.
前記第1の電子ビーム照射室と前記金属粉末除去室とは、第1のゲートを介して接続されており、前記金属粉末除去室と前記第2の電子ビーム照射室とは、第2のゲートを介して接続されていることを特徴とする請求項10に記載の三次元積層造形装置。 The first electron beam irradiation chamber and the metal powder removal chamber are connected via a first gate, and the metal powder removal chamber and the second electron beam irradiation chamber are connected to a second gate. The three-dimensional laminated molding apparatus according to claim 10 , wherein the three-dimensional laminated molding apparatus is connected via a beam. 前記第1の電子ビーム照射室と前記第2の電子ビーム照射室は同一の電子ビーム照射室であり、前記第1の電子銃と前記第2の電子銃は同一の電子銃であることを特徴とする請求項10に記載の三次元積層造形装置。 The first electron beam irradiation chamber and the second electron beam irradiation chamber are the same electron beam irradiation chamber, and the first electron gun and the second electron gun are the same electron gun. The three-dimensional laminated molding apparatus according to claim 10 . 前記電子ビーム照射室と前記金属粉末除去室とはゲートを介して接続されていることを特徴とする請求項12に記載の三次元積層造形装置。 The three-dimensional laminated modeling apparatus according to claim 12 , wherein the electron beam irradiation chamber and the metal powder removing chamber are connected via a gate. 前記第2の電子ビームの前記二次造形物に対する中央ビーム軸の方向が、前記第1の電子ビームの前記一次造形物に対する中央ビーム軸の方向とは異なるように構成されていることを特徴とする請求項10から13のいずれか1項に記載の三次元積層造形装置。 The feature is that the direction of the central beam axis of the second electron beam with respect to the secondary model is different from the direction of the central beam axis of the first electron beam with respect to the primary model. The three-dimensional laminated modeling apparatus according to any one of claims 10 to 13 .
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