CN105618748A - 层叠造型装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种层叠造型装置，能防止重涂布头碰撞障碍时发生破损且能迅速使材料粉体层的形成工序重新开始。据此，提供一种层叠造型装置，具备：覆盖所需造型区域且被规定浓度的非活性气体充满的腔室、边在腔室内移动边对造型区域上供给材料粉体且使材料粉体平坦化而形成材料粉体层的重涂布头、及对材料粉体层规定部位照射激光使照射位置的材料粉体烧结形成烧结层的激光照射部，重涂布头以可通过重涂布头驱动机构而移动的方式构成，重涂布头驱动机构具备：使重涂布头移动的伺服马达、检测重涂布头移动量的编码器、及根据编码器检测值来控制伺服马达的控制装置，控制装置以如下方式构成：当检测到重涂布头碰撞到障碍时，使伺服马达成为非控制状态。

Description

层叠造型装置

技术领域

本发明涉及层叠造型装置。

背景技术

在利用激光进行的金属的层叠造型中，通过重复如下工序而形成所希望的造型物：在配置于被氮气充满的造型室内且能在上下方向移动的造型台上形成非常薄的材料粉体层，对该材料粉体层的规定部位照射激光使照射位置的材料粉体烧结而形成烧结层。材料粉体层是通过边移动重涂布头边对造型台上供给材料粉体且使该材料粉体平坦化而形成的(专利文献1)。

然而，根据激光的照射条件，有时会在烧结层形成隆起部。由于重涂布头与烧结层之间的间隙非常窄，所以如果烧结层上形成隆起部，则有时重涂布头会碰撞到隆起部。

为了即使发生这样的碰撞也不使层叠造型停止，专利文献1中，重涂布头的刮刀以如下方式构成：在碰撞到隆起部时旋转而能够暂时退避。

【现有技术文献】

【专利文献】

专利文献1：日本专利第4792905号公报。

但是，若刮刀本身可动，则为了使刮刀可动，重涂布头的构成会更复杂。为了稳定地形成厚度300μm以下的薄的材料粉体层，需要在严格调整刮刀的高度后将其安装于重涂布头。由于安装刮刀的操作非常困难，所以优选预先使刮刀不动，形成尽可能简单的构成。

另外，不得不设计成考虑与刮刀所受到的负荷相对应的破损程度来进行回避动作。刮刀是否破损主要受重涂布头(刮刀)的移动速度或者材料粉体的材质(烧结后的体积密度和硬度)的影响，因此刮刀的设计变得更难。由于需要预先预估安全性，所以在程度小的负荷下使刮刀进行回避动作或者使重涂布停止的情况变多，因而有可能无法常时稳定地进行重涂布。

此外，考虑了通过设置检测负荷的装置而根据负荷使刮刀进行回避动作。然而，由于是在检测负荷后使刮刀进行回避动作，所以回避动作有可能来不及进行。另外，由于实质上是控制刮刀的回避动作，所以需要使程序运行的一系列造型动作中断并在控制装置中使其恢复的操作，因而不必要地延长了造型时间。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而进行的，提供一种层叠造型装置，其能够防止重涂布头碰撞到障碍时发生破损且能够迅速地使材料粉体层的形成工序重新开始。

根据本发明，提供一种层叠造型装置，其具备：覆盖所需的造型区域且被规定浓度的非活性气体充满的腔室、边在上述腔室内移动边对上述造型区域上供给材料粉体且使该材料粉体平坦化而形成材料粉体层的重涂布头、以及对上述材料粉体层的规定部位照射激光使照射位置的材料粉体而形成烧结层的激光照射部，上述重涂布头以可通过重涂布头驱动机构而移动的方式构成，上述重涂布头驱动机构具备：使上述重涂布头移动的伺服马达、检测上述重涂布头的移动量的编码器、以及根据上述编码器的检测值来控制上述伺服马达的控制装置，上述控制装置以如下方式构成：当检测到上述重涂布头碰撞到障碍时，使上述伺服马达成为非控制状态。

本发明的最大特征在于，当检测到重涂布头碰撞到障碍且有可能破损时使伺服马达成为非控制状态。通过该操作，实质上扭矩瞬间消失，因此即使重涂布头碰撞到障碍也不会破损。而且，由于重涂布头与障碍发生弹性反弹，所以重涂布头向相反方向“空走”，主要因引导机构和传动机构的摩擦阻力以及马达的惯性而减速，同时在冲击缓冲的状态下停止。因此，不仅能够单纯地防止重涂布头的损伤，还能够立即使程序运行重新开始，所以能够迅速地使材料粉体层的形成工序重新开始。

以下，例示本发明的各种实施方式。以下所示的实施方式可相互组合。

优选上述控制装置以如下方式构成：在满足规定的恢复条件后，使上述伺服马达成为控制状态。

优选在上述腔室内具备可移动地构成的主轴头，上述控制装置以如下方式构成：使用安装于上述主轴头的旋转切削工具除去上述障碍后，重新开始上述材料粉体层的形成。

优选具备检测供给到上述伺服马达的电流的电流检测器，当上述电流超过规定的电流设定值时，上述控制装置判断为发生了上述碰撞而使上述伺服马达成为非控制状态。

优选上述控制装置以如下方式构成：当检测到上述重涂布头碰撞到障害时，使上述伺服马达成为扭矩消失的非控制状态而上述重涂布头空走。

优选上述控制装置以如下方式控制：移动上述重涂布头形成上述材料粉体层时，当上述重涂布头碰撞到障碍而上述材料粉体层的形成被中断时，使用安装于上述主轴头的旋转切削工具除去上述障碍，在除去上述障碍之前或之后使上述伺服马达成为控制状态，其后，通过重新开始上述重涂布头的移动而重新开始上述材料粉体层的形成。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的层叠造型装置的简要构成图。

图2是粉体层形成装置3和激光照射部13的立体图。

图3是重涂布头11的立体图。

图4是从另一角度观察重涂布头11时的立体图。

图5是表示从图2取出重涂布头11附近的构成后露出了重涂布头驱动机构51的状态的立体图。

图6是重涂布头驱动机构51的构成图。

图7(a)是所希望形状的造型物47的立体图，图7(b)是图7(a)的造型物的模型的立体图，图7(c)是表示按规定单位高度在水平面分割图7(b)的模型后的状态的立体图。

图8是层叠烧结层50而得到的造型物47的立体图。

图9是使用了图1的层叠造型装置的层叠造型方法的说明图。

图10是使用了图1的层叠造型装置的层叠造型方法的说明图。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。以下所示的实施方式中示出的各种特征事项可相互组合。

如图1所示，本发明的一个实施方式的层叠造型装置具备:覆盖所需的造型区域R且被规定浓度的非活性气体充满的腔室1、边在腔室1内移动边对造型区域R上供给材料粉体且使材料粉体平坦化而形成材料粉体层8的重涂布头11、以及对材料粉体层8的规定部位照射激光L使照射位置的材料粉体烧结而形成烧结层的激光照射部13。

腔室1内设有粉体层形成装置3。粉体层形成装置3具备：具有造型区域R的基台4、配置在基台4上且以能在水平1轴方向(箭头B方向)移动的方式构成的重涂布头11、沿着重涂布头11的移动方向设置在造型区域R的两侧的细长部件9r、9l。造型区域R中设有被驱动机构31驱动而能在上下方向(图1的箭头A方向)移动的造型台5。使用层叠造型装置时，在造型台5上配置造型板7，在造型台5上形成材料粉体层8。

以包围造型台5的方式设有粉体保持壁26，未烧结的材料粉体被保持在由粉体保持壁26和造型台5围成的粉体保持空间。在粉体保持壁26的下侧设有能排出粉体保持空间内的材料粉体的粉体排出部27，层叠造型结束后，通过使造型台5下降而将未烧结的材料粉体从粉体排出部27排出，被排出的材料粉体被斜槽导板28引导至斜槽并通过斜槽而收纳于铲斗(均未图示)。

如图2～5所示，重涂布头11具备材料收纳部11a、设置在材料收纳部11a上表面的上表面开口部11b、以及设置于材料收纳部11a的底面且排出材料收纳部11a内的材料粉体的材料排出口11c。材料排出口11c具有在与重涂布头11的移动方向(箭头B方向)正交的水平1轴方向(箭头C方向)延伸的狭缝状的细长形状。在重涂布头11的两个侧面设有使从材料排出口11c排出的材料粉体平坦化而形成材料粉体层8的橡胶刮刀11fb、11rb。另外，在重涂布头11的两个侧面设有吸引材料粉体烧结時产生的烟气的烟气吸引部11fs、11rs。烟气吸引部11fs、11rs沿着与重涂布头11的移动方向(箭头B方向)正交的水平1轴方向(箭头C方向)设置。材料粉体例如为金属粉(例如铁粉)，例如为平均粒径20μm的球形。

细长部件9r、9l分别沿重涂布头11的移动方向(箭头B方向)设有开口部。通过将这些开口部中的一方用作非活性气体供给口、将另一方用作非活性气体排出口，从而可在造型区域R上形成箭头C方向的非活性气体的气流，因此造型区域R中产生的烟气容易随着该非活性气体的气流而排出。应予说明，本说明书中，“非活性气体”是指实质上不与材料粉体反应的气体，可例示氮气、氩气、氦气。

在腔室1的上方设有激光照射部13。如图2所示，激光照射部13具备：输出激光L的激光源42；对从激光源42输出的激光L进行二维扫描的一对电扫描器43a、43b；以及使激光L聚光的聚光透镜44。电扫描器(X轴扫描器)43a沿箭头B方向(X轴方向)扫描激光，电扫描器(Y轴扫描器)43b沿箭头C方向(Y轴方向)扫描激光L。扫描器43a、43b分别根据旋转角度控制信号的大小来控制旋转角度，因此可通过改变输入到扫描器43a、43b的旋转角度控制信号的大小而使激光L的照射位置移动至所希望的位置。聚光透镜44例如为fθ透镜。

通过聚光透镜44的激光L透过设置于腔室1的窗1a而照射到形成于造型区域R的材料粉体层8。激光L只要能够将材料粉体烧结，其种类就没有限定，例如为CO2激光、光纤激光、YAG激光等。窗1a由可透过激光L的材料形成。例如，激光L为光纤激光或YAG激光时，窗1a可以由石英玻璃构成。

在腔室1的上表面以覆盖窗1a的方式设有烟气附着防止部17。烟气附着防止部17具备圆筒状的壳体17a和配置于壳体17a内的圆筒状的扩散部件17c。在壳体17a与扩散部件17c之间设有非活性气体供给空间17d。另外，在壳体17a的底面于扩散部件17c的内侧设有开口部17b。扩散部件17c中设有多个微孔17e，被供给至非活性气体供给空间17d的洁净的非活性气体通过微孔17e而充满洁净空间17f。而且，充满于洁净空间17f的洁净的非活性气体通过开口部17b被喷向烟气附着防止部17的下方。

重涂布头11以可通过图5～6所示的重涂布头驱动机构51而移动的方式构成。重涂布头11介由托架34、35固定于与滚珠丝杠32螺合的滑动部件33，因此当滑动部件33伴随着滚珠丝杠32的旋转而移动时，重涂布头11也与滑动部件33一起移动。滚珠丝杠32可旋转地支撑于轴承37并被伺服马达38旋转驱动。伺服马达38由从马达驱动装置40供给的电流驱动。马达驱动装置40在运动控制器41的控制下动作，基于来自运动控制器41的马达控制信号对伺服马达38供给电流。因此，伺服马达38介由马达驱动装置40通过运动控制器41来控制其旋转角度。另外，运动控制器41按照来自NC装置54的移动指令对马达驱动装置40输出马达控制信号。权利要求书中的“控制装置”56由运动控制器41、继电器53和NC装置54构成。控制装置56的构成并不限定于这里示出的构成，例如可将继电器53省略或内置于运动控制器41。另外，也可以用1台装置来实现运动控制器41和NC装置54的功能。

伺服马达38的旋转角度由编码器39检测。检测到的旋转角度被反馈回运动控制器41(位置反馈)。根据伺服马达38的旋转角度可获知重涂布头11的位置。另外，从马达驱动装置40向伺服马达38供给的电流由电流检测器52检测。检测出的电流值被反馈回运动控制器41(电流反馈)。运动控制器41将基于所反馈的电流值的电流信号输出到NC装置54。本发明中“伺服马达”是能够在编码器的反馈下动作的马达，并不限定于本实施方式的旋转型的伺服马达，也可以是线型的伺服马达。在该情况下，作为编码器，使用线型编码器。

运动控制器41会判断经反馈的伺服马达38的旋转角度是否达到目标旋转角度，若未达到，则会增大供给到伺服马达38的电流。因此，如果重涂布头11在移动中碰撞到障碍而使移动受阻，则供给到伺服马达38的电流増大。

NC装置实时监视由电流检测器52检测的电流值，若该值超过由设定装置55设定的电流设定值，则立即对运动控制器41进行控制阻断指令。运动控制器41基于该指令对继电器53输出控制阻断信号，从而使继电器53成为开启状态并立即阻断对马达驱动装置40的马达控制信号。

若马达控制信号被阻断，则从马达驱动装置40到伺服马达38的电流供给立即停止，并且伺服马达38成为非控制状态，滚珠丝杠32成为可自由旋转的状态。而且，重涂布头11碰撞到障碍发生弹性反弹而向与原来的移动方向相反的方向“空走”，主要因导向机构和传动机构的摩擦阻力以及马达的惯性而减速，同时在冲击缓冲的状态下停止。在这样的空走状态期间，伺服马达38的旋转角度也被实时反馈，因此可获得重涂布头11的位置，但不进行使重涂布头11向特定位置移动或者以特定移动速度移动之类的控制，因此重涂布头11成为非控制状态。应予说明，作为用于使伺服马达38成为非控制状态的方法，并不限定于图6所示的方法，例如，可以在伺服马达38与马达驱动装置40之间设置继电器，通过使该继电器成为开启状态而使伺服马达38成为非控制状态；或者通过停止从运动控制器41输出马达控制信号而使伺服马达38成为非控制状态。在后者的情况下，不需要外置继电器。

当重涂布头11碰撞到障碍时使伺服马达38成为非控制状态，而不是进行对伺服马达38实施制动或者使伺服马达38逆向旋转这样的控制，这样做的优点在于除去施加于伺服马达38的扭矩的时间短。这是由于通过缩短该时间，能够防止重涂布头11碰撞到障碍时产生损伤。本发明人等进行了实验，结果确认了：当检测到碰撞障碍时使伺服马达38成为非控制状态的情况与进行对伺服马达38实施制动或者使伺服马达38逆向旋转这样的控制相比，可使重涂布头11更快地开始向相反方向移动。另外，橡胶刮刀11fb、11rb未损伤。由以上可知，通过像本实施方式这样在碰撞到障碍时使伺服马达38成为非控制状态，能够将重涂布头11的损伤控制在最小限度。

伺服马达38从非控制状态向控制状态的恢复是以是否满足规定的恢复条件为基准来进行的。作为恢复条件，可举出空走的重涂布头11到达限制部件36或者自检测到碰撞经过规定的时间，但由于没有重涂布头11到达限制部件36的保证，所以优选以经过时间为基准。作为用于使伺服马达38恢复到控制状态的具体方法，可举出如下方法：设定成继电器53在经过规定时间后自动成为关闭状态，或者在经过规定时间后从运动控制器41输出使继电器53成为关闭状态的控制信号。另外，对于不使用继电器的构成例而言，可通过如下方式使伺服马达38恢复到控制状态：在经过规定时间后NC装置54开始对运动控制器41输出移动指令，运动控制器41按照该指令开始输出马达控制信号。

另外，腔室1内可三维移动地配置有主轴头(未图示)，该主轴头以安装有端铣刀等旋转切削工具且能使其旋转的方式构成。NC装置54能够于重新开始利用重涂布头11进行的材料粉体层形成工序之前，实施使用安装于主轴头的旋转切削工具除去障碍的工序。通过进行这样的工序，能够防止重涂布头11再次碰撞到障碍。障碍通常是烧结层的隆起部，可通过用旋转切削工具除去隆起部而除去障碍。应予说明，也可以对烧结层的整面进行切削加工来代替仅除去隆起部。这种方式具有如下优点：能够在不确定隆起部的位置的情况下除去障碍。应予说明，代替切削加工，也可通过降低造型台5来防止碰撞到障碍的再次发生。使伺服马达38从非控制状态恢复到控制状态的时机可以是障碍的除去工序之前或之后。

在除去障碍后NC装置54重新开始材料粉体层形成工序，之后继续进行层叠造型。具体而言，NC装置54从重涂布头11与障碍发生碰撞而中断的材料粉体层形成工序的开始时刻重新开始移动指令的输出。NC装置54通常无法在中途执行程序，因此若在检测到与障碍的碰撞时NC装置54因错误而停止，则其后需要从最初重新开始层叠造型，或者制作从停止时刻开始的程序并执行该程序，两者都很麻烦。与此相对，本实施方式具有可不使NC装置54停止而继续处理的优点。

接着，对向腔室1供给非活性气体的供给系统和从腔室1排出烟气的排出系统进行说明。

向腔室1供给非活性气体的供给系统中，非活性气体供给装置15与烟气收集器19连接。非活性气体供给装置15具有供给非活性气体的功能，例如为非活性气体的储气瓶。烟气收集器19在其上游侧和下游侧具有管箱21、23。从腔室1排出的气体(含烟气的非活性气体)通过管箱21被输送到烟气收集器19，在烟气收集器19中除去了烟气的非活性气体通过管箱23被输送到腔室1。通过这样的构成，能够实现非活性气体的再利用。

如图1所示，非活性气体供给系统分别与腔室1的上部供给口1b、烟气附着防止部17的非活性气体供给空间17d和细长部件9l连接。非活性气体通过上部供给口1b被填充到腔室1的造型空间1d内。供给至细长部件9l内的非活性气体通过开口部被排出到造型区域R上。

本实施方式中，以如下方式构成：来自烟气收集器19的非活性气体被输送至上部供给口1b，来自非活性气体供给装置15的非活性气体被输送至非活性气体供给空间17d和细长部件9l。来自烟气收集器19的非活性气体中有可能残留有未除尽的烟气，但在本实施方式的构成中，由于来自烟气收集器19的非活性气体不会被供给到对洁净度要求特别高的空间(洁净空间17f和造型区域R附近的空间)，所以能够将残留烟气的影响控制到最小限度。

如图1所示，从腔室1排出烟气的排出系统分别与腔室1的上部排出口1c、重涂布头11的烟气吸引部11fs、11rs和细长部件9r连接。通过上部排出口1c排出腔室1的造型空间1d内的含烟气的非活性气体，从而在造型空间1d内形成从上部供给口1b向上部排出口1c的非活性气体的气流。重涂布头11的烟气吸引部11fs、11rs能够吸引在重涂布头11通过造型区域R上时于造型区域R产生的烟气。另外，含烟气的非活性气体通过细长部件9r的开口部被排出到腔室1外。烟气排出系统通过管箱21与烟气收集器19连接，在烟气收集器19中除去烟气后的非活性气体可被再利用。

接着，对使用了上述层叠造型装置的粉末烧结层叠造型方法进行说明。

这里，例举利用层叠造型来形成图7(a)所示的具有三维形状的造型物47的情况进行说明。

首先，如图7(b)～(c)所示，采用计算机对具有所希望的三维形状的造型物47进行建模，形成造型物模型48，按规定单位高度在水平面分割所得造型物模型48，形成分割层49a、49b、…、49f。接着，如图7～10所示，对材料粉体层8照射激光L而选择性使材料粉体烧结，形成具有与分割层49a、49b、…、49f对应的形状的烧结层50a、50b、…、50f，同时使这些层相互融合，形成造型物47。由分割层49a、49b、…、49f各自的轮廓形状围成的区域成为要照射激光L的照射区域45a、45b、…、45f。分割层、烧结层和照射区域也分别称为分割层49、烧结层50和照射区域45。

这样，对由造型物模型48的各分割层49的轮廓形状围成的照射区域45照射激光L而使照射区域45内的材料粉体层8的材料粉体选择性烧结，重复该过程，从而形成造型物47。

接着，详细说明形成烧结层50的方法。

首先，在造型台5上载置造型板7的状态下将造型台5的高度调整至适当的位置。在该状态下使材料收纳部11a内填充有材料粉体的重涂布头11沿图1的箭头B方向从造型区域R的左侧移动到右侧，由此在造型台5上形成第1层材料粉体层8。

接着，通过对材料粉体层8中的规定部位照射激光L而使材料粉体层8的激光照射部位烧结，由此如图9所示，得到第1层烧结层50a。

接着，按材料粉体层8的1层的厚度降低造型台5的高度，使重涂布头11从造型区域R的右侧移动到左侧，由此以覆盖烧结层50a的方式在造型台5上形成第2层材料粉体层8。

接着，按与上述相同的方法对材料粉体层8中的规定部位照射激光L，使材料粉体层8的激光照射部位烧结，由此如图10所示，得到第2层烧结层50b。

通过重复以上工序，形成第3层烧结层50c、第4层烧结层50d、第5层及其以后的烧结层。邻接的烧结层彼此牢固地结合。

根据激光L的照射条件等，有时烧结层上会形成隆起部，重涂布头11的橡胶刮刀11fb、11rb会与烧结层的隆起部发生碰撞。在本实施方式中，若检测到这样的碰撞，则伺服马达38立即成为非控制状态，其结果是，重涂布头11因碰撞到隆起部时的反弹力而向与原来的移动方向相反的方向移动。经过规定时间后使伺服马达38恢复到控制状态而使重涂布头11移动至粉体层形成工序的开始位置，其后，通过使用安装于主轴头的旋转切削工具对烧结层的整面实施切削加工而除去隆起部。接着，NC装置54从因重涂布头11与隆起部发生碰撞而中断的材料粉体层形成工序的开始时刻重新开始移动指令的输出，继续进行层叠造型。这样，在本实施方式中，即使在重涂布头11碰撞到烧结层的隆起部时也不会产生错误而继续进行层叠造型。另外，由于通过使伺服马达38成为非控制状态而瞬间除去伺服马达38的扭矩，所以能够防止橡胶刮刀11fb、11rb损伤。因此，能够防止因橡胶刮刀11fb、11rb的损伤而使材料粉体层8产生凹凸。另外，能够省去更换橡胶刮刀11fb、11rb的麻烦。

层叠造型结束后，通过粉体排出部27将未烧结的材料粉体排出，由此可得到造型物。

【符号说明】

1:腔室，3:粉体层形成装置，5:造型台，8:材料粉体层，11:重涂布头，13:激光照射部，17:烟气附着防止部，26:粉体保持壁，27:粉体排出部，28:斜槽导板，31:驱动机构，32:滚珠丝杠，33:滑动部件，34、35:托架，36:限制部件，37:轴承，38:伺服马达，39:编码器，40:马达驱动装置，41:运动控制器，42:激光源，43a、43b:电扫描器，44:聚光透镜，45:照射区域，47:造型物，48:造型物模型，49:分割层，50:烧结层，51:重涂布头驱动机构，52:电流检测器，53:继电器，54:NC装置，55:设定装置，56:控制装置，L:激光

Claims (4)

1.一种层叠造型装置，其特征在于，其具备：覆盖所需的造型区域且被规定浓度的非活性气体充满的腔室；边在所述腔室内移动边对所述造型区域上供给材料粉体且使所述材料粉体平坦化而形成材料粉体层的重涂布头；以及对所述材料粉体层的规定部位照射激光使照射位置的材料粉体烧结而形成烧结层的激光照射部，所述重涂布头以可通过重涂布头驱动机构而移动的方式构成，所述重涂布头驱动机构具备：使所述重涂布头移动的伺服马达、检测所述重涂布头的移动量的编码器、以及根据所述编码器的检测值来控制所述伺服马达的控制装置，所述控制装置以如下方式构成：当检测到所述重涂布头碰撞到障碍时，使所述伺服马达成为非控制状态。

2.根据权利要求1中所述的层叠造型装置，其特征在于，所述控制装置以如下方式构成：在满足规定的恢复条件后，使所述伺服马达成为控制状态。

3.根据权利要求1或2所述的层叠造型装置，其特征在于，在所述腔室内具备可移动地构成的主轴头，所述控制装置以如下方式构成：使用安装于所述主轴头的旋转切削工具除去所述障碍后，重新开始所述材料粉体层的形成。

4.根据权利要求1至3所述的层叠造型装置，其特征在于，所述层叠造型装置还具备检测供给于所述伺服马达的电流的电流检测器，当所述电流超过规定的电流设定值时，所述控制装置判断为发生了所述碰撞而使所述伺服马达成为非控制状态。