CN108778574B - 三维形状造型物的制造装置 - Google Patents

Abstract

一种三维形状造型物的制造装置，向在腔室(6)内设置的材料层的规定部位照射光束使规定部位的材料烧结或熔融固化而形成硬化层，具备腔室(6)、透射窗(8)、吹出口(10)和罩部件(11)。透射窗(8)设于腔室(6)，使光束透射。吹出口(10)设于透射窗(8)的周围，朝向腔室(6)内吹出惰性气体(16)。罩部件(11)设于吹出口(10)的下方，覆盖吹出口(10)且呈环状。在罩部件(11)与透射窗(8)之间设有供惰性气体(16)通过的间隙(12)。

Description

三维形状造型物的制造装置

技术领域

本发明涉及三维形状造型物的制造装置。更具体而言，本发明涉及一种制造装置，其重复实施向材料层的规定部位照射光束以形成硬化层的工序，从而制造多个硬化层层叠而一体化的三维形状造型物。

背景技术

这样的三维形状造型物的制造装置也称为3D打印机。以往，该制造装置对无机质粉体(金属)或有机质粉体(树脂)等粉末材料照射具有所希望的能量的指向性的光束，例如激光束。由此，该制造装置通过使粉末材料烧结或熔融固化并形成硬化层，从而制造由多个硬化层层叠而成的三维形状造型物(例如参照专利文献1)。

以下参照图6及图7对这样的三维形状造型物的制造装置实施的三维形状造型物的制造方法进行说明。另外，以下，有时也将三维形状造型物记作造型物。

如图6所示，该制造装置向由粉末材料构成的粉末层101照射激光束L，使粉末材料烧结或者熔融固化，形成硬化层102。接下来，该制造装置向在得到的硬化层102之上新敷设的粉末层101同样地照射激光束L，形成新的硬化层102。该制造装置重复该工序来层叠硬化层102，从而形成三维形状造型物。

如图7所示，关于这样的现有的三维形状造型物的制造装置110，为了防止造型物的氧化等，大多在充满惰性气体的腔室111内进行粉末材料的烧结或熔融固化。在腔室111内，设置有抹平板112等粉末层形成单元以及基盘113等。粉末层形成单元供给粉末材料，形成粉末层101。粉末层101及硬化层被形成在基盘113上。在腔室111外设置有激光束照射单元114。从激光束照射单元114发出的激光束L穿过在腔室111的顶面设置的透射窗115，向粉末层101的规定部位照射。即，激光束L穿过透射窗115而入射到腔室111内。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2012－224919号公报

发明概要

这里，当向粉末层101照射激光束L而使粉末材料烧结或熔融固化，则从粉末材料硬化的位置即激光束L的照射部位，产生被称为烟气(fume)的烟状的物质。该烟气上升而附着于透射窗115。因此，透射窗115对激光束L的透射率等降低。如果透射窗115的透射率等降低，则到达粉末层101的激光束L不再具备所希望的能量。因此，即使向粉末层101照射激光束L，粉末层101也不充分硬化。因此，存在无法形成所希望的造型物这样的问题。

发明内容

于是，为了解决该问题，本发明的三维形状造型物的制造装置，向设置在腔室内的材料层的规定部位照射光束使规定部位的材料烧结或熔融固化而形成硬化层，具备腔室、透射窗、吹出口和罩部件。透射窗设置于腔室的顶面，使光束透射。吹出口设置于透射窗的周围，朝向腔室内吹出惰性气体。罩部件在吹出口的下方沿着透射窗的周围设置，覆盖吹出口且呈环状。在罩部件与透射窗之间设有供惰性气体通过的间隙。

根据本发明，在罩部件内充满的惰性气体被从罩部件与透射窗之间的间隙吹出，因此能够抑制烟气向透射窗附着。

即，罩部件使从吹出口吹出的惰性气体积存。于是，惰性气体充满在罩部件内。并且，在罩部件的内周侧与透射窗之间设有供惰性气体通过的间隙。因此，罩部件内的惰性气体从在罩部件与透射窗之间设置的间隙沿着透射窗的表面向腔室内吹出。这样，会在透射窗的表面上覆盖惰性气体，因此能够抑制烟气向透射窗的附着。结果，三维形状造型物的制造装置能够抑制透射窗对光束的透射率的降低等而形成所希望的造型物。

附图说明

图1A是用于对本发明实施方式1的三维形状造型物的制造装置所实施的造型物的第一层的制造方法进行说明的图。

图1B是用于对本发明实施方式1的三维形状造型物的制造装置所实施的造型物的第二层的制造方法进行说明的图。

图2是本发明实施方式1的三维形状造型物的制造装置的整体概略图。

图3是表示本发明实施方式1的腔室内的结构的一部分的图。

图4A是本发明实施方式1的透射窗及罩部件的立体图。

图4B是本发明实施方式1的透明窗及罩部件的剖视立体图。

图5是本发明实施方式1的腔室顶面部分的一部分的详细剖视图。

图6是用于对现有的三维形状造型物的制造装置所实施的造型物的制造方法进行说明的图。

图7是现有的三维形状造型物的制造装置的概略图。

具体实施方式

本发明的三维形状造型物的制造装置，向在腔室内设置的材料层的规定部位照射光束，使规定部位的材料烧结或熔融固化而形成硬化层，具备腔室、透射窗、吹出口、罩部件。透射窗设于腔室的顶面，使光束透射。吹出口设于透射窗的周围，朝向腔室内吹出惰性气体。罩部件在吹出口的下方沿着透射窗的周围而设置，覆盖吹出口且呈环状。在罩部件与透射窗之间设有供惰性气体通过的间隙。

由此，在罩部件内充满的惰性气体被从罩部件与透射窗之间的间隙吹出。因此，抑制烟气向透射窗附着。

另外，间隙可以设于透射窗的外周部分的正下方。

由此，惰性气体能够更加有效地覆盖透射窗的表面。因此，进一步抑制烟气向透射窗附着。

另外，罩部件可以具有筒状的内周壁和内凸缘。内周壁可以在与透射窗之间隔着间隙而配置。内凸缘可以在间隙的下方从内周壁向内侧突出。

由此，上升起来的烟气不易进入到由内周壁和内凸缘围成的空间。因此，更加有效地抑制烟气向透射窗附着。

另外，吹出口的开口面积可以大于间隙的开口面积。

由此，惰性气体以高压力在罩部件内充满。因此，进一步抑制烟气向透射窗附着。

以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(实施方式1)

首先，说明本实施方式的三维形状造型物的制造装置所实施的三维形状造型物的制造方法。

如图1A所示，在造型用的基盘1上，敷设无机质或有机质的粉末材料，形成粉末层2a(材料层的一例)。并且，向该粉末层2a的规定部位照射激光束3而使粉末材料烧结或熔融。这样，使粉末层2a硬化而形成硬化层4a。此时，例如，可以一边使激光束3沿着移动方向A移动一边形成硬化层4a。接下来，如图1B所示那样，在该硬化层4a及粉末层2a之上，进一步敷设粉末材料而形成新的粉末层2b。并且，同样地向该粉末层2b(材料层的一例)的规定部位照射激光束3，使其烧结或熔融，形成与在下的硬化层4a成为一体的新的硬化层4b。三维形状造型物的制造装置通过重复这样的工序，来制造将多个硬化层4层叠而一体化的三维形状造型物。

此外，三维形状造型物的材料不限于粉末。三维形状造型物的材料也可以是例如液状的环氧树脂。该情况下，环氧树脂不是被敷设在基盘1上，而是被放入箱(未图示)内。环氧树脂例如通过紫外线的激光束而硬化。

接着，对制造上述这样的三维形状造型物的本实施方式的三维形状造型物的制造装置进行说明。

图2示出了本实施方式的三维形状造型物的制造装置5的结构。制造装置5具有腔室6。三维形状造型物在腔室6内制造。在腔室6内设有粉末层形成单元(未图示)，该粉末层形成单元通过以规定的厚度敷设粉末材料来形成粉末层2(材料层的一例)。此外，粉末层形成单元由供给粉末材料的材料供给单元、以及使粉末层2的表面均匀的平坦化单元等构成。粉末层2设置在同样设在腔室6内的基盘1上。该基盘1构成为可上下升降。在腔室6的顶面，设有使激光束3(光束的一例)透射的透射窗8。作为透射窗8的材料，可以举出能够使激光束3透射的材料，例如透明的石英玻璃。此外，透射窗8也可以具有焦点在粉末层2上汇聚的透镜功能。制造装置5在透射窗8的上方具备激光束3的光源9。在透射窗8的周围设有朝向腔室6内吹出惰性气体的吹出口10。该吹出口10以围绕透射窗8的方式配置。吹出口10由连续的狭缝或多个开口构成。另外，该吹出口10朝向下方吹出惰性气体。

另外，在吹出口10的下方设有覆盖该吹出口10的环状的罩部件11。更详细而言，罩部件11在吹出口10的下方沿着透射窗8的周围设置。如图3、图4A以及图4B所示，罩部件11具有筒状的内周壁11a、内凸缘11b和外周壁11c。该罩部件11，与吹出口10的配置相应地具有将吹出口10覆盖那样的圆环状的空间。该圆环状的空间是由内周壁11a和外周壁11c围成的空间。内周壁11a的上端与透射窗8接近。在内周壁11a的上端与透射窗8之间形成有供惰性气体16通过的间隙12。即，罩部件11以围绕透射窗8的方式设置。并且，间隙12在与透射窗8的外周部分相对的位置形成为环状。即，在本实施方式中，间隙12设置在透射窗8的外周部分的正下方。

内周壁11a的形状既可以是圆筒形也可以是多边形的筒形。另外，内周壁11a的形状也可以是上方或下方缩窄的圆筒形(或者多边形的筒形)的一部分。

在内周壁11a，在内周壁11a的上端部分的下方设有向内周侧突出的内凸缘11b。即，内凸缘11b在间隙12的下方从内周壁11a向内侧伸出。内凸缘11b是圆环状的平板，在内凸缘11b的中央形成有开口部17。并且，内凸缘11b的内周端比内周壁11a的上端即间隙12向内周侧突出。

利用图1A、图1B及图2，对这样的结构的制造装置5实施的三维形状造型物的制造方法进行说明。

首先，从在腔室6的外部设置的惰性气体供给部15经由吹出口10向腔室6内供给惰性气体16。由此，惰性气体16在腔室6内充满。惰性气体16是不与粉末材料发生反应的气体。作为惰性气体16，例如可以采用氮气、氩气、氦气等。惰性气体供给部15例如是储气瓶等。另外，在腔室6内，如上述那样，通过粉末层形成单元，在基盘1上形成粉末材料的粉末层2a。

在这样的状态下从光源9照射激光束3。激光束3透射过透射窗8，向粉末层2a的规定的部位照射。在被照射了激光束3的粉末层2a中，发生粉末材料的烧结或熔融固化。作为激光束3，选择具有适于使粉末层2烧结或熔融固化的能量的激光束即可。激光束3例如是CO₂激光、YAG激光等。此外，虽然没有图示，但本实施方式的制造装置5也可以利用电流扫描仪等。由此，制造装置5能够向粉末层2上的所希望的位置正确地照射激光束3，形成所希望的硬化层4。

当形成了第一层的硬化层4a，制造装置5使基盘1下降一级。并且，粉末层形成单元供给新的粉末材料，设置新的粉末层2b。然后，制造装置5重复上述的工序，将新的硬化层4b形成于在先形成的硬化层4a之上。制造装置5重复该工序来制造所希望的造型物。

这里，当激光束3被照射到粉末层2，则在粉末材料烧结或熔融固化时产生被称为“烟气”(图2所示的烟气14)的烟状物质。该烟气14例如是金属蒸气或树脂蒸气，取决于粉末材料的种类。该烟气14朝向腔室6的上部上升。

利用图3及图5对惰性气体16的供给进行说明。

惰性气体16从惰性气体供给部15经过供给路径(未图示)而到达吹出口10。并且，惰性气体16被从吹出口10朝向下方的罩部件11内吹出。在由内周壁11a和外周壁11c围成的空间中充满的惰性气体16从在透射窗8与罩部件11的内周壁11a之间形成的间隙12，被吹出到由内周壁11a和内凸缘11b围成的空间。此时，惰性气体16沿着透射窗8的腔室6侧的表面，朝向透射窗8的中央部流动。此后，惰性气体16从内凸缘11b的中央的开口部17被供给到腔室6内。这样，惰性气体16以覆盖透射窗8的表面的方式流动，因此上升起来的烟气14不易向透射窗8附着。

这里，吹出口10的开口面积可以大于间隙12的开口面积。这样，在罩部件11内，以高压力充满惰性气体16。并且，从间隙12流出的惰性气体16易于以覆盖透射窗8的表面的方式沿着透射窗8的表面流动。因此，从下方上升起来的烟气14不易向透射窗8附着。

另外，在由内周壁11a和内凸缘11b围成的空间中，充满惰性气体16。并且，惰性气体16从内凸缘11b的开口部17朝向下方流出，因此烟气14不易进入到由内周壁11a和内凸缘11b围成的空间。进而，内凸缘11b的内周端比间隙12向内周侧突出。因此，在内凸缘11b的上侧，形成惰性气体16从内周壁11a侧朝向开口部17侧的流动13。由于流动13，到达开口部17附近的烟气14不易进入到由内周壁11a和内凸缘11b围成的空间。另外，内周壁11a和内凸缘11b所围成的空间的压力高于腔室6内的压力。因此，烟气14不易到达透射窗8。因此，烟气14不易进入到开口部17的上侧。

此外，为了不使烟气14靠近并附着于透射窗8，内凸缘11b的中央的开口部17的大小优选为较小。但是，内凸缘11b的中央的开口部17的大小需要大至不妨碍激光束3向粉末层2照射的程度。

这样，使烟气14不易靠近并附着于透射窗8的制造装置5能够长时间地将透射窗8的光透射率维持得较高。因此，制造装置5能够制造精度高的造型物，并且能够延长装置的连续运转时间，使得大型的造型物或者复杂的造型物的制造成为可能。

产业上的利用可能性

本发明的三维造型物的制造装置，由于防止透射窗的污染而能够连续运转，因此对于大型造型物的制造或者复杂形状的造型物的制造等是有用的。

符号说明

1 基盘

2 粉末层(材料层)

3 激光束(光束)

4 硬化层

5 制造装置(三维造型物的制造装置)

6 腔室

8 透射窗

9 光源

10 吹出口

11 罩部件

11a 内周壁

11b 内凸缘

11c 外周壁

12 间隙

13 流动

14 烟气

15 惰性气体供给部

16 惰性气体

17 开口部

Claims (2)

1.一种三维形状造型物的制造装置，向设置在腔室内的材料层的规定部位照射光束使所述规定部位的材料烧结或熔融固化而形成硬化层，其特征在于，

具备：

所述腔室；

透射窗，设置于所述腔室的顶面，使所述光束透射；

吹出口，设置于所述透射窗的周围，朝向所述腔室内吹出惰性气体；以及

环状的罩部件，在所述吹出口的下方沿着所述透射窗的周围设置，覆盖所述吹出口，

在所述罩部件与所述透射窗之间设有供所述惰性气体通过的间隙，

所述间隙设置在所述透射窗的外周部分的正下方，

所述罩部件具有：

筒状的内周壁，在与所述透射窗之间隔着所述间隙而配置；以及

内凸缘，在所述间隙的下方从所述内周壁向内侧伸出。

2.根据权利要求1所述的三维形状造型物的制造装置，其特征在于，

所述吹出口的开口面积大于所述间隙的开口面积。

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