CN112139493B - 层叠造型装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种层叠造型装置，将腔室内保持成适合于造型的低氧浓度的惰性气体环境，并且将烟雾收集器内调整成可适当地进行电晕放电的程度的氧浓度。层叠造型装置包括：腔室、照射装置、供给口、排出口、惰性气体供给装置、烟雾收集器、以及氧浓度调整装置。腔室覆盖造型区域。照射装置对已形成在造型区域的材料层照射激光或电子束来形成固化层。供给口朝腔室供给惰性气体。排出口从腔室排出惰性气体。惰性气体供给装置与供给口连接，将惰性气体供给至腔室。烟雾收集器包括吸入口、带电部、集尘部、以及送回口。氧浓度调整装置连接在排出口与带电部之间，将具有比从排出口排出的惰性气体中所含有的氧浓度高的氧浓度的调整气体供给至烟雾收集器。

Description

层叠造型装置
技术领域
本发明涉及一种层叠造型装置。
背景技术
在金属的层叠造型装置中，重复进行在规定的造型区域形成包含金属材料的材料层、及对所述材料层照射激光或电子束来形成固化层。而且，将规定数量的固化层层叠，形成所期望的三维造型物。
在此种层叠造型装置中，为了防止金属材料的变质而进行适当的造型，利用经密闭的腔室覆盖造型区域，并在造型过程中使腔室内充满规定浓度的惰性气体。
另一方面，当对材料层照射激光或电子束，使材料层烧结或熔融来形成固化层时，产生被称为烟雾(fume)的金属蒸气。以下，包含烧结及熔融在内称为固化。若在腔室内存在烟雾，则存在烟雾遮蔽激光或电子束、或烟雾附着在设置在腔室的上表面的窗等光学零件等，引起造型质量的下降的可能性。
因此，在现有的层叠造型装置中，将惰性气体供给至腔室，并且将腔室内的含有烟雾的惰性气体排出，而将腔室的内部维持成清洁的惰性气体环境。另外，为了再次利用已排出的惰性气体，理想的是将已从腔室排出的惰性气体输送至烟雾收集器，在去除了烟雾后送回腔室。
作为烟雾收集器，例如可使用电集尘器。如日本专利第6095147号公报中公开的那样，作为电集尘器的烟雾收集器通过电晕放电而使烟雾带正电或带负电，并通过库仑力(Coulomb force)来捕获已带电的烟雾。通过此种烟雾收集器来去除惰性气体内的烟雾。
发明内容
[发明所要解决的问题]
根据防止金属材料的变质这一观点，以腔室内的氧浓度极低为宜。因此，现有的层叠造型装置以提高腔室的气密性等，而使腔室内的氧浓度变得更低的方式构成。但是，已知在氧浓度极端低的环境下，在作为电集尘器的烟雾收集器中电晕放电的产生变得不稳定，无法正常地进行烟雾的去除、或因错误而停止。
本发明是鉴于此种情况而成者，其主要目的在于提供一种层叠造型装置，将腔室内保持成适合于造型的低氧浓度的惰性气体环境，并且将烟雾收集器内调整成可适当地进行电晕放电的程度的氧浓度。
[解决问题的技术手段]
根据本发明，提供一种层叠造型装置，其包括：腔室，覆盖造型区域；照射装置，对已形成在所述造型区域的材料层照射激光或电子束来形成固化层；供给口，设置在所述腔室或所述腔室的内部，朝所述腔室供给惰性气体；排出口，设置在所述腔室或所述腔室的内部，从所述腔室排出所述惰性气体；惰性气体供给装置，与所述供给口连接，将所述惰性气体供给至所述腔室；烟雾收集器，包含与所述排出口连接并被供给已从所述腔室排出的所述惰性气体的吸入口、具有使已从所述吸入口输送的所述惰性气体中所含有的烟雾带正电或带负电的带电电极的带电部、捕获已带电的所述烟雾的集尘部、及与所述供给口连接并将所述烟雾已被去除的所述惰性气体送回所述腔室中的送回口；以及氧浓度调整装置，连接在所述排出口与所述带电部之间，将具有比从所述排出口排出的所述惰性气体中所含有的氧浓度高的氧浓度的调整气体供给至所述烟雾收集器。
[发明的效果]
本发明的层叠造型装置以如下方式构成：通过惰性气体供给装置来将惰性气体供给至腔室内，并且从作为电集尘器的烟雾收集器的上游侧供给调整气体。调整气体具有比从腔室排出的惰性气体中所含有的氧浓度高的氧浓度。如此，将腔室内部保持成低氧浓度的惰性气体环境，另一方面，将烟雾收集器内的氧浓度调整成适合于电集尘的浓度。进而，将层叠造型装置维持成适合于高精度的三维造型物的造型的环境。
附图说明
图1是本实施方式的层叠造型装置的概略构成图。
图2是照射装置的概略构成图。
图3是防污染装置的放大图。
图4是烟雾收集器的概略构成图。
图5是氧浓度调整装置的放大图。
图6是排气装置的放大图。
[符号的说明]
3：材料层形成装置
4：照射装置
5：防污染装置
6：惰性气体供给装置
7：烟雾收集器
8：氧浓度调整装置
9：排气装置
11：腔室
12：窗
13：氧浓度计
14：第一供给口
15：第二供给口
16：排出口
17：端口
18：含氧气体源
21：底板
23：材料层
25：固化层
31：基台
33：涂覆机头
35：造型台
37：造型台驱动装置
41：光源
43：准直器
45：焦点控制单元
47：X轴振镜
49：Y轴振镜
51：壳体
52：扩散构件
53：惰性气体供给空间
54：开口部
55：细孔
56：清洁室
71：吸入口
73：带电部
75：集尘部
77：送回口
79：端口
81：第一流量控制阀
82：第二流量控制阀
83：接头
91：过滤器
93：调整阀
95：开闭阀
97：风扇马达
731：带电板
733：带电电极
751：集尘板
L：激光
R：造型区域
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所示的各种特征事项可相互组合。
如图1所示，本实施方式的层叠造型装置包括：腔室11、材料层形成装置3、照射装置4、防污染装置5、以及惰性气体供排机构。
腔室11以除惰性气体的供排路径以外实质上被密闭的方式构成，覆盖作为形成所期望的三维造型物的区域的造型区域R。
材料层形成装置3设置在腔室11内。材料层形成装置3包括：基台31，具有造型区域R；以及涂覆机头33，配置在基台31上，以可在水平单轴方向上移动的方式构成。在涂覆机头33的两侧面分别设置刀片。涂覆机头33由未图示的材料供给装置供给材料粉体，一边将已收容在内部的材料粉体从底面排出，一边在水平单轴方向上往返移动。此时，刀片将已被排出的材料粉体平坦化来形成材料层23。在造型区域R，设置通过造型台驱动装置37而可在垂直方向上移动的造型台35。当使用层叠造型装置时，在造型台35上配置底板21，在底板21上形成第一层的材料层23。
照射装置4设置在腔室11的上方。本实施方式的照射装置4对形成在造型区域R上的材料层23的规定部位照射激光L，使规定的位置的材料粉体烧结或熔融来形成固化层25。如图2所示，照射装置4包括：光源41、准直器43、焦点控制单元45、以及振镜扫描器(Galvanoscanner)。焦点控制单元45具有：扩散透镜、聚光透镜、以及使扩散透镜相对于聚光透镜进行相对移动的致动器。振镜扫描器具有：X轴振镜(Galvano mirror)47、使X轴振镜47旋转的致动器、Y轴振镜49、以及使Y轴振镜49旋转的致动器。
光源41生成激光L。此处，激光L只要是可使材料层23烧结或熔融者，则其种类并无限定，例如为CO2激光、光纤激光或钇铝石榴石(Yttrium Aluminum Garnet，YAG)激光。准直器43将已从光源41输出的激光L转换成平行光。焦点控制单元45将已从光源41输出的激光L调整成所期望的光点直径。振镜扫描器使已从光源41输出的激光L进行二维扫描。具体而言，X轴振镜47及Y轴振镜49对应于从未图示的控制装置输入的旋转角度控制信号的大小来控制旋转角度，使激光L分别在X轴方向及Y轴方向上进行扫描。
穿过了X轴振镜47及Y轴振镜49的激光L通过设置在腔室11的上表面的窗12，照射在已形成在造型区域R的材料层23。窗12由可使激光L通过的材料形成。例如，当激光L为光纤激光或YAG激光时，窗12可包含石英玻璃。
另外，照射装置例如也可以是照射电子束来使材料层23固化而形成固化层25者。例如，照射装置也能够以包含阴极电极、阳极电极、螺线管、以及集电极的方式构成。阴极电极放出电子。阳极电极使电子聚集并加速。螺线管形成磁场并使电子束的方向聚集成一方向。集电极与作为被照射体的材料层23电连接。电压被施加至阴极电极与集电极之间。
通过以上所说明的材料层形成装置3及照射装置4，对所期望的三维造型物进行造型。首先，将底板21载置在造型台35上，并将造型台35的高度调整成适当的位置。其次，涂覆机头33从造型区域R的图1的左侧朝右侧移动，在底板21上形成第一层的材料层23。继而，照射装置4对第一层的材料层23的规定位置照射激光L，形成第一层的固化层25。同样地，使造型台35的高度下降相当于一层材料层23。涂覆机头33从造型区域R的图1的右侧朝左侧移动，在第一层的固化层25上形成第二层的材料层23。继而，照射装置4对第二层的材料层23的规定位置照射激光L，形成第二层的固化层25。第一层的固化层25与第二层的固化层25相互粘着。通过重复以上的步骤，依次形成第三层以后的固化层25。如此，重复材料层23与固化层25的形成，而对所期望的三维造型物进行造型。
在腔室11的上表面，以覆盖窗12的方式设置防污染装置5。如图3所示，防污染装置5包括：圆筒状的壳体51、及配置在壳体51内的圆筒状的扩散构件52。在壳体51与扩散构件52之间设置惰性气体供给空间53。另外，在壳体51的底面，在扩散构件52的内侧设置开口部54。在扩散构件52设置有许多细孔55，已被供给至惰性气体供给空间53的清洁的惰性气体经由细孔55而充满清洁室56。而且，已充满清洁室56的清洁的惰性气体经由开口部54而朝防污染装置5的下方喷出。防污染装置5防止窗12被固化层25的形成时所产生的烟雾污染，并且帮助从照射路径中排除将要横断激光L的照射路径的烟雾。
此处，对本实施方式的惰性气体供排机构进行说明。惰性气体供排机构使腔室11内充满规定浓度的惰性气体。另外，惰性气体供排机构从腔室11排出含有烟雾的惰性气体，从已被排出的惰性气体中去除大部分的烟雾后送回腔室11内。惰性气体供排机构包括：惰性气体供给装置6、烟雾收集器7、氧浓度调整装置8、以及排气装置9。
在腔室11或腔室11的内部设置一个以上的供给口。供给口将从惰性气体供给装置6供给的惰性气体及从烟雾收集器7送回的惰性气体的至少一者供给至腔室11。在本实施方式中，作为供给口，设置第一供给口14及第二供给口15。第一供给口14设置在腔室11的壁面，与惰性气体供给装置6及烟雾收集器7连接。从惰性气体供给装置6经由第一供给口14而朝腔室11供给规定浓度的惰性气体。另外，经由第一供给口14而朝腔室11送回由烟雾收集器7去除了大部分的烟雾的惰性气体。第二供给口15设置在腔室11的上表面，与惰性气体供给装置6连接。经由第二供给口15而朝防污染装置5的惰性气体供给空间53供给惰性气体。为了防止烟雾附着在窗12，理想的是在第二供给口15仅连接惰性气体供给装置6。
在腔室11或腔室11的内部设置一个以上的排出口。排出口将含有烟雾的惰性气体从腔室11朝烟雾收集器7排出。在本实施方式中，作为排出口，在腔室11的壁面设置排出口16。经由排出口16而朝烟雾收集器7排出含有烟雾的惰性气体。
供给口及排出口的个数或位置并不限定于所述实施方式。供给口及排出口例如可在腔室11的壁面或上表面、或者涂覆机头33等腔室11内的构成构件的任意的位置设置任意的个数。另外，与惰性气体供给装置6连接的供给口、及与烟雾收集器7连接的供给口也可以个别地设置。
惰性气体供给装置6将规定浓度的惰性气体供给至腔室11。具体而言，惰性气体供给装置6是从周围的空气中取出惰性气体的惰性气体产生装置、或存储有惰性气体的储气罐。从惰性气体供给装置6供给的惰性气体理想的是纯度极高者。换言之，从惰性气体供给装置6供给的惰性气体中的氧浓度优选约为0％。在本实施方式中，作为惰性气体供给装置6，使用构成为可生成约99.99％的浓度的氮气的变压吸附(Pressure Swing Adsorption，PSA)式的氮气产生装置。另外，所谓惰性气体，是指与由金属材料形成的材料层23、金属材料固化而形成的固化层25、及含有氧的其它气体实质上不进行反应的气体，例如氮气。
烟雾收集器7是电集尘器，从已从腔室11排出的惰性气体中去除大部分的烟雾后，将所述惰性气体送回腔室11。如图4所示，烟雾收集器7包括：吸入口71、带电部73、集尘部75、以及送回口77。吸入口71与排出口16连接，将已从腔室11排出的惰性气体供给至带电部73。带电部73使已从吸入口71输送的惰性气体中所含有的烟雾带正电或带负电。集尘部75捕获已带电的烟雾。送回口77与第一供给口14连接，将大部分的烟雾已被去除的惰性气体送回腔室11。本实施方式的烟雾收集器7是带电部73与集尘部75一体地形成的一段式的电集尘器。即，带电部73及集尘部75具有：每隔规定的间隔设置的多个带电板731、安装在带电板731的针状的带电电极733、以及分别地设置在带电板731之间的集尘板751。带电板731及带电电极733由未图示的电压供给部件施加高压电压，通过电晕放电来使烟雾带正电或带负电。集尘板751接地，已带电的烟雾通过库仑力而被集尘板751捕获。另外，本实施方式的烟雾收集器7如上所述为一段式的电集尘器，但也可以是带电部73与集尘部75分开构成的二段式的电集尘器。
氧浓度调整装置8将具有比从排出口16排出的惰性气体中所含有的氧浓度高的氧浓度的调整气体供给至烟雾收集器7。即，调整气体的氧浓度比惰性气体供给装置6所供给的惰性气体中的氧浓度高。氧浓度调整装置8只要连接在烟雾收集器7的任意的上游侧，即排出口16与带电部73之间即可。具体而言，氧浓度调整装置8可连接在将排出口16与吸入口71连接的配管，也可以连接在比烟雾收集器7的带电部73更上游侧。如上所述，若烟雾收集器7内的氧浓度低于规定的值，则带电部73的电晕放电的产生变得不稳定。例如，在本实施方式的烟雾收集器7中，当氧浓度未满约0.6vol％时，电晕放电的产生变得不稳定。因此，通过从烟雾收集器7的上游侧供给具有比电晕放电的产生变得不稳定的氧浓度高的氧浓度的调整气体，可使电晕放电的产生稳定。与不设置氧浓度调整装置8的情况相比，腔室11内的氧浓度略微上升。但是，由于对烟雾收集器7直接供给调整气体，因此可将腔室11内的氧浓度的上升抑制在不对造型带来障碍的范围内。例如，在本实施方式中，从烟雾收集器7的上游侧供给氧浓度约为7.0vol％的调整气体，将烟雾收集器7内的氧浓度调整成约0.6vol％以上。此时，腔室11内的氧浓度例如变成约0.7vol％以下，优选变成约0.6vol％以下。
调整气体理想的是与从惰性气体供给装置6供给的惰性气体同种的惰性气体和含氧气体的混合气体。另外，含氧气体只要是含有氧的气体即可，但适宜的是空气。在本实施方式中，将从惰性气体供给装置6供给的惰性气体与空气混合，而生成调整气体。
图5表示本实施方式的氧浓度调整装置8。氧浓度调整装置8包括：第一流量控制阀81、第二流量控制阀82、以及接头83。第一流量控制阀81及第二流量控制阀82例如为速度控制器或调整阀。第一流量控制阀81与惰性气体供给装置6连接，调整惰性气体的流量。第二流量控制阀82与供给含氧气体的含氧气体源18连接，调整含氧气体的流量。在本实施方式中，含氧气体源18为空气压缩机。例如，当层叠造型装置包括空压驱动的驱动装置时，将空气压缩机与所述驱动装置连接。在此种情况下，可将所述空气压缩机用作含氧气体源18。接头83与第一流量控制阀81、第二流量控制阀82及烟雾收集器7分别连接。经由第一流量控制阀81及第二流量控制阀82所输送的惰性气体及含氧气体在接头83中混合，然后被朝烟雾收集器7输送。
调整气体的氧浓度理想的是调整得比烟雾的极限氧浓度，即烟雾起火的下限的氧浓度低。例如，当金属材料为马氏体时效钢(Maraging steel)的铁系材料时，烟雾的极限氧浓度约为8.0vol％。因此，当金属材料为马氏体时效钢等铁系材料时，将调整气体的氧浓度调整成未满约8.0％vol。若如此调整，则至少将烟雾收集器7内的氧浓度保持成未满烟雾的极限氧浓度，因此可更安全地构成层叠造型装置。
在层叠造型装置设置检测氧浓度的氧浓度计13。氧浓度计13与设置在腔室11的端口17、及设置在烟雾收集器7的端口79连接。为了防止烟雾附着在氧浓度计13，端口79理想的是设置在烟雾收集器7的下游侧。另外，当欲分别个别地检测腔室11与烟雾收集器7内的氧浓度时，只要设置两个氧浓度计13并分别与端口17及端口79连接即可。氧浓度计13与未图示的控制装置连接。当由氧浓度计13所检测的氧浓度为规定的阈值以上时，控制装置控制烟雾收集器7，使朝带电电极733的电压施加停止。另外，当由氧浓度计13所检测的氧浓度为规定的阈值以上时，控制装置使激光L的照射中断。在本实施方式中，当氧浓度计13的检测值为3.0vol％以上时，使朝带电电极733的电压施加停止，并且使激光L的照射中断。通过如此构成，可更安全地进行高质量的层叠造型。
排气装置9将由烟雾收集器7去除了大部分的烟雾的惰性气体朝层叠造型装置外排气。排气装置9使腔室11内的气压与层叠造型装置外的气压大致变得均匀，抑制含有烟雾的惰性气体从腔室11漏出。如图6所示，排气装置9包括：过滤器91、调整阀93、开闭阀95、以及风扇马达97。
过滤器91例如包含无纺布过滤器与高效微粒空气(High EfficiencyParticulate Air，HEPA)过滤器，从被朝装置外排气的惰性气体中去除烟雾。排气装置9连接在烟雾收集器7的下游侧，即集尘部75与第一供给口14之间，因此被输送至排气装置9的惰性气体的大部分的烟雾已被去除。因此，并非必须设置过滤器91，但过滤器91可使被排气的惰性气体变得更清洁。
调整阀93例如为球阀，调整惰性气体的排气量。风扇马达97形成排气方向的气流。通过调整阀93及风扇马达97，以每小时的从排气装置9的排气量与漏出量的总和变成每小时的从惰性气体供给装置6的供给量以上的方式进行调整。
开闭阀95例如为电磁阀，切换排气的开启/关闭(ON/OFF)。未图示的控制装置根据由未图示的气压计测定的腔室11内的气压、及由氧浓度计13测定的氧浓度来控制开闭阀95及风扇马达97。即，仅当腔室11内的气压为规定的阈值以上、且氧浓度未满规定的阈值时，将开闭阀95打开，使风扇马达97运转。如此，在不对造型带来影响的范围内，防止惰性气体从腔室11漏出。
如以上那样对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子来提示者，并不意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够以其它各种形态来实施，可在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、替换、变更。实施方式中所示的各技术特征可在技术上不产生矛盾的范围内相互组合。这些实施方式及变形例包含在发明的范围或主旨中。
例如，层叠造型装置也可以进而包括切削装置，在造型途中或造型后对固化层25进行切削加工。例如，切削装置具有使端铣刀(end mill)等切削工具旋转的主轴头、及设置主轴头并可移动至所期望的位置的加工头。根据此种切削装置，每当形成规定数量的固化层25时，均可对固化层25的端面进行切削加工。或者，切削装置具有保持车刀等切削工具的回转机构、及设置有回转机构的加工头。根据此种切削装置，可对造型后的层叠造型物的与造型台35平行的面、及与造型台35垂直且相互垂直的两个面进行刨削，而形成进行二次加工方面的基准面。
另外，本实施方式的氧浓度调整装置8在造型过程中始终进行调整气体的供给，但也可以设置电磁阀等开闭阀，对应于氧浓度来切换供给的开启/关闭。例如，未图示的控制装置也能够以如下方式控制开闭阀：仅当烟雾收集器7内的氧浓度未满规定的阈值时进行调整气体的供给，当烟雾收集器7内的氧浓度为规定的阈值以上时，停止调整气体的供给。此时，理想的是设置两个氧浓度计13，并分别与腔室11及烟雾收集器7连接。
另外，本实施方式的氧浓度调整装置8将从惰性气体供给装置6供给的惰性气体与从含氧气体源18供给的含氧气体混合来生成调整气体，但只要是可将具有比惰性气体供给装置6所供给的惰性气体高的氧浓度的调整气体供给至烟雾收集器7的装置即可。例如，氧浓度调整装置8也可以是生成纯度比惰性气体供给装置6低的惰性气体的惰性气体产生装置、或存储有纯度比惰性气体供给装置6低的惰性气体的储气罐。

Claims (9)

1.一种层叠造型装置，包括：
腔室，覆盖造型区域；
照射装置，对已形成在所述造型区域的材料层照射激光或电子束来形成固化层；
供给口，设置在所述腔室或所述腔室的内部，朝所述腔室供给惰性气体；
排出口，设置在所述腔室或所述腔室的内部，从所述腔室排出所述惰性气体；
惰性气体供给装置，与所述供给口连接，将所述惰性气体供给至所述腔室；
烟雾收集器，包含与所述排出口连接并被供给已从所述腔室排出的所述惰性气体的吸入口、具有使已从所述吸入口输送的所述惰性气体中所含有的烟雾带正电或带负电的带电电极的带电部、捕获已带电的所述烟雾的集尘部、及与所述供给口连接并将所述烟雾已被去除的所述惰性气体送回所述腔室中的送回口；以及
氧浓度调整装置，连接在所述排出口与所述带电部之间，将具有比从所述排出口排出的所述惰性气体中所含有的氧浓度高的氧浓度的调整气体供给至所述烟雾收集器。
2.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其中所述惰性气体为氮气。
3.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其中所述调整气体为所述惰性气体与含氧气体的混合气体。
4.根据权利要求3所述的层叠造型装置，其中所述含氧气体为空气。
5.根据权利要求3所述的层叠造型装置，其中所述氧浓度调整装置包括：
第一流量控制阀，与所述惰性气体供给装置连接；
第二流量控制阀，与供给所述含氧气体的含氧气体源连接；以及
接头，与所述第一流量控制阀、所述第二流量控制阀及所述烟雾收集器连接，朝所述烟雾收集器中供给将所述惰性气体及所述含氧气体混合而生成的所述调整气体。
6.根据权利要求1所述的层叠造型装置，其中所述调整气体的氧浓度比所述烟雾的极限氧浓度低。
7.根据权利要求1所述的层叠造型装置，还包括与所述烟雾收集器连接的氧浓度计。
8.根据权利要求7所述的层叠造型装置，其中所述氧浓度计也与所述腔室连接。
9.根据权利要求7所述的层叠造型装置，其中当由所述氧浓度计所检测的氧浓度为规定的阈值以上时，所述烟雾收集器使朝所述带电电极的电压施加停止。
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