CN112676563A - 层叠造形装置 - Google Patents

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Abstract

一种高效地对固化体进行冷却的层叠造形装置，其包括：材料层形成装置，在供形成所期望的三维造形物的造形区域形成材料层；照射装置，对所述材料层照射激光或电子束来进行烧结或熔融而形成固化层；以及冷却装置，将所述固化层层叠而成的固化体的包含上表面的至少一部分冷却至规定的冷却温度。所述材料层形成装置包含：基台，具有所述造形区域；重涂机头，配置在所述基台上；重涂机头驱动装置，使所述重涂机头在水平方向上往返移动；以及刀片，设置在所述重涂机头，将材料粉体弄平来形成所述材料层。所述冷却装置包含：冷却部，温度被调整成所述冷却温度，与所述固化体的上表面接触；以及安装构件，将所述冷却部安装在重涂机头。

Description

层叠造形装置
技术领域
本发明涉及一种层叠造形装置。
背景技术
在被称为粉末床熔合(powder bed fusion)的金属的层叠造形法中，首先，形成包含金属的材料粉体的材料层。其次，对材料层的规定部位照射激光(laser beam)或电子束等光束，使照射位置的材料层烧结或熔融。通过重复材料层的形成与光束的照射，而层叠多个烧结层或熔融层来对所期望的三维造形物进行造形。以下，包含烧结及熔融在内称为固化(solidifying)，包含烧结层及熔融层在内称为固化层。另外，将经层叠的固化层称为固化体。
材料层通过利用刀片将材料粉体弄平来形成。刀片安装在重涂机头(recoaterhead)，重涂机头通过重涂机头驱动装置，而在作为供形成所期望的三维造形物的区域的造形区域上移动。伴随重涂机头的移动，刀片将材料粉体撒在造形区域，形成规定厚度的材料层。
在此种层叠造形中，有时对造形后的三维造形物或造形中途的固化层进行温度调整。例如，中国专利公布号109622954A公开有如下的层叠造形方法：每当形成一层或多层的固化层时对所述固化层进行温度调整，有意图地进行马氏体转变(martensitictransformation)。因此，通过温度控制与进行中的马氏体转变一起进行三维造形物的造形。
发明内容
[发明所要解决的问题]
在对固化层进行温度调整的层叠造形中，存在从固化体的上表面进行温度调整的效率更好的情况。例如，当成为冷却对象的固化层位于固化体的上部时，从固化体的上表面进行冷却更好。另外，进行固化层的冷却的冷却装置的结构简单且小型更好，例如，理想的是与其他装置共有驱动装置。
本发明是鉴于所述情况而形成的发明，其目的在于提供一种可利用比较简单且小型的结构的冷却装置，高效地对固化体进行冷却的层叠造形装置。
[解决问题的技术手段]
根据本发明的一实施例，提供一种层叠造形装置，其包括：材料层形成装置，在供形成所期望的三维造形物的造形区域形成材料层；照射装置，对所述材料层照射激光或电子束来进行烧结或熔融而形成固化层；以及冷却装置，将所述固化层层叠而成的固化体的包含上表面的至少一部分冷却至规定的冷却温度；所述材料层形成装置包含：基台，具有所述造形区域；重涂机头，配置在所述基台上；重涂机头驱动装置，使所述重涂机头在水平方向上往返移动；以及刀片，设置在所述重涂机头，将材料粉体弄平来形成所述材料层；所述冷却装置包含：冷却部，温度被调整成所述冷却温度，与所述固化体的上表面接触；以及安装构件，将所述冷却部安装在重涂机头。
[发明的效果]
根据本发明的一实施例，温度被调整成规定的冷却温度的冷却部设置在重涂机头，利用重涂机头驱动装置而在水平方向上移动。冷却部与固化体的上表面接触，从上侧对固化体进行冷却。通过如此构成，无需为了冷却部的水平方向的移动而另外设置驱动装置，可比较简单且小型地构成冷却装置。另外，可从上侧对固化体进行冷却，因此可高效地对固化体进行冷却。
附图说明
图1是本发明的实施方式的层叠造形装置的概略结构图。
图2是造形台的概略结构图。
图3是重涂机头及冷却装置的从上方观察的立体图。
图4是重涂机头及冷却装置的从下方观察的立体图。
图5是重涂机头及冷却装置的侧面图。
图6是照射装置的概略结构图。
图7是冷却部的剖面立体图。
图8是控制装置的框图。
图9是表示层叠造形装置的动作的流程的活动图。
[符号的说明]
1：层叠造形装置
2：造形台
3：造形台驱动装置
4：材料层形成装置
5：照射装置
6：冷却装置
7：防污染装置
8：控制装置
11：腔室
12：窗
13：粉体保持壁
14：材料供给装置
14a：瓶
14b：料斗
14c：管道
15：材料回收口
16：滑槽
17：桶
21：底板
22：顶板
23、24、25：支撑板
26：温度调整机构
31、43、55x、55y、67：驱动电流供给装置
41：基台
42：重涂机头
44：重涂机头驱动装置
51：输出源
52：准直器
53：焦点控制单元
54x、54y：电流镜
56x、56y：致动器
61：冷却部
62：升降装置
63：擦拭器
64：冷媒流入口
65：冷媒流出口
66：安装构件
68：电磁阀
81：CAM装置
82：数值控制装置
83：显示装置
84：重涂机头控制装置
85：造形台控制装置
86：升降装置控制装置
87：照射控制装置
261：加热器
262：冷却器
421：材料容器
422：材料供给口
423：材料排出口
424：刀片
611：管路
821：存储装置
822：运算装置
823：存储器
871x：第一镜控制装置
871y：第二镜控制装置
A101～A109：步骤
B、C、U：箭头
L：激光
M：材料层
R：造形区域
S：固化层
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，层叠造形装置(lamination molding apparatus)1包括：腔室(chamber)11、材料层形成装置(material layer forming device)4、照射装置(irradiator)5、以及冷却装置(cooling device)6。
腔室11覆盖作为供形成所期望的三维造形物的区域的造形区域R。腔室11被供给规定浓度的惰性气体，并且排出材料层M的固化时所产生的含有烟雾的惰性气体。优选从腔室11排出的惰性气体在烟雾被去除后被送回腔室11。具体而言，在腔室11连接有未图示的惰性气体供给装置、及未图示的烟雾收集器。另外，在本发明中，所谓惰性气体，是指与材料层M或固化层S实质上不进行反应的气体，对应于材料的种类而从氮气、氩气、氦气等中选择适当的气体。
惰性气体供给装置是以供给惰性气体的方式构成的装置，例如为从周围的空气生成规定浓度的惰性气体的惰性气体产生装置、或存积有规定浓度的惰性气体的储气瓶。惰性气体产生装置可对应于生成的惰性气体的种类或浓度，采用膜分离方式、变压吸附(Pressure Swing Adsorption，PSA)方式等各种方式的装置。惰性气体供给装置朝腔室11内进行惰性气体的供给，使腔室11内充满规定浓度的惰性气体。此处，理想的是从惰性气体供给装置供给的惰性气体干燥。具体而言，理想的是惰性气体的露点温度比冷却装置6的冷却温度低。后述的冷却装置6的冷却部61在腔室11内移动，因此若在腔室11内充满干燥的惰性气体，则可抑制冷却部61结露。即，当惰性气体供给装置为惰性气体产生装置时，理想的是惰性气体产生装置包括使作为用于生成惰性气体的原料的空气干燥的干燥装置。另外，当惰性气体供给装置为储气瓶时，理想的是在储气瓶中存积有经充分干燥的惰性气体。
从腔室11排出的含有大量烟雾的惰性气体被送至烟雾收集器，在烟雾被去除后被送回腔室11。烟雾收集器是以去除烟雾的方式构成的装置，例如为电集尘器或过滤器。
材料层形成装置4使材料粉体在造形区域R上平坦化来形成规定厚度的材料层M。材料层形成装置4包含：基台(base)41、重涂机头42、重涂机头驱动装置44、以及刀片424。基台41设置在腔室11内，具有造形区域R。
在造形区域R配置造形台(molding table)2。造形台2可通过造形台驱动装置3而在铅垂方向(箭头U方向)上移动。当形成三维造形物时，也可以在造形台2上载置底板21。此时，在底板21上形成第一层的材料层M。在造形台2的周围设置粉体保持壁13。在由粉体保持壁13与造形台2包围的材料保持空间内保持未固化的材料粉体。
如图2所示，造形台2具有顶板22、支撑板23、支撑板24、支撑板25，将它们重叠来构成造形台2。另外，在造形台2的内部，设置有用于调整造形台2的温度的温度调整机构26。温度调整机构(temperature control mechanism)26具有设置在造形台2的内部的加热器(heater)261及冷却器(cooler)262。加热器261例如为电热器等发热体或供热媒流通的管路。冷却器262例如为供冷媒流通的管路。作为热媒或冷媒，可使用水或油等各种流体。另外，温度调整机构26的冷却器262只要是可进行某种程度的冷却的结构即可，可为可进行冷却至比由后述的冷却装置6达成的冷却温度高的温度的结构。例如，冷却器262可将造形台2冷却至常温。
作为造形台驱动装置3，可采用包含任意的致动器的装置，所述制动器可使造形台2沿着箭头U方向往返移动。在本实施方式中，造形台驱动装置3包括设置在造形台2下的滑动底座、滚珠螺杆、以及支撑滚珠螺杆的引导底座。滚珠螺杆包含通过马达来进行旋转的螺杆轴、及经由滚珠而与螺杆轴螺合的螺母。螺母固定在滑动底座的侧面。
重涂机头42配置在基台41上，通过重涂机头驱动装置44而在水平单轴方向(箭头B方向)上往返移动。重涂机头42具有至少使刀片424沿箭头B方向移动的功能。此外，本实施方式的重涂机头42具有存积成为材料层M的材料粉体，并将所述材料粉体朝造形区域R吐出的功能。如图3及图4所示，重涂机头42具有材料容器(material container)421、材料供给口(material supply opening)422、以及材料排出口(material discharge opening)423，在重涂机头42的侧面配设有刀片424。
材料容器421收容从材料供给装置14供给的材料粉体。材料供给口422配设在材料容器421的上表面，成为从材料供给装置14朝材料容器421供给的材料粉体的接收口。材料排出口423配设在材料容器421的底面，吐出材料容器421内的材料粉体。另外，材料排出口423具有狭缝形状。狭缝形状的长边方向是与作为重涂机头42的移动方向的箭头B方向正交的水平单轴方向(箭头C方向)。重涂机头42在造形区域R上沿箭头B方向往返移动，此时，从材料排出口423吐出材料粉体。
刀片424配设在重涂机头42的侧面。刀片424与重涂机头42一同在造形区域R上往返移动，将从重涂机头42朝造形区域R吐出的材料粉体弄平，而形成材料层M。在本实施方式中，在重涂机头42的两侧面各设置一个刀片424，但只要至少一个刀片424安装在重涂机头42即可。另外，作为刀片424，只要是平板状的刀片、具有柔韧性的刀片、刷子状的刀片、辊状的刀片等可形成规定厚度的材料层M的刀片，则可采用各种形态。
作为重涂机头驱动装置44，可采用包含任意的致动器的装置，所述制动器可使重涂机头42沿着箭头U方向往返移动。在本实施方式中，重涂机头驱动装置44包含马达、滚珠螺杆、以及一对引导件。滚珠螺杆具有通过马达来进行旋转的螺杆轴、及经由滚珠而与螺杆轴螺合并与重涂机头42连接的螺母。引导件设置在基台41上，沿箭头B方向延长。重涂机头42被引导件引导，沿箭头B方向移动。
材料供给装置14贯穿腔室11而设置在基台41的箭头B方向上的一端的上侧。材料供给装置14包含存积有材料粉体的瓶14a、接收从瓶14a供给的材料粉体的料斗14b、以及与料斗14b连接并朝重涂机头42引导材料粉体的管道14c。当对重涂机头42补充材料粉体时，使重涂机头42移动至材料供给装置14的下方。而且，使管道14c下降，管道14c的前端从材料供给口422插入材料容器421内。在此状态下挡板被打开，从瓶14a朝料斗14b供给的材料粉体自由落下规定量，而朝材料容器421内补给材料粉体。另外，材料供给装置14只要是可对重涂机头42供给材料粉体的装置即可，并不限定于所述实施方式。
本实施方式的层叠造形装置1中所使用的材料例如为金属的材料粉体。尤其，在每当形成规定数的固化层S时对固化层S进行温度调整，有意图地一边进行固化层S的马氏体转变，一边进行三维造形物的造形的情况下，优选使用马氏体系不锈钢或碳钢等比较容易产生马氏体转变的材料。
在基台41的箭头B方向的端部，具体而言，在至少在箭头B方向上比造形区域R更外侧的位置，形成有材料回收口(material collect opening)15。在本实施方式中，在基台41的两端各设置有一个材料回收口15，但也可以仅设置在其中一个端部。材料回收口15是材料粉体可通过的开口，从材料回收口15落下的材料粉体被滑槽16引导，而贮藏在桶17中。已被回收至桶17中的材料粉体也可以被再利用。使重涂机头42移动至材料回收口15附近为止，由此将未被保持在造形台2上部的材料保持空间内的剩余的材料粉体从材料回收口15排出。另外，使重涂机头42移动至材料回收口15上，由此可将被收容在重涂机头42的材料容器421内的材料粉体从材料排出口423排出，而使材料容器421内实质上变空。
照射装置5对材料层M照射激光L来进行烧结或熔融而形成固化层S。如图6所示，照射装置5具有输出源51、准直器52、焦点控制单元53、以及扫描部件(scanner)。
输出源51输出激光L。激光L可对材料层M进行烧结或熔融，例如为CO2激光、光纤激光、或钇铝石榴石(Yttrium Aluminium Garnet，YAG)激光。准直器52将从输出源51输出的激光L转换成平行光。焦点控制单元53将通过准直器52而转换成平行光的激光L聚光，并调整成规定的光点直径。
扫描部件使从输出源51输出的激光L对造形台2上的材料层M的所期望的位置进行扫描。具体而言，扫描部件是具有一对电流镜54x、54y，及使各电流镜54x、54y分别旋转的致动器56x、致动器56y的流电扫描仪(galvano scanner)。通过控制电流镜54x与电流镜54y的旋转角度来控制激光L的照射位置。
通过电流镜54x与电流镜54y来控制照射位置的激光L穿过设置在腔室11的上表面的窗12，照射至造形台2上的材料层M，而形成固化层S。窗12由可使激光L透过的材料形成。例如，当激光L为光纤激光或YAG激光时，窗12可由石英玻璃构成。
在腔室11的上表面，以覆盖窗12的方式设置防污染装置7。防污染装置7使窗12的下方充满惰性气体来防止窗12的污染，使惰性气体朝下方喷出来从激光L的路径中排除烟雾。
本实施方式的照射装置5以照射激光L来形成固化层S的方式构成，但照射装置也可以是照射电子束的装置。例如，照射装置也能够以具有阴极电极、阳极电极、螺线管、以及集电极的方式构成，所述阴极电极放出电子，所述阳极电极使电子聚集并加速，所述螺线管形成磁场并使电子束的方向朝一方向聚集，所述集电极与作为被照射体的材料层M电性连接，在其与阴极电极之间施加电压。此时，阴极电极及阳极电极发挥输出电子束的输出源的作用，螺线管发挥使电子束进行扫描的扫描部件的作用。另外，也可以省略窗12及防污染装置7，将阴极电极以朝腔室11内突出的方式设置。另外，当使用照射电子束的照射装置时，也可以使腔室11内的环境处于接近真空的状态的稀有气体环境下。
层叠造形装置1也可以还包括第一加工装置，所述第一加工装置每当形成规定数的固化层S时对固化层S的端面进行切削加工。第一加工装置包括第一加工头、及用于驱动第一加工头的第一加工头驱动装置。第一加工头驱动装置具有X轴驱动部、Y轴驱动部、以及Z轴驱动部。X轴驱动部配置在基台41上，使Y轴驱动部在X轴方向上移动。Y轴驱动部使配置在腔室11内的第一加工头在Y轴方向上移动。Z轴驱动部使第一加工头在Z轴方向上移动。第一加工头包括主轴头。主轴头以可握持端铣刀等切削工具并使其旋转的方式构成，可对固化层S的表面或不需要部分进行切削加工。
另外，层叠造形装置1也可以还包括第二加工装置来代替第一加工装置，所述第二加工装置针对经层叠造形的三维造形物的上表面及侧面，对二次加工中的基准面进行切削加工。第二加工装置也可以包括第二加工头、及用于对第二加工头进行水平驱动的第二加工头驱动装置。第二加工头具有握持车刀等切削工具，并且使切削工具沿着铅垂方向的旋转轴转动的回旋机构。第二加工头驱动装置例如具有一对第一水平移动机构、设置在一对第一水平移动机构的构台(gantry)、以及安装在构台并固定有第二加工头的第二水平移动机构。此时，第二加工头驱动装置也可以不具有使第二加工头在Z轴方向上移动的驱动装置。
冷却装置6将固化层S层叠而成的固化体的包含上表面的至少一部分冷却至规定的冷却温度。以下，将成为冷却对象的固化体的包含上表面的至少一部分称为上表面层。如图3～图5所示，冷却装置6具有冷却部(cooling body)61、升降装置(elevator)62、擦拭器63、冷媒流入口(cooling medium inlet)64、冷媒流出口(cooling medium outlet)65、以及安装构件(mounting member)66。
冷却部61经由安装构件66而设置在重涂机头42，当进行上表面层的冷却时，温度被调整成冷却温度。而且，冷却部61与固化体的上表面接触，由此对上表面层进行冷却。在本实施方式中，冷却部61具有圆筒形状，以可旋转的方式构成。冷却部61由与重涂机头42连接的安装构件66旋转自如地支撑，伴随重涂机头42的移动，一边与固化体的上表面接触一边进行旋转移动。以下，将如所述那样以可旋转的方式构成的具有圆筒形状的冷却部61特别称为冷却辊。若利用具有某种程度的弹性的原材料来构成冷却辊的表面，则可将冷却辊按压在固化体的上表面，一边确保规定的接触面积一边使冷却辊移动，而优选。例如，也可以将具有弹性的导热片粘贴在冷却辊的表面。导热片例如为混炼有导热填料的丙烯酸系树脂或硅橡胶。另外，冷却装置6的冷却部61也可以是散热性能高的金属，例如具有散热片的散热器。但是，通过将冷却部61设为一边与固化体的上表面接触一边进行旋转移动的冷却辊，可一边使冷却辊移动一边进行冷却，可使冷却部61变成小型的冷却部。进而，冷却部61的冷却效率良好，另外，可更小型地构成冷却装置6。
擦拭器63设置在重涂机头42。更具体而言，在与重涂机头42连接的安装构件66安装擦拭器63。作为擦拭器63，优选为具有柔韧性的平板状的擦拭器、或刷子状的擦拭器。另外，使擦拭器63的下端位于比作为冷却部61的冷却辊的下端更下方。擦拭器63伴随重涂机头42的移动，一边接触固化体的上表面一边移动，从固化体的上表面去除材料粉体。优选擦拭器63伴随重涂机头42的移动，也从固化体的侧面的至少一部分去除材料粉体。若冷却时在固化体上或固化体的侧面存在材料粉体，则不仅妨碍冷却部61与固化体接触，而且蓄积在材料粉体中的热能造成冷却效率的下降。因此，在利用擦拭器63从固化体的上表面、或固化体的侧面的至少一部分擦拭材料粉体后，通过冷却部61来进行冷却，由此可高效地对上表面层进行冷却。另外，在本实施方式中，仅在安装构件66的一侧面设置擦拭器63，但也可以在安装构件66的两侧面各设置一个擦拭器63。
升降装置62是使冷却部61升降的任意的致动器。作为升降装置62，例如可使用气缸。当材料层形成装置4形成材料层M时，升降装置62使冷却部61上升，将冷却部61与材料层M保持成非接触状态。另外，当对上表面层进行冷却时，升降装置62使冷却部61下降，将冷却部61与固化体保持成接触状态。通过如此构成，可防止冷却部61妨碍材料层M的形成。
冷媒流入口64及冷媒流出口65分别是配设在冷却部61的内部的冷媒流通的管路611的入口与出口。冷媒流入口64及冷媒流出口65分别经由未图示的配管而与使冷媒循环的未图示的制冷机(chiller)连接。在所述配管设置用于开启/关闭(ON/OFF)冷媒的供给的电磁阀(solenoid valve)68。在制冷机中温度被调整成规定的冷却温度的冷媒从冷媒流入口64流入管路611，穿过管路611后从冷媒流出口65再次返回制冷机中。作为冷媒，可使用水或油、乙二醇等不冻液，液态氮等各种流体。
另外，配设在冷却部61的内部的管路611优选如图7所示，具有螺旋状的形状。根据此种管路611，可更高效地对冷却部进行冷却。
另外，也可以设置测定固化体上表面的温度的温度传感器。温度传感器只要设置在层叠造形装置1内的任意的位置即可，例如设置在第一加工头或第二加工头。在温度传感器为接触式的情况下，也可以进而设置使温度传感器上下移动的气缸等驱动装置。也能够以如下方式构成：在利用冷却装置6进行冷却后，测定固化体上表面的温度，若未到达规定的冷却温度，则再次利用冷却装置6进行冷却。另外，也能够以如下方式构成：一边测定固化体上表面的温度，一边利用冷却装置6进行冷却，在到达规定的冷却温度之前继续冷却。
对控制层叠造形装置1的控制装置8进行说明。如图8所示，控制装置8具有数值控制装置82、显示装置83、重涂机头控制装置84、造形台控制装置85、升降装置控制装置86、照射控制装置87、第一镜控制装置871x、以及第二镜控制装置871y。控制装置8至少控制层叠造形装置1的造形台驱动装置3、材料层形成装置4、温度调整机构26、冷却装置6、以及照射装置5。
计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)装置81制作包含用于形成所期望的三维造形物的主程序、及造形程序的项目文件。主程序包含被分配有序列号的多个程序行(program line)，在各程序行中包含规定的层中的烧结或熔融的指令等。另外，造形程序是照射程序文件，包含激光L的照射位置等的指令。
数值控制装置82按照CAM装置81制作的项目文件，控制材料层形成装置4、造形台2的高度与温度、冷却装置6的冷却部61的温度与位置、以及照射装置5等，形成所期望的三维造形物。数值控制装置82具有存储装置(storage)821、运算装置(processor)822、及存储器(memory)823。
存储装置821存储经由通信线或便携式存储介质而从CAM(CAM device)装置81获取的项目文件。
运算装置822按照已存储在存储装置821中的项目文件，执行用于控制材料层形成装置4、造形台2的高度与温度、冷却装置6的冷却部的温度与位置、以及照射装置5等的运算处理。
存储器823暂时地存储需要在由运算装置822进行的运算处理的过程中暂时地存储的数值或数据。
显示装置(display)83与数值控制装置82连接，显示数值控制装置82所通知的数据或错误消息等。
重涂机头控制装置84根据来自数值控制装置82的指令来控制重涂机头42。来自重涂机头控制装置84的指令被输入至驱动电流供给装置43。驱动电流供给装置43输出与所述指令对应的电力，由此重涂机头驱动装置44的马达进行旋转。于是，重涂机头42在基台41上往返移动。另外，与驱动电流供给装置43的输出对应的信号、或来自安装在马达的编码器等的信号被输入至重涂机头控制装置84。重涂机头控制装置84根据这些信号来进行反馈控制。
造形台控制装置85根据来自数值控制装置82的指令来控制造形台驱动装置3。来自造形台控制装置85的指令被输入至驱动电流供给装置31。驱动电流供给装置31输出与所述指令对应的电力，由此造形台驱动装置3的马达进行旋转。于是，造形台2朝上方或下方移动，造形台2的高度变化。另外，与驱动电流供给装置31的输出对应的信号、或来自安装在马达的编码器等的信号被输入至造形台控制装置85。造形台控制装置85根据这些信号来进行反馈控制。
升降装置控制装置86根据来自数值控制装置82的指令来控制冷却装置6的升降装置62。来自升降装置控制装置86的指令被输入至驱动电流供给装置67。驱动电流供给装置67输出与所述指令对应的电力，由此冷却装置6的升降装置62运行，使安装构件66升降。于是，设置在安装构件66的冷却部61与擦拭器63进行升降。另外，与驱动电流供给装置67的输出对应的信号被输入至升降装置控制装置86。升降装置控制装置86根据这些信号来进行反馈控制。
另外，数值控制装置82将电磁阀68开闭，由此控制朝冷却部61的管路611中的冷媒的供给。若制冷机与冷媒流入口64间、及制冷机与冷媒流出口65间的电磁阀68分别被打开，则形成在制冷机与管路611间循环的冷媒的流动，冷却部61的温度被调整成冷却温度。当不进行冷却部61的冷却时，电磁阀68被关闭。
进而，数值控制装置82控制造形台2的温度调整机构。具体而言，数值控制装置82将温度调整机构的加热器及冷却器适宜开启/关闭，由此将造形台2调整成所期望的温度。
照射控制装置87从数值控制装置82接收造形程序，根据所述造形程序来进行照射数据的生成。而且，照射控制装置87根据已生成的照射数据，朝第一镜控制装置871x与第二镜控制装置871y送出指令。另外，照射控制装置87朝输出源51送出指令，控制激光L的强度或开启/关闭的切换。
第一镜控制装置871x根据来自照射控制装置87的指令来控制照射装置5的扫描部件。来自第一镜控制装置871x的指令被输入至照射装置5的驱动电流供给装置55x。驱动电流供给装置55x输出与所述指令对应的电力，由此照射装置5的致动器56x运行，电流镜(galvano mirror)54x进行旋转。
第二镜控制装置871y根据来自照射控制装置87的指令来控制照射装置5的扫描部件。来自第二镜控制装置871y的指令被输入至照射装置5的驱动电流供给装置55y。驱动电流供给装置55y输出与所述指令对应的电力，由此照射装置5的致动器56y运行，电流镜54y进行旋转。
当实施在造形中途对固化层S进行温度调整的三维造形物的制造方法时，本实施方式的层叠造形装置1特别有效。作为此种制造方法的一例，在本实施方式中实施如下的层叠造形方法：针对固化层S，一边在规定的温度条件下进行加热及冷却一边进行造形，由此有意图地进行马氏体转变来进行三维造形物的应力控制。更具体而言，每当对一层或多层的固化层S新进行造形时，以造形温度、冷却温度、造形温度的顺序对新进行了造形的固化层S、即上表面层进行温度调整。以下，对实施本层叠造形方法的层叠造形装置1的与造形相关的动作进行说明。
在本层叠造形方法中，造形温度及冷却温度满足用于进行马氏体转变的规定的温度条件。即，造形温度为固化层S的马氏体转变结束温度以上。另外，冷却温度比造形温度低，为固化层S的马氏体转变开始温度以下。在满足所述温度条件的范围内，造形温度及冷却温度也可以在造形过程中不固定。换言之，当将已被加热至造形温度的固化层S冷却至冷却温度时，只要随时满足所述温度条件即可。另外，为了防止三维造形物的马氏体转变在造形后进行，也可以将冷却温度设定成固化层S的马氏体转变结束温度以下。
图9示出了层叠造形装置的操作流程的一例。首先，在造形台2上载置底板21，将造形台2的高度调整成适当的高度。另一方面，材料层形成装置4的重涂机头42朝材料供给装置14的下方移动，从材料供给装置14接受材料粉体的供给(A101)。其次，重涂机头42在造形区域R上移动，在造形区域R上形成第一层的材料层M(A102)。此时，造形台2由设置在造形台2内部的温度调整机构来加热至规定温度。具体而言，造形台2的温度被调整成造形温度，对材料层M进行预热。
继而，照射装置5运行，对第一层的材料层M照射激光L来形成第一层的固化层S(A103)。在形成第一层的固化层S后，造形台2下降相当于一层的材料层M，重涂机头42在造形区域R上移动，在固化层S上形成第二层的材料层M。利用照射装置5对第二层的材料层M照射激光L，形成第二层的固化层S。如此，将材料层M的形成与固化层S的形成仅重复规定数。经造形的多个固化层S相互固着。此时，固化层S包含奥氏体相。另外，当在重复材料层M与固化层S的形成的期间内重涂机头42内的材料粉体不足时，也可以再次从材料供给装置14接受材料粉体的供给。另外，在重复材料层M与固化层S的形成的期间，造形台的温度被调整成造形温度。即，造形台不仅对材料层M进行预热，而且将已形成的固化层S的温度依次调整成造形温度、即马氏体转变结束温度以上的温度。
若形成规定数的固化层S，则重涂机头42移动至材料回收口15上，从材料排出口423朝材料回收口15排出材料粉体，使材料容器421实质上变空(A104)。通过如此操作，可防止冷却时材料粉体被撒在固化体的上表面。
继而，重涂机头42移动至造形区域R上的规定位置为止，升降装置62使冷却部61下降(A105)。另外，存在当对固化体的上表面照射了激光L时飞散的飞溅物(spatter)附着等，而在固化体的上表面形成突起物的可能性。因此，为了防止刀片424与突起物发生干涉，理想的是在使重涂机头42移动至造形区域R上之前，事先使造形台2下降规定高度。在本实施方式中，使造形台2下降相当于一层的材料层M。
另外，为了将冷却部61冷却至规定的冷却温度，而打开电磁阀68，制冷机朝冷却装置6供给冷媒，使冷媒在管路611内流通(A106)。理想的是以在冷却部61接触固化体之前冷却部61达到规定的冷却温度的方式，开始冷媒的流通。在本实施方式中，在形成了规定数的固化层S的时机，开始冷媒朝管路611中的流通。另外，在上表面层的冷却时，也可以停止利用设置在造形台2的温度调整机构进行的造形台2的加热。更优选使温度调整机构的加热器停止，通过冷却器来使造形台2的温度下降。此时，只要将造形台2冷却至可抑制热过度地传达至固化体的程度即可，无需冷却至规定的冷却温度为止。例如，将造形台2的温度调整成常温。
在此状态下，重涂机头42在造形区域R上移动，作为冷却辊的冷却部61一边与固化体的上表面接触一边进行旋转移动，对上表面层进行冷却(A107)。通过将上表面层冷却至规定的冷却温度，上表面层中所包含的奥氏体相的至少一部分朝马氏体相转变。重涂机头42在造形区域R上往返移动多次，直至对上表面层进行充分的冷却为止。另外，当设置擦拭器63时，理想的是在作为冷却辊的冷却部61与固化体的上表面接触之前，从固化体的上表面或固化体的侧面的至少一部分擦拭多余的材料粉体。在本实施方式中，如图1及图5所示，擦拭器63设置在比作为冷却辊的冷却部61更左侧。因此，在冷却时，首先以从造形区域R的右侧朝左侧移动的方式，控制重涂机头42。通过擦拭器63来去除固化体上表面的材料粉体后，重涂机头42可朝任何方向移动。另外，当擦拭器63设置在作为冷却辊的冷却部61的两侧时，冷却时的最初的重涂机头42的移动方向可以从右侧起，也可以从左侧起。另外，冷却时重涂机头42移动的范围也可以不包含整个造形区域R。例如，也能够以如下方式构成：根据与冷却时间点的最上位的固化层S的形成相关的造形程序，算出固化体的上表面的范围，使重涂机头42仅在所述范围上往返移动。此时，为了通过擦拭器63来去除固化体的侧面的至少一部分中的材料粉体，理想的是以如下方式构成：在各冷却时的最初，当重涂机头42在固化体上移动时，擦拭器63滑动的范围变得比固化体的上表面的范围大。即，理想的是在已算出的固化体的上表面的范围加上规定的偏离量，来作为重涂机头42的冷却时的最初的移动范围。另外，利用冷却装置6进行的上表面层的冷却可进行至固化层表面的温度到达冷却温度为止，也可以进行至重涂机头42移动规定次数为止，也可以从开始冷却进行至经过规定时间为止。重涂机头42的移动次数或冷却时间可根据事先测定的数据来决定，也可以根据材料的种类、固化层或上表面层的体积、固化层表面的面积、造形温度、冷却温度等而随时算出。另外，也可以使对上表面层进行冷却时与形成材料层M时的重涂机头42的移动速度不同。例如，冷却时的重涂机头42的移动速度也可以是比材料层M形成时的移动速度低。
若上表面层的冷却结束，则升降装置62使冷却部61上升(A108)，并且电磁阀68被关闭，停止利用制冷机的冷媒的供给，而停止管路611内的冷媒的流通(A109)。
重涂机头42由材料供给装置14来补充材料粉体，造形台2被再加热至造形温度。经由造形台2来将固化体的温度调整成造形温度。而且，以与所述相同的顺序重复材料层M的形成与固化层S的形成，在新层叠有规定数的固化层S的阶段，再次进行所述固化层S、即上表面层的冷却。层叠造形装置1重复这些处理直至造形结束为止，并且在制造出期望的三维造形物时结束造形动作。另外，当层叠造形装置1包括第一加工装置或第二加工装置时，也可以在造形中途或造形后对固化层S进行切削加工。
另外，也可以在重涂机头42设置包含温度被调整成造形温度且与固化体的上表面接触的加热部的加热装置(heating body)，在上表面层的冷却后，当将包含上表面层的固化体的温度再次调整成造形温度时，使用所述加热装置来进行固化体的加热。加热装置的加热部也可以与冷却装置6的冷却部分开设置，冷却部61也可以具有作为加热部的功能。例如，当冷却部61具有管路611时，管路611也能够以温度被调整成造形温度的热媒也流通的方式构成，另外，例如也可以在冷却部61内设置与管路611不同的热媒流通的管路。另外，例如也可以将设置有热媒流通的管路的与冷却部61不同的辊设置在重涂机头42。

Claims (11)

1.一种层叠造形装置，包括：
材料层形成装置，在供形成所期望的三维造形物的造形区域形成材料层；
照射装置，对所述材料层照射激光或电子束来进行烧结或熔融而形成固化层；以及
冷却装置，将所述固化层层叠而成的固化体的包含上表面的至少一部分冷却至规定的冷却温度；
所述材料层形成装置包含：
基台，具有所述造形区域；
重涂机头，配置在所述基台上；
重涂机头驱动装置，使所述重涂机头在水平方向上往返移动；以及
刀片，设置在所述重涂机头，将材料粉体弄平来形成所述材料层；
所述冷却装置包含：
冷却部，温度被调整成所述冷却温度，与所述固化体的上表面接触；以及
安装构件，将所述冷却部安装在重涂机头。
2.根据权利要求1所述的层叠造形装置，其中所述重涂机头具有：
材料容器，收容所述材料粉体；以及
材料排出口，配设在所述材料容器的底面，吐出所述材料粉体。
3.根据权利要求2所述的层叠造形装置，其中在所述基台形成作为所述材料粉体能够通过的开口的材料回收口，
所述重涂机头在所述冷却部接触所述固化体的上表面之前，移动至所述材料回收口上，排出所述材料容器内的所述材料粉体。
4.根据权利要求1所述的层叠造形装置，其中所述冷却装置还包含使所述冷却部升降的升降装置，
所述升降装置在所述材料层形成装置形成所述材料层时，将所述冷却部与所述材料层保持成非接触状态，在所述冷却装置对所述固化体的包含上表面的至少一部分进行冷却时，将所述冷却部与所述固化体保持成接触状态。
5.根据权利要求1所述的层叠造形装置，其中所述冷却部具有圆筒形状，
所述安装构件旋转自如地支撑所述冷却部，
所述冷却部一边与所述固化体的上表面接触，一边进行旋转移动。
6.根据权利要求1所述的层叠造形装置，其中所述冷却装置还包含设置在所述重涂机头，从所述固化体的上表面去除所述材料粉体的擦拭器。
7.根据权利要求6所述的层叠造形装置，其中所述擦拭器经由所述安装构件而设置在所述重涂机头。
8.根据权利要求6所述的层叠造形装置，其中所述擦拭器的下端位于比所述冷却部的下端更下方。
9.根据权利要求1所述的层叠造形装置，其中所述冷却部具有冷媒流通的管路。
10.根据权利要求1所述的层叠造形装置，其中所述冷却温度为所述固化层的马氏体转变开始温度以下。
11.根据权利要求10所述的层叠造形装置，其中所述冷却温度为所述固化层的马氏体转变结束温度以下。
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