CN113365776A - 三维层叠装置及方法 - Google Patents

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Abstract

在三维层叠装置及方法中，具备：向加工对象物(90)的加工面(91)供给粉末(P)的粉末流路(43)及喷嘴喷射口部(45)；对粉末(P)照射激光(L)而使被照射了激光(L)的粉末(P)的至少一部分烧结或熔融固化、从而形成成形层(151、152、153、154)的激光路径(44)；作为变更从激光路径(44)向加工面(91)照射的激光(L)的照射角度(θ)的照射角度变更部的旋转工作台部(17)；及以使相对于加工面(91)的悬伸侧的照射角度(θ)在能够形成成形层(151、152、153、154)的范围内小于90度的方式控制旋转工作台部(17)的控制部(52)。

Description

三维层叠装置及方法
技术领域
本公开涉及通过层叠来制造三维形状物的三维层叠装置及方法。
背景技术
作为制造三维形状物的技术，已知有通过对金属粉末材料照射光束来制造三维形状物的层叠造形技术。作为层叠造形技术，例如，有专利文献1所记载的技术。专利文献1所记载的技术是对由金属粉末材料形成的粉末层照射光束而形成烧结层、通过反复该操作来制造多个烧结层一体层叠而成的三维形状物的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015－196264号公报
发明内容
发明所要解决的课题
希望想要通过层叠造形技术来制造相对于加工对象物的加工面在水平方向上错开地倾斜、即向一侧悬伸的三维形状物。在层叠造形技术中，对加工对象物的加工面照射光束，向该光束的焦点位置喷射金属粉末材料。于是，在加工对象物的加工面上，金属粉末材料熔融并凝固，由此形成成形层。此时，不仅为了通过光束的能量来熔融金属粉末材料，还需要使加工对象物的加工面熔融，以光束相对于加工对象物的加工面正交的方式进行照射。因此，在加工对象物的加工面制造悬伸的三维形状物时，以使光束与加工面正交的方式照射而形成金属粉末材料熔融而成的成形层，将该成形层一边在水平方向上错开一边层叠。于是，为了相对于下侧的成形层层叠上侧成形层，当对下侧的成形层的加工面照射光束时，存在悬伸侧的端部的熔融部熔落、难以制造呈所希望的悬伸形状的三维形状物的课题。
本公开为了解决上述课题的方案，目的在于提供实现呈悬伸形状的三维形状物的品质的提高的三维层叠装置及方法。
用于解决课题的技术方案
用于实现上述目的的本公开的三维层叠装置是在加工对象物上层叠成形层而形成呈悬伸形状的三维形状物的三维层叠装置，其特征在于，具备：粉末供给部，向所述加工对象物的加工面供给粉末材料；光照射部，对所述粉末材料照射光束而使被照射了所述光束的所述粉末材料的至少一部分烧结或熔融固化，从而形成所述成形层；照射角度变更部，变更所述光照射部向所述加工面照射的所述光束的照射角度；及控制部，以使相对于所述加工面的悬伸侧的所述照射角度在能够形成所述成形层的范围内小于90度的方式控制所述照射角度变更部。
因此，在加工对象物的加工面形成成形层而形成呈悬伸形状的三维形状物主体时，使相对于加工面的悬伸侧的光束的照射角度小于90度。此时，对下侧的成形层的表面照射光束，并且供给粉末材料。于是，光束沿着悬伸形状照射到下侧的成形层，因此在下侧的成形层的表面适当地形成熔融部，能够相对于下侧的成形层适当地层叠上侧的成形层。其结果是，能够实现呈悬伸形状的三维形状物的品质的提高。
在本公开的三维层叠装置中，其特征在于，所述控制部在所述成形层的表面层叠所述成形层时以使相对于所述加工面的悬伸侧的所述照射角度逐渐变小的方式控制所述照射角度变更部。
因此，在成形层的表面层叠成形层时，由于使光束的照射角度逐渐变小，所以能够高效地将层叠于加工面的多个成形层形成为悬伸形状。
在本公开的三维层叠装置中，其特征在于，所述控制部以使相对于所述成形层的表面的所述照射角度成为90度的方式控制所述照射角度变更部。
因此，由于使相对于成形层的表面的照射角度为90度，所以能够在成形层的表面适当地层叠下一个成形层，能够实现呈悬伸形状的三维形状物的品质的提高。
在本公开的三维层叠装置中，其特征在于，所述控制部以使悬伸侧的所述成形层的厚度比非悬伸侧的所述成形层的厚度薄的方式控制所述粉末供给部及所述光照射部。
因此，由于使悬伸侧的成形层的厚度比非悬伸侧的成形层的厚度薄，所以能够高效地将多个成形层形成为悬伸形状。
在本公开的三维层叠装置中，其特征在于，在层叠头的中心部设置有所述光照射部，在所述层叠头中的所述光照射部的周围设置有所述粉末供给部，所述照射角度变更部在变更所述照射角度时，也变更所述粉末供给部向所述加工面喷射的喷射角度。
因此，由于在变更光束的照射角度时，也变更粉末的喷射角度，所以相对于光束的照射位置，能够将粉末材料的喷射位置始终维持在适当位置，能够实现呈悬伸形状的三维形状物的品质的提高。
另外，本公开的三维层叠方法是在加工对象物上层叠成形层而形成呈悬伸形状的三维形状物的三维层叠方法，其特征在于，包括以下工序：向所述加工对象物的加工面供给粉末材料；对所述粉末材料照射光束而使被照射了所述光束的所述粉末材料的至少一部分烧结或熔融固化，从而形成所述成形层；及在形成所述成形层时，使相对于所述加工面的悬伸侧的所述光束的照射角度在能够形成所述成形层的范围内小于90度。
因此，对下侧的成形层的表面照射光束，并且供给粉末材料。于是，由于光束沿着悬伸形状照射到下侧的成形层，所以在下侧的成形层的表面适当地形成熔融部，能够相对于下侧的成形层适当地层叠上侧的成形层。其结果是，能够实现呈悬伸形状的三维形状物的品质的提高。
在本公开的三维层叠方法中，其特征在于，在所述成形层的表面层叠所述成形层时，使相对于所述加工面的悬伸侧的所述照射角度逐渐变小。
因此，能够将层叠于加工面的多个成形层高效地形成为悬伸形状。
在本公开的三维层叠方法中，其特征在于，以与悬伸方向正交的方向的切断面切断呈悬伸形状的三维形状物的前端部，以使相对于所述切断面的悬伸侧的所述光束的照射角度在能够形成所述成形层的范围内小于90度的方式形成所述成形层。
因此，能够以高精度容易地实施呈悬伸形状的三维形状物的修补。
发明效果
根据本公开的三维层叠装置及方法，能够实现呈悬伸形状的三维形状物的品质的提高。
附图说明
图1是表示本实施方式的三维层叠装置的示意图。
图2是表示层叠头的前端部的一例的纵剖视图。
图3是表示控制装置的结构的示意图。
图4是用于说明相对于加工面的激光的照射角度的概略图。
图5是表示现有的呈悬伸形状的三维形状物的制造方法的概略图。
图6是用于说明现有的呈悬伸形状的三维形状物的制造方法的作用的概略图。
图7是表示本实施方式的呈悬伸形状的三维形状物的制造方法的概略图。
图8是用于说明本实施方式的呈悬伸形状的三维形状物的制造方法的作用的概略图。
图9是表示相对于加工面的第一成形层的制造工序的概略图。
图10是表示相对于加工面的第二成形层的制造工序的概略图。
图11是表示相对于加工面的第三成形层的制造工序的概略图。
图12是表示相对于加工面的第四成形层的制造工序的概略图。
图13是表示相对于加工面的成形层的不同制造工序的概略图。
图14是表示呈悬伸形状的三维形状物的概略图。
图15是表示需要修补的三维形状物的概略图。
图16是表示三维形状物的修补工序中的加工面的形成工序的概略图。
图17是表示修补后的呈悬伸形状的三维形状物的概略图。
具体实施方式
以下，参考附图详细说明本公开的优选实施方式。此外，本公开不限于该实施方式，并且在存在多个实施方式的情况下，还包括通过组合各实施例而构成的实施方式。
图1是表示本实施方式的三维层叠装置的示意图。在此，在本实施方式中，将水平面内的一个方向设为X轴方向，将在水平面内与X轴方向正交的方向设为Y轴方向，将与X轴方向及Y轴方向分别正交的方向(即，铅垂方向)设为Z轴方向。
如图1所示，三维层叠装置1是在基台部100制造三维形状物的的装置。基台部100是成为形成三维形状物的基座的构件，由三维层叠装置1输送到预定的位置，在加工面上形成三维形成物。本实施方式的基台部100是板状的构件。此外，基台部100不限于此。基台部100可以使用成为三维形状物的基座的构件，也可以使用附加三维形状物的构件。也可以通过在预定的位置形成三维形成物，将成为部件、产品的构件用作基台部100。
三维层叠装置1具有三维层叠室2、预备室3、层叠头收纳室4、机械加工部收纳室5、床身10、工作台部11、层叠头12、机械加工部13、控制装置20、形状测量部30、加热头31、装置测量部32、工具更换部33、喷嘴更换部34、粉末导入部35、基台移动部36、空气排出部37、气体导入部38、粉末回收部39。
三维层叠室2是所连接的配管等所设计的连通部分以外的部分从外部被密封的壳体(腔室)。此外，所设计的连通部分设置有切换密闭状态和开放状态的阀等，根据需要，能够使三维层叠室2为密闭状态。三维层叠室2在内部配置有床身10、工作台部11、层叠头12、机械加工部13的一部分、加热头31的一部分、装置测量部32、工具更换部33、喷嘴更换部34。
预备室3与三维层叠室2相邻设置。预备室3的所连接的配管等所设计的连通部分以外的部分从外部被密封。预备室3成为连接外部和三维层叠室2的减压室。在预备室3内，设有基台移动部36。在此，预备室3在三维层叠室2的连接部设置有例如具有气密性的门6。另外，预备室3通过具有气密性的门7与外部连接。另外，在预备室3，设置有从预备室3排出空气的空气排出部25。预备室3通过打开门7，能够从外部将必要的构件搬入内部。另外，预备室3通过打开门6，能够在与三维层叠室2之间进行构件的搬入、搬出。
层叠头收纳室4设置于三维层叠室2的Z轴方向上侧的面。层叠头收纳室4以能够通过Z轴滑动部4a相对于三维层叠室2在Z轴方向(箭头102的方向)上移动的状态被支承。层叠头收纳室4的Z轴方向下侧的面通过波纹管18与三维层叠室2相连。波纹管18与层叠头收纳室4的Z轴方向下侧的面和三维层叠室2相连，将层叠头收纳室4的Z轴方向下侧的面作为三维层叠室2的一部分。另外，三维层叠室2在由波纹管18包围的区域形成有开口。由层叠头收纳室4的Z轴方向下侧的面和波纹管18包围的空间与三维层叠室2相连，与三维层叠室2一起被密闭。层叠头收纳室4支承层叠头12、形状测量部30和加热头31。另外，层叠头收纳室4的包含层叠头12的喷嘴23的一部分和包含加热头31的前端部24的一部分从Z轴方向下侧的面向三维层叠室2突出。
层叠头收纳室4通过利用Z轴滑动部4a沿Z轴方向移动，使所保持的层叠头12、形状测量部30、加热头31沿Z轴方向移动。另外，层叠头收纳室4通过经由波纹管18与三维层叠室2连接，由此波纹管18随着Z轴方向的移动而变形，能够维持三维层叠室2与层叠头收纳室4之间的密闭状态。
机械加工部收纳室5设置于三维层叠室2的Z轴方向上侧的面。另外，机械加工部收纳室5与层叠头收纳室4相邻配置。机械加工部收纳室5以能够通过Z轴滑动部5a相对于三维层叠室2沿Z轴方向(箭头104的方向)移动的状态被支承。机械加工部收纳室5的Z轴方向下侧的面通过波纹管19与三维层叠室2相连。波纹管19将机械加工部收纳室5的Z轴方向下侧的面和三维层叠室2连接，将机械加工部收纳室5的Z轴方向下侧的面作为三维层叠室2的一部分。另外，三维层叠室2在由波纹管19包围的区域形成有开口。由机械加工部收纳室5的Z轴方向下侧的面和波纹管19包围的空间与三维层叠室2相连，与三维层叠室2一起被密闭。机械加工部收纳室5支承机械加工部13。另外，机械加工部收纳室5的包含机械加工部13的工具22的一部分从Z轴方向下侧的面向三维层叠室2突出。
机械加工部收纳室5通过利用Z轴滑动部5a沿Z轴方向移动，使所保持的机械加工部13沿Z轴方向移动。另外，机械加工部收纳室5通过经由波纹管19与三维层叠室2连接，由此波纹管19随着Z轴方向的移动而变形，能够维持三维层叠室与机械加工部收纳室5之间的密闭状态。
床身10设置于三维层叠室2内的Z轴方向的底部。床身10支承工作台部11。床身10配置有各种配线、配管、驱动机构。
工作台部11配置于床身10的上表面，支承基台部100。工作台部11具有Y轴滑动部15、X轴滑动部16、旋转工作台部17。工作台部11安装基台部100，使基台部100在床身10上移动。
Y轴滑动部15使X轴滑动部16相对于床身10沿Y轴方向(箭头106的方向)移动。X轴滑动部16固定于成为Y轴滑动部15的工作部的构件，使旋转工作台部17相对于Y轴滑动部15沿X轴方向(箭头108的方向)移动。旋转工作台部17固定于成为X轴滑动部16的工作部的构件，支承基台部100。旋转工作台部17例如是倾斜圆工作台，具有固定台17a、旋转工作台17b、倾斜工作台17c、旋转工作台17d。固定台17a固定于成为X轴滑动部16的工作部的构件。旋转工作台17b被固定台17a支承，以与Z轴方向平行的旋转轴110为旋转轴进行旋转。倾斜工作台17c被旋转工作台17b支承，以与旋转工作台17b的被支承的面正交的旋转轴112为轴进行转动。旋转工作台17d被倾斜工作台17c支承，以与倾斜工作台17c的被支持的面正交的旋转轴114为轴进行旋转。旋转工作台17d固定基台部100。
这样，旋转工作台部17通过以旋转轴110、112、114为轴使各部旋转，能够使基台部100绕正交的3个轴旋转。工作台部11使固定于旋转工作台部17的基台部100通过Y轴滑动部15及X轴滑动部16沿Y轴方向及X轴方向移动，基台部100。另外，工作台部11通过利用旋转工作台部17以旋转轴110、112、114为轴使各部旋转，从而使基台部100绕正交的3个轴旋转。工作台部11还可以使基台部100沿Z轴方向移动。
层叠头12向基台部100喷射粉末材料，进而对喷射的粉末材料照射激光(光束)，由此使粉末熔融，使熔融的粉末在基台部100上固化而形成成形层。导入层叠头12的粉末是成为三维形状物的原料的材料的粉末。在本实施方式中，粉末例如可以使用铁、铜、铝或钛等金属材料等。此外，作为粉末，也可以使用陶瓷等除金属材料以外的材料。层叠头12设置在与床身10的Z轴方向的上侧的面面对的位置，与工作台部11面对。层叠头12在Z轴方向的下部设置有喷嘴23。层叠头12在主体46安装有喷嘴23。
图2是表示层叠头的前端部的一例的纵剖视图。
如图2所示，喷嘴23是具有外管41和插入外管41的内部的内管42的双重管。外管41是管状的构件，直径朝向前端(Z轴方向下侧)变小。内管42插入外管41的内部。内管42也是管状的构件，是直径朝向前端(Z轴方向下侧)变小的形状。喷嘴23的外管41的内周和内管42的外周之间成为供粉末(粉末材料)P通过的粉末流路43。内管42的内周面侧成为供激光通过的激光路径44。在此，安装有喷嘴23的主体46与喷嘴23同样地为双重管，粉末流路43和激光路径44也同样地形成。层叠头12以包围激光路径44的周围的方式配置有粉末流路43。在本实施方式中，粉末流路43成为喷射粉末的粉末喷射部。在层叠头12，从粉末导入部35导入的粉末P在粉末流路43中流动，从作为外管41与内管42之间的端部的开口的喷嘴喷射口部45喷射。
层叠头12以在预定的收敛位置具有预定的收敛直径的方式喷射粉末P。在此，所谓收敛直径，是指喷射的粉末P的轨迹的直径为最小的情况下的粉末P的轨迹的直径。如上所述，由于喷嘴23朝向前端而直径变小，因此层叠头12将粉末P以收敛于放射方向内侧的方式喷射。即，层叠头12以粉末P的轨迹具有预定的收敛直径方式喷射粉末P。另外，所谓收敛位置，是指喷射的粉末P的轨迹收敛的位置。
另外，层叠头12具有光源47、光纤48和聚光部49。光源47输出激光。光纤48将从光源47输出的激光在激光路径44上引导。聚光部49配置于激光路径44，配置于从光纤48输出的激光的光路。聚光部49对从光纤48输出的激光L进行聚光。由聚光部49聚光的激光L从内管42的端部输出。层叠头12将聚光部49配置于主体46，但也可以将聚光部49的一部分或全部配置于喷嘴23。在将聚光部49的一部分或全部配置于喷嘴23的情况下，通过更换喷嘴23，能够将焦点位置设为不同的位置。
层叠头12在中心轴O的位置设有激光L通过的激光路径44，在其外侧设置有多个粉末流路43。层叠头12从粉末流路43喷射粉末P，从激光路径44输出激光L。从层叠头12喷射的粉末P侵入从层叠头12输出的激光L照射的区域，在激光L的焦点F被该激光L加热。被激光L照射的粉末P熔融后，到达基台部100上。在熔融的状态下到达基台部100上的粉末P被冷却而固化。由此，在基台部100上形成成形层。
在此，本实施方式的层叠头12用光纤48引导从光源47输出的激光L，但不限于光纤48，也可以是其他传送构件。另外，聚光部49可以设置于主体46，也可以设置于喷嘴23，也可以设置于这两者。本实施方式的层叠头12能够有效地进行加工，因此将喷射粉末P的粉末流路43和照射激光L的激光路径44同轴地设置，但不限于此。层叠头12也可以将喷射粉末P的机构和照射激光L的机构分开设置。本实施方式的层叠头12对粉末材料照射激光，但只要能够使粉末材料溶解或烧结即可，也可以照射激光以外的光束。
如图1所示，机械加工部13例如对成形层等进行机械加工。机械加工部13设置在与床身10的Z轴方向的上侧的面面对的位置，与工作台部11面对。机械加工部13在Z轴方向的下部安装有工具22。此外，机械加工部13只要在比床身10靠Z轴方向上侧，设置在基于工作台部11的基台部100的可移动范围内即可，配置位置不限于本实施方式的位置。
图3是表示控制装置20的结构的示意图。
如图1所示，控制装置20与三维层叠装置1的各部(上述的床身10、工作台部11、层叠头12、机械加工部13、形状测量部30、加热头31、装置测量部32、工具更换部33、喷嘴更换部34、粉末导入部35、基台移动部36、空气排出部37、气体导入部38、粉末回收部39等)的驱动部电连接，控制三维层叠装置1的各部的动作。控制装置20设置于三维层叠室2、预备室3的外部。如图3所示，控制装置20具有输入部51、控制部52、存储部53、输出部54、通信部55。输入部51、控制部52、存储部53、输出部54、通信部55的各部电连接。
输入部51例如是操作面板。操作者向输入部51输入信息、指令等。控制部52例如是CPU(Central Processing Unit)及存储器。控制部52向三维层叠装置1的各部输出控制三维层叠装置1的各部的动作的指令。另外，向控制部52输入来自三维层叠装置1的各部的信息等。存储部53例如是RAM(Random Access Memory)或ROM(Read Only Memory)等存储装置。在存储部53，存储有通过由控制部52执行来控制各部的动作的三维层叠装置1的运转程序、三维层叠装置1的信息或者三维形状物的设计信息等。输出部54例如是显示器。输出部54例如显示来自三维层叠装置1的各部的信息等。通信部55与例如因特网或LAN(LocalArea Network)等通信线路通信，在与通信线路之间交换信息。此外，控制装置20至少具有控制部52及存储部53即可。控制装置20如果具有控制部52及存储部53，就能够向三维层叠装置1的各部输出指令。
利用本实施方式的三维层叠装置1的三维层叠方法是通过在加工对象物90的加工面91上层叠成形层来制造向水平方向的一侧悬伸的三维形状物93的方法。本实施方式的三维层叠方法包括以下工序：向加工对象物90的加工面91供给粉末P；对粉末P照射激光L而使被照射了激光L的粉末P的至少一部分烧结或熔融固化，从而形成成形层151、152、153、154；及在形成成形层151、152、153、154时，使相对于加工面91的悬伸侧的激光L的照射角度θ在能够形成成形层151、152、153、154的范围内小于90度。
在此，对基于本实施方式的三维层叠装置1的一般的三维形状物的制造方法进行说明。
在基于三维层叠装置1的三维形状物的制造方法中，如图1及图2所示，在本实施方式中，作为在加工对象物90的加工面91上制造三维形状物的情况来进行说明。加工对象物90例如是金属制的板状构件，但只要是在上部制造三维形状物构件，则形状及材料就是任意的。加工对象物90安装在基台部100上。
控制装置20通过工作台部11使基台部100移动，以使基台部100上的加工对象物90配置于层叠头12的Z轴方向下方。控制装置20从粉末导入部35向层叠头12导入粉末，从层叠头12与气体一起喷射粉末P，照射激光L。粉末P以预定的收敛直径向基台部100上的加工对象物90喷射。激光L在层叠头12与加工对象物90之间，以预定的光斑直径照射粉末P。在此，相对于粉末P的收敛直径的Z轴方向上的位置的激光L的光斑直径的Z轴方向上的位置及粉末P的收敛直径的Z轴方向上的位置的光斑直径例如能够通过移动聚光部49的位置来进行控制。
即，层叠头12向粉末流路43导入粉末P，从喷嘴喷射口部45喷射粉末P，从激光路径44输出激光L。来自激光路径44的激光L在加工对象物90的加工面91的附近设定焦点F，来自喷嘴喷射口部45的粉末P向该激光L的焦点喷射。因此，从层叠头12喷射的粉末P在位于加工对象物90的加工面91的激光L的焦点F被该激光L加热。被照射了激光L的粉末P在加工对象物90的加工面91的附近熔融后，到达加工对象物90的加工面91。在熔融的状态下到达加工对象物90的加工面91的粉末P在此被冷却而固化。由此，在加工对象物90的加工面91上形成成形层92。
控制装置20利用工作台部11使加工对象物90向预定的移动方向M1移动，并且从层叠头12对加工对象物90的加工面91照射激光L并且喷射粉末P。因此，在加工对象物90的加工面91上形成连续的成形层92。在该情况下，三维层叠装置的加工方向为M2。三维层叠装置1通过反复形成这样的成形层92，制造多个成形层作为一体层叠的三维形状物。
以下，对呈悬伸形状的三维形状物的制造方法进行具体说明。图4是用于说明相对于加工面的激光的照射角度的概略图，图5是表示现有的呈悬伸形状的三维形状物的制造方法的概略图，图6是用于说明现有的呈悬伸形状的三维形状物的制造方法的作用的概略图，图7是表示本实施方式的呈悬伸形状的三维形状物的制造方法的概略图，图8是用于说明本实施方式的呈悬伸形状的三维形状物的制造方法的作用的概略图。
如图2及图4所示，层叠头12在中心轴O设置有照射激光L的激光路径44，在其周围设置有喷射粉末P的多个粉末流路43。层叠头12从激光路径44对加工对象物90的加工面91照射激光L。此时，为了在加工面91形成适当的形状的成形层92，优选使相对于加工对象物90的加工面91的激光L的照射角度θ为90度附近，预先设定有能够形成成形层92的照射角度θ的范围。能够形成成形层92的照射角度θ根据激光L的输出而变动，但例如优选80度～100度的范围。
如图5所示，在通过在加工对象物90的加工面91上层叠成形层来制造以在水平方向上错开预定量的方式倾斜、即向一侧悬伸的三维形状物93时，一般相对于加工面91，使激光L的照射角度θ为适当的照射角度θ、即90度。即，相对于加工面91，以90度的照射角度θ照射激光L，喷射粉末P。在该情况下，如图6所示，通过在水平的加工面91上层叠多个成形层而形成三维形状物93，该成形层的表面93a成为与加工面91平行的水平面。当对三维形状物93的表面93a喷射粉末P并照射激光L时，表面93a熔融而形成熔融池94。此时，由于激光L相对于加工面91以90度的照射角度θ照射到表面93a，因此相对于三维形状物93的热输入L1沿着铅垂方向。因此，三维形状物93的悬伸侧的端面集中被加热，熔融池94熔落，难以制造所希望的呈悬伸形状的三维形状物93。
因此，如图7所示，本实施方式的三维层叠方法在加工对象物90的加工面91上层叠成形层而形成呈悬伸形状的三维形状物时，使相对于加工面91的悬伸侧的激光L的照射角度θ在能够形成成形层的范围内小于90度，在该状态下喷射粉末P，并且照射激光L。
每当在加工对象物90的加工面91上层叠成形层时，制造以在水平方向上错开预定量的方式倾斜、即向一侧悬伸的三维形状物93时，在本实施方式中，相对于加工面91，使激光L的照射角度θ小于90度。即，相对于加工面91，以小于90度的照射角度θ照射激光L，喷射粉末P。在该情况下，如图8所示，通过在水平的加工面91上倾斜地层叠多个成形层，从而形成三维形状物93，该成形层的表面93b成为相对于加工面91倾斜的面。当对三维形状物93的表面93b喷射粉末P并照射激光L时，表面93b熔融而形成熔融池95。此时，由于激光L以相对于加工面91倾斜的照射角度θ照射表面93b，因此对三维形状物93的热输入L2沿着三维形状物93的悬伸形状。因此，三维形状物93的悬伸侧的端面不会被集中加热，熔融池95不会熔落地被维持，能够制造所希望的呈悬伸形状的三维形状物93。
如图1至图3所示，本实施方式的三维层叠装置1具备：照射角度变更部，变更从激光路径44向加工面91照射的激光L的照射角度θ；及控制部52，以使相对于加工面91的悬伸侧的照射角度θ在能够形成成形层的范围内小于90度的方式控制照射角度变更部。在本实施方式中，照射角度变更部是旋转工作台部17，旋转工作台部17通过以旋转轴112、114为轴使各部旋转，能够变更基台部100的角度。因此，通过将加工对象物90固定于基台部100，变更加工对象物90的加工面91与层叠头12的相对角度，能够变更从激光路径44向加工面91照射的激光L的照射角度θ。此外，也可以构成为，通过相对于加工对象物90的加工面91，变更层叠头12的角度，来变更从激光路径44向加工面91照射的激光L的照射角度θ。
另外，控制部52在成形层的表面层叠成形层时，以使相对于加工面91的悬伸侧的照射角度θ逐渐变小的方式控制旋转工作台部17的角度。此时，控制部52以使相对于成形层的表面的照射角度θ成为90度的方式控制旋转工作台部17的角度。另外，控制部52以使悬伸侧的成形层的厚度比非悬伸侧的成形层的厚度薄的方式控制粉末P的喷射量、激光L的输出、加工速度等。
在此，对利用本实施方式的三维层叠装置1的呈悬伸形状的三维形状物的制造方法具体地进行说明。图9是表示相对于加工面的第一成形层的制造工序的概略图，图10是表示相对于加工面的第二成形层的制造工序的概略图，图11是表示相对于加工面的第三成形层的制造工序的概略图，图12是表示相对于加工面的第四成形层的制造工序的概略图，图13是表示相对于加工面的成形层的不同制造工序的概略图，图14是表示呈悬伸形状的三维形状物的概略图。
在本实施方式中，将加工对象物90作为金属制的板状构件，将加工面91作为水平且平坦的面进行说明，但只要是在上部制造三维形状物，则形状及材料就是任意的。例如，也可以是呈圆柱形状(或圆筒形状)的轴状构件等。另外，在加工对象物90的加工面91上形成的三维形状物呈悬伸形状。该呈悬伸形状的三维形状物例如是呈叶片形状的构件，向与层叠方向正交的方向弯曲或屈曲而悬伸。
如图2及图9所示，首先，相对于加工对象物90的加工面91，将激光L的照射角度θ设定为90度(能够形成成形层的角度)。在该状态下，从喷嘴喷射口部45喷射被导入到粉末流路43的粉末P，并且从激光路径44输出激光L，使加工对象物90相对于层叠头12移动。于是，从层叠头12喷射的粉末P被激光L加热而熔融后，到达加工对象物90的加工面91。以熔融的状态到达加工对象物90的加工面91的粉末P在此被冷却而固化，在加工对象物90的加工面91形成第一成形层151。
此时，加工对象物90的移动方向、即层叠头12的加工方向是图9的纸面正交方向，第一成形层151在图9的左右方向上由多个加强筋151a构成。并且，第一成形层151的悬伸侧(图9中，为右侧)的厚度t1比非悬伸侧(图9中，为左侧)的厚度t2薄。为了改变第一成形层151的厚度，可以通过改变从喷嘴喷射口部45喷射的粉末P的喷射量、或改变从激光路径44照射的激光L的输出、或改变加工对象物90的移动速度(层叠头12的加工速度)来应对。
在加工对象物90的加工面91形成第一成形层151时，如图2及图10所示，接着，相对于加工对象物90的加工面91，将激光L的照射角度θ设定为小于90度。此时，将相对于第一成形层151的表面的照射角度θ设定为90度。即，使层叠头12相对于加工对象物90的加工面91向悬伸侧(图10中，为右侧)倾斜。在该状态下，从喷嘴喷射口部45喷射被导入到粉末流路43的粉末P，并且从激光路径44输出激光L，使加工对象物90相对于层叠头12移动。于是，从层叠头12喷射的粉末P被激光L加热而熔融后，到达第一成形层151的表面。以熔融的状态到达第一成形层151的表面的粉末P在此被冷却而固化，在第一成形层151的表面形成第二成形层152。此外，层叠头12的加工方向和多个加强筋的排列方向与第一成形层151相同。另外，与第一成形层151同样地，该第二成形层152的悬伸侧(图10中，为右侧)的厚度也比非悬伸侧(图10中，为左侧)的厚度薄。
在第一成形层151的表面形成第二成形层152时，如图2及图11所示，接着，相对于加工对象物90的加工面91，将激光L的照射角度θ设定为小预定量。此时，将相对于第二成形层152的表面的照射角度θ设定为90度。即，使层叠头12相对于加工对象物90的加工面91进一步向悬伸侧(图11中，为右侧)倾斜。在该状态下，从喷嘴喷射口部45喷射导入到粉末流路43的粉末P，并且从激光路径44输出激光L，使加工对象物90相对于层叠头12移动。于是，与上述同样地，在第二成形层152的表面形成第三成形层153。
在第二成形层152的表面形成第三成形层153时，如图2及图12所示，接着，相对于加工对象物90的加工面91，将激光L的照射角度θ设定为进一步小预定量。此时，将相对于第三成形层153的表面的照射角度θ设定为90度。即，使层叠头12相对于加工对象物90的加工面91进一步向悬伸侧(图11中，为右侧)倾斜。在该状态下，从喷嘴喷射口部45喷射导入到粉末流路43的粉末P，并且从激光路径44输出激光L，使加工对象物90相对于层叠头12移动。于是，与上述同样地，在第三成形层153的表面形成第四成形层154。
此外，在此，每当相对于加工对象物90的加工面91层叠成形层151、152、153、154时，使层叠头12连续地倾斜，将相对于加工面91的悬伸侧的照射角度θ连续地变更预定量，但不限于该方法。例如，如图13所示，也可以在加工对象物90的加工面91上层叠成形层151、152、153、154后，维持层叠头12的倾斜角度，不变更相对于加工面91的悬伸侧的照射角度θ，在第四成形层154的表面层叠1个或多个成形层155、156、157，之后，再次使层叠头12连续地倾斜，将相对于加工面91的悬伸侧的照射角度θ连续地变更预定量，从而层叠1个或多个成形层158、159。
通过持续这样的三维层叠作业，如图14所示，制造层叠有多个成形层151、152、153、154……的呈悬伸形状的三维形状物160。该三维形状物160相对于加工对象物90的加工面91向与层叠方向(铅垂方向)正交的方向弯曲而悬伸。
另外，在上述的说明中，通过在加工对象物90的加工面91上层叠成形层151、152、153、154……，新制造出呈悬伸形状的三维形状物160，但针对已经由三维层叠方法或其他的制造方法(铸造、锻造、切削等)制造出的呈悬伸形状的三维形状物的修补作业，也可以适用本实施方式。
图15是表示需要修补的三维形状物的概略图，图16是表示三维形状物的修补工序中的加工面的形成工序的概略图，图17是表示修补后的呈悬伸形状的三维形状物的概略图。
如图15所示，例如，是作为呈悬伸形状的三维形状物的叶片172固定于轴170的外周面171的构造。该叶片172由于前端部173磨损，因此需要修补。在该情况下，如图16所示，利用与悬伸方向C正交的方向的切断面174切断呈悬伸形状的叶片172的前端部侧，除去前端部173。然后，如图17所示，以使相对于叶片172的切断面174的悬伸侧(在图17中，为右侧)的激光L的照射角度θ在能够形成成形层的范围内小于90度的方式形成成形层175、176、177……。即，通过与图12所示的形成了成形层151、152、153、154的三维层叠方法同样的方法来形成成形层175、176、177……。
这样，在本实施方式的三维层叠装置中，具备：向加工对象物90的加工面91供给粉末P的粉末流路43及喷嘴喷射口部45；对粉末P照射激光L而使被照射了激光L的粉末P的至少一部分烧结或熔融固化、从而形成成形层151、152、153、154的激光路径44；作为变更从激光路径44向加工面91照射的激光L的照射角度θ的照射角度变更部的旋转工作台部17；及以使相对于加工面91的悬伸侧的照射角度θ在能够形成成形层151、152、153、154的范围内小于90度的方式控制旋转工作台部17的控制部52。
因此，当对下侧的第一成形层151的表面照射激光L，并且供给粉末P时，激光L沿着悬伸形状照射到下侧的第一成形层151，因此在下侧的成形层151的表面适当地形成熔融部，能够对下侧的第一成形层适当地层叠上侧的第二成形层152。其结果是，能够实现呈悬伸形状的三维形状物160的品质的提高。
在本实施方式的三维层叠装置中，控制部52在第一成形层151的表面上层叠第二成形层152时，以使相对于加工面91的悬伸侧的照射角度θ逐渐变小的方式控制旋转工作台部17。因此，能够高效地将层叠于加工面91的多个成形层151、152、153、154形成为悬伸形状。
在本实施方式的三维层叠装置中，控制部52以使相对于成形层151、152、153、154的表面的照射角度θ为90度的方式控制旋转工作台部17。因此，能够在第一成形层151的表面适当地层叠第二成形层152，能够实现呈悬伸形状的三维形状物160的品质的提高。
在本实施方式的三维层叠装置中，控制部52以使悬伸侧的成形层151、152、153、154的厚度t1比非悬伸侧的成形层151、152、153、154的厚度t2薄的方式控制旋转工作台部17。因此，能够高效地将多个成形层151、152、153、154形成为悬伸形状。
在本实施方式的三维层叠装置中，在层叠头12的中心部设置激光路径44，在层叠头12的激光路径44的周围设置粉末流路43及喷嘴喷射口部45，在变更激光L的照射角度θ时，也变更粉末P的喷射角度。因此，能够相对于激光L的照射位置将粉末P的喷射位置始终维持在适当位置，能够实现呈悬伸形状的三维形状物160的品质的提高。
另外，在本实施方式的三维层叠方法中，包括以下工序：向加工对象物90的加工面91供给粉末P；对粉末P照射激光L而使被照射了激光L的粉末P的至少一部分烧结或熔融固化，从而形成成形层151、152、153、154；及在形成成形层151、152、153、154时，使相对于加工面91的悬伸侧的激光L的照射角度θ在能够形成成形层151、152、153、154的范围内小于90度。
因此，当对下侧的第一成形层151的表面照射激光L，并且供给粉末P时，激光L沿悬伸形状照射到下侧的第一成形层151，因此在下侧的成形层151的表面适当地形成熔融部，能够对下侧的第一成形层适当地层叠上侧的第二成形层152。其结果是，能够实现呈悬伸形状的三维形状物160的品质的提高。
在本实施方式的三维层叠方法中，在第一成形层151的表面层叠第二成形层时，使相对于加工面91的悬伸侧的照射角度θ逐渐变小。因此，能够高效地将层叠于加工面91的多个成形层151、152、153、154形成为悬伸形状。
在本实施方式的三维层叠方法中，利用与悬伸的方向C正交的方向的切断面174切断作为呈悬伸形状的三维形状物的叶片172的前端部173，以使相对于切断面174的悬伸侧的激光L的照射角度θ在能够形成成形层175、176、177的范围内小于90度的方式形成成形层175、176、177。因此，能够以高精度容易地实施作为呈悬伸形状的三维形状物的叶片172的修补。
此外，在上述的实施方式中，将粉末供给部喷射的粉末材料设为金属粉末材料，但也可以是树脂粉末材料等非金属粉末材料。另外，将光束设为激光，但也可以设为电子束等。
附图标记说明
1 三维层叠装置
2 三维层叠室
3 预备室
4 层叠头收纳室
4a、5a Z 轴滑动部
5 机械加工部收纳室
6、7 门
10 床身
11 工作台部
12 层叠头
13 机械加工部
15 Y 轴滑动部
16 X 轴滑动部
17 旋转工作台部(照射角度变更部)
17a 固定台
17b 旋转工作台
17c 倾斜工作台
17d 旋转工作台
18、19 波纹管
20 控制装置
22 工具
23 喷嘴
24 前端部
25 空气排出部
30 形状测量部
31 加热头
32 装置测量部
33 工具更换部
34 喷嘴更换部
35 粉末导入部
36 基台移动部
37 空气排出部
38 气体导入部
39 粉末回收部
41 外管
42 内管
43 粉末流路(粉末供给部)
44 激光路径(光照射部)
45 喷嘴喷射口部(粉末供给部)
46 主体
47 光源
48 光纤
49 聚光部
51 输入部
52 控制部
53 存储部
54 输出部
55 通信部
90 加工对象物
91 加工面
92 成形层
93 三维形状物
93a、93b 表面
94、95 熔融池
100 基台部
102、104、106、108 箭头
110 旋转轴
151 第一成形层
151a 加强筋
152 第二成形层
153 第三成形层
154 第四成形层
155、156、157、158、159 成形层
160 三维形状物
170 轴
171 外周面
172 叶片
173 前端部
174 切断面
175、176、177 成形层
C 悬伸的方向
F 焦点
M1 移动方向
M2 加工方向
L 激光(光束)
O 中心轴
P 粉末
t1、t2 厚度。

Claims (8)

1.一种三维层叠装置，在加工对象物上层叠成形层而形成呈悬伸形状的三维形状物，所述三维层叠装置的特征在于，具备：
粉末供给部，向所述加工对象物的加工面供给粉末材料；
光照射部，对所述粉末材料照射光束而使被照射了所述光束的所述粉末材料的至少一部分烧结或熔融固化，从而形成所述成形层；
照射角度变更部，变更所述光照射部向所述加工面照射的所述光束的照射角度；及
控制部，以使相对于所述加工面的悬伸侧的所述照射角度在能够形成所述成形层的范围内小于90度的方式控制所述照射角度变更部。
2.根据权利要求1所述的三维层叠装置，其特征在于，
所述控制部在所述成形层的表面层叠所述成形层时以使相对于所述加工面的悬伸侧的所述照射角度逐渐变小的方式控制所述照射角度变更部。
3.根据权利要求1或2所述的三维层叠装置，其特征在于，
所述控制部以使相对于所述成形层的表面的所述照射角度成为90度的方式控制所述照射角度变更部。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的三维层叠装置，其特征在于，
所述控制部以使悬伸侧的所述成形层的厚度比非悬伸侧的所述成形层的厚度薄的方式控制所述粉末供给部及所述光照射部。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的三维层叠装置，其特征在于，
在层叠头的中心部设置有所述光照射部，在所述层叠头中的所述光照射部的周围设置有所述粉末供给部，所述照射角度变更部在变更所述照射角度时也变更所述粉末供给部向所述加工面喷射的喷射角度。
6.一种三维层叠方法，在加工对象物上层叠成形层而形成呈悬伸形状的三维形状物，所述三维层叠方法的特征在于，包括以下工序：
向所述加工对象物的加工面供给粉末材料；
对所述粉末材料照射光束而使被照射了所述光束的所述粉末材料的至少一部分烧结或熔融固化，从而形成所述成形层；及
在形成所述成形层时，使相对于所述加工面的悬伸侧的所述光束的照射角度在能够形成所述成形层的范围内小于90度。
7.根据权利要求6所述的三维层叠方法，其特征在于，
在所述成形层的表面层叠所述成形层时，使相对于所述加工面的悬伸侧的所述照射角度逐渐变小。
8.根据权利要求6或7所述的三维层叠方法，其特征在于，
以与悬伸方向正交的方向的切断面切断呈悬伸形状的三维形状物的前端部，以使相对于所述切断面的悬伸侧的所述光束的照射角度在能够形成所述成形层的范围内小于90度的方式形成所述成形层。
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