CN113751729B - 积层成型装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供积层成型装置，包括：照射装置，对于成型区域，对在将所需的三维成型物以既定高度进行分割而成的多个分割层的每一个上所形成的材料层照射光束而形成固化层；以及温度调整装置，与固化层积层而成的固化体的包含上表面的一部分或全部抵接而加热及冷却至设定温度，温度调整装置包括加热及冷却至设定温度的调温板，且包括在调温板沿着垂直方向的起立状态与沿着水平方向的横卧状态之间使调温板转动的转动部，转动部在不利用温度调整装置来对固化体的包含上表面的一部分或全部进行加热及冷却时，将调温板设定为起立状态，且在利用温度调整装置来对固化体的包含上表面的一部分或全部进行加热及冷却时，将调温板设定为所述横卧状态。

Description

积层成型装置

技术领域

本发明涉及一种三维成型物的积层成型装置。

背景技术

金属的积层成型存在多种方式，例如烧结积层成型法中，在充满惰性气体的密闭腔室内，在能够沿上下方向移动的成型平台上积层包含金属材料的材料粉体，且将激光光或电子束照射至所述积层的材料层的既定部位，使照射位置的材料粉体熔融或烧结而形成多个固化层，将所述多个固化层积层，从而生成所需的三维成型物。此处，所谓固化层包含熔融层及烧结层。另外，将被积层的固化层称为固化体。

在如上所述的金属的积层成型中，存在对成型后的三维成型物或成型途中的固化层进行温度调整的情况。例如，专利文献1及专利文献2中，通过在每形成一层或多层的固化层时，有意地进行马氏体转变，而利用由马氏体转变所引起的压缩应力来减轻由金属的收缩所引起的拉伸应力，控制成型物的残留应力，由此揭示能够抑制成型物的变形的积层成型装置以及三维成型物的制造方法的发明。此处，为了有意地进行马氏体转变，而在每形成一层或多层的固化层时，对此固化层进行既定的温度调整。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利第6295001号公报

[专利文献2]日本专利特愿2018-234241号

发明内容

[发明所要解决的问题]

但是，在进行如专利文献1所述的积层成型方法的情况下，对固化层进行冷却及加热，但以前利用配置于成型平台内的温度调整机构来进行固化层的温度调整，因此在每形成一层或多层的固化层时，必须将所积层的固化体整体进行冷却及加热。若进行如上所述的温度调整方法，则温度调整需要长时间，并且固化体上表面的温度响应时间根据固化体的高度而不同，因此会发生冷却等待时间不确定的问题。

配置于成型平台内的温度调整机构中的问题能够期待利用如下的温度调整方法来解决：如专利文献2所述，在加工头设置温度调整装置，使冷却板与所积层的固化体的上表面密接。

但可知，不仅能够通过将所积层的固化体的上表面进行冷却，而且能够通过加热来进而促进马氏体转变的进行。因此，为了不会对其他步骤造成阻碍，而期待如下的简易机构：不仅能够将固化体的上表面冷却，而且能够加热，并且能够以更短的时间自加热切换为冷却。

另外，严格而言，固化体上表面在每个层中平行度不同，因此仅通过使冷却板自起立状态转动为横卧状态而配置于固化体上表面，则固化体上表面与冷却板并不适当地抵接，冷却板仅与固化体上表面的一部分接触，存在无法均匀地将固化体上表面冷却的情况。如上所述，即便是固化体的平行度差的情况，也只要能够均匀地将固化体上表面冷却，则能够更高效率地将固化体上表面进行加热及冷却。

本发明是鉴于如上所述的情况而形成，目的在于提供一种不会妨碍其他步骤，能够将固化体的上表面迅速且均匀地加热冷却的三维成型物的积层成型装置。

[解决问题的技术手段]

本发明的积层成型装置包括：照射装置，对于成型区域，对形成于将所需的三维成型物以既定高度进行分割而成的多个分割层的每一个上的材料层照射光束而形成固化层；以及温度调整装置，与所述固化层积层而成的固化体的包含上表面的一部分或全部抵接而加热及冷却至设定温度，所述温度调整装置包括加热及冷却至所述设定温度的调温板，且包括在所述调温板沿着垂直方向的起立状态与沿着水平方向的横卧状态之间使所述调温板转动的转动部，所述转动部在不利用所述温度调整装置来对所述固化体的包含上表面的一部分或全部进行加热及冷却时，将所述调温板设定为所述起立状态，且在利用所述温度调整装置来对所述固化体的包含上表面的一部分或全部进行加热及冷却时，将所述调温板设定为所述横卧状态。

此处所谓设定温度，具体而言是指成型温度T1及冷却温度T2。

根据本发明，利用设置于积层成型装置的温度调整装置，不仅能够将固化体的上表面冷却，而且也能够加热，能够进而促进马氏体转变的进行。进而由于搭载将调温板切换为起立状态及横卧状态的简易机构，故而在不进行固化体上表面的温度调整时将调温板设定为起立状态，且在进行固化体上表面的温度调整时将调温板设定为横卧状态，由此能够适当地进行固化体上表面的温度调整，而不会阻碍其他步骤。

本发明的积层成型装置：所述调温板包括热电元件。

根据本发明，由于调温板包括热电元件，故而能够将调温板以更短的时间自加热状态切换为冷却状态，能够迅速地进行固化层形成步骤。

本发明的积层成型装置：包括将所述调温板与所述转动部连接的安装部，所述安装部包括固定于所述调温板背面的球接头以及与所述球接头连接的接受件。

根据本发明，转动部与调温板经由安装部而以能够滑动的方式来连接，因此即便是固化体的平行度差的情况，调温板也确实地抵接于固化体上表面，能够均匀地将固化体上表面冷却。

本发明的积层成型装置：所述温度调整装置包括与驱动装置连结的卡止构件，所述卡止构件为气缸，当所述温度调整装置连结所述驱动装置时，所述气缸运行而使销体突出，并使所述销体嵌合至所述驱动装置的卡止孔，在对所述固化体的包含上表面的一部分或全部进行加热及冷却时，将所述卡止构件连接于所述驱动装置，通过所述驱动装置的移动，自与所述成型区域分离的退避位置移动至与所述成型区域邻接的进行加热及冷却的处理位置。

另外，本发明的积层成型装置：所述温度调整装置固定于作业门扇的背面。

根据本发明，能够采用如下结构：在进行固化体上表面的温度调整的情况下，将温度调整装置配置在与成型区域邻接的处理位置，在不进行固化体上表面的温度调整的情况下，将温度调整装置配置于自成型区域分离的退避位置。另外，也能够采用将温度调整装置固定于作业门扇的背面的结构。

通过如上所述采用温度调整装置的配置结构，在进行固化层形成步骤时，温度调整装置不会阻碍其他装置以及其他步骤。

本发明的积层成型装置：所述驱动装置是在水平单轴方向上往复移动来供给材料粉体，并且将材料粉体平坦化而形成所述材料层的涂覆机头，所述温度调整装置与所述涂覆机头连结而在所述水平单轴方向上往复移动。

根据本发明，由于用以使温度调整装置往复移动的驱动机构兼为涂覆机头的驱动机构，故而无需为了温度调整装置而设置追加的驱动机构，能够以更简易的结构来实现温度调整装置的功能。

[发明的效果]

根据本发明的积层成型装置，在进行固化体的温度调整时，通过将经加热及冷却的调温板设为横卧状态且使其抵接于固化体的上表面，能够更迅速地使固化体的温度上升或下降，能够促进马氏体转变的进行。

另外，由于能够将调温板的配置自起立状态切换为横卧状态，故而不会阻碍切削步骤或三维成型物的出入等其他步骤。

进而，通过将调温板以能够相对于转动部而滑动的方式来连接，在调温板成为横卧状态时，调温板根据固化体的上表面的平行度而倾斜，由此使调温板稳固地抵接于固化体的上表面，能够提供可进行均匀冷却的积层成型装置。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的积层成型装置100的概略正视图。

图2是本发明的所述实施方式的积层成型装置100的概略侧视图。

图3是本发明的所述实施方式的材料层形成装置3与照射装置13的概略立体图。

图4是包括本发明的所述实施方式的平台温度调整装置90的成型平台5的概略结构图。

图5是本发明的所述实施方式的温度调整装置60的正面立体图。

图6是本发明的所述实施方式的温度调整装置60的背面立体图。

图7是将本发明的所述实施方式的温度调整装置60放大的正面立体图。

图8是将本发明的所述实施方式的温度调整装置60放大的背面立体图。

图9是将本发明的所述实施方式的调温板61设为起立状态的情况下的温度调整装置60的侧视图。

图10是将本发明的所述实施方式的调温板61设为横卧状态的情况下的温度调整装置60的侧视图。

图11是使用本发明的所述实施方式的积层成型装置100的固化层形成步骤的说明图(待机状态)。

图12是使用本发明的所述实施方式的积层成型装置100的固化层形成步骤的说明图(旋转前状态)。

图13是使用本发明的所述实施方式的积层成型装置100的固化层形成步骤的说明图(旋转后状态)。

图14是使用本发明的所述实施方式的积层成型装置100的固化层形成步骤的说明图(温度检测步骤)。

图15是表示使用本发明的所述实施方式的积层成型装置100的固化层形成步骤的流程图。

图16是本发明的第二实施方式的积层成型装置200的概略侧视图。

图17是本发明的所述实施方式的温度调整装置260的背面立体图。

图18是将本发明的所述实施方式的调温板61设为起立状态的温度调整装置260的侧视图。

图19是将本发明的所述实施方式的调温板61设为横卧状态的温度调整装置260的侧视图。

图20是使用本发明的所述实施方式的积层成型装置200的固化层形成步骤的说明图(旋转后状态)。

图21是表示使用本发明的所述实施方式的积层成型装置200的固化层形成步骤的流程图。

图22是表示使用本发明的所述实施方式的积层成型装置100的固化层形成步骤的说明图。

[符号的说明]

1：腔室

1a：保护窗

1b：开口

1c：作业门扇

1d：窥视窗

1e、1t、65：卡止构件

3：材料层形成装置

4：基台

5：成型平台

5a：顶板

5b、5c、5d：支持板

8：材料层

11：涂覆机头

11a：材料收纳部

11b：材料供给部

11c：引导机构

12：刀片

13：照射装置

14L、14R：轴承

15：惰性气体供给装置

16L、16R、64a：导轨

17：保护窗污染防止装置

17a：筐体

17b：开口部

17c：扩散构件

17d：惰性气体供给空间

17e：细孔

17f：洁净室

18：卡止孔

19：烟雾收集器

21、23：导管箱

26：粉体保持壁

31：成型平台驱动机构

33：底板

40：控制装置

42：光源

43：电流扫描器

43a、43b：电流计镜

44：焦点控制单元

50：切削装置

51：加工头

52：主轴头

60、260：温度调整装置

61：调温板

61a：加热冷却板

61b：热电元件

61c：导线连接部

62：安装部

621：背面安装部

621a：球接头

622：下部安装部

622a：接受件

63、263：转动部

64b：滑件

65：搬送用卡止构件(气缸)

65b：销体

66：位置固定用孔

267：作业门扇安装部

70：温度测定单元

70a：温度传感器

70b：温度传感器升降装置

81：固化体

81a、81b：固化层

90：平台温度调整装置

92：加热器

93：冷却器

100、200：积层成型装置

B、C、U：轴

L：激光光

R：成型区域

PE：退避位置

PT：加热冷却位置(处理位置)

S101～S113、S201、S202：步骤

具体实施方式

＜1.第一实施方式＞

以下，使用附图来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项能够相互组合。另外，各自独立地构成发明。以下的说明中，X轴、Y轴、Z轴的方向如图1及图2所定义。具体而言，将既定的水平单轴方向称为X轴，将与X轴正交的其他水平单轴方向称为Y轴，且将既定的垂直单轴方向称为Z轴。

另外，实施方式的积层成型装置中，将涂覆机头11的移动方向即水平单轴方向的控制轴设为B轴，将与涂覆机头11的B轴正交的水平单轴方向设为C轴，且将成型平台5的移动方向即铅垂单轴方向的控制轴设为U轴。进而，在积层成型装置的机械本机中，将腔室1的设置有作业门扇1c的一侧设为前表面或正面，且朝向前表面，将右手侧设为右侧面，将左手侧设为左侧面，且将后侧设为背面。图中的虚线表示激光光L的照射路径或者信号线。

(1.1积层成型装置100)

图1是本发明的第一实施方式的积层成型装置100的概略正视图，图2是本发明的所述实施方式的积层成型装置100的概略侧视图。图3是本发明的所述实施方式的材料层形成装置3与照射装置13的概略立体图。图5是本发明的所述实施方式的温度调整装置60的正面立体图，图6是本发明的所述实施方式的温度调整装置60的背面立体图。

本发明的实施方式的积层成型装置100通过形成材料层8，且反复进行对此材料层8的照射区域照射例如作为激光光L的光束来熔融或烧结的步骤，从而将多个固化层积层而生成具有所需形状的三维成型物。

本发明的积层成型装置100包括：腔室1、惰性气体供给装置15、保护窗污染防止装置17、烟雾收集器19、成型平台5、照射装置13、材料层形成装置3、控制装置40、切削装置50、温度调整装置60、温度测定单元70、及平台温度调整装置90。腔室1覆盖既定的成型区域R，且充满既定浓度的惰性气体。

腔室1为积层成型装置100的筐体，在内部设置有材料层形成装置3，所述材料层形成装置3在成型区域R，在将所需的三维成型物以既定高度进行分割而成的多个分割层的每一个上形成材料层。在腔室1的前表面设置所形成的开口1b，在开口1b设置有带窥视窗的作业门扇1c(图2)。

作业门扇1c也可为铰链开闭式，以能够转动的方式设置于开口1b，也可形成为左右或上下的滑动式。通过将作业门扇1c开闭，能够取出三维成型物、去除未烧结材料粉体等。

在作业门扇1c的背面，后述的温度调整装置60设置为能够沿着腔室1的内侧面，在B轴方向上进退移动(图2)。

具体而言，以沿着涂覆机头11的移动方向即B轴方向而与后述涂覆机头11的导轨16R平行的方式，与导轨16R接近而设置有温度调整装置用导轨64a(图5、图7)。温度调整装置用导轨64a的一端自成型区域R分离，而延伸至自作业门扇1c的背面退避的位置(退避位置PE)，另外，另一端与成型区域R邻接而设置至将固化体81的上表面进行加热冷却的处理位置(加热冷却位置PT)。

当温度调整装置60在B轴方向移动时，温度调整装置60与涂覆机头11连结，涂覆机头11成为温度调整装置60的驱动装置，利用涂覆机头11的驱动力而在B轴方向往复移动。

另外，在腔室1的温度调整装置60的退避位置PE(图5)，设置有退避位置用卡止构件1e，且在加热冷却位置PT(图5)设置有加热冷却位置用卡止构件1t。

退避位置用卡止构件1e及加热冷却位置用卡止构件1t是用以与温度调整装置60的位置固定用孔66卡合的构件，退避位置用卡止构件1e及加热冷却位置用卡止构件1t例如是流体压力缸及电动缸。退避位置用卡止构件1e以及加热冷却位置用卡止构件1t包括销体，能够以气缸的动作而使销体在温度调整装置60的位置固定用孔66中进退自如。在温度调整装置60为待机状态或加热冷却处理中的情况下，使气缸运行而使销体突出，在位置固定用孔66中插入销体并嵌合，而将温度调整装置60固定于腔室1。另一方面，在移动温度调整装置60的情况下，使缸运行而引入销体，自位置固定用孔66中拔出销体，解除与腔室1的连结。

材料层形成装置3包括基台4及涂覆机头11。本实施方式中，形成材料层8的材料包含材料粉体。材料粉体例如为金属粉，例如平均粒径为20μm的球形。

基台4包括形成所需的三维成型物的成型区域R。成型区域R设置于成型平台5上。成型平台5能够由成型平台驱动机构31来驱动，而在上下方向(图1的箭头U轴方向)移动。本实施方式中，在积层成型装置的使用时，在成型平台5上配置底板33，且在其上形成第一层的材料层8。此外，材料层8的照射区域存在于成型区域R内，与以所需的三维成型物的轮廓形状来规定的区域基本一致。

在成型平台5的周围设置粉体保持壁26。在由粉体保持壁26及成型平台5所包围的粉体保持空间中保持未固化的材料粉体。在粉体保持壁26的下侧也可设置能够将粉体保持空间内的材料粉体排出的粉体排出部。

在成型平台5的内部设置有用以调整成型平台5的温度的平台温度调整装置90。如图4所示，包括平台温度调整装置90的成型平台5包括顶板5a以及三个支持板5b、5c、5d。在顶板5a和与其邻接的支持板5b之间配置有能够加热顶板5a的加热器92。另外，在支持板5b的下侧的两片支持板5c、5d之间配置有能够冷却顶板5a的冷却器93。成型平台5构成为能够通过加热器92及冷却器93来调整温度，加热器92及冷却器93构成平台温度调整装置90。此外，为了防止成型平台驱动机构31的热位移，也可在平台温度调整装置90与成型平台驱动机构31之间设置保持为一定温度的恒温部。通过以上述方式构成平台温度调整装置90，能够将与设定为所需温度的成型平台5的顶板5a接触的底板33以及下层的固化层调整为所需温度。此外，材料层8理想为在烧结或熔融时预热至既定温度，平台温度调整装置90起到作为材料层8的预热装置的作用。

图3所示的涂覆机头11包括：材料收纳部11a、材料供给部11b、未图示的材料排出部、及引导机构11c。材料收纳部11a收纳材料粉体。材料供给部11b设置于材料收纳部11a的上表面，成为自未图示的材料供给装置供给至材料收纳部11a的材料粉体的接收口。材料排出部设置于材料收纳部11a的底面，将材料收纳部11a内的材料粉体排出。材料排出部构成为在与涂覆机头11的移动方向(箭头B轴方向)正交的水平单轴方向(箭头C轴方向)延伸的狭缝形状。另外，在涂覆机头11的两侧面分别设置刀片12。刀片12将自材料排出部排出的材料粉体平坦化而形成材料层8。

引导机构11c包括：一对轴承14R、14L；各轴承14R、轴承14L分别支承的一对轴材即导轨16R、16L；以及未图示的伺服马达。涂覆机头11基于控制装置40的扫描指令，通过伺服马达而沿着引导机构11c的导轨16R、导轨16L，在成型平台5上向B轴方向往复移动。

另外，在引导机构11c的轴承14R的侧板，设置有用以将温度调整装置60固定于涂覆机头11上的卡止孔18。卡止孔18只要是与设置于温度调整装置60的搬送用卡止构件65卡合的形状即可，例如可列举：槽或非贯穿孔、贯穿孔等。

在腔室1中供给既定浓度的惰性气体，并且将在材料层8的熔融时产生的包含烟雾的惰性气体排出。优选为自腔室1中排出的惰性气体去除烟雾而返送至腔室1。具体而言，在腔室1，烟雾收集器19与惰性气体供给装置15经由导管箱21、导管箱23而连接。设置于腔室1的惰性气体的供给口以及排出口的位置及个数并无特别限定。此外，本发明中，所谓惰性气体，是指实质上与材料不反应的气体，根据材料的种类而自氮气、氩气、氦气等中选择适当的气体。

惰性气体供给装置15具有供给惰性气体的功能，例如为自周围的空气中生成既定浓度的惰性气体的惰性气体发生装置、或者储留有既定浓度的惰性气体的储气瓶。惰性气体发生装置能够根据所生成的惰性气体的种类或浓度，而采用膜分离方式、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15自设置于腔室1的供给口来供给惰性气体，使腔室1内充满既定浓度的惰性气体。此处，理想为自惰性气体供给装置15中供给的惰性气体干燥。具体而言，惰性气体的露点温度理想为低于温度调整装置60的温度。后述温度调整装置60的调温板61在腔室1内移动，故而若在腔室1内充满干燥的惰性气体，则能够抑制调温板61结露。即，当惰性气体供给装置15为惰性气体发生装置时，理想为包括使作为用以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15为储气瓶时，理想为使用储留有充分干燥的惰性气体的储气瓶。

自腔室1的排出口中排出的包含大量烟雾的惰性气体输送至烟雾收集器19，烟雾被去除后，返送至腔室1。烟雾收集器19只要具有去除烟雾的功能即可，例如为电集尘器或者过滤器。

切削装置50包括设置有主轴头52的加工头51，加工头51利用未图示的加工头驱动机构而使主轴头52移动至所需的位置。

主轴头52是以能够握持未图示的端铣刀等切削工具而使其旋转的方式来构成，能够对将材料层8烧结而获得的固化层的表面或不需要部分进行切削加工。切削工具优选为多个种类的切削工具，所使用的切削工具也可利用未图示的自动工具交换装置而在成型中更换。根据以上的结构，加工头51在腔室1内的任意的位置，能够对固化层实施切削加工。

照射装置13设置于腔室1的上方。照射装置13对形成于成型区域R上的材料层8的既定部位照射激光光L等光束，而使照射位置的材料层8熔融或烧结，形成固化层。如图3所示，照射装置13包括光源42、双轴的电流扫描器43及焦点控制单元44。此外，电流扫描器43包括：电流计镜43a、电流计镜43b以及使电流计镜43a、电流计镜43b分别旋转的未图示的致动器。

光源42照射激光光L。此处，激光光L是能够使材料粉体熔融的激光，例如为CO₂激光、光纤激光、钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet，YAG)激光等。此外，光源42也可为照射电子束的光源。

焦点控制单元44将自光源42输出的激光光L进行聚光而调整为所需的光点直径。电流计镜43a、电流计镜43b以能够控制的方式来二维扫描自光源42输出的激光光L。电流计镜43a、电流计镜43b分别根据自控制装置40输入的旋转角度控制信号的大小来控制旋转角度。根据所述特征，通过使对电流扫描器的各致动器输入的旋转角度控制信号的大小变化，能够对所需的位置照射激光光L。

通过电流计镜43a、电流计镜43b的激光光L从设置于腔室1的保护窗1a透过而照射至形成于成型区域R的材料层8。保护窗1a包含能够透过激光光L的材料。例如，在激光光L为光纤激光或者YAG激光的情况下，保护窗1a能够包括石英玻璃。

在腔室1的上表面，以覆盖保护窗1a的方式设置保护窗污染防止装置17。保护窗污染防止装置17包括：圆筒状的筐体17a、以及配置于筐体17a内的圆筒状的扩散构件17c。在筐体17a与扩散构件17c之间设置惰性气体供给空间17d。另外，在筐体17a的底面，在扩散构件17c的内侧设置开口部17b。在扩散构件17c设置有多数个细孔17e，供给至惰性气体供给空间17d的洁净的惰性气体通过细孔17e而充满于洁净室17f中。而且，充满于洁净室17f中的洁净的惰性气体通过开口部17b而向保护窗污染防止装置17的下方喷出。

控制装置40对积层成型装置100整体进行整体控制，进行如下的数值控制：接收在未图示的计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)装置中生成的成型数据，且基于此接收数据来进行积层成型的控制。另外，兼为材料层形成装置3、成型平台5、涂覆机头11、照射装置13、惰性气体供给装置15、烟雾收集器19、切削装置50、温度调整装置60、温度测定单元70、平台温度调整装置90等进行驱动控制的装置。

温度测定单元70是测定固化体81的温度的检测单元，安装于切削装置50来使用(图2、图14)。例如温度测定单元70包括：接触式的温度传感器70a，与固化体81的上表面接触来测定温度；以及温度传感器升降装置70b，使温度传感器70a在垂直方向移动。温度传感器70a例如为热电偶，但也可使用测温电阻器等其他温度传感器。温度传感器升降装置70b例如为气缸，也可使用油压缸或电动马达等其他的驱动机构。另外，也可由非接触式的温度传感器来构成温度测定单元70，但通过使用接触式的温度传感器70a，能够正确地测定固化体81的温度。通过使用温度测定单元70，能够进行与固化体81的温度相应的反馈控制。例如能够构成为利用调温板61来实施冷却步骤或者加热步骤，直至利用温度传感器70a来测定的温度达到既定温度为止。

温度测定单元70并非必需的构成元件，也可省略。

(1.2温度调整装置60)

图7是将本发明的所述实施方式的温度调整装置60放大的正面立体图，图8是将本发明的所述实施方式的温度调整装置60放大的背面立体图。此外，图7至图9中，考虑到视觉辨认性，而将作业门扇1c等积层成型装置100的构成元件省略一部分。

本发明的实施方式的温度调整装置60是用以通过在将材料层8烧结而获得的固化层的上表面密接调温板61，来将三维成型物冷却或加热的装置，以作业门扇1c的背面，设置于腔室1的正面侧的内壁与涂覆机头11之间，与涂覆机头11卡合而设置为能够在B轴方向往复移动(图1、图7)。

温度调整装置60包括：调温板61、安装部62、转动部63、搬送用卡止构件65及位置固定用孔66。

调温板61是与固化体81的上表面密接来进行加热及冷却的平板状构件，所述固化体81是对材料层8照射激光光L等光束而形成的固化层积层所成，所述调温板61包括：加热冷却板61a、热电元件61b及导线连接部61c。此外，所谓固化体81的上表面，是指由温度调整装置60来进行加热及冷却的时刻的最上层的固化层的上表面。

加热冷却板61a是与固化体81的上表面实际接触的基板，作为将固化体81进行加热及冷却的接触面来发挥功能。加热冷却板61a包含陶瓷材料等绝缘性的基板。

热电元件61b是将电能转换为热能的元件，在加热冷却板61a的背面排列多个而设置。热电元件61b是使用例如珀耳帖元件等半导体热电元件。热电元件61b若经由导线连接部61c而流通直流电流，则在与加热冷却板61a连接的一端面冷却(吸热)，且在另一端面发热(加热)。如改变直流电流的方向，则冷却面与加热面调换，能够在短时间内将加热与冷却进行切换。通过如上所述在热电元件61b的单面进行冷却及加热，能够经由加热冷却板61a将固化体81的上表面进行加热及冷却，能够高精度地实现迅速的温度管理。

导线连接部61c是用以将热电元件61b与未图示的导线连接的端子。

图9是将本发明的所述实施方式的调温板61设为起立状态的温度调整装置60的侧视图，图10是将本发明的所述实施方式的调温板61设为横卧状态的温度调整装置60的侧视图。

转动部63是使调温板61在沿着水平方向(与XY平面并行的方向)的横卧状态、与沿着垂直方向(Z方向)的起立状态之间转动的构件。在不利用温度调整装置60来进行温度调整时，将调温板61设定为图9所示的起立状态。在利用温度调整装置60来进行温度调整时，将调温板61设定为图10所示的横卧状态。如此一来，在利用照射装置13来形成固化层时或利用切削装置50来对固化层进行加工时、利用涂覆机头11而在底板33上形成材料层8时等，能够防止积层成型装置100的各装置与调温板61干扰。

转动部63例如为气动旋转致动器。转动部63也可使用油压旋转致动器或电动旋转致动器等其他的转动机构。

安装部62是用以将调温板61与转动部63连接的构件，包括背面安装部621及下部安装部622。

背面安装部621固定于热电元件61b的背面，且在热电元件61b的中央位置设置有球接头621a。下部安装部622是将下端固定于转动部63的旋转轴而立设于垂直方向，且在上端设置有与球接头621a连接的接受件622a。

球接头621a与接受件622a的抵接面以能够滑动的方式来形成，转动部63与调温板61经由安装部62而以能够滑动的方式来连接。

通过使用如上所述的转动部63与调温板61的连接结构，即便是固化体81的上表面的平行度差的情况，也能够使调温板61适当地抵接于固化体81的上表面，能够避免对调温板61及固化体81的上表面中的任一者施加不合理的力。

另外，在转动部63的底面固定滑件64b，滑件64b沿着温度调整装置用导轨64a而滑动。此外，滑件64b能够适当利用公知的滑件，温度调整装置60通过与涂覆机头11连结而在B轴方向往复移动。

搬送用卡止构件65是用以与涂覆机头11的卡止孔18卡合的构件，例如使用已知的流体压力缸或已知的电动缸。搬送用卡止构件65设置于将调温板61设为起立状态时的温度调整装置60的下部且能够与涂覆机头11的卡止孔18卡合的位置。

作为搬送用卡止构件65的气缸65包括销体65b，销体65b通过气缸65的动作而在涂覆机头11的卡止孔18中进退自如。在将温度调整装置60连结于涂覆机头11的情况下，使气缸65运行而使销体65b突出，在涂覆机头11的卡止孔18中插入销体65b并嵌合。另外，在将温度调整装置60与涂覆机头11的连结解除的情况下，使气缸65运行而引入销体65b，自涂覆机头11的卡止孔18中拔出销体65b。

位置固定用孔66是用以将温度调整装置60固定于退避位置PE以及进行加热冷却的处理位置PT的孔，设置于温度调整装置60的下部(图8)。位置固定用孔66只要是与退避位置用卡止构件1e以及加热冷却位置用卡止构件1t卡合的形状即可，例如可列举槽或非贯穿孔、贯穿孔等。

(1.3三维成型物的制造方法)

图11是使用本发明的所述实施方式的积层成型装置100的固化层形成步骤的说明图(待机状态)。图12是使用本发明的所述实施方式的积层成型装置100的固化层形成步骤的说明图(旋转前状态)，图13是使用本发明的所述实施方式的积层成型装置100的固化层形成步骤的说明图(旋转后状态)。图14是使用本发明的所述实施方式的积层成型装置100的固化层形成步骤的说明图(温度检测步骤)，图15是表示使用本发明的所述实施方式的积层成型装置100的固化层形成步骤的流程图。使用图11至图15，对使用积层成型装置100的三维成型物的制造方法进行说明。此处，关于图11至图14的说明图，为了便于说明，而省略固化体81，但在实际的固化层形成步骤中，固化体81形成于成型区域R。

本实施方式的积层成型装置100对于在成型途中对固化层进行温度调整的三维成型物的制造方法特别有效。在成型途中对固化层进行温度调整的三维成型物的制造方法可例示如下的成型方法：使用马氏体系金属来作为形成材料层8的材料，在每形成一层或多层的固化层时，对固化层进行温度调整，而有意地进行马氏体转变。更具体而言，在每新成型出一层或多层的固化层时，将新成型出的固化层以成型温度T1、冷却温度T2、成型温度T1的顺序来进行温度调整。此外，若将固化层的马氏体转变开始温度设为Ms，且将固化层的马氏体转变结束温度设为Mf，则下述式(1)至(3)的关系全部满足。

T1≧Mf (1)

T1＞T2 (2)

T2≦Ms (3)

此外，本申请发明对于在成型途中对固化层进行温度调整的其他的三维成型物的制造方法也有效。

以下，将由温度调整装置60来冷却的一层或者多个固化层称为上表面层。上表面层至少包括各冷却时刻的固化体81的最上位的固化层。烧结后，在冷却步骤中冷却之前的上表面层是包含奥氏体相的状态，通过冷却至冷却温度T2，奥氏体相的一部分或全部转变为马氏体相。

最初，以在成型平台5上载置有底板33的状态，将成型平台5的高度调整为适当的位置(S101)。

调整成型平台5的高度后，进行固化层形成步骤。在固化层形成步骤中，将设置于成型平台5上的平台温度调整装置90的加热器92进行驱动，而将成型平台5的温度加热至成型温度T1(S102)，施加温度调整装置60的热电元件61b而将加热冷却板61a加热至成型温度T1(S103)。此处，如图11所示，温度调整装置60将调温板61设为起立状态而成为在退避位置PE停止的状态，退避位置用卡止构件1e与温度调整装置60的位置固定用孔66卡合，温度调整装置60固定于腔室1。

其次，将以下所示的重涂步骤与固化步骤重复进行一次以上。

重涂步骤中，使在材料收纳部11a内填充有材料粉体的涂覆机头11自箭头B轴方向的纸面左侧移动至右侧(图1)。由此，在底板33上形成材料层8(S104)。

其次，在固化步骤中，通过对材料层8的照射区域照射激光光L，而使该照射区域熔融或烧结，在底板33上形成第一层固化层81a(S105)。

在对多个固化层统一进行温度调整的情况下，继而，将成型平台5的高度降低与材料层8的厚度相应的量，再次进行重涂步骤及固化步骤。具体而言，使涂覆机头11自成型区域R的右侧移动至左侧，在成型区域上形成材料层8。接着，对材料层8的照射区域照射激光光L而使其熔融或烧结，在底板33上形成第二层固化层81b。

如上所述，在固化层形成步骤中，通过反复进行多个固化层81a、81b……的形成而形成固化体81。该些依次积层的固化层彼此相互牢固地固着(图22)。

反复进行以上的步骤来形成预先决定的一个或多个固化层后，利用温度调整装置60来进行加热步骤及冷却步骤。在加热步骤中，将固化体81的上表面层的温度加热至成型温度T1后，在冷却步骤中将固化体81的上表面层的温度冷却至冷却温度T2。

在加热步骤中，最初对退避位置用卡止构件1e进行操作而将腔室1与温度调整装置60的连结解除，并且对搬送用卡止构件65进行操作而将温度调整装置60与涂覆机头11连结。而且，使涂覆机头11沿着B轴方向而移动至加热冷却位置PT，由此以调温板61成为起立状态的情况下的状态，使连结的温度调整装置60自退避位置PE移动至加热冷却位置PT(S106)。

然后，对加热冷却位置用卡止构件1t进行操作而将温度调整装置60固定于腔室1，并且对搬送用卡止构件65进行操作而将温度调整装置60与涂覆机头11的连结解除，使涂覆机头11沿着B轴方向而自成型区域R退避(图12)。

而且，如图13所示，通过将转动部63驱动，而使调温板61转动为横卧状态，使加热冷却板61a抵接于固化体81的上表面，将固化体81的上表面加热至成型温度T1(S107)。通过使用球接头621a来作为转动部63与调温板61的连接结构，球接头621a与接受件622a的抵接面滑动，能够使加热冷却板61a密接于固化体81的上表面整体。

如图14所示，也可进行反馈控制：将温度测定单元70移动至固化体81的上方，测定固化体81的上表面的温度，将固化体81加热至固化体81的上表面的温度达到成型温度T1为止(S108)。

在固化体81的上表面的温度达到成型温度T1的情况下，转移至冷却步骤。

在冷却步骤中，将设置于成型平台5上的平台温度调整装置90的加热器92停止，驱动平台温度调整装置90的冷却器93，将与成型平台5的顶板5a接触的底板33及下层的固化层冷却(S109)。此时，成型平台5只要冷却至能够抑制热过度地传递至固化体81的程度即可，不需要冷却至冷却温度T2。

进而，施加温度调整装置60的热电元件61b而将加热冷却板61a冷却至冷却温度T2，且利用调温板61而将固化体81的上表面层冷却至冷却温度T2(S110)。

如上所述，冷却温度T2为马氏体转变开始温度Ms以下。冷却温度T2优选为马氏体转变结束温度Mf以下。此时，能够防止在成型后进行三维成型物的马氏体转变。马氏体转变开始温度Ms及马氏体转变结束温度Mf根据材料的组成，具体的值变动。因此，根据材料，必须将冷却温度T2设定为-20℃等低温。本实施方式的积层成型装置100中，只要仅将包含上表面层的固化体81的一部分冷却即可，因此即便冷却温度T2为低温，也能够迅速地将上表面层冷却，在冷却步骤后，能够迅速地再加热至成型温度T1。

另外，也可以与加热步骤相同的方式进行反馈控制，即，利用温度测定单元70来测定固化体81的上表面的温度，将固化体81冷却至固化体81的上表面的温度达到冷却温度T2为止(S111)。

若冷却步骤结束，则温度调整装置60的调温板61通过转动部63而自横卧状态向起立状态转动(S112)。而且，将涂覆机头11驱动而使其沿着B轴方向移动至加热冷却位置PT，对加热冷却位置用卡止构件1t进行操作而将腔室1与温度调整装置60的连结解除，并且通过对搬送用卡止构件65进行操作而将温度调整装置60与涂覆机头11连结。通过使涂覆机头11沿着B轴方向移动至退避位置PE，在调温板61成为起立状态的状态下，使连结的温度调整装置60自加热冷却位置PT向退避位置PE移动(S113)。

然后，对退避位置用卡止构件1e进行操作而在腔室1中固定温度调整装置60，并且对搬送用卡止构件65进行操作而将温度调整装置60与涂覆机头11的连结解除。

然后，再次设定为成型温度T1而进行固化层形成步骤。至少在进行下一次固化步骤之前，利用设置于成型平台5的平台温度调整装置90，成型平台5的温度调整为成型温度T1，进而施加温度调整装置60的热电元件61b，将加热冷却板61a加热至成型温度T1。材料层8的温度再加热至成型温度T1。

如以上所述，本实施方式中，在加热步骤中施加温度调整装置60的热电元件61b，将加热冷却板61a加热至成型温度T1，在冷却步骤中将调温板61在短时间内自加热切换为冷却而调整为冷却温度T2，使此调温板61抵接于固化体81的上表面，由此对固化体81的上表面层进行加热及冷却。通过如上所述，与仅使用设置于成型平台5内的温度调整机构来进行加热冷却的情况相比较，能够更迅速地调整上表面层的温度，能够缩短三维成型物的成型时间。

＜2.第二实施方式＞

(2.1积层成型装置200)

图16是本发明的第二实施方式的积层成型装置200的概略侧视图。图17是本发明的所述实施方式的温度调整装置260的背面立体图。

第一实施方式的温度调整装置60设置为能够沿着腔室1的内侧面而在B轴方向进退移动，但本发明的第二实施方式的温度调整装置260的不同点在于一体地安装于作业门扇1c的背面，其他的结构及动作与第二实施方式相同，因此对于相同的结构及动作标注相同的符号，省略其详细说明。

本发明的实施方式的积层成型装置200通过反复进行如下步骤，即，在形成三维成型物的成型区域R形成材料层8，对此材料层8的照射区域照射例如作为激光光L的光束来进行熔融或烧结的步骤，从而将多个固化层积层而生成具有所需形状的三维成型物。

本发明的积层成型装置200包括：腔室1、惰性气体供给装置15、保护窗污染防止装置17、烟雾收集器19、成型平台5、照射装置13、材料层形成装置3、控制装置40、切削装置50、温度调整装置260、温度测定单元70及平台温度调整装置90。

腔室1是积层成型装置200的筐体，设置有在腔室1的前表面形成的开口1b，且在开口1b设置有设有窥视窗1d的作业门扇1c(图16、图17、图20)。

作业门扇1c为铰链开闭式，以能够转动的方式设置于开口1b，以后述温度调整装置260能够自起立状态(图18)变更为横卧状态(图19)以及自横卧状态变更为起立状态的方式固定于作业门扇1c的背面。

另外，温度调整装置260以收纳于作业门扇1c的背面的方式来设置(图17)，在进行作业门扇1c的开闭时，不会产生温度调整装置260成为阻碍等问题。

(2.2温度调整装置260)

图18是将本发明的所述实施方式的调温板61设为起立状态的温度调整装置260的侧视图。图19是将本发明的所述实施方式的调温板61设为横卧状态的温度调整装置260的侧视图。

本发明的实施方式的温度调整装置260是用以通过使调温板61密接于将材料层8烧结而获得的固化层的上表面，从而将三维成型物进行加热或冷却的装置，且固定于作业门扇1c的背面(图16、图17)。

温度调整装置260包括：调温板61、安装部62、转动部263及作业门扇安装部267。

调温板61是与对材料层8照射激光光L等光束而形成的固化层积层而成的固化体81的上表面密接来进行加热及冷却的平板状构件。

转动部263是使调温板61在沿着水平方向(与XY平面并行的方向)的横卧状态、与沿着垂直方向(Z方向)的起立状态之间转动的构件。在不利用温度调整装置260来进行温度调整时，将调温板61设定为图18所示的起立状态。在进行温度调整时，将调温板61设定为图19所示的横卧状态。

转动部263例如为气缸。转动部263也可使用油压缸或电动致动器等其他的转动机构。

安装部62是用以将调温板61与转动部263连接的构件，包括背面安装部621及下部安装部622。背面安装部621固定于热电元件61b的背面，且在热电元件61b的中央位置设置有球接头621a。下部安装部622的下端固定于转动部263的旋转轴而立设于垂直方向，且在上端设置有与球接头621a连接的接受件622a。球接头621a与接受件622a的抵接面形成为能够滑动，转动部263与调温板61经由安装部62而以能够滑动的方式来连接。

在转动部263的底面固定用来固定于作业门扇1c的作业门扇安装部267(图16、图17)，作业门扇安装部267固定于作业门扇1c的背面。

(2.3三维成型物的制造方法)

图20是使用本发明的所述实施方式的积层成型装置200的固化层形成步骤的说明图(旋转后状态)，图21是表示使用本发明的所述实施方式的积层成型装置200的固化层形成步骤的流程图。

关于图20的说明图，省略固化体81，但在实际的固化层形成步骤中，固化体81形成于成型区域R。

本实施方式的积层成型装置200与第一实施方式的积层成型装置100同样，使用如下的成型方法：使用马氏体系金属来作为形成材料层8的材料，在每形成一层或多层的固化层时对固化层进行温度调整，有意地进行马氏体转变。更具体而言，在每新成型出一层或多层的固化层时，将新成型出的固化层以成型温度T1、冷却温度T2、成型温度T1的顺序进行温度调整。

最初进行成型平台5的高度的位置调整(S101)，将平台温度调整装置90的加热器92加热至成型温度T1(S102)，施加温度调整装置260的热电元件61b，将加热冷却板61a加热至成型温度T1(S103)。此处，如图16所示，温度调整装置260在将调温板61设为起立状态的状态下，固定于作业门扇1c的背面。

而且，将重涂步骤(S104)及固化步骤(S105)反复进行一次以上。

在形成一个或多个固化层后，利用温度调整装置260来进行加热步骤及冷却步骤。在加热步骤中，将固化体81的上表面层的温度加热至成型温度T1后，在冷却步骤中将固化体81的上表面层的温度冷却至冷却温度T2。

加热步骤中，如图20所示，通过将转动部263驱动而使调温板61转动为横卧状态，使加热冷却板61a抵接于固化体81的上表面，将固化体81的上表面加热至成型温度T1(S201)。通过使用球接头621a来作为转动部263与调温板61的连接结构，球接头621a与接受件622a的抵接面滑动，能够使加热冷却板61a密接于固化体81的上表面整体。

也可利用温度测定单元70来测定固化体81的上表面的温度，进行反馈控制(S108)。

在固化体81的上表面的温度达到成型温度T1的情况下，转移至冷却步骤。

在冷却步骤中，将平台温度调整装置90的冷却器93驱动，将下层的固化层冷却(S109)，施加温度调整装置260的热电元件61b而将加热冷却板61a冷却至冷却温度T2，利用调温板61而将固化体81的上表面层冷却至冷却温度T2(S110)。

另外，也可以与加热步骤相同的方式进行反馈控制，即，利用温度测定单元70来测定固化体81的上表面的温度，将固化体81冷却至固化体81的上表面的温度达到冷却温度T2为止(S111)。

若冷却步骤结束，则温度调整装置260的调温板61通过转动部263而自横卧状态向起立状态转动(S202)。然后，设定为成型温度T1，进而进行固化层形成步骤。

如上所述，由于温度调整装置260固定于作业门扇1c的背面，故而在将固化体81进行加热及冷却时，不需要利用驱动机构来驱动温度调整装置260，能够以简单的结构来实现功能，而不会阻碍其他步骤。

Claims (6)

1.一种积层成型装置，其特征在于，包括：

照射装置，对于成型区域，对在将所需的三维成型物以既定高度进行分割而成的多个分割层的每一个上所形成的材料层照射光束而形成固化层；以及温度调整装置，与所述固化层积层而成的固化体的包括上表面的一部分或全部抵接而加热及冷却至设定温度；

所述温度调整装置包括：

调温板，加热及冷却至所述设定温度，且包括：

转动部，在所述调温板沿着垂直方向的起立状态与沿着水平方向的横卧状态之间使所述调温板转动；并且

所述转动部在不利用所述温度调整装置来对所述固化体的包含上表面的一部分或全部进行加热及冷却时，将所述调温板设定为所述起立状态，且在利用所述温度调整装置来对所述固化体的包含上表面的一部分或全部进行加热及冷却时，将所述调温板设定为所述横卧状态。

2.根据权利要求1所述的积层成型装置，其特征在于，所述调温板包括热电元件。

3.根据权利要求1所述的积层成型装置，其特征在于，所述积层成型装置包括将所述调温板与所述转动部连接的安装部，并且

所述安装部包括固定于所述调温板背面的球接头以及与所述球接头连接的接受件。

4.根据权利要求1所述的积层成型装置，其特征在于，所述温度调整装置包括与驱动装置连结的卡止构件，所述卡止构件为气缸，当所述温度调整装置连结所述驱动装置时，所述气缸运行而使销体突出，并使所述销体嵌合至所述驱动装置的卡止孔；并且

对所述固化体的包含上表面的一部分或全部进行加热及冷却时，将所述卡止构件连接于所述驱动装置，且通过所述驱动装置的移动，自与所述成型区域分离的退避位置移动至与所述成型区域邻接的进行加热及冷却的处理位置。

5.根据权利要求4所述的积层成型装置，其特征在于，所述驱动装置是在水平单轴方向上往复移动来供给材料粉体，并且将材料粉体平坦化而形成所述材料层的涂覆机头，所述温度调整装置与所述涂覆机头连结而在所述水平单轴方向上往复移动。

6.根据权利要求1所述的积层成型装置，其特征在于，所述积层成型装置的所述温度调整装置固定于作业门扇的背面。

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