JP2004162095A

JP2004162095A - 積層造形装置

Info

Publication number: JP2004162095A
Application number: JP2002327199A
Authority: JP
Inventors: Eisaku Kakiuchi; 栄作垣内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2022-11-11
Also published as: JP4304965B2

Abstract

【課題】レーザー焼結によって造形物を積層的に生成する積層造形装置において、所望の形状のベースプレートを容易に利用可能な手段を備えることを目指す。
【解決手段】装置のプラットホーム３０の任意位置に、所望の形状のベースプレート３２を汎用固定手段により固定する。汎用固定手段としては、アダプタプレートを用いる手段、電磁石を用いる手段、減圧吸引口を用いる手段などがある。固定位置を検出するため、カメラ３４によってベースプレート３２を撮影し、計算部３６において、造形物の３次元データの対応部分と比較する。この結果を、駆動用ドライバ４０に伝え、ミラー４２の調整を行う。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉末材料をレーザー焼結して造形物を製作する積層造形装置、特に、装置のプラットホームに固定したベースプレートと一体となった造形物を製作する積層造形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、３次元のＣＡＤ装置において設計された製品を直接的に具現化するラピッドプロトタイピングシステムが急速に普及してきている。なかでも、３次元の設計データから層毎に薄くスライスしたデータを作成し、このデータに基づいて粉末材料を一層づつレーザーの照射によって焼結することで造形物を得る積層造形装置は、型造形のための型作りや試作品の製作に広く利用されている。
【０００３】
図８の概略図は、一般に普及している積層造形装置の主要部分及び作業手順を示している。図８の工程（ａ）に示すように、装置は、材料供給のために、供給側プラットホーム１０と、その上に載せられた金属粉末材料１２を有している。造形作業は、隣接配置されたプラットホーム１４で行われ、ここに固定されたベースプレート１６の上で、薄く広げられた金属粉末材料１２を好みの形状に焼結することで、ベースプレート１６を含む造形物１８が形成される。焼結は、レーザー発生装置２０の発するレーザー光線２２をミラー２４によって造形箇所に走査することで行われる。
【０００４】
ある層の焼結が終了すると、図８の工程（ｂ）に示すように、プラットホーム１４が一層分の厚みだけ下降し、金属粉末材料１２を運ぶためのワイパ２６が、プラットホーム１４側から供給側プラットホーム１０の側に移動する。そして、ワイパ２６の移動後に、供給側プラットホーム１０が一層の厚みより大きく上昇する。次に、図８の工程（ｃ）に示すように、ワイパ２６が再びプラットホーム１４側に移動する。この時、供給側プラットホーム１０の上から金属粉末材料１２が移動し、プラットホーム１４の上に均一に拡げられる。さらに、図８の工程（ａ）に戻り、この層に対するレーザー焼結が行われる。
【０００５】
以上の工程を、必要な層の数だけ繰り返すことで、積層造形装置におけるレーザー焼結工程が完了する。その後、必要に応じて、図示していない別の装置等において、表面を滑らかにする後処理を実施し、さらに、不要なベースプレート１６を切断して、最終的な造形物が得られる。
【０００６】
この後処理の過程において、不要なベースプレートが作業の邪魔にならないための工夫が、特許文献１に記載されている。すなわち、あらかじめベースプレートを切断して、有効な部分だけを造形に用いることとし、切りとった残りの部分を固定手段として用いることで、この非標準的な形状をもつベースプレートの固定を行っている。また、特許文献２にも、さらに複雑な形状を有するベースプレートに対して同様の手段を用いることが開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２３４１０３号公報
【特許文献２】
特開２００２−１２９２０３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１，２の手段においては、ベースプレートの形状を変更する度に、その固定手段を作らなければならず、時間や費用の点で問題がある。そこで、本発明においては、様々な形状をもつベースプレートを、その形状にかかわらず固定し、かつ、適切に積層造形を行うことができる手段の実現を目指している。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の積層造形装置は、造形物の３次元データに基づいて、ベースプレート上に層状に置かれた粉末材料をレーザー焼結し、焼結層を積み重ねていくことで、ベースプレートと一体となった造形物を製作する積層造形装置であって、予め所望の造形物におけるベースプレート部の形状に加工されたベースプレートを、作業台であるプラットホーム上の任意の位置に固定する汎用固定手段と、プラットホーム上におけるベースプレートの位置を取得する位置取得手段と、取得した位置情報に基づいてレーザー照射位置を調整する照射位置調整手段と、を有する。
【００１０】
これにより、ベースプレートが、既に造形物のベースプレート部の形状に加工されている場合にも、容易にプラットホームに固定することが可能となり、作業時間の短縮及び費用の軽減を図ることができる。また、この固定位置にかかわらずレーザー光を適切な位置に照射できるように、位置取得手段が設けられており、作業工程がむやみに増えるようなことはない。
【００１１】
また、本発明の積層造形装置における汎用固定手段は、アダプタプレートと、アダプタプレートにベースプレートを取り付ける第１取付手段であって、アダプタプレートに規則的に複数配置された穴部の任意の箇所と、ベースプレートに設けられた穴部とをボルトまたはノックアウトピンによって結合する第１取付手段と、アダプタプレートをプラットホーム上の所定の位置に取り付ける第２取付手段と、からなっていてもよい。
【００１２】
また、本発明の積層造形装置における汎用固定手段は、ベースプレートに含まれる磁性体と、プラットホームに備えられた磁石または電磁石とからなり、磁力によって両者を固定するものであってもよい。
【００１３】
また、本発明の積層造形装置における汎用固定手段は、プラットホーム上のベースプレートと面する部分に減圧吸引口を備え、吸引力によって両者を固定するものとすることもできる。
【００１４】
また、本発明の積層造形装置において、位置取得手段は、プラットホームの上方に設置され、ベースプレートを撮影するカメラと、撮影されたベースプレートの画像データと、造形物の３次元データの対応部分とを比較して、プラットホームにおけるベースプレートの位置を算出する計算手段と、からなることが可能である。
【００１５】
また、本発明の積層造形装置において、アダプタプレートを用いる場合に、ベースプレートに設けられた穴部は、ベースプレートの所定の位置にあり、位置取得手段は、装置の利用者が与える第１取付手段と第２取付手段の取付位置情報に基づいて、プラットホーム上のベースプレートの位置を取得することができる。
【００１６】
また、本発明の積層造形装置において、アダプタプレートを用いる場合に、位置取得手段は、第１取付手段及び第２取付手段に基づく取付位置情報と、画像データに基づき計算手段によって得られる位置情報とを併用して、位置を取得しても良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を、図面を用いて説明する。
【００１８】
図１は、本実施の形態の積層造形装置を示す概略図である。装置の主たる構成は、図８を用いて説明したものと同様である。すなわち、装置の作業台であるプラットホーム３０の上にベースプレート３２を固定し、ここには図示していないが、金属粉末材料１２を、薄い層毎にレーザー光線２２によって焼結していく。このベースプレート３２は、最終的に造形物の一部となる部分であり、本実施例においては、予め造形物の形状に加工したものを用いることができる。ベースプレート３２をプラットホーム３０に固定する手段は、汎用固定手段となっており、後で詳しく述べるように、ベースプレート３２の様々な形状に対応しており、また、固定位置も任意性を持つ汎用性を有している。このため、レーザー焼結にあたっては、ベースプレート３２が、プラットホーム３０のどこに配置されているかを把握しておく必要がある。そこで、位置取得手段として、プラットホーム３０の上方に固定されたカメラ３４と、カメラ３４が撮影したベースプレート３２の画像を処理する計算部３６が設けられている。この処理過程は、計算部３６に付属のモニタ３８によって表示可能である。駆動用ドライバ４０は、照射位置調整手段として、位置判定の結果を計算部３６から受け、この内容に基づき、ミラー４２の角度を適切に変更する。ミラー４２は、レーザー光線２２を所望の照射位置に反射させる役割を果たしており、駆動用ドライバ４０の調整により、プラットホーム３０上の任意の場所に置かれたベースプレート３２に対応することが可能となる。なお、図１は、概略図であるため、ミラー４２の直下にカメラ３４が描かれているが、実際には、カメラ３４はレーザー光線２２を遮断することがないように配置されていることは言うまでもない。
【００１９】
図２は、プラットホーム３０付近を説明する概略的な斜視図である。ここでは、プラットホーム３０に対するベースプレート３２の固定は、アダプタプレート４４を介して行われている。アダプタプレート４４はプラットホーム３０及とほぼ同じ大きさをもつ正方形であり、その上に造形物４６のベースプレート３２部分の形状に加工されたベースプレート３２が固定されている。プラットホーム３０の上部にはカメラ３４が固定されており、アダプタプレート４４全体及びベースプレート３２を撮影することができる。
【００２０】
図３は、アダプタプレート４４の上面図である。正方形の四隅には、プラットホーム用取付穴４８が設けられ、その内側には、等間隔に配置された複数（図示した例では４列４行）のベースプレート用取付穴５０が設けられている。また、図４は、図３のＡＡ’部分の断面図であり、プラットホーム用取付穴４８と、ベースプレート用取付穴５０の断面構造を示している。両者は今の場合、ほぼ同形状のＴ字型であり、プラットホーム用取付穴４８はその幅広部分をアダプタプレート４４の上面に、ベースプレート用取付穴５０は下面に備えている。また、図示していないが、所望の造形物の形状に加工されたベースプレート３２の下面にも、穴が開けられている。この穴は、ネジ穴となっており、ベースプレート用取付穴５０および両者を締結するネジを切られたボルトと共に、ベースプレート３２をアダプタプレート４４に固定する第１取付手段を構成している。第１取付手段においては、ベースプレート３２を、アダプタプレート４４内に配置されるとの条件の下で、任意のベースプレート用取付穴５０に取付けることができる。
【００２１】
プラットホーム３０の上面には、やはり図示していないが、プラットホーム用取付穴４８に対応した４つの穴が開けられている。この４つの穴は、その穴内にネジが切られており、プラットホーム用取付穴４８及び両者に渡されるネジを切られたボルトと共に第２取付手段を構成している。第２取付手段は、ベースプレート３２を固定したアダプタプレート４４を、プラットホーム３０の所定の位置に固定することができる。
【００２２】
第１取付手段および第２取付手段により、プラットホーム３０上の任意の位置に、所望の形状のベースプレート３２を固定する汎用固定手段が実現される。なお、ここでの説明においては、第１取付手段および第２取付手段においては、ボルトによってネジ留めされるものとしたが、必ずしもネジを設ける必要はなく、ノックピン等によって代替可能である。さらには、ノックピンを予めアダプタプレート４４に一体化して固定するなどの代替手段を用いてもよい。
【００２３】
図５は、汎用固定手段を、他の手段によって達成することを示した概略的な斜視図である。この構成において特徴的なことは、図２の構成とは異なり、アダプタプレート４４を用いておらず、プラットホーム３０に直接ベースプレート３２を固定している点である。固定は、磁力によって実現している。すなわち、ベースプレート３２には磁性を有する金属が含まれる合金とし、プラットホーム３０の背後に電磁石５２を設置することで、電磁石５２を作動させた時に、両者は磁力により固定される。もちろん電磁石５２の代わりに磁石を用いても構わない。また、ベースプレート３２全体が磁性を持たない場合にも、プラットホーム３０に接する側に磁性を有する物質を接着させるなどすれば同様の効果を得ることが可能である。
【００２４】
ベースプレート３２の固定位置は、レーザー焼結が可能な範囲である限り、プラットホーム３０上のどの位置としても良い。どの位置に固定されたかについては、上に示した手段と同様に、カメラ３４によって撮影された画像を処理する位置取得手段を用いて把握できる。
【００２５】
図６は、他の汎用固定手段を説明する概略的な斜視図である。ここでは、プラットホーム３０上に、適当な距離をおいて、二つの減圧吸引口５４ａ，５４ｂが設けられている。そして、減圧吸引口５４ａ，５４ｂを塞ぐ位置に、ベースプレート３２が配置されている。図７は、減圧吸引口５４ａの中心付近を通る断面図であり、減圧吸引口５４ａの周囲に、ベースプレート３２との間の気密を保つＯリングが配置されていることを示している。
【００２６】
減圧吸引口５４ａ，５４ｂの先には、図示していない減圧用のポンプが設置されている。そして、ベースプレート３２を減圧吸引口５４ａ，５４ｂを塞ぐ任意の位置に配置した後で、ポンプを作動させると、減圧吸引口５４ａ，５４ｂ内の圧力が下がり、ベースプレート３２は吸引されて固定される。なお、減圧吸引口５４ａ，５４ｂは一つだけ配置することも可能であるし、三つ以上配置しても良い。ベースプレート３２が小さく、全ての減圧吸引口５４ａ，５４ｂを塞がない場合には、その減圧吸引口５４ａ，５４ｂに蓋をするなどすれば作業に支障を来すこともない。レーザー焼結のための固定位置の確定は、やはり、カメラ３４を用いた位置取得手段によって行うことができる。
【００２７】
ここで、カメラ３４で撮影した画像を計算部３６で処理する位置取得手段の処理過程について、簡単に説明しておく。画像処理の目的は、ベースプレート３２がプラットホーム３０上のどの位置にあるかを取得する事である。したがって、一般には、決められた大きさを持つプラットホーム３０の外枠を全て撮影できるようにするのが望ましい。もちろん、決まった大きさをもつアダプタプレート４４を、プラットホーム３０の上の所定位置に固定する場合は、アダプタプレート４４の外枠を含むように撮影すればよい。
【００２８】
撮影した画像処理の方法については、様々なものが可能である。一つの方法としては、プラットホーム３０とベースプレート３２の輝度の違いを基に、両者の境界線を一次空間差分フィルタなどで抽出する処理が挙げられる。得られた境界線データは、ＣＡＤが持つベースプレート３２の対応部分の輪郭線データと比較され、両者を最もよく一致させるために必要な、平行移動距離及び回転角度や、必要に応じて拡大縮小量が計算される。比較の際には、カメラ３４からの距離の違いによる画像の歪みを座標変換により補正すると、精度が向上することは言うまでもない。また、この補正処理を実施することで、カメラ３４をベースプレート３２の真上に設置する必要がなくなる。
【００２９】
また、ベースプレート３２に含まれる箇所を、二値化などによって面として把握しても良い。この場合には、ＣＡＤが持つベースプレート３２の面の情報と対比させすることで、やはり、両者を最も良く一致させるために必要な座標変換パラメータが求められる。得られた座標変換パラメータは、照射位置調整手段である駆動用ドライバ４０に送られ、レーザー光線２２の照射位置の変更に用いられる。照射位置の変更は、単純には、ミラー４２の動作角度の調整を行うことで実施される。
【００３０】
次に、アダプタプレート４４を用いる場合の位置取得手段について、補足する。先に説明したように、第２取付手段において、アダプタプレート４４は、プラットホーム３０上の所定位置に固定される。また、第１取付手段において、アダプタプレート４４上のベースプレート用取付穴５０は等間隔に配置されている。そこで、ベースプレート３２の下面に設ける穴を、例えば、ベースプレート用取付穴５０と同じ距離をもつ等間隔な穴とし、この等間隔な穴に対して所定の位置関係となるようにベースプレート３２の形状が決められるようにすれば、ベースプレート３２とアダプタプレート４４を特定の穴同士で繋ぎ合わせることで、両者の位置関係を一意に決定することができる。この時、ベースプレート３２とプラットホーム３０との位置関係も一意に決定されるので、この位置関係の情報を計算部３６に与え、この位置関係の情報のみに基づいて、駆動用ドライバ４０を制御することが可能となる。また、この位置関係の情報と、画像処理による位置関係の検出結果とを併用して精度を向上させることも可能である。
【００３１】
以上の説明においては、積層造形装置における造形物４６は、金属であると仮定してきた。すなわち、ベースプレート３２および金属粉末材料１２は金属であるものとしてきた。しかし、積層造形装置においては、樹脂によって造形物を生成する技術も確立されており、本実施の形態も、同様に、樹脂の造形に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における装置構成の概略図である。
【図２】装置構成の一部分を示す概略的斜視図である。
【図３】装置構成の一部分を示す平面図である。
【図４】装置構成の部分的な断面図である。
【図５】装置構成の別の態様を示す概略的斜視図である。
【図６】装置構成のさらに別の態様を示す概略的斜視図である。
【図７】装置構成のさらに別の態様における断面図である。
【図８】従来の積層造形装置の作業手順を示す概略図である。
【符号の説明】
１２金属粉末材料、１４，３０プラットホーム、１６，３２ベースプレート、１８，４６造形物、２０レーザー発生装置、２２レーザー光線、２４，４２ミラー、３４カメラ、３６計算部、４０駆動用ドライバ、４４アダプタプレート、４８プラットホーム用取付穴、５０ベースプレート用取付穴、５２電磁石、５４ａ，５４ｂ減圧吸引口、５６ａ，５６ｂＯリング。

Claims

造形物の３次元データに基づいて、ベースプレート上に層状に置かれた粉末材料をレーザー焼結し、焼結層を積み重ねていくことで、ベースプレートと一体となった造形物を製作する積層造形装置であって、
予め所望の造形物におけるベースプレート部の形状に加工されたベースプレートを、作業台であるプラットホーム上の任意の位置に固定する汎用固定手段と、プラットホーム上におけるベースプレートの位置を取得する位置取得手段と、取得した位置情報に基づいてレーザー照射位置を調整する照射位置調整手段と、
を有する積層造形装置。
請求項１に記載の積層造形装置において、
汎用固定手段は、
アダプタプレートと、
アダプタプレートにベースプレートを取り付ける第１取付手段であって、アダプタプレートに規則的に複数配置された穴部の任意の箇所と、ベースプレートに設けられた穴部とをボルトまたはノックアウトピンによって結合する第１取付手段と、
アダプタプレートをプラットホーム上の所定の位置に取り付ける第２取付手段と、
からなる積層造形装置。
請求項１に記載の積層造形装置であって、
汎用固定手段は、ベースプレートに含まれる磁性体と、プラットホームに備えられた磁石または電磁石とからなり、磁力によって両者を固定する積層造形装置。
請求項１に記載の積層造形装置であって、
汎用固定手段は、プラットホーム上のベースプレートと面する部分に減圧吸引口を備え、吸引力によって両者を固定する積層造形装置。
請求項１に記載の積層造形装置であって、
位置取得手段は、
プラットホームの上方に設置され、ベースプレートを撮影するカメラと、
撮影されたベースプレートの画像データと、造形物の３次元データの対応部分とを比較して、プラットホームにおけるベースプレートの位置を算出する計算手段と、
からなる積層造形装置。
請求項２に記載の積層造形装置であって、
ベースプレートに設けられた穴部は、ベースプレートの所定の位置にあり、
位置取得手段は、装置の利用者が与える第１取付手段と第２取付手段の取付位置情報に基づいて、プラットホーム上のベースプレートの位置を取得する積層造形装置。
請求項６に記載の積層造形装置であって、
位置取得手段は、さらに、
プラットホームの上方に設置され、ベースプレートを撮影するカメラと、
撮影されたベースプレートの画像データと、造形物の３次元データの対応部分とを比較して、プラットホームにおけるベースプレートの位置を算出する計算手段と、
を備え、
第１取付手段及び第２取付手段に基づく取付位置情報と併用する積層造形装置。