JP2007030303A - 粉末焼結積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大型の物を一体的に造形することができ、小型の物を造形する際に、造形後の冷却時間を短縮することができるとともに、加熱によるダメージを受ける粉末材料の量を軽減すること。
【解決手段】第１の造形領域を画定する筒状の第１の容器１３と、第１の容器１３内壁に沿って上下移動する第１の造形用テーブル１５と、第１の造形領域内に第２の造形領域を画定し、第１の容器１３に着脱自在に設置され、第２の造形領域の外側であって第１の容器１３内側の上面を覆うフランジを有する筒状の第２の容器１７と、第２の容器１７内壁に沿って上下移動する第２の造形用テーブルとを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、粉末焼結積層造形装置に関し、造形用テーブル上に複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形装置に関する。

近年、機能試験用試作部品や少量多品種の製品に使用される部品等を造形することができる造形装置への要望が増えてきつつある。

この要求を満たすものとして、光造形装置や粉末焼結積層造形装置などがある。なかでも、粉末焼結積層造形装置は、紫外線硬化性樹脂を使用した造形装置（以下「光造形装置」）と異なり、多種類かつ強靭な材料が使用できることが大きな特徴の一つであり、市場での認知度も向上し、さまざまな用途で使用されはじめている。

図１４は、従来市販されている粉末焼結積層造形装置の斜視図である。図１４に示すように、レーザ光出射部１０１Ａと、造形部１０１Ｂと、制御装置１０１Ｃとから構成されている。

レーザ光出射部１０１Ａにおいては、レーザ光の光源１とレーザ光の照射方向を制御するミラー２とが設けられている。

造形部１０１Ｂにおいては、中央部に設置され、レーザ光の照射により造形が行われて３次元造形物が作製される造形用容器３と、その両側に設置されて粉末材料を貯めておく粉末材料容器４ａ、４ｂとを備えている。また、造形用容器３内には造形用容器３内壁に沿って昇降するパートシリンダ５が設置され、粉末材料容器４ａ、４ｂ内には粉末材料容器４ａ、４ｂ内壁に沿って昇降するフィードシリンダ６ａ、６ｂが設置されている。

制御装置１０１Ｃは、パートシリンダ５を薄層一層分降下させ、フィードシリンダ６ｂを上昇させて、リコータローラ７によってパートシリンダ５上に粉末材料８を供給させ、かつパートシリンダ５上で粉末材料の薄層８ａを形成させ、次いで、レーザ光及び制御ミラー２によって作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき粉末材料の薄層８ａを選択的に加熱して焼結させ、これらの動作を繰り返させる。このようにして３次元造形物を形成させ、最後に、３次元造形物を冷却手段によって冷却させる。

上記従来の粉末焼結積層造形装置は、光造形装置に比較すると、概して造形用容器３の造形可能なＸＹ平面積が小さかった。例を挙げれば、光造形装置の大型機の中で最も普及している最大造形サイズは、ＸＹ平面積６００ｍｍ×６００ｍｍまで可能であるが、粉末焼結積層造形装置の場合は、ＸＹ平面積３８０ｍｍ×３３０ｍｍである。

ところで、近年、従来の装置では造形できなかった大きなサイズを一体で造形する要望が増加しており、光造形装置の最大造形サイズと同等程度の最大造形サイズとなる５５０ｍｍ×５５０ｍｍの造形可能なＸＹ平面積を持つ大型サイズの粉末焼結積層造形装置が市場に投入され始めている。

しかしながら、一方で、機能試験用試作部品や少量多品種の製品は、必ずしもその大型サイズの造形装置に適したものばかりではなく、従来のような小さな平面積で十分造形できるものも数多くある。このような場合、粉末焼結積層造形装置のＸＹ造形サイズが大きくなると以下のような２つの問題を避けることはできない。

（１）冷却時間の増大
粉末焼結積層造形装置では、造形用容器内で、順次、粉末材料の薄層を積層し、選択的に加熱し、焼結して３次元造形物を作製するため、焼結薄層と焼結されないで残った焼結薄層周囲の粉末材料とが造形用容器内に収納されることとなる。このような粉末焼結積層造形装置では、光造形装置と異なり、造形物の反りを防止するため、および、レーザ出力を比較的小さくしても造形を可能にするために、造形時に積層物の表面温度をその造形材料の融点から５〜１５℃程度低い温度に設定し、造形用容器の全ＸＹ平面が均一な温度になるように制御して造形することが一般的である。このような場合、造形が完了した後、急激な冷却をしてしまったり、冷却が不完全な状態で造形物の取り出し作業を行なったりすると、造形物の内外に温度不均一な状態が発生し、それによる熱応力で造形物が歪んだり、精度を維持することができなくなったりする。

これを避けるため、造形が完了しても、オペレータが粉末材料の中から造形物を取り出すことができる温度になるまで造形物をゆっくりと自然冷却することが必要になる。自然冷却時間の目安として、例えば、造形可能なＸＹ平面が３８０ｍｍ×３３０ｍｍで、Ｚ方向の深さが４００ｍｍのモデルが造形可能な造形用容器を用いて造形した場合は、約２０時間程度の冷却時間が必要である。また、Ｚ方向の深さが造形可能な平面積に比較して極端に浅くない場合は、その平面積に比例して冷却時間が長くなると言ってよい。例えば、ＸＹ平面が３８０ｍｍ×３３０ｍｍの平面積は１２５，４００ｍｍ^２で、同じく６００ｍｍ×６００ｍｍの平面積は３６０，０００ｍｍ^２であるから、後者は前者の約２．９倍の面積比となり、冷却時間もこれに比例して長くなる。さらに、上記のように造形可能な平面積が大きく、かつ、Ｚ方向が上記と同じ４００ｍｍのモデルが造形可能な造形用容器を用いて造形した場合には、冷却時間が約５８時間もかかることになる。

以上のように、小さな造形物しか造形しないのに、造形可能なＸＹ平面積が不必要に大きな造形用容器を用いると、冷却時間が増大して実際に造形物を取り出すまでの時間を長くしてしまい、運用効率が下がる結果となってしまう。

（２）材料の劣化
光造形装置では、紫外線レーザが照射された部分の硬化反応を促進することと、造形液面の高さを一定に維持することを目的として、光硬化性樹脂を４０℃程度まで昇温し、一定の温度になるように制御するが、その程度の昇温では材料の劣化はほとんどないと言ってよい。

粉末焼結積層造形装置の場合は、造形用容器内の粉末材料の全表面がその材料の融点から５〜１５℃程度低い温度、例えば粉末焼結積層造形装置の主要材料であるナイロンの場合１６５℃程度の比較的高い温度に設定されるため、一度造形に使用した粉末材料は熱によるダメージを受けて劣化し、場合によっては廃棄しなければならなくなることがしばしばある。したがって、その粉末焼結積層造形装置において造形可能な最大平面積に比べて小さな造形物を造形するような場合、本来必要のない粉末材料を無駄に消費することになってしまう。

以上のように、造形物の平面積が小さいものを造形する場合に、必要以上に大きな平面積の造形用容器を備えた粉末焼結積層造形装置では、冷却時間が増大し、また、再利用可能な粉末材料が劣化し、使用できなくなってしまうという問題がある。かといって小さな部品を作るためにもう１台小型の粉末焼結積層造形装置を導入するのでは、導入費用、装置の運用効率、設置スペース等の問題も発生する。

本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、大型の物を一体的に造形することができ、小型の物を造形する際に、造形後の冷却時間を短縮することができるとともに、加熱によるダメージを受ける粉末材料の量を軽減することができる粉末焼結積層造形装置を提供するものである。

上記課題を解決するため、第１の発明は、粉末焼結積層造形装置に係り、第１の造形領域を画定する第１の区画壁と、前記第１の区画壁の内壁に沿って上下移動する第１のテーブルと、前記第１の造形領域内に第２の造形領域を画定し、前記第１の区画壁の上端に掛けるフランジを有する第２の区画壁と、前記第２の区画壁の内壁に沿って上下移動する第２のテーブルとを備え、前記第１の造形領域では大きい物を造形し、前記第２の造形領域では小さい物を造形することを特徴とし、
第２の発明は、第１の発明の粉末焼結積層造形装置に係り、前記第１のテーブルは、前記第２のテーブル上に板状部材を被せて形成されたものであることを特徴とし、
第３の発明は、第１の発明の粉末焼結積層造形装置に係り、前記第１のテーブルは、前記第２のテーブルの周辺部を拡張する板状部材を取り付けて形成されたものであることを特徴とし、
第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れか一の粉末焼結積層造形装置に係り、前記第１及び第２のテーブルを上下移動させる駆動手段を備えていることを特徴とし、
第５の発明は、第４の発明の粉末焼結積層造形装置に係り、前記駆動手段は前記第１及び第２のテーブルに着脱可能となっていることを特徴とし、
第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れか一の粉末焼結積層造形装置に係り、前記第１の区画壁の下端部及び前記第２の区画壁の下端部のうち少なくとも何れか一は、対応する前記テーブルを前記下端部から抜き取ることが可能なようになっていることを特徴とし、
第７の発明は、第１乃至第５の発明の何れか一の粉末焼結積層造形装置に係り、前記第１の区画壁の下端部及び前記第２の区画壁の下端部のうち少なくとも何れか一は、対応する前記テーブルを前記下端部に掛止することが可能なようになっていることを特徴とし、
第８の発明は、第１乃至第７の発明の何れか一の粉末焼結積層造形装置に係り、前記粉末焼結積層造形装置は、さらに前記第１の造形領域に隣接するように設置された粉末材料収納部と、前記第１及び第２のテーブル上に形成された粉末材料の薄層にレーザ光を選択的に照射するレーザ光照射手段とを備え、前記第１又は第２の造形領域に粉末材料を供給して前記第１又は第２のテーブル上に粉末材料の薄層を形成し、該粉末材料の薄層に前記レーザ光を選択的に照射して焼結薄層を形成し、これらの動作を繰り返すことにより前記焼結薄層を積層して３次元造形物を作製することを特徴としている。

次に、上記構成によって奏される作用について説明する。

本発明の粉末焼結積層造形装置においては、第１の造形領域を画定する第１の区画壁及び第１の区画壁の内壁に沿って上下移動する第１のテーブルのほかに、第１の造形領域内に第２の造形領域を画定し、第１の区画壁の上端に掛けるフランジを有する第２の区画壁と、第２の区画壁の内壁に沿って上下移動する第２のテーブルとを備え、第１の造形領域では大きい物を造形し、前記第２の造形領域では小さい物を造形するようにしている。

したがって、一台の粉末焼結積層造形装置によって大型の物も小型の物も造形可能である。

また、大型の物を造形する際には、大きな第１の造形領域を用いているため、大型の物を一体的に形成することができる。

一方、小型の物を造形する際には、小さな第２の造形領域を用いているため、造形物周囲に残留する粉末材料を減らし、これにより予備加熱しても造形後の冷却時間を短縮することができるとともに、予備加熱によるダメージを受ける粉末材料の量を軽減することができる。

本発明の粉末焼結積層造形装置によれば、一台の粉末焼結積層造形装置で、大型の物を造形する際には、大きな第１の造形領域を形成してこれを用い、小型の物を造形する際には、第１の造形領域内にこれより小さい第２の造形領域を形成してこれを用いているので、一台の粉末焼結積層造形装置で大型の物も小型の物も造形可能である。

しかも、大型の物を造形する際には、大きな第１の造形領域を用いることで、大型の物は一体的に形成することができる。

小型の物を造形する際には、小さな第２の造形領域を用いることで、予備加熱しても造形後の冷却時間を短縮することができるとともに、予備加熱によるダメージを受ける粉末材料の量を軽減することができる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（粉末焼結積層造形装置の説明）
図１は、本発明の実施の形態に係る粉末焼結積層造形装置の構成を示す斜視図である。図２（ａ）は、図１の第２の造形用容器１７、第２の粉末材料容器１８ａ、１８ｂを第１の造形用容器１３、第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂ内にセットした後にＩ−Ｉ線に沿ってとった断面図であり、主に、造形用容器、その両側の粉末材料容器の部分を示す。図２（ｂ）は、その部分の上面図である。

この粉末焼結造形装置１１１は、図１に示すように、レーザ光出射部１１１Ａと、造形部１１１Ｂと、制御装置１１１Ｃとから構成されている。

レーザ光出射部１１１Ａにおいては、レーザ光の光源１１とレーザ光の照射方向を制御するミラー１２とが設けられている。光源１１から出射したレーザ光はコンピュータによるミラー制御により、造形部１１１Ｂのパートシリンダ１５上の粉末材料の薄層に選択的に照射されるようになっている。例えば、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、コンピュータによるミラー制御が行われる。レーザ光の光源１１とミラー１２とが加熱焼結手段を構成する。

造形部１１１Ｂにおいては、図１及び図２に示すように、レーザ光の照射により造形が行われて３次元造形物が作製される四角い筒状の第１の造形用容器（第１の区画壁）１３と、その両側に設置されて粉末材料を貯めておく四角い筒状の第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂとを備えている。第１の造形用容器１３の内壁に囲まれた領域が造形エリア（第１の造形領域）であり、第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂの内壁に囲まれた領域が粉末材料の収納エリア（第１の収納領域）である。

また、第１の造形用容器１３内、第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂ内にはそれぞれ四角い筒状の第２の造形用容器（第２の区画壁）１７、四角い筒状の第２の粉末材料容器１８ａ、１８ｂを着脱自在に取り付け得るようになっている。

第２の造形用容器１７は、小型の造形物を作製するときに第１の造形用容器１３内に設置され、図３（ａ）に示すように、第１の造形用容器１３内に第１の造形用容器１３の造形エリアよりも小さな造形エリア（第２の造形領域）を画定する。容器１７壁の外側であって第１の造形用容器１３内側の上面を覆うフランジ１７ａを備えている。また、第２の粉末材料容器１８ａ、１８ｂは、図３（ｂ）に示すように、小型の造形物を作製するときに第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂ内にそれぞれ設置され、第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂの粉末材料の収納エリアよりも小さな粉末材料の収納エリア（第２の収納領域）を画定する。第２の粉末材料容器１８ａ、１８ｂ壁の外側であって第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂ内側の上面を覆うフランジ１８ｃを備えている。第２の容器のフランジ１７ａ、１８ｃは、ともに、第１の容器１３、１４ａ、１４ｂ内に第２の容器１７、１８ａ、１８ｂをセットしたときに粉末材料が第１の容器１３、１４ａ、１４ｂの空き領域に落下しないようにする機能、及びフランジ１７ａ、１８ｃを第１の容器１３、１４ａ、１４ｂに掛止させて第１の容器１３、１４ａ、１４ｂによって第２の容器１７、１８ａ、１８ｂを支持させる機能を有する。

第１の造形用容器１３内には、３次元造形物となる積層された焼結薄層を載せて、内壁に沿って昇降可能な、図４（ａ）に示すようなパートシリンダ（第１のテーブル）１５が設置され、パートシリンダ１５上で、順次粉末材料の薄層が形成され、粉末材料の薄層ごとに加熱され、焼結される。また、第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂ内には、粉末材料を載せて容器内壁に沿って昇降し、粉末材料を供給する、図５（ａ）に示すようなフィードシリンダ（第１の粉末材料供給テーブル）１６ａ、１６ｂがそれぞれ設置されている。

第１のパートシリンダ１５は、図４（ｂ）に示すように、造形物の載置面となる平坦な面をもつ上下２つの板状部材１５ａ、１５ｂよりなり、２つの板状部材１５ａ、１５ｂは、通常、図示しないねじなどにより、図４（ａ）に示すように、一体的に取り付けられている。第２の造形用容器１７が用いられるときに、上部の板状部材１５ａを取り外して用いる。シリンダを第１及び第２の造形用容器内にセットしたときに、シリンダと容器内壁との間で隙間が生じて粉末材料が漏れることがないように、シリンダと容器内壁との間の密着性を保つため板状部材１５ａ、１５ｂの側面全体にわたってパッキング用のゴムなどが取り付けられている。

また、第１のフィードシリンダ１６ａ、１６ｂも、第１のパートシリンダ１５と同様に、図５（ｂ）に示すように、粉末材料の載置面となる平坦な面を有する上下２つの板状部材１６ｃ、１６ｄよりなり、２つの板状部材１６ｃ、１６ｄは、通常、図示しないねじなどにより、図５（ａ）に示すように、一体的に取り付けられている。第２の粉末材料容器１８ａ、１８ｂが用いられるときに、上部の板状部材１６ｃを取り外して用いる。この場合も、シリンダを粉末材料容器内にセットしたときに、シリンダと容器内壁との間で隙間が生じて粉末材料が漏れることがないように、シリンダと容器内壁との間の密着性を保つため板状部材１６ｃ、１６ｄの側面全体にわたってパッキング用のゴムなどが取り付けられている。

第１のパートシリンダ１５及び第１のフィードシリンダ１６ａ、１６ｂには、図６（ａ）に示すように、着脱自在の支持軸１５ｃ、１６ｅが取り付けられている。第１のパートシリンダ１５及び第１のフィードシリンダ１６ａ、１６ｂへの支持軸１５ｃ、１６ｅの取り付けは、図６（ｂ）に示すように、支持軸１５ｃ、１６ｅの一端に設けられた鉤状部材１９により板状部材１５ｂ、１６ｄの下部に設けられた凸部を挟み込むようにして行われる。支持軸１５ｃ、１６ｅの他端は支持軸１５ｃ、１６ｅに上下移動を行わせる駆動装置に接続されている。

第２の造形用容器１７内には、図４（ｂ）に示すように、筒状の容器壁に沿って上下移動し、複数の焼結薄層を積層して載せる第２のパートシリンダ（第２のテーブル）１５ｂが設置されている。また、第２の粉末材料容器１８ａ、１８ｂ内には、図５（ｂ）に示すように、筒状の容器壁に沿って上下移動し、粉末材料を載せる第２のフィードシリンダ（第２の粉末材料供給テーブル）１６ｄが設置されている。そして、図２（ｂ）に示すように、粉末材料の収納エリアの縦方向の幅は、造形エリアの縦方向の幅と略同じ寸法となっている。リコータローラにより粉末材料を造形エリアに供給する際に造形エリア以外に不必要な粉末材料を供給しないようにするためである。

第２の造形用容器１７及び第１のパートシリンダ１５は、第１の造形用容器１３への取り付け、取り外しが自在になっており、第２のパートシリンダ１５ｂは第２の造形用容器１７への取り付け、取り外しが自在になっている。また、第２の粉末材料容器１８ａ、１８ｂ及び第１のフィードシリンダ１６ａ、１６ｂは、第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂへの取り付け、取り外しが自在になっており、第２のフィードシリンダ１６ｄは第２の粉末材料容器１８ａ、１８ｂへの取り付け、取り外しが自在になっている。

更に、造形エリア及び粉末材料の収納エリアの全領域に渡って回転しつつ移動する、図８又は図１０に示すようなリコータローラ２０が設けられている。リコータローラ２０は、回転しつつ移動することにより、第１又は第２のフィードシリンダ１６ｂ、１６ｄ上に貯められた粉末材料２１を第１又は第２のパートシリンダ１５、１５ｂ上に供給し、かつ粉末材料２１の表面を均して第１又は第２のパートシリンダ１５、１５ｂ上に粉末材料の薄層２１ａを形成する機能を有する。従って、粉末材料２１の供給量は第１又は第２のフィードシリンダ１６ｂ、１６ｄの上昇量で決まり、粉末材料の薄層２１ａの厚さは第１又は第２のパートシリンダ１５、１５ｂの降下量で決まる。粉末材料２１として、ナイロン、ポリプロピレン、ポリ乳酸、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリルにトリル・ブタジエン・スチレンコポリマ（ＡＢＳ）、エチレン・酢酸ビニルコポリマー（ＥＶＡ）、スチレン・アクリロニトリルコポリマー（ＳＡＮ）、及びポリカプロラクトンよりなる群から選ばれた少なくとも１種、または、金属粉末などを用いることができる。

制御装置１１１Ｃは、第１又は第２のパートシリンダ１５、１５ｂを薄層一層分降下させて、リコータローラ２０によって第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂ又は第２の粉末材料容器１８ａ、１８ｂから第１又は第２のパートシリンダ１５、１５ｂ上に粉末材料２１を供給させ、かつ第１又は第２のパートシリンダ１５、１５ｂ上で粉末材料の薄層２１ａを形成させ、次いで、レーザ光及び制御ミラー１２（加熱焼結手段）によって作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき粉末材料の薄層２１ａを選択的に加熱して焼結させ、これらの動作を繰り返して、複数の焼結薄層を積層させ、３次元造形物を作成させる。

以上のように、本発明の実施の形態の粉末焼結積層造形装置においては、大きな第１の造形領域を画定する第１の造形用容器１３内に第２の造形用容器１７をセットすることにより、第１の造形領域内に第１の造形領域よりも小さな第２の造形領域を形成できるようになっている。また、３次元造形物を載置し、第１及び第２の造形領域を上下移動する第１及び第２のパートシリンダ１５、１５ｂもそれぞれの造形領域に合わせて第１及び第２の造形用容器１３、１７に着脱自在に取り付けられるようになっている。

したがって、一台の粉末焼結積層造形装置によって大型の物も小型の物も造形可能である。大型の物を造形する際には、大きな第１の造形領域をそのまま用いて、大型の物を一体的に形成することができる。一方、小型の物を造形する際には、小さな第２の造形領域を形成することにより造形物周囲に残留する粉末材料を減らし、これにより造形後の冷却時間を短縮することができるとともに、予備加熱によるダメージを受ける粉末材料の量を軽減することができる。

（粉末焼結積層造形方法の説明）
次に、図７乃至図１０を参照しながら上記造形装置を用いて造形を行う方法について説明する。図７（ａ）、（ｂ）乃至図８は大型の物を造形する方法について示す図であり、図９（ａ）、（ｂ）乃至図１０は小型の物を造形する方法について示す図である。図７（ａ）、図９（ａ）は断面図、図７（ｂ）及び図９（ｂ）は上面図、図８及び図１０は斜視図である。なお、図８及び図１０に示された第１及び第２の容器１３、１４ａ、１４ｂ、１７、１８ａ、１８ｂの前壁は何れも説明のために省略されている。

最初に、図７乃至図８を参照しながら大型の物を造形する場合について説明する。

まず、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、第２の造形用容器１７を第１の造形用容器１３から取り外し、第２の粉末材料容器１８ａ、１８ｂを第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂから取り外しておく。上部の板状部材を取り付けて載置面の面積が大きくなっている第１のシリンダ１５、１６ａ、１６ｂを用い、これらを、図８に示すように、第１の造形用容器１３、第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂの内壁に沿って上下移動可能なように第１の造形用容器１３、第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂに取り付ける。

次いで、造形部１１１Ｂにおいて、左右のフィードシリンダ１６a、１６ｂを降下させ、フィードシリンダ１６a、１６ｂ上に粉末材料２１を供給し、十分な量の粉末材料２１を貯めておく。

次いで、パートシリンダ１５を薄層一層分に相当する量だけ降下させる。次いで、右側のフィードシリンダ１６ｂを上昇させて粉末材料２１が平坦面から上に出てくるようにする。

次いで、リコータローラ２０を回転移動させて右側のフィードシリンダ１６ｂ上、平坦面から上に出ている粉末材料２１を均しつつ造形用容器１３内のパートシリンダ１５上に移動させる。これにより、パートシリンダ１５上に一層分の粉末材料の薄層２１ａが形成される。このとき、造形用容器１３内壁に設置されたヒータ（図示しない）、或いは造形用容器１３の斜め上に設けられた赤外線加熱装置（図示しない）などにより粉末材料の薄層２１ａの表面を、粉末材料の融点よりも５〜１５℃程度低い温度に予備加熱する。

次に、レーザ光出射部１１１Ａの光源１からレーザ光を出射させるとともに、作製すべき３次元造形物のスライスデータに基づき、コンピュータによりミラー１２を制御して、粉末材料の薄層２１ａに選択的にレーザ光を照射する。これにより、図８に示すように、粉末材料の薄層２１ｂが加熱されて焼結する。

次に、図８に示すように、パートシリンダ１５を薄層一層分降下させるとともに、フィードシリンダ１６ｂを上昇させる。以下、上記説明した方法と同様にして、新たな粉末材料２１をパートシリンダ１５上に供給し、焼結した薄層２１ｂ上に新たな粉末材料の薄層２１aを形成する。次いで、加熱焼結→粉末材料の薄層２１ａの形成→加熱焼結→・・を繰り返す。

このようにして、大型の３次元造形物が完成する。そして、最後に予備加熱を止めて自然冷却を行い、常温付近になったら、造形用容器１３から粉末材料２１に埋もれた３次元造形物を取り出す。

次に、図９（ａ）、（ｂ）乃至図１０を参照しながら小型の物を造形する場合について説明する。

まず、図９（ａ）に示すように、第２の造形用容器１７、第２の粉末材料容器１８ａ，１８ｂをそれぞれ第１の造形用容器１３、第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂに取り付ける。上部の板状部材１５ａ、１６ｃ、１６ｃを取りはずして載置面の面積が小さくなっている第２のシリンダ１５ｂ、１６ｄ、１６ｄを用い、図１０に示すように、第２の造形用容器１７、第２の粉末材料容器１８ａ，１８ｂの内壁に沿って上下移動可能なように第２の造形用容器１７、第２の粉末材料容器１８ａ，１８ｂに取り付ける。

次いで、造形部１１１Ｂにおいて、左右のフィードシリンダ１６ｄを降下させ、フィードシリンダ１６ｄ上に粉末材料２１を供給し、十分な量の粉末材料２１を貯めておく。

次いで、パートシリンダ１５ｂを薄層一層分に相当する量だけ降下させる。次いで、右側のフィードシリンダ１６ｄを上昇させて粉末材料２１が平坦面から上に出てくるようにする。

次いで、リコータローラ２０を回転移動させて右側のフィードシリンダ１６ｄ上、平坦面から上に出ている粉末材料２１を均しつつパートシリンダ１５ｂ上に移動させる。これにより、パートシリンダ１５ｂ上に一層分の粉末材料の薄層２１ａが形成される。このとき、造形用容器１７内壁に設置されたヒータ（図示しない）、或いは造形用容器１７の斜め上に設けられた赤外線加熱装置（図示しない）などにより粉末材料の薄層２１ａの表面を、粉末材料の融点よりも５〜１５℃程度低い温度に予備加熱する。

次に、レーザ光出射部１１１Ａの光源１１からレーザ光を出射させるとともに、作製すべき３次元造形物のスライスデータに基づき、コンピュータによりミラー１２を制御して、粉末材料の薄層２１ａに選択的にレーザ光を照射する。これにより、図１０に示すように、粉末材料の薄層２１ｂが加熱されて焼結する。

次に、図１０に示すように、パートシリンダ１５ｂを薄層一層分降下させるとともに、フィードシリンダ１６ｄを上昇させる。以下、上記説明した方法と同様にして、新たな粉末材料２１をパートシリンダ１５ｂ上に供給し、焼結した薄層２１ｂ上に新たな粉末材料の薄層２１ａを形成する。次いで、加熱焼結→粉末材料の薄層２１ａの形成→加熱焼結→・・を繰り返す。

このようにして、小型の３次元造形物が完成する。そして、最後に予備加熱を止めて自然冷却を行い、常温付近になったら、第２の造形用容器１７から粉末材料２１に埋もれた３次元造形物を取り出す。このとき、第２の造形用容器１７内の３次元造形物及びその周囲に残る粉末材料の内容量は少ないので、ブレークアウトまでの冷却に要する時間を小型の造形装置並みに抑制することができるとともに、予備加熱によるダメージを受ける粉末材料の量を軽減することができる。

これにより、装置の運用効率を向上させ、製造コストの上昇を抑制することができる。

以上、実施の形態によりこの発明の粉末焼結積層造形装置を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。

例えば、この実施の形態の粉末焼結造形装置においては、図１、図２（ａ）、図９（ａ）に示すように、第２の造形用容器１７と第１の造形用容器１３の深さ、及び第２の粉末材料容器１８ａ、１８ｂと第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂの深さを同じとしているが、図１１に示すように、各第２の造形用容器１７ｃ、第２の粉末材料容器１８ｅ、１８ｅの深さを造形物の大きさに合わせて第１の造形用容器１３の深さ又は第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂの深さより浅くしてもよい。なお、図１１中、他の符号１７ｄは第２の造形用容器１７ｃのフランジを示し、１８ｆは第２の粉末材料容器１８ｅ、１８ｅのフランジを示す。また、その他の符号で、図９（ａ）、（ｂ）における符号と同じ符号はそのものと同じものを示す。

また、この実施の形態の粉末焼結造形装置においては、第１の造形用容器１３、第１の粉末材料容器１４ａ、１４ｂ及び第２の造形用容器１７、第２の粉末材料容器１８ａ、１８ｂの断面形状は、四角であるが、これに限られない。円形でも、四角以外の多角形でもよい。

また、筒状の第１及び第２の造形用容器１３、１７、第１及び第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂ、１８ａ、１８ｂの内径は上から下まですべて同じ寸法となっており、第１及び第２のパートシリンダ１５、１５ｂ、第１及び第２のフィードシリンダ１６ａ、１６ｂ、１６ｄが第１及び第２の造形用容器１３、１７、第１及び第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂ、１８ａ、１８ｂの下端より抜き取られるようになっているが、図１２に示すように、筒状の第１及び第２の造形用容器、第１及び第２の粉末材料容器の少なくとも何れか一の下端を鉤状に折り曲げて、シリンダが容器の下端まできたときに容器の下端に掛止されるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、第１のパートシリンダ１５は第２のパートシリンダ１５ｂ上に板状部材１５ａを被せて形成されたものであるが、図１３に示すように、第２のパートシリンダ１５ｂの周辺部を拡張する輪状の板状部材１５ｄを取り付けて形成されてもよい。なお、図１３において、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。このような構造は、粉末材料供給テーブルにも適用可能である。

本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置の構成を示す斜視図である。 （ａ）は、図１のＩ−Ｉ線に沿う断面図であり、（ｂ）は上面図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置に用いる第１の造形用容器にセットされる第２の造形用容器の構成について示す断面図及び上面図であり、（ｂ）は、同じく第１の粉末材料容器にセットされる第２の粉末材料容器の構成について示す断面図及び上面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置に用いるパートシリンダの構成について示す断面図及び上面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置に用いるフィードシリンダの構成について示す断面図及び上面図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置においてパートシリンダ及びフィードシリンダへの駆動手段の着脱機構について示す断面図であり、（ｂ）はその部分断面図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置を用いて大型の造形物を造形する方法について示す断面図であり、（ｂ）は上面図である。 本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置を用いて大型の造形物を造形する方法について示す斜視図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置を用いて小型の造形物を造形する方法について示す断面図であり、（ｂ）は上面図である。 本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置を用いた、小型の造形物を造形する方法について示す斜視図である。 本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置における第２の造形用容器及び第２の粉末材料容器の変形例の構成について示す断面図である。 本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置における第２の造形用容器及び第２の粉末材料容器の他の変形例の構成について示す断面図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置に用いる他のパートシリンダの構成について示す断面図であり、（ｂ）は上面図である。 従来例の粉末焼結造形装置を示す斜視図である。

符号の説明

１１ レーザ光の光源（レーザ光出射手段）
１２ ミラー（レーザ光出射手段）
１３ 第１の造形用容器
１４ａ、１４ｂ 第１の粉末材料容器
１５ 第１のパートシリンダ（第１のテーブル）
１５ａ、１６ｃ 板状部材
１５ｂ 第２のパートシリンダ（第２のテーブル）
１５ｃ、１６ｅ 支持軸
１６ａ、１６ｂ 第１のフィードシリンダ（第１の粉末材料供給テーブル）
１６ｄ 第２のフィードシリンダ（第２の粉末材料供給テーブル）
１７、１７ｃ 第２の造形用容器
１７ａ、１７ｄ、１８ｃ、１８ｆ フランジ
１８ａ、１８ｂ、１８ｅ 第２の粉末材料容器
２０ リコータローラ
２１ 粉末材料
２１ａ 粉末材料の薄層
２１ｂ 焼結した薄層
１１１Ａ レーザ光出射部
１１１Ｂ 造形部
１１１Ｃ 制御装置

Claims (8)

1. 第１の造形領域を画定する第１の区画壁と、
   前記第１の区画壁の内壁に沿って上下移動する第１のテーブルと、
   前記第１の造形領域内に第２の造形領域を画定し、前記第１の区画壁の上端に掛けるフランジを有する第２の区画壁と、
   前記第２の区画壁の内壁に沿って上下移動する第２のテーブルとを備え、
   前記第１の造形領域では大きい物を造形し、前記第２の造形領域では小さい物を造形することを特徴とする粉末焼結積層造形装置。
2. 前記第１のテーブルは、前記第２のテーブル上に板状部材を被せて形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の粉末焼結積層造形装置。
3. 前記第１のテーブルは、前記第２のテーブルの周辺部を拡張する板状部材を取り付けて形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の粉末焼結積層造形装置。
4. 前記第１及び第２のテーブルを上下移動させる駆動手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の粉末焼結積層造形装置。
5. 前記駆動手段は前記第１及び第２のテーブルに着脱可能となっていることを特徴とする請求項４に記載の粉末焼結積層造形装置。
6. 前記第１の区画壁の下端部及び前記第２の区画壁の下端部のうち少なくとも何れか一は、対応する前記テーブルを前記下端部から抜き取ることが可能なようになっていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載の粉末焼結積層造形装置。
7. 前記第１の区画壁の下端部及び前記第２の区画壁の下端部のうち少なくとも何れか一は、対応する前記テーブルを前記下端部に掛止することが可能なようになっていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載の粉末焼結積層造形装置。
8. 前記粉末焼結積層造形装置は、さらに前記第１の造形領域に隣接するように設置された粉末材料収納部と、前記第１及び第２のテーブル上に形成された粉末材料の薄層にレーザ光を選択的に照射するレーザ光照射手段とを備え、
   前記第１又は第２の造形領域に粉末材料を供給して前記第１又は第２のテーブル上に粉末材料の薄層を形成し、該粉末材料の薄層に前記レーザ光を選択的に照射して焼結薄層を形成し、これらの動作を繰り返すことにより前記焼結薄層を積層して３次元造形物を作製することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一に記載の粉末焼結積層造形装置。
   

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