JP2008037024A - 粉末焼結積層造形装置及び粉末焼結積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粉末材料の薄層の表面の温度が全造形領域にわたって均一になるようにすること、又は造形領域周辺部の粉末材料の薄層の温度低下を防止すること。
【解決手段】粉末材料の薄層を形成し、レーザ光を照射して粉末材料の薄層を焼結させ、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であって、第１の粉末材料容器１４ａと造形用容器１３とをそれぞれの上端で連結する、上面が平面の第１の連結部１７ａと、造形用容器１３と第２の粉末材料容器１４ｂとをそれぞれの上端で連結する、上面が平面の第２の連結部１７ｂと、第１の連結部１７ａに設けられた第２の熱源１９ａと、第２の連結部１７に設けられた第３の熱源１９ｂ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及び粉末焼結積層造形方法に関し、造形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及び粉末焼結積層造形方法に関する。

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、市場での認知度も増し、さまざまな用途で使用されはじめている。

従来市販されている粉末焼結積層造形装置は、図９（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、従来市販されている粉末焼結積層造形装置の上面図、及びIII-III線に沿う断面図である。

従来市販されている粉末焼結積層造形装置は、レーザ光出射部１０１Ａと、造形部１０１Ｂと、図示しない制御装置とから構成されている。なお、上面図では、レーザ光出射部１０１Ａが省略されている。

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

造形部１０１Ｂにおいては、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、中央部に設置された造形用容器１と、その両側に設置された粉末材料容器２ａ、２ｂと、造形用容器１及び粉末材料容器２ａ、２ｂの周囲に設けられ、それらの周囲に平坦な面を形成するフランジ４とを備えている。さらに、フランジ４は下枠７、７ａ、７ｂで補強されている。

造形用容器１内では、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１に囲まれた部分の表面領域を造形領域１ａと称する。粉末材料容器２ａ、２ｂは、粉末材料を収納する容器であり、粉末材料容器２ａ、２ｂに囲まれた部分の表面領域を粉末材料収納領域２ｃ、２ｄと称する。フランジ４によって、造形用容器１と各粉末材料容器２ａ、２ｂとを連結する連結部４ａ、４ｂが形成されている。それらの連結部４ａ、４ｂは、造形領域１ａと同じレベルの平面を形成し、造形領域１ａと各粉末材料収納領域２ｃ、２ｄとの間で粉末材料が移動する際に粉末材料が載る。

また、造形用容器１内には造形用容器１内壁に沿って降下する造形テーブル５ａが設置され、粉末材料容器２ａ、２ｂ内には粉末材料容器２ａ、２ｂ内壁に沿って上昇する粉末材料供給テーブル５ｂ、５ｃが設置されている。

制御装置は、造形テーブル５ａを薄層一層分降下させ、粉末材料供給テーブル５ｂ又は５ｃを上昇させて、リコータ６によって粉末材料供給テーブル５ｂ又は５ｃ上の粉末材料を運び出し、フランジ４ａ又は４ｂ上面を移動させて造形テーブル５ａ上に粉末材料を運び入れ、かつ造形テーブル５ａ上で粉末材料の薄層を形成させる。制御装置は、次いで、レーザ光及び制御ミラーにより、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を選択的に加熱して焼結させ、一層分の焼結薄層を形成する。さらに、これらの動作を繰り返させて多層の焼結薄層を積層させ、３次元造形物を形成させる。最後に、３次元造形物を冷却させる。

このような粉末焼結積層造形装置では、造形用容器１内で、粉末材料の薄層を形成し、その粉末材料の薄層を選択的に加熱し、焼結して焼結薄層を形成し、これを繰り返して焼結薄層を積層し、３次元造形物を作製する。このため、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１内に収納されることとなる。この場合、熱応力に起因する造形物の反りを防止するために、および、造形に必要なレーザ出力を小さくするために、粉末材料容器２ａ、２ｂに設置された加熱手段により粉末材料容器２ａ、２ｂ内の粉末材料の表面をその造形材料の融点から３０〜６０℃程度低い温度に予備加熱し、かつ造形用容器１などに設置された加熱手段により造形用容器１内の焼結直前の粉末材料の薄層の表面温度をその造形材料の融点から５〜１５℃程度低い温度に予備加熱している。しかし、広い造形領域１ａ全体が均一な温度となるように加熱することは困難であり、一般的に、造形領域の中央部よりも周辺部で粉末材料の温度が低くなる傾向にある。

そのため、造形領域１ａの上方であって、造形領域１ａの境界付近をより加熱する加熱手段を設置する場合がある（特許文献１を参照）。
特表平９−５０７８８２号公報(特許２８４７５７９)

しかしながら、このように改良された装置でも、造形領域１ａの中央部に比べ境界付近が予想以上に低くなる傾向があり、造形領域１ａの全領域の粉末材料の温度を均一にすることが難しい。

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、粉末材料の薄層の表面の温度が全造形領域にわたって均一になるようにすること、又は造形領域周辺部の粉末材料の薄層の温度低下を防止することができる粉末焼結積層造形装置及び粉末焼結積層造形方法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、粉末材料の薄層を形成し、レーザ光を照射して前記粉末材料の薄層を焼結させ、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であって、底板が上下に移動する造形用容器と、前記造形用容器の上部に接触する機構部と、前記造形用容器に隣接するように前記機構部に設けられた熱源とを備えたことを特徴とし、
第２の発明は、粉末焼結積層造形装置に係り、粉末材料の薄層を形成し、レーザ光を照射して前記粉末材料の薄層を焼結させ、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であって、底板が上下に移動する第１の粉末材料容器と、底板が上下に移動する第２の粉末材料容器と、前記第１の粉末材料容器と第２の粉末材料容器の間に配置され、底板が上下に移動する造形用容器と、前記第１の粉末材料容器と前記造形用容器とをそれぞれの上端で連結する、上面が平面の第１の連結部と、前記造形用容器と前記第２の粉末材料容器とをそれぞれの上端で連結する、上面が平面の第２の連結部と、前記第１の粉末材料容器から第１の連結部を介して造形用容器に、さらに前記造形用容器から第２の連結部を介して前記第２粉末材料容器に前記粉末材料を運搬する粉末材料運搬手段と、前記造形用容器の上方に設けられた第１の熱源と、前記第１の連結部に設けられた第２の熱源と、前記第２の連結部に設けられた第３の熱源とを備えたことを特徴とし、
第３の発明は、第２の発明の粉末焼結積層造形装置に係り、前記造形用容器の開口及び前記粉末材料容器の開口は、四角い平面形状を有することを特徴とし、
第４の発明は、第２又は第３の発明の何れか一の粉末焼結積層造形装置に係り、前記造形用容器から前記第２の熱源に至る領域、前記造形用容器から前記第３の熱源に至る領域にそれぞれ温度センサが設けられていることを特徴とし、
第５の発明は、第２乃至第４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乃至第３の熱源は、それぞれ独立に発熱量の調整ができるようになっていることを特徴とし、
第６の発明は、第２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、前記造形用容器には、前記粉末材料運搬手段の移動方向の両側部に当たる領域にそれぞれフランジが設けられていることを特徴とし、
第７の発明は、第６の発明の粉末焼結積層造形装置に係り、前記それぞれのフランジの下に第４及び第５の熱源が設けられていることを特徴とし、
第８の発明は、第７の発明の粉末焼結積層造形装置に係り、前記造形用容器から前記第４の熱源に至る領域、前記造形用容器から前記第５の熱源に至る領域にそれぞれ温度センサが設けられていることを特徴とし、
第９の発明は、第７乃至第８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乃至第５の熱源は、それぞれ独立に発熱量の調整ができるようになっていることを特徴とし、
第１０の発明は、粉末焼結積層造形方法に係り、第２乃至第９の発明の何れか一の粉末焼結積層造形装置を用いた粉末焼結積層造形方法であって、前記第１又は第２の粉末材料容器から前記造形用容器内に前記粉末材料を運搬し、前記造形用容器内に前記粉末材料の薄層を形成し、前記粉末材料の薄層を焼結する工程を有し、少なくとも前記粉末材料を前記造形用容器内に運び入れてから前記粉末材料の薄層の焼結が終わるまで、前記第２乃至第５の熱源のうち少なくとも何れか一の発熱量を調整して前記造形用容器の境界付近の温度を調整し、前記造形用容器の境界付近での温度低下を防止することを特徴としている。

本発明の粉末焼結積層造形装置は、粉末材料の薄層を形成し、レーザ光を照射して粉末材料の薄層を焼結させ、複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製するものであり、造形用容器の上部に接触する機構部と、造形用容器に隣接するように機構部に設けられた熱源とを備えている。

ところで、このような装置では、造形用容器内の粉末材料の薄層が第１の熱源により予備加熱されるが、機構部が高い熱伝導率を有する場合、造形用容器内から機構部への伝熱、さらに機構部表面からの放熱などにより、造形用容器の境界付近で予想以上の温度低下が起こる。

本発明によれば、機構部に設けられた熱源によって機構部を加熱することにより機構部表面からの放熱などを補い、熱源付近の機構部表面の温度が低下するのを防止することができる。このため、造形用容器の境界付近の温度、特に、造形用容器の造形領域周辺部での温度の低下を防止することができる。

また、本発明の別の粉末焼結積層造形装置は、造形用容器と第１及び第２の粉末材料容器とをそれぞれの上端で連結する、上面が平面の第１及び第２の連結部（機構部）に第2及び第３の熱源が設けられている。

第１及び第２の連結部に設けられた第２及び第３の熱源によって第１及び第２の連結部を加熱することにより第１及び第２の連結部表面からの放熱などを補い、第２及び第３の熱源付近の第１及び第２の連結部表面の温度が低下するのを防止することができる。このため、造形用容器の境界付近の温度、特に、粉末材料を運び入れる側の造形用容器の境界付近の温度の低下を防止することができる。

或いは、それらに加えて、造形用容器の、粉末材料運搬手段の移動方向の両側部に当たる領域にそれぞれ設けられたフランジの下にも第４及び第５の熱源を設けている。したがって、第４及び第５の熱源から発熱させることによってフランジからの放熱を補うことができるため、造形用容器の機構部と接触するすべての境界付近の温度の低下を防止することができる。

これにより、造形用容器内の粉末材料の薄層を焼結する際に、粉末材料の薄層の中央部と周辺部の温度差を小さくすることができるため、粉末材料の薄層全体をより均一な温度に保持できる。このため、粉末材料の薄層の何れの選択領域でも均一に焼結させることができる。

また、造形用容器から第２及び第３の熱源に至る領域に、即ち粉末材料を運び入れる側の造形用容器の境界付近にそれぞれ温度センサを有している。この温度センサにより、造形用容器のその境界付近の温度を計測して粉末材料の薄層の周辺部の温度を監視することができる。これにより、粉末材料を運び入れる側の造形用容器の境界付近を加熱する第２及び第３の熱源の発熱量をどの程度調整すればよいかが容易に把握できる。

或いは、それらに加えて、造形用容器から第４及び第５の熱源に至る領域に、それぞれ温度センサを設けることにより、造形用容器のより多くの境界付近の温度を計測して粉末材料の薄層の周辺部の温度を監視することができる。

従って、種々の造形条件に関わらず、精度のよい温度調整が可能である。

これにより、造形用容器内の粉末材料の薄層全体の温度をより一層均一化することができるため、焼結をより一層均一に行うことができる。

以上のように、本発明によれば、粉末材料の薄層の焼結時に、粉末材料の薄層全体の焼結をより均一に行うことができるので、造形領域の境界付近で焼結した焼結薄層の部分と中央部で焼結した焼結薄層の部分とを比較しても熱応力の差は小さい。これにより、作製された３次元造形物の反りを抑制し、精度の高い３次元造形物を作製することができる。

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（ａ）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上面図であり、同図（ｂ）はＩ−Ｉ線に沿う断面図である。この装置では、造形領域の前側周辺部及び後側周辺部の上方にそれぞれ熱源を設置している。

図２は、図１の造形領域を前後に横切るII−II線に沿う断面図である。

図３は、図１の造形領域を左右に横切るＩ−Ｉ線に沿う断面図である。

（ａ）全体の装置構成
この粉末焼結造形装置１１１は、図１（ａ）、（ｂ）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。造形部１１１Ｂの粉末材料が飛び散って行かないように、造形部１１１Ｂの周囲は図示しない仕切り壁で囲まれている。そして、造形部１１１Ｂの前側には、作製された３次元造形物を取り出すための図示しない開閉扉などが設けられている。レーザ光出射部１１１Ａもこの仕切り壁内に収納されている。

（ｂ）レーザ光出射部１１１Ａの構成
図１（ｂ）に示すレーザ光出射部１１１Ａにおいては、レーザ光の光源とレーザ光の照射方向を制御するミラーとが設けられている。光源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のパートテーブル（造形テーブル）１５上に形成される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。レーザ光の光源とミラーとが加熱焼結手段を構成する。

（ｃ）造形部１１１Ｂの構成
造形部１１１Ｂにおいては、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、造形用容器１３と、その両側に設けられた第１及び第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂとを備えている。造形用容器１は、線対称を有する、例えば平面形状が正方形の筒状を有し、容器内で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。また、第１及び第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂは、線対称を有する、例えば平面形状が長方形の筒状を有し、容器内に粉末材料が収納される。造形用容器１３の内壁に囲まれた部分の表面領域を造形領域１３ａと称し、第１及び第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂの内壁に囲まれた部分の表面領域を第１及び第２の粉末材料収納領域１４ｃ、１４ｄと称する。造形領域１３ａと第１及び第２の粉末材料収納領域１４ｃ、１４ｄの対向する境界の長さは相互に等しくなっている。この理由は、造形領域１３ａに粉末材料の供給むらが生じないように粉末材料を供給するため、及び粉末材料を無駄なく造形領域１３ａに供給するためである。

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、容器内壁に沿って昇降可能なパートテーブル（底板）１５ａが設置されている。パートテーブル１５ａ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て焼結される。また、第１及び第２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、粉末材料を供給したり、粉末材料の薄層を形成した後の残余の粉末材料を収納する第１及び第２のフィードテーブル（底板）１５ｂ、１５ｃがそれぞれ設置されている。

各テーブル１５ａ、１５ｂ、１５ｃをそれぞれ容器１３、１４ａ、１４ｂ内にセットしたときに、テーブル１５ａ、１５ｂ、１５ｃと容器１３、１４ａ、１４ｂ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、テーブル１５ａ、１５ｂ、１５ｃと容器１３、１４ａ、１４ｂ内壁との間の密着性を保つためテーブル１５ａ、１５ｂ、１５ｃ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。

造形用容器１３と第１の粉末材料容器１４ａの間には第１の連結部（機構部）１７ａが設けられ、造形用容器１３と第２の粉末材料容器１４ｂの間には第２の連結部（機構部）１７ｂが設けられている。第１及び第２の連結部１７ａ、１７ｂとして、例えば、鉄板や、樹脂板を鉄板でサンドイッチしたような構造のものを用いる。

第１及び第２の連結部１７ａ、１７ｂの上面はそれぞれ造形領域１ａと同じレベルの平面を形成し、造形領域１３ａと第１及び第２の粉末材料収納領域１４ｃ、１４ｄとの間で粉末材料が運搬されるときに、第１及び第２の連結部１７ａ、１７ｂの上面を粉末材料が移動する。また、造形用容器１３、第１及び第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂには、後に説明するリコータ（粉末材料運搬手段）１６の移動方向の両側部にあたる領域にフランジ（機構部）１７が設けられている。フランジ１７は、リコータ１６により運搬中の粉末材料が装置からこぼれ落ちないように横幅を拡張するものである。さらに、第１及び第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂの左右両端部にも第１及び第２の粉末材料収納領域１４ｃ、１４ｄに隣接してフランジ１７が設けられている。フランジ１７として、例えば、鉄板や、樹脂板を鉄板でサンドイッチしたような構造のものを用いる。

さらに、フランジ１７、第１及び第２の連結部１７ａ、１７ｂは下枠１８、１８ａ、１８ｂで補強されている。下枠１８、１８ａ、１８ｂは、第１の粉末材料容器１４ａ、造形用容器１３、及び第２の粉末材料容器１４ｂを囲むように設けられた周囲の下枠１８と、造形用容器１３と第１及び第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂとの間の各領域に周囲の枠１８を橋渡しするように設けられた梁状の下枠１８ａ、１８ｂとで構成される。周囲の下枠１８は下方向に長く、床と接して造形部１１１Ｂ全体を支えている。梁状の下枠１８ａ、１８ｂは下方向に短く、床と接していない。

更に、リコータ（粉末材料運搬手段）１６が設けられ、リコータ１６は、左端のフランジ１７、左側の第１の粉末材料収納領域１４ｃ、左側の第１の連結部１７ａ、造形領域１３ａ、右側の第２の連結部１７ｂ、右側の第２の粉末材料収納領域１４ｄ及び右端のフランジ１７の全領域に渡って移動する。リコータ１６は、左右方向に移動することにより、第１又は第２のフィードテーブル１５ｂ、１５ｃ上に収納された粉末材料をパートテーブル１５ａ上に供給し、かつ粉末材料の表面を均してパートテーブル１５ａ上に粉末材料の薄層を形成する機能を有する。さらに必要であれば、粉末材料の薄層を形成した後に残る粉末材料を、供給側と反対側の第２又は第１のフィードテーブル１５ｃ、１５ｂ上に収納することもできる。

以上のように、粉末材料の供給量は第１又は第２のフィードテーブル１５ｂ、１５ｃの上昇量で決まり、粉末材料の薄層の厚さはパートテーブル１５ａの降下量で決まる。

粉末材料として、ポリアミド、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）、アクリロニトリル・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。

（ｄ）粉末材料の加熱手段及び温度計測手段の構成
この粉末焼結積層造形装置においては、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、造形用容器１３の周囲の梁状の下枠１８ａ、１８ｂには両側壁に沿ってそれぞれ補助ヒータ（第２乃至第３の熱源）１９ａ、１９ｂが設けられている。補助ヒータ１９ａ、１９ｂは造形用容器１３に接触させて設けられていてもよいし、造形用容器１３から離して設けられていてもよい。補助ヒータ１９ａ、１９ｂとして、厚さが薄く、狭い場所でも取り付けが容易ないわゆるスペースヒータなどを用いることができる。また、補助ヒータ１９ａ、１９ｂは、それぞれ独立に発熱量が調整できるようになっている。

また、正方形状の造形領域１３ａの４つの各境界付近の中央部で、造形領域１３ａの外側に、それぞれ、温度センサ２０ａ〜２０ｄが設けられている。

さらに、図１（ｂ）に示す造形用容器１３の周囲に胴巻き状に図示しないヒータが設けられている。

また、造形領域１３ａ上方であって、線対称を有する造形領域１３ａの対称軸に関して略対称な位置に、熱源としての細長い形状を有する赤外線ヒータ２１ａ乃至２１ｄが設置されている。

さらに、第１又は第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂの周囲に胴巻き状に図示しないヒータが設けられている。

また、粉末材料収納領域１４ｃ、１４ｄ上方であって、線対称を有する粉末材料収納領域１４ｃ、１４ｄの対称軸に関して略対称な位置に熱源としての細長い形状を有する赤外線ヒータ２１ｅ乃至２１ｈが設置されている。

次に、赤外線ヒータ２１ａ乃至２１ｈのさらに詳細な配置について、図１（ａ）、（ｂ）、図２、図３を参照して、以下に説明する。

図１（ａ）に示すように、造形領域１３ａ上方において、細長い形状の赤外線ヒータ２１ａ乃至２１ｄは、その長手方向が第１及び第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂの方を向くように、即ち造形領域１３ａの前後の縁にほぼ平行となるように設置されている。また、細長い形状の赤外線ヒータ（２１ａ、２１ｂ）、（２１ｃ、２１ｄ）は、図２に示すように、造形領域１３ａの周縁に到達し得るレーザ光の通過領域の境界よりも外側の領域であって、対向する2箇所（前側及び後側）にそれぞれ、レーザ光の通過領域の境界に沿って高さ方向に２つずつ設置されている。

また、図１（ａ）に示すように、第１及び第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂそれぞれの上方に熱源としての細長い形状を有する赤外線ヒータ（２１ｅ、２１ｆ）、（２１ｇ、２１ｈ）が設置されている。その長手方向は、造形領域１３ａの上方の赤外線ヒータ（２１ａ、２１ｂ）、（２１ｃ、２１ｄ）の長手方向に交差する方向を向くように設置されている。

上記した赤外線ヒータ２１ａ乃至２１ｈ、及び補助ヒータ１９ａ、１９ｂの配置により、造形領域１３ａ、第１及び第２の粉末材料収納領域１４ｃ、１４ｄにおいて、領域の中央部での温度上昇を抑制し、同じく周辺部での温度低下を抑制しつつ、粉末材料の薄層及び収納された粉末材料を予め融点付近まで昇温させておくことができる。

さらに、本実施形態では、上記のようなヒータの配置によってのみならず、下記するように、複数の赤外線ヒータ２１ａ乃至２１ｈ及び補助ヒータ１９ａ、１９ｂの発熱量の調整によっても造形領域１３ａ、第１及び第２の粉末材料収納領域１４ｃ、１４ｄでの温度の均一化を図ることができる。

（ｅ）粉末材料の加熱手段及び温度計測手段による粉末材料の加熱方法
次に、粉末材料の加熱手段及び温度計測手段による粉末材料の加熱方法及びその効果について図４（ａ）、（ｂ）を参照して、以下に説明する。

図４（ａ）は、造形部１１１Ｂの上面図であり、図４（ｂ）は、赤外線ヒータ（２１ａ、２１ｂ）、（２１ｃ、２１ｄ）及び補助ヒータ１９ａ，１９ｂの発熱量の調整の効果を説明する造形領域の左右方向の温度分布を示すグラフである。

造形領域１３ａ上方の赤外線ヒータ（２１ａ、２１ｂ）、（２１ｃ、２１ｄ）の発熱量は印加する電力により調整可能である。そして、複数の赤外線ヒータ（２１ａ、２１ｂ）、（２１ｃ、２１ｄ）の発熱量を、例えば、以下のように調整する。

一つの方法では、赤外線ヒータ（２１ａ、２１ｂ）、（２１ｃ、２１ｄ）の各設置箇所において、高さ方向に設置された赤外線ヒータ（２１ａ、２１ｂ）、（２１ｃ、２１ｄ）の発熱量を独立に調整する。例えば、高さ方向に設置された２つの赤外線ヒータ（２１ａ、２１ｂ）、（２１ｃ、２１ｄ）に、大きさの異なる電力を印加する。具体的には、上側の赤外線ヒータ２１ｂ、２１ｃへの印加電力を大きく、下側の赤外線ヒータ２１ａ、２１ｄへの印加電力を小さくすることで、中央部と周辺部での温度分布をより均一化することができる。

他の一つの方法では、造形領域１３ａの前側周辺部及び後側周辺部の上方にそれぞれ設置された赤外線ヒータ（２１ａ、２１ｂ）、（２１ｃ、２１ｄ）に対して独立に発熱量を調整する。例えば、対向する２つずつの赤外線ヒータ（２１ａ、２１ｂ）、（２１ｃ、２１ｄ）のうち、対向する上側の赤外線ヒータ２１ｂ、２１ｃにはともに同じ電力を印加し、対向する下側の赤外線ヒータ２１ａ、２１ｃには、大きさの異なる電力を印加する。具体的には、前側の赤外線ヒータ２１ａへの印加電力を大きく、後ろ側の赤外線ヒータ２１ｄへの印加電力を小さくする。

一方で、上記のようにしても、フランジ１７、第１及び第２の連結部１７ａ、１７ｂの熱伝導率が高く、またフランジ１７、第１及び第２の連結部１７ａ、１７ｂから放熱が生じるような場合、造形領域１３ａから周辺のフランジ１７、第１及び第２の連結部１７ａ、１７ｂに多くの熱が逃げる。このため、造形領域１３ａの境界付近の温度が低下する恐れがある。特に、造形領域１３ａの左右から粉末材料が供給されるため、この領域での温度低下（図４（ｂ）の点線で示す温度分布）は供給される粉末材料の温度の低下を招く。このような粉末材料を造形領域１３ａに供給すると、供給された粉末材料との接触によりすでに作成した焼結薄層の部分的な温度低下を生じ、焼結薄層において歪の原因となる。また、このような粉末材料を焼結すると不均一な焼結を招き、これもまた焼結薄層において歪の原因となる。

このような場合、補助ヒータ１９ａにより、第１の連結部１７ａを加熱し、造形領域１３ａと第１の粉末材料収納領域１４ｃの間のいずれかの箇所の温度を、第１の粉末材料収納領域１４ｃの温度（例えば、１３０℃）より高く、かつ造形領域１３ａの中央付近の温度（例えば、１７０℃）よりも低い一定の温度（例えば、温度センサ２０ａの設置箇所で１６０℃）に固定しておく。さらに、補助ヒータ１９ｂにより、第２の連結部１７ｂを加熱し、造形領域１３ａと第２の粉末材料収納領域１４ｄの間のいずれかの箇所の温度を、第２の粉末材料収納領域１４ｄの温度（例えば、１３０℃）より高く、かつ造形領域１３ａの中央付近の温度よりも低い一定の温度（例えば、温度センサ２０ｂの設置箇所で１６０℃）に固定しておく。これにより、第１及び第２の連結部１７ａ、１７ｂの熱伝導率が高い場合に造形領域１３ａの熱が急激に放出されるのを抑制して、造形領域１３ａの境界付近の温度低下を抑制することができる。

この場合、造形領域１３ａから補助ヒータ１９ａ、１９ｂに至る領域、即ち造形領域１３ａの左右の境界の外側に温度センサ２０ａ、２０ｂを設けることにより、造形領域１３ａの境界付近の温度を計測し、造形領域１３ａの境界付近の温度を監視することができる。この場合、造形領域１３ａの中央部の温度は赤外線ヒータ（２１ａ、２１ｂ）、（２１ｃ、２１ｄ）の印加電力により予測できるので、造形領域１３ａの中央部と周辺部の温度差を監視することができる。

これにより、造形領域１３ａの境界付近を下方から加熱する補助ヒータ１９ａ、１９ｂの発熱量をどの程度調整すればよいかが容易に把握できる。従って、種々の造形条件に関わらず、精度のよい温度調整が可能である。

なお、正方形状の造形領域１３ａの前後の境界付近に設けられた、上記以外の温度センサ２０ｃ、２０ｄにより計測された温度は、造形領域１３ａの前後の境界付近の温度データであり、造形領域１３ａ上方の赤外線ヒータ（２１ａ、２１ｂ）、（２１ｃ、２１ｄ）の発熱量を調整するために用いられる。

以上のように、補助ヒータ１９ａ、１９ｂの発熱量を調整することで、図４（ｂ）に示すように、造形領域１３ａの周辺部、特に左右周辺部での温度低下を抑制しつつ、造形領域１３ａの左右周辺部と中央部での温度分布をより一層均一化することができる。

なお、粉末材料収納領域１４ｃ、１４ｄにおいても、造形領域１３ａにおける場合と同様にして、赤外線ヒータ（２１ｅ、２１ｆ）、（２１ｇ、２１ｈ）の発熱量を調整し、粉末材料の温度分布を均一化することができる。

これにより、粉末材料容器１４ａ、１４ｂから造形用容器１３に粉末材料２２を供給後、造形領域１３ａでの粉末材料の薄層２２ａなどの温度を迅速に上昇させて、温度の均一化を迅速に行うことができる。このため、粉末材料の薄層２２ａを均一に焼結させることができる。

（ｆ）制御装置１１１Ｃの機能
以上のような粉末焼結積層造形装置は、制御装置１１１Ｃによって、パートテーブル１５ａを薄層一層分降下させて、リコータ１６によって第１又は第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂからパートテーブル１５ａ上に粉末材料２２を供給させ、かつパートテーブル１５ａ上で粉末材料の薄層２２ａを形成させ、次いで、レーザ光及び制御ミラー（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２２ａ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２２ｂを積層させ、３次元造形物を作製させる。この場合、制御装置１１１Ｃに赤外線ヒータ２１ａ乃至２１ｈ及び補助ヒータ１９ａ、１９ｂの発熱量の調整を行わせてもよいし、調整を行わず発熱量を固定してもよい。

なお、図１（ｂ）において、制御装置１１１Ｃから装置の各構成要素に繋がる線はその構成要素が制御装置１１１Ｃに信号を送り、或いは制御装置１１１Ｃにより制御され、又は制御装置１１１Ｃに信号を送るとともに制御装置１１１Ｃにより制御されることを示している。

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よれば、造形領域１３ａを予備加熱し、かつ造形領域１３ａの中央部と周辺部、特に、左右の周辺部とで更なる温度の均一化を図ることができるので、より一層小さなレーザ出力で造形を可能にしつつ、より一層反りを抑制した３次元造形物を作製することができる。

（粉末焼結積層造形方法の説明）
次に、図５（ａ）、（ｂ）乃至図７（ａ）、（ｂ）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５（ａ）、（ｂ）乃至図７（ａ）、（ｂ）は、図１（ｂ）に対応する装置断面図である。

まず、図５（ａ）に示すように、造形用容器１３の内壁に沿って上下移動可能なように造形用容器１３にパートテーブル１５ａを取り付け、造形用容器１３の左右の第１及び第２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及び第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂにそれぞれ第１及び第２のフィードテーブル１５ｂ、１５ｃを取り付ける。

次いで、造形部１１１Ｂにおいて、第１及び第２のフィードテーブル１５ｂ、１５ｃを降下させ、第１及び第２のフィードテーブル１５ｂ、１５ｃ上に粉末材料２２を供給し、十分な量の粉末材料２２を貯めておく。このとき、第１及び第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂの周囲に胴巻き状に設けられたヒータにより粉末材料２２を加熱するほか、第１及び第２の粉末材料収納領域１４ｃ、１４ｄの上方に設置された赤外線ヒータ２１ｅ乃至２１ｆ、２１ｇ乃至２１ｈにより、粉末材料２２の表面を、粉末材料２２の融点よりも２５〜４５℃程度低い温度（例えば、１３０℃）に予備加熱する。この場合、第１及び第２の粉末材料収納領域１４ｃ、１４ｄ上の赤外線ヒータ２１ｅ乃至２１ｆ、２１ｇ乃至２１ｈの各設置箇所において独立に発熱量の調整を行い、第１及び第２の粉末材料収納領域１４ｃ、１４ｄにおける粉末材料２２の温度をより均一化させることもできる。

次いで、図５（ｂ）に示すように、パートテーブル１５ａを薄層一層分に相当する量だけ降下させる。また、右側の第２のフィードテーブル１５ｃを上昇させて粉末材料２２が容器上端面から上に出てくるようにする。この場合、薄層一層分に相当する量よりも多めの量を供給できるようにする。一方、左側の第１のフィードテーブル１５ｂを、粉末材料２２の供給量から粉末材料の薄層の形成に要した量を引いた残量が十分に取り込めるより少し多めに下降させておく。

次いで、図６（ａ）に示すように、リコータ１６を移動させて右側の第２のフィードテーブル１５ｃ上、容器上端面から上に出ている粉末材料２２を掻き取りつつ造形用容器１３内のパートテーブル１５ａ上に移動させる。さらに、リコータ１６を移動させて造形領域１３ａ上を均す。これにより、パートテーブル１５ａ上に一層分の粉末材料の薄層２２ａが形成される。

このとき、造形用容器１３の周囲に胴巻き状に設けられたヒータで加熱するほか、造形領域１３ａの上方に設置された赤外線ヒータ２１ａ乃至２１ｄにより、粉末材料の薄層２２ａの表面を粉末材料の融点よりも５〜１５℃程度低い温度（例えば、１７０℃）に予備加熱する。

この場合、さらに第１及び第２の連結部１７ａ、１７ｂの下に設けられた補助ヒータ１９ａ、１９ｂの発熱量を調整することにより、造形領域１３ａの中央部と周辺部とで温度がより一層均一化するように温度調整を行う。例えば、温度センサ２０ａ、２０ｂの設置箇所で１６０℃になるように保持する。また、造形領域１３ａの前側周辺部及び後側周辺部にそれぞれ設置された赤外線ヒータ（２１ａ、２１ｂ）、（２１ｃ、２１ｄ）の発熱量を調整することにより、さらにより一層精密に温度調整を行う。

この場合、粉末材料収納領域１４ｃ、１４ｄにおいて粉末材料２２が既に予備加熱されているので、造形領域１３ａ内に形成された粉末材料の薄層２２ａを所定の温度まで迅速に昇温することができる。

続いて、さらにリコータ１６を左に移動させて残余の粉末材料２２を左側のフィードテーブル１５ｂ上に運び込む。

次に、図６（ｂ）に示すように、レーザ光出射部１１１Ａの光源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を制御して、粉末材料の薄層２２ａに選択的にレーザ光を照射する。これにより、粉末材料の薄層２２ｂが加熱されて焼結する。

次に、図７（ａ）に示すように、パートテーブル１５ａを薄層一層分降下させるとともに、左側の第１のフィードテーブル１５ｂを上昇させる。さらに、右側の第２のフィードテーブル１５ｃを降下させる。

以下、上記説明した方法と同様にして、新たな粉末材料２２をパートテーブル１５ａ上に供給し、焼結した薄層２２ｂ上に新たな粉末材料の薄層を形成する（図７（ｂ））。次いで、加熱焼結→粉末材料の薄層の形成→加熱焼結→・・を繰り返す。この間、赤外線ヒータ２１ａ乃至２１ｈ、及び補助ヒータ１９ａ、１９ｂにより、造形領域１３ａ、第１及び第２の粉末材料収納領域１４ｃ、１４ｄ、及び第１及び第２の連結部１７ａ、１７ｂを加熱する。

このようにして、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２２ａに埋もれた３次元造形物を取り出す。

以上のように、本発明の実施の形態の粉末焼結積層造形方法によれば、赤外線ヒータ２１ａ乃至２１ｄ及び補助ヒータ１９ａ、１９ｂにより、造形領域１３ａの粉末材料の薄層２２ａの表面を、粉末材料２２の融点よりも５〜１５℃程度低い温度に予備加熱し、かつ図４（ｂ）に示すように、造形領域１３ａの中央部と左右周辺部での温度分布を均一化しつつ、造形領域１３ａ全域にわたり温度分布を均一化することができる。

これにより、より一層小さなレーザ出力での造形を可能にしつつ、より一層反りを抑制した３次元造形物を作製することができる。

（本発明の他の実施の形態の説明）
以上、実施の形態によりこの発明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に示すように、造形用容器１３の左右に、粉末材料供給部としての第１及び第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂが設けられているが、粉末材料供給部を造形用容器から離して造形用容器の上方などに設置する装置構成がある。このような装置構成では、熱伝導率の高い装置の機構部、例えば造形用容器の支持機構部などが造形用容器と接触する場合がある。このような場合、その機構部から放熱が起こり、特に、造形用容器内の造形領域の近くに機構部が接触した場合、造形用容器内に形成された粉末材料の薄層の周辺部で温度低下が起こる恐れがある。

したがって、そのような装置構成では、造形用容器の近くのその機構部に熱源を設けることができる。熱源は造形用容器に接触させてもよいし、離して設けてもよい。これにより、熱源からの発熱により機構部からの放熱を補うことができるため、上記したと同様に、造形用容器内に形成された粉末材料の薄層の周辺部での温度低下を防止することができる。

また、図１に示すように、補助ヒータ１９ａを造形用容器１３と第１の粉末材料容器１４ａの間の第１の連結部１７ａの下に設け、補助ヒータ１９ｂを造形用容器１３と第２の粉末材料容器１４ｂの間の第２の連結部１７ｂの下に設けているが、それに加えて、図８に示すように、フランジ１７の下の造形領域１３ａに隣接する箇所に第４及び第５の熱源１９ｃ、１９ｄを設けてもよい。これにより、造形領域１３ａの前後の周辺部の温度低下を防止することができ、従って、造形領域１３ａに形成された粉末材料の薄層の温度をより一層均一化することができる。

また、赤外線ヒータ（２１ａ、２１ｂ）、（２１ｃ、２１ｄ）が造形領域１３ａの前側周辺部及び後側周辺部の上方に設置されているが、場合により造形領域１３ａの前側周辺部及び後側周辺部の何れか一の上方に、或いは第１及び第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂに隣接する造形領域１３ａの左側周辺部及び右側周辺部の少なくとも何れか一の上方に（造形領域の左右の縁にほぼ平行となるように）設置されてもよい。

また、造形用容器１３、第１及び第２の粉末材料容器１４ａ、１４ｂの平面形状は、四角であるが、これに限られない。線対称であれば、円形や楕円、その他の曲線で囲まれた平面形状でもよく、また、四角以外の多角形でもよい。

また、熱源として、細長い形状の赤外線ヒータ２１ａ乃至２１ｈを用いているが、赤外線を発する他のヒータその他を用いてもよい。

また、上記実施の形態では、粉末材料、及び粉末材料の薄層の予備加熱温度に関し、特に、粉末材料としてポリアミド（ナイロン）を用いた場合について具体的に記載されているが、これに限定されない。他の種類の粉末材料を用いたときには予備加熱温度は通常異なるものである。

また、温度センサ２０ａ〜２０ｄは、四角い造形領域１３ａの一辺あたり一つずつ設けられているが、一辺あたり１以上ずつ設けられてもよい。

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図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の造形領域を左右に横切るＩ−Ｉ線に沿う断面図である。 赤外線ヒータの詳細な配置について示す、図１の造形領域を前後に横切るII−II線に沿う断面図である。 赤外線ヒータの詳細な配置について示す、図１の造形領域を左右に横切るＩ−Ｉ線に沿う断面図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置の造形部の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）の粉末焼結積層造形装置において赤外線ヒータ及び補助ヒータの発熱量の調整の効果を説明する造形領域の左右方向の温度分布を示すグラフである。 （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を用いて３次元造形物を造形する方法について示す断面図（その１）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を用いて３次元造形物を造形する方法について示す断面図（その２）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を用いて３次元造形物を造形する方法について示す断面図（その３）である。 本発明の他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上面図である。 従来例の粉末焼結積層造形装置の構成を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）の造形領域を左右に横切るIII−III線に沿う断面図である。

符号の説明

１３ 造形用容器
１３ａ 造形領域
１４ａ 第１の粉末材料容器
１４ｂ 第２の粉末材料容器
１４ｃ 第１の粉末材料収納領域
１４ｄ 第２の粉末材料収納領域
１５ａ パートテーブル
１５ｂ 第１のフィードテーブル
１５ｃ 第２のフィードテーブル
１６ リコータ
１７ フランジ
１７ａ 第１の連結部
１７ｂ 第２の連結部
１８ 周囲の下枠
１８ａ、１８ｂ 梁状の下枠
１９ａ 補助ヒータ（第２の熱源）
１９ｂ 補助ヒータ（第３の熱源）
１９ｃ 補助ヒータ（第４の熱源）
１９ｄ 補助ヒータ（第５の熱源）
２０ａ乃至２０ｄ 温度センサ
２１ａ乃至２１ｄ 赤外線ヒータ（第１の熱源）
２１ｅ乃至２１ｈ 赤外線ヒータ（熱源）
２２ 粉末材料
２２ａ 粉末材料の薄層
２２ｂ 焼結薄層
１１１Ａ レーザ光出射部
１１１Ｂ 造形部
１１１Ｃ 制御装置

Claims (10)

1. 粉末材料の薄層を形成し、レーザ光を照射して前記粉末材料の薄層を焼結させ、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であって、
   底板が上下に移動する造形用容器と、
   前記造形用容器の上部に接触する機構部と、
   前記造形用容器に隣接するように前記機構部に設けられた熱源と
   を備えたことを特徴とする粉末焼結積層造形装置。
2. 粉末材料の薄層を形成し、レーザ光を照射して前記粉末材料の薄層を焼結させ、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であって、
   底板が上下に移動する第１の粉末材料容器と、
   底板が上下に移動する第２の粉末材料容器と、
   前記第１の粉末材料容器と第２の粉末材料容器の間に配置され、底板が上下に移動する造形用容器と、
   前記第１の粉末材料容器と前記造形用容器とをそれぞれの上端で連結する、上面が平面の第１の連結部と、
   前記造形用容器と前記第２の粉末材料容器とをそれぞれの上端で連結する、上面が平面の第２の連結部と、
   前記第１の粉末材料容器から第１の連結部を介して造形用容器に、さらに前記造形用容器から第２の連結部を介して前記第２粉末材料容器に前記粉末材料を運搬する粉末材料運搬手段と、
   前記造形用容器の上方に設けられた第１の熱源と、
   前記第１の連結部に設けられた第２の熱源と、
   前記第２の連結部に設けられた第３の熱源と
   を備えたことを特徴とする粉末焼結積層造形装置。
3. 前記造形用容器の開口及び前記粉末材料容器の開口は、四角い平面形状を有することを特徴とする請求項２記載の粉末焼結積層造形装置。
4. 前記造形用容器から前記第２の熱源に至る領域、前記造形用容器から前記第３の熱源に至る領域にそれぞれ温度センサが設けられていることを特徴とする請求項２又は３の何れか一に記載の粉末焼結積層造形装置。
5. 前記第１乃至第３の熱源は、それぞれ独立に発熱量の調整ができるようになっていることを特徴とする請求項２乃至４の何れか一に記載の粉末焼結積層造形装置。
6. 前記造形用容器には、前記粉末材料運搬手段の移動方向の両側部に当たる領域にそれぞれフランジが設けられていることを特徴とする請求項２乃至５の何れか一に記載の粉末焼結積層造形装置。
7. 前記それぞれのフランジの下に第４及び第５の熱源が設けられていることを特徴とする請求項６記載の粉末焼結積層造形装置。
8. 前記造形用容器から前記第４の熱源に至る領域、前記造形用容器から前記第５の熱源に至る領域にそれぞれ温度センサが設けられていることを特徴とする請求項７記載の粉末焼結積層造形装置。
9. 前記第１乃至第５の熱源は、それぞれ独立に発熱量の調整ができるようになっていることを特徴とする請求項７乃至８の何れか一に記載の粉末焼結積層造形装置。
10. 請求項２乃至９の何れか一に記載の粉末焼結積層造形装置を用いた粉末焼結積層造形方法であって、
    前記第１又は第２の粉末材料容器から前記造形用容器内に前記粉末材料を運搬し、前記造形用容器内に前記粉末材料の薄層を形成し、前記粉末材料の薄層を焼結する工程を有し、
    少なくとも前記粉末材料を前記造形用容器内に運び入れてから前記粉末材料の薄層の焼結が終わるまで、前記第２乃至第５の熱源のうち少なくとも何れか一の発熱量を調整して前記造形用容器の境界付近の温度を調整し、前記造形用容器の境界付近での温度低下を防止することを特徴とする粉末焼結積層造形方法。

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