JP2009279928A - 積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化が可能で、しかも材料循環の良い材料補充手段を備えた積層造形装置を提供すること。
【解決手段】粉末材料から成る粉末層を形成する粉末層形成手段と、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する固化層形成手段とを有して成り、粉末層形成手段による粉末層の形成と、固化層形成手段による固化層の形成とを繰り返すことにより複数の固化層が積層一体化された三次元形状造形物を製造するための積層造形装置であって、粉末層及び固化層が積層されるベースの上方又はそのベースの外周を囲むベース枠体の上面に粉末材料を供給・補充する材料補充手段を更に有する構成とし、材料補充手段は、粉末材料が仕込まれる略筒状部材と、略筒状部材に内装されたスクリュー部材とを有し、スクリュー部材の回転により略筒状部材内の粉末材料を移送する。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元形状造形物の製造装置に関する。より詳細には、本発明は、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して固化層を形成することを繰り返し実施することによって複数の固化層が積層一体化した三次元形状造形物を製造するための積層造形装置に関する。

粉末材料に光ビームを照射して三次元形状造形物を製造する方法（一般的には「粉末焼結積層法」と称される）が知られている。かかる方法では、「（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射することよって、かかる所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成し、（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を敷いて同様に光ビームを照射して更に固化層を形成する」といったことを繰り返して、複数の固化層が積層一体化した三次元形状造形物を製造している。粉末材料として金属粉末やセラミック粉末などの無機質の粉末材料を用いた場合では、得られた三次元形状造形物を金型として用いることができ、樹脂粉末やプラスチック粉末などの有機質の粉末材料を用いた場合では、得られた三次元形状造形物をモデルとして用いることができる。このような製造技術によれば、複雑な三次元形状造形物を短時間で製造することが可能である。

粉末焼結積層法では、積層造形装置が用いられており、基台となるベース上で三次元形状造形物が製造される。具体的には、積層造形装置では、ベース上に粉末層を形成すると共に、この粉末層の所定箇所に光ビームを照射して当該箇所を焼結又は溶融固化させて固化層を形成しているが、粉末層および固化層をそれぞれ１つ形成する毎に、上記ベースを段階的に下げている（例えば、特許文献１参照）。

図１４（ａ）および（ｂ）は、この種の積層造形装置の構成の一部を示す。積層造形装置は、粉末層及び固化層が形成される造形部１０４と、造形部１０４に粉末材料を供給する材料供給部１０５とを備えている。造形部１０４は、「ベースとして機能する造形テーブル１４０」と「造形テーブル１４０を昇降させる昇降機１４２」と「造形テーブル１４０を囲む造形枠１４１」とを有する。材料供給部１０５は、「粉末材料を収容する収容タンク１５１」と「収容タンク１５１内の粉末材料を押し上げる昇降機構１５２及び昇降テーブル１５０」と「収容タンク１５１内の粉末材料の上層に位置する粉末材料を造形テーブル１４０側へと移送すると共に、造形テーブル１４０に移送された粉末材料の表面を均す材料供給ブレード１２０」とを有する。

このような積層造形装置では、造形テーブル１４０上に形成された粉末層の所定箇所を焼結又は溶融固化させることで固化層を形成した後、造形テーブル１４０を下降させて、次層の粉末層を形成して、再度固化層の形成を行う。次層の粉末層の形成は、昇降テーブル１５０を僅かに上昇させて、収容タンク１５１内の粉末材料の上層を造形枠１４１の上面よりも僅かに高い位置にした後、材料供給ブレード１２０をスライドさせて、昇降テーブル１５０上の粉末材料を造形テーブル１４０側に向かって押し出すことにより行われる。

特開２００２−１１５００４号公報

上述した積層造形装置においては、昇降テーブル１５０を昇降させるために、材料供給部１０５の高さＨが、収容タンク１５１の高さＨ１の２倍以上になることがあり、このような材料供給部１０５の構造が装置の大型化を招く原因となっていた（図１４（ｂ）参照）。また、収容タンク１５１に収容された粉末材料のうち、上層にある粉末材料から順に造形部１０４側に供給されるため、例えば、収容タンク１５１上層に新たな粉末材料が供給されると、収容タンク１５１下層の粉末材料が用いられることなく停滞することになり、材料循環が悪くなることがあった。材料循環が悪いと、例えば粉末材料に酸化し易い材料を用いる際、粉末材料中に“酸化した材料”と“酸化していない材料”とが混在し易くなり、得られる固化層の形成精度が低下することが懸念される。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の課題は、装置の小型化が可能で、しかも材料循環の良い材料補充手段を備えた積層造形装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明では、粉末材料から成る粉末層を形成する粉末層形成手段と、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する固化層形成手段とを有して成り、粉末層形成手段による粉末層の形成と、固化層形成手段による固化層の形成とを繰り返すことにより複数の固化層が積層一体化された三次元形状造形物を製造するための積層造形装置であって、
粉末層及び固化層が積層されるベースの上方又はそのベースの外周を囲むベース枠体の上面に粉末材料を供給・補充する材料補充手段を更に有して成り、
材料補充手段は、粉末材料が仕込まれる略筒状部材と、略筒状部材に内装されたスクリュー部材とを有し、スクリュー部材の回転により略筒状部材内の粉末材料を移送すること特徴とする積層造形装置が提供される。

本発明は、略筒状部材にスクリュー部材を内装した材料補充手段を用いて、粉末材料を供給することを特徴の１つとしている。

本明細書で用いられる「ベース」とは、製造される造形物の土台となる部材または部分を実質的に意味している。また、本明細書で用いる「略筒状部材」とは、内部に中空部分を有した部材であって、かかる中空部分と連通した粉末材料供給口および粉末材料排出口を少なくとも備えた部材（例えばバレル部材）のことを実質的に意味している。更に、本明細書で用いる「略直交」とは、一方の方向と他方の方向とが、好ましくは８０°〜１００°、より好ましくは８５°〜９５°（例えば９０°）の角度を成すような態様を実質的に指している。

ある好適な態様では、粉末層形成手段が、ベース枠体の上面に沿ってスライド自在に配置されたスライド部材を備えている。かかるスライド部材は、材料補充手段から供される粉末材料をベースの上面とベース枠体とで囲まれる空間または領域に供給すると共に、供給された粉末材料の表面を均す（又はレベリングする）機能を有している。

スライド部材は、ベースの上面を覆うことができる覆い部を更に有して成ることが好ましい。また、スライド部材には、ベースの上方又はベース枠体の上面に配され、粉末材料が供給される領域を囲うことができる材料供給枠が更に設けられることが好ましい。かかる場合、材料供給枠は、その枠内を覆う蓋部を有していることが好ましく、略筒状部材の端部に形成された粉末材料排出口と材料供給枠内とが連通状態となっていることが好ましい。

ある好適な態様では、材料補充手段が、スライド部材のスライド方向に対して略直交する方向に移動自在に設けられている。この場合、粉末材料は略筒状部材の端部に形成された排出口を介して供給されることが好ましい。

ある好適な態様では、材料補充手段の略筒状部材の胴部（バレル部）に対して材料吐出開口部が設けられており、この胴部の材料吐出開口部を介して粉末材料の供給が行われる。即ち、かかる態様では、略筒状部材の端部ではなく、略筒状部材の胴部に排出口が設けられている。例えば、「材料吐出開口部」は、略筒状部材の胴部に設けられた“複数の穴”の形態であってよく、あるいは、略筒状部材の胴部に設けられた“スリット状開口部”の形態であってもよい。

ある好適な態様において、材料補充手段は、略筒状部材の胴部（バレル部）に形成された材料吐出開口部と、かかる材料吐出開口部を開閉自在とする蓋部とを備えている。かかる場合、蓋部を駆動させて材料吐出開口部を開閉することにより粉末材料の供給を行うことができる。

本発明の積層造形装置は、ベースの上方又はベース枠体の上面に供給された粉末材料を、スライド部材のスライド方向と略直交する方向に移送する機構を更に有して成ることが好ましい。例えば、「粉末材料をスライド部材のスライド方向と略直交する方向に移送するスライド機構」、 「粉末材料をスライド部材のスライド方向と略直交する方向に移送するコンベア機構」、または、「粉末材料をスライド部材のスライド方向と略直交する方向に移送するスクリュー機構」等が本発明の積層造形装置に設けられていることが好ましい。

本発明の積層造形装置は、スクリュー方式で粉末材料を供給・補充するので、積層造形装置の高さを抑制することができ、従来の積層造形装置と比べてコンパクトな装置サイズとなっている。例えば、本発明の積層造形装置は、従来の装置高さ（例えば、図１４に示すような従来装置高さ）の０．３〜０．７倍程度の装置高さとなる。また、本発明の積層造形装置では、粉末材料が略筒状部材内を一方向に移送してベースの上方又はベース枠体の上面へと供給されるので、材料循環がより向上したものとなっており、例えば、酸化し易い粉末材料を用いる場合であっても、“固化層の形成精度の低下”を防止することができる。

粉末層形成手段がスライド部材を有して成る場合では、ベース上に表面が均された粉末層を形成することができる。

スライド部材が覆い部を有する場合では、覆い部により粉末層と外気との接触を抑制できるので、粉末材料の酸化に伴う固化層形成の不具合を防止できる。

スライド部材が材料供給枠を有して成る場合、材料供給枠よって囲われた限定的な領域にのみ粉末材料が供給されるので、ベース枠体の上面に粉末材料が飛び散らず、効率的にベース上に粉末材料を供給することができる。

材料補充手段がスライド部材のスライド方向と略直交する方向に移動させることができる場合では、所望の領域に粉末材料を供給することができるので、余剰粉末の量を低減することができる。

材料供給枠が蓋部を有して成る場合、材料供給枠内を密閉状態にできるので、粉末材料の飛び散りを効果的に抑制することできる。

略筒状部材の胴部に設けられた材料吐出開口部（例えば“複数の穴”又は“スリット状開口部”）を介して粉末材料の供給を行う場合、また、蓋部の駆動により胴部の材料吐出開口部を開閉して粉末材料の供給を行う場合、材料補充手段を移動させずに、ベースの上方又はベース枠体の上面の広い範囲に粉末材料を供給することができる。

スライド方向と略直交する方向に移送する機構（例えば、スライド機構、コンベア機構またはスクリュー機構）が設けられている場合では、材料補充手段を移動させずに、ベースの上方又はベース枠体の上面の広い範囲に均一に粉末材料を供給することができる。

本発明の第１実施形態に係る積層造形装置の一部側断面図。 （ａ）および（ｂ）は第１実施形態に係る積層造形装置の斜視図。 （ａ）〜（ｆ）は第１実施形態に係る積層造形装置の動作を表した一部側断面図。 （ａ）および（ｃ）は本発明の第２実施形態に係る積層造形装置の一部側断面図、（ｂ）は同斜視図。 （ａ）および（ｃ）は本発明の第３実施形態に係る積層造形装置の一部側断面図、（ｂ）は同斜視図。 第３実施形態に係る積層造形装置の変形例を示した一部側断面図。 （ａ）は本発明の第４実施形態に係る積層造形装置の側断面図、（ｂ）は同斜視図。 本発明の第４実施形態に係る積層造形装置における材料補充装置の斜視図、下部平面図および垂直断面図。 （ａ）および（ｂ）は第４実施形態に係る積層造形装置の変形例を示した側断面図。 （ａ）および（ｂ）は第４実施形態に係る積層造形装置の変形例の態様を示した側断面図。 （ａ）および（ｂ）は本発明の第５実施形態に係る積層造形装置の側断面図。 （ａ）および（ｂ）は第５実施形態に係る積層造形装置の変形例を示した側断面図。 （ａ）および（ｂ）は第５実施形態に係る積層造形装置の変形例を示した側断面図、（ｃ）は同実施形態におけるスクリュー機構の斜視図。 （ａ）は従来の積層造形装置の一部分解斜視図、（ｂ）は同積層造形装置の材料供給部の側断面図。

以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る積層造形装置について、図１ならびに図２（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。本実施形態では、積層造形装置１は、主として、粉末層形成手段、固化層形成手段および材料補充手段を備えている。粉末層形成手段は、無機質又は有機質の粉末材料Ｍから成る粉末層Ｓａを形成する粉末層形成部２を有して成る。固化層形成手段は、粉末層Ｓａの所定箇所を光ビームＬの照射により焼結又は溶融固化させて固化層Ｓｂを形成する光学機器３を有して成る。材料補充手段は、「粉末層Ｓａ及び固化層Ｓｂがその上面側に形成されるベース４０及びかかるベース４０の外周を囲むベース枠体４１を有する造形部４」と「粉末層Ｓａ及び固化層Ｓｂが積層されるベース４０の上方又はベース枠体４１の上面に粉末材料Ｍを供給する材料補充装置５」とを有して成る。積層造形装置１は、積層一体化された三次元形状造形物の表面の切削加工を行う加工機６を更に有して成ることが好ましい。尚、図２（ａ）および（ｂ）では、光学機器３、造形部４及び加工機６の構成の一部を省略して示している。

粉末層形成部２は、「ベース枠体４１の上面に沿ってスライド自在に配置されたスライド部材２０」と「ベース枠体４１の上面と平行に配置された水平レール２１」と「水平レール２１に沿ってスライド部材２０をスライドさせるスライド駆動部２２」とを有して成る。スライド部材２０は、その下面部がベース枠体４１の上面と略接して設けられており、スライド駆動部２２の駆動力を得て水平レール２１に沿って移動することができる。スライド部材２０が移動すると、材料補充装置５からベース枠体４１の上面へと供給された粉末材料Ｍがスライド部材の移動方向へと押し出されることになる。

光学機器３は、「レーザ発振器を有する光源３１」と「集光レンズや光ビームＬの照射方向を偏向するガルバノメータミラー等を有するスキャン機構３２」と「光源３１とスキャン機構３２とを接続する光ファイバ３３」とを有して成る。光源３１としては、例えば、粉末材料Ｍが鉄粉を含む場合、炭酸ガスレーザやＮｄ：ＹＡＧレーザ等が用いられる。この光学機器３は、図１に示すようにＸ軸及びＺ軸方向に可動自在に設けられている。

造形部４は、上述したベース４０及びベース枠体４１に加えて、「ベース４０を固定するテーブル４２」と「ベース枠体４１を昇降させる昇降機４３」と「テーブル４２を図１に示すＹ軸方向に可動とする台座４４」とを有している。ベース４０はテーブル４２に固定されているので、昇降機４３がベース枠体４１を上昇させることにより、ベース４０上にベース枠体４１の内側面に囲われた空間、すなわち“粉末材料Ｍが補充される空間”が生まれることになる。

材料補充装置５は、「粉末材料Ｍが充填される略筒状部材５０」と「略筒状部材５０に内装されたスクリュー部材５１」と「スクリュー部材５１を回転駆動させる回転駆動部５２」と「略筒状部材５０の一方の端部に連結され、略筒状部材５０内に粉末材料Ｍを供給する貯留タンク５３」とを有して成る。回転駆動部５２による駆動でスクリュー部材５１が回転することによって略筒状部材５０内に充填されている粉末材料Ｍが、貯留タンク５３が連結されていない他方の端部に向けて移送されることになる。材料補充装置５の配置方向（即ち、“装置の向き”）についていえば、図２（ａ）に示すように、スクリュー部材５１の軸方向Ａがスライド部材２０のスライド方向Ｂと略平行になるように材料補充装置５が配置されていればよい。あるいは、図２（ｂ）に示すように、スクリュー部材５１の軸方向Ａがスライド部材２０のスライド方向Ｂと略直交（図２（ｂ））するように材料補充装置５が配置されてもよい。

材料補充装置５では、排出口５４が略筒状部材５０の端部に形成されていることが好ましく、かかる排出口５４から粉末材料Ｍが外部へと排出される。また、材料補充装置５はスライド部材２０のスライド方向と略直交する方向に移動自在に設けられることが好ましい。かかる場合、材料補充装置５はスライド部材のスライド方向と略直交する方向に移動しながら、排出口５４から粉末材料Ｍをベース４０の上方又はベース枠体４１の上面へと供給できる。特に好ましい態様では、ベース枠体４１の上面のうちベース４０とスライド部材２０との間の領域に粉末材料Ｍを供給することができる。

加工機６は、「少なくともテーブル４２に対して３軸制御が可能な主軸台６１」と「主軸台６１に搭載されるスピンドルヘッド６２」と「固化層Ｓｂが積層一体化して成る造形物の表面に対して切削加工するエンドミル６３」とを備える。主軸台６１は、スピンドルヘッド６２が図１に示すＸ軸及びＺ軸方向に可動となるように構成されている。好ましくは、エンドミル６３を自動交換する機構が備えられている。エンドミル６３としては、例えば、超硬素材の二枚刃ボールエンドミルを用いることができる。加工形状や目的に応じて、適宜にスクエアエンドミル、ラジアスエンドミル又はドリル等を用いてもよい。尚、光学機器３のスキャン機構３２は、加工機６のスピンドルヘッド６２の側面に着脱自在となるように又はエンドミル６３に代えて装着されるように構成されてもよい（図示せず）。

次に、積層造形装置１の動作態様について、図３（ａ）〜（ｆ）を参照して説明する。まず、ベース４０の上面がベース枠体４１の上面より僅かに低い状態に設けておく（図３（ａ）参照）。そして、材料補充装置５において回転駆動部５２を駆動させてスクリュー部材５１を回転させる。スクリュー部材５１の回転により、貯留タンク５３に貯留された粉末材料Ｍが略筒状部材５０内に移送される。引き続いてスクリュー部材５１の回転に伴って略筒状部材５０内にて粉末材料Ｍは図３（ａ）に示すａ方向に移送される。最終的には、粉末材料Ｍが略筒状部材５０から排出され、ベース枠体４１の上面に供給される。より具体的には、略筒状部材５０から排出された粉末材料Ｍは、図３（ａ）に示すように、ベース４０とスライド部材２０との間の領域に供給されることになる。

次いで、図３（ｂ）に示すように、スライド部材２０をベース枠体４１の上面に沿ってスライドさせることによってベース４０上へと粉末材料Ｍを供給する。この際、ベース４０上ではスライド部材２０によって、粉末材料Ｍの表面が均されることになり、図３（ｃ）に示すように第１層目の粉末層Ｓａ１が形成される。スライド部材２０は、粉末材料Ｍを押しながら移動させると共に、ベース４０の上面に供給された粉末材料Ｍの表面を均すことができるものであれば、その形態には特に制限がない。つまり、スライド部材２０は、少なくともベース４０の幅よりも大きな幅を有するものであればよく、必ずしも図１に示したようなブレード状の部材に限られない。押し出された粉末材料Ｍがスライド部材の幅方向の一方に偏ってしまうことを抑制するためには、粉末材料Ｍを押し出すスライド部材表面には凹凸が形成されていることが好ましい。また、余剰粉末によりスライド部材２０のスライド動作が阻害されて粉末層Ｓａの表面が不均一となる事態を防止するためには、余剰粉末を回収する回収部（図示せず）がベース枠体４１に設けられていてもよい。

粉末層の形成に引き続いて光学機器３を作動させる。具体的には、光学機器３を用いて、粉末層の所定箇所に対して光ビームＬを照射してその箇所の粉末を焼結又は溶融固化させる。これにより、光ビームの照射箇所において第１層目の固化層Ｓｂ１が形成されることになる（図３（ｄ）参照）。

光ビームＬの照射経路（ハッチング経路）は、積層造形物の三次元ＣＡＤデータから予め作成しておくことが好ましい。即ち、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬ（Standard Triangulation language）データを等ピッチでスライスした各断面の輪郭形状データを用いて各層毎の光ビームＬの照射経路を作成しておく。尚、粉末として金属粉末を用い、固化層が焼結層となる場合では、造形物の少なくとも最表面が高密度（気孔率５％以下）となるように固化させる一方、造形物内部が低密度となるように焼結させることが好ましい。すなわち、形状モデルデータを、予め表層部と内部とに分割しておき、内部についてはポーラスとなるような焼結条件で光ビームＬを照射する一方、表層部は粉末が略完全に溶融して高密度となる焼結条件でもって光ビームＬを照射することが好ましい。このようにすれば、緻密な表面を持つ三次元形状造形物を最終的に得ることができる。

固化層の形成が終了すると、図３（ｅ）に示すように、昇降機４３を用いてベース枠体４１を所定高さまで押し上げた後、ベース枠体４１の上面に再び粉末材料Ｍを供給する（図３（ａ）参照）。ベース枠体４１を押し上げる高さは、第１層目の粉末層Ｓａ１及び固化層Ｓｂ１の上に形成されることになる第２層目の粉末層Ｓａ２の厚みに相当し得る。尚、この各粉末層Ｓａ又は各固化層Ｓｂの厚みは、例えば、成形用金型等の造形物を形成する場合を想定すると０．０５ｍｍ程度である。粉末層Ｓａの形成と固化層Ｓｂの形成とを繰り返すことによって複数の固化層Ｓｂが積層一体化された造形物を得ることができる。

図３（ａ）〜（ｅ）の工程が繰り返されることにより、積層された固化層Ｓｂの全厚みが、加工機６のエンドミル６３の工具長さ等から算出された所要の値になったとき、切削工程を開始する。つまり、図３（ｆ）に示すように、加工機６を造形部４の上方に移動させて、積層一体化された三次元形状造形物の表面をエンドミル６３により切削する。加工機３による切削経路も、光ビームＬの照射経路と同様に、三次元ＣＡＤデータから予め作成しておく。この切削加工によって、三次元形状造形物の表面の付着粉末に起因した余剰固化部が除去されるので、三次元形状造形物の表面にて高密度部が好適に露出した状態を得ることができる。加工機６による切削が完了すると、再び粉末層Ｓａの形成と固化層Ｓｂの形成とを繰り返すことになる。尚、積層造形装置１は、エアポンプ及び吸引ノズル等から成る粉塵排除手段（図示せず）を備えていることが好ましく、かかる粉塵排除手段を加工機６による切削前および／または切削後に作動させてもよい。つまり、加工機６による切削前に、精度を向上させるため、焼結されなかった余剰粉末層を排除すると共に、切削後には、切削により生じた切削粉を排除してもよい。好ましくは、粉塵排除手段は、余剰粉末層又は切削粉といった排除対象毎に複数の吸引ノズルを有しており、それによって、余剰粉末及び切削粉を個別に回収する。更に好ましくは、回収された余剰粉末は貯留タンク５３へと戻される。

以上のような工程を通じることによって、最終的には、所望の三次元形状造形物を得ることができる。

本実施形態によれば、スクリュー方式で粉末材料Ｍを水平方向から供給できるので、積層造形装置の高さを抑制することができる。つまり、本発明の積層造形装置は、従来の装置と比べて、よりコンパクトなサイズにすることができる。また、本実施形態によれば、貯留タンク５３の下部にある粉末材料Ｍが、略筒状部材５０内を一方向に移送されて、ベース４０の上方又はベース枠体４１の上面へと供給されることになるので、貯留タンク５３内にて未使用の粉末材料Ｍが停滞することがなく、材料循環を良くすることができる。

更に、本実施形態においては、スクリュー部材５１の回転数を制御することにより、適宜に粉末材料Ｍの供給量（補充量）を調整できる。ここで、粉末材料Ｍの供給量は常に一定であるとは限らないことに留意されたい。例えば、加工機６による切削前に余剰粉末層Ｓａが排除されると、加工機６による切削後の粉末材料Ｍの供給量は、粉末層Ｓａ及び固化層Ｓｂを繰り返し形成する工程における供給量よりも多くなる。換言すれば、本発明では、各工程に応じて適宜に粉末材料Ｍの供給量を調整することができ、供給された粉末材料Ｍの量が過不足ならないように制御できる。

尚、製造される三次元形状造形物が小さい場合、すなわち光ビームＬにより焼結される粉末層が狭い領域に限定される場合、この領域にのみ粉末材料Ｍを供給すれば足りることがある。この点、本発明では、材料補充装置５を、スライド部材２０のスライド方向と略直交する方向に移動させることにより、この移動方向の任意の領域に粉末材料を供給することができる。すなわち、本発明では、所定領域にのみ粉末材料Ｍを供給することができるので、余剰粉末の量を低減できるといえる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る積層造形装置について、図４（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。本実施形態の積層造形装置１では、スライド部材２０が、ベース４０の上面を覆うことができる覆い部２３を有する形態で構成されている。覆い部２３は、「底面の開口面積がベース４０の上面面積よりも大きくなるよう形成された枠体２４」と「枠体２４の上面に設けられて光ビームＬが透過できるように構成されたウィンドウ２５」とを有して成ることが好ましい。その他の構成は上述した第１実施形態と同様である。

光ビームＬを粉末層Ｓａに照射して焼結などの固化を行うとき、使用される粉末材料の種類によっては粉末層Ｓａが外気に触れて酸化し、所望の固化層を得ることができない場合がある。そこで、本実施形態では、ベース４０上に覆い部２３を配すると共に、ベース４０及び覆い部２３で囲まれた空間内に不活性な雰囲気ガス（例えば窒素やアルゴン）を充填した状態で光ビームＬの照射を行う（図４（ｃ））。こうすれば、覆い部２３により粉末層Ｓａと外気との接触を抑制できるので、粉末材料Ｍの酸化に伴う固化層形成の不具合（例えば焼結の不具合）を防止できる。なお、覆い部２３の枠体２４の側部には、雰囲気ガス発生装置（図示せず）等が接続されることが好ましい。また、覆い部２３の内部空間Ａの酸素濃度を計測するための酸素濃度計（図示せず）が設けられ、所定の酸素濃度より覆い部２３内の酸素濃度が高くなったときのみ雰囲気ガスが内部空間Ａに供給されるようにしてもよい。

なお、覆い部２３に設けられるウィンドウ２５としては、例えば、光ビームＬがＹＡＧレーザであれば石英ガラスを用いることが好ましく、光ビームＬが炭酸ガスレーザであればジンクセレン等を用いることが好ましい。また、ウィンドウ２５は、単なる平行板ではなく、例えば、ｆθレンズとして機能するように構成されているものであってもよい。こうすれば、焼結面における光ビームＬのスポット径を一定にすることができるので、より高精度の固化層形成が可能になる。

本実施形態においては、覆い部２３がベース枠体４１の上面に沿ってスライドすると、覆い部２３の枠体２４の外側面によって粉末材料Ｍが、ベースの上面とベース枠体とで囲まれる空間または領域に供給されると共に、供給された粉末材料の表面が均されることになる（図４（ａ））。なお、図４（ｂ）に示すように、好ましくは、スクリュー部材５１の軸方向が覆い部２３のスライド方向と略直交する方向になるように材料補充装置５が配置される。但し、材料補充装置５が覆い部２３のスライド方向と略直交な方向にて可動となるよう構成されていれば、スクリュー部材５１の軸方向が覆い部２３のスライド方向と略平行な方向になるよう配置されてもよい（図２（ａ）参照）。

［第３実施態様］
次に、本発明の第３実施形態に係る積層造形装置について、図５（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。本実施形態の積層造形装置１では、スライド部材２０が、ベース４０の上方又はベース枠体４１の上面における粉末材料Ｍが供給される領域を囲うことができる材料供給枠２６を有する形態で構成されている。ちなみに、図５（ａ）〜（ｃ）は、上述した覆い部２３と材料供給枠２６とが一体的に形成された構成を示すが、これらは別の構造体として構成されていてもよく、また、材料供給枠２６のみが用いられてもよい。その他の構成は上述した第１又は第２の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、ベース４０の上方又はベース枠体４１の上面のうち、材料供給枠２６によって囲われた限定的な領域にのみ粉末材料Ｍを供給することができるので、ベース枠体４１の上面に粉末材料Ｍが飛び散らず、より効率的に粉末材料Ｍを供給することができる。

尚、第３実施形態の変形例として、図６に示すように、上述した材料供給枠２６が、その枠内（特に枠内の上方領域）に配された蓋部２７を有すると共に、略筒状部材５０の端部に形成された排出口５４と材料供給枠２６の内部領域とが連通状態となっていてもよい。この場合、材料供給枠２６内が密閉状態となるので、粉末材料Ｍの飛び散りをより効果的に抑制することできる。

［第４実施態様］
次に、本発明の第４実施形態に係る積層造形装置について、図７（ａ）および（ｂ）ならびに図８を参照して説明する。本実施形態の積層造形装置１では、略筒状部材の胴部（即ち、筒状部）に設けられた排出口を介して粉末材料供給を行う。即ち、材料補充装置５は、略筒状部材５０の胴部の材料吐出開口部５５を介して粉末材料Ｍを供給する。好ましくは、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、略筒状部材５０の胴部の下部領域に形成された複数の穴５５ａ（例えば、２個〜３０個の穴）を介して粉末材料Ｍを供給する。その他の構成は上述した第１乃至第３の実施形態と同様であるが、ベース枠体４１の上面に粉末材料Ｍが飛び散らないように、上述した第３実施形態のように材料供給枠２６内に粉末材料Ｍが供給されるように構成することが好ましい（図７（ｂ）参照）。かかる場合、材料補充装置５と材料供給枠２６とが一体的に構成されている態様であってもかまわない。複数の穴５５ａの形状は、特に制限はないが、例えば、断面形状（材料供給方向に対して垂直に切り取った断面形状）が、円形状、楕円形状または多角形状などであってもよい。尚、材料供給枠２６（スライド部材２０）のスライド方向と略直交する方向において、複数の穴５５ａの口径（即ち、後述の断面形状の面積）は、貯留タンク５３側の端部から他方の端部へ向けて次第に大きくなるように形成しておくことが好ましい。こうすれば、粉末材料Ｍが貯留タンク５３側の端部の近傍に偏ることなく、ベース４０の上方又はベース枠体４１の上面に対して均一に粉末材料Ｍを供給できる。

本実施形態における材料吐出開口部は、図８に示すように、略筒状部材５０の胴部の下部領域に形成されたスリット状開口部５５ｂの形態を有していてもよい（特に図８の（ｉ）および（ｉｉ）に示す略筒状部材５０の下部平面図を参照のこと）。“複数の穴”の場合と同様、材料供給枠２６またはスライド部材２０のスライド方向と略直交する方向（ａ方向）において、スリット状開口部５５ｂのスリット幅（即ち、スリット状開口部の短尺寸法）が、貯留タンク５３側の端部から他方の端部へ向けて次第に大きくなるように形成しておくことが好ましい（図８の（ｉｉ）参照）。こうすれば、粉末材料Ｍが貯留タンク５３側の端部の近傍に偏ることなく、ベース４０の上方又はベース枠体４１の上面に対して均一に粉末材料Ｍを供給できる。また、かかるスリット状開口部５５ｂの態様であっても、ベース枠体４１の上面に粉末材料Ｍが飛び散らないように、上述した第３実施形態のように材料供給枠２６内に粉末材料Ｍが供給されるように構成することが好ましい（かかる場合、材料補充装置５と材料供給枠２６とが一体的に構成されている態様であってよい）。

第４実施形態によれば、材料補充装置５を移動させずに、ベース４０の上方又はベース枠体４１の上面の広い範囲に粉末材料Ｍを供給することができる。つまり、略筒状部材５０の胴部の長さに相当し得る範囲では材料補充装置５を動かさずに粉末材料Ｍを供給することができるので、材料補充装置５の移動をより抑えることができる。

尚、第４実施形態の変形例として、図９（ａ）および（ｂ）に示すように、材料補充装置５が、「略筒状部材５０の胴部の下部領域に形成された材料吐出開口部５５（図示する態様では“スリット状開口部５５ｂ”）」と「材料吐出開口部５５を開閉自在とする蓋部５７」と「蓋部５７を駆動する蓋駆動部５８」とを備えていてもよい。かかる場合、蓋駆動部５８が蓋部５７を駆動させて材料吐出開口部５５を開閉することにより粉末材料Ｍを供給することができる（より具体的には、粉末材料供給時以外では蓋部５７で材料吐出開口部５５を塞いで粉末材料Ｍの漏出を防ぐ一方、粉末材料供給時では蓋部５７を移動させて材料吐出開口部５５を“開”にする）。つまり、この場合であっても、材料補充装置５を移動させずに、ベース４０の上方又はベース枠体４１の上面の広い範囲に粉末材料Ｍを供給できる。

この第４実施形態の変形例では、蓋部５７が粉末飛散防止機能を兼ね備えていることが好ましい。具体的には、図１０に示すように、粉末材料供給時においては、略筒状部材５０の上方から“粉末材料供給部”を覆うように蓋部５７が配置されることが好ましい。つまり、粉末材料供給時以外では蓋部５７が材料吐出開口部５５を塞いで粉末材料の漏出を防いでいるが（図１０（ｂ）参照）、粉末材料供給時では、蓋部５７が略筒状部材の周りを回動して“粉末材料供給部”の少なくとも一部を上方から覆うように配置されることが好ましい（図１０（ａ）参照）。これにより、供給された粉末材料が“造形部”へと飛び散らないことになり、より好適な態様で三次元形状造形物を製造することができる。例えば、“粉末材料供給部”を覆うように蓋部５７が配置されることによって、粉末材料がウィンドウ２５に飛来することが防止できるので、“造形部”へと入射される光ビームの透過率低下を未然に防止することができる。尚、特に好ましい態様では、蓋部５７は“粉末材料供給部”の造形部側を上方から覆うように配置される。かかる場合、蓋部５７が材料供給枠２６と協働して機能してよく、図１０（ａ）に示すように、蓋部５７が材料供給枠２６の造形部側の縁部２６ａと一体化して“粉末材料供給部”の少なくとも一部を覆うようになっていてもよい。

［第５実施態様］
次に、本発明の第５実施形態に係る積層造形装置について、図１１（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の積層造形装置１は、ベース４０の上方又はベース枠体４１の上面に供給された粉末材料Ｍを、スライド部材２０のスライド方向と略直交する方向に移送することができるスライド機構７を更に備えたものである。かかるスライド機構７は均し板７０をレール７１に沿ってスライドさせることができるように構成されていることが好ましい。均し板７０がレール７１に沿ってスライドすると、ベース４０の上方又はベース枠体４１の上面に供給された粉末材料Ｍ（好ましくは、上述した材料供給枠２６に補充された粉末材料Ｍ）がスライド部材２０のスライド方向と略直交する方向に移送されると共に、その表面が均されることになる。スライド機構７は、ベース枠体４１に取り付けられていてもよいし、材料供給枠２６に取り付けられていてもよい。その他の構成は上述した第１乃至第４の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、材料補充装置５を移動させずに、ベース４０の上方又はベース枠体４１の上面の広い範囲に粉末材料Ｍを、その表面を均した状態で供給することができる。つまり、均し板７０がスライドする範囲では材料補充装置５を動かさずに粉末材料Ｍを供給できるので、材料補充装置５の移動をより抑えることができると共に、その範囲内で材料表面を均すことができる。

第５実施形態の変形例として、図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、積層造形装置１は、ベース４０の上方又はベース枠体４１の上面に供給された粉末材料Ｍを、スライド部材２０のスライド方向と略直交する方向に移送することができるコンベア機構８を更に備えたものであってもよい。コンベア機構８は、「ベース４０の上方又はベース枠体４１の上面に配置されたベルトコンベア８１」と「ベルトコンベア８１を駆動するコンベア駆動部８２」を有して成ることが好ましい。また、コンベア機構８は、図示するように、ベース枠体４１上に配置されていてもよいし、あるいは、コンベア機構８自体がスライド自在に構成され、材料供給時のみベース４０の上方又はベース枠体４１の上面に配置するようにしてもよい。好ましくは、この変形例においても、上述した材料供給枠２６を用いてよい。特に、材料供給枠２６の枠内に、ベルトコンベア８１の移動方向と略直交する方向に均し部材８３が固定配置され、この均し部材８３が移送された粉末材料Ｍの表面を均すようにすることが好ましい。これにより、材料補充装置５を移動させずに、ベース枠体４１の上面の広い範囲に均一に粉末材料Ｍをより容易に供給することができる。この変形例は、特に、材料供給枠２６に蓋部１７を設けた構成（図６参照）において好適に用いられる。

第５実施形態の更なる変形例として、図１３（ａ）および（ｂ）に示すように、積層造形装置１は、ベース４０の上方又はベース枠体４１の上面に供給された粉末材料Ｍを、スライド部材２０のスライド方向と略直交する方向に移送することができるスクリュー機構９を更に備えたものであってもよい。スクリュー機構９は、「ベース４０の上方又はベース枠体４１の上面に配置されたスクリュー・ハウジング９１」と「ハウジング９１内に配されるスクリュー９２」と「スクリュー９２を駆動するスクリュー駆動部９３」とを有して成ることが好ましい。かかるスクリュー機構９は、ベース枠体４１上に配置されていてもよいし、あるいは、スクリュー機構９自体がスライド自在に構成され、材料供給時のみベース４０の上方又はベース枠体４１の上面に配置するようにしてもよい。かかるスクリュー機構９では、材料補充装置５を移動させずに、ベース枠体４１の上面の広い範囲に均一に粉末材料Ｍをより容易に供給できるだけでなく、粉末材料Ｍ自体を混練することができる（これは、粉末材料Ｍの粒径にばらつきがある場合や、粉末材料Ｍが異なる材質の粉末から成る混合物である場合に特に有効である）。

尚、上述した本発明は、次の態様を包含することを理解されよう。

第１の態様： 粉末材料から成る粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する固化層形成手段とを有して成り、粉末層形成手段による粉末層の形成と、前記固化層形成手段による固化層の形成とを繰り返すことにより複数の固化層が積層一体化された三次元形状造形物を製造する積層造形装置であって、
前記粉末層及び前記固化層が積層されるベースの上方又は前記ベースの外周を囲むベース枠体の上面に対して前記粉末材料を供給する材料補充手段を更に有して成り、
前記材料補充手段は、前記粉末材料が充填される略筒状部材と、前記略筒状部材に内装されたスクリュー部材とを有して成り、前記スクリュー部材の回転により前記略筒状部材内の前記粉末材料を移送すること特徴とする積層造形装置。

第２の態様：上記第１の態様において、前記粉末層形成手段は、前記ベース枠体の上面に沿ってスライド自在となるように配置されたスライド部材を有して成り、
前記スライド部材が、前記材料補充手段から供給された粉末材料を前記ベースの上面または上方に移送させると共に、移送された粉末材料の表面を均すことを特徴とする積層造形装置。

第３の態様：上記第２の態様において、前記スライド部材は、前記ベースの上面を覆うことができる覆い部（覆い枠）を更に有して成ることを特徴とする積層造形装置。

第４の態様：上記第２または第３の態様において、前記スライド部材は、前記粉末材料が供給される領域を囲う材料供給枠を有して成ることを特徴とする積層造形装置。

第５の態様：上記第２〜第４の態様のいずれかにおいて、前記材料補充手段が、前記スライド部材のスライド方向に対して略直交する方向に移動自在となるように設けられており、前記略筒状部材の端部に形成された排出口を介して前記粉末材料を供給することを特徴とする積層造形装置。

第６の態様：上記第４の態様において、前記材料供給が、その上面を覆うことができる蓋部を有し、
前記略筒状部材の前記排出口と前記材料供給枠内とが連通状態となっていることを特徴とする積層造形装置。

第７の態様：上記第１〜第４の態様のいずれかにおいて、前記材料補充手段の前記略筒状部材の胴部には材料吐出開口部（例えば、“複数の穴”または“スリット状開口部”）が設けられており、
前記材料吐出開口部を介して前記粉末材料の供給を行うことができることを特徴とする積層造形装置。

第８の態様：上記第７の態様において、前記材料補充手段が、前記材料吐出開口部を開閉自在とする蓋部とを更に有して成り、前記蓋部を駆動させて前記材料吐出開口部を開閉することにより前記粉末材料の供給を行うことを特徴とする積層造形装置。

第９の態様：上記第２〜第４の態様または上記第６の態様のいずれかにおいて、前記ベースの上方又はベース枠体の上面に供給された前記粉末材料を、前記スライド部材のスライド方向と略直交する方向に移送するスライド機構を更に有して成る積層造形装置。

第１０の態様：上記第２〜第４の態様または上記第６の態様のいずれかにおいて、前記ベースの上方又はベース枠体の上面に供給された前記粉末材料を、前記スライド部材のスライド方向と略直交する方向に移送するコンベア機構を更に有して成ることを特徴とする積層造形装置。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されず、種々の改変がなされ得ることを当業者は容易に理解されよう。

例えば、上述の本発明の積層造形装置では、ベース枠体４１を動かせば、ベース４０自体を動かすことなく粉末層Ｓａおよび固化層Ｓｂを積層できるので、三次元形状造形物を精度良く製造することができるが、必ずしもかかる態様に限定されない。例えば、ベース枠体を固定状態としてベースの方を下降させるようにしてもよい。

また、図示する態様では、貯留タンク３２が材料補充装置５に固定されているが、必ずしもかかる態様に限定されない。例えば、貯留タンク５３として取り外しが可能なカートリッジ等を用いてもよい。

更に、図示する態様では、略筒状部材に内装されるスクリュー部材が１つで示されているが、必ずしもかかる態様に限定されず、複数のスクリュー部材が略筒状部材に内装された態様であってもかまわない。つまり、単軸の材料補充手段のみならず、多軸（例えば二軸または三軸）の材料補充手段であってもかまわない。例えば、二軸の材料補充手段を例にとると、２つのスクリュー部材の回転は「同方向回転」または「異方向回転」のいずれであってもよい。

本発明の積層造形装置を用いると、種々の物品を製造することができる。例えば、『粉末層が金属粉末層であって、固化層が焼結層となる場合』では、得られる三次元形状造形物をプラスチック射出成形用金型、プレス金型、ダイカスト金型、鋳造金型、鍛造金型などの金型として用いることができる。また、『粉末層が樹脂粉末層であって、固化層が硬化層となる場合』では、得られる三次元形状造形物を樹脂成形品して用いることができる。

１ 積層造形装置
２ 粉末層形成部（粉末層形成手段）
２０ スライド部材
２１ 水平レール
２２ スライド駆動部
２３ 覆い部
２４ 覆い部の枠体
２５ 覆い部のウィンドウ
２６ 材料供給枠
２６ａ 材料供給枠の造形部側の縁部
２７ 材料供給枠の蓋部
３ 光学機器（固化層形成手段）
３１ 光源
３２ スキャン機構
３３ 光ファイバ
４ 造形部
４０ ベース
４１ ベース枠体
４２ テーブル
４３ 昇降機
４４ 台座
５ 材料補充装置（材料補充手段）
５０ 略筒状部材
５１ スクリュー部材
５２ 回転駆動部
５３ 貯留タンク
５４ 排出口
５５ 略筒状部材の胴部に設けられた材料吐出開口部
５５ａ 複数の穴
５５ｂ スリット状開口部
５７ 蓋部
５８ 蓋駆動部
６ 加工機
６１ 主軸台
６２ スピンドルヘッド
６３ エンドミル
７ スライド機構
７０ 均し板
７１ 均し板のレール
８ コンベア機構
８１ ベルトコンベア
８２ コンベア駆動部
８３ 均し部材
９ スクリュー機構
９１ スクリュー・ハウジング
９２ スクリュー
９３ スクリュー駆動部
１０４ 造形部
１４０ 造形テーブル
１４１ 造形枠
１４２ 昇降機
１０５ 材料供給部
１５０ 昇降テーブル
１５１ 収容タンク
１５２ 昇降機構
Ｌ 光ビーム
Ｍ 粉末材料
Ｓａ 粉末層
Ｓｂ 固化層

Claims (9)

1. 粉末材料から成る粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する固化層形成手段とを有して成り、粉末層形成手段による粉末層の形成と、前記固化層形成手段による固化層の形成とを繰り返すことにより複数の固化層が積層一体化された三次元形状造形物を製造するための積層造形装置であって、
   前記粉末層及び前記固化層が設けられるベースの上方又は前記ベースの外周を囲むベース枠体の上面に対して前記粉末材料を供給する材料補充手段を更に有して成り、
   前記材料補充手段は、前記粉末材料が仕込まれる略筒状部材と、前記略筒状部材に内装されたスクリュー部材とを有して成り、前記スクリュー部材の回転により前記略筒状部材内の前記粉末材料を移送すること特徴とする積層造形装置。
2. 前記粉末層形成手段は、前記ベース枠体の上面に沿ってスライド自在となるように設けられたスライド部材を有して成り、
   前記スライド部材が、前記材料補充手段から供給された前記粉末材料を前記ベースの上面または上方に移送させると共に、移送された粉末材料の表面を均すことを特徴とする、請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記スライド部材が、前記ベースの上面を覆うことができる覆い部を有して成ることを特徴とする、請求項２に記載の積層造形装置。
4. 前記スライド部材が、前記粉末材料が供給される領域を囲う材料供給枠を有して成ることを特徴とする、請求項２に記載の積層造形装置。
5. 前記材料補充手段は、前記スライド部材のスライド方向に対して略直交する方向に移動自在となるように設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の積層造形装置。
6. 前記材料供給枠が、その枠内を覆う蓋部を有して成り、
   前記略筒状部材の粉末材料排出口と前記材料供給枠内とが連通状態となっていることを特徴とする請求項４に記載の積層造形装置。
7. 前記材料補充手段の前記略筒状部材の胴部に対して材料吐出開口部が設けられており、
   前記材料吐出開口部を介して前記粉末材料の供給が行われることを特徴とする、請求項１に記載の積層造形装置。
8. 前記材料補充手段が、前記材料吐出開口部を開閉自在とする蓋部を更に有して成り、前記蓋部を駆動させて前記材料吐出開口部を開閉することにより前記粉末材料の供給が行われることを特徴とする、請求項７に記載の積層造形装置。
9. 前記ベースの上方又は前記ベース枠体の上面に供給された前記粉末材料を、前記スライド部材のスライド方向と略直交する方向に移送する機構を更に有して成ることを特徴とする、請求項２に記載の積層造形装置。

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