JP2011026668A - 三次元形状造形物の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の三次元形状造形物を製造するのに好適な装置を提供すること。
【解決手段】（ｉ）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し、（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成することを繰り返して行う三次元形状造形物の製造装置であって、粉末層および固化層が形成される積層形成ユニットとレーザ照射装置とを有して成り、積層形成ユニットがレーザ照射装置に対して着脱可能となっていることを特徴とする三次元形状造形物の製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元形状造形物の製造装置および製造方法に関する。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製造装置および製造方法に関する。

従来より、材料粉末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三次元形状造形物を製造している（特許文献１または特許文献２参照）。材料粉末として金属粉末やセラミック粉末などの無機質の材料粉末を用いた場合では、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材料粉末を用いた場合では、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、酸化防止等の観点から不活性雰囲気下に保たれたチャンバー内で三次元形状造形物が製造される場合が多い。材料粉末として金属粉末を用い、得られる三次元形状造形物を金型として用いる場合を例にとると、図３に示すように、まず、所定の厚みｔ１の粉末層２２を造形プレート２１上に形成した後（図３（ａ）参照）、光ビームを粉末層２２の所定箇所に照射して、造形プレート２１上において固化層２４を形成する。そして、形成された固化層２４の上に新たな粉末層２２を敷いて再度光ビームを照射して新たな固化層を形成する。このように固化層を繰り返し形成すると、複数の固化層２４が積層一体化した三次元形状造形物を得ることができる（図３（ｂ）参照）。

特表平１−５０２８９０号公報 特開２０００−７３１０８号公報

粉末焼結積層法を実施する装置として、本願発明者らは、図４および５に示すような装置１を既に考案している。かかる装置１は、“光造形”と“仕上げ加工”とを１つの装置内で行うことができるものであり、“光造形複合加工装置”と称される。つまり、光造形複合加工装置１では、「三次元形状造形物が製造される光造形部」と光ビーム照射手段３と切削手段４とが一体的に設けられている。

かかる光造形複合加工装置１は、光造形と切削加工とを一台の装置で実施するため、“ワンプロセス”により所望の三次元形状造形物を得ることができる。しかしながら、光造形複合加工装置１は、金属光造形機と切削仕上加工機とが実質的に一体化していることに起因して、三次元形状造形物の造形および切削加工が一通り終了しないことには、次の三次元形状造形物の製造に取りかかれない。つまり、複数の三次元形状造形物を製造する場合では、並列的な作業ないしは造形プレート２１を取り付けたり完成した造形物を取り外したりといった外段取りを行うことができない。

本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の課題は、複数の三次元形状造形物の製造に好適な装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明では、
（ｉ）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し、（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成することを繰り返して行う三次元形状造形物の製造装置であって、
粉末層および固化層が形成される積層形成ユニット、ならびに
レーザ照射装置
を有して成り、積層形成ユニットがレーザ照射装置に対して着脱可能となっていることを特徴とする三次元形状造形物の製造装置が提供される。

本発明の製造装置は、光造形装置の“光造形が行われる部分”をユニット化して取り外し可能にしていることを特徴の１つにしている。具体的には、図１および図２に示すように、「粉末層および固化層が形成される積層形成ユニット１００」がレーザ照射装置２００に対して着脱可能となっている。

本明細書において積層形成ユニットにいう「ユニット」とは、“レーザ照射装置”および後述する“仕上げ加工機”に対して共通的に使用できるように標準化された単位のことを実質的に意味している。従って、積層形成ユニットは、“レーザ照射装置”と“仕上げ加工機”との間で共通して取り付け・取り外しができることは当然のこと、複数のレーザ照射装置の間ないしは複数の仕上げ加工機の間でも共通して取り付け・取り外しができるようになっている。

ある好適な態様では、積層形成ユニットが、「粉末材料を保持するための保持枠」と「粉末層および固化層を積層させる台となる積層基台」とを有して成り、保持枠と積層基台とが相対的に可動な状態となるように保持枠の内部に積層基台が設けられている。かかる場合、積層形成ユニットの保持枠と積層基台との相対的な移動を助力する手段がレーザ照射装置に設けられていることが好ましい。ちなみに、積層基台の上には「三次元形状造形物の土台となる造形プレート」が配置されてよい。

別の好適な態様では、本発明の製造装置は仕上げ加工機を更に有して成り、積層形成ユニットが仕上げ加工機に対しても着脱可能となっている。この場合、仕上げ加工機とレーザ照射装置とが相互に一体的に構成されていてもよい。尚、レーザ照射装置に対する積層形成ユニットの着脱および／または仕上げ加工機に対する積層形成ユニットの着脱はパレットチェンジャーを用いて行うことが好ましく、それにより装置の自動化を実現できる。

積層形成ユニットに対して粉末層を形成するための手段は、レーザ照射装置に設けられていてよいし、あるいは、積層形成ユニット自体に設けられていてもよい。標準化された積層形成ユニットの構成をできるだけシンプルにする観点からは、レーザ照射装置に粉末層形成手段が設けられていることが好ましい。粉末層形成手段には“均し板”または“材料供給枠”が設けられている。均し板または材料供給枠は、レーザ照射装置に装着された状態の積層形成ユニットに対して、その上方をスライド移動できるように構成されている。尚、粉末層形成手段の材料供給枠には「固化層形成時にて保持枠の内部（積層部）を覆うことができる覆い部」が備えられていることが好ましい。

複数の造形物を並列的に製造する場合は特に、本発明の製造装置が積層形成ユニット、レーザ照射装置および仕上げ加工機をそれぞれ複数有して成ることが好ましい。また、積層形成ユニットの着脱を自動化するために、パレットチェンジャーが設けられることが好ましい。

本発明では、上述の装置を用いて行う造形物の製造方法も提供される。かかる本発明の製造方法は、
（ｉ）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工程、
（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程、および
（ｉｉｉ）固化層に対して切削加工（≒仕上げ加工）を施す工程
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
複数の三次元形状造形物を並列的に製造しており、ある三次元形状造形物の固化層形成と、それとは別の三次元形状造形物の切削加工とを並列的に行うことを特徴としている。かかる製造方法では、粉末層および固化層の形成を行う部分を積層形成ユニットとしてユニット化しており、粉末層および固化層の形成に際しては積層形成ユニットをレーザ照射装置に設置する一方、切削加工に際しては積層形成ユニットを仕上げ加工機へと設置する。

本発明では、積層形成ユニットがレーザ照射装置に対して着脱可能となっているので、複数の造形物を製造する際に並列的な作業を行うことができる。つまり、複数の造形物の製造に際して“光造形”と“仕上げ加工”とを実質的に同時に実施することが可能となり、装置を全体的としてフル稼働させることができる。また、別な表現を用いて説明すれば、ある造形物の製造中に“外段取り”が可能となり、複数の造形物の製造時間を全体として短縮することができる。

特に、本発明では、積層形成ユニットをレーザ照射装置および仕上げ加工機に対して着脱可能となっているので、それらの個々の要素をコンパクトにすることができ、装置の設置スペースに制約がある場合でも柔軟に対応できる。

本発明の製造装置の概念を模式的に表した断面図 本発明の製造装置の概念を模式的に表した斜視図 粉末焼結積層法の動作を模式的に示した断面図 光造形複合加工装置において粉末焼結積層法が行われる態様を模式的に示した斜視図 粉末焼結積層法が実施される光造形複合加工装置の構成を模式的に示した斜視図 光造形複合加工装置の動作のフローチャート 光造形複合加工プロセスを経時的に表した模式図 積層形成ユニットがレーザ照射装置および仕上げ加工機に対して着脱可能となった態様を模式的に示した断面図 パレットチェンジャーを用いる態様を模式的に示した断面図 仕上げ加工機とレーザ照射装置とが相互に一体的に構成された態様を模式的に示した断面図 覆い部がレーザ照射装置（積層部）に予め据え付けられている態様を模式的に示した断面図 複数の造形物を複数のレーザ照射装置と複数の仕上げ加工機と複数の積層形成ユニットを用いて製造する概念的に表した図 未焼結粉末の除去手段を設ける態様を模式的に示した断面図

以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。特に言及しない限り、本発明の製造装置および製造方法は、以下の［粉末焼結積層法］で説明した技術的事項に基づくものである点に留意されたい。

［粉末焼結積層法］
まず、本発明の製造方法の前提となる粉末焼結積層法について説明する。説明の便宜上、“光造形”と“仕上げ加工”とが一体化した光造形複合加工装置を用いて粉末焼結積層法を詳述する。粉末焼結積層法に用いる粉末としては金属粉末および樹脂粉末を用いることができる。金属粉末は、鉄系粉末を主成分とした粉末であって、場合によってニッケル粉末、ニッケル系合金粉末、銅粉末、銅系合金粉末および黒鉛粉末などから成る群から選択される少なくとも１種類を更に含んで成る粉末であってよい（一例として、平均粒径２０μｍ程度の鉄系粉末の配合量が６０〜９０重量％、ニッケル粉末及びニッケル系合金粉末の両方又はいずれか一方の配合量が５〜３５重量％、銅粉末および／または銅系合金粉末の両方又はいずれか一方の配合量が５〜１５重量％、ならびに、黒鉛粉末の配合量が０．２〜０．８重量％となった金属粉末を挙げることができる）。樹脂粉末は、例えば、平均粒径３０μｍ〜１００μｍ程度のナイロン、ポリプロピレン、ＡＢＳ等の粉末であってよい。

図３，４および５には、粉末焼結積層法を実施できる光造形複合加工装置の機能および構成が示されている。光造形複合加工装置１は、「金属粉末および樹脂粉末などの粉末を所定の厚みで敷くことによって粉末層を形成する粉末層形成手段２」と「外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内において上下に昇降する造形テーブル２０」と「造形テーブル２０上に配され造形物の土台となる造形プレート２１」と「光ビームＬを任意の位置に照射する光ビーム照射手段３」と「造形物の周囲を削る切削手段４」とを主として備えている。粉末層形成手段２は、図３に示すように、「外周が壁２６で囲まれた材料粉末タンク２８内において上下に昇降する粉末テーブル２５」と「造形プレート上に粉末層２２を形成するための均し板２３」とを主として有して成る。光ビーム照射手段３は、図４および図５に示すように、「光ビームＬを発する光ビーム発振器３０」と「光ビームＬを粉末層２２の上にスキャニング（走査）するガルバノミラー３１（スキャン光学系）」とを主として有して成る。必要に応じて、光ビーム照射手段３には、光ビームスポットの形状を補正するビーム形状補正手段（例えば一対のシリンドリカルレンズと、かかるレンズを光ビームの軸線回りに回転させる回転駆動機構とを有して成る手段）やｆθレンズなどが具備されている。切削手段４は、「造形物の周囲を削るミーリングヘッド４０」と「ミーリングヘッド４０を切削箇所へと移動させるＸＹ駆動機構４１（４１ａ，４１ｂ）」とを主として有して成る（図４および図５参照）。

光造形複合加工装置１の動作を図３、図６および図７を参照して詳述する。図６は、光造形複合加工装置の一般的な動作フローを示しており、図７は、光造形複合加工プロセスを模式的に簡易に示している。

光造形複合加工装置の動作は、粉末層２２を形成する粉末層形成ステップ（Ｓ１）と、粉末層２２に光ビームＬを照射して固化層２４を形成する固化層形成ステップ（Ｓ２）と、造形物の表面を切削する切削ステップ（Ｓ３）とから主に構成されている。粉末層形成ステップ（Ｓ１）では、最初に造形テーブル２０をΔｔ１下げる（Ｓ１１）。次いで、粉末テーブル２５をΔｔ１上げた後、図３（ａ）に示すように、均し板２３を、矢印Ａ方向に移動させ、粉末テーブル２５に配されていた粉末を造形プレート２１上へと移送させつつ（Ｓ１２）、所定厚みΔｔ１に均して粉末層２２を形成する（Ｓ１３）。次に、固化層形成ステップ（Ｓ２）に移行し、光ビーム発振器３０から光ビームＬ（例えば炭酸ガスレーザ（５００Ｗ程度）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（５００Ｗ程度）、ファイバレーザ（５００W程度）または紫外線など）を発し（Ｓ２１）、光ビームＬをガルバノミラー３１によって粉末層２２上の任意の位置にスキャニングし（Ｓ２２）、粉末を溶融させ、固化させて造形プレート２１と一体化した固化層２４を形成する（Ｓ２３）。

固化層２４の厚みがミーリングヘッド４０の工具長さ等から求めた所定厚みになるまで粉末層形成ステップ（Ｓ１）と固化層形成ステップ（Ｓ２）とを繰り返し、固化層２４を積層する（図１（ｂ）参照）。尚、新たに積層される固化層は、焼結又は溶融固化に際して、既に形成された下層を成す固化層と一体化することになる。

積層した固化層２４の厚みが所定の厚みになると、切削ステップ（Ｓ３）へと移行する。図５および図７に示すような態様ではミーリングヘッド４０を駆動させることによって切削ステップの実施を開始している（Ｓ３１）。例えば、ミーリングヘッド４０の工具（ボールエンドミル）が直径１ｍｍ、有効刃長さ３ｍｍである場合、深さ３ｍｍの切削加工ができるので、Δｔ１が０．０５ｍｍであれば、６０層の固化層を形成した時点でミーリングヘッド４０を駆動させる。ＸＹ駆動機構４１（４１ａ，４１ｂ）によってミーリングヘッド４０を矢印Ｘ及び矢印Ｙ方向に移動させ、積層した固化層２４から成る造形物の表面を切削加工する（Ｓ３２）。そして、三次元形状造形物の製造が依然終了していない場合では、粉末層形成ステップ（Ｓ１）へ戻ることになる。以後、Ｓ１乃至Ｓ３を繰り返して更なる固化層２４を積層することによって、三次元形状造形物の製造を行う（図７参照）。

固化層形成ステップ（Ｓ２）における光ビームＬの照射経路と、切削ステップ（Ｓ３）における切削加工経路とは、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。この時、等高線加工を適用して加工経路を決定する。例えば、固化層形成ステップ（Ｓ２）では、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（例えばΔｔ１を０．０５ｍｍとした場合では０．０５ｍｍピッチ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。

［本発明の製造装置］
本発明は、上述した粉末焼結積層法の中でも製造装置の効率を特に考慮したものである。特に複数の造形物を製造する際に全体として効率よく製造できるように装置全体を改良したものである。具体的には、上述の光造形複合加工装置では“光造形”と“切削加工”とが一台の装置で実現されるのに対して、本発明の製造装置は、“光造形が行われる部分”をユニット化して取り外し可能にしていることを特徴としている。

本発明の装置１０００は、図１または図２に示すように、「粉末層および固化層が形成される積層形成ユニット１００」ならびに「レーザ照射装置２００」を有して成り、積層形成ユニット１００がレーザ照射装置２００に対して着脱可能となっている。

積層形成ユニット１００は、光造形が行われる部分である。つまり、積層形成ユニット１００は粉末層および固化層が積層される部分である。積層形成ユニット１００は、図１および図２に示すように、「粉末材料を保持するための保持枠１０１」と「粉末層および固化層を積層させる台となる積層基台１０２」とを主として有して成る。保持枠１０１の内部に積層基台１０２が設けられており、保持枠１０１と積層基台１０２とが相対的に可動な状態となるように設けられている。具体的には、図１（ｂ）の点線内に示すように、保持枠１０１の下端部分１０１ａと積層基台１０２の基台底板１０２ａとがバネ１０３を介して接続されており、圧縮状態にしたバネ１０３を段階的に解放することによって保持枠１０１と積層基台１０２との相対的な移動を実現している。このように保持枠と積層基台とが相対的に移動できると、保持枠１０１の内部深さを調整することができ、粉末層の積層ひいては固化層の積層が実現可能となる。尚、積層形成ユニット１００の積層基台１０２の上には、「造形物の土台となる造形プレート１０４」が設けられてよい。

レーザ照射装置２００は、その名の通り、レーザを照射することができる装置である。本発明では、積層形成ユニット１００をレーザ照射装置２００に取り付け、その取り付けられた積層形成ユニット１００に対してレーザを照射することができる。従って、レーザ照射装置２００は、その上方部分に、レーザヘッド２０１を有して成る。レーザヘッド２０１には、光ビーム発振器、ガルバノミラーおよび各種レンズ（シリンドリカルレンズやｆθレンズなど）などが含まれる。レーザヘッド２０１の下方には、図示するように、造形テーブル２０２およびＺ位置決めテーブル２０３が設けられている。造形テーブル２０２は、粉末層形成に際して粉末材料が供されることになるテーブルであって、その粉末材料を均すための均し板や材料供給枠などが配されている。尚、造形テーブル２０２には開口部２０２ａが設けられており、装着された積層形成ユニット１００は開口部２０２ａの内側に位置することになる。これに対して、Ｚ位置決めテーブル２０３は、光造形に際して、つまり、レーザ照射に際して、積層形成ユニット１００が配されることになるテーブルであり、昇降自在となっている。

積層形成ユニット１００をレーザ照射装置２００に取り付けるに際しては、積層形成ユニット１００をレーザ照射装置２００のＺ位置決めテーブル２０３の上に配置することになる。この際、まず、積層形成ユニット１００の保持枠１０１がレーザ照射装置２００の造形テーブル２０２の開口部２０２ａ内に位置付けられるように配置する。その状態でＺ位置決めテーブル２０３を上昇させると、積層形成ユニット１００のフランジ部１０１ｂと造形テーブル２０２の開口部２０２ａの縁部分とが当接することになり、引き続いて、更にＺ位置決めテーブル２０３を上昇させると積層形成ユニット１００のバネ１０３が圧縮されることになる（「フランジ部１０１ｂ」と「開口部２０２ａの縁部分」との当接状態は図１（ｂ）を参照のこと）。かかるバネ１０３の圧縮に伴って保持枠１０１の内部深さが浅くなるが、最終的には１層目の粉末層形成に適した深さが得られるまで、Ｚ位置決めテーブル２０３を上昇させてバネ１０３を圧縮させる。このような状態から粉末層形成および固化層形成を開始するが、光造形の開始後は取り付け時とは逆にＺ位置決めテーブル２０３を下降させてバネ１０３の圧縮状態を段階的に解放することによって、保持枠１０１の内部深さを深くしていき、粉末層および固化層が積層できるようにする。

上述したように、保持枠１０１と積層基台１０２との相対的な移動は、レーザ照射装置２００に設けられたＺ位置決めテーブル２０３の駆動により実現されるので、積層形成ユニット自体は動力源を有していない。つまり、積層形成ユニットは電源ケーブルなどを有しておらず比較的シンプルな構造を有している。

本発明の装置の操作手順を例示する：
（１）積層基台１０２上に造形プレート１０４をボルトなどで固定する（外段取り）。
（２）積層形成ユニット１００をレーザ照射装置２００にセットする。
（３）造形プレート１０４の上面と保持枠１０１の上面とで高さを合わせる。
（４）積層基台１０２を１層厚みだけ保持枠１０１に対して相対的に下方に移動させる（例えば０．１ｍｍ）
（５）材料供給枠５０１（後述）を造形プレート１０４の上面に対して平行に移動させ、粉末層を形成する。
（６）覆い部５０２（後述）で造形エリアを覆う。
（７）レーザを照射して光造形を行う。
（８）上記（４）〜（７）を繰り返して固化層を積層させる。
（９）造形が終了したら、積層形成ユニット１００をレーザ照射装置２００から取り外し、造形物を取り出す（外段取り）。
このように、造形プレートの固定や造形物の取り出しがレーザ照射装置の外で行えるので、造形が終了すれば、予め準備した次の積層形成ユニットをレーザ照射装置にセットすることができ、効率的な製造を実現できることを理解されよう。

図８に示すように、本発明の製造装置１０００では、積層形成ユニット１００がレーザ照射装置２００のみならず、仕上げ加工機３００（例えばマシニングセンター）に対しても着脱可能となっていることが好ましい。これにより、複数の造形物の製造に際して並列的な作業を行うことができる。つまり、“光造形”と“仕上げ加工（≒表面切削加工）”とを実質的に同時に行うことが可能となり、装置を全体としてフル稼働させることができる。換言すれば、従来では、ある造形物につき仕上げ加工を行っている間では次の造形物につきレーザ照射処理を行うことができなかったが、本発明の装置１０００では、ある造形物につき仕上げ加工を行っている間であっても、別の造形物につきレーザ照射処理を行うことができ、装置を全体的に効率よく使用できる。より効率を上げるには装置全体を自動化してもよい。具体的には、図９に示すように、パレットチェンジャー４００を用いることによって、レーザ照射装置２００に対する積層形成ユニット１００の着脱、および／または、仕上げ加工機３００に対する積層形成ユニット１００の着脱を自動的に行ってもよい。本発明にいう「パレットチェンジャー」とは、積層形成ユニットを把持して、移動させ、それを所定の場所に据え置く機能を有する機器を実質的に意味している。ちなみに、積層形成ユニットをレーザ照射装置から取り外して仕上げ加工機へと送るタイミングは、切削工具が届く範囲で積層し終えた時点である。例えば、上述したように、ミーリングヘッド４０の工具（ボールエンドミル）が直径１ｍｍ、有効刃長さ３ｍｍである場合、深さ３ｍｍの切削加工ができるので、１層厚さが０．０５ｍｍであれば、６０層の固化層を形成した時点で積層形成ユニット１００をレーザ照射装置２００から取り外して仕上げ加工機３００へと送ることが好ましい。

図１０に示すように、仕上げ加工機３００とレーザ照射装置２００とは相互に一体的に構成されていてもよい。かかる場合、ある造形物のレーザ照射処理と仕上げ加工とを連続的に行っている間で、次の別の造形物につき“外段取り”を行うことができる。

粉末層形成手段について説明する。粉末層形成手段は、レーザ照射装置に対して設けられていてもよいし、あるいは、積層形成ユニット自体に組み込んでもよい。図１および２に示す態様では、粉末層形成手段５００がレーザ照射装置２００に対して設けられており、造形テーブル２０２に供された材料粉末が均される（レベリングされる）ことによって粉末層が形成される。具体的には、図１および図２では、粉末層形成手段５００として筒状の材料供給枠５０１がレーザ照射装置２００に対して設けられている。この場合、材料供給枠５０１の内部に材料粉末を供給し、材料供給枠５０１をスライドさせることによって材料粉末が均されることになる（図２（ｂ）参照）。材料供給枠５０１を用いると、それにより囲われた限定的な領域にのみ材料粉末が供給されるので、造形テーブル２０２の上面に材料粉末が飛び散らず、効率的に積層形成ユニットへと材料粉末を供給することができるだけでなく、材料供給枠５０１のスライド移動により材料粉末の均しを行うことができる。尚、粉末層形成手段５００は、材料供給枠の形態に限定されず、図３および図４などで示した均し板２３の形態を有するものであってもよい。

レーザ照射装置２００には、「レーザ光を通すものの、粉末層と外気との接触を抑制できる覆い部」が設けられていることが好ましい。光造形時にて覆い部が積層部（≒保持枠の上方）に設けられることによって、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。特に、図１および図２に示すように、材料供給枠５０１に付随する形態で覆い部５０２が設けられていることが好ましい。この場合、材料供給枠５０１のスライド移動により材料粉末の均しが完了すると、覆い部５０２が積層部を上方から覆うことができる配置状態となる。光造形時では、覆い部５０２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の照射を行うことが好ましい。かかる覆い部５０２には、その内部空間の酸素濃度を計測するための酸素濃度計（図示せず）を設けてもよく、それによって、所定の酸素濃度よりも覆い部５０２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に供給されるようにしてもよい。尚、図１１に示すように、覆い部５０２’がレーザ照射装置３００の積層部に予め据え付けられている形態であってもよい（図示する態様では、固定式の覆い部５０２’の上にレーザヘッドが取り付けられている）。更にいえば、積層形成ユニットに対して覆い部が設けられている形態であってもよい。

以上、説明した本発明の製造装置では、積層形成ユニット１００がレーザ照射装置２００および仕上げ加工機３００に対して着脱可能となっているが、特に、積層形成ユニット１００、レーザ照射装置２００および仕上げ加工機３００がそれぞれ複数設けられている態様が好ましい。この場合、例えば、複数のレーザ照射装置２００および仕上げ加工機３００をパレットチェンジャーを介して組み合わせることで、複数の作業（“光造形”および“仕上げ加工”）を実質的に同時に行うことができ、複数の造形物（例えば、ある複数のパーツから成る成形品のための複数の金型）をより短時間で効率よく製造できる。

［本発明の製造装置］
次に、本発明の製造方法について説明する。本発明の製造方法は、
（ｉ）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工程、
（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程、および
（ｉｉｉ）固化層に対して切削加工を施す工程
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
複数の三次元形状造形物を並列的に製造しており、ある造形物の固化層形成と、それとは別の造形物の切削加工とを並列的に行うことを特徴とする。このように並列的に実施するために、本発明の製造方法では、粉末層および固化層の形成を行う部分を積層形成ユニットとしてユニット化しており、粉末層および固化層の形成に際しては積層形成ユニットをレーザ照射装置に設置する一方、切削加工に際しては積層形成ユニットを仕上げ加工機へと設置する。

本発明の製造方法では、図１２（ａ）に示すように、複数の作業（“光造形”および“仕上げ加工”）を同時に行うことができるので、製造工程の時間的ロスをできる限り減じることができる。より好ましくは、図１２（ｂ）に示すように、制御装置を介して複数の作業（“光造形”および“仕上げ加工”）をコントロールすることによって更に効率的な製造を行うことができる。具体的には、レーザ照射装置２００および仕上げ加工機３００の全てをコンピューターで制御し、積層形成ユニットが設置されるべき最適な装置を順次決めていく。つまり、レーザ照射装置および仕上げ加工機の空き状況および稼働状態をリアルタイムで検知して、対象となる積層形成ユニットにとって好適なレーザ照射装置または仕上げ加工機を決定する。これにより、複数の造形物の製造が自動化されるだけでなく、より最適な状態で複数の製造を実施できるので、製造時間の短縮効果が大きくなる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の適用範囲のうちの典型例を例示したに過ぎない。従って、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、仕上げ加工機３００を用いた造形物の切削加工に際して、未焼結粉末（≒固化層を形成しなかった粉末）が存在していると、かかる粉末の影響で造形物表面にキズが残ることが懸念される。それゆえ、切削加工前に未焼結粉末を除去することが好ましい。未焼結粉末の除去は、固化層形成後かつ切削加工前であればいずれの時点で行ってもよいので、未焼結粉末の除去手段６００をレーザ照射装置２００に設けてもよく（図１３（ａ）参照）、あるいは、パレットチェンジャー４００に設けてもよく（図１３（ｂ）参照）、更には、仕上げ加工機３００に設けてもよい（図１３（ｃ）参照）。

また、上述の説明（特に図面）では、図１（ｂ）に示すように、保持枠１０１の下端部分１０１ａと積層基台１０２の基台底板１０２ａとがバネ１０３を介して接続されることによって、保持枠１０１と積層基台１０２との相対的な可動を実現していたが、必ずしもかかる態様に限定されるわけではない。例えば、積層形成ユニットにおいてはバネ機構の代わりに、カム機構を採用してもよい。

更に、積層形成ユニットの着脱は再現性が一般に必要とされるので、レーザ照射装置および／または仕上げ加工機にはピンなどの位置決め機構を設けてもよい。あるいは、必要であれば、画像処理装置などを用いてレーザの照射位置を補正してもよい。

本発明の三次元形状造形物の製造装置および製造方法では、種々の物品を製造することができる。例えば、『粉末層が無機質の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、『粉末層が有機質の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 光造形複合加工装置
２ 粉末層形成手段
３ 光ビーム照射手段
４ 切削手段
１９ 粉末／粉末層（例えば金属粉末/金属粉末層または樹脂粉末／樹脂粉末層）
２０ 造形テーブル
２１ 造形プレート
２２ 粉末層（例えば金属粉末層または樹脂粉末層）
２３ 均し板（スキージング用ブレード）
２４ 固化層（例えば焼結層または硬化層）またはそれから得られる三次元形状造形物
２５ 粉末テーブル
２６ 材料粉末タンクの壁部分
２７ 造形タンクの壁部分
２８ 材料粉末タンク
２９ 造形タンク
３０ 光ビーム発振器
３１ ガルバノミラー
３２ 反射ミラー
３３ 集光レンズ
４０ ミーリングヘッド
４１ ＸＹ駆動機構
４１ａ Ｘ軸駆動部
４１ｂ Ｙ軸駆動部
４２ ツールマガジン
５０ チャンバー
５２ 光透過窓
６０ テーブル枠体
７０ 材料供給枠
７０ａ 材料供給枠の枠部分
Ｌ 光ビーム
１００ 積層形成ユニット
１０１ 保持枠
１０１ａ 保持枠の下端部分
１０１ｂ フランジ部
１０２ 積層基台
１０２ａ 基台底板
１０３ バネ
１０４ 造形プレート
２００ レーザ照射装置
２０１ レーザヘッド
２０２ 造形テーブル
２０２ａ 造形テーブルの開口部
２０３ Ｚ位置決めテーブル
３００ 仕上げ加工機
３０１ 切削加工機（スピンドル）
４００ パレットチェンジャー
５００ 粉末層形成手段
５０１ 材料供給枠
５０２，５０２’ 覆い部
６００ 未焼結粉末の除去手段
１０００ 本発明の製造装置

Claims (13)

1. （ｉ）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し、（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成することを繰り返して行う三次元形状造形物の製造装置であって、
   粉末層および固化層が形成される積層形成ユニット、ならびに
   レーザ照射装置
   を有して成り、積層形成ユニットがレーザ照射装置に対して着脱可能となっていることを特徴とする、三次元形状造形物の製造装置。
2. 積層形成ユニットが、粉末材料を保持するための保持枠と、粉末層および固化層を積層させる台となる積層基台とを有して成り、
   保持枠と積層基台とが相対的に可動な状態となるように保持枠の内部に積層基台が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造装置。
3. 積層形成ユニットが積層基台の上に配される造形プレートを更に有して成ることを特徴とする、請求項２に記載の三次元形状造形物の製造装置。
4. 仕上げ加工機を更に有して成り、
   積層形成ユニットが仕上げ加工機に対しても着脱可能となっていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造装置。
5. 仕上げ加工機とレーザ照射装置とが相互に一体的に構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の三次元形状造形物の製造装置。
6. レーザ照射装置が粉末層形成手段を有して成ることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造装置。
7. 粉末層形成手段が、レーザ照射装置に装着された積層形成ユニットの上方をスライド移動することができる均し板または材料供給枠を備えていることを特徴とする、請求項６に記載の三次元形状造形物の製造装置。
8. 材料供給枠が固化層形成時にて積層部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７に記載の三次元形状造形物の製造装置。
9. レーザ照射装置が、積層形成ユニットの保持枠と積層基台との相対的な移動を助力する手段を有して成ることを特徴とする、請求項２に従属する請求項３〜８のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造装置。
10. 積層形成ユニットの着脱を自動化するパレットチェンジャーを更に有して成ることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造装置。
11. 積層形成ユニット、レーザ照射装置および仕上げ加工機をそれぞれ複数有して成ることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造装置。
12. （ｉ）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工程、
    （ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程、および
    （ｉｉｉ）固化層に対して切削加工を施す工程
    を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
    複数の三次元形状造形物を並列的に製造し、ある造形物の固化層形成と、それとは別の造形物の切削加工とを並列的に行うことを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
13. 粉末層および固化層の形成を行う部分を積層形成ユニットとしてユニット化しており、
    粉末層および固化層の形成に際しては積層形成ユニットをレーザ照射装置に設置する一方、切削加工に際しては積層形成ユニットを仕上げ加工機へと設置することを特徴とする、請求項１２に記載の三次元形状造形物の製造方法。

Images