JP2015151566A - 3次元積層造形装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】3次元積層造形装置において、Z駆動機構の横方向の動きを規制し、また、Z駆動機構の熱膨張を抑制する。【解決手段】3次元積層造形装置は、筒状体を有する造形枠3と、造形枠3の筒状体3aの内部を軸方向に移動し、造形物10を形成するための粉末試料9が積層されるステージ5と、ステージ5の側端部に設けられ、造形枠3の筒状体3aの内面に接するシール部材6と、を備える。また、造形枠3の筒状体3aより大きな径を有する有底の筒状体であって、ステージ5を支持するステージ支持体14を備える。また、上記筒状体3aの軸方向に平行なガイド部材12a,12bと、ステージ支持体14に固定されており、このガイド部材12a,12bに沿って移動するスライド部材13A,13Bと、このスライド部材13A,13Bを駆動する駆動部23Aと、ガイド部材12a,12bを支持する駆動機構支持体31と、を備える。【選択図】図1
Description
本発明は、粉末試料を薄く敷いた層を一層ずつ重ねて造形する3次元積層造形装置に関する。
近年、粉末試料を薄く敷いた層を一層ずつ重ねて造形する3次元積層造形技術が脚光を浴びており、粉末試料の材料や造形手法の違いにより多くの種類の3次元積層造形技術が開発されている(例えば特許文献1を参照)。
図5は、従来技術に係る電子ビームを用いた3次元積層造形装置100の概略断面図である。図5において、3次元積層造形装置100のステージ105の移動方向(鉛直方向)をZ方向とし、Z方向に垂直な第1の方向をX方向、Z方向及びX方向に垂直な第2の方向をY方向とする。
3次元積層造形装置100は、金属粉末107を粉末台であるステージ105の上面に一層毎に敷き詰める。金属粉末109は、ステージ105上に敷き詰められた状態の金属粉末107である。次に、ステージ105上に敷き詰められた金属粉末109に対し、造形物110の一断面に相当する二次元構造部だけを電子ビームで溶融する。そして、そのような金属粉末109の層を一層ずつ高さ方向(Z方向)に積み重ねることにより造形物を形成する。
3次元積層造形装置100は、図5に示すように、真空容器101の上部に電子銃102が装着されており、真空容器101の内部には筒状の造形枠台103が設けられている。造形枠台103の中央部に形成されたピット111の下方にはZ駆動機構104が設けられている。ステージ105と接続したZ軸部105dが、Z駆動機構104によりZ方向に駆動する機構となっている。一般に、Z駆動機構104として、ラック&ピニオンやボールねじ等が用いられる。ステージ105の側端部には、耐熱性及び柔軟性のあるシール部材106が設けられており、シール部材106と造形枠台103の内面とのすべり面で摺動性と密閉性を持たせている。真空容器101内の雰囲気が図示していない真空ポンプにより排気されることで、真空容器101内は真空に維持されている。
3次元積層造形装置100による造形の開始時には、電子ビーム照射により、ステージ105及びその周囲の雰囲気が余熱される。そして、Z駆動機構104により、ステージ105が、造形枠台103の上面よりZ方向にΔZ分下がった位置に配置される。このステージ105のZ方向への動きは、シール部材106が造形枠台103の内面を滑ることにより実現される。そして、金属粉末107を充填した線状漏斗108が、造形枠台103の上面(図5の左側)に沿ってステージ105を挟んで反対側にある造形枠台103の上面(図5の右側)に移動し、厚さΔZ分の金属粉末107がステージ105に敷き詰められる。
次に、予め準備された設計上の造形物をΔZ間隔でスライスした2次元形状に従い、金属粉末109に対し電子銃102から電子ビームが出射される。電子銃102から出射された電子ビームにより、その2次元形状に対応する金属粉末109が溶融する。溶融した金属粉末109は、材料に応じた所定時間が経過すると凝固する。1層分の金属粉末109が溶融及び凝固した後、Z駆動機構104によりステージ105をΔZ分下げる。次に、ΔZ分の金属粉末107を直前に敷き詰められた層(下層)の上に敷き詰める。そして、その層に相当する2次元形状に対応する領域の金属粉末109に電子ビームを照射し、金属粉末109を溶融及び凝固させる。この一連の処理を繰り返し、溶融及び凝固した金属粉末109の層を積み重ねることにより造形物が構築される。
上述したように、シール部材106に柔軟性のある材料を用いている。そのため、ステージ105の横方向(X方向又はY方向)の位置決めは、シール部材106の柔軟性分だけ自由度を持つことになる。ステージ105がZ方向に300mm程度移動できる3次元積層造形装置100において、ステージ105の側端部にシール部材106が設けられている場合、ステージ105の室温における横方向への振れ量は、20μm以上である。なお、シール部材106がない場合には、ステージ105の室温における横方向への振れ量は、50μm以上である。このことから、シール部材106があることによってシール部材106がない場合よりも横方向の動き(位置)が規制されるものの、ステージ105を駆動するラック&ピニオンやボールねじ等だけでは、シール部材106の横方向の動きを規制できないことがわかる。なお、シール部材106には軸に垂直な方向(断面方向)への弾力性があるので、ステージ105に加わる外力によっては、ステージ105の室温における横方向への振れ量は、50μmを超える可能性もある。
特許文献1に記載の技術を含む従来の3次元積層造形技術では、Z方向への移動に伴うシール部材106の自由度分の横方向の位置ずれや、Z駆動機構104を構成する部材の熱膨張による精度劣化について、言及していない。
上記の状況から、Z駆動機構の横方向の動きを規制し、また、Z駆動機構の熱膨張を抑制することが要望されていた。
上述した目的のうち少なくとも一つを実現するため、本発明の一態様に係る3次元積層造形装置は、筒状体を有する造形枠と、この造形枠の筒状体の内部を軸方向に移動し造形物を形成するための粉末試料が積層されるステージと、このステージの側端部に設けられた造形枠の筒状体の内面に接するシール部材と、を備える。また、造形枠の筒状体より大きな径を有する有底の筒状体であって、ステージを支持するステージ支持体を備える。また、上記筒状体の軸方向に平行なガイド部材と、ステージ支持体に固定されておりガイド部材に沿って移動するスライド部材と、このスライド部材を駆動する駆動部と、ガイド部材を支持する駆動機構支持体と、を備える。
上記の3次元積層造形装置は、造形枠の筒状体の外面に配置されたヒータと、造形枠とステージ支持体との間に配置された熱遮蔽板と、を備えていてもよい。
上記の3次元積層造形装置は、造形枠の筒状体の外面に配置されたヒータと、造形枠とステージ支持体との間に配置された熱遮蔽板と、を備えていてもよい。
本発明の一態様に係る3次元積層造形装置によれば、ガイド部材及びステージ支持体に固定されたスライド部材により、ステージの横方向の動きが規制される。
また、造形枠とステージ支持体との間に熱遮蔽板を設けることにより、造形枠からの輻射熱が遮蔽され、ステージの横方向の位置を規制しているガイド部材及びスライド部材の熱膨張が抑えられる。
また、造形枠とステージ支持体との間に熱遮蔽板を設けることにより、造形枠からの輻射熱が遮蔽され、ステージの横方向の位置を規制しているガイド部材及びスライド部材の熱膨張が抑えられる。
本発明の少なくとも一つの実施の形態によれば、Z駆動機構の横方向の動きを規制することができる。また、造形枠から他へ熱が伝わるのを防止する構造とした場合、ガイド部材及びスライド部材等の駆動機構の熱膨張を抑制し、熱膨張による歪みや摺動性の劣化が抑えられる。
以下、本発明を実施するための形態の例について、添付図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通の構成要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
<1.第1の実施の形態>
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る3次元積層造形装置の構成例を示す断面図である。図2は、3次元積層造形装置のステージ支持体が、移動範囲の最下端(本実施の形態では最上端からの距離約600mm)まで移動した状態を示した断面図である。図1及び図2において、3次元積層造形装置1のステージ5の移動方向(鉛直方向)をZ方向とし、Z方向に垂直な第1の方向をX方向、Z方向及びX方向に垂直な第2の方向をY方向とする。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る3次元積層造形装置の構成例を示す断面図である。図2は、3次元積層造形装置のステージ支持体が、移動範囲の最下端(本実施の形態では最上端からの距離約600mm)まで移動した状態を示した断面図である。図1及び図2において、3次元積層造形装置1のステージ5の移動方向(鉛直方向)をZ方向とし、Z方向に垂直な第1の方向をX方向、Z方向及びX方向に垂直な第2の方向をY方向とする。
[3次元積層造形装置の構成]
3次元積層造形装置1は、図1及び図2に示すように、真空容器1Aの上部に電子銃2が装着されており、真空容器1Aの内部には造形枠3が設けられている。造形枠3は、筒状体3a及びつば部3bからなる。筒状体3aは、軸方向に垂直な方向の断面の形状が四角形である角筒である。ただし、完成した造形物10を造形枠3から取り出せるようにするために、その四角形の一辺(角筒の外周面の一面)は開放可能な構造となっている。つば部3bは、筒状体3aのZ方向の一端に形成されており、その端部は、真空容器1Aの側壁に固定されている。
3次元積層造形装置1は、図1及び図2に示すように、真空容器1Aの上部に電子銃2が装着されており、真空容器1Aの内部には造形枠3が設けられている。造形枠3は、筒状体3a及びつば部3bからなる。筒状体3aは、軸方向に垂直な方向の断面の形状が四角形である角筒である。ただし、完成した造形物10を造形枠3から取り出せるようにするために、その四角形の一辺(角筒の外周面の一面)は開放可能な構造となっている。つば部3bは、筒状体3aのZ方向の一端に形成されており、その端部は、真空容器1Aの側壁に固定されている。
造形枠3の内側には、XY平面に平行な面を持ち、造形枠3の筒状体3aの内部を軸方向に移動するステージ5が配置されている。ステージ5は、造形物10を形成するための金属粉末7が積層される粉末台である。ステージ5には、金属粉末7を充填した線状漏斗8により、金属粉末7が敷き詰められる。金属粉末9は、ステージ5上に敷き詰められた状態の金属粉末7である。線状漏斗8の排出口は、当該線状漏斗8の移動方向(X方向)に垂直な方向(Y方向)に延在し、金属粉末7が移動方向の中心から所定幅でステージ5に敷き詰められる。
造形枠3の筒状体3aの外面には、ヒータ20が配置されている。ヒータ20は、造形枠3の筒状体の外面に巻回されるように配置されている。ヒータ20としては、例えば2種類のセラミックスで構成されたPG/PBN(Pyro-lytic Graphite/ Pyro-lytic Boron Nitride)ヒータ等の1000℃以上の温度に加熱できるヒータが用いられる。
ステージ5は、断熱構造体が配置されたステージ支持体14によって支持されている。ステージ支持体14は、造形枠3の筒状体3aの外径(Z方向に垂直な方向の長さ)よりも大きな径を有する有底の筒状体(角筒)であり、Z駆動機構12A,12BによりZ方向に移動する。筒状体(角筒)であるステージ支持体14の外周面の一面は、開放されている。このステージ支持体14のZ方向への移動に伴い、ステージ5のZ方向における位置が変化する。ステージ支持体14が移動範囲の上側(図1の状態)に位置するとき、造形枠3の筒状体3aがステージ支持体14の内側にほぼ収容された状態となる。なお、図1では、断熱構造体として第1の断熱構造体15及び第2の断熱構造体16が、底部側から第1の断熱構造体15、第2の断熱構造体16の順に配置されている。ステージ5は、第2の断熱構造体16に固定されている。図1の例では、第2の断熱構造体16の内部に空間部16aが形成されており、一定の断熱効果を保ちつつ、軽量化されている。
ステージ5は、造形枠3の筒状体3aの内面に囲まれている。ステージ5の側端部には、造形枠3の筒状体3aの内面に接するシール部材6が設けられている。シール部材6としては、耐熱性及び柔軟性を有するグラスウールなどが用いられる。ステージ5の側端部に柔軟性を持つシール部材6を設けることによって、シール部材6と筒状体3aの内面とのすべり面において摺動性と密閉性を持たせている。それにより、ステージ5の上面に敷き詰められた金属粉末9がステージ5の下に漏れることを防止している。真空容器1A内の雰囲気は図示していない真空ポンプにより排気されることで、真空容器1A内は真空に維持されている。
3次元積層造形装置1の基準となる土台30の上面に、Z駆動機構支持部31(駆動機構支持部の一例)が固定されている。Z駆動機構支持部31は、ステージ支持体14の外径より大きな径を有する筒状体(角筒)であり、その筒状体のZ方向の一端につば部が形成されている。筒状体(角筒)であるZ駆動機構支持部31の外周面の一面は、ステージ支持体14と同様に開放されている。つば部の端部は、真空容器1Aの側壁に固定されている。Z駆動機構支持部31の内面には、Z駆動機構12A,12Bが取り付けられている。Z駆動機構12A,12Bは、Z駆動機構支持部31の中心部を挟んで対向するように配置されている。Z駆動機構12A,12Bの構成は同じであるので、ここではZ駆動機構12Aを図示してその構造を説明する。
図3は、Z駆動機構12Aの説明図である。図3に示すZ駆動機構12Aは、Z駆動機構支持部31とZ駆動機構12Aの間から、X方向にZ駆動機構12Aを見た状態を表したものである。
Z駆動機構12Aは、図3に示すように、ガイド部材12aと、ボールねじ22Aと、スライド部材13Aと、駆動部23Aを有する。Z駆動機構12Aは、ガイド部材12aとスライド部材13Aとの接触部にローラが用いられたリニアローラガイドである。ガイド部材12aは、Z駆動機構支持部31の内面にZ方向に沿って並列に固定された2本のガイドシャフト12a1,12a2から構成される。ボールねじ22Aは、ガイドシャフト12a1,12a2と同様にZ駆動機構支持部31の内面にZ方向に配置されており、一端にモータ等の駆動部23Aが接続されている。ボールねじ22Aは、駆動部23Aの駆動力を受けて正回転又は逆回転する。スライド部材13Aは、ボールねじ22Aの回転に応じて、2本のガイドシャフト12a1,12a2に沿って(案内されて)Z方向(上下)へ移動する。スライド部材13Aは、ステージ支持体14の筒状体及びZ駆動機構支持部31の筒状体の形状に合わせて、一例としてYZ平面に平行な面を持つ平板状の形状である。スライド部材13Aの少なくともYZ平面に平行な面には、ステージ支持体14の筒状体の一の面が固定されている。そのため、スライド部材13AのZ方向への移動に伴ってステージ支持体14がZ方向へ移動し、ステージ5のZ方向における位置(高さ)が変わる。
Z駆動機構12Aは、図3に示すように、ガイド部材12aと、ボールねじ22Aと、スライド部材13Aと、駆動部23Aを有する。Z駆動機構12Aは、ガイド部材12aとスライド部材13Aとの接触部にローラが用いられたリニアローラガイドである。ガイド部材12aは、Z駆動機構支持部31の内面にZ方向に沿って並列に固定された2本のガイドシャフト12a1,12a2から構成される。ボールねじ22Aは、ガイドシャフト12a1,12a2と同様にZ駆動機構支持部31の内面にZ方向に配置されており、一端にモータ等の駆動部23Aが接続されている。ボールねじ22Aは、駆動部23Aの駆動力を受けて正回転又は逆回転する。スライド部材13Aは、ボールねじ22Aの回転に応じて、2本のガイドシャフト12a1,12a2に沿って(案内されて)Z方向(上下)へ移動する。スライド部材13Aは、ステージ支持体14の筒状体及びZ駆動機構支持部31の筒状体の形状に合わせて、一例としてYZ平面に平行な面を持つ平板状の形状である。スライド部材13Aの少なくともYZ平面に平行な面には、ステージ支持体14の筒状体の一の面が固定されている。そのため、スライド部材13AのZ方向への移動に伴ってステージ支持体14がZ方向へ移動し、ステージ5のZ方向における位置(高さ)が変わる。
Z駆動機構12Bも、Z駆動機構12Aと同様に、2本のガイドシャフトで構成されるガイド部材12bと、ボールねじ22Bと、スライド部材13Bと、モータ等の駆動部23Bを有する(図1参照)。スライド部材13Bが、ボールねじ22Bの回転に応じて、ガイド部材12bの2本のガイドシャフトに案内されてZ方向へ移動する。スライド部材13Bも、ステージ支持体14の筒状体及びZ駆動機構支持部31の筒状体の形状に合わせて、一例としてYZ平面に平行な面を持つ平板状の形状である。スライド部材13Bの少なくともYZ平面に平行な面には、ステージ支持体14の筒状体の上記一の面と反対側にある他の面が固定されている。Z駆動機構12Aのスライド部材13AとZ駆動機構12Bのスライド部材13Bの駆動は、ステージ5がXY平面に平行(水平)となるように制御される。
このようなZ駆動機構12A,12Bを持つ3次元積層造形装置1において、ステージ支持体14(ステージ5)のZ方向のストロークが600mm程度である場合に、ステージ5の室温における横方向への振れ量は、3μm〜数μmと非常に小さい。
土台30の中央部には、図1及び図2に示すように、ステージ支持体14の外径よりも大きな径の穴であるピット11が形成されている。ステージ支持体14は、Z駆動機構12A,12Bにより、Z駆動機構支持部31の内側及びピット11をZ方向に移動する。
造形枠3の筒状体3aとステージ支持体14との間には、熱遮蔽板17が設けられている。造形物10の周りは高温になるが、この熱遮蔽板17によって真空雰囲気での赤外線(輻射熱)が遮蔽される。熱遮蔽板17は、筒状体3a及びステージ支持体14の筒状体の形状に合わせて、一例として筒状体(角筒)である。筒状体(角筒)である熱遮蔽板17の外周面の一面は、ステージ支持体14と同様に開放されている。また、熱遮蔽板17の底部には、第1の断熱構造体15及び第2の断熱構造体16の外径より大きな径の貫通孔が形成されており、この貫通孔を第1の断熱構造体15及び第2の断熱構造体16がZ方向に移動する。このように熱遮蔽板17を薄板で形成することにより、設計自由度が限られる3次元積層造形装置1の大型化を抑えることができる。
この熱遮蔽板17は、熱伝導率が高い材質で形成された接続部材17a介して、冷却配管18(冷却部の一例)により冷却されているZ駆動機構支持部31に接触している。接続部材17a、ステージ支持体14の移動を妨げないよう、熱遮蔽板17(筒状体)の上部とZ駆動機構支持部31の筒状体の上端を連結している。冷却配管18は、配管内部を冷却水等が流れており、Z駆動機構支持部31の筒状体の外面に巻回されるように配置されている。また、造形枠3のつば部3bの下面には、断熱材19が配置されており、造形枠3のつば部3bが断熱材19を介してZ駆動機構支持部31の筒状体の上端に固定されている。熱遮蔽板17と断熱材19によって、造形枠3からZ駆動機構支持部31に熱が輻射されること及び熱が伝導することを防止できる。
スライド部材13BとZ駆動機構支持部31との間には、Z駆動機構支持部31に対するスライド部材13Bの相対変位を読み取るためのリニアスケール21が取り付けられている。リニアスケール21の出力値から、スライド部材13Bすなわちステージ5のZ方向の位置を把握できる。リニアスケール21を、スライド部材13B側だけではなく、スライド部材13A側に配置してもよい。
なお、造形枠3の筒状体3aは、造形物10の素材に応じて適宜選択するものとする。つば部3bを筒状体3aと別体にした場合は、つば部3bの材質にステンレス等の比較的熱伝導率の小さい金属を用いてもよい。また、ステージ支持体14には、熱遮蔽板17が配置されている場合、例えばZ駆動機構12A,12Bのガイドシャフトと同等の熱膨張係数を持つ材質を用いることができる。また、Z駆動機構支持部31には、例えばステージ支持体14と同じ材質が用いられる。
[動作]
3次元積層造形装置1は、積層造形の開始時に、ヒータ20により造形枠3の筒状体3aを余熱する。造形枠3の筒状体3aが余熱されることにより、ステージ5及び周囲の雰囲気が余熱される。次に、Z駆動機構12A,12Bにより、造形枠3のつば部3bの上面よりZ方向にΔZ分下がった位置にステージ5を配置する。このΔZが、その後に敷き詰められる金属粉末7のZ方向の層厚に相当する。次に、金属粉末7が充填された線状漏斗8を、造形枠3のつば部3bの上面に沿ってステージ5を挟んで反対側にある造形枠3のつば部3bの上面へと移動させ、厚さΔZ分の金属粉末7をステージ5に敷き詰める。
3次元積層造形装置1は、積層造形の開始時に、ヒータ20により造形枠3の筒状体3aを余熱する。造形枠3の筒状体3aが余熱されることにより、ステージ5及び周囲の雰囲気が余熱される。次に、Z駆動機構12A,12Bにより、造形枠3のつば部3bの上面よりZ方向にΔZ分下がった位置にステージ5を配置する。このΔZが、その後に敷き詰められる金属粉末7のZ方向の層厚に相当する。次に、金属粉末7が充填された線状漏斗8を、造形枠3のつば部3bの上面に沿ってステージ5を挟んで反対側にある造形枠3のつば部3bの上面へと移動させ、厚さΔZ分の金属粉末7をステージ5に敷き詰める。
次に、3次元積層造形装置1は、予め準備された設計上の造形物(3次元CAD(Computer−Aided Design)データにより表された造形物)をΔZ間隔でスライスした2次元形状に従い、金属粉末9に対し電子銃2から電子ビームを出射する。電子銃2から出射された電子ビームにより、その2次元形状に対応する領域の金属粉末9が溶融する。溶融した金属粉末9は、材料に応じた所定時間が経過すると凝固する。1層分の金属粉末9が溶融及び凝固した後、Z駆動機構12A,12Bによりステージ5をΔZ分下げる。このステージ5のZ方向への動きは、シール部材6が造形枠3の筒状体3aの内面を滑ることにより実現される。
次に、線状漏斗8を再び造形枠3の上面に沿ってステージ5を挟んで元の側にある造形枠3の上面へと移動させ、ΔZ分の金属粉末7を直前に敷き詰められた層(下層)の上に敷き詰める。そして、電子銃2から出射される電子ビームにより、その層に相当する2次元形状に対応する領域の金属粉末9を溶融及び凝固させる。この一連の処理を繰り返して、溶融及び凝固した金属粉末9の層を積み重ねることにより造形物10を構築する。
3次元積層造形装置1は、積層造形の過程でステージ5がZ方向に移動する際に、スライド部材13Aが、ボールねじ22AによりZ駆動機構支持部31に取り付けられた2本のガイドシャフト12a1,12a2に案内されてZ方向に移動する(図3)。スライド部材13Aは、ガイドシャフト12a1,12a2とスライド部材13Aの持つ精度で、滑らかに移動できる。スライド部材13Bも同様に、図示しないボールねじにより2本のガイドシャフトに案内されて、Z方向に滑らかに精度よく移動できる。ここでは、Z駆動機構12A,12Bにリニアローラガイドを用いた機構を採用しているが、同程度の精度を有する機構であれば、他の機構でもよい。
スライド部材13A,13Bに固定されたステージ支持体14は、横方向の動きを規制されながら(精度を保ちながら)、その底部に搭載された第1の断熱構造体15及び第2の断熱構造体16を介して、ステージ5を造形枠3の筒状体3aの内部でZ方向に移動する。積層造形する際には、このステージ5のZ方向の動きをμmオーダの精度で制御して、金属粉末9の層を一層ずつ積み重ねる。そのときの造形物10の造形精度は、ステージ5のZ方向の移動に対するX方向及びY方向(横方向)への振れ量に依存することになり、より少ない振れ量であればより精度が高くなる。ステージ5の横方向の位置は、基本的にはガイド部材12aとスライド部材13Aの動きに依存し、そこでの横振れが小さければ、ステージ5での横方向の位置ずれも小さくなる。一方で、造形枠3の筒状体3aの内面がZ方向に対して平行でなかったり、歪んでいたりした場合は、柔軟性を持つシール部材6の自由度分で吸収できる(吸収できる程度に造形枠3を合わせ込む)。
上述したとおり、造形枠3の筒状体3aの外面には、ヒータ20が配置されている。造形物10や敷きつめられた金属粉末9は、電子ビームにより高温に加熱されるため、その温度を造形枠3及びステージ5も含めその温度を保温できるようにすることで、造形物10の熱歪み等を緩和することができる。そのため、1000℃以上の温度に加熱できるヒータ20を造形枠3の周りに配置し、敷きつめられた金属粉末9ごと造形物10の温度をその材質に応じて適切に制御する。この温度制御により、造形枠3の筒状体3a全体が高温に保たれることになる。
このような状態において、その周りのガイド部材12a,12bとスライド部材13A,13Bにまでヒータ20の熱が伝わる。したがって、そのままでは上記各部材の熱膨張により、スライド部材13A,13BのZ方向への動きが悪くなる。また、積層造形の度、加熱と冷却を繰り返すために、ガイド部材12a,12bとスライド部材13A,13Bとの摺動面が凸凹になり、横方向のガタが大きくなる。それを防ぐため、3次元積層造形装置1は、断熱、熱遮蔽及び冷却のための構造を有している。
断熱のための構造として、ステージ支持体14の底部とステージ5との間に、第1の断熱構造体15と第2の断熱構造体16を配置し、ガイド部材12a,12b及びスライド部材13A,13Bへの熱伝導を抑えている。第1の断熱構造体15には、一例として熱伝導率が低い耐火煉瓦、セラミックス等を用いる。また、第2の断熱構造体16には、一例として、ステンレス等の金属の中でも熱伝導率が低い材質を用いている。本実施の形態では、第2の断熱構造体16に熱伝導率が低い材質を用いつつ、内部に空間を形成して構造的にも熱伝導を抑えている。なお、図1の例では、第1の断熱構造体15と第2の断熱構造体16の2段階で熱伝導を抑制しているが、いずれか1段階でもよい。
さらに、造形枠3は、Z駆動機構支持部31に固定されている必要があるが、上述したように、造形枠3からZ駆動機構支持部31への熱の伝導を抑えるため、断熱材19を介して、造形枠3のつば部3bとZ駆動機構支持部31を固定している。断熱材19により固体間の熱の伝導を防ぐことができる。
熱遮蔽のための構造として、上述したように、高温となっている造形枠3と過熱を抑えたいステージ支持体14等との間に赤外線を反射する熱遮蔽板17を設けている。熱遮蔽板17としては、比較的熱伝導率が良く反射面を作り易いアルミニウム板等が適当である。また、熱遮蔽板17の熱を逃がす必要もあり、熱遮蔽板17の固定端は、低温部に接するような構造となっている。ここでは、熱遮蔽板17の固定端(筒状体の上端)は、熱伝導率が高い接続部材17aを介して、冷却配管18により冷却されたZ駆動機構支持部31に固定されている。
冷却のための構造としては、上述したように、Z駆動機構支持部31の筒状体の外面に冷却配管18を設けている。これにより、Z駆動機構支持部31全体を冷却し、接続部材17aを介して熱遮蔽板17を冷却している。
上述した第1の実施の形態は、ステージ5を、横方向の自由度が規制されているガイド部材12a,12b及びスライド部材13A,13Bを有するZ駆動機構12A,12Bを介して移動させる構成を有している。そのため、Z方向へ移動するステージ5の側端部に設けられたシール部材6の自由度分の不安定性が解消され、ステージ5の横方向の振れ量が小さくなる。したがって、ステージ5の横方向の位置の精度が向上し、造形物10の造形精度が改善される。
また、造形枠3と、Z駆動機構12,12B(ガイド部材12a,12b及びスライド部材13A,13B)との間を断熱することにより、ガイド部材12a,12b及びスライド部材13A,13Bの熱膨張を防ぎ、熱膨張による歪みや摺動性の劣化が抑えられる。それゆえ、Z駆動機構12,12Bは、精度の良いZ方向の動きを維持できる。
また、造形枠3と、Z駆動機構12,12B(ガイド部材12a,12b及びスライド部材13A,13B)との間を断熱することにより、ガイド部材12a,12b及びスライド部材13A,13Bの熱膨張を防ぎ、熱膨張による歪みや摺動性の劣化が抑えられる。それゆえ、Z駆動機構12,12Bは、精度の良いZ方向の動きを維持できる。
<2.第2の実施の形態>
第2の実施の形態例は、第1の実施の形態に係る3次元積層造形装置1(図1及び図2)に対して、銅網線を設けた例である。
第2の実施の形態例は、第1の実施の形態に係る3次元積層造形装置1(図1及び図2)に対して、銅網線を設けた例である。
図4は、第2の実施の形態例に係る3次元積層造形装置50の構成例を示す断面図である。
3次元積層造形装置1では、低温の冷却配管18が取り付けられたZ駆動機構支持部31から高温のステージ5までの熱平衡によって、ガイド部材12a,12b及びスライド部材13A,13Bの温度が決まる。ガイド部材12a,12bとスライド部材13A,13Bとの間は、スライド部材13A,13Bが備えるローラによる点接触や線接触となり、その間で熱勾配が大きくなる恐れがある。すなわち、スライド部材13A,13Bが備えるローラが高温になる恐れがある。そこで、図4に示すように、Z駆動機構支持部31とステージ支持体14を、可撓性を有し熱伝導率が高い材質からなる銅網線33を接続する。ここでは、ピット11の一部を拡張し、銅網線33をZ駆動機構支持部31のつば部の下面とステージ支持体14の筒状体の下面に接続することで、銅網線33がステージ支持体14のZ方向への移動の妨げにならないようにしている。
3次元積層造形装置1では、低温の冷却配管18が取り付けられたZ駆動機構支持部31から高温のステージ5までの熱平衡によって、ガイド部材12a,12b及びスライド部材13A,13Bの温度が決まる。ガイド部材12a,12bとスライド部材13A,13Bとの間は、スライド部材13A,13Bが備えるローラによる点接触や線接触となり、その間で熱勾配が大きくなる恐れがある。すなわち、スライド部材13A,13Bが備えるローラが高温になる恐れがある。そこで、図4に示すように、Z駆動機構支持部31とステージ支持体14を、可撓性を有し熱伝導率が高い材質からなる銅網線33を接続する。ここでは、ピット11の一部を拡張し、銅網線33をZ駆動機構支持部31のつば部の下面とステージ支持体14の筒状体の下面に接続することで、銅網線33がステージ支持体14のZ方向への移動の妨げにならないようにしている。
なお、上述した第1及び第2の実施の形態例において、粉末試料として金属粉末を用いたが、樹脂粉末やその他の粉末でもよい。望ましくは高融点の粉末試料であるとよい。
また、上述した第1及び第2の実施の形態例において、Z駆動機構12A,12Bによりステージ5を押し上げて、完成した造形物10を造形枠3から取り出すようにしてもよい。
また、上述した第1及び第2の実施の形態例において、金属粉末9に電子ビームを照射する構成を説明したが、イオンビームあるいはレーザビームを用いてもよい。
また、上述した第1及び第2の実施の形態例において、造形枠3の筒状体3a、ステージ支持体14の筒状体、Z駆動機構支持部31の筒状体、及び熱遮蔽板17の筒状体の例として、角筒を例示したが、円筒でもよい。また、スライド部材13A、13Bは、ステージ支持体14の筒状体(角筒)及びZ駆動機構支持部31の筒状体(角筒)の形状に合わせて、YZ平面に平行な面を持つ平板状の形状を例示したが、湾曲した形状でもよい。
以上、本発明は上述した各実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の変形例、応用例を取り得ることは勿論である。
例えば、上記した実施の形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態例の構成の一部を他の実施の形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態例の構成に他の実施の形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態例の構成の一部について、他の構成の追加、置換、削除をすることが可能である。
例えば、上記した実施の形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態例の構成の一部を他の実施の形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態例の構成に他の実施の形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態例の構成の一部について、他の構成の追加、置換、削除をすることが可能である。
1,50…3次元積層造形装置、 3…造形枠、 3a…筒状体、 3b…つば部、 5…ステージ(粉末台)、 6…シール部材、 7…金属粉末、 9…金属粉末、 10…造形物、 11…ピット、 12A,12B…Z駆動機構、 12a,12b…ガイド部材、 12a1,12a2…ガイドシャフト、 13A,13B…スライド部材、 14…ステージ支持体、 15…第1の断熱構造体、 16…第2の断熱構造体、 16a…空間部、 17…熱遮蔽板、 17a…接続部材、 18…冷却配管、 19…断熱材、 20…ヒータ、 22…ボールねじ、 23…駆動部、 31…Z駆動機構支持部、33…銅網線
Claims (5)
- 筒状体を有する造形枠と、
前記造形枠の筒状体の内部を軸方向に移動し、造形物を形成するための粉末試料が積層されるステージと、
前記ステージの側端部に設けられ、前記造形枠の筒状体の内面に接するシール部材と、
前記造形枠の筒状体より大きな径を有する有底の筒状体であって、前記ステージを支持するステージ支持体と、
前記筒状体の軸方向に平行なガイド部材と、
前記ステージ支持体に固定されており、前記ガイド部材に沿って移動するスライド部材と、
前記スライド部材を駆動する駆動部と、
前記ガイド部材を支持する駆動機構支持部と、
を備える3次元積層造形装置。 - 前記造形枠の前記筒状体の外面に配置されたヒータと、
前記造形枠と前記ステージ支持体との間に配置された熱遮蔽板と、
を備える請求項1に記載の3次元積層造形装置。 - 前記ステージ支持体の底部に配置された断熱構造体を有し、
前記ステージは前記断熱構造体を介して前記ステージ支持体に支持されている
請求項2に記載の3次元積層造形装置。 - 前記駆動機構支持部の外面に配置された冷却部と、
前記熱遮蔽板と前記駆動機構支持部とを接続する接続部材と、
を備える請求項2又は3に記載の3次元積層造形装置。 - 前記ガイド部材及び前記スライド部材からなる駆動機構が複数設けられている
請求項1乃至3のいずれかに記載の3次元積層造形装置。
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