JP2015193134A - Three-dimensional laminate modeling apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、粉末材料層の所定の領域を凝固させて形成する凝固層の形成を複数層繰り返すことにより、三次元構造の造形物を形成する三次元積層造形装置に関する。 The present invention relates to a three-dimensional additive manufacturing apparatus that forms a three-dimensional structure by repeatedly forming a solidified layer formed by solidifying a predetermined region of a powder material layer.
近年、造形物を一層ずつ重ねて造形する積層造形技術が脚光を浴びており、素材や造形手法の違いにより、多くの種類の三次元積層造形装置が開発されている(特許文献1参照)。 In recent years, a layered modeling technique for modeling a modeled object one by one has attracted attention, and many types of three-dimensional layered modeling apparatuses have been developed due to differences in materials and modeling methods (see Patent Document 1).
図9に従来の三次元積層造形装置の概略断面構成を示す。図9に示すように、従来の三次元積層造形装置100は、中央部にピット部102aを有する造形枠102と、造形枠102のピット部102a内部に設けられたステージ105と、ステージ105をピット部102a内部で上下に移動させる駆動機構103とを有する。さらに、三次元積層造形装置100は、ステージ105の表面に粉末材料Pを供給する粉末タンク107A,107Bと、ブレード109と、ステージ105表面に形成される粉末材料Pの層にレーザ光や電子ビームなどのエネルギービームを照射するためのビーム源110とを有する。
FIG. 9 shows a schematic cross-sectional configuration of a conventional three-dimensional additive manufacturing apparatus. As shown in FIG. 9, a conventional three-dimensional
粉末タンク107A,107Bは、ステージ105の両側に配置されており、ステージ105側に所望の粉末材料Pを供給する。ステージ105は、その端面にシール部材106を備え、このシール部材106によりステージ105と造形枠102との間で摺動性と密閉性が保持されている。ブレード109は、例えばステージ105の幅方向に延在する板状の部材で構成される。ブレード109は、2つの粉末タンク107A,107B間を往復する支持部材108に支持されることで、粉末タンク107A,107Bから流出する粉末材料Pを平坦に均しながらステージ105表面に敷き詰める。ビーム源110は、所望の三次元構造物を造形するために、一定の厚みにスライスした2次元形状のデータに基づいてエネルギービームを照射し、そのエネルギービームにより、ステージ105上の粉末材料Pを溶融する。
The
このような三次元積層造形装置100では、まず、ブレード109で粉末タンク107A,107Bから排出された粉末材料Pを掻き取りながらステージ105上に運び、ステージ105の表面に一層分の粉末材料Pを敷き詰める。そして、その粉末材料Pの層に対してエネルギービームを二次元面内で走査することで所定の位置にある粉末材料Pを溶融させる。このとき、溶融した粉末材料P同士が接合し、その後凝固することで一層分の凝固層が形成される。次に、ラック&ピニオンやボールねじなどの駆動機構103によってステージ105を下げて更に粉末材料Pを敷き詰め、前工程と同様にしてその粉末材料を溶融・凝固させることで、先に作成された下層の凝固層と一体となった二層分の凝固層を形成する。このように、ステージ105を下げ、ステージ105上に粉末材料Pを供給し、その粉末材料Pを溶融及び凝固させる工程を繰り返すことで、三次元の造形物Mが形成される。
In such a three-dimensional
ところで、粉末材料Pを溶融・凝固させて所望の造形物Mを形成する場合、その形成過程において、不要に溶融して凝固した粗大溶融片が、ステージ105上の粉末材料Pの層に混入する場合がある。従来の三次元積層造形装置100のように、一枚のブレード109で粉末材料Pの層を敷き詰める場合、ステージ105上の粉末材料Pの層に粗大溶融片が混入した状態でブレード109を移動させると、その粗大溶融片の影響により一回の移動では粉末材料Pの層を平坦にできない。このため、従来は、ステージ105上において、ブレード109を複数回行き来させることで粉末材料Pの層を平坦に均すことが行われていた。
By the way, when the desired material M is formed by melting and solidifying the powder material P, a coarse molten piece that has been melted and solidified unnecessarily enters the layer of the powder material P on the
このように、従来の三次元積層造形装置100では、粉末材料Pの敷き詰めの為、ステージ105上でブレード109を複数回行き来させる必要があり、粉末材料Pの敷き詰め工程に時間がかかってしまう。
Thus, in the conventional three-dimensional
そこで、本発明は、ブレードを一方向に一回移動させるだけでステージの上面に平坦な粉末材料の層を形成することができる三次元積層造形装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a three-dimensional additive manufacturing apparatus capable of forming a flat powder material layer on the upper surface of a stage only by moving a blade once in one direction.
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の三次元積層造形装置は、表面に造形物を形成するための粉末材料が供給されるステージと、ステージの近傍に粉末材料を供給する粉末供給部とを有する。また、本発明の三次元積層造形装置は、ステージの上面側を移動する移動部及びブレード部を備える。ブレード部は、移動部の移動方向と直交する方向に延在する複数のブレードであって、移動部の移動方向に沿って移動部に支持された複数のブレードを備える。そして、ブレード部は、移動部の移動に伴って粉末材料を均しながらステージの上面に敷き詰める。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the three-dimensional additive manufacturing apparatus of the present invention includes a stage to which a powder material for forming a modeled object is supplied on the surface, and a powder material in the vicinity of the stage. And a powder supply unit for supplying. The three-dimensional additive manufacturing apparatus of the present invention includes a moving unit and a blade unit that move on the upper surface side of the stage. The blade unit is a plurality of blades extending in a direction orthogonal to the moving direction of the moving unit, and includes a plurality of blades supported by the moving unit along the moving direction of the moving unit. The blade portion spreads on the upper surface of the stage while leveling the powder material as the moving portion moves.
本発明の三次元積層装置では、ブレード部が複数枚のブレードで構成されることにより、ブレード部を一方向に一回移動させるだけで、ステージの上面に平坦な粉末材料の層を形成することができる。 In the three-dimensional laminating apparatus of the present invention, the blade part is composed of a plurality of blades, so that a flat powder material layer is formed on the upper surface of the stage only by moving the blade part once in one direction. Can do.
本発明によれば、作業効率の向上が図られた三次元積層造形装置を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a three-dimensional additive manufacturing apparatus in which work efficiency is improved.
以下に、本発明の実施形態に係る三次元積層造形装置の一例を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。 Hereinafter, an example of a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following examples.
〈1.第1の実施形態:三次元積層造形装置〉
[1−1.三次元積層造形装置の構成]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図(その1)であり、図2は、本発明の第1の実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図(その2)である。図1は、三次元積層造形装置を正面における断面図(一部正面図で示す)であり、図2は、三次元積層造形装置の側面における断面図(一部側面図で示す)である。
<1. First Embodiment: Three-dimensional additive manufacturing apparatus>
[1-1. Configuration of 3D additive manufacturing equipment]
FIG. 1 is a schematic diagram (No. 1) showing an overall configuration of a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a three-dimensional additive stack according to the first embodiment of the present invention. It is the schematic (the 2) which shows the whole structure of a modeling apparatus. FIG. 1 is a sectional view (partially shown in a front view) of the three-dimensional additive manufacturing apparatus, and FIG. 2 is a sectional view (partially shown in a side view) of a side surface of the three-dimensional additive manufacturing apparatus.
図1に示すように、本実施形態の三次元積層造形装置1は、真空容器2と、真空容器2の内部に構成された造形枠3、ヒータ4、ステージ5、ステージ支持体6、Z駆動機構支持部7、均し部材移動機構10、均し部材19、粉末供給部35及び粉末回収ボックス40とを有する。また、本実施形態の三次元積層造形装置1は、真空容器2の上部に装着された造形部50を備える。以下の説明では、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。また、本実施形態では、造形物を形成する粉末材料として、チタン、アルミニウム、鉄等の金属粉末を用いる例を説明する。
As shown in FIG. 1, the three-dimensional
真空容器2は、内部を真空に維持できる容器で構成されており、上部に造形部50が装着されている。造形物を造形する場合は、図示しない真空ポンプにより真空容器2内が脱気され、真空容器2の内部は真空に維持される。
The
造形枠3は、その軸方向がZ方向となる筒状体3aと、筒状体3aの軸方向の上端部側に設けられたつば部3bとを有する。筒状体3aは、軸方向に垂直な方向の断面が四角形である角筒である。つば部3bは、筒状体3aの上端部の側周に設けられており、表面が水平となるように構成されている。また、つば部3bの外周の端部は真空容器2の内壁面に固定されている。筒状体3a内部では、後述するステージ5上で造形物Mが形成される。このため、完成した造形物Mを造形枠3から取り出せるように、筒状体3aを構成する角筒の一面は開放可能な構造となっている。
The
ヒータ4は、筒状体3aの外周面に沿って配置されている。ヒータ4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(Pyrolytic Graphite/ Pyrolytic 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。ヒータ4が加熱されることにより筒状体3aが加熱され、筒状体3a内部の温度を上げることができる。
The
ステージ5は、表面にXY平面に平行な面を有する四角形の板状の部材で構成されており、筒状体3a内部でZ方向に上下動可能な大きさに構成されている。そして、ステージ5は、第1断熱構造体26及び第2断熱構造体27からなる断熱構造体が配置されたステージ支持体6によって支持され、その表面が水平になるように造形枠3の筒状体3a内部に配置されている。
The
また、ステージ5の外周の端部には、筒状体3aの内壁面に接するシール部材11が設けられており、ステージ5と筒状体3aの内壁面との滑り面において、摺動性と密閉性とを持たせている。シール部材11としては、例えば、耐熱性及び柔軟性を有するセラミクスウールなどを用いることができる。シール部材11が設けられていることにより、後述する粉末供給部35から供給される金属粉末Pがステージ5の下に漏れることを防止することができる。
Further, a
ステージ支持体6は、ステージ5の表面と平行な面を有する板状の底部6aと、底部6aのX方向に対向する辺においてZ方向に立設された側壁部6bとで構成され、上方が開放された断面がコ字状の部材で構成されている。底部6aは造形枠3の筒状体3aのZ方向に垂直な面の断面積よりも大きな面積で構成された四角形状の部材で構成され、側壁部6bは、長方形状の面を有する板状の部材で構成されている。そして、ステージ支持体6は、底部6aの側壁部6bが設けられた側の面に、第1断熱構造体26及び第2断熱構造体27からなる断熱構造体を介してステージ5を支持すると共に、側壁部6bが造形枠3の取り出し口となる面を塞がないように配置されている。
The
第1断熱構造体26及び第2断熱構造体27は、この順でステージ支持体6の底部6aに積層して配置されており、第2断熱構造体27の上面にステージ5が固定されている。第1断熱構造体26としては、熱伝導率の低い材料を用いることができ、例えば、耐火煉瓦、セラミックス等を用いることができる。また、第2断熱構造体27としては、熱伝導率が低い金属材料を用いることができ、例えば、ステンレスを用いることができる。さらに、本実施形態では、第2断熱構造体27の内部に空間部27aが形成されており、軽量化が図られると共に、熱伝導を抑えている。
The first
Z駆動機構支持部7は、ステージ支持体6を挟む位置に配置された第1Z駆動機構支持部7A及び第2Z駆動機構支持部7Bで構成されている。第1Z駆動機構支持部7A及び第2Z駆動機構支持部7Bは、それぞれ、真空容器2の底部側に設けられた土台30上面に固定される板状の底部7aと、底部7aの端部の辺においてZ方向に立設された側壁部7bとからなる断面がL字状の部材で構成されている。第1Z駆動機構支持部7A及び第2Z駆動機構支持部7Bは、それぞれの底部7aの側壁部7bが設けられた側とは反対側の端部が真空容器2の内壁面に固定されており、それぞれの側壁部7bがステージ支持体6の側壁部6bに沿うように配置されている。また、第1Z駆動機構支持部7A及び第2Z駆動機構支持部7Bのそれぞれの側壁部7b及びステージ支持体6の側壁部6bの対向する面には、Z駆動機構12A,12Bが設けられている。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を代表して図示し、その構造を説明する。
The Z drive
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、第1Z駆動機構支持部7A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。
FIG. 3 is an explanatory diagram of the
Z駆動機構12Aは、図3に示すように、第1Z駆動機構支持部7A側に取り付けられたガイド部材12a、ボールねじ32A及び駆動部31Aと、ステージ支持体6側に取り付けられたスライド部材34Aとを有する。このZ駆動機構12Aは、ガイド部材12aとスライド部材34A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。
As shown in FIG. 3, the
ガイド部材12aは、第1Z駆動機構支持部7Aの側壁部7b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32Aがガイドシャフト12a1,12a2と同様に第1Z駆動機構支持部7Aの側壁部7bにZ方向に配置されており、一端にモータ等の駆動部31Aが接続されている。ボールねじ32Aは駆動部31Aの駆動力を受けて正回転又は逆回転する。
The
スライド部材34Aは、ボールねじ32A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(上下方向)へ移動する。スライド部材34Aは、ステージ支持体6の側壁部6b及び第1Z駆動機構支持部7Aの側壁部7b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34Aの少なくともYZ平面に平行な面には、ステージ支持体6の側壁部6bが固定されている。そのため、スライド部材34AのZ方向への移動に伴ってステージ支持体6がZ方向へ移動し、造形枠3の筒状体3a内部におけるステージ5のZ方向における位置(高さ)が変わる。
The
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32Bと、スライド部材34Bと、モータ等の駆動部31Bを有する(図1参照)。スライド部材34Bが、ボールねじ32B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34Bもスライド部材34Aと同様、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34Bの少なくともYZ平面に平行な面には、ステージ支持体6の側壁部6b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34B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。
Similarly to the
このようなZ駆動機構12A,12Bを持つ三次元積層造形装置1において、ステージ支持体6(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、室温におけるステージ5の横方向への振れ量は、3μm〜数μmと非常に小さい。そして、このようなZ駆動機構12A,12Bによってステージ支持体6がZ駆動機構支持部7に対してZ方向にスライドすることでステージ5がZ方向に移動する。
In the three-dimensional
土台30は、Z駆動機構支持部7が載置される台であり、中央部にステージ支持体6の底部6aの外径よりも大きな径の穴(ピット)30aが形成されている。ステージ支持体6は、Z駆動機構12A,12Bにより、第1及び第2Z駆動機構支持部7A,7Bの内側及びピット30a内をZ方向に移動する。
The
また、造形枠3の筒状体3aの外周面とステージ支持体6の側壁部6bとの間、及び、造形枠3の筒状体3aの土台30側の端部とステージ支持体6の底部6aとの間には、熱遮蔽板41が設けられている。造形枠3の周りは高温になるが、この熱遮蔽板41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41の形成材料としては、比較的熱電率が良く、反射面を作りやすいアルミニウムを用いることができる。
Further, between the outer peripheral surface of the
この熱遮蔽板41は、熱伝導率が高い材質で形成された接続部材41aを介して、冷却配管42により冷却されているZ駆動機構支持部7に接触している。熱遮蔽板41の上部とZ駆動機構支持部7の側壁部7bのそれぞれの上端は、接続部材41a、ステージ支持体6の移動を妨げないように連結している。冷却配管42は、配管内部を冷却水等が流れており、Z駆動機構支持部7の側壁部7bのステージ支持体6に面する側とは反対側の面に沿う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44が配置されており、造形枠3のつば部3bが断熱材44を介してZ駆動機構支持部7の側壁部7bの上端に固定されている。このように、熱遮蔽板41と断熱材44によって、造形枠3からZ駆動機構支持部7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。
The
均し部材移動機構10は、造形枠3のつば部3bの上面側に設けられており、ステージ5を挟んで配置された第1回転機構10A及び第2回転機構10Bによって構成されている。第1回転機構10Aは、後述する均し部材19の移動方向(X方向)においてステージ5を挟む位置に配置された一対の歯車13とその一対の歯車13に張架された第1ベルト部14で構成されている。また、第2回転機構10Bは、第1回転機構10Aと同様、後述する均し部材19の移動方向(X方向)においてステージ5を挟む位置に配置された一対の歯車17とその一対の歯車17に張架された第2ベルト部16で構成されている。第1ベルト部14及び第2ベルト部16としては、例えばチェーンベルトや耐熱性歯付ベルトを用いることができる。そして、図2に示すように、第1及び第2回転機構10A,10Bは、第1及び第2ベルト部14,16のそれぞれが、XY平面においてステージ5の上方をX方向に走行するように、ステージ5のX方向の辺に沿って配置されている。
The leveling
第1回転機構10Aを構成する一対の歯車13と第2回転機構10Bを構成する一対の歯車17はそれぞれ同形状である。また、第1回転機構10Aを構成する一対の歯車13の一方と、第2回転機構10Bを構成する一対の歯車17の一方がY方向に並んで配置されると共に、同一の回転軸15aに接続されている。さらに、第1回転機構10Aを構成する一対の歯車13の他方と、第2回転機構10Bを構成する一対の歯車17の他方がY方向に並んで配置されると共に、同一の回転軸15bに接続されている。そして、図2に示すように、回転軸15aは、真空容器2の外部に配置されたモータ18に接続されている。また、回転軸15bについても、図示はされていないが、真空容器2の外部に配置されたモータに接続されている。モータ18からの回転駆動力は回転導入機などのOリングを用いたフィードスルーによって真空容器2内に導入される。
The pair of
なお、図2では、回転軸15aの一方の端部がモータ18に接続され、他方の端部が支持されていないが、他方の端部も真空容器2の内壁面に回転可能に支持される構成としてもよい。また、本実施形態では、回転軸15a,15bの両方がモータに接続される構成としたが、2本の回転軸15a,15bのうち、少なくとも一方がモータに接続されていればよい。
In FIG. 2, one end of the
このような構成において、モータ18を駆動し、歯車13,17を回転させることによって、第1及び第2回転機構10A,10Bの第1及び第2ベルト部14,16が回転する。このとき、Y方向に隣り合う同形状の歯車13,17同士が同一速度で回転することで、第1及び第2回転機構10A,10Bにおける第1及び第2ベルト部14,16が同一速度で回転する。このような構成の均し部材移動機構10において、第1及び第2ベルト部14,16間に後述する均し部材19を支持することにより、均し部材19をX方向に移動させることができる。本明細書においては、図1において、第1及び第2ベルト部14,16は時計回りに回転するものとし、ステージ5に近い側を移動する均し部材19は、後述する粉末供給部35側から粉末回収ボックス40側へ(図1の右側から左側へ)移動するものとして、以下の説明を行う。
In such a configuration, by driving the
図4は、均し部材19の側面図である。均し部材19は、第1及び第2ベルト部14,16の回転と共に移動する移動部20と、その移動部20に支持されるブレード部21と、移動部20の両側端部に設けられた支持部材22及び補助車輪23とを備える。
FIG. 4 is a side view of the leveling
移動部20は支持部材22に対して回転の自由度を持った状態で支持されている。また、支持部材22は、移動部20の移動方向に直交する両側端部に設けられており、移動部20の両側端部に設けられたそれぞれの支持部材22が第1ベルト部14及び第2ベルト部16に固定されている。このとき、移動部20の長手方向のバランスが取れ、ブレード部21のステージ5側の端部が水平になるように移動部20は第1ベルト部14及び第2ベルト部16に固定されている。そして、移動部20は、第1及び第2ベルト部14,16に固定されることにより、第1及び第2ベルト部14,16の回転に伴って移動する。
The moving
補助車輪23は、支持部材22と同様、移動部20の移動方向に直交する方向の両側端部において、支持部材22よりもステージ5側に近い位置に設けられている。補助車輪23は回転軸25により回転可能に取り付けられている。また、本実施形態では、補助車輪23は、移動部20のそれぞれの側端部に2つずつ設けられており、側端部に設けられた2つの補助車輪23は、移動部20の移動方向に並べて配置されている。
As with the
本実施形態では、図2に示すように、ステージ5が配置される領域の外側の領域において、ステージ5のX方向(すなわち、均し部材19の移動方向)の辺に沿ってレール24が配置されている。そして、移動部20がステージ5に近い位置を移動する際には補助車輪23はステージ5脇に設けられたレール24に嵌合し、レール24上を回転移動する。これにより、移動部20のZ方向の動きが規制され、移動部20のX方向への移動が安定する。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the
ブレード部21は、図4に示すように、第1〜第3ブレード21a〜21cの3つのブレードで構成されている。第1〜第3ブレード21a〜21cは、長方形状の部材で構成され、その長手方向が均し部材19の移動方向と直交する幅方向に延在するように移動部20に固定されている。また、第1〜第3ブレード21a〜21cは、X方向に所定の間隔を空けて移動部20に支持され、均し部材19の移動方向の先頭側(すなわち、図1では左側)から、第1ブレード21a、第2ブレード21b、第3ブレード21cの順に配置されている。
As shown in FIG. 4, the
本実施形態では、第1ブレード21aは非可撓性の板状部材で構成され、第2ブレード21bは可撓性の板状部材で構成される。また、第3ブレード21cは、第2ブレード21bよりも弾性変形しやすい可撓性の部材で構成され、ステージ5側の辺側が、均し部材19の移動方向とは反対方向に湾曲している。さらに、第1〜第3ブレード21a〜21cは、後述する金属粉末Pと同じ材料で形成されている。第1〜第3ブレード21a〜21cは、移動部20の移動に伴い、後述する粉末タンク34から排出された金属粉末Pを掻き取りながらX方向に移動し、掻き取った金属粉末Pをステージ5上面に敷き詰める。
In the present embodiment, the
第1ブレード21aを非可撓性の比較的硬い板状部材で構成することにより、粉末タンク34から供給される金属粉末Pを運ぶ際に、後述する粉末受け37上から掻き取った金属粉末Pの重みによるブレードの撓みを防止することができる。これにより、金属粉末Pをステージ5全面に運ぶことができる。また、第1ブレード21aを非可撓性の部材で構成することにより、第2層目以降の金属粉末Pの敷き詰め工程において、ステージ5上にできた溶融片等の不要物を後述する粉末回収ボックス40側に運ぶことができる。
By configuring the
一方、第2ブレード21bを可撓性の比較的柔らかい板状部材で構成することにより、金属粉末Pの表面をより平坦に均すことができる。また、第3ブレード21cを第2ブレード21bを構成する板状部材よりも弾性変形しやすい可撓性の板状部材で構成し、ステージ5に近い側の端部側が移動部20の移動方向と反対方向に湾曲した形状とする。これにより、ステージ5上の金属粉末Pの表面をさらに平坦にすることができる。
On the other hand, the surface of the metal powder P can be leveled more flatly by configuring the
また、本実施形態では、図1に示すように、均し部材19は回転する第1及び第2ベルト部14,16の半周置きに1つずつ配置されている。これにより、一方の均し部材19をステージ5の上面において右から左に移動させた場合、他方の均し部材19は左から右に移動するので、どちらかの均し部材19を常に粉末供給部35の近傍に待機させておくことができ、金属粉末Pの敷き詰め工程を効率的に行うことができる。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the leveling
粉末供給部35は、金属粉末Pが充填された漏斗状の粉末タンク34と、粉末タンク34の金属粉末Pを排出する排出口に設けられた計量排出器36とを備える。粉末タンク34は、造形枠3のつば部3bの外側に配置され、その排出口は、つば部3bのY方向の辺に沿って設けられた粉末受け37に金属粉末Pを排出するようにステージ5のY方向の辺に沿って設けられている。
The
計量排出器36は、例えばモータで回転されるスクリューで構成されており、排出口から粉末受け37に排出される金属粉末Pの排出量を調整する。例えば、粉末受け37に設けられた重量測定器(図示を省略する)で粉末受け37に排出されている金属粉末Pの重量を計測し、その重量に基づいて必要な量の金属粉末Pを計量排出器36で計量して排出する。計量排出器36からは、ステージ5に敷き詰められる一層分の量の粉末が粉末受け37に供給されていることが好ましい。
The
粉末受け37は、造形枠3がヒータ4で予備加熱される際に発生する熱の伝導を避けるため、造形枠3のつば部3bとは断熱されている。粉末受け37は熱伝導率の低い材料で形成したり、粉末受け37を造形枠3のつば部3bと接触しないようにつば部3bよりも一段上に配置したりすることで、粉末受け37と造形枠3のつば部3bとを断熱することができる。粉末受け37を造形枠3と断熱することで、供給される金属粉末Pが粉末受け37上で焼結するのを防止することができる。
The
また、本実施形態では、均し部材19のブレード部21によって粉末受け37に供給された金属粉末Pを掻き取り、その掻き取った金属粉末Pをステージ5上に敷き詰める。したがって、均し部材19の軌道が粉末受け37上方を通るように、均し部材移動機構10の位置と粉末受け37の高さ(位置)とが調節されている。
Further, in the present embodiment, the metal powder P supplied to the
粉末回収ボックス40は、ステージ5を挟んで粉末供給部35とは反対側に設けられ、造形枠3のつば部3bよりも外側に設けられている。均し部材19が一方向に移動することによりブレード部21で掻き寄せられた余剰の金属粉末Pは粉末回収ボックス40に最終的に回収される。本実施形態では、図示を省略するが、粉末回収ボックス40はふるい等で構成される粉末分級器を備え、ブレード部21によって掻き寄せられた粗大溶融片等の不要物を粉末分級器によって取り除き、分級された粉末を回収することができる。
The
造形部50は、電子銃で構成されており、電子ビーム出射がステージ5の表面に向くように真空容器2の上面に装着されている。本実施形態では、造形部50から出射された電子ビームがステージ5の表面で二次元的に走査される。電子ビームが出射されることにより、ステージ5の表面に供給された金属粉末Pが溶融し、溶融した金属粉末P同士が接合しながら凝固する。これにより、所望の形状の凝固層を形成することができ、凝固層の形成を繰り返すことで三次元の造形物Mを形成することができる。
The
[1−2.三次元積層造形装置の動作]
次に、造形物Mの製造時における三次元積層造形装置1の動作を説明する。図5は、ステージ5上部への金属粉末Pの敷き詰め作業時の説明図である。また、図6は、ステージ支持体6が移動範囲の最下端まで移動した状態を示した図である。なお、図1,2,5,6では、金属粉末Pの敷き詰め、及び、金属粉末Pの溶融・凝固を複数回繰り返した後の断面構成を示しているが、以下では、第1層目における金属粉末Pの敷き詰め工程から説明する。
[1-2. Operation of 3D additive manufacturing equipment]
Next, operation | movement of the three-dimensional
まず、Z駆動機構12A,12Bによりステージ5の表面が造形枠3のつば部3bの表面とほぼ同じ高さになるように調整する。次に、ヒータ4により造形枠3の筒状体3aの予備加熱を行う。造形枠3の筒状体3aが予備加熱されることにより、ステージ5及び周囲の雰囲気が予備加熱される。次に、計量排出器36によって粉末タンク34から所定の量の金属粉末Pを排出する。排出された金属粉末Pは主に粉末受け37上部に供給される。
First, the
次に、モータ18を回転させることで均し部材移動機構10の第1及び第2ベルト部14,16を回転させ、均し部材19を移動させる。本実施形態では、均し部材19が粉末受け37上に供給された金属粉末Pを掻き取り、掻き取った金属粉末Pをステージ5上に運ぶ。このため、第1及び第2ベルト部14,16を回転し始める時に、2つの均し部材19のうちどちらかの均し部材19が粉末受け37に近い側(図1では右側)の歯車の上部に位置するように調整しておく。
Next, by rotating the
第1及び第2ベルト部14,16が回転することにより、粉末受け37に近い側の歯車の上部側にあった均し部材19は、図1の破線で示すようにブレード部21を移動部20の下端面に保持しながら時計回りに移動する。これにより、ブレード部21は粉末受け37にある金属粉末Pを掻き取りながら移動し、均し部材19が歯車上の最下点に到達したときに、移動部20の両側端に設けられた補助車輪23がレール24に嵌合する。そして、補助車輪23がレール24に案内されることで、均し部材19はレール24の軌道で決まる高さを維持しながら水平に移動する。このとき、均し部材19のブレード部21のステージ5側の先端と造形枠3のつば部3b表面との隙間が、作成される造形物Mの第1層目の層厚となる。そして、均し部材19がX方向に移動することによって、第1層目の金属粉末Pがステージ5の上面に平坦に均されながら供給される。
As the first and
図5に示すように、均し部材19が右側から左側に移動することで金属粉末Pがステージ5上に供給され、その後、ブレード部21によって掻き寄せられた余剰の金属粉末Pは、粉末回収ボックス40に回収される。図5に示すように、一方の均し部材19がステージ5上部を均しながら右側から左側に移動するのに伴い、他方の均し部材19は、左側から右側に移動する。そして、金属粉末Pの敷き詰めが終わり、2つの均し部材19が均し部材移動機構10のX方向の両側(右左)に振り分けられた状態で第1及び第2ベルト部14,16の回転を停止する。その後、造形枠3上に均し部材19が存在しない状態(図1に示す状態)で造形部50から電子ビームを出射する。
As shown in FIG. 5, the metal powder P is supplied onto the
造形部50は、三次元積層造形装置1で製造する目的の造形物の三次元CAD(Computer−Aided Design)データを一定の厚み(Δzの厚み)にスライスした2次元データに基づいて電子ビームを走査し、金属粉末Pを溶融する。そして、溶融した金属粉末P同士が接合して凝固することにより、一層分の造形物Mが形成される。
The
続いて、Z駆動機構12A,12Bにより、Δz分だけステージ5を下げる。そして、粉末タンク34から所定の量の金属粉末Pを粉末受け37に供給し、モータ18を駆動して第1及び第2ベルト部14,16を回転させることにより均し部材19を移動させることで、再度、第1層目と同様にして金属粉末Pをステージ5上に敷き詰める。第2層目における金属粉末Pの敷き詰め工程では、第1層目の金属粉末Pの敷き詰め工程が終了した時点で図1の右側の歯車の上端部側で停止している均し部材19が用いられる。このように、本実施形態では、均し部材19を第1及び第2ベルト部14,16の半周置きに1つずつ設けることによって、第1及び第2ベルト部14,16が半回転する毎に金属粉末Pの敷き詰めを行うことができるため、作業効率を上げることができる。
Subsequently, the
そして、第2層目の金属粉末Pが敷き詰められた後、第2層目に相当する二次元データに基づいて電子ビームを走査し、金属粉末Pを溶融する。このとき、溶融した金属粉末P同士が接合すると共に、溶融した金属粉末Pが第1層目の凝固層とも接合して凝固する。これにより二層分の造形物Mが形成される。そして、図6に示すように、ステージ支持体6をZ駆動機構支持部7に対してZ方向に移動することでステージ5をZ方向に下げながら、金属粉末Pの敷き詰め、及び、金属粉末Pの溶融・凝固を繰り返し行うことにより、所望の造形物Mを形成する。
Then, after the second layer of metal powder P is spread, an electron beam is scanned based on the two-dimensional data corresponding to the second layer to melt the metal powder P. At this time, the molten metal powder P is bonded to each other, and the molten metal powder P is also bonded to the first solidified layer to be solidified. As a result, a two-layer shaped object M is formed. Then, as shown in FIG. 6, the metal powder P is spread while the
本実施形態では、ブレード部21を第1〜第3ブレード21a〜21cからなる3枚のブレードで構成することで、一枚のブレードで金属粉末Pを敷き詰める場合に比較して、金属粉末Pの層の平坦性を高めることができる。このため、本実施形態では、均し部材19をステージ5上面において一方向に一回移動させるだけで、十分に平坦な金属粉末Pの層を形成することができる。また、移動方向の先頭に配置される第1ブレード21aを非可撓性の部材で構成し、粉末受け37上で掻き取った金属粉末Pの重みに耐え得る素材とすることで、金属粉末Pをステージ5上面の端部にまで運ぶことができる。
In the present embodiment, the
ところで、第2層目以降の金属粉末Pの敷き詰め工程では、下層に、溶融・凝固の工程で発生した溶融ゴミ等が混ざっている場合がある。本実施形態の三次元積層造形装置1では、ブレード部21のうち、移動方向の先頭に配置された第1ブレード21aが非可撓性の部材で構成される。このため、第1ブレード21aが粉末受け37に供給された金属粉末Pをステージ5上に運ぶと同時に、下層に残った溶融ゴミなどを粉末回収ボックス40側に移動させる役割を果たす。そして、第2及び第3ブレード21b,21cを可撓性の部材で構成することにより、金属粉末Pを均しながらステージ5上に平坦に敷き詰めることができる。さらに、本実施形態では、第3ブレード21cは可撓性部材で構成されると共に、ステージ5に近い側の端部側が移動方向とは反対方向に湾曲した形状であるため、金属粉末Pの表面を更に平坦にし、仕上がりをよりきれいにすることができる。
By the way, in the laying process of the metal powder P in the second and subsequent layers, molten dust generated in the melting / solidifying process may be mixed in the lower layer. In the three-dimensional
また、従来、ブレードは例えば耐熱性に優れたSUS(Steel Use Stainless)で形成されていたが、粉末材料としてSUS以外のものを用いた場合には、摩耗したブレード材が不純物として造形物に混入するおそれがある。これに対し、本実施形態では、第1〜第3ブレード21a〜21cを金属粉末Pと同じ素材か同等の素材で構成することにより、作成される造形物Mへの異素材の混入を防止することができる。
Conventionally, the blade is made of, for example, SUS (Steel Use Stainless), which has excellent heat resistance. However, when a powder material other than SUS is used, the worn blade material is mixed into the molded object as an impurity. There is a risk. On the other hand, in the present embodiment, the first to
本実施形態では、ブレード部21は、剛度や形状の異なる第1〜第3ブレード21a〜21cで構成したが、剛度及び形状が同じであるブレードを複数枚用いてブレード部21を構成してもよい。ブレード部21は、ステージ5上を一方向に一回移動させるだけで金属粉末Pを平坦に均すことのできる構成であればよく、種々の変更が可能である。
In the present embodiment, the
[1−3.均し部材の変形例]
図7に、変形例に係る均し部材の概略構成を示す。図7において、図4に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。なお、図7では、均し部材60の移動方向(X方向)から均し部材60を見たときの平面図である。
[1-3. Variation of leveling member]
FIG. 7 shows a schematic configuration of a leveling member according to a modification. In FIG. 7, parts corresponding to those in FIG. FIG. 7 is a plan view when the leveling
図7に示すように、変形例に係る均し部材60は、形状を異ならせた複数枚(図7では2枚)のブレード61,62でブレード部63を構成する例を示す。均し部材60は、移動部20と、移動部20に支持された櫛歯状の第1ブレード61及び第2ブレード62を有する。第1ブレード61の歯部と第2ブレード62の歯部は、それぞれ異なる幅に形成されており、第1及び第2ブレード61,62は、第1ブレード61の歯部が第2ブレード62の隣り合う2つの歯部間の隙間を覆うように配置されている。また、変形例においても第1及び第2ブレード61,62は、用いられる金属粉末Pと同じ材料で構成されることが好ましい。
As shown in FIG. 7, the leveling
このように、櫛歯状のブレード61,62を2枚用いることによっても、不要な溶融片を除去し、かつ、表面を平坦に均しながら金属粉末Pを敷き詰めることができる。2枚のブレードを移動部20に設けることで、均し部材60を一度ステージ5上で移動させるだけで、金属粉末Pを平坦に均すことができる。
As described above, by using two comb-shaped
〈2.第2の実施形態:粉体ポンプを有する三次元積層造形装置〉
図8に、本発明の第2の実施形態に係る三次元積層造形装置の概略断面構成を示す。本実施形態の三次元積層造形装置70は、第1の実施形態に係る三次元積層造形装置1に、粉体ポンプ71を追加した例である。図8において、図1に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。
<2. Second Embodiment: Three-dimensional additive manufacturing apparatus having a powder pump>
FIG. 8 shows a schematic cross-sectional configuration of a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention. The three-dimensional
粉体ポンプ71は、例えばスクリューポンプなどの、金属粉末Pを自動輸送可能な装置で構成され、粉末回収ボックス40から粉末タンク34に粉末を輸送するように配置されている。この粉体ポンプ71は、例えば造形枠3の造形物Mの取り出し口とは反対側など製造工程において邪魔にならない位置に配置される。粉体ポンプ71は例えば粉末回収ボックス40に取り付けられたモータ取り付け台74に固定されたモータ73によって駆動される。モータ73を駆動することにより、粉末回収ボックス40において、ふるいにかけられることで異物が取り除かれ分級された金属粉末Pを粉末タンク34に運ぶ。
The
以上のように、本実施形態では、敷き詰め工程でブレード部21が余剰に掻き取った金属粉末Pを回収して再度、造形物Mの作成に用いることができ、余剰粉末の自動リサイクルが可能である。その他、本実施形態の三次元積層造形装置70においても、第1の実施形態と同様の効果を有する。
As described above, in the present embodiment, the metal powder P excessively scraped off by the
上述した第1及び第2の実施形態では、粉末材料として金属粉末を用いる例としたが、これに限られるものではない。例えば、粉末材料として、金属材料の他、セラミック、樹脂等を用いることができる。また、ブレード部を構成する複数枚のブレードはそれぞれ材質を異ならせてもよい。 In the first and second embodiments described above, the metal powder is used as the powder material. However, the present invention is not limited to this. For example, as the powder material, ceramic, resin, or the like can be used in addition to a metal material. The plurality of blades constituting the blade portion may be made of different materials.
また、第1及び第2の実施形態では、造形部50として電子銃を用いる例としたが、これに限られるものではない。例えば、造形部50として、レーザ光を発振するレーザ光源や、イオンビームを発生させるイオン銃、紫外線を照射する紫外線照射装置などを用いることができる。また、粉末材料に液滴を吐出させて粉末材料を固めるような構成の装置にも本願発明を適用することができる。なお、第1及び第2の実施形態では、造形部50として電子銃を用いる例とするため、ステージ5を真空引きした真空容器2内に配置する構成としたが、造形部50としてレーザ光源を用いる場合には大気中で造形物の製造工程を行うことができる。
In the first and second embodiments, the electron gun is used as the
以上、本発明は上述した各実施形態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範囲内において、種々の変形が可能である。 As mentioned above, this invention is not limited to each embodiment mentioned above, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from the summary described in the claim.
1・・・三次元積層造形装置、2・・・真空容器、3・・・造形枠、3a・・・筒状体、3b・・・つば部、4・・・ヒータ、5・・・ステージ、6・・・ステージ支持体、7・・・Z駆動機構支持部、7A・・・第1Z駆動機構支持部、7B・・・第2Z駆動機構支持部、10・・・均し部材移動機構、10A・・・第1回転機構、10B・・・第2回転機構、11・・・シール部材、12A,12B・・・Z駆動機構、12a・・・ガイド部材、13,17・・・歯車、13A・・・スライド部材、14・・・第1ベルト部、16・・・第2ベルト部、18・・・モータ、19・・・均し部材、20・・・移動部、21・・・ブレード部、21a・・・第1ブレード、21b・・・第2ブレード、21c・・・第3ブレード、22・・・支持部材、23・・・補助車輪、24・・・レール、26・・・第1断熱構造体、27・・・第2断熱構造体、30・・・土台、34・・・粉末タンク、35・・・粉末供給部、36・・・計量排出器、40・・・粉末回収ボックス、41・・・熱遮蔽板、42・・・冷却配管、44・・・断熱材、50・・・造形部、63・・・ブレード部、70・・・三次元積層造形装置、71・・・粉体ポンプ、73・・・モータ
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記粉末材料を供給するために前記ステージの近傍に設けられた粉末供給部と、
前記ステージの上方であって、前記ステージの表面に対して平行な方向に移動する移動部と、
前記移動部に設けられ、前記移動部の移動方向と直交する方向に延びた複数のブレードからなるブレード部と
を備える三次元積層造形装置。 A stage for holding a powder material for forming a shaped object on the surface;
A powder supply unit provided in the vicinity of the stage for supplying the powder material;
A moving unit that is above the stage and moves in a direction parallel to the surface of the stage;
A three-dimensional additive manufacturing apparatus, comprising: a blade portion that is provided in the moving portion and includes a plurality of blades extending in a direction orthogonal to a moving direction of the moving portion.
前記ステージの上面側に配置され、回転する第2ベルト部を有し、前記第2ベルト部の延在方向が前記第1ベルト部の延在方向と平行になるように配置されている第2回転機構とを備え、
前記移動部は、前記第1ベルト部と前記第2ベルト部との間に支持され、前記第1及び第2ベルト部の回転に伴って前記ステージの上面側を移動する
請求項1に記載の三次元積層造形装置。 A first rotation mechanism disposed on the upper surface side of the stage and having a first belt portion that rotates;
A second belt portion disposed on the upper surface side of the stage and having a rotating second belt portion, wherein the extending direction of the second belt portion is parallel to the extending direction of the first belt portion; A rotation mechanism,
The said moving part is supported between the said 1st belt part and the said 2nd belt part, and moves the upper surface side of the said stage with rotation of the said 1st and 2nd belt part. 3D additive manufacturing equipment.
請求項2に記載の三次元積層造形装置。 Two moving parts are arranged between the first and second belt parts, and the two moving parts are arranged one by one for each half circumference of the rotating first and second belt parts. 3. The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to 2.
請求項1〜3のいずれかに記載の三次元積層造形装置。 The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of blades have different stiffnesses and / or shapes.
請求項1〜4のいずれかに記載の三次元積層造形装置。 The blade portion is provided on the leading side in the moving direction, and is provided on the rear side of the first blade with respect to the moving direction by a first blade made of an inflexible material. The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 1, further comprising: a second blade made of a material.
前記移動方向に対して前記第2ブレードの後ろ側に設けられ、前記粉末材料に接する辺側が前記移動方向と反対方向に湾曲した第3ブレードを有する
請求項5に記載の三次元積層造形装置。 The blade portion further includes
The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 5, further comprising a third blade that is provided on a rear side of the second blade with respect to the moving direction and has a side that is in contact with the powder material curved in a direction opposite to the moving direction.
請求項1〜6のいずれかに記載の三次元積層造形装置。 The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the plurality of blades are made of the same material as the powder material.
請求項1〜7のいずれかに記載の三次元積層造形装置。 The said powder supply part is provided with the powder tank with which the powder material was filled, and the measurement discharger provided in the discharge port which discharges | emits the powder material of the said powder tank, The three-dimensional in any one of Claims 1-7 Additive manufacturing equipment.
請求項1〜8のいずれかに記載の三次元積層造形装置。 The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 8, further comprising a powder recovery box that recovers an excess powder material remaining after laying a powder material on the upper surface of the stage at the blade portion.
請求項9に記載の三次元積層造形装置。 The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 9, wherein the powder recovery box includes a powder classifier that removes unnecessary substances.
請求項9又は10に記載の三次元積層造形装置。 The three-dimensional additive manufacturing apparatus of Claim 9 or 10 provided with the powder pump which automatically conveys the powder material collect | recovered with the said powder collection | recovery box to the said powder supply part again.
前記粉末タンクの排出口近傍に設けられ、前記造形枠と断熱された粉末受けとを更に備える
請求項1〜11に記載の三次元積層造形装置。 The stage includes a cylindrical body that is movable in the axial direction inside, a modeling frame that is heated by a heater from the outside,
The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 1, further comprising a powder receiver provided near the discharge port of the powder tank and insulated from the modeling frame.
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