JP2015193187A - ３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法 - Google Patents

３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法 Download PDF

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Abstract

【課題】造形室が汚れることなく、完成した造形物を取り出すことができる３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法を提供する。【解決手段】３次元積層造形装置１は、造形室２と、造形ボックス３と、ステージ４と、ボックス支持体６と、を備えている。造形ボックス３は、造形物Ｐ１及び造形物を形成するための粉末試料Ｍ１を収容する。ボックス支持体６は、造形室２の内部に設けられ、造形ボックス３を着脱可能に支持する。【選択図】図１

Description

本発明は、ステージ上に粉末試料を薄く敷いた層を一層ずつ重ねて造形する３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法に関する。
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。
従来の３次元積層造形装置の造形方法としては、例えば粉末試料を粉末台であるステージの上面に一層毎に敷き詰める。次に、ステージ上に敷き詰められた粉末試料に対し、造形物の一断面に相当する二次元構造部だけを電子ビームやレーザからなる溶融機構で溶融する。そして、そのような粉末試料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している（例えば、特許文献１参照）。
次に、従来の３次元積層造形装置の一例について、図１３Ａ及び図１３Ｂを参照して説明する。
図１３Ａは、従来の３次元積層造形装置を示す概略断面図である。
図１３Ａに示すように、従来の３次元積層造形装置３００は、造形処理を行う中空の造形室３０２と、造形室３０２内に配置された造形枠３０３と、ステージ３０４と、ステージ３０４を昇降可能に支持するステージ移動機構３０５と、を有している。また、３次元積層造形装置３００は、ステージ３０４の一面に粉末試料の一例を示す金属粉末Ｍ１を供給し、積層する粉末積層部３１０と、金属粉末Ｍ１を溶融させる溶融機構である電子銃３０８と、を有している。
造形枠３０３の中央部には、ピット３０３ａが形成されている。ステージ移動機構３０５は、ピット３０３ａの下方に設けられている。ステージ移動機構３０５は、ステージ３０４の軸部３０４ｄに接続し、ステージ３０４を鉛直方向に駆動する。
従来の３次元積層造形装置３００では、まず、ステージ移動機構３０５により、ステージ３０４が造形枠３０３の上面より鉛直方向に所定の高さ分下がった位置に配置される。次に、粉末積層部３１０により金属粉末Ｍ１をステージ３０４の面に所定の厚さからなる金属粉末Ｍ１を敷き詰める。
次に、予め準備された設計上の造形物を所定の厚さ間隔でスライスした２次元形状に従い、電子銃３０８から金属粉末Ｍ１の層に対して電子ビームが出射される。電子銃３０８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Ｍ１が溶融する。溶融した金属粉末Ｍ１は、材料に応じた所定時間が経過すると凝固し、凝固粉末となる。
次に、１層分の金属粉末Ｍ１が溶融及び凝固した後、ステージ移動機構３０５によりステージ３０４を所定の高さ分下げる。次に、金属粉末Ｍ１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Ｍ１に電子ビームを照射し、金属粉末Ｍ１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Ｍ１の層を積み重ねることにより造形物Ｐ１が構築される。
次に、図１３Ｂを参照して従来の３次元積層造形装置３００における造形物Ｐ１の取り出し動作について説明する。
図１３Ｂは、従来の３次元積層造形装置における造形物Ｐ１を取り出し動作を示す概略断面図である。
図１３Ｂに示すように、ステージ移動機構３０５により、ステージ３０４を鉛直方向の上方に向けて上昇させる。そして、ステージ３０４の一面が造形枠３０３の上面よりも上方、又は造形枠３０３の上面と同一平面上に達するまで、ステージ３０４を上昇させる。そのため、造形枠３０３のピット３０３ａ内に内蔵された造形物Ｐ１がピット３０３ａから外部に出る。そして、造形物Ｐ１の冷却が終了すると、造形室３０２から造形物Ｐ１が取り出される。
特開２００８−２５５４８８号公報
しかしながら、従来の３次元積層造形装置では、完成した造形物を取り出す際に、造形室内で、ステージを上昇させて造形枠のピットから造形物を出しているため、凝固せずに造形物Ｐ１の周りに付着する粉末試料（以下、「不要粉末」という）Ｍ２もピットから押し出される。その結果、ピットから押し出された不要粉末により造形室内が汚れる、という問題を有していた。
本発明の目的は、上記の問題点を考慮し、造形室が汚れることなく、完成した造形物を取り出すことができる３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法を提供することにある。
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３次元積層造形装置は、中空の造形室と、造形ボックスと、ステージと、ボックス支持体と、を備えている。造形室では、造形物を形成する処理が行われる。造形ボックスは、造形物及び造形物を形成するための粉末試料を収容する。ステージは、造形ボックスの内部に鉛直方向へ移動可能に嵌合し、粉末試料が敷き詰められる。ボックス支持体は、造形室の内部に設けられ、造形ボックスを着脱可能に支持する。
上記構成の３次元積層造形装置では、造形ボックスは、ボックス支持体に着脱可能に支持されているため、造形物及び粉末試料を収容した状態でボックス支持体から取り外すことができる。その結果、造形ボックスから完成した造形物を押し出さなくても、造形物を造形室から取り出すことができる。
また、本発明の３次元積層造形方法は、以下（１）〜（２）に示す工程を含んでいる。
（１）造形室の内部で造形物を形成し、造形ボックスの内部に、造形物及び造形物を形成する粉末試料を収容させる工程。
（２）造形ボックスを着脱可能に支持するボックス支持体から造形物及び粉末試料を収容した造形ボックスを取り外す工程。
本発明の３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法によれば、凝固しなかった粉末試料で造形室内が汚れることを防ぐことができる。
本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置を模式的に示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における完成した造形物を造形室から取り外す状態を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置を模式的に示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における造形ボックスの交換動作について示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における造形ボックスの交換動作について示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における造形ボックスの交換動作について示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における造形ボックスの交換動作について示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における造形ボックスの交換動作について示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における造形ボックスの交換動作について示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における造形ボックスの交換動作について示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の処理室の使用例について示す説明図である。 本発明の第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形方法について示す説明図である。 従来技術にかかる３次元積層造形装置を示すもので、図１３Ａは概略断面図、図１３Ｂは完成した造形物を取り出す際の動作を示す説明図である。
以下、本発明の３次元積層造形装置の実施の形態例について、図１〜図１２を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、説明は以下の順序で行うが、本発明は、必ずしも以下の形態に限定されるものではない。
１．第１の実施の形態例
１−１．３次元積層造形装置の構成
１−２．３次元積層造形装置の動作
２．第２の実施の形態例
３．第３の実施の形態例
１．第１の実施の形態例
１−１．３次元積層造形装置の構成
まず、本発明の３次元積層造形装置の第１の実施の形態例について図１を参照して説明する。
図１は、本例の３次元積層造形装置を模式的に示す概略断面図である。
図１に示す３次元積層造形装置１は、例えば、チタン、アルミニウム、鉄等の金属粉末からなる粉末試料に電子ビームを照射して粉末試料を溶融させ、この粉末試料が凝固した層を積み重ねて立体物を造形する装置である。
３次元積層造形装置１は、中空の造形室２と、造形ボックス３と、ステージ４と、ステージ４を移動可能に支持するステージ移動機構５と、造形ボックス３を着脱可能に支持するボックス支持体６と、粉末積層部７と、電子銃８とを有している。電子銃８は、本発明の溶融機構の一具体例を示す。また、３次元積層造形装置１は、ステージ支持体１１と、２つのガイド壁１２とを有している。なお、図１において、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。
造形室２は、中空の箱状に形成されている。この造形室２には、不図示の真空ポンプが接続されている。そして、造形室２内の雰囲気が真空ポンプにより排気されることで、造形室２内は、真空に維持される。この造形室２内には、造形ボックス３と、ステージ４、ステージ移動機構５及び粉末積層部７が設けられている。
また、造形室２内には、ボックス支持体６が配置されている。ボックス支持体６は、略平板状に形成されている。ボックス支持体６は、造形室２内の空間をＺ方向に２つに仕切る。また、ボックス支持体６には、Ｚ方向に貫通する装着孔１３が設けられている。装着孔１３におけるＹ方向の一側は、開口している。また、装着孔１３の外縁におけるＸ方向の両端部には、後述する造形ボックス３を着脱可能に支持する支持部１３ａが設けられている。
造形ボックス３は、軸方向の両端が開口する筒状に形成されている。また、造形ボックス３は、後述する粉末積層部７によって供給された金属粉末Ｍ１及び金属粉末Ｍ１によって形成された造形物Ｐ１を収容する。造形ボックス３は、筒部１５と、筒部１５の上端に設けられた外フランジ部１６と、筒部１５の下端に設けられたストッパ１７とを有している。造形ボックス３は、筒部１５の軸方向がＺ方向と略平行になる姿勢でボックス支持体６に着脱可能に支持される。筒部１５の筒孔内には、金属粉末Ｍ１が積層される。
筒部１５におけるＸ方向で対向する２辺には、挿通孔１８が設けられている。挿通孔１８には、後述する搬送機構１００の搬送アーム１０１が挿入される。
本発明のボックス側装着部の一具体例を示す外フランジ部１６は、筒部１５の外側に向かって突出しており、水平方向に延びている。外フランジ部１６は、ボックス支持体６の支持部１３ａに載置される。なお、外フランジ部１６は、筒部１５の上端における４辺のうち少なくとも２辺に形成されていればよい。
ストッパ１７は、筒部１５の下端から、筒部１５の内側に向かって突出しており、水平方向に延びている。ストッパ１７は、筒部１５の下端における４辺のうち少なくとも１辺に形成されていればよい。ストッパ１７は、ステージ４に当接することで、ステージ４のＺ方向における下方への移動を規制する。これにより、ステージ４が造形ボックス３の鉛直方向の下端の開口から抜け落ちることを防ぐことができる。
筒部１５の内面には、コーティングが施されている。このコーティングの材料としては、金属粉末Ｍ１と反応し難くいものがよく、例えば、ジルコニアを挙げることができる。また、金属粉末Ｍ１よりも高い融点の金属、例えば、タングステン、タンタル等も金属粉末Ｍと反応し難いため、好ましい。このようなコーティングを施すことにより、金属粉末Ｍが筒部１５（造形ボックス３）に焼結しないようにすることができる。なお、筒部１５に施すコーティングとしては、シート状の金属を貼り付けることも含む。また、筒部１５には、ステージ４が移動可能に嵌合されている。
ステージ４は、筒部１５の筒孔の形状に対応した形状に形成されており、本例では、四角形の略平板状に形成されている。ステージ４は、その一面が、Ｘ方向とＹ方向で形成される水平面と略平行となるように造形ボックス３に支持される。ステージ４の一面には、金属粉末Ｍ１が積層される。
また、ステージ４の側端部には、耐熱性及び柔軟性のあるシール部材２１が設けられている。シール部材２１は、筒部１５の内壁面に摺動可能に接触している。そして、シール部材２１により、ステージ４における鉛直方向の下方の空間と上方の空間がそれぞれ密閉された空間として形成されている。また、ステージ４における金属粉末Ｍ１が積層される一面（上面）と反対側の他面（下面）には、ステージ側連結部２２が設けられている。ステージ側連結部２２には、後述するステージ支持体１１に設けた連結ブロック３３が着脱可能に連結される。
ステージ支持体１１は、ステージ４の表面と平行な面を有する板状の底部１１ａと、底部１１ａ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１１ｂ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１１ａにおけるステージ４と対向する一面には、第１断熱構造体３１及び第２断熱構造体３２が設けられている。そして、ステージ支持体１１は、第１断熱構造体３１及び第２断熱構造体３２からなる断熱構造体を介してステージ４を支持すると共に、側壁部１１ｂが造形ボックス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。
第１断熱構造体３１及び第２断熱構造体３２は、この順でステージ支持体１１の底部１１ａに積層して配置されている。第１断熱構造体３１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３２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３２の内部に空間部３２ａ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。
また、第２断熱構造体３２における上端、すなわちＺ方向の上部には、連結ブロック３３が設けられている。この連結ブロック３３は、ステージ４の下面に設けたステージ側連結部２２に着脱可能に連結されている。連結ブロック３３とステージ側連結部２２により、本発明の連結機構の一具体例を構成する。ステージ側連結部２２から連結ブロック３３を外すことにより、造形ボックス３と一緒にステージ４をボックス支持体６及びステージ支持体１１から取り外すことができる。
また、２つの側壁部１１ｂにおける互いに対向する面と反対側の面には、それぞれスライド部材２７が設けられている。スライド部材２７は、後述するガイド壁１２に設けたガイド部２６に摺動可能に係合される。
２つのガイド壁１２は、ステージ支持体１１を間に挟んで、Ｘ方向の両側に対向して配置される。また、２つのガイド壁１２は、ボックス支持体６におけるＺ方向の下端側の一面からＺ方向と略平行に延びている。２つのガイド壁１２には、Ｚ方向に沿って延在するガイド部２６がそれぞれ設けられている。そして、ガイド部２６にスライド部材２７が摺動可能に係合することで、ステージ支持体１１及びステージ支持体１１に連結されたステージ４が、ガイド部２６に沿って、すなわちＺ方向に沿って移動可能に支持される。
ステージ移動機構５は、２つのガイド壁１２の間で、かつステージ支持体１１のＺ方向の下方に配置されている。ステージ移動機構５は、モータ３５と、２つの昇降アーム３６とを有している。モータ３５は、造形室２の鉛直方向の下部に固定されている。２つの昇降アーム３６の軸方向の一端は、ステージ支持体１１の底部１１ａに固定され、軸方向の他端は、モータ３５に連結されている。２つの昇降アーム３６は、モータ３５が駆動すると、Ｚ方向に沿って伸縮する。これにより、ステージ支持体１１及び、ステージ支持体１１に連結されたステージ４がＺ方向に沿って移動する。
ステージ移動機構５としては、例えば、ボールねじ機構、送りねじ機構、ラックアンドピニオン機構、ベルト機構、直動モータを用いた機構など種々の機構を採用することができる。
粉末積層部７は、ボックス支持体６の一面に金属粉末Ｍ１を排出する。そして、粉末積層部７は、不図示のアーム部材を介してステージ４まで金属粉末Ｍ１を搬送し、ステージ４の一面に金属粉末Ｍ１を敷き詰める。
また、粉末積層部７としては、上述したものに限定されるものではない。例えば、金属粉末Ｍ１をステージ４の上方から排出する粉末供給部と、ステージ４の一面に排出された金属粉末Ｍ１を平らに均す均し板を設けた機構を採用してもよい。
電子銃８は、造形室２の鉛直方向の上部に装着されている。電子銃８は、造形室２のＺ方向の上部において、ステージ４の一面に対向して配置される。電子銃８から出射される電子ビームの出力値と、電子銃８が電子ビームを照射する位置は、不図示の電子銃駆動制御部によって決定される。
１−２．３次元積層造形装置の動作
次に、図１及び図２を参照して上述した構成を有する３次元積層造形装置１の動作について説明する。
図２は、完成した造形物を造形室２から取り外す状態を示す説明図である。
まず、図１に示すように、造形ボックス３をボックス支持体６の装着孔１３に挿入し、造形ボックス３をボックス支持体６に装着する。次に、ステージ移動機構５を駆動させて、ステージ支持体１１を鉛直方向の上方に向けて移動させる。そして、連結ブロック３３とステージ４のステージ側連結部２２を連結する。
次に、ステージ移動機構５により、造形ボックス３の上面より鉛直方向にΔＺ分下がった位置にステージ４を配置する。このΔＺが、その後に敷き詰められる金属粉末Ｍ１の鉛直方向の層厚に相当する。次に、粉末積層部７により厚さΔＺ分の金属粉末Ｍ１をステージ４の一面に敷き詰める。
次に、金属粉末Ｍ１に対して電子銃８から電子ビームを出射する。電子銃８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Ｍ１に対して電子ビームを出射する。電子銃８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Ｍ１が溶融する。
次に、溶融した金属粉末Ｍ１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Ｍ１が溶融及び凝固した後、ステージ移動機構５によりステージ４をΔＺ分下げる。このステージ４のＺ方向への動きは、シール部材２１が造形ボックス３の筒部１５の内面を滑ることにより実現される。
次に、再び粉末積層部７によって、ΔＺ分の金属粉末Ｍ１を直前に敷き詰められた層（下層）の上に敷き詰める。電子銃８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Ｍ１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Ｍ１の層を積み重ねることにより造形物Ｐ１を構築する。これにより、造形ボックス３の筒部１５内には、造形物Ｐ１と金属粉末Ｍ１が収容される。
造形物Ｐ１が完成すると、図１に示すように、ステージ移動機構５を駆動させて、ステージ支持体１１を鉛直方向の下方に移動させる。そして、連結ブロック３３とステージ４のステージ側連結部２２との連結を解除する。
次に、造形室２におけるＹ方向の一側に設けた扉を開く。図２に示すように、搬送機構１００の搬送アーム１０１を造形室２内に挿入する。そして、搬送アーム１０１を造形ボックス３の筒部１５に設けた挿通孔１８に挿入し、搬送アーム１０１で造形ボックス３を挟持する。次に、搬送機構１００の搬送アーム１０１を造形室２から引き抜く。ここで、ボックス支持体６における装着孔１３におけるＹ方向の一側が開口している。そのため、造形ボックス３の外フランジ部１６が支持部１３ａのＹ方向に沿って摺動し、造形ボックス３は、搬送アーム１０１と共に造形室２から取り出される。
なお、搬送機構１００の搬送アーム１０１で造形ボックス３を挟持した際に、鉛直方向の上方に向けて持ち上げることで、ボックス支持体６の装着孔１３から造形ボックス３を取り外してもよい。
これにより、完成した造形物Ｐ１を造形ボックス３と共に造形室２から取り出すことができる。このように、完成した造形物Ｐ１を造形ボックス３に収容した状態で、造形室２から取り出すことで、造形室２内が造形ボックス３の筒部１５内に積層され、造形物Ｐ１の周囲に付着した金属粉末（以下、「不要粉末」という）で汚れることを防ぐことができる。
また、造形室２内が金属粉末で汚染されにくくなるため、次に使用する造形ボックス３を速やかにボックス支持体６に設置することができる。これにより、３次元積層造形装置１における造形のスループットの向上を図ることができる。
さらに、不要粉末を造形ボックス３内に収容した状態で造形室２から取り出すことができるため、不要粉末が酸化することを従来の３次元積層造形装置よりも防ぐことができる。
２．第２の実施の形態例
次に、図３〜図１１を参照して本発明の第２の実施の形態例について説明する。
図３は、３次元積層造形装置を模式的に示す説明図である。
２−１．第２の実施の形態例の構成及び動作
この第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置５０が、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と異なる点は、完成した造形物Ｐ１に対して２次処理を行う処理室を造形室に隣接させた点である。そのため、ここでは、造形室、処理室及び搬送機構について説明し、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と共通する部分に同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図３に示すように、３次元積層造形装置５０は、造形室５２と、完成した造形物Ｐ１に対して２次処理を行う処理室５３と、搬送機構８０を有している。造形室５２と処理室５３は、仕切り壁５４を介して仕切られている。また、仕切り壁５４の一部は、開口している。そして、仕切り壁５４の開口は、仕切り扉５６により開閉可能に塞がれている。
造形室５２の鉛直方向の下方には、壁部５５が設けられている。そして、造形室５２の内部空間は、壁部５５により真空部５２ａと、機械室５２ｂに仕切られている。同様に、処理室５３の鉛直方向の下方には、壁部５５が設けられており、処理室５３の内部空間は、壁部５５により処理部５３ａと、機械室５３ｂに仕切られている。
また、造形室５２の真空部５２ａと処理室５３の処理部５３ａは、それぞれ不図示の真空ポンプが接続されている。そして、真空部５２ａ及び処理部５３ａ内の雰囲気が真空ポンプにより排気されることで、真空部５２ａ及び処理部５３ａ内は、真空に維持される。
造形室５２の機械室５２ｂには、ステージ移動機構５Ａのモータ３５が固定されている。そして、ステージ移動機構５Ａの昇降アーム３６Ａは、壁部５５を貫通して、真空部５２ａ内に突出している。そして、昇降アーム３６Ａは、不図示の連結機構を介してステージ４に着脱可能に連結される。同様に、処理室５３の機械室５３ｂには、ステージ移動機構５Ｂのモータ３５が固定されており、昇降アーム３６Ｂが壁部５５を貫通し、不図示の連結機構を介してステージ４に着脱可能に連結される。
造形室５２には、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１の造形室２と同様に、ボックス支持体６６Ａ、粉末積層部７及び電子銃８が設けられている。
ボックス支持体６６Ａには、第１造形ボックス３Ａ及び第２造形ボックス３Ｂが装着される装着孔６７Ａが設けられている。そして、装着孔６７Ａの外縁におけるＸ方向の対向する両端部には、支持部の一具体例を示す一対のチャック部材６８Ａが設けられている。チャック部材６８Ａには、第１造形ボックス３Ａ及び第２造形ボックス３Ｂの外フランジ部１６が載置される。また、一対のチャック部材６８Ａは、Ｘ方向に沿って移動することで、第１造形ボックス３Ａ及び第２造形ボックス３Ｂを着脱可能に支持する。
同様に、処理室５３にもボックス支持体６６Ｂが設けられており、その構成は、造形室５２のボックス支持体６６Ａと同一であるため、その説明は、省略する。
造形室５２側に設置された第１造形ボックス３Ａ及び処理室５３側に設置された造形ボックスを第２造形ボックス３Ｂは、それぞれ同一の構成を有している。また、第１造形ボックス３Ａ及び第２造形ボックス３Ｂと、第１の実施の形態例にかかる造形ボックス３と異なる点は、挿通孔１８の有無である。また、第１造形ボックス３Ａ内には、形成された造形物Ｐ１と、凝固せず造形物Ｐ１を構成しない不要粉末Ｍ２が収容されている。また、第２造形ボックス３Ｂ内には、ステージ４以外なにも収容されていない。
造形室５２における壁部５５の鉛直方向の上方の一面には、レール支持台５７が設けられている。同様に、処理室５３における壁部５５の鉛直方向の上方の一面には、レール支持台５８が設けられている。
搬送機構８０は、造形室５２のレール支持台５７及び処理室５３のレール支持台５８に設置されている。搬送機構８０は、第１荷台７１Ａと、第２荷台７１Ｂと、造形側レール８１と、処理側レール８３と、待避レール８４と、連結レール８５とを有している。
第１荷台７１Ａ及び第２荷台７１Ｂは、それぞれ同一の構成を有しているため、ここでは、第１荷台７１Ａについてのみ説明する。第１荷台７１Ａは、鉛直方向の上方が開口した容器状に形成されている。第１荷台７１Ａには、第１造形ボックス３Ａ及び第２造形ボックス３Ｂが載置される。第１荷台７１Ａには、ステージ移動機構５Ａ，５Ｂの昇降アーム３６Ａ，３６Ｂが挿通する挿通孔が設けられている。また、第１荷台７１Ａにおける第１造形ボックス３Ａ及び第２造形ボックス３Ｂが載置される面と反対側の面には、荷台昇降機構７２Ａが設けられている。荷台昇降機構７２Ａは、第１荷台７１Ａを鉛直方向に沿って昇降移動させる。
また、荷台昇降機構７２Ａにおける第１荷台７１Ａと反対側の端部には、荷台スライド部材７３Ａが設けられている。荷台スライド部材７３Ａは、造形側レール８１と、処理側レール８３と、待避レール８４と、連結レール８５に摺動可能に係合される。
造形側レール８１は、造形室５２のレール支持台５７に設けられている。造形側レール８１は、ボックス支持体６６Ａにおける装着孔６７Ａの鉛直方向の下方において、Ｘ方向と略平行に延びている。
処理側レール８３、待避レール８４、連結レール８５は、処理室５３のレール支持台５８に設けられている。処理側レール８３は、ボックス支持体６６Ｂにおける装着孔６７Ｂの鉛直方向の下方において、Ｘ方向と略平行に延びている。
処理側レール８３における造形室５２側の端部には、待避レール８４が配置されている。待避レール８４は、Ｙ方向の他側に向けて延びている（図７参照）。処理側レール８３と、仕切り壁５４及び仕切り扉５６との間には、連結レール８５が配置されている。連結レール８５は、伸縮可能に構成されており、仕切り扉５６が開放された際に、造形側レール８１と連結する（図５参照）。
次に、図３〜図１０を参照して、第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置５０における造形ボックスの交換動作について説明する。
図３〜図１０は、造形ボックスの交換動作を説明する説明図である。
ここで、図３に示すように、第１造形ボックス３Ａ内には、完成した造形物Ｐ１と不要粉末Ｍ２が収容されている。これに対し、第２造形ボックス３Ｂは、ステージ４が移動可能に嵌合されているのみで、何も収容されていない状態である。
まず、図４に示すように、造形室５２側では、ステージ移動機構５Ａを駆動させて昇降アーム３６Ａを鉛直方向の下方に移動させ、昇降アーム３６Ａと第１造形ボックス３Ａ内に配置されたステージ４との連結を解除する。そして、荷台昇降機構７２Ａを駆動させて第１荷台７１Ａを鉛直方向の上方へ移動させる。さらに、ボックス支持体６６Ａの一対のチャック部材６８Ａを互いに離反する方向へ水平に移動させる。これにより、第１造形ボックス３Ａがボックス支持体６６Ａから取り外され、第１造形ボックス３Ａは、第１荷台７１Ａに載置される。
処理室５３側では、荷台昇降機構７２Ｂを駆動させて第２荷台７１Ｂを鉛直方向の上方へ移動させる。さらに、ボックス支持体６６Ｂの一対のチャック部材６８Ｂを互いに離反する方向へ移動させて、ボックス支持体６６Ｂから第２造形ボックス３Ｂを取り外す。そして、第２造形ボックス３Ｂは、第２荷台７１Ｂに載置される。
次に、図５に示すように、荷台昇降機構７２Ａ，７２Ｂを駆動させて、第１荷台７１Ａ及び第２荷台７１Ｂを鉛直方向の下方へ移動させる。さらに、仕切り扉５６を移動させて、仕切り壁５４の開口を開放させる。次に、連結レール８５がＸ方向に沿って伸長することで、連結レール８５を介して造形側レール８１と処理側レール８３が連結する。
次に、図６に示すように、第１荷台７１Ａの荷台スライド部材７３Ａは、第１造形ボックス３Ａを第１荷台７１Ａに載置させた状態で、造形側レール８１、連結レール８５及び処理側レール８３に沿って造形室５２から処理室５３側に向けて摺動する。そのため、第１造形ボックス３Ａは、造形室５２から処理室５３側へ搬送される。
このとき、第２荷台７１Ｂの荷台スライド部材７３Ｂは、処理側レール８３及び待避レール８４に沿って摺動する。そのため、図７に示すように、第２荷台７１Ｂは、処理側レール８３から待避位置である待避レール８４に搬送される。そして、第１荷台７１Ａが、待避レール８４を越えて処理側レール８３まで搬送されると、第２荷台７１Ｂは、待避レール８４から連結レール８５へ搬送される。このように、第２荷台７１Ｂを待避させ待避レール８４を設けたことで、第１荷台７１Ａと第２荷台７１Ｂの搬送処理をスムーズに行うことができる。そして、第２荷台７１Ｂは、連結レール８５及び造形側レール８１を介して、造形室５２に搬送される。
図８に示すように、第１造形ボックス３Ａが第１荷台７１Ａと共に処理室５３に搬送されて、第２造形ボックス３Ｂが第２荷台７１Ｂと共に造形室５２まで搬送されると、連結レール８５を縮めて、造形側レール８１と処理側レール８３の連結を解除する。そして、仕切り扉５６により、仕切り壁５４の開口が閉じられる。これにより、造形室５２の内部空間と、処理室５３の内部空間が再び仕切られる。
図９に示すように、第２荷台７１Ｂに載置された第２造形ボックス３Ｂが造形室５２におけるボックス支持体６６Ａの装着孔６７Ａの鉛直方向の下方に配置されると、荷台昇降機構７２Ｂにより第２荷台７１Ｂと共に第２造形ボックス３Ｂが所定の位置まで上昇する。同様に、第１荷台７１Ａに載置された第１造形ボックス３Ａが処理室５３におけるボックス支持体６６Ｂの装着孔６７Ｂの鉛直方向の下方に配置されると、荷台昇降機構７２Ａにより第１荷台７１Ａと共に第１造形ボックス３Ａが所定の位置まで上昇する。
次に、造形室５２におけるボックス支持体６６Ａの一対のチャック部材６８Ａが互いに接近する方向へ移動する。同様に、処理室５３におけるボックス支持体６６Ｂの一対のチャック部材６８Ｂが互い接近する方向へ移動する。これにより、第２造形ボックス３Ｂは、造形室５２のボックス支持体６６Ａに装着され、第１造形ボックス３Ａは、処理室５３のボックス支持体６６Ｂに装着される。
次に、図１０に示すように、荷台昇降機構７２Ａ，７２Ｂを駆動させて、第１荷台７１Ａ及び第２荷台７１Ｂを鉛直方向の下方へ移動させる。さらに、造形室５２側のステージ移動機構５Ａを駆動させて昇降アーム３６Ａを鉛直方向の上方へ移動させて、昇降アーム３６Ａと第２造形ボックス３Ｂに設けられたステージ４とを連結させる。また、処理室５３側のステージ移動機構５Ｂを駆動させて昇降アーム３６Ｂを鉛直方向に移動させて、昇降アーム３６Ｂと第１造形ボックス３Ａに設けられたステージ４とを連結させる。
次に、造形室５２において、第２造形ボックス３Ｂに対して次の造形物の作成を行う。また、処理室５３側では、ステージ移動機構５Ｂを更に駆動し、ステージ４を第１造形ボックス３Ａの上面まで移動させる。これにより、第１造形ボックス３Ａから完成された造形物Ｐ１が押し出される。このとき、造形物Ｐ１と共に、不要粉末Ｍ２が第１造形ボックス３Ａから外部へ押し出されるが、処理室５３内であるため、造形室５２が汚染されることはない。
また、第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置５０によれば、第１造形ボックス３Ａと第２造形ボックス３Ｂと交換する際に、造形室５２の真空部５２ａは、処理室５３の処理部５３ａと連通されるが、処理部５３ａ内も真空に維持されている。そのため、造形ボックスを交換する際においても、造形室５２の真空部５２ａの真空状態を維持することができ、連続して造形室５２で造形処理を行うことができる。さらに、処理部５３ａ内も真空に維持されているため、不要粉末Ｍ２が処理部５３ａ内に押し出されても、不要粉末Ｍ２が酸化することを抑制することができ、粉末の再利用を容易に行うことができる。
さらに、２次処理を行う処理室５３を造形室５２に隣接して設けたことで、造形ボックスの交換作業にかかる時間の短縮を図ることができる。また、造形室５２で造形処理を行いながら、処理室５３で造形物Ｐ１に対する２次処理を行うことができ、造形から２次処理までのスループットの向上を図ることができる。
２−２．処理室の使用例
次に、図１１Ａ〜図１１Ｄを参照して本発明の第２の実施の形態例にかかる処理室の使用例について説明する。
図１１Ａ〜図１１Ｄは、処理室の使用例を示す説明図である。
図１１Ａに示す処理室５３Ａには、不活性ガスを高圧で噴出するガス噴出部９１が設けられている。そして、処理室５３Ａでは、ガス噴出部９１から不活性ガスを造形物Ｐ１に吹き付けることで、不要粉末Ｍ２を除去するブラスト処理が行われる。
図１１Ｂに示す処理室５３Ｂには、電子ビームＬ２を出射する２次処理用電子銃９２が設けられている。そして、処理室５３Ｂでは、２次処理用電子銃９２から電子ビームＬ２を造形物Ｐ１に照射することで、造形物Ｐ１の表面を加熱し、２次加工処理が行われる。
図１１Ｃに示す処理室５３Ｃには、冷却用ガス導入部９３が設けられている。そして、この処理室５３Ｃでは、造形物Ｐ１に対する冷却処理が行われる。また、図１１Ｄに示す処理室５３Ｄには、フライス装置９４が設けられている。この処理室５３Ｄでは、フライス装置９４によって造形物Ｐ１に対する２次加工処理が行われる。
なお、処理室の使用例としては、上述したものに限定されるものではなく、造形物Ｐ１に対するその他各種の２次処理が行われるものである。例えば、一つの処理室内に、上述したガス噴出部９１、２次処理用電子銃９２、冷却用ガス導入部９３及びフライス装置９４を全て設けてもよい。また、図１１Ａ〜図１１Ｄに示すガス噴出部９１、２次処理用電子銃９２、冷却用ガス導入部９３及びフライス装置９４からなる２次処理装置を適宜組み合わせてもよい。
また、搬送機構８０として、荷台とレールを用いた例を説明したが、搬送機構の構成は、これに限定されるものではない。例えば、第１造形ボックス３Ａ及び第２造形ボックス３Ｂを挟持する搬送アームを有する搬送機構や、その他各種の搬送機構を適用してもよい。
その他の構成は、第１の実施の形態にかかる３次元積層造形装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような構成を有する３次元積層造形装置５０によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と同様の作用効果を得ることができる。
３．第３の実施の形態例
次に、図１２を参照して本発明の第３の実施の形態例について説明する。
図１２は、第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形方法について示す説明図である。
この第３の実施の形態例は、３次元積層造形方法に関するものであり、３次元積層造形装置の構成は、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１及び第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置５０と同様である。そのため、ここでは、装置の構成については、第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置５０を用いて、その３次元積層造形方法についてのみ説明する。
図１２に示すように、第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形方法では、まず造形室５２において造形ボックス３及びステージ４の一面に造形物Ｐ１を形成する。なお、その形成工程の内容は、上述した工程と同一であるため、その説明は、省略する。造形物Ｐ１の形成工程が完了した後、ステージ移動機構によりステージ４をさらに鉛直方向の下方に移動させる。そして、造形物Ｐ１の上方に粉末積層部７を用いて、複数層分の金属粉末Ｍ１を敷き詰める。これにより、造形ボックス３の筒部１５の上端側の開口が金属粉末Ｍ１によって塞がれる。
次に、筒部１５の上端側の開口を塞ぐ金属粉末Ｍ１に対して電子銃８から電子ビームＬ３を出射する。ここでは、筒部１５の上端側の開口を塞ぐ金属粉末Ｍ１の全体に電子ビームＬ３を照射する。そのため、筒部１５の上端側の開口を塞ぐ金属粉末Ｍ１の全体が溶融し、所定時間が経過すると凝固する。その結果、筒部１５の上端側の開口は、凝固した金属粉末（以下、「凝固粉末」という。）Ｍ３によって塞がれる。
次に、筒部１５の上端側の開口を凝固粉末Ｍ３で塞いだ状態で、造形ボックス３ごと造形室５２から搬送する。なお、搬送工程の内容については、上述した工程と同一であるため、その説明は、省略する。
この第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形方法によれば、造形ボックス３を搬送する際、造形ボックス３における軸方向の上端の開口は、凝固粉末Ｍ３で塞がれ、軸方向の他端の開口は、ステージ４で塞がれる。そのため、造形ボックス３内に、造形物Ｐ１と不要粉末Ｍ２を封入することができる。これにより、造形ボックス３を搬送する際に、造形ボックス３の筒部１５の開口から不要粉末Ｍ２がこぼれ落ちることを防ぐことができる。さらに、不要粉末Ｍ２が外気に触れることを抑制することができ、不要粉末Ｍ２が酸化することをより効果的に防ぐことができる。また、造形ボックス３の筒部１５の開口が凝固粉末Ｍ３で塞がれるため、造形室５２を大気開放したときに、造形ボックス３内の金属粉末が爆発することを防ぐことができる。
なお、本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。
例えば、上述した実施の形態例では、粉末試料としてチタン、アルミニウム、鉄等の金属粉末を適用した例を説明したが、これに限定されるものではなく、粉末試料としては、樹脂等を用いてもよい。また、粉末試料を溶融させる溶融機構として電子ビームを照射する電子銃を適用した例を説明したが、これに限定されるものではない。溶融機構としては、例えば、レーザを照射するレーザ照射部を適用してもよい。
１，５０…３次元積層造形装置、 ２，５２…造形室、 ３…造形ボックス、 ４…ステージ、 ５，５Ａ，５Ｂ…ステージ移動機構、 ６，６６Ａ，６６Ｂ…ボックス支持部、 ７…粉末積層部、 ８…電子銃（溶融機構）、 １１…ステージ支持体、 １３，６７Ａ，６７Ｂ…装着孔、 １３ａ…支持部、 １５…筒部、 １６…外フランジ部、 １７…ストッパ、 １８…挿通孔、 ２２…ステージ側連結部（連結機構）、 ２６…ガイド部、 ２７…スライド部材、 ３３…連結ブロック（連結機構）、 ９，３２…第２の電子銃、 １１…第１の電子ビーム制御部、 １２，３３…第２の電子ビーム制御部、 ５２ａ…真空部、 ５３，５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄ…処理室、 ５３ａ…処理部、 ５４…仕切り壁、 ５５…仕切り扉、 ６８Ａ，６８Ｂ…チャック部材（支持部）、 ７１Ａ…第１荷台、 ７１Ｂ…第２荷台、 ７２Ａ，７２Ｂ…荷台昇降機構、 ８０，１００…搬送機構、 １０１…搬送アーム、 Ｍ１…金属粉末、 Ｍ２…不要粉末、 Ｍ３…凝固粉末、 Ｐ１…造形物

Claims (7)

  1. 造形物を形成する処理が行われる中空の造形室と、
    前記造形物及び前記造形物を形成するための粉末試料を収容する造形ボックスと、
    前記造形ボックスの内部に鉛直方向へ移動可能に嵌合し、前記粉末試料が敷き詰められるステージと、
    前記造形室の内部に設けられ、前記造形ボックスを着脱可能に支持するボックス支持体と、を備えた
    ３次元積層造形装置。
  2. 前記ステージを鉛直方向に移動させるステージ移動機構と、
    前記ステージ移動機構と前記ステージを着脱可能に連結する連結機構と、をさらに備えた
    請求項１に記載の３次元積層造形装置。
  3. 鉛直方向の両端が開口する筒状に形成され、
    前記造形ボックスの鉛直方向の下端には、前記ステージに当接するストッパを設けた
    請求項１又は２に記載の３次元積層造形装置。
  4. 前記造形室に隣接して設けられ、前記造形物に対する２次処理を行う処理室を備えた
    請求項１〜３のいずれかに記載の３次元積層造形装置。
  5. 前記造形室から前記処理室に前記造形ボックスを搬送する搬送機構を備えた
    請求項１〜４のいずれかに記載の３次元積層造形装置。
  6. 造形室の内部で造形物を形成し、造形ボックスの内部に、前記造形物及び前記造形物を形成する粉末試料を収容させる工程と、
    前記造形ボックスを着脱可能に支持するボックス支持体から前記造形物及び前記粉末試料を収容した前記造形ボックスを取り外す工程と、
    を有する３次元積層造形方法。
  7. 前記造形ボックスの内部に、前記造形物及び前記粉末試料を収容させる工程の後に、前記造形物の鉛直方向の上方に前記粉末試料を敷き詰める工程と、
    敷き詰められた前記粉末試料を溶融し、凝固させることで前記造形ボックスにおける鉛直方向の上端の開口を塞ぐ工程と、をさらに有し、
    前記造形ボックスにおける鉛直方向の上端の開口を塞ぐ工程の後に、前記造形ボックスを取り外す工程が行われる
    請求項６に記載の３次元積層造形方法。
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