JP2017078214A - 積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】造形物の所定高さまで充填される粉末層に対してのみ振動を付与することで、造形物の形成精度の低下を抑制することが可能な積層造形装置を提供する。
【解決手段】造形槽３内に粉末を供給することで粉末層５１を形成する工程と、粉末層５１の所定領域にレーザビームＬＢを照射して焼結又は溶融固化させることにより所定形状の硬化層５０を形成する工程とを繰り返すことで造形物５０を形成する積層造形装置であって、粉末層５１に対して振動を付与可能に構成された加振装置１５を備え、粉末層５１の高さが造形槽３内に設置されたワーク土台４０の高さに到達したか否かに基づいて、加振装置１５による振動の有無が制御される積層造形装置。
【選択図】図１

Description

本発明は積層造形装置に関する。

近年、無機材料もしくは有機材料からなる粉末にレーザビームを照射し、焼結または溶融固化させることにより、三次元形状の積層造形物を製造する積層造形装置が、脚光を浴びている。具体的には、定盤上に粉末を敷き詰め、粉末層を形成する工程と、この粉末層の所定領域に光ビ−ムを照射し、焼結または溶融固化させることにより硬化層を形成する工程とを繰り返す。これにより、多数の硬化層を積層一体化して三次元形状の造形物を製造することができる。

関連する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１には、加振装置を用いて積層された粉末（粉末層）に振動を加えることにより、粉末層のかさ密度を増大させて造形物の品質を向上させる、三次元形状構造物の製造装置が開示されている。

特開２０００−３３６４０３号公報

発明者らは以下の課題を見出した。
特許文献１に開示された構成では、積層造形工程において粉末層に対して振動を加えた場合、その振動の影響によって、粉末の供給量（即ち、積層する一層分の量）が変動してしまうおそれがある。また、ミラーやレンズなど導光部品が振動することで、レーザビームの光路が変動してしまうおそれがある。その結果、造形物の形成精度が低下してしまう、という問題があった。

本発明は、上記を鑑みてなされたものであって、造形物の所定高さまで充填される粉末層に対してのみ振動を付与することで、造形物の形成精度の低下を抑制することが可能な積層造形装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る積層造形装置は、造形槽内に粉末を供給することで粉末層を形成する工程と、当該粉末層の所定領域にレーザビームを照射して焼結又は溶融固化させることにより所定形状の硬化層を形成する工程と、を繰り返すことで造形物を形成する積層造形装置であって、前記粉末層に対して振動を付与可能に構成された加振装置を備え、前記粉末層の高さが前記造形物における所定高さに到達したか否かに基づいて、前記加振装置による振動の有無が制御されるものである。それにより、積層造形工程前にワーク土台の高さまで充填された粉末層に対してのみ振動が付与され、積層造形工程中には粉末層に対して振動が付与されないため、積層造形工程中における粉末の供給量やレーザビームの光路が安定し、その結果、造形物の形成精度の低下が抑制される。

本発明により、造形物の所定高さまで充填される粉末層に対してのみ振動を付与することで、造形物の形成精度の低下を抑制することが可能な積層造形装置を提供することができる。

本発明に係る積層造形装置の概要を示す模式的断面図である。 図１に示す積層造形装置の一部を拡大した図である。 本発明に係る積層造形装置による造形物の製造方法を示すフローチャートである。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

まず、図１を参照して、本発明に係る積層造形装置について説明する。図１は、本発明に係る積層造形装置の概要を示す模式的断面図である。
図１に示すように、本発明に係る積層造形装置は、ベース１、定盤２、造形槽３、造形槽支持部４、造形槽駆動部５、支柱６、支持部７、レーザスキャナ８、光ファイバ９、レーザ発振器１０、スキージ１１、樋１２、粉末分配器１３、粉末供給部１４、加振装置１５、及び、高さ検知部１６を備えている。

ベース１は、定盤２及び支柱６を固定するための台である。ベース１は、定盤２が載置される上面が水平になるように、床面に設置される。

定盤２は、ベース１の水平な上面に載置、固定されている。定盤２の上面も水平であって、この定盤２の上面に、ワーク土台４０が設置された後、粉末が敷き詰められ、造形物５０が形成されていく。図１の例では、定盤２は、四角柱状の部材である。図１に示すように、定盤２の上面の周縁全体に、水平方向に張り出したフランジ状の凸部２ａが形成されている。この凸部２ａの外周面が全体に亘り造形槽３の内側面と接触しているため、定盤２の上面及び造形槽３の内側面に囲われた空間に積層粉末５１を保持することができる。ここで、造形槽３の内側面と接触している凸部２ａの外周面に、例えばフェルトからなるシール部材（不図示）を設けることにより、積層粉末５１の保持力を高めることができる。

造形槽３は、この定盤２の上面に敷き詰められた粉末を側面から保持する筒状の部材である。図１の例では、定盤２が四角柱状であるため、造形槽３は、上端にフランジ部３ａを備えた角パイプである。造形槽３は、例えば厚さ１〜６ｍｍ程度（好適には３〜５ｍｍ程度）のステンレス鋼鈑から構成され、軽量である。造形槽３の上部開口端３ｂに粉末層を形成し、この粉末層にレーザビームＬＢを照射することにより硬化層を形成する。上部開口端３ｂの形状は、例えば６００ｍｍ×６００ｍｍである。

また、造形槽３は、上下方向（ｚ軸方向）に移動可能に設置されている。詳細には後述するように、硬化層を形成する度に造形槽３を定盤２に対して一定量ずつ上昇させ、造形物５０を形成していく。ここで、実施の形態１に係る積層造形装置では、一定重量かつ軽量な造形槽３のみを上昇させればよい。そのため、毎回精度良く粉末層を形成することができる。その結果、精度良く造形物５０を形成することができる。

造形槽支持部４は、造形槽３のフランジ部３ａの上面が水平となるように、フランジ部３ａの下面を３点で支持している支持部材である。
造形槽支持部４は、造形槽３を上下方向（ｚ軸方向）に移動させる造形槽駆動部５の連結部５ｃに連結されている。

造形槽駆動部５は、造形槽３を上下方向（ｚ軸方向）に移動させるための駆動機構である。造形槽駆動部５は、モータ５ａ、ボールねじ５ｂ、連結部５ｃを備えている。モータ５ａが駆動すると、ｚ軸方向に延設されたボールねじ５ｂが回転する。そして、ボールねじ５ｂが回転すると、ボールねじ５ｂに沿って、連結部５ｃが上下方向（ｚ軸方向）に移動する。上述の通り、造形槽３を支持する造形槽支持部４が連結部５ｃに連結されているため、造形槽駆動部５により造形槽３が上下方向（ｚ軸方向）に移動可能となる。なお、造形槽駆動部５の駆動源は、モータに限らず、油圧シリンダなどを用いてもよい。

ここで、造形槽駆動部５は、ベース１から略垂直に（すなわち鉛直方向に）立設された支柱６の上部に固定されている。このように、本実施の形態に係る積層造形装置では、造形槽駆動部５が、造形槽３の外部に設置されているため、メンテナンス性に優れている。

レーザスキャナ８は、造形槽３の上部開口端３ｂに形成された粉末層に対して、レーザビームＬＢを照射する。レーザスキャナ８は、図示されないレンズ及びミラーを有している。そのため、図１に示すように、レーザスキャナ８は、粉末層における水平面（ｘｙ平面）上の位置に関わらず、粉末層にレーザビームＬＢの焦点を合わせることができる。
ここで、レーザビームＬＢは、レーザ発振器１０において生成され、光ファイバ９を介して、レーザスキャナ８に導入される。

また、レーザスキャナ８は、支持部７を介して、造形槽３のフランジ部３ａに固定されている。そのため、レーザスキャナ８とレーザビームＬＢの照射対象である粉末層との距離を一定に保つことができる。従って、実施の形態１に係る積層造形装置は、精度良く造形物５０を製造することができる。

スキージ１１は、第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂから構成されている。第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂは、いずれもｙ軸方向に延設されている。また、スキージ１１は、一方のフランジ部３ａから、造形槽３の上部開口端３ｂを介して、対向するフランジ部３ａまで、ｘ軸方向にスライドすることができる。

図１に示すように、第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂが、ｘ軸マイナス側のフランジ部３ａ上に設置された状態で、両者の間に粉末が供給される。ここで、２回分の粉末層を形成するための粉末が供給される。すなわち、スキージ１１がｘ軸マイナス側のフランジ部３ａからｘ軸プラス側のフランジ部３ａまでスライドすることにより、１回分の粉末層が造形槽３の上部開口端３ｂに形成される。図１に破線で示したように、この粉末層に対してレーザビームＬＢを照射し、硬化層を形成している間、スキージ１１はｘ軸プラス側のフランジ部３ａ上で待機している。そして、スキージ１１がｘ軸プラス側のフランジ部３ａからｘ軸マイナス側のフランジ部３ａまでスライドすることにより、もう１回分の粉末層が造形槽３の上部開口端３ｂに形成される。

なお、例えば硬化層の形成領域が狭い場合には、スキージ１１をｘ軸マイナス側のフランジ部３ａからｘ軸プラス側のフランジ部３ａまで最大限スライドさせずに、硬化層の形成領域はカバーした上で、途中でスライドを止めてもよい。粉末層を形成するための粉末量を節約できるとともに時間を短縮することができる。

樋１２及び粉末分配器１３は、粉末供給部１４から投下された粉末をスキージ１１の長手方向に均一に分配するためのものである。
樋１２の下面には、第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂの間隔（ｘ軸方向）より狭く、スキージ１１の粉末投入領域と同程度の長さ（ｙ軸方向）を有する開口部が形成されている。但し、樋１２において開口部が形成されていない端部に、粉末供給部１４から粉末が投下される。

粉末分配器１３は、樋１２の溝の断面形状と同形状の板状部材である。粉末分配器１３は、図示しない駆動機構により樋１２の両端間をｙ軸方向にスライドすることができる。ここで、図１では、分かり易くするため、粉末分配器１３を樋１２から離して描いている。しかし、実際には、粉末分配器１３は樋１２の溝の両側面と隙間なく接触しながらスライドする。粉末分配器１３が、樋１２において粉末が投下された一端から他端までスライドすることにより、粉末が樋１２の開口部を介して、スキージ１１の長手方向に均一に分配される。

なお、例えば硬化層の形成領域が狭い場合には、粉末分配器１３を樋１２の一端から他端まで最大限スライドさせずに、硬化層の形成領域はカバーした上で、途中でスライドを止めてもよい。粉末層を形成するための粉末量を節約できるとともに時間を短縮することができる。

粉末供給部１４は、粉末が蓄えられた小型タンクであって、蓄えられた粉末を樋１２に投下（供給）する。なお、粉末は、無機材料（金属やセラミック）もしくは有機材料（プラスチック）からなる。好適には、平均粒径２０μｍ程度の鉄粉が用いられる。

加振装置１５は、定盤２に内蔵され、造形槽３内に形成された粉末層に対して振動を付与可能に構成されている。

高さ検知部１６は、造形槽３の側面にｚ軸方向に沿って設けられた線状部材であって、造形槽３内に形成された粉末層の定盤２上面からの高さを検知する。なお、高さ検知部１６の代わりに、造形槽３の内部を撮影するカメラを設置して、当該カメラの撮影画像を解析することにより粉末層の高さを検知してもよい。

図２は、図１に示す積層造形装置の造形槽３内の周辺を拡大した図である。
図２に示すように、造形槽３内には、まず、造形物５０の土台としてワーク土台４０が定盤２上面に設置される。なお、ワーク土台４０の上面は、定盤２の上面と同様に水平である。その後、ワーク土台４０と同じ高さまで粉末を供給することで粉末層５１ａが形成される。その後、さらに粉末を供給することで形成された各粉末層５１ｂ，５１ｃの所定領域にレーザビームＬＢを照射し、焼結又は溶融固化させることにより、所望の形状を有する硬化層５０ｂ，５０ｃがワーク土台４０上に順次形成される。

続いて、図１〜図３を参照して、造形物５０の製造方法について詳細に説明する。
図３は、本発明に係る積層造形装置による造形物５０の製造方法を示すフローチャートである。なお、図３のフローチャートでは、積層造形工程前における加振工程について詳細に説明されている。

まず、予め入力された情報やＣＡＤ／ＣＡＭ情報から、定盤２上面に設置されたワーク土台４０の高さ情報を取得する（ステップＳ２０１）。

その後、粉末供給部１４の作動信号がインアクティブ（ステップＳ２０２のＮＯ）からアクティブに切り替わると（ステップＳ２０２のＹＥＳ）、粉末の供給を開始する（ステップＳ２０３）。

具体的には、ワーク土台４０の上面と造形槽３のフランジ部３ａの上面とがフラットになるまで、造形槽３を上方に移動させる。その後、粉末供給部１４により粉末が供給されたスキージ１１を、ｘ軸マイナス側のフランジ部３ａからｘ軸プラス側のフランジ部３ａまでスライドさせる（往路）。これにより、定盤２の上面と造形槽３の内側面とに囲まれた空間に、粉末が供給される（ステップＳ２０３）。

粉末が積層されることで形成される粉末層５１ａの高さがワーク土台４０と同じ高さにまで達していない場合（ステップＳ２０４のＮＯ）、引き続き粉末が供給される（ステップＳ２０３）。

具体的には、スキージ１１をｘ軸プラス側のフランジ部３ａからｘ軸マイナス側のフランジ部３ａまでスライドさせる（復路）。これにより、定盤２の上面と造形槽３の内側面とに囲まれた空間に、さらに粉末が供給される（ステップＳ２０３）。

粉末層５１ａの高さがワーク土台４０と同じ高さに達するまで、このような動作が繰り返される。

その後、高さ検知部１６により粉末層５１ａの高さがワーク土台４０と同じ高さに達したことが検出されると（ステップＳ２０４のＹＥＳ）、粉末供給部１４の作動信号がアクティブからインアクティブになり、粉末の供給が完了する（ステップＳ２０５）。

なお、粉末の供給は、粉末供給部１４によってスキージ１１を介して行われる代わりに、作業者によって直接行われてもよい。その場合、例えば粉末の供給開始を示すボタンが作業者によって押されると（ステップＳ２０２のＹＥＳ）、粉末供給が可能な状態となって粉末の供給が行われ（ステップＳ２０３）、粉末供給完了を示すボタンが作業者によって押されると、粉末供給可能な状態が解除され、粉末の供給が完了する（ステップＳ２０５）。

その後、粉末供給を停止した状態で、加振装置１５により粉末層５１ａに振動を加える（ステップＳ２０６）。これにより、粉末層５１ａのかさ密度が増大する。これは、その後の積層造形工程において形成される造形物５０の品質の向上につながる。しかし、その結果、粉末層５１ａの高さが減少する。そこで、粉末層５１ａに対する追加の粉末供給が行われる。

具体的には、まず、高さ検知部１６により、加振後の粉末層５１ａの高さがワーク土台４０と同じ高さに達しているか否かが検知される（ステップＳ２０７）。

加振後の粉末層５１ａの高さがワーク土台４０と同じ高さにまで達していない場合（ステップＳ２０７のＮＯ）、例えば、加振後の粉末層５１ａの高さと、ワーク土台４０の高さと、の差分に基づいて、追加する粉末の量が算出された後（ステップＳ２０８）、算出された量の粉末が再び供給される（ステップＳ２０３）。その後、ステップＳ２０４〜Ｓ２０７まで同様の動作が繰り返される。

その後、高さ検知部１６により、加振後の粉末層５１ａの高さがワーク土台４０と同じ高さに達していることが検出されると（ステップＳ２０７のＹＥＳ）、ワーク土台４０上に造形物を形成する積層造形工程に移る（ステップＳ２０９）。

積層造形工程では、例えばスキージ１１がｘ軸マイナス側のフランジ部３ａ上に設置された状態で、スキージ１１の粉末投入領域に粉末が供給される。ここで、１度に２回分の粉末層を形成するための粉末が供給される。

その後、加振後の粉末層５１ａの上面（ワーク土台４０の上面）と、造形槽３のフランジ部３ａの上面と、が完全にフラットな状態から、造形槽３のみを上方に例えば３０μｍ移動させる。その後、スキージ１１をｘ軸マイナス側のフランジ部３ａからｘ軸プラス側のフランジ部３ａまでスライドさせる（往路）。これにより、加振後の粉末層５１ａの上面、ワーク土台４０、及び、造形槽３の内側面に囲まれた空間に粉末が供給され、厚さ３０μｍの粉末層５１ｂが形成される。

その後、粉末層５１ｂの所定領域にレーザビームＬＢを照射し、焼結または溶融固化させることにより、所望の形状を有する硬化層５０ｂをワーク土台４０上に形成する。この間、スキージ１１はｘ軸プラス側のフランジ部３ａ上で待機している。

また、粉末層５１ｂの所定領域にレーザビ−ムＬＢを照射し、焼結または溶融固化させると、ヒュームが発生する。しかしながら、本発明の積層造形装置では、粉末層全体の３０〜５０ｍｍ上方（ｚ軸方向プラス側）において、ｙ軸方向に窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを流している。そのため、粉末層に向けてガスを吹き付けることなく、発生したヒュームを速やかに除去することができる。

その後、再度、造形槽３のみを上方に例えば３０μｍ移動させる。
その後、スキージ１１をｘ軸プラス側のフランジ部３ａからｘ軸マイナス側のフランジ部３ａまでスライドされる（復路）。これにより、粉末層５１ｂ及び硬化層５０ｂと造形槽３の内側面とに囲まれた空間に粉末が供給され、厚さ３０μｍの粉末層５１ｃが形成される。

その後、粉末層５１ｃの所定領域にレーザビームＬＢを照射し、焼結または溶融固化させることにより、所望の形状を有する硬化層５０ｃを硬化層５０ｂ上に一体形成する。

そして、スキージ１１がｘ軸マイナス側のフランジ部３ａ上に設置された状態で、再度スキージ１１の粉末投入領域に粉末が供給される。

積層造形工程では、スキージ１１への粉末の供給、造形槽３の上方への移動、スキージ１１のスライドによる粉末層（例えば粉末層５１ｂ）の形成（往路）、硬化層（例えば硬化層５０ｂ）の形成、造形槽３の上方への移動、スキージ１１のスライドによる粉末層（例えば粉末層５１ｃ）の形成（復路）、硬化層（例えば硬化層５０ｃ）の形成が繰り返される。これにより、多数の硬化層が積層一体化された三次元形状の造形物５０が得られる。なお、造形槽３内に残留した積層粉末５１は、回収され、再利用される。

以上のように、本発明に係る積層造形装置では、積層造形工程前にワーク土台４０の高さまで充填された粉末層５１ａに対して振動が付与され、積層造形工程中には粉末層５１ｂ，５１ｃに対して振動が付与されないため、積層造形工程中における粉末供給部１４による粉末の供給量やレーザビームＬＢの光路が安定する。その結果、造形物５０の形成精度の低下が抑制される。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

例えば、ワーク土台４０において、凹凸形状、穴（特に傾斜穴やテーパー穴）など、粉末材料が充填しにくい箇所（または部位）がある場合には、粉末層の高さがワーク土台４０の高さに到達したか否かを検出する代わりに、粉末層の高さが造形物（またはワーク土台）の形状データに基づく当該形状箇所（または部位）の高さに到達したか否かを検出することにより、振動制御を行うこともできる。

また、積層造形工程において、突発的または大きな「かさ密度」変化を防止するため、積層を一時中断した上で、振動＋材料補充の工程・作業を付加する場合も考えられる。その場合においても、造形物の形状データに基づく造形物の凹凸形状、傾斜穴やテーパー穴など、「かさ密度」変化の起因になりそうな箇所（または部位）の高さ検出により、加振装置の振動制御を行うことができる。

１ ベース
２ 定盤
２ａ 凸部
３ 造形槽
３ａ フランジ部
３ｂ 上部開口端
４ 造形槽支持部
５ 造形槽駆動部
５ａ モータ
５ｃ 連結部
６ 支柱
７ 支持部
８ レーザスキャナ
９ 光ファイバ
１０ レーザ発振器
１１ スキージ
１１ａ 第１のスキージ
１１ｂ 第２のスキージ
１２ 樋
１３ 粉末分配器
１４ 粉末供給部
１５ 加振装置
１６ 高さ検知部
４０ ワーク土台
５０ 造形物
５０ｂ 硬化層
５０ｃ 硬化層
５１ 積層粉末
５１ａ 粉末層
５１ｂ 粉末層
５１ｃ 粉末層
ＬＢ レーザビーム

Claims (1)

1. 造形槽内に粉末を供給することで粉末層を形成する工程と、当該粉末層の所定領域にレーザビームを照射して焼結又は溶融固化させることにより所定形状の硬化層を形成する工程と、を繰り返すことで造形物を形成する積層造形装置であって、
   前記粉末層に対して振動を付与可能に構成された加振装置を備え、
   前記粉末層の高さが前記造形物における所定高さに到達したか否かに基づいて、前記加振装置による振動の有無が制御される、積層造形装置。

Images