JP2017088947A - 積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】崩落防止壁の上昇にかかる時間を短縮することができ、造形時間を短縮することができる積層造形装置を提供すること。
【解決手段】造形槽３内に粉末を供給及び積層し、積層された粉末層を所望の領域で固体化して、所望の形状の造形部と、造形部の土台となるワーク土台とを形成する積層造形装置であって、積層造形装置は、粉末の積層と共に壁の高さを上昇させ、積層した粉末の崩落を防止する崩落防止壁２０１及び２０２を造形槽３内に備え、崩落防止壁２０１及び２０２のワーク土台の上端の高さまでの上昇速度が、造形部の高さでの上昇速度より速いようにした。
【選択図】図５

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光ビームを照射し、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。

特許文献１には、小さい造形物を形成する場合に、粉末材料をレーザビームで焼結して支持壁を形成することにより、最大作業領域より小さな作業領域とすることが記載されている。

特開２０１１−２５１５２９号公報

しかしながら、特許文献１の造形方法では、スキージにより粉末を整え、造形物を積層し、積層する高さに合わせて支持壁も積層することを繰り返して、複数回の積層により造形するので、造形毎に支持壁を形成しなおす必要がある。したがって、引用文献１の造形方法は、支持壁を形成する粉末の消費量及び造形時間が増大するという問題がある。

また、支持壁を板で形成する場合、粉末の積層に合わせて板の高さを変える必要があるが、ワーク土台も粉末の積層を行うので、造形部と同じ条件でワーク土台を積層し、支持壁の高さを変えると、造形時間が増大してしまう問題がある。

以上を鑑み、本発明は、造形時間を短縮することができる積層造形装置を提供することを目的としている。

本発明の積層造形装置は、造形槽内に粉末を供給及び積層し、積層された粉末層を所望の領域で固体化して、所望の形状の造形部と、前記造形部の土台となるワーク土台とを形成する積層造形装置であって、粉末の積層と共に壁の高さを上昇させ、積層した粉末の崩落を防止する崩落防止壁を前記造形槽内に備え、前記崩落防止壁の前記ワーク土台の上端の高さまでの上昇速度が、前記造形部の高さでの上昇速度より速くした。

本発明の積層造形装置によれば、崩落防止壁の上昇にかかる時間を短縮することができる、造形時間を短縮することができる。

本実施の形態に係る積層造形装置の概要を示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る積層造形装置内の崩落防止壁の配置を示す模式的断面図である。 本実施の形態に係る積層造形装置の概要を示す模式的上面図である。 本実施の形態に係る積層造形装置の動作の概略を示すフローチャートである。 本実施の形態に係る積層造形装置のワーク土台充填工程を説明するフローチャートである。 本実施の形態に係る積層造形装置の造形部を積層する工程を説明する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。

本実施の形態では、最初に積層造形装置全体の構成について説明し、次に、崩落防止壁を設ける部位について説明し、その後、本実施の形態の特徴である崩落防止壁の構成について説明する。

（本実施の形態）
まず、図１を参照して、本実施の形態に係る積層造形装置について説明する。図１は、本実施の形態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、本実施の形態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、崩落防止壁２０１及び２０２、崩落防止壁駆動装置２０３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。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、本実施の形態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、本実施の形態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、造形槽３の上部開口端３ｂを介して、一方のフランジ部３ａから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。

崩落防止壁２０１及び２０２は、粉末の積層と共に上昇して、積層した粉末が崩落すること防ぐ壁である。
崩落防止壁駆動装置２０３は、定盤２内または上に設けられ、崩落防止壁２０１及び２０２の水平面での位置（Ｘ−Ｙ位置）を制御し、移動させる装置である。

次に、崩落防止壁を設ける部位について説明する。図２は、本実施の形態に係る積層造形装置内の崩落防止壁の配置を示す模式的断面図である。図２に示すように、本実施の形態では、積層造形装置の定盤２及び造形槽３で規定される領域内に、崩落防止壁を設ける。また、図３は、本実施の形態に係る積層造形装置の概要を示す模式的上面図である。

図３に示すように、積層造形装置は、定盤２及び造形槽３で規定される領域内（すなわち上部開口端３ｂで示される領域）に崩落防止壁２０１及び２０２を設ける。

この崩落防止壁２０１及び２０２は、定盤２及び造形槽３で規定される領域内を水平方向に移動可能である。具体的には、崩落防止壁２０１はＸ方向に移動可能であり、崩落防止壁２０２は、Ｙ方向に移動可能である。そして、定盤２、造形槽３、及び崩落防止壁２０１及び２０２により、最大作業領域より小さな作業領域を規定することができる。この崩落防止壁２０１及び２０２は、定盤２に内蔵される油圧制御装置によりＸＹＺの３軸方向に移動することができる。崩落防止壁２０１及び２０２のＺ軸方向（垂直方向）の移動については後述する。

次に、本実施の形態にかかる積層造形装置の動作について図４〜６を用いて説明する。まず図４を用いて全体の動作を説明し、次に、図５を用いて、ワーク土台を充填する工程の詳細を説明し、その後、図６を用いて、造形部の領域を積層する工程の詳細を説明する。
図４は、本実施の形態にかかる積層造形装置の動作の概略を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ４０１において、積層造形装置は、スキージ１１ａ及び１１ｂの開口部制御の情報（すなわち図３の粉末材料供給領域の情報）の情報を取得し、ステップＳ４０２に進む。
ステップＳ４０２において、積層造形装置は、取得した粉末材料供給領域の情報に基づいて、崩落防止壁２０１及び２０２の水平面での位置（Ｘ−Ｙ位置）を決定し、ステップＳ４０３に進む。具体的には、ステップＳ４０２において、図２に示すように、粉末材料供給領域にスキージマージンを加えた位置を崩落防止壁２０１及び２０２の位置とする。

ステップＳ４０３において、積層造形装置は、後述する（ステップＳ４０４の）積層造形工程より速い速度で崩落防止壁２０１及び２０２を上昇させる。そして、崩落防止壁２０１及び２０２を上昇（及びワーク土台の領域の充填）が完了した後にステップＳ４０４に進む。
ステップＳ４０４において、造形部の領域に粉末を充填すると共に前述のステップＳ４０３のワーク土台充填工程より遅い速度で崩落防止壁２０１及び２０２を上昇させる。すなわち、造形部の積層においては、崩落防止壁２０１及び２０２の上昇に伴い、崩落防止壁２０１及び２０２と粉末材料とが摺動するが、摺動抵抗に起因して、積層の厚さの寸法において、精度が悪化することを抑制する必要がある。したがって、積層造形工程では、ワーク土台充填工程より遅い速度で崩落防止壁２０１及び２０２を上昇させることになる。そして、ステップＳ４０４において、造形部の積層が完了することにより一連の処理を終了する。

次に、ワーク土台を充填する工程の詳細について説明する。図５は、本実施の形態に係る積層造形装置のワーク土台充填工程を説明するフローチャートである。
まず、ステップＳ５０１において、粉末材料を充填する工程を開始するか否か判断する。そして、粉末材料を充填する工程を開始する場合、ステップＳ５０２に進み、粉末材料を充填する工程を開始しない場合、ステップＳ５０１を繰り返す。具体的には、粉末材料を充填する工程の開始に関連する信号を検出した場合、粉末材料を充填する工程を開始し、ステップＳ５０２に進む。粉末材料を充填する工程の開始に関連する信号を検出していない場合、粉末材料を充填する工程を開始せず、ステップＳ５０１を繰り返す。

粉末材料を充填する工程の開始に関連する信号としては、以下のいずれでもよい。
（１）図１の粉末供給部１４の作動（または作動準備）信号。
（２）作業者が粉末材料を投入する場合には、（図示しない）作業着手スイッチをＯＮにすることによる信号。
（３）スキージではなく、まとまった量（または所定の量）の粉末を供給できる「（図示しない）別の粉末材料供給手段」を使用する場合には、別の粉末材料供給手段の作動（または作動準備）信号。

ステップＳ５０２において、積層造形工程における上昇速度より速い速度で、崩落防止壁２０１及び２０２を上昇させ、ステップＳ５０３に進む。具体的には、積層造形工程における上昇速度は、上昇速度≧２層分の高さ／スキージの復路移動時間となる条件式を満たす。ステップＳ５０２では、この条件式を満たす積層造形工程における上昇速度より速い速度で、崩落防止壁２０１及び２０２を上昇させる。

ステップＳ５０３において、崩落防止壁２０１及び２０２の高さが、ワーク土台の上端の高さに達しているか否か判断する。そして、崩落防止壁２０１及び２０２の高さが、ワーク土台の上端の高さに達している場合、ステップＳ５０４に進む。また、崩落防止壁２０１及び２０２の高さが、ワーク土台の上端の高さに達していない場合、ステップＳ５０２に戻る。

ステップＳ５０４において、崩落防止壁２０１及び２０２の上昇を停止し、崩落防止壁２０１及び２０２の上昇速度の設定を通常の上昇速度（すなわち積層造形工程において造形部を積層するときの上昇速度）に戻し、ステップＳ５０５に進む。
ステップＳ５０５において、ワーク土台領域に粉末材料が充填され、ステップＳ５０６に進む。

ステップＳ５０６において、ワーク土台領域に粉末材料の充填が完了したか否か判断する。具体的には、以下の信号に基づきワーク土台領域に粉末材料の充填が完了したか否かを判断する。
（１）「ワーク土台」上端までの形状データと累積積層高さとの比較、または積層回数などに基づく信号
（２）作業者による（図示しない）作業完了スイッチをＯＮにすることによる信号。
（３）別の粉末材料供給手段の停止信号。
（４）造形槽に設けられた光学センサーの信号。
そして、ワーク土台領域に粉末材料の充填が完了していない場合、ステップＳ５０５に戻る。また、ワーク土台領域に粉末材料の充填が完了した場合、ワーク土台充填工程（図４のステップ６０３）を終了する。

次に、造形部の領域を積層する工程の詳細について説明する。図６は、本実施の形態に係る積層造形装置の造形部を積層する工程を説明するフローチャートである。
まず、ステップＳ６０１において、スキージが反転した（復路の積層になったこと）か否かを判断する。スキージが反転していない場合、ステップＳ６０１を繰り返す。また、スキージが反転した場合、ステップＳ６０２に進む。

ステップＳ６０２において、２層分（すなわち往復の積層分）の高さだけ、崩落防止壁２０１及び２０２を上昇させ、ステップＳ６０３に進む。
ステップＳ６０３において、造形品の形状データと累積積層高さとの比較、または積層回数などから、積層上限高さ（例えば、ワークの高さ）に到達したかを検出する。積層上限高さに到達していない場合、ステップＳ６０１に戻る。また、積層上限高さに到達している場合、積層造形工程（図４のステップ６０４）を終了する。

以上の動作により、本実施の形態の積層造形装置は、ワーク土台に材料粉末を充填するときに、崩落防止壁２０１及び２０２の上昇速度を速くし、積層造形工程では、積層の精度を保つことができる速度で崩落防止壁２０１及び２０２を上昇させる。

このように、本実施の形態の積層造形装置によれば、造形部の高さでの上昇速度より速い上昇速度で、崩落防止壁をワーク土台の上端の高さまで上昇させることにより、崩落防止壁の上昇にかかる時間を短縮することができる、造形時間を短縮することができる。

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、ワーク土台充填工程において、積層造形工程より速い速度で崩落防止壁２０１及び２０２を上昇させることは、以下の場合に適用してもよい。
（１）ワーク土台の上端までは、積層の厚さ寸法の精度よりスピードを重視し、スキージの動作（積層）速度を速くする。
（２）スキージではなく、作業者が粉末材料を投入する。
（３）まとまった量の材料を投入できる別の粉末供給手段を用いる。

２ 定盤
３ 造形槽
３ｂ 上部開口端
２０１、２０２ 崩落防止壁
２０３ 崩落防止壁駆動装置

Claims (1)

1. 造形槽内に粉末を供給及び積層し、積層された粉末層を所望の領域で固体化して、所望の形状の造形部と、前記造形部の土台となるワーク土台とを形成する積層造形装置であって、
   粉末の積層と共に壁の高さを上昇させ、積層した粉末の崩落を防止する崩落防止壁を前記造形槽内に備え、
   前記崩落防止壁の前記ワーク土台の上端の高さまでの上昇速度が、前記造形部の高さでの上昇速度より速い積層造形装置。

Images