JP2017109373A - 三次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プロセスチャンバー内の酸素濃度が造形中に急上昇することを回避して、造形を安定して実施することができる三次元造形装置を提供する。【解決手段】三次元造形装置１０は、プロセスチャンバーｃ及びプロセスチャンバーｃに接続したガイド室ｇｃと、ガイド室内に移動可能に設けられたステージ３０と、ステージを基準としてプロセスチャンバー側とは反対側となるガイド室内の領域ｌａに設けられたスペーサ手段５０と、を有する。スペーサ手段５０は、ステージの移動にともなって変形可能である。【選択図】図１

Description

本発明は三次元造形装置に係り、特に移動可能なステージを利用して三次元造形物を造形する三次元造形装置に関する。

ＡＭ（Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）技術に基づく三次元造形を実現する手段として、３Ｄプリンターとも呼ばれる三次元造形装置が注目を集めている。三次元造形装置を用いることで、比較的複雑な構造を持つ部品を簡単且つ短期間で作ることが可能となる。

例えば特許文献１は、粉末状の造形材料の層状固化によって三次元造形物を製造する装置を開示する。この装置では、垂直方向に移動可能な造形プラットフォーム（ステージ）に粉末層が載せられ、レーザービームが粉末層に照射されて照射箇所の粉末が固化される。そして、造形プラットフォームが下降し、新たな粉末層が造形プラットフォームに載せられ、レーザービームが新たな粉末層に照射される。このような一連の工程が繰り返されることで、三次元造形物が作られる。

また特許文献２は、レーザー光ではなく電子ビームを使用した積層造形技術により、金属物品を製造する方法を開示する。一般に、焼結時に金属材料の酸化が生じると造形物が脆くなる。一方、特許文献２に開示の方法では、アルゴンや窒素などの不活性ガス雰囲気下で焼結が行われ、焼結時の金属酸化を防ぐことができる。

特表２０１３−５２６４２９号公報 特表２０１５−５２５２９０号公報

上述のように造形中に材料が酸化してしまうことは、製造対象の三次元造形物において所望の強度を保証する観点からは好ましくない。その一方で、造形装置内に酸素が存在するか否かは視覚によって認識できない。そこで、三次元造形装置には酸素センサーが設置され、造形中におけるプロセスチャンバー内の酸素濃度が監視される。また、造形中だけでなく造形を開始する前にはパージ工程が実施され、不活性ガスをプロセスチャンバー内に供給することで、プロセスチャンバー内の雰囲気を不活性ガスで置換する。

しかしながら、造形前にプロセスチャンバー内の酸素濃度を十分に低下させていたとしても、造形の進行にともなって酸素濃度が上昇し、造形を継続することができないことが生じた。三次元造形装置での造形は、造形開始から造形終了まで装置操作者の関与を不要として自動的に実施されることを前提としている。したがって、装置操作者は、酸素濃度上昇により造形が中止されたことを、造形の終了予定時に初めて知ることもある。したがって、酸素濃度の上昇により造形が停止されることは、造形コストだけでなく、造形納期にも深刻な影響を与える。

本件発明は、このような点を考慮してなされたものであり、造形中におけるプロセスチャンバー内での酸素濃度の急上昇を回避することで、造形を安定して実施することができる三次元造形装置を提供すること目的とする。

本件発明者らは、鋭意研究を重ね、プロセスチャンバー内の酸素濃度が造形中に上昇する原因を推定し、この推定された原因に対処することで、前述の課題を解決するにいたった。より具体的には、まず、本件発明者らは、造形中に酸素濃度が上昇する主たる原因の一つとして、酸素が、造形前のパージ工程で完全に置換されることなく、三次元造形装置内に滞留し得ることに着目した。とりわけ、本件発明者らは、ガイド室内におけるステージの背面側領域に、酸素が局所的に滞留しやすくなることに着目した。そして、本件発明者らは、ステージ背面側領域の酸素が、造形中におけるステージの移動にともなって拡散され、プロセスチャンバーへ流入することが、造形中における酸素濃度上昇の主たる原因となっていることを知見した。本件発明は、本件発明者らのこのような知見に基づくものである。

本発明による三次元造形装置は、
造形が行われるプロセスチャンバーに接続したガイド室と、
前記ガイド室内に移動可能に設けられたステージと、
前記ステージを基準として前記プロセスチャンバー側とは反対側となる前記ガイド室内の領域に設けられ、前記ステージの移動にともなって変形可能であるスペーサ手段と、を備える。

本発明による三次元造形装置において、前記スペーサ手段は、前記ステージの移動にともなって前記ガイド室内における占有容積を変化させるようにしてもよい。

本発明による三次元造形装置において、前記スペーサ手段は、その内部空間と前記ガイド室内の領域とが気密に保持されている筒状または袋状の区画部材を有するようにしてもよい。

本発明による三次元造形装置が、前記区画部材の前記内部空間を拡張させるよう前記区画部材に作用する拡張手段を、さらに備えるようにしてもよい。

本発明による三次元造形装置において、前記拡張手段は、前記区画部材の前記内部空間内に流体を吐出可能なポンプであるようにしてもよい。

本発明による三次元造形装置において、複数の区画部材が設けられていてもよい。

本発明による三次元造形装置において、前記複数の区画部材は少なくとも２つの異なる大きさのものを含むようにしてもよい。

本発明による三次元造形装置において、前記ガイド室を形成する隔壁を通過して、前記区画部材の前記内部空間と、前記プロセスチャンバー及び前記ガイド室の外部となる空間と、を連通させる連通路が設けられていてもよい。

本発明による三次元造形装置が、前記ステージを駆動する駆動装置の少なくとも一部分が収容された駆動室を、さらに備え、
前記連通路は、前記区画部材の前記内部空間と、前記駆動室と、を連通させるようにしてもよい。

本発明による三次元造形装置が、前記ステージに接続した接続部材を有し、前記接続部材を介して前記ステージを駆動する駆動装置を、さらに備え、
前記接続部材は、前記区画部材の前記内部空間から、前記ガイド室を形成する隔壁を通過して、前記ガイド室の外部に延び出していてもよい。

本発明による三次元造形装置において、前記隔壁と前記接続部材との間に、前記区画部材の前記内部空間と、前記プロセスチャンバー及び前記ガイド室の外部となる空間と、を連通させる連通路が設けられていてもよい。

本発明による三次元造形装置において、前記スペーサ手段は、弾性変形可能な弾性体であるようにしてもよい。

本発明によれば、造形中におけるプロセスチャンバー内での酸素濃度の急上昇を効果的に回避して、造形を安定して実施することができる。

図１は、本発明の一実施の形態を説明するための図であって、三次元造形装置を示す縦断面図である。 図２は、三次元造形装置の昇降ユニットを示す縦断面図である。 図３は、図２に対応する図であって、三次元造形装置の一変形例を説明するための図である。 図４は、図２に対応する図であって、三次元造形装置の他の変形例を説明するための図である。 図５は、ガイド室内を示す昇降ユニットの横断面図であって、三次元造形装置の更に他の変形例を説明するための図である。 図６は、図５に対応する図であって、三次元造形装置の更に他の変形例を説明するための図である。 図７は、図１に対応する図であって、三次元造形装置の更に他の変形例を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。なお、図面においては、便宜上、縮尺及び縦横の寸法比等を実物のそれらから変更されて誇張されている箇所がある。また、本明細書において用いられる形状、幾何学的条件及びそれらの程度を特定する用語や値は、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待しうる程度の範囲を含みうるものとして解釈することとする。また、本明細書において「上方」及び「下方」の用語は、重力が作用する方向を基準とした鉛直方向に基づいて定められている。

図１及び図２は、本発明の一実施の形態を説明するための図である。図１に示すように、三次元造形装置１０は、制御部１５及び三次元造形機２０を有している。制御部１５は、三次元造形機２０の各構成要素の動作を制御する。制御部１５は、操作者等が三次元造形装置１０を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボード１７や、三次元造形装置１０の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ１８等の入出力装置と接続されている。また、制御部１５は、三次元造形装置１０で実行される処理を実現するためのプログラム等が記録された記録媒体１６にアクセス可能となっている。記録媒体１６は、ＲＯＭおよびＲＡＭ等の半導体メモリ、ハードディスク、ＤＶＤ−ＲＯＭ等のディスク状記録媒体等、既知のプログラム記録媒体から構成され得る。

三次元造形機２０は、制御部１５からの制御信号に基づき、材料を所定の固化パターンで固化させてなる単位層ｕｌを積層していくことで三次元造形物Ｏを製造する。図１に示された例において、三次元造形機２０は、粉体材料ｐｍの層に所定のパターンでエネルギーを照射することで焼結材料からなる単位層ｕｌを順次形成していき、三次元造形物Ｏを製造する。ここで、粉体材料ｐｍはチタンや鋼その他の合金も含む金属粉末のほか、ポリアミドまたはポリスチレンなどの合成粉末、ＰＥＥＫ、合成被覆砂またはセラミック粉末を用いることができる。

図１に示すように、三次元造形機２０は、筐体２１と、筐体２１内に設置された隔壁２２と、隔壁２２によって区画されるガイド室ｇｃ内に設けられたステージ３０と、ステージ３０を駆動する駆動装置３５と、を有している。隔壁２２は、筐体２１内の空間をプロセスチャンバーｃと、ガイド室ｇｃと、駆動室ｄｃと、に区画している。水平方向に並べられた三つのガイド室ｇｃが、プロセスチャンバーｃの下方に配置されている。ステージ３０は、各ガイドｇｃ室内にそれぞれ配置されている。駆動室ｄｃは、ガイド室ｇｃの下方に設けられている。駆動装置３５は、少なくともその一部分を駆動室ｄｃ内に配置されている。

各ステージ３０は、対応のガイド室ｇｃを区画する隔壁２２の側壁面上を摺動して昇降する。隔壁２２の側壁面と対応のステージ３０との間には図示しないシーリング部材が設けられ、当該シーリング部材によって隙間が塞がれている。シーリング部材は、粉体材料ｐｍをブロックしてガイド室ｇｃとステージ３０との間を粉体材料ｐｍが通過できないように構成される。なお、シーリング部材は、酸素等の気体が隔壁２２とステージ３０との間を通過できないように構成されることが好ましいが、厳密な気密性能を有することは必ずしも求められない。各ガイド室ｇｃは、対応のステージ３０によって、当該ステージ３０よりも上方でプロセスチャンバーｃ側となる上方領域ｕａと、当該昇降ステージ１５よりも下方でプロセスチャンバーｃ側とは反対側となる下方領域ｌａとに分離される。

各ガイド室ｇｃと当該ガイド室ｇｃ内のステージ３０とによって、昇降ユニット２５が構成される。３つの昇降ユニット２５は、ディスペンサーユニット３０ａ、回収ユニット３０ｂ、及び、ディスペンサーユニット３０ａと回収ユニット３０ｂとの間に設けられるビルディングユニット３０ｃに区分される。ディスペンサーユニット２５ａは、ディスペンサーガイド室（第１のガイド室）ｇｃａ及びディスペンサーステージ３０ａを有し、ビルディングユニット２５ｃは、ビルディングガイド室（第３のガイド室）ｇｃｃ及びビルディングステージ３０ｃを有し、回収ユニット２５ｂは、回収ガイド室（第２の昇降ガイド室）ｇｃｂ及び回収ステージ３０ｂを有している。

図１に示す例では、図１の右側から左側に向かって、ディスペンサーユニット２５ａ、ビルディングユニット２５ｂ及び回収ユニット２５ｃが順次並んで配置される。ディスペンサーガイド室ｇｃａとビルディングガイド室ｇｃｃとの間、及び、回収ガイド室ｇｃｂとビルディング昇降ガイド室ｇｃｃとの間にはそれぞれ隔壁２２が設けられている。相互に隣り合って配置されるディスペンサーガイド室ｇｃａ、ビルディングガイド室ｇｃｃ及び回収ガイド室ｇｃｂは、隔壁２２を介して相互に分離した状態で設けられる。また、図１に示す例では、各昇降ユニット２５のガイド室ｇｃと駆動室ｄｃとの間にも隔壁２２が設けられている。相互に隣り合って配置されるガイド室ｇｃと駆動室ｄｃは、隔壁２２を介して相互に分離した状態で設けられる。

ステージ３０は、駆動装置３５によって駆動される。各ステージ３０（ディスペンサーステージ３０ａ、回収ステージ３０ｂ及びビルディングステージ３０ｃ）に対して、別個の駆動装置３５（ディスペンサー駆動装置３５ａ、回収駆動装置３５ｂ及びビルディング駆動装置３５ｃ）が設けられている。各駆動装置３５は、制御部１５の制御下で対応するステージ３０を昇降させる。また、ディスペンサーステージ３０ａ、回収ステージ３０ｂ及びビルディングステージ３０ｃは相互に連動して昇降され得る。

駆動装置３５は、駆動装置本体３６と、駆動装置本体３６によって一軸方向に駆動される接続部材３７と、を有している。接続部材３７は、ガイド室ｇｃを形成する隔壁２２を通過して、ガイド室の外部に延び出している。図示された例において、駆動装置本体３６は、駆動室ｄｃに配置されており、接続部材３７は、隔壁２２を通過して、ガイド室ｇｃから駆動室へと延びている。接続部材３７は、ステージ３０に接続しており、駆動装置本体３６は、接続部材３７を介してステージ３５を駆動する。駆動装置３０としては、ステッピングモータ等の駆動源と駆動源と接続されたボール螺子機構とを含む装置や、流体圧シリンダー等を例示することができる。

ディスペンサーユニット２５ａ（ディスペンサーガイド室ｇｃａ及びディスペンサーステージ３０ａ）は粉体材料ｐｍを貯留するためのスペースを形成し、三次元造形物Ｏの造形に使われる粉体材料ｐｍがディスペンサーステージ３０ａ上に載せられる。ビルディングユニット２５ｃ（ビルディングガイド室ｇｃｃ及びビルディングステージ３０ｃ）は三次元造形物Ｏが造形される箇所であり、ビルディングステージ３０ｃ上に載せられた粉体材料ｐｍがエネルギーを照射されることで焼結して三次元造形物Ｏの単位層（断面層）ｕｌが繰り返し形成されていく。回収ユニット２５ｂ（回収ガイド室ｇｃｂ及び回収ステージ３０ｂ）はビルディングガイド室ｇｃｃに供給された粉体材料ｐｍのうちの余剰分を回収するためのスペースを形成し、余剰の粉体材料ｐｍが回収ステージ３０ｂ上に堆積される。

プロセスチャンバーｃには、ディスペンサーステージ３０ａ、ビルディングステージ３０ｃ及び回収ステージ３０ｂの上方を水平方向へ往復動可能な塗布装置４０が設けられる。この塗布装置４０の水平移動によって、ディスペンサーガイド室ｇｃａからビルディングガイド室ｇｃｃに粉体材料ｐｍが供給され、さらに、粉体材料ｐｍの余剰分がビルディングガイド室ｇｃｃの上方から回収ガイド室ｇｃｂに押し出される。すなわちビルディングガイド室ｇｃｃに所要量の粉体材料ｐｍを供給する場合、まず、ディスペンサーステージ３０ａが上昇し、ビルディングステージ３０ｃが降下し、回収ステージ３０ｂが降下する。そして、ディスペンサーステージ３０ａの上方に配置された塗布装置４０が、ビルディングガイド室ｇｃｃ及び回収ガイド室ｇｃｂの上方に向かって水平移動する。これにより、ディスペンサーステージ３０ａ上の粉体材料ｐｍの表層部がビルディングガイド室ｇｃｃに向かって押され、ビルディングガイド室ｇｃｃに更なる粉体材料ｐｍが供給される。またビルディングガイド室ｇｃｃに入りきらなかった粉体材料ｐｍの余剰分が、回収ガイド室ｇｃｂに向かって押されて回収される。

プロセスチャンバーｃには、さらに、ガス供給部４１、ガス排出部４２、照射装置４４及び酸素センサー４５が設置される。

ガス供給部４１は、アルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスをプロセスチャンバーｃに供給する。図１に示す例では、ガス供給部４１として、ビルディングユニット２５ｃ（ビルディングガイド室ｇｃｃ及びビルディングステージ３０ｃ）の上方に設けられる吹き出し口４１ａが設けられている。吹き出し口４１ａは、ビルディングステージ３０ｃ上に配置されている粉体材料ｐｍや三次元造形物Ｏに対して実質的な影響を及ぼさないように、ビルディングユニットの上方の空間に不活性ガスを吹き出す。なお、不活性ガスを供給することができるのであれば、ガス供給部４１の具体的な構成や設置位置は特に限定されない。

ガス排出部４２は、プロセスチャンバーｃと連通し、プロセスチャンバーｃから筐体２１の外部にガスを排出する役割を果たす。ガス排出部４２は、単なる配管であってもよいし、排出方向にのみ通気を可能にする配管であってもよい。さらに、ガス排出部４２は、プロセスチャンバーｃから積極的に吸気することにより、排気する機能を有していてもよい。ガス供給部４１が、不活性ガスをプロセスチャンバーｃに供給しながら、ガス排出部４２からプロセスチャンバーｃ内の雰囲気を排出することにより、プロセスチャンバーｃ内の雰囲気を不活性ガスで置換することができる。

照射装置４４は、粉体材料ｐｍにエネルギーを照射する装置として構成されている。図示された例において、照射装置４４は、レーザー光や電子ビーム等を射出するエネルギー源と、射出されたエネルギーの進路を調節する走査装置と、を有している。光路を調整する走査装置としては、ガルバノミラーやＭＥＭＳを用いることができる。

酸素センサー４５は、プロセスチャンバーｃ内に設置され、酸素濃度を検出する。なお酸素センサー４５の設置位置は特に限定されないが、ガス供給部４１から供給される不活性ガスと酸素との比重関係に基づいて酸素センサー４５の設置位置が決められることが好ましい。例えば不活性ガスよりも酸素の比重が軽い場合には、プロセスチャンバーｃ内の比較的高い位置に酸素センサー４５が設置されることが好ましく、不活性ガスよりも酸素の比重が重い場合には、プロセスチャンバーｃ内の比較的低い位置に酸素センサー４５が設置されることが好ましい。

三次元造形機２０の各部の動作は、制御部１５によって、制御される。例えば、制御部１５は、昇降装置３５を用いてステージ３０の昇降を制御し、塗布装置４０の水平移動を制御し、照射装置４４によるエネルギーの照射を制御し、ガス供給部４１からの不活性ガスの供給を制御する。また、制御部１５は、酸素センサー４５による検出結果を受信し、酸素センサー４５が所定の閾値を上回る酸素濃度を検出した際には、三次元造形機２０による三次元造形物Ｏの造形作業を中断して、操作者に対して表示や音声を介してエラーを発する。

ところで、図１及び図２に示すように、ガイド室ｇｃ内におけるステージ３０を基準としてプロセスチャンバーｃ側とは反対側となる領域（下方領域）ｌａに、スペーサ手段５０が設けられている。なお、図１に示された例において、スペーサ手段５０は、各ガイド室ｇｃ内の下方領域ｌａにそれぞれ設けられている。三つのスペーサ手段５０は、互いに同一に構成され得る。

スペーサ手段５０は、ガイド室ｇｃ内におけるステージの背面側領域、図示された例ではガイド室ｇｃ内における下方領域ｌａに設けられている。スペーサ手段５０は、ガイド室ｇｃ内における下方領域ｌａの容積を埋めることで、当該下方領域ｌａ内に滞留し得る気体（例えば酸化の原因となる酸素）の量を減じることができる。また、スペーサ手段５０は、ステージ３０の移動にともなって、変形可能となっている。これにより、スペーサ手段５０は、ガイド室ｇｃ内における下方領域ｌａに配置されながらも、ステージ３０の移動を妨げない。したがって、スペーサ手段５０は、ガイド室ｇｃ内においてステージ３０が移動する範囲内に配置され得る。また、とりわけ図示された例において、スペーサ手段５０は、ステージ３０の移動にともなってガイド室ｇｃにおける占有容積を変化させることができる。すなわち、スペーサ手段５０は、ガイド室ｇｃ内において、拡張および収縮可能となっている。

図１及び図２に示された例において、スペーサ手段５０は、ガイド室ｇｃ内に配置された区画部材５１を有している。区画部材５１は、開口５１ｂを有した袋状の部材であり、内部空間５１ａを画成する。区画部材５１は、その内部空間５１ａを周囲環境から気密にしている。すなわち、区画部材５１は、その内部空間５１ａと周囲環境とを遮断し、内部空間５１ａを密封している。

図２に示された区画部材５１は、その開口５１ｂの周縁をガイド室ｇｃの底面に気密に固定されている。一方、ガイド室ｇｃを形成する隔壁２２に、連通路２３が形成されている。連通路２３の一端は、区画部材５１の内部空間５１ａに向けて開口している。連通路２３の他端は、駆動室ｄｃに開口している。すなわち、連通路２３は、区画部材５１の内部空間５１ａと駆動室ｄｃとを連通させている。したがって、連通路２３を介して、区画部材５１の内部空間５１ａと駆動室ｄｃとを気体が移動することができる。これにより、その内部空間５１ａがガイド室ｇｃの他の空間から気密に維持されている区画部材５１を、ガイド室ｇｃ内において拡張および収縮させることができる。なお、図１に示すように、駆動室ｄｃは、フィルタ材５８を介して、筐体２１の外部と連通している。フィルタ材５８の設置により、駆動室ｄｃ内の雰囲気は、清浄に保たれている。

また、図示された例において、隔壁２２を貫通して駆動室ｄｃからガイド室ｇｃに延び入った駆動装置３５の接続部材３７は、区画部材５１内に延び入っている。接続部材３７は、区画部材５１の開口５１ｂに対面する面（袋状材の底面）を貫通してステージ３０に接続している。接続部材３７は、気密に区画部材５１を貫通しており、好ましくは、貫通個所において区画部材５１に対して摺動可能となっている。

区画部材５１は、気密材料、例えば軟質塩化ビニール等の樹脂材料やゴムから作製することができる。とりわけ図示された区画部材５１は、樹脂製またはゴム製のベローズによって形成されている。

また、三次元造形機２０は、区画部材５１の容積を変化させるように当該区画部材に作用する手段を、さらに有している。図示された例では、区画部材５１の内部空間５１ａを拡張させるよう区画部材５１に作用する拡張手段５２が設けられている。拡張手段５２は、ステージ３０の位置によらず、区画部材５１を拡張させるように働く。このような拡張手段５２によって、区画部材５１が、ガイド室ｇｃ内において大きな占有空間を維持するようになる。図示された例において、拡張手段５２は、圧縮ばねから構成されている。ただし、拡張手段５２は、圧縮ばねに限られることなく、区画部材５１の内部空間５１ａを拡張させる種々の部品、部材、要素、例えば、スポンジやウレタン等の多孔質体、ヒドロゲル発泡体等の高分子材料の塊または当該高分子材料を内方した袋状体を、拡張手段５２として用いることができる。

なお、図示された例において、区画部材５１は袋状に形成されているが、区画部材５１が筒状に形成され、筒状の上方開口の周縁がステージ３０の背面に気密に固定され、筒状の下方開口の周縁がガイド室ｇｃの底面に気密に固定されていてもよい。このような例によれば、ステージ３０の位置によらず、区画部材５１が或る程度拡張した状態に維持され、したがって、拡張手段５２を排除することができる。

次に、三次元造形装置１０を用いた三次元造形方法について、言い換えると、三次元造形装置１０を用いて三次元造形物Ｏを製造する方法について、説明する。以下に説明する三次元造形方法は、制御部１５が記録媒体１６に予め記録されたプログラムを読み込むことにより、実施される。

三次元造形方法は、筐体２１内の雰囲気を不活性ガスで置換する工程と、その後に実施される三次元造形物Ｏを造形する工程と、を有している。

筐体２１内の雰囲気を不活性ガスで置換する工程では、不活性ガスが、ガス供給部４１からプロセスチャンバーｃ内に供給される。プロセスチャンバーｃ内の気体は、不活性ガスの供給にともなって、ガス排出部４２から三次元造形機２０の外部へと排出される。図示された例において、ガス供給部４１の吹き出し口４１ａは、ビルディングユニット３０ｃの近傍に配置されている。したがって、図示された例では、プロセスチャンバーｃ内のうち、粉体材料ｐｍへの加工が実施される領域の雰囲気から、不活性ガスに置換されていく。酸素センサー４５で検出される酸素濃度が予め設定された基準を満たすことで、不活性ガスで置換する工程は終了する。

次に、不活性ガスで置換する工程が終了した後、三次元造形物Ｏを造形する工程が実施される。この工程では、三次元造形物Ｏを一方向に沿って多数に分割してなる単位層（断面層）ｕｌを、順次作製していくことで、単位層ｕｌの集合体としての三次元造形物Ｏが製造される。

三次元造形工程における、三次元造形機２０の各構成要素の具体的な動作は、以下のとおりである。まず、ディスペンサー駆動装置３５ａによって駆動され、ディスペンサーステージ３０ａが上昇し、また、ビルディングユニット駆動装置３５ｃによって駆動され、ビルディングステージ３０ｃが下降する。なお、ディスペンサーステージ３０ａ上には、使用前の粉体材料ｐｍが保持されている。次に、塗布装置４０が水平方向に移動し、一定量の粉体材料ｐｍをディスペンサーステージ３０ａ上から掻き取る。塗布装置４０が掻き取った粉体材料ｐｍは、ビルディングステージ３０ｃ上に供給され、余分な粉体材料ｐｍは、回収ガイド室ｇｃｂ内の回収ステージ３０ｂ上に回収される。このようにして、ビルディングステージ３０ｃ上に粉体材料ｐｍの層が形成される。

次に、照射装置４４が、ビルディングステージ３０ｃ上の粉体材料ｐｍの層に、制御部１５からの制御信号にしたがった所定パターンで、エネルギー（例えば、レーザー光や電子ビーム）を照射する。ビルディングステージ３０ｃ上における粉体材料ｐｍの層のうちエネルギーが照射された領域において、粉体材料ｐｍが溶融して結合する。このようにして、粉体材料ｐｍが所定のパターン（二次元形状）で固められてなる単位層ｕｌが形成される。その後、回収ステージ３０ｂ及びビルディングステージ３０ｃは所定量だけ降下し、ディスペンサーステージ３０ａは所定量だけ上昇する。この状態から再び、塗布装置４０の動作が開始して、上述したようにして次の単位層ｕｌが形成される。順次形成される単位層ｕｌが互いに溶融結合していくことにより、三次元造形物Ｏを一体的に形成することができる。

なお、ディスペンサーステージ３０ａの上昇量、ビルディングステージ３０ｃの下降量、及び回収ステージ３０ｂの下降量は、ビルディングステージ３０ｃ上に供給すべき所要量よりも僅かに多量の粉体材料ｐｍがディスペンサーガイド室ｇｃａからビルディングステージ３０ｃ上に供給され、且つ、ビルディングガイド室ｇｃｃに入りきらなかった粉体材料ｐｍの余剰分が回収ガイド室ｇｃｂに収容されるように、適宜決められることが好ましい。また、ビルディングステージ３０ｃの降下量は、レーザー光の照射によって焼結する粉体材料ｐｍの層厚に基づいて決められることが好ましい。一例として、一度に、回収ステージ３０ｂ及びビルディングステージ３０ｃを０．１ミリメートルだけ降下させつつ、ディスペンサーステージ３０ａを０．２ミリメートルだけ上昇させることができる。

以上のような、三次元造形物Ｏを造形する工程は、例えば、数時間から数十時間をかけて実施される。この間、酸素センサー４５は、プロセスチャンバーｃ内の酸素濃度を計測する。しかしながら、本件発明者らが実際に三次元造形を実施したところ、三次元造形工程中に、プロセスチャンバーｃ内の酸素濃度が基準値を超えることが生じた。基準値を超える酸素濃度雰囲気中での造形は、造形中の三次元造形物Ｏの酸化を促進することになる。造形中に三次元造形物Ｏの酸化が進行すると、単位層ｕｌ間での結合が不十分となってしまうこともある。したがって、酸素センサー４５による酸素濃度検出値が基準値を超えると、三次元造形機２０は、通常、三次元造形を中止することになる。造形工程中における酸素濃度の上昇は、安定的な造形を妨げ、造形コストの上昇および造形納期の遅延に繋がる。

一方、本件発明者らは、鋭意検討を重ねた結果として、筐体２１内の酸素が、不活性ガスへの置換工程で置換されることなく、三次元造形機２０内に滞留していることが、造形中における酸素濃度の上昇を引き起こす主たる原因の一つであることを確認した。とりわけ、ガイド室ｇｃ内におけるステージ３０の背面側領域（ガイド室ｇｃ内における下方領域）ｌａに、酸素が、置換されることなく滞留しやすくなっていた。このガイド室ｇｃ内における下方領域ｌａ（ステージ背面側領域）に滞留した酸素は、造形中におけるステージ３０の移動にともなって、下方領域ｌａから押し出され、プロセスチャンバーｃ内へ拡散する。このようにして残留酸素がプロセスチャンバーｃへ流入することが、造形中における酸素濃度上昇の主たる原因の一つとなっていた。

そこで、本実施の形態において、三次元造形機２０は、ステージ３０を基準としてプロセスチャンバーｃ側とは反対側となるガイド室ｇｃ内の領域ｌａに設けられたスペーサ手段５０を有している。このスペーサ手段５０は、ガイド室ｇｃ内におけるガイド室ｇｃを形成する隔壁２２とステージ３０とによって区画される領域ｌａ内の一定容積を占めるようになる。言い換えると、スペーサ手段５０は、ガイド室ｇｃ内におけるステージ３０の背面側となる領域の容積を低減することができる。これにより、ステージ３０の背面側となる領域（下方領域）ｌａに滞留し得る酸素量を低減することができる。また、スペーサ手段５０は、ステージ３０の移動にともなって変形することできるので、ステージ３０の移動が阻害されることを回避することができる。したがって、ステージ３０の移動にともなって、ガイドｇｃ室内におけるステージ３０の背面側となる領域ｌａから滞留した酸素がプロセスチャンバーｃに流入することを効果的に防止することができる。結果として、プロセスチャンバーｃ内の酸素濃度が造形中に上昇して、酸素センサー４５からの信号により造形が停止されることを効果的に防止することができ、造形を安定して実施することができる。

また、上述した一実施の形態において、スペーサ手段５０は、ステージ３０の移動にともなってガイド室ｇｃ内におけるスペーサ手段５０の占有容積を変化させる。したがって、ステージ３０の移動にともなって、ガイド室ｇｃ内におけるステージ３０の背面側となる領域ｌａから、プロセスチャンバーｃ内に、気体が流入することを効果的に防止することができる。ガイド室ｇｃ内におけるステージ３０の背面側に、酸素が滞留していたとしても、この酸素がプロセスチャンバーｃ内に流入することを効果的に防止することができる。これにより、プロセスチャンバーｃ内を低酸素状態に安定して維持することができ、造形を安定して継続することができる。

さらに、上述した一実施の形態において、スペーサ手段５０は、その内部空間５１ａとガイド室ｇｃ内とは気密に保持されている筒状または袋状の区画部材５１を有している。この区画部材５１は、気密素材からなる袋材やベローズ等を利用して、簡素且つ安価に構成することができる。したがって、簡素且つ安価な区画部材５１を用いて、スペーサ手段５０によって占有されるガイド室ｇｃ内の占有容積を変化させることができる。すなわち、簡素且つ安価な構成により、造形を安定して実施することができる。

さらに、上述した一実施の形態において、三次元造形装置１０は、区画部材５１の内部空間５１ａを拡張させるよう区画部材５１に作用する拡張手段５２を、さらに有している。拡張手段５２として、例えば、圧縮ばね、ゴム、弾性力を発揮し得る高分子等の弾性体、区画部材５１内に密封された圧縮性の気体等のような簡易且つ安価な構成を採用することができる。この拡張手段５２を用いることで、スペーサ手段５０によって占有されるガイド室５１内の占有容積を積極的に変化させることができ、造形をより安定して実施することができる。また、拡張手段５２を積極的に設けることで、区画部材５１の固定を容易化することができ、例えば区画部材５１をステージ３０と隔壁２２との両方に固定する必要がなくなる。

さらに、上述した一実施の形態において、ガイド室ｇｃを形成する隔壁２２を通過して、区画部材５１の内部空間５１ａと、プロセスチャンバーｃ及びガイド室ｇｃの外部となる空間と、を連通させる連通路２３が設けられている。すなわち、簡易な構成により、区画部材５１の内部空間５１ａを、ガイド室ｇｃ内のその他の空間から気密に隔離しながら、スペーサ手段５０によって占有されるガイド室ｇｃ内の占有容積を変化させることが可能となる。すなわち、簡素な構成により、造形を安定して実施することができる。

さらに、上述した一実施の形態において、三次元造形装置１０は、ステージ３０を駆動する駆動装置３５の少なくとも一部分が収容された駆動室ｄｃを、さらに有し、連通路２３は、区画部材５１の内部空間５１ａと駆動室ｄｃとを連通させている。通常、駆動室ｄｃには装置外部との連通箇所にフィルタ材５８等を設置され、駆動室ｄｃの内部は、或る程度、清浄な状態に維持されている。したがって、連通路２３を介して駆動室ｄｃから区画部材５１の内部空間５１ａに異物等が混入することを効果的に防止することができる。これにより、区画部材５１およびステージ３０の動作を安定させることが可能となる。

さらに、上述した一実施の形態において、三次元造形装置１０は、ステージ３０に接続した接続部材３７を有し且つ接続部材３７を介してステージ３０を駆動する駆動装置３５を、さらに有し、接続部材３７は、区画部材５１の内部空間５１ａから、ガイド室ｇｃを形成する隔壁２２を通過して、ガイド室ｇｃの外部に延び出している。したがって、可動部となる接続部材３７は、区画部材５１によって、プロセスチャンバーｃに通じるガイド室ｇｃから気密に隔離されることになる。これにより、駆動装置３５に起因した異物等がプロセスチャンバーｃに混入することを効果的に防止することができ、これにより、造形を安定して実施することができる。

なお、上述した実施の形態に対して様々な変更を加えることが可能である。以下、図面を参照しながら、変形の一例について説明する。以下の説明および以下の説明で用いる図面では、上述した実施の形態と同様に構成され得る部分について、上述の実施の形態における対応する部分に対して用いた符号と同一の符号を用いるとともに、重複する説明を省略する。

まず、上述した一実施の形態において、図２に示すように、隔壁２２に連通路２３が形成され、連通路２３が、ガイド室ｇｃと駆動室ｄｃとを連通させる例を示した。ここで、図３に示すように、連通路２３が、隔壁２２と駆動装置３５の接続部材３７との間に形成されるようにしてもよい。すなわち、図３に示された例においては、駆動装置３５の接続部材３７が隔壁２２を貫通する孔を、ガイド室ｇｃと駆動室ｄｃとを連通させる連通路２３として利用している。図３の例によれば、簡易な構成により、区画部材５１の内部空間５１ａを、ガイド室ｇｃ内のその他の空間から気密に隔離しながら、スペーサ手段５０によって占有されるガイド室ｇｃ内の占有容積を変化させることが可能となる。すなわち、簡素な構成により、造形を安定して実施することができる。また、別の変形例として、連通路２３が、ガイド室ｇｃと、筐体２１の外部空間と、を連通するようにしてもよい。

また、上述した一実施の形態において、スペーサ手段５０の拡張手段５２が、弾性体、とりわけ圧縮ばねからなる例を示したが、この例に限られない。図４に示すように、拡張手段５２が、連通路２３に電磁切替弁５５を介して接続されたポンプ５３であってもよい。電磁切替弁５５は、制御部１５からの信号に基づき、ステージ３０が上昇する際にポンプ５３を連通路２３に連通させ、ポンプ５３を駆動する。ポンプ５３から区画部材５１内に例えば気体を供給することで、区画部材５１を拡張させることができる。ステージ３０が下降する際、電磁切替弁５５は、制御部１５からの信号に基づいて連通路２３を駆動室ｄｃ内で開放し、これにより、区画部材５１内の気体が駆動室ｄｃ内に吐出される。この際、ステージ３０は、拡張手段５２から反力を受けることはないので、ステージ３０の下降を安定して滑らかに行うことができる。

なお、他の変形例として、拡張手段５２に加えて又は拡張手段５２に代えて、三次元造形機２０が、区画部材５１の内部空間５１ａを収縮させるよう区画部材５１に作用する収縮手段５４を、さらに有するようにしてもよい。例えば、図５に示されたポンプ５３が、収縮手段５４として機能し、ステージ３０の下降時に、連通路２３を介して区画部材５１の内部空間５１ａから気体を吸い出すようにしてもよい。この例では、図１及び図２に示された実施の形態のように、区画部材５１の内部空間５１ａ内に弾性体からなる拡張手段５２を設けるようにしてもよいし、区画部材５１の上方部分をステージ３０の背面（下面）に固定するようにしてもよい。この変形例によれば、ステージ３０の下降時に、ガイド室ｇｃ内におけるスペーサ手段５０の占有容積を積極的に低減することで、ガイド室ｇｃの下方領域ｌａからプロセスチャンバーｃへ流入する気体量を効果的に低減することができる。

さらに、上述した一実施の形態において、一つの区画部材５１がガイド室ｇｃ内に配置されている例を示したが、これに限られない。例えば図５に示すように、複数の区画部材が一つのガイド室ｇｃ内に設けられていてもよい。複数の区画部材５１によれば、ガイド室ｇｃ内におけるステージ３０の背面側となる領域ｌａのより多くをより効率的に占有することができる。さらに、図６に示すように、複数の区画部材５１が少なくとも二つの異なる大きさのものを含んでいてもよく、複数の異なる大きさの区画部材５１によれば、さらに効率的に、ガイド室ｇｃ内をスペーサ手段５０によって占有することができる。これらの変形例によれば、ガイド室ｇｃ内におけるステージ３０の背面側となる領域ｌａへの酸素滞留量、及び、ガイド室ｇｃ内におけるステージ３０の背面側となる領域ｌａからステージ３０の移動にともなってプロセスチャンバーｃに流入する気体量を効果的に減じることができる。これにより、造形をより安定して実施することができる。

さらに、上述した実施の形態にでは、スペーサ手段５０が、ステージ３０の移動にともなって変形可能であり且つその内部空間５１ａを気密に維持する区画部材５１を有する例を示したが、この例に限られない。図７に示すように、スペーサ手段５０が、弾性変形可能な弾性体５６であるようにしてもよい。弾性体５６は、弾性変形可能な種々の部材、部品、要素等を用いることができる。弾性体５６は、弾性力を発揮し得るとともに容積変化可能な弾性体、例えば、ヒドロゲル発泡体等の高分子材料の塊や当該高分子材料を内方した袋状体であってもよく、この例によれば、簡易な構成のスペーサ手段５０を用いながら、ガイド室ｇｃ内におけるステージ３０の背面側となる領域ｌａへの酸素滞留量、及び、ガイド室ｇｃ内におけるステージ３０の背面側となる領域ｌａからステージ３０の移動にともなってプロセスチャンバーｃに流入する気体量を効果的に減じることができる。また、弾性体５６は、容積変化しない弾性体、例えば、スポンジやウレタン等の多孔質体であってもよく、この例によっても、ガイド室ｇｃ内におけるステージ３０の背面側となる領域ｌａへの酸素滞留量を低減することができ、造形をより安定して実施することができる。

さらに、上述した一実施の形態においては、複数のガイド室ｇｃの各々に、スペーサ手段５０が設けられている例を示したが、これに限られず、複数のガイド室ｇｃの一以上に、スペーサ手段５０が設けられていれば、造形を安定化させることが可能となる。

なお、以上において上述した実施の形態に対するいくつかの変形例を説明してきたが、当然に、複数の変形例を適宜組み合わせて適用することも可能である。

ｃ プロセスチャンバー
ｇｃ ガイド室
ｌａ 下方領域
ｄｃ 駆動室
１０ 三次元造形装置
１５ 制御部
２２ 隔壁
２３ 連通路
３０ ステージ
３５ 駆動装置
３７ 接続部材
５０ スペーサ手段
５１ 区画部材
５２ 拡張手段
５３ ポンプ
５６ 弾性体

Claims (12)

1. 造形が行われるプロセスチャンバーに接続されたガイド室と、
   前記ガイド室内に移動可能に設けられたステージと、
   前記ステージを基準として前記プロセスチャンバー側とは反対側となる前記ガイド室内の領域に設けられ、前記ステージの移動にともなって変形可能であるスペーサ手段と、を備える、三次元造形装置。
2. 前記スペーサ手段は、前記ステージの移動にともなって前記ガイド室内における占有容積を変化させる、請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記スペーサ手段は、その内部空間と前記ガイド室内の領域とが気密に保持されている筒状または袋状の区画部材を有する、請求項２に記載の三次元造形装置。
4. 前記区画部材の前記内部空間を拡張させるよう前記区画部材に作用する拡張手段を、さらに備える、請求項３に記載の三次元造形装置。
5. 前記拡張手段は、前記区画部材の前記内部空間内に流体を吐出可能なポンプである、請求項４に記載の三次元造形装置。
6. 複数の区画部材が設けられている、請求項３〜５のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
7. 前記複数の区画部材は少なくとも２つの異なる大きさのものを含む、請求項６に記載の三次元造形装置。
8. 前記ガイド室を形成する隔壁を通過して、前記区画部材の前記内部空間と、前記プロセスチャンバー及び前記ガイド室の外部となる空間と、を連通させる連通路が設けられている、請求項３〜７のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
9. 前記ステージを駆動する駆動装置の少なくとも一部分が収容された駆動室を、さらに備え、
   前記連通路は、前記区画部材の前記内部空間と、前記駆動室と、を連通させる、請求項８に記載の三次元造形装置。
10. 前記ステージに接続した接続部材を有し、前記接続部材を介して前記ステージを駆動する駆動装置を、さらに備え、
    前記接続部材は、前記区画部材の前記内部空間から、前記ガイド室を形成する隔壁を通過して、前記ガイド室の外部に延び出している、請求項３〜９のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
11. 前記隔壁と前記接続部材との間に、前記区画部材の前記内部空間と、前記プロセスチャンバー及び前記ガイド室の外部となる空間と、を連通させる連通路が設けられている、請求項１０に記載の三次元造形装置。
12. 前記スペーサ手段は、弾性変形可能な弾性体である、請求項１に記載の三次元造形装置。

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