JP2017110261A - Control method of three-dimensional molding apparatus, method for manufacturing three-dimensional molded object, program and recording medium - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は三次元造形装置に係り、特に昇降可能なステージを利用して三次元造形物を製造する三次元造形方法に関する。また、本発明は、三次元造形物の製造に使用されるプログラム及び記録媒体に関する。 The present invention relates to a three-dimensional modeling apparatus, and more particularly to a three-dimensional modeling method for manufacturing a three-dimensional model using a stage that can be moved up and down. The present invention also relates to a program and a recording medium used for manufacturing a three-dimensional structure.
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。 As a means for realizing 3D modeling based on AM (Additive Manufacturing) technology, a 3D modeling apparatus called a 3D printer is attracting attention. By using the three-dimensional modeling apparatus, it is possible to easily and quickly make a part having a relatively complicated structure.
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、レーザー光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、レーザー光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。 For example, Patent Document 1 discloses an apparatus for manufacturing a three-dimensional structure by layered solidification of a powdered modeling material. In this apparatus, a powder layer is placed on a modeling platform (stage) that is movable in the vertical direction, and laser light is irradiated onto the powder layer to solidify the powder at the irradiated location. Then, the modeling platform is lowered, a new powder layer is placed on the modeling platform, and laser light is irradiated to the new powder layer. A three-dimensional structure is created by repeating such a series of steps.
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。 Patent Document 2 discloses a method of manufacturing a metal article by an additive manufacturing technique using an electron beam instead of a laser beam. In general, if a metal material is oxidized during sintering, the shaped object becomes brittle. On the other hand, in the method disclosed in Patent Document 2, sintering is performed in an inert atmosphere such as argon or nitrogen, and metal oxidation during sintering can be prevented.
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。 It is not preferable that the material is oxidized during modeling as described above from the viewpoint of ensuring a desired strength in the three-dimensional modeled object to be manufactured. On the other hand, it cannot be visually recognized whether oxygen is present in the modeling apparatus. Therefore, an oxygen sensor is installed in the three-dimensional modeling apparatus to monitor the oxygen concentration in the process chamber during modeling. Further, not only during modeling but also before the modeling is started, a purge step is performed, and an inert gas is supplied into the process chamber to replace the atmosphere in the process chamber with the inert gas.
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。三次元造形装置を用いた造形は、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。 However, even if the oxygen concentration in the process chamber was sufficiently reduced before modeling, the oxygen concentration increased with the progress of modeling, and modeling could not be continued. Modeling using a three-dimensional modeling apparatus is premised on being automatically performed from the start of modeling to the end of modeling without the involvement of the apparatus operator. Therefore, the apparatus operator may know for the first time that the modeling is stopped due to the increase in oxygen concentration when the modeling is scheduled to end. Accordingly, the fact that the modeling is stopped due to the increase in the oxygen concentration has a serious effect not only on the modeling cost but also on the modeling delivery date.
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、三次元造形物を安定して製造することができるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such points, and it is possible to stably manufacture a three-dimensional structure by avoiding a rapid increase in the oxygen concentration in the process chamber during modeling. The purpose is to.
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。 The inventors of the present invention have made extensive studies, estimated the cause of the oxygen concentration in the process chamber rising during modeling, and addressed the estimated cause to solve the above-mentioned problems. More specifically, first, as a main cause of the increase in oxygen concentration during modeling, the present inventors do not completely replace oxygen in the purging step before modeling, and the three-dimensional modeling apparatus. It was noted that it could stay inside. In particular, the present inventors have paid attention to the fact that oxygen tends to locally accumulate in the back side region of the stage in the guide chamber. The inventors of the present invention are that the oxygen in the back side region of the stage is diffused as the stage moves during modeling and flows into the process chamber, which is the main cause of the increase in oxygen concentration during modeling. I found out. The present invention is based on such knowledge of the present inventors.
本発明による三次元造形装置の制御方法は、
筐体内のガイド室内に昇降可能に設けられたステージを有する三次元造形装置の制御方法であって、
前記筐体の内部の雰囲気を不活性ガスで置換する準備工程を備え、
前記準備工程において、前記造形工程の開始時における前記ステージの位置よりも下方となる位置まで、前記ステージを下降させ、その後、前記ステージを上昇させる。
The control method of the three-dimensional modeling apparatus according to the present invention is as follows:
A method for controlling a three-dimensional modeling apparatus having a stage that can be moved up and down in a guide chamber in a housing,
Comprising a preparatory step of replacing the atmosphere inside the housing with an inert gas;
In the preparation step, the stage is lowered to a position below the stage position at the start of the modeling step, and then the stage is raised.
本発明による三次元造形装置の制御方法の前記準備工程において、前記造形工程の造形完了時における前記ステージの位置よりも下方となる位置まで、前記ステージを下降させるようにしてもよい。 In the preparatory step of the control method of the three-dimensional modeling apparatus according to the present invention, the stage may be lowered to a position below the position of the stage at the completion of modeling in the modeling step.
本発明による三次元造形装置の制御方法の前記準備工程において、前記ステージの移動可能範囲の最下方位置まで、前記ステージを下降させるようにしてもよい。 In the preparation step of the method for controlling a three-dimensional modeling apparatus according to the present invention, the stage may be lowered to a lowermost position within a movable range of the stage.
本発明による三次元造形方法の前記準備工程は、
前記ステージを下降させる工程と、
前記ステージが下降した状態で前記筐体内に不活性ガスを供給する工程と、
前記ステージを上昇させる工程と、をこの順で含み、
前記ステージを下降させる工程及び前記ステージを上昇させる工程の少なくとも一方の工程中にも、前記筐体内に不活性ガスが供給されるようにしてもよい。
The preparation step of the three-dimensional modeling method according to the present invention includes:
Lowering the stage;
Supplying an inert gas into the housing with the stage lowered;
Raising the stage, in this order,
The inert gas may be supplied into the housing also during at least one of the step of lowering the stage and the step of raising the stage.
本発明による三次元造形方法は、
三次元造形物の製造方法であって、
上述した本発明による三次元造形装置の制御方法のいずれかを実施させる工程と、
前記ステージ上に前記三次元造形物を造形する造形工程と、を含む。
The three-dimensional modeling method according to the present invention is:
A method for producing a three-dimensional structure,
A step of performing any one of the control methods of the three-dimensional modeling apparatus according to the present invention described above;
A modeling step of modeling the three-dimensional modeled object on the stage.
本発明によるプログラムは、
三次元造形装置を制御するプログラムであって、
前記三次元造形装置の制御部によって実行されることにより、上述した本発明による三次元造形装置の制御方法を、三次元造形装置に実施させる。
The program according to the present invention is:
A program for controlling a 3D modeling apparatus,
By being executed by the control unit of the three-dimensional modeling apparatus, the three-dimensional modeling apparatus performs the above-described control method of the three-dimensional modeling apparatus according to the present invention.
本発明による記録媒体は、
三次元造形装置の制御部によって実行されるプログラムが記録された記録媒体であって、
前記プログラムが前記制御部によって実行されることにより、上述した本発明による三次元造形装置の制御方法のいずれかを、三次元造形装置に実施させる。
The recording medium according to the present invention comprises:
A recording medium on which a program executed by the control unit of the three-dimensional modeling apparatus is recorded,
When the program is executed by the control unit, the three-dimensional modeling apparatus performs any one of the above-described methods for controlling the three-dimensional modeling apparatus according to the present invention.
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。 According to the present invention, it is possible to effectively avoid the rapid increase in oxygen concentration in the process chamber during modeling and stably perform modeling.
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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, for the sake of convenience, the scale, the vertical / horizontal dimensional ratio, and the like are exaggerated by changing them from the actual ones. In addition, the terms and values specifying the shapes, geometric conditions, and their levels used in this specification are not limited to strict meanings, and may include a range where similar functions can be expected. Interpret it. Further, in the present specification, the terms “upper” and “lower” are defined based on a vertical direction based on a direction in which gravity acts.
図1〜図4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。
1 to 4 are diagrams for explaining an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
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。
The three-
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。
As shown in FIG. 1, the three-
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。
Each stage 30 slides up and down on the side wall surface of the
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。 Each guide chamber gc and the stage 30 in the guide chamber gc constitute an elevating unit 25. The three elevating units 25 are divided into a dispenser unit 30a, a collection unit 30b, and a building unit 30c provided between the dispenser unit 30a and the collection unit 30b. The dispenser unit 25a has a dispenser guide chamber (first guide chamber) gca and a dispenser stage 30a, and the building unit 25c has a building guide chamber (third guide chamber) gcc and a building stage 30c. 25b has a collection guide chamber (second lifting guide chamber) gcb and a collection stage 30b.
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。
In the example shown in FIG. 1, the dispenser unit 25a, the building unit 25b, and the collection unit 25c are sequentially arranged from the right side to the left side in FIG.
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。
The stage 30 is driven by a driving device 35. For each stage 30 (dispenser stage 30a, collection stage 30b, and building stage 30c), a separate drive device 35 (dispenser drive device 35a, collection drive device 35b, and building drive device 35c) is provided. Each driving device 35 raises and lowers the corresponding stage 30 under the control of the
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。 The dispenser unit 25a (dispenser guide chamber gca and dispenser stage 30a) forms a space for storing the powder material pm, and the powder material pm used for modeling the three-dimensional structure O is placed on the dispenser stage 30a. . The building unit 25c (building guide chamber gcc and building stage 30c) is a place where the three-dimensional structure O is formed, and the powder material pm placed on the building stage 30c is sintered by being irradiated with energy. Thus, the unit layer (cross-sectional layer) ul of the three-dimensional structure O is repeatedly formed. The recovery unit 25b (recovery guide chamber gcb and recovery stage 30b) forms a space for recovering excess of the powder material pm supplied to the building guide chamber gcc, and the excess powder material pm is recovered in the recovery stage. 30b is deposited.
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。
The process chamber c is provided with a
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。
In the process chamber c, a gas supply unit 41, a
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。 The gas supply unit 41 supplies an inert gas such as argon gas or nitrogen gas to the process chamber c. In the example shown in FIG. 1, the gas supply part 41 is provided with a blowing port 41a provided above the building unit 25c (building guide room gcc and building stage 30c). The blowout port 41a blows out an inert gas into the space above the building unit so as not to substantially affect the powder material pm and the three-dimensional structure O arranged on the building stage 30c. In addition, as long as an inert gas can be supplied, the specific structure and installation position of the gas supply part 41 are not specifically limited.
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The operation of each part of the three-
次に、三次元造形装置10の制御方法、および三次元造形装置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装置の制御方法および三次元造形物の製造方法は、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。
Next, a method for controlling the three-
三次元造形装置の制御方法および三次元造形物の製造方法は、筐体21内の雰囲気を不活性ガスで置換する準備工程を有している。更に、三次元造形物の製造方法は、準備工程の後に実施される三次元造形物Oを造形する造形工程も有している。
The control method of the three-dimensional modeling apparatus and the manufacturing method of the three-dimensional model have a preparation step of replacing the atmosphere in the
筐体21内の雰囲気を不活性ガスで置換する準備工程では、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。
In the preparation step of replacing the atmosphere in the
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。 Next, after the process of substituting with an inert gas is completed, a process of modeling the three-dimensional structure O is performed. In this process, the unit layer (cross-sectional layer) ul formed by dividing the three-dimensional structure O into a large number along one direction is sequentially manufactured, so that the three-dimensional structure as an aggregate of the unit layers ul. O is produced.
三次元造形物Oを造形する工程における、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。
The specific operation of each component of the three-
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。
Next, the
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。 Note that the amount of rise of the dispenser stage 30a, the amount of descent of the building stage 30c, and the amount of descent of the collection stage 30b are such that the slightly larger amount of powder material pm than the required amount to be supplied onto the building stage 30c is dispenser guide chamber gca. Is preferably determined so that the excess of the powder material pm supplied to the building stage 30c and not entering the building guide chamber gcc is accommodated in the collection guide chamber gcb. Moreover, it is preferable that the amount of descending of the building stage 30c is determined based on the layer thickness of the powder material pm sintered by the irradiation of the laser beam. As an example, the dispenser stage 30a can be raised by 0.2 millimeter while the collection stage 30b and the building stage 30c are lowered by 0.1 millimeter at a time.
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。
The process of modeling the three-dimensional structure O as described above is performed over several hours to several tens of hours, for example. During this time, the
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。
On the other hand, as a result of intensive studies, the inventors of the present invention have confirmed that the oxygen in the
一方、本実施の形態において、筐体21の内部の雰囲気を不活性ガスで置換する準備工程において、造形工程の開始時における各ステージ30の位置よりも下方となる位置まで、当該ステー30ジを下降させ、その後、前記ステージを上昇させる。このようにステージ30を下降させて置換を実施することにより、ステージ30の背面側となる領域(下方領域)laの体積が小さくなるので、領域laに滞留し得る酸素量を低減することができる。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。
On the other hand, in the present embodiment, in the preparatory process for replacing the atmosphere inside the
なお、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観点からは、準備工程において、造形工程の造形完了時における各ステージ30の位置よりも下方となる位置まで、当該ステージ30を下降させることがより好ましく、各ステージ30の移動可能範囲の最下方位置まで当該ステージ30を下降させることがさらに好ましい。 In addition, from the viewpoint of reducing the amount of oxygen that can be retained in the region (lower region) la on the back side of the stage 30, in the preparation step, a position below the position of each stage 30 at the time of completion of modeling in the modeling step It is more preferable that the stage 30 is lowered, and it is further preferable that the stage 30 is lowered to the lowest position in the movable range of each stage 30.
図2に示すように、筐体21の内部の雰囲気を不活性ガスで置換する準備工程は、ステージ30を下降させる工程S1と、ステージ30が下降した状態で筐体21内に不活性ガスを供給する工程S2と、ステージ30を上昇させる工程S3と、を有するようにしてもよい。
As shown in FIG. 2, the preparatory process for replacing the atmosphere inside the
図3は、ステージ30を下降させる工程S1が終了した状態を示している。ステージ30を下降させる工程S1中に、ガス供給部41から筐体21内に不活性ガスを供給するようにしてもよい。この場合、不活性ガスでの置換をより迅速に行うことができる。なお、図3において、ステージ30は、ステージ30の移動可能範囲の最下方位置まで下降している。 FIG. 3 shows a state where the step S1 for lowering the stage 30 is completed. You may make it supply an inert gas in the housing | casing 21 from the gas supply part 41 during process S1 which lowers the stage 30. FIG. In this case, the replacement with the inert gas can be performed more quickly. In FIG. 3, the stage 30 is lowered to the lowest position in the movable range of the stage 30.
図4は、ステージ30を上昇させる工程S3が終了した状態を示している。この状態から、造形工程が開始される。ステージ30を上昇させる工程S3中に、ガス供給部41から筐体21内に不活性ガスを供給するようにしてもよい。この場合、ガイド室gc内におけるステージ30の背面側となる領域(下方領域)laに、不活性ガスが引き込まれ、酸素の滞留を効果的に防止することができる。 FIG. 4 shows a state where the step S3 for raising the stage 30 is completed. From this state, the modeling process is started. You may make it supply an inert gas in the housing | casing 21 from the gas supply part 41 during process S3 which raises the stage 30. FIG. In this case, the inert gas is drawn into a region (lower region) la on the back side of the stage 30 in the guide chamber gc, and oxygen retention can be effectively prevented.
以上、本発明を図示された一実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、この他にも種々の形態で実施可能である。例えば、上述した三次元造形方式は、一例として、粉体材料の層に所定のパターンで光を照射することで焼結材料からなる単位層を順次積層していく方式(粉末床溶融結合方式)としたが、他の例として、加熱することにより溶融状態になる樹脂をノズルより押し出し積層させる造形方式(材料押出方式)、液状の結合剤をノズルより噴射し粉末材料を結合させる積層造形方式(結合材噴射方式)、液体材料をノズルより噴射し選択的に堆積させていく積層造形方式(材料噴射)、及び、金属材料を供給しながらレーザー等で熱エネルギーを与え溶融・堆積させる造形方式(指向性エネルギ堆積方式)等にも本発明を適用することができる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on one illustrated embodiment, this invention is not limited to this embodiment, In addition, it can implement with a various form. For example, the above-described three-dimensional modeling method is, for example, a method in which unit layers made of a sintered material are sequentially laminated by irradiating light in a predetermined pattern on a powder material layer (powder bed fusion bonding method) However, as another example, a modeling method (material extrusion method) in which a resin that is in a molten state by heating is laminated from a nozzle (material extrusion method), and a layered modeling method in which a liquid binder is injected from a nozzle to bond a powder material ( Bonding material injection method), additive manufacturing method in which liquid material is ejected from nozzles and selectively deposited (material injection), and modeling method in which heat energy is applied by laser etc. while supplying metal material (melting and deposition) The present invention can also be applied to a directional energy deposition system).
O 三次元造形物
gc ガイド室
10 三次元造形装置
15 制御部
21 筐体
30 ステージ
O 3D modeling object
Claims (7)
前記筐体の内部の雰囲気を不活性ガスで置換する準備工程を備え、
前記準備工程において、前記造形工程の開始時における前記ステージの位置よりも下方となる位置まで、前記ステージを下降させ、その後、前記ステージを上昇させる、三次元造形装置の制御方法。 A method for controlling a three-dimensional modeling apparatus having a stage that can be moved up and down in a guide chamber in a housing,
Comprising a preparatory step of replacing the atmosphere inside the housing with an inert gas;
A control method for a three-dimensional modeling apparatus, wherein, in the preparation step, the stage is lowered to a position below the position of the stage at the start of the modeling step, and then the stage is raised.
前記ステージを下降させる工程と、
前記ステージが下降した状態で前記筐体内に不活性ガスを供給する工程と、
前記ステージを上昇させる工程と、をこの順で含み、
前記ステージを下降させる工程及び前記ステージを上昇させる工程の少なくとも一方の工程中にも、前記筐体内に不活性ガスが供給される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の三次元造形装置の制御方法。 The preparation step includes
Lowering the stage;
Supplying an inert gas into the housing with the stage lowered;
Raising the stage, in this order,
The three-dimensional modeling according to any one of claims 1 to 3, wherein an inert gas is supplied into the housing also during at least one of the step of lowering the stage and the step of raising the stage. Control method of the device.
請求項1〜4のいずれか一項に記載された三次元造形装置の制御方法を実施させる工程と、
前記ステージ上に前記三次元造形物を造形する造形工程と、を含む、三次元造形物の製造方法。 A method for producing a three-dimensional structure,
A step of executing the control method of the three-dimensional modeling apparatus according to claim 1;
And a modeling step of modeling the three-dimensional structure on the stage.
前記三次元造形装置の制御部によって実行されることにより、請求項1〜4のいずれか一項に記載された三次元造形装置の制御方法を、三次元造形装置に実施させる、プログラム。 A program for controlling a 3D modeling apparatus,
The program which makes a three-dimensional modeling apparatus implement the control method of the three-dimensional modeling apparatus described in any one of Claims 1-4 by being performed by the control part of the said three-dimensional modeling apparatus.
前記プログラムが前記制御部によって実行されることにより、請求項1〜4のいずれか一項に記載された三次元造形装置の制御方法を、三次元造形装置に実施させる、記録媒体。 A recording medium on which a program executed by the control unit of the three-dimensional modeling apparatus is recorded,
The recording medium which makes a 3D modeling apparatus implement the control method of the 3D modeling apparatus described in any one of Claims 1-4 by the said program being performed by the said control part.
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20191126 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20200529 |