JP2017144691A

JP2017144691A - 粉末床溶融結合装置

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Publication number: JP2017144691A
Application number: JP2016029942A
Authority: JP
Inventors: 正萩原; Tadashi Hagiwara
Original assignee: Aspect Inc
Current assignee: Aspect Inc
Priority date: 2016-02-19
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2036-02-19
Also published as: JP6850945B2

Abstract

【課題】光学系を取り外すことなく造形用容器の表面の詳細な温度分布を測定できる粉末床溶融結合装置を提供する。【解決手段】層状に堆積された粉末材料１５ａをレーザー光で選択的に固化させて立体的な造形物を形成する粉末床溶融結合装置１０において、光走査素子２１の光軸を造形用容器１１の中心と一致させ、かつ、レーザーウインドウ３２の中心を光学素子２１の光軸と赤外線カメラ３１との間に位置するように配置する。【選択図】図４

Description

本発明は、粉末材料を層状に堆積させつつ、レーザ光で選択的に加熱して固化させることで立体的な造形物を形成する粉末床溶融結合装置に関する。

粉末床溶融結合装置では、造形物の反りや歪みを防ぐために、レーザ光を照射するあいだ造形物の上に積層された粉末の表面を均一な温度に保つことが求められる。

このため、従来の粉末床溶融結合装置では、造形用容器の温度分布を赤外線輻射温度計等で測定し、その温度分布の測定結果に基づいて周囲の加熱手段を制御して温度分布を一定に保っている。

特開２０１１−２１２１８号公報特開２００７−２２３１９２号公報

より詳細な温度分布を測定するためには、温度分布を二次元的な測定が可能な赤外線カメラを用いることが好ましい。

ところが、造形用容器のサイズが例えば１５０ｍｍ角といった小型の粉末床溶融結合装置の場合、機器の設置スペースが限られるため、レーザ光の光学系を設置すると、造形用容器の上に赤外線カメラを設置することが困難である。

そのため、従来の粉末床溶融結合装置では、造形に先立つ条件出しを行う調整工程において、レーザ光の光学系を外して赤外線カメラに交換した上で、造形用容器の温度分布の測定を行っており、煩雑な準備作業が必要となっている。

また、レーザ光を照射している間は、造形容器の表面の温度が均一に保たれているか知る方法はなく、例えば、粉末材料の毛羽立ちや塊の成長具合や溶融部分の剥離等を見ながらオペレーターが経験的に判断する必要があった。

そこで、本発明は光学系を取り外すことなく造形用容器の表面の詳細な温度分布を測定できる粉末床溶融結合装置を提供することを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、粉末材料の薄層と共に造形物を収容する造形用容器と、前記粉末材料の薄層に照射するレーザ光を生成するレーザ光源と、前記造形用容器を収容するチャンバと、前記チャンバ上面に設けられたレーザーウインドウと、前記レーザーウインドウを通じて前記粉末材料の薄層に前記レーザ光を照射して走査させる光走査素子と、前記光走査素子に隣接して配置され、前記レーザーウインドウを通じて前記造形用容器の表面の粉末材料の薄層の温度分布を撮像する赤外線カメラと、を備えた粉末床溶融結合装置が提供される。

上記観点の粉末床溶融結合装置によれば、赤外線カメラで造形用容器の上方から撮影することができ、光学系を取り外すことなく造形用容器の表面の詳細な温度分布を求めることができる。

本発明の実施の形態である粉末床溶融結合装置の構成を示す図である。図２は、実施形態に係る粉末床溶融結合装置のレーザ光出射部を示すブロック図である。図１の粉末床溶融結合装置のチャンバと光学系収納部を示す図である。造形用容器と光走査素子及び赤外線カメラとの配置関係を示す図である。光走査素子及び赤外線カメラの視野を示す図である。図１の粉末床溶融結合装置による調整工程のフローチャートである。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（１）粉末床溶融結合装置の構成
本発明の実施形態に係る粉末床溶融結合装置１０は、レーザ光出射部と、造形部と、制御部とから構成されている。

図１（ａ）は、実施形態の粉末床溶融結合装置１０のうち、造形部１０１の構成を示す上面図である。なお、図１（ａ）ではレーザ光出射部と制御装置は図示していない。図１（ｂ）は図１（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う断面図で、同図には造形部１０１の他に、その上方に配置されるレーザ光出射部１０２も示している。

（ａ）造形部の構成
造形部１０１には、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光の照射により造形が行われる造形用容器１１と、その両側に設置された第１の粉末材料収納容器１２ａ及び第２の粉末材料収納容器１２ｂとを備えている。

造形用容器１１の内壁に囲まれた領域が造形領域１１ａであり、粉末材料収納容器１２ａ、１２ｂに囲まれた領域が粉末材料１５の収納領域である。

このうち、造形用容器１１は、３次元造形物が作製される容器であり、例えば、四角い平面形状を有する筒状の容器とすることができる。

なお、本明細書において造形用容器１１の中心とは、造形用容器１１を上から見た時に現れる容器の平面形状（造形領域）の中心をいうものとする。

造形用容器１１の底部には、パートテーブル１３ａが設けられている。このパートテーブル１３ａの上で粉末材料の薄層１５ａが形成され、その粉末材料の薄層１５ａをレーザ光の照射により焼結又は溶融させて固化層１５ｂが形成される。

パートテーブル１３ａには、ねじ溝が切られた支持軸１３ｂが取り付けられておりその支持軸１３ｂは駆動装置（不図示）に接続されている。この駆動装置を動作させることでパートテーブル１３ａが上下方向に移動する。

そして、パートテーブル１３ａを下方に移動させて固化層１５ｂを順次積層し、３次元造形物が作製される。

小型の粉末床溶融結合装置１０においては、造形用容器１１の幅及び奥行きの長さを例えば１５０ｍｍ×１５０ｍｍ程度とすることができる。

第１及び第２の粉末材料収納容器１２ａ、１２ｂでは、それぞれフィードテーブル１４ａの上に粉末材料１５が収納されている。

そのフィードテーブル１４ａには、それぞれ支持軸１４ｂが取り付けられており、駆動装置（不図示）によってフィードテーブル１４ａが上下に移動するようになっている。

そして、フィードテーブル１４ａを上方に移動させることにより、粉末材料１５を供給する。

造形用容器１１及び第１、第２の粉末材料容器１２ａ、１２ｂの上には、リコーター１６が設けられている。

このリコーター１６は、第１の粉末材料容器１２ａと第２の粉末材料容器１２ｂとの間を往復移動する。

そして、フィードテーブル１４ａ、１４ｂの上昇により供給された粉末材料を造形領域１１ａまで運搬し、造形テーブル１３ａ状に粉末材料の薄層１５ａを形成する。材料の薄層１５ａの厚さは、造形テーブル１３ａの下降量で決まる。

粉末材料としては、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリ乳酸、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレンコポリマ（ＡＢＳ）、エチレン・酢酸ビニルコポリマ（ＥＶＡ）、スチレン・アクリロニトリルコポリマ、及びポリカプロラクトン等の熱可塑性樹脂を用いることができる。

造形用容器１１及び第１、第２の粉末材料容器１２ａ、１２ｂは、粉末材料の酸化による劣化や、レーザ光の照射によって発生する材料の蒸気等によるレーザ光射出部１０２へのダメージを防ぐために、密閉されたチャンバ１７内に収められている。

図３に示すように、チャンバ１７には、不活性ガス導入口１７ａと、排気口１７ｂとが設けられており、造形中は不活性ガスで満たされている。

（ｂ）加熱手段の構成
図３は、チャンバ１７の造形用容器１１、粉末材料容器１２ａ、１２ｂ及び加熱手段１１ｂを示す図である。

この粉末床溶融結合装置１０には、造形用容器１１及び粉末材料収納容器１２ａ、１２ｂのそれぞれの周囲に巻き付けられたヒータ（不図示）が設けられている。

さらに、造形用容器１１の上方には、造形領域１１ａの４辺を囲むように配置された４つの赤外線ヒータ１１ｂが設けられている。

赤外線ヒータ１１ｂの発熱量は、赤外線ヒータ１１ｂに供給する電力を調整することで個別に設定可能である。この赤外線ヒータ１１ｂの発熱量の組み合わせを適宜調整することにより、造形領域１１ａの表面を均一な温度に保つ。

造形時には、赤外線ヒータ１１ｂを使用することにより、造形領域１１ａの粉末材料を、その融点よりもやや低い温度に保つ。

（ｃ）レーザ光出射部１０２の構成
図２は、実施形態に係る粉末床溶融結合装置のレーザ光出射部１０２を示すブロック図である。

レーザ光出射部１０２は、図２に示すように、レーザ光を出射するレーザ光源２３と、光走査素子２１、フォーカス光学系２１ｃとを備えている。これらの光出射部１０２は、チャンバ１７の外側に設置されている。

レーザ光源２３は、例えば、波長１０００ｎｍ程度の近赤外域のレーザ光を出射するＹＡＧレーザ光源、又はファイバレーザ光源などが用いることができる。

なお、粉末材料の波長吸収率やコストパフォーマンス等を考慮して使用波長を適宜変更してもよく、例えば、波長１００００ｎｍ程度の遠赤外域のレーザ光を出射する高出力ＣＯ_２レーザ光源を用いてもよい。

光走査素子２１は、レーザ光に対する角度を変化させてレーザ光をＸ方向に走査するガルバノメータミラー（Ｘミラー）２１ａとレーザ光に対する角度を変化させてレーザ光をＹ方向に走査するガルバノメータミラー（Ｙミラー）２１ｂとを備えている。

この光走査素子２１によって、レーザ光は造形領域１１ａの上をＸ方向及びＹ方向に走査される。

また、フォーカス光学系２１ｃは、レーザ光の焦点距離を調整する機能を担っている。フォーカス光学系２１ｃは、レーザ光の走査位置に応じて変わる焦点距離を粉末材料の薄層１５ａの表面に合わせるように動作する。

なお、光走査素子２１の光軸（走査範囲の中心軸）を、造形領域１１ａの中心と一致させておくことで、走査位置と焦点距離との関係が光軸周りに対象となり、フォーカス光学系２１ｃの制御が容易になり、精度よく照射を行うことができる。

したがって、光走査素子２１の光軸を、造形領域１１ａの中心と一致させておくことが好ましい。

光走査素子２１のＸミラー２１ａ、Ｙミラー２１ｂ及びフォーカス光学系２１ｃは、ＸＹＺドライバ２４の制御信号によって動作する。

ＸＹＺドライバ２４は、コントローラ（制御装置）２５により制御され、かつレーザ光源２３のＯＮ（点灯）及びＯＦＦ（消灯）もコントローラ２５により制御される。コントローラ２５として、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）及び制御用のプログラムが格納されたメモリを備えたコンピュータを用いることができる。

レーザ光源２３から出射したレーザ光は、順にフォーカス光学系２１ｃ、Ｘミラー２１ａ、Ｙミラー２１ｂという経路を経て造形部１０１のパートテーブル１３ａ上の材料の薄層１５ａに照射される。

レーザ光はコントローラ２５による光走査素子２１の制御により操作されることにより焼結又は溶融領域に選択的に照射されるようになっている。

さらに、レーザ光が走査されている間、レーザ光が粉末材料の薄層１５ａのちょうど表面に焦点を結ぶように絶えず光学系２１ｃのレンズが動いて焦点距離が調整されるようになっている。

光走査素子２１の制御は、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき行われる。

（ｄ）赤外線カメラ３１とレーザーウインドウ３２の構成
光走査素子２１は、図３に示すように、造形領域１１ａの上方に取り付けられている。本実施形態では、光走査素子２１は、その制御を容易にするとともに、精度を確保する観点から、造形領域１１ａの中心と光走査素子２１の光軸を一致させるように配置する。

また、赤外線カメラ３１は光走査素子２１に隣接して配置する。

このように、赤外線カメラ３１を造形領域１１ａの中心にできるだけ近い部分に配置することで、造形領域１１ａを撮像した際の画像の歪みが小さくなる。その結果、撮像した画像データの画素位置と実際の造形領域１１ａの位置との対応関係が比較的正確に求まる。

なお、造形中には、レーザ光の照射や赤外線ヒータ１１ｂで加熱された粉末材料の一部が昇華して、チャンバ１７の内壁などに再付着することがある。そのため、光走査素子２１及び赤外線カメラ３１等の光学機器を直接チャンバ１７に取り付けたのでは、これらの光学機器が短時間で故障してしまう。

そこで、光走査素子２１及び赤外線カメラ３１と造形用容器１１との間にレーザーウインドウ３２を配置している。

レーザーウンドウ３２は、例えばセレン化亜鉛よりなる円盤状の結晶基板よりなり、レーザ光や造形領域１１ａの表面から放射される赤外線を透過させる。

レーザ光出射部１０２のレーザ光は、そのレーザーウインドウ３２を介してチャンバ１７内に照射される。

さらに、本実施形態ではレーザーウインドウ３２への粉末材料の付着を防ぐために、不活性ガスをレーザーウインドウ３２に吹き付ける噴出口３２ａが設けられている。この噴出口３２ａは、レーザーウインドウ３２の周囲に設けられており、その噴出口３２ａから噴き出す不活性ガスの流れで粉末材料の蒸気や微粒子をチャンバ１７内に押し返してレーザーウインドウ３２への再付着を防止できる。

光走査素子２１の光軸は、造形領域１１ａの全域を走査範囲に収めるべく、造形用容器１１の上方に配置される。このとき、フォーカス制御を容易にするために、造形領域１１ａの中心Ｏと、光走査素子２１の光軸の中心とを一致させることが好ましい。

レーザーウインドウ３２は、上記のように、造形領域１１ａの中心Ｏの上方に光走査素子２１を配置した場合においても、光走査素子２１の走査可能範囲を確保することが求められる。

さらに、レーザーウインドウ３２の周囲から突き出た噴出口３２ａが照射範囲を制約するおそれがあることから、なるべくレーザーウインドウ３２の中心を、光走査素子２１の中心の近くに配置することが好ましい。

一方で、赤外線カメラ３１が造形領域１１ａの全域を視野に収められるようにレーザーウインドウ３２の位置を設定することも求められる。

このような条件を満たすために、光走査素子２１の走査範囲を確保するのに必要な範囲で、レーザーウインドウ３２のサイズを大きくすることが考えられる。

しかし、レーザーウインドウ３２はサイズが大きくなると、非常に高価となるため、サイズアップは最小限にとどめることが好ましい。

図４は、光走査素子２１、赤外線カメラ３１及びレーザーウインドウ３２の配置を示す平面図である。

そこで本実施形態では、図４に示すように、レーザーウインドウ３２の中心Ｐの位置を造形用容器１１の中心Ｏから、赤外線カメラ３１の方にずらして配置する。

すなわち、レーザーウインドウ３２の中心Ｐを光走査素子２１の真下に配置するのではなく、赤外線カメラ３１と光走査素子２１との間に配置する。

さらに、赤外線カメラ３１の中心Ｑを光走査素子２１の中心Ｏとレーザーウインドウ３２の中心Ｐとを結んだ線の延長線上に配置することができる。ここで赤外線カメラ３１の中心とは、赤外線カメラ３１の機械的な中心の意味であり、レンズの中心がこれと一致しない場合もあり得る。

図５は、造形用容器１１と光学系（光走査素子）２１、及び赤外線カメラ３１との配置関係を示す図である。

図５に示すように、レーザーウインドウ３２の中心Ｐを光走査素子２１と赤外カメラ３１の間に配置すると、例えば１５０ｍｍ×１５０ｍｍ程度の造形領域１１ａを有する小型の粉末床溶融結合装置１０において、光走査素子２１の走査範囲を造形領域１１ａの中心に一致させつつ、赤外線カメラ３１の視野を確保できる。

そのため、本実施形態の粉末床溶融結合装置１０によれば、レーザ光出射部１０２を取り外すことなく、造形領域１１ａの表面を赤外線カメラ３１で撮影することができる。

また、造形途中の造形領域１１ａの表面の温度分布をリアルタイムに検出することができ、ヒータ１１ｂの条件出しも容易に行える。

（２）赤外線カメラ３１を用いた調整工程の説明
次に、図６を参照しつつ上記粉末床溶融結合装置１０による造形前に行う調整工程について説明する。

図６は、粉末床溶融結合装置１０における調整工程のフローチャートである。

まず、図６のステップＳ１１に示すように、粉末材料１５のセットアップを行う。

ここでは、図１の造形用容器１１の内壁に沿って上下移動可能なように造形用容器１１にパートテーブル１３ａを取り付ける。また、左右の粉末材料容器１２ａ、１２ｂにもフィードテーブル１４ａを取り付ける。

次いで左右のフィードテーブル１４ａを下降させて、フィードテーブル１４ａの上に粉末材料１５を入れる。

その後、リコーター１６を複数回移動させて造形領域１１ａに粉末材料の薄層１５ａを敷き詰める。また、ガス導入口１７ａから不活性ガスを導入する。

次に、ステップＳ１２において、容器１１、１２ａ、１２ｂの周囲のヒータで粉末材料１５を加熱するとともに、赤外線ヒータ１１ｂで造形領域１１ａの粉末材料の薄層１５ａの表面を加熱する。ここでは、実際の造形のときと同様の温度に加熱すればよく、例えば粉末材料の表面をその融点よりも５〜１５℃程度低い温度にする。

次に、ステップＳ１３において、赤外線カメラ３１で造形領域１１ａの表面の撮像を行う。造形領域１１ａの各部から放出される赤外線の強度は、その部分の温度に応じて増減するため、赤外線カメラ３１の検出する輝度値は温度分布を反映したものとなる。この赤外線カメラ３１からの画像データは制御部３３に送られて温度分布に変換される。

次いで、ステップＳ１４において、制御部３３の制御の下で、造形用容器１１の周囲に配置された赤外線ヒータ１１ｂの出力の組み合わせを、造形領域１１ａの表面の温度が均一になるように調整する。

その後、ステップＳ１５において、制御部３３は、ステップＳ１５で設定した赤外線ヒータ１１ｂの出力値の組み合わせを調整データとして記録して調整工程を終了する。

ステップＳ１５で記録した赤外線ヒータ１１ｃの出力データは、その後の造形の際に利用される。

以上の例では、赤外線カメラ３１を造形開始前の調整工程に使用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、赤外線カメラ３１の検出結果に基づいて、造形中において赤外線ヒータ１１ｃの出力を制御部３３で直接制御してもよい。

１０…粉末床溶融結合装置、１１…造形用容器、１１ａ…造形領域、１２ａ、１２ｂ…粉末材料収納容器、１３ａ…パートテーブル、１３ｂ、１４ｂ…支持軸、１４ａ…フィードテーブル、１５…粉末材料、１５ａ…薄層、１５ｂ…固化層、１６…リコーター、１７…チャンバ、１７ａ…ガス導入口、１７ｂ…ガス排出口、２１…光走査素子、２１ａ…Ｘミラー、２１ｂ…Ｙミラー、２１ｃ…フォーカス光学系、２３…レーザ光源、２４…ＸＹＺドライバ、２５…コントローラ、３１…赤外線カメラ、３２…レーザーウインドウ、３２ａ…噴出口、３３…制御部、１０１…造形部、１０２…レーザ光出射部。

Claims

粉末材料の薄層と共に造形物を収容する造形用容器と、
前記粉末材料の薄層に照射するレーザ光を生成するレーザ光源と、
前記造形用容器を収容するチャンバと、
前記チャンバ上面に設けられたレーザーウインドウと、
前記レーザーウインドウを通じて前記粉末材料の薄層に前記レーザ光を照射して走査させる光走査素子と、
前記光走査素子に隣接して配置され、前記レーザーウインドウを通じて前記造形用容器の表面の粉末材料の薄層の温度分布を撮像する赤外線カメラと、
を備えたことを特徴とする粉末床溶融結合装置。
前記光走査素子の光軸が前記造形用容器の中心と一致することを特徴とする請求項１に記載の粉末床溶融結合装置。
前記レーザーウインドウの中心が前記光走査素子と前記赤外線カメラとの間に位置することを特徴とする請求項２に記載の粉末床溶融結合装置。
前記赤外線カメラの中心は、前記光走査素子の中心と前記レーザーウインドウの中心とを結んだ線の延長線上に配置されることを特徴とする請求項３に記載の粉末床溶融結合装置。
前記造形用容器の表面を加熱する複数の赤外線ヒータと、
粉末材料の薄層の温度分布に基づいて前記赤外線ヒータの出力を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の粉末床溶融結合装置。
前記レーザーウインドウに不活性ガスを吹き付ける噴出口を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の粉末床溶融結合装置。