JP2017159617A - 積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】造形槽内へ吐出された磁性体を含む粉末に磁界を作用させる手段を備えていない構成に比べて、造形槽内へ吐出された粉末の飛び散りを抑制できる積層造形装置を得る。【解決手段】造形槽１２内へ磁性体を含む粉末Ｐを吐出する吐出手段２２と、磁界を発生し、造形槽１２内へ吐出された粉末Ｐに、その磁界を作用させる発生手段２４、２６と、造形槽１２内に吐出されて形成された粉末Ｐの層の少なくとも一部を固化させる固化手段２０と、を備えた積層造形装置１０とする。【選択図】図１

Description

本発明は、積層造形装置に関する。

部品の等方性の強化及び方向性の強度を提供するために、強化用繊維が選択的に配向される繊維強化部品のダイレクトデジタル製造方法は、従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−６３６４１号公報

本発明は、造形槽内へ吐出された磁性体を含む粉末に磁界を作用させる手段を備えていない構成に比べて、造形槽内へ吐出された粉末の飛び散りを抑制できる積層造形装置を得ることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載の積層造形装置は、造形槽内へ磁性体を含む粉末を吐出する吐出手段と、磁界を発生し、前記造形槽内へ吐出された前記粉末に前記磁界を作用させる発生手段と、前記造形槽内に吐出されて形成された前記粉末の層の少なくとも一部を固化させる固化手段と、を備えている。

また、請求項２に記載の積層造形装置は、請求項１に記載の積層造形装置であって、前記発生手段は、前記造形槽に設けられている。

また、請求項３に記載の積層造形装置は、請求項１又は請求項２に記載の積層造形装置であって、前記発生手段は、極性を交互に切り替えることで前記造形槽内へ吐出された前記粉末に振動を発生させる。

また、請求項４に記載の積層造形装置は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の積層造形装置であって、前記発生手段は、前記吐出手段から前記粉末が吐出されているときに、前記磁界を発生させる。

また、請求項５に記載の積層造形装置は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の積層造形装置であって、前記発生手段は、前記吐出手段から前記粉末が吐出された後に、前記磁界を発生させる。

また、請求項６に記載の積層造形装置は、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の積層造形装置であって、前記吐出手段は、非磁性体とされている。

また、請求項７に記載の積層造形装置は、請求項１に記載の積層造形装置であって、前記発生手段は、前記吐出手段に設けられている。

また、請求項８に記載の積層造形装置は、請求項７に記載の積層造形装置であって、前記発生手段は、極性を交互に切り替えることで前記吐出手段から吐出されている前記粉末に振動を発生させる。

また、請求項９に記載の積層造形装置は、請求項７に記載の積層造形装置であって、前記発生手段は、磁界の発生と非発生とを切り替えることにより、前記吐出手段から吐出される前記粉末の吐出量を調節する。

また、請求項１０に記載の積層造形装置は、請求項１に記載の積層造形装置であって、前記発生手段は、前記造形槽及び前記吐出手段に設けられるとともに、前記造形槽における磁界が、前記吐出手段における磁界よりも強くされている。

また、請求項１１に記載の積層造形装置は、請求項１又は請求項１０に記載の積層造形装置であって、前記発生手段は、前記造形槽及び前記吐出手段に設けられるとともに、極性を交互に切り替えることで前記造形槽内へ吐出された前記粉末及び前記吐出手段から吐出されている前記粉末にそれぞれ振動を発生させる。

また、請求項１２に記載の積層造形装置は、請求項１〜請求項１１の何れか１項に記載の積層造形装置であって、磁界を発生させる発生部を有し、前記造形槽内に残された未固化の前記粉末を回収する回収手段を備えている。

請求項１に係る発明によれば、造形槽内へ吐出された磁性体を含む粉末に磁界を作用させる手段を備えていない構成に比べて、造形槽内へ吐出された粉末の飛び散りを抑制することができる。

請求項２に係る発明によれば、磁界を発生する発生手段が造形槽に設けられていない構成に比べて、造形槽内へ吐出された粉末の層厚のばらつきを抑制することができる。

請求項３に係る発明によれば、造形槽内へ吐出された粉末を振動させない構成に比べて、造形槽内に吐出されて積層された粉末の密度を向上させることができる。

請求項４に係る発明によれば、吐出手段から粉末が吐出されているときに、磁界を発生させない構成に比べて、造形強度を向上させることができる。

請求項５に係る発明によれば、吐出手段から粉末が吐出された後に、磁界を発生させない構成に比べて、造形槽内に吐出されて積層された粉末の層厚のばらつきを抑制することができる。

請求項６に係る発明によれば、吐出手段が磁性体とされている構成に比べて、粉末が吐出されているときの粉末の飛び散りを抑制することができる。

請求項７に係る発明によれば、発生手段が吐出手段に設けられていない構成に比べて、造形槽内へ吐出されている粉末の層厚のばらつきを抑制することができる。

請求項８に係る発明によれば、吐出手段から吐出されている粉末を振動させない構成に比べて、造形槽内に吐出されて積層された粉末の密度を向上させることができる。

請求項９に係る発明によれば、吐出手段から吐出される粉末の吐出量を調節しない構成に比べて、造形槽内に吐出されて積層された粉末の層厚を制御することができる。

請求項１０に係る発明によれば、造形槽における磁界が吐出手段における磁界よりも弱くされている構成に比べて、造形槽内へ吐出されている粉末の飛び散りを抑制することができる。

請求項１１に係る発明によれば、造形槽内へ吐出された粉末及び吐出手段から吐出されている粉末をそれぞれ振動させない構成に比べて、造形強度を向上させることができる。

請求項１２に係る発明によれば、造形槽内に残された未固化の粉末を回収する回収手段を備えていない構成に比べて、積層造形装置の周囲が粉末で汚染されるのを抑制することができる。

第１実施形態に係る積層造形装置の概略側面図である。 第２実施形態に係る積層造形装置の概略側面図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を基に詳細に説明する。なお、説明の便宜上、各図に適宜示される矢印ＵＰを積層造形装置１０の上方向とし、矢印ＲＨを積層造形装置１０の右方向とする。そして、各図の紙面手前方向を積層造形装置１０の前方向とする。

＜第１実施形態＞
まず、第１実施形態に係る積層造形装置１０について説明する。図１に示されるように、この積層造形装置１０は、三次元造形物Ｍを造形するための造形槽１２を有している。造形槽１２は、例えば円形状の開口部１４Ａを有する装置本体１４と、その装置本体１４の開口部１４Ａの内部に、エアシリンダー等の公知の昇降装置１８によって昇降可能に設けられた円板状の造形台１６と、を含んで構成されている。なお、造形台１６の外径は、開口部１４Ａの内周面に対して摺動可能となる大きさとされている。

造形槽１２の上方には、図示しない機構により角度が変化可能に構成されたリフレクター２１が配置されており、そのリフレクター２１によって反射されつつ走査されるレーザービーム（以下、単に「レーザー」という）Ｌを出射する固化手段の一例としてのレーザー装置２０が、適宜位置に配置されている。なお、レーザー装置２０から出射されるレーザーＬとしては、例えば炭酸ガスレーザーが挙げられる。

更に、造形槽１２の上方には、磁性体を含む樹脂製の粉末（以下「磁性粉」という）Ｐを造形槽１２内へ吐出する吐出手段の一例としてのコーター２２が配置されている。なお、樹脂製の粉末に磁性体を含ませる方法としては、磁性一成分トナーのように樹脂製の粉末内に磁性体を内添させてもよいし、樹脂製の粉末の表面に磁性体をコーティングするようにしてもよい。また、樹脂材は、熱可塑性樹脂等の積層造形に使用される一般的な樹脂材でよく、特に限定されるものではない。

コーター２２は、非磁性体で構成されており、公知の移動機構（図示省略）によって、造形槽１２の上方側で径方向（図示の左右方向）に移動可能に構成されている。つまり、コーター２２は、造形槽１２の一端部から他端部まで径方向に移動しつつ、造形槽１２内に上方から一定量の磁性粉Ｐを吐出する構成になっている。そして、コーター２２は、造形槽１２の他端部において、磁性粉Ｐの吐出及び径方向の移動を一旦停止した後、造形槽１２の一端部に復帰移動し、再度造形槽１２の一端部から他端部まで径方向に移動しつつ、造形槽１２内に磁性粉Ｐを吐出する構成になっている。

また、造形槽１２を構成する装置本体１４の開口部１４Ａにおける内周面側には、造形槽１２内へ磁界を発生させる発生手段の一例としての電磁石２４が円筒状に配置されている。そして、造形台１６の下面１６Ａ側にも、造形槽１２内へ磁界を発生させる発生手段の一例としての電磁石２６が円板状に配置されている。つまり、造形台１６は、電磁石２６と共に昇降装置１８によって昇降される構成になっている。

各電磁石２４、２６には、交流電流が印加されるようになっており、各電磁石２４、２６は、その極性が周期的に変化する構成とされている。すなわち、電磁石２４により、コーター２２から吐出されて造形槽１２内を落下中の磁性粉Ｐに作用する磁界の極性が周期的に切り替わるようになっている。

そして、電磁石２６により、コーター２２から吐出された後（コーター２２が径方向に移動して一旦停止した後で、かつレーザーＬで固化される前）の造形台１６上の磁性粉Ｐに作用する磁界の極性が周期的に切り替わるようになっている。これにより、造形槽１２内へ吐出された磁性粉Ｐ（造形槽１２内を落下中の磁性粉Ｐ及び造形台１６上の磁性粉Ｐ）に振動が発生するようになっている。

また、この積層造形装置１０は、三次元造形物Ｍを取り出した後の造形槽１２内に残された未固化の磁性粉Ｐを磁力によって回収する回収手段の一例としての回収装置３０を備えている。回収装置３０は、造形槽１２を構成する装置本体１４の適宜位置に形成された有底円筒状の回収槽３２と、造形槽１２の上方と回収槽３２の上方とを往復移動するロボットアーム３４と、ロボットアーム３４の先端部（下端部）に設けられた電磁石３６と、を有している。

なお、この電磁石３６が、回収装置３０において磁界を発生させる発生部の一例である。そして、この電磁石３６には、直流電流が印加されるように構成されている。つまり、この電磁石３６は、単に通電がＯＮ、ＯＦＦされることにより、磁界の発生及び非発生が切り替わるだけの構成とされている。

以上のような構成とされた第１実施形態に係る積層造形装置１０において、次にその作用について説明する。

造形台１６及び電磁石２６は、昇降装置１８により、造形槽１２の上部側に配置されている。そして、コーター２２から磁性粉Ｐが造形槽１２内へ吐出されるが、この際、電磁石２４及び電磁石２６により、造形槽１２内に磁界が発生される。つまり、コーター２２から造形槽１２内へ吐出された磁性粉Ｐに磁界が作用する。したがって、造形槽１２内へ吐出された磁性粉Ｐに磁界を作用させない構成に比べて、造形槽１２内へ吐出された磁性粉Ｐの飛び散りが抑制される。

コーター２２は、造形槽１２の径方向に移動しつつ磁性粉Ｐを吐出し、それに伴って、造形台１６及び電磁石２６が昇降装置１８によって徐々に下降していく。これにより、造形槽１２内（造形台１６上）に磁性粉Ｐの層が順次形成されていくが、コーター２２は、非磁性体とされているため、コーター２２が磁性体とされている構成に比べて、磁性粉Ｐが吐出されているときの磁性粉Ｐの飛び散りが抑制される。

そして、造形槽１２内には、電磁石２４及び電磁石２６によって磁界が発生されているため、造形槽１２内へ吐出された磁性粉Ｐは、その層厚のばらつきが抑制されつつ積層されていく。すなわち、電磁石２４及び電磁石２６は、その極性が周期的に（交互に）変化するため、コーター２２から吐出されて積層される磁性粉Ｐに対して振動が付与される。したがって、造形槽１２内で積層される磁性粉Ｐに振動が付与されない構成に比べて、造形槽１２内で積層される磁性粉Ｐの密度が向上される。

こうして、造形槽１２内に磁性粉Ｐの層が形成されていくが、それと共に、その磁性粉Ｐの層の少なくとも一部が、レーザー装置２０から出射されてリフレクター２１によって反射されつつ走査されたレーザーＬによって溶融又は焼結されて固化される。つまり、このような磁性粉Ｐの積層と固化とを順次繰り返し行うことにより、造形槽１２内において、所望とする三次元造形物Ｍが形成される。

なお、コーター２２から磁性粉Ｐが吐出されているときに、電磁石２４により磁界を発生させると、コーター２２から磁性粉Ｐが吐出されているときに、電磁石２４により磁界を発生させない構成に比べて、造形槽１２内に吐出されて積層される磁性粉Ｐの密度が向上されるため、三次元造形物Ｍの造形強度及び造形精度が向上される。

また、コーター２２から磁性粉Ｐが吐出された後（コーター２２の移動が一旦停止した後で、かつレーザーＬで固化される前）に、電磁石２６により磁界を発生させると、コーター２２から磁性粉Ｐが吐出された後に、電磁石２６により磁界を発生させない構成に比べて、造形槽１２内に吐出されて積層された磁性粉Ｐの層厚のばらつきが抑制される。

また、三次元造形物Ｍが取り出された後の造形槽１２内に残った未固化の磁性粉Ｐは、回収装置３０によって回収される。具体的に説明すると、ロボットアーム３４により、通電状態の電磁石３６が造形槽１２内に配置される。これにより、未固化の磁性粉Ｐが電磁石３６に吸着される。

その後、未固化の磁性粉Ｐを吸着した電磁石３６が、ロボットアーム３４により、回収槽３２の上方へ搬送される。そして、電磁石３６への通電が遮断される。これにより、電磁石３６によって吸着されていた未固化の磁性粉Ｐが、回収槽３２内に落下して回収される。そして、ロボットアーム３４は、通電状態の電磁石３６を再度造形槽１２内に配置する。

つまり、造形槽１２内に残された未固化の磁性粉Ｐは、このようなロボットアーム３４による回収作業が繰り返し行われることにより、回収槽３２内に全て回収される。したがって、回収装置３０を備えていない構成に比べて、積層造形装置１０の周囲が磁性粉Ｐで汚染されるのが抑制される。なお、回収槽３２内に回収された未固化の磁性粉Ｐは、再びコーター２２から吐出され、次の三次元造形物Ｍの形成に利用される。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る積層造形装置１０について説明する。なお、上記第１実施形態と同等の部位には、同じ符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図２に示されるように、この第２実施形態に係る積層造形装置１０では、コーター２２の吐出口２２Ａの周囲に、磁界を発生する発生手段の一例としての電磁石２８が設けられている。つまり、造形槽１２内だけではなく、コーター２２の吐出口２２Ａの周囲にも磁界を発生させる構成になっている。

そして、この電磁石２８にも、交流電流が印加されるようになっており、電磁石２８は、その極性が周期的に変化する構成とされている。すなわち、この電磁石２８により、コーター２２の吐出口２２Ａから吐出されている磁性粉Ｐに作用する磁界の極性が周期的に切り替わるようになっている。

これにより、造形槽１２内へ吐出された磁性粉Ｐに振動が発生する構成になっている。すなわち、電磁石２８及び電磁石２４によって、コーター２２の吐出口２２Ａから造形槽１２内へ吐出されている（造形槽１２の上方から造形槽１２内へ落下中の）磁性粉Ｐに振動を発生させるとともに、電磁石２６によって、造形台１６上の磁性粉Ｐに振動を発生させる構成になっている。

なお、電磁石２８による磁界のピーク値は、電磁石２４及び電磁石２６による磁界のピーク値よりも弱くされている。換言すれば、電磁石２４及び電磁石２６によって発生する造形槽１２内における磁界のピーク値は、電磁石２８によって発生するコーター２２の吐出口２２Ａの周囲における磁界のピーク値よりも強くされている。

以上のような構成とされた第２実施形態に係る積層造形装置１０において、次にその作用について説明する。なお、上記第１実施形態と共通する作用については、その記載を適宜省略する。

造形台１６及び電磁石２６は、昇降装置１８により、造形槽１２の上部側に配置されている。そして、コーター２２が、造形槽１２の径方向に移動しつつ磁性粉Ｐを吐出し、それに伴って、造形台１６及び電磁石２６が昇降装置１８によって徐々に下降していく。これにより、造形槽１２内（造形台１６上）に磁性粉Ｐの層が順次形成されていく。

造形槽１２内に磁性粉Ｐの層が形成されると、その磁性粉Ｐの層の少なくとも一部が、レーザー装置２０から出射されてリフレクター２１によって反射されつつ走査されたレーザーＬによって溶融又は焼結されて固化される。このように、磁性粉Ｐの積層と固化とを順次繰り返し行うことにより、造形槽１２内において、所望とする三次元造形物Ｍが形成される。

ここで、この第２実施形態に係る積層造形装置１０では、電磁石２４及び電磁石２６により、造形槽１２内に磁界を発生させるとともに、電磁石２８により、コーター２２の吐出口２２Ａの周囲にも磁界を発生させている。

つまり、この第２実施形態に係る積層造形装置１０では、電磁石２６により、造形台１６上の磁性粉Ｐに磁界が作用するだけではなく、電磁石２８及び電磁石２４により、コーター２２の吐出口２２Ａから造形槽１２内へ吐出されている（造形槽１２の上方から造形槽１２内へ落下中の）磁性粉Ｐにも磁界が作用している。したがって、コーター２２に電磁石２８が設けられていない構成に比べて、造形槽１２内へ吐出された磁性粉Ｐの層厚のばらつきが抑制される。

また、このとき、造形槽１２内に形成される磁界のピーク値が、コーター２２の吐出口２２Ａの周囲に形成される磁界のピーク値よりも強くされている。したがって、造形槽１２内に形成される磁界のピーク値が、コーター２２の吐出口２２Ａの周囲に形成される磁界のピーク値よりも弱くされている構成に比べて、コーター２２から造形槽１２内へ吐出されている磁性粉Ｐの飛び散りが抑制される。

また、電磁石２８は、その極性が周期的に（交互に）変化するため、コーター２２の吐出口２２Ａから吐出されている磁性粉Ｐに対して振動が付与される。したがって、コーター２２の吐出口２２Ａから吐出されている磁性粉Ｐに振動が付与されない構成に比べて、造形槽１２内に吐出されて積層される磁性粉Ｐの密度が向上される。

すなわち、積層造形装置１０において、電磁石２４及び電磁石２６の他に電磁石２８が設けられていない構成に比べて、造形槽１２内に吐出されて積層される磁性粉Ｐの密度が向上されるため、三次元造形物Ｍの造形強度及び造形精度が向上される。

なお、コーター２２に設ける電磁石２８には、直流電流を印加する構成としてもよい。この場合は、その電磁石２８に対する通電のＯＮ、ＯＦＦにより（磁界の発生と非発生とを切り替えることにより）、コーター２２の吐出口２２Ａから吐出される磁性粉Ｐが一時的に電磁石２８に吸着されるタイミングが生じるため、その磁性粉Ｐの造形槽１２内への吐出量が調節可能となる。つまり、この場合には、造形槽１２内に吐出されて積層される（レーザーＬによって固化される前の）磁性粉Ｐの層厚が制御可能となる。

なお、この第２実施形態に係る積層造形装置１０において、装置本体１４の開口部１４Ａにおける内周面側及び造形台１６の下面１６Ａ側に、それぞれ電磁石２４及び電磁石２６を設けない構成にしてもよい。すなわち、コーター２２の吐出口２２Ａの周囲にのみ電磁石２８を設ける構成にしてもよい。

以上、本実施形態に係る積層造形装置１０について、図面を基に説明したが、本実施形態に係る積層造形装置１０は、図示のものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能なものである。例えば、電磁石２４と電磁石２６とは、同じ磁力としてもよいが、それぞれ印加される電圧を変更するなどして、互いに異なる磁力としてもよい。

また、電磁石２４及び電磁石２６は、それぞれ造形槽１２（装置本体１４の開口部１４Ａにおける内周面側及び造形台１６の下面１６Ａ側）に設けられる構成に限定されるものではなく、造形槽１２内に磁界を発生させられるようになっていれば、例えば装置本体１４における他の適切な箇所に設けられていてもよい。また、固化手段は、炭酸ガスレーザーを出射するレーザー装置２０に限定されるものでもない。

また、コーター２２は、造形槽１２の他端部で一旦停止させ、造形槽１２の一端部に復帰移動させる構成に限定されるものではなく、例えば造形槽１２の一端部と他端部とを往復移動しつつ、磁性粉Ｐを吐出する構成とされていてもよい。また、造形槽１２や回収槽３２は、円筒状に形成される構成に限定されるものではなく、例えば角筒状に形成されていてもよい。

１０ 積層造形装置
１２ 造形槽
２０ レーザー装置（固化手段の一例）
２２ コーター（吐出手段の一例）
２４ 電磁石（発生手段の一例）
２６ 電磁石（発生手段の一例）
２８ 電磁石（発生手段の一例）
３０ 回収装置（回収手段の一例）
３６ 電磁石（発生部の一例）
Ｐ 磁性粉（磁性体を含む粉末の一例）

Claims (12)

1. 造形槽内へ磁性体を含む粉末を吐出する吐出手段と、
   磁界を発生し、前記造形槽内へ吐出された前記粉末に前記磁界を作用させる発生手段と、
   前記造形槽内に吐出されて形成された前記粉末の層の少なくとも一部を固化させる固化手段と、
   を備えた積層造形装置。
2. 前記発生手段は、前記造形槽に設けられている請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記発生手段は、極性を交互に切り替えることで前記造形槽内へ吐出された前記粉末に振動を発生させる請求項１又は請求項２に記載の積層造形装置。
4. 前記発生手段は、前記吐出手段から前記粉末が吐出されているときに、前記磁界を発生させる請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の積層造形装置。
5. 前記発生手段は、前記吐出手段から前記粉末が吐出された後に、前記磁界を発生させる請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の積層造形装置。
6. 前記吐出手段は、非磁性体とされている請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の積層造形装置。
7. 前記発生手段は、前記吐出手段に設けられている請求項１に記載の積層造形装置。
8. 前記発生手段は、極性を交互に切り替えることで前記吐出手段から吐出されている前記粉末に振動を発生させる請求項７に記載の積層造形装置。
9. 前記発生手段は、磁界の発生と非発生とを切り替えることにより、前記吐出手段から吐出される前記粉末の吐出量を調節する請求項７に記載の積層造形装置。
10. 前記発生手段は、前記造形槽及び前記吐出手段に設けられるとともに、前記造形槽における磁界が、前記吐出手段における磁界よりも強くされている請求項１に記載の積層造形装置。
11. 前記発生手段は、前記造形槽及び前記吐出手段に設けられるとともに、極性を交互に切り替えることで前記造形槽内へ吐出された前記粉末及び前記吐出手段から吐出されている前記粉末にそれぞれ振動を発生させる請求項１又は請求項１０に記載の積層造形装置。
12. 磁界を発生させる発生部を有し、前記造形槽内に残された未固化の前記粉末を回収する回収手段を備えた請求項１〜請求項１１の何れか１項に記載の積層造形装置。

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