JP2017160505A - 三次元形状造形物の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元形状造形物の製造装置において、粉末材料に光ビームを照射するときに発生するヒュームの影響を抑える。
【解決手段】チャンバー６内に設けられた粉末層２の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末材料を焼結又は溶融固化させて硬化層４を形成する三次元形状造形物の製造装置５であって、チャンバー６に光ビームを透過させる透過窓８を設け、透過窓８の周囲に、下方向に向かって不活性ガスを吹き出す吹出口１０を設け、吹出口１０の下方には、吹出口１０をドーナツ状に覆う円環部材１１を設け、円環部材１１と透過窓８との間に不活性ガスが通過する隙間１２を設けたので、不活性ガスが透過窓８を覆い、ヒュームの付着を抑制する。
【選択図】図３

Description

本発明は、三次元形状造形物を製造する製造装置に関する。より詳細には、本発明は、粉末層の所定箇所にレーザービームを照射して硬化層を形成することを繰り返し実施することによって複数の硬化層が積層一体化した三次元形状造形物を製造するための装置に関する。

このような三次元形状造形物の製造装置は、３Ｄプリンタとも呼ばれており、従来から、この製造装置は、無機質粉体（金属）や有機質粉体（樹脂）（以降、これらの材料となる粉黛を粉末材料と記す）に対して、所望のエネルギーを有する指向性の光ビーム、例えばレーザービームを照射して、焼結、あるいは溶融固化させ、できた硬化層を積層して三次元形状造形物を製造するものである（例えば、特許文献１参照）。

以下、このような三次元形状造形物の製造装置による三次元形状造形物（以降、三次元形状造形物は、造形物とも記す。）の製造方法について、図６、および、図７を参照しながら説明する。

この方法は、図６に示すように、粉末材料を敷いた粉末層１０１にレーザービームＬを照射して、粉末材料を焼結、あるいは、溶融固化して、硬化層１０２を形成する。次に、得られた硬化層１０２の上に、新たな粉末層１０１を敷き、同様にレーザービームＬを照射して新たな硬化層１０２を形成する。この工程を繰り返し、硬化層１０２を積層することによって、三次元形状造形物を形成する。

図７に示すように、このような方法を実現する従来の三次元形状造形物の製造装置１１０は、造形物の酸化などを防止するために、不活性ガスで満たされたチャンバー１１１内で粉末材料の焼結、あるいは、溶融固化が行われることが多い。チャンバー１１１内には、粉末材料を供給し、粉末層を形成する均し板１１２などの粉末層形成手段、その上に粉末層および硬化層が形成されることになるベースプレート１１３などが設置されている。チャンバー１１１外にはレーザービーム照射手段１１４が設置されている。レーザービーム照射手段１１４から発せられたレーザービームＬは、チャンバー１１１の天面に設けられた透過窓１１５を通じて粉末層の所定箇所へと照射される。レーザービームＬは、透過窓１１５を通過してチャンバー１１１内に入射される。

特開２０１２−２２４９１９号公報

ここで、粉末層にレーザービームＬを照射して粉末を焼結、あるいは、溶融固化させると、粉末材料が硬化される場所、すなわち、レーザービームＬの照射箇所から、ヒュームと呼ばれる煙状の物質が発生する。このヒュームは、上昇して透過窓１１５に付着し、レーザービームＬの透過率などが低下する。レーザービームＬの透過率などが低下すると、粉末層に到達するレーザービームＬは、所望のエネルギーを持たなくなるので、粉末層が十分硬化しない。従って、所望の造形物が形成されない、という課題がある。

そして、この目的を達成するために、本発明に係る三次元形状造形物の製造装置は、
チャンバー内に設けられた粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて硬化層を形成する三次元形状造形物の製造装置であって、
前記チャンバーに前記光ビームを透過させる透過窓を設け、前記透過窓の周囲に、下方向に向かって不活性ガスを吹き出す吹出口を設け、前記吹出口の下方には、前記吹出口をドーナツ状に覆う円環部材を設け、前記円環部材と前記透過窓との間に前記不活性ガスが通過する隙間を設けたものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、前記チャンバーに前記光ビームを透過させる透過窓を設け、前記透過窓の周囲に、下方向に向かって不活性ガスを吹き出す吹出口を設け、前記吹出口の下方には、前記吹出口をドーナツ状に覆う円環部材を設け、前記円環部材と前記透過窓との間に前記不活性ガスが通過する隙間を設けたという構成にしたことにより、円環部材内に充満した不活性ガスが、透過窓と円環部材との間の隙間から吹き出すので、透過窓にヒュームが付着することを抑制することができる。

すなわち、円環部材は、吹出口から吹き出した不活性ガスを一旦溜め込み、円環部材内で充満させる。そして、円環部材は、その内周側において、透過窓との間に不活性ガスが通過する隙間ができる形状である。従って、円環部材内の不活性ガスは、透過窓と円環部材の間に形成された隙間から、透過窓の表面を沿うようにしてチャンバー内に吹き出すことになる。このように、透過窓の表面上を不活性ガスが覆うことになるので、ヒュームの付着を抑制することができる。その結果、透過窓の光ビームの透過率の低下などを抑え、所望の造形物を形成することができることになる。

本発明の三次元形状造形物の製造装置による造形物の製造方法を示す図（ａ）一層目の製造を示す図、（ｂ）二層目の製造を示す図 本発明の実施の形態１の三次元形状造形物の製造装置の全体概略図 同チャンバー内の構成図 同チャンバー天面部分の斜視図 同チャンバー天面部分の詳細断面図 従来の三次元形状造形物の製造方法の概念図 従来の三次元形状造形物の製造装置の概略図

本発明は、チャンバー内に設けられた粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて硬化層を形成する三次元形状造形物の製造装置であって、
前記チャンバーに前記光ビームを透過させる透過窓を設け、前記透過窓の周囲に、下方向に向かって不活性ガスを吹き出す吹出口を設け、前記吹出口の下方には、前記吹出口をドーナツ状に覆う円環部材を設け、前記円環部材と前記透過窓との間に前記不活性ガスが通過する隙間を設けたものであるので、円環部材内に充満した不活性ガスが、透過窓と円環部材との間の隙間から吹き出すので、透過窓にヒュームが付着することを抑制することができる。

また、前記円環部材の内周壁を筒状に形成し、前記内周壁の上端と前記透過窓の間に前記隙間が形成され、前記隙間よりも下方に前記内周壁から内側に張り出すように内フランジが設けられたという構成にしてもよい。これにより、内フランジが上昇してきたヒュームを内フランジよりも上方への巻き込みを防ぎ、より効果的に透過窓にヒュームが付着することを抑制することができる。

以下、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。

（実施の形態１）
まず、本発明のような三次元形状造形物の製造装置による三次元形状造形物の製造方法について説明する。

図１（ａ）に示すように、造形用のベースプレート１上に、無機質あるいは有機質の粉末材料を敷いて、粉末層２−１を形成する。そして、この粉末層２−１の所定箇所にレーザービーム３を照射して粉末材料を焼結または溶融させて硬化させて硬化層４−１を形成する。次に、図１（ｂ）に示すように、この硬化層４−１および粉末層２−１の上に、さらに粉末材料を敷いて新しい粉末層２−２を形成する。そして、同様にこの粉末層２−２の所定箇所にレーザービーム３を照射し、焼結または溶融させて、下の硬化層４−１と一体になった新たな硬化層４−２を形成する。三次元形状造形物は、このような工程を繰り返すことによって複数の硬化層４を積層一体化して製造される。

次に、上記のような三次元形状造形物を製造する、本実施の形態にかかる三次元形状造形物の製造装置について説明する。

図２には、本実施の形態にかかる三次元形状造形物の製造装置５の構成が示されている。製造装置５は、その内部で造形物を製造するチャンバー６を有している。チャンバー６内には、粉末材料を所定の厚みで敷くことによって粉末層２を形成する粉末層形成手段（図示せず）が設けられている。なお、粉末層形成手段は、粉末材料を供給する材料供給手段、粉末層２の表面を均す平坦化手段などにより構成されている。粉末層２は、同じくチャンバー６内に設けられたベースプレート１上に設けられる。このベースプレート１は、上下に昇降するようになっている。チャンバー６の天面には、光ビームとなるレーザービーム３を透過する透過窓８が設けられている。透過窓８は、レーザービーム３を透過することができる材料、例えば、透明な石英ガラスを材料としている。なお、透過窓８は、粉末層２上で焦点が収束するようなレンズ機能を有していても良い。レーザービームの光源９は、透過窓８の上方に備えられている。透過窓８の周囲には、チャンバー６内に不活性ガスを供給する吹出口１０が設けられている。この吹出口１０は、透過窓８を囲むように配置され、連続したスリット、あるいは、複数の開口で構成される。また、この吹出口１０は、下方に向けて吹き出すように開口されている。

そして、吹出口１０の下方には、この吹出口１０を覆うように円環部材１１が設けられている。図３、４に示すように、この円環部材１１は、吹出口１０の配置にあわせ、吹出口１０を内包するようにドーナツ状の空間を有している。円環部材１１の内周側は、筒状の内壁部１１ａとなっている。内壁部１１ａの上端は、透過窓８に近接しており、透過窓８との間に隙間１２を形成している。すなわち、円環部材１１は、透過窓８を囲むように設けられるとともに、隙間１２が透過窓８の周囲を一周している。

内壁部１１ａは、円筒型であっても多角形の筒型であっても構わない。また、上方または下方がすぼまった円錐形（あるいは多角錐形）の一部であってもよい。

内壁部１１ａには、上端部分よりも下方に内周側に突出した内フランジ１１ｂが設けられている。内フランジ１１ｂは、円環状の平板である。そして、内フランジ１１ｂの内周端は、内壁部１１ａの上端、すなわち、隙間１２よりも内周側に突出している。

このような構成の製造装置５による三次元形状造形物の製造方法について説明する。

まず、チャンバー６内には、外部に設けられた不活性ガス供給部１５から吹出口１０を経由して不活性ガス１６が供給され、チャンバー６内に充満される。不活性ガス１６は、粉末材料と反応しないガスであって、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどが用いられる。不活性ガス供給部１５としては、ガスボンベ等を用いればよい。また、チャンバー６内では、前述したように、粉末層形成手段によって、ベースプレート１上に粉末材料の粉末層２が形成される。

このような状態で光源９からレーザービーム３が発せられる。レーザービーム３は、透過窓８を透過し、粉末層２の所定の箇所に照射される。レーザービーム３を照射された粉末層２では、粉末材料の焼結または溶融・固化が起こる。レーザービーム３としては、粉末層２を焼結または溶融・固化するのに適したエネルギーを有するものを選択すればよい。例えば、ＣＯ２レーザー、ＹＡＧレーザーなどである。なお、図示しないが、本実施の形態の製造装置５は、ガルバノスキャナーなどを用いて、粉末層２上の所望の位置に正確にレーザービーム３を照射し、所望の硬化層４を形成するのである。

ひとつの硬化層４ができると、ベースプレート１を１段降下させる。そして、粉末層形成手段は、新たな粉末材料を供給し、新たな粉末層２を設ける。そして、上述の工程を繰り返して先に形成した硬化層４の上に新たな硬化層４を形成するのである。この工程を繰り返して所望の造形物を製造していく。

ここで、レーザービーム３を粉末層２に照射すると、粉末材料が焼結または溶融・固化する際に「ヒューム」（図２に示すヒューム１４）と呼ばれる煙状の物質が発生する。このヒューム１４は、例えば、金属蒸気、あるいは樹脂蒸気であって、粉末材料の種類によるものである。このヒューム１４は、チャンバー６の上部に向かって上昇していく。

不活性ガスの供給について、図３、図５を用いて説明する。

不活性ガス１６は、不活性ガス供給部１５から、供給経路（図示せず）を通って吹出口１０に到達する。そして、不活性ガスは、吹出口１０から下方の円環部材１１内に向けて吹き出す。円環部材１１内を満たした不活性ガス１６は、透過窓８と円環部材１１の内壁部１１ａとの間に形成された隙間１２からチャンバー６内へと吹き出す。このとき、不活性ガス１６は、透過窓８のチャンバー６側の表面に沿って、透過窓８の中央部に流れる。その後、内フランジ１１ｂの中央開口部からチャンバー６内へと供給される。このように、不活性ガス１６が透過窓８の表面を覆うように流れるので、上昇してきたヒューム１４は透過窓８に付着しにくい状態となっている。

ここで、吹出口１０の開口面積は、隙間１２の開口面積よりも大きくすると良い。このようにすると、円環部材１１内には、高い圧力で不活性ガス１６が充満するので、隙間１２から流出する不活性ガス１６は、透過窓８の表面に膜を作るように沿って流れ、下から上昇するヒューム１４を寄せ付けにくくなる。

また、内壁部１１ａと内フランジ１１ｂとで囲まれた空間は、不活性ガス１６が充満し、内フランジ１１ｂの開口部１７から下方に向かって不活性ガス１６が流出するので、ヒューム１４が入りにくい状態となっている。さらに、隙間１２よりも内フランジ１１ｂの内周側が内側に突出しているので、内フランジ１１ｂの上側においては、不活性ガス１６が内壁部１１ａ側から開口部１７側へ向かう流れ１３を形成する。そのため、内フランジ１１ｂ付近に到達したヒューム１４を巻き込みにくくなる。また、内壁部１１ａと内フランジ１１ｂで囲まれてた空間は、チャンバー６内よりも高い圧力になっているので、ヒューム１４は透過窓８に到達しにくくなる。従って、ヒューム１４は内フランジ１１ｂの上側に入り込みにくくなるのである。

なお、内フランジ１１ｂの中央の開口部１７は、小さいほうがヒューム１４を透過窓８に寄せ付けないことになるが、レーザービーム３が粉末層２に照射されるのを阻害しない大きさを確保することが必要である。

このようにして、ヒューム１４を寄せ付けにくくした製造装置５は、長期間透過窓８の光透過率を高く維持することができるので、精度の高い造形物を製造することができるとともに、装置の連続稼働時間を長くでき、大型の造形物、あるいは、複雑な造形物の製造を可能にすることができる。

本発明にかかる三次元造形物の製造装置は、透過窓の汚れを防止して連続運転を可能としているので、大型の造形物の製造、あるいは、複雑な形状の造形物の製造等に有用である。

１ ベースプレート
２ 粉末層
３ レーザービーム
４ 硬化層
５ 製造装置
６ チャンバー
８ 透過窓
９ 光源
１０ 吹出口
１１ 円環部材
１１ａ 内壁部
１１ｂ 内フランジ
１２ 隙間
１３ 流れ
１４ ヒューム
１５ 不活性ガス供給部
１６ 不活性ガス
１７ 開口部

Claims (2)

1. チャンバー内に設けられた粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて硬化層を形成する三次元形状造形物の製造装置であって、
   前記チャンバーに前記光ビームを透過させる透過窓を設け、
   前記透過窓の周囲に、下方向に向かって不活性ガスを吹き出す吹出口を設け、
   前記吹出口の下方には、前記吹出口をドーナツ状に覆う円環部材を設け、
   前記円環部材と前記透過窓との間に前記不活性ガスが通過する隙間を設けた三次元形状造形物の製造装置。
2. 前記円環部材の内周壁を筒状に形成し、
   前記内周壁の上端と前記透過窓の間に前記隙間が形成され、
   前記隙間よりも下方に前記内周壁から内側に張り出すように内フランジが設けられた請求項１記載の三次元形状造形物の製造装置。