JP2018008493A - ３次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元造形装置において、エネルギービーム照射に伴い造形ステージ付近で発生するヒュームの拡散を効率よく防止できるようにする。【解決手段】造形ステージ１０１に配置された粉末層に対してレーザ光１１１を走査し、固化層１０６を形成する工程を繰り返し、３次元造形を行う。造形ステージ１０１に配置された粉末層１０７に対するレーザ光１１１の照射位置を局所的に包囲し、レーザ光１１１の照射により生じるヒュームの拡散を抑制するカバー１０４を設ける。カバー１０４の内部においては、レーザ光１１１の照射部位から、カバー１０４の上方に向かってヒューム（１１８）が離間するようヒューム（１１８）を含む気体を整流する。【選択図】 図１

Description

本発明は、造形ステージに配置された粉末層に対してエネルギービームを走査し、固化層を形成する工程を繰り返し、３次元造形を行う３次元造形装置に関する。

いわゆる３Ｄプリンタなどの名称で、３次元積層造形技術方式の一つである粉末床溶融結合法を利用した３次元造形装置が実現されている。この種の３次元造形装置では、粉敷きローラより敷設された材料粉末をエネルギービームで選択的に輻射加熱し、固化させ、造形ステージ上に成層させる工程を繰り返し、幾層にも積み重ねることにより３次元造形を行う。材料粉末を加熱、固化させるためのエネルギービームとしては、例えばレーザビームが用いられる。以下では、主に造形用のエネルギービームがレーザ光、またその発生源がレーザ光源である場合につき言及する。

造形を行う際に、雰囲気として不活性ガスや、減圧雰囲気が必要となるものがあるが、その場合には、造形ステージ周辺の雰囲気を保持するためのチャンバが必要になる。この構成では、例えば材料粉末の粉敷きローラやローラと造形ステージをチャンバの内側に配置する。レーザユニットはチャンバの外側に配置し、チャンバに設けた透過窓を介して造形ステージ上の照射領域を走査させる。

レーザ照射による造形時、材料粉末がレーザで融解されると同時に、ヒューム（ｆｕｍｅ）などと呼ばれる煙状の物質、例えば金属蒸気や樹脂蒸気が放出される。これを放置すると、成層の繰返しにより、最終的に上記のチャンバ内が大量のヒュームで満たされ、レーザ透過窓にヒュームが付着したり、レーザ光路上にヒュームが滞留したりする問題が知られている。この場合、チャンバに設けたレーザ透過用の透過窓表面の屈折率の変化や、造形ステージまで届くレーザのエネルギー密度の低下、といった現象が生じる。これにより、造形物の加工品質、例えば造形精度などに影響を与える可能性があり、甚しい場合には、造形動作自体が行えなくなる可能性もある。

レーザ照射に伴い発生するヒュームに関しては、下記の特許文献１のような構成が提案されている。特許文献１には、レーザ加工エリアよりも面積が小さく、上面にレーザを透過するウィンドウを有し、下部が開放された覆い枠の内部で、レーザ加工を行う構成が開示されている。また、同文献では、覆い枠の内部にガスタンクより雰囲気ガスを供給し、覆い枠に接続したガス回収装置で内部の雰囲気ガスを回収し、覆い枠内部のヒュームの滞留を抑制し、レーザの拡散、減衰を抑制する構成についても言及がある。

特開２０１０−２６５５３０号公報

しかし、特許文献１の構成ではガス供給とガス回収のタイミングや流量バランスによって、覆い枠内部が陽圧になりうるため、覆い枠の下部よりヒュームが枠外に流出したり、レーザ光路上にヒュームが滞留したりする問題がある。また、覆い枠上面のレーザビームを透過させるウィンドウに、ガス回収装置で回収しきれず滞留したヒュームが付着してしまう可能性がある。

本発明の課題は、上記の問題に鑑み、３次元造形装置において、エネルギービーム照射に伴い造形ステージ付近で発生するヒュームの拡散を効率よく防止できるようにすることにある。

上記課題を解決するため、本発明においては、造形ステージに配置された粉末層に対してエネルギービームを走査し、固化層を形成する工程を繰り返し、３次元造形を行う３次元造形装置において、前記エネルギービームを通過させるエネルギービーム透過部を備え、前記造形ステージに配置された前記粉末層に対する前記エネルギービームの照射部位を局所的に包囲し、前記エネルギービームの照射により生じるヒュームの拡散を抑制するカバーと、前記粉末層に対する前記エネルギービームの照射部位から、前記ヒュームが離間するよう前記ヒュームを含む気体を整流する整流機構と、を備えた構成を採用した。

上記構成によれば、３次元造形装置において、前記カバーおよびカバーの整流機構によって、エネルギービーム照射に伴い造形ステージ付近で発生するヒュームの拡散を効率よく防止することができる。特にカバーの整流機構によって、カバーの内部をカバーの上方に向かって前記ヒュームが離間するようヒュームを含む気体を整流し、エネルギービームの照射部位からヒュームを除去でき、また、カバー下方からヒュームが拡散するのを抑制できる。

本発明を実施可能な３次元造形装置の構成を示した説明図である。 図１の３次元造形装置の造形ステージ近傍を拡大して示した説明図である。 図１の３次元造形装置のカバー（局所カバー）の構成例（実施例１）を示した上面図である。 図１の３次元造形装置のカバー（局所カバー）の構成例（実施例１）を示した断面図である。 図１の３次元造形装置のカバー（局所カバー）の構成例（実施例２）を示した上面図である。 図１の３次元造形装置のカバー（局所カバー）の構成例（実施例２）を示した断面図である。 図１の３次元造形装置のカバー（局所カバー）の構成例（実施例３）を示した上面図である。 図１の３次元造形装置のカバー（局所カバー）の構成例（実施例３）を示した断面図である。

以下、添付図面に示す実施例を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。なお、以下に示す実施例はあくまでも一例であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更することができる。また、本実施形態で取り上げる数値は、参考数値であって、本発明を限定するものではない。

＜実施例１＞
本発明を実施可能な粉末床溶融結合法を用いた３次元造形装置の構成例の１つにつき、図１と図２を参照して説明する。図１は本発明を実施可能な３次元造形装置の基本構成を示している。図１は、本実施例のみならず、後述の他の実施例にも共通する概略構成を示している。また、図２は図１の３次元造形装置の造形ステージ近傍を拡大して示しており、特に造形時に材料粉末の融解によって放出されたヒュームのイメージを示している。

図１に示すように、その上で３次元形状の造形物を造形するための造形ステージ１０１を有する。造形ステージ１０１は造形物の積層の進行に応じて、造形テーブル１０３により、例えば除々に下降させるように昇降可能である。造形テーブル１０３の昇降機構１０２は、例えばモータのような駆動源、ラック＆ピニオンのような駆動（伝達）系を備え、制御部１２０の制御により造形物の積層の進行に応じて造形ステージ１０１を昇降駆動する。造形ステージ１０１の平面形状は任意であるが、例えば矩形など（後述の図３など）とする。造形ステージ１０１を昇降させる造形テーブル１０３の開口部は、当然ながら、造形ステージ１０１に対応する形状に構成される。

図１の３次元造形装置は、造形ステージ１０１上に材料粉末を供給して粉末層１０７を形成するために、可動式の粉敷きローラ１０５を備える。図１に示した粉敷きローラ１０５の位置は退避ないし待機位置である。粉敷きローラ１０５はこの位置から右方に向かってローラ駆動機構（詳細不図示）により移動させ、造形ステージ１０１上に材料粉末を供給して、粉末層１０７を形成することができる。材料粉末は、ここでは不図示の容器に収容されており例えば適量ずつ粉敷きローラ１０５に供給される。

造形ステージ１０１上の粉末層１０７を固化させるために照射するエネルギービームとして、本実施例ではレーザ光を用いるものとする。レーザ光１１１（エネルギービーム）の発生源としてのレーザ光源１０９１と、レーザ光１１１を２次元走査するレーザ走査装置１０９は、好ましくは造形環境中の雰囲気を保持するチャンバ１１０の外部に配置する。このようにチャンバ１１０の外部にレーザ光源１０９１およびレーザ走査装置１０９を配置するのは、例えば造形中にチャンバ１１０内で用いる雰囲気や造形中に発生するヒュームの影響を避けるためである。

本実施例のレーザ走査装置１０９は、造形ステージ１０１上でレーザ光１１１を少なくとも２次元（ＸＹ）方向に走査できるよう構成される。このため、例えばレーザ走査装置１０９は、造形物の形状に応じて造形ステージ１０１上で照射スポットを移動させるよう制御される走査光学系により構成される。例えば、レーザ走査装置１０９には２枚のガルバノミラーを用いて構成することができる。

レーザ走査装置１０９が２次元走査するレーザ光１１１は、チャンバ１１０の上部、例えば造形ステージ１０１の中心の直上に設けられたレーザ透過窓１１２を介して造形ステージ１０１上の照射領域に照射される。このレーザ光１１１は、造形ステージ１０１上に敷設された粉末層１０７を加熱し、造形物の層構造に応じて融解固化させ、固化層１０６を形成する。

チャンバ１１０には、供給口１１３を介してチャンバ１１０内を満たす雰囲気として不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構１１５が接続されている。不活性ガス供給機構１１５は、所定の供給圧力をもって、チャンバ１１０内に不活性ガスを供給することができる。また、不活性ガス供給機構１１５は、後述のカバー１０４（局所カバー：図３、図４）の継手１２５ａ（図３、図４）を介して同カバーの内側に不活性ガスを供給できるよう構成される。

また、チャンバ１１０内の雰囲気（不活性ガス）を回収するため、ヒューム回収機構１１６をチャンバ１１０の外部に配置する。ヒューム回収機構１１６は、例えば基本的にはエアコンプレッサなどを用いた負圧発生装置を含み、チャンバ１１０の回収口１１４と接続され、チャンバ１１０の内部の不活性ガスを回収する。なお、チャンバ１１０からヒューム回収機構１１６の本体に向かう回収経路の途中には、ダクト回収ボックス１０８を配置することができる。ダクト回収ボックスは、チャンバ１１０内から回収された、造形時に放出されたヒューム（下記の１１８）や他の異物粉体などをキャッチし、回収するフィルタ、ないし回収容器などから構成する。

また、後述のカバー１０４（局所カバー）に設けた回収経路（継手１２５ａ、１２５ｃ、１２５ｅなど）は、回収経路１３５ｃを介してヒューム回収機構１１６と接続される。また、上記のダクト回収ボックス１０８を設ける場合には、回収経路１３５ｃはダクト回収ボックス１０８と接続する。このような構成により、カバー１０４の内部にヒューム回収機構１１６の負圧を作用させ、カバー１０４の内部で発生したヒュームを回収する。

不活性ガス供給機構１１５およびヒューム回収機構１１６は、チャンバ１１０の内部の雰囲気の状態を保つとともに、後述のカバー１０４の内部において、ヒューム（１１８）を含む雰囲気を整流するための圧力制御に利用する。

図２は図１の３次元造形装置の造形ステージ近傍を拡大して示しており、造形ステージ１０１上の粉末層１０７にレーザ光１１１を照射して固化層１０６を形成する際、ヒューム１１８が発生する。このヒューム１１８は、材料粉末の特性によっても異なるが、例えば金属蒸気や樹脂蒸気（あるいはこれらの微細な粉体など）を含む煙状の物質（微細粒子）である。このヒューム１１８は、レーザ光１１１の通過領域においてはレーザ光１１１を拡散させ、粉末層１０７に到達するエネルギー強度を低下させる可能性がある。また、ヒューム１１８が図１のレーザ透過窓１１２に付着し、これを汚染すると、やはりレーザ光１１１を拡散させ、照射強度を低下させる可能性がある。

本実施例では、造形ステージ１０１付近のレーザ照射領域において、材料粉末の加熱により発生するヒューム１１８（図２）の拡散を防止するため、図１に示すように、造形ステージ１０１の上部を局所的に包囲するカバー１０４（局所カバー）を設ける。

図３は本実施例のカバー１０４の構成を上方から一部透視的に示している。また、図４は図３のＡ−Ａ線に沿った断面矢視図を示している。本実施例のカバー１０４は、全体として下方が開放された円筒状容器の形状であり、造形ステージ１０１の上部に配置される。ただし、カバー１０４の全体形状は任意であって、例えば後述するレーザ透過部を含む上部構造１０４０（外側隔壁１０４１、内側隔壁１０４２）と、その下方の空間を取り囲む側壁部分（側壁１０４３）を含んでいればよい。カバー１０４の水平断面形状は円形、楕円形、矩形、など任意である。

カバー１０４の上部構造１０４０（１０４１、１０４２）には、レーザ光１１１を通過させるための開口１２２を設ける。本実施例では、カバー１０４の上部構造１０４０は、図４に示すように外側隔壁１０４１、および内側隔壁１０４２により構成している。この場合、レーザ光１１１を通過させるための開口１２２は、外側隔壁１０４１の開口１２２ａ、および内側隔壁１０４２の開口１２２ｂによって構成される。

本実施例では、外側隔壁１０４１、内側隔壁１０４２は、中空円筒状の側壁１０４３の上端に嵌入するように組み付けられている。カバー１０４の材質は、レーザ光１１１に対して不透明（不透過）な、例えば金属や樹脂とする。外側隔壁１０４１、内側隔壁１０４２と、側壁１０４３の組み付けおよび固定構造は、圧入、接着、溶接、ビス止めなど任意である。なお、本実施例では、円筒状の側壁１０４３の下部はすべて開放されているが、必ずしも下部の断面の全てが開放されている必要はない。例えば、本実施例では、円筒状の側壁１０４３の下部の少なくとも一部が開放され、その部分でカバーの外側と通気性を有していれば足りる（後述の他の実施例も同様）。

上記のようなカバー１０４により、ヒューム１１８の発生個所である、造形ステージ１０１の上部の照射領域を局所的に覆う。これにより、ヒューム１１８がチャンバ１１０内に拡散するのを防止する。例えば、レーザ光１１１の通過する空間に滞留したり、レーザ透過窓１１２に付着したりするのが防止される。

本実施例のカバー１０４は、チャンバ１１０内のヒューム１１８の拡散を防止する他、カバー１０４の開口１２２を通過するレーザ光１１１に対する影響を低下させるための整流機構を備える。本実施例では、この整流機構は、主に外側隔壁１０４１および内側隔壁１０４２により画成された気体流路１２０ａ、特にこの気体流路１２０ａ内の圧力を調節することにより実現される。

この整流機構は、例えば、発生したヒュームが造形ステージ１０１上の材料粉末から離間する方向に流れるよう、また、ヒュームが開口１２２からカバー１０４の内部方向に向かって離間するよう、ヒューム（を含む気体）を整流する。

なお、図３および図４では、開口１２２（１２２ａ、１２２ｂ）は、矩形（ただし形状は任意）の小開口として示してある。カバー１０４からヒューム（を含む気体）が漏出するのを効果的に防ぐには、開口１２２（１２２ａ、１２２ｂ）は小口径であるのが好ましい。なお、造形ステージ１０１上で造形する固化層１０６が小さい場合には不要であるが、固化層１０６を造形するのに必要なレーザ光１１１の走査領域に対して充分な開口１２２（１２２ａ、１２２ｂ）の開口口径が不足する場合も考えられる。その場合には、レーザ走査装置１０９のレーザ走査に応じて、開口１２２をレーザ光１１１が通過できるよう、カバー１０４を移動させる移動装置を設けることができる。例えば、この移動装置は、移動ステージ１２６（図１）により構成することができる。

図１の移動ステージ１２６は、例えば、レーザ光１１１のスポットが走査されるＸＹ平面に沿ってカバー１０４を移動させるＸＹ（直動）ステージなどから構成する。図８）などに相当する。また、開口１２２（１２２ａ、１２２ｂ）は、レーザ光１１１の２次元走査のうち１つの走査方向をカバーする直線形状のスリットなどとして構成することも考えられる。その場合には、移動ステージ１２６はレーザ光１１１のスポットが走査されるＸＹ平面の１軸方向にカバー１０４を移動させるだけの構成であっても充分である可能性がある。また、レーザ光１１１のスポットが走査される主走査方向を、上記ＸＹ平面のＸ（Ｙ）軸に平行な方向だけではなく、これらの軸に対して傾斜させたい場合も考えられる。このような場合に対処するために、移動ステージ１２６はカバー１０４を回転移動させる構成を含むものであってもよい。

このように、図１の移動ステージ１２６は、カバー１０４を、レーザ走査の１ないし２軸（Ｘ、Ｙ軸）に沿う方向に平行移動、ないしはＸＹ平面に直交する軸（Ｚ軸ないしそれに並行な軸）廻りに回動できるよう、構成することができる。なお、移動ステージ１２６を配置する場合、レーザ走査装置１０９によるレーザ光１１１の走査に応じて移動ステージ１２６によりカバー１０４を移動させる動作は、制御部１２０によって両者を同期させる制御を行うことにより実現できる。

制御部１２０は、例えば汎用マイクロプロセッサなどから成るＣＰＵ１２１、ＲＯＭ１２３、ＲＡＭ１２２などを用いて構成することができる。制御部１２０は、粉敷きローラ１０５の材料粉末を供給制御、造形ステージ１０１の昇降機構１０２の昇降制御、レーザ光源１０９１の点灯（消灯）制御、およびレーザ走査装置１０９による走査制御を行うことにより、３次元造形全体の動作を制御する。また、３次元造形動作の進行に伴ない、不活性ガス供給機構１１５およびヒューム回収機構１１６を制御する。

特に、３次元造形動作においては、カバー１０４の開口１２２を介してレーザ光１１１を照射する。また、移動ステージ１２６を配置する場合は、制御部１２０はレーザ走査装置１０９による走査制御に同期して、レーザ光１１１が常に開口１２２を通過できるよう、移動ステージ１２６によりカバー１０４を移動させる制御を行う。

制御部１２０が、カバー１０４の移動（走査）制御を含む３次元造形動作を制御するための制御手順は、例えばＣＰＵ１２１が実行する制御プログラムとして、ＲＯＭ１２３に格納しておくことができる。この制御プログラムを実行する際、ＣＰＵ１２１はＲＡＭ１２２をワークエリアとして用いる。また、この制御プログラムをＲＯＭ１２３（や不図示の各種フラッシュメモリやＨＤＤのような外部記憶装置）に記録（格納）する場合、これらの記録媒体は、本発明を実施するための制御手順を格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を構成する。なお、後述の制御手順を実行させるプログラムは、ＲＯＭやＨＤＤのような固定的な記録媒体に格納する他、各種フラッシュメモリや光（磁気）ディスクのような着脱可能なコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納してもよい。このような格納形態は、本発明の制御手順を実行させる制御プログラムをインストールしたり更新したりする場合に利用できる。また、本発明の制御手順を実行させるプログラムをインストールしたり更新したりする場合、上記のような着脱可能な記録媒体を用いる他、不図示のネットワーク（イントラネットなど）を介してプログラムをダウンロードする方式を利用してもよい。

さらに、制御部１２０には、液晶ディスプレイなどを用いた表示部１２４と、キーボード（あるいはさらにマウスなどのポインティングデバイス）などから成る操作部１１７を接続することができる。表示部１２４は、３次元造形動作の進行や、設定時の制御パラメータなどを表示するために用いるこができる。操作部１１７は、３次元造形動作の起動、（一時）停止などを指令するとともに、また、設定時の制御パラメータ入力などに用いられる。

以下、図３、図４を参照して、本実施例のカバー１０４の構成、および動作につき、さらに詳細に説明する。上記の通り、カバー１０４は、外側隔壁１０４１、および内側隔壁１０４２から成る上部構造１０４０を備える。

外側隔壁１０４１、および内側隔壁１０４２の中央には、それぞれ開口１２２ａ、１２２ｂが設けられる。開口１２２ａ、１２２ｂは、上部構造１０４０の中央部において、レーザ光１１１を透過（通過）させるとともに、カバー１０４の内外を連通させる通気性を有するエネルギービーム透過部を構成する。

外側隔壁１０４１、および内側隔壁１０４２は、例えば中空円筒状の側壁１０４３によって、その天井部をなすように互いに離間して支持されている。外側隔壁１０４１および内側隔壁１０４２の間の空間は、気体流路１２０ａを構成する。

カバー１０４の下部構造を構成する側壁１０４３は、図３に示すように、造形テーブル１０３の中央の造形ステージ１０１をほぼ覆うようなサイズ（直径）に構成される。カバー１０４は、側壁１０４３の下縁部が、わずか（例えば数ｍｍ〜１０数ｍｍ程度）に造形テーブル１０３から離間するように不図示の支持部材（あるいは移動ステージ１２６）によって支持される。

気体流路１２０ａの内部は、通気路として機能させる継手１２５ａを介してヒューム回収機構１１６の回収経路１３５ｃ（図１）と接続、連通させる。図３に示すように、円形断面の気体流路１２０ａに対して、通気路としての継手１２５ａは複数の位置に配置する。この例では、気体流路１２０ａの外周を９０°で４分割するように４個の継手１２５ａを配置している。

造形動作に先立ち、制御部１２０（ＣＰＵ１２１）は、不活性ガス供給機構１１５によって、チャンバ１１０内を所定濃度ないし所定圧力の不活性ガスで満たす。しかる後に、制御部１２０（ＣＰＵ１２１）は、外部装置などから入力された所期の造形物を表現した３Ｄ造形データに基づき、固化層１０６を一層ずつ造形する。即ち、粉敷きローラ１０５によって、１層の粉末層１０７を造形ステージ１０１に敷設する。しかる後に、制御部１２０（ＣＰＵ１２１）は、敷設した粉末層１０７を３Ｄ造形データの当該造形層に対応するスポット操作範囲を固化させるよう、レーザ光源１０９１と、レーザ光１１１を照射して、下層から１層ずつ造形を行う。

制御部１２０（ＣＰＵ１２１）は、造形ステージ１０１上の粉末層１０７にレーザ光１１１を照射して造形を行う間、複数の継手１２５ａ（通気路）を介して、ヒューム回収機構１１６から（例えばチャンバ１１０内の圧力より低圧となる）負圧を作用させる。これにより、カバー１０４の内外において、雰囲気を構成する気体の流れが図４中に矢印（１２４ａ〜１２４ｄ）で示すような方向に整流される。即ち、継手１２５ａを介してヒューム回収機構１１６の吸引負圧を印加すると、開口１２２ａ、１２２ｂから、気体流路１２０ａの内部に向かって矢印（１２４ｂ、１２４ｃ）のように気体が吸い込まれる。

これによって、カバー１０４の内部においては、カバー１０４の周囲の下縁部から、中央上部の開口１２２ｂに向かって矢印（１２４ａ、１２４ｃ）のように気体の流れが整流される。このため、造形ステージ１０１上の粉末層１０７のレーザ光１１１の照射部位で発生したヒューム１１８を含む気体は、照射部位から上方に離間するように上昇し、内側隔壁１０４２の開口１２２ｂに向かって吸い込まれる。

そして、ヒューム１１８を含む気体は、さらに気体流路１２０ａ内を、図３、図４の矢印（１２４ｄ、１２４ｄ…）のように流れ、ヒューム回収機構１１６のダクト回収ボックス１０８内に回収される。なお、本実施例では、ヒューム回収機構１１６から回収負圧を印加する個所は、４つの継手１２５ａ以外にない。従って、ヒューム回収機構１１６へと吸引された分を補うように、カバー１０４の外部、即ち、チャンバ１１０内の雰囲気が図４の矢印（１２４ａ、１２４ｃ）のように、カバー１０４の上部および下縁部から供給される。

上記のように、本実施例のカバー１０４は、外側隔壁１０４１、内側隔壁１０４２から成り、気体流路１２０ａを画成する上部構造１０４０を備える。気体流路１２０ａには、継手１２５ａから負圧を作用させ、これにより、特にカバー１０４の内部において、ヒューム１１８を含む気体を外部に漏出させないよう図４中に矢印（１２４ａ〜１２４ｄ）のような方向に整流する整流機構を構成する。

これにより、開口１２２（１２２ａ、１２２ｂ）や、カバー１０４の下縁部を介してカバー１０４の外側に、レーザ光１１１の照射により発生したヒューム１１８を含む気体が流出するのを効果的に抑制することができる。本実施例によれば、上記のような整流機構を備えたカバー１０４によって、エネルギービーム（レーザ光１１１）照射に伴い造形ステージ１０１付近で発生するヒュームの拡散を効率よく防止することができる。特に、上記のような整流機構によって、カバー１０４の内部を上方に向かってが離間するようヒューム１１８を含む気体を整流し、照射部位からヒュームを除去でき、また、カバー下方からヒュームが拡散するのを抑制できる。

即ち、本実施例によれば、造形ステージ１０１上の造形部位をカバー１０４で覆い、ヒューム１１８（を含む気体）がカバー１０４外に流出するのを効果的に抑制することができる。これにより、チャンバ１１０のレーザ透過窓１１２にヒューム１１８が付着したり、レーザ光１１１の光路上にヒューム１１８が滞留することによって照射強度が低下するのを効果的に抑制することができる。また、チャンバ１１０内の部品へのヒューム１１８の付着を防ぎ、例えば電気的な構成要素、あるいは可動部や摺動部がヒュームの影響を受けるのを効果的に抑制することができる。

＜実施例２＞
以上の実施例１では、外側隔壁１０４１、内側隔壁１０４２から成り、気体流路１２０ａを画成する上部構造１０４０を備えたカバー１０４の一例を示した。上記の実施例１では、４つの継手１２５ａを用いて、カバー１０４の気体流路１２０ａの内部の圧力を負圧に制御ことにより、ヒューム（１１８）を含む雰囲気を整流し、カバー１０４の外側への漏出を防ぐ例を示した。

しかしながら、同じ目的を達成するために、気体流路（本実施例では１２０ｃ）の構成、また、この気体流路（１２０ｃ）の内部の圧力制御や整流の態様も、例えば以下に示すように変形することができる。

図５および図６は、本実施例２のカバー１０４の構成および動作を示すもので、図示の態様はそれぞれ上述の図３および図４と同じである。図５および図６では、同一ないし類似の部材には、上述の実施例における対応部材と同一の参照符号を用いており、特に必要ないものについてはその詳細な説明は省略するものとする。また、図５および図６に示した以外の造形装置の全体構成と、ヒューム１１８の発生態様は、図１および図２と同様であるものとする。

図５および図６において、カバー１０４は、上述同様の中空円筒状の側壁１０４３と、上部構造１０４０から成る。上部構造１０４０が外側隔壁１０４１、および内側隔壁１０４２から成る点も上述同様である。

本実施例では、上部構造１０４０の開口１２２、即ち、外側隔壁１０４１および内側隔壁１０４２の開口１２２ａ、１２２ｂの周囲の構成が異なる。また、外側隔壁１０４１と内側隔壁１０４２の間に画成される気体流路１２０ｃには、第１の通気路、および第２の通気路として、継手１２５ｂ、および継手１２５ｃが接続されており、これらの機能が実施例１とは異なる。これら継手のうち、継手１２５ｂ（第１の通気路）は不活性ガスを供給するための継手、継手１２５ｃ（第２の通気路）はヒューム回収機構１１６の負圧によってヒュームを含む気体（不活性ガス）を回収するための継手である。

継手１２５ｃはヒューム回収機構１１６の回収経路１３５ｃ（図１）と接続する。継手１２５ｂには、不活性ガス供給機構１１５（図１）の不活性ガスの供給経路を接続する。その供給圧力は、例えばチャンバ１１０内の雰囲気の圧力と同程度、ないしはそれよりも高い圧力とする。これにより、主に継手１２５ｃを介して印加する負圧によって、気体流路１２０ｃの内部の気流を矢印（１２４ｅ〜１２４ｄ）のような継手１２５ｂから１２５ｃへと向かう１方向に整流する。

なお、本実施例では、継手は、上記の１２５ｂ、１２５ｃの２つのみ配置しており、気体流路１２０ｃは、図５に破線で示すように、継手１２５ｂから１２５ｃへと向かう範囲のみに画成され、その他の部分は開口していない方が好ましい。

本実施例では、図５、図６に示すように、気体流路１２０ｃを画成する外側隔壁１０４１および内側隔壁１０４２の開口１２２ａ、１２２ｂは、矩形の貫通開口である。本実施例では、気体流路１２０ｃの内部において矢印（１２４ｅ〜１２４ｄ）のように気体を整流する。

さらに、外側隔壁１０４１および内側隔壁１０４２には、図５、図６に示すような段差部１２７ａ、１２７ｂを形成してある。これらの段差部１２７ａ、１２７ｂによって、開口１２２ａ、１２２ｂ（エネルギービーム透過部）の上流側部位において、気体の流速を上昇させ、上記上流側部位に負圧を発生させる隘路部１２７を形成する。これにより、開口１２２ａ、１２２ｂに臨む気体流路１２０ｃの開口断面積は、開口１２２ａ、１２２ｂの下流側よりも、開口１２２ａ、１２２ｂの上流側の方が小さくなる。このような構造により、継手１２５ｂから供給され、気体流路１２０ｃを開口１２２ａ、１２２ｂの部分に向かう不活性ガス（矢印（１２４ｅ））は、隘路部１２７で、流速の大きい（また細い流れの）気流に整流される。そして、開口１２２ａ、１２２ｂの下流側に臨む気体流路１２０ｃの開口に吹き込まれる。

また、外側隔壁１０４１および内側隔壁１０４２の上部および下部においては、矢印（１２４ｆ、１２４ｆ）のように、開口１２２ａ、１２２ｂから気体流路１２０ｃの下流側開口に吹き込まれるような気体の流れが生じる。これは、上記の隘路部１２７で、開口１２２ａ、１２２ｂの部位を通過する気流が隘路部１２７で、流速の大きい流れに整流されるためである。つまり、隘路部１２７の上下の両側部においては、隘路部１２７の中心に向かうような負圧が発生される（ベンリュリー効果）。この結果、外側隔壁１０４１および内側隔壁１０４２の上部および下部で、矢印（１２４ｆ、１２４ｆ）のように気体流路１２０ｃの下流側の開口に吹き込まれるよう気体が整流される。

カバー１０４の内部の気体の流れは、矢印（１２４ａ、１２４ｂ）に示すように、上記実施例１とほぼ同様である。即ち、カバー１０４の周囲の下縁部から、中央上部の開口１２２ｂに向かって矢印（１２４ａ、１２４ｃ）のように気体の流れが整流される。このため、造形ステージ１０１上の粉末層１０７のレーザ光１１１の照射部位で発生したヒューム１１８を含む気体は、照射部位から上方に離間するように上昇し、内側隔壁１０４２の開口１２２ｂに向かって吸い込まれる。

以上のような構造によって、カバー１０４の内部において、気体を図４中に矢印（１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｄ、１２４ｅ）で示すような方向に整流する整流機構を構成することができる。

これにより、本実施例においても、開口１２２（１２２ａ、１２２ｂ）やカバー１０４の下縁部を介して、カバー１０４の外側にレーザ光１１１の照射により発生したヒューム１１８を含む気体が流出するのを効果的に抑制することができる。本実施例によれば、上記のような整流機構を備えたカバー１０４によって、エネルギービーム（レーザ光１１１）照射に伴い造形ステージ１０１付近で発生するヒュームの拡散を効率よく防止することができる。特に、上記のような整流機構によって、カバー１０４の内部を上方に向かってが離間するようヒューム１１８を含む気体を整流し、照射部位からヒュームを除去でき、また、カバー下方からヒュームが拡散するのを抑制できる。

即ち、本実施例によれば、造形ステージ１０１上の造形部位をカバー１０４で覆い、ヒューム１１８（を含む気体）がカバー１０４外に流出するのを効果的に抑制することができる。これにより、チャンバ１１０のレーザ透過窓１１２にヒューム１１８が付着したり、レーザ光１１１の光路上にヒューム１１８が滞留することによって照射強度が低下するのを効果的に抑制することができる。また、チャンバ１１０内の部品へのヒューム１１８の付着を防ぎ、例えば電気的な構成要素、あるいは可動部や摺動部がヒュームの影響を受けるのを効果的に抑制することができる。なお、継手１２５ｂからの不活性ガス供給圧を増大させることにより、隘路部１２７からの吹き出し流速を上げれば、開口１２２ａ、１２２ｂの開口面積を増大させることできる可能性がある。これにより、造形ステージ１０１上でレーザ走査する面積の大小にもよるが、カバー１０４を移動させるための移動ステージ１２６を不要とできる可能性がある。

＜実施例３＞
図７、図８に、図３、図４（図５、図６）と同等の形式で本実施例のカバー１０４の構成を示す。

上記の実施例１または２では、カバー１０４の気体流路１２０ａまたは気体流路１２０ｃは、その内部からの排気を行う通気路としての継手１２５ａないし継手１２５ｃと接続されている。また、気体流路１２０ａおよび気体流路１２０ｃを画成する外側隔壁１０４１、内側隔壁１０４２には、レーザ光１１１を透過（通過）させるために、それぞれ開口１２２ａ、１２２ｂ（透孔）が穿孔されている。

これに対して、本実施例３では、図８に示すようにカバー１０４の上部構造１１９において、気体流路１２０ｄを画成する外側隔壁１１９ａ、内側隔壁１１９ｂを貫通する開口は設けられていない。

本実施例３においては、気体流路１２０ｄを画成する外側隔壁１１９ａはレーザ光１１１を透過させるとともに気密性を有する透過材料（例えば光学ガラスのようなガラス材料）から構成し、透孔（貫通孔）は設けていない。一方、気体流路１２０ｄを画成する内側隔壁１１９ｂには、通気性を備え、かつレーザ光１１１に対して透過性を有する多孔質ガラス材料を用いている。内側隔壁１１９ｂに用いる多孔質ガラス材料は、細孔の孔径が２０ｎｍ程度以下の任意の組成のものを用いることができる。多孔質ガラスの場合、その細孔の孔径が２０ｎｍより小さいものであれば、十分高い光透過率を持つことが知られている(http://www.newglass.jp/mag/TITL/maghtml/88-pdf/+88-p003.pdf)。なお、図７、図８の内側隔壁１１９ｂを上記のような多孔質ガラス材料で構成した場合、内側隔壁１１９ｂの全体がレーザ透過口（上述の開口１２２ｂ）を構成する、と考えてもよい。

本実施例においても、外側隔壁１１９ａ、内側隔壁１１９ｂで画成した気体流路１２０ｄと、カバー１０４に接続した継手１２５ｄ、１２５ｅによってカバー１０４内の気体を整流する。図８の構成では、これら継手のうち、継手１２５ｄ（、１２５ｄ…）は、気体流路１２０ｄに臨んで開口させる。また、継手１２５ｅ（、１２５ｅ…）は、カバー１０４の側壁１０４３の下縁（レーザ光１１１の照射領域（ヒューム１１８の発生個所））より高い位置に開口させている。

本実施例では、継手１２５ｄ（、１２５ｄ…）は不活性ガス供給機構１１５と接続し、気体流路１２０ｄ内部への給気に用いる。また、継手１２５ｅ（、１２５ｅ…）はヒューム回収機構１１６と接続し、継手１２５ｅ（、１２５ｅ…）を介してヒューム回収機構１１６の負圧を作用させ、カバー１０４の内部からの排気に用いる。このような圧力設定により、本実施例ではカバー１０４の内部において、矢印（１２４ａ、１２４ｇ、１２４ｈ、１２４ｉ、１２４ｊ）のような向きに雰囲気気体が整流される。

特に、多孔質ガラスの内側隔壁１１９ｂの上、下では、気体流路１２０ｄ側では陽圧が、内側隔壁１１９ｂの下側では負圧が作用する。これにより、不活性ガス供給機構１１５から供給された不活性ガスは、内側隔壁１１９ｂの全面の細孔を介して矢印（１２４ｈ）のように気体流路１２０ｄから内側隔壁１１９ｂの下方に向かって給気される。また、継手１２５ｅを介して印加されるヒューム回収機構１１６の負圧によって、レーザ光１１１の照射部位で発生したヒューム１１８を含む気体は、照射部位から上方に離間するよう整流される（矢印（１２４ａ））。また、継手１２５ｅを介して排気された分を補うように、チャンバ１１０内の雰囲気（例えば不活性ガス）が側壁１０４３の下縁の間隙からカバー１０４の下部内側に供給される（矢印（１２４ｊ））。

以上の構成により、本実施例３においても、カバー１０４の外側に、レーザ光１１１の照射により発生したヒューム１１８を含む気体が流出するのを効果的に抑制することができる。本実施例によれば、上記のような整流機構を備えたカバー１０４によって、エネルギービーム（レーザ光１１１）照射に伴い造形ステージ１０１付近で発生するヒュームの拡散を効率よく防止することができる。特に、上記のような整流機構によって、カバー１０４の内部を上方に向かってが離間するようヒューム１１８を含む気体を整流し、照射部位からヒュームを除去でき、また、カバー下方からヒュームが拡散するのを抑制できる。

即ち、本実施例によれば、造形ステージ１０１上の造形部位をカバー１０４で覆い、ヒューム１１８（を含む気体）がカバー１０４外に流出するのを効果的に抑制することができる。これにより、チャンバ１１０のレーザ透過窓１１２にヒューム１１８が付着したり、レーザ光１１１の光路上にヒューム１１８が滞留することによって照射強度が低下するのを効果的に抑制することができる。また、チャンバ１１０内の部品へのヒューム１１８の付着を防ぎ、例えば電気的な構成要素、あるいは可動部や摺動部がヒュームの影響を受けるのを効果的に抑制することができる。

また、図７、図８の構成では、外側隔壁１１９ａ、内側隔壁１１９ｂの全面をエネルギービーム（レーザ光１１１）の透過部として利用できる。このため、カバー１０４の全体のサイズを造形ステージ１０１全体を覆うような大きさに取っておけば、目的の造形物のサイズが大きい場合でも、移動ステージ１２６のような移動装置が不要になる可能性がある。

なお、図８の構造では、継手１２５ｅ（、１２５ｅ…）を用いず、気体流路１２０ｄに臨んで開口させた継手１２５ｄ（、１２５ｄ…）から排気を行う方向でカバー１０４内の気体を整流することも考えられなくはない。この場合には矢印（１２４ｇ、１２４ｈ）の方向が図８の図示とは逆になり、カバー１０４の下部内側の気体が内側隔壁１１９ｂの全面の細孔を介して給気されるような流れになる。この構成でも、レーザ光１１１の照射部位で発生したヒューム１１８を含む気体の回収そのものは行える。しかしながら、この場合は、内側隔壁１１９ｂの多孔質ガラスの細孔をヒューム１１８を通過させることになる。そして、この場合は、ヒュームが多孔質ガラスの表面に付着したり、細孔に詰まったりして、内側隔壁１１９ｂのレーザ光１１１（エネルギービーム）の透過性を低下させる可能性がある。

これに対して、本実施例３の図８に示した給排気方向の配置であれば、内側隔壁１１９ｂの多孔質ガラスの細孔中にヒューム１１８を含む気体を通過させることがない。即ち、本実施例３の構成によれば、ヒューム１１８は、気体流路１２０ｄの内部や内側隔壁１１９ｂの多孔質ガラスの細孔には影響しない利点がある。

１０１…造形ステージ、１０２…昇降機構、１０３…造形テーブル、１０４…カバー、１０５…粉敷キローラ、１０７…粉末層、１０８…ダクト回収ボックス、１０９…レーザ走査装置、１１０…チャンバ、１１１…レーザ光、１１３…供給口、１１４…回収口、１１５…不活性ガス供給機構、１１６…ヒューム回収機構、１１８…ヒューム、１２０ａ…気体流路、１２１…ＣＰＵ、１２２…ＲＡＭ、１２３…ＲＯＭ、１２５ａ〜１２５ｅ…継手、１３５ｃ…回収経路、１０４０、１１９…上部構造、１０４１、１１９ａ…外側隔壁、１０４２、１１９ｂ…内側隔壁、１０４３…側壁。

Claims (15)

1. 造形ステージに配置された粉末層に対してエネルギービームを走査し、固化層を形成する工程を繰り返し、３次元造形を行う３次元造形装置において、
   前記エネルギービームを通過させるエネルギービーム透過部を備え、前記造形ステージに配置された前記粉末層に対する前記エネルギービームの照射部位を局所的に包囲し、前記エネルギービームの照射により生じるヒュームの拡散を抑制するカバーと、
   前記粉末層に対する前記エネルギービームの照射部位から、前記ヒュームが離間するよう前記ヒュームを含む気体を整流する整流機構と、
   を備えた３次元造形装置。
2. 造形ステージに配置された粉末層に対してエネルギービームを走査し、固化層を形成する工程を繰り返し、３次元造形を行う３次元造形装置において、
   前記エネルギービームを通過させるエネルギービーム透過部を備え、前記造形ステージに配置された前記粉末層に対する前記エネルギービームの照射部位を局所的に包囲し、前記エネルギービームの照射により生じるヒュームの拡散を抑制するカバーと、
   前記粉末層に対する前記エネルギービームの照射部位から、前記カバーの内部を前記カバーの上方に向かって前記ヒュームが離間するよう前記ヒュームを含む気体を整流する整流機構と、
   を備えた３次元造形装置。
3. 請求項１または２に記載の３次元造形装置において、前記カバーが、前記整流機構を前記カバーの内部に備えた上部構造と、この上部構造の下部の周囲を取り囲むように形成され、前記造形ステージの側の少なくとも一部が開放された側壁を備えた３次元造形装置。
4. 請求項３に記載の３次元造形装置において、前記整流機構が、
   それぞれ対応する位置に前記エネルギービーム透過部を有する外側隔壁、および内側隔壁によって画成された気体流路と、
   前記カバーの内部および外部を連通する通気路と、
   を備え、
   前記通気路を介して前記気体流路の内部の圧力を調節することにより、前記ヒュームを含む気体が整流される３次元造形装置。
5. 請求項４に記載の３次元造形装置において、前記通気路が、前記気体流路の内部に開口しており、前記通気路を介して前記気体流路の内部の気体を排気し、前記気体流路の内部に負圧を発生させることにより、前記ヒュームを含む気体が整流される３次元造形装置。
6. 請求項４に記載の３次元造形装置において、前記通気路として、第１の通気路および第２の通気路が設けられ、前記第１の通気路から給気、前記第２の通気路から排気、をそれぞれ行うことにより、前記ヒュームを含む気体が整流される３次元造形装置。
7. 請求項６に記載の３次元造形装置において、前記気体流路を、前記外側隔壁、または前記内側隔壁に設けられた前記エネルギービーム透過部の前記第１の通気路から第２の通気路に向かう気体の上流側部位において、前記気体の流速を上昇させ、前記上流側部位に負圧を発生させる隘路部を備えた３次元造形装置。
8. 請求項４から７のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、前記外側隔壁、および前記内側隔壁の前記エネルギービーム透過部が前記外側隔壁、および前記内側隔壁に穿孔された透孔である３次元造形装置。
9. 請求項４に記載の３次元造形装置において、前記外側隔壁の前記エネルギービーム透過部が前記エネルギービームを透過させるガラス材料によって構成され、前記内側隔壁の前記エネルギービーム透過部が多孔質ガラス材料から構成される３次元造形装置。
10. 請求項９に記載の３次元造形装置において、前記通気路が、多孔質ガラス材料から構成された前記内側隔壁よりも下方であって、かつ前記カバーの下縁より上方の位置において前記カバーの側壁に開口している３次元造形装置。
11. 請求項４から１０のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、前記通気路のうち、前記カバーの内部に向かって給気を行う通気路を介して前記カバーの内部へ不活性ガス供給機構から前記不活性ガスが供給される３次元造形装置。
12. 請求項４から１１のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、前記通気路のうち、前記カバーの外部に向かって排気を行う通気路が前記ヒュームを回収するヒューム回収機構に接続されている３次元造形装置。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、前記エネルギービームがレーザ光である３次元造形装置。
14. 請求項１または２に記載の３次元造形装置において、前記造形ステージおよび前記カバーを収容し、その外部に配置された発生源から照射される前記エネルギービームを透過させる透過窓を備えたチャンバを有する３次元造形装置。
15. 請求項１から１４のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、前記エネルギービームの走査に応じて、前記エネルギービーム透過部を前記エネルギービームが通過するよう前記カバーを移動させる移動装置を備えた３次元造形装置。

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