JP2018058281A - 粉末床溶融結合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リコータ駆動部、特に、リコータ保持具とレールとの接触部を過剰に昇温させないようにすることができる粉末床溶融結合装置を提供するものである。【解決手段】造形部で移動して粉末材料の薄層を形成するリコータと、リコータを移動させる駆動機構を収容したリコータ駆動部とを有し、リコータを移動させる駆動機構は、基台31と、リコータ保持具32と、基台31の一方の面に設けられた、リコータ保持具32を導くレール34a,34bと、基台31の他方の面に設けられた、レール34a,34bを冷却する冷媒を流通させる冷媒の流路36とを有する粉末床溶融。【選択図】図４

Description

本発明は、粉末床溶融結合装置に関する。

近年、試作品又は少量多品種の製品等を作製するため、物品を輪切りにしたときの薄い層の形状に対応する結合層を順次積み重ねて、物品の造形物を作製する粉末床溶融結合方法が注目されている。

粉末床溶融結合方法では、前もって、予備加熱により、粉末材料の温度を粉末材料の融点より少し低い温度に保持するとともに、造形用容器も粉末材料の融点より少し低い温度に保持しておく。

次いで、リコータ（運搬部材）により造形用容器に粉末材料を運び入れながら表面を均して昇降台上に粉末材料の薄層を形成する。

次いで、エネルギービームによりスライスデータに基づき粉末材料の薄層の特定領域を選択的に加熱することで、焼結して、又は、溶融し固化して、結合層を形成する。
その後、昇降台を下降させつつ上記動作を繰り返し、数百層或いは数千層にわたって結合層を積層し、３次元造形物を作製する。

特開２０１４−２８９９６号公報

ところで、図１６に示す３次元造形物を作製するための粉末床溶融結合装置によれば、造形用容器が配置される造形部71の後部には、リコータ駆動部72が配置される。そして、リコータ駆動部72の床に２本のレール73a, 73bが敷かれ、レール73a, 73bにリコータ保持具75の嵌合部75a, 75bを嵌合させてリコータ74を移動方向に導くようにしている。リコータ保持具75の嵌合部75a, 75bとレール73 a, 73bとの接触部にはグリースが塗られ、リコータ74のスムーズな移動を確保している。

ところが、造形用容器の周囲は、粉末材料の融点より少し低い温度に保持されているため、熱気がリコータ駆動部72に入ってきて、駆動機構を昇温させる。

特に、近年、高い融点を有する粉末材料を用いる場合があり、その場合、駆動機構が過剰に昇温することがある。例えば、２００℃前後に昇温する。

これによって、駆動機構の寸法が許容範囲を超えて変動してしまい、リコータ74の動作を妨げてしまう恐れがある。また、リコータ保持具75の嵌合部75a, 75bとレール73a, 73bとの接触部に塗ったグリースが高い温度によって蒸発し、或いは変質してリコータ74のスムーズな動作を妨げてしまう恐れがある。

本発明は、上述の問題点に鑑みて創作されたものであり、リコータ駆動部の駆動機構、特に、リコータ保持具とレールとの接触部が過剰に昇温しないようにすることができる粉末床溶融結合装置を提供するものである。

上記課題を解決するため、一観点によれば、粉末材料の薄層を形成し、前記薄層を焼結して、又は溶融し固化して結合層を形成する造形部と、前記造形部で移動して前記粉末材料の薄層を形成するリコータと、前記リコータを移動させる駆動機構を収容したリコータ駆動部とを有し、前記リコータを移動させる駆動機構は、基台と、前記リコータを保持するリコータ保持具と、前記基台の一方の面に設けられ、前記リコータ保持具を嵌合させて移動方向に導くレールと、前記基台の前記一方の面と反対側の他方の面に設けられ、前記レールを冷却する冷媒を流通させる冷媒の流路とを有することを特徴とする粉末床溶融結合装置が提供される。

一観点によれば、基台の一方の面に設けられ、リコータ保持具を嵌合させて移動方向に導くレールと、基台の他方の面に設けられ、レールを冷却する冷媒を流通させる冷媒の流路とを有している。

この構成では、冷媒の流路に冷媒を流すことによって、リコータ保持具とレールが過剰に昇温するのを抑制することができる。

これによって、リコータ保持具とレールとの各接触部の寸法が大きく変動しないようにし、また、リコータ保持具とレールとの接触部に塗ったグリースが蒸発したり或いは変質したりするのを抑制することができる。

したがって、リコータのスムーズな動作を確保することができる。

第１実施形態に係るリコータ駆動機構を備えた粉末床溶融結合装置を斜め後ろから見た斜視図である。 図１のリコータ駆動機構を備えた粉末床溶融結合装置の正面図である。 （ａ）は、図１の粉末床溶融結合装置の造形部を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のI-I線に沿う断面図である。 （ａ）は、図１に示すリコータ駆動機構の一部を拡大透視した斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のII面で切断した断面図である。 （ａ）は、図１に示すリコータ駆動機構の冷却機構を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）の下面図である。 図１に示すリコータ駆動機構の一部を拡大透視した斜視図である。 図１の粉末床溶融結合装置に設置された送風機（加熱装置を備えた流通路）を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態に係る粉末床溶融結合方法を示す断面図（その１）である。 （ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態に係る粉末床溶融結合方法を示す断面図（その２）である。 第３実施形態に係るリコータ駆動機構の斜視図である。 図１０のリコータ駆動機構における、リコータ保持具に設けられレールと嵌合する嵌合部の斜視図である。 基台に設けられたレールの冷却機構を示す斜視図（その１）である。 基台に設けられたレールの冷却機構を示す斜視図（その２）である。 変形例に係る、基台に設けられたレールの冷却機構を示す斜視図（その１）である。 変形例に係る、基台に設けられたレールの冷却機構を示す斜視図（その２）である。 改良すべき対象であるリコータ駆動機構の斜視図である。

以下に、本実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態の説明）
（１）第１実施形態に係る粉末床溶融結合装置の説明
実施形態に係るリコータ駆動機構を備えた粉末床溶融結合装置について、図１乃至図３を参照しながら説明する。

図１は、粉末床溶融結合装置を斜め後ろから見た斜視図である。

図２は、図１の粉末床溶融結合装置の正面図である。なお、この図２では、装置内部を見やすくするため、図１の扉18a, 18bを図示していない。

図３（ａ）は、図１の粉末床溶融結合装置の造形部を示す上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のI-I線に沿う断面図である。

第１実施形態に係る粉末床溶融結合装置101では、前側に、エネルギービーム出射部1と、その下に第１仕切り壁13を介して配置された造形部2と、その下に第２仕切り壁（基台）14を介して配置された容器収納部3とを有する。

エネルギービーム出射部1には、エネルギービーム出射装置11を備えている。造形部2では、粉末材料の薄層を形成しエネルギービームにより粉末材料を焼結して、或いは溶融し結合して造形を行う。容器収納部3には、造形用容器15とその両側に配置された粉末材料収納容器16a, 16bとが収納されている。

なお、以下では、粉末材料を焼結して、或いは溶融し結合して造形を行う動作について、特に、区別して記載する必要がない場合、簡潔に、粉末材料を溶融し結合して造形を行う動作を記載し、いずれかの動作を含むこととする。

また、造形部2内には、造形部2内を移動して、粉末材料を運ぶリコータ（運搬部材）17が設けられている。

また、粉末床溶融結合装置101の前側には、造形部2と容器収納部3を密閉する扉18a, 18bが設けられている。

一方、造形部2の後部には、第３仕切り壁19を隔ててリコータ駆動部4が配置されている。

リコータ駆動部4には、リコータ17を駆動するリコータ駆動機構20が設けられている。さらに、リコータ駆動機構20を冷却した後にリコータ駆動部4内に放出された冷却ガス（冷媒）を加熱して造形部2に送る送風機（加熱装置を備えた流通路）21を備えている。なお、図２の仕切り壁19の右端部の下で送風機21と対称の位置にある隙間は塞がれている。

なお、図示していないが、造形部2には、造形部2内のガスを装置外に放出する放出口を備えており、リコータ駆動部4から造形部2に送られた冷却ガスは、その放出口から装置外に放出される。

リコータ駆動部4にガスを外部に放出する放出口を設けない理由は、リコータ駆動部4内の気圧を造形部2内の気圧より高くするためである。これにより、造形部2内からリコータ駆動部4内に粉末材料を含むガスが流れ込むのを抑制している。

リコータ駆動部4の下には、第４仕切り壁22を介して冷却ガス供給部（冷媒供給部）5が配置されている。冷却ガス供給部5には、リコータ駆動部4に冷却ガス（冷媒）を供給する図示しないガスボンベを収容している。冷媒として、窒素ガスなど不活性ガスを用いることができる。

また、エネルギービームの点灯や消灯及びエネルギービームの走査を制御し、リコータ駆動機構20などの駆動機構を制御し、また、加熱装置の加熱温度を調節しつつ、造形を制御する図示しない制御部を備えている。

（造形部2と容器収容部3の説明）
容器収容部3には、図３（ｂ）に示すように、第２仕切り壁14でもある基台に保持された造形用容器15と、造形用容器15の左右に設けられ、基台14に保持された第１粉末材料収納容器16aと第２粉末材料収納容器16bとを有する。

造形部2では、基台14に、左から、第１〜第３開口部14a〜14cが設けられている。第１開口部14aを通して、第１粉末材料収納容器16aから粉末材料23が取り出され、第２開口部14bを通して、取り出された粉末材料23が造形用容器15内に運び込まれて粉末材料の薄層23aが形成され、第３開口部14cを通して、第２粉末材料収納容器16bに薄層形成後に残る粉末材料23が収納される。

なお、第３開口部14cを通して第２粉末材料収納容器16bから粉末材料23が取り出され、第１開口部14aを通して第１粉末材料収納容器16aに薄層23aの形成後に残る粉末材料23が収納される場合もある。粉末材料23として、樹脂や金属が用いられる。

第１粉末材料収納容器16aと、造形用容器15と、第２粉末材料収納容器16bは、基台14の第１〜第３開口部14a〜14cの左右の縁に設けられた溝24a, 24b, 24cに、各容器16a、15、16bの左右の上縁が基台14の手前から挿入されて、基台14に装着される。各容器16a、15、16bを基台14から取り外す場合は、その逆を行う。

基台14の上面は、造形部2全体にわたって面一になっている。そして、基台14の上面全体にわたってブレードやローラーなどのリコータ17が移動できるようになっている。

また、図３（ｂ）に示すように、造形用容器15と、第１粉末材料収納容器16aと、第２粉末材料収納容器16bの内側には、それぞれ、容器15, 16a, 16bの底部を兼ねた第１乃至第３昇降台25, 26a, 26bが設置されている。第１乃至第３昇降台25, 26a, 26bは、それぞれ、図示しない駆動装置に繋がった支持軸27, 28a, 28bに接続されて、上下移動が可能になっている。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、リコータ17は左右の第１粉末材料収納容器16aと第２粉末材料収納容器16bの間を往復移動するため、第１粉末材料収納容器16aと第２粉末材料収納容器16bについて、薄層23aを１層形成するごとに粉末材料23の供給側と収納側が入れ替わる。供給側の第１又は第２粉末材料収納容器16a、16bでは、第２又は第３昇降台26a、26b上に粉末材料23を載せて上昇させ、粉末材料23を供給する。収納側の第２又は第１粉末材料収納容器26b、26aでは、第３又は第２昇降台26b、26aを下降させ、薄層23aを形成後に余った粉末材料23を第３又は第２昇降台26b、26a上に収納する。

造形用容器15では、結合層23bを１層形成するごとに第１昇降台25を下降させて順次新たな結合層23bを積層していく。さらに、粉末材料23やその薄層23aを予備加熱するため、造形用容器15は仕切壁や第１昇降台25にヒータを備え、造形用容器12の周囲にもヒータ30a, 30bや赤外線ランプが配置されている。

（エネルギービーム出射部1の説明）
造形用容器15の上方には、第１仕切り壁13を介してエネルギービーム出射部1が配置されている。

エネルギービーム出射部1には、エネルギービーム29を出射するエネルギービーム源と、エネルギービーム29をＸ、Ｙ方向に走査するエネルギービーム走査手段と、エネルギービーム29の焦点などを調節する光学系とを備えている。なお、これらを含めてエネルギービーム出射装置11と称する。

また、第１仕切り壁13には、エネルギービーム29の透過窓12が設けられ、エネルギービーム29は透過窓12を通して造形部2に出射される。

エネルギービーム29として、例えば、レーザ光をはじめ、電子線などエネルギー粒子線を用いることができる。

使用可能なレーザ光として、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ光、エキシマレーザ光、Ｈｅ−Ｃｄレーザ光、半導体励起固体レーザ光などが挙げられる。（リコータ駆動部4の説明）
次に、リコータ駆動部4について、図１、図４〜図６を参照して説明する。

図４（ａ）は、図１に示すリコータ駆動機構20の一部を拡大透視した斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のII面で切断した断面図である。

図５（ａ）は、図１に示すリコータ駆動機構20の冷却機構を示す上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の下面図であり、基台31の裏面に設けられたレール34a, 34bの配置を示す。

図６は、図１に示すリコータ駆動機構20の一部を拡大透視した斜視図である。

図１に示すように、リコータ駆動部4には、リコータ駆動機構20と送風機21が設置されている。

（リコータ駆動機構20の説明）
リコータ駆動構機20は、細長い板状の基台31と、リコータ保持具32と、リコータ保持具32の駆動機構33とを有する。

基台31には、中央部に長手方向に延在する開口部31aが設けられている。

図４（ａ）、（ｂ）、図５（ｂ）に示すように、基台31の裏面（一方の面）に開口部31aを挟み２つの四角柱状のレール34a, 34bが開口部31aに沿って取り付けられている。そして、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、レール34aの両側面には側面に沿って溝34cが設けられ、別のレール34bの両側面には側面に沿って溝34dが設けられている。

また、図４（ａ）、（ｂ）、図５（ａ）に示すように、基台31の表面（他方の面）には、開口部31aの周囲に沿って開口部31aを一周するように凹部が設けられ、その凹部内に冷却ガスが流通する配管36が取り付けられている。

図５（ａ）に示すように、配管36の一端がガス導入口36aとなっており、冷却ガス供給部5内に導かれ、冷却ガスが収納されたガスボンベに接続されている。一方、配管36の他端がガス放出口36bとなっており、配管36を巡ってきた冷却ガスがリコータ駆動部4内に放出される。

ガス導入口36a側の配管36は、基台31の開口部31aの片側、ほぼ中央部で基台31に取り付けられ、ガス放出口36b側の配管36は、同じく基台31の開口部31aの片側、ほぼ中央部で基台31から外されている。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、リコータ保持具32は、逆Ｔ字形状を有する。すなわち、鉛直方向に延在する四角柱状の部材32aと、四角柱状の部材32aの底面に固定された板部材32bとを有する。

四角柱状の部材32aは、基台31の開口部31a内に挿入されて、四角柱状の部材32aの板部材32bを固定した側と反対側の部分を、開口部31aから基台31の他面側に突出させている。そして、開口部31aから突出した部分にネジ穴32cが設けられている。ネジ穴32cは、開口部31aの長手方向に平行な方向に四角柱状の部材32aを貫通して設けられている。ネジ穴32cには、表面にネジが切られた回転軸（ネジ軸）33aが挿入され螺合している。なお、ネジ軸33aとして、例えばボールネジを用いることができる。

板部材32bは、開口部31aの長手方向に平行な方向の幅が、同じ方向の四角柱状の部材32aの幅よりも多少広く、開口部31aの長手方向に直交する方向の長さが基台31の横幅と同じか少し長くなっている。

四角柱状の部材32aの両側の板部材32bの上には、開口部31aの両側に設けられたレール34a, 34bの位置にあわせて、レール34a, 34bと嵌合する凹部35c, 35dを有する嵌合部材（リコータ保持具の嵌合部）35a, 35bが設けられている。各嵌合部材35a, 35bの凹部35c, 35dの側壁には、各レール34a, 34bの溝34c, 34dに噛み合う凸部35e, 35fが設けられている。各嵌合部材35a, 35bがそれぞれ各レール34a, 34bに沿ってスムーズに移動するように、溝34c, 34dと凸部35e, 35fの接触部にグリースが塗られる。

図１に示すように、ネジ軸33aは一端がモータ33bに接続され、順回転し、逆回転する（回動する）ようになっている。さらに、ネジ軸33aの一端側には、ネジ軸33aを回動可能に支持する支持部材33cが設けられている。また、その支持部材33cには基台31の一端が固定して取り付けられ、支持される。支持部材33cの下側は折り曲げられて第４仕切り壁22に固定されている。

また、ネジ軸33aの他端は、基台31の他端近くの基台31上に固定して取り付けられた別の支持部材33dに回転可能に支持されている。なお、基台31の他端側を支持する支持部材は、図１では省略されているが、基台31を安定して支えるため、基台31の他端を支持する支持部材が設けられてもよい。

このような構成により、リコータ保持具32は、ネジ軸33aの回動により四角柱状の部材32aを介して、開口部31a内を開口部31aの長手方向に往復移動する。

また、図６に示すように、リコータ保持具32の板部材32bの下面に、リコータ保持具32の移動方向と直交する方向に延在するように、例えばブレード型のリコータ17が取り付けられている。

さらに、第３仕切り壁19の下方に、第３仕切り壁19とともに造形部2とリコータ駆動部4とを仕切るように、エンドレスベルト（仕切りベルト）37が設けられている。

すなわち、リコータ駆動機構20を囲む長方形の領域の４つの角部に４つのローラーを鉛直に配置して、４つのローラーと外接するようにエンドレスベルト37を設置する。４つのローラーは、エンドレスベルト37と接触し、エンドレスベルト37の移動に応じて回動する。エンドレスベルト37は、図1、図２に示すように、正面側のベルト面が第３仕切り壁19の下方に位置するように配置される。

エンドレスベルト37が設置される領域は、リコータ17が移動する領域に相当するため、エンドレスベルト37がリコータ17の移動を妨げないようにする必要がある。したがって、リコータ17を、ベルト面と直交するように配置して、ベルトの両端をそれぞれリコータ17両側面に取り付けて一体化させる。これによって、エンドレスベルト37は、そのベルト面が第３仕切り壁19の下方に配置されて、リコータ保持具32の移動方向にリコータ17とともに移動するようにしている。

以上のように、第１実施形態のリコータ駆動機構20によれば、リコータ保持具32を移動させるネジ軸33aや、リコータ保持具32をリコータ17の移動方向に導くレール34a, 34bの周囲に冷却ガスを導く配管36を配置している。

したがって、配管36に冷却ガスを流すことにより、リコータ駆動機構20、特にレール34a, 34bやリコータ保持具32の嵌合部材35a, 35bが過剰に昇温するのを抑制することができる。

よって、リコータ駆動機構20、特にレール34a, 34bの幅や溝34c, 34dの寸法、そしてリコータ保持具32の嵌合部材35a, 35bの凹部35c, 35dの幅や凸部35e, 35fの寸法の変動を抑制できる。さらに、各嵌合部材35a, 35bと各レール34a, 34bとの接触部に塗られたグリースが蒸発し或いは変質するのを防止することができる。

したがって、リコータ保持具32の移動、ひいてはリコータ17の移動を支障なくスムーズに行うことができる。

また、粉末材料23は、微小な粒子なので、造形部2とリコータ駆動部4との間が開放されていると、リコータ駆動機構20に粉末材料23が入り込み、リコータ17の移動を妨げる恐れがあるが、本発明の実施形態では、エンドレスベルト37で造形部2とリコータ駆動部4との間を仕切ることにより、粉末材料23がリコータ駆動部4に入り込むのを抑制することができる。これによっても、リコータ17の移動を支障なくスムーズに行うことができる。

（送風機21の説明）
次に、エンドレスベルト37の横に配置され、配管36からリコータ駆動部4に放出された冷却ガスを昇温し、造形部2に送出する送風機（加熱装置を備えた流通路）21について、図7を参照して説明する。

造形部2の予備加熱の温度が高い場合、リコータ駆動機構20を冷却した後、リコータ駆動部4に放出された冷却ガスの温度と予備加熱の温度との温度差が大きくなる場合がある。この場合、リコータ駆動部4に放出された冷却ガスをそのまま造形部2に送出すると、冷却ガスによって予備加熱の温度が所望の温度よりも下がり、最初の設定条件では、粉末材料の溶融を行えないという不都合が起こる。

このような不都合を避けるため、配管36からリコータ駆動部4に放出された冷却ガスを加熱し昇温して造形部2に送出する送風機21を設けるとよい。

図７は、実施形態に係る送風機21の構成を示す斜視図である。

送風機21は、四角い筒状の筐体38を有している。筐体38の一端面が冷却ガスの取り入れ口39で、他端面が送出口42となっている。

取り入れ口39には、ファン40が設けられて、リコータ駆動部4に放出された冷却ガスを筐体39に取り込めるようになっている。なお、通常、リコータ駆動部4の圧力が造形部2の圧力よりも大きくなっているので、ファン40を省略してもよい。

筐体38内には、加熱装置41が設置されており、取り込んだ冷却ガスを加熱できるようになっている。加熱装置41には、流路を長くし、冷却ガスを比較的長い時間流通させるようにした図示しない配管を設け、その周りに図示しないヒータを配置した構成などを有する。

送出口42には、複数のガス流通穴が形成されたガス放出板43が設けられている。

そして、リコータ駆動部4と造形部2の間が仕切り壁19やエンドレスベルト37で閉鎖されない領域を設け、その領域にこのような送風機21を設けることにより、リコータ駆動部4に放出された冷却ガスを予備加熱で所望される温度に加熱して造形部に送出することができる。

これにより、造形部2の粉末材料の温度の低下を抑制することができるため、粉末材料の溶融を、妨げることなく、必要なときに行うことができる。

（２）第２実施形態に係る粉末床溶融結合方法の説明
次に、図８（ａ）〜（ｃ）、図９（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、上記の粉末床溶融結合装置を用いて次のように粉末床溶融結合を行う方法について説明する。

リコータ17の移動や、各昇降台25, 26a, 26bの動作や、エネルギービーム29の照射など粉末床溶融結合装置101の動作は制御部により制御される。

薄層形成工程を始める前に、図８（ａ）に示すヒータ30a, 30bやその他のヒータ及び赤外線ランプなどにより造形用容器15と第１、第２粉末材料収納容器16a, 16bの内側や周辺を予備加熱しておくとよい。

エネルギービーム29の照射前に、予備加熱により粉末材料の薄層23aの温度を粉末材料の軟化点よりも低くかつ融点よりも５〜１００℃低い温度に保持しておくことで、エネルギービーム29による溶融結合を容易に行うことができるとともに、エネルギービーム29の照射時における溶融部とその周囲の温度差による結合層の反りの発生も抑制することができる。予備加熱の温度は、融点より５〜５０℃低い温度だとより好ましく、融点より５〜３０℃低い温度だとさらに好ましい。一方で、エンドレスベルト37によって造形部2とリコータ駆動部4とが仕切られているため、リコータ駆動部4に熱気が入ってくるのを抑制して、リコータ駆動機構20が過剰に昇温するのを抑制することができる。

さらに、リコータ駆動部4では、リコータ駆動機構20の基台31に設置された配管36に冷却ガスを流通させて機構20の冷却が行われる。冷却ガスの温度を室温（２５℃前後）とし、リコータ駆動機構20、特にレール34a, 34bとその周囲を１３０℃程度に冷却する。なお、冷却により維持するリコータ駆動機構20の温度は、駆動機構に使用する材料の温度による伸縮度や、可動部に塗るグリースが変質する温度或いは蒸発する温度を勘案し、適宜変更できる。

また、冷却後リコータ駆動部4に放出された冷却ガスは、送風機21で、予備加熱の温度程度に加熱されて造形部2に放出される。

なお、以下の工程では、リコータ17が移動していない間も、エンドレスベルト37によって造形部2とリコータ駆動部4とが仕切られ、かつ、冷却ガスにより機構部の冷却が行われる。また、リコータ駆動部4に放出された冷却ガスは加熱されて造形部2に放出される。

薄層形成工程では、図８（ｂ）に示すように、まず、第２昇降台26aを上昇させ、第１昇降台25と第３昇降台26bを下降させる。

次いで、図８（ｃ）〜図９（ａ）に示すように、リコータ17を右側に移動させて、第１粉末材料収納容器16aからリコータ17で粉末材料23を運び出し、造形用容器15まで運ぶ。

そして、リコータ17を右側に移動させて、造形用容器15内の第１昇降台25上に粉末材料23を運び入れながらその表面を均して均一な厚さの薄層23aを形成する。

このとき、リコータ駆動部4では、リコータ駆動機構20のネジ軸33aを回転させてリコータ保持具32を移動させる。これにより、リコータ17とともにエンドレスベルト37も、右側に移動する。以下、リコータ17を移動させるときには、移動方向に合わせてこの動作を行う。

リコータ17としてブレードやローラーなどを用いることで、本来的に、均一な厚みで空隙率の低い薄層23aを再現性良く形成することができる。

粉末材料の薄層23aの厚さは０．０１〜０．３ｍｍであることが好ましく、より精密な造形物を得るためには、０．０１〜０．１ｍｍであることが好ましい。薄層23aを形成した後、さらにリコータ17を右側に移動させて、残った粉末材料23を第２粉末材料収納容器16bに収納する。

次いで、結合層形成工程では、図９（ｂ）に示すように、薄層形成工程で形成された薄層23aに、造形対象物のスライスデータに基づきエネルギービーム29を照射して、粉末材料を溶融し結合して、結合層23bを形成する。

粉末材料の薄層23aにエネルギービーム29を照射するときの雰囲気は、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素などの不活性ガス雰囲気下とすることができる。不活性ガス雰囲気下とすることにより、粉末材料23の酸化や腐蝕を防止することができるので好ましい。また、大気中で照射を行うこともできる。

次いで、図９（ｃ）に示すように、第２昇降台26aと第１昇降台25を下降させ、第３昇降台26bを上昇させる。

引き続き、図８（ｂ）〜図９（ｂ）に準じて粉末床溶融結合装置101を動作させるとともにリコータ17を左側に移動させて、２層目の結合層23bを形成する。その後、上述の作業を、必要な結合層23bの層数だけ順次繰り返して造形物を完成させる。

以上のように、第２実施形態の溶融結合方法によれば、エンドレスベルト37によって、リコータ駆動部4に熱気が入ってくるのを抑制して、リコータ駆動機構20が過剰に昇温するのを抑制することができる。

また、エンドレスベルト37だけではリコータ駆動機構20が過剰に昇温するのを十分に抑制することができなくても、さらに、リコータ駆動機構20、特にレール34a, 34bとその周囲を冷却することによって、レール34a, 34bとその周囲が過剰に昇温するのを十分に抑制することができるため、リコータ17の移動を支障なくスムーズに行うことができる。

さらに、エンドレスベルト37によって、粉末材料23がリコータ駆動部4に入り込むのを抑制し、それによってリコータ17の移動をより一層支障なくスムーズに行うことができる。

また、送風機21によってリコータ駆動部4に放出された冷却ガスを予備加熱で所望される温度に加熱して造形部に送出することにより、粉末材料の溶融を、妨げることなく、必要なときに行うことができる。

（第３実施形態の説明）
次に、図１０〜図１３を参照して、第３実施形態に係るリコータ駆動機構50について説明する。図１０〜図１３中、図１に記載された参照符号と同じ参照符号で示すものは、図１と同じものを示す。

図１０は、第３実施形態に係るリコータ駆動機構50を示す斜視図である。この斜視図は図１と異なり、装置の正面側、右斜め上から見たものである。

図１１は、図１０のリコータ駆動機構50におけるリコータ保持具52に設けられた、レール55a, 55bと嵌合する嵌合部52c, 52dの斜視図である。

図１２〜図１３は、基台51に設けられた、レール55a, 55bを冷却する機構を示す斜視図である。

図１０〜図１３に示すリコータ駆動機構50において、図１のリコータ駆動機構20と比較して、次の点が異なる。

すなわち、リコータ57を保持するリコータ保持具52の駆動機構として、一対のローラー54a, 54bが水平方向に間隔を置いて配置されている。

さらに、一対のローラー54a, 54bを橋渡しするように、エンドレスベルト（駆動ベルト）54dが一対のローラー54a, 54bに巻回され、駆動ベルト54dの両端がそれぞれリコータ保持具52の接続部52bに固定されている。

そして、一対のローラー54a, 54bのうち少なくともひとつにモータ（駆動装置）などが接続されて、ローラー54a, 54bを順／逆回転させる（回動させるという）ことができるようになっている。

なお、ローラー54a, 54bの間で、ローラー54a, 54bに巻回された駆動ベルト54dが上側に配置された部分に、別のローラ54cが下からあてがわれているが、これは、駆動ベルト54dが撓むのを防止するためである。

この機構によって、リコータ保持具52を移動方向に並進させることができる。

また、リコータ57として、ローラーが用いられている。これに伴い、リコータ57を保持するリコータ保持具52は、リコータ57のローラーが自転する機構53を備えている。

その機構53は、リコータ保持具52に回動可能に固定されたローラー53aと、ローラー53aに巻回されてローラー53aの回動をリコータ57のローラーに伝達するエンドレスベルト（伝達ベルト）53bと、リコータ保持具52の並進運動をローラー53aの回動運動に変換する変換ワイヤ53cとを有する。変換ワイヤ53cは、ローラー53aに一周以上巻き付けられ、さらにその両端がローラー53aを挟むようにして基台51に固定される。

これによって、リコータ保持具52の並進運動に応じて、リコータ57のローラーを自転させながら、並進させることができる。

また、リコータ駆動部4の床（図１の第４仕切り壁22に相当）22の上に置かれた基台51上に、並行する２つのレール55a, 55bが敷設されている。２つのレール55a, 55bはリコータ保持具52の移動方向に延在する。

なお、一方のレール55aの両側面には、レール55aの延在方向に沿って溝55cが設けられ、他方のレール55bの両側面にも、レール55bの延在方向に沿って溝55dが設けられている。

リコータ保持具52は、２つのレール55a, 55bの上方に配置されている。リコータ保持具52の本体52aの下部には、リコータ保持具52が２つのレール55a, 55bに導かれて移動できるように、各レール55a, 55bに嵌合する２つの嵌合部材（リコータ保持具の嵌合部）52c, 52dが取り付けられている。

嵌合部材52c, 52dはそれぞれ、レール55a, 55bが嵌合する凹部52e, 52fを有する。一方の凹部52e内の対向する側面には側面に沿って延在する凸部52gを有し、他方の凹部52f内の対向する側面には側面の延在方向に沿う凸部52hを有する。嵌合部材52c, 52dの凸部52g, 52hがそれぞれレール55a, 55bの溝55c, 55dに噛み合ってリコータ保持具52がレール55a, 55bに沿って導かれる。

また、冷却ガスの流路（冷媒の流路）として、図１２に示すように、基台51のレール55a, 55bが置かれた表面（一方の面）と反対側の裏面（他方の面）に、溝51aが形成されている。

溝51aは、基台51の一方の端の角から始まり、基台51の短手方向に直線的に延び、端に近づいたら鍵状に折り返し、これを繰り返しながら、基台51の長手方向に延伸し、基台51の他方の端の角で終端している。

溝51aの中央部を冷却ガスの導入部51bとし、溝51aの両端を冷却ガスの放出部51c, 51dとする。これによって、一方の端を冷却ガスの導入部とし、他方の端を冷却ガスの放出部とする場合と比べて導入部51bと放出部51c, 51dの距離が短くなるため、基台51全体にわたっての冷却ガスの温度差を小さくでき、したがって、温度コントロールが容易になる。

溝51aは、図１３に示すように、基台51がリコータ駆動部4の床22の上に置かれることで、周囲が密閉された冷却ガスの流路となる。そして、溝51aの冷却ガスの導入部51bと冷却ガスの放出部51c, 51dとに対応して、それぞれ、床22に貫通穴を設け、冷却ガスの導入口22aとし、冷却ガスの放出口22b, 22cとしている。

したがって、冷却ガスはリコータ駆動部4の下の冷却ガス供給部5から供給されるとともに、冷却ガス供給部5に放出されることになる。なお、基台51に貫通孔を設けて冷却ガスをリコータ駆動部4の方に放出してもよい。

なお、図１０において、参照符号５８は、リコータ保持具52と一体化されたエンドレスベルト（仕切りベルト）で、図１のエンドレスベルト（仕切りベルト）17に対応し、リコータ駆動部4と造形部2との間の下部を仕切っている。そして、エンドレスベルト（仕切りベルト）58の上方には、図示していないが、図１の第３仕切り壁19と同様な仕切り壁を備えており、リコータ駆動部4と造形部2との間の上部を仕切っている。

以上のように、第３実施形態に係るリコータ駆動機構50を備えた粉末床溶融結合装置によれば、基台51のレール55a, 55bが敷かれた表面と反対側の裏面に、冷却ガスの流路としての溝51aを有する。

したがって、溝51aに冷却ガスを流すことにより、リコータ駆動機構50、特にレール55a, 55bやリコータ保持具52の嵌合部材52c, 52dが過剰に昇温するのを抑制することができる。

よって、リコータ駆動機構50、特にレール55a, 55bの幅や溝55c, 55dの寸法の変動や、リコータ保持具52の嵌合部材52c, 52dの凹部52e, 52fの幅や凸部52g, 52hの寸法の変動を抑制できる。さらに、各嵌合部材52c, 52dと各レール55a, 55bとの接触部に塗られたグリースが蒸発し或いは変質するのを防止することができる。

したがって、リコータ保持具52の移動、ひいてはリコータ57の移動を支障なくスムーズに行うことができる。

（変形例）
次に、図１４、図１５の斜視図を参照して、変形例に係るレールの冷却機構について説明する。

図１４に示す冷却機構において、図１２の冷却機構と比較して、基台59の裏面（他方の面）に設けた冷却ガスの流路となる溝59a, 59bの形状と配置が異なる。

溝59a, 59bは、基台59に２つ設けられ、それぞれ基台59の長手方向に両端近くまで延在する部分と、ほぼ中央部で短手方向に互いに向かい合って延びる部分とからなる。

２つの溝59a, 59bは、それぞれ、長手方向に延在する部分がほぼ２つのレール55a, 55bの下に配置されている。

また、一方の溝59aでは、短手方向に延びる部分が冷却ガスの導入部59cとなり、両端が冷却ガスの放出部59d, 59eとなる。また、他方の溝59bでも、短手方向に延びる部分が冷却ガスの導入部59fとなり、両端が冷却ガスの放出部59g, 59hとなる。

溝59a, 59bは、図１５に示すように、基台59がリコータ駆動部4の床22の上に置かれることで、周囲が密閉された冷却ガスの流路となる。

そして、一方の溝59aでは、冷却ガスの導入部59cと冷却ガスの放出部59d, 59eとに対応してそれぞれ床22に貫通穴を設けて、冷却ガスの導入口22dとし、冷却ガスの放出口22e, 22fとする。また、他方の溝59bでは、冷却ガスの導入部59fと冷却ガスの放出部59g, 59hとに対応してそれぞれ床22に貫通穴を設けて、冷却ガスの導入口22gとし、冷却ガスの放出口22h, 22iとする。

したがって、冷却ガスはリコータ駆動部4の下の冷却ガス供給部5から供給されるとともに、同じところに放出されることになる。なお、基台59に貫通孔を設けて冷却ガスをリコータ駆動部4の方に放出してもよい。

以上、実施の形態によりこの発明を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。

実施形態では、リコータ17, 57と一体化して移動するベルトとして、エンドレスベルト（仕切りベルト）37, 58を用いているが、両端を有するベルトを用いてもよい。この場合、巻き戻しの力が働くバネ性のローラーを第３仕切り壁19の下の領域の両端に配置し、ベルトの両端をそれぞれ各ローラーに固定し、巻きつけて用いることで、エンドレスベルト37を用いた場合と同じ動作をさせることができる。

また、冷却ガスの代わりに、冷却水や水以外の冷媒用液体を用いてもよい。ただし、冷媒が液体の場合は、使用済みの冷媒を、そのまま、リコータ駆動部4や冷媒供給部5には放出できないので、適当な容器を配置して使用済みの冷媒をその容器に収容する必要がある。冷媒の温度は、冷媒の種類に合わせて適宜変更することができる。例えば、水道水の場合、水道管から配水される際のそのままの温度のものを使用できるし、加熱或いは冷却し、特定の温度にしたものを使用できる。

また、第３実施形態及びその変形例では、冷媒の流路として、基台51, 59に形成された溝51a, 59a, 59bを用いているが、溝51a, 59a, 59bの配置と同じように基台51, 59に配管を配置してもよい。この場合、配管は、基台51, 59と床22の間に挟み固定することができる。

以上、実施形態で説明した要点を付記として以下にまとめる。

（付記１）
粉末材料の薄層を形成し、前記薄層を焼結して、又は溶融し固化して結合層を形成する造形部と、
前記造形部で移動して前記粉末材料の薄層を形成するリコータと、
前記リコータを移動させる駆動機構を収容したリコータ駆動部とを有し、
前記リコータを移動させる駆動機構は、
基台と、
前記リコータを保持するリコータ保持具と、
前記基台の一方の面に設けられた、前記リコータ保持具を嵌合させて移動方向に導くレールと、
前記基台の前記一方の面と反対側の他方の面に設けられた、前記レールを冷却する冷媒を流通させる冷媒の流路と
を有することを特徴とする粉末床溶融結合装置。

（付記２）
前記冷媒の流路は、配管、又は、前記基台に形成された溝であることを特徴とする付記１に記載の粉末床溶融結合装置。

（付記３）
前記リコータ保持具と一体化された仕切りベルトをさらに有し、
前記仕切りベルトは、前記ベルト面が前記造形部と前記リコータ駆動部とを仕切るように配置されたことを特徴とする付記１に記載の粉末床溶融結合装置。

（付記４）
前記仕切りベルトの上方に、さらに、前記造形部と前記リコータ駆動部とを仕切る固定された第１仕切り壁を有することを特徴とする付記３に記載の粉末床溶融結合装置。

（付記５）
前記リコータ駆動部の下に第２仕切り壁を隔てて設けられ、前記流路の冷媒導入口と接続されて前記冷媒を供給する冷媒供給部をさらに有することを特徴とする付記１に記載の粉末床溶融結合装置。

（付記６）
前記冷媒は、冷却ガスであり、
前記流路は、前記冷媒を前記リコータ駆動部に放出する冷媒放出口を有することを特徴とする付記５に記載の粉末床溶融結合装置。

（付記７）
前記リコータ駆動部に放出された前記冷媒を加熱して前記造形部に導く、加熱装置を備えた流通路をさらに有することを特徴とする付記６に記載の粉末床溶融結合装置。

（付記８）
前記造形部の下に第３仕切り壁を隔てて設けられ、前記粉末材料の薄層を形成し前記結合層を形成する造形用容器と、前記造形用容器の横に設けられて前記粉末材料を収納する粉末材料収納容器とを収容した容器収容部をさらに有し、
前記造形用容器の上面と前記粉末材料収納容器の上面とは、前記第３仕切り壁から前記造形部に開口していることを特徴とする付記１に記載の粉末床溶融結合装置。

（付記９）
前記リコータを移動させる駆動機構は、
前記リコータ保持具に前記リコータ保持具の移動方向に向くネジ穴が設けられ、前記ネジ穴に前記リコータ保持具の移動方向に延在するネジ軸が挿入されて螺合した
ことを特徴とする付記１に記載の粉末床溶融結合装置。

（付記１０）
前記リコータを移動させる駆動機構は、さらに、
前記基台の中央部で前記リコータ保持具の移動方向に延在して設けられた開口部を有し、
前記開口部を通して前記基台の前記他方の面側に前記リコータ保持具の一部分が突出し、前記一部分に前記ネジ穴が設けられ、
前記基台の前記一方の面に、前記レールが前記開口部の両側で、前記リコータ保持具の移動方向に延在して設けられ、前記レールに前記リコータ保持具の嵌合部が嵌合し、
前記基台の前記他方の面に、前記冷媒の流路としての配管が設けられた
ことを特徴とする付記９に記載の粉末床溶融結合装置。

（付記１１）
前記リコータを移動させる駆動機構は、
間隔を置いて配置された一対のローラーと、
前記一対のローラーを橋渡しするように前記一対のローラーに巻回され、両端が前記リコータ保持具に固定されたリコータ駆動ベルトと、
前記一対のローラーのうち少なくともひとつを回動させて前記リコータ駆動ベルトを移動させる駆動装置とを有する
ことを特徴とする付記１に記載の粉末床溶融結合装置。

1・・・エネルギービーム出射部、2・・・造形部、3・・・容器収容部、4・・・リコータ駆動部、5・・・冷却ガス供給部（冷媒供給部）、13・・・第１仕切り壁、14・・・第２仕切り壁（基台）、14a・・・第１開口部、 14b・・・第２開口部、14c・・・第３開口部、15・・・造形用容器、16a・・・第１粉末材料収納容器、16b・・・第２粉末材料収納容器、17, 57・・・リコータ（運搬部材）、18a, 18b・・・扉、19・・・第３仕切り壁、20, 50・・・リコータ駆動機構、21・・・送風機（冷媒の流通路）、22・・・第４仕切り壁（リコータ駆動部22の床）、23…粉末材料、23a…粉末材料の薄層（又は、薄層）、23b…結合層、24a, 24b, 24c・・・（容器を基台に装着するための）溝、25・・第１昇降台、26a・・・第２昇降台、26b…第３昇降台、27, 28a, 28b・・・支持軸、29…レーザ光、30a, 30b・・・ヒータ、31・・・基台、31a・・・開口部、32, 52・・・リコータ保持具、32a・・・四角柱状の部材、32b・・・板部材、32c・・・ネジ穴、33, 54・・・リコータ保持具の駆動機構、33a・・・回転軸（ネジ軸）、34a, 34b, 55a, 55b・・・レール、34c, 34d, 55c, 55d・・・溝、35a, 35b, 52c, 52d・・・嵌合部材（リコータ保持具の嵌合部）、35c, 35d, 52e, 52f・・・凹部、35e, 35f, 52g, 52h・・・凸部、36・・・配管（冷媒の流路）、37, 58・・・エンドレスベルト（仕切りベルト）、38・・・筐体、39・・・取り入れ口、40・・・ファン、41・・・加熱装置、42・・・送出口、43・・・ガス放出板、51・・・基台、51a, 59a, 59b・・・溝（冷媒の流路）、51b, 59c, 59f・・・冷媒の導入箇所、51c, 51d, 59d, 59e, 59g, 59h・・・冷媒の放出箇所、53・・・リコータローラーの自転機構、53a・・・ローラー、53b・・・エンドレスベルト（伝達ベルト）、53c・・・（並進運動を回動運動に変換する）変換ワイヤ、54a, 54b, 54c・・・ローラー、54d・・・エンドレスベルト（駆動ベルト）、101…粉末床溶融結合装置。

Claims (7)

1. 粉末材料の薄層を形成し、前記薄層を焼結して、又は溶融し固化して結合層を形成する造形部と、
   前記造形部で移動して前記粉末材料の薄層を形成するリコータと、
   前記リコータを移動させる駆動機構を収容したリコータ駆動部とを有し、
   前記リコータを移動させる駆動機構は、
   基台と、
   前記リコータを保持するリコータ保持具と、
   前記基台の一方の面に設けられた、前記リコータ保持具を嵌合させて移動方向に導くレールと、
   前記基台の前記一方の面と反対側の他方の面に設けられ、前記レールを冷却する冷媒を流通させる冷媒の流路と
   を有することを特徴とする粉末床溶融結合装置。
2. 前記冷媒の流路は、配管、又は、前記基台に形成された溝であ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。
3. 前記リコータ駆動部の下に第２仕切り壁を隔てて設けられ、前記流路の冷媒導入口と接続されて前記冷媒を供給する冷媒供給部をさらに有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。
4. 前記冷媒は、冷却ガスであり、
   前記流路は、前記冷媒を前記リコータ駆動部に放出する冷媒放出口を有す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。
5. 前記リコータ駆動部に放出された前記冷媒を加熱して前記造形部に導く、加熱装置を備えた流通路をさらに有することを特徴とする請求項４に記載の粉末床溶融結合装置。
6. 前記リコータを移動させる駆動機構は、
   前記リコータ保持具に前記リコータ保持具の移動方向に向くネジ穴が設けられ、前記ネジ穴に前記リコータ保持具の移動方向に延在するネジ軸が挿入されて螺合した
   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。
7. 前記リコータを移動させる駆動機構は、
   間隔を置いて配置された一対のローラーと、
   前記一対のローラーを橋渡しするように前記一対のローラーに巻回され、両端が前記リコータ保持具に固定されたリコータ駆動ベルトと、
   前記一対のローラーのうち少なくともひとつを回動させて前記リコータ駆動ベルトを移動させる駆動装置とを有する
   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。

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