JP2019081937A - Powder saving device and powder saving method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三次元積層造形装置に適用される粉末節約装置および粉末節約方法に関する。 The present invention relates to a powder saving device and a powder saving method applied to a three-dimensional additive manufacturing apparatus.
粉末に電子ビームまたはレーザ光等を照射して三次元積層造形物を造形する装置が知られている。特許文献1に記載された装置では、第1テーブル上に設置された第2テーブルの開口の範囲内で粉末が供給される。第2テーブルの開口に沿って電子ビームを走査して粉末を溶融することにより、溶融壁が形成される。特許文献2に記載された装置では、レーザ焼結工程で、三次元の物体に加えて、物体の周囲に支持壁が形成される。特許文献3に記載された装置では、定盤および造形槽(造形タンク)で規定される領域内に、粉末の崩落を防止する崩落防止壁が設けられる。特許文献4に記載された装置では、第1の粉末材料容器内に第2の粉末材料容器がセットされる。この第2の粉末材料容器は、第1の粉末材料容器の収納エリアよりも小さな収納エリアを確定する。
There is known an apparatus for forming a three-dimensional laminated object by irradiating a powder with an electron beam or a laser beam or the like. In the apparatus described in Patent Document 1, powder is supplied within the range of the opening of the second table placed on the first table. A melting wall is formed by scanning the electron beam along the opening of the second table to melt the powder. In the apparatus described in
上記した特許文献1〜4に記載された装置では、造形物の大きさに応じて粉末の供給量が調整される。しかしながら、特許文献1,2に記載された装置では、溶融壁や支持壁が形成されるので、これらの壁部に要する粉末材料は廃棄されることとなり、結局は無駄になる。また特許文献1に記載された装置のように、テーブルの開口内に溶融壁が形成されると、造形入熱によってテーブルに対し溶融壁が固着または融着し得るため、パウダーベッドの降下が困難となる。特許文献3,4に記載された装置では、別途の壁体や容器が必要となるため、構成が複雑化する。
In the devices described in Patent Documents 1 to 4 described above, the amount of powder supplied is adjusted in accordance with the size of the shaped object. However, in the apparatuses described in
本発明は、造形タンクの大きさに比して小型の造形物を造形する場合に、簡易な構成で、粉末を節約することができる粉末節約装置および粉末節約方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a powder saving device and a powder saving method capable of saving powder with a simple configuration when forming a small sized object relative to the size of a forming tank. .
本発明の一態様は、粉末が溶融されてなる造形物が内部に造形される造形タンクと、造形タンク内に設けられ造形タンクに対して造形タンクの軸線方向に相対的に移動する造形テーブルとを備えた三次元積層造形装置に適用される粉末節約装置であって、造形テーブルの上方に設置され開口が形成された規制板であって、開口を通じてのみ粉末を受け入れ、造形タンクに供給される粉末の量を規制する規制板と、規制板の開口の周壁面に沿って粉末が仮焼結された仮焼結体を形成するように、粉末を加熱する加熱部と、を備える。 One aspect of the present invention is a shaping tank in which a shaped object obtained by melting powder is shaped, a shaping table provided in the shaping tank and relatively moving in the axial direction of the shaping tank with respect to the shaping tank A powder saving device applied to a three-dimensional additive manufacturing apparatus comprising: a restricting plate installed above a forming table and having an opening formed therein, which receives powder only through the opening and is supplied to a forming tank And a heating unit that heats the powder so as to form a temporary sintered body in which the powder is temporarily sintered along the peripheral wall surface of the opening of the restriction plate.
この粉末節約装置によれば、造形タンク内に設けられて軸線方向に相対的に移動する造形テーブル上で、造形が行われる。造形テーブルの上方に設置された規制板の開口を通じてのみ、粉末が受け入れられる。限られた量の粉末が造形タンクに供給されるので、造形タンクの大きさに比して小型の造形物を造形する場合に、粉末が節約される。加熱部によって、規制板の開口の周壁面に沿って仮焼結体が形成される。この仮焼結体は、開口に対応する断面を有して軸線方向に延びる筒体である。筒状に形成された仮焼結体は、内部に造形物を収容すると共に、外部(仮焼結体と造形タンクの側壁部との間の空隙)への粉末の漏出を防止する。また仮焼結体は、溶融に至っていない状態の粉末からなるので、開口の周壁面に固着しにくい。しかも、仮焼結体は、後工程において粉砕されることにより、粉末としての再利用が可能であり、無駄にはならない。よって、造形物の容量に相応した量の原料だけで、支障なく(固着等を生じることなく)造形物を造形できる。粉末節約装置によれば、既存の三次元積層造形装置の構成を大きく変更する必要はなく、規制板と加熱部とを備えた簡易な構成により、粉末を節約することができる。 According to the powder saving device, the formation is performed on the formation table which is provided in the formation tank and relatively moves in the axial direction. The powder is received only through the opening of the restricting plate located above the shaping table. Since a limited amount of powder is supplied to the build tank, powder is saved when molding small sized objects relative to the size of the build tank. The temporary sintered body is formed along the peripheral wall surface of the opening of the regulating plate by the heating unit. The temporary sintered body is a cylinder extending in the axial direction with a cross section corresponding to the opening. The temporary sintered body formed into a tubular shape accommodates the shaped object inside, and prevents the powder from leaking out to the outside (the space between the temporary sintered body and the side wall portion of the forming tank). Moreover, since the temporary sintered body is made of powder in a state of not reaching melting, it is difficult to adhere to the peripheral wall surface of the opening. In addition, the pre-sintered body can be reused as a powder by being crushed in a later step, and is not wasted. Therefore, it is possible to model the shaped object without any trouble (without causing sticking or the like) with only the amount of the raw material corresponding to the volume of the shaped object. According to the powder saving device, it is not necessary to largely change the configuration of the existing three-dimensional layered manufacturing device, and the powder can be saved by a simple configuration including the regulation plate and the heating unit.
いくつかの態様において、規制板の開口の周壁面には、仮焼結体と周壁面との間に介在するようにして緩衝部が設けられる。この場合、緩衝部によって、規制板の開口の周壁面に対する仮焼結体の固着が確実に防止される。その結果として、造形プレートが軸線方向に相対的に移動する際、造形物および仮焼結体は、規制板に対してスムーズに移動できる。 In some embodiments, a buffer portion is provided on the peripheral wall surface of the opening of the restriction plate so as to be interposed between the temporary sintered body and the peripheral wall surface. In this case, the buffer portion reliably prevents the temporary sintered body from adhering to the peripheral wall surface of the opening of the regulating plate. As a result, when the shaping plate relatively moves in the axial direction, the shaped object and the temporary sintered body can move smoothly with respect to the regulating plate.
いくつかの態様において、加熱部は、規制板を介して粉末を加熱するように構成されている。この場合、規制板の開口の周壁面に沿って仮焼結体を容易に形成することができる。 In some embodiments, the heating unit is configured to heat the powder through the restriction plate. In this case, the temporary sintered body can be easily formed along the peripheral wall surface of the opening of the restriction plate.
本発明の別の態様に係る粉末節約方法は、粉末が溶融されてなる造形物が内部に造形される造形タンクと、造形タンク内に設けられ造形タンクに対して造形タンクの軸線方向に相対的に移動する造形テーブルとを備えた三次元積層造形装置に適用される粉末節約方法であって、造形テーブルの上方に設置された規制板の開口を通じてのみ粉末を受け入れる受入れ工程と、受入れ工程で受け入れられた粉末の溶融を行いつつ、規制板の開口の周壁面に沿って粉末が仮焼結された仮焼結体を形成するように、粉末を加熱する加熱工程と、を含む。この粉末節約方法によれば、上記した粉末節約装置と同様の作用・効果が奏される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a powder saving method comprising: a forming tank in which a shaped object obtained by melting the powder is formed; and an axial direction of the forming tank relative to the forming tank provided in the forming tank. A powder saving method applied to a three-dimensional additive manufacturing apparatus provided with a forming table moving to the upper side, the receiving process receiving powder only through the opening of the restriction plate installed above the forming table, and receiving in the receiving process Heating the powder so as to form a temporary sintered body in which the powder is temporarily sintered along the peripheral wall surface of the opening of the regulating plate while melting the powder. According to this powder saving method, the same operation and effect as the above-described powder saving device can be obtained.
本発明のいくつかの態様によれば、造形タンクの大きさに比して小型の造形物を造形する場合に、簡易な構成で、粉末を節約することができる。 According to some aspects of the present invention, powder can be saved with a simple configuration when forming a small sized object relative to the size of the forming tank.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols and redundant description will be omitted.
まず図1を参照して、本実施形態の三次元積層造形装置1の基本構成について説明する。三次元積層造形装置1は、造形面S上の粉末Aに電子ビームBを照射して粉末Aを溶融させ凝固させて三次元の物体を造形する装置である。三次元積層造形装置1は、電子ビーム出射部2、造形部3および制御部4を備えている。
First, with reference to FIG. 1, the basic configuration of the three-dimensional layered manufacturing apparatus 1 of the present embodiment will be described. The three-dimensional layered manufacturing apparatus 1 is an apparatus that irradiates the powder A on the modeling surface S with an electron beam B to melt and solidify the powder A to form a three-dimensional object. The three-dimensional additive manufacturing apparatus 1 includes an electron
電子ビーム出射部2は、造形部3の造形面S上の粉末Aに向けて電子ビームBを出射し、粉末Aを溶融させる。電子ビーム出射部2は、物体の造形を行う前に粉末Aに対し電子ビームBを照射して粉末Aの予備加熱を行ってもよい。
The electron
電子ビーム出射部2は、電子銃部21と、収差コイル22と、フォーカスコイル23と、偏向コイル24とを備えている。電子銃部21は、制御部4と電気的に接続され、制御部4からの制御信号を受けて作動し、電子ビームBを出射する。電子銃部21は、たとえば、下方に向けて電子ビームBを出射するように設けられている。収差コイル22は、制御部4と電気的に接続され、制御部4からの制御信号を受けて作動する。収差コイル22は、電子銃部21から出射される電子ビームBの周囲に設置され、電子ビームBの収差を補正する。フォーカスコイル23は、制御部4と電気的に接続され、制御部4からの制御信号を受けて作動する。フォーカスコイル23は、電子銃部21から出射される電子ビームBの周囲に設置され、電子ビームBを収束させ、電子ビームBの照射位置におけるフォーカス状態を調整する。偏向コイル24は、制御部4と電気的に接続され、制御部4からの制御信号を受けて作動する。偏向コイル24は、電子銃部21から出射される電子ビームBの周囲に設置され、制御信号に応じて電子ビームBの照射位置を調整する。電子銃部21、収差コイル22、フォーカスコイル23及び偏向コイル24は、たとえば、筒状を呈するコラム26内に設置される。なお、収差コイル22が省略されてもよい。
The electron
造形部3は、所望の物体である造形物Cを造形する部位である。造形部3は、チャンバ30内において、作業台39(図2参照)と、造形タンク36と、造形タンク36内に設けられたプレート31および昇降テーブル35(造形テーブル)と、昇降装置10と、2台の粉末供給装置40と、塗布機構33とを備えている。チャンバ30内は、真空状態とされている。
The forming unit 3 is a portion for forming a desired object C, which is a desired object. In the
図1および図2に示されるように、作業台39は、粉末供給装置40の下方に配置されており、粉末供給装置40によって供給された粉末Aが載る水平かつ平坦な上面39aを有する。作業台39には、たとえば四角形の開口39cが設けられており、この開口39cに、たとえば角筒状の造形タンク36が嵌合している。造形タンク36は、鉛直方向(図中のZ方向)に延びる軸線を有する。造形タンク36の側壁部36bの上端面36aは、たとえば、作業台39の上面39aよりも所定の高さだけ低くなっている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
プレート31は、底板またはベースプレートとも称され、造形タンク36内に配置される平板状の部材である。プレート31は、たとえば四角形をなしている。プレート31の形状は、造形面Sの形状に対応する。プレート31は造形タンク36の内径よりも小さな直径を有している。プレート31は、電子ビームBの出射方向の延長線上に配置され、たとえば水平なXY平面に平行に設けられる。プレート31と造形タンク36とは、同心状に配置される。
The
昇降装置10は、プレート31を支持すると共に、造形タンク36内で昇降テーブル35およびプレート31を上下方向に昇降させる。昇降装置10は、プレート31の下方に設置されて、プレート31を支持する昇降テーブル35と、プレート31および昇降テーブル35を昇降させる昇降機32とを有する。昇降機32は、制御部4と電気的に接続され、制御部4からの制御信号を受けて作動する。昇降機32は、造形物Cの造形の初期において昇降テーブル35およびプレート31を上部へ移動させ、プレート31上で粉末Aが溶融凝固されて積層されるごとに昇降テーブル35およびプレート31を降下させる。プレート31上には、粉末Aが溶融されてなる造形物Cが造形されていく。造形物Cの上面に、造形面Sが形成される。この造形面Sは、プレート31と同じ外形形状を持っている。粉末Aが溶融凝固されてできる溶融造形面は、プレート31の降下とともに下に下がっていく。下に下がった溶融造形面の上に、新たな(次の層の)造形面Sが形成される。以上のように構成された作業台39、プレート31、および昇降装置10において、作業台39の側方には、開口39cの位置に造形面Sが露出する。昇降装置10および昇降機32の具体的構成は、上記構成に限られず、他の公知の構成とされてもよい。
The lifting
造形物Cの造形が行われる間、昇降テーブル35およびプレート31は、一体となって、造形タンク36内で降下する。すなわち、昇降テーブル35およびプレート31は、造形タンク36に対して、造形タンク36の軸線方向(Z方向)に相対的に移動するように構成されている。
While the formation of the object C is performed, the lifting table 35 and the
造形タンク36は、プレート31上に造形されていく造形物Cと、溶融されていない粉末Aとを収容する。造形タンク36は、たとえば、角筒状に形成され、プレート31の移動方向に向けて延びている。この造形タンク36は、プレート31と同心状の断面四角形に形成される。図2に示されるように、造形タンク36すなわち側壁部36bの内面形状に合わせて、昇降テーブル35が形成される。造形タンク36の内面形状が水平断面で四角形の場合、昇降テーブル35の外形も四角形とされる。これにより、造形タンク36に供給される粉末Aが昇降テーブル35の下方へ漏れ落ちることが抑制される。なお、粉末Aが昇降テーブル35の下方へ漏れ落ちることを抑制するために、昇降テーブル35の外縁部にシール材が設けられてもよい。造形タンク36の形状は、角筒状に限定されず、断面円形の円筒状であってもよい。
The
上記したプレート31、造形タンク36、および造形面Sの形状は、造形物Cの形状等に応じて、適宜に変更可能である。本実施形態では、プレート31および造形面Sが四角形であり、造形タンク36が角筒状である場合について説明するが、その他の形状が採用されてもよい。プレート31が造形タンク36内に配置され、プレート31上に造形面Sが形成されるので、平面視において、これらは等しい形状および大きさを有することになる。
The shapes of the
プレート31、造形タンク36、および造形面Sが設けられた作業台39の中央部分に対して、2台の粉末供給装置40が、対称に設置されている。各粉末供給装置40は、粉末Aを収容するホッパ(またはタンク)34を備える。ホッパ34の下方には、所定の供給量をもって粉末Aを落下させるための円筒状のローラ43が設けられている。ホッパ34の下部には、粉末Aを排出する排出口が形成されており、この排出口から、ローラ43に対して粉末Aが供給される。この排出口は、ローラ43の略全体を覆うように形成されており、ホッパ34からローラ43の長さ方向(軸方向)の全体に対して、粉末Aが供給される。
Two
ローラ43は、水平なY方向に延びる回転軸線を有し、この回転軸線の周りに回転可能である。ローラ43の長さは、造形面S(すなわちプレート31)のY方向の長さよりも大きい。ローラ43の長さが、造形面S(すなわちプレート31)のY方向の長さと略同じであってもよい。ローラ43には、駆動モータ43aが設けられている。この駆動モータ43aは、制御部4と電気的に接続され、制御部4からの制御信号を受けて作動する。ローラ43は、駆動モータ43aが制御部4によって制御されることにより、所定の回転角度(または回転数)だけ回転する。ローラ43の回転角度(または回転数)に応じて、所定の供給量をもって粉末Aを落下させる。落下した粉末Aは、ローラ43の下方に設けられた作業台39の上面39aに載って堆積し、堆積粉末Aaとなる。堆積粉末Aaは、Y方向において、造形面Sを含む範囲(造形面Sよりも大きい範囲)に形成される。
The
粉末Aは、多数の粉末体により構成される。粉末Aとしては、たとえば金属製の粉末が用いられる。また、粉末Aとしては、電子ビームBの照射により溶融および凝固できるものであれば、粉末より粒径の大きい粒体を用いてもよい。 Powder A is composed of a large number of powder bodies. As powder A, for example, metal powder is used. Moreover, as powder A, as long as it can be melted and solidified by irradiation of electron beam B, granules having a larger particle size than powder may be used.
塗布機構33は、堆積粉末Aaを造形面S上に移動させ、造形面S上に粉末Aを供給すると共に粉末Aを均す部材である。塗布機構33は、水平なY方向に長く延びる部材である。塗布機構33の長さは、造形面S(すなわちプレート31)のY方向の長さよりも大きい。塗布機構33は、造形面S上に位置した際、Y方向において造形面Sの全体を覆うように設けられている(図4参照)。塗布機構33の断面形状は、図に示されるように矩形であってもよいし、その他の形状であってもよい。
The
塗布機構33は、作業台39の上面39a上から造形面S上に向けて、水平なX方向に移動可能である。より詳細には、塗布機構33は、造形面S上を横切るようにして、X方向に沿って往復移動可能である。塗布機構33は、上面39a上および造形面S上を移動する間、これらの上面39aおよび造形面Sに対して所定の間隔を維持する。塗布機構33は、図示しないアクチュエータ等により移動させられる。塗布機構33は、制御部4からの制御信号を受けて作動する。
The
制御部4は、三次元積層造形装置1の装置全体の制御を行う電子制御ユニットである。制御部4は、たとえばCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、およびRAM(Random Access Memory)等のハードウェアと、ROMに記憶されたプログラム等のソフトウェアとから構成されたコンピュータを含んで構成される。制御部4は、プレート31の昇降制御、塗布機構33の作動制御、電子ビームBの出射制御および偏向コイル24の作動制御などを実行する。制御部4は、プレート31の昇降制御として、昇降機32に制御信号を出力して昇降機32を作動させ、プレート31の上下方向の位置を調整する。制御部4は、塗布機構33の作動制御として、電子ビームBの出射前に塗布機構33を作動させ、プレート31上の粉末Aを均す。制御部4は、電子ビームBの出射制御として、電子銃部21に制御信号を出力し、電子銃部21から電子ビームBを出射させる。
The control unit 4 is an electronic control unit that controls the entire apparatus of the three-dimensional additive manufacturing apparatus 1. Control unit 4 includes a computer including hardware such as central processing unit (CPU), read only memory (ROM) and random access memory (RAM), and software such as a program stored in ROM. It consists of The control unit 4 executes elevation control of the
制御部4は、偏向コイル24の作動制御として、偏向コイル24に制御信号を出力して、電子ビームBの照射位置を制御する。たとえば、制御部4には造形すべき物体である造形物Cの三次元CAD(Computer-Aided Design)データが入力される。制御部4は、この三次元CADデータに基づいて二次元のスライスデータを生成する。スライスデータは、たとえば、造形物Cの水平断面のデータであり、上下位置に応じた多数のデータの集合体である。このスライスデータに基づいて、電子ビームBが造形面S上の粉末Aに対し照射する領域が決定され、その領域に応じて偏向コイル24に制御信号が出力される。
The control unit 4 outputs a control signal to the
以上、三次元積層造形装置1の基本構成について説明したが、三次元積層造形装置1には、粉末節約装置100が適用される。粉末節約装置100は、造形タンク36の大きさに比して、小型の造形物Cを造形する場合に用いられる。パウダーベッド方式が採用された従来の三次元積層造形装置では、いかなる大きさの造形物を作製する場合でも、造形タンク36が粉末Aで満たされる。そのため、常に大量の高価な粉末Aが準備されることになり、小型の試作や、新材料での試造形において費用が嵩んでしまう。粉末節約装置100は、このような問題に対処するための装置である。粉末節約装置100では、小型の造形物Cを造形する場合に、三次元積層造形装置1に対して最小限の部材・装置が追加された簡易な構成で、粉末Aを節約することができる。
The basic configuration of the three-dimensional layered manufacturing apparatus 1 has been described above. However, the
以下、粉末節約装置100について詳細に説明する。上記したように、三次元積層造形装置1は、造形物Cが内部に造形される造形タンク36と、造形タンク36に対して鉛直方向(Z方向)に相対的に移動する昇降テーブル35とを備えている。図1および図2に示されるように、粉末節約装置100は、たとえばその中央部に四角形の開口41eが形成された規制板41を備える。図2に示されるように、規制板41は、たとえば造形タンク36の上端面36aに載置される。言い換えれば、規制板41の外形は、作業台39の開口39cに対応しており、規制板41は開口39c内に嵌まり込む。規制板41は、作業台39の上面39aと造形タンク36の上端面36aとの高さの差に等しい厚みを有する。これにより、規制板41が嵌め込まれた状態で、規制板41の上面41aは、作業台39の上面39aと面一になっている。なお、規制板41と上端面36aとの間に、1枚または複数枚の高さ微調整用のスペーサ等が設けられてもよい。規制板41は、昇降テーブル35の上方に設置されており、開口41eを通じてのみ、粉末Aを受け入れる。すなわち、規制板41は、造形タンク36に供給される粉末Aの量を規制する。
Hereinafter, the
規制板41の開口41eの形状および大きさは、造形物Cの形状および大きさに応じて変更され得る。すなわち、粉末節約装置100は、複数の種類の規制板41を備えてもよい。開口41eは、造形物Cのどの高さにおいても、造形物Cの水平断面(すなわちXY平面で切断した断面)の形状を含む形状および大きさを有する。言い換えれば、仮想の造形物Cを考えた場合に、開口41eは、Z方向への造形物Cの通過を許容するように形成されている。
The shape and size of the
造形物Cの造形の最初において昇降テーブル35およびプレート31が最も上に位置するとき、プレート31は規制板41の開口41e内に嵌まる。すなわち、プレート31の外形は、規制板41の開口41eと略同じか開口41eよりも僅かに小さくなっている。そして、規制板41は、プレート31の形状に対応した小型の造形面Sを形成する。造形タンク36内における規制板41の裏面41b側の領域は、ドーナツ状の断面を有する空隙Gとなっており、この空隙Gには、粉末Aが流入しないようになっている。これにより、粉末Aの無駄が省かれている。
When the lifting table 35 and the
粉末節約装置100は、規制板41の開口41eの内周壁面(周壁面)41cに沿って粉末Aを仮焼結させ仮焼結体50を形成するように、粉末Aを加熱する複数のランプヒータ(加熱部)47および1つ又は複数のヒータ(加熱部)48を備える。ランプヒータ47は、たとえばハロゲンランプ等であり、図示しない電源から電流の供給を受けて点灯する。複数のランプヒータ47は、たとえば、規制板41によって形成された小型の造形面Sの周縁部を加熱するよう、当該周縁部の真上に設置される。たとえば、4つのランプヒータ47が、四角形の造形面Sの各辺部上に設けられてもよい。ランプヒータ47の個数は5個以上であってもよい。ヒータ48は、たとえば、電源および電熱線を含む態様とすることができる。ヒータ48は、規制板41に接続されて、規制板41を加熱する。ヒータ48は、規制板41の裏面41bに取り付けられた筐体と、筐体内に収容された電熱線等の発熱体とを含む態様であってもよい。ヒータ48は、規制板41の内部に内蔵されてもよい。ランプヒータ47および/またはヒータ48として、電熱線以外の公知の加熱手段が用いられてもよい。これらのランプヒータ47およびヒータ48は、制御部4と電気的に接続されている。
The
規制板41には、規制板41の温度(たとえば、上面41aの温度)を計測する温度センサ46が設けられている。温度センサ46は、制御部4と電気的に接続されている。温度センサ46は、規制板41の温度を計測し、その温度情報を制御部4に出力する。
The regulating
ランプヒータ47およびヒータ48は、制御部4によってたとえばオンオフ制御されて、規制板41の温度が所定の設定温度となるように、内周壁面41c付近の粉末Aおよび規制板41を加熱する。なお、制御部4による制御によらず、ランプヒータ47およびヒータ48が造形工程中は単にオン状態とされてもよい。また、ランプヒータ47およびヒータ48のいずれか一方のみが、加熱部として用いられてもよい。ランプヒータ47のみが用いられる場合には、温度センサ46は、内周壁面41cの近傍の温度を計測してもよい。
The
ランプヒータ47およびヒータ48による加熱は、内周壁面41c付近の粉末Aを仮焼結させる。仮焼結とは、粉末A同士が拡散現象によって最小点で拡散して接合した状態である。内周壁面41c付近の粉末Aの温度は、好ましくは、粉末Aの材料の融点の半分以上の温度とされる。これは、焼結の拡散現象が活発になるのが、一般的に融点の半分以上であることに基づく。たとえば、材料がチタンである場合には、粉末Aを仮焼結させるための温度は、700〜800℃とされる(チタン合金の融点は約1500℃〜1600℃)。材料がアルミニウムである場合には、粉末Aを仮焼結させるための温度は、約300℃とされる(アルミニウム合金の融点は約600℃)。
The heating by the
造形タンク36の降下とともに造形物Cは造形されていくが、その間に、内周壁面41cに沿って、角筒状の仮焼結体50が形成されていく。仮焼結体50は、粉末Aの外部(上記の空隙G)への漏出を防止する。昇降テーブル35の降下に伴って、仮焼結体50の表面50aは、規制板41の内周壁面41cに摺接してもよい。仮焼結体50は、粉末Aがまだ溶融されておらず仮焼結されただけの状態であり、また互いに接触する時間も短いので、内周壁面41cに対して固着しない。
While the shaped object C is shaped as the shaping
図2に示されるように、規制板41の開口41eの内周壁面41cには、仮焼結体50と内周壁面41cとの間に介在するようにして緩衝部42が設けられてもよい。より詳細には、緩衝部42は、内周壁面41cに設けられたコーティング部であってもよい。この場合、コーティング部は、たとえばセラミックコーティングからなる。あるいは、緩衝部42は、耐火布であってもよい。この場合、耐火布は、規制板41の上面41aから内周壁面41cにかけて設けられ、規制板41に固定される。この緩衝部42は、たとえば、粉末Aの材料が規制板41に対して固着しやすい材料である場合に、内周壁面41cに粉末A(仮焼結体50)が固着することを防止し得る。
As shown in FIG. 2, a
次に、粉末節約装置100を用いた粉末節約方法について説明する。粉末節約装置100を用いた粉末節約方法は、三次元積層造形装置1における通常の積層造形方法と大きく変わらないが、規制板41を用いる点と、ランプヒータ47およびヒータ48による加熱を行う点で異なる。
Next, a powder saving method using the
まず、粉末供給装置40によって粉末Aが作業台39の上面39a上に供給され、塗布機構33によって、粉末Aが造形面Sに塗布される。造形面Sは、小型の規制板41およびプレート31によって、造形タンク36よりも小さな四角形をなしている。すなわち、昇降テーブル35の上方に設置された規制板41の開口41eを通じてのみ粉末Aを受け入れる(受入れ工程)。
First, the powder A is supplied onto the
ここで、図4および図5(a)に示されるように、小型の造形面Sに供給される粉末A(堆積粉末Aa)も必要最小限となるよう、ホッパ34の内部にスペーサ44が設置されてもよい。ホッパ34が有するY方向の領域のうち両端部がスペーサ44によって占められ、これによって、ホッパ34の排出端部34aからはY方向において限られた幅の粉末Aのみが落下する。図4に示されるように、堆積粉末Aaは、Y方向において小型の造形面Sよりも大きくなっているが、開口39cや造形タンク36よりは小さくなっている。このように、粉末供給装置40側に粉末節約機構が設けられてもよい。
Here, as shown in FIG. 4 and FIG. 5A, the
続いて、図1に示される電子ビーム出射部2により、造形面Sの粉末Aに対して電子ビームBが照射され、粉末Aの予備加熱が行われる。粉末Aの予備加熱は、2段階で行われてもよい。すなわち、粉末Aが比較的低い温度に加熱されるよう、造形面Sの全面に電子ビームBが照射された(第1予備加熱工程)後に、造形物Cの領域およびその近傍の領域に対して、粉末Aが比較的高い温度に加熱されるよう、電子ビームBが照射される(第2予備加熱工程)。この比較的高い温度は、たとえば前述した、粉末Aが仮焼結する程度の温度であってもよい。さらに、造形面Sに対し、造形物Cのスライスデータに基づく本溶融が行われる(本溶融工程)。これによって、その層における造形が行われる。
Subsequently, the electron beam B is irradiated to the powder A of the modeling surface S by the electron
続いて、昇降テーブル35およびプレート31が順次降下され、上記の受入れ工程および各層における造形が行われていく。この一連の造形工程が実施される間、ランプヒータ47およびヒータ48によって、規制板41の内周壁面41c付近の粉末Aおよび規制板41が加熱され、内周壁面41cに沿って仮焼結体50が形成される。すなわち、受入れ工程で受け入れられた粉末Aの溶融を行いつつ、規制板41の開口41eの内周壁面41cに沿って粉末Aが仮焼結された仮焼結体50を形成するように、粉末Aを加熱する(加熱工程)。この加熱工程において、制御部4による規制板41の温度制御が行われてもよい。
Subsequently, the lifting table 35 and the
加熱工程において順次形成された筒状の仮焼結体50は、緩衝部42に摺接しながら降下する。仮焼結体50の表面50aは、規制板41の内周壁面41cに固着せず、相対移動可能である。仮焼結体50は、昇降テーブル35、プレート31、造形物C、およびその周囲の粉末Aと一緒にZ方向に降下する(図2参照)。そして、図3に示されるように、所望の形状の造形物Cが造形されて、一連の造形工程が終了する。造形タンク36内には、開口41eに対応する筒状の形状をなす仮焼結体50が形成されているので、仮焼結体50の外部の空隙Gには、粉末Aが漏出していない。
The cylindrical temporary
そして、造形物Cの冷却(放冷)後、たとえば、造形物Cと、仮焼結体50とのその間の粉末Aとがプレート31から取り外される。仮焼結体50は、プレート31から容易に剥離する。そして、粉末Aは回収される。続いて、たとえば粉末Aを用いたブラスト処理等により、造形物Cから余分な粉末Aが剥離させられる。このブラスト処理の際、仮焼結体50は細分化され、粉末Aと同様の状態に戻ることができる。粉末Aと、仮焼結体50が細分化されることで得られた再生された粉末Aは、次工程以降において再利用される。このように、薄い筒状の仮焼結体50は、造形タンク36内における粉末Aの保持容器にもなっており、しかも規制板41や緩衝部42に対して相対移動可能である。さらには、再利用も可能である。
Then, after cooling (free cooling) of the shaped article C, for example, the shaped article C and the powder A between the temporary
以上説明した本実施形態の粉末節約装置100および粉末節約方法によれば、造形タンク36内に設けられてZ方向に移動する昇降テーブル35上で、造形が行われる。昇降テーブル35の上方に設置された規制板41の開口41eを通じてのみ、粉末Aが受け入れられる。限られた量の粉末Aが造形タンク36に供給されるので、造形タンク36の大きさに比して小型の造形物Cを造形する場合に、粉末Aが節約される。ランプヒータ47およびヒータ48によって、規制板41の開口41eの内周壁面41cに沿って仮焼結体50が形成される。この仮焼結体50は、開口41eに対応する断面を有してZ方向に延びる筒体である。筒状に形成された仮焼結体50は、内部に造形物Cを収容すると共に、外部(仮焼結体50と造形タンク36の側壁部36bとの間の空隙G)への粉末Aの漏出を防止する。もし造形タンク36内の粉末Aが空隙Gに漏出してしまうと、その漏出した粉末Aに相当する量の粉末Aが、開口41eを通じて造形タンク36側に流入してしまう。これによって、粉末量をより一層節約している。また仮焼結体50は、溶融に至っていない状態の粉末Aからなるので、開口41eの内周壁面41cに固着しにくい。しかも、仮焼結体50は、後工程において粉砕されることにより、粉末Aとしての再利用が可能であり、無駄にはならない。よって、造形物Cの容量に相応した量の原料だけで、支障なく(固着等を生じることなく)造形物Cを造形できる。粉末節約装置100によれば、既存の三次元積層造形装置1の構成を大きく変更する必要はなく、規制板41と温度センサ46およびランプヒータ47とを備えた簡易な構成により、粉末Aを節約することができる。造形工程も、加熱工程を行うのみで仮焼結体50が形成されるので、単純である。
According to the
緩衝部42によって、規制板41の開口41eの内周壁面41cに対する仮焼結体50の固着が確実に防止される。その結果として、昇降テーブル35がZ方向に移動する際、造形物Cおよび仮焼結体50は、規制板41に対してスムーズに移動できる。
The
ヒータ48が規制板41を介して粉末Aを加熱するように構成されているので、規制板41の開口41eの内周壁面41cに沿って、仮焼結体50を容易に形成することができる。
Since the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。たとえば、図5(b)に示されるように、粉末供給装置40側に設けられる粉末節約機構として、スペーサ44に代えて、ホッパ34の下端に、排出端部34aを狭めるアタッチメント45が取り付けられてもよい。このアタッチメント45によっても、図4に示されるのと同様の粉末節約効果が得られる。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment. For example, as shown in FIG. 5 (b), an
また、仮焼結体50を形成するための粉末Aの加熱は、電子ビーム出射部2によって行われてもよい。図6(a)に示されるように、まず、粉末Aが比較的低い温度に加熱されるように造形面Sの全面に電子ビームBが照射される(第1予備加熱工程)。続いて、内周壁面41cの付近と、造形物Cの領域およびその近傍の領域とに対して、粉末Aが比較的高い温度に加熱されるよう、電子ビームBが照射される(第2予備加熱工程)。これらの工程によれば、造形面Sには、第1予備加熱工程のみによる第1予熱領域R1と、第2予備加熱工程が施された第2予熱領域R2とが形成される。外側の枠状の第2予熱領域R2は、上記実施形態の仮焼結体50に相当する。第1予熱領域R1には、図2に示される粉末Aが含まれる。
Further, the heating of the powder A for forming the temporary
また、図6(b)に示されるように、第1予熱領域R1を残さなくてもよい。すなわち、第2予備加熱工程においても、造形面Sの全面に電子ビームBが照射されてもよい。その場合、図2に示される粉末Aは存在せず、造形物C以外の全域に第2予熱領域R2すなわち仮焼結体50が形成される。このように形成された仮焼結体50も、粉末Aとして再利用可能である。電子ビーム出射部2によって仮焼結体50が形成される場合、電子ビーム出射部2は、三次元積層造形装置1の構成要素と、粉末節約装置100の構成要素とを兼ねることとなる。
Further, as shown in FIG. 6B, the first preheating region R1 may not be left. That is, also in the second preheating step, the entire surface of the modeling surface S may be irradiated with the electron beam B. In that case, the powder A shown in FIG. 2 does not exist, and the second preheating region R2, that is, the temporary
上記した図6(a)や図6(b)に示される予備加熱工程が、粉末節約装置100の温度センサ46やランプヒータ47によって実施されてもよい。
The preheating steps shown in FIG. 6A and FIG. 6B described above may be performed by the
規制板41が取り付けられる構造は、上記実施形態と異なってもよい。たとえば、造形タンク36の上端面36aが、作業台39の上面39aと面一であり、造形タンク36の内面側に規制板41が取り付けられてもよい。その場合、規制板41は、造形タンク36の側壁部36bの内面に対して突っ張るようにして固定されてもよい。
The structure to which the restricting
コーティング部や耐熱布などの緩衝部は、省略されてもよい。加熱部は、ランプヒータ47やヒータ48に限られない。上記したように電子ビーム出射部2(エネルギビーム出射部)による仮焼結を行ってもよい。この場合は、造形を行うための電子ビーム出射部2(エネルギビーム出射部)が、粉末を節約するための加熱部も兼ねる。
A buffer part such as a coating part or a heat resistant cloth may be omitted. The heating unit is not limited to the
造形タンク36に対して造形テーブルを相対的に移動させる構成は、昇降装置10によって昇降テーブル35が降下する形態に限られず、固定された造形テーブルに対して、他の昇降機構によって造形タンク36が上昇する形態が採用されてもよい。その場合、塗布機構33、作業台39、粉末供給装置40、造形タンク36、規制板41、ランプヒータ47、ヒータ48および電子ビーム出射部2が、造形に伴って上昇する構造が採用され得る。
The configuration for moving the modeling table relative to the
三次元積層造形装置は、電子ビーム溶融法が適用された造形装置に限られず、たとえばレーザ溶融法が適用された造形装置であってもよい。すなわち、三次元積層造形装置において粉末Aに照射されるビームは、レーザビームであってもよい。三次元積層造形装置において粉末Aに照射されるビームは、電子ビームおよびイオンビームを含む概念である荷電粒子ビームであってもよい。三次元積層造形装置において粉末Aに照射されるビームは、粉末Aに対してエネルギーを供給し得るエネルギビームであってもよい。 The three-dimensional additive manufacturing apparatus is not limited to the forming apparatus to which the electron beam melting method is applied, and may be, for example, a forming apparatus to which the laser melting method is applied. That is, the beam irradiated to the powder A in the three-dimensional additive manufacturing apparatus may be a laser beam. The beam irradiated to the powder A in the three-dimensional additive manufacturing apparatus may be a charged particle beam which is a concept including an electron beam and an ion beam. The beam irradiated to the powder A in the three-dimensional additive manufacturing apparatus may be an energy beam capable of supplying energy to the powder A.
粉末A(造形材料)は、金属には限定されず、たとえば樹脂などであってもよい。 The powder A (forming material) is not limited to metal, and may be, for example, a resin.
1 三次元積層造形装置
2 電子ビーム出射部
3 造形部
4 制御部
10 昇降装置
31 プレート
34 ホッパ
35 昇降テーブル(造形テーブル)
36 造形タンク
39 作業台
40 粉末供給装置
41 規制板
41c 内周壁面(周壁面)
41e 開口
42 緩衝部
46 温度センサ
47 ランプヒータ(加熱部)
48 ヒータ(加熱部)
50 仮焼結体
100 粉末節約装置
A 粉末
B 電子ビーム(エネルギビーム)
C 造形物
G 空隙
R1 第1予熱領域
R2 第2予熱領域
S 造形面
Reference Signs List 1 three-dimensional
36
48 heater (heating unit)
50 temporary
C 3D object G air gap R1 first preheating area R2 second preheating area S forming surface
Claims (4)
前記造形テーブルの上方に設置され開口が形成された規制板であって、前記開口を通じてのみ前記粉末を受け入れ、前記造形タンクに供給される前記粉末の量を規制する前記規制板と、
前記規制板の前記開口の周壁面に沿って前記粉末が仮焼結された仮焼結体を形成するように、前記粉末を加熱する加熱部と、を備える、粉末節約装置。 Tertiary provided with a shaping tank in which a shaped object obtained by melting powder is shaped, and a shaping table provided in the shaping tank and moved relative to the shaping tank in the axial direction of the shaping tank A powder saving device applied to a three-dimensional additive manufacturing apparatus,
A regulating plate installed above the modeling table and having an opening formed therein, the regulating plate receiving the powder only through the opening and regulating the amount of the powder supplied to the modeling tank;
A heating unit configured to heat the powder so as to form a temporary sintered body in which the powder is temporarily sintered along the peripheral wall surface of the opening of the restriction plate.
前記造形テーブルの上方に設置された規制板の開口を通じてのみ前記粉末を受け入れる受入れ工程と、
前記受入れ工程で受け入れられた前記粉末の溶融を行いつつ、前記規制板の前記開口の周壁面に沿って前記粉末が仮焼結された仮焼結体を形成するように、前記粉末を加熱する加熱工程と、を含む、粉末節約方法。 Tertiary provided with a shaping tank in which a shaped object obtained by melting powder is shaped, and a shaping table provided in the shaping tank and moved relative to the shaping tank in the axial direction of the shaping tank A powder saving method applied to a three-dimensional additive manufacturing apparatus, comprising:
A receiving step of receiving the powder only through an opening of a regulation plate disposed above the shaping table;
The powder is heated so as to form a temporary sintered body in which the powder is temporarily sintered along the peripheral wall surface of the opening of the restriction plate while melting the powder received in the receiving step. A heating step, and a powder saving method.
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