JP2020049780A - 積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】テーブルと粉体保持壁の間から積層造形装置内部に侵入した材料粉体からテーブル駆動機構を保護するとともに、侵入した材料粉体を回収することができる、積層造形装置の提供。【解決手段】テーブル４１と、テーブル４１を囲繞しテーブル４１とともに材料粉体を保持する粉体保持壁４５と、直線運動を出力する直動装置５１と、直線運動をテーブル４１に伝達しテーブル４１を垂直１軸方向に移動させる案内装置５３と、を含むテーブル駆動機構５と、テーブル４１の下方に設けられテーブル４１と粉体保持壁４５の間から落下した材料粉体を貯留するバケット６と、テーブル４１とバケット６間のテーブル駆動機構５を囲繞するカバー７と、を備え、カバー７内の直動装置５１および案内装置５３は、垂直１軸方向に沿って配置される、積層造形装置が提供される。【選択図】図３

Description

この発明は、積層造形装置に関する。

所望の三次元造形物を造形する積層造形法として、粉末積層造形方式と呼ばれる方式が知られている。本方式によれば、造形テーブル上に材料粉体を均一に撒布して材料粉体層を形成し、材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して焼結させることによって焼結層を形成し、この焼結層の上に材料粉体を均一に撒布して新たな材料粉体層を形成し、その新たな材料粉体層にレーザ光を照射して焼結させることによって下の焼結層と接合した新たな焼結層を形成し、そしてこれらを繰り返すことによって、複数の焼結層を積層して一体となる焼結体からなる所望の三次元造形物を形成する。但し、レーザ光に代えて電子ビームを照射してもよいし、焼結層に代えて溶融層を形成してもよい。

造形テーブルは、所望の三次元造形物が形成可能な領域である造形領域に、上下移動可能に構成される。材料粉体層の形成にあたり、造形テーブルは材料粉体層１層分の厚みだけ下降され、造形領域に供給された材料粉体がブレード等によって均されて所望の厚みの材料粉体層が形成される。

材料粉体の供給にあたり、例えば、造形領域上を水平方向に移動可能なリコータヘッドが設けられ、リコータヘッドに貯留された材料粉体が造形領域に吐出される（特許文献１）。また、他の方法では、上下移動可能な材料テーブルを有し材料粉体を貯留する材料供給槽が設けられ、材料テーブルを上昇させることで所望量の材料粉体を計量して、当該材料粉体をブレード等で造形領域まで移送する（特許文献２）。以下、造形テーブルおよび材料テーブルを含んで単にテーブルという。

テーブルの下には、テーブルを上下に移動させるテーブル駆動機構が設けられる。従来のテーブル駆動機構は、例えば、テーブル下に設けられるスライドベースと、ねじ軸とねじ軸に螺合するナットとねじ軸を回転させるモータを含む送りねじを支持するガイドベースとを備え、ナットはスライドベースの側面に固定される（特許文献３）。このように構成することで、高精度なテーブルの位置合わせを実現している。

特許第５８４１６５０号公報 特許第４９９６６７２号公報 特許第６０６３０８１号公報

テーブルが上下移動する都合上、テーブルと、テーブルを囲繞する粉体保持壁の間には、僅かな隙間が存在する。そのため、当該隙間から材料粉体が漏出して積層造形装置内部に侵入する可能性がある。特に、材料粉体がテーブル駆動機構に悪影響を及ぼし、故障や精度低下を引き起こす可能性がある。

従来のテーブル駆動機構においては、スライドベース等の案内装置と送りねじ等の直動装置が側面で接していた。また、ガイドベースを積層造形装置本体に固定する必要があった。そのため、テーブル駆動機構が比較的大型となり、テーブル駆動機構の直動装置と案内装置の両方をカバーで防塵しようとすると、機械の大型化を招く、カバー形状が複雑になるなどして、実現が設計上困難であった。また、たとえテーブル駆動機構を防塵できたとしても、積層造形装置内部に材料粉体が散乱する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、テーブルと粉体保持壁の間から積層造形装置内部に侵入した材料粉体からテーブル駆動機構を保護するとともに、侵入した材料粉体を回収することのできる積層造形装置を提供することを主たる目的とするものである。

本発明によれば、テーブルと、テーブルを囲繞しテーブルとともに材料粉体を保持する粉体保持壁と、直線運動を出力する直動装置と直線運動をテーブルに伝達しテーブルを垂直１軸方向に移動させる案内装置とを含むテーブル駆動機構と、テーブルの下方に設けられテーブルと粉体保持壁の間から落下した材料粉体を貯留するバケットと、テーブルとバケット間のテーブル駆動機構を囲繞するカバーと、を備え、カバー内の直動装置および案内装置は、垂直１軸方向に沿って配置される、積層造形装置が提供される。

本発明に係る積層造形装置においては、侵入した材料粉体はバケットによって回収される。また、テーブル駆動機構は、カバーによって防塵される。ここで、カバー内の直動装置および案内装置は、テーブルの移動方向である垂直１軸に沿って配置されているので、カバーをよりコンパクトで簡易な形状に設計することができる。

本実施形態の積層造形装置の概略構成図である。 温度調整装置の概略構成図である。 テーブル駆動機構の拡大図であり、テーブルが上限位置にある状態を示す。 テーブル駆動機構の拡大図であり、テーブルが下限位置にある状態を示す。 ガイド装置の拡大図である。 バケットの拡大図である。 レーザ照射装置の概略構成図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。

図１に示すように、本発明の積層造形装置１は、チャンバ１１と、材料粉体層形成装置２と、レーザ照射装置３と、を備える。

所要の造形領域Ｒを覆うチャンバ１１には不図示の不活性ガス供給装置により清浄な不活性ガスが供給され、材料粉体層９３の焼結時に発生するヒュームを含んだ不活性ガスがチャンバ１１から排出される。このようにして、チャンバ１１内には所定濃度の不活性ガスが充満され、材料粉体層９３および焼結層９５の変質を防止している。好ましくは、チャンバ１１から排出された不活性ガスは、不図示のヒュームコレクタによってヒュームが除去され、チャンバ１１内に返送される。なお、不活性ガスとは使用する材料粉体と実質的に反応しないガスをいい、例えば窒素またはアルゴンである。

図１に示すように、チャンバ１１内の造形室１３には、造形領域Ｒに対して所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料粉体層９３を形成する材料粉体層形成装置２が設けられる。材料粉体層形成装置２は、積層造形装置１の基台であるベッド１５上に配置され造形領域Ｒを有するベース台２１と、ベース台２１上に配置され矢印Ｂで示す水平１軸方向であるＢ軸方向に往復移動するリコータヘッド２３とを含む。リコータヘッド２３の両側面にはそれぞれブレードが設けられる。リコータヘッド２３は、材料供給装置２５から材料粉体が供給され、内部に収容した材料粉体を底面から排出しながら往復移動し、ブレードは排出された材料粉体を平坦化して材料粉体層９３を形成する。

造形領域Ｒには、テーブル駆動機構５により、矢印Ｕで示す垂直１軸方向であるＵ軸方向に移動可能なテーブル４１が設けられる。本実施形態におけるテーブル４１は、いわゆる造形テーブルであり、テーブル４１上に所望の三次元造形物を所定厚で分割してなる複数の分割層毎に材料粉体が均一に撒布され材料粉体層９３が形成される。すなわち、テーブル４１の高さを材料粉体層９３の所定厚分下げ、リコータヘッド２３をＢ軸方向に移動させることによって、所望の厚みの材料粉体層９３が形成される。積層造形装置１の使用時には、通常はテーブル４１上に造形プレート９１が配置され、その上に１層目の材料粉体層９３が形成される。なお、造形領域Ｒは積層造形物が形成可能な領域であり、造形領域Ｒに材料粉体層９３が形成される。

好ましくは、テーブル４１内部には、テーブル４１を所望の温度に調整可能に構成された温度調整装置４３が設けられる。具体的な構成例として、図２に示すように、テーブル４１は、天板４１ａおよび３つの支持板４１ｂ，４１ｃ，４１ｄを備え、天板４１ａと支持板４１ｂとの間に加熱器４３ａが、支持板４１ｃと支持板４１ｄとの間に冷却器４３ｂが設けられる。加熱器４３ａは、例えば、電熱器または熱媒体が流通される管路である。冷却器４３ｂは、例えば、熱媒体が流通される管路である。テーブル駆動機構５の熱変位を防止するため、温度調整装置４３とテーブル駆動機構５との間に一定の温度に保たれた恒温部が設けられてもよい。以上のように構成することで、材料粉体層９３や焼結層９５を所望の温度にコントロールすることが可能である。

テーブル４１の周りには、粉体保持壁４５が設けられる。粉体保持壁４５とテーブル４１とによって囲まれる粉体保持空間Ｓには、材料粉体が保持される。図３および図４に示すように、テーブル４１と粉体保持壁４５は直接接触しておらず、テーブル４１の周縁に配置されたシール４７が粉体保持壁４５に接触している。テーブル４１がＵ軸方向に移動する際はシール４７が粉体保持壁４５に摺動される。このような構成によって、粉体保持空間Ｓからテーブル４１下方に漏れ出す材料粉体の量を少量に抑えることができる。

図３および図４に示すように、テーブル４１の下方には、テーブル駆動機構５、バケット６およびカバー７が設けられる。テーブル駆動機構５は、直線運動を出力する直動装置５１と、直線運動をテーブル４１に伝達しテーブル４１をＵ軸方向に移動させる案内装置５３と、を含む。バケット６は、テーブル４１と粉体保持壁４５の間から落下した材料粉体を貯留する。カバー７は、テーブル４１とバケット６間においてテーブル駆動機構５を囲繞し、漏出した材料粉体がテーブル駆動機構５に進入することを防ぐ。ここで、少なくともカバー７内における直動装置５１および案内装置５３は、Ｕ軸方向に沿って直線上に配置される。そのため、テーブル駆動装置５をテーブル４１の略中心軸上に省スペースで設けることができ、容易にテーブル４１とバケット６間におけるテーブル駆動装置５全体をカバー７で覆うことが可能となる。

直動装置５１は、例えば、Ｕ軸方向に延びるねじ軸５１１と、ねじ軸５１１に螺合するナット５１３と、ねじ軸５１１を回転させるモータ５１５と、を有する送りねじである。より好ましくは、直動装置５１はボールねじであり、ねじ軸５１１とナット５１３間に収容されたボールを介してナット５１３が移動する。

案内装置５３は、例えば、ポスト５３１と、ブッシュ５３３と、リテーナ５３５と、を有するガイド装置である。ポスト５３１にはねじ軸５１１が挿通され下端側にナット５１３が固定される。また、ポスト５３１の上端側はテーブル４１に固定される。ブッシュ５３３にはポスト５３１が挿通され、下端側は積層造形装置１の機械構造物、ここではベッド１５に固定される。図５に示すように、リテーナ５３５はポスト５３１とブッシュ５３３間に配置される転動体５３７を保持する。転動体５３７としては、高い剛性を得ることができるニードルローラが望ましい。なお、図５においてはブッシュ５３３を一部切断して案内装置５３の内部構造を表示している。

図３、図４および図６に示すように、バケット６は中央が貫通し、上部が開口した箱状形状を有する。換言すれば、バケット６は、テーブル駆動機構５を囲繞する内側面と、粉体保持壁４５に固定される外側面と、内側面と外側面とを接続する底面と、を含んで構成される。バケット６には、貯留した材料粉体が確認可能な透明窓６１が設けられる。なお、ここでいう透明とは、バケット６内部の材料粉体が確認可能な程度に透過性があるものを指し、いわゆる半透明も含まれる。また、バケット６には、貯留した材料粉体の排出のために開閉または脱着可能な扉６３が設けられる。このようなバケット６によれば、積層造形装置１の作業者は、バケット６に落下した材料粉体の貯留量を透明窓６１で確認し、必要に応じて扉６３を開放または取り外し、材料粉体を回収することができる。実施形態のバケット６では、扉６３は対向する一対の外側面に１つずつ設けられ、透明窓６１は扉６３が設けられた外側面とは異なる一対の外側面に２つずつ設けられているが、透明窓６１および扉６３の位置および個数は任意に設計可能である。なお、バケット６から材料粉体を回収するには、例えば吸引ノズルが用いられる。また、扉６３近辺に材料粉体が貯留されるよう、バケット６の底面は少なくとも一部が傾斜して設けられてもよい。このようにすれば材料粉体の回収が容易になる。

好ましくは、バケット６内には所定濃度の不活性ガスが充満されることが望ましい。実施形態においては、造形室１３内に満たされる不活性ガスがテーブル４１と粉体保持壁４５間の隙間を通ってバケット６へと供給される。但し、バケット６に不活性ガスの供給口を設け、直接不図示の不活性ガス供給装置から不活性ガスを供給してもよい。不活性ガスにより材料粉体の変質が防止されるので、バケット６から回収した材料粉体を再利用できる。

実施形態のバケット６では、材料粉体の貯留量の確認は透明窓６１を介して作業者の目視で行ったが、例えばセンサによって貯留量が所定量に達したことを検知できるよう構成してもよい。また、バケット６からの材料粉体の回収は自動化してもよい。例えば、センサで貯留量が所定量に達したことを検知したとき、吸引ノズル等で材料粉体を回収するよう構成されてもよい。回収した材料粉体は材料供給装置２５に返送されるよう構成されてもよい。

カバー７は、例えば蛇腹形状を有し、テーブル４１の移動に応じて伸縮可能に構成される。また、カバー７の上端側はテーブル４１に固定され、下端側はバケット６に固定される。

以上のようなカバー７によれば、テーブル４１を移動させたときにカバー７内の雰囲気が圧縮または膨張される。そのため、カバー７内とカバー７外の雰囲気を均圧にする均圧機構６５をさらに備えることが望ましい。均圧機構６５は、例えば、カバー７内およびカバー７外の雰囲気が流通可能な貫通孔である。均圧機構６５が貫通孔であるとき、材料粉体が貫通孔を通過するのを防ぐため、均圧機構６５にはフィルタ６７が設けられる。実施形態の均圧機構６５は、図６に示すようにバケット６に４つ設けられるが、均圧機構６５の位置および個数は任意に設計可能である。

なお、カバー７にはテーブル駆動機構５のほか、テーブル４１またはテーブル４１近辺に接続される、配管または配線が収納されてもよい。配管または配線としては、温度調整装置４３の電熱器に電力を供給する配線、温度調整装置４３の管路と接続され熱媒体を供排出する配管、またはテーブル４１の上限位置または下限位置を検出する不図示のリミットスイッチの配線が例示される。これらの配管または配線は、カバー７内に設けられた、テーブル４１の移動に応じて屈曲可能な収容部材８によって支持案内される。

チャンバ１１の上方にはレーザ照射装置３が設けられ、レーザ照射装置３から出力されたレーザ光Ｌは、チャンバ１１に設けられたウインドウ１７を透過して造形領域Ｒに形成された材料粉体層９３の所定の照射領域に照射され、焼結層９５を形成する。照射領域Ｒは、造形領域内に存在する焼結層９５が形成される領域であり、所望の三次元造形物の輪郭形状で囲繞される領域とおおよそ一致する。レーザ照射装置３は、例えば図７に示すように、レーザ光Ｌを生成するレーザ光源３１と、レーザ光源３１より出力されたレーザ光Ｌを平行光に変換するコリメータ３３と、レーザ光源３１より出力されたレーザ光Ｌを集光し所望のスポット径に調整するフォーカス制御ユニット３５と、レーザ光Ｌを造形領域Ｒにおいて二次元走査可能とする一対のガルバノミラーであるＸ軸ガルバノミラー３７およびＹ軸ガルバノミラー３９と、を備える。Ｘ軸ガルバノミラー３７およびＹ軸ガルバノミラー３９は、不図示の制御装置から入力される回転角度制御信号の大きさに応じて回転角度が制御され、それぞれＸ軸，Ｙ軸方向にレーザ光Ｌを走査させる。レーザ光Ｌは、材料粉体を焼結可能なものであればその種類は限定されず、例えば、ＣＯ_２レーザ、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザである。ウインドウ１７は、レーザ光Ｌを透過可能な材料で形成される。例えば、レーザ光Ｌがファイバレーザ又はＹＡＧレーザの場合、ウインドウ１７は石英ガラスで構成可能である。

ウインドウ１７を覆うように汚染防止装置１９が設けられる。汚染防止装置１９は、供給された不活性ガスをウインドウ１７下に充満させ、また不活性ガスを下方に向かって噴出させるように構成されている。こうして、レーザ光の経路からヒュームを排除するとともに、ヒュームによるウインドウ１７の汚染を防止する。

積層造形装置１は、切削装置をさらに備え、造形途中または造形後に焼結層９５に対し切削加工を行ってもよい。例えば、切削装置は、エンドミル等の切削工具を回転させるスピンドルヘッドと、スピンドルヘッドが設けられ所望の位置に移動可能な加工ヘッドを有する。このような切削装置によれば、所定数の焼結層９５を形成する度に、焼結層９５の端面に対して切削加工を行うことができる。または、切削装置は、バイト等の切削工具を保持する旋回機構と、旋回機構が設けられた加工ヘッドを有する。このような切削装置によれば、造形後の積層造形物のテーブルに平行な面とテーブルに垂直で互いに垂直な２つの面に対して形削りを行い、２次加工を行う上での基準面を形成することができる。

以上の通り、本発明の実施形態を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態で示した各技術的特徴は、技術的に矛盾が生じない範囲で互いに組み合わせ可能である。これら実施形態および変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、実施形態の積層造形装置１ではレーザ光Ｌによって焼結層９５を形成したが、レーザ光Ｌに代えて電子ビームを照射してもよいし、焼結層９５に代えて溶融層を形成してもよい。

また、前述のとおり、本願発明における「テーブル」は、造形テーブルだけではなく材料テーブルも含まれる。すなわち、材料粉体層の形成にあたり、リコータヘッドに代えて、上下移動可能な材料テーブルを有し材料粉体を貯留する材料供給槽を設け、材料テーブルを上昇させることで所望量の材料粉体を計量して、当該材料粉体をブレード等で造形領域まで移送するよう構成される積層造形装置においては、造形テーブルと材料テーブルの少なくとも一方に本願発明が適用可能である。

１ 積層造形装置
５ テーブル駆動機構
６ バケット
７ カバー
８ 収容部材
４１ テーブル
４５ 粉体保持壁
４７ シール
５１ 直動装置
５３ 案内装置
６１ 透明窓
６３ 扉
６５ 均圧機構
６７ フィルタ
９３ 材料粉体層
５１１ ねじ軸
５１３ ナット
５１５ モータ
５３１ ポスト
５３３ ブッシュ
５３５ リテーナ
５３７ 転動体

本発明によれば、テーブルと、テーブルを囲繞しテーブルとともに材料粉体を保持する粉体保持壁と、直線運動を出力する直動装置と直線運動をテーブルに伝達しテーブルを垂直１軸方向に移動させる案内装置とを含むテーブル駆動機構と、テーブルの下方に設けられテーブルと粉体保持壁の間から落下した材料粉体を貯留するバケットと、テーブルとバケット間のテーブル駆動機構を囲繞するカバーと、を備え、直動装置は、垂直１軸方向に延びるねじ軸と、ねじ軸に螺合するナットと、ねじ軸を回転させるモータと、を有する送りねじであり、案内装置は、ねじ軸が挿通されナットが固定されテーブルに固定されたポストと、ポストが挿通されるブッシュと、ポストとブッシュ間に配置される転動体を保持するリテーナと、を有するガイド装置であり、ねじ軸およびナットと、ポストおよびブッシュとは、垂直１軸方向に沿って配置される、積層造形装置が提供される。

Claims (14)

1. テーブルと、
   前記テーブルを囲繞し前記テーブルとともに材料粉体を保持する粉体保持壁と、
   直線運動を出力する直動装置と、前記直線運動を前記テーブルに伝達し前記テーブルを垂直１軸方向に移動させる案内装置と、を含むテーブル駆動機構と、
   前記テーブルの下方に設けられ前記テーブルと前記粉体保持壁の間から落下した前記材料粉体を貯留するバケットと、
   前記テーブルと前記バケット間の前記テーブル駆動機構を囲繞するカバーと、を備え、
   前記カバー内の前記直動装置および前記案内装置は、前記垂直１軸方向に沿って配置される、積層造形装置。
2. 前記テーブル上に所望の三次元造形物を所定厚で分割してなる複数の分割層毎に前記材料粉体が均一に撒布され材料粉体層が形成される、請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記テーブルの周縁に設けられ前記テーブルの移動時に前記粉体保持壁に摺動するシールをさらに備える、請求項１または請求項２に記載の積層造形装置。
4. 前記直動装置は、前記垂直１軸方向に延びるねじ軸と、前記ねじ軸に螺合するナットと、前記ねじ軸を回転させるモータと、を有する送りねじであり、
   前記案内装置は、前記ねじ軸が挿通され前記ナットが固定され前記テーブルに固定されたポストと、前記ポストが挿通されるブッシュと、前記ポストと前記ブッシュ間に配置される転動体を保持するリテーナと、を有するガイド装置である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の積層造形装置。
5. 前記バケットは、
   前記テーブル駆動機構を囲繞する内側面と、
   前記粉体保持壁に固定される外側面と、
   前記内側面と前記外側面とを接続する底面と、を含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の積層造形装置。
6. 前記バケットは、貯留した前記材料粉体が確認可能な透明窓を含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の積層造形装置。
7. 前記バケットは、貯留した前記材料粉体の排出のために開閉または脱着可能な扉を含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の積層造形装置。
8. 前記カバー内と前記カバー外の雰囲気を均圧にする均圧機構をさらに備える、請求項１から請求項７に記載の積層造形装置。
9. 前記均圧機構は前記カバー内および前記カバー外の雰囲気が流通可能な貫通孔であり、前記均圧機構に設けられ前記材料粉体の通過を防止するフィルタをさらに備える、請求項８に記載の積層造形装置。
10. 前記均圧機構は、前記バケットに設けられる、請求項８または請求項９に記載の積層造形装置。
11. 前記カバーは、上端が前記テーブルに固定され、下端が前記バケットに固定される、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の積層造形装置。
12. 前記カバーは、前記テーブルの移動に応じて伸縮可能である、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の積層造形装置。
13. 前記カバーは、蛇腹形状を有する、請求項１２に記載の積層造形装置。
14. 前記カバー内に、前期テーブルの移動に応じて屈曲可能であり配線または配管を支持案内する収容部材が設けられる、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の積層造形装置。

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