JP2020189485A - 物品の製造方法、三次元造形装置、プログラム、記録媒体 - Google Patents
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Abstract
Description
粉末積層溶融法は、ナイロン樹脂、セラミクス、金属等の粉末を層状に敷く工程と、レーザ光を照射して粉末層の一部を選択的に溶融あるいは焼結させる工程を、繰り返し行なうことにより三次元造形物を形成する方法である。近年では、高い機械強度や良好な熱伝導性が要求される物品を製造する方法として、金属粉末を原料に用いた粉末積層溶融法が積極的に活用されはじめている。また、レーザ光により加熱する代わりに、粉末層の一部に選択的に硬化剤を吹付けて化学反応を誘起して硬化させ、三次元造形物を形成する方法もある。尚、粉末を層状に敷きながら三次元造形する装置や方法を、それぞれパウダーベッド造形装置、パウダーベッド造形方法と呼称する場合がある。
一般的にパウダーベッド造形装置では、造形台の上に一層分の粉末を敷く際に、粉末層の表面の平坦性を高めるために、造形台の上面よりも上方に配置された平坦化部材を造形台の上面に沿って走査して粉末層の上面を平坦化することが行われる。平坦化部材としては、例えばローラや、スキージあるいはブレード等と呼ばれる薄板状部材が用いられ、粉末層の表面は、平坦化部材の下面の走査軌跡に沿ってならされる。通常は、平坦化部材の走査機構の動作は、平坦化部材の下面の走査軌跡が水平面となるように初期設定される。
[三次元造形装置の構成]
本実施形態では、三次元造形装置として、金属粉末の層を敷設してレーザ光のエネルギーにより焼結させる方式のパウダーベッド造形装置を例示して説明するが、本発明の適用はこの方式に限定されるものではない。
エレベータ架台102の上表面103は水平に保たれ、不図示の駆動機構により鉛直方向に沿って上下動が可能である。尚、ここでいう水平や鉛直方向とは、微小な誤差さえ許されない程の厳密な意味ではない。
粉末供給部である材料エレベータ122および材料エレベータ123には、それぞれ三次元造形の原料となる粉末材料120、121が貯蔵されている。ローラ119が往復移動可能な範囲は、粉末材料120における造形プレート104から遠い側の端部124から、粉末材料121における造形プレート104から遠い側の端部125までの領域をカバーする。
制御部15は、エレベータ架台102、材料エレベータ122〜123、ローラ119、レーザ発光装置126、測長器115〜118、調整器111〜114、等と信号線により接続され、各部の動作を制御して造形に係る処理を実行可能である。
次に、実施形態1としてのパウダーベッド造形装置1の動作を説明する。以下では、造形プレートの姿勢調整動作と三次元造形動作について、詳細に説明する。
[造形プレートの姿勢調整動作]
造形プレート104が弾性支持部材107〜110に接続されて装着されると、パウダーベッド造形装置1は、粉末材料の層を敷設する前に、造形プレート104の上表面106がローラ119の下端の移動軌跡に対して傾斜していないかを計測する。すなわち、制御部は、平坦化部材を走査した時の軌跡面と造形面の傾きを検知(計測)する計測処理を実行する。計測の結果、ローラ119の下端の移動軌跡に対する傾斜が判明した場合には、両者が平行になるように造形プレート104の姿勢を調整する。すなわち、制御部は、計測処理による計測結果に基づき、平坦化部材を走査した時の軌跡面と造形面の平行度が高くなるように造形台の姿勢を調整する調整処理を実行する。
図3は、造形プレートの姿勢調整動作の動作手順を示すフローチャートである。
積層造形時には、1層分の粉末材料が載荷されることにより、その質量により弾性支持部材107〜110が下方に変位するのであるが、造形物の品質を維持するためには、下方変位を一定以下に抑制する必要がある。下方変位は、これをΔb[mm]として、次のように求められる。
先に説明した図3のステップS3において、ローラ119と、造形プレート104の上表面106が接する際、弾性支持部材107〜110の弾性定数が過大であると、ローラ119の曲げたわみが大きくなり、上表面106の傾斜角修正の精度が低下する。そのため、ローラ119の曲げたわみが許容量以下となる範囲に、kの上限値を定める必要がある。
次に、造形プレート104の上に三次元造形物を形成する三次元造形動作について説明する。前述した造形プレートの姿勢調整動作が完了した後に、原料となる粉末を層状に敷設する工程と、敷設された粉末層に選択的にレーザ光を照射して焼結させて1層分の三次元造形物を形成する工程を繰り返すことにより、三次元造形物の形成が行われる。すなわち、制御部は、調整処理の後に、粉末供給部から粉末を供給し、平坦化部材に造形台の上を走査させて粉末層を敷設する粉末層形成処理と、硬化部に粉末層を選択的に硬化させる硬化処理とを実行する。以下では、前者を「粉敷き工程」、後者を「焼結工程」と称して説明する。
図5(a)は、前述した造形プレートの姿勢調整動作が終了し、粉敷き工程を開始する時点におけるパウダーベッド造形装置1の各要素の初期位置を示している。以下に示す手順により、造形プレート104の上表面106上に、粉末材料120を、所定量配置する動作が行われる。
尚、ローラ119は、粉末材料120のうち1層分を供給するのに十分な所要量502を図中の右側に移動させたが、粉末層702として上表面106上に堆積されなかった余剰な粉末は、材料エレベータ123上に移動して粉末材料121と混合する。以上が1層目の粉敷き工程である。
図7(b)に示すように、レーザ発光装置126から、粉末層702の表面701のうち、三次元造形物を形成したい領域に対してレーザ光801を選択的に照射する。粉末層702のうちレーザ光801が照射された部位は高温に加熱されて焼結し、レーザ光801が照射されなかった部位は粉末状態のままとなる。以上により、三次元造形物の1層目が形成される。
三次元造形物を量産する際には、生産する度に造形プレートを交換し、ローラを走査することになるが、本実施形態によれば、ローラの下端の走査軌跡が描く面と造形プレートの上面の平行度を自動的に調整できる。このため、造形プレートの個体差や、造形プレートの装着姿勢に差異があったとしても、高品質の三次元造形物を安定して量産することができる。また、三次元造形物を量産する間に、温度等の環境条件や装置コンディションの変化により、走査機構の動作が本来の初期設定からずれたとしても、安定して量産することができる。粉末層を形成するための走査中にローラが造形プレートの上面に接触し、装置が停止したり損傷したりすることもない。
[三次元造形装置の構成]
実施形態2としての三次元造形装置として、金属粉末の層を敷設してレーザ光のエネルギーにより焼結させる方式のパウダーベッド造形装置を例示して説明するが、本発明の適用はこの方式に限定されるものではない。
実施形態1では、造形プレート104を支持する測長器115〜118を用いて、ローラ119の下端の移動軌跡に対する造形面の傾きを検知(計測)した。これに対して、実施形態2ではローラを支持する機構に角度検知器を設け、角度検知器を用いてローラの下端の移動軌跡に対する造形面の傾きを検知(計測)する。
エレベータ架台1004の上表面1005は水平に保たれ、不図示の駆動機構により鉛直方向に沿って上下動が可能である。尚、ここでいう水平や鉛直方向とは、微小な誤差さえ許されない程の厳密な意味ではない。
尚、以下の説明において方向を示す際、XYZ直交座標系1002を用いる場合がある。説明の便宜上、Z方向を鉛直方向とし、X方向およびY方向により水平面が規定されるものとする。パウダーベッド造形装置1001は、横方向がX方向に沿い、前後方向がY方向に沿うように配置されているものとする。
材料エレベータ1015、材料エレベータ1016の構成および動作は、実施形態1における材料エレベータ122、材料エレベータ123の構成および動作と同様である。材料エレベータ1015、材料エレベータ1016には、それぞれ三次元造形の原料となる粉末材料1013、1014が貯蔵されている。また、1024は、硬化部として、造形プレート1010の上に形成された粉末材料を選択的に加熱して高温焼結させるレーザ発光装置である。レーザ発光装置1024の構成および動作は、実施形態1におけるレーザ発光装置126の構成および動作と同様である。
搖動軸1021はX方向に沿って伸びる回転軸で、ローラ1020をX軸周りに回転可能(揺動可能)に支持している。後述するように、ローラ1020の下端の移動軌跡に対する造形面(造形プレート1010の上表面1012)の傾きを検知(計測)する際には、ローラ1020は搖動軸1021によりX軸周りに回転可能に支持される。一方、粉末材料の層を敷設する際には、例えば不図示のストッパにより、ローラ1020はX軸周りに回転できないように搖動軸1021に固定され、ローラ1020の回転軸はY方向と略平行に保たれる。
造形プレート1010がパウダーベッド造形装置1001に装着されると、パウダーベッド造形装置1001は、粉末材料の層を敷設する前に、造形プレート1010の上表面1012がローラ1020の下端の移動軌跡に対して傾斜していないかを計測する。すなわち、制御部は、平坦化部材を走査した時の軌跡面と造形面の傾きを検知(計測)する計測処理を実行する。
計測の結果、ローラ1020の下端の移動軌跡に対する傾斜が判明した場合には、パウダーベッド造形装置1001は、両者が平行になるように造形プレート1010の姿勢を調整する。すなわち、制御部は、計測処理による計測結果に基づき、平坦化部材を走査した時の軌跡面と造形面の平行度が高くなるように調整器1006〜1009を動作させて造形台の姿勢を調整する調整処理を実行する。
次に、S1003では、ローラユニット1019を、少なくとも上表面1012の一端部である1025から他端部1026までの範囲にわたり、X方向に沿って走査(移動)させる。その際には、ローラ1020は、X軸周りに回転可能(揺動可能)に搖動軸1021により支持されている。
図12は、造形プレート1010の上表面1012と、ローラ1020の最下線1027が、接触していない状態を表す図である。本図の状態では、ローラ1020の中心軸はY軸と平行に維持されており、X軸周りの搖動は生じないため、角度測定器1022で計測される揺動角はゼロ度である。
これに対し、図13に示す例は、造形プレート1010の上表面1012が水平ではなく、ローラ1020の最下線1027が上表面1012に接触した状態を表している。図13に示す状態においては、接触により、ローラ1020は搖動軸1021を中心にX軸周りに回転する。図13の例では、角度測定器1022により計測される揺動角1028が、α1度であるとする。
そこで、荷重の測定値が設定値を超えていないと判断した場合(ステップS1005:NO)には、ステップS1002に戻り、造形プレート1010をZ方向上方に移動させてからステップS1003、ステップS1004を繰り返す。
三次元造形物を量産する際には、生産する度に造形プレートを交換し、ローラを走査することになるが、本実施形態によれば、ローラの下端の走査軌跡が描く面と造形プレートの上面の平行度を自動的に調整できる。このため、造形プレートの個体差や、造形プレートの装着姿勢に差異があったとしても、高品質の三次元造形物を安定して量産することができる。また、三次元造形物を量産する間に、温度等の環境条件や装置コンディションの変化により、走査機構の動作が本来の初期設定からずれたとしても、安定して量産することができる。粉末層を形成するための走査中にローラが造形プレートの上面に接触し、装置が停止したり損傷したりすることもない。
本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
例えば、敷設した原料粉末層を加熱する光源として、上記実施形態ではレーザ光源を用いたが、照射エネルギー密度の制御や、照射光の走査ができるものであれば、用いる光は必ずしもレーザ光でなくてもよい。たとえば、高輝度ランプ、シャッタ、可変焦点レンズ、走査ミラー等の光学要素を組み合わせた照射光学系を光源として用いることも可能である。さらには、原料粉末層に選択的に照射可能でありさえすれば、光ビームでなくとも電子ビーム等でもよく、適宜のエネルギービームを用いることができる。
また、原料粉末は、金属粉に限らず、ABSやPEEK等の樹脂粉末を用いても良い。
また、平坦化部材はローラには限られず、造形台の上を走査可能な部材であれば、スキージやブレード等の部材でもよい。
また、図1では、造形プレートは、エレベータ架台の上表面に調整機と弾性支持部材を介して着脱可能に支持されていたが、造形プレートの装着方法はこれに限らない。例えば、エレベータ架台の上表面に調整機と弾性支持部材を介して基台を設置し、基台の上に造形プレートを装着可能な構成としてもよい。この場合には、ローラの下端の走査軌跡が描く面と造形プレートの上面の平行度を調整する際には、調整機を動作させることにより基台の姿勢が変わり、装着された造形プレートの姿勢も基台と連動して調整されることになる。
Claims (16)
- 造形面を有する造形台を支持する支持部と、
粉末を供給する粉末供給部と、
前記支持部に装着された前記造形台の上を走査可能な平坦化部材と、
前記造形台の上に敷設された粉末層を選択的に硬化させる硬化部と、
制御部と、
を有する三次元造形装置を用いて物品を製造する方法において、
前記制御部は、
前記平坦化部材を走査した時の軌跡面と前記造形面の傾きを検知する計測処理と、
前記計測処理による検知結果に基づき、前記平坦化部材を走査した時の軌跡面と前記造形面の平行度が高くなるように前記造形台の姿勢を調整する調整処理と、
前記調整処理の後に、前記粉末供給部から粉末を供給し、前記平坦化部材に前記造形台の上を走査させて粉末層を敷設する粉末層形成処理と、
前記硬化部に前記粉末層を選択的に硬化させる硬化処理と、を実行する、
ことを特徴とする物品の製造方法。 - 前記計測処理は、前記粉末供給部から粉末を供給せずに、前記平坦化部材を前記造形台の造形面と接触させながら走査し、前記支持部の変位を計測する処理である、
ことを特徴とする請求項1に記載の物品の製造方法。 - 前記支持部は、弾性変形可能な弾性支持部材と、長さを調整可能な調整部を有し、
前記計測処理は、前記弾性支持部材が弾性変形した量の計測を含み、
前記調整処理は、前記調整部による前記支持部の長さの調整を含む、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の物品の製造方法。 - 前記計測処理において、前記平坦化部材の走査中に前記弾性支持部材が弾性変形した量の極大値を計測し、
前記調整処理において、計測された前記極大値に基づき前記支持部の長さを調整する、
ことを特徴とする請求項3に記載の物品の製造方法。 - 前記計測処理は、前記粉末供給部から粉末を供給せずに、前記平坦化部材を前記造形台の造形面と接触させながら走査し、前記平坦化部材の角度を計測する処理である、
ことを特徴とする請求項1に記載の物品の製造方法。 - 前記支持部は、長さを調整可能な調整部を有し、
前記平坦化部材は、角度を検知する角度検知部を有し、
前記計測処理は、前記平坦化部材の角度の計測を含み、
前記調整処理は、前記調整部による前記支持部の長さの調整を含む、
ことを特徴とする請求項1または5に記載の物品の製造方法。 - 前記硬化処理において、前記硬化部は、エネルギービームを照射して前記粉末層を選択的に硬化させる、
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の物品の製造方法。 - 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の物品の製造方法の各処理を、コンピュータに実行させるプログラム。
- 請求項8に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
- 造形面を有する造形台を着脱可能に支持する支持部と、
粉末を供給する粉末供給部と、
前記支持部に装着された前記造形台の上を走査可能な平坦化部材と、
前記造形台の上に敷設された粉末層を選択的に硬化させる硬化部と、
制御部と、を有し、
前記制御部は、
前記平坦化部材を走査した時の軌跡面と前記支持部に装着された前記造形台の前記造形面の傾きを検知する計測処理と、
前記計測処理による検知結果に基づき、前記平坦化部材を走査した時の軌跡面と前記造形面の平行度が高くなるように前記造形台の姿勢を調整する調整処理と、
前記調整処理の後に、前記粉末供給部から粉末を供給し、前記平坦化部材に前記造形台の上を走査させて粉末層を敷設する粉末層形成処理と、
前記硬化部に前記粉末層を選択的に硬化させる硬化処理と、を実行可能である、
ことを特徴とする三次元造形装置。 - 前記計測処理は、前記粉末供給部から粉末を供給せずに、前記平坦化部材を前記造形台の造形面と接触させながら走査し、前記支持部の変位を計測する処理である、
ことを特徴とする請求項10に記載の三次元造形装置。 - 前記支持部は、弾性変形可能な弾性支持部材と、前記弾性支持部材の弾性変形した量を計測する計測部と、長さを調整可能な調整部と、を有する、
ことを特徴とする請求項10または11に記載の三次元造形装置。 - 前記計測処理において、前記平坦化部材の走査中に前記弾性支持部材が弾性変形した量の極大値を計測し、
前記調整処理において、計測された前記極大値に基づき前記支持部の長さを調整する、
ことを特徴とする請求項12に記載の三次元造形装置。 - 前記計測処理は、前記粉末供給部から粉末を供給せずに、前記平坦化部材を前記造形台の造形面と接触させながら走査し、前記平坦化部材の角度を計測する処理である、
ことを特徴とする請求項10に記載の三次元造形装置。 - 前記支持部は、長さを調整可能な調整部を有し、
前記平坦化部材は、角度を検知する角度検知部を有し、
前記計測処理は、前記平坦化部材の角度の計測を含み、
前記調整処理は、前記調整部による前記支持部の長さの調整を含む、
ことを特徴とする請求項10または14に記載の三次元造形装置。 - 前記硬化部は、エネルギービームを照射可能なエネルギービーム源を有する、
ことを特徴とする請求項10乃至15のいずれか1項に記載の三次元造形装置。
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