JP2021059072A - 積層造形装置、積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバー内の造形が行われる空間の成分組成を一定に保つことができ、機械的物性に優れ、形状の劣化が低減される積層造形物を製造でき、装置のメンテナンスの手間が軽減され、粉体材料の装置内部の侵入による装置の故障を低減できる積層造形装置を提供する。【解決手段】粉体材料Ｍの焼結等が行われる可動式ステージ８と、積層造形物Ｘの造形が行われる造形空間Ｋにシールドガスを供給する供給管Ｌ１と、可動式ステージ７の下側の空間４ａにシールドガスを供給する供給管Ｌ２と、可動式ステージ８の下側の空間５ａにシールドガスを供給する供給管Ｌ３と、可動式ステージ７の下側の空間４ａの圧力を造形空間Ｋの圧力より高く保持する圧力調整部１２と、可動式ステージ８の下側の空間５ａの圧力を造形空間Ｋの圧力より高く保持する圧力調整部１３を備える積層造形装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、積層造形装置、積層造形方法に関する。

Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇと称される付加製造技術がある。付加製造技術の一例として、樹脂、金属等の層を造形し、造形された層を積層して積層造形物を作製する積層造形装置が知られている。
付加製造技術による積層造形装置の一例として、３Ｄプリンターが知られている。３Ｄプリンターは複雑な形状の構造物を短時間で製造できるため、航空機産業及び医療等の先端技術分野で有望な技術として注目されている。

図２〜４は、従来の積層造形装置１００の構成を示す模式断面図である。積層造形装置１００は、レーザー発信機１４１と光学系１４２とチャンバー１０２とシールドガスの供給源１１５と台座１０３とブレード１１１と第１の可動式ステージ１０７と第２の可動式ステージ１０８と第３の可動式ステージ１０９とを備える。図３及び図４においては、レーザー発信機１４１、光学系１４２、シールドガスの供給源１１５の各構成の図示を省略している。

図２、３に示すように積層造形装置１００は、チャンバー１０２内に設けられた台座１０３において、第１の可動式ステージ１０７から第２の可動式ステージ１０８に粉体材料Ｍをブレード１１１によって搬送する（図２参照）。
次いで、第２の可動式ステージ１０８上に供給された粉体材料Ｍをレーザー、電子ビーム等（以下、「レーザー等」と記す。）の照射によって焼結又は溶融固化（以下、「焼結等」と記載する。）する（図３参照）。
積層造形装置１００は、熱の供給により粉体材料Ｍを焼結等して層を造形し、造形した層を第２の可動式ステージ１０８上で順次積層して積層造形物Ｘとする。

積層造形装置としては、特許文献１、２に記載のものが提案されている。
特許文献１に記載の積層造形装置における造形部は、造形用容器とその両側に設置された第１及び第２の粉末収納容器とを備える。
特許文献２に記載の三次元造形装置は、プロセスチャンバーに隣接して設けられた昇降ガイド室と、昇降ガイド室において昇降自在に設けられる昇降ステージと、昇降ステージよりも下方にある昇降ガイド室の空間とプロセスチャンバーとを連通させる連通配管とを備える。

特開２０１１−２１２１８号公報 特開２０１７−１０９３５４号公報

３Ｄプリンターにあっては、一定の性質の層を確実に造形するために、粉体材料に熱を供給する際に必要量のエネルギーのレーザー等を粉体材料に安定して照射することが求められる。チャンバー内の雰囲気中の組成成分によっては、レーザー照射時にスパッタ、ヒュームが発生し、レーザーの減衰、粉末材料と雰囲気中の組成成分が反応する可能性があることから、チャンバー内の雰囲気中の成分組成をできる限り一定に保つことが求められる。そのため、通常、チャンバー内の造形が行われる空間にはシールドガスと呼ばれる所定の成分組成のガスを充満させる。
しかし、図４に示すように従来の積層造形装置１００においては、主に、第１の可動式ステージ１０７及び第２の可動式ステージ１０８の上下動の際に、各可動式ステージの下側の空間の残留ガスＤが各可動式ステージの上側の空間に流出することがある。そのため、特許文献１に記載の積層造形装置にあっては、チャンバー内の造形が行われる空間の成分組成を一定に保つことができない。

加えて、レーザー等の照射による造形の際には、積層造形物の機械的物性等を高め、形状の劣化を防止する観点から、粉体材料の周囲の雰囲気中の酸素ガス濃度をできる限り低減することが求められる。
しかし、各可動式ステージの下側の空間の残留ガスＤは、酸素ガスを含むことが多いため、造形が行われる空間内の酸素ガス濃度を充分に低減できない。そのため、特許文献１、２に記載の積層造形装置にあっては、積層造形物の機械的物性等が不充分であり、形状の劣化を招いてしまうおそれがある。

さらに、特許文献２に記載の三次元造形装置にあっては、連通配管によって昇降ガイド室の空間とプロセスチャンバーとが連通しているため、昇降ガイド室の空間とプロセスチャンバー内との圧力差がない。したがって、昇降ステージの上下動により、粉体材料が昇降ガイド室の内壁と昇降ステージの間の隙間から昇降ステージの下方の空間に落下してしまう。そのため、落下した粉体材料の清掃のための装置のメンテナンスの手間がかかり、落下した粉体材料が装置内部に侵入し、装置の故障の原因となるおそれもある。

本発明は、チャンバー内の造形が行われる空間の成分組成を一定に保つことができ、機械的物性に優れ、形状の劣化が低減される積層造形物を製造でき、装置のメンテナンスの手間が軽減され、粉体材料の装置内部の侵入による装置の故障を低減できる積層造形装置を提供する。

本発明は下記の構成を備える。
［１］ 粉体材料が焼結又は溶融固化した層を熱の供給によって造形し、前記層を積層して積層造形物とする積層造形装置であって、チャンバーと、前記チャンバー内に設けられた台座と、前記台座の上面から下方に形成された柱状の第１の空間を有する第１のガイド室と、前記台座の上面から下方に形成された柱状の第２の空間を有する第２のガイド室と、前記第１のガイド室の内壁に沿って移動し、かつ、前記層の造形を行う前の前記粉体材料が載置される第１の可動式ステージと、前記第２のガイド室の内壁に沿って移動し、かつ、前記粉体材料の焼結又は溶融固化が行われる第２の可動式ステージと、前記第２の可動式ステージの上側の空間であり、かつ、前記層の造形が行われる造形空間の酸素ガスを低減するためのシールドガスを、前記造形空間に供給する第１の供給管と、前記第１の可動式ステージの下側の前記第１の空間に前記シールドガスを供給する第２の供給管と、前記第２の可動式ステージの下側の前記第２の空間に前記シールドガスを供給する第３の供給管と、前記第１の可動式ステージの下側の前記第１の空間の圧力を、前記造形空間の圧力より高く保持する第１の圧力調整部と、前記第２の可動式ステージの下側の前記第２の空間の圧力を、前記造形空間の圧力より高く保持する第２の圧力調整部と、を備える、積層造形装置。
［２］ 前記台座の上面から下方に形成された柱状の第３の空間を有する第３のガイド室と、前記第３のガイド室の内壁に沿って移動し、かつ、前記層の造形を行った後の前記粉体材料が載置される第３の可動式ステージと、前記第３の可動式ステージの下側の前記第３の空間に前記シールドガスを供給する第４の供給管と、をさらに備える、［１］の積層造形装置。
［３］ 前記第３の可動式ステージの下側の前記第３の空間の圧力を、前記造形空間の圧力より高く保持する第３の圧力調整部をさらに備える、［２］の積層造形装置。
［４］ 前記第２の可動式ステージの下側の前記第２の空間に供給されるシールドガスを加熱するヒーターをさらに備える、［１］〜［３］のいずれかの積層造形装置。
［５］ 前記第１の可動式ステージの下側の前記第１の空間に供給された前記シールドガス及び前記第２の可動式ステージの下側の前記第２の空間に供給された前記シールドガスの少なくとも一方を前記造形空間に供給する第５の供給管をさらに備える、［１］〜［４］のいずれかの積層造形装置。
［６］ ［１］〜［５］のいずれかの積層造形装置を用いる積層造形方法であり、前記層の造形及び積層を行う際に、前記第１の空間に前記シールドガスを供給し、前記第１の可動式ステージの下側の前記第１の空間の圧力を、前記造形空間の圧力より高く保持する、積層造形方法。
［７］ ［１］〜［５］のいずれかの積層造形装置を用いる積層造形方法であり、前記粉体材料を前記第１の可動式ステージから前記第２の可動式ステージに供給する際に、前記第２の可動式ステージの下側の前記第２の空間の圧力を、前記造形空間の圧力より高く保持する、積層造形方法。
［８］ ［４］の積層造形装置を用いる積層造形方法であり、前記層の造形及び積層を行う前に、前記第２の可動式ステージの上面の温度以下に前記シールドガスを加熱する、積層造形方法。

本発明によれば、チャンバー内の造形が行われる空間の成分組成を一定に保つことができ、機械的物性に優れ、形状の劣化が低減される積層造形物を製造でき、装置のメンテナンスの手間が軽減され、粉体材料の装置内部の侵入による装置の故障を低減できる積層造形装置が提供される。

一実施形態例に係る積層造形装置の構成を示す模式断面図である。 従来の積層造形装置の構成を示す模式断面図である。 従来の積層造形装置の構成を示す模式断面図である。 従来の積層造形装置の課題を説明するための模式断面図である。

以下、一実施形態例について図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

＜積層造形装置＞
図１は、本実施形態例に係る積層造形装置の構成を示す模式断面図である。図１に示す積層造形装置１は、粉体材料Ｍが焼結又は溶融固化した層を熱の供給によって造形し、前記層を積層して積層造形物Ｘとする装置である。
図１に示すように積層造形装置１は、チャンバー２と台座３と第１のガイド室４と第２のガイド室５と第３のガイド室６と第１の可動式ステージ７と第２の可動式ステージ８と第３の可動式ステージ９とヒーター１０とブレード１１と第１の圧力調整部１２と第２の圧力調整部１３と第３の圧力調整部１４とシールドガスの供給源１５と第１の供給管Ｌ１と第２の供給管Ｌ２と第３の供給管Ｌ３と第４の供給管Ｌ４と第５の供給管Ｌ５を備える。加えて、積層造形装置１は図示略のレーザー発振器と光学系をさらに備える。

図示略のレーザー発振器は、レーザーを照射できる形態であれば特に限定されない。レーザー発振器は、レーザーを図示略の光学系を経由させてチャンバー２内に照射する。これにより積層造形装置１は、レーザーが照射された位置の粉体材料Ｍを焼結又は溶融固化することができる。その結果、粉体材料Ｍの焼結物又は粉体材料Ｍの溶融固化物を含む層（以下、「造形層」と記す。）が造形される。

図示略の光学系は、レーザー発振器から粉体材料Ｍに照射されるレーザーの位置をあらかじめ入力されたデータにしたがって制御できる形態であれば、特に限定されない。光学系としては、例えば、一以上の反射鏡を有する形態が挙げられる。
積層造形装置１は、あらかじめ入力されたデータにしたがって図示略の光学系を制御することで、粉体材料Ｍへのレーザーの照射位置を制御できる。これにより、積層造形装置は、任意の形状に造形層を造形できる。

粉体材料Ｍとしては、カーボン、ホウ素、マグネシウム、カルシウム、クロム、銅、鉄、マンガン、モリブテン、コバルト、ニッケル、ハフニウム、ニオブ、チタン、アルミニウム等の各種の金属及びこれらの合金の粉末が例示される。
粉体材料Ｍが粒子状である場合、粉体材料Ｍの粒子は特に限定されないが、例えば１０〜２００μｍ程度とすることができる。

チャンバー２は、粉体材料Ｍにレーザーを照射して焼結又は溶融固化することで造形層を造形し、造形層を積層する操作が繰り返し行われる容器である。チャンバー２は、台座３を収容している。
チャンバー２内の上方の造形空間Ｋには、シールドガスが第１の供給管Ｌ１を介してシールドガスの供給源１５から供給される。造形空間Ｋは、造形層の造形及び積層が行われる空間であり、かつ、チャンバー２内の第２の可動式ステージ８の上側の空間である。
第１の供給管Ｌ１は、チャンバー２内の造形空間Ｋにシールドガスを供給する。第１の供給管Ｌ１は、第１の端部がシールドガスの供給源１５と接続され、第２の端部がチャンバー２内の造形空間Ｋで開口している。

シールドガスは、チャンバー２内の造形空間Ｋの酸素ガスを低減するためのガスである。シールドガスとしては、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス及びこれらの任意の組み合わせを含む混合ガス等が挙げられる。
シールドガスの組成は、通常、一定の組成成分で構成される。よって、造形空間Ｋにシールドガスを供給することで、必要量のエネルギーのレーザー等を粉体材料に安定して照射することができ、一定の性質の層を確実に造形できる。加えて、造形空間Ｋへのシールドガスの供給により、造形層の造形及び積層の際に粉体材料Ｍの周囲の雰囲気中の酸素ガス濃度をできる限り低減できる。そのため、積層造形物Ｘの機械的物性等を高め、形状の劣化を低減できる。

台座３は、チャンバー２内に設けられている。台座３は、粉体材料Ｍの貯蔵、供給、回収、粉体材料Ｍへの熱の供給による造形、造形層の積層等の積層造形物Ｘの製造のための操作を行うためのものである。
本実施形態例においては、台座３の上面３ａに第１のガイド室４と第２のガイド室５と第３のガイド室６とが形成されている。第１のガイド室４、第２のガイド室５、第３のガイド室６は、いずれも柱状の空間を有する。柱状の空間の形状は、特に限定されない。その形状は、例えば、円柱状でもよく、多角柱状等でもよい。

第１のガイド室４は、台座３の上面３ａから下方に形成された柱状の第１の空間４ａを有する。第１の空間４ａは、第１の可動式ステージ７によって上側の空間と下側の空間とに区切られている。第１の可動式ステージ７の上側には造形層の造形を行う前の粉体材料Ｍが載置される。
このように、第１のガイド室４は、第１の可動式ステージ７の上側の第１の空間４ａに未使用の粉体材料Ｍを貯蔵している。第１のガイド室４は粉体材料Ｍの貯蔵室であるとも言える。

第１の可動式ステージ７は、上下動可能な第１の可動棒７ａに支持されている。第１の可動棒７ａの上下動により、第１の可動式ステージ７は第１のガイド室４の内壁４ｂに沿って上下方向に移動する。第１の可動式ステージ７が上方向に移動することで、第１の可動式ステージ７の上面に載置された粉体材料Ｍが台座３の上面３ａより上側にはみ出すことになる。この台座３の上面３ａより上側にはみ出した第１の可動式ステージ７上の粉体材料Ｍをブレード１１の左右方向の移動によって第２の可動式ステージ８の上側に搬送する。

第２の供給管Ｌ２は、第１の可動式ステージ７の下側の第１の空間４ａにシールドガスを供給する。第２の供給管Ｌ２は、第１の端部が第１の供給管Ｌ１と接続され、第２の端部が第１の可動式ステージ７の下側の第１の空間４ａと接続されている。

ヒーター１０は、第２の可動式ステージ８の下側の第２の空間５ａに供給されるシールドガスを加熱する。ヒーター１０は、第２の供給管Ｌ２に設けられている。本実施形態例では、後述のように第３の供給管Ｌ３が第２の供給管Ｌ２と接続され、第４の供給管Ｌ４が第３の供給管Ｌ３を介して第２の供給管Ｌ２と接続されている。そのため、ヒーター１０は、第２の空間５ａに供給されるシールドガスに加えて、第１の空間４ａに供給されるシールドガス及び第３の空間６ａに供給されるシールドガスを加熱できる。
ただし、ヒーターの構成は、第２の可動式ステージ８の下側の第２の空間５ａに供給されるシールドガスを加熱できる形態であれば特に限定されず、本実施形態例に限定されない。

第２のガイド室５は、台座３の上面３ａから下方に形成された柱状の第２の空間５ａを有する。第２の空間５ａは、第２の可動式ステージ８によって上側の空間と下側の空間とに区切られている。
第２の可動式ステージ８は、上下動可能な第２の可動棒８ａに支持されている。第２の可動棒８ａの上下動により、第２の可動式ステージ８は第２のガイド室５の内壁５ｂに沿って上下方向に移動する。
第２の可動式ステージ８の上側には、第１のガイド室４からブレード１１によって供給された、粉体材料Ｍが載置される。第１のガイド室４から供給された未使用の粉体材料Ｍは、熱の供給、すなわち、レーザー等の照射により焼結又は溶融固化し、造形層となる。このように、第２の可動式ステージ８では粉体材料Ｍの焼結又は溶融固化が行われる。

第２の可動式ステージ８の上面には図示略のベースプレートが載置されている。ベースプレートは、積層造形物を載置するための板である。レーザー等の照射前においては、ベースプレートの上側には、未使用の粉体材料Ｍが敷き詰められている。そのため、ベースプレートは、積層造形物の最下層を構成する造形層と接触することになる。ここで、積層造形物Ｘの最下層を構成する造形層とは、積層造形物を製造する際に最初に粉体材料Ｍに照射されるレーザーによって造形される造形層である。

積層造形物Ｘの最下層が造形された後、第２の可動式ステージ８が下方向に移動する。その後、第１のガイド室４から未使用の粉体材料Ｍが第２の可動式ステージ８の上側に供給される。この状態で第２の可動式ステージ８の上側に新たに供給された、粉体材料Ｍにレーザー等を照射すると、新たに供給された粉体材料Ｍがすでに造形された造形層の上側でさらに造形される。これにより、新たな造形層がすでに造形された造形層の上側に積層される。
このように、第２のガイド室５では、第２の可動式ステージ８の上側の造形空間Ｋにおける造形層の造形及び積層が行われる。第２のガイド室５は造形室であるとも言える。

第２の可動式ステージ８の上側の造形空間Ｋにおいて、造形層の造形及び積層を繰り返すことで、任意の形状の造形層を積層し、任意の三次元構造の積層造形物Ｘを製造できる。具体的には、第２の可動棒８ａが下方向に移動して第２の可動式ステージ８が下降し、第１の可動式ステージ７上から新たな粉体材料Ｍが供給され、レーザー等の照射を繰り返す。これにより、造形層の積層を繰り返すことができる。そして積層造形物Ｘが完成する頃には、積層造形物Ｘの上端の位置が台座３の上面３ａと同じ高さとなるような位置まで、第２の可動式ステージ８が下降する。
あらかじめ入力されたデータに基づくレーザー等の照射が終わり、積層造形物Ｘが完成したら、積層造形物Ｘを回収する。積層造形物Ｘの回収後には、第２の可動式ステージ８が台座３の上面３ａと同じ高さまで上昇し、造形層の造形を行った後の粉体材料をブレード１１によって第３の可動式ステージ９及び第３のガイド室６に搬送する。

造形層の造形を行った後の粉体材料は、第２の可動式ステージ８上でレーザーの照射がされなかった部分に残った粉体材料である。第２の可動式ステージ８上でレーザーが照射された粉体材料Ｍの周囲の粉体材料は、レーザー等が直接照射されていないとしても、レーザー等の照射部位から伝導する高熱によって変質していることがある。そのため、レーザー等が照射された粉体材料Ｍの周囲の粉体材料を、造形層の造形を行った後の粉体材料として、第３の可動式ステージ９及び第３のガイド室６に搬送する。

第３の供給管Ｌ３は、第２の可動式ステージ８の下側の第２の空間５ａにシールドガスを供給する。第３の供給管Ｌ３は、第１の端部が第２の供給管Ｌ２と接続され、第２の端部が第２の可動式ステージ８の下側の第２の空間５ａと接続されている。

第３のガイド室６は、台座３の上面から下方に形成された柱状の第３の空間６ａを有する。第３の空間６ａは、第３の可動式ステージ９によって上側の空間と下側の空間とに区切られている。
第３の可動式ステージ９は、上下動可能な第３の可動棒９ａに支持されている。第３の可動棒９ａの上下動により、第３の可動式ステージ９は第３のガイド室６の内壁６ｂに沿って上下方向に移動する。
第３の可動式ステージ９の上側には、第２の可動式ステージ８からブレード１１によって供給された、造形層の造形を行った後の粉体材料が載置される。
このように第３のガイド室６は、第３の可動式ステージ９の上側の第３の空間６ａに使用後の粉体材料を貯蔵している。そのため、第３のガイド室６は、使用後の粉体材料を回収するための回収室であるとも言える。

第４の供給管Ｌ４は、第３の可動式ステージ９の下側の第３の空間６ａにシールドガスを供給する。第４の供給管Ｌ４は、第１の端部が第３の供給管Ｌ３と接続され、第２の端部が第３の可動式ステージ９の下側の第３の空間６ａと接続されている。

本実施形態例においては、第５の供給管Ｌ５は下記の（１）、（２）、（３）のシールドガスを造形空間Ｋに供給する。
（１）第１の可動式ステージ７の下側の第１の空間４ａに供給されたシールドガス。
（２）第２の可動式ステージ８の下側の第２の空間５ａに供給されたシールドガス。
（３）第３の可動式ステージ９の下側の第３の空間６ａに供給されたシールドガス。
なお、他の実施形態例においては、第５の供給管は、上記の（１）のシールドガス及び（２）のシールドガスの少なくとも一方のシールドガスを造形空間Ｋに供給する形態でもよく、（１）のシールドガス、（２）のシールドガス及び（３）のシールドガスからなる群から選ばれる少なくとも一つのシールドガスを造形空間Ｋに供給する形態でもよい。

第５の供給管Ｌ５の第１の端部は３つに分岐し、分岐したそれぞれの端部Ｌ５ａ，Ｌ５ｂ，Ｌ５ｃが第１の空間４ａ、第２の空間５ａ、第３の空間６ａのそれぞれと接続されている。第５の供給管Ｌ５の第２の端部は、チャンバー２内の造形空間Ｋに接続されている。これにより、第５の供給管Ｌ５は、上述の（１）、（２）、（３）のそれぞれのシールドガスを、第１の空間４ａ、第２の空間５ａ、第３の空間６ａのそれぞれから取り出し、造形空間Ｋに供給できる。

第１の圧力調整部１２は、第１の可動式ステージ７の下側の第１の空間４ａの圧力を、造形空間Ｋの圧力より高く保持する。第１の圧力調整部１２は、圧力計Ｐ１とバルブＶ１を有する。

圧力計Ｐ１は、第１の可動式ステージ７の下側の第１の空間４ａの圧力を測定できる。圧力計Ｐ１は、測定結果に基づいてバルブＶ１の開度を決定し、バルブＶ１に指示できる。バルブＶ１は、第５の供給管Ｌ５の分岐した第１の端部Ｌ５ａに設けられている。
圧力計Ｐ１とバルブＶ１とは互いに電気的に接続されている。これにより、圧力計Ｐ１の計測値、バルブＶ１の開度の指示信号等の情報を圧力計Ｐ１とバルブＶ１との間で互いに送受信できる。

バルブＶ１は、第１の可動式ステージ７の下側の第１の空間４ａの圧力値に基づいて、弁の開度を自動的に調節できる。これにより、第１の可動式ステージ７の下側の第１の空間４ａの圧力を、造形空間Ｋの圧力より高く保持できる。ここで、造形空間Ｋの圧力は、例えば、造形空間Ｋ内の圧力を測定するための圧力計（図示略）で測定可能である。
バルブＶ１は、弁の開度を連続的に変化させてもよく、段階的に変化させてもよい。

第２の圧力調整部１３は、第２の可動式ステージ８の下側の第２の空間５ａの圧力を、造形空間Ｋの圧力より高く保持する。第２の圧力調整部１３は、圧力計Ｐ２とバルブＶ２を有する。

圧力計Ｐ２は、第２の可動式ステージ８の下側の第２の空間５ａの圧力を測定できる。圧力計Ｐ２は、測定結果に基づいてバルブＶ２の開度を決定し、バルブＶ２に指示できる。バルブＶ２は、第５の供給管Ｌ５の分岐した第１の端部Ｌ５ｂに設けられている。
圧力計Ｐ２とバルブＶ２とは互いに電気的に接続されている。これにより、圧力計Ｐ２の計測値、バルブＶ２の開度の指示信号等の情報を圧力計Ｐ２とバルブＶ２との間で互いに送受信できる。

バルブＶ２は、第２の可動式ステージ８の下側の第２の空間５ａの圧力値に基づいて、弁の開度を自動的に調節できる。これにより、第２の可動式ステージ８の下側の第２の空間５ａの圧力を、造形空間Ｋの圧力より高く保持できる。
バルブＶ２は、弁の開度を連続的に変化させてもよく、段階的に変化させてもよい。

第３の圧力調整部１４は、第３の可動式ステージ９の下側の第３の空間６ａの圧力を、造形空間Ｋの圧力より高く保持する。第３の圧力調整部１４は、圧力計Ｐ３とバルブＶ３を有する。

圧力計Ｐ３は、第３の可動式ステージ９の下側の第３の空間６ａの圧力を測定できる。圧力計Ｐ３は、測定結果に基づいてバルブＶ３の開度を決定し、バルブＶ３に指示できる。バルブＶ３は、第５の供給管Ｌ５の分岐した第１の端部Ｌ５ｃに設けられている。
圧力計Ｐ３とバルブＶ３とは互いに電気的に接続されている。これにより、圧力計Ｐ３の計測値、バルブＶ３の開度の指示信号等の情報を圧力計Ｐ３とバルブＶ３との間で互いに送受信できる。

バルブＶ３は、第３の可動式ステージ９の下側の第３の空間６ａの圧力値に基づいて、弁の開度を自動的に調節できる。これにより、第３の可動式ステージ９の下側の第３の空間６ａの圧力を、造形空間Ｋの圧力より高く保持できる。
バルブＶ３は、弁の開度を連続的に変化させてもよく、段階的に変化させてもよい。

第１の圧力調整部は、第１の可動式ステージ７の下側の第１の空間４ａの圧力を、造形空間Ｋの圧力より高く保持できる形態であれば特に限定されない。すなわち、第１の圧力調整部の構成は、本実施形態例に限定されない。第２の圧力調整部、第３の圧力調整部についても同様である。

（積層造形方法）
以上説明した積層造形装置１を用いて、図１を参照しながら本実施形態例に係る積層造形方法について具体的に説明する。
本実施形態例に係る積層造形方法は、粉体材料Ｍが焼結又は溶融固化した造形層を熱の供給によって造形し、前記造形層を積層して積層造形物Ｘとする、積層造形物の製造方法であるとも言える。

まず、造形層の造形及び積層を行う前に、シールドガスの供給源１５からチャンバー２内の造形空間Ｋと各可動式ステージ７，８，９の下側の各空間４ａ，５ａ，６ａにシールドガスを供給する。これにより、レーザー等による熱の供給前にチャンバー２内から（特に、各可動式ステージ７，８，９の下側の各空間４ａ，５ａ，６ａから）残留ガスを充分にパージでき、酸素ガスの濃度をきわめて低水準まで低くすることができる。加えて、各可動式ステージ７，８，９上にある粉体材料Ｍ及び積層造形物Ｘ内に混入し得る残留ガスを充分にパージできるため、積層造形物Ｘの機械的物性がよくなる。

造形層の造形及び積層を行う前には、第２の可動式ステージ８の上面の温度以下にシールドガスを加熱することが好ましい。すなわち、ヒーター１０による加熱温度は、第２の可動式ステージ８の上面の温度、すなわち、図示略のベースプレートの温度以下が好ましい。これにより、ベースプレートの加熱時間を短縮でき、粉体材料Ｍの表面に吸着した水分を乾燥によって除去できる。そのため、積層造形物の生産効率がよくなり、かつ、積層造形物Ｘの機械的物性がさらによくなる。
また、ヒーター１０によって加熱したシールドガスを各空間４ａ，５ａ，６ａのそれぞれに供給することで、各可動式ステージ７，８，９のそれぞれを加熱できる。そのため、各可動式ステージ７，８，９の上側に貯蔵されている粉体材料Ｍの表面に吸着した水分を乾燥によって除去できる。
特に、第１の可動式ステージ７の上側に貯蔵された粉体材料Ｍの水分を除去することで、積層造形物Ｘの機械強度等の低下をさらに低減でき、積層造形物Ｘの機械的物性がさらによくなる。加えて、第３の可動式ステージ９の上側に貯蔵された粉体材料Ｍの水分を除去することで、第３の可動式ステージ９の粉体材料Ｍを再利用して積層造形物Ｘを製造する際に、積層造形物Ｘの機械的物性がさらによくなる。

次いで、造形空間Ｋ内の酸素ガス及び残留ガスを充分にパージした後、第２の可動式ステージ８への粉体材料Ｍの供給、レーザー等の照射を開始し、造形層の造形及び積層を順次行う。
造形層の造形及び積層を行う際にも、シールドガスの供給源１５からチャンバー２内の造形空間Ｋと各可動式ステージ７，８，９の下側の各空間４ａ，５ａ，６ａにシールドガスを供給することが好ましい。これにより、造形層の造形及び積層の際には造形空間Ｋと各空間４ａ，５ａ，６ａの雰囲気中の組成成分を一致させることができるため、チャンバー内の雰囲気中の成分組成が安定し、必要量のエネルギーのレーザー等を粉体材料に安定して照射することができる。その結果、一定の性質の層を確実に造形できる。

造形層の造形及び積層を行う際には、各可動式ステージ７，８，９の下側の各空間４ａ，５ａ，６ａ内は、所定の圧力で制御され、造形空間Ｋより高い圧力に保持される。そのため、レーザー等の照射以外の操作（例えば、粉体材料Ｍの第１の可動式ステージ７から第２の可動式ステージ８への供給等）においても、各可動式ステージ７，８，９の下側の各空間４ａ，５ａ，６ａ内を常にシールドガスで満たすことが可能である。よって、２回目のレーザー等の照射の以降の造形時に各可動式ステージ７，８，９の下側の各空間４ａ，５ａ，６ａを再度パージする必要がない。
また、各可動式ステージ７，８，９の下側の空間４ａ，５ａ，６ａが造形空間Ｋに対して陽圧となるため、１回目の造形が終了後に２回目の造形を行う際に、各可動式ステージ７，８，９の下側の空間４ａ，５ａ，６ａは、シールドガスで満たされている。したがって、２回目の造形を行う際に、各可動式ステージ７，８，９の下側の各空間４ａ，５ａ，６ａを再度パージする必要がない。
このように、各空間４ａ，５ａ，６ａの再パージが不要となることから、空間４ａ，５ａ，６ａのシールドガスによる再パージを行う場合と比較して、シールドガスの使用量を低減でき、低コストで積層造形物を製造できる点も積層造形装置１の利点である。
また、各可動式ステージ７，８，９の下側の空間４ａ，５ａ，６ａが造形空間Ｋに対して陽圧となるため、各可動式ステージ７，８，９上から各空間４ａ，５ａ，６ａへの粉末侵入を防止することができる。その結果、各空間４ａ，５ａ，６ａの掃除の頻度が低減され、粉末侵入による装置の稼働時の故障を減らすことができる。

本発明の効果がさらに顕著となることから、造形層の造形及び積層を行う際には、第１の圧力調整部１２によって、第１の可動式ステージ７の下側の第１の空間４ａの圧力を、造形空間Ｋの圧力より常に高く保持することが望ましい。ただし、本発明はこれに限定されない。第２の圧力調整部１３、第３の圧力調整部１４についても同様に、各可動式ステージ８，９の下側の空間４ａ，５ａの圧力を、造形空間Ｋの圧力より常に高く保持することが望ましいが、本発明はこれに限定されない。

（作用効果）
以上説明した積層造形装置１は、造形空間Ｋの酸素ガスを低減するためのシールドガスを造形空間Ｋに供給する第１の供給管Ｌ１と、第１の可動式ステージ７の下側の第１の空間４ａにシールドガスを供給する第２の供給管Ｌ２と、第２の可動式ステージ８の下側の第２の空間５ａにシールドガスを供給する第３の供給管Ｌ３とを備える。そのため、造形空間Ｋと各空間４ａ，５ａ，６ａの雰囲気中の組成成分を一致させることができ、チャンバー２内の雰囲気中の成分組成を一定に保つことができる。加えて、チャンバー２内の雰囲気中の成分組成が安定し、必要量のエネルギーのレーザー等を粉体材料に安定して照射することができるため、一定の性質の層を確実に造形できる。

さらに、各可動式ステージ７，８，９の下側の空間４ａ，５ａ，６ａにシールドガスを供給することで、チャンバー２内から各空間４ａ，５ａ，６ａ内の残留ガスを充分にパージできる。そのため、各可動式ステージの上下動の際に残留ガス由来の酸素ガスが造形空間Ｋに混入しにくくなり、酸素ガスの濃度をきわめて低水準まで低くすることができる。
したがって、積層造形装置１によれば、機械的物性に優れ、形状の劣化が低減された積層造形物を製造できる。

加えて、積層造形装置１は、第１の可動式ステージ７の下側の第１の空間４ａの圧力を、造形空間Ｋの圧力より高く保持する第１の圧力調整部１２と第２の可動式ステージ８の下側の第２の空間５ａの圧力を、造形空間Ｋの圧力より高く保持する第２の圧力調整部１３とを備える。そのため、粉体材料が各可動式ステージ７，８，９と各ガイド室４，５，６の内壁との隙間を通って、造形空間Ｋ側から各ガイド室の各空間４ａ，５ａ，６ａ側に落下することがほとんどない。その結果、落下した粉体材料の清掃のための装置のメンテナンスの手間が軽減され、粉体材料の装置内部の侵入が少なく、装置の故障を低減できる。

積層造形装置１は、第１の可動式ステージ７の下側の第１の空間４ａに供給されたシールドガス及び第２の可動式ステージ８の下側の第２の空間５ａに供給されたシールドガスの少なくとも一方を造形空間Ｋに供給する第５の供給管Ｌ５をさらに備える。そのため、積層造形装置１によれば、各空間４ａ，５ａ，６ａの残留ガスを効果的にパージできることから、造形空間Ｋから酸素ガスをパージする際に使用するシールドガスの使用量が少なくなる。
したがって、従来の装置と比較してシールドガスに関する費用を低減でき、低コストで積層造形物を製造できる点も積層造形装置１の利点である。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されない。また、本発明は特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、構成の付加、省略、置換及びその他の変更が加えられてよい。

１…積層造形装置、２…チャンバー、３…台座、４，５，６…ガイド室、７，８，９…可動式ステージ、１０…ヒーター、１１…ブレード、１２、１３、１４…圧力調整部、１５…シールドガスの供給源、Ｄ…残留ガス、Ｋ…造形空間、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５…供給管、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…圧力計、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３…バルブ、Ｘ…積層造形物。

Claims (8)

1. 粉体材料が焼結又は溶融固化した層を熱の供給によって造形し、前記層を積層して積層造形物とする積層造形装置であって、
   チャンバーと、
   前記チャンバー内に設けられた台座と、
   前記台座の上面から下方に形成された柱状の第１の空間を有する第１のガイド室と、
   前記台座の上面から下方に形成された柱状の第２の空間を有する第２のガイド室と、
   前記第１のガイド室の内壁に沿って移動し、かつ、前記層の造形を行う前の前記粉体材料が載置される第１の可動式ステージと、
   前記第２のガイド室の内壁に沿って移動し、かつ、前記粉体材料の焼結又は溶融固化が行われる第２の可動式ステージと、
   前記第２の可動式ステージの上側の空間であり、かつ、前記層の造形が行われる造形空間の酸素ガスを低減するためのシールドガスを、前記造形空間に供給する第１の供給管と、
   前記第１の可動式ステージの下側の前記第１の空間に前記シールドガスを供給する第２の供給管と、
   前記第２の可動式ステージの下側の前記第２の空間に前記シールドガスを供給する第３の供給管と、
   前記第１の可動式ステージの下側の前記第１の空間の圧力を、前記造形空間の圧力より高く保持する第１の圧力調整部と、
   前記第２の可動式ステージの下側の前記第２の空間の圧力を、前記造形空間の圧力より高く保持する第２の圧力調整部と、
   を備える、積層造形装置。
2. 前記台座の上面から下方に形成された柱状の第３の空間を有する第３のガイド室と、
   前記第３のガイド室の内壁に沿って移動し、かつ、前記層の造形を行った後の前記粉体材料が載置される第３の可動式ステージと、
   前記第３の可動式ステージの下側の前記第３の空間に前記シールドガスを供給する第４の供給管と、
   をさらに備える、請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記第３の可動式ステージの下側の前記第３の空間の圧力を、前記造形空間の圧力より高く保持する第３の圧力調整部をさらに備える、請求項２に記載の積層造形装置。
4. 前記第２の可動式ステージの下側の前記第２の空間に供給されるシールドガスを加熱するヒーターをさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層造形装置。
5. 前記第１の可動式ステージの下側の前記第１の空間に供給された前記シールドガス及び前記第２の可動式ステージの下側の前記第２の空間に供給された前記シールドガスの少なくとも一方を前記造形空間に供給する第５の供給管をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層造形装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層造形装置を用いる積層造形方法であり、
   前記層の造形及び積層を行う際に、前記第１の空間に前記シールドガスを供給し、前記第１の可動式ステージの下側の前記第１の空間の圧力を、前記造形空間の圧力より高く保持する、積層造形方法。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層造形装置を用いる積層造形方法であり、
   前記粉体材料を前記第１の可動式ステージから前記第２の可動式ステージに供給する際に、前記第２の可動式ステージの下側の前記第２の空間の圧力を、前記造形空間の圧力より高く保持する、積層造形方法。
8. 請求項４に記載の積層造形装置を用いる積層造形方法であり、
   前記層の造形及び積層を行う前に、前記第２の可動式ステージの上面の温度以下に前記シールドガスを加熱する、積層造形方法。

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