JP2022548571A

JP2022548571A - 遠心霧化による３ｄ印刷装置及び方法

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Publication number: JP2022548571A
Application number: JP2022515922A
Authority: JP
Inventors: 世忠魏; 豊毛; 黎明欧; 程張; 冲陳; 永楓喬; 流杰徐; 暁東王; 昆明潘; 秀青李; 美熊; 東亮 ▲ジン▼
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2022-11-21
Anticipated expiration: 2040-08-12
Also published as: JP7185975B2; WO2021052069A1; CN110605402A; CN110605402B

Abstract

遠心霧化による３Ｄ印刷装置及び方法が提供される。３Ｄ印刷装置は、溶解システムと、内部が密封チャンバーであるカプセル（３）と、ターンテーブル（２０）と、導流スリーブ（１８）と、溶湯受け手段（７）を備えた３次元運動プラットフォームと、３次元運動プラットフォームを制御する制御手段とを含む。金属原料は、溶解されて密閉チャンバー内に入り、ターンテーブルの回転で霧化されて周方向へ振り切られる。導流スリーブの噴射スリット（２４）を通した霧化金属溶湯は、３次元運動プラットフォームの受け手段に付着する。制御手段は、３次元運動プラットフォームの移動を制御し、受け手段が金属溶湯を受ける位置を変化させて、異なる形状のワークを形成する。遠心霧化による３Ｄ印刷方法は、印刷プロセス中に金属原料が直接溶解して霧化し、それから堆積して凝固し、金属原料の凝固速度を制御するだけで、製造されたワークの内部組織をより均一で緻密にすることができ、生産効率を向上させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、付加的な製造装置に関し、特に、遠心霧化による３Ｄ印刷装置及び方法に関する。

３Ｄ印刷は、複雑な形状のワークを製造できる増材製造の具体的な方式である。金属ワークの３Ｄ印刷では、通常、球状の金属粉末を原料として、そして、レーザ光と電子線の照射により球状の金属粉末を溶解して球状の金属粉末を一体化した後、溶融した金属溶湯を冷却して固形のワークを形成する。しかし、粉末の急速な成形過程における急速な加熱と急速な凝固は、材料にポア又はクラックなどの欠陥を生じさせ、製造されたワークの品質に影響を与え、ワークの廃棄につながる。また、その設備の開発、運転及びメンテナンスコストが高く、材料の生産効率が低い。これは、すべて３Ｄ印刷技術の工業化応用を制約する。

本発明の目的は、ワークの品質が低い、材料の生産性が低い、設備コストが高いなどの従来の３Ｄ印刷技術に存在する問題を解決するための、遠心霧化による３Ｄ印刷装置を提供することにある。同時に、本発明は、更に遠心霧化による３Ｄ印刷方法を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の遠心霧化による３Ｄ印刷装置の技術的解決手段として、遠心霧化による３Ｄ印刷装置は、溶解システム、カプセル、ターンテーブル、導流スリーブ、３次元運動プラットフォーム、受け手段及び制御手段を含み、溶解システムは、金属原料を溶融状態に加熱するためのものであり、カプセルは、溶解システムの排出口と連通し、カプセルの内部が密封チャンバーであり、ターンテーブルは、密封チャンバー内に設けられ、溶解システムの排出口の直下に位置し、溶解システムによって密封チャンバー内に入った金属溶湯を受け止めるためのものであり、ターンテーブルは、回転時に、ターンテーブルのディスク体に落下する金属溶湯を霧化して周方向に振り切ることができ、導流スリーブは、密封チャンバーの内部に固定され、ターンテーブルの外周に嵌合されてターンテーブルの周方向を遮蔽し、導流スリーブには、霧化された金属溶湯が振り出されるように導流スリーブの筒壁を貫通する少なくとも１つの噴射スリットが設けられ、
３次元運動プラットフォームは、密封チャンバー内に位置する動作出力端を有し、更に動作出力端の移動を駆動する駆動部材を有し、受け手段は、３次元運動プラットフォームの動作出力端に固定され、噴射スリットから噴射された霧化された金属溶湯を受けるためのものであり、制御手段は、３次元運動プラットフォームに制御接続され、噴射スリットから噴射された霧化された金属溶湯を受け手段の異なる位置で受けるように３次元運動プラットフォームの移動を制御する。

本発明の遠心霧化による３Ｄ印刷装置の有益な効果は以下のとおりである。金属原料は、溶解されて密封チャンバー内に入り、密封チャンバー内のターンテーブルの高速回転で遠心霧化され霧化された金属溶湯になり、同時にターンテーブルの回転でターンテーブルの周方向に振り出される。導流スリーブの遮蔽により、噴射スリットへ振り切られた溶湯のみが噴射スリットを通り抜けることができ、３次元運動プラットフォームの受け手段に成形される。制御手段は、受け手段による金属溶湯の受け位置を変化させて異なる形状のワークを形成するように３次元運動プラットフォームの移動を制御する。上述した３Ｄ印刷中に、金属原料が溶解した後に直接霧化して印刷を行うため、霧化した金属溶湯は、受け手段上で互いに融合して固体状に凝固し、受け手段の位置が変わるにつれて金属溶湯が次第に堆積してワークを形成する。印刷過程を通して金属原料を溶解した後に直接霧化し、それから堆積して凝固し、金属原料の凝固速度を制御するだけで、製造されるワークの内部組織をより緻密で均一にすることができ、製造されるワークの品質が低く、設備コストが高いという従来の３Ｄ技術における問題を解決する。

更に、噴射スリットは、周方向に２つ以上設けられている。噴射スリットは、金属溶湯の振り切り通路を多くし、各噴射スリットに３次元運動プラットフォームを設けることにより、複数のワークを同時に印刷することができ、生産効率の向上に寄与する。

更に、前記ターンテーブルのディスク体の下部には、回転モータに伝動連結される連結回転軸が固定され、連結回転軸の内部とターンテーブルのディスク体の内部には、冷却媒体が循環して流れる流路が設けられている。ターンテーブルのディスク体及び連結回転軸に流路を設けて冷却媒体を流通させ、ディスク体を冷却し、ディスク体上にある金属溶湯の熱を奪い、霧化された金属溶湯を振り切り飛ばす過程で半固体状態にし、金属溶湯が受け手段へ振り切られた際に、金属溶湯同士が互いに融合し、直ちに凝固することができ、ワークの生産効率を高め、液状金属溶湯が受け手段で互いに溶け合って流動し大きな液滴を形成してワークの成形を阻害することを防止することができる。

更に、前記溶解システムは、カプセルの上方に設けられた密閉された箱体を含み、箱体の内部には、金属原料を収容するための坩堝が固定され、坩堝の底部には、溶融した金属原料の流れを導く導流管が連通し、導流管は、箱体を貫通して密封チャンバーの内部に突出し、前記溶解システムの排出口は、導流管の密封チャンバーの内部に位置するノズルである。溶解システムをカプセルの上方に配置して、溶解した金属溶湯の輸送を容易にする。

更に、前記導流管の外部に、金属溶湯の凝固を防止する加熱構造が設けられている。加熱構造を設けることにより、坩堝内で溶解した金属原料が再凝固して導流管が閉塞することを防止するとともに、金属溶湯の温度が急激に変化しないようにすることができる。

更に、前記箱体には、不活性ガスが流入する箱体吸気口が設けられている。吸気口を設けることで、箱体内に保護ガスを充填し、金属原料の加熱中の酸化を防止するとともに、箱体内の圧力を制御して金属溶湯の流出速度を制御することができる。

更に、前記ターンテーブルの下方には、カプセル内部に固定された収集容器が設けられ、前記導流スリーブは、収集容器の上端に固定されている。霧化した金属溶湯は、噴射スリットからしか飛び出すことができないため、ほとんどの金属溶湯は、利用されない。ターンテーブルの下方に収集容器を設置して利用されなかった金属溶湯を回収して再利用することで、原料の節約に寄与する。

本発明の遠心霧化による３Ｄ印刷方法の技術的解決手段として、金属原料を溶解して金属溶湯を形成し、金属溶湯を遠心霧化により霧化し、遠心力により霧化した金属溶湯を、回転中心を円心として円周方向へ振り切り、前記回転中心を軸心とするスリーブを設け、スリーブの筒壁上の噴射スリットにより、霧化された金属溶湯の噴射方向を決定し、噴射スリットの外部に移動可能な受け手段を設けて噴射された金属溶湯を受け、受け手段上に金属溶湯を堆積して印刷を終了する。

本発明の遠心霧化による３Ｄ印刷方法の有益な効果は以下のとおりである。金属原料が溶解された後に直接遠心霧化し霧化された金属溶湯を形成し、スリーブ上の噴射スリットの案内の下で、一定の方向に向けて噴射する。金属溶湯を受けるように受け手段の移動を制御し、受け手段上に金属溶湯を堆積してワークを形成する。印刷過程を通して金属原料を溶解した後に直接霧化し、その後、堆積して凝固し、霧化された金属溶湯の粒子が小さく、製造されるワークの内部組織をより均一かつ緻密にし、生産効率を向上させる。

また、噴射スリットから飛び出した金属溶湯の凝固速度を一定にし、受け手段への落下点を一定にするために、受け手段への金属溶湯の堆積に伴って、受け手段の噴射スリットに対する位置を調整し、金属溶湯の噴射距離を一定に保ち、製造されるワークの精度をより高くする。

更に、印刷プロセスは、真空環境又は不活性保護ガス環境下で行われる。金属原料の酸化やその他のガスによる金属原料の汚染を防止し、製造されるワークピースの品質を保証する。

図１は、本発明の遠心霧化による３Ｄ印刷装置の実施例の概略図である。図２は、図１の３次元運動プラットフォームの概略構成図である。図３は、図１の導流スリーブの斜視図である。図４は、図１の円弧状の遠心ディスクである。図５は、図１のテーパ状の遠心ディスクである。

本発明の遠心霧化による３Ｄ印刷装置は、金属原料を溶融して直接霧化し、霧化した金属溶湯をターンテーブルによって３次元運動プラットフォームの受け手段へ振り切り、受け手段の受け位置を制御してワークの成形を実現し、ワークの品質と生産効率とが向上する。

以下、本発明の遠心霧化による３Ｄ印刷装置の実施例を図面に基づいて更に説明する。

本発明の遠心霧化による３Ｄ印刷装置の実施例は、図１に示すように、カプセル３と、カプセル３の上方に設けられた溶融システムとを含む。溶解システムは、密閉された箱体を含み、箱体内に溶解炉１０が固定され、溶解炉１０の内部に坩堝１１が設けられている。溶解炉１０は、坩堝１１を加熱することができ、よって坩堝１１内に置かれた金属原料を溶融して液状の金属溶湯とする。

坩堝１１の底部には導流管１７が連通している。坩堝１１は、更にプラグ棒１２を備える。プラグ棒１２は、プラグ棒制御モータ１５に接続されたプラグ棒ホルダー１３に固定される。プラグ棒制御モータ１５の正転又は逆転により、プラグ棒１２の上又は下への移動が制御され、坩堝１１と導流管１７との連通又は隔離が制御される効果を奏する。

坩堝１１内で溶融した金属溶湯がカプセル３内に流入できるように、導流管１７の下端が箱体を貫通してカプセル３の内部に突出し、導流管のうち、カプセル３内に位置するノズルは、溶解システムの排出口を形成する。箱体には箱体吸気口１４が設けられている。箱体吸気口１４を設けて箱体内に不活性ガスを充填し、箱体内部全体を不活性ガス環境にし、金属原料の酸化を防止することができる。また、箱体内の不活性ガスの圧力を制御して箱体内の圧力を制御することにより、金属溶湯がカプセル３内に入る速度を制御することもできる。

カプセル３内には、導流管１７のノズルから流出する金属溶湯を受けるターンテーブル２０が設けられている。ターンテーブル２０は、導流管１７の直下に位置する。導流管７のノズルからターンテーブル２０のディスク面までの距離は、１０～３０ｍｍである。ターンテーブル２０の直径は、３５ｍｍ～８０ｍｍである。ターンテーブル２０の回転数調節可能範囲は、０～２４０００ｒ／ｍｉｎである。ターンテーブル２０の材質は、高回転数と高温条件の需要を満たすために、銅合金又は特殊鋼を選択できる。ターンテーブル２０の高速回転により、ディスク面に注がれた金属原料を霧化して振り切ることができる。導流管１７の直径は、４～８ｍｍであり、金属溶湯の流量を効果的に制御することができ、金属溶湯の流量過多によって金属溶湯がターンテーブル２０のディスク面へ堆積して金属溶湯の霧化が円滑に行えないという事態の発生を防止する。

導流管１７の内径が小さいため、金属溶湯が導流管１７を通過する際に導流管１７の内壁で凝固して導流管１７を閉塞することを防止するために、導流管１７の外部には、導流管１７を加熱する加熱構造が設けられ、具体的な加熱構造は、導流管予熱炉１６である。

ターンテーブル２０の下方は、連結構造を介して回転モータ４に連結されている。本実施例では、連結構造は、ターンテーブル２０のディスク体の下部に位置しディスク体２０の軸線方向に延びる連結回転軸である。回転モータ４は、カプセル３の下方に固定されている。回転モータ４は、ターンテーブル２０を高速回転させることができる。具体的な連結回転軸は、中空軸２１である。ターンテーブル２０は、高速回転によりターンテーブル２０上の金属溶湯を霧化し、そしてターンテーブルを中心に周りに振っていく。

ターンテーブル２０の内部には冷却室２０１が設けられている。冷却室２０１は、冷却媒体が流れる流動室を形成する。ターンテーブル２０の下部は、ネジによって中空軸２１に連結されている。中空軸２１の上端外周面には、ターンテーブル２０の下部に螺合する雄ねじが設けられている。ターンテーブル２０と中空軸２１とのシール性能を向上させるために、両者の連結箇所にガスケットが設けられている。中空軸２１は、中空軸２１を軸方向に貫通する回転軸給水流路を有する。回転軸給水流路は、流通部を介して流動室と連通し、外部の冷却媒体が流動室内に流入するようにする。中空軸の軸壁内には、更に、回転軸給水流路を囲み、中空軸を軸方向に貫通する回転軸排水流路が設けられている。回転軸排水流路は、流通部を介して流動室と連通し、流動室内の冷却水が流出するようにする。中空軸の中空構造及びターンテーブル内の流動室は、共に冷却媒体が循環流動する流路を形成し、冷却媒体の流動によって溶湯がターンテーブルに伝達した熱を奪い、金属溶湯のその後の凝固に寄与する。

中空軸２１が高速回転する必要があるため、中空軸２１の下端に回転継手を設置し、回転軸給水流路の下端をターンテーブル冷却給水口に接続し、回転軸排水流路をターンテーブル冷却排水口に接続し、冷却媒体の循環を保証する。

カプセル３の頂部にはカプセル抽気口１９が設けられている。カプセル抽気口１９は、カプセル外部の真空吸引装置に接続され、カプセル内に密封チャンバー２３を形成させる。カプセル３の底部には、カプセル吸気口５が設けられている。カプセル吸気口５を介してカプセル３内に不活性ガスを充填することができ、カプセル３内に入った金属溶湯が大気と接触しないようにし、従来技術による酸化と汚染の可能性を回避し、不純物の含有量も減少させる。

図４に示すように、ターンテーブル２０の頂部には円弧状凹部２００が設けられている。円弧状凹部２００の底面は、ターンテーブル２０のディスク面を形成する。円弧状凹部の半径は、円弧状凹部の深さよりも大きい。金属溶湯が霧化して振り出される際に、ディスク体の端部の傾きが大きいため、振り出された金属溶湯が噴射スリットを通過する際に大きな噴射範囲を形成することができ、大型のワークを製造することができる。

図１、図２及び図３に示すように、ターンテーブル２０の下部には、金属溶湯を収集する収集容器２２が設けられている。収集容器２２は、カプセル底壁に固着されている。中空軸２１は、底部から収集容器２２を貫通し、収集容器２２との間に軸受が装着されている。収集容器２２の上端には、ターンテーブル２０と同心に配置された導流スリーブ１８が連結されている。導流スリーブ１８は、ターンテーブル２０の周方向を遮蔽するようにターンテーブル２０の外周に嵌合されている。導流スリーブ１８には、筒壁を貫通する噴射スリット２４が設けられている。噴射スリット２４は、鉛直方向に延びる。ターンテーブル２０が高速回転する際に、噴射スリット２４に正対する霧化された金属溶湯のみが導流スリーブ１８を通過して外部へ振り切られることができる。本実施例の導流スリーブ１８には、８つの噴射スリット２４が均等に設けられ、霧化された金属溶湯を８方向に振り切ることができるようになっている。導流スリーブ１０の筒壁に遮られた金属溶湯は、収集容器２２内に流れる。収集容器２２の底部には、逆向きのテーパ筒状障壁が設けられている。テーパ筒状障壁の大端は、収集容器２２の底壁に連結されている。中空軸２１は、図１に示すように、収集容器２２内の逆テーパ状障壁内を貫通する。逆テーパ状障壁は、導流スリーブによって遮蔽された金属溶湯を収集し、金属原料の利用率を向上させる。

本実施例では、遠心霧化による３次元印刷装置は、３次元運動プラットフォームと、前記噴射スリット２４に正対して、噴射スリット２４から振り切られた霧化金属溶湯を受ける受け手段７とを更に含む。前記３次元運動プラットフォームは、前記噴射スリット２４に正対して霧化された金属溶湯の振り切り方向（すなわちターンテーブル２０の径方向）に摺動するＸ方向摺動機構６と、ターンテーブル２０の回転軸線延在方向にスライドするＺ方向スライド機構８及びＹ方向スライド機構９を含む。Ｙ方向スライド機構９は、Ｘ方向、Ｚ方向に直交する方向にスライド可能である。本実施例では、Ｘ方向スライド機構６の固定端は、カプセル底壁に固定され、Ｚ方向スライド機構８の固定端は、Ｘ方向スライド機構６の動作出力端に設けられ、Ｙ方向スライド機構９の固定端は、Ｚ方向スライド機構８の動作出力端に取り付けられている。Ｙ方向スライド機構９の動作出力端は、３次元運動プラットフォーム全体の動作出力端とされ、Ｙ形スライド機構の動作出力端に出力プラットフォーム９０を有する。受け手段７は、Ｙ方向スライド機構９の出力プラットフォーム９０に固定される。３次元運動プラットフォームは、受け手段７を運動させることができ、受け手段７の異なる位置に金属溶湯を受けさせる。具体的には、３次元運動プラットフォームに含まれるＸ形スライド機構、Ｙ方向スライド機構及びＺ方向スライド機構は、いずれもねじナット機構であるが、もちろん、他の実施形態において他の直線出力機構を採用してもよい。

Ｙ方向スライド機構９とＺ方向スライド機構８は、噴射スリット２４から振り出された金属溶湯を受け手段の異なる位置に落下させることができ、Ｘ方向スライド構造６は、噴射スリット２４と受け手段７との間の間隔を調整することができ、金属溶湯が一定の凝固速度を有し、且つ受け手段上に一定の落下点を有するようにし、ワークの品質を保証する。

噴射スリット２４が８個設けられているため、対応する３次元運動プラットフォームも８個設けられ、８個のワークを同時に加工することができ、３Ｄ印刷効率が向上する。また、制御手段により８つの３次元運動プラットフォームを個別に制御し、８つの３次元運動プラットフォームを異なる経路に従って移動させ、異なる形状のワークを形成することもできる。

本発明の遠心霧化による３Ｄ印刷装置は、使用時に、以下の手順で実施される。
（１）溶解すべき金属原料を坩堝１１に入れておき、プラグ棒１２の位置を調節することにより坩堝１１と導流管１７とを連通状態とし、カプセル３内をカプセル抽気口１９により５Ｐａまで予備真空吸引し、予備真空吸引を行った後、カプセル吸気口５を開いて少量のアルゴンガスをカプセル３内に導入し、次いで密封チャンバー２３の圧力が１ｋＰａ程度になるまで再び真空吸引する。
（２）プラグ棒１２の位置を調節して坩堝１１と導流管１７とを隔離状態にし、溶解炉１０の電源をオンにすることにより、金属原料の溶解を開始する。同時に、導流管予熱炉１６の電源を入れ、導流管１７を３００℃～６００℃に予熱する。
（３）箱体吸気口１４を開き、アルゴンガスを流して箱体を加圧し、箱体の圧力を１２０ｋＰａ～１７０ｋＰａ程度に制御して、溶融した金属原料がほぼ一定速度で導流管１７から流出できるようにする。金属原料の注入を継続的に補償することができる。
（４）溶湯の過熱度が１５０～３００℃に達すると１０～１５ｍｉｎ保温し、金属溶湯中に未溶解の合金元素又は形成可能な高温化合物が存在しないことを確保し、金属溶湯の流動性が影響を受けることを防止する。
（５）回転モータ４の電源を入れ、ターンテーブル２０を６０００～１８０００ｒ／ｍｉｎに調整し、循環水を流して冷却し、水流量を０．３～１ｔ／ｈに調整する。各３次元運動プラットフォームの運動軌跡と運動速度を設定し、各３次元運動プラットフォームの独立運動を実現し、最終的に８つの必要な部品を得ることができる。
（６）プラグ棒１２の位置を調節して坩堝１１と導流管１７とを連通状態とすることにより、金属溶湯が導流管１７から高速回転するターンテーブル２０上に注湯される。ここで導流管１７の排出口からターンテーブル２０までの距離は、２～５ｍｍであり、遠心力の作用により金属液は、微細な小液滴に霧化される。ターンテーブル２０は、金属液滴を３６０°振り切る。
（７）導流スリーブ１８の噴射スリット２４から振り出された金属溶湯が受けユニット７上に堆積し、制御システムは、予め設定された手順に従って３次元運動プラットフォームの移動を制御する。残りの金属溶湯は、リングスリーブ１８の内壁に沿ってリングスリーブ１８に連結されたテーパ状の金属収集容器２２に流れ、次に同種の金属を溶製する際に溶解室に入れて再度溶解して金属部品を製造することができる。
（８）ターンテーブル２０の回転数、金属溶湯過熱度、金属溶湯流量、冷却水流量、３次元運動プラットフォームの運動速度などのプロセスパラメータを調節することにより、異なる形状の複雑な部品を形成する。

本実施例における８つの３次元運動プラットフォームのうち、２つは、円柱形ワークを成形するために用いられる。制御システムは、３次元運動プラットフォームを１点から制御する。Ｙ方向スライド機構９及びＺ方向スライド機構８は、円を軌跡として受け手段を移動させる（円の半径が０ｍｍから１５ｍｍまで大きくなり、更に１５ｍｍから０ｍｍまで徐々に小さくなる）とともに、Ｘ方向スライド機構６を制御し、受け手段が金属溶湯を受ける距離を常に一定の値に保ち、金属溶湯の飛距離を一定に保つ。円柱の高さが５ｍｍに達すると、高さ５ｍｍ、半径１５ｍｍの円柱が２つ得られる。

２つの３次元運動プラットフォームは、等辺三角形ワークを成形するために用いられる。制御システムは、３次元運動プラットフォームを１点から制御する。Ｙ方向スライド機構９とＺ方向スライド機構８は、等辺三角形を軌跡として受け手段を運動させる（等辺三角形の辺の長さが０ｍｍから２０ｍｍまで大きくなり、更に２０ｍｍから０ｍｍまで徐々に小さくなる）とともに、Ｘ方向スライド機構６を制御し、受け手段が金属溶湯を受ける距離を常に一定の値に保ち、金属溶湯の飛距離を一定に保つ。等辺三角形の厚さが５ｍｍに達すると、厚さ５ｍｍ、辺の長さ２０ｍｍの等辺三角形ワークが２つ得られる。

２つの３次元運動プラットフォームは、正方形ワークを成形するために用いられる。制御システムは、３次元運動プラットフォームを１点から制御する。Ｙ方向スライド機構９とＺ方向スライド機構８は、正方形を軌跡として受け手段を運動させる（正方形の辺の長さが０ｍｍから２５ｍｍまで大きくなり、更に２０ｍｍから０ｍｍまで徐々に小さくなる）とともに、Ｘ方向スライド機構６を制御し、受けユニットが金属溶湯を受ける距離を常に一定の値に保ち、金属溶湯の飛距離を一定に保つ。正方形の厚さが５ｍｍに達すると、厚さ５ｍｍ、辺の長さ２０ｍｍの正方形ワークが２つ得られる。

残りの２つの３次元運動プラットフォームは、長方形ワークを形成するために用いられる。制御システムは、３次元運動プラットフォームを１点から制御する。Ｙ方向スライド機構９とＺ方向スライド機構８は、長方形を軌跡として受け手段を運動させる（長方形の長さが０ｍｍから２５ｍｍ、幅が０ｍｍから１５ｍｍに大きくなり、更に長さ２５ｍｍ、幅１５ｍｍの長方形から始点まで小さくなる）とともに、Ｘ方向スライド機構６を制御し、受け手段が金属溶湯を受ける距離を常に一定の値に保ち、金属溶湯の飛距離を一定に保つ。長方形の厚さが５ｍｍに達すると、厚さ５ｍｍ、長さ２５ｍｍ、幅１５ｍｍの長方形ワークが２個得られる。

本発明の遠心霧化による３Ｄ印刷装置の実施例は、金属原料を溶解して霧化した後、受け手段上へ振り切り、３次元運動プラットフォームの作用でワークを形成する。３次元運動プラットフォームが複数設置されているため、複数のワークを同時に生成することができ、生産効率を向上させる。制御システムの制御の下で、各３次元運動プラットフォームの運動軌跡が異なっていてもよく、異なる形状のワークを生成することができ、印刷装置のマルチモード出力を実現している。

異なる数量、異なるタイプの生産需要を満たすために、他の実施例では、１つの噴射スリットのみ、対応して１つの３次元運動プラットフォームのみを設けることも可能であり、あるいは、必要に応じて、製造すべきワークのタイプに応じて、より多くの噴射スリットを設けることも可能である。もちろん、２つ以上の噴射スリットを設ける場合には、各３次元運動プラットフォームの運動軌跡を同一にして、同一種類のワークの量産を実現することも可能である。

他の実施例では、ターンテーブルのディスク面が逆テーパ状であってもよい。図５に示すように、ターンテーブル２０の上面にテーパ状凹部２０２が設けられていると、霧化した金属溶湯が振り出される高さが低くなるが、受け手段が金属溶湯を受ける受け位置は、より容易に判断することができる。あるいは、他の実施形態では、ターンテーブルのディスク面は、平板であってもよい。

他の実施例では、導流管の外部に加熱構造を設けずに、金属溶湯の過熱度を高めることによって、導流管内での溶湯の凝固を防止することができる。

他の実施例では、箱体吸気口を設けずに、箱体に排気口を設け、溶解装置内の金属原料の溶解及び箱体内の温度上昇に伴って、箱体内のガスが箱体から排出されるようにしてもよく、箱体内のガスを減らし、金属原料の品質向上に寄与する。

他の実施例では、収集容器を設けずに、金属原料の集まり及び収集を容易にするために、カプセルの底部を逆円錐形又は傾斜した斜板としてもよい。

他の実施例では、導流スリーブは、その自体が収集容器を形成するようにカプセルの底板上に延在することもできる。

本発明の遠心霧化による３Ｄ印刷方法の実施例では、金属原料を溶融して金属溶湯を形成し、金属溶湯を遠心霧化により霧化し、遠心力によって霧化した金属溶湯を、回転中心を円心として円周方向へ振り切り、回転中心を円心とするスリーブを設け、スリーブ筒壁上の噴射スリットにより、霧化された金属溶湯の噴射方向を決定し、噴射スリットの外部に移動可能な受け手段を設けて噴射された金属溶湯を受け、受け手段上に金属溶湯を堆積して印刷を終了する。この方法を実施する３Ｄ印刷装置は、上述した遠心霧化による３Ｄ印刷装置の実施例における３Ｄ印刷装置と同様の構成であるため、ここでは説明を省略する。

金属原料が溶解された後に直接遠心霧化して霧化した金属溶湯を形成し、噴射スリットに案内されて一定の方向に向けて噴射し、受け手段の移動を制御して金属溶湯を受け、受け手段に溶湯を堆積してワークを形成する。印刷中に金属原料を溶解させて直接霧化した後、堆積して凝固し、霧化された金属溶湯の粒が小さく、製造されるワークの内部組織をより均一かつ緻密にし、製造されるワークの品質を向上させる。

印刷プロセス全体は、真空環境で行われ、金属原料の酸化やその他のガスによる金属原料の汚染を防止し、製造されるワークの品質を保証する。他の実施例では、印刷プロセス全体を不活性保護ガス環境下で行うこともできる。

［付記］
［付記１］
溶解システム、カプセル、ターンテーブル、導流スリーブ、３次元運動プラットフォーム、受け手段及び制御手段を含み、
溶解システムは、金属原料を溶融状態に加熱するためのものであり、
カプセルは、溶解システムの排出口と連通し、カプセルの内部が密封チャンバーであり、
ターンテーブルは、密封チャンバー内に設けられ、溶解システムの排出口の直下に位置し、溶解システムによって密封チャンバー内に入った金属溶湯を受け止めるためのものであり、ターンテーブルは、回転時に、ターンテーブルのディスク体に落下する金属溶湯を霧化して周方向へ振り切ることができ、
導流スリーブは、密封チャンバーの内部に固定され、ターンテーブルの外周に嵌合されてターンテーブルの周方向を遮蔽し、導流スリーブには、霧化された金属溶湯が振り出されるように導流スリーブの筒壁を貫通する少なくとも１つの噴射スリットが設けられ、
３次元運動プラットフォームは、密封チャンバー内に位置する動作出力端を有し、更に動作出力端の移動を駆動する駆動部材を有し、
受け手段は、３次元運動プラットフォームの動作出力端に固定され、噴射スリットから噴射された霧化された金属溶湯を受けるためのものであり、
制御手段は、３次元運動プラットフォームに制御接続され、噴射スリットから噴射された霧化された金属溶湯を受け手段の異なる位置で受けるように３次元運動プラットフォームの移動を制御する、ことを特徴とする遠心霧化による３Ｄ印刷装置。

［付記２］
スリットは、周方向に２つ以上設けられている、ことを特徴とする付記１に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷装置。

［付記３］
前記ターンテーブルのディスク体の下部には、回転モータに伝動連結される連結回転軸が固定され、連結回転軸の内部とターンテーブルのディスク体の内部には、冷却媒体が循環して流れる流路が設けられている、ことを特徴とする付記１に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷装置。

［付記４］
前記溶解システムは、カプセルの上方に設けられた密閉された箱体を含み、箱体の内部には、金属原料を収容するための坩堝が固定され、坩堝の底部には、溶融した金属原料の流れを導く導流管が連通し、導流管は、箱体を貫通して密封チャンバーの内部に突出し、前記溶解システムの排出口は、導流管の密封チャンバーの内部に位置するノズルである、ことを特徴とする付記１又は２又は３に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷装置。

［付記５］
前記導流管の外部に、金属溶湯の凝固を防止する加熱構造が設けられている、ことを特徴とする付記４に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷装置。

［付記６］
前記箱体には、不活性ガスが流入する箱体吸気口が設けられている、ことを特徴とする付記４に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷装置。

［付記７］
前記ターンテーブルの下方には、カプセル内部に固定された収集容器が設けられ、前記導流スリーブは、収集容器の上端に固定されている、ことを特徴とする付記１又は２又は３に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷装置。

［付記８］
金属原料を溶解して金属溶湯を形成し、金属溶湯を遠心霧化により霧化し、遠心力により霧化した金属溶湯を、回転中心を円心として円周方向へ振り切り、前記回転中心を軸心とするスリーブを設け、スリーブの筒壁上の噴射スリットにより、霧化された金属溶湯の噴射方向を決定し、噴射スリットの外部に移動可能な受け手段を設けて噴射された溶湯を受け、受け手段上に金属溶湯を堆積して印刷を終了する、ことを特徴とする遠心霧化による３Ｄ印刷方法。

［付記９］
受け手段上の溶湯の堆積に伴って、金属溶湯の噴射距離を一定に保つように噴射スリットに対する受け手段の位置を調整する、ことを特徴とする付記８に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷方法。

［付記１０］
印刷プロセスが真空環境又は不活性保護ガス環境下で行われる、ことを特徴とする付記８又は９に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷方法。

１－ターンテーブル給水口、２－ターンテーブル排水口、３－カプセル、４－回転モータ、５－カプセル吸気口、６－Ｘ方向スライド機構、７－受け手段、８－Ｚ方向スライド機構、９－Ｙ方向スライド機構、９０－出力プラットフォーム、１０－溶解炉、１１－坩堝、１２－プラグ棒、１３－プラグ棒ホルダー、１４－箱体吸気口、１５－プラグ棒制御モータ、１６－導流管予熱炉、１７－導流管、１８－導流スリーブ、１９－カプセル抽気口、２０－ターンテーブル、２１－中空軸、２２－収集容器、２３－密封チャンバー、２４－噴射スリット、２００－円弧状凹部、２０１－冷却室、２０２－テーパ状凹部

２つの３次元運動プラットフォームは、正方形ワークを成形するために用いられる。制御システムは、３次元運動プラットフォームを１点から制御する。Ｙ方向スライド機構９とＺ方向スライド機構８は、正方形を軌跡として受け手段を運動させる（正方形の辺の長さが０ｍｍから２０ｍｍまで大きくなり、更に２０ｍｍから０ｍｍまで徐々に小さくなる）とともに、Ｘ方向スライド機構６を制御し、受けユニットが金属溶湯を受ける距離を常に一定の値に保ち、金属溶湯の飛距離を一定に保つ。正方形の厚さが５ｍｍに達すると、厚さ５ｍｍ、辺の長さ２０ｍｍの正方形ワークが２つ得られる。

Claims

溶解システム、カプセル、ターンテーブル、導流スリーブ、３次元運動プラットフォーム、受け手段及び制御手段を含み、
溶解システムは、金属原料を溶融状態に加熱するためのものであり、
カプセルは、溶解システムの排出口と連通し、カプセルの内部が密封チャンバーであり、
ターンテーブルは、密封チャンバー内に設けられ、溶解システムの排出口の直下に位置し、溶解システムによって密封チャンバー内に入った金属溶湯を受け止めるためのものであり、ターンテーブルは、回転時に、ターンテーブルのディスク体に落下する金属溶湯を霧化して周方向へ振り切ることができ、
導流スリーブは、密封チャンバーの内部に固定され、ターンテーブルの外周に嵌合されてターンテーブルの周方向を遮蔽し、導流スリーブには、霧化された金属溶湯が振り出されるように導流スリーブの筒壁を貫通する少なくとも１つの噴射スリットが設けられ、
３次元運動プラットフォームは、密封チャンバー内に位置する動作出力端を有し、更に動作出力端の移動を駆動する駆動部材を有し、
受け手段は、３次元運動プラットフォームの動作出力端に固定され、噴射スリットから噴射された霧化された金属溶湯を受けるためのものであり、
制御手段は、３次元運動プラットフォームに制御接続され、噴射スリットから噴射された霧化された金属溶湯を受け手段の異なる位置で受けるように３次元運動プラットフォームの移動を制御する、ことを特徴とする遠心霧化による３Ｄ印刷装置。
スリットは、周方向に２つ以上設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷装置。
前記ターンテーブルのディスク体の下部には、回転モータに伝動連結される連結回転軸が固定され、連結回転軸の内部とターンテーブルのディスク体の内部には、冷却媒体が循環して流れる流路が設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷装置。
前記溶解システムは、カプセルの上方に設けられた密閉された箱体を含み、箱体の内部には、金属原料を収容するための坩堝が固定され、坩堝の底部には、溶融した金属原料の流れを導く導流管が連通し、導流管は、箱体を貫通して密封チャンバーの内部に突出し、前記溶解システムの排出口は、導流管の密封チャンバーの内部に位置するノズルである、ことを特徴とする請求項１又は２又は３に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷装置。
前記導流管の外部に、金属溶湯の凝固を防止する加熱構造が設けられている、ことを特徴とする請求項４に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷装置。
前記箱体には、不活性ガスが流入する箱体吸気口が設けられている、ことを特徴とする請求項４に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷装置。
前記ターンテーブルの下方には、カプセル内部に固定された収集容器が設けられ、前記導流スリーブは、収集容器の上端に固定されている、ことを特徴とする請求項１又は２又は３に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷装置。
金属原料を溶解して金属溶湯を形成し、金属溶湯を遠心霧化により霧化し、遠心力により霧化した金属溶湯を、回転中心を円心として円周方向へ振り切り、前記回転中心を軸心とするスリーブを設け、スリーブの筒壁上の噴射スリットにより、霧化された金属溶湯の噴射方向を決定し、噴射スリットの外部に移動可能な受け手段を設けて噴射された溶湯を受け、受け手段上に金属溶湯を堆積して印刷を終了する、ことを特徴とする遠心霧化による３Ｄ印刷方法。
受け手段上の溶湯の堆積に伴って、金属溶湯の噴射距離を一定に保つように噴射スリットに対する受け手段の位置を調整する、ことを特徴とする請求項８に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷方法。
印刷プロセスが真空環境又は不活性保護ガス環境下で行われる、ことを特徴とする請求項８又は９に記載の遠心霧化による３Ｄ印刷方法。