JP4141379B2

JP4141379B2 - 三次元物体の造形方法および造形装置

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Publication number: JP4141379B2
Application number: JP2003414013A
Authority: JP
Inventors: 国男宮脇; 襄介河内; 和良國塩; 和之砂山; 幸男斉藤; 祐司松本
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2023-12-12
Also published as: JP2005169878A

Description

本発明は、三次元物体の造形方法および造形装置に関するものである。

従来、例えば三次元物体のプロトタイプ（試作品）を製作（造形）する場合、三次元物体における所定高さごと（所定間隔おき）の断面形状に応じて、当該所定高さに等しい所定厚さでもって堆積された熱溶融性の粉末材料にレーザ光線を照射して焼結させる工程を、物体の全高に亘って行うようにしたものがある（特許文献１参照）。

ところで、この種の製造装置は、図３に示すように、四方の鉛直壁部５１により形成された造形用空間部５２内に、昇降テーブル５３を昇降自在に配置するとともに、この昇降テーブル５３上に、熱溶融性の粉末材料Ｂを所定厚さでもって堆積させ、この堆積された粉末堆積層に、三次元物体の所定高さにおける断面形状の範囲内でレーザ光線を照射して焼結させるようにしたものである。勿論、上記昇降テーブル５３は所定高さごとに下降されるように構成されるとともに、造形用空間部５２内への粉末材料の供給については、所定方向で往復移動自在にされたリコータ５４に設けられた前後一対のスクレーパ５５間から供給され、そして当該スクレーパ５５を移動させることにより、スクレーパ５５の下面と昇降テーブル５３との間の隙間に所定厚さの粉末堆積層を得るようにしていた。
特開２００３−２４５９８１号公報

しかし、上述した製造装置の構成によると、水平方向で往復移動されるスクレーパ５５により、造形用空間部５２内に所定高さでもって粉末材料Ｂを堆積させるようにしているが、当該粉末材料が流動性のよいものについては、均一に且つ綺麗に堆積させることができるが、粉末材料の材質と粉末形状によっては、粒径が小さく（例えば、２０μｍ以下）なると流動性が悪くなるものがあり、この場合、粉末材料同士が引っ掛かったり、またはスクレーパに付着して、均一で且つ綺麗な堆積表面が得られないという問題があった。

そこで、本発明は、粉末材料が、その粒径が小さくなると流動性が悪くなるようなものである場合でも、均一に且つ綺麗な堆積表面が得られる三次元物体の造形方法および造形装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る三次元物体の造形方法は、三次元物体における所定間隔おきの断面形状に応じて、所定厚さでもって堆積された熱溶融性の粉末材料にレーザ光線を照射して焼結させる工程を、物体の全高に亘って行うことにより三次元物体を造形する際に、
粉末材料の載置面上に、当該粉末材料を吹き出すことにより所定厚さの粉末堆積層を形成する方法である。

また、本発明に係る三次元物体の造形装置は、三次元物体における所定間隔おきの断面形状に応じて、所定厚さでもって堆積された熱溶融性の粉末材料にレーザ光線を照射して焼結させる工程を、物体の全高に亘って行うことにより三次元物体を造形する装置であって、
造形用空間部内に昇降自在に配置された昇降体と、造形用空間部の上方位置で所定方向に往復移動自在に設けられた移動体と、この移動体に配置されて粉末材料を上記造形用空間部内に吹き出す粉末吹付具と、この粉末吹付具に粉末材料を供給するための粉末材料供給装置と、上記粉末吹付具から吹き出されて層状に堆積された粉末堆積層に三次元物体の断面形状に応じてレーザ光線を照射するレーザ光照射器とから構成したものである。

上記三次元物体の造形方法および造形装置の構成によると、三次元物体における所定間隔６おきに応じて粉末材料を堆積させるとともに、この粉末堆積層における上記三次元物体の断面形状と同じ範囲を焼結させる作業を、物体の全高に亘って行うことにより製品を製作する際に、上記粉末堆積層を粉末材料を吹き付けることにより得るようにしたので、例えばスクレーパを用いて所定間隔に等しい所定高さとなるようにその表面を均すものとは異なり、粉末材料の流動性が悪いものであっても、その載置面上に均一に且つ綺麗に配置することができ、したがって三次元物体と同一形状の製品を精度良く得ることができるとともに、綺麗な仕上がり表面が得られる。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態に係る三次元物体の造形方法および造形装置を、図１および図２に基づき説明する。

本実施の形態においては、三次元物体のＣＡＤデータを用いて、同一形状の三次元物体［以下、製品（プロトタイプであってもよい）ともいう］を製作（造形）する場合について説明するとともに、その製作に際しては、三次元物体における所定間隔おきの、すなわち所定高さ（以下、所定厚さともいう）ごとの断面形状（三次元物体の層ごとのスライス部分のデータである）と一致するように、所定の載置面上に堆積された合成樹脂などの粉末材料（プラスチック粉末で、具体的には、ナイロン粉末が用いられる）を焼結（溶融固化）させて、三次元物体のスライス部分を成形し、この焼結により得られたスライス部分（堆積部分）を積み重ねていくことにより、製品を得るようにしたものである。なお、粉末材料の平均粒径は、例えば２０μｍ程度のものが使用されるとともに、所定高さ（層厚）については、粉末が上下に２個積み重ねられる４０μｍ程度とされる（勿論、４０μｍよりも厚くてもよい）。なお、焼結により積層するという意味で、粉末焼結積層法ともいう。

まず、三次元物体の造形装置について説明する。
この造形装置は、図１に示すように、四方に配置された鉛直壁部１により水平断面形状が矩形状にされるとともに所定深さにされてなる三次元物体と同一形状の製品Ａを成形するための造形用空間部２が設けられた装置本体３と、上記造形用空間部２内に昇降用ガイド部材（例えば、ガイド棒と当該ガイド棒を案内するガイド筒とから構成されている）４を介して昇降可能に配置されるとともに上面（載置面）に造形用の粉末材料Ｂが所定厚さでもって堆積（載置）される昇降板体（昇降体の一例であり、プラットフォームともいう）５と、この昇降板体５の下面に連結されて当該昇降板体５を所定高さずつでもって上昇させ得る昇降用駆動手段（例えば、ボールねじ機構が用いられたもの）６と、造形用空間部２の周囲における装置本体３の上壁部３ａの表面に沿って所定方向（矢印ａ，ｂにて示すとともに、以下、前後方向ともいう）で案内部材（例えば、左右一対のガイドレールにより構成されている）７にローラなどを介して（リニアガイド機構を用いてもよい）往復移動自在に設けられた移動体８と、この移動体８を前後方向で移動させる移動用駆動手段９と、上記移動体８に設けられて粉末材料を所定量ずつ造形用空間部２内の昇降板体５上に吹き出す粉末吹付具１０と、この粉末吹付具１０に粉末材料を供給する粉末材料供給手段１１と、上記造形用空間部２の上方に配置されて昇降板体５上にレーザ光線を照射するレーザ光照射器１２と、造形用空間部２の前後位置の装置本体３側に設けられて上壁部３ａ上に散らばった粉末材料を図示しないスクレーパなどにより回収するための回収容器１３と、上記造形用空間部２を構成する鉛直壁部１の周囲に配置された保温用ヒータ１４と、上記レーザ光照射器１２と粉末吹付具１０との間で且つ造形用空間部２の周縁部に対応する四方位置に配置された加熱用ヒータ（例えば、電熱線が用いられている）１５と、造形用空間部２の上方に配置されて当該造形用空間部２における焼結面の温度を計測する温度計測器（例えば、赤外線放射温度計が用いられる）１６とから構成されている。

上記粉末吹付具１０としては、エアを用いて所定範囲に亘って粉末材料を吹き出すようにした吹出ノズルが用いられる。なお、吹き出し範囲が左右に広い場合には、当該粉末吹付具（以下、吹出ノズルという）１０は、前後方向と直交する左右方向で横行自在に設けられるか、または左右方向で首を振ることができるように揺動自在に構成される。勿論、吹出ノズル１０が横行自在にまたは揺動自在に設けられる場合は、横行体および横行駆動用モータ、または揺動機構および揺動駆動用モータが具備される。

また、粉末材料供給手段１１としては、粉末材料Ｂの貯留容器２１と、この貯留容器２１内の粉末材料を取り出すとともに上記吹出ノズル１０に供給する粉末供給管２２と、この粉末供給管２２の途中に介装されて当該粉末供給管２２内に圧縮空気を供給して上記吹出ノズル１０から粉末材料を吹き出すための圧縮空気供給機（図示せず）とから構成されている。

また、上記レーザ光照射器１２は、照射器本体３１内に配置されたレーザ発振器３２と、照射器本体３１のレーザ照射開口部に配置されてレーザ発振器３２より放出されたレーザ光を焼結面上の任意の位置に位置決めするためのガルバノミラーユニット３３と、このガルバノミラーユニット３３からのレーザ光を、焼結面で高温に達するようにスポットに絞るための対物レンズとしてのｆ−θレンズ３４と、このレンズ３４の表面にＮ_２ガスなどの気体を吹き付けて、レンズに焼結時に発生する煙などによる曇りが発生しないようにするための気体噴射用ノズル３５とから構成されている。

さらに、上記移動用駆動手段９は、造形用空間部２の左右にて、それぞれ前後に設けられたスプロケット４１，４１同士間に無端状に巻回された無端帯状体（例えば、チェーン部材）４２と、上記前後いずれか一方の左右一対のスプロケット４１を回転させる回転駆動機（図示しないが、例えば電動機が用いられる）とから構成されており、上記無端帯状体４２に移動体８が連結材（図示せず）を介して連結されている。

なお、上述したｆ−θレンズ３４は、レンズの理想像高ｙが、ｙ＝ｆ×θ（但し、ｆは焦点距離、θは画角を表す）となるようにわざと像歪を出して、等角速度運動を等速度運動に変換するためのものである（なお、通常のレンズの理想像高ｙは、焦点距離ｆと画角θとにより、ｙ＝ｆ×tanθで表される）。

次に、上記造形装置により製品を製作する動作について説明する。
この製作に際しては、上述したように、三次元物体における所定高さ（所定間隔および所定厚さに相当する）ごとのＣＡＤデータ（スライス部分の断面形状データ）を用いて所定厚さのスライス部分を順次焼結し、これらを積み重ねることにより製品を得るようにしている。

製作の開始に際しては、貯留容器２１内には、少なくとも、１個の製品を形成するのに必要な粉末材料Ｂが貯留されるとともに、保温用ヒータ１４および加熱用ヒータ１５が作動されている。

まず、図２（ａ）に示すように、造形用空間部２内の昇降板体５を、その上面（載置面）と装置本体３の上壁部３ａ表面との高さｈが上述した所定高さ（スライス部分の一層分）となるように上昇させる。

次に、移動体８を矢印方向ａに移動させるとともに、粉末吹付具１０から粉末材料Ｂを昇降板体５の表面に吹き出し、造形用空間部２の上面まで一杯となるように、すなわち所定高さ（スライス一層分の厚み）ｈとなるよう、粉末材料の堆積層Ｃ１を形成する。

この堆積層Ｃ１が形成されると、レーザ光照射器１２により、三次元物体の所定高さにおける断面形状（断面積）の範囲にレーザ光線が照射されて焼結が行われる。
一層分の焼結が済むと、図２（ｂ）に示すように、昇降用駆動手段６により昇降板体５がさらに所定高さｈだけ下降される。

次に、粉末吹付具１０が矢印ｂにて示すように逆方向に移動される（勿論、一層目と同様に、元の位置に戻り矢印方向ａに移動させることもできる）とともに粉末材料が一層分だけ吹き出されて、二層目の堆積層Ｃ２が形成される。

この二層目の堆積層Ｃ２が形成されると、レーザ光照射器１２により、三次元物体における次の所定高さに相当する断面形状の範囲に、レーザ光線が照射されて焼結が行われる。

勿論、その製作時においては、加熱用ヒータ１５により焼結面の温度が粉末材料の融点付近まで加熱されて、焼結部分とその周囲との温度差に起因して変形が生じるのが防止されている。なお、温度計測器１６からの検出温度に基づき、加熱用ヒータ１５が制御されている。

また、保温用ヒータ１４により、成形された製品の下部がある程度の高温に保たれて、上部の成形中部分との収縮量の差が抑えられるとともに、加熱用ヒータ１５からの熱が逃げるのを防止している。

このように、三次元物体の一層分ごとの断面形状に相当する範囲における粉末材料を焼結する作業を物体の全高に亘って行うことにより、三次元物体と同一形状の製品を製作（造形）することができる。

上述したように、三次元物体における所定高さごとに応じて粉末材料を堆積させるとともに、この粉末堆積層における上記三次元物体の断面形状（断面積）と同じ範囲を焼結させる作業を、物体の全高に亘って行うことにより製品を製作する際に、上記粉末堆積層を、粉末材料を吹き付けることにより得るようにしたので、例えばスクレーパを用いて所定高さとなるようにその表面を均すものとは異なり、粉末材料の流動性が悪いものであっても、焼結用の載置面（焼結面）上に均一に且つ綺麗に配置することができ、したがって三次元物体と同一形状の製品を精度良く得ることができるとともに、綺麗な仕上がり面が得られる。

本発明の実施の形態に係る三次元物体の造形装置の概略構成を示す断面図である。同三次元物体の造形方法の手順を説明する断面図である。従来の三次元物体の製造装置の概略構成を示す要部断面図である。

符号の説明

Ａ製品
Ｂ粉末材料
１鉛直壁部
２造形用空間部
３装置本体
４昇降用ガイド部材
５昇降板体
６昇降用駆動手段
８移動体
９移動用駆動手段
１０粉末吹付具
１１粉末材料供給手段
１２レーザ光照射器

Claims

三次元物体における所定間隔おきの断面形状に応じて、所定厚さでもって堆積された熱溶融性の粉末材料にレーザ光線を照射して焼結させる工程を、物体の全高に亘って行うことにより三次元物体を造形する際に、
粉末材料の載置面上に、当該粉末材料を吹き出すことにより所定厚さの粉末堆積層を形成することを特徴とする三次元物体の造形方法。
三次元物体における所定間隔おきの断面形状に応じて、所定厚さでもって堆積された熱溶融性の粉末材料にレーザ光線を照射して焼結させる工程を、物体の全高に亘って行うことにより三次元物体を造形する装置であって、
造形用空間部内に昇降自在に配置された昇降体と、造形用空間部の上方位置で所定方向に往復移動自在に設けられた移動体と、この移動体に配置されて粉末材料を上記造形用空間部内に吹き出す粉末吹付具と、この粉末吹付具に粉末材料を供給するための粉末材料供給装置と、上記粉末吹付具から吹き出されて層状に堆積された粉末堆積層に三次元物体の断面形状に応じてレーザ光線を照射するレーザ光照射器とから構成したことを特徴とする三次元物体の造形装置。