JP4566286B1 - 三次元造形製品の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元造形製品の製造装置において、基板を載置しているヒーティング装置又はクーリング装置の熱伝導により、散逸を減少することができる構成を提供すること。
【解決手段】造形タンク１内にて、テーブル２及び基板３上において粉末１２を順次焼結する三次元造形製品の製造装置において、前記テーブル２に対し上下方向の空隙を形成するか、又は当該空隙を形成したうえで当該形成領域に断熱材を充填した状態にて、前記焼結層を支える基板３を載置しているヒーティング装置又はクーリング装置８を固着し、前記課題を達成している三次元造形製品の製造装置。
【選択図】図５

Description

本発明は、上下方向に移動可能なテーブル上に積載した金属又は非金属による粉末に対し、各層毎に、電磁波を照射することによって焼結させながら積層し、所定の三次元造形製品を製作する三次元造形製品製造装置に関するものである。

金属又は非金属粉末をレーザー光線などの電磁波又は電子線の放射に基づく焼結によって三次元造形製品を成形する技術分野においては、色々な構成が提案されているが、何れの場合においても、
（ａ）粉末の落下に伴う撒布及び撒布された粉末の上側表面又はその近傍を摺動する平坦化工程、
（ｂ）造形領域に対するレーザー光線などの電磁波又は電子線を照射することによって、当該照射領域を焼結する工程、
（ｃ）前記（ｂ）の焼結が行われた端部及び上面を回転工具によって切削しながら端部及び上面の成形を行う工程、
を不可欠としており、前記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を繰り返すことによって最終的に必要な三次元形状を成形することになる。

特定の粉末層について前記（ｃ）の工程を終了した場合には、造形対象物及びその周囲に位置している粉末の高さ位置の１層分だけ低下させ、次の粉末層につき、前記（ａ）の工程に戻ることになる。

このため粉末を積載しているテーブルは上下方向に移動可能な状態に設置されている。

最も低いレベル位置にある粉末層を直接テーブル上面に接触させた場合には、当該粉末層が前記（ｂ）の焼結工程において、テーブル上面に接着し、造形が終了した対象物をテーブルから円滑に取り出すことができない。

このような状況に対処するため、特許文献１においては、通常テーブル（特許文献１においては「支持手段２」と表現されている。）の面上に粉末が焼結によって固化した際、当該粉末と接着可能な素材を選択した基板を設置する構成が採用されている。

作業現場においては、前記（ｂ）の焼結を適切な温度とするために、大抵の場合、前記基板の下側に密着した状態にて、ヒーティング装置又はクーリング装置を設置しており、特許文献１の実施形態においては、クーリングパイプ（冷却導管）によるクーリング装置が採用されている。

通常、既存の造形部分が前記（ａ）の平坦化装置の移動の影響を受けることから、当該造形部分も上記移動方向に移動しようとすることを阻止するため、前記基板及びヒーティング装置又はクーリング装置がテーブル面上に安定した状態を維持することを必要とする。

このような必要性を反映して、従来技術においては、ヒーティング装置又はクーリング装置は、特許文献１の場合のようにテーブルと一体化するか又はテーブルの下側面に固着されている。

しかしながら、このような従来技術の場合においては、ヒーティングの場合には、基板の側の熱エネルギーが伝達しヒーティング効率を低下させる一方、クーリングの場合には、テーブルをも冷却するという余分な冷却が行われることに帰し、クーリング効率をも低下させることにならざるを得ない。

特許第４０５４０７５号公報

本発明は、各粉末層のうち焼結の対象領域とされている部位と、テーブルの間に基板を介在させている三次元造形製品の製造装置において、基板を載置しているヒーティング装置におけるヒーティング効率の低下、及びクーリング装置におけるクーリング効率の低下を防止し得る三次元造形製品の製造装置の構成を提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
（１）造形タンク内にて上下方向に移動可能なテーブルの上側に位置し、かつ上側に隣接している粉末が焼結によって固化した際、当該粉末と接着し得る素材を少なくとも表面部分にて有している基板及び前記テーブルの上側にて金属又は非金属の粉末を撒布し、かつ当該撒布された粉末の上側表面を平坦化したうえで、最上位に位置している造形対象となる領域に、電磁波又は電子線を所定の厚さの層に沿って照射することによって焼結層を形成した後、当該焼結が行われた端部及び上面に対する切削によって成形を行う工程を順次反復している三次元造形製品の製造装置において、ヒーティング装置を構成するヒーティングパイプ又はクーリング装置を構成するクーリングパイプを下方から支えている基台に対し、下方において脚部を介してテーブルの上部に固着するか、又は側方においてテーブルの上側に立設した枠体又は支持杆に固着することによって、前記テーブルに対し上下方向の空隙を形成するか、又は当該空隙を形成したうえで当該形成領域に断熱材を充填した状態にて、前記焼結層を支える基板を載置している三次元造形製品の製造装置、
（２）造形タンク内にて上下方向に移動可能なテーブルの上側に位置し、かつ上側に隣接している粉末が焼結によって固化した際、当該粉末と接着し得る素材を少なくとも表面部分にて有している基板及び前記テーブルの上側にて金属又は非金属の粉末を撒布し、かつ当該撒布された粉末の上側表面を平坦化したうえで、最上位に位置している造形対象となる領域に、電磁波又は電子線を所定の厚さの層に沿って照射することによって焼結層を形成した後、当該焼結が行われた端部及び上面に対する切削によって成形を行う工程を順次反復している三次元造形製品の製造装置において、ヒーティング装置を構成するヒーティングパイプ又はクーリング装置を構成するクーリングパイプを把持している複数本の支柱を下方に延設してテーブルの上部に固着するか、又は当該支柱を側方に延設してテーブルから上側方向に立設した枠体又は支持杆に固着することによって、前記テーブルに対し上下方向の空隙を形成するか、又は当該空隙を形成したうえで当該形成領域に断熱材を充填した状態にて、前記焼結層を支える基板を載置している三次元造形製品の製造装置
からなる。

前記基本構成（１）及び同（２）に基づき、本発明においては、ヒーティング装置又はクーリング装置とテーブルとの間に上下方向の空間が形成されることによって、余分なヒーティング及び余分なクーリングを避けることができ、ひいては効率的なヒーティング及び効率的なクーリングが可能となる。

更には、特許文献１の構成の場合には、必然的にテーブルを平坦面とすることを必要としたのに対し、前記基本構成の場合には、実施例３及び同４において後述するように、テーブル面において傾斜状態を形成することによって、焼結の対象に至らなかった粉末を容易に排出し得るような構成を採用することも可能となる。

実施例１の構成を説明しており、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側断面図である。 実施例２の構成を説明しており、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側断面図である。 実施例３におけるテーブルの構成を示す鉛直方向断面図である（尚、ヒーティング装置又はクーリング装置及びこれらの装置とテーブルとの接続を行うための脚部、支柱、枠体又は支持杆等の図示は省略されている。）。 実施例４におけるテーブルの構成を示す鉛直方向断面図である（尚、ヒーティング装置又はクーリング装置及びこれらの装置とテーブルとの接続を行うための脚部、支柱、枠体又は支持杆等の図示は省略されている。）。 前記基本構成（１）につき、基台に対し下方において脚部を介してテーブルの上部に固着する実施形態を説明しており、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側断面図である。 前記基本構成（１）のうち、基台に対し側方において枠体又は支持杆に固着する実施形態を説明しており、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側断面図である。 前記基本構成（２）のうち、ヒーティングパイプ又はクーリングパイプを把持している支柱を下方に延設してテーブルの上部に固着している実施形態を示しており、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側断面図である。 前記基本構成（２）のうち、ヒーティングパイプ又はクーリングパイプを把持している支柱を側方に延設して枠体又は支持杆に固着している実施形態を示しており、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側断面図である。 ヒーティング装置又はクーリング装置をテーブルの一部領域の上側に設置するような実施形態を示す平面図である。

本発明は、前記基本構成（１）及び同（２）のように、三次元造形製品製造装置において、基板３を載置しているヒーティング装置又はクーリング装置８（以下Ｈｅａｔｉｎｇ、又はＣｏｏｌｉｎｇの頭文字によって「ＨＣ装置８」と略称する。）をテーブル２から上下方向に空隙が形成されるように設けるか、又は当該空隙形成領域に断熱材を充填することによって、前記効果を発揮することに基本的技術思想が存在する。

そして前記基本構成（１）は、ヒーティングパイプ又はクーリングパイプ８０（以下Ｈｅａｔｉｎｇ、又はＣｏｏｌｉｎｇの頭文字によって「ＨＣパイプ８０」と略称する。）を一体となって支持している基台９１を、テーブル２に対し、下方又は側方において固定しており、前記基本構成（２）は、ＨＣパイプ８０を基台９１によって支持せずにＨＣパイプ８０を把持している支柱４を延設して下方又は側方において固着している。

前記基本構成（１）においては、基台９１に対し、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、下方において脚部５を介してテーブル２の上部に固着するか、又は図６（ａ）、（ｂ）に示すように、側方においてテーブル２の上側から立設された枠体又は支持杆７に固着しており、これらの固着状態によって、ＨＣ装置８の基台９１の下方面とテーブル２の上方面との間には、上下方向に所定の距離による空隙が形成されているか、又は当該空隙を形成したうえで当該形成領域に断熱材が充填されている。
尚、前記基本構成（１）において、テーブル２に対し安定した状態にてＨＣ装置８を固着するためには、図５（ａ）、（ｂ）のような固着に関与する脚部５及び図６（ａ）、（ｂ）の固着に関与する枠体又は支持杆７については、テーブル２及び基台９１の周囲を囲む状態である場合には当然１個設けることになり、矩形状のテーブル２及び基台９１の両側の辺に跨る場合には２個設けることになるが、これらのような特別の場合以外には少なくとも３個以上設けることを必要とする。

図６（ａ）、（ｂ）の実施形態における枠体と支持杆７との峻別は、技術常識に従って水平方向断面積がテーブル２の断面積に比し桁違いであるか否か、即ち１／１０以上であるか否かによって峻別されており、水平方向断面積がテーブル２の断面積に比し、１／１０以上の場合には枠体７に該当し、１／１０未満の場合には支持杆７に該当しており、かつこの点は以下の説明においても全く同様である。

テーブル２との間の熱伝導を阻止し、かつ効率的なヒーティング及びクーリングを実現するためには、テーブル２と基台９１との上下方向の距離が１５ｍｍ以上であることを好ましい。

前記基本構成（１）の場合には、通常、図５（ａ）、（ｂ）及び図６（ａ）、（ｂ）に示すように、基台９１がＨＣパイプ８０の上側をも被覆した状態としたうえで、基板３を当該基台９１の上側に固着していることを特徴とする実施形態、即ち基台９１がＨＣパイプ８０を埋め込んだ構成を採用する場合が多い。

前記基本構成（１）の場合には、基台９１との間において、テーブル２との固着及び基板３の安定した載置を容易に実現し得るという技術的特徴の長所を有している。

前記基本構成（２）のにおいては、ＨＣパイプ８０を把持している支柱４を図７（ａ）、（ｂ）に示すように、下方に延設してテーブル２の上側に固着するか、又は図８（ａ）、（ｂ）に示すように、当該支柱４を側方に延設してテーブル２から上側方向に立設されている枠体又は支持杆７に固着している。
尚、前記基本構成（２）において、ＨＣパイプ８０をテーブル２に対し安定した状態にて固着するためには、図７（ａ）、（ｂ）のような下方に延設する支柱４及び図８（ａ）、（ｂ）の側方に延設する支柱４をそれぞれ３本以上設けることを必要としている。

前記基本構成（２）においても、効率的なヒーティング及びクーリングを実現するためには、ＨＣパイプ８０の下端部とテーブル２との間隔が１５ｍｍ以上であることが好ましい。

前記基本構成（２）の場合には、通常図７（ａ）、（ｂ）及び図８（ａ）、（ｂ）に示すように、ＨＣパイプ８０の上側部分及び支柱４の前記各パイプ８０に対する把持部分の上側部分を被覆する上側板９２を設けたうえで、基板３を当該上側板９２の上側に固着する構成、即ちＨＣパイプ８０の上側をカバーし、そのようなカバーとなっている上側板９２に基板３を固着する構成を採用することができる。

前記基本構成（２）の場合には、ＨＣ装置８の設置が簡便である点において技術上の長所を有している。

図５、６、７、８の何れの場合においても、ＨＣ装置８としてテーブル２と側部方向において略同一面積の場合を示すが、本発明のＨＣ装置８の設計はそのような場合に限定される訳ではない。

即ち図９に示すように、ＨＣ装置８につき、テーブル２の一部領域の上側に設置するような構成を採用することもまた当然可能である（尚、図９においては、前記基本構成（１）の実施形態における基台９１及び前記基本構成（２）の実施形態における上側板９２の双方を共通して図示すると共に、基板３の図示を省略している。）。

以下、実施例に即して説明する。

実施例１においては、図１に示すように、前記基本構成（１）において、基台９１がＨＣパイプ８０における高さ方向を基準とした場合の１／２以上の上側部分を被覆していない状態としたうえで、基板３の下側に設けた凹状３０と前記ＨＣパイプ８０の上側部分とが嵌合していることを特徴としている（尚、図１においては、脚部５、枠体又は支持杆７のようなＨＣ装置８の固着に関与している構成要素の図示は省略している。）。

基板３が、前記（ａ）の工程において既に上側に相当量の粉末１２を載積し、かつ前記（ｂ）の工程において、当該粉末１２が焼結されている以上、基板３からＨＣパイプ８０に対し相当の重量が作用している。

したがって、前記凹状３０とＨＣパイプ８０との嵌合によって、ＨＣ装置８の基板３が安定した状態にて設置されており、図５、６の実施形態の場合のように、固定用ボルト６等によって基板３をＨＣ装置８に固定する必要がない点において極めて便利である。

実施例２は、図２に示すように、前記基本構成（２）において、ＨＣパイプ８０の上側部分を被覆しない状態としたうえで、基板３の下側に設けた凹状３０と、前記ＨＣパイプ８０の上側部分とが嵌合していることを特徴としている（尚、図１においては、支柱４、枠体又は支持杆７のようなＨＣ装置８の固着に関与している構成要素の図示は省略している。）。

実施例１の場合と同様の根拠に基づき、実施例２においても、基板３をＨＣ装置８に対し安定した状態にて支持することができ、しかも、固定用ボルト６等による固着を不要としている点において極めて便利である。

実施例３は、図３に示すように、前記基本構成（１）及び同（２）においてテーブル２につき、順次下降するような傾斜状態を形成し、かつ当該傾斜状態の下端部の位置において、焼結されなかった粉末１２を排出するための排出用穴２１を設けていることを特徴としている。

粉末１２をテーブル２及び基板３面上に積載した場合に、全粉末１２が焼結の対象となる訳ではない。

このような場合、焼結されない粉末１２が造形物１３を基板３と共にテーブル２から上側に取り出した後には、必然的にテーブル２の低部に残留することになる。

実施例３の場合には、当該残留した粉末１２は前記傾斜状態している低部に沿って下降し、最低位置にある穴を介して造形タンク１の低部に排出することができ、当該粉末１２を再利用することができる。

実施例３の効果を可能な限り発揮させるためには、図３に示すように、図２の端部を造形タンク１の内壁に近接させると良い。
但し、その場合には図４に示すように、ＨＣ装置８との固着に関与している脚部５、支柱４、枠体又は支持杆７を、傾斜面に設置しかつ固着することになる（図３の場合には脚部５を設けた場合を示す。）。

実施例４は、図４に示すように、前記基本構成（１）及び同（２）においてテーブル２につき、相向かい合う一方側から、他方側にかけて順次下降するような傾斜状態を形成し、かつ他方側においては、２本の鉛直方向支柱１１を介して枠体又は支持杆７を支持しており、かつ前記２本の鉛直方向支柱１１の間には、当該２本の鉛直方向支柱１１の上端又は当該２本の鉛直方向支柱１１の何れか一方側において回動自在である開閉板１０を備えていることを特徴としている。

実施例４においても、実施例３の場合と同様に、焼結及び造形の対象とならなかった粉末１２をテーブル２面上に落下させたうえで、鉛直方向支柱１１の間に位置している開閉板１０を開くことによって、テーブル２面から粉末１２を外部に排出することが可能となり、実施例３と同じような効率的な粉末１２の外部への排出及び当該粉末１２の再利用を実現することができる（尚、図３は２本の鉛直方向支柱１１の上端において、回動自在である開閉板１０が開いた状態を示しているが、造形が行われている段階では、当然開閉板１０は鉛直方向支柱１１の間に位置しており、閉じた状態を示すことになる。）。

実施例４においても、前記作用効果を効率的に発揮するためには、テーブル２の端部を造形タンク１の内壁に近接させると良い。
但し、実施例３の場合と同様にＨＣ装置８との固着に関与している脚部５、支柱４、枠体又は支持杆７を傾斜面に設けかつ固着することになる（図４においては、枠体又は支持杆７を設けた場合を示す。）。

本発明は、基板を使用している三次元造形製品の製造装置の全構成に利用することができる。

１ 造形タンク
２ テーブル
２０ 挿通用孔
２１ 排出用穴
３ 基板
３０ 凹状
４ 支柱
５ 脚部
６ 固定用ボルト
７ 枠体又は支持杆
８ ヒーティング装置又はクーリング装置
８０ ヒーティングパイプ又はクーリングパイプ
８１ ヒーティング源又はクーリング源
９１ 基台
９２ 上側板
１０ 開閉板
１１ 鉛直方向支柱
１２ 粉末
１３ 造形物
１４ 粉末支持板

Claims (10)

1. 造形タンク内にて上下方向に移動可能なテーブルの上側に位置し、かつ上側に隣接している粉末が焼結によって固化した際、当該粉末と接着し得る素材を少なくとも表面部分にて有している基板及び前記テーブルの上側にて金属又は非金属の粉末を撒布し、かつ当該撒布された粉末の上側表面を平坦化したうえで、最上位に位置している造形対象となる領域に、電磁波又は電子線を所定の厚さの層に沿って照射することによって焼結層を形成した後、当該焼結が行われた端部及び上面に対する切削によって成形を行う工程を順次反復している三次元造形製品の製造装置において、ヒーティング装置を構成するヒーティングパイプ又はクーリング装置を構成するクーリングパイプを下方から支えている基台に対し、下方において脚部を介してテーブルの上部に固着するか、又は側方においてテーブルの上側に立設した枠体又は支持杆に固着することによって、前記テーブルに対し上下方向の空隙を形成するか、又は当該空隙を形成したうえで当該形成領域に断熱材を充填した状態にて、前記焼結層を支える基板を載置している三次元造形製品の製造装置。
2. 基台とテーブルとの上下方向の空隙又は断熱材の充填による間隔が、１５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形製品の製造装置。
3. 基台がヒーティングパイプ又はクーリングパイプの上側をも被覆した状態としたうえで、基板を基台の上側に固着していることを特徴とする請求項１、２の何れか一項に記載の三次元造形製品の製造装置。
4. 基台がヒーティングパイプ又はクーリングパイプにおける高さ方向を基準とした場合の１／２以上の上側部分を被覆していない状態としたうえで、基板の下側に設けた凹状と前記ヒーティングパイプ又はクーリングパイプの上側部分とが嵌合していることを特徴とする請求項１、２の何れか一項に記載の三次元造形製品の製造装置。
5. 造形タンク内にて上下方向に移動可能なテーブルの上側に位置し、かつ上側に隣接している粉末が焼結によって固化した際、当該粉末と接着し得る素材を少なくとも表面部分にて有している基板及び前記テーブルの上側にて金属又は非金属の粉末を撒布し、かつ当該撒布された粉末の上側表面を平坦化したうえで、最上位に位置している造形対象となる領域に、電磁波又は電子線を所定の厚さの層に沿って照射することによって焼結層を形成した後、当該焼結が行われた端部及び上面に対する切削によって成形を行う工程を順次反復している三次元造形製品の製造装置において、ヒーティング装置を構成するヒーティングパイプ又はクーリング装置を構成するクーリングパイプを把持している複数本の支柱を下方に延設してテーブルの上部に固着するか、又は当該支柱を側方に延設してテーブルから上側方向に立設した枠体又は支持杆に固着することによって、前記テーブルに対し上下方向の空隙を形成するか、又は当該空隙を形成したうえで当該形成領域に断熱材を充填した状態にて、前記焼結層を支える基板を載置している三次元造形製品の製造装置。
6. ヒーティングパイプ又はクーリングパイプの下端部とテーブルとの上下方向の空隙又は断熱材の充填による間隔が１５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項５記載の三次元造形製品の製造装置。
7. ヒーティングパイプ又はクーリングパイプの上側部分及び支柱の前記各パイプに対する把持部分の上側部分を被覆する上側板を設けたうえで、基板を当該上側板の上側に固着していることを特徴とする請求項５、６の何れか一項に記載の三次元造形製品の製造装置。
8. ヒーティングパイプ又はクーリングパイプの上側部分を被覆しない状態としたうえで、基板の下側に設けた凹状と、前記ヒーティングパイプ又はクーリングパイプの上側部分とが嵌合していることを特徴とする請求項５、６の何れか一項に記載の三次元造形製品の製造装置。
9. テーブルにおいて、順次下降するような傾斜状態を形成し、かつ当該傾斜状態の下端部の位置において、焼結されなかった粉末を排出するための排出穴を設けていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８の何れか一項に記載の三次元造形製品の製造装置。
10. テーブルにおいて、相向かい合う一方側から、他方側にかけて順次下降するような傾斜状態を形成し、かつ他方側においては、２本の鉛直方向支柱を介して枠体又は支持杆を支持しており、かつ前記２本の鉛直方向支柱の間には、当該２本の鉛直方向支柱の上端又は当該２本の鉛直方向支柱の何れか一方側において回動自在である開閉板を備えていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９の何れか一項記載の三次元造形製品の製造装置。

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