JP5243935B2 - 積層造形装置及び積層造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、材料粉末に光ビームの照射を行なって三次元形状造形物を造形する積層造形装置及び積層造形方法に関する。

従来から、材料粉末で形成した粉末層に光ビームを照射して固化層を形成し、この固化層の上に新たな粉末層を形成して光ビームを照射することで固化層を形成するということを繰り返して三次元形状造形物を製造する積層造形装置が知られている。このような積層造形装置においては、光ビームの照射を大気中で行なうと固化層が酸化等し、造形物の強度が弱くなるので、粉末層を形成する粉末層形成部や粉末層等をチャンバー内に納め、不活性ガス中で焼結又は溶融固化している。しかし、光ビームの照射によって粉末層から発生するヒュームがチャンバー内に充満し、また、光ビームＬを透過させるためにチャンバーに設けられたウィンドウがヒュームによって曇ると光ビームの照射出力が低下し、焼結又は溶融固化が十分に行なえない虞がある。

また、圧縮空気をチャンバー内に送風してチャンバー内のヒュームを除去し、その後に不活性ガスをチャンバー内に供給する積層造形装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、このような積層造形装置においては、チャンバー内の容積が大きいので、ヒュームの除去に時間を要し造形の製造効率が悪い。
特開２００６−１２４７３２号公報

本発明は、上記問題を解消するものであり、チャンバー内のヒュームの除去やチャンバーのウィンドウ清掃を速く行なうことができ、造形の製造効率の良い積層造形装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、造形プレートに材料粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層形成手段により形成された粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融固化させ固化層を形成する光ビーム照射手段と、を備え、前記粉末層と固化層との形成を繰り返すことにより複数の固化層が一体化した三次元形状の造形物を造形する積層造形装置において、前記粉末層形成手段によって形成される前記粉末層を周囲より囲み、該粉末層の上面と同一高さの平面を有するベースと、前記ベース上にあって、光ビーム照射手段から照射される前記光ビームを透過させるウィンドウを上面に有し、下方が開口して前記粉末層を覆うチャンバーと、前記チャンバー内のガスを圧出する圧出機構と、前記チャンバー内のヒュームの除去又はチャンバーのウィンドウ清掃の少なくとも一方を行なう処理手段と、を備え、前記圧出機構がチャンバー内のガスを圧出しているときに前記処理手段による処理が行なわれるものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の積層造形装置において、前記圧出機構は、前記チャンバー内をスライドして該チャンバー内のガスを圧出する移動板であるものである。

請求項３の発明は、請求項１に記載の積層造形装置において、前記圧出機構は、前記チャンバー内に前記ベースから突出した仕切り板を有し、前記チャンバーが前記仕切り板に対して前記ベース上をスライドして移動することにより、前記チャンバー内のガスを圧出するものである。

請求項４の発明は、請求項１に記載の積層造形装置において、前記圧出機構は、前記チャンバー内に突出して該チャンバー内のガスを圧出する突出部であるものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の積層造形装置において、前記造形物の表層及び不要部分を切削する切削手段を備えたものである。

請求項６の発明は、造形プレートに材料粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層形成工程により形成された粉末層の所定の箇所に、光ビームを透過させるウィンドウを上面に有し下面が開口して前記粉末層を覆うチャンバーを通して光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融固化させ固化層を形成する光ビーム照射工程と、を備え、前記粉末層形成工程と前記光ビーム照射工程とを繰り返すことにより複数の固化層が一体化した三次元形状の造形物を造形する積層造形方法において、前記チャンバー内のガスを圧出する圧出工程と、前記チャンバー内のヒュームの除去又はチャンバーのウィンドウ清掃の少なくとも一方を行なう処理工程と、を備え、前記圧出工程によって該チャンバー内のガスが圧出されているときに前記処理工程を行なうものである。

請求項１の発明によれば、チャンバー内のガスを圧出しているときや、圧出機構によってチャンバー内のヒュームを保有する部分の容積が縮小した後に処理手段による処理を行なうので、処理を速く行なうことができ、造形の製造効率が良くなる。

請求項２の発明によれば、移動板によってチャンバー内のガスが圧出されるので、処理手段による処理を容易に行なうことができる。

請求項３の発明によれば、チャンバーの移動によってチャンバー内のガスが圧出されるので、処理手段による処理を容易に行なうことができる。

請求項４の発明によれば、突出部によってチャンバー内のガスが圧出されるので、処理手段による処理を容易に行なうことができる。

請求項５の発明によれば、造形中に造形物の表層及び不要部分が切削されるので、造形物の寸法精度が良くなる。

請求項６の発明によれば、請求項１と同様の効果が得られる。

本発明の一実施形態に係る積層造形装置（以下、本装置と記す）について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る本装置の構成を示し、図２は本装置の造形部と粉末層形成部の構成を示す。本装置１は、三次元形状の造形物が造形される造形部２と、材料粉末３を供給して粉末層３１を形成する粉末層形成部（粉末層形成手段）４と、粉末層３１に光ビームＬを照射して溶融固化させ固化層３２を形成する光ビーム照射部（光ビーム照射手段）５と、各部の動作を制御する制御部６を備えている。また、本装置１は粉末層形成部４に不活性ガスを供給するガスタンク７１と不活性ガスを回収するガス回収装置７２を備えている。

造形部２は、本装置１の土台となるマシニングベース２１と、マシニングベース２１の上に設けられている造形台２２と、造形台２２の上にセッティングされて粉末層３１が敷かれる造形プレート２３を有している。材料粉末３は、例えば平均粒径２０μｍの球形の鉄粉である。造形プレート２３は、材料粉末３と類似の材質であるか、又は溶融固化した材料粉末３と密着する材質であればよい。

粉末層形成部４は、造形台２２の周囲を囲むベース４１と、材料粉末３を保有する粉末供給部４２と、粉末層３１を上から覆うチャンバー４３を有している。粉末供給部４２とチャンバー４３とは隣接して設けられている。

ベース４１は上面が平面であり、この平面上を粉末供給部４２とチャンバー４３とがＡ方向にスライドして移動する。また、ベース４１は、造形台２２に供給された材料粉末３を周囲から保持している。粉末供給部４２は下方に開口した供給口４２ａを有しており、供給口４２ａのスライド方向にブレード４２ｂが設けられている。粉末供給部４２は、造形台２２の上を移動するときに、供給口４２ａから材料粉末３を造形台２２に供給し、ブレード４２ｂによって材料粉末３をならして粉末層３１を形成する。

チャンバー４３は上面に光ビームＬを透過させるウィンドウ４４を有している。ウィンドウ４４の材質は、例えば、光ビームＬが炭酸ガスレーザの場合はジンクセレン等であり、光ビームＬがＹＡＧレーザの場合は石英ガラス等である。チャンバー４３の下方は開口しており、開口の大きさは粉末層３１の面積よりも大きい。粉末層３１に光ビームＬが照射されるときは、チャンバー４３が粉末層３１を覆う位置に移動する。本明細書では、粉末層３１に光ビームＬが照射される位置を照射位置という。

チャンバー４３が照射位置にあるときは、チャンバー４３内は不活性ガスによって満たされており、材料粉末３の酸化等が防がれる。不活性ガスは、例えば窒素ガスやアルゴンガスである。また、不活性ガスに代えて還元性ガスを用いてもよい。不活性ガスは、ベース４１に設けられた給気口（処理手段）７３からチャンバー４３内に供給され、チャンバー４３内の不活性ガスはチャンバー４３に設けられた排気口７４から排気される。給気口７３は、ブレード４２ｂによって粉末層３１が形成されるときに、材料粉末３が入らない位置に設けられている。給気口７３は供給配管（図示せず）によってガスタンク７１に接続されており、排気口７４は排気配管（図示せず）によってガス回収装置７２に接続されている。

また、チャンバー４３は、チャンバー４３内をＡ方向に移動可能な移動板（圧出機構）４５と移動板４５を移動させる駆動装置（図示せず）を有している。移動板４５はチャンバー４３内を仕切るように設けられており、移動板４５がチャンバー４３を移動することによってチャンバー４３内のガスが圧出される。

光ビーム照射部５は、光ビームＬを発振する光ビーム発振器５１と、光ビーム発振器５１からの光ビームＬを反射する回転自在な２枚の走査ミラー５２と、走査ミラー５２の回転の角度制御を行うスキャナ５３とを備えている。制御部６は、スキャナ５３を介して走査ミラー５２の回転角度を調整し、光ビームＬを粉末層３１の上に走査させる。光ビーム発振器５１は、例えば、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザの発振器である。粉末層形成部４及び光ビーム照射部５は昇降装置（図示せず）によって昇降され、造形台２２からの高さが調整される。

上記のように構成された本装置の制御部６による造形動作について図３を参照して説明する。まず、図３（ａ）に示すように、造形プレート２３が造形台２２の上にセットされ、造形プレート２３とベース４１の各上面が段差Δｔになるように粉末層形成部４及び光ビーム照射部５は造形部２に対して上昇される。チャンバー４３内は給気口７３から供給された不活性ガスによって満たされている。次に、図３（ｂ）に示すように、粉末供給部４２とチャンバー４３は、ベース４１上をＡ１方向にスライドされる。粉末供給部４２の供給口４２ａから材料粉末３が造形プレート２３上に供給され、材料粉末３がブレード４２ｂによってならされて粉末層３１が形成される。この図３（ａ）、（ｂ）に示した粉末層３１を形成する工程は粉末層形成工程を構成する。

次に、図３（ｃ）に示すように、粉末供給部４２とチャンバー４３はＡ２方向にスライドされてチャンバー４３は照射位置に移動される。この状態にて、走査ミラーによって光ビームＬを粉末層３１の任意の箇所に走査させて材料粉末３を溶融固化させる。これにより、造形プレート２３と一体化した固化層３２が形成される。このとき、チャンバー４３内には給気口７３から不活性ガスが供給され、供給された不活性ガスは排気口７４より排気される。不活性ガスの供給は、例えばチャンバー４３内の酸素濃度が所定値より低くなるように調整される。このとき、光ビームＬの照射により粉末層３１からはヒュームが発生し、チャンバー４３内はヒュームで満たされる。この光ビームを照射する工程は、光ビーム照射工程を構成する。

次に、図３（ｄ）に示すように、移動板４５はＡ３方向に移動される。これにより、チャンバー４３内のヒュームや不活性ガスが移動板４５に圧せられて排気口７４より圧出される。この移動板４５を移動させてチャンバー４３内のガスを圧出する工程は圧出工程を構成する。

次に、図３（ｅ）に示すように、上記圧出工程が完了した後に、給気口７３から不活性ガスが給気され、排気口７４から排気されることにより、チャンバー４３内のヒュームが除去される。このとき、給気した不活性ガスがウィンドウ４４に当たってから排気されるように移動板４５の形状と排気口の配置構成に工夫を施すことにより、ウィンドウ４４が清掃されるようにしてもよい。この不活性ガスによってチャンバー４３内のヒュームを除去することやウィンドウ４４を清掃する工程は処理工程を構成する。この処理工程は、圧出工程の実施と併行して行なってもよく、そうすれば、処理工程をより一層速く行なうことができる。

このように、本実施形態においては、チャンバー４３のガスを圧出しつつ、又は移動板４５によってチャンバー内のヒュームを保有する部分の容積が縮小した後に処理工程を行なうことにより、処理工程を能率良く、速やかに行なうことができ、造形の製造効率が良くなる。

（第１の変形例）
以下、本実施形態の各種変形例について、図４乃至図８を参照して説明する。図４は第１の変形例における本装置の構成及び時系列動作を示す。本装置は、チャンバー４３内にベース４１から突出した仕切り板（圧出機構）４６を備えている。また、ベース４１には給気口７３ａ、７３ｂが設けられている。まず、図４（ａ）乃至図（ｃ）に示すように、上述した実施形態と同様にして固化層３２が形成される。図４（ｃ）においては、光ビームＬの照射により粉末層３１からヒュームが発生し、チャンバー４３内はヒュームで満たされる。

次に、図４（ｄ）に示すように、粉末供給部４２とチャンバー４３はＡ１方向へベース４１上をスライド移動されると、チャンバー４３内のヒュームと不活性ガスが仕切り板４６によって圧せられ排気口７４から圧出される。こうした圧出工程が完了した後に、図４（ｅ）に示すように、給気口７３ｂから不活性ガスが給気され排気口７４から排気されてチャンバー４３内のヒュームが除去される。

本実施形態においては、チャンバー４３が移動するときにチャンバー４３内のヒュームが圧出され、また、チャンバー４３の移動によってチャンバー４３内のガスを保有する部分の容積が縮小されるので、チャンバー４３内のヒューム除去やウィンドウ清掃を容易に行なうことができる。また、図（ｄ）、（ｅ）における粉末供給部４２とチャンバー４３のスライド時に、粉末層３１の形成を行なってもよいし、そうすることにより、製造時間を短縮することができる。

（第２の変形例）
図５は第２の変形例における本装置の構成及び時系列動作を示す。本装置は、チャンバー４３内に突出する突出部（圧出機構）８１を備えている。図５（ａ）は光ビーム照射工程によって固化層３２が形成された状態を示し、チャンバー４３内はヒュームが充満している。突出部８１はベース４１に設けられ、シリンダ８２によって昇降する。また、ベース４１には給気口７３ａ、７３ｂが設けられている。

固化層３２が形成された後、図５（ｂ）に示すようにチャンバー４３はＡ１方向にスライドされ、突出部８１が設けられた位置に移動する。次に、突出部８１が上昇してチャンバー４３内に突入し、チャンバー４３内のヒョームが排気口７４より圧出される。そして、突出部８１がチャンバー４３内に突出している状態で給気口７３ｂから不活性ガスが供給され、排気口７４より排気されて不活性ガスの置換が行なわれヒュームが除去される。このように、本変形例においては、突出部８１が上昇するときにチャンバー４３内のヒュームが圧出され、突出部８１によってチャンバー４３内の容積が縮小されるので、チャンバー４３内のヒューム除去やウィンドウ清掃を容易に行なうことができる。

（第３の変形例）
図６は第３の変形例を示す。本変形例における本装置１は、造形物の表層及び不要部分を切削する切削部（切削手段）９を備えている。切削部９は、造形物を切削する切削工具９１と切削工具９１を回転保持するミーリングヘッド９２を備えている。ミーリングヘッド９２はＺ軸９２ｚに固定されており、Ｚ軸９２ｚ、Ｘ軸９２ｘ及びＹ軸９２ｙによって、光ビームＬの照射平面に対して法線方向及び平行な方向に移動する。造形中に、粉末層形成工程と光ビーム照射工程とが繰り返されて固化層３２が所定の厚みになると、チャンバー４３は粉末層３１を覆わない位置へ移動し、切削工具９１はＺ軸９２ｚ、Ｘ軸９２ｘ及びＹ軸９２ｙによって造形物の周囲に移動し、造形物の表層及び不要部分を切削する。このように、本変形例においては造形中に造形物の表層及び不要部分が切削されるので、造形物の寸法精度が良くなる。

（第４の変形例）
図７は第４の変形例を示す。本変形例においては、粉末層形成部４や光ビーム照射部５が昇降せずに、造形台２２ａが昇降する。そのために、造形部２は、昇降可能な造形台２２ａと造形台２２ａを昇降させる昇降部２２ｂとを備えている。昇降部２２ｂによって造形台２２ａは下降され、ベース４１と造形プレート２３の各上面の間に段差が設けられ、この状態にて上述した実施形態と同様に粉末層３１、固化層３２が積層される。このようにして、本変形例においては粉末層形成部４や光ビーム照射部５を昇降させずに、造形台２２を昇降させるので、本装置の構造が簡単になり低コストになる。

（第５の変形例）
図８は第５の変形例における本装置の構成及び時系列動作を示す。図８（ａ）に示すように、本装置は、上記第４の変形例における粉末供給部４２に代えて、粉末供給台４７をベース４１に備え、チャンバー４３のスライド方向に隣接して粉末供給チャンバー４８を備えている。粉末供給台４７は昇降可能であって材料粉末３を保持しており、昇降部４９によって昇降される。粉末供給チャンバー４８は下方が開口になっており、スライド方向に材料粉末３をならすためのブレード４８ａを有している。粉末供給チャンバー４８内は不活性ガスで満たされ、上面に配された排気口４８ｂから排気する。排気口４８ｂは排気配管（図示せず）によってガス回収装置７２に繋がっている。

本装置の造形動作については、まず、図８（ａ）に示すように、造形プレート２３が造形台２２ａの上にセットされ、造形プレート２３とベース４１の各上面が段差Δｔになるように造形台２２ａが昇降部２２ｂによって下降される。粉末供給台４７は昇降部４９によって上昇され、造形プレート２３に供給するだけの材料粉末３がベース４１の上面より上にせり上げられる。チャンバー４３、粉末供給チャンバー４８内は給気口７３ａ、７３ｂからの不活性ガスによって満たされている。

次に、図８（ｂ）に示すように、粉末供給チャンバー４８とチャンバー４３は、ベース４１上でＡ１方向にスライドされる。ブレード４８ａは、粉末供給台４７ａによって供給された材料粉末３を造形台２２ａに運び、造形プレート２３上に粉末層３１を形成する。

次に、図８（ｃ）に示すように、粉末供給チャンバー４７とチャンバー４３はＡ２方向にスライドされチャンバー４３は照射位置に移動される。光ビームＬが粉末層３１に走査されて材料粉末３が溶融固化され固化層３２が形成される。このとき、チャンバー４３内には給気口７３ｂから不活性ガスが供給され、供給された不活性ガスは排気口７４より排気される。また、チャンバー４３内は、光ビームＬの照射によって粉末層３１から発生したヒュームで満たされる。

次に、図８（ｄ）に示すように、移動板４５はＡ３方向に移動され、チャンバー４３内のヒュームが移動板４５によって圧せられ排気口７４から圧出され、上述した実施形態と同様に、ヒューム除去とウィンドウ清掃が行なわれる。以下、粉末層３１と固化層３２の形成が繰り返されて三次元形状造形物が造形される。

このように、本変形例においては、材料粉末３を供給する粉末供給台４７をベース４１に設けることにより粉末供給部４２をスライドさせなくてよいので、チャンバー４３のスライド動作を容易にすることができる。

なお、本発明は、上記実施形態及び変形例の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、光ビームによって、粉末層を溶融固化させずに焼結させてもよい。また、材料粉末は鉄以外の材料でもよく、例えば樹脂でもよいし、複数の材料を含んでもよい。

本発明の一実施形態に係る積層造形装置の構成図。 同装置の造形部と粉末層形成部の構成図。 （ａ）乃至（ｅ）は同装置の動作を時系列に示す図。 （ａ）乃至（ｅ）は本実施形態の第１の変形例における装置の造形部と粉末層形成部の構成及び動作を示す図。 （ａ）及び（ｂ）は第２の変形例における装置の造形部と粉末層形成部の構成及び動作を示す図。 第３の変形例における装置の構成図。 第４の変形例における装置の造形部と粉末層形成部の構成図。 （ａ）乃至（ｄ）は第５の変形例における装置の造形部と粉末層形成部の構成及び動作を示す図。

符号の説明

１ 積層造形装置
２３ 造形プレート
３ 材料粉末
３１ 粉末層
３２ 固化層
４ 粉末層形成部（粉末層形成手段）
４１ ベース
４３ チャンバー
４４ ウィンドウ
４５ 移動板（圧出機構）
４６ 仕切り板（圧出機構）
５ 光ビーム照射部（光ビーム照射手段）
７３、７３ａ、７３ｂ 給気口（処理手段）
８１ 突出部（圧出機構）
９ 切削部（切削手段）
Ｌ 光ビーム

Claims (6)

1. 造形プレートに材料粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層形成手段により形成された粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融固化させ固化層を形成する光ビーム照射手段と、を備え、前記粉末層と固化層との形成を繰り返すことにより複数の固化層が一体化した三次元形状の造形物を造形する積層造形装置において、
   前記粉末層形成手段によって形成される前記粉末層を周囲より囲み、該粉末層の上面と同一高さの平面を有するベースと、
   前記ベース上にあって、光ビーム照射手段から照射される前記光ビームを透過させるウィンドウを上面に有し、下方が開口して前記粉末層を覆うチャンバーと、
   前記チャンバー内のガスを圧出する圧出機構と、
   前記チャンバー内のヒュームの除去又はチャンバーのウィンドウ清掃の少なくとも一方を行なう処理手段と、を備え、
   前記圧出機構がチャンバー内のガスを圧出しているときに前記処理手段による処理が行なわれることを特徴とする積層造形装置。
2. 前記圧出機構は、前記チャンバー内をスライドして該チャンバー内のガスを圧出する移動板であることを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記圧出機構は、前記チャンバー内に前記ベースから突出した仕切り板を有し、前記チャンバーが前記仕切り板に対して前記ベース上をスライドして移動することにより、前記チャンバー内のガスを圧出することを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
4. 前記圧出機構は、前記チャンバー内に突出して該チャンバー内のガスを圧出する突出部であることを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
5. 前記造形物の表層及び不要部分を切削する切削手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の積層造形装置。
6. 造形プレートに材料粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層形成工程により形成された粉末層の所定の箇所に、光ビームを透過させるウィンドウを上面に有し下面が開口して前記粉末層を覆うチャンバーを通して光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融固化させ固化層を形成する光ビーム照射工程と、を備え、前記粉末層形成工程と前記光ビーム照射工程とを繰り返すことにより複数の固化層が一体化した三次元形状の造形物を造形する積層造形方法において、
   前記チャンバー内のガスを圧出する圧出工程と、
   前記チャンバー内のヒュームの除去又はチャンバーのウィンドウ清掃の少なくとも一方を行なう処理工程と、を備え、
   前記圧出工程によって該チャンバー内のガスが圧出されているときに前記処理工程を行なうことを特徴とする積層造形方法。

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