JP5612278B2 - 三次元形状造形物の製造方法およびその製造装置 - Google Patents
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Description
(i)造形テーブル(好ましくは造形テーブル上に配された造形プレート)上に形成された粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
(ii)得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
材料粉末を均すことによって粉末層を形成しており、均される材料粉末量を検知することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法が提供される。
(1)光学的手段などを用いて材料供給枠内の材料粉末レベルを測定する。
(2)材料供給枠内の所定レベルにおける電気抵抗を測定する。
(3)材料供給枠内の所定レベルに設けたスターラーの攪拌抵抗を測定する。
(4)材料粉末の均しに際して材料供給枠が移動する距離を測定する。
また、テーブル枠体に配置された重量センサを用いてよく、それによって、材料供給枠内における材料粉末量を直接的に測定してもよい。
粉末層を形成するための粉末層形成手段、
固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段、ならびに
粉末層および/または固化層が形成されることになる造形テーブル(好ましくは造形テーブル上に配された造形プレート)、
を有して成り、
粉末層形成手段が材料粉末量を検知するためのセンサを有して成ることを特徴としている。
まず、本発明の製造方法の前提となる粉末焼結積層法について説明する。説明の便宜上、材料粉末タンクから材料粉末を供給し、均し板を用いて材料粉末を均して粉末層を形成する態様を前提として粉末焼結積層法を説明する。図1,4および5には、粉末焼結積層法を実施できる光造形複合加工機の機能および構成が示されている。光造形複合加工機1は、「金属粉末および樹脂粉末などの粉末を所定の厚みで敷くことによって粉末層を形成する粉末層形成手段2」と「外周が壁27で囲まれた造形タンク29内において上下に昇降する造形テーブル20」と「造形テーブル20上に配され造形物の土台となる造形プレート21」と「光ビームLを任意の位置に照射する光ビーム照射手段3」と「造形物の周囲を削る切削手段4」とを主として備えている。粉末層形成手段2は、図1に示すように、「外周が壁26で囲まれた材料粉末タンク28内において上下に昇降する粉末テーブル25」と「造形テーブル又は造形プレート上に粉末層22を形成するための均し板23」とを主として有して成る。光ビーム照射手段3は、図4および図5に示すように、「光ビームLを発する光ビーム発振器30」と「光ビームLを粉末層22の上にスキャニング(走査)するガルバノミラー31(スキャン光学系)」とを主として有して成る。必要に応じて、光ビーム照射手段3には、光ビームスポットの形状を補正するビーム形状補正手段(例えば一対のシリンドリカルレンズと、かかるレンズを光ビームの軸線回りに回転させる回転駆動機構とを有して成る手段)やfθレンズなどが具備されている。必要に応じて用いられる切削手段4は、「造形物の周囲を削るミーリングヘッド40」と「ミーリングヘッド40を切削箇所へと移動させるXY駆動機構41(41a,41b)」とを主として有して成る(図4および図5参照)。
本発明は、上述した粉末焼結積層法のなかでも、特に粉末層の形成に特徴を有している。具体的には、本発明では、粉末残量を把握するために、あるいは、均される材料粉末から粉末層が受ける力を把握するために、均される材料粉末量を検知している。
P=W/S
P[kg/cm2]:材料供給枠の下方にて形成された粉末層が受ける圧力
W[kg]:材料供給枠内の材料粉末の重量
S[cm2]:材料供給枠の下方開口端における開口面積
電気抵抗の計測により材料粉末量を検知する態様を図12(a)に示す。図示するように、「プラス電極(+)とマイナス電極(−)との組合せ」を材料供給枠の所定レベル(例えば“所定高さH”)に設置しておき、プラス電極(+)とマイナス電極(−)との間の電気抵抗が増加したか否かによって、材料粉末が所定高さHにまで存在するか否かを把握する。つまり、電気抵抗が比較的低い場合には、金属製の材料粉末が電極間に通電媒体として存在していることが示唆されるので、材料粉末が所定高さHにまで少なくとも存在していることが把握される。その一方、電気抵抗が比較的高い場合には、通電媒体となる金属製の材料粉末が存在していないことが示唆されるので、材料粉末が所定高さHには存在していないことが把握される。「プラス電極(+)とマイナス電極(−)との組合せ」を任意の供給枠高さH1,2,…nに複数設置すると、粉末材料レベルの測定精度が向上し得る。
攪拌抵抗の計測により材料粉末量を検知する態様を図12(b)に示す。図示するように、スターラー(例えば攪拌翼)80eを材料供給枠の所定レベル(例えば“所定高さH”)に設置しておき、攪拌時にて攪拌抵抗が増加したか否かによって、材料粉末が所定高さHにまで存在するか否かを把握する。攪拌抵抗はモータートルクセンサで検知する。かかる態様では、攪拌抵抗が比較的高いと、攪拌翼が材料粉末に接した状態にあることが示唆され、材料粉末が攪拌翼の設置高さHに少なくとも存在することが把握される。その一方、攪拌抵抗が比較的低いと、攪拌翼が材料粉末に接していない状態にあることが示唆され、材料粉末が攪拌翼の設置高さHには存在していないことになる。攪拌翼を任意の供給枠高さH1,2,…nに複数設置すると、粉末材料レベルの測定精度が向上し得る。
重量センサを用いることによって材料粉末量を検知する態様を図12(c)に示す。図示するように、テーブル枠体60に対して配置された重量センサ80fを用いることが好ましく、その重量センサ80fが設置された箇所に材料供給枠70を位置付けることによって、材料供給枠の内部に供給または補充された材料粉末量を検知することができる。重量センサ80fとしては、ロードセル(過重変換器)や台ばかりなどを用いることができる。
材料供給枠の移動距離に基づく計測によって、材料粉末量を検知する態様を図13に示す。粉末層の形成に際して材料供給枠70がスライド移動すると、材料粉末が自重に起因して材料供給枠の下方開口端を介して排出される。一般的に、「材料供給枠の移動距離」と「排出される材料粉末量」とは相関関係を有しているので、材料供給枠の移動距離を測定することによって、材料供給枠内の粉末量を間接的に把握することができる。換言すれば、材料供給枠によるスキージング回数の計測を通じて材料供給枠内の粉末残量を把握する。
次に、本発明の製造方法の実施に好適な装置について説明する。かかる装置は、例えば図14に示すように、
粉末層を形成するための粉末層形成手段2、
固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段3、ならびに
粉末層および/または固化層が形成されることになる造形テーブル20(好ましくは造形テーブル上に配置される造形プレート21)、
を有して成り、
粉末層形成手段2には材料粉末量を検知するためのセンサ80が設けられている。図示するように、粉末層形成手段2が、造形テーブル20上をスライド移動できる材料供給枠70を更に有して成り、その材料供給枠70に対して材料粉末量を検知するためのセンサ80が設けられていることが好ましい。ここでいう「材料供給枠」とは、図示する態様から分かるように、その内部にて材料粉末を包囲できる筒状部材であり、スライド移動させることによって、その下方開口端から材料粉末を排出できる部材のことを実質的に意味している。
2 粉末層形成手段
3 光ビーム照射手段
4 切削手段
19 粉末/粉末層(例えば金属粉末/金属粉末層または樹脂粉末/樹脂粉末層)
20 造形テーブル
21 造形プレート
22 粉末層(例えば金属粉末層または樹脂粉末層)
23 均し板(スキージング用ブレード)
24 固化層(例えば焼結層または硬化層)またはそれから得られる三次元形状造形物
25 粉末テーブル
26 材料粉末タンクの壁部分
27 造形タンクの壁部分
28 材料粉末タンク
29 造形タンク
30 光ビーム発振器
31 ガルバノミラー
32 反射ミラー
33 集光レンズ
40 ミーリングヘッド
41 XY駆動機構
41a X軸駆動部
41b Y軸駆動部
42 ツールマガジン
50 チャンバー
52 光透過窓
60 テーブル枠体
70 材料供給枠
70a 材料供給枠の枠部分
75 材料供給枠内の針部
80 センサ
80a 投光機
80b 受光素子
80c 距離センサ
80d 接触子
80e スターラー(例えば攪拌翼)
80f 重量センサ
80g 重量センサ
80’ コントローラー(制御機)
90 貯留タンク(可動式貯留タンク)
92 スクリューフィーダー
94 カートリッジ部材
95 バルブ
L 光ビーム
Claims (5)
- (i)粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
(ii)得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
筒状の材料供給枠の内部に材料粉末を供給し、材料供給枠をスライドさせることによって材料粉末を均しており、
材料粉末の均しに際して、材料供給枠内の材料粉末量を検知することにより、均された後に粉末層となる部分が、均される直前において上部の材料供給枠内の粉末から受ける圧力を逐次把握し、
当該圧力が実質的に一定に維持されるように、材料供給枠内に材料粉末を補充することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。 - 材料供給枠内の材料粉末量の検知に際して、材料供給枠内の材料粉末レベルを測定することを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
- 材料供給枠内の材料粉末量の検知に際して、材料供給枠内の所定レベルにおける電気抵抗を測定することを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
- 材料供給枠内の材料粉末量の検知に際して、材料供給枠内の所定レベルに設けられたスターラーの攪拌抵抗を測定することを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
- 粉末層を形成するための粉末層形成手段、
固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段、ならびに
粉末層および/または固化層が形成されることになる造形テーブル、
を有して成り、
粉末層形成手段が、造形テーブルの上方にてスライドすることができる材料供給枠を更に有して成り、
前記材料供給枠に対して、材料粉末量を検知するためのセンサが設けられており、当該センサにより、材料供給枠内の材料粉末量を検知することにより、均された後に粉末層となる部分が、均される直前において上部の材料供給枠内の粉末から受ける圧力を逐次把握し、当該圧力が実質的に一定に維持されるように、材料供給枠内に材料粉末を補充することを特徴とする、三次元形状造形物の製造装置。
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