JP5721887B1 - 積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバ内の不活性ガス環境を維持しつつ且つヒュームを速やか且つ効果的にレーザ光の照射径路から除くことができる、改良された積層造形装置の提供。【解決手段】所要の造形領域Ｒを覆う造形空間１ｄを有し且つ所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバ１と、前記チャンバ１の上面に取り付けられたヒューム拡散部１７を備え、ヒューム拡散部１７は、造形領域Ｒに照射されるレーザ光Ｌを遮断しない程度に可能な限り小さい開口部１７ｂを有する筐体１７ａと、筐体１７ａ内を造形空間１ｄ内の前記不活性ガスと同じ種類の不活性ガスで充満させる不活性ガス供給路１７ｄとを備え、開口部１７ｂから前記不活性ガスを噴出して、レーザ光Ｌの照射経路に沿って前記不活性ガスの層流を形成して前記照射経路からヒュームを排除するように構成される、積層造形装置。【選択図】図１

Description

この発明は、積層造形装置に関する。

レーザ光による金属の粉末焼結積層法（光造形）においては、金属材料粉体にレーザ光を照射して焼結させるときに、ヒュームと称される特有の煙が発生する。ヒュームがチャンバ内に充満すると、レーザ光を遮蔽して、所要のエネルギのレーザ光が焼結部位に届かなくなるおそれがある。
現在の金属製物品を造形する光造型機（焼結積層造形装置）は、不活性ガスで満たされる（通常窒素ガス）チャンバ内に材料粉体を撒布してレーザ光を照射するように操作する構成が一般的である。
レーザ光の照射を安定して行なうため、チャンバ内の不活性ガス濃度を一定に保持する必要があることから、チャンバ内の汚れた不活性ガスを排出しながら清浄な不活性ガスを供給するようにされている。チャンバ内の不活性ガスの管理は、基本的にチャンバの上部位左右側における不活性ガスの給排口から行なっている。
チャンバ内の環境を保持するための不活性ガスの供給と排出の動作でヒュームを排除することによってレーザ光の照射の障害を除くことができるが、未だ不十分である。特に、レーザ光をチャンバ上側から照射する場合、わずかでもヒュームが上昇し続けることによってレンズが汚染され、造形作業が続けられなくなることがある。
特許文献１は、チャンバの上面側からチャンバ内の不活性ガスとは異なる種類または温度の不活性ガスを供給することでレーザ光の照射経路からヒュームを排除する。

特開２０１２−２２４９１９号公報

しかし、特許文献１のようにチャンバ内の不活性ガスと異なる種類の気体を供給すると、チャンバ内の不活性ガスの濃度を維持することがより難しくなる。また、異なる温度の気体を供給すると、チャンバ内の温度が変化し不必要な機体あるいは造形途中の造形物の変位を招くおそれがある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、チャンバ内の不活性ガス環境を維持しつつ且つヒュームを速やか且つ効果的にレーザ光の照射径路から除くことができる、改良された積層造形装置を提供するものである。

本発明によれば、所要の造形領域を覆う造形空間を有し且つ所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバと、前記チャンバの上面に取り付けられたヒューム拡散部を備え、前記ヒューム拡散部は、前記造形領域に照射されるレーザ光を遮断しない程度に可能な限り小さい開口部を有する筐体と、前記筐体内を前記造形空間内の前記不活性ガスと同じ種類の不活性ガスで充満させる不活性ガス供給路とを備え、前記開口部から前記不活性ガスを噴出して、前記レーザ光の照射経路に沿って前記不活性ガスの層流を形成して前記照射経路からヒュームを排除するように構成される、積層造形装置が提供される。

本発明では、チャンバ内に設けたヒューム拡散部の筐体内に充填させる不活性ガスを、チャンバ内の造形空間内の不活性ガスと同じに種類にし、筐体の不活性ガスを筐体に設けた開口部からレーザ光の照射経路に沿った層流として噴出させる。このような構成によれば、不活性ガスの層流によって不活性ガスをレーザ光の照射経路から排除することができる。また、ヒューム拡散部の筐体内の不活性ガスと、造形空間内の不活性ガスの種類を同じにすることによって、造形空間内の不活性ガス環境を容易に維持することができる。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記ヒューム拡散部は、前記筐体内に前記開口部を取り囲むように設けられた拡散部材を備え、前記拡散部材は、多数の細孔を有し、前記不活性ガス供給路は、前記筐体と前記拡散部材の間に設けられ、前記不活性ガスは、前記細孔を通って前記開口部から噴出される。
好ましくは、前記筐体内での前記不活性ガスの温度は、前記造形空間内での前記不活性ガスの温度と実質的に同一である。

本発明の一実施形態の積層造形装置の構成図である。 粉体層形成装置３の斜視図である。 リコータヘッド１１及び細長部材９ｒ，９ｌの斜視図である。 リコータヘッド１１及び細長部材９ｒ，９ｌの別の角度から見た斜視図である。 ヒューム拡散部１７の詳細を示す構成図である。 ヒューム拡散部１７の斜視図である。 本発明の一実施形態の積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の一実施形態の積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。

図１〜図２に示すように、本発明の一実施形態の積層造形装置は、チャンバ１内に粉体層形成装置３が設けられる。粉体層形成装置３は、造形領域Ｒを有するベース４と、ベース４上に配置され且つ水平１軸方向（矢印Ｂ方向）に移動可能に構成されたリコータヘッド１１と、リコータヘッド１１の移動方向に沿って造形領域Ｒの両側に設けられた細長部材９ｒ，９ｌとを備える。造形領域Ｒには、上下方向（図１の矢印Ａ方向）に移動可能な造形テーブル５が設けられる。積層造形装置の使用時には、造形テーブル５上に造形プレート７が配置され、その上に材料粉体層８が形成される。

リコータヘッド１１は、図３〜図４に示すように、材料収容部１１ａと、材料収容部１１ａの上面に設けられた材料供給部１１ｂと、材料収容部１１ａの底面に設けられ且つ材料収容部１１ａ内の材料粉体を排出する材料排出部１１ｃとを備える。材料排出部１１ｃは、リコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に直交する水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に延びるスリット形状である。リコータヘッド１１の両側面には材料排出部１１ｃから排出された材料粉体を平坦化して材料粉体層８を形成するスキージングブレード１１ｆｂ，１１ｒｂが設けられる。また、リコータヘッド１１の両側面には、材料粉体の焼結時に発生するヒュームを吸引するヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓが設けられる。ヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓは、リコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に直交する水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に沿って設けられる。材料粉体は、例えば、金属粉（例：鉄粉）であり、例えば平均粒径２０μｍの球形である。

細長部材９ｒ，９ｌにはそれぞれリコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に沿って開口部９ｒａ，９ｌａが設けられる。本実施形態では、開口部９ｒａが不活性ガス供給口として利用され、開口部９ｌａが不活性ガス排出口として利用される。開口部９ｒａから不活性ガスが供給され、開口部９ｌａから不活性ガスが排出されることによって、造形領域Ｒ上に矢印Ｃ方向の不活性ガスの流れができるので、造形領域Ｒで発生したヒュームがこの不活性ガスの流れに沿って容易に排出される。なお、本明細書において、「不活性ガス」とは、材料粉体と実質的に反応しないガスであり、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどが例示される。なお、開口部９ｌａを不活性ガス供給口として利用し、開口部９ｒａを不活性ガス排出口として利用してもよい。

チャンバ１の上方にはレーザ光照射部１３が設けられ、レーザ光照射部１３から出力されたレーザ光Ｌは、チャンバ１に設けられたウィンドウ１ａを透過して造形領域Ｒに形成された材料粉体層８に照射される。レーザ光照射部１３は、造形領域Ｒにおいてレーザ光Ｌを二次元走査可能に構成されていればよく、例えば、レーザ光Ｌを生成するレーザ光源と、レーザ光Ｌを造形領域Ｒにおいて二次元走査可能とする一対のガルバノスキャナとで構成される。レーザ光Ｌは、材料粉体を焼結可能なものであればその種類は限定されず、例えば、ＣＯ_２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザなどである。ウィンドウ１ａは、レーザ光Ｌを透過可能な材料で形成される。例えば、レーザ光Ｌがファイバーレーザ又はＹＡＧレーザの場合、ウィンドウ１ａは石英ガラスで構成可能である。

チャンバ１の上面には、ウィンドウ１ａを覆うようにヒューム拡散部１７が設けられる。ヒューム拡散部１７は、図５〜図６に示すように、円筒状の筐体１７ａと、筐体１７ａ内に配置された円筒状の拡散部材１７ｃを備える。筐体１７ａと拡散部材１７ｃの間に不活性ガス供給空間１７ｄが設けられる。また、筐体１７ａの底面には、拡散部材１７ｃの内側に開口部１７ｂが設けられる。拡散部材１７ｃには多数の細孔１７ｅが設けられており、不活性ガス供給空間１７ｄに供給された清浄な不活性ガスは細孔１７ｅを通じて清浄空間１７ｆに充満される。そして、清浄空間１７ｆに充満された清浄な不活性ガス２７は、開口部１７ｂを通じてヒューム拡散部１７の下方に向かって噴出される。この噴出された清浄な不活性ガス２７は、レーザ光Ｌの照射経路に沿って（レーザ光Ｌの照射経路に略同軸に）層流を形成してレーザ光Ｌの照射経路からヒューム２５を排除する。このような構成によれば、レーザ光Ｌを材料粉体層８に照射することによってヒューム２５が発生してもヒューム２５がウィンドウ１ａに近づくことが抑制されるので、ウィンドウ１ａの汚染の程度を低減することができる。なお、ヒューム２５が清浄空間１７ｆ内に侵入することをできるだけ抑制すべく、開口部１７ｂは、できるだけ小さいサイズで形成されることが好ましく、具体的には、造形領域Ｒの全体に渡ってレーザ光Ｌが二次元走査される際にレーザ光Ｌが筐体１７ａによって遮断されない最小のサイズに形成することが好ましい。

次に、チャンバ１への不活性ガス供給系統と、チャンバ１からのヒューム排出系統について説明する。

チャンバ１への不活性ガス供給系統には、不活性ガス供給装置１５と、ヒュームコレクタ１９が接続されている。不活性ガス供給装置１５は、不活性ガスを供給する機能を有し、例えば、不活性ガスのガスボンベである。ヒュームコレクタ１９は、その上流側及び下流側にダクトボックス２１，２３を有する。チャンバ１から排出されたガス（ヒュームを含む不活性ガス）は、ダクトボックス２１を通じてヒュームコレクタ１９に送られ、ヒュームコレクタ１９においてヒュームが除去された不活性ガスがダクトボックス２３を通じてチャンバ１へ送られる。このような構成により、不活性ガスの再利用が可能になっている。

不活性ガス供給系統は、図１及び図３に示すように、チャンバ１の上部供給口１ｂと、ヒューム拡散部１７の不活性ガス供給空間１７ｄと、細長部材９ｒの接続部９ｒｂにそれぞれ接続される。上部供給口１ｂを通じてチャンバ１の造形空間１ｄ内に不活性ガスが充填される。造形空間１ｄには温度センサ及び不活性ガスの濃度センサ（何れも図示せず）が設けられており、不活性ガス濃度及び温度が規定値に維持されるように制御される。また、上述したように、不活性ガス供給空間１７ｄに不活性ガスを供給することによって、清浄空間１７ｆから造形空間１ｄに向かって不活性ガスの層流が形成される。不活性ガス供給空間１７ｄへの不活性ガスの供給圧力は、清浄空間１７ｆから造形空間１ｄへ向かう層流が形成されやすいように、造形空間１ｄ内の圧力よりも若干高い（例えば５〜１０％程度高い）圧力に設定することが好ましい。また、接続部９ｒｂを通じて管状の細長部材９ｒ内に不活性ガスが供給され、この不活性ガスが開口部９ｒａを通じて造形領域Ｒ上に排出される。

本実施形態では、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが上部供給口１ｂに送られ、不活性ガス供給装置１５からの不活性ガスが不活性ガス供給空間１７ｄ及び接続部９ｒｂに送られるように構成されている。ヒュームコレクタ１９からの不活性ガス中には除去しきれなかったヒュームが残留するおそれがあるが、本実施形態の構成では、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが特に高い清純度が要求される空間（清浄空間１７ｆ及び造形領域Ｒ近傍の空間）に供給されないので、残留ヒュームの影響を最小限にすることができる。また、不活性ガス供給装置１５からの不活性ガスの供給圧力を、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスの供給圧力よりも高くすることによって、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが清浄空間１７ｆ及び造形領域Ｒ近傍の空間に近づくことが抑制され、残留ヒュームの影響がさらに効果的に抑制される。

ところで、不活性ガス供給空間１７ｄに供給される不活性ガスと、上部供給口１ｂに供給される不活性ガスの種類が異なったり、温度が異なったりしていると、造形空間１ｄ内での不活性ガスの濃度や温度の制御が容易ではない。本実施形態では、同一の不活性ガス供給系統からの不活性ガスを分岐して、不活性ガス供給空間１７ｄと上部供給口１ｂに不活性ガスを供給しているので、清浄空間１７ｆから造形空間１ｄへ向かう不活性ガスの種類及び温度が造形空間１ｄ内での不活性ガスの種類及び温度と同一である。このため、造形空間１ｄ内の不活性ガスの濃度及び温度管理が容易であることに加えて、不活性ガス供給系統の構成がシンプルになっている。

チャンバ１からのヒューム排出系統は、図１、図３、及び図４に示すように、チャンバ１の上部排出口１ｃと、リコータヘッド１１のヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓ、及び細長部材９ｌの接続部９ｌｂにそれぞれ接続される。上部排出口１ｃを通じてチャンバ１の造形空間１ｄ内の、ヒュームを含む不活性ガスが排出されることによって、造形空間１ｄ内に上部供給口１ｂから上部排出口１ｃに向かう不活性ガスの流れが形成される。リコータヘッド１１のヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓは、リコータヘッド１１が造形領域Ｒ上を通過する際に造形領域Ｒで発生したヒュームを吸引することができる。ヒュームの発生位置に非常に近い位置でヒュームを吸引するので、ヒュームの吸引を速やかに且つ効果的に行うことができる。さらに、レーザ光Ｌの照射経路に対して直交する方向からヒュームを吸引するので、ヒュームがレーザ照射の障害になりにくい。また、開口部９ｌａを通じてヒュームを含む不活性ガスが管状の細長部材９ｌ内に導かれ、接続部９ｌｂを通じてヒュームを含む不活性ガスがチャンバ１外に排出される。ヒューム排出系統は、ダクトボックス２１を通じてヒュームコレクタ１９に接続されており、ヒュームコレクタ１９においてヒュームが取り除かれた後の不活性ガスが再利用される。

次に、図１及び図７〜図８を用いて、上記の積層造形装置を用いた積層造形方法について説明する。なお、図７〜図８では、不活性ガス供給系統及びヒューム排出系統は図示を省略している。

まず、造形テーブル５上に造形プレート７を載置した状態で造形テーブル５の高さを適切な位置に調整する。この状態で材料収容部１１ａ内に材料粉体が充填されているリコータヘッド１１を図１の矢印Ｂ方向に造形領域Ｒの左側から右側に移動させることによって、造形プレート７上に１層目の材料粉体層８を形成する。
次に、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することによって材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図７に示すように、１層目の焼結層８１ｆを得る。この焼結の際に発生するヒュームは、主に、リコータヘッド１１の背面側（図７の左側）のヒューム吸引部１１ｒｓから吸引される。
次に、造形テーブル５の高さを材料粉体層８の１層分下げ、リコータヘッド１１を造形領域Ｒの右側から左側に移動させることによって、焼結層８１ｆ上に２層目の材料粉体層８を形成する。リコータヘッド１１の移動中もヒューム吸引部１１ｒｓでヒュームが吸引される。この際のヒューム吸引は、ヒューム発生部位に非常に近い位置で行われるので特に効果的である。なお、両側のヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓでヒュームの吸引を行ってもよい。また、開口部９ｌａからもヒュームが吸引される。
次に、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することによって材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図８に示すように、２層目の焼結層８２ｆを得る。この焼結の際に発生するヒュームは、主に、リコータヘッド１１の前面側（図８の右側）のヒューム吸引部１１ｆｓから吸引される。
以上の工程を繰り返すことによって、３層目の焼結層８３ｆ、４層目の焼結層８４ｆ、５層目以降の焼結層が形成される。隣接する焼結層は、互いに強く固着される。
必要数の焼結層を形成した後、未焼結の材料粉体を除去することによって、造形した焼結体を得ることができる。この焼結体は、例えば樹脂成形用の金型として利用可能である。

１：チャンバ、３：粉体層形成装置、５：造形テーブル、８：材料粉体層、１１：リコータヘッド、１７：ヒューム拡散部、Ｌ：レーザ光

Claims (2)

1. 所要の造形領域を覆う造形空間を有し且つ所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバと、
   前記チャンバに設けられたウィンドウを覆うように前記チャンバの上面に取り付けられたヒューム拡散部と、前記チャンバ内に前記不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置を備え、
   前記ヒューム拡散部は、前記ウィンドウを透過して前記造形領域の全体に渡って二次元走査され照射されるレーザ光を通過させ且つ前記レーザ光を遮断しないように設けられた開口部を有する筐体と、前記筐体との間に不活性ガス供給空間が設けられるように前記筐体内に前記開口部を取り囲むように配置され多数の細孔を有する拡散部材と、前記造形空間内に供給される前記不活性ガスと同じ種類で同一の温度の、前記不活性ガス供給空間内の前記不活性ガスを、前記造形空間内の前記不活性ガスの圧力よりも高い状態で前記多数の細孔を通すことによって前記筐体内を前記不活性ガスで充満させる不活性ガス供給路とを備え、前記開口部から前記不活性ガスを下方に向かって噴出させることによって、前記レーザ光の照射経路からヒュームを排除するように構成され、
   前記不活性ガス供給装置は、前記造形空間と前記不活性ガス供給空間に対して種類と温度が同一である不活性ガスを供給するように構成される、積層造形装置。
2. 前記不活性ガス供給装置から前記造形空間と前記不活性ガス供給空間とに分岐して前記不活性ガスを送る不活性ガス供給系統を有し、前記筐体内に供給される前記不活性ガスの温度を前記造形空間内に供給される前記不活性ガスの温度と同一にする、請求項１に記載の積層造形装置。