JP5830148B1

JP5830148B1 - 積層造形装置

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Publication number: JP5830148B1
Application number: JP2014181726A
Authority: JP
Inventors: 秀一川田; 勝隆村中; 秀二岡崎
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2034-09-05
Also published as: CN105397084B; US20160067781A1; DE102015215270B4; JP2016055462A; US10029308B2; CN105397084A; DE102015215270A1

Abstract

【課題】積層造形の完了後に、容易に且つ短時間で未焼結の材料粉体を除去できる積層造形装置の提供。【解決手段】材料粉体を用いて積層造形を行う積層造形装置３であって、所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバ１と、チャンバ１内に配置され且つ上下方向に移動可能な造形テーブル５と、造形テーブル５を取り囲み且つ造形テーブル５上に供給された前記材料粉体を保持する粉体保持壁２６を備え、前記材料粉体を排出可能な粉体排出部２７が粉体保持壁２６又はその下側に設けられる、積層造形装置が３提供される。【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積層造形においては、上下方向に移動可能な造形テーブル上に非常に薄い材料粉体層を形成し、この材料粉体層に対してレーザ光を照射して焼結させる工程を繰り返すことによって、所望の造形物を形成する。積層造形が進むにつれて造形テーブルが徐々に降下し、未焼結の材料粉体は、造形テーブルとその周囲に設けられた粉体保持壁で囲まれた空間に保持される。

積層造形の完了後には、未焼結の材料粉体を造形テーブル上の空間から除去する必要があり、特許文献１では、バキューム装置を用いて吸い出している。

特許第３７７０２０６号公報

しかし、特許文献１の方法は、手間及び時間がかかるので、より容易に且つ短時間で未焼結の材料粉体を除去する手段が望まれている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、積層造形の完了後に、容易に且つ短時間で未焼結の材料粉体を除去することが可能な積層造形装置を提供するものである。

本発明によれば、材料粉体を用いて積層造形を行う積層造形装置であって、所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバと、前記チャンバ内に配置され且つ上下方向に移動可能な造形テーブルと、前記造形テーブルを取り囲み且つ前記造形テーブル上に供給された前記材料粉体を保持する粉体保持壁を備え、前記材料粉体を排出可能な粉体排出部が前記粉体保持壁又はその下側に設けられる、積層造形装置が提供される。

本発明では、材料粉体を排出可能な粉体排出部が粉体保持壁又はその下側に設けられている。このため、積層造形の完了後には、粉体排出部を通じて未焼結の材料粉体を排出することができるので、未焼結の材料粉体を容易かつ短時間で除去することが可能となる。

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、前記造形テーブルの周縁に配置され且つ前記造形テーブルの移動時に前記粉体保持壁に摺動される上部ワイパーをさらに備える。
好ましくは、前記粉体排出部から排出された前記材料粉体を受け取るバケットをさらに備える。
好ましくは、前記粉体排出部から排出された前記材料粉体を前記バケットに案内するシューターをさらに備える。
好ましくは、前記シューターに対して固定され且つ前記粉体排出部から排出された前記材料粉体を前記シューターに案内するシューターガイドをさらに備える。
好ましくは、前記造形テーブルの駆動機構の周囲を取り囲む駆動機構隔壁と、前記シューターガイドよりも下方の位置でシューターに対して固定され且つ前記造形テーブルの移動時に前記駆動機構隔壁に摺動される下部ワイパーをさらに備える。
好ましくは、前記粉体排出部は、積層造形時の前記造形テーブルのストローク下限よりも下方に設けられる。

本発明の一実施形態の積層造形装置の概略構成図である。粉体層形成装置３の斜視図である。リコータヘッド１１の斜視図である。リコータヘッド１１の別の角度から見た斜視図である。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。積層造形完了時の粉体層形成装置３の状態を示す斜視図である。図７の状態での造形テーブル５及びその周囲の状態を示す断面図である。駆動機構３１は簡略化して表示している。図９においても同様。図８の状態から造形テーブル５を降下させて粉体排出部２７を粉体保持空間３２に連通させた状態を示す断面図である。図９の状態での粉体層形成装置３の主要部の状態を示す斜視図である。

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、駆動機構３１によって駆動されて上下方向（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、造形テーブル５の上に材料粉体層８が形成される。また、造形テーブル５を取り囲むように粉体保持壁２６が設けられており、粉体保持壁２６と造形テーブル５によって囲まれる粉体保持空間３２（図７に図示）に未焼結の材料粉体が保持される。粉体保持壁２６の下側には、粉体保持空間３２内の材料粉体を排出可能な粉体排出部２７が設けられる。粉体排出部２７から排出された材料粉体は、シューターガイド２８によってシューター２９に案内され、シューター２９を通じてバケット３０に収容される。未焼結の材料粉体を粉体排出部２７から排出させる方法の詳細については、後述する。

リコータヘッド１１は、図２〜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）に沿って開口部が設けられる。これらの開口部の一方が不活性ガス供給口として利用され、他方が不活性ガス排出口として利用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。

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、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。

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９ｌ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。細長部材９ｌ内に供給された不活性ガスが開口部を通じて造形領域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及び細長部材９ｌ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。

チャンバ１からのヒューム排出系統は、図１に示すように、リコータヘッド１１のヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓ、及び細長部材９ｒにそれぞれ接続される。ヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓ、及び細長部材９ｒ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からヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓ、及び細長部材９ｒ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。また、細長部材９ｒの開口部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５〜図６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５〜図６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５に示すように、１層目の焼結層８１ｆを得る。
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。
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６に示すように、２層目の焼結層８２ｆを得る。
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することによって積層造形が完了する。焼結層を形成する度に造形テーブル５を少しずつ下げるので、積層造形の完了時点において、造形テーブル５の位置は、図７に示すように、開始時点よりも下がった位置になり、粉体保持壁２６と造形テーブル５によって囲まれる粉体保持空間３２内には、積層造形による造形物と未焼結の材料粉体が収容される。図８に示すように、造形テーブル５は、粉体保持壁２６とは直接接触しておらず、造形テーブル５の周縁に配置された上部ワイパー３３が粉体保持壁２６に接触する。そして、造形テーブル５の移動時には、上部ワイパー３３が粉体保持壁２６に摺動される。このような構成によって粉体保持空間３２内の材料粉体が漏れ出すことを抑制している。また、造形テーブル５は、造形中は加熱機構によって加熱されるので、高温になる。このため、上部ワイパー３３としては、耐熱ワイパーが用いられる。

図８に示すように、粉体排出部２７は、粉体保持壁２６とシューター２９の間に設けられている。造形テーブル５が図８に示すように粉体排出部２７よりも高い位置にあるときは、粉体保持空間３２内の材料粉体が粉体排出部２７から排出されることがない。一方、図９に示すように、粉体排出部２７が粉体保持空間３２に連通される位置にまで造形テーブル５が降下すると、粉体保持空間３２内の未焼結の材料粉体が図９の矢印Ｘで示す経路を通ってシューターガイド２８によってシューター２９に案内される。シューターガイド２８は、シューター２９に対して固定される。

造形テーブル５の下側には、造形テーブル５を上下に移動させる駆動機構３１が設けられる。駆動機構３１は、送りネジ機構などで構成され、材料粉体が駆動機構３１に入り込むと故障の原因になる。そこで、駆動機構３１への材料粉体の侵入を防ぐために、駆動機構３１の周囲を取り囲む駆動機構隔壁３５を設けた上で、シューター２９に対して固定され且つ造形テーブル５の移動時に駆動機構隔壁３５に摺動される下部ワイパー３６が設けられる。このような構成によって、シューター２９内で舞っている材料粉体が駆動機構３１に侵入することが防ぐことができる。さらに、図１０に示すように、駆動機構隔壁３５には下部ワイパー３６よりも下側にダストトレイ３４が設けられており、下部ワイパー３６と駆動機構隔壁３５の間を通過した材料粉体を受け止めるように構成されている。

粉体排出部２７は、積層造形時の造形テーブル５のストローク下限よりも下方に設けられる。このような位置に設けることによって、積層造形中に材料粉体が粉体排出部２７から排出されることを防ぐことができる。そして、積層造形の完了後に材料粉体を排出させるモードに切り替えると、造形テーブル５が図９に示す位置にまで下降して材料粉体が排出される。この際、材料粉体は、自重のみによって排出させてもよいが、積層造形にかかる時間が長い場合などは材料粉体が圧縮されて排出されにくい場合があるので、その場合は、材料粉体にピンを挿す等の刺激を与える機構を設けることによって容易に排出させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、積層造形の完了後に単に造形テーブル５を所定位置まで降下させることによって未焼結の材料粉体の排出が可能になる。従来技術よりも作業時間が短縮されるので、作業者が粉塵にさらされる時間も短縮されるため、安全性が向上する。また、未焼結の材料粉体をバケット３０に収容した後に、造形テーブル５を上昇させることによって、造形空間１ｄを、バケット３０が配置されている空間に対して封止することができる。このため、バケット３０から材料粉体を回収する作業を行っている間にも、造形空間１ｄ内をパージする等の作業を行うことができ、作業効率が向上する。

本発明は、以下の態様でも実施可能である。
・上記実施形態では、粉体保持壁２６の下端に切り欠きを設けた上で、粉体保持壁２６とシューター２９の間に粉体排出部２７を設けたが、この切り欠きは、無くてもよい。また、シューター２９を設けずに、粉体保持空間３２から材料粉体をバケット３０に直接排出してもよい。従って、粉体排出部２７は、粉体保持壁２６とシューター２９の間に設けることも必須ではなく、単に、粉体保持壁２６の下側の空間を粉体排出部２７としてもよい。また、粉体保持壁２６に貫通孔を設けて、この貫通孔を粉体排出部２７としてもよい。

粉体排出部２７は、積層造形時の造形テーブル５のストローク下限よりも高い位置に設けてもよい。この場合、粉体排出部２７にシャッターを設けて、積層造形中に材料粉体が排出されることを防ぐことが好ましい。

粉体排出部２７は、上記実施形態では、２箇所に設けたが、１箇所又は３箇所以上であってもよい。

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、２６：粉体保持壁、２７：粉体排出部、２８：シューターガイド、２９：シューター、３０：バケット、３１：駆動機構、３２：粉体保持空間、３３：上部ワイパー、３４：ダストトレイ、３５：駆動機構隔壁、３６：下部ワイパー、Ｌ：レーザ光

Claims

金属粉からなる材料粉体を用いて積層造形を行う積層造形装置であって、
所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバと、
前記チャンバ内に配置され且つ上下方向に移動可能な造形テーブルと、
前記造形テーブルを取り囲み且つ前記造形テーブル上に供給された前記材料粉体を保持する粉体保持壁を備え、
前記材料粉体をその自重により排出可能な粉体排出部が前記粉体保持壁自体に設けられるか、又は前記粉体保持壁よりも下方の空間に設けられる、積層造形装置。
前記造形テーブルの周縁に配置され且つ前記造形テーブルの移動時に前記粉体保持壁に摺動される上部ワイパーをさらに備える、請求項１に記載の積層造形装置。
前記粉体排出部から排出された前記材料粉体を受け取るバケットをさらに備える、請求項１又は請求項２に記載の積層造形装置。
前記粉体排出部から排出された前記材料粉体を前記バケットに案内するシューターをさらに備える、請求項３に記載の積層造形装置。
前記シューターに対して固定され且つ前記粉体排出部から排出された前記材料粉体を前記シューターに案内するシューターガイドをさらに備える、請求項４に記載の積層造形装置。
前記造形テーブルの駆動機構の周囲を取り囲む駆動機構隔壁と、
前記シューターガイドよりも下方の位置でシューターに対して固定され且つ前記造形テーブルの移動時に前記駆動機構隔壁に摺動される下部ワイパーをさらに備える、請求項４又は請求項５に記載の積層造形装置。
前記粉体排出部は、積層造形時の前記造形テーブルのストローク下限よりも下方に設けられる、請求項１〜請求項６の何れか１つに記載の積層造形装置。