JP5948462B1 - Additive manufacturing equipment - Google Patents

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Abstract

【課題】ヒュームを除去するために必要な適する待機時間の間、レーザ光の照射の開始を遅延させながら所望の三次元造形物を生成する積層造形装置の提供。【解決手段】密閉されたチャンバ1内において所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の各分割層毎に金属材料粉体を均一に撒布して形成される材料粉体層8上の所定の照射領域にレーザ光Lを照射して焼結層を形成するレーザ照射装置13と、チャンバ内1が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているようにチャンバ1に不活性ガスを供給するとともにヒュームを前記チャンバの外に排出する不活性ガス給排装置15と、所要のエネルギのレーザ光Lの照射に影響を与えない程度までチャンバ1内のヒュームの残留量に応じた待機時間が経過した後にレーザ照射装置13に対しレーザ光Lの照射開始指令を行う制御装置と、を備えた積層造形装置。【選択図】図1An object of the present invention is to provide an additive manufacturing apparatus that generates a desired three-dimensional structure while delaying the start of laser light irradiation for a suitable waiting time required for removing fumes. A material powder layer formed by uniformly distributing metal material powder for each of a plurality of divided layers obtained by dividing a desired three-dimensional structure at a predetermined height in a sealed chamber. The laser irradiation device 13 that irradiates a predetermined irradiation region on the laser beam L to form a sintered layer, and the chamber 1 is not filled so that the chamber 1 is always filled with an inert gas having a predetermined concentration or more. An inert gas supply / exhaust device 15 that supplies active gas and exhausts fumes out of the chamber, and according to the remaining amount of fumes in the chamber 1 to the extent that it does not affect the irradiation of the laser beam L of the required energy And a control device that issues a laser beam L irradiation start command to the laser irradiation device 13 after the waiting time has elapsed. [Selection] Figure 1

Description

この発明は、レーザ光を照射するレーザ照射装置を制御する制御装置を備えた積層造形装置に関する。   The present invention relates to an additive manufacturing apparatus including a control device that controls a laser irradiation device that emits laser light.

レーザ光による金属粉末焼結積層造形法においては、造形テーブル上に金属材料粉体を均一に撒布して材料粉体層を形成し、材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して焼結させることによって焼結層を形成し、この焼結層の上に金属材料粉体を均一に撒布して新たな材料粉体層を形成し、その新たな材料粉体層にレーザ光を照射して焼結させることによって下の焼結層と接合した新たな焼結層を形成し、そしてこれらを繰り返すことによって、複数の焼結層を積層して一体となる焼結体からなる所望の三次元造形物を形成する。   In the metal powder sintering additive manufacturing method using laser light, a metal material powder is uniformly distributed on a modeling table to form a material powder layer, and a predetermined portion of the material powder layer is irradiated with laser light to be fired. A sintered layer is formed by bonding, a metal material powder is uniformly distributed on the sintered layer to form a new material powder layer, and the new material powder layer is irradiated with laser light. To form a new sintered layer joined to the lower sintered layer, and by repeating these, a plurality of sintered layers are laminated to form a desired sintered body. Form a three-dimensional structure.

金属材料粉体をレーザ光によって焼結する場合は、金属材料粉体を変質させないように保護するとともに、所要のエネルギのレーザ光を安定して照射できるようにするために、所定の造形領域の周囲を可能な限り酸素が存在しない状態に維持することが要求される。そのため、レーザ光による金属粉末焼結積層造形法を実施するための積層造形装置は、密閉されたチャンバ内に窒素ガスのような不活性ガスを供給し、チャンバ内において酸素濃度が十分に低い雰囲気下で所定の照射領域にレーザ光を照射することができるように構成されている。   When sintering a metal material powder with laser light, in order to protect the metal material powder from being altered and to be able to stably irradiate laser light of a required energy, It is required to keep the surroundings as oxygen free as possible. Therefore, an additive manufacturing apparatus for performing a metal powder sintering additive manufacturing method using laser light supplies an inert gas such as nitrogen gas into a sealed chamber, and an atmosphere having a sufficiently low oxygen concentration in the chamber. A predetermined irradiation region can be irradiated with laser light below.

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り、焼結不良が発生するおそれがある。そのため、特許文献1に開示されるように、ヒュームがレーザ光を遮蔽しないように、チャンバ内からヒュームを含む不活性ガスを排出しながら、チャンバ内に清浄な不活性ガスを供給する積層造形装置が知られている。特許文献1の発明によると、チャンバに供給される清浄な不活性ガスによりチャンバ内の汚れた不活性ガスを押し出して不活性ガスの流れを形成することによって、所要のエネルギのレーザ光の照射に影響がない程度にヒュームをチャンバの外に排出することができる。   When the metal material powder is sintered by irradiating it with laser light, specific smoke called fume is generated. When the chamber fills the chamber, the laser beam is shielded, and the laser beam having a required energy does not reach the sintering site, which may cause sintering failure. Therefore, as disclosed in Patent Document 1, an additive manufacturing apparatus that supplies clean inert gas into the chamber while discharging the inert gas containing the fume from the chamber so that the fume does not shield the laser light. It has been known. According to the invention of Patent Document 1, the clean inert gas supplied to the chamber pushes out the dirty inert gas in the chamber to form a flow of the inert gas, thereby irradiating the laser beam with the required energy. Fumes can be discharged out of the chamber to the extent that there is no effect.

特許第5243935号公報Japanese Patent No. 5243935

不活性ガス給排装置は、チャンバに設けられている複数の供給口と複数の排出口を通して不活性ガスを循環させている。不活性ガス給排装置の最大供給量を超える流量で不活性ガスが供給されると、供給される不活性ガスの濃度が低下して、チャンバ内の酸素濃度が許容値を上回る。不活性ガス給排装置の最大供給量は、実用上の限界がある。   The inert gas supply / discharge device circulates an inert gas through a plurality of supply ports and a plurality of discharge ports provided in the chamber. When the inert gas is supplied at a flow rate that exceeds the maximum supply amount of the inert gas supply / discharge device, the concentration of the supplied inert gas decreases, and the oxygen concentration in the chamber exceeds the allowable value. The maximum supply amount of the inert gas supply / discharge device has practical limits.

所望の形状を有する三次元造形物を所定の高さで分割してなる複数の分割層のそれぞれの分割層におけるレーザ光の照射面積が大きくなるほど同一の照射条件における焼結時間がより長くなって発生するヒュームの量も増加する。そのため、ヒュームの発生量が不活性ガス給排装置で除去できる除去量を上回り、次の分割層において材料粉体層を形成しレーザ光を照射するまでの間にヒュームを除去しきれない場合がある。特に、チャンバの容量が不活性ガス給排装置の最大供給量に対して相対的に大きくなると、チャンバ内のヒュームで汚染されている不活性ガスの排出量が不足して、残留するヒュームがチャンバの側壁面に沿って上昇し、チャンバの上側に設けられている排出口から排出しきれないヒュームがレーザ光の照射経路を横切る方向に流れてチャンバ内に滞留する。   The sintering time under the same irradiation condition becomes longer as the irradiation area of the laser beam in each of the plurality of divided layers obtained by dividing a three-dimensional structure having a desired shape at a predetermined height increases. The amount of fumes generated will also increase. For this reason, the amount of fumes generated exceeds the amount that can be removed by the inert gas supply / exhaust device, and the fumes may not be completely removed until the material powder layer is formed in the next divided layer and the laser beam is irradiated. is there. In particular, when the capacity of the chamber becomes relatively large with respect to the maximum supply amount of the inert gas supply / exhaust device, the exhaust amount of the inert gas contaminated with the fumes in the chamber becomes insufficient, and the remaining fumes are contained in the chamber. The fume that rises along the side wall surface of the substrate and cannot be discharged from the discharge port provided on the upper side of the chamber flows in a direction crossing the irradiation path of the laser beam and stays in the chamber.

そのため、ヒュームが所要のエネルギのレーザ光の照射に影響を与えない程度十分に排出されるまでの間、レーザ光の照射を休止する必要がある。例えば、焼結層を1層形成する毎に待機時間を設け、次の焼結層の形成の開始を前記待機時間分遅延させる。このとき、十分な長さの待機時間を設定し、前記待機時間中にヒュームの除去を行えば、ヒュームの除去を十分に行うことができる。しかしながら、任意の形状の三次元形状物を生成するときは、各分割層の間で照射面積が大きく異なることがあるので、発生するヒュームの発生量も各焼結層毎に異なる。したがって、複数の分割層中で最もヒュームの残留量が多くなる場合を基準にして待機時間を一定にすることは、造形サイクルにおいて不必要に余計な時間を要し、所望の三次元造形物を生成するまでに要する全体の造形時間が許容できないほど長くなるおそれがある。   Therefore, it is necessary to suspend the laser beam irradiation until the fumes are sufficiently discharged so as not to affect the laser beam irradiation with the required energy. For example, a standby time is provided every time one sintered layer is formed, and the start of the formation of the next sintered layer is delayed by the standby time. At this time, if a sufficiently long waiting time is set and the fumes are removed during the waiting time, the fumes can be sufficiently removed. However, when generating a three-dimensional object having an arbitrary shape, the irradiation area may vary greatly between the divided layers, and the amount of generated fumes varies from one sintered layer to another. Therefore, making the waiting time constant based on the case where the remaining amount of fume is the largest among the plurality of divided layers requires unnecessary extra time in the modeling cycle, and the desired three-dimensional model is obtained. There is a possibility that the entire modeling time required for generation becomes unacceptably long.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、各分割層毎に所要のエネルギのレーザ光の照射に影響しなくなるまでヒュームを除去するために必要な適する待機時間の間、レーザ光の照射の開始を遅延させながら所望の三次元造形物を生成することができるようにされた積層造形装置を提供することを主たる目的とするものである。   The present invention has been made in view of such circumstances, and the laser beam is used for a suitable standby time necessary to remove the fumes until it does not affect the irradiation of the laser beam having the required energy for each divided layer. The object of the present invention is to provide an additive manufacturing apparatus that can generate a desired three-dimensional structure while delaying the start of irradiation.

本発明は、密閉されたチャンバ内において所望の形状を有する三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層の各分割層毎に金属材料粉体を均一に撒布して形成される材料粉体層上の所定の照射領域にレーザ光を照射して焼結層を形成するレーザ照射装置と、前記チャンバ内が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているように前記チャンバに不活性ガスを供給するとともに前記レーザ光の照射によって発生したヒュームで汚染された不活性ガスを前記チャンバの外に排出する不活性ガス給排装置と、前記分割層毎に最上層の焼結層を形成する焼結工程を完了してから前記不活性ガス給排装置の不活性ガスの供給能力に対応して所要のエネルギの前記レーザ光の照射に影響を与えない、焼結不良が発生しない程度前記ヒュームが除去されるまでの前記焼結時間に対して比例的に増減する前記チャンバ内のヒュームの残留量に応じた待機時間が経過した後に前記レーザ照射装置に対し前記レーザ光の照射開始指令を行う制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記焼結層の形成に要した焼結時間を取得する焼結時間取得部または前記焼結層における照射面積を取得する照射面積取得部と、前記焼結層毎にテスト加工によって得られる焼結時間または照射面積に対応する待機時間の複数のデータに基づいて前記取得した焼結時間または照射面積に応じた前記所要の待機時間を算出する待機時間算出部と、を有する積層造形装置を提供するものである。 The present invention is formed by uniformly distributing metal material powder for each divided layer of a plurality of divided layers obtained by dividing a three-dimensional structure having a desired shape at a predetermined height in a sealed chamber. A laser irradiation device for forming a sintered layer by irradiating a predetermined irradiation region on the material powder layer with a laser beam, and the chamber so that the chamber is always filled with an inert gas having a predetermined concentration or more. An inert gas supply / exhaust device for supplying inert gas to the chamber and exhausting the inert gas contaminated with fumes generated by the irradiation of the laser light to the outside of the chamber, and sintering of the uppermost layer for each of the divided layers Corresponding to the inert gas supply capability of the inert gas supply / exhaust device after completing the sintering process to form a layer, it does not affect the irradiation of the laser beam with the required energy, resulting in sintering failure the fumes to the extent that does not have Control to said laser irradiation apparatus after waiting time according to the remaining amount of fumes in the chamber to increase or decrease proportionally to the sintering time to be removed by elapses performing irradiation start command of the laser beam The control device includes a sintering time acquisition unit that acquires a sintering time required for forming the sintered layer, an irradiation area acquisition unit that acquires an irradiation area in the sintered layer, and the sintering Standby time calculation for calculating the required standby time corresponding to the acquired sintering time or irradiation area based on a plurality of data of the sintering time or standby time corresponding to the irradiation area obtained by test processing for each layering And an additive manufacturing apparatus having a portion .

本発明に係る積層造形装置においては、制御装置は、各分割層毎にチャンバ内のヒュームの残留量に応じて所要のエネルギのレーザ光の照射に影響がなくなるまでヒュームを除去するために要求される適する待機時間が経過した後にレーザ照射装置に対し次の焼結工程のレーザ光の照射開始指令を行う。そのため、必要十分にチャンバ内に残留するヒュームを排出してから不必要に余計な時間を要することなく次の焼結工程を開始し、常時所要のエネルギのレーザ光を安定して照射することができる。   In the additive manufacturing apparatus according to the present invention, the control device is required to remove the fumes until there is no influence on the irradiation of the laser beam with the required energy according to the residual amount of fumes in the chamber for each divided layer. After a suitable waiting time elapses, the laser irradiation apparatus is instructed to start irradiation with laser light in the next sintering process. Therefore, it is possible to start the next sintering process without unnecessary time after exhausting the fumes remaining in the chamber sufficiently and stably, and stably irradiate laser light with the required energy at all times. it can.

また、特に、本発明において、ヒュームの残留量と間に相関関係を有する最上層の焼結層において焼結に要した焼結時間または最上層の焼結層における照射面積に応じて待機時間を算出するようにした場合は、より容易に適する待機時間を得ることができる。   In particular, in the present invention, the waiting time is set according to the sintering time required for sintering in the uppermost sintered layer having a correlation with the residual amount of fume or the irradiation area in the uppermost sintered layer. When it is calculated, a suitable standby time can be obtained more easily.

また、本発明において、レーザ光のスポット径、出力または走査速度に応じて待機時間を補正し再算出するようにした場合は、より適する待機時間を設定することができる。   In the present invention, when the standby time is corrected and recalculated according to the spot diameter, output, or scanning speed of the laser beam, a more suitable standby time can be set.

本発明の一実施形態の積層造形装置の構成図である。It is a block diagram of the additive manufacturing apparatus of one Embodiment of this invention. 図1のD−D矢視断面図であり、前チャンバ1fのみを表示している。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line DD in FIG. 1 and shows only the front chamber 1f. 粉体層形成装置3の斜視図である。3 is a perspective view of a powder layer forming apparatus 3. FIG. リコータヘッド11及び細長部材9r,9lの斜視図である。It is a perspective view of the recoater head 11 and the elongated members 9r and 9l. 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。It is the perspective view seen from another angle of the recoater head 11 and the elongate members 9r and 9l. ヒューム拡散装置17の詳細を示す構成図である。2 is a configuration diagram showing details of a fume diffusing device 17; FIG. ヒューム拡散装置17の斜視図である。2 is a perspective view of a fume diffusing device 17; (a)は所望の三次元造形物46の斜視図、(b)は(a)の造形物モデル47の斜視図、(c)は(b)を所定単位高で水平面で分割した状態を示す斜視図、(d)は焼結層50の斜視図である。(A) is a perspective view of a desired three-dimensional structure 46, (b) is a perspective view of a structure model 47 of (a), and (c) shows a state in which (b) is divided by a horizontal plane at a predetermined unit height. A perspective view and (d) are perspective views of the sintered layer 50. 制御装置61の構成図である。3 is a configuration diagram of a control device 61. FIG. 遅延工程の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of a delay process. 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り、1回目の焼結工程中の積層造形装置の状態を示す。It is explanatory drawing of the additive manufacturing method using the additive manufacturing apparatus of one Embodiment of this invention, and shows the state of the additive manufacturing apparatus in the 1st sintering process. 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り、2回目のリコート工程完了時の積層造形装置の状態を示す。It is explanatory drawing of the additive manufacturing method using the additive manufacturing apparatus of one Embodiment of this invention, and shows the state of the additive manufacturing apparatus at the time of the 2nd recoat process completion. 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り、5回目の焼結工程開始時の積層造形装置の状態を示す。It is explanatory drawing of the additive manufacturing method using the additive manufacturing apparatus of one Embodiment of this invention, and shows the state of the additive manufacturing apparatus at the time of the 5th sintering process start.

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に説明される複数の各構成部材における変形例は、それぞれ任意に組み合わせて実施することができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The modifications of the plurality of constituent members described below can be implemented in any combination.

本発明においては、積層造形の各工程について、それぞれ、造形テーブル5上に金属材料粉体を均一に撒布して材料粉体層8を形成する工程をリコート工程、材料粉体層8の所定箇所にレーザ光Lを照射して焼結させることによって焼結層50を形成する工程を焼結工程、各分割層49毎にチャンバ1内のヒューム25の残留量に応じて所要のエネルギのレーザ光Lの照射に影響がなくなるまでヒューム25を除去するために要求される適する待機時間に従って次の焼結工程のレーザ光Lの照射の開始を遅延させる工程を遅延工程、複数層の焼結層50を形成する度に焼結層50に対してスピンドルヘッドに装着された回転切削工具によって切削加工を行う工程を切削工程という。   In the present invention, for each step of layered modeling, a step of uniformly spreading metal material powder on the modeling table 5 to form the material powder layer 8 is a recoating step, and a predetermined portion of the material powder layer 8 The step of forming the sintered layer 50 by irradiating the laser beam L with the laser beam L is sintered. The laser beam having a required energy according to the residual amount of the fumes 25 in the chamber 1 for each divided layer 49. The delaying step is a step of delaying the start of the irradiation of the laser light L in the next sintering step according to a suitable waiting time required for removing the fume 25 until there is no effect on the irradiation of L, and the plurality of sintered layers 50 A process of cutting the sintered layer 50 with a rotary cutting tool attached to the spindle head each time is formed is called a cutting process.

図1に示すように、本発明の一実施形態の積層造形装置10は、実質的に密閉されたチャンバ1内に粉体層形成装置3と駆動装置52が設けられる。駆動装置52は、ベッド51上に配置される。粉体層形成装置3とベッド51は、ベース54上に配置される。チャンバ1は、前チャンバ1fと後チャンバ1rに分かれており、前チャンバ1f内に造形室1dが設けられ、後チャンバ1r内に駆動室1eが設けられる。造形室1dと駆動室1eは、伸縮可能なX軸蛇腹53で仕切られる。造形室1dと駆動室1eとの間には、不活性ガスが通過できるだけのわずかな隙間である連通部が存在している。   As shown in FIG. 1, the additive manufacturing apparatus 10 according to an embodiment of the present invention includes a powder layer forming device 3 and a driving device 52 in a substantially sealed chamber 1. The driving device 52 is disposed on the bed 51. The powder layer forming apparatus 3 and the bed 51 are disposed on the base 54. The chamber 1 is divided into a front chamber 1f and a rear chamber 1r. A modeling chamber 1d is provided in the front chamber 1f, and a drive chamber 1e is provided in the rear chamber 1r. The modeling chamber 1d and the drive chamber 1e are partitioned by an X-axis bellows 53 that can be expanded and contracted. Between the modeling chamber 1d and the drive chamber 1e, there is a communicating portion that is a slight gap through which an inert gas can pass.

駆動装置52は、造形室1d内に配置される加工ヘッド57をY軸方向に移動させるY軸駆動装置52bと、Y軸駆動装置52bをX軸方向に移動させるX軸駆動装置52aで構成される。加工ヘッド57は、図示しないスピンドルヘッドと、これをZ軸方向に移動させるZ軸駆動装置を備える。スピンドルヘッドは、エンドミルなどの回転切削工具を装着して回転させることができるように構成されている。以上の構成によって、加工ヘッド57は、スピンドルヘッドを造形室1d内の任意の位置に移動させて、後述する焼結体50に対して切削加工を施すことができるようになっている。この回転切削工具を用いて、所定数の焼結層50が形成される度に、焼結層50に対して切削加工を行ってもよい。また、リコータヘッド11が焼結層50の隆起部に衝突したときにも、隆起部を除去するために焼結層50に対して切削加工を行ってもよい。   The drive device 52 includes a Y-axis drive device 52b that moves the machining head 57 disposed in the modeling chamber 1d in the Y-axis direction, and an X-axis drive device 52a that moves the Y-axis drive device 52b in the X-axis direction. The The processing head 57 includes a spindle head (not shown) and a Z-axis driving device that moves the head in the Z-axis direction. The spindle head is configured to be able to be rotated by mounting a rotary cutting tool such as an end mill. With the above configuration, the machining head 57 can move the spindle head to an arbitrary position in the modeling chamber 1d and perform cutting on the sintered body 50 described later. Using this rotary cutting tool, every time a predetermined number of sintered layers 50 are formed, the sintered layers 50 may be cut. Further, when the recoater head 11 collides with the raised portion of the sintered layer 50, the sintered layer 50 may be cut to remove the raised portion.

図2および図3に示すように、前チャンバ1f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を有するベース台4と、ベース台4上に配置されかつ水平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(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。   As shown in FIGS. 2 and 3, a powder layer forming apparatus 3 is provided in the front chamber 1f. The powder layer forming apparatus 3 includes a base 4 having a modeling region R, a recoater head 11 disposed on the base 4 and configured to be movable in a horizontal uniaxial direction (arrow B direction), a recoater Elongated members 9r and 9l provided on both sides of the modeling region R along the moving direction of the head 11. In the modeling region R, a modeling table 5 is provided that is movable in the vertical direction (arrow A direction). When the additive manufacturing apparatus is used, the modeling plate 7 is disposed on the modeling table 5, and the material powder layer 8 is formed thereon.

リコータヘッド11は、図4および図5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の底面に設けられかつ材料収容部11a内の金属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から排出された金属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、金属材料粉体の焼結時に発生するヒューム25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。金属材料粉体は、例えば平均粒径20μmの球形をなす鉄粉などの金属粉である。   As shown in FIGS. 4 and 5, the recoater head 11 is provided with a material container 11a, a material supply unit 11b provided on the top surface of the material container 11a, and a material container provided on the bottom surface of the material container 11a. The material discharge part 11c which discharges | emits the metal material powder in the part 11a is provided. The material discharging part 11c has a slit shape extending in the horizontal one-axis direction (arrow C direction) orthogonal to the moving direction of the recoater head 11 (arrow B direction). On both side surfaces of the recoater head 11, squeezing blades 11fb and 11rb for flattening the metal material powder discharged from the material discharge portion 11c to form the material powder layer 8 are provided. Further, on both side surfaces of the recoater head 11, fume suction portions 11 fs and 11 rs for sucking the fume 25 generated when the metal material powder is sintered are provided. The fume suction portions 11fs and 11rs are provided along a horizontal one-axis direction (arrow C direction) orthogonal to the moving direction (arrow B direction) of the recoater head 11. The metal material powder is a metal powder such as a spherical iron powder having an average particle diameter of 20 μm, for example.

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。これらの開口部9ra,9la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A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25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、金属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。   The elongated members 9r and 9l are provided with openings 9ra and 9la, respectively, along the moving direction of the recoater head 11 (arrow B direction). Since one of these openings 9ra and 9la is used as an inert gas supply port and the other is used as an inert gas discharge port, an inert gas flow in the direction of arrow A can be made on the modeling region R. The fumes 25 generated in the modeling region R are easily discharged along the flow of the inert gas. In the present specification, the inert gas is a gas that does not substantially react with the metal material powder, and examples thereof include nitrogen gas, argon gas, and helium gas.

前チャンバ1fの上方にはレーザ照射装置13が設けられ、レーザ照射装置13から出力されたレーザ光Lは、前チャンバ1f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。レーザ照射装置13は、前チャンバ1f内において所望の形状の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層49の各分割層49毎に金属材料粉体を均一に撒布して形成される材料粉体層8上の所定の照射領域45に所要のエネルギのレーザ光Lを照射して焼結層50を形成する。レーザ照射装置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、金属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、CO2レーザ、ファイバレーザ、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。   The laser irradiation device 13 is provided above the front chamber 1f, and the laser light L output from the laser irradiation device 13 passes through the window 1a provided in the front chamber 1f and is formed in the modeling region R. The body layer 8 is irradiated. The laser irradiation device 13 uniformly distributes the metal material powder in each divided layer 49 of the plurality of divided layers 49 obtained by dividing a three-dimensional structure having a desired shape at a predetermined height in the front chamber 1f. The predetermined irradiation region 45 on the material powder layer 8 to be formed is irradiated with laser light L having a required energy to form the sintered layer 50. The laser irradiation device 13 may be configured to be capable of two-dimensional scanning with the laser light L in the modeling region R. For example, the laser light source that generates the laser light L and the laser light L can be two-dimensionally scanned in the modeling region R. And a pair of galvano scanners. The type of the laser beam L is not limited as long as the metal material powder can be sintered, and is, for example, a CO2 laser, a fiber laser, a YAG laser, or the like. The window 1a is formed of a material that can transmit the laser light L. For example, when the laser beam L is a fiber laser or a YAG laser, the window 1a can be made of quartz glass.

前チャンバ1fの上面には、ウィンドウ1aを覆うようにヒューム拡散装置17が設けられる。ヒューム拡散装置17は、図6および図7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27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装置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流れ出てレーザ光Lの照射経路からヒューム25を排除し、ウィンドウ1aがヒューム25によって汚れることを防止する。   A fume diffusing device 17 is provided on the upper surface of the front chamber 1f so as to cover the window 1a. As shown in FIGS. 6 and 7, the fume diffusing device 17 includes a cylindrical casing 17a and a cylindrical diffusing member 17c arranged in the casing 17a. An inert gas supply space 17d is provided between the housing 17a and the diffusion member 17c. An opening 17b is provided on the bottom surface of the housing 17a inside the diffusion member 17c. The diffusion member 17c is provided with a large number of pores 17e, and the clean inert gas 27 supplied to the inert gas supply space 17d is filled into the clean space 17f through the pores 17e. Then, the clean inert gas 27 filled in the clean space 17f is ejected downward of the fume diffusing device 17 through the opening 17b. The jetted clean inert gas 27 flows out along the irradiation path of the laser beam L, excludes the fumes 25 from the irradiation path of the laser beams L, and prevents the window 1a from being contaminated by the fumes 25.

次に、不活性ガス給排装置の不活性ガス供給系統とヒューム排出系統について説明する。実施形態の不活性ガス給排装置は、不活性ガス供給装置15と、ヒュームコレクタ19と、ダストボックス21,23と、ヒューム拡散装置17と、を含んでなる。不活性ガス給排装置は、チャンバ1内が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているように不活性ガスを供給するとともに、レーザ光Lの照射によって発生したヒューム25によって汚染された不活性ガスをチャンバ1の外に排出する。   Next, an inert gas supply system and a fume discharge system of the inert gas supply / discharge device will be described. The inert gas supply / discharge device according to the embodiment includes an inert gas supply device 15, a fume collector 19, dust boxes 21 and 23, and a fume diffusion device 17. The inert gas supply / discharge device supplies the inert gas so that the interior of the chamber 1 is always filled with an inert gas having a predetermined concentration or more, and the inert gas contaminated by the fumes 25 generated by the irradiation of the laser beam L. The active gas is discharged out of the chamber 1.

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、周囲の空気から窒素ガスを取り出す膜式窒素セパレータを備える装置である。ヒュームコレクタ19は、その上流側及び下流側にそれぞれダクトボックス21,23を有する。前チャンバ1fから排出されたヒューム25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25が除去された不活性ガスがダクトボックス23を通じて前チャンバ1f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。   An inert gas supply device 15 and a fume collector 19 are connected to the inert gas supply system to the chamber 1. The inert gas supply device 15 has a function of supplying an inert gas, and includes, for example, a membrane nitrogen separator that extracts nitrogen gas from ambient air. The fume collector 19 has duct boxes 21 and 23 on the upstream side and the downstream side, respectively. The inert gas containing the fumes 25 discharged from the front chamber 1f is sent to the fume collector 19 through the duct box 21, and the inert gas from which the fumes 25 have been removed in the fume collector 19 is sent to the front chamber 1f through the duct box 23. It is done. With such a configuration, the inert gas can be reused.

チャンバ1への不活性ガス供給系統は、図1および図2に示すように、前チャンバ1fの上部供給口1bと、後チャンバ1rの供給口1gと、ヒューム拡散装置17の不活性ガス供給空間17dと、細長部材9rにそれぞれ接続される。上部供給口1bを通じて前チャンバ1fの造形室1d内に不活性ガスが充填される。細長部材9r内に供給された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。また、後チャンバ1r内に供給された不活性ガスは、造形室1dと駆動室1eとの間の連通部を通じて造形室1d内に供給される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the inert gas supply system to the chamber 1 includes an upper supply port 1b of the front chamber 1f, a supply port 1g of the rear chamber 1r, and an inert gas supply space of the fume diffusion device 17. 17d and the elongated member 9r, respectively. An inert gas is filled into the modeling chamber 1d of the front chamber 1f through the upper supply port 1b. The inert gas supplied into the elongated member 9r is discharged onto the modeling region R through the opening 9ra. The inert gas supplied into the rear chamber 1r is supplied into the modeling chamber 1d through a communication portion between the modeling chamber 1d and the drive chamber 1e.

ヒューム排出系統は、図1、図2、図3および図4に示すように、前チャンバ1f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にそれぞれ接続される。上部排出口1cを通じて前チャンバ1fの造形室1d内の、ヒューム25を含む不活性ガスが排出されることによって、造形室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25を吸引することができる。また、細長部材9lの開口部9laを通じてヒューム25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25が取り除かれた後の不活性ガスが再利用される。   As shown in FIGS. 1, 2, 3 and 4, the fume discharge system is connected to the upper discharge port 1c of the front chamber 1f, the fume suction parts 11fs and 11rs of the recoater head 11, and the elongated member 9l, respectively. Is done. As the inert gas including the fume 25 in the modeling chamber 1d of the front chamber 1f is discharged through the upper discharge port 1c, the flow of the inert gas from the upper supply port 1b toward the upper discharge port 1c into the modeling chamber 1d. Is formed. The fume suction units 11 fs and 11 rs of the recoater head 11 can suck the fume 25 generated in the modeling region R when the recoater head 11 passes over the modeling region R. Further, the inert gas containing the fume 25 is discharged out of the chamber 1 through the opening 9la of the elongated member 9l. The fume discharge system is connected to the fume collector 19 through the duct box 21, and the inert gas after the fume 25 is removed in the fume collector 19 is reused.

次に、前記積層造形装置における焼結層50の形成方法について説明する。以下の説明では、少なくとも、レーザ光Lのスポット径、出力、走査速度は、操作者によって任意に設定変更可能なレーザ光Lの照射条件に含まれる。また、本発明では、レーザ光Lの照射条件と走査経路、および切削加工の切削条件と工具軌跡と、を含んだ積層造形装置をプログラム運転するための造形プログラムのデータを造形データという。   Next, a method for forming the sintered layer 50 in the additive manufacturing apparatus will be described. In the following description, at least the spot diameter, output, and scanning speed of the laser light L are included in the irradiation conditions of the laser light L that can be arbitrarily set and changed by the operator. Further, in the present invention, the data of the modeling program for performing the program operation of the additive manufacturing apparatus including the irradiation condition and scanning path of the laser beam L and the cutting condition and tool trajectory of the cutting process is referred to as modeling data.

まず、図8に示すように、CAM(コンピュータ支援製造)装置64において、所望の三次元造形物46をコンピュータ上でモデル化した三次元造形物のモデル47を作成し、このモデル47を所定単位高で水平面で分割して分割層49a,49b,49c,49d,49e,49fを形成する。複数の分割層49のそれぞれ輪郭形状で囲まれた領域が、レーザ光Lを照射すべき照射領域45a,45b,45c,45d,45e,45fである。CAM装置64は、照射領域45の全体に渡ってレーザ光Lが照射されるような走査経路を算出するとともに、適正なレーザスポット径、レーザ出力およびレーザ走査速度を算出し、造形データを積層造形装置の制御装置61に出力する。なお、実施形態の積層造形装置では、所望の三次元造形物46を所定単位高で等分割しているが、本発明においては、分割層49の厚さが常に同じである必要はなく、所定高さが分割層49によって異なる場合を含む。   First, as shown in FIG. 8, a CAM (Computer Aided Manufacturing) device 64 creates a three-dimensional structure model 47 obtained by modeling a desired three-dimensional structure 46 on a computer. Divided layers 49a, 49b, 49c, 49d, 49e, and 49f are formed by being divided at a high and horizontal plane. The regions surrounded by the contour shapes of the plurality of divided layers 49 are irradiation regions 45a, 45b, 45c, 45d, 45e, and 45f to be irradiated with the laser beam L, respectively. The CAM device 64 calculates a scanning path in which the laser beam L is irradiated over the entire irradiation region 45, calculates an appropriate laser spot diameter, a laser output, and a laser scanning speed, and laminates modeling data. Output to the control device 61 of the apparatus. In the additive manufacturing apparatus of the embodiment, the desired three-dimensional structure 46 is equally divided at a predetermined unit height. However, in the present invention, the thickness of the divided layer 49 does not always have to be the same. This includes the case where the height varies depending on the divided layer 49.

制御装置61は、具体的に、分割層49毎にヒューム25の残留量に応じてヒューム25を所要のエネルギのレーザ光Lの照射に影響を与えないで焼結不良が発生しない程度まで除去するために要求される待機時間が経過した後にレーザ照射装置13に対し次の焼結工程のレーザ光Lの照射開始指令を行う。特に、実施形態の制御装置61は、まず、分割層49毎にそのときの最上層の焼結層50において、不活性ガス給排装置の不活性ガスの供給能力(最大供給量)に対応してヒューム25の残留量を比例的に増減させる焼結時間から待機時間を算出する。そして、制御装置61は、待機時間が経過した後にレーザ照射装置13に対し次の分割層49の焼結工程におけるレーザ光Lの照射開始を指令する。 Specifically, the controller 61 removes the fumes 25 for each of the divided layers 49 according to the residual amount of the fumes 25 to the extent that no sintering failure occurs without affecting the irradiation of the laser beam L with the required energy. Therefore, after the standby time required for the elapse of time, the laser irradiation apparatus 13 is instructed to start irradiation with the laser light L in the next sintering process. In particular, the control device 61 of the embodiment first corresponds to the inert gas supply capability (maximum supply amount) of the inert gas supply / discharge device in the uppermost sintered layer 50 for each divided layer 49 at that time. The standby time is calculated from the sintering time in which the residual amount of the fume 25 is increased or decreased proportionally. Then, after the standby time has elapsed, the control device 61 instructs the laser irradiation device 13 to start irradiation with the laser light L in the next sintering process of the divided layer 49.

積層造形装置は、CAM装置64よって作成された造形データに基づいてレーザ光Lを材料粉体層8に対して照射することによって、金属材料粉体を選択的に焼結させて、分割層49a,49b,49c,49d,49d,49fに対応した形状を有する焼結層50a,50b,50c,50d,50d,50fを形成するとともに、それぞれの焼結層50を互いに融合させ、所望の三次元造形物46を形成する。   The layered manufacturing apparatus selectively sinters the metal material powder by irradiating the material powder layer 8 with the laser beam L based on the modeling data created by the CAM apparatus 64, thereby dividing the layer 49a. , 49b, 49c, 49d, 49d, and 49f are formed, and the sintered layers 50a, 50b, 50c, 50d, 50d, and 50f are formed, and the respective sintered layers 50 are fused together to form a desired three-dimensional structure. A model 46 is formed.

次に、図9および図10に基づき、焼結層50を1層形成する毎に行う遅延工程について説明する。   Next, a delaying process performed each time one sintered layer 50 is formed will be described with reference to FIGS. 9 and 10.

図9に示すように、実施形態の積層造形装置の制御装置61は、演算装置62と、待機時間を算出するための待機時間データベース63とを備える。制御装置61は、前記に示した方法のとおり、CAM装置64において生成された造形データを受信し、この造形データに基づいて積層造形の制御を行う。具体的に、待機時間データベース63には、あらかじめ各々の焼結時間に応じて、ヒューム25を十分に除去するために適する待機時間のデータが格納される。待機時間データベース63における焼結時間に対応する待機時間の複数のデータは、テスト加工によって得ることができる。制御装置61は、直前の焼結工程の完了と共に、待機時間のカウントを開始する。このとき、待機時間は、リコート工程に要する時間よりも短く設定されることがある。その場合は制御装置61は、リコート工程の完了時に直ちに次の焼結工程に移行するよう積層造形の制御を行う。   As shown in FIG. 9, the control device 61 of the additive manufacturing apparatus according to the embodiment includes a calculation device 62 and a standby time database 63 for calculating the standby time. As described above, the control device 61 receives the modeling data generated in the CAM device 64 and controls the layered modeling based on the modeling data. Specifically, the standby time database 63 stores standby time data suitable for sufficiently removing the fume 25 according to each sintering time in advance. A plurality of standby time data corresponding to the sintering time in the standby time database 63 can be obtained by test processing. The controller 61 starts counting the standby time when the immediately preceding sintering process is completed. At this time, the standby time may be set shorter than the time required for the recoat process. In that case, the control device 61 controls the layered manufacturing so as to immediately shift to the next sintering step when the recoating step is completed.

ここで図10に示すように、まず、制御装置61の演算装置62の焼結時間取得部71が、直前の焼結工程において、焼結層50の形成に要した時間である焼結時間を内部カウンタによって計測して取得する(ステップS1)。   Here, as shown in FIG. 10, first, the sintering time acquisition unit 71 of the arithmetic device 62 of the control device 61 sets the sintering time which is the time required for forming the sintered layer 50 in the immediately preceding sintering process. It is measured and acquired by an internal counter (step S1).

次に、演算装置62の待機時間算出部72は、待機時間データベース63を参照し、前記焼結時間に応じた待機時間を取得する(ステップS2)。このとき、待機時間データベース63の中に焼結時間取得部71が取得した焼結時間と一致するデータが存在しない場合は、取得した焼結時間よりも短く最も近い焼結時間のデータと、取得した焼結時間よりも長く最も近い焼結時間のデータとを検索し、抽出した2つの焼結時間の比例式により待機時間を得る。例えば、取得した焼結時間をt、待機時間データベース63内に格納されたデータにおけるtよりも短く最も近い焼結時間をt1、tよりも長く最も近い焼結時間をt2、t,t1,t2における適する待機時間をそれぞれx,u1,u2とおけば、所望の待機時間xは下記の通り表わせる。   Next, the standby time calculation unit 72 of the arithmetic device 62 refers to the standby time database 63 and acquires a standby time corresponding to the sintering time (step S2). At this time, if there is no data in the waiting time database 63 that coincides with the sintering time acquired by the sintering time acquisition unit 71, the data of the closest sintering time shorter than the acquired sintering time and the acquired The data of the closest sintering time longer than the sintering time is retrieved, and the standby time is obtained by the proportional expression of the two extracted sintering times. For example, the acquired sintering time is t, the nearest sintering time shorter than t in the data stored in the standby time database 63 is t1, and the nearest sintering time longer than t is t2, t, t1, t2. If the suitable waiting times in x are respectively x, u1, and u2, the desired waiting time x can be expressed as follows.

Figure 0005948462
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そして、制御装置61は、前記待機時間が経過するまでレーザ照射装置13に対しレーザ光Lの照射開始指令を行わない(ステップS3)。なお、待機時間の起算はステップS2の完了時から行うが、ステップS1およびS2は瞬時に行われるため、実質的な起算点は直前の焼結工程の完了時点である。   And the control apparatus 61 does not perform the irradiation start command of the laser beam L with respect to the laser irradiation apparatus 13 until the said waiting time passes (step S3). The standby time is calculated from the time when step S2 is completed. However, since steps S1 and S2 are performed instantaneously, the substantial starting point is the time when the immediately preceding sintering process is completed.

前記待機時間が経過したと判断されると(ステップS4)、制御装置61は、レーザ照射装置13に対し、次の焼結工程におけるレーザ光Lの照射開始指令を行う(ステップS5)。   If it is determined that the standby time has elapsed (step S4), the control device 61 instructs the laser irradiation device 13 to start irradiation with the laser light L in the next sintering step (step S5).

制御装置61は、焼結工程を1回終える毎にステップS1からステップS5までの遅延工程を行う。所要のエネルギのレーザ光Lの照射に直接影響を与えるチャンバ1内のヒューム25の残留量またはチャンバ1内のヒューム25による汚染状態を直接測定することが難しいので、この実施形態の積層造形装置によると、適する待機時間を比較的容易に得ることができる利点がある。   The control device 61 performs a delay process from step S1 to step S5 every time the sintering process is finished once. Since it is difficult to directly measure the residual amount of the fume 25 in the chamber 1 or the contamination state due to the fume 25 in the chamber 1 that directly affects the irradiation of the laser beam L of the required energy, the additive manufacturing apparatus of this embodiment There is an advantage that a suitable waiting time can be obtained relatively easily.

実施形態の積層造形装置は、待機時間データベース63によって焼結時間から待機時間を取得するようにしているが、待機時間がヒューム25の残留量に応じて比例的に増減するものであって、ヒューム25の残留量が焼結時間に応じておおよそ比例的に増減するものであることから、待機時間データベース63によって待機時間を算出する方式に代えて、テスト加工によって得ることができる焼結時間と待機時間の複数の測定データから生成される種々の近似法に基づく近似式、例えば、最小二乗法に基づく近似式によって待機時間を算出するように変形することができる。なお、近似式で待機時間を算出するようにする場合、造形を繰り返すたびに測定データを累積記録して測定データを蓄積していき、蓄積された測定データに基づいて近似式を作り直すことによって、待機時間の精度を向上させるようにすることができる。   In the additive manufacturing apparatus of the embodiment, the standby time is acquired from the sintering time by the standby time database 63, but the standby time is proportionally increased or decreased according to the residual amount of the fume 25. Since the residual amount of 25 increases or decreases in proportion to the sintering time, the sintering time and standby that can be obtained by test processing instead of the method of calculating the standby time by the standby time database 63 The standby time can be modified by calculating an approximate expression based on various approximation methods generated from a plurality of time measurement data, for example, an approximate expression based on the least square method. In addition, when trying to calculate the waiting time with an approximate expression, every time modeling is repeated, measurement data is accumulated and measured data is accumulated, and by recreating the approximate expression based on the accumulated measurement data, The accuracy of the waiting time can be improved.

ここで、一連の積層造形の工程について、より詳細に説明する。   Here, a series of additive manufacturing processes will be described in more detail.

まず、1回目のリコート工程を行う。図11に示すように、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内に金属材料粉体が充填されているリコータヘッド11を矢印B方向に造形領域Rの右側から左側に移動させることによって、造形テーブル5上に、例えば、図8に示される分割層49aにおける1層目の材料粉体層8aを形成する。   First, the first recoating step is performed. As shown in FIG. 11, the height of the modeling table 5 is adjusted to an appropriate position while the modeling plate 7 is placed on the modeling table 5. In this state, the recoater head 11 in which the metal material powder is filled in the material accommodating portion 11a is moved from the right side to the left side of the modeling region R in the direction of arrow B, so that, for example, FIG. The first material powder layer 8a in the divided layer 49a shown in FIG.

次に、1回目の焼結工程を行う。図8に示される材料粉体層8a中の所定の照射領域45aにレーザ光Lを照射し、材料粉体層8aのレーザ光照射部位を焼結させることによって、図8および図11に示すように、1層目の焼結層50aを得る。このとき、制御装置61は、焼結層50aを形成するために要した時間を計測している。   Next, the first sintering step is performed. As shown in FIG. 8 and FIG. 11, a predetermined irradiation region 45a in the material powder layer 8a shown in FIG. 8 is irradiated with laser light L, and the laser light irradiation portion of the material powder layer 8a is sintered. Then, the first sintered layer 50a is obtained. At this time, the control device 61 measures the time required to form the sintered layer 50a.

1回目の遅延工程は、1回目の焼結工程の完了と同時に開始する。具体的には、すでに説明されているステップS1からステップS5で示されている方法のとおり、1回目の焼結工程に要した焼結時間に応じて、所定の待機時間が経過するまでの間、2回目の焼結工程の開始を遅延させる。待機時間は1回目の焼結工程の完了と同時にカウントを開始する。制御装置61は、レーザ照射装置13に焼結工程を開始させる制御信号を出力したら、内部カウンタに保持されている焼結時間をリセットするとともに、次の焼結時間のカウントを開始する。   The first delaying process starts simultaneously with the completion of the first sintering process. Specifically, according to the sintering time required for the first sintering step, until a predetermined waiting time elapses, as described in steps S1 to S5 described above. Delay the start of the second sintering step. The waiting time starts counting simultaneously with the completion of the first sintering step. When the control device 61 outputs a control signal for starting the sintering process to the laser irradiation device 13, the control device 61 resets the sintering time held in the internal counter and starts counting the next sintering time.

2回目のリコート工程は、1回目の遅延工程の開始と同時または直後に開始され、1回目の遅延工程と2回目のリコート工程は平行して行われる。図12に示すように、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の左側から右側に移動させることによって、焼結層50aを覆うように造形テーブル5上に2層目の材料粉体層8bを形成する。好ましくは、リコータヘッド11が焼結層50の隆起部に衝突したときは、隆起部を除去するために焼結層50に対して切削加工を行う。   The second recoating step is started simultaneously with or immediately after the start of the first delaying step, and the first delaying step and the second recoating step are performed in parallel. 12, the height of the modeling table 5 is lowered by one layer of the material powder layer 8, and the recoater head 11 is moved from the left side to the right side of the modeling region R so as to cover the sintered layer 50a. A second material powder layer 8 b is formed on the modeling table 5. Preferably, when the recoater head 11 collides with the raised portion of the sintered layer 50, the sintered layer 50 is cut to remove the raised portion.

もし2回目のリコート工程の完了時に、取得した待機時間が既に経過していれば、直ちに2回目の焼結工程に移行する。   If the acquired standby time has already passed when the second recoating process is completed, the process immediately proceeds to the second sintering process.

1回目の遅延工程と2回目のリコート工程の両方が完了した後に、前記に示した方法のとおり、材料粉体層8b中の所定の照射領域45bにレーザ光Lを照射し、照射領域45b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50bを得る。図13に示すように、以上の工程を繰り返すことによって、3層目の焼結層50c、4層目の焼結層50d、5層目以降の焼結層50とが順次形成される。上下に隣接する焼結層50は、互いに強く固着される。   After both the first delaying step and the second recoating step are completed, the predetermined irradiation region 45b in the material powder layer 8b is irradiated with the laser light L as described above, and the irradiation region 45b is formed. By sintering, a second sintered layer 50b is obtained as shown in FIG. As shown in FIG. 13, by repeating the above steps, the third sintered layer 50c, the fourth sintered layer 50d, and the fifth and subsequent sintered layers 50 are sequentially formed. The vertically adjacent sintered layers 50 are firmly fixed to each other.

好ましくは、三次元造形物46の表面精度を高める等の目的で、複数層の焼結層50を形成する度に、焼結層50に対して、スピンドルヘッドに装着された回転切削工具によって切削加工を行う切削工程を実施する。既述のとおり、CAM装置64から出力される造形データには、この切削加工のための回転切削工具の種類、回転速度、および送り速度等の切削条件、あるいは工具軌跡等の設定値も含まれる。   Preferably, for the purpose of increasing the surface accuracy of the three-dimensional structure 46, each time a plurality of sintered layers 50 are formed, the sintered layer 50 is cut by a rotary cutting tool attached to the spindle head. A cutting process is performed to perform processing. As described above, the modeling data output from the CAM device 64 includes cutting conditions such as the type of the rotary cutting tool, the rotational speed, and the feed speed for the cutting, or set values such as the tool trajectory. .

リコート工程、焼結工程および遅延工程においては、前記に示した方法のとおり、不活性ガスの給排出により、チャンバ1内のヒューム25の除去を行う。切削工程においては、金属材料粉体が不活性ガスの層流によって巻き上げられるのを防ぐために、ヒューム25の除去が停止される。リコータヘッド11が焼結層50の隆起部に衝突したときに行われる切削加工時も同様にヒューム25の除去が停止される。   In the recoating process, the sintering process, and the delaying process, the fumes 25 in the chamber 1 are removed by supplying and discharging the inert gas as described above. In the cutting process, the removal of the fume 25 is stopped in order to prevent the metal material powder from being wound up by the laminar flow of the inert gas. Similarly, the removal of the fume 25 is stopped at the time of cutting performed when the recoater head 11 collides with the raised portion of the sintered layer 50.

一般に、照射面積が大きくなる程、焼結時間も長くなる。最上層の焼結層50において焼結に要した焼結時間とヒューム25の発生量に相関関係があるのと同様、最上層の焼結層50における照射面積とヒューム25の発生量にも相関関係がある。ゆえに、前記実施形態では待機時間算出部72は、焼結時間を基に待機時間を算出したが、代わりに照射面積に応じて前記待機時間を算出してもよい。このとき演算装置62は、焼結時間取得部71に代えて照射面積取得部を備える。照射面積取得部は、CAM装置64で生成される造形データに含まれる走査経路または輪郭形状のデータから計算して求めるか、または、図示しないCAD装置で生成されているソリッドデータの照射領域45の面積を参照し、照射面積を取得する。   In general, the larger the irradiation area, the longer the sintering time. In the same manner as the sintering time required for sintering and the amount of fumes 25 generated in the uppermost sintered layer 50 are correlated, the irradiation area and the amount of fumes 25 generated in the uppermost sintered layer 50 are also correlated. There is a relationship. Therefore, in the embodiment, the standby time calculation unit 72 calculates the standby time based on the sintering time, but may instead calculate the standby time according to the irradiation area. At this time, the arithmetic device 62 includes an irradiation area acquisition unit instead of the sintering time acquisition unit 71. The irradiation area acquisition unit is calculated from the scanning path or contour shape data included in the modeling data generated by the CAM device 64, or the irradiation area 45 of the solid data generated by a CAD device (not shown). Refer to the area to obtain the irradiation area.

また、焼結工程で発生するヒューム25の量は、レーザ光Lのスポット径、出力および走査速度によっても変化する。ゆえに前記待機時間にレーザ光Lのスポット径、出力および走査速度による補正をかければ、より最適な待機時間が求められる。レーザ光Lのスポット径、出力および走査速度のデータは、CAM装置64から積層造形装置の制御装置61に送られる造形データに含まれているので、それを参照すればよい。   Further, the amount of the fumes 25 generated in the sintering process also varies depending on the spot diameter, output, and scanning speed of the laser light L. Therefore, if the standby time is corrected by the spot diameter, output, and scanning speed of the laser beam L, a more optimal standby time can be obtained. Since the spot diameter, output, and scanning speed data of the laser beam L are included in the modeling data sent from the CAM device 64 to the control device 61 of the layered modeling apparatus, it may be referred to.

以上のとおり、実施形態の積層造形装置によると、各分割層49毎にそれぞれヒューム25の残留量に密接に関係する焼結時間、あるいは照射面積に応じて、次の分割層49における金属材料粉体をリコートする時間を含めて所要のエネルギのレーザ光Lの照射に影響がなくなるまでヒューム25が排出される適する待機時間の間、レーザ光Lの照射を開始することを遅延させることができるので、各分割層49毎に不必要に時間を多くかけることなく、各焼結工程で所要のエネルギのレーザ光Lを安定して照射することができ、良好な三次元造形を実施することができる。   As described above, according to the additive manufacturing apparatus of the embodiment, the metal material powder in the next divided layer 49 depends on the sintering time or irradiation area closely related to the residual amount of the fume 25 for each divided layer 49. Since it is possible to delay the start of the irradiation of the laser beam L during a suitable waiting time for the fumes 25 to be discharged until the irradiation of the laser beam L having the required energy is not affected, including the time for recoating the body. In each sintering step, laser beam L having a required energy can be stably irradiated in each sintering step without unnecessarily increasing the time for each divided layer 49, and good three-dimensional modeling can be performed. .

とりわけ、実施形態の積層造形装置のように、スピンドルヘッドを移動させる駆動装置52が収容される駆動室1eを備える切削加工を行なうことができる積層造形装置においては、ヒューム25が十分に排出されるまでの時間がより長くなることから、全体の造形時間の増長を小さく抑える点で、より効果的である。   In particular, in the additive manufacturing apparatus capable of performing the cutting process including the drive chamber 1e in which the drive device 52 for moving the spindle head is accommodated as in the additive manufacturing apparatus of the embodiment, the fume 25 is sufficiently discharged. This is more effective in that the increase in the overall modeling time is kept small.

本発明は、すでにいくつかの例が具体的に示されているように、図面に示される実施形態の構成に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形ないし応用が可能である。   The present invention is not limited to the configuration of the embodiment shown in the drawings as some examples have been specifically shown, and various modifications and applications are possible without departing from the technical idea of the present invention. It is.

1 チャンバ
8 材料粉体層
13 レーザ照射装置
25 ヒューム
27 清浄な不活性ガス
45 照射領域
49 分割層
50 焼結層
61 制御装置
71 焼結時間取得部
72 待機時間算出部
L レーザ光
R 造形領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Chamber 8 Material powder layer 13 Laser irradiation apparatus 25 Fume 27 Clean inert gas 45 Irradiation area 49 Division layer 50 Sintering layer 61 Control apparatus 71 Sintering time acquisition part 72 Waiting time calculation part L Laser beam R Modeling area

Claims (2)

密閉されたチャンバ内において所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層の各分割層毎に金属材料粉体を均一に撒布して形成される材料粉体層上の所定の照射領域にレーザ光を照射して焼結層を形成するレーザ照射装置と、
前記チャンバ内が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているように前記チャンバに不活性ガスを供給するとともにヒュームを前記チャンバの外に排出する不活性ガス給排装置と、
前記分割層毎に前記焼結層を形成する焼結工程を完了してから前記不活性ガス給排装置の不活性ガスの供給能力に対応して焼結不良が発生しない所要のエネルギの前記レーザ光の照射に影響を与えない程度にヒュームが除去されるまでの前記チャンバ内のヒュームの残留量に応じた適する待機時間が経過した後に前記レーザ照射装置に対し前記レーザ光の照射開始指令を行う制御装置と、を備え
前記制御装置は、前記焼結層の形成に要した焼結時間を取得する焼結時間取得部または前記焼結層における照射面積を取得する照射面積取得部と、前記焼結層毎にテスト加工によって得られている焼結時間または照射面積に対応する待機時間の複数のデータに基づいて前記取得した焼結時間または照射面積に応じた前記適する待機時間を算出する待機時間算出部と、
を有する積層造形装置。
On a material powder layer formed by uniformly distributing metal material powder for each divided layer of a plurality of divided layers obtained by dividing a desired three-dimensional structure at a predetermined height in a sealed chamber A laser irradiation apparatus for forming a sintered layer by irradiating a predetermined irradiation region with a laser beam;
An inert gas supply / exhaust device for supplying the inert gas to the chamber and exhausting fumes out of the chamber so that the chamber is always filled with an inert gas having a predetermined concentration or more;
The laser having the required energy that does not cause a sintering failure corresponding to the inert gas supply capability of the inert gas supply / discharge device after the sintering process for forming the sintered layer for each of the divided layers is completed. The laser beam irradiation start command is issued to the laser irradiation device after a suitable waiting time corresponding to the amount of fumes remaining in the chamber until the fumes are removed to such an extent that the irradiation of light is not affected. A control device ,
The control device includes a sintering time acquisition unit that acquires a sintering time required for forming the sintered layer, an irradiation area acquisition unit that acquires an irradiation area in the sintered layer, and a test process for each of the sintered layers. A standby time calculation unit that calculates the suitable standby time according to the acquired sintering time or irradiation area based on a plurality of data of the standby time corresponding to the sintering time or irradiation area obtained by:
An additive manufacturing apparatus.
前記待機時間算出部が、前記レーザ光のスポット径、出力および走査速度に応じて前記待機時間を補正し再算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。   The additive manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the standby time calculation unit corrects and recalculates the standby time according to a spot diameter, an output, and a scanning speed of the laser beam.
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