JP5960330B1 - 積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒュームをより効率よく排出すること。【解決手段】積層造形装置は、密閉空間内に照射領域を収容するチャンバ１と、チャンバ１内において造形ベース６Ａ上を水平１軸方向に往復移動し照射領域に金属材料粉体層を形成するリコータヘッド３と、チャンバ１内に不活性ガスを循環供給する不活性ガス給排装置４と、を備える。不活性ガス給排装置４は、リコータヘッド３の片面に設けられる第１供給口Ｆ１と、チャンバ１の側板に第１供給口に対面するように照射領域から離れて設けられる第１排出口Ｖ１と、第１排出口Ｖ１に対面して設けられる第２供給口Ｆ２と、を含む。また、リコータヘッド３の反対側の面に設けられる第２排出口Ｖ２と、造形領域を挟んで前後に設けられる第３排出口Ｖ３および第４排出口Ｖ４と、を有する。吸引装置４Ｃは、第１排出口Ｖ１に接続して設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、積層造形装置に関する。特に、本発明は、ヒュームをチャンバの外に除去する機能を有する金属粉末積層造形装置に関する。

金属粉末積層造形装置は、一般には、金属３Ｄプリンタとして広く知られている。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、材料粉体層における所定の照射領域にレーザ光を照射して焼結層を形成し、焼結層を積層して一体化させることによって所望の三次元造形物を生成する。

金属材料粉体をレーザ光によって焼結する場合は、材料粉体が変質し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常時安定して照射できるようにするために、所定の照射領域の周囲の環境を可能な限り酸素が存在しない雰囲気にすることが要求される。そのため、金属粉末積層造形装置は、密閉されたチャンバ内にレーザ光の所定の照射領域を設けて、チャンバに窒素ガスのような不活性ガスを供給して、酸素濃度が十分に低い雰囲気下でレーザ光を照射できるようにされている。

レーザ光によって金属材料粉体を焼結させると、熱で昇華した金属を含む金属ヒュームと称される特有の蒸気が発生する。ヒュームは、黒煙のように発生して上昇して拡散する。ヒュームが霧のようにチャンバに充満すると、チャンバ内を縦断して照射されるレーザ光を遮ってレーザ光のエネルギを低下させるため、予定されている十分な所要の照射エネルギのレーザ光が所定の照射領域に到達せず、焼結不良を引き起こす。

そのため、ヒュームが冷却されて所要の照射エネルギのレーザ光の照射に影響を与えない程度まで十分に消滅するまでの間、ヒュームの残留量に応じて定期的に焼結作業を休止することが要求される。また、ヒュームが冷却されたときに生じる微細な金属の粒子がチャンバ内を浮遊し、チャンバの環境を悪化させる。金属の粉塵は、塵肺の原因になることが判明しており有害である。また、浮遊した微細な金属の粒子が落下して新しい材料粉体に混入し、生成される三次元造形物の品質を低下させるおそれもある。

例えば、特許文献１または特許文献２は、直方体形状のチャンバの側板の上側に設けられた供給口から不活性ガスを供給し、対向する側板の下側に設けられた排出口から不活性ガスを排出することによって、ヒュームの発生源である照射スポットを含む所定の照射領域を横切る不活性ガスの流れを形成し、ヒュームを不活性ガスの流れに乗せてレーザ光の照射経路から排除する方法を開示している。

特許文献３は、圧縮された不活性ガスを供給したり、チャンバ内にファンを設置することによって、局所的な不活性ガスの流れを作り、チャンバ内を縦断して照射されるレーザ光の照射経路からヒュームを効果的に排除することができる積層造形装置を開示している。特許文献３の発明によると、局所的な不活性ガスの流れによって、レーザ光の照射経路からヒュームをより効果的に排除することができる。

特許文献４は、造形テーブルの上面に設けられた供給口から不活性ガスを供給し、造形テーブルの上面に供給口とは別に設けられた排出口からポンプまたはファンによって強制的に不活性ガスを排出する積層造形方法を開示している。特許文献４の発明によると、所定の照射領域に撒布されている材料粉体を移動させることなく、ヒュームの発生源のより近くからヒュームを積極的に排除することができる。

特表２００１−５０４８９７号公報 特開２０１４−２０１０６８号公報 国際公開２０１１／４９１４３号パンフレット 特開２０１０−４７８１３号公報

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。チャンバの外に排出されるヒュームを含んだ汚れた不活性ガスは、ヒュームコレクタという集塵機に送られる。ヒュームコレクタによって、ヒュームが冷却して発生する微細な金属の粒子が除去される。浄化された不活性ガスは、再びチャンバに供給される。そのため、再生能力を含む不活性ガスの最大供給量を超える流量で不活性ガスを循環させると、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。当然、不活性ガス給排装置の不活性ガスの最大供給量には、実用上の限界がある。

不活性ガスの供給口と排出口との間に形成される不活性ガスの流れは、不活性ガス給排装置の不活性ガス供給装置から供給される不活性ガスの圧力と流量におおよそ依存するので、家屋における換気と同じように比較的緩やかである。そのため、ヒュームを不活性ガスの流れに乗せて効率よくレーザ光の照射経路から排出するためには、所定の照射領域により近い位置に不活性ガスの供給口と排出口を設ける必要がある。

ヒュームを吸引して強制的に排出する場合、排出口が所定の照射領域に近接していると、材料粉体を移動させ、あるいは巻き込んで吸い出して材料粉体層を乱すおそれがある。また、所定の照射領域を間に置いて供給口と排出口との間の距離が近すぎると、新しく供給される不活性ガスの殆どが直接的に排出口から吸い出されて、チャンバの全体に行き渡らず、チャンバの全体における不活性ガスの濃度の低下が進んでしまうおそれがある。そのため、排出口に吸引装置を設けることが難しい。

このように、不活性ガスの流れによってヒュームの発生源においてヒュームをレーザ光の照射経路から排除することができたとしても、チャンバの外に十分に排出しきれない。所定の照射領域から押し出されてチャンバの下側の排出口から排出されずにチャンバに残留するヒュームは、チャンバの側板内壁に沿って上昇する。上昇したヒュームは、チャンバの天板に到達する。チャンバの上側に設けられている排出口からも排出されきれずに残留するヒュームは、チャンバの上側でレーザ光の照射経路を横切って反対側の側板内壁に当たって下降し、チャンバ内で対流し拡散する。

同一のレーザ光の照射条件における材料粉体層毎の所定の照射領域の面積が大きくなるほど、各材料粉体層の焼結工程に要する時間が長くなるので、ヒュームの発生量もより多くなる。ヒュームの発生量が相対的に不活性ガス給排装置の不活性ガスの最大供給量を上回ると、チャンバに滞留するヒュームが消滅するまでに要求される時間もより長くなり、焼結作業の休止時間も長くなって、生産効率が低下したり、造形品質が低下する。

本発明は、上記課題に鑑みて、より効率よくチャンバからヒュームを除去することができる積層造形装置を提供することを主たる目的とする。本発明によって得ることができるいくつかの利点は、本発明の実施の形態の説明において、詳しく記述される。

本発明の積層造形装置は、上記課題を解決するために、造形を行なう作業領域である造形領域と、密閉空間を形成し密閉空間内に造形領域に含まれるレーザ光の所定の照射領域を収容するチャンバ（１）と、チャンバ（１）内において造形ベース（６Ａ）上を水平１軸方向に往復移動し照射領域に金属材料粉体層を形成するリコータヘッド（３）と、チャンバ（１）内に不活性ガスを循環供給する不活性ガス給排装置（４）と、を備えた積層造形装置において、不活性ガス給排装置（４）が、リコータヘッド（３）の移動方向に面する両側面の片面に設けられる第１供給口と、チャンバ（１）の側板に第１供給口に対面するように照射領域から離れて設けられる第１排出口と、造形ベース（６Ａ）上に照射領域を間に置いて第１排出口に対面するように設けられる第２供給口と、を含んでなり、第１排出口に接続する吸引装置（４Ｃ）を設けてなるようにされる。

上記積層造形装置は、好ましくは、不活性ガス給排装置（４）が、リコータヘッド（３）の上記片面に対して反対側の面に設けられる第２排出口を含んでなるようにされる。また、望ましくは、第１排出口がリコータヘッド（３）に材料粉体を供給する材料供給装置（７）が設けられている側のチャンバの側板の下側に設けられるようにする。また、リコータヘッド（３）の移動を案内するガイドレールに沿って造形領域に向かって開口する第３排出口と、造形領域を挟んで第３排出口に対面するように開口する第４排出口と、を設けることができる。なお、括弧内の符号は、説明の便宜上付されているものであって、本発明を図面に示される実施の形態の積層造形装置に限定するものではない。

本発明の積層造形装置は、リコータヘッドの片面に新しい清浄な不活性ガスを噴出して供給する第１供給口を設けるとともに、所定の照射領域を間に置いて第１供給口に対面するようにチャンバの側板に所定の照射領域から十分な距離離れて第１排出口を設けている。また、所定の照射領域を間に置いて第１排出口に対面するように造形ベースの上に第２供給口を設けている。そして、第１排出口が所定の照射領域および対向する供給口に近接していないので、第１排出口に吸引装置を設けて強制的にヒュームを排出するようにすることができる。

吸引装置によってレーザ光の照射経路を横切って第１排出口に向かう不活性ガスの流れに勢いが与えられるので、より効率よく照射経路からヒュームを排除することができる。また、チャンバの換気能力が向上し、ヒュームの排出量をより多くすることができる。特に、リコータヘッドが移動して第１供給口が使用できないときであっても、第２供給口から第１供給口と同じ新しい不活性ガスが供給されるので、造形中に途切れることなく、常時同一方向に清浄な不活性ガスの流れが形成される。

本発明の積層造形装置によると、所要のエネルギのレーザ光を照射し得る程度までチャンバからヒュームを除去するために要する時間をより短くすることができ、生産効率が向上する。また、効率よくヒュームを除去することによってチャンバに漂流する微細な金属の粒子が減少し、品質と安全性が向上する。

本発明の積層造形装置の正面図である。 本発明の積層造形装置の右側面図である。 造形ベース６Ａを示す斜視図である。 リコータヘッド３を右上方向から見た斜視図である。 リコータヘッド３を左下方向から見た斜視図である。 不活性ガスの第１排出口Ｖ１を示す斜視図である。

図１および図２に本発明の積層造形装置の適する実施の形態の全体の概要が模式的に示される。図１は、実施の形態の積層造形装置の正面図である。図２は、図１で示される積層造形装置の側面図である。図３に実施の形態の積層造形装置の造形ベースの具体的な構成が示される。以下の説明では、積層造形装置の機械本機において、チャンバ１に作業扉が設けられている側を前面または正面とし、前面に向かって右手側を右側面、左手側を左側面、後側を背面とする。図中の点線は、レーザ光の照射経路または信号線を示す。以下に、本発明の積層造形装置の実施の形態について、具体的に説明する。

実施の形態の積層造形装置は、レーザ光による金属粉末焼結積層造形法によって金属製の三次元造形物を生成する金属粉末焼結積層造形装置である。積層造形装置は、機械本機と、機械本機に収容される電源装置および制御装置と、機械本機の前側に設けられる操作パネルと、機械本機の後側に設定されるヒュームコレクタ４Ｂのような周辺機器と、で構成されている。

図１に示される積層造形装置は、密閉空間を形成し密閉空間内にレーザ光の所定の照射領域を収容するチャンバ１と、チャンバ１内において造形ベース６Ａ上を水平１軸方向（Ｕ軸）に往復移動し少なくとも所定の照射領域に金属材料粉体層を形成するリコータヘッド３と、チャンバ１内に不活性ガスを循環供給する不活性ガス給排装置４と、を備える。

チャンバ１は、酸素濃度が所定値未満の金属材料粉体を焼結するために適する環境を形成する手段である。チャンバ１は、機械本機の左右方向に伸縮自在の仕切りであるジャバラ１Ａによって前側の密閉空間である造形室１Ｂと後側の密閉空間である駆動室１Ｃとに分割される。造形室１Ｂと駆動室１Ｃとの間には、不活性ガスが通過できる僅かな隙間が存在する。造形室１Ｂには、造形領域が収容される。駆動室１Ｃには、適宜レーザ光の照射によって生成された焼結体の表面の仕上げ加工をするための切削装置の駆動装置５が収容される。

チャンバ１の前面には、造形室１Ｂに連通する開口１Ｄが設けられ、開口１Ｄに図示しない覗窓付の作業扉が設けられている。造形室１Ｂには、レーザ光の所定の照射領域を含む造形領域が形成される。造形領域は、造形を行なう作業領域の全体を示し、実質的に造形テーブル２の上面全面に相当する。所定の照射領域は、造形領域内に存在し、所望の三次元造形物の輪郭形状で囲繞される領域とおおよそ一致する。したがって、所定の照射領域は、任意の形状の三次元造形物を所定の高さで分割した各分割層毎に面積が異なることがある。

機械本機の基台であるベッド６の上に水平に作業台である平板形状の造形ベース６Ａが固定されている。図３に示されるように、造形ベース６Ａの中央部位に四角形、例えば正方形の貫通部位がされている。造形ベース６Ａの貫通部位に連通するベッド６の内側空間の中央空間に上面の外形が貫通部位の内形に対して相似である造形テーブル２が昇降自在に嵌装される。造形テーブル２の上には、造形プレート２Ａが固定されている。実施の形態の積層造形装置においては、造形ベース６Ａは、２枚のベース板からなり、中央部位に貫通部位に形成するように中央部位を挟んで左右両側にそれぞれベース板を取り付けている。

本発明においては、造形テーブル２が造形ベース６Ａの上面を超えて上昇しない構造である場合を含めて、造形テーブル２が造形ベース６Ａを貫通して鉛直１軸方向に往復移動するように設置されるものとする。また、本発明においては、造形ベース６Ａの上面と造形テーブル２の上面を含めた全面を単に造形ベース６Ａの上面ということがある。実施の形態の積層造形装置においては、造形テーブル２の上面を含めた造形ベース６Ａの上をリコータヘッド３が移動してほぼ全体に材料粉体を撒布することができ、造形テーブル２の上面に造形領域が形成される。

造形ベース６Ａと造形テーブル２との間には、造形テーブル２を囲繞するように中央空間を形成し、中央空間に粉体材料を溜める材料保持壁６Ｂが設けられる。造形テーブル２の周縁に環状のパッキンまたはシールが設けられ、中央空間を密閉する。パッキンまたはシールは、造形テーブル２が材料保持壁６Ｂで囲繞されている中央空間内を鉛直１軸方向に移動できるように、材料保持壁６Ｂの壁面に対して摺動可能な材質で形成されている。

造形テーブル２を中央空間内において鉛直１軸方向に上下に往復移動させるＷ軸駆動機構２Ｗがベッド６の内側空間に設けられている。ベッド６の内側空間における密閉された中央空間の下側に、造形テーブル２の上面を含む造形ベース６Ａ上に撒布された材料粉体を自由落下させて収容し回収するバケット６Ｃが設定されている。バケット６Ｃは、移動させることができる。

リコータヘッド３は、金属材料粉体を造形ベース６Ａ上の少なくとも所定の照射領域に所定の均一な厚さで撒布する手段である。リコータヘッド３は、チャンバ１の造形室１Ｂにおいて、図示しないＵ軸駆動機構によって水平１軸方向（Ｕ軸）、具体的には、機械本機の左右方向に往復移動する。リコータヘッド３は、図１に示される材料供給装置７から供給される材料粉体を貯留する材料貯留箱３Ａと、材料貯留箱３Ａに貯留されている材料粉体を造形ベース６Ａ上に撒布して均一な厚さに均すブレード３Ｂと、リコータヘッド３の往復移動を案内するガイドユニット３Ｃと、を含んでなる。

図４および図５には、リコータヘッド３の構成がより詳しく示されている。本発明では、機械本機の前側と同じ方向をリコータヘッド３の前面とし、前面に向かって右手側を右側面、左手側を左側面、後側を背面とする。ただし、ブレード３Ｂにおいては、リコータヘッド３の移動方向に向かう面を表面とし、反対側の面を裏面とする。

材料貯留箱３Ａは、実質的にリコータヘッド３の本体を形成する。材料貯留箱３Ａは、リコータヘッド３の移動方向に直交する方向、言い換えると、機械本機の前後方向において、造形領域の奥行よりも長い全長を有する。材料貯留箱３Ａの上下面の一部または全部が開放されている。材料貯留箱３Ａに材料粉体を補充するときは、リコータヘッド３を材料供給装置７の直下に移動させ、材料粉体の自由落下によって材料貯留箱３Ａの上面から所定量の材料粉体を導入する。

ブレード３Ｂは、機械本機の前後方向における造形領域の奥行とほぼ同じ刃長を有する。ブレード３Ｂは、刃先と造形ベース６Ａの上面との間の距離が予め決められている材料粉体層の厚さと同じになるように可能な限り精確な高さで材料貯留箱３Ａの下側に取り付けられる。同一形状の２枚のブレード３Ｂがリコータヘッド３の移動方向に直交する方向の中心軸線に対して左右対称に材料貯留箱３Ａに設けられる。

一対のブレード３Ｂのうちのリコータヘッド３が移動方向に対して前側になるブレード３Ｂは、リコータヘッド３の移動中に、焼結工程において障害になる切削加工による切粉のような障害物を造形領域の外に押し出して排除する。後側になるブレード３Ｂは、リコータヘッド３の移動中に、下面の中央が開放されている材料貯留箱３Ａから落下し供給される材料粉体を刃先と造形ベース６Ａとの間に形成される間隙から流出させることによって、材料粉体を所定の厚さで均一に撒布する。リコータヘッド３の移動方向が反転するときは、前後のブレード３Ｂが入れ替わる。

不活性ガス給排装置４は、新しい不活性ガスの供給源である不活性ガス供給装置４Ａからチャンバ１内に不活性ガスを供給し、造形室１Ｂの中の酸素濃度を所定値未満、実施上は、不活性ガスの濃度を所定値以上に維持する手段である。また、不活性ガス給排装置４は、造形室１Ｂに発生するヒュームを含む汚染物質によって汚れている主成分が不活性ガスである気体を回収して、回収した気体から不純物を除去して造形室１Ｂに戻す手段である。以下の説明では、不活性ガスの濃度に関わらず回収する気体を単に不活性ガスといい、チャンバ１に戻される気体を再生不活性ガスという。

不活性ガス給排装置４は、不活性ガス給排装置４Ａと、チャンバ１から回収した不活性ガスを浄化する集塵機であるヒュームコレクタ４Ｂと、吸引装置４Ｃとを含んでなる。また、不活性ガス給排装置４は、チャンバ１に設けられる複数の不活性ガスの供給口および排出口と、各供給口および排出口に接続する配管を含む。広義には、不活性ガス供給装置４は、ヒューム拡散装置８を含む。

本発明における不活性ガスは、金属材料粉体と実質的に反応しないガスである。実施の形態の積層造形装置で使用する不活性ガスは、窒素ガスである。実施の形態の不活性ガス供給装置４Ａは、高純度の不活性ガスの供給源であって、具体的には、バルブを含む液体窒素ボンベである。不活性ガスは、窒素ガス以外に、例えば、アルゴンガス、ヘリウムガスが適用できる。実施の形態の不活性ガス給排装置４では、不活性ガス供給装置４Ａは、造形室１Ｂに不活性ガスを供給する第１供給装置４０Ａと、駆動室１Ｃに不活性ガスを供給する第２供給装置４０Ｂでなる。

本発明の不活性ガス給排装置４は、少なくとも、チャンバ１に設けられる不活性ガスの主供給口である第１供給口Ｆ１および第２供給口Ｆ２と、主排出口である第１排出口Ｖ１を有する。第１供給口Ｆ１は、リコータヘッド３の移動方向に面する両側面のうち片面に設けられる。第１供給口Ｆ１は、第１供給装置４０Ａから送給される窒素ガスをレーザ光の所定の照射領域に向けて水平方向に供給する。

第１供給口Ｆ１は、第１排出口Ｖ１の設置位置に対応して第１排出口Ｖ１に対面するように設けられる。望ましくは、第１供給口Ｆ１は、リコータヘッド３が材料供給装置７の設置位置に対して所定の照射領域を挟んで反対側に位置しているときに第１排出口Ｖ１と対面するようにリコータヘッド３の片面に設けられる。実施の形態の積層造形装置においては、材料供給装置７が機械本機の右側に設置されているので、第１供給口Ｆ１は、リコータヘッド３の右側面に設けられている。

第１排出口Ｖ１は、チャンバ１の側板に第１供給口Ｆ１に対面するように所定の照射領域から所定距離離れて設けられる。第１排出口Ｖ１が所定の照射領域から離される距離は、吸引装置４Ｃによって強制的に排気してヒュームが第１排出口Ｖ１から排出される効果を有する場合であって、チャンバ１内の不活性ガスの濃度が所定値以上であることが維持されるときに、造形領域内の材料粉体が移動しない程度十分に離れる距離である。具体的には、設計時に試験運転によって決定することができる。

実施の形態の不活性ガス給排装置４の第１排出口Ｖ１は、図１に示されるように、所定の照射領域から十分に離れて設けられるように、望ましくは、リコータヘッド３が機械本機における材料供給装置７が設置されている位置に直近のチャンバ１の側板に設けられる。実施の形態の積層造形装置においては、材料供給装置７が機械本機の右側に設置されているので、第１排出口Ｖ１は、チャンバ１の右側板の下側に設けられる。

第２供給口Ｆ２は、図３に示されるように、造形ベース６Ａの端上に所定の照射領域を間に置いて第１排出口Ｖ１に対面するように設けられる。具体的には、造形ベース６Ａの左端直上に配管を敷設し、配管に第２供給口Ｆ２が形成される。第２供給口Ｆ２は、造形ベース６Ａの一端に設けられるので、所定の照射領域に近接して第１供給口Ｆ１と同じ水平方向に不活性ガスを供給できる。

第２供給口Ｆ２は、リコータヘッド３が所定の照射領域を通過して第１供給口Ｆ１が所定の照射領域を間に置かずに第１排出口Ｖ１に直面する位置にあるとき、第１供給口Ｆ１から第２供給口Ｆ２に選択的に切り換えられて開放される。そのため、第２供給口Ｆ２は、不活性ガス供給装置４Ａから送給され第１供給口Ｆ１から供給される不活性ガスと同じ所定の圧力と流量の不活性ガスを第１排出口Ｖ１に向けて供給するので、常に同じ方向に不活性ガスの流れを作り出し、安定した焼結を行なえる点で有利である。

不活性ガス給排装置４は、第１排出口Ｖ１に接続する吸引装置４Ｃを設けている。実施の形態の不活性ガス給排装置４における吸引装置４Ｃは、具体的には、第１排出口Ｖ１の排出ダクトの中に設置される吸引ファンである。吸引ファンに代えて、第１排出口Ｖ１に接続する管路中に吸引ポンプを設けることができる。吸引装置４Ｃは、レーザ光の照射経路からヒュームを効率よく排除することを助ける。また、吸引装置４Ｃによって、第１排出口Ｖ１において、より多くの量のヒュームを排出することができ、造形室１Ｂにヒュームが拡散しにくくする。

実施の形態の不活性ガス給排装置４は、主排出口として第２排出口Ｖ２を設けている。第２排出口Ｖ２は、リコータヘッド３の第１供給口Ｆ１が設けられている片面に対して反対側の側面に設けられる。第１供給口Ｆ１から不活性ガスを供給できないとき、言い換えると、第２供給口Ｆ２から不活性ガスを供給するときに、所定の照射領域のより近くで不活性ガスの流れを作り出していくらかのヒュームを排出するので、ヒュームをより効率よくレーザ光の照射経路から排除することを助ける。

不活性ガス給排装置４の不活性ガスの最大供給量を超えない範囲で、主排出口として第３排出口Ｖ３を設けることができる。第３排出口Ｖ３は、リコータヘッド３の移動を案内するガイドレールに沿って排出管を設置し、造形領域に近接して造形領域に向かって開口するように排出管に形成される。排出管は、機械本機の前側と後側のどちら側に設置されてもよい。例えば、図３に示されるように、第３排出口Ｖ３を造形領域の奥行側に設けることができる。

第３排出口Ｖ３を設ける場合は、造形領域を挟んで第３排出口Ｖ３に対面するように第４排出口Ｖ４を設けることが有利である。所定の照射領域がより広く造形領域の前側または奥側の端にレーザ光の照射スポットがある場合は、第１供給口Ｆ１または第２供給口Ｆ２から第１排出口Ｖ１までの間に形成される不活性ガスの流れにヒュームが乗り切れずに漂流するおそれがある。第３排出口Ｖ３と第４排出口Ｖ４は、ヒュームをより効率よく排出することを助ける。

実施の形態の不活性ガス給排装置４は、ヒュームコレクタ４Ｂから送給される再生不活性ガスを造形室１Ｂに供給する副供給口Ｆ３と、チャンバ１の上側に残留する汚れた不活性ガスを排出する副排出口Ｖ５を設けている。副供給口Ｆ３は、第１排出口Ｖ１に対面するようにチャンバ１の側板に設けられる。また、副排出口Ｖ５は、第１排出口Ｖ１の上側に設けられる。図１に示される実施の形態の積層造形装置においては、不活性ガス給排装置４では、副供給口Ｆ３は、チャンバ１の左側板に設けられ、副排出口Ｖ５は、本機右側のチャンバ１の本機右側の上面天板に設けられている。

駆動装置５は、図示しないスピンドルに取り付けられた切削工具を任意の三次元方向に相対移動させるために、水平１軸方向（Ｘ軸）に移動体を往復移動させるＸ軸駆動装置５Ｘと、その水平１軸方向に直交する別の水平１軸方向（Ｙ軸）に移動体を往復移動させるＹ軸駆動装置５Ｙと、両水平１軸方向に直交する鉛直１軸方向（Ｚ軸）に上下に加工ヘッドを往復移動させるＺ軸駆動装置５Ｚと、を有する。実施の形態の積層造形装置においては、Ｘ軸駆動装置５Ｘの上にＹ軸駆動装置５Ｙが搭載され、Ｙ軸駆動装置の先端部位にＺ軸駆動装置５Ｚが設けられている。駆動装置５は、焼結工程中は、本機左端に待機する。

材料供給装置７は、造形ベース６Ａの一端の上側に設けられる。実施の形態の積層造形装置においては、材料供給装置７は、機械右側に設けられている。リコータヘッド３が造形ベース６Ａの右端に移動して停止したときに、リコータヘッド３の材料貯留箱３Ａに貯留されている材料粉体が規定量以下であることが検出されている場合は、中間ダクト７Ａを下降させてシャッタを開放し、ホッパ７Ｂの材料粉体を自由落下させることによって材料貯留箱３Ａに材料粉体を補充する。ホッパ７Ｂの上側には、材料粉体を材料供給装置７に補填する粉末ボトル７Ｃが装填されている。

ヒューム拡散装置８は、所定の照射領域において発生するヒュームがウィンドウ１Ｅに微細な金属の粒子を含む煤が付着することを防止する手段である。ヒューム拡散装置８は、ウィンドウ１Ｅを上向きに覆うように固定される円板形状の筐体８Ａと、筐体８Ａ内にウィンドウ１Ｅを囲繞するように設けられ筐体８Ａ内に不活性ガス供給空間を形成する円筒形状の仕切板８Ｂと、を備える。

ヒューム拡散装置８の筐体８Ａの底面の中央には、ウィンドウ１Ｅを透過して下向きに照射されるレーザ光を所定の照射領域に向けて通過させる円形口８Ｃが設けられている。仕切板８Ｂには、多数の細孔が穿設されており、不活性ガス供給装置４の第１供給装置から供給されてくる清浄な不活性ガスを細孔を通して清浄空間に充満させる。清浄空間に充満した不活性ガスは、円形口８Ｃからレーザ光の照射経路とおおよそ同軸方向に下方に向かって流れ出る。

ヒューム拡散装置８は、本来は、ウィンドウ１Ｅが汚染されることを抑制するものであるが、円形口８Ｃから不活性ガスを噴出するため、少なくともチャンバ１の上側においては、噴出した不活性ガスが薄いカーテンのようにして、チャンバ１の天井まで上昇してからレーザ光の照射経路を横断しようとするヒュームを照射経路からチャンバ１の側板方向に排除することを助ける。

レーザ照射装置９は、少なくとも造形領域の範囲内において、レーザ光を二次元方向に走査できるように設けられている。図３に示されるように、レーザ照射装置９は、レーザ光を生成するレーザ光源９Ａと、レーザ光を走査するガルバノスキャナ９Ｂとを含んでなる。レーザ光は、材料粉体を焼結可能であるならば、種類は限定されず、例えば、ＣＯ２レーザ、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザがある。ウィンドウ１Ｅは、可能な限りレーザ光のエネルギを低下させず、進行方向を歪めずに透過し得る材料で形成される。例えば、レーザ光の種類がファイバレーザまたはＹＡＧレーザである場合は、石英ガラスである。

レーザ照射装置９から供給されるレーザ光は、ウィンドウ１Ｅを透過して造形室１Ｂの中を下方向に縦断するように照射される。レーザ照射装置９は、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の各分割層毎に材料粉体を所定の高さで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所要のエネルギのレーザ光を照射して焼結層を形成する。

以下に、実施の形態の積層造形装置における不活性ガス給排装置４の動作について説明する。不活性ガスは、窒素ガスとして説明する。また、吸引装置４Ｃは、吸引ファンとして説明する。

不活性ガス供給装置４Ａは、制御装置１０を通して制御バルブが所定量開放されることによって第１供給装置４０Ａから第１供給口Ｆ１を通して所定の圧力と流量の新しい清浄な窒素ガスを造形室１Ｂに供給し、第２供給装置４０Ｂから駆動室供給口Ｆ５を通して新しい清浄な窒素ガスを駆動室１Ｃに供給する。また、第１供給装置４０Ａからヒューム拡散装置８に清浄な窒素ガスが供給される。窒素ガス濃度が所定値に達するまでの間、言い換えると、酸素濃度が所定値未満になるまでの間、待機される。

実施の形態の積層造形装置においては、作業扉が開かれた場合は、図示しない作業扉の開閉を検出する扉検知器によって制御装置１０が作業扉が開いていることを検出し、第１供給装置４０Ａを停止するが、第２供給装置４０Ｂは、窒素ガスを供給し続けるようにされている。

したがって、作業扉を閉じて第１供給装置４０Ａから造形室１Ｂに窒素ガスを供給するときに、ジャバラ１Ａの隙間を通って駆動室１Ｃの窒素ガスが造形室１Ｂに流入する。そのため、造形室１Ｂ内を適する所定の酸素濃度未満の雰囲気にする時間を短縮することができる。なお、実施の形態の不活性ガス供給装置４Ａでは、第２供給装置４０Ｂから駆動室１Ｃに供給される窒素ガスの流量よりも第１供給装置４０Ａから造形室１Ｂに供給される窒素ガスの流量を多くして、造形室１Ｂをパージするようにしている。

第１供給装置４０Ａから造形室１Ｂに送られる窒素ガスは、造形室１Ｂの下側において、リコータヘッド３の移動方向に面する材料貯留箱３Ａの両側面のうちの片面に設けられる第１供給口Ｆ１から噴出される。実施の形態の不活性ガス給排装置４では、リコータヘッド３の右側面に第１供給口Ｆ１が設けられており、リコータヘッド３が所定の照射領域の左側に位置するときに開放されている。第１供給口Ｆ１は、ヒュームの発生源である照射スポットのより近くで新しい窒素ガスを噴出するので、焼結に適する高濃度の窒素ガス雰囲気を維持しながら、発生直後のヒュームをレーザ光の照射経路から排除することができる。

リコータヘッド３が所定の照射領域の右側に位置するときは、第１供給口Ｆ１に接続する管路が閉じられる。第１供給口Ｆ１が閉鎖されている間は、第２供給口Ｆ２に接続する管路が開かれる。第２供給口Ｆ２は、第１供給口Ｆ１から供給される窒素ガスと同じ圧力と流量の窒素ガスを供給する。実施の形態の不活性ガス給排装置４では、第２供給口Ｆ２は、所定の照射領域の左側に位置する造形ベース６Ａの端上の配管に設けられている。

第１排出口Ｖ１は、チャンバ１の側板に所定の照射領域を間に置いて第１供給口Ｆ１に対面するように設けられているので、第１供給口Ｆ１との間で窒素ガスの流れを作り出す。第１排出口Ｖ１においてチャンバ１の外側の排出ダクト内に設けられている吸引ファン４Ｃは、第１供給装置４０Ａから窒素ガスが供給されている間は、ヒュームコレクタ４Ｂと共に稼働している。

第１排出口Ｖ１は、チャンバ１の材料供給装置７が設置されている側の側板に設けられているので、所定の照射領域からちょうど適する所定距離離されている。そのため、吸引ファン４Ｃによって造形室１Ｂ内の主に窒素ガスを含む汚れた気体を積極的に除去しても、所定の照射領域に撒布されている材料粉体に影響を与えない。

特に、実施の形態の積層造形装置においては、材料供給装置７がリコータヘッド３の上方から材料粉体を供給する構成であるので、図１に示されるように、チャンバ１の材料供給装置７の直下にヒュームの吹き溜まりが形成される。材料供給装置７が設けられている側の左側板に第１排出口Ｖ１が設けられているので、吹き溜まりに効果的に集められたヒュームは、窒素ガスと共に吸引ファン４Ｃによって強制的に排出されるとともに、上昇する気流に沿って副排出口Ｖ５から排出される。

材料供給装置７の設置位置に直近の側板に第１排出口Ｖ１が設けられて吹き溜まりが形成されている場合、副排出口Ｖ５は、可能な限り、第１排出口Ｖ１の直上にあるように設けることが望ましい。例えば、図６に示されるように、吹き溜まりに効果的に集められたヒュームが第１排出口Ｖ１から強制的に排出されるとともに、上昇気流に乗って側板に沿って上昇するヒュームがそのまま副排出口Ｖ５から排出されるので、拡散する前に一層効率よくチャンバ１の外にヒュームを除去することができる。

実施の形態の不活性ガス給排装置４は、リコータヘッド３の第１供給口Ｆ１が設けられている片側の側面とは反対側の側面に、第２排出口Ｖ２を設けている。第２排出口Ｖ２は、第１供給口Ｆ１が閉鎖されている間だけ作動する。第２排出口Ｖ２は、第２供給口Ｆ２から窒素ガスが供給されている間に、窒素ガスの流れに乗って第１排出口Ｖ１に向かって水平方向に移動するヒュームを所定の照射領域のより近くで排出させることによって、ヒュームの除去を助ける効果を有する。第２排出口Ｖ２には、吸引ファン４Ｃが併設されていないので、所定の照射領域内の材料粉体を移動させるおそれはない。

また、実施の形態の不活性ガス給排装置４には、造形領域に近接して第３排出口Ｖ３と第４排出口Ｖ４が設けられている。第３排出口Ｖ３と第４排出口Ｖ４は、選択的に使用することができる。第３排出口Ｖ３と第４排出口が選択的に使用される場合は、造形中に常時開放される。第３排出口Ｖ３と第４排出口Ｖ４は、照射スポットが造形領域の中心からより離れている位置にあるときに、第１供給口Ｆ１または第２供給口Ｆ２と第１排出口Ｖ１との間の不活性ガスの流れに乗り切れないヒュームを排出することを助けて、ヒュームをより効率よく排出させることができる。

第１排出口Ｖ１ないし第４排出口Ｖ４、および副排出口Ｖ５から排出される不純物を多く含む汚れた窒素ガスを含む気体は、ダクトボックスに集められてからヒュームコレクタ４Ｂに移動する。ヒュームコレクタ４Ｂは、ヒュームが冷却することによって発生する微細な金属の粒子を取り除いて、回収した窒素ガスを浄化する。浄化された再生窒素ガスは、ダクトボックスに収集されてから所定の流量でチャンバ１の上側に設けられている副供給口Ｆ３に送給される。

ヒュームコレクタ４Ｂによって浄化された清浄な再生窒素ガスは、所定の照射領域を間に置いて第１排出口Ｖ１に対面するように、チャンバ１の左側板に設けられている副供給口Ｆ３から供給される。副供給口Ｆ３から供給される窒素ガスは、チャンバ１の全体の窒素ガス濃度が低下することを防ぐ。

本発明の積層造形装置は、以上に説明される実施の形態の積層造形装置と全く同じ構成である必要はない。すでにいくつか具体的に示されているとおり、本発明の技術思想に反しない限り、適宜変形することができ、または他の発明と組み合わせて応用することができる。

本発明は、レーザ光によって金属材料粉体を焼結する装置に適用できる。特に、レーザ光によって金属製の三次元造形物を生成する金属粉末焼結積層造形法に有益である。本発明は、金属粉末積層造形における作業効率を向上させ、精密金属部品あるいは金型の製造技術の発展に寄与する。

１ チャンバ
１Ａ ジャバラ
１Ｂ 造形室
１Ｃ 駆動室
２ 造形テーブル
３ リコータヘッド
３Ａ 材料貯留箱
３Ｂ ブレード
３Ｃ ガイドユニット
４ 不活性ガス給排装置
４Ａ 不活性ガス供給装置
４Ｂ ヒュームコレクタ
４Ｃ 吸引装置（吸引ファン）
５ 駆動装置
６ ベッド
６Ａ 造形ベース
６Ｂ 材料保持壁
７ 材料供給装置
８ ヒューム拡散装置
９ レーザ照射装置
１０ 制御装置
Ｆ１ 第１供給口
Ｆ２ 第２供給口
Ｆ３ 副供給口
Ｆ５ 駆動室供給口
Ｖ１ 第１排出口
Ｖ２ 第２排出口
Ｖ５ 副排出口

Claims (4)

1. 造形を行なう作業領域である造形領域と、密閉空間を形成し前記密閉空間内に前記造形領域に含まれるレーザ光の所定の照射領域を収容するチャンバと、前記チャンバ内において造形ベース上を水平１軸方向に往復移動し少なくとも前記照射領域に金属材料粉体層を形成するリコータヘッドと、前記チャンバ内に不活性ガスを循環供給する不活性ガス給排装置と、を備えた積層造形装置において、前記不活性ガス給排装置が、前記リコータヘッドの移動方向に面する両側面の片面に設けられる第１供給口と、前記チャンバの側板に第１供給口に対面するように前記照射領域から離れて設けられる第１排出口と、前記造形ベース上に前記照射領域を間に置いて前記第１排出口に対面するように設けられる第２供給口と、を含んでなり、前記第１排出口に接続する吸引装置を設けてなることを特徴とする積層造形装置。
2. 前記不活性ガス給排装置が、前記リコータヘッドの前記片面に対して反対側の面に設けられる第２排出口を含んでなることを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記第１排出口が前記リコータヘッドに材料粉体を供給する材料供給装置が設けられている側のチャンバの側板の下側に設けられることを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
4. 前記リコータヘッドの移動を案内するガイドレールに沿って前記造形領域に向かって開口する第３排出口と、前記造形領域を挟んで前記第３排出口に対面するように開口する第４排出口と、を設けてなる請求項１に記載の積層造形装置。

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