JP6076532B1 - 積層造形装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】微細形状を有する造形物も安定して成形でき、ブレードの摩耗を抑制し、高品質な造形物を高速に造形する。【解決手段】造形領域Ｒを覆うチャンバ１と、造形領域Ｒに対し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材料粉体を均一に撒布して材料粉体層８を形成する粉体層形成装置２と、材料粉体層８の所定の照射領域にレーザ光Ｌを照射して焼結層９を形成するレーザ照射装置４と、を備え、粉体層形成装置２は、材料粉体を収容し材料粉体を造形領域Ｒに吐出するリコータヘッド２３と、吐出された材料粉体を所定の厚みに均すブレード３１，３３と、ブレード３１，３３をリコータヘッド２３に保持する保持部材３５，３７とを含み、ブレード３１，３３は可撓性を有し、ブレード３１，３３および保持部材３５，３７は、非磁性でありかつ導電性を有する積層造形装置を提供する。【選択図】図４
Description
この発明は、積層造形装置に関する。特に、材料粉体を均一に撒布して材料粉体層を焼結し、焼結層を積層して造形物を生成する積層造形装置に関する。
レーザ光による粉末焼結積層造形法においては、造形テーブル上に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。
ここで、リコータヘッドを造形テーブル上の水平一軸方向に移動させ、材料粉体を造形テーブル上に供給するとともに、リコータヘッドに取り付けられたブレードで供給された材料粉体を所定の圧力を加えながら均一の厚みに均し、所定の厚みの材料粉体層を形成する積層造形装置が公知である。特許文献１に示されるように、一般に金属製の剛性のある平板状のブレードが用いられる。以下、このような材料粉体層形成動作をリコートと称する。
また、レーザ光を照射して材料粉体層を焼結する際に火花粒子が飛散し、この火花粒子が焼結層の表面に付着して突起状の異常焼結部となってしまうことがある。この異常焼結部が材料粉体層の上端面を超える高さに形成されると、リコート時にブレードが異常焼結部に衝突することがある。特許文献２に示されるように、ブレードが異常焼結部に衝突した際、切削工具で異常焼結部を除去する積層造形装置が公知である。
以上のような積層造形装置において、造形品が例えば柱状部や立壁部等の微細で不安定な形状（以下、単に微細形状という）を有し、微細形状部に異常焼結部が生成されたとき、リコートや異常焼結部の切削除去においてブレードや切削工具が異常焼結部に接触した際にこれまでに造形された焼結体を破壊してしまう虞がある。あるいは、切削工具が異常焼結部に引っ掛かり破損してしまう虞がある。また、問題なく造形が行えたとしても、異常焼結部の切削除去にはある程度の時間がかかる。
また、剛性のあるブレードでリコートを行う際、供給された材料粉体を押し固めながらブレードを移動させるため、焼結体に少なからず圧力がかかっている。そのため、微細形状部上にリコートを行った際、微細形状部は倒され焼結不良となる虞がある。また、ブレードが比較的摩耗しやすく、より短期間での定期的な交換が必要となる。
また、平坦な材料粉体層を形成し、ひいては平坦な焼結層を形成するため、リコート時には材料粉体から磁気や静電気が除去されている必要がある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、可撓性を有し非磁性でありかつ導電性を有するブレードによりリコートを行うことで、微細形状を有する造形物も安定して成形できるとともに、ブレードの摩耗を抑制し、高品質な造形物を従来に比して高速に造形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ものである。
本発明によれば、造形領域を覆うチャンバと、前記造形領域に対し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材料粉体を均一に撒布して材料粉体層を形成する粉体層形成装置と、前記材料粉体層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、を備え、前記粉体層形成装置は、前記材料粉体を収容し前記材料粉体を前記造形領域に吐出するリコータヘッドと、吐出された前記材料粉体を所定の厚みに均すブレードと、前記ブレードを前記リコータヘッドに保持する保持部材とを含み、前記ブレードは可撓性を有し、前記ブレードおよび前記保持部材は、非磁性でありかつ導電性を有する、積層造形装置を提供するものである。
本発明に係る積層造形装置においては、可撓性を有し非磁性でありかつ導電性を有するブレードによりリコートを行う。そのため、リコート時に焼結体に加わる圧力を極力少なくすることができ、また異常焼結部を除去する必要がない。さらには平坦な材料粉体層を形成することができる。結果として、微細形状を有する造形物も安定して成形できるとともに、ブレードの磨耗を抑制し、高品質な造形物を従来に比して高速に造形することができる。
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。
図１に示すように、本発明の一実施形態の積層造形装置は、実質的に密閉されるように構成されたチャンバ１を備え、チャンバ１内には造形室１１が設けられる。チャンバ１内には粉体層形成装置２が設けられる。粉体層形成装置２は、中央の貫通部位に造形領域Ｒを有するベース台２１と、ベース台２１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２３と、リコータヘッド２３から吐出された材料粉体を平坦化して材料粉体層８を形成する一対のブレード３１，３３と、一対のブレード３１，３３をそれぞれリコータヘッド２３に保持する一対の保持部材３５，３７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２５が設けられる。積層造形装置の使用時には、造形テーブル２５上に造形プレート２７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２３は、図２および図３に示すように、図１に示される材料供給装置１３から供給される材料粉体を貯留する材料収容部２２１と、材料収容部２２１の上面に設けられ材料粉体の受口となる材料供給部２２３と、材料収容部２２１の底面に設けられかつ材料収容部２２１内の材料粉体を吐出する材料吐出部２２５とを備える。材料吐出部２２５は、リコータヘッド２３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２３の両側面には一対のブレード３１，３３が保持部材３５，３７によってそれぞれ取り付けられる。ブレード３１，３３は、リコート時に異常焼結部を乗り越えられる程度に可撓性を有し、例えばブラシ形状を有する。材料粉体は、例えば平均粒径２５μｍの球形をなす鉄粉などの金属粉体である。
ここで、図４に基づき、ブレード３１，３３および保持部材３５，３７の具体的な構成を説明する。図４はブレード３１，３３および保持部材３５，３７の正面図および側面図である。ブレード３１，３３は、多数本の繊維が長手方向（矢印Ｃ方向）に均一に配置された帯状のブラシ形状である。保持部材３５，３７は、ブレード３１，３３を保持するチャンネル３５１，３７１と、チャンネル３５１，３７１をリコータヘッド２３の側面に固定するフラットバー３５３，３７３と、をそれぞれ有する。なお、一対のブレード３１，３３および保持部材３５，３７は、それぞれ同一の形状を有する。
なお、本実施形態では、ブラシ形状のブレード３１，３３をリコータヘッド２３の両側に設けたが、ブレード３１，３３はリコート時に異常焼結部を乗り越えられる程度に可撓性を有するのであれば他の形態でもよく、例えば平板形状でもよい。また、ブレードはリコータヘッド２３の一方の側面に１つだけ設けてもよい。保持部材３５，３７もブレード３１，３３をリコータヘッド２３に取り付けられるのであれば他の形態でもよく、またブレード３１，３３と保持部材３５，３７とが一体に形成されていてもよい。
なお、より平滑な材料粉体層８を形成するため、ブレード３１，３３および保持部材３５，３７は脱磁され、かつ静電除去されていることが望ましい。そのため、ブレード３１，３３および保持部材３５，３７は非磁性であり（磁化率χの絶対値が０．１以下）、かつ導電性を有する（電気伝導率が１０６Ｓ／ｍ以上）よう構成される。また、造形テーブル２５は内部にヒータを有し、材料粉体層８はレーザ光Ｌによる焼結に適する温度（望ましくは、５０℃以上１２０℃以下）まで予熱される。そのため、ブレード３１，３３は材料粉体層８の予熱温度に対して、耐熱性を有することが望ましい。以上のことから、ブレード３１，３３および保持部材３５，３７の材質としては、炭素繊維強化プラスチック、オーステナイト系ステンレス等のオーステナイト、銅、アルミニウム、真鍮、導電性シリコーン等が選択される。ただし、ブレード３１，３３が過剰にたわんでしまうと平坦な材料粉体層８を形成することが困難となるため、ブレード３１，３３の材質は、曲げ応力が５０ＭＰａ以上１５０ＭＰａ以下程度であることが望ましい。特に本実施形態では、炭素繊維強化プラスチックは、可撓性がありヤング率が比較的高いため、ブレード３１，３３の材質として採用される。また本実施形態では、オーテスナイト系ステンレスは、強度があり腐食しにくく比較的安価であるため、保持部材３５，３７の材質として採用される。より具体的には、本実施形態では、ブレード３１，３３にはポリアミド６６をベースにポリアミド６および導電性カーボンブラックを配合したコンポジット材を使用し、保持部材３５，３７にはＳＵＳ３０４を使用した。
また、より平滑な材料粉体層８を形成するため、ブレード３５，３７の先端は材料粉体の平均粒径の値以下の表面粗さであることが望ましい。このように構成すれば、より平滑な材料粉体層８が形成できる。例えば、材料粉体の平均粒径が２５μｍであるとき、ブレード３５，３７の先端の表面粗さは、最大高さ粗さＲｚ２５μｍ以下であることが望ましい（最大高さ粗さＲｚは、日本工業規格ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３にて規定される）。材料粉体は、材料の種類に応じて、平均粒径十数μｍから十数μｍの焼結に適する所定の大きさに形成されている。
チャンバ１の上方にはレーザ照射装置４が設けられ、レーザ照射装置４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１２を透過して造形領域Ｒに形成された材料粉体層８の所定の照射領域に照射され、焼結層９を形成する。所定の照射領域は、造形領域Ｒ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。レーザ照射装置４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、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１２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１２は石英ガラスで構成可能である。
次に、不活性ガス給排系統について説明する。本実施形態の不活性ガス給排系統は、ヒューム拡散装置５１と、不活性ガス供給装置５３と、ヒュームコレクタ５５と、ダクトボックス５７，５９と、チャンバ１に設けられる各供給口および各排出口と、不活性ガス供給装置５３およびヒュームコレクタ５５と各供給口および各排出口とを接続する配管を含む。不活性ガス給排系統は、チャンバ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。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。
リコータヘッド供給口６１は、リコータヘッド２３が材料供給装置１３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チャンバ排出口７１と対面するように、矢印Ｃ方向に沿ってリコータヘッド２３の片面に設けられる。
チャンバ排出口７１は、リコータヘッド供給口６１に対面するように所定の照射領域から所定距離離れてチャンバ１の側板に設けられる。好ましくは、チャンバ排出口７１に接続するように不図示の吸引装置が設けられ、レーザ光Ｌの照射経路からヒュームが効率よく排除される。このとき、吸引装置によって、チャンバ排出口７１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１１内にヒュームが拡散しにくくなる。
チャンバ供給口６３は、ベース台２１の端上に所定の照射領域を間に置いてチャンバ排出口７１に対面するように設けられる。チャンバ供給口６３は、リコータヘッド２３が所定の照射領域を通過してリコータヘッド供給口６１が所定の照射領域を間に置かずにチャンバ排出口７１に直面する位置にあるとき、リコータヘッド供給口６１から選択的に切り換えられて開放される。そのため、チャンバ供給口６３は、リコータヘッド供給口６１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チャンバ排出口７１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。
リコータヘッド排出口７３は、リコータヘッド２３のリコータヘッド供給口６１が設けられている片面に対して反対側の側面に、矢印Ｃ方向に沿って設けられる。リコータヘッド供給口６１から不活性ガスを供給できないとき、換言すれば、チャンバ供給口６３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Ｌの照射経路から排除することができる。
また、本実施形態の不活性ガス給排系統は、チャンバ排出口７１に対面するようにチャンバ１の側板に設けられヒュームコレクタ５５から送給されるヒュームが除去された清浄な不活性ガスを造形室１１に供給する副供給口６５と、チャンバ１の上面に設けられヒューム拡散装置５１へ不活性ガスを供給するヒューム拡散装置供給口６７と、チャンバ排出口７１の上側に設けられチャンバ１の上側に残留するヒュームを多く含む不活性ガスを排出する副排出口７５とを備える。
チャンバ１の上面には、ウィンドウ１２を覆うようにヒューム拡散装置５１が設けられる。ヒューム拡散装置５１は、円筒状の筐体５１１と、筐体５１１内に配置された円筒状の拡散部材５１２を備える。筐体５１１と拡散部材５１２の間に不活性ガス供給空間５１３が設けられる。また、筐体５１１の底面には、拡散部材５１２の内側に開口部５１４が設けられる。拡散部材５１２には多数の細孔５１５が設けられており、ヒューム拡散装置供給口６７を通じて不活性ガス供給空間５１３に供給された清浄な不活性ガスは細孔５１５を通じて清浄空間５１６に充満される。そして、清浄空間５１６に充満された清浄な不活性ガスは、開口部５１４を通じてヒューム拡散装置５１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を排除し、ウィンドウ１２がヒュームによって汚れることを防止する。
本実施形態の積層造形装置は、不活性ガス供給装置５３と、ヒュームコレクタ５５とを備える。不活性ガス供給装置５３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５５は、その上流側及び下流側にそれぞれダクトボックス５７，５９を有する。チャンバ１から排出されたヒュームを含む不活性ガスは、ダクトボックス５７を通じてヒュームコレクタ５５に送られ、ヒュームコレクタ５５においてヒュームが除去された清浄な不活性ガスがダクトボックス５９を通じてチャンバ１の副供給口６５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として、図１に示すように、不活性ガス供給装置５３と、リコータヘッド供給口６１、チャンバ供給口６３およびヒューム拡散装置供給口６７とがそれぞれ接続される。また、ヒュームコレクタ５５と副供給口６５とがダクトボックス５９を通じて接続される。
ヒューム排出系統として、図１に示すように、チャンバ排出口７１、リコータヘッド排出口７３および副排出口７５とヒュームコレクタ５５とがダクトボックス５７を通じてそれぞれ接続される。ヒュームコレクタ５５においてヒュームが取り除かれた後の清浄な不活性ガスは、チャンバ１へと返送され再利用される。
ここで、図５から図８に基づき、本発明の積層造形装置における積層造形方法について説明する。図５から図８において以下の説明に不必要な構成は適宜省略されている。まず、図５に示すように、造形テーブル２５上に造形プレート２７を載置し、造形テーブル２５の高さを適切な位置に調整する。この状態で、材料収容部２２１内に材料粉体が充填されているリコータヘッド２３を矢印Ｂ方向に造形領域Ｒの左側から右側に移動させる。材料吐出部２２５より造形プレート２７上に吐出された材料粉体は、リコータヘッド２３の移動に伴いブレード３３によって所定の厚みに均される。このとき、材料粉体には殆ど圧力が加えられない。このようにして、造形プレート２７上に所定厚の材料粉体層８が形成される。次に、図６に示すように、材料粉体層８中の所定の照射領域にレーザ光Ｌを照射し、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、１層目の焼結層９１を得る。
同様に、造形テーブル２５の高さを材料粉体層８の１層分下げ、リコータヘッド２３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、吐出された材料粉体をブレード３１によって均一に均し、１層目の焼結層９１を覆うように造形テーブル８上に所定厚の材料粉体層８を形成する。次に、図７に示すように、材料粉体層８中の所定の照射領域にレーザ光Ｌを照射し、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、２層目の焼結層９２を得る。
以上の工程を繰り返すことによって、３層目以降の焼結層９が順次形成される。上下に隣接する焼結層９は、互いに強く固着される。
なお、図８に示すように、材料粉体層８の焼結時に焼結層９の上に突起状の異常焼結部が形成されてしまうことがあるが、ブレード３１，３３は異常焼結部を乗り越えられる程度に可撓性を有しているため、次層の材料粉体層８を形成する際の支障にはならない。また、殆ど圧力をかけずに材料粉体層８を形成できるため、微細形状を有する焼結層９の上にリコートを行う時も焼結層９が破損する虞が少ない。
さらには、ブレード３１，３３および保持部材３５，３７は脱磁され、かつ静電除去されているため、ブレード３１，３３および保持部材３５，３７における磁力や静電気による材料粉体の付着を抑制でき、より平坦な材料粉体層８を形成することができる。
なお本発明の積層造形装置は、切削工具を取り付け可能なスピンドルを有する加工ヘッドを備え、所定数の焼結層９を形成する度に造形物の端面に対して切削加工を行ってもよい。また、造形物の表面に形成された異常焼結部を切削加工によって除去してもよい。ただし、微細形状の破損を避けるため、これらの切削加工は、造形物の内、破損する可能性の少ない微細形状を有さない箇所にのみ行うことが望ましい。
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または応用が可能である。
１ チャンバ
２ 粉体層形成装置
４ レーザ照射装置
８ 材料粉体層
９ 焼結層
２３ リコータヘッド
３１，３３ ブレード
３５，３７ 保持部材
Ｌ レーザ光
Ｒ 造形領域
２ 粉体層形成装置
４ レーザ照射装置
８ 材料粉体層
９ 焼結層
２３ リコータヘッド
３１，３３ ブレード
３５，３７ 保持部材
Ｌ レーザ光
Ｒ 造形領域
Claims (3)
- 造形領域を覆うチャンバと、
前記造形領域に対し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材料粉体を均一に撒布して材料粉体層を形成する粉体層形成装置と、
前記材料粉体層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、を備え、
前記粉体層形成装置は、
前記材料粉体を収容し前記材料粉体を前記造形領域に吐出するリコータヘッドと、
吐出された前記材料粉体を所定の厚みに均すブレードと、
前記ブレードを前記リコータヘッドに保持する保持部材とを含み、
前記ブレードは可撓性を有し、
前記ブレードおよび前記保持部材は、非磁性でありかつ導電性を有する、積層造形装置。 - 前記ブレードは炭素繊維強化プラスチックからなり、前記保持部材はオーステナイト系ステンレスからなる、請求項１に記載の積層造形装置。
- 前記ブレードの先端は前記材料粉体の平均粒径の値以下の表面粗さであるブラシ形状である、請求項１または請求項２に記載の積層造形装置。
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