JP6132962B1 - 積層造形装置および積層造形装置の材料粉体の再利用方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】再利用の材料粉体でもスムーズに材料粉体層を形成し、積層造形作業の長時間の無人化を可能にすることが望まれる。【解決手段】所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバ（２）と、チャンバ内に配置されかつ上下方向に移動可能な造形テーブル（５）と、造形テーブル上に材料粉体を供給する材料供給装置（３）と、造形テーブルを取り囲みかつ造形テーブル上に材料供給装置から供給される材料粉体を保持する粉体保持壁（２６）と、粉体保持壁の外に排出される余剰の材料粉体と不純物を一緒に収容する材料回収用バケット（３０）と、材料回収用バケットの中の不純物を含む材料粉体から不純物を除去する不純物除去装置（４３）と、を含んで不純物除去装置で不純物が取り除かれた材料粉体を材料供給装置に戻して再利用する積層造形装置であって、材料回収用バケットから材料供給装置に戻される材料粉体を乾燥させる材料乾燥装置（４７）を含む。【選択図】図２
Description
本発明は、材料粉体を用いてチャンバ内で積層造形を行う積層造形装置に関して、チャンバ内に供給された材料粉体のうちの余剰分を回収して、一緒に回収される不純物、例えば、材料粉体の焼結時に飛散したスパッタや造形物の切削加工時に生じる切削屑などを取り除いて、チャンバ内に再び供給する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、窒素ガスで充満された造形室となる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上に材料供給装置によって非常に薄い材料粉体層を形成するようにして材料粉体を供給し、この材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して照射位置の材料粉体を焼結させて焼結層を積層することを繰り返すことで、複数の焼結層からなる所望の造形物を形成する。また、チャンバ内に切削手段を備える積層造形においては、造形途中や造形後の造形物に切削加工を行うこともある。
繰り返し造形テーブル上に供給される未焼結の材料粉体は、積層造形が進むにつれて降下する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が、特許文献１（特許第５８３０１４８号公報）のように、所望の造形物を形成したあとに造形テーブルを造形物とともに粉体保持壁に形成されてバケットに連通する粉体排出部の位置まで降下させることで、粉体保持壁の中に残る余剰分として、スパッタや切削屑などの不純物と一緒に適時に粉体保持壁の外のバケットに排出される。また、繰り返し造形テーブル上に供給される未焼結の材料粉体は、ブレードで表面をならすように材料粉体層を形成した際にブレードでかき出される材料粉体層の容積を超えた余剰分、スパッタおよび切削屑などが一緒にバケットに排出されるようになっている。排出された余剰分の材料粉体は、特に限られた量の材料粉体で積層造形が行われる際に、例えば、所定の時間毎に作業者によってふるいにかけられる等して不純物が除去されたあと、作業者によって再び材料供給装置に戻されていた。そのため、積層造形作業の長時間の無人化の妨げとなっていた。
そこで、特許文献２（特許第４５６１１８７号公報）の三次元形状造形物の製造における粉末材料再生装置では、材料タンクから昇降テーブルの上に供給された粉末材料の表面をブレードでならす際に前工程で焼結層を切削したときに出る切削屑を含む粉末材料の余剰分を回収タンクに回収し、振動駆動されるふるいを用いて切削屑を取り除いたあとの粉末材料の材料成分を検査し、検査結果を基に不足材料成分を補充し混合された粉末材料を一時貯蔵タンクで貯蔵し、そのあと適宜のタイミングで材料タンクに戻すようにして昇降テーブルの上に新たに供給される材料粉末の一部として再利用することを開示している。
また、特許文献３（特開２００２−２９２７５１号公報）の三次元造形装置では、粉体供給部から造形ステージの上に供給された粉体材料をブレードおよび伸展ローラにより１層分の薄い層に形成する際に粉体が不足しないように若干多めに材料粉体を供給し、余った粉体材料をブレードと伸展ローラにより払い出して粉体回収口から落下させて粉体回収槽に蓄積し、サイクロン分離機において周囲の気体とともに吸引した粉体材料をサイクロン分離機の下部に沈降集塵させる働きを利用した粉体搬送部によって、粉体回収槽の中の粉体材料を材料供給部のホッパまで搬送して造形ステージの上に新たに供給される粉体材料の一部として再利用することを開示している。また、サイクロン分離機を利用した粉体搬送部では、予め設定された量の粉体材料が蓄積されるとシャッタ機構を開くようにするとともにシャッタ機構を閉じた状態で十分な密閉構造を持たせることで粉体の吸気効率を上げることを開示している。また、特許文献３の三次元造形装置では、粉体搬送用チューブと手操作粉体回収用チューブの管路を切り替える管路切り替え機構を備えて、材料供給部のホッパと粉体回収槽と接続する経路と、材料供給部のホッパとオペレータが手動で造形を作成するためのワーク領域から材料粉体を吸引可能にするチューブとを接続する経路と、を有することを開示している。
しかしながら、再利用される未焼結の材料粉体は、不純物と一緒に粉体保持壁の外のバケットの中に排出されてから不純物を除かれたあと再び材料供給装置に供給されるまでの間に、積層造形装置の周囲環境にも因るが、例えば、バケットの中で周囲の湿気を吸収して粉粒同士がくっつき易く塊になり易くなって、材料供給装置の中の材料の通りを悪くするおそれがあった。そのため、積層造形作業の長時間の無人化の妨げとなるおそれがあった。
そこで、本発明では、再利用された未焼結の材料粉体でもスムーズな材料粉体層の形成を可能にして、積層造形作業の長時間の無人化を可能にすることを目的する。
本発明の積層造形装置は、ベース台上の造形領域を覆いかつ所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバと、前記チャンバ内の前記造形領域に配置されかつ上下方向に移動可能な造形テーブルと、前記造形テーブル上に未焼結の材料粉体を供給する材料供給装置と、前記造形テーブルを取り囲みかつ前記造形テーブル上に前記材料供給装置から供給される前記材料粉体を保持する粉体保持壁と、前記粉体保持壁の外に排出される余剰の前記材料粉体と不純物を一緒に収容する材料回収用バケットと、前記材料回収用バケットの中の前記不純物を含む前記材料粉体から前記不純物を除去する不純物除去装置と、を含んで前記不純物除去装置で前記不純物が取り除かれた前記材料粉体を前記材料供給装置に戻して再利用する積層造形装置であって、前記材料回収用バケットから前記不純物除去装置に前記不純物を含んだ前記材料粉体を搬送する材料回収用搬送装置と、前記不純物除去装置によって前記不純物が取り除かれた前記材料粉体を収容する材料供給用バケットと、前記材料供給用バケットから前記材料供給装置に前記材料粉体を搬送する材料供給用搬送装置と、を含み、前記材料回収用バケットは、収容中の前記材料粉体を乾燥させる材料乾燥装置を含むとともに前記ベース台、前記チャンバおよび前記材料供給装置に対して熱の影響を与えないように当該ベース台、当該チャンバおよび当該材料供給装置から離して配置されていることを特徴する。
また、本発明の積層造形装置は、前記材料回収用搬送装置または前記材料供給用搬送装置のいずれか一方またはそれらの両方が、吸引装置と、前記吸引装置で吸引した気体と固体を分離するサイクロン方式のフィルタと、前記気体と分離した前記固体が排出される前記フィルタの排出口を開閉するためのシャッタと、を含むと良い。
また、本発明の積層造形装置装置は、前記材料回収用搬送装置と前記材料供給用搬送装置で前記吸引装置を共用すると良い。
また、本発明の積層造形装置は、複数の前記積層造形装置で少なくとも前記材料供給用バケットを共用し、所望のタイミングで前記複数の積層造形装置のうちの所望の前記積層造形装置の前記材料回収用バケットの中の前記材料粉体を前記材料供給用バケットに収容して、所望のタイミングで前記材料供給用バケットの中の前記材料粉体を前記複数の積層造形装置のうちの所望の前記積層造形装置の前記材料供給装置に供給すると良い。
本発明では、再利用された未焼結の材料粉体でも材料粉体層をスムーズに形成することを可能にし、積層造形作業の長時間の無人化を可能にする。
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、互いに組合せ可能である。なお、図２では、不活性ガス給排系統の記載を省略する。
図１に示すように、本発明が適用される一実施形態の積層造形装置１は、所要の造形領域Ｒを覆い且つ所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバ２と、チャンバ２内で移動しながら造形領域Ｒ上に材料粉体を供給して材料粉体層８を形成するリコータヘッド１１を含む材料供給装置３と、材料粉体層８の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して照射位置の材料粉体を焼結して焼結層を形成させるレーザ光照射部１３とを備える。また、チャンバ２内には、造形物の造形途中に、焼結層が積層されて得られた焼結体の表面や不要部分に対して機械加工を施すための切削装置５０が備えられても良い。
材料供給装置３は、例えば、チャンバ２内の造形領域Ｒを有するベース台４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、リコーダヘッド１１に材料粉体をチャンバ２の外部から補充するための材料補充部５５とを含む構成であっても良い。造形領域Ｒには、造形テーブル駆動機構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１の使用時には、造形テーブル５上にその表面に比して面積の小さい造形プレート７が配置され、その上に材料粉体層８が形成される。また、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。
造形テーブル５の周りには、粉体保持壁２６が設けられる。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には、未焼結の材料粉体が保持される。図２に示すように、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下部の粉体排出部２７ａが設けられ、積層造形の完了後に、造形テーブル５を降下させることによって、余剰の未焼結の材料粉体とスパッタや切削屑などの不純物（以下、単に不純物と称する）とが一緒に下部の粉体排出部２７ａから排出され、排出された材料粉体は、下部のシューターガイド２８ａによってシューター２９に案内され、シューター２９を通じて材料回収用バケット３０に収容される。
また、チャンバ２内の造形領域Ｒを有するベース台４には、粉体保持壁２６の外側に形成されかつ材料回収用バケット３０に連通する少なくとも１つの上部の粉体排出部２７ｂを有する。移動するリコータヘッド１１によって押し出される余剰の未焼結の材料粉体や不純物は、粉体保持壁２６を乗り越えて粉体保持壁２６の外側にある粉体排出部２７ｂから排出されて、シューターガイド２８ｂによってシューター２９に案内され、材料回収用バケット３０に収容される。なお、上部の粉体排出部２７ｂは、不図示のシャッタによって適時に開閉されるように構成されていても良い。シューター２９と材料回収用バケット３０の間には、適時に材料回収用バケット３０の供給口３０ａを開閉可能なシャッタ３０ｂを備えてあっても良い。
材料供給装置３に備えるリコータヘッド１１は、材料収容部と、材料収容部の上面に設けられた上面開口部と、材料収容部の底面に設けられかつ材料収容部内の材料粉体を排出する材料排出口とを備える。材料排出口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軸方向に延びるスリット状の細長い形状を有する。リコータヘッド１１の両側面には、材料排出口１１ｃから排出された材料粉体を平坦化して材料粉体層８を形成するブレード１１ｆｂ，１１ｒｂが設けられる。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。また、リコータヘッド１１の両側面には、不活性ガスの供給および排出を行うために、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軸方向に沿ってそれぞれ第１供給口３３ａおよび第２排出口３４ｂが設けられている。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。
材料供給装置３に備える材料補充部５５は、リコータヘッド１１の材料収容部１１ａに材料粉体を供給する中間ダクト６９と、中間ダクト６９に材料粉体を供給するメインダクト８２を備える。メインダクト８２には、材料回収用バケット３０の中に収容される余剰の未焼結の材料粉体が後述するように再び供給されるとともに、必要に応じて材料タンク７６から新しい材料粉体を供給するようにしても良い。メインダクト８２は、メインダクト下部７３と、メインダクト下部７３よりも上側に設けられたメインダクト上部７２を備え、メインダクト上部７２に供給された材料粉体がメインダクト下部７３を通じて中間ダクト６９に供給されるように構成されている。メインダクト８２の出口は、メインダクトシャッタ６８によって開閉される。中間ダクト６９の出口は、中間ダクトシャッタ７０によって開閉される。メインダクト８２とチャンバ２の間には、蛇腹７４を有する。また中間ダクト６９とチャンバ２の間にも蛇腹７５を有する。
例えば、リコータヘッド１１には材料収容部１１ａ内の材料粉体の量を検知するセンサが設けられており、材料収容部１１ａへの材料粉体の補充が必要と判断されたときは、リコータヘッド１１が中間ダクト６９の直下に移動されて、材料補充部５５から材料粉体が補充される。具体的には、まず、中間ダクト６９の出口がリコータヘッド１１の材料収容部１１ａの上端よりも高い位置にあり、かつ中間ダクト６９の出口が中間ダクトシャッタ７０で閉じられている状態で、材料収容部１１ａが中間ダクト出口６９ａの直下になるようにリコータヘッド１１が移動する。次に、中間ダクトの出口の位置が材料収容部１１ａの上端よりも低い位置になるように中間ダクト６９を移動させ、その状態で中間ダクトシャッタ７０を開くことによって、中間ダクト６９の出口から材料粉体を排出させる。材料粉体は自重によって排出されるが、材料収容部１１ａ内の材料粉体が中間ダクト６９の出口の位置に到達した時点で材料粉体の排出が止まる。そのあと、中間ダクトシャッタ７０を閉じた状態で中間ダクト６９の出口の位置が材料収容部１１ａの上端よりも高い位置になるように中間ダクト６９を移動させて、リコータヘッド１１を造形領域Ｒに移動させる。なお、メインダクトシャッタ６８は、適時に中間ダクト６９に材料粉体を供給する際に開かれる。
チャンバ２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２に設けられたウィンドウ２ａ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を生成する不図示のレーザ光源と、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不図示の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、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザなどである。ウィンドウ２ａ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２ａは石英ガラスで構成可能である。
さらに、本発明の一実施形態の積層造形装置は、チャンバ２内に切削装置５０を備えても良い。切削装置５０は、加工ヘッド５７と、加工ヘッド５７を制御可能に所望の位置に移動させる不図示の加工ヘッド駆動機構を含む。加工ヘッド５７は、スピンドルヘッド６０と撮像部５９を含む。スピンドルヘッド６０は、不図示のエンドミル等の回転切削工具を取り付けて回転させることができるように構成されており、材料粉体を焼結して得られた焼結層の表面や不要部分に対して切削加工を行うことができる。また回転切削工具は複数種類の回転切削工具であることが好ましく、使用する回転切削工具は不図示の自動工具交換装置によって、造形中にも交換可能である。撮像部５９は、例えば、可視光領域をダイナミックレンジとするＣＣＤカメラであって、レーザ光照射位置の補正処理、主軸位置の補正処理およびレーザ光照射位置と主軸位置を略整合させる補正処理などにおいて使用される。
次に、不活性ガス給排系統について説明する。不活性ガス給排系統は、ヒューム拡散装置１７と、不活性ガス供給装置１５と、ヒュームコレクタ１９と、ダクトボックス２１、２３とを含む。不活性ガス給排系統では、チャンバ２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２の外に排出する。
不活性ガス給排系統は、チャンバ２に設けられる複数の不活性ガスの供給口及び排出口と、不活性ガスの各供給口及び各排出口と不活性ガス供給装置１５及びヒュームコレクタ１９とを接続する配管を含む。本実施形態の不活性ガスの供給口は、第１供給口３３ａと、第２供給口３３ｂと、副供給口３３ｅと、ヒューム拡散装置供給口３３ｄと、駆動室供給口（不図示）とからなる。本発明の一実施形態の不活性ガスの排出口は、第１排出口３４ａと、第２排出口３４ｂと、副排出口３４ｃとからなる。
第１排出口３４ａは、チャンバ２の側板に第１供給口３３ａ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。また、第１排出口３４ａに接続するように不活性ガスの吸引装置３５が設けられる。不活性ガスの吸引装置３５は、レーザ光Ｌ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、不活性ガスの吸引装置３５によって、第１排出口３４ａ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２ｄ内にヒュームが拡散しにくくなる。
第２供給口３３ｂは、ベース台４の端上に所定の照射領域を間に置いて第１排出口３４ａに対面するように設けられる。第２供給口３３ｂは、リコータヘッド１１が所定の照射領域を通過して第１供給口３３ａが所定の照射領域を間に置かずに第１排出口３４ａに直面する位置にあるとき、第１供給口３３ａから第２供給口３３ｂ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３３ｂは、第１供給口３３ａ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３４ａ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。
第２排出口３４ｂは、リコータヘッド１１の第１供給口３３ａ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。第１供給口３３ａから不活性ガスを供給できないとき、換言すれば、第２供給口３３ｂ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、第１排出口３４ａに対面するようにチャンバ２の側板に設けられヒュームコレクタ１９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２ｄに供給する副供給口３３ｅと、チャンバ２の上面に設けられヒューム拡散装置１７へ不活性ガスを供給するヒューム拡散装置供給口３３ｄと、チャンバ２の後チャンバに設けられる不図示の加工ヘッド駆動機構などを納めた不図示の駆動室へ不活性ガスを供給する不図示の駆動室供給口と、第１排出口３４ａの上側に設けられチャンバ２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３４ｅとを備える。ことができる。
チャンバ２の上面には、ウィンドウ２ａ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。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２ａがヒュームによって汚れることを防止する。
チャンバ２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。本実施形態の不活性ガス供給装置１５は、第１供給口３３ａ及び第２供給口３３ｂを通じて不活性ガスを供給する第１不活性ガス供給装置１５ａと、ヒューム拡散装置供給口３３ｄ及び不図示の駆動室供給口を通じて不活性ガスを供給する第２不活性ガス供給装置１５ｂとからなる。第１不活性ガス供給装置１５ａとしては、不活性ガスの濃度を管理可能なものが好ましい。第２不活性ガス供給装置１５ｂは、第１不活性ガス供給装置１５ａと同様の構成の装置であってもよいが、造形領域Ｒから比較的離れた位置にある供給口と接続され比較的不活性ガス濃度管理の重要性が低いので、不活性ガスの濃度を管理する機能を有していなくてもよい。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。チャンバ２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清浄な不活性ガスがダクトボックス２３を通じてチャンバ２の副供給口３３ｅ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、第１不活性ガス供給装置１５ａと、第１供給口３３ａ及び第２供給口３３ｂとがそれぞれ接続され、第２不活性ガス供給装置１５ｂと、ヒューム拡散装置供給口３３ｄ及び不図示の駆動室供給口とがそれぞれ接続される。また、ヒュームコレクタ１９と副供給口３３ｅとがダクトボックス２３を通じて接続される。第１不活性ガス供給装置１５ａ及び第２不活性ガス供給装置１５ｂは、制御装置を通して制御バルブが所定量開放されることによって、所定の圧力と流量の清浄な不活性ガスをチャンバ２へそれぞれ供給する。チャンバ２内に供給された不活性ガスは、造形室２ｄと不図示の駆動室との間の連通部を通じて造形室２ｄ内に供給される。
また、本発明の一実施形態の積層造形装置においては、造形室２ｄに連通する開口に設けられる作業扉が開かれた場合は、不図示の作業扉の開閉を検出する扉検知器によって制御装置は作業扉が開いていることを検出し、第１不活性ガス供給装置１５ａを停止するが、第２不活性ガス供給装置１５ｂは、不活性ガスを供給し続けるようにされている。作業扉が開いているときは、造形室２ｄに不活性ガスを供給しても大気中に拡散してしまうので、作業扉が開いているときに造形室２ｄへの不活性ガスの供給を停止することによって、不活性ガスの無駄な供給を抑制することができる。
ヒューム排出系統として、図１に示すように、第１排出口３４ａ、第２排出口３４ｂ及び副排出口３４ｅとヒュームコレクタ１９とがダクトボックス２１を通じてそれぞれ接続される。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清浄な不活性ガスは、チャンバ２へと返送され再利用される。
上記のような積層造形装置１では、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の右側から左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、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の左側から右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、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、それ以降の所望の複数層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。また、チャンバ２内に切削装置５０を備える積層造形装置では、造形物の造形途中に、例えば、所定の複数の焼結層を形成する毎に、焼結層が積層されて得られた焼結体の表面や不要部分に対して機械加工を施すようにしても良い。
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、余剰の未焼結の材料粉体、および、不純物が一緒に収容されている。不純物は、材料粉体をレーザ光で焼結した際に僅かに飛散するスパッタや焼結体の表面や不要部分を切削加工した際に切り出される切削屑などである。
それで、前述のように、積層造形の完了後に、図２に示すように造形テーブル５を降下させることによって、余剰の未焼結の材料粉体と不純物とが一緒に下部の粉体排出部２７ａから排出され、排出された材料粉体などは、シューターガイド２８ａによってシューター２９に案内され、シューター２９を通じて材料回収用バケット３０に収容される。
また、前述のように、造形物の造形途中に、移動するリコータヘッド１１ブレード１１ｆｂ，１１ｒｂによって粉体保持壁２６の外に押し出される余剰の未焼結の材料粉体と不純物は、粉体保持壁２６を乗り越えて粉体保持壁２６の外側にある上部の粉体排出部２７ｂから落下し、シューターガイド２８ｂによってシューター２９に案内され、シューター２９を通じて材料回収用バケット３０に収容される。
ここからは、本発明の特有の構成が説明される。図１および図２に示すように、本発明の一実施形態の積層造形装置１は、積層造形装置１の材料回収用バケット３０の中の不純物を含んだ材料粉体を搬送する材料回収用搬送装置４１と、材料回収用搬送装置４１によって搬送されてくる不純物を含んだ材料粉体の中から不純物を除去する不純物除去装置４３と、不純物除去装置４３によって不純物が取り除かれた材料粉体を収容する材料供給用バケット４６と、材料供給用バケット４６の中の材料粉体を乾燥させる材料乾燥装置４７と、材料乾燥装置４７によって乾燥させた材料粉体を積層造形装置１の材料供給装置３に搬送する材料供給用搬送装置４８と、を含む。
材料回収用搬送装置４１と材料供給用搬送装置４８は、気体と一緒に固体も吸引可能な吸引力を有する吸引装置４４と、気体と固体が吸引装置４４の中に吸引される前に気体と固体を分離して固体を吸引装置４４の中に吸引させないようにするサイクロン方式のフィルタ４０ａ，４０ｂとを含む。
吸引装置４４は、切換弁４５を介して材料回収用搬送装置４１と材料供給用搬送装置４８に切り換え可能に配管などで接続することで１台を共同で使用するようにしても良い。また、吸引装置４４は、材料回収用搬送装置と材料供給用搬送装置にそれぞれ１台ずつ別々に有しても良い。吸引装置４４は、例えば、クリーナー等が採用されても良い。
サイクロン方式のフィルタ４０ａ，４０ｂは、例えば、直立する円筒状部分の下側に直径が漸減する逆円錐状部分を有する形状であって、円筒状部分の上側を閉じる蓋の中央部に形成される排気口４１ａ，４８ａと吸引装置４４を配管などで接続し、円筒状部分の側面に形成される吸引口４１ｂ，４１ｂと材料回収用バケット３０または材料供給用バケット４６の排出口の３０ｃ，４６ｃとを配管などで接続し、分離した固体を外部に落下させるために逆円錐状部分の下側に形成される排出口４１ｃ，４８ｃと不純物除去装置４３または材料供給装置３の供給口４３ａ，７２ａを接続してある。また、サイクロン方式のフィルタ４０ａ，４０ｂは、排出口４１ｃ，４８ｃを開閉するシャッタ４１ｄ，４８ｄを設けて、吸引口４１ｂ，４１ｂからの吸引効率をより高めるために基本的に吸引時にはシャッタ４１ｄ，４８ｄで排出口４１ｃ，４８ｃが閉じられるとともに適時にシャッタ４１ｄ，４８ｄを開いて溜った固体を排出口４１ｃ，４８ｃから外部に落下させるように構成されても良い。排出口４１ｃ，４８ｃをシャッタ４１ｄ，４８ｄで開閉する場合には、サイクロン式のフィルタ４０ａ，４０ｂの下部でかつ排出口４１ｃ，４８ｃの上部における位置にシャッタ４１ｄ，４８ｄが開くまで分離した固体を一時的にある程度溜めておくことができるタンク部４１ｅ，４８ｅを必要に応じて備えても良い。
そうしたサイクロン方式のフィルタ４０ａ，４０ｂは、吸引装置４４によって材料粉体および不純物などの固体を気体と一緒に吸引する際に、同フィルタ４０ａ，４０ｂの中で発生する渦巻き状の気流によって気体より比重が重い固体を遠心力で気流の外に移動させて、固体が同フィルタ４０ａ，４０ｂの内壁に接触しながら同フィルタ４０ａ，４０ｂの中を回転するとともに内壁との摩擦により失速して自重で落下して同フィルタ４０ａ，４０ｂ下部の排出口４１ｃ，４８ｃから同フィルタ４０ａ，４０ｂの外に排出され、気体だけが同フィルタ４０ａ，４０ｂ上部の排気口４１ａ，４８ａから吸引装置４４の中に吸い込まれる。
材料回収用搬送装置４１は、サイクロン方式のフィルタ４０ａを有し、同フィルタ４０ａの排気口４１ａが切換弁４５を介して吸引装置４４に配管などで接続されて、同フィルタ４０ａの吸引口４１ｂが積層造形装置１の材料回収用バケット３０の排出口３０ｃに配管などで接続されて、同フィルタ４０ａの排出口４１ｃが不純物除去装置４３の供給口４３ａに接続されて、材料回収用バケット３０の中に溜められた不純物を含む未焼結の材料粉体を不純物除去装置４３に搬送する。搬送中は、サイクロン方式のフィルタ４０ａの排出口４１ｃをシャッタ４１ｄで閉じて吸引力の低下を防止するように構成してあっても良い。シャッタ４１ｄの上部には、シャッタ４１ｄが開くまで不純物を含む未焼結の材料粉体を一時的に溜めておくタンク部４１ｅを必要に応じて有しても良い。また、材料回収用バケット３０の供給口３０ａをシャッタ３０ｂで閉じてチャンバ２内の不活性ガスを吸引しないようにしても良い。また、材料回収用バケット３０は、搬送中の吸引力で材料回収用バケット３０の外から中に気体を取り入れる通気口を有しても良い。また、材料回収用搬送装置４１は、サイクロン方式のフィルタ４０ａの吸引口４１ｂを切換弁４２を介して材料回収用バケット３０の排出口３０ｃと手動清掃用ノズル９０に切り換え可能に配管などで接続するようにしても良い。手動清掃用ノズル９０は、例えば、切換弁４２を切り換えることで可とう性のあるホースなどの一端にサイクロン方式のフィルタ４０ａの吸引口４１ｂが接続されて、他端に手動清掃用ノズルが取り付けられていて、作業者が手動でチャンバ２内の所望の場所などに手動清掃用ノズル９０を移動させて、当該場所の未焼結の材料粉体や不純物を吸引して清掃するための手段の１つである。
不純物除去装置４３は、例えば、ふるい装置でもよい。ふるい装置は、未焼結の材料粉体の粒径よりも大きな寸法になるスパッタや切削屑などの不純物を通さない網目寸法に形成される網４３ｄの上に材料回収用搬送装置４１によって搬送されてくる不純物を含む未焼結の材料粉体が供給口４３ａから供給されて、振動する網４３ｄの網目を通過する未焼結の材料粉体と網目を通過できずに網４３ｄの上に残る不純物とに分別して、例えば、未焼結の材料粉体を排出口４３ｃから材料供給用バケット４６に収容し、不純物を不純物回収バケット４３ｂに収容するようになっている。なお、材料供給用バケット４６の供給口４６ａにシャッタ４６ｂを有して、例えば、ふるいをかけた未焼結の材料粉体を材料供給用バケット４６に収容するときにのみシャッタ４６ｂを開くなど、適時にシャッタ４６を開閉できるようにしてあっても良い。また、材料供給用バケット４６は、搬送中の吸引力で材料供給用バケット４６の外から中に気体を取り入れる通気口を有しても良い。
材料乾燥装置４７は、例えば、材料供給用バケット４６に収容されている未焼結の材料粉体を材料供給用バケット４６の中で乾燥させるようにしても良い。この場合には、材料供給用バケット４６から材料乾燥装置４７に材料粉体を搬送するための別途の搬送装置を省くことができる。材料乾燥装置４７は、例えば、材料供給用バケット４６の中の未焼結の材料粉体を熱源で直接加熱する、または、材料供給用バケット４６の中の雰囲気を熱源で高温状態にして材料供給用バケット４６の中の未焼結の材料粉体を間接的に加熱するなど、その他にも発明の趣旨を逸脱しない範囲で各種の乾燥手段を適用可能である。材料乾燥装置４７は、例えば図１に示すように、熱源となる棒状のヒータ、例えば、電気式の棒状のカートリッジヒータを材料供給用バケット４６内部の中心に縦に配置するように構成しても良いし、その他、材料供給用バケット４６の中の所望の場所に所望の形状で所望の加熱方式のヒータを所望の向きに所望の数を配置しても良い。なお、材料乾燥装置４７は、材料供給用バケット４６を不純物除去装置４３と共用せずに別途に材料乾燥用バケットを有しても良い。この場合には、材料供給用バケット４６の中の未焼結の材料粉体を不図示の材料乾燥用バケットに搬送するための搬送装置を別途にもう１台有することになる。また、材料乾燥装置４７は、積層造形装置１の材料回収用バケット３０の中の未焼結の材料粉体を十分な乾燥状態で材料供給装置３に再び供給することができれば、不純物除去装置４３で不純物が除去される前に不純物を含む未焼結の材料粉体を乾燥させるようにしても良いなど、余剰の未焼結の材料粉体が材料回収用バケット３０に排出されてから材料供給装置３に再び供給されるまでの間の適当な位置に備えても良い。しかしながら、未焼結の材料粉体を熱源を用いて乾燥させるような場合の材料乾燥装置４７は、乾燥用の熱源が積層造形装置１の一部を熱膨張させるなどの熱の影響で、積層造形装置１による高精度の加工の妨げにならないように、積層造形装置１の外部に配置されることが好ましい。
材料供給用搬送装置４８は、サイクロン方式のフィルタ４０ｂを有し、同フィルタ４０ｂの排気口４８ａが切換弁４５を介して吸引装置４４に配管などで接続されて、同フィルタ４０ｂの吸引口４８ｂが材料供給用バケット４６の排出口４６ｃに配管などで接続され、同フィルタ４０ｂの排出口４８ｃが積層造形装置１の材料供給装置３におけるメインダクト上部７２の供給口７２ａに接続されて、材料供給用バケット４６の中に収容されている乾燥した未焼結の材料粉体を積層造形装置１の材料供給装置３に適時に搬送する。図１および図２に示すように、材料供給用搬送装置４８に有するサイクロン方式のフィルタ４０ｂは、材料供給装置３のメインダクト８２の上に設置されている。搬送中は、サイクロン方式のフィルタ４０ｂの排出口４８ｃをシャッタ４８ｄで閉じて吸引力の低下を防止するように構成してあっても良い。シャッタ４８ｄの上部には、シャッタ４８ｄが開くまで乾燥した未焼結の材料粉体を一時的に溜めておくタンク部４８ｅを必要に応じて有しても良い。また、搬送中は、シャッタ４８ｄの代わりにメインダクトシャッタ６８を閉じて吸引力の低下を防止するとともにタンク部４８ｅを省略してメインダクト上部７２に未焼結の材料粉体を溜めるようにしても良い。
また、本発明の一実施形態の積層造形装置１は、各種装置の動作を制御する不図示の制御装置を含んで、未焼結の材料粉体を用いて積層造形を行う際に、所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバ２の中で上下方向に移動する造形テーブル５の上に未焼結の材料粉体を供給し、造形テーブル５を取り囲んで未焼結の材料粉体を保持する粉体保持壁２６の外に排出される余剰の未焼結の材料粉体と不純物を一緒に回収し、不純物を含む未焼結の材料粉体から不純物を取り除き、不純物が取り除かれた未焼結の材料粉体を造形テーブル５の上に再び供給するように制御されるとともに、回収された不純物を含む未焼結の材料粉体を造形テーブル５の上に再び供給するまでの間に未焼結の材料粉体を乾燥させるように制御されると良い。
例えば、本発明の一実施形態の積層造形装置１は、未焼結の材料粉体を用いて積層造形を行う際に、所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバ２の中で上下方向に移動する造形テーブル５の上に未焼結の材料粉体を供給し、造形テーブル５を取り囲んで未焼結の材料粉体を保持する粉体保持壁２６の外に排出される余剰の未焼結の材料粉体と不純物を一緒に材料回収用バケット３０に回収し、材料回収用バケット３０の中に回収された未焼結の材料粉体を積層造形装置１の材料供給装置３に再び供給して再利用するために、材料回収用バケット３０の中の不純物を含む未焼結の材料粉体を材料回収用搬送装置４１で不純物除去装置４３に搬送し、不純物除去装置４３で不純物が取り除かれた未焼結の材料粉体を材料供給用バケット４６に回収し、材料供給用バケット４６の中の不純物が除去された未焼結の材料粉体を材料乾燥装置４７で乾燥し、材料供給用バケット４６の中の不純物が除去されかつ乾燥した未焼結の材料粉体を材料供給用搬送装置４８で積層造形装置１の材料供給装置３に搬送することを必要に応じて繰り返し行われる。なお、各装置は、必要に応じて同時に動作が可能であれば、同時に動作させても良い。
また、本発明の別の実施形態では、１つ材料回収用搬送装置４１、１つの不純物除去装置４３、１つの材料供給用バケット４６、１つの材料乾燥装置４７および１つの材料供給用搬送装置４８を備えて、それら装置を含まない複数の積層造形装置に対して、例えば、各積層造形装置の各材料回収用バケットに切換弁で切り換え可能に１つの材料回収用搬送装置４１を接続し、各積層造形装置の各材料供給装置３に切換弁で切り換え可能に１つの材料供給用搬送装置４８を接続して、各積層造形装置の状態に応じて、所望の積層造形装置の材料回収用バケット３０から不純物を含む未焼結の材料粉体を所望のタイミングで回収し、所望のタイミングで不純物を含む未焼結の材料粉体から不純物を取り除き、所望の積層造形装置の材料供給装置３に供給する前に不純物が取り除かれた未焼結の材料粉体を乾燥させて、所望のタイミングで不純物が取り除かれかつ乾燥させた未焼結の材料粉体を所望の積層造形装置に供給することを可能にして、複数台の積層造形装置を長時間自動運転させることを可能にし、長時間の無人化が可能になる。
また、本発明では、材料回収用バケットの中の余剰の未焼結の材料粉体を適当な時期に不純物を取り除きかつ乾燥させて積層造形装置１の材料供給装置３に再び自動で供給するので、積層造形するために余分に必要な未焼結の材料粉体の量がより少ない量で済む。また、本発明では、複数の積層造形装置のうちの所望の積層造詣装置の材料回収用バケット３０の中の余剰の未焼結の材料粉体を適当な時期に不純物を取り除きかつ乾燥させて、複数の積層造形装置のうちの所望の積層造形装置の材料供給装置３に自動で供給することも可能なので、複数の積層造形装置で積層造形を併行して行う際にも余分に必要な未焼結の材料粉体の量がより少ない量で済む。
以上説明した発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらをこの発明の範囲から排除するものではない。特に具体的な装置については、本発明の趣旨に添った基本的な機能を有するものは、本発明に含まれる。
以上説明したように、本発明の積層造形装置は、積層造形作業の長時間の無人化が可能になる。
１ 積層造形装置
２ チャンバ
３ 材料供給装置
４ ベース台
５ 造形テーブル
１１ リコータヘッド
１１ｆｂ，１１ｒｂ ブレード
１３ レーザ光照射部
２６ 粉体保持壁
２７ａ 下部の粉体排出部
２７ｂ 上部の粉体排出部
２８ａ 下部のシュータガイド
２８ｂ 上部のシュータガイド
２９ シュータ
３０ 材料回収用バケット
３０ｄ シャッタ
３２ 粉体保持空間
４０ａ， ４０ｂ サイクロン方式のフィルタ
４１ 材料回収用搬送装置
４１ｄ シャッタ
４１ｅ タンク部
４２ 切換弁
４３ 不純物除去装置（ふるい装置）
４３ｄ ふるい用の網
４４ 吸引装置
４５ 切換弁
４６ 材料供給用バケット
４６ｂ シャッタ
４７ 材料乾燥装置
４８ 材料供給用搬送装置
４８ｄ シャッタ
４８ｅ タンク部
４９ 切換弁
５０ 切削装置
５５ 材料補充部
６９ 中間ダクト
７２ メインダクト上部
８２ メインダクト
９０ 手動清掃用ノズル
Ｌ レーザ光
Ｒ 造形領域
２ チャンバ
３ 材料供給装置
４ ベース台
５ 造形テーブル
１１ リコータヘッド
１１ｆｂ，１１ｒｂ ブレード
１３ レーザ光照射部
２６ 粉体保持壁
２７ａ 下部の粉体排出部
２７ｂ 上部の粉体排出部
２８ａ 下部のシュータガイド
２８ｂ 上部のシュータガイド
２９ シュータ
３０ 材料回収用バケット
３０ｄ シャッタ
３２ 粉体保持空間
４０ａ， ４０ｂ サイクロン方式のフィルタ
４１ 材料回収用搬送装置
４１ｄ シャッタ
４１ｅ タンク部
４２ 切換弁
４３ 不純物除去装置（ふるい装置）
４３ｄ ふるい用の網
４４ 吸引装置
４５ 切換弁
４６ 材料供給用バケット
４６ｂ シャッタ
４７ 材料乾燥装置
４８ 材料供給用搬送装置
４８ｄ シャッタ
４８ｅ タンク部
４９ 切換弁
５０ 切削装置
５５ 材料補充部
６９ 中間ダクト
７２ メインダクト上部
８２ メインダクト
９０ 手動清掃用ノズル
Ｌ レーザ光
Ｒ 造形領域
Claims (4)
- ベース台上の造形領域を覆いかつ所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバと、前記チャンバ内の前記造形領域に配置されかつ上下方向に移動可能な造形テーブルと、前記造形テーブル上に未焼結の材料粉体を供給する材料供給装置と、前記造形テーブルを取り囲みかつ前記造形テーブル上に前記材料供給装置から供給される前記材料粉体を保持する粉体保持壁と、前記粉体保持壁の外に排出される余剰の前記材料粉体と不純物を一緒に収容する材料回収用バケットと、前記材料回収用バケットの中の前記不純物を含む前記材料粉体から前記不純物を除去する不純物除去装置と、を含んで前記不純物除去装置で前記不純物が取り除かれた前記材料粉体を前記材料供給装置に戻して再利用する積層造形装置であって、
前記材料回収用バケットから前記不純物除去装置に前記不純物を含んだ前記材料粉体を搬送する材料回収用搬送装置と、前記不純物除去装置によって前記不純物が取り除かれた前記材料粉体を収容する材料供給用バケットと、前記材料供給用バケットから前記材料供給装置に前記材料粉体を搬送する材料供給用搬送装置と、を含み、
前記材料供給用バケットは、収容中の前記材料粉体を乾燥させる材料乾燥装置を含むとともに前記ベース台、前記チャンバおよび前記材料供給装置に対して熱の影響を与えないように当該ベース台、当該チャンバおよび当該材料供給装置から離して配置されていることを特徴する積層造形装置。 - 前記材料回収用搬送装置または前記材料供給用搬送装置のいずれか一方またはそれらの両方が、吸引装置と、前記吸引装置で吸引した気体と固体を分離するサイクロン方式のフィルタと、前記気体と分離した前記固体が排出される前記フィルタの排出口を開閉するためのシャッタと、を含むことを特徴とする前記請求項１に記載の積層造形装置。
- 前記材料回収用搬送装置と前記材料供給用搬送装置で前記吸引装置を共用することを特徴とする前記請求項２に記載の積層造形装置。
- 複数の前記積層造形装置で少なくとも前記材料供給用バケットを共用し、所望のタイミングで前記複数の積層造形装置のうちの所望の前記積層造形装置の前記材料回収用バケットの中の前記材料粉体を前記材料供給用バケットに収容して、所望のタイミングで前記材料供給用バケットの中の前記材料粉体を前記複数の積層造形装置のうちの所望の前記積層造形装置の前記材料供給装置に供給することを特徴とする請求項１ないし３に記載の積層造形装置。
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