JP6220459B1 - ３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラム - Google Patents
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Abstract
３次元積層造形物と造形プレートとの熱膨張率の相違に基づく造形精度の低下を効果的に抑制すること。３次元積層造形装置であって、３次元積層造形物の材料を散布する線状漏斗を備える。また、３次元積層造形装置であって、電子ビームを発生させる電子銃を備える。さらに、３次元積層造形装置であって、前記３次元積層造形物が造形される造形母材を備える。そして、前記造形母材熱膨張率と前記３次元積層造形物との熱膨張率は、等しいか、または差が所定の値以内である。
Description
本発明は、３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラムに関する。
上記技術分野において、特許文献１には、造形プレートのヤング率を１５０〜８００ＧＰａとする技術が開示されている。
しかしながら、上記文献に記載の技術では、３次元積層造形物と造形プレートとの熱膨張率の相違に基づく造形精度の低下を効果的に抑制することができなかった。
本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置は、
３次元積層造形物の材料を散布する材料散布手段と、
電子ビームを発生させる電子銃と、
前記３次元積層造形物が造形される造形母材と、
を備え、
前記造形母材の熱膨張率と前記３次元積層造形物の熱膨張率との差を、前記３次元積層造形物における欠陥の発生または熱歪の発生が生じない範囲の値とする。
３次元積層造形物の材料を散布する材料散布手段と、
電子ビームを発生させる電子銃と、
前記３次元積層造形物が造形される造形母材と、
を備え、
前記造形母材の熱膨張率と前記３次元積層造形物の熱膨張率との差を、前記３次元積層造形物における欠陥の発生または熱歪の発生が生じない範囲の値とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置の制御方法は、
造形母材の熱膨張率と３次元積層造形物の熱膨張率との差が、前記３次元積層造形物における欠陥の発生または熱歪の発生が生じない範囲の値になるように前記造形母材を選択する選択ステップと、
３次元積層造形物の材料を材料散布手段により散布する材料散布ステップと、
電子銃により電子ビームを発生させて、造形母材に前記３次元積層造形物を造形する造形ステップと、
を含む。
造形母材の熱膨張率と３次元積層造形物の熱膨張率との差が、前記３次元積層造形物における欠陥の発生または熱歪の発生が生じない範囲の値になるように前記造形母材を選択する選択ステップと、
３次元積層造形物の材料を材料散布手段により散布する材料散布ステップと、
電子銃により電子ビームを発生させて、造形母材に前記３次元積層造形物を造形する造形ステップと、
を含む。
上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置の制御プログラムは、
造形母材の熱膨張率と３次元積層造形物の熱膨張率との差が、前記３次元積層造形物における欠陥の発生または熱歪の発生が生じない範囲の値になるように前記造形母材を選択する選択ステップと、
３次元積層造形物の材料を材料散布手段により散布させる材料散布ステップと、
電子銃により電子ビームを発生させて、造形母材に前記３次元積層造形物を造形させる造形ステップと、
をコンピュータに実行させる。
造形母材の熱膨張率と３次元積層造形物の熱膨張率との差が、前記３次元積層造形物における欠陥の発生または熱歪の発生が生じない範囲の値になるように前記造形母材を選択する選択ステップと、
３次元積層造形物の材料を材料散布手段により散布させる材料散布ステップと、
電子銃により電子ビームを発生させて、造形母材に前記３次元積層造形物を造形させる造形ステップと、
をコンピュータに実行させる。
本発明によれば、３次元積層造形物と造形プレートとの熱膨張率の相違に基づく造形精度の低下を効果的に抑制することができる。
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての３次元積層造形装置１００について、図１乃至図４を用いて説明する。
本発明の第１実施形態としての３次元積層造形装置１００について、図１乃至図４を用いて説明する。
＜前提技術＞
図４は、本実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術に係る３次元積層造形装置により造形される３次元積層造形物について説明する図である。
図４は、本実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術に係る３次元積層造形装置により造形される３次元積層造形物について説明する図である。
３次元積層造形物４３０は、造形完了時には、電子ビームにより与えられた熱により、高温状態にあり、膨張した状態にある。そして、造形が完了して、３次元積層造形物４３０を冷却すると、冷却に伴って３次元積層造形物４３０が収縮する。しかしながら、この収縮時に、熱応力が発生して、３次元積層造形物４３０に欠陥４１０が入ったり、３次元積層造形物４３０の形状が歪んだりして、造形精度が低下する。
この収縮する過程において、３次元積層造形物４３０の熱膨張率Ａが、造形プレート（ベースプレート）４０６の熱膨張率Ｂよりも大きい場合、３次元積層造形物４３０に熱応力が発生し、３次元積層造形物４３０に欠陥４１０などが入り、造形精度が低下する。つまり、造形プレート４０６の熱膨張率が３次元積層造形物４３０の熱膨張率よりも小さいため、３次元積層造形物４３０が引っ張られるような力が働き、３次元積層造形物４３０に欠陥４１０が入る。
＜本実施形態の技術＞
図１は、本実施形態に係る３次元積層造形装置の構成を示す図である。３次元積層造形装置１００は、真空容器１０１と、電子銃１０２と、造形枠台１０３と、Ｚ軸駆動機構１０４と、線状漏斗１０５と、造形プレート１０６とを備える。なお、以下の説明においては、３次元積層造形装置１００は、パウダーベッド方式の装置である。
図１は、本実施形態に係る３次元積層造形装置の構成を示す図である。３次元積層造形装置１００は、真空容器１０１と、電子銃１０２と、造形枠台１０３と、Ｚ軸駆動機構１０４と、線状漏斗１０５と、造形プレート１０６とを備える。なお、以下の説明においては、３次元積層造形装置１００は、パウダーベッド方式の装置である。
３次元積層造形装置１００は、造形プレート１０６上面を造形枠台１０３の上面とほぼ同じ高さに配置する。そして、３次元積層造形装置１００は、３次元積層造形物１３０の材料が充填された材料散布部である線状漏斗１０５により造形プレート１０６上（ベースプレート上）に材料を敷き詰める。３次元積層造形装置１００は、敷き詰めた材料に電子銃１０２で発生させた電子ビーム１２１を照射して、材料を溶融し、凝固させ、１層分の材料の積層を完成させる。なお、造形プレート１０６の材質は、ステンレス鋼が代表的であるが、これには限定されない。
そして、１層分の積層が完了したら、３次元積層造形装置１００は、Ｚ軸駆動機構１０４により１層分の高さに相当する高さだけ造形台１４０を下げて、次の層の材料を線状漏斗１０５により敷き詰める。材料を敷き詰めたら、電子ビーム１２１を照射して、材料を溶融し、凝固させ、次の１層分の材料の積層を完成させる。３次元積層造形装置１００は、この動作を繰り返して、真空容器１０１内で所望の３次元積層造形物を造形する。
図２は、本実施形態に係る３次元積層造形装置により造形される３次元積層造形物について説明する図である。３次元積層造形物１３０は、造形母材である造形プレート１０６上に造形される。造形完了時の３次元積層造形物１３０は、電子ビーム１２１により与えられた熱（エネルギー）により高温となっており、熱膨張している。 この場合、造形プレート１０６の熱膨張率（Ｃｂ）と、３次元積層造形物１３０の熱膨張率（Ｃ）とを近いもの、すなわち、Ｃｂ＝Ａ±α、Ｃ＝Ａ（αは、熱応力を生じない程度に小さいものとする）としておく。そうすると、造形プレート１０６と３次元積層造形物１３０とは、熱膨張率が等しいか、または近い値（両者の差が、所定の値以内）なので、冷却時の収縮率に差がなく、互いに引っ張り合うことなく冷却し、固化する。
したがって、造形プレート１０６と３次元積層造形物１３０とは、膨張や収縮の程度に差が少なく、３次元積層造形物１３０の冷却が完了し、固化した後（常温状態になった後）、３次元積層造形物１３０に対するダメージの発生が抑制される。
なお、ここでは、造形母材として、造形プレート１０６を例に説明したが、造形母材はこれには限定されず、例えば、他の３次元積層造形物などを造形母材としてもよい。つまり、例えば、ある製品や部品の上に３次元積層造形物を造形するような場合であっても、本実施形態の技術を適用してもよい。
図３は、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００の処理手順を説明するフローチャートである。ステップＳ３０１において、３次元積層造形装置１００は、３次元積層造形物１３０の造形データを取得する。ステップＳ３０３において、３次元積層造形物１３０の熱膨張率と等しいか、または差が所定の値以内の造形プレート１０６を選択する。ステップＳ３０５において、３次元積層造形装置１００は、造形プレート１０６上に３次元積層造形物１３０の材料を散布し、散布した材料に電子ビーム１２１を照射する。ステップＳ３０７において、３次元積層造形装置１００は、３次元積層造形物１３０の造形が終了したか否かを判断する。造形が終了していないと判断した場合（ステップＳ３０７のＮＯ）、３次元積層造形装置１００は、ステップＳ３０５以降のステップを繰りかえす。造形が終了したと判断した場合（ステップＳ３０７のＹＥＳ）、３次元積層造形装置１００は、処理を終了する。
本実施形態によれば、３次元積層造形物と造形プレートとの熱膨張率の相違に基づく造形精度の低下を効果的に抑制することができ、３次元積層造形物に対するダメージを緩和することができる。また、熱膨張率の差による欠陥の発生や熱歪の発生を効果的に抑制できる。
［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置により造形される３次元積層造形物についてについて、図５を用いて説明する。本実施形態に係る３次元積層造形装置においては、造形母材である造形プレート５０６の表面に溝が彫られており、造形プレート５０６の表面に凸凹が設けられた形状となっている。そして、造形プレート５０６の表面の凹凸は、３次元積層造形物１３０が積層され、造形される面、すなわち、造形プレート５０６の上面側に設けられている。
次に本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置により造形される３次元積層造形物についてについて、図５を用いて説明する。本実施形態に係る３次元積層造形装置においては、造形母材である造形プレート５０６の表面に溝が彫られており、造形プレート５０６の表面に凸凹が設けられた形状となっている。そして、造形プレート５０６の表面の凹凸は、３次元積層造形物１３０が積層され、造形される面、すなわち、造形プレート５０６の上面側に設けられている。
なお、造形母材（造形プレート５０６）の表面に設ける凹凸は、溝形状には限定されず、例えば、波型形状やジグザグ形状などであってもよい。
本実施形態によれば、造形プレート表面に凹凸を設けたので、造形プレートの膨張および収縮に伴って３次元積層造形物に及ぶ応力を緩和することができるので、欠陥や熱歪などの発生を抑制できる。また、３次元積層造形物に対するダメージを緩和することができる。３次元積層造形物と造形プレートとの熱膨張率の相違に基づく造形精度の低下を抑制することができる。また、熱膨張率の差による欠陥の発生や熱歪の発生を抑制できる。
［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る３次元積層造形装置により造形される３次元積層造形物についてについて、図６を用いて説明する。本実施形態に係る３次元積層造形装置においては、造形母材である造形プレート１０６と３次元積層造形物１３０とが異種材料である。そして、造形母材である造形プレート１０６と３次元積層造形物１３０との間に中間層を設けている。つまり、本実施形態においては、造形プレート１０６の上面に中間層として、もう一つ別の造形プレート６０１を設けた構成となっている。
次に本発明の第３実施形態に係る３次元積層造形装置により造形される３次元積層造形物についてについて、図６を用いて説明する。本実施形態に係る３次元積層造形装置においては、造形母材である造形プレート１０６と３次元積層造形物１３０とが異種材料である。そして、造形母材である造形プレート１０６と３次元積層造形物１３０との間に中間層を設けている。つまり、本実施形態においては、造形プレート１０６の上面に中間層として、もう一つ別の造形プレート６０１を設けた構成となっている。
造形プレート１０６と３次元積層造形物１３０との膨張および収縮の相違により、３次元積層造形物１３０に欠陥などが発生することを防止するために、中間層としての造形プレート６０１を設けている。そして、仮に欠陥が発生しても、中間層としての造形プレート６０１に欠陥が入ることで、熱応力の影響による欠陥が３次元積層造形物１３０に及ばないようにしている。なお、中間層としての造形プレート６０１の形状は、平板状であってもよいが、格子状であってもよい。例えば、造形プレート６０１を格子状にすれば、熱応力が生じた場合は、熱応力が発生した部分のみを破損させることで、３次元積層造形物１３０に及ぶ熱応力の影響を緩和することができる。
本実施形態によれば、中間層を設けたので、３次元積層造形物に及ぶ熱応力の影響を緩和することができる。また、３次元積層造形物と造形プレートとの熱膨張率の相違に基づく造形精度の低下を抑制することができる。また、熱膨張率の差による欠陥の発生や熱歪の発生を抑制できる。
［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態に係る３次元積層造形装置により造形される３次元積層造形物について、図７を用いて説明する。本実施形態に係る３次元積層造形装置においては、造形母材である１０６と３次元積層造形物１３０との間に複数の中間層を設けている。すなわち、造形プレート１０６と３次元積層造形物１３０との熱膨張率が大きく異なる場合には、中間層を複数設けて、造形プレート１０６から３次元積層造形物１３０へと伝わる熱応力の影響が徐々に緩和されるようにする。
次に本発明の第４実施形態に係る３次元積層造形装置により造形される３次元積層造形物について、図７を用いて説明する。本実施形態に係る３次元積層造形装置においては、造形母材である１０６と３次元積層造形物１３０との間に複数の中間層を設けている。すなわち、造形プレート１０６と３次元積層造形物１３０との熱膨張率が大きく異なる場合には、中間層を複数設けて、造形プレート１０６から３次元積層造形物１３０へと伝わる熱応力の影響が徐々に緩和されるようにする。
例えば、３次元積層造形物１３０の熱膨張率をＡ、造形プレート１０６の熱膨張率をＢとする。この場合、造形プレート１０６の直上の中間層の造形プレート７０１の熱膨張率を、造形プレート１０６に近い、Ｂ±αとし、造形プレート７０１の上の造形プレート７０２の熱膨張率を、３次元積層造形物１３０に近い、Ａ±αとする。なお、熱膨張率αは、小さく熱応力を生じない程度のものとする。
このような構成とすることにより、熱応力が発生したとしても、造形プレート１０６と３次元積層造形物１３０との間に、造形プレート７０１，７０２があるので、熱応力が徐々に緩和され、最終的に３次元積層造形物１３０に加わる熱応力を小さくできる。
本実施形態によれば、造形プレートと３次元積層造形物との熱膨張率が大きく異なっていても、中間層を複数設けているので、３次元積層造形物に及ぶ熱応力の影響を徐々に緩和でき、最終的に、３次元積層造形物に対するダメージの発生を抑制できる。また、３次元積層造形物と造形プレートとの熱膨張率の相違に基づく造形精度の低下を抑制することができる。また、熱膨張率の差による欠陥の発生や熱歪の発生を抑制できる。
［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。
また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。
Claims (8)
- ３次元積層造形物の材料を散布する材料散布手段と、
電子ビームを発生させる電子銃と、
前記３次元積層造形物が造形される造形母材と、
を備え、
前記造形母材の熱膨張率と前記３次元積層造形物の熱膨張率との差を、前記３次元積層造形物における欠陥の発生または熱歪の発生が生じない範囲の値とする３次元積層造形装置。 - 前記造形母材と前記３次元積層造形物とが異種材料であり、熱膨張率が異なる場合、前記造形母材と前記３次元積層造形物との間に、前記造形母材の熱膨張率と前記３次元積層造形物の熱膨張率との中間の熱膨張率の中間層を少なくとも１つ設ける請求項１に記載の３次元積層造形装置。
- 前記３次元積層造形物の熱膨張率と前記３次元積層造形物に接する前記中間層の熱膨張率との差を、前記３次元積層造形物における欠陥の発生または熱歪の発生が生じない範囲の値とする請求項２に記載の３次元積層造形物。
- 前記造形母材の表面に凹凸を設ける請求項１乃至３のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
- 前記造形母材の表面の凹凸は、溝形状または波型形状である請求項４に記載の３次元積層造形装置。
- 前記造形母材は、平板状または格子状の造形プレートである請求項１乃至５のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
- 造形母材の熱膨張率と３次元積層造形物の熱膨張率との差が、前記３次元積層造形物における欠陥の発生または熱歪の発生が生じない範囲の値になるように前記造形母材を選択する選択ステップと、
３次元積層造形物の材料を材料散布手段により散布する材料散布ステップと、
電子銃により電子ビームを発生させて、造形母材に前記３次元積層造形物を造形する造形ステップと、
を含む３次元積層造形装置の制御方法。 - 造形母材の熱膨張率と３次元積層造形物の熱膨張率との差が、前記３次元積層造形物における欠陥の発生または熱歪の発生が生じない範囲の値になるように前記造形母材を選択する選択ステップと、
３次元積層造形物の材料を材料散布手段により散布させる材料散布ステップと、
電子銃により電子ビームを発生させて、造形母材に前記３次元積層造形物を造形させる造形ステップと、
をコンピュータに実行させる３次元積層造形装置の制御プログラム。
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