JP6262275B2 - 積層造形装置 - Google Patents

Description

この発明は、積層造形装置に関する。

レーザ光による積層造形法では、上下方向に移動可能な造形テーブル上に非常に薄い材料粉体層を形成し、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ること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形状を造形する。必要に応じて水平鉛直に移動可能なエンドミル等の回転切削工具を用いて、造形物の造形途中に、材料粉体を焼結して得られた焼結体の表面や不要部分に対して切削加工を施してもよい。かかる工程の組み合わせと繰り返しとを経て、所望の積層造形物が形成される。

レーザ光による積層造形法では、材料粉体の変質を防ぐとともに所要のエネルギーのレーザ光を常時安定して照射できるようにするため、密閉されたチャンバ内に不活性ガスを充満させ、チャンバ内における十分に酸素濃度が低い雰囲気下の所定の照射領域にレーザ光を照射できるように構成される。また、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、レーザ光を遮断して所要のエネルギー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、チャンバ内に清浄な不活性ガスを供給するとともに、チャンバ内からヒュームを含む不活性ガスを排出するように構成された積層造形装置が公知である。

ここで、特許文献１に開示される粉末積層造形法による積層造形装置は、水平１軸方向に動作するリコータヘッドを有する。リコータヘッドは、収容された材料粉体を粉体供給口から自由落下させ、且つそれを均すことにより材料粉体層を造形テーブル上の所要の領域（造形領域）に形成する。

特許第５７２１８８６号公報

しかし、特許文献１に係る水平１軸方向に動作するリコータヘッドを用いる場合、選択的に材料粉体層を形成することができず、造形物の大きさに関わらず造形テーブル上の略全面を造形領域として材料粉体層が形成される。つまり、造形物の大きさが小さくなる程、多くの材料粉体が造形物の造形に直接関わることがなく造形領域に残される。残った材料粉体を回収することは可能ではあるが、回収時点では再利用できる材料粉体と、切削加工により生じた切粉やレーザ焼結時に飛散する火花粒子（スパッタ）等を含む再利用できない材料粉体とが混合された状態となっている。そのため、再利用できる材料粉体と再利用できない材料粉体とを分別する作業が必要であり、作業の効率を低下させる原因になる。さらには、造形が長時間に及ぶ場合は造形途中で材料不足になりやすくなり、造形途中で余分に供給された材料粉体を取り出して、前述の分別作業を行い、粉体材料を再投入することが必要になることがある。そのため、物品に直接使用される材料粉体よりも十分に多い量の材料粉体を常時余分に準備しておくことが要求されるが、材料粉体は一般に高価であるため、できるだけ少ない材料で造形できることが望まれている。

また、当然リコータヘッドを動作させるための駆動装置（駆動源や案内機構等を含む）が必要になるが、材料粉体から保護するため駆動装置はチャンバ外に設けられることが望ましい。その一方で、チャンバの密閉性が低下し、造形領域周辺の構造が複雑化し接近性も悪くなる。更に、切削加工用の切削装置を備える積層造形装置（いわゆる複合機）として実施する場合は、リコータヘッドと切削装置との物理的な干渉が生じないように考慮する必要がある。結果としてチャンバが大型化する傾向にある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、材料粉体の使用量の削減が可能であり、小型で密閉性の高いチャンバを有する積層造形装置を提供するものである。

本発明によれば、造形領域を覆うチャンバと、前記造形領域に材料粉体を吐出しこれを均すことで材料粉体層を形成する粉体層形成装置と、前記材料粉体を焼結させて焼結体を形成するレーザ光を照射するレーザ光照射部と、前記焼結体を切削加工する切削装置と、前記切削装置及び前記粉体層形成装置をともに前記造形領域に平行な水平方向に移動させる水平駆動装置と、前記切削装置を前記水平方向に直交する鉛直方向に往復移動させる第１鉛直駆動装置と、前記粉体層形成装置を前記鉛直方向に往復移動させる第２鉛直駆動装置と、を備える積層造形装置が提供される。

本発明に係る積層造形装置は、造形領域に材料粉体層を形成する粉体層形成装置（リコータヘッドに相当するもの）と切削装置とが同一の水平駆動装置に設けられ、水平方向にともに制御可能に構成される。一方、鉛直駆動装置は別個に設けられ、鉛直方向にそれぞれ独立して制御可能に構成される。かかる構成により、材料粉体の使用量の削減と、小型で密閉性の高いチャンバとを実現することができる。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記焼結体を切削加工する際に、前記切削装置を鉛直下方向に移動させるとともに前記粉体層形成装置を鉛直上方向の切削加工に干渉しない位置まで移動させるように構成される。
好ましくは、前記材料粉体の吐出の開始と停止を切替可能に構成される。
好ましくは、前記粉体層形成装置には、前記材料粉体を前記造形領域に吐出する材料吐出部と、前記材料吐出部を開閉させるシャッターと、前記シャッターがスライド可能に収容されるシャッター導通孔と、前記シャッター導通孔の側面と前記シャッターの間の隙間部分を介した前記材料粉体の飛散を防止するシール部材とが設けられる。
好ましくは、前記材料粉体層を形成しこれを前記レーザ光で焼結する造形サイクルを、前記造形領域における互いに異なる複数の局所領域に対して実行するように構成され、且つ同層における互いに隣接する前記局所領域が部分的に重なるように構成される。

本発明の実施形態に係る積層造形装置の構成図である。 本発明の実施形態に係るレーザ光照射部１３の構成図である。 本発明の実施形態に係る粉体層形成装置１１の斜視図である。 本発明の実施形態に係る粉体層形成装置１１の断面図である。 本発明の実施形態に係る粉体層形成装置１１の断面図である。 図５の拡大図である 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法において、好ましい局所領域を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法において、好ましい局所領域を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。

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、互いに組み合わせ可能である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る積層造形装置は、不活性ガスが充満されるチャンバ１内に粉体層形成装置１１及び切削装置５０が設けられる。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、ヘリウムガス等が例示される。

また、積層造形装置はチャンバ１内に、造形領域Ｒを有するベース台４を備え、造形領域Ｒには、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。換言すれば、造形テーブル５の水平投影面積と造形領域Ｒとは略一致する。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。なお、以下において造形領域Ｒとは材料粉体層８を形成することができる領域をいう。また、照射領域とは材料粉体層８に対しレーザ光Ｌが照射される領域をいう。

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とによって囲まれる粉体保持空間には、未焼結の材料粉体が保持される。図１においては不図示であるが、粉体保持壁２６の下側には、粉体保持空間内の材料粉体を排出可能な粉体排出部が設けられてもよい。かかる場合、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、未焼結の材料粉体が粉体排出部から排出される。排出された材料粉体は、シューターガイドによってシューターに案内され、シューターを通じてバケットに収容されることになる。

図１に示すように、粉体層形成装置１１及び切削装置５０は、どちらも同一の水平駆動装置５５に設けられる。換言すると、水平駆動装置５５は、第１鉛直駆動装置５１に設けられた切削装置５０と、第２鉛直駆動装置５２に設けられた粉体層形成装置１１とを備える。水平駆動装置５５は、造形領域Ｒに略平行な水平２軸方向（すなわち、図１における矢印Ｂ方向及び紙面前後方向であって図２における矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向）に切削装置５０と粉体層形成装置１１とを、ともに移動させる。

切削装置５０は、加工ヘッド５７とスピンドルヘッド６０とを有する。加工ヘッド５７には、スピンドルヘッド６０が設けられ、加工ヘッド５７は、第１鉛直駆動装置５１を介して、スピンドルヘッド６０を鉛直１軸方向（すなわち図１における矢印Ａ方向）に移動させる。すなわち、スピンドルヘッド６０に装着される回転切削工具の高さを調節することができる。なお、第１鉛直駆動装置５１は例えばリニアモータである。

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。

粉体層形成装置１１は、図３〜図５に示すように、材料収容部１１ａと、材料吐出部１１ｂと、ブレード１１ｃと、シャッター１１ｄと、シャッター導通孔１１ｅと、シャッター開閉部１１ｆと、シャッター溝ガイド１１ｇと、シール部材１１ｈとを有する。粉体層形成装置１１は、第１鉛直駆動装置５１とは異なる第２鉛直駆動装置５２により鉛直１軸方向（すなわち図１における矢印Ａ方向）に制御可能に構成される。これにより、切削装置５０の高さとは独立に、材料吐出部１１ｂやブレード１１ｃの高さを調節することができる。なお、第２鉛直駆動装置５２としては例えばシリンダが挙げられる。

材料収容部１１ａは材料粉体を収容する。なお、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。材料収容部１１ａの材料粉体の供給については、例えばチャンバ１外に設けられた別体の装置からダクトを介してエアーで運搬されるとよい。或いは、粉体層形成装置１１がチャンバ１内に設けられた別体の装置まで移動して、材料粉体が供給されてもよい。これらの構成はあくまでも例示であり、この限りではない。

材料吐出部１１ｂは、材料収容部１１ａの底部に設けられた貫通孔である。収容された材料粉体は、材料吐出部１１ｂを介して造形領域Ｒにおける所要の領域に吐出される。後述するように本発明による積層造形においては、所定の層の材料粉体層８の形成にあたり、造形物の大きさに応じて複数回に分けて材料粉体層８の形成を行ってよい。以下、１回の材料粉体層８の形成動作（リコート）につき材料粉体層８が形成される各領域を局所領域という。ブレード１１ｃは、粉体層形成装置１１の下部に設けられる。ブレード１１ｃは、材料吐出部１１ｂから吐出された材料粉体を平坦化する。かかる吐出と平坦化とからなる工程により材料粉体層８が形成される。

シャッター１１ｄは、シャッター開閉部１１ｆにおけるシャッター溝ガイド１１ｇに嵌合してスライド可能に設けられる。シャッター１１ｄは、材料収容部１１ａの下方に設けられたシャッター導通孔１１ｅに差し込まれ、シャッター開閉部１１ｆにより材料吐出部１１ｂを開閉可能に構成される。なお、シャッター開閉部１１ｆは、例えばシリンダによりシャッター溝ガイド１１ｇに沿ってシャッター１１ｄを開閉する機構である。シャッター１１ｄの開閉にともない、材料吐出部１１ｂからの材料粉体の吐出の開始と停止が切り替えられる。図４は、シャッター１１ｄが閉じている状態を示しており、矢印Ｘ方向にシャッター１１ｄをスライドさせることで、シャッター１１ｄが開放される（図５）。なお、切削装置５０との物理的干渉に関して問題がなければ、このような一方向スライド型のシャッター１１ｄに限定されず、例えば絞り型のもの、蓋状のもの、分割され互いに逆方向にスライドするもの等であってもよい。

更に、特に図６に示すように、シャッター導通孔１１ｅの側面とシャッター１１ｄの間の隙間部分には、例えば略長方形の断面を有するシール部材１１ｈが設けられ当該隙間部分はシールされる。シャッター１１ｄの開放時に材料粉体の一部を巻き込んで飛散することが考えられるが、このようにシール部材１１ｈを設けることにより、かかる巻き込み飛散を防止することができる。なお、シャッター１１ｄの可動性を考慮して、摩擦係数が小さく耐摩耗性の高いシール部材１１ｈを選択することが好ましい。

切削装置５０と粉体層形成装置１１とは、ともに水平駆動装置５５に設けられているものの、同時に使用することは考えにくい。所定の層数の焼結層が形成された後に切削装置５０によって切削加工が実施される。したがって、物理的干渉を防止する観点から、切削装置５０を使用する場合は、切削装置５０を鉛直下方向に移動させるとともに粉体層形成装置１１を鉛直上方向に退避させることが好ましい。同様に、粉体層形成装置１１を使用する場合は、粉体層形成装置１１を鉛直下方向に移動させるとともに切削装置５０を鉛直上方向に退避させることが好ましい。また、工具の自動交換を行う際も、粉体層形成装置１１を鉛直上方向に退避させることが好ましい。

上記のような構成とすることで従来よりも小型なチャンバ１が実現される。また、従来のリコータヘッドは、図１の矢印Ｂ方向に相当する方向に駆動させるための駆動機構（ボールねじ等）がチャンバ１外に設けられるため、チャンバ１の密閉性を高くすることが困難であった。一方、本実施形態では、切削装置５０と粉体層形成装置１１とが水平方向での駆動装置を水平駆動装置５５として共有するため、別途粉体層形成装置１１の水平方向での移動のために駆動装置を設ける必要がない。上記のような構成とすることで、より容易にチャンバ１の密閉性が高めることができる。また、造形領域Ｒ周辺の構造も簡略化されるため、接近性が向上しメンテナンス等がしやすくなる。

レーザ光照射部１３は、チャンバ１の上方に設けられる。レーザ光照射部１３は、造形領域Ｒ上に形成される材料粉体層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させる。具体的には、図２に示すように、レーザ光照射部１３は、レーザ光源４２と２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂと集光レンズ４４とを有する。なお、各ガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、それぞれガルバノミラー４３ａ、４３ｂを回転させるアクチュエータを備えている。

レーザ光源４２はレーザ光Ｌを照射する。ここで、レーザ光Ｌは、材料粉体を焼結可能なレーザであって、例えば、ＣＯ_２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ等である。

２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、レーザ光源４２より出力されたレーザ光Ｌを制御可能に２次元走査する。特にガルバノミラー４３ａは、レーザ光Ｌを図２の矢印Ｂ方向に走査し、ガルバノミラー４３ｂは、レーザ光Ｌを図２の矢印Ｃ方向に走査する。ガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、それぞれ、不図示の制御装置から入力される回転角度制御信号の大きさに応じて回転角度が制御される。かかる特徴により、ガルバノミラー４３ａ、４３ｂの各アクチュエータに入力する回転角度制御信号の大きさを変化させることによって、所望の位置にレーザ光Ｌを照射することができる。

集光レンズ４４は、例えばｆθレンズであり、レーザ光源４２より出力されたレーザ光Ｌを集光する。なお、集光レンズ４４は、レーザ光Ｌに沿ってレーザ光源４２とガルバノミラー４３ａ、４３ｂとの間に位置するように配置されていてもよい。

ガルバノミラー４３ａ、４３ｂ及び集光レンズ４４を通過したレーザ光Ｌは、チャンバ１に設けられたウィンドウ１ａを透過して造形領域Ｒにおける局所領域に形成された材料粉体層８に照射される。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がファイバーレーザ又は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。

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、チャンバ１に設けられる複数の不活性ガスの供給口及び排出口と、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。本実施形態では、チャンバ供給口１ｂ、副供給口１ｅ及びヒューム拡散装置供給口１７ｇを含む供給口と、チャンバ排出口１ｃ及び副排出口１ｆを含む排出口とを備える。

チャンバ排出口１ｃは、チャンバ１の側板に設けられる。また、チャンバ排出口１ｃに接続するように不図示の吸引装置が設けられるとよい。当該吸引装置は、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、吸引装置によってチャンバ排出口１ｃ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、造形空間１ｄ内にヒュームが拡散しにくくなる。

チャンバ供給口１ｂは、ベース台４の端上に所定の照射領域を間に置いてチャンバ排出口１ｃに対面するように設けられる。かかる構成により、常に同じ方向に不活性ガスの流れを作り出し、安定した焼結を行える点で有利である。

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１ｃ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空間１ｄに供給する副供給口１ｅを備える。更に、チャンバ排出口１ｃ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１ｆを備える。

チャンバ１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、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、ヒューム拡散装置供給口１７ｇを通じて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を通じて清浄室１７ｆに充満される。そして、清浄室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１ａがヒュームによって汚れることを防止する。

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。本実施形態では、図１に示すように、チャンバ供給口１ｂ及びヒューム拡散装置供給口１７ｇと接続される。

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。チャンバ１からチャンバ排出口１ｃ及び副排出口１ｆを通じて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１の副供給口１ｅ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。

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１ｃ及び副排出口１ｆ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１へと返送され再利用される。

本発明に係る小型で密閉性の高いチャンバ１においては、不活性ガスが充満するまでの時間が短縮され、低酸素雰囲気の維持が容易となる。また、チャンバ１を循環する不活性ガスの風量も増加するためヒューム処理の効率が上がり、造形速度や造形物の品質が向上する。

次に、図１及び図７〜図１４を用いて、上記の積層造形装置を用いた積層造形方法について説明する。なお、図７〜図１４では、視認性を考慮し図１では示していた構成要素を一部省略している。

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（図７）。次に、水平駆動装置５５を図７における開始位置から矢印Ｂ−方向に移動させる。このとき水平駆動装置５５に設けられる粉体層形成装置１１と切削装置５０とは、ともに位置が制御されることとなる（図８）。

続いて、第２鉛直駆動装置５２を用いて粉体層形成装置１１を図８における矢印Ａ−方向に移動させる。このとき、第２鉛直駆動装置５２は第１鉛直駆動装置５１と別体であるため、粉体層形成装置１１を移動させても切削装置５０の位置は変化しない。なお、ここでは不図示であるが、必要に応じて第１鉛直駆動装置５１を用いて切削装置５０を鉛直上方向に退避させてもよい。

仮に鉛直１軸についても駆動装置を共有してしまうと、かかる粉体層形成装置１１の矢印Ａ−方向への移動とともに切削装置５０も同方向へ移動し、スピンドルヘッド６０に取り付けられた回転切削工具（不図示）が造形テーブル５や造形プレート７と干渉するおそれがある。すなわち、干渉のおそれがほとんど無い水平２軸方向について駆動装置を共有することで装置全体の小型を実現させるとともに、鉛直１軸方向については異なる駆動装置とすることで、物理的な干渉を防止している。

続いて、シャッター１１ｄがシャッター開閉部１１ｆにより開放されることで、材料吐出部１１ｂから造形プレート７上に材料粉体が吐出される（図９）。更に、水平駆動装置５５が再び矢印Ｂ−方向に移動することで、ブレード１１ｃが図９において吐出された材料粉体を均し、材料粉体層８が局所領域に形成される（図１０）。このようにして材料粉体層８を形成した後、シャッター１１ｄをシャッター開閉部１１ｆにより閉鎖し、材料粉体の吐出を停止する。そして、第２鉛直駆動装置５２によって粉体層形成装置１１を鉛直上方向の切削加工に干渉しない位置まで移動させる。

続いて、粉体層形成装置１１及び切削装置５０は、水平駆動装置５５によって退避位置に移動される。そして、レーザ光照射部１３よりレーザ光Ｌが材料粉体に照射され、焼結層８１ｆａが形成される（図１１）。なお、退避位置としては、図１１に示す位置に限らずレーザ光Ｌを遮断することがない位置であれば十分機能すると解する。

すなわち、１つの局所領域に対して、材料粉体層８を形成しこれをレーザ光Ｌで焼結する工程（以後、「造形サイクル」と称する。）が実行されることとなる。

続いて、図１２に示すように、造形テーブル５の高さを維持したまま焼結層８１ｆａと矢印Ｃ方向（すなわち、図１１においては焼結層８１ｆａよりも紙面奥方向）に略隣接する次の局所領域において造形サイクルが実行される。こうして、焼結層８１ｆａに略隣接する新たな焼結層８１ｆｂが形成される（図１３）。当該造形サイクルを局所的に実行する構成であるため、このように同一の高さにおける焼結層の形成を矢印Ｃ方向について２回以上（本例では２回）に分けて行うことができる。

すなわち、粉体層形成装置１１のＣ方向の長さ（図３における奥行きｄ）を従来に比して短くし小型化を実現することができる。また小型化できるからこそ、粉体層形成装置１１を切削装置５０と同一の水平駆動装置５５に設けることが可能となる。結果として、チャンバ１を従来に比して１／２程度に小さくすることができる。

なお、各局所領域における焼結層の端面は他の部分と比べて造形密度が低くなる。そのため、同じ造形テーブル５の高さに係る焼結層を形成するにあたり、図１２、図１３に示すように、同層における互いに隣接する局所領域が部分的に重なることが好ましい。以下、局所領域が重複する箇所をオーバーラップ部という。かかる構成により、オーバーラップ部における造形密度を高くすることができ、高精度な焼結層の形成を実現することができる。なお、図１２、図１３においては視認性を考慮し隣接する局所領域の前後方向（矢印Ｃ方向）を敢えてずらして図示しているが、これに限るものではない。

また、例えば、同層における全ての局所領域においてリコートを行ってからレーザ光Ｌによる焼結層の形成を行ってもよいが、リコートを行う度に余剰の材料粉体が局所領域の端部に隆起するため、平坦な材料粉体層８を得ることが困難である。そのため、造形サイクルは１つの造形領域毎に実行することが好ましい。すなわち、１つの局所領域における造形サイクルを完了させてから、他の局所領域の造形サイクルを開始する構成が望ましい。かかる構成によれば、平坦な材料粉体層８に対して焼結層の形成が行えるため造形不良の発生を抑制できる。

また、一般に粉末積層造形法では、材料粉体層８にレーザ光Ｌを照射すると、材料粉体層８の厚みより薄い焼結層が形成される。そのため、オーバーラップ部においては一度所望の厚みの焼結層が形成された後、再度造形サイクルが実行されるため、他の箇所よりも厚い焼結層が形成されることになる。そのため、オーバーラップ部の上面を回転切削工具により一部切削除去して均一な厚みの焼結層を得るよう構成してもよい。或いは、各層毎にオーバーラップ部の位置を変えて、複数の焼結層を形成後に平坦な焼結層が得られるよう構成してもよい。或いは、均一な厚みの焼結層を得るように、オーバーラップ部におけるレーザ光Ｌの照射条件を変更してもよい。

以上の工程を繰り返すことによって、図１４に示すように、２層目の焼結層８２ｆａ、８２ｆｂ、３層目の焼結層８３ｆａ、８３ｆｂ、４層目の焼結層８４ｆａ、８４ｆｂが形成される。上下についても隣接する焼結層は、互いに強く固着される。

また、造形物の表面精度を高める等の目的で、所定数の焼結層を形成する毎に焼結層の表面（主に端面）に対して回転切削工具により切削加工を行ってもよい。このとき粉体層形成装置１１は、シャッター１１ｄが閉鎖された状態で、切削加工に干渉しない位置に移動されている。

なお、レーザ光Ｌによって焼結層を形成する際に火花が飛び散り、この火花に含まれる材料粉体の残滓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。材料粉体層８の形成時にブレード１１ｃが異常焼結部に衝突した場合、シャッター１１ｄを閉じて材料粉体層８の形成を一時中止し、回転切削工具により異常焼結部を切削除去することが好適である。この場合も他の切削加工時と同様に粉体層形成装置１１は鉛直上方向に退避されるが、材料吐出部１１ｂはシャッター１１ｄにより閉鎖されているので徒に材料粉体が吐出されることはない。このようにして異常焼結部を除去した後、材料粉体層８の形成が再開される。

必要数の焼結層を形成した後、未焼結の材料粉体を除去することによって、造形した焼結体を得ることができる。この焼結体は、例えば樹脂成形用の金型として利用可能である。

なお、各局所領域は、材料粉体層８を形成する領域（リコート領域）、ブレード１１ｃの幅、オーバーラップ部の位置及び面積などから、不図示の制御装置によって算出される。リコート領域、すなわち各局所領域の和は、少なくとも照射領域を含むように構成される。例えば、各層毎の照射領域の位置や面積に応じてリコート領域を各層毎に可変に設定してもよい。あるいは、最終的な造形物の投影面積と略一致するようにリコート領域を設定してもよい。後者の構成の場合は、リコート領域の算出が造形開始時の１回で済み、各層毎に照射領域が大きく変化しない、例えば金型等の略直方体形状の造形物の造形において特に有効である。また所定層毎、例えば前述の所定数の焼結層を形成する毎の切削加工を行う際に、リコート領域を設定しなおすよう構成してもよい。本構成の場合は、リコート領域算出に係る演算回数を減らすことができるとともに、好適に材料粉体の使用量を削減できる。

１：チャンバ、１ａ：ウィンドウ、１ｂ：チャンバ供給口、１ｃ：チャンバ排出口、１ｄ：造形空間、１ｅ：副供給口、１ｆ：副排出口、４：ベース台、５：造形テーブル、７：造形プレート、８：材料粉体層、１１：粉体層形成装置、１１ａ：材料収容部、１１ｂ：材料吐出部、１１ｃ：ブレード、１１ｄ：シャッター、１１ｅ：シャッター導通孔、１１ｆ：シャッター開閉部、１１ｇ：シャッター溝ガイド、１１ｈ：シール部材、１３：レーザ光照射部、１５：不活性ガス供給装置、１７：ヒューム拡散装置、１７ａ：筐体、１７ｂ：開口部、１７ｃ：拡散部材、１７ｄ：不活性ガス供給空間、１７ｅ：細孔、１７ｆ：清浄室、１７ｇ：ヒューム拡散装置供給口、１９：ヒュームコレクタ、２１、２３：ダクトボックス、２６：粉体保持壁、４２：レーザ光源、４３ａ、４３ｂ：ガルバノミラー、４４：集光レンズ、５０：切削装置、５１：第１鉛直駆動装置、５２：第２鉛直駆動装置、５５：水平駆動装置、５７：加工ヘッド、６０：スピンドルヘッド、８１ｆａ、８１ｆｂ、８２ｆａ、８２ｆｂ、８３ｆａ、８３ｆｂ、８４ｆａ、８４ｆｂ：焼結層、Ｌ：レーザ光、Ｒ：造形領域。

Claims (5)

1. 造形領域を覆うチャンバと、
   前記造形領域に材料粉体を吐出しこれを均すことで材料粉体層を形成する粉体層形成装置と、
   前記材料粉体を焼結させて焼結体を形成するレーザ光を照射するレーザ光照射部と、
   前記焼結体を切削加工する切削装置と、
   前記切削装置及び前記粉体層形成装置をともに前記造形領域に平行な水平方向に移動させる水平駆動装置と、
   前記水平駆動装置に設けられ、前記切削装置を前記水平方向に直交する鉛直方向に往復移動させる第１鉛直駆動装置と、
   前記水平駆動装置に設けられ、前記粉体層形成装置を前記鉛直方向に往復移動させる第２鉛直駆動装置と、
   を備える積層造形装置。
2. 前記焼結体を切削加工する際に、前記切削装置を鉛直下方向に移動させるとともに前記粉体層形成装置を鉛直上方向の切削加工に干渉しない位置まで移動させるように構成される、
   請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記粉体層形成装置は、前記材料粉体の吐出の開始と停止を切替可能に構成される、
   請求項１又は請求項２に記載の積層造形装置。
4. 前記粉体層形成装置には、前記材料粉体を前記造形領域に吐出する材料吐出部と、前記材料吐出部を開閉させるシャッターと、前記シャッターがスライド可能に収容されるシャッター導通孔と、前記シャッター導通孔の側面と前記シャッターの間の隙間部分を介した前記材料粉体の飛散を防止するシール部材とが設けられる、
   請求項３に記載の積層造形装置。
5. 前記材料粉体層を形成しこれを前記レーザ光で焼結する造形サイクルを、前記造形領域における互いに異なる複数の局所領域に対して実行するように構成され、且つ同層における互いに隣接する前記局所領域が部分的に重なるように構成される、
   請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の積層造形装置。