JP6283554B2 - 3D additive manufacturing equipment - Google Patents

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Description

粉末材料層の所定の領域を凝固させて形成する凝固層の形成を複数層繰り返すことにより、三次元構造の造形物を形成する三次元積層造形装置に関する。   The present invention relates to a three-dimensional additive manufacturing apparatus that forms a three-dimensional structure by repeatedly forming a solidified layer formed by solidifying a predetermined region of a powder material layer.

従来の三次元積層造形装置の造形方法としては、例えば粉末材料を粉末台であるステージの上面に一層毎に敷き詰める。次に、ステージ上に敷き詰められた粉末材料に対し、造形物の一断面に相当する二次元構造部だけを電子ビームやレーザからなる溶融機構で溶融する。そして、そのような粉末材料の層を一層ずつ高さ方向(Z方向)に積み重ねることにより造形物を形成している。   As a modeling method of a conventional three-dimensional additive manufacturing apparatus, for example, a powder material is spread on the upper surface of a stage, which is a powder table, layer by layer. Next, only the two-dimensional structure corresponding to one cross section of the modeled object is melted by the melting mechanism composed of an electron beam or a laser on the powder material spread on the stage. Then, a modeled object is formed by stacking layers of such powder materials one by one in the height direction (Z direction).

次に、従来の三次元積層造形装置の一例について、図10を参照して説明する。図10は、従来の三次元積層造形装置の一例を示す概略構成図である。   Next, an example of a conventional three-dimensional additive manufacturing apparatus will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a conventional three-dimensional additive manufacturing apparatus.

図10に示すように、三次元積層造形装置200は、造形処理を行う中空の処理室202と、処理室202内に配置されたステージ204と、ステージ204上面に粉末材料を吐出する吐出ヘッド221を有している。また、三次元積層造形装置200は、粉末材料を貯蔵する粉末貯蔵庫225と、粉末貯蔵庫225と吐出ヘッド221とを連通する搬送パイプ226と、搬送パイプ226とを介して粉末貯蔵庫225から吐出ヘッド221に粉末材料を搬送する不図示の粉末搬送機構と、を有している。   As illustrated in FIG. 10, the three-dimensional additive manufacturing apparatus 200 includes a hollow processing chamber 202 that performs modeling processing, a stage 204 that is disposed in the processing chamber 202, and a discharge head 221 that discharges a powder material onto the upper surface of the stage 204. have. In addition, the three-dimensional additive manufacturing apparatus 200 includes a powder storage 225 that stores powder material, a transport pipe 226 that communicates the powder storage 225 and the discharge head 221, and the discharge head 221 from the powder storage 225 via the transport pipe 226. And a powder conveyance mechanism (not shown) for conveying the powder material.

また、吐出ヘッド221は、第1のガイド部223と、第2のガイド部224とによってステージ204の一面と平行をなす方向に移動可能に支持されている。   The ejection head 221 is supported by the first guide part 223 and the second guide part 224 so as to be movable in a direction parallel to one surface of the stage 204.

そして、粉末搬送機構により搬送パイプ226を介して粉末貯蔵庫225から吐出ヘッド221に粉末が搬送される。次に、吐出ヘッド221は、第1のガイド部223及び第2のガイド部224によって、ステージ204の一面と平行をなす方向に移動する。そして、吐出ヘッド221からステージ204の一面に粉末材料が吐出されることで、ステージ204の一面に粉末材料が敷き詰められる。   Then, the powder is transported from the powder storage 225 to the discharge head 221 via the transport pipe 226 by the powder transport mechanism. Next, the ejection head 221 moves in a direction parallel to one surface of the stage 204 by the first guide part 223 and the second guide part 224. Then, the powder material is discharged on one surface of the stage 204 from the discharge head 221, so that the powder material is spread on one surface of the stage 204.

また、特許文献1には、平板状の規制部材を、造形物を形成する造形枠の上面において水平方向に移動させて、ステージの上面に粉末材料を搬送すると共に、粉末材料全体が一定の厚みとなるようにステージの上面に敷き詰める技術が開示されている。   Further, in Patent Document 1, a plate-shaped regulating member is moved in the horizontal direction on the upper surface of a modeling frame that forms a modeled object, and the powder material is conveyed to the upper surface of the stage, and the entire powder material has a constant thickness. A technique for spreading on the upper surface of the stage is disclosed.

特開2001−152204号公報JP 2001-152204 A

しかしながら、図10に示す三次元積層造形装置200では、粉末貯蔵庫225と吐出ヘッド221を連通する搬送パイプ226内に粉末材料が詰まるおそれがあり、安定して吐出ヘッド221からステージ204に粉末材料を吐出することができなくなる、という問題を有していた。   However, in the three-dimensional additive manufacturing apparatus 200 shown in FIG. 10, there is a possibility that the powder material is clogged in the transport pipe 226 that communicates the powder storage 225 and the discharge head 221, and the powder material is stably transferred from the discharge head 221 to the stage 204. There was a problem that it became impossible to discharge.

そこで、本発明は、安定して粉末材料をステージに供給することができる三次元積層造形装置を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a three-dimensional additive manufacturing apparatus that can stably supply a powder material to a stage.

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の三次元積層造形装置は、表面に造形物を形成するための粉末材料が供給されるステージと、ステージに粉末材料を敷き詰める粉末供給ユニットとを備える。粉末供給ユニットは、粉末材料を収容し、粉末材料をステージに排出する粉末カートリッジであって、断熱構造を有する粉末カートリッジと、粉末カートリッジを着脱可能に保持する保持機構とを備える。   In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, the three-dimensional layered manufacturing apparatus of the present invention includes a stage to which a powder material for forming a model is formed on the surface, and a powder that spreads the powder material on the stage. A supply unit. The powder supply unit is a powder cartridge that stores powder material and discharges the powder material to the stage, and includes a powder cartridge having a heat insulating structure and a holding mechanism that detachably holds the powder cartridge.

本発明の三次元積層装置では、粉末カートリッジが断熱構造を有するため、粉末カートリッジ内部に収容された粉末材料の温度が適正に維持される。   In the three-dimensional laminating apparatus of the present invention, since the powder cartridge has a heat insulating structure, the temperature of the powder material accommodated in the powder cartridge is properly maintained.

本発明によれば、安定して粉末材料をステージに供給することができる三次元積層造形装置を得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a three-dimensional additive manufacturing apparatus that can stably supply a powder material to a stage.

本発明の第1の実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the whole structure of the three-dimensional additive manufacturing apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る三次元積層造形装置を上面から見た場合の概略平面図(その1)である。It is a schematic plan view (the 1) at the time of seeing the three-dimensional additive manufacturing apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention from the upper surface. 本発明の第1の実施形態に係る三次元積層造形装置を上面から見た場合の概略平面図(その2)である。It is a schematic plan view (the 2) at the time of seeing the three-dimensional additive manufacturing apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention from the upper surface. 粉末供給ユニットの要部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the principal part of a powder supply unit. 本発明の第1の実施形態に係る三次元積層造形装置の制御系を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the control system of the three-dimensional additive manufacturing apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. カートリッジ格納庫の断面構成図である。It is a section lineblock diagram of a cartridge storage. 本発明の第2の実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the whole structure of the three-dimensional additive manufacturing apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 変形例に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the whole structure of the three-dimensional additive manufacturing apparatus which concerns on a modification. 本発明の第3の実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the whole structure of the three-dimensional additive manufacturing apparatus which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 従来の三次元積層造形装置の一例を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows an example of the conventional three-dimensional additive manufacturing apparatus.

以下に、本発明の実施形態に係る三次元積層造形装置の一例を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。   Hereinafter, an example of a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following examples.

〈1.第1の実施形態:三次元積層造形装置〉
[1−1.三次元積層造形装置の全体構成]
まず、本発明の第1の実施形態に係る三次元積層造形装置について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す図である。
<1. First Embodiment: Three-dimensional additive manufacturing apparatus>
[1-1. Overall configuration of 3D additive manufacturing equipment]
First, the three-dimensional additive manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention.

図1に示す三次元積層造形装置1は、例えば、チタン、アルミニウム、鉄等の金属粉末Pに電子ビームL1を照射して金属粉末Pを溶融させ、この溶融した金属粉末Pが凝固した層を積み重ねて立体的な造形物Mを形成する装置である。   The three-dimensional additive manufacturing apparatus 1 shown in FIG. 1 irradiates a metal powder P such as titanium, aluminum, iron, etc. with an electron beam L1 to melt the metal powder P, and a layer in which the molten metal powder P is solidified. It is an apparatus that forms a three-dimensional shaped object M by stacking.

三次元積層造形装置1は、中空の処理室2と、造形枠3と、平板状のステージ4と、ステージ駆動機構5と、粉末供給ユニット7と、電子銃8と、カートリッジ格納庫9とを有している。ここで、ステージ4の一面と平行をなす方向を第1の方向X1とし、第1の方向X1と直交し、かつステージ4の一面と平行をなす方向を第2の方向Y1とする。また、ステージ4の一面と直交する方向を第3の方向Z1とする。   The three-dimensional additive manufacturing apparatus 1 includes a hollow processing chamber 2, a modeling frame 3, a flat plate stage 4, a stage drive mechanism 5, a powder supply unit 7, an electron gun 8, and a cartridge storage 9. doing. Here, a direction parallel to one surface of the stage 4 is defined as a first direction X1, and a direction orthogonal to the first direction X1 and parallel to one surface of the stage 4 is defined as a second direction Y1. A direction orthogonal to one surface of the stage 4 is a third direction Z1.

処理室2には、図示していない真空ポンプが接続されている。そして、処理室2内の雰囲気が真空ポンプにより排気されることで、処理室2内は、真空に維持されている。この処理室2内には、造形枠3、ステージ4、ステージ駆動機構5及び粉末供給ユニット7が設けられている。また、処理室2の第1の方向X1の一側には、カートリッジ格納庫9が連接している。処理室2の第3の方向Z1の一側には、電子銃8が装着されており、第3の方向Z1の他側には、造形枠3が配置されている。   A vacuum pump (not shown) is connected to the processing chamber 2. The atmosphere in the processing chamber 2 is evacuated by a vacuum pump, so that the processing chamber 2 is maintained in a vacuum. In the processing chamber 2, a modeling frame 3, a stage 4, a stage drive mechanism 5, and a powder supply unit 7 are provided. A cartridge storage 9 is connected to one side of the processing chamber 2 in the first direction X1. An electron gun 8 is mounted on one side of the third direction Z1 of the processing chamber 2, and the modeling frame 3 is disposed on the other side of the third direction Z1.

造形枠3には、第3の方向Z1に沿って一方から他方にかけて貫通するピット3aが形成されている。ピット3aは、略四角柱状に開口している。また、完成した造形物Mを取り出せるようにするために、造形枠3におけるピット3aの外周面の一部は、開放可能に構成されている。   The modeling frame 3 is formed with pits 3a penetrating from one side to the other along the third direction Z1. The pit 3a is opened in a substantially quadrangular prism shape. Moreover, in order to be able to take out the completed molded article M, a part of the outer peripheral surface of the pit 3a in the modeling frame 3 is configured to be openable.

造形枠3におけるピット3aには、ステージ4及びステージ駆動機構5が配置されている。ステージ4は、造形物Mを形成するための金属粉末Pが積層される粉末台である。また、ステージ4の側端部には、耐熱性及び柔軟性のある摺動部材13が設けられている。摺動部材13は、ピット3aの壁面に摺動可能に接触している。そして、摺動部材13により、ステージ4における第3の方向Z1の一方の空間と他方の空間が密閉されている。   A stage 4 and a stage drive mechanism 5 are arranged in the pit 3 a in the modeling frame 3. The stage 4 is a powder base on which the metal powder P for forming the shaped object M is stacked. Further, a sliding member 13 having heat resistance and flexibility is provided at a side end portion of the stage 4. The sliding member 13 is slidably in contact with the wall surface of the pit 3a. The sliding member 13 seals one space and the other space in the third direction Z1 in the stage 4.

また、ステージ4における金属粉末Pが積層される一面(以下、表面4aとする)と反対側の他面には、軸部4dが設けられている。軸部4dは、ステージ4の他面から第3の方向Z1の他方に向けて突出している。軸部4dは、ピット3aに収容されたステージ駆動機構5に接続されている。ステージ駆動機構5は、軸部4dを介してステージ4を第3の方向Z1に沿って駆動する。ステージ駆動機構5としては、例えば、ラック&ピニオンやボールねじ等が挙げられる。   In addition, a shaft portion 4d is provided on the other surface opposite to one surface (hereinafter referred to as the surface 4a) on which the metal powder P is laminated in the stage 4. The shaft portion 4d protrudes from the other surface of the stage 4 toward the other side in the third direction Z1. The shaft portion 4d is connected to the stage drive mechanism 5 accommodated in the pit 3a. The stage drive mechanism 5 drives the stage 4 along the third direction Z1 via the shaft portion 4d. Examples of the stage drive mechanism 5 include a rack and pinion and a ball screw.

電子銃8は、処理室2の第3の方向Z1の一側において、ステージ4の表面4aに対向して配置される。電子銃8は、予め準備された設計上の造形物(三次元CAD(Computer−Aided Design)データにより表された造形物)をΔZ間隔でスライスした2次元形状に従い、ステージ4表面の金属粉末Pに対して電子ビームL1を出射する。電子銃8から出射された電子ビームL1により、その2次元形状に対応する領域の金属粉末Pが溶融する。   The electron gun 8 is disposed to face the surface 4 a of the stage 4 on one side in the third direction Z1 of the processing chamber 2. The electron gun 8 has a metal powder P on the surface of the stage 4 in accordance with a two-dimensional shape obtained by slicing a design object prepared in advance (a model object represented by three-dimensional CAD (Computer-Aided Design) data) at ΔZ intervals. The electron beam L1 is emitted. By the electron beam L1 emitted from the electron gun 8, the metal powder P in the region corresponding to the two-dimensional shape is melted.

また、図1では図示を省略するが、処理室2の内部には、ステージ4に敷き詰められた金属粉末Pからなる層の表面温度を検出できる外部温度検出部17(図5参照)が設けられている。外部温度検出部17は、ステージ4に敷き詰められた金属粉末Pの表面温度を検出し、その検出信号を制御部30(図5参照)に送る。後述する粉末カートリッジ21の外周面に設けられた反射膜34(図4参照)における温度は、ステージ4に敷き詰められた金属粉末Pからの輻射熱によって決まる。このため、金属粉末Pの温度を検出することより、粉末カートリッジ21の外周面の温度を決定することができる。   Although not shown in FIG. 1, an external temperature detector 17 (see FIG. 5) that can detect the surface temperature of the layer made of the metal powder P spread on the stage 4 is provided inside the processing chamber 2. ing. The external temperature detector 17 detects the surface temperature of the metal powder P spread on the stage 4 and sends the detection signal to the controller 30 (see FIG. 5). The temperature in the reflection film 34 (see FIG. 4) provided on the outer peripheral surface of the powder cartridge 21 described later is determined by the radiant heat from the metal powder P spread on the stage 4. For this reason, by detecting the temperature of the metal powder P, the temperature of the outer peripheral surface of the powder cartridge 21 can be determined.

また、造形枠3に対して第3の方向Z1の一方には、造形枠3から所定の間隔を開けて粉末供給ユニット7が配置されている。   Further, the powder supply unit 7 is arranged at a predetermined interval from the modeling frame 3 in one of the third directions Z1 with respect to the modeling frame 3.

[1−2.粉末供給ユニット]
次に、図1〜図5を参照して、粉末供給ユニット7の詳細な構成について説明する。図2及び図3は、三次元積層造形装置1を上面から見た場合の概略平面図である。また、図4は、粉末供給ユニット7の要部を示す断面図である。さらに、図5は、三次元積層造形装置1の制御系を示すブロック図である。
[1-2. Powder supply unit]
Next, with reference to FIGS. 1-5, the detailed structure of the powder supply unit 7 is demonstrated. 2 and 3 are schematic plan views when the three-dimensional additive manufacturing apparatus 1 is viewed from above. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the main part of the powder supply unit 7. Further, FIG. 5 is a block diagram showing a control system of the three-dimensional additive manufacturing apparatus 1.

図2及び図3に示すように、粉末供給ユニット7は、粉末カートリッジ21と、保持機構22と、一対の第1のガイド部23と、第2のガイド部24とを有している。一対の第1のガイド部23と、第2のガイド部24によって移動機構が構成される。   As shown in FIGS. 2 and 3, the powder supply unit 7 includes a powder cartridge 21, a holding mechanism 22, a pair of first guide parts 23, and a second guide part 24. The pair of first guide portions 23 and the second guide portions 24 constitute a moving mechanism.

一対の第1のガイド部23は、ステージ4を間に挟んで第2の方向Y1の両側に配置されている。また、一対の第1のガイド部23は、第1の方向X1に沿って処理室2内に延在している。一対の第1のガイド部23には、第2のガイド部24が第1の方向X1に移動可能に支持されている。   The pair of first guide portions 23 are disposed on both sides in the second direction Y1 with the stage 4 interposed therebetween. The pair of first guide portions 23 extends into the processing chamber 2 along the first direction X1. A pair of first guide portions 23 support a second guide portion 24 so as to be movable in the first direction X1.

第2のガイド部24は、一対の第1のガイド部23の間で、第2の方向Y1に沿って延在している。第2のガイド部24は、X方向駆動部10(図5参照)に電気的に接続されており、X方向駆動部10によって第1の方向X1に移動する。また、第2のガイド部24には、保持機構22が第2の方向Y1に移動可能に支持されている。そして、保持機構22には、粉末カートリッジ21が着脱可能に保持されている。   The second guide portion 24 extends along the second direction Y1 between the pair of first guide portions 23. The second guide portion 24 is electrically connected to the X-direction drive unit 10 (see FIG. 5) and is moved in the first direction X1 by the X-direction drive unit 10. Further, the holding mechanism 22 is supported by the second guide portion 24 so as to be movable in the second direction Y1. And the powder cartridge 21 is detachably held by the holding mechanism 22.

〔粉末カートリッジ〕
図4に示すように、粉末カートリッジ21は、金属粉末Pを収容する容器20であって、熱伝導率の異なる素材からなる4層構造を有する容器20と、容器20の先端に設けられたシャッター部27と、容器20に収容された金属粉末Pを攪拌するための攪拌部29とを備える。
[Powder cartridge]
As shown in FIG. 4, the powder cartridge 21 is a container 20 for storing the metal powder P, which has a four-layer structure made of materials having different thermal conductivities, and a shutter provided at the tip of the container 20. A part 27 and a stirring part 29 for stirring the metal powder P accommodated in the container 20 are provided.

容器20は、容器本体31と、容器本体31の外周面に順に設けられた断熱層32、断熱冷却層33、反射膜34とを有して構成されている。容器本体31は、内部に金属粉末Pを収容可能な中空の部材で構成され、本実施形態では、金属粉末Pをステージに向けて排出するための排出口31aを有する筒状の部材で構成されている。容器本体31の排出口31a側の内壁面は排出口31aに向かって内径が狭まるようなテーパ形状に構成されている。容器本体31は、後述する第1冷却機構48(図5参照)により容器本体31内部に収容された金属粉末Pの温度管理を行うため、熱伝導率が良好な材料で構成することができ、本実施形態ではヤング率の高い燐青銅素材を用いて構成した。また、容器本体31の内壁面には、DLC(diamond‐like carbon)が成膜されている。これにより、容器本体31と金属粉末Pとの機械的干渉を防ぐことができ、金属粉末Pによる容器本体31の内壁面の研磨を防止することができる。そして、容器本体31の排出口31aとは反対側の開口端には攪拌部29の軸受け39が設けられている。   The container 20 includes a container main body 31, a heat insulating layer 32, a heat insulating cooling layer 33, and a reflective film 34 that are sequentially provided on the outer peripheral surface of the container main body 31. The container body 31 is configured by a hollow member that can accommodate the metal powder P therein, and in this embodiment, is configured by a cylindrical member having a discharge port 31a for discharging the metal powder P toward the stage. ing. The inner wall surface of the container body 31 on the side of the discharge port 31a is formed in a tapered shape such that the inner diameter becomes narrower toward the discharge port 31a. Since the container body 31 performs temperature management of the metal powder P accommodated inside the container body 31 by a first cooling mechanism 48 (see FIG. 5) to be described later, the container body 31 can be made of a material having good thermal conductivity. In the present embodiment, a phosphor bronze material having a high Young's modulus is used. Further, DLC (diamond-like carbon) is formed on the inner wall surface of the container body 31. Thereby, mechanical interference with the container main body 31 and the metal powder P can be prevented, and polishing of the inner wall surface of the container main body 31 by the metal powder P can be prevented. And the bearing 39 of the stirring part 29 is provided in the opening end of the container main body 31 on the opposite side to the discharge port 31a.

そして、この容器本体31には、ステージ4に敷き詰める一層分、あるいは複数層分の金属粉末Pが収容されている。   The container body 31 accommodates a single layer or a plurality of layers of metal powder P spread on the stage 4.

また、図4では図示を省略するが、容器本体31には、容器本体31の温度を検出できる内部温度検出部16(図5参照)が設けられている。内部温度検出部16は、容器本体31の温度を検出し、その検出信号を制御部30(図5参照)に送る。内部温度検出部16は、例えば、容器本体31の熱抵抗を測定することによって容器本体31の温度を検出する構成を採ることができる。そして、容器本体31は、内部温度検出部16で検出された温度に基づいて後述する第1冷却機構48により冷却される。   Although not shown in FIG. 4, the container body 31 is provided with an internal temperature detector 16 (see FIG. 5) that can detect the temperature of the container body 31. The internal temperature detection unit 16 detects the temperature of the container body 31 and sends the detection signal to the control unit 30 (see FIG. 5). The internal temperature detection part 16 can take the structure which detects the temperature of the container main body 31 by measuring the thermal resistance of the container main body 31, for example. And the container main body 31 is cooled by the 1st cooling mechanism 48 mentioned later based on the temperature detected by the internal temperature detection part 16. FIG.

断熱層32は、容器本体31の外側に設けられており、容器本体31よりも熱伝導率が低い材料で構成される。断熱層32を容器本体31よりも熱伝導率の低い材料で構成することにより、容器本体31のみで容器20を構成する場合に比較し、熱抵抗を大きくすることができる。断熱層32を設け容器20の熱抵抗を大きくすることにより、ステージ4表面に敷き詰められた金属粉末Pからの輻射熱による容器本体31内部の温度上昇を抑制することができる。本実施形態では、断熱層32は、耐熱性と強度に優れ、非磁性及び低熱伝導率であるチタンを用いて構成した。   The heat insulating layer 32 is provided outside the container body 31 and is made of a material having a lower thermal conductivity than the container body 31. By configuring the heat insulating layer 32 with a material having a lower thermal conductivity than the container body 31, it is possible to increase the thermal resistance as compared with the case where the container 20 is configured with only the container body 31. By providing the heat insulating layer 32 and increasing the thermal resistance of the container 20, it is possible to suppress an increase in temperature inside the container body 31 due to radiant heat from the metal powder P spread on the surface of the stage 4. In the present embodiment, the heat insulating layer 32 is made of titanium which is excellent in heat resistance and strength, is nonmagnetic and has low thermal conductivity.

断熱冷却層33は、断熱層32の外側に設けられており、後述する第2冷却機構49を用いて排熱するため、面方向の熱伝導率が厚み方向の熱伝導率よりも大きい異方性熱伝導率を有する材料で構成される。本実施形態では、断熱冷却層33は、高配向性グラファイトシート素材を用いて構成した。高配向性グラファイトシート素材は、面方向の熱伝導率が250〜300W/m・kであるのに対し、厚み方向の熱伝導率が5〜10W/m・kである特性を有しており、面方向に伝達される熱と厚み方向に伝達される熱の割合は約50:1である。したがって、断熱冷却層33に発生した熱を効率良く面方向に伝達し、後述する第2冷却機構49によって排熱することができる。本実施形態では、断熱冷却層33として高配向性グラファイトシート素材を用いる構成としたが、その他、熱伝導異方性を有する材料として、カーボンナノシートや、カーボン繊維を熱伝導方向に編むことで得られるシート素材を用いることができる。   Since the heat insulation cooling layer 33 is provided outside the heat insulation layer 32 and exhausts heat using a second cooling mechanism 49 described later, the heat conductivity in the plane direction is larger than the heat conductivity in the thickness direction. It is made of a material having a heat conductivity. In the present embodiment, the heat insulating cooling layer 33 is configured using a highly oriented graphite sheet material. The highly oriented graphite sheet material has a characteristic that the thermal conductivity in the plane direction is 250 to 300 W / m · k, whereas the thermal conductivity in the thickness direction is 5 to 10 W / m · k. The ratio of the heat transferred in the plane direction and the heat transferred in the thickness direction is about 50: 1. Therefore, the heat generated in the adiabatic cooling layer 33 can be efficiently transmitted in the surface direction and exhausted by the second cooling mechanism 49 described later. In the present embodiment, a highly oriented graphite sheet material is used as the heat insulating cooling layer 33. In addition, as a material having thermal conductivity anisotropy, it is obtained by knitting carbon nanosheets or carbon fibers in the heat conduction direction. Sheet material can be used.

反射膜34は、断熱冷却層33の外側に設けられており、ステージ4表面に敷き詰められた金属粉末Pからの輻射熱を反射する材料で構成される。本実施形態では、断熱冷却層33に用いた高配向性グラファイトシート素材は黒体であり熱吸収が大きいが、反射膜34を設けることによりステージ4側からの輻射熱を反射することができるので、容器20の輻射加熱を抑制することができる。本実施形態では、断熱冷却層33の外周面に、アルミニウム及び金からなる被膜を厚膜コーティングすることによって反射膜34を形成し、波長λ=1〜20μmの熱波を反射させることができる構成とした。   The reflection film 34 is provided outside the heat insulating cooling layer 33 and is made of a material that reflects radiant heat from the metal powder P spread on the surface of the stage 4. In the present embodiment, the highly oriented graphite sheet material used for the heat insulating cooling layer 33 is a black body and has a large heat absorption, but by providing the reflective film 34, the radiant heat from the stage 4 side can be reflected. Radiant heating of the container 20 can be suppressed. In the present embodiment, the reflective film 34 is formed by coating the outer peripheral surface of the heat insulating cooling layer 33 with a thick film of aluminum and gold, and a heat wave having a wavelength λ = 1 to 20 μm can be reflected. It was.

また、シャッター部27は、容器20の排出口31aを開閉可能に覆い、図5に示すように、シャッター駆動部28により開閉動作が為される。シャッター部27を駆動するシャッター駆動部28は、例えば後述する保持機構22の内部に設けられ、第2のガイド部24に設けられた接続端子(図示を省略する)を介して、制御部30(図5参照)に接続されている。   Moreover, the shutter part 27 covers the discharge port 31a of the container 20 so that opening and closing is possible, and as shown in FIG. The shutter drive unit 28 that drives the shutter unit 27 is provided, for example, in a holding mechanism 22 described later, and is connected to a control unit 30 (not shown) via a connection terminal (not shown) provided in the second guide unit 24. (See FIG. 5).

攪拌部29は、回転軸37と、回転軸37の先端に設けられた回転翼36と、回転軸37の回転翼36が設けられた側とは反対側に設けられた接続部40とを有する。回転軸37は、軸受け39の中央部に設けられた軸受け孔39aに軸受け38を介して回転可能に支持され、容器本体31の内部に挿入されている。回転翼36は、回転軸37の排出口31a側の一端に固定されており、排出口31aの近傍に配置されている。回転翼36は、ほぼ円錐状に形成されており、複数の翼が放射状に設けられている。回転軸37の回転翼36が固定される側とは反対側の端部は、軸受け39の上方に突出し、その突出した回転軸37の端部に接続部40が設けられている。接続部40は、後述する保持機構22のもう一方の接続部43に接続されている。   The stirring unit 29 includes a rotating shaft 37, a rotating blade 36 provided at the tip of the rotating shaft 37, and a connecting portion 40 provided on the opposite side of the rotating shaft 37 from the side on which the rotating blade 36 is provided. . The rotating shaft 37 is rotatably supported through a bearing 38 in a bearing hole 39 a provided at the center of the bearing 39, and is inserted into the container body 31. The rotary blade 36 is fixed to one end of the rotary shaft 37 on the discharge port 31a side, and is disposed in the vicinity of the discharge port 31a. The rotary blade 36 is formed in a substantially conical shape, and a plurality of blades are provided radially. The end of the rotating shaft 37 opposite to the side on which the rotating blades 36 are fixed protrudes above the bearing 39, and the connecting portion 40 is provided at the end of the protruding rotating shaft 37. The connection part 40 is connected to the other connection part 43 of the holding mechanism 22 described later.

〔保持機構〕
次に、粉末供給ユニット7を構成する保持機構22について説明する。保持機構22は、容器20を着脱する保持部45と、容器本体31の温度を冷却する第1冷却部41と、断熱冷却層33に接続される第2冷却部42と、攪拌部29に接続される回転駆動部44とを備える。
[Holding mechanism]
Next, the holding mechanism 22 constituting the powder supply unit 7 will be described. The holding mechanism 22 is connected to the holding unit 45 that attaches and detaches the container 20, the first cooling unit 41 that cools the temperature of the container body 31, the second cooling unit 42 that is connected to the adiabatic cooling layer 33, and the stirring unit 29. The rotation drive part 44 is provided.

保持部45は、第2のガイド部24の図示を省略するガイドレール部に係合するレール係合部(図示を省略する)を有して構成されており、第2のガイド部24に設けられた接続端子(図示を省略する)を介して、粉末供給ユニット7の外部に設けたY方向駆動部11(図5参照)に電気的に接続されている。   The holding portion 45 includes a rail engaging portion (not shown) that engages with a guide rail portion (not shown) of the second guide portion 24, and is provided on the second guide portion 24. It is electrically connected to the Y direction drive part 11 (refer FIG. 5) provided in the exterior of the powder supply unit 7 through the connected terminal (illustration omitted).

第1冷却部41は、容器本体31と熱接触しており、第2のガイド部24に設けられた第1熱伝達部材46を介して処理室2外部に設けられた第1冷却装置14(図5参照)に接続されている。第1冷却部41は熱伝達が可能な部材で構成され、例えば、内部をオイルなどの冷媒が循環する冷却管を用いて構成することができる。なお、第1冷却装置14と第1冷却部41とを接続する第1熱伝達部材46としては、第1冷却装置14と第1冷却部41との間で熱伝達が可能な部材であればよく、例えば、高配向性グラファイトシートを用いることができる。第1冷却部41は、制御部30の制御のもと、後述する第1冷却装置14によって所定の温度に冷却される。   The first cooling unit 41 is in thermal contact with the container body 31 and is provided with a first cooling device 14 (outside the processing chamber 2 via a first heat transfer member 46 provided in the second guide unit 24 ( (See FIG. 5). The 1st cooling part 41 is comprised with the member which can transfer heat, for example, can be comprised using the cooling pipe with which refrigerant | coolants, such as oil, circulate through the inside. Note that the first heat transfer member 46 that connects the first cooling device 14 and the first cooling unit 41 is a member that can transfer heat between the first cooling device 14 and the first cooling unit 41. For example, a highly oriented graphite sheet can be used. The first cooling unit 41 is cooled to a predetermined temperature by the first cooling device 14 described later under the control of the control unit 30.

第2冷却部42は、断熱冷却層33と熱接触しており、第2のガイド部24に設けられた第2熱伝達部材47を介して処理室2外部に設けられた第2冷却装置15(図5参照)に接続されている。第2冷却部42は、保持機構22内部において、第1冷却部41と空間を介して断熱されている。第2冷却部42は、第1冷却部41と同様、熱伝達が可能な部材で構成され、例えば、内部をオイルなどの冷媒が循環する冷却管を用いて構成することができる。なお、第2冷却装置15と第2冷却部42とを接続する第2熱伝達部材47としては、例えば、高配向性グラファイトシートを用いることができる。第2冷却部42は、制御部30の制御のもと、後述する第2冷却装置15によって所定の温度に冷却される。   The second cooling unit 42 is in thermal contact with the heat insulating cooling layer 33, and the second cooling device 15 provided outside the processing chamber 2 via the second heat transfer member 47 provided in the second guide unit 24. (See FIG. 5). The second cooling unit 42 is insulated from the first cooling unit 41 through the space inside the holding mechanism 22. The 2nd cooling part 42 is comprised with the member which can transfer heat similarly to the 1st cooling part 41, for example, can be comprised using the cooling pipe with which refrigerant | coolants, such as oil, circulate through the inside. In addition, as the 2nd heat-transfer member 47 which connects the 2nd cooling device 15 and the 2nd cooling part 42, a highly oriented graphite sheet can be used, for example. The second cooling unit 42 is cooled to a predetermined temperature by the second cooling device 15 described later under the control of the control unit 30.

回転駆動部44は、接続部43を介して粉末カートリッジ21の攪拌部29に設けられた接続部40に接続されている。回転駆動部44は、図示を省略する配線を介して制御部30(図5参照)に接続されている。図5に示すように、回転駆動部44は、制御部30の制御のもと攪拌部29を回転駆動する。これにより、容器20内部に収容された金属粉末Pが攪拌される。本実施形態では、回転駆動部44による攪拌部29の攪拌動作と、シャッター部27の開閉動作により、金属粉末Pの吐出量を制御することができる。   The rotation drive unit 44 is connected to the connection unit 40 provided in the stirring unit 29 of the powder cartridge 21 through the connection unit 43. The rotation drive unit 44 is connected to the control unit 30 (see FIG. 5) via wiring not shown. As shown in FIG. 5, the rotation driving unit 44 rotates the stirring unit 29 under the control of the control unit 30. Thereby, the metal powder P accommodated in the container 20 is stirred. In the present embodiment, the discharge amount of the metal powder P can be controlled by the stirring operation of the stirring unit 29 by the rotation driving unit 44 and the opening / closing operation of the shutter unit 27.

〔制御系〕
図5に示すように、制御部30は、粉末供給ユニット7を構成する各駆動部や、第1及び第2冷却装置14,15を制御するものであり、処理室2の外部に設けられ、例えばCPU(中央演算処理装置)で構成されている。
[Control system]
As shown in FIG. 5, the control unit 30 controls each drive unit constituting the powder supply unit 7 and the first and second cooling devices 14 and 15, and is provided outside the processing chamber 2. For example, it is composed of a CPU (Central Processing Unit).

制御部30は、シャッター駆動部28、回転駆動部44、X方向駆動部10、Y方向駆動部11に接続されており、各駆動部は、制御部30による制御のもと各部を駆動する。また、制御部30は、内部温度検出部16から送られてきた検出信号に基づいて第1冷却装置14を制御することにより、第1冷却部41の温度制御を行い、容器本体31の温度が最適な値になるように制御する。同様に、制御部30は、外部温度検出部17から送られてきた検出信号に基づいて第2冷却装置15を制御することにより第2冷却部42の温度制御を行い、断熱冷却層33を冷却して(断熱冷却層33の熱を排熱して)容器本体31の外側の温度が最適な値になるように制御する。   The control unit 30 is connected to the shutter drive unit 28, the rotation drive unit 44, the X direction drive unit 10, and the Y direction drive unit 11, and each drive unit drives each unit under the control of the control unit 30. Further, the control unit 30 controls the temperature of the first cooling unit 41 by controlling the first cooling device 14 based on the detection signal sent from the internal temperature detection unit 16, and the temperature of the container body 31 is changed. Control it to an optimal value. Similarly, the control unit 30 controls the temperature of the second cooling unit 42 by controlling the second cooling device 15 based on the detection signal sent from the external temperature detection unit 17, and cools the adiabatic cooling layer 33. Then, the temperature of the outside of the container body 31 is controlled to an optimum value (by exhausting the heat of the heat insulating cooling layer 33).

第1冷却装置14としては、冷却ファンなどの熱交換器を用いることができる。本実施形態では、図5に示すように、第1冷却部41及び第1冷却装置14により第1冷却機構48が構成されている。また、第2冷却装置15としては、冷却ファンなどの熱交換器を用いることができる。本実施形態では、図5に示すように、第2冷却部42及び第2冷却装置15により第2冷却機構49が構成されている。   As the first cooling device 14, a heat exchanger such as a cooling fan can be used. In the present embodiment, as shown in FIG. 5, a first cooling mechanism 48 is configured by the first cooling unit 41 and the first cooling device 14. Further, as the second cooling device 15, a heat exchanger such as a cooling fan can be used. In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the second cooling mechanism 49 is configured by the second cooling unit 42 and the second cooling device 15.

第1冷却機構48により容器本体31を冷却することで、容器本体31の内部の温度上昇を防ぐことができ、金属粉末Pが容器本体31内部で変質したり固まったりするのを防ぐことができる。また、第2冷却部42により容器本体31の外周部に設けられた断熱冷却層33の熱を外部に排熱することで、ステージ4側から受ける熱による粉末カートリッジ21の温度上昇を防止することができる。このように、本実施形態では、第1及び第2冷却機構48,49による2重冷却機構によって、ステージ4表面、及び、ステージ4表面に敷き詰められた金属粉末Pの層と、粉末カートリッジ21との間に大きな熱抵抗を持たせ、粉末カートリッジ21内の金属粉末Pの発熱を防止することができる。   By cooling the container main body 31 by the first cooling mechanism 48, it is possible to prevent the temperature inside the container main body 31 from rising, and it is possible to prevent the metal powder P from being altered or solidified inside the container main body 31. . Further, the heat of the adiabatic cooling layer 33 provided on the outer peripheral portion of the container main body 31 is exhausted to the outside by the second cooling unit 42, thereby preventing the temperature rise of the powder cartridge 21 due to the heat received from the stage 4 side. Can do. As described above, in the present embodiment, the surface of the stage 4 and the layer of the metal powder P spread on the surface of the stage 4 by the double cooling mechanism including the first and second cooling mechanisms 48 and 49, the powder cartridge 21, A large heat resistance can be provided between the metal powder P and the heat generation of the metal powder P in the powder cartridge 21 can be prevented.

〔カートリッジ格納庫〕
図6は、カートリッジ格納庫9の断面図である。図6に示すように、カートリッジ格納庫9には、金属粉末Pが充填された新たな粉末カートリッジ21が複数格納されている。カートリッジ格納庫9では、複数の粉末カートリッジ21が、回転するベルト60の把持部61に把持され、互いに離間して保持されている。また、カートリッジ格納庫9の内壁面には断熱壁18が設けられている。これにより、カートリッジ格納庫9に一時的に格納された粉末カートリッジ21の内部に収容された金属粉末Pの変質や排出口31aでの詰まりを防止することができる。なお、カートリッジ格納庫9は図示しない冷却装置によって冷却されている。
[Cartridge hangar]
FIG. 6 is a cross-sectional view of the cartridge housing 9. As shown in FIG. 6, the cartridge storage 9 stores a plurality of new powder cartridges 21 filled with the metal powder P. In the cartridge storage 9, a plurality of powder cartridges 21 are held by the holding portion 61 of the rotating belt 60 and are held apart from each other. A heat insulating wall 18 is provided on the inner wall surface of the cartridge storage 9. Thereby, alteration of the metal powder P accommodated in the inside of the powder cartridge 21 temporarily stored in the cartridge storage 9 and clogging at the discharge port 31a can be prevented. The cartridge storage 9 is cooled by a cooling device (not shown).

カートリッジ格納庫9における処理室2側には、粉末カートリッジ21を排出する交換窓12が形成されており、交換窓12の位置で、粉末カートリッジ21が保持機構22の保持部45に受け渡される。交換窓12には図示しない交換扉が取り付けられており、カートリッジ交換時にこの交換扉が開けられる。交換扉のカートリッジ格納庫9側には、断熱壁が設けられている。粉末カートリッジ21を交換窓12の位置で保持機構22に受け渡した後、ベルト60が回転することで、次に受け渡される粉末カートリッジ21が交換窓12の位置に配置される。また、カートリッジ格納庫9の近傍には、図示を省略するカートリッジ回収庫が設けられている。カートリッジ回収庫には、金属粉末Pを使用済み粉末カートリッジ21が排出される。   An exchange window 12 for discharging the powder cartridge 21 is formed on the processing chamber 2 side in the cartridge storage 9, and the powder cartridge 21 is delivered to the holding unit 45 of the holding mechanism 22 at the position of the exchange window 12. An exchange door (not shown) is attached to the exchange window 12, and this exchange door is opened when the cartridge is exchanged. A heat insulating wall is provided on the cartridge storage 9 side of the replacement door. After the powder cartridge 21 is delivered to the holding mechanism 22 at the position of the replacement window 12, the belt 60 is rotated so that the powder cartridge 21 to be delivered next is disposed at the position of the replacement window 12. Further, a cartridge collection box (not shown) is provided in the vicinity of the cartridge storage box 9. The used powder cartridge 21 with the metal powder P is discharged into the cartridge collection box.

なお、カートリッジ回収庫に回収された使用済み粉末カートリッジ21に新たに金属粉末Pを充填することで、使用済み粉末カートリッジ21を再利用することができる。また、使用済み粉末カートリッジ21内に残留する金属粉末Pも再利用することができる。   In addition, the used powder cartridge 21 can be reused by newly filling the used powder cartridge 21 collected in the cartridge collection box with the metal powder P. Further, the metal powder P remaining in the used powder cartridge 21 can also be reused.

[1−3.三次元積層造形装置の動作]
次に、図1〜図6を参照して上述した構成を有する三次元積層造形装置1の動作について説明する。
[1-3. Operation of 3D additive manufacturing equipment]
Next, the operation of the three-dimensional additive manufacturing apparatus 1 having the above-described configuration will be described with reference to FIGS.

まず、図1に示すように、ステージ駆動機構5により、造形枠3の上面より第3の方向Z1にΔZ分下がった位置にステージ4を配置する。このΔZが、その後に敷き詰められる金属粉末Pの第3の方向Z1の層厚に相当する。   First, as shown in FIG. 1, the stage 4 is disposed at a position lower by ΔZ in the third direction Z <b> 1 than the upper surface of the modeling frame 3 by the stage driving mechanism 5. This ΔZ corresponds to the layer thickness in the third direction Z1 of the metal powder P spread thereafter.

次に、図示を省略するヒータにより造形枠3の筒状体3aの予備加熱を行う。造形枠3の筒状体3aが予備加熱されることにより、ステージ4及び周囲の雰囲気が予備加熱される。なお、予備加熱は、電子ビームL1を照射することによって行ってもよい。電子ビームL1によって予備加熱する場合には、ステージ4の表面が均一な温度になるように電子ビームL1を二次元面内で走査しながら照射する。   Next, the cylindrical body 3a of the modeling frame 3 is preheated by a heater (not shown). By preheating the cylindrical body 3a of the modeling frame 3, the stage 4 and the surrounding atmosphere are preheated. Note that the preheating may be performed by irradiating the electron beam L1. In the case of preheating with the electron beam L1, the electron beam L1 is irradiated while scanning in a two-dimensional plane so that the surface of the stage 4 has a uniform temperature.

次に、粉末供給ユニット7により、厚さΔZ分の金属粉末Pをステージ4の一面に敷き詰める。具体的には、図2を示すように、第1のガイド部23及び第2のガイド部24に沿って保持機構22及び粉末カートリッジ21をステージ4の第3の方向Z1の他方に移動させる。そして、制御部30の制御のもと、シャッター駆動部28を駆動することにより、図4に示すように、粉末カートリッジ21のシャッター部27を開放させる。これにより、粉末カートリッジ21に収容された金属粉末Pが、排出口31aからステージ4の表面4aに排出される。   Next, the powder supply unit 7 spreads the metal powder P having a thickness ΔZ on one surface of the stage 4. Specifically, as shown in FIG. 2, the holding mechanism 22 and the powder cartridge 21 are moved along the first guide portion 23 and the second guide portion 24 to the other side in the third direction Z <b> 1 of the stage 4. Then, the shutter drive unit 28 is driven under the control of the control unit 30 to open the shutter unit 27 of the powder cartridge 21 as shown in FIG. Thereby, the metal powder P accommodated in the powder cartridge 21 is discharged from the discharge port 31a to the surface 4a of the stage 4.

そして、粉末カートリッジ21から金属粉末Pを排出させると同時に、制御部30の制御のもと、回転駆動部44を駆動させることにより攪拌部29を回転駆動する。これにより、粉末カートリッジ21に収容された金属粉末Pが攪拌され、金属粉末Pは排出口31a付近で詰まることなく安定してステージ4側に排出される。金属粉末Pがステージ4の表面4aに排出された後、図示を省略するブレードによりステージ4上の金属粉末Pの層を平坦になるように均す。   Then, at the same time as discharging the metal powder P from the powder cartridge 21, the agitation unit 29 is rotated by driving the rotation driving unit 44 under the control of the control unit 30. Thereby, the metal powder P accommodated in the powder cartridge 21 is stirred, and the metal powder P is stably discharged to the stage 4 side without being clogged in the vicinity of the discharge port 31a. After the metal powder P is discharged onto the surface 4a of the stage 4, the layer of the metal powder P on the stage 4 is leveled by a blade (not shown) so as to be flat.

次に、図1に示すように、金属粉末Pに対して電子銃8から電子ビームL1を出射する。電子銃8は、予め準備された設計上の造形物(三次元CAD(Computer−Aided Design)データにより表された造形物)をΔZ間隔でスライスした2次元形状に従い、金属粉末Pに対して電子ビームL1を出射する。電子銃8から出射された電子ビームL1により、その2次元形状に対応する領域の金属粉末Pが溶融する。   Next, as shown in FIG. 1, an electron beam L1 is emitted from the electron gun 8 to the metal powder P. The electron gun 8 has an electronic design with respect to the metal powder P in accordance with a two-dimensional shape obtained by slicing a design object prepared in advance (a model object represented by three-dimensional CAD (Computer-Aided Design) data) at ΔZ intervals. The beam L1 is emitted. By the electron beam L1 emitted from the electron gun 8, the metal powder P in the region corresponding to the two-dimensional shape is melted.

次に、溶融した金属粉末Pは、材料に応じた所定時間が経過すると凝固し一層分の凝固層が形成される。1層分の金属粉末Pが溶融及び凝固した後、ステージ駆動機構5によりステージ4をΔZ分下げる。このステージ4の第3の方向Z1への動きは、摺動部材13が造形枠3のピット3aの内面を滑ることにより実現される。   Next, the molten metal powder P is solidified after a predetermined time according to the material, and a solidified layer for one layer is formed. After the metal powder P for one layer is melted and solidified, the stage 4 is lowered by ΔZ by the stage drive mechanism 5. The movement of the stage 4 in the third direction Z1 is realized by the sliding member 13 sliding on the inner surface of the pit 3a of the modeling frame 3.

次に、再び粉末供給ユニット7によって、粉末カートリッジ21をステージ4の第3の方向Z1の一方へ移動させ、ΔZ分の金属粉末Pを直前に敷き詰められた層(下層)の上に敷き詰める。その後、電子銃8から出射される電子ビームL1により、その層に相当する2次元形状に対応する領域の金属粉末Pを溶融させる。このとき、溶融した金属粉末同士が接合すると共に、一層目の凝固層とも一体となって凝固し、二層分の凝固層が形成される。このように、ステージ4を下げ、ステージ4上に金属粉末Pを供給し、その金属粉末Pを溶融及び凝固させる工程を繰り返すことで、三次元の造形物Mが形成され、三次元積層造形装置1の動作が完了する。   Next, again by the powder supply unit 7, the powder cartridge 21 is moved to one side in the third direction Z1 of the stage 4, and the metal powder P for ΔZ is spread on the layer (lower layer) spread just before. Thereafter, the metal powder P in the region corresponding to the two-dimensional shape corresponding to the layer is melted by the electron beam L1 emitted from the electron gun 8. At this time, the molten metal powders are joined together and solidified together with the first solidified layer to form two solidified layers. As described above, the stage 4 is lowered, the metal powder P is supplied onto the stage 4, and the process of melting and solidifying the metal powder P is repeated, whereby the three-dimensional structure M is formed. 1 operation is completed.

ここで、収容している金属粉末Pを全て排出した使用済み粉末カートリッジ21は、図示を省略するカートリッジ回収庫に回収される。   Here, the used powder cartridge 21 from which all of the contained metal powder P is discharged is collected in a cartridge collection box (not shown).

次に、保持機構22は、カートリッジ格納庫9の交換窓12からカートリッジ格納庫9内に挿入し、金属粉末Pが充填された新たな粉末カートリッジ21を保持する。カートリッジ格納庫9から粉末カートリッジ21が保持機構22へ受け渡されると、カートリッジ格納庫9では、ベルト60が回転することにより、次に保持機構22に保持される粉末カートリッジ21がカートリッジ格納庫9における受け取り位置に待機する。   Next, the holding mechanism 22 is inserted into the cartridge storage 9 through the replacement window 12 of the cartridge storage 9 and holds a new powder cartridge 21 filled with the metal powder P. When the powder cartridge 21 is delivered from the cartridge storage 9 to the holding mechanism 22, the belt 60 rotates in the cartridge storage 9, so that the powder cartridge 21 held next in the holding mechanism 22 is moved to the receiving position in the cartridge storage 9. stand by.

本実施形態の三次元積層造形装置1によれば、造形物Mを形成する金属粉末Pを一層分、あるいは複数の層分に分けて、複数の粉末カートリッジ21に収容している。これにより、金属粉末Pを搬送する搬送パイプを設ける必要がないため、金属粉末Pが搬送パイプ内に詰まる問題がなく、常に安定して金属粉末Pをステージ4に供給することができる。   According to the three-dimensional additive manufacturing apparatus 1 of the present embodiment, the metal powder P forming the model M is divided into one layer or a plurality of layers and accommodated in a plurality of powder cartridges 21. Thereby, since there is no need to provide a transport pipe for transporting the metal powder P, there is no problem that the metal powder P is clogged in the transport pipe, and the metal powder P can be constantly supplied to the stage 4 stably.

ところで、本実施形態のように、真空の処理室2で金属粉末Pを処理する場合、大気圧下で不活性ガスを導入した処理室2で金属粉末Pを処理する場合に比較して、不活性ガスの対流による金属粉末Pからの放熱の影響はなくなる。このため、真空下における金属粉末Pの溶融温度は、バルク金属の溶融温度の1/2程度となる。したがって、真空下においては、大気圧下に比較してより低い温度の光線エネルギーによる金属粉末Pの溶解が可能になる。しかしながら、図10に示した従来の三次元積層造形装置200において、処理室202内を真空にした場合、搬送パイプ226内においても、同様の作用によって金属粉末の溶融温度が下がる。このため、輻射熱の影響によって搬送パイプ226内における粉体安定性が損なわれる可能性は残る。   By the way, as in this embodiment, when processing the metal powder P in the vacuum processing chamber 2, compared to processing the metal powder P in the processing chamber 2 into which an inert gas has been introduced under atmospheric pressure, The influence of heat radiation from the metal powder P due to the convection of the active gas is eliminated. For this reason, the melting temperature of the metal powder P under vacuum is about ½ of the melting temperature of the bulk metal. Therefore, under vacuum, the metal powder P can be dissolved by light energy at a lower temperature than under atmospheric pressure. However, in the conventional three-dimensional additive manufacturing apparatus 200 shown in FIG. 10, when the inside of the processing chamber 202 is evacuated, the melting temperature of the metal powder is lowered in the transport pipe 226 by the same action. For this reason, there remains a possibility that the powder stability in the transport pipe 226 is impaired by the influence of radiant heat.

これに対し、本実施形態では、粉末カートリッジ21を構成する容器20は、熱伝導率の異なる素材で構成された4層構造で構成され、容器本体31の外周面に断熱層32及び断熱冷却層33が配置された断熱構造を有する。これにより、容器本体31の内部が輻射熱の影響で加熱されるのを防ぐことができる。また、本実施形態では、容器本体31は第1冷却機構48により冷却可能に構成されているので、容器本体31の内部に収容された金属粉末Pが加熱されて固まるのを防ぐことができる。さらに、本実施形態では、容器本体31の外周に設けられた断熱冷却層33は第2冷却機構49により冷却可能に構成されているので、輻射熱が容器本体31に伝達しにくく、容器本体31が輻射熱によって加熱されるのを防ぐことができる。   On the other hand, in the present embodiment, the container 20 constituting the powder cartridge 21 has a four-layer structure made of materials having different thermal conductivities, and a heat insulating layer 32 and a heat insulating cooling layer are formed on the outer peripheral surface of the container main body 31. It has the heat insulation structure where 33 is arrange | positioned. Thereby, it can prevent that the inside of the container main body 31 is heated by the influence of a radiant heat. Moreover, in this embodiment, since the container main body 31 is comprised by the 1st cooling mechanism 48 so that cooling is possible, it can prevent the metal powder P accommodated in the inside of the container main body 31 being heated and solidifying. Furthermore, in this embodiment, since the heat insulation cooling layer 33 provided in the outer periphery of the container main body 31 is configured to be cooled by the second cooling mechanism 49, the radiant heat is not easily transmitted to the container main body 31, and the container main body 31 is Heating by radiant heat can be prevented.

さらに、造形物Mを造形するために必要な金属粉末Pを複数の粉末カートリッジ21に少量ずつ小分けして管理することができる。すなわち、金属粉末Pの保存及び管理を容易にすることができる。さらに、金属粉末Pが無駄になることを防ぐことができる。   Furthermore, the metal powder P necessary for modeling the molded object M can be divided into a plurality of powder cartridges 21 and managed. That is, storage and management of the metal powder P can be facilitated. Furthermore, it is possible to prevent the metal powder P from being wasted.

〈2.第2の実施形態:ドーム型の処理室を有する三次元積層造形装置〉
次に、本発明の第2の実施形態に係る三次元積層造形装置について説明する。図7は、本発明の第2の実施形態に係る三次元積層造形装置70の概略構成図である。本実施形態の三次元積層造形装置70は、処理室71の構成と、金属粉末を溶融するエネルギービーム発生装置としてレーザ光源77を用いる点で、第1の実施形態と異なる。図7において、図1に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。
<2. Second Embodiment: Three-dimensional additive manufacturing apparatus having a dome-shaped processing chamber>
Next, a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a three-dimensional additive manufacturing apparatus 70 according to the second embodiment of the present invention. The three-dimensional additive manufacturing apparatus 70 of the present embodiment is different from the first embodiment in that the laser light source 77 is used as an energy beam generator for melting the metal powder and the processing chamber 71. In FIG. 7, parts corresponding to those in FIG.

本実施形態では、図7に示すように、処理室71は、ステージ4の金属粉末Pが積層される表面に対向する処理室71上部の内壁面がドーム形状に湾曲した形状を有する。すなわち、処理室71のステージ4の表面に対向する処理室71上部の内壁面は、中央部から側周部にかけてステージ4側に湾曲した球面形状を有している。また、処理室2上部の所定の位置には、エネルギービーム透過窓74、熱線入射窓75、温度検出窓76が設けられ、それぞれ、処理室71の一部に開口部を設け、この開口部を塞ぐように透過部材を嵌め込むことで構成されている。   In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the processing chamber 71 has a shape in which the inner wall surface of the upper portion of the processing chamber 71 facing the surface on which the metal powder P of the stage 4 is laminated is curved in a dome shape. That is, the inner wall surface of the upper portion of the processing chamber 71 facing the surface of the stage 4 of the processing chamber 71 has a spherical shape curved toward the stage 4 from the center to the side periphery. In addition, an energy beam transmission window 74, a heat ray incident window 75, and a temperature detection window 76 are provided at predetermined positions above the processing chamber 2, and an opening is provided in a part of the processing chamber 71. It is configured by fitting a transmission member so as to close it.

また、処理室71上部の内壁面には、壁面断熱冷却層72、壁面反射膜73が内壁面側からこの順に設けられている。壁面断熱冷却層72は、粉末カートリッジ21を構成する断熱冷却層33と同様の材料で構成することができ、壁面反射膜73は、粉末カートリッジ21を構成する反射膜34と同様の材料で構成することできる。壁面断熱冷却層72は、図示を省略する冷却装置に熱接触されており、第2冷却装置15と同様に制御部30によって制御されることで、冷却され所定の温度に維持される。   Further, on the inner wall surface at the top of the processing chamber 71, a wall heat insulating cooling layer 72 and a wall surface reflecting film 73 are provided in this order from the inner wall surface side. The wall surface adiabatic cooling layer 72 can be composed of the same material as the adiabatic cooling layer 33 constituting the powder cartridge 21, and the wall surface reflecting film 73 is composed of the same material as the reflecting film 34 constituting the powder cartridge 21. I can. The wall surface adiabatic cooling layer 72 is in thermal contact with a cooling device (not shown), and is cooled and maintained at a predetermined temperature by being controlled by the control unit 30 in the same manner as the second cooling device 15.

また、処理室71には、図示していない真空ポンプが接続されている。そして、処理室71内の雰囲気が真空ポンプにより排気されることで、処理室71内は、真空に維持されている。   Further, a vacuum pump (not shown) is connected to the processing chamber 71. Then, the atmosphere in the processing chamber 71 is evacuated by the vacuum pump, so that the processing chamber 71 is maintained in a vacuum.

処理室71の外側には、レーザ光源77、熱線発生装置78及び温度検出装置79が配置されている。レーザ光源77から出射されたレーザ光はエネルギービーム透過窓74を透過してステージ4の表面に照射される。また、熱線発生装置78は、ステージ4の表面4aに敷き詰められた金属粉末Pの層の表面を加熱する熱線を照射するものであり、熱線発生装置78から出射された熱線は熱線入射窓75を透過してステージ4の表面4aに照射される。また、温度検出装置79は、例えばIRカメラ等の2次元平面の温度計測が可能な装置で構成されており、温度検出窓76を介してステージ4の表面4aに敷き詰められた金属粉末Pの表面温度を検出する。   A laser light source 77, a heat ray generator 78, and a temperature detector 79 are disposed outside the processing chamber 71. Laser light emitted from the laser light source 77 passes through the energy beam transmission window 74 and is irradiated on the surface of the stage 4. The heat ray generator 78 irradiates heat rays that heat the surface of the layer of the metal powder P spread on the surface 4 a of the stage 4, and the heat rays emitted from the heat ray generator 78 pass through the heat ray incident window 75. The light is transmitted and irradiated onto the surface 4 a of the stage 4. The temperature detection device 79 is configured by a device capable of measuring a two-dimensional plane temperature such as an IR camera, for example, and the surface of the metal powder P spread on the surface 4a of the stage 4 via the temperature detection window 76. Detect temperature.

本実施形態では、ステージ4の表面4aに金属粉末Pを敷き詰めた後、処理室71の外側に設けられた熱線発生装置78から熱線を出射し、ステージ4の表面4aに敷き詰められた金属粉末Pの表面において二次的に走査することで金属粉末Pの予備加熱を行う。その後、第1の実施形態と同様にしてステージ4の表面4aに造形物Mを作成していく。   In the present embodiment, after the metal powder P is spread on the surface 4 a of the stage 4, heat rays are emitted from the heat ray generator 78 provided outside the processing chamber 71, and the metal powder P spread on the surface 4 a of the stage 4. Preheating of the metal powder P is performed by secondarily scanning on the surface. Thereafter, a model M is created on the surface 4a of the stage 4 in the same manner as in the first embodiment.

ところで、造形物Mを形成する粉末材料として無機物(金属等)を用いる場合、溶解温度と再結合温度とに温度差がある。これにより、金属粉末Pの溶融部分と、その下層に位置する前段で形成された凝固層との間に大きな温度差が生じ、形成される造形物Mに歪みが発生する。このため、従来の三次元積層造形装置では、ヒータや、熱線によってステージ上に敷き詰められた金属粉末を予備加熱し、溶融部分とその下層の凝固層との温度差による加工歪みを防止する構成が採られる。しかしながら、ステージ表面を予備加熱する場合、処理室が輻射熱の影響を受け、処理室を構成する素材の熱膨張率の範囲内で相対位置ずれが生じ、加工精度の低下を招く。   By the way, when using an inorganic substance (metal etc.) as a powder material which forms the molded article M, there is a temperature difference between the melting temperature and the recombination temperature. Thereby, a big temperature difference arises between the fusion | melting part of the metal powder P, and the solidification layer formed in the front | former stage located in the lower layer, and distortion generate | occur | produces in the molded article M formed. For this reason, the conventional three-dimensional additive manufacturing apparatus has a configuration that preheats the metal powder spread on the stage with a heater or heat rays and prevents processing distortion due to a temperature difference between the molten portion and the solidified layer below it. Taken. However, when the stage surface is preheated, the processing chamber is affected by radiant heat, and a relative positional shift occurs within the range of the coefficient of thermal expansion of the material constituting the processing chamber, leading to a decrease in processing accuracy.

これに対し、本実施形態では、処理室71の内壁面に壁面断熱冷却層72及び壁面反射膜73を設けることにより、ステージ4の表面4aに敷き詰められた金属粉末Pを予備加熱した場合においても、処理室71が受ける熱の影響を低減することができる。   On the other hand, in this embodiment, even when the metal powder P spread on the surface 4a of the stage 4 is preheated by providing the wall surface adiabatic cooling layer 72 and the wall surface reflection film 73 on the inner wall surface of the processing chamber 71. The influence of the heat that the processing chamber 71 receives can be reduced.

また、ヒータによってステージ4近傍を加熱してステージ4の表面4aに敷き詰められる金属粉末Pを予備加熱する場合、造形物Mが大きくなると、ステージ4の表面4aと金属粉末Pの表面の溶融部分との距離が次第に大きくなる。この結果、ステージ4近傍を加熱するヒータで予備加熱を行う場合、溶融部分の金属粉末Pが予熱されなくなるという問題がある。また、真空の処理室71内で加工を行う場合、金属粉末Pの表面は真空界面であり、対流による放熱の影響を受けない真空内溶融条件が発生するため、適正に温度管理を行う必要がある。   Further, in the case where the vicinity of the stage 4 is heated by the heater and the metal powder P spread on the surface 4a of the stage 4 is preliminarily heated, if the model M becomes large, the surface 4a of the stage 4 and the molten portion of the surface of the metal powder P The distance increases gradually. As a result, when preheating is performed with a heater that heats the vicinity of the stage 4, there is a problem that the metal powder P in the molten portion is not preheated. In addition, when processing is performed in the vacuum processing chamber 71, the surface of the metal powder P is a vacuum interface, and in-vacuum melting conditions that are not affected by heat dissipation due to convection are generated. Therefore, it is necessary to appropriately control the temperature. is there.

これに対し、本実施形態では、ステージ4の表面4aに敷き詰められた金属粉末Pの表面の予備加熱は、熱線発生装置78からの熱線の照射によって行う。このため、サイズの大きな造形物Mを形成する場合にも、溶融部分における金属粉末Pの予備加熱を行うことができる。さらに、本実施形態では、温度検出装置79によって、ステージ4の表面に敷き詰められた金属粉末Pの表面の温度を適宜検出し、その検出結果に基づいて熱線発生装置78からの熱線の照射速度や照射強度を制御することで、適正な溶融条件を維持することができる。   On the other hand, in the present embodiment, the preheating of the surface of the metal powder P spread on the surface 4 a of the stage 4 is performed by irradiation with heat rays from the heat ray generator 78. For this reason, also when forming the modeling object M with a large size, the preheating of the metal powder P in a fusion | melting part can be performed. Furthermore, in this embodiment, the temperature detector 79 appropriately detects the temperature of the surface of the metal powder P spread on the surface of the stage 4, and based on the detection result, the irradiation rate of the heat rays from the heat ray generator 78, Appropriate melting conditions can be maintained by controlling the irradiation intensity.

さらに、本実施形態のように、造形物Mを形成する粉末材料として金属粉末を採用した場合、金属が熱波を反射してしまうため、金属粉末は熱吸収効率が悪く、金属粉末の表面が加熱されにくいという問題がある。   Furthermore, as in this embodiment, when metal powder is employed as the powder material for forming the shaped object M, the metal reflects heat waves, so the metal powder has poor heat absorption efficiency, and the surface of the metal powder is There is a problem that it is difficult to be heated.

これに対し、本実施形態では、処理室71のステージ4の表面4aに対向する内壁面が球面形状であり、かつ、その内壁面に壁面反射膜73が形成されている。これによって、予備加熱時におけるステージ4に敷き詰められた金属粉末Pの表面からの輻射熱がその壁面反射膜73に反射され、再度ステージ4上に照射される。この結果、ステージ4上に敷き詰められた金属粉末Pの表面が壁面反射膜73によって反射された熱によって再加熱され、金属粉末Pの表面の温度の低下を防ぐことができる。これにより、金属粉末Pの予備加熱によるエネルギー効率が向上し、省エネルギー加工が可能となる。   On the other hand, in this embodiment, the inner wall surface facing the surface 4a of the stage 4 of the processing chamber 71 has a spherical shape, and the wall reflecting film 73 is formed on the inner wall surface. As a result, the radiant heat from the surface of the metal powder P spread on the stage 4 at the time of preheating is reflected by the wall surface reflection film 73 and irradiated onto the stage 4 again. As a result, the surface of the metal powder P spread on the stage 4 is reheated by the heat reflected by the wall reflecting film 73, and the temperature of the surface of the metal powder P can be prevented from decreasing. Thereby, the energy efficiency by the preheating of the metal powder P improves, and an energy saving process is attained.

[2−1.変形例]
次に、本実施形態の変形例に係る三次元積層造形装置について説明する。図8は、変形例に係る三次元積層造形装置の概略構成図である。変形例に係る三次元積層造形装置80は、エネルギー発生装置として荷電粒子発生装置81を用いる点で本実施形態と異なる。図8において、図7に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
[2-1. Modified example]
Next, a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to a modification of the present embodiment will be described. FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to a modification. The three-dimensional additive manufacturing apparatus 80 according to the modification differs from the present embodiment in that a charged particle generator 81 is used as an energy generator. In FIG. 8, parts corresponding to those in FIG.

変形例では、金属粉末Pを溶融するエネルギービーム発生装置として荷電粒子ビームを出射する荷電粒子発生装置81が用いられる。荷電粒子発生装置81は、処理室71に設けられた開口部82に装着されている。そして、荷電粒子発生装置81から照射された荷電粒子ビームは処理室71の開口部82を通過してステージ4の表面4aに敷き詰められた金属粉末Pの表面に照射される。   In the modification, a charged particle generator 81 that emits a charged particle beam is used as an energy beam generator for melting the metal powder P. The charged particle generator 81 is attached to an opening 82 provided in the processing chamber 71. The charged particle beam irradiated from the charged particle generator 81 passes through the opening 82 of the processing chamber 71 and is irradiated onto the surface of the metal powder P spread on the surface 4 a of the stage 4.

このように、荷電粒子発生装置81から出射されるエネルギービームによって造形物Mを形成する場合には、処理室71の開口部82から処理室71内部にエネルギービームが入射するように荷電粒子発生装置81を装着する。変形例の三次元積層造形装置80においても第2の実施形態と同様の動作により、三次元の造形物Mが形成される。   As described above, when the shaped article M is formed by the energy beam emitted from the charged particle generator 81, the charged particle generator is configured so that the energy beam is incident on the inside of the processing chamber 71 from the opening 82 of the processing chamber 71. 81 is mounted. In the modified three-dimensional additive manufacturing apparatus 80, a three-dimensional structure M is formed by the same operation as in the second embodiment.

変形例のように、金属粉末Pを溶解するエネルギービームとして荷電粒子ビームを用いる場合には、荷電粒子ビームにより金属粉末Pが帯電を引き起こし、金属粉末Pが散逸してしまう恐れがある。このような金属粉末Pの帯電を防止するために、変形例の三次元積層造形装置80では、ステージ4の表面4aに敷き詰められた金属粉末Pの供給電子結合条件が発生する温度まで予備加熱することが好ましい。   When a charged particle beam is used as an energy beam for melting the metal powder P as in the modification, the metal powder P may be charged by the charged particle beam and the metal powder P may be dissipated. In order to prevent such charging of the metal powder P, the three-dimensional additive manufacturing apparatus 80 according to the modified example is preheated to a temperature at which the supply electronic coupling condition of the metal powder P spread on the surface 4a of the stage 4 is generated. It is preferable.

変形例に係る三次元積層造形装置80では、粉末カートリッジ21の内部での金属粉体Pを適正温度に維持することができるので、粉末カートリッジ21の内部の金属粉末Pを凝固させることなく、ステージ4表面の金属粉末Pの予備加熱を行うことが可能である。このため、金属粉末Pの帯電を防ぐことができる。そして、変形例に係る三次元積層造形装置80においても第2の実施形態と同様の効果を得ることができる。   In the three-dimensional additive manufacturing apparatus 80 according to the modified example, the metal powder P inside the powder cartridge 21 can be maintained at an appropriate temperature, so that the stage is performed without solidifying the metal powder P inside the powder cartridge 21. It is possible to preheat the metal powder P on the four surfaces. For this reason, charging of the metal powder P can be prevented. And also in the three-dimensional additive manufacturing apparatus 80 which concerns on a modification, the effect similar to 2nd Embodiment can be acquired.

ところで、粉末材料として金属粉末を用いた場合、金属粉末の表面に物理結合や化学結合したガスが付着している。減圧下、特に、高真空下で金属粉末を加熱すると、金属粉末とその金属粉末に付着しているガスとの結合エネルギーに応じた温度で、そのガスが金属粉末から分離する。例えば、金属粉末として鉄を用いた場合には粉末表面に酸素が付着している。そして、酸化した鉄を、真空条件下において450Kに加熱すると、鉄表面から酸素が脱離する還元作用が生じる。そこで、次の実施形態では、脱離ガスの影響を防止することができる三次元積層造形装置について説明する。   By the way, when metal powder is used as the powder material, a physically or chemically bonded gas adheres to the surface of the metal powder. When the metal powder is heated under reduced pressure, particularly under high vacuum, the gas is separated from the metal powder at a temperature corresponding to the binding energy between the metal powder and the gas adhering to the metal powder. For example, when iron is used as the metal powder, oxygen adheres to the powder surface. Then, when the oxidized iron is heated to 450K under vacuum conditions, a reducing action is generated in which oxygen is desorbed from the iron surface. Therefore, in the next embodiment, a three-dimensional additive manufacturing apparatus that can prevent the influence of desorbed gas will be described.

〈3.第3の実施形態:三次元積層造形装置〉
図9は、本発明の第3の実施形態に係る三次元積層造形装置の概略構成図である。本実施形態の三次元積層造形装置90は、処理室71内に所望のガスを導入する点で第2の実施形態と異なる。図9において、図7に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
<3. Third Embodiment: Three-dimensional additive manufacturing apparatus>
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to the third embodiment of the present invention. The three-dimensional additive manufacturing apparatus 90 of the present embodiment is different from the second embodiment in that a desired gas is introduced into the processing chamber 71. In FIG. 9, parts corresponding to those in FIG.

本実施形態の三次元積層造形装置90は、処理室71に取り付けられたガス導入部92と、圧力測定装置91とを備える。ガス導入部92は、処理室71の外部に設けられたガス発生装置(図示を省略する)に接続される接続口93と、ガスを処理室71内部に導入するためのガス管94を有する。また、圧力測定装置91は、処理室71内部の圧力を測定可能な装置である。また、三次元積層造形装置90は、ガス導入部92から導入される導入ガスの分圧量を制御する制御部(図示を省略する)が設けられており、制御部は、圧力測定装置91で測定された圧力に基づき処理室71内の圧力が所定の圧力になるようにガス導入部92から導入されるガスの分圧量を制御する。   The three-dimensional additive manufacturing apparatus 90 of the present embodiment includes a gas introduction unit 92 attached to the processing chamber 71 and a pressure measurement device 91. The gas introduction unit 92 includes a connection port 93 connected to a gas generator (not shown) provided outside the processing chamber 71 and a gas pipe 94 for introducing gas into the processing chamber 71. The pressure measuring device 91 is a device that can measure the pressure inside the processing chamber 71. The three-dimensional additive manufacturing apparatus 90 is provided with a control unit (not shown) that controls the partial pressure amount of the introduced gas introduced from the gas introduction unit 92, and the control unit is a pressure measurement device 91. Based on the measured pressure, the partial pressure amount of the gas introduced from the gas introduction unit 92 is controlled so that the pressure in the processing chamber 71 becomes a predetermined pressure.

本実施形態では、処理室71内の圧力を所定の値に維持することができるので、金属粉末Pからの脱離ガスによる影響を低減することができる。さらに、本実施形態の三次元積層造形装置90は、所望のガスを導入することができるので、ガスを用いた造形物Mの後処理等を行うことができる。以下では、本実施形態の三次元積層造形装置90を用い、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)を用いてステンレスの造形物を形成した場合について説明する。   In the present embodiment, since the pressure in the processing chamber 71 can be maintained at a predetermined value, the influence of the desorption gas from the metal powder P can be reduced. Furthermore, since the three-dimensional layered modeling apparatus 90 of the present embodiment can introduce a desired gas, it can perform post-processing of the model M using the gas. Below, the case where the three-dimensional layered manufacturing apparatus 90 of this embodiment is used and the modeled object of stainless steel is formed using iron (Fe), nickel (Ni), and chromium (Cr) is demonstrated.

ステンレス素材は、700〜900Kの温度条件の環境に曝されると、表面の不働体膜が壊れ、錆びやすくなるという「鋭敏化現象」が発生することが知られている。これを防ぐ為、本実施形態ではステンレスからなる造形物Mを形成した後、処理室71内の圧力が一定となる条件で、ガス導入部92から800ppm〜2.5%(体積%)の水分を含有した不活性ガスを導入しながら、ステージ4の予熱温度を900〜500Kに低下させる。これにより、ステンレスからなる造形物Mの表面に緻密なクロム酸化膜を生成することができる。   It is known that when a stainless steel material is exposed to an environment with a temperature condition of 700 to 900 K, a “sensitization phenomenon” occurs in which a passive film on the surface is broken and is easily rusted. In order to prevent this, in the present embodiment, after forming the molded object M made of stainless steel, the moisture in the process chamber 71 becomes 800 ppm to 2.5% (volume%) from the gas introduction part 92 under the condition that the pressure is constant. The preheating temperature of the stage 4 is lowered to 900 to 500K while introducing an inert gas containing. Thereby, a dense chromium oxide film can be generated on the surface of the molded article M made of stainless steel.

このように、本実施形態の三次元積層造形装置90では、処理室71内において、ステンレスからなる造形物Mが完成された後、続けて、造形物Mの表面に緻密な酸化クロム膜を生成できる。これにより、造形物Mに対する脱鋭敏化処理を別途行う必要が無い。なお、造形物M周りの金属粉末Pを取り除いてからクロム酸化膜の形成を行うようにしてもよい。   As described above, in the three-dimensional additive manufacturing apparatus 90 of the present embodiment, after the model M made of stainless steel is completed in the processing chamber 71, a dense chromium oxide film is continuously generated on the surface of the model M. it can. Thereby, it is not necessary to perform the desensitization process with respect to the molded article M separately. Note that the chromium oxide film may be formed after the metal powder P around the shaped object M is removed.

上述した第1〜第3の実施形態では、粉末供給ユニット7は1つの粉末カートリッジ21を備える構成としたが、複数の粉末カートリッジ21を備える構成としてもよい。その場合には、例えば、第2のガイド部24に複数の保持機構22を第2の方向Y1に沿って移可能に支持し、それらの保持機構22で粉末カートリッジ21を保持させる。これにより、ステージ4の表面に複数の粉末カートリッジ21から粉末材料を供給することができる。   In the first to third embodiments described above, the powder supply unit 7 is configured to include one powder cartridge 21, but may be configured to include a plurality of powder cartridges 21. In that case, for example, the plurality of holding mechanisms 22 are supported by the second guide portion 24 so as to be movable along the second direction Y1, and the powder cartridge 21 is held by these holding mechanisms 22. Thereby, the powder material can be supplied from the plurality of powder cartridges 21 to the surface of the stage 4.

また、粉末供給ユニット7が複数の粉末カートリッジ21を備える構成とする場合、それぞれの粉末カートリッジ21に異なる粉末材料を収容させてもよく、また、全て同じ粉末材料を収容させてもよい。   When the powder supply unit 7 includes a plurality of powder cartridges 21, different powder materials may be accommodated in each powder cartridge 21, or all the same powder materials may be accommodated.

また、上述した第1〜第3の実施形態では、粉末材料として金属粉末を用いる例としたが、その他、樹脂等を用いてもよい。   In the first to third embodiments described above, the metal powder is used as the powder material. However, a resin or the like may be used.

また、上述した第1〜第3の実施形態では、粉末カートリッジを構成する容器は4層構造としたが、断熱構造を有し、粉末カートリッジ内部に収容された粉末材料の温度を適正に維持できる構成であれば種々の変更が可能である。   In the first to third embodiments described above, the container constituting the powder cartridge has a four-layer structure. However, the container has a heat insulating structure and can appropriately maintain the temperature of the powder material housed in the powder cartridge. If it is a structure, various changes are possible.

また、上述した第1〜第3の実施形態では、粉末カートリッジは攪拌部を有する構成としたが、攪拌部は構成されていなくてもよい。また、粉末カートリッジ21において、容器20を振動させる振動機構や、容器本体31の内部を仕切り、排出口31aから排出する粉末材料の量を規制する規制部材等、その他各種の機構を設けてもよい。   In the first to third embodiments described above, the powder cartridge has a configuration including a stirring unit, but the stirring unit may not be configured. Further, the powder cartridge 21 may be provided with various other mechanisms such as a vibration mechanism that vibrates the container 20 and a regulating member that partitions the inside of the container body 31 and regulates the amount of powder material discharged from the discharge port 31a. .

1,70,80,90…三次元積層造形装置、2,71…処理室、3…造形枠、3a…ピット、4…ステージ、4d…軸部、5…ステージ駆動機構、7…粉末供給ユニット、8…電子銃、9…カートリッジ格納庫、10…X方向駆動部、11…Y方向駆動部、12…交換窓、13…摺動部材、14…第1冷却装置、15…第2冷却装置、16…内部温度検出部、17…外部温度検出部、20…容器、21…粉末カートリッジ、22…保持機構、23…第1のガイド部、24…第2のガイド部、27…シャッター部、28…シャッター駆動部、29…攪拌部、30…制御部、31…容器本体、31a…排出口、32…断熱層、33…断熱冷却層、34…反射膜、36…回転翼、37…回転軸、40…接続部、41…第1冷却部、42…第2冷却部、43…接続部、44…回転駆動部、45…保持部、46…第1熱伝達部材、47…第2熱伝達部材、48…第1冷却機構、42…第2冷却機構、60…ベルト、70三次元積層造形装置、72…壁面断熱冷却層、73…壁面反射膜、74…エネルギービーム透過窓、75…熱線入射窓、76…温度検出窓、77…レーザ光源、78…熱線発生装置、79…温度検出装置、81…荷電粒子発生装置、82…開口部、91…圧力測定装置、92…ガス導入部、93…接続口、94…ガス管   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,70,80,90 ... Three-dimensional additive manufacturing apparatus, 2,71 ... Processing chamber, 3 ... Modeling frame, 3a ... Pit, 4 ... Stage, 4d ... Shaft part, 5 ... Stage drive mechanism, 7 ... Powder supply unit 8 ... an electron gun, 9 ... a cartridge storage, 10 ... an X direction drive unit, 11 ... a Y direction drive unit, 12 ... an exchange window, 13 ... a sliding member, 14 ... a first cooling device, 15 ... a second cooling device, DESCRIPTION OF SYMBOLS 16 ... Internal temperature detection part, 17 ... External temperature detection part, 20 ... Container, 21 ... Powder cartridge, 22 ... Holding mechanism, 23 ... 1st guide part, 24 ... 2nd guide part, 27 ... Shutter part, 28 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Shutter drive part, 29 ... Stirring part, 30 ... Control part, 31 ... Container body, 31a ... Outlet, 32 ... Heat insulation layer, 33 ... Heat insulation cooling layer, 34 ... Reflection film, 36 ... Rotary blade, 37 ... Rotating shaft , 40 ... connection part, 41 ... first cooling part, 42 ... second cooling , 43 ... connection part, 44 ... rotation drive part, 45 ... holding part, 46 ... first heat transfer member, 47 ... second heat transfer member, 48 ... first cooling mechanism, 42 ... second cooling mechanism, 60 ... belt , 70 Three-dimensional additive manufacturing apparatus, 72 ... Wall heat insulation cooling layer, 73 ... Wall reflection film, 74 ... Energy beam transmission window, 75 ... Heat ray incident window, 76 ... Temperature detection window, 77 ... Laser light source, 78 ... Heat ray generator 79 ... Temperature detector, 81 ... Charged particle generator, 82 ... Opening, 91 ... Pressure measuring device, 92 ... Gas inlet, 93 ... Connection port, 94 ... Gas pipe

Claims (13)

表面に造形物を形成するための粉末材料が供給されるステージと、
前記ステージに前記粉末材料を敷き詰める粉末供給ユニットを備え、
前記粉末供給ユニットは、
断熱構造を有し、前記ステージに供給する粉末材料を収容する粉末カートリッジと、
前記粉末カートリッジを着脱可能に保持する保持機構とを備える
三次元積層造形装置。
A stage to which a powder material for forming a shaped object on the surface is supplied;
A powder supply unit for spreading the powder material on the stage;
The powder supply unit includes:
A powder cartridge having a heat insulating structure and containing a powder material to be supplied to the stage;
A three-dimensional additive manufacturing apparatus comprising a holding mechanism that detachably holds the powder cartridge.
さらに、粉末カートリッジの内部の温度を制御する制御部を備える
請求項1に記載の三次元積層造形装置。
The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 1, further comprising a control unit that controls a temperature inside the powder cartridge.
前記粉末カートリッジは、内部に粉末材料が収容される容器本体と、前記容器本体の外周部に設けられ、面方向における熱伝導率が厚み方向における熱伝導率よりも大きい異方性熱伝導材料で形成された断熱冷却層とを備える
請求項1に記載の三次元積層造形装置。
The powder cartridge is an anisotropic heat conductive material provided in a container body in which a powder material is housed, and an outer peripheral portion of the container body, and having a thermal conductivity in a plane direction larger than a thermal conductivity in a thickness direction. The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 1, further comprising: a formed heat insulation cooling layer.
前記粉末カートリッジは、内部に粉末材料が収容される容器本体と、前記容器本体の外周部に設けられ、面方向における熱伝導率が厚み方向における熱伝導率よりも大きい異方性熱伝導材料で形成された断熱冷却層とを備えるThe powder cartridge is an anisotropic heat conductive material provided in a container body in which a powder material is housed, and an outer peripheral portion of the container body, and having a thermal conductivity in a plane direction larger than a thermal conductivity in a thickness direction. A heat insulating cooling layer formed
請求項2に記載の三次元積層造形装置。The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 2.
前記容器本体及び/又は前記断熱冷却層を冷却する冷却機構を備える
請求項3又は4に記載の三次元積層造形装置。
The three-dimensional additive manufacturing apparatus of Claim 3 or 4 provided with the cooling mechanism which cools the said container main body and / or the said heat insulation cooling layer.
前記容器本体を冷却する第1冷却機構と、
前記断熱冷却層を冷却する第2冷却機構とを備え、
前記制御部は、前記第1冷却機構と前記第2冷却機構とを個別に制御する
請求項4に記載の三次元積層造形装置。
A first cooling mechanism for cooling the container body;
A second cooling mechanism for cooling the adiabatic cooling layer,
The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 4 , wherein the control unit individually controls the first cooling mechanism and the second cooling mechanism.
前記容器本体の温度を検出する内部温度検出部と、
前記ステージに敷き詰められた粉末材料の温度を検出する外部温度検出装置とを備え、
前記制御部は、前記内部温度検出部及び前記外部温度検出装置からの検出信号に基づき、前記容器本体の内部が所定の温度になるように前記第1冷却機構及び前記第2冷却機構を制御する
請求項6に記載の三次元積層造形装置。
An internal temperature detector for detecting the temperature of the container body;
An external temperature detection device for detecting the temperature of the powder material spread on the stage,
The control unit controls the first cooling mechanism and the second cooling mechanism based on detection signals from the internal temperature detection unit and the external temperature detection device so that the inside of the container body has a predetermined temperature. The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 6 .
前記断熱冷却層の外周面には、前記ステージに敷き詰められた粉末材料から発生する輻射熱を反射する反射膜を備える
請求項3〜7のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置。
The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to any one of claims 3 to 7 , wherein a reflective film that reflects radiant heat generated from the powder material spread on the stage is provided on an outer peripheral surface of the heat insulating cooling layer.
前記ステージに敷き詰められた粉末材料から発生する輻射熱を反射する壁面反射膜が設けられた内壁面を有する処理室を備え、
前記ステージ及び前記粉末供給ユニットは、前記処理室の内部に配置されている
請求項1〜8のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置。
A treatment chamber having an inner wall surface provided with a wall surface reflecting film that reflects radiant heat generated from the powder material spread on the stage;
The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 8 , wherein the stage and the powder supply unit are arranged inside the processing chamber.
前記処理室の内壁面はドーム状の球面を有する
請求項に記載の三次元積層造形装置。
The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 9 , wherein an inner wall surface of the processing chamber has a dome-shaped spherical surface.
前記処理室内の内壁面と前記壁面反射膜との間に、面方向における熱伝導率が厚み方向における熱伝導率よりも大きい異方性熱伝導材料で形成された排熱層を備える
請求項10に記載の三次元積層造形装置。
Between the inner wall surface and the wall surface reflecting layer in the processing chamber, according to claim thermal conductivity in the plane direction is provided with the exhaust heat layer formed of a large anisotropic thermal conductive material than the thermal conductivity in the thickness direction 10 The three-dimensional additive manufacturing apparatus described in 1.
前記ステージの表面において集束光を2次元走査することで前記ステージの表面に敷き詰められた粉末材料の予備加熱をする光源と、 前記ステージの表面に詰められた粉末材料の表面温度を測定する表面温度測定部とを備え、
前記制御部は、前記表面温度測定部で測定された表面温度の測定値に基づき、前記粉末材料の表面温度が所定の値になるように前記光源から前記ステージ表面への集束光の照射を制御する請求項に記載の三次元積層造形装置。
A light source for preheating the powder material spread on the surface of the stage by two-dimensionally scanning the focused light on the surface of the stage; and a surface temperature for measuring the surface temperature of the powder material packed on the surface of the stage With a measuring unit,
The control unit controls the irradiation of the focused light from the light source to the stage surface so that the surface temperature of the powder material becomes a predetermined value based on the measurement value of the surface temperature measured by the surface temperature measurement unit. The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 2 .
前記断熱冷却層の外周面には、輻射熱を反射する熱反射膜が設けられる
請求項3又は4に記載の三次元積層造形装置。
The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 3, wherein a heat reflecting film that reflects radiant heat is provided on an outer peripheral surface of the heat insulating cooling layer.
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