JP6338422B2 - 三次元積層装置 - Google Patents

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Description

本発明は、積層により三次元形状物を製造する三次元積層装置に関するものである。
三次元形状物を製造する技術として、金属粉末材料に光ビームを照射することによって三次元形状物を製造する積層造形技術が知られている。例えば、特許文献１には、金属粉末材料で形成された粉末層に光ビームを照射して焼結層を形成し、それを繰り返すことによって複数の焼結層が一体として積層された三次元形状造形物を製造する方法が記載されている。
特開２００６−１２４７３２号公報
ところで、三次元形状物を製造する際に、例えば金属粉末材料に酸化等の変質が生じる場合がある。金属粉末材料が変質した場合、三次元形状物の品質が低下する可能性がある。
本発明は、三次元形状物の品質低下を抑制する三次元積層装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の三次元積層装置は、基台部に成形層を積層させて三次元形状物を形成する三次元積層装置であって、粉末材料を供給する粉末供給部と、前記粉末材料に光ビームを照射し、前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結又は溶融固化させて前記成形層を形成する光照射部と、外部から密封され、前記粉末供給部、前記光照射部及び前記基台部を収納する三次元積層室と、前記三次元積層室内の気体を排出する気体排出部と、前記三次元積層室内に所定の気体を導入する気体導入部と、を有し、前記気体排出部が前記三次元積層室内の気体を排出して、前記気体導入部が前記所定の気体を導入することにより、前記三次元積層室内を所定の気体雰囲気にする。
この三次元積層装置は、密封された所定の気体雰囲気下で成形層を形成する。従って、この三次元積層装置は、粉末材料の変質を抑制し、三次元形状物の品質低下を抑制することができる。
前記三次元積層装置において、前記粉末供給部は、先端の開口部から前記基台部に向かって前記粉末材料を噴射し、前記光照射部は、先端の開口部から、前記粉末供給部から前記基台部に向けて移動する前記粉末材料に光ビームを照射し、前記粉末材料を溶融させて、溶融した前記粉末材料を前記基台部上で固化させて、前記三次元積層室は、前記粉末供給部の開口部と前記光照射部の開口部とを収納することが好ましい。この三次元積層装置は、所定の気体雰囲気下で成形層を形成するため、三次元形状物の品質低下を抑制することができる。
前記三次元積層装置において、前記粉末供給部と前記光照射部とは、前記粉末供給部が前記光照射部の外周に同心円状に配置され、前記光照射部の前記光ビームが通過する経路を囲う内管と、前記内管を覆い前記内管との間に前記粉末材料の流れる粉末流路を形成する外管とを有し、かつ一方向に移動可能な積層部を形成し、前記積層部に取付けられて、前記積層部の移動に伴い前記三次元積層室を外部から密封しながら前記一方向に沿って伸縮する伸縮部を有することが好ましい。この三次元積層装置は、伸縮部を有することにより、粉末供給部が移動する場合であっても、好適に三次元積層室内を密封することができる。
前記三次元積層装置において、前記積層部は、一軸方向にのみ移動可能であることが好ましい。これにより、三次元積層装置は、三次元積層室内を密封する伸縮部を、一軸方向に伸縮可能に配置することができ、伸縮部に係る負荷を少なくしつつ移動に追従して伸縮させることができ、より好適に三次元積層室内を密封することができる。これにより、積層部を多軸方向に移動させる構造にする場合に比べ、装置構成を小さくすることができ、かつ、密閉性をより維持しやすくすることができる。
前記三次元積層装置は、前記粉末供給部及び前記光照射部に取付けられて前記基台部の前記成形層が形成される部分を覆うカバー部と、前記カバー部内の気体を排出するカバー部気体排出部と、前記カバー部内に所定の気体を導入するカバー部気体導入部と、を有し、前記カバー部気体排出部が前記カバー部内の気体を排出して前記カバー部気体導入部が前記所定の気体を導入することにより、前記カバー部は、前記基台部周囲を前記所定の気体雰囲気にすることが好ましい。この三次元積層装置は、カバー部により、成形層の周囲を所定の気体雰囲気下にする。従って、この三次元積層装置は、三次元形状物の品質低下をより好適に抑制することができる。
前記三次元積層装置は、前記三次元積層室と前記三次元積層室の外部とを接続して、前記三次元積層室及び三次元積層室の外部から密封される予備室を有し、前記基台部は、前記予備室を介して前記三次元積層室外部から前記三次元積層室内に移動されることにより、前記三次元積層室内に収納されることが好ましい。この三次元積層装置は、予備室を有するため、基台部を三次元積層室に出し入れした際にも、三次元積層室の気体の排出と導入とを、好適に行うことができる。
本発明によれば、三次元形状物の品質低下を抑制することができる。
図１は、実施形態１の三次元積層装置を示す模式図である。 図２は、積層ヘッド収納室の図１におけるＡ−Ａ断面における要部断面図である。 図３は、積層ヘッド収納室を図２における方向Ｌから見た場合の図面である。 図４は、積層ヘッドのノズルの一例を示す断面図である。 図５は、制御装置の構成を示す模式図である。 図６Ａは、粉末導入部の一例を示す模式図である。 図６Ｂは、粉末導入部の一例を示す模式図である。 図７は、粉末回収部の一例を示す模式図である。 図８は、実施形態１に係る三次元積層装置による三次元形状物の製造方法を示す模式図である。 図９は、実施形態１に係る三次元積層装置による三次元形状物の製造工程を示すフローチャートである。 図１０は、実施形態２に係るカバー部の一例を示す断面図である。 図１１は、実施形態２に係るカバー部により粉末の周囲の気体雰囲気を調整する工程を示すフローチャートである。
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
図１は、実施形態１の三次元積層装置１を示す模式図である。ここで、実施形態１では、水平面内の一方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれと直交する方向（すなわち鉛直方向）をＺ軸方向とする。
図１に示す三次元積層装置１は、基台部１００に三次元形状物を製造する装置である。基台部１００は、三次元形状物が形成される土台となる部材であり、三次元積層装置１で所定の位置に搬送され、表面に三次元形成物が形成される。実施形態１の基台部１００は、板状の部材である。なお、基台部１００は、これに限定されない。基台部１００は、三次元形状物の土台となる部材を用いてもよいし、三次元形状物を付加する部材を用いてもよい。所定の位置に三次元形成物が形成されることで、部品、製品となる部材を基台部１００として用いてもよい。
三次元積層装置１は、三次元積層室２と、予備室３と、積層ヘッド収納室４と、機械加工部収納室５と、ベッド１０と、テーブル部１１と、積層部としての積層ヘッド１２と、機械加工部１３と、ベローズ１８と、ベローズ１９と、制御装置２０と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１と、機械加工部計測部３２と、工具交換部３３と、ノズル交換部３４と、粉末導入部３５と、基台移動部３６と、気体排出部３７と、気体導入部３８と、粉末回収部３９と、を有する。
三次元積層室２は、接続された配管等の設計された連通部分以外が外部から密封されている筐体（チャンバー）である。なお、設計された連通部分は、密閉状態と開放状態を切り換えるバルブ等が設けられており、必要に応じて、三次元積層室２を密閉状態とすることができる。三次元積層室２は、ベッド１０と、テーブル部１１と、積層ヘッド１２の一部と、機械加工部１３の一部と、加熱ヘッド３１の一部と、機械加工部計測部３２と、工具交換部３３と、ノズル交換部３４とが内部に配置されている。
予備室３は、三次元積層室２に隣接して設けられている。予備室３は、接続された配管等の設計された連通部分以外が外部及び三次元積層室２から密封されている。予備室３は、外部と三次元積層室２とを接続する減圧室となっている。予備室３内には、基台移動部３６が設けられている。ここで、予備室３は、三次元積層室２との接続部に例えば気密性を有する扉６が設けられている。また、予備室３は、気密性を有する扉７により外部と接続されている。また、予備室３には、予備室３から空気等の気体を排出する予備室気体排出部２５が設けられている。予備室３は、扉７を開くことで、外部から必要な部材を内部に搬入することができる。また、予備室３は、扉６を開くことで、三次元積層室２との間で部材の搬入、搬出を行うことができる。すなわち、予備室３は、扉７を閉じることにより、外部から隔離されて、外部から密封される。また、予備室３は、扉６が閉じられることにより、三次元積層室から隔離される。
積層ヘッド収納室４は、三次元積層室２のＺ軸方向上側の面に設けられている。積層ヘッド収納室４は、Ｚ軸スライド部４ａで三次元積層室２に対してＺ軸方向（矢印１０２の方向）に移動可能な状態で支持されている。図２は、積層ヘッド収納室４の図１におけるＡ−Ａ断面における要部断面図である。図３は、積層ヘッド収納室４を図２における方向Ｌから見た場合の図面である。図２に示すように、積層ヘッド収納室４は、Ｚ軸方向下側の面４１において、三次元積層室２のＺ軸方向上側の面４２の開口部４３と、開口部４３の外周に沿って設けられた伸縮部としてのベローズ１８により接続されている。
図２及び図３に示すように、積層ヘッド収納室４は、面４１のベローズ１８よりも放射方向内側に、開口部４４，４５を有する。積層ヘッド収納室４は、積層ヘッド１２と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１と、を支持している。積層ヘッド収納室４は、積層ヘッド１２のノズル２３を含む一部を、開口部４４を介して三次元積層室２に向けて突出させている。また、積層ヘッド収納室４は、加熱ヘッド３１の先端部２４を含む一部を、開口部４５を介して三次元積層室２に向けて突出させている。開口部４４と積層ヘッド１２とは固定されており、開口部４４と積層ヘッド１２とは、三次元積層室２を密封する状態で互いに接続されている。開口部４５と加熱ヘッド３１とは固定されており、開口部４５と積層ヘッド１２とは、三次元積層室２を密封する状態で互いに接続されている。
次に、ベローズ１８について説明する。ベローズ１８は、ベローズ部５１と、ガイド部５３とを有する。ベローズ部５１は、三次元積層室２の面４２の開口部４３の外周に沿って設けられ、三次元積層室２の面４２から積層ヘッド収納室４の面４１まで、Ｚ軸方向に沿って延在する。ベローズ部５１は、放射方向外側へ向かう山部５５と放射方向内側へ向かう谷部５６とをＺ軸方向に沿って交互に繰り返している形状となっている。従って、ベローズ部５１は、Ｚ軸方向に沿って伸縮可能である。
ガイド部５３は、ベローズ部５１の外周に沿って設けられている。ガイド部５３は、ベローズ部５１を保護する機能を有する。ガイド部５３は、サブガイド部５３ａ，５３ｂ，５３ｃを有する。サブガイド部５３ａは、積層ヘッド収納室４の面４１からＺ軸方向下方に向かって延在し、Ｚ軸方向下方の先端の可動部５８ａにおいて、ベローズ部５１の山部５５ａに取付けられている。サブガイド部５３ｂは、Ｚ軸方向上部の端部における可動部５９ｂにおいてサブガイド部５３ａの可動部５８ａに取付けられ、Ｚ軸方向下部に向かって延在する。サブガイド部５３ｂは、Ｚ軸方向下部の端部における可動部５８ｂにおいて、ベローズ部５１の山部５５ｂに取付けられている。なお、山部５５ｂは、山部５５ａよりもＺ軸方向下部に位置する。サブガイド部５３ｃは、Ｚ軸方向上方の端部における可動部５９ｃにおいてサブガイド部５３ｂの可動部５８ｂに取付けられ、Ｚ軸方向下部の端部において三次元積層室２の面４２に取付けられる。
サブガイド部５３ａ，５３ｂ，５３ｃの可動部５８ａ，５８ｂ，５９ｂ，５９ｃは、それぞれ変形可能である。従って、サブガイド部５３ａ，５３ｂ，５３ｃは、ベローズ部５１の伸縮に伴って伸縮する。なお、ガイド部５３は、ベローズ部５１の外周に設けられ、ベローズ部５１の伸縮に伴って伸縮するものであれば、この構造に限られない。また、例えばベローズ部５１を保護する必要がない場合、ベローズ１８は、ガイド部５３を有さなくてもよい。
上述のように、積層ヘッド収納室４の開口部４４，４５と積層ヘッド１２とは、互いに密封されている。また、ベローズ１８は、ベローズ部５１が三次元積層室２の面４２の開口部４３の外周に沿って設けられている。従って、ベローズ部５１の内周と積層ヘッド収納室４の面４１とで囲まれた空間５０は、三次元積層室２の開口部４３により三次元積層室２と繋がり、三次元積層室２とともに密閉されている。
積層ヘッド収納室４は、Ｚ軸スライド部４ａでＺ軸方向に移動することで、保持している積層ヘッド１２と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１とをＺ軸方向に移動させる。また、積層ヘッド収納室４は、ベローズ１８を介して三次元積層室２と接続していることで、Ｚ軸方向の移動に伴い、ベローズ１８をＺ軸方向に伸縮させる。この際、ベローズ１８は、三次元積層室２を密封しながら、Ｚ軸方向に伸縮する。なお、積層ヘッド収納室４は、積層ヘッド１２と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１とを、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動させてもよい。
なお、ベローズ部５１は、Ｚ軸方向に沿って伸縮可能であり、三次元積層室２内を密封可能なものであれば、実施形態１で説明した形状に限られない。例えば、ベローズ部５１は、径の異なる複数の筒状部材を軸方向に連結したものであって、径の大きい筒状部材内に、それよりも径が小さい他の筒状部材を収納するものであってもよいし、例えば筒状の弾性部材であってもよい。
機械加工部収納室５は、三次元積層室２のＺ軸方向上側の面に設けられている。また、機械加工部収納室５は、積層ヘッド収納室４に隣接して配置されている。機械加工部収納室５は、Ｚ軸スライド部５ａで三次元積層室２に対してＺ軸方向（矢印１０４の方向）に移動可能な状態で支持されている。機械加工部収納室５は、Ｚ軸方向下側の面がベローズ１９により三次元積層室２と繋がっている。ベローズ１９は、機械加工部収納室５のＺ軸方向下側の面と三次元積層室２と繋げ、機械加工部収納室５のＺ軸方向下側の面を三次元積層室２の一部とする。また、三次元積層室２は、ベローズ１９で囲われた領域に開口が形成されている。機械加工部収納室５のＺ軸方向下側の面とベローズ１９とで囲まれた空間は、三次元積層室２と繋がり、三次元積層室２とともに密閉されている。機械加工部収納室５は、機械加工部１３を支持している。また、機械加工部収納室５は、機械加工部１３の工具２２を含む一部がＺ軸方向下側の面から三次元積層室２に向けて突出している。なお、ベローズ１９の構造は、ベローズ１８の構造と同じであるため、説明を省略する。
機械加工部収納室５は、Ｚ軸スライド部５ａでＺ軸方向に移動することで、保持している機械加工部１３をＺ軸方向に移動させる。また、機械加工部収納室５は、ベローズ１９を介して三次元積層室２と接続していることで、Ｚ軸方向の移動に伴い、ベローズ１９をＺ軸方向に伸縮させる。この際、ベローズ１９は、三次元積層室２を密封しながら、Ｚ軸方向に伸縮する。なお、機械加工部収納室５は、機械加工部１３をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させてもよい。
ベッド１０は、三次元積層室２内のＺ軸方向の底部に設けられている。ベッド１０は、テーブル部１１を支持している。ベッド１０は、各種配線や配管や駆動機構が配置されている。
テーブル部１１は、ベッド１０の上面に配置され、基台部１００を支持する。テーブル部１１は、Ｙ軸スライド部１５と、Ｘ軸スライド部１６と、回転テーブル部１７と、を有する。テーブル部１１は、基台部１００を取り付けて基台部１００をベッド１０上で移動させる。
Ｙ軸スライド部１５は、ベッド１０に対してＸ軸スライド部１６をＹ軸方向（矢印１０６の方向）に沿って移動させる。Ｘ軸スライド部１６は、Ｙ軸スライド部１５の稼働部となる部材に固定されており、Ｙ軸スライド部１５に対して回転テーブル部１７をＸ軸方向（矢印１０８の方向）に沿って移動させる。回転テーブル部１７は、Ｘ軸スライド部１６の稼働部となる部材に固定されており、基台部１００を支持している。回転テーブル部１７は、例えば傾斜円テーブルであり、固定台１７ａと、回転テーブル１７ｂと、傾斜テーブル１７ｃと、回転テーブル１７ｄと、を有する。固定台１７ａは、Ｘ軸スライド部１６の稼働部となる部材に固定されている。回転テーブル１７ｂは、固定台１７ａに支持されており、Ｚ軸方向と平行な回転軸１１０を回転軸として回転する。傾斜テーブル１７ｃは、回転テーブル１７ｂに支持されており、回転テーブル１７ｂの支持されている面に直交する回転軸１１２を軸として回動される。回転テーブル１７ｄは、傾斜テーブル１７ｃに支持されており、傾斜テーブル１７ｃの支持されている面に直交する回転軸１１４を軸として回転される。回転テーブル１７ｄは、基台部１００を固定している。このように、回転テーブル部１７は、回転軸１１０、１１２、１１４を軸として各部を回転させることで、基台部１００を直交する３軸周りに回転させることができる。テーブル部１１は、回転テーブル部１７に固定されている基台部１００を、基台部１００は、Ｙ軸スライド部１５及びＸ軸スライド部１６により、Ｙ軸方向及びＸ軸方向に移動させる。また、テーブル部１１は、回転テーブル部１７により回転軸１１０、１１２、１１４を軸として各部を回転させることで、基台部１００を直交する３軸周りに回転させる。テーブル部１１は、さらにＺ軸方向に沿って基台部１００を移動させてもよい。
積層ヘッド１２は、基台部１００に向けて粉末材料を噴射し、さらに噴射した粉末材料にレーザ光を照射することにより粉末を溶融させて、溶融した粉末を基台部１００上で固化させて成形層を形成する。積層ヘッド１２に導入される粉末は、三次元形状物の原料となる材料の粉末である。実施形態１において、粉末は、例えば鉄、銅、アルミニウム又はチタン等の金属材料などを用いることができる。なお、粉末としては、セラミック等の金属材料以外の材料を用いてもよい。積層ヘッド１２は、ベッド１０のＺ軸方向の上側の面に対面する位置に設けられており、テーブル部１１と対面している。積層ヘッド１２は、Ｚ軸方向の下部にノズル２３が設置されている。積層ヘッド１２は、本体６６にノズル２３が装着されている。
図４は、積層ヘッド１２のノズル２３の一例を示す断面図である。図４に示すように、ノズル２３は、外管６１と、外管６１の内部に挿入された内管６２とを有する二重管である。外管６１は、管状の部材であり、先端（Ｚ軸方向下側）に向かって径が小さくなっている。内管６２は、外管６１の内部に挿入されている。内管６２も、管状の部材であり、先端（Ｚ軸方向下側）に向かって径が小さくなる形状である。外管６１は、その内周と内管６２の外周との間において、粉末材料（粉末）Ｐの通過する粉末流路６３を構成する。内管６２は、その内周面側にレーザ光の通過するレーザ経路６４を構成する。ここで、ノズル２３が装着されている本体６６は、ノズル２３と同様に二重管であり、粉末流路６３とレーザ経路６４も同様に形成されている。積層ヘッド１２は、レーザ経路６４の周囲を囲うように粉末流路６３が配置されている。実施形態１では、粉末流路６３が、粉末を噴射する粉末噴射部となる。積層ヘッド１２は、粉末導入部３５から導入された粉末Ｐが粉末流路６３を流れ、外管６１と内管６２との間の先端の開口部である粉末噴射口部６５ａから噴射される。
また、実施形態１においては、レーザ経路６４が光照射部となる。積層ヘッド１２は、レーザ経路６４に、光源６７と光ファイバ６８と集光部６９とを有する。光源６７は、レーザ光を出力する。光ファイバ６８は、光源６７から出力されたレーザをレーザ経路６４に案内する。集光部６９は、レーザ経路６４に配置され、光ファイバ６８から出力されたレーザの光路に配置されている。集光部６９は、光ファイバ６８から出力されたレーザ光Ｌを集光する。集光部６９で集光されたレーザ光Ｌは、内管６２の先端の開口部であるレーザ照射口部６５ｂから出力される。積層ヘッド１２は、集光部６９を本体６６に配置したが、集光部６９の一部または全部をノズル２３に配置してもよい。ノズル２３に集光部６９の一部または全部を配置した場合、ノズル２３を交換することで、焦点位置を異なる位置とすることができる。
積層ヘッド１２は、粉末流路６３から粉末Ｐを噴射し、レーザ経路６４からレーザ光Ｌを出力する。積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐは、積層ヘッド１２から出力されたレーザ光Ｌが照射される領域に侵入し、レーザ光Ｌによって加熱される。レーザ光Ｌが照射された粉末Ｐは溶融した後、基台部１００上に到達する。溶融した状態で基台部１００上に到達した粉末Ｐは、冷却されて固化する。これにより、基台部１００上に成形層を形成する。
ここで、実施形態１の積層ヘッド１２は、光源６７から出力されたレーザ光Ｌを光ファイバ６８で案内した光ファイバはなくてもよい。また、集光部６９は、本体６６に設けてもノズル２３に設けても、両方に設けてもよい。実施形態１の積層ヘッド１２は、効果的に加工ができるため、粉末Ｐを噴射する粉末流路６３と、レーザ光Ｌを照射するレーザ経路６４とを同軸に設けたがこれに限定されない。積層ヘッド１２は、粉末Ｐを噴射する機構とレーザ光Ｌを照射する機構とを別体としてもよい。実施形態１の積層ヘッド１２は、粉体材料にレーザ光Ｌを照射したが、粉体材料を溶解または焼結させることができればよく、レーザ光以外の光ビームを照射してもよい。
機械加工部１３は、例えば成形層等を機械加工する。図１に示すように、機械加工部１３は、ベッド１０のＺ軸方向の上側の面に対面する位置に設けられており、テーブル部１１と対面している。機械加工部１３は、Ｚ軸方向の下部側の端部に工具２２が装着されている。なお、機械加工部１３は、ベッド１０よりもＺ軸方向上側で、テーブル部１１による基台部１００の移動可能範囲に設けられていればよく、配置位置は実施形態１の位置に限られない。
図５は、制御装置２０の構成を示す模式図である。制御装置２０は、三次元積層装置１の各部と電気的に接続されており、三次元積層装置１の各部の動作を制御する。制御装置２０は、三次元積層室２や予備室３の外部に設置されている。制御装置２０は、図５に示すように、入力部７１と、制御部７２と、記憶部７３と、出力部７４と、通信部７５と、を有する。入力部７１と、制御部７２と、記憶部７３と、出力部７４と、通信部７５と、の各部は電気的に接続されている。
入力部７１は、例えば操作パネルである。作業者は、入力部７１に情報や指令等を入力する。制御部７２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリである。制御部７２は、三次元積層装置１の各部に、三次元積層装置１の各部の動作を制御する指令を出力する。また、制御部７２には、三次元積層装置１の各部からの情報等が入力される。記憶部７３は、例えば、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）又はＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶装置である。記憶部７３には、制御部７２で実行されることで各部の動作を制御する三次元積層装置１の運転プログラムや、三次元積層装置１の情報、又は三次元形状物の設計情報等が記憶される。出力部７４は、例えばディスプレイである。出力部７４は、例えば三次元積層装置１の各部からの情報等を表示する。通信部７５は、例えばインターネット又はＬＡＮ（Local Area Network）等のような通信回線と通信して、通信回線との間で情報をやり取りする。なお、制御装置２０は、少なくとも制御部７２及び記憶部７３を有していればよい。制御装置２０は、制御部７２及び記憶部７３を有していれば、三次元積層装置１の各部に指令を出力することができる。
形状計測部３０は、積層ヘッド収納室４に固定されている。形状計測部３０は、積層ヘッド１２に隣接して配置されている。形状計測部３０は、基台部１００上に形成された成形層の表面形状を計測する。形状計測部３０は、例えば３Ｄスキャナや相対距離を計測する装置を用いることができる。形状計測部３０は、例えば基台部１００上の成形層の表面にレーザ光をスキャニング（走査）させ、その反射光から成形層の表面の位置情報を算出することにより、成形層の表面形状を計測する。また、実施形態１において、形状計測部３０は、積層ヘッド収納室４に取付けられているが、基台部１００上に形成された成形層の表面形状を計測できればよく、別の位置に取り付けられてもよい。
加熱ヘッド３１は、基台部１００上の成形層又は溶融した粉末Ｐ等を加熱する。加熱ヘッド３１は、積層ヘッド収納室４に固定されている。加熱ヘッド３１は、積層ヘッド１２に隣接して配置されている。加熱ヘッド３１は、例えば、レーザ光、赤外光や電磁波を照射し、成形層又は溶融した粉末Ｐを加熱する。加熱ヘッド３１で成形層又は溶融した粉末Ｐを加熱することで、成形層又は溶融した粉末Ｐの温度を制御することができる。これにより、成形層又は溶融した粉末Ｐの急激な温度低下を抑制したり、粉末Ｐが溶融しやすい雰囲気（高い温度環境）を形成したりすることができる。なお、加熱ヘッド３１は、例えば成形層表面の温度を計測する温度センサをさらに設け、温度センサの計測結果に基づいて、加熱を制御してもよい。
機械加工部計測部３２は、機械加工部１３の工具２２の先端の位置を計測する。機械加工部計測部３２は、撮像によって機械加工部１３の工具２２の先端の位置を計測する。従って、機械加工部計測部３２は、機械加工部１３を作動させながら工具２２の先端の位置を計測することができる。ただし、機械加工部計測部３２は、撮像によるものに限られず、例えばレーザ光によって機械加工部１３の工具２２の先端位置を計測するものであってもよい。
工具交換部３３は、三次元積層室２の内部に配置されている。工具交換部３３は、機械加工部１３に装着される工具２２を交換する。工具交換部３３は、工具２２を保持していない部分を機械加工部１３と対面する位置に移動させる。その後、工具交換部３３は、機械加工部１３と対面する位置に工具２２を把持していない部分に移動させる。その後、機械加工部１３に装着されている工具２２を取り外す処理を実行する。その後、機械加工部１３に装着する別の工具２２を把持している部分を機械加工部１３に対面する位置に移動させ、機械加工部１３に別の工具２２を取り付ける。このように、工具交換部３３は、機械加工部１３の工具２２を着脱することにより、機械加工部１３の工具２２を交換することができる。なお、工具交換部３３は、機械加工部１３の工具２２を交換することができれば、この構成に限られない。
ノズル交換部３４は、三次元積層室２の内部に配置されている。ノズル交換部３４は、積層ヘッド１２に装着されるノズル２３を交換する。ノズル交換部３４は、工具交換部３３と同様の構造を用いることができる。
粉末導入部３５は、積層ヘッド１２に三次元形状物の原料となる粉末材料を積層ヘッド１２に導入する。図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ粉末導入部の一例を示す模式図である。図６Ａに示すように、実施形態１において、粉末はカートリッジ８３に封入された状態で管理される。すなわち、粉末は、例えば材料の種類毎にカートリッジ８３内に封入されて出荷される。カートリッジ８３には材料表示部８４が設けられる。材料表示部８４は、例えば材料の種類などの粉末の情報を示す表示である。材料表示部８４は、目視で確認できる情報に限定されず、ＩＣチップ、二次元コード又はマーク等、読み取り器で読み取ることで情報を取得できる表示であってもよい。材料表示部８４は、粉末の材料の種類を示すことができれば、これらに限られない。材料表示部８４は、粉末の材料の種類以外にも、例えば粉末の粒度、重量、純度又は酸化物被膜等の、三次元形状物製造の上で必要な粉末の情報を示すことができる。また、材料表示部８４は、粉末が正規品であるか否かを示す情報を含んでいてもよい。
粉末導入部３５は、粉末収納部８１及び粉末識別部８２を有する。粉末収納部８１は、例えば箱状の部材であり、内部にカートリッジ８３を収納する。粉末収納部８１は、粉末を搬出するための搬送空気供給部や、粉末を積層ヘッド１２に搬送する搬送経路が接続されている。粉末収納部８１は、カートリッジ８３が収納された場合、カートリッジ８３に貯留されている粉末を積層ヘッド１２に導入する。粉末識別部８２は、粉末収納部８１にカートリッジ８３が収納されたことを検出したら、カートリッジ８３の材料表示部８４を読み取り、カートリッジ８３に貯留されている粉末の情報を読み取る。粉末導入部３５は、粉末識別部８２で粉末の情報を取得することで、積層ヘッド１２に既知の粉末を供給することができる。
ここで、粉末導入部３５は、カートリッジ８３内に封入された状態で管理されていない粉末を積層ヘッド１２に供給するようにしてもよい。図６Ｂは、粉末がカートリッジに封入されない場合の粉末導入部３５Ａを示している。粉末導入部３５Ａは、粉末収納部８１Ａと、粉末識別部８２Ａと、粉末収納部８１Ａと粉末識別部８２Ａとを繋げる粉末案内管８９とを有する。粉末収納部８１Ａは、例えば箱状の部材であり、内部に粉末Ｐを収納する。粉末識別部８２Ａは、粉末案内管８９を介して供給された粉末を分析し、粉末の材料の種類、粒度、重量、純度又は酸化物被膜等の、三次元形状物製造の上で必要な粉末の情報を計測する。粉末識別部８２としては、分光分析により粉末の材料を識別する分光分析装置、粒度分析により粉末の粒度を計測する粒度分析装置、粉末の重量を計測する重量計等を用いることができる。粉末識別部８２Ａは、例えば計測した粉末の材料の種類、粒度及び重量等から、粉末の純度を計測する。また、粉末識別部８２Ａは、例えば導電率により、粉末の酸化物被膜を計測する。粉末導入部３５Ａも、粉末識別部８２Ａで粉末の情報を取得することで、積層ヘッド１２に既知の粉末を供給することができる。
基台移動部３６は、予備室３に配置されている。基台移動部３６は、基台部１００ａを予備室３内から三次元積層室２内に移動させ、三次元積層室２内の基台部１００を予備室３内に移動させる。基台移動部３６は、外部から予備室３内に搬入された基台部１００ａが取付けられる。基台移動部３６は、取付けられた基台部１００ａを予備室３から三次元積層室２内に搬入する。より詳しくは、基台移動部３６は、基台移動部３６に取付けられた基台部１００ａを、三次元積層室２内に移動させて、回転テーブル部１７に取付ける。基台移動部３６は、例えばロボットアームや直交軸搬送装置により、基台部１００を移動させる。
気体排出部３７は、例えば真空ポンプであり、三次元積層室２内の空気を排出する。気体導入部３８は、三次元積層室２内に所定成分のガス、例えばアルゴン、窒素等の不活性ガスを導入する。三次元積層装置１は、気体排出部３７により三次元積層室２の空気を排出し、気体導入部３８により三次元積層室２に所定成分の気体、例えばアルゴン、窒素等の不活性ガスを導入する。これにより、三次元積層装置１は、三次元積層室２内を所望するガス雰囲気にすることができる。ここで、実施形態１において、気体導入部３８は、気体排出部３７よりもＺ軸方向下方に設けられる。三次元積層装置１は、気体導入部３８を気体排出部３７よりもＺ軸方向下方に設けることで、空気中の酸素等の気体よりも比重が高いアルゴン等を導入するガスとして用いた場合、三次元積層室２内に好適にアルゴンガスを満たすことができる。なお、導入するガスを空気よりも軽いガスとする場合、配管の配置を逆にすればよい。また、気体排出部３７は、三次元積層室２内の空気以外の気体を排出してもよい。
粉末回収部３９は、積層ヘッド１２の粉末噴射口部６５ａから噴射された粉末Ｐであって、成形層を形成しなかった粉末Ｐを回収する。粉末回収部３９は、三次元積層室２内の気体を吸引して、気体に含まれる粉末Ｐを回収する。積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐは、レーザ光Ｌにより溶融固化して、成形層を形成する。しかし、粉末Ｐの一部は、例えばレーザ光Ｌが照射されないことで、そのまま三次元積層室２内に残る場合がある。また、機械加工部１３により切削されて成形層から排出された切粉が三次元積層室２に残る。粉末回収部３９は、三次元積層室２に残った粉末Ｐや切粉を回収する。粉末回収部３９は、ブラシ等機械的に粉末を回収する機構を備えていてもよい。
図７は、粉末回収部３９の一例を示す模式図である。図７に示すように、粉末回収部３９は、導入部８５と、サイクロン部８６と、気体排出部８７と、粉末排出部８８とを有する。導入部８５は、例えば管状の部材であり、一方の端部が例えば三次元積層室２内に接続されている。サイクロン部８６は、例えば中空の円錐台形状の部材であり、例えば鉛直方向下方に向かって径が小さくなる。導入部８５の他方の端部は、サイクロン部８６の外周の接線方向に沿って、サイクロン部８６に接続されている。気体排出部８７は、管状の部材であり、一方の端部がサイクロン部８６の鉛直方向上方の端部に接続されている。粉末排出部８８は、管状の部材であり、一方の端部がサイクロン部８６の鉛直方向下方の端部に接続されている。
気体排出部８７の他方の端部には、例えば気体を吸引するポンプが接続されている。従って、気体排出部８７は、サイクロン部８６から気体を吸引して、サイクロン部８６を負圧にする。サイクロン部８６は負圧になるため、導入部８５は、三次元積層室２から気体を吸引する。導入部８５は、三次元積層室２内の気体と共に、成形層を形成しなかった粉末Ｐを吸引する。導入部８５は、サイクロン部８６の外周の接線方向に沿って、サイクロン部８６に接続されている。従って、導入部８５に吸引された気体及び粉末Ｐは、サイクロン部８６の内周に沿って旋回する。粉末Ｐは、気体よりも比重が高いため、サイクロン部８６の内周の放射方向外側に遠心分離される。粉末Ｐは、自重により延伸方向下方の粉末排出部８８に向かい、粉末排出部８８から排出される。また、気体は気体排出部８７により排出される。
粉末回収部３９は、このようにして成形層を形成しなかった粉末Ｐを回収する。また、実施形態１における粉末回収部３９は、粉末Ｐを比重毎に分けて回収してもよい。例えば比重が低い粉末は、自重が小さいため、粉末排出部８８に向かわずに、気体排出部８７に吸引される。従って、粉末回収部３９は、比重毎に粉末Ｐを分別して回収することができる。なお、粉末回収部３９は、成形層を形成しなかった粉末Ｐを回収することができれば、このような構成に限られない。
次に、三次元積層装置１による三次元形状物の製造方法について説明する。図８は、実施形態１に係る三次元積層装置１による三次元形状物の製造方法を示す模式図である。また、図８に示す製造方法は、制御装置２０が各部の動作を制御することで実行することができる。実施形態１においては、台座９１上に三次元形状物を製造する場合として説明する。台座９１は、例えば金属製の板状部材であるが、上部に三次元形状物が製造されるものであれば、形状及び材料は任意である。台座９１は、基台部１００上に取付けられる。基台部１００は、台座９１と共に、テーブル部１１の回転テーブル部１７に固定される。なお、台座９１を基台部１００とすることもできる。
制御装置２０は、ステップＳ１に示すように、テーブル部１１により、基台部１００上の台座９１が積層ヘッド１２のＺ軸方向下方に配置されるように、基台部１００を移動させる。
次に、制御装置２０は、ステップＳ２に示すように、粉末導入部３５から積層ヘッド１２に粉末を導入し、積層ヘッド１２から気体と共に粉末Ｐを噴射しつつ、レーザ光Ｌを照射する。粉末Ｐは、所定の収束径をもって、基台部１００上の台座９１に向かって噴射される。レーザ光Ｌは、積層ヘッド１２と台座９１との間において、所定のスポット径をもって粉末Ｐに照射される。ここで、粉末Ｐの収束径のＺ軸方向での位置に対するレーザ光Ｌのスポット径のＺ軸方向での位置および粉末Ｐの収束径のＺ軸方向での位置におけるスポット径は、例えば集光部４９の位置を動かすことにより制御することができる。
制御装置２０は、積層ヘッド１２によりレーザ光Ｌを照射しつつ粉末Ｐを噴射することで、ステップＳ３に示すように、粉末Ｐがレーザ光Ｌの照射により溶融する。溶融した粉末Ｐは、溶融体Ａとして、基台部１００上の台座９１に向かってＺ軸方向下方へ落下する。
Ｚ軸方向下方へ落下した溶融体Ａは、基台部１００上の台座９１の所定の位置に到達する。台座９１上の溶融体Ａは、台座９１上の所定の位置で、例えば放冷されることにより冷却される。冷却された溶融体Ａは、ステップＳ４に示すように、台座９１上で固化体Ｂとして固化される。
制御装置２０は、テーブル部１１で基台部１００上を所定の位置に移動させつつ、ステップＳ２からステップＳ４に示す手順で積層ヘッド１２により固化体Ｂを基台部１００上に形成する。これらの手順を繰り返すことにより、ステップＳ５に示すように、固化体Ｂは、台座９１上で所定の形状を有する成形層９２を形成する。
制御装置２０は、ステップＳ６に示すように、台座９１に形成された成形層９２が機械加工部１３のＺ軸方向下方に配置されるように、テーブル部１１により基台部１００の台座９１を移動させる。さらに、制御装置２０は、機械加工部１３により、成形層９２を機械加工する。制御装置２０は、機械加工部１３による機械加工を実施するか否かを選択し、不要な場合は実行しなくてもよい。従って、ステップＳ６に示す機械加工は、制御装置２０の指令によっては、実施されない場合がある。
次に、制御装置２０は、ステップＳ７に示すように、台座９１に形成された成形層９２が積層ヘッド１２のＺ軸方向下方に配置されるように、テーブル部１１により基台部１００の台座９１を移動させる。そして、ステップＳ２からステップＳ６に示す手順を繰り返し、成形層９２の上に成形層９３が順次積層され、三次元形状物が製造される。
以上を纏めると、実施形態１に係る三次元積層装置１は、次のように三次元形状物を製造する。積層ヘッド１２の粉末噴射部６３は、粉末Ｐを基台部１００上の台座９１に向かって噴射する。また、積層ヘッド１２の粉末流路６３は、積層ヘッド１２と台座９１との間において、粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射する。レーザ光Ｌが照射された粉末Ｐは、溶融され、基台部１００上の台座９１上で固化されて、成形層９２を形成する。三次元積層装置１は、成形層９２上に順次成形層９３を積層し、機械加工部１３により成形層９２，９３に適宜機械加工を加えて、三次元形状物を製造する。
実施形態１において、三次元形状物は、台座９１上に製造されたが、三次元形状物は、台座９１上に製造されなくてもよい。三次元形状物は、例えば基台部１００上に直接製造されてもよい。また、三次元積層装置１は、既存の造形物上に成形層を積層することにより、いわゆる肉盛り溶接を行ってもよい。
次に、実施形態１に係る三次元積層装置１による三次元形状物の製造の詳細な工程について説明する。図９は、実施形態１に係る三次元積層装置１による三次元形状物の製造工程を示すフローチャートである。制御装置２０は、例えば記憶部７３内に記憶された三次元形状物の設計情報を読み出す。
次に、制御装置２０は、気体排出部３７により三次元積層室２内の空気を排出する（ステップＳ１１）。ここで、三次元積層室２は、扉６が閉じており、予備室３と分離されている。また、三次元積層室２は、他の外気と連通している部分も閉じられ、密封されている。制御装置２０は、例えば、気体排出部３７により空気を排出することで、三次元積層室２内の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下とする。制御装置２０は、三次元積層室２内の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下とすることで、不活性状態とすることができ、１０ｐｐｍ以下とすることで、より確実に不活性状態とすることができる。
次に、台座９１を有する基台部１００を予備室３内の基台移動部３６に取付ける（ステップＳ１２）。なお、三次元積層装置１は、ステップＳ１２の処理を、ステップＳ１１の処理よりも先に行ってもよい。
制御装置２０は、予備室３内の基台移動部３６が取付けられたら、予備室３の扉７を閉じ、予備室気体排出部２５により、予備室３内の空気を排出する（ステップＳ１３）。制御装置２０は、予備室気体排出部２５で空気を排出することで、予備室３内の酸素濃度を低下させる。予備室３内の酸素濃度は、例えば三次元積層室２内と同じ酸素濃度になることが好ましい。
制御装置２０は、予備室３の空気の排出が完了したら、三次元積層室２の扉６を開き、基台移動部３６により三次元積層室２内の回転テーブル部１７に基台部１００を取付ける（ステップＳ１４）。基台部１００は、回転テーブル部１７に固定される。制御装置２０は、基台部１００を回転テーブル部１７に取り付けたら、基台移動部３６を予備室３内に戻し、扉６を閉じる。
制御装置２０が、基台部１００を回転テーブル部１７にセットしたら、気体導入部３８により三次元積層室２内にガスを導入する（ステップＳ１５）。制御装置２０は、気体導入部３８により、三次元積層室２内を、導入したガス雰囲気にする。実施形態１において、気体導入部３８が導入するガスは、窒素若しくはアルゴン等の不活性ガスである。気体導入部３８は、三次元積層室２内の残留酸素濃度が１００ｐｐｍ以下となるように、不活性ガスを導入する。
また、三次元積層装置１は、粉末材料の種類によっては、ステップＳ１１，ステップＳ１３，ステップＳ１５を省略してもよい。例えば粉末材料の酸化によっても三次元形状物の品質等が問題にならない場合は、これらのステップを省略し、三次元積層室２及び予備室３を大気雰囲気にしてもよい。また、ステップＳ１３及びステップＳ１５は、ステップＳ１６以降においても継続して行われていてもよい。すなわち、気体排出部３７は、三次元形状物を製造している間、三次元積層室２から空気を適宜排出してもよい。また気体導入部３８は、三次元形状物を製造している間、三次元積層室２内に適宜不活性ガスを導入してもよい。
制御装置２０は、三次元積層室２への不活性ガスの導入が完了したら、基台部１００上の台座９１について機械加工を行うかを判断する（ステップＳ１６）。例えば、制御装置２０は、形状計測部３０に台座９１の表面形状を計測させる。制御装置２０は、形状計測部３０の計測結果に基づき、台座９１について機械加工を行うかを判断する。制御装置２０は、例えば、台座９１の表面粗さが所定の値より大きかった場合、台座９１の機械加工を行うと判断する。ただし、制御装置２０による台座９１の機械加工の要否判断は、これに限られず、形状計測部３０の計測結果によらなくてもよい。制御装置２０は、例えば、記憶部７３内に台座９１の情報を記憶させておき、台座９１の情報と三次元形状物の設計情報とから、台座９１の加工要否を判断してもよい。また、制御装置２０は、常に台座９１を加工する設定としてもよい。
制御装置２０は、台座９１の機械加工が必要であると判断した場合（ステップＳ１６でＹｅｓ）、機械加工部１３により、所定の条件で台座９１の機械加工を行う（ステップＳ１７）。制御装置２０は、例えば形状計測部３０による台座９１の形状計測結果、又は台座９１の情報と三次元形状物の設計情報と等に基づき、台座９１の機械加工の条件を決定する。
制御装置２０は、台座９１の加工が必要でないと判断した場合（ステップＳ１６でＮｏ）、または、所定の条件で台座９１の機械加工を行った場合、例えば記憶部７３から読み出した三次元形状物の設計情報に基づき、成形層の形成条件を決定する（ステップＳ１８）。成形層の形成条件とは、例えば、成形層の各層の形状、粉末Ｐの種類、粉末Ｐの噴射速度、粉末Ｐの噴射圧力、レーザ光Ｌの照射条件、粉末Ｐの収束径とレーザ光Ｌのスポット径と成形層表面との位置関係、気中で溶融した粉末Ｐの寸法、温度、形成中の成形層表面に形成される溶融プールの寸法、冷却速度、又はテーブル部１１による基台部１００の移動速度等、成形層を形成する上で必要な条件である。
制御装置２０は、成形層の形成条件を決定したら、積層ヘッド１２により、粉末Ｐを基台部１００上の台座９１に向かって噴射し、レーザ光Ｌの照射を開始する（ステップＳ１９）。制御装置２０は、粉末Ｐを噴射しつつ、レーザ光Ｌを照射することで、レーザ光Ｌにより粉末Ｐを溶融し、溶融した粉末Ｐを固化することができ、台座９１上に固化体Ｂが形成する。
制御装置２０は、粉末Ｐを噴射しつつ、レーザ光Ｌを照射し、テーブル部１１により基台部１００を移動させることで、台座９１上に成形層９２を形成する（ステップＳ２０）。制御装置２０は、加熱ヘッド３１により、成形層９２を加熱したり、固化体Ｂが付着する前の部分を加熱したりしてもよい。
制御装置２０は、成形層９２を形成したら、成形層９２に機械加工が必要かを判断する（ステップＳ２１）。制御装置２０は、例えば形状計測部３０に、成形層９２の表面形状を計測させる。制御装置２０は、形状計測部３０の計測結果に基づき、成形層９２の機械加工の要否を判断する。例えば、制御装置２０は、成形層９２の表面粗さが所定の値より大きかった場合、成形層９２の機械加工を行うと判断する。ただし、成形層９２の機械加工の要否判断の基準は、これに限られない。制御装置２０は、例えば三次元形状物の設計情報と成形層の形成条件とから、成形層９２の機械加工の要否を判断してもよい。例えば、制御装置２０は、成形層の形成条件から算出された成形層９２の表面粗さが三次元形状物の設計情報に基づく必要な表面粗さよりも大きい場合、成形層９２に機械加工が必要であると判断するようにしてもよい。
制御装置２０は、成形層９２の機械加工が必要ではないと判断した場合（ステップＳ２１でＮｏ）、ステップＳ２４に進む。制御装置２０は、成形層９２の機械加工が必要である（ステップＳ２１でＹｅｓ）と判断した場合、成形層９２の機械加工の加工条件を決定する（ステップＳ２２）。例えば、制御装置２０は、形状計測部３０の計測結果、又は三次元形状物の設計情報と成形層の形成条件と等に基づき、加工条件を決定する。制御装置２０は、成形層加工条件を決定したら、機械加工部１３により、決定した加工条件に基づいて成形層９２を機械加工する（ステップＳ２３）。
制御装置２０は、成形層９２の機械加工を行った場合、または、成形層９２の機械加工が必要ではないと判断した場合、成形層９２の上に更に成形層９３を積層する必要があるかを判断する（ステップＳ２４）。制御装置２０は、例えば記憶部７３から読み出した三次元形状物の設計情報に基づき、成形層９２の上に更に成形層９３を積層する必要があるかを判断する。
制御装置２０は、成形層９３の積層が必要であると判断した場合（ステップＳ２４でＹｅｓ）、ステップＳ１８に戻って、成形層９２上に成形層９３を積層する。制御装置２０は、成形層９３の積層が不要である（ステップＳ２４でＮｏ）と判断した場合、三次元形状物の製造が完了となる。
三次元積層室２内において例えば酸素又は窒素等の気体濃度が高い場合、粉末Ｐは、例えば酸化又は窒化等の変質を生じる可能性がある。しかし、実施形態１においては、気体排出部３７は、三次元積層室２内の空気を排出し、気体導入部３８は、三次元積層室２内に不活性ガスを導入する。従って、実施形態１に係る三次元積層装置１は、粉末Ｐの変質を抑制し、三次元形状物の品質の低下を抑制することができる。さらに、気体導入部３８は、任意の気体を導入することができる。従って、実施形態１に係る三次元積層装置１は、例えば粉末の種類に応じて、最適な気体雰囲気下で、三次元形状物を製造することができる。
また、実施形態１に係る三次元積層装置１は、積層ヘッド１２により成形層を形成する。従って、実施形態１においては、積層ヘッド１２の粉末噴射口部６５ａ及びレーザ照射口部６５ｂを含むノズル２３を三次元積層室２内に配置している。ここで、積層ヘッド１２はＺ軸方向に可動する機械である。実施形態１に係る三次元積層装置１は、積層ヘッド１２の移動に伴い伸縮しつつ、三次元積層室２内を密封するベローズ１８を有する。従って、三次元積層装置１は、三次元積層室２内に積層ヘッド１２等の可動する機械を収納する場合においても、三次元積層室２内の気密低下を抑制し、三次元形状物の品質の低下を抑制することができる。さらに、三次元積層装置１０は、本実施形態のように、積層ヘッド１２を一軸方向にのみ移動する機構とすることで、ベローズ１８を一軸方向に伸縮可能に配置すればよくなる。これにより、ベローズ１８に係る負荷を少なくしつつ移動に追従して伸縮させることができ、より好適に三次元積層室２内を密封することができる。これにより、積層ヘッド１２を多軸方向に移動させる構造にする場合に比べ、装置構成を小さくすることができ、かつ、密閉性をより維持しやすくすることができる。さらに、ベローズ１８は、積層ヘッド１２のノズル２３のみを三次元積層室２内に配置することができる。従って、三次元積層装置１は、積層ヘッド１２の全てを三次元積層室２内に配置させるよりも、三次元積層室２の容積を小さくすることができる。そのため、三次元積層装置１は、三次元積層室２内の気体の排出と所定の気体の導入を容易に行うことができる。また、ベローズ１９と機械加工部１３との関係も同様である。
さらに、三次元積層装置１は、予備室３を有する。予備室３は、三次元積層室２と外部とが直接接続されることを抑制する。従って、予備室３は、例えば三次元積層室２内に基台部１００を出し入れする際に、外部から三次元積層室２内に空気が流入したり、三次元積層室２内の不活性ガスが外部に流出したりすることを抑制することができる。そのため、三次元積層装置１は、三次元積層室２内の気体を排出したり、三次元積層室２内に所定の気体を導入したりする時間を短縮することができる。また、基台移動部３６は、三次元積層室２の内部に基台部１００を移動させる。三次元積層室２は、内部の空気が排出されている場合がある。基台移動部３６は、例えば作業者が三次元積層室２の内部に入らなくても、三次元積層室２の内部に基台部１００を移動させることができる。
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について、図面を参照に説明する。実施形態２に係る三次元積層装置１Ａは、積層ヘッド１２にカバー部１２０を有する点で、実施形態１に係る三次元積層装置１と異なる。実施形態２に係る三次元積層装置１Ａは、他の点において実施形態１に係る三次元積層装置１と同じ構成であるため、重複する部分の説明を省略する。
図１０は、実施形態２に係るカバー部１２０の一例を示す断面図である。カバー部１２０は、内部に空間１２１を形成する箱状の部材である。カバー部１２０は、基台部１００の三次元形状物が製造される箇所を覆う。カバー部１２０は、カバー部１２０に接続されるカバー部気体排出部１２２及びカバー部気体導入部１２４により、積層ヘッド１２から噴射される粉末Ｐの周囲の気体雰囲気を調整する。
図１０に示すように、カバー部１２０は、取付部１３２と、壁部１３４と、気体排出用開口部１３６と、気体導入用開口部１３８と、開口部１４０とを有する。
取付部１３２は、積層ヘッド１２が取り付けられる板状の部材であり、開口部１３３を有する。壁部１３４は、取付部１３２の周方向に沿って設けられる。壁部１３４は、取付部１３２の外周から、取付部１３２の面と交差する方向に向かって端部１３５まで延在する。壁部１３４は、端部１３５の内周において、開口部１４０を形成する。取付部１３２と壁部１３４とに囲まれる部分は、空間１２１を形成する。
気体排出用開口部１３６は、壁部１３４に設けられ、空間１２１とカバー部１２０の外部とを導通させる。気体導入用開口部１３８は、壁部１３４に設けられ、空間１２１とカバー部１２０の外部とを導通させる。気体排出用開口部１３６は、気体導入用開口部１３８よりも取付部１３２側に設けられている。ただし、気体排出用開口部１３６と気体導入用開口部１３８とは、空間１２１とカバー部１２０の外部とを導通させるものであれば、これらの位置に限られない。気体排出用開口部１３６は、気体導入用開口部１３８よりも開口部１４０側に設けられてもよい。また、気体排出用開口部１３６と気体導入用開口部１３８とは、例えば取付部１３２に設けられてもよい。
気体排出用開口部１３６は、排出管１４２を介して、カバー部気体排出部１２２と接続されている。カバー部気体排出部１２２は、例えば真空ポンプである。カバー部気体排出部１２２は、制御装置２０によって制御され、カバー部１２０の空間１２１内の空気を排出する。カバー部気体排出部１２２は、制御装置２０によって制御される。カバー部気体排出部１２２は、三次元積層室２の外部に設けられているが、例えば三次元積層室２内に設けられていてもよい。また、カバー部気体排出部１２２は、カバー部１２０の空間１２１内の空気以外の気体を排出してもよい。
気体導入用開口部１３８は、導入管１４４を介して、カバー部気体導入部１２４と接続されている。カバー部気体導入部１２４は、制御装置２０によって制御され、カバー部１２０の空間１２１内に所定成分の気体、例えばアルゴン、窒素等の不活性ガスを導入する。実施形態２においては、カバー部気体導入部１２４は、三次元積層室２内に導入される気体と同じ気体が導入される。カバー部気体導入部１２４は、三次元積層室２の外部に設けられているが、例えば三次元積層室２内に設けられていてもよい。なお、カバー部１２０の空間１２１内には、三次元積層室２内に導入される気体と異なる気体が導入されてもよい。
カバー部１２０は、積層ヘッド１２に取付けられる。より詳しくは、カバー部１２０は、取付部１３２の開口部１３３を介して、空間１２１に積層ヘッド１２のノズル２３を収納するように、積層ヘッド１２に取付けられる。積層ヘッド１２と取付部１３２の開口部１３３とは、互いに密封されている。カバー部１２０は、積層ヘッド１２に取付けられることにより、Ｚ軸方向下部に向かって、開口部１４０を開口させる。次に、カバー部１２０により粉末Ｐの周囲の気体雰囲気を調整する方法について説明する。
図１１は、実施形態２に係るカバー部１２０により粉末Ｐの周囲の気体雰囲気を調整する工程を示すフローチャートである。制御装置２０は、三次元積層室２内の空気を排出し、三次元積層室２内に不活性ガスを導入する。次に、制御装置２０は、テーブル部１１により、カバー部１２０が基台部１００上の台座９１を覆うように、基台部１００を移動させる（ステップＳ３１）。カバー部１２０の端部１３５は、基台部１００のＺ軸方向上方に位置する。カバー部１２０は、積層ヘッド１２とともに移動するため、制御装置２０は、カバー部１２０の端部１３５と基台部１００とを互いに接触せずに、空間１３７を形成させている。なお、カバー部１２０は、基台部１００の三次元形状物が製造される箇所を覆えば、台座９１の全体を覆わなくてもよい。例えば、カバー部１２０は、台座９１のＺ軸方向上方の面のみを覆ってもよい。なお、ステップＳ３１において、制御装置２０は、カバー部１２０が基台部１００上の台座９１を覆うように、積層ヘッド１２をＺ軸方向に移動させてもよい。
制御装置２０が、カバー部１２０が台座９１を覆うように基台部１００を移動させたら、制御装置２０は、カバー部気体排出部１２２によりカバー部１２０内の空間１２１内の空気を排出する（ステップＳ３２）。制御装置２０は、例えば、カバー部気体排出部１２２によりにより空気を排出することで、カバー部１２０内の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下とする。制御装置２０は、カバー部１２０内の酸素濃度を１００ｐｐｍ以下とすることで、不活性状態とすることができ、１０ｐｐｍ以下とすることで、より確実に不活性状態とすることができる。
制御装置２０がカバー部１２０の空間１２１内の空気を排出させたら、制御装置２０は、カバー部気体導入部１２４により、カバー部１２０内の空間１２１内に不活性ガスを導入する（ステップＳ３３）。制御装置２０は、カバー部気体導入部１２４により、カバー部１２０内の空間１２１内を、導入した不活性ガス雰囲気にする。実施形態２において、カバー部気体導入部１２４が導入するガスは、気体導入部３８により三次元積層室２内に導入されるガスと同じ窒素もしくはアルゴン等の不活性ガスである。気体導入部３８は、三次元積層室２内の残留酸素濃度が１００ｐｐｍ以下となるように、不活性ガスを導入する。
制御装置２０がカバー部１２０の空間１２１内に不活性ガスを導入したら、制御装置２０は、積層ヘッド１２により、三次元形状物を製造する（ステップＳ３４）。すなわち、制御装置２０は、制御装置２０がカバー部１２０の空間１２１内に不活性ガスを導入した後に、三次元形状物の製造を開始する。台座９１が空間１２１内に収納されているため、成形層９２は、不活性ガス雰囲気下の空間１２１内で形成される。三次元形状物の製造が完了すれば、この工程は終了する。なお、ステップＳ３２及びステップＳ３３は、ステップＳ３４においても継続して行われる。すなわち、制御装置２０は、三次元形状物を製造している間、カバー部気体排出部１２２によりカバー部１２０内の空間１２１内の空気を排出し続ける。また、制御装置２０は、三次元形状物を製造している間、カバー部１２０内の空間１２１内に適宜不活性ガスを導入し続ける。ただし、制御装置２０は、例えば空間１２１内の酸素濃度及び不活性ガス濃度に応じて、空間１２１内の空気を適宜排出させ、空間１２１内に不活性ガスを適宜導入してもよい。
このように、実施形態２に係る三次元積層装置１Ａは、カバー部１２０を有する。カバー部１２０は、台座９１を覆い、台座９１が収納される空間１２１内の空気を排出し、空間１２１内に不活性ガスを導入する。すなわち、実施形態２に係る三次元積層装置１Ａは、三次元積層室２内を不活性ガス雰囲気下にした上で、さらに、成形層９２が形成される箇所から、空気を排出して不活性ガスを導入する。従って、実施形態２に係る三次元積層装置１Ａは、成形層９２の周囲をより好適に不活性ガス雰囲気下にすることができる。そのため、実施形態２に係る三次元積層装置１Ａは、粉末Ｐの変質を抑制し、三次元形状物の品質の低下を抑制することができる。さらに、カバー部気体導入部１２４は、任意の気体を導入することができる。従って、実施形態２に係る三次元積層装置１Ａは、例えば粉末の種類に応じて、最適な気体雰囲気下で、三次元形状物を製造することができる。
また、実施形態２に係る三次元積層装置１Ａは、三次元形状物を製造している間、カバー部１２０内の空気を排出し、不活性ガスを導入させる。従って、実施形態２に係る三次元積層装置１Ａは、カバー部１２０の端部１３５と基台部１００との間に空間１３７が形成されていても、カバー部１２０内を好適に不活性ガス雰囲気下にすることができる。
また、気体導入用開口部１３８は、気体排出用開口部１３６よりもＺ軸方向下方に設けられる。三次元積層装置１Ａは、気体導入用開口部１３８を気体排出用開口部１３６よりもＺ軸方向下方に設けることで、空気中の酸素等の気体よりも比重が高いアルゴン等を導入するガスとして用いた場合、カバー部１２０内に好適にアルゴンガスを満たすことができる。なお、導入するガスを空気よりも軽いガスとする場合、気体導入用開口部１３８と気体排出用開口部１３６との配置を逆にすればよい。
カバー部１２０内に空気中の酸素等の気体よりも比重が高いアルゴンガスなどを導入する場合、気体導入用開口部１３８は台座９１よりＺ軸方向上方に形成されていることが望ましい。空気中の酸素等の気体よりも比重が高いアルゴンガスは、Ｚ軸方向下方に移動しやすい。気体導入用開口部１３８が台座９１よりＺ軸方向上方に設けられていることにより、実施形態２に係る三次元積層装置１Ａは、導入したアルゴンガスを成形層９２の周囲により好適に移動させることができる。なお、導入するガスを空気よりも軽いガスとする場合、気体導入用開口部１３８は台座９１よりＺ軸方向下方に形成されていることが望ましい。
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態の内容によりこれらの実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態等の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。さらに、前述した実施形態等の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。例えば、本実施形態に係る三次元積層装置１は、積層ヘッド１２により粉末Ｐを噴射して、粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射する構成に限られない。三次元積層装置１は、粉末Ｐを供給して粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射することにより成形層を形成し、成形層に適宜機械加工を加えることができればよい。例えば、三次元積層装置１は、粉末供給部により粉末層を形成し、粉末層の一部にレーザ光Ｌを照射して粉末を焼結させることにより、成形層を形成するものであってもよい。また、例えば、三次元積層装置は、制御装置２０をインターネット等の通信回線を通じて外部の機器と接続され、外部の機器から入力される指示に基づいて加工条件、例えば成形層の形成条件を変更、設定してもよい。つまり、三次元積層装置は、通信回線を用いて通信し、外部の機器から加工条件を変更できるようにしてもよい。
１ 三次元積層装置
２ 三次元積層室
３ 予備室
４ 積層ヘッド収納室
４ａ、５ａ Ｚ軸スライド部
５ 機械加工部収納室
６、７ 扉
１０ ベッド
１１ テーブル部
１２ 積層ヘッド
１３ 機械加工部
１５ Ｙ軸スライド部
１６ Ｘ軸スライド部
１７ 回転テーブル部
１８、１９ ベローズ
２０ 制御装置
２２ 工具
２３ ノズル
２５ 予備室気体排出部
３０ 形状計測部
３１ 加熱ヘッド
３２ 機械加工部計測部
３３ 工具交換部
３４ ノズル交換部
３５、３５Ａ 粉末導入部
３６ 基台移動部
３７ 気体排出部
３８ 気体導入部
３９ 粉末回収部
４１，４２ 面
４３，４４，４５ 開口部
５０ 空間
５１ ベローズ部
５３ ガイド部
５３ａ，５３ｂ，５３ｃ サブガイド部
５５ 山部
５６ 谷部
５８ａ，５８ｂ，５９ｂ，５９ｃ 可動部
６１ 外管
６２ 内管
６３ 粉末流路
６４ レーザ経路
６５ａ 粉末噴射口部
６５ｂ レーザ照射口部
６６ 本体
６７ 光源
６８ 光ファイバ
６９ 集光部
７１ 入力部
７２ 制御部
７３ 記憶部
７４ 出力部
７５ 通信部
８０ 空間
８１、８１Ａ 粉末収納部
８２、８２Ａ 粉末識別部
８３ カートリッジ
８４ 材料表示部
８５ 導入部
８６ サイクロン部
８７ 気体排出部
８８ 粉末排出部
９１ 台座
９２、９３ 成形層
１００ 基台部
１０２、１０４、１０６、１０８ 矢印
１２０ カバー部
１２１ 空間
１２２ カバー部気体排出部
１２４ カバー部気体導入部
１３２ 取付部
１３３ 開口部
１３４ 壁部
１３５ 端部
１３６ 気体排出用開口部
１３７ 空間
１３８ 気体導入用開口部
１４０ 開口部
Ａ 溶融体
Ｂ 固化体
Ｌ レーザ光
Ｐ 粉末

Claims (5)

  1. 基台部に成形層を積層させて三次元形状物を形成する三次元積層装置であって、
    粉末材料を供給する粉末供給部と、
    前記粉末材料に光ビームを照射し、前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結又は溶融固化させて前記成形層を形成する光照射部と、
    外部から密封され、前記粉末供給部、前記光照射部及び前記基台部を収納する三次元積層室と、
    前記三次元積層室内の気体を排出する気体排出部と、
    前記三次元積層室内に所定の気体を導入する気体導入部と、を有し、
    前記気体排出部が前記三次元積層室内の気体を排出して、前記気体導入部が前記所定の気体を導入することにより、前記三次元積層室内を所定の気体雰囲気にし、
    前記粉末供給部は、先端の開口部から前記基台部に向かって前記粉末材料を噴射し、
    前記光照射部は、先端の開口部から、前記粉末供給部から前記基台部に向けて移動する前記粉末材料に光ビームを照射し、前記粉末材料を溶融させて、溶融した前記粉末材料を前記基台部上で固化させて、
    前記三次元積層室は、前記粉末供給部の開口部と前記光照射部の開口部とを収納し、
    さらに、前記粉末供給部及び前記光照射部に取付けられて、前記粉末供給部及び前記光照射部の開口部から前記基台部の前記成形層が形成される部分までを覆うカバー部と、
    排出管を介して前記カバー部に接続されて、前記カバー部内の気体を前記三次元積層室の外部に排出するカバー部気体排出部と、
    導入管を介して前記カバー部に接続されて、前記三次元積層室の外部から前記カバー部内に所定の気体を導入するカバー部気体導入部と、
    を有し、
    前記カバー部気体排出部が前記カバー部内の気体を排出して前記カバー部気体導入部が前記所定の気体を導入することにより、前記カバー部は、前記基台部周囲を前記所定の気体雰囲気にし、
    前記カバー部は、前記粉末供給部及び前記光照射部と一体に動くものである、三次元積層装置。
  2. 前記粉末供給部と前記光照射部とは、前記粉末供給部が前記光照射部の外周に同心円状に配置され、前記光照射部の前記光ビームが通過する経路を囲う内管と、前記内管を覆い前記内管との間に前記粉末材料の流れる粉末流路を形成する外管とを有し、かつ一方向に移動可能な積層部を形成し、
    前記積層部に取付けられて、前記積層部の移動に伴い前記三次元積層室を外部から密封しながら前記一方向に沿って伸縮する伸縮部を有する、請求項１に記載の三次元積層装置。
  3. 前記積層部は、一軸方向にのみ移動可能である、請求項２に記載の三次元積層装置。
  4. 前記三次元積層室と前記三次元積層室の外部とを接続して、前記三次元積層室及び三次元積層室の外部から密封される予備室を有し、
    前記基台部は、前記予備室を介して前記三次元積層室外部から前記三次元積層室内に移動されることにより、前記三次元積層室内に収納される、
    請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の三次元積層装置。
  5. 前記光照射部は、前記基台部と前記粉末供給部との間の空間において前記粉末材料に前記光ビームを照射し、前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を前記空間で溶融させて液滴状の溶融体を形成し、前記空間から前記基台部に落下した前記溶融体を固化させて、前記成形層を形成する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の三次元積層装置。
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