JP6344296B2

JP6344296B2 - 堆積粉体の破砕方法

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Publication number: JP6344296B2
Application number: JP2015082705A
Authority: JP
Inventors: 勝二原尻; 喜之三矢; 井藤　勝弘; 勝弘井藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2018-06-20
Anticipated expiration: 2035-04-14
Also published as: JP2016199019A

Description

本発明は堆積粉体の破砕方法に関する。

近年、無機材料もしくは有機材料からなる粉体材料にレーザビームを照射し、焼結または溶融固化させることにより、３次元形状の積層造形物を製造する積層造形装置が注目されている。具体的には、ステージ上に粉体材料を敷き詰めて粉体層を形成する工程と、この粉体層の所定領域にレーザビ−ムを照射して焼結または溶融固化させることにより硬化層を形成する工程とを繰り返す。これにより、多数の硬化層を積層一体化して３次元形状の造形物を製造することができる。

このような積層造形装置では、ステージ上に粉体材料を供給するためのホッパーが設けられている。ホッパーはステージ上に供給する粉体材料を一時的に貯蔵する貯留槽である。ホッパーは、上側から供給された粉体材料を一時的に貯蔵し、この粉体材料を下側に設けられた排出口から排出する構造を有する。

特許文献１には、樹脂原料を押出成形機に供給する樹脂原料供給用ホッパーにおいて、ホッパーの排出口近傍で発生する樹脂原料のブリッジを解消することができる樹脂原料供給用ホッパーが開示されている。特許文献１に開示されている技術では、ホッパー内に堆積している粉体材料にガスを噴射することで、堆積している粉体材料を除去している。

特開２０００−０４３９８３号公報

ホッパーに貯蔵されている粉体材料がホッパーの排出口から排出される際、ホッパー内に粉体材料が堆積し、この堆積した堆積粉体によってラットホールが形成される場合がある。特許文献１に開示されている技術では、ホッパー内にガス噴射ノズルを設け、このガス噴射ノズルから堆積粉体にガスを噴射することで堆積粉体を破砕している。

しかしながら、堆積粉体にガスを噴射する際に多方向にガスを噴射した場合は、上方向に噴射されたガスによって上方向に吹き飛ばされた粉体材料が落下する際、ホッパー内に堆積している粉体材料と衝突して粉体材料同士が凝集する。このように粉体材料同士が凝集すると、積層造形装置のステージ上に粉体材料を適切に供給することができないとう問題がある。

上記課題に鑑み本発明の目的は、ホッパー内に堆積している堆積粉体を破砕する際に粉体材料同士が凝集することを抑制することが可能な堆積粉体の破砕方法を提供することである。

本発明にかかる堆積粉体の破砕方法は、ホッパー内に堆積している堆積粉体を破砕する堆積粉体の破砕方法であって、前記堆積粉体が堆積している位置に設けられた横方向にガスを噴射する横方向ノズルから前記堆積粉体にガスを噴射して前記堆積粉体を破砕する第１のガス噴射工程と、前記第１のガス噴射工程の後、前記堆積粉体が堆積している位置に設けられた上方向にガスを噴射する上方向ノズルと前記横方向ノズルとから前記堆積粉体にガスを噴射して前記堆積粉体を破砕する第２のガス噴射工程と、を備える。

本発明にかかる堆積粉体の破砕方法では、第１のガス噴射工程において横方向にガスを噴射して堆積粉体の一部を破砕した後、第２のガス噴射工程において横方向および上方向にガスを噴射している。ここで、第１のガス噴射工程において横方向にガスを噴射した後は、横方向に噴射されたガスによって堆積粉体の一部が破砕され、この破砕された粉体材料の一部が排出口から排出される。このため、第１のガス噴射工程において横方向にガスを噴射した後は粉体材料の高さ（図５のｈ２参照）が、横方向にガスを噴射する前の粉体材料の高さ（図４のｈ１参照）よりも低くなる。よって、第２のガス噴射工程において上方向にガスを噴射した際に上方向に吹き飛ばされる粉体材料の量を少なくすることができるので、粉体材料同士が衝突して凝集することを抑制することができる。

本発明により、ホッパー内に堆積している堆積粉体を破砕する際に粉体材料同士が凝集することを抑制することが可能な堆積粉体の破砕方法を提供することができる。

実施の形態にかかる堆積粉体の破砕方法が実施される積層造形装置を説明するための図である。図１に示した積層造形装置が備えるホッパーの詳細な構成を説明するための図である。実施の形態にかかる堆積粉体の破砕方法を説明するためのフローチャートである。実施の形態にかかる堆積粉体の破砕方法を説明するための図である。実施の形態にかかる堆積粉体の破砕方法を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
まず、図１を用いて本実施の形態にかかる堆積粉体の破砕方法が実施される積層造形装置の概要について説明する。図１に示すように、積層造形装置１は、ベース１１、定盤１２、造形槽１３、造形槽支持部１４、造形槽駆動部１５、支柱１６、支持部１７、レーザスキャナ１８、光ファイバ１９、レーザ発振器２０、粉体層形成部３１、粉体分配器３４、ホッパー５０、減圧装置３９、及び粉体貯蔵部４０を備える。

ベース１１は、定盤１２及び支柱１６を固定するための台である。ベース１１は、定盤１２が載置される上面が水平になるように、床面に設置される。

定盤１２は、ベース１１の水平な上面に載置、固定されている。定盤１２の上面も水平であって、この定盤１２の上面（ステージ）に粉体が敷き詰められ、３次元造形物２７が形成されていく。図１の例では、定盤１２は、四角柱状の部材である。図１に示すように、定盤１２の上面の周縁全体に、水平方向に張り出したフランジ状の凸部１２ａが形成されている。凸部１２ａの外周面が全体に亘り造形槽１３の内側面と接触しているため、定盤１２の上面及び造形槽１３の内側面に囲われた空間に、積層された粉体層２６を保持することができる。本実施の形態において、粉体材料は、例えば金属材料やセラミック材料等の無機材料である。

造形槽１３は、定盤１２の上面に敷き詰められた粉体を側面から保持する筒状の部材である。造形槽１３の上部開口端である造形部２５に粉体層２６を形成し、この粉体層２６にレーザビーム２２を照射することにより硬化層を形成する。また、造形槽１３は、上下方向（鉛直方向）に移動可能に設置されている。つまり、硬化層を形成する度に造形槽１３を定盤１２に対して一定量ずつ上昇させ、３次元造形物２７を形成していく。

造形槽支持部１４は、造形槽１３のフランジ部１３ａの上面が水平となるように、フランジ部１３ａの下面を支持している支持部材である。造形槽支持部１４は、造形槽１３を上下方向（鉛直方向）に移動させる造形槽駆動部１５の連結部１５ｃに連結されている。

造形槽駆動部１５は、造形槽１３を上下方向に移動させるための駆動機構である。造形槽駆動部１５は、ベース１１から鉛直方向に立設された支柱１６に固定されている。造形槽駆動部１５は、モータ１５ａ、ボールねじ１５ｂ、連結部１５ｃを備える。モータ１５ａが駆動すると、鉛直方向に延設されたボールねじ１５ｂが回転する。そして、ボールねじ１５ｂが回転すると、ボールねじ１５ｂに沿って、連結部１５ｃが上下方向に移動する。これにより、造形槽１３が上下方向に移動する。

レーザスキャナ１８は、造形槽１３の上部開口端である造形部２５に形成された粉体層２６に対して、レーザビーム２２を照射する。レーザスキャナ１８は、不図示のレンズ及びミラーを備えており、レーザビーム２２を水平面上において走査することができる。つまり、水平面上の任意の箇所の粉体材料を選択的に加熱して固化することができる。レーザビーム２２は、レーザ発振器２０において生成され、光ファイバ１９を介して、レーザスキャナ１８に導入される。レーザスキャナ１８は、支持部１７に固定されている。

粉体層形成部３１は、造形部２５に粉体材料を供給して粉体層２６を形成する。粉体分配器３４は、ホッパー５０から配管３５を介して供給された粉体材料を計量し、所定の量の粉体材料を粉体層形成部３１の空隙３２に投入する。つまり、粉体層形成部３１は、空隙３２に所定の量の粉体材料を保持し、その後、水平方向（紙面左右方向）に移動することで、造形部２５に粉体層２６を形成する。

具体的には、３次元造形物２７を形成する際、造形槽駆動部１５は造形槽１３を上方向に移動する。これにより、粉体層２６の最上層と造形槽１３のフランジ部１３ａの上面との間に段差が形成される。その後、粉体層形成部３１が水平方向（紙面右方向）に移動することで、粉体層２６の最上層の上に新たに粉体層２６が形成される。このとき、粉体層２６の最上層とフランジ部１３ａの上面とが同一面となる（つまり、段差がなくなる）。その後、粉体層２６の所定領域にレーザビ−ム２２を照射して粉体層２６を選択的に加熱して固化する。その後、造形槽１３を上方向に移動して同様の動作を繰り返す。このように、造形槽１３を上方向に移動した後、粉体層形成部３１を用いて粉体層２６を形成する工程と、レーザビ−ム２２を用いて粉体層２６を選択的に固化する工程とを繰り返すことで、３次元造形物２７を形成することができる。

ホッパー５０は、造形部２５に供給する粉体材料を一時的に貯蔵する。粉体貯蔵部４０は、ホッパー５０に供給する粉体材料を貯蔵する。ここで、粉体貯蔵部４０には３次元造形物を形成するための粉体材料が貯蔵されており、粉体貯蔵部４０の容量は、ホッパー５０の容量よりも十分に大きい。

粉体材料は、粉体貯蔵部４０からホッパー５０に配管４１を介して搬送される。このとき、粉体材料はホッパー５０側から吸引することで粉体貯蔵部４０からホッパー５０に搬送される。つまり、吸引部３７には配管３８を介して減圧装置３９が接続されており、減圧装置３９を用いて吸引部３７を減圧することで、粉体貯蔵部４０に貯蔵されている粉体材料が吸引部３７側に吸引される。そして、この吸引された粉体材料がホッパー５０に供給される。ホッパー５０に一定量の粉体材料が搬送されると（つまり、ホッパー５０の容量がいっぱいになると）、減圧装置３９を停止して、粉体貯蔵部４０からホッパー５０への粉体材料の搬送を停止する。

図２は、ホッパー５０の詳細な構成を説明するための図である。図２に示すように、ホッパー５０は、粉体貯蔵部４０から供給された粉体材料４５を一時的に貯蔵し、この粉体材料４５を下側に設けられた排出口５８から排出する。ホッパー５０には、横方向（水平方向）にガスを噴射する横方向ノズル５１と、上方向（垂直方向）にガスを噴射する上方向ノズル５２とが設けられている。横方向ノズル５１および上方向ノズル５２には、配管５３からアルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスが供給される。横方向ノズル５１および上方向ノズル５２と配管５３との間にはバルブ５５が設けられており、バルブ５５の開閉を制御することで、横方向ノズル５１からガスを噴射する場合、上方向ノズル５２からガスを噴射する場合、並びに横方向ノズル５１および上方向ノズル５２からガスを噴射する場合を切り替えることができる。なお、図２では、横方向ノズル５１が水平方向と平行で、上方向ノズル５２が垂直方向と平行である場合を示している。しかし、本実施の形態では、横方向ノズル５１が水平方向に対してある程度の角度を備えていてもよく、また上方向ノズル５２が垂直方向に対してある程度の角度を備えていてもよい。

次に、図３〜図５を用いて、本実施の形態にかかる堆積粉体の破砕方法について説明する。ホッパー５０に貯蔵されている粉体材料４５がホッパー５０の排出口５８から排出される際、図４に示すように、ホッパー５０内に粉体材料４５が堆積し、この堆積した堆積粉体によって開口部６０（所謂ラットホール）が形成される場合がある。つまり、ホッパー５０の内壁に沿って粉体材料４５が堆積し、これによってホッパー５０の排出口５８と対応する位置に開口部６０が形成される場合がある。以下で説明する本実施の形態にかかる堆積粉体の破砕方法では、ホッパー５０内に堆積している堆積粉体を破砕する方法について説明する。ここで、堆積粉体とは、開口部（ラットホール）６０を形成している状態の粉体材料４５を意味する。

図３のフローチャートに示すように、まず、積層造形装置１の制御部（不図示）は、粉体貯蔵部４０からホッパー５０に粉体材料を搬送しているか否かを判断する（ステップＳ１）。例えば、減圧装置３９の稼働信号を検出することで粉体材料を搬送しているか否かを判断することができる。粉体貯蔵部４０からホッパー５０に粉体材料を搬送していない場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、処理を終了する。一方、粉体貯蔵部４０からホッパー５０に粉体材料を搬送している場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、ホッパー５０に貯蔵されている粉体材料４５にラットホール６０（図４参照）が発生しているか否かを判断する（ステップＳ２）。

例えば、ホッパー５０内にカメラを設置し、カメラで撮影された映像に画像処理を施すことでラットホール６０を検出してもよい。カメラを用いてラットホール６０を検出する場合は、カメラで撮影された映像に所定の画像処理を施して、ラットホールの発生を予測するようにしてもよい。また、ホッパー５０から粉体分配器３４に供給される粉体材料の量が低減した場合にラットホールが発生したと判断してもよい。ホッパー５０に貯蔵されている粉体材料４５にラットホール６０が形成されていない場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、ステップＳ１の処理を繰り返す。一方、ホッパー５０に貯蔵されている粉体材料４５にラットホール６０が形成されている場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、横方向ノズル５１から横方向にガスを噴射する（ステップＳ３：第１のガス噴射工程）。これにより、ラットホール６０を形成している堆積粉体（粉体材料４５）の一部が破砕される。横方向にガスを噴射することでラットホール６０が消滅した場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、ステップＳ１以降の動作を繰り返す。

一方、横方向にガスを噴射してもラットホール６０が消滅しない場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、更に、横方向ノズル５１から横方向にガスを噴射し（ステップＳ５）、上方向ノズル５２から上方向にガスを噴射する（ステップＳ６）。このとき、横方向ノズル５１から横方向にガスを噴射した直後（例えば、１秒以内）に上方向ノズル５２から上方向にガスを噴射するようにしてもよい。また、横方向ノズル５１から横方向にガスを噴射するタイミングと上方向ノズル５２から上方向にガスを噴射するタイミングは同時であってもよい。ステップＳ５およびステップＳ６は第２のガス噴射工程に対応している。

ステップＳ３において横方向にガスを噴射した後は、横方向に噴射されたガスによって堆積粉体（粉体材料４５）の一部が破砕され、この破砕された粉体材料４５の一部が排出口５８から排出される。このため、ステップＳ３において横方向にガスを噴射した後は、図５に示すように、粉体材料４５の高さｈ２（上方向ノズル５２の先端からの高さ）が、図４に示した横方向にガスを噴射する前の粉体材料４５の高さｈ１よりも低くなる。よって、その後に上方向ノズル５２から上方向にガスを噴射した際に上方向に吹き飛ばされる粉体材料の量を少なくすることができる。つまり、上方向に吹き飛ばされた粉体材料が落下する際に、ホッパー内に堆積している粉体材料と衝突して粉体材料同士が凝集するが、本実施の形態では、上方向に吹き飛ばされる粉体材料の量を少なくすることができるので、粉体材料同士の凝集を低減することができる。

その後、再度、ステップＳ４において、ラットホール６０が消滅したか否かを判断し、ラットホール６０が消滅するまでステップＳ４〜Ｓ６の動作を繰り返す。

上記で説明したように、ホッパー５０に貯蔵されている粉体材料４５がホッパー５０の排出口５８から排出される際、ホッパー５０内に粉体材料４５が堆積し、この堆積した堆積粉体によってラットホール６０が形成される場合がある（図４参照）。特許文献１に開示されている技術では、ホッパー内にガス噴射ノズルを設け、このガス噴射ノズルから堆積粉体にガスを噴射することで堆積粉体を破砕している。

しかしながら、堆積粉体にガスを噴射する際に多方向にガスを噴射した場合は、上方向に噴射されたガスによって上方向に吹き飛ばされた粉体材料が落下する際に、ホッパー内に堆積している粉体材料と衝突して粉体材料同士が凝集する。このように粉体材料同士が凝集すると、積層造形装置のステージ上に粉体材料を適切に供給することができないとう問題があった。特にこの問題は、積層造形装置に用いる金属粉体のように、質量が大きく、粒度が細かく、粒子間引力も発生しやすい粉体材料を用いた場合に顕著にあらわれる。

そこで本実施の形態にかかる堆積粉体の破砕方法では、第１のガス噴射工程（ステップＳ３）において横方向ノズル５１から横方向にガスを噴射して堆積粉体の一部を破砕した後、第２のガス噴射工程（ステップＳ５、Ｓ６）において横方向ノズル５１から横方向にガスを噴射し、上方向ノズル５２から上方向にガスを噴射している。ここで、第１のガス噴射工程（ステップＳ３）において横方向にガスを噴射した後は、横方向に噴射されたガスによって堆積粉体（粉体材料４５）の一部が破砕され、この破砕された粉体材料４５の一部が排出口５８から排出される。このため、第１のガス噴射工程（ステップＳ３）において横方向にガスを噴射した後は粉体材料４５の高さｈ２（図５参照）が、図４に示した横方向にガスを噴射する前の粉体材料４５の高さｈ１よりも低くなる。よって、第２のガス噴射工程（ステップＳ５、Ｓ６）において上方向ノズル５２から上方向にガスを噴射した際に上方向に吹き飛ばされる粉体材料の量を少なくすることができるので、粉体材料同士が衝突して凝集することを抑制することができる。

つまり、第１のガス噴射工程において上方向にガスを噴射した場合は、粉体材料の高さ（図４のｈ１参照）が高いので上方向に吹き飛ばされる粉体材料の量が多くなり、凝集する粉体材料の量も多くなる。しかし、上記で説明した本実施の形態にかかる堆積粉体の破砕方法を用いることで、上方向ノズル５２から上方向にガスを噴射した際に上方向に吹き飛ばされる粉体材料の量を少なくすることができ粉体材料同士が凝集することを抑制することができる。

また、上方向に吹き飛ばされた粉体材料が落下する際、ホッパー内に堆積している粉体材料と衝突すると、衝突の衝撃により粉体材料にタッピングを行った場合と同様の現象が生じる。しかし、上記で説明した本実施の形態にかかる堆積粉体の破砕方法を用いることで、上方向ノズル５２から上方向にガスを噴射した際に上方向に吹き飛ばされる粉体材料の量を少なくすることができるので、上記で説明したタッピング現象の発生を抑制することができる。

なお、本実施の形態では、上方向ノズル５２から噴射されるガスの流量を横方向ノズル５１から噴射されるガスの流量よりも小さくしてもよい。このようにすることで、上方向にガスを噴射した際に上方向に吹き飛ばされる粉体材料の量を少なくすることができる。例えば、横方向ノズル５１および上方向ノズル５２から噴射されるガスの流量は、バルブ５５を用いて制御することができる。

また、本実施の形態にかかる堆積粉体の破砕方法では、ガス噴射工程を第１のガス噴射工程（ステップＳ３）と第２のガス噴射工程（ステップＳ５、Ｓ６）とに分けて、多段構成としている。よって、例えば、第１のガス噴射工程（ステップＳ３）によってラットホールが消滅した場合は第２のガス噴射工程（ステップＳ５、Ｓ６）を省略することができるので、堆積粉体の破砕に使用するガスの量を低減することができる。

以上で説明した本実施の形態にかかる発明により、ホッパー内に堆積している堆積粉体を破砕する際に粉体材料同士が凝集することを抑制することが可能な堆積粉体の破砕方法を提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記では本実施の形態にかかる堆積粉体の破砕方法を積層造形装置に適用した場合について説明したが、本実施の形態にかかる堆積粉体の破砕方法は、積層造形装置以外にも適用することができる。

以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１積層造形装置
１１ベース
１２定盤
１３造形槽
１４造形槽支持部
１５造形槽駆動部
１６支柱
１７支持部
１８レーザスキャナ
１９光ファイバ
２０レーザ発振器
２２レーザビーム
２５造形部
２６粉体層
２７３次元造形物
３１粉体層形成部
３４粉体分配器
３９減圧装置
４０粉体貯蔵部
４１配管
４５粉体材料
５０ホッパー
５１横方向ノズル
５２上方向ノズル
５３配管
５５バルブ
５８排出口
６０ラットホール

Claims

ホッパー内に堆積している、ラットホールが形成された堆積粉体を破砕する堆積粉体の破砕方法であって、
前記ホッパーから供給される粉体材料の量が低減した場合、又は前記ホッパー内に設置されたカメラで撮影された映像に画像処理を施した結果、前記ラットホールが検出された場合、前記ラットホールが発生したと判断し、
前記ラットホールが発生したと判断された場合、
前記堆積粉体が堆積している位置に設けられた横方向にガスを噴射する横方向ノズルから前記堆積粉体にガスを噴射して前記堆積粉体を破砕する第１のガス噴射工程を実施し、
前記第１のガス噴射工程の後、前記堆積粉体が堆積している位置に設けられた上方向にガスを噴射する上方向ノズルと前記横方向ノズルとから前記堆積粉体にガスを噴射して前記堆積粉体を破砕する第２のガス噴射工程を実施する、
堆積粉体の破砕方法。
前記第１のガス噴射工程を実施した後、前記ラットホールが消滅していない場合に前記第２のガス噴射工程を実施する、請求項１に記載の堆積粉体の破砕方法。
前記第１のガス噴射工程において、前記横方向ノズルから前記堆積粉体にガスを噴射して前記ラットホールが形成された堆積粉体の高さを第１の高さから第２の高さに低減させ、
前記第２のガス噴射工程において、前記上方向ノズルと前記横方向ノズルとから前記第２の高さの堆積粉体にガスを噴射して前記堆積粉体に形成されている前記ラットホールを消滅させる、
請求項１に記載の堆積粉体の破砕方法。
前記第２のガス噴射工程において、前記上方向ノズルから噴射されるガスの流量を前記横方向ノズルから噴射されるガスの流量よりも少なくする、請求項３に記載の堆積粉体の破砕方法。