JP6359922B2 - 金属粉末回収供給システム及び金属粉末焼結造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳＬＭ（Selective Laser Melting）等の金属粉末焼結造形に際し、これに用いられる金属粉末を回収し、再供給する金属粉末回収供給システム及び回収された金属粉末を用いる金属粉末焼結造形物の製造方法に関する。

従来、上面に開口を有する箱形の造形ステージに収容された金属粉末に対し、該造形ステージの上方からレーザ光を照射して焼結させることにより所定の形状に造形する技術が知られており、ＳＬＭ（Selective Laser Melting）と呼ばれている。

前記ＳＬＭでは、形成された造形物を取り出すには、その周囲を埋めている未焼結の金属粉末を回収する必要があり、該金属粉末を回収する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１０６３１９号公報

前記金属粉末は高価であるので、回収された未焼結の金属粉末は前記造形ステージに戻して再利用することが望まれる。

しかしながら、回収された未焼結の金属粉末には、レーザ光を照射する際に発生するヒューム（金属蒸気の凝集物）やスパッタ（金属微粒子）が不純物として含まれており、そのままでは再利用に供することができないという不都合がある。ここで、前記ヒュームは容易に発火する虞があり、前記スパッタは金属粉末焼結造形に用いる金属粉末としては過大な粒子を形成することがある。

本発明は、かかる不都合を解消して、金属粉末焼結造形における未焼結の金属粉末を回収し、ヒューム及びスパッタを分離除去した後、該金属粉末のみを供給することができる金属粉末回収供給システム及び該システムにより供給される金属粉末を用いる金属粉末焼結造形物の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上面に開口を有する箱形の造形ステージに収容された金属粉末を選択的に焼結させることにより所定の形状に造形する際に、該造形ステージから未焼結の金属粉末を回収して、該造形ステージに供給する金属粉末回収供給システムであって、該造形ステージから未焼結の金属粉末、金属蒸気の凝集物であるヒューム、スパッタ及び該造形ステージ内の気体を吸引する吸引手段と、該吸引手段により吸引された金属粉末及び該スパッタと、該ヒューム及び該気体とを分離する第１の分離手段と、該第１の分離手段により分離されたヒュームを貯留する貯留手段と、該第１の分離手段により分離された金属粉末及び該スパッタから該金属粉末を分離する第２の分離手段と、該第２の分離手段により分離された金属粉末を空気流により搬送する搬送手段と、該搬送手段により搬送された金属粉末を該空気流から分離する第３の分離手段と、該第３の分離手段により分離された金属粉末を該造形ステージに供給する供給手段とを備え、前記搬送手段は、前記空気流を供給する送風手段と、該送風手段から前記第３の分離手段を経て該送風手段に戻る循環回路と、該循環回路の途中に前記第２の分離手段により分離された金属粉末を供給する供給手段とを備え、前記循環回路の前記供給手段から前記第３の分離手段に至る部分が導電性材料により構成されていることを特徴とする。

前記金属粉末焼結造形は、上面に開口を有する箱形の造形ステージに収容された金属粉末を選択的に焼結させることにより所定の形状に造形する。このとき、焼結された造形物の周囲には未焼結の金属粉末が存在するが、該金属粉末には、前記焼結の際に発生したヒュームやスパッタが含まれている。

そこで、本発明のシステムでは、まず、吸引手段により造形ステージから未焼結の金属粉末と、それに含まれるヒューム及びスパッタとを吸引する。また、このようにすると、造形ステージ内の気体も同時に吸引することになる。

次に、第１の分離手段において、吸引手段により吸引された金属粉末及びスパッタと、ヒューム及び気体とを分離する。次いで、ヒュームは貯留手段に貯留される。一方、第１の分離手段により分離された金属粉末及びスパッタについては、第２の分離手段において金属粉末が分離される。

前記第２の分離手段で分離された金属粉末は、搬送手段により空気流を介して搬送され、第３の分離手段において該空気流から該金属粉末が分離される。そして、前記供給手段により該金属粉末が造形ステージに供給される。

以上のように、本発明のシステムによれば、造形ステージから回収された未焼結の金属粉末からヒューム及びスパッタ等の不純物を除去した後、該金属粉末のみを再び造形ステージに供給することができる。従って、高価な金属粉末焼結造形用金属粉末を無駄にすることなく、金属粉末焼結造形に有効に用いることができる。

本発明の金属粉末回収供給システムにおいて、前記搬送手段は、前記空気流を供給する送風手段と、該送風手段から前記第３の分離手段を経て該送風手段に戻る循環回路と、該循環回路の途中に前記第２の分離手段により分離された該金属粉末を供給する供給手段とを備える。

前記第２の分離手段により分離された金属粉末はヒュームを含まないので、前記搬送手段は、該金属粉末を前記送風手段により供給される空気流により前記第３の分離手段まで安全に搬送することができる。また、前記循環回路を設けることにより、前記送風手段により供給される空気流が再び該送風手段に流入することとなり、該送風手段による該空気流の供給を容易にすることができる。

また、本発明の回収供給システムにおいて、前記搬送手段は、前記循環回路の前記供給手段から前記第３の分離手段に至る部分が導電性材料により構成されている。

前記搬送手段を硬質塩化ビニル等の合成樹脂により構成すると、前記金属粉末が該合成樹脂に接触することにより静電気を帯び、該静電気の放電により電気機器を損傷する虞がある。そこで、前記搬送手段において、前記循環回路の前記供給手段から前記第３の分離手段に至る部分を導電性材料により構成することにより、静電気の発生を防止して、金属粉末を安全に搬送することができる。

また、本発明の回収供給システムにおいて、前記貯留手段は、前記ヒュームを不燃化する不燃化剤を供給する不燃化剤供給手段と、前記気体から該ヒューム及び該不燃化剤を分離する第４の分離手段と、該第４の分離手段により分離されたヒューム及び不燃化剤を貯留する貯留槽とを備える。

前記貯留手段によれば、前記不燃化剤供給手段により供給される前記不燃化剤を前記ヒュームに混合した後、前記第４の分離手段において前記気体から該ヒューム及び該不燃化剤を分離し、分離されたヒューム及び不燃化剤を前記貯留槽に貯留する。従って、前記貯留手段は、発火性を有するヒュームを確実に不燃化して貯留することができる。

本発明の金属粉末焼結造形物の製造方法は、上面に開口を有する箱形の造形ステージに収容された金属粉末を選択的に焼結させることにより所定の形状に造形する金属粉末焼結造形物の製造方法において、該造形ステージから未焼結の金属粉末、金属蒸気の凝集物であるヒューム、スパッタ及び該造形ステージ内の気体を吸引する工程と、吸引された金属粉末及び該スパッタと、該ヒューム及び該気体とを第１の分離手段により分離する工程と、分離されたヒュームを貯留する工程と、分離された金属粉末及び該スパッタから該金属粉末を第２の分離手段により分離する工程と、分離された金属粉末を搬送手段を介して空気流により搬送し、搬送された金属粉末を第３の分離手段により該空気流から分離して、該造形ステージに供給する工程とを備え、前記搬送手段は、前記空気流を供給する送風手段と、該送風手段から前記第３の分離手段を経て該送風手段に戻る循環回路と、該循環回路の途中に前記第２の分離手段により分離された金属粉末を供給する供給手段とを備え、前記循環回路の前記供給手段から前記第３の分離手段に至る部分が導電性材料により構成されており、該造形ステージに供給された金属粉末を選択的に焼結させることにより所定の形状に造形することを特徴とする。

前述のように、本発明の金属粉末回収供給システムによれば、前記造形ステージから回収された未焼結の金属粉末からヒューム及びスパッタ等の不純物を除去した後、該金属粉末のみを再び該造形ステージに供給することができる。

そこで、本発明の金属粉末焼結造形物の製造方法によれば、前記ヒューム及びスパッタ等の不純物が除去された金属粉末を前記造形ステージに供給して選択的に焼結させ、所定の形状に造形することにより、金属粉末焼結造形物を得ることができる。

本発明の金属粉末回収供給システムの構成図。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１に示すように、本実施形態の金属粉末焼結造形用金属粉末の回収供給システム１は、上面に開口を備え、金属粉末２を収容する箱形の造形ステージ３を備えている。造形ステージ３には、未焼結の金属粉末２と、金属粉末２に含まれるヒューム及びスパッタと、造形ステージ３内の気体とを吸引する吸引手段としての吸引ノズル４が設けられ、吸引ノズル４は吸引導管５に接続されている。

吸引導管５は、金属粉末２及び前記スパッタと前記ヒューム及び前記気体とを分離する第１の分離手段としての第１サイクロン６を介して、該第１サイクロン６の上方に配設された吸引ブロワ７に接続されている。吸引ブロワ７の下流には、ヒューム搬送導管８が配設され、ヒューム搬送導管８は、ヒュームを貯留する貯留手段としての貯留槽９に接続されている。

上記第１サイクロン６の下方には、金属粉末２及び前記スパッタを貯留するメインタンク１０が配設され、メインタンク１０は、その下部にメインバルブ１１を備えている。メインバルブ１１の下方には、金属粉末２及び前記スパッタから金属粉末２を分離する第２の分離手段としてのフィルタ装置１２が配設されている。

フィルタ装置１２の下方には、送風手段としての送風ブロワ１３により供給される空気流によって金属粉末２を搬送する搬送手段としての金属粉末搬送導管１４が配設されている。金属粉末搬送導管１４は、金属粉末２を前記空気流から分離する第３の分離手段としての第２サイクロン１５に接続され、該第２サイクロン１５の上方から取出される空気流を送風ブロワ１３に循環させる循環回路を形成している。

第２サイクロン１５の下方には、前記空気流から分離された金属粉末２を貯留するサブタンク１６が配設され、サブタンク１６は、その下部にサブバルブ１７を備えている。サブバルブ１７の下方には、金属粉末２を造形ステージ３に供給する第１の供給手段としてのホッパ１８が配設されている。

造形ステージ３は、その中に収容している金属粉末２を選択的に焼結させることにより所定の形状に造形する装置である。金属粉末２の選択的焼結は、例えばＳＬＭにより行うことができる。この場合、造形ステージ３は、開口の上方にレーザ光を照射するスキャナ（図示せず）を備えている。

前記ヒューム搬送導管８は、貯留槽９の上流側に水酸化カルシウム等の不燃化剤を供給する不燃化剤供給手段としての不燃化剤供給装置１９を備えている。また、貯留槽９は、ヒューム搬送導管８に流通される気体からヒューム及び不燃化剤を分離する第４の分離手段としての集塵機（図示せず）を内蔵している。

貯留槽９の下流側には、ヒューム搬送導管８に流通される気体を大気に開放する気体開放導管２０ａと、該気体を造形ステージ３に循環させる気体循環導管２０ｂとが接続され、気体開放導管２０ａと気体循環導管２０ｂとは、貯留槽９に設けられた切替バルブ等の切替手段により、貯留槽９内から両導管のどちらかに通じるように切替自在とされている。

フィルタ装置１２は、メインバルブ１１から供給される金属粉末２とスパッタのうち金属粉末２のみを通過させるフィルタ２１と、これを通過した金属粉末２を受ける受け皿２２とを備える。受け皿２２の下方には、フィルタ２１及び受け皿２２に振動を付与するフィーダ２３が配設されており、該振動により金属粉末２及び前記スパッタをメインバルブ１１から離間させる方向に移動させる。

フィルタ２１のメインバルブ１１から離間する方向の端部には、フィルタ２１により分離されたスパッタを収容する残渣容器２４が配設されている。また、受け皿２２のメインバルブ１１から離間する方向の端部には、金属粉末２を送風ブロワ１３の下流側で金属粉末搬送導管１４に供給する第２の供給手段としての連絡管２５が配設されている。金属粉末２は、自重により連絡管２５を通って金属粉末搬送導管１４に落下する。

尚、フィルタ２１は、目開き１００〜１５０μｍの範囲のメッシュであり、上面には目詰まり防止のための超音波振動子２６を備えている。

次に、本実施形態の金属粉末回収供給システム１の作動について説明する。

まず、造形ステージ３に収容されている金属粉末２を、例えばＳＬＭにより選択的に焼結させることにより所定の形状に造形する。金属粉末２としては、マルエージング鋼等の鉄系合金の粉末を用いることができ、さらに適切な雰囲気を選択することによりアルミニウム、チタン等の粉末を用いることもできる。

金属粉末２を上記のようにして選択的に焼結させると、焼結のための熱によりヒューム及びスパッタが発生する。この結果、造形物の形成後の造形ステージ３には、未焼結の金属粉末２と、前記ヒューム及びスパッタとが存在している。

そこで、造形物を取り出すために、吸引ブロワ７を作動させ、吸引ノズル４及び吸引導管５を介して、未焼結の金属粉末２と、前記ヒューム及び前記スパッタと、造形ステージ３内の気体とを吸引する。吸引導管５は、第１サイクロン６に接続されているので、第１サイクロン６で金属粉末２及びスパッタと、ヒューム及び気体とに分離される。

次に、第１サイクロン６で分離されたヒューム及び気体は、ヒューム搬送導管８を介して貯留槽９に搬送され、その途中で不燃化剤供給装置１９から水酸化カルシウム等の不燃化剤が添加されることにより、ヒュームが不燃化される。ヒューム及び不燃化剤は、貯留槽９に内蔵されている図示しない集塵機により前記気体から分離され、貯留槽９内に貯留される。

一方、前記気体は、例えば空気である場合には、気体開放導管２０ａから大気開放してもよく、例えば窒素等の不活性気体である場合には、気体循環導管２０ｂにより造形ステージ３に循環させるようにしてもよい。また、前記気体として窒素が大量に使用できる場合には、空気と同様に窒素を気体開放導管２０ａから大気開放してもよい。

次に、第１サイクロン６で分離された金属粉末２及びスパッタは、一旦メインタンク１０に貯留された後、所望によりメインバルブ１１を介して取出され、フィルタ装置１２に供給される。フィルタ装置１２に供給された金属粉末２及びスパッタは、フィーダ２３により付与される振動によりフィルタ２１上を移動しつつ、金属粉末２のみがフィルタ２１を通過して受け皿２２上に落下する。

フィルタ２１上に残されたスパッタは、フィーダ２３により付与される振動によりフィルタ２１上を移動し、フィルタ２１の端部下方に配設された残渣容器２４に収容され、廃棄される。一方、受け皿２２上に落下した金属粉末２は、フィーダ２３により付与される振動により受け皿２２上を移動し、受け皿２２の端部に配設された連絡管２５を介して、金属粉末搬送導管１４に供給される。

金属粉末搬送導管１４に供給された金属粉末２は、送風ブロワ１３により金属粉末搬送導管１４に供給される空気流により第２サイクロン１５に搬送される。このとき、金属粉末搬送導管１４は、導電性材料で構成されていることにより、金属粉末２との接触による静電気の発生を防止することができる。

金属粉末２は、第２サイクロン１５で該空気流から分離され、一旦サブタンク１６に貯留された後、所望によりサブバルブ１７を介して取出され、ホッパ１８から造形ステージ３に供給される。

本実施形態の金属粉末焼結造形用の金属粉末回収供給システム１によれば、上述のように、造形ステージ３から回収された未焼結の金属粉末２からヒューム及びスパッタを効率よく除去し。金属粉末２のみを造形ステージ３に供給することができる。

また、本実施形態の金属粉末焼結造形物の製造方法によれば、上記の造形ステージ３に供給される金属粉末２を、例えばＳＬＭにより選択的に焼結させることにより所定の形状に造形することができる。

１…回収供給システム、 ２…金属粉末、 ３…造形ステージ、 ４…吸引ノズル、 ６…第１サイクロン、 ９…貯留槽、 １２…フィルタ装置、 １４…金属粉末搬送導管、 １５…第２サイクロン、 １８…ホッパ。

Claims (4)

1. 上面に開口を有する箱形の造形ステージに収容された金属粉末を選択的に焼結させることにより所定の形状に造形する際に、該造形ステージから未焼結の金属粉末を回収して、該造形ステージに供給する金属粉末回収供給システムであって、
   該造形ステージから未焼結の金属粉末、金属蒸気の凝集物であるヒューム、スパッタ及び該造形ステージ内の気体を吸引する吸引手段と、
   該吸引手段により吸引された金属粉末及び該スパッタと、該ヒューム及び該気体とを分離する第１の分離手段と、
   該第１の分離手段により分離されたヒュームを貯留する貯留手段と、
   該第１の分離手段により分離された金属粉末及び該スパッタから該金属粉末を分離する第２の分離手段と、
   該第２の分離手段により分離された金属粉末を空気流により搬送する搬送手段と、
   該搬送手段により搬送された金属粉末を該空気流から分離する第３の分離手段と、
   該第３の分離手段により分離された金属粉末を該造形ステージに供給する供給手段とを備え、
   前記搬送手段は、前記空気流を供給する送風手段と、該送風手段から前記第３の分離手段を経て該送風手段に戻る循環回路と、該循環回路の途中に前記第２の分離手段により分離された金属粉末を供給する供給手段とを備え、前記循環回路の前記供給手段から前記第３の分離手段に至る部分が導電性材料により構成されていることを特徴とする金属粉末回収供給システム。
2. 請求項１記載の金属粉末回収供給システムにおいて、前記貯留手段は、前記ヒュームを不燃化する不燃化剤を供給する不燃化剤供給手段と、前記気体から該ヒューム及び該不燃化剤を分離する第４の分離手段と、該第４の分離手段により分離された該ヒューム及び該不燃化剤を貯留する貯留槽とを備えることを特徴とする金属粉末焼結回収供給システム。
3. 上面に開口を有する箱形の造形ステージに収容された金属粉末を選択的に焼結させることにより所定の形状に造形する際に、該造形ステージから未焼結の金属粉末を回収して、該造形ステージに供給する金属粉末回収供給システムであって、
   該造形ステージから未焼結の金属粉末、金属蒸気の凝集物であるヒューム、スパッタ及び該造形ステージ内の気体を吸引する吸引手段と、
   該吸引手段により吸引された金属粉末及び該スパッタと、該ヒューム及び該気体とを分離する第１の分離手段と、
   該第１の分離手段により分離されたヒュームを貯留する貯留手段と、
   該第１の分離手段により分離された金属粉末及び該スパッタから該金属粉末を分離する第２の分離手段と、
   該第２の分離手段により分離された金属粉末を空気流により搬送する搬送手段と、
   該搬送手段により搬送された金属粉末を該空気流から分離する第３の分離手段と、
   該第３の分離手段により分離された金属粉末を該造形ステージに供給する供給手段とを備え、
   前記貯留手段は、前記ヒュームを不燃化する不燃化剤を供給する不燃化剤供給手段と、前記気体から該ヒューム及び該不燃化剤を分離する第４の分離手段と、該第４の分離手段により分離された該ヒューム及び該不燃化剤を貯留する貯留槽とを備えることを特徴とする金属粉末焼結回収供給システム。
4. 上面に開口を有する箱形の造形ステージに収容された金属粉末を選択的に焼結させることにより所定の形状に造形する金属粉末焼結造形物の製造方法において、
   該造形ステージから未焼結の金属粉末、金属蒸気の凝集物であるヒューム、スパッタ及び該造形ステージ内の気体を吸引する工程と、
   吸引された金属粉末及び該スパッタと、該ヒューム及び該気体とを第１の分離手段により分離する工程と、
   分離されたヒュームを貯留する工程と、
   分離された金属粉末及び該スパッタから該金属粉末を第２の分離手段により分離する工程と、
   分離された金属粉末を搬送手段を介して空気流により搬送し、搬送された金属粉末を第３の分離手段により該空気流から分離して、該造形ステージに供給する工程とを備え、
   前記搬送手段は、前記空気流を供給する送風手段と、該送風手段から前記第３の分離手段を経て該送風手段に戻る循環回路と、該循環回路の途中に前記第２の分離手段により分離された金属粉末を供給する供給手段とを備え、前記循環回路の前記供給手段から前記第３の分離手段に至る部分が導電性材料により構成されており、
   該造形ステージに供給された金属粉末を選択的に焼結させることにより所定の形状に造形することを特徴とする金属粉末焼結造形物の製造方法。

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