JP6459912B2

JP6459912B2 - 積層造形装置

Info

Publication number: JP6459912B2
Application number: JP2015219531A
Authority: JP
Inventors: 喜之三矢
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2035-11-09
Also published as: JP2017087529A

Description

本発明は積層造形装置に関する。

近年、無機材料もしくは有機材料からなる粉末に光ビームを照射し、焼結または溶融固化させることにより、三次元形状の積層造形物を製造する積層造形装置が、脚光を浴びている。具体的には、定盤上に粉末を敷き詰め、粉末層を形成する工程と、この粉末層の所定領域に光ビ−ムを照射し、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三次元形状の造形物を製造することができる。

特許文献１には、小さい造形物を形成する場合に、粉末材料をレーザビームで焼結して支持壁を形成することにより、最大作業領域より小さな作業領域とする造形方法が記載されている。

特開２０１１−２５１５２９号公報

しかしながら、特許文献１の造形方法では、スキージにより粉末を整え、造形物を積層し、積層する高さに合わせて支持壁も積層することを繰り返して、複数回の積層により造形するので、造形毎に支持壁を形成しなおす必要がある。したがって、引用文献１の造形方法は、支持壁を形成する粉末の消費量及び造形時間が増大するという問題がある。

一方、支持壁を板で形成する場合、粉末の積層に合わせて板の高さを変える必要があるが、板を垂直方向に移動させると、粉末と板とが摺動し、積層した粉末のかさ密度が変化する虞がある。

本発明は、小さい造形物を形成する場合に粉末の消費量を増加させず、且つ、積層した粉末のかさ密度が変化することを抑制することができる積層造形装置を提供することを目的としている。

本発明の積層造形装置は、造形槽内に粉末を供給及び積層し、積層された粉末層を所望の領域で固体化する積層造形装置であって、前記造形槽内に、積層した粉末の崩落を防止する崩落防止壁を備え、前記崩落防止壁は、可撓性を有するシート状の支持壁と、上下方向に進退可能な昇降装置と、基台と、を備え、前記支持壁は、一端を基台に固定して、前記昇降装置の上端に巻き掛けられ、前記一端から前記上端で崩落防止壁を形成し、前記昇降装置の進退に応じて前記崩落防止壁の高さが変化するようにした。

本発明によれば、小さい造形物を形成する場合に粉末の消費量を増加させず、且つ、積層した粉末のかさ密度が変化することを抑制することができる積層造形装置を提供することができる。

本実施の形態に係る積層造形装置の概要を示す模式的断面図である。本実施の形態に係る積層造形装置の崩落防止壁の概略構成を示す模式的斜視図である。本実施の形態に係る積層造形装置の崩落防止壁の概略構成を示す模式的斜視図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

本実施の形態では、最初に積層造形装置全体の構成について説明し、次に、崩落防止壁を設ける部位について説明し、その後、本実施の形態の特徴である崩落防止壁の構成について説明する。

（本実施の形態）
まず、図１を参照して、本実施の形態に係る積層造形装置について説明する。図１は、本実施の形態に係る積層造形装置の概要を示す模式的断面図である。
図１に示すように、本実施の形態に係る積層造形装置は、ベース１、定盤２、造形槽３、造形槽支持部４、造形槽駆動部５、支柱６、支持部７、レーザスキャナ８、光ファイバ９、レーザ発振器１０、スキージ１１、樋１２、粉末分配器１３、粉末供給部１４を備えている。

ベース１は、定盤２及び支柱６を固定するための台である。ベース１は、定盤２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２は、ベース１の水平な上面に載置、固定されている。定盤２の上面も水平であって、この定盤２の上面に粉末が敷き詰められ、造形物５０が形成されていく。図１の例では、定盤２は、四角柱状の部材である。図１に示すように、定盤２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２ａが形成されている。この凸部２ａの外周面が全体に亘り造形槽３の内側面と接触しているため、定盤２の上面及び造形槽３の内側面に囲われた空間に積層粉末５１を保持することができる。ここで、造形槽３の内側面と接触している凸部２ａの外周面に、例えばフェルトからなるシール部材（不図示）を設けることにより、積層粉末５１の保持力を高めることができる。

造形槽３は、この定盤２の上面に敷き詰められた粉末を側面から保持する筒状の部材である。図１の例では、定盤２が四角柱状であるため、造形槽３は、上端にフランジ部３ａを備えた角パイプである。造形槽３は、例えば厚さ１〜６ｍｍ程度（好適には３〜５ｍｍ程度）のステンレス鋼鈑から構成され、軽量である。造形槽３の上部開口端３ｂに粉末層を形成し、この粉末層にレーザビームＬＢを照射することにより硬化層を形成する。上部開口端３ｂの形状は、例えば６００ｍｍ×６００ｍｍである。

また、造形槽３は、上下方向（ｚ軸方向）に移動可能に設置されている。硬化層を形成する度に造形槽３を定盤２に対して一定量ずつ上昇させ、造形物５０を形成していく。ここで、本実施の形態に係る積層造形装置では、一定重量かつ軽量な造形槽３のみを上昇させればよい。そのため、毎回精度良く粉末層を形成することができる。その結果、精度良く造形物５０を形成することができる。

造形槽支持部４は、造形槽３のフランジ部３ａの上面が水平となるように、フランジ部３ａの下面を３点で支持している支持部材である。
造形槽支持部４は、造形槽３を上下方向（ｚ軸方向）に移動させる造形槽駆動部５の連結部５ｃに連結されている。

造形槽駆動部５は、造形槽３を上下方向（ｚ軸方向）に移動させるための駆動機構である。造形槽駆動部５は、モータ５ａ、ボールねじ５ｂ、連結部５ｃを備えている。モータ５ａが駆動すると、ｚ軸方向に延設されたボールねじ５ｂが回転する。そして、ボールねじ５ｂが回転すると、ボールねじ５ｂに沿って、連結部５ｃが上下方向（ｚ軸方向）に移動する。上述の通り、造形槽３を支持する造形槽支持部４が連結部５ｃに連結されているため、造形槽駆動部５により造形槽３が上下方向（ｚ軸方向）に移動可能となる。なお、造形槽駆動部５の駆動源は、モータに限らず、油圧シリンダなどを用いてもよい。

ここで、造形槽駆動部５は、ベース１から略垂直に（すなわち鉛直方向に）立設された支柱６の上部に固定されている。このように、本実施の形態に係る積層造形装置では、造形槽駆動部５が、造形槽３の外部に設置されているため、メンテナンス性に優れている。

レーザスキャナ８は、造形槽３の上部開口端３ｂに形成された粉末層に対して、レーザビームＬＢを照射する。レーザスキャナ８は、図示されないレンズ及びミラーを有している。そのため、図１に示すように、レーザスキャナ８は、粉末層における水平面（ｘｙ平面）上の位置に関わらず、粉末層にレーザビームＬＢの焦点を合わせることができる。
ここで、レーザビームＬＢは、レーザ発振器１０において生成され、光ファイバ９を介して、レーザスキャナ８に導入される。

また、レーザスキャナ８は、支持部７を介して、造形槽３のフランジ部３ａに固定されている。そのため、レーザスキャナ８とレーザビームＬＢの照射対象である粉末層との距離を一定に保つことができる。従って、本実施の形態に係る積層造形装置は、精度良く造形物５０を製造することができる。

スキージ１１は、第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂから構成されている。第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂは、いずれもｙ軸方向に延設されている。また、スキージ１１は、造形槽３の上部開口端３ｂを介して、一方のフランジ部３ａから対向するフランジ部３ａまでｘ軸方向にスライドすることができる。

図１に示すように、第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂが、ｘ軸マイナス側のフランジ部３ａ上に設置された状態で、両者の間に粉末が供給される。ここで、２回分の粉末層を形成するための粉末が供給される。すなわち、スキージ１１がｘ軸マイナス側のフランジ部３ａからｘ軸プラス側のフランジ部３ａまでスライドすることにより、１回分の粉末層が造形槽３の上部開口端３ｂに形成される。図１に破線で示したように、この粉末層に対してレーザビームＬＢを照射し、硬化層を形成している間、スキージ１１はｘ軸プラス側のフランジ部３ａ上で待機している。そして、スキージ１１がｘ軸プラス側のフランジ部３ａからｘ軸マイナス側のフランジ部３ａまでスライドすることにより、もう１回分の粉末層が造形槽３の上部開口端３ｂに形成される。

なお、例えば硬化層の形成領域が狭い場合には、スキージ１１をｘ軸マイナス側のフランジ部３ａからｘ軸プラス側のフランジ部３ａまで最大限スライドさせずに、硬化層の形成領域はカバーした上で、途中でスライドを止めてもよい。粉末層を形成するための粉末量を節約できるとともに時間を短縮することができる。

樋１２及び粉末分配器１３は、粉末供給部１４から投下された粉末をスキージ１１の長手方向に均一に分配するためのものである。
樋１２の下面には、第１のスキージ１１ａ及び第２のスキージ１１ｂの間隔（ｘ軸方向）より狭く、スキージ１１の粉末投入領域と同程度の長さ（ｙ軸方向）を有する開口部が形成されている。但し、樋１２において開口部が形成されていない端部に、粉末供給部１４から粉末が投下される。

粉末分配器１３は、樋１２の溝の断面形状と同形状の板状部材である。粉末分配器１３は、図示しない駆動機構によりｙ軸方向にスライドすることができる。ここで、図１では、分かり易くするため、粉末分配器１３を樋１２から離して描いている。しかし、実際には、粉末分配器１３は樋１２の溝の両側面と隙間なく接触しながらスライドする。粉末分配器１３が、樋１２において粉末が投下された一端から他端までスライドすることにより、粉末が樋１２の開口部を介して、スキージ１１の長手方向に均一に分配される。

なお、例えば硬化層の形成領域が狭い場合には、粉末分配器１３を樋１２の一端から他端まで最大限スライドさせずに、硬化層の形成領域はカバーした上で、途中でスライドを止めてもよい。粉末層を形成するための粉末量を節約できるとともに時間を短縮することができる。

粉末供給部１４は、粉末が蓄えられた小型タンクである。なお、粉末は、無機材料（金属やセラミック）もしくは有機材料（プラスチック）からなる。好適には、平均粒径２０μｍ程度の鉄粉が用いられる。

次に、崩落防止壁を設ける部位について説明する。図２は、本実施の形態に係る積層造形装置内の崩落防止壁の配置を示す模式的断面図である。図２に示すように、本実施の形態では、積層造形装置の定盤２及び造形槽３で規定される領域内に、崩落防止壁を設ける。そして、ワーク土台の上に造形物を積層造形し、造形物の積層と共に崩落防止壁も高さを上昇させる。この崩落防止壁が、壁自身を上下させずに、高さを変えることができる詳細な構造について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態に係る積層造形装置の崩落防止壁の概略構成を示す模式的斜視図である。

図３において、崩落防止壁３０１は、基台３０２と、軸状支持体３０３を先端に備える昇降装置３０４と、巻回装置３０５と、支持壁３０６とを備える。そして、崩落防止壁３０１の最低時の高さがワーク土台の高さ以下であり、粉末層を積層する高さに合わせて崩落防止壁３０１の上端を上昇させる。

基台３０２は、崩落防止壁３０１の一部を構成する垂直な一面を有する構造体である。そして、基台３０２は、垂直な一面の端部に支持壁３０６の一端を固定している。また、基台３０２は、昇降装置３０４及び巻回装置３０５を載置している。

軸状支持体３０３は、円柱形状を有し、中心軸が水平面に向いた状態で昇降装置３０４により支持されている。
昇降装置３０４は、軸状支持体３０３を支持し、軸状支持体３０３を上下方向に進退可能とする。具体的には、昇降装置３０４は油圧駆動により軸状支持体３０３を上下方向に進退可能とする。上下方向の移動の制御は、粉末層を積層する高さに合わせて行われる。また、昇降装置３０４は、軸状支持体３０３の両端を支持するのが好ましいが、任意の三点以上で支持してもよい。

巻回装置３０５は、支持壁３０６の一端を水平軸に固定し、支持壁３０６を巻回している装置である。そして、巻回装置３０５は、昇降装置３０４により軸状支持体３０３が上昇すると共に、水平軸が回転して支持壁３０６を供出する。また、巻回装置３０５は、昇降装置３０４により軸状支持体３０３が下降すると共に、支持壁３０６を巻き取る回転方向に水平軸が回転する。例えば、水平軸は、バネ等により、支持壁３０６を巻き取る回転方向に力を付勢されてもよい。

支持壁３０６は、可撓性を有するシートである。例えば、支持壁３０６は、金属製の薄板状部材であり、複数枚連ねて、シートを形成したものが望ましい。そして、支持壁３０６は、薄板状部材同士の接続部分が折れ曲がり自在で接続されることにより、可撓性を有することができる。

このように、本実施の形態の積層造形装置によれば、可撓性を有するシート状の支持壁が、一端を基台に固定して、昇降装置の上端に巻き掛けられることにより、一端から上端で崩落防止壁を形成し、昇降装置の進退に応じて崩落防止壁の高さが変化することにより、崩落防止壁が上下に移動することなく、高さを変えることができるので、造形槽内の粉末が崩落防止壁（支持壁）と摺動することがなく、積層した粉末のかさ密度が変化することを抑制することができる。

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、軸状支持体３０３は、軸を中心に自由に回転する方式としてもよい。具体的には、軸状支持体３０３は、ローラー等で構成してもよい。また、軸状支持体３０３は、ローラーを上下方向に複数設けても良い。この場合、ローラーにより支持壁を支える箇所が増えるという利点を有する。

また、崩落防止壁３０１は、造形槽３内の定盤２上に手動で配置されても良いし、基台３０２を水平面のＸ−Ｙ方向に油圧制御で移動可能として、自動で設置できるようにしても良い。

３０１崩落防止壁
３０２基台
３０３軸状支持体
３０４昇降装置
３０５巻回装置
３０６支持壁

Claims

造形槽内に粉末を供給及び積層し、積層された粉末層を所望の領域で固体化する積層造形装置であって、
前記造形槽内に、積層した粉末の崩落を防止する崩落防止壁を備え、
前記崩落防止壁は、可撓性を有するシート状の支持壁と、上下方向に進退可能な昇降装置と、基台と、を備え、
前記支持壁は、一端を基台に固定して、前記昇降装置の上端に巻き掛けられ、前記一端から前記上端で崩落防止壁を形成し、
前記昇降装置の進退に応じて前記崩落防止壁の高さが変化する積層造形装置。