JP6483423B2 - 粉末積層造形装置及び粉末積層造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉末積層造形装置及び粉末積層造形方法に関し、より詳しくは、リコータにより粉末材料の薄層を形成し、粉末材料の薄層にエネルギービームを選択的に照射して３次元造形物を作製する粉末積層造形装置及び粉末積層造形方法に関する。

近年、試作品又は少量多品種の製品等を作製するため、物品を輪切りにしたときのその薄い層の形状に対応する固化層を順次積層して、物品の造形物を作製する粉末積層造形装置及び粉末積層造形方法が注目されている。

従来の積層造形方法によれば、薄層形成容器の両側に粉末材料収納容器を配置し、一方の粉末材料収納容器で昇降台により粉末材料を突出させ、その粉末材料をリコータにより押し取って薄層形成容器まで運び、薄層形成容器に運び入れながら昇降台上に粉末材料の薄層を形成する。

次いで、残った粉末材料をさらに運んで他方の粉末材料収納容器に収納する。

その後、粉末材料の薄層にレーザ光を照射して、焼結し又は溶融し固化して固化層を形成する。そして、これらの工程を繰り返して所要数の固化層を積層し、造形物を作製している。

なお、各容器には加熱手段が配置され、各容器内の粉末材料を加熱して焼結温度或いは溶融温度より少し低く維持しておくことで、造形物の熱ひずみを抑制するようにしている。

特開２００８−０３７０２４号公報

ところで、積層造形方法では、造形物を完成させるのに固化層を数千層も積層することから、造形物が完成するまでに多大な時間がかかってしまう。

本発明は、上述の問題点に鑑みて創作されたものであり、造形物を完成させるのに要する時間を短縮することができる粉末積層造形装置及び粉末積層造形方法を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明の一観点によれば、粉末材料を供給する第１昇降台と、粉末材料を供給する第２昇降台と、前記第１昇降台と前記第２昇降台の間に置かれ、前記粉末材料の薄層を形成する第３昇降台と、前記第１昇降台、前記第３昇降台及び前記第２昇降台の間を移動し、前記粉末材料を運ぶ運搬部材と、前記粉末材料の薄層を加熱する加熱用エネルギービーム出射手段と、前記第１昇降台と前記第３昇降台の間、及び前記第２昇降台と前記第３昇降台の間にそれぞれ配置され、前記第３昇降台の手前まで運ばれた前記粉末材料を加熱する加熱手段とを有することを特徴とする粉末積層造形装置が提供される。

本発明の他の一観点によれば、粉末材料を供給する第１昇降台と、粉末材料を供給する第２昇降台と、前記第１昇降台と前記第２昇降台の間に置かれ、前記粉末材料の薄層を形成する第３昇降台と、前記第１昇降台、前記第３昇降台及び前記第２昇降台の間を移動する前記粉末材料の運搬部材と、前記粉末材料の薄層を加熱する加熱用エネルギービーム出射手段とを有する粉末積層造形装置を準備する工程と、前記第３昇降台を下降し、前記運搬部材を一方向に移動させて前記粉末材料を前記第３昇降台上に運び入れ、前記粉末材料の薄層を形成する工程と、前記加熱用エネルギービームを出射して前記粉末材料の薄層を加熱し、第１固化層を形成する工程とを有し、前記加熱用エネルギービームを出射している間に、前記運搬部材をさらに前記一方向に移動して残った前記粉末材料を前記第１昇降台上に収納する工程と、次いで、前記第１昇降台を上昇して前記粉末材料を突出する工程と、前記運搬部材を前記一方向と逆方向に移動して突出した前記粉末材料を押し取り、前記第３昇降台の手前まで運ぶ工程と、前記第３昇降台の手前まで運ばれた前記粉末材料を加熱する工程とをさらに有することを特徴とする粉末積層造形方法が提供される。

本発明によれば、第３昇降台上に粉末材料の薄層を形成した後で加熱用エネルギービームを出射している間に、運搬部材をさらに一方向に移動して残った粉末材料を第１昇降台上に収納する工程と、次いで、第１昇降台を上昇して粉末材料を突出する工程と、運搬部材を一方向と逆方向に移動して突出した粉末材料を押し取り、第３昇降台の手前まで運ぶ工程と、第３昇降台の手前まで運ばれた粉末材料を加熱する工程をさらに有する。

このため、固化層を１層形成するにつき、第３昇降台上に薄層を形成し終えた直後から、次の薄層を形成するため粉末材料を第３昇降台の手前まで運ぶ時間だけ短縮できる。

さらに、粉末材料を第３昇降台の手前まで運んだ後、加熱用エネルギービームの出射が終わるまで第３昇降台の手前まで運んだ粉末材料を加熱しているため、粉末材料が冷めるのを防止し、所定の温度まで昇温させておくことができる。これにより、加熱用エネルギービームの出射が終わると、形成された固化層上にすぐに新たな粉末材料の薄層を形成して加熱用エネルギービームの出射を行うことができる。

よって、固化層を数千層も積層して造形物を完成させる必要がある積層造形方法において、造形に要する時間を大幅に短縮することができる。

本発明の実施形態に係る粉末積層造形装置の構成を示す図である。 （ａ）は、本発明の実施形態に係る粉末積層造形装置の構成を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態に係る粉末積層造形方法を説明するフローチャート（その１）である。 本発明の実施形態に係る粉末積層造形方法を説明するフローチャート（その２）である。 本発明の実施形態に係る粉末積層造形方法を示す断面図（その１）である。 本発明の実施形態に係る粉末積層造形方法を示す断面図（その２）である。 本発明の実施形態に係る粉末積層造形方法を示す断面図（その３）である。 本発明の実施形態に係る粉末積層造形方法を示す断面図（その４）である。 本発明の実施形態に係る粉末積層造形方法を示す断面図（その５）である。 従来の粉末積層造形方法を説明するフローチャート（その１）である。 従来の粉末積層造形方法を説明するフローチャート（その２）である。 従来の粉末積層造形方法を示す断面図（その１）である。 従来の粉末積層造形方法を示す断面図（その２）である。 従来の粉末積層造形方法を示す断面図（その３）である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（予備的事項）
最初に、予備的事項として、これまで積層造形装置を用いて行われていた積層造形方法について説明する。

図１０〜図１１はこれまで行われてきた積層造形方法を説明するフローチャートであり、図１２〜図１４は対応する積層造形装置の動作を示す断面図である。

最初に、図１２（ａ）に示すように、左側の粉末材料収納容器32aを最初の粉末材料35の供給側とし、右側の粉末材料収納容器32bを最初の粉末材料35の収納側とし、リコータ36を左側の粉末材料収納容器32aの外側のフランジ上に置く。容器内の粉末材料35は、溶融温度或いは焼結温度よりも少し低い温度に加熱されている。

次いで、図１０の（Ｐ５１）〜（Ｐ５２）の工程に従い、図１２（ｂ）に示すように、右側の粉末材料収納容器32bの第２フィードテーブル34bを下降させ、薄層形成容器31のパートテーブル33を薄層１層分下降させるとともに、左側の粉末材料収納容器32aの第１フィードテーブル34aを上昇させて粉末材料収納容器32a上に粉末材料35を突出させる。

次いで、図１０の（Ｐ５３）〜（Ｐ５４）の工程に従い、図１２（ｃ）に示すように、リコータ36を右側に移動させて突出した粉末材料35を押し取って薄層形成容器31まで運び、薄層形成容器31に運び入れながら表面を均してパートテーブル33上に第１層目の粉末材料の薄層35aを形成する。次いで、リコータ36をさらに右側に移動させて残った粉末材料35を右側の粉末材料収納容器32bに収納する。

次いで、図１０の（Ｐ５５）の工程に従い、図１３（ａ）に示すように、レーザ光により第１層目の粉末材料の薄層35aを選択的に溶融し固化して、或いは焼結して、パートテーブル33上に第１層目の固化層35bを形成する。

このとき、所要数の固化層35bの積層が終わる場合、図１０の（Ｐ５６）の工程に従い、造形を終了する。

一方、まだ所要数の固化層35bの積層が終わらず引き続き積層を行う場合、続いて、図１０の（Ｐ５７）〜（Ｐ５８）の工程に従い、図１３（ｂ）に示すように、左側の粉末材料収納容器32aの第１フィードテーブル34aを下降させ、薄層形成容器31のパートテーブル33を薄層１層分下降させるとともに、右側の粉末材料収納容器32bの第２フィードテーブル34bを上昇させて粉末材料収納容器32b上に粉末材料35を突出させる。

次いで、図１１の（Ｐ５９）〜（Ｐ６０）の工程に従い、図１３（ｃ）に示すように、リコータ36を左側に移動させて突出させた粉末材料35を押し取って薄層形成容器31まで運び、薄層形成容器31に運び入れながら表面を均して第１層目の固化層35b上に第２層目の粉末材料の薄層35aを形成する。次いで、リコータ36をさらに左側に移動させて残った粉末材料35を左側の粉末材料収納容器32aに収納する。

次いで、図１１の（Ｐ６１）の工程に従い、図１４（ａ）に示すように、レーザ光により第２層目の粉末材料の薄層35aを選択的に溶融し固化して、或いは焼結して、第１層目の固化層35b上に第２層目の固化層35bを形成する。

その後、上記の動作を繰り返して第２層目の固化層35bの上に第３層目以降の固化層を積層して、図１４（ｂ）に示すように、所要の造形物が作製される。

以上のように、これまで行われてきた積層造形方法によれば、固化層35bを１層形成する（１サイクル）のに、図１２（ｂ）〜図１３（ａ）及び図１３（ｂ）〜図１４（ａ）に示すように、一方の粉末材料収納容器32a又は32bでフィードテーブル34a, 34bにより粉末材料35を突出させ、その粉末材料35をリコータ36により押し取って薄層形成容器31まで運び、薄層形成容器31に運び入れながらパートテーブル33上に粉末材料の薄層35aを形成する。次いで、残った粉末材料35をさらに運んで他方の粉末材料収納容器32b又は32aに収納する。その後、粉末材料の薄層35aにレーザ光を照射して、焼結し又は溶融し固化して固化層を形成する。

すなわち、１サイクルは、パートテーブル33の下降時間（約0.5秒）、フィードテーブル34a, 34b各々の上昇時間及び下降時間（ともに約0.5秒）のうち最も長くかかる時間（約0.5秒）と、一方の粉末材料収納容器32a又は32bから他方の粉末材料収納容器32b又は32aまでのリコータ36の移動時間（約8.5秒）と、レーザ光の照射時間（造形物の形状に依存し、１層あたり約10秒から60秒以上変化し、平均30秒とする。）とを含み、合計約39秒かかっていた。したがって、造形物を完成させるのにたとえば３千層の固化層を積層する必要がある場合、約11700秒（32.5時間）とかなり長時間かかっていた。

このような事情から、造形物を完成させるのに要する時間を短縮することが望まれていた。本願は、この要望に応えるための一発明を開示するものである。

（本発明の実施形態）
（１）粉末積層造形装置について
図１は、本発明の実施形態に係る粉末積層造形装置の構成を示す図である。

なお、造形を行う加熱用エネルギビームを出射する加熱用エネルギービーム源として、レーザ光を出射するレーザ光源、電子ビームを出射する電子ビーム源、その他の粒子ビームを出射する粒子ビーム源があり、本発明に適用できるが、以下では、レーザ光源を用いて説明する。

実施形態に係る粉末積層造形装置は、レーザ光出射部101と、造形が行われる薄層形成部102と、薄層形成部102上を移動するリコータ20と、造形を制御する制御部103とを備えている。

なお、薄層形成部102は、必要な場合、粉末材料への水分の付着や粉末材料の酸化・窒化を防止するため、図示しない減圧可能なチャンバ（減圧用容器）内に設置されてもよい。

以下に、本粉末積層造形装置における各部の詳細について説明する。

図２（ａ）、（ｂ）は、レーザ光出射部101と薄層形成部102の構成を示す図である。図２（ａ）は上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。

（ｉ）レーザ光出射部101の構成
図２（ｂ）に示すレーザ光出射部101は、レーザ光源と、光学系と、ＸＹＺドライバとを備えている。

レーザ光源は、主に、波長1,070nmのレーザ光を出射するYAGレーザ光源、あるいは、ファイバレーザ光源や、波長10.6μmのレーザ光を出射する高出力のCO₂レーザ光源などが用いられる。粉末材料19の波長吸収率だけでなくコストパフォーマンスなどを考慮して、使用波長を適宜使い分ける。

光学系は、ガルバノメータミラー（ＸミラーとＹミラーで構成される）と、レンズとを有する。ＸミラーとＹミラーは、それぞれ、レーザ光21の出射角度を変化させてレーザ光21をＸ方向とＹ方向に走査する。また、レンズは、Ｘ方向とＹ方向に走査されるレーザ光21の動きに従って移動し、レーザ光21の焦点距離を粉末材料の薄層19aの表面にあわせる。

ＸＹＺドライバは、制御部103からの制御信号により、Ｘミラーと、Ｙミラーと、レンズとを動作させる制御信号を送出し、次のような動作を行わせる。

即ち、固化層の形成領域に対して設定された走査線に基づき、ＸミラーとＹミラーの角度を変化させてレーザ光21を走査するとともにレーザ光源を適宜ON/OFFさせる。この間、レーザ光21の動きに合わせて、レーザ光21が粉末材料の薄層19aの表面に焦点を結ぶように絶えずレンズを動かす。このようにして、粉末材料の薄層19aにレーザ光21を特定の領域に選択的に照射して加熱する。レーザ光源に加える電力を制御することで粉末材料の薄層19aを焼結させ、或いは、溶融させる。

なお、加熱用エネルギービーム源として、レーザ光21の代わりに、他のエネルギービーム源を用いた場合、エネルギービーム源に応じて光学系を適宜変更できる。例えば、電子ビーム源の場合、電磁レンズと偏向系を用いることができる。

（ii）薄層形成部102の構成
薄層形成部102は、造形が行われる薄層形成容器11と、その両側に設置された第１粉末材料収納容器12a及び第２粉末材料収納容器12bと、粉末材料19を運び、粉末材料の薄層19aを形成するリコータ20とを備えている。また、薄層形成容器11と第１粉末材料収納容器12aの間に左側の粉末材料待機用のフランジ13aが設けられるとともに、薄層形成容器11と第２粉末材料収納容器12bの間に右側の粉末材料待機用のフランジ13bが設けられている。第１粉末材料収納容器12a、左側フランジ13a、薄層形成容器11、右側フランジ13b及び第２粉末材料収納容器12bは、この並びで上面が面一となるように接合されている。これにより、リコータ20は、すべての容器12a, 11, 12bにわたってスムーズに移動することができる。なお、「フランジ」との名称は、各容器12a, 11, 12bのフランジを連結して構成されたものに相当することによる。

薄層形成容器11では、容器11の底を兼ねたパートテーブル（第１昇降台）15上で粉末材料の薄層19aが形成され、粉末材料の薄層19aにレーザ光21が照射されて固化層19bが形成される。そして、パートテーブル15を順次下方に移動させて固化層19bを積層し、３次元造形物が作製される。

第１粉末材料収納容器12aでは、容器12aの底を兼ねた第１フィードテーブル（第２昇降台）17a上に粉末材料19が収納され、第２粉末材料収納容器12bでは、容器12bの底を兼ねた第２フィードテーブル（第３昇降台）17b上に粉末材料19が収納される。第１粉末材料収納容器12a及び第２粉末材料収納容器12bのうち、いずれか一方を粉末材料19の供給側とした場合、他方が、粉末材料の薄層19aを形成した後に残った粉末材料19の収納側となる。

パートテーブル15と、第１フィードテーブル17aと、第２フィードテーブル17bの各下面には、それぞれ、支持軸16、18a及び18bが取り付けられ、支持軸16、18a及び18bは、支持軸16、18a及び18bを上下に移動させる図示しない駆動装置に接続されている。

駆動装置は、制御部103からの制御信号により制御されて、供給側のフィードテーブル17a又は17bを上昇させて粉末材料19を供給するとともに、収納側のフィードテーブル17b又は17aを下降させて残った粉末材料19を収納する。

リコータ20は、制御部103からの制御信号により制御されて、第１粉末材料収納容器12a、薄層形成容器11及び第２粉末材料収納容器12bの上面上を全領域にわたって移動する。リコータ20は移動しながら、供給側の粉末材料収納容器12a又は12b上で粉末材料19を押し取り、薄層形成容器11に粉末材料19を運び入れながら表面を均してパートテーブル15上に薄層19aを形成し、余った粉末材料19を収納側の粉末材料収納容器12b又は12aまで運び、フィードテーブル17b又は17a上に収納する。

さらに、各容器11、12a、12b内に収納された粉末材料19や、容器11内の薄層19aを加熱し、昇温するため、図示しないヒータや加熱用光源など他の加熱手段を有する。加熱手段は各容器11、12a、12bに内蔵されてもよいし、各容器11、12a、12bの周辺に設けられてもよい。

ところで、本発明では、造形に要する時間を短縮するため、薄層にレーザ光を照射している間を利用して次に薄層を形成するための粉末材料19を粉末材料収納容器12a又は12bから薄層形成容器11の手前まで運んでくるようにしている。このとき、粉末材料19の運搬に要する時間がレーザ光の照射に要する時間よりも短い場合、レーザ光の照射が終わるまで薄層形成容器11の手前のフランジ13a又は13b上で粉末材料19を待機させる必要がある。このため、運搬中の粉末材料19の温度が低下し、溶融温度或いは焼結温度より少し低い温度に維持できなくなる。したがって、薄層形成容器11内に粉末材料の薄層19aを形成してもレーザ光の照射をすぐに始められない。そこで、特に、本実施形態では左側フランジ13aと右側フランジ13bの下面にそれぞれヒータ（加熱手段）14aと14bを設け、待機中の粉末材料19を加熱して温度を低下させないようにし、これによって粉末材料の薄層19aを形成し終えるとすぐにレーザ光の照射を始められるようにしている。粉末材料を焼結温度又は溶融温度より少し低い温度に維持するのは、レーザ照射する粉末材料の薄層とその周囲の粉末材料の薄層の温度差が小さくなるようにし、これにより固化層の熱歪を小さくするためである。なお、加熱手段14a及び14bは、フランジ13a及び13bに設置されるとともに、或いは、フランジ13a及び13bに設置される代わりに、リコータ20に設けられてもよい。リコータ20に加熱手段を設けることで、粉末材料19が運搬中も加熱されるので、フランジ13a及び13bに到達したときの温度低下が小さくなる。したがって、より一層早くレーザ照射を始めることができるため、より一層時間短縮を図ることが可能である。特に、レーザ照射時間が短い時に時間短縮の効果が顕著になる。

加熱手段について、実施形態では左側フランジ13aと右側フランジ13bの下面にヒータ14a及び14bを設けているが、左側フランジ13aと右側フランジ13bの上方に赤外線照射手段を設けてもよい。

（粉末材料）
使用可能な粉末材料19として、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン或いはその他の金属粉末や、樹脂粉末や、アルミナセラミックスなどのセラミックス粉末などが挙げられる。

また、粉末材料19として、上述の金属粉末や、樹脂粉末や、セラミックス粉末などに、使用する特定波長のレーザ光を吸収可能な金属、顔料或いは染料などのレーザ吸収剤を混ぜたものを用いてもよい。

（iii）制御部103の構成及び制御方法
制御部103は、レーザ光出射部101のコントローラと、薄層形成部102のコントローラとで構成される。

（レーザ光出射部101のコントローラ）
レーザ光出射部101のコントローラは、ＸＹＺドライバに制御信号を送り、次のような制御を行う。

すなわち、焼結領域に対して設定された走査線に基づき、ＸミラーとＹミラーの角度を変化させてレーザ光21を走査するとともにレーザ光源を適宜ON/OFFさせる。この間、レーザ光21の動きに合わせて、レーザ光21が粉末材料の薄層19aの表面に焦点を結ぶように絶えずレンズを動かす。このようにして、焼結領域の粉末材料の薄層19aを焼結する。或いは、焼結領域の粉末材料の薄層を溶融し、その後固化させる。

なお、走査線は、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、設定される。スライスデータとは、物品を輪切りにしたときのその薄い層の平面形状を平面の座標で表したデータのことである。

（薄層形成部102のコントローラ）
薄層形成部102のコントローラは、パートテーブル15、第１フィードテーブル17a及び第２フィードテーブル17bの昇降と、リコータ20の移動とを制御するとともに、ヒータ14a, 14bを含む加熱手段による加熱を制御する。制御の詳細は、次項で説明する。

（積層造形の制御方法）
図３〜図９を参照して、積層造形を行うための制御部103による制御方法について説明する。図３〜図４は、フローチャートであり、図５〜図９は、制御に従って動作する粉末積層造形装置を示す断面図である。

薄層形成部102のコントローラは、造形を開始する前に、予めヒータ14a及び14bを動作させてフランジ13a及び13bの上面を焼結温度又は溶融温度より少し低い温度に加熱しておく。さらに、他の加熱手段を動作させて、容器11, 12a, 12b内の粉末材料19が焼結温度又は溶融温度より少し低い温度に維持されるようにしておく。

まず、図５（ａ）に示すように、リコータ20を第１粉末材料収納容器12aの外側の縁部に配置する。

次いで、図３の（Ｐ１）〜（Ｐ２）の工程に従い、図５（ｂ）に示すように、粉末材料19を載せた第１フィードテーブル17aを上昇させて第１粉末材料収納容器12aから粉末材料19を突出させるとともに、パートテーブル15を薄層一層分だけ下降させる。また、第２フィードテーブル17bを、薄層の形成後に残る粉末材料が十分に収納される程度に下降させる。

次いで、図３の（Ｐ３）〜（Ｐ４）の工程に従い、図５（ｃ）に示すように、リコータ20を右側に移動させて第１粉末材料収納容器12aから突出させた粉末材料19を押し取って薄層形成容器11まで運び、リコータ20により粉末材料19を運び入れながら表面を均してパートテーブル15上に粉末材料の薄層19aを形成させる。さらに、残った粉末材料19を第２粉末材料収納容器12bまで運ぶため、リコータ20を右側に移動させる。

このとき、リコータ20が右側のフランジ13b上に達した後で、図６（ａ）に示すように、粉末材料の薄層19aへのレーザ光21の照射を開始する。レーザ光21は、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、レーザ光出射部101のコントローラにより、光学系のミラーとレンズの動きを制御しながら照射する。そして、レーザ光21を照射している間に、以下の動作を行わせる。

すなわち、図３の（Ｐ５）の工程に従い、図６（ｂ）に示すように、リコータ20をさらに右側に移動させて、残った粉末材料19を第２粉末材料収納容器12bまで運び、第２フィードテーブル17b上に収納する。

これによって積層がすべて終了した場合、図３の（Ｐ６）の工程に従い、レーザ光21の照射が終った後で、造形を終了する。

一方、積層がまだすべて終了せず引き続き積層を行う場合は、次に、図３の（Ｐ７）の工程に従い、図６（ｃ）に示すように、粉末材料19を載せた第２フィードテーブル17bを上昇させて第２粉末材料収納容器12b上面から粉末材料19を突出させる。

次いで、図３の（Ｐ８）の工程に従い、図７（ａ）に示すように、リコータ20を左側に移動させて第２粉末材料収納容器12bから突出させた粉末材料19を押し取る。続いて、薄層形成容器11まで粉末材料19を運ぶため、リコータ20をさらに左側に移動させる。そして、リコータ20が右側のフランジ13b上に達したときに、まだレーザ光21の照射が終っていない場合、リコータ20を右側のフランジ13b上で待機させる。待機中、右側のフランジ13b上の粉末材料19はヒータ14bにより加熱され、焼結温度又は溶融温度より少し低い温度に維持される。以下同じである。

次いで、図４の（Ｐ９）の工程に従い、図７（ｂ）に示すように、レーザ光21の照射が終ってから、パートテーブル15を薄層一層分だけ下降させるとともに、第１フィードテーブル17aを下降させる。なお、第１フィードテーブル17aは、レーザ光21の照射中に下降させておいてもよい。

次いで、図４の（Ｐ１０）〜（Ｐ１１）の工程に従い、図７（ｃ）に示すように、リコータ20を左側に移動させ、薄層形成容器11に粉末材料19を運び入れながら表面を均してパートテーブル15の固化層19bの上に粉末材料の薄層19aを形成させる。続いて、残った粉末材料19を第１粉末材料収納容器12aまで運ぶため、リコータ20をさらに左側に移動させる。このとき、リコータ20が左側のフランジ13a上に達した後で、粉末材料の薄層19aへのレーザ光21の照射を始める。そして、レーザ光21を照射している間に、以下の動作を行わせる。

すなわち、図４の（Ｐ１２）の工程に従い、図７（ｃ）に示すように、リコータ20をさらに左側に移動させ、残った粉末材料19を第１フィードテーブル17a上に収納する。

このとき、所要数の薄層の積層がすべて終了した場合、図４の（Ｐ１３）の工程に従い、レーザ光21の照射が終了した後で、造形を終了する。

一方、積層がまだすべて終了せず引き続いて積層を行う場合は、次に、図４の（Ｐ１４）の工程に従い、粉末材料19を載せた第１フィードテーブル17aを上昇させて第１粉末材料収納容器12aから粉末材料19を突出させる。

次いで、図４の（Ｐ１５）の工程に従い、リコータ20を右側に移動させて第１粉末材料収納容器12aから突出させた粉末材料19を押し取る。薄層形成容器11まで粉末材料19を運ぶため、リコータ20をさらに右側に移動させる。そして、図８（ａ）に示すように、リコータ20が左側のフランジ13a上に達したときに、まだレーザ光21の照射が終っていない場合、リコータ20を左側のフランジ13a上で待機させる。待機中、左側のフランジ13a上の粉末材料19は加熱手段14aで加熱されて、焼結温度又は溶融温度より少し低い温度に維持される。以下同じである。

次いで、図４の（Ｐ１６）の工程に従い、図８（ｂ）に示すように、レーザ光21の照射が終ってから、パートテーブル15を下降させるとともに、第２フィードテーブル17bを下降させる。なお、第２フィードテーブル17bはレーザ光21の照射中に下降させておいてもよい。

次いで、図４の（Ｐ１７）の工程に従い、図８（ｃ）に示すように、リコータ20を右側に移動させ、薄層形成容器11に粉末材料19を運び入れながら表面を均してパートテーブル15上に粉末材料の薄層19aを形成させる。続いて、残った粉末材料19を第２粉末材料収納容器12bまで運ぶため、リコータ20をさらに右側に移動させる。このとき、図３の（Ｐ４）の工程に従い、リコータ20が右側のフランジ13b上に達した後で、粉末材料の薄層19aへのレーザ光21の照射を始める。そして、レーザ光21を照射している間に、以下の動作を行わせる。

すなわち、図３の（Ｐ５）の工程に従い、図８（ｃ）に示すように、リコータ20をさらに右側に移動させて残った粉末材料19を第２粉末材料収納容器12bまで運び、第２フィードテーブル17b上に収納する。

これによって積層がすべて終了した場合、図３の（Ｐ６）の工程に従い、レーザ光21の照射が終った後で、造形を終了する。

一方、積層がまだすべて終了せず引き続き積層を行う場合は、図３の（Ｐ７）の工程に従い、図６（ｃ）に示すように、粉末材料19を載せた第２フィードテーブル17bを上昇させ、第２粉末材料収納容器12bから突出させる。

次いで、図３の（Ｐ８）の工程に従い、図７（ａ）に示すように、リコータ20を左側に移動させ、第２粉末材料収納容器12bから突出させた粉末材料19を押し取る。薄層形成容器11まで運ぶためリコータ20をさらに左側に移動させる。そして、リコータ20が右側のフランジ13b上に達したときに、まだレーザ光の照射が終っていない場合、リコータ20を右側のフランジ13b上で待機させる。

次に、レーザ光21の照射が終ってから、図７（ｂ）乃至図９（ａ）までの工程を繰り返す。このようにして、複数の固化層19bを積層させ、３次元造形物を作製させる。

以上説明した本発明の実施形態に係る積層造形装置によれば、コントローラ103による制御により、粉末材料の薄層19aを形成した後で薄層19aにレーザ光を照射している間に、リコータ20を移動させて収納側のフィードテーブル17b又は17a上に余った粉末材料を収納し、その後に新たに供給側となったフィードテーブル17b又は17aを上昇させて粉末材料収納容器12b又は12a上面から新たな粉末材料19を突出させ、リコータ20を逆向きに移動させて突出させた粉末材料19を押し取り、薄層形成容器11の手前まで運んでいる。

そして、レーザ光の照射が終わった直後に、間を置かずに、パートテーブル15を下降させ（Ｐ９、Ｐ１６）、リコータ20を移動させて新たな粉末材料19をパートテーブル15上に運び入れて新たな薄層19aを形成し（Ｐ１０、Ｐ１７）、新たな薄層19aに対してレーザ光21の照射を行っている（Ｐ１１、Ｐ４）。

このように、本発明の実施形態によれば、固化層19bを１層形成するにつき要する時間は、パートテーブル15の下降時間と、パートテーブル15上に薄層19aを形成するためのリコータ20の移動時間と、レーザ光の照射時間とを含むのみである。言い換えれば、固化層19bを１層形成するにつき、（Ｐ５）〜（Ｐ８）の工程及び（Ｐ１２）〜（Ｐ１５）の工程のうち、パートテーブル15上に薄層19aを形成し終えた直後から、新たな粉末材料19がパートテーブル15の手前に運ばれてくるまでの時間だけ短縮できる。

よって、固化層19bを数千層も積層して造形物を完成させる必要がある積層造形方法において、造形に要する時間を大幅に短縮することができる。

さらに、コントローラは、リコータ20が薄層形成容器11の手前で待機中に、粉末材料が焼結温度や溶融温度より少し低い温度に維持されるように、加熱手段14a, 14bが粉末材料や薄層19aの加熱を行うように制御している。

したがって、完成した造形物の熱歪を小さく抑えつつ、造形に要する時間を大幅に短縮することができる。

（２）粉末積層造形方法について
粉末積層造形方法については、上述した「積層造形の制御方法」に従って行われるので、重複する説明を省略する。

積層造形を始める前に、減圧雰囲気中で粉末材料から酸素、窒素及び水分を除くことが望ましい。この場合、積層造形は、引き続き減圧雰囲気中で行ってもよいし、減圧雰囲気を窒素などの不活性ガスで置換し、不活性ガス雰囲気中で行ってもよい。

また、固化層19bが積層されて完成した３次元造形物は、薄膜形成容器11中で粉末材料19に埋もれているので、粉末材料19を取り除いてから取り出される。

本実施形態に係る粉末積層造形方法によれば、（積層造形の制御方法）で説明したように、造形物の熱歪を小さく抑えつつ、造形に要する時間を短縮することができる。

（３）実施例
次に、上述の実施形態の粉末積層造形装置を使用し、上述の実施形態の粉末積層造形方法に基づいて、造形に要する時間を調査した実験結果について説明する。

実験では、全体の大きさが横幅1600ｍｍ、奥行き750ｍｍである薄層形成部102を有する粉末積層造形装置を用いた。薄層形成部102は、横幅560ｍｍ、奥行き560ｍｍの薄層形成容器11と、横幅340ｍｍ、奥行き560ｍｍの第１及び第２粉末収納容器12a, 12bと、横幅160ｍｍ、奥行き600ｍｍの第１及び第２フランジ14a, 14bとからなる。

そして、薄層形成容器11内の粉末材料の薄層19aの上表面の全面積の凡そ30％に相当する領域にレーザ光21を照射した。

実験によれば、レーザ光21の照射時間は、薄層１層あたり平均30秒とした。また、リコータの移動速度は定速度時で200mm／秒であり、フィードテーブル17a又は17bを上昇させるのに要する時間は、約0.5秒であった。

ここで、図３及び図４に示す（Ｐ５）〜（Ｐ８）の工程及び（Ｐ１２）〜（Ｐ１５）の工程のうち、パートテーブル15上に薄層19aを形成し終えた直後から、リコータ20が残った粉末材料を粉末材料収納容器12a又は12bに収納し、粉末材料収納容器12a又は12bから新たな粉末材料をフランジ13a又は13b上に運んでくるまでの時間（Ｔ）は、リコータ20がフランジ13a又は13b上を移動する時間（ｔ１＝0.8秒）と、粉末材料収納容器12a又は12b上を移動する時間（ｔ２＝1.5秒）と、フィードテーブル17a又は17bを上昇させる時間（ｔ３＝0.5秒）と、リコータ20が再び粉末材料収納容器12a又は12b上を移動してフランジ13a又は13b上に到達するまでの時間（ｔ４＝3秒）とを合計した時間に相当する。時間（Ｔ）を計算すると、5.8秒であった。なお、粉末材料収納容器12a又は12b上を移動する時間ｔ２とｔ４が異なるのは、加速を含む移動（時間ｔ４）では、リコータ20の振動を避けるべく加速を緩やかにしているのに対して、減速を含む移動（時間ｔ２）では、リコータ20の振動を避ける必要がなく急速に減速できるためである。

この時間（Ｔ）を、レーザ光21の照射時間と比較すると、レーザ光21の照射時間の方が、かなり長い。よって、レーザ光21を照射している間に、リコータ20が残った粉末材料を収納し、新たな粉末材料をフランジ13a又は13b上に運んでくることができた。そして、24.2秒の待機時間（ｔ５）が生じた。

本願発明の方法と、同じ装置を用いた従来方法とを比較したとき、レーザ光21を照射している間にリコータ20が移動するのに要する時間（ｔ１＋ｔ２＋ｔ４）、すなわち、およそ5.3秒だけ短縮できる。これにより、造形物を完成させるのに３千層の固化層を積層した場合、およそ4.41時間短縮できることになる。なお、フィードテーブル17a又は17bを上昇させる時間（ｔ３＝0.5秒）を加えなかったのは、図１３（ｂ）で、パートテーブル33を下げるときにフィードテーブル17a又は17bを同時に上げており、もともと、１サイクルの造形時間（32.5時間）には単独で含ませていないためである。フィードテーブル17a又は17bを下降させる時間（ｔ３＝0.5秒）を加えなかったのも同じ理由である。

本発明の実施の形態によれば、実施の形態の冒頭に挙げた例に比べて約13.6％の短縮率であるが、造形物の形状に応じてレーザ光の照射時間が大きく変動し、レーザ光の照射時間が短い場合に、時間短縮の効果がより顕著になる。

以上、実施の形態によりこの発明を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。

11, 31・・・薄層形成容器、12a, 32a…第１粉末材料収納容器、12b, 32b…第２粉末材料収納容器、13a…左側フランジ、13b…右側フランジ、14a, 14b…ヒータ（加熱手段）、15, 33…パートテーブル（第１昇降台）、16, 18a, 18b…支持軸、17a, 34a…第１フィードテーブル（第２昇降台）、17b, 34b…第２フィードテーブル（第３昇降台）、19, 35…粉末材料、19a, 35a…粉末材料の薄層、19b, 35b…固化層、20, 36…リコータ（運搬手段）、101…レーザ光出射部、102…薄層形成部、103…コントローラ（制御部）。

Claims (6)

1. 粉末材料を供給する第１昇降台と、
   粉末材料を供給する第２昇降台と、
   前記第１昇降台と前記第２昇降台の間に置かれ、前記粉末材料の薄層を形成する第３昇降台と、
   前記第１昇降台、前記第３昇降台及び前記第２昇降台の間を移動し、前記粉末材料を運ぶ運搬部材と、
   前記粉末材料の薄層を加熱する加熱用エネルギービーム出射手段と、
   前記第１昇降台と前記第３昇降台の間、及び前記第２昇降台と前記第３昇降台の間にそれぞれ配置され、前記第３昇降台の手前まで運ばれた前記粉末材料を加熱する加熱手段と、
   前記第１昇降台、前記第２昇降台、前記第３昇降台、前記運搬部材、前記加熱手段及び前記加熱用エネルギービーム出射手段を制御する制御部を有し、
   前記制御部は、前記第３昇降台を下降させ、前記運搬部材を一方向に移動させて前記粉末材料を前記第３昇降台上に運び入れ、前記粉末材料の薄層を形成させた後に、前記加熱用エネルギービームを出射させて前記粉末材料の薄層を加熱し、第１固化層を形成させるとともに、前記加熱用エネルギービームを出射させている間に、前記第１昇降台を下降させ、前記粉末材料の薄層を形成させた後に残った前記粉末材料を、前記運搬部材を前記一方向に移動させて前記第１昇降台上に収納し、次いで、前記第１昇降台を上昇させて前記粉末材料を突出させ、前記運搬部材を前記一方向と逆方向に移動させて突出させた前記粉末材料を押し取り、前記第３昇降台の手前まで運び前記加熱用エネルギービームの出射が終わるまで待機させ、前記第３昇降台の手前まで運ばれた前記粉末材料を前記加熱手段により加熱することを特徴とする粉末積層造形装置。
2. 前記第１昇降台、第２昇降台及び第３昇降台がそれぞれ底に設けられた第１容器、第２容器及び第３容器と、前記第１容器の上縁と前記第３容器の上縁とを橋渡しする第１フランジと、前記第２容器の上縁と前記第３容器の上縁とを橋渡しする第２フランジとをさらに有し、
   前記加熱手段は、前記第１フランジ及び前記第２フランジの裏面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の粉末積層造形装置。
3. 前記加熱手段は、前記運搬手段に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の粉末積層造形装置。
4. 前記制御部は、前記第１固化層を形成させた後に引き続き、前記第３昇降台を下降させ、前記第３昇降台の手前の前記運搬部材を前記逆方向に移動させて前記粉末材料を前記第１固化層上に運び入れ、前記粉末材料の薄層を形成させた後に、前記加熱用エネルギービームを出射させて前記粉末材料の薄層を加熱し、第２固化層を形成させるとともに、前記加熱用エネルギービームを出射させている間に、前記粉末材料の薄層を形成させた後に残った前記粉末材料を、前記運搬部材をさらに前記逆方向に移動させて前記第２昇降台上に収納し、次いで、前記第２昇降台を上昇させて前記粉末材料を突出させ、前記運搬部材を前記一方向に移動させて突出させた前記粉末材料を押し取り、前記第３昇降台の手前まで運び前記加熱用エネルギービームの出射が終わるまで待機させ、前記第３昇降台の手前まで運ばれた前記粉末材料を前記加熱手段により加熱することを特徴とする請求項１に記載の粉末積層造形装置。
5. 粉末材料を供給する第１昇降台と、粉末材料を供給する第２昇降台と、前記第１昇降台と前記第２昇降台の間に置かれ、前記粉末材料の薄層を形成する第３昇降台と、前記第１昇降台、前記第３昇降台及び前記第２昇降台の間を移動する前記粉末材料の運搬部材と、前記粉末材料の薄層を加熱する加熱用エネルギービーム出射手段とを有する粉末積層造形装置を準備する工程と、
   前記第３昇降台を下降し、前記運搬部材を一方向に移動させて前記粉末材料を前記第３昇降台上に運び入れ、前記粉末材料の薄層を形成する工程と、
   前記加熱用エネルギービームを出射して前記粉末材料の薄層を加熱し、第１固化層を形成する工程とを有し、
   前記加熱用エネルギービームを出射している間に、
   前記運搬部材をさらに前記一方向に移動して残った前記粉末材料を前記第１昇降台上に収納する工程と、
   次いで、前記第１昇降台を上昇して前記粉末材料を突出する工程と、
   前記運搬部材を前記一方向と逆方向に移動して突出した前記粉末材料を押し取り、前記第３昇降台の手前まで運び前記加熱用エネルギービームの出射が終わるまで待機させる工程と、
   前記第３昇降台の手前まで運ばれた前記粉末材料を加熱する工程とをさらに有することを特徴とする粉末積層造形方法。
6. 前記第１固化層を形成する工程の後、
   前記運搬部材をさらに前記逆方向に移動し、前記第３昇降台の手前まで運ばれた前記粉末材料を前記第１固化層上に運び入れて前記粉末材料の薄層を形成する工程と、
   前記加熱用エネルギービームを出射して前記粉末材料の薄層を加熱し、第２固化層を形成する工程とを有し、
   前記加熱用エネルギービームを出射している間に、
   前記運搬部材をさらに前記逆方向に移動して残った前記粉末材料を前記第２昇降台上に運び入れる工程と、
   次いで、前記第２昇降台を上昇して前記粉末材料を突出する工程と、
   前記運搬部材を前記一方向に移動して突出した前記粉末材料を押し取り、前記第３昇降台の手前まで運び前記加熱用エネルギービームの出射が終わるまで待機させる工程と、
   前記第３昇降台の手前まで運ばれた前記粉末材料を加熱する工程とをさらに有することを特徴とする請求項５に記載の粉末積層造形方法。
   

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