JP6704640B2

JP6704640B2 - 積層造形装置

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Publication number: JP6704640B2
Application number: JP2016035387A
Authority: JP
Inventors: 秀一川田; 幹男金子
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2020-06-03
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: JP2017150048A

Description

本発明は、金属の積層造形物を製造する積層造形装置に関する。

金属の積層造形物を製造するための装置として、特許文献１に記載の積層造形装置がある。この積層造形装置では、造形槽内の造形空間において、リコータヘッドを水平一軸方向に移動させ、リコータヘッドに設けられた材料貯蓄箱およびブレードにより、金属の材料粉末を供給、且つ、平坦化させることによって粉末層を形成し、レーザ照射装置によって粉末層の所定範囲にレーザビームを照射して焼結層を形成する。そして、この焼結層の上に新たな粉末層を形成してレーザビームを照射し、焼結層を形成することを繰り返し行うことによって、金属の積層造形物を製造している。

ここで、特許文献１に記載の積層造形装置では、レーザビームを照射して粉末層を焼結する際に火花が飛び散り、この火花に含まれる金属粉末の残滓が焼結層の表面に付着して突起状の異常焼結部となってしまうことがある。

積層造形装置によって製造される積層造形物に用いられる材料粉末の粒径は、約１０〜５０μｍである。従って、例えば、粉末層一層当たりの厚みを５０μｍに設定した場合、焼結の際に異常焼結部が生じると、その上に形成される粉末層の上端面よりも異常焼結部の先端部が上に飛び出てしまうことがある。この場合、粉末層を平坦化させる際にブレードが異常焼結部に衝突し、ブレードの破損防止のために積層造形物の造形加工が一時中断してしまう。

このような問題を解決するために、切削工具によって異常焼結部を切除することにより、造形加工を中断させることなく積層造形物の製造を行うことができる装置として、特許文献２に記載の積層造形装置がある。この積層造形装置では、ブレードが異常焼結部に衝突した際、ブレードを衝突位置から一時退避させ、異常焼結部を切削している。これにより、改めて粉末層を形成する際、ブレードと異常焼結部との衝突を防止し、造形加工を中断することなく積層造形物の製造を行っている。

ところで、上述した異常焼結部の切削時、焼結層の上面には、切削装置の移動経路に沿って切削粉が散乱する。そして、散乱した切削粉が残ったままで粉末層を再形成すると、焼結層の上側を移動するブレードに切削粉が咬み込み、ブレードが損傷することがある。

特許文献３には、切削中の切削装置に向けてガスを吹き付けることにより、切削粉を吹き飛ばす積層造形装置が記載されている。より具体的には、特許文献３の図１に記載の積層造形装置では、ガス噴射部を設け、切削装置による焼結層の切削中、切削装置の側面に対して斜め上方向から空気流を噴射している。これにより、切削装置の側面およびその近傍の切削粉に対してガスを吹き付けている。

また、特許文献３の図２に記載の積層造形装置では、切削装置の長手方向中心軸に沿った空気流通過孔と、空気流通過孔と連通する噴出口を切削装置の側面に複数設け、切削装置による焼結層の切削中、その長手方向に対して直交および／または斜交する方向に向かう空気流を噴出させている。これにより、切削装置の側面およびその近傍の切削粉に対してガスを吹き付けている。

また、特許文献３の図３に記載の積層造形装置では、ガス噴射部を設け、切削装置による焼結層の切削中、切削装置の長さ方向に対して平行となるように、その側面に対して空気流を噴射することにより、切削装置の側面およびその近傍の切削粉に対してガスを吹き付けている。

特表平１−５０２８９０号公報特許５８４１６５２号公報特開２０１５−１９９９７２号公報

しかしながら、特許文献３に記載の積層造形装置では、切削装置に付着する切削粉を除去するために、切削装置から離れた場所ではなく、切削装置の側面もしくは側面を含む切削装置近傍に向けてガスを吹き付けている。

ここで、異常焼結部の切削は高速回転する切削工具によって行われ、切削の際に生じた切削粉は切削工具から勢いよく飛散する。従って、切削装置近傍を飛散する切削粉の運動エネルギーは大きく、引用文献３に記載の積層造形装置のように、切削装置の側面もしくは切削装置近傍に向けてガスを吹き付けた場合、ガスの吹き付けを行っているにも関わらず、切削粉は切削による勢いのままに飛散してしまう。従って、切削加工中の切削工具の損傷は防止できるが、ブレードの移動経路上から切削粉を吹き飛ばしていくことができない。そのため、切削終了後、焼結層の上面には、ガスによる吹き付けを行わない場合と同様に、切削装置の移動経路に沿って切削粉が散乱する。以上により、引用文献３に記載の積層造形装置によれば、改めて粉末層を形成する際に切削粉が咬み込み、依然としてブレードが損傷するおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、改めて粉末層を形成する際、焼結層の上側を移動するブレードに切削粉が咬み込むことを防止し、ブレードの損傷を防止できる、積層造形装置を提供することである。

第１の発明の積層造形装置は、金属の材料粉末が敷かれる造形テーブルと、前記造形テーブルの上方を水平一軸方向に往復移動し、材料粉末を平坦化して粉末層を形成するブレードと、前記ブレードによって形成された粉末層の所定領域にレーザを照射して焼結させ、焼結層を形成するレーザ照射装置と、前記レーザ照射装置によって形成された焼結層を切削する切削工具が回転可能に装着されるスピンドルヘッドと、前記スピンドルヘッドが設けられる加工ヘッドと、を含む切削装置と、ガスを噴射するノズル穴を有するノズルを含み、前記切削装置による切削によって生じた切削粉を吹き飛ばすガス噴射装置と、を備え、前記切削装置は、第１の方向に向かって、異常焼結部が生じた前記焼結層上の前記第１の方向に対して直交する第２の方向に往復移動することを繰り返しながら、少なくとも前記異常焼結部が生じた前記焼結層の全水平投影領域に渡って切削を実行し、新たな粉末層を形成する際に前記ブレードがその下の焼結層に生じた突起状の異常焼結部に衝突した場合、前記切削装置により前記異常焼結部の切削を行うと同時に、前記ガス噴射装置により前記焼結層の上面に向けて前記ガスを吹き付ける積層造形装置であって、前記ノズルは、前記加工ヘッドにおける、前記切削工具よりも相対的に前記第１方向の始点に近い位置に設けられ、前記ガス噴射装置は、前記ガスを前記焼結層の上面に対して垂直方向に吹き付け、前記焼結層上に散乱した切削粉に対して、後追いで前記ガスを吹き付けることを特徴とするものである。

本発明では、ガス噴射装置から焼結層の上面へ向けて吹き出されるガスによって形成されるガス噴出領域と、切削装置によって切削された切削粉が飛散する切削粉飛散領域とは、可能な限り重複しない。従って、ガス噴出装置から噴射されるガスは、切削の勢いによって飛散する切削粉に対してではなく、主に焼結層の上面に静止した状態の切削粉に対して吹きつけられる。これにより、焼結層の上面に散乱する切削粉をブレードの移動経路上から吹き飛ばすことができる。また、ガス噴射装置は、焼結層上に散乱した切削粉に対して、後追いでガスを吹き付ける。従って、ガス噴射装置から噴射されるガスは、既に切削が行われた場所に散乱する切削粉に対して吹き付けられる。これにより、切削を開始した側から順に、切削装置の移動経路に沿って掃き出していくようにして、焼結層の上面のブレードの移動経路上から切削粉を除去していくことができる。以上により、改めて粉末層を形成する際、焼結層の上側を移動するブレードに切削粉が咬み込むことを防止し、ブレードの損傷を防止できる。

また、切削装置により異常焼結部の切削を行うと同時に、ガス噴射装置により焼結層の上面に向けてガスを吹き付ける。従って、切削装置による異常焼結部の切削とガス噴射装置による切削粉の除去とを同時に行うことにより、異常焼結部の切削を行った後に切削粉の除去作業を行う場合と比較して、積層造形物の造形に要する時間を短縮することができる。また、切削装置は、第１の方向に向かって、異常焼結部が生じた焼結層上の第１の方向に対して直交する第２の方向に往復移動することを繰り返しながら、少なくとも異常焼結部が生じた焼結層の全水平投影領域に渡って切削を実行し、ノズルは、加工ヘッドにおける、切削工具よりも前記切削工具よりも相対的に前記第１方向の始点に近い位置に設けられ、ガス噴射装置は、ガスを焼結層の上面に対して垂直方向に吹き付ける。従って、切削を開始した側から順に、焼結層の生じたすべての異常焼結部を切削するとともに、焼結層の全上面に対して隈なくガスの吹き付けを行うことができる。

また、焼結層の上面から切削粉を吹き飛ばすことによって、焼結層の上面に新たに形成される粉末層に切削粉が混入することを防止できる。これにより、各焼結層の品質を安定させることができる。

第２の発明の積層造形装置は、前記第１の発明において、前記ガス噴射装置により前記焼結層の上面に吹き付けられる前記ガスの強さは、０．１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の範囲内であることを特徴とするものである。

ここで、ガス噴射装置により焼結層の上面に吹き付けられるガスの強さが弱すぎると、焼結層の上面に散乱する切削粉を十分に吹き飛ばすことができない。また、ガスの強さが強すぎると、吹きつけたガスの勢いで切削粉が舞い上がり、造形環境が悪化してしまう。

本発明では、ガス噴射装置により焼結層の上面に吹き付けられるガスの強さは、焼結層の上面に散乱する切削粉を吹き飛ばし可能、且つ、吹き飛ばされる材料粉末および切削粉が舞い上がることのない範囲内であり、具体的には０．１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の範囲内である。従って、ガスによって吹き飛ばされる切削粉を舞い上がらせることなく、焼結層の上面に散乱する切削粉を吹き飛ばすことができる。これにより、良好な造形環境を保持しつつ、ブレードの移動経路上から切削粉を除去することができる。

第３の発明の積層造形装置は、前記第１または第２の発明において、前記ノズル穴は、円形状であることを特徴とするものである。

本発明では、ノズル穴は、円形状であって、ガス噴射装置から噴射されるガスは、焼結層の上面に対して垂直方向に吹き付けられる。従って、上から見て、ガス噴出領域は、ノズル穴を中心とした円形状となる。すなわち、焼結層の上面に、ガスの吹き付け中心から放射状に広がる気流をつくることができる。これにより、偏りなく四方に切削粉を吹き飛ばすことができる。

第４の発明の積層造形装置は、前記第１または第２の発明において、前記ノズル穴は、前記ブレードの移動方向に長い惰円形状であることを特徴とするものである。

本発明では、ノズル穴は、ブレードの移動方向に長い惰円形状である。従って、上から見て、ガス噴出領域は、ブレードの移動方向に長い惰円形状となる。すなわち、焼結層の上面に、ブレードの移動方向に短く、ブレードの移動方向と直交する水平方向に長い形状で広がる気流をつくることができる。これにより、ブレードの移動方向では、気流の幅が短いために吹き飛ばされる切削粉の量が少なくなり、ブレードの移動方向と直交する水平方向では、気流の幅が長いために吹き飛ばされる切削粉の量が多くなる。従って、ブレードの移動経路上から、切削粉をより効率的に吹き飛ばすことができる。

本発明によれば、改めて粉末層を形成する際、焼結層の上側を移動するブレードに切削粉が咬み込むことを防止し、ブレードの損傷を防止できる。特に、本発明によると、切削加工に並行して切削粉をブレードの移動経路上から排除することが可能になるので、作業時間の増大が抑制され、作業効率を低下させることがない。

実施形態に係る積層造形装置の全体構成を示す概略側面図である。積層造形装置の下側構造物を示す斜視図である。積層造形装置のリコータヘッドを示す斜視図である。粉末層形成中の造形空間の内部側面図である。粉末層形成中の造形空間の上面図である。異常焼結部切削中の造形空間の内部側面図である。異常焼結部切削中の造形空間の上面図である。図６に示す異常焼結部切削中の加工ヘッドの拡大側面図である。図７に示す異常焼結部切削中の加工ヘッドの拡大上面図である。不活性ガス供給装置とガス噴射装置との間の構成を示す概略図である。異常焼結部切削後の造形空間の内部側面図である。異常焼結部切削後の造形空間の上面図である。変形例に係る積層造形装置の切削装置およびガス噴射装置を示す上面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

積層造形装置１は、焼結式金属粉末積層造形装置である。図１に示すように、積層造形装置１は、造形槽内に設けられた造形室１Ａと、駆動装置室１Ｂとを有する。造形室１Ａは、積層造形装置１の前側に配置されている。駆動装置室１Ｂは、後側に配置されている。造形室１Ａと駆動装置室１Ｂとは、蛇腹１Ｃによって仕切られている。造形室１Ａと駆動装置室１Ｂの室内には、図１０に示す不活性ガス供給装置１２から不活性ガスが供給されている。これにより、積層造形物の造形中は、造形槽内の酸素濃度が可能な限り低くなるように構成されている。なお、以下では、図１の図面向かって左側を前側、右側を後側、手前側を右側、奥側を左側と定義して、適宜、「前」、「後」、「右」、「左」、「上」、「下」の方向語を使用して説明する。

造形室１Ａには、積層造形物を形成する造形空間が形成される。造形空間には、金属の材料粉末が敷き詰められる。造形室１Ａには、造形テーブル２Ａが収容されている。造形空間は、造形テーブル２Ａの上側全域に形成される。造形テーブル２Ａは、粉末層を形成する度に、新たに形成する粉末層の厚さに相当する高さだけ下降する。

図１、図２に示すように、粉末層形成装置２は、造形テーブル２Ａと、造形テーブル２Ａを支持するとともに造形テーブル２Ａを昇降させる支持機構２Ｂと、支持機構２Ｂに動力を伝達する伝達機構２Ｃと、支持機構２Ｂを駆動するモータ（不図示）を含む駆動装置とを含んでなる。また、粉末層形成装置２は、リコータヘッド３を含んでなる。

図３に示すように、リコータヘッド３は、ブレード３Ａと、材料貯蓄箱３Ｂと、ガイド機構３Ｃとを含んでなる。リコータヘッド３は、材料貯蓄箱３Ｂから材料粉末を供給するとともに、粉末層の上面の基準高さに沿ってブレード３Ａを左右方向に移動させ、供給された材料粉末を平坦化することにより、新たな粉末層を形成する。

リコータヘッド３の上側には、リコータヘッド３の材料貯蓄箱３Ｂに材料粉末を供給する材料供給装置（不図示）が備えられている。積層造形物の造形中、材料貯蓄箱３Ｂの中の材料粉末が不足しないように、適時、材料供給装置から材料貯蓄箱３Ｂに材料粉末が補充される。

図２に示すように、ガイド機構３Ｃは、一対の軸受４１と、各軸受４１Ｒ，４１Ｌがそれぞれ受ける一対の軸材４２であるガイドレール４２Ｒ，４２Ｌとからなる。ガイドレール４２Ｒには、ヒュームを吸引する吸引パイプ（不図示）が設けられている。ガイドレール４２Ｌには、不活性ガスを供給する供給パイプ（不図示）が設けられている。

レーザ照射装置５は、粉末層のうちの所定の照射領域にレーザビームを照射することにより、新たな焼結層を形成する。レーザ照射装置５は、２つのガルバノミラーを含むレーザ走査装置５Ａと、レーザ発振器５Ｂと、焦点レンズ５Ｃと、複数のレーザ伝達部材（不図示）とを有している。

レーザ発振器５Ｂから出力される所定のエネルギーを有するレーザビームは、レーザ伝達部材を通して、レーザ走査装置５Ａのガルバノミラーに到達する。一対のガルバノミラーを反射したレーザビームは、焦点レンズ５Ｃで収束され、造形室１Ａの天板に穿設されている通孔に設けられた透過レンズ１Ｄを通過する。焦点レンズ５Ｃで収束されたレーザビームは、予め定められているスポット径で粉末層に照射される。

図１に示すように、切削装置７は、左右方向に往復移動可能な第１移動体７Ａと、前後方向に往復移動可能な第２移動体７Ｂと、上下方向に往復移動可能な加工ヘッド７Ｃとを有する。また、加工ヘッド７Ｃには、その下側部分にスピンドルヘッド８が設けられている。スピンドルヘッド８は、上から見て、中心部に切削工具９を装着して回転可能に構成されている。切削工具９の先端部には、焼結層を切削するための切刃が設けられている。

切削装置７は、第１移動体７Ａによって左右方向、第２移動体７Ｂによって前後方向、加工ヘッド７Ｃによって上下方向の位置を位置決めすることができる。これにより、切削工具９を３軸方向に自在に移動させて、造形室１Ａ内の任意の高さに位置決めすることができる。そして、水平方向に移動しながら高速回転する切削工具９の切刃を焼結層３６に当てることによって切削を行う。このとき、図８の一点鎖線で示すように、切削工具９の切刃近傍の切削粉飛散領域Ｒ１では、切削工具９から離れる方向に切削粉３６Ａ１が勢いよく飛散する。従って、切削粉飛散領域Ｒ１では切削粉３６Ａ１の運動エネルギーが大きく、後述するガス噴射装置１０によってガスを吹き付けても、切削粉３６Ａ１は弾き飛ばされた勢いのままに飛散してしまう。

ガス噴射装置１０は、焼結層の上面に向けてガスを噴射するためのものである。図８、図９に示すように、ガス噴射装置１０は、加工ヘッド７Ｃの右端部中央に配置されている。ガス噴射装置１０は、加工ヘッド７Ｃの下側部分に取り付けられたガス供給部１０Ａと、ガス供給部１０Ａの先端に取り付けられたノズル１０Ｂとからなる。ガス供給部１０Ａには、不活性ガス供給装置１２からガスが供給される。ガス供給部１０Ａとノズル１０Ｂには、それらの中心軸を連通するガス通過孔（不図示）が形成されている。不活性ガス供給装置１２からガス供給部１０Ａに供給されたガスは、ガス通過孔（不図示）を通過し、ノズル１０Ｂの先端に設けられた円形状のノズル穴１０Ｂ１から焼結層３６の上面に対して垂直方向に吹き付けられる。これにより、ノズル穴１０Ｂ１から焼結層３６の上面にかけてガス噴射領域Ｒ２が形成される。

図１０は、不活性ガス供給装置１２とガス噴射装置１０との間の構成を示す概略図である。不活性ガス供給装置１２からガス噴射装置１０へのガスの供給は、電磁弁１３によって制御される。また、噴射されるガスの圧力はレギュレータ１４によって制御され、噴射されるガスの流量はスピードコントローラ１５によって制御される。

次に、上述した積層造形装置１を用いて積層造形物を製造する過程について簡単に説明する。

リコータヘッド３を左右方向に移動させることにより、造形テーブル２Ａ上の造形空間に材料貯蓄箱３Ｂから材料粉末を供給しつつ、ブレード３Ａによって平坦化させる。これにより粉末層を形成し、層ごとに設定された焼結層形成範囲にレーザビームを照射して焼結層を形成する。焼結層の形成後、次に形成する粉末層の厚さ分だけ造形テーブル２Ａを下降させる。そして、焼結層の上に、その厚みが造形テーブル２Ａの下降距離と等しい新たな粉末層を形成し、層ごとに設定された焼結層形成範囲にレーザビームを照射することで焼結層を形成する。このような作業を繰り返し行うことにより、所望の積層造形物を製造する。

ところで、レーザビームにより粉末層を焼結する際には、金属粉末の残滓が焼結層の表面に付着して突起状の異常焼結部となってしまうことがある。材料粉末の粒径は、約１０〜５０μｍであるため、例えば、粉末層一層当たりの厚みを５０μｍに設定した場合、焼結の際に異常焼結部が生じると、その上に形成される粉末層の上端面よりも異常焼結部の先端部が上に飛び出てしまうことがある。その場合、材料貯蓄箱３Ｂから供給された材料粉末を平坦化する際、ブレード３Ａが異常焼結部に衝突し、ブレード３Ａの破損防止のために積層造形物の造形加工が一時中断してしまう。そこで、ブレード３Ａが異常焼結部に衝突した際、ブレード３Ａを衝突位置から一時退避させ、切削装置７によって異常焼結部の切削を行う方法が知られている。

しかしながら、上述した異常焼結部の切削時、焼結層の上面には、切削工具９の移動経路に沿って切削粉が散乱する。このような状態で粉末層を再形成すると、焼結層の上側を移動するブレード３Ａに切削粉が咬み込み、ブレード３Ａが損傷することがある。そこで、本実施形態では、異常焼結部の切削を行うとともに、ガス噴射装置１０によりガスを吹き付けることによって、焼結層の上面に散乱する切削粉をブレード３Ａの移動経路上から除去する。

以下、ブレード３Ａが異常焼結部に衝突した際の積層造形装置１の動作について、図４〜図９、図１１、図１２を参照しつつ説明する。なお、図４、図６、図１１に示すように、造形中の積層造形物を構成する焼結層３１〜３６は、焼結層が形成された順に、下側から、焼結層３１、焼結層３２、焼結層３３、焼結層３４、焼結層３５、焼結層３６の順に積層されている。また、焼結層３６の上には、粉末層３７が形成される。

図４、図５に示すように、粉末層３７の形成中、左方向に走行するブレード３Ａが焼結層３６に生じた異常焼結部３６Ａに衝突すると、ブレード３Ａを駆動させるブレードサーボモータ（不図示）への電流の供給が停止される。これにより、ブレード３Ａが停止状態となり異常焼結部３６Ａに対して弾性的に反発し、これまでの進行方向とは反対方向である右方向に空走する。そして、所定時間経過後、ブレードサーボモータ（不図示）への電流の供給を再開させ、図１１、図１２に示すように、粉末層形成開始位置までブレード３Ａを退避させる。なお、上述したように、ブレード３Ａは、新たな粉末層を形成する度に、左右方向どちらかに移動しながら粉末層を平坦化する。より具体的には、粉末層３７を平坦化する際は、造形領域の右側から左側へと移動し、その上に形成される粉末層を平坦化する際は、造形領域の左側から右側へと移動する。

次に、第１移動体７Ａおよび第２移動体７Ｂを位置調節することにより、加工ヘッド７Ｃを造形室１Ａ外側の退避位置から焼結層３６の右後方角部の切削開始位置（図７の一点鎖線で示す切削工具９の移動経路の始点位置）まで移動させる。さらに、図６、図８に示すように、加工ヘッド７Ｃを位置調節することにより、切削工具９の先端を焼結層３６の上面３６ａの高さまで下降させる。そして、図７の一点鎖線矢印で示すように、焼結層３６の右端から左端に向かって、切削工具９を焼結層３６の上面３６ａに沿って前後方向に繰り返し移動させる。これにより、焼結層３６の右端から順に、焼結層３６の上面全域を切削し、焼結層３６の上面に生じた異常焼結部３６Ａをすべて除去する。

さらに、切削中、ガス噴射装置１０から焼結層３６の上面に向けてガスを継続的に噴射させる（図８、図９の一点鎖線で示すガス噴射領域Ｒ２）。これにより、切削工具９によって、その移動経路上に生じた異常焼結部３６Ａを切削しつつ、その右側では、それよりも前に切削されて焼結層３６の上面に散乱する切削粉３６Ａ１に対してガスを吹き付ける。すなわち、ガス噴射装置１０は、切削工具９によって切削された直後の切削粉３６Ａ１ではなく、既に焼結層３６の上面に静止した状態の切削粉３６Ａ１に対してガスを吹き付けていく。これにより、切削工具９の移動開始側である右端から順に、焼結層３６の上面に散乱する切削粉３６Ａ１、および、粉末層３７の形成時に焼結層３６の上面に途中まで敷かれた材料粉末をブレード３Ａの移動経路の外側に加工ヘッド７Ｃの進行方向に沿って掃き出していくようにして吹き飛ばしていく。

なお、ガス噴射装置１０は、ノズル穴１０Ｂ１の口径が１ｍｍであって、ノズル穴１０Ｂ１の高さｄ１が焼結層３６の上面を基準面として３０ｍｍ離れて配置され、ノズル穴１０Ｂ１から噴射されるガスの吹き出し圧力が０．１〜０．５ＭＰａの範囲内である。

また、切削された切削粉３６Ａ１が飛散する切削粉飛散領域Ｒ１とガス噴射領域Ｒ２とは、可能な限り重複しないことが望ましい。これにより、ガスを噴射している領域に新たな切削粉３６Ａ１が再飛来することを防止し、ガスを噴射した領域から切削粉３６Ａ１を確実に除去していくことができる。

以上により、図１１、図１２に示すように、焼結層３６に生じた異常焼結部３６Ａを切除するとともに、ブレード３Ａの移動経路上である焼結層３６上から切削粉３６Ａ１および材料粉末を除去する。その後、改めて粉末層３７の形成から積層造形物の造形加工を再開させる。

（ノズル穴１０Ｂ１から噴射されるガスの吹き出し圧力の差異による影響評価）
次に、図８に示すように、ノズル穴１０Ｂ１の口径が１ｍｍ、ノズル穴１０Ｂ１の高さｄ１が焼結層３６の上面を基準面として３０ｍｍであるガス噴射装置１０において、ノズル穴１０Ｂ１から噴射されるガスの吹き出し圧力を変更したときの影響評価について説明する。
ｉ）ノズル穴１０Ｂ１から噴射されるガスの吹き出し圧力が０．１ＭＰａよりも小さい場合
ガスの吹き付けが弱く、切削粉３６Ａ１を良好に吹き飛ばすことはできなかった。また、切削粉３６Ａ１および材料粉末の舞い上がりは見られなかった
ｉｉ）ノズル穴１０Ｂ１から噴射されるガスの吹き出し圧力を０．１ＭＰａとした場合
ガスの吹き付けにより、切削粉３６Ａ１を良好に吹き飛ばすことができた。また、切削粉３６Ａ１および材料粉末の舞い上がりは見られなかった。
ｉｉｉ）ノズル穴１０Ｂ１から噴射されるガスの吹き出し圧力を０．２ＭＰａとした場合
ガスの吹き付けにより、切削粉３６Ａ１を良好に吹き飛ばすことができた。また、切削粉３６Ａ１および材料粉末の舞い上がりは見られなかった。
ｉｖ）ノズル穴１０Ｂ１から噴射されるガスの吹き出し圧力を０．３ＭＰａとした場合
ガスの吹き付けにより、切削粉３６Ａ１を良好に吹き飛ばすことができた。また、切削粉３６Ａ１および材料粉末の舞い上がりは見られなかった。
ｖ）ノズル穴１０Ｂ１から噴射されるガスの吹き出し圧力を０．４ＭＰａとした場合
ガスの吹き付けにより、切削粉３６Ａ１を良好に吹き飛ばすことができた。また、切削粉３６Ａ１および材料粉末の舞い上がりは見られなかった。
ｖｉ）ノズル穴１０Ｂ１から噴射されるガスの吹き出し圧力を０．５ＭＰａとした場合
ガスの吹き付けにより、切削粉３６Ａ１を良好に吹き飛ばすことができた。また、切削粉３６Ａ１および材料粉末の舞い上がりは見られなかった。
ｖｉｉ）ノズル穴１０Ｂ１から噴射されるガスの吹き出し圧力を０．５ＭＰａよりも大きい場合
ガスの吹き付けにより、切削粉３６Ａ１を良好に吹き飛ばすことができた。また、切削粉３６Ａ１および材料粉末の舞い上がりが見られた。

以上により、ガス噴射装置１０は、ノズル穴１０Ｂ１の口径が１ｍｍであって、ノズル穴１０Ｂ１の高さｄ１が焼結層３６の上面を基準面として３０ｍｍ離れて配置されているとき、ノズル穴１０Ｂ１から噴射されるガスの吹き出し圧力が０．１〜０．５ＭＰａの範囲内であれば、造形環境を悪化させることなく、焼結層３６の上面に散乱する切削粉を良好に吹き飛ばすことができることが分かる。

本実施形態では、ガス噴射装置１０から焼結層３６の上面へ向けて吹き出されるガスによって形成されるガス噴出領域Ｒ２と、切削粉３６Ａ１が勢いよく飛散する切削粉飛散領域Ｒ１とは、可能な限り重複しない。従って、ガス噴射装置１０から噴射されるガスは、切削の勢いによって弾き飛ばされる切削粉３６Ａ１に対して吹きつけられるのではなく、主に焼結層３６の上面に静止した状態の切削粉３６Ａ１に対して吹きつけられる。これにより、焼結層３５の上面に散乱する切削粉３６Ａ１をブレード３Ａの移動経路上から吹き飛ばすことができる。また、ガス噴射装置１０は、焼結層３６上に散乱した切削粉３６Ａ１に対して、後追いでガスを吹き付ける。従って、ガス噴射装置１０から噴射されるガスは、既に切削が行われた場所に散乱する切削粉３６Ａ１に対して吹き付けられる。これにより、焼結層３６の右端から左端に向かって、切削工具９の移動経路に沿ってブレード３Ａの移動経路上から切削粉３６Ａ１を除去していくことができる。以上により、改めて粉末層３７を形成する際、焼結層３６の上側を移動するブレード３Ａに切削粉３６Ａ１が咬み込むことを防止し、ブレード３Ａの損傷を防止できる。

また、切削工具９により異常焼結部３６Ａの切削を行うとともに、ガス噴射装置１０により焼結層３６の上面に向けてガスを吹き付ける。従って、切削工具９による異常焼結部３６Ａの切削とガス噴射装置１０による切削粉３６Ａ１の除去とを同時に行うことにより、異常焼結部３６Ａの切削を行った後に切削粉３６Ａ１の除去作業を行う場合と比較して、積層造形物の造形に要する時間を短縮することができる。

また、焼結層３６の上面から切削粉３６Ａ１を吹き飛ばすことにより、焼結層３６の上面に新たに形成される粉末層３７に切削粉３６Ａ１が混入することを防止できる。これにより、各焼結層の品質を安定させることができる。

ここで、ガス噴射装置１０により焼結層３６の上面に吹き付けられるガスの強さが弱すぎると、焼結層３６の上面に散乱する切削粉３６Ａ１を十分に吹き飛ばすことができない。また、ガスの強さが強すぎると、吹きつけたガスの勢いで切削粉３６Ａ１および材料粉末が舞い上がり、造形環境が悪化してしまう。

また、本実施形態では、ガス噴射装置１０は、ノズル穴１０Ｂ１の口径が１ｍｍであって、ノズル穴１０Ｂ１の高さｄ１が焼結層３６の上面を基準面として３０ｍｍ離れて配置され、ノズル穴１０Ｂ１から噴射されるガスの吹き出し圧力が０．１〜０．５ＭＰａの範囲内である。上記範囲内によれば、ガスによって吹き飛ばされる材料粉末および切削粉３６Ａ１を舞い上がらせることなく、焼結層３６の上面に散乱する切削粉３６Ａ１を吹き飛ばすことができる。これにより、造形環境を保持しつつ、ブレード３Ａの移動経路上に散乱する切削粉３６Ａ１を良好に吹き飛ばすことができる。

また、図７の一点鎖線矢印で示すように、焼結層３６の右端から左端に向かって、切削工具９を焼結層３６の上面３６ａに沿って前後方向に繰り返し移動させて、焼結層３６の上面全域を切削し、ガス吹き付け領域Ｒ２は、切削工具９を基点として、切削開始側である右側に配置されている。従って、焼結層３６に生じたすべての異常焼結部３６Ａを切削するとともに、焼結層３６の上面に対して隈なくガスを噴射し、散乱する切削粉３６Ａ１、および、粉末層３７の形成時に焼結層３６の上面に途中まで敷かれた材料粉末を確実に吹き飛ばすことができる。

また、ガス噴射装置１０のノズル穴１０Ｂ１は、円形状であって、ガス噴射装置１０から噴射されるガスは、焼結層３６の上面に対して垂直方向に吹き付けられる。従って、上から見て、ガス噴出領域Ｒ２は、ガス噴射装置１０のノズル穴１０Ｂ１を中心とした円形状となる。すなわち、焼結層３６の上面に、ガスの吹き付け中心から放射状に広がる気流をつくることができる。これにより、四方に向けて、偏りなく切削粉３６Ａ１を吹き飛ばすことができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態や実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。

本実施形態では、ガス噴射装置１０に設けられたノズル穴１０Ｂ１の形状は円形状であると記載したが、ノズル穴の形状は、例えば、ブレード３Ａの移動方向である左右方向に長い惰円形状であっても構わない。このノズル穴１０Ｂ２によれば、図１３に示すように、焼結層３６の上面に吹き付けられたガスの気流は、上から見て、左右方向に長い惰円形状に広がっていく。すなわち、焼結層３６の上面に左右方向に短く、前後方向に長い形状で広がっていく気流をつくることができる。これにより、左右方向では気流の幅が短いために吹き飛ばされる切削粉３６Ａ１の量が少なくなり、前後方向では、気流の幅が長いために吹き飛ばされる切削粉３６Ａ１の量が多くなる。従って、ブレード３Ａの移動経路上から、切削粉３６Ａ１をより効率的に吹き飛ばすことができる。

また、本実施形態では、切削された切削粉３６Ａ１が飛散する切削粉飛散領域Ｒ１とガス噴射領域Ｒ２とは、可能な限り重複しないことが望ましいと記載したが、ガス噴射領域Ｒ２の広い範囲に新たな切削粉３６Ａ１が飛来しない範囲内、すなわち、ガスの噴射による切削粉３６Ａ１の除去効果が有効な範囲内であれば、切削粉飛散領域Ｒ１とガス噴射領域Ｒ２とは重複しても構わない。

また、本実施形態では、ガス噴射装置１０のノズル１０Ｂに設けられたノズル穴１０Ｂ１の数はひとつであると記載したが、ノズル穴は複数設けられていても構わない。

また、本実施形態では、ノズル穴１０Ｂ１から噴射されるガスは、焼結層３６の上面に対して垂直方向に噴射されると記載したが、ガスが焼結層の上面に対して吹き付けられる角度は、焼結層３６の上面に対して垂直方向でなくても構わない。

また、本実施形態では、切削作業中、ガス噴射装置１０からガスを持続的に噴射し続ける場合について記載したが、例えば、ガス噴射装置１０からガスを間欠噴射しても構わない。これにより、焼結層３６の上面に対して局所的にガスの吹き付けを行うことができる。また、本実施形態に記載したガスの持続噴射と間欠噴射とを組み合わせることによって、焼結層３６の上面のある部分では広い範囲にガスを噴射し、またある部分では狭い限定された範囲にガスを吹き付けることができる。

１積層造形装置
３Ａブレード
７切削装置
９切削工具
１０ガス噴射装置
１０Ｂノズル
１０Ｂ１ノズル穴
１２不活性ガス供給装置
１３電磁弁
１４レギュレータ
１５スピードコントローラ
３６焼結層
３６Ａ異常焼結部
３６Ａ１切削粉
Ｒ１切削粉飛散領域
Ｒ２ガス噴出領域

Claims

金属の材料粉末が敷かれる造形テーブルと、
前記造形テーブルの上方を水平一軸方向に往復移動し、材料粉末を平坦化して粉末層を形成するブレードと、
前記ブレードによって形成された粉末層の所定領域にレーザを照射して焼結させ、焼結層を形成するレーザ照射装置と、
前記レーザ照射装置によって形成された焼結層を切削する切削工具が回転可能に装着されるスピンドルヘッドと、前記スピンドルヘッドが設けられる加工ヘッドと、を含む切削装置と、
ガスを噴射するノズル穴を有するノズルを含み、前記切削装置による切削によって生じた切削粉を吹き飛ばすガス噴射装置と、
を備え、
前記切削装置は、第１の方向に向かって、異常焼結部が生じた前記焼結層上の前記第１の方向に対して直交する第２の方向に往復移動することを繰り返しながら、少なくとも前記異常焼結部が生じた前記焼結層の全水平投影領域に渡って切削を実行し、
新たな粉末層を形成する際に前記ブレードがその下の焼結層に生じた突起状の異常焼結部に衝突した場合、
前記切削装置により前記異常焼結部の切削を行うと同時に、前記ガス噴射装置により前記焼結層の上面に向けて前記ガスを吹き付ける積層造形装置であって、
前記ノズルは、前記加工ヘッドにおける、前記切削工具よりも相対的に前記第１方向の始点に近い位置に設けられ、
前記ガス噴射装置は、前記ガスを前記焼結層の上面に対して垂直方向に吹き付け、前記焼結層上に散乱した切削粉に対して、後追いで前記ガスを吹き付けることを特徴とする積層造形装置。
前記ガス噴射装置により前記焼結層の上面に吹き付けられる前記ガスの強さは、０．１ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
前記ノズル穴は、円形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層造形装置。
前記ノズル穴は、前記ブレードの移動方向に長い惰円形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層造形装置。