JP6737330B2 - 金属積層造形装置 - Google Patents

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Description

この発明は、金属積層造形装置に関する。
例えば特許文献１に開示されるように、ＦＤＭ法（Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｓｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ）を適用した三次元積層造形装置が知られている。ＦＤＭ法を適用した三次元積層造形装置は、糸状の熱可塑性樹脂を造形ヘッド内のヒータで溶融し、その溶融された熱可塑性樹脂を射出制御するとともに、造形テーブルの昇降により積層造形するものである。
また、粉末造形法を適用した三次元積層造形装置が知られている。粉末造形法を適用した三次元積層造形装置は、リコーダーユニットにより造形テーブル上に一層分の粉末をコーティングし、その後、プリントヘッドユニットにより、コーティングされた粉末面に対するバインダー（結合剤）の塗布を行い、造形物の一層分を形成する。
尚、出願人は、本発明に関連するものとして、上記の文献を含めて、以下に記載する文献を認識している。
国際公開第２０１５／１４１７８２号 国際公開第２０１５／１５１８３１号
ところで、複雑な構造を有する金属造形物を作成する場合に、これまでは砂で鋳型を製作し、鋳型に融解した金属を流し込み、冷却後に鋳型を崩して金属造形物だけを残す鋳物製造方法が用いられていた。鋳物製造方法は、最終製品の大きさより大きな型が必要であり、精度面でも難易度が高く、製品１品につき１つの型が必要であった。また、金属を完全に溶かした状態で鋳型に流し込む必要があり、融点の高い金属で複雑な構造を有する造形物を作成する場合には、大きな熱エネルギーが必要になる。上述した三次元積層造形装置においても樹脂を完全に溶かす必要があり、同様に金属を完全に溶かすには、大きな熱エネルギーが必要である。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、複雑な構造を有する金属造形物を低コストで作成できる金属積層造形装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記の目的を達成するため、金属積層造形装置であって、
基台と、
基材射出装置を備えたヘッドユニットと、
前記基台と前記ヘッドユニットとの相対位置を空間座標上で変化させる駆動装置と、を備え、
前記基材射出装置は、
定形の金属片である基材の内部温度を融点未満、かつ表面温度を融点まで加熱する基材加熱部と、
前記加熱された基材を前記基台に向けて射出する基材射出部と、を備えることを特徴とする。
好ましくは、前記ヘッドユニットは、さらに、前記基材射出装置が射出する基材とは異なる材質の補材を射出する補材射出装置を備える。
好ましくは、前記ヘッドユニットは、さらに、前記基台の上に積層した積層基材の表面を加熱する加熱装置を備える。
好ましくは、前記ヘッドユニットは、さらに、前記基台の上に積層した積層基材の表面を冷却する冷却装置を備える。
本発明によれば、内部温度が融点未満かつ表面温度が融点まで加熱された定形の金属片を、基台に向けて射出することができる。基材の内部は固体のまま表面のみを融解させることで熱エネルギーを低減しつつ、射出した基材同士を溶接できる。そのため、本発明によれば、溶鉱炉や大きな鋳物型を用いずに、射出した基材を積層することで、複雑な構造を有する金属造形物を低コストで作成できる。
さらに、補材射出装置を用いれば、より複雑な内部構造を有する金属造形物を作成できる。さらに、加熱装置や冷却装置を用いれば、熱処理により積層基材の表面の金属組成（金属の結晶構造）を調整することができる。
実施の形態１に係るシステムの構成を説明するための概念図である。 実施の形態１における金属積層造形装置１のヘッドユニット３および制御装置２０について説明するためのブロック図である。 材の形状の例を示す図である。 基材射出装置１１から射出された基材１５が、基台４に積層されるイメージを説明するための概念図である。 実施の形態１における制御装置２０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。 実施の形態１に係るシステム構成の変形例を説明するための概念図である。 金属積層造形装置１が有する処理回路のハードウェア構成例を示す図である。 複雑な内部構造を有する金属造形物の一例を示す図である。 実施の形態２における金属積層造形装置１のヘッドユニット３および制御装置２０について説明するためのブロック図である。 射出された基材１５および補材１６が、基台４に積層するイメージを説明するための概念図である。 実施の形態２における制御装置２０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。 基材射出装置１１から射出された基材１５が、基台４に積層するイメージを説明するための概念図である。 実施の形態３における金属積層造形装置１のヘッドユニット３および制御装置２０について説明するためのブロック図である。 実施の形態３における制御装置２０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。 基材射出装置１１から射出された基材１５が、基台４に積層するイメージを説明するための概念図である。 実施の形態４における金属積層造形装置１のヘッドユニット３および制御装置２０について説明するためのブロック図である。 実施の形態４における制御装置２０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。 基材射出装置１１から射出された基材１５が、基台４に積層するイメージを説明するための概念図である。 実施の形態５において作成される特徴的な金属造形物の一例である。 実施の形態５における金属積層造形装置１のヘッドユニット３および制御装置２０について説明するためのブロック図である。 実施の形態５における制御装置２０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。 実施の形態６に係る金属積層造形装置１の制御例を説明するための概念図である。 実施の形態６に係るシステムの構成を説明するための概念図である。 実施の形態６における金属積層造形装置１のヘッドユニット３および制御装置２０について説明するためのブロック図である。 実施の形態６における制御装置２０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。 実施の形態６に係るシステム構成の変形例を説明するための概念図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
実施の形態１．
＜システム構成＞
図１は、実施の形態１に係るシステムの構成を説明するための概念図である。図１に示すシステムは金属積層造形装置１を備える。
図１に示す金属積層造形装置１は、材供給装置２、ヘッドユニット３、基台４、Ｘ軸アクチュエータ５、Ｙ軸アクチュエータ６、Ｚ軸アクチュエータ７、移動台８、制御装置２０を備える。金属積層造形装置１は、ヘッドユニット３から基台４に向けて材を順次射出し、材を積層することで造形物を作成する装置である。
材供給装置２は、ヘッドユニット３に材を供給する。ヘッドユニット３は、供給された材を装填し、基台４に向けて射出する。基台４は、耐熱性、断熱性のある造形ステージである。射出された材は、基台４の上面に衝突して固定される。
Ｘ軸アクチュエータ５、Ｙ軸アクチュエータ６、Ｚ軸アクチュエータ７、および移動台８は、基台４とヘッドユニット３との相対位置を空間座標上で変化させる駆動装置である。図１に示す例では、ヘッドユニット３の位置は固定であり、駆動装置は基台４の位置を変化させる。
本明細書において、Ｘ軸は基台４の上面に平行である、Ｙ軸は基台４の上面に平行かつＸ軸に垂直である。Ｚ軸は基台４の上面に垂直である。
Ｘ軸アクチュエータ５の先端部は、Ｙ軸方向に伸びた孔８ａに係合している。Ｙ軸アクチュエータ６の先端部は、Ｘ軸方向に伸びた孔８ｂに係合している。そのため、移動台８は、Ｘ軸アクチュエータ５から力を受けてＸ軸方向に、Ｙ軸アクチュエータ６から力を受けてＹ軸方向に移動可能である。
Ｚ軸アクチュエータ７は、一端が基台４に他端が移動台８に固定されている。そのため、移動台８と連結した基台４は、Ｘ軸アクチュエータ５から力を受けてＸ軸方向に、Ｙ軸アクチュエータ６から力を受けてＹ軸方向に、Ｚ軸アクチュエータ７から力を受けてＺ軸方向に移動可能である。
図２は、実施の形態１における金属積層造形装置１のヘッドユニット３および制御装置２０について説明するためのブロック図である。
材供給装置２は、ヘッドユニット３に材を供給する。実施の形態１において材は、定形の金属片である基材１５である。金属は、鋼（ステンレス鋼を含む）、鉄、銅、アルミニウム、ニッケルなどである。
図３は、材の形状の例を示す図である。材の形状は、例えば（Ａ）球体、（Ｂ）直方体、（Ｃ）円柱の下面部に円錐を付加した砲弾型、（Ｄ）直方体の下面部に方錐を付加した砲弾型である。砲弾型とすることで、材と基台４との衝突によって材の先端部が潰れ、円柱や直方体に近い形になる。材の一変の長さ（または直径）は、１ｍｍから数ｃｍである。
図２に戻り説明を続ける。ヘッドユニット３は、取付部１０と、取付部１０に取り付けられた基材射出装置１１とを備える。ヘッドユニット３に供給された基材１５は、基材射出装置１１に装填される。基材射出装置１１は、基材加熱部１１ａと基材射出部１１ｂを備える。
基材加熱部１１ａは、装填された基材１５の表面（表層）１５ｂを加熱する。基材加熱部１１ａは、基材１５の表面１５ｂのみを加熱するために、瞬時に大エネルギーで表面１５ｂを加熱する必要がある。基材加熱部１１ａの一例として、電磁コイルによる渦電流を応用した加熱装置や、レーザー光線による加熱装置が適用可能である。なお、表面（表層）１５ｂの厚みは、材の一辺の長さ（または径）の数％（０．１％〜１０％）である。
また、基材加熱部１１ａは、基材温度センサ３１を備える。基材温度センサ３１は、基材加熱部１１ａに装填された基材１５の表面温度に応じた温度信号を出力する。基材温度センサ３１の一例として、基材１５の表面１５ｂの温度を非接触で測定できる赤外線温度計が適用可能である。
基材射出部１１ｂは、装填された基材１５を射出する。基材射出部１１ｂの射線は基台４に向けられている。基材射出部１１ｂの一例として、圧縮気体を利用して物体を射出する装置や、物体を電磁誘導（ローレンツ力）により加速して撃ち出す装置（レールガン）が適用可能である。
制御装置２０は、造形データ記憶部２１、位置制御部２２、基材射出装置制御部２３を備える。制御装置２０の入力部は、基材温度センサ３１に接続し、出力部は、材供給装置２、ヘッドユニット３、Ｘ軸アクチュエータ５、Ｙ軸アクチュエータ６、Ｚ軸アクチュエータ７に接続する。
造形データ記憶部２１は、予め造形データを記憶している。造形データは、造形開始から終了までのＮ個のプロセスデータを含む。各プロセスデータは実行順に整列されている。
各プロセスデータは、少なくとも装置名称、空間座標を含む。装置名称が基材射出装置１１であるプロセスデータは、さらに、基材種類、基材表面の目標温度、射出速度等を含む。基材種類は、基材１５の材質、大きさ、形状等により定められる。基材表面の目標温度は、基材種類に応じた融点である。好ましくは、基材表面の目標温度は、射出された基材１５が積層された材との衝突によって、積層された材に溶着する温度である。射出速度は、基材射出装置１１が基材１５を射出する速度である。
位置制御部２２は、Ｘ軸アクチュエータ５、Ｙ軸アクチュエータ６、Ｚ軸アクチュエータ７を制御して、ヘッドユニット３と基台４との相対位置を制御する。具体的には、位置制御部２２は、プロセスデータに定められた空間座標に基づいて、Ｘ軸アクチュエータ５、Ｙ軸アクチュエータ６、Ｚ軸アクチュエータ７の制御量を決定し、制御量に応じた制御信号を出力する。
基材射出装置制御部２３は、プロセスデータに定められた基材種類に応じた基材１５を供給する制御信号を材供給装置２へ出力する。また、基材射出装置制御部２３は、供給された基材１５を基材射出装置１１に装填する制御信号をヘッドユニット３へ出力する。また、基材射出装置制御部２３は、基台４を目標座標（プロセスデータに定められた空間座標）に移動させる命令を位置制御部２２へ出力する。
また、基材射出装置制御部２３は、基材温度センサ３１から逐次入力される温度信号に基づいて、基材射出装置１１に装填された基材１５の表面温度を計測し、計測値がプロセスデータに定められた基材表面の目標温度（融点）に達するまで、加熱信号を基材加熱部１１ａへ出力する。これにより、基材加熱部１１ａは、装填された基材１５の内部１５ａの温度を融点未満かつ表面１５ｂの温度を融点まで加熱する。その後、基材射出装置制御部２３は、プロセスデータに定められた射出速度に基づく射出信号を基材射出部１１ｂへ出力する。これにより、基材射出部１１ｂは、加熱された状態の基材１５を基台４に向けて射出する。
図４は、基材射出装置１１から射出された基材１５が、基台４に積層するイメージを説明するための概念図である。図４に示すように、基材１５は、表面１５ｂのみ融点まで加熱された状態（内部１５ａは固体）で射出される。射出された基材１５は、先に射出され積層された積層基材１５ｃに衝突し溶着する。
＜フローチャート＞
図５は、上述の動作を実現するために、実施の形態１における制御装置２０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。
図５に示すルーチンでは、まずステップＳ１００において、制御装置２０は、造形データ記憶部２１から造形データを読み込む。造形データは実行順番が決められた複数のプロセスデータからなる。プロセスデータの実行順番を示す変数をｉとし、プロセスデータ数をＮとする。
次に、ステップＳ１１０において、制御装置２０は、第ｉ番プロセスデータを読み込む。最初は、造形データの第１番プロセスデータが読み込まれる。
次に、ステップＳ１２０において、制御装置２０は、第ｉ番プロセスデータに定められた装置名称が基材射出装置１１であるか判定する。判定条件が成立する場合、ステップＳ１３０の処理に進む。ステップＳ１３０〜ステップＳ１８０は、基材射出装置制御部２３に関する処理である。
ステップＳ１３０において、基材射出装置制御部２３は、第ｉ番プロセスデータに定められた基材種類に応じた基材１５を基材射出装置１１に装填させる制御信号をヘッドユニット３に出力する。
次に、ステップＳ１４０において、基材射出装置制御部２３は、基台４を目標座標（第ｉ番プロセスデータに定められた空間座標）に移動させる命令を、位置制御部２２へ出力する。位置制御部２２は、現座標と目標座標との差に基づいて制御量を算出し、Ｘ軸アクチュエータ５、Ｙ軸アクチュエータ６、Ｚ軸アクチュエータ７に制御信号を出力する。
次に、ステップＳ１５０において、基材射出装置制御部２３は、基材射出装置１１に加熱信号を出力する。基材加熱部１１ａは、加熱信号に応じて装填された基材１５の表面１５ｂを加熱する。
次に、ステップＳ１６０において、基材射出装置制御部２３は、基材温度センサ３１から入力される温度信号に基づいて、基材１５の現在の表面温度を計測する。
次に、ステップＳ１７０において、基材射出装置制御部２３は、ステップＳ１６０において計測された計測値が、基材表面の目標温度に達したかを判定する。基材表面の目標温度は基材１５の種類に応じた融点であり、第ｉ番プロセスデータに定められている。
次に、ステップＳ１８０において、基材射出装置制御部２３は、第ｉ番プロセスデータに定められた射出速度に基づく射出信号を基材射出部１１ｂへ出力する。基材射出装置１１は、射出信号に応じて基材１５を射出する。
次に、ステップＳ１９０において、制御装置２０は、変数ｉに１を加算する。
次に、ステップＳ２００において、制御装置２０は、変数ｉがプロセスデータ数Ｎよりも大きいかを判定する。判定条件が成立しない場合には、第ｉ＋１番プロセスデータについてステップＳ１１０から処理を継続する。一方、判定条件が成立する場合には、造形データに含まれるすべてのプロセスデータについて処理が完了しているため、図５に示す制御ルーチンは終了する。
なお、ステップＳ１２０の判定条件が成立しない場合には、図５の結合子Ａから結合子Ｂにジャンプする。制御装置２０は、ステップＳ１９０から処理を継続する。
＜効果＞
以上説明したように、実施の形態１に係る金属積層造形装置１によれば、基材射出装置１１に加熱された先の基材１５を射出させる第ｉ番プロセスデータを実行後、基材射出装置１１に先の基材１５に接する位置に次の基材１５を射出させる第ｉ＋１プロセスデータを実行することで、表面が融解した基材１５同士を好適に溶接できる。そのため、溶鉱炉や大きな鋳物型を用いずに、射出した基材１５を積層することで、複雑な構造を有する金属造形物を低コストで作成できる。特に、表面１５ｂのみを融解させて溶接するため、融点の高い金属を用いて金属造形物を作成する場合の熱エネルギーを低減できる。
また、内部１５ａは固体のまま表面１５ｂのみを融解させた基材１５を積層するため、すべて融解させた場合に比して、金属組成（金属の結晶構造）が異なる金属構造物が作成できる可能性がある。
また、射出する基材１５の材質をプロセスデータ毎に変えることで、性質の異なる複数の金属が積層した金属造形物を作成することができる。例えば、異種金属での複合材板（スラブ）を作成し、それを圧延することで新たな金属板材生産に応用できる。
＜変形例＞
ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、基台４をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動させることにより、基台４とヘッドユニット３との相対位置を空間座標上で変化させることとしているが、駆動装置の構成はこれに限定されるものではない。ヘッドユニット３をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動させてもよい。また、ヘッドユニット３をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、基台４をＺ軸方向に移動させてもよい。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。
上述したヘッドユニット３をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、基台４をＺ軸方向に移動させる構成について説明する。図６は、実施の形態１に係るシステム構成の変形例を説明するための概念図である。図６に示す金属積層造形装置１は、図１のＸ軸アクチュエータ５に換えてＸ軸アクチュエータ５ａを、Ｙ軸アクチュエータ６に換えてＹ軸アクチュエータ６ａを備える。ヘッドユニット３は、Ｘ軸アクチュエータ５ａから力を受けてＸ軸方向に、Ｙ軸アクチュエータ６ａから力を受けてＹ軸方向に移動可能である。基台４は、Ｚ軸アクチュエータ７から力を受けてＺ軸方向に移動可能である。よって、基台４とヘッドユニット３との相対位置を空間座標上で変化させることができる。なお、図６は、図１と同機能を有する制御装置２０（図示省略）を備える。
＜ハードウェア構成例＞
図７は、金属積層造形装置１が有する処理回路のハードウェア構成例を示す図である。制御装置２０内の各部は、金属積層造形装置１が有する機能の一部を示し、各機能は処理回路により実現される。例えば、処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ５１と少なくとも１つのメモリ５２とを備える。例えば、処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェア５３を備える。
処理回路がプロセッサ５１とメモリ５２とを備える場合、各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、メモリ５２に格納される。プロセッサ５１は、メモリ５２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各機能を実現する。プロセッサ５１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰともいう。例えば、メモリ５２は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等である。
処理回路が専用のハードウェア５３を備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又はこれらを組み合わせたものである。例えば、各機能は、それぞれ処理回路で実現される。例えば、各機能は、まとめて処理回路で実現される。
また、各機能について、一部を専用のハードウェア５３で実現し、他部をソフトウェア又はファームウェアで実現してもよい。
このように、処理回路は、ハードウェア５３、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって各機能を実現する。なお、上述したハードウェア構成は、以下の実施の形態でも同様である。
実施の形態２．
＜システム構成＞
次に、図８〜図１１を参照して実施の形態２について説明する。本実施形態のシステムは図１および図９に示す構成において、制御装置２０に後述する図５および図１１のルーチンを実行させることで実現することができる。
上述した実施の形態１では、表面１５ｂのみを融点まで加熱した基材１５を積層して金属造形物を作成することができる。ところで、積層された基材１５の間に隙間の空いた複雑な内部構造を有する金属造形物を作成できることが求められている。図８は、複雑な内部構造を有する金属造形物の一例を示す図である。図８に示す金属造形物は、内部にパイプ構造が形成されている。実施の形態２に係るシステムでは、内部に空間を設けた金属造形物の作成を可能とするため、後で取り除き易い補助物質（補材）を射出する装置を備えることとした。
実施の形態２に係るシステムは図１と同様のシステムを備える。図９は、実施の形態２における金属積層造形装置１のヘッドユニット３および制御装置２０について説明するためのブロック図である。図９に示す構成のうち、図２と共通する構成には、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
材供給装置２は、ヘッドユニット３に材を供給する。実施の形態２において材は、基材１５と補材１６である。補材１６は、造形物を作成後に取り除き易い補助物質である。例えば、基材１５よりも融点の低い金属や、融点は高いが液体で洗い流せる物質（粘土等）である。補材１６の形状は、基材１５と同様である（図３）。
ヘッドユニット３は、実施の形態１で説明した取付部１０および基材射出装置１１に加えて、取付部１０に取り付けられた補材射出装置１２を備える。ヘッドユニット３に供給された基材１５は、基材射出装置１１に装填され、ヘッドユニット３に供給された補材１６は、補材射出装置１２に装填される。
補材射出装置１２は、装填された補材１６を射出する。すなわち、補材射出装置１２は、基材射出装置１１が射出する基材１５とは異なる材質の補材１６を射出する。補材射出装置１２の射線は基台４に向けられている。具体的には、補材射出装置１２の射出方向は、基材射出装置１１の射出方向と同じである。補材射出装置１２の一例として、圧縮気体を利用して物体を射出する装置や、物体を電磁誘導（ローレンツ力）により加速して撃ち出す装置（レールガン）が適用可能である。
制御装置２０は、造形データ記憶部２１、位置制御部２２、基材射出装置制御部２３、補材射出装置制御部２４を備える。制御装置２０の入力部は、基材温度センサ３１に接続し、出力部は、材供給装置２、ヘッドユニット３、Ｘ軸アクチュエータ５、Ｙ軸アクチュエータ６、Ｚ軸アクチュエータ７に接続する。
造形データ記憶部２１は、予め造形データを記憶している。造形データは、造形開始から終了までのＮ個のプロセスデータを含む。各プロセスデータは実行順に整列されている。
各プロセスデータは、少なくとも装置名称、空間座標を含む。実施の形態１で説明したように、装置名称が基材射出装置１１であるプロセスデータは、さらに、基材種類、基材表面の目標温度、射出速度等を含む。また、装置名称が補材射出装置１２であるプロセスデータは、さらに、補材種類、射出速度等を含む。補材種類は、補材１６の材質、大きさ、形状等により定められる。射出速度は、補材射出装置１２が補材１６を射出する速度である。
補材射出装置制御部２４は、プロセスデータに定められた補材種類に応じた補材１６を供給する制御信号を材供給装置２へ出力する。また、補材射出装置制御部２４は、供給された補材１６を補材射出装置１２に装填する制御信号をヘッドユニット３へ出力する。また、補材射出装置制御部２４は、基台４を目標座標（プロセスデータに定められた空間座標）に移動させる命令を位置制御部２２へ出力する。また、補材射出装置制御部２４は、プロセスデータに定められた射出速度に基づく射出信号を補材射出装置１２へ出力する。これにより、補材射出装置１２は、補材１６を基台４に向けて射出する。
図１０は、射出された基材１５および補材１６が、基台４に積層するイメージを説明するための概念図である。図４に示すように、基材１５は、表面１５ｂのみ融点まで加熱された状態（内部１５ａは固体）で射出される。射出された基材１５は、先に射出され積層された積層基材１５ｃや積層補材１６ｃに衝突し溶着する。また、補材１６は、積層基材１５ｃに隙間を空けるように射出される。基材１５と補材１６を繰り返し射出し、後ほど補材１６を取り除くことで、隙間の空いた複雑な金属造形物が作成される。補材１６の取り除き方について説明する。補材１６が基材１５よりも融点の低い金属である場合、金属造形物を加熱し、融点の低い金属である補材１６を重力落下させる。また、補材１６が粘土等である場合、液体洗浄、気体による吹き飛ばし、吸引等の方法で取り除く。このように、内部に空間を持つ金属造形物を作成することができる。
＜フローチャート＞
図５および図１１は、上述の動作を実現するために、実施の形態２における制御装置２０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図５について実施の形態１と共通する説明は省略する。
実施の形態２では、図５のステップＳ１２０の判定条件が成立しない場合（結合子Ａ）、次に、図１１のステップＳ２２０の処理に進む。
ステップＳ２２０において、制御装置２０は、第ｉ番プロセスデータに定められた装置名称が補材射出装置１２であるか判定する。判定条件が成立する場合、ステップＳ２３０の処理に進む。ステップＳ２３０〜ステップＳ２５０は、補材射出装置制御部２４に関する処理である。
ステップＳ２３０において、補材射出装置制御部２４は、第ｉ番プロセスデータに定められた補材種類に応じた補材１６を補材射出装置１２に装填させる制御信号をヘッドユニット３に出力する。
次に、ステップＳ２４０において、補材射出装置制御部２４は、基台４を目標座標（第ｉ番プロセスデータに定められた空間座標）に移動させる命令を、位置制御部２２へ出力する。位置制御部２２は、現座標と目標座標との差に基づいて制御量を算出し、Ｘ軸アクチュエータ５、Ｙ軸アクチュエータ６、Ｚ軸アクチュエータ７に制御信号を出力する。
次に、ステップＳ２５０において、補材射出装置制御部２４は、第ｉ番プロセスデータに定められた射出速度に基づく射出信号を補材射出装置１２へ出力する。補材射出装置１２は、射出信号に応じて補材１６を射出する。
その後、図１１に示す制御ルーチンは終了し、制御装置２０は、図５のステップＳ１９０から処理を継続する（結合子Ｂ）。
なお、ステップＳ２２０の判定条件が成立しない場合には、図１１の結合子Ｃから結合子Ｂにジャンプする。制御装置２０は、図５のステップＳ１９０から処理を継続する。
＜効果＞
以上説明したように、実施の形態２に係る金属積層造形装置１によれば、基材１５と補材１６を繰り返し射出して、後から補材１６を取り除くことで、複雑な内部構造を有する金属造形物を作成できる。例えば、複雑な内部パイプ構造の造形ができるため、熱交換器やエンジンの部品に応用できる。また、金属フィルタの製作にも応用できる。
また、基材射出装置１１および補材射出装置１２が１つのヘッドユニット３に設けられるため、個別のヘッドユニットを切り替えて移動させる場合に比して、移動時間を短縮でき、先に射出された材が冷える前に次の材を射出できる。また、複数の装置が１つのヘッドユニット３に設けられヘッドユニット３の重量が重くなるため、ヘッドユニット３の位置を固定し、基台４の位置を変化させている。
なお、実施の形態２に係る金属積層造形装置１によれば、実施の形態１で述べた効果を当然に有する。
＜変形例＞
ところで、上述した実施の形態２のシステムにおいて、補材射出装置１２は、基材射出装置１１の基材加熱部１１ａおよび基材射出部１１ｂと同等の構成を備えてもよい。このような構成によれば、補材１６を加熱した後、補材１６を射出することができる。なお、この点は以下の実施の形態でも同様である。
実施の形態３．
＜システム構成＞
次に、図１２〜図１４を参照して実施の形態３について説明する。本実施形態のシステムは図１および図１３に示す構成において、制御装置２０に後述する図５、図１１、および図１４のルーチンを実行させることで実現することができる。
図１２は、基材射出装置１１から射出された基材１５が、基台４に積層するイメージを説明するための概念図である。射出された基材１５が溶接して形成された積層基材１５ｃ上に新たな基材１５を射出する場合に、基材１５と積層基材１５ｃとの衝突部１７の表面温度が不足している場合がある。この場合、積層基材１５ｃ上の衝突部１７を加熱して再融解させてから次の基材１５を射出することが望ましい。
そこで、実施の形態３に係るシステムでは、基材１５が撃ち込まれる場所の表面を加熱し、基材１５と積層基材１５ｃとを融着しやすくした。
実施の形態３に係るシステムは図１と同様のシステムを備える。図１３は、実施の形態３における金属積層造形装置１のヘッドユニット３および制御装置２０について説明するためのブロック図である。図１３に示す構成のうち、図２または図９と共通する構成には、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
ヘッドユニット３は、実施の形態１および実施の形態２で説明した取付部１０、基材射出装置１１、補材射出装置１２に加えて、取付部１０に取り付けられた加熱装置１３を備える。
加熱装置１３は、基台４の上に積層した積層基材１５ｃの表面を加熱する。加熱装置１３は、積層基材１５ｃの表面のみを加熱するために、瞬時に大エネルギーで積層基材１５ｃを加熱する必要がある。加熱装置１３の一例として、電磁コイルによる渦電流を応用した加熱装置や、レーザー光線による加熱装置が適用可能である。
また、ヘッドユニット３は、積層基材温度センサ３２を備える。積層基材温度センサ３２は、積層基材１５ｃの表面温度に応じた温度信号を出力する。積層基材温度センサ３２の一例として、積層基材１５ｃの表面温度を非接触で測定できる赤外線温度計が適用可能である。
制御装置２０は、造形データ記憶部２１、位置制御部２２、基材射出装置制御部２３、補材射出装置制御部２４、加熱装置制御部２５を備える。制御装置２０の入力部は、基材温度センサ３１、積層基材温度センサ３２に接続し、出力部は、材供給装置２、ヘッドユニット３、Ｘ軸アクチュエータ５、Ｙ軸アクチュエータ６、Ｚ軸アクチュエータ７に接続する。
造形データ記憶部２１は、予め造形データを記憶している。造形データは、造形開始から終了までのＮ個のプロセスデータを含む。各プロセスデータは実行順に整列されている。
各プロセスデータは、少なくとも装置名称、空間座標を含む。実施の形態１で説明したように、装置名称が基材射出装置１１であるプロセスデータは、さらに、基材種類、基材表面の目標温度、射出速度等を含む。実施の形態２で説明したように装置名称が補材射出装置１２であるプロセスデータは、さらに、補材種類、射出速度等を含む。また、装置名称が加熱装置１３であるプロセスデータは、さらに積層基材表面の目標温度（例えば、積層基材１５ｃに応じた融点、積層基材１５ｃに応じた焼入れ温度、積層基材１５ｃに応じた焼なまし温度）を含む。
加熱装置制御部２５は、基台４を目標座標（プロセスデータに定められた空間座標）に移動させる命令を位置制御部２２へ出力する。また、加熱装置制御部２５は、積層基材温度センサ３２から逐次入力される温度信号に基づいて、目標座標における積層基材１５ｃの表面温度を計測し、計測値がプロセスデータに定められた積層基材表面の目標温度に達するまで、加熱信号を加熱装置１３へ出力する。これにより、加熱装置１３は、目標座標における積層基材１５ｃの表面を加熱する。
＜フローチャート＞
図５、図１１、図１４は、上述の動作を実現するために、実施の形態３における制御装置２０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図５および図１１について実施の形態１および実施の形態２と共通する説明は省略する。
実施の形態３では、図５のステップＳ１２０の判定条件が成立しない場合（結合子Ａ）、次に、図１１のステップＳ２２０の処理に進み、図１１のステップＳ２２０の判定条件が成立しない場合（結合子Ｃ）、次に、図１４のステップＳ３２０の処理に進む。
ステップＳ３２０において、制御装置２０は、第ｉ番プロセスデータに定められた装置名称が加熱装置１３であるか判定する。判定条件が成立する場合、ステップＳ３３０の処理に進む。ステップＳ３３０〜ステップＳ３６０は、加熱装置制御部２５に関する処理である。
ステップＳ３３０において、加熱装置制御部２５は、基台４を目標座標（第ｉ番プロセスデータに定められた空間座標）に移動させる命令を、位置制御部２２へ出力する。位置制御部２２は、現座標と目標座標との差に基づいて制御量を算出し、Ｘ軸アクチュエータ５、Ｙ軸アクチュエータ６、Ｚ軸アクチュエータ７に制御信号を出力する。
次に、ステップＳ３４０において、加熱装置制御部２５は、加熱装置１３に加熱信号を出力する。加熱装置１３は、加熱信号に応じて目標座標における積層基材１５ｃの表面を加熱する。
次に、ステップＳ３５０において、加熱装置制御部２５は、積層基材温度センサ３２から入力される温度信号に基づいて、目標座標における積層基材１５ｃの現在の表面温度を計測する。
次に、ステップＳ３６０において、加熱装置制御部２５は、ステップＳ３５０において計測された計測値が、積層基材表面の目標温度に達したかを判定する。積層基材表面の目標温度は、第ｉ番プロセスデータに定められている。
その後、図１４に示す制御ルーチンは終了し、制御装置２０は、図５のステップＳ１９０から処理を継続する（結合子Ｂ）。
なお、ステップＳ３２０の判定条件が成立しない場合には、制御装置２０は、図５のステップＳ１９０から処理を継続する（結合子Ｂ）。
＜効果＞
以上説明したように、実施の形態３に係る金属積層造形装置１によれば、加熱装置１３に目標座標（衝突部１７）を融点まで加熱させる第ｉ番プロセスデータを実行後、基材射出装置１１に目標座標（衝突部１７）に基材１５を射出させる第ｉ＋１番プロセスを実行することができる。すなわち、基材射出装置１１は、加熱装置１３により加熱された積層基材１５ｃの表面に接する位置に次の基材を射出する。これにより、融点まで再加熱された衝突部１７に基材１５が撃ち込まれ、基材１５と積層基材１５ｃとが溶接しやすくなる。
また、加熱装置１３に目標座標を焼なまし温度まで加熱させる第ｉ番プロセスデータを実行後、自然冷却させることで、金属組成（金属の結晶構造）を調整することができる。また、１層分の造形毎に、積層基材１５ｃの表面を再融解させることで表面を滑らかにできる。
なお、実施の形態３に係る金属積層造形装置１によれば、実施の形態１および実施の形態２で述べた効果を当然に有する。
＜変形例＞
ところで、上述した実施の形態３のシステムは、補材射出装置１２および補材射出装置制御部２４を備えているが、これらを備えない構成であってもよい。その場合、上述した制御ルーチンのフローチャートは、図５のステップＳ１２０の判定条件が成立しない場合に（結合子Ａ）、図１４のステップＳ３２０の処理に進む。
実施の形態４．
＜システム構成＞
次に、図１５〜図１７を参照して実施の形態４について説明する。本実施形態のシステムは図１および図１６に示す構成において、制御装置２０に後述する図５、図１１、および図１７のルーチンを実行させることで実現することができる。
図１５は、基材射出装置１１から射出された基材１５が、基台４に積層するイメージを説明するための概念図である。射出された基材が溶接して形成された積層基材１５ｃ上に、積層基材１５ｃよりも融点の低い基材１５を射出する場合に、基材１５と積層基材１５ｃとの衝突部１７の表面温度が高すぎる（基材１５の融点よりも高い）場合がある。この場合、積層基材１５ｃ上の衝突部１７を冷却してから次の基材１５を射出することが望ましい。
そこで、実施の形態３に係るシステムでは、基材１５が撃ち込まれる場所の表面を冷却してから、基材１５を射出することとした。
実施の形態４に係るシステムは図１と同様のシステムを備える。図１６は、実施の形態４における金属積層造形装置１のヘッドユニット３および制御装置２０について説明するためのブロック図である。図１６に示す構成のうち、図２または図９と共通する構成には、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
ヘッドユニット３は、実施の形態１および実施の形態２で説明した取付部１０、基材射出装置１１、補材射出装置１２に加えて、取付部１０に取り付けられた冷却装置１４を備える。
冷却装置１４は、基台４の上に積層した積層基材１５ｃの表面を冷却する。積層製造過程で造形物を一時的に冷やす場合、造形物の表面に影響や残留のない冷却が必要である。冷却装置１４の一例として、二酸化炭素や空気等の気体を噴射する装置が適用可能である。
また、ヘッドユニット３は、積層基材温度センサ３２を備える。積層基材温度センサ３２は、積層基材１５ｃの表面温度に応じた温度信号を出力する。積層基材温度センサ３２の一例として、積層基材１５ｃの表面温度を非接触で測定できる赤外線温度計が適用可能である。
制御装置２０は、造形データ記憶部２１、位置制御部２２、基材射出装置制御部２３、補材射出装置制御部２４、冷却装置制御部２６を備える。制御装置２０の入力部は、基材温度センサ３１、積層基材温度センサ３２に接続し、出力部は、材供給装置２、ヘッドユニット３、Ｘ軸アクチュエータ５、Ｙ軸アクチュエータ６、Ｚ軸アクチュエータ７に接続する。
造形データ記憶部２１は、予め造形データを記憶している。造形データは、造形開始から終了までのＮ個のプロセスデータを含む。各プロセスデータは実行順に整列されている。
各プロセスデータは、少なくとも装置名称、空間座標を含む。実施の形態１で説明したように、装置名称が基材射出装置１１であるプロセスデータは、さらに、基材種類、基材表面の目標温度、射出速度等を含む。実施の形態２で説明したように装置名称が補材射出装置１２であるプロセスデータは、さらに、補材種類、射出速度等を含む。また、装置名称が冷却装置１４であるプロセスデータは、さらに積層基材表面の目標温度（例えば、次に射出される基材１５に応じた融点）を含む。
冷却装置制御部２６は、基台４を目標座標（プロセスデータに定められた空間座標）に移動させる命令を位置制御部２２へ出力する。また、冷却装置制御部２６は、積層基材温度センサ３２から逐次入力される温度信号に基づいて、目標座標における積層基材１５ｃの表面温度を計測し、計測値がプロセスデータに定められた積層基材表面の目標温度を下回るまで、冷却信号を冷却装置１４へ出力する。これにより、冷却装置１４は、目標座標における積層基材１５ｃの表面を冷却する。
＜フローチャート＞
図５、図１１、図１７は、上述の動作を実現するために、実施の形態４における制御装置２０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図５および図１１について実施の形態１および実施の形態２と共通する説明は省略する。
実施の形態４では、図５のステップＳ１２０の判定条件が成立しない場合（結合子Ａ）、次に、図１１のステップＳ２２０の処理に進み、図１１のステップＳ２２０の判定条件が成立しない場合（結合子Ｃ）、次に、図１７のステップＳ４２０の処理に進む。
ステップＳ４２０において、制御装置２０は、第ｉ番プロセスデータに定められた装置名称が冷却装置１４であるか判定する。判定条件が成立する場合、ステップＳ４３０の処理に進む。ステップＳ４３０〜ステップＳ４６０は、冷却装置制御部２６に関する処理である。
ステップＳ４３０において、冷却装置制御部２６は、基台４を目標座標（第ｉ番プロセスデータに定められた空間座標）に移動させる命令を、位置制御部２２へ出力する。位置制御部２２は、現座標と目標座標との差に基づいて制御量を算出し、Ｘ軸アクチュエータ５、Ｙ軸アクチュエータ６、Ｚ軸アクチュエータ７に制御信号を出力する。
次に、ステップＳ４４０において、冷却装置制御部２６は、冷却装置１４に冷却信号を出力する。冷却装置１４は、冷却信号に応じて目標座標における積層基材１５ｃの表面を冷却する。
次に、ステップＳ４５０において、冷却装置制御部２６は、積層基材温度センサ３２から入力される温度信号に基づいて、目標座標における積層基材１５ｃの現在の表面温度を計測する。
次に、ステップＳ４６０において、冷却装置制御部２６は、ステップＳ４５０において計測された計測値が、積層基材表面の目標温度を下回ったかを判定する。積層基材表面の目標温度は、第ｉ番プロセスデータに定められている。
その後、図１７に示す制御ルーチンは終了し、制御装置２０は、図５のステップＳ１９０から処理を継続する（結合子Ｂ）。
なお、ステップＳ４２０の判定条件が成立しない場合には、制御装置２０は、図５のステップＳ１９０から処理を継続する（結合子Ｂ）。
＜効果＞
以上説明したように、実施の形態４に係る金属積層造形装置１によれば、冷却装置１４に目標座標（衝突部１７）を次に射出される基材１５の融点まで冷却させる第ｉ番プロセスデータを実行後、基材射出装置１１に目標座標（衝突部１７）に基材１５を射出させる第ｉ＋１番プロセスを実行することができる。すなわち、基材射出装置１１は、冷却装置１４により冷却された積層基材１５ｃの表面に接する位置に次の基材を射出する。これにより、衝突部１７に撃ち込まれた基材１５が、内部まで融解すること抑制できる。
また、冷却装置１４により目標座標における積層基材１５ｃを急冷することで、造形物の一部の金属組成（金属の結晶構造）を調整することができる。
なお、実施の形態４に係る金属積層造形装置１によれば、実施の形態１および実施の形態２で述べた効果を当然に有する。
＜変形例＞
ところで、上述した実施の形態４のシステムは、補材射出装置１２および補材射出装置制御部２４を備えているが、これらを備えない構成であってもよい。その場合、上述した制御ルーチンのフローチャートは、図５のステップＳ１２０の判定条件が成立しない場合に（結合子Ａ）、図１７のステップＳ４２０の処理に進む。
実施の形態５．
＜システム構成＞
次に、図１８〜図２１を参照して実施の形態４について説明する。本実施形態のシステムは図１および図２０に示す構成において、制御装置２０に後述する図５、図１１、および図２１のルーチンを実行させることで実現することができる。
図１８は、基材射出装置１１から射出された基材１５が、基台４に積層するイメージを説明するための概念図である。実施の形態３では加熱装置１３を、実施の形態４では冷却装置１４を備える構成について説明した。実施の形態５に係るシステムでは、両方の装置を備えることで、積層基材１５ｃの表面を加熱も冷却もできる構成とした。
図１９は、実施の形態５において作成される特徴的な金属造形物の一例である。この金属造形物は、積層基材１５ｃの隙間１８が局所的に焼入れされた構造を有している。実施の形態５に係る金属積層造形装置１は、このような金属造形物の作成を可能にするものでもある。
実施の形態５に係るシステムは図１と同様のシステムを備える。図２０は、実施の形態５における金属積層造形装置１のヘッドユニット３および制御装置２０について説明するためのブロック図である。図２０に示す構成のうち、図２、図９、図１３、および図１６と共通する構成には、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
ヘッドユニット３は、実施の形態１および実施の形態２で説明した取付部１０、基材射出装置１１、補材射出装置１２に加えて、取付部１０に取り付けられた加熱装置１３、取付部１０に取り付けられた冷却装置１４を備える。
加熱装置１３は、基台４の上に積層した積層基材１５ｃの表面を加熱する。加熱装置１３は、積層基材１５ｃの表面のみを加熱するために、瞬時に大エネルギーで積層基材１５ｃを加熱する必要がある。加熱装置１３の一例として、電磁コイルによる渦電流を応用した加熱装置や、レーザー光線による加熱装置が適用可能である。
冷却装置１４は、基台４の上に積層した積層基材１５ｃの表面を冷却する。積層製造過程で造形物を一時的に冷やす場合、造形物の表面に影響や残留のない冷却が必要である。冷却装置１４の一例として、二酸化炭素や空気等の気体を噴射する装置が適用可能である。
また、ヘッドユニット３は、積層基材温度センサ３２を備える。積層基材温度センサ３２は、積層基材１５ｃの表面温度に応じた温度信号を出力する。積層基材温度センサ３２の一例として、積層基材１５ｃの表面温度を非接触で測定できる赤外線温度計が適用可能である。
制御装置２０は、造形データ記憶部２１、位置制御部２２、基材射出装置制御部２３、補材射出装置制御部２４、加熱装置制御部２５、冷却装置制御部２６を備える。制御装置２０の入力部は、基材温度センサ３１、積層基材温度センサ３２に接続し、出力部は、材供給装置２、ヘッドユニット３、Ｘ軸アクチュエータ５、Ｙ軸アクチュエータ６、Ｚ軸アクチュエータ７に接続する。
造形データ記憶部２１は、予め造形データを記憶している。造形データは、造形開始から終了までのＮ個のプロセスデータを含む。各プロセスデータは実行順に整列されている。
各プロセスデータは、少なくとも装置名称、空間座標を含む。実施の形態１で説明したように、装置名称が基材射出装置１１であるプロセスデータは、さらに、基材種類、基材表面の目標温度、射出速度等を含む。実施の形態２で説明したように装置名称が補材射出装置１２であるプロセスデータは、さらに、補材種類、射出速度等を含む。また、装置名称が加熱装置１３であるプロセスデータは、さらに積層基材表面の目標温度（例えば、積層基材１５ｃに応じた融点、積層基材１５ｃに応じた焼入れ温度、積層基材１５ｃに応じた焼なまし温度）を含む。また、装置名称が冷却装置１４であるプロセスデータは、さらに積層基材表面の目標温度（例えば、次に射出される基材１５に応じた融点）を含む。
加熱装置制御部２５は、基台４を目標座標（プロセスデータに定められた空間座標）に移動させる命令を位置制御部２２へ出力する。また、加熱装置制御部２５は、積層基材温度センサ３２から逐次入力される温度信号に基づいて、目標座標における積層基材１５ｃの表面温度を計測し、計測値がプロセスデータに定められた積層基材表面の目標温度に達するまで、加熱信号を加熱装置１３へ出力する。これにより、加熱装置１３は、目標座標における積層基材１５ｃの表面を加熱する。
冷却装置制御部２６は、基台４を目標座標（プロセスデータに定められた空間座標）に移動させる命令を位置制御部２２へ出力する。また、冷却装置制御部２６は、積層基材温度センサ３２から逐次入力される温度信号に基づいて、目標座標における積層基材１５ｃの表面温度を計測し、計測値がプロセスデータに定められた積層基材表面の目標温度を下回るまで、冷却信号を冷却装置１４へ出力する。これにより、冷却装置１４は、目標座標における積層基材１５ｃの表面を冷却する。
＜フローチャート＞
図５、図１１、図２１は、上述の動作を実現するために、実施の形態５における制御装置２０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図５および図１１について実施の形態１および実施の形態２と共通する説明は省略する。また、図２１は、実施の形態３の図１４に実施の形態４の図１７を結合したものであるため、共通する説明は省略する。
実施の形態５では、図５のステップＳ１２０の判定条件が成立しない場合（結合子Ａ）、次に、図１１のステップＳ２２０の処理に進み、図１１のステップＳ２２０の判定条件が成立しない場合（結合子Ｃ）、次に、図２１のステップＳ３２０の処理に進む。ステップＳ３２０の判定条件が成立しない場合にはステップＳ４２０の処理に進む。他の処理は図１４、図１７と同様である。
＜効果＞
以上説明したように、実施の形態５に係る金属積層造形装置１によれば、加熱装置１３に目標座標を焼入れ温度まで加熱させる第ｉ番プロセスデータを実行後、冷却装置１４に同じ目標座標を急冷させる第ｉ＋１番プロセスデータを実行することができる。これにより、積層基材１５ｃは、加熱装置１３により表面が焼入れ温度まで加熱された後、冷却装置１４により加熱された表面が急冷される。これにより、１層分の造形毎に局所的な焼入れを行うことで、内部構造に焼入れをしながら積層でき、金属造形物の強度を高めることが可能になる。
なお、実施の形態５に係る金属積層造形装置１によれば、実施の形態１乃至実施の形態４で述べた効果を当然に有する。
＜変形例＞
ところで、上述した実施の形態４のシステムは、補材射出装置１２および補材射出装置制御部２４を備えているが、これらを備えない構成であってもよい。その場合、上述した制御ルーチンのフローチャートは、図５のステップＳ１２０の判定条件が成立しない場合に（結合子Ａ）、図２１のステップＳ３２０の処理に進む。
実施の形態６．
＜システム構成＞
次に、図２２〜図２６を参照して実施の形態６について説明する。本実施形態のシステムは図２３に示す構成において、制御装置２０に後述する図２５のルーチンを実行させることで実現することができる。
図２２は、実施の形態６に係る金属積層造形装置１の制御例を説明するための概念図である。実施の形態６では、基材射出装置１１の射線１１ｃと基台４の上面との間の角度を変えないで、ヘッドユニット３と基台４とを同方向に同角度θ傾ける。そして、隙間１９を空けた位置に基材１５を射出することで、基台４に着台した基材１５を傾斜面の低い側にスライドさせる。これにより、基材１５と積層基材１５ｃとの溶接を補助することとした。
図２３は、実施の形態６に係るシステムの構成を説明するための概念図である。図２３に示すシステムは、Ｚ軸アクチュエータ７に替えて、Ｚ１軸アクチュエータ７ａ、Ｚ２軸アクチュエータ７ｂおよびＺ３軸アクチュエータ７ｃが設けられた点、Ｚ１軸ジョイント９ａ、Ｚ２軸ジョイント９ｂ、Ｚ３軸ジョイント９ｃ、ヘッドアクチュエータ４１が追加された点を除き図１に示す構成と同様である。以下、図２３において、図１に示す構成と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
Ｚ１軸アクチュエータ７ａは、一端がＺ１軸ジョイント９ａを介して基台４に、他端が移動台８に固定されている。Ｚ２軸アクチュエータ７ｂは、一端がＺ２軸ジョイント９ｂを介して基台４に、他端が移動台８に固定されている。Ｚ３軸アクチュエータ７ｃは、一端がＺ３軸ジョイント９ｃを介して基台４に、他端が移動台８に固定されている。ここで、ジョイント９ａ〜９ｃは、ユニバーサルジョイントまたはボールジョイントである。そのため、アクチュエータ７ａ〜７ｃは、基台４の傾きと高さを変更可能である。
ヘッドアクチュエータ４１は、ヘッドユニット３の上部に取り付けられる。ヘッドアクチュエータ４１は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に回転可能なアクチュエータであり、ヘッドユニット３の向きを変更可能である。
図２４は、実施の形態６における金属積層造形装置１のヘッドユニット３および制御装置２０について説明するためのブロック図である。図２４に示す構成のうち、図２、図９、図１３、図１６および図２０と共通する構成には、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
制御装置２０は、造形データ記憶部２１、位置制御部２２、基材射出装置制御部２３、補材射出装置制御部２４、加熱装置制御部２５、冷却装置制御部２６を備える。制御装置２０の入力部は、基材温度センサ３１、積層基材温度センサ３２に接続し、出力部は、材供給装置２、ヘッドユニット３、Ｘ軸アクチュエータ５、Ｙ軸アクチュエータ６、Ｚ１軸アクチュエータ７ａ、Ｚ３軸アクチュエータ７ｂ、Ｚ３軸アクチュエータ７ｃ、ヘッドアクチュエータ４１に接続する。
造形データ記憶部２１は、予め造形データを記憶している。造形データは、造形開始から終了までのＮ個のプロセスデータを含む。各プロセスデータは実行順に整列されている。
各プロセスデータは、少なくとも装置名称、空間座標、および傾き情報を含む。実施の形態１で説明したように、装置名称が基材射出装置１１であるプロセスデータは、さらに、基材種類、基材表面の目標温度、射出速度等を含む。実施の形態２で説明したように装置名称が補材射出装置１２であるプロセスデータは、さらに、補材種類、射出速度等を含む。また、実施の形態３で説明したように装置名称が加熱装置１３であるプロセスデータは、さらに積層基材表面の目標温度（例えば、積層基材１５ｃに応じた融点、積層基材１５ｃに応じた焼入れ温度、積層基材１５ｃに応じた焼なまし温度）を含む。また、実施の形態４で説明したように装置名称が冷却装置１４であるプロセスデータは、さらに積層基材表面の目標温度（例えば、次に射出される基材１５に応じた融点）を含む。
位置制御部２２は、傾き制御部２７を備える。傾き制御部２７は、Ｚ１軸アクチュエータ７ａ、Ｚ３軸アクチュエータ７ｂ、Ｚ３軸アクチュエータ７ｃ、ヘッドアクチュエータ４１を制御して、ヘッドユニット３と基台４とを同方向に同角度傾ける。具体的には、傾き制御部２７は、プロセスデータに定められた傾き情報に基づいて、Ｚ１軸アクチュエータ７ａ、Ｚ３軸アクチュエータ７ｂ、Ｚ３軸アクチュエータ７ｃ、ヘッドアクチュエータ４１の制御量を決定し、制御量に応じた制御信号を出力する。
Ｚ１軸アクチュエータ７ａ、Ｚ２軸アクチュエータ７ｂ、Ｚ３軸アクチュエータ７ｃ、ヘッドアクチュエータ４１、および傾き制御部２７は、基材射出装置１１の射線１１ｃと基台４の上面との間の角度を変えないで、ヘッドユニット３と基台４とを同方向に同角度θ傾ける傾斜装置として機能する。
＜フローチャート＞
図２５は、上述の動作を実現するために、実施の形態６における制御装置２０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図２５に示す制御ルーチンは、ステップＳ１１５の処理がステップＳ１１０とステップＳ１２０との間に追加されている点を除き、図５に示す制御ルーチンと同様である。図５に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
ステップＳ１１５において、制御装置２０は、ヘッドユニット３および基台４の傾きを調整させる命令を、傾き制御部２７へ出力する。傾き制御部２７は、第ｉ番プロセスデータに定められた傾き情報に基づいて、Ｚ１軸アクチュエータ７ａ、Ｚ３軸アクチュエータ７ｂ、Ｚ３軸アクチュエータ７ｃ、ヘッドアクチュエータ４１に制御信号を出力する。
図２５のステップＳ１２０の判定条件が成立しない場合（結合子Ａ）、次に、図１１のステップＳ２２０の処理に進み、図１１のステップＳ２２０の判定条件が成立しない場合（結合子Ｃ）、次に、図２１のステップＳ３２０の処理に進む。ステップＳ３２０の判定条件が成立しない場合にはステップＳ４２０の処理に進む。
＜効果＞
以上説明したように、実施の形態５に係る金属積層造形装置１によれば、ヘッドユニット３と基台４とを同方向に同角度傾斜させることができる。そして、傾斜面へ第１の基材を射出させる第ｉプロセスデータの実行後、傾斜面について第１の基材よりも高い位置に第２の基材を射出させる第ｉ＋１番プロセスデータを実行することができる。第２の基材は、重力によって傾斜面の低い側にスライドし、第１の基材と溶接する。
＜変形例＞
ところで、上述した実施の形態６のシステムにおいては、基台４をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動させることにより、基台４とヘッドユニット３との相対位置を空間座標上で変化させることとしているが、駆動装置の構成はこれに限定されるものではない。ヘッドユニット３をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動させてもよい。また、ヘッドユニット３をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、基台４をＺ軸方向に移動させてもよい。
上述したヘッドユニット３をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、基台４をＺ軸方向に移動させる構成について説明する。図２６は、実施の形態６に係るシステム構成の変形例を説明するための概念図である。図６に示す金属積層造形装置１は、図１のＸ軸アクチュエータ５に換えてＸ軸アクチュエータ５ａを、Ｙ軸アクチュエータ６に換えてＹ軸アクチュエータ６ａを備える。ヘッドユニット３は、Ｘ軸アクチュエータ５ａから力を受けてＸ軸方向に、Ｙ軸アクチュエータ６ａから力を受けてＹ軸方向に移動可能である。基台４は、Ｚ１軸アクチュエータ７ａ、Ｚ３軸アクチュエータ７ｂ、Ｚ３軸アクチュエータ７ｃから力を受けてＺ軸方向に移動可能である。よって、基台４とヘッドユニット３との相対位置を空間座標上で変化させることができる。なお、図２６は、図２４と同機能を有する制御装置２０（図示省略）を備える。
また、上述した実施の形態６のシステムは、補材射出装置１２、加熱装置１３、冷却装置１４を備えているが、これらを備えない構成であってもよい。すなわち、実施の形態１〜実施の形態５で述べたすべての構成に適用可能である。
１ 金属積層造形装置
２ 材供給装置
３ ヘッドユニット
４ 基台
５、５ａ Ｘ軸アクチュエータ
６、６ａ Ｙ軸アクチュエータ
７ Ｚ軸アクチュエータ
７ａ、７ｂ、７ｃ Ｚ１軸アクチュエータ、Ｚ２軸アクチュエータ、Ｚ３軸アクチュエータ
８ 移動台
８ａ、８ｂ 孔
９ａ、９ｂ、９ｃ Ｚ１軸ジョイント、Ｚ２軸ジョイント、Ｚ３軸ジョイント
１０ 取付部
１１ 基材射出装置
１１ａ 基材加熱部
１１ｂ 基材射出部
１１ｃ 射線
１２ 補材射出装置
１３ 加熱装置
１４ 冷却装置
１５、１５ａ、１５ｂ 基材、内部、表面（表層）
１５ｃ 積層基材
１６ 補材
１６ｃ 積層補材
１７ 衝突部
２０ 制御装置
２１ 造形データ記憶部
２２ 位置制御部
２３ 基材射出装置制御部
２４ 補材射出装置制御部
２５ 加熱装置制御部
２６ 冷却装置制御部
２７ 傾き制御部
３１ 基材温度センサ
３２ 積層基材温度センサ
４１ ヘッドアクチュエータ
５１ プロセッサ
５２ メモリ
５３ ハードウェア

Claims (2)

  1. 基台と、
    基材射出装置を備えたヘッドユニットと、
    前記基台と前記ヘッドユニットとの相対位置を空間座標上で変化させる駆動装置と、
    前記基材射出装置の射線と前記基台の上面との間の角度を変えないで、前記ヘッドユニットと前記基台とを同方向に同角度傾ける傾斜装置と、を備え、
    前記基材射出装置は、
    定形の金属片である基材の内部温度を融点未満、かつ表面温度を融点まで加熱する基材加熱部と、
    前記加熱された基材を前記基台に向けて射出する基材射出部と、
    を備えることを特徴とする金属積層造形装置。
  2. 前記基材射出装置は、前記基台に先の基材を射出した後に、前記傾斜装置により傾斜した前記基台の傾斜面について前記先の基材よりも高い位置に次の基材を射出すること、
    を特徴とする請求項１に記載の金属積層造形装置。
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