JP6748181B2

JP6748181B2 - 積層造形装置

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Publication number: JP6748181B2
Application number: JP2018234241A
Authority: JP
Inventors: 強史齋藤
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2020-08-26
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Description

本発明は、三次元造形物の積層造形装置に関する。

金属の積層造形には複数の方式があるが、例えば焼結積層造形法では、不活性ガスが充満された密閉されたチャンバ内において、上下方向に移動可能な造形テーブル上に金属材料からなる材料粉体を積層し、この積層された材料粉体層の所定箇所にレーザ光または電子ビームを照射して照射位置の材料粉体を溶融または焼結させることにより形成された複数の固化層を積層し、所望の三次元造形物を生成する。ここで、固化層とは、溶融層と焼結層を含む。また、積層された固化層を固化体と呼ぶ。

このような金属の積層造形において、造形後の三次元造形物や造形途中の固化層に対して温度調整を行う場合がある。例えば、特許文献１には、１層または複数層の固化層を形成する毎に意図的にマルテンサイト変態を進行させることで、金属の収縮による引張応力をマルテンサイト変態による圧縮応力で軽減して造形物の残留応力を制御することにより、造形物の変形を抑制可能な積層造形装置および三次元造形物の製造方法に係る発明を開示している。ここでは、意図的にマルテンサイト変態を進行させるために、１層または複数層の固化層を形成する毎に該固化層に所定の温度調整を行っている。

特許第６２９５００１号公報

しかし、このような積層造形方法を行う場合には、固化層に対して冷却および加熱を行うこととなるが、従来は造形テーブル内に配置された温度調整機構によって固化層の温度調整を行っていたため、１層または複数層の固化層を形成する毎に、積層された固化体全体を冷却および加熱する必要があり、温度調整に長時間を要していた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、三次元造形物の積層造形において、比較的簡易な構造の冷却装置により、固化体の上面を直接冷却することを目的とする。

本発明によれば、所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に形成された材料層にビームを照射して固化層を形成する照射装置と、前記固化層に対して加工を行う工具を把持する加工ヘッドと、前記加工ヘッドを少なくとも水平方向に移動させる加工ヘッド駆動装置と、を含む加工装置と、前記加工ヘッドに設けられ、前記固化層が積層してなる固化体の上面を含む少なくとも一部を所定の冷却温度に冷却する冷却装置と、を備え、前記冷却装置は、前記冷却温度に冷却される冷却面を有し、前記冷却面が水平方向に沿った横臥状態で前記固化体の前記上面に密接される冷却板と、前記冷却面が垂直方向に沿った起立状態と前記横臥状態との間で前記冷却板を回動させる回動部と、を含み、前記回動部は、前記冷却装置による前記固化体の上面を含む少なくとも一部への冷却を行なわないときは前記冷却板を前記起立状態に設定し、前記冷却装置による前記固化体の上面を含む少なくとも一部への冷却を行うときは前記冷却板を前記横臥状態に設定する、積層造形装置が提供される。

本発明では、加工ヘッドに冷却装置が設けられているため、加工ヘッドを少なくとも水平方向に移動させる加工ヘッド駆動装置を用いて冷却装置を所望の位置に移動させることが可能となり、別途冷却装置を水平方向に移動させる駆動装置を設けなくてもよい。そして、冷却装置は、固化体の上面に密接される冷却板を含んでいる。したがって、比較的簡易な構造の冷却装置により、固化体の上面を直接冷却することができる。

本発明の実施形態に係る積層造形装置１００の概略正面図である。本発明の実施形態に係る積層造形装置１００の概略側面図である。本発明の実施形態に係る材料層形成装置３と照射装置１３の概略斜視図である。本発明の実施形態に係る加工ヘッド５０の斜視図である。本発明の実施形態に係る加工ヘッド５０の斜視図である。冷却板７０の断面図である。冷却板７０が起立状態である冷却装置６５と加工ヘッド５０の側面図である。冷却板７０が横臥状態である冷却装置６５と加工ヘッド５０の側面図である。横臥状態の冷却板７０を冷却板昇降装置７２で下方に移動させた冷却装置６５と加工ヘッド５０の側面図である。冷却板７０を起立状態にした冷却装置６５と加工ヘッド５０の正面図である。図１０におけるＳ−Ｓ断面図である。本発明の実施形態に係る積層造形装置１００を用いた固化層形成工程の説明図である。本発明の実施形態に係る積層造形装置１００を用いた固化層形成工程の説明図である。本発明の実施形態に係る積層造形装置１００を用いた固化層形成工程の説明図である。冷却板７０による冷却工程の説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、それぞれが独立して発明を構成する。以下の説明中で、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向は、図１および図２で定義される通りである。具体的に、所定の水平１軸方向をＸ軸、Ｘ軸に直交する別の水平１軸方向をＹ軸、所定の垂直１軸方向をＺ軸と呼ぶ。

（１．積層造形装置１００）
本発明の実施形態に係る積層造形装置１００は、材料層８を形成し、この材料層８の照射領域に例えばレーザ光Ｌであるビームを照射して溶融または焼結する工程を繰り返すことで、複数の固化層を積層して所望の形状を有する三次元造形物を生成する積層造形装置である。

本発明の積層造形装置１００は、チャンバ１と、照射装置１３と、材料層形成装置３と、加工装置４７と、冷却装置６５と、を備える。図１は、積層造形装置１００の概略正面図であり、図２は、積層造形装置１００の概略側面図である。チャンバ１は、所定の造形領域Ｒを覆い、所定濃度の不活性ガスで充満される。チャンバ１は、仕切部５３によって、前チャンバ１ｆと後チャンバ１ｒとに仕切られている。仕切部５３は、伸縮可能な蛇腹などで構成される。前チャンバ１ｆでは、所望の三次元造形物が生成される。後チャンバ１ｒには、加工装置４７の加工ヘッド駆動装置５２の大部分が収容される。

前チャンバ１ｆ内には、造形領域Ｒに所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に材料層を形成する材料層形成装置３が設けられる。材料層形成装置３は、ベース台４とリコータヘッド１１とを有する。本実施形態においては、材料層８を形成する材料は、材料粉体からなる。材料粉体は、例えば金属粉であり、例えば平均粒径２０μｍの球形である。

ベース台４は、所望の三次元造形物が形成される造形領域Ｒを有する。造形領域Ｒは、造形テーブル５上に設けられている。造形テーブル５は、造形テーブル駆動機構３１によって駆動されて上下方向（図１の矢印Ｕ方向）に移動することができる。本実施形態においては、積層造形装置の使用時には、造形テーブル５上にベースプレート３３が配置され、その上に１層目の材料層８が形成される。なお、材料層８の照射領域は、造形領域Ｒ内に存在し、所望の三次元造形物の輪郭形状で規定される領域とおおよそ一致する。

造形テーブル５の周りには、粉体保持壁２６が設けられる。粉体保持壁２６と造形テーブル５とによって囲まれる粉体保持空間には、未固化の材料粉体が保持される。粉体保持壁２６の下側には、粉体保持空間内の材料粉体を排出可能な粉体排出部が設けられてもよい。

造形テーブル５の内部には、造形テーブル５の温度を調整するための温度調整機構が設けられている。温度調整機構は、造形テーブル５の内部に設けられた加熱器および冷却器を有する。加熱器は、例えば、電熱器または熱媒体が流通される管路である。冷却器は、例えば、熱媒体が流通される管路である。なお、温度調整機構の冷却器はある程度の冷却が行える構造であればよく、後述する冷却装置６５による冷却温度よりも高い温度に冷却が行えるものでよい。例えば、冷却器は造形テーブル５を常温に冷却可能である。

図３に示すリコータヘッド１１は、材料収容部１１ａと、材料供給部１１ｂと、材料排出部と、を有する。材料収容部１１ａは材料粉体を収容する。材料供給部１１ｂは、材料収容部１１ａの上面に設けられ、不図示の材料供給装置から材料収容部１１ａに供給される材料粉体の受口となる。材料排出部は、材料収容部１１ａの底面に設けられ、材料収容部１１ａ内の材料粉体を排出する。材料排出部は、リコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に直交する水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に延びるスリット形状に構成される。また、リコータヘッド１１の両側面には、それぞれブレード１２が設けられる。ブレード１２は、材料粉体を撒布する。すなわち、ブレード１２は、材料排出部から排出された材料粉体を平坦化して材料層８を形成する。

チャンバ１は所定濃度の不活性ガスが供給されるとともに、材料層８の溶融時に発生するヒュームを含んだ不活性ガスを排出している。好ましくは、チャンバ１から排出された不活性ガスは、ヒュームが除去されチャンバ１に返送される。具体的には、チャンバ１には、不活性ガス供給装置１５と、ダクトボックス２１，２３を介してヒュームコレクタ１９が接続されている。チャンバ１に設けられる不活性ガスの供給口および排出口の位置および個数は特に限定されない。なお、本発明において、不活性ガスとは、材料と実質的に反応しないガスをいい、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等から材料の種類に応じて適当なものが選択される。

不活性ガス供給装置１５は、不活性ガスを供給する機能を有し、例えば、周囲の空気から所定濃度の不活性ガスを生成する不活性ガス発生装置、または所定濃度の不活性ガスが貯留されたガスボンベである。不活性ガス発生装置は、膜分離方式、ＰＳＡ方式等、生成する不活性ガスの種類や濃度に応じて種々の方式のものが採用できる。不活性ガス供給装置１５は、チャンバ１に設けられた供給口から不活性ガスの供給を行い、チャンバ１内を所定濃度の不活性ガスで充満させる。ここで、不活性ガス供給装置１５から供給される不活性ガスは乾燥していることが望ましい。具体的には、不活性ガスの露点温度は、冷却装置６５の冷却温度よりも低いことが望ましい。後述する冷却装置６５の冷却板７０はチャンバ１内を移動するため、チャンバ１内に乾燥した不活性ガスが充満されていれば、冷却板７０が結露することを抑制することができる。すなわち、不活性ガス供給装置１５が不活性ガス発生装置であるとき、不活性ガスを生成するための原料とする空気を乾燥させる乾燥装置を備えていることが望ましい。また、不活性ガス供給装置１５がガスボンベであるとき、十分に乾燥した不活性ガスが貯留されているものを使用することが望ましい。

チャンバ１の排出口から排出されたヒュームを多く含む不活性ガスはヒュームコレクタ１９へと送られ、ヒュームが除去された上でチャンバ１へと返送される。ヒュームコレクタ１９はヒュームを除去する機能を有していればよく、例えば、電気集塵機またはフィルタである。

図２に示すように、加工装置４７は、加工ヘッド５０と、加工ヘッド５０を駆動するための加工ヘッド駆動装置５２を備える。加工ヘッド駆動装置５２は、前チャンバ１ｆ内に配置される加工ヘッド５０をＹ軸方向に移動させるＹ軸駆動部５２ｂと、ベッド５１上に配置されＹ軸駆動部５２ｂをＸ軸方向に移動させるＸ軸駆動部５２ａと、加工ヘッド５０をＺ軸方向に移動させるＺ軸駆動部５２ｃと、を有する。より具体的な構成を例示すると、Ｘ軸駆動部５２ａは、ベッド５１に固定されＸ軸方向に延びるＸ軸ガイドレールと、Ｘ軸ガイドレールに沿って摺動するＸ軸スライダと、Ｘ軸スライダに固定されるＸ軸移動体と、を有する。Ｙ軸駆動部５２ｂは、Ｘ軸移動体に固定されＹ軸方向に延びるＹ軸ガイドレールと、Ｙ軸ガイドレールに沿って摺動するＹ軸スライダと、Ｙ軸スライダに固定されるＹ軸移動体と、を有する。Ｚ軸駆動部５２ｃは、Ｙ軸移動体に固定されＺ軸方向に延びるＺ軸ガイドレールと、Ｚ軸ガイドレールに沿って摺動し加工ヘッド５０が固定されるＺ軸スライダと、を有する。

加工ヘッド５０は、スピンドルヘッド６０を備える。スピンドルヘッド６０は、不図示のエンドミル等の切削工具を把持して回転させることができるように構成されており、材料層８を焼結して得られた固化層の表面や不要部分に対して切削加工を行うことができる。切削工具は複数種類の切削工具であることが好ましく、使用する切削工具は不図示の自動工具交換装置によって、造形中にも交換可能である。以上の構成によって、加工ヘッド５０は、前チャンバ１ｆ内の任意の位置において、固化層に対して切削加工を施すことができるようになっている。

なお、上記実施形態に代えて、加工装置は、バイト等の切削工具を把持するとともに切削工具を垂直方向の回転軸に沿って回動させる旋回機構が設けられた加工ヘッドと、加工ヘッドを水平駆動するための加工ヘッド駆動装置を備えるものであってよい。加工ヘッド駆動装置は、例えば、一対の第１水平移動機構と、一対の第１水平移動機構に設けられているガントリと、ガントリに取り付けられており加工ヘッドが固定された第２水平移動機構と、を有する。このとき、加工ヘッド駆動装置は、加工ヘッドをＺ軸方向に移動させる駆動装置を有していなくてもよい。すなわち、加工ヘッド駆動装置は少なくとも水平方向に加工ヘッドを移動可能に構成されればよい。

照射装置１３は、前チャンバ１ｆの上方に設けられる。照射装置１３は、造形領域Ｒ上に形成される材料層８の所定箇所にレーザ光Ｌ等のビームを照射して照射位置の材料層８を溶融または焼結させ、固化層を形成する。図３に示すように、照射装置１３は、光源４２と、２軸のガルバノスキャナと、フォーカス制御ユニット４４と、を有する。なお、ガルバノスキャナは、ガルバノミラー４３ａ，４３ｂと、ガルバノミラー４３ａ，４３ｂをそれぞれ回転させる不図示のアクチュエータと、を備えている。

光源４２はレーザ光Ｌを照射する。ここで、レーザ光Ｌは、材料粉体を溶融可能なレーザであって、例えば、ＣＯ２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ等である。なお、光源４２は、電子ビームを照射するものであってもよい。

フォーカス制御ユニット４４は、光源４２より出力されたレーザ光Ｌを集光し所望のスポット径に調整する。ガルバノミラー４３ａ，４３ｂは、光源４２より出力されたレーザ光Ｌを制御可能に２次元走査する。ガルバノミラー４３ａ，４３ｂは、それぞれ、不図示の制御装置から入力される回転角度制御信号の大きさに応じて回転角度が制御される。かかる特徴により、ガルバノスキャナの各アクチュエータに入力する回転角度制御信号の大きさを変化させることによって、所望の位置にレーザ光Ｌを照射することができる。

ガルバノミラー４３ａ，４３ｂを通過したレーザ光Ｌは、前チャンバ１ｆに設けられた保護ウインドウ１ａを透過して造形領域Ｒに形成された材料層８に照射される。保護ウインドウ１ａは、レーザ光Ｌを透過可能な材料で形成される。例えば、レーザ光ＬがファイバーレーザまたはＹＡＧレーザの場合、保護ウインドウ１ａは石英ガラスで構成可能である。

前チャンバ１ｆの上面には、保護ウインドウ１ａを覆うように保護ウインドウ汚染防止装置１７が設けられる。保護ウインドウ汚染防止装置１７は、円筒状の筐体１７ａと、筐体１７ａ内に配置された円筒状の拡散部材１７ｃを備える。筐体１７ａと拡散部材１７ｃの間に不活性ガス供給空間１７ｄが設けられる。また、筐体１７ａの底面には、拡散部材１７ｃの内側に開口部１７ｂが設けられる。拡散部材１７ｃには多数の細孔１７ｅが設けられており、不活性ガス供給空間１７ｄに供給された清浄な不活性ガスは細孔１７ｅを通じて清浄室１７ｆに充満される。そして、清浄室１７ｆに充満された清浄な不活性ガスは、開口部１７ｂを通じて保護ウインドウ汚染防止装置１７の下方に向かって噴出される。

（２．冷却装置６５）
図４および図５に示すように、本発明の実施形態に係る加工ヘッド５０には、冷却装置６５が設けられている。冷却装置６５は、冷却板７０を備える。冷却板７０は、材料層８にレーザ光Ｌ等のビームが照射されて形成された固化層が積層してなる固化体８１の上面に密接し、冷却するための冷却面７０ａを有する。具体的に、冷却面７０ａは、冷却板７０の下側の面である。なお、固化体８１の上面とは、冷却装置６５による冷却が行われる時点での、最上層の固化層の上面を意味する。

冷却板７０は、例えば、所定の冷却温度に温度調整された冷媒によって、所定の冷却温度に保たれる。冷却温度は、所要の三次元造形物の製造方法に応じて適する値に設定され、本実施形態では−２０℃である。本実施形態では、冷媒としてはエチレングリコールと水の混合液が使用されるが、冷却温度に応じて適当なものが選択されればよい。図６に示すように、冷却板７０は、冷媒が流通するための管路７６を備える。管路７６と連通する供給マニホールド７３および排出マニホールド７４は、それぞれ、不図示の冷媒循環用ホースを介して、冷媒を循環させるチラー２０と接続される。チラー２０において所定の冷却温度に調整された冷媒は、冷媒循環用ホースを通って供給マニホールド７３から管路７６内に流入し、管路７６内を流通して、排出マニホールド７４から排出される。これにより、冷却板７０の備える冷却面７０ａは、所定の冷却温度に冷却される。

好ましくは、冷却装置６５は、冷却板７０を、冷却面７０ａが水平方向に沿った横臥状態と、冷却面７０ａが垂直方向に沿った起立状態との間で、回動させる回動部７１をさらに備える。冷却装置６５による冷却を行なわないときは、冷却板７０を図７に示す起立状態に設定する。冷却装置６５による冷却を行うときは、冷却板７０を図８に示す横臥状態に設定する。このようにすれば、照射装置１３によって固化層を形成しているときや加工装置４７によって固化層に加工を行っているときに、冷却板７０が干渉することを防止できる。また、前チャンバ１ｆ内の不活性ガスの流れを極力阻害しないように構成できる。回動部７１は、例えばエアロータリアクチュエータである。回動部７１としては、油圧ロータリアクチュエータや電動ロータリアクチュエータ等、その他の回動機構が使用されてもよい。

また、好ましくは、冷却装置６５は、横臥状態の冷却板７０を垂直方向に移動させる冷却板昇降装置７２をさらに備える。技術的には、スピンドルヘッド６０を垂直方向に移動させるＺ軸駆動部５２ｃにより、横臥状態の冷却板７０を垂直方向に移動させることも可能ではある。しかし、Ｚ軸駆動部５２ｃにより冷却板７０を固化体８１の上面に当接させたとき、Ｚ軸駆動部５２ｃに負荷がかかり、加工装置４７による加工の精度に影響が出る可能性がある。また、Ｚ軸駆動部５２ｃによって冷却板７０を移動させようとした場合、Ｚ軸駆動部５２ｃを大型なものにする必要がある。そのため、独立して冷却板７０を垂直方向に移動させることができるように、冷却板昇降装置７２を設けることが望ましい。図９に示すように、冷却板昇降装置７２は横臥状態の冷却板７０を垂直方向に移動させる。冷却板昇降装置７２は、例えばエアシリンダである。冷却板昇降装置７２としては、油圧シリンダや電動モータ等、その他の駆動機構が使用されてもよい。

図１０および図１１に示すように、加工ヘッド５０および冷却装置６５には、起立状態の冷却板７０が横臥状態へ回動しないように固定するロック機構５５が設けられている。ロック機構５５としては、電力や圧縮エア等の動力が停止した場合でも冷却板７０の固定を維持できるものが望ましい。具体的には、ロック機構５５は、冷却板７０に設けられた係止部材７５と、加工ヘッド５０に設けられたシリンダ５７とを含む。係止部材７５を加工ヘッド５０に設け、シリンダ５７を冷却板７０に設けてもよいが、その場合は冷却温度に耐えられるシリンダ５７を使用する必要がある。シリンダ５７は、例えば流体圧シリンダであり、より具体的には単動式エアシリンダである。本実施形態においては、１対のシリンダ５７が設けられているが、冷却板７０を十分に固定できるのであれば、個数は限定されない。シリンダ５７は、ピストン５６と、ピストン５６が挿通されるシリンダチューブ５７ａと、弾性部材５８と、を有する。

係止部材７５には係止部７５ａが設けられており、ピストン５６によって挟持されることにより、係止部材７５の先端に設けられた係止部７５ａと、ピストン５６の先端５６ａが係合し、起立状態の冷却板７０が横臥状態に回動しないように固定される。係止部７５ａはピストン５６の先端５６ａと係合する形状であればよく、例えば、溝や、非貫通穴や、貫通孔である。

ピストン５６が挿通されるシリンダチューブ５７ａ内には、ピストン５６が係止部７５ａと係合する方向にピストン５６を常時付勢するための弾性部材５８が設けられている。弾性部材５８は、例えばバネである。このように、弾性部材５８によって常時ピストン５６を付勢しているため、電力や圧縮エア等の動力が停止した場合でも、冷却板７０が回動しないように固定しつづけることができ、造形工程における安全性を確保することができる。

シリンダ５７は、冷却板７０を起立状態から横臥状態に回動させるときに、係止部７５ａとピストン５６の先端５６ａの係合が解除される方向に、ピストン５６を移動させる。

好ましくは、加工ヘッド５０には、固化体８１の温度を測定する温度測定ユニット９５がさらに設けられる。温度測定ユニット９５は、例えば、固化体８１の上面と接触して温度を測定する接触式の温度センサ９５ａと、温度センサ９５ａを垂直方向に移動させる温度センサ昇降装置９５ｂを含む。温度センサ９５ａは、例えば熱電対であるが、測温抵抗体等その他の温度センサが使用されてもよい。温度センサ昇降装置９５ｂは、例えばエアシリンダであるが、油圧シリンダや電動モータ等その他の駆動機構が使用されてもよい。また、温度測定ユニット９５を非接触式の温度センサにより構成してもよいが、接触式の温度センサ９５ａを用いることでより正確に固化体８１の温度を測定することができる。温度測定ユニット９５を使用することで、固化体８１の温度に応じたフィードバック制御が可能となる。例えば、温度センサ９５ａで測定した温度が所定の冷却温度に達するまで、冷却板７０による冷却工程を実施するよう構成できる。

（３．三次元造形物の製造方法）
図１２から図１５を用いて、積層造形装置１００を用いた三次元造形物の製造方法について説明する。なお、図１２から図１５では、視認性を考慮し図１から図１１で示していた積層造形装置１００の構成要素を一部省略している。

本実施形態の積層造形装置１００は、造形途中に固化層に対して温度調整を行う三次元造形物の製造方法に対して特に有効である。造形途中に固化層に対して温度調整を行う三次元造形物の製造方法としては、材料層８を形成する材料としてマルテンサイト系金属を使用し、１層または複数層の固化層を形成する毎に固化層に対して温度調整を行って意図的にマルテンサイト変態を進行させる造形方法が例示される。より具体的には、１層または複数層の固化層が新たに造形される毎に、新たに造形された固化層を造形温度Ｔ１、冷却温度Ｔ２、造形温度Ｔ１の順番で温度調整を行う。なお、固化層のマルテンサイト変態開始温度をＭｓおよび固化層のマルテンサイト変態終了温度をＭｆ、とすると、下記式（１）から（３）の関係が全て満たされる。
Ｔ１≧Ｍｆ（１）
Ｔ１＞Ｔ２（２）
Ｔ２≦Ｍｓ（３）
なお、本願発明は、造形途中に固化層に対して温度調整を行うその他の三次元造形物の製造方法にも有効である。

以下においては、冷却装置６５によって冷却される１層または複数の固化層を上面層と呼ぶ。上面層は、各冷却時点における固化体８１の最上位の固化層を少なくとも含む。焼結後、冷却工程において冷却される前の上面層はオーステナイト相を含む状態であって、冷却温度Ｔ２に冷却することによってオーステナイト相の少なくとも一部がマルテンサイト相へと変態する。

図１２に示すように、造形テーブル５上にベースプレート３３を載置した状態で造形テーブル５の高さを適切な位置に調整する。造形テーブル５の高さを調整した後、固化層形成工程を行う。固化層形成工程では、造形テーブル５に設けられた温度調整機構によって造形テーブル５の温度を造形温度Ｔ１に設定した状態で、以下に示すリコート工程と固化工程とを１回以上繰り返す。

図１３に示すように、リコート工程では、材料収容部１１ａ内に材料粉体が充填されているリコータヘッド１１を、矢印Ｂ方向の左側から右側に移動させる。これにより、ベースプレート３３上に材料層８が形成される。

次に、固化工程において、材料層８の照射領域にレーザ光Ｌを照射することで、当該照射領域を溶融または焼結させ、ベースプレート３３上に１層目の固化層８１ａを形成する。

複数の固化層に対して冷却工程を行う場合は、引き続き、図１４に示すように、造形テーブル５の高さを材料層８の厚さ分下げ、再度、リコート工程と固化工程とを行う。具体的には、リコータヘッド１１を造形領域Ｒの右側から左側に移動させ、造形領域上に材料層８を形成する。そして、材料層８の照射領域にレーザ光Ｌを照射して溶融または焼結させ、ベースプレート３３上に２層目の固化層８１ｂを形成する。

このように、固化層形成工程では、複数の固化層８１ａ，８１ｂ...の形成を繰り返すことによって、固化体８１が形成される。これら順次積層される固化層同士は、互いに強く固着される。

以上の工程を繰り返して予め定められた１つまたは複数の固化層が形成された後、加工ヘッド５０に設けられた冷却装置６５によって冷却工程が行われる。冷却工程では、固化体８１の上面層の温度を冷却温度Ｔ２まで冷却する。

冷却工程では、まず、図１５に示すように、加工ヘッド駆動装置５２が備えるＸ軸駆動部５２ａおよびＹ軸駆動部５２ｂによって、加工ヘッド５０を固化層の上方に配置させる。このとき、図７に示すように、加工ヘッド５０に設けられた冷却装置６５の冷却板７０は、起立状態となっている。

次に、図８に示すように、回動部７１を起動することにより、冷却板７０を、横臥状態に回動させる。このとき、シリンダ５７を起動することにより、冷却板７０に設けられた係止部材７５と、加工ヘッド５０に設けられたピストン５６の係合を解除する。

次に、図９に示すように、冷却板昇降装置７２を起動させ、横臥状態の冷却板７０を垂直方向下方に移動させ、固化体８１の上面に密接させる。

そして、冷却板７０により固化体８１の上面層の温度を冷却させる。チラー２０が冷却板７０内の管路７６内への冷却温度Ｔ２の冷媒の流通を開始するタイミングは、冷却板７０を固化体８１の上面に密接させた後でも、固化体８１の上面に密接させる前でもよい。ここで、上述のとおり、冷却温度Ｔ２はマルテンサイト変態開始温度Ｍｓ以下である。冷却温度Ｔ２は、好ましくはマルテンサイト変態終了温度Ｍｆ以下である。このとき、三次元造形物のマルテンサイト変態が造形後に進行してしまうことを防止できる。マルテンサイト変態開始温度Ｍｓおよびマルテンサイト変態終了温度Ｍｆは、材料の組成によって具体的な値は変動する。そのため材料によっては、冷却温度Ｔ２を−２０℃等の低温に設定する必要がある。本実施形態の積層造形装置１００においては、上面層を含む固化体８１の一部のみ冷却すればよいため、冷却温度Ｔ２が低温であっても迅速に上面層を冷却でき、冷却工程後迅速に造形温度Ｔ１に再加熱できる。

なお、冷却工程時は、造形テーブル５に設けられた温度調整機構による造形テーブル５の加熱は停止されてもよい。より好ましくは、温度調整機構の加熱器を停止させ、冷却器によって造形テーブル５の温度を低下させる。このとき、造形テーブル５は固化体８１に過剰に熱が伝達することを抑制できる程度に冷却されていればよく、冷却温度Ｔ２まで冷却される必要はない。

冷却工程が完了すると、冷却装置６５の冷却板７０は、冷却板昇降装置７２によって垂直方向上方に移動され、回動部７１によって横臥状態から起立状態へ回動される。そして、冷却板７０に設けられた係止部材７５と、加工ヘッド５０に設けられたピストン５６が係合することにより、不意に冷却板７０が横臥状態へ回動しないように固定される。その後、再度造形テーブル５の温度を造形温度Ｔ１に設定し、固化層形成工程が行われる。少なくとも次の固化工程が行われるまでには、造形テーブル５に設けられた温度調整機構によって造形テーブル５の温度は造形温度Ｔ１に温度調整され、材料層８の温度は造形温度Ｔ１に再加熱される。

また、所定数の固化層を形成する毎に、固化層の端面に対して、加工装置４７によって加工を行う加工工程を実施してもよい。好ましくは、冷却工程後の上面層に対して切削加工が実施される。このようにすれば、マルテンサイト変態を起こし寸法が安定した後の上面層に対して切削を行うことができるので、より高精度に切削を行うことができる。さらに好ましくは、冷却工程後であって常温に温度調整された上面層に対して切削加工が実施される。このようにすれば、温度による膨張または収縮の影響を抑えて上面層に対して切削を行うことができるので、より高精度に切削を行うことができる。

以上のようにして、本実施形態では、冷却工程において、冷却温度Ｔ２に温度調整された冷却板７０を固化体８１の上面に当接させることで、固化体８１の上面層の温度を冷却させる。このようにすることにより、造形テーブル５内に設けられた温度調整機構のみを用いて冷却する場合と比較して、積層造形物全体を冷却温度Ｔ２に冷却する必要がなくなり、より迅速に上面層の温度を冷却することができ、三次元造形物の造形時間を短縮することが可能となる。また、冷却装置６５は加工ヘッド５０に設けられているので、別途冷却装置６５を水平方向に移動させるための駆動装置を設ける必要がなく、冷却装置６５を比較的簡易で小型な構造にできる。

以上に説明した固化層形成工程、冷却工程および加工工程が繰り返され、所望の三次元造形物が形成される。積層造形装置１００から三次元造形物を取り外す前に、三次元造形物は冷却されることが望ましい。三次元造形物を冷却するにあたり、冷却装置６５の冷却板７０を三次元造形物の上面に当接させて冷却することができる。このとき、造形テーブル５内に設けられた温度調整機構と協同して三次元造形物を冷却してもよい。

１：チャンバ
３：材料層形成装置
４：ベース台
５：造形テーブル
８：材料層
１１：リコータヘッド
１２：ブレード
１３：照射装置
１５：不活性ガス供給装置
１７：保護ウインドウ汚染防止装置
１９：ヒュームコレクタ
２０：チラー
２１：ダクトボックス
２３：ダクトボックス
２６：粉体保持壁
３１：造形テーブル駆動機構
３３：ベースプレート
４２：光源
４４：フォーカス制御ユニット
４７：加工装置
５０：加工ヘッド
５１：ベッド
５２：加工ヘッド駆動装置
５３：仕切部
５５：ロック機構
５６：ピストン
５７：シリンダ
５８：弾性部材
６０：スピンドルヘッド
６５：冷却装置
７０：冷却板
７１：回動部
７２：冷却板昇降装置
７３：供給マニホールド
７４：排出マニホールド
７５：係止部材
７６：管路
８１：固化体
９５：温度測定ユニット
１００：積層造形装置

Claims

所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層毎に形成された材料層にビームを照射して固化層を形成する照射装置と、
前記固化層に対して加工を行う工具を把持する加工ヘッドと、前記加工ヘッドを少なくとも水平方向に移動させる加工ヘッド駆動装置と、を含む加工装置と、
前記加工ヘッドに設けられ、前記固化層が積層してなる固化体の上面を含む少なくとも一部を所定の冷却温度に冷却する冷却装置と、を備え、
前記冷却装置は、
前記冷却温度に冷却される冷却面を有し、前記冷却面が水平方向に沿った横臥状態で前記固化体の前記上面に密接される冷却板と、
前記冷却面が垂直方向に沿った起立状態と前記横臥状態との間で前記冷却板を回動させる回動部と、を含み、
前記回動部は、前記冷却装置による前記固化体の上面を含む少なくとも一部への冷却を行なわないときは前記冷却板を前記起立状態に設定し、前記冷却装置による前記固化体の上面を含む少なくとも一部への冷却を行うときは前記冷却板を前記横臥状態に設定する、積層造形装置。
前記冷却板は、冷媒が流通する管路を有する、請求項１に記載の積層造形装置。
前記管路と接続され、前記冷媒を前記冷却温度に温度調整するとともに、前記管路に前記冷媒を循環させるチラーをさらに備える、請求項２に記載の積層造形装置。
前記冷却温度は、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度以下である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の積層造形装置。
前記冷却温度は、前記固化層のマルテンサイト変態終了温度以下である、請求項４に記載の積層造形装置。
前記固化体、前記加工ヘッドおよび前記冷却板を覆うチャンバと、
前記チャンバに露点温度が前記冷却温度未満である所定濃度の不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置をさらに備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の積層造形装置。
前記冷却装置は、前記横臥状態の前記冷却板を垂直方向に移動させる冷却板昇降装置をさらに含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の積層造形装置。
前記起立状態の冷却板が前記横臥状態へ回動しないように固定するロック機構をさらに備える、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の積層造形装置。
前記ロック機構は、
前記冷却板と前記加工ヘッドのいずれか一方に設けられる係止部を有する係止部材と、
前記冷却板と前記加工ヘッドのいずれか他方に設けられるシリンダと、を含み、
前記シリンダは、
前記冷却板が前記起立状態のときに前記係止部と係合する先端を有するピストンと、
前記ピストンが挿通されるシリンダチューブと、
前記ピストンが前記係止部と係合する方向に常時前記ピストンを付勢する弾性部材と、を有し、
前記冷却板を前記起立状態から前記横臥状態に回動させるときに、前記係止部との係合が解除される方向に前記ピストンを移動させることを特徴とする、請求項８に記載の積層造形装置。
前記加工ヘッドに設けられ、前記固化体の温度を測定する温度測定ユニットをさらに備える、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の積層造形装置。
前記温度測定ユニットは、
前記固化体の前記上面と接触して温度を測定する温度センサと、
前記温度センサを垂直方向に移動させる温度センサ昇降装置と、を含む、請求項１０に記載の積層造形装置。