JP6828829B2

JP6828829B2 - 粉末供給装置および三次元積層造形装置

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Publication number: JP6828829B2
Application number: JP2019548259A
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Inventors: 大起林; 雄一朗中山
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Description

本開示は、粉末供給装置および三次元積層造形装置に関する。

このような分野の技術として、特許文献１〜３にそれぞれ記載された装置が知られている。特許文献１に記載された装置は、粉末を貯蔵するホッパと、造形面に粉末を散布する粉末散布手段と、これらの間に設けられた粉末補充手段と、粉末補充手段を回動させる回動手段とを備える。柱状の粉末補充手段は、粉末を収容するための溝を側面に有し、回動手段によって回動させられることにより、溝内の粉末を落下させて粉末散布手段に補充する。粉末散布手段は、造形面上を走査しながら、造形面に粉末を散布する。この粉末散布手段は、リコータと中間貯蔵部とを備える。リコータへの粉末の補充は、粉末補充部から、中間貯蔵部を介して行われる。一方、特許文献２および特許文献３には、ホッパの下に設けられた円柱状の粉末供給手段が記載されている。

特許第6050550号公報特許第6077715号公報特許第6077718号公報

上記した特許文献１に記載の装置では、粉末補充手段において粉末の供給量の調整を行っているが、粉末の供給量は、溝の大きさに依存して変わり得る。言い換えれば、ある粉末補充手段については溝の大きさが決まっているので、粉末の供給量の調整には限界がある。本開示は、所望の供給量で粉末を供給することができる粉末供給装置および三次元積層造形装置を説明する。

本開示の一態様に係る粉末供給装置は、粉末を収容するホッパであって、ホッパの下部に設けられて粉末を排出する排出口を含むホッパと、ホッパの排出口の下方に配置された搬送面を含み、搬送面を第１方向に移動させると共に前端部において搬送面を反転させるように構成された搬送装置と、を備え、ホッパは、排出口における第１方向の下流側に位置する前壁部を含み、ホッパの前壁部の下端と搬送装置の搬送面との間には所定の隙間が形成され、搬送面上に堆積した粉末が、隙間に相当する厚みをもって搬送装置によって第１方向に搬送されて前端部から落下させられる。

本開示の一態様によれば、所望の供給量で粉末を供給することができる。

図１は、本開示の一実施形態に係る粉末供給装置および三次元積層造形装置の概略構成を示す図である。図２は、図１中の造形タンク、プレート、および粉末供給装置を示す図である。図３は、ホッパの下部および搬送装置を示す断面図である。図４は、造形面および供給装置の搬送面を示す平面図である。図５は、ホッパの変形例を示す図であり、ホッパの下部および搬送面を搬送装置の前端部側から見て示す図である。図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれ、搬送装置の変形例を示す図であり、ホッパの下部および搬送面を搬送装置の前端部側から見て示す図である。図７は、本開示の他の実施形態に係る粉末供給装置を示す図である。

この粉末供給装置によれば、ホッパの排出口から排出された粉末は、搬送装置の搬送面上に堆積する。ホッパの前壁部の下端と搬送面とによって、所定の隙間が規定される。搬送面が第１方向に移動すると、堆積した粉末は、前壁部の下端で均されるようにして、その隙間に相当する厚みを持って搬送される。そして粉末は、搬送装置の前端部に到来し、前端部から落下させられる。よって、搬送装置における搬送面の移動量を調整することにより、粉末の落下量すなわち供給量を任意に調整することができる。したがって、この粉末供給装置によれば、所望の供給量で粉末を供給することができる。

いくつかの態様において、搬送装置は、搬送面を形成すると共に、第１方向に沿ったループ状をなして周回軌道上を移動するベルトと、周回軌道上でベルトを移動させる移動機構と、を含む。移動機構およびベルトを備える構成により、粉末を確実かつ容易に搬送できる。

いくつかの態様において、搬送面に平行であって第１方向に直交する第２方向において、前壁部の下端と搬送面との間の隙間は変化する。この場合、第２方向において隙間が変化するので、搬送面上に堆積して搬送される粉末の厚みも変化することになる。よって、第２方向において粉末の供給量に分布を持たせることができる。その結果として、たとえば、造形面の形状が単純な矩形ではない形状である場合に、造形面の形状に応じた適切な供給量をもって粉末を供給することができ、余剰粉末の発生を抑えることができる。

いくつかの態様において、前壁部が、第２方向において下端の高さが変化するような形状を有することにより、第２方向における隙間が変化する。この場合、ホッパの前壁部の下端の形状を工夫することにより、第２方向において粉末の供給量に分布を持たせることができる。

いくつかの態様において、搬送装置が、第２方向において搬送面の高さが変化するような形状を有することにより、第２方向における隙間が変化する。この場合、搬送装置の搬送面（たとえば、ベルトの表面等）の形状を工夫することにより、第２方向において粉末の供給量に分布を持たせることができる。

本開示の一態様に係る三次元積層造形装置は、上記のいずれかの粉末供給装置と、搬送装置の前端部の下方に設けられ、粉末が載る上面を有する作業台と、作業台の側方において上方に向けて露出する造形面と、作業台の上面上から造形面上に向けて移動可能な塗布機構と、塗布機構によって造形面上に供給された粉末に向けてビームを照射するビーム出射部と、を備える。この三次元積層造形装置によれば、所望の供給量で粉末を供給することができるので、余剰粉末の発生を抑えることができる。その結果として、三次元積層造形において、たとえば、粉末のリサイクル性の向上、粉末の品質劣化抑制、および装置の小型化等の効果が奏される。

いくつかの態様において、三次元積層造形装置は、造形面に供給された後に余った又は造形面からはみ出た余剰の粉末を作業台から回収する粉末回収装置と、粉末回収装置による粉末の回収量を計測する計測装置と、計測装置によって計測された粉末の回収量に基づいて搬送装置を制御し、搬送面の移動量を調整する制御装置と、を更に備える。この場合、計測装置によって粉末の回収量が計測され、その回収量に基づいて、制御装置によって、搬送面の移動量が調整される。したがって、粉末の供給量を高精度にコントロールすることができる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本開示の実施形態に係る三次元積層造形装置の構成概要図である。三次元積層造形装置１は、造形面Ｓ上の粉末Ａに電子ビームＢを照射して粉末Ａを溶融させ凝固させて三次元の物体を造形する装置である。三次元積層造形装置１は、電子ビーム出射部２、造形部３および制御部４を備えている。

電子ビーム出射部２は、造形部３の造形面Ｓ上の粉末Ａに向けて電子ビームＢを出射し、粉末Ａを溶融させる。電子ビーム出射部２は、物体の造形を行う前に粉末Ａに対し電子ビームＢを照射して粉末Ａの予備加熱を行ってもよい。

電子ビーム出射部２は、電子銃部２１と、収束コイル２２と、偏向コイル２３とを備えている。電子銃部２１は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動し、電子ビームＢを出射する。電子銃部２１は、たとえば、下方に向けて電子ビームＢを出射するように設けられている。収束コイル２２は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。収束コイル２２は、電子銃部２１から出射される電子ビームＢの周囲に設置され、電子ビームＢを収束させる。偏向コイル２３は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。偏向コイル２３は、電子銃部２１から出射される電子ビームＢの周囲に設置され、制御信号に応じて電子ビームＢの照射位置を調整する。電子銃部２１、収束コイル２２および偏向コイル２３は、たとえば、筒状を呈するコラム２４内に設置される。

造形部３は、所望の物体である造形物Ｃを造形する部位である。造形部３は、チャンバ３０内において、作業台３９と、造形タンク３６と、プレート３１と、昇降装置１０と、２台の粉末供給装置４０と、塗布機構３３とを備えている。チャンバ３０内は、真空状態とされている。

図１および図２に示されるように、作業台３９は、粉末供給装置４０の下方に配置されており、粉末供給装置４０によって供給された粉末Ａが載る水平かつ平坦な上面３９ａを有する。作業台３９には、たとえば円形の開口３９ｃが設けられており、この開口３９ｃに、たとえば円筒状の造形タンク３６が嵌合している。造形タンク３６は、鉛直方向に延びる軸線を有する。造形タンク３６の上端面３６ａは、作業台３９の上面３９ａと、たとえば面一である。

プレート３１は、造形タンク３６内に配置された平板状の部材である。プレート３１は、たとえば円形をなしている。プレート３１の形状は、造形面Ｓ（すなわち造形領域）の形状に対応する。プレート３１は、平坦な上面３１ａを有し、この上面３１ａ上に造形される物体を支持する。プレート３１は、電子ビームＢの出射方向の延長線上に配置され、たとえば水平なＸＹ平面に平行に設けられる。プレート３１は、造形タンク３６内に配置されている。プレート３１と造形タンク３６とは、同心円状に配置される。

昇降装置１０は、プレート３１を支持すると共に、造形タンク３６内でプレート３１を上下方向に昇降させる。昇降装置１０は、プレート３１を昇降させる昇降機３２を有する。昇降装置１０は、プレート３１の下方に設置されて、プレート３１を支持する昇降ステージ（図示せず）を有してもよい。昇降機３２は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。昇降機３２は、物体の造形の初期においてプレート３１を上部へ移動させ、プレート３１上で粉末Ａが溶融凝固されて積層されるごとにプレート３１を降下させる。プレート３１上には造形物Ｃが造形されていく。造形物Ｃの上面に、造形面Ｓが形成される。この造形面Ｓは、プレート３１と同じ外形形状を持っている。粉末Ａが溶融凝固されてできる溶融造形面は、プレート３１の降下とともに下に下がっていく。下に下がった溶融造形面の上に、新たな（次の層の）造形面Ｓが形成される。以上のように構成された作業台３９、プレート３１、および昇降装置１０において、作業台３９の側方には、開口３９ｃの位置に造形面Ｓが露出している。

上記したプレート３１、造形タンク３６、および造形面Ｓの形状は、造形物Ｃの形状等に応じて、適宜に変更可能である。本実施形態では、プレート３１および造形面Ｓが円形であり、造形タンク３６が円筒状である場合について説明するが、その他の形状が採用されてもよい。プレート３１が造形タンク３６内に配置され、プレート３１上に造形面Ｓが形成されるので、平面視において、これらは等しい形状および大きさを有することになる。

プレート３１、造形タンク３６、および造形面Ｓが設けられた作業台３９の中央部分に対して、２台の粉末供給装置４０が、対称に設置されている。各粉末供給装置４０は、粉末Ａを収容するホッパ（またはタンク）３４を備える。ホッパ３４の下部には、粉末Ａを排出する排出口３５が設けられている。排出口３５は、たとえば、Ｙ方向に長い長方形状である。

粉末Ａは、多数の粉末体により構成される。粉末Ａとしては、たとえば金属製の粉末が用いられる。また、粉末Ａとしては、電子ビームＢの照射により溶融および凝固できるものであれば、粉末より粒径の大きい粒体を用いてもよい。粉末Ａは、良好な流動性を有しており、ホッパ３４内におけるブリッジ現象は、生じにくくなっている。

ホッパ３４の下方には、所定の供給量をもって粉末Ａを落下させるための搬送装置４１が設けられている。すなわち、ホッパ３４の排出口３５の下方に、搬送装置４１の搬送面４３が配置されている。排出口３５から、搬送装置４１の搬送面４３に対して粉末Ａが供給される。搬送装置４１は、Ｘ方向に平行な搬送方向（第１方向）に搬送面４３を移動させる。ここで、搬送方向とは、Ｘ方向において、造形面Ｓ（プレート３１）の両側から造形面Ｓに近づく方向である。搬送装置４１は、搬送面４３上の粉末Ａを、その前端部４１ａから落下させる。

ホッパ３４の形状は、粉末Ａを収容しつつ粉末Ａを順次下方に送って排出させることのできる形状であれば、どのような形状であってもよい。排出口３５の形状も、粉末Ａを排出し搬送装置４１の搬送面４３上に堆積させられる形状であれば、どのような形状であってもよい。角筒状のホッパ３４の下部は、排出口３５における上記搬送方向の下流側に位置する前壁部３４ａと、排出口３５における上記搬送方向の上流側に位置する後壁部３４ｂとを含む。前壁部３４ａおよび後壁部３４ｂは、たとえば平行に延在している。ホッパ３４の下部は、これらの前壁部３４ａおよび後壁部３４ｂのＸ方向の両端部を接続する一対の側壁部３４ｃ（図５に示される変形例に係るホッパ３４Ａ参照）を含む。

前壁部３４ａの下端３４ｅは、たとえば直線状をなしており、水平なＹ方向に延びる。前壁部３４ａの下端３４ｅは、搬送装置４１の搬送面４３から離間している。前壁部３４ａの下端３４ｅと搬送装置４１の搬送面４３との間には、所定の隙間Ｇが形成されている（図３参照）。隙間Ｇの大きさは、搬送面４３に平行であって搬送方向に直行するＹ方向において、たとえば一定である。前壁部３４ａの下端３４ｅと、後壁部３４ｂの下端と、一対の側壁部３４ｃの下端とによって、たとえば水平に延びる長方形状の開口が形成される。この開口と搬送面４３との間に隙間Ｇが形成されることにより、搬送面４３上には、開口から外方に広がりつつ所定の安息角（傾斜角）をもって、粉末Ａが堆積する。図４に示されるように、排出口３５のＹ方向の長さは、造形面Ｓ（すなわちプレート３１）のＹ方向の長さと略同じであってもよいし、造形面Ｓ（すなわちプレート３１）のＹ方向の長さより多少小さくてもよい。なお、搬送装置４１に対してかかる荷重を低減するために、ホッパ３４の内部に仕切り板を設けたり、ラビリンス構造を形成したりしてもよい。

図２および図３に示されるように、搬送装置４１は、Ｘ方向に沿ったループ状をなして周回軌道上を移動するベルト４４と、その周回軌道上でベルト４４を移動させる移動機構４５とを含む。すなわち、搬送装置４１は、ベルトコンベア式の搬送装置である。ベルト４４は、たとえばステンレス製である。ベルト４４は、上に載る粉末Ａの荷重に耐え得る強度を有しており、ホッパ３４内の粉末Ａからの荷重を受けても変形しない。ベルト４４は、造形面Ｓから遠い側に配置されたローラ４７と、造形面Ｓに近い側に配置されたローラ４６とに掛け渡されている。ベルト４４がローラ４６，４７の上側に位置している間において、ベルト４４の表面は、上記した搬送面４３を形成する。ベルト４４の表面は、ざらついていることが好ましい。

ローラ４６の第１回転軸線Ｌ１とローラ４７の第２回転軸線Ｌ２とは平行であり、いずれもＹ方向に延びる。ローラ４６およびローラ４７のいずれか一方、たとえばローラ４７が駆動モータ４２に連結されて回転駆動されてもよい。この駆動モータ４２は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。駆動モータ４２は、制御部４によって制御されることにより、所定の回転数だけ回転する。これらの駆動モータ４２、ローラ４６、およびローラ４７によって、移動機構４５が構成されている。なお、移動機構４５の構成は、周回軌道上でベルト４４を移動させることができるものであれば、上記以外の構成が採用されてもよい。

搬送装置４１は、ベルト４４の搬送面４３を搬送方向に移動させると共に、前端部４１ａにおいて搬送面４３を反転させる。すなわち、前端部４１ａにおいて、ベルト４４は湾曲し、その後ベルト４４は、ローラ４６，４７に回り込み、上記の搬送方向とは逆方向に移動する。搬送装置４１は、ローラ４７の回転数に応じて、ベルト４４を移動（走行）させる。搬送面４３上に堆積した粉末Ａは、上記の隙間Ｇに相当する厚みをもって搬送装置４１によって搬送方向に搬送され、前端部４１ａから落下させられる。これにより、搬送装置４１は、所定の供給量をもって粉末Ａを落下させる。すなわち、粉末供給装置４０による供給量は、隙間Ｇに相当する粉末Ａの厚みとＹ方向の幅Ｗ（図４参照）との積から求められる断面積ＳＡと、搬送面４３の移動量とによって定まる。すなわち、ベルト４４の移動量と供給量は、無段階の比例関係になる。供給量の分解能は、無段階に調整可能となっている。粉末供給装置４０では、搬送面４３の移動量を調整することで供給量を任意に調整できるので、隙間Ｇが厳密に管理される必要がない。なお、断面積ＳＡには、上述した安息角に相当する断面積が付加されてもよい。

搬送装置４１の前端部４１ａから落下した粉末Ａは、前端部４１ａの下方に設けられた作業台３９の上面３９ａに載って堆積し、堆積粉末Ａａとなる。搬送装置４１の前端部４１ａは、作業台３９の上面３９ａであって、造形タンク３６と孔部３９ｂとの間の領域の上方に位置する。この位置関係により、堆積粉末Ａａは、造形タンク３６と孔部３９ｂとの間に位置する。堆積粉末Ａａは、Ｙ方向において、造形面Ｓを含む範囲（造形面Ｓよりも大きい範囲）に形成されてもよい。

塗布機構３３は、堆積粉末Ａａを造形面Ｓ上に移動させ、造形面Ｓ上に粉末Ａを供給すると共に粉末Ａを均す部材である。塗布機構３３は、水平なＹ方向に長く延びる部材である。塗布機構３３の長さは、造形面Ｓ（すなわちプレート３１）のＹ方向の長さよりも大きい。塗布機構３３は、造形面Ｓ上に位置した際、Ｙ方向において造形面Ｓの全体を覆うように設けられている（図４参照）。塗布機構３３は、作業台３９の上面３９ａから隙間をもって離れた位置に設けられる。塗布機構３３の断面形状は、図に示されるように矩形であってもよいし、その他の形状であってもよい。

塗布機構３３は、作業台３９の上面３９ａ上から造形面Ｓ上に向けて、水平なＸ方向に移動可能である。より詳細には、塗布機構３３は、造形面Ｓ上を横切るようにして、Ｘ方向に沿って往復移動可能である。塗布機構３３は、上面３９ａ上および造形面Ｓ上を移動する間、これらの上面３９ａおよび造形面Ｓに対して所定の間隔を維持する。塗布機構３３は、図示しないアクチュエータ等により移動させられる。塗布機構３３は、制御部４からの制御信号を受けて作動する。

制御部４は、三次元積層造形装置１の装置全体の制御を行う電子制御ユニットである。制御部４は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、およびＲＡＭ(Random Access Memory)等のハードウェアと、ＲＯＭに記憶されたプログラム等のソフトウェアとから構成されたコンピュータを含んで構成される。制御部４は、プレート３１の昇降制御、塗布機構３３の作動制御、電子ビームＢの出射制御および偏向コイル２３の作動制御などを実行する。制御部４は、プレート３１の昇降制御として、昇降機３２に制御信号を出力して昇降機３２を作動させ、プレート３１の上下方向の位置を調整する。制御部４は、塗布機構３３の作動制御として、電子ビームＢの出射前に塗布機構３３を作動させ、プレート３１上の粉末Ａを均す。制御部４は、電子ビームＢの出射制御として、電子銃部２１に制御信号を出力し、電子銃部２１から電子ビームＢを出射させる。

制御部４は、偏向コイル２３の作動制御として、偏向コイル２３に制御信号を出力して、電子ビームＢの照射位置を制御する。たとえば、制御部４には造形すべき物体である造形物Ｃの三次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データが入力される。制御部４は、この三次元ＣＡＤデータに基づいて二次元のスライスデータを生成する。スライスデータは、たとえば、造形物Ｃの水平断面のデータであり、上下位置に応じた多数のデータの集合体である。このスライスデータに基づいて、電子ビームＢが造形面Ｓ上の粉末Ａに対し照射する領域が決定され、その領域に応じて偏向コイル２３に制御信号が出力される。

続いて、粉末回収装置に関わる構成について詳細に説明する。本実施形態の三次元積層造形装置１は、造形に用いられなかった粉末Ａを作業台３９から回収する粉末回収装置３７を備える。図２および図４に示されるように、チャンバ３０内に設けられた作業台３９には、上面３９ａと作業台３９の裏面側とを貫通する孔部３９ｂが形成されている。２つの孔部３９ｂが、Ｘ方向における造形面Ｓの両側に形成されている。これらの孔部３９ｂは、塗布機構３３によって移動させられ、造形面Ｓ上に供給された後に、余った又は造形面Ｓからはみ出た余剰の粉末Ａを落下および回収するための粉末回収孔である。図３に示されるように、各孔部３９ｂは、Ｙ方向に長い矩形をなしている。孔部３９ｂの長さは、造形面Ｓ（すなわちプレート３１）のＹ方向の長さよりも大きい。孔部３９ｂは、Ｙ方向において、造形面Ｓを含む範囲（造形面Ｓよりも大きい範囲）に形成される。

図２に示されるように、各孔部３９ｂは、造形タンク３６と、塗布機構３３の停止位置との間に設けられる。２つの孔部３９ｂの間の長方形の領域（造形面Ｓを含む領域）には、所定の厚みをもって、粉末Ａが堆積する。各孔部３９ｂは、塗布機構３３が造形面Ｓを通過した後に、塗布機構３３によって更に移動させられた余剰の粉末Ａを通過および落下させる。孔部３９ｂの下方には、それぞれ回収タンク３８が設けられる。回収タンク３８の上面は、上方に向けて、すなわち孔部３９ｂに向けて開放されている。孔部３９ｂを通じて落下した余剰の粉末Ａは、回収タンク３８に収容される。これらの孔部３９ｂおよび回収タンク３８によって、粉末回収装置３７が構成されている。

三次元積層造形装置１は、更に、粉末回収装置３７による粉末Ａの回収量を計測する計測装置４８を備える。計測装置４８は、たとえば作業台３９の裏面側であって、孔部３９ｂの下側に設けられる。計測装置４８としては、公知のセンサ等が用いられ得る。計測装置４８は、孔部３９ｂを通過し落下した粉末Ａの量を計測することにより、粉末回収装置３７によって回収された粉末Ａの量を計測する。計測装置４８は、計測した粉末Ａの回収量を制御部４に出力する。制御部４は計測装置４８によって計測された粉末Ａの回収量に基づいて搬送装置４１を制御し、搬送面４３の移動量を調整する制御装置である。制御部４は、たとえば、搬送面４３の移動量あたりの粉末Ａの供給量を記憶している。この数値は、三次元積層造形装置１の運転の初期段階において予め求められてもよい。制御部４は、搬送面４３の移動量あたりの粉末Ａの供給量に基づいて、搬送面４３の移動量を調整し、所望の供給量で粉末Ａが供給されるように駆動モータ４２を制御する。例えば、粉末Ａの回収量（計測装置４８による計測値）が所定の閾値（たとえば予め設定された目標値）よりも多い場合に、制御部４は、搬送面４３の移動量を少なくして、粉末Ａの供給量が少なくなるように制御してもよい。

なお、各搬送装置４１は、造形面Ｓを挟んで各搬送装置４１の反対側に設けられている計測装置４８の計測値に基づいて、制御部４によって制御される。すなわち、図２において造形面Ｓの左側に配置されている搬送装置４１は、造形面Ｓの右側に配置されている計測装置４８の計測値に基づいて制御される。造形面Ｓの右側に配置されている搬送装置４１は、造形面Ｓの左側に配置されている計測装置４８の計測値に基づいて制御される。以下、図２に示される各装置の配置を基準として、「右側」、「左側」との用語が用いられる。

上記構成による積層造形方法の一例を説明する。まず、造形面Ｓの左側に配置されている搬送装置４１の前端部４１ａの左側（塗布機構の移動方向において後方）に塗布機構３３が位置する状態で、造形面Ｓの左側に位置する搬送装置４１から粉末Ａが落下させられる。塗布機構３３の右側（塗布機構の移動方向において前方）に堆積粉末Ａａが形成されると、堆積粉末Ａａの左側から右側に向かって塗布機構３３が移動させられ、堆積粉末Ａａが造形面Ｓ上に塗布される。塗布されなかった余剰の粉末Ａは、塗布機構３３によって造形面Ｓの右側に移動させられ、造形面Ｓの右側に位置する孔部３９ｂに落下する。造形面Ｓの右側に位置する計測装置４８によって、粉末Ａの回収量が計測される。

そして、塗布機構３３が造形面Ｓの右側に移動したままの状態において、造形面Ｓ上に塗布された粉末Ａに、電子ビームが照射され、造形物Ｃの形状に応じた領域の粉末Ａが溶融、固化される。その後、プレート３１が一層分下降させられる。これにより、造形面Ｓ上の粉末Ａ（および溶融された粉末）が一層分下降させられる。

次に、造形面Ｓの右側に配置されている搬送装置４１の前端部４１ａの右側（次の塗布機構の移動方向において後方）に塗布機構３３が位置する状態で、造形面Ｓの右側に位置する搬送装置４１から粉末Ａが落下させられる。塗布機構３３の左側（次の塗布機構の移動方向において前方）に堆積粉末Ａａが形成されると、堆積粉末Ａａの右側から左側に向かって塗布機構３３が移動させられ、堆積粉末Ａａが造形面Ｓ上に塗布される。塗布されなかった余剰の粉末Ａは、塗布機構３３によって造形面Ｓの左側に移動させられ、造形面Ｓの左側に位置する孔部３９ｂに落下する。造形面Ｓの左側に位置する計測装置４８によって、粉末Ａの回収量が計測される。

そして、塗布機構３３が造形面Ｓの左側に移動したままの状態において、造形面Ｓ上に塗布された粉末Ａに、電子ビームが照射され、造形物Ｃの形状に応じた領域の粉末Ａが溶融、固化される。その後、プレート３１が一層分下降させられる。これにより、造形面Ｓ上の粉末Ａ（および溶融された粉末）が一層分下降させられる。

次に、造形面Ｓの左側に配置されている搬送装置４１の前端部４１ａの左側（塗布機構の移動方向において後方）に塗布機構３３が再び位置する状態で、その搬送装置４１から粉末Ａが落下させられ、塗布機構３３の右側（塗布機構の移動方向において前方）に堆積粉末Ａａが形成される。このとき、前回の粉末塗布時（造形面Ｓの左側に位置する搬送装置４１から供給された粉末が塗布されたとき）における計測装置４８の計測値に基づいて、搬送装置４１が制御され、粉末Ａの供給量（すなわち堆積粉末Ａａの量）が制御される。そして、前回と同様に、塗布機構３３による粉末塗布が行われる。

以上のような工程が繰り返されることで、造形物Ｃが積層造形される。

粉末回収装置３７、計測装置４８および制御部４によれば、粉末Ａの供給量が高精度にコントロールされ得る。また粉末Ａの物性値が変わることによって供給量を変動させる必要性が生じた場合でも、ベルト４４（搬送面４３）の移動量の変更のみで対応が可能である。言い換えれば、機械調整の手間が省略され、コストを低減できる。

以上説明した本実施形態の粉末供給装置４０によれば、ホッパ３４の排出口３５から排出された粉末Ａは、搬送装置４１の搬送面４３上に堆積する。ホッパ３４の前壁部３４ａの下端３４ｅと搬送面４３とによって、所定の隙間Ｇが規定される。搬送面４３が搬送方向に移動すると、堆積した粉末Ａは、前壁部３４ａの下端３４ｅで均されるようにして、その隙間Ｇに相当する厚みを持って搬送される。そして粉末Ａは、搬送装置４１の前端部４１ａに到来し、前端部４１ａから落下させられる。よって、搬送装置４１における搬送面４３の移動量を調整することにより、粉末Ａの落下量すなわち供給量を任意に調整することができる。したがって、この粉末供給装置４０によれば、所望の供給量で粉末Ａを供給することができる。

上述した従来の装置では、粉末補充手段は、円柱状の部材が回転する構成となっており、当該円柱状の部材とその外周面を包囲する面との間の隙間から粉末が漏れることを抑制するために、隙間を調整する必要があった。そのため、外乱（熱、材料物性）に依存して動作に支障が出る可能性がある。しかし、粉末供給装置４０によれば、ホッパ３４とベルト４４の隙間Ｇが粉末Ａの漏れに大きく影響しないので、加工組み立ての精度を下げることができる。よって、コストを低減することができる。また、機械的なシール部がないため、構造部品の摩耗低下、高寿命、コンタミレス等が実現される。また、隙間の変動に強いため、外乱の影響を受けにくく、粉末Ａの物性値の変化や温度による構造の変化に強い。

また、以下の種々の効果が奏される。第一に、粉末Ａのリサイクル性、すなわちリサイクル効率の向上が図られる。粉末Ａのリサイクル効率とは、たとえば、「造形に使用した粉末」を「準備に必要な粉末」で除した値である。「準備に必要な粉末」は、「造形に使用した粉末」と「想定される余剰粉末量」との和であるため、余剰粉末が減少することで、「準備に必要な粉末」が減少し、粉末のリサイクル効率が向上する。第二に、粉末Ａの品質劣化が抑制される。粉末Ａの塗布動作の際、粉末Ａが造形面Ｓの上を通過するため、余剰粉末は瞬間的に熱される。そのため余剰粉末は、ホッパ３４内の粉末と比較して、品質の劣化を招きやすい。よって、本実施形態のように余剰粉末を減少させることは、粉末の品質劣化を抑制するという点で有効である。第三に、装置の小型化を図ることができる。余剰粉末が減少することで、粉末Ａの供給量および回収量の双方を低減できる。よって、ホッパ３４や回収タンク３８の小型化が図られる。

搬送装置４１が移動機構４５およびベルト４４を備える構成により、粉末Ａを確実かつ容易に搬送できる。

本実施形態の三次元積層造形装置１によれば、所望の供給量で粉末Ａを供給することができるので、余剰粉末の発生を抑えることができる。その結果として、三次元積層造形において、たとえば、粉末Ａのリサイクル性の向上、粉末の品質劣化抑制、および装置の小型化等の効果が奏される。

また、計測装置４８によって粉末Ａの回収量が計測され、その回収量に基づいて、制御部４によって、搬送面４３の移動量が調整される。したがって、粉末Ａの供給量を高精度にコントロールすることができる。複数の搬送装置４１と、各搬送装置４１による粉末Ａの供給およびその後の塗布・回収に対応する複数の計測装置４８とを備える三次元積層造形装置１において、制御部４が上述した制御を実施すれば、前回の余剰の粉末Ａの量が最新の粉末Ａの供給制御に反映される。その結果として、余剰粉末の発生抑制に伴う上記の各効果が一層好適に奏され得る。

続いて、図５を参照して、変形例に係る粉末供給装置４０Ａについて説明する。粉末供給装置４０Ａが粉末供給装置４０と違う点は、一定の隙間Ｇを形成するホッパ３４の下端３４ｅに代えて、水平なＹ方向において隙間Ｇを変化させるような形状の下端３４ｅを含んだホッパ３４Ａを備える点である。粉末供給装置４０Ａでは、隙間Ｇの大きさが、軸方向（Ｙ方向、第２方向）において一様ではない。すなわち、ホッパ３４Ａの前壁部３４ａは、Ｙ方向において下端３４ｅの高さが変化するような形状を有する。隙間Ｇの高さは、たとえば、ベルト４４の幅方向（ローラ４６，４７の軸方向）の中央部の方が、幅方向の端部よりも大きい。造形面Ｓの形状が、たとえば円形等である場合には、幅方向の端部よりも中央部において、より多くの粉末Ａが供給されることが望ましい。粉末供給装置４０Ａによれば、造形面の形状に応じた適切な供給量をもって粉末を供給することができる。なお、造形面Ｓが円形の場合に限られず、幅方向の端部ほど、塗布機構の移動方向（Ｘ方向）の長さすなわち幅が小さい形状であれば、この態様は有利である。しかも、隙間Ｇの高さが、幅方向の端部から中央部に向かうにつれて大きくなっているので、特に円形の造形面Ｓに対して、適切な供給量をもって粉末を供給することができる。

この点、従来技術の構造では分布をつくることができないため、円形状の造形タンクに粉末を供給するとき、余剰粉末が２５％以上も発生していた。ホッパ３４とベルト４４の隙間Ｇに変化を持たせて分布を形成することで、搬送面４３上に堆積して搬送される粉末Ａの厚みも変化することになる。よって、幅方向において粉末Ａの供給量に分布を持たせることができる。その結果として、たとえば、造形面Ｓの形状が単純な矩形ではない形状である場合に、造形面Ｓの形状に応じた適切な供給量をもって粉末Ａを供給することができ、余剰粉末の発生を抑えることができる。すなわち、造形タンク３６が円筒状の場合、中心部と端部では必要供給量に差が出る。分布を形成することで余剰粉末を削減することができ、コストを下げることができる。また、換言すれば、粉末供給装置４０Ａでは、Ｘ方向（塗布方向）における造形面Ｓの寸法に応じて、その領域に対応する下端３４ｅの高さ、隙間Ｇの大きさ、粉末落下量が調節されている。具体的には、Ｘ方向（塗布方向）における造形面の寸法が大きいほど、その領域に対応する下端３４ｅの高さが高く、隙間Ｇの大きさ、粉末落下量が大きくなっている。このようにすることで、造形面Ｓの形状に応じた適切な供給量をもって粉末Ａを供給することができる。

粉末供給装置４０Ａでは、ホッパ３４の前壁部３４ａの下端３４ｅの形状を工夫することにより、幅方向において粉末Ａの供給量に分布を持たせることができる。

続いて、図６（ａ）および（ｂ）を参照して、他の変形例に係る粉末供給装置４０Ｂ，４０Ｃについて説明する。図６（ａ）に示される粉末供給装置４０Ｂでは、ホッパ３４の下端３４ｅの高さはＹ方向において一定である。一方で、搬送装置４１Ｂが、Ｙ方向において搬送面４３の高さが段階的に変化するような形状を有する。これにより、ベルト４４Ｂの幅方向における隙間Ｇが変化している。ここで、ベルト４４Ｂの幅方向は、Ｘ方向に平行な搬送方向（第１方向）に直交する第２方向である。粉末供給装置４０Ｂ，４０Ｃでは、隙間Ｇの大きさが、軸方向（Ｙ方向、第２方向）において一様ではない。より詳細には、搬送装置４１Ｂのベルト４４Ｂは、幅方向の両端部に形成された２つの第１段部４３ｂ１と、第１段部４３ｂ１の軸方向の中央側に連通するように形成された２つの第２段部４３ｂ２とを含む。第２段部４３ｂ２は、第１段部４３ｂ１よりも低い。ベルト４４Ｂは、更に、２つの第２段部４３ｂ２の間であって軸方向の中央部に形成された１つの第３段部４３ｂ３を含む。第３段部４３ｂ３は、第２段部４３ｂ２よりも更に低い。このようなベルト４４Ｂの表面形状は、たとえば複数のベルト片を積層し、その積層枚数を異ならせることにより得られる。また、換言すれば、粉末供給装置４０Ｂでは、Ｘ方向（塗布方向）における造形面Ｓの寸法に応じて、その領域に対応する搬送面４３の高さ、隙間Ｇの大きさが段階的に設定されている。具体的には、Ｘ方向（塗布方向）における造形面の寸法が大きいほど、その領域に対応する搬送面４３の高さが低く、隙間Ｇの大きさ、粉末落下量が大きくなっている。

粉末供給装置４０Ｂのように、搬送装置４１Ｂの搬送面（たとえば、ベルト４４Ｂの表面等）の形状を工夫することにより、幅方向において粉末Ａの供給量に分布を持たせることができる。粉末供給装置４０Ｂによっても、造形面Ｓの形状に応じた適切な供給量をもって粉末Ａを供給することができ、余剰粉末の発生を抑えることができる。

また、図６（ｂ）に示される粉末供給装置４０Ｃのように、搬送装置４１Ｃが、Ｙ方向において搬送面４３Ｃの高さがなだらかに（連続的に）変化するような形状を有する。これにより、ベルト４４Ｃの幅方向における隙間Ｇが変化している。粉末供給装置４０Ｃによっても、造形面Ｓの形状に応じた適切な供給量をもって粉末Ａを供給することができ、余剰粉末の発生を抑えることができる。

図７を参照して、他の実施形態に係る粉末供給装置について説明する。図７に示される搬送装置では、ベルトコンベア式の搬送装置に代えて、搬送面としての周面４９ａを有するローラ４９が備わっている。ローラ４９は、ケーシング５０内に収容されており、その周面の一部（前端部４１ａ）が露出している。ローラ４９は、たとえば図示しない駆動モータによって回転駆動されて、回転軸線Ｌを中心に回転する。ローラ４９の周面４９ａとホッパ３４の下端３４ｅとの間には、隙間Ｇが形成されている。ローラ４９の周面４９ａは、ざらついていることが好ましい。ローラ４９は、周面４９ａ上に粉末Ａを堆積させた状態を維持できる形状および大きさ（すなわち直径）を有する。ローラ４９は、その回転とともに、周面４９ａを周方向（第１方向）に移動させる。この場合の搬送方向（第１方向）は、円弧状である。搬送面の移動量は、ローラ４９の周面４９ａの移動量であり、ローラ４９の半径と回転角度により定まる。ローラ４９は、制御部４によって駆動モータが制御されることにより所定の回転角度を回転し、前端部４１ａにおいて周面４９ａを反転させる。このとき、隙間Ｇに相当する厚みをもって周面４９ａ上に堆積した粉末Ａは、前端部４１ａから落下させられる。このようなローラ式の搬送装置を備える粉末供給装置によっても、上記した粉末供給装置４０と同様の作用・効果が奏される。

なお、ローラ式の搬送装置を備える粉末供給装置において、ローラ４９の径を軸方向（Ｙ方向、第２方向）において変化させてもよい。そうすれば、図５、図６に示される変形例と同様に、Ｙ方向において隙間Ｇを変化させることができる。従って、図５、図６に示される変形例と同様な効果が期待できる。例えば、ローラ４９の径が軸方向（Ｙ方向、第２方向）において端部から中央部に向かうにつれて小さくなるように、ローラ４９が構成されてもよい。この構成により、隙間Ｇの高さは、ローラ４９の軸方向の端部よりも中央部において大きくなる。隙間Ｇの高さが、ローラ４９の軸方向の端部から中央部に向かうにつれて大きくなっているので、特に円形の造形面Ｓに対して、適切な供給量をもって粉末を供給することができる。この形態においても、Ｘ方向（塗布方向）における造形面Ｓの寸法に応じて、その領域に対応するローラ４９の径、隙間Ｇの大きさを設定してもよい。例えば、Ｘ方向（塗布方向）における造形面の寸法が大きいほど、その領域に対応するローラ４９の径が小さく、隙間Ｇの大きさ、粉末落下量が大きくなるようにしてもよい。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。たとえば、造形タンク３６の形状は、円筒状に限定されず、断面矩形または断面多角形の角筒状であってもよい。プレート３１の形状は、円形に限定されず、矩形または多角形であってもよい。造形面Ｓの形状が円形以外の場合にも、本発明は適用可能である。Ｘ方向（塗布方向）における造形面Ｓの寸法に応じて、その領域に対応する隙間Ｇの大きさ、粉末落下量を設定するようにしてもよい。塗布機構３３（またはリコータ）の構成は、上記で説明した構成に限られない。塗布機構３３は、たとえば、板状であってもよいし、ローラ部、棒状部材、または刷毛部などを備える構成であってもよい。ホッパ３４の排出口３５は、前壁部３４ａのみが搬送面４３との間で隙間Ｇを形成しており、その他の後壁部３４ｂや側壁部３４ｃは同じ大きさの隙間Ｇを形成していなくてもよい。ベルト４４Ｂの幅方向における隙間Ｇの変化は、ホッパ３４の下端３４ｅおよび搬送装置４１の搬送面４３の両方の形状を変化させることで実現してもよい。搬送装置の搬送方向である第１方向は、水平である場合に限られず、水平面に対して幾らか傾斜した方向であってもよい。第１方向は、直線状である場合に限られず、曲線状であってもよい。

三次元積層造形装置は、電子ビーム溶融法が適用された造形装置に限られず、たとえばレーザ溶融法が適用された造形装置であってもよい。すなわち、三次元積層造形装置において粉末Ａに照射されるビームは、レーザビームであってもよい。三次元積層造形装置において粉末Ａに照射されるビームは、電子ビームおよびイオンビームを含む概念である荷電粒子ビームであってもよい。三次元積層造形装置において粉末Ａに照射されるビームは、粉末Ａに対してエネルギーを供給し得るエネルギービームであってもよい。三次元積層造形装置は、粉末Ａを落下させて供給するあらゆる形式の造形装置に適用可能である。

また、本発明が適用され得る造形装置は、粉末床溶融結合方式の造形装置に限定されない。本発明は、たとえば、バインダー（結合剤）を粉末床に噴射することで粉末を選択的に結合させる結合剤噴射方式の造形装置にも適用可能である。また別の観点では、本発明は、あらゆるパウダーベッド方式の積層造形装置に適用可能である。どのような種類の粉末や熱源が採用されるパウダーベッド方式の積層造形装置に対しても、本発明は適用可能である。本発明は、粉末を焼結させる方式にも適用可能である。粉末Ａ（造形材料）は、金属には限定されず、たとえば樹脂などであってもよい。

本開示のいくつかの態様によれば、所望の供給量で粉末を供給することができる。

１三次元積層造形装置
４制御部（制御装置）
３１プレート
３３塗布機構
３４、３４Ａホッパ
３４ａ前壁部
３４ｅ下端
３５排出口
３６造形タンク
３７粉末回収装置
３８回収タンク
３９作業台
３９ｂ孔部
４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ粉末供給装置
４１、４１Ｂ、４１Ｃ搬送装置
４１ａ前端部
４２駆動モータ
４３搬送面
４４、４４Ｂ、４４Ｃベルト
４５移動機構
４６ローラ
４７ローラ（搬送装置）
４８計測装置
４９ローラ
４９ａ周面（搬送面）
Ａ粉末
Ａａ堆積粉末
Ｂ電子ビーム
Ｃ造形物
Ｇ隙間
Ｓ造形面

Claims

粉末を収容するホッパであって、前記ホッパの下部に設けられて前記粉末を排出する排出口を含む前記ホッパと、
前記ホッパの前記排出口の下方に配置された搬送面を含み、前記搬送面を第１方向に移動させると共に前端部において前記搬送面を反転させるように構成された搬送装置と、を備え、
前記ホッパは、前記排出口における前記第１方向の下流側に位置する前壁部を含み、
前記ホッパの前記前壁部の下端と前記搬送装置の前記搬送面との間には所定の隙間が形成され、
前記搬送面上に堆積した前記粉末が、前記隙間に相当する厚みをもって前記搬送装置によって前記第１方向に搬送されて前記前端部から落下させられる、粉末供給装置。
前記搬送装置は、
前記搬送面を形成すると共に、前記第１方向に沿ったループ状をなして周回軌道上を移動するベルトと、
前記周回軌道上で前記ベルトを移動させる移動機構と、を含む、請求項１に記載の粉末供給装置。
前記搬送面に平行であって前記第１方向に直交する第２方向において、前記前壁部の前記下端と前記搬送面との間の前記隙間は変化する、請求項１に記載の粉末供給装置。
前記搬送面に平行であって前記第１方向に直交する第２方向において、前記前壁部の前記下端と前記搬送面との間の前記隙間は変化する、請求項２に記載の粉末供給装置。
前記前壁部が、前記第２方向において前記下端の高さが変化するような形状を有することにより、第２方向における前記隙間が変化する、請求項３に記載の粉末供給装置。
前記前壁部が、前記第２方向において前記下端の高さが変化するような形状を有することにより、第２方向における前記隙間が変化する、請求項４に記載の粉末供給装置。
前記搬送装置が、前記第２方向において前記搬送面の高さが変化するような形状を有することにより、第２方向における前記隙間が変化する、請求項３に記載の粉末供給装置。
前記搬送装置が、前記第２方向において前記搬送面の高さが変化するような形状を有することにより、第２方向における前記隙間が変化する、請求項４に記載の粉末供給装置。
前記搬送装置が、前記第２方向において前記搬送面の高さが変化するような形状を有することにより、第２方向における前記隙間が変化する、請求項５に記載の粉末供給装置。
前記搬送装置が、前記第２方向において前記搬送面の高さが変化するような形状を有することにより、第２方向における前記隙間が変化する、請求項６に記載の粉末供給装置。
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の粉末供給装置と、
前記搬送装置の前記前端部の下方に設けられ、前記粉末が載る上面を有する作業台と、
前記作業台の側方において上方に向けて露出する造形面と、
前記作業台の前記上面上から前記造形面上に向けて移動可能な塗布機構と、
前記塗布機構によって前記造形面上に供給された粉末に向けてビームを照射するビーム出射部と、を備える三次元積層造形装置。
前記造形面に供給された後に余った又は前記造形面からはみ出た余剰の前記粉末を前記作業台から回収する粉末回収装置と、
前記粉末回収装置による前記粉末の回収量を計測する計測装置と、
前記計測装置によって計測された前記粉末の回収量に基づいて前記搬送装置を制御し、前記搬送面の移動量を調整する制御装置と、を更に備える、請求項１１に記載の三次元積層造形装置。