JP6850945B2 - Powder bed fusion bonding equipment - Google Patents
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Description
本発明は、粉末材料を層状に堆積させつつ、レーザ光で選択的に加熱して固化させることで立体的な造形物を形成する粉末床溶融結合装置に関する。 The present invention relates to a powder bed fusion coupling device that forms a three-dimensional model by selectively heating and solidifying a powder material with a laser beam while depositing the powder material in layers.
粉末床溶融結合装置では、造形物の反りや歪みを防ぐために、レーザ光を照射するあいだ造形物の上に積層された粉末の表面を均一な温度に保つことが求められる。 In the powder bed fusion coupling device, in order to prevent warpage and distortion of the modeled object, it is required to keep the surface of the powder laminated on the modeled object at a uniform temperature during irradiation with the laser beam.
このため、従来の粉末床溶融結合装置では、造形用容器の温度分布を赤外線輻射温度計等で測定し、その温度分布の測定結果に基づいて周囲の加熱手段を制御して温度分布を一定に保っている。 For this reason, in the conventional powder bed fusion coupling device, the temperature distribution of the modeling container is measured by an infrared radiation thermometer or the like, and the surrounding heating means is controlled based on the measurement result of the temperature distribution to keep the temperature distribution constant. I'm keeping it.
より詳細な温度分布を測定するためには、温度分布を二次元的な測定が可能な赤外線カメラを用いることが好ましい。 In order to measure a more detailed temperature distribution, it is preferable to use an infrared camera capable of measuring the temperature distribution in two dimensions.
ところが、造形用容器のサイズが例えば150mm角といった小型の粉末床溶融結合装置の場合、機器の設置スペースが限られるため、レーザ光の光学系を設置すると、造形用容器の上に赤外線カメラを設置することが困難である。 However, in the case of a small powder bed fusion coupling device whose size of the modeling container is, for example, 150 mm square, the installation space of the device is limited. Therefore, when the laser light optical system is installed, an infrared camera is installed on the modeling container. It is difficult to do.
そのため、従来の粉末床溶融結合装置では、造形に先立つ条件出しを行う調整工程において、レーザ光の光学系を外して赤外線カメラに交換した上で、造形用容器の温度分布の測定を行っており、煩雑な準備作業が必要となっている。 Therefore, in the conventional powder bed fusion coupling device, the temperature distribution of the modeling container is measured after removing the optical system of the laser beam and replacing it with an infrared camera in the adjustment process for setting the conditions prior to modeling. , Complicated preparatory work is required.
また、レーザ光を照射している間は、造形容器の表面の温度が均一に保たれているか知る方法はなく、例えば、粉末材料の毛羽立ちや塊の成長具合や溶融部分の剥離等を見ながらオペレーターが経験的に判断する必要があった。 In addition, there is no way to know whether the temperature of the surface of the modeling container is kept uniform while irradiating the laser beam. The operator had to make an empirical judgment.
そこで、本発明は光学系を取り外すことなく造形用容器の表面の詳細な温度分布を測定できる粉末床溶融結合装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a powder bed fusion coupling device capable of measuring a detailed temperature distribution on the surface of a modeling container without removing the optical system.
以下の開示の一観点によれば、粉末材料の薄層と共に造形物を収容する造形用容器と、前記粉末材料の薄層に照射するレーザ光を生成するレーザ光源と、前記造形用容器を収容するチャンバと、前記チャンバ上面に設けられたレーザーウインドウと、前記レーザーウインドウを通じて前記粉末材料の薄層に前記レーザ光を照射して走査させる光走査素子と、前記光走査素子に隣接して配置され、前記レーザーウインドウを通じて前記造形用容器の表面の粉末材料の薄層の温度分布を撮像する赤外線カメラと、を備えた粉末床溶融結合装置が提供される。 According to one aspect of the following disclosure, a modeling container that houses a modeled object together with a thin layer of the powder material, a laser light source that generates a laser beam that irradiates the thin layer of the powder material, and the modeling container are housed. A chamber, a laser window provided on the upper surface of the chamber, an optical scanning element for irradiating a thin layer of the powder material with the laser beam to scan through the laser window, and an optical scanning element arranged adjacent to the optical scanning element. Provided is a powder bed fusion bonding apparatus including an infrared camera that captures a temperature distribution of a thin layer of a powder material on the surface of the modeling container through the laser window.
上記観点の粉末床溶融結合装置によれば、赤外線カメラで造形用容器の上方から撮影することができ、光学系を取り外すことなく造形用容器の表面の詳細な温度分布を求めることができる。 According to the powder bed fusion coupling device of the above viewpoint, it is possible to take an image from above the modeling container with an infrared camera, and it is possible to obtain a detailed temperature distribution on the surface of the modeling container without removing the optical system.
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(1)粉末床溶融結合装置の構成
本発明の実施形態に係る粉末床溶融結合装置10は、レーザ光出射部と、造形部と、制御部とから構成されている。
(1) Configuration of Powder Bed Melt Coupling Device The powder bed
図1(a)は、実施形態の粉末床溶融結合装置10のうち、造形部101の構成を示す上面図である。なお、図1(a)ではレーザ光出射部と制御装置は図示していない。図1(b)は図1(a)のI−I線に沿う断面図で、同図には造形部101の他に、その上方に配置されるレーザ光出射部102も示している。
FIG. 1A is a top view showing the configuration of the
(a)造形部の構成
造形部101には、図1(a)、(b)に示すように、レーザ光の照射により造形が行われる造形用容器11と、その両側に設置された第1の粉末材料収納容器12a及び第2の粉末材料収納容器12bとを備えている。
(A) Structure of the modeling unit As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the
造形用容器11の内壁に囲まれた領域が造形領域11aであり、粉末材料収納容器12a、12bに囲まれた領域が粉末材料15の収納領域である。
The area surrounded by the inner wall of the
このうち、造形用容器11は、3次元造形物が作製される容器であり、例えば、四角い平面形状を有する筒状の容器とすることができる。
Of these, the
なお、本明細書において造形用容器11の中心とは、造形用容器11を上から見た時に現れる容器の平面形状(造形領域)の中心をいうものとする。
In the present specification, the center of the
造形用容器11の底部には、パートテーブル13aが設けられている。このパートテーブル13aの上で粉末材料の薄層15aが形成され、その粉末材料の薄層15aをレーザ光の照射により焼結又は溶融させて固化層15bが形成される。
A part table 13a is provided at the bottom of the
パートテーブル13aには、ねじ溝が切られた支持軸13bが取り付けられておりその支持軸13bは駆動装置(不図示)に接続されている。この駆動装置を動作させることでパートテーブル13aが上下方向に移動する。
A threaded
そして、パートテーブル13aを下方に移動させて固化層15bを順次積層し、3次元造形物が作製される。
Then, the part table 13a is moved downward and the
小型の粉末床溶融結合装置10においては、造形用容器11の幅及び奥行きの長さを例えば150mm×150mm程度とすることができる。
In the small powder bed
第1及び第2の粉末材料収納容器12a、12bでは、それぞれフィードテーブル14aの上に粉末材料15が収納されている。
In the first and second powder
そのフィードテーブル14aには、それぞれ支持軸14bが取り付けられており、駆動装置(不図示)によってフィードテーブル14aが上下に移動するようになっている。
A
そして、フィードテーブル14aを上方に移動させることにより、粉末材料15を供給する。
Then, the
造形用容器11及び第1、第2の粉末材料容器12a、12bの上には、リコーター16が設けられている。
A
このリコーター16は、第1の粉末材料容器12aと第2の粉末材料容器12bとの間を往復移動する。
The
そして、フィードテーブル14a、14bの上昇により供給された粉末材料を造形領域11aまで運搬し、造形テーブル13a状に粉末材料の薄層15aを形成する。材料の薄層15aの厚さは、造形テーブル13aの下降量で決まる。
Then, the powder material supplied by raising the feed tables 14a and 14b is transported to the
粉末材料としては、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリ乳酸、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリスチレン(PS)、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレンコポリマ(ABS)、エチレン・酢酸ビニルコポリマ(EVA)、スチレン・アクリロニトリルコポリマ、及びポリカプロラクトン等の熱可塑性樹脂を用いることができる。 As powder materials, polyamide, polypropylene, polylactic acid, polyethylene (PE), polyethylene terephthalate (PET), polystyrene (PS), acrylonitrile-butadiene-styrene copolyma (ABS), ethylene-vinyl acetate copolyma (EVA), styrene-acrylonitrile Thermoplastic resins such as copolyma and polycaprolactone can be used.
造形用容器11及び第1、第2の粉末材料容器12a、12bは、粉末材料の酸化による劣化や、レーザ光の照射によって発生する材料の蒸気等によるレーザ光射出部102へのダメージを防ぐために、密閉されたチャンバ17内に収められている。
The
図3に示すように、チャンバ17には、不活性ガス導入口17aと、排気口17bとが設けられており、造形中は不活性ガスで満たされている。
As shown in FIG. 3, the
(b)加熱手段の構成
図3は、チャンバ17の造形用容器11、粉末材料容器12a、12b及び加熱手段11bを示す図である。
(B) Configuration of Heating Means FIG. 3 is a diagram showing a
この粉末床溶融結合装置10には、造形用容器11及び粉末材料収納容器12a、12bのそれぞれの周囲に巻き付けられたヒータ(不図示)が設けられている。
The powder bed
さらに、造形用容器11の上方には、造形領域11aの4辺を囲むように配置された4つの赤外線ヒータ11bが設けられている。
Further, above the
赤外線ヒータ11bの発熱量は、赤外線ヒータ11bに供給する電力を調整することで個別に設定可能である。この赤外線ヒータ11bの発熱量の組み合わせを適宜調整することにより、造形領域11aの表面を均一な温度に保つ。
The amount of heat generated by the
造形時には、赤外線ヒータ11bを使用することにより、造形領域11aの粉末材料を、その融点よりもやや低い温度に保つ。
At the time of modeling, the
(c)レーザ光出射部102の構成
図2は、実施形態に係る粉末床溶融結合装置のレーザ光出射部102を示すブロック図である。
(C) Configuration of Laser
レーザ光出射部102は、図2に示すように、レーザ光を出射するレーザ光源23と、光走査素子21、フォーカス光学系21cとを備えている。これらの光出射部102は、チャンバ17の外側に設置されている。
As shown in FIG. 2, the laser
レーザ光源23は、例えば、波長1000nm程度の近赤外域のレーザ光を出射するYAGレーザ光源、又はファイバレーザ光源などが用いることができる。
As the
なお、粉末材料の波長吸収率やコストパフォーマンス等を考慮して使用波長を適宜変更してもよく、例えば、波長10000nm程度の遠赤外域のレーザ光を出射する高出力CO2レーザ光源を用いてもよい。 The wavelength used may be appropriately changed in consideration of the wavelength absorption rate and cost performance of the powder material. For example, a high-power CO 2 laser light source that emits laser light in the far infrared region having a wavelength of about 10,000 nm is used. May be good.
光走査素子21は、レーザ光に対する角度を変化させてレーザ光をX方向に走査するガルバノメータミラー(Xミラー)21aとレーザ光に対する角度を変化させてレーザ光をY方向に走査するガルバノメータミラー(Yミラー)21bとを備えている。
The
この光走査素子21によって、レーザ光は造形領域11aの上をX方向及びY方向に走査される。
The
また、フォーカス光学系21cは、レーザ光の焦点距離を調整する機能を担っている。フォーカス光学系21cは、レーザ光の走査位置に応じて変わる焦点距離を粉末材料の薄層15aの表面に合わせるように動作する。
Further, the focus
なお、光走査素子21の光軸(走査範囲の中心軸)を、造形領域11aの中心と一致させておくことで、走査位置と焦点距離との関係が光軸周りに対象となり、フォーカス光学系21cの制御が容易になり、精度よく照射を行うことができる。
By aligning the optical axis of the optical scanning element 21 (the central axis of the scanning range) with the center of the
したがって、光走査素子21の光軸を、造形領域11aの中心と一致させておくことが好ましい。
Therefore, it is preferable that the optical axis of the
光走査素子21のXミラー21a、Yミラー21b及びフォーカス光学系21cは、XYZドライバ24の制御信号によって動作する。
The
XYZドライバ24は、コントローラ(制御装置)25により制御され、かつレーザ光源23のON(点灯)及びOFF(消灯)もコントローラ25により制御される。コントローラ25として、例えばCPU(Central Processing Unit)及び制御用のプログラムが格納されたメモリを備えたコンピュータを用いることができる。
The
レーザ光源23から出射したレーザ光は、順にフォーカス光学系21c、Xミラー21a、Yミラー21bという経路を経て造形部101のパートテーブル13a上の材料の薄層15aに照射される。
The laser light emitted from the
レーザ光はコントローラ25による光走査素子21の制御により操作されることにより焼結又は溶融領域に選択的に照射されるようになっている。
The laser beam is operated by the control of the
さらに、レーザ光が走査されている間、レーザ光が粉末材料の薄層15aのちょうど表面に焦点を結ぶように絶えず光学系21cのレンズが動いて焦点距離が調整されるようになっている。
Further, while the laser beam is being scanned, the lens of the
光走査素子21の制御は、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)に基づき行われる。
The control of the
(d)赤外線カメラ31とレーザーウインドウ32の構成
光走査素子21は、図3に示すように、造形領域11aの上方に取り付けられている。本実施形態では、光走査素子21は、その制御を容易にするとともに、精度を確保する観点から、造形領域11aの中心と光走査素子21の光軸を一致させるように配置する。
(D) Configuration of
また、赤外線カメラ31は光走査素子21に隣接して配置する。
Further, the
このように、赤外線カメラ31を造形領域11aの中心にできるだけ近い部分に配置することで、造形領域11aを撮像した際の画像の歪みが小さくなる。その結果、撮像した画像データの画素位置と実際の造形領域11aの位置との対応関係が比較的正確に求まる。
By arranging the
なお、造形中には、レーザ光の照射や赤外線ヒータ11bで加熱された粉末材料の一部が昇華して、チャンバ17の内壁などに再付着することがある。そのため、光走査素子21及び赤外線カメラ31等の光学機器を直接チャンバ17に取り付けたのでは、これらの光学機器が短時間で故障してしまう。
During modeling, a part of the powder material heated by the irradiation of laser light or the
そこで、光走査素子21及び赤外線カメラ31と造形用容器11との間にレーザーウインドウ32を配置している。
Therefore, the
レーザーウンドウ32は、例えばセレン化亜鉛よりなる円盤状の結晶基板よりなり、レーザ光や造形領域11aの表面から放射される赤外線を透過させる。
The
レーザ光出射部102のレーザ光は、そのレーザーウインドウ32を介してチャンバ17内に照射される。
The laser light of the laser
さらに、本実施形態ではレーザーウインドウ32への粉末材料の付着を防ぐために、不活性ガスをレーザーウインドウ32に吹き付ける噴出口32aが設けられている。この噴出口32aは、レーザーウインドウ32の周囲に設けられており、その噴出口32aから噴き出す不活性ガスの流れで粉末材料の蒸気や微粒子をチャンバ17内に押し返してレーザーウインドウ32への再付着を防止できる。
Further, in the present embodiment, in order to prevent the powder material from adhering to the
光走査素子21の光軸は、造形領域11aの全域を走査範囲に収めるべく、造形用容器11の上方に配置される。このとき、フォーカス制御を容易にするために、造形領域11aの中心Oと、光走査素子21の光軸の中心とを一致させることが好ましい。
The optical axis of the
レーザーウインドウ32は、上記のように、造形領域11aの中心Oの上方に光走査素子21を配置した場合においても、光走査素子21の走査可能範囲を確保することが求められる。
As described above, the
さらに、レーザーウインドウ32の周囲から突き出た噴出口32aが照射範囲を制約するおそれがあることから、なるべくレーザーウインドウ32の中心を、光走査素子21の中心の近くに配置することが好ましい。
Further, since the
一方で、赤外線カメラ31が造形領域11aの全域を視野に収められるようにレーザーウインドウ32の位置を設定することも求められる。
On the other hand, it is also required to set the position of the
このような条件を満たすために、光走査素子21の走査範囲を確保するのに必要な範囲で、レーザーウインドウ32のサイズを大きくすることが考えられる。
In order to satisfy such a condition, it is conceivable to increase the size of the
しかし、レーザーウインドウ32はサイズが大きくなると、非常に高価となるため、サイズアップは最小限にとどめることが好ましい。
However, as the size of the
図4は、光走査素子21、赤外線カメラ31及びレーザーウインドウ32の配置を示す平面図である。
FIG. 4 is a plan view showing the arrangement of the
そこで本実施形態では、図4に示すように、レーザーウインドウ32の中心Pの位置を造形用容器11の中心Oから、赤外線カメラ31の方にずらして配置する。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, the position of the center P of the
すなわち、レーザーウインドウ32の中心Pを光走査素子21の真下に配置するのではなく、赤外線カメラ31と光走査素子21との間に配置する。
That is, the center P of the
さらに、赤外線カメラ31の中心Qを光走査素子21の中心Oとレーザーウインドウ32の中心Pとを結んだ線の延長線上に配置することができる。ここで赤外線カメラ31の中心とは、赤外線カメラ31の機械的な中心の意味であり、レンズの中心がこれと一致しない場合もあり得る。
Further, the center Q of the
図5は、造形用容器11と光学系(光走査素子)21、及び赤外線カメラ31との配置関係を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing an arrangement relationship between the modeling
図5に示すように、レーザーウインドウ32の中心Pを光走査素子21と赤外カメラ31の間に配置すると、例えば150mm×150mm程度の造形領域11aを有する小型の粉末床溶融結合装置10において、光走査素子21の走査範囲を造形領域11aの中心に一致させつつ、赤外線カメラ31の視野を確保できる。
As shown in FIG. 5, when the center P of the
そのため、本実施形態の粉末床溶融結合装置10によれば、レーザ光出射部102を取り外すことなく、造形領域11aの表面を赤外線カメラ31で撮影することができる。
Therefore, according to the powder bed
また、造形途中の造形領域11aの表面の温度分布をリアルタイムに検出することができ、ヒータ11bの条件出しも容易に行える。
In addition, the temperature distribution on the surface of the
(2)赤外線カメラ31を用いた調整工程の説明
次に、図6を参照しつつ上記粉末床溶融結合装置10による造形前に行う調整工程について説明する。
(2) Description of Adjustment Step Using
図6は、粉末床溶融結合装置10における調整工程のフローチャートである。
FIG. 6 is a flowchart of the adjustment process in the powder bed
まず、図6のステップS11に示すように、粉末材料15のセットアップを行う。
First, as shown in step S11 of FIG. 6, the
ここでは、図1の造形用容器11の内壁に沿って上下移動可能なように造形用容器11にパートテーブル13aを取り付ける。また、左右の粉末材料容器12a、12bにもフィードテーブル14aを取り付ける。
Here, the part table 13a is attached to the
次いで左右のフィードテーブル14aを下降させて、フィードテーブル14aの上に粉末材料15を入れる。
Next, the left and right feed tables 14a are lowered, and the
その後、リコーター16を複数回移動させて造形領域11aに粉末材料の薄層15aを敷き詰める。また、ガス導入口17aから不活性ガスを導入する。
After that, the
次に、ステップS12において、容器11、12a、12bの周囲のヒータで粉末材料15を加熱するとともに、赤外線ヒータ11bで造形領域11aの粉末材料の薄層15aの表面を加熱する。ここでは、実際の造形のときと同様の温度に加熱すればよく、例えば粉末材料の表面をその融点よりも5〜15℃程度低い温度にする。
Next, in step S12, the
次に、ステップS13において、赤外線カメラ31で造形領域11aの表面の撮像を行う。造形領域11aの各部から放出される赤外線の強度は、その部分の温度に応じて増減するため、赤外線カメラ31の検出する輝度値は温度分布を反映したものとなる。この赤外線カメラ31からの画像データは制御部33に送られて温度分布に変換される。
Next, in step S13, the surface of the
次いで、ステップS14において、制御部33の制御の下で、造形用容器11の周囲に配置された赤外線ヒータ11bの出力の組み合わせを、造形領域11aの表面の温度が均一になるように調整する。
Next, in step S14, under the control of the
その後、ステップS15において、制御部33は、ステップS15で設定した赤外線ヒータ11bの出力値の組み合わせを調整データとして記録して調整工程を終了する。
After that, in step S15, the
ステップS15で記録した赤外線ヒータ11cの出力データは、その後の造形の際に利用される。 The output data of the infrared heater 11c recorded in step S15 is used in the subsequent modeling.
以上の例では、赤外線カメラ31を造形開始前の調整工程に使用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、赤外線カメラ31の検出結果に基づいて、造形中において赤外線ヒータ11cの出力を制御部33で直接制御してもよい。
In the above example, the case where the
10…粉末床溶融結合装置、11…造形用容器、11a…造形領域、12a、12b…粉末材料収納容器、13a…パートテーブル、13b、14b…支持軸、14a…フィードテーブル、15…粉末材料、15a…薄層、15b…固化層、16…リコーター、17…チャンバ、17a…ガス導入口、17b…ガス排出口、21…光走査素子、21a…Xミラー、21b…Yミラー、21c…フォーカス光学系、23…レーザ光源、24…XYZドライバ、25…コントローラ、31…赤外線カメラ、32…レーザーウインドウ、32a…噴出口、33…制御部、101…造形部、102…レーザ光出射部。 10 ... Powder bed fusion coupling device, 11 ... Modeling container, 11a ... Modeling area, 12a, 12b ... Powder material storage container, 13a ... Part table, 13b, 14b ... Support shaft, 14a ... Feed table, 15 ... Powder material, 15a ... Thin layer, 15b ... Solidified layer, 16 ... Recorder, 17 ... Chamber, 17a ... Gas inlet, 17b ... Gas outlet, 21 ... Optical scanning element, 21a ... X mirror, 21b ... Y mirror, 21c ... Focus optics System, 23 ... laser light source, 24 ... XYZ driver, 25 ... controller, 31 ... infrared camera, 32 ... laser window, 32a ... spout, 33 ... control unit, 101 ... modeling unit, 102 ... laser light emitting unit.
Claims (4)
前記造形用容器の表面を加熱する複数の赤外線ヒータと、
前記樹脂粉末材料の薄層に照射するレーザ光を生成するレーザ光源と、
前記造形用容器を収容するチャンバと、
前記チャンバ上面に設けられたレーザーウインドウと、
前記レーザーウインドウを通じて前記樹脂粉末材料の薄層に前記レーザ光を照射して走査させる光走査素子と、
前記光走査素子に隣接して配置され、前記レーザーウインドウを通じて前記造形用容器の表面の樹脂粉末材料の薄層の温度分布を撮像する赤外線カメラと、
を備え、
前記光走査素子の光軸が前記造形用容器の中心と一致し、
前記レーザーウインドウの中心が前記光走査素子と前記赤外線カメラとの間に位置することを特徴とする粉末床溶融結合装置。 A modeling container that houses a modeled object together with a thin layer of resin powder material,
A plurality of infrared heaters that heat the surface of the modeling container,
A laser light source that generates a laser beam that irradiates a thin layer of the resin powder material,
A chamber for accommodating the modeling container and
A laser window provided on the upper surface of the chamber and
An optical scanning element that irradiates a thin layer of the resin powder material with the laser beam to scan through the laser window.
An infrared camera arranged adjacent to the optical scanning element and capturing the temperature distribution of a thin layer of the resin powder material on the surface of the modeling container through the laser window.
Equipped with a,
The optical axis of the optical scanning element coincides with the center of the modeling container,
A powder bed fusion coupling device characterized in that the center of the laser window is located between the optical scanning element and the infrared camera.
を備えたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の粉末床溶融結合装置。 A control unit that controls the output of the infrared heater based on the temperature distribution of the thin layer of the resin powder material.
The powder bed melt-bonding apparatus according to claim 1 or 2 , wherein the powder bed melt-bonding apparatus is provided.
The powder bed melt-bonding apparatus according to any one of claims 1 to 3 , wherein the laser window is provided with an outlet for blowing an inert gas.
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