JP6864056B1

JP6864056B1 - 積層造形装置

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Publication number: JP6864056B1
Application number: JP2019192384A
Authority: JP
Inventors: 秀二岡崎; 中村　直人; 直人中村; 秀一川田
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2039-10-23
Also published as: JP2021066926A; CN112692280A; CN112692280B; US11731200B2; TWI746167B; TW202116442A; US20210121953A1

Abstract

【課題】より効率よく固化層を冷却する、金属の積層造形装置の提供。【解決手段】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レーザ光または電子ビームを照射して固化層を形成する照射装置と、固化層に対して加工を行う工具を把持する加工ヘッド６１と、加工ヘッド６１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、加工ヘッドに設けられ、固化層が積層してなる固化体の少なくとも一部を所定の冷却温度に冷却する冷却装置７と、を備え、冷却装置７は、冷却温度以下の不活性ガスである冷却ガスを排出する冷風口を有し、冷却ガスを固化体の少なくとも一部に吹き付ける冷却ガス吹付装置７１と、冷却ガス吹付装置７１に不活性ガスを供給する不活性ガス供給源と、を含む、積層造形装置。【選択図】図５

Description

この発明は、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。例えば粉末床溶融結合では、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材料粉体からなる材料層が形成される。そして、材料層の所定箇所にレーザ光または電子ビームが照射されて、照射位置の材料粉体が溶融または焼結され、固化層が形成される。このような材料層と固化層の形成が繰り返されて、固化層が積層される。また、造形中または造形後に、固化層に対して切削加工が行われてもよい。このようにして、所望の三次元造形物が生成される。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が行われる場合がある。例えば、特許文献１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積層造形方法を開示している。金属の収縮による引張応力がマルテンサイト変態による圧縮応力で軽減され、造形物の残留応力による変形が抑制される。本造形方法では、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が形成される毎に、該固化層に所定の温度調整が行われる。

特許文献１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う方法を開示している。また、特許文献１は、チャンバ内に設けた送風機により冷却気体を吹き付け、固化層の冷却を行う方法を開示している。

特許第６２９５００１号公報

造形途中の固化層に対して温度調整を行う造形方法としてマルテンサイト変態にともなう応力を利用して固化体全体の変形を抑制する造形方法を例示するが、当該造形方法においては、所定数の固化層の形成中は固化体全体が所定の造形温度にされ、粉末層が予熱されるとともに、材料層が溶融固化あるいは焼結されて固化層が形成され、形成された固化層を含む固化体が所定の造形温度まで加熱される。そして、所定数の固化層の形成後、固化体全体が所定の冷却温度まで冷却される。冷却後、材料層の予熱と次に形成される固化層を加熱するため、再度固化体全体が所定の造形温度まで加熱される。マルテンサイト変態を発生させるために冷却が必要な固化層は、新たに形成された固化層、すなわち冷却時点での固化体の上部に位置する一部分のみであるにも関わらず、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が行われるとき、固化体全体が温度調整される必要があった。そのため、輪郭形状を含めて所望の造形物（固化体）の種類にもよるが、固化層の数が多くなるほど、あるいは固化体の厚さが大きい物ほど、温度調整に要する時間が長くなる。そのため、とりわけ、比較的大きい造形物を生成するときの造形時間の短縮が望まれている。

ここで、例えば、チャンバ内に設けた送風機を使用することによって、比較的温度が高くなっている固化体の上面から固化層を冷却するようにして冷却時間を短縮し、ひいては加熱時間も短縮するようにすることが考えられるが、冷却気体が吹き付けられる位置は一定であるため、固化体の位置や形状によっては効率よく固化層の冷却を行えない場合があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、より効率よく固化層を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レーザ光または電子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、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、加工ヘッドに設けられ、固化層が積層してなる固化体の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、冷却装置は、冷却温度以下の不活性ガスである冷却ガスを排出する冷風口を有し、冷却ガスを固化体の少なくとも一部に吹き付ける冷却ガス吹付装置を含み、冷却ガス吹付装置に不活性ガスを供給する不活性ガス供給源をさらに備える、積層造形装置が提供される。

本発明に係る積層造形装置は、冷却ガスを固化体の少なくとも一部に吹き付ける冷却ガス吹付装置が、少なくとも水平方向に移動可能に構成された加工ヘッドに設けられる。これにより、所望の位置に冷却ガス吹付装置を移動させて冷却ガスを固化体の少なくとも一部に吹き付けることができ、固化体の位置や形状に応じてより効率よく冷却を行うことができる。

本発明の実施形態に係る積層造形装置の概略側面図である。図１のＤ−Ｄ矢視断面図である。照射装置の概略構成図である。汚染防止装置の拡大図である。加工ヘッドおよび冷却装置の拡大図である。冷却ガス吹付装置およびダクトの断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に説明される各種変形例は、それぞれ任意に組み合わせて実施することができる。

本発明の実施形態に係る積層造形装置は、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８３を形成する工程と、材料層８３にレーザ光Ｌを照射して溶融または焼結させ固化層８５を造形する工程とを繰り返し、所望の形状を有する三次元造形物を生成する。以下、積層され、互いに強く固着された固化層８５を固化体８７と呼ぶ。図１および図２に示すように、本発明の積層造形装置は、チャンバ１０と、材料層形成装置３と、照射装置４と、加工装置６と、冷却装置７と、を備える。

チャンバ１０は、実質的に密閉されるように構成される。チャンバ１０は、三次元造形物が形成される造形室１１と、加工装置６の加工ヘッド駆動装置６５の大部分が収容される駆動室１２とに、蛇腹１３によって仕切られる。造形室１１と駆動室１２との間には、不活性ガスが通過できるだけのわずかな隙間である連通部１４が存在している。

材料層形成装置３が、造形室１１内に設けられる。材料層形成装置３は、所望の三次元造形物が形成される領域である造形領域Ｒを有するベース台３１と、ベース台３１上に配置され水平１軸方向に移動可能に構成されたリコータヘッド３３と、を含む。リコータヘッド３３の両側面にはそれぞれブレードが設けられる。リコータヘッド３３は、不図示の材料供給装置から金属の材料粉体が供給され、内部に収容した材料粉体を底面から排出しながら水平１軸方向に往復移動する。このとき、ブレードは排出された材料粉体を平坦化して材料層８３を形成する。造形領域Ｒには、造形テーブル駆動装置３７により鉛直方向に移動可能な造形テーブル３５が設けられる。積層造形装置の使用時には、造形テーブル３５上にベースプレート８１が配置され、ベースプレート８１上に１層目の材料層８３を形成される。

造形テーブル３５の内部には、造形テーブル３５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３５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７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３５を常温に冷却可能である。

照射装置４は、チャンバ１０の上方に設けられる。照射装置４は、造形領域Ｒ上に形成される材料層８３の所定の照射領域にレーザ光Ｌを照射して、照射位置の材料層８３を溶融または焼結させ、固化層８５を形成する。照射領域は、造形領域Ｒ内に存在し、所定の分割層における三次元造形物の輪郭形状で囲繞される領域とおおよそ一致する。図３に示すように、照射装置４は、光源４１と、コリメータ４３と、フォーカス制御ユニット４５と、ガルバノスキャナと、を含む。

光源４１はレーザ光Ｌを生成する。ここで、レーザ光Ｌは、材料層８３を焼結または溶融可能なものであればその種類は限定されず、例えば、ファイバレーザ、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、グリーンレーザまたは青色レーザである。コリメータ４３は、光源４１より出力されたレーザ光Ｌを平行光に変換する。フォーカス制御ユニット４５は、集光レンズと、集光レンズを前後に移動させるモータとを有し、光源４１より出力されたレーザ光Ｌを所望のスポット径に調整する。ガルバノスキャナは、一対のガルバノミラー４７，４９と、ガルバノミラー４７，４９をそれぞれ回転させるアクチュエータと、を有する。ガルバノミラー４７，４９は、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、光源４１より出力されたレーザ光Ｌを２次元走査する。

ガルバノミラー４７，４９を通過したレーザ光Ｌは、造形室１１の上面に設けられたウインドウ１５を透過して造形領域Ｒに形成された材料層８３に照射される。ウインドウ１５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がファイバレーザまたはＹＡＧレーザの場合、ウインドウ１５は石英ガラスで構成可能である。

造形室１１の上面には、ウインドウ１５を覆うように汚染防止装置５が設けられる。図４に示すように、汚染防止装置５は、円筒状の筐体５１と、筐体５１内に配置された円筒状の拡散部材５２を含む。筐体５１と拡散部材５２の間に不活性ガス供給空間５３が設けられる。また、拡散部材５２の内側の筐体５１の底面には、開口部５４が設けられる。拡散部材５２には多数の細孔５５が設けられており、不活性ガス供給空間５３に供給された清浄な不活性ガスは細孔５５を通じて清浄室５６に充満される。そして、清浄室５６に充満された清浄な不活性ガスは、開口部５４を通じて汚染防止装置５の下方に向かって噴出される。このようにして、ウインドウ１５に、ヒュームが付着することが防止される。

なお、照射装置は、例えば電子ビームを照射して材料層８３を焼結または溶融させて固化層８５を形成するものであってもよい。例えば、照射装置は、電子を放出するカソード電極と、電子を収束して加速するアノード電極と、磁場を形成して電子ビームの方向を一方向に収束するソレノイドと、被照射体である材料層８３と電気的に接続されカソード電極との間に電圧を印加するコレクタ電極と、を含むよう構成されてもよい。

加工装置６は、加工ヘッド６１と、加工ヘッド６１を駆動するための加工ヘッド駆動装置６５と、を含む。加工ヘッド駆動装置６５は、造形室１１内に配置される加工ヘッド６１をＹ軸方向に移動させるＹ軸駆動装置６５２と、ベッド上に配置されＹ軸駆動装置６５２をＸ軸方向に移動させるＸ軸駆動装置６５１と、加工ヘッド６１をＺ軸方向に移動させるＺ軸駆動装置６５３と、を有する。より具体的な構成を例示すると、Ｘ軸駆動装置６５１は、ベッドに固定され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軸駆動装置６５２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軸駆動装置６５３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６１が固定されるＺ軸スライダと、を有する。なお、所定の水平１軸方向をＸ軸方向、Ｘ軸方向に垂直である水平１軸方向をＹ軸方向、所定の鉛直１軸方向をＺ軸方向とする。

加工ヘッド６１は、スピンドル６３を備える。スピンドル６３は、不図示のエンドミル等の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、固化層８５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６１は、造形室１１内の任意の位置において、固化層８５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、バイト等の工具を把持するとともに切削工具を鉛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含んでいてもよい。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。

チャンバ１０は、造形中は不活性ガス供給装置１６から所定濃度の不活性ガスが供給されるとともに、固化層８５の形成時に発生するヒュームを含む不活性ガスを排出している。また、チャンバ１０から排出された不活性ガスは、ヒュームコレクタ１７によりヒュームが除去された上でチャンバ１０に返送されることが好ましい。チャンバ１０には、不活性ガス供給装置１６から供給される不活性ガスおよびヒュームコレクタ１７から返送される不活性ガスの供給口と、チャンバ１０からヒュームコレクタ１７へとヒュームを含んだ不活性ガスを排出する排出口がそれぞれ１つ以上設けられる。本実施形態においては、図１および図２に示すように、供給口として第１供給口２１１、第２供給口２１２、第３供給口２１３、第４供給口２１４および第５供給口２１５が設けられる。また、排出口として第１排出口２２１、第２排出口２２２および第３排出口２２３が設けられる。また、不活性ガス供給装置１６は、第１の不活性ガス供給装置１６１と、第２の不活性ガス供給装置１６２とを含む。各部はホースやパイプ等の管路で接続される。

第１供給口２１１は、リコータヘッド３３の一方の側面に設けられる。第２供給口２１２は、第１供給口２１１が設けられた側と反対側のベース台３１の端面上に敷設された配管に設けられる。第１供給口２１１および第２供給口２１２はそれぞれ第１の不活性ガス供給装置１６１に接続され、リコータヘッド３３の移動位置に応じて、択一的に第１供給口２１１または第２供給口２１２を通じて所定の圧力と流量の不活性ガスがチャンバ１０に供給される。すなわち、照射領域に対して第１供給口２１１が対面する位置にあるときは第１供給口２１１を通じて不活性ガスが供給され、照射領域に対して第１供給口２１１が対面しない位置にあるときは第２供給口２１２を通じて不活性ガスが供給される。第３供給口２１３は、第２供給口２１２が設けられた側のチャンバ１０の側壁に設けられ、造形室１１の中央より下側の高さに位置する。第３供給口２１３はヒュームコレクタ１７と接続され、ヒュームが除去された清浄な不活性ガスが第３供給口２１３を通じてチャンバ１０に返送される。第４供給口２１４は、駆動室１２の上部に設けられる。第２の不活性ガス供給装置１６２から駆動室１２に供給された不活性ガスは連通部１４を通じて造形室１１内に供給される。第５供給口２１５は、汚染防止装置５の上部に設けられ、第１の不活性ガス供給装置１６１から汚染防止装置５の不活性ガス供給空間５３に不活性ガスが供給される。

第２供給口２１２および第３供給口２１３が設けられた側と反対側のチャンバ１０の側壁を覆うように仕切板２３が設けられる。仕切板２３と側壁とで区切られる空間のチャンバ１０の上端部に第１排出口２２１が設けられ、仕切板２３付近のチャンバ１０の照射領域側の上端部に第２排出口２２２が設けられる。また、第２排出口２２２の下には、第２排出口２２２を囲むように仕切板２３側に断面Ｌ字状に延びる上部案内板２４が設けられる。仕切板２３の下端には、下部が照射領域側に延びる下部案内板２５が設けられ、仕切板２３と下部案内板２５との間には所定の間隙２６が形成される。間隙２６は、造形室１１の中央より下側の高さに位置する。間隙２６付近には仕切板２３と側壁とで区切られる空間に不活性ガスを吸引する複数のファン２７が設けられ、各ファン２７の両端には上方向に延びる整流板２８が設けられる。仕切板２３付近に送られた不活性ガスは、間隙２６または下部案内板２５の下から、仕切板２３と側壁とで区切られる空間を通り、第１排出口２２１へと送られる。また、間隙２６から回収しきれなかった不活性ガスは仕切板２３に沿って上昇し、上部案内板２４に案内されて第２排出口２２２へと送られる。第３排出口２２３は、リコータヘッド３３の第１供給口２１１が設けられていない側の側面に設けられる。第１排出口２２１、第２排出口２２２および第３排出口２２３を通じて、不活性ガスがチャンバ１０から排出され、ヒュームコレクタ１７へと送られる。

不活性ガス供給装置１６は、窒素等の不活性ガスをチャンバ１０へ供給する。不活性ガス供給装置１６は、所定濃度の不活性ガスを供給できるものであればよいが、本実施形態では、第１の不活性ガス供給装置１６１と、第２の不活性ガス供給装置１６２とを含む。第１の不活性ガス供給装置１６１は、第２の不活性ガス供給装置１６２よりもより高濃度の不活性ガスを供給できるものが望ましく、例えば、第１の不活性ガス供給装置１６１はＰＳＡ式窒素発生装置であり、第２の不活性ガス供給装置１６２は膜分離式窒素発生装置である。前述の通り、第１の不活性ガス供給装置１６１と第１供給口２１１、第２供給口２１２および第５供給口２１５とが接続され、第２の不活性ガス供給装置１６２と第４供給口２１４とが接続される。このように構成することで、不活性ガス濃度が直接的に造形に影響する造形室１１により高濃度の不活性ガスを供給できるとともに、所要の不活性ガス供給量を維持することができる。なお、不活性ガスとは、材料粉体と実質的に反応しないガスであり、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。また、不活性ガス供給装置１６は１つであってもよいし、所定濃度の不活性ガスが貯留されたガスボンベであってもよい。なお、不活性ガス供給装置１６から供給される不活性ガスは、十分乾燥していることが望ましい。

ヒュームコレクタ１７は、例えば乾式電気集塵機である。チャンバ１０から排出されたヒュームを含む不活性ガスは、ヒュームコレクタ１７に送られ、電気集塵によりヒュームが除去される。ヒュームが除去された清浄な不活性ガスが、チャンバ１０の第３供給口２１３に送られる。このような構成により、不活性ガスの再利用が可能になっている。なお、ヒュームコレクタ１７は他の装置であってもよく、フィルタを含む濾過式集塵機であってもよい。また、ヒュームコレクタ１７内部の不活性ガスを効率的に循環させるため、ファンモータが設けられてもよい。

冷却装置７は、所定の冷却温度以下の不活性ガスである冷却ガスを、固化体８７の少なくとも一部に吹き付けることで、固化体８７の少なくとも一部を冷却温度に冷却する。本実施形態の冷却装置７は、冷却ガス吹付装置７１と、ダクト７３と、第１の昇降装置７５と、温度測定ユニット７７と、を含む。冷却装置７は、図５に示されるように、加工ヘッド６１に設けられ、加工ヘッド駆動装置６５により造形室１１内の所望の位置に移動できるように構成されている。これにより、固化体８７の位置や形状に応じて、冷却ガス吹付装置７１を所望の位置に移動させて冷却ガスの吹き付けを行うことができる。

本実施形態の冷却ガス吹付装置７１は、供給された不活性ガスを冷却ガスと加熱された不活性ガスである加熱ガスとに分離する、いわゆるボルテックスチューブである。図６に示されるように、冷却ガス吹付装置７１は、内部に不活性ガスが流通する渦流管７１１を有する。渦流管７１１には、供給口７１２、温風口７１３、冷風口７１４、整流板７１５、調整ねじ７１６が設けられる。供給口７１２は、温風口７１３と冷風口７１４との間に設けられており、不活性ガス供給源と接続され、渦流管７１１内に所定圧力の不活性ガスを供給する。温風口７１３および冷風口７１４は、それぞれ渦流管７１１の一端部と他端部に設けられる。温風口７１３側の渦流管７１１の内径は、冷風口７１４側の渦流管７１１の内径よりも大きく構成される。供給口７１２から供給された不活性ガスは、渦流管７１１の渦流発生子により渦流となり、渦流管７１１の内壁に沿って旋回しながら温風口７１３側へと向かう。以下、この渦流を外側渦流という。このとき、外側渦流の遠心力により、不活性ガスの温度は、渦流管７１１の内壁側では高温となり、中心部では低温となる。整流板７１５を通過して無回転となった不活性ガスの一部は、加熱ガスとして温風口７１３から排出される。残りの不活性ガスは、整流板７１５により外側渦流とは逆回転の渦流となり、渦流管７１１の中心部を通り冷風口７１４側へと向かう。以下、この渦流を内側渦流という。内側渦流は、膨張・減速しながら外側渦流に対して仕事を行うので、外側渦流の温度は上昇し、内側渦流の温度は低下する。そして、内側渦流は、冷却ガスとして冷風口７１４から排出される。調整ねじ７１６により温風口７１３から排出される加熱ガスの流量を調整することで、冷却ガスの温度を調整することができる。以上のような構成によれば、冷媒を使用せず、また比較的小型に冷却ガス吹付装置７１を構成することができる。ただし、冷却ガスを排出する冷風口を有するものであれば、他の冷却ガス吹付装置が使用されてもよい。

不活性ガス供給源は、冷却ガス吹付装置７１に不活性ガスを供給できる任意の装置である。具体的に、本実施形態においては、第１の不活性ガス供給装置１６１が不活性ガス供給源として用いられ、第１の不活性ガス供給装置１６１と、供給口７１２とが不図示の管路で接続される。当該管路には不図示の電磁弁が設けられ、不活性ガスの供給・停止が切り替えられるように構成される。ただし、不活性ガス供給源として、第２の不活性ガス供給装置１６２またはヒュームコレクタ１７が用いられてもよい。また、別途空気から所望の不活性ガスを発生させる不活性ガス発生装置や、所望の不活性ガスが貯蔵されたガスボンベ等を不活性ガス供給源として設けてもよい。いずれの場合においても、冷却ガスが結露することを防止するため、不活性ガス供給源から供給される不活性ガスは、十分乾燥していることが望ましい。

冷却ガス吹付装置７１の冷風口７１４側にダクト７３が設けられる。ダクト７３は、冷却ガスが流通する管路であり、冷風口７１４と接続される第１の開口７３１と、固化体８７の少なくとも一部と対面する第２の開口７３２と、を有する。冷風口７１４から排出された冷却ガスは、一旦ダクト７３に貯留されてから第２の開口７３２から下方に排出される。そのため、直接冷風口７１４から固化体８７に冷却ガスを吹き付けるよりも、ダクト７３を介して固化体８７に冷却ガスを吹き付ける方が、冷却ガスが散在しづらく冷却効率がよい。好ましくは、第２の開口７３２は水平方向に沿って延び、冷風口７１４よりも面積が大きく構成される。第２の開口７３２は、任意の形状であってよい。本実施形態においては、第２の開口７３２は、Ｘ軸方向に延びる一対の線と、Ｙ軸方向に延びる一対の線を辺とする矩形形状を有する。このようなダクト７３により、冷却ガスが吹き出される範囲を所望の形状および面積に調整することができ、より効率よく固化体８７の冷却が行える。なお、冷却ガスの温度上昇を防止するためダクト７３は断熱されていることが望ましい。本実施形態においては、ダクト７３の外側面に不図示の断熱材が設けられる。

第１の昇降装置７５は、加工ヘッド６１に設けられ、冷却ガス吹付装置７１を鉛直方向に移動させる。換言すれば、冷却ガス吹付装置７１は第１の昇降装置７５を介して加工ヘッド６１に取り付けられる。第１の昇降装置７５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アクチュエータが使用されてもよい。冷却装置７による冷却時以外は、冷却ガス吹付装置７１を上方に移動させておくことで、加工装置６により固化層８５の加工を行うとき等に、冷却ガス吹付装置７１やダクト７３が干渉することを防止できる。

本実施形態の温度測定ユニット７７は、固化体８７の上面と接触して温度を測定する接触式の温度センサ７７１と、温度センサ７７１を鉛直方向に移動させる第２の昇降装置７７２を含む。温度センサ７７１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。第２の昇降装置７７２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アクチュエータが使用されてもよい。温度センサ７７１は、温度測定時以外は、第２の昇降装置７７２により上方に退避される。なお、温度測定ユニットは、固化体８７の温度を測定する温度センサを含んでいればよく、例えば、赤外線温度センサ等の非接触式温度センサを含むよう構成されてもよい。固化体８７の温度を測定することで、固化体８７が所望の冷却温度に到達しているかを確認することができる。

本実施形態の積層造形装置は、造形途中に固化層８５に対して温度調整を行う三次元造形物の製造方法を実施するにあたり、特に有効である。そのような製造方法の一例として、本実施形態においては、固化層８５に対して所定の温度条件で加熱および冷却を行いながら造形を行うことで、意図的にマルテンサイト変態を進行させて三次元造形物の応力制御を行う積層造形方法が実施される。より具体的には、１層または複数層の固化層８５が新たに造形される毎に、新たに造形された固化層８５に対し、所定の造形温度、所定の冷却温度、所定の造形温度の順番で温度調整が行われる。ここで、造形温度は、固化層８５のマルテンサイト変態終了温度以上であり、冷却温度は、造形温度よりも低く、固化層８５のマルテンサイト変態開始温度以下である。この温度条件を満たす範囲において、造形温度および冷却温度の具体的数値は、造形中に変更されてもよい。また、冷却の対象となる１層または複数層の固化層８５は固化体８７の上方に位置し、以下において当該固化層８５を上面層と呼ぶ。上面層は、冷却時点における最上位の固化層８５を含む。

まず、造形テーブル３５上にベースプレート８１が載置され、造形テーブル３５の高さが適切な位置に調整される。また、造形テーブル３５内に設けられた温度調整機構により、造形テーブル３５の温度が所定の造形温度に設定される。造形温度に温度調整された造形テーブル３５は、材料層８３を予熱するとともに、形成された固化層８５を造形温度に加熱する。

この状態でリコータヘッド３３が造形領域Ｒ上を移動して造形領域Ｒに材料粉体を吐出する。材料粉体はリコータヘッド３３に設けられたブレードによって均され、ベースプレート８１上に１層目の材料層８３が形成される。材料粉体は、マルテンサイト変態が生じる金属材料、例えば炭素鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼の粉体である。

次に、照射装置４が１層目の材料層８３の照射領域にレーザ光Ｌを照射する。レーザ光Ｌによって照射領域内の材料粉体が焼結または溶融され、１層目の固化層８５が形成される。

複数の固化層８５に対して冷却が行われる場合は、引き続き、材料層８３の形成と固化層８５の形成を行う。造形テーブル３５が材料層８３の厚さ分下げられ、リコータヘッド３３が造形領域Ｒ上を移動し、１層目の固化層８５上に２層目の材料層８３が形成される。照射装置４が２層目の材料層８３にレーザ光Ｌを照射し、２層目の固化層８５が形成される。以上のように材料層８３の形成と固化層８５の形成が繰り返され、複数の固化層８５が積層してなる固化体８７が形成される。

所定数の固化層８５が形成された後、冷却装置７によって上面層の冷却が行われる。造形温度に温度調整されている上面層が、所定の冷却温度にまで冷却される。なお、冷却時は、好ましくは、造形テーブル３５内の温度調整機構の加熱器が停止され、冷却器が造形テーブル３５の温度を低下させる。このとき、造形テーブル３５は固化体８７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、所定の冷却温度まで冷却される必要はない。例えば、造形テーブル３５は常温に温度調整される。

まず、加工ヘッド駆動装置６５のＸ軸駆動装置６５１およびＹ軸駆動装置６５２により、加工ヘッド６１に設けられた冷却ガス吹付装置７１およびダクト７３を上面層の上方まで移動させる。そして、第１の昇降装置７５が、冷却ガスの排出位置が上面層に近接するよう、冷却ガス吹付装置７１およびダクト７３の位置を下降させる。加工ヘッド駆動装置６５がＺ軸駆動装置６５３を有している場合はさらに、冷却ガス吹付装置７１およびダクト７３が上面層により近接する位置にまで加工ヘッド６１を下降させてもよい。

そして、冷却ガス吹付装置７１からの冷却ガスの排出が開始される。具体的に、不活性ガス供給源、本実施形態においては第１の不活性ガス供給装置１６１から、冷却ガス吹付装置７１への不活性ガスの供給が開始され、ダクト７３の第２の開口７３２から冷却ガスが上面層に向かって吹き出される。上面層の大きさに応じて、Ｘ軸駆動装置６５１およびＹ軸駆動装置６５２の少なくとも一方により、冷却ガス吹付装置７１およびダクト７３が移動されながら冷却が行われてもよい。冷却に要する時間は、あらかじめ測定したデータに基づいて決定されてもよいし、材料の種類、固化体８７全体または上面層の体積・形状、造形温度、冷却温度等から都度算出されてもよい。このような冷却により、上面層の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。

冷却後に温度測定ユニット７７が固化体８７上面の温度を測定し、所定の冷却温度に到達していないようであれば、再度冷却装置７による冷却を行うよう構成してもよい。また、温度測定ユニット７７が固化体８７上面の温度を測定しながら冷却装置７による冷却を行い、所定の冷却温度に到達するまで冷却を継続するよう構成してもよい。

上面層の冷却を完了した後、不活性ガス供給源から冷却ガス吹付装置７１への冷却ガスの供給が停止され、第１の昇降装置７５が冷却ガス吹付装置７１を上方に移動させる。また、造形テーブル３５内に設けられた温度調整機構が、再度造形テーブル３５の温度を所定の造形温度に設定する。このとき、温度測定ユニット７７が固化体８７上面の温度を測定し、固化体８７が再度造形温度に到達するまで、次層の材料層８３および固化層８５の形成を開始しないよう構成してもよい。そして、加工ヘッド駆動装置６５が、加工ヘッド６１をリコータヘッド３３やレーザ光Ｌに干渉しない位置まで退避させる。

なお、所定数の固化層８５が形成される毎に、固化層８５の端面に対して、加工装置６によって加工を行う加工工程が実施されてもよい。好ましくは、冷却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、より高精度に切削が行われることができる。さらに好ましくは、冷却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、より高精度に切削が行われることができる。

以上に説明したように、材料層８３および固化層８５の形成と、固化層８５の冷却と、固化層８５の切削が繰り返され、所望の三次元造形物が形成される。本実施形態の冷却装置７によれば、造形テーブル３５内に設けられた温度調整機構のみが冷却に用いられる場合と比較して、より迅速に上面層の温度が冷却されることができ、三次元造形物の造形時間が短縮されることが可能となる。また、前述の意図的にマルテンサイト変態を進行させて三次元造形物の応力制御を行う積層造形方法においては、固化体全体が冷却される必要はなく、固化体の上部、すなわち上面層のみ冷却されればよいため、本実施形態の冷却装置７が特に有効である。また、冷却装置７は加工ヘッド６１に設けられているので、冷却装置７を水平方向に移動させるための別の駆動装置が設けられる必要がなく、冷却装置７を比較的簡易で小型な構造にできるとともに、固化体８７の位置や形状に応じてより効率よく冷却を行うことができる。

４照射装置
６加工装置
７冷却装置
６１加工ヘッド
６５加工ヘッド駆動装置
７１冷却ガス吹付装置
８３材料層
８５固化層
７１４冷風口
Ｌレーザ光

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レーザ光または電子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、
供給口、温風口、前記冷却温度以下の不活性ガスである冷却ガスを排出する冷風口が設けられる、内部を流通する前記不活性ガスを前記冷却ガスと加熱された前記不活性ガスである加熱ガスとに分離する渦流管を有し、前記冷却ガスを前記固化体の前記少なくとも一部に吹き付ける冷却ガス吹付装置を含み、
前記冷却ガス吹付装置に前記不活性ガスを供給する不活性ガス供給源をさらに備え、
前記供給口は、前記温風口と前記冷風口の間に設けられ、前記不活性ガス供給源と接続され、
前記温風口は、前記渦流管の一端部に設けられ、前記加熱ガスを排出し、
前記冷風口は、前記渦流管の他端部に設けられ、前記冷却ガスを排出する、積層造形装置。
前記冷却装置は、前記冷却ガス吹付装置を鉛直方向に移動させる第１の昇降装置をさらに含む、請求項１に記載の積層造形装置。
前記冷却装置は、前記冷却ガスが流通する管路であり、前記冷風口と接続される第１の開口と、前記固化体の前記少なくとも一部と対面する第２の開口と、を有するダクトをさらに含む、請求項１または請求項２に記載の積層造形装置。
前記第２の開口は、水平方向に沿って延びる、請求項３に記載の積層造形装置。
前記第２の開口は、前記冷風口よりも面積が大きい、請求項３または請求項４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センサを含む温度測定ユニットをさらに備える、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。
前記温度センサは、前記固化体と接触して温度を測定する接触式温度センサであり、
前記温度測定ユニットは、前記温度センサを鉛直方向に移動させる第２の昇降装置をさらに含む、請求項６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７のいずれか１項に記載の積層造形装置。