JP6926962B2

JP6926962B2 - 積層造形用原料粉末の評価装置およびその評価治具

Info

Publication number: JP6926962B2
Application number: JP2017214262A
Authority: JP
Inventors: 晴輝佐藤; 松本　伸彦; 伸彦松本; 隆志増谷; 原　昌司; 昌司原
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2021-08-25
Anticipated expiration: 2037-11-07
Also published as: JP2019084742A

Description

本発明は、積層造形装置（いわゆる３Ｄプリンター）に用いられる原料粉末の適性等を評価する装置等に関する。

最近、試作品の製造に係るコストや時間を短縮するために、多数の断面層を積層して所望の造形物を得る付加製造法（ＡＭ：Additive Manufacturing／ＲＰ：Rapid Prototyping）が多用されている。付加製造法は、光硬化性樹脂を用いる光造形法に始まり、種々の方法が提案されている。その中でも、原料粉末（特に金属粉末）を所望する立体形状に応じて順に固化させて造形物を得る粉末積層造形法、特に粉末床溶融結合法（ＰＢＦ）が現在の主流となりつつある。

ＰＢＦの場合、原料粉末を一層ずつ敷くリコートの良否が、造形物の品質（密度分布等）に影響するため、リコートを行う装置（単に「リコータ」という。）に関する提案が多くなされており、例えば、関連した記載が下記の特許文献にある。

ＷＯ２０１５／１５１８３１

しかし、リコート以前に、成分組成や形態（粒子形状、粒度分布等）が異なる多種多様な原料粉末の中から、積層造形に適したものを的確に選択することが先ず重要となる。もっとも、これまでは、実際の積層造形装置（単に「実機」という。）を用いて各原料粉末毎に積層造形を行って各原料粉末を評価する必要があった。

ところが、そのような方法では、原料粉末を変更する度に、実機のリコータや造形室等を内部まで丁寧に清掃する必要があり、その清掃には非常に長時間（長ければ数日）を要していた。このように、原料粉末の変更（選定作業）は多大な工数負担を伴うため、多くの原料粉末を評価することは実際は困難であった。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、積層造形に用いる原料粉末の評価を効率的に行うことができる評価装置等を提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、原料粉末を変更する度に長時間の清掃作業等を必要となる実機（積層造形装置）のリコータ等を用いずに、原料粉末の評価を行うことを着想し、これを具現化した装置を完成させた。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《積層造形用原料粉末の評価装置》
（１）本発明の積層造形用原料粉末の評価装置（単に「評価装置」という。）は、環状の平坦な上端面を有する略筒状の枠体と、該枠体内に収容されて該上端面に対して少なくとも下降し得る平坦面を有するステージと、該ステージを該上端面に対して所定間隔で下降させ得る下降手段と、積層造形に用いる原料粉末を該ステージの平坦面上に敷く粉敷手段とを備える。

（２）本発明の評価装置によれば、実機を用いた本来的な積層造形を行うまでもなく、積層造形用原料粉末（単に「原料粉末」または「粉末」という。）の特性や適性等を評価できる。このため、本発明の評価装置によれば、従来のように、原料粉末を変更する度に、実機の粉敷装置（リコータ等）や粉末供給装置（フィーダ、粉末配管等）を長時間かけて清掃する必要もなければ、実機の稼働に必要となる多量の原料粉末を用意する必要もない。従って、本発明の評価装置を用いれば、多種多様な原料粉末の適性等を非常に効率的に評価でき、成分組成、粒度分布、粒子形状等が異なる複数種の原料粉末から、所望する積層造形に好適な原料粉末を軽負担で選定できるようになる。

《積層造形用原料粉末の評価治具》
（１）本発明は、評価装置のみならず、評価治具としても把握できる。すなわち、本発明は、環状の平坦な上端面を有する略筒状の枠体と、該枠体内に収容されて該上端面に対して少なくとも下降し得る平坦面を有するステージと、該ステージが載上される積層された複数のシムプレートと、該シムプレートを１枚づつ引き抜ける引抜具と、を備える積層造形用原料粉末の評価治具（単に「評価治具」という。）でもよい。

（２）本発明の評価治具を用いれば、上述した評価装置を簡易に実現できる。例えば、その評価治具を実機の造形ステージ等に組み込むことにより、実機の一部（例えば、レーザ等の加熱手段）を利用しつつも、実機の粉末供給装置（リコータ、フィーダー、粉末配管等）を使用せずに、原料粉末の評価が可能となる。従って、原料粉末の変更に伴う作業工数の削減や、原料粉末の使用量の低減等を図りつつ、原料粉末の評価や選定を効率的に行えるようになる。

なお、評価治具を組み込む積層造形装置は、その種類を問わないが、例えば、後述する粉末床溶融結合法または指向性エネルギー堆積法を行う積層造形装置（特に造形ステージ）が好適である。

《その他》
（１）本明細書でいう原料粉末の評価は、原料粉末へレーザ等の高エネルギービームを照射して溶融させた後にできた凝固体の組織や密度等に基づいてなされてもよいし、粉敷きと溶融凝固等を繰り返したときの原料粉末の粉敷き性（例えば、リコートされた粉面の粗さやうねり、粒度分布）等に基づいてなされてもよい。

本明細書でいう原料粉末は、金属粉末の他、セラミックス等の化合物粉末、樹脂粉末等でもよい。また、原料粉末は、単種の粉末に限らず、複数種の粉末を混合した混合粉末でもよい。なお、本発明の評価装置によれば、同種の原料粉末を繰り返し積層（粉敷き）する場合に限らず、異なる原料鉄粉を積層する場合も対応可能である。

（２）本明細書でいう積層造形装置は、粉末を用いて付加製造法（ＡＭ：Additive Manufacturing）を行う装置であり、粉末焼結積層造形法を行う装置でも、粉末固着積層造形法を行う装置でもよい。粉末焼結積層造形装置によれば、各層の原料粉末（主に金属粉末）に加熱源である高エネルギービームを逐次照射して、その原料粉末を順次焼結（溶融凝固を含む。）させていくことにより、造形物が得られる。粉末固着積層造形法によれば、各層の原料粉末に、接着剤（インク）を逐次吹付けて、その原料粉末を順次結着させていくことにより、造形物が得られる。

なお、粉末焼結積層造形装置は、粉末床溶融結合法（ＰＢＦ：powder bed fusion）を行う装置でも、指向性エネルギー堆積法（ＤＥＤ：directed energydeposition）を行う装置でもよい。ＰＢＦは、原料粉末（金属粉末）を薄く１層敷く毎に、所定の経路で高エネルギービーム（レーザ、電子ビーム等）を走査して、金属粉末を溶融凝固させることを繰り返して、所望形状の造形物（金属バルク体）を得る方法である。ＤＥＤは、高エネルギービームの焦点付近に投射した金属粉末を溶融凝固させつつ、その溶融凝固位置を走査（移動）させて所望形状の造形物（金属バルク体）を得る方法である。

（３）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。

一実施例である評価治具を示す斜視図である。そのＡ−Ａ断面図である。その評価治具の一部を構成する引抜具を示す斜視図である。その評価治具を実機に組み込んだ評価装置により、原料粉末を粉敷き等を行う様子を示す模式図である。

本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、評価装置または評価治具としてのみならず、それを用いた評価方法にも適宜該当し得る。

《下降手段》
下降手段により、評価用のステージ（平坦面）を所定量づつ下降させることができる。ステージの降下は、電動機構等により行っても良いが、所定厚さのシムプレートの引抜き等により調整してもよい。例えば、下降手段は、ステージが載上される積層された複数のシムプレートと、各シムプレートを１枚づつ引き抜ける引抜手段とを備えるものであると好適である。引抜手段は、例えば、隣接するシムプレート間に介挿させてシムプレートの引抜方向への移動を規制したセパレータと、シムプレートの端部に掛止等させてシムプレートを１枚づつ引き抜く引抜具により構成される。

なお、シムプレートと隣接するシムプレート間に介挿されるセパレータは、例えば、ステージを収容する枠体の下方に形成された収納部に積層状態で収容されていると好ましい。この際、セパレータは、例えば、収納部内に係止されることにより、シムプレートの引抜方向への移動（連動）が規制される。

なお、本発明の評価装置では、原料粉末の適性等を評価できれば十分であるため、ステージの下降や粉敷き等の操作を多く繰返す必要は必ずしもない。従って、それらの操作は、作業者が順次行える方が簡便で操作性がよいと共に、複雑な機構を設けたりする必要もなく、その後の清掃工数や整備工数等も削減できて好ましい。

《粉敷手段》
粉敷手段により、原料粉末をステージ上に略均一的に敷くことができる。実機に備わるリコータとは別に、評価装置専用に設けた小型で簡素なリコータを用いることもできる。もっとも、上述したように、作業者が簡便に粉敷きできると好ましい。そこで粉敷手段は、枠体の上端面に沿って移動するヘラ（ブレード）またはローラであると好ましい。この際、作業者自身がヘラやローラを移動させてもよいし、スライダーまたはシリンダーからなるアクチュエーターで、ヘラやローラを枠体の上端面に沿って移動させてもよい。

《加熱手段》
ステージ上に敷いた原料粉末（特に金属粉末）を溶融凝固させる必要がある場合（例えば、ＰＢＦやＤＥＤで得られる溶融凝固物の組織等を観察して原料粉末を評価することが必要となるような場合）、本発明の評価装置は、ステージ上に敷かれた原料粉末に高エネルギービームを照射して原料粉末を溶融させ得る加熱手段を備えると好適である。

原料粉末の適性等を評価できれば、加熱手段は、評価装置専用に設けたレーザ等でもよし、ＰＢＦやＤＥＤを行う実機に備わるレーザ等を利用してもよい。

なお、本明細書でいう高エネルギービームは、原料粉末の溶融に十分なエネルギーを出力できるもの、例えば、光線（レーザ）でも電子線（電子ビーム）等が好ましい。さらに加熱手段は、高エネルギービームの照射位置を所望の軌跡に沿って相対移動させる（つまり走査させる）駆動機構を備えると好ましい。駆動機構は、ガルバノスキャナー等を用いて高エネルギービーム側を移動（走査）させてもよいし、ステージ側を移動させてもよい。

《枠体とステージ》
枠体は、下降するステージを収容すると共に、環状の平坦な上端面を有する。その上端面が粉敷きの基準面となる。既存の積層造形装置の造形ステージ（筐体）に本発明の評価治具を組み込んで評価装置を構成する場合、本発明に係る枠体の外形は、積層造形装置の造形ステージに嵌入できる形状であると好ましい。

ステージの上端面（平坦面）は、円形、楕円形、方形等のいずれでもよい。また、原料粉末の評価に足る大きさが確保されている限り、ステージの大きさは小さい方が清掃性や作業性等の点で好ましい。そこで、ステージの平坦面の面積は２００ｃｍ^２以下、１５０ｃｍ^２以下さらには１００ｃｍ^２以下とすると好ましい。取扱性等を考慮して敢えていうと、ステージの平坦面の面積は、２５ｃｍ^２以上さらには５０ｃｍ^２以上とするとよい。

《チャンバ》
原料粉末の評価は大気雰囲気中でも可能であるが、実機の造形環境に沿った雰囲気中でなされるとより好ましい。そこで本発明の評価装置も、雰囲気を制御できるチャンバ（ケース、筐体）を備えると好ましい。もっとも、実機の一部を利用する場合は、実機に既設されているチャンバを利用すればよい。

《構成》
積層造形装置（ＰＢＦ）の造形ステージＭに組み込むことにより、原料粉末の評価装置を実現できる評価治具Ｓの斜視図を図１Ａに示した。また、その略中央付近の横断面（Ａ−Ａ断面）を図１Ｂに示した。

評価治具Ｓは、外形が略正方形柱状で内形が円筒状の枠体１と、枠体１の円筒部１２に内挿される円柱状のステージ２と、枠体１を支持する略正方形板状の基台３と、枠体１と基台３を連結するボルトからなる締結具４と、基台３上に交互に積層された複数のシムプレート５およびセパレータ６とを備える。なお、枠体１の円筒部１２に内挿されたステージ２は、積層されたシムプレート５およびセパレータ６の上に載置される。

図１Ｂに示すように、セパレータ６は、その四隅に切欠部６１を有する略正方形状の薄板からなる。各切欠部６１は、枠体１の四隅にある支柱部１３に係合している。このためセパレータ６は、上下方向には移動し得るが、横方向への移動は規制されている。

シムプレート５は、長方形状の薄板からなり、枠体１の開口部１４から横方向に挿通可能となっている。またシムプレート５の一端側には掛止穴５１が設けられている。

シムプレート５の引抜きは、図２に示す引抜具７を用いて行う。具体的にいうと、シムプレート５の掛止穴５１に、引抜具７の爪７１を掛ける。その状態で把持部７２を持って引抜具７を横方向へ移動させると、シムプレート５を引き抜くことができる。

隣接するシムプレート５は、横方向への移動が規制されたセパレータ６により分離されている。このため、シムプレート５を１枚引き抜いても、その下側にある隣接するシムプレート５が連動して引き抜かれることはない。

本実施例のような評価治具Ｓを用いると、例えば、グローブボックスのようなチャンバ内でも、シムプレート５を１枚ずつ引抜く作業を効率よく、確実に行うことができる。

《原料粉末の評価》
原料粉末の評価は、次のような操作により行える。先ず、複数のシムプレート５とセパレータ６を交互に積層し、枠体１と基台３により形成される内空間に配置する。この際、シムプレート５は掛止穴５１が開口部１４側に揃うように向きを調整しておく。また、シムプレート５とセパレータ６の各厚さおよび積層枚数は、ステージ２をそれらの上に載置した際に、ステージ２の平坦面２１（φ３．５ｃｍ／面積３８．５ｃｍ^２）が枠体１の環状の上端面１１と面一状態となるように、予め調整しておく。この評価治具Ｓを積層造形装置の造形ステージＭに嵌入することにより保持する。なお、本実施例でいう枠体１（特に支柱部１３）と基台３により構成される内空間が本発明でいう収納部に相当する。

次に、ステージ２の平坦面２１と枠体１の環状の上端面１１との面一状態から、引抜具７を用いてシムプレート５を一枚引き抜く。そうすると、そのシムプレート５の板厚（例えば５０〜２００μｍ）に相当する深さを有する有底円筒状の窪みｃが、枠体１の円筒部１２とステージ２の平坦面２１とにより形成される。

その後、窪みｃや枠体１の上端面１１上に原料粉末ｐを盛り、枠体１の上端面１１に沿ってヘラ８（粉敷手段）を一方向へ水平移動させる。これにより、原料粉末ｐが窪みｃに充填され、その粉面は均された状態となる。

こうして粉敷きされた原料粉末上へレーザ（加熱手段）を照射（走査）する。なお、レーザは、実機（ＰＢＦ）に予め備わっているものを利用した。

その後、シムプレート５の引抜き、粉敷き、レーザ走査を順に繰り返す。このような操作の繰り返しにより、原料粉末が溶融凝固してできた試料（凝固体）が得られる。その試料を取り出して観察・分析することにより、使用した原料粉末の適性を評価する。

別な原料粉末の評価を行うときは、評価治具Ｓおよびその周囲を清掃して、上述した操作を繰り返し行う。これにより、複数の原料粉末の評価を軽負担で効率的に行うことができる。

なお、本実施例のような評価治具Ｓをもちいれば、複数種の原料粉末を交互に積層等することも容易に行える。複数種の原料粉末を積層する場合、所定回転角毎に異なる種類の原料粉末を枠体１の上端面１１等へ供給できる回転式供給装置を用いて粉末供給がなされると好ましい。

Ｓ評価治具
１枠体
２ステージ
３基台
５シムプレート
６セパレータ
７引抜具
８ヘラ
ｐ原料粉末

Claims

環状の平坦な上端面を有する略筒状の枠体と、
該枠体内に収容されて該上端面に対して少なくとも下降し得る平坦面を有するステージと、
該ステージを該上端面に対して所定間隔で下降させ得る下降手段と、
積層造形に用いる原料粉末を該ステージの平坦面上に敷く粉敷手段とを備え、
該下降手段は、該ステージが載上されるシムプレートと、該シムプレートを該枠体から引き抜く引抜手段とを有する積層造形用原料粉末の評価装置。
前記粉敷手段は、前記枠体の上端面に沿って移動するヘラまたはローラからなる請求項１に記載の積層造形用原料粉末の評価装置。
前記粉敷手段は、さらに、前記ヘラまたは前記ローラを、前記枠体の上端面に沿って移動させるスライダーまたはシリンダーからなるアクチュエーターを備える請求項２に記載の積層造形用原料粉末の評価装置。
前記ステージの平坦面の面積は、２００ｃｍ^２以下である請求項１〜３のいずれかに記載の積層造形用原料粉末の評価装置。
前記シムプレートは、積層された複数枚からなり、
前記引抜手段は、該シムプレートを１枚づつ引き抜ける請求項１〜４のいずれかに記載の積層造形用原料粉末の評価装置。
前記下降手段は、さらに、前記シムプレートの隣接間に介挿されていると共に該シムプレートの引抜方向への移動が規制されているセパレータを有する請求項５に記載の積層造形用原料粉末の評価装置。
さらに、前記ステージ上に敷かれた原料粉末に高エネルギービームを照射して該原料粉末を溶融させ得る加熱手段を備える請求項１〜６のいずれかに記載の積層造形用原料粉末の評価装置。
環状の平坦な上端面を有する略筒状の枠体と、
該枠体内に収容されて該上端面に対して少なくとも下降し得る平坦面を有するステージと、
該ステージが載上される積層された複数のシムプレートと、
該シムプレートを１枚づつ引き抜ける引抜具と、
を備える積層造形用原料粉末の評価治具。
さらに、前記シムプレートの隣接間に介挿されるセパレータと、
該シムプレートと該セパレータを収容しつつ該シムプレートの引抜方向への該セパレータの移動を規制する収納部と、
有する請求項８に記載の積層造形用原料粉末の評価治具。
粉末床溶融結合法または指向性エネルギー堆積法を行う積層造形装置の造形ステージに組み込まれて用いられる請求項８または９に記載の積層造形用原料粉末の評価治具。