JP6939423B2 - 粉末節約装置および粉末節約方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元積層造形装置に適用される粉末節約装置および粉末節約方法に関する。

粉末に電子ビームまたはレーザ光等を照射して三次元積層造形物を造形する装置が知られている。特許文献１に記載された装置では、第１テーブル上に設置された第２テーブルの開口の範囲内で粉末が供給される。第２テーブルの開口に沿って電子ビームを走査して粉末を溶融することにより、溶融壁が形成される。特許文献２に記載された装置では、レーザ焼結工程で、三次元の物体に加えて、物体の周囲に支持壁が形成される。特許文献３に記載された装置では、定盤および造形槽（造形タンク）で規定される領域内に、粉末の崩落を防止する崩落防止壁が設けられる。特許文献４に記載された装置では、第１の粉末材料容器内に第２の粉末材料容器がセットされる。この第２の粉末材料容器は、第１の粉末材料容器の収納エリアよりも小さな収納エリアを確定する。

特開２０１０−２６１０７２号公報 特開２０１１−２５１５２９号公報 特開２０１７−０８８９４７号公報 特開２００７−３０３０３号公報

上記した特許文献１〜４に記載された装置では、造形物の大きさに応じて粉末の供給量が調整される。しかしながら、特許文献１，２に記載された装置では、溶融壁や支持壁が形成されるので、これらの壁部に要する粉末材料は廃棄されることとなり、結局は無駄になる。また特許文献１に記載された装置のように、テーブルの開口内に溶融壁が形成されると、造形入熱によってテーブルに対し溶融壁が固着または融着し得るため、パウダーベッドの降下が困難となる。特許文献３，４に記載された装置では、別途の壁体や容器が必要となるため、構成が複雑化する。

本発明は、造形タンクの大きさに比して小型の造形物を造形する場合に、簡易な構成で、粉末を節約することができる粉末節約装置および粉末節約方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、粉末が溶融されてなる造形物が内部に造形される造形タンクと、造形タンク内に設けられ造形タンクに対して造形タンクの軸線方向に相対的に移動する造形テーブルとを備えた三次元積層造形装置に適用される粉末節約装置であって、造形テーブルの上方に設置され開口が形成された規制板であって、開口を通じてのみ粉末を受け入れ、造形タンクに供給される粉末の量を規制する規制板と、規制板の開口の周壁面に沿って粉末が仮焼結された仮焼結体を形成するように、粉末を加熱する加熱部と、を備える。

この粉末節約装置によれば、造形タンク内に設けられて軸線方向に相対的に移動する造形テーブル上で、造形が行われる。造形テーブルの上方に設置された規制板の開口を通じてのみ、粉末が受け入れられる。限られた量の粉末が造形タンクに供給されるので、造形タンクの大きさに比して小型の造形物を造形する場合に、粉末が節約される。加熱部によって、規制板の開口の周壁面に沿って仮焼結体が形成される。この仮焼結体は、開口に対応する断面を有して軸線方向に延びる筒体である。筒状に形成された仮焼結体は、内部に造形物を収容すると共に、外部（仮焼結体と造形タンクの側壁部との間の空隙）への粉末の漏出を防止する。また仮焼結体は、溶融に至っていない状態の粉末からなるので、開口の周壁面に固着しにくい。しかも、仮焼結体は、後工程において粉砕されることにより、粉末としての再利用が可能であり、無駄にはならない。よって、造形物の容量に相応した量の原料だけで、支障なく（固着等を生じることなく）造形物を造形できる。粉末節約装置によれば、既存の三次元積層造形装置の構成を大きく変更する必要はなく、規制板と加熱部とを備えた簡易な構成により、粉末を節約することができる。

いくつかの態様において、規制板の開口の周壁面には、仮焼結体と周壁面との間に介在するようにして緩衝部が設けられる。この場合、緩衝部によって、規制板の開口の周壁面に対する仮焼結体の固着が確実に防止される。その結果として、造形プレートが軸線方向に相対的に移動する際、造形物および仮焼結体は、規制板に対してスムーズに移動できる。

いくつかの態様において、加熱部は、規制板を介して粉末を加熱するように構成されている。この場合、規制板の開口の周壁面に沿って仮焼結体を容易に形成することができる。

本発明の別の態様に係る粉末節約方法は、粉末が溶融されてなる造形物が内部に造形される造形タンクと、造形タンク内に設けられ造形タンクに対して造形タンクの軸線方向に相対的に移動する造形テーブルとを備えた三次元積層造形装置に適用される粉末節約方法であって、造形テーブルの上方に設置された規制板の開口を通じてのみ粉末を受け入れる受入れ工程と、受入れ工程で受け入れられた粉末の溶融を行いつつ、規制板の開口の周壁面に沿って粉末が仮焼結された仮焼結体を形成するように、粉末を加熱する加熱工程と、を含む。この粉末節約方法によれば、上記した粉末節約装置と同様の作用・効果が奏される。

本発明のいくつかの態様によれば、造形タンクの大きさに比して小型の造形物を造形する場合に、簡易な構成で、粉末を節約することができる。

本発明の実施形態に係る粉末節約装置が適用された三次元積層造形装置の概略構成を示す図である。 粉末節約装置において、造形工程が実施されている状態を示す断面図である。 粉末節約装置において、造形工程が終了した状態を示す断面図である。 変形例に係る粉末節約装置において供給される粉末を示す平面図である。 図５（ａ）は図４に対応する図でありＸ方向から見た図、図５（ｂ）は他の変形例に係る粉末節約装置において供給される粉末をＸ方向から見た図である。 図６（ａ）は予備加熱および仮焼結の一例を示す図、図６（ｂ）は予備加熱および仮焼結の他の例を示す図である。

以下、本発明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。

まず図１を参照して、本実施形態の三次元積層造形装置１の基本構成について説明する。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、収差コイル２２と、フォーカスコイル２３と、偏向コイル２４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。収差コイル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。収差コイル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の収差を補正する。フォーカスコイル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。フォーカスコイル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、電子ビームＢを収束させ、電子ビームＢの照射位置におけるフォーカス状態を調整する。偏向コイル２４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２４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、収差コイル２２、フォーカスコイル２３及び偏向コイル２４は、たとえば、筒状を呈するコラム２６内に設置される。なお、収差コイル２２が省略されてもよい。

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（図２参照）と、造形タンク３６と、造形タンク３６内に設けられたプレート３１および昇降テーブル３５（造形テーブル）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、たとえば四角形の開口３９ｃが設けられており、この開口３９ｃに、たとえば角筒状の造形タンク３６が嵌合している。造形タンク３６は、鉛直方向（図中のＺ方向）に延びる軸線を有する。造形タンク３６の側壁部３６ｂの上端面３６ａは、たとえば、作業台３９の上面３９ａよりも所定の高さだけ低くなっている。

プレート３１は、底板またはベースプレートとも称され、造形タンク３６内に配置される平板状の部材である。プレート３１は、たとえば四角形をなしている。プレート３１の形状は、造形面Ｓの形状に対応する。プレート３１は造形タンク３６の内径よりも小さな直径を有している。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と造形タンク３６とは、同心状に配置される。

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内で昇降テーブル３５およびプレート３１を上下方向に昇降させる。昇降装置１０は、プレート３１の下方に設置されて、プレート３１を支持する昇降テーブル３５と、プレート３１および昇降テーブル３５を昇降させる昇降機３２とを有する。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、造形物Ｃの造形の初期において昇降テーブル３５およびプレート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昇降テーブル３５およびプレート３１を降下させる。プレート３１上には、粉末Ａが溶融されてなる造形物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が露出する。昇降装置１０および昇降機３２の具体的構成は、上記構成に限られず、他の公知の構成とされてもよい。

造形物Ｃの造形が行われる間、昇降テーブル３５およびプレート３１は、一体となって、造形タンク３６内で降下する。すなわち、昇降テーブル３５およびプレート３１は、造形タンク３６に対して、造形タンク３６の軸線方向（Ｚ方向）に相対的に移動するように構成されている。

造形タンク３６は、プレート３１上に造形されていく造形物Ｃと、溶融されていない粉末Ａとを収容する。造形タンク３６は、たとえば、角筒状に形成され、プレート３１の移動方向に向けて延びている。この造形タンク３６は、プレート３１と同心状の断面四角形に形成される。図２に示されるように、造形タンク３６すなわち側壁部３６ｂの内面形状に合わせて、昇降テーブル３５が形成される。造形タンク３６の内面形状が水平断面で四角形の場合、昇降テーブル３５の外形も四角形とされる。これにより、造形タンク３６に供給される粉末Ａが昇降テーブル３５の下方へ漏れ落ちることが抑制される。なお、粉末Ａが昇降テーブル３５の下方へ漏れ落ちることを抑制するために、昇降テーブル３５の外縁部にシール材が設けられてもよい。造形タンク３６の形状は、角筒状に限定されず、断面円形の円筒状であってもよい。

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が四角形であり、造形タンク３６が角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円筒状のローラ４３が設けられている。ホッパ３４の下部には、粉末Ａを排出する排出口が形成されており、この排出口から、ローラ４３に対して粉末Ａが供給される。この排出口は、ローラ４３の略全体を覆うように形成されており、ホッパ３４からローラ４３の長さ方向（軸方向）の全体に対して、粉末Ａが供給される。

ローラ４３は、水平なＹ方向に延びる回転軸線を有し、この回転軸線の周りに回転可能である。ローラ４３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。ローラ４３の長さが、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。ローラ４３には、駆動モータ４３ａが設けられている。この駆動モータ４３ａ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。ローラ４３は、駆動モータ４３ａが制御部４によって制御されることにより、所定の回転角度（または回転数）だけ回転する。ローラ４３の回転角度（または回転数）に応じて、所定の供給量をもって粉末Ａを落下させる。落下した粉末Ａは、ローラ４３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。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。

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２４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２４の作動制御として、偏向コイル２４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２４に制御信号が出力される。

以上、三次元積層造形装置１の基本構成について説明したが、三次元積層造形装置１には、粉末節約装置１００が適用される。粉末節約装置１００は、造形タンク３６の大きさに比して、小型の造形物Ｃを造形する場合に用いられる。パウダーベッド方式が採用された従来の三次元積層造形装置では、いかなる大きさの造形物を作製する場合でも、造形タンク３６が粉末Ａで満たされる。そのため、常に大量の高価な粉末Ａが準備されることになり、小型の試作や、新材料での試造形において費用が嵩んでしまう。粉末節約装置１００は、このような問題に対処するための装置である。粉末節約装置１００では、小型の造形物Ｃを造形する場合に、三次元積層造形装置１に対して最小限の部材・装置が追加された簡易な構成で、粉末Ａを節約することができる。

以下、粉末節約装置１００について詳細に説明する。上記したように、三次元積層造形装置１は、造形物Ｃが内部に造形される造形タンク３６と、造形タンク３６に対して鉛直方向（Ｚ方向）に相対的に移動する昇降テーブル３５とを備えている。図１および図２に示されるように、粉末節約装置１００は、たとえばその中央部に四角形の開口４１ｅが形成された規制板４１を備える。図２に示されるように、規制板４１は、たとえば造形タンク３６の上端面３６ａに載置される。言い換えれば、規制板４１の外形は、作業台３９の開口３９ｃに対応しており、規制板４１は開口３９ｃ内に嵌まり込む。規制板４１は、作業台３９の上面３９ａと造形タンク３６の上端面３６ａとの高さの差に等しい厚みを有する。これにより、規制板４１が嵌め込まれた状態で、規制板４１の上面４１ａは、作業台３９の上面３９ａと面一になっている。なお、規制板４１と上端面３６ａとの間に、１枚または複数枚の高さ微調整用のスペーサ等が設けられてもよい。規制板４１は、昇降テーブル３５の上方に設置されており、開口４１ｅを通じてのみ、粉末Ａを受け入れる。すなわち、規制板４１は、造形タンク３６に供給される粉末Ａの量を規制する。

規制板４１の開口４１ｅの形状および大きさは、造形物Ｃの形状および大きさに応じて変更され得る。すなわち、粉末節約装置１００は、複数の種類の規制板４１を備えてもよい。開口４１ｅは、造形物Ｃのどの高さにおいても、造形物Ｃの水平断面（すなわちＸＹ平面で切断した断面）の形状を含む形状および大きさを有する。言い換えれば、仮想の造形物Ｃを考えた場合に、開口４１ｅは、Ｚ方向への造形物Ｃの通過を許容するように形成されている。

造形物Ｃの造形の最初において昇降テーブル３５およびプレート３１が最も上に位置するとき、プレート３１は規制板４１の開口４１ｅ内に嵌まる。すなわち、プレート３１の外形は、規制板４１の開口４１ｅと略同じか開口４１ｅよりも僅かに小さくなっている。そして、規制板４１は、プレート３１の形状に対応した小型の造形面Ｓを形成する。造形タンク３６内における規制板４１の裏面４１ｂ側の領域は、ドーナツ状の断面を有する空隙Ｇとなっており、この空隙Ｇには、粉末Ａが流入しないようになっている。これにより、粉末Ａの無駄が省かれている。

粉末節約装置１００は、規制板４１の開口４１ｅの内周壁面（周壁面）４１ｃに沿って粉末Ａを仮焼結させ仮焼結体５０を形成するように、粉末Ａを加熱する複数のランプヒータ（加熱部）４７および１つ又は複数のヒータ（加熱部）４８を備える。ランプヒータ４７は、たとえばハロゲンランプ等であり、図示しない電源から電流の供給を受けて点灯する。複数のランプヒータ４７は、たとえば、規制板４１によって形成された小型の造形面Ｓの周縁部を加熱するよう、当該周縁部の真上に設置される。たとえば、４つのランプヒータ４７が、四角形の造形面Ｓの各辺部上に設けられてもよい。ランプヒータ４７の個数は５個以上であってもよい。ヒータ４８は、たとえば、電源および電熱線を含む態様とすることができる。ヒータ４８は、規制板４１に接続されて、規制板４１を加熱する。ヒータ４８は、規制板４１の裏面４１ｂに取り付けられた筐体と、筐体内に収容された電熱線等の発熱体とを含む態様であってもよい。ヒータ４８は、規制板４１の内部に内蔵されてもよい。ランプヒータ４７および／またはヒータ４８として、電熱線以外の公知の加熱手段が用いられてもよい。これらのランプヒータ４７およびヒータ４８は、制御部４と電気的に接続されている。

規制板４１には、規制板４１の温度（たとえば、上面４１ａの温度）を計測する温度センサ４６が設けられている。温度センサ４６は、制御部４と電気的に接続されている。温度センサ４６は、規制板４１の温度を計測し、その温度情報を制御部４に出力する。

ランプヒータ４７およびヒータ４８は、制御部４によってたとえばオンオフ制御されて、規制板４１の温度が所定の設定温度となるように、内周壁面４１ｃ付近の粉末Ａおよび規制板４１を加熱する。なお、制御部４による制御によらず、ランプヒータ４７およびヒータ４８が造形工程中は単にオン状態とされてもよい。また、ランプヒータ４７およびヒータ４８のいずれか一方のみが、加熱部として用いられてもよい。ランプヒータ４７のみが用いられる場合には、温度センサ４６は、内周壁面４１ｃの近傍の温度を計測してもよい。

ランプヒータ４７およびヒータ４８による加熱は、内周壁面４１ｃ付近の粉末Ａを仮焼結させる。仮焼結とは、粉末Ａ同士が拡散現象によって最小点で拡散して接合した状態である。内周壁面４１ｃ付近の粉末Ａの温度は、好ましくは、粉末Ａの材料の融点の半分以上の温度とされる。これは、焼結の拡散現象が活発になるのが、一般的に融点の半分以上であることに基づく。たとえば、材料がチタンである場合には、粉末Ａを仮焼結させるための温度は、７００〜８００℃とされる（チタン合金の融点は約１５００℃〜１６００℃）。材料がアルミニウムである場合には、粉末Ａを仮焼結させるための温度は、約３００℃とされる（アルミニウム合金の融点は約６００℃）。

造形タンク３６の降下とともに造形物Ｃは造形されていくが、その間に、内周壁面４１ｃに沿って、角筒状の仮焼結体５０が形成されていく。仮焼結体５０は、粉末Ａの外部（上記の空隙Ｇ）への漏出を防止する。昇降テーブル３５の降下に伴って、仮焼結体５０の表面５０ａは、規制板４１の内周壁面４１ｃに摺接してもよい。仮焼結体５０は、粉末Ａがまだ溶融されておらず仮焼結されただけの状態であり、また互いに接触する時間も短いので、内周壁面４１ｃに対して固着しない。

図２に示されるように、規制板４１の開口４１ｅの内周壁面４１ｃには、仮焼結体５０と内周壁面４１ｃとの間に介在するようにして緩衝部４２が設けられてもよい。より詳細には、緩衝部４２は、内周壁面４１ｃに設けられたコーティング部であってもよい。この場合、コーティング部は、たとえばセラミックコーティングからなる。あるいは、緩衝部４２は、耐火布であってもよい。この場合、耐火布は、規制板４１の上面４１ａから内周壁面４１ｃにかけて設けられ、規制板４１に固定される。この緩衝部４２は、たとえば、粉末Ａの材料が規制板４１に対して固着しやすい材料である場合に、内周壁面４１ｃに粉末Ａ（仮焼結体５０）が固着することを防止し得る。

次に、粉末節約装置１００を用いた粉末節約方法について説明する。粉末節約装置１００を用いた粉末節約方法は、三次元積層造形装置１における通常の積層造形方法と大きく変わらないが、規制板４１を用いる点と、ランプヒータ４７およびヒータ４８による加熱を行う点で異なる。

まず、粉末供給装置４０によって粉末Ａが作業台３９の上面３９ａ上に供給され、塗布機構３３によって、粉末Ａが造形面Ｓに塗布される。造形面Ｓは、小型の規制板４１およびプレート３１によって、造形タンク３６よりも小さな四角形をなしている。すなわち、昇降テーブル３５の上方に設置された規制板４１の開口４１ｅを通じてのみ粉末Ａを受け入れる（受入れ工程）。

ここで、図４および図５（ａ）に示されるように、小型の造形面Ｓに供給される粉末Ａ（堆積粉末Ａａ）も必要最小限となるよう、ホッパ３４の内部にスペーサ４４が設置されてもよい。ホッパ３４が有するＹ方向の領域のうち両端部がスペーサ４４によって占められ、これによって、ホッパ３４の排出端部３４ａからはＹ方向において限られた幅の粉末Ａのみが落下する。図４に示されるように、堆積粉末Ａａは、Ｙ方向において小型の造形面Ｓよりも大きくなっているが、開口３９ｃや造形タンク３６よりは小さくなっている。このように、粉末供給装置４０側に粉末節約機構が設けられてもよい。

続いて、図１に示される電子ビーム出射部２により、造形面Ｓの粉末Ａに対して電子ビームＢが照射され、粉末Ａの予備加熱が行われる。粉末Ａの予備加熱は、２段階で行われてもよい。すなわち、粉末Ａが比較的低い温度に加熱されるよう、造形面Ｓの全面に電子ビームＢが照射された（第１予備加熱工程）後に、造形物Ｃの領域およびその近傍の領域に対して、粉末Ａが比較的高い温度に加熱されるよう、電子ビームＢが照射される（第２予備加熱工程）。この比較的高い温度は、たとえば前述した、粉末Ａが仮焼結する程度の温度であってもよい。さらに、造形面Ｓに対し、造形物Ｃのスライスデータに基づく本溶融が行われる（本溶融工程）。これによって、その層における造形が行われる。

続いて、昇降テーブル３５およびプレート３１が順次降下され、上記の受入れ工程および各層における造形が行われていく。この一連の造形工程が実施される間、ランプヒータ４７およびヒータ４８によって、規制板４１の内周壁面４１ｃ付近の粉末Ａおよび規制板４１が加熱され、内周壁面４１ｃに沿って仮焼結体５０が形成される。すなわち、受入れ工程で受け入れられた粉末Ａの溶融を行いつつ、規制板４１の開口４１ｅの内周壁面４１ｃに沿って粉末Ａが仮焼結された仮焼結体５０を形成するように、粉末Ａを加熱する（加熱工程）。この加熱工程において、制御部４による規制板４１の温度制御が行われてもよい。

加熱工程において順次形成された筒状の仮焼結体５０は、緩衝部４２に摺接しながら降下する。仮焼結体５０の表面５０ａは、規制板４１の内周壁面４１ｃに固着せず、相対移動可能である。仮焼結体５０は、昇降テーブル３５、プレート３１、造形物Ｃ、およびその周囲の粉末Ａと一緒にＺ方向に降下する（図２参照）。そして、図３に示されるように、所望の形状の造形物Ｃが造形されて、一連の造形工程が終了する。造形タンク３６内には、開口４１ｅに対応する筒状の形状をなす仮焼結体５０が形成されているので、仮焼結体５０の外部の空隙Ｇには、粉末Ａが漏出していない。

そして、造形物Ｃの冷却（放冷）後、たとえば、造形物Ｃと、仮焼結体５０とのその間の粉末Ａとがプレート３１から取り外される。仮焼結体５０は、プレート３１から容易に剥離する。そして、粉末Ａは回収される。続いて、たとえば粉末Ａを用いたブラスト処理等により、造形物Ｃから余分な粉末Ａが剥離させられる。このブラスト処理の際、仮焼結体５０は細分化され、粉末Ａと同様の状態に戻ることができる。粉末Ａと、仮焼結体５０が細分化されることで得られた再生された粉末Ａは、次工程以降において再利用される。このように、薄い筒状の仮焼結体５０は、造形タンク３６内における粉末Ａの保持容器にもなっており、しかも規制板４１や緩衝部４２に対して相対移動可能である。さらには、再利用も可能である。

以上説明した本実施形態の粉末節約装置１００および粉末節約方法によれば、造形タンク３６内に設けられてＺ方向に移動する昇降テーブル３５上で、造形が行われる。昇降テーブル３５の上方に設置された規制板４１の開口４１ｅを通じてのみ、粉末Ａが受け入れられる。限られた量の粉末Ａが造形タンク３６に供給されるので、造形タンク３６の大きさに比して小型の造形物Ｃを造形する場合に、粉末Ａが節約される。ランプヒータ４７およびヒータ４８によって、規制板４１の開口４１ｅの内周壁面４１ｃに沿って仮焼結体５０が形成される。この仮焼結体５０は、開口４１ｅに対応する断面を有してＺ方向に延びる筒体である。筒状に形成された仮焼結体５０は、内部に造形物Ｃを収容すると共に、外部（仮焼結体５０と造形タンク３６の側壁部３６ｂとの間の空隙Ｇ）への粉末Ａの漏出を防止する。もし造形タンク３６内の粉末Ａが空隙Ｇに漏出してしまうと、その漏出した粉末Ａに相当する量の粉末Ａが、開口４１ｅを通じて造形タンク３６側に流入してしまう。これによって、粉末量をより一層節約している。また仮焼結体５０は、溶融に至っていない状態の粉末Ａからなるので、開口４１ｅの内周壁面４１ｃに固着しにくい。しかも、仮焼結体５０は、後工程において粉砕されることにより、粉末Ａとしての再利用が可能であり、無駄にはならない。よって、造形物Ｃの容量に相応した量の原料だけで、支障なく（固着等を生じることなく）造形物Ｃを造形できる。粉末節約装置１００によれば、既存の三次元積層造形装置１の構成を大きく変更する必要はなく、規制板４１と温度センサ４６およびランプヒータ４７とを備えた簡易な構成により、粉末Ａを節約することができる。造形工程も、加熱工程を行うのみで仮焼結体５０が形成されるので、単純である。

緩衝部４２によって、規制板４１の開口４１ｅの内周壁面４１ｃに対する仮焼結体５０の固着が確実に防止される。その結果として、昇降テーブル３５がＺ方向に移動する際、造形物Ｃおよび仮焼結体５０は、規制板４１に対してスムーズに移動できる。

ヒータ４８が規制板４１を介して粉末Ａを加熱するように構成されているので、規制板４１の開口４１ｅの内周壁面４１ｃに沿って、仮焼結体５０を容易に形成することができる。

以上、本発明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、図５（ｂ）に示されるように、粉末供給装置４０側に設けられる粉末節約機構として、スペーサ４４に代えて、ホッパ３４の下端に、排出端部３４ａを狭めるアタッチメント４５が取り付けられてもよい。このアタッチメント４５によっても、図４に示されるのと同様の粉末節約効果が得られる。

また、仮焼結体５０を形成するための粉末Ａの加熱は、電子ビーム出射部２によって行われてもよい。図６（ａ）に示されるように、まず、粉末Ａが比較的低い温度に加熱されるように造形面Ｓの全面に電子ビームＢが照射される（第１予備加熱工程）。続いて、内周壁面４１ｃの付近と、造形物Ｃの領域およびその近傍の領域とに対して、粉末Ａが比較的高い温度に加熱されるよう、電子ビームＢが照射される（第２予備加熱工程）。これらの工程によれば、造形面Ｓには、第１予備加熱工程のみによる第１予熱領域Ｒ１と、第２予備加熱工程が施された第２予熱領域Ｒ２とが形成される。外側の枠状の第２予熱領域Ｒ２は、上記実施形態の仮焼結体５０に相当する。第１予熱領域Ｒ１には、図２に示される粉末Ａが含まれる。

また、図６（ｂ）に示されるように、第１予熱領域Ｒ１を残さなくてもよい。すなわち、第２予備加熱工程においても、造形面Ｓの全面に電子ビームＢが照射されてもよい。その場合、図２に示される粉末Ａは存在せず、造形物Ｃ以外の全域に第２予熱領域Ｒ２すなわち仮焼結体５０が形成される。このように形成された仮焼結体５０も、粉末Ａとして再利用可能である。電子ビーム出射部２によって仮焼結体５０が形成される場合、電子ビーム出射部２は、三次元積層造形装置１の構成要素と、粉末節約装置１００の構成要素とを兼ねることとなる。

上記した図６（ａ）や図６（ｂ）に示される予備加熱工程が、粉末節約装置１００の温度センサ４６やランプヒータ４７によって実施されてもよい。

規制板４１が取り付けられる構造は、上記実施形態と異なってもよい。たとえば、造形タンク３６の上端面３６ａが、作業台３９の上面３９ａと面一であり、造形タンク３６の内面側に規制板４１が取り付けられてもよい。その場合、規制板４１は、造形タンク３６の側壁部３６ｂの内面に対して突っ張るようにして固定されてもよい。

コーティング部や耐熱布などの緩衝部は、省略されてもよい。加熱部は、ランプヒータ４７やヒータ４８に限られない。上記したように電子ビーム出射部２（エネルギビーム出射部）による仮焼結を行ってもよい。この場合は、造形を行うための電子ビーム出射部２（エネルギビーム出射部）が、粉末を節約するための加熱部も兼ねる。

造形タンク３６に対して造形テーブルを相対的に移動させる構成は、昇降装置１０によって昇降テーブル３５が降下する形態に限られず、固定された造形テーブルに対して、他の昇降機構によって造形タンク３６が上昇する形態が採用されてもよい。その場合、塗布機構３３、作業台３９、粉末供給装置４０、造形タンク３６、規制板４１、ランプヒータ４７、ヒータ４８および電子ビーム出射部２が、造形に伴って上昇する構造が採用され得る。

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ビームであってもよい。

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。

１ 三次元積層造形装置
２ 電子ビーム出射部
３ 造形部
４ 制御部
１０ 昇降装置
３１ プレート
３４ ホッパ
３５ 昇降テーブル（造形テーブル）
３６ 造形タンク
３９ 作業台
４０ 粉末供給装置
４１ 規制板
４１ｃ 内周壁面（周壁面）
４１ｅ 開口
４２ 緩衝部
４６ 温度センサ
４７ ランプヒータ（加熱部）
４８ ヒータ（加熱部）
５０ 仮焼結体
１００ 粉末節約装置
Ａ 粉末
Ｂ 電子ビーム（エネルギビーム）
Ｃ 造形物
Ｇ 空隙
Ｒ１ 第１予熱領域
Ｒ２ 第２予熱領域
Ｓ 造形面

Claims (3)

1. 粉末が溶融されてなる造形物が内部に造形される造形タンクと、前記造形タンク内に設けられ前記造形タンクに対して前記造形タンクの軸線方向に相対的に移動する造形テーブルとを備えた三次元積層造形装置に適用される粉末節約装置であって、
   前記造形テーブルの上方に設置され開口が形成された規制板であって、前記開口を通じてのみ前記粉末を受け入れ、前記造形タンクに供給される前記粉末の量を規制する前記規制板と、
   前記規制板の前記開口の周壁面に沿って前記粉末が仮焼結された仮焼結体を形成するように、前記粉末を加熱する加熱部と、を備え、
   前記加熱部は、前記規制板を介して前記粉末を加熱するように構成されている、粉末節約装置。
2. 前記規制板の前記開口の前記周壁面には、前記仮焼結体と前記周壁面との間に介在するようにして緩衝部が設けられる、請求項１に記載の粉末節約装置。
3. 粉末が溶融されてなる造形物が内部に造形される造形タンクと、前記造形タンク内に設けられ前記造形タンクに対して前記造形タンクの軸線方向に相対的に移動する造形テーブルとを備えた三次元積層造形装置に適用される粉末節約方法であって、
   前記造形テーブルの上方に設置された規制板の開口を通じてのみ前記粉末を受け入れる受入れ工程と、
   前記受入れ工程で受け入れられた前記粉末の溶融を行いつつ、前記規制板の前記開口の周壁面に沿って前記粉末が仮焼結された仮焼結体を形成するように、前記規制板を介して前記粉末を加熱する加熱工程と、を含む、粉末節約方法。

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