JP6945011B2 - ３次元造形装置 - Google Patents

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Description

本発明は、３次元造形装置に関する。
３次元造形装置によれば、例えば図４に示されているように、造形テーブル上に材料粉体を均一に撒布して材料粉体層Ｐを形成し、材料粉体層Ｐの所定箇所に、レーザー光（破線参照）を照射して焼結させることによって焼結層Ｓを形成する工程を繰り返すことによって、複数の焼結層Ｓの積層体からなる所望形状の造形物が作製される（例えば、特許文献１参照）。
焼結層Ｓの形成時に造形エリアにおいて発生したヒュームによりレーザー光の照射効率が低下することを防止する必要がある。そこで、造形エリアに向けて開口しているカバーユニットＣが、不活性ガス（実線矢印参照）を吐出口から造形エリアに吐出する不活性ガス供給カバーと、ヒュームを含む不活性ガス（一点鎖線矢印参照）を吸引口から吸引するヒューム吸引カバーＣ２とを有している。そして、レーザー光が不活性ガス供給カバーＣ１の内部を通過し造形エリアに照射されるようにレーザー光の照射経路に合わせてカバーユニットＣを支持するホルダＨの位置およびカバーユニットＣの向きのうち少なくともいずれか一方が制御される。
特開２０１７−２０３１９９号公報
しかし、不活性ガス供給カバーＣ１の吐出口から造形エリアに向けて吐出された不活性ガスが、造形エリアに存在する粉体層Ｐの粉体の一部を巻き上げてしまうと、当該粉体の焼結層Ｓが積層されてなる造形物に欠陥が形成されるなど、造形物の品質が低下する可能性がある。特に、図４に示されているように、不活性ガス供給カバーＣ１が吐出口に向けて徐々に細くなるよう形成されている場合はこの問題が顕著になる。
そこで、本発明は、造形物の品質の低下を回避しながら、ヒュームなどによるレーザー光の照射効率の低下を回避しうる３次元造形装置を提供することを目的とする。
本発明は、光学系を有するレーザー照射ユニットと、一端開口部から他端開口部まで延在する内側空間を有するシュラウドと、前記シュラウドの一端開口部に配置され、前記レーザー照射ユニットから発せられたレーザー光を前記シュラウドの内側空間に透過させて他端開口部を通じて前記シュラウドの外部空間に通過させる一方、前記レーザー照射ユニットを前記シュラウドの内側空間から遮断する保護部材と、を備え、造形エリアに形成された粉体層に対して、前記レーザー照射ユニットから発せられるレーザー光を、駆動機構により照射位置を変化させながら、前記シュラウドの内側空間を通じて照射し、前記粉体層を構成する粉体を焼結または溶融固化させる工程を繰り返すことにより３次元の造形物を作製する３次元造形装置に関する。
本発明の３次元造形装置は、前記シュラウドが、前記内側空間を画定し、かつ、当該内側空間に給気するための給気口が、前記シュラウドの他端開口部よりも前記シュラウドの一端開口部に対して近い位置に設けられている内側隔壁部と、前記内側空間の外側において、前記シュラウドの他端開口部において開口する一方、前記シュラウドの他端開口部よりも一端開口部に近い位置で閉じている外側空間を前記内側隔壁部とともに画定し、かつ、当該外側空間から排気するための排気口が設けられている外側隔壁部と、を備え、前記他端開口部における前記内側空間の通気面積が、前記他端開口部よりも前記一端開口部に近い上流側部分における前記内側空間の通気面積よりも大きく、前記シュラウドの内側空間の延在方向について、前記シュラウドの他端開口部における前記外側隔壁部の端部が、前記シュラウドの他端開口部における前記内側隔壁部の端部よりも遠くに位置し、前記外側隔壁部に設けられた前記排気口と前記シュラウドの他端開口部との距離が、前記排気口と前記シュラウドの一端開口部との距離に比べて長いことを特徴とする。
当該構成の３次元造形装置によれば、造形エリアに形成された粉体層に対して、レーザー照射ユニットから発せられるレーザー光が、駆動機構により照射位置を変化させながら、シュラウドの内側空間を通じて照射され、粉体層を構成する粉体を焼結または溶融固化させる工程が繰り返される。これにより、３次元の所望形状の造形物が得られる。
ここで、シュラウドが内側隔壁部により画定され、かつ、一端開口部から他端開口部まで連通する「内側空間」と、内側隔壁部および外側隔壁部により画定され、かつ、シュラウドの他端開口部において開口する一方でシュラウドの他端開口部よりも一端開口部に近い位置で閉じている「外側空間」とを有する意味で二重構造になっている。このため、当該工程において、内側隔壁部に設けられた給気口から不活性ガスが内側空間に導入され、シュラウドの他端開口部においてヒュームを含む不活性ガスが内側空間から外側空間に押し流され、外側隔壁部に設けられた排気口からシュラウドの外部空間に導出される。これにより、レーザー照射ユニットおよびシュラウドの内側空間を遮断する保護部材がヒュームによって汚染され、当該保護部材におけるレーザー光の透過率の低下、ひいてはレーザー光の照射強度の低下が防止される。
また、シュラウドの他端開口部における内側空間の通気面積が、シュラウドの他端開口部よりも一端開口部に近い上流側部分における内側空間の通気面積よりも大きい。「通気面積」は、例えば、内側空間の延在方向を垂線方向とする平面において、内側隔壁部により囲まれている２次元領域の面積を意味する。このため、シュラウドの上流側部分よりもシュラウドの他端開口部において、内側空間を流れる不活性ガスの流速の低下が図られ、その分だけ粉体層を構成する粉体の巻き上げまたは飛散が防止される。これにより、造形物に欠陥が生じるなどの事態が回避され、ひいては当該造形物の品質の低下が防止される。また、シュラウドの内側空間の延在方向について、シュラウドの他端開口部における外側隔壁部の端部が、シュラウドの他端開口部における内側隔壁部の端部よりも遠くに位置している。このため、内側隔壁部の端部および粉体層の間隙を通じて内側空間から外側に流れるヒュームを含む不活性ガスが、外側隔壁部の端部により確実に外側空間に案内され、内側隔壁部の端部および粉体層の間隙を通じて内側空間からヒュームを含む不活性ガスがシュラウドの外部空間にただちに流出すること、さらにはこれにより周囲にある粉体層を構成する粉体を飛散させることが抑制される。さらに、外側隔壁部に設けられた排気口とシュラウドの他端開口部との距離が、排気口とシュラウドの一端開口部との距離に比べて長い。これにより、外側隔壁部に設けられた排気口とシュラウドの他端開口部との距離が、排気口とシュラウドの一端開口部との距離に比べて短い場合に比べて、シュラウドの他端開口部におけるヒュームを含む不活性ガスの乱流が生じて粉末層を構成する粉末の飛散を誘発する事態が確実に回避される。
前記上流側部分から前記他端開口部にかけて前記内側空間の通気面積が断続的または連続的に増加することが好ましい。
当該構成の３次元造形装置によれば、シュラウドの上流側部分からシュラウドの他端開口部にかけて、内側空間を流れる不活性ガスの流速の断続的または連続的な低下が図られ、その分だけ粉体層を構成する粉体の巻き上げまたは飛散が防止される。これにより、造形物に欠陥が生じるなどの事態が回避され、ひいては当該造形物の品質の低下が防止される。
前記上流側部分としての前記給気口が設けられた部分から前記他端開口部にかけて前記内側空間の通気面積が断続的または連続的に増加することが好ましい。
当該構成の３次元造形装置によれば、シュラウドの上流側部分としての給気口が設けられた部分からシュラウドの他端開口部にかけて、内側空間を流れる不活性ガスの流速の断続的または連続的な低下が図られ、その分だけ粉体層を構成する粉体の巻き上げまたは飛散が防止される。これにより、造形物に欠陥が生じるなどの事態が回避され、ひいては当該造形物の品質の低下が防止される。
前記内側隔壁部に設けられた前記給気口が、不活性ガスをレーザー光の経路に向けて前記内側空間に導入するように構成されていることが好ましい。
当該構成の３次元造形装置によれば、内側空間に存在するヒュームをレーザー光の経路から排除し、当該レーザー光の粉体層における照射強度の低下のさらなる防止が図られる。
本発明の第１実施形態としての３次元造形装置の構成に関する説明図。 給気口の一の実施例に関する説明図。 給気口の他の実施例に関する説明図。 給気口の変形実施例に関する説明図。 給気口の変形実施例に関する説明図。 給気口の変形実施例に関する説明図。 本発明の第２実施形態としての３次元造形装置の構成に関する説明図。 従来技術における３次元造形装置の構成に関する説明図。
（第１実施形態）
（構成）
図１に示されている本発明の第１実施形態としての３次元造形装置は、レーザー照射ユニット１０と、保護部材１４と、シュラウド２０と、駆動機構３０と、を備えている。
レーザー照射ユニット１０は、例えばガルバノスキャナにより構成され、ガルバノミラーおよび集光レンズなどにより構成されている光学系１２を有する。レーザー照射ユニット１０は、制御装置４０により動作が制御されるレーザー発振器４１０により発振されたレーザー光を、光学系１２を介して外部に照射するように構成されている。
シュラウド２０は、上端壁が中央部分で開口し、かつ、側壁が二重構造を有する略有天筒状に形成されている。具体的には、シュラウド２０は、内側空間Ｓ1を画定する略筒状の内側隔壁部２１と、内側空間Ｓ1の外側において内側隔壁部２１とともに内側空間Ｓ1を画定する略筒状の外側隔壁部２２と、を有する。内側空間Ｓ1は、シュラウド２０の一端開口部２０２（上端開口部）から他端開口部２０６（下端開口部）まで延在している。外側空間Ｓ2は、シュラウド２０の他端開口部２０６（下端部）において開口する一方、シュラウド２０の他端開口部２０６よりも一端開口部２０２に近い位置（上端部）で閉じている。
シュラウド２０の内側空間Ｓ1の延在方向（Ｚ方向または上下方向）について、シュラウド２０の他端開口部２０６における外側隔壁部２２の端部２２６（下端部）が、シュラウド２０の他端開口部２０６における内側隔壁部２１の端部２１６（下端部）よりも遠くに（すなわち下方に）位置している。外側隔壁部２２の端部２２６が、内側隔壁部２１の端部２１６と同じ高さであってもよい。
内側隔壁部２１は、略筒状の内側隔壁上部２１２と、内側隔壁上部２１２よりも開口面積が大きい略筒状の内側隔壁下部２１４とが、内側隔壁上部２１２の下端部より外側に張り出している略フランジ状の部分を介して同軸に連結された形状を有している。このため、シュラウド２０の他端開口部２０６における内側空間Ｓ1の通気面積（横断面積）が、他端開口部２０６よりも一端開口部２０２に近い上流側部分である内側隔壁上部２１２における内側空間Ｓ1の通気面積（横断面積）よりも大きい。すなわち、シュラウド２０の上流側部分から他端開口部２０６にかけて内側空間Ｓ1の通気面積が断続的に増加している。
内側隔壁部２１のうち内側隔壁上部２１２には給気口２１０が設けられている。給気口２１０には、Ｎ2ガスなどの不活性ガスの供給源４２１が接続されている。例えば、不活性ガス供給源４２１を構成する流量調整弁（図示略）の動作が制御装置４０により制御されることにより、不活性ガス供給源４２１から内側隔壁部２１に設けられた給気口２１０を通じてシュラウド２０の内側空間Ｓ1に不活性ガス（白矢印参照）が導入される。
給気口２１０の位置、姿勢（延在態様）および数はさまざまに設計される。例えば、図２Ａに示されているように、略矩形筒状の内側隔壁上部２１２には、当該矩形の四辺のそれぞれに対して垂直な方向に内側隔壁上部２１２を貫通する複数の給気口２１０が設けられていてもよい。図２Ｂに示されているように、略矩形筒状の内側隔壁上部２１２には、当該矩形の四辺のそれぞれに対して傾斜した方向に内側隔壁上部２１２を貫通する複数の給気口２１０が設けられていてもよい。図２Ｃに示されているように、給気口２１０が水平方向に平行ではなく、水平方向に傾斜して延在するように内側隔壁上部２１２に設けられていてもよい。内側隔壁下部２１４において、シュラウド２０の他端開口部２０６よりも一端開口部２０２に対して近い位置に給気口２１０が設けられていてもよい。いずれの場合も、不活性ガスがレーザー光Ｌの経路に向かって内部空間Ｓ1に導入されるように、給気口２１０の延在態様が設計されていることが好ましい。
内側隔壁上部２１２は略矩形筒状のほか、円筒状、平行四辺形筒状、または多角形筒状（正六角形筒状など）であってもよい。
図２Ｄおよび図２Ｅに示されているように、内側隔壁上部２１２の内周壁に全周にわたって凹溝部２１０２が形成され、さらに凹溝部２１０２およびシュラウド２０の内側空間Ｓ1を隔てるように内側隔壁上部２１２の内周壁に全周にわたってメッシュからなる通気性部材２１０４が設けられていてもよい。凹溝部２１０２は給気口２１０に連通している。この場合、給気口２１０、凹溝部２１０２および通気性部材２１０４を通じて不活性ガスがシュラウド２０の内側空間Ｓ1に対して供給される。通気性部材２１０４により、ヒュームが凹溝部２１０２、ひいては給気口２１０を汚染する事態が防止される。
外側隔壁部２２には、排気口２２０が設けられている。排気口２２０には、吸気ポンプ等により構成される吸気装置４２２が接続されている。例えば、吸気装置４２２の動作が制御装置４０により制御されることにより、外側隔壁部２２に設けられた排気口２２０を通じてシュラウド２０の外側空間Ｓ2からヒュームを含む不活性ガス（黒矢印参照）がシュラウド２０の外部に導出される。
排気口２２０の位置、姿勢（延在態様）および数はさまざまに設計される。例えば、排気口２２０が、シュラウド２０の他端開口部２０６よりも一端開口部２０２に近い位置に設けられていてもよい。
保護部材１４は、レーザー照射ユニット１０をシュラウド２０の内側空間Ｓ1から遮断するように、シュラウド２０の一端開口部２０２に配置されている。保護部材１４は、石英ガラスなど、レーザー光Ｌに対して透過性を有する素材により形成されている。このため、保護部材１４は、レーザー照射ユニット１０から発せられたレーザー光Ｌをシュラウド２０の内側空間Ｓ1に透過させて他端開口部２０６を通じてシュラウド２０の外部空間に通過させることが可能である。
駆動機構３０は、造形エリアに形成された粉体層Ｐに対する、レーザー照射ユニット１０から発せられるレーザー光Ｌの照射位置を変化させるための機構である。駆動機構３０は、例えばレーザー照射ユニット１０を支持し、かつ、支持部材３２を介してレーザー照射ユニット１０の下方でシュラウド２０を支持するＸＹガントリにより構成されている。ＸＹガントリにより、レーザー照射ユニット１０およびシュラウド２０が、相対的な位置および姿勢が変化することなく、水平方向に平行な直行する２方向（Ｘ方向およびＹ方向）に動かされる。駆動機構３０は、レーザー照射ユニット１０の光学系１２を構成するガントリミラーの角度を調節する駆動機構により構成されていてもよい。駆動機構３０は、レーザー照射ユニット１０およびシュラウド２０をＺ方向に変位させる昇降駆動機構を有していてもよい。
３次元造形装置は、造形エリアに粉体を供給する粉体供給装置および粉体を均して粉体層Ｐを形成する粉体均し装置（例えば、特許第６１６７１９５号公報参照）、ならびに制御装置４０、レーザー発振器４１０、不活性ガス供給装置４２１および吸気装置４２２のうち一部または全部を構成要素として備えていてもよい。
（作用効果）
本発明の第１実施形態としての３次元造形装置によれば、造形エリアに形成された粉体層Ｐに対して、レーザー照射ユニット１０から発せられるレーザー光Ｌが、駆動機構３０により照射位置を変化させながら、シュラウド２０の内側空間Ｓ1を通じて照射され、粉体層Ｐを構成する粉体を焼結または溶融固化させる工程が繰り返される。これにより、３次元の所望形状の造形物が得られる。
ここで、シュラウド２０が内側空間Ｓ1および外側空間Ｓ2を有する意味で二重構造になっているため、当該工程において、内側隔壁部２１に設けられた給気口２２０から不活性ガスが内側空間Ｓ1に導入される（図１／白矢印参照）。シュラウド２０の他端開口部２０６においてヒュームを含む不活性ガスが内側空間Ｓ1から外側空間Ｓ2に押し流され、外側隔壁部２２に設けられた排気口２２０からシュラウド２０の外部空間に導出される（図１／黒矢印参照）。これにより、レーザー照射ユニット１０およびシュラウド２０の内側空間Ｓ1を遮断する保護部材１４がヒュームによって汚染され、当該保護部材１４におけるレーザー光Ｌの透過率の低下、ひいてはレーザー光Ｌの粉体層Ｐに対する照射強度の低下が防止される。
また、シュラウド２０の他端開口部２０６における内側空間Ｓ1の通気面積が、シュラウド２０の他端開口部２０６よりも一端開口部２０２に近い上流側部分（内側隔壁上部２１２）における内側空間Ｓ1の通気面積よりも大きい。このため、シュラウド２０の上流側部分よりもシュラウド２０の他端開口部２０６において、内側空間Ｓ1を流れる不活性ガスの流速の低下が図られ、その分だけ粉体層Ｐを構成する粉体の巻き上げまたは飛散が防止される。これにより、造形物に欠陥が生じるなどの事態が回避され、ひいては当該造形物の品質の低下が防止される。
さらに、外側隔壁部２２の下端部２２６が内側隔壁部２１の下端部２１６よりも下方に位置している。このため、内側隔壁部２１の下端部２１６および粉体層Ｐの間隙を通じて内側空間Ｓ1から外側に流れるヒュームを含む不活性ガスが、外側隔壁部２２の下端部２２６により確実に外側空間Ｓ2に案内される（図１／黒矢印参照）。このため、内側隔壁部２１の下端部２１６および粉体層Ｐの間隙を通じて内側空間Ｓ1からヒュームを含む不活性ガスがシュラウド２０の外部空間にただちに流出すること、さらにはこれにより周囲にある粉体層Ｐを構成する粉体を飛散させることが抑制される。
（第２実施形態）
（構成）
図３に示されている本発明の第２実施形態としての３次元造形装置は、シュラウド２０を除いては、本発明の第１実施形態としての３次元造形装置（図１および図２Ａ〜図２Ｃ参照）と同様の構成である。このため、当該同様の構成については同じ符号を用いるとともに説明を省略する。
内側隔壁部２１は、略筒状の内側隔壁上部２１２と、上端部から下端部にかけて開口面積が徐々に大きくなる略筒状の内側隔壁下部２１４とが同軸に連結された形状を有している。このため、シュラウド２０の上流側部分から他端開口部２０６にかけて内側空間Ｓ1の通気面積が断続的にではなく「連続的に」増加している。
外側隔壁部２２は、内側隔壁下部２１４の形状に対応して上端部から下端部にかけて開口面積が徐々に大きくなる略筒状に形成されている。
（作用効果）
本発明の第２実施形態としての３次元造形装置によれば、シュラウド２０の上流側部分（内側隔壁上部２１２）から他端開口部２０６にかけて内側空間Ｓ1の通気面積が連続的に増加する。このため、シュラウド２０の上流側部分よりもシュラウド２０の他端開口部２０６において、内側空間Ｓ1を流れる不活性ガスの流速の連続的な低下が図られ、その分だけ粉体層Ｐを構成する粉体の巻き上げまたは飛散が防止される。これにより、本発明の第１実施形態としての３次元造形装置と同様に、造形物に欠陥が生じるなどの事態が回避され、ひいては当該造形物の品質の低下が防止される。
（本発明の他の実施形態）
前記実施形態では、横断面が環状の単一の外側空間Ｓ2によって内側空間Ｓ1が全周にわたり囲まれていたが、他の実施形態として、複数の外側空間Ｓ2が内側空間Ｓ1の外側に断続的に配置されるように内側隔壁部２１および外側隔壁部２２が構成されていてもよい。例えば、下端部が開口する一方で上端部が閉じた略樋状の一または複数の外側隔壁部と、内側隔壁部とによって一または複数の外側空間が形成されていてもよい。
１０‥レーザー照射ユニット、１２‥光学系、１４‥保護部材、２０‥シュラウド、２１‥内側隔壁部、２２‥外側隔壁部、３０‥駆動機構、４０‥制御装置、２０２‥一端開口部、２０６‥他端開口部、２１０‥給気口、２２０‥排気口、４１０‥レーザー発振器、４２１‥不活性ガス供給装置、４２２‥吸引装置、Ｓ1‥内側空間、Ｓ2‥外側空間。

Claims (4)

  1. 光学系を有するレーザー照射ユニットと、
    一端開口部から他端開口部まで延在する内側空間を有するシュラウドと、
    前記シュラウドの一端開口部に配置され、前記レーザー照射ユニットから発せられたレーザー光を前記シュラウドの内側空間に透過させて他端開口部を通じて前記シュラウドの外部空間に通過させる一方、前記レーザー照射ユニットを前記シュラウドの内側空間から遮断する保護部材と、を備え、
    造形エリアに形成された粉体層に対して、前記レーザー照射ユニットから発せられるレーザー光を、駆動機構により照射位置を変化させながら、前記シュラウドの内側空間を通じて照射し、前記粉体層を構成する粉体を焼結または溶融固化させる工程を繰り返すことにより３次元の造形物を作製する３次元造形装置であって、
    前記シュラウドが、
    前記内側空間を画定し、かつ、当該内側空間に給気するための給気口が、前記シュラウドの他端開口部よりも前記シュラウドの一端開口部に対して近い位置に設けられている内側隔壁部と、
    前記内側空間の外側において、前記シュラウドの他端開口部において開口する一方、前記シュラウドの他端開口部よりも一端開口部に近い位置で閉じている外側空間を前記内側隔壁部とともに画定し、かつ、当該外側空間から排気するための排気口が設けられている外側隔壁部と、を備え、
    前記他端開口部における前記内側空間の通気面積が、前記他端開口部よりも前記一端開口部に近い上流側部分における前記内側空間の通気面積よりも大きく、
    前記シュラウドの内側空間の延在方向について、前記シュラウドの他端開口部における前記外側隔壁部の端部が、前記シュラウドの他端開口部における前記内側隔壁部の端部よりも遠くに位置し、
    前記外側隔壁部に設けられた前記排気口と前記シュラウドの他端開口部との距離が、前記排気口と前記シュラウドの一端開口部との距離に比べて長いことを特徴とする３次元造形装置。
  2. 請求項１記載の３次元造形装置において、
    前記上流側部分から前記他端開口部にかけて前記内側空間の通気面積が断続的または連続的に増加することを特徴とする３次元造形装置。
  3. 請求項１記載の３次元造形装置において、
    前記上流側部分としての前記給気口が設けられた部分から前記他端開口部にかけて前記内側空間の通気面積が断続的または連続的に増加することを特徴とする３次元造形装置。
  4. 請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の３次元造形装置において、
    前記内側隔壁部に設けられた前記給気口が、不活性ガスをレーザー光の経路に向けて前記内側空間に導入するように構成されていることを特徴とする３次元造形装置。
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