JP6969612B2 - 粉末供給装置および三次元積層造形装置 - Google Patents

Description

本開示は、粉末供給装置および三次元積層造形装置に関する。

このような分野の技術として、特許文献１〜４にそれぞれ記載された装置が知られている。特許文献１に記載された装置は、作業領域に粉末を供給し分配するシステムである。粉末貯蔵ユニットの下部には、安息角をもって粉末が盛られている。この山盛りの粉末に、三角形の断面を有するレーキを挿入し、レーキを往復移動させることにより、粉末が作業領域（造形領域）に塗布される。また特許文献２〜４に記載された装置では、回転体（ローラ）の回転によって粉末が供給される。回転体には、１つ又は複数の溝が設けられている。

特表２００８−５４０１００号公報 特表２０１５−５２７９４２号公報 国際公開第２０１６／１５１７８３号 特開２０００−２４７５６号公報

上記した回転体（ローラ）を用いた従来技術では、溝に溜まった粉末が、回転体の回転により落下する。しかしながら、軸方向における粉末の落下量（粉末の供給量）は一定であり、粉末の供給量を調節することはできない。粉末供給装置から供給される粉末は、たとえばレーキ（塗布機構またはリコータ）によって造形面上に移動させられて、均される。造形面の形状によっては、ローラの軸方向に直交する方向における長さ（すなわち幅）が一定でない場合がある。その場合に、軸方向における粉末の供給量が一定であると、造形面からはみ出して造形に寄与しない、余剰粉末が生じ得る。このような余剰粉末は、たとえば粉末のリサイクル性等の面で効率の低下を招き得る。

本開示は、ローラの軸方向において、粉末の供給量に分布を持たせることができる粉末供給装置および三次元積層造形装置を説明する。

本開示の一態様に係る粉末供給装置は、粉末を収容するホッパと、ホッパの下方に設けられ、回転軸線の周りに回転可能である円筒状のローラと、ローラの周面に対面し、ローラとの間の空間に粉末を貯留する壁面と、を備え、ローラが回転することにより、ローラと壁面との間に貯留された粉末をローラの回転方向に移動させて落下させるように構成されており、ローラの周面には、軸方向に延びる複数の溝部が形成されており、複数の溝部のうち少なくとも１つの溝部は、粉末を収容できる容量が軸方向において変化するように形成されると共に、少なくとも１つの溝部には、軸方向における容量を変更自在な変更手段が設けられている

本開示のいくつかの態様によれば、軸方向において粉末の供給量に分布を持たせることができる。その結果として、造形面の形状に応じた適切な供給量をもって粉末を供給することができ、余剰粉末の発生を抑えることができる。

図１は、本開示の一実施形態に係る粉末供給装置および三次元積層造形装置の概略構成を示す図である。 図２は、図１中の造形タンク、プレート、および粉末供給装置を示す図である。 図３は、造形面およびその周辺を示す平面図であり、供給された粉末材料の状態を概念的に示す図である。 図４（ａ）はローラの正面図、図４（ｂ）はローラを回転軸線に沿って切断した端面図である。 図５は、本開示の他の実施形態に係る粉末供給装置を示す図である。

本開示の一態様に係る粉末供給装置は、粉末を収容するホッパと、ホッパの下方に設けられ、回転軸線の周りに回転可能である円筒状のローラと、ローラの周面に対面し、ローラとの間の空間に粉末を貯留する壁面と、を備え、ローラが回転することにより、ローラと壁面との間に貯留された粉末をローラの回転方向に移動させて落下させるように構成されており、ローラの周面には、軸方向に延びる複数の溝部が形成されており、複数の溝部のうち少なくとも１つの溝部は、粉末を収容できる容量が軸方向において変化するように形成されている。

この粉末供給装置によれば、ローラと壁面との間の空間に貯留された粉末は、ローラが回転することによって落下する。ローラの周面に形成された溝部の容量は、軸方向において、一定ではなく変化している。よって、落下する粉末の量すなわち供給量を、軸方向において変化させることができる。したがって、軸方向において粉末の供給量に分布を持たせることができる。その結果として、たとえば、造形面の形状が単純な矩形ではない形状である場合に、造形面の形状に応じた適切な供給量をもって粉末を供給することができ、余剰粉末の発生を抑えることができる。

いくつかの態様では、少なくとも１つの溝部において、軸方向の中央部における容量は、軸方向の端部における容量よりも大きい。造形面の形状が、たとえば円形等である場合には、軸方向の端部よりも中央部において、より多くの粉末が供給されることが望ましい。この態様によれば、造形面の形状に応じた適切な供給量をもって粉末を供給することができる。

いくつかの態様では、少なくとも１つの溝部において、容量は、軸方向の端部から中央部に向かうにつれて大きくなっている。この場合、特に円形の造形面に対して、適切な供給量をもって粉末を供給することができる。

いくつかの態様では、少なくとも１つの溝部の底面は、段階的に変化するように形成されている。この場合、ローラの加工・製造が容易である。

いくつかの態様では、粉末供給装置は、粉末を落下させるための落下口であって、ローラの回転軸線の側方に形成された落下口を更に備える。

本開示の一態様に係る三次元積層造形装置は、上記のいずれかの粉末供給装置と、ローラの下方に設けられ、粉末が載る上面を有する作業台と、作業台の側方において上方に向けて露出する造形面と、作業台の上面上から造形面上に向けて移動可能な塗布機構と、塗布機構によって造形面上に供給された粉末に向けてビームを照射するビーム出射部と、を備える。この三次元積層造形装置によれば、作業台の上面に向けて落下させられる粉末の供給量に、分布を持たせることができる。よって、造形面の形状に応じた適切な供給量をもって粉末を供給することができ、余剰粉末の発生を抑えることができる。その結果として、三次元積層造形において、たとえば、粉末のリサイクル性の向上、粉末の品質劣化抑制、および装置の小型化等の効果が奏される。

以下、本開示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。

図１は、本開示の実施形態に係る三次元積層造形装置の構成概要図である。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、収束コイル２２と、偏向コイル２３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。収束コイル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。収束コイル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を収束させる。偏向コイル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。偏向コイル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、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、収束コイル２２および偏向コイル２３は、たとえば、筒状を呈するコラム２４内に設置される。

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、プレート３１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、真空状態に保たれている。

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、たとえば円形の開口３９ｃが設けられている。この開口３９ｃに、たとえば円筒状の造形タンク３６が嵌合している。造形タンク３６は、鉛直方向に延びる軸線を有する。造形タンク３６の上端面３６ａは、作業台３９の上面３９ａと、たとえば面一である。

プレート３１は、造形タンク３６内に配置された平板状の部材である。プレート３１は、たとえば円形をなしている。プレート３１の形状は、造形面Ｓ（すなわち造形領域）の形状に対応する。プレート３１は、平坦な上面３１ａを有し、この上面３１ａ上に造形される物体を支持する。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は、造形タンク３６内に配置されている。プレート３１と造形タンク３６とは、同心円状に配置される。

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を昇降させる昇降機３２を有する。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を支持する昇降ステージ（図示せず）を有してもよい。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、物体の造形の初期においてプレート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プレート３１を降下させる。プレート３１上には造形物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が露出している。

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が円形であり、造形タンク３６が円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４１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４１に対して粉末Ａが供給される。この排出口は、ローラ４１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４１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４１は、水平なＹ方向に延びる回転軸線Ｌを有し、この回転軸線Ｌの周りに回転可能である。ローラ４１は、図示しない側壁に支持されている。ローラ４１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４１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４１は、たとえばステンレス製であるが、ローラ４１が他の材質からなってもよい。ローラ４１には、駆動モータ４２が設けられている。この駆動モータ４２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。駆動モータ４２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４１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４１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（図３参照）。ローラ４１から粉末Ａが供給される機構の詳細については、後述する。

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３参照）。塗布機構３３は、作業台３９の上面３９ａから隙間をもって離れた位置に設けられる。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するように構成されている。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２３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２３の作動制御として、偏向コイル２３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２３に制御信号が出力される。

続いて、粉末供給装置４０および粉末Ａの移動に関わる構成について詳細に説明する。本実施形態の三次元積層造形装置１は、造形に用いられなかった粉末Ａを回収する機構を備える。図１〜図３に示されるように、チャンバ３０内に設けられた作業台３９には、上面３９ａと作業台３９の裏面側とを貫通する孔部３９ｂが形成されている。２つの孔部３９ｂが、Ｘ方向における造形面Ｓの両側に形成されている。これらの孔部３９ｂは、塗布機構３３によって移動させられ、造形面Ｓ上に供給された後に、余った粉末Ａ又は造形面Ｓからはみ出た余剰の粉末Ａを落下および回収するための粉末回収孔である。図３に示されるように、各孔部３９ｂは、Ｙ方向に長い矩形をなしている。孔部３９ｂ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。孔部３９ｂ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。

図２に示されるように、各孔部３９ｂは、造形タンク３６と、塗布機構３３の停止位置との間に設けられる。２つの孔部３９ｂの間の長方形の領域（造形面Ｓを含む領域）には、所定の厚みをもって、粉末Ａが堆積する。各孔部３９ｂは、塗布機構３３が造形面Ｓを通過した後に、塗布機構３３によって更に移動させられた余剰の粉末Ａを通過および落下させる。図２および図３に示されるように、孔部３９ｂの下方には、それぞれ回収タンク３８が設けられる。回収タンク３８の上面は、上方に向けて、すなわち孔部３９ｂに向けて開放されている。孔部３９ｂを通じて落下した余剰の粉末Ａは、回収タンク３８に収容される。

粉末供給装置４０について詳細に説明すると、図２に示されるように、粉末供給装置４０は、ホッパ３４の下部の排出口に連結された前壁部４３を備える。前壁部４３は、Ｙ方向および鉛直方向に延びる平板であり、Ｘ方向においては、造形タンク３６と上記の孔部３９ｂとの間に位置する。Ｘ方向において、前壁部４３の造形タンク３６とは反対側に、上述したローラ４１が設置されている。ローラ４１は、ローラ４１の周面４１ａが前壁部４３の壁面４３ａに当接するか、ごく僅かな隙間をもった状態で、回転可能に設置されている。すなわち、前壁部４３の壁面４３ａは、ローラ４１の周面４１ａに対面する。

なお、ホッパ３４内には、水平方向に延在する仕切り板３５が設置されていてもよい。仕切り板３５は、ホッパ３４の下部の内部空間を上下に仕切る。仕切り板３５は、ホッパ３４内の粉末Ａの自重がローラ４１等の供給部に加わることを防止するための板である。仕切り板３５は、ホッパ３４下端の開口部の真上であり、かつ、粉末の流下経路上に設置される。

前壁部４３の壁面４３ａは、ローラ４１との間の空間に、ホッパ３４から供給された粉末Ａを貯留する。静止したローラ４１の周面４１ａが前壁部４３の壁面４３ａに対面した状態で、粉末Ａは落下することなく、当該空間に貯留されている。すなわち、ローラ４１の周面４１ａと前壁部４３の壁面４３ａとの間にごく僅かな隙間がある場合でも、その隙間は、粉末Ａの通過を阻止し得るようになっている。ローラ４１と前壁部４３の壁面４３ａとの間を通る仮想の鉛直面を想定した場合に、当該鉛直面は、作業台３９の上面３９ａであって、造形タンク３６と孔部３９ｂとの間を通る。この位置関係により、粉末供給装置４０から落下・供給された粉末Ａが上面３９ａ上に載って堆積した堆積粉末Ａａは、造形タンク３６と孔部３９ｂとの間に位置する。

図２および図４（ａ）に示されるように、ローラ４１の周面４１ａには、軸方向に延びる複数の溝部４１ｂが形成されている。複数の溝部４１ｂは、周方向に等間隔に設けられている。各溝部４１ｂは、円筒面である周面４１ａから、径方向の内方に窪んでいる。各溝部４１ｂは、たとえば、同一の形状および大きさを有する。各溝部４１ｂの断面形状は、矩形であってもよいし、Ｖ字状であってもよいし、丸みを帯びていてもよい。これらの溝部４１ｂには、上記した前壁部４３との間の空間に貯留された粉末Ａが収容され得る。言い換えれば、各溝部４１ｂには、粉末Ａが満たされ得る。溝部４１ｂの本数は、粉末Ａの供給量や、供給量の分解能などに応じて、適宜に設定され得る。なお、図１では、ローラ４１の溝部４１ｂの図示は省略されている。

上記構成を有するローラ４１は、ローラ４１と前壁部４３との間の空間に貯留された粉末Ａを溝部４１ｂ内に収容し、溝部４１ｂが前壁部４３に対して上から下に移動する方向に回転する。ローラ４１は、その回転により、溝部４１ｂ内の粉末Ａを回転方向に移動させ、溝部４１ｂが前壁部４３の壁面４３ａから離れた際に粉末Ａを落下させる。ローラ４１が前壁部４３にもっとも近接する部分のやや下に、粉末供給装置４０において粉末Ａを落下させるための落下口４６が形成されている。このように、所定の断面積を有する複数の溝部４１ｂをローラ４１の周面４１ａに設けることにより、細かい分解能で粉末Ａの供給量を設定することができる。これにより、供給量の微小調整が可能になっている。また、再現性の高い粉末供給が可能になっている。センサや画像処理などの手段に基づいて粉末Ａの供給量が足りないと判断した場合に、粉末供給装置４０は、最小限の量の粉末Ａを補充することができる。その結果、余剰の粉末Ａの量を最小化することができる。

このように、粉末供給装置４０では、回転軸線Ｌと同じ高さか又は回転軸線Ｌのやや下に、粉末Ａを落下させるための落下口４６が形成されている。すなわち、落下口４６は、ローラ４１の回転軸線Ｌの側方（粉末Ａが供給される前方）に形成されている。落下口４６は、回転軸線Ｌと同じ高さか、又は、回転軸線Ｌより低くローラ４１の下端より高い位置に形成されている。回転軸線Ｌの側方に形成された落下口４６は、粉末供給装置４０に、造形面Ｓに近い場所に粉末Ａを供給させることを可能とする。よって、作業台３９上の余剰粉末を最小にできる。このことは、後述されるように、リサイクル性の向上、粉末品質劣化抑制の効果をもたらす。なお、回転軸線Ｌの側方とは、回転軸線Ｌを含む鉛直面から横（粉末Ａが供給される前方）にずれた位置のことを意味する。Ｘ方向およびＹ方向に垂直な高さ方向がＺ方向である場合に、上記鉛直面は、ＹＺ平面に平行でかつ回転軸線Ｌを含む平面である。

本実施形態において、各溝部４１ｂは、粉末Ａを収容できる容量（以下、収容量ともいう）が軸方向において変化している。図４（ｂ）に示されるように、各溝部４１ｂは、軸方向の両端部に形成された２つの第１段部４１ｂ１と、第１段部４１ｂ１の軸方向の中央側に連通するように形成された２つの第２段部４１ｂ２とを含む。第２段部４１ｂ２は、第１段部４１ｂ１よりも深い。各溝部４１ｂは、更に、２つの第２段部４１ｂ２の間であって軸方向の中央部に形成された１つの第３段部４１ｂ３を含む。第３段部４１ｂ３は、第２段部４１ｂ２よりも更に深い。なお、溝部４１ｂは、軸方向において、一定の幅を有している。ここでいう「幅」とは、溝部４１ｂが、円筒面である周面４１ａと交差して形成される一対の直線の間の距離である。したがって、第１段部４１ｂ１の幅と、第２段部４１ｂ２の幅と、第３段部４１ｂ３の幅とは、いずれも等しくなっている。

第１段部４１ｂ１と、第２段部４１ｂ２と、第３段部４１ｂ３とでは、幅は等しいが深さが異なることにより、収容量が違っている。このように、ローラ４１の各溝部４１ｂにおいて、軸方向の中央部（第３段部４１ｂ３）における収容量は、軸方向の端部（第１段部４１ｂ１）における収容量よりも大きくなっている。言い換えれば、ローラ４１の各溝部４１ｂにおいて、収容量は、軸方向の端部から中央部に向かうにつれて大きくなっている。各溝部４１ｂの底面は、上記のように段階的に変化するように形成されている。

以上説明した本実施形態の粉末供給装置４０によれば、ローラ４１と壁面４３ａとの間の空間に貯留された粉末Ａは、ローラ４１が回転することによって落下する。ローラ４１の周面４１ａに形成された溝部４１ｂの容量は、軸方向において、一定ではなく変化している。よって、落下する粉末Ａの量すなわち供給量を、軸方向において変化させることができる。したがって、軸方向において粉末Ａの供給量に分布を持たせることができる。その結果として、たとえば、造形面Ｓの形状が単純な矩形ではない形状である場合に、造形面Ｓの形状に応じた適切な供給量をもって粉末Ａを供給することができ、余剰粉末の発生を抑えることができる。すなわち、粉末供給装置４０では、Ｘ方向（塗布方向）における造形面の寸法に応じて、その領域に対応する溝の容量および粉末落下量が調節されている。たとえば、Ｘ方向（塗布方向）における造形面の寸法が大きいほど、その領域に対応する粉末落下量も大きくなっている。

また、以下の種々の効果が奏される。第一に、粉末Ａのリサイクル性、すなわちリサイクル効率の向上が図られる。粉末Ａのリサイクル効率とは、たとえば、「造形に使用した粉末」を「準備に必要な粉末」で除した値である。「準備に必要な粉末」は、「造形に使用した粉末」と「想定される余剰粉末量」との和であるため、余剰粉末が減少することで、「準備に必要な粉末」が減少し、粉末のリサイクル効率が向上する。第二に、粉末Ａの品質劣化が抑制される。粉末Ａの塗布動作の際、粉末Ａが造形面Ｓの上を通過するため、余剰粉末は瞬間的に熱される。そのため余剰粉末は、ホッパ３４内の粉末と比較して、品質の劣化を招きやすい。よって、本実施形態のように余剰粉末を減少させることは、粉末の品質劣化を抑制するという点で有効である。第三に、装置の小型化を図ることができる。余剰粉末が減少することで、粉末Ａの供給量および回収量の双方を低減できる。よって、ホッパ３４や回収タンク３８の小型化が図られる。

溝部４１ｂにおいて、軸方向の中央部における容量が、軸方向の端部における容量よりも大きい。造形面Ｓの形状が、たとえば円形等である場合には、軸方向の端部よりも中央部において、より多くの粉末Ａが供給されることが望ましい。この態様によれば、造形面の形状に応じた適切な供給量をもって粉末を供給することができる（図３に示される堆積粉末Ａａ参照）。なお、造形面Ｓが円形の場合に限られず、軸方向の端部ほど、塗布機構の移動方向（Ｘ方向）の長さすなわち幅が小さい形状であれば、この態様は有利である。

溝部４１ｂにおける容量が、軸方向の端部から中央部に向かうにつれて大きくなっているので、特に円形の造形面Ｓに対して、適切な供給量をもって粉末を供給することができる（図３参照）。

溝部４１ｂの底面は、段階的に変化するように形成されているので、ローラ４１の加工・製造が容易である。

本実施形態の三次元積層造形装置１によれば、作業台３９の上面３９ａに向けて落下させられる粉末Ａの供給量に、分布を持たせることができる。よって、造形面Ｓの形状に応じた適切な供給量をもって粉末を供給することができ、余剰粉末の発生を抑えることができる。その結果として、三次元積層造形において、上記した通り、粉末Ａのリサイクル性の向上、粉末Ａの品質劣化抑制、および装置の小型化等の効果が奏される。

図５を参照して、他の実施形態に係る粉末供給装置４０Ａについて説明する。図５に示される粉末供給装置４０Ａが図２に示される粉末供給装置４０と違う点は、壁面４３ａを有する前壁部４３に代えて、ローラ４１Ａが、側壁部４７および側壁部４７の下端に接続された底壁部４９に対面し、これらの壁部との間に隙間Ｇを有する構成とされた点である。粉末供給装置４０は、前壁部４３による密閉構造であったが、粉末供給装置４０Ａでは、上りの傾斜面である底壁部４９の壁面４９ａ（スロープ）からのかき揚げ構造が採用されている。なお、ローラ４１Ａは、上記実施形態のローラ４１と変わらず、同一である。なお、図５において、孔部３９ｂおよび造形タンク３６の図示は省略されている。

ローラ４１Ａは、側壁部４７の壁面４７ａおよび底壁部４９の壁面４９ａに、所定の隙間Ｇをもって対面する。ローラ４１Ａは、ローラ４１Ａと側壁部４７との間の空間に貯留された粉末Ａを溝部４１ｂ内に収容すると同時に、隙間Ｇ内に誘導し、溝部４１ｂが壁面４７ａから壁面４９ａに移動する方向に回転する。ローラ４１Ａは、その回転により、溝部４１ｂ内の粉末Ａおよび隙間Ｇ内の粉末Ａを回転方向に移動させ、溝部４１ｂが底壁部４９の先端部４９ｂから離れた際に、先端部４９ｂから粉末Ａを落下させる。底壁部４９の先端部４９ｂのやや上に、粉末供給装置４０Ａにおいて粉末Ａを落下させるための落下口４６Ａが形成されている。なお、ローラ４１Ａの上方には、粉末Ａを壁面４７ａ向けて案内する斜面４８ａを含む案内ブロック４８が設けられている。

粉末供給装置４０Ａでは、回転軸線Ｌのやや下に、粉末Ａを落下させるための落下口４６Ａが形成されている。すなわち、落下口４６Ａは、ローラ４１Ａの回転軸線Ｌの側方に形成されている。落下口４６Ａは、たとえば回転軸線Ｌより低くローラ４１Ａの下端より高い位置に形成されている。回転軸線Ｌの側方に形成された落下口４６Ａは、粉末供給装置４０Ａに、造形面Ｓに近い場所に粉末Ａを供給させることを可能とする。よって、作業台３９上の余剰粉末を最小にできる。

この粉末供給装置４０Ａによっても、粉末供給装置４０と同様の作用・効果が奏される。粉末供給装置４０Ａは、摩耗部品がない供給機構である点で、有利である。

以上、本開示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、造形タンク３６の形状は、円筒状に限定されず、断面矩形または断面多角形の角筒状であってもよい。プレート３１の形状は、円形に限定されず、矩形または多角形であってもよい。塗布機構３３（またはリコータ）の構成は、上記で説明した構成に限られない。塗布機構３３は、たとえば、板状であってもよいし、ローラ部、棒状部材、または刷毛部などを備える構成であってもよい。

溝部４１ｂにおける容量の変化は、上記した構成に限られず、別の変化のつけ方であってもよい。造形面Ｓが特殊な形状の場合に、軸方向の中央部における容量が、軸方向の端部における容量よりも小さくなるように溝部４１ｂが構成されてもよい。

複数の溝部４１ｂのうち、一部の溝部４１ｂのみに対して、軸方向の容量の変化が設けられてもよい。たとえば、隣り合う２本の溝部４１ｂのうちの一方のみに、軸方向の容量の変化が設けられてもよい。複数の溝部４１ｂのうち、１本の溝部４１ｂのみに対して、軸方向の容量の変化が設けられてもよい。

溝部４１ｂにおける容量の変化のつけ方は、底面を段階的に変化させる構成に限られず、底面をなだらかに（連続的に）傾斜させる構成であってもよい。

三次元積層造形装置が、軸方向の容量を変更自在な変更手段を備えてもよい。たとえば、スペーサ又はそれに似た部材（詰め物）が溝に嵌っており、その詰め物が軸方向の任意の位置で固定されるように構成されてもよい。１つのローラに対して、詰め物の位置が変更されることができるように構成されてもよい。

また、スペーサ（詰め物）が溝の軸方向の全域に嵌められた構成は、溝の容量を変更することを可能とする。これにより、一回転当たりの粉末供給量が変わる。その結果、供給精度を変更することができる。さらには、たとえば、溝の容量を小さくすることで、より高精度な粉末供給が可能となる。溝の容量を大きくすることで、より高速な粉末供給が可能となる。

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は、粉末Ａを落下させて供給するあらゆる形式の造形装置に適用可能である。

また、本発明が適用され得る造形装置は、粉末床溶融結合方式の造形装置に限定されない。本発明は、たとえば、バインダー（結合剤）を粉末床に噴射することで粉末を選択的に結合させる結合剤噴射方式の造形装置にも適用可能である。また別の観点では、本発明は、あらゆるパウダーベッド方式の積層造形装置に適用可能である。どのような種類の粉末や熱源が採用されるパウダーベッド方式の積層造形装置に対しても、本発明は適用可能である。本発明は、粉末を焼結させる方式にも適用可能である。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。

本開示のいくつかの態様によれば、軸方向において粉末の供給量に分布を持たせることができる。その結果として、造形面の形状に応じた適切な供給量をもって粉末を供給することができ、余剰粉末の発生を抑えることができる。

１ 三次元積層造形装置
３ 造形部
１０ 昇降装置
３１ プレート
３３ 塗布機構
３４ ホッパ
３６ 造形タンク
３８ 回収タンク
３９ 作業台
３９ａ 上面
３９ｂ 孔部
４０ 粉末供給装置
４１、４１Ａ ローラ
４１ａ 周面
４１ｂ 溝部
４３ 前壁部
４３ａ 壁面
４６、４６Ａ 落下口
４７ 側壁部
４７ａ 壁面
４９ 底壁部
４９ａ 壁面
Ａ 粉末
Ａａ 堆積粉末
Ｌ 回転軸線
Ｓ 造形面

Claims (8)

1. 粉末を収容するホッパと、
   前記ホッパの下方に設けられ、回転軸線の周りに回転可能である円筒状のローラと、
   前記ローラの周面に対面し、前記ローラとの間の空間に前記粉末を貯留する壁面と、を備え、
   前記ローラが回転することにより、前記ローラと前記壁面との間に貯留された前記粉末を前記ローラの回転方向に移動させて落下させるように構成されており、
   前記ローラの前記周面には、軸方向に延びる複数の溝部が形成されており、
   前記複数の溝部のうち少なくとも１つの溝部は、前記粉末を収容できる容量が前記軸方向において変化するように形成されると共に、前記少なくとも１つの溝部には、軸方向における前記容量を変更自在な変更手段が設けられている、粉末供給装置。
2. 前記変更手段は、前記少なくとも１つの溝部に嵌め込まれて前記軸方向の任意の位置で固定可能な詰め物からなる、請求項１に記載の粉末供給装置。
3. 前記変更手段は、前記少なくとも１つの溝部に嵌め込まれて前記軸方向の位置を変更可能とされた詰め物からなる、請求項１に記載の粉末供給装置。
4. 前記少なくとも１つの溝部において、前記軸方向の中央部における前記容量は、前記軸方向の端部における前記容量よりも大きい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の粉末供給装置。
5. 前記少なくとも１つの溝部において、前記容量は、前記軸方向の前記端部から前記中央部に向かうにつれて大きくなっている、請求項４に記載の粉末供給装置。
6. 前記少なくとも１つの溝部の底面は、段階的に変化するように形成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の粉末供給装置。
7. 前記粉末を落下させるための落下口であって、前記ローラの前記回転軸線の側方に形成された前記落下口を更に備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の粉末供給装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の粉末供給装置と、
   前記ローラの下方に設けられ、前記粉末が載る上面を有する作業台と、
   前記作業台の側方において上方に向けて露出する造形面と、
   前記作業台の前記上面上から前記造形面上に向けて移動可能な塗布機構と、
   前記塗布機構によって前記造形面上に供給された粉末に向けてビームを照射するビーム出射部と、を備える三次元積層造形装置。

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