JP6993492B1 - 積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡易な構成で材料の回収と補充を行える積層造形装置を提供する。【解決手段】チャンバ１１と、チャンバ１１内に設けられ、所定厚みの材料層を形成する材料層形成装置と、チャンバ１１に所定濃度の不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置２１と、チャンバ１１から排出された材料を回収し、材料層形成装置に材料を補充可能に構成された材料供給ユニット５と、を備え、材料供給ユニット５は、材料を貯蔵する材料タンク５２と、チャンバ１１および材料タンク５２から排出される材料を材料の搬送経路の最高位まで輸送する輸送装置５３と、輸送装置５３よりも下方、チャンバ１１よりも上方に設けられ、輸送装置５３から送られた材料から夾雑物を除去した上で下方に排出し、材料層形成装置へ材料を補充する篩５５と、を含む、積層造形装置が提供される。【選択図】図７

Description

本発明は、積層造形装置に関する。

三次元造形物の積層造形法としては種々の方式が知られている。例えば、粉末床溶融結合を実施する積層造形装置は、チャンバ内において粉末の材料を均して材料層を形成し、レーザ光や電子ビームを照射して材料層を焼結または溶融させ固化層を形成する。材料層の形成と固化層の形成が繰り返されて複数の固化層が積層され、所望の三次元造形物が製造される。なお、造形中または造形後に、積層造形装置内で固化層に対して切削加工が行われてもよい。

チャンバ内に供給された材料が全て固化される訳ではないので、チャンバ内には未固化の余剰材料が蓄積される。造形に係るコストを削減するためには、この余剰材料を回収して再利用することが望ましい。一方で、チャンバ内の余剰材料には、固化層発生時に飛散したスパッタや切削加工時に発生した切削屑等の夾雑物が混入するので、そのまま再利用することは好ましくない。

特許文献１は、チャンバから回収した余剰材料をふるいにかけ、夾雑物を除去した上で再利用する積層造形装置を開示している。より具体的には、チャンバから排出された余剰材料は、材料回収用搬送装置によって搬送されて、ふるい装置である不純物除去装置に上方から投下され、夾雑物が除去される。そして、不純物除去装置の下方に排出された余剰材料は、材料供給用搬送装置によってチャンバの上方に設けられた材料補充部に送られ、適宜リコータヘッドに再供給される。

特許６１３２９６２号公報

チャンバから余剰材料を回収して、篩によって夾雑物を除去して再利用する従来の積層造形装置においては、篩の上方に余剰材料を送る第１の輸送装置と、篩から余剰材料をチャンバ上方に送る第２の輸送装置が必要であった。そのため、装置のコストが高くなるとともに、材料換え時の清掃等のメンテナンスが比較的手間であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、より簡易な構成で材料の回収と補充を行える積層造形装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、チャンバと、チャンバ内に設けられ、所定厚みの材料層を形成する材料層形成装置と、チャンバに所定濃度の不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置と、チャンバから排出された材料を回収し、材料層形成装置に材料を補充可能に構成された材料供給ユニットと、を備え、材料供給ユニットは、材料を貯蔵する材料タンクと、チャンバおよび材料タンクから排出される材料を材料の搬送経路の最高位まで輸送する輸送装置と、輸送装置よりも下方、チャンバよりも上方に設けられ、輸送装置から送られた材料から夾雑物を除去した上で下方に排出し、材料層形成装置へ材料を補充する篩と、移動可能に構成された筐体と、を含み、筐体は、材料タンク、輸送装置および篩を収容する、積層造形装置が提供される。

本発明に係る積層造形装置においては、チャンバの上方に篩が配置され、輸送装置が材料を材料の搬送経路の最高位まで輸送して篩に送る。１つの輸送装置で材料を輸送することができるので、装置のコストが抑えられ、また装置を比較的簡易な構成とすることができる。

積層造形装置の正面図である。 積層造形装置本体の概略構成図である。 リコータヘッドを上方から見た斜視図である。 リコータヘッドを下方から見た斜視図である。 照射装置の概略構成図である。 材料供給ユニットの斜視図である。 材料供給ユニットの概略構成図である。 輸送装置の側面図である。 輸送装置の断面図である。 篩および接続部材の斜視図である。 篩および接続部材の断面図である。 接続部材、案内部材およびリコータヘッドの斜視図である。 接続部材、案内部材およびリコータヘッドの断面図である。 チャンバ側方における案内部材の周辺図である。 案内部材の斜視図である。 材料排出を行っている時の案内部材の断面部である。 材料排出を行っていない時の案内部材の断面部である。 積層造形中の材料補充動作の一例を示すフローチャートである。 積層造形後の材料回収動作の一例を示すフローチャートである。

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。なお、各図面において、ホースやパイプ等の配管類は、適宜図示省略されていることがある。

図１および図２に示されるように、本実施形態の積層造形装置１は、積層造形装置本体１０と、不活性ガス供給装置２１と、ヒュームコレクタ２３と、材料供給ユニット５と、を備える。

積層造形装置本体１０は、材料層８３の形成と固化層８５の形成を繰り返して所望の三次元造形物を製造する。積層造形装置本体１０は、チャンバ１１と、案内部材３７と、材料層形成装置３と、照射装置４と、制御装置７と、を備える。

チャンバ１１は、実質的に密閉されるように構成され、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を覆う。チャンバ１１内は、所定濃度の不活性ガスが充満される。

材料層形成装置３はチャンバ１１内に設けられ、所定厚みの材料層８３を形成する。材料層形成装置３は、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。造形領域Ｒには造形テーブル１４が配置され、造形テーブル１４は造形テーブル駆動装置１５によって鉛直方向に移動可能に構成される。造形時には、造形テーブル１４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が形成される。

ベース台３１には造形領域Ｒを挟んで一対の排出開口３１１，３１３が形成されており、排出開口３１１，３１３の下方にはそれぞれ第１の排出シュート１６および第２の排出シュート１７が設けられている。排出開口３１１，３１３から落下した余剰材料は、一旦第１の排出シュート１６および第２の排出シュート１７にそれぞれ貯留される。

図３および図４に示されるように、リコータヘッド３３は、材料収容部３３１と、材料供給口３３３と、材料排出口３３５と、を含む。材料収容部３３１は、材料を貯留する。本実施形態においては、材料は、例えば金属の粉体である。材料供給口３３３は、材料収容部の上面に設けられ、材料収容部３３１に供給される材料の受口となる。材料供給ユニット５から送られた材料は、案内部材３７を介して、材料供給口３３３に投下される。材料排出口３３５は、材料収容部３３１の底面に設けられ、材料収容部３３１内の材料を排出する。材料排出口３３５は、リコータヘッド３３の移動方向に直交する水平方向に延びるスリット形状を有する。リコータヘッド３３の側面には、材料を均して材料層８３を形成するブレード３５が設けられる。リコータヘッド３３は、材料収容部３３１内に収容した材料を材料排出口３３５から排出しながら造形領域Ｒ上を水平方向に往復移動する。このとき、ブレード３５は排出された材料を平坦化して材料層８３を形成する。

なお、リコータヘッド３３の移動に伴い、ベース台３１上に撒布された余剰材料はブレード３５によって押し出され、排出開口３１１，３１３から排出される。また、材料収容部３３１内の材料を空にしたいときは、リコータヘッド３３は排出開口３１１，３１３上に移動される。

チャンバ１１内には、材料を吸引可能に構成された吸引ノズル１８が配置されている。本実施形態では、チャンバ１１には不図示のグローブボックスが設けられており、オペレータはグローブボックスを介して吸引ノズル１８をチャンバ１１内の任意の位置に移動させることができる。吸引ノズル１８を介して、チャンバ１１内の余剰材料をチャンバ１１外に回収することが可能である。主に造形テーブル１４やベース台３１上の未固化の材料が吸引ノズル１８によって回収される。

チャンバ１１は、造形領域Ｒが存在し積層造形を行う造形室１１ａと、案内部材３７が配置され案内部材３７からリコータヘッド３３へ材料の供給を行う補充室１１ｃと、を有する。造形室１１ａと補充室１１ｃとは連通しており、リコータヘッド３３は造形室１１ａと補充室１１ｃとを行き来可能である。

照射装置４は、チャンバ１１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５に示されるように、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４７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４７は、一対のガルバノミラー４７ｘ，４７ｙと、ガルバノミラー４７ｘ，４７ｙ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４７ｘ，４７ｙは、制御装置７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４７ｘ，４７ｙを通過したレーザ光Ｌは、チャンバ１１の天板１１ｂに設けられたウインドウ１２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１２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１２は石英ガラスで構成可能である。

チャンバ１１の天板１１ｂには、ウインドウ１２を覆うように汚染防止装置１３が設けられる。汚染防止装置１３は、円筒状の筐体と、筐体内に配置された円筒状の拡散部材を含む。筐体と拡散部材の間に不活性ガス供給空間が設けられる。また、拡散部材の内側の筐体の底面には、開口部が設けられる。拡散部材には多数の細孔が設けられており、不活性ガス供給空間に供給された清浄な不活性ガスは細孔を通じて清浄室に充満される。そして、清浄室に充満された清浄な不活性ガスは、開口部を通じて汚染防止装置１３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１２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。

制御装置７は、積層造形装置本体１０の造形テーブル１４、材料層形成装置３および照射装置４、不活性ガス供給装置２１、ヒュームコレクタ２３ならびに材料供給ユニット５を制御する。制御装置７は、演算装置と、メモリと、ストレージと、キーボードやタッチパネル等からの入力や外部記憶媒体を読み込む入力装置７１と、操作画面や各種パラメータを表示する表示装置７３と、を含む。

積層造形装置本体１０は、エンドミル等の回転切削工具やバイト等の形削工具を有する切削装置を備えていてもよい。切削装置は、所定数の固化層８５が形成される度に、固化層８５に対して切削を行ってもよい。また、切削装置は、固化層８５の上面にスパッタが付着して生じた突起を切削除去してもよい。また、切削装置は、積層造形の完了後に、固化層８５に対して切削を行い２次加工のための基準面を形成してもよい。

不活性ガス供給装置２１は、チャンバ１１に所定濃度の不活性ガスを供給する。不活性ガス供給装置２１は、例えば、空気から不活性ガスを生成する不活性ガス生成装置、または不活性ガスが貯留されるガスボンベである。本実施形態においては、不活性ガス供給装置２１は、例えば、ＰＳＡ式窒素発生装置または膜分離式窒素発生装置である。好ましくは、不活性ガス供給装置２１はチャンバ１１に加えて材料供給ユニット５にも不活性ガスを供給するよう構成される。また、好ましくは、不活性ガス供給装置２１は、不活性ガスの供給量を切り換え可能に構成される。なお、本発明において、不活性ガスとは、材料層８３や固化層８５と実質的に反応しないガスをいい、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。

ヒュームコレクタ２３は、チャンバ１１から排出された不活性ガスからヒュームを除去した上で、チャンバ１１内に返送する。ヒュームコレクタ２３は、例えば、電気集塵機またはフィルタである。

材料供給ユニット５は、チャンバ１１から排出された材料を回収し、材料層形成装置３に材料を補充する。図６および図７に示されるように、材料供給ユニット５は、筐体５１と、材料タンク５２と、輸送装置５３と、第１の切換弁５４と、篩５５と、第２の切換弁５６と、接続部材５７と、を含む。なお、図７においては、材料の流れを実線矢印で、気体の流れを破線矢印で示している。また、図７においては図示省略されているが、材料供給ユニット５の各部は、コネクタ６３１を介して電気的に制御装置７と接続されている。

積層造形装置１の材料として複数種類の材料を使用する場合、材料毎に材料供給ユニット５を用意し、材料毎に材料供給ユニット５を交換することが望ましい。このようにすれば、材料換えに伴う清掃が積層造形装置本体１０側のみで行われればよいので、比較的短時間で手間をかけずに材料の変更を行うことができる。

筐体５１は、キャスター５１１により移動可能に構成されており、材料タンク５２と、輸送装置５３と、第１の切換弁５４と、篩５５と、第２の切換弁５６と、接続部材５７と、を収容している。

材料タンク５２は、積層造形に使用する材料を貯蔵している。材料タンク５２に材料を補充するにあたっては、例えば、材料が貯留された材料ボトル５２１を材料タンク５２に接続して材料の補充を行う。材料ボトル５２１には開閉弁５２１ａが設けられており、材料タンク５２への接続後に開閉弁５２１ａを開くことで、材料が曝露することなく材料の補充を行うことができる。材料タンク５２と輸送装置５３は、例えばバタフライ弁であるバルブ６４１を介して接続される。

なお、材料の変質を防止するため、材料供給ユニット５内の材料の輸送経路には、不活性ガスが充満されることが望ましい。本実施形態では、不活性ガス供給装置２１はカプラ６２１を介して材料タンク５２とも接続され、チャンバ１１に加えて材料タンク５２にも不活性ガスを供給している。また、カプラ６２２を介してチャンバ１１と材料タンク５２とに接続される第１のバイパス６５１と、材料タンク５２と材料タンク５２および輸送装置５３の間の配管とに接続される第２のバイパス６５２と、が設けられることが望ましい。第１のバイパス６５１および第２のバイパス６５２は、不活性ガスが流通可能な管路である。このような構成によれば、チャンバ１１と、材料タンク５２と、材料タンク５２および輸送装置５３の間の配管との間が均圧化されるので、材料輸送が好適に行える。

輸送装置５３は、チャンバ１１および材料タンク５２から排出される材料を、材料の輸送経路の最高位まで輸送する。図８および図９に示されるように、輸送装置５３は、例えば、バキュームコンベア５３１と、エジェクタ５３３と、を有する。第１の排出シュート１６と輸送装置５３、第２の排出シュート１７と輸送装置５３、吸引ノズル１８と輸送装置５３は、それぞれ、例えばヘルール６１１，６１２，６１３と、例えばバタフライ弁であるバルブ６４２，６４３，６４４を介して接続される。

バキュームコンベア５３１は、密閉された真空容器５３１ａを有し、真空容器５３１ａの上部には供給管５３１ｂおよび排気管５３１ｃが設けられ、真空容器５３１ａの下端には排出口５３１ｅが形成されている。供給管５３１ｂは、チャンバ１１および材料タンク５２と接続される。より具体的には、供給管５３１ｂは、材料タンク５２、第１の排出シュート１６、第２の排出シュート１７および吸引ノズル１８と接続され、真空容器５３１ａに発生した負圧により、材料を吸い上げて真空容器５３１ａに送る。排気管５３１ｃはエジェクタ５３３と接続され、真空容器５３１ａの気体をエジェクタ５３３へと排出する。排気管５３１ｃにはフィルタ５３１ｄが取り付けられ、材料がエジェクタ５３３に吸い上げられることが防止されている。真空容器５３１ａに送られた材料は排出口５３１ｅから排出され、第１の切換弁５４へと送られる。排出口５３１ｅは、アクチュエータ５３１ｇにより回動する底蓋５３１ｆにより開閉可能に構成される。材料の輸送時に排出口５３１ｅを閉じ、真空容器５３１ａを密閉することで、より効率よく材料の輸送が行える。底蓋５３１ｆの当接面にはパッキン等のシール部材が設けられていることが好ましい。

エジェクタ５３３は、ベンチュリ効果により負圧を発生させる装置である。具体的に、エジェクタ５３３は、供給ポート５３３ａと、排気ポート５３３ｂと、吸気ポート５３３ｃと、を有する。供給ポート５３３ａは、カプラ６２３を介してエアコンプレッサ等の圧縮流体源２５と接続され、供給ポート５３３ａには圧縮流体が送られる。排気ポート５３３ｂは、供給ポート５３３ａに送られた圧縮流体と、吸気ポート５３３ｃから吸引した真空容器５３１ａ内の気体とを、装置外部へと排出する。吸気ポート５３３ｃは、供給ポート５３３ａおよび排気ポート５３３ｂを接続する管路と、バキュームコンベア５３１の排気管５３１ｃと、に接続され、エジェクタ５３３内に発生した負圧により真空容器５３１ａ内の気体を吸引する。

以上に説明した輸送装置５３の構成はあくまで一例であり、回収した材料を、材料の輸送経路の最高位まで輸送することが可能な装置であれば他の構成が採用されてもよい。例えば、エジェクタ５３３に代えて真空ポンプにより負圧を発生させてもよい。

なお、材料供給ユニット５によりチャンバ１１内の材料を回収する際、チャンバ１１内に充満する不活性ガスごと材料が輸送される。そのため、材料の回収によりチャンバ１１内の酸素濃度が低下しないよう、材料回収時はチャンバ１１への不活性ガスの供給量を増加させることが望ましい。本実施形態では、不活性ガス供給装置２１は不活性ガスの供給量を切り換え可能に構成され、輸送装置５３が動作するときチャンバ１１に供給する不活性ガスの流量を増加させる。具体的には、不活性ガス供給装置２１は、通常時は５０Ｌ／ｍｉｎの窒素ガスを供給し、輸送装置５３の動作時は８０Ｌ／ｍｉｎの窒素ガスを供給するよう構成される。

好ましくは、第１の切換弁５４が、輸送装置５３と篩５５との間に設けられる。第１の切換弁５４は、必要に応じて、輸送装置５３から投下される材料の排出先を、篩５５および材料タンク５２のいずれか一方に選択的に切り換える。本実施形態では、第１の切換弁５４は電動制御可能に構成され、制御装置７からの指示に応じて材料の排出先を切り換える。

篩５５は、輸送装置５３よりも下方、チャンバ１１よりも上方に設けられる。本実施形態では、篩５５は、第１の切換弁５４と第２の切換弁５６との間に設けられる。本実施形態の篩５５は、具体的には超音波篩であり、図１０および図１１に示されるように、フィルタケース５５１と、メッシュフィルタ５５３と、振動素子５５５と、を有する。フィルタケース５５１は、メッシュフィルタ５５３を保持する。メッシュフィルタ５５３は、上に投下された材料を分級し、夾雑物を除去した上で材料を下方に排出する。メッシュフィルタ５５３は、振動素子５５５により所定の周波数で振動される。メッシュフィルタ５５３の振動により、目詰まりが起こりにくく、長期に亘って粉末の分級が可能である。なお、メッシュフィルタ５５３は、材料の上流側すなわち材料の投下側から、材料の下流側に向かって下方に傾斜するように配置されている。このような構成により、メッシュフィルタ５５３により除去された夾雑物がメッシュフィルタ５５３上に残り続けることが抑制され、夾雑物は下流側へと随時送られる。メッシュフィルタ５５３は、ふるいに使用される部分の長さに応じて、適当な角度に設定される。本実施形態のメッシュフィルタ５５３の傾斜角度は、例えば、水平方向に対して１度以上３度以下である。メッシュフィルタ５５３の下流側の端部から落下した夾雑物は、篩５５から排出され、回収容器５５７へと送られる。以上に説明した篩５５の構成はあくまで一例であり、夾雑物を除去可能な装置であればよく、例えば三次元篩が採用されてもよい。

好ましくは、第２の切換弁５６が、篩５５とチャンバ１１との間に設けられる。第２の切換弁５６は、必要に応じて、篩５５から投下される材料の排出先を、材料タンク５２およびチャンバ１１のいずれか一方に選択的に切り換える。本実施形態では、第２の切換弁５６は手動操作可能に構成され、オペレータは必要に応じて材料の排出先を切り換える。なお、第２の切換弁５６を電動制御可能に構成し、制御装置７からの指示に応じて材料の排出先を切り換えるようにしてもよい。

材料供給ユニット５における夾雑物が除去された材料の出口、すなわち、第２の切換弁５６とチャンバ１１との間には、接続部材５７が設けられる。図１２および図１３に示されるように、接続部材５７は、蛇腹５７１と、当接板５７３と、クランプユニット５７５と、付勢部材５７７と、を有する。蛇腹５７１は、伸縮可能で材料が流通可能に構成されており、一端が第２の切換弁５６の下方に、他端が当接板５７３に接続されている。当接板５７３は、積層造形装置本体１０の案内部材３７に押圧され、材料の輸送経路をクローズドにし、材料および不活性ガスの漏出を防止する。当接板５７３の当接面にはパッキン等のシール部材が設けられていることが好ましい。クランプユニット５７５は、例えばトグルクランプであり、当接板５７３を案内部材３７に当接させた状態で固定する。付勢部材５７７は、例えばばねであり、クランプユニット５７５の解除時、当接板５７３を案内部材３７から離隔させ、蛇腹５７１を収縮させる。以上のような接続部材５７であれば、材料の出口における材料供給ユニット５と積層造形装置本体１０との接続が、簡易に行える。

材料供給ユニット５は、他の装置との接続において、ヘルール６１１，６１２，６１３、カプラ６２１，６２２，６２３、コネクタ６３１および接続部材５７を介して接続されている。そのため本積層造形装置１においては、材料供給ユニット５の脱着が容易であり、ひいては材料換えの時間短縮が実現できる。

以上のような構成の材料供給ユニット５によれば、回収した材料を１つの輸送装置５３で材料の搬送経路の最高位まで輸送した後に、重力による自然落下で篩５５に投下してチャンバ１１に返送することができるので、装置を比較的簡易な構成とし、コストを抑えて構成することができる。

材料供給ユニット５から投下される材料は、案内部材３７を介して材料層形成装置３のリコータヘッド３３に補充される。図２および図１４に示されるように、案内部材３７は、補充室１１ｃの天板１１ｄに形成された開口１１ｅに挿通され、補充室１１ｃの天板１１ｄに着脱可能に固定されている。より具体的には、本実施形態では、案内部材３７は造形領域Ｒと排出開口３１１との間において、チャンバ１１の補充室１１ｃの天板１１ｄに固定されている。換言すれば、リコータヘッド３３は、造形領域Ｒと排出開口３１１との間に位置する補充室１１ｃにおいて材料の補充を行う。案内部材３７は、材料替えに伴う清掃時等にチャンバ１１から取り外される。案内部材３７の着脱作業を容易にする上で、案内部材３７は比較的低い位置に設けられることが望ましい。そのため、補充室１１ｃの天板１１ｄは、造形室１１ａの天板１１ｂよりも低い位置に設けられる。

図１２および図１３に示されるように、案内部材３７は、上板３７０と、投入シュート３７１と、シャフト３７３と、ロータリアクチュエータ３７５と、ワイパ３７７と、を有する。

上板３７０は、投入シュート３７１の上端に設けられた、開口１１ｅよりも大きい板である。上板３７０は天板１１ｄと係止して、案内部材３７を補充室１１ｃの上部に位置決めする。上板３７０には、持ち運びを容易にするための把手３７０ａが設けられる。上板３７０は、ノブねじ等の固定部材３７０ｂによって天板１１ｄに固定される。

投入シュート３７１は、上下に開口し材料が流通可能に構成されている。投入シュート３７１は、材料供給ユニット５の接続部材５７から投下された材料をリコータヘッド３３の材料収容部３３１へと案内する。投入シュート３７１は、リコータヘッド３３の材料供給口３３３に沿って水平方向に延びている。

シャフト３７３は、接続部材を介して投入シュート３７１に固定され、投入シュート３７１の下端部を塞ぐよう設けられる。図１５に示されるように、シャフト３７３は、水平方向に延び、軸直交方向に貫通孔３７４が形成されている。シャフト３７３はロータリアクチュエータ３７５によって回転することで、材料排出のオン／オフを切り換える。図１６は材料供給時の状態を示しており、貫通孔３７３が鉛直方向を向くようにシャフト３７３が回転され、材料がリコータヘッド３３に排出される。リコータヘッド３３への材料補充が完了すると、貯留された材料で貫通孔３７３が塞がり、自動的に材料の排出が停止する。その後、図１７に示されるように、貫通孔３７４が水平方向に向くようにシャフト３７３が回転され、投入シュート３７１の下端部が閉鎖される。

ワイパ３７７は、投入シュート３７１の下端部に設けられ、シャフト３７３と摺接する。図１６および図１７に示されるように、本実施形態では、シャフト３７３を挟むように１対のワイパ３７３が設けられる。ワイパ３７７は、投入シュート３７１とシャフト３７３との間から、材料が漏出することを防止する。

このような案内部材３７を介してリコータヘッド３３に材料を投下することで、リコータヘッド３３へ材料を補充したとき、リコータヘッド３３に貯留される材料の量をある程度一定にすることができる。また、材料排出のオン／オフを切り換える排出切換機構として、シャフト３７３およびロータリアクチュエータ３７５が使用されているので、材料排出のオン／オフを切り換える際に材料の噛み込みが発生しにくい。また、リコータヘッド３３に近い位置から材料を投下することができるので、材料が舞い上がることを抑制できる。特に、材料排出のオン／オフを切り換える排出切換機構をシャフト３７３およびロータリアクチュエータ３７５により構成することで、比較的小型に案内部材３７を構成できる。但し、開閉式のシャッタ等、他の排出切換機構が用いられてもよい。

特に、本実施形態の案内部材３７は、リコータヘッド３３に収容される材料を少量に抑えたい場合、特に有効である。リコータヘッド３３に大量の材料が貯留されていると、材料の自重により、材料の吐出量が安定しなくなる。また、リコータヘッド３３に大量の材料が貯留されていると、材料の詰まりが発生しやすくなる。そのため、リコータヘッド３３に収容される材料の量は、少量であることが望ましい。本実施形態においては、材料層８３を１層形成する毎に、材料層８３を１層形成するのに十分な量の材料を、案内部材３７からリコータヘッド３３へ供給している。材料補充直後のリコータヘッド３３の材料の貯留量、すなわち、リコータヘッド３３に貯留される材料の最大量は、材料層８３を１層形成するのに必要な量以上であり、材料層８３を２層形成するのに必要な量未満である。

積層造形装置１の各部には、酸素濃度計が設けられる。例えば、チャンバ１１に接続されたチャンバ酸素濃度計６６１と、ヒュームコレクタ２３に接続されたヒュームコレクタ酸素濃度計６６２が設けられる。本実施形態ではさらに、材料供給ユニット５に接続された材料供給ユニット酸素濃度計６６３が設けられる。アルミニウムやチタン等発火性の高い材料が使用されるとき、材料供給ユニット酸素濃度計６６３を設けることが特に有効である。材料供給ユニット酸素濃度計６６３は、材料供給ユニット５における材料の搬送経路の比較的下流に設けられることが望ましく、本実施形態では具体的に、篩５５のフィルタケース５５１と接続される。酸素濃度の検出位置よりも、検出位置の上流における酸素濃度の方が低いと推定されるので、材料の搬送経路の比較的下流に配置される篩５５に材料供給ユニット酸素濃度計６６３が接続される。以上に説明した酸素濃度計の位置および個数は一例であり、積層造形装置１内の酸素濃度が検出可能な範囲において、任意の酸素濃度計が設けられればよい。例えば、チャンバ酸素濃度計６６１のみが設けられてもよいし、チャンバ酸素濃度計６６１および材料供給ユニット酸素濃度計６６３のみが設けられてもよい。

制御装置７は、各部を制御して、材料補充動作および材料回収動作を含む積層造形に係る制御を行う。特に本実施形態においては、制御装置７は、各酸素濃度計によって検出した酸素濃度の値に基づき、各部を制御する。具体的に、制御装置７は、酸素濃度計によって検出された酸素濃度が所定の閾値を上回ったとき、再び酸素濃度が所定の閾値以下となるまで、照射装置４を停止して固化層８５の形成を行わないようにする。また、制御装置７は、酸素濃度計によって検出された酸素濃度が所定の閾値を上回ったとき、再び酸素濃度が所定の閾値以下となるまで、材料供給ユニット５による材料の回収を行わないようにする。複数の酸素濃度計が設けられる場合は、少なくとも１つの酸素濃度計が所定の閾値を超える酸素濃度を計測したとき、材料の回収を行わないようにする。換言すれば、本実施形態の材料供給ユニット５の輸送装置５３は、チャンバ１１内、ヒュームコレクタ２３内および材料供給ユニット５の酸素濃度が所定の閾値以下のときにのみ動作するように構成される。本実施形態において、酸素濃度の閾値は例えば３％である。このような制御を行うことで、材料の変質が抑制されるとともに、より安全に造形を行うことができる。制御装置７は、ハードウェアとソフトウェアを任意に組み合わせて構成されてよく、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、補助記憶装置、出入力インターフェースを有している。

積層造形装置１の各部には、材料の有無を検出する材料センサが設けられることが望ましい。具体的に、本実施形態では、リコータヘッド３３に材料センサ６７１、案内部材３７に材料センサ６７２、第１の排出シュート１６に材料センサ６７３、第２の排出シュート１７に材料センサ６７４、材料タンク５２に材料センサ６７５，６７６、回収容器５５７に材料センサ６７７が設けられる。各材料センサ６７１，６７２，６７３，６７４，６７５，６７６，６７７は制御装置７と電気的に接続され、検知結果を示す検出信号を制御装置７に送る。材料センサ６７１は、リコータヘッド３３の材料収容部３３１内に十分な量の材料が貯留されているかを検知する。材料センサ６７２は、案内部材３７の投入シュート３７１内に十分な量の材料が貯留されているかを検知する。材料センサ６７３は、第１の排出シュート１６に十分な量の材料が貯留されているかを検知する。材料センサ６７４は、第２の排出シュート１７に十分な量の材料が貯留されているかを検知する。材料センサ６７５，６７６は材料タンク５２の上部および下部にそれぞれ設けられる。材料センサ６７５により、材料が材料タンク５２の上限位置を上回ったことが検知されると、表示装置７３に警告が表示される。材料センサ６７６により、材料が材料タンク５２の下限位置を下回ったことが検知されると、表示装置７３に警告が表示される。材料センサ６７７は、回収容器５５７の上部に設けられる。材料センサ６７７により、材料が回収容器５５７の上限位置を上回ったことが検知されると、表示装置７３に警告が表示される。

ここで、以上説明した積層造形装置１を使用した積層造形方法を説明する。まず、造形テーブル１４上にベースプレート８１が載置され、チャンバ１１内が所定濃度の不活性ガスで満たされる。そして、造形テーブル１４の高さが適切な位置に調整される。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に材料を吐出する。材料はブレード３５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。リコータヘッド３３は、補充室１１ｃへと移動し、案内部材３７を介して材料供給ユニット５からの材料補充を受ける。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が焼結または溶融され、１層目の固化層８５が形成される。続いて、造形テーブル１４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。リコータヘッド３３は、補充室１１ｃへと移動し、案内部材３７を介して材料供給ユニット５からの材料補充を受ける。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。３層目以降においても、同様に材料層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が積層して所望の三次元造形物が形成される。なお、リコータヘッド３３への材料の補充と、固化層８５の形成とは、並行して行われてもよい。

ここで、図１８を参照しながら、積層造形中の材料補充動作の一例を具体的に説明する。所定数の材料層８３、本実施形態では材料層８３を１層形成する毎に、リコータヘッド３３が補充室１１ｃへと移動し、リコータヘッド３３の材料収容部３３１への材料補充動作が開始される。なお、材料センサ６７１が材料収容部３３１内の材料が所定量以下になったことを検出したときに、材料補充動作が開始されるように構成されてもよい。また、所定数の材料層８３を形成する毎に材料補充動作を行う構成であっても、材料層８３の形成中に材料センサ６７１が材料収容部３３１内の材料が所定量以下になったことを検出した場合、材料層８３の形成を中止し、材料補充動作を行った後に材料層８３の形成をやり直すよう構成されてもよい。なお、第１の切換弁５４の材料の排出先は篩５５に設定され、第２の切換弁５６の材料の排出先はチャンバ１１に設定される。

まず、案内部材３７のシャフト３７３を回転させ、投入シュート３７１に貯留されている材料をリコータヘッド３３へと投下する（Ｓ１１）。材料センサ６７１がリコータヘッド３３に十分な量の材料が補充されたことを検知すると、材料補充動作が終了し材料層８３および固化層８５の形成が再開される（Ｓ１２Ｎ）。材料センサ６７２が投入シュート３７１内の材料が略無くなったことを検知してもなお、リコータヘッド３３内の材料が不足している場合（Ｓ１２Ｙ）、チャンバ１１の余剰材料を回収してリコータヘッド３３に補充する動作を行う。

初めに、チャンバ酸素濃度計６６１、ヒュームコレクタ酸素濃度計６６２および材料供給ユニット酸素濃度計６６３により積層造形装置１内の酸素濃度を計測し、酸素濃度が所定の閾値以下になっているかどうかを確認する（Ｓ１３）。酸素濃度が所定の閾値を超えている場合、閾値以下となるまで待機する（Ｓ１４）。

次に、材料センサ６７３により第１の排出シュート１６に材料が貯留されているかを確認し、第１の排出シュートに材料がある場合（Ｓ１５Ｙ）、第１の排出シュート１６からの材料供給を行う（Ｓ１６）。具体的に、バルブ６４２が開き、バルブ６４１，６４３，６４４が閉じた状態で、圧縮流体源２５から輸送装置５３のエジェクタ５３３に圧縮流体が供給される。このとき、不活性ガス供給装置２１の不活性ガスの供給量を増加させることが望ましい。輸送装置５３によって吸い上げられた材料は、第１の切換弁５４、篩５５、第２の切換弁５６、接続部材５７を通り、案内部材３７へと落下する。再度案内部材３７からの材料供給が行われ（Ｓ１１）、リコータヘッド３３に十分な量の材料が補充された場合は材料補充動作が終了する（Ｓ１２Ｎ）。第１の排出シュート１６からの材料供給を行っても依然リコータヘッド３３内の材料が不足している場合（Ｓ１２Ｙ）または第１の排出シュート１６に十分な材料が存在しない場合（Ｓ１５Ｎ）、第２の排出シュート１７からの材料供給を行う。

前述のように積層造形装置１内の酸素濃度が所定の閾値以下になっているかを確認した後、材料センサ６７４により第２の排出シュート１７に材料が貯留されているかを確認し、第２の排出シュートに材料がある場合（Ｓ１７Ｙ）、第２の排出シュート１７からの材料供給を行う（Ｓ１８）。具体的に、バルブ６４３が開き、バルブ６４１，６４２，６４４が閉じた状態で、圧縮流体源２５から輸送装置５３のエジェクタ５３３に圧縮流体が供給される。このとき、不活性ガス供給装置２１の不活性ガスの供給量を増加させることが望ましい。輸送装置５３によって吸い上げられた材料は、第１の切換弁５４、篩５５、第２の切換弁５６、接続部材５７を通り、案内部材３７へと落下する。再度案内部材３７からの材料供給が行われ（Ｓ１１）、リコータヘッド３３に十分な量の材料が補充された場合は材料補充動作が終了する（Ｓ１２Ｎ）。第２の排出シュート１７からの材料供給を行っても依然リコータヘッド３３内の材料が不足している場合（Ｓ１２Ｙ）または第２の排出シュート１７に十分な材料が存在しない場合（Ｓ１７Ｎ）、材料タンク５２からの材料供給を行う。

前述のように積層造形装置１内の酸素濃度が所定の閾値以下になっているかを確認した後、材料タンク５２からの材料供給を行う（Ｓ１９）。具体的に、バルブ６４１が開き、バルブ６４２，６４３，６４４が閉じた状態で、圧縮流体源２５から輸送装置５３のエジェクタ５３３に圧縮流体が供給される。このとき、不活性ガス供給装置２１の不活性ガスの供給量を増加させることが望ましい。輸送装置５３によって吸い上げられた材料は、第１の切換弁５４、篩５５、第２の切換弁５６、接続部材５７を通り、案内部材３７へと落下する。再度案内部材３７からの材料供給が行われ（Ｓ１１）、リコータヘッド３３に十分な量の材料が補充されて、材料補充動作が終了する（Ｓ１２Ｎ）。

以上説明したように、積層造形中は、第１の排出シュート１６および第２の排出シュート１７を介してチャンバ１１から材料を回収するとともに、回収した材料または材料タンク５２に貯蔵されている材料を都度ふるいにかけてからリコータヘッド３３へと供給する。

ここで、図１９を参照しながら、積層造形後の材料回収動作の一例を具体的に説明する。第１の切換弁５４の材料の排出先は材料タンク５２に設定される。また、材料回収動作時も積層造形装置１内の酸素濃度は所定の閾値以下に保たれていることが望ましい。

まず、リコータヘッド３３を排出開口３１１または排出開口３１３の上に移動させ、材料収容部３３１内の材料を第１の排出シュート１６または第２の排出シュート１７に排出する（Ｓ２１）。次に、第１の排出シュート１６からの材料回収が行われる（Ｓ２２）。具体的に、バルブ６４２が開き、バルブ６４１，６４３，６４４が閉じた状態で、圧縮流体源２５から輸送装置５３のエジェクタ５３３に圧縮流体が供給される。第１の排出シュート１６内の材料が輸送装置５３によって吸い上げられ、第１の切換弁５４を通って材料タンク５２へと送られる。続いて、第２の排出シュート１７からの材料回収が行われる（Ｓ２３）。具体的に、バルブ６４３が開き、バルブ６４１，６４２，６４４が閉じた状態で、圧縮流体源２５から輸送装置５３のエジェクタ５３３に圧縮流体が供給される。第２の排出シュート１７の材料が輸送装置５３によって吸い上げられ、第１の切換弁５４を通って材料タンク５２へと送られる。そして、吸引ノズル１８からの材料回収が行われる（Ｓ２４）。具体的に、オペレータはグローブボックスを介して吸引ノズル１８をチャンバ１１内の所望の位置に移動させる。この状態で、バルブ６４４が開き、バルブ６４１，６４２，６４３が閉じた状態で、圧縮流体源２５から輸送装置５３のエジェクタ５３３に圧縮流体が供給される。吸引ノズル１８から材料が輸送装置５３によって吸い上げられ、第１の切換弁５４を通って材料タンク５２へと送られる。

以上説明したように、積層造形後は、第１の排出シュート１６、第２の排出シュート１７および吸引ノズル１８を介してチャンバ１１から材料を回収する。積層造形後に回収する材料は一般的に量が多いため、篩５５により夾雑物を除去するには比較的時間がかかる。そこで、本実施形態では、回収した材料をふるいにかけずに直接材料タンク５２へと送っている。本実施形態の材料供給ユニット５においては、材料タンク５２よりも輸送経路の下流側に篩５５が配置される。そのため、積層造形時に材料タンク５２から夾雑物の混ざった材料が排出されたとしても、夾雑物が除去された上でリコータヘッド３３へと送られる。但し、第１の切換弁５４の材料の排出先を篩５５に設定するとともに、第２の切換弁５６の材料の排出先を材料タンク５２に設定し、回収した材料をふるいにかけてから材料タンク５２へと送ってもよい。

以上に説明した材料補充動作および材料回収動作はあくまで一例であり、各工程の順番を入れ替えてもよいし、必要に応じて適宜流路を切り換えてもよい。また、第１の切換弁５４の材料の排出先を篩５５に設定するとともに、第２の切換弁５６の材料の排出先を材料タンク５２に設定した上で材料の輸送を行い、第２の切換弁５６と材料タンク５２を接続するヘルール６１４を外す等して、第２の切換弁５６から排出された材料を手作業で材料ボトル等に戻してもよい。

１ 積層造形装置
３ 材料層形成装置
５ 材料供給ユニット
１１ チャンバ
２１ 不活性ガス供給装置
３１ ベース台
３３ リコータヘッド
３５ ブレード
３７ 案内部材
５１ 筐体
５２ 材料タンク
５３ 輸送装置
５４ 第１の切換弁
５５ 篩
５６ 第２の切換弁
５７ 接続部材
８３ 材料層
３３１ 材料収容部
３３３ 材料供給口
３３５ 材料排出口
３７１ 投入シュート
３７３ シャフト
３７４ 貫通孔
３７５ ロータリアクチュエータ
５３１ バキュームコンベア
５３１ａ 真空容器
５３１ｂ 供給管
５３１ｃ 排気管
５３１ｅ 排出口
５３１ｆ 底蓋
５３３ エジェクタ
５３３ａ 供給ポート
５３３ｂ 排気ポート
５３３ｃ 吸気ポート
５５３ メッシュフィルタ
５５５ 振動素子
５７１ 蛇腹
５７３ 当接板
５７５ クランプユニット
６５１ 第１のバイパス
６５２ 第２のバイパス
６６１ チャンバ酸素濃度計
６６３ 材料供給ユニット酸素濃度計
Ｌ レーザ光
Ｒ 造形領域

Claims (16)

1. チャンバと、
   前記チャンバ内に設けられ、所定厚みの材料層を形成する材料層形成装置と、
   前記チャンバに所定濃度の不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置と、
   前記チャンバから排出された材料を回収し、前記材料層形成装置に前記材料を補充可能に構成された材料供給ユニットと、を備え、
   前記材料供給ユニットは、
   前記材料を貯蔵する材料タンクと、
   前記チャンバおよび前記材料タンクから排出される前記材料を前記材料の搬送経路の最高位まで輸送する輸送装置と、
   前記輸送装置よりも下方、前記チャンバよりも上方に設けられ、前記輸送装置から送られた前記材料から夾雑物を除去した上で下方に排出し、前記材料層形成装置へ前記材料を補充する篩と、
   移動可能に構成された筐体と、を含み、
   前記筐体は、前記材料タンク、前記輸送装置および前記篩を収容する、積層造形装置。
2. 前記材料層形成装置は、
   所望の三次元造形物が形成される造形領域を有するベース台と、
   前記ベース台上を水平方向に移動するリコータヘッドと、
   前記リコータヘッドに取り付けられ前記材料を均して前記材料層を形成するブレードと、を含み、
   前記リコータヘッドは、
   前記材料を貯留する材料収容部と、
   前記材料収容部の上面に設けられ、前記材料収容部に供給される前記材料の受け口となる材料供給口と、
   前記材料収容部の底面に設けられ、前記材料を前記造形領域に排出する材料排出口と、を有する、請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記チャンバに設けられ、前記材料供給ユニットから排出された前記材料を前記材料層形成装置に案内する案内部材をさらに備える、請求項１または請求項２に記載の積層造形装置。
4. 前記案内部材は、
   上下に開口し前記材料が流通可能に構成された投入シュートと、
   前記投入シュートの下端部を塞ぐよう設けられ、水平方向に延び、軸直交方向に貫通孔が形成されたシャフトと、
   前記シャフトを回転させるロータリアクチュエータと、を含み、
   前記シャフトが回転することで前記案内部材からの材料排出のオン／オフが切り換えられる、請求項３に記載の積層造形装置。
5. 前記材料供給ユニットは、前記材料供給ユニットにおける前記チャンバへの材料出口に設けられた接続部材をさらに含み、
   前記接続部材は、
   伸縮可能で前記材料が流通可能に構成された蛇腹と、
   前記蛇腹の下端に接続され、前記案内部材に押圧される当接板と、
   前記当接板を前記案内部材に当接させた状態で固定するクランプユニットと、を有する、請求項３または請求項４に記載の積層造形装置。
6. 前記不活性ガス供給装置は、前記不活性ガスの供給量を切り換え可能に構成され、前記輸送装置が動作するとき前記チャンバに供給する前記不活性ガスの流量を増加させる、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。
7. 前記不活性ガス供給装置は、前記材料タンクにも前記不活性ガスを供給する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の積層造形装置。
8. 前記チャンバと前記材料タンクとに接続され、前記不活性ガスが流通可能な第１のバイパスと、
   前記材料タンクと前記材料タンクおよび前記輸送装置の間の配管とに接続され、前記不活性ガスが流通可能な第２のバイパスと、をさらに備える、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。
9. 前記輸送装置は、バキュームコンベアとエジェクタとを含み、
   前記バキュームコンベアは、
   真空容器と、
   前記真空容器に設けられ、前記チャンバおよび前記材料タンクと接続される供給管と、
   前記真空容器に設けられ、前記真空容器内の気体を排出する排気管と、
   前記真空容器の下端に形成され、前記材料を排出する排出口と、
   前記排出口を開閉する底蓋と、を有し、
   前記エジェクタは、
   圧縮流体が供給される供給ポートと、
   前記圧縮流体および前記真空容器内の気体を排気する排気ポートと、
   前記供給ポートおよび前記排気ポートを接続する管路と、前記排気管と、に接続される吸気ポートと、を有する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の積層造形装置。
10. 前記輸送装置と前記篩との間に設けられ、前記材料の排出先を前記篩および前記材料タンクのいずれか一方に切り換える第１の切換弁をさらに備える、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の積層造形装置。
11. 前記篩は、
    前記材料を分級するメッシュフィルタと、
    前記メッシュフィルタを振動させる振動素子と、含む、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の積層造形装置。
12. 前記メッシュフィルタは、前記材料が投下される一端側である上流側よりも、他端側である下流側が低くなるよう、傾斜して配置される、請求項１１に記載の積層造形装置。
13. 前記篩と前記チャンバとの間に設けられ、前記材料の排出先を前記チャンバおよび前記材料タンクのいずれか一方に切り換える第２の切換弁をさらに備える、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の積層造形装置。
14. 前記チャンバに接続され前記チャンバ内の酸素濃度を測定するチャンバ酸素濃度計をさらに備え、
    前記輸送装置は、前記チャンバ内の酸素濃度が所定の閾値以下のときにのみ動作するよう構成される、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の積層造形装置。
15. 前記材料供給ユニットに接続され前記材料供給ユニット内の酸素濃度を測定する材料供給ユニット酸素濃度計をさらに備え、
    前記輸送装置は、前記チャンバ内および前記材料供給ユニット内の酸素濃度が前記所定の閾値以下のときにのみ動作するよう構成される、請求項１４に記載の積層造形装置。
16. 前記材料供給ユニット酸素濃度計は、前記篩と接続される、請求項１５に記載の積層造形装置。

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