JP7041391B2 - 三次元造形装置 - Google Patents
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Description
特許文献1には、上記スパッタ粒子による上記問題について考慮した記載はない。
また、「付着物の情報に応じて該付着物に対してレーザーを照射する条件を変える」における「条件を変える」とは、照射エネルギーの大きさに関する条件を変えることに限定されず、レーザーを照射しないことにすることも含む意味でこの明細書では使われている。
ここで、「再溶融」は付着物23の全体を再溶融させる場合と、付着物の上方の一部を再溶融させる場合の両方を含む意味である。
ここで「サイズ」とは、付着物の平面視にけるX方向及びY方向の長さ情報、及び前記X方向及びY方向と直交するZ方向となる高さ情報で定まる大きさを意味する。
本態様によれば、前記付着物が、形成される前記層の層厚より大きいサイズである場合には該付着物に対するレーザーの照射を行うが、そうではないサイズの場合はレーザー照射を行わないので、造形時間の増加を抑制することができる。
更に、実施形態1に係る三次元造形装置よって三次元造形物を製造する過程で生じる図3Aより大きなスパッタ粒子の一つに対するレーザー照射による効果を図6A、図6B、図7及び図8に基づいて説明する。
続いて、従来の問題点を表す図9、図10、図11及び図12と、本発明の実施形態1に係る三次元造形装置の効果を表す図5及び図8と、を比較して実施形態1に係る三次元造形装置の効果について検証する。
最後にこれら二つの実施形態と部分的構成を異にする他の実施形態について言及する。
(1)三次元造形装置の全体構成(図1、図2参照)
本実施形態の係る三次元造形装置1は、粉末3と溶媒5とバインダー7とを含む組成物9の層11を第1の層、第2の層、…第nの層と順次形成して行くことで多層構造の三次元造形物を製造する装置である。ここで、粉末3は溶融固化又は焼結されて三次元造形物となる造形用材料である。溶媒5は組成物9をペースト状にするための成分である。バインダー7は後述する層形成部13によって組成物9がステージ31上に吐出されて形成される層11の形状を保つための保形用成分である。
そして、本実施形態に係る三次元造形装置1は、層11の表面に存在する付着物23(図2)を検出可能な検出部19を備える。この検出部19がレーザー照射部17によるレーザーEの照射後に層11の表面に存在する付着物23(図2)を検出した場合、レーザー照射部17は、検出部19により検出された付着物23の情報に応じて付着物23に対してレーザーEを照射する条件を変えるように制御部2によって制御される。
ここで、粉末3としては、金属粉末やセラミックス粉末が一例として使用できる。金属粉末としては、各種金属や金属化合物等の粒状ないし粉末状の粒子が使用できる。
具体的には、アルミニウム、チタン、鉄、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、マルエージング鋼等の各種金属、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコン、酸化錫、酸化マグネシウム、チタン酸カリウム等の各種金属酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム等の各種金属水酸化物、窒素珪素、窒素チタン、窒化アルミニウム等の各種金属窒化物、炭化珪素、炭化チタン、窒化アルミニウム等の各種金属窒化物、炭化珪素、炭化チタン等の各種金属炭素残渣、硫化亜鉛等の各種金属硫化物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の各種金属の炭酸塩、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム等の各種金属の硫酸塩、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム等の各種金属のケイ酸塩、リン酸カルシウム等の各種金属のリン酸塩、ホウ酸アルミニウム、ホウ酸マグネシウム等の各種金属のホウ酸塩や、これらの複合化合物等、石膏(硫酸カルシウムの各水和物、硫酸カルシウムの無水物)等の粉末が使用できる。
溶媒5は、例えば、蒸留水、純水、RO水等の各種水の他、メタノール、エタノール、2-プロパノール、1-ブタノール、2-ブタノール、オクタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル(メチルセロソルブ)等のエーテル類(セロソルブ類)、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、ギ酸エチル等のエステル類、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルイソプロピルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、ペンタン、ヘキサン、オクタン等の脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の環式炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキシルベンゼン、ヘブチルベンゼン、オクチルベンゼン、ノニルベンゼン、デシルベンゼン、ウンデシルベンゼン、ドデシルベンゼン、トリデシルベンゼン、テトラデシルベンゼン等の長鎖アルキル基及びベンゼン環を有する芳香族炭火水素類、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、1,2-ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類、ピリジン、ピラジン、フラン、ピロール、チオフェン、メチルピロリドンのいずれか一つを含む芳香族複素環類、アセトニトクル、プロピオニトリル、アクリロニトリル等のニトリル類、N,N-ジメチルアミド、N,N-ジメチルアセトアミド等のアミド類、カルボン酸塩又はその他の各種油類等が挙げられる。
バインダー7としては、前述した溶媒5に可溶であれば、限定されない。例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂、合成樹脂等を用いることができる。また、例えば、PLA(ポリ乳酸)、PA(ポリアミド)、PPS(ポリフェニレンサルファイド)等の熱可塑性樹脂を用いることもできる。
また、可溶状態でなく、上述したアクリル樹脂などの樹脂の微小な粒子の状態で、前述した溶媒5中に分散させるようにしてもよい。
因みに、本実施形態では粉末3として金属粉末であるSUS316L(D50=直径3μm)を使用し、溶剤5としてプロピレングリコール(PG)、バインダー7としてポリビニルアルコール(PVA)を一例として使用した。また、これらを混ぜてペースト状の組成物9にしたときの体積比率を一例として粉末3が30vol%、溶媒5が68vol%、バインダー7が2vol%とした。
付着物23としては、図9に表すように、レーザー照射部17で照射されるレーザーEによる溶融又は焼結時に造形用材料の粉末3にレーザーを照射したときに飛散するスパッタ粒子23(同じ符号23を用いる)が挙げられる。
図10に表すように、スパッタ粒子23は、レーザー照射後の層11(例えば第1の層11A)の表面に付着する。この付着状態のまま次層となる例えば第2の層11Bの積層工程に移行すると、図11に表すように、第2の層11B内にスパッタ粒子23が存在する状態で第2層11Bが積層される。この状態でレーザーEを照射する処理を行うと、スパッタ粒子23は、次層(第2の層11B)のレーザー照射時にほとんどが溶融して無くなるが、大きいスパッタ粒子23の中には次層(第2の層11B)の形成時にレーザー照射によって溶融しきれず凸部として成長して更に大きくなるものがある。
更に、次層(第2の層11B)の形成の際にも新たにスパッタ粒子が飛散してその表面に付着する。この繰り返しにより、三次元造形物の外表面に凹凸として現われ、面粗度の低下をもたらす要因となってしまう。
図12は、層形成部13で形成する一層の層11の層厚Tとスパッタ粒子23の最大粒径L及び最終造形物の表面粗さSzとの関係を説明するグラフである。このグラフから、一層の層11の層厚Tを大きくすると、出来るスパッタ粒子23の最大粒径Lも大きくなり、最終造形物の表面粗さSzも大きくなると言える。
また、筐体29内には組成物9の層11を支持するステージ31が配置されている。ステージ31は、層形成部13と溶媒揮発部15とレーザー照射部17との間を順番に移動できるよう、図示しない搬送手段によって送り方向Xの順方向X1と、戻し方向X2と、に自由に移動できるように構成されている。
層形成部13には、ステージ31の送り方向Xと交差する走査方向Yと層11の積層方向Zとに移動可能な描画ヘッド35を備えるディスペンサー33が設けられている。また、本実施形態では層形成部13は、図1中、左端の送り方向Xの上流位置に配置されている。
層形成部13には、粉末3と溶媒5とバインダー7とを含むペースト状の組成物9が供給され、描画ヘッド35の走査方向Yへの走査と、ステージ31の送り方向Xへの移動と、によって所定の位置に描画ヘッド35を移動させて、その吐出口37からペースト状の組成物9を吐出することによって所定の描画パターンから成る層11(例えば第1の層11A)を形成する。また、一つの層11が形成されたら、層11の厚さ分、積層方向Zに描画ヘッド35を上昇させて次層11(例えば第2の層11B)の形成に移行する。
溶媒揮発部15は、溶媒5を乾燥させて揮発させる部位である。溶媒揮発部15には、一例としてライン状ランプヒーター39が設けられており、溶媒揮発部15に移動してきたステージ31上の層11に対して、ライン状ランプヒーター39からの熱が作用して溶媒5を揮発させる。
本実施形態では、図1に表すように溶媒揮発部15は、層形成部13に隣接する送り方向Xの下流位置に配置されている。動作は、ランプヒータ39の下を、ステージを一方向に送ってもよいし、往復動作を繰り返してもよい。これにより、溶媒揮発部15はレーザー照射部17によるレーザー照射が行われる前に層11に作用して層11中の溶媒5を揮発させる。
レーザー照射部17は、制御部2から送信される制御信号に基づいて照射されるレーザー光Eを層11中の粉末3(バインダー7を含む)に作用させて、粉末3を溶融又は焼結させる部位である。レーザー照射部17には、一例として所定出力のレーザー光Eを発振させるレーザー発振器41と、レーザー発振器41から発振されたレーザー光Eの光路上に設けられ、レーザー光Eをステージ31上の層11に導くガルバノミラー43と、を備えるレーザー照射装置が設けられている。
尚、ガルバノミラー43は、レーザー光Eに対する反射角度が変更できるように構成されており、該ガルバノミラー43の反射角度を調節することによって前記レーザー光Eを走査方向Yに自由に走査できるように構成されている。
尚、本実施形態で使用するレーザー照射装置としては特に限定はないが、特にファイバーレーザーが金属の吸収効率が高い利点を有することから好適なレーザー照射装置として使用可能である。
検出部19はレーザー照射部17によるレーザーEの照射後に層11の表面に存在する付着物23(図2)の情報を検出するものである。本実施形態では、検出部19は、付着物の位置とサイズを検出可能な画像カメラが使われている。ここで、付着物23の位置はステージ31上のXY方向の位置であり、付着物23のサイズは付着物23の大小に関する物理量である。
本実施形態では、付着物23の情報は、該付着物23の前記位置とサイズである。ここで「サイズ」とは、付着物23の平面視にけるX方向及びY方向の長さ情報、及び前記X方向及びY方向と直交するZ方向となる高さ情報で定まる大きさを意味する。後述する図3A及び図3Bに表した付着物23は小さいサイズの一例であり、図6A及び図6Bに表した付着物23は大きいサイズの一例である。
制御部2は、検出部19がレーザー照射部17によるレーザーEの照射後に層11の表面に存在する付着物23(図2)を検出した場合に、レーザー照射部17に、前記検出された付着物23の情報(位置とサイズ)に応じて付着物23に対してレーザーEを照射する条件を変えるように制御する。本実施形態では、レーザー照射部17は、前記情報に応じて付着物23を再溶融するようにレーザーEを照射する条件を変える。
尚、再溶融は、付着物23の全部を再溶融させる必要はなく、付着物23の上方の一部であってもよい。後述するように、付着物23が、層形成部13によって形成される一層の層厚T(図3B、図6B)同じサイズかそれより小さいサイズである場合は、そのまま残しても層形成部13によって次の一層を形成後に該層(一層)に対してレーザーEを照射する際にほとんどが埋没する状態で平坦化して無くなり、三次元造形物の最終的な外表面の状態が粗くなるという問題は生じにくいからである。
このようにレーザーEを照射して付着物23を再溶融することにより、切削等で除去する従来技術に比して三次元造形用の粉末原料が無駄に廃棄されることがない。
付着物23が、層形成部13によって形成される一層の層厚Tと同じサイズ又は小さいサイズである場合には、該付着物に対してレーザーを照射しないで、そのまま残して前記組成物による次層を形成しても該付着物による問題はほとんど生じないことが確認された。
本実施形態によれば、付着物23が、形成される前記一層の層厚Tより大きいサイズである場合には該付着物23に対するレーザーEの照射を行うが、そうではないサイズの場合はレーザーEの照射を行わないので、造形時間の増加を抑制することができる。
図2に表したように、検出部19は画像処理部4と接続され、画像処理部4は判断部6と接続され、判断部6は制御部2と接続されている。
画像カメラである検出部19が付着物23の情報を検出すると、その画像情報は画像処理部4に送られる。画像処理部4は前記画像情報を付着物23の位置とサイズの情報に変換する。続いて付着物23の位置とサイズの情報は判断部6に送られる。判断部6は、送られた付着物23のサイズ情報と予め設定された基準となるサイズを基に判断して、付着物23に対するレーザーEの照射条件を決める。付着物23がレーザー照射の必要なサイズである場合には、制御部2は、判断部6で決められたレーザーEの照射条件により付着物23に対してレーザーEを照射し、付着物23を再溶融する処理を行う。
図2において、符号8は三次元造形用のSTL(Stereolithogrphy)データに基づき作成されたツールパスデータを示す。制御部2は、三次元造形時に、送られる前記ツールパスデータに基づいてレーザーEをガルバノミラー43によって所定のパターンにスキャン可能になっている。
本実施形態に係る三次元造形装置による造形工程を、層形成工程と、溶媒揮発工程と、レーザー照射工程と、再溶融工程に分けて説明する。
(A)層形成工程(図1参照)
層形成工程は、粉末3と溶媒5とバインダー7とを含む組成物9の層11を形成する工程である。
即ち、図1に表すようにステージ31を層形成部13の層11の形成開始位置に位置させ、ステージ31を送り方向Xに移動させ、描画ヘッド35を走査方向Yに走査させながら描画ヘッド35の吐出口37から粉末3、溶媒5、バインダー7を含むペースト状の組成物9を吐出することによって所定の描画パターンから対応する一層の層11を形成する。
尚、層11の形成に先立って、筐体29を密閉状態にし、窒素ガスN2が置換できる状態にしておく。
溶媒揮発工程は、前記形成された層11中の溶媒5を揮発させる工程である。
即ち、図1に表すように、ステージ31を送り方向Xの下流位置に所定距離移動して溶媒揮発部15の溶媒揮発開始位置に位置させ、ステージ31を送り方向Xに移動させながらライン状ランプヒーター39の熱をステージ31上の層11に当て、これにより層11中の溶媒5を乾燥させて揮発させる。
尚、走査方向Yに延びるライン状ランプヒーター39の長さは、層11の幅(走査方向Yの長さ)を賄える長さに設定されているため、本実施形態では溶媒揮発部15の走査方向Yへの走査は行っていない。
レーザー照射工程は、溶媒5が揮発した層11中の粉末3にレーザー光Eを照射して溶融又は焼結させる工程である。
即ち、図1に表すように、ステージ31を送り方向Xの下流位置に所定距離移動してレーザー照射部17のレーザー光Eの照射開始位置に位置させ、ステージ31を送り方向Xに移動させながらガルバノミラー43を揺動させてレーザー光Eを走査方向Yに走査させながらステージ31上の層11に当てて層11中の粉末3を溶融又は焼結させる。
尚、前記レーザー照射により、図9及び図10に表すように、レーザー照射処理後の層11の表面には、付着物(スパッタ粒子)23が付着した状態になる。
画像カメラである検出部19が付着物23の情報を検出すると、例えば図3A及び図3Bに表した付着物23に対して、判断部6で決められたレーザーEの照射条件によって、図4に表したように付着物23の中心位置にレーザーEを照射すると、付着物23は再溶融してサイズダウンし、図5のようになる。
或いは、図6A及び図6Bに表した付着物23に対して、判断部6で決められたレーザーEの照射条件によって、図7に表したようにレーザーEを、照射位置を移動しつつ照射すると、付着物23は再溶融してサイズダウンし、図8のようになる。
尚、検出された付着物23が前記層厚Tと同じかそれより小さい場合は、(D)の再溶融工程はなしで次の層形成工程に移行する。
以下、同様の動作を積層する層11の数に応じて繰り返すことによって多層構造の三次元造形物が造形される。
図9から図11に表した従来の三次元造形装置によって造形工程を進め、レーザー照射後に層11(例えば第1の層11A)の表面にスパッタ粒子23が付着した状態で、次層11(例えば第2の層11B)の形成を開始すると、図11に表すように、第2の層11B内にスパッタ粒子23が存在する状態で第2層11Bが積層される。この状態でレーザーを照射する処理を行うと、スパッタ粒子が成長して三次元造形物の外表面に凹凸となって現れて面粗度が低下してしまう。
従って、本実施形態に係る三次元造形装置によれば、レーザー照射によって出来たスパッタ粒子23に起因する三次元造形物の最終的な外表面の面粗度の低下を低減することが可能になる。
本発明に係る三次元造形装置は、以上に説明した構成を有することを基本とするものであるが、本願発明の要旨を逸脱しない範囲内での部分的構成の変更や省略等を行うことも勿論可能である。
また、前述したようにステージ31を送り方向Xに移動させることによって層形成部13、溶媒揮発部15、レーザー照射部17の各処理部の各処理を順番に実行させる構成に限らず、ステージ31側を固定して層形成部13、溶媒揮発部15、レーザー照射部17の3つの処理部側をステージ31に向けて移動させたり、退避させる構成にすることが可能である。また、ステージ31側と、前記各処理部13、15、17との双方を移動可能に構成することも可能である。
また、レーザー照射部17でのレーザー光Eの照射等によって溶媒5の揮発が併せて実行できるときには、溶媒揮発部15を三次元造形装置1の構成から省略することが可能であり、前述した溶媒揮発工程を三次元造形物の製造工程から省略することが可能である。
これにより、造形対象である三次元造形物の最終の外表面の寸法精度及び表面滑かさの精度を容易に向上することが可能となる。
13…層形成部、15…溶媒揮発部、17…レーザー照射部、19…検出部、
23…スパッタ粒子(付着物)、25…導入部、27…排気部、29…筺体、
31…ステージ、33…ディスペンサー、35…描画ヘッド、37…吐出口、
39…ライン状ランプヒーター、41…レーザー発振器、43…ガルバノミラー、
X…送り方向、Y…走査方向、Z…積層方向、N2…窒素ガス、E…レーザー光
Claims (5)
- 三次元造形用の粉末原料を含む組成物の層を形成する層形成部と、
前記層中の前記粉末を溶融させるレーザー照射部と、
前記層の表面に存在する付着物を検出可能な検出部と、を備え、
前記検出部が前記レーザー照射部によるレーザー照射後に前記層の表面に存在する付着物の情報として、該付着物の位置とサイズを検出した場合、
前記レーザー照射部は、前記付着物が、前記層形成部によって形成される前記層の層厚より大きいサイズの場合に該付着物に対して前記レーザー照射を行い、前記層の層厚と同じサイズ又は小さいサイズの場合に該付着物に対する前記レーザー照射を行わないで、前記層形成部によって次の層を形成する、ことを特徴とする三次元造形装置。 - 請求項1に記載の三次元造形装置において、
前記レーザー照射部は、前記情報に応じて該付着物にレーザーを照射する条件を変えて該付着物を再溶融するように制御される、ことを特徴とする三次元造形装置。 - 請求項1に記載の三次元造形装置において、
前記検出部によって検出された前記付着物のサイズによって、該付着物に対する前記レーザーの照射回数及び照射位置が制御される、ことを特徴とする三次元造形装置。 - 請求項3に記載の三次元造形装置において、
前記検出された付着物のサイズが前記レーザー照射部により照射されるレーザーのスポット径より大きい場合、前記照射位置を変えて複数回の照射を行う、ことを特徴とする三次元造形装置。 - 請求項1から4のいずれか一項に記載の三次元造形装置において、
前記層形成部は、造形対象である三次元造形物の積層方向における外表面に対応する最終層の手前となる数層について形成される層の層厚は、前記数層より以前の層の層厚よりも小さい、ことを特徴とする三次元造形装置。
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