JP7074738B2 - 積層造形装置 - Google Patents

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Description

この発明は、積層造形装置に関する。
粉末焼結積層造形法または粉末溶融積層造形法と呼ばれる金属の積層造形法においては、金属の材料粉体からなる材料層を形成し、この材料層の所定箇所にレーザ光または電子ビーム等のビームを照射して照射位置の材料層を焼結または溶融させる。材料層の形成とビームの照射を繰り返すことによって、複数の焼結層または溶融層を積層して所望の三次元造形物が造形される。以下においては、焼結および溶融を含めて固化と呼び、焼結層および溶融層を含めて固化層と呼ぶ。また、積層された固化層を固化体と呼ぶ。
材料層は材料粉体をブレードで均すことで形成される。ブレードはリコータヘッドに取り付けられ、リコータヘッドは、リコータヘッド駆動装置により、所望の三次元造形物が形成される領域である造形領域上を移動する。リコータヘッドの移動に伴い、ブレードは材料粉体を造形領域に撒布し、所定厚みの材料層を形成する。
このような積層造形において、造形後の三次元造形物や造形途中の固化層に対して温度調整を行う場合がある。例えば、特許文献１は、１層または複数層の固化層を形成する毎に当該固化層に対して温度調整を行って、意図的に固化層のマルテンサイト変態を進行させながら三次元造形物の造形を行う積層造形方法を開示している。
特許第６２９５００１号公報
固化層に対して温度調整を行う積層造形においては、冷却の対象となる固化層が固化体の上部に位置している場合等、固化体の上面から冷却した方が、効率がよい場合がある。また、固化層の冷却を行う冷却装置の構成は簡易で小型である方がよく、例えば他の装置と駆動装置を共有していることが望ましい。
本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、比較的簡易で小型な構造の冷却装置により、固化体を効率よく冷却することのできる積層造形装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、所望の三次元造形物が形成される造形領域に材料層を形成する材料層形成装置と、前記材料層にレーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する照射装置と、前記固化層が積層してなる固化体の上面を含む少なくとも一部を所定の冷却温度に冷却する冷却装置と、を備え、前記材料層形成装置は、前記造形領域を有するベース台と、前記ベース台上に配置されるリコータヘッドと、前記リコータヘッドを水平１軸方向に往復移動させるリコータヘッド駆動装置と、前記リコータヘッドに設けられ、材料粉体を均して前記材料層を形成するブレードと、を含み、前記冷却装置は、前記リコータヘッドに設けられ、前記冷却温度に温度調整され、前記固化体の上面と接触する冷却部と、前記冷却部の下端よりも、下端が下方に位置するワイパと、前記冷却部および前記ワイパを昇降させる昇降装置と、を含む、積層造形装置が提供される。
本発明の一態様によれば、所定の冷却温度に温度調整される冷却部と、冷却部の下端よりも下端が下方に位置するワイパと、冷却部およびワイパを昇降させる昇降装置と、がリコータヘッドに設けられ、リコータヘッド駆動装置を利用して水平方向に移動される。冷却部は固化体の上面と接触し、固化体を上側から冷却する。ワイパは冷却部が固化体の上面と接触する前に、固化体から余分の材料粉末を除去する。昇降装置は材料層を形成する際に、冷却部およびワイパを材料層に対して非接触にする。このように構成することで、冷却部の水平方向の移動のために別途駆動装置を設ける必要がなく、冷却装置を比較的簡易で小型に構成することができる。また、固化体を上側から冷却することができるので、固化体を効率よく冷却することが可能となる。
本発明の実施形態に係る積層造形装置１の構成を示した図である。 造形テーブル２の構成を示した図である。 リコータヘッド４２および冷却装置６の上方からの斜視図である。 リコータヘッド４２および冷却装置６の下方からの斜視図である。 リコータヘッド４２および冷却装置６の側面図である。 照射装置５の構成の概略を示した図である。 ローラ６１の断面斜視図である。 制御装置８の構成を示すブロック図である。 積層造形装置１の動作の流れを示すアクティビティ図である。
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。
１．構成例
図１は、本発明の実施形態に係る積層造形装置１の構成を示した図である。図１に示すように、積層造形装置１は、チャンバ１１と、材料層形成装置４と、照射装置５と、冷却装置６と、を備える。
チャンバ１１は、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は所定濃度の不活性ガスが供給されるとともに、材料層Ｍの固化時に発生するヒュームを含んだ不活性ガスを排出している。好ましくは、チャンバ１１から排出された不活性ガスは、ヒュームが除去されチャンバ１１に返送される。具体的には、チャンバ１１には、不図示の不活性ガス供給装置と、不図示のヒュームコレクタが接続されている。なお、本発明において、不活性ガスとは、材料層Ｍや固化層Ｓ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。
不活性ガス供給装置は、不活性ガスを供給する機能を有し、例えば、周囲の空気から所定濃度の不活性ガスを生成する不活性ガス発生装置、または所定濃度の不活性ガスが貯留されたガスボンベである。不活性ガス発生装置は、膜分離方式、ＰＳＡ方式等、生成する不活性ガスの種類や濃度に応じて種々の方式のものが採用できる。不活性ガス供給装置は、チャンバ１１内に不活性ガスの供給を行い、チャンバ１１内を所定濃度の不活性ガスで充満させる。ここで、不活性ガス供給装置から供給される不活性ガスは乾燥していることが望ましい。具体的には、不活性ガスの露点温度は、冷却装置６の冷却温度よりも低いことが望ましい。後述する冷却装置６の冷却部はチャンバ１１内を移動するため、チャンバ１１内に乾燥した不活性ガスが充満されていれば、冷却部が結露することを抑制することができる。すなわち、不活性ガス供給装置が不活性ガス発生装置であるとき、不活性ガス発生装置は不活性ガスを生成するための原料とする空気を乾燥させる乾燥装置を備えていることが望ましい。また、不活性ガス供給装置がガスボンベであるとき、ガスボンベには十分に乾燥した不活性ガスが貯留されていることが望ましい。
チャンバ１１から排出されたヒュームを多く含む不活性ガスはヒュームコレクタへと送られ、ヒュームが除去された上でチャンバ１１へと返送される。ヒュームコレクタはヒュームを除去する機能を有していればよく、例えば、電気集塵機またはフィルタである。
材料層形成装置４は、造形領域Ｒ上に、材料粉体を平坦化して所定厚みの材料層Ｍを形成する。材料層形成装置４は、ベース台４１と、リコータヘッド４２と、リコータヘッド駆動装置４４と、ブレード４２４と、を含む。ベース台４１はチャンバ１１内に設けられ、造形領域Ｒを有している。
造形領域Ｒには、造形テーブル２が配置される。造形テーブル２は、造形テーブル駆動装置３によって鉛直方向（矢印Ｕ方向）に移動することができる。三次元造形物を形成する際には、造形テーブル２上にベースプレート２１が載置されてもよい。このとき、ベースプレート２１上に１層目の材料層Ｍが形成される。造形テーブル２の周りには、粉体保持壁１３が設けられる。粉体保持壁１３と造形テーブル２とによって囲まれる材料保持空間には、未固化の材料粉体が保持される。
図２に示すように、造形テーブル２は、天板２２、支持板２３、支持板２４、支持板２５を有しており、これらが重ね合わされて、造形テーブル２が構成される。また、造形テーブル２の内部には、造形テーブル２の温度を調整するための温度調整機構２６が設けられている。温度調整機構２６は、造形テーブル２の内部に設けられた加熱器２６１および冷却器２６２を有する。加熱器２６１は、例えば、電熱器等の発熱体または熱媒体が流通される管路である。冷却器２６２は、例えば、熱媒体が流通される管路である。熱媒体としては、水や油等の種々の流体を用いることができる。なお、温度調整機構２６の冷却器２６２はある程度の冷却が行える構造であればよく、後述する冷却装置６による冷却温度よりも高い温度に冷却が行えるものでよい。例えば、冷却器２６２は造形テーブル２を常温に冷却可能である。
造形テーブル駆動装置３としては、造形テーブル２を矢印Ｕ方向に沿って往復移動させることができる任意のアクチュエータを含むものが採用できる。本実施形態においては、造形テーブル駆動装置３は、造形テーブル２下に設けられるスライドベースと、ボールねじと、ボールねじを支持するガイドベースとを備える。ボールねじは、モータによって回転するネジ軸と、ボールを介してネジ軸と螺合するナットと、を含む。ナットはスライドベースの側面に固定される。
リコータヘッド４２は、ベース台４１上に配置され、リコータヘッド駆動装置４４によって水平１軸方向（矢印Ｂ方向）に往復移動する。リコータヘッド４２は、少なくともブレード４２４を矢印Ｂ方向に移動させる機能を有する。加えて、本実施形態のリコータヘッド４２は、材料層Ｍとなる材料粉体を貯留して、造形領域Ｒに吐出する機能を有する。図３および図４に示すように、リコータヘッド４２は、材料収容部４２１と、材料供給部４２２と、材料吐出部４２３と、を有し、側面にブレード４２４が配設されている。
材料収容部４２１は、材料供給装置１４から供給される材料粉体を収容する。材料供給部４２２は、材料収容部４２１の上面に配設され、材料供給装置１４から材料収容部４２１に供給される材料粉体の受口となる。材料吐出部４２３は、材料収容部４２１の底面に配設され、材料収容部４２１内の材料粉体を吐出する。また、材料吐出部４２３はスリット形状を有し、その長手方向は、リコータヘッド４２の移動方向である矢印Ｂ方向に直交する水平１軸方向（矢印Ｃ方向）である。リコータヘッド４２は、造形領域Ｒ上を矢印Ｂ方向に往復移動し、その際に、材料吐出部４２３から材料粉体を吐出する。
ブレード４２４は、リコータヘッド４２の側面に配設される。ブレード４２４は、リコータヘッド４２とともに造形領域Ｒ上を往復移動して、リコータヘッド４２から造形領域Ｒに吐出された材料粉体を均し、材料層Ｍを形成する。本実施形態ではリコータヘッド４２の両側面に１つずつブレード４２４が設けられるが、少なくとも１つのブレード４２４がリコータヘッド４２に取り付けられればよい。また、ブレード４２４としては、平板状のもの、可撓性のあるもの、ブラシ状のもの、ローラ状のもの等、所定厚みの材料層Ｍを形成可能なものであれば、種々の形態が採用可能である。
リコータヘッド駆動装置４４としては、リコータヘッド４２を矢印Ｂ方向に沿って往復移動させることができる任意のアクチュエータを含むものが採用できる。本実施形態においては、リコータヘッド駆動装置４４は、モータと、ボールねじと、一対のガイドと、を含む。ボールねじは、モータによって回転するねじ軸と、ボールを介してねじ軸と螺合しリコータヘッド４２と接続されるナットを有する。ガイドは、ベース台４１上に設けられ矢印Ｂ方向に延びる。リコータヘッド４２はガイドに案内され、矢印Ｂ方向に移動される。
材料供給装置１４は、ベース台４１の矢印Ｂ方向における一端の上側に、チャンバ１１を貫通して設けられる。材料供給装置１４は、材料粉体が貯留されているボトル１４ａと、ボトル１４ａから供給される材料粉体を受けるホッパ１４ｂと、ホッパ１４ｂと接続されリコータヘッド４２に材料粉体を案内する中間ダクト１４ｃと、を含む。リコータヘッド４２に材料粉体を補充する際は、材料供給装置１４の下方にリコータヘッド４２が移動される。そして、中間ダクト１４ｃが下降され、中間ダクト１４ｃの先端が材料供給部４２２から材料収容部４２１に挿入される。この状態でシャッタが開放され、ボトル１４ａからホッパ１４ｂに供給されている材料粉体が所定量自由落下されて、材料収容部４２１内に材料粉体が補給される。なお、材料供給装置１４は、リコータヘッド４２に材料粉体を供給できるものであればよく、上述の実施形態に限定されない。
本実施形態の積層造形装置１で使用される材料は、例えば、金属の材料粉体である。特に、所定数の固化層Ｓを形成する毎に固化層Ｓに対して温度調整を行って、意図的に固化層Ｓのマルテンサイト変態を進行させながら三次元造形物の造形を行う場合は、マルテンサイト系ステンレスや炭素鋼等のマルテンサイト系の材料が使用される。
ベース４１台の矢印Ｂ方向の端部、少なくとも矢印Ｂ方向において造形領域Ｒよりも外側の位置に、材料排出部１５が形成されている。本実施形態では材料排出部１５はベース台４１の両端に１つずつ設けられているが、一方の端部にのみ設けられてもよい。材料排出部１５は開口であり、材料排出部１５から落下した材料粉体はシュート１６に案内されて、バケット１７に貯蔵される。バケット１７に回収された材料粉体は、再利用されてもよい。造形テーブル２上部の材料保持空間に保持されなかった余剰の材料粉体は、リコータヘッド４２を材料排出部１５近辺まで移動させることで、材料排出部１５から排出される。また、材料排出部１５上にリコータヘッド４２を移動させることにより、リコータヘッド４２の材料収容部４２１に収容されている材料粉体を材料吐出部４２３から排出し、材料収容部４２１内を略空にすることができる。
照射装置５は、材料層Ｍにレーザ光Ｌを照射して焼結または溶融させ固化層Ｓを形成する。照射装置５は、レーザ光Ｌを出力する出力源５１と、出力源５１から出力されたレーザ光Ｌを造形テーブル２上の材料層Ｍの所望の位置に走査させる走査手段と、を含む。より、具体的には、照射装置５は、出力源５１と、コリメータ５２と、フォーカス制御ユニット５３と、走査手段と、を有している。
出力源５１は、レーザ光Ｌを出力する。レーザ光Ｌは、材料層Ｍを焼結または溶融することが可能であり、例えば、ＣＯ２レーザ、ファイバーレーザ、またはＹＡＧレーザである。コリメータ５２は、出力源５１から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５３は、コリメータ５２で平行光に変換されたレーザ光Ｌを集光し、所定のスポット径に調整する。
走査手段は、具体的にはガルバノミラー５４ｘ、ガルバノミラー５４ｙと、ガルバノミラー５４ｘ、ガルバノミラー５４ｙをそれぞれ回転させるアクチュエータ５６ｘ、アクチュエータ５６ｙと、を有するガルバノスキャナである。ガルバノミラー５４ｘとガルバノミラー５４ｙの回転角度を制御することでレーザ光Ｌの照射位置が制御される。
ガルバノミラー５４ｘとガルバノミラー５４ｙにより照射位置が制御されたレーザ光Ｌは、チャンバ１１の上面に設けられたウインドウ１２を通して造形テーブル２上の材料層Ｍに照射され、固化層Ｓを形成する。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がファイバーレーザまたは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の上面には、ウインドウ１２を覆うように汚染防止装置７が設けられる。汚染防止装置７は、不活性ガスをウインドウ１２の下に充満させてウインドウ１２の汚染を防止し、不活性ガスを下方に噴出させてレーザ光Ｌの経路からヒュームを排除する。
本実施形態の照射装置５はレーザ光Ｌを照射して固化層Ｓを形成するように構成されるが、照射装置は電子ビームを照射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Ｍ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、を有するよう構成されてもよい。このとき、カソード電極およびアノード電極が電子ビームを出力する出力源の役割を果たし、ソレノイドが電子ビームを走査する走査手段の役割を果たす。なお、ウインドウ１２および汚染防止装置７を省略し、カソード電極がチャンバ１１内に突出するように設けられてもよい。また、電子ビームを照射する照射装置を用いる場合は、チャンバ１１内の雰囲気を、真空に近い状態の貴ガス雰囲気下においてもよい。
積層造形装置１は、所定数の固化層Ｓを形成する毎に固化層Ｓの端面に切削加工を行う第１の加工装置をさらに備えていてもよい。第１の加工装置は、第１の加工ヘッドと、第１の加工ヘッドを駆動するための第１の加工ヘッド駆動装置を備える。第１の加工ヘッド駆動装置は、チャンバ１１内に配置される第１の加工ヘッドをＹ軸方向に移動させるＹ軸駆動部と、ベース台４１上に配置されＹ軸駆動部をＸ軸方向に移動させるＸ軸駆動部と、第１の加工ヘッドをＺ軸方向に移動させるＺ軸駆動部と、を有する。第１の加工ヘッドは、スピンドルヘッドを備える。スピンドルヘッドは、エンドミル等の切削工具を把持して回転させることができるように構成されており、固化層Ｓの表面や不要部分に対して切削加工を行うことができる。
また、積層造形装置１は、第１の加工装置に代えて、積層造形した三次元造形物の上面および側面に対し、二次加工における基準面を切削加工する第２の加工装置をさらに備えていてもよい。第２の加工装置は、バイト等の切削工具を把持するとともに切削工具を鉛直方向の回転軸に沿って回動させる旋回機構が設けられた第２の加工ヘッドと、第２の加工ヘッドを水平駆動するための第２の加工ヘッド駆動装置を備えていてもよい。第２の加工ヘッド駆動装置は、例えば、一対の第１水平移動機構と、一対の第１水平移動機構に設けられているガントリと、ガントリに取り付けられており第２の加工ヘッドが固定された第２水平移動機構と、を有する。このとき、第２の加工ヘッド駆動装置は、第２の加工ヘッドをＺ軸方向に移動させる駆動装置を有していなくてもよい。
２．冷却装置
冷却装置６は、固化層Ｓが積層してなる固化体の上面を含む少なくとも一部を所定の冷却温度に冷却する。以下においては、冷却対象となる固化体の上面を含む少なくとも一部を、上面層と呼ぶ。図３から図５に示すように、冷却装置６は、冷却部と、昇降装置６２と、ワイパ６３と、冷媒流入口６４と、冷媒流出口６５と、を有する。
冷却部は、リコータヘッド４２に設けられ、上面層の冷却を行う際は、冷却温度に温度調整される。そして、冷却部は、固化体の上面と接触することで、上面層を冷却する。本実施形態においては、冷却部は、具体的にはローラ６１である。ローラ６１は、リコータヘッド４２と接続された支持部６６によって回転自在に支持され、リコータヘッド４２の移動に伴って、固化体の上面と接触しながら回転移動する。ローラ６１の表面をある程度弾性のある素材で構成すれば、ローラ６１を固化体の上面に押し当てて、所定の接触面積を確保しながら移動させることができ、好ましい。例えば、ローラ６１の表面には、弾力性のある熱伝導シートが貼り付けられていてもよい。熱伝導シートは、例えば、熱伝導フィラーが混練されたアクリル系樹脂またはシリコーンゴムである。なお、冷却装置６の冷却部は、放熱性能の高い金属、例えば、フィンを有するヒートシンクであってもよい。ただし、冷却部を固化体の上面と接触しながら回転移動するローラ６１とすることで、ローラ６１を移動させながら冷却を行うことができ、冷却部を小型なものとすることができる。ひいては、冷却部の冷却効率がよく、また、冷却装置６をより小型に構成することができる。
ワイパ６３は、リコータヘッド４２に設けられる。より具体的には、リコータヘッド４２と接続された支持部６６にワイパ６３が取り付けられる。ワイパ６３としては、可撓性がある平板状のものや、ブラシ状のものが好ましい。また、ワイパ６３の下端は、冷却部であるローラ６１の下端よりも、下方に位置するようにされる。ワイパ６３は、リコータヘッド４２の移動に伴って、固化体の上面に接触しながら移動され、固化体の上面から材料粉体を除去する。好ましくは、ワイパ６３は、リコータヘッド４２の移動に伴い固化体の側面の少なくとも一部からも材料粉体を除去する。冷却時に固化体上や固化体の側面に材料粉体が存在していると、冷却部と固化体が接触することの妨げとなるだけではなく、材料粉体に蓄えられている熱エネルギが冷却効率の低下をもたらす。そのため、ワイパ６３により固化体の上面や、固化体の側面の少なくとも一部から材料粉体を払拭したうえで、冷却部による冷却を行うことにより、効率よく上面層を冷却することができる。なお、本実施形態においてはワイパ６３を支持部６６の一側面にのみ設けているが、支持部６６の両側面に１つずつワイパ６３を設けてもよい。
昇降装置６２は、冷却部であるローラ６１を昇降させる任意のアクチュエータである。昇降装置６２としては、例えば、エアシリンダが用いられる。昇降装置６２は、材料層形成装置４が材料層Ｍを形成する際には、冷却部を上昇させ、冷却部と材料層Ｍとを非接触状態に保つ。また、昇降装置６２は、上面層を冷却する際には、冷却部を下降させ、冷却部と固化体とを接触状態に保つ。このように構成することで、冷却部が材料層Ｍの形成の妨げになることを防止することができる。
冷媒流入口６４および冷媒流出口６５は、それぞれ、冷却部であるローラ６１の内部に配設された冷媒が流通する管路６１１の入口と出口である。冷媒流入口６４および冷媒流出口６５は、それぞれ、不図示の配管を介して、冷媒を循環させる不図示のチラーと接続される。当該配管には、冷媒の供給をＯＮ／ＯＦＦするための電磁弁６８が設けられる。チラーにおいて所定の冷却温度に温度調整された冷媒は、冷媒流入口６４から管路６１１に流入され、管路６１１を通って冷媒流出口６５から再度チラーに戻される。冷媒としては、水や油、エチレングリコール等の不凍液、液化窒素等の種々の流体を用いることができる。
また、冷却部であるローラ６１の内部に配設された管路６１１は、好ましくは図７に示すように、螺旋状の形状を有している。このような管路６１１によれば、より効率よく冷却部を冷却できる。
また、固化体上面の温度を測定する温度センサが設けられてもよい。温度センサは、積層造形装置１内の任意の位置に設けられればよいが、例えば、第１の加工ヘッドまたは第２の加工ヘッドに設けられる。温度センサが接触式である場合は、温度センサを上下移動させるエアシリンダ等の駆動装置がさらに設けられてもよい。冷却装置６による冷却後に、固化体上面の温度を測定し、所定の冷却温度に到達していないようであれば、再度冷却装置６による冷却を行うよう構成してもよい。また、固化体上面の温度を測定しながら冷却装置６による冷却を行い、所定の冷却温度に到達するまで冷却を継続するよう構成してもよい。
３．制御装置
次に、積層造形装置１を制御する制御装置８について説明する。図８に示すように、制御装置８は、数値制御装置８２、表示装置８３、材料層形成制御装置８４、造形テーブル制御装置８５、昇降装置駆動装置８６、照射制御装置８７、第１のミラー制御装置８７１ｘおよび第２のミラー制御装置８７１ｙを有している。制御装置８は、少なくとも、積層造形装置１の造形テーブル駆動装置３と、材料層形成装置４と、温度調整機構２６と、冷却装置６と、照射装置５と、を制御するものである。
ＣＡＭ装置８１は、所望の三次元造形物を形成するためのメインプログラムと、造形プログラムとを含むプロジェクトファイルを作成する。メインプログラムは、シーケンス番号をふられた複数のプログラム行で構成され、各プログラム行には、所定の層における焼結または溶融の指令等を含む。また、造形プログラムは、照射プログラムファイルであり、レーザ光Ｌの照射位置等の指令を含む。
数値制御装置８２は、ＣＡＭ装置８１が作成したプロジェクトファイルにしたがって、所望の三次元造形物を形成すべく、材料層形成装置４、造形テーブル２の高さと温度、冷却装置６の冷却部の温度と位置および照射装置５等を制御するもので、記憶装置８２１と演算装置８２２とメモリ８２３とを有している。
記憶装置８２１は、通信線や可搬記憶媒体を介してＣＡＭ装置８１から取得したプロジェクトファイルを記憶する。
演算装置８２２は、記憶装置８２１に記憶したプロジェクトファイルにしたがって、材料層形成装置４、造形テーブル２の高さと温度、冷却装置６の冷却部の温度と位置および照射装置５等を制御するための演算処理を実行する。
メモリ８２３は、演算装置８２２による演算処理の過程で一時的に記憶する必要のある数値やデータを一時的に記憶する。
表示装置８３は、数値制御装置８２に接続され、数値制御装置８２が通知するデータやエラーメッセージ等を表示する。
材料層形成制御装置８４は、数値制御装置８２からの指令に基づいて材料層形成装置４を制御する。材料層形成制御装置８４からの指令は、駆動電流供給装置４３に入力され、当該指令に応じた電力を駆動電流供給装置４３が出力することでリコータヘッド駆動装置４４のモータが回転し、リコータヘッド４２がベース台４１上を往復移動する。また、材料層形成制御装置８４には、駆動電流供給装置４３の出力に応じた信号やモータに取り付けられたエンコーダ等からの信号が入力され、これら入力された信号に基づいて材料層形成制御装置８４は、フィードバック制御を行う。
造形テーブル制御装置８５は、数値制御装置８２からの指令に基づいて造形テーブル駆動装置３を制御する。造形テーブル制御装置８５からの指令は、駆動電流供給装置３１に入力され、当該指令に応じた電力を駆動電流供給装置３１が出力することで造形テーブル駆動装置３のモータが回転し、造形テーブル２が上方向または下方向に移動し、その高さが変化する。また、造形テーブル制御装置８５には、駆動電流供給装置３１の出力に応じた信号やモータに取り付けられたエンコーダ等からの信号が入力され、これら入力された信号に基づいて造形テーブル制御装置８５は、フィードバック制御を行う。
昇降装置駆動装置８６は、数値制御装置８２からの指令に基づいて、冷却装置６の昇降装置６２を制御する。昇降装置駆動装置８６からの指令は、駆動電流供給装置６７に入力され、当該指令に応じた電力を駆動電流供給装置６７が出力することで冷却装置６の昇降装置６２が動作し、支持部６６を昇降させる。こうして、支持部６６に設けられた冷却部であるローラ６１と、ワイパ６３が昇降される。また、昇降装置駆動装置８６には、駆動電流供給装置６７の出力に応じた信号が入力され、これら入力された信号に基づいて昇降装置駆動装置８６は、フィードバック制御を行う。
また、数値制御装置８２は、電磁弁６８を開閉することで、冷却部の管路６１１への冷媒の供給を制御する。チラーと冷媒流入口６４間およびチラーと冷媒流出口６５間の電磁弁６８がそれぞれ開かれると、チラーと管路６１１間を循環する冷媒の流れが形成され、冷却部が冷却温度に温度調整される。冷却部の冷却を行わないときは、電磁弁６８は閉じられる。
さらに、数値制御装置８２は、造形テーブル２の温度調整機構を制御する。具体的に、数値制御装置８２は温度調整機構の加熱器および冷却器を適宜ＯＮ／ＯＦＦすることで、造形テーブル２を所望の温度に調整する。
照射制御装置８７は、数値制御装置８２から造形プログラムを受信し、この造形プログラムに基づいて照射データの生成を行い、生成した照射データに基づいて第１のミラー制御装置８７１ｘと第２のミラー制御装置８７１ｙに指令を送出する。また、照射制御装置８７は、出力源５１に指令を送出し、レーザ光Ｌの強度やオン／オフの切り替えを制御する。
第１のミラー制御装置８７１ｘは、照射制御装置８７からの指令に基づいて照射装置５の走査手段を制御する。第１のミラー制御装置８７１ｘからの指令は、照射装置５の駆動電流供給装置５５ｘに入力され、当該指令に応じた電力を駆動電流供給装置５５ｘが出力することで照射装置５のアクチュエータ５６ｘが動作し、ガルバノミラー５４ｘが回転する。
第２のミラー制御装置８７１ｙは、照射制御装置８７からの指令に基づいて照射装置５の走査手段を制御する。第２のミラー制御装置８７１ｙからの指令は、照射装置５の駆動電流供給装置５５ｙに入力され、当該指令に応じた電力を駆動電流供給装置５５ｙが出力することで照射装置５のアクチュエータ５６ｙが動作し、ガルバノミラー５４ｙが回転する。
４．動作説明
本実施形態の積層造形装置１は、造形途中に固化層に対して温度調整を行う三次元造形物の製造方法を実施するにあたり、特に有効である。そのような製造方法の一例として、本実施形態においては、固化層Ｓに対して所定の温度条件で加熱および冷却を行いながら造形を行うことで、意図的にマルテンサイト変態を進行させて三次元造形物の応力制御を行う積層造形方法が実施される。より具体的には、１層または複数層の固化層Ｓが新たに造形される毎に、新たに造形された固化層Ｓ、すなわち上面層に対し、造形温度、冷却温度、造形温度の順番で温度調整が行われる。以下、本積層造形方法を実施する積層造形装置１の造形に係る動作を説明する。
本積層造形方法において、造形温度および冷却温度は、マルテンサイト変態を進行させるための所定の温度条件を満たす。すなわち、造形温度は、固化層Ｓのマルテンサイト変態終了温度以上である。また、冷却温度は、造形温度よりも低く、固化層Ｓのマルテンサイト変態開始温度以下である。造形温度および冷却温度は、この温度条件を満たす範囲において、造形中一定でなくてもよい。換言すれば、造形温度に加熱された固化層Ｓを冷却温度に冷却する際において、都度前述の温度条件を満足していればよい。また、三次元造形物のマルテンサイト変態が造形後に進行することを防止するため、冷却温度を固化層Ｓのマルテンサイト変態終了温度以下に設定してもよい。
まず、造形テーブル２上にベースプレート２１が載置され、造形テーブル２の高さが適切な高さに調整される。一方、材料層形成装置４のリコータヘッド４２が材料供給装置１４の下方に移動し、材料供給装置１４から材料粉体の供給を受ける（Ａ１０１）。続いて、リコータヘッド４２が造形領域Ｒ上を移動して、造形領域Ｒ上に１層目の材料層Ｍを形成する（Ａ１０２）。このとき、造形テーブル２は、造形テーブル２内部に設けられた温度調整機構により所定温度に加熱されている。具体的には、造形テーブル２は造形温度に温度調整され、材料層Ｍを予熱する。
続いて、照射装置５が動作して、１層目の材料層Ｍにレーザ光Ｌを照射して１層目の固化層Ｓを形成する（Ａ１０３）。１層目の固化層Ｓが形成されたあと、造形テーブル２が材料層Ｍ１層分下げられ、リコータヘッド４２が造形領域Ｒ上を移動して、固化層Ｓの上に２層目の材料層Ｍを形成する。２層目の材料層Ｍに対し、照射装置５によりレーザ光Ｌが照射され、２層目の固化層Ｓが形成される。このようにして、材料層Ｍの形成と固化層Ｓの形成は、所定数だけ繰り返される。造形された複数の固化層Ｓは互いに固着する。このとき、固化層Ｓはオーステナイト相を含んでいる。なお、材料層Ｍと固化層Ｓの形成を繰り返している間にリコータヘッド４２内の材料粉体が不足した場合、再度材料供給装置１４から材料粉体の供給を受けてもよい。また、材料層Ｍと固化層Ｓの形成を繰り返している間は、造形テーブルは造形温度に温度調整されている。すなわち、造形テーブルは材料層Ｍを予熱するだけではなく、形成された固化層Ｓを順次造形温度、すなわちマルテンサイト変態終了温度以上の温度に温度調整している。
所定数の固化層Ｓが形成されると、リコータヘッド４２は、材料排出部１５上に移動して、材料吐出部４２３から材料排出部１５へ材料粉体を排出し、材料収容部４２１を略空にする（Ａ１０４）。このようにすることで、冷却時に固化体の上面に材料粉体が撒布されることを防止できる。
続いて、リコータヘッド４２が造形領域Ｒ上の所定位置まで移動され、昇降装置６２が、冷却部であるローラ６１を下降させる（Ａ１０５）。なお、固化体の上面にレーザ光Ｌを照射した際に飛散したスパッタが付着するなどして、固化体の上面に突起物が形成されている可能性がある。そのため、ブレード４２４と突起物が干渉するのを防止するため、リコータヘッド４２を造形領域Ｒ上に移動する前に、あらかじめ造形テーブル２を所定高さ下げておくことが望ましい。本実施形態では、材料層Ｍ１層分、造形テーブル２が下げられる。
また、冷却部を所定の冷却温度に冷却するため、電磁弁６８が開かれ、チラーが冷却装置６に冷媒を供給し、管路６１１内に冷媒を流通させる（Ａ１０６）。冷却部が固化体に接触する前に冷却部が所定の冷却温度に到達するよう、冷媒の流通が開始されることが望ましい。本実施形態では、所定数の固化層Ｓが形成されたタイミングで、管路６１１への冷媒の流通が開始される。なお、上面層の冷却時は、造形テーブル２に設けられた温度調整機構による造形テーブル２の加熱は停止されてもよい。より好ましくは、温度調整機構の加熱器を停止させ、冷却器によって造形テーブル２の温度を低下させる。このとき、造形テーブル２は固化体に過剰に熱が伝達することを抑制できる程度に冷却されていればよく、所定の冷却温度まで冷却される必要はない。例えば、造形テーブル２は常温に温度調整される。
この状態で、リコータヘッド４２が造形領域Ｒ上を移動して、ローラ６１が固化体の上面と接触しながら回転移動し、上面層を冷却する（Ａ１０７）。上面層が所定の冷却温度に冷却されることで、上面層に含まれるオーステナイト相の少なくとも一部がマルテンサイト相へと変態する。上面層に対して十分な冷却がなされるまで、リコータヘッド４２は複数回造形領域Ｒ上を往復移動する。なお、ワイパ６３が設けられる場合は、ローラ６１が固化体の上面と接触するよりも先に、固化体の上面や固化体の側面の少なくとも一部から余分の材料粉体を払拭することが望ましい。本実施形態では、図１および図５に示すように、ワイパ６３は、ローラ６１よりも左側に設けられている。そのため、冷却時には、まずは造形領域Ｒの右側から左側に移動するように、リコータヘッド４２が制御される。ワイパ６３によって固化体上面の材料粉体を除去したあとは、リコータヘッド４２はいずれの方向に移動されてもよい。なお、ワイパ６３がローラ６１の両側に設けられる場合は、冷却時の最初のリコータヘッド４２の移動方向は、右側からでも左側からであってもよい。なお、冷却時にリコータヘッド４２が移動する範囲は、造形領域Ｒ全体を含んでいなくてもよい。例えば、固化体の上面の範囲を、冷却時点での最上位の固化層Ｓの形成にかかる造形プログラムから算出し、当該範囲上のみリコータヘッド４２を往復移動させるよう、構成してもよい。このとき、ワイパ６３により固化体の側面の少なくとも一部における材料粉体を除去するため、各冷却時の最初にリコータヘッド４２が固化体上を移動する際は、ワイパ６３が摺動する範囲が固化体の上面の範囲よりも大きくなるよう構成されることが望ましい。すなわち、算出した固化体の上面の範囲に所定のオフセットを加えて、リコータヘッド４２の冷却時の最初の移動範囲とすることが望ましい。また、冷却装置６による上面層の冷却は、固化層表面の温度が冷却温度に到達するまで行われてもよいし、リコータヘッド４２が所定回数移動するまで行われてもよいし、冷却を開始してから所定時間経過するまで行われてもよい。リコータヘッド４２の移動回数または冷却時間は、あらかじめ測定したデータに基づいて決定されてもよいし、材料の種類、固化層または上面層の体積、固化層表面の面積、加熱温度、冷却温度等から都度算出されてもよい。また、上面層を冷却する際と、材料層Ｍを形成する際のリコータヘッド４２の移動速度も異なるようにすることができる。例えば、冷却時のリコータヘッド４２の移動測度は、材料層Ｍ形成時の移動測度よりも低速であってもよい。
上面層の冷却が終了すると、昇降装置６２が、ローラ６１を上昇させるとともに（Ａ１０８）、電磁弁６８が閉じられ、チラーによる冷媒の供給が停止され、管路６１１内の冷媒の流通が停止される（Ａ１０９）。
リコータヘッド４２は材料供給装置１４により材料粉体が補充され、造形テーブル２は造形温度に再加熱される。造形テーブル２を介して、固化体が造形温度に温度調整される。そして、前述と同様の手順で材料層Ｍの形成と固化層Ｓの形成が繰り返され、所定数の固化層Ｓが新たに積層された段階で、再度当該固化層Ｓ、すなわち上面層の冷却が行われる。積層造形装置１は、これらの処理を造形が終了するまで繰り返し、造形が終了すると、造形動作を終了する。なお、積層造形装置１が第１の加工装置または第２の加工装置を備える場合は、造形途中または造形後に、固化層Ｓに対して切削加工がおこなわれてもよい。
なお、リコータヘッド４２に、造形温度に温度調整され固化体の上面と接触する加熱部を含む加熱装置を設け、上面層の冷却後に、上面層を含む固化体を再度造形温度に温度調整するにあたり、当該加熱装置を使用して固化体の加熱を行ってもよい。加熱装置の加熱部は冷却装置６の冷却部と別体に設けられてもよいし、冷却部が加熱部としての機能も有するものであってもよい。例えば、冷却部が管路６１１を有するローラ６１であるとき、管路６１１は造形温度に温度調整された熱媒も流通するよう構成されてもよいし、ローラ６１内に管路６１１とは別の、熱媒が流通する管路が設けられてもよいし、熱媒が流通する管路が設けられたローラ６１とは別のローラがリコータヘッド４２に設けられてもよい。
１ ：積層造形装置
２ ：造形テーブル
３ ：造形テーブル駆動装置
４ ：材料層形成装置
５ ：照射装置
６ ：冷却装置
７ ：汚染防止装置
８ ：制御装置
１１ ：チャンバ
１２ ：ウインドウ
１３ ：粉体保持壁
１４ ：材料供給装置
１４ａ ：ボトル
１４ｂ ：ホッパ
１４ｃ ：中間ダクト
１５ ：材料排出部
１６ ：シュート
１７ ：バケット
２１ ：ベースプレート
２２ ：天板
２３ ：支持板
２４ ：支持板
２５ ：支持板
２６ ：温度調整機構
３１ ：駆動電流供給装置
４１ ：ベース台
４２ ：リコータヘッド
４３ ：駆動電流供給装置
４４ ：リコータヘッド駆動装置
５１ ：出力源
５２ ：コリメータ
５３ ：フォーカス制御ユニット
５４ｘ ：ガルバノミラー
５４ｙ ：ガルバノミラー
５５ｘ ：駆動電流供給装置
５５ｙ ：駆動電流供給装置
５６ｘ ：アクチュエータ
５６ｙ ：アクチュエータ
６１ ：ローラ
６２ ：昇降装置
６３ ：ワイパ
６４ ：冷媒流入口
６５ ：冷媒流出口
６６ ：支持部
６７ ：駆動電流供給装置
６８ ：電磁弁
８１ ：ＣＡＭ装置
８２ ：数値制御装置
８３ ：表示装置
８４ ：材料層形成制御装置
８５ ：造形テーブル制御装置
８６ ：昇降装置駆動装置
８７ ：照射制御装置
２６１ ：加熱器
２６２ ：冷却器
４２１ ：材料収容部
４２２ ：材料供給部
４２３ ：材料吐出部
４２４ ：ブレード
６１１ ：管路
８２１ ：記憶装置
８２２ ：演算装置
８２３ ：メモリ
８７１ｘ ：第１のミラー制御装置
８７１ｙ ：第２のミラー制御装置
Ｂ ：矢印
Ｃ ：矢印
Ｌ ：レーザ光
Ｍ ：材料層
Ｒ ：造形領域
Ｓ ：固化層
Ｕ ：矢印

Claims (7)

  1. 所望の三次元造形物が形成される造形領域に材料層を形成する材料層形成装置と、
    前記材料層にレーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する照射装置と、
    前記固化層が積層してなる固化体の上面を含む少なくとも一部を所定の冷却温度に冷却する冷却装置と、を備え、
    前記材料層形成装置は、
    前記造形領域を有するベース台と、
    前記ベース台上に配置されるリコータヘッドと、
    前記リコータヘッドを水平１軸方向に往復移動させるリコータヘッド駆動装置と、
    前記リコータヘッドに設けられ、材料粉体を均して前記材料層を形成するブレードと、を含み、
    前記冷却装置は、
    前記リコータヘッドに設けられ、前記冷却温度に温度調整され、前記固化体の上面と接触する冷却部と、
    前記冷却部の下端よりも、下端が下方に位置するワイパと、
    前記冷却部および前記ワイパを昇降させる昇降装置と、を含み、
    前記昇降装置は、
    前記材料層形成装置が前記材料層を形成する際に、前記冷却部および前記ワイパと前記材料層とを非接触状態に保ち、
    前記冷却装置が前記固化体の上面を含む少なくとも一部を冷却する際に、前記冷却部と前記固化体とを接触状態に保ち、
    前記ワイパは、
    前記冷却部が前記固化体と接触するよりも先に、前記固化体から余分の前記材料粉体を除去する、積層造形装置。
  2. 前記リコータヘッドは、
    前記材料粉体を収容する材料収容部と、
    前記材料収容部の底面に配設され、前記材料粉体を吐出する材料吐出部と、を有する、請求項１に記載の積層造形装置。
  3. 前記ベース台には、開口である材料排出部が形成され、
    前記リコータヘッドは、前記冷却部が前記固化体の上面に接触する前に、前記材料排出部上に移動し、前記材料収容部内の前記材料粉体を排出する、請求項２に記載の積層造形装置。
  4. 前記冷却部は、前記固化体の上面と接触しながら回転移動するローラである、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の積層造形装置。
  5. 前記冷却部は、冷媒が流通する管路を有する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の積層造形装置。
  6. 前記冷却温度は、前記固化層のマルテンサイト変態開始温度以下である、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. 前記冷却温度は、前記固化層のマルテンサイト変態終了温度以下である、請求項６に記載の積層造形装置。
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