JP7199293B2 - 付加製造装置、および、ブレード清掃方法 - Google Patents

Description

本発明は、付加製造装置、特に粉末床溶融結合方式の付加製造装置に関する。

従来の付加製造装置としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。

同文献では、要約書に記載されるように、「平坦化ローラと粉体除去板との間に溜まった粉体が凝集し、塊となって落下することによって粉体層の平面性が低下する」という課題を解決するために、「粉体が結合された造形層が積層形成される造形ステージと、造形ステージのステージ面に沿う方向に相対的に移動して、造形ステージ上の粉体の表面を平坦化して粉体層を形成する平坦化ローラと、平坦化ローラの周面に付着した粉体を除去する粉体除去板とを備え、平坦化ローラを回転駆動して、平坦化ローラの周面と粉体除去板との間に溜まった粉体を清掃する清掃動作を行」っている。

この清掃動作は、より詳細には、平坦化ローラを造形槽外の造形外領域まで移動させた後、平坦化ローラを逆方向（平坦化するときの回転方向）に回転させ、平坦化ローラの周面と粉体除去板の間で生じた凝集粉体を粉体除去板により掻き落とすものであり（同文献の段落０１０７、０１０８、図１０（ｃ）等）、これにより、凝集粉体の落下による粉体層の平面度の低下を低減させることができる（同文献の段落００１２等）。

特開２０１８－５５６２５号公報

粉末層の表面を平坦化するためにブレードを用いる粉末敷き詰め機構を持つ付加製造装置も知られている。この種の付加製造装置においては、前層の造形中に発生したスパッタや余剰に溶融させた金属粉末が粉末敷き詰め時にブレードの下端に付着すると、ブレードの一部が実質的に下に凸状態となるため、次に敷き詰められる粉末層の表面には、ブレードに付着したスパッタによって筋状の溝が形成されてしまう。そして、この溝位置に造形物が造形されると、当該箇所においては金属粉末が不足し、造形物の精度(欠陥発生)が劣化してしまう。

このため、ブレードを用いる付加製造装置においても、ブレードに付着した異物の清掃が必要であるが、ローラを逆回転させるという特許文献１の清掃動作はブレードに適用できない。また、特許文献１では、粉末層を敷く毎に平坦化ローラを清掃し、清掃が終了した後にレーザ光を照射して造形しており、都度の清掃過程により造形物の完成までに要する時間が長くなる。

そこで、本発明は、ブレードの清掃動作を実現できる付加製造装置を提供すること、または、清掃動作による造形時間の増加を抑制できる付加製造装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の付加製造装置は、供給エリアから供給された金属粉末を造形エリアに敷き詰めた粉末層を形成するとともに、余剰の金属粉末を回収エリアに移動させるブレードと、前記造形エリアの粉末層の表面にレーザ光を照射するレーザと、前記ブレードの位置および前記レーザの照射を制御する制御装置と、前記回収エリアに設けられ、 前記ブレードに付着した異物を清掃するブレード清掃具と、を具備し、前記ブレード清掃具は、前記ブレードの先端部と勘合する断面形状の砥石で形成した、前記ブレードより短幅のシェーバ式スクレーパ、または、ローラ式スクレーパであり、前記シェーバ式スクレーパ、または、前記ローラ式スクレーパを前記ブレードの長手方向に移動させることで、前記ブレードを研磨しながら、前記ブレードに付着した異物を清掃するものとした。

本発明の付加製造装置によれば、ブレードの清掃動作を実現でき、また、清掃動作による造形時間の増加を抑制できる。

実施例１の付加製造装置の全体構成の側面図 実施例１の付加製造装置の機能ブロック図 ブレードにスパッタが付着する過程を説明する図 ブレードに付着したスパッタにより形成された溝を説明する上面図 実施例１の清掃具によるブレードの清掃過程を示す側面図 実施例１の清掃具の変形例を示す側面図 実施例２の清掃具を示す側面図、および、正面図

以下、図面を用いて、造形エリアの粉末層の表面を平坦化するブレードを備えた本発明の粉末床溶融結合方式の付加製造装置１００を説明する。スパッタおよび余剰溶融粉末などの異物のブレードへの付着は、二層目以降の粉末敷き詰め時に発生する。すなわち、前層の粉末を溶融した際に発生した異物が、ブレードと接触することにより付着し、次層以降で表面を平滑とする際に、粉末層表面の凹凸の要因となる。なお、このような現象は、レーザの種類や、造形の雰囲気によらず発生する。

まず、図１～図６を用いて、本発明の実施例１に係る付加製造装置１００を説明する。

本実施例の付加製造装置１００は、真空チャンバ２内に、供給エリア３、造形エリア４、回収エリア５を設けており、供給エリア３から造形エリア４に供給された金属粉末９ａにより形成された数十～数百ミクロン程度の厚さの粉末層にレーザ光を照射して造形物９ｂを造形するとともに、粉末層を形成する際に余った余剰の金属粉末９ａを回収エリア５で回収できるようにしたものである。以下、図１の側面図を用いて、この付加製造装置１００の詳細構成を説明する。

真空チャンバ２の筐体の側面には、排気装置２ａと不活性ガス供給装置２ｂが取り付けられている。排気装置２ａは、真空チャンバ２内部の空気を排気することで酸素濃度を低減するものである。不活性ガス供給装置２ｂは、窒素やアルゴンなどの不活性ガスを供給することで真空チャンバ２の内部を所望の圧力に調整するものである。

また、真空チャンバ２の筐体には、透明なガラス等で構成される窓２ｃが取り付けられている。造形エリア４の上方に取り付けられた窓２ｃの外部には、レーザ７、垂直撮像装置８ａが取り付けられている。これらによって、造形エリア４に敷き詰められた金属粉末９ａにレーザ光を照射し、レーザ光照射前後の造形エリア４の表面状態を撮像することができる。一方、不活性ガス供給装置２ｂ側の側面に取り付けられた窓２ｄの外部には、水平撮像装置８ｂが取り付けられている。これによって、照射中のレーザ光の状態などを撮像することができる。なお、図１では、レーザ７を二台記載しているが、これらは単数でも、複数設けても良い。また、図示を省略しているが、レーザ７には、レーザスキャナを組み込んでおり、造形エリア４の上面の任意位置にレーザ光を照射することができる。

供給エリア３のタンク内には金属粉末９ａが蓄えられており、昇降機構３ａを上昇させることで、供給ステージ３ｂの上方の金属粉末９ａを持ち上げる。

造形エリア４の造形ステージ４ｂ上、詳細には造形ステージに設置されたベースプレート上には、後述するリコータ６によって供給エリア３から供給された金属粉末９ａが敷き詰められる。造形ステージ４ｂ上に形成された粉末層にレーザ７のレーザ光を所定時間照射することで、金属粉末９ａが溶解、凝固し、所望の形状の造形物９ｂを造形することができる。この造形ステージ４ｂは、昇降機構４ａを下降させることで、造形エリア４のタンク内を下方に移動するので、粉末層の再形成、レーザ光の照射、造形ステージ４ｂの下降、からなる一連の造形プロセスを繰り返すことで、造形ステージ４ｂ上に所望の立体形状の造形物９ｂを造形する。なお、図示していないが、造形エリア４の粉末層温度をより高くできるように、造形エリア４の上面をランプで照らして粉末層を予熱しても良いし、造形ステージ４ｂを発熱させて粉末層を予熱しても良い。

回収エリア５には回収タンク５ａが設置されており、造形ステージ４ｂ上に粉末層を形成した後に余った余剰の金属粉末９ａが回収される。この回収エリア５には、リコータ６のブレード６ａに付着した異物を清掃するため、後述するブレード清掃具１０が設けられている。造形物への異物混入の原因となるため、異物清掃は回収エリア５、もしくは別途設ける異物回収エリアで行い、リコータに付着した異物を回収する。また、ブレード清掃具１０はリコータ６に設けても良い。なお、リコータ６の清掃動作を、金属粉末へのレーザ照射中に行うことで、清掃動作のために１層あたりの造形時間が長くなることを防ぐことができる。

リコータ６は、図示しない駆動部からの動力によって水平方向に移動しながら、昇降機構３ａが押し上げた金属粉末９ａを造形エリア４に敷き詰めるものであり、図１中のブレード６ａまたはローラ６ｂのいずれか一方を有する 。ブレード６ａは、供給エリア３の金属粉末９ａを回収エリア５方向に移動させながら造形エリア４に略一定厚さの粉末層を形成するためのものであり、その断面形状は上方に比べ下方が薄くなっている。また、ローラ６ｂは、造形エリア４の粉末層の表面をより平滑にするためのものであり、金属粉末９ａを造形エリア４に敷き詰める際には順方向に回転駆動する。ここで、順方向とは、図１のように、粉末層の形成時にリコータ６が右方向に移動する構成では、時計回りの方向である。なお、図１では、ブレード６ａとローラ６ｂの双方を備えたリコータ６を例示しているが、ローラ６ｂを有さずブレード６ａのみを有するリコータ６を用いても良い。

次に、図２を用いて、付加製造装置１００の各部を制御する制御装置１を説明する。この制御装置１は、実際には、ＣＰＵ等の演算装置、半導体メモリ等の主記憶装置、ハードディスク等の補助記憶装置、および、通信装置などのハードウェアを備えた計算機である。そして、主記憶装置にロードされたプログラムを演算装置が実行することで、後述する各機能を実現するが、以下では、このような周知技術を適宜省略しながら説明する。

図２に示すように、制御装置１は、排気制御部１ａ、不活性ガス供給制御部１ｂ、供給ステージ昇降機構制御部１ｃ、造形ステージ昇降機構制御部１ｄ、リコータ制御部１ｅ、レーザ制御部１ｆ、粉敷き検証部１ｈ、雰囲気検証部１ｉ等を備えている。

これらのうち、排気制御部１ａ、不活性ガス供給制御部１ｂは夫々、排気装置２ａ、不活性ガス供給装置２ｂを制御し、真空チャンバ２内の酸素濃度や圧力を付加製造に適した環境にする。また、供給ステージ昇降機構制御部１ｃ、造形ステージ昇降機構制御部１ｄ、リコータ制御部１ｅ、レーザ制御部１ｆ、は夫々、供給ステージ３ａ、造形ステージ４ａの昇降や、リコータ６の水平移動、ローラ６ｂの回転、レーザ７のレーザ光照射を制御し、所望の立体形状の造形物を造形する。

また、粉敷き検証部１ｈは、垂直撮像装置８ａが撮像した造形エリア４の上面の画像データを解析し、金属粉末９ａの敷き詰め状態の良否、具体的には、造形エリア４の粉末層の表面の溝の有無を検証する。

ここで、図３と図４を用いて、造形エリア４の粉末層表面に溝が生じる理由と、造形エリア４の粉末層表面に溝が生じた場合に撮像される画像データを説明する。

図３は、造形物９ｂの造形が完了した前層の上に金属粉末９ａを敷き詰め、次層を形成する過程を段階的に示す側面図である。なお、ここでは、前層の造形時に、レーザ光の照射部（溶融地）から飛散する溶融金属の微粒子（以下、スパッタ９ｃ）や、レーザ光照射部の極近傍の本来溶融すべきでない金属粉末が溶解、凝固した不要な金属塊が発生しているものとする。

このように、前層の造形過程で発生したスパッタ９ｃが、造形物９ｂや粉末層の上に残存していると（図３（ａ））、次層の金属粉末９ａを敷き詰めるためにブレード６ａを右方向に移動させたときに、完全には凝固していない一部のスパッタ９ｃがブレード６ａの先端に付着し（図３（ｂ））、付着したスパッタ９ｃの移動痕跡である溝が粉体層上に形成される場合がある（図３（ｃ））。

図４は、図３の過程を経て形成されたスパッタ９ｃの移動痕跡を垂直撮像装置８ａで撮像した画像データである。本実施例のブレード６ａは水平方向に移動しながら造形ステージ４ｂ上に平滑な粉末層を形成するものであるため、造形ステージ４ｂ上の粉末層の表面には、ブレード６ａの先端に付着したスパッタ９ｃによって、ブレード６ａの移動方向に沿った筋状の溝が形成される。そして、この溝とレーザ照射位置（造形物９ｂの造形位置）が重なると、そこでは金属粉末９ａの不足により、造形物９ｂの造形精度が劣化してしまう。

そこで、本実施例の付加製造装置１００では、制御装置１が備える粉敷き検証部１ｈによって造形エリア４の粉末層表面に溝等の異常が検出された場合には、ブレード６ａをブレード清掃具１０に接触させ、このブレード清掃具１０によりブレード６ａに付着したスパッタ９ｃを除去してから、再度、金属粉末９ａを敷き詰める動作を行うことで、溝のない平滑な粉末層の形成できるようにした。なお、ブレード清掃の手段としては、ブラシによるかき取りや不活性ガスの吹き付けによる吹き飛ばしなども考えられる。

図５は、ブレード清掃具１０によるブレード６ａの清掃動作を示す側面図である。ここに例示するブレード清掃具１０は、真空チャンバ２の筐体等に固定された水平なベース部と、ブレード６ａよりも長幅の可動部と、この可動部を図中の時計回り方向に付勢するバネからなるスクレーパ１０ａである。図５（ａ）のように、ブレード６ａを右方向に移動させていくと、ブレード６ａの側面がスクレーパ１０ａの先端に押し付けられ、スクレーパ１０ａの可動部が反時計回りに回動する。その後、ブレード６ａを更に右方向に移動させると、図５（ｂ）にように、スクレーパ１０ａの先端がブレード６ａの先端と接触する。このとき、ブレード６ａの先端に付着したスパッタ９ｃがスクレーパ１０ａにより除去され、除去されたスパッタ９ｃが回収エリア５の回収タンク５ａに落下する。なお、図５の清掃動作は、レーザ７がレーザ光を照射している造形過程中に実行するのが、造形時間全体の短縮化のためには望ましい。

本実施例のブレード清掃具１０は図５で例示したものに限定されず、例えば、図６に示したような形状のものとしてもよい。すなわち、図６（ａ）のように、垂直なベース部を持つスクレーパ１０ａにより、ブレード６ａの先端に付着したスパッタ９ｃを除去しても良いし、図６（ｂ）のように、湾曲した１枚のスクレーパ１０ａにより、ブレード６ａの先端に付着したスパッタ９ｃを除去しても良い。

以上で説明した本実施例の付加製造装置によれば、ブレード清掃具によりブレード先端に付着したスパッタを除去できるので、次に造形エリアに金属粉末を敷き詰めるときに、粉末層の表面を平坦にすることができる。また、ブレードの清掃動作は、１層の造形ごとに、もしくは複数回の造形ごと、あるいは、敷き詰めた粉末層上に溝が垂直撮像装置８ａにより確認されたときなど、必要な時にのみ、かつ、レーザ光を照射する造形過程と同時に実行されるので、造形物を完成させるまでに要する時間を不用意に長くすることはない。

次に、図７を用いて、本発明の実施例２に係る付加製造装置１００を説明する。なお、実施例１との共通点は重複説明を省略する。

実施例１では、ブレード６ａよりも長幅のスクレーパ１０ａにブレード６ａを押し付けることでブレード６ａの先端に付着したスパッタ９ｃを一時に除去したが、本実施例では、ブレード６ａよりも短幅のブレード清掃具１０を用いてスパッタ９を除去できるようにした。

図７は、本実施例のブレード清掃具１０の具体例であり、図７（ａ）はシェーパ式スクレーパ１０ｂを、図７（ｂ）はローラ式スクレーパ１０ｃを示している。ブレードには、超硬合金等を用い、造形の間に適宜研磨を行う。

まず、図７（ａ）を用いて、シェーパ式スクレーパ１０ｂの詳細を説明する。図７（ａ）の左図に示すように、本実施例のシェーパ式スクレーパ１０ｂは、ブレード６ａの先端部と勘合する断面形状の砥石である。また、図７（ａ）の右図に示すように、シェーパ式スクレーパ１０ｂは、ブレード６ａよりも短幅であるため、ブレード６ａの全幅を清掃できるように、図示しない駆動部によりブレード６ａの幅方向に移動する。

次に、図７（ｂ）を用いて、ローラ式スクレーパ１０ｃの詳細を説明する。図７（ｂ）の左図に示すように、本実施例のローラ式スクレーパ１０ｃは、ブレード６ａの先端部と勘合する断面形状の砥石である。また、図７（ａ）の右図に示すように、ローラ式スクレーパ１０ｃは、ブレード６ａよりも短幅であるため、ブレード６ａの全幅を清掃できるように、図示しない駆動部により回転しながらブレード６ａの幅方向に移動する。

このように本実施例では、ブレード清掃具１０を砥石で形成しているため、実施例１のブレード清掃具１０では除去できないような強固に付着したスパッタ９ｃであっても、ブレード６ａから除去することができる。なお、ブレード清掃具１０を砥石とした場合、ブレード６ａが徐々に削られ、その高さが短くなり、ベースプレートとの隙間（粉末敷き詰め厚さ）が大きくなるため、粉末移動量が少なくなり、均一な粉末の供給が困難となる。したがって、ブレード６ａの上下位置を調整できるような構成にしておき、ブレード６ａの高さが短くなったときに、ブレード６ａを下方に下げることで、ブレード６ａの先端を常に所望の高さに設定できるようにしても良い。

ブレード６ａの先端高さを調整するブレード高さ調整機構は、ブレード６ａの先端位置を、レーザ焦点位置から所望の粉末厚さ分ずらし設定する。当該位置の高さ合わせをする位置合わせ部材を基準として設け、当該部材とブレード６ａとが接触するか否かを、電気的・画像処理等で確認し、高さ合わせを行ってもよい。

以上で説明した本実施例の粉末床溶融結合方式の付加製造装置においても、実施例１と同等の効果が得られることに加え、実施例１のブレード清掃具では除去できないスパッタも除去することができる。また、ブレード清掃具をより小型化できるので、特にブレード６ａが大きい場合には、ブレード清掃具を備えた付加製造装置を低コスト化することができる。

１００ 付加製造装置、
１ 制御装置、
２ 真空チャンバ、
２ａ 排気装置、
２ｂ 不活性ガス供給装置、
２ｃ、２ｄ 窓
３ 供給エリア、
３ａ 供給ステージ昇降機構
３ｂ 供給ステージ
４ 造形エリア、
４ａ 造形ステージ昇降機構
４ｂ 造形ステージ
５ 回収エリア、
５ａ 回収タンク、
６ リコータ
６ａ ブレード、
６ｂ ローラ
７ レーザ、
８ａ 垂直撮像装置
８ｂ 水平撮像装置
９ａ 金属粉末
９ｂ 造形物
９ｃ スパッタ
１０ ブレード清掃具
１０ａ スクレーパ
１０ｂ シェーパ式スクレーパ
１０ｃ ローラ式スクレーパ

Claims (3)

1. 供給エリアから供給された金属粉末を造形エリアに敷き詰めた粉末層を形成するとともに、余剰の金属粉末を回収エリアに移動させるブレードと、
   前記造形エリアの粉末層の表面にレーザ光を照射するレーザと、
   前記ブレードの位置および前記レーザの照射を制御する制御装置と、
   前記回収エリアに設けられ、前記ブレードに付着した異物を清掃するブレード清掃具と、
   を具備し、
   前記ブレード清掃具は、前記ブレードの先端部と勘合する断面形状の砥石で形成した、前記ブレードより短幅のシェーバ式スクレーパ、または、ローラ式スクレーパであり、
   前記シェーバ式スクレーパ、または、前記ローラ式スクレーパを前記ブレードの長手方向に移動させることで、前記ブレードを研磨しながら、前記ブレードに付着した異物を清掃することを特徴とする付加製造装置。
2. 請求項１に記載の付加製造装置において、
   さらに、前記造形エリアの粉末層の表面を撮像する撮像装置を備えており、
   前記制御装置は、前記撮像装置が撮像した画像データを解析し、前記造形エリアの粉末層の表面に異常が確認されたときに、前記ブレード清掃具による清掃動作を実行することを特徴とする付加製造装置。
3. 供給エリアから供給された金属粉末を造形エリアに敷き詰めた粉末層を形成するとともに、余剰の金属粉末を回収エリアに移動させるブレードと、
   前記造形エリアの粉末層の表面にレーザ光を照射するレーザと、
   前記回収エリアに設けられたブレード清掃具と、
   を具備する付加製造装置におけるブレード清掃方法であって、
   前記ブレード清掃具は、前記ブレードの先端部と勘合する断面形状の砥石で形成した、前記ブレードより短幅のシェーバ式スクレーパ、または、ローラ式スクレーパであり、
   前記ブレードに異物が付着したときに、前記シェーバ式スクレーパ、または、前記ローラ式スクレーパを前記ブレードの長手方向に移動させることで、前記ブレードを研磨しながら、前記ブレードに付着した異物を清掃することを特徴とするブレード清掃方法。

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