JP7279234B1 - 積層造形装置および積層造形装置用の小領域造形ユニット - Google Patents

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Abstract

【課題】最終製品用の材料粉体とは別の材料粉体を使用して三次元造形物を簡単に製造することができる積層造形装置およびその小領域造形ユニットを提供する。【解決手段】本発明によれば、積層造形装置用の小領域造形ユニット８であって、ベース台４に載置され、第１の造形領域Ｒの一部に第２の造形領域Ｒｓを形成し、かつ第２の飛散防止枠を備える小領域用造形台８２と、造形テーブル５に固定され前記第２の造形領域Ｒｓを上下方向に移動する小領域用ベースプレート８３と、前記造形テーブル５に固定された第１の飛散防止枠を備え、前記第１の飛散防止枠の開口は、前記第２の飛散防止枠の外縁よりも大きく形成されていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、積層造形装置および積層造形装置用の小領域造形ユニットに関する。
現在、積層造形装置は多品種生産を行う装置として注目を集めている。例えば、航空宇宙産業ではタービンブレードを代表にチタンなどの金属合金を使う製品が、医療業界ではインプラントのように生体親和性の高いコバルトクロム合金などを使う製品が製造され、また自動車業界では軽量化と耐熱性を合わせもつアルミニウムを使った自動車部品が製造されている。このように、様々な業界の製品に１台の装置で対応できるように複数の材料粉体を扱うことができる積層造形装置が望まれている。
従来から、材料粉体を積層造形装置に自動的に供給し、積層造形装置から自動的に回収するユニットとしてＭＲＳ（Material Recycle System）ユニットが開発されている（特許文献１、特許文献２）。作業者が積層造形装置に取りつけられたＭＲＳユニットを別のＭＲＳユニットに交換することで粉末の種類を変更できるため、設備費を抑えながら製品の種類を増やすことができ、さらに設備稼働率を向上することが可能となる。
特許第６１３２９６２号公報 特許第６９９３４９２号公報
近年、より多くの積層造形用の新材料が市場に出回るようになってきた。その影響により、試験的に少量の新材料を使用した試作品の造形に対する要求が高まっている。具体的には、製造業者は普段はＭＲＳユニットを使用して最終製品を連続造形し、必要に応じて新材料を少量用いて試験片を造形し、試験片を評価することで新材料が実用可能かどうかの検証を行いたいと考えている。このような試作品の造形は、ＭＲＳユニットによる材料粉体の自動供給および自動回収作業になるべく影響を与えない方法で簡単に実施できることが好ましい。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、少量の材料粉体を用いて簡単に試作品を造形することができる積層造形装置および積層造形装置用の小領域造形ユニットを提供するものである。
本発明は、第１の造形領域を有するベース台と、当該第１の造形領域に配置された造形テーブルと、当該造形テーブルを上下方向に移動させる造形テーブル駆動機構を備えた積層造形装置用の小領域造形ユニットであって、前記小領域造形ユニットは、前記ベース台に載置され、前記第１の造形領域の一部に第２の造形領域を形成する小領域用造形台と、前記造形テーブルに固定され、前記第２の造形領域を上下方向に移動する小領域用ベースプレートと、前記造形テーブルに固定された第１の飛散防止枠を備え、前記第２の造形領域に三次元造形物が造形されるものであり、前記小領域用造形台は、前記第２の造形領域を形成する開口と、当該開口の外周に設けられかつ下方向に突出して設けられた中空状の第２の飛散防止枠と、前記開口を挟んで上方向に突出する一対の仕切板を有し、前記小領域用ベースプレートは、前記第２の造形領域を形成する開口および前記第２の飛散防止枠の内側を上下方向に移動され、前記第１の飛散防止枠は、中空状で前記小領域用ベースプレートの外周に上方向に突出して設けられ、前記第１の飛散防止枠の開口は、前記第２の飛散防止枠の外縁よりも大きく形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、三次元造形物Ｋを形成した後の未固化の材料粉体は第１の飛散防止枠の内側に蓄積されるため、第１の飛散防止枠の内側を掃除することで複数種類の材料粉体を簡単に試用することが可能となる。また、小領域造形ユニットを使用した造形からＭＲＳユニットを使用した連続造形に切り替える場合であっても、最終製品造形時の材料粉体の回収系統および供給系統に新材料が混入することがないため、簡単に造形方法を切り替えることが可能となる。
本発明の小領域用造形台は、前記開口を挟んで上方向に突出する一対の仕切板を備えることを特徴とする。
また本発明の小領域造形ユニットは、前記ベース台上を水平１軸方向に移動して前記第２の造形領域に材料粉体を供給して前記小領域用ベースプレートに材料粉体層を形成する小領域用リコータヘッドを備え、さらに前記小領域用リコータヘッドはその下面に前記水平１軸方向に延びる一対の溝を備え、前記溝の内側を前記仕切板が相対的に移動することを特徴とする。
本発明によれば、移動する小領域用リコータヘッドによって押し出される余剰の材料粉体は一対の仕切板の間に蓄積されるため、仕切板の内側を清掃することで簡単に小領域造形ユニットを使用した造形からＭＲＳユニットを使用した造形に切り替えることができる。
本発明の小領域用リコータヘッドは、前記材料粉体を収容する材料ケースを備え、前記材料ケースは前記水平１軸方向に直交する他の水平１軸方向に延びて形成され、その長手方向の最大長さは前記ベース台の前記他の水平１軸方向の幅と同じになるように形成されていることを特徴とする。
また本発明の材料ケースは、その下部が逆角錐台形状をなすことを特徴とする。
本発明によれば、材料ケースが大きく形成されているため、材料粉体を１度投入するだけで三次元造形物を造形することが可能となる。
また、材料ケースの下部が逆角錐台形状をなしているため、パウダーガイドに設けられた材料排出口から適切に材料粉体を排出することができる。
本発明の小領域造形ユニットは、種類が異なる複数の前記小領域用造形台と前記小領域用ベースプレートと前記第１の飛散防止枠を備えることを特徴とする。
本発明によれば、複数種類の小領域用造形台、小領域用ベースプレートおよびベースプレート用取付部材を備えることで、第２の造形領域の大きさを変更することができ、サイズの異なる三次元造形物を造形することが可能となる。
本発明の積層造形装置では、小領域造形ユニットを取りつけるだけで、最終製品用の材料粉体とは別の材料粉体を使用して三次元造形物を簡単に製造することができ、また小領域造形ユニットを使用した造形とＭＲＳユニットを使用した造形を切り替える際の清掃および作業を最小限とすることが可能となる。
本発明の一実施形態の積層造形装置１００の概略構成図である。 本発明の一実施形態の積層造形装置１００の概略構成図である。 第１の造形領域Ｒ周辺の側面図である。 小領域用リコータヘッド８１の斜視図である。 小領域用リコータヘッド８１を別の角度から見た斜視図である。 小領域用リコータヘッド８１のＤ－Ｄ断面図である。 小領域用リコータヘッド８１を矢印Ｂ方向からみた側面図である。 第１の造形領域Ｒを上から下方向にみた平面図である。 小領域用造形台８２の平面図である。 小領域用造形台８２の断面図である。 ベースプレート用取付部材８４の平面図である。 ベースプレート用取付部材８４の断面図である。 図８のＥ－Ｅ断面図である。 図１３のＦ拡大図である。 未固化の材料粉体Ｍの蓄積状態を説明するための説明図である。 リコータヘッド３１を取り付けた積層造形装置１００の概略構成図である。 リコータヘッド３１の斜視図である。 リコータヘッド３１を上から下方向にみた平面図である。 図８のＥ－Ｅ断面図のその他の例である。
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． 積層造形装置＞
（１．１ 積層造形装置の全体構成）
図１、図２、図１６に示すように、本発明の一実施形態の積層造形装置１００は、材料粉体層６の形成と固化層の形成を繰り返して所望の三次元造形物を製造する装置である。
積層造形装置１００は、チャンバ１と、照射装置１３と、不活性ガス供給装置１５と、ヒュームコレクタ１９と、造形テーブル駆動機構５２と、リコータヘッド３１と、ベースプレート３３と、第１の造形領域Ｒを有するベース台４と、材料粉体回収ユニット４０と、造形テーブル５と、リコータヘッド駆動機構５１と、材料供給ユニット６０と、小領域造形ユニット８とを備える。
積層造形装置１００は、図１６に示すように最終製品を連続造形する場合は、材料粉体回収ユニット４０および材料供給ユニット６０とから構成されるＭＲＳユニット、リコータヘッド３１、ベースプレート３３を使用して三次元造形物を製造する。具体的には、最初にリコータヘッド駆動機構５１によって水平１軸方向（矢印Ｂ方向）にリコータヘッド３１を往復移動させ、造形テーブル５に配置されたベースプレート３３上に材料粉体層６を形成する。そして、材料粉体層６にレーザ光Ｌを照射することによって、三次元造形物を得る。１サイクル目の積層造形完了後、造形テーブル５を降下させることによって、未固化の材料粉体と切削屑などの不純物とが下部の粉体排出部２７ａから排出される。移動するリコータヘッド３１によって押し出される余剰の未固化の材料粉体と不純物も同様にベース台上に設けられた粉体排出部２７ｂから排出される。排出された材料粉体は、シューター２９に案内され材料回収用バケット３０に収容される。そして、後述する材料粉体回収ユニット４０により不純物を含んだ材料粉体の中から不純物が除去され、材料供給ユニット６０により新規材料粉体および不純物が取り除かれた材料粉体が再びリコータヘッド３１の材料ケース３１１に供給される。以上の工程を繰り返すことによって、三次元造形物を連続造形する。
一方、積層造形装置１００は、図１および図２に示すように、新材料を少量使用して試験片を造形する場合は、小領域造形ユニット８を使用して三次元造形物を製造する。小領域造形ユニット８を使用する場合は、材料供給ユニット６０からの材料粉体の供給および粉体排出部２７ａ，２７ｂからの材料粉体の回収は行わない。ＭＲＳユニット、材料粉体の回収系統および供給系統を使用しないことで、最終製品用の材料粉体と新材料との混在が防止され、試験片の造形と最終製品の造形を切り替える際の清掃および作業が最小限となる。
（１．２ 積層造形装置の具体的構成）
チャンバ１は、三次元造形物が形成される領域である第１，第２の造形領域Ｒ，Ｒｓを覆い且つ所定濃度の不活性ガスで充満される。本明細書において「不活性ガス」とは、材料粉体と実質的に反応しないガスであり、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等が例示される。
チャンバ１の上方には、照射装置１３が設けられる。照射装置１３は、第１，第２の造形領域Ｒ，Ｒｓ上に形成される材料粉体層６の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して、照射位置の材料粉体を固化させる。照射装置１３はレーザ光又は電子ビームを照射して材料粉体を固化可能なものであればよい。レーザ光Ｌは、例えば、ＣＯ２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ等を用いることができる。また、チャンバ１内には、造形物の造形後又は造形途中に、固化層が積層されて得られた固化体の表面や不要部分に対して機械加工を施すための切削装置（不図示）が設けられてもよい。
材料粉体は、複数の種類の金属元素を所定の割合で含む金属粉末（例：炭素鋼構成元素）であり、各金属粒子は、例えば平均粒径３５μｍの球形である。
図１に示すように、チャンバ１への不活性ガス供給系統には、不活性ガス供給装置１５と、ヒュームコレクタ１９が接続されている。不活性ガス供給装置１５は、不活性ガスを供給する機能を有し、例えば、不活性ガスのガスボンベである。ヒュームコレクタ１９は、その上流側及び下流側にダクトボックス２１，２３を有する。チャンバ１から排出されたガス（ヒュームを含む不活性ガス）は、ダクトボックス２１を通じてヒュームコレクタ１９に送られ、ヒュームコレクタ１９においてヒュームが除去された不活性ガスがダクトボックス２３を通じてチャンバ１へ送られる。このような構成により、不活性ガスの再利用が可能になっている。
不活性ガス供給系統は、チャンバ１の供給口１ｂと、付着防止部１７に接続される。チャンバ１の図１の左壁面１ｆに設けられた供給口１ｂを通じてチャンバ１の造形空間１ｄ内に不活性ガスが充填される。
本実施形態では、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが供給口１ｂに送られ、不活性ガス供給装置１５からの不活性ガスが付着防止部１７に送られるように構成されている。従って、本実施形態の不活性ガス供給系統によると、チャンバ１の上面に取り付けられているウィンドウにヒュームが付着してレーザ光の透過性が低下することを防止するために設けられる付着防止部１７には、不活性ガス供給装置１５から新鮮な不活性ガスが供給され、チャンバ１の中の不活性ガスを循環供給する供給口１ｂからはヒュームコレクタ１９で浄化された不活性ガスが供給されるので、使用量に制限がある新鮮な不活性ガスの消費量が抑えられる利点がある。
チャンバ１からのヒューム排出系統は、排気ファン（不図示）が設けられているチャンバ１の排出口１ｃに接続される。チャンバ１の造形空間１ｄ内のヒュームを含む不活性ガスが排出口１ｃを通じて排出されることによって、造形空間１ｄ内に供給口１ｂから排出口１ｃに向かう不活性ガスの流れが形成される。
図１に示すように、積層造形装置１００にはＭＲＳユニットとして最終製品用の材料粉体を積層造形装置に自動的に供給し、積層造形装置から回収する材料供給ユニット６０と材料粉体回収ユニット４０が設けられている。
材料供給ユニット６０は、チャンバ１の図１の右壁面１ｅに近接した位置に設けられたメインダクト７１と、中間ダクト６９と、中間ダクトシャッター７０から構成される。材料タンク４６に格納された新規材料粉体がメインダクト７１に供給され、材料粉体は中間ダクト６９を経由して中間ダクト出口６９ａからリコータヘッド３１に供給されるように構成されている。
中間ダクト出口６９ａは、１つ以上の中間ダクトシャッター７０によって開閉される。中間ダクト出口６９ａは、小領域造形ユニット８を使用する場合は、常時中間ダクトシャッター７０によって閉じられている。
材料粉体回収ユニット４０は、材料回収用搬送装置４１と、不純物除去装置４３と、新規材料粉体が格納された材料タンク４６と、材料乾燥装置４７と、材料供給用搬送装置４８から構成される。ＭＲＳユニットを使用して連続造形する場合、ベース台４の両端に設けられた粉体排出部２７ｂから不純物を含む未固化の材料粉体が排出されて、シューター２９を介して材料回収用バケット３０に収容される。１サイクル目の積層造形完了後、造形テーブル５を降下させることによって未固化の材料粉体と切削屑などの不純物とが下部の粉体排出部２７ａから排出されるか、または造形テーブル５を上昇させて刷毛等により材料粉体を粉体排出部２７ｂから排出し、ＭＲＳユニットのリカバリーモードを使って吸引排出される。材料回収用搬送装置４１により材料回収用バケット３０に収集された造形後の材料粉体を不純物除去装置４３へと搬送して材料粉体の中から不純物を除去し、材料タンク４６内に設けられた材料乾燥装置４７によって材料粉体を乾燥する。不純物が取り除かれた材料粉体および新規材料粉体は材料供給用搬送装置４８により材料タンク４６からメインダクト７１に供給される。
ＭＲＳユニットである材料供給ユニット６０と材料粉体回収ユニット４０は、小領域造形ユニット８を使用する場合には使用しない。
ベース台４は、チャンバ１内に設けられた枠体であり、第１の造形領域Ｒおよび第２の造形領域Ｒｓを有している。ベース台４は、造形テーブル５と、材料保持壁２６と、材料回収用バケット３０とを内蔵している。
図２に示すように、第１の造形領域Ｒは最終製品を連続造形する場合の造形領域であり、第２の造形領域Ｒｓは新材料評価等の目的により試験片を造形する場合の造形領域である。第２の造形領域Ｒｓは第１の造形領域Ｒの一部であって第２の造形領域Ｒｓは第１の造形領域Ｒ内に形成されている。
造形テーブル５は、第１，第２の造形領域Ｒ，Ｒｓに設けられ、造形テーブル駆動機構５２によって駆動され上下方向（矢印Ａ方向）に移動可能である。第２の造形領域Ｒｓで造形する場合は、造形テーブル５上にベースプレート用取付部材８４および小領域用ベースプレート８３が配置され、その上に材料粉体層６が形成される。第１の造形領域Ｒで造形する場合は、造形テーブル５上にベースプレート３３が配置され、その上に材料粉体層６が形成される。
図２及び図３に示すように、リコータヘッド駆動機構５１は、後述する小領域用リコータヘッド８１またはリコータヘッド３１を移動させるモータ５１ｇと、ボールネジ５１ａと、ボールネジ５１ａに螺合されたスライド部材５１ｂとを備える。
小領域用リコータヘッド８１およびリコータヘッド３１は、後述するリコート部材３２を介してスライド部材５１ｂに固定されている。リコート部材３２は小領域用リコータヘッド８１とリコータヘッド３１に共通して使用する部材である。その他の構成部品を交換することで小領域用リコータヘッド８１からリコータヘッド３１へ、リコータヘッド３１から小領域用リコータヘッド８１へ変更して造形を行う。
ボールネジ５１ａの回転に伴ってスライド部材５１ｂが移動すると、小領域用リコータヘッド８１またはリコータヘッド３１はスライド部材５１ｂと共に矢印Ｂ方向に移動する。ボールネジ５１ａは回転可能に支持されており、モータ５１ｇによって回転駆動される。駆動機構は、回転モータとボールネジとを組み合わせた構成を用いる上記の方法に限定されず、例えば、リニアモータを用いることも可能である。
図１７および図１８に示すようにリコータヘッド３１は、材料粉体を格納する材料ケース３１１と、リコート部材３２と、一対のブレード３１２と、材料粉体の有無を検出するセンサ３１３と、材料排出口３１４ａを備えたパウダーガイド３１４と、材料ケース支持枠３１５を備える。リコータヘッド３１は、第１の造形領域Ｒ上を矢印Ｂ方向に往復移動し、その際に、パウダーガイド３１４の材料排出口３１４ａから材料ケース３１１に格納された材料粉体を吐出する。そしてブレード３１２によって第１の造形領域Ｒに吐出された材料粉体を均し、材料粉体層６を形成する。
図５、図６、図７、図１７、図１８に示すようにリコート部材３２は、材料ケース３１１または小領域用材料ケース８１１を固定して支持し、リコータヘッド３１および小領域用リコータヘッド８１を矢印Ｂ方向に移動させるための基部である。リコート部材３２は、リコータヘッド３１および小領域用リコータヘッド８１に共通して使用される。リコート部材３２は、矢印Ｃ方向に延びる直方体形状をなし、長手方向の長さはベース台４の矢印Ｃ方向の幅より広くなるように構成されている。リコート部材３２は、一対のガイド機構３２１と、一対の溝３２２を備える。
ガイド機構３２１は、リコート部材３２の矢印Ｃ方向の両端に設けられた一対の支持台である。ベース台４に設けられた図示しないガイドレールにそれぞれ取りつけられることで、リコータヘッド３１および小領域用リコータヘッド８１はガイドレールに沿ってベース台４上を往復移動する。
リコート部材３２の下面には一対の溝３２２と干渉防止用の隙間が設けられる。
溝３２２は、後述する小領域用造形台８２がベース台４に載置された場合に仕切板８２１の上面に小領域用リコータヘッド８１の下面が干渉しないように設けられたものである。小領域用リコータヘッド８１がベース台４上を移動すると、仕切板８２１は溝３２２の内側で相対的に移動する。溝３２２は、リコート部材３２の矢印Ｂ方向の一端部から他端部にかけて延び、直線状に形成されている。
図１７および図１８に示すように、リコート部材３２の矢印Ｂ方向の両側面には、長尺状の一対のブレード３１２が設けられる。ブレード３１２は、パウダーガイド３１４に設けられた材料排出口３１４ａから排出される材料粉体を平坦化して、材料粉体層６を形成する。ブレード３１２の長手方向である矢印Ｃ方向の長さは第１の造形領域Ｒの矢印Ｃ方向の幅と同じに形成されている。
リコート部材３２の上部には、パウダーガイド３１４が設けられる。パウダーガイド３１４は、材料排出口３１４ａが設けられ、材料ケース３１１から流下する材料粉体がベースプレート３３の上の所定の位置に材料粉体が自由落下して供給されるように材料粉体の流動を案内する。
材料ケース支持枠３１５は、材料ケース３１１をリコート部材３２に固定して支持するための枠体であり、中空状で矢印Ｃ方向に延びる直方体形状をなす。材料ケース支持枠３１５は、その枠体の内側に材料ケース３１１を収納するものであり、リコート部材３２の上部に取り付けられる。
一対のブレード３１２、材料ケース３１１、センサ３１３、パウダーガイド３１４および材料ケース支持枠３１５は、リコート部材３２に着脱可能に取り付けられている。リコータヘッド３１から小領域用リコータヘッド８１に交換する場合は、リコート部材３２からブレード３１２、材料ケース３１１、センサ３１３、パウダーガイド３１４および材料ケース支持枠３１５を取り外し、小領域用リコータヘッド８１の小領域用ブレード８１２と小領域用材料ケース８１１と小領域用センサ８１３と小領域用パウダーガイド８１４に付け替える。
＜２．小領域造形ユニット＞
小領域造形ユニット８は、第２の造形領域Ｒｓ内で三次元造形物を製造するための装置であって、チャンバ１内に着脱可能に取り付けられる。小領域造形ユニット８は、小領域用リコータヘッド８１と、小領域用造形台８２と、小領域用ベースプレート８３と、ベースプレート用取付部材８４とを備える。小領域用造形台８２、小領域用ベースプレート８３およびベースプレート用取付部材８４は、いずれも鉄または鋼鉄などの金属で構成される。小領域用造形台８２、小領域用ベースプレート８３およびベースプレート用取付部材８４は、同一の材質でもよく、または、異なる材質としてもよい。
（２．１ 小領域用リコータヘッド）
図３に示すように、小領域用リコータヘッド８１はベース台４上に配置され、リコータヘッド駆動機構５１によって水平１軸方向（矢印Ｂ方向）に往復移動可能に構成される。小領域用リコータヘッド８１は、チャンバ１内で移動しながら第２の造形領域Ｒｓ上に材料粉体を供給し平坦化して材料粉体層６を形成する。
図４乃至図７に示すように、小領域用リコータヘッド８１は、材料粉体を収容する小領域用材料ケース８１１と、小領域用材料ケース８１１を支持するリコート部材３２と、小領域用センサ８１３と、一対の小領域用ブレード８１２と、小領域用パウダーガイド８１４を備える。
図４乃至図７に示すように、小領域用材料ケース８１１は、内部に材料粉体を一時的に蓄えるための容器であり、小領域用リコータヘッド８１の移動方向（図１、図２、図３の矢印Ｂ方向）に直交する他の水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に延びた形状をなす。小領域用材料ケース８１１の容積は、なるべく１回の材料粉体の投入だけで三次元造形物が製造可能であるように大きく設計されている。具体的には小領域用材料ケース８１１の他の水平１軸方向（矢印Ｃ方向）である長手方向の最大長さはベース台４の矢印Ｃ方向の幅と同じになるように構成され、またその上面はリコート部材３２の上面から上方向に突出して固定されている。しかしながら、小領域用材料ケース８１１内で材料粉体が適切に落下することや、気流を妨げないこと、小領域用リコータヘッド８１の移動に負荷がかかりすぎないこと等の機械的制約により小領域用材料ケース８１１の大きさは決定される。
小領域用材料ケース８１１は、材料供給口８１１ａと、ケース出口８１１ｂと、第１傾斜側面８１１ｃと、第２傾斜側面８１１ｄと、第３傾斜側面８１１ｅと、第４傾斜側面８１１ｆを備える。
材料供給口８１１ａは、材料粉体を投入するための開口であり、小領域用材料ケース８１１の上面に設けられ、他の水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に延びる長方形状をなす。材料供給口８１１ａの水平１軸方向（矢印Ｃ方向）の長さはベース台４の矢印Ｃ方向の幅と同じ大きさとなるように構成されている。また、ケース出口８１１ｂは、小領域用材料ケース８１１から材料粉体を排出するための方形状の開口であり、小領域用材料ケース８１１の下面に設けられ、材料排出口８１４ａと略同一方向に延びている。
第１傾斜側面８１１ｃ及び第２傾斜側面８１１ｄは、ケース出口８１１ｂを挟むように矢印Ｃ方向に沿って配置された台形状の平板であり、ケース出口８１１ｂに向かって傾斜している。水平面との間になす第１傾斜側面８１１ｃ及び第２傾斜側面８１１ｄの傾斜角度は相互に異なる角度であっても同じ角度であってもよい。実用上、第１傾斜側面８１１ｃの傾斜角度および第２傾斜側面８１１ｄの傾斜角度は、材料粉体が滑り落ちる程度の角度に形成されている。
第３傾斜側面８１１ｅ及び第４傾斜側面８１１ｆは、ケース出口８１１ｂを挟むように矢印Ｂ方向に沿って配置された台形状の平板であり、ケース出口８１１ｂに向かって傾斜している。水平面との間になす第３傾斜側面８１１ｅ及び第４傾斜側面８１１ｆの傾斜角度は相互に異なる角度であっても同じ角度であってもよい。実用上、第３傾斜側面８１１ｅの傾斜角度および第４傾斜側面８１１ｆの傾斜角度は、材料粉体が滑り落ちる程度の角度に形成されている。
第１傾斜側面８１１ｃと第３傾斜側面８１１ｅおよび第４傾斜側面８１１ｆが隣り合い、第２傾斜側面８１１ｄと第３傾斜側面８１１ｅおよび第４傾斜側面８１１ｆが隣り合って配置されている。そのため、小領域用材料ケース８１１の下部は逆角錐台形状をなす。小領域用材料ケース８１１の下部が逆角錐台形状であることにより、重力により凝集した材料粉体による詰まりを解消して、ケース出口８１１ｂからの材料粉体の排出を促進することができる。
小領域用材料ケース８１１のケース出口８１１ｂには、小領域用材料ケース８１１内の材料粉体の有無を検知する小領域用センサ８１３が固定されている。小領域用センサ８１３により小領域用材料ケース８１１への材料粉体の補充が必要であると判断されると、小領域用リコータヘッド８１は一時停止される。
チャンバ１内の造形工程に邪魔にならない場所にあらかじめ図示しない材料補充ボトルを設けておくことも可能である。そうすれば、積層造形装置１００の扉のグローブドアを使用して、造形工程中に扉を開けずに材料粉体を補充し、造形を再開することができる。
図４乃至図７に示すように、リコート部材３２の矢印Ｂ方向の両側面でリコート部材３２の矢印Ｃ方向中心位置には、方形状の一対の小領域用ブレード８１２が設けられる。小領域用ブレード８１２は、小領域用パウダーガイド８１４に設けられた材料排出口８１４ａから排出される材料粉体を平坦化して、材料粉体層６を形成する。小領域用ブレード８１２の長手方向である矢印Ｃ方向の長さは第２の造形領域Ｒｓの矢印Ｃ方向の幅と同じであり、小領域用ブレード８１２をリコート部材３２に取り付けた場合、小領域用ブレード８１２は後述する小領域用造形台８２の一対の仕切板８２１の内側に配置される。
小領域用材料ケース８１１のケース出口８１１ｂの直下でリコート部材３２の上部には、小領域用パウダーガイド８１４が設けられる。小領域用パウダーガイド８１４は、ケース出口８１１ｂから流下する材料粉体が小領域用ベースプレート８３の上面とリコート部材３２の下面との間に形成される空間において、小領域用ベースプレート８３の上の所定の位置に材料粉体が自由落下して供給されるように材料粉体の流動を案内する部材である。小領域用パウダーガイド８１４は、材料粉体が落下する通孔を備え、通孔の入口は小領域用材料ケース８１１のケース出口８１１ｂに連通し、通孔の出口は材料排出口８１４ａとなる。材料排出口８１４は、矢印Ｃ方向に延びており、矢印Ｃ方向の長さは第２の造形領域Ｒｓの矢印Ｃ方向の幅と同じである。小領域用パウダーガイド８１４をリコート部材３２に取り付けた場合、小領域用パウダーガイド８１４の材料排出口８１４ａは小領域用造形台８２の一対の仕切板８２１の内側に配置される。
一対の小領域用ブレード８１２と小領域用材料ケース８１１と小領域用センサ８１３と小領域用パウダーガイド８１４は、リコート部材３２に着脱可能に取り付けられている。
（２．２ 小領域用造形台）
図８、図１０、図１３に示すように小領域用造形台８２は、ベース台４上に着脱可能に載置される枠体である。小領域用造形台８２は全体が方形状の平板であり、第２の造形領域Ｒｓを除いて第１の造形領域Ｒ全体を覆う状態でチャンバ１内のベース台４上に載置される。
小領域用造形台８２は、一対の仕切板８２１と、平板８２２と、第２の飛散防止枠８２３とを備える。
平板８２２は、第２の造形領域Ｒｓを除いた第１の造形領域Ｒ全体を覆う板であり、外縁８２５は方形状に形成されている。平板８２２は、中心位置に方形状の開口８２６を有する。開口８２６の内側には後述する小領域用ベースプレート８３が配置され、開口８２６内で試験片等の小さな造形物が製造される。このように開口８２６の内側は第２の造形領域Ｒｓとなる。
仕切板８２１は、開口８２６を挟むように矢印Ｂ方向に沿って配置された一対の平板である。仕切板８２１は小領域用リコータヘッド８１の材料排出口８１４ａから供給された材料粉体が仕切板８２１に挟まれた領域以外に飛散することを防止する。
仕切板８２１は、小領域用造形台８２の矢印Ｂ方向の一端から他端にかけて延び、上方向に突出して平板８２２に立設される。仕切板８２１の矢印Ｃ方向の位置は、リコート部材３２の溝３２２の位置とそれぞれ一致している。仕切板８２１の上下方向の高さは、小領域用リコータヘッド８１が矢印Ｂ方向に移動する際に上面が干渉しない大きさに形成されている。
開口８２６の外周を覆うように中空矩形状の第２の飛散防止枠８２３が設けられる。第２の飛散防止枠８２３は、下方向（造形テーブル５側）に突出して平板８２２に垂直に固定される。第２の飛散防止枠８２３の外縁は、矢印Ｃ方向に幅Ｄ１に形成され、矢印Ｂ方向に幅Ｗ１に形成されている。第２の飛散防止枠８２３の上下方向（矢印Ａ方向）の高さは、造形テーブル５を上限位置まで移動した場合に下面が後述するベースプレート用取付部材８４の上面に衝突しない大きさに形成されている。
（２．３ ベースプレート用取付部材と小領域用ベースプレート）
図１１、図１２、図１３に示すようにベースプレート用取付部材８４は、造形テーブル５上に着脱可能に配置される台座である。ベースプレート用取付部材８４は、造形テーブル５に固定される台座本体８４１と、小領域用ベースプレート８３上の材料粉体が造形テーブル５側に飛散するのを防止するための第１の飛散防止枠８４２を備える。
台座本体８４１は、断面方形状の下板８４１ｂと、断面方形状の上板８４１ａから構成される。上板８４１ａの上面の面積は下板８４１ｂの上面の面積よりも小さく、上板８４１ａは下板８４１ｂの上面の中心に一体的に固定されている。
小領域用ベースプレート８３および上板８４１ａの外周には、上板８４１ａの側面から間隔Ｗ２２を空けて側面を囲むように第１の飛散防止枠８４２が設けられている。第１の飛散防止枠８４２は中空矩形状の平板であり、下板８４１ｂの上面に立設されている。第１の飛散防止枠８４２は上方向（ベース台４の上面側）に突出して設けられる。第１の飛散防止枠８４２の開口は、矢印Ｃ方向に幅Ｄ２に形成され、矢印Ｂ方向に幅Ｗ２１に形成されている。第１の飛散防止枠８４２の開口は、第２の飛散防止枠８２３の外縁よりも大きく形成されており、第２の飛散防止枠８２３の外縁のサイズと比較すると、Ｄ２＞Ｄ１かつＷ２１＞Ｗ１の関係が成り立つ。
小領域用ベースプレート８３は、その上面に材料粉体が撒布されて、試験片等の小さな造形物を製造するプレートであり、断面方形状に形成されている。小領域用ベースプレート８３の上面のサイズおよび台座本体８４１の上板８４１ａのサイズは、造形テーブル５が上下方向に移動した際に小領域用ベースプレート８３および上板８４１ａの外側面が第２の飛散防止枠８２３の内側面に接触しない程度に一回り小さいサイズとなっている。小領域用ベースプレート８３は、機械構造上、８２ｍｍ×８２ｍｍ×１８ｍｍが最大サイズとなる。
ベースプレート用取付部材８４の下面は固定ボルト等で造形テーブル５に固定される。ベースプレート用取付部材８４の上面である上板８４１ａの上面には、さらに小領域用ベースプレート８３が固定される。小領域用ベースプレート８３の水平方向（矢印Ｃ方向および矢印Ｂ方向）の位置は、小領域用造形台８２の開口８２６の内側である。よって、造形テーブル５が上下方向（矢印Ａ方向）に移動した場合は、小領域用ベースプレート８３は開口８２６の内側である第２の造形領域Ｒｓを上下方向に移動する。
本実施形態では、台座本体８４１および小領域用ベースプレート８３は略正方形となる平面を備えるが、その例に限定されない。
また、小領域造形ユニット８は、種類の異なる複数の小領域用造形台８２と、その小領域用造形台８２に適応する複数の小領域用ベースプレート８３およびベースプレート用取付部材８４を備えている。具体的には、水平方向（矢印Ｃ方向および矢印Ｂ方向）の開口８２６の大きさ、第２の飛散防止枠８２３の水平方向の開口の大きさ、外縁の大きさ、上下方向の高さの少なくともひとつが異なる複数の小領域用造形台８２を備えている。また、その小領域用造形台８２の種類に応じて、水平方向（矢印Ｃ方向および矢印Ｂ方向）の大きさ、上下方向の高さが異なる小領域用ベースプレート８３および台座本体８４１を備え、さらに水平方向の開口の大きさ、上下方向の高さが異なる第１の飛散防止枠８４２を備える。また、図１９に示すように、上下方向の高さが大きい三次元造形物Ｋを造形する場合は、第１の飛散防止枠８４２および第２の飛散防止枠８２３は上下方向の高さが大きいものを使用し、さらにベースプレート用取付部材８４と小領域用ベースプレート８３の間に三次元造形物Ｋの高さに対応するための接続部材８５を設けてもよい。
このように、複数種類の小領域用造形台８２、小領域用ベースプレート８３およびベースプレート用取付部材８４を備えることで、第２の造形領域Ｒｓの大きさを変更することができ、サイズの異なる三次元造形物を造形することが可能となる。
＜３．小領域造形ユニットの取付方法と三次元造形物の製造方法＞
次に、積層造形装置１００に小領域造形ユニット８を取り付ける方法と小領域造形ユニット８を使用した三次元造形物の製造方法について説明する。小領域造形ユニット８を取り付ける方法においては、リコータヘッド３１から小領域用リコータヘッド８１に交換する場合を例に挙げて説明を行う。
（３．１ 小領域造形ユニットの取付方法）
まず、ベースプレート３３を造形テーブル５から取り外す。そして、小領域用ベースプレート８３をベースプレート用取付部材８４に固定し、その後、図１３に示すように小領域用ベースプレート８３が取り付けられたベースプレート用取付部材８４を造形テーブル５上に固定する。その後、ベースプレート用取付部材８４および小領域用ベースプレート８３を載置した状態で造形テーブル５の高さを適切な位置に調整する。
次に、リコータヘッド３１から小領域用リコータヘッド８１に交換する作業を行う。具体的には、リコート部材３２の矢印Ｂ方向の側面からブレード３１２を取り外し、リコート部材３２の上面からセンサ３１３、材料ケース３１１、材料ケース支持枠３１５およびパウダーガイド３１４を順に取り外す。リコータヘッド３１の構成部材を取り外すと、リコート部材３２だけがベース台４上に取り付けられた状態となる。
今度は、リコート部材３２の矢印Ｂ方向の側面に小領域用ブレード８１２を取り付け、リコート部材３２の上面に小領域用パウダーガイド８１４、小領域用材料ケース８１１および小領域用センサ８１３を取り付ける。小領域用リコータヘッド８１の構成部材をリコート部材３２に取りつけると、小領域用リコータヘッド８１がベース台４上に取り付けられた状態となる。
さらに、ベース台４の上に小領域用造形台８２の外縁８２５を接触させて、第２の造形領域Ｒｓを除いた第１の造形領域Ｒ全体を覆う状態で小領域用造形台８２を載置する。ベースプレート用取付部材８４、小領域用ベースプレート８３および小領域用造形台８２を載置すると、小領域用造形台８２の開口８２６に小領域用ベースプレート８３の上面が配置される構成となる。
このように、ベースプレート用取付部材８４、小領域用ベースプレート８３を取り付け、リコータヘッド３１から小領域用リコータヘッド８１に交換し、小領域用造形台８２を載置すると、積層造形装置１００に小領域造形ユニット８が取り付けられた状態となる。
図１４に示すように、小領域用ベースプレート８３および上板８４１ａの外縁の大きさよりも第２の飛散防止枠８２３の開口は大きく形成され、第２の飛散防止枠８２３の外縁の大きさよりも第１の飛散防止枠８４２の開口が大きく形成されている。よって、造形テーブル５が上下方向に移動した場合であっても、小領域用ベースプレート８３および上板８４１ａの外側面が第２の飛散防止枠８２３の内側面に接触することがなく、同様に第２の飛散防止枠８２３の外側面が第１の飛散防止枠８４２の内側面に接触することがない。
（３．２ 三次元造形物の製造方法）
上述のように小領域造形ユニット８を積層造形装置１００に設置した後に、小領域造形ユニット８を使用して造形を行う。
具体的には、図２に示すように小領域用リコータヘッド８１は、第２の造形領域Ｒｓの左側でチャンバ１の造形テーブル５上をすぎた左壁面１ｆ側の初期位置に位置している。作業者は、小領域用材料ケース８１１の材料供給口８１１ａから、試験片等を造形するために使用する材料粉体を投入する。
造形が開始されると、小領域用材料ケース８１１内に材料粉体が充填されている小領域用リコータヘッド８１を第２の造形領域Ｒｓの左側から右側に移動させる。一対の仕切板８２１の間に材料排出口８１４ａから材料粉体が撒布され、小領域用ベースプレート８３上に材料粉体層６が形成される。
次に、材料粉体層６中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することによって材料粉体層６のレーザ光照射部位を固化させ、固化層を得る。
１層目の固化層を形成後、造形テーブル５の高さを材料粉体層６の１層分下げる。第２の造形領域Ｒｓ上を小領域用リコータヘッド８１が往復移動することにより、固化層を覆うように造形テーブル５上に２層目の材料粉体層６が形成される。次に、上記と同様の方法で、材料粉体層６中の所定部位にレーザ光Ｌを照射して材料粉体層のレーザ光照射部位を固化させることにより、２層目の固化層を得る。
２層目の固化層を形成した後、小領域用リコータヘッド８１は第２の造形領域Ｒｓの外（図１における第２の造形領域Ｒｓの右側）に戻る。以上の工程を繰り返すことによって、３層目以降の固化層が形成され、三次元造形物Ｋが形成される。隣接する固化層は、互いに強く固着される。
小領域用リコータヘッド８１が往復移動する矢印Ｂ方向の移動範囲は、第２の造形領域Ｒｓ上に材料粉体層６を形成できる範囲に設定されている。小領域用リコータヘッド８１がベース台４の左右端に設けられた粉体排出部２７ｂまで到達しないように制御されていてもよいし、粉体排出部２７ｂから材料粉体が排出されないように粉体排出部２７ｂを被覆するカバーが設けられていてもよい。
図１５に示すように、造形テーブル５を降下させながら三次元造形物Ｋを製造すると、切削屑などの不純物を含んだ未固化の材料粉体Ｍが小領域用ベースプレート８３の上面と第２の飛散防止枠８２３の隙間から落下して、第１の飛散防止枠８４２の内側に蓄積される。また、移動する小領域用リコータヘッド８１によって押し出される余剰の材料粉体Ｍは、一対の仕切板８２１の間に蓄積される。造形テーブル５上の材料粉体Ｍは第２の飛散防止枠８２３および第１の飛散防止枠８４２によって飛散が防止され、図１に示す材料保持壁２６および材料回収用バケット３０に連通する粉体排出部２７ａまで到達することがない。さらにベース台４上の材料粉体Ｍは一対の仕切板８２１の間に保持されるため、材料回収用バケット３０に連通する粉体排出部２７ｂに到達することがない。
このように小領域造形ユニット８を使用すれば、第１の飛散防止枠８４２内および小領域用造形台８２の一対の仕切板８２１内を清掃するだけで複数種類の新材料を簡単に検証することが可能となる。さらに、小領域造形ユニット８を使用した造形からＭＲＳユニットを使用した連続造形に切り替える場合であっても、最終製品造形時の材料粉体の回収系統および供給系統に新材料が混入することがないため、簡単に造形方法を切り替えることが可能となる。
（他の実施形態）
本発明の積層造形装置１００に図示しない制御部を設け、小領域用リコータヘッド８１を振動させて小領域用材料ケース８１１内の材料粉体の排出を促進可能に構成されていてもよい。具体的には、制御部は、モータ５１ｇの正転及び逆転を繰り返し切り替えるように制御して小領域用リコータヘッド８１をリコート前に水平１軸方向（矢印Ｂ方向）の前後に移動させることで、小領域用リコータヘッド８１を振動させる。制御部による小領域用リコータヘッド８１の振動は、モータ５１ｇを用いる上記の方法に限定されない。例えば、小領域用材料ケース８１１の側面の外側に超音波振動子を取り付け、制御部により超音波振動子を制御して小領域用リコータヘッド８１を振動させてもよい。
１ ：チャンバ
１ｂ ：供給口
１ｃ ：排出口
１ｄ ：造形空間
１ｅ ：右壁面
１ｆ ：左壁面
１３ ：照射装置
１５ ：不活性ガス供給装置
１７ ：付着防止部
１９ ：ヒュームコレクタ
２１ ：ダクトボックス
２３ ：ダクトボックス
２７ａ ：粉体排出部
２７ｂ ：粉体排出部
２９ ：シューター
３０ ：材料回収用バケット
３１ ：リコータヘッド
３２ ：リコート部材
３３ ：ベースプレート
４ ：ベース台
４０ ：材料粉体回収ユニット
４１ ：材料回収用搬送装置
４３ ：不純物除去装置
４６ ：材料タンク
４７ ：材料乾燥装置
４８ ：材料供給用搬送装置
５ ：造形テーブル
５１ ：リコータヘッド駆動機構
５２ ：造形テーブル駆動機構
６ ：材料粉体層
６０ ：材料供給ユニット
６９ ：中間ダクト
６９ａ ：中間ダクト出口
７０ ：中間ダクトシャッター
７１ ：メインダクト
８ ：小領域造形ユニット
８１ ：小領域用リコータヘッド
８２ ：小領域用造形台
８３ ：小領域用ベースプレート
８４ ：ベースプレート用取付部材
８５ ：接続部材
Ｌ ：レーザ光
Ｒ ：第１の造形領域
Ｒｓ ：第２の造形領域
１００ ：積層造形装置

Claims (7)

  1. 第１の造形領域を有するベース台と、当該第１の造形領域に配置された造形テーブルと、当該造形テーブルを上下方向に移動させる造形テーブル駆動機構を備えた積層造形装置用の小領域造形ユニットであって、前記小領域造形ユニットは、前記ベース台に載置され、前記第１の造形領域の一部に第２の造形領域を形成する小領域用造形台と、前記造形テーブルに固定され、前記第２の造形領域を上下方向に移動する小領域用ベースプレートと、前記造形テーブルに固定された第１の飛散防止枠を備え、前記第２の造形領域に三次元造形物が造形されるものであり、前記小領域用造形台は、前記第２の造形領域を形成する開口と、当該開口の外周に設けられかつ下方向に突出して設けられた中空状の第２の飛散防止枠と、前記開口を挟んで上方向に突出する一対の仕切板を有し、前記小領域用ベースプレートは、前記第２の造形領域を形成する開口および前記第２の飛散防止枠の内側を上下方向に移動され、前記第１の飛散防止枠は、中空状で前記小領域用ベースプレートの外周に上方向に突出して設けられ、前記第１の飛散防止枠の開口は、前記第２の飛散防止枠の外縁よりも大きく形成されている、積層造形装置用の小領域造形ユニット。
  2. 前記小領域造形ユニットは、前記ベース台上を水平１軸方向に移動して前記第２の造形領域に材料粉体を供給して前記小領域用ベースプレートに材料粉体層を形成する小領域用リコータヘッドを備える、請求項１記載の積層造形装置用の小領域造形ユニット。
  3. 前記小領域用リコータヘッドは、その下面に前記水平１軸方向に延びる一対の溝を備え、前記溝の内側を前記仕切板が相対的に移動する、請求項２記載の積層造形装置用の小領域造形ユニット。
  4. 前記小領域用リコータヘッドは、前記材料粉体を収容する材料ケースを備え、前記材料ケースは前記水平１軸方向に直交する他の水平１軸方向に延びて形成され、その長手方向の最大長さは前記ベース台の前記他の水平１軸方向の幅と同じになるように形成されている、請求項２記載の積層造形装置用の小領域造形ユニット。
  5. 前記材料ケースは、その下部が逆角錐台形状をなす、請求項４記載の積層造形装置用の小領域造形ユニット。
  6. 前記小領域造形ユニットは前記積層造形装置に着脱可能に固定されている、請求項１記載の積層造形装置用の小領域造形ユニット。
  7. 前記小領域造形ユニットは、種類が異なる複数の前記小領域用造形台と前記小領域用ベースプレートと前記第１の飛散防止枠を備えた、請求項１記載の積層造形装置用の小領域造形ユニット。
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