JP7340492B2

JP7340492B2 - Ａｍ装置およびａｍ方法

Info

Publication number: JP7340492B2
Application number: JP2020088239A
Authority: JP
Inventors: 弘行篠崎; 朋世新村
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2023-09-07
Anticipated expiration: 2040-05-20
Also published as: JP2021181211A

Description

本願は、ＡＭ装置およびＡＭ方法に関する。

三次元物体を表現したコンピュータ上の三次元データから、三次元物体を直接的に造形する技術が知られている。たとえば、Additive Manufacturing（ＡＭ）（付加製造）法が知られている。一例として、デポジション方式のＡＭ法としてダイレクトエナジーデポジション（ＤＥＤ）がある。ＤＥＤは、金属材料を局所的に供給しながら適当な熱源を用いて基材と共に溶融、凝固させることで造形を行う技術である。また、ＡＭ法の一例として、パウダーベッドフュージョン（ＰＢＦ）がある。ＰＢＦは、二次元的に敷き詰められた金属紛体に対して、造形する部分に熱源であるレーザービームや電子ビームを照射して、金属紛体を溶融・凝固または焼結させることで三次元物体の各層を造形する。ＰＢＦでは、このような工程を繰り返すことで、所望の三次元物体を造形することができる。

米国特許第４７２４２９９号明細書特表２０１９－５００２４６号公報

ＰＢＦのように金属粉体を二次元的に敷き詰めた後に、金属粉体に対してＤＥＤノズルを用いてレーザービームを照射して三次元物体の各層を造形することもできる。しかし、このような場合、ＤＥＤノズルは一般に材料となる粉末や気体をＤＥＤノズルから供給しながら造形を行うので、予め敷き詰めてある金属粉体を吹き飛ばしてしまい、予定している造形を困難にしてしまう。本願は、ＤＥＤノズルを用いて、予め敷き詰められた粉末材料を造形するための技術を提供することを１つの目的としている。

一実施形態によれば、造形物を製造するためのＡＭ装置が提供され、前記ＡＭ装置は、ＤＥＤノズルを有し、前記ＤＥＤノズルは、ＤＥＤノズル本体と、前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられたレーザー光を出射するためのレーザー口、および前記レーザー口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内をレーザー光が通過するためのレーザー通路と、前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられた粉体材料を出射するための粉体口、および前記粉体口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内を粉体材料が通過するための粉体通路と、を有し、前記ＡＭ装置はさらに、前記ＤＥＤノズルの前記レーザー口および前記粉体口の周囲を囲い、且つ、前記レーザー光の出射方向の下流側が開口しているカバーを有し、前記カバーは、前記カバーの内側へガスを供給するためのガス供給路を有し、前記ガス供給路は、前記ＤＥＤノズル本体に向かってガスを導くように向き決めされている。

一実施形態による、造形物を製造するためのＡＭ装置を概略的に示す図である。一実施形態による、ＤＥＤノズルの断面を概略的に示す図である。一実施形態による、ＤＥＤノズルの断面を概略的に示す図である。図３に示されるカバーを上方から見た概略図である。一実施形態による、カバーを上方から見た概略図である。一実施形態による、カバーを示す断面図である。一実施形態による、カバーを示す断面図である。一実施形態による、ＡＭ装置を概略的に示す上面図である。一実施形態による、ＡＭ装置で造形する方法を示すフローチャートである。一実施形態による、ＡＭ装置により輪郭を造形しているときの様子を概略的に示す側面図である。一実施形態による、輪郭の内側に粉体材料を供給しているときの様子を概略的に示す側面図である。一実施形態による、供給された材料粉末の上面を造形するときの様子を概略的に示す側面図である。一実施形態による、ＡＭ装置で造形される造形物を概略的に示す断面図である。

以下に、本発明に係る造形物を製造するためのＡＭ装置の実施形態を添付図面とともに説明する。添付図面において、同一または類似の要素には同一または類似の参照符号が付され、各実施形態の説明において同一または類似の要素に関する重複する説明は省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。

図１は、一実施形態による、造形物を製造するためのＡＭ装置を概略的に示す図である。図１に示されるように、ＡＭ装置１００は、ベースプレート１０２を備える。ベースプレート１０２上に造形物Ｍが造形されることになる。ベースプレート１０２は、造形物Ｍを支持することができる任意の材料から形成されるプレートとすることができる。一実施形態において、ベースプレート１０２は、ＸＹステージ１０４の上に配置される。ＸＹステージ１０４は、水平面内で直交する二方向（ｘ方向、ｙ方向）に移動可能なステージ１０４である。なお、ＸＹステージ１０４は、高さ方向（ｚ方向）に移動可能なリフト機構に連結されていてもよい。また、一実施形態においては、ＸＹステージ１０４はなくてもよい。

一実施形態において、図１に示されるように、ＡＭ装置１００は、ＤＥＤヘッド２００を備える。ＤＥＤヘッド２００は、レーザー源２０２、材料粉体源２０４、およびガス源２０６に接続されている。ＤＥＤヘッド２００は、ＤＥＤノズル２５０を有する。ＤＥＤノズル２５０は、レーザー源２０２、材料粉体源２０４、およびガス源２０６からのレーザー、材料粉体、およびガスを噴射するように構成される。一実施形態において、図１に示されるようにＤＥＤノズル２５０には、カバー３００が取り付けられている。カバー３００は、ＤＥＤノズル２５０の噴射口の周りを囲うように構成されている。

ＤＥＤヘッド２００は任意のものとすることができ、たとえば公知のＤＥＤヘッドを使用することができる。ＤＥＤヘッド２００は、移動機構２２０に連結されており、移動可能に構成される。移動機構２２０は、任意のものとすることができ、たとえば、レールなどの特定の軸に沿ってＤＥＤヘッド２００を移動可能なものとしてもよく、あるいは、任意の位置および向きにＤＥＤヘッド２００を移動させることができるロボットから構成されてもよい。一実施形態として、移動機構２２０は、直交する３軸に沿ってＤＥＤヘッド２００を移動可能に構成することができる。

図２は一実施形態によるＤＥＤノズル２５０の断面を概略的に示す図である。図示の実施形態によるＤＥＤノズル２５０は、全体として切頭円錐形状のＤＥＤノズル本体２５９である。図示の実施形態によるＤＥＤノズル２５０は、ＤＥＤノズル本体２５９の中心にレーザー２５１が通過する第１通路２５２を備える。第１通路２５２を通ったレーザーは
、ＤＥＤノズル本体２５９のレーザー口２５２ａから放出される。また、ＤＥＤノズル本体２５９は、第１通路２５２の外側に、材料粉体および材料粉体を輸送するためのキャリアガスが通過する第２通路２５４を備える。第２通路２５４を通った材料粉体は粉体口２５４ａから放出される。さらに、ＤＥＤノズル本体２５９は、第２通路２５４の外側に、シールドガスが通過する第３通路２５６を備える。第３通路２５６を通ったシールドガスは、ガス口２５６ａから放出される。

第２通路２５４は、ＤＥＤノズル２５０から排出される材料粉体がレーザー２５１の集光点２５１ａと実質的に同一の位置に収束するように構成される。なお、図２において材料粉体およびキャリアガスの流れは破線で示されている。キャリアガスは、たとえばアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスとすることができる。キャリアガスとして、空気より重いアルゴンガスを使用することがより望ましい。なお、キャリアガスに不活性ガスを用いることで、材料粉体が溶融して形成される溶融池を不活性ガスで覆うことで酸化を防止することができる。ただし、粉体口２５４ａから放出されるキャリアガスの流れにより、その外側の空気が巻き込まれることがある。そこで、図２に示されるＤＥＤノズル２５０は、粉体材料およびキャリアガスが排出される第２通路２５４の外側に配置された第３通路２５６からシールドガスを低速で供給することで、周囲の空気が巻き込まれることを防止することができる。キャリアガスにより周囲の空気（特に酸素）が巻き込まれることを防止することで、造形時に金属酸化膜が生成されることを抑制でき、また、濡れ性の良い溶融池を形成することができる。図２において、シールドガスの流れは矢印で示されている。

図３は一実施形態によるＤＥＤノズル２５０の断面を概略的に示す図である。図３に示されるＤＥＤノズル２５０は、図２に示されるＤＥＤ２５０にカバー３００が取り付けられている。図４は、図３に示されるカバー３００を上方から見た概略図である。図４においては、図示を明瞭化するためにＤＥＤノズル２５０は省略して示している。

図３に示されるように、カバー３００は、ＤＥＤノズル２５０の先端の側面を覆い、且つ、下側が開放している形状である。図３に示されるように、カバー３００は、上面３０２および上面３０２の端部から下方に延びる外壁３０４を備える。図３に示されるように、ＤＥＤノズル２５０は、カバー３００の上面３０２の中心付近に形成された中心孔３０１を通ってカバー３００の内側に先端が位置する。すなわち、ＤＥＤノズル２５０を通ったレーザー、粉体材料、およびガスは、カバー３００の内側に放出される。外壁３０４の下端は、ＤＥＤノズル２５０のレーザーの集光点２５１ａと同程度の高さとなるように構成される。

図３に示される実施形態によるカバー３００は、外壁３０４の内側に、上面３０２から下方に延びる縦内壁３０６を備える。また、カバー３００は、上面３０２の下方において、縦内壁３０６から内側に上面３０２と並行に延びる横内壁３０８を備える。図３に示されるように、上面３０２における縦内壁３０６のすぐ内側に、ガス供給口３１０を備える。一実施形態において、図４に示されるように、複数のガス供給口３１０が、ＤＥＤノズル２５０を囲うよう配置されている。また、カバー３００は、上面３０２における縦内壁３０６のすぐ外側に、ガス排出口３１２を備える。一実施形態において、図４に示されるように、複数のガス排出口３１２が、ＤＥＤノズル２５０を囲うように配置されている。ガス供給口３１０は、ガス供給源に接続されており、ガス供給口３１０からカバー３００内へガスを供給することができる。供給されるガスは、たとえばアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスとすることができる。また、ガス供給口３１０へのガス供給源は、上述のＤＥＤノズル２５０から供給されるガス源２０６と同一のものを使用してもよい。

図３に示される実施形態において、ガス供給口３１０からカバー３００内に供給された
ガスは、上面３０２、縦内壁３０６、および横内壁３０８で画定されるガス供給路３１４を通って、ＤＥＤノズル２５０の方へ導かれる。図３に示される実施形態において、ガス供給路３１４は、カバー３００の上面３０２に平行であるが、他の実施形態として、ガス供給路３１４は、概ねＤＥＤノズル本体２５９の方に向かえば、必ずしも上面３０２に平行でなくてもよい。ガス供給路３１４を通ったガスは、ＤＥＤノズル本体２５９に当たって、ＤＥＤノズル本体２５９の先端の方へ流れる。ＤＥＤノズル本体２５９の先端の方へ流れたガスは、造形対象物Ｍに向かい、造形対象物Ｍに沿って外側に流れる。造形対象物Ｍに沿って外側に流れたガスはカバー３００の外壁３０４に当たり、そこから上方流れ、外壁３０４および縦内壁３０６により画定されるガス排出路３１６を通って、ガス排出口３１２から排出される。

図３に示される実施形態においては、カバー３００によりＤＥＤノズル２５０からレーザー２５１が照射されて造形される部分を不活性ガスで満たすことができ、造形箇所が酸化することを防止することができる。また、不活性ガスで満たす領域をカバー３００内に限定することができるので、不活性ガスの使用量を抑制することができる。

図５は、一実施形態によるカバー３００を上方から見た概略図である。図５に示されるカバー３００は、図４に示されるカバーと異なり上面３０２が円形であるが、その他は図３および図４で示されたものと実質的に同様の構造である。図５に示されるカバー３００において、図４に示されるカバーと同様の要素には同様の符号を付してあるので、詳細な説明は省略する。なお、図４、５において、ガス供給口３１０およびガス排出口３１２の数および配置は例示であり、任意の数および配置とすることができる。

図６は、一実施形態によるカバー３００を示す断面図である。図６に示される実施形態によるカバー３００は、一部において（図６の左側）、図３のカバー３００と同様に、ガス供給口３１０から供給されたガスを内側に向かってＤＥＤノズル本体２５９の方へ導くガス供給路３１４を備える。また、図６に示されるカバー３００は、一部において（図６の右側）、ガス供給口３１０から供給されたガスを外壁３０４に向かって導くガス供給路３１４を備える。図６に示されるように外壁３０４に向かって導かれたガスは、外壁３０４に沿って下方に向かい、さらに、外壁３０４の端部から内側に向かって延びる外壁延長部３１８に沿って、内側に導かれる。図６に示されるカバー３００において、上面３０２は四角形でも円形でもよい。

図７は、一実施形態によるカバー３００を示す断面図である。図７に示される実施形態によるカバー３００は、一部において（図７の左側）、図３のカバー３００と同様に、ガス供給口３１０から供給されたガスを内側に向かってＤＥＤノズル２５０の方へ導くガス供給路３１４を備える。図７に示されるカバー３００は、一部において（図７の右側）、ガス供給口３１０から供給されたガスを外壁３０４に向かって導くガス供給路３１４を備える。外壁３０４に向かって導かれたガスは、カバー３００の外壁３０４、縦内壁３０６、外壁延長部３１８、および縦内壁３０６の先端から内側に向かって延びる縦内壁延長部３２０によって、カバー３００の外壁３０４の内側を通って下方に導かれ、さらに、外壁延長部３１８および縦内壁延長部３２０の内側を通ってＤＥＤノズル２５０のレーザーの集光点２５１ａに導かれる。

一実施形態において、図１に示されるように、ＡＭ装置１００は、造形対象物の材料を供給するための粉体供給ヘッド４００を備える。粉体供給ヘッド４００は、造形対象物の材料となる粉末、たとえば金属粉末を排出するための材料供給ノズル４５０を備える。材料供給ノズル４５０は、造形対象物の材料となる粉末の供給源４０２およびガス源４０４に接続されている。そのため、材料供給ノズル４５０からは、材料粉末およびガスを供給することができる。材料供給ノズル４５０から材料粉末とともに供給されるガスは、不活
性ガスであることが好ましく、空気より重い不活性ガスであることがより好ましい。たとえば、不活性ガスとしてアルゴンガス採用することができる。空気より重い不活性ガスを採用することで、材料供給ノズル４５０から供給された材料粉末の隙間を不活性ガスで充填することが可能となる。そのため、レーザー照射による造形時に、造形物の酸化を抑制することができる。

図１に示されるように、粉体供給ヘッド４００は、供給された材料粉末を均すためのブレード４０６を備えてもよい。ブレード４０６は、材料粉末を供給するときの粉体供給ヘッド４００の移動方向（図１の左方向）に関して、材料供給ノズル４５０の後方に配置されている。

図１に示されるように、粉体供給ヘッド４００は、供給された材料粉末の上から不活性ガスを供給するためのガス供給ノズル４０８を備える。ガス供給ノズル４０８から供給されるガスの流量は、供給されている材料粉末を吹き飛ばさない程度に小さい流量であることが望ましい。

一実施形態において、粉体供給ヘッド４００は、ガス供給ノズル４０８のガス供給口を覆う多孔質体４１０を備える。そのため、ガス供給ノズル４０８から供給された不活性ガスは、多孔質体４１０を通って緩やかに供給された材料粉末の上に供給され、材料粉末が吹き飛ばされることを抑制できる。多孔質体４１０の孔径や厚さは、多孔質体４１０から均一かつ微細に分散したガスが供給されるようにされる。一実施形態において、多孔質体４１０の平均孔径は、材料粉末の平均粒径の１／２以下であることが好ましく、１／１０以下であることがより好ましい。一実施形態において、多孔質体４１０は、市販のものを使用することができ、たとえば一例として、日本タングステン株式会社から販売されている多孔質セラミックスを使用することができる。

一実施形態において、多孔質体４１０の下面は、ブレード４０６の下面とほぼ同一の高さとすることができる。多孔質体４１０の下面を、ブレード４０６の下面とほぼ同一の高さとすることで、供給された材料粉末をブレード４０６で均したのちに、さらに、多孔質体４１０から供給されたガスで非接触式に材料粉末を均すことができる。この場合、多孔質体４１０が材料粉末に接触しないので、多孔質体４１０の寿命を長くすることができる。なお、図１における実施形態では、多孔質体４１０の下面は、ブレード４０６の下面とほぼ同一の高さとしているが、他の実施形態として、多孔質体４１０の下面は、ブレード４０６の下面よりも高い位置にしてもよい。

なお、ガス供給ノズル４０８から供給される不活性ガスは空気よりも重い、たとえばアルゴンガスとすることができる。供給された材料粉末の上に空気よりも重い不活性ガスを供給することで、材料粉末の層内に残留する酸素濃度を低減することができ、また、供給された材料粉末を不活性ガスで覆うことができ、造形時に造形物の酸化を抑制することができる。

粉体供給ヘッド４００は、上述の特徴を備える任意のものとすることができ、たとえば公知の粉体供給ヘッドを使用することができる。粉体供給ヘッド４００は、移動機構４２０に連結されており、移動可能に構成される。移動機構４２０は、任意のものとすることができ、たとえば、レールなどの特定の軸に沿って粉体供給ヘッド４００を移動可能なものとしてもよく、あるいは、任意の位置および向きに粉体供給ヘッド４００を移動させることができるロボットから構成されてもよい。

図８は、一実施形態によるＡＭ装置１００を概略的に示す上面図である。特に、図８は、ＤＥＤヘッド２００および粉体供給ヘッド４００の移動機構を概略的に示している。図
８に示される実施形態において、ＤＥＤヘッド２００の移動機構は、直交する３軸に沿ってＤＥＤヘッド２００を移動させることが可能に構成される。図８に示される実施形態において、ＤＥＤヘッド２００の移動機構２２０は、ｘ軸に沿って延びる第１レール２２２およびｙ軸に沿って延びる第２レール２２４を備える。また、第２レール２２４は、第１レール２２２上を移動可能に第１レール２２２上に搭載されている。ＤＥＤヘッド２００は、第２レール２２４上を移動可能に第２レール２２４上に搭載されている。したがって、ＤＥＤヘッド２００は、ベースプレート１０２に平行なｘｙ平面上の任意の位置に移動可能である。また、ＤＥＤヘッド２００は、ｚ方向に移動可能に構成され、ベースプレート１０２に対してＤＥＤヘッド２００の高さを調整可能である。

図８の実施形態においては、２つのＤＥＤヘッド２００が搭載された第２レール２２４が２つ第１レール２２２に搭載されている。図８における、ＤＥＤヘッド２００の数は例示であり、ＡＭ装置１００に任意の数のＤＥＤヘッド２００を使用してよい。また、複数のＤＥＤヘッド２００を使用する場合、同一のＤＥＤヘッド２００を使用してもよく、また異なるＤＥＤヘッド２００を使用してもよい。

一実施形態において、図８に示されるように、粉体供給ヘッド４００の移動機構４２０は、ｘ軸に沿って延びる第３レール４２２を備える。粉体供給ヘッド４００は、第３レール４２２上を移動可能に、第３レール４２２上に搭載されている。第３レール４２２上を移動しながら粉体供給ヘッド４００から材料粉体を供給することで、ベースプレート１０２上の任意の位置に材料粉体を供給することができる。

一実施形態によるＡＭ装置１００は、図１に示されるように制御装置１７０を有する。制御装置１７０は、ＡＭ装置１００の各種の動作機構、たとえば上述のＤＥＤヘッド２００、粉体供給ヘッド４００、各種の動作機構２２０、４２０などの動作を制御するように構成される。制御装置１７０は、一般的なコンピュータまたは専用コンピュータから構成することができる。

図９は、一実施形態によるＡＭ装置で造形する方法を示すフローチャートである。一実施形態において、本明細書で開示される方法では、図１３に示されるような、内部に空洞を有する造形物Ｍを造形することができる。図１３に示される造形物は、輪郭Ｍ１および輪郭Ｍ１を橋渡しする上蓋Ｍ２を有する構造である。

一実施形態による造形方法において、まず、造形対象物の輪郭Ｍ１を造形する（Ｓ１００）。輪郭Ｍ１を造形するときは、ＤＥＤヘッド２００を使用する。ＤＥＤヘッド２００は任意のものを使用することができ、本明細書で開示される任意のＤＥＤヘッド２００を使用することができ、また、本明細書で開示されるＤＥＤヘッド２００以外の他のＤＥＤヘッドを用いてもよい。図１０は、ＡＭ装置１００により輪郭Ｍ１を造形しているときの様子を概略的に示す側面図である。輪郭Ｍ１を本明細書で開示されるＤＥＤヘッド２００を用いて造形する場合、ＤＥＤノズル２５０の第２通路２５４を通じて材料粉体およびキャリアガスを供給しながら、第１通路２５２を通じてレーザー２５１を造形点に照射する。また、造形時には、第３通路２５６を通じてシールドガスを造形点に供給する。キャリアガスおよびシールドガスには、たとえば不活性ガスであるアルゴンガスを用いることができる。キャリアガスに不活性ガスを用い、また、シールドガスを用いることで、造形物の酸化を防止でき、安定した造形を行うことができる。

造形対象物の輪郭Ｍ１を造形したら、輪郭Ｍ１の内側に粉体材料を供給する（Ｓ１０２）。粉体材料の供給は、上述した粉体供給ヘッド４００を用いて行われる。図１１は、輪郭Ｍ１の内側に粉体材料を供給しているときの様子を概略的に示す側面図である。一実施形態において、粉体供給ヘッド４００の材料供給ノズル４５０から、材料粉末と空気より
も重い不活性ガスとを同時に輪郭Ｍ１の内側に供給する。また、材料供給ノズル４５０を移動させながら材料粉末を供給するので、材料供給ノズル４５０の後方に配置されたブレード４０６で供給された材料粉末を均一の高さになるように均すことができる。さらに、ブレード４０６の後方に配置された、ガス供給ノズル４０８および多孔質体４１０により、さらに材料粉末を均一にならすことができる。また、材料供給ノズル４５０から、材料粉末と空気よりも重い不活性ガスとを同時に供給するので、材料粉末の間隙は不活性ガスで満たされる。また、材料供給ノズル４５０から材料粉末を供給する際に、材料供給ノズル４５０およびブレード４０６の後方に配置されたガス供給ノズル４０８から空気よりも重い不活性ガスを供給することで、均一にならされた材料粉末の上を不活性ガスで覆うことができる。

造形対象物の輪郭Ｍ１の内側に材料粉体を供給したら、供給された材料粉末の上面を造形する（Ｓ１０４）。供給された材料粉末の上面を造形することで、輪郭Ｍ１を橋渡しする上蓋Ｍ２を造形することができる。本実施形態においては、輪郭Ｍ１の内側に供給された材料粉末の表層のみが造形されて上蓋Ｍ２が造形され、上蓋Ｍ２の下には供給された材料粉末が残留することになる。材料粉末の上面の造形は、本明細書で開示されるＤＥＤヘッド２００を用いて行うことができる。図１２は、供給された材料粉末の上面を造形するときの様子を概略的に示す側面図である。供給された材料粉末の上面を造形するときは、ＤＥＤノズル２５０の第１通路２５２からレーザーを材料粉末の上面に照射する。ただし、この時、第２通路２５４からキャリアガスおよび材料粉末は供給されない。また、第３通路２５６からもシールドガスは供給されない。これは、ＤＥＤノズル２５０からキャリアガスおよびシールドガスが予め供給されている材料粉末を吹き飛ばすことを防止するためである。一実施形態において、ＤＥＤノズル２５０の第３通路２５６からシールドガスを供給してもよい。ただし、ＤＥＤノズル２５０の第３通路２５６からシールドガスを供給する場合、予め供給されている材料粉末を吹き飛ばすことがない流量で供給する。たとえば、輪郭Ｍ１を造形するときのシールドガスの流量よりも小さな流量で供給する。

一方、材料粉末の上面を造形するときは、カバー３００のガス供給口３１０（図３など参照）からは不活性ガスが供給され、ＤＥＤノズル２５０の先端および造形点の周りが不活性ガスで覆われる。そのため、造形点の酸素濃度を低い状態に維持することができる。また、供給された材料粉末に直接的にガスを吹き付けないので、材料粉末を吹き飛ばすことを防止することができる。一実施形態においては、図３に示されるように、カバー３００のガス供給口３１０から導入されたガスは、ガス供給路３１４によりＤＥＤノズル本体２５９の方に向かって導かれる。ガスが造形面と平行な方向に向いた状態でカバー３００の内部に導かれるので、予め供給されている材料粉末を吹き飛ばすことを防止できる。

なお、上蓋Ｍ２を造形するために材料粉末の上面の造形を開始するときは、輪郭Ｍ１と材料粉末の境界における輪郭Ｍ１の部分を、部分的に溶融させてメルトプールを形成し、その後にレーザーを材料粉末の方向に移動させることが好ましい。このようにすることで、材料粉末の溶融物が輪郭Ｍ１の部分の溶融部とつながりやすくなり、安定した造形を実現しやすくなる。また、材料粉末の上面の造形が終了するとき、すなわち、材料粉末の上面を造形して反対側の輪郭Ｍ１に上蓋Ｍ２部分を結合させるとき、同様に輪郭Ｍ１と材料粉末の境界における輪郭Ｍ１の部分を、部分的に溶融させてメルトプールを形成し、その後にレーザーを材料粉末の方向に移動させることで、開始時と同様の効果を得ることができる。

材料粉末の上面を造形して上蓋Ｍ２を完成させたら、必要であればその上にさらなる造形を行って全体の造形を完成させる。最後に、造形されずに残った材料粉末を取り除くことで、図１３に例示されるような内部に空洞を備える造形物Ｍを得ることができる。一般に、内部に空洞を有する構造をＡＭ法により造形する場合、上蓋Ｍ２の部分を造形するた
めには、上蓋Ｍ２部分を支持するサポート部材を使用する。しかし、上述の方法によれば、輪郭Ｍ１の内側に供給されて材料粉末がサポート部材としての役割を果たすので、サポート部材を使用しなくても内部に空洞を有する構造をＡＭ法により造形することができる。また、一般に、ＤＥＤノズルは、ロボット機構により任意の位置および角度に移動できるように構成されることがある。上述の実施形態によるＡＭ装置および造形方法では、ＤＥＤノズル２５０を直交する３軸に移動可能な構成により、内部に空洞を有する構造を造形することができ、ＤＥＤノズル２５０の移動機構として複雑なロボットを必要としない。

上述の実施形態においては、ＤＥＤヘッド２００を用いて造形しているが、他の実施形態において、造形工程の一部においてＰＢＦを用いてもよい。また、一実施形態において、ＡＭ装置１００は、ＤＥＤヘッド２００に追加的にＰＢＦを行うためのＰＢＦヘッドを備えてもよい。また、上述の輪郭Ｍ１の全部または一部は、ＡＭ法により造形しなくてもよい。たとえば、他の方法で成型済の部品を輪郭Ｍ１として用いてもよく、また、他の方法で成型済の部品にＡＭ法による加工をして輪郭Ｍ１を形成してもよい。

上述の実施形態から少なくとも以下の技術的思想が把握される。
［形態１］形態１によれば、造形物を製造するためのＡＭ装置が提供され、前記ＡＭ装置は、ＤＥＤノズルを有し、前記ＤＥＤノズルは、ＤＥＤノズル本体と、前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられたレーザー光を出射するためのレーザー口、および前記レーザー口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内をレーザー光が通過するためのレーザー通路と、前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられた粉体材料を出射するための粉体口、および前記粉体口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内を粉体材料が通過するための粉体通路と、を有し、前記ＡＭ装置はさらに、前記ＤＥＤノズルの前記レーザー口および前記粉体口の周囲を囲い、且つ、前記レーザー光の出射方向の下流側が開口しているカバーを有し、前記カバーは、前記カバーの内側へガスを供給するためのガス供給路を有し、前記ガス供給路は、前記ＤＥＤノズル本体に向かってガスを導くように向き決めされている。

［形態２］形態２によれば、形態１によるＡＭ装置において、前記カバーは、前記カバーの内側に存在するガスを前記カバーから排出させるための排出路を有する。

［形態３］形態３によれば、形態２によるＡＭ装置において、前記カバーの前記排出路は、前記カバーの側壁の内側を上方に向かってガスを導くように向き決めされている。

［形態４］形態４によれば、形態１から形態３のいずれか１つの形態によるＡＭ装置において、前記カバーは、レーザーの出射方向に垂直な方向からレーザーの集光点に向かってガスを導くように向き決めされた第２ガス供給路を有する。

［形態５］形態５によれば、造形物を製造するためのＡＭ装置が提供され、前記ＡＭ装置は、製造される造形物を支持するためのベースプレートと、粉体材料およびレーザーを出射するためのＤＥＤノズルと、前記ＤＥＤノズルを水平方向であるＸ軸方向に移動させるためのＸ軸移動機構と、前記ＤＥＤノズルを水平方向でありＸ軸に直交するＹ軸方向に移動させるためのＹ軸移動機構と、前記ベースプレート上に粉体材料を供給するための粉体供給ヘッドと、前記粉体供給ヘッドを前記Ｘ軸に平行であるＰ軸方向に移動させるためのＰ軸移動機構と、を有する。

［形態６］形態６によれば、形態５によるＡＭ装置において、前記粉体供給ヘッドは、空気よりも重い不活性ガスと粉体材料とを同時に供給するための粉体供給口を有する。

［形態７］形態７によれば、形態６によるＡＭ装置において、前記粉体供給ヘッドは、
空気よりも重い不活性ガスを供給するためのガス供給口を有し、前記ガス供給口は、粉体材料を供給するときの前記粉体供給ヘッドの移動方向に関して、前記粉体供給口の後方に配置されている。

［形態８］形態８によれば、形態７によるＡＭ装置において、前記粉体供給ヘッドは、前記ガス供給口を覆う多孔質体を有する。

［形態９］形態９によれば、形態５から形態８のいずれか１つの形態によるＡＭ装置において、前記ＤＥＤノズルは、ＤＥＤノズル本体と、前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられたレーザー光を出射するためのレーザー口、および前記レーザー口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内をレーザー光が通過するためのレーザー通路と、前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられた粉体材料を出射するための粉体口、および前記粉体口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内を粉体材料が通過するための粉体通路と、を有し、前記ＡＭ装置はさらに、前記ＤＥＤノズルの前記レーザー口および前記粉体口の周囲を囲い、且つ、前記レーザー光の出射方向の下流側が開口しているカバーを有し、前記カバーは、前記カバーの内側へガスを供給するためのガス供給路を有し、前記ガス供給路は、前記ＤＥＤノズル本体に向かってガスを導くように向き決めされている。

［形態１０］形態１０によれば、ＡＭ法により造形物を製造する方法が提供され、かかる方法は、ＤＥＤノズルにより造形対象物の輪郭を造形するステップと、前記ＤＥＤノズルにより造形された輪郭の内側に粉体材料を供給するステップと、前記輪郭の内側に供給された粉体材料の上面にエネルギーを与えて、前記粉体材料の上面を造形するステップと、を有する。

［形態１１］形態１１によれば、形態１０による方法において、前記ＤＥＤノズルは、ＤＥＤノズル本体と、前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられたレーザー光を出射するためのレーザー口、および前記レーザー口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内をレーザー光が通過するためのレーザー通路と、前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられた粉体材料を出射するための粉体口、および前記粉体口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内を粉体材料が通過するための粉体通路と、前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられたガスを出射するためのガス口、および前記ガス口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内をガスが通過するためのガス通路と、を有し、前記方法は、造形対象物の輪郭を造形するときに、第１流量で不活性ガスを前記ガス口から出射し、前記粉体材料の上面を造形するときに、前記第１流量と異なる第２流量で不活性ガスを前記ガス口から出射する。

［形態１２］形態１２によれば、形態１１または形態１２による方法において、前記輪郭の内側に粉体材料を供給するステップは、粉体材料を供給しながら不活性ガスを前記輪郭の内側に供給する。

１７０…制御装置
ＤＥＤ２００…ヘッド
２０２…レーザー源
２０４…材料粉体源
２０６…ガス源
２２０…移動機構
２２２…第１レール
２２４…第２レール
ＤＥＤ２５０…ノズル
２５１…レーザー
２５２…第１通路
２５４…第２通路
２５６…第３通路
２５９…ノズル本体
３００…カバー
３１０…ガス供給口
３１２…ガス排出口
３１４…ガス供給路
３１６…ガス排出路
４００…粉体供給ヘッド
４０２…材料供給源
４０４…ガス源
４０６…ブレード
４０８…ガス供給ノズル
４１０…多孔質体
４２０…移動機構
４２２…第３レール
４５０…材料供給ノズル
２５１ａ…集光点
２５２ａ…レーザー口
２５４ａ…粉体口
２５６ａ…ガス口
Ｍ…造形対象物
Ｍ１…輪郭
Ｍ２…上蓋

Claims

造形物を製造するためのＡＭ装置であって、前記ＡＭ装置は、
ＤＥＤノズルを有し、前記ＤＥＤノズルは、
ＤＥＤノズル本体と、
前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられたレーザー光を出射するためのレーザー口、および前記レーザー口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内をレーザー光が通過するためのレーザー通路と、
前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられた粉体材料を出射するための粉体口、および前記粉体口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内を粉体材料が通過するための粉体通路と、を有し、
前記ＡＭ装置はさらに、前記ＤＥＤノズルの前記レーザー口および前記粉体口の周囲を囲い、且つ、前記レーザー光の出射方向の下流側が開口しているカバーを有し、
前記カバーは、前記カバーの内側へガスを供給するためのガス供給路を有し、前記ガス供給路は、前記ＤＥＤノズル本体に向かってガスを導くように向き決めされており、
前記カバーは、前記カバーの内側に存在するガスを前記カバーから排出させるための排出路を有し、
前記カバーの前記排出路は、前記カバーの側壁の内側を上方に向かってガスを導くように向き決めされている、
ＡＭ装置。
造形物を製造するためのＡＭ装置であって、前記ＡＭ装置は、
ＤＥＤノズルを有し、前記ＤＥＤノズルは、
ＤＥＤノズル本体と、
前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられたレーザー光を出射するためのレーザー口、および前記レーザー口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内をレーザー光が通過するためのレーザー通路と、
前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられた粉体材料を出射するための粉体口、および
前記粉体口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内を粉体材料が通過するための粉体通路と、を有し、
前記ＡＭ装置はさらに、前記ＤＥＤノズルの前記レーザー口および前記粉体口の周囲を囲い、且つ、前記レーザー光の出射方向の下流側が開口しているカバーを有し、
前記カバーは、前記カバーの内側へガスを供給するためのガス供給路を有し、前記ガス供給路は、前記ＤＥＤノズル本体に向かってガスを導くように向き決めされており、
前記カバーは、レーザーの出射方向に垂直な方向からレーザーの集光点に向かってガスを導くように向き決めされた第２ガス供給路を有する、
ＡＭ装置。
請求項２に記載のＡＭ装置であって、
前記カバーは、前記カバーの内側に存在するガスを前記カバーから排出させるための排出路を有する、
ＡＭ装置。
請求項３に記載のＡＭ装置であって、
前記カバーの前記排出路は、前記カバーの側壁の内側を上方に向かってガスを導くように向き決めされている、
ＡＭ装置。
造形物を製造するためのＡＭ装置であって、前記ＡＭ装置は、
製造される造形物を支持するためのベースプレートと、
粉体材料およびレーザーを出射するためのＤＥＤノズルと、
前記ＤＥＤノズルを水平方向であるＸ軸方向に移動させるためのＸ軸移動機構と、
前記ＤＥＤノズルを水平方向でありＸ軸に直交するＹ軸方向に移動させるためのＹ軸移動機構と、
前記ベースプレート上に粉体材料を供給するための粉体供給ヘッドと、
前記粉体供給ヘッドを前記Ｘ軸に平行であるＰ軸方向に移動させるためのＰ軸移動機構と、を有し、
前記粉体供給ヘッドは、空気よりも重い不活性ガスと粉体材料とを同時に供給するための粉体供給口を有し、
前記粉体供給ヘッドは、空気よりも重い不活性ガスを供給するためのガス供給口を有し、前記ガス供給口は、粉体材料を供給するときの前記粉体供給ヘッドの移動方向に関して、前記粉体供給口の後方に配置されている、
ＡＭ装置。
請求項５に記載のＡＭ装置であって、
前記粉体供給ヘッドは、前記ガス供給口を覆う多孔質体を有する、
ＡＭ装置。
請求項５または６に記載のＡＭ装置であって、前記ＤＥＤノズルは、
ＤＥＤノズル本体と、
前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられたレーザー光を出射するためのレーザー口、および前記レーザー口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内をレーザー光が通過するためのレーザー通路と、
前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられた粉体材料を出射するための粉体口、および前記粉体口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内を粉体材料が通過するための粉体通路と、を有し、
前記ＡＭ装置はさらに、前記ＤＥＤノズルの前記レーザー口および前記粉体口の周囲を囲い、且つ、前記レーザー光の出射方向の下流側が開口しているカバーを有し、
前記カバーは、前記カバーの内側へガスを供給するためのガス供給路を有し、前記ガス供給路は、前記ＤＥＤノズル本体に向かってガスを導くように向き決めされている、
ＡＭ装置。
ＡＭ法により造形物を製造する方法であって、
ＤＥＤノズルにより造形対象物の輪郭を造形するステップと、
前記ＤＥＤノズルにより造形された輪郭の内側の上方の領域を移動しながら、前記輪郭の内側に粉体材料と空気よりも重い不活性ガスとを同時に供給するステップと、
前記輪郭の内側の上方の領域における移動方向に関して後方から、前記輪郭の内側に供給された粉体材料の上面に前記不活性ガスをさらに供給するステップと、
前記輪郭の内側に供給された粉体材料の上面にエネルギーを与えて、前記粉体材料の上面を造形するステップと、を有する、
方法。
請求項８に記載の方法であって、
前記ＤＥＤノズルは、
ＤＥＤノズル本体と、
前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられたレーザー光を出射するためのレーザー口、および前記レーザー口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内をレーザー光が通過するためのレーザー通路と、
前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられた粉体材料を出射するための粉体口、および前記粉体口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内を粉体材料が通過するための粉体通路と、
前記ＤＥＤノズル本体の先端に設けられたガスを出射するためのガス口、および前記ガス口に連通する、前記ＤＥＤノズル本体内をガスが通過するためのガス通路と、を有し、
前記方法は、造形対象物の輪郭を造形するときに、第１流量で不活性ガスを前記ガス口から出射し、前記粉体材料の上面を造形するときに、前記第１流量と異なる第２流量で不活性ガスを前記ガス口から出射する、
方法。