JP7346476B2 - 三次元積層造形装置および三次元積層造形方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1実施形態に係る三次元積層造形装置の構成を概略的に示す側面図である。以降の説明では、三次元積層造形装置の各部の形状や位置関係などを明確にするために、図1の左右方向をX方向、図1の奥行き方向をY方向、図1の上下方向をZ方向とする。X方向、Y方向およびZ方向は、互いに直交する方向である。また、X方向およびY方向は水平方向に平行な方向であり、Z方向は鉛直方向に平行な方向である。
図2において、制御部50は、たとえば図示しないCPU(中央演算処理装置)50a、ROM(Read Only Memory)50bおよびRAM(Random Access Memory)50cを備え、CPU50aが、ROM50bに書き込まれたプログラムをRAM50cに読み出して所定の制御処理を実行することにより、三次元積層造形装置10の動作を統括的に制御する。制御部50には、上述したビーム照射装置14、粉末塗布装置16、プレート移動装置26およびカメラ42の他に、マスクカバー昇降装置52、シャッター駆動装置54および画像処理部56が接続されている。
図3は、本発明の第1実施形態に係る三次元積層造形装置の基本的な処理動作の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理動作は、制御部50の制御下で行われる。なお、本発明の第1実施形態に係る三次元積層造形装置の特徴的な処理動作については、以下に述べる基本的な処理動作と関連づけて後段で説明する。
まず、ビーム照射装置14は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート22を加熱する(ステップS1)。
ステップS1において、ビーム照射装置14は、マスクカバー30の開口部30aを通して造形プレート22に電子ビーム15を照射するとともに、造形プレート22上で電子ビーム15を走査する。これにより、造形プレート22は、金属粉末32が仮焼結する程度の温度に加熱される。
次に、プレート移動装置26は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート22を所定量だけ下降させる(ステップS2)。
ステップS2において、プレート移動装置26は、造形テーブル18上に敷き詰められた金属粉末32の上面よりも造形プレート22の上面が僅かに下がった状態となるように、インナーベース24を所定量だけ下降させる。このとき、造形プレート22は、インナーベース24と共に所定量だけ下降する。ここで記載する所定量(以下、「ΔZ」とも記す)は、造形物38を積層によって造形するときの一層分の厚さに相当する。
次に、マスクカバー昇降装置52は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー30を上昇させる(ステップS3)。
ステップS3において、マスクカバー昇降装置52は、次のステップS4でスキージ16cがマスクカバー30に接触しないよう、スキージ16cよりも高い位置までマスクカバー30を上昇させる。
次に、粉末塗布装置16は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート22上に金属粉末32を塗布して粉末層32aを形成する(ステップS4)。
ステップS4において、粉末塗布装置16は、ホッパー16aから粉末投下器16bに供給された金属粉末32を、粉末投下器16bによって造形テーブル18上に投下した後、スキージ16cをX方向に移動させることにより、造形プレート22上に金属粉末32を敷き詰める。このとき、金属粉末32は、ΔZ相当の厚さで造形プレート22上に敷き詰められる。これにより、造形プレート22上に粉末層32aが形成される。また、余分な金属粉末32は、回収ボックス21に回収される。
次に、マスクカバー昇降装置52は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー30を下降させる(ステップS5)。
ステップS5において、マスクカバー昇降装置52は、金属粉末32の造形面32bに接触するようにマスクカバー30を降ろす。これにより、造形プレート22上の金属粉末32は、マスクカバー30の開口部30aを通して外部に露出した状態となる。また、造形プレート22の周囲に存在する金属粉末32は、マスクカバー30のマスク部30bによって覆われた状態になる。
次に、ビーム照射装置14は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート22上の粉末層32aを予備加熱する(ステップS6)。この予備加熱工程S6においては、金属粉末32を仮焼結させるために粉末層32aを予備加熱する。金属粉末32を仮焼結させると、金属粉末32に導電性を持たせることができる。このため、予備加熱工程の後に行われる本焼結工程での粉末飛散を抑制することができる。本焼結工程の前に行われる予備加熱は、パウダーヒートとも呼ばれる。
ステップS6において、ビーム照射装置14は、造形プレート22上の金属粉末32に電子ビーム15を照射する。このとき、金属粉末32の上にマスクカバー30を被せて電子ビーム15を照射することにより、予備加熱工程S6における粉末飛散の発生が、マスクカバー30の電気的なシールド効果によって抑制される。また、ビーム照射装置14は、造形物38を形成するための領域(以下、「造形領域」ともいう。)よりも広範囲に電子ビーム15を走査する。これにより、造形領域に存在する金属粉末32と、造形領域の周囲に存在する金属粉末32とが、共に仮焼結される。
なお、図1において、符号E1は、未焼結の金属粉末32が存在する未焼結領域を示し、符号E2は、仮焼結された金属粉末32が存在する仮焼結領域を示している。
次に、ビーム照射装置14は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、金属粉末32を溶融および凝固によって本焼結させる(ステップS7)。
ステップS7においては、上述のように仮焼結させた金属粉末32を電子ビーム15の照射によって溶融および凝固させることにより、仮焼結体としての金属粉末32を本焼結させる。ステップS7において、ビーム照射装置14は、目的とする造形物38の三次元CADデータを一定の厚み(ΔZに相当する厚み)にスライスした二次元データに基づいて造形領域を特定し、この造形領域を対象に電子ビーム15を走査することにより、造形プレート22上の金属粉末32を選択的に溶融する。電子ビーム15の照射によって溶融した金属粉末32は、電子ビーム15が通過した後に凝固する。これにより、1層目の造形物が形成される。
次に、プレート移動装置26は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート22を所定量(ΔZ)だけ下降させる(ステップS8)。
ステップS8において、プレート移動装置26は、造形プレート22およびインナーベース24をΔZだけ下降させる。
続いて、ビーム照射装置14は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート22上の粉末層32aを予備加熱する(ステップS9)。この第1予備加熱工程S9においては、次の層の金属粉末32を敷き詰めるための準備として、その前の層で本焼結工程を終えた粉末層32aを予備加熱する。本焼結工程の後に行われる予備加熱は、アフターヒートとも呼ばれる。
ステップS9において、ビーム照射装置14は、マスクカバー30の開口部30aを通して粉末層32aに電子ビーム15を照射するとともに、粉末層32a上で電子ビーム15を走査する。これにより、開口部30aに露出している粉末層32aは、金属粉末32が仮焼結する程度の温度に加熱される。
次に、マスクカバー昇降装置52は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー30を上昇させる(ステップS10)。
ステップS10において、マスクカバー昇降装置52は、次のステップS11でスキージ16cがマスクカバー30に接触しないよう、スキージ16cよりも高い位置までマスクカバー30を上昇させる。
次に、粉末塗布装置16は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート22上に金属粉末32を塗布して粉末層32aを形成する(ステップS11)。
ステップS11において、粉末塗布装置16は、上記ステップS4と同様に動作する。これにより、造形プレート22上では、1層目の金属粉末32によって形成された焼結体の上に、2層目の金属粉末32が敷き詰められる。
次に、マスクカバー昇降装置52は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー30を下降させる(ステップS12)。
ステップS12において、マスクカバー昇降装置52は、上記ステップS5と同様に動作する。
次に、ビーム照射装置14は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、2層目の粉末層32aを形成している金属粉末32を予備加熱する(ステップS13)。この第2予備加熱工程S13においては、この後に行われる本焼結工程での粉末飛散を抑制するために粉末層32aを予備加熱する。
ステップS13において、ビーム照射装置14は、上記ステップS6と同様に動作する。これにより、2層目の粉末層32aを形成している金属粉末32が仮焼結される。
次に、ビーム照射装置14は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、2層目の粉末層32aを形成している金属粉末32を溶融および凝固によって本焼結させる(ステップS14)。
ステップS14において、ビーム照射装置14は、上記ステップS7と同様に動作する。これにより、2層目の造形物が形成される。
まず、プレート移動装置26は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート22を所定量(ΔZ)だけ下降させる(ステップS101)。
次に、ビーム照射装置14は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート22上の粉末層32aを予備加熱する(ステップS102)。
次に、カメラ42は、粉末層32aの造形面32bを撮影するとともに、撮影によって生成した粉末層32aの画像を画像処理部56に出力する(ステップS103)。この第1撮影工程S103でカメラ42が撮影する画像は、上述した第1予備加熱工程S102の後で、且つ、後述する粉末塗布工程S104の前の、粉末層32aの造形面32bの状態を示す画像(以下、「第1画像」という。)である。第1画像は、画像処理部56に取り込まれる。
次に、粉末塗布装置16は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート22上に金属粉末32を塗布して粉末層32aを形成する(ステップS104)。この粉末塗布工程S104において、粉末塗布装置16は、上述したステップS4と同様に動作する。これにより、造形プレート22上では、1つ前の層の金属粉末32によって形成された焼結体の上に、次の層の金属粉末32が敷き詰められる。
次に、カメラ42は、粉末層32aの造形面32bを撮影するとともに、撮影によって生成した粉末層32aの画像を画像処理部56に出力する(ステップS105)。この第2撮影工程S105でカメラ42が撮影する画像は、上述した粉末塗布工程S104の後で、且つ、後述する第2予備加熱工程S106の前の、粉末層32aの造形面32bの状態を示す画像(以下、「第2画像」という。)である。第2画像は、画像処理部56に取り込まれる。
次に、ビーム照射装置14は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、今回の層(粉末層32a)を形成している金属粉末32を予備加熱する(ステップS106)。
次に、カメラ42は、粉末層32aの造形面32bを撮影するとともに、撮影によって生成した粉末層32aの画像を画像処理部56に出力する(ステップS107)。この第3撮影工程S107でカメラ42が撮影する画像は、上述し第2予備加熱工程S106の後で、且つ、後述する本焼結工程S109の前の、粉末層32aの造形面32bの状態を示す画像(以下、「第3画像」という。)である。第3画像は、画像処理部56に取り込まれる。
次に、画像処理部56の判断部58は、上述した第1画像、第2画像および第3画像を用いて、第2予備加熱工程S106における粉末飛散の有無を判断する(ステップS108)。以下に具体的な判断方法について説明する。ただし、判断方法は以下に説明する方法に限定されるものではない。
図5に示すように、第1画像IM1は、粉末塗布工程S104の前の造形面32bの状態を示しており、この段階では造形領域(図中、星形の領域)が本焼結され、他の領域は仮焼結領域となっている。このため、第1画像IM1には、造形領域の輪郭が現れる。
一方、第2画像IM2は、粉末塗布工程S104の後の造形面32bの状態を示しており、この段階では上記造形領域と上記仮焼結領域とが粉末層32aによって覆い隠される。このため、第2画像IM2には、造形領域の輪郭が現れない。
次に、ビーム照射装置14は、制御部50から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、今回の層を形成している金属粉末32を溶融および凝固によって本焼結させる(ステップS109)。
図6は、本発明の第2実施形態に係る三次元積層造形装置の特徴的な処理動作の手順を示すフローチャートである。
図6に示すように、本発明の第2実施形態においては、上述した第1実施形態(図4参照)の処理動作と比較して、第1撮影工程S103が省略されている点、および、判断工程S108における判断方法が異なる。
図7は、本発明の第3実施形態に係る三次元積層造形装置の特徴的な処理動作の手順を示すフローチャートである。
図7に示すように、本発明の第3実施形態においては、上述した第1実施形態(図4参照)の処理動作と比較して、第1撮影工程S103および第2撮影工程S105が省略されている点、および、判断工程S108における判断方法が異なる。
第3撮影工程S107においては、第2予備加熱工程S106を終えて電子ビーム15の出力をゼロにした状態で、粉末層32aの造形面32bをカメラ42によって撮影する。第2予備加熱工程S106で粉末飛散が発生しなかった場合は、ビーム照射装置14による電子ビーム15の照射によって造形面32bが所定の温度に加熱される。このため、第3画像には、十分に赤熱した造形面32bが映し出される。
これに対し、第2予備加熱工程S106で粉末飛散が発生した場合は、図8に示すように、粉末飛散中に真空チャンバー12内に一時的に浮遊する粉末粒子の雲40によって電子ビーム15の進路が遮られる。このため、粉末飛散が発生しない場合に比べて、造形面32bに到達する電子ビーム15のエネルギーが減少する。そうすると、造形面32bが所定の温度に加熱されない。このため、第3画像には、十分に赤熱していない、比較的暗い状態の造形面32bが映し出される。
つまり、第3画像の輝度は、第2予備加熱工程S106で粉末飛散が発生した場合は低くなり、粉末飛散が発生しなかった場合は高くなる。
第2の方法では、図9に示すように、造形面32bに対して照明光源37とカメラ42を設置しておく。具体的には、照明光源37から造形面32bに角度θ1で照明光が入射し、かつ、造形面32bから角度θ2(θ1=θ2)で反射した光がカメラ42に取り込まれるように、照明光源37とカメラ42を設置する。
第2予備加熱工程S106で粉末飛散が発生した場合は、その前の粉末塗布工程S104で塗布された金属粉末が吹き飛んで無くなるため、前層で本焼結された焼結体の上面が光沢面となって露出する。したがって、カメラ42により撮影される第3画像IM3には、図10Aに示すように、前層で本焼結された部分46が照明光の反射によって明るく映し出され、それ以外の部分である、仮焼結されたままの部分48は照明光を吸収して暗く映し出される。
これに対し、第2予備加熱工程S106で粉末飛散が発生しなかった場合は、その前の粉末塗布工程S104で塗布された金属粉末が残存するため、前層で本焼結された焼結体の上面、すなわち光沢面が露出しない。したがって、カメラ42により撮影される第3画像IM3には、図10Bに示すように、粉末塗布工程S104で塗布された金属粉末が一様に暗く映し出される。
つまり、第3画像IM3は、第2予備加熱工程S106で粉末飛散が発生した場合は、部分的に明るい画像となり、粉末飛散が発生しなかった場合は、一様に暗い画像となる。
一方、判断工程S108において、判断部58は、カメラ42が撮影した第3画像における白飛び画素の発生状況により、粉末飛散の有無を判断する。白飛び画素とは、第3画像を構成する複数の画素のうち、白飛びが発生した画素をいう。判断部58は、この白飛び画素の発生数が、前層で本焼結させた面積相当の画素数に近い場合、あるいは、白飛びした範囲の位置や形状が、前層で本焼結させた位置や形状に似通っている場合は、粉末飛散が発生したと判断し、それ以外は、粉末飛散が発生しなかったと判断する。
図11は、本発明の第4実施形態に係る三次元積層造形装置の特徴的な処理動作の手順を示すフローチャートである。
図11に示すように、本発明の第4実施形態においては、上述した第1実施形態(図4参照)の処理動作と比較して、ステップS101からステップS110までの処理の流れは同じであるが、ステップS108でYESと判断した後の処理の流れが異なる。
ステップS111において、制御部50は、今回の層の造形について判断部58により2回以上連続で粉末飛散が有りと判断されたか否かを確認する。そして、制御部50は、今回の層の造形について判断部58により2回以上連続で粉末飛散が有りと判断された場合は、ステップS111からステップS102に戻る。この場合、制御部50は、後述するステップS112を行うことなく、今回の層の造形について第1予備加熱工程S102、第1撮影工程S103、粉末塗布工程S104、第2撮影工程S105、第2予備加熱工程S106、第3撮影工程S107をやり直す。
(a)本焼結工程S109で粉末層32aに照射する電子ビーム15のビーム電流を通常条件よりも大きくする。
(b)本焼結工程S109で粉末層32aに照射する電子ビーム15の走査速度を通常条件よりも低下させる。
(c)上記の(a)および(b)を同時に実施する。
これにより、上述した第1実施形態、第2実施形態および第3実施形態に比べて、造形スループットの向上を図ることができる。その理由は下記の通りである。
図12は、本発明の第5実施形態に係る三次元積層造形装置の制御系の構成例を示すブロック図である。
本発明の第5実施形態に係る三次元積層造形装置10Aは、上述した第1実施形態に係る三次元積層造形装置10の制御系の構成(図2)と比較して、画像処理部56が第2の判断部60を有する点が異なる。第2の判断部60は、上述した判断部58と同様に、カメラ42が生成した画像を用いて、粉末飛散の有無を判断するものであるが、判断に使用する画像の撮影時期が異なる。具体的には、第2の判断部60は、本焼結工程の後にカメラ42によって撮影した粉末層32aの画像である第4画像を用いて、本焼結工程における粉末飛散の有無を判断する。
図13に示すように、本発明の第5実施形態においては、上述した第1実施形態(図4参照)の処理動作と比較して、ステップS109とステップS110との間に、第4撮影工程S109aと第2判断工程S109bとが設けられている点が異なる。
14…ビーム照射装置
15…電子ビーム
16…粉末塗布装置
22…造形プレート
26…プレート移動装置
32…金属粉末(粉末材料)
32a…粉末層
32b…造形面
38…造形物
42…カメラ
44…シャッター
50…制御部
58…判断部
60…第2の判断部
Claims (10)
- 造形プレートと、
前記造形プレートを上下方向に移動させるプレート移動装置と、
前記造形プレート上に粉末材料を塗布して粉末層を形成する粉末塗布装置と、
前記造形プレートまたは前記粉末層に電子ビームを照射するビーム照射装置と、
前記粉末塗布装置および前記ビーム照射装置を制御することにより、粉末塗布工程、パウダーヒート工程、本焼結工程およびアフターヒート工程を経て1層分の造形物を形成するとともに、前記プレート移動装置を制御して前記1層分の造形物を積層して三次元の造形物を造形する制御部と、
前記粉末層の造形面を撮影して前記粉末層の画像を生成するカメラと、
前記粉末塗布工程の後で、且つ、前記パウダーヒート工程の前に前記カメラによって撮影された前記粉末層の画像である画像A、および、前記パウダーヒート工程の後で、且つ、前記本焼結工程の前に前記カメラによって撮影された前記粉末層の画像である画像Bを、それぞれ微分画像に変換するとともに、前記画像Aの微分画像と前記画像Bの微分画像との相関係数を閾値と比較することにより、前記パウダーヒート工程における粉末飛散の有無を判断する判断部と、
を備える三次元積層造形装置。 - 造形プレートと、
前記造形プレートを上下方向に移動させるプレート移動装置と、
前記造形プレート上に粉末材料を塗布して粉末層を形成する粉末塗布装置と、
前記造形プレートまたは前記粉末層に電子ビームを照射するビーム照射装置と、
前記粉末塗布装置および前記ビーム照射装置を制御することにより、粉末塗布工程、パウダーヒート工程、本焼結工程およびアフターヒート工程を経て1層分の造形物を形成するとともに、前記プレート移動装置を制御して前記1層分の造形物を積層して三次元の造形物を造形する制御部と、
前記粉末層の造形面を撮影して前記粉末層の画像を生成するカメラと、
前記アフターヒート工程の後で、且つ、前記粉末塗布工程の前に前記カメラによって撮影された前記粉末層の画像である第1画像、前記粉末塗布工程の後で、且つ、前記パウダーヒート工程の前に前記カメラによって撮影された前記粉末層の画像である第2画像、および、前記パウダーヒート工程の後で、且つ、前記本焼結工程の前に前記カメラによって撮影された前記粉末層の画像である第3画像のうち、前記第1画像と前記第3画像との比較結果、および、前記第2画像と前記第3画像との比較結果に基づいて、前記パウダーヒート工程における粉末飛散の有無を判断する判断部と、
を備える三次元積層造形装置。 - 前記カメラは、可視光カメラである
請求項1または2に記載の三次元積層造形装置。 - 前記本焼結工程の後に前記カメラによって撮影された前記粉末層の画像である第4画像を用いて、前記本焼結工程における粉末飛散の有無を判断する第2の判断部を備える
請求項1または2に記載の三次元積層造形装置。 - 前記制御部は、前記判断部によって前記粉末飛散が有りと判断された場合に、前記パウダーヒート工程の後、前記アフターヒート工程、前記粉末塗布工程、前記パウダーヒート工程、前記本焼結工程、前記アフターヒート工程の順に造形を行って今回の1層分の造形を行う
請求項1または2に記載の三次元積層造形装置。 - 前記制御部は、前記判断部によって前記粉末飛散が有りと判断された場合に、今回の層の前記アフターヒート工程に適用される条件と次の層の造形に適用される条件を、前記粉末飛散が無しの場合に適用される条件とは異なる内容で予約したうえで、今回の層の造形について前記本焼結工程を行った後に前記アフターヒート工程を前記予約した条件に従って行い、次の層の造形については前記予約した条件に従って造形を行う
請求項1または2に記載の三次元積層造形装置。 - 前記今回の層の前記アフターヒート工程に適用される条件の予約は、前記アフターヒート工程の実行時間を延長する予約、および、前記アフターヒート工程の加熱目標温度を高くする予約のうち、少なくとも1つであり、
前記次の層の造形に適用される条件の予約は、前記本焼結工程で前記粉末層に加えられるエネルギーを増強する予約である
請求項6に記載の三次元積層造形装置。 - 前記制御部は、前記判断部によって2回以上連続で前記粉末飛散が有りと判断された場合に、前記パウダーヒート工程の後、前記アフターヒート工程、前記粉末塗布工程、前記パウダーヒート工程、前記本焼結工程、前記アフターヒート工程の順に造形を行って今回の1層分の造形を行う
請求項5に記載の三次元積層造形装置。 - 前記制御部は、前記第2の判断部によって前記粉末飛散が有りと判断された場合に、前記本焼結工程の後、前記アフターヒート工程、前記粉末塗布工程、前記パウダーヒート工程、前記本焼結工程、前記アフターヒート工程の順に造形を行って今回の1層分の造形を行う
請求項4に記載の三次元積層造形装置。 - 造形プレート上に粉末材料を塗布して粉末層を形成する粉末塗布工程と、
前記粉末塗布工程の後に、前記造形プレート上の粉末層を予備加熱するパウダーヒート工程と、
前記パウダーヒート工程の後に、前記粉末層を形成している前記粉末材料を本焼結させる本焼結工程と、
前記本焼結工程の後に、次の層の粉末を敷き詰めるための準備として前記造形プレート上の粉末層を予備加熱するアフターヒート工程と、
前記粉末塗布工程の後で、且つ、前記パウダーヒート工程の前にカメラによって撮影された前記粉末層の画像である画像A、および、前記パウダーヒート工程の後で、且つ、前記本焼結工程の前に前記カメラによって撮影された前記粉末層の画像である画像Bを、それぞれ微分画像に変換するとともに、前記画像Aの微分画像と前記画像Bの微分画像との相関係数を閾値と比較することにより、前記パウダーヒート工程における粉末飛散の有無を判断する判断工程と、
を含む三次元積層造形方法。
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