JP7383406B2 - 三次元積層方法および三次元形状物 - Google Patents
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Description
本開示は、積層により三次元形状物を製造する三次元積層方法およびこの三次元積層方法で製造された三次元形状物に関するものである。
三次元形状物を製造する技術として、金属粉末材料に光ビームを照射することによって三次元形状物を製造する積層造形技術が知られている。積層造形技術としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載された技術は、金属粉末材料で形成された粉末層に光ビームを照射して焼結層を形成し、それを繰り返すことによって複数の焼結層が一体として積層された三次元形状物を製造するものである。
積層造形技術により三次元形状物を製造するとき、この三次元形状物の体積が大きい場合、内部を中空形状にすることで、三次元形状物の軽量化や使用する粉末材料を低減したいという要望がある。積層造形技術では、光ビームの焦点位置を加工対象物の加工面の近傍とし、この光ビームの焦点位置に金属粉末材料を噴射する。すると、加工対象物の加工面で金属粉末材料が溶融し、凝固することで成形層が形成される。そのため、複数の積層造形技術により複数の壁部を積層して中空形状の三次元形状物を製造するとき、光ビームにより溶融しなかった金属粉末材料が三次元形状物の内部空間に入り込んでしまうおそれがある。すると、中空形状の三次元形状物は、内部に金属粉末材料が残留し、三次元形状物を装置の一部を構成する機械部品として使用した場合、装置の作動時に、金属粉末材料が異音を発生させたり、内面を摩耗させたり、または、回転体であればアンバランスを発生させたりするおそれがあるという課題がある。
本開示は、上述した課題を解決するものであり、中空形状をなす三次元形状物の品質の向上を図る三次元積層方法および三次元形状物を提供することを目的とする。
上述した目的を達成するための本開示の三次元積層方法は、加工対象物に成形層を積層させて中空形状をなす三次元形状物を形成する三次元積層方法であって、前記加工対象物の加工面に向けて粉末材料を供給すると共に前記粉末材料に光ビームを照射して前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて前記成形層を形成することで内部空間が開口部を通して外部に連通する三次元形状物本体を形成する工程と、前記三次元形状物本体を形成した後、前記開口部の端面に向けて粉末材料を供給すると共に前記粉末材料に光ビームを照射して前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて前記成形層を形成することで前記開口部の端面に前記開口部を閉塞するための蓋部を形成する工程と、前記蓋部を形成した後、前記加工対象物の回転および前記開口部から前記内部空間への気体の供給により、前記内部空間の残留物を前記開口部から外部に排出する工程と、前記内部空間の前記残留物を前記開口部から外部に排出した後、前記開口部の端面に向けて前記光ビームを照射して前記蓋部の前記成形層を溶融固化させることで前記開口部を閉塞する工程と、を有することを特徴とする。
そのため、加工対象物の加工面に成形層を形成して内部空間が開口部を通して外部に連通する三次元形状物本体を形成したとき、内部空間に粉末材料が入り込んでも、内部空間にある粉末材料などの残留物を開口部から外部に排出した後、開口部の成形層を溶融固化させて開口部を閉塞することから、内部空間に残留物のない中空形状をなす三次元形状物を製造することができる。すなわち、開口部を閉塞するとき、粉末材料を使用せずに、開口部の成形層を溶融固化させて開口部を閉塞するため、内部空間への粉末材料などの侵入が防止される。その結果、中空形状をなす三次元形状物の品質の向上を図ることができる。
本開示の三次元積層方法では、前記三次元形状物本体を形成した後、前記開口部の端面に向けて粉末材料を供給すると共に前記粉末材料に光ビームを照射して前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて前記成形層を形成することで前記開口部の端面に前記開口部を閉塞するための蓋部を形成する工程を有し、前記内部空間の残留物を前記開口部から外部に排出した後、前記蓋部に向けて前記光ビームを照射して溶融固化させることで前記開口部を閉塞することを特徴とする。
そのため、開口部の端面に開口部を閉塞するための蓋部を形成し、この蓋部に向けて光ビームを照射して溶融固化させることで開口部を閉塞することから、粉末材料を使用せずに開口部を適正に閉塞することができる。
本開示の三次元積層方法では、前記開口部の端面と前記蓋部との間に所定長さの隙間が形成され、前記隙間に向けて前記光ビームを照射して前記成形層を溶融固化させることで前記隙間を閉塞することを特徴とする。
そのため、開口部の端面と蓋部との間の隙間に向けて光ビームを照射して成形層を溶融固化させることで隙間を閉塞することから、光ビームにより隙間の近傍にある蓋部を溶融固化して隙間を効果的に閉塞することができる。
本開示の三次元積層方法では、前記開口部の端面と前記蓋部との間に所定長さの隙間が形成され、前記蓋部に向けて前記光ビームを照射して前記成形層を溶融固化させることで前記隙間を閉塞することを特徴とする。
そのため、蓋部に向けて光ビームを照射して成形層を溶融固化させることで開口部の端面と蓋部との間の隙間を閉塞することから、光ビームにより蓋部を溶融固化して隙間を効果的に閉塞することができる。
本開示の三次元積層方法では、前記三次元形状物本体は、前記加工対象物の加工面に前記成形層を積層することで形成された第１壁部と第２壁部を有し、前記第１壁部と前記第２壁部により前記内部空間が形成されると共に、前記第１壁部の端部と前記第２壁部の端部により前記開口部が形成されることを特徴とする。
そのため、第１壁部と第２壁部により三次元形状物本体を形成すると共に、内部空間と開口部を形成することから、三次元形状物の製造の簡素化を図ることができる。
本開示の三次元積層方法では、前記加工対象物の回転または前記開口部から前記内部空間への気体の供給により前記内部空間の残留物を前記開口部から外部に排出することを特徴とする。
そのため、加工対象物を回転したり、開口部から内部空間へ気体を供給したりすることで、内部空間の残留物を開口部から外部に容易に排出することができる。
本開示の三次元積層方法では、前記開口部の前記成形層を溶融固化させて前記開口部を閉塞した後、前記開口部の閉塞部に向けて粉末材料を供給すると共に前記粉末材料に光ビームを照射して前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて前記成形層を形成することで被覆部を形成することを特徴とする。
そのため、開口部の閉塞部に成形層を形成することで被覆部を形成することから、被覆部により開口部の閉塞部が被覆されることで、外観品質を向上することができる。
また、本開示の三次元形状物は、供給された粉末材料に光ビームを照射することで前記粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて形成された前記成形層を積層することで内部空間が開口部を通して外部に連通するように形成された三次元形状物本体と、前記開口部の端面に向けて前記粉末材料を供給すると共に前記粉末材料に前記光ビームを照射して前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて形成された蓋部の前記成形層に、前記光ビームを照射して前記蓋部の前記成形層が溶融固化することで前記開口部を閉塞する閉塞部と、供給された粉末材料に光ビームを照射することで前記粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて形成された前記成形層を積層することで前記閉塞部を被覆するように形成された被覆部と、を備えることを特徴とする。
そのため、三次元形状物本体の開口部の成形層が溶融固化した閉塞部により閉塞されているため、内部空間への粉末材料などの侵入が防止される。その結果、中空形状をなす三次元形状物の品質の向上を図ることができる。
本開示の三次元積層方法および三次元形状物によれば、中空形状をなす三次元形状物の品質の向上を図ることができる。
以下に添付図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
図１は、本実施形態の三次元積層装置を示す模式図である。ここで、本実施形態では、水平面内の一方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のそれぞれと直交する方向（すなわち、鉛直方向）をＺ軸方向とする。
図１に示すように、三次元積層装置１は、基台部１００に三次元形状物を製造する装置である。基台部１００は、三次元形状物が形成される土台となる部材であり、三次元積層装置１で所定の位置に搬送され、加工面に三次元形成物が形成される。本実施形態の基台部１００は、板状の部材である。なお、基台部１００は、これに限定されない。基台部１００は、三次元形状物の土台となる部材を用いてもよいし、三次元形状物を付加する部材を用いてもよい。所定の位置に三次元形成物が形成されることで、部品、製品となる部材を基台部１００として用いてもよい。
三次元積層装置１は、三次元積層室２と、予備室３と、積層ヘッド収納室４と、機械加工部収納室５と、ベッド１０と、テーブル部１１と、積層ヘッド１２と、機械加工部１３と、制御装置２０と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１と、装置計測部３２と、工具交換部３３と、ノズル交換部３４と、粉末導入部３５と、基台移動部３６と、空気排出部３７と、ガス導入部３８と、粉末回収部３９とを有する。
三次元積層室２は、接続された配管等の設計された連通部分以外が外部から密封されている筐体（チャンバー）である。なお、設計された連通部分は、密閉状態と開放状態を切り換えるバルブ等が設けられており、必要に応じて、三次元積層室２を密閉状態とすることができる。三次元積層室２は、ベッド１０と、テーブル部１１と、積層ヘッド１２と、機械加工部１３の一部と、加熱ヘッド３１の一部と、装置計測部３２と、工具交換部３３と、ノズル交換部３４とが内部に配置されている。
予備室３は、三次元積層室２に隣接して設けられている。予備室３は、接続された配管等の設計された連通部分以外が外部から密封されている。予備室３は、外部と三次元積層室２とを接続する減圧室となっている。予備室３内には、基台移動部３６が設けられている。ここで、予備室３は、三次元積層室２の接続部に、例えば、気密性を有する扉６が設けられている。また、予備室３は、気密性を有する扉７により外部と接続されている。また、予備室３には、予備室３から空気を排出する空気排出部２５が設けられている。予備室３は、扉７を開くことで、外部から必要な部材を内部に搬入することができる。また、予備室３は、扉６を開くことで、三次元積層室２との間で部材の搬入、搬出を行うことができる。
積層ヘッド収納室４は、三次元積層室２のＺ軸方向上側の面に設けられている。積層ヘッド収納室４は、Ｚ軸スライド部４ａで三次元積層室２に対してＺ軸方向（矢印１０２の方向）に移動可能な状態で支持されている。積層ヘッド収納室４は、Ｚ軸方向下側の面がベローズ１８により三次元積層室２と繋がっている。ベローズ１８は、積層ヘッド収納室４のＺ軸方向下側の面と三次元積層室２と繋げ、積層ヘッド収納室４のＺ軸方向下側の面を三次元積層室２の一部とする。また、三次元積層室２は、ベローズ１８で囲われた領域に開口が形成されている。積層ヘッド収納室４のＺ軸方向下側の面とベローズ１８とで囲まれた空間は、三次元積層室２と繋がり、三次元積層室２とともに密閉されている。積層ヘッド収納室４は、積層ヘッド１２と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１とを支持している。また、積層ヘッド収納室４は、積層ヘッド１２のノズル２３を含む一部と、加熱ヘッド３１の先端部２４を含む一部とがＺ軸方向下側の面から三次元積層室２に向けて突出している。
積層ヘッド収納室４は、Ｚ軸スライド部４ａでＺ軸方向に移動することで、保持している積層ヘッド１２と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１とをＺ軸方向に移動させる。また、積層ヘッド収納室４は、ベローズ１８を介して三次元積層室２と接続していることで、ベローズ１８がＺ軸方向の移動に合わせて変形し、三次元積層室２と積層ヘッド収納室４との間の密閉状態を維持できる。
機械加工部収納室５は、三次元積層室２のＺ軸方向上側の面に設けられている。また、機械加工部収納室５は、積層ヘッド収納室４に隣接して配置されている。機械加工部収納室５は、Ｚ軸スライド部５ａで三次元積層室２に対してＺ軸方向（矢印１０４の方向）に移動可能な状態で支持されている。機械加工部収納室５は、Ｚ軸方向下側の面がベローズ１９により三次元積層室２と繋がっている。ベローズ１９は、機械加工部収納室５のＺ軸方向下側の面と三次元積層室２とを繋げ、機械加工部収納室５のＺ軸方向下側の面を三次元積層室２の一部とする。また、三次元積層室２は、ベローズ１９で囲われた領域に開口が形成されている。機械加工部収納室５のＺ軸方向下側の面とベローズ１９とで囲まれた空間は、三次元積層室２と繋がり、三次元積層室２とともに密閉されている。機械加工部収納室５は、機械加工部１３を支持している。また、機械加工部収納室５は、機械加工部１３の工具２２を含む一部がＺ軸方向下側の面から三次元積層室２に向けて突出している。
機械加工部収納室５は、Ｚ軸スライド部５ａでＺ軸方向に移動することで、保持している機械加工部１３をＺ軸方向に移動させる。また、機械加工部収納室５は、ベローズ１９を介して三次元積層室２と接続していることで、ベローズ１９がＺ軸方向の移動に合わせて変形し、三次元積層室２と機械加工部収納室５との間の密閉状態を維持できる。
ベッド１０は、三次元積層室２内のＺ軸方向の底部に設けられている。ベッド１０は、テーブル部１１を支持している。ベッド１０は、各種配線や配管や駆動機構が配置されている。
テーブル部１１は、ベッド１０の上面に配置され、基台部１００を支持する。テーブル部１１は、Ｙ軸スライド部１５と、Ｘ軸スライド部１６と、回転テーブル部１７とを有する。テーブル部１１は、基台部１００を取り付けて基台部１００をベッド１０上で移動させる。
Ｙ軸スライド部１５は、ベッド１０に対してＸ軸スライド部１６をＹ軸方向（矢印１０６の方向）に沿って移動させる。Ｘ軸スライド部１６は、Ｙ軸スライド部１５の稼働部となる部材に固定されており、Ｙ軸スライド部１５に対して回転テーブル部１７をＸ軸方向（矢印１０８の方向）に沿って移動させる。回転テーブル部１７は、Ｘ軸スライド部１６の稼働部となる部材に固定されており、基台部１００を支持している。回転テーブル部１７は、例えば、傾斜円テーブルであり、固定台１７ａと、回転テーブル１７ｂと、傾斜テーブル１７ｃと、回転テーブル１７ｄとを有する。固定台１７ａは、Ｘ軸スライド部１６の稼働部となる部材に固定されている。回転テーブル１７ｂは、固定台１７ａに支持されており、Ｚ軸方向と平行な回転軸１１０を回転軸として回転する。傾斜テーブル１７ｃは、回転テーブル１７ｂに支持されており、回転テーブル１７ｂの支持されている面に直交する回転軸１１２を軸として回動される。回転テーブル１７ｄは、傾斜テーブル１７ｃに支持されており、傾斜テーブル１７ｃの支持されている面に直交する回転軸１１４を軸として回転される。回転テーブル１７ｄは、基台部１００を固定している。
このように回転テーブル部１７は、回転軸１１０，１１２，１１４を軸として各部を回転させることで、基台部１００を直交する３軸周りに回転させることができる。テーブル部１１は、回転テーブル部１７に固定されている基台部１００を、基台部１００は、Ｙ軸スライド部１５およびＸ軸スライド部１６により、Ｙ軸方向およびＸ軸方向に移動させる。また、テーブル部１１は、回転テーブル部１７により回転軸１１０，１１２，１１４を軸として各部を回転させることで、基台部１００を直交する３軸周りに回転させる。テーブル部１１は、さらにＺ軸方向に沿って基台部１００を移動させてもよい。
積層ヘッド１２は、基台部１００に向けて粉末材料を噴射し、さらに噴射した粉末材料にレーザ光（光ビーム）を照射することにより粉末を溶融させて、溶融した粉末を基台部１００上で固化させて成形層を形成する。積層ヘッド１２に導入される粉末は、三次元形状物の原料となる材料の粉末である。本実施形態において、粉末は、例えば、鉄、銅、アルミニウムまたはチタン等の金属材料などを用いることができる。なお、粉末としては、セラミック等の金属材料以外の材料を用いてもよい。積層ヘッド１２は、ベッド１０のＺ軸方向の上側の面に対面する位置に設けられており、テーブル部１１と対面している。積層ヘッド１２は、Ｚ軸方向の下部にノズル２３が設置されている。積層ヘッド１２は、本体４６にノズル２３が装着されている。
図２は、積層ヘッドの先端部の一例を示す縦断面図である。
図２に示すように、ノズル２３は、外管４１と、外管４１の内部に挿入された内管４２とを有する二重管である。外管４１は、管状の部材であり、先端（Ｚ軸方向下側）に向かって径が小さくなっている。内管４２は、外管４１の内部に挿入されている。内管４２も、管状の部材であり、先端（Ｚ軸方向下側）に向かって径が小さくなる形状である。ノズル２３は、外管４１の内周と内管４２の外周との間が粉末（粉末材料）Ｐの通過する粉末流路４３となる。内管４２の内周面側がレーザ光の通過するレーザ経路４４となる。ここで、ノズル２３が装着されている本体４６は、ノズル２３と同様に二重管であり、粉末流路４３とレーザ経路４４も同様に形成されている。積層ヘッド１２は、レーザ経路４４の周囲を囲うように粉末流路４３が配置されている。本実施形態では、粉末流路４３が、粉末を噴射する粉末噴射部となる。積層ヘッド１２は、粉末導入部３５から導入された粉末Ｐが粉末流路４３を流れ、外管４１と内管４２との間の端部の開口であるノズル噴射口部４５から噴射される。
積層ヘッド１２は、粉末Ｐを、所定の収束位置において所定の収束径を有するように噴射する。ここで、収束径とは、噴射された粉末Ｐの軌跡の径が最小になる場合の粉末Ｐの軌跡の径である。上述のように、ノズル２３は先端に向かって径が小さくなっているので、積層ヘッド１２は、粉末Ｐを、放射方向内側に収束するように噴射する。すなわち、積層ヘッド１２は、粉末Ｐの軌跡が所定の収束径を有するように、粉末Ｐを噴射する。また、収束位置とは、噴射された粉末Ｐの軌跡が収束する位置である。
また、積層ヘッド１２は、光源４７と光ファイバ４８と集光部４９とを有する。光源４７は、レーザ光を出力する。光ファイバ４８は、光源４７から出力されたレーザをレーザ経路４４に案内する。集光部４９は、レーザ経路４４に配置され、光ファイバ４８から出力されたレーザの光路に配置されている。集光部４９は、光ファイバ４８から出力されたレーザ光Ｌを集光する。集光部４９で集光されたレーザ光Ｌは、内管４２の端部から出力される。積層ヘッド１２は、集光部４９を本体４６に配置したが、集光部４９の一部または全部をノズル２３に配置してもよい。ノズル２３に集光部４９の一部または全部を配置した場合、ノズル２３を交換することで、焦点位置を異なる位置とすることができる。
積層ヘッド１２は、中心軸Ｏの位置にレーザ光Ｌの通過するレーザ経路４４が設けられ、その外側に複数の粉末流路４３が設けられる。積層ヘッド１２は、粉末流路４３から粉末Ｐを噴射し、レーザ経路４４からレーザ光Ｌを出力する。積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐは、積層ヘッド１２から出力されたレーザ光Ｌが照射される領域に侵入し、レーザ光Ｌの焦点Ｆでこのレーザ光Ｌによって加熱される。レーザ光Ｌが照射された粉末Ｐは溶融した後、基台部１００上に到達する。溶融した状態で基台部１００上に到達した粉末Ｐは、冷却されて固化する。これにより、基台部１００上に成形層を形成する。
ここで、本実施形態の積層ヘッド１２は、光源４７から出力されたレーザ光Ｌを光ファイバ４８で案内したが、光ファイバ４８に限らず他の伝送部材であってもよい。また、集光部４９は、本体４６に設けてもノズル２３に設けても、両方に設けてもよい。本実施形態の積層ヘッド１２は、効果的に加工ができるため、粉末Ｐを噴射する粉末流路４３と、レーザ光Ｌを照射するレーザ経路４４とを同軸に設けたがこれに限定されない。積層ヘッド１２は、粉末Ｐを噴射する機構とレーザ光Ｌを照射する機構とを別体としてもよい。本実施形態の積層ヘッド１２は、粉末材料にレーザ光を照射したが、粉末材料を溶解または焼結させることができればよく、レーザ光以外の光ビームを照射してもよい。
図１に示すように、機械加工部１３は、例えば、成形層等を機械加工する。機械加工部１３は、ベッド１０のＺ軸方向の上側の面に対面する位置に設けられており、テーブル部１１と対面している。機械加工部１３は、Ｚ軸方向の下部に工具２２が装着されている。なお、機械加工部１３は、ベッド１０よりもＺ軸方向上側で、テーブル部１１による基台部１００の移動可能範囲に設けられていればよく、配置位置は本実施形態の位置に限られない。
図３は、制御装置２０の構成を示す模式図である。
図１に示すように、制御装置２０は、三次元積層装置１の各部（上述したベッド１０、テーブル部１１、積層ヘッド１２、機械加工部１３、形状計測部３０、加熱ヘッド３１、装置計測部３２、工具交換部３３、ノズル交換部３４、粉末導入部３５、基台移動部３６、空気排出部３７、ガス導入部３８、粉末回収部３９など）の駆動部と電気的に接続されており、三次元積層装置１の各部の動作を制御する。制御装置２０は、三次元積層室２や予備室３の外部に設置されている。制御装置２０は、図３に示すように、入力部５１と、制御部５２と、記憶部５３と、出力部５４と、通信部５５とを有する。入力部５１と、制御部５２と、記憶部５３と、出力部５４と、通信部５５との各部は電気的に接続されている。
入力部５１は、例えば、操作パネルである。作業者は、入力部５１に情報や指令等を入力する。制御部５２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリである。制御部５２は、三次元積層装置１の各部に、三次元積層装置１の各部の動作を制御する指令を出力する。また、制御部５２には、三次元積層装置１の各部からの情報等が入力される。記憶部５３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）またはＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶装置である。記憶部５３には、制御部５２で実行されることで各部の動作を制御する三次元積層装置１の運転プログラムや、三次元積層装置１の情報、または三次元形状物の設計情報等が記憶される。出力部５４は、例えば、ディスプレイである。出力部５４は、例えば、三次元積層装置１の各部からの情報等を表示する。通信部５５は、例えば、インターネットまたはＬＡＮ（Local Area Network）等のような通信回線と通信して、通信回線との間で情報をやり取りする。なお、制御装置２０は、少なくとも制御部５２および記憶部５３を有していればよい。制御装置２０は、制御部５２および記憶部５３を有していれば、三次元積層装置１の各部に指令を出力することができる。
本実施形態の三次元積層装置１による三次元積層方法は、加工対象物９０に成形層を積層させて中空形状をなす三次元形状物を形成するものである。本実施形態の三次元積層方法は、加工対象物９０の加工面に向けて粉末Ｐを供給すると共に粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射してレーザ光Ｌが照射された粉末Ｐの少なくとも一部を焼結または溶融固化させて成形層を形成することで内部空間が開口部を通して外部に連通する三次元形状物本体を形成する工程と、内部空間の残留物を開口部から外部に排出する工程と、開口部の端面に向けてレーザ光Ｌを照射して成形層を溶融固化させることで開口部を閉塞する工程とを有する。
ここで本実施形態の三次元積層装置１による一般的な三次元形状物の製造方法について説明する。
三次元積層装置１による三次元形状物の製造方法において、図１および図２に示すように、本実施形態においては、加工対象物９０の加工面９１に三次元形状物を製造する場合として説明する。加工対象物９０は、例えば、金属製の板状部材であるが、上部に三次元形状物が製造されるものであれば、形状および材料は任意である。加工対象物９０は、基台部１００上に取付けられる。
制御装置２０は、テーブル部１１により、基台部１００上の加工対象物９０が積層ヘッド１２のＺ軸方向下方に配置されるように、基台部１００を移動させる。制御装置２０は、粉末導入部３５から積層ヘッド１２に粉末を導入し、積層ヘッド１２から気体と共に粉末Ｐを噴射しつつ、レーザ光Ｌを照射する。粉末Ｐは、所定の収束径をもって、基台部１００上の加工対象物９０に向かって噴射される。レーザ光Ｌは、積層ヘッド１２と加工対象物９０との間において、所定のスポット径をもって粉末Ｐに照射される。ここで、粉末Ｐの収束径のＺ軸方向での位置に対するレーザ光Ｌのスポット径のＺ軸方向での位置および粉末Ｐの収束径のＺ軸方向での位置におけるスポット径は、例えば、集光部４９の位置を動かすことにより制御することができる。
すなわち、積層ヘッド１２は、粉末流路４３に粉末Ｐを導入し、ノズル噴射口部４５から粉末Ｐを噴射し、レーザ経路４４からレーザ光Ｌを出力する。レーザ経路４４からのレーザ光Ｌは、加工対象物９０の加工面９１の近傍に焦点Ｆが設定され、ノズル噴射口部４５からの粉末Ｐは、このレーザ光Ｌの焦点に向けて噴射される。そのため、積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐは、加工対象物９０の加工面９１にあるレーザ光Ｌの焦点Ｆでこのレーザ光Ｌによって加熱される。レーザ光Ｌが照射された粉末Ｐは、加工対象物９０の加工面９１の近傍で溶融した後、加工対象物９０の加工面９１に到達する。溶融した状態で加工対象物９０の加工面９１に到達した粉末Ｐは、ここで冷却されて固化される。これにより、加工対象物９０の加工面９１に成形層９２が形成される。
制御装置２０は、テーブル部１１で加工対象物９０を所定の移動方向Ｍ１に移動させつつ、積層ヘッド１２から加工対象物９０の加工面９１に対してレーザ光Ｌを照射すると共に粉末Ｐを噴射する。そのため、加工対象物９０の加工面９１に連続した成形層９２が形成される。この場合、三次元積層装置による加工方向は、Ｍ２となる。三次元積層装置１は、このような成形層９２の形成を繰り返すことによって、複数の成形層が一体として積層された三次元形状物を製造する。
以下、本実施形態の三次元積層装置１による中空形状をなす三次元形状物の製造方法について具体的に説明する。図４は、三次元積層装置による第１壁部の製造方法を示す概略図、図５は、三次元積層装置による第２壁部の基部の製造方法を示す概略図、図６は、三次元積層装置による第２壁部の中間部の製造方法を示す概略図、図７は、三次元積層装置による第２壁部の先端部の製造方法を示す概略図、図８は、三次元積層装置による蓋部の製造方法を示す概略図、図９は、残留物の排出方法を示す概略図、図１０は、三次元積層装置による蓋部の溶融方法を示す概略図、図１１は、蓋部が溶融して開口部を閉塞した状態を示す概略図、図１２は、三次元積層装置による蓋部の溶融方法の変形例を示す概略図、図１３は、蓋部が溶融して開口部を閉塞した状態の変形例を示す概略図、図１４は、三次元積層装置による被覆部の製造方法を示す概略図、図１５は、製造された三次元形状物を示す概略図、図１６は、三次元積層方法を示すフローチャートである。
図２、図４および図１６に示すように、加工対象物は、円柱形状（または、円筒形状）をなす軸９５であり、加工面である外周面９６に成形層を形成する。まず、ステップＳ１１にて、軸９５の外周面９６に第１壁部１５１を積層する。すなわち、中心軸Ｏ１を回転中心として軸９５を所定速度で回転し、このとき、外周面９６に向けてノズル噴射口部４５から粉末Ｐを噴射し、レーザ経路４４からレーザ光Ｌを出力する。すると、噴射された粉末Ｐが外周面９６の近傍でレーザ光Ｌによって加熱され、溶融した粉末Ｐが外周面に到達する。外周面９６に到達した溶融した粉末Ｐは、ここで冷却されて固化されることで、成形層が形成される。軸９５は、連続して回転していることから、外周面９６に成形層が積層されることで、軸９５の外周面９６に径方向および周方向に沿う所定高さの第１壁部１５１が形成される。
次に、ステップＳ１２にて、軸９５の外周面９６に第２壁部１５２を積層する。すなわち、図２、図５および図１６に示すように、中心軸Ｏ１を回転中心として軸９５を所定速度で回転し、このとき、第１壁部１５１から軸方向に所定距離だけ離れた外周面９６に向けてノズル噴射口部４５から粉末Ｐを噴射し、レーザ経路４４からレーザ光Ｌを出力する。すると、噴射された粉末Ｐがレーザ光Ｌによって溶融し、外周面９６で冷却されて固化されることで、成形層が形成される。軸９５は、連続して回転していることから、外周面９６に成形層が積層されることで、軸９５の外周面９６に径方向および周方向に沿う所定高さの第２壁部１５２における基部１５３が形成される。
軸９５の外周面９６に基部１５３が形成されると、図２および図６に示すように、軸９５を水平線に対して所定角度（例えば、４５度）だけ傾斜させ、中心軸Ｏ１を回転中心として軸９５を所定速度で回転する。このとき、基部１５３上に向けてノズル噴射口部４５から粉末Ｐを噴射し、レーザ経路４４からレーザ光Ｌを出力する。すると、噴射された粉末Ｐがレーザ光Ｌによって溶融し、基部１５３で冷却されて固化されることで、成形層が形成される。軸９５は、連続して回転していることから、基部１５３に成形層が積層されることで、軸９５の径方向および周方向に沿う所定高さの第２壁部１５２における中間部１５４が形成される。
軸９５の基部１５３の中間部１５４が形成されると、図２および図７に示すように、軸９５を水平線に対して所定角度（例えば、９０度）だけ傾斜させ、中心軸Ｏ１を回転中心として軸９５を所定速度で回転する。このとき、中間部１５４上に向けてノズル噴射口部４５から粉末Ｐを噴射し、レーザ経路４４からレーザ光Ｌを出力する。すると、噴射された粉末Ｐがレーザ光Ｌによって溶融し、中間部１５４で冷却されて固化されることで、成形層が形成される。軸９５は、連続して回転していることから、中間部１５４に成形層が積層されることで、軸９５の軸方向および周方向に沿う所定高さの第２壁部１５２における先端部１５５が形成される。
軸９５を異なる角度で回転しながら成形層を順に積層することで、基部１５３と中間部１５４と先端部１５５からなる第２壁部１５２が形成される。第２壁部１５２は、基端部か１５３が軸９５の外周面に固定され、先端部１５５側が第１壁部１５１の先端部に近づくように屈曲し、先端部１５５が第１壁部１５１の先端部に隣接する。三次元形状物本体１５６は、第１壁部１５１と第２壁部１５２により構成され、第１壁部１５１と第２壁部１５２により内部空間１５７が形成され、第１壁部１５１の先端部と第２壁部１５２の先端部１５５により開口部１５８が形成される。
図２、図８および図１６に示すように、ステップＳ１３にて、開口部１５８の端面、つまり、第２壁部１５２の先端部１５５に開口部１５８を閉塞するための蓋部１５９を形成する。すなわち、中心軸Ｏ１を回転中心として軸９５（図７参照）を所定速度で回転し、このとき、第２壁部１５２の先端部１５５の端面１５５ａに向けてノズル噴射口部４５から粉末Ｐを噴射し、レーザ経路４４からレーザ光Ｌを出力する。すると、噴射された粉末Ｐがレーザ光Ｌによって溶融し、端面１５５ａで冷却されて固化されることで、成形層が形成される。軸９５は、連続して回転していることから、端面１５５ａに成形層が積層されることで、軸９５の軸方向および周方向に沿う所定高さの蓋部１５９が形成される。
この蓋部１５９は、幅が第２壁部１５２、すなわち、蓋部１５９を形成した壁部の先端部１５５の幅よりも短く、高さが第１壁部１５１、すなわち、蓋部１５９を形成していない壁部の幅よりも短いものである。第２壁部１５２の先端部１５５の端面１５５ａに蓋部１５９が形成されることで、蓋部１５９が開口部１５８に対向することから、蓋部１５９と開口部１５８の端面、つまり、第１壁部１５１の端面１５１ａとの間に所定長さの隙間１６０が形成される。この隙間１６０は、レーザ光Ｌのスポット径よりも小さく、粉末Ｐの粒径より大きいものとすることが好ましい。
図２、図９および図１６に示すように、ステップＳ１４にて、内部空間１５７の残留物を開口部１５８（隙間１６０）から外部に排出する。すなわち、ノズル噴射口部４５から粉末Ｐを噴射すると共に、レーザ経路４４からレーザ光Ｌを出力することで、第１壁部１５１、第２壁部１５２、蓋部１５９を形成したことから、ノズル噴射口部４５から噴射された粉末Ｐの一部が溶融せずに、三次元形状物本体１５６の内部空間１５７に侵入したおそれがある。そのため、軸９５を回転させることで、遠心力により内部空間１５７にある粉末Ｐなどの残留物を開口部１５８から外部に排出する。また、三次元形状物本体１５６の開口部１５８から内部空間１５７へ気体（例えば、空気や不活性ガス）を供給することにより内部空間１５７にある粉末Ｐなどの残留物を開口部１５８から外部に排出する。
図２、図１０および図１６に示すように、ステップＳ１５にて、中心軸Ｏ１を回転中心として軸９５（図７参照）を所定速度で回転し、開口部１５８の蓋部１５９に向けてレーザ光Ｌを照射して蓋部１５９の成形層を溶融して固化させることで、開口部１５８を閉塞する。この場合、水平方向から隙間１６０に向けてレーザ光Ｌを照射することで、図１１に示すように、蓋部１５９の成形層が溶融し、溶融した成形層が蓋部１５９の下方にある隙間１６０側に溶け落ちる。そして、溶融した成形層が隙間１６０を閉塞し、溶融した成形層が固化することで閉塞部１６１が形成され、隙間１６０が完全に閉塞される。また、図１２に示すように、鉛直方向から蓋部１５９に向けてレーザ光Ｌを照射することで、図１３に示すように、蓋部１５９の成形層を溶融し、溶融した成形層が蓋部１５９の下方にある隙間１６０側に溶け落ちる。そして、溶融した成形層が隙間１６０を閉塞し、溶融した成形層が固化することで閉塞部１６２が形成され、隙間１６０が完全に閉塞される。
図２、図１４および図１６に示すように、ステップＳ１６にて、中心軸Ｏ１を回転中心として軸９５（図７参照）を所定速度で回転し、このとき、第１壁部１５１の先端部の端面１５１ａに向けてノズル噴射口部４５から粉末Ｐを噴射し、レーザ経路４４からレーザ光Ｌを出力する。すると、噴射された粉末Ｐがレーザ光Ｌによって溶融し、端面１５１ａで冷却されて固化されることで、成形層が形成される。軸９５は、連続して回転していることから、端面１５１ａに成形層が積層されることで、軸９５の径方向および周方向に沿う所定高さの被覆部１６３が形成される。この被覆部１６３は、閉塞部１６１，１６２を被覆すると共に、第１壁部１５１の先端部の端面１５１ａと第２壁部１５２の先端部１５５の端面１５５ａに固着し、第１壁部１５１外周面と第２壁部１５２の外周面が滑らかに連続される。
その結果、図１５に示すように、供給された粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射することで粉末Ｐの少なくとも一部を焼結または溶融固化させて形成された成形層を積層することで内部空間１５７が開口部１５８を通して外部に連通するように形成された三次元形状物本体１５６と、開口部１５８の成形層が溶融固化することで開口部１５８を閉塞する閉塞部１６１，１６２と、供給された粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射することで粉末Ｐの少なくとも一部を焼結または溶融固化させて形成された成形層を積層することで閉塞部１６１，１６２を被覆するように形成された被覆部１６３とを備える三次元形状物を製造することができる。
このように本実施形態の三次元積層方法にあっては、軸９５の外周面９６に向けて粉末Ｐを供給すると共に粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射してレーザ光Ｌが照射された粉末Ｐの少なくとも一部を焼結または溶融固化させて成形層を形成することで内部空間１５７が開口部１５８を通して外部に連通する三次元形状物本体１５６を形成する工程と、内部空間１５７の粉末Ｐなどの残留物を開口部１５８から外部に排出する工程と、開口部１５８の端面に向けてレーザ光Ｌを照射して成形層を溶融固化させることで開口部１５８を閉塞する工程とを有する。
そのため、軸９５の外周面９６に成形層を形成して内部空間１５７が開口部１５８を通して外部に連通する三次元形状物本体１５６を形成したとき、内部空間１５７に粉末Ｐが入り込んでも、内部空間１５７の粉末Ｐなどの残留物を開口部１５８から外部に排出した後、開口部１５８の成形層を溶融固化させて開口部１５８を閉塞することから、内部空間１５７に粉末Ｐなどの残留物のない中空形状をなす三次元形状物を製造することができる。すなわち、開口部１５８を閉塞するとき、粉末Ｐを使用せずに、開口部１５８の成形層を溶融固化させて開口部１５８を閉塞するため、内部空間１５７への粉末Ｐなどの侵入が防止される。その結果、中空形状をなす三次元形状物の品質の向上を図ることができる。
本実施形態の三次元積層方法では、三次元形状物本体１５６を形成した後、開口部１５８の端面に向けて粉末Ｐ供給すると共に粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射してレーザ光Ｌが照射された粉末Ｐの少なくとも一部を焼結または溶融固化させて成形層を形成することで開口部１５８の端面に開口部１５８を閉塞するための蓋部１５９を形成する工程を有し、内部空間１５７の粉末Ｐなどの残留物を開口部１５８から外部に排出した後、蓋部１５９に向けてレーザ光Ｌを照射して溶融固化させることで開口部１５８を閉塞する。そのため、粉末Ｐを使用せずに開口部１５８を適正に閉塞することができる。
本実施形態の三次元積層方法では、開口部１５８の端面と蓋部１５９との間に所定長さの隙間１６０を形成し、隙間１６０に向けてレーザ光Ｌを照射して成形層を溶融固化させることで隙間１６０を閉塞する。そのため、レーザ光Ｌにより隙間１６０の近傍にある蓋部１５９を溶融固化して隙間１６０を効果的に閉塞することができる。
本実施形態の三次元積層方法では、開口部１５８の端面と蓋部１５９との間に所定長さの隙間１６０を形成し、蓋部１５９に向けてレーザ光Ｌを照射して成形層を溶融固化させることで隙間１６０を閉塞する。そのため、レーザ光Ｌにより蓋部１５９を溶融固化して隙間１６０を効果的に閉塞することができる。
本実施形態の三次元積層方法では、三次元形状物本体１５６は、軸９５の外周面９６に成形層を積層することで形成された第１壁部１５１と第２壁部１５２を有し、第１壁部１５１と第２壁部１５２により内部空間１５７を形成すると共に、第１壁部１５１の端部と第２壁部１５２の端部により開口部１５８を形成する。そのため、三次元形状物の製造の簡素化や軽量化を図ることができる。
本実施形態の三次元積層方法では、軸９５の回転または開口部１５８から内部空間１５７への気体の供給により内部空間１５７の粉末Ｐなどの残留物を開口部１５８から外部に排出する。そのため、内部空間１５７の粉末Ｐなどの残留物を開口部１５８から外部に容易に排出することができる。
本実施形態の三次元積層方法では、開口部１５８の成形層を溶融固化させて開口部１５８を閉塞した後、開口部１５８の閉塞部１６１，１６２に向けて粉末Ｐを供給すると共に粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射してレーザ光Ｌが照射された粉末Ｐの少なくとも一部を焼結または溶融固化させて成形層を形成することで被覆部１６３を形成する。そのため、被覆部１６３により開口部１５８の閉塞部１６１，１６２が被覆されることで、外観品質を向上することができる。
また、本実施形態の三次元形状物にあっては、粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射することで粉末Ｐの少なくとも一部を焼結または溶融固化させて形成された成形層を積層することで内部空間１５７が開口部１５８を通して外部に連通するように形成された三次元形状物本体１５６と、開口部１５８の成形層が溶融固化することで開口部１５８を閉塞する閉塞部１６１，１６２と、供給された粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射することで粉末Ｐの少なくとも一部を焼結または溶融固化させて形成された成形層を積層することで閉塞部１６１，１６２を被覆するように形成された被覆部１６３とを備える。
そのため、三次元形状物本体１５６の開口部１５８の成形層が溶融固化した閉塞部１６１，１６２により閉塞されているため、内部空間１５７への粉末Ｐなどの侵入が防止される。その結果、中空形状をなす三次元形状物の品質の向上を図ることができる。
なお、上述の実施形態にて、加工対象物を軸９５とし、軸９５を回転しながら三次元積層したが、加工対象物は軸９５に限るものではなく、回転または移動により中空形状をなす三次元形状物を製造してもよい。
また、上述の実施形態にて、粉末供給部が噴射する粉末材料を金属粉末材料としたが、樹脂粉末材料等の非金属粉末材料であってもよい。また、光ビームをレーザ光としたが、電子ビームなどとしてもよい。
１ 三次元積層装置
２ 三次元積層室
３ 予備室
４ 積層ヘッド収納室
４ａ，５ａ Ｚ軸スライド部
５ 機械加工部収納室
６，７ 扉
１０ ベッド
１１ テーブル部
１２ 積層ヘッド
１３ 機械加工部
１５ Ｙ軸スライド部
１６ Ｘ軸スライド部
１７ 回転テーブル部
１７ａ 固定台
１７ｂ 回転テーブル
１７ｃ 傾斜テーブル
１７ｄ 回転テーブル
１８，１９ ベローズ
２０ 制御装置
２２ 工具
２３ ノズル
２４ 先端部
２５ 空気排出部
３０ 形状計測部
３１ 加熱ヘッド
３２ 装置計測部
３３ 工具交換部
３４ ノズル交換部
３５ 粉末導入部
３６ 基台移動部
３７ 空気排出部
３８ ガス導入部
３９ 粉末回収部
４１ 外管
４２ 内管
４３ 粉末流路
４４ レーザ経路
４５ ノズル噴射口部
４６ 本体
４７ 光源
４８ 光ファイバ
４９ 集光部
５１ 入力部
５２ 制御部
５３ 記憶部
５４ 出力部
５５ 通信部
９０ 加工対象物
９１ 加工面
９２ 成形層
９５ 軸
９６ 外周面
１００ 基台部
１０２，１０４，１０６，１０８ 矢印
１１０ 回転軸
１５１ 第１壁部
１５１ａ 端面
１５２ 第２壁部
１５３ 基部
１５４ 中間部
１５５ 先端部
１５５ａ 端面
１５６ 三次元形状物本体
１５７ 内部空間
１５８ 開口部
１５９ 蓋部
１６０ 隙間
１６１，１６２ 閉塞部
１６３ 被覆部
Ｆ 焦点
Ｌ レーザ光（光ビーム）
Ｍ１ 移動方向
Ｍ２ 加工方向
Ｏ，Ｏ１ 中心軸
Ｐ 粉末
２ 三次元積層室
３ 予備室
４ 積層ヘッド収納室
４ａ，５ａ Ｚ軸スライド部
５ 機械加工部収納室
６，７ 扉
１０ ベッド
１１ テーブル部
１２ 積層ヘッド
１３ 機械加工部
１５ Ｙ軸スライド部
１６ Ｘ軸スライド部
１７ 回転テーブル部
１７ａ 固定台
１７ｂ 回転テーブル
１７ｃ 傾斜テーブル
１７ｄ 回転テーブル
１８，１９ ベローズ
２０ 制御装置
２２ 工具
２３ ノズル
２４ 先端部
２５ 空気排出部
３０ 形状計測部
３１ 加熱ヘッド
３２ 装置計測部
３３ 工具交換部
３４ ノズル交換部
３５ 粉末導入部
３６ 基台移動部
３７ 空気排出部
３８ ガス導入部
３９ 粉末回収部
４１ 外管
４２ 内管
４３ 粉末流路
４４ レーザ経路
４５ ノズル噴射口部
４６ 本体
４７ 光源
４８ 光ファイバ
４９ 集光部
５１ 入力部
５２ 制御部
５３ 記憶部
５４ 出力部
５５ 通信部
９０ 加工対象物
９１ 加工面
９２ 成形層
９５ 軸
９６ 外周面
１００ 基台部
１０２，１０４，１０６，１０８ 矢印
１１０ 回転軸
１５１ 第１壁部
１５１ａ 端面
１５２ 第２壁部
１５３ 基部
１５４ 中間部
１５５ 先端部
１５５ａ 端面
１５６ 三次元形状物本体
１５７ 内部空間
１５８ 開口部
１５９ 蓋部
１６０ 隙間
１６１，１６２ 閉塞部
１６３ 被覆部
Ｆ 焦点
Ｌ レーザ光（光ビーム）
Ｍ１ 移動方向
Ｍ２ 加工方向
Ｏ，Ｏ１ 中心軸
Ｐ 粉末
Claims (6)
- 加工対象物に成形層を積層させて中空形状をなす三次元形状物を形成する三次元積層方法であって、
前記加工対象物の加工面に向けて粉末材料を供給すると共に前記粉末材料に光ビームを照射して前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて前記成形層を形成することで内部空間が開口部を通して外部に連通する三次元形状物本体を形成する工程と、
前記三次元形状物本体を形成した後、前記開口部の端面に向けて粉末材料を供給すると共に前記粉末材料に光ビームを照射して前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて前記成形層を形成することで前記開口部の端面に前記開口部を閉塞するための蓋部を形成する工程と、
前記蓋部を形成した後、前記加工対象物の回転および前記開口部から前記内部空間への気体の供給により、前記内部空間の残留物を前記開口部から外部に排出する工程と、
前記内部空間の前記残留物を前記開口部から外部に排出した後、前記開口部の端面に向けて前記光ビームを照射して前記蓋部の前記成形層を溶融固化させることで前記開口部を閉塞する工程と、
を有することを特徴とする三次元積層方法。 - 前記開口部の端面と前記蓋部との間に所定長さの隙間が形成され、前記隙間に向けて前記光ビームを照射して前記成形層を溶融固化させることで前記隙間を閉塞することを特徴とする請求項１に記載の三次元積層方法。
- 前記開口部の端面と前記蓋部との間に所定長さの隙間が形成され、前記蓋部に向けて前記光ビームを照射して前記成形層を溶融固化させることで前記隙間を閉塞することを特徴とする請求項１に記載の三次元積層方法。
- 前記三次元形状物本体は、前記加工対象物の加工面に前記成形層を積層することで形成された第１壁部と第２壁部を有し、前記第１壁部と前記第２壁部により前記内部空間が形成されると共に、前記第１壁部の端部と前記第２壁部の端部により前記開口部が形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の三次元積層方法。
- 前記開口部の前記成形層を溶融固化させて前記開口部を閉塞した後、前記開口部の閉塞部に向けて粉末材料を供給すると共に前記粉末材料に光ビームを照射して前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて前記成形層を形成することで被覆部を形成することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の三次元積層方法。
- 供給された粉末材料に光ビームを照射することで前記粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて形成された成形層を積層することで内部空間が開口部を通して外部に連通するように形成された三次元形状物本体と、
前記開口部の端面に向けて前記粉末材料を供給すると共に前記粉末材料に前記光ビームを照射して前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて形成された蓋部の前記成形層に、前記光ビームを照射して前記蓋部の前記成形層が溶融固化することで前記開口部を閉塞する閉塞部と、
供給された粉末材料に光ビームを照射することで前記粉末材料の少なくとも一部を焼結または溶融固化させて形成された前記成形層を積層することで前記閉塞部を被覆するように形成された被覆部と、
を備えることを特徴とする三次元形状物。
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