JPWO2017081812A1 - ３次元積層造形装置 - Google Patents

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Abstract

３次元積層造形装置による３次元積層造形物の造形速度を上げること。粉末に電子ビームを照射して３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置である。３次元積層造形装置は、前記３次元積層造形物が造形される造形ボックスを備える。３次元積層造形装置は、前記造形ボックスの外部に配置された予備加熱用加熱手段を備える。また、前記予備加熱用加熱手段は、前記造形ボックスの側面側に配置された。さらに、前記予備加熱用加熱手段は、前記造形ボックスを側面から囲繞するように配置された。

Description

本発明は、３次元積層造形物の材料である粉末に電子ビームを照射して３次元積層造形物を造形する技術に関する。
上記技術分野において、特許文献１には、電子ビームを用いて３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置において、粉末の予備加熱に電子ビームを用いる技術が開示されている（同文献段落［００１３］）。
特表２００９−５４４５０１号公報
しかしながら、上記文献に記載の技術では、電子ビームを用いて粉末の予備加熱を行っていたので、３次元積層造形物の造形速度を上げることができなかった。
本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置は、
粉末に電子ビームを照射して３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置であって、
前記３次元積層造形物が造形される造形ボックスと、
前記造形ボックスの外部に配置された予備加熱用加熱手段と、
を備える。
上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置の製造方法は、
粉末に電子ビームを照射して３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置の製造方法であって、
前記３次元積層造形物が造形される造形ボックスを設置する設置ステップと、
前記造形ボックスの外部に予備加熱用加熱手段を配置する配置ステップと、
を含む。
上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置の製造プログラムは、
粉末に電子ビームを照射して３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置の製造方法であって、
前記３次元積層造形物が造形される造形ボックスを設置する設置ステップと、
前記造形ボックスの外部に予備加熱用加熱手段を配置する配置ステップと、
をコンピュータに実行させる。
本発明によれば、粉末の予備加熱に電子ビームを用いないので、３次元積層造形物の造形速度を上げることができる。
本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の全体構成を説明するための模式図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の造形ボックスおよび加熱部の構成を示す部分拡大側断面図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の造形ボックスおよび加熱部の構成を示す部分拡大上面図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の加熱部の移動の様子を説明する上面図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の加熱部の移動の様子を説明する上面図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の加熱部の移動の様子を説明する上面図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の加熱部の移動の様子を説明する上面図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の加熱部の移動の様子を説明する上面図である。 本発明の第３実施形態に係る３次元積層造形装置の全体構成を説明するための模式図である。 本発明の第３実施形態に係る３次元積層造形装置の造形ボックスおよび加熱部の構成を示す部分拡大側断面図である。 本発明の第３実施形態に係る３次元積層造形装置の造形ボックスおよび加熱部の構成を示す部分拡大上面である。 本発明の第４実施形態に係る３次元積層造形装置の加熱部の構成の概略を示す側面図である。 本発明の第４実施形態に係る３次元積層造形装置の加熱部の他の構成の概略を示す側面図である。 本発明の第４実施形態に係る３次元積層造形装置の加熱部の構成の他の例の概略を示す側面図である。
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての３次元積層造形装置１００について、図１を用いて説明する。３次元積層造形装置１００は、３次元積層造形物の材料である粉末に電子ビーム１４１を照射することにより粉末を溶融、硬化させて３次元積層造形物１３０を製造する装置である。
図１に示すように、３次元積層造形装置１００は、造形ボックス１０１と、加熱部１０２とを含む。３次元積層造形物１３０は、３次元積層造形物１３０の材料となる粉末に電子ビーム照射部１４０から発生した電子ビーム１４１を照射することにより造形ボックス１０１内に造形される。３次元積層造形物１３０は、造形ボックス１０１内のベースプレート１５０上に造形される。加熱部１０２は、造形ボックス１０１の外部、例えば、囲繞するように配置され、造形ボックス１０１を加熱する。よって、加熱部１０２により、造形ボックス１０１内の粉末を予備加熱することができる。
本実施形態によれば、粉末の予備加熱に電子ビームを用いないので、３次元積層造形物の造形速度を上げることができる。
［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置２００について、図２Ａ乃至図４Ｅを用いて説明する。なお、本実施形態の説明においては、図が煩雑になるのを避けるため、真空排気部や材料供給部、造形ボックスの壁の厚みなどは適宜省略している。
図２Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００の全体構成を説明するための模式図である。図２Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００の造形ボックスおよび加熱部の構成を示す部分拡大側断面図であり、図２Ｃは、本実施形態に係る３次元積層造形装置の造形ボックスおよび加熱部の構成を示す部分拡大上面図である。なお、図２Ｂおよび図２Ｃにおいては、図が煩雑になることを避けるため、一部の部材の図示を省略している。
３次元積層造形装置２００は、造形ボックス２０１と、加熱部２０２とを備える。造形ボックス２０１には、ベースプレート２５０が設けられている。ベースプレート２５０は、３次元積層造形物２３０が造形される造形台であり、ベースプレート２５０上に３次元積層造形物２３０が造形される。３次元積層造形物２３０は、材料である金属などの粉末に対して、電子ビーム照射部２４０から電子ビーム２４１を照射して、粉末を積層することにより造形される。また、造形ボックス２０１に造形ボックス２０１内の温度を保つための保温用の断熱材を設けてもよい。例えば、３次元積層造形装置２００の全体に断熱用のシートなどを巻きつけてもよい。ベースプレート２５０は、駆動部２５１により上下方向に駆動する。
加熱部２０２は、造形ボックス２０１を四方から取り囲むように配置されている。さらに、加熱部２０２は、造形ボックス２０１の底面側にも配置されている。すなわち、加熱部２０２は、造形ボックス２０１の側面および底面から造形ボックス２０１を取り囲むように配置されている。底面側に配置された造形ボックス２０１は、ベースプレート２５０の上下動と連動して、上下動するようにしてもよいし、固定されたままでもよく、また、どちらにするかを適宜選択できるようにしてもよい。
次に加熱部２０２の構成について説明する。加熱部２０２は、ヒータ２２１とリフレクタ２２２とを含んで構成されている。ヒータ２２１としては、例えば、電気ヒータやガスヒータなどが代表的であるが、これらには限定されない。
リフレクタ２２２は、例えば、ヒータ２２１からの放射熱を反射する反射板である。加熱部２０２内におけるヒータ２２１およびリフレクタ２２２の配置は、ヒータ２２１が、造形ボックス２０１に近い側に配置され、リフレクタ２２２は、造形ボックス２０１から遠い側、つまり、ヒータ２２１の背面側（後ろ側）に配置されている。
ヒータ２２１の背後にリフレクタ２２２を配置したことにより、造形ボックス２０１とは反対側に放射された放射熱を、リフレクタ２２２により反射させて造形ボックス２０１へと誘導することができるので、効率よく加熱することが可能となる。
リフレクタ２２２としては、金属板を用いたものが代表的であるが、セラミックやレンガを用いたものであってもよい。金属板を用いたリフレクタ２２２は、セラミックやレンガなどを用いたリフレクタ２２２と比較して、ダストが発生しにくく、また、熱容量が小さいため、温度の立ち上がりが非常に早く加熱時間および冷却時間が短い。なお、ヒータ２２１およびリフレクタ２２２への金属蒸気などのダストが付着することを防止するために、ステンレス（ＳＵＳ）などの金属製カバーを加熱部２０２に装着してもよい。また、このように加熱部２０２の構成がシンプルなので、加熱部２０２は全体として非常に軽量となっている。
ヒータ２２１の温度制御は、図示しないヒータ２２１用の制御部により自動的に行ってもよいし、３次元積層造形装置２００のユーザが手動で設定してもよい。なお、ヒータ２２１により加熱可能な温度の範囲は、１５０℃から３次元積層造形物の材料に用いる金属粉末などの粉末の融点未満の温度までが好ましいが、これには限定されない。
温度制御としては、例えば、加熱部２０２内の上側のヒータ２２１と下側のヒータ２２１とで、設定温度を変えたり、ベースプレート２５０の降下にともない、上側のヒータ２２１から下側のヒータ２２１へと温度を順次変化させてもよい。または、その逆、すなわち、下側のヒータ２２１から上側のヒータ２２１へと温度を順次変化させてもよい。
また、ヒータ２２１は、縦に２つ並べた構成で説明をしたが、ヒータ２２１は１つであっても、３つ以上縦に並べたものであってもよく、ヒータ２２１を複数設ければ、上述したような温度制御により、より細かい温度管理が可能となる。例えば、ベースプレート２５０がどの位置にあるかに合わせて、稼働させるヒータ２２１を変えてもよいし、ベースプレート２５０の位置にかかわらず全てのヒータ２２１で一定の温度で加熱してもよい。
また、温度制御の他に加熱対象箇所を制御してもよい。例えば、加熱対象箇所は、造形ボックス２０１全体でなくてもよく、造形ボックス２０１の一部を部分的に加熱してもよい。これにより、電子ビームが照射される上部付近を加熱することができ、加熱部分を減らすことができるので、省エネの効果がある。
なお、電子ビーム照射部２４０からの電子ビーム２４１の光路を遮るため、造形ボックス２０１の上面側には加熱部２０２が配置されていないが、例えば、電子ビーム２４１の光路を遮らない形状の加熱部２０２を設けてもよい。また、本実施形態では、加熱部２０２が造形ボックス２０１の底面側に設けられた構成で説明をしたが、造形ボックス２０１の底面側に加熱部２０２が設けられていない構成であってもよい。
造形ボックス２０１の上面側に加熱部２０２を設ける場合には、上面側の加熱部２０２は、加熱源としてヒータ２２１を用いる代わりに、例えば、ランプやレーザなどを用いてもよい。
図３Ａ乃至図３Ｅは、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００の加熱部２０２の移動の様子を示す図である。図３Ａ乃至図３Ｄに示したように、加熱部２０２は、図示しないスライド機構により、左右にスライドして、移動するようになっている。このように、加熱部２０２を、矢印の方向へ移動させると、造形ボックス２０１を取り出すことができる。なお、図３Ｅに示したように、加熱部２０２は左右にスライドする構成でなくても、例えば、扉のように開く構成であってもよく、造形ボックス２０１を取り出せればいずれの構成であってもよい。
本実施形態によれば、３次元積層造形物の材料となる粉末を電子ビームを用いて予備加熱する必要がなくなるので、３次元積層造形物の造形速度を上げることができる。また、３次元積層造形物の造形プロセスは、真空中で行われるので、リフレクタによる輻射熱および断熱材により、造形ボックス内に熱を封じ込めることができ、造形ボックスを保温することもできる。また、造形ボックスを加熱し、保温することができるので、３次元積層造形物の内部の温度勾配を小さくすることができ、熱応力の発生を抑制することができる。
［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る３次元積層造形装置４００について、図４Ａ乃至図４Ｃを用いて説明する。なお、本実施形態の説明においては、図が煩雑になるのを避けるため、真空排気部や材料供給部などは適宜省略している。
図４Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置４００の全体構成を説明するための図である。また、図４Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置４００の造形ボックスおよび加熱部の構成を示す部分拡大側断面図であり、図４Ｃは、本実施形態に係る３次元積層造形装置４００の造形ボックスおよび加熱部の構成を示す部分拡大上面図である。なお、図４Ｂおよび図４Ｃにおいては、図が煩雑になることを避けるため、一部の部材の図示を省略している。
本実施形態に係る３次元積層造形装置４００は、上記第２実施形態と比べると、冷媒用流路を有する点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
造形ボックス４０１は、冷媒用流路４１１を有する。冷媒用流路４１１は、造形ボックス４０１の壁の中に設けられており、本実施形態においては、冷媒用流路４１１は、造形ボックス４０１の四隅に１個ずつ配置されているが、冷媒用流路４１１の配置位置や配置個数はこれには限定されない。
なお、本実施形態においては、造形ボックス４０１の壁の中に冷媒用流路４１１を設けた構成で説明をしたが、冷媒用流路４１１が設けられる場所はこれには限定されず、例えば、造形ボックス４０１の外側、すなわち、外壁に取り付けてもよい。また、冷媒用流路４１１は、直線状の形状をしているが、これには限定されず、曲線形状や、曲線部分と直線部分とを含む複合形状などであってもよい。
そして、冷媒用流路４１１に冷媒を流すことにより、造形ボックス４０１を冷却することができる。例えば、３次元積層造形物２３０の造形終了後に、冷却ボックス４０１を冷却しないで、いきなり造形ボックス４０１を大気開放すると、完成した３次元積層造形物２３０は高温のままなので、一気に酸化して品質が低下する。また、造形終了後に、自然冷却により造形ボックス４０１を冷ますと、冷却が完了するまでに時間がかかってしまう。したがって、冷媒用流路４１１に冷媒を流して、造形ボックス４０１を冷却すれば、短時間で、造形ボックス４０１から３次元積層造形物２３０を取り出すことができる。
冷媒としては、ヘリウムやアンモニアなどの冷却用ガスが代表的であるが、造形ボックス４０１を冷却可能な冷媒であれば、気体や液体などいずれの冷媒であってもよい。
なお、図４Ａ乃至図４Ｃにおいては、図示を省略しているが、例えば、造形ボックス４０１内に、格子状のリブを張り巡らせておき、これに３次元積層造形物２３０を接触させることにより３次元積層造形物２３０や造形ボックス４０１を冷却してもよい。
本実施形態によれば、造形ボックスに冷却用流路を設けたので、効率的に３次元積層造形物の冷却を行うことができ、造形後に造形ボックスから完成した３次元積層造形物を取り出すまでの時間を短縮することが可能となる。
［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態に係る３次元積層造形装置５００について、図５Ａ乃至図６を用いて説明する。図５Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置５００の加熱部の構成の概略を示す側面図である。図５Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置５００の加熱部の他の構成の概略を示す側面図である。図６は、本実施形態に係る３次元積層造形装置５００の加熱部の他の例の構成の概略を示す側面図である。なお、本実施形態の説明においては、図が煩雑になるのを避けるため、真空排気部や材料供給部などは適宜省略している。
図５Ａに示したように、３次元積層造形装置５００は、加熱部５０２を備えている。加熱部５０２は、造形ボックス２０１の上面側に設けられている。そして、加熱部５０２は、ヒータ５２１と、リフレクタ５２２とを含んで構成されている。加熱部５０２は、造形ボックス２０１の上面側から、造形ボックス２０１内の３次元積層造形物２３０やベースプレート２５０上に敷き詰められた粉末、造形面などを加熱する。
ヒータ５２１としては、ランプヒータを用いることができるがこれには限定されず、例えば、図６に示したように、ヒータ６２１として、ランプヒータ５２１の代わりに上記第２実施形態で説明したヒータ２２１などを用いてもよい。
また、図５Ｂに示したように、加熱部５０２は、カバー５２３と、保護カバー５２４と、金網５２５とをさらに備えてもよい。カバー５２３は、ヒータ５２１を覆うように、周りに配置される。保護カバー５２４は、ランプヒータなどのヒータ５２１のランプ光は透過するが、カバー５２３に汚れが付着するのを防止する。金網５２５は、保護カバー５２４に静電気が帯電するのを防止する。
本実施形態によれば、造形ボックスの上面側から造形面やベースプレート上の粉末を直接加熱することができるので、加熱に必要な電力を減らすことができる。また、３次元積層造形物の材料となる粉末を電子ビームを用いて予備加熱する必要がなくなるので、３次元積層造形物の造形速度を上げることができる。
［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。
造形ボックス１０１、２０１の外部に配置される加熱部１０２、２０２、５０２の配置位置は、例えば、造形ボックス１０１、２０１の側面のうち１つの側面の外部に配置してもよい。また、側面を囲繞するように配置した上でさらに上面側に配置（側面＋上面）してもよく、同様に、側面を囲繞するように配置した上でさらに底面側に配置（側面＋底面）してもよい。さらにまた、側面を囲繞するように配置した上でさらに上面側および底面側に配置（側面＋上面＋底面）してもよい。
また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。
上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置は、
粉末に電子ビームを照射して３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置であって、
前記３次元積層造形物が造形される造形ボックスと、
前記造形ボックスの外部に配置された予備加熱用加熱手段と、
前記造形ボックスに設けられ、冷媒を流す流路と、
を備える。
上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置は、
粉末に電子ビームを照射して３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置であって、
前記３次元積層造形物が造形される造形ボックスと、
前記造形ボックスの外部に配置された予備加熱用加熱手段と、
前記造形ボックスの壁の中に内包され、前記３次元積層造形物を冷却するための冷媒を流す流路と、
を備える。

Claims (18)

  1. 粉末に電子ビームを照射して３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置であって、
    前記３次元積層造形物が造形される造形ボックスと、
    前記造形ボックスの外部に配置された予備加熱用加熱手段と、
    を備える３次元積層造形装置。
  2. 前記予備加熱用加熱手段は、前記造形ボックスの側面側に配置された請求項１に記載の３次元積層造形装置。
  3. 前記予備加熱用加熱手段は、前記造形ボックスを側面から囲繞するように配置された請求項１または２に記載の３次元積層造形装置。
  4. 前記予備加熱用加熱手段は、前記造形ボックスの上面側に配置された請求項１に記載の３次元積層造形装置。
  5. 前記予備加熱用加熱手段は、前記造形ボックスの底面側に配置された請求項１に記載の３次元積層造形装置。
  6. 前記予備加熱用加熱手段は、さらに、前記造形ボックスの上面側に配置された請求項３に記載の３次元積層造形装置。
  7. 前記予備加熱用加熱手段は、さらに、前記造形ボックスの底面側に配置された請求項３に記載の３次元積層造形装置。
  8. 前記予備加熱用加熱手段は、さらに、前記造形ボックスの上面側および底面側に配置された請求項３に記載の３次元積層造形装置。
  9. 前記予備加熱用加熱手段は、ヒータと反射板とを有し、
    前記ヒータは、前記造形ボックス側に設けられ、
    前記反射板は、前記ヒータの背面側に設けられている請求項１乃至８のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
  10. 前記反射板は、前記ヒータからの放射熱を反射し、前記造形ボックスへと誘導する請求項９に記載の３次元積層造形装置。
  11. 前記予備加熱用加熱手段を制御する制御手段をさらに備え、
    前記制御手段は、前記造形ボックス全体を加熱するように前記予備加熱用加熱手段を制御する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
  12. 前記制御手段は、前記造形ボックスを部分的に加熱するように前記予備加熱用加熱手段を制御する請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
  13. 前記３次元積層造形物が造形されるベースプレートをさらに備え、
    前記制御手段は、前記ベースプレートの動きに合わせて前記造形ボックスを加熱する請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
  14. 前記造形ボックスは、冷媒を流す流路を備える請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
  15. 前記流路は、前記造形ボックスに内包されている請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
  16. 前記造形ボックスは、保温手段をさらに備え、
    前記保温手段は、断熱材を含む請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
  17. 粉末に電子ビームを照射して３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置の製造方法であって、
    前記３次元積層造形物が造形される造形ボックスを設置する設置ステップと、
    前記造形ボックスの外部に予備加熱用加熱手段を配置する配置ステップと、
    を含む３次元積層造形装置の製造方法。
  18. 粉末に電子ビームを照射して３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置の製造方法であって、
    前記３次元積層造形物が造形される造形ボックスを設置する設置ステップと、
    前記造形ボックスの外部に予備加熱用加熱手段を配置する配置ステップと、
    をコンピュータに実行させる３次元積層造形装置の製造プログラム。
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