JPWO2017163433A1 - ３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法、３次元積層造形装置の制御プログラムおよび治具 - Google Patents

Abstract

ワーク（積層母材）の昇温を制御して、熱歪の発生を抑制すること。３次元積層造形装置であって、以下の構成を備える。３次元積層造形装置は、３次元積層造形物が造形されるワーク上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射部を備える。また、３次元積層造形装置は、噴射された材料に光線を照射する光線照射部を備える。さらに、３次元積層造形装置は、前記ワークが着脱可能に取り付けられる治具を備える。そして、治具は、前記ワークを冷却する冷却媒体が供給される流路を有する。

Description

本発明は、３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法、３次元積層造形装置の制御プログラムおよび治具に関する。

上記技術分野において、特許文献１には、Ｚ駆動機構支持部の筒状体の外面に冷却管を設けることにより、熱遮蔽板を冷却する技術が開示されている（同文献段落［００２９］、［００４２］等）。

特開２０１５−１５１５６６号公報

しかしながら、上記文献に記載の技術では、ワーク（積層母材）の昇温を制御し、熱歪の発生を抑制して、高精度の３次元積層造形物を造形す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、
３次元積層造形物が造形されるワーク上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射手段と、
噴射された材料に光線を照射する光線照射手段と、
前記ワークが着脱可能に取り付けられ、前記ワークを冷却する冷却媒体が供給される流路が設けられた治具と、
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制御方法は、
３次元積層造形物が造形されるワーク上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
前記ワークが着脱可能に取り付けられ、前記ワークを冷却する冷却媒体が供給される流路が設けられた治具に前記冷却媒体を供給する供給ステップと、
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制御プログラムは、
３次元積層造形物が造形されるワーク上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
前記ワークが着脱可能に取り付けられ、前記ワークを冷却する冷却媒体が供給される流路が設けられた治具に前記冷却媒体を供給する供給ステップと、
をコンピュータに実行させる。

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制御プログラムは、
３次元積層造形物が造形されるワーク上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
前記ワークが着脱可能に取り付けられ、前記ワークの温度に基づいて、前記ワークを冷却する冷却媒体が供給される流路が設けられた治具に前記冷却媒体を供給する供給ステップと、
をコンピュータに実行させる。

上記目的を達成するため、本発明に係る治具は、
上記３次元積層造形装置に用いられる治具であって、
ワークを冷却する冷却媒体が供給される流路を有する。

本発明によれば、ワーク（積層母材）の昇温を制御し、熱歪の発生を抑制するので、高精度の３次元積層造形物を造形することができる。

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１実施形態に係る３次元積層造形装置の備える治具の構造を説明する上面図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の備える治具の流路の構造を説明する斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の備える治具の使用状態を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の処理手順を説明するフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の構成を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る３次元積層造形装置の構成を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る３次元積層造形装置の構成を示す図である。

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乃至図５を用いて説明する。

＜前提技術＞
本実施形態に係る３次元積層造形装置１００の前提技術の３次元積層造形装置においては、積層母材としてのワーク（ベースプレート）上に３次元積層造形物の材料を噴射し、噴射された材料にレーザ光などの光線を照射する。光線を照射された材料は、光線により与えられるエネルギー（熱）により溶融し、その後凝固する。そして、材料が凝固することにより、３次元積層造形物が造形される。この場合、３次元積層造形物は、ワーク上に造形されるので、３次元積層造形物とワークとは一体となっている。

そして、３次元積層造形物の積層造形中、ワークには３次元積層造形物からの熱が熱伝導により供給され、熱の蓄積によりワークは徐々に高温となっていく。そのため、積層造形中に、ワークには熱歪が発生し、ワーク上に造形されている３次元積層造形物にも熱歪の影響がおよび、積層造形完了後の３次元積層造形物が反り返るという問題がある。すなわち、熱歪の発生により、３次元積層造形物の造形精度が低下したり、仕上げの加工精度が低下したり、ワークが載置される治具に損傷が発生したりしていた。

ワークを冷却するために、水や油などをワークにかけることにより、冷却することが考えられるが、材料として金属粉末などを用いる３次元積層造形装置では、粉末が濡れてしまうので、この方法を適用できない。また、エアーをワークに直接吹きかけることにより、空冷することが考えられるが、外部から冷却エアーを吹きかけてしまうと、材料としての金属粉末の集束性が劣化するので、この方法も適用できない。さらに、自然冷却することが考えられるが、冷却に時間がかかるため、造形のためのサイクルタイムが増加するので、この方法も適用できない。

＜本実施形態の技術＞
図１は、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００の構成を示す図である。３次元積層造形装置１００は、ワーク１２０に材料１１１を噴射し、噴射された材料１１１に光線１２１を照射して３次元積層造形物１３０を造形する装置である。また、３次元積層造形装置１００としては、ＬＭＤ(Laser Metal Deposition)方式の３次元積層造形装置を例に説明をする。なお、図１においては、説明に不要な部材や機構などは適宜省略している。

図１に示すように、３次元積層造形装置１００は、材料噴射部１０１と、光線照射部１０２と、治具１０３とを含む。

材料噴射部１０１は、３次元積層造形物１３０が造形されるワーク１２０上に、３次元積層造形物１３０の材料１１１である金属粉末を噴射する部材であり、先端に向かって先細りするノズル形状の部材である。なお、材料噴射部１０１が噴射する材料１１１は、金属粉末には限定されず、例えば、樹脂粉末などであってもよい。

そして、光線照射部１０２から放射されたレーザ光などの光線１２１を材料噴射部１０１の先端部分から噴射された材料１１１に照射する。レーザ光などの光線１２１を照射された材料１１１は、光線１２１から与えられた熱により溶融し、溶融池（溶融プール）を形成し、その後冷やされて凝固する。

治具１０３には、冷却媒体を流す流路１３１が設けられており、ワーク１２０は、治具１０３に着脱可能に取り付けられる。ワーク１２０は、例えば、クランプなどの固定具１５０により治具１０３に固定されている。つまり、治具１０３に設けられた流路１３１は、上側（治具１０３の上面）に向けて開放している溝形状となっており、治具１０３の上面にワーク１２０が載置されたり、取り付けられたりすることにより、流路１３１に蓋がされた状態となる。

したがって、ワーク１２０の背面（下面）と治具１０３の上面とが接触することにより、接触面側に開放された溝形状の流路１３１が密閉される。よって、密閉された流路１３１に液体や気体などの冷却媒体を流しても、冷却媒体が漏れ出すことがない。なお、冷却媒体としては、水が代表的であるが、これには限定されず、冷却効率の高い媒体であればいずれの媒体であってもよい。そして、ワーク１２０の背面（下面）を効率的に冷却することができるので、ワーク１２０が熱せられることによる熱歪を抑制することができ、これにより、３次元積層造形物１３０の造形精度や仕上げの加工精度を向上させることができる。

治具１０３を水平にして３次元積層造形物１３０の造形を実施する場合には、ワーク１２０は治具１０３上に載置して、固定具１５０などで固定しなくても問題となることは少ない。しかしながら、ワーク１２０の形状が複雑な形状の場合や、ワーク１２０上に複雑な形状の３次元積層造形物１３０を造形する場合には、治具１０３を傾けて造形する場合もあるので、ワーク１２０を固定具１５０で治具１０３に固定するとよい。このように、ワーク１２０を固定具１５０で治具１０３に固定すれば、流路１３１の密閉性が保たれるので、冷却媒体が液体などの場合には、液体が外に漏れだすことがなく、効果的にワーク１２０の背面（下面）を冷却することができる。なお、流路１３１の密閉性を高めるために、Ｏリング（オーリング）１７０を用いてもよい。

そして、３次元積層造形物１３０は、ワーク１２０上に造形され、造形が完了すると、ワーク１２０ごと治具１０３から取り外される。なお、３次元積層造形物１３０とワーク１２０とが一体となって１つの製品を構成することもあり、また、造形完了後、３次元積層造形物１３０とワーク１２０とが分離されることもある。

図２は、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００の備える治具１０３の構造を説明する上面図である。治具１０３の上面、つまり、ワーク１２０と接触する面には、上方に開放された溝形状の流路１３１が設けられている。流路１３１は、治具１０３の中心に対して同心円状に設けられている。さらに、治具１０３の中心から治具１０３の外周へ向けて伸びる直線状の流路１３１が設けられており、同心円状の各流路１３１同士を繋いでいる。なお、流路１３１の形状はここに示した形状には限定されず、ワーク１２０の背面（下面）を冷却可能な形状であればいずれの形状であってもよい。

図３は、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００の備える治具１０３の流路１３１の構造を説明する斜視図である。治具１０３に設けられた流路１３１には、冷却媒体の流入口１３２と、冷却媒体の流出口１３３とが設けられている。流入口１３２から供給された冷却媒体は、流路１３１を流れて、流出口１３３に到達し、流出口１３３から外部に排出される。このように、流路１３１に冷却媒体の流入口１３２と流出口１３３とを設けることにより、常に新鮮な冷却媒体により、ワーク１２０を冷却することができるので、冷却媒体による冷却効率を一定に保つことが可能となる。２つの流入口と１つの流出口とを備えたので、常に十分な冷却媒体を治具内に供給可能となる。

図４は、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００の備える治具１０３の使用状態を説明する図である。例えば、治具１０３は、図示したＢ軸およびＣ軸方向に回転可能な回転軸を備える装置に取り付けて使用することができ、このような装置に取り付けることにより、複雑な形状の３次元積層造形物１３０を造形することが可能となる。

図５は、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００の処理手順を説明するフローチャートである。ステップＳ５０１において、３次元積層造形装置１００は、３次元積層造形物１３０の材料１１１である金属粉体を噴射する。ステップＳ５０３において、３次元積層造形装置１００は、噴射された材料１１１にレーザ光などの光線１２１を照射して、３次元積層造形物１３０の積層造形を実施する。ステップＳ５０５において、３次元積層造形装置１００は、積層造形開始直後から、もしくは材料１１１の温度がある一定の閾値を超えたタイミングにおいて、治具１０３に設けられた流路１３１に水などの冷却媒体を供給する。ステップＳ５０７において、３次元積層造形装置１００は、３次元積層造形物１３０の積層造形が終了したか否かを判断する。終了していないと判断した場合（ステップＳ５０７のＮＯ）、３次元積層造形装置１００は、ステップＳ５０１以降のステップを繰り返す。終了したと判断した場合（ステップＳ５０７のＹＥＳ）、３次元積層造形装置１００は、処理を終了する。

本実施形態によれば、ワーク（積層母材）の昇温を制御し、熱歪の発生を抑制するので、高精度の３次元積層造形物を造形することができる。また、ワークを効率的に冷却することができるので、３次元積層造形物の造形精度や仕上げの加工精度を向上させることができる。さらに、治具を傾けても冷却媒体が漏れ出ることがないので、複雑な形状の３次元積層造形物であっても、造形精度や仕上げの加工精度を向上させることができる。さらにまた、治具を傾けても冷却媒体が漏れ出ることがないので、複雑な形状のワークであっても、造形精度や仕上げの加工精度がよい３次元積層造形物をワーク上に造形することができる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る３次元積層造形装置６００の構成を説明するための断面図である。

３次元積層造形装置６００においては、治具６０３は円筒状の形状をしており、円筒状の形状の治具６０３の外周面側に流路６３１が設けられている。そして、図６は、この円筒状の治具６０３に、フランジ形状のワーク６２０を取り付けた状態を示している。すなわち、フランジ形状のワーク６２０を円筒状の治具６０３に被せることにより、円筒状の治具６０３の外周面側に設けられた流路６３１は、ワーク６２０により密閉される。密閉された流路６３１に冷却媒体を供給して、流せば、３次元積層造形物６３０が造形される造形面と反対側の面である背面（内側面）を冷却することができる。

本実施形態によれば、円筒形状の治具６０３としたので、ワーク６２０の形状がフランジ形状であっても、ワーク６２０上に、造形精度や仕上げの加工精度がよい３次元積層造形物６３０を造形することができる。

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る３次元積層造形装置について、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態に係る３次元積層造形装置７００の構成を説明するための図である。

３次元積層造形装置７００においては、中空構造の部品をワーク７２０としている。そして、中空のワーク７２０を治具７０３の間にセットする。治具７０３には、冷却媒体７３２を供給する流路７３１が設けられている。治具７０３により両側から挟み込まれるようにワーク７２０を治具７０３の間に取り付けると、治具７０３の流路７３１とワーク７２０の中空部分とで冷却媒体７３２の流路７３１が構成される。すなわち、治具７０３にワーク７２０をセットすることにより、ワーク７２０の中空部分が流路７３１の一部を構成するようになる。そして、例えば、図７に示したように、右側に配置された治具７０３から冷却媒体７３２を供給すると、冷却媒体７３２は、右側の治具７０３を通過し、ワーク７２０の中空部分を経由して左側の治具７０３から外部へと排出される。そして、ワーク７２０の中空部分に冷却媒体を流すことができるので、ワーク７２０の内面側、つまり、３次元積層造形物７３０が造形される造形面とは反対側の面（背面）側からワーク７２０を冷却することができる。

本実施形態によれば、ワーク７２０が中空構造であっても、ワーク７２０の内面側からワーク７２０を冷却することができるので、ワーク７２０に発生する熱歪を抑制できる。したがって、ワーク７２０が中空構造であっても、ワーク７２０上に、造形精度や仕上げの加工精度がよい３次元積層造形物７３０を造形することができる。

［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態に係る３次元積層造形装置について、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る３次元積層造形装置８００の構成を説明するための図である。

３次元積層造形装置８００においては、例えば、自動車などのエンジンのシリンダーヘッドなどをワーク８２０としている。治具８０３は、真ん中が凹んだ形状となっており、この凹んだ部分が上側に開放した流路８３１となる。そして、治具８０３にワーク８２０を取り付けて、治具８０３とワーク８２０との接触部分を封止すると、ワーク８２０と治具８０３の流路８３１とで構成される中空の空間が形成され、密閉された流路８３１が構成される。

そして、治具８０３に設けられた流路８３１に冷却媒体８３２を流して、例えば、噴水状に冷却媒体８３２を噴射して、ワーク８２０の背面側に冷却媒体をかけてもよいし、流路８３１内に冷却媒体８３２を満たしてもよい。このようにワーク８２０を冷却すれば、シリンダーヘッドなどのように複雑な形状のワーク８２０に３次元積層造形物８３０を造形する場合でも、ワーク８２０を確実に冷却することができる。

本実施形態によれば、ワーク８２０が複雑な形状であっても、ワーク８２０の内面側からワーク８２０を冷却することができるので、ワーク８２０に発生する熱歪を抑制できる。したがって、ワーク８２０が複雑な形状であっても、ワーク８２０上に、造形精度や仕上げの加工精度がよい３次元積層造形物７３０を造形することができる。

［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。

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、
３次元積層造形物が造形されるワーク上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射手段と、
噴射された材料に光線を照射する光線照射手段と、
前記ワークが着脱可能に取り付けられる治具であって、
前記ワークを冷却する冷却媒体が供給される流路を有する治具と、
を備え、
前記流路は、前記治具が前記ワークと接触する接触面側に設けられ、前記接触面側に開放されている。

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制御方法は、
３次元積層造形物が造形されるワーク上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
前記ワークが着脱可能に取り付けられる治具であって、前記ワークを冷却する冷却媒体が供給される流路が設けられ、前記流路は、前記治具が前記ワークと接触する接触面側に設けられ、前記接触面側に開放されている治具に前記冷却媒体を供給する供給ステップと、
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制御プログラムは、
３次元積層造形物が造形されるワーク上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
前記ワークが着脱可能に取り付けられる治具であって、前記ワークを冷却する冷却媒体が供給される流路が設けられ、前記流路は、前記治具が前記ワークと接触する接触面側に設けられ、前記接触面側に開放されている治具に前記冷却媒体を供給する供給ステップと、
をコンピュータに実行させる。

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制御プログラムは、
３次元積層造形物が造形されるワーク上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
前記ワークが着脱可能に取り付けられる治具であって、前記ワークの温度に基づいて、前記ワークを冷却する冷却媒体が供給される流路が設けられ、前記流路は、前記治具が前記ワークと接触する接触面側に設けられ、前記接触面側に開放されている治具に前記冷却媒体を供給する供給ステップと、
をコンピュータに実行させる。

Claims (8)

1. ３次元積層造形物が造形されるワーク上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射手段と、
   噴射された材料に光線を照射する光線照射手段と、
   前記ワークが着脱可能に取り付けられる治具であって、
   前記ワークを冷却する冷却媒体が供給される流路を有する治具と、
   を備えた３次元積層造形装置。
2. 前記流路は、前記治具が前記ワークと接触する接触面側に設けられ、前記接触面側に開放されている請求項１に記載の３次元積層造形装置。
3. 前記流路は、前記接触面側に開放された溝形状である請求項２に記載の３次元積層造形装置。
4. 前記流路は、２つの流入口と１つの流出口とを有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
5. ３次元積層造形物が造形されるワーク上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
   噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
   前記ワークが着脱可能に取り付けられる治具であって、前記ワークを冷却する冷却媒体が供給される流路が設けられた治具に前記冷却媒体を供給する供給ステップと、
   を含む３次元積層造形装置の制御方法。
6. ３次元積層造形物が造形されるワーク上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
   噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
   前記ワークが着脱可能に取り付けられる治具であって、前記ワークを冷却する冷却媒体が供給される流路が設けられた治具に前記冷却媒体を供給する供給ステップと、
   をコンピュータに実行させる３次元積層造形装置の制御プログラム
7. ３次元積層造形物が造形されるワーク上に、前記３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
   噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
   前記ワークが着脱可能に取り付けられる治具であって、前記ワークの温度に基づいて、前記ワークを冷却する冷却媒体が供給される流路が設けられた治具に前記冷却媒体を供給する供給ステップと、
   をコンピュータに実行させる３次元積層造形装置の制御プログラム。
8. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置に用いられる治具であって、
   ワークを冷却する冷却媒体が供給される流路を有する治具。

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