JPWO2019065605A1 - 金属造形物の製造装置及び金属造形物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、金属粉末の流動性を損なうことなく、靱性及び耐割れ性に優れる金属造形物を製造できる金属造形物の製造装置及びその製造方法を提供することを目的とし、造形ステージ（５）に貯蔵された金属粉末（Ｍ）を焼結して又は金属粉末（Ｍ）を溶融固化させて金属の層を造形し、金属の層を積層して金属造形物（Ｘ）を製造する装置であって、金属粉末（Ｍ）が封入された密閉容器を、不活性ガス雰囲気下にある内部空間に収容する搬送部（３）と、密閉容器を搬送部（３）の内部空間で開封する開封装置と、密閉容器内の金属粉末（Ｍ）を造形ステージ（５）に供給する供給装置とを備えることを特徴とする、金属造形物の製造装置（２０）を提供する。
Description
本発明は、金属造形物の製造装置及び金属造形物の製造方法に関する。
Additive Manufacturingと称される付加製造技術がある。付加製造技術は、任意の形状の構造物を短時間で製造できるため、航空機産業及び医療等の先端技術分野で有望な技術として注目されている。
付加製造技術を利用する製造装置の一例として、造形ステージに貯蔵された金属粉末をレーザー等で焼結する３Ｄ金属プリンターが知られている。３Ｄ金属プリンターは、焼結された金属の層を造形ステージ上で順次積層し、金属造形物を製造できる。
付加製造技術を利用する製造装置の一例として、造形ステージに貯蔵された金属粉末をレーザー等で焼結する３Ｄ金属プリンターが知られている。３Ｄ金属プリンターは、焼結された金属の層を造形ステージ上で順次積層し、金属造形物を製造できる。
金属造形物の原料となる金属粉末は、種々の特性が要求される金属造形物の性質を決定する要因として重要である。先端技術分野のニーズに応えるために、多種多様の粉末製造技術が開発されている。
例えば、３Ｄ金属プリンターに関する技術分野では、金属造形物の製造に使用しなかった金属粉末を回収して再利用することも望まれている（特許文献１）。特許文献１は、粉末を乾燥した保護遮蔽ガス雰囲気下のみで保管及びアトマイズし、特定の元素の含有量を調整する技術を開示している。
例えば、３Ｄ金属プリンターに関する技術分野では、金属造形物の製造に使用しなかった金属粉末を回収して再利用することも望まれている（特許文献１）。特許文献１は、粉末を乾燥した保護遮蔽ガス雰囲気下のみで保管及びアトマイズし、特定の元素の含有量を調整する技術を開示している。
一般に、市販の金属粉末は樹脂製の密閉容器に封入されていることが多い。密閉容器は、密閉容器のふたを開封してから、３Ｄ金属プリンターの装置内に設置される。その後、金属粉末は、３Ｄ金属プリンターの装置内で造形ステージに搬送され、造形ステージ上でレーザー等によって焼結される。
ところが、密閉容器のふたを開封したときから、内部の金属粉末の金属粒子の表面の酸化反応が始まり、レーザー等により焼結されるまで金属粉末の酸化反応が継続する。特に、チタン等の酸化しやすい金属の粉末は、密閉容器を開封したときから即座に表面が酸化されてしまう。また、金属粉末は大気中の水分を吸湿する性質があるため、密閉容器の開封からレーザーの焼結までの間に起きる金属粉末の吸湿を防止できない。
その結果、３Ｄ金属プリンターによる金属造形物の造形にあっては、特許文献１に記載の技術等で処理された金属粉末を原料として用いても、金属造形物の靱性及び耐割れ性が低下しやすいという課題があった。
また、金属粉末の吸湿及び酸化によって金属粉末の流動性が低下すると、造形ステージに金属粉末を供給しにくくなるという課題があった。
また、金属粉末の吸湿及び酸化によって金属粉末の流動性が低下すると、造形ステージに金属粉末を供給しにくくなるという課題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって金属粉末の流動性を損なうことなく、靱性及び耐割れ性に優れる金属造形物を製造できる金属造形物の製造装置及びその製造方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明は以下の金属造形物の製造装置および金属造形物の製造方法を提供する。
［１］ 造形ステージに貯蔵された金属粉末を焼結して又は前記金属粉末を溶融固化させて金属の層を造形し、前記層を積層して金属造形物を製造する装置であって、金属粉末が封入された密閉容器を、不活性ガス雰囲気下にある内部空間に収容する搬送部と、前記密閉容器を前記内部空間で開封する開封手段と、前記密閉容器内の金属粉末を前記造形ステージに供給する供給手段とを備えることを特徴とする、金属造形物の製造装置。
［２］ 前記密閉容器が乾燥剤を有する、［１］の金属造形物の製造装置。
［３］ 前記乾燥剤が塩化カルシウムである、［２］の金属造形物の製造装置。
［４］ 前記密閉容器がステンレス製であるとともに、前記密閉容器の内面がパシベート処理されている、［１］〜［３］のいずれかの金属造形物の製造装置。
［５］ 造形ステージに貯蔵された金属粉末を焼結して又は前記金属粉末を溶融固化させて金属の層を造形し、前記層を積層して金属造形物を製造する方法であって、金属粉末が封入された密閉容器を、内部空間が不活性ガス雰囲気下にある搬送部に収容し、前記密閉容器を前記内部空間で開封し、前記密閉容器内の金属粉末を前記造形ステージに供給することを特徴とする、金属造形物の製造方法。
［６］ 前記密閉容器が乾燥剤を有する、［５］の金属造形物の製造方法。
［７］ 前記乾燥剤が塩化カルシウムである、［６］の金属造形物の製造方法。
［８］ 前記密閉容器がステンレス製であるとともに、前記密閉容器の内面がパシベート処理されている、［５］〜［７］のいずれかの金属造形物の製造方法。
［１］ 造形ステージに貯蔵された金属粉末を焼結して又は前記金属粉末を溶融固化させて金属の層を造形し、前記層を積層して金属造形物を製造する装置であって、金属粉末が封入された密閉容器を、不活性ガス雰囲気下にある内部空間に収容する搬送部と、前記密閉容器を前記内部空間で開封する開封手段と、前記密閉容器内の金属粉末を前記造形ステージに供給する供給手段とを備えることを特徴とする、金属造形物の製造装置。
［２］ 前記密閉容器が乾燥剤を有する、［１］の金属造形物の製造装置。
［３］ 前記乾燥剤が塩化カルシウムである、［２］の金属造形物の製造装置。
［４］ 前記密閉容器がステンレス製であるとともに、前記密閉容器の内面がパシベート処理されている、［１］〜［３］のいずれかの金属造形物の製造装置。
［５］ 造形ステージに貯蔵された金属粉末を焼結して又は前記金属粉末を溶融固化させて金属の層を造形し、前記層を積層して金属造形物を製造する方法であって、金属粉末が封入された密閉容器を、内部空間が不活性ガス雰囲気下にある搬送部に収容し、前記密閉容器を前記内部空間で開封し、前記密閉容器内の金属粉末を前記造形ステージに供給することを特徴とする、金属造形物の製造方法。
［６］ 前記密閉容器が乾燥剤を有する、［５］の金属造形物の製造方法。
［７］ 前記乾燥剤が塩化カルシウムである、［６］の金属造形物の製造方法。
［８］ 前記密閉容器がステンレス製であるとともに、前記密閉容器の内面がパシベート処理されている、［５］〜［７］のいずれかの金属造形物の製造方法。
本発明によれば、金属粉末の流動性を損なうことなく、靱性及び耐割れ性に優れる金属造形物を製造できる。
本明細書において、金属造形物の製造装置とは、金属粉末に熱を供給して金属の層を造形し、造形された層を積層して金属造形物を製造する装置を意味する。本明細書において、金属造形物の製造装置を「製造装置」と省略して記すこともある。
製造装置における金属粉末に熱を供給する方法としては、レーザー、電子ビーム等を金属粉末に照射すること等が例示されるがこれらに限定されない。金属造形物の製造装置は、レーザー及び電子ビーム等の照射によって金属粉末を焼結して又は溶融固化させて、金属の層を造形し、造形された層を積層する。
本明細書において、「金属粉末を焼結等する」と記載した場合、金属粉末を焼結すること又は金属粉末を溶融固化させることを意味する。なお、金属粉末を焼結等して造形される金属の層を単に、「焼結層」とも記すことがある。
本明細書において、シールドガスとは、金属粉末を焼結等する際に、金属粉末の周囲の酸素ガス濃度を低減すること等を目的として金属粉末の周囲に供給されるガスを意味する。
＜第１の実施形態＞
以下、本発明を適用した一実施形態の金属造形物の製造装置及び金属造形物の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
以下、本発明を適用した一実施形態の金属造形物の製造装置及び金属造形物の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
［金属造形物の製造装置］
以下、本発明を適用した一実施形態である第１の実施形態に係る金属造形物の製造装置２０の構成について説明する。
図１は、製造装置２０の構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、製造装置２０は、レーザー発振器１と、光学系２と、搬送部３と、造形部４とを備える。
以下に金属造形物の製造装置２０の各構成要素に関して詳しく説明を行う。
以下、本発明を適用した一実施形態である第１の実施形態に係る金属造形物の製造装置２０の構成について説明する。
図１は、製造装置２０の構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、製造装置２０は、レーザー発振器１と、光学系２と、搬送部３と、造形部４とを備える。
以下に金属造形物の製造装置２０の各構成要素に関して詳しく説明を行う。
レーザー発振器１はレーザーを照射できる形態であれば特に限定されない。レーザー発振器１は光学系２を経由させて、レーザーを造形部４内の金属粉末Ｍに照射する。これにより製造装置２０はレーザーが照射された位置の金属粉末Ｍを焼結等でき、金属の層を造形できる。
光学系２はレーザー発振器１から金属粉末Ｍに照射されるレーザーの反射位置をあらかじめ入力されたデータにしたがって制御できる形態であれば特に限定されない。光学系２は、例えば一以上の反射鏡で構成できる。製造装置２０は、あらかじめ入力されたデータにしたがって光学系２を制御することで、金属粉末Ｍに照射されるレーザーの位置を制御し、任意の形状の金属の層を造形できる。
搬送部３は、金属粉末Ｍが封入された密閉容器を、不活性ガス雰囲気下にある内部空間に収容する。搬送部３の内部空間が不活性ガス雰囲気下にあることにより、搬送部３の内部空間に収容された密閉容器を開封した後でも、金属粉末Ｍの酸化及び吸湿を防止できる。
本実施形態では、搬送部３の内部空間が外気と遮断されている。外気と遮断されていることにより、搬送部３の内部空間が不活性ガス雰囲気下に維持しやすくなる。
搬送部３の内部空間を不活性ガス雰囲気下に維持する方法としては、図示略の不活性ガスの供給源から搬送部３の内部空間に不活性ガスを供給し、搬送部３の内部空間をパージするパージ方法が例示される。搬送部３の内部空間をパージすると、搬送部３の内部空間の酸素ガス濃度と水分濃度を十分に下げやすくなる。
搬送部３の内部空間を不活性ガス雰囲気下に維持する方法としては、図示略の不活性ガスの供給源から搬送部３の内部空間に不活性ガスを供給し、搬送部３の内部空間をパージするパージ方法が例示される。搬送部３の内部空間をパージすると、搬送部３の内部空間の酸素ガス濃度と水分濃度を十分に下げやすくなる。
図２は、搬送部３の内部空間に収容される密閉容器３０の構成の一例を示す断面図である。図２に示すように密閉容器３０は、容器蓋３０ａと、容器本体３０ｂとを備える。容器蓋３０ａは容器本体３０ｂを密閉するための蓋である。本実施形態では、容器蓋３０ａ及び容器本体３０ｂの材質がＳＵＳ等のステンレス製である。
容器蓋３０ａはパッキン材３１と、ゲッター材３２とを有している。
パッキン材３１は、容器本体３０ｂ内を密閉できる形態であれば特に限定されない。パッキン材３１により、密閉容器３０が気密状態に保たれ、金属粉末Ｍの酸化をさらに防止できる。
ゲッター材３２は乾燥剤の一例である。ゲッター材３２により、密閉状態にある金属粉末Ｍの吸湿をさらに防止できる。ゲッター材３２としては、シリカゲル、石灰、塩化カルシウム等が例示される。これらの中でも塩化カルシウムが好ましい。塩化カルシウムは水分を吸収して安定な水和物となりやすく、吸湿能力が非常に強く、塩化カルシウム１ｇに対して１０ｇ程度の水分を吸湿できるため好ましい。
パッキン材３１は、容器本体３０ｂ内を密閉できる形態であれば特に限定されない。パッキン材３１により、密閉容器３０が気密状態に保たれ、金属粉末Ｍの酸化をさらに防止できる。
ゲッター材３２は乾燥剤の一例である。ゲッター材３２により、密閉状態にある金属粉末Ｍの吸湿をさらに防止できる。ゲッター材３２としては、シリカゲル、石灰、塩化カルシウム等が例示される。これらの中でも塩化カルシウムが好ましい。塩化カルシウムは水分を吸収して安定な水和物となりやすく、吸湿能力が非常に強く、塩化カルシウム１ｇに対して１０ｇ程度の水分を吸湿できるため好ましい。
容器本体３０ｂは金属粉末Ｍを貯蔵している。容器本体３０ｂは、容器の内側の表面に酸化被膜３３を有している。酸化被膜３３は、硝酸系の酸化剤により防錆性能を向上させるパシベート処理方法によって形成される膜である。酸化被膜３３としては、クロムリッチパッシベート処理による膜が特に好ましい。クロムリッチパッシベート処理は、電解複合研磨により加工変質層を付与した後、低酸素雰囲気中で加熱酸化処理を催し、高濃度のＣｒ２Ｏ３酸化皮膜を生成させる処理である。このように容器本体３０ｂがステンレス製であるとともに、容器本体３０ｂの内面がパシベート処理されていると、容器本体３０ｂの内表面に水分子が吸着しにくく、水分子が吸着しても脱離しやすくなる。
金属粉末Ｍとしては、カーボン、ホウ素、マグネシウム、カルシウム、クロム、銅、鉄、マンガン、モリブテン、コバルト、ニッケル、ハフニウム、ニオブ、チタン、アルミ等の各種の金属及びこれらの合金の粉末が例示される。
金属粉末Ｍの金属粒子の粒径としては、１０〜２００μｍ程度である。
金属粉末Ｍの金属粒子の粒径としては、１０〜２００μｍ程度である。
搬送部３（図１参照）は、上述の密閉容器３０を搬送部３の内部空間で開封する図示略の開封装置を有している。開封装置としては、搬送部３の内部空間と外部空間とを貫通する操作アームが例示される。操作アームとしては、密閉容器３０を開封する操作を搬送部３の外部空間から制御できる形態であれば特に限定されない。操作アームとしてはアーム型ロボットが例示される。
搬送部３は、開封された密閉容器３０内の金属粉末Ｍを造形部４に搬送する図示略の搬送装置を有している。搬送装置としては、搬送部３の内部空間で金属粉末Ｍを搬送できる形態であれば特に限定されない。
造形部４は金属粉末Ｍを焼結等して焼結層を造形し、焼結層を積層するための筐体である。図１に示すように、造形部４は造形ステージ５と、第１の供給槽６と、供給経路７とを収容している。造形部４は、第１の供給槽６から供給経路７を介して造形ステージ５に金属粉末Ｍを供給する。
造形部４は、金属粉末Ｍを焼結等して造形ステージ５上に焼結層を任意の形状に造形する操作と、造形した焼結層を積層する操作とを繰り返すことで、任意の形状の三次元構造を有する金属造形物Ｘを製造できる。
造形部４は、金属粉末Ｍを焼結等して造形ステージ５上に焼結層を任意の形状に造形する操作と、造形した焼結層を積層する操作とを繰り返すことで、任意の形状の三次元構造を有する金属造形物Ｘを製造できる。
造形部４は、図示略のシールドガス供給部と接続されている。シールドガス供給部は、造形部４内にシールドガスを供給して、造形部４内から酸素ガスをパージできる形態であれば特に限定されない。造形部４がシールドガス供給部と接続されていることにより、金属粉末Ｍが酸化しにくくなり、金属粉末Ｍの変性を防止しやすくなる。そのため、金属構造物Ｘの機械的物性がさらに向上し、金属造形物Ｘの形状の劣化がさらに低減される。
第１の供給槽６は、金属粉末Ｍを一時的に貯蔵する槽である。第１の供給槽６には搬送部３から搬送された金属粉末Ｍが貯蔵されている。第１の供給槽６の底部は、供給経路７と接続されている。供給経路７は第１の端部が第１の供給槽６の底部と接続され、第２の端部が造形ステージ５と接続されている。これにより、第１の供給槽６から、供給経路７を介して造形ステージ５に金属粉末Ｍが供給される。このように本実施形態では、密閉容器３０内の金属粉末Ｍを造形ステージ５に供給する供給装置が、上述の搬送装置と、第１の供給槽６と、供給経路７とで構成されている。
造形ステージ５は、焼結層の造形と、造形した焼結層の積層とが行われる場である。造形ステージ５は、第２の供給槽８と、造形槽９と、リコーター１０と、凹部１１とを有している。
第２の供給槽８は、金属粉末Ｍを貯蔵するとともに、金属粉末Ｍを造形槽９に供給するための槽である。第２の供給槽８は、供給経路７の第２の端部と接続されている。これにより、第２の供給槽８に金属粉末Ｍが供給される。
第２の供給槽８には第１の供給槽６から供給された金属粉末Ｍが敷き詰められている。第２の供給槽８の底面は、第１の昇降台１３に支持されている。第１の昇降台１３は、図中上方向に移動可能である。これにより、第２の供給槽８の底面は図中上方向に移動できる。
第２の供給槽８には第１の供給槽６から供給された金属粉末Ｍが敷き詰められている。第２の供給槽８の底面は、第１の昇降台１３に支持されている。第１の昇降台１３は、図中上方向に移動可能である。これにより、第２の供給槽８の底面は図中上方向に移動できる。
造形槽９は、金属粉末Ｍを貯蔵するとともに、金属造形物Ｘの造形を行うための槽である。造形槽９には第２の供給槽８から供給された金属粉末Ｍが敷き詰められている。また、造形槽９では造形途中の金属造形物Ｘが形成されている。
造形槽９の底面は、第２の昇降台１２に支持されている。第２の昇降台１２は、図１中下方向に移動可能である。これにより、造形槽９の底面は図中下方向に移動できる。
造形槽９の底面は、第２の昇降台１２に支持されている。第２の昇降台１２は、図１中下方向に移動可能である。これにより、造形槽９の底面は図中下方向に移動できる。
リコーター１０は、第２の供給槽８に貯蔵された金属粉末Ｍを造形槽９に供給するとともに、第２の供給槽８及び造形槽９の上面を造形ステージ５の上面と均一にする。
リコーター１０は、造形ステージ５の上面に沿って、図１中の水平方向に移動可能である。リコーター１０の先端１０ａは、造形ステージ５の上面と接している。そのため、リコーター１０が図１中の左方向に移動すると、造形ステージ５の上面にある金属粉末が図１中の左方向に搬送されるとともに、第２の供給槽８及び造形槽９の上面が造形ステージ５の上面と均一になる。
リコーター１０は、造形ステージ５の上面に沿って、図１中の水平方向に移動可能である。リコーター１０の先端１０ａは、造形ステージ５の上面と接している。そのため、リコーター１０が図１中の左方向に移動すると、造形ステージ５の上面にある金属粉末が図１中の左方向に搬送されるとともに、第２の供給槽８及び造形槽９の上面が造形ステージ５の上面と均一になる。
凹部１１は、造形ステージ５の上面に設けられている。リコーター１０によって搬送される金属粉末Ｍのうち、造形槽９に供給されなかった残りの金属粉末Ｍは、リコーター１０が図１に示す凹部１１の位置まで移動することにより、凹部１１に貯留される。
以上説明した第１の実施形態に係る金属造形物の製造装置によれば、金属粉末が封入された密閉容器を不活性ガス雰囲気下にある内部空間に収容する搬送部を備えるため、金属粉末と大気との接触を防止でき、金属粉末の酸化及び吸湿を低減できる。よって、酸化及び吸湿が低減された金属粉末を原料として用いることができるため、金属粉末の流動性を損なうことなく、金属粉末を造形ステージにスムーズに供給できるとともに、靱性及び耐割れ性に優れる金属造形物を製造できる。
［金属造形物の製造方法］
以下、第１の実施形態に係る金属造形物の製造方法について説明する。
本実施形態の金属造形物の製造方法は、上述した構成を備える金属造形物の製造装置２０を用いた金属造形物の製造方法である。以下、図１を参照して、第１の実施形態に係る金属造形物の製造方法について、具体的に説明する。
以下、第１の実施形態に係る金属造形物の製造方法について説明する。
本実施形態の金属造形物の製造方法は、上述した構成を備える金属造形物の製造装置２０を用いた金属造形物の製造方法である。以下、図１を参照して、第１の実施形態に係る金属造形物の製造方法について、具体的に説明する。
まず、第１の実施形態に係る金属造形物の製造方法では、金属粉末Ｍが封入された密閉容器３０（図２参照）を、内部空間が不活性ガス雰囲気下にある搬送部３に収容する。搬送部３の内部空間を不活性ガス雰囲気下に維持する方法としては、図示略の不活性ガスの供給源から搬送部３の内部空間に不活性ガスを供給し、搬送部３の内部空間をパージする方法が例示される。
次に、密閉容器３０を、搬送部３が有する開封装置によって不活性ガス雰囲気下にある搬送部３の内部空間で開封する。その後、密閉容器３０内の金属粉末Ｍを、搬送部３が有する搬送装置によって、搬送部３の内部空間から搬送部３の外部空間にある第１の供給槽６に搬送する。第１の供給槽６に搬送された金属粉末Ｍは、一時的に第１の供給槽６で貯蔵された後、供給経路７を経て第２の供給槽８に供給される。
次に、第２の供給槽８に供給された金属粉末Ｍを造形ステージ５が有する造形槽９に供給する。第２の供給槽８から造形槽９への金属粉末Ｍの供給は、例えば下記の様にして行われる。
まず、第１の昇降台１３が上方に移動する。これにより、第２の供給槽８に貯蔵された金属粉末Ｍの上面が造形ステージ５の上面より上方に移動する。第１の昇降台１３の上昇距離によって造形槽９への金属粉末Ｍの供給量が決定されるため、造形槽９の金属粉末Ｍの貯蔵量に応じて、前記上昇距離を調節することが好ましい。
まず、第１の昇降台１３が上方に移動する。これにより、第２の供給槽８に貯蔵された金属粉末Ｍの上面が造形ステージ５の上面より上方に移動する。第１の昇降台１３の上昇距離によって造形槽９への金属粉末Ｍの供給量が決定されるため、造形槽９の金属粉末Ｍの貯蔵量に応じて、前記上昇距離を調節することが好ましい。
次に、リコーター１０が図１中の左方向に移動する。これにより、第２の供給槽８に貯蔵された金属粉末Ｍであって、造形ステージ５の上面より上方に位置する金属粉末Ｍが造形槽９に供給される。より具体的には、リコーター１０の先端１０ａによって、造形ステージ５の上面より上方に位置する金属粉末Ｍが造形槽９に搬送される。この際、金属粉末Ｍの上面が造形ステージ５の上面と一致するように、金属粉末Ｍの上面がリコーター１０の先端１０ａによって平坦化され、金属粉末Ｍが造形槽９に敷き詰められる。
リコーター１０は、金属粉末Ｍを第２の供給槽８から造形槽９に供給した後、図１中に示す凹部１１の位置まで移動する。これにより、レーザーの照射により生じたヒューム、スパッタ、金属粒子の凝集粒子及び金属粉末Ｍの酸化物がリコーター１０によって凹部１１に搬送される。その結果、凹部１１には、第２の供給槽８から造形槽９に敷き詰めることができなかった未使用の金属粉末Ｍとともに、レーザーの照射により生じたヒューム、スパッタ、金属粒子の凝集粒子及び金属粉末Ｍの酸化物が貯留される。
造形槽９に金属粉末Ｍを供給した後、製造装置２０はあらかじめ入力されたデータにしたがい、造形槽９に敷き詰められている金属粉末Ｍにレーザーを照射する。レーザーが照射されると、レーザーが照射された部分の金属粉末Ｍが焼結され、焼結層がレーザーの描画線に沿って任意の形状に造形される。焼結が終わると、第２の昇降台１２が下方に移動し、造形槽９に敷き詰められた金属粉末Ｍの上面が造形ステージ５の上面より下方に移動する。ここで、金属粉末Ｍの焼結層の厚さは、第２の昇降台１２の下降距離によって決定される。
レーザーの照射に際しては、図示略のシールドガス供給部から造形部４内にシールドガスを供給して、造形部４内から酸素ガスをパージすることが好ましい。これにより、金属構造物Ｘの機械的物性をさらに高め、形状の劣化をさらに防止できる。造形部４内の酸素ガスの濃度が０．８％以下になるまでパージを行うことが好ましい。造形部４内の酸素ガスの濃度が０．８％以下であると、金属粉末Ｍが酸化しにくく、金属粉末Ｍの変質を防止しやすい。
次に、第１の昇降台１３が上方に移動し、第２の供給槽８に敷き詰められた金属粉末Ｍの上面が造形ステージ５の上面より上方に移動する。第１の昇降台１３が上方に移動した後、リコーター１０が図１中左方向に移動する。これにより、造形ステージ５の上面より上方に位置する金属粉末Ｍが造形槽９にリコーター１０の先端１０ａによって搬送され、造形槽９に敷き詰められる。この際、金属粉末Ｍの上面が造形ステージ５の上面と一致するように、金属粉末Ｍの上面がリコーター１０の先端１０ａによって平坦化される。
金属粉末Ｍの上面が平坦化された後、レーザーを再度照射すると、すでに造形した焼結層の上方に新たな焼結層が任意の形状で造形されるとともに、新たに造形された焼結層が、すでに造形された焼結層の上方に積層される。
このように造形部４では、造形ステージ５上におけるレーザーの照射と金属粉末Ｍの供給とを繰り返して金属造形物Ｘが造形される。
あらかじめデータが入力されたすべての焼結層の造形と、積層とが完了すると、金属造形物Ｘが完成する。完成した金属造形物は、造形槽９から取り出される。
このように造形部４では、造形ステージ５上におけるレーザーの照射と金属粉末Ｍの供給とを繰り返して金属造形物Ｘが造形される。
あらかじめデータが入力されたすべての焼結層の造形と、積層とが完了すると、金属造形物Ｘが完成する。完成した金属造形物は、造形槽９から取り出される。
以上説明した第１の実施形態に係る金属造形物の製造方法によれば、金属粉末が封入された密閉容器を、内部空間が不活性ガス雰囲気下にある搬送部に収容するため、金属粉末と大気との接触を防止でき、金属粉末の酸化及び吸湿を低減できる。よって、酸化及び吸湿が低減された金属粉末を原料として供給できるため、金属粉末の流動性を損なうことなく、金属粉末を造形ステージにスムーズに供給できるとともに、靱性及び耐割れ性に優れる金属造形物を製造できる
なお、以上説明した第１の実施形態に係る製造装置２０は、造形部４外に搬送部３を備える構成であるが、搬送部３は造形部４内に収容されていてもよい。
＜第２の実施形態＞
以下、本発明を適用した一実施形態である第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の説明において、第１の実施形態で説明した構成と、同一の構成については、同一の語及び同一の符号を用い、その説明を省略する。
以下、本発明を適用した一実施形態である第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の説明において、第１の実施形態で説明した構成と、同一の構成については、同一の語及び同一の符号を用い、その説明を省略する。
［金属造形物の製造装置］
以下、第２の実施形態に係る金属造形物の製造装置５０の構成について説明する。
図３は、第２の実施形態に係る金属造形物の製造装置５０の構成の一例を示す模式図である。図３に示すように、第２の実施形態に係る製造装置５０は、上述した搬送部３が搬送部５３に、上述した造形部４が造形部２１にそれぞれ置換されているとともに、搬送部５３が造形部２１内に収容されている点以外は、第１の実施形態に係る製造装置２０と同一の構成を備えている。
以下、第２の実施形態に係る金属造形物の製造装置５０の構成について説明する。
図３は、第２の実施形態に係る金属造形物の製造装置５０の構成の一例を示す模式図である。図３に示すように、第２の実施形態に係る製造装置５０は、上述した搬送部３が搬送部５３に、上述した造形部４が造形部２１にそれぞれ置換されているとともに、搬送部５３が造形部２１内に収容されている点以外は、第１の実施形態に係る製造装置２０と同一の構成を備えている。
搬送部５３は、金属粉末Ｍが封入された密閉容器を、不活性ガス雰囲気下にある内部空間に収容する。搬送部５３の内部空間が不活性ガス雰囲気下にあることにより、搬送部５３の内部空間に収容された密閉容器を開封した後でも、金属粉末Ｍの酸化及び吸湿を防止できる。
図４は、製造装置５０が備える搬送部５３の内部空間に収容される密閉容器４０の構成の一例を示す断面図である。図４に示すように密閉容器４０は、容器蓋４０ａと、容器本体４０ｂとを備える。容器蓋４０ａは容器本体４０ｂを密閉するための蓋である。容器蓋４０ａ及び容器本体４０ｂの材質はＳＵＳ等のステンレス製である。
容器蓋４０ａはパッキン材４１と、ゲッター材４２とを有している。パッキン材４１及びゲッター材４２については、第１の実施形態で説明したパッキン材３１及びゲッター材３２と同様のものが例示される。
容器本体４０ｂは金属粉末Ｍを貯蔵している。容器本体４０ｂは、容器の内側の表面に酸化被膜４３を有している。酸化被膜４３は、その機能及び性能において、第１の実施形態で説明した酸化被膜３３と同様である。
搬送部５３（図３参照）は、上述の密閉容器４０を搬送部５３の内部空間で開封する図示略の開封装置を有している。開封装置としては、搬送部５３の内部空間と外部空間とを貫通する操作アームが例示される。操作アームとしては、密閉容器４０を開封する操作を搬送部５３の外部空間から制御できる形態であれば特に限定されない。操作アームとしてはアーム型ロボットが例示される。
図３に示す製造装置５０では、容器本体４０ｂが図４に示す開口面４４を下方向に向けた状態で搬送部５３に収容されている。これにより、容器本体４０ｂ内の金属粉末Ｍが重力の影響を受け、第１の供給槽２２に搬送される。
造形部２１は、金属粉末Ｍを焼結等して焼結層を任意の形状に造形する操作と、造形した焼結層を積層する操作とを繰り返すことで、任意の形状の三次元構造を有する金属造形物を製造するための筐体である。
図３に示すように、造形部２１は第１の供給槽２２と、供給経路２３と、第２の供給槽２４と、リコーター２５と、造形ステージ２８とを収容している。また、第２の実施形態では、搬送部５３が造形部２１の内部空間の上部に設けられている。
図３に示すように、造形部２１は第１の供給槽２２と、供給経路２３と、第２の供給槽２４と、リコーター２５と、造形ステージ２８とを収容している。また、第２の実施形態では、搬送部５３が造形部２１の内部空間の上部に設けられている。
第１の供給槽２２は、金属粉末Ｍを一時的に貯蔵する槽である。第１の供給槽２２には搬送部５３から搬送された金属粉末Ｍが貯蔵されている。第１の供給槽２２の底部は、供給経路２３と接続されている。供給経路は第１の端部が第１の供給槽２２の底部と接続され、第２の端部が第２の供給槽２４と接続されている。これにより、第１の供給槽２２から、供給経路２３を介して第２の供給槽２４に金属粉末Ｍが供給される。
第２の実施形態では、リコーター２５は、第２の供給槽２４に貯蔵された金属粉末Ｍを造形ステージ２８に供給する。
リコーター２５は、第２の供給槽２４の下方に設けられている。リコーター２５は、造形ステージ５の上面に沿って、図３中の水平方向に移動しながら第２の供給槽２４に貯蔵された金属粉末Ｍを造形ステージ２８に供給できる。
リコーター２５は、第２の供給槽２４の下方に設けられている。リコーター２５は、造形ステージ５の上面に沿って、図３中の水平方向に移動しながら第２の供給槽２４に貯蔵された金属粉末Ｍを造形ステージ２８に供給できる。
このように本実施形態では、密閉容器４０内の金属粉末Ｍを造形ステージ２８に供給する供給装置が、第１の供給槽２２と、供給経路２３と、第２の供給槽２４と、リコーター２５とを備えて構成されている。
リコーター２５は後述する造形槽２６の上面を造形ステージ２８の上面と均一にする。リコーター２５の先端２５ａは、造形ステージ２８の上面と接している。これにより、リコーター２５が図３中の右方向に移動すると、造形槽２６に貯蔵された金属粉末Ｍの上面が造形ステージ２８の上面と均一になる。
リコーター２５は後述する造形槽２６の上面を造形ステージ２８の上面と均一にする。リコーター２５の先端２５ａは、造形ステージ２８の上面と接している。これにより、リコーター２５が図３中の右方向に移動すると、造形槽２６に貯蔵された金属粉末Ｍの上面が造形ステージ２８の上面と均一になる。
造形ステージ２８は、焼結層の造形と、造形した焼結層の積層とが行われる場である。造形ステージ２８は、造形槽２６と、昇降台２７とを有している。
造形槽２６は、金属粉末Ｍを貯蔵するとともに、金属造形物Ｘの造形を行うための槽である。造形槽２６にはリコーター２５の先端２５ａから供給された金属粉末Ｍが敷き詰められている。また、造形槽２６では造形途中の金属造形物Ｘが形成されている。
造形槽２６の底面は、昇降台２７に支持されている。昇降台２７は、図中下方向に移動可能である。これにより、造形槽２６の底面は図３中の下方向に移動できる。
造形槽２６は、金属粉末Ｍを貯蔵するとともに、金属造形物Ｘの造形を行うための槽である。造形槽２６にはリコーター２５の先端２５ａから供給された金属粉末Ｍが敷き詰められている。また、造形槽２６では造形途中の金属造形物Ｘが形成されている。
造形槽２６の底面は、昇降台２７に支持されている。昇降台２７は、図中下方向に移動可能である。これにより、造形槽２６の底面は図３中の下方向に移動できる。
以上説明した構成を備える第２の実施形態に係る金属造形物の製造装置５０は、第１の実施形態に係る金属造形物の製造装置２０と同様の作用効果を奏するほか、重力を利用して搬送部５３から第１の供給槽２２に金属粉末Ｍを搬送できるため、製造装置５０は、製造装置２０では必須の構成である搬送部３が有する搬送装置を省略し簡略化できる。
［金属造形物の製造方法］
以下、第２の実施形態に係る金属造形物の製造方法の一例について説明する。
本実施形態の金属造形物の製造方法は、上述した構成を備える金属造形物の製造装置５０を用いた金属造形物の製造方法である。以下、図３を参照して、第２の実施形態に係る金属造形物の製造方法について、具体的に説明する。
以下、第２の実施形態に係る金属造形物の製造方法の一例について説明する。
本実施形態の金属造形物の製造方法は、上述した構成を備える金属造形物の製造装置５０を用いた金属造形物の製造方法である。以下、図３を参照して、第２の実施形態に係る金属造形物の製造方法について、具体的に説明する。
まず、本実施形態の金属造形物の製造方法では、金属粉末Ｍが封入された密閉容器４０（図４参照）を、内部空間が不活性ガス雰囲気下にある搬送部５３に収容する。この際、密閉容器４０の開口面４４を図４中下方向に向けた状態で、搬送部５３に密閉容器４０を収容する。
次に、密閉容器４０を、搬送部５３が有する開封装置によって不活性ガス雰囲気下にある搬送部５３の内部空間で開封する。密閉容器４０内の金属粉末Ｍは、重力の影響を受けて、搬送部５３の内部空間から搬送部５３の外部空間にある第１の供給槽２２に搬送される。第１の供給槽２２に搬送された金属粉末Ｍは、一時的に第１の供給槽２２で貯蔵された後、供給経路２３を経て第２の供給槽２４に供給される。
次に、第２の供給槽２４に供給された金属粉末Ｍを造形ステージ２８が有する造形槽２６に供給する。第２の供給槽２４から造形槽２６への金属粉末Ｍの供給は、例えば下記の様にして行われる。
第２の供給槽２４に供給された金属粉末Ｍは、一時的に第２の供給槽２４で貯蔵された後、リコーター２５によって、造形槽２６に供給される。第２の供給槽２４から造形槽２６への金属粉末Ｍの供給は、リコーター２５が図３中の右方向に移動しながら、リコーター２５の先端２５ａから金属粉末Ｍを供給して行わる。
第２の供給槽２４に供給された金属粉末Ｍは、一時的に第２の供給槽２４で貯蔵された後、リコーター２５によって、造形槽２６に供給される。第２の供給槽２４から造形槽２６への金属粉末Ｍの供給は、リコーター２５が図３中の右方向に移動しながら、リコーター２５の先端２５ａから金属粉末Ｍを供給して行わる。
リコーター２５が図３中の右方向に移動する際、金属粉末Ｍの上面が造形ステージ２８の上面と一致するように、金属粉末Ｍの上面がリコーター２５の先端２５ａによって平坦化され、金属粉末Ｍが造形槽２６に敷き詰められる。
造形槽２６に金属粉末Ｍが貯蔵された後、製造装置５０はあらかじめ入力されたデータにしたがい、造形槽２６に敷き詰められている金属粉末Ｍにレーザーを照射する。レーザーが照射されると、レーザーが照射された部分の金属粉末Ｍが焼結され、焼結層がレーザーの描画線に沿って任意の形状に造形される。焼結が終わると、昇降台２７が下方に移動し、造形槽２６に敷き詰められた金属粉末Ｍの上面が造形ステージ２８の上面より下方に移動する。ここで、金属粉末Ｍの焼結層の厚さは、昇降台２７の下降距離によって決定される。
次に、リコーター２５が図３に示す位置に戻り、再度、造形槽２６に金属粉末Ｍを供給しながら図３に示す右方向に移動する。この際、造形槽２６に貯蔵された金属粉末Ｍの上面が造形ステージ２８の上面と一致するように、金属粉末Ｍの上面がリコーター２５の先端２５ａによって平坦化される。
金属粉末Ｍの上面が平坦化された後、レーザーを再度照射すると、すでに造形した焼結層の上方に新たな焼結層が任意の形状で造形されるとともに、新たに造形された焼結層が、すでに造形された焼結層の上方に積層される。
このようにして造形部２１では、造形ステージ２８上におけるレーザーの照射と金属粉末Ｍの供給とを繰り返して金属造形物Ｘが造形される。
このようにして造形部２１では、造形ステージ２８上におけるレーザーの照射と金属粉末Ｍの供給とを繰り返して金属造形物Ｘが造形される。
以上説明した第２の実施形態に係る金属造形物の製造方法は、第１の実施形態に係る金属造形物の製造方法と同様の作用効果を奏するほか、重力を利用して搬送部５３から第１の供給槽２２に金属粉末Ｍを搬送し、金属粉末Ｍを造形部ステージ２８に供給できるため、第１の実施形態に係る金属造形物の製造方法に比べて操作を簡略化できる。
以上本発明のいくつかの実施形態を説明したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されない。また、本発明は特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が加えられてよい。
例えば、以上説明した実施形態に係る製造装置では、金属粉末をレーザーの照射によって焼結していたが、上述した製造装置は金属粉末をレーザー又は電子ビームの照射によって、溶融固化させる形態であってもよい。
（参考例１）
金属粉末として、チタン合金Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ（Φ１０〜４５μｍ）を使用した。粉末密閉容器として、一般的な樹脂製の容器を使用した。温度１８〜２５℃、湿度３５〜７０％の環境で保管した。
未使用粉末および上記条件で一週間〜五週間保管した粉末について酸素含有量を測定した。
（測定方法）
「酸素含有量［ｗｔ％］」は、金属粉末について、ＬＥＣＯ社製酸素分析計ＴＣ−６００を用いて測定した。
「酸素含有量［ｗｔ％］」は、金属粉末について、ＬＥＣＯ社製酸素分析計ＴＣ−６００を用いて測定した。
（参考例２）
比較例２では、粉末密閉容器として、図２に示す密閉容器３０を使用した。材質はステンレス、乾燥剤として塩化カルシウムを用いた。内面はパシベート処理を行っている。その他の条件は、比較例１と同条件で金属粉末の酸素含有量測定を行った。
比較例２では、粉末密閉容器として、図２に示す密閉容器３０を使用した。材質はステンレス、乾燥剤として塩化カルシウムを用いた。内面はパシベート処理を行っている。その他の条件は、比較例１と同条件で金属粉末の酸素含有量測定を行った。
得られた測定結果を図５に示す。図５に示す参考例１および参考例２の結果より、通常容器を用いて金属粉末を保管した場合と比較して、容器３０を用いて金属粉末を保管した場合、粉末の含有酸素量はより長期間にわたり一定に保たれることが確認された。これは、大気中の水分の吸着および酸化が抑制されたためであると考えられる。
またこの結果から、容器３０を用いて金属造形物製造装置内に金属粉末を供給した場合にも、同様の効果が得られ、造形物の品質にも一定の効果が見込める。
またこの結果から、容器３０を用いて金属造形物製造装置内に金属粉末を供給した場合にも、同様の効果が得られ、造形物の品質にも一定の効果が見込める。
本発明によれば、金属粉末の流動性を損なうことなく、靱性及び耐割れ性に優れる金属造形物を製造できる金属造形物の製造装置及びその製造方法を提供できる。
１…レーザー発振器、２…光学系、３，５３…搬送部、４，２１…造形部、５，２８…造形ステージ、６，２２…第１の供給槽、７，２３…供給経路、８，２４…第２の供給槽、９，２６…造形槽、１０，２５…リコーター、１１…凹部、１２…第２の昇降台、１３…第１の昇降台、２０…金属造形物の製造装置、２７…昇降台、３０，４０…密閉容器、３１，４１…パッキン材、３２，４２…ゲッター材、３３，４３…酸化被膜、Ｍ…金属粉末、Ｘ…金属造形物
Claims (8)
- 造形ステージに貯蔵された金属粉末を焼結して又は前記金属粉末を溶融固化させて金属の層を造形し、前記層を積層して金属造形物を製造する装置であって、
金属粉末が封入された密閉容器を、不活性ガス雰囲気下にある内部空間に収容する搬送部と、
前記密閉容器を前記内部空間で開封する開封装置と、
前記密閉容器内の金属粉末を前記造形ステージに供給する供給装置と、
を備えることを特徴とする、金属造形物の製造装置。 - 前記密閉容器が乾燥剤を有する、請求項１に記載の金属造形物の製造装置。
- 前記乾燥剤が塩化カルシウムである、請求項２に記載の金属造形物の製造装置。
- 前記密閉容器がステンレス製であるとともに、前記密閉容器の内面がパシベート処理されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属造形物の製造装置。
- 造形ステージに貯蔵された金属粉末を焼結して又は前記金属粉末を溶融固化させて金属の層を造形し、前記層を積層して金属造形物を製造する方法であって、
金属粉末が封入された密閉容器を、内部空間が不活性ガス雰囲気下にある搬送部に収容し、
前記密閉容器を前記内部空間で開封し、
前記密閉容器内の金属粉末を前記造形ステージに供給することを特徴とする、金属造形物の製造方法。 - 前記密閉容器が乾燥剤を有する、請求項５に記載の金属造形物の製造方法。
- 前記乾燥剤が塩化カルシウムである、請求項６に記載の金属造形物の製造方法。
- 前記密閉容器がステンレス製であるとともに、前記密閉容器の内面がパシベート処理されている、請求項５〜７のいずれか一項に記載の金属造形物の製造方法。
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