TWI707768B - 積層造型裝置 - Google Patents

Abstract

一種積層造型裝置，其具備照射裝置、加工裝置、以及冷卻裝置。照射裝置對材料層照射光束形成硬化層，材料層形成於按照規定高度分割所期望的三維造型物得到的多個分割層中的每一個分割層。加工裝置包含把持對硬化層進行加工的工具的加工頭、和使加工頭在至少水平方向上移動的加工頭驅動裝置。冷卻裝置設置在加工頭，將包含硬化層積層得到的硬化體的上表面的至少一部分冷卻成規定的冷卻溫度。冷卻裝置包含冷卻板，冷卻板具有冷卻成冷卻溫度的冷卻面，在冷卻面沿水平方向的橫臥狀態下與硬化體的上表面緊密接觸。

Description

積層造型裝置

本發明涉及一種積層造型裝置。

金屬積層造型有多種方式。例如燒結積層造型法，其在被非活性氣體充滿的密閉空腔內，於可在上下方向上移動的造型台上，形成由材料粉體組成的材料層。隨後，向材料層的規定位置照射激光或電子束，使照射位置的材料粉體熔融或燒結，從而形成硬化層。重複形成上述材料層和硬化層，來積層硬化層。通過上述方式，生成所期望的三維造型物。此處，所指硬化層包含熔融層和燒結層。此外，將積層得到的硬化層稱為硬化體。

在這種金屬積層造型中，有時會需要對造型後的三維造型物或造型過程中的硬化層進行溫度調整。例如，日本專利第6295001號中公開了一種積層造型方法，其中，每當形成1層或多層硬化層時，需要有意地進行馬氏體相變。這樣，因馬氏體相變引起的壓縮應力會減輕金屬收縮引起的拉伸應力，從而抑制因造型物的殘留應力造成的變形。在所述造型方法中，因為是有意地推進馬氏體相變，所以需要在每一次形成1層或多層硬化層時，對該硬化層進行規定溫度調整。

[發明所要解決的課題]

當實施上述積層造型方法時，需要對硬化層進行冷卻和加熱。通常，是通過配置在造型台內的溫度調整機構來進行硬化層溫度調整的。因此，每當形成1層或多層硬化層時，即使需要溫度控制的硬化層僅是硬化體的一部分，但仍然需要對積層後的硬化體整體進行冷卻和加熱，從而造成需要很長時間進行溫度調整的問題。

鑒於上述情況，本發明的目的在於：提供一種積層造型裝置，其在三維造型物積層造型中，能夠通過一種具有相對簡單構造的冷卻裝置來對硬化體的上表面直接冷卻。 [為了解決課題的手段]

根據本發明，提供一種積層造型裝置，其具備加工裝置和冷卻裝置，其中，所述加工裝置具備：照射裝置，向材料層照射光束形成硬化層，所述材料層形成於用規定高度分割所期望的三維造型物而得到的多個分割層中的每一個分割層上；加工頭，把持對所述硬化層進行加工的工具；以及，加工頭驅動裝置，使所述加工頭在至少水平方向上移動；所述冷卻裝置設置在所述加工頭上，且將包含由所述硬化層積層而得的硬化體的上表面的至少一部分冷卻至規定的冷卻溫度，其中，所述冷卻裝置包含冷卻板，所述冷卻板具有冷卻至所述冷卻溫度的冷卻面，且在所述冷卻面沿水平方向上的橫臥狀態下與所述硬化體的所述上表面緊密接觸。 [發明的效果]

在本發明中，由於冷卻裝飾設置有加工頭，因此可以使用加工頭驅動裝置使加工頭至少在水平方向上移動，從而將冷卻裝置移動到所需位置。因此，不需要設置其他驅動裝置來使冷卻裝置在水平方向上移動。此外，冷卻裝置包含與硬化體的上表面緊密接觸的冷卻板。因此，本發明能夠通過具有相對簡單的構造的冷卻裝置，直接冷卻硬化體的上表面。

以下，使用附圖說明本發明的實施方式。在以下所示的實施方式中示出的各種技術特徵可彼此組合，且可獨立構成本發明。在以下說明中，X軸、Y軸、Z軸的方向如在圖1和圖2所定義的方向。具體而言，將作為圖1中的左右方向且圖2中的前後方向，即以規定的水準1軸方向為X軸。將作為圖1中的前後方向且圖2中的左右方向，即以與X軸正交的另一水準1軸方向為Y軸。並且，將作為圖1和圖2中的上下方向，即以規定的豎直1軸方向為Z軸。

本發明實施方式所涉及的積層造型裝置100反復進行形成材料層8的步驟、向該材料層8的照射區域照射光束(諸如激光L)進行熔融或燒結的步驟。積層多個固化層，從而生成具有所期望的形狀的三維造型物。

本發明的積層造型裝置100具備空腔1、照射裝置13、材料層形成裝置3、加工裝置47、以及冷卻裝置65。圖1是積層造型裝置100的概略正面圖；圖2是積層造型裝置100的概略側面圖。空腔1覆蓋規定的造型區域R，並填滿一定濃度的非活性氣體。空腔1被隔開部53分割成前空腔1f和後空腔1r。隔開部53由例如可伸縮的波紋管構成。在前空腔1f中形成所期望的三維造型物。在後空腔1r中收容加工裝置47的加工頭驅動裝置52的絕大部分。

在前空腔1f內設置有材料層形成裝置3。材料層形成裝置3在造型區域R中將所期望的三維造型物按照規定高度分割而成的多個分割層的每一層上形成材料層。材料層形成裝置3具有基台4和塗覆機頭11。在本實施方式中，形成材料層8的材料由材料粉體組成。材料粉體例如是金屬粉，可以是例如平均粒徑為20μm的球形。

基台4具有形成所期望的三維造型物的造型區域R。造型區域R設置在造型台5上。造型台5可以由造型台驅動機構31驅動並在上下方向上(圖1中的箭頭U方向)移動。在本實施方式中，當使用積層造型裝置時，將基板33配置在造型台5上，並在基板33上形成第一層材料層8。應予說明，材料層8的照射區域存於造型區域R內，並與由所期望的三維造型物的輪廓形狀所規定的區域基本一致。

圍繞造型台5設置粉體保持壁26。在由粉體保持壁26和造型台5圍繞而成的粉體保持空間中保持未固化的材料粉體。在粉體保持壁26的下側還可以設置可排出粉體保持空間內的材料粉體的粉體排出部。

在造型台5內部設置有用來調整造型台5溫度的溫度調整機構。溫度調整機構具有設置在造型台5內部的加熱器和冷卻器。加熱器是例如電熱器或流通熱媒的管路。冷卻器是例如流通熱媒的管路。應予說明，溫度調整機構的冷卻器是能夠進行一定程度冷卻的構造，也可以是能夠冷卻至比稍後描述的冷卻裝置65的冷卻溫度高的溫度的構造。例如，冷卻器可將造型台5冷卻至常溫，具體為大致5°C到35°C.。

如圖3所示的塗覆機頭11具有材料收容部11a、材料供給部11b、以及材料排出部。材料收容部11a收容材料粉體。材料供給部11b設置在材料收容部11a的上面，作為從未圖示的材料供給裝置向材料收容部11a供給材料粉體的接收口。材料排出部設置在材料收容部11a的底面，排出材料收容部11a內的材料粉體。材料排出部構成為狹縫形狀，該狹縫形狀沿與塗覆機頭11的移動方向(箭頭B方向)正交的水準1軸方向(箭頭C方向)延伸。並且，塗覆機頭11的兩側面分別具備刮刀12。刮刀12散佈材料粉體。即，刮刀12使從材料排出部排出的材料粉體平坦從而形成材料層8。

向空腔1供給規定濃度的非活性氣體。並且，含有材料層8熔融時生成的煙氣的非活性氣體從空腔1排出。優選從空腔1排出的非活性氣體除去煙氣後被返送回空腔1中。具體而言，空腔1經由非活性氣體供給裝置15、廢料箱21、23與煙氣收集器19連接。設置於空腔1的非活性氣體的供給口和排出口的位置以及個數不特別限定。應予說明，在本發明中，所謂非活性氣體是指實質上不與材料發生反應的氣體，可以根據材料的種類適當地從氮氣、氬氣、或氦氣中選取。

非活性氣體供給裝置15具有供給非活性氣體的功能，例如是從周圍的空氣中生成規定濃度的非活性氣體的非活性氣體發生裝置、或儲藏規定濃度的非活性氣體的氣體鋼瓶。非活性氣體發生裝置為膜分離方式、PSA方式等，可以根據生成的非活性氣體的種類和濃度採用各種方式。非活性氣體供給裝置15從設置在空腔1上的供給口供給非活性氣體，用規定濃度的非活性氣體充滿空腔1。優選從非活性氣體供給裝置15供給的非活性氣體是乾燥的。具體而言，優選非活性氣體的露點溫度(Dew Point Temperature)低於冷卻裝置65的冷卻溫度。因為稍後描述的冷卻裝置65的冷卻板70在空腔1內移動，所以如果在空腔1內充滿經過乾燥後的非活性氣體的話，可以抑制冷卻板70結露。也就是說，當非活性氣體供給裝置15為非活性氣體發生裝置時，優選非活性氣體發生裝置具備乾燥裝置，所述乾燥裝置乾燥作為用來生成非活性氣體的原料的空氣。若當非活性氣體供給裝置15為氣體鋼瓶時，優選在氣體鋼瓶中儲存足夠乾燥的非活性氣體。

包含很多由空腔1的排出口排出的煙氣的非活性氣體被送至煙氣收集器19，在去除煙氣後被送回空腔1。煙氣收集器19只要是具有去除煙氣功能即可，例如電動集塵器或篩檢程式。

如圖2所示，加工裝置47具備加工頭50、以及用來驅動加工頭50的加工頭驅動裝置52。加工頭驅動裝置52具有：使配置在前空腔1f內的加工頭50在Y軸方向上移動的Y軸驅動部52b；配置在機床51上且使Y軸驅動部52b在X軸方向上移動的X軸驅動部52a；以及，使加工頭50在Z軸方向上移動的Z軸驅動部52c。更具體地，X軸驅動部52a具有：固定在機床51上且沿X軸方向延伸的X軸導軌；沿X軸導軌滑動的X軸滑塊；以及，固定於X軸滑塊的X軸移動體。Y軸驅動部52b具有：固定於X軸移動體且沿Y軸方向延伸的Y軸導軌；沿Y軸導軌滑動的Y軸滑塊；以及，固定於Y軸滑塊的Y軸移動體。Z軸驅動部52c具有：固定於Y軸移動體且沿Z軸方向延伸的Z軸導軌；沿Z軸導軌滑動的且固定加工頭50的Z軸滑塊。

加工頭50具備主軸頭60。主軸頭60構成為可把持未圖示的立銑刀等切削工具並使其旋轉的方式，並能夠對硬化材料層8得到的硬化層的表面和不需要的部分進行切削加工。優選切削工具為多種類型的切削工具，所使用的切削工具可以利用未圖示的自動工具更換裝置在造型過程中進行更換。通過上述構成，加工頭50在前空腔1f內任意位置均能夠對硬化層進行切削加工。

應予說明，還可以代替上述實施方式，讓加工裝置具備：加工頭，該加工頭設置有把持切割頭等切削工具並使切削工具沿豎直方向的旋轉軸旋轉的旋轉機構；以及，用來水準驅動加工頭的加工頭驅動裝置。加工頭驅動裝置具有：一對第1水準移動機構；設置在該一對第1水準移動機構上的台架；以及，安裝到台架且固定有加工頭的第2水準移動機構。加工頭驅動裝置可以不具有使加工頭在Z軸方向上移動的驅動裝置。也就是說，加工頭驅動裝置可以構成為能夠使加工頭在至少水1平方向上移動的方式。

照射裝置13設置在前空腔1f上方。照射裝置13在形成於造型區域R上的材料層8的規定位置照射激光L等光束，使照射位置處的材料層8熔融或燒結，來形成硬化層。如圖3所示，照射裝置13具有光源42、掃描手段、以及聚焦控制單元44。應予說明，掃描手段具體為檢流計式光學掃描器(Galvano Scanner)，其具備檢流計式反射鏡43a、43b、使檢流計式反射鏡43a、43b分別旋轉的未圖示的致動器。

光源42照射激光L。這裡，激光L是可熔融材料粉體的激光光束，例如是CO₂ 激光、光纖激光、以及YAG激光等。應予說明，光源42也可以是照射電子束的結構。

聚焦控制單元44會聚從光源42發出的激光L並將其調整為所需的光斑直徑。檢流計式反射鏡43a、43b可控制從光源42發出的激光L使其二維掃描。檢流計式反射鏡43a、43b可以分別根據從未圖示的控制裝置輸出的旋轉角度控制信號的大小控制旋轉角度。利用該特徵，可以通過改變輸入到檢流計式光學掃描器的每個致動器中的旋轉角度控制信號的大小來將激光L照射在所需的位置上。

經由檢流計式反射鏡43a、43b的激光L透過設置在前空腔1f的保護窗1a照射在形成於造型區域R的材料層8。保護窗1a由可透過激光L的材料形成。例如，當激光L為光纖激光或YAG激光時，保護窗1a可由石英玻璃構成。 照射裝置可構成為對材料層8照射電子束。電子束融化或燒結材料層8以形成硬化層。照射裝置例如具備陰極、陽極、螺線管、以及捕集電極。其中，陰極發射電子，陽極會聚並加速電子，螺線管產生磁場以使電子束沿一個方向會聚。捕集電極電連接到材料層8。在陰極電極與捕集電極之間施加電壓。

在前空腔1f的上面以覆蓋保護窗1a的方式設置保護窗污染防止裝置17。保護窗污染防止裝置17具備圓筒狀的筐體17a、以及配置在筐體17a內的圓筒狀的擴散部件17c。在筐體17a與擴散部件17c之間設置非活性氣體供給空間17d。並且，在筐體17a的底面於擴散部件17c內側設置開口部17b。在擴散部件17c上設置多個細孔17e，供給至非活性氣體供給空間17d的乾淨的非活性氣體通過細孔17e充滿清潔室17f。充滿清潔室17f的乾淨的非活性氣體經過開口部17b後向保護窗污染防止裝置17下方噴出。

如圖4和圖5所示，本發明實施方式所涉及的加工頭50設置有冷卻裝置65。冷卻裝置65具備冷卻板70。冷卻板70具有用來冷卻的冷卻面70a，該冷卻面70a與用激光L等光束照射材料層8形成的硬化層所積層而得的硬化體81的上表面緊密接觸。具體而言，冷卻面70a是冷卻板70下側的面。應予說明，所謂硬化體81的上表面指的是在利用冷卻裝置65進行冷卻時的最上層的硬化層的上表面。

冷卻板70例如是利用溫度調整成規定的冷卻溫度的製冷劑來保持成規定的冷卻溫度。冷卻溫度根據所需三維造型物的製造方法設定成適宜的值，在本實施方式中為-20℃。在本實施方式中，作為製冷劑使用乙二醇和水的混合液，但也可以根據冷卻溫度選擇適當的製冷劑。如圖6所述，冷卻板70具備用來流通製冷劑的管路76。與管路76相連通的供給歧管73和排出歧管74分別通過未圖示的製冷劑循環軟管與使製冷劑循環的冷卻器20連接。在冷卻器20中調整為規定的冷卻溫度的製冷劑經過製冷劑循環軟管從供給歧管73流入到管路76內，並流過管路76內從排出歧管74排出。通過該方式，具備冷卻板70的冷卻面70a被冷卻成規定的冷卻溫度。

優選冷卻裝置65進一步具備旋轉部71。旋轉部71使冷卻板70在冷卻面70a沿水平方向橫臥狀態與冷卻面70a沿豎直方向站立狀態之間旋轉。當不進行用冷卻裝置65冷卻時，旋轉部71設定冷卻板70呈如圖7所示站立狀態。當進行用冷卻裝置65冷卻時，旋轉部71設定冷卻板70呈如圖8橫臥狀態。通過該方式，在利用照射裝置13形成硬化層或利用加工裝置47對硬化層進行加工時，能夠防止冷卻板70干擾。並且，可以使其構成為前空腔1f內的非活性氣體的流動不會受到阻礙。旋轉部71例如是氣式旋轉致動器。作為旋轉部71可以選用油壓式旋轉致動器或電動旋轉致動器等，也可以使用其他旋轉機構。

優選冷卻裝置65進一步具備冷卻板升降裝置72。冷卻板升降裝置72使處於橫臥狀態的冷卻板70在豎直方向上移動。從技術上來講，通過利用使主軸頭60在豎直方向上移動的Z軸驅動部52c，能夠同時將處於橫臥狀態的冷卻板70在豎直方向上移動。但是，當Z軸驅動部52c使冷卻板70抵接於硬化體81上表面時，負荷會被施加在Z軸驅動部52c上，從而可能影響加工裝置47的加工精度。當希望利用Z軸驅動部52c移動冷卻板70時，需要將Z軸驅動部52c做成大型的。因此，優選設置冷卻板升降裝置72，使冷卻板70能夠獨立地在豎直方向上移動。如圖9所示，冷卻板升降裝置72使處於橫臥狀態的冷卻板70在豎直方向上移動。冷卻板升降裝置72例如可以是氣缸。作為冷卻板升降裝置72可以選用油壓缸或電動機等，也可以使用其他驅動結構。

如圖10和圖11所示，在加工頭50和冷卻裝置65上設定有鎖定機構55，該鎖定機構55用於固定冷卻板70，使其處於站立狀態而不旋轉成橫臥狀態。作為鎖定機構55，期望是一種即使電力或壓縮空氣等動力停止時也能夠保持冷卻板70的固定的機構。具體而言，鎖定機構55包含設置在冷卻板70上的卡合部件75、以及設置在加工頭50上的缸體57。卡合部件75可以設定設置在加工頭50上，缸體57可以設置在冷卻板70上。在這種情況下，需要使用能夠承受冷卻溫度的缸體57。缸體57例如是液壓缸，更具體而言，是單作用氣缸(single acting cylinder)。在本實施方式中，雖然設置有1對缸體57，但只要是足以固定冷卻板70的話即可，不限定缸體57的數量。缸體57具有活塞56、插入活塞56的缸體管57a、以及彈性部件58。

在卡合部件75上設置卡合部75a。卡合部75a被活塞56夾持。另外，設置在卡合部件75前端的卡合部75a與活塞56的前端56a，使其固定為站立狀態的冷卻板70不旋轉為橫臥狀態。卡合部75a具有與活塞56的前端56a卡合的形狀即可，且是卡合部件75的一部分，例如在該部分中形成有凹槽、非通孔、或通孔。

在插入有活塞56的缸體管57a內設置有彈性部件58。彈性部件58總是在活塞56與卡合部75a卡合的方向上推動活塞56。彈性部件58例如是彈簧。由於彈性部件58總是推動活塞56，所以即使當店裡或壓縮氣體等動力停止時，依舊能夠持續固定冷卻板70使其不會旋轉，從而可以確保造型步驟中的安全性。

當使冷卻板70從站立狀態旋轉成橫臥狀態時，缸體57在接觸卡合部75a與活塞56前端56a的卡合的方向上移動活塞56。

優選在加工頭50上設置溫度測定單元95。溫度測定單元95包含測定硬化體81溫度的溫度感測器。本實施方式的溫度測定單元95包含與硬化體81上表面接觸並測定溫度的接觸式的溫度感測器95a、以及使溫度感測器95a在豎直方向上移動的溫度感測器升降裝置95b。溫度感測器95a例如是熱電偶，也可以使用電子溫度檢測器等其他溫度感測器。溫度感測器升降裝置95b例如是氣缸，也可以是油壓氣缸或電動機等其他驅動機構。溫度測定單元95可以構成為含有非接觸式的溫度感測器的方式，但當使用接觸式的溫度感測器95a時能夠更準確滴測定硬化體81的溫度。通過使用溫度測定單元95，可以根據硬化體81的溫度進行回饋控制。例如，可以構成夠從利用溫度感測器95a測得的溫度到達規定的冷卻溫度為止，由冷卻板70實施冷卻步驟的方式。

利用圖12至圖15說明使用了積層造型裝置100的三維造型物的製造方法。應予說明，在圖12至圖15中，考慮到可視性的問題。省略了圖1至圖11所示的積層造型裝置100的一部分元件。

本實施方式的積層造型裝置100對於向造型過程中的硬化層進行溫度調整的三維造型物的製造方法特別有效。作為在對造型過程中對硬化層進行溫度調整的三維造型物的製造方法，以使用馬氏體金屬作為用於形成材料層8的材料，並且對1層或多層的硬化層所形成的每一層硬化層進行溫度調整，有意進行馬氏體相變的造型方法為例。更具體而言，每當新建一個1層或多層的硬化層時，將新建造型的硬化層按照造型溫度T1、冷卻溫度T2、造型溫度T1的順序進行溫度調整。此時，造型溫度T1大於或等於硬化層的馬氏體轉變結束溫度Mf，造型溫度T1高於冷卻溫度T2，冷卻溫度T2低於或等於硬化層的馬氏體轉變開始溫度Ms。應予說明，本發明在造型過程中對硬化層進行溫度調整的方式在其他三維造型物的製造方法中也有效。

在下文中，將由冷卻裝置65冷卻的1層或多層硬化層稱為上表面層。上表面層至少包含在每個冷卻時間點的硬化體81的最上側的硬化層。硬化後，在冷卻步驟中被冷卻前的上表面層是含有奧氏體相的狀態。通過將該上表面層冷卻成冷卻溫度T2，奧氏體相的至少一部分轉變為馬氏體相。

如圖12所示，基板33載置在造型台5上，造型台5的高度被調整到適當的位置。當調整完造型台5的高度後，進行硬化層形成步驟。在硬化層形成步驟中，在通過設置在造型台5的溫度調整機構將造型台5的溫度設定為造型溫度T1的狀態下，進行1次以上以下描述的重塗步驟和硬化步驟。

如圖13所示，在重塗步驟中，在材料收容部11a內填充有材料粉體的塗覆機頭11從箭頭B方向的左側移動至右側。通過該方式，在基板33上形成材料層8。

隨後，在硬化步驟中，對材料層8的照射區域照射激光L。照射區域內的材料層8被熔融或燒結，從而在基板33形成第1層硬化層81a。

當對多個硬化層進行冷卻步驟時，如圖14所示，造型台5的高度下降與材料層8的厚度相同的程度後，再次進行重塗步驟和硬化步驟。具體而言，塗覆機頭11從造型區域R右側移動到左側，並在造型區域上形成材料層8。隨後，向材料層8的照射區域照射激光L，使照射區域內的材料層8熔融或燒結，從而在基板33上形成第2層硬化層81b。

如上述方式，在硬化層形成步驟中反復形成多個硬化層來形成硬化體81。這些依次積層的硬化層彼此牢固地黏結在一起。

在重複上述步驟形成預定的1個或多個硬化層後，利用設置在加工頭50上的冷卻裝置65進行冷卻步驟。在冷卻步驟中，硬化體81的上表面層的溫度被冷卻至冷卻溫度T2。

在冷卻步驟中，首先，如圖15所示，具備加工頭驅動裝置52的X軸驅動部52a和Y軸驅動部52b將加工頭50配置在硬化層上方。此時，如圖7所示，設置在加工頭50上的冷卻裝置65的冷卻板70處於站立狀態。

接下來，如圖8所示，旋轉部71使冷卻板70旋轉成橫臥狀態。此時，啟動缸體57，使設置在冷卻板70的卡合部件75與設置在加工頭50的活塞56之間的卡合被解除。

如圖9所示，冷卻板升降裝置72使橫臥狀態的冷卻板70向豎直方向下方移動，並與硬化體81上表面緊密接觸。

另外，通過冷卻板70冷卻硬化體81上表面層的溫度。冷卻器20開始向冷卻板70內的管路76流通設定成冷卻溫度T2的製冷劑的時機可以在冷卻板70與硬化體81上表面緊密接觸後，也可以在其接觸前。如上所述，冷卻溫度T2低於或等於馬氏體相變開始溫度Ms。冷卻溫度T2優選為低於或等於馬氏體相變結束溫度Mf。通過將上表面層冷卻至冷卻溫度T2，能夠防止三維造型物在到造型後依舊進行馬氏體相變。馬氏體相變開始溫度Ms和馬氏體相變結束溫度Mf的具體值可以根據材料的組成而變化。因此，根據材料，需要將冷卻溫度T2設定為-20℃等低溫。在本實施方式的積層造型裝置100中，只需要將包含上表面層的硬化體81的一部分冷卻，所以即使冷卻溫度T2是低溫依舊能夠迅速地將上表面層冷卻，還可以將冷卻步驟後迅速將硬化體81的溫度重新加熱到造型溫度T1。

應予說明，冷卻步驟時，可以停止利用設置在造型台5上的溫度調整機構對造型台5進行加熱。更優選使溫度調整機構的加熱器停止，並利用冷卻器降低造型台5的溫度。此時，造型台5只需要冷卻至能夠抑制向硬化體81傳遞過多熱量的程度即可，而不需要冷卻到冷卻溫度T2。

當冷卻步驟完成後，冷卻裝置65的冷卻板70通過冷卻板升降裝置72被移動到垂直方向的上方，並通過旋轉部71從橫臥狀態旋轉到站立狀態。然後，通過設置在冷卻板70上的卡合部件75與設置在加工頭50上的活塞56卡合，來將冷卻板70固定成不會旋轉成橫臥狀態的方式。隨後，再次將造型台5的溫度設定成造型溫度T1，進行硬化層形成步驟。直到至少執行下一個硬化步驟為止，通過設置在造型台5上的溫度調整機構，將造型台5的溫度調整成造型溫度T1，並再次將材料層8的溫度加熱到造型溫度T1。

此外，每當形成規定數量的硬化層時，也可以利用加工裝置47對硬化層的端面實施加工步驟。優選對冷卻步驟後的上表面層實施切削加工。以此方式，可以對發生馬氏體相變並且尺寸已經穩定後的上表面層進行切削，從而能夠更高精度地進行切削。進一步優選在冷卻步驟後(即溫度調整為常溫)的上表面層實施切削加工。依次方式，可以抑制由溫度造成的膨脹或收縮的影響的情況下對上表面層進行切削，所以能夠以更高的精度進行切削。

如上所述，在本實施方式的冷卻步驟中，通過將溫度調整為冷卻溫度T2的冷卻板70抵接在硬化體81的上表面，從而能夠冷卻硬化體81上表面層的溫度。通過該方式，與僅使用設置在造型台5內的溫度調整機構進行冷卻的情況相比，不需要將積層造型物整體冷卻至冷卻溫度T2。因此，能夠更快地冷卻上表面層的溫度，從而縮短三維造型物的造型時間。此外，由於冷卻裝置65設置在加工頭50，所以不需要設置用來將冷卻裝置65在水平方向上移動的其他驅動裝置，從而能夠將冷卻裝置65做成比較簡單且小型的結構。

重複進行上述硬化層形成步驟、冷卻步驟和加工步驟，以形成所需的三維造型物。優選在從積層造型裝置100取下三維造型物前，將三維造型物冷卻。在冷卻三維造型物時，可以通過使冷卻裝置65的冷卻板70抵接在三維造型物上表面來進行冷卻。此時，也可以與設置在造型台5內的溫度調整機構協作來冷卻三維造型物。

100:積層造型裝置 1:空腔 1a:保護窗 1f:前空腔 1r:後空腔 3:材料層形成裝置 4:基台 5:造型台 8:材料層 11:塗覆機頭 11a:材料收容部 11b:材料供給部 12:刮刀 13:照射裝置 15:非活性氣體供給裝置 17:保護窗污染防止裝置 17a:筐體 17b:開口部 17c:擴散部件 17d:非活性氣體供給空間 17e:細孔 17f:清潔室 19:煙氣收集器 20:冷卻器 21、23:廢料箱 26:粉體保持壁 31:造型台驅動機構 33:基板 42:光源 43a、43b:檢流計式反射鏡 44:聚焦控制單元 47:加工裝置 50:加工頭 51:機床 52:加工頭驅動裝置 52a:X軸驅動部 52b:Y軸驅動部 52c:Z軸驅動部 53:隔開部 55:鎖定機構 56:活塞 56a:前端 57:缸體 57a:缸體管 58:彈性部件 60:主軸頭 65:冷卻裝置 70:冷卻板 70a:冷卻面 71:旋轉部 72:冷卻板升降裝置 73:供給歧管 74:排出歧管 75:卡合部件 75a:卡合部 76:管路 81:硬化體 81a:第1層硬化層 81b:第2層硬化層 95:溫度測定單元 95a:溫度感測器 95b:溫度感測器升降裝置 R:造型區域 L:激光 T1:造型溫度 T2:冷卻溫度 Mf:馬氏體轉變結束溫度 Ms:馬氏體轉變開始溫度 U、B、C:箭頭方向

圖1是簡要表示本發明實施方式所涉及的積層造型裝置100的正面圖。 圖2是簡要表示本發明實施方式所涉及的積層造型裝置100的側面圖。 圖3是簡要表示本發明實施方式所涉及的材料層形成裝置3和照射裝置13的立體圖。 圖4是本發明實施方式所涉及的加工頭50的立體圖。 圖5是本發明實施方式所涉及的加工頭50的立體圖。 圖6是冷卻板70的剖面圖。 圖7是表示冷卻板70處於站立狀態的冷卻裝置65和加工頭50的側面圖。 圖8是表示冷卻板70處於橫臥狀態的冷卻裝置65和加工頭50的側面圖。 圖9是用冷卻板升降裝置72將橫臥狀態的冷卻板70向下方移動後的冷卻裝置65和加工頭50的側面圖。 圖10是使冷卻板70呈站立狀態後的冷卻裝置65和加工頭50的正面圖。 圖11是沿圖10中的S-S線的剖面圖。 圖12是用來說明使用了本發明實施方式所涉及的積層造型裝置100的硬化層形成步驟的圖。 圖13是用來說明使用了本發明實施方式所涉及的積層造型裝置100的硬化層形成步驟的圖。 圖14是用來說明使用了本發明實施方式所涉及的積層造型裝置100的硬化層形成步驟的圖。 圖15是用來說明使用冷卻板70進行冷卻步驟的圖。

50:加工頭

57:缸體

60:主軸頭

65:冷卻裝置

70:冷卻板

70a:冷卻面

71:旋轉部

72:冷卻板升降裝置

73:供給歧管

74:排出歧管

75:卡合部件

Claims (11)

1. 一種積層造型裝置，其具有照射裝置、加工裝置、以及冷卻裝置，其中，所述照射裝置對按照規定高度分割所期望的三維造型物得到的多個分割層中的每一層上所形成的材料層照射光束形成硬化層，所述加工裝置包含把持對所述硬化層進行加工的工具的加工頭、以及使所述加工頭在水平方向和豎直方向上移動的加工頭驅動裝置，所述冷卻裝置設置在所述加工頭，且將包含所述硬化層積層得到的硬化體的上表面的至少一部分冷卻成規定的冷卻溫度，所述加工頭驅動裝置，其具有X軸驅動部、Y軸驅動部及Z軸驅動部，其中，所述X軸驅動部使所述加工頭沿規定的水準1軸方向移動；所述Y軸驅動部使所述加工頭沿與所述規定的水準1軸正交的另一水準1軸方向移動；以及所述Z軸驅動部使所述加工頭沿規定的豎直1軸方向移動；所述冷卻裝置包含冷卻板及冷卻板升降裝置，所述冷卻板具有冷卻至所述冷卻溫度的冷卻面，且所述冷卻板在所述冷卻面沿水平方向上的橫臥狀態下與所述硬化體的所述上表面緊密接觸，所述冷卻板升降裝置使處於所述橫臥狀態的所述冷卻板能夠獨立於所述加工頭地在所述豎直方向上移動。
2. 根據請求項1所述的積層造型裝置，所述冷卻板具有流通製冷劑的管路。
3. 根據請求項2所述的積層造型裝置，進一步具備冷卻器，所述冷卻器與所述管路連接，且將所述製冷劑的溫度調整成所述冷卻溫度，同時使所述製冷劑在所述管路中循環。
4. 根據請求項1所述的積層造型裝置，其中，所述冷卻裝置每當形成1層或多層硬化層時，所述硬化體的所述上表面的至少一部分冷卻成所述冷卻溫度，所述冷卻溫度低於或等於所述硬化層的馬氏體相變開始溫度。
5. 根據請求項4所述的積層造型裝置，所述冷卻溫度低於或等於所述硬化層的馬氏體相變結束溫度。
6. 根據請求項1所述的積層造型裝置，其具備：空腔，其覆蓋所述硬化體、所述加工頭和所述冷卻板；以及非活性氣體供給裝置，其向所述空腔供給露點溫度低於所述冷卻溫度的固定濃度的非活性氣體。
7. 根據請求項1所述的積層造型裝置，所述冷卻裝置進一步包含旋轉部，所述旋轉部使所述冷卻板在所述冷卻面沿所述豎直方向的站立狀態與所述橫臥狀態之間旋轉。
8. 根據請求項7所述的積層造型裝置，進一步具備鎖定機構，所述鎖定機構構成為固定所述站立狀態的所述冷卻板不旋轉成所述橫臥狀態。
9. 根據請求項8中所述的積層造型裝置，所述鎖定機構包含：卡合部件，其具有設置在所述冷卻板與所述加工頭中任意一者的卡合部；以及缸體，其設置在所述冷卻板與所述加工頭中的另一者， 所述缸體具有：活塞，其具有當所述冷卻板在所述站立狀態時與所述卡合部卡合的前端；以及彈性部件，其總是在所述活塞與所述卡合部卡合的方向上對插通有所述活塞的缸體管和所述活塞施力，當使所述冷卻板從所述站立狀態旋轉成所述橫臥狀態時，沿著解除與所述卡合部的卡合方向移動所述活塞。
10. 根據請求項1中所述的積層造型裝置，其進一步具備溫度測定單元，所述溫度測定單元包含設置在所述加工頭且測定所述硬化體的溫度的溫度感測器。
11. 根據請求項10中所述的積層造型裝置，所述溫度感測器是與所述硬化體的所述上表面接觸並測定溫度的接觸式溫度感測器，所述溫度測定單元進一步具備使所述溫度感測器在豎直方向上移動的溫度感測器升降裝置。

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