TWI746167B - 層疊造型裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明的層疊造型裝置包括照射裝置、加工裝置、冷卻裝置以及惰性氣體供給源。照射裝置對材料層照射雷射束或電子束而形成固化層。加工裝置包括加工頭及加工頭驅動器，加工頭把持工具，加工頭驅動器使加工頭至少沿水平方向移動。冷卻裝置設置於加工頭，將層疊固化層而成的固化體冷卻至冷卻溫度。冷卻裝置包括冷卻氣體排出裝置，冷卻氣體排出裝置具有排出冷卻溫度以下的惰性氣體即冷卻氣體的冷風排出口，且將冷卻氣體朝向固化體排出。惰性氣體供給源對冷卻氣體排出裝置供給惰性氣體。

Description

層疊造型裝置
本發明是有關於一種層疊造型裝置。
對於金屬的層疊造型有多種方式。例如在粉末床熔融結合中，在腔室內的能夠沿上下方向移動的造型臺上形成包含材料粉體的材料層。然後，對材料層的規定部位照射雷射束或電子束，照射位置的材料粉體熔融或燒結而形成固化層。重複進行此種材料層及固化層的形成，來層疊固化層。另外，也可在造型過程中或造型後對固化層進行切削加工。如此，製造所期望的三維造型物。此處，所謂固化層包括熔融層及燒結層。另外，將經層疊的固化層稱為固化體。
在此種金屬的層疊造型中，有時對造型後的三維造型物或造型中途的固化層進行溫度調整。例如，日本專利第6295001號公報公開有每次形成一層或多層固化層時有意地進行馬氏體（martensite）相變的層疊造型方法。金屬的收縮所引起的拉伸應力藉由馬氏體相變所引起的壓縮應力而減小，造型物的殘留應力所引起的變形得到抑制。本造型方法中，為了有意地進行馬氏體相變，每次形成一層或多層固化層時對所述固化層進行規定的溫度調整。
日本專利第6295001號公報公開有藉由配置於造型台內的溫度調整機構進行固化層的溫度調整的方法。另外，所述公報公開有利用設置於腔室內的送風機吹附冷卻氣體來進行固化層的冷卻的方法。
[發明所要解決的問題] 作為對造型中途的固化層進行溫度調整的造型方法之一，有利用伴隨馬氏體相變的應力來抑制固化體整體的變形的造型方法。以下，以所述造型方法為例進行說明，但本申請發明也能夠應用於進行其他造型方法的層疊造型裝置。所述造型方法中，在規定數量的固化層的形成過程中將固化體整體設為規定的造型溫度，對材料層進行預熱。另外，當材料層熔融或燒結而形成固化層時，將包括新形成的固化層的固化體加熱至規定的造型溫度。然後，形成規定數量的固化層後，將固化體整體冷卻至規定的冷卻溫度。冷卻後，為了進行材料層的預熱及對之後形成的固化層進行加熱，再次將固化體整體加熱至規定的造型溫度。重複進行以上步驟直至獲得所期望的造型物。
為了引發馬氏體相變而需要冷卻的固化層僅為新形成的固化層、即冷卻時間點下的位於固化體的上部的一部分。然而，當藉由配置於造型台內的溫度調整機構進行固化層的溫度調整時，需要對固化體整體進行溫度調整。因此，固化層的數量越多、且固化體的厚度越大，則溫度調整所需的時間越長。實施在造型中途對固化層進行溫度調整的造型方法的層疊造型裝置中，期望造型時間的縮短。特別是在製造比較大的造型物的情況下，對縮短造型時間的要求大。
此處，考慮例如藉由使用設置於腔室內的送風機自溫度比較高的固體的上表面冷卻固化層，從而使冷卻時間縮短，甚至也使加熱時間縮短，但由於吹附冷卻氣體的位置固定，因此有時因固化體的位置或形狀而無法效率良好的進行固化層的冷卻。
本發明鑒於此種情況而成，目的在於效率更良好地對固化層進行冷卻。 [解決問題的技術手段]
根據本發明，提供一種層疊造型裝置，其包括：照射裝置，對按照多個分割層的各個而形成的材料層照射雷射束或電子束而形成固化層，所述多個分割層是將所期望的三維造型物以規定高度分割而成；加工裝置，包括加工頭及加工頭驅動器，所述加工頭把持對所述固化層進行加工的工具，所述加工頭驅動器使所述加工頭至少沿水平方向移動；以及冷卻裝置，設置於所述加工頭，將層疊所述固化層而成的固化體的至少一部分冷卻至規定的冷卻溫度，所述冷卻裝置包括冷卻氣體排出裝置，所述冷卻氣體排出裝置具有排出所述冷卻溫度以下的惰性氣即冷卻氣體的冷風排出口，且將所述冷卻氣體朝向所述固化體的所述至少一部分排出，所述層疊造型裝置還包括：惰性氣體供給源，對所述冷卻氣體排出裝置供給所述惰性氣體。 [發明的效果]
本發明的層疊造型裝置中，將冷卻氣體朝向固化體的至少一部分排出的冷卻氣體排出裝置設置於以至少能夠沿水平方向移動的方式構成的加工頭。由此，可使冷卻氣體排出裝置移動至所期望的位置而將冷卻氣體朝向固化體的至少一部分排出，從而可根據固化體的位置或形狀，效率更良好地進行冷卻。
以下，使用圖式對本發明的實施方式進行說明。以下所說明的各種變形例分別可任意組合來實施。
本發明實施方式的層疊造型裝置1按照將所期望的三維造型物以規定高度分割而成的多個分割層的各個重複進行如下步驟：形成材料層83的步驟；以及對材料層83照射雷射束L使其熔融或燒結而造型為固化層85的步驟。然後，層疊造型裝置1製造具有所期望的形狀的三維造型物。以下，將經層疊且彼此牢固地固著的多個固化層85稱為固化體87。如圖1及圖2所示，本發明的層疊造型裝置1包括腔室10、材料層形成裝置3、照射裝置4、加工裝置6、以及冷卻裝置7。
腔室10以實質上密封的方式構成。腔室10由波紋管13分隔成造型室11及驅動室12。造型室11中形成三維造型物。驅動室12收容加工裝置6的加工頭驅動器65的大部分。在造型室11與驅動室12之間存在有作為僅惰性氣體可通過的微小間隙的連通部14。
材料層形成裝置3設置於造型室11內。材料層形成裝置3包括基座31及重塗機頭（recoater head）33。基座31具有用於形成所期望的三維造型物的區域即造型區域R。重塗機頭33配置於基座31上且以能夠沿水平方向移動的方式構成。在重塗機頭33的兩側面分別設置有刀片。對於重塗機頭33，自未圖示的材料供給裝置供給金屬的材料粉體，且重塗機頭33一面自底面排出收容於內部的材料粉體、一面沿水平方向往復移動。此時，刀片使所排出的材料粉體平坦化而形成材料層83。在造型區域R中設置有藉由造型台驅動器37而能夠沿鉛垂方向移動的造型台35。在使用層疊造型裝置1時，在造型台35上配置基底板81，在基底板81上形成第一層材料層83。
在造型台35的內部設置有用以調整造型台35的溫度的溫度調整機構。溫度調整機構具有設置於造型台35的內部的加熱器及冷卻器。加熱器例如是電熱器或供熱媒流通的管道。冷卻器例如是供冷媒流通的管道。此外，溫度調整機構的冷卻器只要是能進行某種程度的冷卻的結構即可，可為能冷卻至比藉由後述的冷卻裝置7實現的冷卻溫度高的溫度的冷卻器。例如，冷卻器能夠將造型台35冷卻至常溫。
照射裝置4設置於腔室10的上方。照射裝置4對形成於造型區域R上的材料層83的規定的照射區域照射雷射束L，使照射位置的材料層83熔融或燒結而形成固化層85。照射區域存在於造型區域R內，且與規定的分割層中的由三維造型物的輪廓形狀所圍繞的區域大體一致。如圖3所示，照射裝置4包括光源41、准直器43、焦點控制單元45以及檢流計掃描器（galvano scanner）。
光源41生成雷射束L。此處，雷射束L只要能夠使材料層83燒結或熔融則並不限定其種類，例如為光纖雷射、CO2 雷射、釔鋁石榴石（yttrium aluminum garnet，YAG）雷射、綠色雷射或藍色雷射。准直器43將自光源41輸出的雷射束L轉換成平行光。焦點控制單元45具有聚光透鏡以及使聚光透鏡前後移動的馬達，且將自光源41輸出的雷射束L調整成所期望的光點（spot）直徑。檢流計掃描器具有一對檢流計鏡47、檢流計鏡49以及使檢流計鏡47、檢流計鏡49分別旋轉的致動器。檢流計鏡47、檢流計鏡49根據自未圖示的控制裝置輸入的旋轉角度控制信號的大小來控制旋轉角度，對自光源41輸出的雷射束L進行二維掃描。
已通過檢流計鏡47、檢流計鏡49的雷射束L透過設置於造型室11的上表面的窗口15而照射形成於造型區域R的材料層83。窗口15由能夠使雷射束L透過的材料形成。例如，在雷射束L為光纖雷射或YAG雷射的情況下，窗口15能夠包含石英玻璃。
在造型室11的上表面，以覆蓋窗口15的方式設置有污染防止裝置5。如圖4所示，污染防止裝置5包括圓筒狀的框體51、以及配置於框體51內的圓筒狀的擴散構件52。在框體51與擴散構件52之間設置有惰性氣體供給空間53。另外，在擴散構件52的內側的框體51的底面設置有開口部54。在擴散構件52中設置有多個細孔55，供給至惰性氣體供給空間53的潔淨的惰性氣體經由細孔55而充滿於潔淨室56。然後，充滿於潔淨室56的潔淨的惰性氣體經由開孔部54而朝向污染防止裝置5的下方噴出。如此，防止在窗口15附著煙塵（fume）。
此外，照射裝置例如也可照射電子束來使材料層83燒結或熔融而形成固化層85。例如，照射裝置包括陰極電極、陽極電極、螺線管以及集電極。陰極電極釋放電子。陽極電極使電子會聚並加速。螺線管形成磁場而使電子束的方向終結於一個方向。集電極與作為被照射體的材料層83電連接，在與陰極電極之間施加電壓。
加工裝置6包括加工頭61以及用以驅動加工頭61的加工頭驅動器65。加工頭驅動器65具有使加工頭61至少沿水平方向移動的任意致動器。例如，加工頭驅動器65具有：Y軸驅動器652，使配置於造型室11內的加工頭61沿Y軸方向移動；X軸驅動器651，配置於基座31上且使Y軸驅動器652沿X軸方向移動；以及Z軸驅動器653，使加工頭61沿Z軸方向移動。若例示更具體的構成，則X軸驅動器651具有：X軸導軌，固定於床身且沿X軸方向延伸；X軸滑塊，沿著X軸導軌滑動；以及X軸移動體，固定於X軸滑塊。Y軸驅動器652具有：Y軸導軌，固定於X軸移動體且沿Y軸方向延伸；Y軸滑塊，沿著Y軸導軌滑動；以及Y軸移動體，固定於Y軸滑塊。Z軸驅動器653具有：Z軸導軌，固定於Y軸移動體且沿Z軸方向延伸；以及Z軸滑塊，沿著Z軸導軌滑動且固定有加工頭61。此外，將規定的水平單軸方向設為X軸方向，將與X軸方向正交的水平單軸方向設為Y軸方向，將規定的鉛垂單軸方向設為Z軸方向。
加工頭61包括主軸63。主軸63以可把持未圖示的立銑刀（end mill）等工具並使其旋轉的方式構成。藉由主軸63進行旋轉的工具可對固化層85的表面或無用部分進行切削加工。切削工具較佳為多種切削工具，所使用的切削工具也能夠藉由未圖示的自動工具更換裝置在造型過程中進行更換。根據以上構成，加工頭61可在造型室11內的任意位置對固化層85實施切削加工。
此外，代替所述實施方式，加工裝置也可包括：加工頭，設置有回旋機構，所述回旋機構把持刨刀（bit）等工具並且使切削工具沿著鉛垂方向的旋轉軸轉動；以及加工頭驅動器，用以對加工頭進行水平驅動。加工頭驅動器例如具有一對第一水平移動機構、設置於一對第一水平移動機構的機架（gantry）、以及安裝於機架且固定有加工頭的第二水平移動機構。此時，加工頭驅動器也可不具有使加工頭沿Z軸方向移動的驅動器。即，加工頭驅動器只要以能夠使加工頭至少沿水平方向移動的方式構成即可。
對於腔室10，在造型過程中自惰性氣體供給裝置16供給規定濃度的惰性氣體，並且將包括形成固化層85時所產生的煙塵的惰性氣體排出。自腔室10排出的惰性氣體較佳為藉由煙塵收集器17去除煙塵後送回至腔室10。在腔室10中設置有分別為一個以上的供給口及排出口，所述供給口為自惰性氣體供給裝置16供給的惰性氣體及自煙塵收集器17送回的惰性氣體的供給口，所述排出口自腔室10將含有煙塵的惰性氣體排出至煙塵收集器17。本實施方式中，如圖1及圖2所示，設置有第一供給口211、第二供給口212、第三供給口213、第四供給口214及第五供給口215作為供給口。另外，設置有第一排出口221、第二排出口222及第三排出口223作為排出口。另外，惰性氣體供給裝置16包括第一惰性氣體供給裝置161以及第二惰性氣體供給裝置162。各部藉由軟管（hose）或管（pipe）等管道連接。
第一供給口211設置於重塗機頭33的其中一個側面。第二供給口212設置於與設置有第一供給口211的一側為相反側的基座31的端面上所鋪設的配管。第一供給口211及第二供給口212分別連接於第一惰性氣體供給裝置161，根據重塗機頭33的移動位置，擇一性地經由第一供給口211或第二供給口212對腔室10供給規定的壓力及流量的惰性氣體。即，當第一供給口211位於與照射區域相向的位置時，經由第一供給口211供給惰性氣體，當第一供給口211位於不與照射區域相向的位置時，經由第二供給口212供給惰性氣體。第三供給口213設置於設置有第二供給口212的一側的腔室10的側壁，且位於比造型室11的中央靠下側的高度。第三供給口213與煙塵收集器17連接，去除了煙塵的潔淨的惰性氣體經由第三供給口213被送回至腔室10。第四供給口214設置於驅動室12的上部。自第二惰性氣體供給裝置162供給至驅動室12的惰性氣體經由連通部14供給至造型室11內。第五供給口215設置於污染防止裝置5的上部，自第一惰性氣體供給裝置161對污染防止裝置5的惰性氣體供給空間53供給惰性氣體。
以覆蓋與設置有第二供給口212及第三供給口213的一側為相反側的腔室10的側壁的方式設置有隔板23。在腔室10的由隔板23與側壁劃分出的空間的上端部設置第一排出口221，在隔板23附近的腔室10的照射區域側的上端部設置第二排出口222。另外，在第二排出口222之下設置上部引導板24，所述上部引導板24以包圍第二排出口222的方式向隔板23側以剖面呈L字狀延伸。在隔板23的下端設置下部向照射區域側延伸的下部引導板25，在隔板23與下部引導板25之間形成規定的間隙26。間隙26位於比造型室11的中央靠下側的高度。在間隙26附近，在由隔板23與側壁劃分出的空間中設置抽吸惰性氣體的多個風扇（fan）27，在各風扇27的兩端設置沿上方向延伸的整流板28。送至隔板23附近的惰性氣體自間隙26或下部引導板25之下穿過由隔板23與側壁劃分出的空間而被送至第一排出口221。另外，未自間隙26回收完的惰性氣體沿著隔板23上升，被上部引導板24引導而被送至第二排出口222。第三排出口223設置於重塗機頭33的未設置有第一供給口211的一側的側面。經由第一排出口221、第二排出口222及第三排出口223，惰性氣體自腔室10排出並送至煙塵收集器17。
惰性氣體供給裝置16向腔室10供給氮等惰性氣體。惰性氣體供給裝置16只要可供給規定濃度的惰性氣體即可。本實施方式的惰性氣體供給裝置16包括第一惰性氣體供給裝置161及第二惰性氣體供給裝置162。第一惰性氣體供給裝置161理想的是與第二惰性氣體供給裝置162相比可供給更高濃度的惰性氣體，例如，第一惰性氣體供給裝置161為變壓吸附（pressure swing adsorption，PSA）式氮產生裝置，第二惰性氣體供給裝置162為膜分離式氮產生裝置。如所述般，第一惰性氣體供給裝置161與第一供給口211、第二供給口212及第五供給口215連接，第二惰性氣體供給裝置162與第四供給口214連接。藉由如此構成，可對惰性氣體濃度會直接影響造型的造型室11供給更高濃度的惰性氣體，並且可維持所需的惰性氣體供給量。此外，所謂惰性氣體為與材料粉體實質上不發生反應的氣體，根據材料的種類可自氮氣、氬氣、氦氣等中選擇適當的氣體。惰性氣體供給裝置16也可為一個。惰性氣體供給裝置16可為積存有規定濃度的惰性氣體的儲氣瓶。自惰性氣體供給裝置16供給的惰性氣體理想的是已充分乾燥。
煙塵收集器17例如為幹式電氣集塵器。包含自腔室10排出的煙塵的惰性氣體被送至煙塵收集器17，並藉由電氣集塵去除煙塵。去除了煙塵的潔淨的惰性氣體被送至腔室10的第三供給口213。根據此種構成，能夠實現惰性氣體的再利用。此外，煙塵收集器17也可為其他裝置，還可為包括過濾器的過濾式集塵器。另外，為了使煙塵收集器17內部的惰性氣體有效率地循環，也可在煙塵收集器17中設置風扇馬達。
冷卻裝置7藉由將規定的冷卻溫度以下的惰性氣體即冷卻氣體朝向固化體87的至少一部分排出，將固化體87的至少一部分冷卻至冷卻溫度。本實施方式的冷卻裝置7包括冷卻氣體排出裝置71、導管73、第一升降裝置75以及溫度測定單元77。對於冷卻氣體排出裝置71，自惰性氣體供給源供給惰性氣體。如圖5所示，冷卻裝置7設置於加工頭61，且以可藉由加工頭驅動器65移動至造型室11內的所期望的位置的方式構成。由此，可根據固化體87的位置或形狀，使冷卻氣體排出裝置71移動至所期望的位置而進行冷卻氣體的排出。
本實施方式的冷卻氣體排出裝置71具有渦管（vortex tube）711，所述渦管711將在內部流通的惰性氣體分離成冷卻氣體與經加熱的惰性氣體即加熱氣體。如圖6所示，渦管711具有惰性氣體供給口712、溫風排出口713、冷風排出口714、整流板715以及調整螺絲716。惰性氣體供給口712設置於溫風排出口713與冷風排出口714之間，且與惰性氣體供給源連接，對渦管711內供給規定壓力的惰性氣體。溫風排出口713及冷風排出口714分別設置於渦管711的一端部與另一端部。溫風排出口713側的渦管711的內徑構成為比冷風排出口714側的渦管711的內徑大。自惰性氣體供給口712供給的惰性氣體藉由渦管711的渦流產生器而成為渦流，一面沿著渦管711的內壁回旋、一面朝向溫風排出口713側。以下，將此渦流稱為外側渦流。此時，藉由外側渦流的離心力，惰性氣體的溫度在渦管711的內壁側成為高溫，在中心部成為低溫。通過整流板715而成為無旋轉的惰性氣體的一部分作為加熱氣體自溫風排出口713排出。剩餘的惰性氣體藉由整流板715而成為與外側渦流為反向旋轉的渦流，並穿過渦管711的中心部而朝向冷風排出口714側。以下，將此渦流稱為內側渦流。內側渦流一面膨脹及減速、一面對外側渦流做功，因此外側渦流的溫度上升，內側渦流的溫度降低。然後，內側渦流作為冷卻氣體自冷風排出口714排出。利用調整螺絲716調整自溫風排出口713排出的加熱氣體的流量，藉此可調整冷卻氣體的溫度。根據以上構成，可不使用冷媒且比較小型地構成冷卻氣體排出裝置71。另外，自渦管711排出的冷卻氣體的流速可充分地得到抑制，因此可在較少地卷起材料粉體的情況下排出冷卻氣體。但是，具有對惰性氣體進行冷卻來生成冷卻氣體的冷卻器及排出冷卻氣體的冷風排出口的其他裝置也可用作冷卻氣體排出裝置。
惰性氣體供給源是可對冷卻氣體排出裝置71供給惰性氣體的任意裝置。具體而言，本實施方式中，第一惰性氣體供給裝置161被用作惰性氣體供給源，且第一惰性氣體供給裝置161與惰性氣體供給口712藉由未圖示的管道連接。對於所述管道，設置未圖示的電磁閥，且以切換惰性氣體的供給、停止供給的方式構成。但是，也可使用第二惰性氣體供給裝置162或煙塵收集器17作為惰性氣體供給源。另外，也可另外設置自空氣產生所期望的惰性氣體的惰性氣體產生裝置、或儲藏有所期望的惰性氣體的儲氣瓶等作為惰性氣體供給源。在任一種情況下，為了防止冷卻氣體凝結，自惰性氣體供給源供給的惰性氣體均理想的是已充分乾燥。
在冷卻氣體排出裝置71的冷風排出口714側設置導管73。導管73為供冷卻氣體流通的管道，具有與冷風排出口714連接的第一開口731以及與固化體87的至少一部分相向的第二開口732。自冷風排出口714排出的冷卻氣體暫時積存導管73後自第二開口732朝下方排出。因此，與直接自冷風排出口714對固化體87排出冷卻氣體相比，經由導管73對固化體87排出冷卻氣體時冷卻氣體更不易分散，冷卻效率更好。特別是，在藉由渦管711生成冷卻氣體的情況下，冷卻氣體的流速得到抑制，因此，效率更良好地將冷卻氣體積存於導管73。理想的是第二開口732構成為相對於水平面平行、即相對於固化體87的上表面平行。另外，第二開口732的面積理想的是比冷風排出口714的面積大。另一方面，第二開口732的面積理想的是比造型區域R的面積小。第二開口732可為任意形狀。本實施方式中，第二開口732具有將沿X軸方向延伸的一對線、以及沿Y軸方向延伸的一對線作為邊的矩形形狀。藉由此種導管73，可將排出冷卻氣體的範圍調整成所期望的形狀及面積，可效率更良好地進行固化體87的冷卻。此外，為了防止冷卻氣體的溫度上升，理想的是將導管73絕熱。本實施方式中，在導管73的外側面設置有未圖示的絕熱材料。
第一升降裝置75設置於加工頭61，使冷卻氣體排出裝置71沿鉛垂方向移動。換言之，冷卻氣體排出裝置71經由第一升降裝置75而安裝於加工頭61。第一升降裝置75例如為氣缸，但也可使用油壓缸或電動馬達等其他致動器。除了利用冷卻裝置7進行冷卻時以外，均使冷卻氣體排出裝置71移動至上方，由此，在藉由加工裝置6進行固化層85的加工時等，可防止冷卻氣體排出裝置71或導管73與固化體87或其他裝置發生干擾。
本實施方式的溫度測定單元77包括：接觸式的溫度傳感器771，與固化體87的上表面接觸來測定溫度；第二升降裝置772，使溫度傳感器771沿鉛垂方向移動。溫度傳感器771例如為熱電偶，但也可使用測溫電阻體等其他溫度傳感器。第二升降裝置772例如為氣缸，但也可使用油壓缸或電動馬達等其他致動器。溫度傳感器771除了測定溫度時以外，均藉由第二升降裝置772退避至上方。此外，溫度測定單元只要包括測定固化體87的溫度的溫度傳感器即可，例如也可以包括紅外線溫度傳感器等非接觸式溫度傳感器的方式構成。藉由測定固化體87的溫度，可確認固化體87是否達到所期望的冷卻溫度。
本實施方式的層疊造型裝置1當實施在造型中途對固化層85進行溫度調整的三維造型物的製造方法時特別有效。作為此種製造方法的一例，本實施方式中，實施如下層疊造型方法：對固化層85一面以規定的溫度條件進行加熱及冷卻、一面進行造型，由此有意地進行馬氏體相變而進行三維造型物的應力控制。更具體而言，每次進行一層或多層固化層85的新造型時，對新造型出的固化層85以規定的造型溫度、規定的冷卻溫度、規定的造型溫度的順序進行溫度調整。此處，造型溫度為固化層85的馬氏體相變結束溫度以上。冷卻溫度比造型溫度低且為固化層85的馬氏體相變開始溫度以下。在滿足所述溫度條件的範圍內，造型溫度及冷卻溫度的具體數值可在造型過程中變更。另外，作為冷卻對象的一層或多層的固化層85位於固化體87的上方，以下將作為冷卻對象的所述固化層85稱為上表面層。上表面層包括冷卻時間點下的最上位的固化層85。
首先，在造型台35上載置基底板81，將造型台35的高度調整成適當的位置。另外，藉由設置於造型台35內的溫度調整機構，將造型台35的溫度設定為規定的造型溫度。
在所述狀態下，重塗機頭33在造型區域R上移動並對造型區域R吐出材料粉體。藉由設置於重塗機頭33的刀片將材料粉體整平，從而在基底板81上形成第一層材料層83。材料粉體為發生馬氏體相變的金屬材料、例如碳鋼或馬氏體系不銹鋼的粉體。溫度經調整成造型溫度的造型台35對材料層83進行預熱。
接著，照射裝置4對第一層材料層83的照射區域照射雷射束L。藉由雷射束L而照射區域內的材料粉體燒結或熔融，形成第一層固化層85。溫度經調整成造型溫度的造型台35將固化層85加熱至造型溫度。
在對多個固化層85進行冷卻的情況下，繼續進行材料層83的形成及固化層85的形成。造型台35下降與材料層83的厚度相應的量，重塗機頭33在造型區域R上移動，並在第一層固化層85上形成第二層材料層83。照射裝置4對第二層材料層83照射雷射束L，形成第二層固化層85。以所述方式重複進行材料層83的形成及固化層85的形成，從而形成層疊多個固化層85而成的固化體87。
形成規定數量的固化層85後，藉由冷卻裝置7進行上表面層的冷卻。溫度經調整成造型溫度的上表面層被冷卻至規定的冷卻溫度。此外，冷卻時，較佳的是停止造型台35內的溫度調整機構的加熱器，且冷卻器使造型台35的溫度降低。此時，造型台35只要冷卻至可抑制過多的熱傳遞至固化體87的程度即可，無需冷卻至規定的冷卻溫度。例如，造型台35的溫度被調整成常溫。
首先，藉由加工頭驅動器65的X軸驅動器651及Y軸驅動器652使設置於加工頭61的冷卻氣體排出裝置71及導管73移動至上表面層的上方。然後，第一升降裝置75使冷卻氣體排出裝置71及導管73的位置下降以使冷卻氣體的排出位置接近上表面層。在加工頭驅動器65具有Z軸驅動器653的情況下，還可使加工頭61下降至冷卻氣體排出裝置71及導管73更接近上表面層的位置為止。
然後，開始自冷卻氣體排出裝置71排出冷卻氣體。具體而言，自惰性氣體供給源、本實施方式中為第一惰性氣體供給裝置161開始向冷卻氣體排出裝置71供給惰性氣體，並自導管73的第二開口732朝向上表面層排出冷卻氣體。也可根據上表面層的大小，一面藉由X軸驅動器651及Y軸驅動器652的至少一者使冷卻氣體排出裝置71及導管73移動、一面進行冷卻。冷卻所需的時間可基於預先測定的數據而決定，也可每次根據材料的種類、固化體87整體或上表面層的體積/形狀、造型溫度、冷卻溫度等算出。藉由此種冷卻，上表面層的奧氏體相的一部分轉變為馬氏體相。
可構成為：冷卻後，溫度測定單元77測定固化體87上表面的溫度，若未達到規定的冷卻溫度則再次利用冷卻裝置7進行冷卻。另外，也可構成為：在溫度測定單元77測定固化體87上表面的溫度的同時，利用冷卻裝置7進行冷卻，持續進行冷卻直至達到規定的冷卻溫度為止。
上表面層的冷卻結束後，停止自惰性氣體供給源向冷卻氣體排出裝置71供給冷卻氣體，第一升降裝置75使冷卻氣體排出裝置71移動至上方。另外，設置於造型台35內的溫度調整機構再次將造型台35的溫度設定為規定的造型溫度。此時，可構成為：溫度測定單元77測定固化體87上表面的溫度，在固化體87再次達到造型溫度之前不開始下一層材料層83及固化層85的形成。然後，加工頭驅動器65使加工頭61退避至與重塗機頭33或雷射束L不發生干擾的位置為止。
此外，也可在每次形成規定數量的固化層85時，對固化層85的端面實施藉由加工裝置6進行加工的加工步驟。較佳的是對冷卻後的上表面層實施切削加工。若如此，則可對發生馬氏體相變而尺寸穩定後的上表面層進行切削，因此可更高精度地進行切削。更佳的是對冷卻後且溫度經調整成常溫的上表面層實施切削加工。如此般，能夠抑制由溫度所引起的膨脹或收縮的影響而對上表面層進行切削，因此可更高精度地進行切削。
如以上所說明般，重複進行材料層83及固化層85的形成、固化層85的冷卻、以及固化層85的切削，而形成所期望的三維造型物。根據本實施方式的冷卻裝置7，與僅將設置於造型台35內的溫度調整機構用於冷卻的情況相比，可更迅速地使上表面層的溫度冷卻，從而能夠縮短三維造型物的造型時間。另外，在所述有意地進行馬氏體相變而進行三維造型物的應力控制的層疊造型方法中，無需將固化體整體冷卻而僅將固化體的上部、即上表面層冷卻即可，因此本實施方式的冷卻裝置7特別有效。另外，由於冷卻裝置7設置於加工頭61，因此無需設置用以使冷卻裝置7沿水平方向移動的其他驅動器，而可使冷卻裝置7成為比較簡易且小型的結構，並且可根據固化體87的位置或形狀效率更良好地進行冷卻。
1:層疊造型裝置 3:材料層形成裝置 4:照射裝置
5:污染防止裝置
6:加工裝置
7:冷卻裝置
10:腔室
11:造型室
12:驅動室
13:波紋管
14:連通部
15:窗口
16:惰性氣體供給裝置
17:煙塵收集器
23:隔板
24:上部引導板
25:下部引導板
26:間隙
27:風扇
28:整流板
31:基座
33:重塗機頭
35:造型台
37:造型台驅動器
41:光源
43:准直器
45:焦點控制單元
47、49:檢流計鏡
51:框體
52:擴散構件
53:惰性氣體供給空間
54:開孔部
55:細孔
56:潔淨室
61:加工頭
63:主軸
65:加工頭驅動器
71:冷卻氣體排出裝置
73:導管
75:第一升降裝置
77:溫度測定單元
81:基底板
83:材料層
85:固化層
87:固化體
161:第一惰性氣體供給裝置
162:第二惰性氣體供給裝置
211:第一供給口
212:第二供給口
213:第三供給口
214:第四供給口
215:第五供給口
221:第一排出口
222:第二排出口
223:第三排出口
651:X軸驅動器
652:Y軸驅動器
653:Z軸驅動器
711:渦管
712:惰性氣體供給口
713:溫風排出口
714:冷風排出口
715:整流板
716:調整螺絲
731:第一開口
732:第二開口
771:溫度傳感器
772:第二升降裝置
L:雷射束
R:造型區域
圖1是本發明實施方式的層疊造型裝置的概略側面圖。 圖2是圖1的D-D箭視剖面圖。 圖3是照射裝置的概略構成圖。 圖4是污染防止裝置的放大圖。 圖5是加工頭及冷卻裝置的放大圖。 圖6是冷卻氣體排出裝置及導管（duct）的剖面圖。
7:冷卻裝置
61:加工頭
63:主軸
71:冷卻氣體排出裝置
73:導管
75:第一升降裝置
77:溫度測定單元
771:溫度傳感器
772:第二升降裝置

Claims (9)

  1. 一種層疊造型裝置，包括：照射裝置，對按照多個分割層的各個而形成的材料層照射雷射束或電子束而形成固化層，所述多個分割層是將所期望的三維造型物以規定高度分割而成；加工裝置，包括加工頭及加工頭驅動器，所述加工頭把持對所述固化層進行加工的工具，所述加工頭驅動器使所述加工頭至少沿水平方向移動；以及冷卻裝置，設置於所述加工頭，將層疊所述固化層而成的固化體的至少一部分冷卻至規定的冷卻溫度，所述冷卻裝置包括冷卻氣體排出裝置，所述冷卻氣體排出裝置具有將在內部流通的惰性氣體分離成所述冷卻溫度以下的所述惰性氣體即冷卻氣體與經加熱的所述惰性氣體即加熱氣體的渦管，且將所述冷卻氣體朝向所述固化體的所述至少一部分排出，所述層疊造型裝置還包括：惰性氣體供給源，對所述冷卻氣體排出裝置供給所述惰性氣體，所述渦管具有惰性氣體供給口、溫風排出口以及冷風排出口，所述惰性氣體供給口設置於所述溫風排出口與所述冷風排出口之間，且與所述惰性氣體供給源連接，所述溫風排出口設置於所述渦管的一端部，排出所述加熱氣體，所述冷風排出口設置於所述渦管的另一端部，排出所述冷卻氣體。
  2. 如請求項1所述的層疊造型裝置，其中所述冷卻裝置還包括：第一升降裝置，使所述冷卻氣體排出裝置沿鉛垂方向移動。
  3. 如請求項1所述的層疊造型裝置，其中所述冷卻裝置還包括導管，所述導管具有與所述冷風排出口連接的第一開口、以及與所述固化體的所述至少一部分相向的第二開口。
  4. 如請求項3所述的層疊造型裝置，其中所述第二開口相對於水平面平行。
  5. 如請求項3所述的層疊造型裝置，其中所述第二開口的面積比所述冷風排出口的面積大。
  6. 如請求項5所述的層疊造型裝置，其中所述第二開口的所述面積比用於形成所述三維造型物的區域即造型區域的面積小。
  7. 如請求項1所述的層疊造型裝置，還包括：溫度測定單元，設置於所述加工頭且包括測定所述固化體的溫度的溫度傳感器。
  8. 如請求項7所述的層疊造型裝置，其中所述溫度傳感器是與所述固化體接觸來測定溫度的接觸式溫度傳感器，所述溫度測定單元還包括使所述溫度傳感器沿鉛垂方向移動的第二升降裝置。
  9. 如請求項1所述的層疊造型裝置，其中所述冷卻溫度為所述固化層的馬氏體相變開始溫度以下。
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