WO2017199388A1 - 金属３ｄプリンタ - Google Patents

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WO2017199388A1
WO2017199388A1 PCT/JP2016/064839 JP2016064839W WO2017199388A1 WO 2017199388 A1 WO2017199388 A1 WO 2017199388A1 JP 2016064839 W JP2016064839 W JP 2016064839W WO 2017199388 A1 WO2017199388 A1 WO 2017199388A1
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Inventor
金子幹男
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株式会社ソディック
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a metal 3D printer that laminates a three-dimensional object.
  • the present invention relates to a metal 3D printer including a laser irradiation apparatus that irradiates a metal powder with laser light.
  • a metal powder is uniformly distributed on a table to form an initial powder layer, and the powder layer is irradiated with laser light and sintered to form the initial sintered layer.
  • a metal powder is uniformly distributed on the sintered layer to form a next powder layer, and the powder layer is irradiated with a laser beam to be sintered to form the next sintered layer.
  • the next sintered layer is joined with the first sintered layer.
  • a three-dimensional object is modeled by repeating the formation of the fired sintered layer.
  • the metal 3D printer can supply an inert gas such as nitrogen gas into a sealed chamber and irradiate a predetermined irradiation region with a laser beam in an atmosphere having a sufficiently low oxygen concentration. It is configured as follows.
  • Patent Document 1 discloses a metal 3D printer that supplies a clean inert gas into the chamber while discharging the inert gas containing the fume from the chamber so that the fume does not shield the laser beam. According to the invention of Patent Document 1, a flow is formed in which the clean inert gas supplied to the chamber pushes out the dirty inert gas in the chamber. As a result, the fume can be discharged out of the chamber to the extent that it does not affect the irradiation of the laser beam with the required energy.
  • the inert gas supply / discharge device circulates an inert gas through a plurality of supply ports and a plurality of discharge ports provided in the chamber.
  • the maximum supply amount of the inert gas supply / discharge device has practical limits. When the inert gas is supplied at a flow rate that exceeds the maximum supply amount of the inert gas supply / discharge device, the concentration of the supplied inert gas decreases. As a result, the oxygen concentration in the chamber exceeds the allowable value, which is not preferable.
  • the sintering time under the same irradiation condition becomes longer and the amount of fumes generated increases. Therefore, the generation amount of fumes exceeds the removal amount that can be removed by the inert gas supply device, and in some cases, the fumes cannot be completely removed during the period from the formation of the powder layer in the next divided layer to the irradiation of the laser beam.
  • the exhaust amount of the inert gas contaminated with the fumes in the chamber is insufficient, and the remaining fumes are discharged from the chamber. Fume that rises along the side wall surface and cannot be completely discharged from the discharge port provided on the upper side of the chamber flows in a direction crossing the irradiation path of the laser light and stays in the chamber.
  • the laser beam irradiation it is necessary to suspend the laser beam irradiation until the fumes are sufficiently discharged so as not to affect the laser beam irradiation with the required energy. For example, a standby time is provided every time one sintered layer is formed, and the start of the formation of the next sintered layer is delayed by the standby time. At this time, if a sufficiently long waiting time is set and the fumes are removed during the waiting time, the fumes can be sufficiently removed.
  • the irradiation area may vary greatly depending on the divided layer, and the amount of generated fumes varies from one sintered layer to another.
  • the present invention has been made in view of such circumstances.
  • the object of the present invention is to achieve the desired three-dimensional while delaying the start of laser light irradiation for the waiting time necessary to remove the fume until it does not affect the laser light irradiation of the required energy for each divided layer. It is to provide a metal 3D printer capable of generating objects.
  • a metal 3D printer includes a powder layer forming apparatus that forms a powder layer by uniformly distributing metal powder for each of a plurality of divided layers obtained by horizontally dividing a three-dimensional object, the sealed chamber, A laser irradiation apparatus for irradiating a predetermined irradiation region on the powder layer in the chamber with a laser beam to form a sintered layer, and the chamber so that the chamber is always filled with an inert gas having a predetermined concentration or more.
  • An inert gas supply device that supplies an inert gas to the chamber and discharges the inert gas contaminated with fumes generated by the laser light irradiation to the outside of the chamber, and sintering of the uppermost layer for each of the divided layers The sintering time required to form the layer is acquired, and the fuel is not affected by the inert gas supply capability of the inert gas supply device so as not to affect the irradiation of the laser beam with the required energy.
  • the standby time corresponding to the residual amount of fumes in the chamber that increases and decreases proportionally with respect to the sintering time required to remove the fumes is calculated, and after the standby time has elapsed, the laser irradiation apparatus A control device that issues an irradiation start command of the laser beam is included.
  • the controller waits for a period of time required to remove the fumes until there is no effect on the irradiation of the laser beam having the required energy according to the amount of fumes remaining in the chamber for each divided layer. After that, the laser irradiation apparatus is instructed to start irradiation of laser light in the next sintering process. Therefore, it is possible to start the next sintering process without unnecessary time after exhausting the fumes remaining in the chamber sufficiently and stably, and stably irradiate laser light with the required energy at all times. it can.
  • the waiting time is set according to the sintering time required for sintering in the uppermost sintered layer having a correlation with the residual amount of fume or the irradiation area in the uppermost sintered layer.
  • the necessary waiting time can be obtained more easily.
  • the required standby time when the standby time is corrected and recalculated according to the spot diameter, output, or scanning speed of the laser beam, the required standby time can be set more accurately.
  • FIG. 2 is a front view of the metal 3D printer in FIG. 1 viewed from the DD line. It is the perspective view which looked at the powder layer forming apparatus 3 from the upper surface side. It is the perspective view which looked at the recoater head 11 and the elongate members 9r and 9l from the upper surface side. It is the perspective view seen from the recoater head 11 and the elongate member 9r, 9l bottom face side.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a fume diffusing device 17.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a fume diffusing device 17.
  • FIG. 8A is a perspective view showing the three-dimensional object 46.
  • FIG. 8A is a perspective view showing the three-dimensional object 46.
  • FIG. 8B is a perspective view showing a model 47 of the three-dimensional object 46.
  • FIG.8 (c) is a perspective view which shows the model 47 divided
  • FIG. 8D is a perspective view showing the sintered layer 50.
  • It is a block diagram which shows the control apparatus 61.
  • FIG. It is a flowchart which shows operation
  • the layered manufacturing is performed by recoating the metal powder uniformly on the table 5 to form the powder layer 8, and irradiating the predetermined portion of the powder layer 8 with the laser beam L to sinter.
  • the process and the residual amount of the fumes 25 in the chamber 1 for each divided layer 49 are formed.
  • a metal 3D printer 10 includes a powder layer forming device 3 and a driving device 52 in a substantially sealed chamber 1.
  • the driving device 52 is disposed on the bed 51.
  • the powder layer forming apparatus 3 and the bed 51 are disposed on the base 54.
  • the chamber 1 is divided into a front chamber 1f and a rear chamber 1r.
  • a modeling chamber 1d is provided in the front chamber 1f, and a driving chamber 1e is provided in the rear chamber 1r.
  • the modeling chamber 1d and the drive chamber 1e are partitioned by an X-axis bellows 53 that can be expanded and contracted. Between the modeling chamber 1d and the drive chamber 1e, there is a communicating portion that is a slight gap through which an inert gas can pass.
  • the drive device 52 includes a Y-axis drive device 52b that moves the machining head 57 disposed in the modeling chamber 1d in the Y-axis direction, and an X-axis drive device 52a that moves the Y-axis drive device 52b in the X-axis direction.
  • the processing head 57 includes a spindle head (not shown) and a Z-axis driving device that moves the head in the Z-axis direction.
  • the spindle head is configured to be able to rotate by mounting a cutting tool such as an end mill.
  • the processing head 57 can process the sintered body 50 described later by moving the spindle head to an arbitrary position in the modeling chamber 1d.
  • the cutting layer 50 may be processed each time a predetermined number of the sintered layers 50 are formed using this cutting tool. Further, when the recoater head 11 collides with an obstacle on the sintered layer 50, the obstacle may be removed using this cutting tool.
  • a powder layer forming apparatus 3 is provided in the front chamber 1f.
  • the powder layer forming apparatus 3 includes a base table 4 having a modeling region R, a recoater head 11 disposed on the base table 4 and configured to be movable in the direction of the horizontal B axis, and movement of the recoater head 11 Elongated members 9r and 9l provided on both sides of the modeling region R along the direction.
  • a table 5 that is movable in the direction of the vertical A axis is provided in the modeling region R.
  • a plate 7 on which the powder layer 8 is to be formed is arranged on the table 5.
  • the recoater head 11 is provided with a material container 11a, a material supply unit 11b provided on the top surface of the material container 11a, and a material container provided on the bottom surface of the material container 11a.
  • emits the metal powder in the part 11a is provided.
  • the material discharging part 11c has a slit shape extending in the direction of the horizontal C axis perpendicular to the B axis.
  • squeezing blades 11fb and 11rb for flattening the metal powder discharged from the material discharge portion 11c to form the powder layer 8 are provided on both side surfaces of the recoater head 11.
  • fume suction portions 11 fs and 11 rs for sucking the fume 25 are provided on both side surfaces of the recoater head 11.
  • the fume suction portions 11fs and 11rs are provided along the C axis.
  • the metal powder is, for example, a metal powder such as a spherical iron powder having an average particle diameter of 20 ⁇ m.
  • the elongated members 9r and 9l are provided with openings 9ra and 9la along the B axis. Since one of these openings 9ra and 9la is used as an inert gas supply port and the other is used as an inert gas discharge port, an inert gas flow in the direction of arrow A can be made on the modeling region R. The fumes 25 generated in the modeling region R are easily discharged along the flow of the inert gas.
  • the inert gas is a gas that does not substantially react with the metal powder, such as nitrogen gas, argon gas, or helium gas.
  • a laser irradiation device 13 is provided above the front chamber 1f, and the laser light L output from the laser irradiation device 13 is transmitted through the window 1a provided in the front chamber 1f and formed in the modeling region R. 8 is irradiated.
  • the laser irradiation device 13 is a powder formed by uniformly distributing metal powder for each divided layer 49 of a plurality of divided layers 49 obtained by dividing a three-dimensional object having a desired shape at a predetermined height in the front chamber 1f.
  • a predetermined irradiation region 45 on the layer 8 is irradiated with laser light L having a required energy to form a sintered layer 50.
  • the laser irradiation device 13 may be configured to be capable of two-dimensional scanning with the laser light L in the modeling region R.
  • the laser light source that generates the laser light L and the laser light L can be two-dimensionally scanned in the modeling region R. And a pair of galvano scanners.
  • the type of the laser beam L is not limited as long as the metal powder can be sintered, and is, for example, a CO2 laser, a fiber laser, a YAG laser, or the like.
  • the window 1a is formed of a material that can transmit the laser light L.
  • the window 1a can be made of quartz glass.
  • a fume diffusing device 17 is provided on the upper surface of the front chamber 1f so as to cover the window 1a.
  • the fume diffusing device 17 includes a cylindrical casing 17a and a cylindrical diffusing member 17c arranged in the casing 17a.
  • An inert gas supply space 17d is formed between the casing 17a and the diffusion member 17c.
  • an opening 17b is provided on the bottom surface of the housing 17a inside the diffusion member 17c.
  • the diffusion member 17c is provided with a large number of pores 17e, and the clean inert gas 27 supplied to the inert gas supply space 17d is filled into the clean space 17f through the pores 17e.
  • the clean inert gas 27 filled in the clean space 17f is ejected downward of the fume diffusing device 17 through the opening 17b.
  • the jetted clean inert gas 27 flows out along the irradiation path of the laser beam L, excludes the fumes 25 from the irradiation path of the laser beams L, and prevents the window 1a from being contaminated by the fumes 25.
  • the inert gas supply device comprises an inert gas supply device 15, a fume collector 19, dust boxes 21 and 23, and a fume diffusion device 17.
  • the inert gas supply device supplies the inert gas so that the inside of the chamber 1 is always filled with an inert gas having a predetermined concentration or more, and is also inactivated by the fume 25 generated by the irradiation of the laser beam L. The gas is discharged out of the chamber 1.
  • the inert gas supply device 15 and a fume collector 19 are connected to the inert gas supply system to the chamber 1.
  • the inert gas supply device 15 has a function of supplying an inert gas, and includes, for example, a membrane nitrogen separator that extracts nitrogen gas from ambient air.
  • the fume collector 19 has duct boxes 21 and 23 on the upstream side and the downstream side, respectively.
  • the inert gas containing the fumes 25 discharged from the front chamber 1f is sent to the fume collector 19 through the duct box 21, and the inert gas from which the fumes 25 have been removed in the fume collector 19 is sent to the front chamber 1f through the duct box 23. It is done. With such a configuration, the inert gas can be reused.
  • the inert gas supply system to the chamber 1 includes an upper supply port 1b of the front chamber 1f, a supply port 1g of the rear chamber 1r, and an inert gas supply space of the fume diffusion device 17. 17d and the elongated member 9r, respectively.
  • An inert gas is filled into the modeling chamber 1d of the front chamber 1f through the upper supply port 1b.
  • the inert gas supplied into the elongated member 9r is discharged onto the modeling region R through the opening 9ra.
  • the inert gas supplied into the rear chamber 1r is supplied into the modeling chamber 1d through a communication portion between the modeling chamber 1d and the drive chamber 1e.
  • the fume discharge system is connected to the upper discharge port 1c of the front chamber 1f, the fume suction portions 11fs and 11rs of the recoater head 11, and the elongated member 9l, respectively. Is done.
  • the inert gas including the fume 25 in the modeling chamber 1d of the front chamber 1f is discharged through the upper discharge port 1c, the flow of the inert gas from the upper supply port 1b toward the upper discharge port 1c into the modeling chamber 1d. Is formed.
  • the fume suction units 11 fs and 11 rs of the recoater head 11 can suck the fume 25 generated in the modeling region R when the recoater head 11 passes over the modeling region R.
  • the inert gas containing the fume 25 is discharged out of the chamber 1 through the opening 9la of the elongated member 9l.
  • the fume discharge system is connected to the fume collector 19 through the duct box 21, and the inert gas after the fume 25 is removed in the fume collector 19 is reused.
  • modeling data data of a modeling program for performing a program operation of the metal 3D printer including the irradiation condition and scanning path of the laser beam L and the cutting condition and tool trajectory of the cutting process is referred to as modeling data.
  • a three-dimensional object 46 as a product is shown in FIG.
  • the CAM device 64 models the three-dimensional object 46 on a computer and creates a model 47 shown in FIG. 8B.
  • the CAM device 64 divides the model 47 horizontally to form divided layers 49a, 49b, 49c, 49d, 49e, and 49f.
  • the regions surrounded by the contour shapes of the plurality of divided layers 49 are irradiation regions 45a, 45b, 45c, 45d, 45e, and 45f to be irradiated with the laser beam L, respectively.
  • the CAM device 64 calculates a scanning path in which the laser beam L is irradiated over the entire irradiation region 45, calculates an appropriate laser spot diameter, laser output, and laser scanning speed, and converts the modeling data into the metal 3D.
  • the data is output to the control device 61 of the printer.
  • the three-dimensional object 46 is divided at the same height.
  • the thickness of the divided layer 49 is not always the same, and the thickness of the divided layer 49 is different. Sometimes.
  • the control device 61 determines the standby time required for removing the fumes 25 for each of the divided layers 49 according to the residual amount of the fumes 25 to the extent that the irradiation of the laser beam L with the required energy is not affected. After the elapse of time, the laser irradiation device 13 is instructed to start irradiation with the laser light L in the next sintering step. In particular, the control device 61 first sets the fume 25 for each of the divided layers 49 corresponding to the inert gas supply capacity (maximum supply amount) of the inert gas supply device in the uppermost sintered layer 50 at that time. The waiting time is calculated from the sintering time in which the residual amount is increased or decreased proportionally. Then, after the standby time has elapsed, the control device 61 instructs the laser irradiation device 13 to start irradiation with the laser light L in the next sintering process of the divided layer 49.
  • the metal 3D printer selectively sinters the metal powder by irradiating the powder layer 8 with the laser beam L based on the modeling data created by the CAM device 64, thereby dividing the layers 49a, 49b, 49c. , 49d, 49d, 49f are formed, and sintered layers 50a, 50b, 50c, 50d, 50d, 50f are formed, and the respective sintered layers 50 are fused together to form a desired three-dimensional object 46. To do.
  • the control device 61 includes an arithmetic device 62 and a standby time database 63 for calculating the standby time.
  • the control device 61 receives the modeling data generated in the CAM device 64 and controls the layered modeling based on the modeling data.
  • the standby time database 63 stores standby time data suitable for sufficiently removing the fume 25 according to each sintering time in advance. A plurality of standby time data corresponding to the sintering time in the standby time database 63 can be obtained by test processing.
  • the controller 61 starts counting the standby time when the immediately preceding sintering process is completed. At this time, the standby time may be set shorter than the time required for the recoat process. In that case, the control device 61 controls the layered manufacturing so as to immediately shift to the next sintering step when the recoating step is completed.
  • step S ⁇ b> 1 the sintering time acquisition unit 71 of the arithmetic device 62 sets the sintering time, which is the time required for forming the sintered layer 50, in the immediately preceding sintering process. It is obtained by measuring with a counter.
  • the standby time calculation unit 72 of the arithmetic device 62 refers to the standby time database 63 and acquires the standby time corresponding to the sintering time.
  • the standby time database 63 acquires the standby time corresponding to the sintering time.
  • the acquired sintering time is t
  • the nearest sintering time shorter than t in the data stored in the standby time database 63 is t1
  • the nearest sintering time longer than t is t2
  • t, t1, t2 the nearest sintering time longer than t.
  • step S3 the control device 61 does not issue a laser beam L irradiation start command to the laser irradiation device 13 until the standby time has elapsed.
  • the standby time is calculated from the time when step S2 is completed.
  • steps S1 and S2 are performed instantaneously, the substantial starting point is the time when the immediately preceding sintering process is completed.
  • step S4 If it is determined in step S4 that the standby time has elapsed, the control device 61 instructs the laser irradiation device 13 to start irradiation with the laser light L in the next sintering step in step S5.
  • the control device 61 performs a delay process from step S1 to step S5 every time the sintering process is finished once. Since it is difficult to directly measure the residual amount of the fume 25 in the chamber 1 or the contamination state by the fume 25 in the chamber 1 that directly affects the irradiation of the laser beam L of the required energy, the metal 3D printer of this embodiment There is an advantage that a suitable waiting time can be obtained relatively easily.
  • the standby time is acquired from the sintering time by the standby time database 63, but the standby time is proportionally increased or decreased according to the residual amount of the fume 25, Since the residual amount of the fume 25 increases or decreases approximately proportionally according to the sintering time, the sintering time that can be obtained by test processing instead of the method of calculating the standby time by the standby time database 63 is
  • the standby time can be modified by calculating an approximate expression based on various approximation methods generated from a plurality of measurement data of the standby time, for example, an approximate expression based on the least square method.
  • every time modeling is repeated, measurement data is accumulated and measured data is accumulated, and by recreating the approximate expression based on the accumulated measurement data, The accuracy of the waiting time can be improved.
  • the first recoating step is performed. As shown in FIG. 11, the height of the table 5 is adjusted to an appropriate position while the plate 7 is placed on the table 5. In this state, the recoater head 11 filled with the metal powder in the material containing portion 11a is moved from the right side to the left side of the modeling region R in the direction of the B axis, so that, for example, FIG. The first powder layer 8a in the divided layer 49a shown in FIG.
  • the first sintering step is performed.
  • a first sintered layer 50a is obtained.
  • the control device 61 measures the time required to form the sintered layer 50a.
  • the first delaying process starts simultaneously with the completion of the first sintering process. Specifically, according to the sintering time required for the first sintering step, until a predetermined waiting time elapses, as described in steps S1 to S5 described above. Delay the start of the second sintering step. The waiting time starts counting simultaneously with the completion of the first sintering step.
  • the control device 61 outputs a control signal for starting the sintering process to the laser irradiation device 13, the control device 61 resets the sintering time held in the internal counter and starts counting the next sintering time.
  • the second recoating step is started simultaneously with or immediately after the start of the first delaying step, and the first delaying step and the second recoating step are performed in parallel.
  • the height of the table 5 is lowered by one layer of the powder layer 8, and the recoater head 11 is moved from the left side to the right side of the modeling region R so as to cover the sintered layer 50a.
  • a second powder layer 8b is formed thereon.
  • the sintered layer 50 is cut to remove the raised portion.
  • the process immediately proceeds to the second sintering process.
  • the laser beam L is irradiated to the predetermined irradiation region 45b in the powder layer 8b as described above, and the irradiation region 45b is sintered.
  • a second sintered layer 50b is obtained as shown in FIG.
  • the third sintered layer 50c, the fourth sintered layer 50d, and the fifth and subsequent sintered layers 50 are sequentially formed.
  • the vertically adjacent sintered layers 50 are firmly fixed to each other.
  • the sintered layer 50 is cut by a cutting tool attached to the spindle head. Carry out the cutting process to be performed.
  • the modeling data output from the CAM device 64 includes a cutting tool type for the cutting process, a cutting condition such as a rotation speed and a feed speed, or a set value such as a tool locus.
  • the fumes 25 in the chamber 1 are removed by supplying and discharging the inert gas as described above.
  • the removal of the fumes 25 is stopped in order to prevent the metal powder from being wound up by the laminar flow of the inert gas.
  • the removal of the fume 25 is stopped at the time of cutting performed when the recoater head 11 collides with the raised portion of the sintered layer 50.
  • the standby time calculation unit 72 calculates the standby time based on the sintering time, but may instead calculate the standby time according to the irradiation area.
  • the arithmetic device 62 includes an irradiation area acquisition unit instead of the sintering time acquisition unit 71.
  • the irradiation area acquisition unit is calculated from the scanning path or contour shape data included in the modeling data generated by the CAM device 64, or the irradiation area 45 of the solid data generated by a CAD device (not shown). Refer to the area to obtain the irradiation area.
  • the amount of the fumes 25 generated in the sintering process also varies depending on the spot diameter, output, and scanning speed of the laser light L. Therefore, if the standby time is corrected by the spot diameter, output, and scanning speed of the laser beam L, a more optimal standby time can be obtained. Since the spot diameter, output, and scanning speed data of the laser beam L are included in the modeling data sent from the CAM device 64 to the control device 61 of the metal 3D printer, it may be referred to.
  • the time for recoating the metal powder in the next divided layer 49 according to the sintering time closely related to the residual amount of the fume 25 or the irradiation area is obtained for each divided layer 49.
  • the laser beam L having the required energy can be stably irradiated in each sintering step without taking a lot of time, and good layered modeling can be performed.
  • the time until the fumes 25 are sufficiently discharged Is more effective in that the increase in the overall modeling time is kept small.

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Abstract

三次元物体を水平に分割してなる複数の分割層毎に金属粉末を均一に撒布して粉末層を形成する粉末層形成装置と、密閉されたチャンバと、前記粉末層上の所定の照射領域にレーザ光を照射して焼結層を形成するレーザ照射装置と、前記チャンバ内が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているように前記チャンバに不活性ガスを供給するとともにヒュームを前記チャンバの外に排出する不活性ガス供給装置と、所要のエネルギの前記レーザ光の照射に影響を与えない程度まで前記チャンバ内のヒュームの残留量に応じた待機時間が経過した後に前記レーザ照射装置に対し前記レーザ光の照射開始指令を行う制御装置と、を備えた金属３Ｄプリンタを提供する。

Description

金属３Ｄプリンタ
本発明は、三次元物体を積層造形する金属３Ｄプリンタに関する。特に、本発明は、レーザ光を金属粉末に照射するレーザ照射装置を含む金属３Ｄプリンタに関する。
公知の金属３Ｄプリンタでは、テーブル上に金属粉末を均一に撒布して最初の粉末層を形成し、その粉末層にレーザ光を照射して焼結させることによって最初の焼結層が形成される。この焼結層の上に金属粉末を均一に撒布して次の粉末層を形成し、その粉末層にレーザ光を照射して焼結させることによって次の焼結層が形成される。次の焼結層は最初の焼結層と接合されている。このように焼焼結層の形成が繰り返されることによって、３次元物体が造形される。
金属粉末を変質させないように保護するとともに、所要のエネルギのレーザ光を安定して照射できるようにするために、所定の造形領域の周囲を可能な限り酸素が存在しない状態に維持することが要求される。そのため、金属３Ｄプリンタは、密閉されたチャンバ内に窒素ガスのような不活性ガスを供給し、チャンバ内において酸素濃度が十分に低い雰囲気下で所定の照射領域にレーザ光を照射することができるように構成されている。
金属粉末がレーザ光により焼結されると、ヒュームと呼ばれる特有の煙が発生することが知られている。ヒュームがチャンバ内に充満すると、レーザ光を遮蔽して、所要のエネルギのレーザ光が焼結部位に届かなくなり、焼結不良が発生するおそれがある。特許文献１は、ヒュームがレーザ光を遮蔽しないように、ヒュームを含む不活性ガスをチャンバ内から排出しながら、チャンバ内に清浄な不活性ガスを供給する金属３Ｄプリンタを開示している。特許文献１の発明によると、チャンバに供給される清浄な不活性ガスがチャンバ内の汚れた不活性ガスを押し出す流れが形成される。その結果、所要のエネルギのレーザ光の照射に影響がない程度にヒュームをチャンバの外に排出することができる。
日本特許第５２４３９３５号
不活性ガス給排装置は、チャンバに設けられている複数の供給口と複数の排出口を通して不活性ガスを循環させている。不活性ガス給排装置の最大供給量は、実用上の限界がある。不活性ガス給排装置の最大供給量を超える流量で不活性ガスが供給されると、供給される不活性ガスの濃度が低下してしまう。その結果、チャンバ内の酸素濃度が許容値を上回り好ましくない。
三次元物体を所定の高さで分割してなる複数の分割層におけるレーザ光の照射面積が大きくなるほど同一の照射条件における焼結時間がより長くなって発生するヒュームの量も増加する。そのため、ヒュームの発生量が不活性ガス供給装置で除去できる除去量を上回り、次の分割層において粉末層を形成しレーザ光を照射するまでの期間にヒュームを除去しきれない場合がある。特に、チャンバの容量が不活性ガス供給装置の最大供給量に対して相対的に大きくなると、チャンバ内のヒュームで汚染されている不活性ガスの排出量が不足して、残留するヒュームがチャンバの側壁面に沿って上昇し、チャンバの上側に設けられている排出口から排出しきれないヒュームがレーザ光の照射経路を横切る方向に流れてチャンバ内に滞留する。
そのため、ヒュームが所要のエネルギのレーザ光の照射に影響を与えない程度十分に排出されるまでの間、レーザ光の照射を休止する必要がある。例えば、焼結層を１層形成する毎に待機時間を設け、次の焼結層の形成の開始を前記待機時間分遅延させる。このとき、十分な長さの待機時間を設定し、前記待機時間中にヒュームの除去を行えば、ヒュームの除去を十分に行うことができる。しかしながら、任意の形状の三次元物体を生成するときは、分割層により照射面積が大きく異なることがあるので、発生するヒュームの発生量も焼結層毎に異なる。したがって、複数の分割層中で最もヒュームの残留量が多くなる場合を基準にして待機時間を一定にすることは、造形サイクルにおいて不必要に余計な時間を要し、所望の三次元物体を生成するまでに要する全体の造形時間が許容できないほど長くなるおそれがある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされた。本発明の目的は、分割層毎に所要のエネルギのレーザ光の照射に影響しなくなるまでヒュームを除去するために必要な待機時間の間、レーザ光の照射の開始を遅延させながら所望の三次元物体を生成できる金属３Ｄプリンタを提供することである。
本発明の金属３Ｄプリンタは、三次元物体を水平に分割してなる複数の分割層毎に金属粉末を均一に撒布して粉末層を形成する粉末層形成装置と、密閉されたチャンバと、前記チャンバ内において前記粉末層上の所定の照射領域にレーザ光を照射して焼結層を形成するレーザ照射装置と、前記チャンバ内が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているように前記チャンバに不活性ガスを供給するとともに前記レーザ光の照射によって発生したヒュームで汚染された不活性ガスを前記チャンバの外に排出する不活性ガス供給装置と、前記分割層毎に最上層の焼結層を形成するために要した焼結時間を取得し前記不活性ガス供給装置の不活性ガスの供給能力に対応して所要のエネルギの前記レーザ光の照射に影響を与えない程度まで前記ヒュームを除去するために要求される前記焼結時間に対して比例的に増減する前記チャンバ内のヒュームの残留量に応じた待機時間を算出し前記待機時間が経過した後に前記レーザ照射装置に対し前記レーザ光の照射開始指令を行う制御装置を含んでいる。
本発明によれば、制御装置は、分割層毎にチャンバ内のヒュームの残留量に応じて所要のエネルギのレーザ光の照射に影響がなくなるまでヒュームを除去するために要求される待機時間が経過した後にレーザ照射装置に対し次の焼結工程のレーザ光の照射開始指令を行う。そのため、必要十分にチャンバ内に残留するヒュームを排出してから不必要に余計な時間を要することなく次の焼結工程を開始し、常時所要のエネルギのレーザ光を安定して照射することができる。
また、特に、本発明において、ヒュームの残留量と間に相関関係を有する最上層の焼結層において焼結に要した焼結時間または最上層の焼結層における照射面積に応じて待機時間を算出するようにした場合は、必要な待機時間をより容易に得ることができる。
また、本発明において、レーザ光のスポット径、出力または走査速度に応じて待機時間を補正し再算出するようにした場合は、必要な待機時間をより正確に設定することができる。
本発明の金属３Ｄプリンタの一実施例を示す側面図である。 図１中の金属３ＤプリンタをＤ－Ｄ線から見た正面図ある。 粉末層形成装置３を上面側から見た斜視図である。 リコータヘッド１１および細長部材９ｒ，９ｌを上面側から見た斜視図である。 リコータヘッド１１および細長部材９ｒ，９ｌ底面側から見た斜視図である。 ヒューム拡散装置１７を示す断面図である。 ヒューム拡散装置１７を示す斜視図である。 図８（ａ）は、三次元物体４６を示す斜視図である。図８（ｂ）は、三次元物体４６のモデル４７を示す斜視図である。図８（ｃ）は、水平に分割されたモデル４７を示す斜視図である。図８（ｄ）は、焼結層５０を示す斜視図である。 制御装置６１を示すブロック図である。 遅延工程における制御装置６１の動作を示すフローチャートである。 １回目の焼結工程中の金属３Ｄプリンタを示す正面図である。 ２回目のリコート工程完了時の金属３Ｄプリンタを示す正面図である。 ５回目の焼結工程開始時の金属３Ｄプリンタを示す正面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施例が説明される。以下に説明される複数の各構成部材における変形例は、それぞれ任意に組み合わせることができる。
本実施例においては、積層造形は、テーブル５上に金属粉末を均一に撒布して粉末層８を形成するリコート工程と、粉末層８の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して焼結させることによって焼結層５０を形成する焼結工程と、分割層４９毎にチャンバ１内のヒューム２５の残留量に応じて所要のエネルギのレーザ光Ｌの照射に影響がなくなるまでヒューム２５を除去するために要求される待機時間に従って次の焼結工程におけるレーザ光Ｌの照射の開始を遅延させる遅延工程と、複数層の焼結層５０を形成する度に切削工具によって焼結層５０を加工する切削工程を含んでいる。
図１に示すように、本発明の一実施例の金属３Ｄプリンタ１０は、実質的に密閉されたチャンバ１内に粉末層形成装置３と駆動装置５２が設けられている。駆動装置５２は、ベッド５１上に配置される。粉末層形成装置３とベッド５１は、ベース５４上に配置される。チャンバ１は、前チャンバ１ｆと後チャンバ１ｒに分かれており、前チャンバ１ｆ内に造形室１ｄが設けられ、後チャンバ１ｒ内に駆動室１ｅが設けられている。造形室１ｄと駆動室１ｅは、伸縮可能なＸ軸蛇腹５３で仕切られる。造形室１ｄと駆動室１ｅとの間には、不活性ガスが通過できるだけのわずかな隙間である連通部が存在している。
駆動装置５２は、造形室１ｄ内に配置される加工ヘッド５７をＹ軸方向に移動させるＹ軸駆動装置５２ｂと、Ｙ軸駆動装置５２ｂをＸ軸方向に移動させるＸ軸駆動装置５２ａで構成される。加工ヘッド５７は、図示しないスピンドルヘッドと、これをＺ軸方向に移動させるＺ軸駆動装置を備える。スピンドルヘッドは、エンドミルなどの切削工具を装着して回転できるように構成されている。以上の構成によって、加工ヘッド５７は、スピンドルヘッドを造形室１ｄ内の任意の位置に移動させて、後述する焼結体５０を加工できる。この切削工具を用いて、所定数の焼結層５０が形成される度に、焼結層５０を加工してもよい。また、リコータヘッド１１が焼結層５０上の障害に衝突したときに、この切削工具を用いてその障害が除去されてもよい。
図２および図３に示すように、前チャンバ１ｆ内に粉末層形成装置３が設けられている。粉末層形成装置３は、造形領域Ｒを有するベース台４と、ベース台４上に配置されかつ水平なＢ軸の方向に移動可能に構成されたリコータヘッド１１と、リコータヘッド１１の移動方向に沿って造形領域Ｒの両側に設けられた細長部材９ｒ，９ｌとを備える。造形領域Ｒには、鉛直なＡ軸の方向に移動可能なテーブル５が設けられている。図２中に示されるように、粉末層８が形成されることになるプレート７が、テーブル５上に配置されている。
リコータヘッド１１は、図４および図５に示すように、材料収容部１１ａと、材料収容部１１ａの上面に設けられた材料供給部１１ｂと、材料収容部１１ａの底面に設けられかつ材料収容部１１ａ内の金属粉末を排出する材料排出部１１ｃとを備える。材料排出部１１ｃは、Ｂ軸に直交する水平なＣ軸の方向に延びるスリット形状である。リコータヘッド１１の両側面には、材料排出部１１ｃから排出された金属粉末を平坦化して粉末層８を形成するスキージングブレード１１ｆｂ，１１ｒｂが設けられている。また、リコータヘッド１１の両側面には、ヒューム２５を吸引するヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓが設けられている。ヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓは、Ｃ軸に沿って設けられている。金属粉末は、例えば平均粒径２０μｍの球形をなす鉄粉などの金属粉である。
細長部材９ｒ，９ｌにはＢ軸に沿って開口部９ｒａ，９ｌａが設けられている。これらの開口部９ｒａ，９ｌａの一方が不活性ガス供給口として利用され、他方が不活性ガス排出口として利用されることによって、造形領域Ｒ上に矢印Ａ方向の不活性ガスの流れができるので、造形領域Ｒで発生したヒューム２５がこの不活性ガスの流れに沿って容易に排出される。なお、本明細書において、不活性ガスとは、金属粉末と実質的に反応しないガスであり、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスである。
前チャンバ１ｆの上方にはレーザ照射装置１３が設けられ、レーザ照射装置１３から出力されたレーザ光Ｌは、前チャンバ１ｆに設けられたウィンドウ１ａを透過して造形領域Ｒに形成された粉末層８に照射される。レーザ照射装置１３は、前チャンバ１ｆ内において所望の形状の三次元物体を所定高さで分割してなる複数の分割層４９の分割層４９毎に金属粉末を均一に撒布して形成される粉末層８上の所定の照射領域４５に所要のエネルギのレーザ光Ｌを照射して焼結層５０を形成する。レーザ照射装置１３は、造形領域Ｒにおいてレーザ光Ｌを二次元走査可能に構成されていればよく、例えば、レーザ光Ｌを生成するレーザ光源と、レーザ光Ｌを造形領域Ｒにおいて二次元走査可能とする一対のガルバノスキャナとで構成される。レーザ光Ｌは、金属粉末を焼結可能なものであればその種類は限定されず、例えば、ＣＯ２レーザ、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザなどである。ウィンドウ１ａは、レーザ光Ｌを透過可能な材料で形成される。例えば、レーザ光Ｌがファイバレーザ又はＹＡＧレーザの場合、ウィンドウ１ａは石英ガラスで構成可能である。
前チャンバ１ｆの上面には、ウィンドウ１ａを覆うようにヒューム拡散装置１７が設けられている。ヒューム拡散装置１７は、図６および図７に示すように、円筒状の筐体１７ａと、筐体１７ａ内に配置された円筒状の拡散部材１７ｃを備える。筐体１７ａと拡散部材１７ｃの間に不活性ガス供給空間１７ｄが形成されている。また、筐体１７ａの底面には、拡散部材１７ｃの内側に開口部１７ｂが設けられている。拡散部材１７ｃには多数の細孔１７ｅが設けられており、不活性ガス供給空間１７ｄに供給された清浄な不活性ガス２７は細孔１７ｅを通じて清浄空間１７ｆに充満される。そして、清浄空間１７ｆに充満された清浄な不活性ガス２７は、開口部１７ｂを通じてヒューム拡散装置１７の下方に向かって噴出される。この噴出された清浄な不活性ガス２７は、レーザ光Ｌの照射経路に沿って流れ出てレーザ光Ｌの照射経路からヒューム２５を排除し、ウィンドウ１ａがヒューム２５によって汚れることを防止する。
次に、不活性ガス供給装置の不活性ガス供給系統とヒューム排出系統について説明する。イラストされた実施例では、不活性ガス供給装置は、不活性ガス供給装置１５と、ヒュームコレクタ１９と、ダストボックス２１，２３と、ヒューム拡散装置１７と、を含んでなる。不活性ガス供給装置は、チャンバ１内が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているように不活性ガスを供給するとともに、レーザ光Ｌの照射によって発生したヒューム２５によって汚染された不活性ガスをチャンバ１の外に排出する。
チャンバ１への不活性ガス供給系統には、不活性ガス供給装置１５と、ヒュームコレクタ１９が接続されている。不活性ガス供給装置１５は、不活性ガスを供給する機能を有し、例えば、周囲の空気から窒素ガスを取り出す膜式窒素セパレータを備える装置である。ヒュームコレクタ１９は、その上流側および下流側にそれぞれダクトボックス２１，２３を有する。前チャンバ１ｆから排出されたヒューム２５を含む不活性ガスは、ダクトボックス２１を通じてヒュームコレクタ１９に送られ、ヒュームコレクタ１９においてヒューム２５が除去された不活性ガスがダクトボックス２３を通じて前チャンバ１ｆへ送られる。このような構成により、不活性ガスの再利用が可能になっている。
チャンバ１への不活性ガス供給系統は、図１および図２に示すように、前チャンバ１ｆの上部供給口１ｂと、後チャンバ１ｒの供給口１ｇと、ヒューム拡散装置１７の不活性ガス供給空間１７ｄと、細長部材９ｒにそれぞれ接続される。上部供給口１ｂを通じて前チャンバ１ｆの造形室１ｄ内に不活性ガスが充填される。細長部材９ｒ内に供給された不活性ガスが開口部９ｒａを通じて造形領域Ｒ上に排出される。また、後チャンバ１ｒ内に供給された不活性ガスは、造形室１ｄと駆動室１ｅとの間の連通部を通じて造形室１ｄ内に供給される。
ヒューム排出系統は、図１、図２、図３および図４に示すように、前チャンバ１ｆの上部排出口１ｃと、リコータヘッド１１のヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓ、および細長部材９ｌにそれぞれ接続される。上部排出口１ｃを通じて前チャンバ１ｆの造形室１ｄ内の、ヒューム２５を含む不活性ガスが排出されることによって、造形室１ｄ内に上部供給口１ｂから上部排出口１ｃに向かう不活性ガスの流れが形成される。リコータヘッド１１のヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓは、リコータヘッド１１が造形領域Ｒ上を通過する際に造形領域Ｒで発生したヒューム２５を吸引することができる。また、細長部材９ｌの開口部９ｌａを通じてヒューム２５を含む不活性ガスがチャンバ１外に排出される。ヒューム排出系統は、ダクトボックス２１を通じてヒュームコレクタ１９に接続されており、ヒュームコレクタ１９においてヒューム２５が取り除かれた後の不活性ガスが再利用される。
次に、前記金属３Ｄプリンタにおける焼結層５０の形成方法について説明する。以下の説明では、少なくとも、レーザ光Ｌのスポット径、出力、走査速度は、操作者によって任意に設定変更可能なレーザ光Ｌの照射条件に含まれる。また、本発明では、レーザ光Ｌの照射条件と走査経路、および切削加工の切削条件と工具軌跡と、を含んだ金属３Ｄプリンタをプログラム運転するための造形プログラムのデータを造形データという。
製品としての三次元物体４６が図８（ａ）に示されている。まず、ＣＡＭ装置６４が、三次元物体４６をコンピュータ上でモデル化し、図８（ｂ）に示されるモデル４７を作成する。ＣＡＭ装置６４は、このモデル４７を水平に分割して分割層４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ，４９ｅ，４９ｆを形成する。複数の分割層４９のそれぞれ輪郭形状で囲まれた領域が、レーザ光Ｌを照射すべき照射領域４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆである。ＣＡＭ装置６４は、照射領域４５の全体に渡ってレーザ光Ｌが照射されるような走査経路を算出するとともに、適正なレーザスポット径、レーザ出力およびレーザ走査速度を算出し、造形データを金属３Ｄプリンタの制御装置６１に出力する。なお、実施例においては、三次元物体４６を等しい高さで分割しているが、本発明においては、分割層４９の厚さが常に同じである必要はなく、分割層４９の厚さが異なることもある。
制御装置６１は、具体的に、分割層４９毎にヒューム２５の残留量に応じてヒューム２５を所要のエネルギのレーザ光Ｌの照射に影響を与えない程度まで除去するために要求される待機時間が経過した後にレーザ照射装置１３に対し次の焼結工程のレーザ光Ｌの照射開始指令を行う。特に、制御装置６１は、まず、分割層４９毎にそのときの最上層の焼結層５０において、不活性ガス供給装置の不活性ガスの供給能力（最大供給量）に対応してヒューム２５の残留量を比例的に増減させる焼結時間から待機時間を算出する。そして、制御装置６１は、待機時間が経過した後にレーザ照射装置１３に対し次の分割層４９の焼結工程におけるレーザ光Ｌの照射開始を指令する。
金属３Ｄプリンタは、ＣＡＭ装置６４よって作成された造形データに基づいてレーザ光Ｌを粉末層８に対して照射することによって、金属粉末を選択的に焼結させて、分割層４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ，４９ｄ，４９ｆに対応した形状を有する焼結層５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｄ，５０ｆを形成するとともに、それぞれの焼結層５０を互いに融合させ、所望の三次元物体４６を形成する。
次に、図９および図１０を参照して、焼結層５０を形成する毎に行う遅延工程が説明される。
図９に示されるように、制御装置６１は、演算装置６２と、待機時間を算出するための待機時間データベース６３とを備える。制御装置６１は、前記に示した方法のとおり、ＣＡＭ装置６４において生成された造形データを受信し、この造形データに基づいて積層造形の制御を行う。具体的に、待機時間データベース６３には、あらかじめ各々の焼結時間に応じて、ヒューム２５を十分に除去するために適する待機時間のデータが格納される。待機時間データベース６３における焼結時間に対応する待機時間の複数のデータは、テスト加工によって得ることができる。制御装置６１は、直前の焼結工程の完了と共に、待機時間のカウントを開始する。このとき、待機時間は、リコート工程に要する時間よりも短く設定されることがある。その場合、制御装置６１は、リコート工程の完了時に直ちに次の焼結工程に移行するよう積層造形の制御を行う。
図１０に示されるように、まず、ステップＳ１で、演算装置６２の焼結時間取得部７１が、直前の焼結工程において、焼結層５０の形成に要した時間である焼結時間を内部カウンタによって計測して取得する。
次のステップＳ２で、演算装置６２の待機時間算出部７２は、待機時間データベース６３を参照し、前記焼結時間に応じた待機時間を取得する。このとき、待機時間データベース６３の中に焼結時間取得部７１が取得した焼結時間と一致するデータが存在しない場合は、取得した焼結時間よりも短く最も近い焼結時間のデータと、取得した焼結時間よりも長く最も近い焼結時間のデータとを検索し、抽出した２つの焼結時間の比例式により待機時間を得る。例えば、取得した焼結時間をｔ、待機時間データベース６３内に格納されたデータにおけるｔよりも短く最も近い焼結時間をｔ１、ｔよりも長く最も近い焼結時間をｔ２、ｔ，ｔ１，ｔ２における適する待機時間をそれぞれｘ，ｕ１，ｕ２とおけば、所望の待機時間ｘは下記の通り表わせる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
ステップＳ３で、制御装置６１は、前記待機時間が経過するまでレーザ照射装置１３に対しレーザ光Ｌの照射開始指令を行わない。待機時間の起算はステップＳ２の完了時から行うが、ステップＳ１およびＳ２は瞬時に行われるため、実質的な起算点は直前の焼結工程の完了時点である。
ステップＳ４で前記待機時間が経過したと判断されると、制御装置６１は、ステップＳ５で、レーザ照射装置１３に対し、次の焼結工程におけるレーザ光Ｌの照射開始指令を行う。
制御装置６１は、焼結工程を１回終える毎にステップＳ１からステップＳ５までの遅延工程を行う。所要のエネルギのレーザ光Ｌの照射に直接影響を与えるチャンバ１内のヒューム２５の残留量またはチャンバ１内のヒューム２５による汚染状態を直接測定することが難しいので、この実施例の金属３Ｄプリンタによると、適する待機時間を比較的容易に得ることができる利点がある。
本実施例の金属３Ｄプリンタは、待機時間データベース６３によって焼結時間から待機時間を取得するようにしているが、待機時間がヒューム２５の残留量に応じて比例的に増減するものであって、ヒューム２５の残留量が焼結時間に応じておおよそ比例的に増減するものであることから、待機時間データベース６３によって待機時間を算出する方式に代えて、テスト加工によって得ることができる焼結時間と待機時間の複数の測定データから生成される種々の近似法に基づく近似式、例えば、最小二乗法に基づく近似式によって待機時間を算出するように変形することができる。なお、近似式で待機時間を算出するようにする場合、造形を繰り返すたびに測定データを累積記録して測定データを蓄積していき、蓄積された測定データに基づいて近似式を作り直すことによって、待機時間の精度を向上させることができる。
ここで、一連の積層造形の工程について、より詳細に説明する。
まず、１回目のリコート工程を行う。図１１に示すように、テーブル５上にプレート７を載置した状態でテーブル５の高さを適切な位置に調整する。この状態で材料収容部１１ａ内に金属粉末が充填されているリコータヘッド１１をＢ軸の方向に造形領域Ｒの右側から左側に移動させることによって、テーブル５上に、例えば、図８（ｃ）に示される分割層４９ａにおける１層目の粉末層８ａを形成する。
次に、１回目の焼結工程を行う。図８（ｃ）に示される粉末層８ａ中の所定の照射領域４５ａにレーザ光Ｌを照射し、粉末層８ａのレーザ光照射部位を焼結させることによって、図８（ｄ）および図１１に示すように、１層目の焼結層５０ａを得る。このとき、制御装置６１は、焼結層５０ａを形成するために要した時間を計測している。
１回目の遅延工程は、１回目の焼結工程の完了と同時に開始する。具体的には、すでに説明されているステップＳ１からステップＳ５で示されている方法のとおり、１回目の焼結工程に要した焼結時間に応じて、所定の待機時間が経過するまでの間、２回目の焼結工程の開始を遅延させる。待機時間は１回目の焼結工程の完了と同時にカウントを開始する。制御装置６１は、レーザ照射装置１３に焼結工程を開始させる制御信号を出力したら、内部カウンタに保持されている焼結時間をリセットするとともに、次の焼結時間のカウントを開始する。
２回目のリコート工程は、１回目の遅延工程の開始と同時または直後に開始され、１回目の遅延工程と２回目のリコート工程は平行して行われる。図１２に示すように、テーブル５の高さを粉末層８の１層分下げ、リコータヘッド１１を造形領域Ｒの左側から右側に移動させることによって、焼結層５０ａを覆うようにテーブル５上に２層目の粉末層８ｂを形成する。好ましくは、リコータヘッド１１が焼結層５０の隆起部に衝突したときは、隆起部を除去するために焼結層５０に対して切削加工を行う。
もし２回目のリコート工程の完了時に、取得した待機時間が既に経過していれば、直ちに２回目の焼結工程に移行する。
１回目の遅延工程と２回目のリコート工程の両方が完了した後に、前記に示した方法のとおり、粉末層８ｂ中の所定の照射領域４５ｂにレーザ光Ｌを照射し、照射領域４５ｂを焼結させることによって、図８（ｄ）に示すように２層目の焼結層５０ｂを得る。図１３に示すように、以上の工程を繰り返すことによって、３層目の焼結層５０ｃ、４層目の焼結層５０ｄ、５層目以降の焼結層５０が順次形成される。上下に隣接する焼結層５０は、互いに強く固着される。
好ましくは、三次元物体４６の表面精度を高める等の目的で、複数層の焼結層５０を形成する度に、焼結層５０に対して、スピンドルヘッドに装着された切削工具によって切削加工を行う切削工程を実施する。既述のとおり、ＣＡＭ装置６４から出力される造形データには、この切削加工のための切削工具の種類、回転速度、および送り速度等の切削条件、あるいは工具軌跡等の設定値も含まれる。
リコート工程、焼結工程および遅延工程においては、前記に示した方法のとおり、不活性ガスの給排出により、チャンバ１内のヒューム２５の除去を行う。切削工程においては、金属粉末が不活性ガスの層流によって巻き上げられるのを防ぐために、ヒューム２５の除去が停止される。リコータヘッド１１が焼結層５０の隆起部に衝突したときに行われる切削加工時も同様にヒューム２５の除去が停止される。
一般に、照射面積が大きくなる程、焼結時間も長くなる。最上層の焼結層５０において焼結に要した焼結時間とヒューム２５の発生量に相関関係があるのと同様、最上層の焼結層５０における照射面積とヒューム２５の発生量にも相関関係がある。ゆえに、待機時間算出部７２は、焼結時間を基に待機時間を算出したが、代わりに照射面積に応じて前記待機時間を算出してもよい。このとき演算装置６２は、焼結時間取得部７１に代えて照射面積取得部を備える。照射面積取得部は、ＣＡＭ装置６４で生成される造形データに含まれる走査経路または輪郭形状のデータから計算して求めるか、または、図示しないＣＡＤ装置で生成されているソリッドデータの照射領域４５の面積を参照し、照射面積を取得する。
また、焼結工程で発生するヒューム２５の量は、レーザ光Ｌのスポット径、出力および走査速度によっても変化する。ゆえに前記待機時間にレーザ光Ｌのスポット径、出力および走査速度による補正をかければ、より最適な待機時間が求められる。レーザ光Ｌのスポット径、出力および走査速度のデータは、ＣＡＭ装置６４から金属３Ｄプリンタの制御装置６１に送られる造形データに含まれているので、それを参照すればよい。
以上のとおり、本実施例によると、分割層４９毎にそれぞれヒューム２５の残留量に密接に関係する焼結時間、あるいは照射面積に応じて、次の分割層４９における金属粉末をリコートする時間を含めて所要のエネルギのレーザ光Ｌの照射に影響がなくなるまでヒューム２５が排出される待機時間の間、レーザ光Ｌの照射を開始することを遅延させることができるので、分割層４９毎に不必要に時間を多くかけることなく、各焼結工程で所要のエネルギのレーザ光Ｌを安定して照射することができ、良好な積層造形を実施することができる。
とりわけ、本実施例のように、スピンドルヘッドを移動させる駆動装置５２が収容される駆動室１ｅを備える切削加工を行なうことができる金属３Ｄプリンタにおいては、ヒューム２５が十分に排出されるまでの時間がより長くなることから、全体の造形時間の増長を小さく抑える点で、より効果的である。
本発明は、開示された形に限定されることが意図されていない。上述の記述を参照して、多くの改良および変形が可能である。
１　チャンバ
８　粉末層
１３　レーザ照射装置
２５　ヒューム
２７　清浄な不活性ガス
４５　照射領域
４９　分割層
５０　焼結層
６１　制御装置
７１　焼結時間取得部
７２　待機時間算出部
Ｌ　レーザ光
Ｒ　造形領域

Claims (5)

  1. 三次元物体を水平に分割してなる複数の分割層毎に金属粉末を均一に撒布して粉末層を形成する粉末層形成装置と、
    密閉されたチャンバと、
    前記チャンバ内において前記粉末層上の所定の照射領域にレーザ光を照射して焼結層を形成するレーザ照射装置と、
    前記チャンバ内が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているように前記チャンバに不活性ガスを供給するとともにヒュームを前記チャンバの外に排出する不活性ガス供給装置と、
    所要のエネルギの前記レーザ光の照射に影響を与えない程度まで前記チャンバ内のヒュームの残留量に応じた待機時間が経過した後に前記レーザ照射装置に対し前記レーザ光の照射開始指令を行う制御装置と、
    を備えた金属３Ｄプリンタ。
  2. 前記制御装置が、前記分割層毎に最上層の焼結層の形成に要した焼結時間を取得する焼結時間取得部と、
    前記焼結時間に基づいて前記待機時間を算出する待機時間算出部と、
    を有する請求項１に記載の金属３Ｄプリンタ。
  3. 前記待機時間算出部が、前記レーザ光のスポット径、出力および走査速度に応じて前記待機時間を補正し再算出する請求項２に記載の金属３Ｄプリンタ。
  4. 前記制御装置が、前記分割層毎に最上層の焼結層における照射面積を取得する照射面積取得部と、
    前記照射面積に基づいて前記待機時間を算出する待機時間算出部と、
    を有する請求項１に記載の金属３Ｄプリンタ。
  5. 前記待機時間算出部が、前記レーザ光のスポット径、出力および走査速度に応じて前記待機時間を補正し再算出する請求項４に記載の金属３Ｄプリンタ。
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