WO2020044522A1 - 粉末床溶融結合装置 - Google Patents

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友星 木村
潤 渡邊
正 萩原
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株式会社アスペクト
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    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor

Definitions

  • the present invention relates to a powder bed fusion bonding apparatus for forming a three-dimensional object by selectively heating and solidifying a powder material with a laser beam while depositing the powder material in layers.
  • a technique for producing prototypes and small-quantity multi-model products there is a technique of depositing a layer of powder material and then irradiating the layer with laser light to solidify the layer.
  • a three-dimensional modeled object can be manufactured by repeating deposition and solidification of a layer of a powder material.
  • rollers called recoaters are used to deposit layers of powdered material.
  • the recoater is a roller having a function of moving on a stage for forming a model and forming a layer of the powder material, and a function of rotating itself and flattening the surface of the layer of the powder material.
  • the moving speed or the rotating speed of the recoater is arbitrary, the surface of the layer of the powder material becomes rough, and as a result, the physical properties of the molded article such as the tensile modulus and the tensile elongation deteriorate.
  • An object of the present invention is to provide a powder bed fusion bonding apparatus capable of suppressing the surface of a layer of a powder material from being roughened.
  • a powder supply unit for supplying a powder material, a table provided side by side with the powder supply unit, a roller having a rotation axis in a horizontal plane, and a roller facing the table, and along a horizontal plane
  • a moving drive unit that can freely set the moving speed of the roller, and the roller moves on the table.
  • a powder bed fusion-bonding apparatus comprising: a rotation drive unit configured to rotate the roller in a rotation direction opposite to a rotation direction that naturally rolls on the powder material and to freely set a rotation speed of the roller.
  • the moving speed and the rotating speed of the roller can be freely set, so that the moving speed and the rotating speed suitable for the powder material can be obtained, and the surface of the layer formed from the powder material can be obtained. Roughness can be prevented, and deterioration of the physical properties of the modeled object obtained from the layer can be suppressed.
  • FIG. 1A is a top view of a powder bed fusion bonding apparatus according to the present embodiment
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line II of FIG. 1A
  • FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of a movement drive unit that moves a roller
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of a rotation drive unit that rotates a roller.
  • It is a schematic cross section (the 1) for explaining the additive manufacturing method using a powder bed fusion device.
  • the 2 for explaining the additive manufacturing method using a powder bed fusion device.
  • It is a schematic cross section (the 3) for explaining the additive manufacturing method using the powder bed fusion device.
  • It is sectional drawing of a roller.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a moving speed and a peripheral speed of a roller. It is a figure which shows the optical photograph of the surface of the layer obtained by various combinations of the peripheral speed and the moving speed in the case of using polyphenylene sulfide as a powder material. It is a figure which shows the optical photograph of the surface of the layer obtained by various combinations of the peripheral speed and the moving speed when using polypropylene as a powder material. It is a table obtained by investigating the tensile strength of a modeled object when the peripheral speed of the roller was changed while fixing the moving speed of the roller at 150 mm / sec.
  • FIG. 6 is a table obtained by examining the tensile modulus of a modeled product when the peripheral speed of the roller is changed while fixing the moving speed of the roller at 150 mm / sec. It is a table obtained by investigating the tensile elongation of a modeled product when the peripheral speed of the roller was changed while fixing the moving speed of the roller at 150 mm / sec.
  • FIG. 4 is a diagram showing a photograph of a large trace (striped pattern) of a roller 20 seen on the surface of a layer 23.
  • FIG. 1A is a top view of the powder bed fusion bonding apparatus according to the present embodiment.
  • the powder bed fusion bonding apparatus 10 has a first powder container 11, a modeling container 12, and a second powder container 13. These containers 11 to 13 are arranged side by side on a metal top plate 14.
  • first powder container 11 and the second powder container 13 are examples of a powder supply unit, and accommodate a powder material M for forming a three-dimensional structure.
  • powder materials M include, for example, polypropylene, polyphenylene sulfide, polybutylene terephthalate, nylon 6, nylon 11, nylon 12, and elastomer powder.
  • a filler such as glass beads or carbon fiber may be kneaded with these powders.
  • a roller 20 called a recoater is arranged on the top plate 14.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line II of FIG. 1A.
  • each of the first powder container 11 and the second powder container 13 has a first feed table 17a and a second feed table 17b which can move up and down in the vertical direction. Is provided.
  • the roller 20 has a cylindrical shape having a rotation axis C in a horizontal plane, and conveys the powder material M in each of the powder containers 11 and 13 into the modeling container 12 by reciprocating on the top plate 14.
  • a layer 23 of a material M is formed.
  • a part table 15 is accommodated in the modeling container 12.
  • the part table 15 is a table that can be raised and lowered in the vertical direction, and the above-described layer 23 is stacked thereon.
  • FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of the movement drive unit 30 that moves the roller 20.
  • the movement drive unit 30 is a mechanism for moving the roller 20 along a horizontal plane, and has a first motor 31 and a pulley 32.
  • a first timing belt 33 is suspended between the first motor 31 and the pulley 32, and a frame 34 is fixed to the first timing belt 33.
  • the frame 34 supports the roller 20 in a rotatable state, and moves along a horizontal plane together with the first timing belt 33.
  • the rotation speed of the first motor 31 can be set arbitrarily. Thereby, the moving speed v of the roller 20 along the horizontal plane can be freely set.
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of the rotation drive unit 40 that rotates the roller 20.
  • the rotation drive unit 40 is a mechanism for rotating the roller 20 in a direction opposite to the direction in which the roller 20 naturally rolls on the powder material M on the part table 15 (see FIG. 1B).
  • the rotation drive unit 40 has a second motor 41 and pulleys 42 and 43.
  • a second timing belt 44 is suspended around each of the roller 20, the second motor 41, and each of the pulleys 42 and 43.
  • the rotation of the second motor 41 causes the roller 20 to rotate at the rotation speed N. I do.
  • the rotation speed N is the number of rotations (rpm) of the roller 20 per unit time.
  • FIGS. 3 to 5 are schematic cross-sectional views for explaining the additive manufacturing method using the powder bed fusion bonding apparatus 10.
  • the heaters (not shown) of the containers 11 to 13 are operated so that the powder material M does not cool down. It may be heated to a predetermined temperature.
  • the first feed table 17a is raised, and the part table 15 is lowered by the thickness of one layer 23 (see FIG. 1B), for example, about 80 ⁇ m to 120 ⁇ m. Let it.
  • the thickness of the layer 23 is determined from the viewpoint of whether high modeling accuracy is required for the modeled object P and whether the powder material M is a material that can be easily heated. Is also determined.
  • the second feed table 17b is lowered to such an extent that the powder material M not used for forming the layer 23 is sufficiently stored.
  • the movement drive unit 30 moves the roller 20 along a horizontal plane.
  • the powder material M is carried to the modeling container 12 while the roller 20 faces the part table 15, and the layer 23 of the powder material M is formed on the part table 15.
  • the roller 20 is rotated by the rotation drive unit 40 in a direction opposite to the direction in which the roller 20 naturally rolls on the powder material M.
  • a lump of the powder material M is generated in the traveling direction of the roller 20, and the flatness of the surface of the layer 23 is improved by the roller 20 moving on the lump.
  • the remaining powder material M is carried to the second powder container 13 by further moving the roller 20.
  • a laser beam 24 is scanned on the layer 23 based on the slice data of the modeled object P to be manufactured, and the layer 23 serving as the modeled object P is melted.
  • the layer 23 in the melted portion is solidified by natural cooling to form a solidified layer 23a.
  • the movement drive unit 30 conveys the powder material M to the modeling container 12 by moving the roller 20, and forms a new layer 23 on the solidified layer 23a. Also in this case, similarly to the process of FIG. 3C, the rotation drive unit 40 rotates the roller 20 in a direction opposite to the direction in which the roller 20 naturally rolls on the powder material M, so that the surface of the layer 23 is formed. Has good flatness.
  • a laser beam 24 is scanned on the uppermost layer 23 to melt the layer 23 of the part to be the modeled object P.
  • the layer 23 in the melted portion is solidified by natural cooling to form a solidified layer 23a.
  • FIG. 6 is a sectional view of the roller 20. As shown in FIG. 6, the roller 20 has a cylindrical main body 20a and a coating 20c formed on a cylindrical surface 20b of the main body 20a.
  • the material of the main body 20a is not particularly limited, but in this example, stainless steel, which is easy to lathe, is used as the material.
  • the coating 20c is a nickel film that is harder than the main body 20a. By using a material harder than the main body 20a as the material of the coating 20c, the roller 20 can be prevented from being worn and worn by the powder material M.
  • FIG. 7 is a schematic sectional view for explaining the moving speed v (mm / sec) and the peripheral speed w (mm / sec) of the roller 20.
  • the moving speed v (mm / sec) is defined as the speed at which the rotation axis C of the roller 20 moves in the horizontal direction.
  • the peripheral speed w (mm / sec) is defined as an absolute value of the speed of the edge of the roller 20 when viewed from a coordinate system that moves with the roller 20.
  • the moving speed v can be set freely by the moving drive unit 30 as described above. Further, since the rotation speed N can be freely set by the rotation drive unit 40, the peripheral speed w can also be set freely.
  • the present inventor has proposed that the powder bed fusion-bonding apparatus 10 has two conditions: a condition in which the peripheral speed w is 0.97 times the moving speed v and a condition in which the peripheral speed w is 1.23 times the moving speed v. Is operating.
  • the inventor of the present application investigated the influence of the peripheral speed w and the moving speed v on the layer 23. The results of the survey are described below.
  • FIG. 8 shows the result of the investigation.
  • FIG. 8 is a diagram showing optical photographs of the surface of the layer 23 obtained by using various combinations of the peripheral speed w and the moving speed v when polyphenylene sulfide is used as the powder material M.
  • FIG. 9 is a view showing optical photographs of the surface of the layer 23 obtained by using various combinations of the peripheral speed w and the moving speed v when polypropylene is used as the powder material M. As in FIG. 8, the numerical value below each photograph indicates the ratio (w / v) between the peripheral speed w and the moving speed v.
  • the moving speed v and the peripheral speed w can be freely set as described above. Therefore, by selecting a combination in which the unevenness of the surface of the layer 23 is reduced among a plurality of combinations of the moving speed v and the peripheral speed w, the unevenness of the surface of the layer 23 is reduced regardless of the type of the powder material M. be able to.
  • the surface roughness of the layer 23 tends to be reduced by setting the peripheral speed w to be 1.7 times or more the moving speed v. Therefore, from the viewpoint of preventing the surface of the layer 23 from being roughened, the peripheral speed w is preferably set to be 1.7 times or more the moving speed v.
  • FIG. 13 is a photograph showing a large mark (striped pattern) of the roller 20 seen on the surface of the layer 23. According to another study by the inventor of the present application, when the peripheral speed w is set to 2.4 times or more of the moving speed v, the roller 20 shown in FIG. It has also been found that large marks are left on the surface of layer 23.
  • the peripheral speed w is set to 1.7 to 2.4 times the moving speed v. Is preferred.
  • the inventor of the present application investigated how the physical properties of the modeled object P change depending on the peripheral speed w and the moving speed v. The investigation results are shown in FIGS. ⁇ Tensile strength
  • FIG. 10 is a table obtained by examining the tensile strength (MPa) of the modeled object P when the peripheral speed w is changed while the moving speed v is fixed at 150 mm / sec. Note that the peripheral speed w is represented by a ratio value to the moving speed v.
  • samples S1 to S5 were prepared for each peripheral velocity w, and the average value of the tensile strength of these samples was determined. The same applies to each of the investigations of tensile modulus and tensile elongation described later. As shown in FIG. 10, it is found that there is no significant difference in tensile strength when the peripheral speed w is in the range of 0.3 to 3.4 times the moving speed v. ⁇
  • Tensile modulus it is found that there is no significant difference in tensile strength when the peripheral speed w is in the range of 0.3 to 3.4 times the moving speed v. ⁇
  • FIG. 11 is a table obtained by examining the tensile modulus (MPa) of the modeled object P when the peripheral speed w is changed while the moving speed v is fixed at 150 mm / sec.
  • MPa tensile modulus
  • the average tensile strength has a value of 797 MPa when the ratio of the peripheral speed w to the moving speed v is 3.1, but when the peripheral speed w is 2.4 times or less the moving speed v, A stable value with an elastic modulus of 760 MPa or more is obtained.
  • Fig. 12 is a table obtained by examining the tensile elongation (%) of the modeled object P when the peripheral speed w is changed while the moving speed v is fixed at 150 mm / sec.
  • the peripheral speed w is 1.0 or more times the moving speed v
  • a stable value with a tensile elongation of 320% or more is obtained.
  • the peripheral speed w is in the range of 1.7 to 2.4 times the moving speed v
  • a more stable value with a tensile elongation of 440% or more is obtained.
  • the present inventor has set the powder under the two conditions of the condition that the peripheral speed w is 0.97 times the moving speed v and the condition that the peripheral speed w is 1.23 times the moving speed v.
  • the bed fusion bonding apparatus 10 is operated, a range (1.7 times to 2.4 times) more suitable than the latter condition (1.23 times) was found from the above results.
  • a range (1.7 times to 2.4 times) more suitable than the latter condition (1.23 times) was found from the above results.

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Abstract

【課題】粉末材料の層の表面が荒れるのを抑制することができる粉末床溶融結合装置を提供することを目的とする。 【解決手段】粉末材料Mを供給する粉末供給部１１、１３と、粉末供給部１１、１３に並べて設けられた台１５と、水平面内に回転軸Cを有し、かつ台１５に対向するローラ２０と、水平面に沿ってローラ２０を移動させることにより、粉末供給部１１、１３から台１５の上に粉末材料Mを運搬すると共に、ローラの移動速度vを自在に設定可能な移動駆動部３０と、ローラ２０が台１５の上で粉末材料Mの上を自然に転がる回転方向とは逆の回転方向にローラ２０を回転させると共に、ローラ２０の回転速度Nを自在に設定可能な回転駆動部４０とを有する粉末床溶融結合装置１０が提供される。

Description

粉末床溶融結合装置
　本発明は、粉末材料を層状に堆積させつつ、粉末材料をレーザ光で選択的に加熱して固化させることで立体的な造形物を形成する粉末床溶融結合装置に関する。
　試作品や少量多品種の造形物を作成する技術として、粉末材料の層を堆積させた後、その層にレーザ光を照射して固化させる技術がある。この技術では、粉末材料の層の堆積と固化とを繰り返すことで三次元の造形物を作製することができる。
　粉末材料の層を堆積させるには、リコータと呼ばれるローラが使用される。リコータは、造形物を作製する台の上に移動して粉末材料の層を形成する機能と、自身が回転して粉末材料の層の表面を平らにならす機能とを備えたローラである。
　しかしながら、リコータの移動速度や回転速度を任意とすると、粉末材料の層の表面が荒れてしまう等の結果、引張弾性率、引張伸び率等の造形物の物性が劣化してしまう。
特開２０１６－１７５３１７号公報
　本発明は、粉末材料の層の表面が荒れるのを抑制することができる粉末床溶融結合装置を提供することを目的とする。
　一側面によれば、粉末材料を供給する粉末供給部と、前記粉末供給部に並べて設けられた台と、水平面内に回転軸を有し、かつ前記台に対向するローラと、水平面に沿って前記ローラを移動させることにより、前記粉末供給部から前記台の上に前記粉末材料を運搬すると共に、前記ローラの移動速度を自在に設定可能な移動駆動部と、前記ローラが前記台の上で前記粉末材料の上を自然に転がる回転方向とは逆の回転方向に前記ローラを回転させると共に、前記ローラの回転速度を自在に設定可能な回転駆動部とを有する粉末床溶融結合装置が提供される。
　一側面によれば、ローラの移動速度と回転速度とを自在に設定可能としたことで、粉末材料に適した移動速度と回転速度を得ることができ、粉末材料から形成された層の表面が荒れるのを防止できると共に、その層から得られた造形物の物性が劣化するのを抑制することができる。
図１（ａ）は、本実施形態に係る粉末床溶融結合装置の上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のI－I線に沿う断面図である。 図２（ａ）は、ローラを移動させる移動駆動部の模式断面図であり、図２（ｂ）は、ローラを回転させる回転駆動部の模式断面図である。 粉末床溶融結合装置を用いた積層造形方法について説明するための模式断面図（その１）である。 粉末床溶融結合装置を用いた積層造形方法について説明するための模式断面図（その２）である。 粉末床溶融結合装置を用いた積層造形方法について説明するための模式断面図（その３）である。 ローラの断面図である。 ローラの移動速度と周速度とについて説明するための模式断面図である。 粉末材料としてポリフェニレンサルファイドを使用した場合において、周速度と移動速度の様々な組み合わせで得られた層の表面の光学写真を示す図である。 粉末材料としてポリプロピレンを使用した場合において、周速度と移動速度の様々な組み合わせで得られた層の表面の光学写真を示す図である。 ローラの移動速度を１５０mm/secに固定しながらローラの周速度を変化させた場合における造形物の引張強度を調査して得られた表である。 ローラの移動速度を１５０mm/secに固定しながらローラの周速度を変化させた場合における造形物の引張弾性率を調査して得られた表である。 ローラの移動速度を１５０mm/secに固定しながらローラの周速度を変化させた場合における造形物の引張伸び率を調査して得られた表である。 層２３の表面にみられるローラ２０の大きな跡（縞模様）の写真を示す図である。
　以下に、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。
　図１（ａ）は、本実施形態に係る粉末床溶融結合装置の上面図である。
　図１（ａ）に示すように、この粉末床溶融結合装置１０は、第１の粉末容器１１、造形容器１２、及び第２の粉末容器１３を有する。これらの各容器１１～１３は、金属製の天板１４に互いに並べて配置される。
　また、第１の粉末容器１１と第２の粉末容器１３は、粉末供給部の一例であって、三次元の造形物を造形するための粉末材料Mを収容する。そのような粉末材料Mとしては、例えば、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ナイロン６、ナイロン１１、ナイロン１２、及びエストラマの粉末がある。なお、これらの粉末にガラスビーズやカーボンファイバ等のフィラーを混錬してもよい。
　更に、天板１４の上にはリコータと呼ばれるローラ２０が配される。
　図１（ｂ）は、図１（ａ）のI－I線に沿う断面図である。
　図１（ｂ）に示すように、第１の粉末容器１１と第２の粉末容器１３の各々には、鉛直方向に沿って昇降可能な第１のフィードテーブル１７ａと第２のフィードテーブル１７ｂとが設けられる。
　また、ローラ２０は、水平面内に回転軸Cを有する円筒状であり、天板１４の上を往復することにより各粉末容器１１、１３内の粉末材料Mを造形容器１２内に運搬し、粉末材料Mの層２３を形成する。
　一方、造形容器１２にはパートテーブル１５が収容される。パートテーブル１５は、鉛直方向に昇降可能な台であり、その上に前述の層２３が積層される。
　造形容器１２の上方には、レーザ光２４を発生させるレーザ光学系２５が設けられる。レーザ光学系２５は、作成すべき造形物Pのスライスデータに基づき、ミラーやレンズの動きを制御して最上層の層２３にレーザ光２４を照射し、造形物Pに対応する部分の層２３を加熱して溶融させる。
　図２（ａ）は、ローラ２０を移動させる移動駆動部３０の模式断面図である。
　移動駆動部３０は、水平面に沿ってローラ２０を移動させる機構であり、第１のモータ３１とプーリ３２とを有する。第１のモータ３１とプーリ３２との間には第１のタイミングベルト３３が懸架されており、更にその第１のタイミングベルト３３にはフレーム３４が固定される。フレーム３４は、ローラ２０を回転可能な状態で支持すると共に、第１のタイミングベルト３３と共に水平面に沿って移動する。
　第１のモータ３１の回転速度は任意に設定可能である。これにより、水平面に沿ったローラ２０の移動速度vが自在に設定可能となる。
　図２（ｂ）は、ローラ２０を回転させる回転駆動部４０の模式断面図である。
　回転駆動部４０は、ローラ２０がパートテーブル１５（図１（ｂ）参照）の上で粉末材料Mの上を自然に転がる回転方向とは逆の回転方向にローラ２０を回転させる機構である。この例では、回転駆動部４０は、第２のモータ４１とプーリ４２、４３とを有する。そして、ローラ２０、第２のモータ４１、及び各プーリ４２、４３の各々に第２のタイミングベルト４４が懸架されており、第２のモータ４１が回転することでローラ２０が回転速度Nで回転する。なお、回転速度Nは、単位時間あたりのローラ２０の回転数(rpm)である。
　このような機構によれば、ローラ２０が水平面を移動速度vで移動するのに合わせて第２のタイミングベルト４４が変形するため、ローラ２０の移動を妨げずにローラ２０を回転させることができる。
　また、この例では第２のモータ４１の回転速度は任意に設定可能であり、これによりローラ２０の回転速度Nも自在に設定可能となる。
　次に、この粉末床溶融結合装置１０を用いた積層造形方法について説明する。
　図３～図５は、粉末床溶融結合装置１０を用いた積層造形方法について説明するための模式断面図である。
　なお、積層造形において樹脂粉末等が用いられる場合には、積層造形を行う間、粉末材料Mが冷めないよう、各容器１１～１３の不図示のヒータを動作させて、各容器１１～１３を所定の温度に加熱してもよい。
　ヒータでの加熱又はレーザでの溶融において樹脂粉末が酸化するのを防止するように、例えば窒素ガスを充填して酸素濃度を下げておくことが望ましい。その際、造形室内を大気圧よりもわずかに高めの圧力にすることにより、造形室の隙間や排気側からの酸素の流入を防止すると、より好ましい。
　そして、図３（ａ）に示すように、第１の粉末容器１１の開口端にローラ２０を配置する。
　次いで、図３（ｂ）に示すように、第１のフィードテーブル１７ａを上昇させると共に、パートテーブル１５を一つの層２３（図１（ｂ）参照）の厚さ分、例えば８０μｍ～１２０μm程度下降させる。層２３の厚さは、造形物Pに高い工作精度が要求されるかどうかや、粉末材料Mが容易に加熱できる材料かどうかという観点から定められるため、これらに応じてパートテーブル１５の下降量も決定される。
　また、第２のフィードテーブル１７ｂを、層２３の形成に使用されなかった粉末材料Mが十分に収納される程度に下降させる。
　次いで、図３（ｃ）に示すように、移動駆動部３０がローラ２０を水平面に沿って移動させる。これにより、パートテーブル１５にローラ２０が対向しながら粉末材料Mが造形容器１２まで運ばれて、パートテーブル１５の上に粉末材料Mの層２３が形成される。このとき、回転駆動部４０によって、ローラ２０が粉末材料Mの上を自然に転がるのとは逆方向にローラ２０が回転する。これにより、ローラ２０の進行方向に粉末材料Mの塊が発生し、その塊の上をローラ２０が移動することにより層２３の表面の平坦性が良好となる。
　次に、図４（ａ）に示すように、ローラ２０を更に移動させることにより、残った粉末材料Mを第２の粉末容器１３まで運ぶ。
　その後に、図４（ｂ）に示すように、作製すべき造形物Pのスライスデータに基づいて層２３の上でレーザ光２４を走査し、造形物Pとなる部分の層２３を溶融させる。溶融した部分の層２３は、自然冷却により固化して固化層２３ａとなる。
　続いて、図４（ｃ）に示すように、第２のフィードテーブル１７ｂを上昇させると共に、パートテーブル１５を層２３の一層分だけ下降させる。同様に、第１のフィードテーブル１７ａも下降させる。
　そして、図５（ａ）に示すように、移動駆動部３０がローラ２０を移動させることにより造形容器１２に粉末材料Mを搬送し、固化層２３ａの上に新たな層２３を形成する。この場合も、図３（ｃ）の工程と同様に、ローラ２０が粉末材料Mの上を自然に転がるのとは逆方向に回転駆動部４０がローラ２０を回転させることにより、層２３の表面の平坦性が良好となる。
　次に、図５（ｂ）に示すように、一番上の層２３の上でレーザ光２４を走査し、造形物Pとなる部分の層２３を溶融させる。溶融した部分の層２３は、自然冷却により固化して固化層２３ａとなる。
　このような工程を繰り返すことにより、複数の固化層２３ａを積層してなる造形物Pを作製することができる。
　なお、本実施形態では天板１４の上をローラ２０が往復する例を示したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、天板１４の上を往復する二つの方向のうち、一方の方向のみにローラ２０が移動してもよい。
　図６は、ローラ２０の断面図である。
　図６に示すように、ローラ２０は、円筒状の本体２０ａと、その本体２０ａの円筒面２０ｂに形成された被膜２０ｃとを有する。
　本体２０ａの材料は特に限定されないが、この例では旋盤加工が容易なステンレスをその材料として使用する。また、被膜２０ｃは、本体２０ａよりも固いニッケル膜である。このように被膜２０ｃの材料として本体２０ａよりも固い材料を使用することで、ローラ２０が粉末材料Mによって摩滅、摩耗するのを防止することができる。
　次に、ローラ２０の移動速度と周速度について説明する。
　図７は、ローラ２０の移動速度v(mm/sec)と周速度w(mm/sec)とについて説明するための模式断面図である。
　移動速度v(mm/sec)は、ローラ２０の回転軸Cが水平方向に移動する速度として定義される。
　一方、周速度w(mm/sec)は、ローラ２０と共に移動する座標系から見た場合における、ローラ２０の縁の速度の絶対値として定義される。なお、ローラ２０の直径をR、ローラ２０の回転速度をN(rpm)とすると、周速度wは、w = π×R×N／60 (mm/sec)となる。
　本実施形態に係る粉末床溶融結合装置１０においては、前述のように移動駆動部３０により移動速度vを自在に設定できる。また、回転駆動部４０によって回転速度Nも自在に設定できるため、周速度wも自在に設定できる。
　本願発明者は、現状では周速度wを移動速度vの０．９７倍にする条件と、周速度wを移動速度vの１．２３倍にする条件の二つの条件で粉末床溶融結合装置１０を運用している。これら二つの条件よりも好ましい条件を探すべく、本願発明者は、周速度wと移動速度vが層２３に与える影響について調査した。以下に、その調査結果について説明する。
＜層２３の表面形状について＞
　本願発明者は、周速度wと移動速度vによって層２３の表面形状がどのように変わるのかを調査した。その調査結果を図８に示す。
　図８は、粉末材料Mとしてポリフェニレンサルファイドを使用した場合において、周速度wと移動速度vの様々な組み合わせで得られた層２３の表面の光学写真を示す図である。
　この調査では、粉末材料Mとして平均粒径が約５０μmのポリフェニレンサルファイドを使用し、その粉末材料Mから得られた層２３の表面を撮影した。なお、各写真の下の数値は、周速度wと移動速度vとの比（w/v）を表す。
　図８に示すように、同一の移動速度vで比較した場合、周速度wが速くなるほど層２３の表面の凹凸が小さくなり、良質な層２３が得られることが分かった。
　本願発明者は、このような傾向が別の粉末材料Mでも見られるかを確かめるため、粉末材料Mとして平均粒径が約５０μmのポリプロピレンを用い、上記と同様の調査を行った。その調査結果を図９に示す。
　図９は、粉末材料Mとしてポリプロピレンを使用した場合において、周速度wと移動速度vの様々な組み合わせで得られた層２３の表面の光学写真を示す図である。なお、図８と同様に、各写真の下の数値は、周速度wと移動速度vとの比（w/v）を表す。
　図９に示すように、ポリプロピレンにおいても、同一の移動速度vで比較した場合、周速度wが速くなるほど層２３の表面の凹凸が小さくなることが明らかとなった。
　本実施形態に係る粉末床溶融結合装置１０では、上記のように移動速度vと周速度wの各々を自在に設定できる。そのため、移動速度vと周速度wの複数の組み合わせのうちで層２３の表面の凹凸が小さくなる組み合わせを選択することで、粉末材料Mの種類によらずに層２３の表面の凹凸を小さくすることができる。
　また、図８と図９のいずれの結果においても、周速度wを移動速度vの１．７倍以上とすることにより、層２３の表面の荒れが収まる傾向がみられる。よって、層２３の表面の荒れを防止するという観点からすると、周速度wを移動速度vの１．７倍以上とするのが好ましい。
　図１３は、層２３の表面にみられるローラ２０の大きな跡（縞模様）を示す写真である。
　なお、本願発明者の別の調査によれば、周速度wを移動速度vの２．４倍以上とすると、図８と図９の写真には写らないような図１３に示されるローラ２０の大きな跡が層２３の表面についてしまうことも明らかとなった。
　したがって、層２３の表面にローラ２０の跡がつくのを防止しつつ、かつ層２３の表面の荒れを抑制するには、周速度wを移動速度vの１．７倍～２．４倍とするのが好ましい。
＜造形物Pの物性について＞
　本願発明者は、周速度wと移動速度vによって造形物Pの物性がどのように変わるのかを調査した。その調査結果を図１０～図１２に示す。
　・引張強度
　図１０は、移動速度vを１５０mm/secに固定しながら周速度wを変化させた場合における、造形物Pの引張強度(MPa)を調査して得られた表である。なお、周速度wについては、移動速度vとの比の値で表わしている。また、この調査では、各々の周速度wについてサンプルＳ１～Ｓ５を用意し、これらのサンプルの引張強度の平均値を求めた。これらについては、後述の引張弾性率と引張伸び率の各調査でも同様である。
　図１０に示すように、周速度wが移動速度vの０．３～３．４倍の範囲において、引張強度については優位な差はみられないことが分かる。
　・引張弾性率
　図１１は、移動速度vを１５０mm/secに固定しながら周速度wを変化させた場合における、造形物Pの引張弾性率(MPa)を調査して得られた表である。なお、サンプルＳ５において、周速度wと移動速度vとの比が３．１の場合は、ひずみゲージの接触不良により測定値を得ることができなかった。
　引張弾性率については、周速度ｗと移動速度ｖの比が３．１のときに引張強度の平均が７９７MPaの値を持つものの、周速度wが移動速度vの２．４倍以下において、引張弾性率が７６０MPa以上の安定した値が得られている。
　・引張伸び率
　図１２は、移動速度vを１５０mm/secに固定しながら周速度wを変化させた場合における、造形物Pの引張伸び率(%)を調査して得られた表である。
　周速度wが移動速度vの１．０倍以上において、引張伸び率が３２０％以上の安定した値が得られている。さらに、周速度wが移動速度vの１．７～２．４倍の範囲において、引張伸び率が４４０％以上のより安定した値が得られている。
　上記した図８～図１３の結果より、周速度wを移動速度vの１．０～２．４倍とすることにより、造形物Pの引張弾性率が安定して７６０MPaを超えると共に、引張伸び率が３２０％を安定して超え、層２３の表面にみられるローラ２０の大きな跡（縞模様）（図１３）が発生しないことが明らかとなった。
　更に、周速度wを移動速度vの１．７～２．４倍に狭めることにより、引張伸び率が、４４０％を超え、層２３の表面荒れも防止でき（図８、図９）、より好ましい結果が得られることが明らかとなった。
　前述のように、本願発明者は、現状では周速度wを移動速度vの０．９７倍にする条件と、周速度wを移動速度vの１．２３倍にする条件の二つの条件で粉末床溶融結合装置１０を運用しているが、上記の結果によれば、後者の条件（１．２３倍）よりも好適な範囲（１．７倍～２．４倍）が見つかった。この範囲（１．７倍～２．４倍）で粉末床溶融結合装置１０を運用することにより、現状よりも安定した物性値を有する造形物Pを作製することが可能となる。
１０…粉末床溶融結合装置、１１…第１の粉末容器、１２…造形容器、１３…第２の粉末容器、１４…天板、１５…パートテーブル、１７ａ…第１のフィードテーブル、１７ｂ…第２のフィードテーブル、２０…ローラ、２０ａ…本体、２０ｂ…円筒面、２０ｃ…被膜、２３…層、２４…レーザ光、２５…レーザ光学系、３０…移動駆動部、３１…第１のモータ、３２、４２、４３…プーリ、３３…第１のタイミングベルト、３４…フレーム、４０…回転駆動部、４１…第２のモータ、４４…第２のタイミングベルト。

Claims (6)

  1. 　粉末材料を供給する粉末供給部と、
    　前記粉末供給部に並べて設けられた台と、
    　水平面内に回転軸を有し、かつ前記台に対向するローラと、
    　水平面に沿って前記ローラを移動させることにより、前記粉末供給部から前記台の上に前記粉末材料を運搬すると共に、前記ローラの移動速度を自在に設定可能な移動駆動部と、
    　前記ローラが前記台の上で前記粉末材料の上を自然に転がる回転方向とは逆の回転方向に前記ローラを回転させると共に、前記ローラの回転速度を自在に設定可能な回転駆動部と、
    　を有する粉末床溶融結合装置。
  2. 　前記回転駆動部は、同一の前記移動速度に対して、複数の異なる前記回転速度を設定可能である請求項１に記載の粉末床溶融結合装置。
  3. 　前記ローラの周速度は、前記移動速度の１．０～２．４倍である請求項１又は請求項２に記載の粉末床溶融結合装置。
  4. 　前記ローラの周速度は、前記移動速度の１．７～２．４倍である請求項３に記載の粉末床溶融結合装置。
  5. 　前記回転駆動部は、前記ローラに連結されたモータを有し、前記モータの回転数を制御することにより前記回転速度を制御する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の粉末床溶融結合装置。
  6. 　前記ローラは、
    　円筒面を備えた本体と、
    　前記円筒面に形成され、前記本体よりも固い材料の被膜とを有する請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の粉末床溶融結合装置。
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