WO2022158518A1 - 付加製造装置、及び付加製造方法 - Google Patents

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WO2022158518A1
WO2022158518A1 PCT/JP2022/001965 JP2022001965W WO2022158518A1 WO 2022158518 A1 WO2022158518 A1 WO 2022158518A1 JP 2022001965 W JP2022001965 W JP 2022001965W WO 2022158518 A1 WO2022158518 A1 WO 2022158518A1
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material powder
manufacturing apparatus
powder layer
rotation axis
modeling
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PCT/JP2022/001965
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綾 小池
悠介 杉浦
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学校法人慶應義塾
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • This application relates to an additive manufacturing device and an additive manufacturing method.
  • AM additive manufacturing
  • an additive manufacturing apparatus is a configuration including a powder bed and an additive manufacturing head configured to radiate a first energy into the powder bed to form at least one layer of a component. (See Patent Document 1, for example).
  • Patent Document 1 there is room for improvement in the quality of the modeled object that is modeled by the additional manufacturing device.
  • the purpose of the present invention is to improve the quality of a modeled object.
  • An additional manufacturing apparatus includes a modeling table, a rotation mechanism for applying centrifugal acceleration to the modeling table by rotating the modeling table around a predetermined rotation axis, and the rotating modeling table. and an energy applying part for applying energy to the material powder layer formed by the forming part.
  • FIG. 3 is a diagram of a functional configuration example of a control unit of the additive manufacturing apparatus according to the first embodiment;
  • FIG. 1 is a first diagram of an example of material powder layer formation by the additional manufacturing apparatus according to the first embodiment;
  • FIG. 2 is a second diagram of an example of material powder layer formation by the additional manufacturing apparatus according to the first embodiment;
  • FIG. 3 is a third diagram of an example of material powder layer formation by the additional manufacturing apparatus according to the first embodiment;
  • FIG. 1 is a first diagram of an example of material powder layer formation by the additional manufacturing apparatus according to the first embodiment;
  • FIG. 2 is a second diagram of an example of material powder layer formation by the additional manufacturing apparatus according to the first embodiment;
  • FIG. 3 is a third diagram of an example of material powder layer formation by the additional manufacturing apparatus according to the first embodiment;
  • FIG. 1 is a first diagram of an example of material powder layer formation by the additional manufacturing apparatus according to the first embodiment;
  • FIG. 2 is a second diagram of an example of material powder layer formation by the additional manufacturing
  • FIG. 4 shows an example of material powder layer formation by the additional manufacturing apparatus according to the first embodiment
  • 4 is a flow chart showing an operation example of the additive manufacturing apparatus according to the first embodiment
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of an additional manufacturing apparatus according to a comparative example; It is a figure explaining an example of the force which acts on material powder.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of the result of forming a material powder layer in the case of a synthetic acceleration of 1 [G]
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the result of forming a material powder layer in the case of a synthetic acceleration of 10 [G]
  • It is a figure which shows the relationship example of synthetic
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of the result of forming a material powder layer in the case of a synthetic acceleration of 1 [G]
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the result of forming a material powder layer in the case of a synthetic acceleration of
  • FIG. 10 is a diagram of an example of spatter generation in the case of a synthetic acceleration of 2 [G];
  • FIG. 10 is a diagram of an example of spatter generation in the case of a synthetic acceleration of 5 [G];
  • FIG. 10 is a diagram of an example of spatter generation in the case of a synthetic acceleration of 10 [G];
  • FIG. 11 is a perspective view showing a configuration example of an additional manufacturing apparatus according to a second embodiment;
  • the additive manufacturing device is a device that performs additive manufacturing (modeling) using the powder bed fusion method.
  • the powder bed fusion bonding method irradiates a laser beam (laser light) or an electron beam on the surface of the material powder layer, which is a layer of material powder spread all over, to selectively impart energy to the material powder.
  • a molding method that melts and solidifies.
  • the molding table is lowered to supply the material powder for the next layer, and the material powder melted and solidified by selectively applying energy is layered to form three layers of the object to be molded. Create a modeled object that is a dimensional object.
  • Machine powder means the powder of the material that will be the raw material for the modeled object.
  • metal or thermoplastic resin can be mainly used depending on the application of the model, and powder based on ceramics or sand can also be used in part.
  • maraging steel is used for mold parts
  • stainless steel is used for applications that require ductility and corrosion resistance.
  • nickel alloys and the like are used, and for applications requiring light weight or biocompatibility, titanium or titanium alloys, aluminum, aluminum alloys, cobalt-chromium-molybdenum steel, etc. are used.
  • gold alloys, platinum-based metallic glasses, and the like are used.
  • An additional manufacturing apparatus includes a modeling table, a rotation mechanism that applies centrifugal acceleration to the modeling table by rotating the modeling table around a predetermined rotation axis, and a material powder layer on the rotating modeling table. It has a forming section for forming and an energy applying section for applying energy to the material powder layer formed by the forming section.
  • the modeling table is rotated around an axis substantially parallel to the modeling surface on which the material powder layers are laminated, a centrifugal force accompanying the rotation is applied, and a synthetic acceleration due to the centrifugal force and gravity is applied to the material powder. Therefore, even if the material powder has a small particle size and gravity does not work easily, the combined acceleration due to the centrifugal force and the gravity force acts dominantly compared to the electromagnetic force or the fluid force to press the material powder against the modeling table.
  • the modeling surface refers to a surface included in the modeling table and substantially perpendicular to the stacking direction in which the material powder layers are stacked.
  • directions may be indicated by the X-axis, Y-axis, and Z-axis, but the X-direction along the X-axis indicates a predetermined direction within a plane substantially orthogonal to the direction of gravity.
  • a Y direction along the Y axis indicates a direction orthogonal to the predetermined direction within the plane.
  • the Z direction along the Z axis indicates the direction of gravity.
  • the direction in which the arrow points in the X direction is indicated as +X direction
  • the direction opposite to +X direction is indicated as -X direction
  • the direction in which the arrow points in Y direction is indicated as +Y direction
  • the direction opposite to +Y direction is indicated as -Y direction
  • the direction in which the arrow points in the Z direction is denoted as the +Z direction
  • the direction opposite to the +Z direction is denoted as the -Z direction.
  • these do not limit the orientation and arrangement of the additional manufacturing device, and the orientation and arrangement of the additional manufacturing device are arbitrary.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the configuration of the additional manufacturing apparatus 1, and is a diagram of the additional manufacturing apparatus 1 viewed from the side (+Y direction side).
  • the additive manufacturing apparatus 1 includes a base 10, a rotating stage 20, a PBF (Powder Bed Fusion) unit 30, an optical scanning unit 40, an irradiation unit 50, and a pedestal 60. have.
  • PBF Powder Bed Fusion
  • the additional manufacturing apparatus 1 fixes the rotation stage 20 to the surface of the base section 10 on the +Z direction side, and also fixes the irradiation unit 50 via the base section 60 .
  • the rotation stage 20 has a PBF unit 30 and an optical scanning unit 40 fixed to the +Z direction side surface of a rotation table 23 rotatable around a rotation axis E indicated by a dashed line.
  • the additional manufacturing apparatus 1 forms a material powder layer on the modeling table 34 with the PBF unit 30 while rotating the modeling table 34 including the modeling surface 341 . Further, the additional manufacturing apparatus 1 causes the light scanning unit 40 to scan the material powder layer formed by the PBF unit 30 with the laser light L emitted by the irradiation unit 50, and applies light energy to the material powder layer to selectively Allow to melt and solidify. Then, the modeled object is modeled by stacking the selectively solidified material powder layers.
  • the base part 10 is a base member that serves as the base of the additional manufacturing device 1 .
  • a surface plate or the like made of cast iron can be applied to the base portion 10 .
  • the base unit 10 has the rotation stage 20 and the base unit 60 fixed to the +Z direction side surface with screws or the like.
  • the rotary stage 20 has a stage column 21 , a stage support plate 22 , a rotary table 23 and a rotary drive motor 24 .
  • the stage support plate 22 is fixed to the base section 10 with screws or the like via the stage support 21 .
  • the stage column 21 and the stage support plate 22 are each made of a metal material or the like.
  • the rotary table 23 is rotatably supported by the stage support plate 22 via bearings such as cross rollers or balls, or air bearings.
  • the rotary table 23 has the PBF unit 30 and the optical scanning unit 40 fixed by screws or the like on the surface on the +Z direction side. It may be fixed by a magnet or the like.
  • the rotary drive motor 24 is connected to the rotary table 23 via a sprocket wheel or the like attached to the shaft center and a belt 25, and rotates the rotary table 23 around the rotation axis E along the rotation direction Ea.
  • a stepping motor, an AC (Alternating Current) motor, a DC (Direct current) motor, or the like can be used as the rotary drive motor 24 .
  • the turntable 23 can also rotate around the rotation axis E along a direction opposite to the rotation direction Ea.
  • the rotating stage 20 is an example of a rotating mechanism that rotates the forming table 34 provided in the PBF unit 30 around a predetermined rotation axis by rotating the rotating table 23 to apply centrifugal acceleration to the forming table 34 .
  • the PBF unit 30 has a support base 31 , an elevating stage 32 , an elevating drive motor 33 , a modeling table 34 , a side wall portion 35 and a recoater unit 36 .
  • the PBF unit 30 is an example of a formation section that forms a material powder layer on a modeling table 34 rotated by the rotary stage 20 .
  • the support table 31 is a member used to fix the lifting stage 32 and the modeling table 34 .
  • the support base 31 can be configured including a material such as metal.
  • the support table 31 fixes the lifting stage 32 and the modeling table 34 at a predetermined angle with respect to the rotation axis E by setting the angle of the surface to which the lifting stage 32 is fixed with respect to the rotation axis E in advance.
  • the additional manufacturing apparatus 1 forms a material powder layer on the modeling table 34 while rotating the modeling table 34, the material powder on the modeling table 34 is oriented in a direction substantially perpendicular to the rotation axis E as it rotates.
  • a resultant acceleration due to centrifugal force and gravity acts.
  • the material powder on the modeling table 34 is subjected to centrifugal force in the direction of pressing against the modeling table 34 .
  • a resultant acceleration due to gravity is preferably applied.
  • the lifting stage 32 is a moving mechanism that lifts and lowers the modeling table 34 along a direction substantially orthogonal to the modeling surface 341 using the rotation of the elevation drive motor 33 as a driving force.
  • a height adjustment stage or the like made of a material such as aluminum or stainless steel can be used as the elevation stage 32, and a stepping motor, an AC motor, a DC motor, or the like can be used as the elevation drive motor 33.
  • the modeling table 34 is a member that is configured to include a metal material or the like and serves as a table for modeling a modeled object.
  • a modeled object is modeled on a modeling surface 341 provided on the modeling table 34 .
  • the side wall portion 35 is a member that surrounds the molding table 34 so that the material powder on the molding table 34 does not scatter. Metal, resin, or the like can be applied to the material of the side wall portion 35 .
  • the recoater unit 36 has a tank, a blade, and a blade drive motor.
  • the recoater unit 36 feeds the material powder stored in the tank by moving the blade to supply the material powder onto the modeling surface 341 or onto the object in the process of being shaped, thereby forming a material powder layer thereon.
  • the recoater unit 36 moves the blade by defining a gap between the molding surface 341 or the material powder layer formed on the molding in the middle of molding and the edge of the blade, thereby obtaining a substantially flat layer having a desired layer thickness.
  • a material powder layer can be formed.
  • a metal or resin material can be applied to the material of the tank and the blade.
  • a roller may be used instead of the blade.
  • the pedestal part 60 has a pedestal column 61 and a pedestal base plate 62 .
  • the gantry part 60 is a component for fixing the irradiation unit 50 to the +Z direction side surface of the gantry base plate 62 supported by the gantry struts 61 and arranging the irradiation unit 50 on the +Z direction side of the rotation stage 20 . .
  • the irradiation unit 50 includes a fiber laser 52, a beam expander 53, a condenser lens 54, and a mirror 55.
  • the irradiation unit 50 is an example of an energy applying unit that applies optical energy by irradiating the material powder layer with the laser light L emitted by the fiber laser 52 .
  • the fiber laser 52, the beam expander 53, and the condenser lens 54 are fixed to the +Z direction side surface of the gantry base plate 62 via an optical rail 51 for assisting positioning adjustment.
  • the fiber laser 52 is a type of solid-state laser that uses an optical fiber as an amplification medium, and is an example of a laser light source that emits laser light L.
  • the fiber laser 52 is a laser light source with high energy conversion efficiency because light is confined in a thin optical fiber as compared with a solid-state laser using a laser crystal or the like.
  • the fiber laser 52 is held by a laser holder 52 h and fixed to the optical rail 51 .
  • the fiber laser 52 emits laser light L, which is a substantially parallel light flux, in the +X direction.
  • the laser light L is preferably pulsed laser light with a short time width, but is not limited to this, and may be CW (Continuous Wave) light.
  • the laser light source is not limited to the fiber laser 52, and various laser light sources can be applied.
  • Solid-state lasers include Yb lasers, YAG lasers, titanium sapphire lasers, and the like.
  • Gas lasers include argon lasers, helium neon lasers, carbon dioxide lasers, and the like.
  • a semiconductor laser which is a compact laser light source, is also suitable for miniaturizing the additive manufacturing apparatus 1 .
  • the beam expander 53 is an optical member that converts the laser beam L emitted by the fiber laser 52 into a substantially parallel beam with a larger beam diameter.
  • the beam expander 53 can be configured by combining a plurality of lenses made of glass or the like.
  • the beam expander 53 is held by a BE holder 53 h and fixed to the optical rail 51 .
  • the beam expander 53 may not necessarily be provided, but if the diameter of the luminous flux of the laser light L is increased by the beam expander 53, a smaller beam spot can be obtained when the light is condensed by the condensing lens 54. point.
  • the condensing lens 54 is a lens that converges the laser light L, the diameter of which is expanded by the beam expander 53, at the position of the material powder layer.
  • the condenser lens 54 is composed of a lens made of glass or the like.
  • the condenser lens 54 is held by a lens holder 54 h and fixed to the optical rail 51 .
  • the mirror 55 is an example of a light guide section that guides the laser beam L along the rotation axis E to the optical scanning unit 40 .
  • the mirror 55 guides the laser light L incident through the condenser lens 54 in the -Z direction toward the galvanomirror 41 arranged so that the mirror surface intersects the rotation axis E. As shown in FIG.
  • the mirror 55 guides the laser beam L so that the central axis of the laser beam L substantially coincides with the rotation axis E. As a result, even if the turntable 23 rotates around the rotation axis E, the guided laser beam L is incident on the galvanomirror 41 .
  • the mirror 55 is held by a mirror holder 55h and fixed to the +Z direction side surface of the gantry base plate 62 via a fixing plate 56 and a rod member 57 .
  • a through hole is provided in the gantry base plate 62 at a position where the laser beam L reflected by the mirror 55 reaches, so that the laser beam L can pass through the gantry base plate 62 .
  • the light guide portion is not limited to the mirror 55.
  • a plurality of mirrors may be used, or a prism, diffraction grating, lens, or the like may be used instead of or in addition to the mirrors.
  • the light guide section may be configured by combining a mirror, a prism, a diffraction grating, a lens, or the like.
  • the laser light L emitted by the fiber laser 52 is incident on the galvanomirror 41 without passing through a light guide portion such as the mirror 55 .
  • the optical energy of the laser light L emitted by the fiber laser 52 may be lost, but by adopting the configuration in which the light guide portion is not interposed, such loss of optical energy can be eliminated. Therefore, it is preferable.
  • the direction and position of the beam expander 53 and the condenser lens 54 are changed so that the laser light L emitted by the fiber laser 52 is incident on the galvanomirror 41. . If the beam expander 53 is not provided, the orientation and position of only the condensing lens 54 are changed.
  • the optical scanning unit 40 has a galvano mirror 41 and a galvano drive motor 42, and is an example of an optical scanning unit that scans the material powder layer with the laser light L emitted by the fiber laser 52.
  • the optical scanning unit 40 and the irradiation unit 50 constitute an energy applying section, and can apply optical energy to the material powder layer formed on the modeling table 34 from the rotation axis E side.
  • the galvanometer mirror 41 is fixed to the surface of the rotary table 23 on the +Z direction side via a galvanometer holder 41h.
  • the galvanometer mirror 41 has a reflecting surface 41a that intersects with the rotation axis E.
  • the galvanomirror 41 scans the material powder layer formed on the modeling table 34 with the laser light L in two directions, ie, along the Y direction and the Z direction in FIG.
  • the optical scanning unit is not limited to the galvanomirror 41.
  • a polygon mirror, an acoustooptic element, or the like may be used instead of or in addition to the galvanometer mirror 41.
  • the optical scanning unit may be configured by combining a galvanomirror, a polygon mirror, an acousto-optic element, or the like.
  • the laser light L scanned by the galvanomirror 41 is condensed on the material powder layer by the condensing lens 54, so that the light energy becomes higher.
  • the material powder is melted by heat corresponding to the light energy of the laser light L. As shown in FIG.
  • the distance d1 in FIG. 1 is variable from 40 to 240 [mm]
  • the distance d2 is 373 [mm]
  • the distance d3 is 150 [mm].
  • the arrangement size of each component is not limited to this, and can be appropriately selected according to the size of the modeled object to be modeled by the additional manufacturing apparatus 1 .
  • FIG. 1 illustrates the configuration of the additional manufacturing apparatus 1 without an exterior cover
  • the additional manufacturing apparatus 1 may be configured to cover the outside with an exterior cover.
  • an exterior cover it is possible to prevent dust containing material powder from leaking out of the device, and it is also possible to prevent sound accompanying rotation or the like or laser light L from leaking out of the device, which is more preferable.
  • the outer cover can be configured by including a metal material such as sheet metal or a resin material such as acrylic resin.
  • a transparent resin material it is preferable to select a material having a light shielding property with respect to the wavelength of the laser light L.
  • the base unit 10 the pedestal unit 60, the optical rail 51, etc. are used, but the configuration is not limited to using these, and can be changed as appropriate according to the installation location of the device, the application of the device, etc. is.
  • the material powder on the modeling table 34 is displaced by gravity.
  • a G represents the natural gravitational acceleration [m/s 2 ]
  • a R represents the combined acceleration of the natural gravitational acceleration and the acceleration due to the centrifugal force [m/s 2 ].
  • ⁇ represents the angle [rad] between the rotation axis E and the direction of the resultant acceleration AR .
  • N represents the number of rotations [rpm (rotation per minute)] of the rotary stage 20, and r represents the minimum distance between the rotation axis E and the center of the modeling surface 341 in the direction orthogonal to the rotation axis E.
  • a value close to the angle .theta means that the angle ⁇ obtained by the formula (1) includes a difference generally recognized as an error, for example ⁇ /10 or less, and the number of revolutions N obtained by the formula (2) is , is a value that includes a difference generally recognized as an error, for example ⁇ N/10 or less.
  • the desired synthetic acceleration AR set the angle ⁇ obtained by the equation (1) or a value close to the angle ⁇ , and set the rotation speed N obtained by the equation (2) or a value close to the rotation speed N. preferably.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an example of the angle of the PBF unit 30.
  • the synthetic acceleration AR is the synthetic acceleration of the natural gravitational acceleration AG and the acceleration AC due to the centrifugal force.
  • the angle ⁇ is the angle between the direction of the resultant acceleration AR and the rotation axis E.
  • the angle of the modeling surface 341 with respect to the rotation axis E can be set at a predetermined angle.
  • the direction of the synthetic acceleration A R is substantially parallel to the stacking direction of the material powder layers stacked on the modeling surface 341 .
  • a straight line 341' indicated by a two-dot chain line in FIG. 2 the angle ⁇ of the modeling surface 341 with respect to the rotation axis E corresponds to ⁇ /2 ⁇ [red].
  • the resultant acceleration AR is 2 [ G ].
  • the rotational speed N is 101.6 [rpm] according to the equation (2).
  • the centrifugal force acting on the material powder becomes larger than the gravity, and the material powder on the molding table 34 shifts due to the action of gravity. can be prevented.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating an example of the functional configuration of the control section 100. As shown in FIG.
  • the control unit 100 includes a slice data generation unit 101, a rotation control unit 102, an elevation control unit 103, a recoater control unit 104, a laser control unit 105, and a scanning control unit 106. .
  • the control unit 100 causes the elevation control unit 103 and the recoater control unit 104 to form a material powder layer on the modeling table 34 while rotating the modeling table 34 around the rotation axis E using the rotation control unit 102 . Further, the control unit 100 causes the scanning control unit 106 to irradiate the laser light L emitted by the laser control unit 105 while scanning the material powder layer, thereby selectively melting and solidifying the material powder in the material powder layer. .
  • the slice data generation unit 101 generates a plurality of slice data corresponding to the material powder layer, which are data obtained by thinly slicing the three-dimensional object based on data indicating the shape of the three-dimensional object input from an external device.
  • the external device is, for example, a PC (Personal Computer) or the like.
  • the rotation control unit 102 controls the rotation drive motor 24 to rotate the turntable 23 and rotate the PBF unit 30 on the turntable 23 around the rotation axis E.
  • the elevation control unit 103 controls the elevation drive motor 33 to drive the elevation stage 32 to raise and lower the modeling table 34 in a direction substantially orthogonal to the modeling surface 341 .
  • the recoater control unit 104 moves the blade of the recoater unit 36 to feed the material powder onto the modeling surface 341 or onto the modeled object in the process of being modeled to form a material powder layer thereon. .
  • a laser control unit 105 controls light emission of the fiber laser 52 .
  • the laser control unit 105 can control on/off of light emission of the fiber laser 52, light emission timing, repetition frequency, light intensity of the laser light L, and the like.
  • the scanning control unit 106 drives the galvanometer drive motor 42 and controls scanning of the laser light L by the galvanometer mirror 41 .
  • the scanning control unit 106 can control the scanning range or scanning speed of the laser light L, or the like.
  • FIGS. 4A to 4D are diagrams for explaining an example of how the material powder layer is formed by the PBF unit 30, and are diagrams for explaining each step in forming the material powder layer.
  • FIGS. 4A to 4D show the state in which the PBF unit 30 is rotating around the rotation axis E along the Z axis.
  • a plurality of material powders P are supplied to the space surrounded by the side wall portion 35 on the modeling table 34 fixed to the lifting stage 32 .
  • Each powder particle indicated by a small circle in FIGS. 4A to 4D corresponds to the material powder P.
  • a synthetic acceleration AR acts on the material powder P so that the material powder P is pressed against the modeling table 34 . Due to the action of the synthetic acceleration AR , the material powder P is stably maintained in a seemingly stationary state with respect to the forming table 34 that rotates together with the material powder P.
  • the modeled object 200 placed in the filled material powder P represents a modeled object formed by melting the material powder P by irradiation with the laser light L and then solidifying it.
  • the material powder layer PL shown in FIG. 4C represents one layer of the material powder P formed of a plurality of material powders P and having a predetermined layer thickness.
  • 4A to 4D exemplify a configuration in which the modeling table 34 is fixed so that the modeling surface 341 is substantially parallel to the rotation axis E along the Z direction. can be appropriately set as described above.
  • the lifting stage 32 moves the modeling table 34 in the -X direction by a distance corresponding to the layer thickness of one material powder layer PL, thereby forming a space where one material powder layer PL is formed. is ensured on the +X direction side of the modeled object 200 .
  • the blade 361 included in the recoater unit 36 moves along the blade movement direction 361 a so as to send out the material powder P stored in the tank onto the layer space 201 .
  • the layer space 201 is filled with the material powder P, and one layer of the material powder layer PL is formed on the +X direction side of the modeled object 200 .
  • the material powder layer PL is selectively irradiated with the laser light L scanned along the scanning direction La.
  • the material powders P constituting the material powder layer PL are melted by heat. After that, it is solidified by cooling and adheres to the +X direction side of the modeled object 200 .
  • the modeled object 200 grows in the +X direction by one material powder layer PL.
  • the operations of FIGS. 4A to 4D are repeated, so that the material powder P is layered on the +X direction side of the modeled object 200, and the modeled object 200 is formed.
  • FIG. 5 is a flow chart showing an example of the operation of the additive manufacturing apparatus 1. As shown in FIG.
  • the additive manufacturing apparatus 1 is provided in advance with the PBF unit 30 having a different angle of the modeling surface 341 according to each synthesized acceleration AR .
  • FIG. 5 shows the operation of the additional manufacturing apparatus 1 triggered by the step of receiving the selection of the synthetic acceleration AR by the user as the operator of the additional manufacturing apparatus 1 .
  • the additive manufacturing apparatus 1 accepts a user's selection of a synthetic acceleration AR to be applied to modeling.
  • the synthetic acceleration AR is selected from 2 [G], 5 [G], 10 [ G ], etc., which are integral multiples of the gravitational acceleration [G].
  • step S52 the additional manufacturing apparatus 1 selects the PBF unit 30 including the angle of the modeling surface 341 corresponding to the selected synthetic acceleration AR , and fixes it at a predetermined position on the rotary table 23 of the additional manufacturing apparatus 1. do.
  • step S53 the additional manufacturing apparatus 1 starts the modeling operation in response to the user's operation of a modeling start button provided in the additional manufacturing apparatus 1.
  • step S54 the additional manufacturing apparatus 1 drives the lifting stage 32 to move the modeling table 34 in the anti-stacking direction by a distance corresponding to the thickness of one layer of the material powder layer PL.
  • the anti-stacking direction is the direction ( ⁇ X direction in FIGS. 4A to 4D) opposite to the direction in which the material powder layers PL are stacked (+X direction in FIGS. 4A to 4D).
  • the layer space 201 is secured on the +X direction side of the modeling surface 341 .
  • step S55 the additional manufacturing apparatus 1 moves the blade 361 included in the recoater unit 36, supplies the material powder P stored in the tank onto the modeling surface 341 or onto the modeled object 200, and The surface layer of P is planarized. As a result, one material powder layer PL is formed on the modeling surface 341 or the modeled object 200 .
  • step S56 the additional manufacturing apparatus 1 selectively irradiates the material powder layer PL with the scanned laser light L using the irradiation unit 50 and the optical scanning unit 40.
  • the material powder P irradiated with the laser beam L is selectively melted and solidified among the material powder P constituting the material powder layer PL.
  • step S57 the additional manufacturing apparatus 1 determines whether or not solidification of all material powder layers PL required for modeling has been completed.
  • the slice data generation unit 101 specifies the total number of material powder layers PL necessary for modeling when generating slice data.
  • the additional manufacturing apparatus 1 determines whether or not the solidification of all the material powder layers PL has been completed, based on whether or not the number of solidified material powder layers PL has reached the total number of layers.
  • step S57 If it is determined in step S57 that the process has not been completed (step S57, No), the additional manufacturing apparatus 1 returns to step S54 and performs the operations after step S54 again. On the other hand, if it is determined that the modeling has been completed (step S57, Yes), the additional manufacturing apparatus 1 stops the modeling operation in step S58.
  • step S59 the additional manufacturing apparatus 1 removes the PBF unit 30 from the turntable 23.
  • step S60 the additional manufacturing apparatus 1 removes the modeled object 200 from the PBF unit 30.
  • step S ⁇ b>61 the additional manufacturing apparatus 1 cleans the modeled object 200 by removing the unsolidified unnecessary material powder P adhering to the modeled object 200 .
  • the additional manufacturing apparatus 1 can model the modeled object 200.
  • the operations of steps S51 to S52 and steps S59 to S61 can be realized by providing the additional manufacturing apparatus 1 with a manipulator function, but these operations may be manually performed by the user.
  • FIG. 5 illustrates a configuration in which the PBF unit 30 in which the angle of the modeling surface 341 differs according to the synthesized acceleration AR is provided in advance in the additional manufacturing apparatus 1 for each synthesized acceleration AR
  • the present invention is not limited to this. is not.
  • the additional manufacturing apparatus 1 may include a tilt stage that can change the angle of the modeling surface 341, and set the angle of the modeling surface 341 by driving the tilt stage according to a desired synthetic acceleration AR .
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the configuration of the additional manufacturing apparatus 1X.
  • the additive manufacturing apparatus 1X is an apparatus that performs additive manufacturing using the powder bed fusion method, but is an apparatus to which the embodiments are not applied.
  • the modeling table 34X is provided so that the modeling surface 341X is substantially orthogonal to the gravity direction along the Z direction. Note that the additional manufacturing apparatus 1X does not have a rotation mechanism for applying centrifugal acceleration to the modeling table 34X by rotating the modeling table 34X, and the rotation axis of the modeling table 34X does not exist.
  • a space surrounded by a side wall portion 35X on the modeling table 34X is filled with material powder P, and gravity FG acts on the material powder P.
  • the modeling table 34X can be moved along the Z direction by an elevating stage 32X.
  • the material powder layer PLX is formed on the modeled object 200X placed on the modeling table 34X, and is selectively irradiated with the laser beam LX scanned along the scanning direction LXa.
  • the formed material powder P is selectively melted and solidified to form a model.
  • Electromagnetic force such as static electricity or fluid force such as air resistance acts on the material powder P used in such an additional manufacturing apparatus 1X depending on the surface area of the material powder P, and gravity FG or buoyancy acts on the material powder P. It works depending on the volume of the powder P.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining an example of the force acting on the material powder P.
  • an electromagnetic force FF, a fluid force FD , a gravity force FG , and a buoyant force FB are acting on the material powder P.
  • the electromagnetic force FF and the fluid force FD become 1/(n 2 ) respectively
  • the gravity force FG and the buoyancy force FB becomes 1/(n 3 ) respectively. Therefore, compared to the electromagnetic force FF and the hydrodynamic force FD , the effect of the gravitational force FG and the buoyant force FB is smaller.
  • the electromagnetic force or the fluid force becomes dominant compared to the gravity FG or the buoyancy FB, and the material powder PX is attracted to each other by the action of the electromagnetic force and agglomerates, thereby forming a flat material powder layer PLX.
  • Forming may become impossible, or the material powder PX may scatter due to a slight change in airflow, making modeling difficult. Therefore, in the additive manufacturing apparatus 1X, the minimum particle size of the material powder PX that can be used is limited to several tens [ ⁇ m], for example, about 20 [ ⁇ m] to 30 [ ⁇ m].
  • the shape accuracy of the modeled object by the powder bed fusion method is determined by the particle size of the material powder PX
  • the shape accuracy of the modeled object 200X by the additional manufacturing device 1X is about 20 [ ⁇ m] to 30 [ ⁇ m]. Limited.
  • the material powder PX that forms the material powder layer PLX does not stably stand still, defects such as voids are likely to occur inside the modeled object 200X.
  • the mechanical strength of the modeled object 200 tends to be lower than that of a bulk material or the like.
  • the additional manufacturing apparatus 1 has a modeling table 34 and a rotation stage 20 (rotating mechanism) that rotates the modeling table 34 to apply centrifugal acceleration to the modeling table 34 .
  • the additional manufacturing apparatus 1 also includes a PBF unit 30 (formation unit) that forms the material powder layer PL on the rotating modeling table 34, and an irradiation device that imparts light energy (energy) to the material powder layer PL formed by the PBF unit 30. and a unit 50 (energy applying section).
  • the modeling table 34 is rotated around the rotation axis E along the modeling surface 341 of the modeling table 34, and the resultant acceleration AR is applied to the material powder P by applying the centrifugal force associated with the rotation.
  • the synthetic acceleration AR is dominantly applied to the material powder P compared to the electromagnetic force FF and the fluid force FD . It can be pressed against the modeling table 34 .
  • the influence of the electromagnetic force FF and the fluid force FD is suppressed and the material powder P is stabilized on the modeling table 34, thereby improving the quality of the material powder layer PL and the quality of the modeled object 200. can be done.
  • FIGS. 8A and 8B are diagrams for explaining an example of the formation result of the material powder layer PL, and are photographic images of an example of the experimental result of the material powder layer PL formed on the modeling table 34 in plan view.
  • FIG. 8A shows the material powder layer PL 1G when the synthesized acceleration AR is 1 [ G ]
  • FIG. 8B shows the material powder layer PL 10G when the synthesized acceleration AR is 10 [ G ].
  • the particle size of the material powder P used in this case is 6.98 [ ⁇ m] in terms of average particle size.
  • FIG. 8A the surface of the material powder layer PL is roughened in a region 81 indicated by a dashed circle. A layer PL 10G is obtained.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the relationship between the synthesized acceleration and the quality of the material powder layer.
  • the horizontal axis of FIG. 9 represents the resultant acceleration AR, and the unit is [ G ].
  • the vertical axis of FIG. 9 represents the quality of the material powder layer PL.
  • the quality of the material powder layer PL is represented by the coating rate [%] of the material powder.
  • the coat ratio of the material powder refers to the ratio of the area coated with the material powder to the total area of the material powder layer, as an index indicating the coat quality of the material powder. The higher the coat quality, the larger the value.
  • an image obtained by photographing the molding surface 341 in plan view is subjected to binarization image processing, with the pixels corresponding to the coated area set as valid pixels and the pixels corresponding to the uncoated area set as invalid pixels.
  • the ratio of the number of effective pixels to the total number of pixels in the captured image can be used as the coating rate of the material powder.
  • the plot of " ⁇ " in FIG. 9 shows the case where one layer with a layer thickness of 50 [ ⁇ m] is laminated, and the plot of " ⁇ ” shows the case where two layers with a layer thickness of 50 [ ⁇ m] are laminated. ing.
  • the plot of " ⁇ ” indicates the case where three layers with a layer thickness of 50 [ ⁇ m] are laminated, and the plot of " ⁇ " indicates the case where four layers with a layer thickness of 50 [ ⁇ m] are laminated.
  • the higher the resultant acceleration AR the better the quality of the material powder layer.
  • the quality of the material powder layer PL improves, and with three or more material powder layers, a coating rate of almost 100 [%] can be achieved at a synthetic acceleration AR of 4 [ G ] or more. .
  • the synthetic acceleration AR to the material powder P, even if the material powder P having a small particle size such as 6.98 [ ⁇ m] is used, the electromagnetic force FF and the flow rate can be reduced. Aggregation or scattering of the material powder P due to physical strength FD or the like can be suppressed. Then, a high-quality material powder layer PL can be formed, and the shape accuracy of the modeled object 200 can be improved.
  • a large buoyant force F B acts on the material powder P due to the reaction of the synthetic acceleration A R , so that when the material powder layer PL is being melted, a Air bubbles can be suitably discharged to the outside.
  • voids or internal defects remaining inside the modeled article 200 can be reduced, and the mechanical strength of the modeled article 200 can be improved.
  • spatters are generated during molding, which may cause molding defects in the molded object.
  • the spatter can be reduced by the action of the synthetic acceleration AR .
  • 10A to 10C are diagrams illustrating an example of spatter generation. 10A, 10B, and 10C, respectively, for a synthetic acceleration of 2 [G], synthetic acceleration of 5 [G], and synthetic acceleration of 10 [G].
  • Photographed images 111, 113, and 115 in FIGS. 10A to 10C show images of spatter photographed.
  • a processed image 112 indicates an image after image processing of the photographed image 111
  • a processed image 114 indicates an image after image processing of the photographed image 113
  • a processed image 116 indicates an image after image processing of the photographed image 115 .
  • a sputter-processed image 122 is an image of the sputter image 121 after image processing
  • a sputter-processed image 124 is an image of the sputter image 123 after image processing
  • a spatter-processed image 126 is an image of the spatter image 125 after image processing. It is an image.
  • the additional manufacturing apparatus 1 can reduce spatter and suppress molding defects caused by spatter.
  • modeling is possible by applying the synthetic acceleration AR even in a low gravity environment or a zero gravity environment. Therefore, stable modeling can be achieved even in a zero-gravity environment such as inside a space shuttle or inside a space station.
  • a zero-gravity environment such as inside a space shuttle or inside a space station.
  • manned landing on the moon and Mars and construction of bases are being considered, and stable modeling can be realized even in the low-gravity environment on these planets.
  • the irradiation unit 50 (energy applying section) irradiates the material powder layer PL with the laser light L to apply light energy.
  • the laser light L having high light energy and directivity, high energy can be easily applied to the material powder layer PL.
  • the rotating stage 20 rotates the modeling table 34 around the rotation axis E along the modeling surface 341, and the irradiation unit 50 rotates to the material powder layer PL formed on the modeling table 34.
  • a laser beam L is applied from the axis E side to impart optical energy.
  • the effect of the synthetic acceleration AR on the material powder layer PL can be further increased, and the material powder layer PL can be irradiated with the laser light L in a more stable state.
  • the angle of the modeling surface 341 with respect to the rotation axis E is not limited to an angle along the rotation axis E such as substantially parallel.
  • the angle of the modeling surface 341 with respect to the rotation axis E is not particularly limited as long as the angle is such that the synthetic acceleration AR acts on the material powder layer PL on the modeling table 34 so as to press it against the modeling table 34 .
  • the direction in which the laser beam L is irradiated is not limited to the direction from the rotation axis E side as long as the material powder layer PL on the rotating modeling table 34 can be irradiated with the laser beam L.
  • the rotary stage 20 is provided so that the rotary axis E is along the direction of gravity. As a result, even if the rotary stage 20 is rotated, the action of the gravity FG does not change according to the rotation angle, so that it is possible to stably perform modeling even in an environment where the gravity FG is small.
  • the present embodiment also has a fiber laser 52 (laser light source) and an optical scanning unit 40 (optical scanning section) that scans the material powder layer PL with the laser light L emitted by the fiber laser 52 .
  • a fiber laser 52 laser light source
  • an optical scanning unit 40 optical scanning section
  • a reflecting surface 41a that intersects the rotation axis E is provided, and the laser beam L is scanned by changing the angle of the reflecting surface 41a.
  • a mirror 55 (light guide section) that guides the laser light L along the rotation axis E is further provided, and the light scanning unit 40 scans the laser light L guided by the mirror 55.
  • the rotation mechanism is provided so that the rotation axis intersects the direction of gravity. This makes it possible to rotate the modeling table at a higher speed, and allows modeling in an environment in which a larger resultant acceleration AR acts on the material powder.
  • FIG. 11 is a perspective view explaining an example of the configuration of the additional manufacturing apparatus 1a according to this embodiment.
  • the additional manufacturing device 1a has a rotating drum 20a.
  • the rotating drum 20a is a hollow rotating body that can rotate about a rotation axis Eh along a rotation direction Eha. It is an example of a rotation mechanism.
  • the rotating drum 20a is provided so that the rotation axis Eh intersects the Z-axis along the direction of gravity.
  • Such a rotating drum 20a can be constructed using a metal material or the like.
  • the rotating drum 20a is shown cut along a plane including the rotating shaft Eh, but it is actually a cylindrical member.
  • the cylindrical axis and the rotation axis Eh are substantially coincident.
  • Both ends of the cylinder of the rotating drum 20a may be open or closed, but from the viewpoint of preventing dust containing material powder from scattering, it is preferable to close them. In the case of closing, it is preferable that the laser light L is incident on the inside of the rotary drum 20a through an entrance window made of transparent glass or resin material.
  • the rotating drum 20a has a PBF unit 30 and an optical scanning unit 40 inside.
  • the optical scanning unit 40 is fixed to the inner surface of the rotating drum 20a via a supporting member 70a.
  • the PBF unit 30 and the optical scanning unit 40 are rotatable around the rotation axis Eh by the rotation of the rotary drum 20a.
  • the laser light L emitted by the fiber laser 52 in the irradiation unit 50 is guided along the rotation axis Eh. Then, the material powder layer PL formed on the modeling table 34 in the PBF unit 30 is scanned by the optical scanning unit 40 provided so that the reflecting surface 41a intersects the rotation axis Eh.
  • the rotation of the rotating drum 20a imparts centrifugal force to the material powder layer PL, and the material powder layer PL is selectively irradiated with the laser beam for modeling under the effect of the resultant acceleration AR . can be done.
  • the rotating drum 20a (rotating mechanism) is provided so that the rotating shaft Eh intersects the gravitational direction. Since the rotation axis Eh intersects with the direction of gravity, the rotation mechanism can be made compact and lightweight, so that the modeling table can be rotated at a higher speed. This allows modeling in an environment in which a larger resultant acceleration A R acts on the material powder.
  • the rotating drum 20a was exemplified as an example of the rotating mechanism, but it is not limited to this.
  • a mechanism other than the rotating drum 20a, such as a rotating stage, can be used as long as the modeling table 34 can be rotated around a rotation axis that intersects the direction of gravity.
  • Embodiments also include additive manufacturing methods.
  • the additive manufacturing method includes the steps of: rotating the modeling table around a predetermined rotation axis to apply centrifugal acceleration to the modeling table; forming a material powder layer on the rotating modeling table; and applying energy to the material powder layer formed in the forming step.
  • base unit 20 rotating stage (an example of a rotating mechanism) 20a rotating drum (an example of a rotating mechanism) 21 stage column 22 stage support plate 23 rotary table 24 rotary drive motor 25 belt 30 PBF unit (an example of a forming section) 31 support table 32 lift stage 33 lift drive motor 34 molding table 341 molding surface 35 side wall portion 36 recoater unit 361 blade 40 optical scanning unit (an example of an optical scanning unit) 41 Galvanometer mirror 41a Reflective surface 42 Galvanometer drive motor 50 Irradiation unit 51 Optical rail 52 Fiber laser (an example of a laser light source) 53 beam expander 54 condensing lens 55 mirror (an example of a light guide part) 56 fixed plate 57 rod member 60 pedestal 61 pedestal column 62 pedestal base plate 100 control unit 101 slice data generation unit 102 rotation control unit 103 elevation control unit 104 recoater control unit 105 laser control unit 106 scanning control unit 121, 123, 125 sputtering Image 200 Modeled object 201 Layer space L Laser light E, Eh Ax

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Abstract

造形物の品質を向上させる。付加製造装置は、造形台と、所定の回転軸周りに前記造形台を回転させることで、前記造形台に遠心加速度を付与する回転機構と、回転される前記造形台に材料粉末層を形成する形成部と、前記形成部が形成した前記材料粉末層にエネルギーを付与するエネルギー付与部と、を有する。

Description

付加製造装置、及び付加製造方法
　本願は、付加製造装置、及び付加製造方法に関する。
　従来、生産工学やものづくり産業において、材料を接合して３次元物体を造形する付加製造（AM；Additive Manufacturing）装置が知られている。
　また付加製造装置として、粉末床と、構成要素の少なくとも１つの層を形成するために粉末床内に第１のエネルギーを放射するように構成された付加製造用ヘッドとを含む構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０２０－０３７２５５号公報
　しかしながら、特許文献１の構成では、付加製造装置により造形される造形物の品質に改善の余地がある。
　本発明は、造形物の品質を向上させることを目的とする。
　本発明の一態様に係る付加製造装置は、造形台と、所定の回転軸周りに前記造形台を回転させることで、前記造形台に遠心加速度を付与する回転機構と、回転される前記造形台に材料粉末層を形成する形成部と、前記形成部が形成した前記材料粉末層にエネルギーを付与するエネルギー付与部と、を有する。
　本発明によれば、造形物の品質を向上させることができる。
第１実施形態に係る付加製造装置の構成例を示す図である。 ＰＢＦユニットの角度の一例を説明する図である。 第１実施形態に係る付加製造装置の制御部の機能構成例の図である。 第１実施形態に係る付加製造装置による材料粉末層形成例の第１図である。 第１実施形態に係る付加製造装置による材料粉末層形成例の第２図である。 第１実施形態に係る付加製造装置による材料粉末層形成例の第３図である。 第１実施形態に係る付加製造装置による材料粉末層形成例の第４図である。 第１実施形態に係る付加製造装置の動作例を示すフローチャートである。 比較例に係る付加製造装置の構成を示す図である。 材料粉末に作用する力の一例を説明する図である。 合成加速度１［Ｇ］の場合の材料粉末層の形成結果例を示す図である。 合成加速度１０［Ｇ］の場合の材料粉末層の形成結果例を示す図である。 合成加速度と材料粉末層の品質の関係例を示す図である。 合成加速度２［Ｇ］のの場合のスパッタ発生例の図である。 合成加速度５［Ｇ］のの場合のスパッタ発生例の図である。 合成加速度１０［Ｇ］のの場合のスパッタ発生例の図である。 第２実施形態に係る付加製造装置の構成例を示す斜視図である。
　以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一の構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
　以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための付加製造装置を例示するものであって、本発明を以下に示す実施形態に限定するものではない。以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張している場合がある。
　実施形態に係る付加製造装置は、粉末床溶融結合方式を用いて付加製造（造形）を行う装置である。ここで、粉末床溶融結合方式とは、敷き詰めた材料粉末の層である材料粉末層の表面に、レーザビーム（レーザ光）又は電子ビームを照射し、選択的にエネルギーを付与して材料粉末を溶融させ、固化させる造形方式をいう。
　１層分を硬化させてから、造形台を下降させて次の層の材料粉末を供給し、選択的にエネルギーを付与して溶融及び固化させた材料粉末を積層することで、造形対象の３次元物体である造形物を造形する。
　材料粉末は、造形物の素材となる材料の粉末を意味する。粉末床溶融結合方式で使用される材料粉末には、造形物の用途に応じて金属又は熱可塑性樹脂が主に使用でき、一部でセラミック又は砂等をベースにした粉末も使用可能である。
　例えば、金型部品の用途では、マルエージング鋼等が使用され、延性及び耐腐食性が求められる用途では、ステンレス鋼等が使用される。また、高耐熱性が求められる用途では、ニッケル合金等が使用され、軽量又は生体親和性が求められる用途では、チタン又はチタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、コバルトクロムモリブデン鋼等が使用される。宝飾又は歯科医療の用途では、金合金、白金（プラチナ）基金属ガラス等が使用される。
　実施形態に係る付加製造装置は、造形台と、所定の回転軸周りに造形台を回転させることで、該造形台に遠心加速度を付与する回転機構と、回転される造形台に材料粉末層を形成する形成部と、形成部が形成した材料粉末層にエネルギーを付与するエネルギー付与部とを有する。
　実施形態では、例えば材料粉末層が積層される造形面と略平行な軸周りに造形台を回転させ、回転に伴う遠心力を付与し、遠心力と重力による合成加速度を材料粉末に作用させることで、粒径が小さく重力が働きくい材料粉末であっても、電磁気力又は流体力等に比較して、遠心力と重力による合成加速度を支配的に作用させて材料粉末を造形台に押し付ける。
　これにより、電磁気力又は流体力等の影響を抑えて造形台上の材料粉末を安定させることで、材料粉末層の品質を上げ、造形物の品質を向上させる。ここで、造形面とは、造形台に含まれる面であって、材料粉末層が積層される積層方向に略直交する面をいう。
　以下、実施形態に係る付加製造装置について詳細に説明する。
　なお、以下に示す図でＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸により方向を示す場合があるが、Ｘ軸に沿うＸ方向は、重力方向に略直交する平面内での所定方向を示す。Ｙ軸に沿うＹ方向は、上記平面内で上記所定方向に直交する方向を示す。Ｚ軸に沿うＺ方向は、重力方向を示す。
　また、Ｘ方向で矢印が向いている方向を＋Ｘ方向、＋Ｘ方向の反対方向を－Ｘ方向と表記し、Ｙ方向で矢印が向いている方向を＋Ｙ方向、＋Ｙ方向の反対方向を－Ｙ方向と表記し、Ｚ方向で矢印が向いている方向を＋Ｚ方向、＋Ｚ方向の反対方向を－Ｚ方向と表記する。但し、これらは付加製造装置の向き及び配置を制限するものではなく、付加製造装置の向き及び配置は任意である。
　［第１実施形態］
　＜付加製造装置１の構成例＞
　まず、図１を参照して、第１実施形態に係る付加製造装置１の構成について説明する。図１は付加製造装置１の構成の一例を説明する図であり、付加製造装置１を側方（＋Ｙ方向側）から視た図である。
　図１に示すように、付加製造装置１は、基台部１０と、回転ステージ２０と、ＰＢＦ（Powder Bed Fusion）ユニット３０と、光走査ユニット４０と、照射ユニット５０と、架台部６０とを有する。
　付加製造装置１は、基台部１０の＋Ｚ方向側の面に、回転ステージ２０を固定し、また架台部６０を介して照射ユニット５０を固定している。回転ステージ２０は、一点鎖線で示した回転軸Ｅ周りに回転可能な回転テーブル２３の＋Ｚ方向側の面に、ＰＢＦユニット３０と、光走査ユニット４０とを固定している。
　付加製造装置１は、造形面３４１を含む造形台３４を回転させながら、ＰＢＦユニット３０により造形台３４に材料粉末層を形成する。また付加製造装置１は、ＰＢＦユニット３０が形成した材料粉末層上で、照射ユニット５０が照射するレーザ光Ｌを光走査ユニット４０により走査させ、材料粉末層に光エネルギーを付与して選択的に溶融及び固化させる。そして、選択的に固化させた材料粉末層を積層することで、造形物を造形する。
　基台部１０は、付加製造装置１の基礎となる台部材である。基台部１０には、鋳鉄で構成された定盤等を適用可能である。基台部１０は、＋Ｚ方向側の面に回転ステージ２０と、架台部６０とをネジ等により固定している。
　回転ステージ２０は、ステージ支柱２１と、ステージ支持板２２と、回転テーブル２３と、回転駆動モータ２４とを有する。ステージ支持板２２は、ステージ支柱２１を介して基台部１０にネジ等により固定されている。ステージ支柱２１及びステージ支持板２２は、それぞれ金属材料等を含んで構成されている。
　回転テーブル２３は、クロスローラ又はボール等のベアリング、或いはエアーベアリング等を介してステージ支持板２２に回転可能に支持されている。回転テーブル２３は、＋Ｚ方向側の面上に、ＰＢＦユニット３０と、光走査ユニット４０とをネジ等により固定している。磁石等により固定してもよい。
　回転駆動モータ２４は、軸心に取り付けられたスプロケットホイル等と、ベルト２５とを介して回転テーブル２３に連結しており、回転方向Ｅａに沿って回転軸Ｅ周りに回転テーブル２３を回転させる。
　回転駆動モータ２４には、ステッピングモータ、ＡＣ（Alternating Current）モータ又はＤＣ（Direct current）モータ等を用いることができる。なお、回転テーブル２３は回転方向Ｅａとは反対方向に沿って回転軸Ｅ周りに回転することもできる。
　回転ステージ２０は、回転テーブル２３を回転させることで、ＰＢＦユニット３０が備える造形台３４を所定の回転軸周りに回転させることで、造形台３４に遠心加速度を付与する回転機構の一例である。
　ＰＢＦユニット３０は、支持台３１と、昇降ステージ３２と、昇降駆動モータ３３と、造形台３４と、側壁部３５と、リコータユニット３６とを有する。ＰＢＦユニット３０は、回転ステージ２０により回転される造形台３４上に材料粉末層を形成する形成部の一例である。
　支持台３１は、昇降ステージ３２及び造形台３４を固定するために使用される部材である。支持台３１は、金属等の材料を含んで構成できる。支持台３１は、昇降ステージ３２を固定する面の回転軸Ｅに対する角度を予め定めておくことで、回転軸Ｅに対して所定の角度で昇降ステージ３２及び造形台３４を固定する。
　付加製造装置１は、造形台３４を回転させながら造形台３４上に材料粉末層を形成するため、造形台３４上の材料粉末には、回転に伴って回転軸Ｅに略直交する方向への遠心力と重力による合成加速度が作用する。支持台３１により回転軸Ｅに対して造形面３４１が所定の角度になるように造形台３４を固定することで、造形台３４上の材料粉末に対し、造形台３４に押し付ける方向に遠心力と重力による合成加速度が好適に作用するようになっている。
　昇降ステージ３２は、昇降駆動モータ３３の回転を駆動力にして、造形面３４１に略直交する方向に沿って造形台３４を昇降させる移動機構である。昇降ステージ３２には、例えばアルミニウム又はステンレス等の材料を含んで構成された高さ調整ステージ等を使用でき、昇降駆動モータ３３には、ステッピングモータ、ＡＣモータ又はＤＣ等を使用できる。
　造形台３４は、金属材料等を含んで構成され、造形物を造形する台となる部材である。造形台３４が備える造形面３４１上に造形物が造形される。側壁部３５は、造形台３４上の材料粉末が飛散しないように造形台３４の周囲を囲う部材である。側壁部３５の材質には金属又は樹脂等を適用できる。
　リコータユニット３６は、タンクと、ブレードと、ブレード駆動モータとを有する。リコータユニット３６は、タンクが貯留する材料粉末を、ブレードを移動させて送り出すことで、造形面３４１上又は造形途中の造形物上に供給し、これらの上に材料粉末層を形成する。
　リコータユニット３６は、造形面３４１又は造形途中の造形物上に形成された材料粉末層と、ブレードの端部との隙間を規定してブレードを移動させることで、所望の層厚の略平坦な材料粉末層を形成できる。タンク及びブレードの材質には、金属又は樹脂材料を適用できる。なお、ブレードに代えてローラを用いてもよい。
　架台部６０は、架台支柱６１と、架台ベース板６２とを有する。架台部６０は、架台支柱６１で支持された架台ベース板６２の＋Ｚ方向側の面に照射ユニット５０を固定し、照射ユニット５０を回転ステージ２０の＋Ｚ方向側に配置させるための構成部である。
　照射ユニット５０は、ファイバーレーザ５２と、ビームエキスパンダ５３と、集光レンズ５４と、ミラー５５とを備える。照射ユニット５０は、ファイバーレーザ５２が発するレーザ光Ｌを材料粉末層に照射して光エネルギーを付与するエネルギー付与部の一例である。
　ファイバーレーザ５２、ビームエキスパンダ５３及び集光レンズ５４は、位置決め調整を補助するための光学レール５１を介して、架台ベース板６２の＋Ｚ方向側の面に固定されている。
　ファイバーレーザ５２は、増幅媒質に光ファイバーを使った固体レーザの一種であり、レーザ光Ｌを発するレーザ光源の一例である。ファイバーレーザ５２は、レーザ結晶等を使用した固体レーザと比べ、細い光ファイバー内に光を閉じ込めているため、エネルギー変換効率が高いレーザ光源である。ファイバーレーザ５２は、レーザホルダ５２ｈにより保持され、光学レール５１に固定されている。
　ファイバーレーザ５２は、略平行な光束であるレーザ光Ｌを＋Ｘ方向側に発する。レーザ光Ｌは、短い時間幅のパルス状のパルスレーザ光が好ましいが、これに限定されるものではなく、ＣＷ（Continuous Wave）光であってもよい。
　また、レーザ光源はファイバーレーザ５２に限定されるものではなく、各種のレーザ光源を適用可能である。固体レーザにはＹｂレーザ、ＹＡＧレーザ又はチタンサファイアレーザ等が挙げられる。気体レーザには、アルゴンレーザ、ヘリウムネオンレーザ又は炭酸ガスレーザ等が挙げられる。小型のレーザ光源である半導体レーザも、付加製造装置１の小型化のためには好適である。
　ビームエキスパンダ５３は、ファイバーレーザ５２が発するレーザ光Ｌを、より光束の直径が大きい略平行な光束に変換する光学部材である。ガラス等を材料とする複数のレンズを組み合わせてビームエキスパンダ５３を構成できる。ビームエキスパンダ５３は、ＢＥホルダ５３ｈに保持され、光学レール５１に固定されている。なお、ビームエキスパンダ５３は必ずしも設けなくてもよいが、レーザ光Ｌにおける光束の直径をビームエキスパンダ５３により大きくした方が、集光レンズ５４で集光させた際により小さいビームスポットが得られる点で好適である。
　集光レンズ５４は、ビームエキスパンダ５３が光束の直径を拡大したレーザ光Ｌを材料粉末層の位置で集光させるレンズである。集光レンズ５４は、ガラス等を材料とするレンズにより構成される。集光レンズ５４は、レンズホルダ５４ｈに保持され、光学レール５１に固定されている。
　ミラー５５は、レーザ光Ｌを回転軸Ｅに沿って光走査ユニット４０に導光する導光部の一例である。ミラー５５は、集光レンズ５４を通って入射するレーザ光Ｌを、ミラー面が回転軸Ｅに交差するように配置されたガルバノミラー４１に向けて－Ｚ方向に導光する。
　またミラー５５は、レーザ光Ｌの中心軸が回転軸Ｅに略一致するように導光する。これにより回転テーブル２３が回転軸Ｅ周りに回転しても、導光したレーザ光Ｌがガルバノミラー４１に入射するようになっている。
　ミラー５５は、ミラーホルダ５５ｈに保持され、固定板５６及びロッド部材５７を介して架台ベース板６２の＋Ｚ方向側の面に固定されている。なお、架台ベース板６２で、ミラー５５で反射されたレーザ光Ｌが到達する位置には、貫通孔が設けられ、レーザ光Ｌが架台ベース板６２を通過可能になっている。
　なお、導光部はミラー５５に限定されるものではない。例えば複数のミラーを用いてもよいし、ミラーに代えて、或いはミラーに加えて、プリズム、回折格子又はレンズ等を用いてもよい。またミラー、プリズム、回折格子又はレンズ等を組み合わせて導光部を構成してもよい。
　また、ミラー５５等の導光部を介さず、ファイバーレーザ５２が発するレーザ光Ｌがガルバノミラー４１に入射する構成にすることもできる。導光部を介する構成では、ファイバーレーザ５２が発するレーザ光Ｌの光エネルギーが損失される場合があるが、導光部を介さない構成にすることで、このような光エネルギーの損失をなくせるため、好適である。なお、導光部を介さない構成にする場合には、ビームエキスパンダ５３及び集光レンズ５４は、ファイバーレーザ５２が発するレーザ光Ｌがガルバノミラー４１に入射するような向き及び位置に変更される。ビームエキスパンダ５３を設けない場合には、集光レンズ５４のみの向き及び位置が変更される。
　光走査ユニット４０は、ガルバノミラー４１と、ガルバノ駆動モータ４２とを有し、ファイバーレーザ５２が発するレーザ光Ｌを材料粉末層上で走査させる光走査部の一例である。光走査ユニット４０と照射ユニット５０は、エネルギー付与部を構成し、造形台３４に形成された材料粉末層に回転軸Ｅ側から光エネルギーを付与することができる。
　ガルバノミラー４１は、ガルバノホルダ４１ｈを介して、回転テーブル２３の＋Ｚ方向側の面に固定されている。ガルバノミラー４１は、回転軸Ｅに交差する反射面４１ａを備え、ガルバノ駆動モータ４２の駆動により反射面４１ａの角度を変化させることで、ミラー５５により導光されたレーザ光Ｌを走査させる。例えば、ガルバノミラー４１は、造形台３４に形成された材料粉末層上で、図１のＹ方向に沿う方向及びＺ方向に沿う方向の２つの方向に、レーザ光Ｌを走査させる。
　なお、光走査部はガルバノミラー４１に限定されるものではない。例えばガルバノミラー４１に代えて、又はガルバノミラー４１に加えて、ポリゴンミラー又は音響光学素子等を用いてもよい。またガルバノミラー、ポリゴンミラー又は音響光学素子等を組み合わせて光走査部を構成してもよい。
　ガルバノミラー４１で走査されるレーザ光Ｌは、集光レンズ５４により材料粉末層上で集光することで、光エネルギーがより高くなる。材料粉末は、レーザ光Ｌの光エネルギーに応じた熱で溶融する。
　一例として、図１における距離ｄ１は４０乃至２４０［ｍｍ］で可変であり、距離ｄ２は３７３［ｍｍ］であり、距離ｄ３は１５０［ｍｍ］である。但し、各構成部の配置寸法はこれに限定されるものではなく、付加製造装置１の造形対象となる造形物の大きさ等に応じて適宜選択できる。
　なお、図１では、外装カバーを備えない付加製造装置１の構成を例示したが、付加製造装置１の外側を外装カバーで覆う構成にすることもできる。外装カバーを設けることで、材料粉末を含む粉塵が装置外に漏出することを防止でき、また回転等に伴う音又はレーザ光Ｌが装置外に漏れることも防げるため、より好適である。
　外装カバーは板金等の金属材料又はアクリル樹脂等の樹脂材料を含んで構成できる。透明な樹脂材料を用いる場合には、レーザ光Ｌの波長に対して遮光性を有するものを選択することが好ましい。
　図１では、基台部１０、架台部６０、光学レール５１等を用いたが、これらを用いる構成に限定されるものではなく、装置の設置場所又は装置の用途等に応じて適宜変更が可能である。
　＜造形面３４１の角度の設定方法例＞
　ここで、上述したように付加製造装置１では、造形面３４１が回転軸Ｅに対して所定の角度になるように、支持台３１により造形台３４を固定することで、造形台３４上の材料粉末に対し、造形台３４に押し付ける方向に遠心力と重力による合成加速度が働くようになっている。
　造形面３４１が回転軸Ｅに対して平行に近づくほど、造形台３４上の材料粉末に働く遠心力と重力による合成加速度が大きくなるため好適である。但し、回転ステージ２０による造形台３４の回転速度が遅いと遠心力と重力による合成加速度が小さくなるため、造形面３４１が回転軸Ｅに対して平行に近い状態では、造形台３４上の材料粉末が重力によりずれる（落下する）場合がある。
　そのため、本実施形態では、以下の（１）式及び（２）式を満足するように、回転軸Ｅに対する造形面３４１の角度を設定することで、造形台３４上の材料粉末が重力によりずれることを防止する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　但し、（１）式及び（２）式において、ＡＧは自然重力加速度［ｍ／ｓ２］を表し、ＡＲは自然重力加速度と遠心力による加速度の合成加速度［ｍ／ｓ２］を表し、θは回転軸Ｅと合成加速度ＡＲの方向とのなす角度［ｒａｄ］を表す。Ｎは回転ステージ２０の回転数［ｒｐｍ（rotation per minute）］を表し、ｒは回転軸Ｅに直交する方向における回転軸Ｅと造形面３４１の中心との最小距離を表す。
　なお、上記の（１）式及び（２）式は、左辺と右辺が等しいことを示しているが、左辺と右辺の厳密な一致を要求するものではなく、（１）式及び（２）式で得られる角度θと回転数Ｎに近い値であればよい。近い値とは、（１）式で得られる角度θが、一般に誤差と認められる程度、例えば±θ／１０以下の差異を含む値であり、また、（２）式で得られる回転数Ｎが、一般に誤差と認められる程度、例えば±Ｎ／１０以下の差異を含む値である。換言すると、所望の合成加速度ＡＲに対し、（１）式で得られる角度θ又は角度θに近い値を設定し、（２）式で得られる回転数Ｎ又は回転数Ｎに近い値を設定することが好ましい。
　ここで図２は、ＰＢＦユニット３０の角度の一例を説明する図である。図２に示すように、合成加速度ＡＲは、自然重力加速度ＡＧと遠心力による加速度ＡＣの合成加速度である。角度θは合成加速度ＡＲの方向と回転軸Ｅとのなす角度である。
　造形面３４１が合成加速度ＡＲの方向に略直交するように、ＰＢＦユニット３０の傾きを決めることで、回転軸Ｅに対する造形面３４１の角度を所定の角度に設定できる。合成加速度ＡＲの方向は、造形面３４１に積層される材料粉末層の積層方向と略平行な方向となる。
　図２に二点鎖線で示した直線３４１'は、ＰＢＦユニット３０の造形台３４における造形面３４１に平行な直線を表している。図２に示すように、回転軸Ｅに対する造形面３４１の角度φは、π／２－θ［ｒｅｄ］に対応する。
　例えば、自然重力加速度ＡＧが１［Ｇ］、遠心力による加速度ＡＣが√３［Ｇ］とすると、合成加速度ＡＲは２［Ｇ］である。なお、［Ｇ］は重力加速度（＝９．８１［ｍ／ｓ２］）を表す単位である。この場合には、（１）式より角度θはπ／３［ｒａｄ］（＝６０［ｄｅｇ］）となり、（２）式により回転数Ｎは１０１．６［ｒｐｍ］となる。
　従って、角度θを６０［ｄｅｇ］とし、回転数Ｎを１０１．６［ｒｐｍ］にすると、材料粉末に作用する遠心力が重力より大きくなり、造形台３４上の材料粉末が重力の作用でずれることを防ぐことができる。遠心力を大きくする観点では、（１）式及び（２）式を満足しつつ、できるだけ造形面３４１が回転軸Ｅに対して平行に近づくようにすることが好ましい。
　＜制御部１００の構成例＞
　次に図３を参照して、付加製造装置１が備える制御部１００の構成について説明する。図３は、制御部１００の機能構成の一例を説明するブロック図である。
　図３に示すように、制御部１００は、スライスデータ生成部１０１と、回転制御部１０２と、昇降制御部１０３と、リコータ制御部１０４と、レーザ制御部１０５と、走査制御部１０６とを有する。
　これらの機能はソフトウェア（ＣＰＵ；Central Processing Unit）によって実現される他、これらの機能の一部又は全部を電気回路で実現することもできる。また複数の回路又は複数のソフトウェアによってこれらの機能が実現されてもよい。
　制御部１００は、回転制御部１０２により造形台３４を回転軸Ｅ周りに回転させながら、昇降制御部１０３及びリコータ制御部１０４により、造形台３４上に材料粉末層を形成させる。また制御部１００は、レーザ制御部１０５により発光させたレーザ光Ｌを、走査制御部１０６により材料粉末層上で走査させながら照射させ、材料粉末層における材料粉末を選択的に溶融させ、固化させる。
　スライスデータ生成部１０１は、外部装置から入力した３次元物体の形状を示すデータに基づき、３次元物体を薄くスライスしたデータであって、材料粉末層に対応する複数のスライスデータを生成する。外部装置は、例えばＰＣ（Personal Computer）等である。
　回転制御部１０２は、回転駆動モータ２４を制御して回転テーブル２３を回転させ、回転テーブル２３上のＰＢＦユニット３０を回転軸Ｅ周りに回転させる。
　昇降制御部１０３は、昇降駆動モータ３３を制御して昇降ステージ３２を駆動させ、造形台３４を造形面３４１に略直交する方向に昇降させる。
　リコータ制御部１０４は、リコータユニット３６が有するブレードを移動させて、材料粉末を送り出すことで、造形面３４１上又は造形途中の造形物上に供給させ、これらの上に材料粉末層を形成させる。
　レーザ制御部１０５は、ファイバーレーザ５２の発光を制御する。例えば、レーザ制御部１０５は、ファイバーレーザ５２の発光のオン及びオフ、発光タイミング、繰り返し周波数又はレーザ光Ｌの光強度等を制御できる。
　走査制御部１０６は、ガルバノ駆動モータ４２を駆動させ、ガルバノミラー４１によるレーザ光Ｌの走査を制御する。例えば、走査制御部１０６は、レーザ光Ｌの走査範囲又は走査速度等を制御できる。
　＜付加製造装置１による材料粉末層の形成例＞
　次に図４Ａから図４Ｄを参照して、付加製造装置１による材料粉末層の形成について説明する。図４Ａから図４Ｄは、ＰＢＦユニット３０による材料粉末層の形成の様子の一例を説明する図であり、材料粉末層の形成における各工程を説明する図である。
　図４Ａから図４Ｄは、ＰＢＦユニット３０がＺ軸に沿う回転軸Ｅ周りに回転中の状態を示している。昇降ステージ３２に固定された造形台３４で側壁部３５により囲まれた空間には、複数の材料粉末Ｐが供給されている。図４Ａから図４Ｄで小さい丸で示した１つ１つの粉末粒子が材料粉末Ｐに対応する。
　ＰＢＦユニット３０の回転により、材料粉末Ｐには、造形台３４に材料粉末Ｐが押し付けられるように合成加速度ＡＲが作用している。合成加速度ＡＲの作用により、材料粉末Ｐと一体に回転される造形台３４に対し、材料粉末Ｐは見かけ上で静止した状態を安定して維持している。
　充填された材料粉末Ｐの中に配置された造形物２００は、レーザ光Ｌの照射により材料粉末Ｐが溶融し、その後固化して造形された造形物を表している。また、図４Ｃに示す材料粉末層ＰＬは、複数の材料粉末Ｐにより形成され、予め定められた層厚を有する材料粉末Ｐによる１層分の層を表している。
　なお、図４Ａから図４Ｄでは、造形面３４１がＺ方向に沿う回転軸Ｅに略平行になるように造形台３４を固定した構成を例示しているが、造形面３４１の回転軸Ｅに対する角度は上述したように適宜設定可能である。
　図４Ａでは、昇降ステージ３２により造形台３４が材料粉末層ＰＬの１層分の層厚に対応する距離だけ－Ｘ方向に移動することで、１層分の材料粉末層ＰＬが形成される空間である層空間２０１が造形物２００の＋Ｘ方向側に確保されている。
　次に、図４Ｂにおいて、リコータユニット３６に含まれるブレード３６１が、タンクに貯留された材料粉末Ｐを層空間２０１上に送り出すように、ブレード移動方向３６１ａに沿って移動する。これにより、層空間２０１に材料粉末Ｐが敷き詰められ、造形物２００の＋Ｘ方向側に１層分の材料粉末層ＰＬが形成される。
　次に、図４Ｃにおいて、レーザ光Ｌが走査方向Ｌａに沿って走査されるレーザ光Ｌが材料粉末層ＰＬに選択的に照射される。材料粉末層ＰＬを構成する材料粉末Ｐのうち、レーザ光Ｌが照射された材料粉末Ｐは熱により溶融する。その後、冷却により固化して、造形物２００の＋Ｘ方向側に固着する。
　その結果、図４Ｄに示すように、造形物２００は１層分の材料粉末層ＰＬだけ＋Ｘ方向側に成長する。その後、図４Ａに戻り、図４Ａから図４Ｄの動作が繰り返されることで、造形物２００の＋Ｘ方向側に材料粉末Ｐが積層され、造形物２００が造形される。
　＜付加製造装置１の動作例＞
　次に図５を参照して、付加製造装置１の動作について説明する。図５は、付加製造装置１の動作の一例を示すフローチャートである。
　付加製造装置１は、合成加速度ＡＲに応じて造形面３４１の角度が異なるＰＢＦユニット３０を、合成加速度ＡＲごとに予め備えている。図５では、付加製造装置１の操作者としてのユーザによる合成加速度ＡＲの選択を受け付けるステップをトリガーにした付加製造装置１の動作を示している。
　まず、ステップＳ５１において、付加製造装置１は、造形に適用する合成加速度ＡＲのユーザによる選択を受け付ける。例えば合成加速度ＡＲは、重力加速度［Ｇ］の整数倍である２［Ｇ］、５［Ｇ］又は１０［Ｇ］等のうちから選択される。
　続いて、ステップＳ５２において、付加製造装置１は、選択した合成加速度ＡＲに応じた造形面３４１の角度を含むＰＢＦユニット３０を選択し、付加製造装置１の回転テーブル２３の所定の位置に固定する。
　続いて、ステップＳ５３において、付加製造装置１は、付加製造装置１が備える造形開始ボタンのユーザによる操作等に応答して造形動作を開始する。
　続いて、ステップＳ５４において、付加製造装置１は、昇降ステージ３２を駆動させ、材料粉末層ＰＬの１層分の層厚に対応する距離だけ、造形台３４を反積層方向に移動させる。なお、反積層方向は、材料粉末層ＰＬを積層する方向（図４Ａから図４Ｄの＋Ｘ方向）とは反対側の方向（図４Ａから図４Ｄの－Ｘ方向）である。これにより、造形面３４１の＋Ｘ方向側に層空間２０１が確保される。
　続いて、ステップＳ５５において、付加製造装置１は、リコータユニット３６に含まれるブレード３６１を移動させ、タンクが貯留する材料粉末Ｐを造形面３４１上又は造形物２００上に供給するとともに、材料粉末Ｐの表層を平坦化する。これにより、造形面３４１上又は造形物２００上に１層分の材料粉末層ＰＬが形成される。
　続いて、ステップＳ５６において、付加製造装置１は、照射ユニット５０及び光走査ユニット４０により、走査されるレーザ光Ｌを材料粉末層ＰＬに選択的に照射する。これにより、材料粉末層ＰＬを構成する材料粉末Ｐのうち、レーザ光Ｌが照射された材料粉末Ｐを選択的に溶融及び固化させる。
　続いて、ステップＳ５７において、付加製造装置１は、造形に要求される全ての材料粉末層ＰＬの固化が完了したか否かを判定する。例えば、スライスデータ生成部１０１はスライスデータを生成する際に、造形に必要な材料粉末層ＰＬの全層数を特定する。付加製造装置１は、固化させた材料粉末層ＰＬの層数が全層数に到達したか否かにより、全ての材料粉末層ＰＬの固化が完了したか否かを判定する。
　ステップＳ５７で、完了していないと判定された場合には（ステップＳ５７、Ｎｏ）、付加製造装置１は、ステップＳ５４に戻り、ステップＳ５４以降の動作を再度行う。一方、完了したと判定された場合には（ステップＳ５７、Ｙｅｓ）、ステップＳ５８において、付加製造装置１は造形動作を停止する。
　続いて、ステップＳ５９において、付加製造装置１はＰＢＦユニット３０を回転テーブル２３から取り外す。
　続いて、ステップＳ６０において、付加製造装置１は、ＰＢＦユニット３０から造形物２００を取り外す。
　続いて、ステップＳ６１において、付加製造装置１は、造形物２００に付着した固化していない不要な材料粉末Ｐを除去して造形物２００を清掃する。
　このようにして、付加製造装置１は、造形物２００を造形することができる。なお、ステップＳ５１乃至Ｓ５２とステップＳ５９乃至Ｓ６１の動作は、付加製造装置１がマニピュレータ機能を備えることで実現できるが、これらの動作をユーザが手動で行ってもよい。
　また、図５では、合成加速度ＡＲに応じて造形面３４１の角度が異なるＰＢＦユニット３０を、合成加速度ＡＲごとに付加製造装置１が予め備える構成を例示したが、これに限定されるものではない。付加製造装置１は、造形面３４１の角度を可変な傾斜ステージを備え、所望の合成加速度ＡＲに応じて傾斜ステージを駆動させることで、造形面３４１の角度を設定してもよい。
　＜付加製造装置１の作用効果＞
　次に、付加製造装置１の作用効果について説明する。まず比較のため、図６を参照して、比較例に係る付加製造装置１Ｘについて説明する。図６は、付加製造装置１Ｘの構成を説明する図である。付加製造装置１Ｘは、粉末床溶融結合方式を用いて付加製造を行う装置であるが、実施形態が適用されない装置である。
　付加製造装置１Ｘでは、Ｚ方向に沿う重力方向に造形面３４１Ｘが略直交するように造形台３４Ｘが設けられている。なお、付加製造装置１Ｘは造形台３４Ｘを回転させることで、造形台３４Ｘに遠心加速度を付与する回転機構を有さず、造形台３４Ｘの回転軸も存在しない。
　造形台３４Ｘ上の側壁部３５Ｘに囲まれた空間には、材料粉末Ｐが充填され、材料粉末Ｐには重力ＦＧが作用している。造形台３４Ｘは、昇降ステージ３２ＸによりＺ方向に沿って移動可能になっている。
　造形台３４Ｘに配置された造形物２００Ｘ上に材料粉末層ＰＬＸが形成され、走査方向ＬＸａに沿って走査されるレーザ光ＬＸが選択的に照射されることで、レーザ光ＬＸが選択的に照射された材料粉末Ｐが選択的に溶融及び固化して造形が行われる。
　このような付加製造装置１Ｘで用いられる材料粉末Ｐには、静電気等の電磁気力、又は空気抵抗等の流体力が材料粉末Ｐの表面積に依存して作用し、また重力ＦＧ又は浮力が材料粉末Ｐの体積に依存して作用する。
　ここで図７は、材料粉末Ｐに作用する力の一例を説明する図である。図７に示すように、材料粉末Ｐには電磁気力ＦＦと、流体力ＦＤと、重力ＦＧと、浮力ＦＢが作用している。材料粉末Ｐが小さくなり、材料粉末Ｐの粒径が１／ｎになると、電磁気力ＦＦ及び流体力ＦＤはそれぞれ１／（ｎ２）になるのに対し、重力ＦＧ及び浮力ＦＢはそれぞれ１／（ｎ３）になる。従って、電磁気力ＦＦ及び流体力ＦＤと比較して、重力ＦＧ及び浮力ＦＢの作用はより小さくなる。
　その結果、重力ＦＧ又は浮力ＦＢに比較して、電磁気力又は流体力が支配的となり、材料粉末ＰＸ同士が電磁気力の作用で引き寄せ合って凝集することで、平坦な材料粉末層ＰＬＸを形成できなくなったり、僅かな気流の変化で材料粉末ＰＸが飛散したりして、造形が困難になる場合がある。そのため、付加製造装置１Ｘでは、使用できる材料粉末ＰＸの最小粒径は、数１０［μｍ］、例えば２０［μｍ］乃至３０［μｍ］程度が限界になる。
　粉末床溶融結合方式による造形物の形状精度は、材料粉末ＰＸの粒径により決定されることから、付加製造装置１Ｘによる造形物２００Ｘの形状精度は、２０［μｍ］乃至３０［μｍ］程度に制限される。
　また、材料粉末層ＰＬＸを構成する材料粉末ＰＸが安定して静止しないため、造形物２００Ｘの内部に空孔等の欠陥が生じやすくなる。またバルク材等と比較して、造形物２００の機械強度が低くなりやすい。
　これらに対し、本実施形態に係る付加製造装置１は、造形台３４と、造形台３４を回転させることで、造形台３４に遠心加速度を付与する回転ステージ２０（回転機構）とを有する。また付加製造装置１は、回転される造形台３４に材料粉末層ＰＬを形成するＰＢＦユニット３０（形成部）と、ＰＢＦユニット３０が形成した材料粉末層ＰＬに光エネルギー（エネルギー）を付与する照射ユニット５０（エネルギー付与部）とを有する。
　本実施形態では、造形台３４における造形面３４１に沿う回転軸Ｅ周りに造形台３４を回転させ、回転に伴う遠心力を付与することで合成加速度ＡＲを材料粉末Ｐに作用させる。これにより、粒径が小さく重力ＦＧが働きくい材料粉末Ｐであっても、電磁気力ＦＦ及び流体力ＦＤと比較して、合成加速度ＡＲを支配的に作用させて材料粉末Ｐを造形台３４に押し付けることができる。その結果、電磁気力ＦＦ及び流体力ＦＤの影響を抑え、造形台３４上での材料粉末Ｐを安定させることで、材料粉末層ＰＬの品質を上げ、造形物２００の品質を向上させることができる。
　ここで、図８Ａ及び図８Ｂは材料粉末層ＰＬの形成結果の一例を説明する図であり、造形台３４に形成された材料粉末層ＰＬの実験結果の一例を平面視した写真画像である。図８Ａは合成加速度ＡＲが１［Ｇ］の場合の材料粉末層ＰＬ１Ｇを示し、図８Ｂは合成加速度ＡＲが１０［Ｇ］の場合の材料粉末層ＰＬ１０Ｇを示している。この場合に用いた材料粉末Ｐの粒径は、平均粒径で６．９８［μｍ］である。
　図８Ａでは、破線の丸で示した領域８１で材料粉末層ＰＬの面の荒れが生じているが、図８Ｂでは、このような面の荒れは発生せず、全体に亘って滑らかな材料粉末層ＰＬ１０Ｇが得られている。
　次に図９は、合成加速度と材料粉末層の品質の関係の一例を説明する図である。図９の横軸は合成加速度ＡＲを表し、単位は［Ｇ］である。図９の縦軸は材料粉末層ＰＬの品質を表している。材料粉末層ＰＬの品質は、材料粉末のコート率［％］で表している。ここで、材料粉末のコート率とは、材料粉末のコート品質を示す指標として、材料粉末層の全体面積に対する材料粉末でコートされている領域の面積の割合をいう。コート品質が高いほど大きな値を示す。例えば、造形面３４１を平面視で撮影した画像に対し、コートされている領域に対応する画素を有効画素とし、コートされていない領域に対応する画素を無効画素として二値化画像処理を行った場合に、撮影した画像の全画素数に対する有効画素数の割合を、材料粉末のコート率とすることができる。
　図９における「〇」のプロットは、層厚５０［μｍ］の層を１層積層した場合を示し、「△」のプロットは、層厚５０［μｍ］の層を２層積層した場合を示している。また、「◇」のプロットは、層厚５０［μｍ］の層を３層積層した場合を示し、「×」のプロットは、層厚５０［μｍ］の層を４層積層した場合を示している。
　図９に示すように、合成加速度ＡＲが大きくなるほど、材料粉末層の品質は向上している。また層数が多くなるほど、材料粉末層ＰＬの品質は向上し、３層以上の材料粉末層では、４［Ｇ］以上の合成加速度ＡＲでほぼ１００［％］のコート率を達成できている。
　このように、本実施形態では、合成加速度ＡＲを材料粉末Ｐに作用させることで、６．９８［μｍ］等の微小な粒径の材料粉末Ｐを用いても、電磁気力ＦＦ及び流体力ＦＤ等に起因する材料粉末Ｐの凝集又は飛散を抑制できる。そして高品質の材料粉末層ＰＬを形成し、造形物２００の形状精度を向上させることができる。
　また、本実施形態では、合成加速度ＡＲの反作用で浮力ＦＢを大きく材料粉末Ｐに作用させることにより、材料粉末層ＰＬが溶融している時に、溶融させた材料粉末層ＰＬの内部に生じる気泡を外部に好適に排出させることができる。これにより、造形物２００の内部に残留する空孔又は内部欠陥等を減らし、造形物２００の機械強度を向上させることができる。
　さらに、粉末床溶融結合方式による造形では、造形中にスパッタ（火花）が発生し、造形物に造形不良を生じさせる場合がある。本実施形態では、合成加速度ＡＲの作用でスパッタを低減させることができる。
　図１０Ａから図１０Ｃは、スパッタの発生の一例を説明する図である。図１０Ａは合成加速度２［Ｇ］の場合、図１０Ｂは合成加速度５［Ｇ］の場合、図１０Ｃは合成加速度１０［Ｇ］の場合をそれぞれ示している。
　図１０Ａから図１０Ｃにおける撮影画像１１１、１１３及び１１５は、スパッタを撮影した画像を示している。また処理画像１１２は撮影画像１１１の画像処理後の画像、処理画像１１４は撮影画像１１３の画像処理後の画像、処理画像１１６は撮影画像１１５の画像処理後の画像をそれぞれ示している。
　スパッタ処理画像１２２は、スパッタ画像１２１の画像処理後の画像であり、スパッタ処理画像１２４は、スパッタ画像１２３の画像処理後の画像であり、スパッタ処理画像１２６は、スパッタ画像１２５の画像処理後の画像である。
　図１０Ａから図１０Ｃに示すように、合成加速度が大きくなるにつれ、スパッタ画像１２１、１２３及び１２５の順にスパッタが小さくなっており、スパッタを低減できていることが分かる。合成加速度により粒子の飛び出しが抑制されることで、スパッタが低減されると考えられる。このようにして、付加製造装置１はスパッタを低減させ、スパッタに起因する造形不良を抑制することができる。
　また本実施形態では、重力が低い環境下、或いは無重力の環境下でも合成加速度ＡＲを作用させることで造形が可能である。そのため、スペースシャトルの内部や宇宙ステーション内等の無重力環境でも安定した造形を実現できる。また、２０２０年代以降の国際宇宙開発において、月や火星等への有人着陸や基地の建設が検討されているが、これらの星における低重力環境においても安定した造形を実現できる。
　また本実施形態では、照射ユニット５０（エネルギー付与部）は、材料粉末層ＰＬにレーザ光Ｌを照射して光エネルギーを付与する。高い光エネルギーと指向性とを有するレーザ光Ｌを用いることで、材料粉末層ＰＬに高エネルギーを容易に付与することができる。
　また本実施形態では、回転ステージ２０（回転機構）は、造形面３４１に沿う回転軸Ｅ周りに造形台３４を回転させ、照射ユニット５０は、造形台３４に形成された材料粉末層ＰＬに回転軸Ｅ側からレーザ光Ｌを照射して光エネルギーを付与する。
　これにより、合成加速度ＡＲの材料粉末層ＰＬに対する作用をより増大させることができ、より安定した状態で材料粉末層ＰＬにレーザ光Ｌを照射することができる。
　但し、回転軸Ｅに対する造形面３４１の角度は、略平行等の回転軸Ｅに沿う角度に限定されるものではない。造形台３４上の材料粉末層ＰＬに対し、造形台３４に押し付けるように合成加速度ＡＲが作用する角度であれば、回転軸Ｅに対する造形面３４１の角度は特段に制限されない。また、回転する造形台３４上の材料粉末層ＰＬにレーザ光Ｌを照射することができれば、レーザ光Ｌを照射する方向も回転軸Ｅ側からの方向に限定されるものではない。
　また本実施形態では、回転ステージ２０は、回転軸Ｅが重力方向に沿うように設けられている。これにより、回転ステージ２０を回転させても重力ＦＧの作用が回転角度に応じて変化しないため、重力ＦＧが小さい環境下でも安定して造形を行うことができる。
　また本実施形態では、上記の（１）式及び（２）式を満足する。これにより、造形台３４上の材料粉末Ｐに対する重力ＦＧの作用を低減でき、重力ＦＧの作用で材料粉末Ｐが位置ずれ（落下）することを防止できる。
　また本実施形態では、ファイバーレーザ５２（レーザ光源）と、ファイバーレーザ５２が発するレーザ光Ｌを材料粉末層ＰＬ上で走査させる光走査ユニット４０（光走査部）とを有する。これにより、材料粉末層ＰＬの広い範囲に高速でレーザ光Ｌを走査させることができる。
　また本実施形態では、回転軸Ｅに交差する反射面４１ａを備え、反射面４１ａの角度を変化させることで、レーザ光Ｌを走査させる。これにより、回転ステージ２０が回転してもレーザ光Ｌが反射面４１ａに入射する状態を維持できるため、簡単な構成で安定して材料粉末層ＰＬ上でレーザ光Ｌを走査させることができる。
　また本実施形態では、レーザ光Ｌを回転軸Ｅに沿って導光するミラー５５（導光部）をさらに有し、光走査ユニット４０は、ミラー５５により導光されたレーザ光Ｌを走査させる。これにより、回転ステージ２０が回転してもレーザ光Ｌが反射面４１ａに入射する状態を維持できるため、簡単な構成で安定して材料粉末層ＰＬ上でレーザ光Ｌを走査させることができる。
　［第２実施形態］
　次に、第２実施形態に係る付加製造装置１ａについて説明する。なお、第１実施形態で説明したものと同一の構成部には、同一の部品番号を付し、重複する説明を適宜省略する。
　本実施形態では、回転機構は、回転軸が重力方向に交差するように設けられている。これにより、より高速に造形台を回転可能とし、より大きい合成加速度ＡＲが材料粉末に作用する環境下で造形を可能にする。
　図１１は、本実施形態に係る付加製造装置１ａの構成の一例を説明する斜視図である。図１１に示すように、付加製造装置１ａは、回転ドラム２０ａを有する。回転ドラム２０ａは、回転方向Ｅｈａに沿って回転軸Ｅｈ周りに回転可能な中空の回転体であり、所定の回転軸周りに造形台３４を回転させることで、造形台３４に遠心加速度を付与する回転機構の一例である。
　回転ドラム２０ａは、回転軸Ｅｈが重力方向に沿うＺ軸に交差するように設けられている。このような回転ドラム２０ａは、金属材料等を用いて構成可能である。
　図１１では、説明の便宜のため、回転軸Ｅｈを含む平面で回転ドラム２０ａを切断して示しているが、実際には円筒状の部材である。円筒軸と回転軸Ｅｈは略一致する。
　回転ドラム２０ａにおける円筒の両端は、開放しても閉鎖しても何れでもよいが、材料粉末を含む粉塵の飛散を防ぐ観点では閉鎖した方が好ましい。閉鎖する場合には、レーザ光Ｌは透明なガラス又は樹脂材料等を含んで構成された入射窓を介して回転ドラム２０ａの内部に入射する構成にすると好適である。
　回転ドラム２０ａは、ＰＢＦユニット３０と、光走査ユニット４０とを内部に有する。光走査ユニット４０は支持部材７０ａを介して回転ドラム２０ａの内側の面に固定されている。ＰＢＦユニット３０及び光走査ユニット４０は、回転ドラム２０ａの回転により回転軸Ｅｈ周りに回転可能である。
　照射ユニット５０におけるファイバーレーザ５２が発するレーザ光Ｌは、回転軸Ｅｈに沿って導光される。そして、反射面４１ａが回転軸Ｅｈに交差するように設けられた光走査ユニット４０により、ＰＢＦユニット３０における造形台３４に形成された材料粉末層ＰＬ上で走査される。
　このようにして、回転ドラム２０ａの回転により材料粉末層ＰＬに遠心力を付与し、合成加速度ＡＲが作用した状態で、材料粉末層ＰＬにレーザ光を選択的に照射して造形を行うことができる。
　本実施形態では、回転ドラム２０ａ（回転機構）は、回転軸Ｅｈが重力方向に交差するように設けられている。回転軸Ｅｈが重力方向に交差することで、回転機構を小型及び軽量に構成できるため、より高速に造形台を回転させることができる。これにより、より大きい合成加速度ＡＲが材料粉末に作用する環境下で造形を行うことができる。
　なお、これ以外の効果は第１実施形態で説明したものと同様である。
　また本実施形態では、回転機構の一例として回転ドラム２０ａを例示したが、これに限定されるものではない。重力方向に交差する回転軸周りに造形台３４を回転させることができれば、例えば回転ステージ等の回転ドラム２０ａ以外の機構部を用いることもできる。
　以上、実施形態を説明してきたが、本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
　また、実施形態は付加製造方法を含む。例えば、付加製造方法は、所定の回転軸周りに造形台を回転させることで、前記造形台に遠心加速度を付与する工程と、回転される前記造形台に材料粉末層を形成する工程と、前記形成する工程で形成された前記材料粉末層にエネルギーを付与する工程と、を行う。このような付加製造方法により上述した付加製造装置と同様の効果を得ることができる。
　なお、実施形態の説明で用いた序数、数量等の数字は、全て本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、構成要素間の接続関係は、本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係をこれに限定するものではない。
　この出願は、２０２１年１月２２日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０２１－００８８７７号に基づいて、その優先権を主張するものであり、この日本国特許出願の全内容を含む。
１　　　　付加製造装置
１０　　　基台部
２０　　　回転ステージ（回転機構の一例）
２０ａ　　回転ドラム（回転機構の一例）
２１　　　ステージ支柱
２２　　　ステージ支持板
２３　　　回転テーブル
２４　　　回転駆動モータ
２５　　　ベルト
３０　　　ＰＢＦユニット（形成部の一例）
３１　　　支持台
３２　　　昇降ステージ
３３　　　昇降駆動モータ
３４　　　造形台
３４１　　造形面
３５　　　側壁部
３６　　　リコータユニット
３６１　　ブレード
４０　　　光走査ユニット（光走査部の一例）
４１　　　ガルバノミラー
４１ａ　　反射面
４２　　　ガルバノ駆動モータ
５０　　　照射ユニット
５１　　　光学レール
５２　　　ファイバーレーザ（レーザ光源の一例）
５３　　　ビームエキスパンダ
５４　　　集光レンズ
５５　　　ミラー（導光部の一例）
５６　　　固定板
５７　　　ロッド部材
６０　　　架台部
６１　　　架台支柱
６２　　　架台ベース板
１００　　制御部
１０１　　スライスデータ生成部
１０２　　回転制御部
１０３　　昇降制御部
１０４　　リコータ制御部
１０５　　レーザ制御部
１０６　　走査制御部
１２１、１２３、１２５　スパッタ画像
２００　　造形物
２０１　　層空間
Ｌ　　　　レーザ光
Ｅ、Ｅｈ　回転軸
Ｅａ、Ｅｈａ　回転方向
ＡＣ　　　遠心力による加速度
ＡＧ　　　自然重力加速度
ＡＲ　　　合成加速度
ＦＧ　　　重力
ＦＢ　　　浮力
ＦＦ　　　電磁気力
ＦＤ　　　流体力
ｒ　　　　最小距離
Ｐ　　　　材料粉末
ＰＬ　　　材料粉末層
　

Claims (10)

  1. 　造形台と、
    　所定の回転軸周りに前記造形台を回転させることで、前記造形台に遠心加速度を付与する回転機構と、
    　回転される前記造形台に材料粉末層を形成する形成部と、
    　前記形成部が形成した前記材料粉末層にエネルギーを付与するエネルギー付与部と、を有する付加製造装置。
  2. 　前記エネルギー付与部は、前記材料粉末層にレーザ光を照射して光エネルギーを付与する請求項１に記載の付加製造装置。
  3. 　前記回転機構は、前記材料粉末層が積層される造形面に沿う前記回転軸周りに前記造形台を回転させ、
    　前記エネルギー付与部は、前記造形台に形成された前記材料粉末層に前記回転軸側から前記エネルギーを付与する請求項１又は２に記載の付加製造装置。
  4. 　前記回転機構は、前記回転軸が重力方向に沿うように設けられている請求項３に記載の付加製造装置。
  5. 　以下の（１）式及び（２）式を満足する請求項４に記載の付加製造装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     （但し、（１）式及び（２）式において、ＡＧは自然重力加速度を表し、ＡＲは自然重力加速度と遠心力による加速度の合成加速度を表し、θは前記回転軸と前記合成加速度の方向とのなす角度を表し、Ｎは前記回転機構の回転数を表し、ｒは前記回転軸に直交する方向における前記回転軸と前記造形面の中心との最小距離を表す。）
  6. 　前記回転機構は、前記回転軸が重力方向に交差するように設けられている請求項１乃至３の何れか１項に記載の付加製造装置。
  7. 　前記エネルギー付与部は
    　レーザ光源と、
    　前記レーザ光源が発するレーザ光を前記材料粉末層上で走査させる光走査部と、を有する請求項１乃至６の何れか１項に記載の付加製造装置。
  8. 　前記光走査部は、前記回転軸に交差する反射面を備え、前記反射面の角度を変化させることで、前記レーザ光を走査させる請求項７に記載の付加製造装置。
  9. 　前記レーザ光を前記回転軸に沿って導光する導光部をさらに有し、
    　前記光走査部は、前記導光部により導光された前記レーザ光を走査させる請求項７又は８に記載の付加製造装置。
  10. 　所定の回転軸周りに造形台を回転させることで、前記造形台に遠心加速度を付与する工程と、
    　回転される前記造形台に材料粉末層を形成する工程と、
      前記形成する工程で形成された前記材料粉末層にエネルギーを付与する工程と、を行う付加製造方法。
    　
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