WO2023218727A1 - 三次元積層装置および方法 - Google Patents
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Abstract
三次元積層装置および方法において、造形面を有する加工対象物の側面に接触して粉末材料を受ける粉末受け部材と、粉末受け部材の外面に接触すると共に前記造形面に交差する造形方向に沿って移動自在に支持される粉末保持部材と、粉末保持部材を前記造形方向に沿って移動可能な移動装置と、造形面上の粉末材料に光ビームを照射して溶融固化させることで成形層を形成する照射装置と、を備える。
Description
本開示は、三次元積層装置および方法に関するものである。
近年、金属粉末などの粉末を原料として三次元積層体を成形する三次元積層装置が実用化されている。三次元積層装置による積層造形法（例えば、ＡＭ：Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）の一つとして、パウダーベッド方式（ＰＢＦ：Ｐｏｗｄｅｒ Ｂｅｄ Ｆｕｓｉｏｎ）がある。パウダーベッド方式による積層造形法は、まず、チャンバ内に造形面を有する加工対象物を配置すると共に、加工対象物の周囲および上方に金属粉末を充填する。次に、リコータにより加工対象物の造形面の上方に金属粉末の平滑面を形成する。そして、金属粉末の平滑面に対してレーザビームや電子ビームなどを照射し、金属粉末を溶融、凝固させることで、加工対象物の造形面上に三次元形状をなす複雑な造形物を形成する。このような三次元積層装置としては、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。
従来の三次元積層装置は、三次元積層を行う加工対象物を収容するためのチャンバが必要になる。チャンバは、加工対象物の全体を収容する必要があることから、巨大な造形物を収容することが困難となり、三次元積層を行う加工対象物の大きさに制約を受けてしまうという課題がある。また、従来の三次元積層装置は、造形面上の金属粉末を溶融、凝固させるたびにチャンバ内で造形物を所定距離だけ下降させる必要がある。加工対象物が大型である場合、下降装置が大型化してしまうという課題がある。
本開示は、上述した課題を解決するものであり、装置の小型化を図ると共に加工対象物の大きさに制約を受けずに造形物を造形することができる三次元積層装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本開示の三次元積層装置は、造形面を有する加工対象物に接触して粉末材料を受ける粉末受け部材と、前記粉末受け部材に接触すると共に前記造形面に交差する造形方向に沿って移動自在に支持される粉末保持部材と、前記粉末保持部材を前記造形方向に沿って移動可能な移動装置と、前記造形面上の前記粉末材料に光ビームを照射して溶融固化させることで成形層を形成する照射装置と、を備える。
また、本開示の三次元積層方法は、加工対象物に粉末受け部材が接触した状態で前記加工対象物の造形面に粉末材料を供給する工程と、前記造形面上の前記粉末材料に光ビームを照射して溶融固化させることで第１成形層を形成する工程と、前記粉末受け部材に接触する粉末保持部材を前記造形面に交差する造形方向に沿って所定距離だけ移動する工程と、前記第１成形層上に粉末材料を供給する工程と、前記第１成形層上の前記粉末材料に光ビームを照射して溶融固化させることで第２成形層を形成する工程と、を有する。
本開示の三次元積層装置によれば、装置の小型化を図ることができると共に、加工対象物の大きさに制約を受けずに造形物を造形することができる。
以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
＜三次元積層装置＞
図１は、本実施形態の三次元積層装置を表す斜視図、図２は、三次元積層装置を表す概略構成図である。
図１は、本実施形態の三次元積層装置を表す斜視図、図２は、三次元積層装置を表す概略構成図である。
図１および図２に示すように、三次元積層装置１０は、加工対象物１００の補修作業に適用される。加工対象物１００は、例えば、航空エンジンや発電用ガスタービンなどに適用されるタービン翼であり、翼部１０１と、プラットフォーム１０２と、翼根部１０３とを有する。また、翼部１０１は、上部に突起部１０４，１０５を有する。但し、一方の突起部１０５は、長期の使用により変形したため、事前に除去され、造形面１０６が形成されている。加工対象物１００は、所定の位置に治具１１１により位置決め固定される。三次元積層装置１０は、加工対象物１００の造形面１０６に金属を積層することで、突起部１０５と同様の形状をなす造形物１０７を造形する。
なお、三次元積層装置１０は、加工対象物１００の補修作業に限らず、加工対象物１００に新規の造形物１０７を造形する作業に適用してもよい。また、加工対象物１００は、航空エンジンや発電用ガスタービンなどに適用されるタービン翼に限るものではない。
三次元積層装置１０は、装置本体１１と、粉末受け部材１２と、粉末保持部材１３と、移動装置１４と、粉末供給装置１５と、粉末リコータ１６と、照射装置１７と、加工装置１８と、計測装置１９と、不活性ガス供給装置２０とを備える。
装置本体１１において、取付板２１は、図示しない支持板に支持され、上方に複数の支持ロッド２２を介して支持板２３が支持される。支持板２３は、底板２３ａの両側に一対の側板２３ｂが一体に設けられたＵ字形状をなす。支持板２３は、各側板２３ｂの上部にそれぞれレール部２４が固定される。第１移動台２５は、各側板２３ｂの掛け渡されるように配置され、各支持部２５ａが各側板２３ｂのレール部２４に移動自在に支持される。すなわち、第１移動台２５は、支持板２３に対して水平方向である第１方向Ｘに沿って移動自在に支持される。なお、第１移動台２５は、図示しない駆動装置により第１方向Ｘに移動可能であるが、手動で移動可能としてもよい。
第１移動台２５は、レール部２６が固定される。第２移動台２７は、レール部２６により第１移動第２５に対して水平方向である第２方向Ｙに沿って移動自在に支持される。第１方向Ｘと第２方向Ｙは、互いに直交する。なお、第２移動台２７は、図示しない駆動装置により第２方向Ｙに移動可能であるが、手動で移動可能としてもよい。そして、加工装置１８は、第２移動台２７に支持される。すなわち、加工装置１８は、装置本体１１に対して第１方向Ｘおよび第２方向Ｙに沿って移動自在に支持され、加工対象物１００の造形面１０６を加工することで、造形面１０６の角度（平行度）を修正可能である。加工装置１８は、例えば、レーザ加工装置であるが、検索装置などの加工装置であってもよい。
昇降台２８は、複数のガイドロッド２８ａが支持板２３に固定された複数のガイド部材２９により昇降自在に支持される。また、取付板２１は、複数の昇降装置３０が固定され、昇降装置３０は、昇降ロッド３０ａの先端部が昇降台２８に連結される。そのため、昇降装置３０を駆動することで、昇降台２８を鉛直方向である第３方向Ｚに沿って移動可能である。第３方向Ｚは、第１方向Ｘおよび第２方向Ｙに直交する。
昇降台２８は、枠形状をなし、中央部の開口部の下方に粉末受け部材１２および粉末保持部材１３が配置される。粉末受け部材１２は、矩形のプレート形状をなし、支持板２３の上部に固定される。粉末受け部材１２は、造形面１０６を有する加工対象物１００の側面（翼部１０１の外周面）に接触して金属粉末（粉末材料）Ｐを受け取る。粉末保持部材１３は、四角の枠形状をなし、粉末受け部材１２の外方で粉末受け部材１２の外周面に沿って配置される。粉末保持部材１３は、粉末受け部材１２の外面に接触すると共に、造形面１０６に交差する造形方向である第３方向Ｚに沿って移動自在に支持される。そして、移動装置１４は、昇降台２８に配置され、粉末受け部材１２に対して粉末保持部材１３を造形方向である第３方向Ｚに沿って移動可能である。
粉末供給装置１５は、装置本体１１の上方に配置される。粉末供給装置１５は、図示しない移動装置により第１方向Ｘおよび第２方向Ｙ、好ましくは第３方向Ｚに沿って移動自在に支持される。粉末供給装置１５は、粉末材料である金属粉末Ｐを加工対象物１００の少なくとも造形面１０６に向けて供給可能である。
複数のガイド部材２９は、一対のレール部３１が固定される。一対のレール部３１は、一対のレール部２４と平行をなすように第１方向Ｘに沿って配置される。一対の第３移動台３２は、それぞれ一対のレール部３１に沿って第１方向Ｘに沿って移動自在に支持される。一対の第３移動台３２は、連結ロッド３３により連結される。また、粉末リコータ１６は、一対の第３移動台３２の間で、一対の第３移動台３２に一対の吊り下げ部材３４を介して吊り下げ支持される。粉末リコータ１６は、加工対象物１００の造形面１０６上の金属粉末Ｐの上面を平滑面Ｐ１とする。粉末リコータ１６は、作業者が連結ロッド３３を持って移動するものであるが、駆動装置により駆動可能としてもよい。
計測装置１９は、粉末リコータ１６に装着される。計測装置１９は、粉末リコータ１６における第２方向Ｙにおける一端部と他端部に装着される。計測装置１９は、装置本体１１に対して、粉末リコータ１６と共に第１方向Ｘに沿って移動自在に支持される。計測装置１９は、造形面１０６の角度を計測可能である。計測装置１９は、例えば、造形面１０６までの距離を計測するレーザ計測装置であるが、他の計測装置であってもよい。
照射装置１７は、装置本体１１の上方に配置される。照射装置１７は、図示しない移動装置により第１方向Ｘおよび第２方向Ｙ、好ましくは第３方向Ｚに沿って移動自在に支持される。照射装置１７は、加工対象物１００の造形面１０６上の金属粉末Ｐに対して光ビームＲを照射し、金属粉末Ｐを溶融固化させることで成形層を形成する。ここで、照射装置１７が照射する光ビームＲは、例えば、レーザビームや電子ビームなどである。
不活性ガス供給装置２０は、装置本体１１に配置される。不活性ガス供給装置２０は、加工対象物１００の造形面１０６上の金属粉末Ｐの平滑面Ｐ１に沿って不活性ガスを供給する。不活性ガス供給装置２０は、噴出ノズル３６と、供給ライン３７と、開閉弁（好ましくは、流量調整弁）３８と、ガスタンク３９とを有する。噴出ノズル３６は、好ましくは、粉末保持部材１３に配置される。噴出ノズル３６は、供給ライン３７を介してガスタンク３９に連結される。開閉弁３８は、供給ライン３７に設けられる。ここで、不活性ガス供給装置が供給する不活性ガスは、アルゴンや窒素などである。
移動装置１４と粉末供給装置１５と照射装置１７と加工装置１８と計測装置１９と不活性ガス供給装置２０（開閉弁３８）は、制御部７０に接続される。制御部７０は、移動装置１４、粉末供給装置１５、照射装置１７、加工装置１８、計測装置１９、不活性ガス供給装置２０の開閉弁３８を駆動制御可能である。ここで、制御部７０は、制御装置であり、制御装置は、コントローラであり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）などにより、記憶部に記憶されている各種プログラムがＲＡＭを作業領域として実行されることにより実現される。
＜粉末受け部材および粉末保持部材＞
図３は、三次元積層装置の要部を表す平面図、図４は、図３のIV－IV断面図である。
図３は、三次元積層装置の要部を表す平面図、図４は、図３のIV－IV断面図である。
図３および図４に示すように、粉末受け部材１２は、底部１２ａと、縦壁部１３ｂとを有する。粉末受け部材１２は、底部１２ａの外周部に４個の縦壁部１３ｂが一体に設けられて構成される。粉末受け部材１２は、底部１２ａに加工対象物１００の側面を含む外周面に嵌合する開口部４１を有する。開口部４１は、加工対象物１００の翼部１０１の形状であり、翼部１０１より一回り大きい寸法である。そのため、粉末受け部材１２は、開口部４１が翼部１０１に嵌合する。このとき、粉末受け部材１２の開口部４１内周面と翼部１０１の外周面との間の隙間を埋める部材を設けることが好ましい。
粉末保持部材１３と粉末受け部材１２は、少なくともいずれか一方にシール部材４２が設けられる。本実施形態にて、シール部材４２は、粉末保持部材１３に設けられる。すなわち、粉末保持部材１３は、各縦壁部１２ｂの外側に周方向に沿って溝部１２ｃが形成される。シール部材４２は、四角形状をなし、粉末保持部材１３における各縦壁部１２ｂの溝部１２ｃに固定される。粉末受け部材１２は、粉末保持部材１３の外方に位置し、内周面がシール部材４２の外周面に密着する。そのため、粉末保持部材１３に対して粉末受け部材１２が第３方向Ｚに沿って移動しても、粉末保持部材１３と粉末受け部材１２は、シール部材４２を介して密着状態が維持される。なお、シール部材４２は、粉末受け部材１２に設けてもよい。
＜粉末リコータ＞
図５は、粉末リコータを表す正面図、図６は、粉末リコータを表す側面図である。
図５は、粉末リコータを表す正面図、図６は、粉末リコータを表す側面図である。
図５および図６に示すように、粉末リコータ１６は、支持板５１と、リコータ本体５２と、複数の把持部材５３と、複数のブレード５４と、高さ調整装置５５とを有する。
支持板５１は、第２方向Ｙに沿って配置される。支持板５１は、一対の吊り下げ部材３４を介して各第３移動台３２に吊り下げ支持される。リコータ本体５２は、支持板５１の下方で第２方向Ｙに沿って配置される。リコータ本体５２は、下方および側方に開口する開口溝５２ａが第２方向Ｙに沿って形成される。複数の把持部材５３は、リコータ本体５２の下方に配置される。各把持部材５３は、上部に吊下支持部５３ａが設けられる。把持部材５３は、吊下支持部５３ａがリコータ本体５２の開口溝５２ａに第２方向Ｙに沿って移動自在に嵌合し、所定の位置に位置決め可能である。
また、各把持部材５３は、それぞれ複数のブレード５４の上部を把持可能である。複数の把持部材５３と複数のブレード５４と、同じ形状をなす。高さ調整装置５５は、支持板５１の上部の両側に配置される。すなわち、１個の高さ調整装置５５は、支持板５１における第２方向Ｙの一方側に配置され、もう１個の高さ調整装置５５は、支持板５１における第２方向Ｙの他方側に配置される。各高さ調整装置５５は、駆動ロッド５５ａの先端部が支持板５１を貫通し、リコータ本体５２に連結される。
そのため、粉末リコータ１６は、リコータ本体５２に対して造形面１０６と平行をなす第２方向Ｙに並んで複数のブレード５４が着脱自在に装着される。このとき、粉末リコータ１６は、複数の把持部材５３およびブレード５４のうち、不要である把持部材５３およびブレード５４を取り外すことができる。そして、粉末リコータ１６は、造形面１０６と平行をなす第１方向Ｘに沿って移動可能である。また、高さ調整装置５５は、装置本体１１に対するリコータ本体５２の角度、つまり、加工対象物１００の造形面１０６に対する複数のブレード５４の平行度を調整可能である。
＜三次元積層方法＞
図７は、三次元積層方法を説明するためのフローチャートである。
図７は、三次元積層方法を説明するためのフローチャートである。
本実施形態の三次元積層方法は、加工対象物１００に粉末受け部材１２が接触した状態で加工対象物１００の造形面１０６に金属粉末Ｐを供給する工程と、造形面１０６上の金属粉末Ｐに光ビームＲを照射して溶融固化させることで第１成形層を形成する工程と、粉末受け部材１２に接触する粉末保持部材１３を造形面１０６に交差する造形方向に沿って所定距離だけ移動する工程と、第１成形層上に金属粉末Ｐを供給する工程と、第１成形層上の金属粉末Ｐに光ビームＲを照射して溶融固化させることで第２成形層を形成する工程とを有する。
具体的に説明すると、ステップＳ１１にて、加工対象物１００を位置決めし、ステップＳ１２にて、造形面１０６に対して粗加工を実施する。
図８は、加工対象物の造形面に対する粗加工方法を表す概略図である。図８に示すように、加工対象物１００は、所定の位置に載置され、治具１１１により翼根部１０３が所定の位置に固定されることで、位置決めされる。このとき、加工対象物１００は、造形面１０６がほぼ水平をなすように配置される。そして、加工対象物１００の造形面１０６に対して、粗加工を実施する。この場合、造形面１０６に対する粗加工は、例えば、グラインダなどにより実施される。
ステップＳ１３にて、加工対象物１００の三次元モデルを作成する。加工対象物１００の基準三次元モデルは、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）により設計データとして保存される。制御部７０は、加工対象物１００の基準三次元モデルに対して、現在の加工対象物１００の三次元モデルを作成する。
図９は、加工対象物の三次元モデル作成方法を表す概略図である。図９に示すように、加工対象物１００は、鋳造により製作されることから、製造誤差が発生する。また、加工対象物１００は、長期間にわたって使用されてものであることから、翼部１０１、プラットフォーム１０２、翼根部１０３などが変形している。さらに、加工対象物１００は、治具１１１により位置決め固定されるものであるが、位置決め誤差が発生する。そのため、制御部７０は、基準三次元モデルに基づいて現在の三次元モデルを作成し、造形物１０７を造形する造形面１０６を修正する。
ステップＳ１４にて、位置決め固定された加工対象物１００に対して、三次元積層装置１０を配置する。
図１０は、加工対象物に対する三次元積層装置の装着方法を表す概略図である。図１０に示すように、三次元積層装置１０に装着された粉末受け部材１２は、加工対象物１００の翼部１０１に対応した開口部４１（図５参照）が形成されている。そのため、位置決めされた加工対象物１００に対して装置本体１１を移動し、加工対象物１００の翼部１０１に粉末受け部材１２の開口部４１が嵌合した状態に配置する。
ステップＳ１５にて、加工対象物１００における造形面１０６に対して微細加工を実施する。すなわち、加工対象物１００は、造形面１０６が水平となるように位置決め固定されているものの、平行度がずれている可能性がある。そのため、加工対象物１００の造形面１０６が水平となるように微細加工が実施される。このとき、作業者は、粉末リコータ１６を第１方向Ｘに沿って移動することで、計測装置１９により造形面１０６の角度（平行度）を計測する。
図１１は、加工対象物の造形面に対する微細加工方法を表す概略図である。図１１に示すように、加工対象物１００における造形面１０６の上方に加工装置１８を位置させる。制御部７０は、加工装置１８を第１方向Ｘおよび第２方向Ｙに移動することで、造形面１０６を微細加工する。この場合、造形面１０６に対する加工装置１８による微細加工は、例えば、レーザ加工や研磨加工などにより実施される。なお、加工装置１８による造形面１０６を微細加工後、計測装置１９により造形面１０６の角度（平行度）を計測して確認する。
ステップＳ１６にて、照射装置１７から照射する光ビームの照射位置を調整する。すなわち、制御部７０は、加工対象物１００の三次元モデルに基づいて造形面１０６に位置を把握し、造形面１０６に対する照射装置１７からの光ビームＲの照射位置を規定する。
ステップＳ１７にて、粉末リコータ１６の調整作業を行う。加工対象物１００は。翼部１０１に突起部１０４があることから、粉末リコータ１６におけるブレード５４の形状を調整する必要がある。すなわち、粉末リコータ１６が第１方向Ｘに移動するとき、突起部１０４に当接するブレード５４を取り外す。
ステップＳ１８にて、制御部７０は、移動装置１４により粉末保持部材１３を所定距離だけ上昇する。すなわち、制御部７０は、粉末保持部材１３を上昇させ、加工対象物１００の造形面１０６に対して金属粉末Ｐの所定の積層量だけ、粉末保持部材１３の上面が上方に位置するように位置させる。ここで、粉末保持部材１３の上昇距離は、金属粉末Ｐの積層高さであり、成形層の厚さとなる。
ステップＳ１９にて、制御部７０は、粉末供給装置１５を作動して粉末受け部材１２に対して金属粉末Ｐを供給する。すなわち、粉末供給装置１５は、加工対象物１００の造形面１０６が被覆されるように、粉末受け部材１２に対して金属粉末Ｐを供給する。
図１２は、金属粉末の供給方法を表す概略図である。図１２に示すように、加工対象物１００は、翼部１０１の周囲に粉末受け部材１２が配置され、粉末受け部材１２は、周囲に粉末保持部材１３が配置される。そのため、翼部１０１と粉末受け部材１２と粉末保持部材１３との間に粉末充填空間部が形成される。粉末供給装置１５は、粉末充填空間部および造形面１０６が埋まるように金属粉末Ｐを供給する。
ステップＳ２０にて、制御部７０は、粉末リコータ１６を作動し、翼部１０１と粉末受け部材１２と粉末保持部材１３との間に粉末充填空間部に充填された金属粉末Ｐの上面に平滑面Ｐ１を形成する。この場合、金属粉末Ｐの平滑面Ｐ１は、少なくとも造形面１０６に上面だけに形成されていればよい。
図１３は、粉末リコータによる金属粉末Ｐの平滑面Ｐ１の形成方法を表す概略図である。図１３に示すように、粉末リコータ１６は、突起部１０４に当接するブレード５４が取り外されている。作業者は、粉末リコータ１６を第１方向Ｘに沿って移動すると、ブレード５４により造形面１０６上の余分な金属粉末Ｐが掻き取られ、金属粉末Ｐの平滑面Ｐ１が形成される。すなわち、造形面１０６上に所定厚さの金属粉末Ｐの層が形成される。
ステップＳ２１にて、制御部７０は、不活性ガス供給装置２０を作動し、開閉弁３８を開放することで、噴出ノズル３６から金属粉末Ｐの平滑面Ｐ１に沿って不活性ガスを噴出する。そして、ステップＳ２２にて、この状態で、制御部７０は、照射装置１７から造形面１０６上の金属粉末Ｐの平滑面Ｐ１に対して光ビームＲを照射する。
図１４は、光ビームの照射による造形方法を表す概略図である。図１４に示すように、不活性ガス供給装置２０は、金属粉末Ｐの平滑面Ｐ１に沿って不活性ガスを噴出することで、金属粉末Ｐの平滑面Ｐ１の上方空間を不活性ガス雰囲気に維持する。この状態で、照射装置１７は、造形面１０６上の金属粉末Ｐの平滑面Ｐ１に向けて光ビームＲを照射する。このとき、照射装置１７を第１方向Ｘおよび第２方向Ｙに沿って移動することで、造形面１０６の上面に全ての領域に対して光ビームＲを照射する。すると、造形面１０６上の領域にある金属粉末Ｐが溶融した後に固化することで、造形面１０６上に第１成形層が形成される。
ステップＳ２３にて、制御部７０は、三次元造形が終了したか否かを判定する。すなわち、制御部７０は、加工対象物１００の造形面１０６に所定高さの造形物１０７が造形されたか否かを判定する。ここで、制御部７０は、加工対象物１００の造形面１０６に所定高さの造形物１０７が造形されていないと判定（Ｎｏ）すると、ステップＳ１８に移行し、ステップＳ１８～Ｓ２２の処理を再度実施する。
つまり、ステップＳ１８～Ｓ２２にて、制御部７０は、粉末保持部材１３を所定距離だけ上昇し、粉末供給装置１５により粉末受け部材１２に対して金属粉末Ｐを供給した後、粉末リコータ１６を作動し、金属粉末Ｐの上面に平滑面Ｐ１を形成する。そして、制御部７０は、不活性ガス供給装置２０を作動し、金属粉末Ｐの平滑面Ｐ１の上方空間を不活性ガス雰囲気に維持した状態で、照射装置１７により金属粉末Ｐの平滑面Ｐ１に向けて光ビームＲを照射する。すると、造形面１０６上の領域にある金属粉末Ｐ溶融した後に固化することで、第１成形層上に第２成形層が形成される。
ステップＳ１８～Ｓ２２の処理を繰り返し実施することで、加工対象物１００の造形面１０６上に所定高さの造形物１０７が造形される。
図１５は、加工対象物の造形面に対する造形物の造形状態を表す概略図である。図１５に示すように、造形面１０６上に金属粉末Ｐの溶融、固化を繰り返すことで、造形面１０６上に複数の成形層を積層し、造形物１０７を造形する。
すると、ステップＳ２３にて、制御部７０は、加工対象物１００の造形面１０６に所定高さの造形物１０７が造形されたと判定（Ｙｅｓ）し、ステップＳ２４に移行する。ステップＳ２４にて、作業者は、加工対象物１００から三次元積層装置１０を取り外して作業終了となる。
図１６は、造形物が造形された加工対象物を表す概略図である。図１６に示すように、加工対象物１００は、翼部１０１の一方側に突起部１０４が設けられると共に、翼部１０１の他方側の造形面１０６に突起部１０５としての造形物１０７が形成される。
なお、本実施形態の三次元積層方法は、上述した方法に限定されるものではない。図１７は、変形例の造形物が造形された加工対象物を表す概略図である。
図１７に示すように、加工対象物１００は、翼部１０１の一方側に突起部１０４が設けられると共に、翼部１０１の他方側の造形面１０６に突起部１０５としての造形物１０７Ａが形成される。造形物１０７Ａは、積層部１２１と、溶接部１２２とから構成される。
すなわち、図１５にて、加工対象物１００は、造形面１０６上に金属粉末Ｐの溶融、固化を繰り返すことで、造形面１０６上に複数の成形層を積層し、造形物１０７を造形する。一方、図１６にて、加工対象物１００は、造形面１０６上に金属粉末Ｐの溶融、固化を繰り返すことで、造形面１０６上に複数の積層部１２１を積層した後、積層部１２１上に溶接部１２２を溶接することで造形物１０７Ａを造形する。
［本実施形態の作用効果］
第１の態様に係る三次元積層装置は、造形面１０６を有する加工対象物１００に接触して金属粉末（粉末材料）Ｐを受ける粉末受け部材１２と、粉末受け部材１２に接触すると共に造形面１０６に交差する造形方向に沿って移動自在に支持される粉末保持部材１３と、粉末保持部材１３を造形方向に沿って移動可能な移動装置１４と、造形面１０６上の金属粉末Ｐに光ビームＲを照射して溶融固化させることで成形層を形成する照射装置１７とを備える。
第１の態様に係る三次元積層装置は、造形面１０６を有する加工対象物１００に接触して金属粉末（粉末材料）Ｐを受ける粉末受け部材１２と、粉末受け部材１２に接触すると共に造形面１０６に交差する造形方向に沿って移動自在に支持される粉末保持部材１３と、粉末保持部材１３を造形方向に沿って移動可能な移動装置１４と、造形面１０６上の金属粉末Ｐに光ビームＲを照射して溶融固化させることで成形層を形成する照射装置１７とを備える。
第１の態様に係る三次元積層装置によれば、加工対象物１００に接触する粉末受け部材１２を設けると共に、粉末受け部材１２に接触すると共に造形方向に沿って移動自在な粉末保持部材１３を設けることで、粉末受け部材１２が余分な金属粉末Ｐを受け止めることができ、粉末保持部材１３を造形方向に沿って移動することで、造形面１０６上に所定厚さの金属粉末Ｐを積層することができる。そのため、加工対象物１００を収容するためのチャンバが不要となり、三次元積層を行う加工対象物１００の大きさに制約を受けることがない。また、粉末受け部材１２に対して粉末保持部材１３を移動するだけでよく、加工対象物１００を昇降させることが不要となり、造形物を高精度に造形することができる。
第２の態様に係る三次元積層装置は、第１の態様に係る三次元積層装置であって、さらに、粉末受け部材１２が加工対象物１００の外周面に沿う開口部４１を有する。これにより、粉末受け部材１２が加工対象物１００の周囲に位置することとなり、粉末受け部材１２が余分な金属粉末Ｐを適切に受け止めることができる。
第３の態様に係る三次元積層装置は、第２の態様に係る三次元積層装置であって、さらに、粉末保持部材１３が粉末受け部材１２の外周面に沿って設けられる枠形状をなす。これにより、粉末保持部材１３が粉末受け部材１２の周囲に位置することとなり、造形面１０６上に所定厚さの金属粉末Ｐの層を適切に形成することができる。
第４の態様に係る三次元積層装置は、第３の態様に係る三次元積層装置であって、さらに、粉末保持部材１３と粉末受け部材１２とのいずれか一方にシール部材４２が設けられる。これにより、粉末保持部材１３と粉末受け部材１２との隙間からの金属粉末Ｐの漏れを防止することができる。
第５の態様に係る三次元積層装置は、第１の態様から第４の態様に係る三次元積層装置であって、さらに、造形面１０６上の金属粉末Ｐの上面を平滑面Ｐ１とする粉末リコータ１６を有する。これにより、造形面１０６上に所定厚さの金属粉末Ｐの層を高精度（例えば、０.０５ｍｍ以下）に形成することができる。
第６の態様に係る三次元積層装置は、第５の態様に係る三次元積層装置であって、さらに、粉末リコータ１６は、造形面１０６と平行をなす第１方向Ｘに移動自在に支持されるリコータ本体５２と、リコータ本体５２に対して造形面１０６と平行をなすと共に第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに並んで着脱自在に装着される複数のブレード５４とを有する。これにより、リコータ本体５２から不要なブレード５４を取り外すことで、加工対象物１００の上部と粉末リコータ１６との接触を避けることができ、加工対象物１００の上部形状に拘わらず、ブレード５４により造形面１０６上に所定厚さの金属粉末Ｐの層を形成することができ、造形物を高精度に造形することができる。
第７の態様に係る三次元積層装置は、第６の態様に係る三次元積層装置であって、さらに、粉末リコータ１６が造形面１０６に対するリコータ本体５２の平行度を調整する高さ調整装置５５を有する。これにより、造形面１０６上に所定厚さの金属粉末Ｐの層を高精度に形成することができる。
第８の態様に係る三次元積層装置は、第６の態様または第７の態様に係る三次元積層装置であって、さらに、リコータ本体５２と共に第１方向Ｘに沿って移動自在に支持されて造形面１０６の角度を計測する計測装置１９を有する。これにより、計測装置１９の計測結果に基づいて造形面１０６を高精度に加工することができると共に、リコータ本体５２の角度調整を高精度に行うことができる。
第９の態様に係る三次元積層装置は、第６の態様から第８の態様に係る三次元積層装置であって、さらに、装置本体１１に対して第１方向Ｘおよび第２方向Ｙに沿って移動自在に支持されて造形面１０６を加工することで造形面１０６の角度を補正する加工装置１８を有する。これにより、加工装置１８により造形面１０６の角度を高精度に補正することができる。
第１０の態様に係る三次元積層装置は、第１の態様から第９の態様に係る三次元積層装置であって、さらに、造形面１０６上の金属粉末Ｐの平滑面Ｐ１に沿って不活性ガスＧを供給する不活性ガス供給装置２０を有する。これにより、金属粉末Ｐの平滑面Ｐ１の上方領域を不活性ガス雰囲気とすることで、金属粉末Ｐの酸化を抑制することができる。
第１１の態様に係る三次元積層方法は、加工対象物１００に粉末受け部材１２が接触した状態で加工対象物１００の造形面１０６に金属粉末Ｐを供給する工程と、造形面１０６上の金属粉末Ｐに光ビームＲを照射して溶融固化させることで第１成形層を形成する工程と、粉末受け部材１２に接触する粉末保持部材１３を造形面１０６に交差する造形方向に沿って所定距離だけ移動する工程と、第１成形層上に金属粉末Ｐを供給する工程と、第１成形層上の金属粉末Ｐに光ビームＲを照射して溶融固化させることで第２成形層を形成する工程とを有する。そのため、加工対象物１００を収容するためのチャンバが不要となり、三次元積層を行う加工対象物１００の大きさに制約を受けることがない。また、粉末受け部材１２に対して粉末保持部材１３を移動するだけでよく、加工対象物１００を昇降させることが不要となり、造形物を高精度に造形することができる。
第１２の態様に係る三次元積層方法は、第１１の態様に係る三次元積層方法であって、さらに、加工対象物１００の造形面１０６上の金属粉末Ｐの平滑面Ｐ１に沿って不活性ガスＧを噴出することで不活性ガス雰囲気を形成した後、金属粉末Ｐに光ビームＲを照射する。これにより、金属粉末Ｐの平滑面Ｐ１の上方領域を不活性ガス雰囲気とすることで、金属粉末Ｐの酸化を抑制することができる。
１０ 三次元積層装置
１１ 装置本体
１２ 粉末受け部材
１３ 粉末保持部材
１４ 移動装置
１５ 粉末供給装置
１６ 粉末リコータ
１７ 照射装置
１８ 加工装置
１９ 計測装置
２０ 不活性ガス供給装置
２１ 取付板
２２ 支持ロッド
２３ 支持板
２４ レール部
２５ 第１移動台
２６ レール部
２７ 第２移動台
２８ 昇降台
２９ ガイド部材
３０ 昇降装置
３１ レール部
３２ 第３移動台
３３ 連結ロッド
３４ 吊り下げ部材
３６ 噴出ノズル
３７ 供給ライン
３８ 開閉弁
３９ ガスタンク
４１ 開口部
４２ シール部材
５１ 支持板
５２ リコータ本体
５３ 把持部材
５４ ブレード
５５ 高さ調整装置
７０ 制御部
１００ 加工対象物
１０１ 翼部
１０２ プラットフォーム
１０３ 翼根部
１０４，１０５ 突起部
１０６ 造形面
１０７，１０７Ａ 造形物
１１１ 治具
Ｇ 不活性ガス
Ｐ 金属粉末（粉末材料）
Ｒ 光ビーム
１１ 装置本体
１２ 粉末受け部材
１３ 粉末保持部材
１４ 移動装置
１５ 粉末供給装置
１６ 粉末リコータ
１７ 照射装置
１８ 加工装置
１９ 計測装置
２０ 不活性ガス供給装置
２１ 取付板
２２ 支持ロッド
２３ 支持板
２４ レール部
２５ 第１移動台
２６ レール部
２７ 第２移動台
２８ 昇降台
２９ ガイド部材
３０ 昇降装置
３１ レール部
３２ 第３移動台
３３ 連結ロッド
３４ 吊り下げ部材
３６ 噴出ノズル
３７ 供給ライン
３８ 開閉弁
３９ ガスタンク
４１ 開口部
４２ シール部材
５１ 支持板
５２ リコータ本体
５３ 把持部材
５４ ブレード
５５ 高さ調整装置
７０ 制御部
１００ 加工対象物
１０１ 翼部
１０２ プラットフォーム
１０３ 翼根部
１０４，１０５ 突起部
１０６ 造形面
１０７，１０７Ａ 造形物
１１１ 治具
Ｇ 不活性ガス
Ｐ 金属粉末（粉末材料）
Ｒ 光ビーム
Claims (12)
- 造形面を有する加工対象物に接触して粉末材料を受ける粉末受け部材と、
前記粉末受け部材に接触すると共に前記造形面に交差する造形方向に沿って移動自在に支持される粉末保持部材と、
前記粉末保持部材を前記造形方向に沿って移動可能な移動装置と、
前記造形面上の前記粉末材料に光ビームを照射して溶融固化させることで成形層を形成する照射装置と、
を備える三次元積層装置。 - 前記粉末受け部材は、前記加工対象物の外周面に沿う開口部を有する、
請求項１に記載の三次元積層装置。 - 前記粉末保持部材は、前記粉末受け部材の外周面に沿って設けられる枠形状をなす、
請求項２に記載の三次元積層装置。 - 前記粉末保持部材と前記粉末受け部材は、いずれか一方にシール部材が設けられる、
請求項３に記載の三次元積層装置。 - 前記造形面上の前記粉末材料の上面を平滑面とするリコータを有する、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の三次元積層装置。 - 前記リコータは、前記造形面と平行をなす第１方向に移動自在に支持されるリコータ本体と、前記リコータ本体に対して前記造形面と平行をなすと共に前記第１方向に直交する第２方向に並んで着脱自在に装着される複数のブレードとを有する、
請求項５に記載の三次元積層装置。 - 前記リコータは、前記造形面に対する前記リコータ本体の平行度を調整する高さ調整装置を有する、
請求項６に記載の三次元積層装置。 - 前記リコータ本体と共に前記第１方向に沿って移動自在に支持されて前記造形面の角度を計測する計測装置を有する、
請求項６に記載の三次元積層装置。 - 装置本体に対して前記第１方向および前記第２方向に沿って移動自在に支持されて前記造形面を加工することで前記造形面の角度を補正する加工装置を有する、
請求項６に記載の三次元積層装置。 - 前記造形面上の前記粉末材料の平滑面に沿って不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置を有する、
請求項１に記載の三次元積層装置。 - 加工対象物に粉末受け部材が接触した状態で前記加工対象物の造形面に粉末材料を供給する工程と、
前記造形面上の前記粉末材料に光ビームを照射して溶融固化させることで第１成形層を形成する工程と、
前記粉末受け部材に接触する粉末保持部材を前記造形面に交差する造形方向に沿って所定距離だけ移動する工程と、
前記第１成形層上に粉末材料を供給する工程と、
前記第１成形層上の前記粉末材料に光ビームを照射して溶融固化させることで第２成形層を形成する工程と、
を有する三次元積層方法。 - 前記加工対象物の造形面に供給された前記粉末材料の上面に沿って不活性ガスを噴出することで不活性ガス雰囲気を形成した後、前記粉末材料に光ビームを照射する、
請求項１１に記載の三次元積層方法。
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ID=88729905
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|---|---|---|---|
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