JP2006124732A

JP2006124732A - 三次元形状造形物の製造装置

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Publication number: JP2006124732A
Application number: JP2004311491A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Azuma; 喜万東; Hirohiko Tougeyama; 裕彦峠山; Satoshi Abe; 諭阿部; Masataka Takenami; 正孝武南
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2024-10-26
Also published as: JP4131260B2

Abstract

【課題】雰囲気ガスの入れ替えが造形に要する時間に影響を与えることがないものとする。
【解決手段】チャンバー５内のステージ上に形成された粉末層１０の所定箇所に光ビームＬを照射して照射位置の粉末を焼結する光ビーム照射手段３と、ステージ上及び既に焼結された焼結層上に粉末層を供給する粉末供給手段２と、チャンバー内に配設されて焼結層の形成の繰り返しの合間に焼結層の積層物である造形物の外面の除去加工を行う加工手段４と、チャンバー内を不活性雰囲気とする給排手段６とを備える。給排手段６は加工手段４による除去加工中にチャンバー内の雰囲気ガスの入れ換えを行うものである。造形に要する時間中に当初から含まれている加工手段による除去加工中に雰囲気ガスの入れ替えを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は金属粉末からなる粉末層に光ビームを照射して焼結層を形成するとともにこの焼結層を積層することで所望の三次元形状造形物を製造する三次元形状造形物の製造装置に関するものである。

ステージ上に形成した粉末層の所定箇所に光ビーム（指向性エネルギービーム、例えばレーザ）を照射することで該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射することで該当箇所の粉末を焼結させて下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成の繰り返しの合間に焼結層の積層物である造形物の外面の除去加工を行う光造形法が特開２００２−１１５００４号公報（特許文献１）に開示されている。

このものでは所定雰囲気下に保たれるチャンバー内にステージ及び粉末を供給して粉末層を形成する粉末供給手段を配置し、チャンバー外に配した光ビーム照射手段からチャンバーにおける光透過性の窓を通じて粉末層に対する光ビームの照射を行っている。

ところで粉末に高エネルギー光ビームを照射して粉末を焼結（いったん溶融させた後に凝固させる場合を含む）する際、ヒューム（粉末が金属粉末であれば金属蒸気など）が発生する。このヒュームは上昇して直上位置にある上記窓に付着したり焼き付いたりして窓を曇らせて光ビームの透過率を低下させてしまうために、焼結が安定しないとか焼結部分の密度を高くすることができなくて三次元形状造形物の強度が低下してしまうといった問題を招く。また、飛散した粉末によっても光ビームの透過率の低下を招く。

一方、光ビームの照射時にはチャンバー内を窒素等の不活性雰囲気ガスを満たすことで、焼結させた造形物が酸化状態となることがないようにしているのであるが、上記ヒュームは雰囲気ガスを汚染して、光ビームの透過率を低下させてしまう。

チャンバー内の雰囲気ガスを循環させるとともに循環路中に集塵部を具備する循環手段を設けることで、雰囲気ガスの汚染を抑えることができるが、集塵部で捕捉することができる粒子径の点などから、造形途中に雰囲気ガスを入れ替えなくては光ビームによる焼結に悪影響が生じることがある。

しかし、雰囲気ガスの入れ替えは、チャンバー内に圧縮空気を供給してそれまでチャンバー内に充填されていた不活性の雰囲気ガスを追い出し、その後、不活性ガスをチャンバー内に供給するという手順で行うことから、どうしても時間がかかるものであり、しかも雰囲気ガスの入れ替え中は光ビームの照射による焼結を行うことができないことから、造形途中に雰囲気ガスの入れ替えを行うことは、造形に要する時間を長くしてしまうことになる。
特開２００２−１１５００４号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、その目的とするところは雰囲気ガスの入れ替えが造形に要する時間に影響を与えることがない三次元形状造形物の製造装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係る三次元形状造形物の製造装置は、チャンバー内のステージ上に形成された粉末層の所定箇所に光ビームを照射して照射位置の粉末を焼結する光ビーム照射手段と、ステージ上及び既に焼結された焼結層上に粉末層を供給する粉末供給手段と、チャンバー内に配設されて焼結層の形成の繰り返しの合間に焼結層の積層物である造形物の外面の除去加工を行う加工手段と、チャンバー内を不活性雰囲気とする給排手段とを備えている三次元形状造形物の製造装置であって、上記給排手段は加工手段による除去加工中にチャンバー内の雰囲気ガスの入れ換えを行うものであることに特徴を有している。造形に要する時間中に当初から含まれている加工手段による除去加工中に雰囲気ガスの入れ替えを行うようにしたものである。

チャンバー内の雰囲気ガスを循環させるとともに循環路中に集塵部を具備する循環手段を備えたものとしてもよく、この場合の循環手段は、チャンバー内からの吸気を行う吸気部とチャンバー内に向けて吐出する吐出部とが前記ステージの上方空間を挟んで対向配置されているもの、あるいはチャンバー内に配されて光ビーム通過空間を囲む傘内にチャンバー内からの吸気を行う吸気部を位置させているものを好適に用いることができる。

また上記循環手段における集塵部は、密閉されるとともに内部空間がチャンバー内と連通する容器内に配設されているものが好ましい。

本発明は、焼結層の形成の繰り返しの合間に行われる加工手段での除去加工中に、給排手段によるチャンバー内の雰囲気ガスの入れ換えがなされるものであり、造形に要する時間中に当初から含まれている除去加工中に雰囲気ガスの入れ替えがなされることから、雰囲気ガスの入れ替えが造形に要する時間を長くしてしまうことがないものである。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、図示例の三次元形状造形物の製造装置は、粉末層形成手段２と光ビーム照射手段３と加工手段４、そして粉末層形成手段２と除去加工用の加工手段４とを内部に納めているチャンバー５、さらにチャンバー５内の雰囲気を所定状態に保つための給排手段６で構成されているもので、上記粉末層形成手段２は、外周が囲まれた造形タンク２１内をシリンダー駆動で上下に昇降するステージ２２上に粉末タンク２３内の金属粉末をスキージング用ブレード２４で供給するとともに均すことで所定厚みΔｔ１の粉末層１０をステージ２２上に形成するものとして構成されている。

光ビーム照射手段３は、レーザー発振器３０から出力されたレーザーをガルバノミラー３１等のスキャン光学系を介して上記粉末層１０に照射するものであり、チャンバー５外に配設されていて、該光ビーム照射手段３から出射された光ビームＬはチャンバー５に設けられた光透過性の窓５０を通じて粉末層に照射される。

加工手段４は図示例では上記粉末層形成手段２のベース部にＸＹ駆動機構を介して設けたミーリングヘッドで構成されている。

給排手段６は、窒素源６０と窒素供給弁６１、圧縮空気源６２，空気供給弁６３、排気弁６４，排気ファン６５等で構成されたもので、光ビームＬによる焼結中はチャンバー５内を窒素が充填された不活性雰囲気に保つ。図中６６は酸素濃度計である。

このものにおける三次元形状造形物の製造は、ステージ２２上に粉末タンク２３から溢れさせた金属粉末をブレード２４で供給すると同時にブレード２４で均すことで第１層目の粉末層１０を形成し、この粉末層１０の硬化させたい箇所に光ビーム（レーザー）Ｌを照射して金属粉末を焼結させて焼結層１１を形成する。

この後、ステージ２２を少し下げて再度金属粉末を供給してブレード２４で均すことで第１層目の粉末層１０（と焼結層１１）の上に第２層目の粉末層１０を形成し、この第２層目の粉末層１０の硬化させたい箇所に光ビームＬを照射して粉末を焼結させて下層の焼結層１１と一体化した焼結層１１を形成する。

ステージ２２を下降させて新たな粉末層１０を形成し、光ビームＬを照射して所要箇所を焼結層１１とする工程を繰り返すことで、焼結層の積層物として目的とする三次元形状造形物を製造するものである。光ビームＬの照射経路（ハッチング経路）は、製造しようとする造形物についての三次元ＣＡＤデータから予め作成しておく。すなわち、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（Δｔ１を０．０５ｍｍとした場合、０．０５ｍｍピッチ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。

そして、上記粉末層１０を形成しては光ビームを照射して焼結層１１を形成することを繰り返していくのであるが、焼結層１１の全厚みがたとえば加工手段４であるミーリングヘッドの工具長さなどから求めた所要の値になれば、いったん加工手段４を作動させてそれまでに造形した造形物の表面を切削する。たとえば、ミーリングヘッド４１の工具（ボールエンドミル）が直径１ｍｍ、有効刃長３ｍｍで深さ３ｍｍの切削加工が可能であり、粉末層１０の厚みΔｔ１が０．０５ｍｍであるならば、６０層の焼結層１１を形成した時点で、加工手段４を作動させる。

この加工手段４による切削除去加工により、造形物表面に付着した粉末による低密度表面層を除去して造形物表面をきれいな面に保つ。加工手段４による切削加工経路は、光ビームの照射経路と同様に予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。また、この照射経路を元に、加工手段４による切削加工に要する時間Ｔを演算しておく。

ここにおいて、金属粉末に光ビームを照射して焼結させる時、前述のようにヒュームＨが発生し、チャンバー５内の不活性雰囲気ガスを汚染する。このために定期的に、あるいは不活性雰囲気ガスの汚染度が所定値まで高くなった時に、雰囲気ガスの入れ替えを行うのであるが、この雰囲気ガスの入れ替えは、粉末層形成手段２と光ビーム照射手段３と加工手段４並びに給排手段６の制御を司る制御装置７の制御の元に、加工手段４による加工工程中に給排手段６を作動させることで行う。

すなわち、雰囲気ガスの入れ替えは、排気弁６４を開いて排気ファン６５を作動させることで不活性雰囲気ガスを排出すると同時に空気供給弁６３を開いて圧縮空気をチャンバー５内に導入することで、汚染されている雰囲気ガスを押し出し、その後、窒素供給弁６１を開いて窒素源６０からの窒素をチャンバー５内に導入することで行うのであるが、チャンバー５内に窒素を導入して充満させるのに要する時間ｔは既知であることから、制御装置７は焼結工程から加工工程に入った時点で上記空気供給による押し出し排気動作を開始する。この排気は、図２に示すように、切削加工に要する時間Ｔから上記窒素導入に要する時間ｔを差し引いた時間Ｔ−ｔ時間だけ行い、次いで上記の窒素導入動作を行う。従って、加工手段４による切削加工が終了した時点では、雰囲気ガス（窒素）の入れ替えが完了しているものであり、このために直ちに次の焼結工程に入ることができる。

図１中の９０は照射ターゲット９１を撮像する撮像する撮像カメラ、９２は照射ターゲット９１を照明する照明である。加工手段４に付設されたこれら設備は、本来は加工手段４と光ビーム照射手段３との位置合わせや光ビーム照射位置の補正を行うために設けたものであるが、雰囲気ガスの汚染度が高くなれば、撮像カメラ９０で撮像した照射ターゲット９１の明るさ等が変化することから、この点を元に雰囲気ガスの汚染度を検出し、汚染度が高くなれば、雰囲気ガスの入れ替えを行うようにしてもよい。

図３はチャンバー５内の雰囲気ガスを循環させる循環手段８を別途設けたものを示しており、この循環手段８は循環用のファン８０と集塵装置８１とを備えている。ヒュームＨを含んでいる雰囲気ガスは上記集塵装置８１を通ることでヒュームＨが除去される。

ここで、循環手段８におけるチャンバー５内の雰囲気ガスの吸気を行う吸気部８５と、チャンバー５内に向けて吐出する吐出部８６とは、前記ステージ２２の上方空間を挟む位置に対向配置されており、吐出部８６から吐出された雰囲気ガスはステージ２２の上方空間を横切って吸気部８５に向かうエアカーテンを構成することになる。このエアカーテンは、ヒュームＨが光ビームＬを透過させる窓５０を汚すことを効果的に防止する。なお、上記吐出部８６と吸気部８５は図４に示すように窓５０寄りの位置に配置してもよい。

循環手段８を設ける場合、図５に示すように、チャンバー５内に光ビームＬの通過空間を囲む傘８８を設けて、この傘８８の内部に吸気部８５を配置し、吐出部８６を傘８８の外部に配置するようにしてもよい。この時、傘８８の上端は窓５０の枠に近接乃至密着させ、傘８８の下端は傘８８の外の雰囲気ガスが傘８８内に入りこむことができるように隙間を明けておく。ヒュームＨは傘８８内に閉じ込められてチャンバー５内の全体に広がることはなく、また吸気部８５から効果的に吸い込まれて集塵されることになる。なお、この傘８８は加工手段４で加工を行う際は上記位置から退避位置へ移動させることができるようになっている。

ところで、循環手段８における集塵装置８１は、吸い込んだ気体の中から塵埃を捕集し、吸い込んだ気体は放出するように設計されていることから、集塵装置８１そのものは気密性をさほど有しておらず、このために雰囲気ガスを循環させる循環手段８中に配置した場合、雰囲気ガスが漏れてしまうことになると同時に、循環させている雰囲気ガス中に酸素が入ってしまう虞を有している。

図６はこの点に対処したものを示しており、循環用のファン８０と集塵装置８１とを密閉した容器８５内に配置するとともに、容器８５の内部空間はチャンバー５内の空間とパイプ８６により連通させている。集塵装置８１から雰囲気ガスが漏れてもチャンバー５内とつながった容器８５内に漏れるだけであり、外部に雰囲気ガスが放出されないことから、雰囲気ガスの使用量の低減することができると同時に、チャンバー５内の不活性雰囲気を保つことができる。

図７に示すように、上記容器８５内に雰囲気ガス（窒素）を供給するようにしてもよい。循環手段８におけるファン８０による負圧が原因で容器８５内の気体を吸い込んでも、容器８５内の気体は雰囲気ガスであることから、チャンバー５内の酸素濃度が上がることがないものである。また、容器８５内に雰囲気ガスを加圧気味に加えるならば、容器８５として気密性がさほど高くないものを用いることができる。

なお、集塵装置８１やファン８０を含む循環手段８の密閉度が高ければ、上記容器８５が不要であることはもちろんである。

本発明の実施の形態の一例を示すブロック図である。同上の動作の説明図である。循環手段を設けた例を示すもので、(a)は概略水平断面図、(b)は部分縦断面図である。他例の部分縦断面図である。別の例を示すもので、(a)は概略断面図、(b)は傘の斜視図である。循環手段の更に他例を示す断面図である。循環手段の他の例を示す断面図である。

符号の説明

２粉末供給手段
３光ビーム照射手段
４加工手段
５チャンバー
６給排手段

Claims

チャンバー内のステージ上に形成された粉末層の所定箇所に光ビームを照射して照射位置の粉末を焼結する光ビーム照射手段と、ステージ上及び既に焼結された焼結層上に粉末層を供給する粉末供給手段と、チャンバー内に配設されて焼結層の形成の繰り返しの合間に焼結層の積層物である造形物の外面の除去加工を行う加工手段と、チャンバー内を不活性雰囲気とする給排手段とを備えている三次元形状造形物の製造装置であって、上記給排手段は加工手段による除去加工中にチャンバー内の雰囲気ガスの入れ換えを行うものであることを特徴とする三次元形状造形物の製造装置。
チャンバー内の雰囲気ガスを循環させるとともに循環路中に集塵部を具備する循環手段を備えており、該循環手段はチャンバー内からの吸気を行う吸気部とチャンバー内に向けて吐出する吐出部とが前記ステージの上方空間を挟んで対向配置されていることを特徴とする請求項１記載の三次元形状造形物の製造装置。
チャンバー内の雰囲気ガスを循環させるとともに循環路中に集塵部を具備する循環手段と、チャンバー内の光ビーム通過空間を囲む傘とを備えるとともに、上記循環手段はチャンバー内からの吸気を行う吸気部を傘内に位置させていることを特徴とする請求項１記載の三次元形状造形物の製造装置。
循環手段における集塵部は密閉されるとともに内部空間がチャンバー内と連通する容器内に配設されていることを特徴とする請求項２または３記載の三次元形状造形物の製造装置。