JP5355213B2 - 三次元形状造形物を造形する積層造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、無機質又は有機質の粉末材料に光ビームの照射を行なって三次元形状造形物を造形する積層造形装置に関する。

従来から、材料粉末で形成した粉末層に光ビームを照射して焼結又は溶融固化させて固化層を形成し、この固化層の上に新たな粉末層を形成して光ビームを照射することで固化層を形成するということを繰り返して三次元形状造形物を製造する積層造形装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

このような積層造形装置について、図９を参照して説明する。積層造形装置１０１は、造形物１１を支持し上昇下降するベース１２２と、ベース１２２の上にセッティングされて粉末層３２が敷かれる造形プレート１２３と、ベース１２２の周囲を囲む材料保持枠１３４と、粉末層３２に光ビームＬを照射して固化層３３を形成する光ビーム照射部１０４とを備えている。材料保持枠１３４は、上面に光ビームＬを透過させるウィンドウ１３６ａを有する密閉構造の覆い枠１３６に覆われている。光ビーム照射部１０４は、覆い枠１３６の上に設けられ、光ビームＬを粉末層３２の上に照射する。このとき、光ビーム照射部１０４は、ガルバノミラー等によって光ビームＬを任意の場所に走査する。この光ビームＬの照射は、大気中で行なわれると固化層３３が酸化等し、造形物１１の強度が弱くなるので、覆い枠１３６で形成されたチャンバＣ内は雰囲気ガスで満たされている。

この積層造形装置１０１による造形物１１の造形は、最初に、造形プレート１２３の上に粉末層形成部（図示なし）によって、粉末層３２が形成され、この粉末層３２に光ビーム照射部１０４から光ビームＬが走査されて固化層３３が形成される。固化層３３が形成されると、ベース１２２によって造形プレート１２３が新たに形成する粉末層３２の厚さ分下降され、固化層３３の上に次の粉末層３２が形成される。続いて、光ビームＬが粉末層３２に走査されて固化層３３が形成される。このように、粉末層３２と固化層３３の形成が繰り返されて造形物１１が造形される。造形中は光ビームＬの照射によってヒュームが発生し、ヒュームによって光ビームＬの出力が低下するので、ヒュームを除去するために、チャンバＣ内に雰囲気ガスが一定量供給されている。

しかしながら、このような積層造形装置１０１においては、大きな造形物１１を造形しようとすると覆い枠１３６を大きくしなければならず、積層造形装置１０１が大型になり高コストになる。また、覆い枠１３６が大きくなると、雰囲気ガスも多く必要になるので、高コストになる。

特開２００２−１１５００４号公報

本発明は、上記問題を解消するものであり、小さい覆い枠であって大型の造形物を造形することができ、また、雰囲気ガスの使用量が少ない積層造形装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、材料粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層形成手段により形成された粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融固化させ固化層を形成する光ビーム照射手段と、を備え、前記粉末層と固化層との形成を繰り返すことにより複数の固化層が一体化した三次元形状造形物を造形する積層造形装置において、前記粉末層が形成されるベースと、前記ベースを囲み、前記粉末層を保持する材料保持枠と、上面に光ビームを透過させるウィンドウを有し、且つ下面が開放されて前記材料保持枠の水平面上を移動し前記粉末層を覆う覆い枠と、前記覆い枠内に雰囲気ガスを供給する雰囲気ガス供給手段と、を備え、前記覆い枠の投影面積が、前記造形物が造形される前記材料保持枠の開口面積よりも小さいものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の積層造形装置において、前記粉末層形成手段及び覆い枠が一体であり、該粉末層形成手段及び覆い枠が移動することにより粉末層が形成されるものである。

請求項３の発明は、請求項２に記載の積層造形装置において、前記粉末層形成手段が前記覆い枠の周囲に設けられているものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の積層造形装置において、前記粉末層形成手段及び覆い枠を複数有するものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の積層造形装置において、前記造形物の表層及び不要部分を除去する除去手段を備えたものである。

請求項６の発明は、請求項５に記載の積層造形装置において、前記粉末層及び固化層の形成と前記除去とを同時に行なうものである。

請求項７の発明は、請求項５又は請求項６に記載の積層造形装置において、前記粉末層形成手段及び覆い枠と、前記除去手段とを複数有するものである。

請求項１の発明によれば、覆い枠が粉末層を覆って移動するので、覆い枠が小さくても加工エリアの面積を広くして大型の造形物を造形することができ、また、覆い枠の投影面積が小さいので、雰囲気ガスの使用量を少なくすることができる。

請求項２の発明によれば、粉末層形成手段と覆い枠が一体であるので、粉末層の形成と、光ビームの照射を同時に行なうことができ、造形の効率が良くなる。

請求項３の発明によれば、覆い枠の周囲に粉末層形成手段が設けられているので、覆い枠がいずれの方向に移動するときにも粉末層を形成しながら光ビームの照射を行なうことができ、造形の効率が良好になる。

請求項４の発明によれば、粉末層形成手段と覆い枠を複数有しているので、複数個所で同時に造形することができ、造形の効率が良好になる。

請求項５の発明によれば、造形物の表層が除去手段によって除去されるので、造形物の寸法精度が良好になる。

請求項６の発明によれば、固化層の形成と表層の除去とが同時に行なわれるので、造形の効率が良好になる。

請求項７の発明によれば、粉末層形成手段及び覆い枠と、除去手段とを複数有するので、固化層の形成と表面の除去を複数個所で同時に行なえ、造形の効率が良好になる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る積層造形装置の斜視図、（ｂ）は同装置の部分断面図。 （ａ）乃至（ｃ）は同装置における造形物の製造方法を時系列に示す図。 （ａ）は同上実施形態の第１の変形例に係る積層造形装置の平面図、（ｂ）は同装置の部分断面図。 （ａ）は同上実施形態の第２の変形例に係る積層造形装置の覆い枠の平面図、（ｂ）は同装置の部分断面図、（ｃ）は同装置における覆い枠の他例の平面図。 （ａ）は同上実施形態の第３の変形例に係る積層造形装置の平面図、（ｂ）は同装置の部分断面図。 （ａ）は同上実施形態の第４の変形例に係る積層造形装置の平面図、（ｂ）は同装置の部分断面図。 （ａ）は同装置における仕上げ加工前の固化層の断面図、（ｂ）は同仕上げ加工後の固化層の断面図。 同上実施形態の他の変形例に係る積層造形装置の部分断面図。 従来の積層造形装置の構成図。

本発明の一実施形態に係る三次元形状造形物を造形する積層造形装置（以下、本装置と記す）について図１（ａ）（ｂ）を参照して説明する。図１（ａ）（ｂ）に示すように、本装置１は、三次元形状造形物を造形する造形部２と、無機質又は有機質の材料粉末３１を供給して粉末層３２を形成する粉末層形成部（粉末層形成手段）３と、粉末層３２に光ビームＬを照射して固化層３３を形成する光ビーム照射部（光ビーム照射手段）４と、各部の動作を制御する制御部５とを備えている。粉末層３２は、光ビームＬが照射されることにより焼結又は溶融固化され固化層３３となり、固化層３３が積層されて造形物１１が造形される。また、本装置１は、粉末層形成部３に雰囲気ガスを供給するガスタンク（雰囲気ガス供給手段）６１と、雰囲気ガスを回収するガス回収装置６２とを備えている。

造形部２は、マシニングテーブル２１と、マシニングテーブル２１の上に設けられているベース２２と、ベース２２の上にセッティングされて粉末層３２が敷かれる造形プレート２３とを有している。材料粉末３１は、例えば平均粒径２０μｍの球形の鉄粉である。造形プレート２３は、材料粉末３１と類似の材質であるか、又は溶融固化した材料粉末３１と密着する材質であればよい。

粉末層形成部３は、ベース２２の周囲を囲む材料保持枠３４と、材料保持枠３４を上昇下降させる昇降駆動部（図示なし）と、材料粉末３１を保有する粉末供給部３５と、材料保持枠３４上に配されて粉末層３２を覆いチャンバＣを形成する覆い枠３６とを有している。

材料保持枠３４は上面が平面であり、この平面上を粉末供給部３５及び覆い枠３６がスライド移動する。また、材料保持枠３４は、ベース２２に供給された粉末層３２を周囲から保持しており、昇降駆動部によってＺ方向に上昇下降する。粉末供給部３５は下方に開口した供給口３５ａを有している。粉末供給部３５は搬送部（図示なし）によってベース２２の上をＹ方向にスライド移動し、供給口３５ａのスライド方向両側にブレード３５ｂが設けられている。粉末供給部３５は、スライド移動するときに供給口３５ａから材料粉末３１をベース２２に供給し、ブレード３５ｂによって材料粉末３１を均して粉末層３２を形成する。この粉末層３２が形成されるエリア内で、本装置１でもって造形物１１の造形を行なうことができる最大のエリアを加工エリアＥと称する。

覆い枠３６は、上面に光ビームＬを透過させるウィンドウ３６ａを有しており、下面が開放されている。ウィンドウ３６ａの材質は、例えば、光ビームＬが炭酸ガスレーザの場合はジンクセレン等であり、光ビームＬがＹＡＧレーザの場合は石英ガラス等である。光ビームＬが十分に透過する材質であればよい。覆い枠３６の投影面積は、造形物１１が造形される加工エリアＥの面積よりも小さい。覆い枠３６は、Ｘ搬送部３６ｂ及びＹ搬送部３６ｃによってＸ方向及びＹ方向に搬送され、光ビームＬの照射位置に移動される。

チャンバＣ内は雰囲気ガスによって満たされており、材料粉末３１の酸化等が防がれる。雰囲気ガスは、例えば窒素ガスやアルゴンガスである。また、雰囲気ガスに代えて還元性ガスを用いてもよい。雰囲気ガスは、覆い枠３６に設けられた給気口（図示なし）からチャンバＣ内に供給され、チャンバＣ内の雰囲気ガスは覆い枠３６に設けられた排気口（図示なし）から排気される。給気口は、供給配管３６ｄによってガスタンク６１に接続されており、排気口は排気配管３６ｅによってガス回収装置６２に接続されている。給気口と排気口には、雰囲気ガスの逆流を防止する逆流防止弁を設けてもよい。また、給気口と排気口を１つの給排気口とし、切り替え弁によって、給気と排気を時間分割して行なってもよい。また、ガス回収装置６２は、チャンバＣ内のガスを吸引するようにしてもよい。

光ビーム照射部４は、光ビームＬを発振する光ビーム発振器４１と、光ビームＬを伝送する光ファイバ４２と、光ビームＬを粉末層３２の上に走査する光学機器４３とを有する。光学機器４３は、ビーム折り返しミラー（図示なし）、集光レンズ（図示なし）、及びガルバノメータミラー（図示なし）等を有している。光ビーム発振器４１は、例えば、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザやファイバーレーザ等の発振器である。光学機器４３は覆い枠３６に取り付けられている。

図２は、本装置１による三次元形状造形物の製造動作を時系列に示す。図２（ａ）に示すように、制御部５は、材料保持枠３４をこれから形成する粉末層３２の厚さ分、矢印Ｚ方向に上昇させた後、粉末供給部３５を矢印Ｙ方向に移動させ、造形プレート２３の上に材料粉末３１を供給し、粉末層３２を形成する。続いて、図２（ｂ）に示すように、覆い枠３６を粉末層３２上において、矢印Ｙ方向及び紙面に垂直な方向であるＸ方向に搬送して任意の箇所に移動させ、光ビームＬを粉末層３２に走査させて材料粉末３１を焼結又は溶融固化させる。この焼結又は溶融固化により、造形プレート２３と一体化した固化層３３が形成される。

光ビームＬの照射経路は、予め三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬ（Stereo Lithography）データを、例えば、０．０５ｍｍの等ピッチでスライスした各断面の輪郭形状データに基づいて定める。この照射経路は、造形物１１の少なくとも最表面が気孔率５％以下の高密度となるようにするのが好ましい。この光ビームＬの照射によってヒュームが発生するので、ヒュームを除去するためにチャンバＣ内には一定量の雰囲気ガスがガスタンク６１から供給され、チャンバＣ内の雰囲気ガス及びヒュームがガス回収装置６２へ排気される。

上述した図２（ａ）に示される粉末層の形成と、図２（ｂ）に示される固化層の形成とが繰り返される。新たな粉末層３２を形成される度に図２（ｃ）に示すように材料保持枠３４が矢印Ｚ方向に上昇され、固化層３３が積層されて造形物１１が造形される。

このように、本実施形態に係る本装置１によれば、覆い枠３６が粉末層３２を覆って移動するので、覆い枠３６が小さくても加工エリアＥの面積を広くして大型の造形物１１を造形することができ、また、覆い枠３６の投影面積が小さいので、チャンバＣ内の容積が小さく雰囲気ガスの使用量を少なくすることができる。

なお、ベース２２に造形プレート２３を載置せずに、粉末層３２をベース２２上に直接形成してもよい。その場合には、ベース２２上に固化層３３を面状に形成すると造形後に造形物１１がベース２２から取り外し難くなるので、固化層３３における第１層目等の下方の層は点状や線状に形成し、ベース２２と造形物１１との接触面積を小さくするとよい。

次に、本実施形態の第１の変形例について、図３を参照して説明する。本変形例に係る本装置１は、粉末供給部３５と覆い枠３６とが一体になっている。粉末供給部３５が覆い枠３６のＹ方向の片側に取り付けられている。造形を行なうときは、粉末供給部３５と覆い枠３６を任意の箇所に移動させる。続いて、Ｙ方向の粉末供給部３５が取り付けられている方向に移動させ、粉末供給部３５によって粉末層３２を形成しながら、覆い枠３６で覆っている箇所に光ビームＬを照射して固化層３３を形成する。このように、粉末層３２の形成と、光ビームＬの照射を同時に行なうことができるので、造形の効率が良くなる。また、粉末層３２の形成と光ビームＬの照射を同時に行なわず、所定距離だけ粉末層３２を形成して粉末供給部３５と覆い枠３６の移動を停止し、形成した粉末層３２に光ビームＬを照射して固化層３３を形成し、固化層３３を形成すると再び所定距離だけ粉末層３２を形成するというように、粉末層３２の形成と光ビームＬの照射を繰り返して行なうようにしてもよい。粉末層３２の形成と、光ビームＬの照射を連続して行なうことができるので、造形の効率が良くなる。

次に、本実施形態の第２の変形例について、図４を参照して説明する。図４（ａ）（ｂ）に示すように、本変形例に係る本装置１は、粉末供給部３５と覆い枠３６とが一体になっており、覆い枠３６のＸ方向、Ｙ方向のいずれにも粉末供給部３５が設けられている。また、図４（ｃ）に示すように、覆い枠３６を円形状にし、覆い枠３６の周囲に粉末供給部３５を環状に設けてもよい。このように、覆い枠３６の周囲に粉末供給部３５が設けられているので、粉末供給部３５が設けられているいずれの方向に移動するときも粉末層３２を形成しながら光ビームＬの照射を行なうことができ、造形の効率が良好になる。

次に、本実施形態の第３の変形例について、図５を参照して説明する。本変形例に係る本装置１は、粉末供給部３５と覆い枠３６を複数有しており、複数の粉末供給部３５と覆い枠３６は、それぞれ同時に異なる箇所で造形を行なう。複数個所で同時に造形されるので、造形の効率が良好になる。粉末供給部３５と覆い枠３６の数は、図５では、それぞれ２台ずつであるが、３台以上でもよい。また、粉末供給部３５と覆い枠３６は一体でもよいし、それぞれ独立でもよい。

次に、本実施形態の第４の変形例について、図６を参照して説明する。本変形例に係る本装置１は、造形物１１の表層や不要部分を除去する切削除去部（除去手段）７を有している。切削除去部７は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能な主軸台７１を有し、主軸台７１にはスピンドルヘッド（図示なし）を介してエンドミル７２がセットされる。エンドミル７２は、例えば超硬素材の２枚刃ボールエンドミルであり、加工形状や目的に応じて、スクエアエンドミル、ラジアスエンドミル、ドリル等が用いられ、自動交換可能となっている。

エンドミル７２は、固化層３３の積層される層数が所定の層数Ｎになると、造形物１１の周囲に移動され、造形物１１の表層や不要部分を除去する仕上げ加工を行う。この層数Ｎは、造形物１１の表面を切削するエンドミル７２の有効刃長から求められる。例えば、エンドミル７２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３２の厚みが０．０５ｍｍであるならば、層数Ｎは積層した粉末層の厚みが２．５ｍｍとなる５０層になる。そして、造形が終了するまで固化層３３の形成と造形物１１の表層の除去とが繰り返される。

図７（ａ）及び（ｂ）は、この仕上げ加工の前後の固化層３３の断面を示す。図７（ａ）に示すように、仕上げ加工前では、固化層３３の外側の表層は、固化層３３の表面に材料粉末３１が付着した低密度表面層３３ａになっており、その内側が十分に焼結又は溶融固化した高密度層３３ｂになっている。固化層３３は、点線Ｍで示される形状に仕上げ加工されて、図７（ｂ）に示すように高密度層３３ｂまで表層が除去され、造形物１１の表面全体に高密度層３３ｂが露出される。このように、造形物１１の表層が除去される仕上げ加工が行なわれるので、造形物の寸法精度が良好になる。この仕上げ加工は、切削によらずにレーザ等によって行なってもよい。

また、上記のように、同一の加工箇所において固化層３３の形成と表層の除去とを順に行なうのでなく、異なった加工箇所において固化層３３の形成と表層の除去とを同時に行なってもよい。固化層３３の形成と表層の除去とが同時に行なわれるので、造形の効率が良好になる。

また、本装置１は、粉末供給部３５及び覆い枠３６と、切削除去部７とを複数有してもよい。複数有することにより、固化層３３の形成と表層の除去を複数個所で行なえるので、造形の効率が良好になる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、図８に示すように、粉末層３２及び固化層３３の積層を行なうのに、材料保持枠２３４を上昇させずにベース２２２を下降させて行なってもよい。

１ 積層造形装置
２２ ベース
２３ 造形プレート
３ 粉末層形成部（粉末層形成手段）
３１ 材料粉末
３２ 粉末層
３３ 固化層
３４ 材料保持枠
３６ 覆い枠
３６ａ ウィンドウ
４ 光ビーム照射部（光ビーム照射手段）
６１ ガスタンク（雰囲気ガス供給手段）
７ 切削除去部（除去手段）
Ｅ 加工エリア
Ｌ 光ビーム

Claims (7)

1. 材料粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層形成手段により形成された粉末層の所定の箇所に光ビームを照射して該粉末層を焼結又は溶融固化させ固化層を形成する光ビーム照射手段と、を備え、前記粉末層と固化層との形成を繰り返すことにより複数の固化層が一体化した三次元形状造形物を造形する積層造形装置において、
   前記粉末層が形成されるベースと、
   前記ベースを囲み、前記粉末層を保持する材料保持枠と、
   上面に光ビームを透過させるウィンドウを有し、且つ下面が開放されて前記材料保持枠の水平面上を移動し前記粉末層を覆う覆い枠と、
   前記覆い枠内に雰囲気ガスを供給する雰囲気ガス供給手段と、を備え、
   前記覆い枠の投影面積が、前記造形物が造形される前記材料保持枠の開口面積よりも小さいことを特徴とする積層造形装置。
2. 前記粉末層形成手段及び覆い枠が一体であり、該粉末層形成手段及び覆い枠が移動することにより粉末層が形成されることを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記粉末層形成手段が前記覆い枠の周囲に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の積層造形装置。
4. 前記粉末層形成手段及び覆い枠を複数有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の積層造形装置。
5. 前記造形物の表層及び不要部分を除去する除去手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の積層造形装置。
6. 前記粉末層及び固化層の形成と前記除去とを同時に行なうことを特徴とする請求項５に記載の積層造形装置。
7. 前記粉末層形成手段及び覆い枠と、前記除去手段とを複数有することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の積層造形装置。

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