三次元形状造形物の製造装置及び製造方法
【課題】ヒュームや飛散した粉末による影響をなくすことができる上に、製造した造形物をチャンバーから取り出す
【解決手段】ステージ20上に形成された粉末層の所定箇所に光ビームLを照射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とを備える。光ビーム照射手段はその光ビームの照射範囲の直上位置からずれた位置に配されて粉末層に斜め方向から光ビームを照射する。ステージ及び粉末供給手段が内部に配されているチャンバー5における光ビームの照射範囲の直上位置には、焼結形成された三次元形状造形物の取り出し用で且つ開閉自在な蓋で閉じられた開口部52を備える。
【解決手段】ステージ20上に形成された粉末層の所定箇所に光ビームLを照射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とを備える。光ビーム照射手段はその光ビームの照射範囲の直上位置からずれた位置に配されて粉末層に斜め方向から光ビームを照射する。ステージ及び粉末供給手段が内部に配されているチャンバー5における光ビームの照射範囲の直上位置には、焼結形成された三次元形状造形物の取り出し用で且つ開閉自在な蓋で閉じられた開口部52を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は無機質あるいは有機質の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及び製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ステージ上に形成した粉末層に光ビーム(指向性エネルギービーム、例えばレーザ)を照射して焼結層を形成し、この焼結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焼結層を形成するということを繰り返して焼結層を積層することで三次元形状造形物を製造することは、特表平1−502890号公報(特許文献1)などにおいて知られている。
【0003】
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ステージの直上部分に設けられた光透過性の窓(レンズで形成されたものを含む)を通じて粉末層に対する光ビームの照射を行っている。
【0004】
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、飛散して浮遊している粉末や窓に付着した粉末によっても光ビームの透過率の低下を招く。
【0005】
このほか、焼結が完了して得られた三次元形状造形物は、上記チャンバーから取り出さなくてはならないが、特許文献1に示されたものでは取り出し機構について考慮されておらず、人力で取り出しているのが現状である。しかし、製造する造形物がたとえば500mm×500mm×100mmというようなサイズのものであり、これを比重6〜8程度の金属粉末で製造した場合、得られた造形物はその重さが150〜200kgとなり、到底人力で取り出すことはできないことから、クレーンを利用することになる。しかし、チャンバーにおけるステージ上方に光ビーム照射手段が位置している上記のものでは、クレーンによる造形物取り出し時に光ビーム照射手段を移動させなくてはならず、この場合、光軸の位置決め再現性が失われてしまうことから、加工精度が極端に低下してしまったり、造形加工の度に調整作業が必要となってしまう。
【0006】
特表2002−527613号公報(特許文献2)に示されているように、ステージ側を移動させることができるようにしたものでは、光ビーム照射手段とクレーンの干渉とを避けることができるが、この場合には、移動自在なステージに粉末が噛み込んで傾いたりする虞があって、ステージの位置決め再現性を確保することが困難となるとともに、機構上、非常に複雑となってしまう。
【特許文献1】特表平1−502890号公報
【特許文献2】特表2002−527613号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その主たる目的とするところはヒュームや飛散した粉末による影響をなくすことができる上に、製造した造形物をチャンバーから取り出すことを容易に行うことができる三次元形状造形物の製造装置及び製造方法を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
しかして本発明に係る三次元形状造形物の製造装置は、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を備えるとともに、光ビーム照射手段はその光ビームの照射範囲の直上位置からずれた位置に配されて粉末層に斜め方向から光ビームを照射するものであり、ステージ及び粉末供給手段が内部に配されているチャンバーにおける光ビームの照射範囲の直上位置には、焼結形成された三次元形状造形物の取り出し用で且つ開閉自在な蓋で閉じられた開口部を備えていることに特徴を有しており、本発明に係る三次元形状造形物の製造方法は、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して焼結することで形成した焼結層の表面に新たな粉末層を積層し、この新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して焼結することで下層の焼結層と一体となった新たな焼結層を形成することを繰り返して三次元形状造形物を製造するにあたり、光ビームをその照射範囲の直上位置からずれた斜め方向から照射して焼結を行い、焼結完了後、ステージ上の未固化粉末の除去を行い、この後、ステージ及び粉末供給手段が内部に配されているチャンバーにおける光ビームの照射範囲の直上位置に設けられている開閉自在な開口部を開いて該開口部を通じて三次元形状造形物の取り出しを行うことに特徴を有している。
【0009】
光ビームを粉末層に照射して加熱することで発生するヒュームは、上昇して直上位置に向かうことから、この直上位置を避けたところから光ビームの照射を行うことで、光ビームの照射手段(チャンバーで区画されている場合は光ビームを透過させるためにチャンバーに設けた窓)をヒュームが曇らせてしまうことが低減されるようにしたものであり、また、ステージ及び粉末供給手段が内部に配されているチャンバーにおける光ビームの照射範囲の直上位置に開閉自在な蓋で閉じられた開口部を設けて、焼結完了後、上記開口部を開いて該開口部を通じて焼結作成された三次元形状造形物をチャンバー内から取り出すことができるようにしたものである。しかも焼結完了後、ステージ上の未固化粉末の除去を行ってから、開口部を開いて三次元形状造形物をチャンバー内から造形物のクレーンなどによる取り出しを行うことができるために粉末がチャンバー外に飛散してしまうことを防ぐことができる。
【0010】
光ビーム照射手段の光ビーム出射部とこの光ビーム照射手段が出力する光ビームの照射範囲との間に、光透過性で且つ光ビーム照射による焼結部から発生するヒュームの通過を遮るヒューム遮断手段を配置するようにしておけば、より確実に光透過率の低下を防止することができる。
【0011】
また、光ビームの照射範囲の直上位置にヒュームを捕捉する捕捉手段を設けておけば、ヒュームによる光透過率の低下をさらに確実に防止することができる。
【0012】
また、焼結完了後、チャンバー内雰囲気の清浄処理並びに雰囲気ガスと空気との置換処理を行いつつ、チャンバー内の残留ヒューム量の測定及びチャンバー内の酸素濃度の測定を行い、残留ヒューム量及び酸素濃度が夫々所定値を下回った時点で開口部を開いて三次元形状造形物の取り出しを行うことで、外部環境を汚すことを防ぐことができる。
【発明の効果】
【0013】
本発明では、光ビームをその照射範囲の直上位置からずれた斜め方向から照射して焼結を行うものであり、光ビーム照射手段が上記直上位置に無いために、光ビームを粉末層に照射して加熱することで発生して直上位置に向かうヒュームが光ビームの照射手段(チャンバーで区画されている場合は光ビームを透過させるためにチャンバーに設けた窓)を曇らせて光ビームの透過率が低下してしまうことを防ぐことができ、しかもステージ及び粉末供給手段が内部に配されているチャンバーにおける光ビームの照射範囲の直上位置に開閉自在な蓋で閉じられた開口部を設けて、焼結完了後、上記開口部を開いて該開口部を通じて焼結作成された三次元形状造形物をチャンバー内から取り出すことができるために、光ビーム照射手段と焼結作成された三次元形状造形物の取り出し用のクレーン等の機材との干渉が問題となることがない上に、造形物の取り出しそのものも容易なものである。
【0014】
また、焼結完了後、ステージ上の未固化粉末の除去を行ってから、開口部を開いて三次元形状造形物をチャンバー内から取り出すために粉末がチャンバー外に飛散してしまうことを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、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と除去手段4、そして粉末層形成手段2と除去手段4とを内部に納めているチャンバー5で構成されているもので、上記粉末層形成手段2は、外周が囲まれた空間内をシリンダー駆動で上下に昇降するステージ20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21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20上に形成するものとして構成されている。
【0016】
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。なお、窓50はレーザ光を通過させる材質のものを用いている。レーザー発振器30が炭酸ガスレーザーである場合、ZnSe製の平板等を用いることができる。レンズ(たとえばFθレンズ)として形成されたものであってもよい。
【0017】
除去手段4は上記粉末層形成手段2のベース部にXY駆動機構40を介してミーリングヘッド41を設けたものとして構成されている。なお、本発明はこの除去手段4を備えていない三次元形状造形物の製造装置においても適用することができる。
【0018】
このものにおける三次元形状造形物の製造は、図2に示すように、ステージ20上面の造形用ベース22表面に粉末タンク23から溢れさせた粉末をブレード21で供給すると同時にブレード21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を照射して粉末を焼結させてベース22と一体化した焼結層11を形成する。この後、ステージ20を少し下げて再度粉末を供給してブレード21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(レーザー)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。粉末にはたとえば平均粒径3μmの鉄粉を用いることができるが、これに限るものではない。
【0019】
ステージ20を下降させて新たな粉末層10を形成し、光ビーム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り、光ビームとしては炭酸ガスレーザーを好適に用いることができ、粉末層10の厚みΔt1としては、得られた三次元形状造形物を成形用金型などに利用する場合、0.05mm程度とするのが好ましい。光ビームの照射経路(ハッチング経路)は、図4に示すように、予め三次元CADデータから作成しておくことができる。たとえば、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。
【0020】
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除去手段4におけるミーリングヘッド41の工具長さなどから求めた所要の値になれば、いったん除去手段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ことで、造形表面に付着した粉末による低密度表面層を除去すると同時に、その内側の密度が高い部分まで削り込むことで、造形物表面に密度が高い部分を全面的に露出させることができる。除去手段4の工具が直径1mm、有効刃長(首下長さ)3mmで深さ3mmの切削加工が可能であり、粉末層10の厚みが0.05mmであるならば、焼結層11の形成時に過剰焼結部が0.1mm〜0.5mmほど垂れ下がって生じることから、たとえば40層の焼結層11を積層する毎に除去手段4を作動させ、前回の切削除去で一度切削したところも1mmほどオーバーラップさせて切削することが好ましい。
【0021】
除去手段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データから作成すればよい。この場合、等高線加工を適用して加工経路を決定するが、Z方向ピッチは焼結時の積層ピッチにこだわる必要はなく、緩い傾斜の場合はZ方向ピッチをより細かくして補間することで、滑らかな表面を得られるようにしておく。
【0022】
ここにおいて、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6が発生する。このヒューム6は立ち上るようにして光ビームの照射範囲Aの直上位置に達することから、ここではチャンバー5における窓50を上記直上位置から横にずらした位置に配置して、粉末層10に対する光ビームの照射が斜め方向から行われるようにしている。つまり、窓50の位置を上記直上位置から外すことによってヒューム6が窓50の内面に付着したり焼き付いたりする虞を低減しているものである。なお、窓50と上記照射範囲Aとは重なることがないようにしておくのが好ましいが、一部重なったとしても、窓50における重なったところを光ビームLが通過しないのであれば、問題となることはない。
【0023】
ところで光ビームが粉末層10に常に斜め上方から照射されるということは、粉末層10に当たる光ビームスポットが円形とならずに楕円形となってしまうものであり、しかも窓50からの距離によって形状も変わってしまう。このためにここでは上記光ビーム照射手段3におけるガルバノミラー31等で構成されたスキャン光学系の前段に、ビーム形状補正手段35を配して、照射面である粉末層10には略円形のスポットビームが照射されるようにしている。
【0024】
図5はこのビーム形状補正手段35の一例を示しており、一対のシリンドリカルレンズ36,37、これらレンズ36,37を光ビームの軸線回りに回転させる回転駆動機構38とで構成されている。なお、一対のシリンドリカルレンズ36,37を光ビームの軸線方向に並べて配置する場合、いずれか一方もしくは両方のレンズ36、37を回転させることができるようにしておくと同時に、光ビームの光軸方向に個別に移動させて互いの間隔を変更できるようにしている。
【0025】
シリンドリカルレンズ36,37であるレンズ系に光ビームを通過させる時、図5に示すように、両レンズ36,37の円弧凸面gの軸方向が直交している状態では、図6(a)に示すように、通常の断面円形状の光ビームLが得られる。そして、レンズ36,37の間隔を調整することによって、ビーム径を拡大縮小させることができる。また、レンズ36とレンズ37の円弧凸面gの軸方向が互いに平行でいずれも垂直方向を向いていれば、図6(b)に示すように長軸が垂直方向を向いた断面楕円形状の光ビームLを得ることができ、レンズ36,37の円弧凸面gの軸方向が平行で、水平あるいは斜めを向いていれば、図6(c) (d)に示すように、長軸がそれぞれの方向を向いた断面楕円形状の光ビームLを得ることができる。さらに、レンズ36,37の円弧凸面gの軸方向を平行状態と直交状態の間で一定の角度で交差する状態にすれば、断面楕円形状の長軸と短軸の比率を任意に調整することができる。
【0026】
そして、粉末層10の表面である照射面に至った時に略円形のスポットビームとなるような楕円形の断面の光ビームLが上記ビーム形状補正手段35から出射されるようにしておくことで、斜め方向から光ビームLを照射するにもかかわらず、照射面にはほぼ円形のスポットビームを当てることができる。特に光ビームLの照射位置によって変わる照射角度に応じて光ビームの断面形状を補正していくことで、照射面には常に円形のスポットビームを当てることができる。
【0027】
なお、ここでは光ビーム形状補正手段35として2つのシリンドリカルレンズ36,37を用いたものを示したが、円形のスポットビームを長軸が特定方向に向いた楕円形のスポットビームに変更するだけのレンズで構成されたものであってもよい。
【0028】
図7に他例を示す。これはチャンバー5における光ビームLを透過させる窓50を光ビームLの照射範囲の直上位置からずらしただけではヒューム6が窓50に付着することを完全に防ぐことができないことに鑑み、光透過性で且つヒューム6の通過を遮るヒューム遮断手段でチャンバー5内を二分し、その一方にステージ20を配置し、他方に光ビームLの最終出射部となる窓50を配置したものである。
【0029】
ここにおけるヒューム遮断手段としては、図7(a)に示すような透明板60であってもよいが、図7(b) に示すように、エアカーテン(ガスカーテン)61を好適に用いることができ、特にチャンバー5内を非酸化雰囲気とするためにチャンバー5内に供給する窒素ガスのような雰囲気ガスによるガスカーテン61を構成すると、雰囲気を保ちつつヒュームが窓50側に達してしまわないようにすることを容易に実現することができる。
【0030】
図8に別の例を示す。これは光ビームLの照射範囲の直上位置にヒューム捕捉手段7を配置したものである。図示例におけるヒューム捕捉手段7は、エアポンプ70とフィルター71とで構成され、上記直上位置に開口する吸い込み口からチャンバー5内の雰囲気ガスを吸引してフィルター71に通すことでヒューム6や飛散した粉末を捕捉する。なお、吸引した雰囲気ガスはチャンバー5内に環流させているが、この時、上記エアカーテン61を構成するようにしておくと、ヒューム6による光透過率の低下をきわめて確実に且つ合理的に防止することができる。
【0031】
フィルター71としてはヒューム6や粉末の捕捉に有効であればどのようなものであってもよく、ラビリンス型、サイクロン型のものを用いてもよい。粉末が磁性体材料である場合は磁石を用いてもよい。
【0032】
図9はチャンバー5における光ビームLの照射範囲の直上の天井部に蓋51によって開閉される開口部52を設けたものを示している。この開口部52は製造した造形物のクレーン8による取り出しのために設けたものであるが、チャンバー5内は上記焼結時、不活性ガスを充填しておくことから、パッキン等を用いて蓋51を閉めた時にチャンバー5が密閉されるようにしておく。
【0033】
蓋51の開閉構造は図9に示すヒンジによる回転式のもののほか、図10に示すように、フォールディングタイプの蓋51を用いたり、スライド式の蓋51を用いたりしてもよく、蓋51の開閉構造は図示例に限定されるものではない。
【0034】
また、図11に示すように、ヒューム捕捉手段7を併用する場合は、ヒューム捕捉手段7もスライド移動などで上記直上位置から退去させることができるようにしておいたり、蓋51にヒューム捕捉手段7を設けて、開口部52を通じた造形物の取り出しを妨げることがないようにしておく。
【0035】
焼結が完了した時点では、ステージ20上には造形物のほかに、固化されなかった粉末が残っていることから、図12に示すように、吸引ノズル55を用いて未固化の粉末を吸引してストッカー56に溜めたり、あるいは図13に示すように、ステージ20を上昇させた状態でステージ20を回転させることで粉末をステージ20上から吹き飛ばすことで、ステージ20上から粉末の除去が完了した時点で蓋51が開かれるようにしておくことが好ましい。図13中の91はステージ20の回転駆動用のモータ、92はギアである。
【0036】
また、チャンバー5内には前述のように不活性ガスが充填されたりヒュームが残存していたりすることから、図14に示す真空ポンプ81によるチャンバー5内雰囲気ガスの吸引とコンプレッサ82によるチャンバー5内への空気供給とによるチャンバー5内の雰囲気の清浄処理並びに雰囲気ガスと空気との置換処理を行いつつ、パーティクルカウンター85によるチャンバー内の残留ヒューム量や塵の測定と、酸素濃度センサー86によるチャンバー5内の酸素濃度の測定とを行い、残留ヒューム量及び酸素濃度が夫々所定値を下回った時点で蓋51を開いて開口部52からの三次元形状造形物の取り出しを行うようにしておくことが好ましい。図中83は不活性ガス(窒素ガス)をチャンバー5内に送り込むためのポンプ、Cは該製造装置の動作を制御する制御装置であり、上記パーティクルカウンター85や酸素濃度センサー86が接続された該制御装置Cは、前記粉末層形成手段2と光ビーム照射手段3と除去手段4のほか、上記ポンプ81,83及びコンプレッサ82とチャンバー5との間に配されたバルブ86の開閉や、蓋51の開閉も制御する。
【0037】
ところで、クレーン8による造形物の取り出しを容易とするために、図15(a)に示すように吊りボルト用ねじ穴88を造形物に焼結時に形成しておいたり、図15(b)に示すようにステージ20と三次元形状造形物との間に介在させたプレート29に吊りボルト用ねじ穴88を設けておくとよい。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本発明の実施の形態の一例の破断斜視図である。
【図2】同上の動作説明図である。
【図3】同上の概略断面図である。
【図4】同上の説明図である。
【図5】同上のビーム形状補正手段の斜視図である。
【図6】(a)(b)(c)(d)は同上のビーム形状補正手段によるビーム形状補正の説明図である。
【図7】(a)(b)は夫々他例の概略断面図である。
【図8】別の例の概略断面図である。
【図9】更に他例の断面図である。
【図10】(a)(b)は蓋の開閉構造の他例を示す断面図である。
【図11】他の例の断面図である。
【図12】更に他の例の断面図である。
【図13】(a)(b)は別の例の断面図である。
【図14】他の例のブロック図である。
【図15】(a)(b)は異なる例の断面図である。
【符号の説明】
【0039】
2 粉末層供給手段
3 光ビーム照射手段
5 チャンバー
52 開口部
L 光ビーム
【技術分野】
【0001】
本発明は無機質あるいは有機質の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及び製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ステージ上に形成した粉末層に光ビーム(指向性エネルギービーム、例えばレーザ)を照射して焼結層を形成し、この焼結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焼結層を形成するということを繰り返して焼結層を積層することで三次元形状造形物を製造することは、特表平1−502890号公報(特許文献1)などにおいて知られている。
【0003】
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ステージの直上部分に設けられた光透過性の窓(レンズで形成されたものを含む)を通じて粉末層に対する光ビームの照射を行っている。
【0004】
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、飛散して浮遊している粉末や窓に付着した粉末によっても光ビームの透過率の低下を招く。
【0005】
このほか、焼結が完了して得られた三次元形状造形物は、上記チャンバーから取り出さなくてはならないが、特許文献1に示されたものでは取り出し機構について考慮されておらず、人力で取り出しているのが現状である。しかし、製造する造形物がたとえば500mm×500mm×100mmというようなサイズのものであり、これを比重6〜8程度の金属粉末で製造した場合、得られた造形物はその重さが150〜200kgとなり、到底人力で取り出すことはできないことから、クレーンを利用することになる。しかし、チャンバーにおけるステージ上方に光ビーム照射手段が位置している上記のものでは、クレーンによる造形物取り出し時に光ビーム照射手段を移動させなくてはならず、この場合、光軸の位置決め再現性が失われてしまうことから、加工精度が極端に低下してしまったり、造形加工の度に調整作業が必要となってしまう。
【0006】
特表2002−527613号公報(特許文献2)に示されているように、ステージ側を移動させることができるようにしたものでは、光ビーム照射手段とクレーンの干渉とを避けることができるが、この場合には、移動自在なステージに粉末が噛み込んで傾いたりする虞があって、ステージの位置決め再現性を確保することが困難となるとともに、機構上、非常に複雑となってしまう。
【特許文献1】特表平1−502890号公報
【特許文献2】特表2002−527613号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その主たる目的とするところはヒュームや飛散した粉末による影響をなくすことができる上に、製造した造形物をチャンバーから取り出すことを容易に行うことができる三次元形状造形物の製造装置及び製造方法を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
しかして本発明に係る三次元形状造形物の製造装置は、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を備えるとともに、光ビーム照射手段はその光ビームの照射範囲の直上位置からずれた位置に配されて粉末層に斜め方向から光ビームを照射するものであり、ステージ及び粉末供給手段が内部に配されているチャンバーにおける光ビームの照射範囲の直上位置には、焼結形成された三次元形状造形物の取り出し用で且つ開閉自在な蓋で閉じられた開口部を備えていることに特徴を有しており、本発明に係る三次元形状造形物の製造方法は、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して焼結することで形成した焼結層の表面に新たな粉末層を積層し、この新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して焼結することで下層の焼結層と一体となった新たな焼結層を形成することを繰り返して三次元形状造形物を製造するにあたり、光ビームをその照射範囲の直上位置からずれた斜め方向から照射して焼結を行い、焼結完了後、ステージ上の未固化粉末の除去を行い、この後、ステージ及び粉末供給手段が内部に配されているチャンバーにおける光ビームの照射範囲の直上位置に設けられている開閉自在な開口部を開いて該開口部を通じて三次元形状造形物の取り出しを行うことに特徴を有している。
【0009】
光ビームを粉末層に照射して加熱することで発生するヒュームは、上昇して直上位置に向かうことから、この直上位置を避けたところから光ビームの照射を行うことで、光ビームの照射手段(チャンバーで区画されている場合は光ビームを透過させるためにチャンバーに設けた窓)をヒュームが曇らせてしまうことが低減されるようにしたものであり、また、ステージ及び粉末供給手段が内部に配されているチャンバーにおける光ビームの照射範囲の直上位置に開閉自在な蓋で閉じられた開口部を設けて、焼結完了後、上記開口部を開いて該開口部を通じて焼結作成された三次元形状造形物をチャンバー内から取り出すことができるようにしたものである。しかも焼結完了後、ステージ上の未固化粉末の除去を行ってから、開口部を開いて三次元形状造形物をチャンバー内から造形物のクレーンなどによる取り出しを行うことができるために粉末がチャンバー外に飛散してしまうことを防ぐことができる。
【0010】
光ビーム照射手段の光ビーム出射部とこの光ビーム照射手段が出力する光ビームの照射範囲との間に、光透過性で且つ光ビーム照射による焼結部から発生するヒュームの通過を遮るヒューム遮断手段を配置するようにしておけば、より確実に光透過率の低下を防止することができる。
【0011】
また、光ビームの照射範囲の直上位置にヒュームを捕捉する捕捉手段を設けておけば、ヒュームによる光透過率の低下をさらに確実に防止することができる。
【0012】
また、焼結完了後、チャンバー内雰囲気の清浄処理並びに雰囲気ガスと空気との置換処理を行いつつ、チャンバー内の残留ヒューム量の測定及びチャンバー内の酸素濃度の測定を行い、残留ヒューム量及び酸素濃度が夫々所定値を下回った時点で開口部を開いて三次元形状造形物の取り出しを行うことで、外部環境を汚すことを防ぐことができる。
【発明の効果】
【0013】
本発明では、光ビームをその照射範囲の直上位置からずれた斜め方向から照射して焼結を行うものであり、光ビーム照射手段が上記直上位置に無いために、光ビームを粉末層に照射して加熱することで発生して直上位置に向かうヒュームが光ビームの照射手段(チャンバーで区画されている場合は光ビームを透過させるためにチャンバーに設けた窓)を曇らせて光ビームの透過率が低下してしまうことを防ぐことができ、しかもステージ及び粉末供給手段が内部に配されているチャンバーにおける光ビームの照射範囲の直上位置に開閉自在な蓋で閉じられた開口部を設けて、焼結完了後、上記開口部を開いて該開口部を通じて焼結作成された三次元形状造形物をチャンバー内から取り出すことができるために、光ビーム照射手段と焼結作成された三次元形状造形物の取り出し用のクレーン等の機材との干渉が問題となることがない上に、造形物の取り出しそのものも容易なものである。
【0014】
また、焼結完了後、ステージ上の未固化粉末の除去を行ってから、開口部を開いて三次元形状造形物をチャンバー内から取り出すために粉末がチャンバー外に飛散してしまうことを防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、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と除去手段4、そして粉末層形成手段2と除去手段4とを内部に納めているチャンバー5で構成されているもので、上記粉末層形成手段2は、外周が囲まれた空間内をシリンダー駆動で上下に昇降するステージ20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21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20上に形成するものとして構成されている。
【0016】
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。なお、窓50はレーザ光を通過させる材質のものを用いている。レーザー発振器30が炭酸ガスレーザーである場合、ZnSe製の平板等を用いることができる。レンズ(たとえばFθレンズ)として形成されたものであってもよい。
【0017】
除去手段4は上記粉末層形成手段2のベース部にXY駆動機構40を介してミーリングヘッド41を設けたものとして構成されている。なお、本発明はこの除去手段4を備えていない三次元形状造形物の製造装置においても適用することができる。
【0018】
このものにおける三次元形状造形物の製造は、図2に示すように、ステージ20上面の造形用ベース22表面に粉末タンク23から溢れさせた粉末をブレード21で供給すると同時にブレード21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を照射して粉末を焼結させてベース22と一体化した焼結層11を形成する。この後、ステージ20を少し下げて再度粉末を供給してブレード21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(レーザー)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。粉末にはたとえば平均粒径3μmの鉄粉を用いることができるが、これに限るものではない。
【0019】
ステージ20を下降させて新たな粉末層10を形成し、光ビーム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り、光ビームとしては炭酸ガスレーザーを好適に用いることができ、粉末層10の厚みΔt1としては、得られた三次元形状造形物を成形用金型などに利用する場合、0.05mm程度とするのが好ましい。光ビームの照射経路(ハッチング経路)は、図4に示すように、予め三次元CADデータから作成しておくことができる。たとえば、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。
【0020】
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除去手段4におけるミーリングヘッド41の工具長さなどから求めた所要の値になれば、いったん除去手段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ことで、造形表面に付着した粉末による低密度表面層を除去すると同時に、その内側の密度が高い部分まで削り込むことで、造形物表面に密度が高い部分を全面的に露出させることができる。除去手段4の工具が直径1mm、有効刃長(首下長さ)3mmで深さ3mmの切削加工が可能であり、粉末層10の厚みが0.05mmであるならば、焼結層11の形成時に過剰焼結部が0.1mm〜0.5mmほど垂れ下がって生じることから、たとえば40層の焼結層11を積層する毎に除去手段4を作動させ、前回の切削除去で一度切削したところも1mmほどオーバーラップさせて切削することが好ましい。
【0021】
除去手段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データから作成すればよい。この場合、等高線加工を適用して加工経路を決定するが、Z方向ピッチは焼結時の積層ピッチにこだわる必要はなく、緩い傾斜の場合はZ方向ピッチをより細かくして補間することで、滑らかな表面を得られるようにしておく。
【0022】
ここにおいて、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6が発生する。このヒューム6は立ち上るようにして光ビームの照射範囲Aの直上位置に達することから、ここではチャンバー5における窓50を上記直上位置から横にずらした位置に配置して、粉末層10に対する光ビームの照射が斜め方向から行われるようにしている。つまり、窓50の位置を上記直上位置から外すことによってヒューム6が窓50の内面に付着したり焼き付いたりする虞を低減しているものである。なお、窓50と上記照射範囲Aとは重なることがないようにしておくのが好ましいが、一部重なったとしても、窓50における重なったところを光ビームLが通過しないのであれば、問題となることはない。
【0023】
ところで光ビームが粉末層10に常に斜め上方から照射されるということは、粉末層10に当たる光ビームスポットが円形とならずに楕円形となってしまうものであり、しかも窓50からの距離によって形状も変わってしまう。このためにここでは上記光ビーム照射手段3におけるガルバノミラー31等で構成されたスキャン光学系の前段に、ビーム形状補正手段35を配して、照射面である粉末層10には略円形のスポットビームが照射されるようにしている。
【0024】
図5はこのビーム形状補正手段35の一例を示しており、一対のシリンドリカルレンズ36,37、これらレンズ36,37を光ビームの軸線回りに回転させる回転駆動機構38とで構成されている。なお、一対のシリンドリカルレンズ36,37を光ビームの軸線方向に並べて配置する場合、いずれか一方もしくは両方のレンズ36、37を回転させることができるようにしておくと同時に、光ビームの光軸方向に個別に移動させて互いの間隔を変更できるようにしている。
【0025】
シリンドリカルレンズ36,37であるレンズ系に光ビームを通過させる時、図5に示すように、両レンズ36,37の円弧凸面gの軸方向が直交している状態では、図6(a)に示すように、通常の断面円形状の光ビームLが得られる。そして、レンズ36,37の間隔を調整することによって、ビーム径を拡大縮小させることができる。また、レンズ36とレンズ37の円弧凸面gの軸方向が互いに平行でいずれも垂直方向を向いていれば、図6(b)に示すように長軸が垂直方向を向いた断面楕円形状の光ビームLを得ることができ、レンズ36,37の円弧凸面gの軸方向が平行で、水平あるいは斜めを向いていれば、図6(c) (d)に示すように、長軸がそれぞれの方向を向いた断面楕円形状の光ビームLを得ることができる。さらに、レンズ36,37の円弧凸面gの軸方向を平行状態と直交状態の間で一定の角度で交差する状態にすれば、断面楕円形状の長軸と短軸の比率を任意に調整することができる。
【0026】
そして、粉末層10の表面である照射面に至った時に略円形のスポットビームとなるような楕円形の断面の光ビームLが上記ビーム形状補正手段35から出射されるようにしておくことで、斜め方向から光ビームLを照射するにもかかわらず、照射面にはほぼ円形のスポットビームを当てることができる。特に光ビームLの照射位置によって変わる照射角度に応じて光ビームの断面形状を補正していくことで、照射面には常に円形のスポットビームを当てることができる。
【0027】
なお、ここでは光ビーム形状補正手段35として2つのシリンドリカルレンズ36,37を用いたものを示したが、円形のスポットビームを長軸が特定方向に向いた楕円形のスポットビームに変更するだけのレンズで構成されたものであってもよい。
【0028】
図7に他例を示す。これはチャンバー5における光ビームLを透過させる窓50を光ビームLの照射範囲の直上位置からずらしただけではヒューム6が窓50に付着することを完全に防ぐことができないことに鑑み、光透過性で且つヒューム6の通過を遮るヒューム遮断手段でチャンバー5内を二分し、その一方にステージ20を配置し、他方に光ビームLの最終出射部となる窓50を配置したものである。
【0029】
ここにおけるヒューム遮断手段としては、図7(a)に示すような透明板60であってもよいが、図7(b) に示すように、エアカーテン(ガスカーテン)61を好適に用いることができ、特にチャンバー5内を非酸化雰囲気とするためにチャンバー5内に供給する窒素ガスのような雰囲気ガスによるガスカーテン61を構成すると、雰囲気を保ちつつヒュームが窓50側に達してしまわないようにすることを容易に実現することができる。
【0030】
図8に別の例を示す。これは光ビームLの照射範囲の直上位置にヒューム捕捉手段7を配置したものである。図示例におけるヒューム捕捉手段7は、エアポンプ70とフィルター71とで構成され、上記直上位置に開口する吸い込み口からチャンバー5内の雰囲気ガスを吸引してフィルター71に通すことでヒューム6や飛散した粉末を捕捉する。なお、吸引した雰囲気ガスはチャンバー5内に環流させているが、この時、上記エアカーテン61を構成するようにしておくと、ヒューム6による光透過率の低下をきわめて確実に且つ合理的に防止することができる。
【0031】
フィルター71としてはヒューム6や粉末の捕捉に有効であればどのようなものであってもよく、ラビリンス型、サイクロン型のものを用いてもよい。粉末が磁性体材料である場合は磁石を用いてもよい。
【0032】
図9はチャンバー5における光ビームLの照射範囲の直上の天井部に蓋51によって開閉される開口部52を設けたものを示している。この開口部52は製造した造形物のクレーン8による取り出しのために設けたものであるが、チャンバー5内は上記焼結時、不活性ガスを充填しておくことから、パッキン等を用いて蓋51を閉めた時にチャンバー5が密閉されるようにしておく。
【0033】
蓋51の開閉構造は図9に示すヒンジによる回転式のもののほか、図10に示すように、フォールディングタイプの蓋51を用いたり、スライド式の蓋51を用いたりしてもよく、蓋51の開閉構造は図示例に限定されるものではない。
【0034】
また、図11に示すように、ヒューム捕捉手段7を併用する場合は、ヒューム捕捉手段7もスライド移動などで上記直上位置から退去させることができるようにしておいたり、蓋51にヒューム捕捉手段7を設けて、開口部52を通じた造形物の取り出しを妨げることがないようにしておく。
【0035】
焼結が完了した時点では、ステージ20上には造形物のほかに、固化されなかった粉末が残っていることから、図12に示すように、吸引ノズル55を用いて未固化の粉末を吸引してストッカー56に溜めたり、あるいは図13に示すように、ステージ20を上昇させた状態でステージ20を回転させることで粉末をステージ20上から吹き飛ばすことで、ステージ20上から粉末の除去が完了した時点で蓋51が開かれるようにしておくことが好ましい。図13中の91はステージ20の回転駆動用のモータ、92はギアである。
【0036】
また、チャンバー5内には前述のように不活性ガスが充填されたりヒュームが残存していたりすることから、図14に示す真空ポンプ81によるチャンバー5内雰囲気ガスの吸引とコンプレッサ82によるチャンバー5内への空気供給とによるチャンバー5内の雰囲気の清浄処理並びに雰囲気ガスと空気との置換処理を行いつつ、パーティクルカウンター85によるチャンバー内の残留ヒューム量や塵の測定と、酸素濃度センサー86によるチャンバー5内の酸素濃度の測定とを行い、残留ヒューム量及び酸素濃度が夫々所定値を下回った時点で蓋51を開いて開口部52からの三次元形状造形物の取り出しを行うようにしておくことが好ましい。図中83は不活性ガス(窒素ガス)をチャンバー5内に送り込むためのポンプ、Cは該製造装置の動作を制御する制御装置であり、上記パーティクルカウンター85や酸素濃度センサー86が接続された該制御装置Cは、前記粉末層形成手段2と光ビーム照射手段3と除去手段4のほか、上記ポンプ81,83及びコンプレッサ82とチャンバー5との間に配されたバルブ86の開閉や、蓋51の開閉も制御する。
【0037】
ところで、クレーン8による造形物の取り出しを容易とするために、図15(a)に示すように吊りボルト用ねじ穴88を造形物に焼結時に形成しておいたり、図15(b)に示すようにステージ20と三次元形状造形物との間に介在させたプレート29に吊りボルト用ねじ穴88を設けておくとよい。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本発明の実施の形態の一例の破断斜視図である。
【図2】同上の動作説明図である。
【図3】同上の概略断面図である。
【図4】同上の説明図である。
【図5】同上のビーム形状補正手段の斜視図である。
【図6】(a)(b)(c)(d)は同上のビーム形状補正手段によるビーム形状補正の説明図である。
【図7】(a)(b)は夫々他例の概略断面図である。
【図8】別の例の概略断面図である。
【図9】更に他例の断面図である。
【図10】(a)(b)は蓋の開閉構造の他例を示す断面図である。
【図11】他の例の断面図である。
【図12】更に他の例の断面図である。
【図13】(a)(b)は別の例の断面図である。
【図14】他の例のブロック図である。
【図15】(a)(b)は異なる例の断面図である。
【符号の説明】
【0039】
2 粉末層供給手段
3 光ビーム照射手段
5 チャンバー
52 開口部
L 光ビーム
【特許請求の範囲】
【請求項1】
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を備えるとともに、光ビーム照射手段はその光ビームの照射範囲の直上位置からずれた位置に配されて粉末層に斜め方向から光ビームを照射するものであり、ステージ及び粉末供給手段が内部に配されているチャンバーにおける光ビームの照射範囲の直上位置には、焼結形成された三次元形状造形物の取り出し用で且つ開閉自在な蓋で閉じられた開口部を備えていることを特徴とする三次元形状造形物の製造装置。
【請求項2】
光ビーム照射手段の光ビーム出射部とこの光ビーム照射手段が出力する光ビームの照射範囲との間に、光透過性で且つ光ビーム照射による焼結部から発生するヒュームの通過を遮るヒューム遮断手段を配し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。
【請求項3】
光ビームの照射範囲の直上位置にヒュームを捕捉する捕捉手段を備えていることを特徴とする請求項1または2記載の三次元形状造形物の製造装置。
【請求項4】
粉末層の所定箇所に光ビームを照射して焼結することで形成した焼結層の表面に新たな粉末層を積層し、この新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して焼結することで下層の焼結層と一体となった新たな焼結層を形成することを繰り返して三次元形状造形物を製造するにあたり、光ビームをその照射範囲の直上位置からずれた斜め方向から照射して焼結を行い、焼結完了後、ステージ上の未固化粉末の除去を行い、この後、ステージ及び粉末供給手段が内部に配されているチャンバーにおける光ビームの照射範囲の直上位置に設けられている開閉自在な開口部を開いて該開口部を通じて三次元形状造形物の取り出しを行うことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
【請求項5】
焼結完了後、チャンバー内雰囲気の清浄処理並びに雰囲気ガスと空気との置換処理を行いつつ、チャンバー内の残留ヒューム量の測定及びチャンバー内の酸素濃度の測定を行い、残留ヒューム量及び酸素濃度が夫々所定値を下回った時点で開口部を開いて三次元形状造形物の取り出しを行うことを特徴とする請求項4記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項1】
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を備えるとともに、光ビーム照射手段はその光ビームの照射範囲の直上位置からずれた位置に配されて粉末層に斜め方向から光ビームを照射するものであり、ステージ及び粉末供給手段が内部に配されているチャンバーにおける光ビームの照射範囲の直上位置には、焼結形成された三次元形状造形物の取り出し用で且つ開閉自在な蓋で閉じられた開口部を備えていることを特徴とする三次元形状造形物の製造装置。
【請求項2】
光ビーム照射手段の光ビーム出射部とこの光ビーム照射手段が出力する光ビームの照射範囲との間に、光透過性で且つ光ビーム照射による焼結部から発生するヒュームの通過を遮るヒューム遮断手段を配し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。
【請求項3】
光ビームの照射範囲の直上位置にヒュームを捕捉する捕捉手段を備えていることを特徴とする請求項1または2記載の三次元形状造形物の製造装置。
【請求項4】
粉末層の所定箇所に光ビームを照射して焼結することで形成した焼結層の表面に新たな粉末層を積層し、この新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して焼結することで下層の焼結層と一体となった新たな焼結層を形成することを繰り返して三次元形状造形物を製造するにあたり、光ビームをその照射範囲の直上位置からずれた斜め方向から照射して焼結を行い、焼結完了後、ステージ上の未固化粉末の除去を行い、この後、ステージ及び粉末供給手段が内部に配されているチャンバーにおける光ビームの照射範囲の直上位置に設けられている開閉自在な開口部を開いて該開口部を通じて三次元形状造形物の取り出しを行うことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
【請求項5】
焼結完了後、チャンバー内雰囲気の清浄処理並びに雰囲気ガスと空気との置換処理を行いつつ、チャンバー内の残留ヒューム量の測定及びチャンバー内の酸素濃度の測定を行い、残留ヒューム量及び酸素濃度が夫々所定値を下回った時点で開口部を開いて三次元形状造形物の取り出しを行うことを特徴とする請求項4記載の三次元形状造形物の製造方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【公開番号】特開2008−255488(P2008−255488A)
【公開日】平成20年10月23日(2008.10.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−99572(P2008−99572)
【出願日】平成20年4月7日(2008.4.7)
【分割の表示】特願2003−334248(P2003−334248)の分割
【原出願日】平成15年9月25日(2003.9.25)
【出願人】(000005832)松下電工株式会社 (17,916)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成20年10月23日(2008.10.23)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年4月7日(2008.4.7)
【分割の表示】特願2003−334248(P2003−334248)の分割
【原出願日】平成15年9月25日(2003.9.25)
【出願人】(000005832)松下電工株式会社 (17,916)
【Fターム(参考)】
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