粉末焼結積層造形装置及び粉末焼結積層造形方法
【課題】粉末材料の薄層の形成から焼結薄層の形成まで、全造形領域にわたって粉末材料の薄層の表面の温度を均一にすることができる粉末焼結積層造形装置を提供することを目的とする。
【解決手段】粉末材料の薄層を形成し、粉末材料の薄層を選択的に焼結させて焼結薄層を形成する造形領域１３ａを囲む造形用容器１３と、造形用容器１３の側方に設けられた粉末材料を貯留する粉末材料容器１４ａ、１４ｂと、造形領域１３ａの周辺部の上方の少なくとも１箇所に設置された、造形領域１３ａを加熱する熱源１８ｃ〜１８ｆと、熱源１８ｃ〜１８ｆの近くに設けられて、上方に熱源１８ｃ〜１８ｆが設置されていない造形領域１３ａの周辺部への加熱を補助する熱線の反射板１９ｅ〜１９ｈとを備えたことを特徴とする。
【解決手段】粉末材料の薄層を形成し、粉末材料の薄層を選択的に焼結させて焼結薄層を形成する造形領域１３ａを囲む造形用容器１３と、造形用容器１３の側方に設けられた粉末材料を貯留する粉末材料容器１４ａ、１４ｂと、造形領域１３ａの周辺部の上方の少なくとも１箇所に設置された、造形領域１３ａを加熱する熱源１８ｃ〜１８ｆと、熱源１８ｃ〜１８ｆの近くに設けられて、上方に熱源１８ｃ〜１８ｆが設置されていない造形領域１３ａの周辺部への加熱を補助する熱線の反射板１９ｅ〜１９ｈとを備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、造形用テーブル上に複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形装置及び粉末焼結積層造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、機能試験用試作部品や少量多品種の製品に使用される部品等を造形することができる造形装置への要望が増えてきつつある。
【０００３】
この要求を満たすものとして、光造形装置や粉末焼結積層造形装置などがある。なかでも、粉末焼結積層造形装置は、紫外線硬化性樹脂を使用する光造形装置と異なり、多種類かつ強靭な材料が使用できることが大きな特徴の一つであり、市場での認知度も向上し、さまざまな用途で使用されはじめている。
【０００４】
このような粉末焼結積層造形装置では、造形用容器内で、順次、粉末材料の薄層を形成し、その粉末材料の薄層を選択的に加熱し、焼結して焼結薄層を形成し、焼結薄層を積層して３次元造形物を作製するため、焼結薄層と焼結されないで残った焼結薄層周囲の粉末材料とが造形用容器内に収納されることとなる。そして、造形物の反りを防止するため、および、造形に必要なレーザ出力を小さくするために、造形時に造形用容器などに設置された加熱手段により焼結直前の樹脂粉末の表面温度をその造形材料の融点から５〜１５℃程度低い温度に予備加熱し、広い造形領域全体の表面が均一な温度となるように加熱することは困難である。
【０００５】
しかしながら、一般的に、造形領域の中央部よりも周辺部で粉末材料の温度が低くなる傾向にある。
【０００６】
そのため、造形領域の上方であって、レーザ光の通過領域の境界全周囲を囲むように加熱手段を設置する場合がある（特許文献１、２を参照）。
【特許文献１】特表平９−５０７８８２号公報(特許２８４７５７９)
【特許文献２】特表平１１−５０８３２２号公報(特許３６３０６７８)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このように改良された装置でも、中央部の温度が高くなる傾向があり、造形領域の粉末材料の温度を十分に均一にすることが難しい。
【０００８】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、粉末材料の薄層の形成から焼結薄層の形成まで、全造形領域にわたって粉末材料の薄層の表面の温度を均一にすることができる粉末焼結積層造形装置及び粉末焼結積層造形方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、第１の発明は、粉末焼結積層造形装置に係り、レーザ光を照射して粉末材料の薄層を焼結させ、複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形装置であって、前記粉末材料の薄層を形成し、該粉末材料の薄層を選択的に焼結させて前記焼結薄層を形成する平面形状を有する造形領域を囲む造形用容器と、前記造形領域の左右両側のうち少なくとも一方の側方に設置され、前記造形領域に供給する粉末材料を貯留する粉末材料容器と、前記造形領域の周辺部の上方の少なくとも１箇所であって、前記造形領域の周縁に到達し得る前記レーザ光の通過領域の外側に設置された、前記造形領域を加熱する熱源と、前記造形領域の周辺部のうち、上方に前記熱源が設置されていない造形領域の周辺部への加熱を補助する熱線の反射板とを備えたことを特徴とし、
第２の発明は、第１の発明の粉末焼結積層造形装置に係り、前記造形領域は線対称の平面形状を有することを特徴とし、
第３の発明は、第２の発明の何れか一の粉末焼結積層造形装置に係り、前記熱源は細長い形状を有し、前記線対称の平面形状を有する造形領域の対称軸に関して対称な位置に複数設置され、前記反射板は前記熱源の長手方向の両側方に設置されていることを特徴とし、
第４の発明は、粉末焼結積層造形方法に係り、第３の発明の何れか一の粉末焼結積層造形装置を用い、前記造形領域において前記レーザ光を照射して粉末材料の薄層を焼結させ、複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形方法において、前記複数設置された熱源の発熱量とを独立に調整して前記造形領域内の粉末材料及び焼結薄層の温度を調整することを特徴とし、
第５の発明は、粉末焼結積層造形方法に係り、第３の発明の粉末焼結積層造形装置を用い、前記造形領域において前記レーザ光を照射して粉末材料の薄層を焼結させ、複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形方法において、前記粉末材料の薄層の形成から前記焼結薄層の形成まで、前記各設置箇所において高さ方向に複数設置された熱源の発熱量を独立に調整して前記造形領域内の粉末材料及び焼結薄層の温度を調整することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明においては、造形領域の周辺部の上方の少なくとも１箇所に設置された、造形領域を加熱する熱源と、造形領域の周辺部のうち上方に熱源が設置されていない周辺部への加熱を補助する熱線の反射板とを備えている。
【００１１】
したがって、熱源の近くの造形領域の周辺部、及び、上方に熱源が設置されていない造形領域の周辺部の温度低下を抑制することができる。
【００１２】
また、造形領域の周辺部の上方に熱源が設置されていない領域を有するので、過剰な加熱による中央部の温度上昇を抑制することができる。
【００１３】
以上のように、本発明によれば、造形領域の中央部での温度上昇を抑制しつつ、全周辺部の造形領域での温度低下を抑制することができる。
【００１４】
また、本願発明では、熱源の各設置箇所において高さ方向に複数の熱源が設置され、それらの複数の熱源の発熱量を独立に調整しているので、造形領域の中央部と周辺部とで温度がより一層均一化するように温度調整をより精密に行うことができる。
【００１５】
また、本願発明では、熱源が線対称の平面形状を有する造形領域の対称軸に関して略対称な位置に複数設置されている。
【００１６】
ところで、機械的構造の非対称性から、造形領域の前後で温度が不均一になり易い場合がある。
【００１７】
このような場合、粉末材料容器が隣接していない造形領域の周辺部、例えば装置の造形領域の前側周辺部及び後側周辺部の上方にそれぞれ熱源が設置された装置を用いて、各設置箇所における熱源について独立に発熱量を調整する。これにより、造形領域の前側周辺部及び後側周辺部における温度の不均一を抑制することができる。結果として、未露光樹脂の温度を融点に近づけることができるようになる。
【００１８】
なお、機械的構造が左右方向に非対称となっている場合に、造形領域の左側周辺部及び右側周辺部の上方に熱源を設置し、造形領域の前側周辺部及び後側周辺部の上方には熱源を設けないようにした粉末焼結積層造形装置を粉末焼結積層造形方法に適用してもよい。この場合も赤外線の反射板は、熱源の長手方向の側方に設置する。
【００１９】
以上のように、本発明によれば、造形領域を予備加熱し、かつ造形領域全体において更なる温度の均一化を図ることができるので、より一層小さなレーザ出力で造形を可能にしつつ、より一層反りを抑制した３次元造形物を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（粉末焼結積層造形装置の説明）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る粉末焼結積層造形装置の構成を示す上面図であり、同図（ｂ）は正面図である。この装置では、造形領域の前側周辺部及び後側周辺部の上方にそれぞれ熱源を設置し、熱源の長手方向の両側方にそれぞれ、熱源が設置されていない造形領域の周辺部への加熱を補助するミラー（赤外線の反射板）を設置している。
【００２２】
図２は、図１の造形領域を前後に横切るＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
【００２３】
図３は、熱源の長手方向の両側方に設置したミラーの作用を説明する正面図である。
【００２４】
この粉末焼結造形装置１１１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光出射部１１１Ａと、造形部１１１Ｂと、制御装置１１１Ｃとから構成されている。造形部１０１Ｂの粉末材料が飛び散って行かないように、造形部１１１Ｂの周囲は図示しない仕切り壁で囲まれている。そして、造形部１１１Ｂの前側には、作製された３次元造形物を取り出すための図示しない開閉扉などが設けられている。レーザ光出射部１１１Ａもこの仕切り壁内に収納されている。
【００２５】
レーザ光出射部１１１Ａにおいては、レーザ光の光源とレーザ光の照射方向を制御するミラーとが設けられている。光源から出射したレーザ光はコンピュータによるミラー制御により、造形部１１１Ｂのパートシリンダ１５上の粉末材料の薄層に選択的に照射されるようになっている。例えば、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、コンピュータによるミラー制御が行われる。レーザ光の光源とミラーとが加熱焼結手段を構成する。
【００２６】
造形部１１１Ｂにおいては、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光の照射により造形が行われて３次元造形物が作製される線対称の、例えば四角い平面形状を有する筒状の造形用容器１３と、その左右両側に設置されて粉末材料を貯めておく線対称の、例えば四角い筒状の粉末材料容器１４ａ、１４ｂとを備えている。造形用容器１３の内壁に囲まれた領域が造形領域１３ａであり、粉末材料容器１４ａ、１４ｂの内壁に囲まれた領域が粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄである。
【００２７】
造形用容器１３内には、３次元造形物となる積層された焼結薄層を載せて、内壁に沿って昇降可能なパートシリンダ１５が設置され、パートシリンダ１５のテーブル上で、順次粉末材料の薄層が形成され、粉末材料の薄層ごとに加熱され、焼結される。また、粉末材料容器１４ａ、１４ｂ内には、粉末材料を載せて容器内壁に沿って昇降し、粉末材料を供給するテーブルを備えたフィードシリンダ１６ａ、１６ｂがそれぞれ設置されている。
【００２８】
シリンダ１５、１６ａ、１６ｂを容器１３、１４ａ、１４ｂ内にセットしたときに、シリンダ１５、１６ａ、１６ｂと容器１３、１４ａ、１４ｂ内壁との間で隙間が生じて粉末材料が漏れることがないように、シリンダ１５、１６ａ、１６ｂと容器１３、１４ａ、１４ｂ内壁との間の密着性を保つためテーブルの側面全体にわたってパッキング用のゴムなどが取り付けられている。
【００２９】
更に、造形領域１３ａ及び粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄの全領域に渡って回転しつつ移動するリコータ１７が設けられている。リコータ１７は、回転しつつ移動することにより、フィードシリンダ１６ｂ上に貯められた粉末材料をパートシリンダ１５上に供給し、かつ粉末材料の表面を均してパートシリンダ１５上に粉末材料の薄層を形成する機能を有する。従って、粉末材料の供給量はフィードシリンダ１６bの上昇量で決まり、粉末材料の薄層の厚さはパートシリンダ１５の降下量で決まる。粉末材料として、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリ乳酸、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレンコポリマ（ＡＢＳ）、エチレン・酢酸ビニルコポリマー（ＥＶＡ）、スチレン・アクリロニトリルコポリマー（ＳＡＮ）、及びポリカプロラクトンよりなる群から選ばれた少なくとも１種、または、金属粉末などを用いることができる。
【００３０】
更に、この粉末焼結積層造形装置においては、造形用容器１３の周囲に胴巻き状に設けられたヒータのほかに、造形用容器１３上面の造形領域１３ａ上であって、線対称を有する造形領域１３ａの対称軸に関して略対称な位置に、及び粉末材料容器１４ａ、１４ｂの粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄ上であって、線対称を有する粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄの対称軸に関して略対称な位置に熱源としての細長い形状を有する赤外線ヒータ１８ａ乃至１８ｈが設置され、赤外線ヒータ１８ａ乃至１８ｈの長手方向の側方両側に赤外線を反射させるミラー（反射板）１９ａ乃至１９ｌが設置されている。
【００３１】
赤外線ヒータ１８ａ乃至１８ｈ及びミラー１９ａ乃至１９ｌの詳細な配置について図１（ａ）、（ｂ）、図２を参照し、温度の均一化の効果について図３、図４（ａ）を参照して、以下に説明する。図４（ａ）は、ミラーの効果を説明する、造形領域の左右方向の温度分布を示すグラフである。
【００３２】
造形領域１３ａ上において、細長い形状の赤外線ヒータ１８ｃ乃至１８ｆは、その長手方向が粉末材料容器１４ａ、１４ｂの方を向くように（造形領域の前後の縁にほぼ平行となるように）設置されている。また、細長い形状の赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）は、図２に示すように、造形領域１３ａの周縁に到達し得るレーザ光の通過領域の境界よりも外側の領域であって、対向する2箇所（前側及び後側）にそれぞれ、レーザ光の通過領域の境界に沿って高さ方向に２つずつ設置されている。さらに、図１（ａ）に示すように、粉末材料容器１４ａ、１４ｂに隣接する造形領域１３ａ近傍の上方であって、赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の側方に、ミラー面を造形領域１３ａ側に向けてミラー（１９ｅ、１９ｆ）、（１９ｇ、１９ｈ）が設置されている。ミラー面の角度は自在に調整可能なようになっている。
【００３３】
このような赤外線ヒータ及びミラー配置により、ミラーに関して対称の位置にヒータの虚像を生じ、図３に示すように、赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の更に両側に赤外線ヒータが延在することと等価な加熱がなされるようになる。しかも、ミラー面の角度を自在に変えられるため、赤外線の反射方向を適切に調整することで、図４（ａ）に示すように、特に、赤外線ヒータが設置されていない、左右の造形領域１３ａでの温度低下を抑制することができる。また、造形領域１３ａの左側周辺部及び右側周辺部の上方には赤外線ヒータを設けていないので、これの影響による中央部の造形領域１３ａでの温度上昇を抑制することができる。
【００３４】
また、粉末材料容器１４ａ、１４ｂの周囲に胴巻き状に設けられたヒータのほかに、粉末材料容器１４ａ、１４ｂ上に熱源としての細長い形状を有する赤外線ヒータ（１８ａ、１８ｂ）、（１８ｇ、１８ｈ）が設置されている。その長手方向は、造形領域１３ａの上方の赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の長手方向に交差する方向を向くように設置されている。さらに、赤外線ヒータ（１８ａ、１８ｂ）、（１８ｇ、１８ｈ）の側方に、即ち粉末材料容器１４ａ、１４ｂの前側周辺部及び後側周辺部の上方にミラー面を粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄ側に向けてミラー（１９ａ、１９ｃ）、（１９ｂ、１９ｄ）、（１９ｉ、１９ｋ）、（１９ｊ、１９ｌ）が設置されている。
【００３５】
このような赤外線ヒータ及びミラー配置により、造形領域１３ａの場合と同様に、粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄ表面において中央部の温度上昇を抑制しつつ、周辺部での温度低下を抑制することができる。
【００３６】
本実施形態では、上記のようなヒータ及びミラーの配置のみならず、複数の赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量の調整によっても造形領域１３ａでの温度の均一化を図ることができる。その方法及び効果について以下に説明する。図４（ｂ）は、赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量の調整の効果を説明する造形領域の前後方向の温度分布を示すグラフである。
【００３７】
赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量は印加する電力により調整可能である。そして、複数の赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量を、例えば、以下のように調整する。
【００３８】
一つは、赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の各設置箇所において、高さ方向に設置された赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量を独立に調整する。例えば、高さ方向に設置された２つの赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）に、大きさの異なる電力を印加する。具体的には、上側の赤外線ヒータ１８ｃ、１８ｅへの印加電力を大きく、下側の赤外線ヒータ１８ｄ、１８ｆへの印加電力を小さくすることで、中央部と周辺部での温度分布を均一化することができる。
【００３９】
他の一つは、造形領域１３ａの前側周辺部及び後側周辺部の上方にそれぞれ設置された赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）に対して独立に発熱量を調整する。例えば、対向する２つずつの赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｅ）、（１８ｄ、１８ｆ）のうち、対向する上側の赤外線ヒータ１８ｃ、１８ｅにはともに同じ電力を印加し、対向する下側の赤外線ヒータ１８ｄ、１８ｆには、大きさの異なる電力を印加する。具体的には、前側の赤外線ヒータ１８ｄへの印加電力を大きく、後ろ側の赤外線ヒータ１８ｆへの印加電力を小さくする。
【００４０】
以上のように、複数の赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量を調整することで、図４（ｂ）に示すように、周辺部と中央部の造形領域１３ａでの温度分布を均一化しつつ、造形領域１３ａの前後での温度分布を均一化することができる。
【００４１】
なお、粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄにおいても、造形領域１３ａにおける調整と同様にして、赤外線ヒータ（１８ａ、１８ｂ）、（１８ｇ、１８ｈ）の発熱量を調整し、粉末材料２１の温度分布を均一化することができる。これにより、粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄから造形領域１３ａに粉末材料２１を供給後、造形領域１３ａでの粉末材料２１の薄層などの温度を迅速に上昇させて、温度の均一化を迅速に行うことができる。
【００４２】
以上のような粉末焼結積層造形装置は、制御装置１１１Ｃによって、パートシリンダ１５を薄層一層分降下させて、リコータ１７によって粉末材料容器１４ａ、１４ｂからパートシリンダ１５上に粉末材料を供給させ、かつパートシリンダ１５上で粉末材料の薄層を形成させ、次いで、レーザ光及び制御ミラー（加熱焼結手段）によって作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき粉末材料の薄層を選択的に加熱して焼結させ、これらの動作を繰り返して、複数の焼結薄層を積層させ、３次元造形物を作製させる。なお、図１（ｂ）において、制御装置１１１Ｃから装置の各構成要素に繋がる線はその構成要素が制御装置１１１Ｃにより制御されることを示している。
【００４３】
本発明の実施の形態の粉末焼結積層造形装置によれば、造形領域を予備加熱し、かつ造形領域の中央部と全周辺部で更なる温度の均一化を図ることができるので、より一層小さなレーザ出力で造形を可能にしつつ、より一層反りを抑制した３次元造形物を作製することができる。
【００４４】
（粉末焼結積層造形方法の説明）
次に、図５（ａ）、（ｂ）乃至図６（ａ）、（ｂ）を参照しながら上記造形装置を用いて造形を行う方法について説明する。
【００４５】
図５（ａ）、（ｂ）乃至図６（ａ）、（ｂ）は装置正面図である。図５（ａ）、（ｂ）乃至図６（ａ）、（ｂ）においては、図を見やすくするため図１（ｂ）と異なり、各容器の前壁は省略してある。
【００４６】
まず、図５（ａ）に示すように、造形用容器１３の内壁に沿って上下移動可能なように造形用容器１３にパートシリンダ１５を取り付け、造形用容器１３の左右の粉末材料容器１４ａ、１４ｂの内壁に沿って上下移動可能なように、粉末材料容器１４ａ、１４ｂにフィードシリンダ１６a、１６ｂを取り付ける。
【００４７】
次いで、造形部１１１Ｂにおいて、左右のフィードシリンダ１６a、１６ｂを降下させ、フィードシリンダ１６a、１６ｂ上に粉末材料２１を供給し、十分な量の粉末材料２１を貯めておく。このとき、粉末材料容器１４ａ、１４ｂの周囲に胴巻き状に設けられたヒータで粉末材料２１を加熱するほか、粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄの上方に設置された赤外線ヒータ１８ａ乃至１８ｂ、１８ｇ乃至１８ｈ，及びミラー１９ａ乃至１９ｄ、１９ｉ乃至１９ｌにより、粉末材料２１の表面を、粉末材料の融点よりも５〜１５℃程度低い温度に予備加熱する。この場合、粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄ上の赤外線ヒータ１８ａ乃至１８ｂ、１８ｇ乃至１８ｈの各設置箇所において独立に発熱量の調整を行い、粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄにおける粉末材料２１の温度を均一化させる。
【００４８】
次いで、パートシリンダ１５を薄層一層分に相当する量だけ降下させる。次いで、右側のフィードシリンダ１６ｂを上昇させて粉末材料２１が平坦面から上に出てくるようにする。
【００４９】
次いで、リコータ１７を回転移動させて右側のフィードシリンダ１６ｂ上、平坦面から上に出ている粉末材料２１を均しつつ造形用容器１３内のパートシリンダ１５上に移動させる。これにより、図５（ｂ）に示すように、パートシリンダ１５上に一層分の粉末材料の薄層２１ａが形成される。
【００５０】
このとき、造形領域１３ａの周囲に胴巻き状に設けられたヒータで粉末材料２１を加熱するほか、造形領域１３ａの上方に設置された赤外線ヒータ１８ｃ乃至１８ｆ、及びミラー１９ｅ乃至１９ｈにより、粉末材料の薄層２１ａの表面を粉末材料の融点よりも５〜１５℃程度低い温度に予備加熱する。
【００５１】
この場合、造形領域１３ａ上の赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の各設置箇所において高さ方向に設置された複数の赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量を独立に調整することにより、造形領域１３ａの中央部と周辺部とで温度がより一層均一化するように温度調整をより一層精密に行う。また、造形領域１３ａの前側周辺部及び後側周辺部にそれぞれ設置された赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量をそれぞれ独立に調整することにより、造形領域１３ａの前後における温度の不均一が抑制されるように温度調整をより一層精密に行う。この場合、粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄにおいて粉末材料２１が既に予備加熱されているので、造形領域１３ａ内の粉末材料２１及び粉末材料の薄層２１ａの温度を均一に維持したまま、迅速に昇温することができる。
【００５２】
次に、レーザ光出射部１１１Ａの光源からレーザ光を出射させるとともに、作製すべき３次元造形物のスライスデータに基づき、コンピュータによりミラーを制御して、粉末材料の薄層２１ａに選択的にレーザ光を照射する。これにより、図６（ａ）に示すように、粉末材料の薄層２１ｂが加熱されて焼結する。
【００５３】
次に、図６（ｂ）に示すように、パートシリンダ１５を薄層一層分降下させるとともに、フィードシリンダ１６ｂを上昇させる。以下、上記説明した方法と同様にして、新たな粉末材料２１をパートシリンダ１５上に供給し、焼結した薄層２１ｂ上に新たな粉末材料の薄層を形成する。次いで、加熱焼結→粉末材料の薄層の形成→加熱焼結→・・を繰り返す。この間、赤外線ヒータ１８ａ乃至１８ｈ、及びミラー１９ａ乃至１９ｌにより、造形領域１３ａ及び粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄを加熱する。
【００５４】
このようにして、３次元造形物が完成する。そして、最後に予備加熱を止めて自然冷却を行い、常温付近になったら、造形用容器１３から粉末材料２１に埋もれた３次元造形物を取り出す。
【００５５】
以上のように、本発明の実施の形態の粉末焼結積層造形方法によれば、赤外線ヒータ１８ｃ乃至１８ｆの配置及びミラー１９ｅ乃至１９ｈの設置により、図４（ａ）に示すように、造形領域１３ａの中央部での温度上昇を抑制しつつ、造形領域１３ａの全周辺部での温度低下を抑制することができる。
【００５６】
さらに、赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の各設置箇所において、高さ方向に設置された赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量を独立に調整しているので、造形領域１３ａの中央部と周辺部での温度の不均一を抑制することができる。また、造形領域１３ａの前側周辺部及び後側周辺部の上方にそれぞれ設置された赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）に対して独立に発熱量を調整しているので、装置の構造上、造形領域１３ａの前側及び後側において温度の不均一が生じ易い場合でも、造形領域１３ａの前側及び後側における温度の不均一を抑制することができる。これにより、図４（ｂ）に示すように、造形領域１３ａの中央部と周辺部での温度分布を均一化しつつ、造形領域１３ａの前後での温度分布を均一化することができる。
【００５７】
以上のように、本発明の実施の形態の粉末焼結積層造形方法によれば、赤外線ヒータ１８ｃ乃至１８ｆ及びミラー１９ｅ乃至１９ｈにより、造形領域１３ａの粉末材料の薄層２１ａの表面、及び粉末材料２１の表面を、粉末材料の融点よりも５〜１５℃程度低い温度に予備加熱し、かつ造形領域１３ａ全体に温度をより一層均一化させることができるので、より一層小さなレーザ出力での造形を可能にしつつ、より一層反りを抑制した３次元造形物を作製することができる。
【００５８】
以上、実施の形態によりこの発明を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。
【００５９】
例えば、この実施の形態の粉末焼結造形装置においては、図１に示すように、赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）が造形領域１３ａの前側周辺部及び後側周辺部の上方に設置されているが、場合により造形領域１３ａの前側周辺部及び後側周辺部の何れか一の上方に、或いは粉末材料容器１４ａ、１４ｂに隣接する造形領域１３ａの左側周辺部及び右側周辺部の少なくとも何れか一の上方に（造形領域の左右の縁にほぼ平行となるように）設置されてもよい。
【００６０】
また、造形用容器１３、粉末材料容器１４ａ、１４ｂの平面形状は、四角であるが、これに限られない。線対称であれば、円形や楕円、その他の曲線で囲まれた平面形状でもよく、また、四角以外の多角形でもよい。
【００６１】
また、熱源として、赤外線ヒータ１８ａ乃至１８ｈを用いているが、赤外線を発する他のヒータその他を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置の構成を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
【図３】本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置における加熱手段の側方両側に設置したミラーの作用を説明する正面図である。
【図４】（ａ）は、加熱手段の側方両側に設置したミラーの効果を説明する、造形領域の左右方向の温度分布を示すグラフであり、（ｂ）は加熱手段の発熱量の調整の効果を説明する造形領域の前後方向の温度分布を示すグラフである。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置を用いて３次元造形物を造形する方法について示す正面図（その１）である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置を用いて３次元造形物を造形する方法について示す正面図（その２）である。
【符号の説明】
【００６３】
１３ 造形用容器
１３ａ 造形領域
１４ａ、１４ｂ 粉末材料容器
１４ｃ、１４ｄ 粉末材料の収納領域
１５ パートシリンダ
１６ａ、１６ｂ フィードシリンダ
１７ リコータ
１８ｃ乃至１８ｆ 赤外線ヒータ（熱源）
１８ａ乃至１８ｂ、１８ｇ乃至１８ｈ 赤外線ヒータ
１９ａ乃至１９ｌ ミラー（赤外線の反射板）
２１ 粉末材料
２１ａ 粉末材料の薄層
２１ｂ 焼結した薄層
１１１Ａ レーザ光出射部
１１１Ｂ 造形部
１１１Ｃ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、造形用テーブル上に複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形装置及び粉末焼結積層造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、機能試験用試作部品や少量多品種の製品に使用される部品等を造形することができる造形装置への要望が増えてきつつある。
【０００３】
この要求を満たすものとして、光造形装置や粉末焼結積層造形装置などがある。なかでも、粉末焼結積層造形装置は、紫外線硬化性樹脂を使用する光造形装置と異なり、多種類かつ強靭な材料が使用できることが大きな特徴の一つであり、市場での認知度も向上し、さまざまな用途で使用されはじめている。
【０００４】
このような粉末焼結積層造形装置では、造形用容器内で、順次、粉末材料の薄層を形成し、その粉末材料の薄層を選択的に加熱し、焼結して焼結薄層を形成し、焼結薄層を積層して３次元造形物を作製するため、焼結薄層と焼結されないで残った焼結薄層周囲の粉末材料とが造形用容器内に収納されることとなる。そして、造形物の反りを防止するため、および、造形に必要なレーザ出力を小さくするために、造形時に造形用容器などに設置された加熱手段により焼結直前の樹脂粉末の表面温度をその造形材料の融点から５〜１５℃程度低い温度に予備加熱し、広い造形領域全体の表面が均一な温度となるように加熱することは困難である。
【０００５】
しかしながら、一般的に、造形領域の中央部よりも周辺部で粉末材料の温度が低くなる傾向にある。
【０００６】
そのため、造形領域の上方であって、レーザ光の通過領域の境界全周囲を囲むように加熱手段を設置する場合がある（特許文献１、２を参照）。
【特許文献１】特表平９−５０７８８２号公報(特許２８４７５７９)
【特許文献２】特表平１１−５０８３２２号公報(特許３６３０６７８)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このように改良された装置でも、中央部の温度が高くなる傾向があり、造形領域の粉末材料の温度を十分に均一にすることが難しい。
【０００８】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、粉末材料の薄層の形成から焼結薄層の形成まで、全造形領域にわたって粉末材料の薄層の表面の温度を均一にすることができる粉末焼結積層造形装置及び粉末焼結積層造形方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、第１の発明は、粉末焼結積層造形装置に係り、レーザ光を照射して粉末材料の薄層を焼結させ、複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形装置であって、前記粉末材料の薄層を形成し、該粉末材料の薄層を選択的に焼結させて前記焼結薄層を形成する平面形状を有する造形領域を囲む造形用容器と、前記造形領域の左右両側のうち少なくとも一方の側方に設置され、前記造形領域に供給する粉末材料を貯留する粉末材料容器と、前記造形領域の周辺部の上方の少なくとも１箇所であって、前記造形領域の周縁に到達し得る前記レーザ光の通過領域の外側に設置された、前記造形領域を加熱する熱源と、前記造形領域の周辺部のうち、上方に前記熱源が設置されていない造形領域の周辺部への加熱を補助する熱線の反射板とを備えたことを特徴とし、
第２の発明は、第１の発明の粉末焼結積層造形装置に係り、前記造形領域は線対称の平面形状を有することを特徴とし、
第３の発明は、第２の発明の何れか一の粉末焼結積層造形装置に係り、前記熱源は細長い形状を有し、前記線対称の平面形状を有する造形領域の対称軸に関して対称な位置に複数設置され、前記反射板は前記熱源の長手方向の両側方に設置されていることを特徴とし、
第４の発明は、粉末焼結積層造形方法に係り、第３の発明の何れか一の粉末焼結積層造形装置を用い、前記造形領域において前記レーザ光を照射して粉末材料の薄層を焼結させ、複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形方法において、前記複数設置された熱源の発熱量とを独立に調整して前記造形領域内の粉末材料及び焼結薄層の温度を調整することを特徴とし、
第５の発明は、粉末焼結積層造形方法に係り、第３の発明の粉末焼結積層造形装置を用い、前記造形領域において前記レーザ光を照射して粉末材料の薄層を焼結させ、複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形方法において、前記粉末材料の薄層の形成から前記焼結薄層の形成まで、前記各設置箇所において高さ方向に複数設置された熱源の発熱量を独立に調整して前記造形領域内の粉末材料及び焼結薄層の温度を調整することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明においては、造形領域の周辺部の上方の少なくとも１箇所に設置された、造形領域を加熱する熱源と、造形領域の周辺部のうち上方に熱源が設置されていない周辺部への加熱を補助する熱線の反射板とを備えている。
【００１１】
したがって、熱源の近くの造形領域の周辺部、及び、上方に熱源が設置されていない造形領域の周辺部の温度低下を抑制することができる。
【００１２】
また、造形領域の周辺部の上方に熱源が設置されていない領域を有するので、過剰な加熱による中央部の温度上昇を抑制することができる。
【００１３】
以上のように、本発明によれば、造形領域の中央部での温度上昇を抑制しつつ、全周辺部の造形領域での温度低下を抑制することができる。
【００１４】
また、本願発明では、熱源の各設置箇所において高さ方向に複数の熱源が設置され、それらの複数の熱源の発熱量を独立に調整しているので、造形領域の中央部と周辺部とで温度がより一層均一化するように温度調整をより精密に行うことができる。
【００１５】
また、本願発明では、熱源が線対称の平面形状を有する造形領域の対称軸に関して略対称な位置に複数設置されている。
【００１６】
ところで、機械的構造の非対称性から、造形領域の前後で温度が不均一になり易い場合がある。
【００１７】
このような場合、粉末材料容器が隣接していない造形領域の周辺部、例えば装置の造形領域の前側周辺部及び後側周辺部の上方にそれぞれ熱源が設置された装置を用いて、各設置箇所における熱源について独立に発熱量を調整する。これにより、造形領域の前側周辺部及び後側周辺部における温度の不均一を抑制することができる。結果として、未露光樹脂の温度を融点に近づけることができるようになる。
【００１８】
なお、機械的構造が左右方向に非対称となっている場合に、造形領域の左側周辺部及び右側周辺部の上方に熱源を設置し、造形領域の前側周辺部及び後側周辺部の上方には熱源を設けないようにした粉末焼結積層造形装置を粉末焼結積層造形方法に適用してもよい。この場合も赤外線の反射板は、熱源の長手方向の側方に設置する。
【００１９】
以上のように、本発明によれば、造形領域を予備加熱し、かつ造形領域全体において更なる温度の均一化を図ることができるので、より一層小さなレーザ出力で造形を可能にしつつ、より一層反りを抑制した３次元造形物を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（粉末焼結積層造形装置の説明）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る粉末焼結積層造形装置の構成を示す上面図であり、同図（ｂ）は正面図である。この装置では、造形領域の前側周辺部及び後側周辺部の上方にそれぞれ熱源を設置し、熱源の長手方向の両側方にそれぞれ、熱源が設置されていない造形領域の周辺部への加熱を補助するミラー（赤外線の反射板）を設置している。
【００２２】
図２は、図１の造形領域を前後に横切るＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
【００２３】
図３は、熱源の長手方向の両側方に設置したミラーの作用を説明する正面図である。
【００２４】
この粉末焼結造形装置１１１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光出射部１１１Ａと、造形部１１１Ｂと、制御装置１１１Ｃとから構成されている。造形部１０１Ｂの粉末材料が飛び散って行かないように、造形部１１１Ｂの周囲は図示しない仕切り壁で囲まれている。そして、造形部１１１Ｂの前側には、作製された３次元造形物を取り出すための図示しない開閉扉などが設けられている。レーザ光出射部１１１Ａもこの仕切り壁内に収納されている。
【００２５】
レーザ光出射部１１１Ａにおいては、レーザ光の光源とレーザ光の照射方向を制御するミラーとが設けられている。光源から出射したレーザ光はコンピュータによるミラー制御により、造形部１１１Ｂのパートシリンダ１５上の粉末材料の薄層に選択的に照射されるようになっている。例えば、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、コンピュータによるミラー制御が行われる。レーザ光の光源とミラーとが加熱焼結手段を構成する。
【００２６】
造形部１１１Ｂにおいては、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光の照射により造形が行われて３次元造形物が作製される線対称の、例えば四角い平面形状を有する筒状の造形用容器１３と、その左右両側に設置されて粉末材料を貯めておく線対称の、例えば四角い筒状の粉末材料容器１４ａ、１４ｂとを備えている。造形用容器１３の内壁に囲まれた領域が造形領域１３ａであり、粉末材料容器１４ａ、１４ｂの内壁に囲まれた領域が粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄである。
【００２７】
造形用容器１３内には、３次元造形物となる積層された焼結薄層を載せて、内壁に沿って昇降可能なパートシリンダ１５が設置され、パートシリンダ１５のテーブル上で、順次粉末材料の薄層が形成され、粉末材料の薄層ごとに加熱され、焼結される。また、粉末材料容器１４ａ、１４ｂ内には、粉末材料を載せて容器内壁に沿って昇降し、粉末材料を供給するテーブルを備えたフィードシリンダ１６ａ、１６ｂがそれぞれ設置されている。
【００２８】
シリンダ１５、１６ａ、１６ｂを容器１３、１４ａ、１４ｂ内にセットしたときに、シリンダ１５、１６ａ、１６ｂと容器１３、１４ａ、１４ｂ内壁との間で隙間が生じて粉末材料が漏れることがないように、シリンダ１５、１６ａ、１６ｂと容器１３、１４ａ、１４ｂ内壁との間の密着性を保つためテーブルの側面全体にわたってパッキング用のゴムなどが取り付けられている。
【００２９】
更に、造形領域１３ａ及び粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄの全領域に渡って回転しつつ移動するリコータ１７が設けられている。リコータ１７は、回転しつつ移動することにより、フィードシリンダ１６ｂ上に貯められた粉末材料をパートシリンダ１５上に供給し、かつ粉末材料の表面を均してパートシリンダ１５上に粉末材料の薄層を形成する機能を有する。従って、粉末材料の供給量はフィードシリンダ１６bの上昇量で決まり、粉末材料の薄層の厚さはパートシリンダ１５の降下量で決まる。粉末材料として、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリ乳酸、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレンコポリマ（ＡＢＳ）、エチレン・酢酸ビニルコポリマー（ＥＶＡ）、スチレン・アクリロニトリルコポリマー（ＳＡＮ）、及びポリカプロラクトンよりなる群から選ばれた少なくとも１種、または、金属粉末などを用いることができる。
【００３０】
更に、この粉末焼結積層造形装置においては、造形用容器１３の周囲に胴巻き状に設けられたヒータのほかに、造形用容器１３上面の造形領域１３ａ上であって、線対称を有する造形領域１３ａの対称軸に関して略対称な位置に、及び粉末材料容器１４ａ、１４ｂの粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄ上であって、線対称を有する粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄの対称軸に関して略対称な位置に熱源としての細長い形状を有する赤外線ヒータ１８ａ乃至１８ｈが設置され、赤外線ヒータ１８ａ乃至１８ｈの長手方向の側方両側に赤外線を反射させるミラー（反射板）１９ａ乃至１９ｌが設置されている。
【００３１】
赤外線ヒータ１８ａ乃至１８ｈ及びミラー１９ａ乃至１９ｌの詳細な配置について図１（ａ）、（ｂ）、図２を参照し、温度の均一化の効果について図３、図４（ａ）を参照して、以下に説明する。図４（ａ）は、ミラーの効果を説明する、造形領域の左右方向の温度分布を示すグラフである。
【００３２】
造形領域１３ａ上において、細長い形状の赤外線ヒータ１８ｃ乃至１８ｆは、その長手方向が粉末材料容器１４ａ、１４ｂの方を向くように（造形領域の前後の縁にほぼ平行となるように）設置されている。また、細長い形状の赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）は、図２に示すように、造形領域１３ａの周縁に到達し得るレーザ光の通過領域の境界よりも外側の領域であって、対向する2箇所（前側及び後側）にそれぞれ、レーザ光の通過領域の境界に沿って高さ方向に２つずつ設置されている。さらに、図１（ａ）に示すように、粉末材料容器１４ａ、１４ｂに隣接する造形領域１３ａ近傍の上方であって、赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の側方に、ミラー面を造形領域１３ａ側に向けてミラー（１９ｅ、１９ｆ）、（１９ｇ、１９ｈ）が設置されている。ミラー面の角度は自在に調整可能なようになっている。
【００３３】
このような赤外線ヒータ及びミラー配置により、ミラーに関して対称の位置にヒータの虚像を生じ、図３に示すように、赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の更に両側に赤外線ヒータが延在することと等価な加熱がなされるようになる。しかも、ミラー面の角度を自在に変えられるため、赤外線の反射方向を適切に調整することで、図４（ａ）に示すように、特に、赤外線ヒータが設置されていない、左右の造形領域１３ａでの温度低下を抑制することができる。また、造形領域１３ａの左側周辺部及び右側周辺部の上方には赤外線ヒータを設けていないので、これの影響による中央部の造形領域１３ａでの温度上昇を抑制することができる。
【００３４】
また、粉末材料容器１４ａ、１４ｂの周囲に胴巻き状に設けられたヒータのほかに、粉末材料容器１４ａ、１４ｂ上に熱源としての細長い形状を有する赤外線ヒータ（１８ａ、１８ｂ）、（１８ｇ、１８ｈ）が設置されている。その長手方向は、造形領域１３ａの上方の赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の長手方向に交差する方向を向くように設置されている。さらに、赤外線ヒータ（１８ａ、１８ｂ）、（１８ｇ、１８ｈ）の側方に、即ち粉末材料容器１４ａ、１４ｂの前側周辺部及び後側周辺部の上方にミラー面を粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄ側に向けてミラー（１９ａ、１９ｃ）、（１９ｂ、１９ｄ）、（１９ｉ、１９ｋ）、（１９ｊ、１９ｌ）が設置されている。
【００３５】
このような赤外線ヒータ及びミラー配置により、造形領域１３ａの場合と同様に、粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄ表面において中央部の温度上昇を抑制しつつ、周辺部での温度低下を抑制することができる。
【００３６】
本実施形態では、上記のようなヒータ及びミラーの配置のみならず、複数の赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量の調整によっても造形領域１３ａでの温度の均一化を図ることができる。その方法及び効果について以下に説明する。図４（ｂ）は、赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量の調整の効果を説明する造形領域の前後方向の温度分布を示すグラフである。
【００３７】
赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量は印加する電力により調整可能である。そして、複数の赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量を、例えば、以下のように調整する。
【００３８】
一つは、赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の各設置箇所において、高さ方向に設置された赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量を独立に調整する。例えば、高さ方向に設置された２つの赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）に、大きさの異なる電力を印加する。具体的には、上側の赤外線ヒータ１８ｃ、１８ｅへの印加電力を大きく、下側の赤外線ヒータ１８ｄ、１８ｆへの印加電力を小さくすることで、中央部と周辺部での温度分布を均一化することができる。
【００３９】
他の一つは、造形領域１３ａの前側周辺部及び後側周辺部の上方にそれぞれ設置された赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）に対して独立に発熱量を調整する。例えば、対向する２つずつの赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｅ）、（１８ｄ、１８ｆ）のうち、対向する上側の赤外線ヒータ１８ｃ、１８ｅにはともに同じ電力を印加し、対向する下側の赤外線ヒータ１８ｄ、１８ｆには、大きさの異なる電力を印加する。具体的には、前側の赤外線ヒータ１８ｄへの印加電力を大きく、後ろ側の赤外線ヒータ１８ｆへの印加電力を小さくする。
【００４０】
以上のように、複数の赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量を調整することで、図４（ｂ）に示すように、周辺部と中央部の造形領域１３ａでの温度分布を均一化しつつ、造形領域１３ａの前後での温度分布を均一化することができる。
【００４１】
なお、粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄにおいても、造形領域１３ａにおける調整と同様にして、赤外線ヒータ（１８ａ、１８ｂ）、（１８ｇ、１８ｈ）の発熱量を調整し、粉末材料２１の温度分布を均一化することができる。これにより、粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄから造形領域１３ａに粉末材料２１を供給後、造形領域１３ａでの粉末材料２１の薄層などの温度を迅速に上昇させて、温度の均一化を迅速に行うことができる。
【００４２】
以上のような粉末焼結積層造形装置は、制御装置１１１Ｃによって、パートシリンダ１５を薄層一層分降下させて、リコータ１７によって粉末材料容器１４ａ、１４ｂからパートシリンダ１５上に粉末材料を供給させ、かつパートシリンダ１５上で粉末材料の薄層を形成させ、次いで、レーザ光及び制御ミラー（加熱焼結手段）によって作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき粉末材料の薄層を選択的に加熱して焼結させ、これらの動作を繰り返して、複数の焼結薄層を積層させ、３次元造形物を作製させる。なお、図１（ｂ）において、制御装置１１１Ｃから装置の各構成要素に繋がる線はその構成要素が制御装置１１１Ｃにより制御されることを示している。
【００４３】
本発明の実施の形態の粉末焼結積層造形装置によれば、造形領域を予備加熱し、かつ造形領域の中央部と全周辺部で更なる温度の均一化を図ることができるので、より一層小さなレーザ出力で造形を可能にしつつ、より一層反りを抑制した３次元造形物を作製することができる。
【００４４】
（粉末焼結積層造形方法の説明）
次に、図５（ａ）、（ｂ）乃至図６（ａ）、（ｂ）を参照しながら上記造形装置を用いて造形を行う方法について説明する。
【００４５】
図５（ａ）、（ｂ）乃至図６（ａ）、（ｂ）は装置正面図である。図５（ａ）、（ｂ）乃至図６（ａ）、（ｂ）においては、図を見やすくするため図１（ｂ）と異なり、各容器の前壁は省略してある。
【００４６】
まず、図５（ａ）に示すように、造形用容器１３の内壁に沿って上下移動可能なように造形用容器１３にパートシリンダ１５を取り付け、造形用容器１３の左右の粉末材料容器１４ａ、１４ｂの内壁に沿って上下移動可能なように、粉末材料容器１４ａ、１４ｂにフィードシリンダ１６a、１６ｂを取り付ける。
【００４７】
次いで、造形部１１１Ｂにおいて、左右のフィードシリンダ１６a、１６ｂを降下させ、フィードシリンダ１６a、１６ｂ上に粉末材料２１を供給し、十分な量の粉末材料２１を貯めておく。このとき、粉末材料容器１４ａ、１４ｂの周囲に胴巻き状に設けられたヒータで粉末材料２１を加熱するほか、粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄの上方に設置された赤外線ヒータ１８ａ乃至１８ｂ、１８ｇ乃至１８ｈ，及びミラー１９ａ乃至１９ｄ、１９ｉ乃至１９ｌにより、粉末材料２１の表面を、粉末材料の融点よりも５〜１５℃程度低い温度に予備加熱する。この場合、粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄ上の赤外線ヒータ１８ａ乃至１８ｂ、１８ｇ乃至１８ｈの各設置箇所において独立に発熱量の調整を行い、粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄにおける粉末材料２１の温度を均一化させる。
【００４８】
次いで、パートシリンダ１５を薄層一層分に相当する量だけ降下させる。次いで、右側のフィードシリンダ１６ｂを上昇させて粉末材料２１が平坦面から上に出てくるようにする。
【００４９】
次いで、リコータ１７を回転移動させて右側のフィードシリンダ１６ｂ上、平坦面から上に出ている粉末材料２１を均しつつ造形用容器１３内のパートシリンダ１５上に移動させる。これにより、図５（ｂ）に示すように、パートシリンダ１５上に一層分の粉末材料の薄層２１ａが形成される。
【００５０】
このとき、造形領域１３ａの周囲に胴巻き状に設けられたヒータで粉末材料２１を加熱するほか、造形領域１３ａの上方に設置された赤外線ヒータ１８ｃ乃至１８ｆ、及びミラー１９ｅ乃至１９ｈにより、粉末材料の薄層２１ａの表面を粉末材料の融点よりも５〜１５℃程度低い温度に予備加熱する。
【００５１】
この場合、造形領域１３ａ上の赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の各設置箇所において高さ方向に設置された複数の赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量を独立に調整することにより、造形領域１３ａの中央部と周辺部とで温度がより一層均一化するように温度調整をより一層精密に行う。また、造形領域１３ａの前側周辺部及び後側周辺部にそれぞれ設置された赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量をそれぞれ独立に調整することにより、造形領域１３ａの前後における温度の不均一が抑制されるように温度調整をより一層精密に行う。この場合、粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄにおいて粉末材料２１が既に予備加熱されているので、造形領域１３ａ内の粉末材料２１及び粉末材料の薄層２１ａの温度を均一に維持したまま、迅速に昇温することができる。
【００５２】
次に、レーザ光出射部１１１Ａの光源からレーザ光を出射させるとともに、作製すべき３次元造形物のスライスデータに基づき、コンピュータによりミラーを制御して、粉末材料の薄層２１ａに選択的にレーザ光を照射する。これにより、図６（ａ）に示すように、粉末材料の薄層２１ｂが加熱されて焼結する。
【００５３】
次に、図６（ｂ）に示すように、パートシリンダ１５を薄層一層分降下させるとともに、フィードシリンダ１６ｂを上昇させる。以下、上記説明した方法と同様にして、新たな粉末材料２１をパートシリンダ１５上に供給し、焼結した薄層２１ｂ上に新たな粉末材料の薄層を形成する。次いで、加熱焼結→粉末材料の薄層の形成→加熱焼結→・・を繰り返す。この間、赤外線ヒータ１８ａ乃至１８ｈ、及びミラー１９ａ乃至１９ｌにより、造形領域１３ａ及び粉末材料の収納領域１４ｃ、１４ｄを加熱する。
【００５４】
このようにして、３次元造形物が完成する。そして、最後に予備加熱を止めて自然冷却を行い、常温付近になったら、造形用容器１３から粉末材料２１に埋もれた３次元造形物を取り出す。
【００５５】
以上のように、本発明の実施の形態の粉末焼結積層造形方法によれば、赤外線ヒータ１８ｃ乃至１８ｆの配置及びミラー１９ｅ乃至１９ｈの設置により、図４（ａ）に示すように、造形領域１３ａの中央部での温度上昇を抑制しつつ、造形領域１３ａの全周辺部での温度低下を抑制することができる。
【００５６】
さらに、赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の各設置箇所において、高さ方向に設置された赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）の発熱量を独立に調整しているので、造形領域１３ａの中央部と周辺部での温度の不均一を抑制することができる。また、造形領域１３ａの前側周辺部及び後側周辺部の上方にそれぞれ設置された赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）に対して独立に発熱量を調整しているので、装置の構造上、造形領域１３ａの前側及び後側において温度の不均一が生じ易い場合でも、造形領域１３ａの前側及び後側における温度の不均一を抑制することができる。これにより、図４（ｂ）に示すように、造形領域１３ａの中央部と周辺部での温度分布を均一化しつつ、造形領域１３ａの前後での温度分布を均一化することができる。
【００５７】
以上のように、本発明の実施の形態の粉末焼結積層造形方法によれば、赤外線ヒータ１８ｃ乃至１８ｆ及びミラー１９ｅ乃至１９ｈにより、造形領域１３ａの粉末材料の薄層２１ａの表面、及び粉末材料２１の表面を、粉末材料の融点よりも５〜１５℃程度低い温度に予備加熱し、かつ造形領域１３ａ全体に温度をより一層均一化させることができるので、より一層小さなレーザ出力での造形を可能にしつつ、より一層反りを抑制した３次元造形物を作製することができる。
【００５８】
以上、実施の形態によりこの発明を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。
【００５９】
例えば、この実施の形態の粉末焼結造形装置においては、図１に示すように、赤外線ヒータ（１８ｃ、１８ｄ）、（１８ｅ、１８ｆ）が造形領域１３ａの前側周辺部及び後側周辺部の上方に設置されているが、場合により造形領域１３ａの前側周辺部及び後側周辺部の何れか一の上方に、或いは粉末材料容器１４ａ、１４ｂに隣接する造形領域１３ａの左側周辺部及び右側周辺部の少なくとも何れか一の上方に（造形領域の左右の縁にほぼ平行となるように）設置されてもよい。
【００６０】
また、造形用容器１３、粉末材料容器１４ａ、１４ｂの平面形状は、四角であるが、これに限られない。線対称であれば、円形や楕円、その他の曲線で囲まれた平面形状でもよく、また、四角以外の多角形でもよい。
【００６１】
また、熱源として、赤外線ヒータ１８ａ乃至１８ｈを用いているが、赤外線を発する他のヒータその他を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置の構成を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
【図３】本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置における加熱手段の側方両側に設置したミラーの作用を説明する正面図である。
【図４】（ａ）は、加熱手段の側方両側に設置したミラーの効果を説明する、造形領域の左右方向の温度分布を示すグラフであり、（ｂ）は加熱手段の発熱量の調整の効果を説明する造形領域の前後方向の温度分布を示すグラフである。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置を用いて３次元造形物を造形する方法について示す正面図（その１）である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置を用いて３次元造形物を造形する方法について示す正面図（その２）である。
【符号の説明】
【００６３】
１３ 造形用容器
１３ａ 造形領域
１４ａ、１４ｂ 粉末材料容器
１４ｃ、１４ｄ 粉末材料の収納領域
１５ パートシリンダ
１６ａ、１６ｂ フィードシリンダ
１７ リコータ
１８ｃ乃至１８ｆ 赤外線ヒータ（熱源）
１８ａ乃至１８ｂ、１８ｇ乃至１８ｈ 赤外線ヒータ
１９ａ乃至１９ｌ ミラー（赤外線の反射板）
２１ 粉末材料
２１ａ 粉末材料の薄層
２１ｂ 焼結した薄層
１１１Ａ レーザ光出射部
１１１Ｂ 造形部
１１１Ｃ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を照射して粉末材料の薄層を焼結させ、複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形装置であって、
前記粉末材料の薄層を形成し、該粉末材料の薄層を選択的に焼結させて前記焼結薄層を形成する平面形状を有する造形領域を囲む造形用容器と、
前記造形領域の左右両側のうち少なくとも一方の側方に設置され、前記造形領域に供給する粉末材料を貯留する粉末材料容器と、
前記造形領域の周辺部の上方の少なくとも１箇所であって、前記造形領域の周縁に到達し得る前記レーザ光の通過領域よりも外側に設置された、前記造形領域を加熱する熱源と、
前記造形領域の周辺部のうち、上方に前記熱源が設置されていない造形領域の周辺部への加熱を補助する熱線の反射板と
を備えたことを特徴とする粉末焼結積層造形装置。
【請求項２】
前記造形領域は線対称の平面形状を有することを特徴とする請求項１記載の粉末焼結積層造形装置。
【請求項３】
前記熱源は細長い形状を有し、前記線対称の平面形状を有する造形領域の対称軸に関して略対称な位置に複数設置され、前記反射板は前記熱源の長手方向の両側方に設置されていることを特徴とする請求項２記載の粉末焼結積層造形装置。
【請求項４】
請求項３記載の粉末焼結積層造形装置を用い、前記造形領域において前記レーザ光を照射して粉末材料の薄層を焼結させ、複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形方法において、
前記複数設置された熱源の発熱量を独立に調整して前記造形領域内の粉末材料及び焼結薄層の温度を調整することを特徴とする粉末焼結積層造形方法。
【請求項５】
請求項３記載の粉末焼結積層造形装置を用い、前記造形領域において前記レーザ光を照射して粉末材料の薄層を焼結させ、複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形方法において、
前記粉末材料の薄層の形成から前記焼結薄層の形成まで、前記各設置箇所において高さ方向に複数設置された熱源の発熱量を独立に調整して前記造形領域内の粉末材料及び焼結薄層の温度を調整することを特徴とする粉末焼結積層造形方法。
【請求項１】
レーザ光を照射して粉末材料の薄層を焼結させ、複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形装置であって、
前記粉末材料の薄層を形成し、該粉末材料の薄層を選択的に焼結させて前記焼結薄層を形成する平面形状を有する造形領域を囲む造形用容器と、
前記造形領域の左右両側のうち少なくとも一方の側方に設置され、前記造形領域に供給する粉末材料を貯留する粉末材料容器と、
前記造形領域の周辺部の上方の少なくとも１箇所であって、前記造形領域の周縁に到達し得る前記レーザ光の通過領域よりも外側に設置された、前記造形領域を加熱する熱源と、
前記造形領域の周辺部のうち、上方に前記熱源が設置されていない造形領域の周辺部への加熱を補助する熱線の反射板と
を備えたことを特徴とする粉末焼結積層造形装置。
【請求項２】
前記造形領域は線対称の平面形状を有することを特徴とする請求項１記載の粉末焼結積層造形装置。
【請求項３】
前記熱源は細長い形状を有し、前記線対称の平面形状を有する造形領域の対称軸に関して略対称な位置に複数設置され、前記反射板は前記熱源の長手方向の両側方に設置されていることを特徴とする請求項２記載の粉末焼結積層造形装置。
【請求項４】
請求項３記載の粉末焼結積層造形装置を用い、前記造形領域において前記レーザ光を照射して粉末材料の薄層を焼結させ、複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形方法において、
前記複数設置された熱源の発熱量を独立に調整して前記造形領域内の粉末材料及び焼結薄層の温度を調整することを特徴とする粉末焼結積層造形方法。
【請求項５】
請求項３記載の粉末焼結積層造形装置を用い、前記造形領域において前記レーザ光を照射して粉末材料の薄層を焼結させ、複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形方法において、
前記粉末材料の薄層の形成から前記焼結薄層の形成まで、前記各設置箇所において高さ方向に複数設置された熱源の発熱量を独立に調整して前記造形領域内の粉末材料及び焼結薄層の温度を調整することを特徴とする粉末焼結積層造形方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−２２３１９２（Ｐ２００７−２２３１９２Ａ）
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−４７９７１（Ｐ２００６−４７９７１）
【出願日】平成１８年２月２４日（２００６．２．２４）
【出願人】（３９８０１８９６２）株式会社アスペクト (12)
【出願人】（５０４０６１７２１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２４日（２００６．２．２４）
【出願人】（３９８０１８９６２）株式会社アスペクト (12)
【出願人】（５０４０６１７２１）
【Ｆターム（参考）】
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