JP2004277878A - 三次元形状造形物の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒュームや飛散した粉末による影響をなくす。
【解決手段】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とを備える。光ビーム照射手段３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１０に斜め方向から光ビームを照射する。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。
【選択図】図１

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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。
特表平１−５０２８９０号公報 特表２００２−５２７６１３号公報

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り、また他の目的とするところは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。

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うことに特徴を有している。

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る。

この時、光ビーム照射手段は照射面での光ビームスポット形状を略円形のものとするビーム形状補正手段を備えていることが好ましい。斜め方向からの照射であるにもかかわらず、粉末層には円形スポット状の光ビームを照射することができて、安定した焼結を行うことができる。

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。

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。

さらに、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、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設けて、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、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で、光ビーム照射手段との干渉を招くことなく、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とともに、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。

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。

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、またクレーン等の機材を用いた造形物のチャンバーからの取り出しも支障なく行うことができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ところで、クレーン８による造形物の取り出しを用意とするために、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。

本発明の実施の形態の一例の破断斜視図である。 同上の動作説明図である。 同上の概略断面図である。 同上の説明図である。 同上のビーム形状補正手段の斜視図である。 (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。 (a)(b)は夫々他例の概略断面図である。 別の例の概略断面図である。 更に他例の断面図である。 (a)(b)は蓋の開閉構造の他例を示す断面図である。 他の例の断面図である。 更に他の例の断面図である。 (a)(b)は別の例の断面図である。 他の例のブロック図である。 (a)(b)は異なる例の断面図である。

符号の説明

２ 粉末層供給手段
３ 光ビーム照射手段
Ｌ 光ビーム

Claims (8)

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ることを特徴とする三次元形状造形物の製造装置。
2. 光ビーム照射手段は照射面での光ビームスポット形状を略円形のものとするビーム形状補正手段を備え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。
3. 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または請求項２記載の三次元形状造形物の製造装置。
4. 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１〜３のいずれか１項に記載の三次元形状造形物の製造装置。
5. 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請求項１〜４のいずれか１項に記載の三次元形状造形物の製造装置。
6. 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うことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
7. 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請求項６記載の三次元形状造形物の製造方法。
8. 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７記載の三次元形状造形物の製造方法。

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