JP5982047B1

JP5982047B1 - 積層造形装置

Info

Publication number: JP5982047B1
Application number: JP2015170056A
Authority: JP
Inventors: 秀二岡崎; 秀一川田; 勝隆村中
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2035-08-31
Also published as: JP2017048408A

Abstract

【課題】状況に応じてヒュームコレクタの送風機の回転数を切り替えることで不活性ガスをチャンバに短時間で充填するとともに、ヒューム処理能力を向上させる積層造形装置を提供する。【解決手段】材料粉体層６上の所定の照射領域にレーザ光Ｌを照射して焼結層を形成するレーザ照射装置２５と、チャンバ１０に不活性ガスを供給するとともにヒュームをチャンバ１０の外に排出する不活性ガス給排装置４とを備え、不活性ガス給排装置４は、チャンバ１０に不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置４２と、チャンバ１０から排出された不活性ガスからヒュームを除去するヒュームコレクタ４３とを含み、ヒュームコレクタ４３は、任意の回転数に切替可能でありチャンバ１０内の不活性ガスを循環させる送風機を備える積層造形装置１の提供。【選択図】図１

Description

この発明は、積層造形装置に関する。

レーザ光による金属粉末焼結積層造形法においては、造形テーブル上に金属材料粉体を均一に撒布して材料粉体層を形成し、材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して焼結させることによって焼結層を形成し、この焼結層の上に金属材料粉体を均一に撒布して新たな材料粉体層を形成し、その新たな材料粉体層にレーザ光を照射して焼結させることによって下の焼結層と接合した新たな焼結層を形成し、そしてこれらを繰り返すことによって、複数の焼結層を積層して一体となる焼結体からなる所望の三次元造形物を形成する。

金属材料粉体をレーザ光によって焼結する場合は、金属材料粉体を変質させないように保護するとともに、所要のエネルギのレーザ光を安定して照射できるようにするために、所定の造形領域の周囲を可能な限り酸素が存在しない状態に維持することが要求される。そのため、レーザ光による金属粉末焼結積層造形法を実施するための積層造形装置は、密閉されたチャンバ内に窒素ガスのような不活性ガスを供給し、チャンバ内において酸素濃度が十分に低い雰囲気下で所定の照射領域にレーザ光を照射することができるように構成されている。

また、金属材料粉体にレーザ光を照射して焼結させるときに、ヒュームと称される特有の煙が発生する。ヒュームがチャンバ内に充満すると、レーザ光を遮蔽して、所要のエネルギのレーザ光が焼結部位に届かなくなり、焼結不良が発生するおそれがある。

そのため、レーザ光による積層造形法においては、チャンバ内を低酸素雰囲気に維持するとともに、チャンバ内からヒュームを除去する必要がある。特許文献１に開示されるように、チャンバ内に清浄な不活性ガスを供給するとともに、チャンバ内からヒュームを含む不活性ガスを排出する積層造形装置が知られている。また、特許文献１に係る積層造形装置においては、チャンバ外に排出されたヒュームを含む不活性ガスからヒュームを除去し、再度チャンバ内へと返送することでチャンバ内の不活性ガスを循環させている。このようにして、チャンバ内は清浄な不活性ガス雰囲気下に維持されるように構成される。

また、不活性ガスからヒュームを除去する装置としては、ヒュームコレクタと呼ばれる集塵機が用いられる。特許文献２に開示されるように、吸排気および装置内部でのガスの循環を容易にするため、送風機により気流を生成する集塵機が公知である。

特許第４１３１２６０号公報特許第３４４４５１１号公報

レーザ光による積層造形法においては、レーザ光の照射による造形を開始する前にチャンバ内を所定の酸素濃度以下にするため、不活性ガス供給装置によって不活性ガスの供給を行い、チャンバ内の空気を不活性ガスに置換する必要がある。また、チャンバは密閉されるように構成されるが、完全な気密性を得ることは困難であり僅かな隙間から外部空気が流入するため、チャンバ内が所定の酸素濃度以下の不活性ガス雰囲気下になった後も、積層造形中は常時不活性ガスの供給を行う必要がある。

また、積層造形中は不活性ガス中のヒュームを除去する為にヒュームコレクタを通過するよう不活性ガスを循環させる。このとき、ヒュームコレクタ等に送風機を設け、循環する不活性ガスの風量が増えるよう気流を生成すれば、ヒュームコレクタ内部を通過する風量が増加するため、より短時間でヒュームを除去することができる。

しかしながら、チャンバ内を循環する不活性ガスの風量が増えると、不活性ガスの供給口付近においては気圧が上昇し不活性ガスの外部漏出が促進されるともに、排出口付近においては気圧が低下しチャンバ内へ外部空気の流入が起こりやすくなる。そのため、例えば造形開始前の不活性ガス雰囲気下への置換時等、不活性ガスの供給を優先させたい時は循環する不活性ガスの風量は少ない方が望ましい。換言すれば、循環する不活性ガスの風量を増加させればヒューム除去の処理効率は上がるが、チャンバ内へ不活性ガスが十分に充填されるまで時間がかかる。対して、循環する不活性ガスの風量を減少させれば不活性ガスの充填時間は短縮されるものの、ヒュームの処理能力が低下する。なお、不活性ガス供給装置の最大供給量には実用上の限界がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ヒュームコレクタに備えられた送風機の回転数を任意に切り替えることで、不活性ガスの充填時間の短縮と、ヒューム処理能力の向上を両立させる積層造形装置を提供することを主たる目的とするものである。

本発明によれば、密閉されたチャンバ内において所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の各分割層毎に金属材料粉体を均一に撒布して形成される材料粉体層上の所定の照射領域にレーザ光を照射して焼結層を形成するレーザ照射装置と、前記チャンバ内が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているように前記チャンバに不活性ガスを供給するとともにヒュームを前記チャンバの外に排出する不活性ガス給排装置とを備え、前記不活性ガス給排装置は、前記チャンバに不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置と、前記チャンバから排出された不活性ガスからヒュームを除去するヒュームコレクタとを含み、前記ヒュームコレクタは、任意の回転数に切替可能であり前記チャンバ内の不活性ガスを循環させる送風機を備える積層造形装置を提供するものである。

本発明に係る積層造形装置においては、ヒュームコレクタに任意の回転数に切替可能である送風機が備えられる。送風機の回転数を切り替えることによって循環する不活性ガスの風量を制御し、不活性ガスの充填を優先させるかヒュームの除去を優先させるかを選択することができる。状況に応じて回転数を切り替えることで不活性ガスをチャンバに短時間で充填するとともに、ヒューム処理能力を向上させることができる。

本発明の一実施形態の積層造形装置１の構成図である。図１のＤ−Ｄ矢視断面図であり、前チャンバ１１のみを表示している。粉体層形成装置３の斜視図である。リコータヘッド３３および細長部材３５，３７の斜視図である。リコータヘッド３３および細長部材３５，３７の別の角度から見た斜視図である。ヒューム拡散装置４１の詳細を示す構成図である。ヒューム拡散装置４１の斜視図である。ヒュームコレクタ４３およびファンモータ４３９の制御手段を示す構成図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に説明される複数の各構成部材における変形例は、それぞれ任意に組み合わせて実施することができる。なお、以下の説明では、積層造形装置１の機械本機において、前チャンバ１１の作業扉が設けられている側を前面または正面とし、前面に向かって右手側を右側面、左手側を左側面、後側を背面とする。図中の点線は、レーザ光Ｌの照射経路または信号線を示す。

図１に示すように、本発明の一実施形態の積層造形装置１は、実質的に密閉されるように構成されたチャンバ１０を備え、チャンバ１０は、前チャンバ１１と後チャンバ１２に分かれている。前チャンバ１１内に造形室１１１が設けられ、後チャンバ１２内に駆動室１２１が設けられる。前チャンバ１１の前面には、造形室１１１に連通する開口１１５が設けられ、開口１１５に図示しない覗窓付の作業扉が設けられている。造形室１１１と駆動室１２１は、伸縮可能なＸ軸蛇腹１４で仕切られる。造形室１１１と駆動室１２１との間には、不活性ガスが通過できるだけのわずかな隙間である連通部１５が存在している。また、積層造形装置１は、不図示のＣＡＭ装置において生成された造形データを受信し、この受信データに基づいて積層造形の制御を行う数値制御装置として制御装置２７を備える。制御装置２７は、後述する不活性ガス供給装置４２およびヒュームコレクタ４３の制御装置を兼ねる。

チャンバ１０内に駆動装置１３が設けられる。駆動装置１３は、ベース２１上に配置されたベッド２３に設置される。駆動装置１３は、造形室１１１内に配置される加工ヘッド１３５をＹ軸方向に移動させるＹ軸駆動装置１３３と、Ｙ軸駆動装置１３３をＸ軸方向に移動させるＸ軸駆動装置１３１で構成される。加工ヘッド１３５は、図示しないスピンドルを含んでなり、Ｚ軸駆動装置によってＺ軸方向に移動する。スピンドルは、エンドミルなどの回転切削工具を装着して回転させることができるように構成されている。以上の構成によって、回転切削工具を造形室１１１内の任意の位置に相対移動させて、焼結層に対して切削加工を施すことができるようになっている。この回転切削工具を用いて、所定数の焼結層が形成される度に、焼結層に対して切削加工を行ってもよい。また、リコータヘッド３３が焼結層の***部に衝突したときにも、***部を除去するために焼結層に対して切削加工を行ってもよい。

図２および図３に示すように、前チャンバ１１内に粉体層形成装置３が設けられる。粉体層形成装置３は、ベッド２３の上に水平に固定され造形領域Ｒを有するベース台３１と、ベース台３１上に配置されかつ水平１軸方向（矢印Ｂ方向）に移動可能に構成されたリコータヘッド３３と、リコータヘッド３３の移動方向に沿って造形領域Ｒの両側に設けられた細長部材３５，３７とを備える。造形領域Ｒには、上下方向（矢印Ａ方向）に移動可能な造形テーブル３９が設けられる。積層造形装置の使用時には、造形テーブル３９上に造形プレート５が配置され、その上に材料粉体層６が形成される。

リコータヘッド３３は、図４および図５に示すように、図２に示される材料供給装置１６から供給される材料粉体を貯留する材料収容部３３１と、材料収容部３３１の上面に設けられた材料供給部３３２と、材料収容部３３１の底面に設けられかつ材料収容部３３１内の金属材料粉体を排出する材料排出部３３３とを備える。材料排出部３３３は、リコータヘッド３３の移動方向（矢印Ｂ方向）に直交する水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に延びるスリット形状である。リコータヘッド３３の両側面には、材料排出部３３３から排出された金属材料粉体を平坦化して材料粉体層６を形成するブレード３３４，３３５が設けられる。金属材料粉体は、例えば平均粒径２０μｍの球形をなす鉄粉などの金属粉である。

前チャンバ１１の上方にはレーザ照射装置２５が設けられ、レーザ照射装置２５から出力されたレーザ光Ｌは、前チャンバ１１に設けられたウィンドウ１１３を透過して造形領域Ｒに形成された材料粉体層６に照射される。レーザ照射装置２５は、前チャンバ１１内において所望の形状の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層の各分割層毎に金属材料粉体を均一に撒布して形成される材料粉体層６上の所定の照射領域に所要のエネルギのレーザ光Ｌを照射して焼結層を形成する。レーザ照射装置２５は、造形領域Ｒにおいてレーザ光Ｌを二次元走査可能に構成されていればよく、例えば、レーザ光Ｌを生成するレーザ光源と、レーザ光Ｌを造形領域Ｒにおいて二次元走査可能とする一対のガルバノスキャナとで構成される。レーザ光Ｌは、金属材料粉体を焼結可能なものであればその種類は限定されず、例えば、ＣＯ２レーザ、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザなどである。ウィンドウ１１３は、レーザ光Ｌを透過可能な材料で形成される。例えば、レーザ光Ｌがファイバレーザ又はＹＡＧレーザの場合、ウィンドウ１１３は石英ガラスで構成可能である。

次に、不活性ガス給排装置４の不活性ガス供給系統とヒューム排出系統について説明する。実施形態の不活性ガス給排装置４は、ヒューム拡散装置４１と、不活性ガス供給装置４２と、ヒュームコレクタ４３と、ダクトボックス４５，４６とを含む。不活性ガス給排装置４は、チャンバ１０が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているように不活性ガスを供給するとともに、レーザ光Ｌの照射によって発生したヒューム２５によって汚染された不活性ガスをチャンバ１０の外に排出する。なお、本明細書において、不活性ガスとは、金属材料粉体と実質的に反応しないガスであり、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどが例示される。

また、不活性ガス給排装置４は、チャンバ１に設けられる複数の不活性ガスの供給口および排出口と、各供給口および各排出口と不活性ガス供給装置４２およびヒュームコレクタ４３とを接続する配管を含む。本実施例の供給口は、第１供給口４８１と、第２供給口４８２と、副供給口４８３と、ヒューム拡散装置供給口４８４と、駆動室供給口４８５からなる。本実施例の排出口は、第１排出口４９１と、第２排出口４９２と、第３排出口４９３と、第４排出口４９４と、副排出口４９５からなる。

第１供給口４８１は、第１排出口４９１の設置位置に対応して第１排出口４９１に対面するように設けられる。望ましくは、第１供給口４８１は、リコータヘッド３３が材料供給装置１６の設置位置に対して所定の照射領域を挟んで反対側に位置しているときに第１排出口４９１と対面するように、矢印Ｃ方向に沿ってリコータヘッド３３の片面に設けられる。

第１排出口４９１は、前チャンバ１１の側板に第１供給口４８１に対面するように所定の照射領域から所定距離離れて設けられる。また、第１排出口４９１に接続するように吸引装置４９６が設けられる。吸引装置４９６は、レーザ光Ｌの照射経路からヒューム７を効率よく排除することを助ける。また、吸引装置４９６によって、第１排出口４９１において、より多くの量のヒューム７を排出することができ、造形室１１１内にヒューム７が拡散しにくくなる。

第２供給口４８２は、ベース２１の端上に所定の照射領域を間に置いて第１排出口４９１に対面するように設けられる。第２供給口４８２は、リコータヘッド３３が所定の照射領域を通過して第１供給口４８１が所定の照射領域を間に置かずに第１排出口４９１に直面する位置にあるとき、第１供給口４８１から第２供給口４８２に選択的に切り換えられて開放される。そのため、第２供給口４８２は、第１供給口４８１から供給される不活性ガスと同じ所定の圧力と流量の不活性ガスを第１排出口４９１に向けて供給するので、常に同じ方向に不活性ガスの流れを作り出し、安定した焼結を行なえる点で有利である。

第２排出口４９２は、リコータヘッド３３の第１供給口４８１が設けられている片面に対して反対側の側面に、矢印Ｃ方向に沿って設けられる。第１供給口４８１から不活性ガスを供給できないとき、換言すれば、第２供給口４８２から不活性ガスを供給するときに、所定の照射領域のより近くで不活性ガスの流れを作り出していくらかのヒューム７を排出するので、ヒューム７をより効率よくレーザ光Ｌの照射経路から排除することができる。

不活性ガス給排装置４の不活性ガスの最大供給量を超えない範囲で、細長部材３５，３７にそれぞれ第３排出口４９３および第４排出口４９４が矢印Ｂ方向に沿って設けられる。所定の照射領域がより広く造形領域の前側または奥側の端にレーザ光の照射スポットがある場合は、第１供給口４８１または第２供給口４８２から第１排出口４９１までの間に形成される不活性ガスの流れにヒューム７が乗り切れずに漂流するおそれがある。第３排出口４９３および第４排出口４９４により、ヒューム７をより効率よく排出することができる。

また、実施の形態の不活性ガス給排装置４は、第１排出口４９１に対面するように前チャンバ１１の側板に設けられヒュームコレクタ４３から送給されるヒューム７が除去された清浄な不活性ガス８を造形室１１１に供給する副供給口４８３と、前チャンバ１１の上面に設けられヒューム拡散装置４１へ不活性ガスを供給するヒューム拡散装置供給口４８４と、後チャンバ１２に設けられ駆動室１２１へ不活性ガスを供給する駆動室供給口４８５と、第１排出口４９１の上側に設けられ前チャンバ１１の上側に残留するヒューム７を多く含む不活性ガスを排出する副排出口４９５とを備える。

前チャンバ１１の上面には、ウィンドウ１１３を覆うようにヒューム拡散装置４１が設けられる。ヒューム拡散装置４１は、図６および図７に示すように、円筒状の筐体４１１と、筐体４１１内に配置された円筒状の拡散部材４１２を備える。筐体４１１と拡散部材４１２の間に不活性ガス供給空間４１３が設けられる。また、筐体４１１の底面には、拡散部材４１２の内側に開口部４１４が設けられる。拡散部材４１２には多数の細孔４１５が設けられており、ヒューム拡散装置供給口４８４を通じて不活性ガス供給空間４１３に供給された清浄な不活性ガス８は細孔４１５を通じて清浄空間４１６に充満される。そして、清浄空間４１６に充満された清浄な不活性ガス８は、開口部４１４を通じてヒューム拡散装置４１の下方に向かって噴出される。この噴出された清浄な不活性ガス８は、レーザ光Ｌの照射経路に沿って流れ出てレーザ光Ｌの照射経路からヒューム７を排除し、ウィンドウ１１３がヒューム７によって汚れることを防止する。

チャンバ１０への不活性ガス供給系統には、不活性ガス供給装置４２と、ヒュームコレクタ４３が接続されている。不活性ガス供給装置４２は、不活性ガスを供給する機能を有し、例えば、周囲の空気から窒素ガスを取り出す膜式窒素セパレータを備える装置である。実施の形態の不活性ガス供給装置４２は、第１供給口４８１および第２供給口４８２を通じて不活性ガスを供給する第１不活性ガス供給装置４２１と、ヒューム拡散装置供給口４８４および駆動室供給口４８５を通じて不活性ガスを供給する第２不活性ガス供給装置４２２とからなる。第１不活性ガス供給装置４２１としては、不活性ガスの濃度を管理可能なものが好ましい。第２不活性ガス供給装置４２２は、第１不活性ガス供給装置４２１と同様の構成の装置であってもよいが、造形領域Ｒから比較的離れた位置にある供給口と接続され比較的不活性ガス濃度管理の重要性が低いので、不活性ガスの濃度を管理する機能を有していなくてもよい。ヒュームコレクタ４３は、例えば、コロナ放電により不活性ガス中のヒューム７に電荷を与え、クーロン力によってヒューム７を捕集する電気集塵機である。ヒュームコレクタ４３は、その上流側及び下流側にそれぞれダクトボックス４５，４６を有する。前チャンバ１１から排出されたヒューム７を含む不活性ガスは、ダクトボックス４５を通じてヒュームコレクタ４３に送られ、ヒュームコレクタ４３においてヒューム７が除去された清浄な不活性ガス８がダクトボックス４６を通じて前チャンバ１１の副供給口４８３へ送られる。このような構成により、不活性ガスの再利用が可能になっている。

不活性ガス供給系統として、図１および図２に示すように、第１不活性ガス供給装置４２１と、第１供給口４８１および第２供給口４８２とがそれぞれ接続され、第２不活性ガス供給装置４２２と、駆動室供給口４８５とがそれぞれ接続される。また、ヒュームコレクタ４３と副供給口４８３とがダクトボックス４６を通じて接続される。第１不活性ガス供給装置４２１および第２不活性ガス供給装置４２２は、制御装置２７を通して制御バルブが所定量開放されることによって、所定の圧力と流量の清浄な不活性ガスを前チャンバ１１および後チャンバ１２へそれぞれ供給する。後チャンバ１２内に供給された不活性ガスは、造形室１１１と駆動室１２１との間の連通部１５を通じて造形室１１１内に供給される。

また、実施の形態の積層造形装置１においては、開口１１５に設けられる作業扉が開かれた場合は、図示しない作業扉の開閉を検出する扉検知器によって制御装置２７は作業扉が開いていることを検出し、第１不活性ガス供給装置４２１を停止するが、第２不活性ガス供給装置４２２は、不活性ガスを供給し続けるようにされている。作業扉が開いているときは、造形室１１１に不活性ガスを供給しても大気中に拡散してしまうので、作業扉が開いているときに造形室１１１への不活性ガスの供給を停止することによって、不活性ガスの無駄な供給を抑制することができる。

ヒューム排出系統として、図１および図２に示すように、第１排出口４９１、第２排出口４９２、第３排出口４９３、第４排出口４９４および副排出口４９５とヒュームコレクタ４３とがダクトボックス４５を通じてそれぞれ接続される。ヒュームコレクタ４３においてヒューム７が取り除かれた後の清浄な不活性ガス８は、前チャンバ１１へと返送され再利用される。

ここで、図８に基づきヒュームコレクタ４３の構成と、ファンモータ４３９の制御方法についてより詳細に説明する。ヒュームコレクタ４３は、ヒューム排出系統との接続口となる吸込口４３１と、前チャンバ１１から排出されたヒューム７を含む不活性ガスを吸引する吸込部４３３と、ヒュームコレクタ本体４４０と、ヒューム７が除去された不活性ガスを前チャンバ１１内へ返送する排気部４３５と、不活性ガス供給系統との接続口となる排気口４３７と、ヒュームコレクタ内部の不活性ガスを効率的に循環させるための送風機であるファンモータ４３９とを備える。ヒュームコレクタ本体４４０は、プラスに荷電された針形状の荷電極４４３とアース接続された対向電極４４４とが対向配置されている荷電部４４２と、プラスに荷電された正極板４４６とアース接続された集塵板４４７とが交互に設けられる集塵部４４５とを有する集塵装置４４１を備える。

ヒューム排出系統は、ヒュームコレクタ４３の吸込口４３１と接続され、ヒューム７を含んだ不活性ガスが吸込口４３１から吸込部４３３を経由して、ヒュームコレクタ本体４４０へと送られる。ヒュームコレクタ本体４４０の集塵装置４４１では、まず不活性ガスに含まれるヒューム７が、荷電部４４２において荷電極４４３と対向電極４４４間に生じるコロナ放電によりプラスに荷電される。プラスに荷電されたヒューム７が集塵部４４５を通過する際、ヒューム７はクーロン力により正極板４４６に反発し、集塵板４４７に捕集される。集塵装置４４１によりヒューム７を除去された清浄な不活性ガス８は、ヒュームコレクタ本体４４０から排気部４３５を経由し、排気口４３７と接続された不活性ガス供給系統へと送られる。そして清浄な不活性ガス８は、ダクトボックス４６を経由して、副供給口４８３から前チャンバ１１内へと返送される。

ファンモータ４３９は、インバータ装置４７によって周波数が変換された交流によって駆動する。インバータ装置４７は、交流電源から供給される交流を直流に変換するコンバータ回路と、変換された直流を平滑化させるコンデンサと、平滑化した直流を任意の周波数の交流へと変換するインバータ回路と、インバータ回路を制御する制御部とを備える。インバータ装置４７の制御部は、後述する制御装置２７から出力される周波数切替信号に応じて、出力する交流の周波数を切り替えるとともに、例えばＶ／ｆ制御により、周波数に応じて電圧を増減させる。

チャンバ１０内の酸素濃度を測定する計測手段として、チャンバ１０内に酸素濃度計２９が設けられる。酸素濃度計２９は、チャンバ１０内の酸素濃度が任意に設定された所定濃度（第１の酸素濃度）に達した時に、制御装置２７に対して第１の信号を出力するよう構成される。また好適には、酸素濃度計２９は、チャンバ１０内の酸素濃度が任意に設定された第１の酸素濃度以下の所定濃度（第２の酸素濃度）に達した時に、制御装置２７に対して第２の信号を出力するよう構成される。第２の酸素濃度はレーザ光Ｌによる金属粉末焼結に適する酸素濃度であり、例えば、第１の酸素濃度は３．２ｖｏｌ％、第２の酸素濃度は３．０ｖｏｌ％に設定される。

制御装置２７は積層造形装置１、不活性ガス供給装置４２およびヒュームコレクタ４３の制御装置であるとともに、インバータ装置４７の出力周波数のデータベースを兼ねる。制御装置２７には、チャンバ１０内の酸素濃度に応じてファンモータ４３９を駆動させるのに適した周波数のデータが格納されている。本実施形態においては、具体的には、チャンバ１０内が高酸素濃度下であるときに適する低速回転周波数と、低酸素濃度下であるときに適する高速回転周波数のデータが格納されている。例えば、低速回転周波数は１５Ｈｚ、高速回転周波数は５０Ｈｚである。制御装置２７は、酸素濃度計２９の信号出力に応じてインバータ装置４７の制御部へ周波数の切替信号を出力する。

以下に、本実施形態の積層造形装置１におけるヒュームコレクタ４３のファンモータ４３９の制御工程について詳細に説明する。

まず、積層造形を行うにあたり、造形テーブル３９上に造形プレート５を載置し、チャンバ１０を密閉状態にする。この時点では、チャンバ１０内は空気雰囲気下であり、早急にチャンバ１０内の雰囲気ガスを不活性ガスに置換することが望まれる。また、同時にヒュームコレクタ４３、ダクトボックス４５，４６および各配管内の雰囲気も不活性ガスに置換することが望ましい。そこで、不活性ガス供給装置４２によりチャンバ１０に不活性ガスを供給する一方で、インバータ装置４７は低速回転周波数の交流を出力し、ヒュームコレクタ４３のファンモータ４３９を低速回転させる。このような構成により、不活性ガスの外部漏出と外部空気の流入を防止しながら、チャンバ１０ならびにヒュームコレクタ４３、ダクトボックス４５，４６および各配管内の雰囲気が不活性ガスに置換される。なお、この時点ではヒュームコレクタ４３の集塵装置４４１には電圧は印加されていなくてよい。また、不活性ガスの充填作業と並行して材料粉体層６を形成するリコート工程を行う。具体的には、造形テーブル３９の高さを適切な位置に調整し、材料収容部３３１内に金属材料粉体が充填されているリコータヘッド３３を矢印Ｂ方向に造形領域Ｒの右側から左側に移動させることによって、造形プレート５上に、１層目の材料粉体層６を形成する。

チャンバ１０内が十分に雰囲気ガスに満たされ酸素濃度が第１の酸素濃度に達すると、酸素濃度計２９は制御装置２７に対して第１の信号を出力する。第１の信号が入力された制御装置２７は、インバータ装置４７の制御部に対して高速回転周波数の交流を出力するよう高周波切替信号を出力する。高周波の交流を印加されたファンモータ４３９は高速で回転し、チャンバ１０およびヒュームコレクタ４３を循環する不活性ガスの風量が増加する。

さらにチャンバ１０内の酸素濃度が低下し第２の酸素濃度に達すると、酸素濃度計２９は制御装置２７に対して第２の信号を出力する。第２の信号が入力された制御装置２７は、レーザ照射装置２５を駆動させ材料粉体層６の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して焼結させることによって焼結層を形成する焼結工程を開始させるとともに、ヒュームコレクタ４３の集塵装置４４１を駆動させ荷電部４４２および集塵部４４５に高電圧を印加しヒューム７の除去を開始させる。

以降、リコート工程と焼結工程を繰り返して積層造形が行われる。各工程途中にチャンバ１０内の酸素濃度が第２の酸素濃度を超過した場合、次の焼結工程を開始する前に待機時間を設け、酸素濃度が第２の酸素濃度に再び達するまで積層造形を一時停止させる。

以上のとおり実施形態の積層造形装置１によると、チャンバ１０内の酸素濃度に応じて、ヒュームコレクタ４３のファンモータ４３９の回転数を切り替え、循環する不活性ガスの風量を制御できる。このようにして、不活性ガスの充填時間の短縮と、ヒューム処理能力の向上とが両立される。

また、本実施形態のように、酸素濃度計２９により計測された酸素濃度に応じて、インバータ装置４７によりファンモータ４３９の回転数を制御するように構成すれば、オペレータが手動でファンモータ４３９の回転数を切り替える必要がない。このようにファンモータ４３９をインバータ制御すれば、オペレータに特段の負担を掛けることなく、上述の本発明の格別の効果を享受できる。

実施形態の積層造形装置１のように、切削加工を行うための駆動装置１３を備える積層造形装置１においては、駆動装置１３を設置するためにチャンバ１０がより大きくなる。チャンバ１０が大きくなるとヒューム７の排出効率が低下する。ゆえに、駆動装置１３を備える積層造形装置１においては、不活性ガスの充填とヒューム７の除去を最適化させることができる本発明はより有用である。

本実施形態においては、造形開始時においてファンモータ４３９の駆動交流を低速回転周波数から高速回転周波数に切り替えたのみであったが、積層造形途中においてもチャンバ１０内の酸素濃度に応じて適宜周波数の切替を行うよう構成してもよい。例えば、積層造形途中においてチャンバ１０内の酸素濃度が第１の酸素濃度を超過した場合は低速回転周波数に切り替えチャンバ１０内への不活性ガスの充填を優先させ、チャンバ１０内の酸素濃度が第１の酸素濃度に達し不活性ガスからのヒューム７除去を優先させたい時は高速回転周波数に切り替えるよう構成してもよい。

本実施形態においては、チャンバ１０内が第１の酸素濃度に達した時点でファンモータ４３９の駆動交流を高速回転周波数に切り替え、第２の酸素濃度に達した時点で焼結工程の開始とヒュームコレクタ４３における集塵装置４４１の荷電部４４２および集塵部４４５への高電圧の印加を行うよう構成した。第１の酸素濃度到達時に、高速回転周波数への切り替えと荷電部４４２および集塵部４４５への高電圧印加を同時に行うよう構成してもよいが、より低酸素雰囲気下で高電圧印加を行った方が気中への漏電を抑制し過電圧が発生しにくくなるとともにオゾンが発生しにくくなるため、ヒュームコレクタ４３の安定動作およびオゾン発生抑制のためには本実施形態の方がより適している。また、第２の酸素濃度到達時に、高速回転周波数への切り替えと焼結工程の開始を同時に行うよう構成してもよいが、ファンモータ４３９を高速回転に切り替えた直後はわずかながら酸素濃度が上昇するため、焼結工程開始直後の造形品質を安定させるためには本実施形態の方がより適している。

また、本実施形態においては、ファンモータ４３９への出力電圧の周波数が２段階に切替可能に構成されたが、３段階以上に切替可能であってもよい。例えば、酸素濃度計２９によって所定の間隔でチャンバ１０内の酸素濃度値をサンプリングし、酸素濃度値に応じて１６段階に周波数を切り替えれば、より効率よく不活性ガスを充填可能である。

ヒュームコレクタ４３は不活性ガスからヒューム７を除去する装置であれば、本実施例において示した構成に限定されない。例えば、針形状の荷電極４４３の代わりに金属細線を用いてもよいし、荷電部４４２においてヒューム７にマイナスの荷電を行うよう構成してもよい。

本発明は、すでにいくつかの例が具体的に示されているように、図面に示される実施形態の構成に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形または応用が可能である。

１積層造形装置
４不活性ガス給排装置
６材料粉体層
７ヒューム
１０チャンバ
２５レーザ照射装置
４２不活性ガス供給装置
４３ヒュームコレクタ
４７インバータ装置
Ｌレーザ光
Ｒ照射領域

Claims

密閉されたチャンバ内において所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の各分割層毎に金属材料粉体を均一に撒布して形成される材料粉体層上の所定の照射領域にレーザ光を照射して焼結層を形成するレーザ照射装置と、
前記チャンバ内が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているように前記チャンバに不活性ガスを供給するとともにヒュームを前記チャンバの外に排出する不活性ガス給排装置と、
前記チャンバ内の酸素濃度を測定する計測手段と、を備え、
前記不活性ガス給排装置は、
前記チャンバに不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置と、
前記チャンバから排出された不活性ガスからヒュームを除去するヒュームコレクタと、を含み、
前記ヒュームコレクタは、前記計測手段によって測定された酸素濃度に応じて任意の回転数に切替可能であり前記チャンバ内の不活性ガスを循環させる送風機を備える、積層造形装置。
交流を直流に変換し任意の周波数の交流へと再度変換するインバータ装置と、
前記計測手段によって測定された酸素濃度に応じて前記インバータ装置で出力される交流の周波数を制御する制御手段と、をさらに備え、
前記送風機は、前記インバータ装置によって周波数を変換された交流によって駆動する、請求項１に記載の積層造形装置。