JP6356177B2 - 積層造形装置 - Google Patents

Description

この発明は、積層造形装置に関する。

レーザ光による粉末焼結積層法においては、造形テーブル上に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。

材料粉体をレーザ光によって焼結する場合は、材料粉体を変質させないように保護するとともに、所要のエネルギー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、現在の積層造形装置は、材料粉体と実質的に反応しない不活性ガス（例えば窒素ガス）で満たされるチャンバ内に材料粉体を撒布してレーザ光を照射するように操作する構成が一般的である。

また、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ーのレーザ光が焼結部位に届かなくなり、その結果、図１に示すように造形された積層造形物に異常焼結部（焼結層表面にスパッタが付着して形成された突起物）や鬆（造形物内部の空洞）が形成されやすくなり積層造形物の品質が低下してしまう。或いは、異常焼結部が材料粉体層の形成時に材料粉体を均すブレードに衝突する可能性がある。このとき異常焼結部を例えば切削により除去する必要があるため、余分に時間がかかる。そのため、ヒュームがレーザ光を遮蔽しないように、チャンバ内のヒュームを多く含む汚れた不活性ガスを常時排出しながら、清浄な不活性ガスを供給するように構成される。

ヒュームは焼結部位から発生して焼結部位の近くを覆うように上昇するが、レーザ光は、基本的に焼結部位に対してほぼ垂直方向上側から照射されるため、ヒュームとレーザ光の照射経路が重なり合ってしまう。そのため、単にチャンバ内の不活性ガスを循環させるだけでは十分にヒュームを除去できないことがある。そこで、照射経路から離れる方向にヒュームを導くようにチャンバ内の不活性ガスを排出する必要がある。

例えば、特許文献１にはレーザ光と同軸にウィンドウを包囲するカバーを設けてカバー内にチャンバ内雰囲気とは温度又は比重が異なる不活性ガスを供給することにより、チャンバ内の雰囲気を対流させる積層造形装置が開示されている。また、特許文献２及び特許文献３にはレーザ光の移動に合わせてカバー（それぞれ覆い枠、シュラウド）が移動する積層造形装置が開示されている。

特許第５７６４７５１号公報 特許第５３５５２１３号公報 特開２０１４−１２５６４３号公報

しかし、特許文献１に開示されている積層造形装置のように、異なる温度又は比重が異なる不活性ガスを供給することは、チャンバ内の雰囲気の維持が難しくなるという問題がある。また、特許文献２及び特許文献３に開示されている積層造形装置は、特許文献１に開示されている積層造形装置に比してチャンバ内の雰囲気を維持しやすいが、不活性ガスの供給とヒュームの吸引がカバー内の同じ空間内で行われるため、ヒュームがカバー内に滞留しやすくカバー内の雰囲気が悪化するおそれがある。ヒュームをより速やかに効果的にレーザ光の照射経路から除去することが必要である。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、所望の造形物を高品質に造形することができる積層造形装置を提供するものである。

本発明によれば、造形領域を覆い且つ不活性ガスで充満されるチャンバと、前記造形領域に撒布された材料粉体を焼結させて焼結層を形成するレーザ光を生成するレーザ光源と、前記チャンバ内の上部から前記造形領域に向かって形成され且つ前記造形領域側に対して開口するカバーユニットと、前記カバーユニットが設けられるホルダと、前記ホルダの位置又は前記カバーユニットの向きの少なくともいずれか一方を制御する駆動装置とを備え、前記カバーユニットは、供給された前記不活性ガスを吐出口から前記造形領域に吐出する不活性ガス供給カバーと、前記焼結層の形成時に前記造形領域上で発生したヒュームを含む不活性ガスを吸引口から吸引するヒューム吸引カバーとを有し、前記駆動装置は、前記レーザ光が前記不活性ガス供給カバーの内部を通過し前記造形領域に照射されるように前記レーザ光の照射経路に合わせて前記ホルダの位置又は前記カバーユニットの向きの少なくともいずれか一方を制御するように構成される、積層造形装置が提供される。

本発明に係る積層造形装置は、不活性ガス供給カバーとヒューム吸引カバーとを有するカバーユニットを備え、清浄な不活性ガス供給カバーの内部にレーザ光の照射経路があるように構成される。これにより、ヒュームによるレーザ光の遮断を抑制し且つ発生したヒュームが吸引カバーを介して効率的に吸引されるため、より高品質な造形物を得ることができる。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。

好ましくは、前記不活性ガス供給カバーの前記吐出口は、前記カバーユニットの造形方向側に設けられ、前記ヒューム吸引カバーの前記吸引口は、前記カバーユニットの反造形方向側に設けられる。

好ましくは、前記カバーユニットにおいて前記吐出口と前記吸引口とが隣接して設けられる。

好ましくは、前記カバーユニットにおいて前記不活性ガス供給カバーと前記ヒューム吸引カバーとが一体となって設けられる。

好ましくは、前記レーザ光源の照射端は前記ホルダ内部に設けられ、前記駆動装置は前記ホルダの位置を移動させて前記レーザ光の照射位置を移動させる。

好ましくは、前記レーザ光は、光偏向器によって照射位置を制御可能に構成され、前記駆動装置は、前記レーザ光の照射経路に合わせて前記カバーユニットの向きを制御するように構成される。

好ましくは、前記不活性ガス供給カバーは、前記チャンバ内の上部から前記造形領域に向かって断面積が小さくなるように形成される。

好ましくは、前記不活性ガス供給カバーにおける前記吐出口の径は、焼結層の形成に係る１回の前記レーザ光の走査において造形方向に直交する前記レーザ光の実質的な焼結範囲の長さの２〜２０倍である。

従来技術に係り、ヒュームによる積層造形物の品質の低下を示す概略図である。 本発明の第１実施形態に係る積層造形装置の構成図である。 本発明の第１及び第２実施形態に係る粉体層形成装置３の斜視図である。 本発明の第１及び第２実施形態に係るリコータヘッド１１の斜視図である。 本発明の第１及び第２実施形態に係るリコータヘッド１１の別の角度から見た斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るカバーユニット７０の断面を示す概略図である。 レーザ光Ｌの照射領域及び分割領域を例示する概略図である。 レーザ光Ｌの照射経路を例示する概略図である。 本発明の第１実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の第１実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の第１実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の第１実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の第２実施形態に係る積層造形装置の構成図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る積層造形装置の構成図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。

１．第１実施形態
まず、本発明の第１実施形態に係る積層造形装置について説明する。図２に示すように、本発明の第１実施形態に係る積層造形装置は、不活性ガスが充満されるチャンバ１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、造形領域Ｒを有するベース台４と、ベース台４上に配置され且つ水平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１１と、を備える。造形領域Ｒには、上下方向（図２の矢印Ａ方向）に移動可能な造形テーブル５が設けられる。積層造形装置の使用時には、造形テーブル５上に造形プレート７が配置され、その上に材料粉体層８が形成される。また、所定の照射領域は、造形領域Ｒ内に存在し、所望の三次元造形物の輪郭形状で囲繞される領域とおおよそ一致する。

造形テーブル５の周りには、粉体保持壁２６が設けられる。粉体保持壁２６と造形テーブル５とによって囲まれる粉体保持空間には、未焼結の材料粉体が保持される。図２においては不図示であるが、粉体保持壁２６の下側には、粉体保持空間内の材料粉体を排出可能な粉体排出部が設けられてもよい。かかる場合、積層造形の完了後に造形テーブル５を降下させることによって、未焼結の材料粉体が粉体排出部から排出される。排出された材料粉体は、シューターガイドによってシューターに案内され、シューターを通じてバケットに収容されることになる。

リコータヘッド１１は、図３〜図５に示すように、材料収容部１１ａと材料供給部１１ｂと材料排出部１１ｃとを有する。

材料収容部１１ａは材料粉体を収容する。なお、材料粉体は、例えば金属粉（例：鉄粉）であり、例えば平均粒径２０μｍの球形である。材料供給部１１ｂは、材料収容部１１ａの上面に設けられ、不図示の材料供給装置から材料収容部１１ａに供給される材料粉体の受口となる。材料排出部１１ｃは、材料収容部１１ａの底面に設けられ、材料収容部１１ａ内の材料粉体を排出する。なお、材料排出部１１ｃは、リコータヘッド１１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。

また、リコータヘッド１１の両側面には、ブレード１１ｆｂ、１１ｒｂとリコータヘッド供給口１１ｆｓとリコータヘッド排出口１１ｒｓとが設けられる。ブレード１１ｆｂ、１１ｒｂは、材料排出部１１ｃから排出された材料粉体を平坦化して材料粉体層８を形成する。リコータヘッド供給口１１ｆｓ及びリコータヘッド排出口１１ｒｓは、リコータヘッド１１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）に沿ってそれぞれ設けられ、不活性ガスの供給及び排出を行う（詳細は後述）。本明細書において、「不活性ガス」とは、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、ヘリウムガス等が例示される。

チャンバ１の上方にはレーザ光源４２が設けられる。図２、図６に示すように、レーザ光源４２は、光ケーブル４２ａを通じ光コネクタ４３ａを介してホルダ４３と接続されている。光コネクタ４３ａの先端からレーザ光Ｌが照射されるので、図６では光コネクタ４３ａの先端をレーザ光照射端４３ｂとして表記している。

ホルダ４３は、その内部においてレーザ光Ｌがコリメータ４４と光学処理ユニット４５と保護ガラス４５ａとカバーユニット７０における不活性ガス供給カバー７１とを通り、造形領域Ｒ上に撒布された材料粉体層８を焼結するように、チャンバ１内の上部から造形領域Ｒに向かって延びるように構成される。ホルダ４３は駆動装置６５により、造形領域Ｒ上の任意の位置に移動可能である。コリメータ４４は、レーザ光Ｌを平行光にする。光学処理ユニット４５は、レーザ光Ｌの照射スポットの形状等を制御する。カバーユニット７０については後に詳述するものとする。

以上のような構成によれば、レーザ光Ｌはホルダ４３の直下方向に照射される。そのため、ホルダ４３を所望の位置に移動させることで、所望の位置にレーザ光Ｌを照射することができる。

レーザ光Ｌは、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、ＣＯ_２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザなどである。

ホルダ４３の下側にはカバーユニット７０が設けられる。ホルダ４３の高さを制御することで、カバーユニット７０の先端が造形領域Ｒに近接可能に構成され、当該先端は開口している。カバーユニット７０は、不活性ガス供給カバー７１とヒューム吸引カバー７２から成る２つのカバーを有し、それらの開口部（それぞれ吐出口７１ｂ及び吸引口７２ｂと称する。）が略隣接するように構成される。図６に示す例においては、不活性ガス供給カバー７１とヒューム吸引カバー７２とが一体となって構成されている。

不活性ガス供給カバー７１は、その内部に不活性ガスを供給する供給口としてカバーユニット供給口７１ａを有する。カバーユニット供給口７１ａは、後述する不活性ガス供給装置１５と接続され、清浄な不活性ガスが不活性ガス供給カバー７１の内部に細孔７１ｃを介して流れ込むように構成される。不活性ガス供給カバー７１の内部は、光学処理ユニット４５と保護ガラス４５ａを介して空間的に隔てられており、保護ガラス４５ａは、レーザ光Ｌを透過させつつもヒュームを含んだ不活性ガスの上部への流入を防止する。例えば、レーザ光Ｌがファイバーレーザ又はＹＡＧレーザの場合、保護ガラス４５ａは石英ガラスで構成可能である。

ヒューム吸引カバー７２は、その吸引口７２ｂが不活性ガス供給カバー７１における吐出口７１ｂと略隣接するように設けられている。また、ヒューム吸引カバー７２は、その内部がホルダ４３の側面へと向かうように設けられ、当該側面にはカバーユニット排出口７２ａが設けられている。カバーユニット排出口７２ａは、ダクトボックス２１を介して後述するヒュームコレクタ１９と接続され、ヒュームを含んだ不活性ガスがヒューム吸引カバー７２の内部に流れ込むように構成される。

次に、不活性ガス給排系統について説明する。不活性ガス給排系統は、チャンバ１に設けられる複数の不活性ガスの供給口及び排出口と、各供給口及び各排出口と不活性ガス供給装置１５及びヒュームコレクタ１９とを接続する配管を含む。本実施形態では、リコータヘッド供給口１１ｆｓ、チャンバ供給口１ｂ、副供給口１ｅ、及びカバーユニット供給口７１ａを含む供給口と、チャンバ排出口１ｃ、リコータヘッド排出口１１ｒｓ、及びカバーユニット排出口７２ａとを含む排出口を備える。

リコータヘッド供給口１１ｆｓは、チャンバ排出口１ｃの設置位置に対応してチャンバ排出口１ｃに対面するように設けられる。好ましくは、リコータヘッド供給口１１ｆｓは、リコータヘッド１１が不図示の材料供給装置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チャンバ排出口１ｃと対面するように、矢印Ｃ方向に沿ってリコータヘッド１１の片面に設けられる。

チャンバ排出口１ｃは、チャンバ１の側板にリコータヘッド供給口１１ｆｓ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、チャンバ排出口１ｃに接続するように不図示の吸引装置が設けられるとよい。当該吸引装置は、レーザ光Ｌの照射経路からヒュームを効率よく排除することを助ける。また、吸引装置によってチャンバ排出口１ｃにおいて、より多くの量のヒュームを排出することができ、造形空間１ｄ内にヒュームが拡散しにくくなる。

チャンバ供給口１ｂは、ベース台４の端上に所定の照射領域を間に置いてチャンバ排出口１ｃに対面するように設けられる。チャンバ供給口１ｂは、リコータヘッド１１が所定の照射領域を通過してリコータヘッド供給口１１ｆｓが所定の照射領域を間に置かずにチャンバ排出口１ｃに直面する位置にあるとき、リコータヘッド供給口１１ｆｓからチャンバ供給口１ｂに選択的に切り換えられて開放される。そのため、チャンバ供給口１ｂは、リコータヘッド供給口１１ｆｓ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チャンバ排出口１ｃ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。

リコータヘッド排出口１１ｒｓは、リコータヘッド１１のリコータヘッド供給口１１ｆｓ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。リコータヘッド供給口１１ｆｓから不活性ガスを供給できないとき、換言すれば、チャンバ供給口１ｂ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を排出するので、ヒューム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。

また、本実施形態の不活性ガス給排系統は、チャンバ排出口１ｃに対面するようにチャンバ１の側板に設けられヒュームコレクタ１９から送給されるヒュームが除去された清浄な不活性ガスを造形空間１ｄに供給する副供給口１ｅと、カバーユニット７０における不活性ガス供給カバー７１の内部に不活性ガスを供給するカバーユニット供給口７１ａと、ヒューム吸引カバー７２を介してヒュームを多く含む不活性ガスを排出するカバーユニット排出口７２ａとを備える。

チャンバ１への不活性ガス供給系統には、不活性ガス供給装置１５と、ヒュームコレクタ１９が接続されている。不活性ガス供給装置１５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。本実施形態では、図２に示すように、リコータヘッド供給口１１ｆｓ、チャンバ供給口１ｂ、及びカバーユニット供給口７１ａと接続される。

ヒュームコレクタ１９は、その上流側及び下流側にそれぞれダクトボックス２１、２３を有する。チャンバ１から排出されたヒュームを含む不活性ガスは、ダクトボックス２１を通じてヒュームコレクタ１９に送られ、ヒュームコレクタ１９においてヒュームが除去された清浄な不活性ガスがダクトボックス２３を通じてチャンバ１の副供給口１ｅ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。

ヒューム排出系統として、図２に示すように、チャンバ排出口１ｃ、リコータヘッド排出口１１ｒｓ及びカバーユニット排出口７２ａとヒュームコレクタ１９とがダクトボックス２１を通じてそれぞれ接続される。ヒュームコレクタ１９においてヒュームが取り除かれた後の清浄な不活性ガスは、チャンバ１へと返送され再利用される。

なお、上記不活性ガス給排系統はあくまでも例示でありこれに限るものではないが、特に、不活性ガス供給系統はホルダ４３に設けられるカバーユニット７０において不活性ガス供給カバー７１が備えるカバーユニット供給口７１ａと接続されており、ヒューム排出系統はホルダ４３に設けられるカバーユニット７０において不活性ガス供給カバー７１が備えるカバーユニット排出口７２ａと接続されている。

図６に示すように、カバーユニット供給口７１ａに不活性ガスを供給することによって、不活性ガスは、不活性ガス供給カバー７１を通り吐出口７１ｂから造形空間１ｄ（特に造形領域Ｒ）に向けて吐出される。これによって不活性ガス供給カバー７１の内部をヒュームの無い清浄な状態に保つことができる。その結果、不活性ガス供給カバー７１の内部を通過するレーザ光Ｌがヒュームに遮断されることなく材料粉体層８に照射されることとなる。

好ましくは、カバーユニット供給口７１ａに供給される不活性ガスは、他の供給口に供給される不活性ガスの圧力よりも若干高い（例えば５％以上高い）圧力に設定されるとよい。これにより、不活性ガス供給カバー７１の内部から造形空間１ｄへ向かう気流が形成されやすくなる。また、不活性ガス供給カバー７１の内部を特に清浄に保つために、吐出口７１ｂへ向かう気流の流速を材料粉体を巻き上げない程度に速めることが好ましい。また、不活性ガスはレーザ光Ｌの照射位置に対して局所的に供給されることが好ましい。そのために、不活性ガス供給カバー７１の断面が上部から下部に向かって断面が小さくなる構造であることが好ましい。なお、図６に示すホルダ４３及びカバーユニット７０の断面の形状及び構成はあくまでも例示でありこの限りではない。

本実施形態では、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが副供給口１ｅに送られ、不活性ガス供給装置１５からの不活性ガスがリコータヘッド供給口１１ｆｓ、チャンバ供給口１ｂ、及びカバーユニット供給口７１ａに送られるように構成されている。ヒュームコレクタ１９からの不活性ガス中には除去しきれなかったヒュームが残留するおそれがあるが、本実施形態の構成では、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが特に高い清純度が要求される空間（不活性ガス供給カバー７１の内部及び造形領域Ｒ近傍の空間）に供給されないので、残留ヒュームの影響を最小限にすることができる。また、不活性ガス供給装置１５からの不活性ガスの供給圧力を、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスの供給圧力よりも高くすることによって、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが不活性ガス供給カバー７１の内部及び造形領域Ｒ近傍の空間に近づくことが抑制され、残留ヒュームの影響が更に効果的に抑制される。

上述の通り、不活性ガス供給カバー７１の内部にレーザ光Ｌの照射経路があり、かかるレーザ光Ｌの照射により材料粉体層８が焼結され焼結層８ｆが形成される。このときにヒュームが発生する。本実施形態では、不活性ガス供給カバー７１における吐出口７１ｂ及びヒューム吸引カバー７２の吸引口７２ｂは略隣接しており、且つ駆動装置６５によってホルダ４３を下降させヒューム吸引カバー７２の吸引口７２ｂを造形領域Ｒに極力近接させることができる。これによって、レーザ光Ｌの照射に伴い発生したヒュームを従来技術に比しても明らかにヒュームが発生位置に近い位置で吸引することができる構成となっている。

更に、図６に示すように、不活性ガス供給カバー７１の吐出口７１ｂは、カバーユニット７０の造形方向側に設けられ、ヒューム吸引カバー７２の吸引口７２ｂは、カバーユニット７０の反造形方向側に設けられることが好ましい。かかる構成であれば、造形方向と逆方向に気流が形成されるため、吐出口７１ｂから吐出され発生したヒュームを回収し吸引口７２ｂへと運ぶ不活性ガスの気流がより効果的に形成できる。更には、造形中に吸引口７２ｂが既にレーザ光Ｌが照射された焼結層の上に位置することになるため、吸引口７２ｂから不用意に材料粉体が吸引されることを防止することができる。このような構成にするために、カバーユニット７０の向きが固定される場合は、造形方向を一定にすればよい。或いは、カバーユニット７０を回転可能に構成し、造形方向に応じて吐出口７１ｂ、吸引口７２ｂの位置を変更してもよい。

ここで、造形方向について説明する。レーザ光Ｌによる焼結層の形成にあたっては、図７（ａ）に示すように、各材料粉体層８毎の照射領域を所定の長さ毎に分割し、分割された各分割領域毎にレーザ光Ｌをラスタ走査させ焼結層を形成することを繰り返し、照射領域と対応する所望の焼結層を形成する。ここでは、焼結層を各分割領域に分割する幅を分割幅、分割幅に係る方向に直交し各分割領域において徐々に焼結層が形成されていく方向を造形方向と呼ぶ。なお、図７（ａ）における矢印はある分割領域におけるレーザ光Ｌの照射経路の一例を示しており、以下において詳細に説明する。

図８には、各分割領域毎のレーザ光Ｌの照射経路が例示される。図８（ａ）は、長手方向が分割幅の長さと一致する横長形状（本例では角丸長方形状）のスポット形状を有するレーザ光Ｌを利用した例で、造形方向がレーザ光Ｌの走査方向と一致している。図８（ｂ）及び図８（ｃ）は、略円状のスポット形状を有するレーザ光Ｌを利用した例であり、分割幅と同じ長さの直線走査経路が並列に配列され、造形方向に沿って各直線走査を連続的に行う。かかる場合は、造形方向と各直線走査の方向とが直交する。なお、図８に矢印で示すレーザ光Ｌの照射経路において、実線部はレーザ光Ｌの照射がＯＮの状態であることを、点線部はレーザ光Ｌの照射がＯＦＦの状態であることをそれぞれ示す。

図８（ｂ）や図８（ｃ）に示されるような略円形状のスポット形状を有するレーザ光Ｌを用いた積層造形方法における各直線走査は、造形時間を短くするために可能な限り高速で走査されることが望ましく、一般に、ガルバノスキャナ等高速走査が可能な光偏向器がレーザ光Ｌの走査装置として用いられる。

対して、本実施形態ではレーザ光Ｌの照射位置を駆動装置６５により走査させるので従来のガルバノスキャナ等による走査と比較して高速走査ができない。したがって、高速走査が要求されない図８（ａ）のような長手方向が分割幅の長さと一致する横長形状のスポット形状を有するレーザ光Ｌを利用することが好ましい。一方、図８（ｂ）や図８（ｃ）のような略円状のスポット形状を有するレーザ光Ｌを利用する場合は、ガルバノスキャナ等の高速走査が可能な光偏向器を用いることが適しており、こちらについては第２実施形態で述べる。或いは、ホルダ４３の内部にこうした光偏向器を設けて、造形方向については駆動装置６５による走査、分割幅に係る方向については光偏向器による走査というように、両者を組み合わせて実施してもよい。

なお、焼結層の形成にあたっては、各分割領域を造形方向に沿って更に分割してもよい。ここでは例として、図７（ｂ）に示すように、ある分割領域を分割領域α、分割領域β、分割領域γに分割する。このとき、更に分割された分割領域の焼結は、例えば分割領域α、分割領域γ、分割領域βの順に行われる等、隣接した各分割領域の焼結は必ずしも連続して行われなくてもよい。また、照射領域の周縁部はベクトル走査により焼結層を形成してもよい。なお、ベクトル走査を行うときは例外的に造形方向は走査方向と同一方向であると定義する。

また、吐出口７１ｂの径は、分割幅の長さの２〜２０倍程度の大きさであることが好ましい。換言すれば、焼結層の形成に係る１回のレーザ光Ｌの走査において造形方向に直交するレーザ光Ｌの実質的な焼結範囲の長さの２〜２０倍程度の大きさであることが好ましい。このような構成によれば、不活性ガス供給カバー７１とレーザ光Ｌとの干渉を防止するとともに、より局所的に不活性ガスを供給することができる。

次に、図２及び図９〜図１２を用いて、上記の積層造形装置を用いた積層造形方法について説明する。なお、図９〜図１２では、視認性を考慮して図２においては図示した構成要素の一部を省略している。

まず、造形テーブル５上に造形プレート７を載置した状態で造形テーブル５の高さを適切な位置に調整する（図９）。この状態で材料収容部１１ａ内に材料粉体が充填されているリコータヘッド１１を図２の矢印Ｂ方向に造形領域Ｒの左側から右側に移動させることによって、造形プレート７上に１層目の材料粉体層８を形成する（図１０）。なお、図９及び図１０に示すように、リコータヘッド１１を移動させる際は、リコータヘッド１１とホルダ４３との物理的干渉を防止するために、ホルダ４３を退避位置（図中右上）に退避させている。

続いて、図１１に示すように、ホルダ４３を退避位置から照射位置に移動させ、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射して材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、１層目の焼結層８１ｆを得る。この焼結の際に発生するヒュームは、主に、ヒューム吸引カバー７２の吸引口７２ｂから吸引され、カバーユニット排出口７２ａを通じて排出される。

続いて、造形テーブル５の高さを材料粉体層８の１層分下げ、リコータヘッド１１を造形領域Ｒの右側から左側に移動させることによって、焼結層８１ｆ上に２層目の材料粉体層８を形成する。リコータヘッド１１の移動中もリコータヘッド排出口１１ｒｓでヒュームが吸引される。この際のヒューム吸引は、ヒューム発生部位に非常に近い位置で行われるので特に効果的である。

続いて、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射し材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図１２に示すように、２層目の焼結層８２ｆを得る。この焼結の際に発生するヒュームは、主に、ヒューム吸引カバー７２の吸引口７２ｂから吸引され、カバーユニット排出口７２ａを通じて排出される。

以上の工程を繰り返すことによって、３層目以降の焼結層が形成される。隣接する焼結層は、互いに強く固着される。

必要数の焼結層を形成した後、未焼結の材料粉体を除去することによって、造形した焼結体を得ることができる。この焼結体は、例えば樹脂成形用の金型として利用可能である。

２．第２実施形態
以下、本発明の第２実施形態に係る積層造形装置について説明する。なお、第１実施形態に係る積層造形装置と共通する部分については詳細説明を省略する。

第２実施形態では、図１３に示すように、チャンバ１の上方にはレーザ光Ｌを生成するレーザ光源４２とレーザ光Ｌを造形領域Ｒにおいて２次元走査可能とする光偏向器とを含むレーザ光照射部１３が設けられ、レーザ光照射部１３から出力されたレーザ光Ｌは、チャンバ１に設けられたウィンドウ１ａを透過して造形領域Ｒに形成された材料粉体層８に照射される。レーザ光照射部１３は、造形領域Ｒにおいてレーザ光Ｌを２次元走査可能に構成されていればよく、例えば、光偏向器として１対のガルバノスキャナが用いられる。或いは１対のガルバノスキャナに代えて電圧印加によって屈折率を自在に制御可能なＫＴＮスキャナを用いてもよい。なおここではＫＴＮスキャナとは、電気光学効果を有するＫＴＮ（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）結晶又はＫＬＴＮ（Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３）結晶を用いた光偏向器をいう。レーザ光Ｌは、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、ＣＯ_２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザなどである。ウィンドウ１ａ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がファイバーレーザ又はＹＡＧレーザの場合、ウィンドウ１ａは石英ガラスで構成可能である。

チャンバ１の上面には、ウィンドウ１ａを覆うようにヒューム拡散部１７が設けられる。ヒューム拡散部１７は、円筒状の筐体１７ａと、筐体１７ａ内に配置された円筒状の拡散部材１７ｃを備える。筐体１７ａと拡散部材１７ｃの間に不活性ガス供給空間１７ｄが設けられる。また、筐体１７ａの底面には、拡散部材１７ｃの内側に開口部１７ｂが設けられる。拡散部材１７ｃには多数の細孔１７ｅが設けられており、ヒューム拡散装置供給口１７ｇより不活性ガス供給空間１７ｄに供給された清浄な不活性ガスは細孔１７ｅを通じて清浄空間１７ｆに充満される。そして、清浄空間１７ｆに充満された清浄な不活性ガスは、開口部１７ｂを通じてヒューム拡散部１７の下方に向かって噴出される。なお、ヒュームが清浄空間１７ｆ内に侵入することをできるだけ抑制すべく、開口部１７ｂは、できるだけ小さい断面積に形成されることが好ましく、具体的には、造形領域Ｒの全体に渡ってレーザ光Ｌが２次元走査される際にレーザ光Ｌが筐体１７ａによって遮断されない最小の断面積に形成することが好ましい。

ヒューム拡散部１７はカバーユニット７０と接続される。第２実施形態に係るカバーユニット７０も、第１実施形態同様に、不活性ガス供給カバー７１とヒューム吸引カバー７２を有するものである。第２実施形態に係るカバーユニット７０は、ホルダ４３に設けられ、駆動装置６５によってレーザ光Ｌの照射経路に合わせてその向きが制御される。なお、向きを制御するだけでは、ガルバノスキャナの角度変化に伴い、カバーユニット７０にレーザ光Ｌが進入する位置がずれることとなる。したがって、当該ずれに関わらずレーザ光Ｌがカバーユニット７０を通過して造形領域Ｒへ到達するように実施する。

或いは、カバーユニット７０の向きだけではなくホルダ４３の水平方向における位置をレーザ光Ｌの照射経路に合わせて移動させ上述のずれが発生しないように構成してもよい。すなわち、レーザ光Ｌの光軸をカバーユニット７０における不活性ガス供給カバー７１の中心軸に略整合させることで当該ずれは発生しないように構成してもよい。

清浄空間１７ｆに充満された清浄な不活性ガスは、開口部１７ｂから不活性ガス供給カバー７１の内部を通りその吐出口７１ｂから造形空間１ｄ（特に造形領域Ｒ）に向けて吐出される。このとき不活性ガス供給カバー７１の断面が上部から下部に向かって断面積が小さくなる構造であると吐出される不活性ガスの流速が向上し、より好適に不活性ガス供給カバー７１の内部をヒュームの無い清浄な状態に保つことができる。その結果、不活性ガス供給カバー７１の内部を通過するレーザ光Ｌがヒュームに遮断されることなく材料粉体層８に照射されることとなる。また、より局所的に不活性ガスを供給することができる。

不活性ガス供給カバー７１における吐出口７１ｂ及びヒューム吸引カバー７２の吸引口７２ｂは略隣接しており、駆動装置６５によってヒューム吸引カバー７２の吸引口７２ｂを造形領域Ｒに極力近接させることができる。これによって、レーザ光Ｌの照射に伴い発生したヒュームを従来技術に比しても明らかに近い位置で吸引することができる構成となっている。

更に、第１実施形態と同様に、不活性ガス供給カバー７１の吐出口７１ｂは、カバーユニット７０の造形方向側に設けられ、ヒューム吸引カバー７２の吸引口７２ｂは、カバーユニット７０の反造形方向側に設けられることが好ましい。かかる構成であれば、造形方向と逆方向に気流が形成されるため、吐出口７１ｂから吐出され発生したヒュームを回収し吸引口７２ｂへと運ぶ不活性ガスの気流がより効果的に形成できる。更には、造形中に吸引口７２ｂが既にレーザ光Ｌが照射された焼結層の上に位置することになるため、吸引口７２ｂから不用意に材料粉体が吸引されることを防止することができる。このような構成にするために、カバーユニット７０が固設される場合は、造形方向を一定にすればよい。或いは、カバーユニット７０を回転可能に構成し、造形方向に応じて吐出口７１ｂ、吸引口７２ｂの位置を変更してもよい。

３．変形例
上述の通り、第１及び第２実施形態に係る積層造形装置はともに、不活性ガス供給カバー７１とヒューム吸引カバー７２とが一体として構成されるカバーユニット７０を備えるものである。しかしながら当該例に拘泥されず、例えば、不活性ガス供給カバー７１とヒューム吸引カバー７２とが独立に並んで構成されてもよい。或いは、吐出口７１ｂと吸引口７２ｂとが隣接しているものの、不活性ガス供給カバー７１とヒューム吸引カバー７２とが一体でないように構成されてもよい。図１４に示す断面の形状はあくまでも例示でありこの限りではない。また、図１４では、第１実施形態を例に取り変形例が示されているが、第２実施形態についても同様である。

上述の通り、第１及び第２実施形態に係る積層造形装置はともに、不活性ガス供給カバー７１の断面が上部から下部に向かって断面が小さくなる構造により不活性ガスの流速が向上し、これによって不活性ガス供給カバー７１の内部をヒュームの無い清浄な状態に保つことができる。また、より局所的に不活性ガスを供給することができる。しかしながら当該例に拘泥されず、材料粉体を巻き上げない程度に速い気流が形成され、局所的に不活性ガスを供給できる構造であればよい。例えばパイプ状で全体的に断面が小さいものであってもよい。

第１及び第２実施形態に係る積層造形装置は、切削工具を取り付け可能なスピンドルを有する加工ヘッドを備えてもよい。この場合、所定数（例：１０層）の焼結層を形成する度に造形物に対して切削加工を行うことができる。

１：チャンバ、１ａ：ウィンドウ、１ｂ：チャンバ供給口、１ｃ：チャンバ排出口、１ｄ：造形空間、１ｅ：副供給口、３：粉体層形成装置、４：ベース台、５：造形テーブル、７：造形プレート、８：材料粉体層、８ｆ、８１ｆ、８２ｆ：焼結層、１１：リコータヘッド、１１ａ：材料収容部、１１ｂ：材料供給部、１１ｃ：材料排出部、１１ｆｂ、１１ｒｂ：ブレード、１１ｆｓ：リコータヘッド供給口、１１ｒｓ：リコータヘッド排出口、１３：レーザ光照射部、１５：不活性ガス供給装置、１７：ヒューム拡散部、１７ａ：筐体、１７ｂ：開口部、１７ｃ：拡散部材、１７ｄ：不活性ガス供給空間、１７ｅ：細孔、１７ｆ：清浄空間、１７ｇ：ヒューム拡散装置供給口、１９：ヒュームコレクタ、２１、２３：ダクトボックス、２６：粉体保持壁、４２：レーザ光源、４２ａ：光ケーブル、４３：ホルダ、４３ａ：光コネクタ、４３ｂ：レーザ光照射端、４４：コリメータ、４５：光学処理ユニット、４５ａ：保護ガラス、６５：駆動装置、７０：カバーユニット、７１：不活性ガス供給カバー、７１ａ：カバーユニット供給口、７１ｂ：吐出口、７１ｃ：細孔、７２：ヒューム吸引カバー、７２ａ：カバーユニット排出口、７２ｂ：吸引口、Ｌ：レーザ光、Ｒ：造形領域。

Claims (7)

1. 造形領域を覆い且つ不活性ガスで充満されるチャンバと、
   前記造形領域に撒布された材料粉体を焼結させて焼結層を形成するレーザ光を生成するレーザ光源と、
   前記チャンバ内の上部から前記造形領域に向かって形成され且つ前記造形領域側に対して開口するカバーユニットと、
   前記カバーユニットが設けられるホルダと、
   前記ホルダの位置又は前記カバーユニットの向きの少なくともいずれか一方を制御する駆動装置と、を備え、
   前記カバーユニットは、供給された前記不活性ガスを前記カバーユニットの造形方向側に設けられた吐出口から前記造形領域に吐出する不活性ガス供給カバーと、前記焼結層の形成時に前記造形領域上で発生したヒュームを含む不活性ガスを前記カバーユニットの反造形方向側に設けられた吸引口から吸引するヒューム吸引カバーとを有し、
   前記駆動装置は、前記レーザ光が前記不活性ガス供給カバーの内部を通過し前記造形領域に照射されるように前記レーザ光の照射経路に合わせて前記ホルダの位置又は前記カバーユニットの向きの少なくともいずれか一方を制御するように構成される、
   積層造形装置。
2. 前記カバーユニットにおいて前記吐出口と前記吸引口とが隣接して設けられる、請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記カバーユニットにおいて前記不活性ガス供給カバーと前記ヒューム吸引カバーとが一体となって設けられる、請求項２に記載の積層造形装置。
4. 前記レーザ光源の照射端は前記ホルダ内部に設けられ、前記駆動装置は前記ホルダの位置を移動させて前記レーザ光の照射位置を移動させる、請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の積層造形装置。
5. 前記レーザ光は、光偏向器によって照射位置を制御可能に構成され、
   前記駆動装置は、前記レーザ光の照射経路に合わせて前記カバーユニットの向きを制御するように構成される、請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の積層造形装置。
6. 前記不活性ガス供給カバーは、前記チャンバ内の上部から前記造形領域に向かって断面積が小さくなるように形成される、請求項１〜請求項５の何れか１つに記載の積層造形装置。
7. 前記不活性ガス供給カバーにおける前記吐出口の径は、焼結層の形成に係る１回の前記レーザ光の走査において造形方向に直交する前記レーザ光の実質的な焼結範囲の長さの２〜２０倍である、請求項１〜請求項６の何れか１つに記載の積層造形装置。