JP6872922B2

JP6872922B2 - 三次元積層造形装置

Info

Publication number: JP6872922B2
Application number: JP2017023511A
Authority: JP
Inventors: 原口　英剛; 英剛原口; 秀次谷川; 仁北村; 宏介藤原; 正樹種池; 利信大原
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2021-05-19
Anticipated expiration: 2037-02-10
Also published as: JP2018126985A

Description

本開示は、三次元積層造形装置に関する。

従来より、粉末層にビーム（例えばレーザビーム又は電子ビーム）を照射して粉末層を選択的に固化する三次元積層造形方法が知られている。この種の三次元積層造形方法では、粉末層にビームを照射して粉末を焼結又は溶融により固化させる際に、ヒュームと呼ばれる煙状の物質がビーム照射位置から発生する。ヒュームは、粉末層が金属粉末からなる場合に顕著に発生するが、粉末層が樹脂粉末等からなる場合にも発生する。

ヒュームがビームの経路を遮ると、ビームのエネルギー量が低下したり、ビーム形状が変形することがある。また、ビームのエネルギー量が低下すると、造形品質に影響し、強度不足や形状精度の低下生じる恐れがある。

特許文献１には、ヒュームによるビームの遮りを防止するために、チャンバ内に入射したビームの経路から離れた位置に局所的なガス流れを形成する技術が開示されている。

特許第５６５３３５８号公報

特許文献１に記載されるようにビームの経路から離れた位置に局所的なガス流れを形成したとしても、ビーム照射位置の近傍に存する発生直後のヒュームによってビームの経路が遮られると、ビームのエネルギー量が低下したり、ビーム形状が変形することがある。このため、依然として、ヒュームに起因して造形品質の低下が生じる恐れがあった。

本発明の少なくとも一実施形態は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、ヒュームに起因する造形品質の低下を抑制可能な三次元積層造形装置を提供することである。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置は、ベースプレートと、
前記ベースプレート上に形成された粉末層を選択的に固化するように前記粉末層にビームを照射するためのビーム照射ユニットと、前記粉末層上にガス流れを形成するためのガス流れ形成ユニットと、を備え、前記ビーム照射ユニットは、前記ガス流れの流れ方向において互いに異なる位置に設けられた２台以上の複数のスキャナを含む。

本願発明者の鋭意検討の結果、ガス流れの流れ方向における下流側からビームを照射する場合、鉛直方向に対するビームの照射角が相対的に大きい場合と比較して、鉛直方向に対するビームの照射角が相対的に小さい場合の方が、ビームがヒュームに遮られにくく、ビームに対するヒュームの影響が小さくなる傾向があることが明らかとなった。

そこで、上記（１）に記載の三次元積層造形装置では、上記のように、ガス流れの流れ方向における互いに異なる位置に複数のスキャナを設けている。かかる構成では、一つのスキャナによってベースプレート上の造形可能領域全体を走査する場合と比較して、造形可能領域の面積をガス流れの流れ方向に分割して、ガス流れの流れ方向において一個のスキャナが走査する範囲を狭くすることができる。このため、一つのスキャナによってベースプレート上の造形可能領域全体を走査する場合と比較して、鉛直方向に対するビームの照射角を小さくすることができる。

これにより、ビームがヒュームに遮られにくくなり、ビームに対するヒュームの影響を低減することができる。したがって、ヒュームに起因する造形品質の低下を抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の三次元積層造形装置において、前記ビーム照射ユニットを制御するコントローラを更に備え、前記ベースプレートは、前記複数のスキャナにそれぞれ対応するように前記ガス流れの流れ方向に沿って配列された複数の造形可能領域を含み、前記コントローラは、前記複数のスキャナによって前記造形可能領域の各々に対して前記ビームを走査するよう構成される。

上記（２）に記載の三次元積層造形装置によれば、一つのスキャナによってベースプレート上の造形可能領域全体を走査する場合と比較して、コントローラの制御によって造形可能領域の面積をガス流れの流れ方向に分割して、ガス流れの流れ方向において一個のスキャナが走査する範囲を狭くすることができる。このため、一つのスキャナによってベースプレート上の造形可能領域全体を走査する場合と比較して、鉛直方向に対するビームの照射角を小さくすることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）に記載の三次元積層造形装置において、前記コントローラは、前記複数のスキャナによって前記造形可能領域の各々に対して前記ビームを同時に照射する同時照射モードを実行可能に構成される。

上記（３）に記載の三次元積層造形装置によれば、三次元積層造形装置における造形処理のスループットを向上することができる。なお、コントローラは、同時照射モードを実行せずに、スキャナ毎に個別のタイミングでビームの照射を実行させてもよい。すなわち、コントローラは、１つのスキャナによるビームの照射の終了後に他のスキャナにビームの照射を実行させてもよい。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）に記載の三次元積層造形装置において、前記コントローラは、前記同時照射モードを実行する場合に、前記複数の造形可能領域に対して前記流れ方向に直交する方向において互いに異なる位置に照射するように前記スキャナを制御するよう構成される。

上記同時照射モードを実行する場合において、複数の造形可能領域に対して、ガス流れの流れ方向に直交する方向において同一位置にビームを照射する場合ガス流れの流れ方向において上流側のスキャナによるビームの照射位置から生じたヒュームは、ガス流れによって下流側に流れて、下流側のスキャナからのビームを遮ってしまう。

この点、上記（４）に記載の三次元積層造形装置によれば、上記のように、同時照射モードを実行する場合に、複数の造形可能領域に対して、ガス流れの流れ方向に直交する方向において互いに異なる位置にビームを照射することにより、上流側のスキャナによるビームの照射位置から生じたヒュームがガス流れによって下流側に流れても、下流側のスキャナのビームが当該ヒュームから影響を受けにくくなる。したがって、ヒューム１６に起因する造形品質の低下を抑制することができる。

（５）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形方法は、三次元積層造形装置のベースプレート上の粉末層にビームを照射して選択的に固化する三次元積層造形方法において、前記ベースプレート上に上流から下流に向かうガス流れを形成するステップと、第一のスキャナを通して照射するビームの位置と、第二のスキャナを通して照射するレーザの位置とが異なるように各ビームの照射位置を決定するステップと、前記第一のスキャナは、前記ベースプレート上の前記ガス流れの上流側の造形可能領域にレーザを照射するステップと、前記第二のスキャナは、前記ベースプレート上の前記ガス流れの下流側の造形可能領域にレーザを照射するステップと、を備える。

上記（５）に記載の三次元積層造形方法によれば、第一のスキャナ及び第二のスキャナによって適切な位置から各造形可能領域にビームを照射することでビームに対するヒュームの影響を低減することができる。したがって、ヒュームに起因する造形品質の低下を抑制することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）に記載の三次元積層造形方法において、前記上流側の造形可能領域と前記下流側の造形可能領域の両方にビームを照射する領域がまたがるか判定するステップと、前記第一のスキャナか前記第二のスキャナのどちらかを選択するステップと、前記上流側の造形可能領域と前記下流側の造形可能領域の両方にビームを照射する領域がまたがると判定した場合に、選択された前記スキャナが、前記上流側の造形可能領域と前記下流側の造形可能領域のうち該スキャナに対応する本来の造形可能領域に隣接する造形可能領域にレーザを照射するステップと、をさらに備える。

上記（６）に記載の三次元積層造形方法によれば、第一のスキャナ及び第二のスキャナによって適切な位置から上流側の造形可能領域と下流側の造形可能領域とにまたがってビームを照射することでビームに対するヒュームの影響を低減することができる。なお、上記（６）において、第一のスキャナか第二のスキャナのどちらかを選択するステップで第一のスキャナが選択された場合には、上記「本来の造形可能領域」とは上流側の造形可能領域を意味し、「本来の造形可能領域に隣接する造形可能領域」とは下流側の造形可能領域を意味する。また、第一のスキャナか第二のスキャナのどちらかを選択するステップで第二のスキャナが選択された場合には、上記「本来の造形可能領域」とは下流側の造形可能領域を意味し、「本来の造形可能領域に隣接する造形可能領域」とは上流側の造形可能領域を意味する。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、ヒュームに起因する造形品質の低下を抑制可能な三次元積層造形装置が提供される。

一実施形態に係る三次元積層造形装置２の概略構成を示す模式図である。一実施形態に係る三次元積層造形装置２の概略構成を示す模式図である。ヒューム１６の影響の低減効果を説明するための模式図である。ヒューム１６の影響の低減効果を説明するための模式図である。比較例１に係る三次元積層造形装置の概略構成を示す模式図である。一実施形態に係る三次元積層造形装置の概略構成を示す模式図である。比較例２に係る三次元積層造形装置の概略構成を示す模式図である。ヒューム１６の影響の低減効果を説明するための模式図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、一実施形態に係る三次元積層造形装置２の概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、三次元積層造形装置２は、ベースプレート４と、ベースプレート４上に形成された粉末層６を選択的に固化するように粉末層６にレーザビーム８を照射するためのレーザビーム照射ユニット１０と、粉末層６上にガス流れＦを形成するためのガス流れ形成ユニット１２と、レーザビーム照射ユニット１０及びガス流れ形成ユニット１２を制御するコントローラ２０とを備える。ガス流れ形成ユニット１２は、例えばポンプ等によって粉末層６上に一方向のガス流れＦを形成するように構成されている。

図２に示すように、レーザビーム照射ユニット１０は、ガス流れＦの流れ方向において互いに異なる位置に設けられた複数のレーザスキャナ１４（１４Ａ，１４Ｂ）を含む。図示する例示的形態では、複数のレーザスキャナ１４（１４Ａ，１４Ｂ）の各々は、ガルバノミラーとして構成されている。また、ベースプレート４は、複数のレーザスキャナ１４（１４Ａ，１４Ｂ）にそれぞれ対応するようにガス流れＦの流れ方向に沿って配列された複数の造形可能領域Ｓ１，Ｓ２を含む。

コントローラ２０は、複数のレーザスキャナ１４によって造形可能領域Ｓ１，Ｓ２の各々に対してレーザビーム８を走査するよう構成されている。すなわち、レーザスキャナ１４Ａは、造形可能領域Ｓ１に対してのみレーザビーム８を走査し、造形可能領域Ｓ２に対してレーザビーム８を走査しない。また、レーザスキャナ１４Ｂは、造形可能領域Ｓ２に対してのみレーザビーム８を走査し、造形可能領域Ｓ１に対してレーザビーム８を走査しない。ただし、造形可能領域Ｓ１と造形可能領域Ｓ２とは、ガス流れＦの流れ方向におけるベースプレート４の中央付近において部分的にオーバーラップしていてもよい。

本願発明者の鋭意検討の結果、ガス流れＦの流れ方向における下流側からレーザビーム８を照射する場合、鉛直方向に対するレーザビーム８の照射角θが相対的に大きい場合（図４参照）と比較して、当該照射角θが相対的に小さい場合（図３参照）の方が、レーザビーム８がヒューム１６に遮られにくく、レーザビーム８に対するヒューム１６の影響が小さくなる傾向があることが明らかとなった。

そこで、三次元積層造形装置２では、上述のように、ベースプレート４上の造形可能領域Ｓを複数の造形可能領域Ｓ１，Ｓ２に分割して、複数の造形可能領域Ｓ１，Ｓ２にそれぞれ対応して、ガス流れＦの流れ方向における互いに異なる位置に複数のレーザスキャナ１４（１４Ａ，１４Ｂ）を設けている。

かかる構成では、一つのレーザスキャナ１４によってベースプレート上の造形可能領域Ｓ全体を走査する場合（図５参照）と比較して、図２に示すように、造形可能領域Ｓの面積をガス流れＦの流れ方向に分割して、ガス流れＦの流れ方向において一個のレーザスキャナ１４が走査する範囲を狭くすることができる。このため、一つのレーザスキャナ１４によってベースプレート４上の造形可能領域Ｓ全体を走査する場合（図５参照）と比較して、鉛直方向に対するレーザビーム８の照射角θを小さくすることができる。

これにより、レーザビーム８がヒューム１６に遮られにくくなり、レーザビーム８に対するヒューム１６の影響を低減することができる。したがって、ヒューム１６に起因する造形品質の低下を抑制することができる。

一実施形態では、コントローラ２０は、図２に示すように、複数のレーザスキャナ１４（１４Ａ，１４Ｂ）によって造形可能領域Ｓ１、Ｓ２の各々に対してレーザビーム８を同時に照射する同時照射モードを実行可能に構成されている。これにより、三次元積層造形装置２における造形処理のスループットを向上することができる。

一実施形態では、コントローラ２０は、同時照射モードを実行する場合に、図６に示すように、複数の造形可能領域Ｓ１，Ｓ２に対して、ガス流れＦの流れ方向に直交する方向ｄにおいて互いに異なる位置ＰＡ，ＰＢにレーザビーム８を照射するように、レーザビーム照射ユニット１０を制御するよう構成されている。

上記同時照射モードを実行する場合において、複数の造形可能領域Ｓ１，Ｓ２に対して、ガス流れＦの流れ方向に直交する方向ｄにおいて同一位置にレーザビーム８を照射する場合（図７参照）、ガス流れＦの流れ方向において上流側のレーザスキャナ１４（１４Ｂ）によるレーザビーム８の照射位置ＰＢから生じたヒューム１６は、ガス流れＦによって下流側に流れて、レーザスキャナ１４（１４Ａ）からのレーザビーム８を遮ってしまう。

この点、上記のように、同時照射モードを実行する場合に、複数の造形可能領域Ｓ１，Ｓ２に対して、ガス流れＦの流れ方向に直交する方向において互いに異なる位置ＰＡ，ＰＢにレーザビーム８を照射することにより、図８に示すように、上流側のレーザスキャナ１４（１４Ｂ）によるレーザビーム８の照射位置ＰＢから生じたヒューム１６がガス流れＦによって下流側に流れても、下流側のレーザスキャナ１４（１４Ａ）のレーザビーム８が当該ヒューム１６から影響を受けにくくなる。したがって、ヒューム１６に起因する造形品質の低下を抑制することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、上述した実施形態では、ビームとしてレーザビーム（光ビーム）を用いる形態を例示したが、ビームはこれに限らず、例えば電子ビームであってもよい。この場合、スキャナとして電子レンズが用いられる。

２三次元積層造形装置
４ベースプレート
６粉末層
８レーザビーム
１０レーザビーム照射ユニット
１２ガス流れ形成ユニット
１４（１４Ａ，１４Ｂ）レーザスキャナ
１６ヒューム
２０コントローラ
１００可変容量型ターボチャージャ

Claims

ベースプレートと、
前記ベースプレート上に形成された粉末層を選択的に固化するように前記粉末層にビームを照射するためのビーム照射ユニットと、
前記粉末層上にガス流れを形成するためのガス流れ形成ユニットと、
を備え、
前記ビーム照射ユニットは、前記ガス流れの流れ方向において互いに異なる位置に設けられた複数のスキャナを含み、
前記ビーム照射ユニットを制御するコントローラを更に備え、
前記ベースプレートは、前記複数のスキャナにそれぞれ対応するように前記ガス流れの流れ方向に沿って配列された複数の造形可能領域を含み、
前記コントローラは、前記複数のスキャナによって前記造形可能領域の各々に対して前記ビームを走査するよう構成され、
前記コントローラは、前記複数のスキャナによって前記造形可能領域の各々に対して前記ビームを同時に照射する同時照射モードを実行可能に構成され、
前記コントローラは、前記同時照射モードを実行する場合に、前記複数のスキャナのうち前記流れ方向の上流側のスキャナによる前記ビームの照射位置から生じたヒュームが前記ガス流れによって下流側に流れても、下流側のスキャナのビームが当該ヒュームから影響を受けにくくなるように、前記複数の造形可能領域に対して前記流れ方向に直交する方向において互いに異なる位置に前記ビームを照射するように前記複数のスキャナを制御するよう構成された、三次元積層造形装置。
前記コントローラは、前記同時照射モードを実行する場合に、前記複数の造形可能領域に対して前記流れ方向に直交する方向において同一位置に前記ビームを照射しないように前記複数のスキャナを制御するよう構成された、請求項１に記載の三次元積層造形装置。