JP6904146B2

JP6904146B2 - 三次元造形装置

Info

Publication number: JP6904146B2
Application number: JP2017149109A
Authority: JP
Inventors: 浩之生田; 祐高根沢
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-08-01
Filing date: 2017-08-01
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2037-08-01
Also published as: JP2019026904A

Description

本発明は、三次元造形装置に関する。

特許文献１には、粉末供給機構が造形ステージ上に粉末を供給し、伸展ローラが造形ステージ上に供給された粉末を伸展し、結合材（バインダ）によって粉末を結合することにより三次元造形物を作成する三次元造形装置が記載されている。

特開２００１−３３４５８１号公報

ところで、三次元造形装置のローラの表面には微細な凹部があり、当該微細な凹部に粉末が入り込んでしまう場合がある。当該微細な凹部に粉末が入り込んだローラの表面は部分的に凸となってしまう。そのため、当該微細な凹部に粉末が入り込んだローラで粉末を均すと、ベッド上に均された粉末の表面が荒れてしまう場合がある。ベッド上に均された粉末の表面が荒れていると、焼結時に粉末が均一に溶融されず、造形精度が低下してしまうという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、造形精度の低下をより確実に抑制できる三次元造形装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る三次元造形装置は、ベッド上に所定範囲の粒径を有する金属粉を供給する供給装置と、前記ベッド上に供給された前記金属粉を均す均しローラと、を備え、前記均しローラの表面粗さＲａは、前記金属粉の前記所定範囲の粒径の最小径よりも小さい。

本発明に係る三次元造形装置によれば、均しローラの表面粗さＲａが金属粉の所定範囲の粒径の最小径よりも小さいため、均しローラの表面上の微細な凹部に金属粉が入り込むのを低減することができる。そのため、微細な凹部に粉末が入り込んだ均しローラで粉末を均すことによって生じる、造形精度の低下を抑制することができる。これにより、造形精度の低下をより確実に抑制できる三次元造形装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る三次元造形装置を示す模式図である。本発明の実施の形態１に係る三次元造形装置のローラ表面監視手段の一例を模式的に示す斜視図である。本発明の実施の形態１に係る三次元造形方法の一例を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１に係る三次元造形装置において用いられる金属粉の粒径の例について説明するグラフである。本発明の実施の形態１に係る三次元造形装置の作用について模式的に説明する断面図である。本発明の実施の形態１に係る三次元造形装置の効果について説明するグラフである。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る三次元造形装置１００を示す模式図である。図２は、実施の形態１に係る三次元造形装置１００のローラ表面監視手段１０３の一例を模式的に示す斜視図である。図３は、本実施の形態１に係る三次元造形方法の一例を示すフローチャートである。

実施の形態１に係る三次元造形装置１００は、図１に示すように、リコータ１０１、均しローラ１０２、ローラ表面監視手段１０３、焼結手段１０４、制御部１０５等を備える。

リコータ１０１は、ベッドＢ上に金属粉Ｍを供給する供給装置である。具体的には、リコータ１０１は、金属粉Ｍを貯蔵する漏斗形の貯蔵室１０１Ａを備える。また、リコータ１０１は、ベッドＢ上を当該ベッドＢの表面に対して平行に移動可能となっている。そして、リコータ１０１の下部から、貯蔵室１０１Ａに貯蔵されている金属粉ＭがベッドＢ上に供給される。

均しローラ１０２は、リコータ１０１から供給されたベッドＢ上の金属粉Ｍを平らに均すローラである。具体的には、均しローラ１０２は、リコータ１０１の下部であって、貯蔵室１０１Ａの金属粉Ｍが排出される出口付近に回動可能に配置されている。そして、リコータ１０１がベッドＢ上を移動するのに伴って、均しローラ１０２は回動しながら、リコータ１０１に追随してベッドＢ上を移動する。また、均しローラ１０２は、所定の大きさの力によりベッドＢに向かって押し付けられている。すなわち、均しローラ１０２は、所定の大きさの力によってベッドＢ側に押し付けられた状態で、ベッドＢ上を回動しながら移動する。そして、均しローラ１０２は、所定の大きさの力によってベッドＢ側に押し付けられた状態でベッドＢ上を回動しながら移動することにより、リコータ１０１の下部から排出された金属粉Ｍを平らに均す。ここで、図２に示すように、均しローラ１０２の回動軸を回動軸Ｘとする。

また、均しローラ１０２の側面の表面粗さＲａは、金属粉Ｍの所定範囲の粒径の最小径より小さい。すなわち、均しローラ１０２は、当該均しローラ１０２の表面粗さＲａが金属粉Ｍの所定範囲の粒径の最小径より小さいように設計されている。

また、均しローラ１０２が形成される材質は、金属粉Ｍの種類によって適宜選択される。例えば、金属粉がマルエージング鋼粉、チタン合金粉、セラミック粉等の鋼材よりも硬い粉末である場合、均しローラ１０２の材質は、ガラス、硬質クロムメッキを施した工具鋼であることが望ましい。また、金属粉がアルミ合金粉等の鋼材よりも軟らかい粉末である場合、均しローラ１０２の材質は、硬質ゴム、鋼等であることが望ましい。金属粉が鋼材よりも軟らかい粉末である場合、均しローラ１０２の材質は、ガラスでもよいが高価である。

ローラ表面監視手段１０３は、均しローラ１０２の表面粗さＲａを検出する。具体的には、ローラ表面監視手段１０３は、図２に示すように、均しローラ１０２の表面に線状にレーザ光Ｌを照射して、均しローラ１０２の表面までの距離を測定することにより、均しローラ１０２の表面粗さＲａを検出する変位センサである。より具体的には、ローラ表面監視手段１０３は、青色レーザを線状に均しローラ１０２上に照射するレーザ変位計である。ローラ表面監視手段１０３は、検出した均しローラ１０２の表面粗さＲａの値を制御部１０５に出力する。また、ローラ表面監視手段１０３は、三次元造形装置１００における三次元造形が行われている間、常時、均しローラ１０２の表面粗さＲａを検出し、当該表面粗さＲａを制御部１０５に出力する。

焼結手段１０４は、ベッドＢ上の金属粉Ｍにレーザ光を照射することにより金属粉Ｍを溶融させる。これにより、ベッドＢ上の金属粉Ｍは焼結される。焼結手段１０４において用いられるレーザ光としては、例えば、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、Ａｒレーザ等の公知のレーザ光を用いることができる。また、焼結手段１０４は、ベッドＢ上の金属粉Ｍへのレーザ光の照射位置を変更するためのガルバノミラー、ポリゴンミラー等の回転ミラー（図示省略）を備える。

制御部１０５は、図示しないＣＰＵ及び図示しない記憶部等を備える。そして、ＣＰＵが記憶部に格納されたプログラムを実行することにより、制御部１０５における全ての処理が実現する。
また、制御部１０５のそれぞれの記憶部に格納されるプログラムは、ＣＰＵに実行されることにより、制御部１０５のそれぞれにおける処理を実現するためのコードを含む。なお、記憶部は、例えば、このプログラムや、制御部１０５における処理に利用される各種情報を格納することができる任意の記憶装置を含んで構成される。記憶装置は、例えば、メモリ等である。

具体的には、制御部１０５は、リコータ１０１、均しローラ１０２、ローラ表面監視手段１０３、焼結手段１０４等、三次元造形装置１００の各部の動作を制御する。
また、制御部１０５は、ローラ表面監視手段１０３から入力された均しローラ１０２の表面粗さＲａが、リコータ１０１によってベッドＢ上に供給される金属粉Ｍの粒径の最小径よりも小さいか否かを判断する。そして、制御部１０５は、均しローラ１０２の表面粗さＲａが金属粉Ｍの所定範囲の粒径の最小径以上であると判断した場合には、三次元造形装置１００のユーザにその旨を通知する。当該通知は警告音や音声等の音によって行われてもよいし、三次元造形装置１００に表示画面がある場合には、当該表示画面における警告表示によって行われてもよい。
なお、制御部１０５における上述の処理は、ＣＰＵが記憶部に格納されたプログラムを実行することによって、実現する。

次に、図３を参照しながら、本実施の形態１に係る三次元造形方法について説明する。
まず、三次元造形装置１００によって造形される造形物の材料である金属粉Ｍを製造する（ステップＳ１０１）。

次に、ステップＳ１０１において製造された金属粉Ｍをリコータ１０１の貯蔵室１０１Ａに供給する（ステップＳ１０２）。

次に、リコータ１０１によってベッドＢ上に金属粉Ｍが供給されるとともに、均しローラ１０２によってベッドＢ上の金属粉Ｍが平らに均される（ステップＳ１０３）。

次に、焼結手段１０４によって、ベッドＢ上の金属粉Ｍにレーザ光が照射され、金属粉Ｍが焼結される（ステップＳ１０４）。

次に、ステップＳ１０４において金属粉Ｍが焼結されることにより形成された造形物（固形物）と金属粉Ｍとが分離され（ステップＳ１０５）、当該造形物からサポートが除去される（ステップＳ１０６）。
なお、ステップＳ１０３とステップＳ１０４との処理は所定回数繰り返され、層状に造形物が形成される。

ステップＳ１０１において製造される金属粉Ｍの粒径の例を図４に示す。図４は、実施の形態１に係る三次元造形装置１００において用いられる金属粉Ｍの粒径の例について説明するグラフである。図４に示す例では、タイプＡの金属粉Ｍの粒径は、約２０μｍ以上約５０μｍ以下の範囲に分布している。これに対し、タイプＢの金属粉Ｍの粒径は、約５μｍ以上約２０μｍ以下と約２５μｍ以上約６０μｍ以下の２つの範囲に分布している。タイプＢの金属粉Ｍのように、金属粉Ｍに比較的小さい粒径の金属粉Ｍが含まれる場合、図５の左側に示すように、均しローラ１０２の表面の微細な凹部に当該金属粉Ｍが入り込んでしまう場合がある。当該微細な凹部に粉末が入り込んだ均しローラ１０２の表面は部分的に凸となってしまう。そのため、当該微細な凹部に粉末が入り込んだ均しローラ１０２で粉末を均すと、ベッドＢ上に均された粉末の表面が荒れてしまう場合がある。ベッドＢ上に均された粉末の表面が荒れていると、焼結時に粉末が均一に溶融されず、造形精度が低下してしまう。

しかし、本実施の形態１に係る三次元造形装置１００では、当該三次元造形装置１００における三次元造形が行われている間、常時、ローラ表面監視手段１０３によって、均しローラ１０２の表面粗さＲａが検出され、当該表面粗さＲａが制御部１０５に出力される。そして、制御部１０５は、均しローラ１０２の表面粗さＲａが金属粉Ｍの所定範囲の粒径の最小径以上であると判断した場合には、三次元造形装置１００のユーザにその旨を通知する。そのため、均しローラ１０２の表面粗さＲａが金属粉Ｍの所定範囲の粒径の最小径以上となり、均しローラ１０２の表面の微細な凹部に金属粉Ｍが入り込む可能性が高くなった場合には、ユーザが均しローラ１０２を再研磨したり、新品の均しローラ１０２に交換したりすることができる。なお、新品の均しローラ１０２は、当該均しローラ１０２の表面粗さＲａが金属粉Ｍの所定範囲の粒径の最小径より小さいように設計されている。これにより、図５の右側に示すように、均しローラ１０２の表面の微細な凹部に金属粉Ｍが入り込むのを防ぐことができる。

図６を参照しながら、本実施の形態１に係る三次元造形装置１００の効果について説明する。図６のグラフにおいて、縦軸は、均しローラ１０２に付着した金属粉Ｍの重量（ｍｇ）を示し、横軸は、均しローラ１０２の表面粗さＲａ（μｍ）を示す。また、図６に示す、表面粗さＲａ（μｍ）が１０（μｍ）以上２０（μｍ）以下の均しローラ１０２は、均しローラ１０２の側面を旋盤加工したものである。図６に示すように、表面粗さＲａ（μｍ）が１０（μｍ）以上２０（μｍ）以下の均しローラ１０２によって、タイプＢの金属粉ＭをベッドＢ上に均した場合、均しローラ１０２の表面には６００（ｍｇ）を超える重量の金属粉Ｍが付着し、ベッドＢ上に均された金属粉Ｍの表面に肌荒れが発生してしまった。一方、表面粗さＲａが２．５（μｍ）以上５（μｍ）以下の均しローラ１０２によって、タイプＢの金属粉ＭをベッドＢ上に均した場合、均しローラ１０２の表面に付着した金属粉Ｍの重量は１００（ｍｇ）より少なく、ベッドＢ上に均された金属粉Ｍの表面の肌荒れは発生しなかった。

以上に説明した、実施の形態１に係る三次元造形装置１００によれば、均しローラ１０２の表面粗さＲａが金属粉Ｍの所定範囲の粒径の最小径よりも小さいため、均しローラ１０２の表面上の微細な凹部に金属粉Ｍが入り込むのを低減することができる。そのため、微細な凹部に粉末が入り込んだ均しローラ１０２で粉末を均すことによって生じる、造形精度の低下を抑制することができる。これにより、造形精度の低下をより確実に抑制できる三次元造形装置１００を提供することができる。

また、ローラ表面監視手段１０３によって、三次元造形装置１００が三次元造形処理を行っている間も、均しローラ１０２の表面粗さＲａが検出され、均しローラ１０２の表面粗さＲａが金属粉Ｍの所定範囲の粒径の最小径以上となった場合には、三次元造形装置１００のユーザにその旨が通知される。そのため、使用によって均しローラ１０２の表面が傷つき、均しローラ１０２の表面粗さＲａが金属粉Ｍの所定範囲の粒径の最小径以上となった場合でも、ユーザが均しローラ１０２を再研磨したり、新品の均しローラ１０２に交換したりすることができる。これにより、三次元造形装置１００の造形精度の低下をさらに確実に抑制できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、本発明に係る三次元造形装置１００による造形に用いられる粉粒体は、金属粉Ｍだけでなく、焼結手段１０４の照射するレーザ光Ｌによって焼結可能な粉粒体であればよく、熱硬化型樹脂を被覆した砂等の粉粒体、熱硬化型樹脂で形成された粉粒体等であってもよい。
また、本発明に係る三次元造形装置１００は、結合材を用いて粉粒体を結合することにより三次元造形物を造形する三次元造形装置としても使用可能である。その場合には、三次元造形装置１００は、焼結手段１０４の代わりに、結合材をベッド上の所定の位置に供給する結合材供給手段を備えればよい。
また、ローラ表面監視手段１０３による均しローラ１０２の表面粗さＲａの検出は、三次元造形装置１００における三次元造形処理の所定の行程、例えば、図３のステップＳ１０２とステップＳ１０３との間等においてのみ行われてもよい。

１００三次元造形装置
１０１リコータ（供給装置）
１０１Ａ貯蔵室
１０２均しローラ
１０３ローラ表面監視手段
１０４焼結手段
１０５制御部
Ｂベッド
Ｌレーザ光
Ｍ金属粉

Claims

ベッド上に所定範囲の粒径を有する金属粉を供給する供給装置と、
前記ベッド上に供給された前記金属粉を均す均しローラであって、前記均しローラの表面粗さＲａは、前記金属粉の前記所定範囲の粒径の最小径よりも小さい、前記均しローラと、
前記均しローラの表面粗さＲａを検出するローラ表面監視手段と、
前記ローラ表面監視手段によって検出された表面粗さＲａが前記金属粉の前記所定範囲の粒径の最小径よりも小さいか否かを判断し、前記金属粉の前記所定範囲の粒径の最小径以上であると判断したときは通知を行う制御部と、
を備える、三次元造形装置。