JP6960867B2

JP6960867B2 - 積層造形装置

Info

Publication number: JP6960867B2
Application number: JP2018013245A
Authority: JP
Inventors: 恭諒丸小; 武士物種
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2038-01-30
Also published as: JP2019131846A

Description

この発明は、例えば金属粒体からなる粉末材料により形成される粉末床を真空室内で積層しながら各層の粉末床を選択的に固化させる工程を繰り返すことにより三次元形状の造形物を製造する積層造形装置に関するものである。

電子ビームの照射により溶融凝固可能な金属粒体などからなる粉末材料により形成される粉末床を真空室内で積層しながら、各層の粉末床を選択的に固化させることにより三次元形状の造形物を製造する積層造形装置が知られている。このように電子ビームを用いる積層造形装置では、電子ビームの照射により粉末材料が負に帯電するため、個々の粉末材料同士がクーロン力により互いに反発し合い粉末材料が飛散する虞がある。そこで、装置の真空室内に補助ガスを導入し、電子ビームの照射点近傍で補助ガスを正に帯電させることで粉末材料を電気的に中性化させるものがある（例えば、特許文献１参照）。また、粉末材料の粉表面の伝導度を増加させる反応性ガスを供給しながら、作業領域上に配置された材料に電子ビームを照射するものがある（例えば、特許文献２参照）。

特表２０１０−５２６６９４号公報特表２０１１−５０６７６１号公報

しかしながら、真空室内に導入されるガスは容易に拡散するため、特許文献１及び特許文献２に記載のものでは、粉末材料の飛散を防止するためのガスを真空室内全体に導入することになり、特に大型の造形物を造形する場合のように、真空室が大型化すると必要なガス量も増大して生産コストが増大してしまうという問題点がある。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、電子ビームの照射によって帯電した粉末材料同士が互いに反発して飛散することを防止しつつ、飛散防止のために真空室内に導入されるガスの量を低減することができる積層造形装置を得るものである。

この発明の積層造形装置は、粉末材料により形成される粉末床を真空チャンバ内で積層しながら各層の粉末床を選択的に固化させる工程を繰り返すことにより三次元形状の造形物を製造する積層造形装置であって、粉末材料を固化させる電子ビームを粉末床に照射する電子ビーム照射手段と、電子ビームの走査範囲に設けられ、高さを調整可能な載置台と、載置台に載置され、粉末床を形成する粉末床形成部と、電子ビームの照射によって陽イオン化するガスを電子ビームの通過領域に導入するガス導入部とを備え、ガス導入部は、クヌーセン数が０．３よりも大きい分子流の状態で、ガスを通過領域に導入するものである。

この発明の積層造形装置によれば、電子ビームの照射によって陽イオン化するガスの分子流を電子ビームの通過領域に噴出するガス導入部を備えたため、電子ビームの照射によって帯電した粉末材料同士が互いに反発して飛散することを防止しつつ、飛散防止のために真空室内に導入されるガスの量を低減することができる。

この発明の実施の形態１における積層造形装置を示す概略図である。この発明の実施の形態１に係るガス導入部を示す側面図である。この発明の実施の形態１に係るガス導入部を示す平面図である。この発明の実施の形態２における積層造形装置を示す概略図である。この発明の実施の形態２に係るガス導入部を示す側面図である。この発明の実施の形態２に係るガス導入部を示す平面図である。

実施の形態１．
以下に、この発明の実施の形態１を図１から図２Ｂに基づいて説明する。図１は、実施の形態１における積層造形装置を示す概略図である。積層造形装置１００において、真空チャンバ１の上方に設置された電子銃室３、すなわち収納室には、電子銃２、すなわち電子ビーム照射手段が収納されている。電子銃２は真空チャンバ１の床部１ａに対向しており、所定の走査範囲に対して電子ビームＥＢを照射するものである。電子銃室３の床部３ａには電子銃室３と真空チャンバ１とを連通する開口部３ｂが設けられており、電子銃２から照射される電子ビームＥＢは開口部３ｂを介して真空チャンバ１内に照射される。開口部３ｂは図示しないシャッターによって開閉可能となっており、電子ビームＥＢが照射される時以外開口部３ｂを閉じることで真空チャンバ１と電子銃室３を遮断し、真空チャンバ１内の真空度を維持することが可能となっている。

電子ビームＥＢは、電磁力によって偏向させることで照射箇所を操作可能である。また、電子ビームＥＢは電子銃２から床部１ａまでの間で所定の広がり角度をもって広がる。実施の形態１では、電子ビームＥＢの照射先が走査範囲内を移動する際に電子ビームの経路が動く領域を電子ビームＥＢの通過領域とし、真空チャンバ１内の通過領域を通過領域Ｓ１、電子銃室３内の通過領域を通過領域Ｓ２としている。開口部３ｂの面積は、床部３ａの高さにおける通過領域Ｓ２の水平断面積以上であり、電子ビームＥＢが通過領域Ｓ２内のどの経路を通っても、電子ビームＥＢが開口部３ｂを介して真空チャンバ１内に進入するようになっている。また、電子ビームＥＢの広がりは下方ほど大きいので、通過領域Ｓ１の水平断面積は、通過領域Ｓ２の水平断面積よりも大きい。

床部１ａには、三次元積層造形物８の原料である粉末材料７が敷き詰められる造形領域部１ｂが電子ビームＥＢの走査範囲に形成されている。造形領域部１ｂの底面は、昇降機構６により高さを調整可能な作業土台５、すなわち載置台により形成されており、作業土台５を昇降させることにより造形領域部１ｂの深さが調整される。

床部１ａ上には、粉末ボックス９１に収納された粉末材料７を作業土台５の上に敷き詰める粉末床形成機構９２が設置されている。粉末床形成機構９２は、造形領域部１ｂの上部を移動、往復しながら所定量の粉末材料７を造形領域部１ｂ内に供給し、作業土台５の上に粉末材料７を敷き詰める。粉末ボックス９１は、例えば直方体の箱体であり、粉末床形成機構９２が下方に来ると粉末材料７を落下させ、粉末床形成機構９２に粉末材料７を供給する。粉末材料７は、固化して三次元造形物を構成する粉末状の材料であり、電子銃２からの電子ビームＥＢが照射されることで溶融凝固又は焼結して固化する。粉末材料７は、例えばコバルトクロムモリブデン合金やチタン合金などの金属粒体の粉末材料であるが、これに限られるものではなく電子ビームＥＢの照射により溶融凝固又は焼結可能なものであればよい。

また、床部１ａにはガス導入部１０が設置されている。ガス導入部１０は、造形領域部１ｂの近傍に配置され、噴出管１０４を介して電子ビームＥＢの通過領域Ｓ１に分子流状態の飛散防止ガスＧを局所的に導入する。また、ガス導入部１０は、真空チャンバ１の側壁に設けられたガス供給部１３に配管１０３を介して接続されている。ガス供給部１３は、真空チャンバ１の外部に設けられた容器１２に配管１０２を介して接続されており、容器１２に保持されている飛散防止ガスＧをガス導入部１０に供給する。容器１２は、配管１０１を介して真空ポンプ１１と接続されており、真空ポンプ１１により減圧された飛散防止ガスＧを保持している。

ガス導入部１０及びプレート４についてより詳細に説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、ガス導入部１０を示す側面図及び平面図である。なお、実際はプレート４の周囲にも粉末材料７が敷き詰められるが、図２Ａ及び図２Ｂではプレート４の周囲に敷き詰められる粉末材料を省略している。プレート４は、例えば断面正方形状の金属製のプレートであり、電子ビームＥＢが照射される範囲に溝部４ａが設けられている。作業土台５の上に粉末材料７が敷き詰められる際には溝部４ａ内にも粉末材料７が敷き詰められ、１層目の粉末床７１が形成される。

ガス導入部１０は、電子ビームＥＢの通過領域Ｓ１側の側面に複数の噴出管１０４が設けられている。それぞれの噴出管１０４は、例えば断面円形状の細管であり、床部１ａから高さＶ１でガス導入部１０に設けられ、ガス導入部１０から電子ビームＥＢの通過領域Ｓ１に向かって延びている。噴出管１０４の通過領域Ｓ１側の端と溝部４ａとの間は所定の距離Ｈ１離れている。複数の噴出管１０４は、プレート４の幅方向に沿って配列されており、その本数はプレート４の幅に合わせて設定され、噴出管１０４から噴出する飛散防止ガスＧがプレート４の上部全体をカバーするようになっている。このため、電子ビームＥＢが通過領域Ｓ１内のどのような経路を通過しても、電子ビームＥＢが飛散防止ガスＧを照射することとなり、電子ビームＥＢの照射によって飛散防止ガスＧが陽イオン化される。なお、飛散防止ガスＧとしては電子ビームＥＢの照射によって陽イオン化されるものであれば特に限られるものではないが、粉末材料の酸化を防ぐ観点から、アルゴンやヘリウムなどの不活性ガスを用いることが望ましい。

飛散防止ガスＧは、分子流として噴出管１０４から導入される。より具体的には、飛散防止ガスＧの流れが粘性流であるか分子流であるかを示す指数であるクヌーセン数Ｋが、０．３より大きくなるように設定される。実施の形態１では、系の代表長を噴出管１０４の内径Ｄとしているので、クヌーセン数Ｋは、飛散防止ガスＧの平均自由工程λ及び噴出管１０４の内径Ｄを用いてＫ＝λ／Ｄで表される。クヌーセン数Ｋの設定は、平均自由工程λ及び噴出管１０４の内径Ｄを調整することで行う。平均自由工程λは飛散防止ガスＧの圧力を調整することで調整可能である。クヌーセン数Ｋの調整のために内径Ｄを小さくする場合、内径Ｄの変化量に応じて噴出管１０４の本数を増やし、噴出管１０４全体の幅をプレート４の幅に合わせる。

分子流として導入される飛散防止ガスＧは、粘性流の場合のような拡散が起こることが抑制されており、図２Ｂに示すように噴出管１０４から直線的に流れるため、飛散防止ガスＧは電子ビームＥＢの通過領域Ｓ１に局所的に導入される。

次に、動作について説明する。真空チャンバ１内を真空引きして真空チャンバ１内の真空度を安定させた後、プレート４の上面から床部１ａの上面までの高さが粉末床７１の１層分になるように作業土台５の高さを調整し、作業土台５に対して予熱用の電子ビームを照射することで作業土台５を加熱する。予熱用の電子ビームは、ビーム出力やビームフォーカス、ビーム走査速度などのビームパラメータを調整し、粉末材料を溶融凝固させる電子ビームＥＢよりも出力を抑制したものである。作業土台５の加熱後、作業土台５の上に粉末材料７を敷き詰める。この際、プレート４の溝部４ａにも粉末材料７が敷き詰められ、１層目の粉末床７１が形成される。１層目の粉末床７１は、加熱された作業土台５からの熱伝導により予熱される。これにより１層目の粉末床７１を形成する粉末材料が昇温するので、電子ビームＥＢの照射によって粉末材料が負に帯電し、粉末材料同士がクーロン力により反発して飛散することが抑制される。上記のような昇温によって粉末材料の飛散を抑制することができるのは、昇温に伴う電気抵抗の低下により電荷が導通し、粉末材料の帯電が抑制されるためである。

粉末床７１の予熱後、容器１２に保持されている飛散防止ガスＧをガス導入部１０へ送り、噴出管１０４を通して飛散防止ガスＧを電子ビームＥＢの通過領域Ｓ１に局所的に導入する。

次に、予め設定した照射パターンに従って電子ビームＥＢを１層目の粉末床７１に照射し、１層目の粉末床７１の粉末材料を選択的に固化させる。この際、粉末床７１の近傍では通過領域Ｓ１に導入された飛散防止ガスＧが電子ビームＥＢに照射され、飛散防止ガスＧと電子ビームＥＢの相互作用により陽イオンが生じる。この陽イオンは、電子ビームＥＢの照射により負に帯電した１層目の粉末床７１の粉末材料７を電気的に中和する。１層目の粉末床７１について粉末材料の固化が完了したら電子ビームＥＢの照射をやめ、作業土台５の高さを２層目の粉末床（図示なし）の厚さ分だけ下げて、１層目の場合と同様にして１層目の粉末床７１の上に２層目の粉末床を形成する。２層目の粉末床は、電子ビームＥＢにより固化された１層目の粉末床７１の余熱によって昇温するため、２層目の粉末床を形成する粉末材料が電子ビームＥＢの照射により負に帯電してクーロン力により反発し、粉末材料７が飛散することが抑制される。

２層目の粉末床の形成後、１層目の場合と同様に飛散防止ガスＧを電子ビームＥＢの通過領域Ｓ１に局所的に導入し、電子ビームＥＢを照射して２層目の粉末床７１の粉末材料を選択的に固化させる。なお、２層目の粉末床に対して電子ビームＥＢを照射する前に、予熱用の電子ビームを照射して２層目の粉末床を再予熱してもよい。３層目以降も同様にし、粉末床を積層しながら各層の粉末床を選択的に固化させる工程を繰り返すことにより、作業土台５の上に三次元積層造形物８を製造する。

実施の形態１による効果について説明する。実施の形態１の効果を確認するため、飛散防止ガスＧを局所的に導入する場合と導入しない場合とで、負に帯電した粉末材料がクーロン力により反発して飛散するときの電子ビームＥＢの電流値を「許容電流値」としてそれぞれ計測し、比較した。許容電流値の計測では、まず真空チャンバ１内の真空度を安定させ、金属粒体からなる粉末材料７を溝部４ａに厚さ１００μｍで一様に敷き詰めた後、敷き詰められた粉末材料７に対して電子ビームＥＢを照射する。また、粉末材料の予熱は行わず、常温のままの粉末材料７に対して電子ビームＥＢを照射している。この条件の下、電子ビームＥＢの電流値を徐々に増加させていき、粉末材料の飛散が確認されたときの電子ビームＥＢの電流値を計測する。粉末材料７の飛散の有無の確認は、電子ビームＥＢの照射後の約２秒間、真空チャンバ１の覗き窓（図示なし）より真空チャンバ１内を目視確認することで行う。許容電流値の比較においては、飛散防止ガスＧを局所的に導入する場合と導入しない場合で計測をそれぞれ複数回行い、平均値を算出して比較する。上記のようにして許容電流値を計測した結果、飛散防止ガスＧを導入しない場合の許容電流値の平均値は約０．６ｍＡ、飛散防止ガスＧを局所的に導入した場合の許容電流値の平均値は約１．１ｍＡであり、局所的な飛散防止ガスＧの導入により許容電流値が上昇する効果があることが確認できた。このような効果があるのは、飛散防止ガスＧの導入が局所的なものであっても、通過領域Ｓ１に導入された飛散防止ガスＧと電子ビームＥＢの相互作用によって生じた陽イオンにより、帯電した粉末材料７を電気的に中和されたためと考えられる。

実施の形態１によれば、電子ビームの照射によって帯電した粉末材料同士が互いに反発して飛散することを防止しつつ、真空室内に導入される飛散防止ガスの量を低減することができる。より具体的には、電子ビームの照射によって陽イオン化する飛散防止ガスの分子流を電子ビームの通過領域に導入するガス導入部を備えたため、電子ビームの通過領域に飛散防止ガスを局所的に導入することが可能となっている。このため、真空チャンバ全体に飛散防止ガスを導入する必要がなく、真空室内に導入される飛散防止ガスの量が低減されている。導入される飛散防止ガスの量の低減は、飛散防止ガスに係るコストを低減するとともに、真空チャンバ内のガス分子の増加を抑制し、真空度の低下を抑制することができる。これにより、飛散防止ガスのガス分子と電子ビームの衝突による電子ビームのエネルギーの低下も抑制されるため、電子ビームへのエネルギー投入量の増加を抑制することができる。

また、ガス導入部を真空チャンバの床部に設置したので、飛散防止ガスが粉末床の近傍に導入され、より効果的に粉末材料の飛散を防止することができる。

実施の形態２．
以下に、この発明の実施の形態２を図３から図４Ｂに基づいて説明する。なお、図１から図２Ｂと同一又は相当部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。実施の形態２は、ガス導入部を電子銃室に設置した点が実施の形態２と異なる。図３は、実施の形態２における積層造形装置を示す概略図である。積層造形装置２００において、電子銃室３の床部３ａにはガス導入部２０が設置されている。ガス導入部２０は、開口部３ｂの近傍に配置され、噴出管２０４を介して電子ビームＥＢの通過領域Ｓ２に分子流状態の飛散防止ガスＧを局所的に導入する。また、ガス導入部２０は、電子銃室３の側壁に設けられたガス供給部２３に配管２０３を介して接続されている。ガス供給部２３は容器１２に配管２０２を介して接続されており、容器１２に保持されている飛散防止ガスＧをガス導入部２０に供給する。

ガス導入部２０についてより詳細に説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、ガス導入部２０を示す側面図及び平面図である。ガス導入部２０は、開口部３ｂ側の側面に複数の噴出管２０４が設けられている。噴出管２０４は、例えば断面円形状の複数の細管かであり、床部３ａから高さＶ２でガス導入部２０に設けられ、ガス導入部２０側から開口部３ｂに向かって延びている。噴出管２０４の開口部３ｂ側の端と開口部３ｂとの間は所定の距離Ｈ２離れている。複数の噴出管２０４は、開口部３ｂの幅方向に沿って配列されており、その本数は開口部３ｂの幅に合わせて設定され、噴出管２０４から噴出する飛散防止ガスＧが開口部３ｂの上部全体をカバーするようになっている。このため、電子ビームＥＢが通過領域Ｓ２内のどのような経路を通過しても、電子ビームＥＢが飛散防止ガスＧを照射することとなり、電子ビームＥＢの照射により飛散防止ガスＧが陽イオン化される。
飛散防止ガスＧが分子流として噴出管２０４から導入され、通過領域Ｓ２に局所的に導入される点は実施の形態１と同様である。また、クヌーセン数Ｋの調整のために噴出管２０４の内径Ｄを小さくする場合、内径Ｄの変化量に応じて噴出管２０４の本数を増やし、噴出管２０４全体の幅を開口部３ｂの幅に合わせる。

その他の構成については実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

次に、動作について説明する。実施の形態１と同様に、真空チャンバ１内の真空度を安定させ、作業土台５の高さを調整した後に作業土台５を予熱用の電子ビームで加熱する。作業土台５の加熱後、作業土台５の上、及びプレート４の溝部４ａに粉末材料７を敷き詰め、溝部４ａ内に１層目の粉末床７１を形成する。１層目の粉末床７１は、作業土台５からの熱伝導により予熱される。粉末床７１の予熱後、容器１２に保持されている飛散防止ガスＧをガス導入部２０へ送り、噴出管２０４を通して飛散防止ガスＧを電子ビームＥＢの通過領域Ｓ２に局所的に導入する。

飛散防止ガスＧを通過領域Ｓ２に導入した後、予め設定した照射パターンに従って電子ビームＥＢを１層目の粉末床７１に照射する。この際、電子銃室３内の開口部３ｂの近傍にて飛散防止ガスＧと電子ビームＥＢが相互作用して陽イオンが生じる。この陽イオンは、開口部３ｂを通って真空チャンバ１内に入り、１層目の粉末床７１の近傍に達して、電子ビームＥＢの照射により負に帯電した１層目の粉末床７１の粉末材料７を電気的に中和する。１層目の粉末床７１について粉末材料の固化が完了したら電子ビームＥＢの照射をやめ、作業土台５の高さを２層目の粉末床（図示なし）の厚さ分だけ下げる。その後、１層目の場合と同様にして１層目の粉末床７１の上に２層目の粉末床を形成する。以降については実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に飛散防止ガスの分子流を電子ビームの通過領域に導入するガス導入部を備えたため、電子ビームの照射によって帯電した粉末材料同士が互いに反発して飛散することを防止しつつ、真空室内に導入される飛散防止ガスの量を低減することができる。

また、導入する飛散防止ガスの量をさらに低減することができる。より具体的には、飛散防止ガスを電子ビームの通過領域に導入するガス導入部を電子銃室内に設置したため、ガス導入部に設けられた噴出管がカバーすべき幅が、実施の形態１よりも小さくなっている。これは、上述したように電子ビームは所定の広がり角度を持ち、下方ほど広がりが大きくなるためで、電子銃室内の通過領域の水平断面積は真空チャンバ内の通過領域の水平断面積よりも小さいためである。そして、噴出管がカバーすべき幅は電子ビームの通過領域の幅であるため、実施の形態２において噴出管がカバーすべき幅は、実施の形態１において噴出管がカバーする必要があった幅よりも小さく、噴出管の本数を削減できるとともに、導入する飛散防止ガスの量をさらに低減することが可能となっている。

また、この発明は、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、各実施の形態や構成を適宜組み合わせたり、構成を一部変形、省略したりすることが可能である。

１真空チャンバ、１ａ床部、１ｂ造形領域部、２電子銃、３電子銃室、４プレート、４ａ溝部、５作業土台、７粉末材料、７１粉末床、８三次元積層造形物、１０、２０ガス導入部、１０４、２０４噴出管、１００、２００積層造形装置、ＥＢ電子ビーム、Ｇ飛散防止ガス、Ｓ１、Ｓ２通過領域、

Claims

粉末材料により形成される粉末床を真空チャンバ内で積層しながら各層の粉末床を選択的に固化させる工程を繰り返すことにより三次元形状の造形物を製造する積層造形装置であって、
前記粉末材料を固化させる電子ビームを前記粉末床に照射する電子ビーム照射手段と、
前記電子ビームの走査範囲に設けられ、高さを調整可能な載置台と、
前記載置台に載置され、前記粉末床を形成する粉末床形成部と、
前記電子ビームの照射によって陽イオン化するガスを前記電子ビームの通過領域に導入するガス導入部とを備え、
前記ガス導入部は、クヌーセン数が０．３よりも大きい分子流の状態で、前記ガスを前記通過領域に導入することを特徴とする積層造形装置。
前記ガス導入部は、前記粉末材料が敷き詰められる造形領域部を有する床部に設置されている請求項１に記載の積層造形装置。
前記ガス導入部は、前記電子ビーム照射手段を収納する収納室に設置されている請求項１に記載の積層造形装置。