JP2006205456A - 粉末積層造形用粉末供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】粉末を造形エリアに直接散布する方式により、高精度にかつ高密度に粉末の薄層を形成できる粉末積層造形用粉末供給装置を提供する。
【解決手段】粉末２４を造形エリアに散布する粉末散布ヘッド２２に、粉末吐出口３１を間にする粉末散布方向Ｆの前後に、ソレノイド３４、３５により昇降駆動される一対の均しブレード３６、３７を配設する。そして、粉末散布方向Ｆに対して後側となる均しブレード３７を、前側となる均しブレード３６よりも、形成すべき粉末の薄層３９の一層分だけ上昇する高さに位置決めし、粉末散布方向に対して前側となる均しブレード３６を前記造形エリアの粉末散布面Ｃに接触させながら移動させ、一対の均しブレード３６と３７との段差ｈに相当する間隙４１を通じて粉末２４を外部へ流出させ、粉末散布ヘッド２２の移動跡に所定の厚さを有する粉末の薄層３９を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、粉末の薄層を結合及び積層して三次元形状物を造形する粉末積層造形に用いる粉末供給装置に関する。

粉末積層造形法は、成形型を用いずに三次元形状物を迅速かつ簡易に得ることができることから、近年、その利用が注目されている。この粉末積層造形法において、造形エリアに対する粉末の供給は、一般には図５に示されるように、積層エリアＡに対して供給エリアＢを併設し、供給エリアＢ内の昇降テーブル１上の粉末２をワイパー３の移動（二点鎖線位置から実線位置への移動）により、積層エリアＡ内の昇降テーブル４上に薄層５の一層分だけ堆積させるようにしている。そして、レーザ発振器６からミラー７を経て出射されるレーザビームの照射によって所定の輪郭の結合層（焼結層）Ｓを形成した後は、積層エリアＡ内の昇降テーブル４の下降→ワイパー３の二点鎖線位置（待機位置）への後退→供給エリアＢ内の昇降テーブル１の上昇→ワイパー３の実線位置への前進が繰返され、これにより前記焼結層Ｓの積層が進んで所定の３次元形状物が得られるようになる。なお、粉末の結合及び積層方式としては、インクジェットによりバインダ（結合剤）を噴射して粉末粒子を接合しながら積層するインクジェット方式などもある。しかしながら、このようなワイパー３による粉末供給方式によれば、１回のレーザ照射を終えるごとにワイパー３の待機位置への戻り動作と供給エリアＢ内の昇降テーブル１の上昇動作とが必要になり、その分、サイクルタイムが延長して生産性が低下するという問題があった。

そこで最近、粉末を造形エリアＡに直接散布する粉末供給装置が開発されている。図６は、そのような粉末供給装置の一つを、特許文献１から抜粋して示したもので、装置１０は、粉末１１を収容する収容容器１２の下部の粉末吐出口１３に切出しローラ１４を配設してなっており、その全体がガイドレール１５に沿って移動するようになっている。このような粉末供給装置によれば、その移動中、切出しローラ１４を回転させることで、積層エリアＡ内の昇降テーブル１６（図５に示した昇降テーブル４と実質同じもの）上に所定厚さに粉末１１が散布され、該装置１０の往復双方向の移動で薄層１７が形成されるようになる。なお、この装置１０には、粉末の散布厚さすなわち薄層１７の厚さを検出する厚み検出センサ１８が付設されている。また、この種の粉末供給装置としては、粉末を収容する容器（粉末供給源）を粉末散布ノズルから独立させて，両者をフレキシブルホースにて接続し、粉末散布ノズルのみを移動させるようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。
特開平１０−２１１６５６号公報 特開２００１−４７５２０号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に記載された粉末供給装置によれば、何れも積層エリアの散布面から粉末吐出口を離して粉末を散布しているため、粉末は単に堆積する状態となり、均一な厚さの薄層を形成することが困難であるという問題があった。また、散布された状態では密度が低いため、結合及び積層後の密度も低下し、得られる三次元形状物の強度が低下する虞もあった。なお、特許文献１に記載の発明では、厚み検出センサ１４により散布厚さを検出しているが、それは、散布後の結果を監視しているだけであり、薄層の厚さ均一に散布することは困難である。

本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、粉末を造形エリアに直接散布する方式により、高精度にかつ高密度に粉末の薄層を形成できる粉末積層造形用粉末供給装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、粉末を造形エリアに散布する粉末散布ヘッドを備え、該粉末散布ヘッドは、粉末吐出口を間にする粉末散布方向の前後に一対の均しブレードを昇降可能に設けており、前記一対の均しブレードは、粉末散布方向に対して後側となる均しブレードが、前側となる均しブレードよりも粉末の薄層の一層分だけ上昇する高さに位置決めされると共に、粉末散布方向に対して前側となる均しブレードが前記造形エリアの散布面に接触して位置決めされることを特徴とする。

上記のように構成した粉末積層造形用粉末供給装置においては、一対の均しブレードの段差がそのまま散布厚さとなり、したがって、均一な厚さの薄層が安定して得られるようになる。また、粉末散布方向に対して後側となる一方の均しブレードによって散布された粉末の上面が押えられる（圧縮される）ので、得られる薄層の密度も高くなる。

本発明において、上記一対の均しブレードは、相互に対向する側の先端部側縁にテーパ面を有している形状とするのが望ましく、この場合は、前記テーパ面のくさび効果により粉末の圧縮が促進されるので、より一層薄層の密度が高まる。

本発明は、粉末散布ヘッドに、一対の均しブレードを昇降させる駆動手段を設けるようにしてもよく、この場合は、一対の均しブレードの高さの切換えを自動で行うことができる。また、この場合、駆動手段としては、構造簡単で小型化が可能であることから、ソレノイドを用いるのが望ましい。

本発明に係る粉末積層造形用粉末供給装置によれば、粉末を造形エリアに直接散布する方式により、高精度にかつ高密度に粉末の薄層を形成できるようになり、その利用価値は大なるものがある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基いて説明する。
図１〜４は、本発明の一つの実施形態としての粉末積層造形用粉末供給装置を示したものである。本粉末供給装置２０は、図２に示されるように粉末圧送装置（粉末供給源）２１と、粉末散布ヘッド２２と、前記粉末圧送装置２１と粉末散布ヘッド２２とを接続するフレキシブルホース２３とから概略構成されている。

上記粉末圧送装置２１は、粉末２４を収容するホッパ２５とこのホッパ２５下に横置きに配置されたスクリュフィーダ２６とを備えている。スクリュフィーダ２６は、前記ホッパ２５に接続されたチューブ２７内にモータ（減速機付き）２８により回転駆動されるスクリュ２９を配設してなっており、このスクリュ２９の回転に応じてホッパ２５内の粉末２４がチューブ２７内に定量ずつ切出され、かつ前記粉末散布ヘッド２２へ圧送される。なお、粉末圧送装置２１の全体は、後述の積層エリアＡ（図４）の上方に配置した架台３０上に固設されている。

一方、上記粉末散布ヘッド２２は、前記フレキシブルホース２３に後端部が接続され、先端部（下端部）に矩形の粉末吐出口３１を有する粉末散布ノズル３２と、該粉末散布ノズル３２内の流路を開閉する開閉バルブ３３と、粉末散布ノズル３２に添設されたソレノイド（駆動手段）３４、３５により各独立に昇降駆動される一対の均しブレード３６，３７とを備えている。粉末散布ヘッド２２は、前記積層エリアＡの上方に架設された一対のガイドレール３８（図４）に水平移動可能に支持されている。粉末散布ヘッド２２はまた、ガイドレール３８の一端側に配置された駆動手段（図示略）によって往復移動するようになっており、この動きに前記フレキシブルホース２３が追従する。なお、フレキシブルホース２３は、硬質ゴム製の蛇腹であっても、金属製のベローズであってもよい。

ここで、上記した各均しブレード３６，３７は矩形板状をなしており（図３）、図１に示されるように、粉末吐出口３１を間にする粉末散布方向Ｆの前後に対向して配置されている。また、各均しブレード３６、３７は相互に、形成すべき薄層３９の厚さ分だけ段差ｈが生じるように伸長端（下降端）と短縮端（上昇端）とが規制されている。また、各均しブレード３６、３７は、相互に対向する側の先端部側縁に２０〜３０度程度のテーパ面３６ａ、３７ａを有している。さらに、粉末散布ノズル３２の側面には、前記一対の均しブレード３６、３７の間隙から側方へ粉末が流出するのを規制する遮蔽板４０が添設されている。なお、均しブレード３６、３７の材種は任意であるが、できるだけ耐摩耗性に優れた材料、例えば、ダイス鋼、高速度工具鋼、セラミックス等を選択するのが望ましい。

以下、上記のように構成した粉末供給装置２０の作用を説明する。
粉末積層造形に際しては、図１に示されるように、粉末散布ヘッド２２の一対の均しブレード３６、３７のうち、粉末散布方向Ｆの前側となる一方の均しブレード（以下、これを第１均しブレードという）３６を伸長端に、後側となる他方の均しブレード（以下、これを第２均しブレードという）３７を短縮端にそれぞれ位置決めする。この時、積層エリアＡ内の昇降テーブル４上の粉末散布面Ｃ（前回形成された薄層または焼結層３９Ｌの上面）に前記伸長端にある第１均しブレード３６の先端がわずか接触するように昇降テーブル４が位置決めされている。粉末散布の開始に際しては、粉末散布ヘッド２２が昇降テーブル４の片側に位置決めされており、この位置で、先ずモータ２８によってスクリュフィーダ２６のスクリュ２９が回転すると共に、開閉バルブ３３が開弁する。これによってホッパ２５内の粉末２４は、フレキシブルホース２３を経て粉末散布ヘッド２２へ圧送される。

一方、上記した粉末２４の圧送に合せて、図示を略す駆動手段により粉末散布ヘッド２２がガイドレール３８に沿って粉末散布方向Ｆへ所定の速度で移動する。すると、図１に示されるように、粉末散布ノズル３２の粉末吐出口３１から吐出した粉末２４が、短縮端にある第２均しブレード３７の端面と前記散布面Ｃとの間の間隙４１を通じて外部へ流出し、前記散布面Ｃに堆積する。この場合、前記間隙４１の高さすなわち両均しブレード３６と３７との段差ｈは、形成すべき薄層３９の厚さと同じ値となっており、これにより粉末散布ヘッド２２の通過跡には、所定の厚さ（ｈ）を有する薄層３９が形成される。また、前記間隙４１を通じて外部へ流出する粉末の上面は、第２均しブレード３７のテーパ面３７ａとその端面とによって押えられ（圧縮され）ているので、密度の高い薄層３９が得られるようになる。本実施形態においては特に、均しブレード３７の先端部にテーパ面３７ａが存在するので、粉末２４はこのテーパ面３７ａのくさび効果によって効果的に圧縮され、薄層３９の密度は十分に高くなる。さらに、前回形成された焼結層３９Ｌの上面には、微小な突起３９ａが発生することが多いが、これら突起３９ａは粉末散布方向Ｆに対して先行する第１均しブレード３６によって押し潰され、この結果、新たに形成された粉末の薄層３９は均一な厚さとなる。

上記粉末散布ヘッド２２は、昇降テーブル４の反対側に到達した時点で移動停止され、これと同時に開閉バルブ３３が閉弁しかつスクリュフィーダ２６のモータ２８が停止される。これによって積層エリアＡの昇降テーブル４上には新たな薄層３９が一面に形成され、その後は、従来と同様の手順で、レーザ発振器６からミラー７を経て出射されるレーザビームの照射によって新たな焼結層（結合層）Ｓが積層形成される。

そして、上記新たな焼結層Ｓの形成が終了したら、先ず積層エリアＡの昇降テーブル４が、形成すべき粉末の薄層３９の一層分だけ下降し、続いて粉末散布ヘッド２２内のソレノイド３４、３５が作動して、第１均しブレード３６が短縮端に、第２均しブレード３７が伸長端にそれぞれ位置決めされる。これにより、積層エリアＡ内の昇降テーブル４上の粉末散布面Ｃ（前回形成された薄層または焼結層の上面）に前記伸長端にある第２均しブレード３６の先端がわずか接触する状態となる。その後は、再びモータ２８によってスクリュフィーダ２６のスクリュ２９が回転すると共に、開閉バルブ３３が開弁し、さらに、図示を略す駆動手段により粉末散布ヘッド２２が、先の粉末散布方向Ｆと逆方向Ｆ´（図１）へ所定の速度で移動する。これによって粉末散布ヘッド２２の移動跡には、新たな粉末の薄層が形成され、以降、前記レーザビームの照射、粉末散布ヘッド２２による粉末散布が繰返されて、所望の三次元形状物が造形される。

なお、上記実施形態においては、粉末散布ヘッド２２内の一対の均しブレード３６、３７を昇降駆動する駆動手段としてソレノイド３２を用いたが、この駆動手段は任意であり、シリンダ、電動機構等の他の手段を用いることができる。また、この一対の均しブレード３６、３７は、例えばリンク機構を介して連動可能に連結して、１つの駆動手段により昇降駆動させるようにしてもよい。

ここで、上記実施形態においては、粉末散布ヘッド２２をガイドレール３８に沿って往復移動させるようにしたが、その移動方式は任意であり、例えば工業用ロボットに持たせて、該ロボットの動きを利用して移動させるようにしてもよい。

また、上記実施形態においては、粉末供給源としての粉末圧送装置２１と粉末散布ヘッド２２とを別体に形成して両者をフレキシブルホース２３によって接続するようにしたが、本発明は、粉末圧送装置２１と粉末散布ヘッド２２とを一体化してもよいもので、この場合は、図６に示した従来例と同様の態様で、一体の粉末供給装置が積層エリアＡ上を移動することになる。

さらに、上記実施形態においては、レーザビームを粉末の結合及び積層に用いるレーザ照射方式の粉末積層造形に適用した例を示したが、本発明は、インクジェットによりバインダ（結合剤）を噴射して粉末粒子を接合しながら積層するインクジェット方式の粉末積層造形に適用できることももちろんで、この場合は、積層用昇降テーブル４の上方に配置したＸ−Ｙプロッタにインクジェットヘッドを持たせるようにする。

本発明に係る粉末積層造形用粉末供給装置の要部構造と使用態様とを示す断面図である。 本粉末積層造形用粉末供給装置の全体的構造を示す断面図である。 本粉末造形装置を構成する均しブレードとその駆動手段であるソレノイドとを示す正面図である。 本粉末供給装置を適用した、レーザ照射方式の粉末積層造形の実施状況を示す模式図である。 従来の粉末積層造形用粉末供給装置の一般的な構造と使用態様とを示す模式図である。 従来の粉末積層造形用粉末供給装置の他の構造と使用態様とを示す断面図である。

符号の説明

Ｓ 積層エリア
４ 積層用昇降テーブル
６ レーザ発振器
７ ミラー
２１ 粉末圧送装置（粉末供給源）
２２ 粉末散布ヘッド
２３ フレキシブルホース
２４ 粉末
２５ ホッパ
２６ スクリュフィーダ
３１ 粉末吐出口
３２ 粉末吐出ノズル
３３ 開閉弁
３４、３５ ソレノイド（駆動手段）
３６、３７ 均しブレード
３８ ガイドレール

Claims (4)

1. 粉末の薄層を結合及び積層して三次元形状物を造形する粉末積層造形に用いる粉末供給装置であって、粉末を造形エリアに散布する粉末散布ヘッドを備え、該粉末散布ヘッドは、粉末吐出口を間にする粉末散布方向の前後に一対の均しブレードを昇降可能に設けており、前記一対の均しブレードは、粉末散布方向に対して後側となる均しブレードが、前側となる均しブレードよりも粉末の薄層の一層分だけ上昇する高さに位置決めされると共に、粉末散布方向に対して前側となる均しブレードが前記造形エリアの散布面に接触して位置決めされることを特徴とする粉末積層造形用粉末供給装置。
2. 一対の均しブレードが、相互に対向する側の先端部側縁にテーパ面を有していることを特徴とする請求項１に記載の粉末積層造形用粉末供給装置。
3. 粉末散布ヘッドに、一対の均しブレードを昇降させる駆動手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の粉末積層造形用粉末供給装置。
4. 駆動手段が、ソレノイドからなることを特徴とする請求項３に記載の粉末積層造形用粉末供給装置。