JP5841649B1

JP5841649B1 - 積層造形装置

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Publication number: JP5841649B1
Application number: JP2014207128A
Authority: JP
Inventors: 秀一川田; 勝隆村中; 秀二岡崎
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2014-10-08
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2034-10-08
Also published as: US9808864B2; JP2016074957A; US20160101469A1

Abstract

【課題】造形室内の酸素濃度を短時間で低減させることができる積層造形装置を提供する。【解決手段】本発明によれば、所要の造形領域を覆い且つ所定濃度の不活性ガスで充満される造形室と、前記造形領域上に形成される材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して照射位置の材料粉体を焼結させて焼結体を形成するレーザ光照射部と、前記造形室内で移動可能に構成され且つ前記焼結体に対して機械加工を施す加工ヘッドと、前記加工ヘッドを移動させる駆動装置を収容する駆動室と、前記造形室と前記駆動室とを仕切る仕切り部と、前記造形室と前記駆動室の両方に前記不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置を備え、前記仕切り部は、前記駆動室から前記造形室への前記不活性ガスの移動を可能にする連通部が設けられるように前記造形室と前記駆動室とを仕切る、積層造形装置が提供される。【選択図】図１

Description

この発明は、積層造形装置に関する。

レーザ光による金属の積層造形においては、窒素ガスで充満された造形室内に配置され且つ上下方向に移動可能な造形テーブル上に非常に薄い材料粉体層を形成し、この材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して照射位置の材料粉体を焼結させる工程を繰り返すことによって、所望の造形物を形成する。

また、造形物の造形途中に、材料粉体を焼結して得られた焼結体の表面や不要部分に対して機械加工を施すためのミーリングヘッドが造形室内に移動可能に設置される場合がある（特許文献１）。

特許第５２５０３３８号公報

特許文献１では、ミーリングヘッドを移動させるための駆動機構が造形室内に配置されており、その分だけ造形室が大きくなっている。造形物を取り出す際には、造形室の扉が開かれて、その際に、造形物内の酸素濃度が上がってしまう。酸素濃度が上がった状態で積層造形を行うと、材料粉体の焼結時に材料粉体が酸化されてしまって造形物の品質が低下するという問題があるので、造形物を取り出した後、造形室の扉を閉じた状態で窒素ガスを供給することによって造形室内の酸素濃度を低減させる必要がある。この際に造形室内の容積が大きいほど、酸素濃度を低減するのに時間がかかってしまい、次の造形物の形成開始までの待ち時間が長くなる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、造形室内の酸素濃度を短時間で低減させ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、所要の造形領域を覆い且つ所定濃度の不活性ガスで充満される造形室と、前記造形領域上に形成される材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して照射位置の材料粉体を焼結させて焼結体を形成するレーザ光照射部と、前記造形室内で移動可能に構成され且つ前記焼結体に対して機械加工を施す加工ヘッドと、前記造形室に隣接して配置され、前記加工ヘッドを移動させる駆動装置を収容する駆動室と、前記造形室と前記駆動室とを仕切る仕切り部と、前記造形室内の気体を排出する排出部と、前記造形室と前記駆動室の両方に前記不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置と、を備え、前記仕切り部には、前記駆動室と前記造形室とを連通する連通部が設けられ、前記連通部は、不活性ガスが供給される前記駆動室内の気圧が前記造形室内の気圧よりも高くなるように保持可能な大きさであることを特徴とする積層造形装置が提供される。

本発明の積層造形装置では、造形領域を覆う造形室と、加工ヘッドを移動させる駆動装置を収容する駆動室を仕切り部で仕切った上で、造形室と駆動室の両方に不活性ガスを供給している。このような構成によれば、造形室内に駆動装置を配置しない分だけ造形室を小さくすることができる。また、造形室の扉が開いているときでも駆動室は不活性ガスで満たされており、この不活性ガスが駆動室と造形室の間の連通部を通じて駆動室から造形室に移動するようになっている。このため、造形室の扉が閉じると、不活性ガス供給装置から造形室内に不活性ガスが供給されることに加えて、造形室からも不活性ガスが供給されるので、造形室内が速やかに不活性ガスで充満されて、酸素濃度が低減される。

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装置は、前記造形室に前記不活性ガスを供給する第１不活性ガス供給装置と、前記駆動室に前記不活性ガスを供給する第２不活性ガス供給装置を備える。
好ましくは、第１不活性ガス供給装置は、不活性ガスの濃度を管理する機能を有し、第２不活性ガス供給装置は、不活性ガスの濃度を管理する機能を有されない。
好ましくは、前記造形室に供給される不活性ガスの流量は、前記駆動室に供給される不活性ガスの流量よりも大きい。
好ましくは、前記不活性ガスは、前記積層造形装置の電源がＯＮになっている間に前記駆動室に供給され、かつ前記造形室へのアクセスを可能にする扉が閉じている間に前記造形室に供給される。
好ましくは、前記仕切り部は、前記駆動室と前記造形室の境界面に平行な方向に伸縮可能な蛇腹を備え、前記加工ヘッドは、前記蛇腹の伸縮方向に移動可能である。
好ましくは、前記材料粉体層は、前記材料粉体を前記造形領域上に供給するリコータヘッドを前記造形室内で移動させることによって形成される。

本発明の一実施形態の積層造形装置１０及びその周辺装置の概略構成図である。図１中のＡ−Ａ断面図（リコータヘッド１１は左側面図）であり、前チャンバ１ｆのみを表示している。図１の積層造形装置１０の全体斜視図である。図３の上面を開放した状態を示す斜視図である。図３から前チャンバ１ｆ及びベース５４を除いた状態を示す斜視図である。境界パネル５９近傍の拡大図である。但し、Ｘ軸蛇腹５３は折りたたんた状態で表示している。加工ヘッド５７及びＹ軸蛇腹５８の斜視図である。粉体層形成装置３及びレーザ光照射部１３を示す斜視図である。リコータヘッド１１の斜視図である。リコータヘッド１１の別の角度から見た斜視図である。（ａ）は所望形状の造形物４７の斜視図、（ｂ）は、（ａ）の造形物のモデルの斜視図、（ｃ）は、（ｂ）のモデルを所定単位高で水平面で分割した状態を示す斜視図である。焼結層５０を積層させて得られる造形物４７の斜視図である。積層造形装置１０を用いた積層造形方法の説明図である。積層造形装置１０を用いた積層造形方法の説明図である。実施例及び比較例の条件で窒素ガスを供給した場合の造形室１ｄ内の酸素濃度の経時変化を示す斜視図である。

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。以下の説明中で、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向は、図４で定義される通りである。

図１〜図８に示すように、本発明の一実施形態の積層造形装置１０は、チャンバ１内に粉体層形成装置３と駆動装置５２が設けられる。駆動装置５２は、ベッド５１上に配置される。粉体層形成装置３とベッド５１は、ベース５４上に配置される。チャンバ１は、前チャンバ１ｆと後チャンバ１ｒに分かれており、前チャンバ１ｆ内に造形室１ｄが設けられ、後チャンバ１ｒ内に駆動室１ｅが設けられる。造形室１ｄと駆動室１ｅは、伸縮可能なＸ軸蛇腹５３で仕切られる。

駆動装置５２は、造形室１ｄ内に配置される加工ヘッド５７をＹ軸方向に移動させるＹ軸駆動装置５２ｂと、Ｙ軸駆動装置５２ｂをＸ軸方向に移動させるＸ軸駆動装置５２ａで構成される。加工ヘッド５７は、図７に示すように、スピンドルヘッド６０と、これをＺ軸方向に移動させるＺ軸駆動装置（図示せず）を備える。スピンドルヘッド６０は、エンドミルなどの回転切削工具を装着して回転させることができるように構成されている。以上の構成によって、加工ヘッド５７は、スピンドルヘッド６０を造形室１ｄ内の任意の位置に移動させて、後述する焼結体５０に対して機械加工を施すことができるようになっている。

Ｙ軸駆動装置５２ｂは、Ｘ軸駆動装置５２ａに連結されている部分が駆動室１ｅ内に配置され、加工ヘッド５７に連結されている部分が造形室１ｄ内に配置されている。図４および図５に示すように、Ｙ軸駆動装置５２ｂの周囲には、伸縮可能なＹ軸蛇腹５８が設けられている。より具体的には、図６に示すように、Ｙ軸蛇腹５８の一端は、保持フレーム６３に固定されており、Ｙ軸蛇腹５８の他端は、加工ヘッド５７に固定されている。このような構成によれば、Ｙ軸蛇腹５８が伸縮することによって、Ｙ軸蛇腹５８の両端が保持フレーム６３と加工ヘッド５７に固定された状態で加工ヘッド５７がＹ軸方向に移動することが可能になる。

図４〜図６に示すように、造形室１ｄと駆動室１ｅの境界には開口部５６を有する境界パネル５９が設けられている。保持フレーム６３は、境界パネル５９の開口部５６内に配置されており、且つ駆動室１ｅ内においてブラケット６２を介してＹ軸駆動装置５２ｂのベース部（加工ヘッド５７のＹ軸移動時に移動しない部分）に固定されている。開口部５６内には、伸縮可能なＸ軸蛇腹５３も配置されている。Ｘ軸蛇腹５３は、保持フレーム６３よりも右側に配置された第１Ｘ軸蛇腹５３ａと、保持フレーム６３よりも左側に配置された第２Ｘ軸蛇腹５３ｂで構成される。第１及び第２Ｘ軸蛇腹５３ａ，５３ｂは、それぞれ、一端が境界パネル５９に固定され、他端が保持フレーム６３に固定されている。このような構成によれば、第１及び第２Ｘ軸蛇腹５３ａ，５３ｂが伸縮することによって、第１及び第２Ｘ軸蛇腹５３ａ，５３ｂの両端が保持フレーム６３と境界パネル５９に固定された状態で、Ｙ軸駆動装置５２ｂ，加工ヘッド５７，保持フレーム６３，及びＹ軸蛇腹５８が一体となってＸ軸方向に移動することが可能になる。

加工ヘッド５７がＸ軸方向に移動する際に、第１及び第２Ｘ軸蛇腹５３ａ，５３ｂは、その上端及び下端が境界パネル５９に対して摺動しながら、伸縮する。第１及び第２Ｘ軸蛇腹５３ａ，５３ｂの伸縮をスムーズにするために、第１及び第２Ｘ軸蛇腹５３ａ，５３ｂの上端及び下端と境界パネル５９の間にはわずかな隙間が存在しており、後述するように駆動室１ｅに供給される不活性ガスは、主に、この隙間を通じて造形室１ｄに供給される。従って、この隙間が駆動室１ｅと造形室１ｄの間の連通部となる。なお、連通部は、境界パネル５９やＸ軸蛇腹５３に開口部を設けることによって形成してもよい。

以上のように、造形室１ｄと駆動室１ｅは、加工ヘッド５７，保持フレーム６３，Ｙ軸蛇腹５８，及びＸ軸蛇腹５３によって仕切られ、これらが特許請求の範囲の「仕切り部」を構成する。これらの部材によって造形室１ｄと駆動室１ｅの間の不活性ガスの移動は、大幅に制限されるので、造形室１ｄが大気開放されているときでも駆動室１ｅ内の不活性ガス濃度は高い値に保持される。また、造形室１ｄで発生したヒュームが駆動室１ｅに移動することが妨げられるので、ヒュームの侵入によって駆動装置５２が故障することが抑制される。

図３に示すように、前チャンバ１ｆには、扉６１が設けられており、扉６１を開けることによって造形室１ｄ内での作業（造形物の取り出し、未焼結材料粉体の除去など）を行うことができるようになっている。

前チャンバ１ｆ内には、粉体層形成装置３が設けられる。粉体層形成装置３は、図８に示すように、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、リコータヘッド１１の移動方向に沿って造形領域Ｒの両側に設けられた細長部材９ｒ，９ｌとを備える。リコータヘッド１１は、リコータヘッド１１の走行面に設けられたスライドシート６６の下側に設けられた駆動機構６７によって移動可能になっている。駆動機構６７は、周辺大気下に配置されており、造形室１ｄは、スライドシート６６によって周辺大気から分離されている。リコータヘッド１１を駆動機構６７によって移動させるためにスライドシート６６はベース台４に完全に固着させることができず、スライドシート６６とベース台４の間にはわずかな隙間ができてしまい、その隙間を通じて周辺大気が造形室１ｄ内に侵入しやすくなっている。

造形領域Ｒには、駆動機構３１によって駆動されて上下方向（図１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、造形テーブル５上に材料粉体層８が形成される。

造形テーブル５を取り囲むように粉体保持壁２６が設けられており、粉体保持壁２６と造形テーブル５によって囲まれる粉体保持空間に未焼結の材料粉体が保持される。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２７が設けられ、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２７から排出され、排出された材料粉体は、シューターガイド２８によってシューター２９に案内され、シューター２９を通じてバケットに収容される（図２に図示）。

リコータヘッド１１は、図９〜図１０に示すように、材料収容部１１ａと、材料収容部１１ａの上面に設けられた材料供給口１１ｂと、材料収容部１１ａの底面に設けられ且つ材料収容部１１ａ内の材料粉体を排出する材料排出部１１ｃを備える。材料供給口１１ｂには、図３に示す材料供給装置５５から材料粉体が供給される。

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。リコータヘッド１１の両側面には材料排出部１１ｃから排出された材料粉体を平坦化して材料粉体層８を形成するスキージングブレード１１ｆｂ，１１ｒｂが設けられる。また、リコータヘッド１１の両側面には、材料粉体の焼結時に発生するヒュームを吸引するヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓが設けられる。ヒューム吸引部１１ｆｓ，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）に沿って設けられる。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。

細長部材９ｒ，９ｌにはそれぞれリコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に沿って開口部が設けられる。これらの開口部の一方が不活性ガス供給口として利用され、他方が不活性ガス排出口として利用されることによって、造形領域Ｒ上に矢印Ｃ方向の不活性ガスの流れができるので、造形領域Ｒで発生したヒュームがこの不活性ガスの流れに沿って容易に排出される。なお、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、ヘリウムガスなどが例示される。

前チャンバ１ｆの上方にはレーザ光照射部１３が設けられる。図８に示すように、レーザ光照射部１３は、レーザ光Ｌを出力するレーザ光源４２と、レーザ光源４２から出力されたレーザ光Ｌを二次元走査する一対のガルバノスキャナ４３ａ，４３ｂと、レーザ光Ｌを集光する集光レンズ４４とを備える。ガルバノスキャナ（Ｘ軸スキャナ）４３ａは、レーザ光Ｌを矢印Ｂ方向（Ｘ軸方向）に走査し、ガルバノスキャナ（Ｙ軸スキャナ）４３ｂは、レーザ光Ｌを矢印Ｃ方向（Ｙ軸方向）に走査する。スキャナ４３ａ，４３ｂは、それぞれ、回転角度制御信号の大きさに応じて回転角度が制御されるので、スキャナ４３ａ，４３ｂに入力する回転角度制御信号の大きさを変化させることによって所望の位置にレーザ光Ｌの照射位置を移動させることが可能になっている。集光レンズ４４の例は、fθレンズである。

集光レンズ４４を通過したレーザ光Ｌは、前チャンバ１ｆ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。

前チャンバ１ｆ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、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。

次に、不活性ガス供給系統と、ヒューム排出系統について説明する。

前チャンバ１ｆへの不活性ガス供給系統には、第１不活性ガス供給装置１５ａと、ヒュームコレクタ１９が接続されている。第１不活性ガス供給装置１５ａ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。第１不活性ガス供給装置１５ａとしては、不活性ガスの濃度を管理可能なものが好ましい。前チャンバ１ｆに設けられた造形室１ｄにおいて積層造形が行われるので、第１不活性ガス供給装置１５ａが供給する不活性ガスの濃度が低い場合には、造形物の品質低下に繋がるからである。ヒュームコレクタ１９は、その上流側及び下流側にダクトボックス２１，２３を有する。前チャンバ１ｆから排出されたガス（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不活性ガスがダクトボックス２３を通じて前チャンバ１ｆ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。

前チャンバ１ｆへの不活性ガス供給系統は、図１に示すように、前チャンバ１ｆの上部供給口１ｂと、ヒューム拡散部１７の不活性ガス供給空間１７ｄと、細長部材９ｌにそれぞれ接続される。上部供給口１ｂを通じて前チャンバ１ｆの造形室１ｄ内に不活性ガスが充填される。細長部材９ｌ内に供給された不活性ガスが開口部を通じて造形領域Ｒ上に排出される。

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上部供給口１ｂに送られ、第１不活性ガス供給装置１５ａからの不活性ガスが不活性ガス供給空間１７ｄ及び細長部材９ｌ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（清浄空間１７ｆ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。

ヒューム排出系統は、図１に示すように、前チャンバ１ｆの上部排出口１ｃと、リコータヘッド１１のヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓ、及び細長部材９ｒにそれぞれ接続される。上部排出口１ｃを通じて前チャンバ１ｆの造形室１ｄ内の、ヒュームを含む不活性ガスが排出されることによって、造形室１ｄ内に上部供給口１ｂから上部排出口１ｃに向かう不活性ガスの流れが形成される。リコータヘッド１１のヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓは、リコータヘッド１１が造形領域Ｒ上を通過する際に造形領域Ｒで発生したヒュームを吸引することができる。また、細長部材９ｒの開口部を通じてヒュームを含む不活性ガスが前チャンバ１ｆ外に排出される。ヒューム排出系統は、ダクトボックス２１を通じてヒュームコレクタ１９に接続されており、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不活性ガスが再利用される。

後チャンバ１ｒへの不活性ガス供給系統には、第２不活性ガス供給装置１５ｂが接続されている。第２不活性ガス供給装置１５ｂは、第１不活性ガス供給装置１５ａと同様の構成の装置であってもよいが、後チャンバ１ｒに設けられる駆動室１ｅの不活性ガス濃度管理の重要性が低いので、第２不活性ガス供給装置１５ｂは、不活性ガスの濃度を管理する機能を有していなくてもよい。後チャンバ１ｒへの不活性ガス供給系統は、図１に示すように、後チャンバ１ｒの供給口１ｇに接続される。後チャンバ１ｒには、ヒューム排出系統が設けられず、後チャンバ１ｒ内に供給された不活性ガスは、上述したように、仕切り部に設けられた連通部を通じて造形室１ｄ内に供給される。

第１及び第２不活性ガス供給装置１５ａ，１５ｂ及びヒュームコレクタ１９には、制御装置２０が接続されている。制御装置２０には、積層造形装置１０の電源のＯＮ／ＯＦＦを示す信号、第１不活性ガス供給装置１５ａや造形室１ｄ内に設けられたセンサからの信号、扉６１の開閉を示す信号が入力され、制御装置２０は、これらの信号に基いて第１及び第２不活性ガス供給装置１５ａ，１５ｂ及びヒュームコレクタ１９の制御を行う。

例えば、積層造形装置１０の電源がＯＮになっている間に駆動室１ｅに不活性ガスを供給するように第２不活性ガス供給装置１５ｂを制御し、造形室１ｄへのアクセスを可能にする扉６１が閉じている間に造形室１ｄに不活性ガスを供給するように制御を行う。つまり、駆動室１ｅには、扉６１の開閉状態に関わらず、積層造形装置１０の電源がＯＮになっている状態は不活性ガスが常時供給されるので、駆動室１ｅは常に不活性ガスで充填されている状態となる。造形室１ｄへの不活性ガスの供給は扉６１が開いているときは停止する。扉６１が開いているときは、不活性ガスを供給しても大気中に拡散してしまうので、扉６１が開いているときに不活性ガスの供給を停止することによって不活性ガスの無駄な供給を抑制することができる。

造形室１ｄに供給される不活性ガスの流量は、駆動室１ｅに供給される不活性ガスの流量よりも大きいことが好ましい。これによって、造形室１ｄが不活性ガスでパージされる状態にして、造形室１ｄ内の清純度をより一層高めることができる。

ヒュームコレクタ１９は、積層造形装置１０の電源がＯＮになっている間にヒュームの排気を常時行うようにしてもよく、扉６１が閉じている間のみヒュームの排気を行ってもよく、積層造形がおこなわれている間のみヒュームの排気を行ってもよい。ヒュームコレクタ１９がヒュームの排気を行っている間は、造形室１ｄは、ヒューム排出口１ｃ，１１ｆｓ，１１ｒｓ，９ｒの近傍において、局所的に減圧状態になり、スライドシート６６とベース台４の間の隙間や、Ｘ軸蛇腹５３と境界パネル５９の間の隙間などから外気が造形室１ｄ内に導入されやすい。駆動室１ｅが不活性ガスで充填されていない状態では、Ｘ軸蛇腹５３と境界パネル５９の間の隙間から侵入したエアによって造形室１ｄ内の不活性ガス濃度が低下するという問題があったが、本実施形態では、駆動室１ｅ内にも不活性ガスが導入されているので、この問題が解消される。さらに、本実施形態では、駆動室１ｅ内に不活性ガスを供給することによって駆動室１ｅ内の圧力が周辺大気圧よりも高い状態となっているために、造形室１ｄが減圧状態となったときは駆動室１ｅ内の不活性ガスが造形室１ｄ内に優先的に引き込まれることによって、スライドシート６６とベース台４の間の隙間を通じた大気の流入が抑制される。このため、造形室１ｄ内の不活性ガス濃度が速やかに上昇すると共に、駆動室１ｅに不活性ガスを供給しない場合よりも造形室１ｄ内の不活性ガス濃度が高い値にまで到達可能になっている。

次に、上記の積層造形装置を用いた粉末焼結積層造形方法について説明する。

ここでは、図１１（ａ）に示す三次元形状を有する造形物４７を積層造形によって生成する場合を例に挙げて説明を進める。

まず、図１１（ｂ）〜（ｃ）に示すように、所望の三次元形状を有する造形物４７をコンピュータ上でモデル化した造形物モデル４８を所定単位高で水平面で分割して分割層４９ａ，４９ｂ，・・・４９ｆを形成する。次に、図１２〜図１４に示すように、材料粉体層８に対してレーザ光Ｌを照射して材料粉体を選択的に焼結させて分割層４９ａ，４９ｂ，・・・４９ｆに対応した形状を有する焼結層５０ａ，５０ｂ，・・・５０ｆを形成すると共にこれらの層を互いに融合させることによって、造形物４７を形成する。分割層４９ａ，４９ｂ，・・・４９ｆのそれぞれの輪郭形状で囲まれた領域がレーザ光Ｌを照射すべき照射領域４５ａ，４５ｂ，・・・４５ｆとなる。分割層、焼結層、及び照射領域は、それぞれ、分割層４９、焼結層５０、及び照射領域４５とも称する。
つまり、造形物モデル４８の各分割層４９の輪郭形状で囲まれた照射領域４５にレーザ光Ｌを照射して照射領域４５内の材料粉体層８の材料粉体を選択的に焼結することを繰り返することによって、造形物４７が生成される。

次に、焼結層５０を形成する方法を詳細に説明する。
まず、扉６１を閉じた状態で積層造形装置１０の電源をＯＮにすると、制御装置２０が、第１及び第２不活性ガス供給装置１５ａ，１５ｂ及びヒュームコレクタ１９を作動させて、造形室１ｄ及び駆動室１ｅへの不活性ガスの供給、及びヒュームの排出が開始される。

造形室１ｄ内の酸素濃度が所定値（例：３％）以下になると、積層造形を開始する。
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。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。

次に、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することによって材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図１３に示すように、１層目の焼結層５０ａを得る。

次に、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５０ａ上に２層目の材料粉体層８を形成する。
次に、上記と同様の方法に従って、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することによって材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図１４に示すように、２層目の焼結層５０ｂを得る。
以上の工程を繰り返すことによって、３層目の焼結層５０ｃ、４層目の焼結層５０ｄ、５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。

所定数の層（例：１０層）の焼結層が形成される度に、得られた焼結体に対して、加工ヘッド５７を三次元移動させながら機械加工を施す。

焼結体に対して機械加工に施した後に、再度、材料粉体層８の形成及びレーザ光照射を行うことによって、引き続き、積層造形を行う。

積層造形の完了後は、造形テーブル５を降下させることによって粉体排出部２７を通じて未焼結の材料粉体を排出する。

次に、未焼結の材料粉体の排出後に、造形テーブル５を所定位置にまで上昇させる。その状態で扉６１を開けて、造形物４７の取り出しや造形室１ｄ内の清掃といった作業を行う。扉６１が開けられたことを制御装置２０が検知すると、第１不活性ガス供給装置１５ａからの不活性ガスの供給が停止される。

作業の完了後、扉６１が閉じられたことを制御装置２０が検知すると、第１不活性ガス供給装置１５ａからの不活性ガスの供給が再開され、造形室１ｄ内の酸素濃度が所定値（例：３％）以下になると、積層造形が開始される。本実施形態では、駆動室１ｅに不活性ガスが供給されているので、造形室１ｄ内の酸素濃度の低下速度が早く、扉６１を閉じてから積層造形を開始するまでの時間が短く、且つ造形室１ｄ内の酸素濃度が非常に低い値にまで到達可能になっている。

上記実施形態で示した積層造形装置１０において、扉６１を閉じた状態で、実施例では造形室１ｄと駆動室１ｅにそれぞれ第１不活性ガス供給装置１５ａと第２不活性ガス供給装置１５ｂとから別々に窒素ガスを供給して造形室１ｄが所要の不活性ガスの濃度に達して安定するまでの時間を測定する試験を行なった。試験は、同一の不活性ガス供給条件で複数回繰返し実施するとともに、ガス供給条件を変えて同様に複数回繰返し実施するようにした。このとき、第１不活性ガス供給装置１５ａから供給されるガスの流量を第２不活性ガス供給装置１５ｂから供給される不活性ガスの流量よりも造形室１ｄがパージされるのに必要な量多く供給するようにしている。比較例では、造形室１ｄにのみ実施例と同じ所定の流量で第１不活性ガス供給装置１５ａから窒素ガスを供給した。実施例・比較例での造形室１ｄ内の酸素濃度を経時的に測定した平均的な結果を図１５に示す。図１５に示すように、実施例では、一例として、不活性ガスの供給ガス圧が０．７ＭＰａのときで１５分程度で酸素濃度が３％に到達し（ｔ１）、その後も酸素濃度はさらに低下した。一方、同じガス供給条件で、比較例では、酸素濃度が３％に到達するのに３０分程度要した（ｔ２）。ただし、造形室１ｄの中の不活性ガス濃度が所定の濃度に達するまでに要する時間は、造形室の容積と供給する不活性ガスのガス圧もしくは流量のようなガス供給条件によって異なり、実施例と比較例（従来）との差分も変わるので、具体的な時間は、比較例（従来）に対する実施例の平均的な効果を示すものである。

１：チャンバ、１ｄ：造形室、１ｅ：駆動室、３：粉体層形成装置、５：造形テーブル、８：材料粉体層、１１：リコータヘッド、１３：レーザ光照射部、１７：ヒューム拡散部、２６：粉体保持壁、２７：粉体排出部、２８：シューターガイド、２９：シューター、３１：駆動機構、３２：粉体保持空間、４２：レーザ光源、４３ａ，４３ｂ：ガルバノスキャナ、４４：集光レンズ、４５：照射領域、４７：造形物、４８：造形物モデル、４９：分割層、５０：焼結層、５２：駆動装置、５３：Ｘ軸蛇腹、５７：加工ヘッド、５８：Ｙ軸蛇腹、５９：境界パネル、６０：スピンドルヘッド、６３：保持フレーム、Ｌ：レーザ光

Claims

所要の造形領域を覆い且つ所定濃度の不活性ガスで充満される造形室と、
前記造形領域上に形成される材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して照射位置の材料粉体を焼結させて焼結体を形成するレーザ光照射部と、
前記造形室内で移動可能に構成され且つ前記焼結体に対して機械加工を施す加工ヘッドと、
前記造形室に隣接して配置され、前記加工ヘッドを移動させる駆動装置を収容する駆動室と、
前記造形室と前記駆動室とを仕切る仕切り部と、
前記造形室内の気体を排出する排出部と、
前記造形室と前記駆動室の両方に前記不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置と、
を備え、
前記仕切り部には、前記駆動室と前記造形室とを連通する連通部が設けられ、
前記連通部は、不活性ガスが供給される前記駆動室内の気圧が前記造形室内の気圧よりも高くなるように保持可能な大きさであることを特徴とする積層造形装置。
前記不活性ガス供給装置は、前記造形室に前記不活性ガスを供給する第１不活性ガス供給装置と、前記駆動室に前記不活性ガスを供給する第２不活性ガス供給装置を備える、請求項１に記載の積層造形装置。
第１不活性ガス供給装置は、不活性ガスの濃度を管理する機能を有し、第２不活性ガス供給装置は、不活性ガスの濃度を管理する機能を有されない、請求項２に記載の積層造形装置。
前記造形室に供給される不活性ガスの流量は、前記駆動室に供給される不活性ガスの流量よりも大きい、請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の積層造形装置。
前記不活性ガスは、前記積層造形装置の電源がＯＮになっている間に前記駆動室に供給され、かつ前記造形室へのアクセスを可能にする扉が閉じている間に前記造形室に供給される、請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の積層造形装置。
前記仕切り部は、前記駆動室と前記造形室の境界面に平行な方向に伸縮可能な蛇腹を備え、
前記加工ヘッドは、前記蛇腹の伸縮方向に移動可能である、請求項１〜請求項５の何れか１つに記載の積層造形装置。
前記材料粉体層は、前記材料粉体を前記造形領域上に供給するリコータヘッドを前記造形室内で移動させることによって形成される、請求項１〜請求項６の何れか１つに記載の積層造形装置。