JP5841650B1

JP5841650B1 - 積層造形装置

Info

Publication number: JP5841650B1
Application number: JP2014213579A
Authority: JP
Inventors: 秀二岡崎; 強史斉藤
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2034-10-20
Also published as: US10046393B2; DE102015116923A1; JP2016078375A; US20160107232A1; CN105522148A; CN105522148B

Abstract

【課題】材料粉体をリコータヘッドに安定的に供給可能な積層造形装置の提供。【解決手段】チャンバ１内で移動しながら造形領域Ｒ上に材料粉体を供給して材料粉体層８を形成するリコータヘッド１１は、前記材料粉体を収容する材料収容部と、前記材料収容部内の前記材料粉体を排出する材料排出口と、を備え、材料供給ユニット５５は、前記材料収容部に前記材料粉体を供給する中間ダクト６９と、中間ダクト６９に前記材料粉体を供給するメインダクト８２を備え、中間ダクト６９は、上下方向に移動可能であり且つ細長い形状を有する中間ダクト６９出口から前記材料粉体を排出するように構成され、材料供給ユニット５５は、中間ダクト６９出口が前記材料収容部の上端よりも低い位置になるように中間ダクト６９を移動させた状態で中間ダクト６９出口から前記材料粉体を排出するように制御される、積層造形装置。【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。

特許文献１では、一対のブレードの長手方向に沿って粉体供給装置の落下供給口を移動させながら、材料粉体を一対のブレードの間の領域に供給する構成が開示されている。

特開２００７−２１６５９５号公報

特許文献１の構成は、一対のブレード間の長手方向に材料粉体を均一あるいは所定の造形領域の幅に合わせて供給しやすい点で優れている。しかしながら、落下供給口が一対のブレードの長手方向に移動しながら一対のブレード間の領域に材料粉体を直接供給する構成であるため、落下供給口と落下供給口の上位に固定して設けられる材料貯蔵部位との間をホースのような可撓性部材を用いて上記領域に材料粉体を導入する必要がある。しかしながら、可撓性部材の内径が大きいと、可撓性部材の中に材料粉体が充満して可撓性部材が曲がらなくなってしまい、落下供給口が円滑に動けなくなる。そのため、可撓性部材の内径と落下供給口の内径を十分に小さくしておく必要があるが、単位時間当たりの材料粉体の供給量が少なく、落下供給口の移動速度が低速にならざるを得ず、ブレードの送り速度も相対的に遅くする必要があるので、材料粉体を均す時間を余計に要する。しかも、可撓性部材の内径が小さいので、可撓性部材の中あるいは落下供給口で材料粉体が詰まりやすく、材料の供給が停止するおそれもある。また、自由落下によって材料粉体を落下供給口まで送るので、材料貯蔵部位の材料粉体の残留貯蔵量によって材料粉体の供給量が左右され、供給する材料粉体の量を一定にすることができない。そのため、変動する材料粉体の落下供給量に合わせて落下供給口の移動速度を常に変更する必要があるが、落下供給口にそのような動作をさせることは、現実的には困難である。そして、落下する材料粉体の量が安定しない状態で落下供給口が移動するので、材料粉体が上記領域内で偏って供給され、材料粉体が正確には均一に供給されず、上記領域の外にこぼすこともある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、材料粉体をリコータヘッドに安定的に供給可能な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チャンバと、前記チャンバ内で移動しながら前記造形領域上に材料粉体を供給して材料粉体層を形成するリコータヘッドと、前記リコータヘッドに前記材料粉体を供給する材料供給ユニットを備え、前記リコータヘッドは、前記材料粉体を収容する材料収容部と、前記材料収容部内の前記材料粉体を排出する材料排出口を備え、前記材料供給ユニットは、前記材料収容部に前記材料粉体を供給する中間ダクトと、前記中間ダクトに前記材料粉体を供給するメインダクトを備え、前記中間ダクトは、上下方向に移動可能であり且つ細長い形状を有する中間ダクト出口から前記材料粉体を排出するように構成され、前記材料供給ユニットは、前記中間ダクト出口が前記材料収容部の上端よりも低い位置になるように前記中間ダクトを移動させた状態で前記中間ダクト出口から前記材料粉体を排出するように制御される、積層造形装置が提供される。

本発明の積層造形装置では、細長い形状の中間ダクト出口から材料粉体を排出することによって、リコータヘッドに材料粉体を供給しているので、中間ダクトをリコータヘッドの長手方向に沿って移動させる必要がなく構成が簡易である。さらに、中間ダクトは、上下方向に移動であり、中間ダクト出口をリコータヘッドの材料収容部の上端よりも低い位置に配置した状態で中間ダクト出口から材料粉体を排出するので、材料粉体が材料収容部からあふれることがない。

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、前記材料排出口は、細長い形状を有し、前記中間ダクト出口は、前記材料排出口と略同一方向に延びる。
好ましくは、前記中間ダクト出口を開閉する中間ダクトシャッターが設けられ、前記中間ダクトシャッターは、前記中間ダクト出口が前記材料収容部の上端よりも低い位置にある状態で前記中間ダクト出口が開かれるように制御される。
好ましくは、前記中間ダクトシャッターは、互いに独立して制御可能な少なくとも２つのシャッターで構成される。
好ましくは、前記中間ダクトは、前記中間ダクト出口から所定長さに渡って延びる断面積が一定のチャネル部と、前記チャネル部の上側に設けられ且つ前記チャネル部よりも断面積が大きい幅広部とを備える。
好ましくは、前記メインダクトは、メインダクト下部と、前記メインダクト下部よりも上側に設けられたメインダクト上部を備え、前記メインダクト上部に供給された前記材料粉体が前記メインダクト下部を通じて前記中間ダクトに供給されるように構成され、前記メインダクト下部と前記メインダクト上部の間の通路を開閉するメインダクトシャッターが設けられる。
好ましくは、前記メインダクト下部は、前記中間ダクトに近づくにつれて前記中間ダクトの長手方向に長くなる拡張部を有する。
好ましくは、前記メインダクトは、前記メインダクトに収容されている材料粉体の重量に応じて上下移動可能に構成される。

本発明の一実施形態の積層造形装置の概略構成図である。粉体層形成装置３、材料供給ユニット５５及びレーザ光照射部１３の斜視図である。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。図２から中間ダクト６９の近傍の構成を抜き出した斜視図である。図５から中間ダクト６９とその駆動機構を抜き出した斜視図である。図６のシリンダ７１ａを通る断面の斜視図である。図２から壁面１ｈを取り除いた状態での、中間ダクト６９とメインダクト８２の接続部の近傍を抜き出した斜視図である。図８の中間ダクト６９の長手方向の略中央を通る断面の斜視図である。図９のＡ−Ａ線を通り且つチャネル部６９ｂを構成する壁面に平行な断面の斜視図である。（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。本発明の一実施形態の積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。本発明の一実施形態の積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。リコータヘッド１１への材料粉体の補充方法を説明するための斜視図である。リコータヘッド１１への材料粉体の補充方法を説明するための斜視図である。

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。

図１に示すように、本発明の一実施形態の積層造形装置は、所要の造形領域Ｒを覆い且つ所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバ１と、チャンバ１内で移動しながら造形領域Ｒ上に材料粉体を供給して材料粉体層８を形成するリコータヘッド１１と、材料粉体層８の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して照射位置の材料粉体を焼結させるレーザ光照射部１３と、リコータヘッド１１に材料粉体を供給する材料供給ユニット５５を備える。

チャンバ１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、造形領域Ｒを有するベース４と、ベース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。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に案内され、シューターを通じてバケット（共に図示せず）に収容される。

リコータヘッド１１は、図２〜図４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上面開口部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口１１ｃとを備える。材料排出口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）に延びるスリット状の細長い形状を有する。リコータヘッド１１の両側面には材料排出口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。

チャンバ１の上方にはレーザ光照射部１３が設けられる。図２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、チャンバ１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。

チャンバ１の上面には、ウィンドウ１ａを覆うようにヒューム付着防止部１７が設けられる。付着防止部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を通じて付着防止部１７の下方に向かって噴出される。

材料供給ユニット５５は、図１〜図２に示すように、チャンバ１の壁面１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈに近接した位置に設けられる。材料供給ユニット５５は、リコータヘッド１１の材料収容部１１ａに材料粉体を供給する中間ダクト６９と、中間ダクト６９に材料粉体を供給するメインダクト８２を備える。メインダクト８２には、材料タンク７６から材料粉体が供給される。メインダクト８２は、メインダクト下部７３と、メインダクト下部７３よりも上側に設けられたメインダクト上部７２を備え、メインダクト上部７２に供給された材料粉体がメインダクト下部７３を通じて中間ダクト６９に供給されるように構成されている。

図５に示すように、中間ダクト６９は、上下方向に移動可能であり且つ細長い形状（本実施形態では長方形状）を有する中間ダクト出口６９ａから材料粉体を排出するように構成されている。中間ダクト出口６９ａは、リコータヘッド１１の材料排出口１１ｃと略同一方向に延びている。このような構成によって、中間ダクト出口６９ａから排出される材料粉体が、材料排出口１１ｃが延びる方向に略均一に排出されるので、中間ダクト６９のリコータヘッド１１の長手方向に移動させる必要がないという利点がある。

中間ダクト出口６９ａは、１つ以上の中間ダクトシャッター７０によって開閉される。本実施形態では、互いに独立して制御可能な２つの中間ダクトシャッター７０ａ，７０ｂが設けられている。図６に示すように、中間ダクトシャッター７０ａ，７０ｂは、それぞれ、シリンダ７１ａ，７０ｂによって駆動される。中間ダクトシャッター７０ａ，７０ｂは、底面の一部に開口部７０ａ１，７０ｂ１を有する。開口部７０ａ１，７０ｂ１の位置が中間ダクト出口６９ａに一致する位置に中間ダクトシャッター７０ａ，７０ｂを移動させることによって、中間ダクト６９内の材料粉体を排出させることが可能になる。なお、図７は、中間ダクトシャッター７０ａの開口部７０ａ１が中間ダクト出口６９ａに一致し、中間ダクトシャッター７０ｂの開口部７０ｂ１が中間ダクト出口６９ａに一致していないので、中間ダクトシャッター７０ａ側からのみ材料粉体を排出することが可能になっている。このように、互いに独立して駆動可能な複数のシャッターを設けることによって、中間ダクト出口６９ａの一部の領域からのみ材料粉体を排出することが可能になる。材料粉体をこのように排出することによって、造形領域Ｒの一部の領域にのみ材料粉体層８を形成することができるようになり、造形物のサイズが比較的小さい場合に材料粉体の使用量を低減することが可能になる。中間ダクト出口６９ａは、通常時は中間ダクトシャッター７０によって閉じられ、後述するように、リコータヘッド１１の材料収容部１１ａに材料粉体を供給する際に材料収容部１１ａの上端よりも低い位置で開かれて中間ダクト出口６９ａから材料粉体が排出される。なお、２つ以上の中間ダクトシャッター７０を独立して開閉制御する場合は、後述する材料収容部１１ａ内の材料粉体の量を検知するセンサを各中間ダクトシャッター７０の位置に対応させて配置されるように複数設けることが望ましい。

図５〜図７に示すように、中間ダクト６９は、中間ダクト出口６９ａから所定長さに渡って延びる断面積が一定のチャネル部６９ｂと、チャネル部６９ｂの上側に設けられ且つチャネル部６９ｂよりも断面積が大きい幅広部６９ｃを備える。なお、ここでの断面積とは、水平面に平行な断面での面積である。メインダクト82から供給された材料粉体は、幅広部６９ｃを通ってチャネル部６９ｂに供給される。チャネル部６９ｂは、間隔を空けて配置された一対の壁面の間に設けられる。チャネル部６９ｂは断面積が小さいので材料粉体が容易に充填されやすい一方、材料粉体がチャネル部６９ｂ内で詰まりやすい。しかし、中間ダクト６９が上下移動される際の振動によってチャネル部６９ｂでの材料粉体の詰まりは容易に解消される。

中間ダクト６９の上端にはフランジ６９ｄが設けられており、蛇腹７５の一端がフランジ６９ｄに固定され、他端がチャンバ１の壁面１ｅに固定される。中間ダクト６９が上下移動する際には、蛇腹７５が伸縮することによって中間ダクト６９と壁面１ｅの間の連結が維持される。図２、図５、および図６に示すように、中間ダクト６９は、造形領域Ｒを形成するベース４に固定された支持台７８上に設けられた駆動機構７７によって上下方向に駆動可能になっている。駆動機構７７は、コイルスプリング７７ａとシリンダ７７ｂとで構成されており、シリンダ７７ｂの伸縮に伴って中間ダクト６９が上下移動する。

図８〜図９に示すように、壁面１ｅ上にはカバー７９が設けられており、壁面１ｅ及びカバー７９に設けられた開口部にメインダクト下部７３が挿通されている。メインダクト下部７３の先端の出口は、中間ダクト６９内に配置されているので、メインダクト下部７３からの材料粉体が中間ダクト６９に供給される。図１０に示すように、メインダクト下部７３は、中間ダクト６９に近づくにつれて中間ダクト６９の長手方向に長くなる拡張部７３ａを有しているので、材料粉体が中間ダクト６９の長手方向に広がりながら中間ダクト６９に供給されると共に、メインダクト下部７３内で材料粉体が詰まりにくくなっている。また、中間ダクト６９内においてメインダクト下部７３の先端よりも上側の空間６９ｅは、材料粉体が充填されずに、エアー溜まりになりやすくなっている。このため、材料粉体が詰まりにくくなっている。

メインダクト下部７３とメインダクト上部７２の間には、メインダクト下部７３とメインダクト上部７２の間の通路６８ａを開閉するメインダクトシャッター６８が設けられている。メインダクトシャッター６８は、シャッターサポート７１に支持されている。シャッターサポート７１にはメインダクトシャッター６８を開閉駆動するシリンダ８０が取り付けられており、シリンダ８０の伸縮に伴ってメインダクトシャッター６８が移動して通路６８ａが開閉される。

シャッターサポート７１とカバー７９は、蛇腹７４で連結されている。つまり、蛇腹７４の一端がシャッターサポート７１に固定され、他端がカバー７９に固定されている。メインダクト８２は、支持台８３上に配置されたコイルスプリング８１によって支持されており、メインダクト８２に収容されている材料粉体の重量に応じて上下移動可能に構成されている。このような構成によれば、材料粉体が少なくなるにつれてメインダクト８２が上昇するので、材料粉体をメインダクト８２に供給するタイミングを容易に検知することができる。また、メインダクト８２が上下移動する際には、蛇腹７４が伸縮することによってシャッターサポート７１とカバー７９の間の連結が維持される。

チャンバ１の内部と外部とは、メインダクトシャッター６８、シャッターサポート７１、蛇腹７４、カバー７９、及び蛇腹７５で仕切られている。これらの部材で囲まれた空間は、チャンバ１内部の空間となり、積層造形時には不活性ガス雰囲気となる。一方、蛇腹７４の外側の空間、及びメインダクトシャッター６８の上側の空間は、外部雰囲気になる。メインダクト８２においては、メインダクト上部７２内は外部空間となり、メインダクト下部７３内はチャンバ１内の空間となり、両空間は、メインダクトシャッター６８によって仕切られる。通路６８ａは、通常時はメインダクトシャッター６８によって閉じられ、メインダクト上部７２からメインダクト下部７３に対して材料粉体を供給する際に開かれる。このような構成によれば、積層造形中に材料粉体をリコータヘッド１１に供給する際にチャンバ１内に外気が侵入することを最小限にすることができる。

次に、チャンバ１への不活性ガス供給系統と、チャンバ１からのヒューム排出系統について説明する。

チャンバ１への不活性ガス供給系統には、不活性ガス供給装置１５と、ヒュームコレクタ１９が接続されている。不活性ガス供給装置１５は、不活性ガスを供給する機能を有し、例えば、不活性ガスのガスボンベである。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。チャンバ１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を通じてチャンバ１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。

不活性ガス供給系統は、図１に示すように、チャンバ１の上部供給口１ｂと、付着防止部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を通じてチャンバ１の造形空間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、不活性ガス供給装置１５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。

チャンバ１からのヒューム排出系統は、図１に示すように、チャンバ１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を通じてチャンバ１の造形空間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、造形空間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チャンバ１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。

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１１〜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。

このように、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、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１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、造形テーブル５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を覆うように造形テーブル５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。

積層造形の完了後は、粉体排出部２７を通じて未焼結の材料粉体を排出することによって、造形物を得ることができる。

リコータヘッド１１には材料収容部１１ａ内の材料粉体の量を検知するセンサが設けられており、材料収容部１１ａへの材料粉体の補充が必要と判断されたときは、図１５〜図１６に示すように、リコータヘッド１１が中間ダクト６９の直下に移動されて、材料粉体が補充される。

具体的には、まず、図１５に示すように、中間ダクト出口６９ａが材料収容部１１ａの上端よりも高い位置にあり、かつ中間ダクト出口６９ａが中間ダクトシャッター７０ａ，７０ｂで閉じられている状態で、材料収容部１１ａを中間ダクト出口６９ａの直下に移動させる。

次に、図１６に示すように、中間ダクト出口６９ａの位置が材料収容部１１ａの上端よりも低い位置になるように中間ダクト６９を移動させ、その状態で中間ダクトシャッター７０ａ，７０ｂを開くことによって、中間ダクト出口６９ａから材料粉体を排出させる。材料粉体は自重によって排出されるが、材料収容部１１ａ内の材料粉体が中間ダクト出口６９ａの位置に到達した時点で材料粉体の排出が止まる。このため、材料粉体が材料収容部１１ａからあふれることがない。なお、中間ダクト出口６９ａから排出される材料粉体は、予め中間ダクト６９内に供給しておいたものでもよく、図１６の状態でメインダクトシャッター６８を開くことによって中間ダクト６９に供給したものであってもよい。

中間ダクト出口６９ａから材料粉体を排出させた後は、中間ダクトシャッター７０ａ，７０ｂを閉じ、その後、中間ダクト６９がリコータヘッド１１に干渉しない位置まで中間ダクト６９を上昇させ、材料粉体の補充が完了する。

１：チャンバ、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：ヒューム付着防止部、２６：粉体保持壁、２７：粉体排出部、２８：シューターガイド、３１：駆動機構、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、５５：材料供給ユニット、６８：メインダクトシャッター、６９：中間ダクト、７０：中間ダクトシャッター、７２：メインダクト上部、７３：メインダクト下部、７４，７５：蛇腹、８２：メインダクト、
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チャンバと、
前記チャンバ内で移動しながら前記造形領域上に材料粉体を供給して材料粉体層を形成するリコータヘッドと、
前記リコータヘッドに前記材料粉体を供給する材料供給ユニットを備え、
前記リコータヘッドは、前記材料粉体を収容する材料収容部と、前記材料収容部内の前記材料粉体を排出する材料排出口を備え、
前記材料供給ユニットは、前記材料収容部に前記材料粉体を供給する中間ダクトと、前記中間ダクトに前記材料粉体を供給するメインダクトと、前記中間ダクトを上下方向に移動させる駆動機構を備え、
前記メインダクトは、先端が前記中間ダクト内に入るように配置され、
前記中間ダクトは、前記メインダクトの先端よりも上側の空間に前記材料粉体が充填されないように構成されるとともに細長い形状を有する中間ダクト出口から前記材料粉体を排出するように構成され、
前記材料供給ユニットは、前記中間ダクト出口が前記材料収容部の上端よりも低い位置になるように前記駆動機構によって前記中間ダクトを移動させた状態で前記中間ダクト出口から前記材料粉体を排出するように制御される、
積層造形装置。
前記材料排出口は、細長い形状を有し、
前記中間ダクト出口は、前記材料排出口と略同一方向に延びる、請求項１に記載の積層造形装置。
前記中間ダクト出口を開閉する中間ダクトシャッターが設けられ、
前記中間ダクトシャッターは、前記中間ダクト出口が前記材料収容部の上端よりも低い位置にある状態で前記中間ダクト出口が開かれるように制御される、請求項１又は請求項２に記載の積層造形装置。
前記中間ダクトシャッターは、互いに独立して制御可能な少なくとも２つのシャッターで構成される、請求項３に記載の積層造形装置。
前記中間ダクトは、前記中間ダクト出口から所定長さに渡って延びる断面積が一定のチャネル部と、前記チャネル部の上側に設けられ且つ前記チャネル部よりも断面積が大きい幅広部とを備える、請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の積層造形装置。
前記メインダクトは、メインダクト下部と、前記メインダクト下部よりも上側に設けられたメインダクト上部を備え、
前記メインダクト上部に供給された前記材料粉体が前記メインダクト下部を通じて前記中間ダクトに供給されるように構成され、
前記メインダクト下部と前記メインダクト上部の間の通路を開閉するメインダクトシャッターが設けられる、請求項１〜請求項５の何れか１つに記載の積層造形装置。
前記メインダクト下部は、前記中間ダクトに近づくにつれて前記中間ダクトの長手方向に長くなる拡張部を有する、請求項６に記載の積層造形装置。
前記メインダクトは、前記メインダクトに収容されている材料粉体の重量に応じて上下移動可能に構成される、請求項１〜請求項７の何れか１つに記載の積層造形装置。