JP2015175013A - ３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同一の層内に種類の異なる複数の粉末材料が区分けされた造形物を形成することができる３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法を提供する。
【解決手段】３次元積層造形装置１は、ステージ４と、第１供給部３４と、第２供給部３５と、溶融機構８と、粉末除去機構３２と、を備えている。粉末除去機構３２は、ステージ４に供給された第１の粉末材料Ｍ１及び第２の粉末材料Ｎ１のうち溶融し、凝固しなかった不要粉末を除去する。そして、第２供給部３５は、粉末除去機構３２により第１の粉末材料Ｍ１の不要粉末を除去した後に、第１の粉末材料Ｍ１からなる第１粉末層と同一の層に第２の粉末材料Ｎ１を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステージ上に粉末材料を薄く敷いた層を一層ずつ重ねて造形する３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法に関する。

近年、粉末材料を薄く敷いた層を一層ずつ重ねて造形する３次元積層造形技術が脚光を浴びており、粉末材料の材料や造形手法の違いにより多くの種類の３次元積層造形技術が開発されている。

従来の３次元積層造形装置の造形方法としては、例えば粉末材料を粉末台であるステージの上面に一層毎に敷き詰める。次に、ステージ上に敷き詰められた粉末材料に対し、造形物の一断面に相当する二次元構造部だけを電子ビームやレーザからなる溶融機構で溶融する。そして、そのような粉末材料の層を一層ずつ高さ方向（Ｚ方向）に積み重ねることにより造形物を形成している（例えば、特許文献１参照）。

次に、従来の３次元積層造形装置の一例について、図１９〜図２１を参照して説明する。
図１９は、従来の３次元積層造形装置を示す概略断面図である。図２０〜図２１は、従来の３次元積層造形装置の動作を示す説明図である。

図１９に示すように、従来の３次元積層造形装置２００は、造形処理を行う中空の処理室２０２と、処理室２０２内に配置された造形枠２０３と、ステージ２０４と、ステージ２０４を昇降可能に支持するステージ駆動機構２０５と、を有している。また、３次元積層造形装置２００は、ステージ４の一面に粉末材料の一例を示す金属粉末Ｍ１を供給し、積層する粉末供給機構２１０と、金属粉末Ｍ１を溶融させる溶融機構である電子銃２０８と、を有している。

造形枠２０３の中央部には、ピット２０３ａが形成されている。ステージ駆動機構２０５は、ピット２０３ａの下方に設けられている。ステージ駆動機構２０５は、ステージ２０４の軸部２０４ｄに接続し、ステージ２０４を鉛直方向に駆動する。

粉末供給機構２１０は、ガイド部２１１と、ガイド部２１１によってステージ２０４の一面と平行をなす方向に移動可能に支持されたアーム部２１２とを有している。アーム部２１２には、処理室２０２内に配置された金属粉末Ｍ１をステージ２０４に搬送し、かつステージ２０４に金属粉末Ｍ１を敷き詰めるすり切り板２１３が設けられている。

図２０に示すように、従来の３次元積層造形装置２００では、まず、ステージ駆動機構２０５により、ステージ２０４が造形枠２０３の上面より鉛直方向に所定の高さ分下がった位置に配置される。次に、粉末供給機構２１０のアーム部２１２がガイド部２１１に沿って移動し、すり切り板２１３により処理室２０２内に集積された金属粉末Ｍ１をステージ２０４の一面まで搬送する。さらに、アーム部２１２を移動させて、ステージ２０４の一面に所定の厚さからなる金属粉末Ｍ１を敷き詰める。

次に、図２１に示すように、予め準備された設計上の造形物を所定の厚さ間隔でスライスした２次元形状に従い、電子銃２０８から金属粉末Ｍ１の層に対して電子ビームＬ１が出射される。電子銃２０８から出射された電子ビームＬ１により、その２次元形状に対応する金属粉末Ｍ１が溶融する。溶融した金属粉末Ｍ１は、材料に応じた所定時間が経過すると凝固し、凝固粉末Ｐ１となる。１層分の金属粉末Ｍ１が溶融及び凝固した後、ステージ駆動機構２０５によりステージ２０４を所定の高さ分下げる。次に、金属粉末Ｍ１を直前に敷き詰められた層（下層）の上に敷き詰める。そして、その層に相当する２次元形状に対応する領域の金属粉末Ｍ１に電子ビームＬ１を照射し、金属粉末Ｍ１を溶融及び凝固させる。この一連の処理を繰り返し、溶融及び凝固した金属粉末Ｍ１の層を積み重ねることにより造形物が構築される。

特開２００１−１５２２０４号公報

また、近年では、種類の異なる複数の粉末材料から造形物を形成することが求められている。しかしながら、従来の３次元積層造形装置では、種類の異なる複数の粉末材料を同一の層内に供給した場合、ステージに粉末材料を敷き詰める際に、異なる種類の粉末材料が互いに混ざり合う、という問題を有していた。その結果、従来の３次元積層造形装置では、同一の層内において異なる種類の粉末材料が区分けされた造形物を形成することができない、という問題を有していた。

本発明の目的は、上記の問題点を考慮し、同一の層内に種類の異なる複数の粉末材料が区分けされた造形物を形成することができる３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法を提供することにある。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の３次元積層造形装置は、ステージと、第１供給部と、第２供給部と、溶融機構と、粉末除去機構と、を備えている。ステージには、造形物を形成するための第１の粉末材料及び、第１の粉末材料と種類の異なる第２の粉末材料が積層される。第１供給部は、ステージに第１の粉末材料を供給する。第２供給部は、ステージに第２の粉末材料を供給する。溶融機構は、第１の粉末材料及び第２の粉末材料のうち所定の領域の粉末材料を溶融させる。粉末除去機構は、ステージに供給された第１の粉末材料及び第２の粉末材料のうち溶融し、凝固しなかった不要粉末を除去する。そして、第２供給部は、粉末除去機構により第１の粉末材料の不要粉末を除去した後に、第１の粉末材料からなる第１粉末層と同一の層に第２の粉末材料を供給する。

また、本発明の３次元積層造形方法は、以下（１）〜（５）に示す工程を含んでいる。
（１）ステージに造形物を形成するための第１の粉末材料を供給し、第１の粉末材料からなる第１粉末層を形成する工程。
（２）第１粉末層における所定の領域の第１の粉末材料を溶融させ、凝固させる工程。
（３）第１粉末層のうち溶融し、凝固しなかった不要粉末を除去する工程。
（４）第１粉末層と同一の層に、造形物を形成するための第１の粉末材料と異なる第２の粉末材料を供給し、第２の粉末材料からなる第２粉末層を形成する工程。
（５）第２粉末層における所定の領域の第２の粉末材料を溶融させ、凝固させる工程。

本発明の３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法によれば、粉末除去機構により第１粉末層から不要粉末を除去することで、同一の層内に種類の異なる粉末材料が区分けされた造形物を形成することができる。

本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置を模式的に示す概略断面図である。 本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置を示す概略平面図である。 本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の動作を示す説明図である。概略平面図である。 本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の動作を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の動作を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の動作を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の動作を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の動作を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の動作を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の動作を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の動作を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置によって形成された造形物の一例を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置を模式的に示す概略断面図である。 本発明の第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置を示す概略平面図である。 第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における粉末材料の補給動作を示す概略断面図である。 第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における粉末材料の補給動作を示す概略断面図である。 第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における供給ヘッドを示す斜視図である。 第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における供給ヘッドから粉末材料が排出される状態を示す説明図である。 従来の３次元積層造形装置の一例を示す概略構成図である。 従来の３次元積層造形装置の動作を示す説明図である。 従来の３次元積層造形装置の動作を示す説明図である。

以下、本発明の３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法の実施の形態例について、図１〜図１８を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、説明は以下の順序で行うが、本発明は、必ずしも以下の形態に限定されるものではない。
１．第１の実施の形態例
１−１．３次元積層造形装置の構成
１−２．３次元積層造形装置の動作
２．第２の実施の形態例

１．第１の実施の形態例
１−１．３次元積層造形装置の構成
まず、本発明の３次元積層造形装置の第１の実施の形態例について図１〜図２を参照して説明する。
図１は、本例の３次元積層造形装置を模式的に示す概略断面図、図２は、本例の３次元積層造形装置を模式的に示す平面図である。

図１に示す３次元積層造形装置１は、例えば、チタン、アルミニウム、鉄等の金属粉末からなる粉末材料に電子ビームを照射して粉末材料を溶融させ、この粉末材料が凝固した層を積み重ねて立体物を造形する装置である。

３次元積層造形装置１は、中空の処理室２と、造形枠３と、平板状のステージ４と、ステージ駆動機構５と、粉末供給ユニット７と、電子銃８とを有している。ここで、ステージ４の一面と平行をなす方向を第１の方向Ｘ１とし、第１の方向Ｘ１と直交し、かつステージ４の一面と平行をなす方向を第２の方向Ｙ１とする。また、ステージ４の一面と直交する方向を第３の方向Ｚ１とする。

処理室２には、図示していない真空ポンプが接続されている。そして、処理室２内の雰囲気が真空ポンプにより排気されることで、処理室２内は、真空に維持されている。この処理室２内には、造形枠３と、ステージ４、ステージ駆動機構５及び粉末供給ユニット７が設けられている。処理室２の第３の方向Ｚ１の一側には、電子銃８が装着されており、第３の方向Ｚ１の他側には、造形枠３が配置されている。

造形枠３には、第３の方向Ｚ１に沿って一方から他方にかけて貫通するピット３ａが形成されている。ピット３ａは、略四角柱状に開口している。また、完成した造形物Ｋ１（図１２参照）を取り出せるようにするために、造形枠３におけるピット３ａの外周面の一部は、開放されている。

図２に示すように、造形枠３には、２つの粉末回収口３ｂが設けられている。２つの粉末回収口３ｂは、ピット３ａの第２の方向Ｙ１の両側に配置されている。２つの粉末回収口３ｂは、ピット３ａから除去された不要な第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１を回収する。

なお、本例では、粉末回収口３ｂをピット３ａの第２の方向Ｙ１の両側に配置した例を説明したが、これに限定されるものではない。粉末回収口３ｂは、例えば、ピット３ａにおける第１の方向Ｘ１の両側のうち後述する粉末供給ユニット７の供給ヘッド２１が第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１を排出して移動する際の移動方向の前方に設けてもよい。

造形枠３におけるピット３ａには、ステージ４及びステージ駆動機構５が配置されている。ステージ４は、造形物Ｋ１を形成するための第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１が積層される粉末台である。また、ステージ４の側端部には、耐熱性及び柔軟性のある摺動部材１４が設けられている。摺動部材１４は、ピット３ａの壁面に摺動可能に接触している。そして、摺動部材１４により、ステージ４における第３の方向Ｚ１の一方の空間と他方の空間が密閉されている。

また、ステージ４における第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１が積層される一面と反対側の他面には、軸部４ｄが設けられている。軸部４ｄは、ステージ４の他面から第３の方向Ｚ１の他方に向けて突出している。軸部４ｄは、ピット３ａに収容されたステージ駆動機構５に接続されている。ステージ駆動機構５は、軸部４ｄを介してステージ４を第３の方向Ｚ１に沿って駆動する。ステージ駆動機構５としては、例えば、ラックとピニオンやボールねじ等が挙げられる。

溶融機構の一例を示す電子銃８は、処理室２の第３の方向Ｚ１の一側において、ステージ４の一面４ａに対向して配置される。電子銃８は、予め準備された設計上の造形物（３次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データにより表された造形物）をΔＺ間隔でスライスした２次元形状に従い、第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１に対して電子ビームＬ１を出射する。電子銃８から出射された電子ビームＬ１により、その２次元形状に対応する領域の第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１が溶融する。

次に、粉末供給ユニット７の詳細な構成について説明する。
粉末供給ユニット７は、供給ヘッド２１と、第１粉末貯蔵部２２と、第２粉末貯蔵部２３と、第１粉末送出部２４と、第２粉末送出部２５と、第１搬送パイプ２６と、第２搬送パイプ２７とを有している。また、粉末供給ユニット７は、一対のガイド部１８と、供給ヘッド２１に設けられた均し部材３１と、粉末除去機構３２とを有している。

第１粉末貯蔵部２２には、第１の金属粉末Ｍ１が収容されている。また、第２粉末貯蔵部２３には、第１の金属粉末Ｍ１とは異なる種類の第２の金属粉末Ｎ１が収容されている。第１粉末貯蔵部２２は、第１搬送パイプ２６を介して後述する供給ヘッド２１の第１供給部３４に連結されている。第１搬送パイプ２６には、第１の金属粉末Ｍ１を第１粉末貯蔵部２２から第１供給部３４へ送り出す第１粉末送出部２４が設けられている。

第２粉末貯蔵部２３は、第２搬送パイプ２７を介して後述する供給ヘッド２１の第２供給部３５に連結されている。第２搬送パイプ２７には、第２の金属粉末Ｎ１を第２粉末貯蔵部２３から第２供給部３５へ送り出す第２粉末送出部２５が設けられている。

図２に示すように、一対のガイド部１８は、処理室２内においてステージ４を間に挟んで第２の方向Ｙ１の両側に配置されている。また、一対のガイド部１８は、第１の方向Ｘ１に沿って処理室２内に延在している。一対のガイド部１８には、供給ヘッド２１が第１の方向Ｘ１に移動可能に支持されている。

供給ヘッド２１は、第２の方向Ｙ１に延在する略直方体状の部材である。供給ヘッド２１には、第１供給部３４と、第２供給部３５が設けられている。第１供給部３４は、第１の金属粉末Ｍ１を一時的に収容する。そして、第１供給部３４は、ステージ４に第１の金属粉末Ｍ１を供給する。第１供給部３４におけるステージ４と対向する側には、第１の金属粉末Ｍ１を排出する排出口３４ａが設けられている。排出口３４ａは、不図示のシャッター部材によって開閉可能に塞がれている。

第２供給部３５は、第１の金属粉末Ｍ１と異なる種類の第２の金属粉末Ｎ１を一時的に収容する。そして、第２供給部３５は、ステージ４に第２の金属粉末Ｎ１を供給する。第２供給部３５におけるステージ４と対向する側には、第２の金属粉末Ｎ１を排出する排出口３５ａが設けられている。排出口３５ａは、不図示のシャッター部材によって開閉可能に塞がれている。

また、供給ヘッド２１には、均し部材３１と、粉末除去機構３２が設けられている。均し部材３１は、供給ヘッド２１における第１の方向Ｘ１の一側に設けられている。すなわち、均し部材３１は、供給ヘッド２１が第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１を排出して移動する際の移動方向の後方に配置される。

均し部材３１は、略平板状に形成されている。均し部材３１は、供給ヘッド２１に第３の方向Ｚ１に移動可能に支持されている。均し部材３１は、第１の金属粉末Ｍ１又は第２の金属粉末Ｎ１を所定の厚さΔＺに均一に均す際に、第３の方向Ｚ１の他方に向けて移動する。そして、均し部材３１は、第３の方向Ｚ１の他端がステージ４の一面４ａ又は第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１で形成された平面（以下、「試料面」という）から第３の方向Ｚ１に所定の間隔ΔＺを開けて停止する。この均し部材３１が停止した際の均し部材３１とステージ４の一面４ａ及び試料面との間隔は、造形物Ｋ１（図１２参照）の一層分の厚さと等しく設定されている。

また、均し部材３１における第２の方向Ｙ１の両端部は、第１の方向Ｘ１の一側に向けて屈曲している。供給ヘッド２１が第１の方向Ｘ１に沿って移動する際、均し部材３１の第２の方向Ｙ１の両端部は、造形枠３の粉末回収口３ｂの第３の方向Ｚ１の一側、すなわち上方を通過する。このとき、ステージ４の一面４ａ又は試料面に供給された第１の金属粉末Ｍ１又は第２の金属粉末Ｎ１における余分な金属粉末は、均し部材３１の第２の方向Ｙ１の両端部により粉末回収口３ｂまでガイドされる。

なお、均し部材３１を供給ヘッド２１に移動可能に取り付けた例を説明したが、これに限定されるものではなく、均し部材３１は、その他端がステージ４の一面４ａ又は試料面から所定の間隔ΔＺを開けて供給ヘッド２１に固定してもよい。

粉末除去機構３２は、供給ヘッド２１における第１の方向Ｘ１の他側に設けられている。粉末除去機構３２は、供給ヘッド２１に第３の方向Ｚ１に移動可能に支持されている。粉末除去機構３２は、ステージ４の一面４ａ又は試料面に供給された第１の金属粉末Ｍ１又は第２の金属粉末Ｎ１のうち溶融し、凝固されなかった第１不要粉末Ｍ２及び第２不要粉末Ｎ２（図６、図１０参照）を一面４ａ又は試料面から除去する。

粉末除去機構３２としては、例えば、ブラシ、平板状の部材、第１不要粉末Ｍ２及び第２不要粉末Ｎ２吸引又は気体を噴出するエアーノズル等を用いることができる。なお、真空状態で３次元積層造形を行う場合では、粉末除去機構３２としては、処理室２の真空状態を保つために、第１不要粉末Ｍ２及び第２不要粉末Ｎ２（図６参照）を吸引又は気体を噴出するエアーノズルよりもブラシや平板状の部材を用いることが好ましい。また、粉末除去機構３２としては、回転駆動する回転ブラシを用いてもよい。

また、本例の３次元積層造形装置１では、一つの供給ヘッド２１内に第１の金属粉末Ｍ１を排出する第１供給部３４と、第２の金属粉末Ｎ１を排出する第２供給部３５を設けた例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第１供給部３４を有する第１供給ヘッドと、第２供給部３５を有する第２供給ヘッドを別々に設けてもよい。この場合、均し部材３１は、第１供給ヘッド及び第２供給ヘッドそれぞれに設けることが好ましい。

１−２．３次元積層造形装置の動作
次に、図１〜図１１を参照して上述した構成を有する３次元積層造形装置１の動作について説明する。
図３〜図１１は、本例の３次元積層造形装置１の動作の要部を模式的に示す説明図である。

まず、図１及び図３に示すように、ステージ駆動機構５を駆動させて、造形枠３の上面より第３の方向Ｚ１に所定の間隔ΔＺ分がった位置、又はステージ４の一面４ａと造形枠３の上面が同じ高さとなる位置にステージ４を配置する。この所定の間隔ΔＺが、その後に敷き詰められる金属粉末Ｍ１の第３の方向Ｚ１の層厚に相当する。なお、本例では、ステージ４の一面４ａと造形枠３の上面が同じ高さにステージ４を配置させた例について説明する。

次に、図３に示すように、供給ヘッド２１の第１供給部３４に第１の金属粉末Ｍ１を搬送し、第１供給部３４の排出口３４ａを開放する。このとき、第２供給部３５の排出口３５ａは、不図示のシャッター部材により閉じられている。そして、供給ヘッド２１を第１の方向Ｘ１に沿って移動させて、造形枠３の上面及びステージ４の一面４ａに第１の金属粉末Ｍ１を供給する。

このとき、均し部材３１は、その他端とステージ４の一面４ａとの間隔が、所定の間隔ΔＺとなる位置まで移動している。そして、均し部材３１が供給ヘッド２１と共に第１の方向Ｘ１に沿って移動することで、ステージ４の一面４ａに供給された第１の金属粉末Ｍ１が均し部材３１により、所定の厚さΔＺとなるように均一に均される。

また、余分な第１の金属粉末Ｍ１は、ステージ４の一面４ａからピット３ａの第１の方向Ｘ１の他側、又はピット３ａの第２の方向Ｙ１の両側へ排除される。ピット３ａの第２の方向Ｙ１の両側へ排除された余分な第１の金属粉末Ｍ１は、粉末回収口３ｂに回収される。これにより、第２の金属粉末Ｎ１を積層する際に、ピット３ａの周囲に残る余分な第１の金属粉末Ｍ１が加工エリア（ステージ４の一面４ａ）内に侵入することを防ぐことができる。その結果、第１の金属粉末Ｍ１と第２の金属粉末Ｎ１が混ざり合うことを防ぐことができる。

図４に示すように、ステージ４の一面４ａには、所定の厚さΔＺからなる第１の金属粉末Ｍ１の層（以下、「第１粉末層」という）Ｓ１が形成される。次に、図５に示すように、第１粉末層Ｓ１に対して電子銃８から所定の領域に電子ビームＬ１を出射する。電子銃８は、予め準備された設計上の造形物（３次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データにより表された造形物）をΔＺ間隔でスライスした２次元形状に従い、第１粉末層Ｓ１に対して電子ビームＬ１を出射する。電子銃８から出射された電子ビームＬ１により、その２次元形状に対応する領域の第１の金属粉末Ｍ１が溶融する。

次に、溶融した第１の金属粉末Ｍ１は、材料に応じた所定時間が経過すると凝固し、第１凝固粉末Ｐ１となる。第１粉末層Ｓ１に第１凝固粉末Ｐ１が形成された後、図６に示すように、供給ヘッド２１に設けた粉末除去機構３２をステージ４の一面４ａと同じ高さになるまで第３の方向Ｚ１の他方に向けて移動させる。次に、供給ヘッド２１を第１の方向Ｘ１に沿って任意の回数、往復移動させる。そして、第１粉末層Ｓ１において溶融し、凝固しなかった第１不要粉末Ｍ２を、粉末除去機構３２を用いてステージ４の一面４ａから除去する。このとき、第１凝固粉末Ｐ１は、ステージ４の一面４ａに固着しているため、粉末除去機構３２により除去されることなく、ステージ４の一面４ａに残る。

次に、図７に示すように、供給ヘッド２１の第２供給部３５に第２の金属粉末Ｎ１を搬送し、第２供給部３５の排出口３５ａを開放する。このとき、第１供給部３４の排出口３４ａは、不図示のシャッター部材により閉じられている。そして、供給ヘッド２１を第１の方向Ｘ１に沿って移動させて、造形枠３の上面及びステージ４の一面４ａに第２の金属粉末Ｎ１を供給する。

また、図８に示すように、均し部材３１により余分な第２の金属粉末Ｎ１を除去し、ステージ４の一面４ａに所定の厚さΔＺからなる第２の金属粉末Ｎ１の層（以下、「第２粉末層」という）Ｔ１を形成する。第２粉末層Ｔ１の厚さは、第１の金属粉末Ｍ１からなる第１凝固粉末Ｐ１と同じ厚さに設定される。

次に、図９に示すように、第２粉末層Ｔ１に対して電子銃８から所定の領域に電子ビームＬ１を出射する。電子銃８は、予め準備された設計上の造形物（３次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データにより表された造形物）をΔＺ間隔でスライスした２次元形状に従い、第２粉末層Ｔ１に対して電子ビームＬ１を出射する。電子銃８から出射された電子ビームＬ１により、その２次元形状に対応する領域の第２の金属粉末Ｎ１が溶融する。

次に、溶融した第２の金属粉末Ｎ１は、材料に応じた所定時間が経過すると凝固し、第２凝固粉末Ｑ１となる。第２粉末層Ｔ１に第２凝固粉末Ｑ１が形成された後、図１０に示すように、第１粉末層Ｓ１の時と同様に、粉末除去機構３２を用いて、第２粉末層Ｔ１において溶融し、凝固しなかった第２不要粉末Ｎ２をステージ４の一面４ａから除去する。これにより、ステージ４の一面には、同一の層内に、第１の金属粉末Ｍ１からなる第１凝固粉末Ｐ１と、第２の金属粉末Ｎ１からなる第２凝固粉末Ｑ１が形成される。

このように、第２の金属粉末Ｎ１を供給する前に、第１粉末層Ｓ１における第１不要粉末Ｍ２を除去することで、種類の異なる第１の金属粉末Ｍ１と第２の金属粉末Ｎ１が混ざり合うことを防ぐことができる。

次に、図１１に示すように、第２不要粉末Ｎ２を除去した後、ステージ駆動機構５によりステージ４を所定の間隔ΔＺ分さげる。次に、再び粉末供給ユニット７によって、供給ヘッド２１の第１供給部３４からΔＺ分の第１の金属粉末Ｍ１を直前に敷き詰められた層（下層）の上に敷き詰める。上述した図３から図１１に示す一連の工程を繰り返して、溶融及び凝固した第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１の層を積み重ねる。

これにより、図１２に示すように、同一の層内に異なる種類の第１凝固粉末Ｐ１と第２凝固粉末Ｑ１が区分けされた造形物Ｋ１が形成される。その結果、本例の３次元積層造形装置１の動作が完了する。

なお、本例の３次元積層造形装置１の動作は、上述したものに限定されるものではなく、第２粉末層Ｔ１の第２不要粉末Ｎ２を除去せずに、図１１に示すように、ステージ４を所定の間隔ΔＺ分下げ、第２粉末層Ｔ１の上に第１の金属粉末Ｍ１を敷き詰めてもよい。

２．第２の実施の形態例
次に、図１３〜図１８を参照して本発明の３次元積層造形装置の第２の実施の形態例について説明する。
図１３は、第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置４０を示す概略断面図、図１４は、第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置４０を示す平面図である。図１５及び図１６は、第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置４０における金属粉末Ｍ１、Ｎ１の補給動作を示す概略断面図である。

この第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置４０が、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と異なる点は、粉末供給ユニットの第１粉末貯蔵部及び第２粉末貯蔵部を処理室２内に配置した点である。そのため、ここでは、粉末供給ユニット４１について説明し、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１３に示すように、粉末供給ユニット４１は、第１粉末貯蔵部４２と、第２粉末貯蔵部４３と、粉末送出部４９と、供給ヘッド５０と、を有している。第１粉末貯蔵部４２及び第２粉末貯蔵部４３は、処理室２における第３の方向Ｚ１の一方、すなわち造形枠３の上方に配置されている。また、図１４に示すように、第１粉末貯蔵部４２及び第２粉末貯蔵部４３は、ピット３ａの第１の方向Ｘ１の一方において、一対のガイド部１８の間に配置されている。

第１粉末貯蔵部４２及び第２粉末貯蔵部４３の第３の方向Ｚ１の他端部、すなわち鉛直方向の下端部には、不図示のシャッター部材が開閉可能に設けられている。そして、シャッター部材が開くと、第１粉末貯蔵部４２に収容された第１の金属粉末Ｍ１及び第２粉末貯蔵部４３に収容された第２の金属粉末Ｎ１が第３の方向Ｚ１の他方、すなわち鉛直方向の下方に落下する（図１５参照）。また、第１粉末貯蔵部４２及び第２粉末貯蔵部４３の第３の方向Ｚ１の他方には、粉末送出部４９が配置されている。

粉末送出部４９は、送出ホッパー４５と、一対の送出車４６，４７とを有している。送出ホッパー４５における第３の方向Ｚ１の両側は、開放されている。図１５に示すように、送出ホッパー４５は、第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１を一時的に貯留する。また、送出ホッパー４５内には、送出ホッパー４５を第１の方向Ｘ１に仕切る仕切り板４８が設けられている。送出ホッパー４５における第３の方向Ｚ１の他側の開口には、一対の送出車４６、４７が回転可能に設けられている。

一対の送出車４６、４７は、それぞれ複数の羽根を有している。第１の送出車４６は、送出ホッパー４５における第１の方向Ｘ１の一側に配置されている。第２の送出車４７は、送出ホッパー４５における第１の方向Ｘ１の他側に配置されている。第１の送出車４６と第２の送出車４７の間には、仕切り板４８が介在される。送出ホッパー４５内に第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１が供給された際に、仕切り板４８により第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１が混ざることを防いでいる。

また、図１６に示すように、一対の送出車４６、４７が回転すると、送出ホッパー４５内に貯蔵された第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１が送出ホッパー４５の第３の方向Ｚ１の他側の開口から、下方に向けて送り出される。

図１３に示すように、粉末送出部４９の第３の方向Ｚ１の他方、すんわち、鉛直方向の下方には、供給ヘッド５０が設けられている。図１４に示すように、供給ヘッド５０は、アーム部材５８を介して一対のガイド部１８に第１の方向Ｘ１に沿って移動可能に支持されている。

図１７は、供給ヘッド５０を示す斜視図、供給ヘッド５０から金属粉末が排出される状態を示す説明図である。
図１７に示すように、供給ヘッド５０は、第１供給部５１と、第２供給部５２と、蓋開閉機構５４と、均し部材６１及び粉末除去機構６２が設けられている。均し部材６１及び粉末除去機構６２の構成は、第１の実施の形態例にかかる均し部材３１及び粉末除去機構３２と同一であるため、その説明は省略する。

第１供給部５１及び第２供給部５２は、それぞれ第３の方向Ｚ１の両側が開口する容器状に形成されている。第１供給部５１の第３の方向Ｚ１の他側の開口である排出口５１ａ（図１３参照）には、第１蓋部材５１ｂがヒンジ部５１ｃを介して開閉可能に取り付けられている。同様に、第２供給部５２の第３の方向Ｚ１の他側の開口である排出口５２ａ（図１３参照）には、第２蓋部材５２ｂがヒンジ部５２ｃを介して開閉可能に取り付けられている。

蓋開閉機構５４は、第１開閉駆動部５４ａと、第２開閉駆動部５４ｂとを有している。第１開閉駆動部５４ａ及び第２開閉駆動部５４ｂは、それぞれリンク部を介して第１蓋部材５１ｂ及び第２蓋部材５２ｂに取り付けられている。図１８に示すように、蓋開閉機構５４は、第１開閉駆動部５４ａ又は第２開閉駆動部５４ｂが駆動すると、リンク部を介して第１蓋部材５１ｂ又は第２蓋部材５２ｂを押圧する。これにより、第１蓋部材５１ｂ又は第２蓋部材５２ｂは、ヒンジ部５１ｃ，５２ｃを中心に回動する。その結果、第１供給部５１又は第２供給部５２の排出口５１ａ，５２ａが開放され、第１の金属粉末Ｍ１又は第２の金属粉末Ｎ１がステージ４の一面４ａ又は試料面に向けて排出される。

また、第１供給部５１及び第２供給部５２内の第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１が不足、又は無くなると、供給ヘッド５０は、図１３に示すように、第１粉末貯蔵部４２、第２粉末貯蔵部４３及び粉末送出部４９の下方に移動する。次に、図１６に示すように、第１粉末貯蔵部４２及び第２粉末貯蔵部４３の不図示のシャッター部材が開き、第１粉末貯蔵部４２及び第２粉末貯蔵部４３から、第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１が粉末送出部４９の送出ホッパー４５内に落下する。

さらに、粉末送出部４９の第１の送出車４６及び第２の送出車４７が回転すると、送出ホッパー４５内に収容された第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１は、供給ヘッド５０の第１供給部５１及び第２供給部５２内に落下する。これにより、供給ヘッド５０に第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１を補充することができる。

その他の構成は、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような粉末供給ユニット４１を有する３次元積層造形装置４０によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と同様の作用効果を得ることができる。

なお、第２の実施の形態例にかかる粉末供給ユニット４１によれば、重力による落下で第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１を第１粉末貯蔵部４２及び第２粉末貯蔵部４３から第１供給部５１及び第２供給部５２に送り出している。そのため、第１の実施の形態例にかかる粉末供給ユニット７よりも第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１の送り出しを簡略化することができる。さらに、第１の金属粉末Ｍ１及び第２の金属粉末Ｎ１が搬送パイプ内に詰まるおそれがないため、スムーズに第１供給部５１及び第２供給部５２へ送り出すこともできる。

さらに、第１粉末貯蔵部４２、第２粉末貯蔵部４３及び粉末送出部４９を処理室２内に設けることで、処理室２内の状態を真空に維持することができる。

なお、本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。

例えば、上述した実施の形態例では、粉末材料としてチタン、アルミニウム、鉄等の金属粉末を適用した例を説明したが、これに限定されるものではなく、粉末材料としては、樹脂等を用いてもよい。また、粉末材料を溶融させる溶融機構として電子ビームを照射する電子銃を適用した例を説明したが、これに限定されるものではない。溶融機構としては、例えば、レーザを照射するレーザ照射部を適用してもよい。

また、上述した実施の形態例では、第１の金属粉末Ｍ１と第２の金属粉末Ｎ１の２種類の粉末材料を用いた例を説明したが、これに限定されるものではなく、３種類以上の粉末材料を用いてもよい。

１，４０…３次元積層造形装置、 ２…処理室、 ３…造形枠、 ３ａ…ピット、 ３ｂ…粉末回収口、 ４…ステージ、 ４ａ…一面、 ７，４１…粉末供給ユニット、 ８…電子銃（溶融機構）、 １８…ガイド部、 ２１，５０…供給ヘッド、 ２２，４２…第１粉末貯蔵部、 ２３，４３…第２粉末貯蔵部、 ２４…第１粉末送出部、 ２５…第２粉末送出部、 ２６…第１搬送パイプ、 ２７…第２搬送パイプ、 ３１，６１…均し部材、 ３２，６２…粉末除去機構、 ３４，５１…第１供給部、 ３５，５２…第２供給部、 ４９…粉末送出部、 Ｋ１…造形物、 Ｌ１…電子ビーム、 Ｍ１…第１の金属粉末（第１の粉末材料）、 Ｍ２…第１不要粉末、 Ｎ１…第２の金属粉末（第１の粉末材料）、 Ｐ１…第１凝固粉末、 Ｑ１…第２凝固粉末、 Ｓ１…第１粉末層、 Ｔ１…第２粉末層、 Ｘ１…第１の方向、 Ｙ１…第２の方向、 Ｚ１…第３の方向

Claims (6)

1. 造形物を形成するための第１の粉末材料及び、前記第１の粉末材料と種類の異なる第２の粉末材料が積層されるステージと、
   前記ステージに前記第１の粉末材料を供給する第１供給部と、
   前記ステージに前記第２の粉末材料を供給する第２供給部と、
   前記第１の粉末材料及び前記第２の粉末材料のうち所定の領域の粉末材料を溶融させる溶融機構と、
   前記ステージに供給された前記第１の粉末材料及び前記第２の粉末材料のうち溶融し、凝固しなかった不要粉末を除去する粉末除去機構と、を備え、
   前記第２供給部は、前記粉末除去機構により前記第１の粉末材料の前記不要粉末を除去した後に、前記第１の粉末材料からなる第１粉末層と同一の層に前記第２の粉末材料を供給する
   ３次元積層造形装置。
2. 前記ステージに供給された前記第１の粉末材料及び前記第２の粉末材料を所定の厚さで均一に均す均し部材をさらに備えた
   請求項１に記載の３次元積層造形装置。
3. 前記ステージの外周には、前記均し部材により排除された余分な前記第１の粉末材料及び前記第２の粉末材料を回収する粉末回収口が設けられている
   請求項２に記載の３次元積層造形装置。
4. 前記第１供給部及び前記第２供給部は、同一の供給ヘッドに設けられ、
   前記供給ヘッドには、前記均し部材及び前記粉末除去機構が設けられる
   請求項２又は３に記載の３次元積層造形装置。
5. 前記第１供給部を有する第１供給ヘッドと、
   前記第２供給部を有する第２供給ヘッドと、をさらに備え、
   前記均し部材は、前記第１供給ヘッド及び前記第２供給ヘッドにそれぞれ設けられる
   請求項２又は３に記載の３次元積層造形装置。
6. ステージに造形物を形成するための第１の粉末材料を供給し、第１の粉末材料からなる第１粉末層を形成する工程と、
   前記第１粉末層における所定の領域の第１の粉末材料を溶融させ、凝固させる工程と、
   前記第１粉末層のうち溶融し、凝固しなかった不要粉末を除去する工程と、
   前記第１粉末層と同一の層に、前記造形物を形成するための前記第１の粉末材料と異なる第２の粉末材料を供給し、前記第２の粉末材料からなる第２粉末層を形成する工程と、
   前記第２粉末層における所定の領域の第２の粉末材料を溶融させ、凝固させる工程と、
   を含む
   ３次元積層造形方法。

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