JP2021120209A - 立体物造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】造形時における材料粉末の溶融状態及び溶融・結合された造形材料の積層状態を容易に検査することができる、パウダーベッド方式の立体物造形装置を提供する。【解決手段】サンプル形成部７は立体物造形部４の側方に設けられる。サンプル箱１０はサンプル形成部７内に取出可能に配置され、内部に材料粉末が充填される。レーザ照射器１４は立体物造形部及びサンプル形成部の上方に配置され、３次元方向に移動する。不活性ガスが充填された密閉室１５は立体物造形部、リコータ５、サンプル形成部及びレーザ照射器を密閉する。隔壁１６は密閉室内に設けられ、立体物造形部とサンプル形成部とを気密に区画する。第１シャッタ１８は密閉室に設けられ、第２シャッタ２０は隔壁に設けられ、第１シャッタの開放時に閉鎖される。サンプル形成部内のサンプルを取り出して放射線検査装置２１に搬送する機構２２を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、パウダーベッド方式の立体物造形装置に関する。

一般に３Ｄプリンタと呼ばれる立体物造形装置は、樹脂或いは金属製の立体物を製造するために使用される。特に、平に敷き詰められた樹脂、または金属の粉末をレーザビームによって溶融・結合させて積層する粉末床溶融結合法を用いる３Ｄプリンタが、製造業の各分野において採用されている。

この粉末床溶融結合法を用いる３Ｄプリンタは、溶融した金属を多層に積み重ねていくことから、各層間に融合不良や溶込み不良、あるいはボイドが発生しやすい。これらを解消するためには、レーザビームによる加熱温度と金属粉末の供給量を適切に制御する必要がある。

立体物を意図した形状とするためには、メルトプールと呼ばれる金属の溶融池の状態を適切な大きさや形状とする必要がある。すなわち、溶融池が小さすぎると立体物に必要な溶融金属が不足して立体物に欠損が生じ、溶融池が大きすぎると液だれが生じて立体物に余分な突起や凹凸が生じる。そのため、立体物の形状や寸法に応じて、金属粉末の供給量、レーザビームの出力や移動速度を適正に制御する必要がある。

従来、金属製品用の立体物造形装置として、特許文献１に示すように、放射線ＣＴや放射線透視装置を設けることで、造形途中や完成後の立体物の検査を行うものが提案されている。

特開２０１９−１０４９８１号公報

特許文献１の装置（ここでは、立体物を造形物と呼ぶ）は、パウダーベッド方式、または粉末床溶融結合方法と呼ばれ、平らなステージの上に薄く樹脂または、金属の粉末を散布した後、散布した樹脂または、金属の一部をレーザビームによって溶融・結合させ、所定の形状を作り出す。

この散布と溶融・結合を繰り返すことにより造形物を造形する。この従来技術では、ステージの上方にＸ線発生器、また下方にＸ線検出器を配置してＸ線透過量を検出している。この従来技術には、下記のような欠点が考えられる。
（１）造形物にＸ線を照射してＸ線検出器で透過量を検出し、設計厚みより小さな領域と判定される領域を空隙存在領域としているが、造形物の厚みが増すとＸ線透過量データの正確さが徐々に失われる。またＸ線透過量を均一にするため造形物の厚み、材料、粉末の大きさなどに対して、Ｘ線発生器の出力を毎回変更して対応することは不可能に近い。
（２）Ｘ線焦点（Ｘ線発生器）からＸ線受像面（Ｘ線検出器）までの距離ＦＤＤ（Ｆｏｃｕｓ Ｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ Ｄｉｓｔａｎｃｅ）が一定であり、Ｘ線は放射線状に照射するため、造形物の高さが増加すると共に視野は狭くなっていく。
（３）造形物と周辺が金属粉末の環境下にＸ線を照射するため、散乱線がノイズとして多方面に発生し、Ｘ線透過量データの正確性に欠ける。
（４）ステージ上のＸ線検出器と垂直上のＸ線発生器はそれぞれ固定されており、そのＸ線発生源からの放射線状ビーム内に造形物があるため、一方向からしか撮影できない。またＸ線発生器とＸ線検出器を複数台設け、相対的に走査しても、造形物の周辺には未溶融・結合の粉末が充填された状態で残っているため、造形物の外周面など金属粉末に覆われた部分については鮮明な画像を得ることができない。

ところで、パウダーベッド方式においては、粉塵爆発と造形物の酸化を防止するために装置全体を密閉室内に収容し、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で造形を行う。特許文献１の装置では、Ｘ線発生器とＸ線検出器を密閉室内部に配置しているが、造形物とＸ線焦点との距離が大きくなり、造形物の詳細、特に溶融池の状態を拡大して表示することができない。仮に、造形途中で造形物を取り出して検査を行ったとしても、排気された不活性ガスを密閉室内に再度充填するには、装置の規模にもよるが１０分程度を要し、造形作業が長時間中断されることになる。

本実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。本実施形態の目的は、造形時における材料粉末の溶融状態及び溶融・結合された造形材料の積層状態を容易に検査することができる、パウダーベッド方式の立体物造形装置を提供することにある。

本発明の実施形態のパウダーベッド方式の立体物造形装置は、次のような構成を有する。
（１）床面に設置される基台と、前記基台に対して昇降自在に設けられ、造形対象の立体物を載置するテーブル。
（２）前記テーブルの周囲に配置され、その内側でテーブルが昇降する枠部。
（３）前記テーブルと前記枠部とによって形成された上面開口型の立体物造形部。
（４）前記立体物造形部の上方に配置され、前記立体物造形部内に所定の厚さの粉末材料を供給するリコータ。
（５）前記立体物造形部に対して粉末材料を供給する粉末貯溜部。
（６）前記立体物造形部の側方に設けられたサンプル形成部。
（７）前記立体物造形部及び前記サンプル形成部の上方に配置され、前記テーブル表面を基準として少なくとも３次元方向に移動するレーザ照射器。
（８）前記立体物造形部、前記リコータ、前記サンプル形成部及び前記レーザ照射器を密閉し、不活性ガスが充填された密閉室。
（９）前記密閉室内に設けられ、前記立体物造形部と前記サンプル形成部とを気密に区画する隔壁。
（１０）前記密閉室に設けられ、前記サンプル形成部に対して前記サンプルを出し入れすることのできる第１シャッタ。
（１１）前記隔壁に設けられ、前記第１シャッタの開放時には閉鎖される第２シャッタ。

実施形態において、次のような構成とすることができる。
（１）前記密閉室の近傍に配置された放射線検査装置と、前記サンプル形成部内の前記サンプルを取り出して前記放射線検査装置に搬送する機構を有する。
（２）前記サンプル形成部は、複数の前記サンプルを形成可能である。
（３）前記サンプル形成部は、内部に材料粉末が充填されるサンプル箱と、その保持機構を有する。
（４）前記リコータによる前記立体物造形部に対する材料粉末の供給と同期して、前記サンプル箱内に材料粉末を供給するノズルを有する。
（５）前記搬送機構が多関節ロボットである。
（６）前記放射線検査装置が、前記放射線検出器からの出力を画像データに変換して、表示する透視画像表示装置である。
（７）前記放射線検査装置が、前記放射線検出器からの出力を再構成して、前記立体物の断面映像を出力する放射線ＣＴである。

第１実施形態の立体物造形装置の斜視図。 第１実施形態におけるサンプル箱とその保持機構を示す斜視図。 第１実施形態の制御部を示す機能ブロック図。 サンプル形成部の変形例を示す断面図。 サンプル形成部の他の変形例を示す斜視図。

［１．第１実施形態］
［１−１．実施形態の構成］
［１−１−１．立体物造形装置］
第１実施形態の立体物造形装置は、図１の斜視図に示すように、床面に設置される基台１と、基台１に対して昇降自在に設けられ、造形対象の立体物を載置するテーブル２を備える。基台１には、テーブル２の周囲に配置される枠部３が固定される。枠部３の内側には、テーブル２と、材料粉末の散布厚に相当する間隔でテーブル２を断続的に昇降させる図示しない駆動機構が設けられる。駆動機構としては、例えば、シリンダ、リニアモータ、スクリュウロッド、ラック＆ピニオンなどのガイド付きが使用できる。

テーブル２の上面には、テーブル２と枠部３とによって囲まれた上面開口型の立体物造形部４が形成される。立体物造形部４の上方にリコータ５が配置される。リコータ５は、立体物造形部４内に所定の厚さの粉末材料を敷き詰めるための部材で、図示しない駆動機構が設けられ、枠部３の上縁に沿って図中左右方向に往復動作する。リコータ５は、上面が開口した細長い箱状の部材で、その下部が枠部３の上面に沿ってスライドするステージとして機能し、箱の内部が立体物造形部４に対して粉末材料を供給する粉末貯溜部６になっている。材料粉末としては、金属系の場合は、鉄粉、ステンレス粉末、チタン合金などが使用できる。金属粉末の大きさとして、約２０μｍ〜４５μｍのものが好ましい。金属粉末に代えて各種の樹脂粉末も使用可能である。

基台１上部における立体物造形部４の側方にサンプル形成部７が設けられる。サンプル形成部７は、リコータ５と平行かつ水平に配置された支持板８を備える。支持板８は、基台１上部に枠部３上縁とほぼ同じ高さに固定される。支持板８上には、一定の間隔で複数個の保持機構９が設けられ、各保持機構９にサンプル箱１０が着脱自在に固定される。サンプル箱１０は、図２の拡大斜視図に示すように、上面が開口した四角い箱型の部材である。サンプル箱１０は、放射線が透過しやすく、レーザによる材料粉末の溶融時の高温に耐える炭素繊維強化プラスチックから構成されるのが好ましいが、他の材料から構成されても良い。保持機構９は、例えば、支持板８から一定の間隔を保って立ち上がった一対のねじ板１１と、各ねじ板１１にねじ込まれた固定ボルト１２から構成される。一対の固定ボルト１２の間にサンプル箱１０を配置し、固定ボルト１２を締め付けることにより、サンプル箱１０は支持板８に固定される。保持機構９として、モータやシリンダ、あるいは電磁プランジャの力でサンプル箱１０を把持することもできる。

サンプル形成部７におけるサンプル箱１０の上方には、各サンプル箱１０内に材料粉末を充填する粉末供給ノズル１３が配置される。粉末供給ノズル１３は、図示しない駆動機構により、各サンプル箱１０の配列方向に沿って移動し、各サンプル箱１０の上方で停止した状態でサンプル箱１０内に材料粉末を一定の厚さで散布する。この粉末供給ノズル１３による材料粉末の散布は、リコータ５による立体物造形部４に対する材料粉末の供給と同期して行われ、サンプル箱１０と立体物造形部４とで常に同じ厚さの材料粉末層が形成される。

立体物造形部４の上方にレーザ照射器１４が配置される。レーザ照射器１４は、図示しない駆動機構により、テーブル２表面を基準として少なくとも３次元方向に移動する。すなわち、レーザ照射器１４は、立体物造形部４における立体物の造形位置及びサンプル形成部７におけるサンプルの造形位置（具体的には、各サンプル箱１０の内側の範囲）に対応して、前後左右及び上下方向に移動する。そのため、駆動機構としては、多関節ロボットや、昇降する垂直な回転軸の下端に水平方向に伸縮するリンクアームを取り付け、リンクアームの先端にレーザ照射器１４を固定するものなどが使用できる。

立体物造形部４、リコータ５、サンプル形成部７及びレーザ照射器１４は、不活性ガスが充填された密閉室１５内に配置される。不活性ガスとしては、粉末の酸化による粉塵爆発の防止と立体物の酸化を防止するために窒素ガスが一般的に使用できるが、材料粉末にチタンが含まれる場合は、窒化による発熱・発火を防止するためにアルゴンガスを使用する。密閉室１５内には、密閉室１５を気密に区画する隔壁１６が設けられる。この隔壁１６によって、密閉室１５内は、リコータ５及びレーザ照射器１４が配置された立体物造形部４と、サンプル箱１０が配置されたサンプル形成部７とに区画される。不活性ガスは、区画された立体物造形部４とサンプル形成部７のそれぞれに充填される。

密閉室１５におけるサンプル形成部７側の外壁面には、サンプルの取出口１７と、取出口１７を開閉する第１シャッタ１８が設けられる。第１シャッタ１８は、その開放時において取出口１７を開口させ、その内部に搬送機構（図示の実施形態では多関節ロボット２２の先端）を進入させることにより、サンプル形成部７に対してサンプル箱１０を出し入れすることができる。

隔壁１６には、レーザ照射器１４がサンプル形成部７内に進入するための通過口１９と、通過口１９を開閉する第２シャッタ２０が設けられる。すなわち、第２シャッタ２０は、その開放時において通過口１９を開放させ、その内部にレーザ照射器１４を支持している多関節ロボット２２やリンクアームを進入させることにより、サンプル形成部７内においてサンプルの造形作業を可能とする。

第１シャッタ１８が開放されてサンプル取出口１７が開いている場合には、第２シャッタ２０は閉鎖され、隔壁１６によって区分された立体物造形部４の密封性は確保される。第１シャッタ１８及び第２シャッタ２０は、密閉室１５及び隔壁１６を気密に封止できるものであれば、その構造は限定されない。本実施形態では、第１シャッタ１８及び第２シャッタ２０は、密閉室１５及び隔壁１６の表面に沿って上下方向に移動し、取出口１７及び通過口１９を開閉するものを使用する。

［１−１−２．サンプル搬送機構（多関節ロボット２２）］
密閉室１５の近傍には、サンプルの透視画像を取得する放射線検査装置２１と、サンプル形成部７内のサンプル箱１０を取り出して放射線検査装置２１に搬送するサンプル搬送機構が設けられる。サンプル搬送機構としては、先端に把持部２３を有する多関節ロボット２２が使用される。把持部２３は、密閉室１５の壁面に設けられたサンプル取出口１７からサンプル形成部７内に入り込んで、サンプル箱１０を密閉室１５外部に運ぶ。この際、多関節ロボット２２は、把持部２３によって固定ボルト１２を回転させ、保持機構９によるサンプル箱１０の固定を解除する機能を有する。多関節ロボット２２は、その把持部２３を放射線検査装置２１側に移動させ、放射線検査装置２１に設けられたターンテーブル２４上に、サンプル箱１０を載置する。保持機構９として電動タイプのものを使用した場合には、多関節ロボット２２によって保持機構９を解除する代わりに、サンプル箱の取出作業に入った場合、電気的信号により保持機構９を開放する。

［１−１−３．放射線検査装置２１］
放射線検査装置２１は、昇降機構２５によって支持されたターンテーブル２４と、ターンテーブル２４を挟んで配置された放射線発生器２１ａと放射線検出器２１ｂを有する。ターンテーブル２４は昇降機構２５によって上下動作すると共に、図示しないＸ−Ｙ機構に支持されて水平方向に移動する。放射線発生器２１ａと放射線検出器２１ｂは昇降機構２５によってそれぞれ独立して昇降するように支持され、昇降機構２５と共にターンテーブル２４の周囲を回転するように、回転機構２６により支持される。放射線検出器２１ｂは、造形された立体物を透過した放射線を検出して電子データとして出力するものであり、例えば、放射線像蛍光増倍管（イメージインテンシファイア）とそれを撮影するカメラ、ＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート）とそれを撮影するカメラ、ＦＰＤ（フラットパネルディテクタ）が使用可能である。ここでは、カメラは高速度カメラであってもよい。

放射線検査装置２１には放射線検出器２１ｂからの出力データである透過データをＣＴ画像に変換する再構成部２１１と、再構成部２１１で得られＣＴ画像を表示する表示部２１２が設けられる。ＣＴ画像の代わりに、透過データを静止画像や動画像として表示部２１２に映し出しても良い。

［１−１−４．制御部３０］
図３に示すように、立体物造形装置には、各機構を制御する制御部３０が設けられる。すなわち、造形装置制御部３１、搬送機構制御部３２及び放射線検査装置制御部３３が設けられる。造形装置制御部３１は、テーブル制御部３１１、リコータ制御部３１２、レーザ照射器制御部３１３、第１シャッタ及び第２シャッタ制御部３１４、粉末供給ノズル制御部３１５を有する。搬送機構制御部３２は、多関節ロボット制御部３２１及びサンプル箱保持機構制御部３２２を有する。放射線検査装置制御部３３は、スキャン制御部３３１位置決め制御部３３２を有する。

テーブル制御部３１１は、材料粉末を１層ずつ溶融させて立体物を造形する場合に、造形された立体物の高さに応じてテーブル２を下降させるなど、テーブル２の昇降機構を制御する。リコータ制御部３１２は、リコータ５の移動や、粉末貯溜部６から立体物造形部４に対する材料粉末の供給量やタイミングなどを制御する。レーザ照射器制御部３１３は、レーザ照射器１４の移動位置、速度、レーザビームの出力などを制御する。第１シャッタ及び第２シャッタ制御部３１４は、サンプル箱１０の出し入れの際の第１シャッタ１８と第２シャッタ２０の開閉制御や、レーザ照射器１４の移動時における第２シャッタ２０の開閉制御などを行う。粉末供給ノズル制御部３１５は、各サンプル箱１０に対する材料粉末の供給量、供給タイミング、ノズルの移動位置などを制御する。

多関節ロボット制御部３２１は、サンプル箱１０を密閉室１５内から取り出して放射線検査装置２１のターンテーブル２４に載置する際に、多関節ロボット２２の移動位置やタイミングを制御する。サンプル箱保持機構制御部３２２は、サンプル形成部７内にサンプル箱１０を固定あるいは開放する制御を行う。固定ボルト１２を回すなどして、多関節ロボット２２によって保持機構９によるサンプル箱１０の固定を解除する場合には、多関節ロボット制御部３２１がサンプル箱保持機構制御部３２２を兼用することもできる。

スキャン制御部３３１は、放射線発生器２１ａによる撮影開始タイミング、放射線出力、放射線ビーム角度、拡大率、再構成部２１１による透過データの処理、表示部２１２に表示する画像の表示形態などを制御する。位置決め制御部３３２は、ターンテーブル２４、放射線発生器２１ａ及び放射線検出器２１ｂの回転機構２６や、昇降機構２５を制御して、それらの位置や角度、移動速度などを制御する。

［１−２．実施形態の作用］
本実施形態において立体物を造形するには、第１シャッタ１８を閉じて密閉室１５内を気密状態とし、その内部に不活性ガスを充填する。この時、第２シャッタ２０を開いて通過口１９を開口し、立体物造形部４とサンプル形成部７が共に不活性ガス雰囲気となるようにすると共に、通過口１９を通じてレーザ照射器１４が立体物造形部４とサンプル形成部７の間を移動できるようにする。

次いで、枠部３で囲まれたテーブル２の上方にリコータ５を移動させることで、リコータ５に設けられた粉末貯溜部６からテーブル２の表面に一層分の材料粉末を供給する。この場合、リコータ５が枠部３の上縁に沿って移動することで、テーブル２上に供給された余分な材料粉末が掻き落され、テーブル２上には、所定量の材料粉末の層が形成される。同時に、各サンプル箱１０の内部に粉末供給ノズル１３から材料粉末を順次供給し、各サンプル箱１０の底部にもテーブル２上と同じ厚さの材料粉末層を形成する。

立体物の造形前に供給された材料粉末の充填状態を確認するには、サンプル箱１０内に材料粉末が供給された状態で第２シャッタ２０を閉じ、第１シャッタ１８を開放して取出口１７を開く。開いた取出口１７に多関節ロボット２２の把持部２３を挿入して、保持機構９の固定ボルト１２を緩め、把持部２３によってサンプル箱１０を持ち上げて、密閉室１５外部に取り出す。取り出したサンプル箱１０は、多関節ロボット２２により放射線検査装置２１に搬送され、ターンテーブル２４上にセットされる。サンプル箱１０を取り出した後は、直ちに第１シャッタ１８を閉鎖して取出口１７を閉じて、密閉室１５を密閉する。密閉後は、第２シャッタ２０を開いて立体物造形部４とサンプル形成部７を連通させてサンプル形成部７を不活性ガス雰囲気とすると共に、通過口１９を開口させてレーザ照射器１４がサンプル形成部７側に移動可能とする。

立体物造形部４とサンプル箱１０内に１層分の材料粉末を供給した後は、レーザ照射器１４を予めプログラミングされた位置と速度で移動させながらテーブル２上の材料粉末にレーザビームを照射することにより、テーブル２上で材料粉末を溶融させる。テーブル２上で溶融した材料粉末は、レーザ照射器１４の移動に伴い冷却し固化するため、テーブル２上にはレーザ照射器１４の軌跡に対応した粉末材料１層分の立体物が形成される。

立体物造形部４に対するレーザビームの照射に引き続いて、レーザ照射器１４を通過口１９からサンプル箱１０の上部に移動させ、サンプル箱１０の底部に供給された１層分の材料粉末に対して、立体物造形部４と同じ出力と移動速度でレーザビームを照射する。サンプル箱１０内で造形するサンプルの形状は任意であるが、造形対象の立体物の中で検査を必要とする個所の形状に近いものが望ましい。立体物造形部４及びサンプル箱１０内の材料粉末に対するレーザビームの照射が終わった後は、レーザ照射器１４を立体物造形部４側に復帰させる。

立体物造形部４及びサンプル箱１０内で材料粉末の１層目が溶融固化した後は、テーブル２を材料粉末１層分の高さだけ下降させ、再びリコータ５を用いて立体物造形部４内に２層目の材料粉末を供給する。同時に、サンプル箱１０内にも粉末供給ノズル１３から２層目の材料粉末を供給する。その後、レーザ照射器１４により材料粉末を溶融させ、以下、このような材料粉末の供給と、溶融及び固化が繰り返されることで、テーブル２及びサンプル箱１０の底部上に溶融した材料が多層に積層され、立体的なサンプルと、造形対象の立体物が造形される。

複数個のサンプル箱１０が設けられている本実施形態では、最初のサンプル箱１０については、レーザビームを照射しない状態で取り出して、放射線検出器２１ｂによる透視検査を行い、２番目以降のサンプル箱１０については、材料の積層数が一定回数に達するごとにサンプル箱１０を取り出して放射線検査を行う。このように立体物の造形動作の任意の異なる段階において、サンプル箱１０を取り出して検査を行うことにより、材料粉末の溶融状態（特に、溶融池の状態）と立体物内部のガスの気泡（ガスポア）を確認することができる。また、サンプル箱１０内における造形された立体物の周囲には、レーザビームが照射されずに未溶融の材料粉末が残っていることから、造形途中における未溶融の材料粉末の状況も知ることができる。

密閉室１５から取り出された各段階のサンプル箱１０は、多関節ロボット２２により放射線検出装置のターンテーブル２４に載置され、放射線発生器２１ａからの放射線が照射される。その際、ターンテーブル２４上に載置されたサンプルが所定の位置に来るように、位置決め制御部３３２がＸ−Ｙ機構や昇降機構２５を制御することにより、サンプル箱１０の位置決めが行われる。

サンプル箱１０及びその内部のサンプルや周囲の材料粉末を透過した放射線は、放射線検出器２１ｂによって電子データに変換される。放射線検出器２１ｂからの透過データは、静止画や動画の場合には表示部２１２に映し出される。ＣＴ画像を得る場合には、回転機構２６を用いて、ターンテーブル２４の周囲で放射線発生器２１ａと放射線検出器２１ｂを回転させ、得られた透視画像を再構成部２１１で変換し、表示部２１２に出力する。

上記のような各部の動作や処理は、制御部３０に設けられた造形装置制御部３１、搬送機構制御部３２及び放射線検査装置制御部３３によって実行される。

放射線検出器２１ｂで得られたサンプルの放射線透視画像やＣＴ画像を、立体物の高さ、長さ、角度、積層ごとに、レーザ照射器１４のビーム出力、移動速度、材料粉末供給量と共に保存しておくことで、造形装置の各種データと放射線画像とを対応付けて管理することができる。その結果、これらのデータをいつでも取り出すことにより、立体物を構成する材料層の積層状態を再現あるいは修正することなども自在にでき、リバースエンジニアリングが可能である。

［１−３．実施形態の効果］
本実施形態は、次のような効果を有する。
（１）放射線検出器２１ｂによってサンプル箱１０を検査することで、造形前のサンプル箱１０内における材料粉末の充填状態や、造形途中の立体物の積層状態を、任意の拡大率の放射線透視画像やＣＴ画像によって確認することができる。得られた検査結果に基づいて、立体物造形部４における材料粉末の供給状態を推察し、リコータ５による材料粉末の供給速度や供給量を調整できる。また、撮影された画像に基づいて、造形作業の適否を迅速かつ容易に判断することが可能となる。その結果、例えば、レーザビーム出力、材料粉末の供給量、レーザ照射器１４の移動速度や溶融ポイントまでの距離などを造形途中において調整することで、ボイドや溶融不良がない高品質の立体物を造形することができる。

（２）密閉室１５内に通過口１９を有する隔壁１６を設け、サンプル箱１０の取出時には第２シャッタ２０により通過口１９を閉鎖することで、取出口１７を開いてサンプル箱１０を取り出す場合に、容積の広い立体物造形部４の密閉状態を維持したまま、サンプル形成部７のみを開放する。その結果、サンプルの検査のために密閉室１５全体を開放する必要がなくなり、密閉室１５全体に多量の不活性ガスを再充填することが不要となり、不活性ガスの削減、再充填時間の短縮が可能となる。

（３）サンプル箱１０を複数個設けることで、造形前や造形途中など多段階にわたってサンプルの検査を行うことが可能となる。その結果、立体物造形部４で製作する立体物の各段階における状態を知ることができるので、造形材料を多層に積層した場合にどの段階で造形不良が出やすいかなどの経時的な情報を、ユーザが希望する間隔で自由に得ることができる。

（４）サンプル箱１０内部にサンプルが造形され、サンプルの周囲には未溶融の材料粉末が残された状態で、サンプル箱１０を放射線検査装置２１に移送するため、サンプルに把持部２３が触れることがなく、サンプルの損傷や劣化か生じないとともに、造形されたサンプルとその周囲の未溶融材料の状態を同時に検査することができる。

（５）隔壁１６の通過口１９を通して立体物造形部４とサンプル形成部７の間でレーザ照射器１４を移動させるため、レーザ照射器１４が１台で済むとともに、立体物の造形とサンプルの造形が同じレーザ照射器１４で行われることになり、造形された立体物の状況がそのままサンプルに反映される。その結果、放射線検査装置２１で検出したサンプルからの情報に基づいて、造形された立体物の状況を正確に知ることができる。

［２．他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。具体的には、次のような他の実施形態も包含する。

（１）サンプル箱１０内に材料粉末を供給する手段としては、ノズルによる散布以外に、立体物造形部４と同様なリコータ５やローラなどを使用することもできる。例えば、図４に示すように、サンプル箱１０の代わりに、サンプル箱１０の側壁と同様な寸法で底部が開口したサンプル用枠部３ａを基台１に固定し、このサンプル用枠部３ａの内側に立体物造形部４のテーブル２と同期して移動するサンプル用テーブル２ａを昇降自在に配置する。サンプル用テーブル２ａの上面に移送用トレー１０ａを置いて、その上にリコータ５によって立体物造形部４と同時に材料粉末を供給する。

このようにすると、立体物の造形後には、多関節ロボット２２によって移送用トレー１０ａを把持することにより、造形された立体物のサンプルに触れることなく、サンプルを放射線検査装置２１に移送することができる。また、サンプル形成部７に専用の粉末供給ノズル１３を設けることなく、１台のリコータ５によって立体物造形部４とサンプル形成部７に材料粉末を供給できるため、立体物とサンプルとで材料粉末の厚さの管理が正確かつ容易になる。

（２）前記の実施例は、サンプル箱１０内に粉末供給ノズル１３を利用して材料粉末を供給したが、造形途中の溶融層の状態を観察する必要がない場合には、予め材料粉末を所定の厚さに充填しておいた複数のサンプル箱１０を用意し、このサンプル箱１０に対して、異なる出力や移動速度のレーザビームを照射することで、材料粉末の溶融状態を検査することも可能である。

（３）前記の実施例は、サンプル箱１０や移送用トレーを使用することで、搬送機構が造形されたサンプルに直接触れることがなく、搬送時にサンプルの変形などのおそれがない。搬送機構によってサンプルを直接把持しても問題がない場合には、サンプル箱１０や移送用トレー１０ａを設けることなく、図５に示すように、立体物造形部４に連続してサンプル形成部７を設けてサンプルＳを造形することができる。このようにすると、立体物造形部４の枠部３とサンプル形成部７の枠部３を一体とすることができるため、立対物造形部４に材料粉末を供給したリコータ５をそのまま隔壁１６の第２シャッタ２０を通過させてサンプル形成部７に侵入させ、サンプル形成部７内に材料粉末を供給することができる。

（４）前記の実施形態は、リコータ５と粉末貯溜部６を一体に設けたが、両者を別体とすることも可能である。例えば、立体物造形部４の上方に材料粉末を供給するノズルを設けることができる。また、立体物造形部４の側方に上面開口型の粉末貯溜部６を設けて、リコータ５によって粉末貯溜部６の上部から立体物造形部４に向けて材料粉末を掻き出しても良い。

（５）リコータ５によって立体物造形部４に材料粉末を供給した場合、リコータ５によって掻き出された材料粉末が枠部３の上縁からオーバーフロすることがある。そのため、枠部３の周囲や、立体物造形部４とサンプル形成部７の間に材料粉末の回収部を設けることができる。

（６）サンプル形成部７において造形されるサンプル数は、検査の目的や回数に応じて、１個あるいは複数個とすることができる。サンプル数を複数個とした場合に、別途設けられたシャッタなどを利用してサンプル形成部７の内部をサンプル毎に密閉された小部屋に区切ると共に、各小部屋の外壁にそれぞれ第１シャッタ１８を設けることもできる。このようにすると、サンプルの取出時に排出される不活性ガス量がより少なくて済む。

（７）本実施形態によって得られる透視画像としては、高速度カメラによる透視動画またはＣＴ透視画像のいずれか一方をまたは双方であっても良いし、一定時間毎に撮影する静止画像であっても良い。

１…基台
２…テーブル
３…枠部
４…立体物造形部
５…リコータ
６…粉末貯溜部
７…サンプル形成部
８…支持板
９…保持機構
１０…サンプル箱
１１…ねじ板
１２…固定ボルト
１３…粉末供給ノズル
１４…レーザ照射器
１５…密閉室
１６…隔壁
１７…取出口
１８…第１シャッタ
１９…通過口
２０…第２シャッタ
２１…放射線検査装置
２１ａ…放射線発生器
２１ｂ…放射線検出器
２１１…再構成部
２１２…表示部
２２…多関節ロボット
２３…把持部
２４…ターンテーブル
２５…昇降機構
２６…回転機構
３０…制御部
３１…造形装置制御部
３１１…テーブル制御部
３１２…リコータ制御部
３１３…レーザ照射器制御部
３１４…第１シャッタ及び第２シャッタ制御部
３１５…粉末供給ノズル制御部
３２…搬送機構制御部
３２１…多関節ロボット制御部
３２２…保持機構制御部
３３…放射線検査装置制御部
３３１…スキャン制御部
３３２…位置決め制御部

Claims (8)

1. 床面に設置される基台と、前記基台に対して昇降自在に設けられ、造形対象の立体物を載置するテーブルと、
   前記テーブルの周囲に配置され、その内側でテーブルが昇降する枠部と、
   前記テーブルと前記枠部とによって形成された上面開口型の立体物造形部と、
   前記立体物造形部の上方に配置され、前記立体物造形部内に所定の厚さの粉末材料を供給するリコータと、
   前記立体物造形部に対して粉末材料を供給する粉末貯溜部と、
   前記立体物造形部の側方に設けられたサンプル形成部と、
   前記立体物造形部及び前記サンプル形成部の上方に配置され、前記テーブル表面を基準として少なくとも３次元方向に移動するレーザ照射器と、
   前記立体物造形部、前記リコータ、前記サンプル形成部及び前記レーザ照射器を密閉し、不活性ガスが充填された密閉室と、
   前記密閉室内に設けられ、前記立体物造形部と前記サンプル形成部とを気密に区画する隔壁と、
   前記密閉室に設けられ、前記サンプル形成部に対して前記サンプルを出し入れすることのできる第１シャッタと、
   前記隔壁に設けられ、前記第１シャッタの開放時には閉鎖される第２シャッタと、
   を備えるパウダーベッド方式の立体物造形装置。
2. 前記密閉室の近傍に配置された放射線検査装置と、前記サンプル形成部内の前記サンプルを取り出して前記放射線検査装置にセットする搬送機構を有する請求項１に記載のパウダーベッド方式の立体物造形装置。
3. 前記サンプル形成部は、複数の前記サンプルを形成可能である請求項１または請求項２に記載のパウダーベッド方式の立体物造形装置。
4. 前記サンプル形成部は、内部に材料粉末が充填されるサンプル箱と、その保持機構を有する請求項１または請求項２に記載のパウダーベッド方式の立体物造形装置。
5. 前記リコータによる前記立体物造形部に対する材料粉末の供給と同期して、前記サンプル箱内に材料粉末を供給するノズルを有する請求項４に記載のパウダーベッド方式の立体物造形装置。
6. 前記搬送機構が、多関節ロボットである請求項２に記載のパウダーベッド方式の立体物造形装置。
7. 前記放射線検査装置が、前記放射線検出器からの出力を画像データに変換して表示する透視画像表示装置である請求項２に記載のパウダーベッド方式の立体物造形装置。
8. 前記放射線検査装置が、前記放射線検出器からの出力を再構成して前記立体物の断面映像を出力する放射線ＣＴである請求項２に記載のパウダーベッド方式の立体物造形装置。

Images