JP4866145B2 - 粉末焼結積層造形装置及びその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、粉末焼結積層造形装置及びその使用方法に関し、造形テーブル上に複数の焼結薄層を積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形装置及びその使用方法に関する。

近年、機能試験用試作部品や少量多品種の製品に使用される部品等を造形することができる造形装置への要望が増えてきつつある。

この要求を満たすものとして、光造形装置や粉末焼結積層造形装置などがある。なかでも、粉末焼結積層造形装置は、紫外線硬化性樹脂を使用した造形装置（以下「光造形装置」）と異なり、多種類かつ強靭な材料が使用できることが大きな特徴の一つであり、市場での認知度も向上し、さまざまな用途で使用されはじめている。

従来市販されている粉末焼結積層造形装置は、レーザ光出射部と、造形部と、制御装置とから構成されている。図８（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、従来市販されている粉末焼結積層造形装置のうち造形部の断面図及び上面図である。図示しないレーザ光出射部は、造形部の上方に設置されている。

レーザ光出射部においては、レーザ光の光源とレーザ光の照射方向を制御するミラーとが設けられている。

造形部１０１においては、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、中央部に設置され、レーザ光の照射により造形が行われて３次元造形物が作製される造形用容器１と、その両側に設置されて粉末材料を貯めておく粉末材料収納容器２ａ、２ｂと、供給過剰粉末材料の収納容器３ａ、３ｂとを備えている。また、造形用容器１内には造形用容器１内壁に沿って降下する造形テーブル４が設置され、粉末材料容器２ａ、２ｂ内には粉末材料容器２ａ、２ｂ内壁に沿って上昇する粉末材料供給テーブル５ａ、５ｂが設置されている。

制御装置は、造形テーブル４を薄層一層分降下させ、粉末材料供給テーブル５ａを上昇させて、リコータ６によって造形テーブル４上に粉末材料７を供給させ、かつ造形テーブル４上で粉末材料の薄層７ａを形成させ、次いで、レーザ光及び制御ミラーによって作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき粉末材料の薄層７ａを選択的に加熱して焼結させ、これらの動作を繰り返させる。このようにして３次元造形物を形成させ、最後に、３次元造形物を冷却させる。
特許第２６２０３５３号

ところで、従来の粉末焼結積層造形装置では、造形領域に供給された粉末材料の薄層に選択的にレーザ光を照射し焼結すると、焼結した部分が溶融して体積が減少するため、最低でも造形用容器１内の造形テーブル４が下がった分の体積と、焼結により減少した分の体積を補うだけの粉末材料を供給する必要がある。

しかし、造形用テーブル４が下がった分の体積が一定であるのに対して、焼結により減少した部分の体積は、各層の焼結部の断面積や、断面位置の偏りにより一部分のみ多く減少するなど予測がしにくい。この場合、最悪、粉末材料の供給量の不足だけは防止しなくてはならないため、常に多めに粉末材料を供給する必要がある。その上、粉末材料供給テーブル２ａ、２ｂ全体が上昇するため体積が減少していない部分にも粉末材料７が余分に供給されてしまう。

したがって、各層ごとに造形用容器１から溢れる粉末材料７が生じてしまう。特に、造形領域が大きくて焼結領域が小さいと、過剰な粉末材料８の量が多くなる。

そこで従来の装置では、図８（ａ）、（ｂ）に示すような供給過剰の粉末材料８を収納する収納容器３ａ、３ｂを設け、そこに供給過剰の粉末材料８を落とし込むなどの対策を採っている。

しかしながら、粉末材料８の劣化が少なくて粉末材料８を廃棄しなくてもよい場合でも、供給過剰の粉末材料８の収納容器３ａ、３ｂに収納された粉末材料８は、冷たくなっており、かつ収納容器３ａ、３ｂに収納されているため、すぐには造形領域に供給できず、また使用もできない。そして、供給過剰の粉末材料８をその場で使用できないため、熱による劣化と関係なく新品として扱うことができない。以上より、リサイクル率が低下してしまう。

また、供給過剰の粉末材料８が生じると粉末材料８が不足して造形物を完成できなくなる事態も生じてくる。これを防ぐため粉末材料容器２ａ、２ｂを大きくする必要があるが、その場合装置の横幅を大きくする必要があり、好ましくない。

本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、粉末材料不足を防止するとともに過剰な粉末材料をすぐに再使用することを可能にして、粉末材料のリサイクル率を向上させ、かつ装置を小型化することができる粉末焼結積層造形装置及びその使用方法を提供するものである。

上記課題を解決するため、第１の発明は、粉末焼結積層造形装置に係り、造形領域を画定する造形用容器と、前記造形用容器の内壁に沿って少なくとも下方に移動する造形テーブルと、前記造形領域の両側にそれぞれ設けられ、造形に用いる粉末材料を収納する第１及び第２の粉末材料収納容器と、前記第１の粉末材料収納容器の内壁に沿って上下移動する第１の粉末材料供給テーブルと、前記第２の粉末材料収納容器の内壁に沿って上下移動する第２の粉末材料供給テーブルと、垂直な運搬板と、運搬板の前後２箇所に運搬板の下端から適当な間隔を置いて水平に保持され、運搬板の進行方向前側に溜まった粉末材料が接触することにより水平の位置から上側に回動する検知板と、検知板の上側への回動を検知するセンサとを有し、前記第１の粉末材料収納容器、前記造形用容器及び前記第２の粉末材料収納容器に収納されている粉末材料の表面に沿って移動するリコータと、前記リコータを移動させて前記造形用容器に前記粉末材料を供給するときに、前記粉末材料を供給する側の粉末材料供給テーブル上の粉末材料の表面が同じ側の前記粉末材料収納容器の表面よりも上に突出し、同時に他方の側の前記粉末材料供給テーブル上の粉末材料の表面が同じ側の前記粉末材料収納容器の表面よりも下になるように調節する制御手段とを備えたことを特徴とし、
第２の発明は、第１の発明の粉末焼結積層造形装置に係り、前記制御手段は、前記センサにより検知した粉末材料の供給量が基準よりも少ない場合、該検知した時よりも、前記粉末材料を供給させる側の粉末材料供給テーブルをさらに上昇させることを特徴とし、
第３の発明は、第１又は第２の発明の粉末焼結積層造形装置に係り、前記リコータの移動領域を挟むように設置された前記粉末材料の流出防護壁を備えていることを特徴とし、
第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れか一の粉末焼結積層造形装置に係り、前記粉末焼結積層造形装置は、前記造形テーブル上に形成された粉末材料の薄層にレーザ光を選択的に照射するレーザ光照射手段を備えていることを特徴とし、
第５の発明は、粉末焼結積層造形装置の使用方法に係り、造形領域を画定する造形用容器と、前記造形用容器の内壁に沿って少なくとも下方に移動する造形テーブルと、前記造形領域の両側にそれぞれ設けられ、造形に用いる粉末材料を収納する第１及び第２の粉末材料収納容器と、前記第１の粉末材料収納容器の内壁に沿って上下移動する第１の粉末材料供給テーブルと、前記第２の粉末材料収納容器の内壁に沿って上下移動する第２の粉末材料供給テーブルと、垂直な運搬板と、運搬板の前後２箇所に運搬板の下端から適当な間隔を置いて水平に保持され、運搬板の進行方向前側に溜まった粉末材料が接触することにより水平の位置から上側に回動する検知板と、検知板の上側への回動を検知するセンサとを有し、前記第１の粉末材料収納容器、前記造形用容器及び前記第２の粉末材料収納容器に収納されている粉末材料の表面に沿って移動するリコータと、前記造形テーブル上に形成された粉末材料の薄層を選択的に加熱する手段とを備えた粉末焼結積層造形装置の使用方法であって、（１）前記第１の粉末材料供給テーブル上に前記粉末材料を載せて上昇させて、前記第１の粉末材料収納容器の表面に前記粉末材料を突出させ、（２）前記リコータを移動させて前記第１の粉末材料収納容器の表面に突出した粉末材料の表層を削ぎとり、（３）前記リコータを移動させて前記削ぎとった粉末材料を前記造形用容器に供給して、前記造形テーブル上に第１の粉末材料の薄層を形成し、（４）前記第１の粉末材料の薄層を選択的に加熱して焼結薄層を形成し、（５）前記リコータを移動させて前記造形用容器に供給した残りの粉末材料を、下降させた前記第２の粉末材料供給テーブル上に載せて前記第２の粉末材料収納容器内に収納することを特徴とし、
第６の発明は、第５の発明の粉末焼結積層造形装置の使用方法に係り、前記（５）の工程の後に、（６）前記第２の粉末材料供給テーブルを上昇させて、前記第２の粉末材料収納容器の表面に前記粉末材料を突出させ、（７）前記リコータを移動させて前記第２の粉末材料収納容器の表面に突出した粉末材料の表層を削ぎとり、（８）前記リコータを移動させて前記削ぎとった粉末材料を前記造形用容器に供給して、前記造形テーブル上の第１の粉末材料の薄層の上に第２の粉末材料の薄層を形成し、（９）前記第２の粉末材料の薄層を選択的に加熱して焼結薄層を形成し、（１０）前記リコータを移動させて前記造形用容器に供給した残りの粉末材料を、下降させた前記第１の粉末材料供給テーブル上に載せて前記第１の粉末材料収納容器内に収納することを特徴とし、
第７の発明は、第６の発明の粉末焼結積層造形装置の使用方法に係り、前記（１）乃至（１０）の工程を繰り返すことを特徴とし、
第８の発明は、第５乃至第７の発明の何れか一の粉末焼結積層造形装置の使用方法に係り、前記センサにより検知した粉末材料の供給量が基準よりも少ない場合、該検知した時よりも、前記粉末材料を供給させる側の粉末材料供給テーブルをさらに上昇させて、同じ側の前記粉末材料収納容器の表面に前記粉末材料を突出させた後、前記（２）乃至（５）の工程、或いは前記（７）乃至（１０）の工程を行うことを特徴としている。

本発明の粉末焼結積層造形装置においては、第１の粉末材料収納容器の内壁に沿って上下移動する第１の粉末材料供給テーブルと、第２の粉末材料収納容器の内壁に沿って上下移動する第２の粉末材料供給テーブルと、第１の粉末材料収納容器、造形用容器及び第２の粉末材料収納容器の表面に沿って移動するリコータと、リコータを移動させて造形用容器に前記粉末材料を供給するときに、粉末材料を供給させる側の粉末材料供給テーブル上の粉末材料の表面が同じ側の粉末材料収納容器の表面よりも上に突出し、かつ他方の側の粉末材料供給テーブル上の粉末材料の表面が同じ側の粉末材料収納容器の表面よりも下になるように調整する制御手段とを備えている。

したがって、第１の粉末材料収納容器の表面よりも上に突出した粉末材料を、第１の粉末材料収納容器から造形用容器に供給し、その残りの粉末材料を第２の粉末材料供給テーブル上に載せて第２の粉末材料収納容器内に収納させることができるとともに、引き続き、逆に、第２の粉末材料収納容器の表面よりも上に突出した粉末材料を、第２の粉末材料収納容器から造形用容器に供給し、その残りの粉末材料を第１の粉末材料供給テーブル上に載せて第１の粉末材料収納容器内に収納させることができる。

これにより、過剰な粉末材料をその場ですぐに再使用することが可能となる。これにより、粉末材料のリサイクル率を向上させることができる。また、リサイクル率を向上させることができるので、粉末材料収納容器も小さくできる。

さらに、リコータは、造形用容器に供給する粉末材料の量を検知するセンサを備えているので、適量の粉末材料を造形用容器に供給することができるとともに、すべての粉末材料を無駄なく使用することができる。

また、制御装置は、センサにより検知した粉末材料の供給量が基準よりも少ない場合、検知した時よりも、粉末材料を供給させる側の粉末材料供給テーブルをさらに上昇させているので、各層の焼結部の断面積や、断面位置の偏りにより一部分のみ多く減少するなど予測がしにくい場合でも、十分な量の粉末材料を供給することができる。

また、リコータの移動領域を挟むように設置された粉末材料の流出防護壁を備えているので、リコータに削ぎとられ、エリア表面上に盛り上がった粉末材料が造形領域の外側へ流出するのを防止することができる。これにより、粉末材料のリサイクル率を向上させることができる。

本発明の粉末焼結積層造形装置の使用方法においては、粉末材料を載せた第１の粉末材料供給テーブルを上昇させて第１の粉末材料収納容器の表面に粉末材料を突出させ、リコータを移動させて突出した粉末材料の表層を削ぎとり、第１の粉末材料収納容器から造形用容器に粉末材料を供給して、造形テーブル上に粉末材料の薄層を形成し、その薄層を選択的に加熱して焼結薄層を形成し、リコータを移動させて造形用容器に供給した残りの粉末材料を下降させた第２の粉末材料供給テーブル上に載せて第２の粉末材料収納容器内に収納している。

したがって、その後に、リコータを用いて第２の粉末材料収納容器から造形用容器に粉末材料を供給することにより、過剰な粉末材料をその場ですぐに再使用することが可能となる。これにより、粉末材料のリサイクル率を向上させることができる。

また、粉末材料の供給量が基準よりも少ない場合には、粉末材料を供給させる側の粉末材料供給テーブルをさらに上昇させ、粉末材料の供給量を増やしているので、常に十分な量の粉末材料を供給することができる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（粉末焼結積層造形装置の説明）
本発明の実施の形態に係る粉末焼結積層造形装置は、レーザ光出射部と、造形部と、制御装置とから構成されている。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る粉末焼結積層造形装置のうち造形部１１１の構成を示す断面図である。図１（ｂ）は、同じく上面図である。

図２（ａ）は、図１の粉末焼結積層造形装置においてリコータ１５を移動させて粉末材料を供給している様子を示す側面図であり、（ｂ）は同じく正面図である。なお、リコータ１５は、図３に示すような全体構成を有するが、図２（ａ）、（ｂ）では、リコータ１５を構成する部材のうち、運搬板１５ａのみを示している。

また、図１（ａ）、（ｂ）には示していないが、レーザ光出射部はその造形部１１１の上方に配置され、下記のような機能を有する。また、制御装置も、図面には示していないが、下記のような機能を有する。以下に、各部の詳細について説明する。

まず、レーザ光出射部について説明する。

レーザ光出射部においては、レーザ光の光源とレーザ光の照射方向を制御するミラーとが設けられている。光源から出射したレーザ光はコンピュータによるミラー制御により、造形部１１１の造形テーブル１３上の粉末材料の薄層１６ａに選択的に照射されるようになっている。例えば、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、コンピュータによるミラー制御が行われる。

次に、造形部１１１について説明する。

造形部１１１においては、図１に示すように、レーザ光の照射により造形が行われて３次元造形物が作製される四角い筒状の造形用容器１１と、その両側に設置されて粉末材料１６を貯めておく四角い筒状の第１及び第２の粉末材料収納容器１２ａ、１２ｂとを備えている。造形用容器１１の内壁に囲まれた領域が造形エリアであり、第１及び第２の粉末材料収納容器１２ａ、１２ｂの内壁に囲まれた領域が粉末材料の収納エリアである。また、第１の粉末材料収納容器１２ａの左側にフランジ部１７ａを有し、第２の粉末材料収納容器１２ｂの右側にフランジ部１７ｂを有し、また、第１の粉末材料収納容器１２ａ、造形用容器１１、及び第２の粉末材料収納容器１２ｂの全領域に渡って、手前にフランジ部１７ｃを有し、同じく奥にフランジ部１７ｄを有する。

造形用容器１１内には、３次元造形物となる積層された焼結薄層１６ｂを載せて、内壁に沿って昇降可能な、造形テーブル１３が設置され、造形テーブル１３上で、順次粉末材料の薄層１６ａが形成され、粉末材料の薄層１６ａごとに加熱され、焼結される。また、第１及び第２の粉末材料収納容器１２ａ、１２ｂ内には、粉末材料１６を載せて収納容器１２ａ、１２ｂ内壁に沿って昇降し、粉末材料１６を供給する第１及び第２の粉末材料供給テーブル１４ａ、１４ｂがそれぞれ設置されている。

造形用テーブル１３は、図１（ａ）に示すように、造形物の載置面となる平坦な面をもつ板状部材１３ａよりなる。そして、図示してはいないが、シリンダ１３を造形用容器１１内にセットしたときに、シリンダ１３と容器１１内壁との間で隙間が生じて粉末材料１６ａが漏れることがないように、シリンダ１３と容器１１内壁との間の密着性を保つため板状部材１３ａの側面全体にわたってパッキング用のゴムなどが取り付けられている。

また、第１及び第２の粉末材料供給テーブル１４ａ、１４ｂも、造形テーブル１３と同様に、粉末材料１６の載置面となる平坦な面を有する板状部材１４ａａ、１４ｂａよりなる。図示してはいないが、この場合も、シリンダ１４ａ、１４ｂを粉末材料収納容器１２ａ、１２ｂ内にセットしたときに、シリンダ１４ａ、１４ｂと収納容器１２ａ、１２ｂ内壁との間で隙間が生じて粉末材料１６が漏れることがないように、シリンダ１４ａ、１４ｂと収納容器１２ａ、１２ｂ内壁との間の密着性を保つため板状部材１４ａａ、１４ｂａの側面全体にわたってパッキング用のゴムなどが取り付けられている。

造形テーブル１３、及び、第１及び第２の粉末材料供給テーブル１４ａ、１４ｂには、支持軸１４ａｂ、１４ｂｂが取り付けられている。支持軸１４ａｂ、１４ｂｂは支持軸１４ａｂ、１４ｂｂに上下移動を行わせる駆動装置に接続されている。

造形テーブル１３は、造形用容器１１への取り付け、取り外しが自在になっている。また、第１及び第２の粉末材料供給テーブル１４ａ、１４ｂは、第１及び第２の粉末材料容器１２ａ、１２ｂへの取り付け、取り外しが自在になっている。

更に、第１の粉末材料の収納エリア、造形エリア及び第２の粉末材料の収納エリアの全領域に渡ってエリアの表面に沿って移動するリコータ１５が設けられている。移動前のリコータ１５はフランジ部１７ａ、１７ｂ上に置かれる。

リコータ１５はエリア表面に突出する粉末材料１６を削ぎとって運搬する運搬機構１５ａを備えている。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、リコータ１５ａは、エリアの表面に沿い、かつ表面に接触して移動することにより、第１又は第２の粉末材料供給テーブル１４ａ、１４ｂ上に貯められた粉末材料１６を運んで造形テーブル１３上に供給し、かつ粉末材料１６の表面を均して造形用テーブル１３上に粉末材料の薄層１６ａを形成する機能を有する。従って、粉末材料１６の供給量は第１又は第２の粉末材料供給テーブル１４ａ、１４ｂの上昇量で決まり、粉末材料の薄層１６ａの厚さは造形用テーブル１３の降下量で決まる。粉末材料１６として、ナイロン、ポリプロピレン、ポリ乳酸、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリルにトリル・ブタジエン・スチレンコポリマ（ＡＢＳ）、エチレン・酢酸ビニルコポリマー（ＥＶＡ）、スチレン・アクリロニトリルコポリマー（ＳＡＮ）、及びポリカプロラクトンよりなる群から選ばれた少なくとも１種、または、金属粉末などを用いることができる。

さらに、リコータ１５は粉末材料１６の供給量を検知するセンサ１５を有している。

以下に、図３（ａ）、（ｂ）を参照して、リコータ１５のセンサ機能について説明する。図３（ａ）、（ｂ）は、リコータ１５が粉末材料の供給量を検知する様子を示す側面図である。

リコータ１５は、垂直な運搬板１５ａの前後２箇所に、かつ下端から適当な間隔を置いて水平に保持された検知板１５ｄとセンサスイッチ１５ｅを備え、その検知板１５ｄは水平の位置から支点を中心に上側に回動し、センサスイッチ１５ｅを押してオンさせる。検知板１５ｄは、運搬板１５ａの上端に取り付けられて前後に水平に張り出した第１の支持板１５ｂの前後端２箇所において垂直に取り付けられた第２の支持板１５ｃの下端に水平に保持されており、保持箇所が支点となっている。センサスイッチ１５ｅは周辺の板１５ａ、１５ｂ、又は１５ｃの少なくとも何れか一に固定されている。

運搬中の粉末材料１６が運搬板１５ａの進行方向前側に溜まってきて下から検知板１５ｄを突き上げることで、検知板１５ｄが上側に回動してセンサスイッチ１５ｅを押してオンさせることにより、十分な粉末材料１６が供給されていると確認できる。

以上のようなリコータ１５のセンサ機能により、図３（ａ）では、検知板１５ｄが水平のままなので、十分な粉末材料１６が供給されていないと判断され、一方、同図（ｂ）では、検知板１５ｄが上側に回動しているので、十分な粉末材料１６が供給されていると判断される。

造形部１１１では、さらに、図１（ｂ）、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、造形エリア及び粉末材料の収納エリアの全領域に渡って、フランジ部１７ｃ、１７ｄ上に、リコータ１５の移動領域を挟み、粉末材料１６の流出防護壁１８を備えている。粉末材料１６は流動性を有するため、移動するリコータ１５に削ぎとられてリコータ１５の進行方向前側で造形エリア等の表面に盛り上がった粉末材料１６は造形エリア等の周囲に流出しようとするが、流出防護壁１８のため粉末材料１６が周囲に流出するのを防止することができる。これにより、より一層、粉末材料１６のリサイクル率を向上させることができる。

次に、制御装置について説明する。

制御装置は以下のような機能を有する。即ち、粉末材料を載せた第１の粉末材料供給テーブル１４ａを上昇させるとともに、造形用テーブル１３を薄層一層分だけ下降させ、リコータ１５を移動させて第１の粉末材料収納容器１２ａから造形用容器１１に粉末材料１６を供給し、造形用テーブル１３上に粉末材料の薄層１６ａを形成させ、第２の粉末材料供給テーブル１４ｂを下降させ、リコータ１５を移動させて残りの粉末材料１６を第２の粉末材料収納容器１２ｂ内の第２の粉末材料供給テーブル１４ｂ上に収納させる。次いで、レーザ光及び制御ミラー（加熱焼結手段）によって作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき粉末材料の薄層１６ａを選択的に加熱して焼結させる。

また、上記と逆に、粉末材料１６を載せた第２の粉末材料供給テーブル１４ｂを上昇させるとともに、造形用テーブル１３を薄層一層分だけ下降させ、リコータ１５を移動させて第２の粉末材料収納容器１２ｂから造形用容器１１に粉末材料１６を供給し、造形用テーブル１３上の粉末材料の薄層１６ａの上に新たな粉末材料の薄層１６ａを形成させ、第１の粉末材料供給テーブル１４ａを下降させ、リコータ１５を移動させて残りの粉末材料１６を第１の粉末材料収納容器１２ａ内の第１の粉末材料供給テーブル１４ａ上に収納させる。次いで、レーザ光及び制御ミラー（加熱焼結手段）によって作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき粉末材料の薄層１６ａを選択的に加熱して焼結させる。

そして、これらの動作を繰り返して、複数の焼結薄層１６ｂを積層させ、３次元造形物を作成させる。

さらに、制御装置は、リコータ１５に備えられたセンサにより検知した粉末材料の供給量が基準よりも少ない場合、粉末材料を一旦粉末材料供給テーブル１４ａ又は１４ｂに戻し、検知した時よりも、粉末材料１６を供給させる側の粉末材料供給テーブル１４ａ又は１４ｂをさらに上昇させる。

以上のように、本発明の実施の形態の粉末焼結積層造形装置においては、第１の粉末材料収納容器１２ａの内壁に沿って上下移動する第１の粉末材料供給テーブル１４ａと、第２の粉末材料収納容器１２ｂの内壁に沿って上下移動する第２の粉末材料供給テーブル１４ｂと、第1の粉末材料収納容器１２ａ、造形用容器１１及び第２の粉末材料収納容器１２ｂにわたり、それらの表面に沿って移動するリコータ１５と、粉末材料１６を載せた第１又は第２の粉末材料供給テーブル１４ａ、１４ｂを上昇させ、リコータ１５を移動させて第１又は第２の粉末材料収納容器１２ａ、１２ｂから造形用容器１１に粉末材料１６を供給し、第２又は第１の粉末材料供給テーブル１４ｂ、１４ａを下降させ、リコータ１５を移動させて残りの粉末材料を第２又は第１の粉末材料収納容器１２ｂ、１２ａ内の第２又は第１の粉末材料供給テーブル１４ｂ、１４ａ上に収納させる制御手段とを備えている。

したがって、第１の粉末材料収納容器１２ａから造形用容器１１に粉末材料１６を供給し、かつ残りの粉末材料を第２の粉末材料収納容器１２ｂ内に収納させることができ、逆に、第２の粉末材料収納容器１２ｂから造形用容器１１に粉末材料１６を供給し、かつ残りの粉末材料を第１の粉末材料収納容器１２ａ内に収納させることができる。

これにより、過剰な粉末材料をその場ですぐに再使用することが可能となるので、粉末材料のリサイクル率を向上させることができる。また、リサイクル率を向上させることができるので、粉末材料収納容器１２ａ、１２ｂも小さくできる。例えば、造形用容器１１の横幅に対する粉末材料収納容器１２ａ、１２ｂの横幅の比率を従来の0.737から0.536に小さくできた。

さらに、リコータ１５は、造形用容器１１に供給する粉末材料１６の供給量を検知するセンサ１５ｄ、１５ｅを備えているので、あらゆる場合において、十分な量の粉末材料１６を造形用容器１１に供給することができる。

また、制御装置は、リコータ１５に備えられたセンサにより検知した粉末材料の供給量が基準よりも少ない場合、検知した時よりも、粉末材料１６を供給させる側の粉末材料供給テーブル１４ａ又は１４ｂをさらに上昇させることができるため、各層の焼結部の断面積や、断面位置の偏りにより一部分のみ多く減少するなど予測がしにくい場合でも、十分な量の粉末材料を供給することができる。

また、流出防護壁１８を備えているため、粉末材料１６が周囲に流出するのを防止することができる。これにより、より一層、粉末材料のリサイクル率を向上させることができる。

（粉末焼結積層造形装置の使用方法の説明）
次に、図４乃至図７を参照しながら上記粉末焼結積層造形装置を用いて造形を行う方法について説明する。図４乃至図７は断面図である。なお、図４乃至図７においては、リコータ１５のセンサスイッチは省略してある。

まず、シリンダ１３、１４ａ、１４ｂを、造形用容器１１、第１及び第２の粉末材料収納容器１２ａ、１２ｂの内壁に沿って上下移動可能なように、造形用容器１１、第１及び第２の粉末材料収納容器１２ａ、１２ｂに取り付ける。

次に、造形部１１１において、左右の粉末材料供給テーブル１４a、１４ｂを降下させ、粉末材料供給テーブル１４a、１４ｂ上に粉末材料１６を供給し、十分な量の粉末材料１６を貯めておく。

図４（ａ）では、このような準備をした後、一層分の焼結層が形成された後であって、次の粉末材料の薄層を形成する前の状態を示す。

次いで、図４（ｂ）に示すように、造形用テーブル１３を薄層一層分に相当する量だけ降下させる。次いで、左側の粉末材料供給テーブル１４ａを上昇させて粉末材料１６が平坦面から上に出てくるようにする。このとき、右側の粉末材料供給テーブル１４ｂを降下させて、供給後の残りの粉末材料１６が収納できるようにしておく。

次いで、図５（ａ）に示すように、リコータ１５を移動させて左側の粉末材料供給テーブル１４ａ上、平坦面から上に出ている粉末材料１６を均しつつ造形用容器１１内の造形用テーブル１３上に移動させる。このとき、リコータ１５に設置された、粉末材料の供給量を検知するセンサにより、十分な量の粉末材料１６が供給されることを確認する。

なお、センサが検知した粉末材料の供給量が少ない場合、粉末材料１６を造形用容器１１内に移動させる前に、リコータ１５によりその粉末材料１６を第１の粉末材料収納容器１２ａに戻し、次いで、粉末材料の供給量が少ないと検知した時よりも、第１の粉末材料供給テーブル１４ａをさらに上昇させた後、リコータ１５を移動させて造形用容器１１に粉末材料１６を供給させ、さらに残りの粉末材料を第２の粉末材料収納容器１２ｂ内に収納させる。

これにより、図５（ｂ）に示すように、造形用テーブル１３上の第一層目の焼結した薄層２１ｂの上に新たな一層分の粉末材料の薄層２１ａが形成される。このとき、造形用容器１１内壁に設置されたヒータ（図示しない）、或いは造形用容器１１の斜め上に設けられた赤外線加熱装置（図示しない）などにより粉末材料の薄層２１ａの表面を、粉末材料の融点よりも５〜１５℃程度低い温度に予備加熱する。

さらに図６（ａ）、（ｂ）に示すように、リコータ１５を移動させて残りの粉末材料１６ｃを第２の粉末材料収納容器１２ｂ内の第２の粉末材料供給テーブル１４ｂ上に収納させる。

なお、前の工程で左側の粉末材料供給テーブル１４ａを上昇させて粉末材料１６が平坦面から上に出てくるようにする際に、余分になる量をかなり多くしてもよい。これにより、造形用容器１１への供給後の残りの粉末材料１６ｃが多量になるため、それを第２の粉末材料収納容器１２ｂ内に収納させたとき、残りの粉末材料１６ｃの自重により第２の粉末材料収納容器１２ｂ内に収納された粉末材料１６の密度が増すという効果がある。また、造形領域内で焼結領域が偏っているため、それに応じて残りの粉末材料１６ｃが粉末材料収納容器１２ｂに偏って収納されるような場合でも、余分になる量を多くすることで、残りの粉末材料の偏りを緩和することができる。

次に、レーザ光出射部の光源からレーザ光を出射させるとともに、作製すべき３次元造形物のスライスデータに基づき、コンピュータによりミラーを制御して、粉末材料の薄層１６ａに選択的にレーザ光を照射する。これにより、図６（ｂ）に示すように、粉末材料の薄層１６ｂが加熱されて焼結する。

次に、図７（ａ）に示すように、造形用テーブル１３を薄層一層分降下させるとともに、第２の粉末材料供給テーブル１４ｂを上昇させる。さらに、第1の粉末材料供給テーブル１４ａを降下させる。

次いで、図７（ｂ）に示すように、上記説明した場合とは逆にリコータ１５を右側から左側に移動させる。そして、第２の粉末材料収納容器１２ｂから新たな粉末材料１６を造形用テーブル１３上に供給し、焼結した薄層１６ｂ上に新たな粉末材料の薄層１６aを形成する。次いで、加熱焼結→粉末材料の薄層１６ａの形成→加熱焼結→・・を繰り返す。

このようにして、３次元造形物が完成する。そして、最後に予備加熱を止めて自然冷却を行い、常温付近になったら、造形用容器１１から粉末材料１６に埋もれた３次元造形物を取り出す。

以上のように、本発明の粉末焼結積層造形装置の使用方法によれば、粉末材料を載せた第１の粉末材料供給テーブル１４ａを上昇させるとともに造形テーブル１３を下降させ、リコータ１５を移動させて第１の粉末材料収納容器１２ａから造形用容器１１に粉末材料１６を供給し、造形用テーブル１３上に粉末材料の薄層１６ａを形成させ、第２の粉末材料供給テーブル１４ｂを下降させ、リコータ１５を移動させて残りの粉末材料１６ｃを第２の粉末材料収納容器１２ｂ内の第２の粉末材料供給テーブル１４ｂ上に収納させている。

さらに、その後に、第２の粉末材料収納容器１２ｂ内の第２の粉末材料供給テーブル１４ｂを上昇させ、リコータ１５により第２の粉末材料収納容器１２ｂから造形用容器１１に粉末材料１６を供給している。

これにより、過剰な粉末材料をすぐに再使用することが可能となるので、粉末材料のリサイクル率を向上させることができる。

また、粉末材料１６の供給量が基準よりも少ない場合には、粉末材料１６を供給させる側の粉末材料供給テーブル１４ａ又は１４ｂをさらに上昇させ、粉末材料１６の供給量を増やしているので、どんな場合でも、常に十分な量の粉末材料を供給することができる。

以上、実施の形態によりこの発明の粉末焼結積層造形装置を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。

例えば、この実施の形態の粉末焼結造形装置においては、リコータ１５に設置された、粉末材料の供給量を検知するセンサ１５ｄ、１５ｅは、検知板１５ｄが支点を中心に回転し、センサスイッチ１５ｅを押さえてオンさせる構成であるが、検知板１５ｄがエレベータ式に上下し、センサスイッチを押さえてオンさせるような構成としてもよい。

また、粉末材料の供給量の絶対量を測定できるような構成のセンサを用いてもよい。

（ａ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置のうち造形部の構成を示す断面図であり、（ｂ）は同じく上面図である。 （ａ）は、図１の粉末焼結積層造形装置においてリコータを移動させて粉末材料を供給している様子を示す側面図であり、（ｂ）は同じく正面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図１の粉末焼結積層造形装置においてリコータが粉末材料の供給量を検知する様子を示す側面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置の使用方法を示す断面図（その１）である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置の使用方法を示す断面図（その２）である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置の使用方法を示す断面図（その３）である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置の使用方法を示す断面図（その４）である。 従来例の粉末焼結造形装置を示す断面図である。

符号の説明

１１ 造形用容器
１２ａ 第１の粉末材料収納容器
１２ｂ 第２の粉末材料収納容器
１３ 造形用テーブル
１４ａ 第１の粉末材料供給テーブル
１４ｂ 第２の粉末材料供給テーブル
１５ リコータ
１５ａ 運搬板
１５ｄ 検知板
１５ｅ センサスイッチ
１６ 粉末材料
１６ａ 粉末材料の薄層
１６ｂ 焼結薄層
１６ｃ 残りの粉末材料
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ フランジ部
１８ 粉末材料の流出防護壁
１１１ 造形部

Claims (8)

1. 造形領域を画定する造形用容器と、
   前記造形用容器の内壁に沿って少なくとも下方に移動する造形テーブルと、
   前記造形領域の両側にそれぞれ設けられ、造形に用いる粉末材料を収納する第１及び第２の粉末材料収納容器と、
   前記第１の粉末材料収納容器の内壁に沿って上下移動する第１の粉末材料供給テーブルと、
   前記第２の粉末材料収納容器の内壁に沿って上下移動する第２の粉末材料供給テーブルと、
   垂直な運搬板と、該運搬板の前後２箇所に前記運搬板の下端から適当な間隔を置いて水平に保持され、前記運搬板の進行方向前側に溜まった粉末材料が接触することにより水平の位置から上側に回動する検知板と、該検知板の上側への回動を検知するセンサとを有し、前記第１の粉末材料収納容器、前記造形用容器及び前記第２の粉末材料収納容器に収納されている粉末材料の表面に沿って移動するリコータと、
   前記リコータを移動させて前記造形用容器に前記粉末材料を供給するときに、前記粉末材料を供給する側の粉末材料供給テーブル上の粉末材料の表面が同じ側の前記粉末材料収納容器の表面よりも上に突出し、同時に他方の側の前記粉末材料供給テーブル上の粉末材料の表面が同じ側の前記粉末材料収納容器の表面よりも下になるように調節する制御手段と
   を備えたことを特徴とする粉末焼結積層造形装置。
2. 前記制御手段は、前記センサにより検知した粉末材料の供給量が基準よりも少ない場合、該検知した時よりも、前記粉末材料を供給させる側の粉末材料供給テーブルをさらに上昇させることを特徴とする請求項１記載の粉末焼結積層造形装置。
3. 前記リコータの移動領域を挟むように設置された前記粉末材料の流出防護壁を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の粉末焼結積層造形装置。
4. 前記粉末焼結積層造形装置は、前記造形テーブル上に形成された粉末材料の薄層にレーザ光を選択的に照射するレーザ光照射手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の粉末焼結積層造形装置。
5. 造形領域を画定する造形用容器と、
   前記造形用容器の内壁に沿って少なくとも下方に移動する造形テーブルと、
   前記造形領域の両側にそれぞれ設けられ、造形に用いる粉末材料を収納する第１及び第２の粉末材料収納容器と、
   前記第１の粉末材料収納容器の内壁に沿って上下移動する第１の粉末材料供給テーブルと、
   前記第２の粉末材料収納容器の内壁に沿って上下移動する第２の粉末材料供給テーブルと、
   垂直な運搬板と、運搬板の前後２箇所に運搬板の下端から適当な間隔を置いて水平に保持され、運搬板の進行方向前側に溜まった粉末材料が接触することにより水平の位置から上側に回動する検知板と、検知板の上側への回動を検知するセンサとを有し、前記第１の粉末材料収納容器、前記造形用容器及び前記第２の粉末材料収納容器に収納されている粉末材料の表面に沿って移動するリコータと、
   前記造形テーブル上に形成された粉末材料の薄層を選択的に加熱する手段と
   を備えた粉末焼結積層造形装置の使用方法であって、
   （１）前記第１の粉末材料供給テーブル上に前記粉末材料を載せて上昇させて、前記第１の粉末材料収納容器の表面に前記粉末材料を突出させ、
   （２）前記リコータを移動させて前記第１の粉末材料収納容器の表面に突出した粉末材料の表層を削ぎとり、
   （３）前記リコータを移動させて前記削ぎとった粉末材料を前記造形用容器に供給して、前記造形テーブル上に第１の粉末材料の薄層を形成し、
   （４）前記第１の粉末材料の薄層を選択的に加熱して焼結薄層を形成し、
   （５）前記リコータを移動させて前記造形用容器に供給した残りの粉末材料を、下降させた前記第２の粉末材料供給テーブル上に載せて前記第２の粉末材料収納容器内に収納することを特徴とする粉末焼結積層造形装置の使用方法。
6. 前記（５）の工程の後に、
   （６）前記第２の粉末材料供給テーブルを上昇させて、前記第２の粉末材料収納容器の表面に前記粉末材料を突出させ、
   （７）前記リコータを移動させて前記第２の粉末材料収納容器の表面に突出した粉末材料の表層を削ぎとり、
   （８）前記リコータを移動させて前記削ぎとった粉末材料を前記造形用容器に供給して、前記造形テーブル上の第１の粉末材料の薄層の上に第２の粉末材料の薄層を形成し、
   （９）前記第２の粉末材料の薄層を選択的に加熱して焼結薄層を形成し、
   （１０）前記リコータを移動させて前記造形用容器に供給した残りの粉末材料を、下降させた前記第１の粉末材料供給テーブル上に載せて前記第１の粉末材料収納容器内に収納することを特徴とする請求項５記載の粉末焼結積層造形装置の使用方法。
7. 前記（１）乃至（１０）の工程を繰り返すことを特徴とする請求項６記載の粉末焼結積層造形装置の使用方法。
8. 前記センサにより検知した粉末材料の供給量が基準よりも少ない場合、該検知した時よりも、前記粉末材料を供給させる側の粉末材料供給テーブルをさらに上昇させて、同じ側の前記粉末材料収納容器の表面に前記粉末材料を突出させた後、前記（２）乃至（５）の工程、或いは前記（７）乃至（１０）の工程を行うことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の粉末焼結積層造形装置の使用方法。

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