JP5948462B1

JP5948462B1 - 積層造形装置

Info

Publication number: JP5948462B1
Application number: JP2015101457A
Authority: JP
Inventors: 幹男金子
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2035-05-19
Also published as: JP2016216773A

Abstract

【課題】ヒュームを除去するために必要な適する待機時間の間、レーザ光の照射の開始を遅延させながら所望の三次元造形物を生成する積層造形装置の提供。【解決手段】密閉されたチャンバ１内において所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の各分割層毎に金属材料粉体を均一に撒布して形成される材料粉体層８上の所定の照射領域にレーザ光Ｌを照射して焼結層を形成するレーザ照射装置１３と、チャンバ内１が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているようにチャンバ１に不活性ガスを供給するとともにヒュームを前記チャンバの外に排出する不活性ガス給排装置１５と、所要のエネルギのレーザ光Ｌの照射に影響を与えない程度までチャンバ１内のヒュームの残留量に応じた待機時間が経過した後にレーザ照射装置１３に対しレーザ光Ｌの照射開始指令を行う制御装置と、を備えた積層造形装置。【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ光を照射するレーザ照射装置を制御する制御装置を備えた積層造形装置に関する。

レーザ光による金属粉末焼結積層造形法においては、造形テーブル上に金属材料粉体を均一に撒布して材料粉体層を形成し、材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して焼結させることによって焼結層を形成し、この焼結層の上に金属材料粉体を均一に撒布して新たな材料粉体層を形成し、その新たな材料粉体層にレーザ光を照射して焼結させることによって下の焼結層と接合した新たな焼結層を形成し、そしてこれらを繰り返すことによって、複数の焼結層を積層して一体となる焼結体からなる所望の三次元造形物を形成する。

金属材料粉体をレーザ光によって焼結する場合は、金属材料粉体を変質させないように保護するとともに、所要のエネルギのレーザ光を安定して照射できるようにするために、所定の造形領域の周囲を可能な限り酸素が存在しない状態に維持することが要求される。そのため、レーザ光による金属粉末焼結積層造形法を実施するための積層造形装置は、密閉されたチャンバ内に窒素ガスのような不活性ガスを供給し、チャンバ内において酸素濃度が十分に低い雰囲気下で所定の照射領域にレーザ光を照射することができるように構成されている。

金属材料粉体にレーザ光を照射して焼結させるときに、ヒュームと称される特有の煙が発生する。ヒュームがチャンバ内に充満すると、レーザ光を遮蔽して、所要のエネルギのレーザ光が焼結部位に届かなくなり、焼結不良が発生するおそれがある。そのため、特許文献１に開示されるように、ヒュームがレーザ光を遮蔽しないように、チャンバ内からヒュームを含む不活性ガスを排出しながら、チャンバ内に清浄な不活性ガスを供給する積層造形装置が知られている。特許文献１の発明によると、チャンバに供給される清浄な不活性ガスによりチャンバ内の汚れた不活性ガスを押し出して不活性ガスの流れを形成することによって、所要のエネルギのレーザ光の照射に影響がない程度にヒュームをチャンバの外に排出することができる。

特許第５２４３９３５号公報

不活性ガス給排装置は、チャンバに設けられている複数の供給口と複数の排出口を通して不活性ガスを循環させている。不活性ガス給排装置の最大供給量を超える流量で不活性ガスが供給されると、供給される不活性ガスの濃度が低下して、チャンバ内の酸素濃度が許容値を上回る。不活性ガス給排装置の最大供給量は、実用上の限界がある。

所望の形状を有する三次元造形物を所定の高さで分割してなる複数の分割層のそれぞれの分割層におけるレーザ光の照射面積が大きくなるほど同一の照射条件における焼結時間がより長くなって発生するヒュームの量も増加する。そのため、ヒュームの発生量が不活性ガス給排装置で除去できる除去量を上回り、次の分割層において材料粉体層を形成しレーザ光を照射するまでの間にヒュームを除去しきれない場合がある。特に、チャンバの容量が不活性ガス給排装置の最大供給量に対して相対的に大きくなると、チャンバ内のヒュームで汚染されている不活性ガスの排出量が不足して、残留するヒュームがチャンバの側壁面に沿って上昇し、チャンバの上側に設けられている排出口から排出しきれないヒュームがレーザ光の照射経路を横切る方向に流れてチャンバ内に滞留する。

そのため、ヒュームが所要のエネルギのレーザ光の照射に影響を与えない程度十分に排出されるまでの間、レーザ光の照射を休止する必要がある。例えば、焼結層を１層形成する毎に待機時間を設け、次の焼結層の形成の開始を前記待機時間分遅延させる。このとき、十分な長さの待機時間を設定し、前記待機時間中にヒュームの除去を行えば、ヒュームの除去を十分に行うことができる。しかしながら、任意の形状の三次元形状物を生成するときは、各分割層の間で照射面積が大きく異なることがあるので、発生するヒュームの発生量も各焼結層毎に異なる。したがって、複数の分割層中で最もヒュームの残留量が多くなる場合を基準にして待機時間を一定にすることは、造形サイクルにおいて不必要に余計な時間を要し、所望の三次元造形物を生成するまでに要する全体の造形時間が許容できないほど長くなるおそれがある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、各分割層毎に所要のエネルギのレーザ光の照射に影響しなくなるまでヒュームを除去するために必要な適する待機時間の間、レーザ光の照射の開始を遅延させながら所望の三次元造形物を生成することができるようにされた積層造形装置を提供することを主たる目的とするものである。

本発明は、密閉されたチャンバ内において所望の形状を有する三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層の各分割層毎に金属材料粉体を均一に撒布して形成される材料粉体層上の所定の照射領域にレーザ光を照射して焼結層を形成するレーザ照射装置と、前記チャンバ内が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているように前記チャンバに不活性ガスを供給するとともに前記レーザ光の照射によって発生したヒュームで汚染された不活性ガスを前記チャンバの外に排出する不活性ガス給排装置と、前記分割層毎に最上層の焼結層を形成する焼結工程を完了してから前記不活性ガス給排装置の不活性ガスの供給能力に対応して所要のエネルギの前記レーザ光の照射に影響を与えない、焼結不良が発生しない程度に前記ヒュームが除去されるまでの前記焼結時間に対して比例的に増減する前記チャンバ内のヒュームの残留量に応じた待機時間が経過した後に前記レーザ照射装置に対し前記レーザ光の照射開始指令を行う制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記焼結層の形成に要した焼結時間を取得する焼結時間取得部または前記焼結層における照射面積を取得する照射面積取得部と、前記焼結層毎にテスト加工によって得られる焼結時間または照射面積に対応する待機時間の複数のデータに基づいて前記取得した焼結時間または照射面積に応じた前記所要の待機時間を算出する待機時間算出部と、を有する積層造形装置を提供するものである。

本発明に係る積層造形装置においては、制御装置は、各分割層毎にチャンバ内のヒュームの残留量に応じて所要のエネルギのレーザ光の照射に影響がなくなるまでヒュームを除去するために要求される適する待機時間が経過した後にレーザ照射装置に対し次の焼結工程のレーザ光の照射開始指令を行う。そのため、必要十分にチャンバ内に残留するヒュームを排出してから不必要に余計な時間を要することなく次の焼結工程を開始し、常時所要のエネルギのレーザ光を安定して照射することができる。

また、特に、本発明において、ヒュームの残留量と間に相関関係を有する最上層の焼結層において焼結に要した焼結時間または最上層の焼結層における照射面積に応じて待機時間を算出するようにした場合は、より容易に適する待機時間を得ることができる。

また、本発明において、レーザ光のスポット径、出力または走査速度に応じて待機時間を補正し再算出するようにした場合は、より適する待機時間を設定することができる。

本発明の一実施形態の積層造形装置の構成図である。図１のＤ−Ｄ矢視断面図であり、前チャンバ１ｆのみを表示している。粉体層形成装置３の斜視図である。リコータヘッド１１及び細長部材９ｒ，９ｌの斜視図である。リコータヘッド１１及び細長部材９ｒ，９ｌの別の角度から見た斜視図である。ヒューム拡散装置１７の詳細を示す構成図である。ヒューム拡散装置１７の斜視図である。（ａ）は所望の三次元造形物４６の斜視図、（ｂ）は（ａ）の造形物モデル４７の斜視図、（ｃ）は（ｂ）を所定単位高で水平面で分割した状態を示す斜視図、（ｄ）は焼結層５０の斜視図である。制御装置６１の構成図である。遅延工程の流れを示すフローチャートである。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り、１回目の焼結工程中の積層造形装置の状態を示す。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り、２回目のリコート工程完了時の積層造形装置の状態を示す。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り、５回目の焼結工程開始時の積層造形装置の状態を示す。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に説明される複数の各構成部材における変形例は、それぞれ任意に組み合わせて実施することができる。

本発明においては、積層造形の各工程について、それぞれ、造形テーブル５上に金属材料粉体を均一に撒布して材料粉体層８を形成する工程をリコート工程、材料粉体層８の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して焼結させることによって焼結層５０を形成する工程を焼結工程、各分割層４９毎にチャンバ１内のヒューム２５の残留量に応じて所要のエネルギのレーザ光Ｌの照射に影響がなくなるまでヒューム２５を除去するために要求される適する待機時間に従って次の焼結工程のレーザ光Ｌの照射の開始を遅延させる工程を遅延工程、複数層の焼結層５０を形成する度に焼結層５０に対してスピンドルヘッドに装着された回転切削工具によって切削加工を行う工程を切削工程という。

図１に示すように、本発明の一実施形態の積層造形装置１０は、実質的に密閉されたチャンバ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。造形室１ｄと駆動室１ｅとの間には、不活性ガスが通過できるだけのわずかな隙間である連通部が存在している。

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、図示しないスピンドルヘッドと、これをＺ軸方向に移動させるＺ軸駆動装置を備える。スピンドルヘッドは、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に対して切削加工を施すことができるようになっている。この回転切削工具を用いて、所定数の焼結層５０が形成される度に、焼結層５０に対して切削加工を行ってもよい。また、リコータヘッド１１が焼結層５０の隆起部に衝突したときにも、隆起部を除去するために焼結層５０に対して切削加工を行ってもよい。

図２および図３に示すように、前チャンバ１ｆ内に粉体層形成装置３が設けられる。粉体層形成装置３は、造形領域Ｒを有するベース台４と、ベース台４上に配置されかつ水平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、上下方向（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、その上に材料粉体層８が形成される。

リコータヘッド１１は、図４および図５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部１１ｂと、材料収容部１１ａの底面に設けられかつ材料収容部１１ａ内の金属材料粉体を排出する材料排出部１１ｃとを備える。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から排出された金属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、金属材料粉体の焼結時に発生するヒューム２５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。金属材料粉体は、例えば平均粒径２０μｍの球形をなす鉄粉などの金属粉である。

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９ｒａ，９ｌａが設けられる。これらの開口部９ｒａ，９ｌａ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Ａ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２５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、金属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の上方にはレーザ照射装置１３が設けられ、レーザ照射装置１３から出力されたレーザ光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。レーザ照射装置１３は、前チャンバ１ｆ内において所望の形状の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層４９の各分割層４９毎に金属材料粉体を均一に撒布して形成される材料粉体層８上の所定の照射領域４５に所要のエネルギのレーザ光Ｌを照射して焼結層５０を形成する。レーザ照射装置１３は、造形領域Ｒにおいてレーザ光Ｌを二次元走査可能に構成されていればよく、例えば、レーザ光Ｌを生成するレーザ光源と、レーザ光Ｌを造形領域Ｒにおいて二次元走査可能とする一対のガルバノスキャナとで構成される。レーザ光Ｌは、金属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、ＣＯ２レーザ、ファイバレーザ、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装置１７が設けられる。ヒューム拡散装置１７は、図６および図７に示すように、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２７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２７は、開口部１７ｂを通じてヒューム拡散装置１７の下方に向かって噴出される。この噴出された清浄な不活性ガス２７は、レーザ光Ｌの照射経路に沿って流れ出てレーザ光Ｌの照射経路からヒューム２５を排除し、ウィンドウ１ａがヒューム２５によって汚れることを防止する。

次に、不活性ガス給排装置の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。実施形態の不活性ガス給排装置は、不活性ガス供給装置１５と、ヒュームコレクタ１９と、ダストボックス２１，２３と、ヒューム拡散装置１７と、を含んでなる。不活性ガス給排装置は、チャンバ１内が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているように不活性ガスを供給するとともに、レーザ光Ｌの照射によって発生したヒューム２５によって汚染された不活性ガスをチャンバ１の外に排出する。

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、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。ヒュームコレクタ１９は、その上流側及び下流側にそれぞれダクトボックス２１，２３を有する。前チャンバ１ｆから排出されたヒューム２５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２５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。

チャンバ１への不活性ガス供給系統は、図１および図２に示すように、前チャンバ１ｆの上部供給口１ｂと、後チャンバ１ｒの供給口１ｇと、ヒューム拡散装置１７の不活性ガス供給空間１７ｄと、細長部材９ｒ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９ｒ内に供給された不活性ガスが開口部９ｒａを通じて造形領域Ｒ上に排出される。また、後チャンバ１ｒ内に供給された不活性ガスは、造形室１ｄと駆動室１ｅとの間の連通部を通じて造形室１ｄ内に供給される。

ヒューム排出系統は、図１、図２、図３および図４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９ｌ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２５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２５を吸引することができる。また、細長部材９ｌの開口部９ｌａを通じてヒューム２５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２５が取り除かれた後の不活性ガスが再利用される。

次に、前記積層造形装置における焼結層５０の形成方法について説明する。以下の説明では、少なくとも、レーザ光Ｌのスポット径、出力、走査速度は、操作者によって任意に設定変更可能なレーザ光Ｌの照射条件に含まれる。また、本発明では、レーザ光Ｌの照射条件と走査経路、および切削加工の切削条件と工具軌跡と、を含んだ積層造形装置をプログラム運転するための造形プログラムのデータを造形データという。

まず、図８に示すように、ＣＡＭ（コンピュータ支援製造）装置６４において、所望の三次元造形物４６をコンピュータ上でモデル化した三次元造形物のモデル４７を作成し、このモデル４７を所定単位高で水平面で分割して分割層４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ，４９ｅ，４９ｆを形成する。複数の分割層４９のそれぞれ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，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆである。ＣＡＭ装置６４は、照射領域４５の全体に渡ってレーザ光Ｌが照射されるような走査経路を算出するとともに、適正なレーザスポット径、レーザ出力およびレーザ走査速度を算出し、造形データを積層造形装置の制御装置６１に出力する。なお、実施形態の積層造形装置では、所望の三次元造形物４６を所定単位高で等分割しているが、本発明においては、分割層４９の厚さが常に同じである必要はなく、所定高さが分割層４９によって異なる場合を含む。

制御装置６１は、具体的に、分割層４９毎にヒューム２５の残留量に応じてヒューム２５を所要のエネルギのレーザ光Ｌの照射に影響を与えないで焼結不良が発生しない程度まで除去するために要求される待機時間が経過した後にレーザ照射装置１３に対し次の焼結工程のレーザ光Ｌの照射開始指令を行う。特に、実施形態の制御装置６１は、まず、分割層４９毎にそのときの最上層の焼結層５０において、不活性ガス給排装置の不活性ガスの供給能力（最大供給量）に対応してヒューム２５の残留量を比例的に増減させる焼結時間から待機時間を算出する。そして、制御装置６１は、待機時間が経過した後にレーザ照射装置１３に対し次の分割層４９の焼結工程におけるレーザ光Ｌの照射開始を指令する。

積層造形装置は、ＣＡＭ装置６４よって作成された造形データに基づいてレーザ光Ｌを材料粉体層８に対して照射することによって、金属材料粉体を選択的に焼結させて、分割層４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ，４９ｄ，４９ｆに対応した形状を有する焼結層５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｄ，５０ｆを形成するとともに、それぞれの焼結層５０を互いに融合させ、所望の三次元造形物４６を形成する。

次に、図９および図１０に基づき、焼結層５０を１層形成する毎に行う遅延工程について説明する。

図９に示すように、実施形態の積層造形装置の制御装置６１は、演算装置６２と、待機時間を算出するための待機時間データベース６３とを備える。制御装置６１は、前記に示した方法のとおり、ＣＡＭ装置６４において生成された造形データを受信し、この造形データに基づいて積層造形の制御を行う。具体的に、待機時間データベース６３には、あらかじめ各々の焼結時間に応じて、ヒューム２５を十分に除去するために適する待機時間のデータが格納される。待機時間データベース６３における焼結時間に対応する待機時間の複数のデータは、テスト加工によって得ることができる。制御装置６１は、直前の焼結工程の完了と共に、待機時間のカウントを開始する。このとき、待機時間は、リコート工程に要する時間よりも短く設定されることがある。その場合は制御装置６１は、リコート工程の完了時に直ちに次の焼結工程に移行するよう積層造形の制御を行う。

ここで図１０に示すように、まず、制御装置６１の演算装置６２の焼結時間取得部７１が、直前の焼結工程において、焼結層５０の形成に要した時間である焼結時間を内部カウンタによって計測して取得する（ステップＳ１）。

次に、演算装置６２の待機時間算出部７２は、待機時間データベース６３を参照し、前記焼結時間に応じた待機時間を取得する（ステップＳ２）。このとき、待機時間データベース６３の中に焼結時間取得部７１が取得した焼結時間と一致するデータが存在しない場合は、取得した焼結時間よりも短く最も近い焼結時間のデータと、取得した焼結時間よりも長く最も近い焼結時間のデータとを検索し、抽出した２つの焼結時間の比例式により待機時間を得る。例えば、取得した焼結時間をｔ、待機時間データベース６３内に格納されたデータにおけるｔよりも短く最も近い焼結時間をｔ１、ｔよりも長く最も近い焼結時間をｔ２、ｔ，ｔ１，ｔ２における適する待機時間をそれぞれｘ，ｕ１，ｕ２とおけば、所望の待機時間ｘは下記の通り表わせる。

そして、制御装置６１は、前記待機時間が経過するまでレーザ照射装置１３に対しレーザ光Ｌの照射開始指令を行わない（ステップＳ３）。なお、待機時間の起算はステップＳ２の完了時から行うが、ステップＳ１およびＳ２は瞬時に行われるため、実質的な起算点は直前の焼結工程の完了時点である。

前記待機時間が経過したと判断されると（ステップＳ４）、制御装置６１は、レーザ照射装置１３に対し、次の焼結工程におけるレーザ光Ｌの照射開始指令を行う（ステップＳ５）。

制御装置６１は、焼結工程を１回終える毎にステップＳ１からステップＳ５までの遅延工程を行う。所要のエネルギのレーザ光Ｌの照射に直接影響を与えるチャンバ１内のヒューム２５の残留量またはチャンバ１内のヒューム２５による汚染状態を直接測定することが難しいので、この実施形態の積層造形装置によると、適する待機時間を比較的容易に得ることができる利点がある。

実施形態の積層造形装置は、待機時間データベース６３によって焼結時間から待機時間を取得するようにしているが、待機時間がヒューム２５の残留量に応じて比例的に増減するものであって、ヒューム２５の残留量が焼結時間に応じておおよそ比例的に増減するものであることから、待機時間データベース６３によって待機時間を算出する方式に代えて、テスト加工によって得ることができる焼結時間と待機時間の複数の測定データから生成される種々の近似法に基づく近似式、例えば、最小二乗法に基づく近似式によって待機時間を算出するように変形することができる。なお、近似式で待機時間を算出するようにする場合、造形を繰り返すたびに測定データを累積記録して測定データを蓄積していき、蓄積された測定データに基づいて近似式を作り直すことによって、待機時間の精度を向上させるようにすることができる。

ここで、一連の積層造形の工程について、より詳細に説明する。

まず、１回目のリコート工程を行う。図１１に示すように、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内に金属材料粉体が充填されているリコータヘッド１１を矢印Ｂ方向に造形領域Ｒの右側から左側に移動させることによって、造形テーブル５上に、例えば、図８に示される分割層４９ａにおける１層目の材料粉体層８ａを形成する。

次に、１回目の焼結工程を行う。図８に示される材料粉体層８ａ中の所定の照射領域４５ａにレーザ光Ｌを照射し、材料粉体層８ａのレーザ光照射部位を焼結させることによって、図８および図１１に示すように、１層目の焼結層５０ａを得る。このとき、制御装置６１は、焼結層５０ａを形成するために要した時間を計測している。

１回目の遅延工程は、１回目の焼結工程の完了と同時に開始する。具体的には、すでに説明されているステップＳ１からステップＳ５で示されている方法のとおり、１回目の焼結工程に要した焼結時間に応じて、所定の待機時間が経過するまでの間、２回目の焼結工程の開始を遅延させる。待機時間は１回目の焼結工程の完了と同時にカウントを開始する。制御装置６１は、レーザ照射装置１３に焼結工程を開始させる制御信号を出力したら、内部カウンタに保持されている焼結時間をリセットするとともに、次の焼結時間のカウントを開始する。

２回目のリコート工程は、１回目の遅延工程の開始と同時または直後に開始され、１回目の遅延工程と２回目のリコート工程は平行して行われる。図１２に示すように、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の左側から右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８ｂを形成する。好ましくは、リコータヘッド１１が焼結層５０の隆起部に衝突したときは、隆起部を除去するために焼結層５０に対して切削加工を行う。

もし２回目のリコート工程の完了時に、取得した待機時間が既に経過していれば、直ちに２回目の焼結工程に移行する。

１回目の遅延工程と２回目のリコート工程の両方が完了した後に、前記に示した方法のとおり、材料粉体層８ｂ中の所定の照射領域４５ｂにレーザ光Ｌを照射し、照射領域４５ｂを焼結させることによって、図８に示すように２層目の焼結層５０ｂを得る。図１３に示すように、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５０とが順次形成される。上下に隣接する焼結層５０は、互いに強く固着される。

好ましくは、三次元造形物４６の表面精度を高める等の目的で、複数層の焼結層５０を形成する度に、焼結層５０に対して、スピンドルヘッドに装着された回転切削工具によって切削加工を行う切削工程を実施する。既述のとおり、ＣＡＭ装置６４から出力される造形データには、この切削加工のための回転切削工具の種類、回転速度、および送り速度等の切削条件、あるいは工具軌跡等の設定値も含まれる。

リコート工程、焼結工程および遅延工程においては、前記に示した方法のとおり、不活性ガスの給排出により、チャンバ１内のヒューム２５の除去を行う。切削工程においては、金属材料粉体が不活性ガスの層流によって巻き上げられるのを防ぐために、ヒューム２５の除去が停止される。リコータヘッド１１が焼結層５０の隆起部に衝突したときに行われる切削加工時も同様にヒューム２５の除去が停止される。

一般に、照射面積が大きくなる程、焼結時間も長くなる。最上層の焼結層５０において焼結に要した焼結時間とヒューム２５の発生量に相関関係があるのと同様、最上層の焼結層５０における照射面積とヒューム２５の発生量にも相関関係がある。ゆえに、前記実施形態では待機時間算出部７２は、焼結時間を基に待機時間を算出したが、代わりに照射面積に応じて前記待機時間を算出してもよい。このとき演算装置６２は、焼結時間取得部７１に代えて照射面積取得部を備える。照射面積取得部は、ＣＡＭ装置６４で生成される造形データに含まれる走査経路または輪郭形状のデータから計算して求めるか、または、図示しないＣＡＤ装置で生成されているソリッドデータの照射領域４５の面積を参照し、照射面積を取得する。

また、焼結工程で発生するヒューム２５の量は、レーザ光Ｌのスポット径、出力および走査速度によっても変化する。ゆえに前記待機時間にレーザ光Ｌのスポット径、出力および走査速度による補正をかければ、より最適な待機時間が求められる。レーザ光Ｌのスポット径、出力および走査速度のデータは、ＣＡＭ装置６４から積層造形装置の制御装置６１に送られる造形データに含まれているので、それを参照すればよい。

以上のとおり、実施形態の積層造形装置によると、各分割層４９毎にそれぞれヒューム２５の残留量に密接に関係する焼結時間、あるいは照射面積に応じて、次の分割層４９における金属材料粉体をリコートする時間を含めて所要のエネルギのレーザ光Ｌの照射に影響がなくなるまでヒューム２５が排出される適する待機時間の間、レーザ光Ｌの照射を開始することを遅延させることができるので、各分割層４９毎に不必要に時間を多くかけることなく、各焼結工程で所要のエネルギのレーザ光Ｌを安定して照射することができ、良好な三次元造形を実施することができる。

とりわけ、実施形態の積層造形装置のように、スピンドルヘッドを移動させる駆動装置５２が収容される駆動室１ｅを備える切削加工を行なうことができる積層造形装置においては、ヒューム２５が十分に排出されるまでの時間がより長くなることから、全体の造形時間の増長を小さく抑える点で、より効果的である。

本発明は、すでにいくつかの例が具体的に示されているように、図面に示される実施形態の構成に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で種々の変形ないし応用が可能である。

１チャンバ
８材料粉体層
１３レーザ照射装置
２５ヒューム
２７清浄な不活性ガス
４５照射領域
４９分割層
５０焼結層
６１制御装置
７１焼結時間取得部
７２待機時間算出部
Ｌレーザ光
Ｒ造形領域

Claims

密閉されたチャンバ内において所望の三次元造形物を所定高さで分割してなる複数の分割層の各分割層毎に金属材料粉体を均一に撒布して形成される材料粉体層上の所定の照射領域にレーザ光を照射して焼結層を形成するレーザ照射装置と、
前記チャンバ内が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているように前記チャンバに不活性ガスを供給するとともにヒュームを前記チャンバの外に排出する不活性ガス給排装置と、
前記分割層毎に前記焼結層を形成する焼結工程を完了してから前記不活性ガス給排装置の不活性ガスの供給能力に対応して焼結不良が発生しない所要のエネルギの前記レーザ光の照射に影響を与えない程度にヒュームが除去されるまでの前記チャンバ内のヒュームの残留量に応じた適する待機時間が経過した後に前記レーザ照射装置に対し前記レーザ光の照射開始指令を行う制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記焼結層の形成に要した焼結時間を取得する焼結時間取得部または前記焼結層における照射面積を取得する照射面積取得部と、前記焼結層毎にテスト加工によって得られている焼結時間または照射面積に対応する待機時間の複数のデータに基づいて前記取得した焼結時間または照射面積に応じた前記適する待機時間を算出する待機時間算出部と、
を有する積層造形装置。
前記待機時間算出部が、前記レーザ光のスポット径、出力および走査速度に応じて前記待機時間を補正し再算出することを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。