JP6653590B2 - 冷却最適化装置及び冷却最適化方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷却最適化装置及び冷却最適化方法に関する。

近年、試作品又は少量多品種の製品等を作製するため、物品を輪切りにしたときの薄い層の形状に対応する固化層を順次積層して、物品の造形物を作製する粉末床溶融結合方法が注目されている。

粉末床溶融結合方法では、予備加熱により、粉末材料の温度を粉末材料の融点より少し低い温度に保持するとともに、薄層形成容器も粉末材料の融点より少し低い温度に保持しておく。

次いで、運搬部材により薄層形成容器に粉末材料を運び入れながら表面を均して昇降台上に粉末材料の薄層を形成する。

次いで、レーザ光によりスライスデータに基づき特定領域を選択的に加熱することで、焼結して、又は、溶融し固化して、結合層を形成する。

その後、昇降台を下降させつつ上記動作を繰り返し、数百層或いは数千層にわたって結合層を積層し、３次元造形物を作製する。

造形物を作製した後、予備加熱を止め、窒素雰囲気下で、薄層形成容器内に造形物及びその周囲の粉末材料を放置し、それらを冷やす。この冷却では、薄層形成容器、造形物及びその周囲の粉末材料の熱容量が大きいため、冷却に非常に時間がかかる。

そして、人の手で扱える温度に下がってから薄層形成容器内から造形物を取り出す。このようにして取り出した造形物は、表面の温度は低くても、内部の温度はまだ下がりきっておらず高いので、さらに、大気下で自然冷却を行っている。

特開２００４−３０６６１２号公報 特開２００６−３１２３１０号公報

このように、造形物を作製した後の粉末床溶融結合装置内での冷却は、非常に長い時間を要し、そのため、長時間にわたって装置を稼働できないという問題がある。

また、造形物を早く取り出しても、再凝固の際に内部と周囲の温度差により反りが生じたり、大気下で自然冷却を行っている間に造形物が酸化したりしてしまうという問題がある。

本発明は、上述の問題点に鑑みて創作されたものであり、造形物の反りや酸化を防止しつつ、稼働率を向上させることができる冷却最適化装置及び冷却最適化方法を提供するものである。

上記課題を解決するため、一観点によれば、粉末床溶融結合により作製された造形物が収納された薄層形成容器を収容し、冷却する容器と、不活性ガスを導入する前記容器のガス導入口と、前記不活性ガスを排出する前記容器のガス排出口と、前記容器内に導入する前記不活性ガスの流量を調節するガス流量調節手段とを有することを特徴とする冷却最適化装置が提供される。

また、他の観点によれば、薄層形成容器内で粉末床溶融結合により粉末材料を選択的に加熱して造形物を作製する工程と、昇温した前記造形物が収納された前記薄層形成容器を容器内に収容する工程と、前記容器内に不活性ガスを、流量を調節して導入し、前記不活性ガスにより前記昇温した前記造形物を冷却しつつ、前記不活性ガスを前記容器外に排出する工程とを有することを特徴とする冷却最適化方法が提供される。

本発明によれば、粉末床溶融結合により作製された造形物が収納された薄層形成容器を収容し、冷却する容器を有する。

したがって、薄層形成容器内で造形物を作製し終えてから造形物の温度が室温近くに下がるまで待たずに、粉末床溶融結合装置から薄層形成容器を取り外し、容器に収容し、冷却することができる。

これにより、造形物の冷却中に、別の、空の薄層形成容器を粉末床溶融結合装置に装着し、次の粉末床溶融結合を行うことができるため、粉末床溶融結合装置の稼働率を向上させることができる。

また、不活性ガスを用いて造形物の熱を強制的に排除して造形物の温度を下げている。この場合、不活性ガスの流量を、造形物に反りが生じない程度に適度に調節することで、造形物の反りや酸化を防止しつつ、冷却時間を短縮することができる。

（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る冷却最適化装置の容器の外観を示す斜視図であり、（ｂ）は、容器のガス導入口へのガス流量調節器と窒素ガス生成装置の接続関係を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る冷却最適化装置の容器の内部を透視した斜視図である。 （ａ）は、本発明の第１実施形態に係る薄層形成容器を有する粉末床溶融結合装置を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のI-I線に沿う粉末床溶融結合装置の断面図である。 （ａ）は、本発明の第１実施形態に係る薄層形成容器を示す斜視図であり、（ｂ）は、薄層形成容器の底部の外側を示す下面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る粉末床溶融結合方法を示す断面図（その１）である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る粉末床溶融結合方法を示す断面図（その２）である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る粉末床溶融結合により作製した造形物の冷却最適化方法を示す図（その１）である。 （ａ）〜（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る粉末床溶融結合により作製した造形物の冷却最適化方法を示す図（その２）である。 （ａ）〜（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る粉末床溶融結合により作製した造形物の冷却最適化方法を示す図（その３）である。 （ａ）〜（ｂ）は、図９（ｂ）に示す造形物の冷却中に、次の粉末床溶融結合の準備を行う方法を示す図（その１）である。 （ａ）〜（ｃ）は、図９（ｂ）に示す造形物の冷却中に、次の粉末床溶融結合の準備を行う方法を示す図（その２）である。 （ａ）〜（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る冷却最適化装置を構成する押圧部材と、冷却最適化方法を説明する斜視図（その１）である。 （ａ）〜（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る冷却最適化装置を構成する押圧部材と、冷却最適化方法を説明する斜視図（その２）である。 本発明の第３実施形態に係る冷却最適化装置の容器の内部を透視した斜視図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
（１）本発明の第１実施形態に係る冷却最適化装置の説明
上述したように、粉末床溶融結合により所望の形状の造形物を作製した後に、造形物を薄層形成容器から取り出すために、薄層形成容器内の造形物をその周囲に残った粉末材料とともに冷却する必要がある。

まず、本発明の実施形態に係る冷却最適化装置について、図１と図２を参照しながら説明する。

図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る冷却最適化装置の容器の外観を示す斜視図である。

図１（ｂ）は、容器のガス導入口へのガス流量調節器と冷却用窒素ガスの生成装置の接続関係を示す図である。

図２は、図１（ａ）の容器の扉1fを外し、かつ容器1の内部を透視した斜視図である。

本冷却最適化装置101は、図１（ａ）に示すような外観の冷却用容器（容器）1を有する。

容器1は、薄層形成容器を収容する収容室2となる立方体状の空間、又は、直方体状の空間の周りを、一側面だけを開放して断熱部材で囲った仕切り壁1a〜1eと、その一側面を開閉可能にする、断熱部材を主要構成部材とする扉1fとを有する。

図２に示すように、収容室2の上部の仕切り壁1aには、貫通穴（ガス導入口）3aが開けられて、その貫通孔3aに冷却用窒素ガス（冷却用不活性ガス；単に、窒素ガス（不活性ガス）ということもある。）を収容室2に導くガス導入管4aが装着されている。また、収容室2の床（下部の仕切り壁又は容器の底部）1bには、左手前と右奥に貫通穴（ガス排出口）3b, 3cがあけられて、それらの貫通穴3b, 3cにそれぞれ、収容室2に導入された窒素ガスを収容室2内から外に導く排気管4b, 4cが装着されている。

窒素ガスを収容室2に導くガス導入管4aには、図１（ｂ）に示すガス流量調節器（ガス流量調節手段）7、例えば、ニードルバルブなどと、窒素ガスの温度調節器8とを介して、不活性ガスの供給源9、例えば、窒素ガスの生成装置が接続されている。なお、不活性ガスの供給源9は、ほかに、アルゴンガスを圧入したボンベなどを用いてもよい。

また、収容室2の床1b面上には、薄層形成容器を収容室2内に導き入れるためのガイドレール5, 6が２列、間隔を空けて並行して取り付けられている。

各ガイドレール5, 6は、一対の細長い角材5a/5b, 6a/6bが狭い間隙（凹部）5c, 6cを空けて並行配置されている。その間隙5c, 6cには、後述する薄層形成容器の底部の外面に取り付けられた凸状のガイドが嵌合し、薄層形成容器がガイドレール5, 6に沿って移動可能なようになっている。

また、本冷却最適化装置には、図示していないが、装置が稼働中か停止しているかを表示する目視確認用ランプと、造形物の内部温度を検出する温度検出器と、温度検出器からの信号により、造形物の温度が所定の温度に下がったら窒素ガスの導入を自動的に停止する電磁バルブと、窒素ガスの導入開始から時間を計測するタイマーとを備えている。

なお、造形物の内部温度を検出する温度検出器は、容器1内に収容した薄層形成容器12内の粉末材料中、造形物15cの近傍に差し込んで温度を計測するものである。

（２）本発明の第１実施形態に係る粉末床溶融結合装置の説明
次に、本発明の実施形態に係る粉末床溶融結合装置について、図３（ａ）、（ｂ）と図４（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。

図３（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る粉末床溶融結合装置を示す上面図であり、
図３（ｂ）は、図３（ａ）のI-I線に沿う粉末床溶融結合装置の断面図である。

図４（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る粉末床溶融結合装置を構成する薄層形成容器を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、薄層形成容器の底部の外側を示す下面図である。

本実施形態に係る粉末床溶融結合装置では、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、エネルギービーム出射部102と、粉末材料の薄層15aを形成しエネルギービーム21により溶融結合して造形を行う薄層形成部103と、薄層形成部103の上面を移動し、粉末材料を運ぶリコータ（運搬部材）10と、造形を制御する図示しない制御部とを備えている。粉末材料として、樹脂、金属、セラミック等を使用できる。

薄層形成部103では、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、基台11と、基台11に保持された薄層形成容器12と、薄層形成容器12の左右に設けられ、基台11に保持された第１、第２粉末材料収納容器13a, 13bとを有する。

基台11には、左から、第１〜第３開口部14a〜14cが設けられている。第１開口部14aを通して第１粉末材料収納容器13aから粉末材料が取り出され、取り出された粉末材料15が、第２開口部14bを通して薄層形成容器12内に運び込まれて粉末材料の薄層15aが形成され、薄層形成後に残る粉末材料15が、第３開口部14cを通して第２粉末材料収納容器13bに収納される。

なお、第３開口部14cを通して第２粉末材料収納容器13bから粉末材料15が取り出され、第１開口部14aを通して第１粉末材料収納容器13aに薄層15aの形成後に残る粉末材料15が収納される場合もある。

薄層形成容器12と、第１、第２粉末材料収納容器13a, 13bとは、基台11の第１〜第３開口部14a〜14cの左右の縁に設けられた溝16a, 16b, 16cに、各容器13a、12、13bの左右の上縁が基台11の手前から挿入されて、各容器13a、12、13bが基台11に装着される。各容器13a、12、13bを基台11から取り外す場合は、その逆を行う。

基台11の上面は、薄層形成部103全体にわたって面一になっている。そして、基台11の上面全体にわたってブレードやローラーなどのリコータ10が移動できるようになっている。

また、図３（ｂ）に示すように、第１、第２粉末材料収納容器13a, 13bと薄層形成容器12の内側には、それぞれ、容器13a, 13b, 12の底部を兼ねた第１乃至第３昇降台18a, 18b, 17が設置されている。第１乃至第３昇降台18a, 18b, 17は、それぞれ、図示しない駆動装置に繋がった支持軸20a, 20b, 19に接続されて、上下移動が可能になっている。

図４（ａ）、（ｂ）に、薄層形成容器12の詳細な構造を示す。容器12の底には、支持軸19が通る穴12aが設けられている。穴12aは、容器12の底部の中央部に、かつ、第３昇降台17の大きさより小さく設けられている。
穴12aの左右両側の薄層形成容器12の底部の外面に、穴12aを挟んで前述したガイド23a, 23bとして細長い角材が並行配置され、取り付けられている。

また、各ガイド23a, 23bの外側で、容器12の底部の外面の前部と後部にそれぞれ、ローラー24a/24b, 24c/24dが取り付けられている。ローラー24a/24b, 24c/24dは、薄層形成容器12を基台11に着脱するときに設置フロアに接地し、及び、冷却最適化装置の容器1の収容室2内に収容するときに収容室2の床1bに接地して、薄層形成容器12の移動を容易にする。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、リコータ10は左右の第１、第２粉末材料収納容器13a, 13bの間を往復移動するため、第１、第２粉末材料収納容器13a, 13bについて、薄層15aを１層形成するごとに粉末材料15の供給側と収納側が入れ替わる。供給側の第１又は第２粉末材料収納容器13a又は13bでは、第１又は第２昇降台18a又は18b上に粉末材料15を載せて上昇させ、粉末材料15を供給する。収納側の第２又は第１粉末材料収納容器13b又は13aでは、第２又は第１昇降台18b又は18aを下降させ、薄層15aを形成後に余った粉末材料15を第２又は第１昇降台18b又は18a上に収納する。

薄層形成容器12では、結合層15bを１層形成するごとに第３昇降台17を下降させて順次新たな結合層15bを積層していく。

また、薄層形成容器12の上方に、エネルギービーム21の照射手段102が配置されている。

エネルギービーム21として、例えば、レーザ光をはじめ、電子線などエネルギー粒子線を用いることができる。

使用可能なレーザ光として、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ光、エキシマレーザ光、Ｈｅ−Ｃｄレーザ光、半導体励起固体レーザ光などが挙げられる。

さらに、粉末材料15やその薄層15aを予備加熱するため、薄層形成容器12は仕切壁や第３昇降台17にヒータを備え、薄層形成容器12の周囲にもヒータ22a, 22bや赤外線ランプが配置されている。

（３）本発明の第１実施形態に係る粉末床溶融結合方法の説明
次に、図５（ａ）〜図７（ａ）を参照しながら、上記の粉末床溶融結合装置を用いて次のように粉末床溶融結合を行う方法について説明する。

リコータ10の移動や、各昇降台18a, 18b, 17の動作や、エネルギービーム21の照射など粉末床溶融結合装置の動作は制御部により制御される。

薄層形成工程では、図５（ａ）に示すヒータ22a, 22bや赤外線ランプなどにより薄層形成容器12と第１、第２粉末材料収納容器13a, 13bの内側や周辺を予備加熱しておくとよい。

エネルギービーム21の照射前に、予備加熱により粉末材料の薄層15aの温度を粉末材料の軟化点よりも低くかつ融点よりも５〜１００℃低い温度に保持しておくことで、エネルギービーム21による溶融結合を容易に行うことができる。この場合、融点より５〜５０℃低い温度だとより好ましく、融点より５〜３０℃低い温度だとさらに好ましい。

次いで、図５（ｂ）に示すように、まず、第１昇降台18aを上昇させ、第２、第３昇降台18b, 17を下降させる。

次いで、図５（ｃ）〜図６（ａ）に示すように、リコータ10を右側に移動させて、第１粉末材料収納容器13aからリコータ10で粉末材料15を運び出し、薄層形成容器12まで運ぶ。

そして、リコータ10を右側に移動させて、薄層形成容器12内の第３昇降台17上に粉末材料15を運び入れながらその表面を均して均一な厚さの薄層15aを形成する。

リコータ10としてブレードやローラーなどを用いることで、本来的に、均一な厚みで空隙率の低い薄層15aを再現性良く形成することができる。

粉末材料の薄層15aの厚さは０．０１〜０．３ｍｍであることが好ましく、より精密な造形物を得るためには、０．０１〜０．１ｍｍであることが好ましい。

薄層15aを形成した後、さらにリコータ10を右側に移動させて、残った粉末材料15を第２粉末材料収納容器13bに収納する。

次いで、結合層形成工程では、図６（ｂ）に示すように、薄層形成工程で形成された薄層15aに、造形対象物のスライスデータに基づきエネルギービーム21を照射して、粉末材料を溶融し結合させて、結合層15bを形成する。

粉末材料の薄層15aにエネルギービーム21を照射する雰囲気は、特に制限はないが、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素などの不活性ガス雰囲気下とすることができる。不活性ガス雰囲気下とすることにより、粉末材料15の酸化や腐蝕を防止することができるので好ましい。また、大気中で照射を行うこともできる。

引き続き、図６（ｃ）〜図７（ａ）に示すように、図５（ｂ）〜図６（ｂ）に準じて粉末床溶融結合装置を動作させるとともにリコータ10を左側に移動させて、２層目の結合層15bを形成する。

その後、上述の作業を、必要な結合層15bの層数だけ順次繰り返して造形物15cを完成させる。

（４）本発明の第１実施形態に係る粉末床溶融結合により作製した造形物15cの冷却最適化方法の説明
（ｉ）薄層形成部からの薄層形成容器の取り出し
上述のように、造形物15cを完成した後に、完成した造形物15cを冷却するため、本実施形態では、薄層形成部103から薄層形成容器12ごと完成した造形物15cを取り出す。

その方法について、図７（ａ）〜図８（ｂ）を参照しながら説明する。

図７（ａ）に示す造形物15cを完成した直後では、造形物15cとその周囲の粉末材料の温度は、まだ、粉末材料の溶融温度かそれに近い温度であり、造形物にはまだ流動性があり、かつ、熱気も強いので、すぐに取り出すことは難しい。

よって、造形物15cを完成した直後はしばらくそのまま粉末床溶融結合装置に装着しておき、造形物15cとその周囲の粉末材料の温度が、少なくとも、粉末材料が完全に固化する温度以下に下がってから、薄層形成容器12ごと造形物15cを次のようにして取り出す。

すなわち、図７（ｂ）に示すように、完成した造形物15cとその周囲の粉末材料15aを載せた昇降台17を、薄層形成容器12の最下部まで下降させる。これにより、薄層形成容器12の底の穴12aは塞がれる。

次いで、図７（ｃ）に示すように、支持軸19を昇降台17から取り外す。

その後、図８（ａ）に示すように、基台11に装着された薄層形成容器12を手前に引き出して、基台11から取り外す。このとき、図８（ｂ）に示すように、薄層形成容器12内には、完成した造形物15cと、その周囲に残存している粉末材料15aとが収納されている。

（ii）冷却最適化装置の容器への薄層形成容器の収容
上述のように、薄層形成容器12を基台11から取り外した後に、本実施形態では、薄層形成容器12ごと完成した造形物15cを冷却用容器（容器）1に収容する。

その方法について、図９（ａ）〜（ｂ）を参照しながら説明する。

なお、図９（ａ）〜（ｂ）では、容器1の収容室2内の床1b面に設けられたガイドレール5, 6を実線で示し、容器1の収容室2の内壁面（床面を含む）1a〜1eを点線で示す。容器1のその他の部分は省略した。

容器1の扉1fを開ける。そして、造形物15cが収納された薄層形成容器12を、薄層形成容器12の後部から収容室2に収容するため、薄層形成容器12のガイド23a, 23bを容器1のガイドレール5, 6に嵌合させて、薄層形成容器12を移動させ、容器1の収容室2に押し入れる。

このとき、容器1のガイドレール5, 6により、薄層形成容器1が収容室2内に正しく導かれるとともに、薄層形成容器12のローラー24a/24b, 24c/24dにより、薄層形成容器12の移動が容易になる。

（iii）冷却最適化装置の容器の収容室内での造形物の冷却最適化方法
次に、造形物15cが収納された薄層形成容器12を容器1の収容室2内に収容した後、薄層形成容器12ごと造形物15cを最適な環境下で冷却する方法について説明する。

ガス導入管4aを通してガス導入口3aから冷却用窒素ガス（冷却用不活性ガス；単に窒素ガス（不活性ガス）ということもある。）を容器1の収容室2内に導入する。

このとき、温度調節器8により、窒素ガスの温度を室温から造形物15cの温度までの範囲で適宜調節することができる。例えば、冷却の初めから終わりまで室温、或いは造形物を薄層形成容器から取り出すときの温度で一定としてもよいし、次第に低下していく造形物15cの温度に応じてそれより低くなるように経時的に変化させてもよい。これにより、熱歪の発生をより一層抑制することができる。

収容室2内に導入された窒素ガスは収容室2内を巡って、昇温している造形物15cの熱を、ガス排出口3b, 3cから排気管4b, 4cを通して、収容室2外に運び出す。これを続けることで、造形物15cの温度を下げることができる。

このとき、窒素ガスの流量を大きくすると造形物15cの降温速度が速くなるが、あまり速すぎると造形物15cとその周囲との温度差が大きくなって熱歪が生じて反りが発生する恐れがある。このため、窒素ガスの流量は、造形物15cに反りが生じないように適切に設定される必要がある。

この状態を所定時間維持し、手で扱うことができ、かつ内部の造形物15cが完全に再凝固し、十分に冷却された温度、例えば５０℃程度に下がったら、薄層形成容器12ごと取り出す。

このように、本冷却最適化方法では、造形物15cに反りが生じないような適切な流量の窒素ガスの環境下で薄層形成容器12ごと造形物15cの熱を強制的に排除して造形物の温度を下げている。これにより、造形物15cの反りや酸化を防止しつつ、冷却時間を短縮することができる。

（５）本発明の第１実施形態に係る、造形物の冷却中に、次の粉末床溶融結合の準備を行う方法の説明
（ｉ）薄層形成部への別の薄層形成容器の装着
上述のように、薄層形成容器12を基台11から取り外した後に、薄層形成部103に別の薄層形成容器12bを装着する方法について、図１０（ａ）〜図１０（ｂ）を参照しながら説明する。

図１０（ａ）に示す、別の、空の薄層形成容器12bを用意し、図８（ａ）に示す順序と逆の順序で、図１０（ｂ）に示すように、薄層形成容器12bを基台11に装着する。

このとき、薄層形成容器12bの底面には、底部の穴（図１１（ａ）の12c）を塞ぐように昇降台17aが置かれている。

（ii）次の粉末床溶融結合の準備
上述のように、空の薄層形成容器12bを基台11に装着した後に、次の粉末床溶融結合の準備を行う方法について、図１１（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。

図１１（ａ）に示すように、底面に昇降台17aが置かれた薄層形成容器12bが基台11に装着される。このとき、第１、第２粉末材料収納容器13a, 13bに粉末材料15が十分に残っていなければ、基台11から取り外して粉末材料15を足し、その後、基台11に装着する。

次いで、図１１（ｂ）に示すように、支持軸19を薄層形成容器12bの底部の穴12cを通して昇降台17aの裏面に取り付ける。

その後、図１１（ｃ）に示すように、支持軸19を介して昇降台17aを上昇させて、昇降台17aの上面が基台11の上面と面一になるようにする。この状態から、図５（ｂ）に示すように、新たな造形を開始することができる。

以上のように、造形物15cの冷却中に、別の、空の薄層形成容器12bを基台11に装着し、次の粉末床溶融結合を行うことができるため、粉末床溶融結合装置の稼働率を向上させることができる
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る、押圧部材を備えた冷却最適化装置と造形物の冷却方法について、図１２（ａ）、(ｂ)、図１３（ａ）、(ｂ)を参照して説明する。

図１２（ａ）、(ｂ)、図１３（ａ）、(ｂ)は、押圧部材25と、造形物15cの冷却方法を説明する斜視図である。

この実施形態の冷却最適化装置では、図１２（ａ）に示すように、容器1に収容する薄層形成容器12内の作製直後の造形物15cとその周囲に残る粉末材料15aを上部から押圧する押圧部材25を有する。

押圧部材25は、薄層形成容器12の開口とほぼ同じか、少し小さめの大きさの板状の部材からなる。その部材は、例えば、ステンレスを用いることができ、重さは、薄層形成容器の大きさにより、例えば、中型で３kg、大型で８kgなどと、適宜使い分けるとよい。なお、他の符号25aは、押圧部材25を手で持つための把手である。

この冷却最適化装置を用いた冷却方法では、図１２（ａ）に示すように、粉末床溶融結合装置の基台から、作製直後の造形物15cとその周囲に残る粉末材料15aを収納した薄層形成容器12を引き出した後、作製直後の造形物15cとその周囲に残る粉末材料15aの上部に載せる押圧部材25を用意する。

次いで、図１２（ｂ）に示すように、押圧部材25を作製直後の造形物15cとその周囲に残る粉末材料15aの上部に載せる。

次いで、図１３（ａ）に示すように、薄層形成容器12を冷却最適化装置の設置場所に運ぶ。

次いで、図１３（ｂ）に示すように、薄層形成容器12の底部のガイド23a, 23bを容器1の収容室2の床1bに設けられたガイドレール5, 6の凹部5c, 6cに嵌合し、ガイドレール5, 6に従って薄層形成容器12を収容室2に押し入れる。このとき、収容室2内の温度は、ほぼ大気の温度になっているため、造形物15cとの温度差が大きい。

その後、扉1fを閉めた後、流量が適度に調節された窒素ガスを収容室2に導入して、造形物15cの温度を下げていく。

このとき、薄層形成容器12とその周囲との温度差が大きくて熱歪により造形物15cの反りが発生しやすい状況にあるが、押圧部材25により造形物15cの上部が押圧されているため、アニール効果により造形物15cの反りの発生を防止することができる。また、これに応じて、冷却用窒素ガスの流量を、第１実施形態より大きくし、或いは、窒素ガスの温度を室温に設定することもできる。

このように、第２の実施形態によれば、冷却装置に収容した造形物15cとその周囲との温度差が大きい場合でも、或いは、窒素ガスの温度を室温に設定した場合でも、或いは、冷却用窒素ガスの流量を、第１実施形態より大きくした場合でも、造形物15cの反りの発生を防止することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る冷却最適化装置について図１４を参照して説明する。

図１４は、冷却最適化装置の冷却用容器（容器）1の内部を透視した斜視図である。

この実施形態では、容器1の収容室2内を加熱する加熱手段を有する。この実施形態は、第２実施形態のような押圧部材25を用いたくない場合や用いることが難しい場合に最適である。

加熱手段として、例えば、収容室2内を加熱する昇温した不活性ガスが用いられる。不活性ガスとして、例えば、窒素ガスを用いる。

図１４に示すように、容器1の上部の仕切り壁1aに、冷却用の窒素ガスのガス導入口3aのほかに、ガス導入口26を設けて、収容室2内に昇温した窒素ガス（加熱用不活性ガス）を導入する。なお、他の符号27は、ガス導入口26に取り付けられたガス導入管である。

或いは、ガス導入口26を設けずに、ガス導入口3aに接続された温度調節器8を用いて冷却用窒素ガスを加熱し、これを加熱用の不活性ガスとして用いてもよい。

なお、容器1の収容室2内を加熱するその他の加熱手段として、赤外線光源、或いは、抵抗加熱ヒータを用いてもよい。

赤外線光源は、収容室2内に設けられてもよいし、容器1外に設けられてもよい。後者の場合、容器1に赤外線透過窓を設け、その窓から赤外線を照射して収容室2内を加熱できるようにしてもよい。

抵抗加熱ヒータは、収容室2内に設けられてもよいし、仕切り壁に内蔵してもよい。

次に、図１４の加熱手段を備えた容器1を用いた冷却最適化方法について説明する。

本冷却最適化方法では、まず、作製直後の造形物が収納された薄層形成容器を容器1に収容する前に、予め、ガス導入口26から昇温した窒素ガス（加熱手段）を収容室2内に導入し、収容室2内を薄層形成容器から取り出した直後の造形物と同じ程度の温度に昇温しておく。

この状態で、収容室2内に薄層形成容器を収容する。

次いで、収容室2内の温度が安定した後、昇温した窒素ガスによる加熱を停止し、冷却用の窒素ガスをガス導入口3aから収容室2内に導入する。

このとき、冷却用の窒素ガスの温度は、温度調節器8により、窒素ガスの温度を室温から造形物15cの温度までの範囲で適宜調節することができる。例えば、冷却の初めから終わりまで室温、或いは造形物を薄層形成容器から取り出すときの温度で一定としてもよいし、次第に低下していく造形物15cの温度に応じてそれより低くなるように経時的に変化させる。なお、窒素ガスの流量は、造形物に熱歪による反りが生じない程度に、適宜設定するとよい。

この状態を所定時間維持することで、窒素ガスにより昇温している造形物の熱が順次排気口3b, 3cを通して収容室2外に運び出され、造形物の温度を適度な降温速度で下げることができる。

以上のように、本実施形態では、加熱手段により、予め、収容室2内を、作製直後の造形物と同じ程度の温度に昇温し、その後に、収容室2内に薄層形成容器を収容し、次いで、加熱手段での加熱を停止した後、窒素ガスを収容室2内に導入して造形物の温度を下げている。

したがって、収容室2内に造形物を収容した直後でも造形物とその周囲との温度差が小さい。

このため、窒素ガスを収容室2内に導入して造形物の温度を下げるときに、常に造形物とその周囲との温度差を小さく保った状態で造形物の温度を下げることができる。

これにより、造形物においてより一層確実に熱歪の発生を抑制することができる。

なお、本冷却方法は、加熱手段として、赤外線光源や抵抗加熱ヒータを用いても、同様に実施できる。

以上、実施の形態によりこの発明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、図２では、収容室2の上部の仕切り壁1aに、ガス導入口3aが開けられ、収容室2の床（下部の仕切り壁）1bに、左手前と右奥にガス排出口3b, 3cが設けられているが、導入口3aが収容室2の側部の仕切り壁1b, 1cに設けられ、ガス排出口3b, 3cが、ガス収容室2の床（下部の仕切り壁）1bの中央部に設けられてもよい。

また、図２では、収容室2の床1b面上に、薄層形成容器12を収容室2内に導き入れるためのガイドレール5, 6が２列設けられているが、薄層形成容器12よりも小さい中小型機用の薄層形成容器にも対応するように、併せて、ガイドレール5, 6の内側にもう一対のガイドレールを設けてもよい。

また、図４（ａ）、（ｂ）に、薄層形成容器12の底には、支持軸19が通る穴12aが設けられているが、大きさや形は問わない。穴は、第３昇降台17の大きさより小さく設けられて、かつ、第３昇降台17の全周辺部を穴の周りの薄層形成容器12の底部材の上に載せることができるような大きさであればよい。

この場合、穴を比較的大きくして、穴を通りぬけることができる大きい面積のヒータプレートを支持軸19の上に載せ、さらにヒータプレートの上に薄層形成容器12を載せるようにすることができる。これにより、薄層形成容器12の底の比較的広い部分を通して薄層形成容器12内部を加熱できるようになる。

最後に、上記実施形態で説明した発明を以下に付記としてまとめる。

（付記１）
粉末床溶融結合により作製された造形物が収納された薄層形成容器を収容し、冷却する容器と、
不活性ガスを導入する前記容器のガス導入口と、
前記不活性ガスを排出する前記容器のガス排出口と、
前記容器内に導入する前記不活性ガスの流量を調節するガス流量調節手段と
を有することを特徴とする冷却最適化装置。

（付記２）
前記薄層形成容器内に前記造形物のほかに、前記造形物の周囲に未溶融の粉末材料が収納されていることを特徴とする付記１に記載の冷却最適化装置。

（付記３）
前記薄層形成容器内の前記造形物を押圧する押圧手段を有することを特徴とする付記１に記載の冷却最適化装置。

（付記４）
前記ガス流量調節手段は、前記容器内に導入する前記不活性ガスの流量を、前記造形物の温度に応じて調節することを特徴とする付記１記載の冷却最適化装置。

（付記５）
前記ガス流量調節手段は、前記容器内に導入する前記不活性ガスの流量を、前記造形物に熱歪による反りが生じない程度に調節することを特徴とする付記１記載の冷却最適化装置。

（付記６）
前記容器内を昇温する加熱手段を有することを特徴とする付記１に記載の冷却最適化装置。

（付記７）
前記薄層形成容器は、底部の外側に凸状又は凹状のガイドを有し、前記容器は、底部に、前記ガイドに嵌合し、前記薄層形成容器を前記容器内に導く凹状又は凸状のガイドレールを備えたことを特徴とする付記１記載の冷却最適化装置。

（付記８）
前記薄層形成容器は昇降台を備え、前記昇降台上に前記造形物が載置されることを特徴とする付記１記載の冷却最適化装置。

（付記９）
前記薄層形成容器は、前記粉末床溶融結合する前に動作させて、前記昇降台上に載置された前記粉末材料を予備加熱する予備加熱手段を有することを特徴とする付記１記載の冷却最適化装置。

（付記１０）
前記不活性ガスは、窒素ガスであり、窒素ガス生成装置を備えたことを特徴とする付記１記載の冷却最適化装置。

（付記１１）
薄層形成容器内で粉末床溶融結合により粉末材料を選択的に加熱して造形物を作製する工程と、
昇温した前記造形物が収納された前記薄層形成容器を容器内に収容する工程と、
前記容器内に不活性ガスを、流量を調節して導入し、前記不活性ガスにより前記昇温した前記造形物を冷却しつつ、前記不活性ガスを前記容器外に排出する工程と
を有することを特徴とする冷却最適化方法。

（付記１２）
前記薄層形成容器は昇降台を備え、前記薄層形成容器内で、順次、前記昇降台を下降して、前記昇降台上に粉末材料の薄層を形成し、次いで前記薄層をエネルギービームにより選択的に加熱して結合層を形成し、多層の前記結合層からなる造形物を形成することを特徴とする付記１１記載の冷却最適化方法。

（付記１３）
前記薄層形成容器内に前記造形物のほかに、前記造形物の周囲に未溶融の粉末材料が収納されていることを特徴とする付記１２記載の冷却最適化方法。

（付記１４）
前記薄層形成容器内の前記造形物を押圧した状態で、前記薄層形成容器を前記容器内に収容し、冷却することを特徴とする付記１１記載の冷却最適化方法。

（付記１５）
前記不活性ガスの流量を、前記造形物に熱歪による反りが生じない程度に調節することを特徴とする付記１１記載の冷却最適化方法。

（付記１６）
前記薄層形成容器を前記容器内に収容する前に、加熱手段を動作させて前記容器内の温度を昇温し、前記薄層形成容器を前記容器内に収容した後であって前記不活性ガスを導入する前に、前記加熱手段の動作を停止させることを特徴とする付記１１記載の冷却最適化方法。

（付記１７）
前記粉末材料を選択的に加熱する前に、前記粉末材料を予備加熱することを特徴とする付記１１記載の冷却最適化方法。

1・・・冷却用容器（容器）、1a〜1e・・・仕切り壁、2・・・収容室、3a・・・ガス導入口、3b, 3c・・・ガス排出口、4a・・・ガス導入管、4b, 4c・・・排気管、5, 6・・・ガイドレール、5a, 5b, 6a, 6b・・・細長い角材、5c, 6c・・・間隙（凹部）、7・・・ガス流量調節器（ガス流量調節手段）、8・・・温度調節器、9・・・冷却用不活性ガスの供給源、10・・・リコータ（運搬部材）、11・・・基台、12, 12b・・・薄層形成容器、12a, 12c・・・穴、13a・・・第１粉末材料収納容器、13b・・・第２粉末材料収納容器、14a・・・第１開口部、14b・・・第２開口部、14c・・・第３開口部、15…粉末材料、15a…粉末材料の薄層（又は、薄層）、15b…結合層、15c・・・造形物、 16a〜16c・・・溝、17, 17a・・第３昇降台、18a・・・第１昇降台、18b…第２昇降台、19, 20a, 20b・・・支持軸、21…レーザ光、22a, 22b・・・ヒータ、23a, 23b・・・ガイド、24a, 24b, 24c, 24d, 24g, 24h・・・ローラー、25・・・押圧部材、25a・・・把手、101…冷却装置、102…レーザ光出射部、103…薄層形成部。

Claims (10)

1. 粉末床溶融結合により作製された造形物が収納された薄層形成容器を収容し、冷却する容器と、
   不活性ガスを導入する前記容器のガス導入口と、
   前記不活性ガスを排出する前記容器のガス排出口と、
   前記容器内に導入する前記不活性ガスの流量を調節するガス流量調節手段と、
   前記薄層形成容器内の前記造形物と前記造形物の周囲に残る粉末材料とを押圧する押圧手段と、
   を有することを特徴とする冷却最適化装置。
2. 前記薄層形成容器内に前記造形物のほかに、前記造形物の周囲に未溶融の粉末材料が収納されていることを特徴とする請求項１記載の冷却最適化装置。
3. 前記容器内を昇温する加熱手段を有することを特徴とする請求項１に記載の冷却最適化装置。
4. 前記薄層形成容器は、底部の外側に凸状又は凹状のガイドを有し、
   前記容器は、底部に、前記ガイドに嵌合し、前記薄層形成容器を前記容器内に導く凹状又は凸状のガイドレールを備えたことを特徴とする請求項１記載の冷却最適化装置。
5. 前記薄層形成容器は昇降台を備え、前記昇降台上に前記造形物が載置されることを特徴とする請求項１記載の冷却最適化装置。
6. 薄層形成容器内で粉末床溶融結合により粉末材料を選択的に加熱して造形物を作製する工程と、
   昇温した前記造形物が収納された前記薄層形成容器を容器内に収容する工程と、
   前記容器内に不活性ガスを、流量を調節して導入し、前記不活性ガスにより前記昇温した前記造形物を冷却しつつ、前記不活性ガスを前記容器外に排出する工程と
   を有し、
   前記薄層形成容器内の前記造形物と前記造形物の周囲に残る粉末材料とを押圧した状態で、前記薄層形成容器を前記容器内に収容し、冷却することを特徴とする冷却最適化方法。
7. 前記薄層形成容器は昇降台を備え、前記薄層形成容器内で、順次、前記昇降台を下降して、前記昇降台上に粉末材料の薄層を形成し、次いで前記薄層をエネルギービームにより選択的に加熱して結合層を形成し、多層の前記結合層からなる造形物を形成することを特徴とする請求項６記載の冷却最適化方法。
8. 前記不活性ガスの流量を、前記造形物に熱歪による反りが生じない程度に調節することを特徴とする請求項６記載の冷却最適化方法。
9. 前記薄層形成容器を前記容器内に収容する前に、加熱手段を動作させて前記容器内を昇温し、前記薄層形成容器を前記容器内に収容した後であって前記不活性ガスを導入する前に、前記加熱手段の動作を停止させることを特徴とする請求項６記載の冷却最適化方法。
10. 前記粉末材料を選択的に加熱する前に、前記粉末材料を予備加熱することを特徴とする請求項６記載の冷却最適化方法。
    

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