JP2019019364A - 積層造形装置 - Google Patents

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利彦 古川
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Abstract

【課題】得られる積層造形物の形状精度を保持しつつ、側面の仕上げ加工に要する時間を短縮することができる積層造形装置を提供すること。【解決手段】積層造形装置は、造形テーブルと、造形テーブル上を水平一軸方向に往復移動して金属の材料粉末を供給するとともに平坦化して粉末層を形成するリコータヘッドと、第1のレーザを発振する第1のレーザ光源を備えた第1のレーザ発振部と、第2のレーザを発振する第2のレーザ光源を備えた第2のレーザ発振部とを有し、所望の三次元形状を有する造形物のソリッドデータに基づき各粉末層毎にそれぞれ設定されるレーザ照射領域に第1のレーザを照射して焼結層を形成するとともに、各焼結層を形成する際に第1のレーザが照射されたレーザ照射領域の輪郭に沿って、第2のレーザを当該焼結層に照射し、すべての焼結層の側面の仕上げ加工を行うレーザ照射部と、を備え、レーザ照射部から照射される前記第2のレーザは、フェムト秒レーザである。【選択図】図5

Description

本発明は、金属の積層造形物を製造する積層造形装置に関する。
金属の積層造形物を製造するための装置として、特許文献1に記載の積層造形装置がある。この積層造形装置では、造形槽内においてリコータヘッドを水平一軸方向に移動させ、リコータヘッドに設けられた材料貯蓄箱およびブレードにより、金属の材料粉末を供給、且つ、平坦化させることによって粉末層を形成し、レーザ照射装置によって粉末層の所定範囲にレーザを照射して焼結層を形成する。そして、この焼結層の上に新たな粉末層を形成してレーザを照射し、焼結層を形成することを繰り返し行うことによって、金属の積層造形物を製造している。
また、引用文献2には、より形状精度の高い積層造形物を得るために、所定層数の焼結層を形成する度に、新たに形成した焼結層の側面を切削装置によって削正して仕上げ加工を行いながら積層造形物を造形していく方法が開示されている。
特表平1−502890号公報 特許第3405357号公報
しかしながら、一般的に、積層造形によって製造される積層造形物は、数千層にも及ぶ焼結層が積層されることにより形成される。従って、引用文献2に記載の切削装置による焼結層の側面の仕上げ加工では、切削装置の駆動から切削完了に至るまで、仕上げ加工1回当たりの時間はそれほど長くなくとも、積層造形物の最下層から最上層までに要する合計の仕上げ加工時間は長時間となる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、得られる積層造形物の形状精度を保持しつつ、側面の仕上げ加工に要する時間を短縮することができる積層造形装置を提供することである。
第1の発明の積層造形装置は、造形テーブルと、前記造形テーブル上を水平一軸方向に往復移動して金属の材料粉末を供給するとともに平坦化して粉末層を形成するリコータヘッドと、第1のレーザを発振する第1のレーザ光源を備えた第1のレーザ発振部と、第2のレーザを発振する第2のレーザ光源を備えた第2のレーザ発振部とを有し、所望の三次元形状を有する造形物のソリッドデータに基づき各粉末層毎にそれぞれ設定されるレーザ照射領域に前記第1のレーザを照射して焼結層を形成するとともに、各焼結層を形成する際に前記第1のレーザが照射されたレーザ照射領域の輪郭に沿って、前記第2のレーザを当該焼結層に照射し、すべての焼結層の側面の仕上げ加工を行うレーザ照射部と、を備え、前記レーザ照射部から照射される前記第2のレーザは、フェムト秒レーザであることを特徴とするものである。
本発明では、焼結層の側面の仕上げ加工を行う第2のレーザは、フェムト秒レーザである。フェムト秒レーザは、パルス幅が極めて短いため、極短時間に高いレーザ強度を有するパルス光を照射することができる。これにより、周辺に熱エネルギーが伝達される前に、レーザが照射された部分を溶融を介すことなく蒸発させることができる。この所謂レーザアブレーション加工により、熱拡散によって焼結層が受ける熱的影響を限りなく小さくすることができるため、第2のレーザが照射された部分のみに精度の高い仕上げ加工を施すことができる。
また、レーザ照射によって焼結層の側面の仕上げ加工を行うため、従来のように、切削装置を駆動させて側面の仕上げ加工を行う必要がない。さらに、レーザ照射による側面の仕上げ加工に要する時間は非常に短い。従って、従来と比較して、造形物の造形工程における焼結層の側面の仕上げ加工に要する時間を大幅に短縮することができる。
また、焼結層の側面の仕上げ加工を行う切削装置が不要となるため、積層造形装置を小型化および軽量化することができる。さらに、造形槽1A内に切削装置の移動領域を確保する必要がないため、造形槽1A内の空間をより効率良く使用することができる。これにより、例えば、容量を抑えた小型の装置でありながら、相応の大きさの造形物を製造することができる。
第2の発明の積層造形装置は、前記第1の発明において、前記レーザ照射部は、前記造形テーブルの直上に配置されていることを特徴とするものである。
ここで、造形テーブルの直上にレーザ照射部が配置されていない場合、鉛直方向から見たときのレーザ照射部から各照射位置までの距離のばらつきが大きくなる。これにより、レーザの照射スポットの形状が照射位置によって大きく変化してしまう。より具体的には、例えば、レーザの照射スポットの形状を円形に設定した場合、レーザ照射部から距離の近い照射位置では、照射スポットの形状は想定した略円形となるが、レーザ照射部から距離の離れた照射位置では、照射スポットの形状は鉛直方向から見たときのレーザ照射部と当該照射位置とを結ぶ直線方向に長辺を有する楕円形となってしまう。これにより、レーザ照射位置の位置ずれ、或いは、照射スポットの広範囲化による照射エネルギーの低下などの問題が生じるおそれがある。
本発明では、レーザ照射部は、前記造形テーブルの直上に配置されている。従って、鉛直方向から見たときのレーザ照射部から各照射位置までの距離のばらつきを小さくすることができる。これにより、照射スポットの形状変化を抑えることができるため、上述した問題を防止することができる。
第3の発明の積層造形装置は、前記第1または2の発明において、焼結層の側面の仕上げ加工前に前記造形テーブル上を移動し、少なくとも当該焼結層の側面近傍の材料粉末を吸引して除去する粉末吸引部をさらに備えていることを特徴とするものである。
本発明では、粉末吸引部は、焼結層の側面の仕上げ加工前に造形テーブル上を移動し、少なくとも当該焼結層の側面近傍の材料粉末を吸引して除去する。これにより、焼結層の側面近傍から材料粉末が除去された状態で仕上げ加工を行うことができる。従って、焼結層近傍の材料粉末に第2のレーザが照射されることを防止し、所望の焼結層のみに確実に第2のレーザを照射して側面の仕上げ加工を行うことができる。
本発明によれば、得られる積層造形物の形状精度を保持しつつ、側面の仕上げ加工に要する時間を短縮することができる。
実施形態に係る積層造形装置の本機の全体構成を示す概略正面図である。 実施形態に係る積層造形装置の本機の全体構成を示す概略側面図である。 (a)は、第1のレーザ照射時のレーザ照射部の斜視図であって、(b)は、第2のレーザ照射時のレーザ照射部の斜視図である。 積層造形装置を構成する各装置の制御を示すブロック図である。 (a)〜(e)は、新たな粉末層の形成から焼結層の仕上げ加工完了に至るまでの造形テーブル周辺の様子を示す正面図である。 側面の仕上げ加工を行う前の焼結層の上面図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
積層造形装置は、焼結式金属粉末積層造形装置である。積層造形装置は、本機1と、CAD装置12と、CAM装置15と、数値制御装置6等を備えている。なお、以下では、図1の図面向かって手前側を前、奥側を後、左側を左、右側を右、上側を上、下側を下と定義し、「前」、「後」、「右」、「左」、「上」、「下」の方向語を適宜使用して説明する。
図1、図2に示すように、本機1は、造形槽1A内に設けられた粉末層形成装置2とリコータヘッド3と、造形槽1Aの上方に設けられたレーザ照射装置5等を有している。造形槽1A内には、図示しない不活性ガス供給装置から不活性ガスが供給されている。これにより、造形槽1A内は、酸素濃度が可能な限り低くなるように構成されている。
粉末層形成装置2は、造形テーブル2Aと、造形テーブル2Aを支持するとともに昇降させる支持機構2Bと、支持機構2Bに動作を伝達する伝達機構2Cと、支持機構2Bを駆動するモータを含む駆動装置を有している。造形テーブル2Aは、各焼結層を形成した後、その上に新たに形成される粉末層の厚さに相当する分だけ下降する。
リコータヘッド3は、後述するサーボモータ制御装置19の走査指令に基づき、左右方向に延在するガイドレール21に沿って造形テーブル2A上を往復移動する。より具体的には、リコータヘッド3は、造形テーブル2Aよりも左側の初期位置と造形テーブル2Aよりも右側の待機位置との間で往復移動する。
リコータヘッド3は、粉末層を形成する粉末層形成部3Aと、材料粉末を吸引する粉末吸引部3Bを有している。本機1の正面から見て、粉末層形成部3Aは左側に配置され、粉末吸引部3Bは右側に配置されている。リコータヘッド3が初期位置から待機位置に移動する際、粉末層形成部3Aは、材料貯蓄箱に設けられた粉末供給口が開口して造形テーブル2A上に材料粉末を供給するとともに、ブレードによって平坦化することにより、造形テーブル2A上に粉末層を形成する。リコータヘッド3が待機位置に移動した後、粉末供給口は閉口される。リコータヘッド3が待機位置から初期位置に移動する際、粉末吸引部3Bは、造形テーブル2A上に敷き詰められた材料粉末の上層部分を吸引して除去する。
レーザ照射装置5は、各粉末層毎にそれぞれ設定される照射領域に第1のレーザL1を照射して焼結層を形成するとともに、当該焼結層に第2のレーザL2を照射して側面の仕上げ加工を行う。レーザ照射装置5は、造形テーブル2Aの中心部直上に配置されている。
図3(a),(b)に示すように、レーザ照射装置5は、第1のレーザL1を発振する第1のレーザ発振器5Aと、第2のレーザL2を発振する第2のレーザ発振器5Bと、第1のレーザL1および第2のレーザL2の照射方向を変更するミラー5C1,5C2と、第1のレーザL1および第2のレーザL2を収束する焦点レンズ5Dを有している。
第1のレーザ発振器5Aは、第1のレーザ光源を有している。第1のレーザ発振器5Aは、第1のレーザ光源から発振された第1のレーザL1を所望のスポット径およびレーザ強度に調節して発振する。第1のレーザL1は、例えば、ファイバーレーザ、YAGレーザ等である。
第2のレーザ発振器5Bは、第2のレーザ光源を有している。第2のレーザ発振器5Bは、第2のレーザ光源から発振された第2のレーザL2をフェムト秒レーザに変換し、所望のスポット径およびレーザ強度に調節して発振する。
第1のレーザL1および第2のレーザL2は、レーザ伝達部材を介してミラー5C1,5C2に到達する。ミラー5C1,5C2は、後述するレーザ制御装置20の走査指令に基づき、図示しない電動アクチュエータの駆動によって所望の角度に傾斜する。ミラー5C1,5C2によって反射された各レーザは、焦点レンズ5Cによって収束され、造形槽1Aの天板に穿設されている通孔に設けられた透過レンズ1aを通過する。
図1,図2に示すように、造形槽1Aの天板には、透過レンズ1aを覆うヒューム拡散部8が設けられている。ヒューム拡散部8の外周部には、図示しない不活性ガス供給装置と接続された不活性ガス供給空間8bが設けられている。不活性ガス供給空間8bと、その内側の清浄空間8aとの境には、多数の微細孔8c1が形成された仕切り部8cが設けられ、この微細孔8c1を介して不活性ガス供給空間8bから正常空間8aに清浄な不活性ガスが供給される。清浄空間8aに充満された不活性ガスは、開口部1bを通じて造形槽1A内に噴出される。この不活性ガスによってレーザの照射経路からヒュームが排除されることにより、透過レンズ1aの汚れが防止される。
図4に示すように、CAD装置12は、本機1によって造形される造形物のソリッドデータを作成するためのものである。CAD装置12は、造形物のソリッドデータを作成する演算部13と演算部13で作成されたソリッドデータを記憶する記憶部14を備えている。なお、ソリッドデータとは、所定の造形物の形状および寸法を示す三次元データである。
CAM装置15は、CAD装置12によって作成されたソリッドデータから造形プログラムを生成するためのものである。CAM装置15は、CAD装置12によって作成されたソリッドデータから造形プログラムを生成する演算部16と、CAD装置12によって作成されたソリッドデータ、および、演算部16で生成された造形プログラムを記憶する記憶部17を備えている。なお、造形プログラムとは、所定の造形物を造形する際の本機1を構成する各装置の動作手順を示したものである。造形プログラムには、例えば、第1のレーザL1の照射領域のデータが含まれている。第1のレーザL1の照射領域のデータは、レーザ照射装置5から照射される第1のレーザL1の照射範囲を各粉末層毎に規定するために用いられる。
数値制御装置6は、記憶部7と、演算部8を備えている。記憶部7は、CAM装置15で生成された積層造形物の造形プログラムが記憶されるハードディスクである。演算部8は、記憶部7に記憶された造形プログラムを解読する解読部9と、解読部9によって解読された造形プログラムに基づき指令を出力する指令部10と、指令部10からの指令をサーボモータ制御装置19やレーザ制御装置20等に分配して出力する分配出力部11を有している。
サーボモータ制御装置19には、演算部8の指令部10からの移動指令が信号或いはデータで入力される。リコータヘッド3を駆動するサーボモータは、サーボモータ制御装置19からの走査指令に基づき、リコータヘッド3を左右方向に往復移動させる。
レーザ制御装置20は、図示しないアクチュエータ制御装置および駆動電流供給装置を備えている。アクチュエータ制御装置は、演算部8の指令部10からの走査指令を信号或いはデータで電動アクチュエータに出力する。電動アクチュエータは、駆動電流供給装置から駆動電流の供給を受けてミラー5C1,5C2を傾斜させ、所望の方向に第1のレーザL1および第2のレーザL2を照射させる。
次に、新たな粉末層51の形成から焼結層52の仕上げ加工完了に至るまでの本機1の動作について、図5(a)〜(e),図6を参照しつつ詳細に説明する。なお、図5(a)は、新たな粉末層51を形成する前の造形テーブル2A周辺の様子を示している。このとき、リコータヘッド3は初期位置に配置されている。また、粉末層形成部3Aの材料貯蓄箱に設けられた粉末供給口は閉口され、粉末吸引部3Bは停止されている。
図5(b)に示すように、粉末供給口を開口し、且つ、粉末吸引部3Bを停止させた状態で、リコータヘッド3を初期位置から待機位置まで移動させて、粉末層形成部3Aの材料貯蓄箱に設けられた粉末供給口から材料粉末を供給しつつ、ブレードによって材料粉末を平坦化させることにより、造形テーブル2A上に新たな粉末層51を形成する。リコータヘッド3が待機位置に移動した後、粉末供給口は閉口される。
レーザ照射装置5は、上述したレーザ制御装置20からの指令に基づきミラー5C1,5C2を傾斜させ、粉末層51の照射領域Rに第1のレーザL1を照射する。これにより、図5(c)に示すように、造形済みの造形物50上に新たな焼結層52が形成される。
ここで、溶解による造形の特性上、レーザ焼結によって得られる焼結層の側面には、外側に凸となるように飛び出した余剰焼結部が形成される。本実施形態では、焼結層を一層形成する度に、その焼結層に生じた余剰焼結部をフェムト秒レーザによって除去することにより、焼結層の側面の仕上げ加工を行う。
図5(d)に示すように、焼結層52の側面の仕上げ加工を行う前に、粉末吸引部3Bを稼働させた状態で、リコータヘッド3を待機位置から初期位置に移動させて、材料粉末に埋もれた焼結層52の側面がすべて露出するように、材料粉末を吸引して除去する。リコータヘッド3が初期位置に移動した後、粉末吸引部3Bを再び停止させる。
レーザ照射装置5は、レーザ制御装置20からの指令に基づきミラー5C1,5C2を傾斜させ、図6の斜線で示す焼結層52を形成する際に第1のレーザL1が照射された照射領域Rの輪郭に沿って、図5(d)に示すように、フェムト秒レーザである第2のレーザL2を焼結層52に照射し、当該輪郭よりも外側に形成された焼結層52の余剰焼結部52aを除去する。なお、このときの第2のレーザL2のレーザ強度は、仕上げ加工を行う焼結層52の厚み分の深さまで加工を行うことができる程度に設定される。また、第2のレーザL2の照射スポットの径は、第1のレーザL1の照射スポットの径と比較して、極小さい大きさに設定される。以上により、図5(e)に示すように、焼結層の積層体である実際の造形物がCAD装置12によって作成されたソリッドデータと略一致するように、焼結層52の側面を仕上げることができる。
(作用・効果)
本実施形態では、焼結層の側面の仕上げ加工を行う第2のレーザL2は、フェムト秒レーザである。フェムト秒レーザは、パルス幅が極めて短いため、極短時間に高いレーザ強度を有するパルス光を照射することができる。これにより、周辺に熱エネルギーが伝達される前に、レーザが照射された部分を溶融を介すことなく蒸発させることができる。この所謂レーザアブレーション加工により、熱拡散によって焼結層が受ける熱的影響を限りなく小さくすることができるため、第2のレーザL2が照射された部分のみに精度の高い仕上げ加工を施すことができる。
また、第2のレーザL2のレーザ強度は、仕上げ加工を行う焼結層52の厚み分の深さまで加工を行うことができる程度に設定され、第2のレーザL2の照射スポットの径は、第1のレーザL1の照射スポットの径と比較して、極小さい大きさに設定される。これにより、既に造形済みの造形物に影響を与えることなく、所望の焼結層のみに第2のレーザL2を照射して仕上げ加工を行うことができる。
また、レーザ照射によって焼結層の側面の仕上げ加工を行うため、従来のように、切削装置を駆動させて側面の仕上げ加工を行う必要がない。さらに、レーザ照射による側面の仕上げ加工に要する時間は非常に短い。従って、従来と比較して、造形物の造形工程における焼結層の側面の仕上げ加工に要する時間を大幅に短縮することができる。
また、焼結層の側面の仕上げ加工を行う切削装置が不要となるため、本機1を小型化および軽量化することができる。さらに、造形槽1A内に切削装置の移動領域を確保する必要がないため、造形槽1A内の空間をより効率良く使用することができる。これにより、容量を抑えた小型の装置でありながら、相応の大きさの造形物を製造することができる。
また、レーザ照射装置5は、造形テーブル2Aの中心部直上に配置されている。従って、鉛直方向から見たときのレーザ照射装置5から各照射位置までの距離のばらつきを小さくすることができる。これにより、照射スポットの形状変化を抑えることができるため、レーザ照射位置の位置ずれ、或いは、照射スポットの広範囲化による照射エネルギーの低下などの問題を防止することができる。
また、焼結層の側面の仕上げ加工を行う前に、粉末吸引部3Bを稼働させた状態で、リコータヘッド3を待機位置から初期位置に移動させて、材料粉末に埋もれた焼結層の側面がすべて露出するように、材料粉末を吸引して除去する。これにより、仕上げ加工を行う焼結層の側面近傍から材料粉末が除去された状態で仕上げ加工を行うことができる。従って、焼結層近傍の材料粉末に第2のレーザL2が照射されることを防止し、所望の焼結層のみに確実に第2のレーザL2を照射して側面の仕上げ加工を行うことができる。
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態や実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。
本実施形態では、材料貯蓄箱に設けられた粉末供給口は、リコータヘッド3が初期位置から待機位置に移動する際に開口し、待機位置から初期位置に移動する前に閉口すると記載したが、粉末供給口を開閉させる機構を設けることなく、常に開口した構成であっても構わない。この場合、リコータヘッド3が待機位置から初期位置に移動する際、粉末吸引部3Bは、粉末層形成部3Aの材料貯蓄箱から供給される材料粉末も含めて、材料粉末を吸引する。
また、本実施形態では、仕上げ加工によって造形物のサイズが小さくなることを防止するために、第2のレーザL2の照射スポットの径を極小さく設定し、図6の斜線で示す焼結層52を形成する際に第1のレーザL1が照射された照射領域Rの輪郭に沿って、フェムト秒レーザである第2のレーザL2を焼結層52に照射する場合について記載したが、第2のレーザL2の照射スポットの径および焼結層の側面の仕上げ加工を行う際に第2のレーザL2を照射する軌跡は、この限りではない。例えば、各粉末層毎に設定される照射領域の輪郭からの余剰焼結部の飛び出し量の平均値を実験的に算出し、当該平均値を第2のレーザL2の照射スポットの半径に設定し、仕上げ加工を行う焼結層を形成する際に第1のレーザL1が照射された照射領域の輪郭よりも照射スポットの中心が照射スポットの半径分だけ外側を通るように、仕上げ加工を行う際の第2のレーザL2の軌跡を設定しても構わない。
また、本実施形態では、上層に進むに連れて焼結層の幅が小さくなるテーパ形状の側面を有する造形物を造形する場合について記載したが、例えば、上層に進むに連れて焼結層の幅が大きくなるオーバーハング形状の側面を有する造形物、或いは、テーパ形状とオーバーハング形状の両方の側面を有する造形物を造形する際にも同仕上げ加工を行っても構わない。
また、本実施形態では、焼結層の外周面のみに仕上げ加工を行う場合について記載したが、例えば、内部空間を有する造形物を造形する場合には、所定の焼結層に上記内部空間に対応する孔が形成される。この場合、焼結層の外周面に加えて、当該孔の内壁に対しても同様の仕上げ加工を行っても構わない。
また、本実施形態では、焼結層を一層形成する度に、側面の仕上げ加工を行う場合について記載したが、例えば、得られる造形物の形状精度が保持される範囲内であれば、複数の焼結層毎に同仕上げ加工を行っても構わない。この場合、第2のレーザの照射位置は、例えば、複数の焼結層の厚み方向中央部に位置する焼結層を形成する際の第1のレーザL1の照射領域の輪郭位置に設定される。また、第2のレーザL2のレーザ強度は、仕上げ加工を行う複数の焼結層の厚み分程度の深さまで加工を行うことができる程度に設定される。
1 積層造形装置
2A 造形テーブル
3 リコータヘッド
3A 粉末層形成部
3B 材料粉末吸引部
5 レーザ照射装置
6 数値制御装置
20 レーザ制御装置
50 造形物
51 粉末層
52 焼結層
52a 余剰焼結部
L1 第1のレーザ
L2 第2のレーザ
R 照射領域

Claims (3)

  1. 造形テーブルと、
    前記造形テーブル上を水平一軸方向に往復移動して金属の材料粉末を供給するとともに平坦化して粉末層を形成するリコータヘッドと、
    第1のレーザを発振する第1のレーザ光源を備えた第1のレーザ発振部と、第2のレーザを発振する第2のレーザ光源を備えた第2のレーザ発振部とを有し、所望の三次元形状を有する造形物のソリッドデータに基づき各粉末層毎にそれぞれ設定されるレーザ照射領域に前記第1のレーザを照射して焼結層を形成するとともに、各焼結層を形成する際に前記第1のレーザが照射されたレーザ照射領域の輪郭に沿って、前記第2のレーザを当該焼結層に照射し、すべての焼結層の側面の仕上げ加工を行うレーザ照射部と、
    を備え、
    前記レーザ照射部から照射される前記第2のレーザは、フェムト秒レーザであることを特徴とする積層造形装置。
  2. 前記レーザ照射部は、前記造形テーブルの直上に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の積層造形装置。
  3. 焼結層の側面の仕上げ加工前に前記造形テーブル上を移動し、少なくとも当該焼結層の側面近傍の材料粉末を吸引して除去する粉末吸引部をさらに備えていることを特徴とする請求項1または2に記載の積層造形装置。
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