JP6283554B2 - 三次元積層造形装置 - Google Patents

Description

粉末材料層の所定の領域を凝固させて形成する凝固層の形成を複数層繰り返すことにより、三次元構造の造形物を形成する三次元積層造形装置に関する。

従来の三次元積層造形装置の造形方法としては、例えば粉末材料を粉末台であるステージの上面に一層毎に敷き詰める。次に、ステージ上に敷き詰められた粉末材料に対し、造形物の一断面に相当する二次元構造部だけを電子ビームやレーザからなる溶融機構で溶融する。そして、そのような粉末材料の層を一層ずつ高さ方向（Ｚ方向）に積み重ねることにより造形物を形成している。

次に、従来の三次元積層造形装置の一例について、図１０を参照して説明する。図１０は、従来の三次元積層造形装置の一例を示す概略構成図である。

図１０に示すように、三次元積層造形装置２００は、造形処理を行う中空の処理室２０２と、処理室２０２内に配置されたステージ２０４と、ステージ２０４上面に粉末材料を吐出する吐出ヘッド２２１を有している。また、三次元積層造形装置２００は、粉末材料を貯蔵する粉末貯蔵庫２２５と、粉末貯蔵庫２２５と吐出ヘッド２２１とを連通する搬送パイプ２２６と、搬送パイプ２２６とを介して粉末貯蔵庫２２５から吐出ヘッド２２１に粉末材料を搬送する不図示の粉末搬送機構と、を有している。

また、吐出ヘッド２２１は、第１のガイド部２２３と、第２のガイド部２２４とによってステージ２０４の一面と平行をなす方向に移動可能に支持されている。

そして、粉末搬送機構により搬送パイプ２２６を介して粉末貯蔵庫２２５から吐出ヘッド２２１に粉末が搬送される。次に、吐出ヘッド２２１は、第１のガイド部２２３及び第２のガイド部２２４によって、ステージ２０４の一面と平行をなす方向に移動する。そして、吐出ヘッド２２１からステージ２０４の一面に粉末材料が吐出されることで、ステージ２０４の一面に粉末材料が敷き詰められる。

また、特許文献１には、平板状の規制部材を、造形物を形成する造形枠の上面において水平方向に移動させて、ステージの上面に粉末材料を搬送すると共に、粉末材料全体が一定の厚みとなるようにステージの上面に敷き詰める技術が開示されている。

特開２００１−１５２２０４号公報

しかしながら、図１０に示す三次元積層造形装置２００では、粉末貯蔵庫２２５と吐出ヘッド２２１を連通する搬送パイプ２２６内に粉末材料が詰まるおそれがあり、安定して吐出ヘッド２２１からステージ２０４に粉末材料を吐出することができなくなる、という問題を有していた。

そこで、本発明は、安定して粉末材料をステージに供給することができる三次元積層造形装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の三次元積層造形装置は、表面に造形物を形成するための粉末材料が供給されるステージと、ステージに粉末材料を敷き詰める粉末供給ユニットとを備える。粉末供給ユニットは、粉末材料を収容し、粉末材料をステージに排出する粉末カートリッジであって、断熱構造を有する粉末カートリッジと、粉末カートリッジを着脱可能に保持する保持機構とを備える。

本発明の三次元積層装置では、粉末カートリッジが断熱構造を有するため、粉末カートリッジ内部に収容された粉末材料の温度が適正に維持される。

本発明によれば、安定して粉末材料をステージに供給することができる三次元積層造形装置を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る三次元積層造形装置を上面から見た場合の概略平面図（その１）である。 本発明の第１の実施形態に係る三次元積層造形装置を上面から見た場合の概略平面図（その２）である。 粉末供給ユニットの要部を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る三次元積層造形装置の制御系を示すブロック図である。 カートリッジ格納庫の断面構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図である。 変形例に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図である。 従来の三次元積層造形装置の一例を示す概略構成図である。

以下に、本発明の実施形態に係る三次元積層造形装置の一例を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。

〈１．第１の実施形態：三次元積層造形装置〉
［１−１．三次元積層造形装置の全体構成］
まず、本発明の第１の実施形態に係る三次元積層造形装置について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す図である。

図１に示す三次元積層造形装置１は、例えば、チタン、アルミニウム、鉄等の金属粉末Ｐに電子ビームＬ１を照射して金属粉末Ｐを溶融させ、この溶融した金属粉末Ｐが凝固した層を積み重ねて立体的な造形物Ｍを形成する装置である。

三次元積層造形装置１は、中空の処理室２と、造形枠３と、平板状のステージ４と、ステージ駆動機構５と、粉末供給ユニット７と、電子銃８と、カートリッジ格納庫９とを有している。ここで、ステージ４の一面と平行をなす方向を第１の方向Ｘ１とし、第１の方向Ｘ１と直交し、かつステージ４の一面と平行をなす方向を第２の方向Ｙ１とする。また、ステージ４の一面と直交する方向を第３の方向Ｚ１とする。

処理室２には、図示していない真空ポンプが接続されている。そして、処理室２内の雰囲気が真空ポンプにより排気されることで、処理室２内は、真空に維持されている。この処理室２内には、造形枠３、ステージ４、ステージ駆動機構５及び粉末供給ユニット７が設けられている。また、処理室２の第１の方向Ｘ１の一側には、カートリッジ格納庫９が連接している。処理室２の第３の方向Ｚ１の一側には、電子銃８が装着されており、第３の方向Ｚ１の他側には、造形枠３が配置されている。

造形枠３には、第３の方向Ｚ１に沿って一方から他方にかけて貫通するピット３ａが形成されている。ピット３ａは、略四角柱状に開口している。また、完成した造形物Ｍを取り出せるようにするために、造形枠３におけるピット３ａの外周面の一部は、開放可能に構成されている。

造形枠３におけるピット３ａには、ステージ４及びステージ駆動機構５が配置されている。ステージ４は、造形物Ｍを形成するための金属粉末Ｐが積層される粉末台である。また、ステージ４の側端部には、耐熱性及び柔軟性のある摺動部材１３が設けられている。摺動部材１３は、ピット３ａの壁面に摺動可能に接触している。そして、摺動部材１３により、ステージ４における第３の方向Ｚ１の一方の空間と他方の空間が密閉されている。

また、ステージ４における金属粉末Ｐが積層される一面（以下、表面４ａとする）と反対側の他面には、軸部４ｄが設けられている。軸部４ｄは、ステージ４の他面から第３の方向Ｚ１の他方に向けて突出している。軸部４ｄは、ピット３ａに収容されたステージ駆動機構５に接続されている。ステージ駆動機構５は、軸部４ｄを介してステージ４を第３の方向Ｚ１に沿って駆動する。ステージ駆動機構５としては、例えば、ラック＆ピニオンやボールねじ等が挙げられる。

電子銃８は、処理室２の第３の方向Ｚ１の一側において、ステージ４の表面４ａに対向して配置される。電子銃８は、予め準備された設計上の造形物（三次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データにより表された造形物）をΔＺ間隔でスライスした２次元形状に従い、ステージ４表面の金属粉末Ｐに対して電子ビームＬ１を出射する。電子銃８から出射された電子ビームＬ１により、その２次元形状に対応する領域の金属粉末Ｐが溶融する。

また、図１では図示を省略するが、処理室２の内部には、ステージ４に敷き詰められた金属粉末Ｐからなる層の表面温度を検出できる外部温度検出部１７（図５参照）が設けられている。外部温度検出部１７は、ステージ４に敷き詰められた金属粉末Ｐの表面温度を検出し、その検出信号を制御部３０（図５参照）に送る。後述する粉末カートリッジ２１の外周面に設けられた反射膜３４（図４参照）における温度は、ステージ４に敷き詰められた金属粉末Ｐからの輻射熱によって決まる。このため、金属粉末Ｐの温度を検出することより、粉末カートリッジ２１の外周面の温度を決定することができる。

また、造形枠３に対して第３の方向Ｚ１の一方には、造形枠３から所定の間隔を開けて粉末供給ユニット７が配置されている。

［１−２.粉末供給ユニット］
次に、図１〜図５を参照して、粉末供給ユニット７の詳細な構成について説明する。図２及び図３は、三次元積層造形装置１を上面から見た場合の概略平面図である。また、図４は、粉末供給ユニット７の要部を示す断面図である。さらに、図５は、三次元積層造形装置１の制御系を示すブロック図である。

図２及び図３に示すように、粉末供給ユニット７は、粉末カートリッジ２１と、保持機構２２と、一対の第１のガイド部２３と、第２のガイド部２４とを有している。一対の第１のガイド部２３と、第２のガイド部２４によって移動機構が構成される。

一対の第１のガイド部２３は、ステージ４を間に挟んで第２の方向Ｙ１の両側に配置されている。また、一対の第１のガイド部２３は、第１の方向Ｘ１に沿って処理室２内に延在している。一対の第１のガイド部２３には、第２のガイド部２４が第１の方向Ｘ１に移動可能に支持されている。

第２のガイド部２４は、一対の第１のガイド部２３の間で、第２の方向Ｙ１に沿って延在している。第２のガイド部２４は、Ｘ方向駆動部１０（図５参照）に電気的に接続されており、Ｘ方向駆動部１０によって第１の方向Ｘ１に移動する。また、第２のガイド部２４には、保持機構２２が第２の方向Ｙ１に移動可能に支持されている。そして、保持機構２２には、粉末カートリッジ２１が着脱可能に保持されている。

〔粉末カートリッジ〕
図４に示すように、粉末カートリッジ２１は、金属粉末Ｐを収容する容器２０であって、熱伝導率の異なる素材からなる４層構造を有する容器２０と、容器２０の先端に設けられたシャッター部２７と、容器２０に収容された金属粉末Ｐを攪拌するための攪拌部２９とを備える。

容器２０は、容器本体３１と、容器本体３１の外周面に順に設けられた断熱層３２、断熱冷却層３３、反射膜３４とを有して構成されている。容器本体３１は、内部に金属粉末Ｐを収容可能な中空の部材で構成され、本実施形態では、金属粉末Ｐをステージに向けて排出するための排出口３１ａを有する筒状の部材で構成されている。容器本体３１の排出口３１ａ側の内壁面は排出口３１ａに向かって内径が狭まるようなテーパ形状に構成されている。容器本体３１は、後述する第１冷却機構４８（図５参照）により容器本体３１内部に収容された金属粉末Ｐの温度管理を行うため、熱伝導率が良好な材料で構成することができ、本実施形態ではヤング率の高い燐青銅素材を用いて構成した。また、容器本体３１の内壁面には、ＤＬＣ（diamond‐like carbon）が成膜されている。これにより、容器本体３１と金属粉末Ｐとの機械的干渉を防ぐことができ、金属粉末Ｐによる容器本体３１の内壁面の研磨を防止することができる。そして、容器本体３１の排出口３１ａとは反対側の開口端には攪拌部２９の軸受け３９が設けられている。

そして、この容器本体３１には、ステージ４に敷き詰める一層分、あるいは複数層分の金属粉末Ｐが収容されている。

また、図４では図示を省略するが、容器本体３１には、容器本体３１の温度を検出できる内部温度検出部１６（図５参照）が設けられている。内部温度検出部１６は、容器本体３１の温度を検出し、その検出信号を制御部３０（図５参照）に送る。内部温度検出部１６は、例えば、容器本体３１の熱抵抗を測定することによって容器本体３１の温度を検出する構成を採ることができる。そして、容器本体３１は、内部温度検出部１６で検出された温度に基づいて後述する第１冷却機構４８により冷却される。

断熱層３２は、容器本体３１の外側に設けられており、容器本体３１よりも熱伝導率が低い材料で構成される。断熱層３２を容器本体３１よりも熱伝導率の低い材料で構成することにより、容器本体３１のみで容器２０を構成する場合に比較し、熱抵抗を大きくすることができる。断熱層３２を設け容器２０の熱抵抗を大きくすることにより、ステージ４表面に敷き詰められた金属粉末Ｐからの輻射熱による容器本体３１内部の温度上昇を抑制することができる。本実施形態では、断熱層３２は、耐熱性と強度に優れ、非磁性及び低熱伝導率であるチタンを用いて構成した。

断熱冷却層３３は、断熱層３２の外側に設けられており、後述する第２冷却機構４９を用いて排熱するため、面方向の熱伝導率が厚み方向の熱伝導率よりも大きい異方性熱伝導率を有する材料で構成される。本実施形態では、断熱冷却層３３は、高配向性グラファイトシート素材を用いて構成した。高配向性グラファイトシート素材は、面方向の熱伝導率が２５０〜３００Ｗ／ｍ・ｋであるのに対し、厚み方向の熱伝導率が５〜１０Ｗ／ｍ・ｋである特性を有しており、面方向に伝達される熱と厚み方向に伝達される熱の割合は約５０：１である。したがって、断熱冷却層３３に発生した熱を効率良く面方向に伝達し、後述する第２冷却機構４９によって排熱することができる。本実施形態では、断熱冷却層３３として高配向性グラファイトシート素材を用いる構成としたが、その他、熱伝導異方性を有する材料として、カーボンナノシートや、カーボン繊維を熱伝導方向に編むことで得られるシート素材を用いることができる。

反射膜３４は、断熱冷却層３３の外側に設けられており、ステージ４表面に敷き詰められた金属粉末Ｐからの輻射熱を反射する材料で構成される。本実施形態では、断熱冷却層３３に用いた高配向性グラファイトシート素材は黒体であり熱吸収が大きいが、反射膜３４を設けることによりステージ４側からの輻射熱を反射することができるので、容器２０の輻射加熱を抑制することができる。本実施形態では、断熱冷却層３３の外周面に、アルミニウム及び金からなる被膜を厚膜コーティングすることによって反射膜３４を形成し、波長λ＝１〜２０μｍの熱波を反射させることができる構成とした。

また、シャッター部２７は、容器２０の排出口３１ａを開閉可能に覆い、図５に示すように、シャッター駆動部２８により開閉動作が為される。シャッター部２７を駆動するシャッター駆動部２８は、例えば後述する保持機構２２の内部に設けられ、第２のガイド部２４に設けられた接続端子（図示を省略する）を介して、制御部３０（図５参照）に接続されている。

攪拌部２９は、回転軸３７と、回転軸３７の先端に設けられた回転翼３６と、回転軸３７の回転翼３６が設けられた側とは反対側に設けられた接続部４０とを有する。回転軸３７は、軸受け３９の中央部に設けられた軸受け孔３９ａに軸受け３８を介して回転可能に支持され、容器本体３１の内部に挿入されている。回転翼３６は、回転軸３７の排出口３１ａ側の一端に固定されており、排出口３１ａの近傍に配置されている。回転翼３６は、ほぼ円錐状に形成されており、複数の翼が放射状に設けられている。回転軸３７の回転翼３６が固定される側とは反対側の端部は、軸受け３９の上方に突出し、その突出した回転軸３７の端部に接続部４０が設けられている。接続部４０は、後述する保持機構２２のもう一方の接続部４３に接続されている。

〔保持機構〕
次に、粉末供給ユニット７を構成する保持機構２２について説明する。保持機構２２は、容器２０を着脱する保持部４５と、容器本体３１の温度を冷却する第１冷却部４１と、断熱冷却層３３に接続される第２冷却部４２と、攪拌部２９に接続される回転駆動部４４とを備える。

保持部４５は、第２のガイド部２４の図示を省略するガイドレール部に係合するレール係合部（図示を省略する）を有して構成されており、第２のガイド部２４に設けられた接続端子（図示を省略する）を介して、粉末供給ユニット７の外部に設けたＹ方向駆動部１１（図５参照）に電気的に接続されている。

第１冷却部４１は、容器本体３１と熱接触しており、第２のガイド部２４に設けられた第１熱伝達部材４６を介して処理室２外部に設けられた第１冷却装置１４（図５参照）に接続されている。第１冷却部４１は熱伝達が可能な部材で構成され、例えば、内部をオイルなどの冷媒が循環する冷却管を用いて構成することができる。なお、第１冷却装置１４と第１冷却部４１とを接続する第１熱伝達部材４６としては、第１冷却装置１４と第１冷却部４１との間で熱伝達が可能な部材であればよく、例えば、高配向性グラファイトシートを用いることができる。第１冷却部４１は、制御部３０の制御のもと、後述する第１冷却装置１４によって所定の温度に冷却される。

第２冷却部４２は、断熱冷却層３３と熱接触しており、第２のガイド部２４に設けられた第２熱伝達部材４７を介して処理室２外部に設けられた第２冷却装置１５（図５参照）に接続されている。第２冷却部４２は、保持機構２２内部において、第１冷却部４１と空間を介して断熱されている。第２冷却部４２は、第１冷却部４１と同様、熱伝達が可能な部材で構成され、例えば、内部をオイルなどの冷媒が循環する冷却管を用いて構成することができる。なお、第２冷却装置１５と第２冷却部４２とを接続する第２熱伝達部材４７としては、例えば、高配向性グラファイトシートを用いることができる。第２冷却部４２は、制御部３０の制御のもと、後述する第２冷却装置１５によって所定の温度に冷却される。

回転駆動部４４は、接続部４３を介して粉末カートリッジ２１の攪拌部２９に設けられた接続部４０に接続されている。回転駆動部４４は、図示を省略する配線を介して制御部３０（図５参照）に接続されている。図５に示すように、回転駆動部４４は、制御部３０の制御のもと攪拌部２９を回転駆動する。これにより、容器２０内部に収容された金属粉末Ｐが攪拌される。本実施形態では、回転駆動部４４による攪拌部２９の攪拌動作と、シャッター部２７の開閉動作により、金属粉末Ｐの吐出量を制御することができる。

〔制御系〕
図５に示すように、制御部３０は、粉末供給ユニット７を構成する各駆動部や、第１及び第２冷却装置１４，１５を制御するものであり、処理室２の外部に設けられ、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）で構成されている。

制御部３０は、シャッター駆動部２８、回転駆動部４４、Ｘ方向駆動部１０、Ｙ方向駆動部１１に接続されており、各駆動部は、制御部３０による制御のもと各部を駆動する。また、制御部３０は、内部温度検出部１６から送られてきた検出信号に基づいて第１冷却装置１４を制御することにより、第１冷却部４１の温度制御を行い、容器本体３１の温度が最適な値になるように制御する。同様に、制御部３０は、外部温度検出部１７から送られてきた検出信号に基づいて第２冷却装置１５を制御することにより第２冷却部４２の温度制御を行い、断熱冷却層３３を冷却して（断熱冷却層３３の熱を排熱して）容器本体３１の外側の温度が最適な値になるように制御する。

第１冷却装置１４としては、冷却ファンなどの熱交換器を用いることができる。本実施形態では、図５に示すように、第１冷却部４１及び第１冷却装置１４により第１冷却機構４８が構成されている。また、第２冷却装置１５としては、冷却ファンなどの熱交換器を用いることができる。本実施形態では、図５に示すように、第２冷却部４２及び第２冷却装置１５により第２冷却機構４９が構成されている。

第１冷却機構４８により容器本体３１を冷却することで、容器本体３１の内部の温度上昇を防ぐことができ、金属粉末Ｐが容器本体３１内部で変質したり固まったりするのを防ぐことができる。また、第２冷却部４２により容器本体３１の外周部に設けられた断熱冷却層３３の熱を外部に排熱することで、ステージ４側から受ける熱による粉末カートリッジ２１の温度上昇を防止することができる。このように、本実施形態では、第１及び第２冷却機構４８，４９による２重冷却機構によって、ステージ４表面、及び、ステージ４表面に敷き詰められた金属粉末Ｐの層と、粉末カートリッジ２１との間に大きな熱抵抗を持たせ、粉末カートリッジ２１内の金属粉末Ｐの発熱を防止することができる。

〔カートリッジ格納庫〕
図６は、カートリッジ格納庫９の断面図である。図６に示すように、カートリッジ格納庫９には、金属粉末Ｐが充填された新たな粉末カートリッジ２１が複数格納されている。カートリッジ格納庫９では、複数の粉末カートリッジ２１が、回転するベルト６０の把持部６１に把持され、互いに離間して保持されている。また、カートリッジ格納庫９の内壁面には断熱壁１８が設けられている。これにより、カートリッジ格納庫９に一時的に格納された粉末カートリッジ２１の内部に収容された金属粉末Ｐの変質や排出口３１ａでの詰まりを防止することができる。なお、カートリッジ格納庫９は図示しない冷却装置によって冷却されている。

カートリッジ格納庫９における処理室２側には、粉末カートリッジ２１を排出する交換窓１２が形成されており、交換窓１２の位置で、粉末カートリッジ２１が保持機構２２の保持部４５に受け渡される。交換窓１２には図示しない交換扉が取り付けられており、カートリッジ交換時にこの交換扉が開けられる。交換扉のカートリッジ格納庫９側には、断熱壁が設けられている。粉末カートリッジ２１を交換窓１２の位置で保持機構２２に受け渡した後、ベルト６０が回転することで、次に受け渡される粉末カートリッジ２１が交換窓１２の位置に配置される。また、カートリッジ格納庫９の近傍には、図示を省略するカートリッジ回収庫が設けられている。カートリッジ回収庫には、金属粉末Ｐを使用済み粉末カートリッジ２１が排出される。

なお、カートリッジ回収庫に回収された使用済み粉末カートリッジ２１に新たに金属粉末Ｐを充填することで、使用済み粉末カートリッジ２１を再利用することができる。また、使用済み粉末カートリッジ２１内に残留する金属粉末Ｐも再利用することができる。

［１−３．三次元積層造形装置の動作］
次に、図１〜図６を参照して上述した構成を有する三次元積層造形装置１の動作について説明する。

まず、図１に示すように、ステージ駆動機構５により、造形枠３の上面より第３の方向Ｚ１にΔＺ分下がった位置にステージ４を配置する。このΔＺが、その後に敷き詰められる金属粉末Ｐの第３の方向Ｚ１の層厚に相当する。

次に、図示を省略するヒータにより造形枠３の筒状体３ａの予備加熱を行う。造形枠３の筒状体３ａが予備加熱されることにより、ステージ４及び周囲の雰囲気が予備加熱される。なお、予備加熱は、電子ビームＬ１を照射することによって行ってもよい。電子ビームＬ１によって予備加熱する場合には、ステージ４の表面が均一な温度になるように電子ビームＬ１を二次元面内で走査しながら照射する。

次に、粉末供給ユニット７により、厚さΔＺ分の金属粉末Ｐをステージ４の一面に敷き詰める。具体的には、図２を示すように、第１のガイド部２３及び第２のガイド部２４に沿って保持機構２２及び粉末カートリッジ２１をステージ４の第３の方向Ｚ１の他方に移動させる。そして、制御部３０の制御のもと、シャッター駆動部２８を駆動することにより、図４に示すように、粉末カートリッジ２１のシャッター部２７を開放させる。これにより、粉末カートリッジ２１に収容された金属粉末Ｐが、排出口３１ａからステージ４の表面４ａに排出される。

そして、粉末カートリッジ２１から金属粉末Ｐを排出させると同時に、制御部３０の制御のもと、回転駆動部４４を駆動させることにより攪拌部２９を回転駆動する。これにより、粉末カートリッジ２１に収容された金属粉末Ｐが攪拌され、金属粉末Ｐは排出口３１ａ付近で詰まることなく安定してステージ４側に排出される。金属粉末Ｐがステージ４の表面４ａに排出された後、図示を省略するブレードによりステージ４上の金属粉末Ｐの層を平坦になるように均す。

次に、図１に示すように、金属粉末Ｐに対して電子銃８から電子ビームＬ１を出射する。電子銃８は、予め準備された設計上の造形物（三次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データにより表された造形物）をΔＺ間隔でスライスした２次元形状に従い、金属粉末Ｐに対して電子ビームＬ１を出射する。電子銃８から出射された電子ビームＬ１により、その２次元形状に対応する領域の金属粉末Ｐが溶融する。

次に、溶融した金属粉末Ｐは、材料に応じた所定時間が経過すると凝固し一層分の凝固層が形成される。１層分の金属粉末Ｐが溶融及び凝固した後、ステージ駆動機構５によりステージ４をΔＺ分下げる。このステージ４の第３の方向Ｚ１への動きは、摺動部材１３が造形枠３のピット３ａの内面を滑ることにより実現される。

次に、再び粉末供給ユニット７によって、粉末カートリッジ２１をステージ４の第３の方向Ｚ１の一方へ移動させ、ΔＺ分の金属粉末Ｐを直前に敷き詰められた層（下層）の上に敷き詰める。その後、電子銃８から出射される電子ビームＬ１により、その層に相当する２次元形状に対応する領域の金属粉末Ｐを溶融させる。このとき、溶融した金属粉末同士が接合すると共に、一層目の凝固層とも一体となって凝固し、二層分の凝固層が形成される。このように、ステージ４を下げ、ステージ４上に金属粉末Ｐを供給し、その金属粉末Ｐを溶融及び凝固させる工程を繰り返すことで、三次元の造形物Ｍが形成され、三次元積層造形装置１の動作が完了する。

ここで、収容している金属粉末Ｐを全て排出した使用済み粉末カートリッジ２１は、図示を省略するカートリッジ回収庫に回収される。

次に、保持機構２２は、カートリッジ格納庫９の交換窓１２からカートリッジ格納庫９内に挿入し、金属粉末Ｐが充填された新たな粉末カートリッジ２１を保持する。カートリッジ格納庫９から粉末カートリッジ２１が保持機構２２へ受け渡されると、カートリッジ格納庫９では、ベルト６０が回転することにより、次に保持機構２２に保持される粉末カートリッジ２１がカートリッジ格納庫９における受け取り位置に待機する。

本実施形態の三次元積層造形装置１によれば、造形物Ｍを形成する金属粉末Ｐを一層分、あるいは複数の層分に分けて、複数の粉末カートリッジ２１に収容している。これにより、金属粉末Ｐを搬送する搬送パイプを設ける必要がないため、金属粉末Ｐが搬送パイプ内に詰まる問題がなく、常に安定して金属粉末Ｐをステージ４に供給することができる。

ところで、本実施形態のように、真空の処理室２で金属粉末Ｐを処理する場合、大気圧下で不活性ガスを導入した処理室２で金属粉末Ｐを処理する場合に比較して、不活性ガスの対流による金属粉末Ｐからの放熱の影響はなくなる。このため、真空下における金属粉末Ｐの溶融温度は、バルク金属の溶融温度の１／２程度となる。したがって、真空下においては、大気圧下に比較してより低い温度の光線エネルギーによる金属粉末Ｐの溶解が可能になる。しかしながら、図１０に示した従来の三次元積層造形装置２００において、処理室２０２内を真空にした場合、搬送パイプ２２６内においても、同様の作用によって金属粉末の溶融温度が下がる。このため、輻射熱の影響によって搬送パイプ２２６内における粉体安定性が損なわれる可能性は残る。

これに対し、本実施形態では、粉末カートリッジ２１を構成する容器２０は、熱伝導率の異なる素材で構成された４層構造で構成され、容器本体３１の外周面に断熱層３２及び断熱冷却層３３が配置された断熱構造を有する。これにより、容器本体３１の内部が輻射熱の影響で加熱されるのを防ぐことができる。また、本実施形態では、容器本体３１は第１冷却機構４８により冷却可能に構成されているので、容器本体３１の内部に収容された金属粉末Ｐが加熱されて固まるのを防ぐことができる。さらに、本実施形態では、容器本体３１の外周に設けられた断熱冷却層３３は第２冷却機構４９により冷却可能に構成されているので、輻射熱が容器本体３１に伝達しにくく、容器本体３１が輻射熱によって加熱されるのを防ぐことができる。

さらに、造形物Ｍを造形するために必要な金属粉末Ｐを複数の粉末カートリッジ２１に少量ずつ小分けして管理することができる。すなわち、金属粉末Ｐの保存及び管理を容易にすることができる。さらに、金属粉末Ｐが無駄になることを防ぐことができる。

〈２．第２の実施形態：ドーム型の処理室を有する三次元積層造形装置〉
次に、本発明の第２の実施形態に係る三次元積層造形装置について説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る三次元積層造形装置７０の概略構成図である。本実施形態の三次元積層造形装置７０は、処理室７１の構成と、金属粉末を溶融するエネルギービーム発生装置としてレーザ光源７７を用いる点で、第１の実施形態と異なる。図７において、図１に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。

本実施形態では、図７に示すように、処理室７１は、ステージ４の金属粉末Ｐが積層される表面に対向する処理室７１上部の内壁面がドーム形状に湾曲した形状を有する。すなわち、処理室７１のステージ４の表面に対向する処理室７１上部の内壁面は、中央部から側周部にかけてステージ４側に湾曲した球面形状を有している。また、処理室２上部の所定の位置には、エネルギービーム透過窓７４、熱線入射窓７５、温度検出窓７６が設けられ、それぞれ、処理室７１の一部に開口部を設け、この開口部を塞ぐように透過部材を嵌め込むことで構成されている。

また、処理室７１上部の内壁面には、壁面断熱冷却層７２、壁面反射膜７３が内壁面側からこの順に設けられている。壁面断熱冷却層７２は、粉末カートリッジ２１を構成する断熱冷却層３３と同様の材料で構成することができ、壁面反射膜７３は、粉末カートリッジ２１を構成する反射膜３４と同様の材料で構成することできる。壁面断熱冷却層７２は、図示を省略する冷却装置に熱接触されており、第２冷却装置１５と同様に制御部３０によって制御されることで、冷却され所定の温度に維持される。

また、処理室７１には、図示していない真空ポンプが接続されている。そして、処理室７１内の雰囲気が真空ポンプにより排気されることで、処理室７１内は、真空に維持されている。

処理室７１の外側には、レーザ光源７７、熱線発生装置７８及び温度検出装置７９が配置されている。レーザ光源７７から出射されたレーザ光はエネルギービーム透過窓７４を透過してステージ４の表面に照射される。また、熱線発生装置７８は、ステージ４の表面４ａに敷き詰められた金属粉末Ｐの層の表面を加熱する熱線を照射するものであり、熱線発生装置７８から出射された熱線は熱線入射窓７５を透過してステージ４の表面４ａに照射される。また、温度検出装置７９は、例えばＩＲカメラ等の２次元平面の温度計測が可能な装置で構成されており、温度検出窓７６を介してステージ４の表面４ａに敷き詰められた金属粉末Ｐの表面温度を検出する。

本実施形態では、ステージ４の表面４ａに金属粉末Ｐを敷き詰めた後、処理室７１の外側に設けられた熱線発生装置７８から熱線を出射し、ステージ４の表面４ａに敷き詰められた金属粉末Ｐの表面において二次的に走査することで金属粉末Ｐの予備加熱を行う。その後、第１の実施形態と同様にしてステージ４の表面４ａに造形物Ｍを作成していく。

ところで、造形物Ｍを形成する粉末材料として無機物(金属等)を用いる場合、溶解温度と再結合温度とに温度差がある。これにより、金属粉末Ｐの溶融部分と、その下層に位置する前段で形成された凝固層との間に大きな温度差が生じ、形成される造形物Ｍに歪みが発生する。このため、従来の三次元積層造形装置では、ヒータや、熱線によってステージ上に敷き詰められた金属粉末を予備加熱し、溶融部分とその下層の凝固層との温度差による加工歪みを防止する構成が採られる。しかしながら、ステージ表面を予備加熱する場合、処理室が輻射熱の影響を受け、処理室を構成する素材の熱膨張率の範囲内で相対位置ずれが生じ、加工精度の低下を招く。

これに対し、本実施形態では、処理室７１の内壁面に壁面断熱冷却層７２及び壁面反射膜７３を設けることにより、ステージ４の表面４ａに敷き詰められた金属粉末Ｐを予備加熱した場合においても、処理室７１が受ける熱の影響を低減することができる。

また、ヒータによってステージ４近傍を加熱してステージ４の表面４ａに敷き詰められる金属粉末Ｐを予備加熱する場合、造形物Ｍが大きくなると、ステージ４の表面４ａと金属粉末Ｐの表面の溶融部分との距離が次第に大きくなる。この結果、ステージ４近傍を加熱するヒータで予備加熱を行う場合、溶融部分の金属粉末Ｐが予熱されなくなるという問題がある。また、真空の処理室７１内で加工を行う場合、金属粉末Ｐの表面は真空界面であり、対流による放熱の影響を受けない真空内溶融条件が発生するため、適正に温度管理を行う必要がある。

これに対し、本実施形態では、ステージ４の表面４ａに敷き詰められた金属粉末Ｐの表面の予備加熱は、熱線発生装置７８からの熱線の照射によって行う。このため、サイズの大きな造形物Ｍを形成する場合にも、溶融部分における金属粉末Ｐの予備加熱を行うことができる。さらに、本実施形態では、温度検出装置７９によって、ステージ４の表面に敷き詰められた金属粉末Ｐの表面の温度を適宜検出し、その検出結果に基づいて熱線発生装置７８からの熱線の照射速度や照射強度を制御することで、適正な溶融条件を維持することができる。

さらに、本実施形態のように、造形物Ｍを形成する粉末材料として金属粉末を採用した場合、金属が熱波を反射してしまうため、金属粉末は熱吸収効率が悪く、金属粉末の表面が加熱されにくいという問題がある。

これに対し、本実施形態では、処理室７１のステージ４の表面４ａに対向する内壁面が球面形状であり、かつ、その内壁面に壁面反射膜７３が形成されている。これによって、予備加熱時におけるステージ４に敷き詰められた金属粉末Ｐの表面からの輻射熱がその壁面反射膜７３に反射され、再度ステージ４上に照射される。この結果、ステージ４上に敷き詰められた金属粉末Ｐの表面が壁面反射膜７３によって反射された熱によって再加熱され、金属粉末Ｐの表面の温度の低下を防ぐことができる。これにより、金属粉末Ｐの予備加熱によるエネルギー効率が向上し、省エネルギー加工が可能となる。

［２−１．変形例］
次に、本実施形態の変形例に係る三次元積層造形装置について説明する。図８は、変形例に係る三次元積層造形装置の概略構成図である。変形例に係る三次元積層造形装置８０は、エネルギー発生装置として荷電粒子発生装置８１を用いる点で本実施形態と異なる。図８において、図７に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。

変形例では、金属粉末Ｐを溶融するエネルギービーム発生装置として荷電粒子ビームを出射する荷電粒子発生装置８１が用いられる。荷電粒子発生装置８１は、処理室７１に設けられた開口部８２に装着されている。そして、荷電粒子発生装置８１から照射された荷電粒子ビームは処理室７１の開口部８２を通過してステージ４の表面４ａに敷き詰められた金属粉末Ｐの表面に照射される。

このように、荷電粒子発生装置８１から出射されるエネルギービームによって造形物Ｍを形成する場合には、処理室７１の開口部８２から処理室７１内部にエネルギービームが入射するように荷電粒子発生装置８１を装着する。変形例の三次元積層造形装置８０においても第２の実施形態と同様の動作により、三次元の造形物Ｍが形成される。

変形例のように、金属粉末Ｐを溶解するエネルギービームとして荷電粒子ビームを用いる場合には、荷電粒子ビームにより金属粉末Ｐが帯電を引き起こし、金属粉末Ｐが散逸してしまう恐れがある。このような金属粉末Ｐの帯電を防止するために、変形例の三次元積層造形装置８０では、ステージ４の表面４ａに敷き詰められた金属粉末Ｐの供給電子結合条件が発生する温度まで予備加熱することが好ましい。

変形例に係る三次元積層造形装置８０では、粉末カートリッジ２１の内部での金属粉体Ｐを適正温度に維持することができるので、粉末カートリッジ２１の内部の金属粉末Ｐを凝固させることなく、ステージ４表面の金属粉末Ｐの予備加熱を行うことが可能である。このため、金属粉末Ｐの帯電を防ぐことができる。そして、変形例に係る三次元積層造形装置８０においても第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

ところで、粉末材料として金属粉末を用いた場合、金属粉末の表面に物理結合や化学結合したガスが付着している。減圧下、特に、高真空下で金属粉末を加熱すると、金属粉末とその金属粉末に付着しているガスとの結合エネルギーに応じた温度で、そのガスが金属粉末から分離する。例えば、金属粉末として鉄を用いた場合には粉末表面に酸素が付着している。そして、酸化した鉄を、真空条件下において４５０Ｋに加熱すると、鉄表面から酸素が脱離する還元作用が生じる。そこで、次の実施形態では、脱離ガスの影響を防止することができる三次元積層造形装置について説明する。

〈３．第３の実施形態：三次元積層造形装置〉
図９は、本発明の第３の実施形態に係る三次元積層造形装置の概略構成図である。本実施形態の三次元積層造形装置９０は、処理室７１内に所望のガスを導入する点で第２の実施形態と異なる。図９において、図７に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。

本実施形態の三次元積層造形装置９０は、処理室７１に取り付けられたガス導入部９２と、圧力測定装置９１とを備える。ガス導入部９２は、処理室７１の外部に設けられたガス発生装置（図示を省略する）に接続される接続口９３と、ガスを処理室７１内部に導入するためのガス管９４を有する。また、圧力測定装置９１は、処理室７１内部の圧力を測定可能な装置である。また、三次元積層造形装置９０は、ガス導入部９２から導入される導入ガスの分圧量を制御する制御部（図示を省略する）が設けられており、制御部は、圧力測定装置９１で測定された圧力に基づき処理室７１内の圧力が所定の圧力になるようにガス導入部９２から導入されるガスの分圧量を制御する。

本実施形態では、処理室７１内の圧力を所定の値に維持することができるので、金属粉末Ｐからの脱離ガスによる影響を低減することができる。さらに、本実施形態の三次元積層造形装置９０は、所望のガスを導入することができるので、ガスを用いた造形物Ｍの後処理等を行うことができる。以下では、本実施形態の三次元積層造形装置９０を用い、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）を用いてステンレスの造形物を形成した場合について説明する。

ステンレス素材は、７００〜９００Ｋの温度条件の環境に曝されると、表面の不働体膜が壊れ、錆びやすくなるという「鋭敏化現象」が発生することが知られている。これを防ぐ為、本実施形態ではステンレスからなる造形物Ｍを形成した後、処理室７１内の圧力が一定となる条件で、ガス導入部９２から８００ｐｐｍ〜２．５％（体積％）の水分を含有した不活性ガスを導入しながら、ステージ４の予熱温度を９００〜５００Ｋに低下させる。これにより、ステンレスからなる造形物Ｍの表面に緻密なクロム酸化膜を生成することができる。

このように、本実施形態の三次元積層造形装置９０では、処理室７１内において、ステンレスからなる造形物Ｍが完成された後、続けて、造形物Ｍの表面に緻密な酸化クロム膜を生成できる。これにより、造形物Ｍに対する脱鋭敏化処理を別途行う必要が無い。なお、造形物Ｍ周りの金属粉末Ｐを取り除いてからクロム酸化膜の形成を行うようにしてもよい。

上述した第１〜第３の実施形態では、粉末供給ユニット７は１つの粉末カートリッジ２１を備える構成としたが、複数の粉末カートリッジ２１を備える構成としてもよい。その場合には、例えば、第２のガイド部２４に複数の保持機構２２を第２の方向Ｙ１に沿って移可能に支持し、それらの保持機構２２で粉末カートリッジ２１を保持させる。これにより、ステージ４の表面に複数の粉末カートリッジ２１から粉末材料を供給することができる。

また、粉末供給ユニット７が複数の粉末カートリッジ２１を備える構成とする場合、それぞれの粉末カートリッジ２１に異なる粉末材料を収容させてもよく、また、全て同じ粉末材料を収容させてもよい。

また、上述した第１〜第３の実施形態では、粉末材料として金属粉末を用いる例としたが、その他、樹脂等を用いてもよい。

また、上述した第１〜第３の実施形態では、粉末カートリッジを構成する容器は４層構造としたが、断熱構造を有し、粉末カートリッジ内部に収容された粉末材料の温度を適正に維持できる構成であれば種々の変更が可能である。

また、上述した第１〜第３の実施形態では、粉末カートリッジは攪拌部を有する構成としたが、攪拌部は構成されていなくてもよい。また、粉末カートリッジ２１において、容器２０を振動させる振動機構や、容器本体３１の内部を仕切り、排出口３１ａから排出する粉末材料の量を規制する規制部材等、その他各種の機構を設けてもよい。

１，７０，８０，９０…三次元積層造形装置、２，７１…処理室、３…造形枠、３ａ…ピット、４…ステージ、４ｄ…軸部、５…ステージ駆動機構、７…粉末供給ユニット、８…電子銃、９…カートリッジ格納庫、１０…Ｘ方向駆動部、１１…Ｙ方向駆動部、１２…交換窓、１３…摺動部材、１４…第１冷却装置、１５…第２冷却装置、１６…内部温度検出部、１７…外部温度検出部、２０…容器、２１…粉末カートリッジ、２２…保持機構、２３…第１のガイド部、２４…第２のガイド部、２７…シャッター部、２８…シャッター駆動部、２９…攪拌部、３０…制御部、３１…容器本体、３１ａ…排出口、３２…断熱層、３３…断熱冷却層、３４…反射膜、３６…回転翼、３７…回転軸、４０…接続部、４１…第１冷却部、４２…第２冷却部、４３…接続部、４４…回転駆動部、４５…保持部、４６…第１熱伝達部材、４７…第２熱伝達部材、４８…第１冷却機構、４２…第２冷却機構、６０…ベルト、７０三次元積層造形装置、７２…壁面断熱冷却層、７３…壁面反射膜、７４…エネルギービーム透過窓、７５…熱線入射窓、７６…温度検出窓、７７…レーザ光源、７８…熱線発生装置、７９…温度検出装置、８１…荷電粒子発生装置、８２…開口部、９１…圧力測定装置、９２…ガス導入部、９３…接続口、９４…ガス管

Claims (13)

1. 表面に造形物を形成するための粉末材料が供給されるステージと、
   前記ステージに前記粉末材料を敷き詰める粉末供給ユニットを備え、
   前記粉末供給ユニットは、
   断熱構造を有し、前記ステージに供給する粉末材料を収容する粉末カートリッジと、
   前記粉末カートリッジを着脱可能に保持する保持機構とを備える
   三次元積層造形装置。
2. さらに、粉末カートリッジの内部の温度を制御する制御部を備える
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
3. 前記粉末カートリッジは、内部に粉末材料が収容される容器本体と、前記容器本体の外周部に設けられ、面方向における熱伝導率が厚み方向における熱伝導率よりも大きい異方性熱伝導材料で形成された断熱冷却層とを備える
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
4. 前記粉末カートリッジは、内部に粉末材料が収容される容器本体と、前記容器本体の外周部に設けられ、面方向における熱伝導率が厚み方向における熱伝導率よりも大きい異方性熱伝導材料で形成された断熱冷却層とを備える
   請求項２に記載の三次元積層造形装置。
5. 前記容器本体及び／又は前記断熱冷却層を冷却する冷却機構を備える
   請求項３又は４に記載の三次元積層造形装置。
6. 前記容器本体を冷却する第１冷却機構と、
   前記断熱冷却層を冷却する第２冷却機構とを備え、
   前記制御部は、前記第１冷却機構と前記第２冷却機構とを個別に制御する
   請求項４に記載の三次元積層造形装置。
7. 前記容器本体の温度を検出する内部温度検出部と、
   前記ステージに敷き詰められた粉末材料の温度を検出する外部温度検出装置とを備え、
   前記制御部は、前記内部温度検出部及び前記外部温度検出装置からの検出信号に基づき、前記容器本体の内部が所定の温度になるように前記第１冷却機構及び前記第２冷却機構を制御する
   請求項６に記載の三次元積層造形装置。
8. 前記断熱冷却層の外周面には、前記ステージに敷き詰められた粉末材料から発生する輻射熱を反射する反射膜を備える
   請求項３〜７のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置。
9. 前記ステージに敷き詰められた粉末材料から発生する輻射熱を反射する壁面反射膜が設けられた内壁面を有する処理室を備え、
   前記ステージ及び前記粉末供給ユニットは、前記処理室の内部に配置されている
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置。
10. 前記処理室の内壁面はドーム状の球面を有する
    請求項９に記載の三次元積層造形装置。
11. 前記処理室内の内壁面と前記壁面反射膜との間に、面方向における熱伝導率が厚み方向における熱伝導率よりも大きい異方性熱伝導材料で形成された排熱層を備える
    請求項１０に記載の三次元積層造形装置。
12. 前記ステージの表面において集束光を２次元走査することで前記ステージの表面に敷き詰められた粉末材料の予備加熱をする光源と、 前記ステージの表面に詰められた粉末材料の表面温度を測定する表面温度測定部とを備え、
    前記制御部は、前記表面温度測定部で測定された表面温度の測定値に基づき、前記粉末材料の表面温度が所定の値になるように前記光源から前記ステージ表面への集束光の照射を制御する請求項２に記載の三次元積層造形装置。
13. 前記断熱冷却層の外周面には、輻射熱を反射する熱反射膜が設けられる
    請求項３又は４に記載の三次元積層造形装置。

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