JP6884807B2

JP6884807B2 - 積層造形装置および積層造形方法

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Inventors: 秀二岡崎; 勝裕中野
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Description

この発明は、積層造形装置および積層造形方法に関する。

金属の積層造形においては、金属材料からなる材料層を形成し、この材料層の所定箇所にレーザ光または電子ビーム等のビームを照射して照射位置の材料層を焼結または溶融させる。材料層の形成とビームの照射を繰り返すことによって、複数の焼結層または溶融層を積層して所望の三次元造形物が造形される。以下においては、焼結および溶融を含めて固化と呼び、焼結層および溶融層を含めて固化層と呼ぶ。

三次元造形物は、鉛直方向に移動可能な造形テーブル上に造形される。換言すれば、造形テーブルは所望の三次元造形物が形成される造形領域を有する。固化にあたり、材料層は所定の予熱温度に予熱される。材料層の予熱は、通常は造形テーブルを温度調整することによって行う。

また、このような積層造形において、造形中に造形テーブルの加熱および冷却を繰り返し行う場合がある。例えば、特許文献１は、１層または複数層の固化層を形成する毎に造形テーブルの温度調整を行うことで固化層に対して温度調整を行って、意図的に固化層のマルテンサイト変態を進行させながら三次元造形物の造形を行う積層造形方法を開示している。

特許第６２９５００１号公報

造形テーブルの加熱および冷却を繰り返しながら積層造形を行う場合、少なくとも材料層をビームによって固化する前には、造形テーブルの温度を予熱温度に再調整している必要がある。温度調整を行っている間は、材料層へのビームの照射を中断することとなる。また、三次元造形物の造形に際しては、造形テーブル上に順次固化層を積層していくため、造形が進行するにつれ熱容量が大きくなり、造形テーブルの温度調整に時間がかかるようになる。

本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、造形テーブルの加熱および冷却を繰り返しながら積層造形を行う一方で、造形テーブルの温度調整に要する時間を有効利用し、造形の効率を高めることのできる積層造形装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、所望の三次元造形物が形成される造形領域をそれぞれ有する複数の造形テーブルと、前記複数の造形テーブルをそれぞれ独立して鉛直方向に移動させる造形テーブル駆動装置と、前記複数の造形テーブルをそれぞれ独立して所定の加熱温度に加熱または前記加熱温度よりも低い所定の冷却温度に冷却する温度調整装置と、前記造形領域に所定厚みの材料層を形成する材料層形成装置と、前記材料層にレーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する照射装置と、前記造形テーブル駆動装置、前記温度調整装置、前記材料層形成装置および前記照射装置を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記複数の造形テーブルのうちの所定の造形テーブルの冷却を行う間に、前記所定の造形テーブルとは異なる他の造形テーブルの前記造形領域において前記固化層の形成を行うよう制御する、積層造形装置が提供される。

また、本発明によれば、鉛直方向にそれぞれ独立して移動する複数の造形テーブル上にそれぞれ設けられ所望の三次元造形物が形成される造形領域上に所定厚みの材料層を形成する材料層形成工程と、前記材料層にレーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する固化層形成工程と、前記複数の造形テーブルをそれぞれ独立して所定の加熱温度に加熱する加熱工程と、前記複数の造形テーブルをそれぞれ独立して所定の冷却温度に冷却する冷却工程と、を含む温度調整工程と、を備え、前記複数の造形テーブルのうちの所定の造形テーブルにおいて前記冷却工程を行う間に、前記所定の造形テーブルとは異なる他の造形テーブルの前記造形領域において前記固化層形成工程が行われる、積層造形方法が提供される。

本発明に係る積層造形装置には、造形領域を有しそれぞれ独立して温度調整可能に構成された造形テーブルが複数設けられる。また、本発明に係る積層造形方法においては、造形領域をそれぞれ有する複数の造形テーブルがそれぞれ独立して温度調整される。このように構成することで、所定の造形テーブルが温度調整中であって固化層の形成ができない場合、他の造形テーブルで固化層の形成を行うことができる。このようにして、造形テーブルの加熱および冷却を繰り返しながら積層造形を行う積層造形装置または積層造形方法において、効率よく三次元造形物を造形できる。

本発明の実施形態に係る積層造形装置１の構成を示した図である。第１の造形テーブル２ａの構成を示した図である。照射装置５の構成の概略を示した図である。リコータヘッド４２を上方から見た斜視図である。リコータヘッド４２を下方から見た斜視図である。制御装置８の構成を示すブロック図である。第１の造形領域Ｒａと第２の造形領域Ｒｂとにおける積層造形の各工程を示すアクティビティ図である。第１の造形領域Ｒａおよび第２の造形領域Ｒｂの拡大図である。第１の造形領域Ｒａおよび第２の造形領域Ｒｂの拡大図である。第１の造形領域Ｒａおよび第２の造形領域Ｒｂの拡大図である。第１の造形領域Ｒａおよび第２の造形領域Ｒｂの拡大図である。第１の造形領域Ｒａおよび第２の造形領域Ｒｂの拡大図である。第１の造形領域Ｒａおよび第２の造形領域Ｒｂの拡大図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。

１．構成例
図１は、本発明の実施形態に係る積層造形装置１の構成を示した図である。図１に示すように、積層造形装置１は、第１の造形テーブル２ａ、第２の造形テーブル２ｂ、第１の造形テーブル駆動装置３ａ、第２の造形テーブル駆動装置３ｂ、材料層形成装置４、照射装置５、第１の温度測定装置６ａ、第２の温度測定装置６ｂ、汚染防止装置７、チャンバ１１、ウインドウ１２、粉体保持壁１３および断熱部１４を有している。

第１の造形テーブル２ａは、所望の三次元造形物が形成される第１の造形領域Ｒａを有するものであり、図１には示していない第１の温度調整装置２６ａを内蔵する。また、三次元造形物を形成する際には、第１の造形テーブル２ａ上に第１のベースプレート２１ａが載置されてもよい。このとき、第１のベースプレート２１ａ上に１層目の材料層Ｍと１層目の固化層とが形成される。

第２の造形テーブル２ｂは、第１の造形テーブル２ａと同様に、所望の三次元造形物が形成される第２の造形領域Ｒｂを有するものであり、図１には示していない第２の温度調整装置２６ｂを内蔵する。また、三次元造形物を形成する際には、第２の造形テーブル２ｂ上に第２のベースプレート２１ｂが載置されてもよい。このとき、第１のベースプレート２１ａ上に１層目の材料層Ｍと１層目の固化層とが形成される。本実施形態では、第２の造形テーブル２ｂは、第１の造形テーブル２ａと同様の構成を有するものである。ただし、三次元造形物が積層造形される複数の造形テーブルは、独立して温度調整が可能である限りにおいて、それぞれの具体的な構成は異なっていてもよい。例えば、第１の造形テーブル２ａおよび第２の造形テーブル２ｂにおいて、その大きさは異なるものであってよい。つまり、第１の造形領域Ｒａと第２の造形領域Ｒｂは、それぞれを任意の大きさとすることができる。

第１の造形テーブル駆動装置３ａは、第１の造形テーブル２ａを鉛直方向（矢印Ｕａ方向）に移動させ、第２の造形テーブル駆動装置３ｂは、第２の造形テーブル２ｂを鉛直方向（矢印Ｕａ方向に平行である矢印Ｕｂ方向）に移動させる。これら第１の造形テーブル駆動装置３ａと第２の造形テーブル駆動装置３ｂにより、第１の造形テーブル２ａと第２の造形テーブル２ｂは、それぞれが独立して鉛直方向に移動可能となる。

第１の造形テーブル駆動装置３ａおよび第２の造形テーブル駆動装置３ｂは、第１の造形テーブル２ａおよび第２の造形テーブル２ｂをそれぞれ位置決め可能に構成されればよいが、例えば下記のように構成される。第１の造形テーブル駆動装置３ａは、第１の造形テーブル２ａ下に設けられるスライドベースと、送りねじと、送りねじを支持するガイドベースと、を備える。第１の造形テーブル駆動装置３ａの送りねじは、ねじ軸と、ねじ軸に螺合しスライドベースの側面に固定されるナットと、ねじ軸を回転させるモータ３２ａを含む。同様に、第２の造形テーブル駆動装置３ｂは、第２の造形テーブル２ｂ下に設けられるスライドベースと、送りねじと、送りねじを支持するガイドベースと、を備える。第２の造形テーブル駆動装置３ｂの送りねじは、ねじ軸と、ねじ軸に螺合しスライドベースの側面に固定されるナットと、ねじ軸を回転させるモータ３２ｂを含む。

材料層形成装置４は、第１の造形領域Ｒａと第２の造形領域Ｒｂに所定厚みの材料層Ｍを形成する。具体的には、材料層形成装置４は、ベース台４１と、ベース台４１に配置され、水平１軸方向（矢印Ａ方向）に往復移動するリコータヘッド４２とを含む。なお、リコータヘッド４２の詳細については後述する。

本実施形態の積層造形装置１で使用される材料は、例えば、金属の材料粉体である。特に、所定数の固化層Ｓを形成する毎に固化層Ｓに対して温度調整を行って、意図的に固化層Ｓのマルテンサイト変態を進行させながら三次元造形物の造形を行う場合は、マルテンサイト系ステンレスや炭素鋼等のマルテンサイト系の材料が使用される。

照射装置５は、材料層Ｍにレーザ光Ｌを照射して焼結または溶融させ固化層Ｓを形成する。なお、本実施形態では、材料層Ｍにレーザ光Ｌを照射して固化層Ｓを形成するものとする。また、照射装置５の詳細については後述する。

好ましくは、固化層Ｓの温度を測定する第１の温度測定装置６ａおよび第２の温度測定装置６ｂが設けられる。第１の温度測定装置６ａは、第１の造形領域Ｒａの固化層Ｓの温度を測定し、第２の温度測定装置６ｂは、第２の造形領域Ｒｂの固化層Ｓの温度を測定する。第１の温度測定装置６ａと第２の温度測定装置６ｂは、固化層Ｓの温度を測定可能であれば、どのような構成のものでもよい。例えば、第１の温度測定装置６ａまたは第２の温度測定装置６ｂは、赤外線カメラを利用した赤外線サーモグラフィ等の、非接触式温度測定装置であってもよい。また、例えば、第１の温度測定装置６ａまたは第２の温度測定装置６ｂは、熱電対等の接触式センサと、接触式センサを可動させる駆動装置と、を有する接触式温度測定装置であってもよい。なお、第１の温度測定装置６ａと第２の温度測定装置６ｂは、その構成に応じて適宜配設する位置を変更してもよい。本実施形態では造形領域ごとに温度測定装置を１つずつ設けたが、１つの温度測定装置で複数の造形領域における固化層Ｓの温度を測定するように構成してもよい。

汚染防止装置７は、固化層Ｓの形成の際に生じるヒュームからレーザ光Ｌの経路を保護するもので、ウインドウ１２を覆うように設けられる。汚染防止装置７は、不活性ガスをウインドウ１２の下に充満させてウインドウ１２の汚染を防止し、不活性ガスを下方に噴出させてレーザ光Ｌの経路からヒュームを排除する。不活性ガスは、使用する材料と実質的に反応しないガスであり、例えば窒素またはアルゴンである。

チャンバ１１は、第１の造形領域Ｒａおよび第２の造形領域Ｒｂを覆うように構成される。チャンバ１１内には、不活性ガスが充満されていることが望ましい。

ウインドウ１２は、レーザ光Ｌを透過させる素材、例えば、ガラス等であり、照射装置５をヒューム等から保護するものである。

粉体保持壁１３は、第１の造形テーブル２ａおよび第２の造形テーブル２ｂの周りに設けられ、粉体保持壁１３と第１の造形テーブル２ａおよび第２の造形テーブル２ｂによって囲まれる空間に、未固化の材料粉体が保持される。

断熱部１４は、各造形テーブルの間、具体的には、第１の造形テーブル２ａと第２の造形テーブル２ｂの間に設けられ、第１の温度調整装置２６ａによる温度調整処理を行う場合や、第２の温度調整装置２６ｂによる温度調整を行う場合に、第１の造形テーブル２ａと第２の造形テーブル２ｂの相互間における熱の影響を低減するものである。特に、所定の造形テーブルにおいて当該造形テーブルの加熱を行い、他の造形テーブルにおいて当該造形テーブルの冷却を行っているときにおいて、断熱部１４は、加熱中の造形テーブルの熱が冷却中の造形テーブルに奪われることを防止する。このため、第１の造形テーブル２ａと第２の造形テーブル２ｂは、それぞれ断熱部１４を挟んで離間して設けられることとなる。断熱部１４は、例えば、断熱材を含む構成としたり、内部を真空に構成したり、所定の温度の液体を循環させる配管を含む構成とする等、様々な構成を採用可能である。第１の温度調整装置２６ａと第２の温度調整装置２６ｂによる温度調整については、後述する。

以上に説明したとおり、本実施形態の積層造形装置１は、第１の造形テーブル２ａと第２の造形テーブル２ｂを有し、第１の造形領域Ｒａおよび第２の造形領域Ｒｂにおいて、それぞれ積層造形が行われる。ただし、第１の造形テーブル２ａと第２の造形テーブル２ｂとに加え、造形領域を有する別の造形テーブルを１つ以上さらに設けてもよい。このとき、３台目以降の造形テーブルについても、独立して鉛直方向に移動可能であり、独立して温度調整可能に構成される。具体的には、３台目以降の造形テーブルに対応して、造形テーブル駆動装置および温度調整装置がさらに設けられる。なお、本実施形態においてはリコータヘッド４２の移動方向である矢印Ａ方向に沿って第１の造形テーブル２ａおよび第２の造形テーブル２ｂを配設したが、造形テーブルの配設方向はこの限りではない。例えば、造形テーブルは、矢印Ａ方向に直交する水平１軸方向である矢印Ｂ方向に沿って配設されてもよい。

２．温度調整装置
次に、第１の温度調整装置２６ａおよび第２の温度調整装置２６ｂの詳細について説明する。図２は、第１の造形テーブル２ａの構成を示した図である。

図２に示すように、第１の温度調整装置２６ａは、加熱器２６１ａと冷却器２６２ａを有している。また、第１の造形テーブル２ａは、天板２２ａ、支持板２３ａ、支持板２４ａと支持板２５ａを有しており、これらが重ね合わされて、造形テーブル２ａが構成される。

加熱器２６１ａは、第１の造形テーブル２ａを所定の加熱温度に加熱するもので、例えば、電熱器の発熱体または熱媒体が流通される管路であり、支持板２３ａに配設される。熱媒体としては、水や油等の種々の流体を用いることができる。

冷却器２６２ａは、第１の造形テーブル２ａを加熱温度よりも低い所定の冷却温度に冷却するもので、例えば、熱媒体が流通される管路であり、支持板２５ａに配設される。熱媒体としては、水や油、液化窒素等の種々の液体を用いることができる。

また、詳細な説明は省略するが、第２の温度調整装置２６ｂも、第１の温度調整装置２６ａと同様に、第２の造形テーブル２ｂを加熱温度に加熱する加熱器と、冷却温度に冷却する冷却器を有する。

これら、第１の温度調整装置２６ａと第２の温度調整装置２６ｂにより、第１の造形テーブル２ａと第２の造形テーブル２ｂをそれぞれ独立して所定の加熱温度に加熱または当該加熱温度よりも低い所定の冷却温度に冷却する。

第１の温度調整装置２６ａと第２の温度調整装置２６ｂにより、第１の造形テーブル２ａおよび第２の造形テーブル２ｂの加熱および冷却が繰り返されながら積層造形が行われる。造形テーブルの温度調整を繰り返しながら造形を行う積層造形方法の一例として、本実施形態においては、固化層Ｓに対して所定の温度条件で加熱および冷却を行いながら造形を行うことで、意図的にマルテンサイト変態を進行させて三次元造形物の応力制御を行う積層造形方法を実施する。

第１の造形テーブル２ａおよび第２の造形テーブル２ｂは、所定の加熱温度に温度調整され固化層Ｓを加熱する。このとき、加熱温度は、固化層Ｓのマルテンサイト変態終了温度以上に設定される。また、第１の造形テーブル２ａおよび第２の造形テーブル２ｂは、所定の冷却温度に温度調整され、加熱温度に温度調整された固化層Ｓを冷却する。このとき、冷却温度は、加熱温度よりも低い温度であって、固化層Ｓのマルテンサイト変態開始温度以下に設定される。このようにすれば、マルテンサイト変態開始温度とマルテンサイト変態終了温度の間の温度帯で固化層Ｓが冷却されるため、固化層Ｓに含まれるオーステナイト相の少なくとも一部がマルテンサイト相へと変態する。

なお、加熱温度および冷却温度は、前述の温度条件が満たされる範囲で、造形中一定でなくてもよい。換言すれば、加熱温度に加熱された固化層Ｓを冷却温度に冷却する際において、都度前述の温度条件を満足していればよい。例えば、造形中に固化層Ｓやベースプレートに発生した反りを測定し、マルテンサイト変態による膨張に起因する圧縮応力と、温度変化による収縮に起因する引張応力とが均衡するように、加熱温度または冷却温度を変更してもよい。

また、第１の造形テーブル２ａおよび第２の造形テーブル２ｂの加熱は、材料層Ｍを固化に適した温度に予熱する目的でも行われるが、予熱温度は必ずしもマルテンサイト変態終了温度以上である必要はない。ただし、第１の造形テーブル２ａおよび第２の造形テーブル２ｂをマルテンサイト変態終了温度以上の加熱温度とすることで、材料層Ｍの予熱と固化層Ｓの加熱を平行して行うことができ、好適である。

なお、本願発明は、造形テーブルの温度調整を繰り返しながら造形を行う積層造形方法に好適に適用可能であり、本実施形態のような意図的にマルテンサイト変態を進行させる積層造形方法に限定されない。加熱温度および冷却温度は、実施される積層造形方法に応じて適当な値が設定される。

３．照射装置
次に、照射装置５について説明する。図３は、照射装置５の構成の概略を示した図である。

照射装置５は、レーザ光Ｌを出力する１つの出力源５１と、出力源５１から出力されたレーザ光Ｌを第１の造形テーブル２ａ上と第２の造形テーブル２ｂ上の材料層Ｍの所望の位置に走査させる１つの走査手段と、を含む。より、具体的には、照射装置５は、出力源５１と、コリメータ５２と、フォーカス制御ユニット５３と、走査手段と、をそれぞれ１つずつ有している。

出力源５１は、レーザ光Ｌを出力する。レーザ光Ｌは、材料層Ｍを焼結または溶融することが可能であり、例えば、ＣＯ２レーザ、ファイバーレーザ、またはＹＡＧレーザである。コリメータ５２は、出力源５１から出力されたレーザ光Ｌを平行光に変換する。フォーカス制御ユニット５３は、コリメータ５２で平行光に変換されたレーザ光Ｌを集光し、所定のスポット径に調整する。

走査手段は、具体的にはガルバノミラー５４ｘ、ガルバノミラー５４ｙと、ガルバノミラー５４ｘ、ガルバノミラー５４ｙをそれぞれ回転させるアクチュエータ５６ｘ、アクチュエータ５６ｙと、を有するガルバノスキャナである。ガルバノミラー５４ｘとガルバノミラー５４ｙの回転角度を制御することでレーザ光Ｌの照射位置が制御される。

ガルバノミラー５４ｘとガルバノミラー５４ｙにより照射位置が制御されたレーザ光Ｌは、ウインドウ１２を通して第１の造形テーブル２ａ上の材料層Ｍと第２の造形テーブル２ｂ上の材料層Ｍに照射され、固化層Ｓを形成する。

本実施形態の照射装置５はレーザ光Ｌを照射して固化層Ｓを形成するように構成されるが、照射装置は電子ビームを照射するものであってもよい。例えば、照射装置は、電子を放出するカソード電極と、電子を収束して加速するアノード電極と、磁場を形成して電子ビームの方向を一方向に収束するソレノイドと、被照射体である材料層Ｍと電気的に接続されカソード電極との間に電圧を印加するコレクタ電極と、を有するよう構成されてもよい。このとき、カソード電極およびアノード電極が電子ビームを出力する出力源の役割を果たし、ソレノイドが電子ビームを走査する走査手段の役割を果たす。なお、ウインドウ１２および汚染防止装置７を省略し、カソード電極がチャンバ１１内に突出するように設けられてもよい。また、電子ビームを照射する照射装置を用いる場合は、チャンバ１１内の雰囲気を、真空に近い状態の貴ガス雰囲気下においてもよい。

造形領域が２つ設けられる本実施形態においては、所定の造形領域で固化層Ｓの形成が行われているときは、他の造形領域では固化層Ｓの形成は行わない。そのため、１つの照射装置により全ての造形領域に対してレーザ光Ｌまたは電子ビームの走査が可能であれば、複数の照射装置を設ける必要はない。

４．リコータヘッド
次に、材料層形成装置４のリコータヘッド４２について説明する。図４は、リコータヘッド４２を上方から見た斜視図である。また、図５は、リコータヘッド４２を下方から見た斜視図である。

図４および図５に示すように、リコータヘッド４２は、材料収容部４２１と材料供給部４２２と材料吐出部４２３とを有する。材料収容部４２１は、材料粉体を収容する。材料供給部４２２は、材料収容部４２１の上面に配設され、図示しない材料供給装置から材料収容部４２１に供給される材料粉体の受口となる。材料吐出部４２３は、材料収容部４２１の底面に配設され、材料収容部４２１内の材料粉体を吐出する。また、材料吐出部４２３はスリット形状であり、その長手方向は、リコータヘッド４２の移動方向（矢印Ａ方向）に直交する水平１軸方向（矢印Ｂ方向）である。

ブレード４２４は、リコータヘッド４２の側面に配設され、リコータヘッド４２から吐出された材料粉体を第１の造形領域Ｒａまたは第２の造形領域Ｒｂ上に撒布する。本実施形態ではリコータヘッド４２の両側面に１つずつブレード４２４が設けられるが、少なくとも１つのブレード４２４がリコータヘッド４２に取り付けられればよい。また、ブレード４２４としては、平板状のもの、可撓性のあるもの、ブラシ状のもの、ローラ状のもの等、所定厚みの材料層Ｍを形成可能なものであれば、種々の形態が採用可能である。

このような構成により、材料層形成装置４は、リコータヘッド４２が第１の造形テーブル２ａの第１の造形領域Ｒａ上または第２の造形テーブル２ｂの第２の造形領域Ｒｂ上を往復移動しながら材料吐出部４２３から材料粉体を吐出し、ブレード４２４がリコータヘッド４２の往復移動に伴って第１の造形領域Ｒａ上または第２の造形領域Ｒｂ上に吐出された材料粉体を均すことで、材料層Ｍを形成する。換言すれば、ブレード４２４が取り付けられた１つのリコータヘッド４２により、複数の造形領域に対して材料層Ｍの形成が行われる。ただし、リコータヘッド４２は複数設けられてもよく、例えば各造形領域にリコータヘッド４２が設けられてもよい。

５．制御装置
次に、積層造形装置１を制御する制御装置について説明する。図６は、制御装置の構成を示すブロック図である。

図６に示すように、制御装置８は、ＣＡＭ装置８１、数値制御装置８２、表示装置８３、材料層形成制御装置８４、第１のテーブル制御装置８５ａ、第２のテーブル制御装置８５ｂ、第１の温度制御装置８６ａ、第２の温度制御装置８６ｂ、照射制御装置８７、第１のミラー制御装置８７１ｘおよび第２のミラー制御装置８７１ｙを有している。この制御装置８は、積層造形装置１の第１の造形テーブル駆動装置３ａと第２の造形テーブル駆動装置３ｂと第１の温度調整装置２６ａと第２の温度調整装置２６ｂと材料層形成装置４と照射装置５とを制御するものである。

ＣＡＭ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）装置８１は、所望の三次元造形物を形成するためのメインプログラムと、造形プログラムとを含むプロジェクトファイルを作成する。メインプログラムは、シーケンス番号をふられた複数のプログラム行で構成され、各プログラム行には、所定の層における焼結または溶融の指令等を含む。また、造形プログラムは、照射プログラムファイルであり、レーザ光Ｌの照射位置等の指令を含む。

数値制御装置８２は、ＣＡＭ装置８１が作成したプロジェクトファイルにしたがって、所望の三次元造形物を形成すべく、材料層形成装置４、第１の造形テーブル２ａの高さと温度、第２の造形テーブル２ｂの高さと温度および照射装置５を数値制御するもので、記憶装置８２１と演算装置８２２とメモリ８２３とを有している。

記憶装置８２１は、通信線や可搬記憶媒体を介してＣＡＭ装置８１から取得したプロジェクトファイルを記憶する。

演算装置８２２は、記憶装置８２１に記憶したプロジェクトファイルにしたがって、材料層形成装置４、第１の造形テーブル２ａの高さと温度、第２の造形テーブル２ｂの高さと温度および照射装置５を数値制御するための演算処理を実行する。

メモリ８２３は、演算装置８２２による演算処理の過程で一時的に記憶する必要のある数値やデータを一時的に記憶する。

表示装置８３は、数値制御装置８２に接続され、数値制御装置８２が通知するデータやエラーメッセージ等を表示する。

材料層形成制御装置８４は、数値制御装置８２からの指令に基づいて材料層形成装置４を制御する。材料層形成制御装置８４からの指令は、材料層形成装置４の駆動電流供給装置４３に入力され、当該指令に応じた電力を駆動電流供給装置４３が出力することで材料層形成装置４のモータ４４が回転し、リコータヘッド４２がベース台４１上を往復移動する。また、材料層形成制御装置８４には、駆動電流供給装置４３の出力に応じた信号やモータ４４に取り付けられたエンコーダ等からの信号が入力され、これら入力された信号に基づいて材料層形成制御装置８４は、フィードバック制御を行う。

第１のテーブル制御装置８５ａは、数値制御装置８２からの指令に基づいて第１の造形テーブル駆動装置３ａを制御する。第１のテーブル制御装置８５ａからの指令は、第１の造形テーブル駆動装置３ａの駆動電流供給装置３１ａに入力され、当該指令に応じた電力を駆動電流供給装置３１ａが出力することで第１の造形テーブル駆動装置３ａのモータ３２ａが回転し、第１の造形テーブル２ａが上方向または下方向に移動し、その高さが変化する。また、第１のテーブル制御装置８５ａには、駆動電流供給装置３１ａの出力に応じた信号やモータ３２ａに取り付けられたエンコーダ等からの信号が入力され、これら入力された信号に基づいて第１のテーブル制御装置８５ａは、フィードバック制御を行う。

第２のテーブル制御装置８５ｂは、数値制御装置８２からの指令に基づいて第２の造形テーブル駆動装置３ｂを制御する。第２のテーブル制御装置８５ｂからの指令は、第２の造形テーブル駆動装置３ｂの駆動電流供給装置３１ｂに入力され、当該指令に応じた電力を駆動電流供給装置３１ｂが出力することで第２の造形テーブル駆動装置３ｂのモータ３２ｂが回転し、第２の造形テーブル２ｂが上方向または下方向に移動し、その高さが変化する。また、第２のテーブル制御装置８５ｂには、駆動電流供給装置３１ｂの出力に応じた信号やモータ３２ｂに取り付けられたエンコーダ等からの信号が入力され、これら入力された信号に基づいて第２のテーブル制御装置８５ｂは、フィードバック制御を行う。

第１の温度制御装置８６ａは、数値制御装置８２からの指令に基づいて第１の造形テーブル２ａの温度を制御する。第１の温度制御装置８６ａからの指令は、第１の温度調整装置２６ａに入力され、第１の温度調整装置２６ａが第１の造形テーブル２ａを加熱または冷却する。また、第１の温度制御装置８６ａには、第１の温度測定装置６ａが測定した固化層Ｓの温度が入力され、この入力された信号に基づいて第１の温度制御装置８６ａは、フィードバック制御を行う。

第２の温度制御装置８６ｂは、数値制御装置８２からの指令に基づいて第２の造形テーブル２ｂの温度を制御する。第２の温度制御装置８６ｂからの指令は、第２の温度調整装置２６ｂに入力され、第２の温度調整装置２６ｂが第２の造形テーブル２ｂを加熱または冷却する。また、第２の温度制御装置８６ｂには、第２の温度測定装置６ｂが測定した固化層Ｓの温度が入力され、この入力された信号に基づいて第２の温度制御装置８６ｂは、フィードバック制御を行う。

照射制御装置８７は、数値制御装置８２から造形プログラムを受信し、この造形プログラムに基づいて照射データの生成を行い、生成した照射データに基づいて第１のミラー制御装置８７１ｘと第２のミラー制御装置８７１ｙに指令を送出する。また、照射制御装置８７は、出力源５１に指令を送出し、レーザ光Ｌの強度やオン／オフの切り替えを制御する。

第１のミラー制御装置８７１ｘは、照射制御装置８７からの指令に基づいて照射装置５の走査手段を制御する。第１のミラー制御装置８７１ｘからの指令は、照射装置５の駆動電流供給装置５５ｘに入力され、当該指令に応じた電力を駆動電流供給装置５５ｘが出力することで照射装置５のアクチュエータ５６ｘが動作し、ガルバノミラー５４ｘが回転する。

第２のミラー制御装置８７１ｙは、照射制御装置８７からの指令に基づいて照射装置５の走査手段を制御する。第２のミラー制御装置８７１ｙからの指令は、照射装置５の駆動電流供給装置５５ｙに入力され、当該指令に応じた電力を駆動電流供給装置５５ｙが出力することで照射装置５のアクチュエータ５６ｙが動作し、ガルバノミラー５４ｙが回転する。

６．動作説明
次に、積層造形装置１の造形に係る動作を説明する。図７は、第１の造形領域Ｒａと第２の造形領域Ｒｂとにおける積層造形の各工程を示すアクティビティ図である。また、図８Ａから図８Ｆは、造形中の第１の造形領域Ｒａおよび第２の造形領域Ｒｂの拡大図である。

本実施形態では、第１の造形領域Ｒａから先に固化層Ｓの形成を行う。当然、第２の造形領域Ｒｂから先に固化層Ｓの形成を行うよう構成してもよい。

まず、第１の造形領域Ｒａにおいて、材料層形成工程が行われる（Ａ１０１）。図８Ａに示されるように、第１の駆動テーブル駆動装置３ａにより、第１の造形テーブル２ａが材料層Ｍの厚み分下降される。そして、第１の造形テーブル２ａ上をリコータヘッド４２が移動することで、材料粉体が第１の造形テーブル２ａ上に吐出され、ブレード４２４が吐出された材料粉体を均す。このようにして、図８Ｂに示されるように、材料層Ｍが形成される。次に、第１の造形領域Ｒａにおいて、固化工程が行われる（Ａ１０２）。材料層Ｍに対し照射装置５によりレーザ光Ｌが照射され、図８Ｃに示されるように、固化層Ｓが形成される。図８Ｄに示されるように、このような材料層形成工程と固化層形成工程が、所定数の固化層Ｓが形成されるまで繰り返される。

第１の造形領域Ｒａにおいて材料層形成工程と固化層形成工程が繰り返されているとき、第１の造形テーブル２ａは、第１の温度調整装置２６ａによって所定の加熱温度に加熱されている（Ａ１０３）。換言すれば、第１の造形領域Ｒａにおいては、材料層形成工程および固化層形成工程と、加熱工程とが平行して行われる。加熱工程により、材料層Ｍに対する予熱と、固化層Ｓに対する加熱とが行われる。

このとき、第２の造形領域Ｒｂで固化層Ｓの形成を行うのに備え、第２の造形領域Ｒｂにおいて加熱工程が実施され、第２の造形テーブル２ｂが第２の温度調整装置２６ｂによって所定の加熱温度に加熱されていることが望ましい（Ａ１０４）。第２の造形領域Ｒｂにおける加熱工程は、第２の造形領域Ｒｂで固化層形成工程を実施するまでに第２の造形テーブル２ｂが加熱温度となるタイミングで開始されればよい。なお、本実施形態では、第１の造形領域Ｒａで材料層形成工程および固化層形成工程を実施しているとき、第２の造形領域Ｒｂにおいて材料層形成工程および固化層形成工程は実施されないが、第２の造形領域Ｒｂにおいても材料層形成工程を実施し、先に１層分の材料層Ｍを形成しておいてもよい。

第１の造形領域Ｒａにおいて１層または複数層の所定数の固化層Ｓが形成された後、第１の造形領域Ｒａにおいて冷却工程が行われる（Ａ１０５）。第１の造形テーブル２ａの温度は、第１の温度調整装置２６ａによって所定の冷却温度に冷却される。これにより、固化層Ｓが冷却される。本実施形態においては、冷却工程により、固化層Ｓのマルテンサイト変態終了温度とマルテンサイト変態開始温度の間の温度帯を含む範囲で、固化層Ｓの冷却が行われる。これにより、固化層Ｓに含まれるオーステナイト相の少なくとも一部が、マルテンサイト相へと変態する。第１の造形領域Ｒａにおける冷却工程終了後、再度第１の造形領域Ｒａで固化層Ｓの形成を行うのに備え、第１の造形領域Ｒａにおいて加熱工程が実施されることが望ましい（Ａ１０６）。

このとき、図８Ｅに示されるように、第２の造形領域Ｒｂでは、材料層形成工程と固化層形成工程が、所定数の固化層Ｓが形成されるまで繰り返される（Ａ１０７、Ａ１０８）。このとき、材料層形成工程および固化層形成工程と、加熱工程とが平行して行われ、第２の造形テーブル２ｂは、第２の温度調整装置２６ｂによって所定の加熱温度に加熱されている（Ａ１０９）。

第２の造形領域Ｒｂにおいて１層または複数層の固化層Ｓが形成された後、図８Ｆに示されるように、第１の造形領域Ｒａにおいて、再度材料層形成工程と固化層形成工程が、所定数の固化層Ｓが形成されるまで繰り返される（Ａ１１０、Ａ１１１）。このとき、材料層形成工程および固化層形成工程と、加熱工程とが平行して行われ、第１の造形テーブル２ａは、第１の温度調整装置２６ａによって所定の加熱温度に加熱されている（Ａ１１２）。

このとき、第２の造形領域Ｒｂでは冷却工程が行われる（Ａ１１３）。第２の造形テーブル２ｂの温度は、第２の温度調整装置２６ｂによって所定の冷却温度に冷却される。これにより、固化層Ｓが冷却される。第２の造形領域Ｒｂにおける冷却工程終了後、再度第２の造形領域Ｒｂで固化層Ｓの形成を行うのに備え、第２の造形領域Ｒｂにおいて加熱工程が実施されることが望ましい（Ａ１１４）。

このようにして、固化層Ｓの形成と造形テーブルの冷却とが、第１の造形領域Ｒａおよび第２の造形領域Ｒｂとにおいて、所望の三次元造形物が形成されるまで交互に繰り返される。造形領域を３つ以上設ける場合も同様に、所定の造形領域において造形テーブルの冷却を行う間に、他の造形領域において固化層Ｓの形成が行われるように造形が進められる。以上のような構成により、造形テーブルの加熱および冷却を繰り返しながら積層造形を行う上で、効率よく三次元造形物を造形できる。

ここで説明した各工程は、第１の温度調整装置２６ａ、第２の温度調整装置２６ｂ、第１の造形テーブル駆動装置３ａ、第２の造形テーブル駆動装置３ｂ、材料層形成装置４および照射装置５を制御装置８が制御することにより行われる。つまり、制御装置８は、複数の造形テーブルのうちの所定の造形テーブルの冷却を行う間に、所定の造形テーブルとは異なる他の造形テーブルの造形領域において固化層Ｓの形成を行うよう制御する。

本実施形態では、リコータヘッド４２は、材料層形成工程と固化層形成工程とを繰り返し実施している造形領域上のみを移動したが、他の造形領域上も含めて移動するよう構成してもよい。この場合は、他の造形領域においても造形テーブルの高さを材料層Ｍの厚み分下げておくことで、ベースプレートや既に形成された固化層Ｓとブレード４２４が衝突することを防止できる上、事前に材料層Ｍを形成できる。

なお、所定の造形領域において冷却工程を終えた後に再度当該造形領域にて固化層Ｓの形成を行うにあたり、事前に当該造形領域における造形テーブルを材料層Ｍの厚み分下降させておいてもよい。具体的に、所定の造形領域において所定数の固化層Ｓを形成した後、当該造形領域における造形テーブルを下降させるタイミングは、当該造形領域において所定数の固化層Ｓを形成した直後であってもよいし、当該造形領域における冷却工程中であってもよいし、当該造形領域における冷却工程後であって他の造形領域で固化層Ｓを形成しているときであってもよいし、当該造形領域における冷却工程後であって他の造形領域で所定数の固化層Ｓの形成を終えた後であってもよい。

積層造形装置１は、固化層Ｓを切削する切削装置をさらに備え、固化層Ｓを切削する切削工程をさらに実施してもよい。切削工程は、例えば、所定数の固化層Ｓが形成される毎に実施される。好ましくは、切削工程は、冷却工程が実施され、寸法が安定した固化層Ｓに対して行われる。また特に好ましくは、切削工程は、冷却工程後であって、常温に温度調整された固化層Ｓに対して行われる。このようにすれば、固化層Ｓの温度による膨張または収縮の影響を抑えて切削を行うことができる。

１：積層造形装置
２ａ：第１の造形テーブル
２ｂ：第２の造形テーブル
３ａ：第１の造形テーブル駆動装置
３ｂ：第２の造形テーブル駆動装置
４：材料層形成装置
５：照射装置
６ａ：第１の温度測定装置
６ｂ：第２の温度測定装置
７：汚染防止装置
８：制御装置
１１：チャンバ
１２：ウインドウ
１３：粉体保持壁
１４：断熱部
２１ａ：第１のベースプレート
２１ｂ：第２のベースプレート
２２ａ：天板
２３ａ：支持板
２４ａ：支持板
２５ａ：支持板
２６ａ：第１の温度調整装置
２６ｂ：第２の温度調整装置
３１ａ：駆動電流供給装置
３１ｂ：駆動電流供給装置
３２ａ：モータ
３２ｂ：モータ
４１：ベース台
４２：リコータヘッド
４３：駆動電流供給装置
４４：モータ
５１：出力源
５２：コリメータ
５３：フォーカス制御ユニット
５４ｘ：ガルバノミラー
５４ｙ：ガルバノミラー
５５ｘ：駆動電流供給装置
５５ｙ：駆動電流供給装置
５６ｘ：アクチュエータ
５６ｙ：アクチュエータ
８１：ＣＡＭ装置
８２：数値制御装置
８３：表示装置
８４：材料層形成制御装置
８５ａ：第１のテーブル制御装置
８５ｂ：第２のテーブル制御装置
８６ａ：第１の温度制御装置
８６ｂ：第２の温度制御装置
８７：照射制御装置
２６１ａ：加熱器
２６２ａ：冷却器
４２１：材料収容部
４２２：材料供給部
４２３：材料吐出部
４２４：ブレード
８２１：記憶装置
８２２：演算装置
８２３：メモリ
８７１ｘ：第１のミラー制御装置
８７１ｙ：第２のミラー制御装置
Ｌ：レーザ光
Ｍ：材料層
Ｒａ：第１の造形領域
Ｒｂ：第２の造形領域
Ｓ：固化層

Claims

所望の三次元造形物が形成される造形領域をそれぞれ有する複数の造形テーブルと、
前記複数の造形テーブルをそれぞれ独立して鉛直方向に移動させる造形テーブル駆動装置と、
前記複数の造形テーブルをそれぞれ独立して所定の加熱温度に加熱または前記加熱温度よりも低い所定の冷却温度に冷却する温度調整装置と、
前記造形領域に所定厚みの材料層を形成する材料層形成装置と、
前記材料層にレーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する照射装置と、
前記造形テーブル駆動装置、前記温度調整装置、前記材料層形成装置および前記照射装置を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記複数の造形テーブルのうちの所定の造形テーブルの冷却を行う間に、前記所定の造形テーブルとは異なる他の造形テーブルの前記造形領域において前記固化層の形成を行うよう制御する、積層造形装置。
前記複数の造形テーブルは、それぞれ断熱部を挟んで離間して設けられる、請求項１に記載の積層造形装置。
前記固化層の温度を測定する温度測定装置をさらに備える、請求項１または請求項２に記載の積層造形装置。
前記制御装置は、前記温度測定装置によって測定した前記温度に基づき、前記温度調整装置をフィードバック制御する、請求項３に記載の積層造形装置。
前記制御装置は、前記加熱温度が前記固化層のマルテンサイト変態終了温度以上であり、前記冷却温度が前記固化層のマルテンサイト変態開始温度以下であるように前記温度調整装置を制御する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の積層造形装置。
前記材料層形成装置は、前記複数の造形テーブルの前記造形領域上を往復移動し材料粉体を吐出する１つのリコータヘッドと、前記リコータヘッドに取り付けられ前記造形領域に吐出された前記材料粉体を均すブレードと、を含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の積層造形装置。
前記照射装置は、前記レーザ光または前記電子ビームを出力する１つの出力源と、前記出力源から出力された前記レーザ光または前記電子ビームを前記複数の造形テーブル上の前記材料層の所望の位置に走査させる１つの走査手段と、を含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の積層造形装置。
鉛直方向にそれぞれ独立して移動する複数の造形テーブル上にそれぞれ設けられ所望の三次元造形物が形成される造形領域上に所定厚みの材料層を形成する材料層形成工程と、
前記材料層にレーザ光または電子ビームを照射して焼結または溶融させ固化層を形成する固化層形成工程と、
前記複数の造形テーブルをそれぞれ独立して所定の加熱温度に加熱する加熱工程と、前記複数の造形テーブルをそれぞれ独立して所定の冷却温度に冷却する冷却工程と、を含む温度調整工程と、を備え、
前記複数の造形テーブルのうちの所定の造形テーブルにおいて前記冷却工程を行う間に、前記所定の造形テーブルとは異なる他の造形テーブルの前記造形領域において前記固化層形成工程が行われる、積層造形方法。