特許第6443300号(P6443300)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6443300
(24)【登録日】2018年12月7日
(45)【発行日】2018年12月26日
(54)【発明の名称】積層造形装置
(51)【国際特許分類】
   B22F 3/16 20060101AFI20181217BHJP
   B22F 3/105 20060101ALI20181217BHJP
   B29C 64/153 20170101ALI20181217BHJP
   B29C 64/227 20170101ALI20181217BHJP
   B29C 64/321 20170101ALI20181217BHJP
   B28B 1/30 20060101ALI20181217BHJP
   B33Y 30/00 20150101ALI20181217BHJP
【FI】
   B22F3/16
   B22F3/105
   B29C64/153
   B29C64/227
   B29C64/321
   B28B1/30
   B33Y30/00
【請求項の数】1
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2015-207394(P2015-207394)
(22)【出願日】2015年10月21日
(65)【公開番号】特開2017-78214(P2017-78214A)
(43)【公開日】2017年4月27日
【審査請求日】2017年11月8日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100103894
【弁理士】
【氏名又は名称】家入 健
(72)【発明者】
【氏名】井藤 勝弘
(72)【発明者】
【氏名】三矢 喜之
(72)【発明者】
【氏名】気田 亨嘉
(72)【発明者】
【氏名】丹羽 誠二
(72)【発明者】
【氏名】原尻 勝二
(72)【発明者】
【氏名】木村 剛之
【審査官】 山本 雄一
(56)【参考文献】
【文献】 特開2000−336403(JP,A)
【文献】 特開2009−078558(JP,A)
【文献】 特開平10−217336(JP,A)
【文献】 国際公開第2015/151315(WO,A1)
【文献】 特開2000−025118(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B22F 3/00− 3/26
B29C 64/00−64/40
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
造形槽内に粉末を供給することで粉末層を形成する工程と、当該粉末層の所定領域にレーザビームを照射して焼結又は溶融固化させることにより所定形状の硬化層を形成する工程と、を繰り返すことで造形物を形成する積層造形装置であって、
前記造形槽内に形成される前記粉末層のうち、前記造形物の土台の高さまで充填された前記粉末層に対してのみ振動を付与するように構成された加振装置を備え、
前記加振装置は、加振後の前記粉末層の高さが前記造形物の土台と同じ高さに維持されるまで、前記土台の高さまで前記粉末が供給されるのを待つ工程と、前記土台の高さと同じ高さに形成された前記粉末層に対して振動を付与する工程と、を繰り返し行うように構成されている、積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は積層造形装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、無機材料もしくは有機材料からなる粉末にレーザビームを照射し、焼結または溶融固化させることにより、三次元形状の積層造形物を製造する積層造形装置が、脚光を浴びている。具体的には、定盤上に粉末を敷き詰め、粉末層を形成する工程と、この粉末層の所定領域に光ビ−ムを照射し、焼結または溶融固化させることにより硬化層を形成する工程とを繰り返す。これにより、多数の硬化層を積層一体化して三次元形状の造形物を製造することができる。
【0003】
関連する技術が特許文献1に開示されている。特許文献1には、加振装置を用いて積層された粉末(粉末層)に振動を加えることにより、粉末層のかさ密度を増大させて造形物の品質を向上させる、三次元形状構造物の製造装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2000−336403号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
発明者らは以下の課題を見出した。
特許文献1に開示された構成では、積層造形工程において粉末層に対して振動を加えた場合、その振動の影響によって、粉末の供給量(即ち、積層する一層分の量)が変動してしまうおそれがある。また、ミラーやレンズなど導光部品が振動することで、レーザビームの光路が変動してしまうおそれがある。その結果、造形物の形成精度が低下してしまう、という問題があった。
【0006】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであって、造形物の所定高さまで充填される粉末層に対してのみ振動を付与することで、造形物の形成精度の低下を抑制することが可能な積層造形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様に係る積層造形装置は、造形槽内に粉末を供給することで粉末層を形成する工程と、当該粉末層の所定領域にレーザビームを照射して焼結又は溶融固化させることにより所定形状の硬化層を形成する工程と、を繰り返すことで造形物を形成する積層造形装置であって、前記粉末層に対して振動を付与可能に構成された加振装置を備え、前記粉末層の高さが前記造形物における所定高さに到達したか否かに基づいて、前記加振装置による振動の有無が制御されるものである。それにより、積層造形工程前にワーク土台の高さまで充填された粉末層に対してのみ振動が付与され、積層造形工程中には粉末層に対して振動が付与されないため、積層造形工程中における粉末の供給量やレーザビームの光路が安定し、その結果、造形物の形成精度の低下が抑制される。
【発明の効果】
【0008】
本発明により、造形物の所定高さまで充填される粉末層に対してのみ振動を付与することで、造形物の形成精度の低下を抑制することが可能な積層造形装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】本発明に係る積層造形装置の概要を示す模式的断面図である。
図2図1に示す積層造形装置の一部を拡大した図である。
図3】本発明に係る積層造形装置による造形物の製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【0011】
まず、図1を参照して、本発明に係る積層造形装置について説明する。図1は、本発明に係る積層造形装置の概要を示す模式的断面図である。
図1に示すように、本発明に係る積層造形装置は、ベース1、定盤2、造形槽3、造形槽支持部4、造形槽駆動部5、支柱6、支持部7、レーザスキャナ8、光ファイバ9、レーザ発振器10、スキージ11、樋12、粉末分配器13、粉末供給部14、加振装置15、及び、高さ検知部16を備えている。
【0012】
ベース1は、定盤2及び支柱6を固定するための台である。ベース1は、定盤2が載置される上面が水平になるように、床面に設置される。
【0013】
定盤2は、ベース1の水平な上面に載置、固定されている。定盤2の上面も水平であって、この定盤2の上面に、ワーク土台40が設置された後、粉末が敷き詰められ、造形物50が形成されていく。図1の例では、定盤2は、四角柱状の部材である。図1に示すように、定盤2の上面の周縁全体に、水平方向に張り出したフランジ状の凸部2aが形成されている。この凸部2aの外周面が全体に亘り造形槽3の内側面と接触しているため、定盤2の上面及び造形槽3の内側面に囲われた空間に積層粉末51を保持することができる。ここで、造形槽3の内側面と接触している凸部2aの外周面に、例えばフェルトからなるシール部材(不図示)を設けることにより、積層粉末51の保持力を高めることができる。
【0014】
造形槽3は、この定盤2の上面に敷き詰められた粉末を側面から保持する筒状の部材である。図1の例では、定盤2が四角柱状であるため、造形槽3は、上端にフランジ部3aを備えた角パイプである。造形槽3は、例えば厚さ1〜6mm程度(好適には3〜5mm程度)のステンレス鋼鈑から構成され、軽量である。造形槽3の上部開口端3bに粉末層を形成し、この粉末層にレーザビームLBを照射することにより硬化層を形成する。上部開口端3bの形状は、例えば600mm×600mmである。
【0015】
また、造形槽3は、上下方向(z軸方向)に移動可能に設置されている。詳細には後述するように、硬化層を形成する度に造形槽3を定盤2に対して一定量ずつ上昇させ、造形物50を形成していく。ここで、実施の形態1に係る積層造形装置では、一定重量かつ軽量な造形槽3のみを上昇させればよい。そのため、毎回精度良く粉末層を形成することができる。その結果、精度良く造形物50を形成することができる。
【0016】
造形槽支持部4は、造形槽3のフランジ部3aの上面が水平となるように、フランジ部3aの下面を3点で支持している支持部材である。
造形槽支持部4は、造形槽3を上下方向(z軸方向)に移動させる造形槽駆動部5の連結部5cに連結されている。
【0017】
造形槽駆動部5は、造形槽3を上下方向(z軸方向)に移動させるための駆動機構である。造形槽駆動部5は、モータ5a、ボールねじ5b、連結部5cを備えている。モータ5aが駆動すると、z軸方向に延設されたボールねじ5bが回転する。そして、ボールねじ5bが回転すると、ボールねじ5bに沿って、連結部5cが上下方向(z軸方向)に移動する。上述の通り、造形槽3を支持する造形槽支持部4が連結部5cに連結されているため、造形槽駆動部5により造形槽3が上下方向(z軸方向)に移動可能となる。なお、造形槽駆動部5の駆動源は、モータに限らず、油圧シリンダなどを用いてもよい。
【0018】
ここで、造形槽駆動部5は、ベース1から略垂直に(すなわち鉛直方向に)立設された支柱6の上部に固定されている。このように、本実施の形態に係る積層造形装置では、造形槽駆動部5が、造形槽3の外部に設置されているため、メンテナンス性に優れている。
【0019】
レーザスキャナ8は、造形槽3の上部開口端3bに形成された粉末層に対して、レーザビームLBを照射する。レーザスキャナ8は、図示されないレンズ及びミラーを有している。そのため、図1に示すように、レーザスキャナ8は、粉末層における水平面(xy平面)上の位置に関わらず、粉末層にレーザビームLBの焦点を合わせることができる。
ここで、レーザビームLBは、レーザ発振器10において生成され、光ファイバ9を介して、レーザスキャナ8に導入される。
【0020】
また、レーザスキャナ8は、支持部7を介して、造形槽3のフランジ部3aに固定されている。そのため、レーザスキャナ8とレーザビームLBの照射対象である粉末層との距離を一定に保つことができる。従って、実施の形態1に係る積層造形装置は、精度良く造形物50を製造することができる。
【0021】
スキージ11は、第1のスキージ11a及び第2のスキージ11bから構成されている。第1のスキージ11a及び第2のスキージ11bは、いずれもy軸方向に延設されている。また、スキージ11は、一方のフランジ部3aから、造形槽3の上部開口端3bを介して、対向するフランジ部3aまで、x軸方向にスライドすることができる。
【0022】
図1に示すように、第1のスキージ11a及び第2のスキージ11bが、x軸マイナス側のフランジ部3a上に設置された状態で、両者の間に粉末が供給される。ここで、2回分の粉末層を形成するための粉末が供給される。すなわち、スキージ11がx軸マイナス側のフランジ部3aからx軸プラス側のフランジ部3aまでスライドすることにより、1回分の粉末層が造形槽3の上部開口端3bに形成される。図1に破線で示したように、この粉末層に対してレーザビームLBを照射し、硬化層を形成している間、スキージ11はx軸プラス側のフランジ部3a上で待機している。そして、スキージ11がx軸プラス側のフランジ部3aからx軸マイナス側のフランジ部3aまでスライドすることにより、もう1回分の粉末層が造形槽3の上部開口端3bに形成される。
【0023】
なお、例えば硬化層の形成領域が狭い場合には、スキージ11をx軸マイナス側のフランジ部3aからx軸プラス側のフランジ部3aまで最大限スライドさせずに、硬化層の形成領域はカバーした上で、途中でスライドを止めてもよい。粉末層を形成するための粉末量を節約できるとともに時間を短縮することができる。
【0024】
樋12及び粉末分配器13は、粉末供給部14から投下された粉末をスキージ11の長手方向に均一に分配するためのものである。
樋12の下面には、第1のスキージ11a及び第2のスキージ11bの間隔(x軸方向)より狭く、スキージ11の粉末投入領域と同程度の長さ(y軸方向)を有する開口部が形成されている。但し、樋12において開口部が形成されていない端部に、粉末供給部14から粉末が投下される。
【0025】
粉末分配器13は、樋12の溝の断面形状と同形状の板状部材である。粉末分配器13は、図示しない駆動機構により樋12の両端間をy軸方向にスライドすることができる。ここで、図1では、分かり易くするため、粉末分配器13を樋12から離して描いている。しかし、実際には、粉末分配器13は樋12の溝の両側面と隙間なく接触しながらスライドする。粉末分配器13が、樋12において粉末が投下された一端から他端までスライドすることにより、粉末が樋12の開口部を介して、スキージ11の長手方向に均一に分配される。
【0026】
なお、例えば硬化層の形成領域が狭い場合には、粉末分配器13を樋12の一端から他端まで最大限スライドさせずに、硬化層の形成領域はカバーした上で、途中でスライドを止めてもよい。粉末層を形成するための粉末量を節約できるとともに時間を短縮することができる。
【0027】
粉末供給部14は、粉末が蓄えられた小型タンクであって、蓄えられた粉末を樋12に投下(供給)する。なお、粉末は、無機材料(金属やセラミック)もしくは有機材料(プラスチック)からなる。好適には、平均粒径20μm程度の鉄粉が用いられる。
【0028】
加振装置15は、定盤2に内蔵され、造形槽3内に形成された粉末層に対して振動を付与可能に構成されている。
【0029】
高さ検知部16は、造形槽3の側面にz軸方向に沿って設けられた線状部材であって、造形槽3内に形成された粉末層の定盤2上面からの高さを検知する。なお、高さ検知部16の代わりに、造形槽3の内部を撮影するカメラを設置して、当該カメラの撮影画像を解析することにより粉末層の高さを検知してもよい。
【0030】
図2は、図1に示す積層造形装置の造形槽3内の周辺を拡大した図である。
図2に示すように、造形槽3内には、まず、造形物50の土台としてワーク土台40が定盤2上面に設置される。なお、ワーク土台40の上面は、定盤2の上面と同様に水平である。その後、ワーク土台40と同じ高さまで粉末を供給することで粉末層51aが形成される。その後、さらに粉末を供給することで形成された各粉末層51b,51cの所定領域にレーザビームLBを照射し、焼結又は溶融固化させることにより、所望の形状を有する硬化層50b,50cがワーク土台40上に順次形成される。
【0031】
続いて、図1図3を参照して、造形物50の製造方法について詳細に説明する。
図3は、本発明に係る積層造形装置による造形物50の製造方法を示すフローチャートである。なお、図3のフローチャートでは、積層造形工程前における加振工程について詳細に説明されている。
【0032】
まず、予め入力された情報やCAD/CAM情報から、定盤2上面に設置されたワーク土台40の高さ情報を取得する(ステップS201)。
【0033】
その後、粉末供給部14の作動信号がインアクティブ(ステップS202のNO)からアクティブに切り替わると(ステップS202のYES)、粉末の供給を開始する(ステップS203)。
【0034】
具体的には、ワーク土台40の上面と造形槽3のフランジ部3aの上面とがフラットになるまで、造形槽3を上方に移動させる。その後、粉末供給部14により粉末が供給されたスキージ11を、x軸マイナス側のフランジ部3aからx軸プラス側のフランジ部3aまでスライドさせる(往路)。これにより、定盤2の上面と造形槽3の内側面とに囲まれた空間に、粉末が供給される(ステップS203)。
【0035】
粉末が積層されることで形成される粉末層51aの高さがワーク土台40と同じ高さにまで達していない場合(ステップS204のNO)、引き続き粉末が供給される(ステップS203)。
【0036】
具体的には、スキージ11をx軸プラス側のフランジ部3aからx軸マイナス側のフランジ部3aまでスライドさせる(復路)。これにより、定盤2の上面と造形槽3の内側面とに囲まれた空間に、さらに粉末が供給される(ステップS203)。
【0037】
粉末層51aの高さがワーク土台40と同じ高さに達するまで、このような動作が繰り返される。
【0038】
その後、高さ検知部16により粉末層51aの高さがワーク土台40と同じ高さに達したことが検出されると(ステップS204のYES)、粉末供給部14の作動信号がアクティブからインアクティブになり、粉末の供給が完了する(ステップS205)。
【0039】
なお、粉末の供給は、粉末供給部14によってスキージ11を介して行われる代わりに、作業者によって直接行われてもよい。その場合、例えば粉末の供給開始を示すボタンが作業者によって押されると(ステップS202のYES)、粉末供給が可能な状態となって粉末の供給が行われ(ステップS203)、粉末供給完了を示すボタンが作業者によって押されると、粉末供給可能な状態が解除され、粉末の供給が完了する(ステップS205)。
【0040】
その後、粉末供給を停止した状態で、加振装置15により粉末層51aに振動を加える(ステップS206)。これにより、粉末層51aのかさ密度が増大する。これは、その後の積層造形工程において形成される造形物50の品質の向上につながる。しかし、その結果、粉末層51aの高さが減少する。そこで、粉末層51aに対する追加の粉末供給が行われる。
【0041】
具体的には、まず、高さ検知部16により、加振後の粉末層51aの高さがワーク土台40と同じ高さに達しているか否かが検知される(ステップS207)。
【0042】
加振後の粉末層51aの高さがワーク土台40と同じ高さにまで達していない場合(ステップS207のNO)、例えば、加振後の粉末層51aの高さと、ワーク土台40の高さと、の差分に基づいて、追加する粉末の量が算出された後(ステップS208)、算出された量の粉末が再び供給される(ステップS203)。その後、ステップS204〜S207まで同様の動作が繰り返される。
【0043】
その後、高さ検知部16により、加振後の粉末層51aの高さがワーク土台40と同じ高さに達していることが検出されると(ステップS207のYES)、ワーク土台40上に造形物を形成する積層造形工程に移る(ステップS209)。
【0044】
積層造形工程では、例えばスキージ11がx軸マイナス側のフランジ部3a上に設置された状態で、スキージ11の粉末投入領域に粉末が供給される。ここで、1度に2回分の粉末層を形成するための粉末が供給される。
【0045】
その後、加振後の粉末層51aの上面(ワーク土台40の上面)と、造形槽3のフランジ部3aの上面と、が完全にフラットな状態から、造形槽3のみを上方に例えば30μm移動させる。その後、スキージ11をx軸マイナス側のフランジ部3aからx軸プラス側のフランジ部3aまでスライドさせる(往路)。これにより、加振後の粉末層51aの上面、ワーク土台40、及び、造形槽3の内側面に囲まれた空間に粉末が供給され、厚さ30μmの粉末層51bが形成される。
【0046】
その後、粉末層51bの所定領域にレーザビームLBを照射し、焼結または溶融固化させることにより、所望の形状を有する硬化層50bをワーク土台40上に形成する。この間、スキージ11はx軸プラス側のフランジ部3a上で待機している。
【0047】
また、粉末層51bの所定領域にレーザビ−ムLBを照射し、焼結または溶融固化させると、ヒュームが発生する。しかしながら、本発明の積層造形装置では、粉末層全体の30〜50mm上方(z軸方向プラス側)において、y軸方向に窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを流している。そのため、粉末層に向けてガスを吹き付けることなく、発生したヒュームを速やかに除去することができる。
【0048】
その後、再度、造形槽3のみを上方に例えば30μm移動させる。
その後、スキージ11をx軸プラス側のフランジ部3aからx軸マイナス側のフランジ部3aまでスライドされる(復路)。これにより、粉末層51b及び硬化層50bと造形槽3の内側面とに囲まれた空間に粉末が供給され、厚さ30μmの粉末層51cが形成される。
【0049】
その後、粉末層51cの所定領域にレーザビームLBを照射し、焼結または溶融固化させることにより、所望の形状を有する硬化層50cを硬化層50b上に一体形成する。
【0050】
そして、スキージ11がx軸マイナス側のフランジ部3a上に設置された状態で、再度スキージ11の粉末投入領域に粉末が供給される。
【0051】
積層造形工程では、スキージ11への粉末の供給、造形槽3の上方への移動、スキージ11のスライドによる粉末層(例えば粉末層51b)の形成(往路)、硬化層(例えば硬化層50b)の形成、造形槽3の上方への移動、スキージ11のスライドによる粉末層(例えば粉末層51c)の形成(復路)、硬化層(例えば硬化層50c)の形成が繰り返される。これにより、多数の硬化層が積層一体化された三次元形状の造形物50が得られる。なお、造形槽3内に残留した積層粉末51は、回収され、再利用される。
【0052】
以上のように、本発明に係る積層造形装置では、積層造形工程前にワーク土台40の高さまで充填された粉末層51aに対して振動が付与され、積層造形工程中には粉末層51b,51cに対して振動が付与されないため、積層造形工程中における粉末供給部14による粉末の供給量やレーザビームLBの光路が安定する。その結果、造形物50の形成精度の低下が抑制される。
【0053】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【0054】
例えば、ワーク土台40において、凹凸形状、穴(特に傾斜穴やテーパー穴)など、粉末材料が充填しにくい箇所(または部位)がある場合には、粉末層の高さがワーク土台40の高さに到達したか否かを検出する代わりに、粉末層の高さが造形物(またはワーク土台)の形状データに基づく当該形状箇所(または部位)の高さに到達したか否かを検出することにより、振動制御を行うこともできる。
【0055】
また、積層造形工程において、突発的または大きな「かさ密度」変化を防止するため、積層を一時中断した上で、振動+材料補充の工程・作業を付加する場合も考えられる。その場合においても、造形物の形状データに基づく造形物の凹凸形状、傾斜穴やテーパー穴など、「かさ密度」変化の起因になりそうな箇所(または部位)の高さ検出により、加振装置の振動制御を行うことができる。
【符号の説明】
【0056】
1 ベース
2 定盤
2a 凸部
3 造形槽
3a フランジ部
3b 上部開口端
4 造形槽支持部
5 造形槽駆動部
5a モータ
5c 連結部
6 支柱
7 支持部
8 レーザスキャナ
9 光ファイバ
10 レーザ発振器
11 スキージ
11a 第1のスキージ
11b 第2のスキージ
12 樋
13 粉末分配器
14 粉末供給部
15 加振装置
16 高さ検知部
40 ワーク土台
50 造形物
50b 硬化層
50c 硬化層
51 積層粉末
51a 粉末層
51b 粉末層
51c 粉末層
LB レーザビーム
図1
図2
図3