特開 2022-166895 粉末積層造形装置および造形方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022166895

(43)【公開日】2022-11-04

(54)【発明の名称】粉末積層造形装置および造形方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/171 20170101AFI20221027BHJP

   B29C 64/245 20170101ALI20221027BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20221027BHJP

   B29C 64/393 20170101ALI20221027BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20221027BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20221027BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20221027BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20221027BHJP

   B22F 12/60 20210101ALI20221027BHJP

   B22F 12/30 20210101ALI20221027BHJP

   B22F 12/90 20210101ALI20221027BHJP

   B22F 12/84 20210101ALI20221027BHJP

【ＦＩ】

B29C64/171

B29C64/245

B29C64/153

B29C64/393

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y50/02

B22F10/28

B22F12/60

B22F12/30

B22F12/90

B22F12/84

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021072291

(22)【出願日】2021-04-22

(71)【出願人】

【識別番号】000004215

【氏名又は名称】株式会社日本製鋼所

(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】植田 直樹

【テーマコード（参考）】

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F213AC04

4F213WA25

4F213WB01

4F213WL03

4F213WL13

4F213WL35

4F213WL73

4F213WL85

(57)【要約】

【課題】所望の製品を効率よく製造する粉末積層造形装置および造形方法を提供する。
【解決手段】粉末積層造形装置１は、複数の造形ステージ１１、ステージ搬送機構１２および複数の昇降制御機構１７を有する。造形ステージ１１は、加工対象物である粉末を積載可能な主面を有する。ステージ搬送機構１２は、複数の前記造形ステージが工程の進行方向に沿って配列された複数の加工区を有する加工領域Ａ１１において複数の造形ステージ１１を進行方向に搬送する。複数の昇降制御機構１７は、加工領域Ａ１１における複数の造形ステージ１１のそれぞれの高さを制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

加工対象物である粉末を積載可能な主面を有する造形ステージと、
複数の前記造形ステージが工程の進行方向に沿って配列された複数の加工区を有する加工領域において複数の前記造形ステージを前記進行方向に搬送するステージ搬送機構と、
前記加工領域における複数の前記造形ステージのそれぞれの高さを制御する複数の昇降制御機構と、を備える
粉末積層造形装置。

【請求項2】

前記ステージ搬送機構は、環状に構成され循環して前記造形ステージを搬送する搬送部と、前記搬送部を駆動する搬送駆動部と、を含む、
請求項１に記載の粉末積層造形装置。

【請求項3】

前記ステージ搬送機構は、前記搬送部が鉛直面に沿って循環するように構成されている、
請求項２に記載の粉末積層造形装置。

【請求項4】

前記ステージ搬送機構は、前記加工領域における前記搬送部の高さが、工程の上流側から下流側に向かって低くなるように配置されている、
請求項２または３に記載の粉末積層造形装置。

【請求項5】

前記加工領域において、前記搬送部と前記造形ステージとが前記進行方向に連動するように、前記搬送部と前記造形ステージとのそれぞれに連結する連結部をさらに備える、
請求項２～４のいずれか一項に記載の粉末積層造形装置。

【請求項6】

前記連結部は、前記加工領域において、上下方向の相対的な位置関係が変化可能に前記搬送部と前記造形ステージとのそれぞれに連結する、
請求項５に記載の粉末積層造形装置。

【請求項7】

前記連結部は、前記搬送部に連結する部分と前記造形ステージに連結する部分との間に屈曲する関節部を有する、
請求項５または６に記載の粉末積層造形装置。

【請求項8】

前記加工領域において、隣接する２つの前記加工区に跨って前記進行方向に延伸し、一の前記造形ステージを水平方向に案内する複数の水平ガイドを備える、
請求項１～７のいずれか一項に記載の粉末積層造形装置。

【請求項9】

前記水平ガイドは、工程の上流側に配置された第１の前記水平ガイドにおける下流側部分の下方に、工程の下流側に配置された第２の前記水平ガイドの上流側部分が配置される、
請求項８に記載の粉末積層造形装置。

【請求項10】

前記水平ガイドは、前記造形ステージが着脱可能に係合する、
請求項８または９に記載の粉末積層造形装置。

【請求項11】

前記昇降制御機構は、前記加工領域における工程の上流側に配置された第１の前記水平ガイドと下流側に配置された第２の前記水平ガイドとの間を昇降可能に配置され、第１の前記水平ガイドから離脱した前記造形ステージを第２の前記水平ガイドと係合可能に下降させる、
請求項８～１０のいずれか一項に記載の粉末積層造形装置。

【請求項12】

前記加工領域において、前記進行方向に沿って前記造形ステージの側部に接し、且つ、前記造形ステージの前記主面から上端部までの高さが可変可能に立設する側板と、
前記加工領域において、前記進行方向に直交する方向に沿って、且つ、前記造形ステージの側部に接するように立設する仕切板と、をさらに備え、
前記側板と前記仕切板とは、前記造形ステージに敷き詰められる前記粉末を支持する枠体を形成する、
請求項１～１１のいずれか一項に記載の粉末積層造形装置。

【請求項13】

前記側板は、隣接する複数の工程に跨って延伸し、前記上端部が水平に形成されている、
請求項１２に記載の粉末積層造形装置。

【請求項14】

上下方向にそれぞれ独立して直動可能に複数の前記仕切板を支持するとともに、水平面に沿って環状に循環するように前記仕切板を搬送する仕切板搬送機構をさらに備える、
請求項１２または１３に記載の粉末積層造形装置。

【請求項15】

前記仕切板搬送機構は、前記加工領域において前記進行方向に沿って前記仕切板を搬送し、前記仕切板が前記加工領域を離脱した後には、前記進行方向と異なる方向に前記仕切板を搬送する、
請求項１４に記載の粉末積層造形装置。

【請求項16】

前記仕切板搬送機構は、前記加工領域における前記造形ステージの動きに前記仕切板を連動させる、
請求項１４または１５に記載の粉末積層造形装置。

【請求項17】

前記加工領域において、複数の前記造形ステージのそれぞれに対して前記粉末を並行して敷き詰める複数のリコータをさらに備える、
請求項１～１６のいずれか一項に記載の粉末積層造形装置。

【請求項18】

前記リコータは、前記進行方向に直交する方向に往復運動を行うことにより前記粉末を前記造形ステージに敷き詰める、
請求項１７に記載の粉末積層造形装置。

【請求項19】

加工対象物である粉末を積載可能な主面を有する造形ステージを複数有し、複数の前記造形ステージを工程の進行方向に沿って配列した加工領域において連続して造形物を造形する造形方法であって、
（ａ）工程の進行方向に沿って配列した複数の前記造形ステージを前記進行方向に搬送する工程と、
（ｂ）複数の前記造形ステージをそれぞれ下降させる工程と、
（ｃ）複数の前記造形ステージのそれぞれに前記粉末を敷き詰める工程と、
（ｄ）複数の前記造形ステージに敷き詰めた前記粉末に対してレーザ光を照射する工程と、
（ｅ）工程（ａ）～工程（ｄ）を繰り返す工程と、
を備える
造形方法。

【請求項20】

前記造形方法は、工程（ｂ）～工程（ｄ）を予め設定された回数繰り返す、
請求項１９に記載の造形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は粉末積層造形装置および造形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

粉末積層造形装置は、金属や樹脂などの材料粉末を粉末床に敷きつめ、敷きつめた粉末床に対してレーザを照射し、かかる粉末を融解および凝固させ、これを積み重ねることにより三次元の造形体を得る。

【0003】

例えば特許文献１は、金属用３Ｄプリンタにおける製造の手順として、以下の工程（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）を繰り返す技術が開示されている。（ａ）粉末供給槽に母材金属粉末とそれに対する異質核粒子とからなる混合粉末を充填し、チャンバ内を真空場にする。（ｂ）積層１ピッチ分だけ造形テーブルを下降させて、粉末供給層を積層１ピッチ分だけ上昇させた後、ブレードによって造形テーブル上に混合粉末を敷きつめる。（ｃ）レーザを照射することにより１層分の混合粉末の余熱および融解と凝固を行う。母材金属粉末のみが融解し凝固するため、異質核粒子が異質核生成の際に凝固の核として働き、等軸晶の晶出および結晶粒が微細化する。（ｄ）混合粉末を積層１ピッチ分だけ造形物上に積層し、レーザを照射することにより混合粉末の余熱および融解と凝固を行う。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－２２２８９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

粉末積層造形装置においては、１つの装置において上述のような異なる複数の工程を１つずつ順番に実行して所望の製品を製造するバッチ式が採用される。しかし、粉末積層造形方法における生産性を向上させる技術が期待されている。

【0006】

本開示は、このような課題を解決するためになされたものであって、所望の製品を効率よく製造する粉末積層造形装置等を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示にかかる粉末積層造形装置は、複数の造形ステージ、ステージ搬送機構および複数の昇降制御機構を有する。造形ステージは、加工対象物である粉末を積載可能な主面を有する。ステージ搬送機構は、複数の前記造形ステージが工程の進行方向に沿って配列された複数の加工区を有する加工領域において複数の前記造形ステージを前記進行方向に搬送する。複数の昇降制御機構は、前記加工領域における複数の前記造形ステージのそれぞれの高さを制御する。

【0008】

本開示にかかる造形方法は、加工対象物である粉末を積載可能な主面を有する造形ステージを複数有し、複数の前記造形ステージを工程の進行方向に沿って配列した加工領域において連続して造形物を造形する粉末積層造形装置が実行する造形方法である。
粉末積層造形装置は、工程（ａ）として、工程の進行方向に沿って配列した複数の前記造形ステージを前記進行方向に搬送する。
粉末積層造形装置は、工程（ｂ）として、複数の前記造形ステージをそれぞれ下降させる。
粉末積層造形装置は、工程（ｃ）として、複数の前記造形ステージのそれぞれに前記粉末を敷き詰める。
粉末積層造形装置は、工程（ｄ）として、複数の前記造形ステージに敷き詰めた前記粉末に対してレーザ光を照射する。
粉末積層造形装置は、工程（ｅ）として、工程（ａ）～工程（ｄ）を繰り返す。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、所望の製品を効率よく製造する粉末積層造形装置および造形方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態にかかる粉末積層造形装置の側面図である。

【図2】実施の形態にかかる粉末積層造形装置の上面図である。

【図3】粉末積層造形装置１における光学ブロックの構成例を示す側面図である。

【図4】加工領域における水平ガイドの配置図である。

【図5】連結部および昇降制御機構の構成を説明するための図である。

【図6】造形ステージの構成を説明するための図である。

【図7】仕切板制御ブロックの斜視図である。

【図8】粉末積層造形装置が実行する造形方法を示すフローチャートである。

【図9】粉末積層造形装置の動作を説明するための第１の図である。

【図10】粉末積層造形装置の動作を説明するための第２の図である。

【図11】粉末積層造形装置の動作を説明するための第３の図である。

【図12】粉末積層造形装置の動作を説明するための第４の図である。

【図13】粉末積層造形装置の動作を説明するための第５の図である。

【図14】粉末積層造形装置の動作を説明するための第６の図である。

【図15】粉末積層造形装置の動作を説明するための第７の図である。

【図16】粉末積層造形装置の動作を説明するための第８の図である。

【図17】粉末積層造形装置の動作を説明するための第９の図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲にかかる発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載および図面は、適宜、省略、および簡略化がなされている。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

【0012】

＜実施の形態＞
まず、図１および図２を参照しながら、本実施の形態にかかる粉末積層造形装置の概要について説明する。図１は、実施の形態にかかる粉末積層造形装置の側面図である。図２は、実施の形態にかかる粉末積層造形装置の上面図である。本実施の形態にかかる粉末積層造形装置１は、いわゆる３Ｄプリンタの一種であって、３次元の設計データを基にして、薄くスライスされた２次元の層を１枚ずつ形成して積層することによって、所望の３次元形状を有する製造品を製造する。また本実施の形態における粉末積層造形装置１は、複数の加工区において異なる工程を並行して行うことにより、連続的に製造品を製造する連続式の造形装置である。なお、図１および図２において、理解容易のために一部の構成を省略して示している。

【0013】

粉末積層造形装置１は、予熱領域Ａ１０、加工領域Ａ１１および排出領域Ａ１２を有している。予熱領域Ａ１０は、加工領域Ａ１１の手前において、粉末を敷き詰める造形ステージを予熱する。

【0014】

加工領域Ａ１１は、上述した各構成がそれぞれの機能を発揮することにより粉末を加工して所望の３次元形状物を製造する領域である。加工領域Ａ１１は、図２に示すように４か所の加工区（第１加工区Ａ１１１、第２加工区Ａ１１２、第３加工区Ａ１１３および第４加工区Ａ１１４）を含む。４か所の加工区は、それぞれに造形ステージが設置され、設置された造形ステージに対して異なる工程が行われる。より具体的には、４か所の加工区において、粉末積層造形装置１は、粉末床を形成し、形成した粉末床にレーザ光を照射する。造形ステージが４つの加工区を順次通過することにより、造形ステージ上には、製造品を含有する造形ブロックが生成される。排出領域Ａ１２は、加工領域Ａ１１を通過した造形ブロックを搬送および排出する領域である。

【0015】

以下に、粉末積層造形装置１の各構成について説明する。粉末積層造形装置１は、主な構成として、造形ブロック１０、仕切板制御ブロック２０、粉末供給ブロック３０および光源ブロック４０を有している。

【0016】

なお、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものとして、図１は、右手系の直交座標系が付されている。また、図２以降において、直交座標系が付されている場合、図１のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向と、これらの直交座標系のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向はそれぞれ一致している。

【0017】

（造形ブロック１０）
造形ブロック１０は、主な構成として、造形ステージ１１、ステージ搬送機構１２、連結部１３、水平ガイド１６、昇降制御機構１７および側板１８を有している。

【0018】

造形ステージ１１は、加工対象物である粉末を積載可能な矩形状の主面を有する。造形ステージ１１は連結部１３を介してステージ搬送機構１２に係合しており、ステージ搬送機構１２により搬送される。造形ステージ１１は、加工領域Ａ１１において主面が上に向くように構成されている。

【0019】

ステージ搬送機構１２は、連結部１３を介して複数の造形ステージ１１を支持し、この造形ステージ１１を工程の進行方向に順次搬送する。工程の進行方向とは、図１および図２におけるＸ軸マイナス側からＸ軸プラス側へ向かう方向である。ステージ搬送機構１２は主な構成として、搬送部１２１および搬送駆動部１２２を有する。

【0020】

搬送部１２１は、環状に構成されており、環に沿って造形ステージ１１を支持している。また搬送部１２１は、搬送駆動部１２２によって駆動される。これにより搬送部１２１は、環状に循環して造形ステージ１１を搬送する。搬送部１２１は例えば、環状に構成されたチェーンやベルトである。

【0021】

搬送駆動部１２２は、搬送部を駆動するためのモータを含み、搬送部１２１と係合して搬送部１２１を環状に循環させる。搬送駆動部１２２は１つであってもよいし、複数存在していてもよい。図１に示すステージ搬送機構１２は、搬送部１２１の右端および左端のそれぞれに搬送駆動部１２２を有している。また図１に示すように、搬送駆動部１２２はＸ軸に平行な軸を中心として右回転（つまり時計回りに回転）をするように構成されている。これにより、搬送駆動部１２２は、搬送部１２１の上側を左から右へと搬送する。また搬送駆動部１２２は、搬送部１２１の下側を右から左へと搬送する。なお、ステージ搬送機構１２は上述の構成に加えて、搬送部１２１の動きを規制し、または搬送駆動部１２２の動作を補助するためのガイド部材を含んでいてもよい。図に示す搬送駆動部１２２は、一方が駆動し、他方が従動するものであってもよい。

【0022】

本実施の形態における搬送部１２１は、鉛直面に沿って循環するように構成されている。より具体的には、図１に示す搬送部１２１は、鉛直面であるＹＺ面に沿って環状に循環する。また搬送部１２１は、左右端に円形部を有する略長円形状を呈している。さらに、ステージ搬送機構１２は、加工領域Ａ１１における搬送部１２１の高さが、工程の上流側から下流側に向かって低くなるように配置されている。図１に示す例の場合、加工領域Ａ１１において、搬送部１２１は搬送駆動部１２２によって、左から右に搬送される。よって、加工領域Ａ１１における工程の上流側は、図の左側であって、工程の下流側は、図の右側である。そのため、図１に示す搬送部１２１は、左上から右下に向かって低くなっている。

【0023】

水平ガイド１６は、加工領域Ａ１１において、隣接する２つの工程に跨って進行方向に延伸し、係合した１つの造形ステージ１１を水平方向に案内する。水平ガイド１６は例えばリニアガイドにより構成されていてもよい。造形ブロック１０は、加工領域Ａ１１において複数の水平ガイド１６を有している。複数の水平ガイド１６は、傾斜して延伸する搬送部１２１に沿って、カスケード状または階段状に配置されている。

【0024】

昇降制御機構１７は、加工領域Ａ１１の、それぞれの工程に配置されており、配置されている工程に搬送されてくる造形ステージ１１を支持する。また昇降制御機構１７は、粉末供給ブロック３０に粉末床を形成させるために、支持する造形ステージ１１の高さを制御する。さらに昇降制御機構１７は、造形ステージ１１に敷き詰められた粉末にレーザ光が照射された後に、造形ステージ１１と、造形ステージ１１の下方に位置する水平ガイド１６とが係合可能な位置に、造形ステージ１１を降下させる。

【0025】

側板１８は、加工領域Ａ１１において、進行方向に沿って造形ステージ１１の側部に接する面を有する。側板１８は、造形ステージ１１の側部に接することにより、造形ステージ１１に敷き詰められる粉末を支持する。本実施の形態における側板１８は、隣接する複数の加工区に跨って延伸し、その上端部は、水平に形成されており、位置が変化しないように固定されている。したがって、ステージ搬送機構１２により搬送される造形ステージ１１の主面から側板１８の上端部までの高さは４か所の加工区ごとに異なる。すなわち、側板１８は、加工領域Ａ１１において、進行方向に沿って造形ステージ１１の側部に接し、且つ、造形ステージ１１の主面から上端部までの高さが可変可能に立設する。また側板１８は上端部において粉末供給ブロック３０を支持する。

【0026】

（仕切板制御ブロック２０）
仕切板制御ブロック２０は、造形ブロック１０と連動することにより、複数の仕切板２１の配置を制御する。仕切板制御ブロック２０は、仕切板２１、仕切板搬送機構２２仕切板搬送ベルト２３およびリニアガイド２４を有する。

【0027】

仕切板２１は、上下方向に延伸するように設けられた板状の部材であって、加工領域Ａ１１において、造形ステージ１１の進行方向に直交する方向に沿って、且つ、造形ステージ１１の側部に接するように立設する。また仕切板２１は、加工領域Ａ１１において、隣接する造形ステージ１１の間に介在したまま造形ステージ１１の動きに連動する。これにより、仕切板２１は、造形ステージ１１に敷き詰められる粉末を支持する。すなわち造形ステージ１１の主面上は上述した側板１８と仕切板２１とにより四方が支持されている。換言すると、側板１８および仕切板２１は、造形ステージ１１の主面上において枠体を形成している。

【0028】

また仕切板２１は、リニアガイド２４により上下方向に直動可能に支持されている。これにより、仕切板２１は、加工領域Ａ１１において階段状に配置され、且つ、進行方向に加工しながら搬送される造形ステージ１１の動きに追従する。

【0029】

仕切板搬送機構２２は、上下方向に中心軸を有する円筒状の回転部材である。仕切板搬送機構２２は、仕切板搬送ベルト２３に係合し、仕切板搬送ベルト２３の動きを支持する。具体的には、図２に示す仕切板搬送機構２２は、長円形を呈する仕切板搬送ベルト２３の両端の円形部分の内側に係合している。仕切板搬送機構２２は、仕切板搬送ベルト２３を能動的に循環させるための駆動部を含んでいてもよい。また仕切板搬送機構２２は、駆動部を含まず、造形ブロック１０と連動して従動するように構成されていてもよい。

【0030】

仕切板搬送ベルト２３は、水平面（すなわちＸＹ面）に沿って環状に形成され、仕切板搬送機構２２により循環可能に支持される。仕切板搬送ベルト２３は外周に複数のリニアガイド２４が固定されている。図２に示す仕切板搬送ベルト２３は、左右方向に延伸する長円形を呈しており、左右端の円形部の内側に仕切板搬送機構２２が係合している。なお、仕切板搬送ベルト２３の形状は、図２に示すような長円形に限定されない。

【0031】

リニアガイド２４は、レール部と可動部とを有する。レール部は上下方向に平行になるように仕切板搬送ベルト２３に固定される。可動部は、上下方向に移動可能に仕切板２１を保持する。

【0032】

以上、仕切板制御ブロック２０について説明した。上述のように、仕切板制御ブロック２０は、上下方向にそれぞれ独立して直動可能に複数の仕切板２１を支持する。また仕切板制御ブロック２０は、水平面に沿って環状に循環するように仕切板２１を搬送する仕切板搬送機構２２を有する。

【0033】

また仕切板搬送機構２２は、加工領域Ａ１１において進行方向に沿って仕切板２１を搬送し、仕切板２１が加工領域Ａ１１を離脱した後には、進行方向と異なる方向に仕切板２１を搬送する。また仕切板搬送機構２２は、加工領域Ａ１１における造形ステージ１１の動きに仕切板２１を連動させる。

【0034】

（粉末供給ブロック３０）
粉末供給ブロック３０は主な構成として、リコータ３１および供給粉末３２を有する。リコータ３１は、供給粉末３２を造形ステージ１１に敷き詰めるための部材である。リコータ３１は一般的にブレード状の形態またはローラ状の形態を有する。図２に示すように、リコータ３１例えば造形ステージ１１の側部において側板１８の上面に配置され、造形ステージ１１の進行方向（Ｘ軸方向）に対して直交する方向（Ｙ方向）に往復運動する。

【0035】

供給粉末３２は、リコータ３１により造形ステージ１１に敷き詰められる粉末である。供給粉末３２は、所定の粉末供給装置によりリコータ３１と造形ステージ１１との間に供給される。所定の粉末供給装置は、例えば下方に貯留された粉末のうちの予め設定された量をリコータ３１により移動可能に上昇させる装置である。また所定の粉末供給装置は、例えば、リコータ３１と造形ステージ１１との間の面上に予め設定された量の粉末を上方から落下させて供給する装置であってもよい。

【0036】

上述のとおり、複数のリコータ３１は、加工領域Ａ１１において、複数の造形ステージ１１のそれぞれに対して供給粉末３２を並行して敷き詰める。またリコータ３１は、進行方向に直交する方向（図２のＹ方向）に往復運動を行う。これによりリコータ３１は、供給粉末３２を造形ステージ１１に敷き詰める。

【0037】

（光源ブロック４０）
図１に示す光源ブロック４０は、加工領域Ａ１１の、それぞれの加工区において、リコータ３１により敷き詰められた粉末に対してレーザ光を照射する。これにより光源ブロック４０は、粉末を所望の形状に溶融および固化させる。

【0038】

以上、粉末積層造形装置１の概要について説明した。なお、上述の例において、粉末積層造形装置１は加工領域Ａ１１に、４つの加工区（第１加工区Ａ１１１～第４加工区Ａ１１４）を有する。しかしながら、加工領域Ａ１１が有する加工区は４つに限定されない。加工領域Ａ１１は２つ以上の加工区を有していればよい。

【0039】

次に、図３を参照して光源ブロック４０の構成例について説明する。図３は、粉末積層造形装置１における光学ブロックの構成例を示す側面図である。図３は、加工領域Ａ１１において、加工区ごとに設置されている造形ステージ１１に粉末床９０が敷き詰められた状態を示している。また図３は、光源ブロック４０が複数の粉末床９０に対してレーザ光を照射して製品９１を製造している状況を示している。

【0040】

図３に示す光源ブロック４０は主な構成として、レーザ発振部４１、半反射ミラー４２、全反射ミラー４３およびガルバノユニット４４を有する。レーザ発振部４１は例えば炭酸ガスレーザを出力するレーザ発振器である。半反射ミラー４２は入力されるレーザ光の一部を反射し、残りのレーザ光を透過する。全反射ミラー４３は、入力されるレーザ光を反射する。

【0041】

ガルバノユニット４４は、入力されるレーザ光を所定の角度に反射させるミラーと、このミラーを駆動するガルバノモータと、を含む。ガルバノユニット４４はこの構成により、入力されるレーザ光を、造形ステージ１１の主面上に敷き詰められた粉末床９０に対して照射し、粉末を所望の形状に溶融および固化させ、製品９１を形成する。

【0042】

光源ブロック４０は、複数の半反射ミラー４２および全反射ミラー４３を組み合わせることにより、複数の加工区のそれぞれに設けられたガルバノユニット４４に対して、１つのレーザ発振部４１が生成したレーザ光を分岐させて供給する。このような構成により、光源ブロック４０は、複数の異なる加工区に対して照射するレーザパワーのばらつきを抑制することができる。

【0043】

次に、図４を参照して水平ガイドの配置について説明する。図４は、加工領域における水平ガイドの配置図である。図４は、搬送部１２１の一部と、搬送部１２１の上方に固定されている複数の水平ガイド１６と、を示している。なお、図４において、搬送部１２１は左から右へ搬送される。すなわち図４の左側は工程の上流側であり、図４の右側は工程の下流側である。

【0044】

図に示すように、水平ガイド１６は、加工領域Ａ１１において、隣接する２つの加工区に跨って進行方向に延伸する。また水平ガイド１６は水平ガイド溝１６０を有する。水平ガイド１６の水平ガイド溝１６０は、造形ステージ１１が着脱可能に係合する。水平ガイド溝１６０に造形ステージ１１が係合した場合に、水平ガイド１６は、係合した造形ステージ１１を隣接する加工区に案内する。

【0045】

また水平ガイド１６は、工程の上流側に配置された第１の水平ガイドにおける下流側部分の下方に、工程の下流側に配置された第２の前記水平ガイドの上流側部分が配置される。具体的には例えば、第１加工区Ａ１１１には、第１の水平ガイド１６１と第２の水平ガイド１６２とが配置されている。第１の水平ガイド１６１は、右側（下流側部分）が第１加工区Ａ１１１に配置されている。また第２の水平ガイド１６２は、左側（上流側部分）が第１加工区Ａ１１１において第１の水平ガイド１６１の下方に配置されている。なお、第１の水平ガイド１６１と第２の水平ガイド１６２とは高さＨ１０の距離を有している。

【0046】

次に、図５を参照して、連結部１３および昇降制御機構１７について説明する。図５は、連結部および昇降制御機構の構成を説明するための図である。図５の左側は、第２連結部１５が屈曲した状態の連結部１３が、造形ステージ１１と搬送部１２１とを連結する状態を示している。図５の中央は、加工領域Ａ１１において搬送部１２１が斜めに延伸する場合に連結部１３が造形ステージ１１と搬送部１２１とを連結する状態を示している。図５の右側は、造形ステージ１１が昇降制御機構１７に支持されながら下降した状態を示している。

【0047】

まず、連結部１３について説明する。搬送部１２１と造形ステージ１１とを連結する連結部１３は、第１連結部１４と第２連結部１５とを有する。第１連結部１４は一端部が造形ステージ１１の上流側において造形ステージ１１と係合し、且つ、他端部が搬送部１２１に係合することにより、造形ステージ１１と搬送部１２１とを連結する。第１連結部１４は主な構成として、第１連結軸１４１および第１ガイド溝１４２を有する。第１連結軸１４１は、搬送部１２１に係合している。第１連結部１４は、第１連結軸１４１を中心に回動可能に搬送部１２１に支持されている。第１ガイド溝１４２はガイド溝であって、造形ステージ１１の側部に突出しているガイド軸１１２を直動可能に支持している。

【0048】

第２連結部１５は、一端部が造形ステージ１１の下流側において造形ステージ１１と係合し、且つ、他端部が搬送部１２１に係合することにより、造形ステージ１１と搬送部１２１とを連結する。第２連結部１５は主な構成として、第２連結軸１５１、第２ガイド溝１５２および関節部１５３を有する。第２連結軸１５１は、搬送部１２１に係合している。

【0049】

第２連結部１５は、第２連結軸１５１を中心に回動可能に搬送部１２１に支持されている。第２ガイド溝１５２はガイド溝であって、造形ステージ１１の側部に突出しているガイド軸１１２を直動可能に支持している。関節部１５３は、第２連結軸１５１と第２ガイド溝１５２との間に設けられた関節であって、第２連結部１５の形状を、屈曲状態または直線状態のいずれかに変形可能に構成されている。第２連結部１５は屈曲状態または直線状態を維持するためのロック機構を備えていてもよい。

【0050】

図の左側に示すように、連結部１３は、搬送部１２１が水平方向に延伸する場合は、第２連結部１５の関節部１５３を屈曲させる。また図の中央に示すように、連結部１３は、搬送部１２１が斜めに延伸する場合には、関節部１５３が屈曲しない伸長状態となる。このように、搬送部１２１の延伸方向に応じて第２連結部１５の状態を変化させることにより、連結部１３は搬送部１２１が水平に延伸する場合も、搬送部１２１が斜めに延伸する場合も、造形ステージ１１の姿勢を水平面に平行に保つことができる。また図の右側に示すように、連結部１３は、造形ステージ１１が水平面に平行な姿勢を維持したまま高さＨ１０の寸法を下降できるように構成されている。上述の構成により、連結部１３は、加工領域Ａ１１において、上下方向の相対的な位置関係が変化可能に搬送部１２１と造形ステージ１１とのそれぞれに連結する。

【0051】

次に昇降制御機構１７について説明する。昇降制御機構１７は主な構成として、昇降用モータ１７１、駆動軸１７２および昇降ブロック１７３を有する。昇降用モータ１７１は螺旋状の溝を有する駆動軸１７２を所望の方向に回転させる。駆動軸１７２は昇降用モータ１７１により回転する軸であって、駆動軸１７２に係合している。昇降ブロック１７３は、駆動軸１７２に係合するとともに、造形ステージ１１の下部を支持する。

【0052】

例えば昇降制御機構１７は、昇降用モータ１７１が駆動軸１７２を右回転させると、昇降ブロック１７３を上昇させる。また昇降制御機構１７は例えば、昇降用モータ１７１が駆動軸１７２を左回転させると、昇降ブロック１７３を下降させる。このように、昇降制御機構１７は、昇降ブロック１７３が造形ステージ１１を支持する場合に、上述の動きに応じて造形ステージ１１の高さを制御する。

【0053】

上述の構成により昇降制御機構１７は、加工区における工程の上流側に配置された第１の水平ガイド１６（例えば図４の第１の水平ガイド１６１）と下流側に配置された第２の水平ガイド１６（例えば図４の第２の水平ガイド１６２）との間を昇降可能に配置される。これにより昇降制御機構１７は、第１の水平ガイド１６から離脱した造形ステージ１１を第２の水平ガイド１６と係合可能に下降させる。

【0054】

次に、図６を参照して造形ステージ１１の構成について説明する。図６は、造形ステージの構成を説明するための図である。図６には、２つの対向する水平ガイド１６の間に介在する造形ステージ１１が左右に２つ示されている。それぞれの造形ステージ１１は理解容易の為に一部が透過されて示されている。造形ステージ１１は、プランジャ１１１およびガイド軸１１２を含む。

【0055】

プランジャ１１１は、ガイド軸１１２を駆動してアキシャル方向に繰り出したり、引き込んだりする。造形ステージ１１は、両側の側部（Ｙ方向の側部）において前後方向に離間して配置されているプランジャ１１１をそれぞれ２つ、すなわち合計で４つ有している。またプランジャ１１１が駆動するガイド軸１１２は、第１連結部１４と第２連結部１５とにそれぞれ係合している。

【0056】

図６の左側に示す造形ステージ１１は、４つのプランジャ１１１がそれぞれガイド軸１１２を繰り出している状態である。ガイド軸１１２は、プランジャ１１１に繰り出されることにより、水平ガイド１６が有する水平ガイド溝１６０に係合する。この場合、造形ステージ１１は水平ガイド１６に案内されて、主面が水平面に平行な姿勢を維持したまま、水平方向に移動可能である。一方、この場合には、造形ステージ１１は水平ガイド溝１６０に拘束されているため、上下方向に移動することができない。

【0057】

図６の右側に示す造形ステージ１１は、４つのプランジャ１１１がそれぞれガイド軸１１２を引き込んでいる状態である。ガイド軸１１２は、プランジャ１１１に引き込まれることにより、水平ガイド溝１６０から離脱する。この場合、造形ステージ１１は第１連結部１４および第２連結部１５に案内されて上下方向に移動可能である。なおこの場合、図６の右側において点線により示すように、造形ステージ１１は下方から昇降制御機構１７により支持されることにより、上下方向に移動する。

【0058】

以上、造形ステージ１１の構成について説明した。上述のように、本実施の形態における造形ステージ１１は、水平ガイド１６に着脱可能に係合する。これにより粉末積層造形装置１は、複数の造形ステージ１１の位置および姿勢を制御する。

【0059】

次に、図７を参照して仕切板制御ブロックについて説明する。図７は、仕切板制御ブロックの斜視図である。図７に示す仕切板制御ブロック２０は、上方から観察した場合に、仕切板搬送ベルト２３が反時計回りに循環している。仕切板搬送ベルト２３の外周には、複数のリニアガイド２４が上下方向に沿って固定されている。リニアガイド２４は上下方向に直動可能に、仕切板２１を有している。仕切板搬送ベルト２３は、造形ステージ１１の動きに対応して循環している。これにより仕切板２１は、造形ステージ１１と連動する。

【0060】

造形ステージ１１は、対向する２つの側板１８の間を通過する。このとき、２つの側板１８の間は距離Ｗ１８である。また距離Ｗ１８を通過する造形ステージ１１は幅Ｗ１１を有する。ここで、幅Ｗ１１は、距離Ｗ１８をがたつきなく通過可能な大きさとなっている。また、仕切板２１は、造形ステージ１１に接する部分の寸法として幅Ｗ２１を有している。ここで、造形ステージ１１が有する幅Ｗ１１と、仕切板２１が有する幅Ｗ２１とは、略同一である。そのため、加工領域Ａ１１において形成される粉末床９０は、側板１８と仕切板２１とに囲まれ支持された状態を維持しながら、工程の進行方向に順次搬送される。

【0061】

加工領域Ａ１１において加工が行われた粉末は、四角柱状の粉末ブロック９２を形成する。粉末ブロック９２は、加工領域Ａ１１を通過すると、排出領域Ａ１２に搬送される。排出領域Ａ１２は、側板１８が存在せず、且つ、工程の下流側の仕切板２１は仕切板搬送ベルト２３に沿って移動するため造形ステージ１１から離れる。そのため、排出領域Ａ１２において、粉末ブロック９２は工程の上流側に存在する仕切板２１とは接しているものの、それ以外の周囲の面は支持されない。そして、この状態からさらに造形ステージ１１および仕切板２１が進行方向に移動すると、仕切板２１は仕切板搬送ベルト２３に沿って矢印Ａ２１の方向に旋回しながら移動する。すると、粉末ブロック９２は旋回する仕切板２１により、造形ステージ１１の進行方向とは異なる方向に押し出されることになる。このように、仕切板２１は、排出領域Ａ１２において、加工された粉末ブロック９２を排出する機能を有する。

【0062】

次に、図９を参照して粉末積層造形装置１が実行する処理について説明する。図９は、粉末積層造形装置が実行する造形方法を示すフローチャートである。図９に示すフローチャートは、粉末積層造形装置１が加工領域Ａ１１において行う処理について示している。本開示にかかる造形方法は、加工対象物である粉末を積載可能な主面を有する造形ステージを複数有し、複数の造形ステージを工程の進行方向に沿って配列した加工領域において連続して造形物を造形する粉末積層造形装置が実行する造形方法である。

【0063】

まず粉末積層造形装置１は、工程（ａ）として、工程の進行方向に沿って配列した複数の造形ステージ１１を進行方向に搬送する（ステップＳ１１）。

【0064】

次に、粉末積層造形装置１は、工程（ｂ）として、複数の造形ステージ１１をそれぞれ下降させる（ステップＳ１２）。

【0065】

次に、粉末積層造形装置１は、工程（ｃ）として、複数の造形ステージ１１のそれぞれに粉末を敷き詰める（ステップＳ１３）。

【0066】

次に、粉末積層造形装置１は、工程（ｄ）として、複数の造形ステージ１１に敷き詰めた粉末に対してレーザ光を照射する（ステップＳ１４）。

【0067】

次に、粉末積層造形装置１は、工程（ｂ）～工程（ｄ）が所定回数に到達したか否かを判定する（ステップＳ１５）。すなわち粉末積層造形装置１は、工程（ｂ）～工程（ｄ）を所定回数実行する。所定回数は、１回でもよいし、２回以上であってもよい。工程（ｂ）～工程（ｄ）が所定回数に到達したと判定しない場合（ステップＳ１５：ＮＯ）、粉末積層造形装置１はステップＳ１２に戻り、工程（ｂ）を行う。一方、工程（ｂ）～工程（ｄ）が所定回数に到達したと判定した場合（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、粉末積層造形装置１は、ステップＳ１６に進む。

【0068】

次に、粉末積層造形装置１は、一連の処理を終了するか否かを判定する（ステップＳ１６）。換言すると、粉末積層造形装置１は、一連の処理を終了すると判定しない場合（ステップＳ１６：ＮＯ）、工程（ｅ）として、工程（ａ）～工程（ｄ）を繰り返す。そして、粉末積層造形装置１は、一連の処理を終了すると判定する場合（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、一連の処理を終了する。一連の処理を終了する場合とは、例えばユーザによる停止の支持を受け取った場合や、粉末床に敷き詰めるための粉末が供給されなかった場合などである。

【0069】

以上、粉末積層造形装置１が実行する処理について説明した。上述の粉末積層造形方法によれば、所望の製品を効率よく製造することができる。

【0070】

次に、上述した粉末積層造形方法について、具体的例と共に説明する。図９は、粉末積層造形装置の動作を説明するための第１の図である。図９において、実線により示された造形ステージ１１は、予熱領域Ａ１０に位置している。以降の説明において、１つの造形ステージ１１の動作について着目するために、着目する１つの造形ステージ１１を実線により示し、その他の造形ステージ１１等は、点線により示す。また理解容易のため、適宜構成を省略して表示する。

【0071】

図９において実線により示されている造形ステージ１１は、ステージ搬送機構１２により予熱領域Ａ１０から加工領域Ａ１１に搬送される（工程（ａ））。このときガイド軸１１２は、水平ガイド溝１６０に係合している。そのため造形ステージ１１は、主面が水平状態を維持しながら第１加工区Ａ１１１に搬送される。なお、この時点では造形ステージ１１に係合する第２連結部１５の関節部１５３は屈曲状態である。

【0072】

図１０は、粉末積層造形装置の動作を説明するための第２の図である。図１０において、造形ステージ１１は第１加工区Ａ１１１に到達している。この時点で、ガイド軸１１２は水平ガイド溝１６０に係合した状態である。また第２連結部１５は屈曲状態から伸長状態に変化している。

【0073】

造形ステージ１１は第１加工区Ａ１１１に到達すると、第１加工区Ａ１１１に設置されている昇降制御機構１７は、造形ステージ１１を支持するために昇降ブロック１７３を上昇させる。なお、昇降制御機構１７は、造形ステージ１１が第１加工区Ａ１１１に到達する前から昇降ブロック１７３の上昇を開始していてもよい。

【0074】

図１１は、粉末積層造形装置の動作を説明するための第３の図である。図１１において、造形ステージ１１は、昇降制御機構１７により支持されている。またガイド軸１１２は、水平ガイド１６から離脱している。よって、造形ステージ１１は上下方向に移動可能な状態となっている。ここからは昇降ブロック１７３を下降させる。そのため、造形ステージ１１は第１ガイド溝１４２および第２ガイド溝１５２に沿って昇降ブロック１７３とともに下降する。

【0075】

図１２は、粉末積層造形装置の動作を説明するための第４の図である。図１２において、造形ステージ１１は、図１１に示した位置から高さＨ１１下降している（工程（ｂ））。高さＨ１１は、この後に生成される粉末床の厚さに対応している。

【0076】

図１３は、粉末積層造形装置の動作を説明するための第５の図である。図１３において、造形ステージ１１の主面には、粉末床９０が敷き詰められ（工程（ｃ））、そしてガルバノユニット４４からレーザ光が照射されている（工程（ｄ））。粉末床に対するレーザ光による加工が終了すると、昇降制御機構１７は再び高さＨ１１の下降（工程（ｂ））を行う。そして、ガルバノユニット４４が粉末床にレーザ光を照射する（工程（ｃ）、工程（ｄ））。粉末積層造形装置１は、所定の回数この処理を繰り返す。

【0077】

図１４は、粉末積層造形装置の動作を説明するための第６の図である。図１４に示す造形ステージ１１は、所定回数の工程（ｂ）～工程（ｄ）を繰り返した状態である。この後に、昇降制御機構１７は、造形ステージ１１を工程の下流側の水平ガイド１６に係合させるため、ガイド軸１１２が水平ガイド溝１６０に係合可能な位置に造形ステージ１１を移動させる。

【0078】

図１５は、粉末積層造形装置の動作を説明するための第７の図である。図１５において、造形ステージ１１は、ガイド軸１１２が水平ガイド溝１６０に係合した状態である。そのためこの後に、ステージ搬送機構１２は搬送部１２１を駆動して、造形ステージ１１を次の工程に進めるために、第１加工区Ａ１１１から第２加工区Ａ１１２に搬送する（工程（ａ））。

【0079】

図１６は、粉末積層造形装置の動作を説明するための第８の図である。図１６において、造形ステージ１１は第２加工区Ａ１１２に搬送された状態である。この後に、造形ステージ１１は、水平ガイド１６との係合から離脱する。さらに造形ステージ１１は、昇降制御機構１７により下降する（工程（ｂ））。そして、粉末供給ブロック３０が造形ステージ１１の主面に粉末床を生成する（工程（ｃ））。そしてガルバノユニット４４は粉末床にレーザ光を照射する（工程（ｄ））。

【0080】

図１７は、粉末積層造形装置の動作を説明するための第９の図である。図１７において、造形ステージ１１は、第２加工区Ａ１１２において、所定の工程が行われた状態である。そのため、第２加工区Ａ１１２において、造形ステージ１１の上には第１加工区Ａ１１１において形成された造形物の上に、さらに粉末床が重ねられ、レーザ光によりさらに造形物が形成されている。第２加工区Ａ１１２における工程が終了すると、造形ステージ１１は第３加工区Ａ１１３に搬送され、同様の工程を繰り返す。また、図１７に示すように、それぞれの加工区において、並行して処理が実行されている。そのため、粉末積層造形装置１は、所望の製品を連続して製造することができる。

【0081】

以上、粉末積層造形装置１について説明したが、実施の形態にかかる粉末積層造形装置１は、上述の構成に限られない。例えばステージ搬送機構１２が有する搬送部１２１は、鉛直面に沿って循環するものではなく、水平面に沿って循環する形態を呈していてもよい。また昇降制御機構１７は、それぞれの加工区に固定されているものではなく、造形ステージ１１に連動して進行方向に移動してもよい。また搬送部１２１は、昇降制御機構１７を搬送するものであってもよい。

【0082】

側板１８は、加工領域Ａ１１に固定されているものではなく、造形ステージ１１のそれぞれに付随して上下動可能に構成されていてもよい。仕切板２１は、仕切板制御ブロック２０により制御されるものではなく、造形ステージ１１に係合し、造形ステージ１１と共に搬送されるものであってもよい。光源ブロック４０は、１つのレーザ光源を分岐してレーザ光を生成するものではなく、それぞれの加工区に対してそれぞれの光源を有していてもよい。

【0083】

以上、実施の形態によれば、所望の製品を効率よく製造する粉末積層造形装置および造形方法を提供することができる。

【0084】

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。

【符号の説明】

【0085】

１ 粉末積層造形装置
１０ 造形ブロック
１１ 造形ステージ
１２ ステージ搬送機構
１３ 連結部
１４ 第１連結部
１５ 第２連結部
１６ 水平ガイド
１７ 昇降制御機構
１８ 側板
２０ 仕切板制御ブロック
２１ 仕切板
２２ 仕切板搬送機構
２３ 仕切板搬送ベルト
２４ リニアガイド
３０ 粉末供給ブロック
３１ リコータ
３２ 供給粉末
４０ 光源ブロック
４１ レーザ発振部
４２ 半反射ミラー
４３ 全反射ミラー
４４ ガルバノユニット
９０ 粉末床
９１ 製品
９２ 粉末ブロック
１１１ プランジャ
１１２ ガイド軸
１２１ 搬送部
１２２ 搬送駆動部
１４１ 第１連結軸
１４２ 第１ガイド溝
１５１ 第２連結軸
１５２ 第２ガイド溝
１５３ 関節部
１６０ 水平ガイド溝
１７１ 昇降用モータ
１７２ 駆動軸
１７３ 昇降ブロック
Ａ１１ 加工領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】