(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-06-13
(45)【発行日】2023-06-21
(54)【発明の名称】積層造形装置、及び積層造形物の製造方法
(51)【国際特許分類】
B29C 64/153 20170101AFI20230614BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20230614BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20230614BHJP
B29C 64/393 20170101ALI20230614BHJP
B33Y 50/02 20150101ALI20230614BHJP
B29C 64/295 20170101ALI20230614BHJP
B22F 12/20 20210101ALI20230614BHJP
B22F 12/30 20210101ALI20230614BHJP
B22F 10/28 20210101ALI20230614BHJP
【ＦＩ】
B29C64/153
B33Y30/00
B33Y10/00
B29C64/393
B33Y50/02
B29C64/295
B22F12/20
B22F12/30
B22F10/28
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2022044050
(22)【出願日】2022-03-18
【審査請求日】2022-06-10
(73)【特許権者】
【識別番号】000132725
【氏名又は名称】株式会社ソディック
(74)【代理人】
【識別番号】110001139
【氏名又は名称】ＳＫ弁理士法人
(74)【代理人】
【識別番号】100130328
【弁理士】
【氏名又は名称】奥野 彰彦
(74)【代理人】
【識別番号】100130672
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 寛之
(72)【発明者】
【氏名】村中 勝隆
(72)【発明者】
【氏名】加藤 善考
【審査官】▲高▼橋 理絵
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２１－０６６９０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－３０７８９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－１１５６２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０２０／１８８８８１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１６／１５１７１２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２１／１０６１７９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１８－１６２４８８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２９Ｃ ６４／００－６４／４０
Ｂ３３Ｙ １０／００－９９／００
Ｂ２２Ｆ １０／００－１２／９０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
積層造形装置であって、造形テーブルと、照射装置と、温度調整装置と、冷媒循環装置と、制御手段とを備え、
前記造形テーブル上には、材料粉体の供給により材料層が形成され、
前記照射装置は、前記材料層にレーザ光又は電子ビームを照射して固化層を形成し、
前記温度調整装置は、前記造形テーブルを設定温度まで加熱する加熱器と、前記造形テーブルを冷却する第１冷却器とを備え、
前記冷媒循環装置は、冷媒を温度調整して前記第１冷却器との間で循環させ、運転モードとして低負荷モードと高負荷モードとを備え、
前記制御手段は、高負荷継続時間設定部とモード切替部とを備え、前記設定温度に基づき、前記冷媒循環装置の冷却能力を操作することにより前記冷媒循環装置から供給される前記冷媒の温度である供給冷媒温度を制御するように構成され、
前記高負荷継続時間設定部は、前記高負荷モードによる前記冷媒循環装置の１回の運転あたりの継続時間である高負荷継続時間を設定し、
前記モード切替部は、前記設定温度及び前記高負荷継続時間に基づき前記運転モードの切替を行い、
前記冷媒循環装置は、前記高負荷モードにおいて、前記低負荷モードよりも高い冷却能力で前記冷媒の温度調整を行う、積層造形装置。
【請求項2】
請求項１に記載の積層造形装置であって、前記冷媒循環装置と前記第１冷却器とは、前記冷媒を前記第１冷却器に供給するための冷媒供給路により接続されており、
前記冷媒供給路には、冷媒供給弁が設けられ、
前記制御手段は、冷媒供給制御部を備え、
前記冷媒供給制御部は、前記冷媒供給弁を開閉することにより前記第１冷却器への前記冷媒の供給を制御するように構成され、
前記モード切替部は、前記冷媒供給弁が閉じられた状態で前記冷媒循環装置を前記低負荷モードから前記高負荷モードへの切替を行うように構成され、
前記冷媒供給制御部は、前記高負荷モードへの前記切替が行われてから所定の待機時間の経過後に前記冷媒供給弁を開いて前記第１冷却器への前記冷媒の供給を開始するように構成される、積層造形装置。
【請求項3】
請求項１～請求項２の何れか１つに記載の積層造形装置であって、前記照射装置は、前記レーザ光を出力するレーザ発振器を備え、
前記積層造形装置は、前記レーザ発振器を冷却する第２冷却器を備え、
前記冷媒循環装置は、前記冷媒を前記第２冷却器との間で循環させる、積層造形装置。
【請求項4】
請求項３に記載の積層造形装置であって、前記第２冷却器に供給される前記冷媒の温度を監視する温度監視装置を備える、積層造形装置。
【請求項5】
請求項１～請求項４の何れか１つに記載の積層造形装置であって、前記制御手段は、前記設定温度及び前記造形テーブルの容積に基づき、前記供給冷媒温度を制御するように構成される、積層造形装置。
【請求項6】
請求項１～請求項５の何れか１つに記載の積層造形装置であって、前記制御手段は、前記設定温度及び前記造形テーブル上の造形物の高さに基づき、前記供給冷媒温度を制御するように構成される、積層造形装置。
【請求項7】
請求項１～請求項６の何れか１つに記載の積層造形装置であって、前記冷媒循環装置は、チラーである、積層造形装置。
【請求項8】
積層造形物の製造方法であって、材料層形成工程と、加熱工程と、固化工程と、冷媒温度調整工程と、冷却工程とを備え、
前記材料層形成工程では、造形テーブル上に材料粉体を供給して材料層を形成し、
前記加熱工程では、前記造形テーブルを所定の設定温度まで加熱し、
前記固化工程では、前記材料層にレーザ光又は電子ビームを照射することにより固化層を形成し、
前記冷媒温度調整工程では、前記設定温度に基づき、冷媒循環装置の冷却能力を操作することにより前記冷媒循環装置から供給される冷媒の温度である供給冷媒温度を調整し、
前記冷却工程では、前記造形テーブルを冷却する冷却器と前記冷媒循環装置との間で前記冷媒を循環させ、
前記冷媒循環装置は、運転モードとして低負荷モードと高負荷モードとを備え、前記高負荷モードにおいて、前記低負荷モードよりも高い冷却能力で前記冷媒の温度調整を行い、
前記運転モードの切替は、前記設定温度及び高負荷継続時間に基づき行われ、
前記高負荷継続時間は、前記高負荷モードによる前記冷媒循環装置の１回の運転あたりの継続時間である、製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、積層造形装置、及び積層造形物の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
三次元造形物の積層造形においては、種々の方式が知られている。例えば、不活性ガスが充満されたチャンバ内において、造形テーブル上の造形領域内に金属の材料粉体を供給して材料層を形成する。そして、材料層の所定位置に照射装置を用いてレーザ光又は電子ビームを照射することで材料層を焼結又は溶融させて固化層を形成する。このような材料層及び固化層の形成を繰り返すことによって、固化層を積層して所望の三次元造形物を製造する。
【0003】
材料層は、レーザ光又は電子ビームの照射に際し所定の温度に予熱されていることが好ましい。材料層が敷設される造形テーブルは、加熱器により昇温可能に構成されており、所望の予熱温度と同等の設定温度に昇温された造形テーブルから熱を伝達することで材料層を予熱する。造形テーブルの昇温時の設定温度は、一般的には約１２０℃であるが、耐熱鋼等を材料として用いる場合には、材料に好適な予熱温度に応じて１４０～２００℃程度の比較的高い設定温度に昇温される。特許文献１には、材料層を高温に加熱可能な造形テーブルが開示されている。
【0004】
レーザ光又は電子ビームの照射後、照射箇所は急激に温度低下し、固化層が形成される。また、造形物の造形完了後、又は造形の途中で、造形精度の向上等を目的として固化層の冷却が行われる場合がある。例えば、造形テーブルを冷却器により冷却し、これにより造形テーブル上の固化層を所定の温度に冷却する。特許文献２には、造形途中で固化層を所定の温度まで冷却して意図的にマルテンサイト変態を起こすことで、固化層の応力緩和を行う積層造形法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特許第６３４０４５２号公報
【文献】特許第６２９５００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記のような造形テーブルの冷却は、例えば、チラー等の冷媒循環装置を導入し、温度調整した冷媒を造形テーブルの冷却器との間で循環させることで行われる。造形テーブルの昇温時の一般的な設定温度に見合う冷却能力を有する冷媒循環装置を導入すると、設定温度が比較的高い場合に冷却能力が不足し、造形テーブルの冷却時間が長くなり、造形テーブルを所望の冷却温度まで冷却することが困難となる可能性がある。一方、造形テーブルの設定温度が比較的高い造形に対応可能とするためにより高い冷却能力を有する冷媒循環装置を導入する、又は冷媒循環装置を増設すると、設備の導入費用が増大する他、冷媒循環装置全体が大型化してしまう。
【0007】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、造形テーブルを冷却するための冷媒を循環させる冷媒循環装置を備える積層造形装置であって、造形テーブルの昇温時の設定温度が比較的高い場合であっても効率的な冷却を可能としつつ、冷媒循環装置の導入費用の増大及び大型化を回避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】
【0008】
本発明によれば、積層造形装置であって、造形テーブルと、照射装置と、温度調整装置と、冷媒循環装置と、制御手段とを備え、前記造形テーブル上には、材料粉体の供給により材料層が形成され、前記照射装置は、前記材料層にレーザ光又は電子ビームを照射して固化層を形成し、前記温度調整装置は、前記造形テーブルを設定温度まで加熱する加熱器と、前記造形テーブルを冷却する第１冷却器とを備え、前記冷媒循環装置は、冷媒を温度調整して第１冷却器との間で循環させ、前記制御手段は、前記設定温度に基づき、前記冷媒循環装置から供給される前記冷媒の温度である供給冷媒温度を制御するように構成される、積層造形装置が提供される。
【発明の効果】
【0009】
本発明に係る積層造形装置においては、制御装置が、造形テーブルの昇温時の設定温度に基づき、冷媒循環装置から供給される冷媒の温度である供給冷媒温度を制御するように構成されている。このような構成においては、一般的な設定温度に見合う冷却能力を有する冷媒循環装置を導入した場合であっても、設定温度が比較的高い造形においては冷媒をより低い温度に調整したうえで冷却器に供給することで、冷媒循環装置を増設することなく、造形テーブルを効率的に冷却することが可能となる。
【0010】
以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記制御手段は、前記設定温度に基づき前記冷媒循環装置の冷却能力を操作することにより前記供給冷媒温度を制御するように構成される。
好ましくは、前記冷媒循環装置は、運転モードとして低負荷モードと高負荷モードとを備え、前記制御手段は、高負荷継続時間設定部とモード切替部とを備え、前記高負荷継続時間設定部は、前記高負荷モードによる前記冷媒循環装置の１回の運転あたりの継続時間である高負荷継続時間を設定し、前記モード切替部は、前記設定温度及び前記高負荷継続時間に基づき前記運転モードの切替を行い、前記冷媒循環装置は、前記高負荷モードにおいて、前記低負荷モードよりも高い冷却能力で前記冷媒の温度調整を行う。
好ましくは、前記冷媒循環装置と第１冷却器とは、前記冷媒を第１冷却器に供給するための冷媒供給路により接続されており、前記冷媒供給路には、冷媒供給弁が設けられ、前記制御手段は、冷媒供給制御部を備え、前記冷媒供給制御部は、前記冷媒供給弁を開閉することにより第１冷却器への前記冷媒の供給を制御するように構成され、前記モード切替部は、前記冷媒供給弁が閉じられた状態で前記冷媒循環装置を前記低負荷モードから前記高負荷モードへの切替を行うように構成され、前記冷媒供給制御部は、前記高負荷モードへの前記切替が行われてから所定の待機時間の経過後に前記冷媒供給弁を開いて第１冷却器への前記冷媒の供給を開始するように構成される。
好ましくは、前記照射装置は、前記レーザ光を出力するレーザ発振器を備え、前記積層造形装置は、前記レーザ発振器を冷却する第２冷却器を備え、前記冷媒循環装置は、前記冷媒を前記第２冷却器との間で循環させる。
好ましくは、第２冷却器に供給される前記冷媒の温度を監視する温度監視装置を備える。
好ましくは、前記制御手段は、前記設定温度及び前記造形テーブルの容積に基づき、前記供給冷媒温度を制御するように構成される。
好ましくは、前記制御手段は、前記設定温度及び前記造形テーブル上の造形物の高さに基づき、前記供給冷媒温度を制御するように構成される。
好ましくは、前記冷媒循環装置は、チラーである。
好ましくは、前記制御手段は、前記設定温度に基づき前記冷媒循環装置の冷却能力を操作することにより前記供給冷媒温度を制御するように構成される。
好ましくは、前記冷媒循環装置は、運転モードとして低負荷モードと高負荷モードとを備え、前記制御手段は、高負荷継続時間設定部とモード切替部とを備え、前記高負荷継続時間設定部は、前記高負荷モードによる前記冷媒循環装置の１回の運転あたりの継続時間である高負荷継続時間を設定し、前記モード切替部は、前記設定温度及び前記高負荷継続時間に基づき前記運転モードの切替を行い、前記冷媒循環装置は、前記高負荷モードにおいて、前記低負荷モードよりも高い冷却能力で前記冷媒の温度調整を行う。
好ましくは、前記冷媒循環装置と第１冷却器とは、前記冷媒を第１冷却器に供給するための冷媒供給路により接続されており、前記冷媒供給路には、冷媒供給弁が設けられ、前記制御手段は、冷媒供給制御部を備え、前記冷媒供給制御部は、前記冷媒供給弁を開閉することにより第１冷却器への前記冷媒の供給を制御するように構成され、前記モード切替部は、前記冷媒供給弁が閉じられた状態で前記冷媒循環装置を前記低負荷モードから前記高負荷モードへの切替を行うように構成され、前記冷媒供給制御部は、前記高負荷モードへの前記切替が行われてから所定の待機時間の経過後に前記冷媒供給弁を開いて第１冷却器への前記冷媒の供給を開始するように構成される。
好ましくは、前記照射装置は、前記レーザ光を出力するレーザ発振器を備え、前記積層造形装置は、前記レーザ発振器を冷却する第２冷却器を備え、前記冷媒循環装置は、前記冷媒を前記第２冷却器との間で循環させる。
好ましくは、第２冷却器に供給される前記冷媒の温度を監視する温度監視装置を備える。
好ましくは、前記制御手段は、前記設定温度及び前記造形テーブルの容積に基づき、前記供給冷媒温度を制御するように構成される。
好ましくは、前記制御手段は、前記設定温度及び前記造形テーブル上の造形物の高さに基づき、前記供給冷媒温度を制御するように構成される。
好ましくは、前記冷媒循環装置は、チラーである。
【0011】
本発明の別の観点によれば、積層造形物の製造方法であって、材料層形成工程と、加熱工程と、固化工程と、冷媒温度調整工程と、冷却工程とを備え、前記材料層形成工程では、造形テーブル上に材料粉体を供給して材料層を形成し、前記加熱工程では、前記造形テーブルを所定の設定温度まで加熱し、前記固化工程では、前記材料層にレーザ光又は電子ビームを照射することにより固化層を形成し、前記冷媒温度調整工程では、前記設定温度に基づき、冷媒循環装置から供給される冷媒の温度である供給冷媒温度を調整し、前記冷却工程では、前記造形テーブルを冷却する冷却器と前記冷媒循環装置との間で前記冷媒を循環させる、製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の実施形態に係る積層造形装置１００の概略構成図である。
【図2】材料層形成装置３の斜視図である。
【図3】材料層形成装置３のリコータヘッド３２の上方からの斜視図である。
【図4】材料層形成装置３のリコータヘッド３２の下方からの斜視図である。
【図5】温度調整装置４２を備える造形テーブル４の分解斜視図である。
【図6】照射装置５の概略構成図である。
【図7】冷媒循環装置６を含む冷媒循環系統の概略構成図である。
【図8】制御手段８の構成を示すブロック図である。
【図9】加熱器４３による加熱の停止、電磁弁７３ａ１の開放、及び運転モードの切替のタイミングの一例を示す図である。
【図10】積層造形装置１００を用いた積層造形の手順を示すフロー図である。
【図11】積層造形装置１００を用いた積層造形物の製造方法を示す図である。
【図12】積層造形装置１００を用いた積層造形物の製造方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、図面を参照し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特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴事項について独立して発明が成立する。
【0014】
１．積層造形装置１００
図１は、本発明の実施形態に係る積層造形装置１００の概略構成図である。積層造形装置１００は、チャンバ１、材料層形成装置３、造形テーブル４、及び照射装置５を備え、制御手段８により制御される。チャンバ１内に配置される造形テーブル４上に設けられた造形領域Ｒにおいて、材料層９１及び固化層９２の形成を繰り返すことで、所望の積層造形物が形成される。
図１は、本発明の実施形態に係る積層造形装置１００の概略構成図である。積層造形装置１００は、チャンバ１、材料層形成装置３、造形テーブル４、及び照射装置５を備え、制御手段８により制御される。チャンバ１内に配置される造形テーブル４上に設けられた造形領域Ｒにおいて、材料層９１及び固化層９２の形成を繰り返すことで、所望の積層造形物が形成される。
【0015】
１．１．チャンバ１
チャンバ１は、積層造形物が形成される領域である造形領域Ｒを覆う。チャンバ１は、不活性ガス給排装置２に接続されている。
チャンバ１は、積層造形物が形成される領域である造形領域Ｒを覆う。チャンバ１は、不活性ガス給排装置２に接続されている。
【0016】
不活性ガス給排装置２は、不活性ガス供給装置２１、ヒュームコレクタ２２、及びダクトボックス２３，２４を備える。チャンバ１の内部は、不活性ガス供給装置２１から供給される所定濃度の不活性ガスで充満されている。本明細書において不活性ガスとは、材料層９１や固化層９２と実質的に反応しないガスであり、材料の種類に応じて選択され、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスを使用可能である。不活性ガス供給装置２１は、例えば、ガスボンベである。
【0017】
図１に示すように、固化層９２の形成時に発生するヒュームを含んだ不活性ガスは、チャンバ１の排出口１ｂから排出され、ダクトボックス２３を経由してヒュームコレクタ２２に送られる。そして、ヒュームコレクタ２２においてヒュームが除去された不活性ガスは、ダクトボックス２４を経由してチャンバ１の供給口１ｃから供給され再利用される。ヒュームコレクタ２２として、例えば、乾式電気集塵機、又はフィルタを備える濾過式集塵機を用いることが可能である。
【0018】
また、本実施形態においては、チャンバ１からの不活性ガスの排出口１ｂとダクトボックス２３とを接続するダクトの中途に、吸引ファン（不図示）、及びファン用冷却器（不図示）が設けられている。吸引ファンにより、チャンバ１内の不活性ガスが強制的に排出される。ファン用冷却器は、冷媒循環装置６から供給された冷媒を流通可能に構成された管状部材であり、不活性ガス給排装置２の稼働時に吸引ファン及びその周辺部品を冷却して動作不良や破損を防止する。
【0019】
チャンバ１の上面には、レーザ光Ｌの透過窓となるウィンドウ１ａが設けられる。ウィンドウ１ａは、レーザ光Ｌを透過可能な材料で形成される。具体的に、ウィンドウ１ａの材料は、レーザ光Ｌの種類に応じて、石英ガラスもしくはホウケイ酸ガラス又はゲルマニウム、シリコン、ジンクセレンもしくは臭化カリウムの結晶等から選択される。例えば、レーザ光Ｌがファイバレーザ又はＹＡＧレーザの場合、ウィンドウ１ａは石英ガラスで構成可能である。
【0020】
また、チャンバ１の上面には、ウィンドウ１ａを覆うように汚染防止装置１７が設けられる。汚染防止装置１７は、円筒状の筐体１７ａと、筐体１７ａ内に配置された円筒状の拡散部材１７ｃとを備える。筐体１７ａと拡散部材１７ｃの間に不活性ガス供給空間１７ｄが設けられる。また、筐体１７ａの底面には、拡散部材１７ｃの内側に開口部１７ｂが設けられる。拡散部材１７ｃには多数の細孔が設けられており、不活性ガス供給装置２１から不活性ガス供給空間１７ｄに供給された清浄な不活性ガスは当該細孔を通じて清浄室１７ｅに充満され、開口部１７ｂから汚染防止装置１７の下方に向かって噴出される。このような構成により、ヒュームのウィンドウ１ａへの付着を防止し、レーザ光Ｌの照射経路からヒュームを排除することができる。
【0021】
１．２．材料層形成装置３
材料層形成装置３は、チャンバ１の内部に設けられる。図２に示すように、材料層形成装置３は、ベース３１と、ベース３１上に配置されるリコータヘッド３２とを備える。リコータヘッド３２は、モータ等の駆動機構を内蔵するリコータヘッド駆動装置３３によって水平１軸方向に往復移動可能に構成される。
材料層形成装置３は、チャンバ１の内部に設けられる。図２に示すように、材料層形成装置３は、ベース３１と、ベース３１上に配置されるリコータヘッド３２とを備える。リコータヘッド３２は、モータ等の駆動機構を内蔵するリコータヘッド駆動装置３３によって水平１軸方向に往復移動可能に構成される。
【0022】
図３及び図４に示すように、リコータヘッド３２は、材料収容部３２ａと、材料供給口３２ｂと、材料排出口３２ｃとを備える。材料供給口３２ｂは、材料収容部３２ａの上面に設けられ、材料供給ユニット（不図示）から材料収容部３２ａに供給される材料粉体の受け口となる。材料排出口３２ｃは、材料収容部３２ａの底面に設けられ、材料収容部３２ａ内の材料粉体を排出する。材料排出口３２ｃは、材料収容部３２ａの長手方向に延びるスリット形状を有する。リコータヘッド３２の両側面には、平板状のブレード３２ｆｂ，３２ｒｂが設けられる。ブレード３２ｆｂ，３２ｒｂは、材料排出口３２ｃから排出される材料粉体を平坦化して、材料層９１を形成する。
【0023】
１．３．造形テーブル４
図１に示すように、造形テーブル４はチャンバ１内に配置され、造形テーブル４上に位置する造形領域Ｒに三次元造形物が形成される。造形テーブル４は、造形テーブル駆動装置４１によって駆動され鉛直方向に移動可能である。図２に示すように、造形テーブル４の上方にはフレーム３４が設けられ、フレーム３４の内側に造形領域Ｒが設けられる。造形時には造形領域Ｒ内にベースプレート９０が配置され、ベースプレート９０の上面に材料粉体が供給されて材料層９１が形成される。
図１に示すように、造形テーブル４はチャンバ１内に配置され、造形テーブル４上に位置する造形領域Ｒに三次元造形物が形成される。造形テーブル４は、造形テーブル駆動装置４１によって駆動され鉛直方向に移動可能である。図２に示すように、造形テーブル４の上方にはフレーム３４が設けられ、フレーム３４の内側に造形領域Ｒが設けられる。造形時には造形領域Ｒ内にベースプレート９０が配置され、ベースプレート９０の上面に材料粉体が供給されて材料層９１が形成される。
【0024】
積層造形装置１００は、材料層９１及び固化層９２の温度調整を行うための温度調整装置４２を備える。図５に示すように、温度調整装置４２は、造形テーブル４を所定の設定温度Ｔ１まで加熱する加熱器４３と、造形テーブル４を所定の冷却温度Ｔ２まで冷却する第１冷却器４４とを備え、加熱器４３及び第１冷却器４４により造形テーブル４を加熱又は冷却することで、造形テーブル４上の材料層９１及び固化層９２の温度調整を行う。
【0025】
本実施形態の温度調整装置４２は、造形テーブル４の内部に設けられる。具体的には、本実施形態の造形テーブル４は、天板４ａ及び３つの支持板４ｂ，４ｃ，４ｄを備え、天板４ａとその下に配置された支持板４ｂとの間には天板４ａを加熱可能な加熱器４３が配置され、支持板４ｂの下側の２枚の支持板４ｃ，４ｄの間には天板４ａを冷却可能な第１冷却器４４が配置されている。
【0026】
加熱器４３は、例えば、発熱体を有する電気ヒータ、又は内部に高温の熱媒を流通可能に構成された管状部材である。また、本実施形態の第１冷却器４４は、冷媒循環装置６から供給された冷媒を流通可能に構成された管状部材である。加熱器４３及び第１冷却器４４が温度調整装置４２を構成し、温度調整装置４２により造形テーブル４の最上面の天板４ａを加熱又は冷却可能である。材料層９１及び固化層９２は、天板４ａとの間の直接的な伝熱、或いは天板４ａ上に配置されたベースプレート９０及び加熱又は冷却対象の材料層９１又は固化層９２よりも下側に形成された層を介した間接的な伝熱により、温度調整される。
【0027】
なお、温度調整装置４２の構成は、上記実施形態の構成に限定されるものではない。本実施形態においては、図５に示すように、第１冷却器４４の管状部材を支持板４ｃ，４ｄの間に挟むように配置しているが、例えば、支持板４ｃ，４ｄの一方又は両方の内部に冷媒を流通させるための管路を形成し、当該管路により第１冷却器４４を構成してもよい。天板４ａ及び３つの支持板４ｂ，４ｃ，４ｄが一体の構造をなし、当該構造体の中に加熱器４３及び第１冷却器４４を構成してもよい。また、造形テーブル駆動装置４１の熱変位を防止するため、温度調整装置４２と造形テーブル駆動装置４１との間に一定の温度に保たれた恒温部を設けてもよい。
【0028】
また、本実施形態の積層造形装置１００には、造形テーブル４からフレーム３４及びリコータヘッド駆動装置３３への熱伝達を防止するための熱絶縁ブロック（不図示）、及び熱絶縁ブロック用冷却器（不図示）が設けられる。これにより、造形テーブル４の加熱に伴うフレーム３４の熱変形やリコータヘッド駆動装置３３の動作不良を防止することが可能となる。熱絶縁ブロック用冷却器は、冷媒循環装置６から供給された冷媒を流通可能に構成された管状部材であり、熱絶縁ブロックを冷却する。
【0029】
１．４．照射装置５
照射装置５は、図１に示すように、材料層９１にレーザ光Ｌ又は電子ビームを照射して固化層９２を形成する。本実施形態の照射装置５は、チャンバ１の上方に設けられ、造形領域Ｒ内に形成される材料層９１の照射領域にレーザ光Ｌを照射して、材料粉体を溶融又は焼結して固化させ、固化層９２を形成する。図６に示すように、照射装置５は、レーザ発振器５１と、コリメータ５２と、フォーカス制御ユニット５３と、走査装置５４とを備える。
照射装置５は、図１に示すように、材料層９１にレーザ光Ｌ又は電子ビームを照射して固化層９２を形成する。本実施形態の照射装置５は、チャンバ１の上方に設けられ、造形領域Ｒ内に形成される材料層９１の照射領域にレーザ光Ｌを照射して、材料粉体を溶融又は焼結して固化させ、固化層９２を形成する。図６に示すように、照射装置５は、レーザ発振器５１と、コリメータ５２と、フォーカス制御ユニット５３と、走査装置５４とを備える。
【0030】
レーザ発振器５１は、光源となるレーザ素子を内蔵し、レーザ光Ｌを出力する。レーザ光Ｌは、材料粉体を焼結又は溶融可能であればよく、例えば、ファイバレーザ、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザである。本実施形態においては、レーザ光Ｌとして、ファイバレーザが用いられる。
【0031】
本実施形態の積層造形装置１００は、レーザ発振器５１を冷却する第２冷却器５５を備える。第２冷却器５５は、具体的には、照射装置５の内部に設けられ、冷媒循環装置６から供給された冷媒を流通可能に構成された管状部材である。第２冷却器５５によりレーザ発振器５１を冷却することにより、レーザ素子からの発熱によるレーザ発振器５１の動作不良や破損を防止することができる。
【0032】
また、本実施形態の積層造形装置１００は、第２冷却器５５に供給される冷媒の温度を監視する温度監視装置５６を備える。第２冷却器５５に供給される冷媒の温度が所定の許容範囲から外れ、レーザ発振器５１の冷却不良が起こると、造形に異常をきたす可能性がある。温度監視装置５６は、冷媒の温度が許容範囲から外れた場合に異常を検知し、制御手段８に対して警報信号を出力する。温度監視装置５６は、例えば、温度センサである。本実施形態においては、第２冷却器５５の冷媒入口付近に温度監視装置５６が設けられ、冷媒の温度が１６℃以上３５℃以下の範囲から外れた場合に、制御手段８に対して警報信号が出力される。
【0033】
コリメータ５２は、コリメータレンズ（不図示）を備え、レーザ発振器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、焦点制御レンズ（不図示）と、焦点制御レンズを光軸方向に沿って前後に移動させるモータ（不図示）とを備え、コリメータ５２により平行光に変換されたレーザ光Ｌの焦点位置を調整することで、材料層９１の表面におけるレーザ光Ｌのビーム径を調整する。
【0034】
走査装置５４は、レーザ光Ｌを材料層９１の上面に走査する。本実施形態の走査装置５４は、ガルバノスキャナであり、第１ガルバノミラー５４ａ及び第２ガルバノミラー５４ｂと、第１ガルバノミラー５４ａ及び第２ガルバノミラー５４ｂを所望の角度に各々回転させる第１アクチュエータ及び第２アクチュエータ（不図示）とを備える。フォーカス制御ユニット５３を通過したレーザ光Ｌは、第１ガルバノミラー５４ａ及び第２ガルバノミラー５４ｂにより造形領域Ｒ内の材料層９１の上面に２次元走査される。具体的には、レーザ光Ｌは、第１ガルバノミラー５４ａに反射されて造形領域Ｒにおける水平１軸方向であるＸ軸方向に、第２ガルバノミラー５４ｂに反射されて造形領域Ｒにおける他の水平１軸方向であってＸ軸方向に直交するＹ軸方向に走査される。第１ガルバノミラー５４ａ及び第２ガルバノミラー５４ｂにより反射されたレーザ光Ｌは、ウィンドウ１ａを透過して造形領域Ｒ内の材料層９１に照射され、これにより、固化層９２が形成される。
【0035】
本実施形態の走査装置５４の内部には、上記構成部品を冷却するための走査装置用冷却器５７が設けられる。走査装置用冷却器５７は、冷媒循環装置６から供給された冷媒を流通可能に構成された管状部材であり、レーザ光Ｌの走査に伴い昇温する走査装置５４の構成部品を冷却して動作不良や破損を防止する。
【0036】
なお、照射装置５は、上述の形態に限定されない。例えば、フォーカス制御ユニット５３に代えてｆθレンズが設けられてもよい。また、照射装置５は、レーザ光Ｌのかわりに電子ビームを照射して材料層９１を固化させるよう構成されてもよい。具体的には、照射装置５を、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９１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含むよう構成してもよい。
【0037】
２．冷媒循環装置６
本実施形態の積層造形装置１００は、冷媒循環装置６を備える。図７は、冷媒循環装置６を含む冷媒循環系統の概略構成図である。冷媒循環装置６は、冷媒を温度調整して第１冷却器４４との間で循環させる。
本実施形態の積層造形装置１００は、冷媒循環装置６を備える。図７は、冷媒循環装置６を含む冷媒循環系統の概略構成図である。冷媒循環装置６は、冷媒を温度調整して第１冷却器４４との間で循環させる。
【0038】
本実施形態の冷媒循環装置６は、冷媒としての冷却水を温度調整して循環させるチラーであり、冷却水タンク６１及び熱交換器６２を備え、冷媒循環制御部６３により制御される。また、本実施形態の冷媒循環装置６は、第１冷却器４４に加え、第２冷却器５５、走査装置用冷却器５７、ファン用冷却器、及び熱絶縁ブロック用冷却器との間で冷却水を循環させる。本実施形態で列挙した冷却水を循環させる対象は、例として提示したものであり、対象を限定することを意図したものではない。また、冷媒循環装置６として、チラーの代わりにクーリングタワー等の装置を用いてもよい。
【0039】
冷却水タンク６１の内部に貯留された冷却水は、熱交換器６２により冷却されることで温度調整され、循環路７０を循環する。循環路７０は、主供給路７１、主返送路７２、及び冷却水の供給先である冷却器（第１冷却器４４、第２冷却器５５、走査装置用冷却器５７、ファン用冷却器、及び熱絶縁ブロック用冷却器）毎に設けられた分岐供給路７３ａ，７４ａ，......及び分岐返送路７３ｂ，７４ｂ，......を備える。
【0040】
主供給路７１は、冷媒循環装置６から各冷却器へ冷却水を供給するための管路であり、冷却水タンク６１の冷却水出口６１ａと各分岐供給路７３ａ，７４ａ，......の上流側とを接続する。主供給路７１にはポンプ７１ａが設けられており、熱交換器６２により温度調整された冷却水は、ポンプ７１ａにより冷却水タンク６１から主供給路７１へと吐出される。また、主供給路７１には、冷却水タンク６１から供給される冷却水の温度を検出するために、冷却水出口６１ａ付近に出口温度センサ７１ｂが設けられている。出口温度センサ７１ｂは、制御手段８に対して検出信号を出力する。
【0041】
主返送路７２は、各冷却器を通過した冷却水を冷媒循環装置６へ返送するための管路であり、冷却水タンク６１の冷却水入口６１ｂと各分岐返送路７３ｂ，７４ｂ，......の下流側とを接続する。主返送路７２には、冷却水タンク６１に返送される冷却水の温度を検出するために、冷却水入口６１ｂ付近に入口温度センサ７２ａが設けられている。入口温度センサ７２ａは、制御手段８に対して検出信号を出力する。
【0042】
本実施形態において、主供給路７１の下流側は複数の分岐供給路７３ａ，７４ａ，......に分岐しており、また複数の分岐返送路７３ｂ，７４ｂ，......が主返送路７２の上流側において合流している。分岐供給路７３ａ，７４ａ，......及び分岐返送路７３ｂ，７４ｂ，......の構成について、第１冷却器４４用に設けられた第１分岐供給路７３ａ及び第１分岐返送路７３ｂ、及び第２冷却器５５用に設けられた第２分岐供給路７４ａ及び第２分岐返送路７４ｂを例として詳細に説明する。
【0043】
第１分岐供給路７３ａは、主供給路７１の下流側と温度調整装置４２の第１冷却器４４とを接続する。主供給路７１及び第１分岐供給路７３ａにより、冷媒としての冷却水を第１冷却器４４に供給するための冷媒供給路が構成される。第１分岐供給路７３ａには冷媒供給弁としての電磁弁７３ａ１が設けられており、電磁弁７３ａ１を開くことで第１冷却器４４に冷却水を供給し、電磁弁７３ａ１を閉じることで第１冷却器４４への冷却水の供給を停止することができる。第１分岐返送路７３ｂは、第１冷却器４４と主返送路７２の上流側とを接続する。第１分岐返送路７３ｂには、逆止弁７３ｂ１が設けられている。第１冷却器４４を通過した冷却水は、第１分岐返送路７３ｂ及び主返送路７２を経由して冷媒循環装置６へ返送される。
【0044】
第２分岐供給路７４ａは、主供給路７１の下流側とレーザ発振器５１の第２冷却器５５とを接続する。第２分岐返送路７４ｂは、第２冷却器５５と主返送路７２の上流側とを接続する。第２分岐返送路７４ｂには、逆止弁７４ｂ１が設けられている。第２冷却器５５を通過した冷却水は、第２分岐返送路７４ｂ及び主返送路７２を経由して冷媒循環装置６へ返送される。
【0045】
また、本実施形態の冷媒循環装置６は、運転モードとして低負荷モードと高負荷モードとを備える。冷媒循環装置６は、低負荷モードにおいて比較的低い冷却能力で冷却水の温度調整を行い、高負荷モードにおいて低負荷モードよりも高い冷却能力で冷却水の温度調整を行う。各運転モードについては、詳細を後述する。
【0046】
３．制御手段８
次に、積層造形装置１００を制御するための制御手段８について、本発明に関連する構成に限定して説明する。図８は、制御手段８の構成を示すブロック図である。本実施形態の制御手段８は、ＣＡＤ装置８１、ＣＡＭ装置８２、数値制御部８３、及び積層造形装置１００の各構成要素の制御部８６，８７，８８，６３を備える。
次に、積層造形装置１００を制御するための制御手段８について、本発明に関連する構成に限定して説明する。図８は、制御手段８の構成を示すブロック図である。本実施形態の制御手段８は、ＣＡＤ装置８１、ＣＡＭ装置８２、数値制御部８３、及び積層造形装置１００の各構成要素の制御部８６，８７，８８，６３を備える。
【0047】
制御手段８の各構成要素は、ソフトウェアによって実現してもよく、ハードウェアによって実現してもよい。ソフトウェアによって実現する場合、ＣＰＵがコンピュータプログラムを実行することによって各種機能を実現することができる。プログラムは、内蔵の記憶部に格納してもよく、コンピュータ読み取り可能な非一時的な記録媒体に格納してもよい。また、外部の記憶部に格納されたプログラムを読み出し、いわゆるクラウドコンピューティングにより実現してもよい。ハードウェアによって実現する場合、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はＤＲＰ（Ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等の種々の回路によって実現することができる。本実施形態においては、様々な情報やこれを包含する概念を取り扱うが、これらは、０又は１で構成される２進数のビット集合体として信号値の高低によって表すことができ、上述のソフトウェア又はハードウェアの態様によって通信や演算が実行され得るものである。
【0048】
ＣＡＤ装置８１は、積層造形物の形状及び寸法を示す三次元形状データ（ＣＡＤデータ）を作成するためのものである。ＣＡＭ装置８２は、ＣＡＤデータに基づき、積層造形装置１００の構成要素の動作手順データ（ＣＡＭデータ）を作成するためのものである。ＣＡＭデータには、例えば、材料層９１を構成する材料粉体に適した予熱温度や、各材料層９１におけるレーザ光Ｌの照射位置や照射条件のデータが含まれる。ＣＡＭデータは、数値制御部８３に出力される。また、ＣＡＭデータは、フラッシュメモリ等の非一時的な記録媒体に出力して当該記憶媒体を介して数値制御部８３に取り込まれる、又はＣＡＭ用コンピュータと数値制御部８３とをネットワークを介し接続して、数値制御部８３に出力されること等も可能である。
【0049】
数値制御部８３は、積層造形装置１００の構成要素に対する動作指令を作成する。数値制御部８３は、記憶部８４及び演算部８５を備える。演算部８５は、記憶部８４に記憶されているＣＡＭデータに基づいて生成される数値制御プログラムを用いた処理を行い、積層造形装置１００の構成要素の制御部８６，８７，８８，６３に対して動作指令を信号又は動作指令値のデータの形式で出力する。記憶部８４は、ＣＡＭデータ、数値制御プログラム等を記憶する。
【0050】
照射制御部８６は、動作指令に基づいて照射装置５の動作を制御する。具体的には、照射制御部８６は、レーザ発振器５１、フォーカス制御ユニット５３、及び走査装置５４を制御し、これにより、レーザ光Ｌが所定のレーザパワー、ビーム系、照射タイミング、及び照射位置において材料層９１に対して照射される。さらに、照射制御部８６は、照射装置５の実際の動作情報を数値制御部８３へとフィードバックする。なお、本実施形態においては、第２冷却器５５の温度監視装置５６が警報信号を出力すると、警報信号を受け取った数値制御部８３の演算部８５は、照射制御部８６に対して照射を停止するための動作指令を出力する。これにより造形が中断され、レーザ発振器５１の冷却不良に伴う造形異常を未然に防ぐことが可能となる。
【0051】
加熱制御部８７は、動作指令に基づいて温度調整装置４２の加熱器４３の動作を制御する。具体的には、加熱器４３が電気ヒータの場合、加熱制御部８７は、電気ヒータの出力を制御する。或いは、加熱器４３が熱媒を流通可能な管状部材である場合、加熱制御部８７は、加熱器４３への熱媒の供給を制御する。このように加熱器４３を制御することにより、造形テーブル４を、材料層９１の予熱温度に応じた設定温度Ｔ１まで加熱することができる。さらに、加熱制御部８７は、加熱器４３の実際の動作情報を数値制御部８３へとフィードバックする。本実施形態においては、造形テーブル４の実際の温度Ｔ３を検出するための温度センサ（不図示）が設けられており、加熱制御部８７は、実際の温度Ｔ３の情報を数値制御部８３へとフィードバックする。
【0052】
冷媒供給制御部８８は、動作指令に基づいて温度調整装置４２の第１冷却器４４の動作を制御する。具体的には、冷媒供給制御部８８は、第１分岐供給路７３ａに設けられた電磁弁７３ａ１を開閉することにより、第１冷却器４４への冷却水の供給を制御する。さらに、冷媒供給制御部８８は、電磁弁７３ａ１の実際の動作情報を数値制御部８３へとフィードバックする。
【0053】
ここで、加熱器４３による造形テーブル４の加熱と第１冷却器４４による造形テーブル４の冷却とが同時に行われないように、加熱制御部８７及び冷媒供給制御部８８による制御が行われることが好ましい。つまり、加熱器４３が造形テーブル４を加熱している状態においては、電磁弁７３ａ１を閉じて第１冷却器４４への冷却水の供給を停止し、加熱器４３による造形テーブル４の加熱の停止と同時又は停止後に、電磁弁７３ａ１を開いて第１冷却器４４への冷却水の供給を行う。また、造形テーブル４の冷却完了後、電磁弁７３ａ１を閉じて第１冷却器４４への冷却水の供給を停止するのと同時又は停止後に、加熱器４３による造形テーブル４の加熱を再開する。これにより、造形テーブル４の加熱及び冷却を効率的に行うことが可能となる。
【0054】
冷媒循環制御部６３は、動作指令に基づいて冷媒循環装置６の動作を制御し、設定温度Ｔ１に基づき、冷媒循環装置６から供給される冷媒の温度である供給冷媒温度Ｔｒを制御するように構成される。本実施形態の冷媒循環制御部６３は、設定温度Ｔ１に基づき冷媒循環装置６の冷却能力を操作することにより、供給冷媒温度Ｔｒを制御するように構成される。本実施形態の冷媒循環制御部６３は、図８に示すように、入力部６４と、指令部６５と、冷却能力制御部６６とを備える。
【0055】
入力部６４は、冷媒循環装置６の運転条件の決定に必要な情報を作業者が入力するためのものであり、例えば、タッチパネル、キーボード、又はマウスにより構成される。入力情報には、例えば、低負荷モードにおける運転条件、高負荷モードにおける運転条件が含まれる。入力情報は、指令部６５へ送られる。
【0056】
指令部６５は、数値制御部８３から送られる動作指令、及び入力部６４から送られる入力情報に基づき、冷媒循環装置６の具体的な運転条件を決定する。本実施形態の指令部６５は、モード切替部６５ａと、高負荷継続時間設定部６５ｂとを備える。
【0057】
モード切替部６５ａは、造形テーブル４の設定温度Ｔ１及び後述する高負荷継続時間ｔ１に基づき運転モードの切り替えを行い、具体的には、冷却能力制御部６６に対して運転モードの情報を出力する。
【0058】
高負荷継続時間設定部６５ｂは、高負荷モードによる冷媒循環装置６の１回の運転あたりの継続時間である高負荷継続時間ｔ１を設定する。本実施形態においては、高負荷モードにおける運転条件として、作業者が入力部６４に高負荷継続時間ｔ１を入力し、入力された高負荷継続時間ｔ１をそのまま用いることができる。高負荷継続時間ｔ１は、造形テーブル４の設定温度Ｔ１及び冷却温度Ｔ２、第２冷却器５５に供給される冷却水の温度の許容範囲等を考慮して設定される。設定された高負荷継続時間ｔ１は、冷却能力制御部６６に対して出力される。なお、高負荷継続時間ｔ１の設定は、上記の例に限定されず、例えば、造形条件に応じて最適な高負荷継続時間ｔ１を記録したデータベース、又は造形条件から高負荷継続時間ｔ１を求めるための関数を予め作成し、高負荷継続時間設定部６５ｂが当該データベース又は関数を用いて高負荷継続時間ｔ１を設定する構成としてもよい。
【0059】
冷却能力制御部６６は、指令部６５から送られる運転条件に基づき、熱交換器６２における冷却水の冷却能力を操作する。
【0060】
本実施形態では、低負荷モードにおいて、冷媒循環装置６への戻り水温（主返送路７２を通過する冷却水の温度）が制御される。具体的には、出口温度センサ７１ｂから送られる検出信号に基づき、低負荷モードにおける運転条件として入力部６４に入力された目標冷媒温度との差に応じて、冷却能力制御部６６が熱交換器６２における冷却水の冷却能力を操作するフィードバック制御が行われる。目標冷媒温度は、造形テーブル４の冷却温度Ｔ２や、第２冷却器５５に供給される冷却水の温度の許容範囲等に応じて設定される。このような低負荷モードは、造形テーブル４の設定温度Ｔ１が一般的な値である約１２０℃かそれよりも低い温度である場合や、造形テーブル４の設定温度Ｔ１が比較的高い場合（例えば、１４０℃以上）で第１冷却器４４に冷却水が供給されていない状態において、好適な運転モードである。なお、低負荷モードにおけるフィードバック制御は、入口温度センサ７２ａから送られる検出信号に基づき実行してもよい。
【0061】
一方、造形テーブル４の設定温度Ｔ１が比較的高い場合、冷媒循環装置６を低負荷モードにより運転した状態で第１冷却器４４への冷却水の供給を行うと、第１冷却器４４から返送される冷却水により冷却水タンク６１内の温度が上昇し、冷却水が十分に冷却されないまま再び各冷却器へと供給される可能性がある。その結果、第１冷却器４４により造形テーブル４を所望の冷却温度Ｔ２まで冷却するために長時間を要したり、第２冷却器５５に供給される冷却水の温度が許容範囲を外れ造形が停止する可能性がある。
【0062】
高負荷モードにおいては、上記のような事態を回避するために、冷媒循環装置６から供給される冷却水の温度（供給冷媒温度Ｔｒ）がフィードフォワード制御される。具体的には、電磁弁７３ａ１を開いて第１冷却器４４への冷却水の供給を開始する前に、電磁弁７３ａ１が閉じられた状態において、モード切替部６５ａが、冷媒循環装置６を低負荷モードから高負荷モードへ切り替える。高負荷モードにおいては、低負荷モードよりも高い冷却能力で冷却水の温度を下げるよう、冷却能力制御部６６が熱交換器６２を制御する。
【0063】
本実施形態においては、高負荷モードにおける運転条件として、高負荷モードにおける冷却能力の設定値を、作業者が入力部６４に入力する。当該設定値は、造形テーブル４の設定温度Ｔ１及び冷却温度Ｔ２、第２冷却器５５に供給される冷却水の温度の許容範囲等を考慮して設定される。設定値は指令部６５を介して冷却能力制御部６６へと送られ、冷却能力制御部６６は、当該設定値に基づき熱交換器６２における冷却水の冷却能力を操作する。一例として、高負荷モードにおける冷却能力は９９％の出力に設定される。
【0064】
図９は、加熱器４３による加熱の停止、電磁弁７３ａ１の開放、及び運転モードの切替のタイミングの一例を示す図である。本例においては、加熱器４３による造形テーブル４の加熱が停止（ＯＦＦ）されるのと同時に、冷媒循環装置６の運転モードが低負荷モードから高負荷モードに切り替えられる。高負荷モードへの切替後、所定の待機時間ｔ２が経過した後、冷媒供給制御部８８は電磁弁７３ａ１を開いて第１冷却器４４への冷却水の供給を開始する。待機時間ｔ２は高負荷継続時間ｔ１以下に設定される。従って、冷媒循環装置６が高負荷モードで運転されている状態、或いは高負荷モードから低負荷モードへの切替と同時に、第１冷却器４４への冷却水の供給が開始される。本例においては、待機時間ｔ２が高負荷継続時間ｔ１よりも小さく設定されており、高負荷モードによる運転の途中で、第１冷却器４４への冷却水の供給が開始される。
【0065】
このように、本実施形態においては、造形テーブル４の設定温度Ｔ１が比較的高い場合には、第１冷却器４４における循環による冷却水の温度上昇を見越して、第１冷却器４４への冷却水の供給開始前に高負荷モードへの切替を行って供給される冷却水を比較的低い温度に調整する。そして、高負荷モードへの切替から所定の待機時間ｔ２の経過後に、第１冷却器４４への冷却水の供給を開始する。これにより、約１２０℃程度の造形テーブル４の一般的な設定温度Ｔ１に見合う冷却能力を有する冷媒循環装置６を導入した場合であっても、冷媒循環装置６を増設することなく、設定温度Ｔ１が比較的高い造形において造形テーブル４の冷却を効率的に行うことができる。また、第２冷却器５５に供給される冷却水の温度を許容範囲内に維持し、異常の発生を回避することが可能となる。
【0066】
図９に示すように、高負荷モードへの切替後、高負荷継続時間ｔ１が経過した時点で、モード切替部６５ａは、高負荷モードから低負荷モードへの切替を行う。このような構成により、冷媒循環装置６の高負荷モードによる運転を最小限に留め、冷媒循環装置６におけるエネルギー消費を抑制することができる。
【0067】
なお、高負荷継続時間ｔ１は、待機時間ｔ２よりも長く設定されることが好ましい。一例として、待機時間ｔ２が１５０秒の場合、高負荷継続時間ｔ１は１８０秒に設定される。高負荷継続時間ｔ１を待機時間ｔ２と等しく設定した場合（すなわち、第１冷却器４４への冷却水の供給の開始と同時に高負荷モードから低負荷モードへの切替を行う場合）、低負荷モードへ切り替えられた時点で出口温度センサ７１ｂにおける検出温度が目標冷媒温度よりもかなり低いため、フィードバック制御により冷却水の冷却能力が切替直後に急激に低下した後、第１冷却器４４からの冷却水の返送に伴い冷却能力が上昇する。このような冷却能力の急激な変化は、冷媒循環装置６におけるエネルギー効率の観点から好ましくない。高負荷継続時間ｔ１を待機時間ｔ２よりも長く設定し、第１冷却器４４からの冷却水の返送により出口温度センサ７１ｂにおける検出温度と目標冷媒温度との差が小さくなった時点で低負荷モードへの切替を行うことにより、このような冷却能力の急激な変化を回避することができる。
【0068】
４．積層造形物の製造方法
次に、本実施形態に係る積層造形装置１００を用いた積層造形物の造形方法について説明する。図１０は、積層造形装置１００を用いた積層造形の手順を示すフロー図である。本実施形態の造形方法は、材料層形成工程と、加熱工程と、固化工程と、冷媒温度調整工程と、冷却工程とを備える。
次に、本実施形態に係る積層造形装置１００を用いた積層造形物の造形方法について説明する。図１０は、積層造形装置１００を用いた積層造形の手順を示すフロー図である。本実施形態の造形方法は、材料層形成工程と、加熱工程と、固化工程と、冷媒温度調整工程と、冷却工程とを備える。
【0069】
造形の開始に際し、作業者は、制御手段８の入力部６４に対して、冷媒循環装置６の運転条件の決定に必要な情報を入力する（ステップＳ１）。そして、入力部６４が入力情報を取り込む。指令部６５は、入力情報、及び数値制御部８３からの動作指令に基づき、冷媒循環装置６の具体的な運転条件を決定する。冷却能力制御部６６は、指令部６５から送られる運転条件に基づき、低負荷モードにより冷媒循環装置６の運転を開始する（ステップＳ２）。なお、この時点において、第１分岐供給路７３ａに設けられた電磁弁７３ａ１は、冷媒供給制御部８８により制御され閉じられており、第１冷却器４４への冷却水の供給は行われていない。
【0070】
第１冷却器４４への冷却水の供給が行われていない状態で、造形テーブル４の加熱工程が開始される（ステップＳ３）。具体的には、加熱制御部８７により加熱器４３を制御して、造形テーブル４を所定の設定温度Ｔ１まで加熱する。ベースプレート９０が載置された造形テーブル４は、下降して適切な位置に調整される（ステップＳ４）。
【0071】
次に、１回目の材料層形成工程が実行される。具体的には、図１１において造形領域Ｒの左側で待機しているリコータヘッド３２を水平１軸方向に造形領域Ｒの左側から右側に移動させることにより、図１２に示すように造形テーブル４上に材料粉体を供給して１層目の材料層９１を形成する（ステップＳ５）。材料層９１は、造形テーブル４からの伝熱により、設定温度Ｔ１と同等の温度に予熱される。
【0072】
次に、１回目の固化工程が実行される。具体的には、図１２に示すように、予熱された材料層９１にレーザ光Ｌを照射することによって、１層目の固化層９２を形成する（ステップＳ６）。
【0073】
続いて、２回目の材料層形成工程が行われる。１層目の固化層９２を形成後、造形テーブル４の高さを材料層９１の１層分下げる。この状態で、図１２において造形領域Ｒの右側から左側にリコータヘッド３２を移動させることにより、１層目の固化層９２を覆うように２層目の材料層９１が形成される。そして、２回目の固化工程が行われる。上記と同様の方法で、２層目の材料層９１の所定の照射領域にレーザ光Ｌを照射することによって２層目の材料層９１を固化させ、２層目の固化層９２を得る。所定数の固化層９２の造形が完了するまで、材料層形成工程及び固化工程が繰り返し実行される。隣接する固化層９２は、互いに強く固着される。
【0074】
所定数の固化層９２の造形が完了した時点で、加熱工程が終了される（ステップＳ７）。具体的には、加熱制御部８７により加熱器４３を制御して、加熱を停止する。
【0075】
冷媒温度調整工程では、造形テーブル４の設定温度Ｔ１に基づき、冷媒循環装置６から供給される冷却水の温度を調整する。具体的には、設定温度Ｔ１が所定の値Ｔｈ以上である場合、数値制御部８３は、冷媒循環制御部６３に対して、冷媒循環装置６の運転モードを切り替えるための動作指令を出力する。本実施形態においては、Ｔｈ＝１４０℃に設定される。冷媒循環制御部６３の指令部６５が動作指令を受け取ると、モード切替部６５ａは、冷媒循環装置６を低負荷モードから高負荷モードへ切り替える（ステップＳ８）。高負荷モードにおいては、冷媒能力制御部６６が熱交換器６２を制御して、低負荷モードよりも高い冷却能力で冷却水の冷却が行われる。
【0076】
高負荷モードへの切替後、所定の待機時間ｔ２が経過した時点で、造形テーブル４の冷却工程が開始される（ステップＳ９）。具体的には、冷媒供給制御部８８により電磁弁７３ａ１を開き、冷媒循環装置６と第１冷却器４４との間で冷却水を循環させる。第１冷却器４４へ冷却水を供給することで、造形テーブル４を所定の冷却温度Ｔ２まで冷却する。
【0077】
高負荷モードは、所定の高負荷継続時間ｔ１が経過するまで、継続される（ステップＳ１０）。高負荷継続時間ｔ１が経過した時点で、モード切替部６５ａは、冷媒循環装置６を高負荷モードから低負荷モードへ切り替える（ステップＳ１１）。
【0078】
一方、設定温度Ｔ１が所定の値Ｔｈ未満である場合、冷媒循環装置６が低負荷モードで運転された状態で、造形テーブル４の冷却工程が開始される（ステップＳ１２）。具体的には、造形テーブル４の加熱工程の終了以降に、冷媒供給制御部８８により電磁弁７３ａ１を開き、冷媒循環装置６と第１冷却器４４との間で冷却水を循環させ、造形テーブル４を所定の冷却温度Ｔ２まで冷却する。
【0079】
造形テーブル４の冷却工程が終了後（ステップＳ１３）、造形が完了するまで、上記の工程が繰り返し実行される。また、造形中又は造形後に、固化層９２に対して必要に応じて機械加工装置９５による切削加工等を行ってもよい。機械加工装置９５は、例えば、チャンバ１内に設けられ、切削等の機械加工を行うための工具（例えば、エンドミル）を加工ヘッドに取り付けて構成され、加工ヘッドを水平方向及び鉛直方向に適宜移動させて機械加工を行う。積層造形の完了後は、未固化の材料粉体及び切削屑を排出することによって、積層造形物を得ることができる。
【0080】
５．他の実施形態
本発明は、以下の態様でも実施可能である。
本発明は、以下の態様でも実施可能である。
【0081】
＜変形例１＞
上記実施形態では、冷媒循環装置６が、低負荷モードと高負荷モードの２つの運転モードを備え、高負荷モードにおける高負荷継続時間ｔ１、待機時間ｔ２、及び冷却能力の設定値等の運転条件をそれぞれ１つの固定値としたが、運転モードの構成はこれに限定されるものではない。３つ以上の運転モードを備えるようにしても良く、一例として、冷媒循環装置６を、低負荷モードと、複数の高負荷モードとを備えるように構成してもよい。
上記実施形態では、冷媒循環装置６が、低負荷モードと高負荷モードの２つの運転モードを備え、高負荷モードにおける高負荷継続時間ｔ１、待機時間ｔ２、及び冷却能力の設定値等の運転条件をそれぞれ１つの固定値としたが、運転モードの構成はこれに限定されるものではない。３つ以上の運転モードを備えるようにしても良く、一例として、冷媒循環装置６を、低負荷モードと、複数の高負荷モードとを備えるように構成してもよい。
【0082】
具体的には、冷媒循環装置６は、高負荷モードとして第１高負荷モード及び第２高負荷モードとを備えてもよく、第２高負荷モードにおける待機時間及び高負荷継続時間が、第１高負荷モードにおける待機時間及び高負荷継続時間に対して各々より長くなるように、運転条件を設定してもよい。或いは、第２高負荷モードにおける冷媒循環装置６の冷却能力が、第１高負荷モードにおける冷媒循環装置６の冷却能力よりも高くなるように、運転条件を設定してもよい。このように、運転条件の異なる高負荷モードを複数設けることにより、造形テーブル４の設定温度Ｔ１に応じて、造形テーブル４をより効率的に冷却することが可能となる。
【0083】
＜変形例２～変形例４＞
上記実施形態においては、制御手段８が造形テーブル４の設定温度Ｔ１に基づき供給冷媒温度Ｔｒを制御する構成とした。供給冷媒温度Ｔｒの制御は、制御手段８の構成はこれに限定されるものではなく、他の構成としてもよい。
上記実施形態においては、制御手段８が造形テーブル４の設定温度Ｔ１に基づき供給冷媒温度Ｔｒを制御する構成とした。供給冷媒温度Ｔｒの制御は、制御手段８の構成はこれに限定されるものではなく、他の構成としてもよい。
【0084】
変形例２として、制御手段８を、造形テーブル４の設定温度Ｔ１及び造形テーブル４の容積Ｖに基づき供給冷媒温度Ｔｒを制御するように構成してもよい。この場合、例えば、設定温度Ｔ１が所定の値Ｔｈ以上であり、且つ造形テーブル４の容積Ｖが所定の値Ｖｈ以上である場合に、冷媒循環装置６の運転モードを低負荷モードから高負荷モードに切り替えるように制御手段８を構成してもよい。或いは、変形例１の構成と組み合わせて、設定温度Ｔ１が所定の値Ｔｈ以上であり、且つ造形テーブル４の容積Ｖが所定の値Ｖｈ未満である場合には低負荷モードから第１高負荷モードに切り替え、設定温度Ｔ１が所定の値Ｔｈ以上であり、且つ造形テーブル４の容積Ｖが所定の値Ｖｈ以上である場合には、低負荷モードから第２高負荷モードに切り替えるように、制御手段８を構成してもよい。このように、造形テーブル４の設定温度Ｔ１に加え容積Ｖを勘案することにより、造形テーブル４の容積Ｖが大きい場合に、高負荷モードにおけるフィードフォワード制御によってより低い温度に調整された冷媒を、第１冷却器４４に供給することが可能となる。
【0085】
変形例３として、制御手段８を、造形テーブル４の設定温度Ｔ１及び実際の温度Ｔ３に基づき、供給冷媒温度Ｔｒを制御するように構成してもよい。この場合、例えば、造形テーブル４に温度を検出するための温度センサからの検出信号に基づき、設定温度Ｔ１が所定の値Ｔｈ（例えば、１４０℃）以上であり、且つ実際の温度Ｔ３が所定の値Ｔａ（例えば、１３５℃）以上である場合に、冷媒循環装置６の運転モードを低負荷モードから高負荷モードに切り替えるように制御手段８を構成してもよい。温度調整装置４２の構造によっては、加熱制御部８７に対する動作指令における造形テーブル４の設定温度Ｔ１と、造形テーブル４の実際の温度Ｔ３に差が生じる場合がある。造形テーブル４の設定温度Ｔ１及び実際の温度Ｔ３を勘案することにより、より正確な制御を行うことが可能となる。
【0086】
変形例４として、制御手段８を、造形テーブル４の設定温度Ｔ１及び造形物の高さに基づき供給冷媒温度Ｔｒを制御するように構成してもよい。この場合、例えば、設定温度Ｔ１が所定の値Ｔｈ以上であり、且つ造形物の高さが所定の値以上である場合に、冷媒循環装置６の運転モードを低負荷モードから高負荷モードに切り替えるように制御手段８を構成してもよい。或いは、変形例１の構成と組み合わせて、設定温度Ｔ１が所定の値Ｔｈ以上であり、且つ造形物の高さが所定の値未満である場合には低負荷モードから第１高負荷モードに切り替え、設定温度Ｔ１が所定の値Ｔｈ以上であり、且つ造形物の高さが所定の値以上である場合には、低負荷モードから第２高負荷モードに切り替えるように、制御手段８を構成してもよい。このように、造形テーブル４の設定温度Ｔ１に加え造形物の高さ（造形物の容積）を勘案することにより、造形物の高さが高い場合に、高負荷モードにおけるフィードフォワード制御によってより低い温度に調整された冷媒を、第１冷却器４４に供給することが可能となる。
【0087】
以上、本発明に係る種々の実施形態を説明したが、これらは例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0088】
１ ：チャンバ
１ａ ：ウィンドウ
１ｂ ：排出口
１ｃ ：供給口
２ ：不活性ガス給排装置
３ ：材料層形成装置
４ ：造形テーブル
４ａ ：天板
４ｂ ：支持板
４ｃ ：支持板
４ｄ ：支持板
５ ：照射装置
６ ：冷媒循環装置
８ ：制御手段
１７ ：汚染防止装置
１７ａ ：筐体
１７ｂ ：開口部
１７ｃ ：拡散部材
１７ｄ ：不活性ガス供給空間
１７ｅ ：清浄室
２１ ：不活性ガス供給装置
２２ ：ヒュームコレクタ
２３ ：ダクトボックス
２４ ：ダクトボックス
３１ ：ベース
３２ ：リコータヘッド
３２ａ ：材料収容部
３２ｂ ：材料供給口
３２ｃ ：材料排出口
３２ｆｂ ：ブレード
３２ｒｂ ：ブレード
３３ ：リコータヘッド駆動装置
３４ ：フレーム
４１ ：造形テーブル駆動装置
４２ ：温度調整装置
４３ ：加熱器
４４ ：第１冷却器
５１ ：レーザ発振器
５２ ：コリメータ
５３ ：フォーカス制御ユニット
５４ ：走査装置
５４ａ ：第１ガルバノミラー
５４ｂ ：第２ガルバノミラー
５５ ：第２冷却器
５６ ：温度監視装置
５７ ：走査装置用冷却器
６１ ：冷却水タンク
６１ａ ：冷却水出口
６１ｂ ：冷却水入口
６２ ：熱交換器
６３ ：冷媒循環制御部
６４ ：入力部
６５ ：指令部
６５ａ ：モード切替部
６５ｂ ：高負荷継続時間設定部
６６ ：冷却能力制御部
７０ ：循環路
７１ ：主供給路
７１ａ ：ポンプ
７１ｂ ：出口温度センサ
７２ ：主返送路
７２ａ ：入口温度センサ
７３ａ ：第１分岐供給路
７３ａ１ ：電磁弁
７３ｂ ：第１分岐返送路
７３ｂ１ ：逆止弁
７４ａ ：第２分岐供給路
７４ｂ ：第２分岐返送路
７４ｂ１ ：逆止弁
８１ ：ＣＡＤ装置
８２ ：ＣＡＭ装置
８３ ：数値制御部
８４ ：記憶部
８５ ：演算部
８６ ：照射制御部
８７ ：加熱制御部
８８ ：冷媒供給制御部
９０ ：ベースプレート
９１ ：材料層
９２ ：固化層
９５ ：機械加工装置
１００ ：積層造形装置
Ｌ ：レーザ光
Ｒ ：造形領域
１ａ ：ウィンドウ
１ｂ ：排出口
１ｃ ：供給口
２ ：不活性ガス給排装置
３ ：材料層形成装置
４ ：造形テーブル
４ａ ：天板
４ｂ ：支持板
４ｃ ：支持板
４ｄ ：支持板
５ ：照射装置
６ ：冷媒循環装置
８ ：制御手段
１７ ：汚染防止装置
１７ａ ：筐体
１７ｂ ：開口部
１７ｃ ：拡散部材
１７ｄ ：不活性ガス供給空間
１７ｅ ：清浄室
２１ ：不活性ガス供給装置
２２ ：ヒュームコレクタ
２３ ：ダクトボックス
２４ ：ダクトボックス
３１ ：ベース
３２ ：リコータヘッド
３２ａ ：材料収容部
３２ｂ ：材料供給口
３２ｃ ：材料排出口
３２ｆｂ ：ブレード
３２ｒｂ ：ブレード
３３ ：リコータヘッド駆動装置
３４ ：フレーム
４１ ：造形テーブル駆動装置
４２ ：温度調整装置
４３ ：加熱器
４４ ：第１冷却器
５１ ：レーザ発振器
５２ ：コリメータ
５３ ：フォーカス制御ユニット
５４ ：走査装置
５４ａ ：第１ガルバノミラー
５４ｂ ：第２ガルバノミラー
５５ ：第２冷却器
５６ ：温度監視装置
５７ ：走査装置用冷却器
６１ ：冷却水タンク
６１ａ ：冷却水出口
６１ｂ ：冷却水入口
６２ ：熱交換器
６３ ：冷媒循環制御部
６４ ：入力部
６５ ：指令部
６５ａ ：モード切替部
６５ｂ ：高負荷継続時間設定部
６６ ：冷却能力制御部
７０ ：循環路
７１ ：主供給路
７１ａ ：ポンプ
７１ｂ ：出口温度センサ
７２ ：主返送路
７２ａ ：入口温度センサ
７３ａ ：第１分岐供給路
７３ａ１ ：電磁弁
７３ｂ ：第１分岐返送路
７３ｂ１ ：逆止弁
７４ａ ：第２分岐供給路
７４ｂ ：第２分岐返送路
７４ｂ１ ：逆止弁
８１ ：ＣＡＤ装置
８２ ：ＣＡＭ装置
８３ ：数値制御部
８４ ：記憶部
８５ ：演算部
８６ ：照射制御部
８７ ：加熱制御部
８８ ：冷媒供給制御部
９０ ：ベースプレート
９１ ：材料層
９２ ：固化層
９５ ：機械加工装置
１００ ：積層造形装置
Ｌ ：レーザ光
Ｒ ：造形領域
【要約】
【課題】造形テーブルの昇温時の設定温度が比較的高い場合であっても効率的な冷却を可能としつつ、冷媒循環装置の導入費用の増大及び大型化を回避可能な積層造形装置を提供する。
【解決手段】
本発明によれば、積層造形装置であって、造形テーブルと、照射装置と、温度調整装置と、冷媒循環装置と、制御手段とを備え、前記造形テーブル上には、材料粉体の供給により材料層が形成され、前記照射装置は、前記材料層にレーザ光又は電子ビームを照射して固化層を形成し、前記温度調整装置は、前記造形テーブルを設定温度まで加熱する加熱器と、前記造形テーブルを冷却する第１冷却器とを備え、前記冷媒循環装置は、冷媒を温度調整して第１冷却器との間で循環させ、前記制御手段は、前記設定温度に基づき、前記冷媒循環装置から供給される前記冷媒の温度である供給冷媒温度を制御するように構成される、積層造形装置が提供される。
【選択図】図１
【解決手段】
本発明によれば、積層造形装置であって、造形テーブルと、照射装置と、温度調整装置と、冷媒循環装置と、制御手段とを備え、前記造形テーブル上には、材料粉体の供給により材料層が形成され、前記照射装置は、前記材料層にレーザ光又は電子ビームを照射して固化層を形成し、前記温度調整装置は、前記造形テーブルを設定温度まで加熱する加熱器と、前記造形テーブルを冷却する第１冷却器とを備え、前記冷媒循環装置は、冷媒を温度調整して第１冷却器との間で循環させ、前記制御手段は、前記設定温度に基づき、前記冷媒循環装置から供給される前記冷媒の温度である供給冷媒温度を制御するように構成される、積層造形装置が提供される。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
