特許 7490508 三次元積層造形装置

(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】

(24)【登録日】2024-05-17

(45)【発行日】2024-05-27

(54)【発明の名称】三次元積層造形装置

(51)【国際特許分類】

   B22F 3/16 20060101AFI20240520BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240520BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20240520BHJP

   B29C 64/268 20170101ALI20240520BHJP

   B29C 64/25 20170101ALI20240520BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20240520BHJP

【ＦＩ】

B22F3/16

B33Y30/00

B29C64/153

B29C64/268

B29C64/25

B22F3/105

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020151231

(22)【出願日】2020-09-09

(65)【公開番号】P2022045570

(43)【公開日】2022-03-22

【審査請求日】2023-02-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000004271

【氏名又は名称】日本電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000925

【氏名又は名称】弁理士法人信友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】成瀬 達雄

(72)【発明者】

【氏名】稲永 尊也

(72)【発明者】

【氏名】清水 崇行

【審査官】長谷部 智寿

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１８３２４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０５０３３２５１（ＣＮ，Ａ）

【文献】登録実用新案第３１９３０５９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】中国実用新案第２０８２１６０２６（ＣＮ，Ｕ）

【文献】特開平０３－２０８３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２３０１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１９３１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０３１７５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０４４４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０３－０３０８９３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特表２０１９－５３３３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－２６８９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１７９５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２８２２９６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００５－３３０９６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２０８１７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１１４６７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－０５５０４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ １／００－８／００

Ｂ３３Ｙ ３０／００

Ｂ２９Ｃ ６４／００－６４／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

底壁を有する真空チャンバーと、
前記真空チャンバーの内部に配置され、粉末が敷き詰められるステージと、
前記真空チャンバーの底壁を貫通して前記ステージに接続されたシャフトと、
前記真空チャンバーの底壁を貫通する前記シャフトの貫通部分に配置されたシール部材と、
前記真空チャンバーの底壁と前記ステージとの間の空間に配置され、前記ステージから放射される熱を遮る遮熱部と、
を備え、
前記遮熱部は、前記ステージと対向する部分で前記真空チャンバーの底壁の内面を覆うように配置されると共に、前記ステージから放射される熱を前記ステージ側へと反射させる反射面を有し、
前記反射面で反射した熱は、前記空間を介して前記ステージに伝えられる
ことを特徴とする三次元積層造形装置。

【請求項2】

前記遮熱部は、少なくとも１つの遮熱板を有する
請求項１に記載の三次元積層造形装置。

【請求項3】

前記遮熱部は、複数の遮熱板を有し、
前記複数の遮熱板は、上下方向に隙間をあけて重ねて配置されている
請求項２に記載の三次元積層造形装置。

【請求項4】

前記遮熱部は、前記遮熱板と前記真空チャンバーの底壁との接触状態を点接触とする接触部材を有する
請求項２に記載の三次元積層造形装置。

【請求項5】

前記遮熱板は、上下方向で隣り合う２つの遮熱板の間に隙間を形成する突部を有する
請求項３に記載の三次元積層造形装置。

【請求項6】

前記突部は、前記遮熱板に一体に形成されている
請求項５に記載の三次元積層造形装置。

【請求項7】

前記遮熱部は、遮熱層と断熱層を少なくとも一層ずつ積層してなる積層体によって構成されている
請求項１に記載の三次元積層造形装置。

【請求項8】

前記シャフトは、中空のシャフトである
請求項１～７のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置。

【請求項9】

前記シャフトは、前記シャフトの構成材料よりも熱伝導率の低い材料で構成された接続部材を介して前記ステージに接続されている
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。

【請求項10】

前記ステージと前記接続部材との接触面積は、前記シャフトの横断面積よりも狭い
請求項９に記載の三次元積層造形装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、三次元積層造形装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ステージ上に敷き詰められた金属の粉末に電子ビームを照射して粉末を溶融および凝固させるとともに、凝固させた層をステージの移動により順に積層させて三次元の造形物を形成する三次元積層造形装置が知られている。

【0003】

三次元積層造形装置は、真空チャンバーの内部にステージを配置するとともに、ステージにシャフトを接続し、このシャフトと一体にステージを移動させる構成になっている（特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開第２０１７／０８１８１２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

真空チャンバーの内部を所望の真空度まで排気するための排気時間を短縮するには、真空チャンバーの容積を小さくすることが有効である。また、真空チャンバーの容積を小さくするには、真空チャンバーの底壁に貫通孔を設け、この貫通孔にシャフトを通すことにより、シャフトの一部を真空チャンバーの外側に配置することが有効である。

【0006】

その場合、真空チャンバーの底壁を貫通するシャフトの貫通部分で気密性を保つために、シャフトの貫通部分にシール部材を配置する必要がある。一般にシール部材は樹脂によって構成されるため、金属などに比べて耐熱性が低い。これに対し、ステージは、電子ビームの照射によって粉末を溶融させるときに高温に加熱される。このため、ステージから放射される熱（輻射熱）によって真空チャンバーの底壁が加熱され、シール部材の性能が低下するおそれがある。

【0007】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、真空チャンバーの底壁を貫通するシャフトの貫通部分に配置されるシール部材の性能低下を抑制することができる三次元積層造形装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る三次元積層造形装置は、底壁を有する真空チャンバーと、真空チャンバーの内部に配置され、粉末が敷き詰められるステージと、真空チャンバーの底壁を貫通してステージに接続されたシャフトと、真空チャンバーの底壁を貫通するシャフトの貫通部分に配置されたシール部材と、真空チャンバーの底壁とステージとの間に配置され、ステージから放射される熱を遮る遮熱部と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、真空チャンバーの底壁を貫通するシャフトの貫通部分に配置されるシール部材の性能低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の構成を概略的に示す側断面図である。

【図2】接続部材を説明する斜視図である。

【図3】本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置が備える遮熱部の構成を示す斜視図である。

【図4】連結部の構成を示す拡大図である。

【図5】脚部の構成を示す拡大図である。

【図6】本発明の第２実施形態における遮熱部の構成を示す概略側断面図である。

【図7】本発明の第２実施形態における遮熱板の構成を示す平面図である。

【図8】図７のＡ－Ａ位置の断面図である。

【図9】本発明の第３実施形態における遮熱部の構成を示す概略側断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本明細書および図面において、実質的に同一の機能または構成を有する要素については、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0012】

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の構成を概略的に示す側断面図である。以降の説明では、三次元積層造形装置の各部の形状や位置関係などを明確にするために、図１の左右方向をＸ方向、図１の奥行き方向をＹ方向、図１の上下方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、互いに直交する方向である。また、Ｘ方向およびＹ方向は水平方向に平行な方向であり、Ｚ方向は鉛直方向に平行な方向である。

【0013】

図１に示すように、三次元積層造形装置１０は、真空チャンバー１２と、ビーム照射装置１４と、粉末供給装置１６と、造形テーブル１８と、造形ボックス２０と、ステージ２２と、ステージ移動装置２４と、遮熱部２６とを備えている。

【0014】

真空チャンバー１２は、図示しない真空ポンプによってチャンバー内の空気を排気することにより、真空状態を作り出すためのチャンバーである。真空チャンバー１２は、上壁１２ａ、側壁１２ｂおよび底壁１２ｃを有している。上壁１２ａおよび底壁１２ｃは、Ｚ方向で対向している。

【0015】

ビーム照射装置１４は、造形面に電子ビームを照射する装置である。造形面とは、ステージ２２上に敷き詰められる粉末３２の上面をいう。ビーム照射装置１４は、図示はしないが、電子ビームの発生源となる電子銃と、電子銃が発生した電子ビームを制御する光学系とを備える。光学系は、引出電極、集束レンズ、対物レンズ、偏向レンズなどによって構成される。ビーム照射装置１４は、真空チャンバー１２の上壁１２ａに取り付けられている。また、ビーム照射装置１４は、電子銃および光学系の中心軸がＺ方向と平行となるように配置されている。ビーム照射装置１４によって生成された電子ビームは、造形面に照射される。その際、電子ビームは偏向レンズによって偏向される。なお、ビームは電子ビームに限らず、レーザービームであってもよい。

【0016】

粉末供給装置１６は、造形物の原材料となる金属の粉末３２を造形テーブル１８上に供給する装置である。粉末供給装置１６は、ホッパー１６ａと、粉末投下器１６ｂと、アーム１６ｃとを有している。ホッパー１６ａは、粉末を貯蔵するための容器である。粉末投下器１６ｂは、ホッパー１６ａに貯蔵されている粉末を造形テーブル１８上に投下する機器である。粉末投下器１６ｂは、予め決められた量の粉末を造形テーブル１８の端に投下する。ホッパー１６ａおよび粉末投下器１６ｂは、Ｘ方向に距離を隔てて２つずつ設けられている。アーム１６ｃは、Ｙ方向に長い長尺状の部材である。アーム１６ｃは、粉末投下器１６ｂによって投下された粉末を造形テーブル１８上に敷き詰める。アーム１６ｃは、造形テーブル１８の全面に粉末を均一に敷き詰めるために、Ｘ方向に移動可能に設けられている。

【0017】

造形テーブル１８は、真空チャンバー１２の内部に水平に配置されている。造形テーブル１８は、粉末供給装置１６よりも下方に配置されている。造形テーブル１８の中央部には開口部１８ａが形成されている。開口部１８ａは、平面視円形または平面視四角形に形成される。本実施形態においては、一例として、開口部１８ａが平面視円形に形成されているものとする。

【0018】

造形ボックス２０は、造形テーブル１８の開口部１８ａの下方に造形用の空間２８を形成するボックスである。造形ボックス２０の上端部２０ａは、開口部１８ａの縁で造形テーブル１８の下面に接続されている。造形ボックス２０の下端部２０ｂは、真空チャンバー１２の底壁１２ｃの内面３０に接続されている。底壁１２ｃの内面３０は、真空チャンバー１２の内側に配置される面であり、底壁１２ｃの外面３１とは表裏の関係にある。

【0019】

ステージ２２は、金属の粉末３２を用いて造形物を形成するためのステージである。ステージ２２は、上面２２ａおよび下面２２ｂを有する。三次元積層造形装置１０によって造形物を形成する場合、ステージ２２の上面２２ａには所定の厚さ（一層分の厚さ）で粉末３２が敷き詰められる。ステージ２２の上面２２ａは、Ｚ方向において、ビーム照射装置１４と対向するように配置されている。ステージ２２の下面２２ｂは、Ｚ方向において、底壁１２ｃの内面３０と対向するように配置される。ただし、ステージ２２と底壁１２ｃとの間には遮熱部２６が配置されている。このため、ステージ２２は、遮熱部２６を介して底壁１２ｃの内面３０と対向している。

【0020】

ステージ移動装置２４は、ステージ２２を上下方向に移動させる装置である。ステージ移動装置２４は、複数のシャフト２４ａと、可動プレート２４ｂと、複数のナット２４ｃと、複数のネジ軸２４ｄと、複数のモータ２４ｅとを備えている。シャフト２４ａは、合計４つ（図１では２つのみ表示）設けられている。シャフト２４ａは、真空チャンバー１２の底壁１２ｃを貫通してステージ２２に接続されている。シャフト２４ａの一部は真空チャンバー１２内の空間２８に配置され、シャフト２４ａの他部は真空チャンバー１２の外側、すなわち大気中に露出して配置されている。シャフト２４ａを部分的に真空チャンバー１２の外側に配置した場合は、シャフト２４ａ全体を真空チャンバー１２の内部に配置する場合に比べて、真空チャンバー１２の容積を小さくすることができる。これにより、真空チャンバー１２の小型化を図ることができる。また、真空チャンバー１２内を所望の真空度まで排気するための排気時間を短縮することができる。

【0021】

真空チャンバー１２の底壁１２ｃを貫通するシャフト２４ａの貫通部分にはシール部材３４が配置されている。シール部材３４は、シャフト２４ａの貫通部分で気密性を保持する部材である。本実施形態においては、一例として、シール部材３４がＯリングによって構成されている。

【0022】

シャフト２４ａは、Ｚ方向と平行に配置されている。本実施形態においては、シャフト２４ａとして、中空のシャフトを採用している。シャフト２４ａを中空構造とすれば、シャフト２４ａを中実構造（非中空構造）とする場合に比べて、シャフト２４ａの長さ方向に熱が伝わり難くなる。このため、ステージ２２からシャフト２４ａを通じてシール部材３４に伝わる熱量を少なく抑えることができる。

【0023】

シャフト２４ａの上端部は、接続部材３６を介してステージ２２に接続されている。接続部材３６は、筒状（中空）の部材であり、たとえばボルト（図示せず）によってステージ２２の下面２２ｂに固定される。接続部材３６は、シャフト２４ａの構成材料よりも熱伝導率の低い材料で構成されている。たとえば、シャフト２４ａの構成材料がステンレス鋼である場合、接続部材３６はステンレス鋼よりも熱伝導率の低い金属である６４チタン、あるいはセラミックスによって構成される。ステージ２２の帯電を抑制するうえでは、接続部材３６を金属によって構成することが望ましい。接続部材３６は、シャフト２４ａに対して同軸に連結されている。接続部材３６は、図２に示すように、接続部材３６の上端に向かって徐々に径が小さくなる形状、すなわち先細形状に形成されている。接続部材３６の上端面３６ａは円環状に形成されている。接続部材３６の上端面３６ａは、ステージ２２の下面２２ｂに接触する面となる。このため、上端面３６ａの面積は、ステージ２２と接続部材３６との接触面積に相当する。上述したように接続部材３６は先細形状に形成されているため、上端面３６ａの面積はシャフト２４ａの横断面積よりも狭くなる。

【0024】

シャフト２４ａの下端部は、真空チャンバー１２の外側で可動プレート２４ｂに接続されている。可動プレート２４ｂは、真空チャンバー１２の外側に水平に配置されている。ナット２４ｃは、可動プレート２４ｂに回転自在に取り付けられている。ナット２４ｃは、ネジ軸２４ｄに噛み合っている。ネジ軸２４ｄは、たとえば台形ネジ軸によって構成されている。ネジ軸２４ｄは、Ｚ方向と平行に配置されている。モータ２４ｅは、ステージ２２を上下方向に移動させるための駆動源となる。モータ２４ｅは、ナット２４ｃを回転させる駆動力を発生する。実際にモータ２４ｅの駆動によってナット２４ｃを回転させると、ナット２４ｃの回転方向および回転量に応じて可動プレート２４ｂが上下方向（Ｚ方向）に移動する。また、可動プレート２４ｂが移動すると、可動プレート２４ｂと一体にシャフト２４ａおよびステージ２２が上下方向に移動する。

【0025】

遮熱部２６は、真空チャンバー１２の底壁１２ｃとステージ２２との間に配置されている。遮熱部２６は、ステージ２２から放射される熱、すなわち輻射熱を遮る部分である。遮熱部２６は、造形ボックス２０が形成する空間２８内に配置されている。遮熱部２６は、ステージ２２に対向する真空チャンバー１２の底壁１２ｃの内面３０を覆うように、空間２８の最下部に配置されている。このように遮熱部２６を配置した場合は、空間２８におけるステージ２２の移動範囲を広く確保することができる。ただし、遮熱部２６は、上下方向に移動するステージ２２と干渉しない条件であれば、真空チャンバー１２の底壁１２ｃとステージ２２との間で任意の位置に配置することが可能である。遮熱部２６の具体的な構成については後段で詳しく説明する。

【0026】

続いて、三次元積層造形装置１０の動作について説明する。
まず、ステージ２２の上面２２ａを造形テーブル１８の上面よりも所定量だけ下げた状態で、粉末供給装置１６により造形テーブル１８上に粉末３２を供給する。その際、ホッパー１６ａに貯蔵されている粉末は、粉末投下器１６ｂによって造形テーブル１８上に投下される。造形テーブル１８上に投下された粉末３２は、アーム１６ｃの移動によって造形テーブル１８上に敷き詰められる。アーム１６ｃは、移動中にステージ２２の上を通過する。このため、ステージ２２上にも粉末３２が敷き詰められる。

【0027】

次に、ビーム照射装置１４によって電子ビームを照射することにより、ステージ２２上の粉末３２を溶融および凝固させる。その際、ビーム照射装置１４は、目的とする造形物の三次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データを一定の厚みにスライスした２次元データに基づいて電子ビームを走査することにより、ステージ２２上の粉末３２を選択的に溶融する。電子ビームの照射によって溶融した粉末３２は、電子ビームが通過した後に凝固する。これにより、一層分の造形が完了する。

【0028】

次に、ステージ２２は、ステージ移動装置２４の駆動によって一層分だけ下方に移動する。次に、上記同様に、粉末供給装置１６によって造形テーブル１８上に粉末３２を供給するとともに、ビーム照射装置１４によって電子ビームを照射する。以降は、このような動作を所定の層数分だけ繰り返すことにより、目的とする造形物が得られる。

【0029】

上述した三次元積層造形装置１０の動作においては、ビーム照射装置１４からステージ２２上の粉末３２へと電子ビームを照射することにより、金属の粉末３２が溶融する。一般に、金属の粉末３２の融点は非常に高いため、ステージ２２は数百度以上の高温になる。ステージ２２の熱は、熱放射（輻射）または熱伝導により、真空チャンバー１２の底壁１２ｃ（以下、「チャンバー底壁１２ｃ」ともいう。）にも伝わる。特に、ステージ２２からチャンバー底壁１２ｃに伝わる熱は、熱伝導に比べて熱放射のほうが非常に多くなる。

【0030】

そこで本実施形態においては、真空チャンバー１２の底壁１２ｃとステージ２２との間に遮熱部２６を配置し、ステージ２２から放射される熱を遮熱部２６によって遮る構成を採用している。遮熱部２６は、ステージ２２の下面２２ｂと対向する状態で配置されている。また、遮熱部２６は、ステージ２２と対向する部分でチャンバー底壁１２ｃの内面３０を覆うように配置されている。以下、遮熱部２６の構成について詳しく説明する。

【0031】

図３は、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置が備える遮熱部の構成を示す斜視図である。図３においては、遮熱部の構成を理解しやすいように、遮熱部の一部を破断した状態を示している。

【0032】

図３に示すように、遮熱部２６は、複数の遮熱板４１を有している。本実施形態では、一例として、遮熱部２６が３つの遮熱板４１を有している。３つの遮熱板４１は、上下方向に隙間をあけて重ねて配置されている。遮熱板４１は、ステージ２２の平面形状にあわせて円形の板で構成されている。ステージ２２の平面形状は円形に限らず、四角形などの角形であってもよい。その場合は、遮熱板４１の平面形状もステージ２２の平面形状にあわせて角形にするとよい。

【0033】

遮熱板４１は反射面４２を有している。反射面４２は、ステージ２２から放射される熱をステージ２２側へと反射させる。反射面４２は、たとえば遮熱板４１をステンレス鋼で構成する場合、遮熱板４１の表面にアルミニウムまたは金をコーティングすることにより形成される。反射面４２は、遮熱板４１の上面および下面のうち、少なくとも上面に形成するとよい。遮熱板４１の上面は、ステージ２２と対向する側の面である。

【0034】

遮熱板４１には４つ（図３では３つのみ表示）の貫通孔４３が設けられている。貫通孔４３は、上述したシャフト２４ａとの干渉を避けるための孔である。遮熱部２６をチャンバー底壁１２ｃ上に配置する場合、シャフト２４ａは貫通孔４３に挿入される。このため、貫通孔４３の直径は、シャフト２４ａの直径よりも大きく設定されている。

【0035】

３つの遮熱板４１は、連結部４４によって相互に連結されている。連結部４４は、遮熱板４１の円周方向の４箇所に設けられている。
図４は、連結部の構成を示す拡大図である。
図４に示すように、連結部４４は、スタッドボルト４５と、２つのナット４６，４７と、２つのスラストボールベアリング４８，４９と、スペーサー５０とを備えている。

【0036】

スタッドボルト４５は、ボルト長さ方向の全部に雄ネジが形成されたボルトである。スタッドボルト４５は、ボルト長さ方向の両端部のみに雄ネジが形成されていてもよい。スタッドボルト４５は、３つの遮熱板４１を貫通している。ナット４６は、最も上側に配置された遮熱板４１の上面側に配置されている。ナット４６と遮熱板４１との間には、必要に応じてワッシャを配置するとよい。ナット４７は、最も下側に配置された遮熱板４１の下面側に配置されている。ナット４７と遮熱板４１との間には、必要に応じてワッシャを配置するとよい。スラストボールベアリング４８は、最も上側に配置された遮熱板４１と、この遮熱板４１に隣り合う中央の遮熱板４１との間に配置されている。スラストボールベアリング４９は、中央の遮熱板４１とスペーサー５０との間に配置されている。スペーサー５０は、円筒状に形成されている。スペーサー５０は、最も下側に配置された遮熱板４１とスラストボールベアリング４９との間に配置されている。スペーサー５０は、必要に応じて設けるようにすればよい。

【0037】

上記構成からなる連結部４４によって３つの遮熱板４１を連結する場合は、まず、３つの遮熱板４１と、２つのスラストボールベアリング４８，４９と、スペーサー５０に、それぞれスタッドボルト４５を通す。次に、スタッドボルト４５両端部の雄ネジにナット４６，４７の雌ネジを噛み合わせる。次に、２つのナット４６，４７のうち少なくとも一方を締め付ける。これにより、３つの遮熱板４１が相互に連結される。

【0038】

上述した連結状態において、スラストボールベアリング４８のボール４８ａは、最も上側に配置された遮熱板４１と中央の遮熱板４１との間で、点状に接触した状態となる。このため、遮熱板４１間の伝熱経路は、スラストボールベアリング４８のボール４８ａの存在によって狭められ、その狭められた部分で熱伝導が阻害される。したがって、最も上側に配置された遮熱板４１と中央の遮熱板４１との間で、熱伝導を抑制することができる。これと同様に、スラストボールベアリング４９のボール４９ａは、中央の遮熱板４１と最も下側に配置された遮熱板４１との間で、点状に接触した状態となる。このため、中央の遮熱板４１と最も下側に配置された遮熱板４１との間でも、熱伝導を抑制することができる。

【0039】

再び図３に戻って説明する。３つの遮熱板４１のうち、最も上側に配置された遮熱板４１には取っ手５１が取り付けられ、最も下側に配置された遮熱板４１には脚部５２が設けられている。取っ手５１は、遮熱部２６の着脱作業を容易に行えるようにするための部材である。遮熱部２６は、ステージ２２と対向するように空間２８の底部に設置される。また、ステージ２２上に粉末３２を敷き詰める場合、あるいはステージ２２を上下方向に移動する場合に、ステージ２２から粉末３２がこぼれ落ちることがある。ステージ２２からこぼれ落ちた粉末３２は、遮熱板４１の上面に落下して徐々に溜まっていく。遮熱板４１の上に溜まった粉末３２を取り除く場合は、ステージ２２を取り外す必要があるが、その際に、遮熱部２６を取り外した方が、粉末３２の除去作業が容易になる。また、遮熱板４１に取っ手５１を設けておけば、作業者は、造形テーブル１８の開口部１８ａから手を伸ばして取っ手５１を握り、そのまま遮熱板４１を引き上げることで、遮熱部２６を取り外すことができる。また、作業者は、粉末３２の除去作業を終えた後、取っ手５１を握って空間２８の底部に遮熱部２６を降ろすことにより、遮熱部２６を元の位置に取り付けることができる。

【0040】

脚部５２は、遮熱板４１の円周方向の３箇所（図３では１箇所のみ表示）に設けられている。脚部５２は、図５に示すように、ボールスクリュー５３と、２つのナット５４，５５とによって構成されている。ボールスクリュー５３は、図示しない圧縮コイルバネと、この圧縮コイルバネによって付勢されたボール５３ａとを有している。ボールスクリュー５３は、ボール５３ａが鉛直下方を向くように配置されている。ボールスクリュー５３の外周面には雄ネジが形成されている。２つのナット５４，５５は、遮熱板４１を挟むように上下に対をなして配置されている。各々のナット５４，５５の雌ネジは、ボールスクリュー５３の雄ネジに噛み合っている。ボールスクリュー５３は、遮熱板４１に設けられた孔に挿入されており、その状態で上下のナット５４，５５を締め付けることにより、ボールスクリュー５３が固定されている。

【0041】

上記構成からなる脚部５２は、遮熱部２６をチャンバー底壁１２ｃ上に設置する場合に、最も下側に配置される遮熱板４１をチャンバー底壁１２ｃの内面３０から浮いた状態に保持する。この保持状態において、ボールスクリュー５３のボール５３ａは、チャンバー底壁１２ｃの内面３０に点接触によって接触する。すなわち、ボールスクリュー５３は、最も下側に配置される遮熱板４１と、チャンバー底壁１２ｃとの接触状態を点接触とする接触部材に相当する。このように、遮熱板４１とチャンバー底壁１２ｃとの接触状態を点接触とすることにより、遮熱板４１とチャンバー底壁１２ｃとの間の伝熱経路は、ボールスクリュー５３のボール５３ａの存在によって狭められ、その狭められた部分で熱伝導が阻害される。したがって、遮熱板４１からチャンバー底壁１２ｃへの熱伝導を抑制することができる。

【0042】

以上説明したように、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置１０においては、真空チャンバー１２の底壁１２ｃとステージ２２との間に遮熱部２６が配置され、ステージ２２から放射される熱が遮熱部２６によって遮られる構成を採用している。このため、遮熱部２６が配置されていない場合に比べて、ステージ２２から真空チャンバー１２の底壁１２ｃに伝わる熱が少なくなり、その分だけ底壁１２ｃの温度を低く抑えることができる。したがって、熱によるシール部材３４の性能低下を抑制することができる。

【0043】

また、本発明の第１実施形態において、遮熱部２６を構成する３つの遮熱板４１は、上下方向に隙間をあけて重ねて配置されている。このため、上下方向で隣り合う遮熱板４１間の熱伝導を抑制することができる。

【0044】

また、本発明の第１実施形態において、遮熱部２６が備える遮熱板４１は反射面４２（図３参照）を有し、この反射面４２はステージ２２が放射する熱をステージ２２側へと反射させる構成となっている。これにより、造形ボックス２０内の保温性能を向上させることができる。このため、造形時間の短縮ならびに造形物の品質向上を図ることができる。

【0045】

また、本発明の第１実施形態において、シャフト２４ａは、シャフト２４ａの構成材料よりも熱伝導率の低い材料で構成された接続部材３６を介してステージ２２に接続されている。このため、シャフト２４ａを直にステージ２２に接続する場合に比べて、ステージ２２からシャフト２４ａへの熱伝導を抑えることができる。ステージ２２からシャフト２４ａへの熱伝導を抑えることは、ステージ２２からシャフト２４ａを通じてシール部材３４に伝わる熱量を少なく抑えて、シール部材３４の性能低下を抑制することにつながる。

【0046】

また、本発明の第１実施形態において、ステージ２２と接続部材３６との接触面積は、シャフト２４ａの横断面積よりも狭くなっている。このため、ステージ２２からシャフト２４ａへの熱伝導をより効果的に抑えることができる。

【0047】

また、上記第１実施形態においては、シャフト２４ａの一部が真空チャンバー１２の外側に突き出して配置されているため、このシャフト２４ａの突き出し部分を空気の対流によって自然空冷することにより、シャフト２４ａの温度上昇を抑制することができる。さらに、シャフト２４ａの突き出し部分の近傍に、図示しないファンや熱交換器などを設けてシャフト２４ａを強制空冷することにより、シャフト２４ａの温度上昇をより効果的に抑制することができる。

【0048】

なお、上記第１実施形態においては、３つの遮熱板４１を用いて遮熱部２６を構成したが、遮熱部２６を構成する遮熱板４１の数は３つに限らず、１つ、２つ、または４つ以上であってもよい。また、シャフト２４ａの数も必要に応じて増減してかまわない。

【0049】

＜第２実施形態＞
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態に係る三次元積層造形装置は、上記第１実施形態に係る三次元積層造形装置１０と比較して、遮熱部２６の構成が異なる。以下、第２実施形態に係る三次元積層造形装置が備える遮熱部２６の構成について説明する。

【0050】

図６は、本発明の第２実施形態における遮熱部の構成を示す概略側断面図である。
図６に示すように、遮熱部２６－２は、複数の遮熱板６１を有している。本実施形態では、一例として、遮熱部２６－２が４つの遮熱板６１を有している。４つの遮熱板６１は、上下方向に隙間をあけて重ねて配置されている。遮熱板６１は、上述した遮熱板４１と同様に、円形の板で構成されるとともに、ステージ２２から放射される熱をステージ２２側へと反射させる反射面６２を有している。遮熱板６１には、上述したシャフト２４ａとの干渉を避けるための貫通孔が設けられている。この貫通孔については、図６～図８において図示を省略している。

【0051】

４つの遮熱板６１のうち、最も上側に配置された遮熱板６１を除く３つの遮熱板６１には、それぞれ突部６１ａが形成されている。突部６１ａは、図７の平面図および図８の断面図に示すように、遮熱板６１の一部を上向きに折り曲げることにより、遮熱板６１と一体に形成されている。突部６１ａの折り曲げ部分は三角形になっており、この三角形の頂部に他の遮熱板６１が載置される構成になっている。突部６１ａは、遮熱板６１の円周方向の３箇所に配置されている。

【0052】

一方、最も下側に配置された遮熱板６１には、ボールスクリュー６３が取り付けられている。ボールスクリュー６３は、遮熱板６１の円周方向の３箇所に取り付けられている。ボールスクリュー６３は、図示しない圧縮コイルバネと、この圧縮コイルバネによって付勢されたボール６３ａとを有している。ボール６３ａは、チャンバー底壁１２ｃの内面３０に接触している。ボールスクリュー６３は、最も下側に配置された遮熱板６１とチャンバー底壁１２ｃとの接触状態を点接触とする接触部材に相当する。

【0053】

上記構成からなる遮熱部２６－２を備える三次元積層造形装置においては、真空チャンバー１２の底壁１２ｃとステージ２２との間に遮熱部２６－２を配置しているため、上述した第１実施形態と同様に、熱によるシール部材３４の性能低下を抑制することができる。
また、上下方向で隣り合う遮熱板６１の間に隙間を形成する突部６１ａを、遮熱板６１と一体に形成しているため、遮熱部２６－２の構成を簡素化することができる。

【0054】

なお、上記第２実施形態においては、遮熱板６１の一部を下向きに折り曲げることで突部６１ａを形成しているが、本発明はこれに限らず、遮熱板６１の一部を上向きに折り曲げることで突部６１ａを形成してもよい。その場合は、最も下側に配置される遮熱板６１にボールスクリュー６３を取り付けなくても、この遮熱板６１とチャンバー底壁１２ｃとの間に隙間を確保することができる。

【0055】

また、上記第２実施形態においては、遮熱板６１と一体に突部６１ａを形成しているが、本発明はこれに限らず、たとえば遮熱板６１にネジ止め、接着、溶接などによって突状の部材を取り付けることにより突部を設けてもよい。その場合、突状の部材としては、点接触にて隙間を形成できる部材、たとえばボールスクリューを用いることが望ましい。

【0056】

＜第３実施形態＞
続いて、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態に係る三次元積層造形装置は、上記第１実施形態に係る三次元積層造形装置１０と比較して、遮熱部２６の構成が異なる。以下、第３実施形態に係る三次元積層造形装置が備える遮熱部２６の構成について説明する。

【0057】

図９は、本発明の第３実施形態における遮熱部の構成を示す概略側断面図である。
図９に示すように、遮熱部２６－３は、遮熱層７１と断熱層７２を複数層ずつ積層してなる積層体によって構成されている。この積層体は、スーパーインシュレーションまたはマルチレイヤーインシュレーションとも呼ばれる。遮熱層７１と断熱層７２は上下方向で密着した状態に配置されている。遮熱層７１は、たとえば、ポリイミド、ポリエステル等からなる樹脂フィルムと、この樹脂フィルムの両面を覆う金属膜とによって構成される。金属膜は、樹脂フィルムに金属蒸着によってアルミニウムなどをコーティングすることで形成される。遮熱層７１は、ステージ２２から放射される熱を遮るとともに、その熱をステージ２２側に反射させる役目を果たす。

【0058】

断熱層７２は、網目状のポリエステルの層、あるいは不織布によって構成される。断熱層７２は、上下方向で隣り合う２つの遮熱層７１の間に挟んで配置され、それら２つの遮熱層７１同士の接触による熱伝導を抑制する役目を果たす。遮熱層７１および断熱層７２を含む遮熱部２６－３の層数は、遮熱部２６－３に要求される遮熱性能に応じて適宜選択することが可能である。ただし、遮熱部２６－３による遮熱効果を得るうえでは、遮熱層７１と断熱層７２を少なくとも一層ずつ積層した構成になっていればよい。

【0059】

上記構成からなる遮熱部２６－３を備える三次元積層造形装置においては、真空チャンバー１２の底壁１２ｃとステージ２２との間に遮熱部２６－３を配置しているため、上述した第１実施形態と同様に、熱によるシール部材３４の性能低下を抑制することができる。
また、遮熱層７１と断熱層７２は上下方向で密着した状態に配置されているため、遮熱部２６－３による遮熱効果を高めるべく上記積層体の層数を多くした場合でも、遮熱部２６－３全体の高さを低く抑えることができる。

【符号の説明】

【0060】

１０…三次元積層造形装置
１２…真空チャンバー
１２ｃ…底壁
２２…ステージ
２４ａ…シャフト
２６，２６－２，２６－３…遮熱部
３０…内面
３２…粉末
３４…シール部材
３６…接続部材
４１，６１…遮熱板
４２，６２…反射面
５３，６３…ボールスクリュー（接触部材）
６１ａ…突部
７１…遮熱層
７２…断熱層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】