(57)【要約】【課題】積層造形装置において、装置の小型化が可能で、しかも粉末材料の供給を簡便なものとする。【解決手段】積層造形装置１は、粉末材料Ｍから成る粉末層Ｓを形成する粉末層形成部２と、粉末層形成手段２に粉末材料Ｍを供給する材料供給手段と、粉末層Ｓの所定箇所に光ビームを照射して該当個所の粉末を焼結又は溶融固化させて硬化層Ｈを形成する硬化層形成部３とを備え、材料供給手段としては、粉末材料Ｍが充填されるカートリッジ部５を備える。粉末材料Ｍは、カートリッジ部５から供給されるので、高さを抑制したコンパクトな装置が得られる。また、粉末材料Ｍが酸化や吸湿等による劣化を受け難いようにすることができ、しかも、ユーザは粉末材料Ｍに直接接することなく、カートリッジ部５を所定箇所に設置するだけで良いので、材料供給を簡便に行うことができる。【選択図】図１
2010037599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末材料から成る粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層形成手段に粉末材料を供給する材料供給手段と、前記粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当個所の粉末を焼結又は溶融固化させて硬化層を形成する硬化層形成手段とを備え、前記粉末層形成手段による粉末層の形成と、前記硬化層形成手段による硬化層の形成とを繰り返すことにより複数の硬化層が積層一体化された三次元造形物を製造する積層造形装置であって、
前記材料供給手段は、粉末材料が充填されるカートリッジ部を備えることを特徴とする積層造形装置。
【請求項２】
前記カートリッジ部をクランプすると共に、該カートリッジ部を搬送する搬送手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
【請求項３】
前記粉末層形成手段は、粉末材料貯蔵部を備え、
前記材料供給手段は、前記カートリッジ部に充填された粉末材料を前記粉末材料貯蔵部に供給するように構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の積層造形装置。
【請求項４】
前記粉末材料貯蔵部は、前記カートリッジ部の一部又は全部を嵌合挿入できるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の積層造形装置。
【請求項５】
前記カートリッジ部は、複数個を連結できるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項６】
前記カートリッジ部は、その形状が下方に向けて先細りとなるよう形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項７】
前記カートリッジ部は、その内側面に螺旋状の溝又は突起が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項８】
前記カートリッジ部は、その底部に穴が開けられることにより、内部に充填された粉末材料が落下するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項９】
前記粉末層形成手段は、前記カートリッジ部の底部に穴をあけるための針部を備えることを特徴とする請求項８に記載の積層造形装置。
【請求項１０】
前記カートリッジ部は、粉末材料を供給するための粉末供給口が開閉自在に構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項１１】
前記カートリッジ部は、前記材料粉末貯蔵部に挿入されたときに前記粉末供給口が開口するように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の積層造形装置。
【請求項１２】
前記カートリッジ部は、前記粉末層形成手段の移動に同期して前記粉末供給口が開口するように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の積層造形装置。
【請求項１３】
前記カートリッジ部は、スクリューが内蔵されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項１４】
前記カートリッジ部内に充填された粉末材料を乾燥させる乾燥手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項１５】
前記カートリッジ部を振動させる振動手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項１６】
前記カートリッジ部は、粉末材料が充填される内部空間が密閉状態となるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項１７】
前記カートリッジ部は、再利用可能なプラスチック材料又は密閉性を確保できる紙材料を原材料として構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【請求項１８】
前記カートリッジ部は、充填された粉末材料の成分を記憶する記憶メモリを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項１７のいずれか一項に記載の積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末材料の所定箇所に光ビームを照射して当該箇所を硬化させて三次元形状の積層造形物を製造する積層造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、基台（ベース）上に無機質又は有機質の粉末材料から成る粉末層を形成すると共に、この粉末層の所定箇所に光ビームを照射して当該箇所の粉末を焼結硬化させて硬化層を形成し、上記ベースを昇降させながらこれらの工程を繰り返すことで、硬化層を積層一体化させた三次元造形物を製造する積層造形装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図８（ａ）（ｂ）は、この種の積層造形装置の構成の一部を示す。積層造形装置は、粉末層及び硬化層が形成される造形部１０４と、この造形部１０４に粉末材料を供給する材料供給部１０５とを備える。造形部１０４は、造形テーブル１４０と、この造形テーブル１４０を昇降させる昇降機１４２と、造形テーブル１４０を囲む造形枠１４１とを有する。材料供給部１０５は、粉末材料を収容する収容タンク１５１と、収容タンク１５１内の粉末材料を押し上げる昇降機構１５２及び昇降テーブル１５０と、収容タンク１５１内の粉末材料の上層に位置する粉末材料を造形テーブル１４０側に移送すると共に、造形テーブル１４０に移送された粉末材料の表面を均す材料供給ブレード１２０とを有する。
【０００４】
この積層造形装置は、光ビームを照射する硬化層形成手段（図示せず）を用いて、造形テーブル１４０上に形成された粉末層の所定箇所を焼結させて硬化層を形成した後、造形テーブル１４０を下降させて、次層の粉末層を形成する。ここで粉末層の形成は、昇降テーブル１５０を僅かに上昇させた後、収容タンク１５１内の粉末材料の上層を造形枠１４１の上面よりも僅かに高い位置にすると共に、材料供給ブレード１２０をスライドさせて、昇降テーブル１５０上の粉末材料を造形テーブル１４０側に移動させることにより行われる。
【特許文献１】特開２００２−１１５００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した積層造形装置においては、昇降テーブル１５０を昇降させるために、材料供給部１０５の高さｈ２が、収容タンク１５１の高さｈ１の２倍以上になることがあり、このような材料供給部の構造が装置の大型化を招く原因となっていた。また、収容タンク１５１に収容された粉末材料は密閉されていない空間に置かれるので、粉末材料が酸化又は吸湿等による劣化を受け易い。そのため、光ビームによる焼結硬化が不均一になることがあり、造形物の形成精度が低下する虞があった。更に、造形加工の途中に粉末材料が不足して、収容タンク１５１に粉末材料を供給する必要があるときには、装置を停止させなければならず、これが作業効率を低下させる要因になっていた。しかも、材料供給時には、粉末の一部が舞い上がって装置内を汚してしまうこともあり、材料供給を簡便に行うことができなかった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するものであり、装置の小型化が可能で、粉末材料が酸化や吸湿等による劣化を受け難く、しかも材料供給が簡便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】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、粉末材料から成る粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層形成手段に粉末材料を供給する材料供給手段と、前記粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当個所の粉末を焼結又は溶融固化させて硬化層を形成する硬化層形成手段とを備え、前記粉末層形成手段による粉末層の形成と、前記硬化層形成手段による硬化層の形成とを繰り返すことにより複数の硬化層が積層一体化された三次元造形物を製造する積層造形装置であって、前記材料供給手段は、粉末材料が充填されるカートリッジ部を備えるものである。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載の積層造形装置において、前記カートリッジ部をクランプすると共に、該カートリッジ部を搬送する搬送手段を更に備えるものである。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の積層造形装置において、前記粉末層形成手段は、粉末材料貯蔵部を備え、前記材料供給手段は、前記カートリッジ部に充填された粉末材料を前記粉末材料貯蔵部に供給するように構成されていることものである。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項３に記載の積層造形装置において、前記粉末材料貯蔵部は、前記カートリッジ部の一部又は全部を嵌合挿入できるように構成されているものである。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の積層造形装置において、前記カートリッジ部は、複数個を連結できるように構成されているものである。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の積層造形装置において、前記カートリッジ部は、その形状が下方に向けて先細りとなるよう形成されていることものである。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の積層造形装置において、前記カートリッジ部は、その内側面に螺旋状の溝又は突起が形成されているものである。
【００１４】
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の積層造形装置において、前記カートリッジ部は、その底部に穴が開けられることにより、内部に充填された粉末材料が落下するように構成されているものである。
【００１５】
請求項９の発明は、請求項８に記載の積層造形装置において、前記粉末層形成手段は、前記カートリッジ部の底部に穴をあけるための針部を備えるものである。
【００１６】
請求項１０の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の積層造形装置において、前記カートリッジ部は、粉末材料を供給するための粉末供給口が開閉自在に構成されているものである。
【００１７】
請求項１１の発明は、請求項１０に記載の積層造形装置において、前記カートリッジ部は、前記材料粉末貯蔵部に挿入されたときに前記粉末供給口が開口するように構成されているものである。
【００１８】
請求項１２の発明は、請求項１０記載の積層造形装置において、前記カートリッジ部は、前記粉末層形成手段の移動に同期して前記粉末供給口が開口するように構成されているものである。
【００１９】
請求項１３の発明は、請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の積層造形装置において、前記カートリッジ部は、スクリューが内蔵されているものである。
【００２０】
請求項１４の発明は、請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の積層造形装置において、前記カートリッジ部内に充填された粉末材料を乾燥させる乾燥手段を更に備えるものである。
【００２１】
請求項１５の発明は、請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の積層造形装置において、前記カートリッジ部を振動させる振動手段を更に備えるものである。
【００２２】
請求項１６の発明は、請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載の積層造形装置において、前記カートリッジ部は、粉末材料が充填される内部空間が密閉状態となるように構成されているものである。
【００２３】
請求項１７の発明は、請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の積層造形装置において、前記カートリッジ部は、再利用可能なプラスチック材料又は密閉性を確保できる紙材料を原材料として構成されているものである。
【００２４】
請求項１８の発明は、請求項１乃至請求項１７のいずれか一項に記載の積層造形装置において、前記カートリッジ部は、充填された粉末材料の成分を記憶する記憶メモリを備えるものである。
【発明の効果】
【００２５】
請求項１の発明によれば、カートリッジ部から粉末材料を供給できるので、高さを抑制したコンパクトな装置が得られる。また、粉末材料をカートリッジ部に充填することで、酸化や吸湿等による劣化を受け難いようにすることができ、しかも、カートリッジ部を所定箇所に設置するだけで良いので、材料供給を簡便に行うことができる。
【００２６】
請求項２の発明によれば、搬送手段を作動させることにより、造形作業中でも適宜にカードリッジ部を搬送して、粉末材料を供給することができる。
【００２７】
請求項３及び請求項４の発明によれば、粉末材料貯蔵部という限定的な領域に粉末材料が供給されるので、粉末材料が造形部等に飛び散らず、効率的に粉末材料を供給することができる。
【００２８】
請求項５の発明によれば、連結されるカートリッジ部の個数を変えることにより、一度に供給できる粉末材料の量を調整することができる。
【００２９】
請求項６又は請求項７の発明によれば、カートリッジ部の形状等により、カートリッジ部内に粉末材料が残存することなく、効率的に粉末材料を供給することができる。
【００３０】
請求項８及び請求項９の発明によれば、簡単な構成でカートリッジ部から粉末材料貯部へ粉末材料を供給することができる。
【００３１】
請求項１０の発明によれば、カートリッジ部の粉末供給口を開閉自在とすることにより、粉末材料の供給量を適宜に調整することができる。
【００３２】
請求項１１の発明によれば、カートリッジ部が粉末材料貯部へ挿入されたときに粉末供給口が開口するので、粉末材料を確実に供給することができる。
【００３３】
請求項１２の発明によれば、材料供給が必要な時のみ粉末供給口を開口させて適量の粉末材料を供給することができ、粉末材料の劣化も抑制することができる。
【００３４】
請求項１３の発明によれば、カートリッジ部内でスクリューを回転させて、粉末材料を攪拌することにより、カートリッジ部内での材料詰まりを抑制し、スムーズな粉末材料の供給が可能となる。また、粉末供給口を閉口させた状態においても、充填された粉末材料を撹拌することができ、材料成分の粒径や均一性を一定に保つことができる。
【００３５】
請求項１４の発明によれば、カートリッジ部内の粉末材料を過熱することにより、粉末材料の吸湿を抑制できる。
【００３６】
請求項１５の発明によれば、カートリッジ部内に粉末材料が停滞することなく、無駄なく粉末材料を使い切ることができる。
【００３７】
請求項１６の発明によれば、カートリッジ部が使用されない状態に置かれても、酸化や吸湿等による粉末材料の劣化が生じ難くなり、カートリッジ部の長期保存も可能になる。
【００３８】
請求項１７の発明によれば、ユーザはカートリッジ部を使い捨てることができ、カートリッジ部の利便性が高くなる。
【００３９】
請求項１８の発明によれば、ユーザは記憶メモリのデータを読み出すことにより、カートリッジ部内に充填された粉末材料の状態を認識することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
本発明の第１の実施形態に係る積層造形装置について、図１（ａ）（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の積層造形装置１は、無機質又は有機質の粉末材料Ｍから成る粉末層を形成する粉末層形成部２（粉末層形成手段）と、この粉末層の所定箇所を光ビームにより焼結又は溶融固化させて硬化層を形成する光学機器３（硬化層形成手段）と、粉末層及び硬化層がその上面側に形成されるベース４０及びこのベース４０の外周を囲むベース枠体４１を有する造形部４と、粉末材料Ｍを粉末層形成部２に供給するためのカートリッジ部５（材料供給手段）と、積層一体化された三次元造形物の表面の切削加工を行うと共に、カートリッジ部５を搬送する切削加工部６（搬送手段）とを備える。カートリッジ部５は、その内部に粉末材料Ｍが充填された筐体であり、粉末層形成部２の適宜の位置に着脱自在に構成されている。
【００４１】
粉末層形成部２は、ベース枠体４１の上面に沿ってスライド自在に配置されたスライド部材２０と、ベース枠体４１の上面と平行に配置された水平レール２１と、この水平レール２１に沿ってスライド部材２０をスライドさせるスライド駆動部２２とを備える。スライド部材２０は、その下面部がベース枠体４１の上面と接しており、スライド駆動部２２の駆動力を得て水平レール２１に沿って移動することにより、粉末材料Ｍをベース４０上に移動させる。
【００４２】
スライド部材２０は、その下面の開口面積がベース４０の上面面積よりも大きくなるよう形成されたスライド枠２３と、このスライド枠２３に併設され、カートリッジ部５から供給された粉末材料Ｍを貯蔵する材料貯蔵枠２４（粉末材料貯蔵部）とを備える。好ましくは、材料貯蔵枠２４は、カートリッジ部５の一部又はその全部を嵌合挿入できるように構成されている。なお、スライド部材２０には、ベース４０の上面に供給された粉末材料Ｍの表面を均すことができるように、少なくともベース４０の幅よりも大きな幅を有するブレード状の部材（図示せず）又はスライド枠２３のみが用いられてもよい。この場合、粉末材料Ｍはカートリッジ部５からベース枠体４１上面の所定位置に直接的に供給される。また、スライド部材２０として材料貯蔵枠２４のみが用いられてもよい。
【００４３】
光学機器３は、レーザ発振器を有する光源３１と、集光レンズや光ビームの照射方向を偏向するガルバノメータミラー等を有するスキャン機構３２と、光源３１とスキャン機構３２とを接続する光ファイバ３３とを備える。光源３１としては、例えば、粉末材料に鉄粉を含む場合、炭酸ガスレーザやＮｄ：ＹＡＧレーザ等が用いられる。
【００４４】
造形部４は、上述したベース４０及びベース枠体４１に加え、ベース４０を固定するテーブル４２と、ベース枠体４１を昇降させる昇降機４３とを備える。ベース４０はテーブル４２に固定されているので、昇降機４３がベース枠体４１を上昇させることにより、ベース４０上にベース枠体４１の内側面に囲われた空間、すなわち粉末材料Ｍが供給される所定の空間が生まれる。
【００４５】
カートリッジ部５は、その内部に粉末材料Ｍが充填できるように構成された筐体５０から成り、その底部には粉末材料Ｍを材料貯蔵枠２４へ供給できるように供給口５１が形成されている。カートリッジ部５は、搬送用の切削加工部６と接続するためのクランプユニット７が着脱できるように、例えば、カートリッジ部５の外部には、クランプユニット７によってクランプされ易いように、所定の溝又は突起等が設けられている（図示せず）。なお、カートリッジ部５の詳細な構成については後述する。クランプユニット７は、例えば、爪状部材を有しており、この爪状部材でカートリッジ部５を掴む又は引っ掛ける等して、カートリッジ部５をクランプすると共に、所定の位置及びタイミングでカートリッジ部５のクランプを解除できるよう構成されている。また、クランプユニット７は、切削加工部６との接続を可能とする接続部を有する。
【００４６】
切削加工部６は、少なくともテーブル４２に対して３軸制御が可能な主軸台６１と、この主軸台６１に搭載される加工機６２と、硬化層が積層一体化された三次元造形物の表面を切削するエンドミルが取り付けられるスピンドルヘッド６３とを備える。主軸台６１は、図１に示すＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸方向に可動となるように構成され、好ましくはエンドミルを自動交換できる機構が備えられる。上述した光学機器３は、好ましくは、図示したように、加工機６２の側面に着脱自在となるよう構成される。
【００４７】
スピンドルヘッド６３は、クランプユニット７の接続部と嵌合して、これと接続及び切り離しできるように構成されている。すなわち、切削加工部６は、主軸台６１、加工機６２及びスピンドルヘッド６３を動作させることで、クランプユニット７を介してカートリッジ部５を粉末層形成部２の所定箇所に、例えば、図示したように、材料貯蔵枠２４上に搬送することができる。なお、カートリッジ部５の所定位置に磁性体を設け、クランプユニット７に電磁石を設けておき、磁力を用いてカートリッジ部５の着脱が可能となるよう構成してもよい。なお、本実施形態では、カートリッジ部５の搬送手段として切削加工部６が機能する例を示すが、切削加工部６とは別個に、カートリッジ部５を搬送する専用の搬送手段が設けられてもよい。
【００４８】
ここで、カートリッジ部５のより詳細な構成について、図２（ａ）（ｂ）を参照して説明する。カートリッジ部５は、それらを複数個連結するための連結機構５２を備えている。この連結機構５２は、例えば、複数のカートリッジ部５を上下にスライドさせることによってそれらが互いに噛み合うように形成された突起部５２ａ及び溝部５２ｂを有する。また、例えば、マグネットを用いて複数のカートリッジ部５を連結できるようにしてもよい。この構成によれば、連結されるカートリッジ部５の個数を変えることにより、一度に供給できる粉末材料Ｍの量を調整することができる。また、供給口５１を開閉自在とすれば、材料貯蔵枠２４の所定位置に選択的に粉末材料Ｍを供給することができ、粉末材料Ｍの過剰供給を抑制することができる。
【００４９】
また、好ましくは、カートリッジ部５は、内部に充填された粉末材料Ｍを落下させ易い形状に形成される。具体的には、カートリッジ部５は、その形状が下方に向かって先細りとなるように形成される。更に好ましくは、カートリッジ部５の内側面には、螺旋状の溝又は突起５３が形成される。こうすれば、カートリッジ部５内に粉末材料Ｍが残存することなく、効率的に粉末材料Ｍを材料貯蔵枠２４に供給することができる。
【００５０】
また、カートリッジ部５は、粉末材料Ｍが酸化や吸湿等による劣化を受け難いように、材料供給を行わないとき、その内部空間が密閉状態となるよう構成される。具体的には、筺体５０は供給口５１を除いて閉鎖空間を形成し、材料供給が行われないときは、供給口５１は封止される。筺体５０内には、例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガスが封入される。こうすれば、カートリッジ部５が使用されない状態に置かれても、粉末材料Ｍの劣化が生じ難くなり、カートリッジ部５の長期保存も可能になる。また、カートリッジ部５を構成する筐体５０には、例えば、再利用可能なプラスチックや、密閉性を確保できる紙等が原材料として用いられることが望ましい。こうすれば、ユーザはカートリッジ部５を使い捨てることができ、カートリッジ部５の利便性が高くなる。
【００５１】
次に、カートリッジ部５から材料貯蔵枠２４への粉末材料Ｍの材料供給方法について、図３を参照して説明する。カートリッジ部５は、その底部に設けられた供給口５１が紙又はアルミ箔等から成る封止材によって封止され、また、粉末層形成部２の材料貯蔵枠２４の内部には、カートリッジ部５の底部に穴をあけるための針部２５が備えられる。すなわち、カートリッジ部５が材料貯蔵枠２４上に搬送され、供給口５１が材料貯蔵枠２４内に押し込まれると、針部２５によって封止材に穴が開けられ、カートリッジ部５内に充填された粉末材料Ｍが材料貯蔵枠２４内に落下する。こうすれば、簡単な構成でカートリッジ部５から材料貯蔵枠２４へ粉末材料Ｍを供給することができる。
【００５２】
なお、カートリッジ部５は、例えば、充填された粉末材料Ｍの構成成分、材料を封入した年月日、及び粉末残存量等のデータを記憶する記憶メモリ（図示せず）を備えてもよい。こうすれば、ユーザは専用のデータ読取装置（図示せず）を用いて記憶メモリのデータを読み出すことでカートリッジ部５内に充填された粉末材料Ｍの状態を認識することができる。また、好ましくは、積層造形装置１は記憶メモリに記憶されたデータを読み取り又は書き込み可能な読取記録装置と、上記データを表示する表示部（図示せず）とを備える。ここでいう読取記録装置は、クランプユニット７又は材料貯蔵枠２４を介して接触又は非接触方式でデータの読み取り等を行う。こうすれば、造形作業中もユーザはカートリッジ部５内に充填された粉末材料Ｍの状態を認識することができる。
【００５３】
ここで、スライド部材２０の具体的な構成について、上述した図３を参照して説明する。光ビームを粉末層に照射して焼結を行うとき、使用される粉末材料Ｍの種類によっては粉末層が外気に触れて酸化し、好適な焼結がなされないことがある。そこで、ウィンドウ２６を備えたスライド枠２３を焼結時にベース４０上に配置し、ベース４０、スライド枠２３及びウィンドウ２６で囲まれた空間内に不活性な雰囲気ガスを充填した状態で光ビームの照射を行う。こうすれば、粉末層と外気との接触を抑制できるので、粉末材料Ｍの酸化に伴う焼結の不具合を防止できる。なお、ウィンドウ２６には、例えば、光ビームがＹＡＧレーザであれば石英ガラスが、光ビームが炭酸ガスレーザであればジンクセレン等が使用される。また、ウィンドウ２６は、単なる平行板ではなく、例えば、ｆθレンズとして機能するように構成されてもよい。こうすれば、焼結面における光ビームのスポット径を一定にすることができるために、高精度の焼結が可能になる。
【００５４】
次に、本実施形態の積層造形装置１の動作例について、図４（ａ）〜（ｆ）及び図５（ａ）〜（ｆ）を参照して説明する。造形加工を開始するとき、昇降機４３はベース枠体４１をテーブル４２から僅かに押し上げた状態におく。カートリッジ部５は、クランプユニット７を装着した状態でベース枠体４１上に配置される。なお、カートリッジ部５の初期設置は、上述したベース枠体４１上に限られない。また、この初期位置への設置は、ユーザによって行われてもよいし、切削加工部６又は専用の搬送機構（図示せず）によって自動的に行われてもよい。粉末材料Ｍを供給するとき、加工機６２はクランプユニット７の上方に移動すると共に、スピンドルヘッド６３を延伸させてクランプユニット７と連結させる（図４（ａ））。
【００５５】
加工機６２はスピンドルヘッド６３及びクランプユニット７を介してカートリッジ部５を持ち上げ、主軸台６１に沿って移動して（図４（ｂ））、カートリッジ部５を材料貯蔵枠２４上に搬送する（図４（ｃ））。このように、加工機６２を用いてカートリッジ部５を搬送すれば、造形作業中でも装置を停止等させることなく、適宜に粉末材料Ｍを供給することができる。
【００５６】
次に、加工機６２はスピンドルヘッド６３を延伸させて、カートリッジ部５の供給口５１を材料貯蔵枠２４内に押し込む。これにより、材料貯蔵枠２４内に設けられた針部２５によって、供給口５１を封止する封止材に穴が開けられ、カートリッジ部５内に充填された粉末材料Ｍが材料貯蔵枠２４内に落下する（図４（ｄ））。こうすれば、材料貯蔵枠２４で囲われた限定的な領域に粉末材料Ｍが供給されるので、粉末材料Ｍがベース枠体４１の上面に飛び散らず、スライド部材２０をスライドさせることで効率的にベース４０上に粉末材料Ｍを供給することができる。
【００５７】
その後、カートリッジ部５とクランプユニット７とはクランプが解除され、クランプユニット７は所定位置に搬送される（図４（ｅ））。そして、スライド部材２０が水平レール２１に沿ってスライドすることにより、材料貯蔵枠２４の粉末材料Ｍがベース４０上に供給されると共に、粉末材料Ｍの表面が均されて、第１層目の粉末層Ｓ１が形成される（図４（ｆ））。
【００５８】
続いて、光学機器３が粉末層Ｓ１の所定箇所に光ビームＬを照射して該当個所の粉末を焼結することにより第１層目の硬化層Ｈ１が形成される（図５（ａ））。光ビームＬの照射経路（ハッチング経路）は、積層造形物の三次元ＣＡＤデータから予め作成しておく。すなわち、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬ（Standard Triangulation language）データを等ピッチでスライスした各断面の輪郭形状データを用いて各層毎の光ビームＬの照射経路を作成する。このとき、積層造形物の少なくとも最表面が高密度（気孔率５％以下）となるように焼結させ、内部は低密度となるように焼結させる。すなわち、形状モデルデータを、予め表層部及び内部に分割しておき、内部についてはポーラスとなるような焼結条件で、表層部はほぼ粉末が溶融して高密度となる焼結条件で光ビームＬを照射する。こうすれば、緻密な表面を持つ三次元造形物が得られる。
【００５９】
焼結後、昇降機４３はベース枠体４１を所定高さで押し上げ（図５（ｂ））、ベース４０上には再び粉末材料Ｍが供給され、第２の粉末層Ｓ２が形成される（図５（ｃ））。ベース枠体４１を押し上げる高さは、第１の粉末層Ｓ１及び第１の硬化層Ｈ１の上に積層される第２の粉末層Ｓ２の厚みと等しくなる。各粉末層Ｓの厚みは、例えば、成形用金型等の積層造形物を形成する場合、０．０５ｍｍ程度に設定される。これら粉末層Ｓの形成と、光学機器３による硬化層Ｈの形成とを繰り返すことにより（図５（ｄ））、複数の硬化層Ｈが積層一体化された三次元造形物が形成される。また、上述したように、ベース枠体４１を動かせば、ベース４０を動かすことなく硬化層Ｈを積層できるので、三次元造形物を精度良く製造することができる。なお、上述したような、ベース４０を固定状態としてベース枠体４１を上昇させる構成に限らず、本実施形態においては、例えば、ベース枠体を固定状態としてベースを下降させる構成が用いられてもよい（図８（ａ）（ｂ）参照）。
【００６０】
図５（ａ）〜（ｄ）に示された工程が繰り返され、積層された硬化層Ｈの全厚みが加工機６２のスピンドルヘッド６３に取り付けられるエンドミル６４の工具長さ等から算出された所要の値になったとき、加工機６２をベース４０の上方に移動させて、積層一体化された三次元造形物の表面をエンドミル６４で切削する（図５（ｅ）（ｆ））。エンドミル６４には、例えば、超硬素材の二枚刃ボールエンドミセルが用いられ、加工形状や目的に応じて適宜にスクエアエンドミル、ラジアスエンドミル又はドリル等が用いられる。加工機６２による切削経路は、光ビームＬの照射経路と同様に、三次元ＣＡＤデータから予め作成しておく。この切削加工によって、三次元造形物の表面に付着した粉末による余剰硬化部が除去されるので、三次元造形物の表面は高密度部が露出した状態となる。加工機６２による切削後、再び粉末層Ｓの形成と硬化層Ｈの形成とが繰り返され、最終的に所望の三次元造形物が形成される。
【００６１】
また、本実施形態の積層造形装置１は、好ましくは、エアポンプ及び吸引ノズル等から成る粉塵排除手段（図示せず）を備える。この粉塵排除手段により、加工機６２による切削前には、切削精度を向上させるため、焼結されなかった余剰粉末層が排除され、切削後には、切削により生じた切削粉が排除される。更に好ましくは、粉塵排除手段は、余剰粉末層又は切削粉といった排除対象毎に複数の吸引ノズルを有し、余剰粉末及び切削粉は個別に回収される。
【００６２】
上述した構成によれば、カートリッジ部５を用いて粉末材料Ｍを供給できるので、積層造形装置の高さを抑制することができ、従来の積層造形装置と比べて、コンパクトな装置が得られる。また、カートリッジ部５内に粉末材料Ｍが充填されているので、粉末材料Ｍが酸化や吸湿等による劣化を受け難いようにすることができ、しかも、材料供給時に粉末が装置内を汚すことも抑制できなる。更に、ユーザは粉末材料Ｍに直接接することなく、カートリッジ部５を所定箇所に設置するだけで良いので、材料供給を簡便に行うことができる。
【００６３】
次に、本発明の第２の実施形態に係る積層造形装置について、図６（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。本実施形態の積層造形装置１は、カートリッジ部５の構成及び材料貯蔵枠２４の構成が上述した第１の実施形態と異なる。本実施形態においては、カートリッジ部５には、図示したようなドラム形状の筐体５０が用いられる。この筐体５０は、その一部又は全部が材料貯蔵枠２４に嵌合挿入できるように構成されうる。また、カートリッジ部５の下方には、粉末材料Ｍを材料貯蔵枠２４へ供給するための粉末供給口５４が形成されている。更に、粉末供給口５４が開閉自在となるように、粉末供給口５４及び筐体５０の側面をスライドする蓋板５５が設けられている。本実施形態においても、上述した第１の実施形態と同様に、カートリッジ部５は、切削加工部６及び筐体５０の形状に対応したクランプユニット７によって搬送される（図示せず）。
【００６４】
蓋板５５には、カートリッジ部５の長手方向に延伸された蓋レバー５６が設けられ、また、材料貯蔵枠２４には、上記の蓋レバー５６と対応する位置から上方に突出したバー２７が設けられる。また、蓋板５５は粉末供給口５４を閉口させるようにバネ等によって付整されている。そのため、蓋レバー５６と材料貯蔵枠２４のバー２７とが離れているときは、粉末供給口５４は閉口状態にある（図６（ａ））。そして、カートリッジ部５の粉末供給口５４側が材料貯蔵枠２４の方向へ移動すると、蓋レバー５６がバー２７に接触して、ローラー状の筐体５０側面に沿ってスライドする。このとき、蓋レバー５６と共に蓋板５５もスライドして粉末供給口５４が開口し、カートリッジ部５内に充填されている粉末材料Ｍが材料貯蔵枠２４へ落下する（図６（ｂ））。更に、カートリッジ部５が材料貯蔵枠２４へ挿入されると、粉末供給口の開口面積が大きくなり、カートリッジ部５からの粉末材料Ｍの供給量が多くなる。このように、カートリッジ部５の粉末供給口５４を開閉自在とすることにより、粉末材料Ｍの供給量を適宜に調整することができる。
【００６５】
また、本実施形態のカートリッジ部５は、粉末層形成部２の移動に同期して粉末供給口５４が開口するように構成されていてもよい。こうすれば、材料供給が必要な時のみ粉末供給口５４を開口させて適量の粉末材料Ｍを供給することができ、粉末材料Ｍの劣化も抑制することができる。
【００６６】
また、本実施形態の変形例として、図７に示すように、カートリッジ部５は、スクリュー５７が内蔵されていてもよい。このスクリュー５７は、モータ５８により駆動される。カートリッジ部５内でスクリュー５７を回転させて、粉末材料Ｍを攪拌することにより、カートリッジ部５内での材料詰まりを抑制し、スムーズな粉末材料Ｍの供給が可能となる。また、粉末供給口５４を閉口させた状態においても、充填された粉末材料Ｍを撹拌することができ、材料成分の粒径や均一性を保つことができる。
【００６７】
また、カートリッジ部５は、内部に充填された粉末材料Ｍを乾燥させる乾燥手段を更に備えることが望ましい。乾燥手段としては、例えば、上記スクリュー５７に電熱線（図示せず）を配置することが挙げられる。また、カートリッジ部５の側壁に電熱ヒータ等を配置してもよい。こうすれば、カートリッジ部５内の粉末材料Ｍの吸湿を抑制できる。また、積層造形装置１は、カートリッジ部５を振動させる振動手段を更に備えてもよい。この振動手段としては、例えば、切削加工部６の可動性を利用してもよいし、上記スクリュー５７を駆動するモータ５８の動力を利用するものでもよい。こうすれば、カートリッジ部５内に粉末材料Ｍが停滞することなく、無駄なく粉末材料Ｍを使い切ることができる。この振動手段は、上述した使い捨て式のカートリッジ部５に適用することが望ましい。
【００６８】
なお、本発明は種々の変容が可能であり、必ずしも上述の実施形態に示した構成に限られない。上述した実施形態においては、カートリッジ部５が予めベース枠体４１上に設置されている例を示したが、積層造形装置１内に、複数のカートリッジ部５を収納できるカートリッジ部収納部を設けてもよい。より好ましくは、積層造形装置１は、材料貯蔵部２４内の粉末材料Ｍが少なくなると、搬送手段が自動的に新規のカートリッジ部５に取り替えるように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る積層造形装置の斜視図、（ｂ）は同装置の一部側断面図。
【図２】（ａ）は同積層造形装置に用いられるカートリッジ部の斜視図、（ｂ）は同カートリッジ部の部分透視斜視図。
【図３】同積層造形装置における材料供給方法を説明するための斜視図。
【図４】（ａ）〜（ｆ）は同積層造形装置の動作例を示す一部側断面図。
【図５】（ａ）〜（ｆ）は同積層造形装置の動作例を示す一部側断面図。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第２の実施形態に係る積層造形装置における材料供給手順を説明する斜視図。
【図７】同積層造形装置の変形例として用いられるカートリッジ部の一部透視斜視図。
【図８】（ａ）は従来の積層造形装置の一部分解斜視図、（ｂ）は同積層造形装置の材料供給部の側断面図。
【符号の説明】
【００７０】
1    積層造形装置
２    粉末層形成部（粉末層形成手段）
２０    スライド部材
２３    スライド枠
２４    材料貯蔵枠
２５    針部
３    光学機器（硬化層形成手段）
４    造形部
５    カートリッジ部材（材料供給手段）
５３    溝又は突起
５４    粉末供給口
５７    スクリュー
６    切削加工部（搬送手段）
【図１】
2010037599.tif 000003
【図２】
2010037599.tif 000004
【図３】
2010037599.tif 000005
【図４】
2010037599.tif 000006
【図５】
2010037599.tif 000007
【図６】
2010037599.tif 000008
【図７】
2010037599.tif 000009
【図８】
2010037599.tif 000010