(57)【要約】      （修正有）【課題】粉末材料を焼結し、又は溶融し、固化する際に、粉末材料中に含まれる酸素、窒素及び水分に起因して生じる不都合を一層抑制することができる粉末積層造形装置を提供する。【解決手段】減圧可能なチャンバ101と、チャンバ101内に設けられた粉末材料収納容器から粉末材料の薄層を形成する薄層形成部103と、粉末材料の薄層を焼結し或いは溶融し、造形する加熱用エネルギービームを出射する加熱用エネルギービーム源102と、造形を制御する制御部104とを有し、制御部104は、造形を始める前に粉末材料を減圧雰囲気に曝し、且つ分割して粉末材料収納容器に収納する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧可能なチャンバと、
前記チャンバ内に設けられた粉末材料収納容器から粉末材料を供給し、該粉末材料の薄層を形成する薄層形成部と、
前記粉末材料の薄層を焼結し、或いは溶融し、造形する加熱用エネルギービームを出射する加熱用エネルギービーム源と、
前記造形を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記造形を始める前に前記粉末材料を前記減圧雰囲気に曝し、且つ分割して前記粉末材料収納容器に収納することを特徴とする粉末積層造形装置。
【請求項２】
前記薄層形成部は、第１昇降テーブルを備えた前記粉末材料収納容器、及び第２昇降テーブルを備えた薄層形成容器が並置され、前記粉末材料収納容器、及び前記薄層形成容器の上面上を移動して前記粉末材料を運搬し、該第２昇降テーブル上に該粉末材料の薄層を形成するリコータを有し、
前記制御部が前記造形を始める前に前記粉末材料を前記減圧雰囲気に曝し、且つ分割して前記粉末材料収納容器に収納する制御は、前記造形を始める前に該減圧雰囲気中で前記薄層形成容器に収納された前記粉末材料を分割して前記粉末材料収納容器に移し替えることにより行われることを特徴とする請求項１に記載の粉末積層造形装置。
【請求項３】
前記薄層形成部は、第１昇降テーブルを備えた第１粉末材料収納容器、第２昇降テーブルを備えた薄層形成容器、及び第３昇降テーブルを備えた第２粉末材料収納容器が並置され、前記第１粉末材料収納容器、前記薄層形成容器、及び前記第２粉末材料収納容器の上面上を移動して前記粉末材料を運搬し、該第２昇降テーブル上に該粉末材料の薄層を形成するリコータを有し、
前記制御部が前記造形を始める前に前記粉末材料を前記減圧雰囲気に曝し、且つ分割して前記粉末材料収納容器に収納する制御は、前記造形を始める前に該減圧雰囲気中で前記薄層形成容器に収納された前記粉末材料を分割して前記第１粉末材料収納容器及び第２粉末材料収納容器の少なくとも１つの容器に移し替えることにより行われることを特徴とする請求項１に記載の粉末積層造形装置。
【請求項４】
前記薄層形成容器内の粉末材料を加熱する加熱手段を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の粉末積層造形装置。
【請求項５】
前記粉末材料は、金属粉末であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の粉末積層造形装置。
【請求項６】
前記加熱用エネルギービーム源は、レーザ光源、或いは電子ビーム源であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の粉末積層造形装置。
【請求項７】
減圧雰囲気中或いは不活性ガス雰囲気中で、粉末材料を収納し、該粉末材料を供給して該粉末材料の薄層を形成し、該薄層を焼結し、或いは溶融して固化し、造形する粉末積層造形方法において、
前記造形を始める前に、前記粉末材料を減圧雰囲気に曝し、且つ分割して収納することを特徴とする粉末積層造形方法。
【請求項８】
前記造形を始める前に、前記粉末材料を加熱しつつ減圧雰囲気に曝し、且つ分割して収納する工程において、前記粉末材料を加熱しつつ減圧雰囲気に曝すことを特徴とする請求項７に記載の粉末積層造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末積層造形装置及び粉末積層造形方法に関し、より詳しくは、粉末材料の薄層にレーザ光或いは電子ビームその他の粒子ビーム等のエネルギービームを選択的に照射して焼結又は溶融・固化し、その焼結又は溶融・固化した薄層を多層に積層して３次元造形物を作製する粉末積層造形装置及び粉末積層造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属製の製品の代用品や、高温環境に置かれたり、高い強度が要求されたりするような用途の製品の試作品又は少量多品種の量産部品等を作製するため、エネルギービームを照射して金属粉末を焼結し、又は溶融し、固化して積層造形物を作製する粉末積層造形装置及び粉末積層造形方法が研究され、開発されるようになってきている。
【０００３】
金属粉末材料については、すでにステンレス鋼やブロンズ鋼が使用できるようになったほか、さらに用途を広げるため、アルミニウムやチタンなどが研究され、開発されている。
【０００４】
金属粉末が空気に触れた際に金属粉末中に酸素や窒素が取り込まれて、金属粉末が酸化、或いは窒化し、出来上がった造形物が非常に脆くなってしまうという不都合があった。
【０００５】
この問題を解決するため、減圧中で、金属粉末の薄層を形成して焼結し、又は溶融し、固化する技術が本願発明者により開発された（下記特許文献）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０１１−０２１２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献に記載された技術により、金属粉末が酸化、或いは窒化し、出来上がった造形物が非常に脆くなってしまうという不都合は相当程度解消されたが、用途によっては、さらに一層の改善を要求される場合がある。
【０００８】
また、金属粉末を用いる場合、以下のように、酸素や窒素による新たな不都合や、新たに水分による影響も問題になってきており、併せて一層の改善を要求されている。
【０００９】
（１）金属粉末中に水分が含まれると、水分から発生した水蒸気や、水分が分解してできる水素や酸素が金属粉末中に取り込まれてしまう。
【００１０】
また、加熱用エネルギービームのエネルギーが水分の気化のために主に消費され、そのため、粒子の表面だけが溶けて粒子同士が接着しあい、造形物の表面がざらついた仕上がりになってしまう。
【００１１】
（２）また、造形後にエネルギービームの照射を受けずに残った金属粉末材料でも、酸化などによりその組成純度が劣化し、再利用が困難になってしまう。
【００１２】
本発明は、上述の問題点に鑑みて創作されたものであり、粉末材料を焼結し、又は溶融し、固化する際に、粉末材料中に含まれる酸素、窒素及び水分に起因して生じる不都合を一層抑制することができる粉末積層造形装置及び粉末積層造形方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の一観点によれば、減圧可能なチャンバと、前記チャンバ内に設けられた粉末材料収納容器から粉末材料を供給し、該粉末材料の薄層を形成する薄層形成部と、前記粉末材料の薄層を焼結し、或いは溶融し、造形する加熱用エネルギービームを出射する加熱用エネルギービーム源と、前記造形を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記造形を始める前に前記粉末材料を前記減圧雰囲気に曝し、且つ分割して前記粉末材料収納容器に収納することを特徴とする粉末積層造形装置が提供される。
【００１４】
本発明の他の一観点によれば、減圧雰囲気中或いは不活性ガス雰囲気中で、粉末材料を収納し、該粉末材料を供給して該粉末材料の薄層を形成し、該薄層を焼結し、或いは溶融して固化し、造形する粉末積層造形方法において、前記造形を始める前に、前記粉末材料を減圧雰囲気に曝し、且つ分割して収納することを特徴とする粉末積層造形方法が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、造形を始める前に粉末材料を減圧雰囲気に曝し、且つ分割して粉末材料容器に収納している。
【００１６】
ところで、減圧雰囲気中で造形に必要な量の粉末材料を粉末材料収納容器に一度に収納した場合や、粉末材料収納容器に造形に必要な量が収納された粉末材料を減圧雰囲気に曝した場合、粉末材料が多すぎて内部まで減圧雰囲気に曝すことは難しく、空気中に含まれる酸素、窒素及び水分が完全に取り除かれずに残ってしまう。
【００１７】
本発明では、造形を始める前に粉末材料を減圧雰囲気に曝し、且つ分割して粉末材料容器に収納しているので、造形を始める前に減圧雰囲気に曝されて酸素、窒素及び水分が十分に取り除かれた粉末材料を粉末材料収納容器に収納することができる。
【００１８】
よって、この粉末材料を用いて減圧雰囲気中或いは不活性雰囲気中で造形することにより、粉末材料を焼結し、又は溶融し、固化する際に、粉末材料中に含まれる酸素、窒素及び水分に起因して生じる不都合が一層抑制されて、積層造形物の品質の更なる向上を図ることができるとともに、造形後に残存する粉末材料のリサイクル性を増すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る粉末積層造形装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る粉末積層造形装置のうち、レーザ光出射部を示す図である。
【図３】（ａ）は、本発明の実施形態に係る粉末積層造形装置のうち、薄層形成部の構成を示す上面図であり、（ｂ）は、（ａ）のI-I線に沿う断面と、薄層形成部の上方に配置されたレーザ光出射部を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る粉末積層造形の制御方法を示す断面図（その１）である。
【図５】本発明の実施形態に係る粉末積層造形の制御方法を示す断面図（その２）である。
【図６】本発明の実施形態に係る粉末積層造形の制御方法を示す断面図（その３）である。
【図７】本発明の実施形態に係る粉末積層造形の制御方法を示す断面図（その４）である。
【図８】本発明の実施形態に係る粉末積層造形の制御方法を示す断面図（その５）である。
【図９】本発明の第１変形例に係る粉末積層造形の制御方法を示す断面図（その１）である。
【図１０】本発明の第１変形例に係る粉末積層造形の制御方法を示す断面図（その２）である。
【図１１】本発明の第２変形例に係る粉末積層造形の制御方法を示す断面図（その１）である。
【図１２】本発明の第２変形例に係る粉末積層造形の制御方法を示す断面図（その２）である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（１）粉末積層造形装置の構成
図１は、本発明の実施形態に係る粉末積層造形装置を示す図である。
【００２２】
なお、造形を行う加熱用エネルギビームを出射する加熱用エネルギービーム源として、レーザ光を出射するレーザ光源、電子ビームその他の粒子ビームを出射する電子ビーム源その他の粒子ビーム源があるが、以下では、レーザ光源を用いる。
【００２３】
当該粉末積層造形装置は、排気口１１に排気装置１２が接続されて減圧可能なチャンバ１０１と、チャンバ１０１内に設置されたレーザ光出射部１０２及び粉末材料の薄層を形成する薄層形成部１０３と、チャンバ１０１の外部に設置された制御部１０４とから構成されている。なお、レーザ光出射部１０２は、チャンバ１０１の外部に設置されてもよいが、その場合、チャンバ１０１の仕切り壁にレーザ光の透過窓が設けられる。
【００２４】
本粉末積層造形装置の制御部１０４は、粉末材料の薄層を形成し、レーザ光により焼結し、又は溶融して固化させ、造形する制御を行うとともに、造形の際に酸素、窒素及び水分に起因して生じる不都合をより一層抑制するため、造形を行う前に粉末材料を少量ずつ分割し、且つ減圧雰囲気に曝して、使用する粉末材料中から酸素、窒素及び水分を取り除く制御を行う。粉末材料が、酸素、窒素及び水分の影響を受けやすい金属粉末である場合に、特に、本実施形態に係る発明は有効である。
【００２５】
なお、上述の「焼結し、又は溶融して固化させ」る動作について、以下では、冗長な表現を避けるため「焼結」する動作としてまとめて表現する。必要な場合には、特定の動作を明示する。
【００２６】
以下に、本粉末積層造形装置における各部の詳細について説明する。
【００２７】
（ｉ）レーザ光出射部１０２の構成
図２は、本発明の実施形態に係る粉末積層造形装置のうち、レーザ光出射部１０２の構成を示す図である。
【００２８】
レーザ光出射部102は、レーザ光源23と、光学系21、22と、ＸＹＺドライバ24とを備えている。
【００２９】
レーザ光源23は、主に、波長1,000nm程度のレーザ光を出射するYAGレーザ光源、あるいは、ファイバレーザ光源などが用いられるが、粉末材料の波長吸収率だけでなくコストパフォーマンスなどを考慮して、使用波長を適宜変更できる。例えば、波長10,000nm程度のレーザ光を出射する高出力のCO2レーザ光源を用いてもよい。
【００３０】
光学系21は、ガルバノメータミラー（Ｘミラー）21aとガルバノメータミラー（Ｙミラー）21bを有し、光学系22は、レンズを有する。ガルバノメータミラー（Ｘミラー、Ｙミラー）21a、21bは、それぞれ、レーザ光の出射角度を変化させてレーザ光をＸ方向、Ｙ方向に走査する。また、レンズは、Ｘ方向及びＹ方向に走査されるレーザ光の動きに従って移動し、レーザ光の焦点距離を粉末材料の薄層の表面にあわせる。
【００３１】
ＸＹＺドライバ24は、後述する制御部104からの制御信号により、Ｘミラー21a、Ｙミラー21b、及びレンズを動作させる制御信号を送出する。
【００３２】
なお、加熱用エネルギービーム源として、レーザ光の代わりに、他のエネルギービーム源を用いた場合、エネルギービーム源に応じて光学系を適宜変更できる。例えば、電子ビーム源の場合、電磁レンズ及び偏向系を用いることができる。
【００３３】
（ii）薄層形成部103の構成
図３（ａ）は、薄層形成部103の構成を示す上面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のI-I線に沿う断面図で、同図には、薄層形成部101のほかに、その上方に配置されているレーザ光出射部102も示している。図３（ａ）、（ｂ）ではチャンバを省略している。
【００３４】
薄層形成部103においては、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光の照射により造形が行われる薄層形成容器31と、その両側に設置された第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bとを備えている。粉末材料の酸化や窒化を防ぐため、薄層形成部103は、減圧可能なチャンバ101内に設置される。
【００３５】
さらに、薄層形成容器31、第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bには、各容器31、32a、32b内に収納された粉末材料やその薄層を加熱するための図示しないヒータや加熱用光源その他の加熱手段を有する。加熱手段は各容器31、32a、32bに内蔵されてもよいし、各容器31、32a、32bの周辺に設けられてもよい。
【００３６】
薄層形成容器31では、パートテーブル（第２昇降テーブル）33a上で、粉末材料の薄層35aが形成され、粉末材料の薄層35aをレーザ光の照射により焼結し、焼結薄層35bが形成される。そして、パートテーブル33aを順次下方に移動させて焼結薄層35bを積層し、３次元造形物が作製される。
【００３７】
第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bでは、第１及び第２フィードテーブル（第１及び第３昇降テーブル）34aa及び34ba上に粉末材料35が収納される。第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bのうち、いずれか一方を供給側とした場合、他方を、粉末材料の薄層を形成した後に残余の粉末材料を収納する側とする。
【００３８】
パートテーブル33a、フィードテーブル34aa、34baには、それぞれ、支持軸33b、34ab及び34bbが取り付けられる。支持軸33b、34ab及び34bbは、支持軸33b、34ab及び34bbを上下に移動させる図示しない駆動装置に接続されている。
【００３９】
駆動装置は制御部104からの制御信号により制御される。粉末材料の供給側のフィードテーブル34aa又は34baを上昇させて粉末材料35を供給するとともに、収納側のフィードテーブル34ba又は34aaを下降させて薄層の形成後に残った粉末材料35を収納する。
【００４０】
更に、薄層形成容器31、第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bの上面上を全領域にわたって移動するリコータ36が設けられている。リコータ36は、粉末材料の供給側のフィードテーブル34aa又は34baの上昇により粉末材料収納容器32a又は32bの上面に突出した粉末材料を、表面を均しながら削ぎ取って薄層形成領域まで運搬し、パートテーブル33a上に粉末材料の表面を均しながら収納し、粉末材料の薄層35aを形成する。粉末材料の薄層35aの厚さは、パートテーブル33aの下降量で決まる。そして、粉末材料の薄層を形成した後に余った粉末材料を収納側の粉末材料収納容器32b又は32aまで運搬し、フィードテーブル34ba又は34aa上に収納する。
【００４１】
このようなリコータ36の移動は、制御部104からの制御信号により制御される。
【００４２】
（粉末材料）
使用可能な粉末材料35として、次の金属粉末が挙げられる。
【００４３】
金属粉末として、アルミニウム（Al）、アルミニウム合金、又は、アルミニウム或いはアルミニウム合金の少なくともいずれか一と他の金属との混合物が挙げられる。
【００４４】
アルミニウム合金には、アルミニウム（Al）に、例えばSi、Mg、Cu、Mn、又はZnのうち少なくとも１種を含有したものがある。また、アルミニウム或いはアルミニウム合金の少なくともいずれか一と他の金属との混合物には、アルミニウム（Al）或いはアルミニウム合金の少なくともいずれか一に、Mg、Cu、Ni、Cu3P、CuSnよりなる群から選ばれた少なくとも１種を適当な割合で混ぜ合わせたものがある。Mgは還元作用を利用するためであり、Niは濡れ性を改善するためである。
【００４５】
粉末材料の平均粒径は、特に限定されないが、流動性を維持できるような大きさであればよい。そうでないと、粉末の凝集性が強くなり、より薄い粉末材料の薄層を形成することが難しくなるためである。
【００４６】
金属粉末として、アルミニウム或いはアルミニウム合金のほか、チタンやマグネシウム、タングステン、モリブデン、ステンレス、コバルトクロム又はインコネルなどの金属粉末を用いることができる。ほかに、酸素或いは窒素にセンシティブな金属粉末であれば、本発明を適用し得る。
【００４７】
また、粉末材料35として、上述の金属粉末に、使用する特定波長のレーザ光を吸収可能な金属、顔料或いは染料などのレーザ吸収剤を混ぜたものを用いてもよい。
【００４８】
なお、樹脂粉末にも本発明を適用し、造形に用いる樹脂粉末から、酸素、窒素及び水分を除くことができる。これにより、粉末材料の組成純度が劣化するのを防止できるため粉末材料のリサイクル性が向上し、オレンジピールの発生を抑えられる。さらに、水分などに加熱のエネルギが奪われなくなるので、粉末粒子の加熱のために有効にエネルギを消費させることができる。
【００４９】
（iii）制御部の構成及び機能
制御部104は、レーザ光出射部102のコントローラと、薄層形成部103のコントローラとで構成される。
【００５０】
（レーザ光出射部102のコントローラ）
レーザ光出射部102のコントローラは、ＸＹＺドライバに制御信号を送り、次のような制御を行う。
【００５１】
すなわち、焼結領域に対して設定された走査線に基づき、Ｘミラー21a及びＹミラー21bの角度を変化させてレーザ光を走査するとともにレーザ光源23を適宜ON/OFFさせる。この間、レーザ光の動きに合わせて、レーザ光が粉末材料の薄層の表面に焦点を結ぶように絶えずレンズを動かす。このようにして、焼結領域の粉末材料の薄層を焼結する。或いは、焼結領域の粉末材料の薄層を溶融し、その後固化させる。
【００５２】
なお、走査線の設定方法は、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、種々考えられる。
【００５３】
例えば、四角い焼結領域の場合、焼結領域の上縁の左縁から右縁に斜め下方向に向かう第１走査線を設定し、次に第１走査線の終点を始点とし右縁から左縁に水平方向に向かう第２走査線を設定する。次いで、第２走査線の終点を始点として、上述の走査線の設定方法を繰り返し、焼結領域の下縁まで走査線を設定する。さらに、焼結領域の周縁（境界）に沿って走査線を設定する。このような走査線の設定に対しては、レーザ光源は、走査の開始から終了まで、ONの状態が維持されるように制御される。
【００５４】
上記の走査線に沿ってレーザ光が走査されることにより、一薄層の焼結領域全体の焼結、或いは溶融及び固化がなされて、造形が行われる。
【００５５】
（薄層形成部103のコントローラ）
薄層形成部103のコントローラは、パートテーブル33a、第１及び第２フィードテーブル34aa、34baの昇降と、リコータ36の移動とを制御するとともに、ヒータによる加熱を制御する。
【００５６】
（ａ）積層造形を行う前の粉末材料から酸素、窒素及び水分を取り除く制御方法
チャンバ101内の第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bに粉末材料を収納する場合、大気中で収納した後にチャンバ101内を減圧して粉末材料から空気（主に酸素、窒素及び水分）を取り除くことになる。しかしながら、容器32a、32bの下側にある粉末材料は減圧雰囲気に曝されることがなく、粉末材料中には酸素、窒素及び水分が残留している。その酸素、窒素及び水分は容器32a、32bの周囲が減圧されても容易に取り除くことはできない。
【００５７】
この制御は、３つの容器、すなわち薄層形成容器31、第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bを利用して粉末材料35の移し替えを行い、粉末材料35中から空気を取り除くものである。図４〜図５を参照しながら、その制御について説明する。
【００５８】
図４（ａ）は、粉末材料35が大気中で薄層形成容器31に収納された後、チャンバ101内が減圧されている状態を示す。薄層形成容器31に収納される粉末材料35の量は、造形に必要十分な量にさらに粉末材料の薄層を形成するときにオーバフローする量を加えたものである。
【００５９】
減圧されている状態では、薄層形成容器31の加熱手段がオンされて、粉末材料35が加熱されている。加熱温度は、空気中の酸素、窒素及び水分の離脱が促される程度に保持される。粉末材料を加熱しつつ減圧雰囲気に十分曝すことにより、粉末材料35の表面及び表面から少し内部まで酸素、窒素及び水分が除かれることになる。なお、場合により、加熱を行わないこともある。また、第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bの加熱手段がオンされて、容器32a、32b内に収納される粉末材料が加熱されるようにしてもよい。
【００６０】
まず、図４（ｂ）に示すように、リコータ36を第２粉末材料収納容器32bの上面上で外側の縁部に配置した後、駆動装置により支持軸33bを介してパートテーブル33aを上昇させ、支持軸34abを介して第１フィードテーブル34aaを下降させる。これにより、薄層形成容器31の上面に少量の粉末材料35が突出する。なお、第１フィードテーブル34aaの下降量は、突出させた粉末材料35がすべて第１フィードテーブル34aa上に収納されて残らないように、突出させた粉末材料35の量が収納できる深さよりも少し深めにする。
【００６１】
薄層形成容器31の上面に突出させた少量の粉末材料35からは、酸素、窒素及び水分が十分に除かれているが、さらに、しばらくの間、放置することで、突出させた少量の粉末材料35からは、より一層十分に酸素、窒素及び水分が除かれる。
【００６２】
次いで、図４（ｃ）に示すように、リコータ36を左側に移動させて表面を均しながら突出した粉末材料35を削ぎ取る。さらに、リコータ36を左側に移動させて粉末材料35を第１粉末材料収納容器32aまで運搬し、第１フィードテーブル34aa上に収納する。
【００６３】
次に、薄層形成容器31内の粉末材料35を加熱しつつその表面を減圧雰囲気に十分曝して、粉末材料35の表層から酸素、窒素及び水分を除く。
【００６４】
次いで、図５（ａ）に示すように、駆動装置により支持軸33bを介してパートテーブル33aを上昇させ、薄層形成容器31の上面に粉末材料35を突出させるとともに、支持軸34bbを介して第２フィードテーブル34baを下降させる。突出させた少量の粉末材料35からは、酸素、窒素及び水分が十分に除かれている。
【００６５】
次に、リコータ36を右に移動させて薄層形成容器31の上面に突出する粉末材料35を削ぎ取って第２粉末材料収納容器32bまで運搬し、第２フィードテーブル34ba上に収納する。
【００６６】
上述の制御を、薄層形成容器31から第１粉末材料収納容器32a及び第２粉末材料収納容器32bに粉末材料35がすべて移し替えられるまで繰り返す。図５（ｃ）は、粉末材料35の移し替えが終わった状態を示す。
【００６７】
以上のように、薄層形成容器31から第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bに移し替える際に、加熱しつつ減圧雰囲気に曝して酸素、窒素及び水分が十分に除かれた粉末材料35の表層を削ぎ取り、分割して少量ずつ移し替えている。これにより、第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bに移し替えられた粉末材料35中にはほとんど空気を含まなくなる。
【００６８】
なお、上述の粉末材料から酸素、窒素及び水分を取り除く制御は、薄層形成容器31からまず第１粉末材料収納容器32aに移し替え、続いて第２粉末材料収納容器32bに移し替えるように行われているが、上記と逆に、まず第２粉末材料収納容器32bに移し替え、続いて第１粉末材料収納容器32aに移し替えるように行われてもよい。
【００６９】
また、第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bのいずれか一方の容器に移し替えるように行われてもよい。
【００７０】
また、粉末材料として樹脂粉末を用いた場合、加熱温度は、樹脂粉末中の酸素、窒素及び水分の離脱が促される程度に保持されるよう制御することが必要であるが、高くても樹脂粉末が溶けないような温度に制御する必要がある。
【００７１】
（ｂ）粉末積層造形の制御方法
次に、図６〜図８を参照して、上述のように粉末材料を移し替えた後に積層造形を行うための制御について説明する。
【００７２】
薄層形成部103のコントローラは、まず、図６（ａ）に示すように、リコータ36を第１粉末材料収納容器32aの外側の縁部に配置する。
【００７３】
次いで、図６（ｂ）に示すように、粉末材料35を載せた第１フィードテーブル34aaを上昇させるとともに、パートテーブル33aを薄層一層分だけ下降させる。また、第２フィードテーブル34baを、薄層の形成後に残る粉末材料が十分に収納される程度に下降させる。
【００７４】
次いで、図６（ｃ）に示すように、リコータ36を右側に移動させて第１粉末材料収納容器32aから薄層形成容器31に粉末材料35を運搬し、表面を均しながら収納してパートテーブル33a上に粉末材料の薄層35aを形成させる。残った粉末材料35は、リコータ36をさらに右側に移動させて第２粉末材料収納容器32bまで運搬し、第２のフィードテーブル34ba上に収納する。
【００７５】
その後に、図７（ａ）に示すように、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、レーザ光出射部102のコントローラにより、光学系21、22のミラー21a、21b及びレンズの動きを制御しながらレーザ光を照射し、粉末材料の薄層35aを選択的に加熱して焼結薄層35bを形成させる。
【００７６】
次に、図７（ｂ）に示すように、粉末材料35を載せた第２フィードテーブル34baを上昇させるとともに、パートテーブル33aを薄層一層分だけ下降させる。また、第１フィードテーブル34aaを薄層の形成後に余った粉末材料35が十分に収納される程度に下降させる。
【００７７】
次いで、図７（ｃ）に示すように、リコータ36を左側に移動させて第２粉末材料収納容器32bから薄層形成容器31に粉末材料35を運搬し、表面を均しながら収納してパートテーブル33aの焼結薄層35bの上に粉末材料の薄層35aを形成する。残った粉末材料35は、リコータ36をさらに左側に移動させて第１粉末材料収納容器32aまで運搬させ、第１のフィードテーブル34aa上に収納する。
【００７８】
その後に、図８（ａ）に示すように、スライスデータに基づき、レーザ光出射部102のコントローラ25により、光学系のミラー21a、21b及びレンズの動きを制御しながらレーザ光を照射する。そして、粉末材料の薄層35aを選択的に加熱して、焼結薄層35b上に新たな焼結薄層35bを形成させる。
【００７９】
引き続き、粉末材料の薄層35aの形成→焼結薄層35bの形成→粉末材料の薄層35aの形成→焼結薄層35bの形成→・・・を繰り返して、複数の焼結薄層35bを積層させ、３次元造形物を作製させる。図８（ｂ）は、３次元造形物の造形が終了した後の状態を示す。
【００８０】
なお、コントローラは、積層造形を行う間、粉末材料が焼結温度や溶融温度より少し低い温度に維持されるように、各容器31、32a、32bの加熱手段を制御してもよい。
【００８１】
以上説明した本発明の実施形態に係る積層造形装置によれば、酸素、窒素及び水分を含まない粉末材料を容易に得ることができる。
【００８２】
さらに、その粉末材料を造形に用いることで、粉末材料を焼結し、又は溶融し、固化する際に、粉末材料中に含まれる酸素、窒素及び水分に起因して生じる不都合が一層抑制される。
【００８３】
（２）粉末積層造形方法の説明
次に、図１〜図８を参照しながら、上記粉末積層造形装置を用いた粉末積層造形方法について説明する。本積層造形方法は、積層造形を行う前に粉末材料から酸素及び窒素を除く方法を含む。
【００８４】
（ａ）積層造形を行う前に粉末材料から酸素、窒素及び水分を除く方法
まず、図４（ａ）に示すように、大気中で薄層形成容器31に少なくとも造形に必要な量の粉末材料35を収納する。
【００８５】
その後、図４（ｂ）〜図５（ｃ）のようにして、粉末材料を減圧雰囲気に曝しながら分割して粉末材料の移し替えが行われる。詳細は、上述の「積層造形を行う前の粉末材料から酸素、窒素及び水分を取り除く制御方法」に従って行われるので、省略する。
【００８６】
この移し替えにより、粉末材料35中から酸素、窒素及び水分が十分に取り除かれるため、第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bに収納された、造形に使用される粉末材料35中には酸素、窒素及び水分が含まれなくなる。
【００８７】
（ｂ）積層造形を行う方法
次に、第１及び第２粉末材料収納容器32a、32bに移し替えられた粉末材料を用い、図６〜図８のようにして積層造形が行われる。積層造形は、減圧雰囲気中で粉末材料から酸素、窒素及び水分を除いた後に、引き続き減圧雰囲気中で行ってもよいし、減圧雰囲気をアルゴンなどの不活性ガスで置換し、不活性ガス雰囲気中で行ってもよい。
【００８８】
詳細は、「積層造形の制御方法」に従って行われるので、省略する。
【００８９】
なお、焼結薄層35bが積層されて完成した３次元造形物は、薄膜形成容器31中で粉末材料に埋もれているので、粉末材料を取り除いてから取り出される。
【００９０】
また、この積層造形を行う方法では、造形中、粉末材料の焼結温度や溶融温度より少し低い温度が維持されるように、各容器31、32a、32bの加熱手段により粉末材料や薄層の予備加熱を行うことで、迅速かつ確実に焼結などが行われ、また、造形物の熱歪を小さくすることができる。
【００９１】
本実施形態に係る積層造形方法によれば、酸素、窒素及び水分を含まない粉末材料を容易に得ることができる。
【００９２】
さらに、その粉末材料を用いて造形しているため、より一層強度が向上した実用的な試作品や製品を直接焼結により作製することができるとともに、表面が滑らかな仕上がりの造形物を得ることができる。また、造形後に残存する粉末材料のリサイクル性を増すことができる。
【００９３】
（３）第１変形例
図３の粉末積層造形装置に適用し得る第１変形例の薄層形成部のコントローラについて、その制御方法を説明した図９、図１０を参照して説明する。
【００９４】
図４、図５では、最初にパートテーブル上にすべての粉末材料を収納し、第１及び第２フィードテーブル上に粉末材料を移し替えるように制御しているが、この制御方法では、次のように制御が行われる。
【００９５】
最初に、第１及び第２フィードテーブル34aa、34baのうち第２フィードテーブル34ba上にすべての粉末材料35を収納する（図９（ａ））。
【００９６】
次いで、第２フィードテーブル34ba上から少量ずつパートテーブル33a上を経由して（図９（ｂ）、（ｃ）、図１０（ａ））第１フィードテーブル34aa上に移し替える（図１０（ｂ）、（ｃ））。
【００９７】
そして、移し替える途中で、パートテーブル33a上で粉末材料の薄層35cを形成し（図９（ｂ））、この状態で十分に減圧雰囲気に曝すことで、粉末材料の薄層35c中から酸素、窒素及び水分を除くように制御が行われる。
【００９８】
（４）第２変形例
（ｉ）第２変形例の薄層形成部の構成
図１２（ｃ）は、図１の粉末積層造形装置のうち、第２変形例の薄層形成部の構成を説明する断面図である。
【００９９】
第２変形例の薄層形成部では、粉末材料収納容器32を１つしか備えていない。
【０１００】
図１２（ｃ）中、符号32は図３（ｂ）の第１又は第２粉末材料収納容器32a、32bに対応する粉末材料収納容器、34aは図３（ｂ）の第１又は第２フィードテーブル34aa、34baに対応するフィードテーブル、34bは図３（ｂ）の支持軸34ab、34bbに対応する支持軸である。また、37は、造形時に、パートテーブル33a上に粉末材料の薄層を形成した後、残余の粉末材料を収納する貯留容器である。
【０１０１】
制御部104によって駆動装置が制御されることにより、フィードテーブル34aが支持軸34bを介して昇降する。
【０１０２】
その他、図３、図４及び図５の符号と同じ符号で示すものは、図３、図４及び図５の符号で示すものと同じものを示す。
【０１０３】
（ii）第２変形例の薄層形成部のコントローラ
薄層形成部のコントローラは、パートテーブル33a及びフィードテーブル34aの昇降と、リコータ36の移動と、薄層形成容器31及び粉末材料収納容器32の加熱手段による加熱とを制御する。
【０１０４】
（ａ）積層造形を行う前の粉末材料から酸素、窒素及び水分を取り除く制御方法
図１１及び図１２を参照して、薄層形成部の粉末材料から酸素、窒素及び水分を取り除く制御方法について説明する。
【０１０５】
制御方法においては、まず、粉末材料35が大気中で薄層形成容器31に収納された後、チャンバ101内が減圧される。図１１（ａ）はその状態を示す。この状態では、粉末材料35が加熱されつつ減圧雰囲気に十分曝されるように適当な時間保持することで、粉末材料35の表層から酸素、窒素及び水分が除かれる。なお、場合により、加熱を省略してもよい。
【０１０６】
次いで、図１１（ｂ）に示すように、リコータ36を薄層形成容器31の上面上で外側の縁部に配置した後、駆動装置により支持軸33bを介してパートテーブル33aを上昇させ、支持軸34bを介してフィードテーブル34aを下降させる。
【０１０７】
これにより、薄層形成容器31の上面に粉末材料35が突出する。突出させた粉末材料35からは、酸素、窒素及び水分が十分に除かれている。
【０１０８】
次いで、図１１（ｃ）、図１２（ａ）に示すように、リコータ36を左側に移動させて表面を均しながら突出した粉末材料35を削ぎ取る。さらに、リコータ36を左側に移動させて粉末材料35を粉末材料収納容器32まで運搬し、表面を均しながらフィードテーブル34a上に収納する。
【０１０９】
次に、薄層形成容器31内の粉末材料35を加熱しつつ、その表面を減圧雰囲気に十分曝して、粉末材料35の表層から酸素、窒素及び水分を除く。次いで、図１２（ｂ）に示すように、リコータ36を右側に移動させて、薄層形成容器31の上面上で外側の縁部に配置する。
【０１１０】
上述の制御を、薄層形成容器31から粉末材料収納容器32に粉末材料35がすべて移し替えられるまで繰り返す。図１２（ｃ）は、粉末材料35の移し替えが終わった状態を示す。
【０１１１】
以上のように、薄層形成容器31から粉末材料収納容器32に移し替える際に、加熱しつつ減圧雰囲気に曝して酸素、窒素及び水分が十分に除かれた粉末材料35の表層を削ぎ取り、分割して少量ずつ移し替えている。これにより、粉末材料収納容器32に移し替えられた粉末材料35中にはほとんど空気を含まなくなる。
【０１１２】
（ｂ）積層造形の制御方法
積層造形の制御方法では、最初に、リコータ36により、フィードテーブル34a上から薄層形成分より少し多めの量の粉末材料を運搬してパートテーブル33a上に粉末材料の薄層を形成する。残余の粉末材料は貯留容器37に収納する。
【０１１３】
次いで、パートテーブル33a上の粉末材料の薄層にレーザ光を照射して造形する。
【０１１４】
その後、リコータ36を元の位置に戻し、再びフィードテーブル34a上から粉末材料35をパートテーブル33a上に運搬して粉末材料の薄層を形成し、造形する制御を繰り返して、所望の３次元造形物を作製する。
【０１１５】
以上のように、第２変形例でも、造形に使用する粉末材料中から酸素、窒素及び水分が除かれているので、より一層強度が向上した実用的な試作品や製品を直接焼結により作製することができ、また、表面が滑らかな仕上がりの造形物を得ることができ、さらに、造形後に残存する粉末材料のリサイクル性を増すことができる。
【０１１６】
以上、実施の形態によりこの発明を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。
【０１１７】
以上説明した実施形態に記載の発明を付記として記載する。
【０１１８】
（付記１）
減圧可能なチャンバと、
前記チャンバ内に設けられた粉末材料収納容器から粉末材料を供給し、該粉末材料の薄層を形成する薄層形成部と、
前記粉末材料の薄層を焼結し、或いは溶融し、造形する加熱用エネルギービームを出射する加熱用エネルギービーム源と、
前記造形を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記造形を始める前に前記粉末材料を前記減圧雰囲気に曝し、且つ分割して前記粉末材料収納容器に収納することを特徴とする粉末積層造形装置。
【０１１９】
（付記２）
前記薄層形成部は、第１昇降テーブルを備えた前記粉末材料収納容器、及び第２昇降テーブルを備えた薄層形成容器が並置され、前記粉末材料収納容器、及び前記薄層形成容器の上面上を移動して前記粉末材料を運搬し、該第２昇降テーブル上に該粉末材料の薄層を形成するリコータを有し、
前記制御部が前記造形を始める前に前記粉末材料を前記減圧雰囲気に曝し、且つ分割して前記粉末材料収納容器に収納する制御は、前記造形を始める前に該減圧雰囲気中で前記薄層形成容器に収納された前記粉末材料を分割して前記粉末材料収納容器に移し替えることにより行われることを特徴とする付記１に記載の粉末積層造形装置。
【０１２０】
（付記３）
前記移し替えは、該減圧雰囲気中で前記第２昇降テーブルを上方に移動させて該粉末材料を前記薄層形成容器の上面上に突出させ、前記リコータを前進させて該突出した粉末材料を削ぎ取り、該削ぎ取られた粉末材料を、前記粉末材料収納容器まで運搬し、前記第１昇降テーブルを下方に移動させて該運搬した粉末材料を該第１昇降テーブル上に収納することにより行われることを特徴とする付記２記載の粉末積層造形装置。
【０１２１】
（付記４）
前記薄層形成容器内の粉末材料を加熱する加熱手段を有することを特徴とする付記２又は３記載の粉末積層造形装置。
【０１２２】
（付記５）
前記粉末材料収納容器内の粉末材料を加熱する加熱手段を有することを特徴とする付記２乃至４のいずれか１項に記載の粉末積層造形装置。
【０１２３】
（付記６）
前記薄層形成部は、第１昇降テーブルを備えた第１粉末材料収納容器、第２昇降テーブルを備えた薄層形成容器、及び第３昇降テーブルを備えた第２粉末材料収納容器が並置され、前記第１粉末材料収納容器、前記薄層形成容器、及び前記第２粉末材料収納容器の上面上を移動して前記粉末材料を運搬し、該第２昇降テーブル上に該粉末材料の薄層を形成するリコータを有し、
前記制御部が前記造形を始める前に前記粉末材料を前記減圧雰囲気に曝し、且つ分割して前記粉末材料収納容器に収納する制御は、前記造形を始める前に該減圧雰囲気中で前記薄層形成容器に収納された前記粉末材料を分割して前記第１粉末材料収納容器及び第２粉末材料収納容器の少なくとも１つの容器に移し替えることにより行われることを特徴とする付記１に記載の粉末積層造形装置。
【０１２４】
（付記７）
前記粉末材料の移し替えは、前記第２昇降テーブルを上方に移動させて該粉末材料を前記薄層形成容器の上面上に突出させ、前記リコータを前進させて該突出した粉末材料を削ぎ取り、該削ぎ取られた粉末材料を、前記第１粉末材料収納容器まで運搬し、前記第１昇降テーブルを下方に移動させて該運搬した粉末材料を該第１昇降テーブル上に収納することにより行われることを特徴とする付記６に記載の粉末積層造形装置。
【０１２５】
（付記８）
前記粉末材料を前記第１昇降テーブル上に収納した後、前記第２昇降テーブルを上方に移動させて該粉末材料を前記薄層形成容器の上面上に突出させ、前記リコータを前進させて該突出した粉末材料を削ぎ取り、該削ぎ取られた粉末材料を、前記第２粉末材料収納容器まで運搬し、前記第３昇降テーブルを下方に移動させて該運搬した粉末材料を該第３昇降テーブル上に収納することにより行われることを特徴とする付記７記載の粉末積層造形装置。
【０１２６】
（付記９）
前記薄層形成容器内の粉末材料を加熱する加熱手段を有することを特徴とする付記６乃至８のいずれか１項に記載の粉末積層造形装置。
【０１２７】
（付記１０）
前記第１及び第２粉末材料収納容器内の粉末材料を加熱する加熱手段を有することを特徴とする付記６乃至９のいずれか１項に記載の粉末積層造形装置。
【０１２８】
（付記１１）
前記加熱用エネルギービーム源は、レーザ光源、又は電子ビーム源であることを特徴とする付記１乃至１０のいずれか１項に記載の粉末積層造形装置。
【０１２９】
（付記１２）
前記粉末材料は、金属粉末であることを特徴とする付記１乃至１１のいずれか１項に記載の粉末積層造形装置。
【０１３０】
（付記１３）
減圧雰囲気中或いは不活性ガス雰囲気中で、粉末材料を収納し、該粉末材料を供給して該粉末材料の薄層を形成し、該薄層を焼結し、或いは溶融して固化し、造形する粉末積層造形方法において、
前記造形を始める前に、前記粉末材料を減圧雰囲気に曝し、且つ分割して収納することを特徴とする粉末積層造形方法。
【０１３１】
（付記１４）
前記造形を始める前に、前記粉末材料を減圧雰囲気に曝し、且つ分割して収納する工程において、前記粉末材料を加熱しつつ減圧雰囲気に曝すことを特徴とする付記１３に記載の粉末積層造形方法。
【０１３２】
（付記１５）
前記造形を始める前に、前記粉末材料を減圧雰囲気に曝し、且つ分割して収納する工程は、前記粉末材料を前記減圧雰囲気に曝した後に該粉末材料の表層を削ぎ取り、その後、該削ぎ取った粉末材料を収納することを特徴とする付記１３又は１４に記載の粉末積層造形方法。
【０１３３】
（付記１６）
前記造形を始める前に、前記粉末材料を減圧雰囲気に曝し、且つ分割して収納する工程は、前記粉末材料を分割して該粉末材料の薄層を形成した後に、該粉末材料の薄層を該減圧雰囲気に曝し、その後、該減圧雰囲気に曝した薄層を構成する粉末材料を収納することを特徴とする付記１３又は１４に記載の粉末積層造形方法。
【０１３４】
（付記１７）
前記粉末材料は、金属粉末であることを特徴とする付記１３乃至１６のいずれか１項に記載の粉末積層造形方法。
【符号の説明】
【０１３５】
11…排気口、12…排気装置、21、22…光学系、21a…ガルバノメータミラー（Ｘミラー）、21b…ガルバノメータミラー（Yミラー）、23…レーザ光源、24…XYZドライバ、31…薄層形成容器、32…粉末材料収納容器、32a…第１粉末材料収納容器、32b…第２粉末材料収納容器、33a…パートテーブル（第２昇降テーブル）、33b、34b、34ab、34bb…支持軸、34a…フィードテーブル、34aa…第１フィードテーブル（第１昇降テーブル）、34ba…第２フィードテーブル（第３昇降テーブル）、35…粉末材料、35a、35c…粉末材料の薄層、35b…焼結薄層、36…リコータ、37…貯留容器、101…チャンバ、102…レーザ光出射部、103…薄層形成部、104…制御部。
【図１】
2014028996.tif 000003
【図２】
2014028996.tif 000004
【図３】
2014028996.tif 000005
【図４】
2014028996.tif 000006
【図５】
2014028996.tif 000007
【図６】
2014028996.tif 000008
【図７】
2014028996.tif 000009
【図８】
2014028996.tif 000010
【図９】
2014028996.tif 000011
【図１０】
2014028996.tif 000012
【図１１】
2014028996.tif 000013
【図１２】
2014028996.tif 000014