(57)【要約】      （修正有）【課題】三次元造形装置において、光学部品へのヒュームの付着によって造形物の造形精度が低下することを抑制可能な技術を提供する。【解決手段】三次元造形装置１００は、金属粉末を含む材料が供給される造形部１０と、金属粉末を焼結または溶融させるためのレーザーを射出するレーザー光源２０と、レーザー光源２０から射出されたレーザーが通り造形部１０側を向く光学部品３０と、光学部品３０と造形部１０との間において、レーザーの光路の外側に配置され、金属粉末の焼結または溶融に伴って発生したヒュームを帯電させる第１電極９０と、第１電極９０と光学部品３０との間において、レーザーの光路の外周の少なくとも一部を囲むように配置され、帯電したヒュームを捕捉する第２電極９１と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元造形装置であって、
金属粉末を含む材料が供給される造形部と、
前記金属粉末を焼結または溶融させるためのレーザーを射出するレーザー光源と、
前記レーザー光源から射出された前記レーザーが通り前記造形部側を向く光学部品と、
前記光学部品と前記造形部との間において、前記レーザーの光路の外側に配置され、前記金属粉末の焼結または溶融に伴って発生したヒュームを帯電させる第１電極と、
前記第１電極と前記光学部品との間において、前記レーザーの光路の外周の少なくとも一部を囲むように配置され、帯電した前記ヒュームを捕捉する第２電極と、
を備える三次元造形装置。
【請求項２】
請求項１に記載の三次元造形装置であって、
前記第２電極の形状は、前記造形部側よりも前記光学部品側ほど径が大きくなる円錐状である、三次元造形装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の三次元造形装置であって、
前記第２電極は、前記光路に向けて延びる板状部を、前記光路に沿って複数備える、三次元造形装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
前記第２電極内において前記光学部品側から前記造形部側に向けてガスを流すガス噴射装置を備える、三次元造形装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の三次元造形装置であって、
前記光学部品の前記造形部側の面の少なくとも一部が撥液性を有する、三次元造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属粉末にレーザーを照射して焼結あるいは溶融して固化させることにより三次元造形物を製造する三次元造形装置が知られている。このような三次元造形装置では、金属粉末が焼結あるいは溶融する際に、ヒュームが発生する場合がある。ヒュームとは、金属蒸気が凝集することにより生じる微細な粒子のことをいう。レーザーが通る光学部品にヒュームが付着すると、金属粉末に対するレーザーの透過率が低下し、三次元造形物の造形条件が変化するため造形精度が低下する場合がある。このような問題に関し、例えば、特許文献１には、レーザーが通過するウィンドウを備えるチャンバ内で三次元造形物を製造する三次元造形装置において、チャンバの容積を変化させることによって、チャンバ内のヒュームの排気を促進させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２６５５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、三次元造形装置において、光学部品へのヒュームの付着によって造形物の造形精度が低下することを他の構成により抑制可能な技術が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、三次元造形装置が提供される。この三次元造形装置は、金属粉末を含む材料が供給される造形部と；前記金属粉末を焼結または溶融させるためのレーザーを射出するレーザー光源と；前記レーザー光源から射出された前記レーザーが通り前記造形部側を向く光学部品と；前記光学部品と前記造形部との間において、前記レーザーの光路の外側に配置され、前記金属粉末の焼結または溶融に伴って発生したヒュームを帯電させる第１電極と；前記第１電極と前記光学部品との間において、前記レーザーの光路の外周の少なくとも一部を囲むように配置され、帯電した前記ヒュームを捕捉する第２電極と；を備えることを特徴とする。このような形態の三次元造形装置であれば、金属粉末の焼結または溶融に伴って発生したヒュームが光学部品に到達する前に第２電極によって捕捉することができるので、光学部品へのヒュームの付着によって造形物の造形精度が低下することを抑制できる。
【０００７】
（２）上記形態の三次元造形装置において、前記第２電極の形状は、前記造形部側よりも前記光学部品側ほど径が大きくなる円錐状でもよい。このような構成であれば、レーザーの光路を遮ることなくヒュームを効率的に捕捉することができる。
【０００８】
（３）上記形態の三次元造形装置において、前記第２電極は、前記光路に向けて延びる板状部を、前記光路に沿って複数備えてもよい。このような構成であれば、吸着面積を拡大できるので効率的にヒュームを捕捉することができる。
【０００９】
（４）上記形態の三次元造形装置は、前記第２電極内において前記光学部品側から前記造形部側に向けてガスを流すガス噴射装置を備えてもよい。このような構成であれば、光学部品へのヒュームの付着をより効果的に抑制できる。
【００１０】
（５）上記形態の三次元造形装置において、前記光学部品の前記造形部側の面の少なくとも一部が撥液性を有してもよい。このような構成であれば、光学部品へのヒュームの付着をより効果的に抑制できる。
【００１１】
本発明は、上述した三次元造形装置としての形態以外にも、種々の形態で実現することが可能である。例えば、三次元造形装置による三次元造形物の製造方法などの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態としての三次元造形装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】第３電極の概略構成を示す図である。
【図３】第２実施形態としての三次元造形装置の概略構成を示す説明図である。
【図４】第３実施形態としての三次元造形装置の概略構成を示す説明図である。
【図５】第４実施形態としての三次元造形装置の概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態としての三次元造形装置１００の概略構成を示す説明図である。三次元造形装置１００は、造形部１０とレーザー光源２０と光学部品３０と第１電極９０と第２電極９１とを備える。また、本実施形態の三次元造形装置１００は、ディスペンサー４０と乾燥部５０と移動機構６０とガス噴射装置７０とを備える。
【００１４】
造形部１０は、金属粉末を含む材料が供給される造形ステージである。造形部１０の上面は平坦であり、その平坦な上面に材料が供給される。造形部１０は、移動機構６０によって、水平方向および鉛直方向に移動可能である。
【００１５】
ディスペンサー４０は、造形部１０上に材料を供給する装置である。本実施形態では、ディスペンサー４０は、金属粉末と溶媒とバインダーとを含むペースト状の材料を、造形部１０の上方から造形部１０に向けて吐出して供給する。造形部１０に対する材料の供給位置は、移動機構６０が造形部１０を移動させることによって任意に制御される。
【００１６】
本実施形態では、金属粉末としては、鉄を用いる。その他、金属粉末として、例えば、アルミニウム、チタン、銅、マグネシウム、またはこれら金属を主とする合金、ステンレス鋼、マルエージング鋼等を用いることができる。
【００１７】
本実施形態では、溶媒としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを用いる。その他、溶媒として、例えば、水；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテル類；酢酸エチル、酢酸ｎ−プロピル、酢酸ｉｓｏ−プロピル、酢酸ｎ−ブチル、酢酸ｉｓｏ−ブチル等の酢酸エステル類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類；メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル−ｎ−ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類；エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；テトラアルキルアンモニウムアセテート類；ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤；ピリジン、γ−ピコリン、２，６−ルチジン等のピリジン系溶剤；テトラアルキルアンモニウムアセテート（例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等）等のイオン液体等が挙げられ、これらから選択される１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００１８】
本実施形態において、バインダーとしては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）或いはその他の熱可塑性樹脂を用いることができる。
【００１９】
乾燥部５０は、材料へのレーザーの照射に先立ち、造形部１０上に供給された材料を加熱することにより、材料中の溶媒およびバインダーの含有量を削減する装置である。乾燥部５０としては、例えば、ランプヒーターやレーザーを用いることができる。なお、乾燥部５０によって加熱される温度は、金属粉末が溶融する温度よりも低い温度である。また、乾燥部５０によって加熱される温度は、溶媒の沸点以下もしくはバインダーの分解温度以下であることが好ましい。
【００２０】
レーザー光源２０は、金属粉末を溶融させるためのレーザーを射出する光源である。レーザー光源２０としては、例えば、ファイバーレーザーを用いることができる。レーザーによって金属粉末が溶融すると、その際に、ヒュームが発生する場合がある。ヒュームとは、金属蒸気が凝集することにより生じる微細な粒子のことをいう。また、本実施形態では、材料に金属粉末だけではなく溶媒やバインダーが含まれるため、レーザーの照射によって材料から炭化物が飛散する場合がある。
【００２１】
光学部品３０は、レーザー光源２０から射出されたレーザーが通る部品である。光学部品３０は、レーザー光源２０から射出されたレーザーを造形部１０上の材料まで導く。本実施形態において、光学部品３０は、ミラー３１と、レンズ３２と、ウィンドウ３３とを含む。ミラー３１は、レーザー光源２０から射出されたレーザーをレンズ３２に向けて反射する。レンズ３２は、所定のＦ値（＝焦点距離Ｌ／レンズ有効口径Ｒ）を有する集光レンズであり、ミラー３１が反射したレーザーを、造形部１０上の材料に対して集光する。レンズ有効口径Ｒは、例えば、４０ｍｍである。ウィンドウ３３は、造形部１０側を向く光学部品であり、レンズ３２から射出されたレーザーを透過する。光学部品３０は、レーザーを材料に導くために、複数のミラーを含んでもよく、また、複数のレンズを含んでもよい。また、ウィンドウの数も任意である。なお、「光学部品が造形部側を向く」とは、光学部品３０（本実施形態では、ウィンドウ３３）が造形部１０と正対する場合と、光学部品３０が造形部１０とある角度を持って向き合う場合と、の両方を含む意味であり、光学部品３０と造形部１０とが平行の関係にある場合に限られない。そのため、光学部品３０（ウィンドウ３３）の設置角度にかかわらず、造形部１０側から光学部品３０としてのウィンドウ３３を見た場合には、光学部品３０（ウィンドウ３３）の造形部１０側に、レーザーが通る領域が備えられていることになる。
【００２２】
第１電極９０は、光学部品３０（本実施形態ではウィンドウ３３）と造形部１０との間に配置された放電電極である。第１電極９０は、レーザーの光路の外側に配置されている。本実施形態において、第１電極９０は、ドーナツ状の形状を有しており、中央の貫通孔内に、レーザーが通る。本実施形態では、第１電極９０には、第１電源９２の陰極が接続されている。第１電極９０は、第１電源９２から高電圧が供給されることにより、コロナ放電を行い、レーザーによる金属粉末の溶融に伴って発生したヒュームを帯電させる。第１電源９２から第１電極９０に印加される電圧は、例えば、−１０ｋＶである。
【００２３】
第２電極９１は、第１電極９０と光学部品３０（本実施形態ではウィンドウ３３）との間に配置された集塵電極である。第２電極９１は、レーザーの光路の外周の少なくとも一部を囲むように配置されている。本実施形態では、第２電極９１には、接地された第１電源９２の正極が接続されている。第２電極９１は、第１電極９０によって帯電したヒュームを静電引力によって捕捉する。本実施形態では、第２電極９１の形状は、レーザーの光路に沿った形状であり、造形部１０側よりもウィンドウ３３側ほど径が大きくなる円錐状である。
【００２４】
ガス噴射装置７０は、第２電極９１内において光学部品３０（本実施形態ではウィンドウ３３）側から造形部１０側に向けてガスを流すための装置である。ガス噴射装置７０から噴射されるガスは、溶融物の酸化防止のため、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスであることが好ましい。本実施形態では、第２電極９１のウィンドウ３３側の端部の周囲に、中央にレーザーが通るための貫通孔が形成された平板状のガスガイド９５が設けられている。ガス噴射装置７０からは、ガスガイド９５とウィンドウ３３との間にガスが噴射される。ガスガイド９５とウィンドウ３３との間に噴射されたガスは、ウィンドウ３３の表面（下面）をレーザーの光路中心に向かって流れ、ガスガイド９５の貫通孔を抜けて第２電極９１内に流れ込み、第２電極９１の造形部１０側の端部から排気される。このガスの流れにより、ヒュームが第２電極９１に捕捉されやすくなる。
【００２５】
図２は、第３電極９４の概略構成を示す図である。本実施形態の三次元造形装置１００は、光学部品３０側から第２電極９１内に少なくとも先端部分が延びるワイヤー状の第３電極９４を備えている。第２電極９１内において、第３電極９４は、レーザーの光軸中心上に配置される。第３電極９４の直径は、例えば、１ｍｍである。図１に示されているように、第３電極９４は、第２電源９３の陰極に接続されている。この第２電源９３の正極は、接地されている。第２電源９３によって第３電極９４に印加される電圧は、例えば、−５ｋＶである。第３電極９４は、第２電極９１との間に電位勾配を生成し、その電位勾配により、帯電したヒュームを第２電極９１に集塵させる。そのため、ヒュームを効率的に第２電極９１に吸着させることができる。第３電極９４は、レーザー光路内に配置されるが、形状がワイヤー状であり、また、レンズ３２の近くに配置されるため、集光されるレーザーの光強度に大きな影響を与えることはない。
【００２６】
以上で説明した本実施形態の三次元造形装置１００によれば、金属粉末の溶融に伴ってヒュームが発生した場合でも、そのヒュームがウィンドウ３３に到達する前に第２電極９１によって捕捉することができるので、ウィンドウ３３へのヒュームの付着によって造形物の造形精度が低下することを抑制することができる。
【００２７】
また、本実施形態では、第２電極９１の形状が、造形部１０側よりも光学部品３０側ほど径が大きくなる円錐状であるため、レーザーの光路を遮ることなく、材料から光学部品３０側に向けて飛来するヒュームを効率的に捕捉することができる。
【００２８】
また、本実施形態では、ガス噴射装置７０によって、ウィンドウ３３側から前記造形部１０側に向けてガスを流すので、光学部品３０へのヒュームの付着をより効果的に抑制できる。
【００２９】
Ｂ．第２実施形態：
図３は、本発明の第２実施形態としての三次元造形装置１０１の概略構成を示す説明図である。上述した第１実施形態と第２実施形態とでは、第２電極９１の構成が異なり、他の点は共通である。本実施形態では、第２電極９１は、レーザーの光路に向けて延びる板状部９０ａを、光路に沿って複数備えている。各板状部９０ａは、中央にレーザーが通る貫通孔が形成された円盤状となっている。このような構成によれば、第２電極９１の表面積が大きくなって吸着面積を拡大できるので、効率的にヒュームを捕捉することができる。なお、このような第２電極９１の構成は、以下に説明する実施形態においても同様に適用可能である。
【００３０】
Ｃ．第３実施形態：
図４は、本発明の第３実施形態としての三次元造形装置１０２の概略構成を示す説明図である。上述した第１実施形態と第３実施形態とでは、光学部品３０の構成が異なり、他の点は共通である。そのため、以下では、光学部品３０以外の構成についての説明は省略する。
【００３１】
第３実施形態では、光学部品３０は、ミラー３１とレンズ３２を含み、ウィンドウを含んでいない。本実施形態では、レンズ３２は、レンズホルダー８０の中央部に設けられた貫通孔内に嵌め込まれている。レンズホルダー８０は、例えば、樹脂や金属など、レンズ３２の材料（ガラス）とは異なる材料によって構成されている。このような構成によれば、金属粉末の溶融に伴ってヒュームが発生した場合でも、そのヒュームがレンズ３２に到達する前に第２電極９１によって捕捉することができる。そのため、レンズ３２へのヒュームの付着によって造形物の造形精度が低下することを抑制することができる。
【００３２】
Ｄ．第４実施形態：
図５は、本発明の第４実施形態としての三次元造形装置１０３の概略構成を示す説明図である。上述した第１実施形態と第４実施形態とでは、光学部品３０の構成とガス噴射装置７０の配置が異なる。
【００３３】
第４実施形態では、光学部品３０は、ミラー３１とレンズ３２とを含み、ウィンドウを含んでいない。本実施形態では、レンズ３２が、レーザー光源２０とミラー３１の間に配置されている。このような構成によれば、金属粉末の溶融に伴ってヒュームが発生した場合でも、そのヒュームがミラー３１に到達する前に第２電極９１によって捕捉することができる。そのため、レンズ３２へのヒュームの付着によって造形物の造形精度が低下することを抑制することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、ガスガイド９５が省略されている。そして、ガス噴射装置７０が、ミラー３１の近傍、かつ、レーザーの光路を遮らない位置に設けられている。ガス噴射装置７０は、ミラー３１の造形部１０側を向く面（ミラー３１の下面）に沿って、第２電極９１側に向けてガスを流す。ミラー３１の下面に沿って流れたガスは、その後、第２電極９１内を流れ、排気される。このようなガス噴射装置７０の配置であれば、ガスガイド９５を設けなくても効率的にガスを第２電極９１内に流すことができる。
【００３５】
Ｅ．他の実施形態：
（１）上記各実施形態において、光学部品３０（ウィンドウ３３、レンズ３２、ミラー３１）は、少なくとも造形部１０側の面の少なくとも一部が撥液性を有しても良い。光学部品３０が撥液性を有していれば、界面が安定状態になり、ヒュームが結合しづらくなるからである。特に本実施形態では、造形部１０に供給される材料に、溶媒やバインダーが含まれるため、ヒューム以外にも炭化物が飛散しやすくなっている。そのため、光学部品３０が撥液性を有していれば、ヒュームだけではなく、炭化物が付着することも抑制できる。光学部品３０に撥液性を付与するには、例えば、パーフルオロアルキルシランやフッ素系ポリマーなどのフッ素系材料やシリコーンを光学部品３０にコーティングする。
【００３６】
（２）上記各実施形態において、第３電極９４および第２電源９３は省略してもよい。また、ガス噴射装置７０を省略することも可能である。
【００３７】
（３）第１電極９０および第２電極９１の形状は上記各実施形態に限定されない。例えば、第１電極９０は、針状あるいは板状に形成されていてもよい。また、第２電極９１は、レーザーの光路の外周に沿って螺旋状に形成されていてもよいし、角錐状に形成されていてもよい。
【００３８】
（４）上記実施形態の三次元造形装置は、金属粉末を溶融して三次元造形物を製造する。これに対して三次元造形装置は、金属粉末を焼結して三次元造形物を製造してもよい。また、三次元造形装置は、金属粉末のみを材料として用いてもよい。この場合、三次元造形装置は、ディスペンサー４０や乾燥部５０を省略してもよく、例えば、ホッパーやスキージを制御して材料を造形部１０に供給してもよい。
【００３９】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…造形部、２０…レーザー光源、３０…光学部品、３１…ミラー、３２…レンズ、３３…ウィンドウ、４０…ディスペンサー、５０…乾燥部、６０…移動機構、７０…ガス噴射装置、８０…レンズホルダー、９０…第１電極、９０ａ…板状部、９１…第２電極、９２…第１電源、９３…第２電源、９４…第３電極、９５…ガスガイド、１００…三次元造形装置、１０１…三次元造形装置、１０２…三次元造形装置、１０３…三次元造形装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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