(57)【要約】【課題】  造形物配置の制限や、冷却効率の低下を引き起こす特殊な構造を必要とせず、造形物入りケーキの内部温度の冷却を促進させることで、樹脂を用いた粉末床溶融結合による積層造形において、造形物完成までの時間を短縮できる積層造形装置及び積層造形システムを提供する。【解決手段】  薄く展開された粉末材料を造形物の三次元データから導出される描画データに基づき、作業領域１２内において、選択的に加熱することで焼結部又は溶融部を形成し、さらに、焼結部又は溶融部上に新たに薄層を形成する作業を繰り返す積層動作により造形物を成形する積層造形装置１０を、作業領域１２の内外を接続する流路１４を１つ以上有し、積層動作が終了した後に、未溶融の粉末材料（造形品入りケーキ１６）に進展するき裂に対し、流路１４を通じて流体を導入することで、焼結部又は溶融部、及び、未溶融の粉末材料（造形品入りケーキ１６）を強制的に冷却する構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄く展開された粉末材料を造形物の三次元データから導出される描画データに基づき、作業領域内において、選択的に加熱することで焼結部又は溶融部を形成し、さらに、当該焼結部又は溶融部上に新たに薄層を形成する作業を繰り返す積層動作により造形物を成形する積層造形装置において、
前記作業領域の内外を接続する流路を１つ以上有し、前記積層動作が終了した後に、未溶融の前記粉末材料に進展するき裂に対し、前記流路を通じて流体を導入することで、前記焼結部又は溶融部、及び、未溶融の前記粉末材料を強制的に冷却することを特徴とする積層造形装置。
【請求項２】
前記積層動作終了後の未溶融の前記粉末材料の内部温度を測定する温度測定部を有し、当該温度測定部が、前記内部温度が、規定温度を下回ったことを測定した場合に、前記流路を通じて流体を導入することを特徴とする請求項１記載の積層造形装置。
【請求項３】
積層高さと、その積層高さにおける、前記粉末材料のき裂が進展する前記積層動作終了後からの経過時間が記録されたデータベースを有し、当該データベースに基づき、前記積層動作による積層高さから、前記粉末材料のき裂が進展する前記積層動作終了後からの経過時間を推測し、当該経過時間が到来した際に、前記流路を通じて流体を導入することを特徴とする請求項１記載の積層造形装置。
【請求項４】
前記流路に、前記流体の圧力を測定する圧力測定器と、前記流体の流量を制御する流量制御部とをそれぞれ１つ以上有し、前記圧力測定器及び前記流量制御部により、規定の圧力以上の流体が、前記流路を通じて、前記粉末材料に進展するき裂に対し導入されないよう制御することを特徴とする請求項１記載の積層造形装置。
【請求項５】
前記積層動作終了後の未溶融の前記粉末材料の内部温度を測定する温度測定部と、前記流路に、前記流体の流量を制御する流量制御部を備え、前記温度測定部が、前記内部温度の低下を測定した場合に、その低下に伴って、前記流量制御部が、前記流路を通じて導入する流体の流量を増加させることを特徴とする請求項１記載の積層造形装置。
【請求項６】
前記粉末材料に進展するき裂に対して前記流路を通じて導入する流体の温度を制御する温度制御部が、前記流路に備えられていることを特徴とする請求項１記載の積層造形装置。
【請求項７】
前記作業領域内に、昇降可能な作業台が備えられ、前記造形物は、前記積層動作によって、前記作業台上に成形されるもので、且つ、前記流路は、流路上端と、流路下端とに分けられるとともに、前記流路上端は、前記作業台に取り付けられており、前記流路上端の一端が、前記作業台の昇降位置によって、前記流路上端と、前記流路下端の間に設置された接続部を介して、前記流路下端の一端と接続可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の積層造形装置。
【請求項８】
前記流路から、前記作業領域に導入された流体が、前記作業領域の外へと排出可能な流体排出経路が形成されていることを特徴とする請求項１記載の積層造形装置。
【請求項９】
前記流体排出経路の途中に、前記粉末と、前記流体を分離するフィルタが備えられていることを特徴とする請求項８記載の積層造形装置。
【請求項１０】
薄く展開された粉末材料を造形物の三次元データから導出される描画データに基づき、作業領域内において、選択的に加熱することで焼結部又は溶融部を形成し、さらに、当該焼結部又は溶融部上に新たに薄層を形成する作業を繰り返す積層動作により造形物を成形する積層造形装置を備えた積層造形システムにおいて、
前記作業領域内には、昇降可能な作業台が備えられ、当該作業台上に、前記造形物が、前記積層動作によって成形されるものであり、
前記作業領域には、その内外を接続する流路が、１つ以上備えられており、
且つ、前記作業領域を格納可能とする格納部と、当該格納部の内外を接続する１つ以上の格納部内流路と、を有し、
前記積層動作が終了した後、前記作業領域と、前記作業台と、前記流路とを、前記格納部へと格納するとともに、
前記流路と、前記格納部内流路とを、格納部内接続部を介して接続させ、
未溶融の前記粉末材料に進展するき裂に対し、前記格納部の外部から、前記流路を通じて流体を導入することで、前記焼結部又は溶融部、及び、未溶融の前記粉末材料を強制的に冷却することを特徴とする積層造形システム。
【請求項１１】
前記格納部が、前記造形物の取り出し作業領域として利用可能となっていることを特徴とする請求項１０記載の積層造形システム。
【請求項１２】
前記流路を通じて、前記作業領域に導入された流体が、前記作業領域の外へと排出可能な流体排出経路が形成されていることを特徴とする請求項１０又は１１記載の積層造形システム。
【請求項１３】
前記流体排出経路の途中に、前記粉末と、前記流体を分離するフィルタが備えられていることを特徴とする請求項１２記載の積層造形システム。
【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システム、詳しくは、樹脂を用いた粉末床溶融結合による積層造形において、造形物完成までの時間、特に冷却時間を短縮することが可能な積層造形装置及び積層造形システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、粉末床溶融結合による積層造形装置では、粉末による薄層を形成した後、レーザ等の選択的に熱量投入が可能な手段を用いて、造形物の断面形状を描画し、溶融させている。そして、この薄層の形成と、レーザ描画を繰り返すことで、三次元の造形物を得ることができる。
【０００３】
一般的に、粉末床溶融結合では、結晶性の樹脂が用いられ、薄層形成及びレーザ描画の際には、粉末の温度を融点と再結晶化温度の間に保つことが多い。そして、積層が終了した後は、未溶融の粉末（ケーキと呼ばれる）内に造形物が埋まっている状態であり、積層終了直後の造形物入りケーキの内部温度は、高温（例えば、ナイロン１２であれば、１７０度程度）となっている。
【０００４】
現状では、ケーキは自然空冷され、樹脂が固化し、造形物を掘り出すのに耐えうる温度（例えば、５０度以下）まで冷却されるのを待つことになり、造形物を得るまでに要する冷却時間の長さが課題となっている。また、近年は、装置大型化や、スーパーエンジニアリングプラスティックの材料使用が望まれており、この場合、冷却に要する時間は、著しく長くなってしまうおそれがある。
【０００５】
そこで、特許文献１には、造形物入りケーキの内部温度の冷却を促進させるために、ケーキの内部に１つ以上の熱伝達経路を選択的に形成する工程を含む部品入りケーキをレーザ焼結するための制御冷却方法及び装置が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、構築チャンバの冷却を制御して、構築チャンバと造形物入りケーキの温度を、造形物入りケーキを壊してその内部の少なくとも１つの部品を取り出すことのできる温度まで低下させる工程において、造形物入りケーキの周囲の選択された位置で、造形物入りケーキの温度をモニタリングすることで、造形物入りケーキの冷却を制御するレーザ焼結システムに使用するための取り外し可能な構築チャンバのための温度管理システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１８３１４６号公報
【特許文献２】特許第４９１９３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、伝熱ダクトを形成する部分には造形物は配置できなくなり、造形領域の減少や、造形物の寸法制約に繋がってしまうという指摘がされている。
【０００９】
また、特許文献２に開示されている技術では、構築チャンバの冷却によってケーキを冷却することから、熱の移動は、主に構築チャンバと、ケーキ間で行われることになるが、冷却が進むと、温度低下によって、ケーキが収縮するため、構築チャンバと、ケーキ間に隙間ができ、冷却効率が低下するといった問題がある。
【００１０】
本発明が解決しようとしている課題は、上述の問題に対応するためのもので、造形物配置の制限や、冷却効率の低下を引き起こす特殊な構造を必要とせず、造形物入りケーキの内部温度の冷却を促進させることで、樹脂を用いた粉末床溶融結合による積層造形において、造形物完成までの時間、特に、冷却時間を短縮できる積層造形装置及び積層造形システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の課題を解決するために、本発明は、以下の技術的手段を講じている。
即ち、請求項１記載の発明は、薄く展開された粉末材料を造形物の三次元データから導出される描画データに基づき、作業領域内において、選択的に加熱することで焼結部又は溶融部を形成し、さらに、当該焼結部又は溶融部上に新たに薄層を形成する作業を繰り返す積層動作により造形物を成形する積層造形装置において、前記作業領域の内外を接続する流路を１つ以上有し、前記積層動作が終了した後に、未溶融の前記粉末材料に進展するき裂に対し、前記流路を通じて流体を導入することで、前記焼結部又は溶融部、及び、未溶融の前記粉末材料を強制的に冷却することを特徴とする積層造形装置である。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の積層造形装置であって、前記積層動作終了後の未溶融の前記粉末材料の内部温度を測定する温度測定部を有し、当該温度測定部が、前記内部温度が、規定温度を下回ったことを測定した場合に、前記流路を通じて流体を導入することを特徴としている。そして、請求項３記載の発明は、請求項１記載の積層造形装置であって、積層高さと、その積層高さにおける、前記粉末材料のき裂が進展する前記積層動作終了後からの経過時間が記録されたデータベースを有し、当該データベースに基づき、前記積層動作による積層高さから、前記粉末材料のき裂が進展する前記積層動作終了後からの経過時間を推測し、当該経過時間が到来した際に、前記流路を通じて流体を導入することを特徴としている。
【００１３】
さらに、請求項４記載の発明は、請求項１記載の積層造形装置であって、前記流路に、前記流体の圧力を測定する圧力測定器と、前記流体の流量を制御する流量制御部とをそれぞれ１つ以上有し、前記圧力測定器及び前記流量制御部により、規定の圧力以上の流体が、前記流路を通じて、前記粉末材料に進展するき裂に対し導入されないよう制御することを特徴としている。
【００１４】
そして、請求項５記載の発明は、請求項１記載の積層造形装置であって、前記積層動作終了後の未溶融の前記粉末材料の内部温度を測定する温度測定部と、前記流路に、前記流体の流量を制御する流量制御部を備え、前記温度測定部が、前記内部温度の低下を測定した場合に、その低下に伴って、前記流量制御部が、前記流路を通じて導入する流体の流量を増加させることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項６記載の発明は、請求項１記載の積層造形装置であって、前記粉末材料に進展するき裂に対して前記流路を通じて導入する流体の温度を制御する温度制御部が、前記流路に備えられていることを特徴としている。またさらに、請求項７記載の発明は、請求項１記載の積層造形装置であって、前記作業領域内に、昇降可能な作業台が備えられ、前記造形物は、前記積層動作によって、前記作業台上に成形されるもので、且つ、前記流路は、流路上端と、流路下端とに分けられるとともに、前記流路上端は、前記作業台に取り付けられており、前記流路上端の一端が、前記作業台の昇降位置によって、前記流路上端と、前記流路下端の間に設置された接続部を介して、前記流路下端の一端と接続可能に構成されていることを特徴としている。
【００１６】
そして、請求項８記載の発明は、請求項１記載の積層造形装置であって、前記流路から、前記作業領域に導入された流体が、前記作業領域の外へと排出可能な流体排出経路が形成されていることを特徴としている。また、請求項９記載の発明は、請求項８記載の積層造形装置であって、前記流体排出経路の途中に、前記粉末と、前記流体を分離するフィルタが備えられていることを特徴としている。
【００１７】
さらに、請求項１０記載の発明は、薄く展開された粉末材料を造形物の三次元データから導出される描画データに基づき、作業領域内において、選択的に加熱することで焼結部又は溶融部を形成し、さらに、当該焼結部又は溶融部上に新たに薄層を形成する作業を繰り返す積層動作により造形物を成形する積層造形装置を備えた積層造形システムにおいて、前記作業領域内には、昇降可能な作業台が備えられ、当該作業台上に、前記造形物が、前記積層動作によって成形されるものであり、
前記作業領域には、その内外を接続する流路が、１つ以上備えられており、
且つ、前記作業領域を格納可能とする格納部と、当該格納部の内外を接続する１つ以上の格納部内流路と、を有し、
前記積層動作が終了した後、前記作業領域と、前記作業台と、前記流路とを、前記格納部へと格納するとともに、
前記流路と、前記格納部内流路とを、格納部内接続部を介して接続させ、
未溶融の前記粉末材料に進展するき裂に対し、前記格納部の外部から、前記流路を通じて流体を導入することで、前記焼結部又は溶融部、及び、未溶融の前記粉末材料を強制的に冷却することを特徴とする積層造形システムである。
【００１８】
また、請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の積層造形システムであって、前記格納部が、前記造形物の取り出し作業領域として利用可能となっていることを特徴としている。さらに、請求項１２記載の発明は、請求項１０又は１１記載の積層造形システムであって、前記流路を通じて、前記作業領域に導入された流体が、前記作業領域の外へと排出可能な流体排出経路が形成されていることを特徴としている。そして、請求項１３記載の発明は、請求項１２記載の積層造形システムであって、前記流体排出経路の途中に、前記粉末と、前記流体を分離するフィルタが備えられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る積層造形装置及び積層造形システムによれば、造形物配置の制限や、冷却効率の低下を引き起こす特殊な構造がなくとも、造形物の積層造形後にて必要とされる冷却時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る積層造形装置の第１の実施形態の構成を示した概略図である。
【図２】本発明に係る積層造形装置の第２の実施形態の構成を示した概略図である。
【図３】本発明に係る積層造形装置の第３の実施形態の構成を示した概略図である。
【図４】本発明に係る積層造形装置の第４の実施形態の構成を示した概略図である。
【図５】本発明に係る積層造形装置の第５の実施形態の構成を示した概略図である。
【図６】本発明に係る積層造形システムの第１の実施形態の構成を示した概略図で、（ａ）は積層造形装置、（ｂ）は積層造形装置の一部を格納部に格納した状態を示したものである。
【図７】積層動作及び冷却が終了した造形品入りケーキの写真である。
【図８】作業台と流路の写真である。
【図９】冷却（流体導入による）の有無による内部温度の変化を測定した実験結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
続いて、本発明に係る積層造形装置の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る積層造形装置の第１の実施形態の構成を示した概略図である。また、１０は積層造形装置、１２は作業領域、１４は流路、１６は造形品入りケーキ、１８は作業台、２０は層形成機構、２２は描画機構、２４は昇降機、２６は孔を示している。
【００２２】
まず、図１に示すように、本実施形態における積層造形装置１０は、薄く展開された粉末材料を造形物の三次元データから導出される描画データに基づき、作業領域１２内において、選択的に加熱することで焼結部又は溶融部を形成し、さらに、焼結部又は溶融部上に新たに薄層を形成する作業を繰り返す積層動作により造形物を成形するものである。
【００２３】
さらに、作業領域１２の内外を接続する流路１４を１つ以上有し、積層動作が終了した後に、未溶融の粉末材料（造形物入りケーキ１６）に進展するき裂に対し、流路１４を通じて流体を導入することで、焼結部又は溶融部、及び、未溶融の粉末材料を強制的に冷却することを特徴としている。
【００２４】
続いて、本実施形態における積層造形装置１０について、詳細に説明していく。積層造形装置１０は、図１に示すように、作業領域１２内に作業台１８があり、この作業台１８は、流路１４を有している。本図では、作業台１８上にのみ流路１４が配置されているが、これに限らず、作業領域１２にも流路１４が、備え付けられても良い。また、本図では、作業台１８と、流路１４を個別に配置しているが、流路１４と、作業台１８が一体となっていても構わない。
【００２５】
続いて、流路１４が備え付けられた作業台１８、若しくは、作業領域１２にて、層形成機構２０により、積層動作が実施され、流路１４に接した状態で、造形品入りケーキ１６が形成される。積層動作中は、ヒータ等の加熱手段（図示せず）により、積層した粉面や、作業台１８、作業領域１２が加熱される。
【００２６】
例えば、ナイロン１２を用いた場合、粉面温度は、１７０℃程度まで加熱される。さらに、レーザ等を用いる描画機構２２によって粉面は部分的に焼結又は溶融される。積層動作が終了した後は、加熱手段による加熱を停止させ、造形品入りケーキ１６が、室温程度まで冷却されるのを待つ。
【００２７】
積層動作終了後の造形品入りケーキ１６の内部温度は、積層時の温度とほぼ同等となり、１７０℃程度になる。そして、冷却が進むにつれ、造形品入りケーキ１６にき裂が生じ、き裂は、再結晶化温度（ナイロン（ＰＡ）１２であれば、１３５℃程度、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）であれば、２２０℃程度）に到達すると、大幅に進展すると推測される。
【００２８】
ここで、造形品入りケーキ１６にき裂が発生する要因は、主に２つ考えられている。１つは、冷却によって、造形品入りケーキ１６全体が収縮する際に発生する歪みによって、造形品入りケーキ１６が連続性を維持できずに、き裂が発生する場合、もう１つは、造形品入りケーキ１６と溶融部の収縮量の差によって、き裂が発生する場合である。本発明は、このき裂の発生によって造形品入りケーキ１６内部の表面積が増加するため、この表面から熱を積極的に逃がすことで、冷却を促進しようとするものである。
【００２９】
き裂が進展した段階で、孔２６から作業領域１２内へ流体を導入すると、流体は、造形品入りケーキ１６のき裂や、作業領域１２と造形品入りケーキ１６の間を通って、作業領域１２外へ向かって流れていく。この時、き裂を流れる流体は、造形品入りケーキ１６を内部から冷やす効果がある。なお、粉体を含む流体を作業領域１２の外へと排出させる流体排出経路を形成させとおくと、環境保護の面で好ましい。また、この流体排出経路の途中に、粉末と、流体を分離するフィルタを備えておけば、粉体回収が容易なものとなる。
【００３０】
また、孔２６は、最低でも１つ以上必要であり、き裂の発生位置は、造形品入りケーキ１６の任意の位置になり得ることを鑑みると、実際は、造形品入りケーキ１６と流路１４が接する面に満遍なく配置することが望ましい。
【００３１】
またさらに、孔２６は、粉末が逆流しない程度に小さい孔、若しくは、粉末の粒子径よりも大きな孔に対して、粒子径よりも小さな編み目を持つメッシュ（図示せず）等を用いて、逆流を防ぐ必要がある。
【００３２】
さらに、流量は、使用する粉末材料や、流体、作業領域１２の大きさによって、最適値は変化するが、流量が少ない場合は、冷却効率が低下し、流量が大きすぎる場合は、焼結部または溶融部に大きな負荷がかかり、変形を引き起こしてしまう点には、配慮が必要である。
【００３３】
なお、流体に空気を用いた実験を実施し、孔２６から、およそ５０Ｌ／ｍｉｎの流量を作業領域１２内へ流入させてみたところ、完成した造形品に大きな変形は見られなかった。なお、本実験では、冷却時間は、１６時間程度であり、き裂に流体を流さない場合の条件では、３２時間程度と、大幅な冷却時間の削減が図れることが分かった。
【００３４】
本実施形態では、孔２６からき裂へ流体が導入される例について示したが、逆に、孔２６から流体を吸引する方法を妨げるものではない。ただし、吸引は、未溶融の粉末による孔２６の詰まりが発生する可能性があるため、推奨はされない。
【００３５】
続いて、本発明に係る積層造形装置の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図２は、本発明に係る積層造形装置の第２の実施形態の構成を示した概略図である。符号については、温度測定部が２８である以外は、図１と同様である。
【００３６】
まず、図２に示すように、本実施形態における積層造形装置１０は、薄く展開された粉末材料を造形物の三次元データから導出される描画データに基づき、作業領域１２内において、選択的に加熱することで焼結部又は溶融部を形成し、さらに、焼結部又は溶融部上に新たに薄層を形成する作業を繰り返す積層動作により造形物を成形するものである。
【００３７】
さらに、作業領域１２の内外を接続する流路１４を１つ以上有し、積層動作が終了した後に、未溶融の粉末材料（造形物入りケーキ１６）に進展するき裂に対し、流路１４を通じて流体を導入することで、焼結部又は溶融部、及び、未溶融の粉末材料を強制的に冷却するもので、且つ、積層動作終了後の未溶融の粉末材料の内部温度を測定する温度測定部２８を有し、温度測定部２８が、内部温度が、規定温度を下回ったことを測定した場合に、流路１４を通じて流体を導入するという特徴がある。
【００３８】
続いて、本実施形態における積層造形装置１０について、詳細に説明していく。積層造形装置１０は、図２に示すように、第１の実施形態における構成に加え、造形品入りケーキ１６の内部温度を測定する温度測定部２８を有している。ここで、き裂は、積層時には、全く発生せず、積層動作終了後に冷却が進むことで発生するもので、き裂に流体を導入することを考えれば、き裂が大幅に進展したことを検知、若しくは、推測する必要がある。逆に言えば、き裂が進展していない状態で、孔２６から流体を導入しても大きな冷却効果は見込めないわけである。
【００３９】
上述の通り、き裂は、再結晶化温度との関連性が高く、内部温度が再結晶化温度まで冷却が進んでいれば、き裂が進展したと推測できる。従って、内部温度が、予め規定された温度、具体的には、樹脂の再結晶化温度を下回った後、流体を流路１４、孔２６を通じて、造形品入りケーキ１６のき裂に導入し始めることが、最も効率の良い冷却となる。
【００４０】
なお、他の、き裂進展の推測方法として、積層動作終了後からの経過時間から内部温度を推測することも可能である。造形品入りケーキ１６を自然冷却する場合、冷却に要する時間は積層高さによって規定できる。冷却に要する時間が規定できるため、内部温度が再結晶化温度に到達する時間、つまり、き裂が大幅に進展する時間を推測することも可能となる。
【００４１】
この時間から流体を孔２６から導入し始めることで、冷却を実施することができる。この方法では、内部温度を直接測定しないため、推測の精度は下がるが、温度測定部２８を用いる必要が無いというメリットがある。その場合には、積層高さと、内部温度の関係を経験則、若しくは、理論的な推測から記述したデータベースを用いるのが良い。また、積層高さと、き裂が進展する時間経過の関係を記述したデータベースを用い、積層動作による積層高さから、き裂が進展する積層動作終了後からの経過時間を推測し、経過時間が到来した際に、流体の導入を行うようにするのが好ましい。また、データベースから、近似式を導き、流体の導入時間を決定する方法を採用しても良い。
【００４２】
加えて、推測された造形品の体積や位置によって、内部温度状態は変化するが、造形品入りケーキ１６内での造形品の体積割合は、数％程度に留まり、積層高さによる体積変化の方が、内部温度の冷却に要する時間に対して支配的となる。より高精度な推測を行う場合には、造形品入りケーキ１６内の造形品の体積割合や、位置情報をパラメータとし、熱電導解析による内部温度の推測を行うようにしても良い。
【００４３】
続いて、本発明に係る積層造形装置の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図３は、本発明に係る積層造形装置の第３の実施形態の構成を示した概略図である。符号については、圧力測定部が３０、流量制御部３２である以外は、図１と同様である。
【００４４】
まず、図３に示すように、本実施形態における積層造形装置１０は、薄く展開された粉末材料を造形物の三次元データから導出される描画データに基づき、作業領域１２内において、選択的に加熱することで焼結部又は溶融部を形成し、さらに、焼結部又は溶融部上に新たに薄層を形成する作業を繰り返す積層動作により造形物を成形するものである。
【００４５】
さらに、作業領域１２の内外を接続する流路１４を１つ以上有し、積層動作が終了した後に、未溶融の粉末材料（造形物入りケーキ１６）に進展するき裂に対し、流路１４を通じて流体を導入することで、焼結部又は溶融部、及び、未溶融の粉末材料を強制的に冷却するもので、且つ、流路１４に、流体の圧力を測定する圧力測定器３０と、流体の流量を制御する流量制御部３２とをそれぞれ１つ以上有し、圧力測定器３０と、流量制御部３２により、既定の圧力以上の流体が、流路１４を通じて粉末材料（造形物入りケーキ１６）に進展するき裂に対し導入されないよう制御するという特徴がある。
【００４６】
続いて、本実施形態における積層造形装置１０について、詳細に説明していく。積層造形装置１０は、図３に示すように、第１の実施形態における構成に加え、冷却をより安全、安定的に実施するため、圧力測定部３０と、流量制御部３２を備えている。より具体的には、圧力測定部３０が、流路１４中の圧力を測定し、既定の圧力以上の流体が、流路１４から導入されないように、流量制御部３２に、流量を制御させることで、冷却中の造形品に過負荷をかけないようにするというものである。
【００４７】
冷却中の造形品は、完全には固化しておらず、孔２６からの流体の噴出量過多によるき裂内の圧力増加は、場合によっては、造形品の変形を引き起こす可能性がある。そこで、予め流体の圧力に上限値を設けて置き、規定値の圧力に達しないよう、流量を制御するというものである。
【００４８】
一方で、造形品の固化が進めば、流量制御部３２の制御により流体の流量を増加させ、冷却効率の向上を狙っても良い。この場合は、第２の実施形態における温度測定部２８と、圧力測定部３０、流量制御部３２を備え、温度測定部２８が、内部温度の低下を確認した後、圧力の上限値を変更し、圧力測定部３０が、その上限値を測定するまで、流量制御部３２が、流体の流量を増加させるようにしても良い。加えて、本発明に係る第４の実施形態として、図４に示すように、圧力測定部３０や、流量制御部３２に代わり、流体の温度を制御する流体温度制御部３４を流路１４に備え、流体の温度を制御し、冷却工程を安定化させるようにしても良い。
【００４９】
続いて、本発明に係る積層造形装置の第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図５は、本発明に係る積層造形装置の第５の実施形態の構成を示した概略図である。符号については、流路上端が３６、流路下端が３８、接続部が４０である以外は、図１と同様である。
【００５０】
まず、図５に示すように、本実施形態における積層造形装置１０は、薄く展開された粉末材料を造形物の三次元データから導出される描画データに基づき、作業領域１２内において、選択的に加熱することで焼結部又は溶融部を形成し、さらに、焼結部又は溶融部上に新たに薄層を形成する作業を繰り返す積層動作により造形物を成形するものである。
【００５１】
さらに、作業領域１２の内外を接続する流路１４を１つ以上有し、積層動作が終了した後に、未溶融の粉末材料（造形物入りケーキ１６）に進展するき裂に対し、流路１４を通じて流体を導入することで、焼結部又は溶融部、及び、未溶融の粉末材料を強制的に冷却するものである。
【００５２】
さらに、本実施形態では、作業領域１２内に、昇降可能な作業台１８が備えられ、造形物は、積層動作により、作業台１８上に成形されるもので、且つ、流路１４は、流路上端３６と、流路下端３８に分けられているとともに、流路上端３６は、作業台１８に取り付けられていて、流路上端３６の一端が、作業台１８の昇降機２４による昇降位置によって、流路上端３６と、流路下端３８の間に設置された接続部４０を介して、流路上端３６と、流路下端３８が接続可能に構成されている。
【００５３】
つまり、図５における構成では、流路上端３６と、流路下端３８の間に接続部４０が設けられており、作業台１８が、昇降機２４によって、所定の位置、より具体的には、最下位置に来た時に、接続部４０を介して、流路上端３６と、流路下端３８が接続されるというものである。積層動作中は、作業台１８も加熱されるため、流路上端３６と、流路下端３８を接続させないことにより断熱効果を生じさせ、作業台１８の温度低下を防ぐことが可能となる。
【００５４】
続いて、本発明に係る積層造形システムの第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図６は、本発明に係る積層造形システムの第１の実施形態の構成を示した概略図で、（ａ）は積層造形装置、（ｂ）は積層造形装置の一部を格納部に格納した状態を示したものである。符号については、積層造形システムが４２、格納部が４４、格納部内流路が４６、格納部内接続部が４８、格納部内昇降機５０である以外は、図１と同様である。
【００５５】
まず、図６に示すように、本実施形態における積層造形システム４２は、薄く展開された粉末材料を造形物の三次元データから導出される描画データに基づき、作業領域１２内において、選択的に加熱することで焼結部又は溶融部を形成し、さらに、焼結部又は溶融部上に新たに薄層を形成する作業を繰り返す積層動作により造形物を成形する積層造形装置１０を備えているものである。
【００５６】
さらに、作業領域１２内には、昇降可能な作業台１８が備えられ、この作業台１８上に、造形物が、積層動作によって成形されるもので、作業領域１２を格納可能とする格納部４４と、作業領域１２の内外を接続する１つ以上の流路１４と、格納部４４に設けられた１つ以上の格納部内流路４６とが備えられている。そして、積層動作が終了した後に、作業領域１２と、流路１４と、作業台１８とが、格納部４４へと格納され、流路１４と、格納部内流路４８とを、格納部内接続部４８を介して接続させ、未溶融の粉末材料に進展するき裂に対し、格納部４４の外部から、流路１４を通じて流体を導入することで、前記焼結部又は溶融部、及び、未溶融の前記粉末材料を強制的に冷却することを特徴とするものである。
【００５７】
本実施形態における積層造形システム４２では、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、冷却は、積層造形装置１０内で行う必要はなく、別途設けた格納部４４で実施することにより、冷却終了を待たずして、次の積層動作を行うことができるという効果が奏される。
【００５８】
また、格納部４４は、造形品の取り出し作業領域を兼ねても良く、冷却が終了した後、直ちに、造形品の取り出し作業に取り掛かることが可能となる。このとき、本実施形態では、作業台１８を格納部内昇降機５０で昇降させることにより、造形品の取り出し作業に適した場所へ移動させることが可能となっている。
【００５９】
現状では、積層造形装置１０と、取り出し作業領域は、別に設けられて運用されることが多いが、本実施形態における積層造形システム４２での最良の運用方法は、格納部４４と、取り出し作業領域を一体化させ、スペース効率と、冷却効率の両立を図ったものである。
【００６０】
なお、粉体を含む流体を作業領域１２の外へと排出させる流体排出経路を形成させとおくと、環境保護の面で好ましい。また、この流体排出経路の途中に、粉末と、流体を分離するフィルタを備えておけば、粉体回収が容易なものとなる。
【００６１】
（実験）
ここで、積層動作後の冷却の有無（通気あり・なし）による内部温度の変化の差を明らかにすべく実験を行った。図７に、積層動作及び冷却が終了した造形品入りケーキの写真を示す。図に示すように、造形品入りケーキには、き裂が発生しており、このき裂を流体（本実験では、空気）の通り道として使用した。
【００６２】
この造形品入りケーキの底面には、図８に示す作業台と、流路が設置されている。この流路には、直径３ｍｍ程度の孔が１７箇所開いており、その孔を金属メッシュで覆っている。積層動作終了後に、流路に空気を流し、孔から空気を噴出させることで、き裂に空気を流し造形品入りケーキの冷却を促した。なお、本実験では、造形品入りケーキを作業領域からは出さずに、空気を流した。
【００６３】
図９に冷却の有無（通気あり・なし）による内部温度の変化を測定した結果を示す。初期温度は１６０℃程度であり、これが時間経過とともに下がっていく。冷却目標温度は５０℃（ガラス転移点）とした。
【００６４】
図９のグラフに示す通り、従来手法（流体導入による冷却無し）では、１６時間の冷却時間を要し、本発明に係る流体の導入による冷却を行った場合は、冷却時間を１／２程度にまで短縮できることが分かった。また、作製した造形品の寸法や、強度は、上記従来手法による品質と同程度のものを維持することも確認できた。
【符号の説明】
【００６５】
１０  積層造形装置
１２  作業領域
１４  流路
１６  造形品入りケーキ
１８  作業台
２０  層形成機構
２２  描画機構
２４  昇降機
２６  孔
２８  温度測定部
３０  圧力測定部
３２  流量制御部
３４  流体温度制御部
３６  流路上端
３８  流路下端
４０  接続部
４２  積層造形システム
４４  格納部
４６  格納部内流路
４８  格納部内接続部
５０  格納部内昇降機
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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