(57)【要約】【課題】複数種の積層造形用原料粉末について、それぞれの粉敷き性を短時間内に評価できる評価装置を提供する。【解決手段】本発明の粉敷き性評価装置は、平坦な評価ステージ（１２）と、評価ステージ上に積層造形用原料粉末を層状上に敷くリコータ（２）と、評価ステージの上面に対してリコータを平行移動させる移動手段（３）と、リコータにより評価ステージ上に形成された粉体層（ｐ）の上側表面である粉面を計測する計測機器（４）と、計測機器を粉面上で移動可能に支持する支持手段（７）とを備える。積層造形装置と別に設けた評価装置を用いることにより、原料粉末の種類を交換するときに必要となる清掃時間を大幅に短縮でき、複数種の原料粉末について、それぞれの粉敷き性を効率的に評価できる。特に、白色干渉方式の三次元レーザ変位計を用いると、リコートされた粉体層の粉面の状態を三次元的に定量評価できて好ましい。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価ステージと、
該評価ステージ上に積層造形用原料粉末を層状上に敷くリコータと、
該評価ステージの上面に対して該リコータを平行移動させる移動手段と、
該リコータにより該評価ステージ上に形成された粉体層の上側表面である粉面を計測する計測機器と、
該計測機器を該粉面上で移動可能に支持する支持手段と、
を備える積層造形用原料粉末の粉敷き性評価装置。
【請求項２】
前記リコータは、前記積層造形用原料粉末の粉敷きと結合とを繰り返して所望の三次元造形物を得る積層造形装置に用いられる実機リコータと同仕様である請求項１に記載の粉敷き性評価装置。
【請求項３】
前記リコータは、前記積層造形用原料粉末の供給ガイドを有する請求項１または２に記載の粉敷き性評価装置。
【請求項４】
前記支持手段は、前記リコータと前記計測機器の干渉を回避できる請求項１〜３のいずれかに記載の粉敷き性評価装置。
【請求項５】
前記支持手段は、前記計測機器を前記評価ステージに対して水平方向へ移動させる水平ステージと、該計測機器を該評価ステージに対して垂直方向へ移動させる垂直ステージとを備える請求項１〜４のいずれかに記載の粉敷き性評価装置。
【請求項６】
前記計測機器は、レーザ変位計である請求項１〜５のいずれかに記載の粉敷き性評価装置。
【請求項７】
前記評価ステージは、１〜５００μｍのピッチで降下できる請求項１〜６のいずれかに記載の粉敷き性評価装置。
【請求項８】
前記評価ステージは、上面積が１０〜１０００ｃｍ２である請求項１〜７のいずれかに記載の粉敷き性評価装置。
【請求項９】
前記移動手段は、前記リコータを１〜５００ｍｍ／ｓｅｃで水平移動させ得る請求項１〜８のいずれかに記載の粉敷き性評価装置。
【請求項１０】
前記支持手段は、前記計測機器を前記粉面上で水平移動させときの垂直変位を４０μｍ以下とする請求項１〜９のいずれかに記載の粉敷き性評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層造形装置（いわゆる３Ｄプリンター）に用いられる原料粉末の粉敷き性を評価する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、試作品の製造に係るコストや時間を短縮するために、多数の断面層を積層して所望の造形物を得る積層造形法（ＡＭ：Additive Manufacturing／ＲＰ：Rapid Prototyping）が多用されている。積層造形法は、光硬化性樹脂を用いる光造形法に始まり、種々の方法が提案されている。その中でも、層状に敷いた粉末を所望の立体形状に応じて順に焼結（溶融を含む。）または結着させて造形物を得る粉末積層造形法が現在の主流となりつつある。
【０００３】
粉末積層造形法の場合、原料粉末を一層ずつ敷くリコートの良否が造形物の品質（密度分布等）に大きな影響を及ぼし得る。このため、リコートを行う装置（単に「リコータ」という。）の改良（特許文献１等）や、リコートされた粉面（リコート面）を定性的に監視しつつ積層造形を行う装置等が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２０１５／１５１８３１
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】日本機械学会  2016 年度年次大会  概要集S0440303「リコート粉面の画像処理による評価方法の検討
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、高品質な造形物を得るためには、リコータの改良や積層工程の監視を行う以前に、先ず、積層造形に適した原料粉末を的確に選択して用いることが重要となる。成分組成や形態（粒子形状、粒度分布等）が異なる多数の原料粉末中から適切なものを選定するためには、従来、積層造形装置（単に「実機」という。）を用いて積層造形を行うか、少なくとも非特許文献１にあるように、実機によりリコータした粉面を観察（顕微カメラの撮像を画像処理）して評価する必要があった。
【０００７】
ところが、そのような方法で複数の原料粉末の特性（粉敷き性）を評価する場合、原料粉末を変更する度に、造形室の内部等を丁寧に清掃する必要があった。しかも、その清掃には非常に長時間（少なくとも１時間以上）を要するため、原料粉末の変更（選定作業）は多大な工数負担を伴うものであった。
【０００８】
また、非特許文献１の評価は定性的であり、原料粉末の選定を的確に行えるものではなかった。さらに非特許文献１の評価は、粉末粒子表面からの反射光に基づく画像処理に依るため、反射光が散乱する不規則形状粒子や反射光が小さい微細粒子からなる原料粉末を適切に評価できなかった。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、積層造形に用いる原料粉末の選定を効率的または的確に行う際に役立つ積層造形用原料粉末の粉敷き性評価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】
【００１０】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、積層造形装置（実機）とは別に設けた評価装置により、各原料粉末の粉敷き性を評価することを着想し、これを具現化した装置を完成させた。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
【００１１】
《粉敷き性評価装置》
（１）本発明の積層造形用原料粉末の粉敷き性評価装置（単に「評価装置」という。）は、評価ステージと、該評価ステージ上に積層造形用原料粉末を層状上に敷くリコータと、該評価ステージの上面に対して該リコータを平行移動させる移動手段と、該リコータにより該評価ステージ上に形成された粉体層の上側表面である粉面を計測する計測機器と、該計測機器を該粉面上で移動可能に支持する支持手段と、を備える。
【００１２】
（２）本発明の評価装置によれば、実機と切り離して積層造形用原料粉末（単に「原料粉末」という。）の粉敷き性を評価できる。このため、原料粉末を変更する度に、多くの箇所を長時間かけて清掃する必要もなく、複数の原料粉末の評価を非常に効率的に行うことができ、ひいては原料粉末の選定作業に係る負担を大幅に軽減できる。
【００１３】
また、計測機器により粉面を観察することにより、各原料粉末毎に定量的な評価も可能となる。この結果、粉末積層装置（特にリコータ）や造形物の形態（形状や大きさ等）に応じた的確な原料粉末の選択が可能となる。なお、原料粉末が適切に選択されると、リコートされた粉体層の均一化や緻密化が図られ、ひいては積層造形物の品質（密度や寸法精度等）の向上に繋がる。
【００１４】
《その他》
（１）本明細書でいう「粉敷き性」は、リコートされた粉体層の状態を示す指標の少なくとも一つである。どのような指標により原料粉末の粉敷き性を評価するかは、計測機器の種類や計測方法により異なる。粉敷き性の指標として、例えば、粉面の粗さやうねり、粒子（粒度）の分布状況等がある。
【００１５】
（２）本明細書でいう「（粉末）積層造形法」とは、粉末焼結積層造形法でも、粉末固着積層造形法でもよい。粉末焼結積層造形法によれば、各層の原料粉末に加熱源であるレーザー光等を逐次照射して、その原料粉末を順次焼結（溶融を含む。）させていくことにより、造形物を製造できる。粉末固着積層造形法によれば、各層の原料粉末に、接着剤（インク）を逐次吹付けて、その原料粉末を順次結着させていくことにより、造形物を製造できる。
【００１６】
（３）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】一実施例である評価装置を模式的に示す正面図である。
【図１Ｂ】その側面図である。
【図２】その評価装置で設けたリコータの周辺を模式的に示す斜視図である。
【図３】その評価装置を用いて計測した第１粉末と第２粉末の各粉面を示す画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、粉敷き性の評価装置としてのみならず、それを用いた評価方法にも適宜該当する。
【００１９】
《評価ステージ》
評価装置は、積層造形装置から独立している。このため評価ステージは、積層造形装置の昇降ステージと形態（大きさ、形状）が異なっていてよい。つまり、評価ステージは、原料粉末の粉敷き性を計測機器で適切に評価できる平坦度や大きさ等を備えれば足る。例えば、評価ステージは、粉敷きをする表面の面積（上面積）が１０〜１０００ｃｍ２ さらには３０〜５００ｃｍ２程度でもよい。
【００２０】
評価ステージ上に原料粉末を一層敷いたときのみならず、原料粉末を複数層敷いたときの粉敷き性を評価する場合、評価装置は評価ステージの昇降手段を備えると好ましい。昇降手段は、評価ステージを所定深さ（ピッチ）毎に順次降下させる降下手段を少なくとも備えると好ましい。１回あたりの移動量（ピッチ）は、リコータにより形成される粉体層の厚さに応じてなされるが、少なくとも原料粉末の粒度（粒子の最大長）よりも大きいと好ましい。例えば、ピッチは１〜５００μｍさらには１０〜１００μｍとするとよい。
【００２１】
《リコータ》
（１）本発明の評価装置は、基本的に、原料粉末自体の特性（粉敷き性）を評価するものである。このためリコータは、評価装置専用であり、実機に用いるリコータ（実機リコータ）と同仕様でなくてもよい。
【００２２】
もっとも、評価装置でも用いるリコータも、実機リコータと同仕様であると、実機に沿った粉敷き性の評価が可能となり好ましい。なお、実機とは、積層造形用原料粉末の粉敷きと結合とを繰り返して所望の三次元造形物を得る積層造形装置である。
【００２３】
ちなみに、リコータにも複数の種類があり、仕様（構造や機構等）が必ずしも同じではない。例えば、原料粉末を略平に均して粉体層とする部分が、ブレード（ヘラ）状のリコータもあれば、ローラ状のリコータ等もある。
【００２４】
評価装置の場合、粉敷き性を評価できる程度の原料粉末がリコータへ供給されれば良い。そこで本発明に係るリコータは、粉敷き性の評価に足る量の原料粉末を保持または供給できる供給ガイドを、上方開口部に備えると好ましい。これにより、評価に必要な原料粉末を確保しつつ、その交換時の清掃工数を削減できる。
【００２５】
（２）粉体層は、リコータを評価ステージの上面に対して平行移動（具体的には水平移動）させることにより形成される。リコータの移動手段は種々考えられる。例えば、リコータの左右両側を摺動可能に支持するレールと、リコータをそのレールに沿って移動させる駆動部により構成できる。本明細書では、このようなレールと駆動部からなる移動手段を、適宜、「スライダー」という。なお、リコータの移動速度は、実機に沿ったものであると好ましい。例えば、リコータは１〜５００ｍｍ／ｓｅｃで水平移動されると好ましい。
【００２６】
《計測機器》
計測機器は、リコータにより形成された粉体層の上面（粉面）を観察または計測できるものである。例えば、レーザ変位計、ビデオマイクロスコープ等を用いることができる。中でも、白色干渉方式の三次元レーザ変位計等を用いれば、所定範囲（視野）内にある粉面の状態（凹凸、うねり、粒度分布等）の三次元的な定量評価を、高速・高精細で行える。なお、ビデオマイクロスコープ等を用いる場合、画像処理して定量的な評価を行ってもよい。
【００２７】
粉面の測定（観察）範囲は、一箇所あたり０．０１〜１．０ｃｍ２であると好ましい。その領域（視野）が過小では、リコータ面の状態を的確に評価し難く、それが過大では効率的な評価が困難となる。また、リコート面の測定は、１箇所に限らず、複数箇所、例えば、一つのリコート面に対して４〜１００箇所さらには１６〜６４箇所でなされると好ましい。なお、複数の測定箇所は、リコート面に対して均等配置（例えば、桝目状配置）されているとより好ましい。
【００２８】
《支持手段》
支持手段は、計測機器を粉面上で移動可能に支持する。移動方向や移動範囲は計測機器により異なる。支持手段は、少なくとも、リコータと計測機器の干渉を回避できると好ましい。回避動は、上方への直線動でも旋回動でもよい。
【００２９】
支持手段は、測定する粉面位置の設定やピント合せ等を行うために、計測機器を所定位置まで精度良く移動できると好ましい。例えば、計測機器を評価ステージに対して水平方向へ移動させる水平ステージと、計測機器を評価ステージに対して垂直方向へ移動させる垂直ステージとを支持手段が備えると好ましい。なお、本明細書でいう「垂直」方向は、特に断らない限り、「鉛直」方向を意味し、上下は鉛直方向に沿った方向をいう。
【００３０】
水平ステージは、例えば、一軸方向（Ｘ軸方向）または二軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向）へ高精度に計測機器を移動できる機構を備える。垂直ステージは、例えば、一軸方向（Ｚ軸方向）へ高精度に計測機器を移動できる機構を備える。いずれのステージにも市販品を利用できる。ステージの駆動は手動式でも、サーボモータ等を用いた自動式（電動式）でもよい。
【００３１】
なお、計測機器は相応な重量を有するため、それを支持する各ステージ、各ステージを取り付ける部材、さらには全体を支持する支柱や筐体等は十分な剛性があると好ましい。特に、計測機器が少なくとも粉面上を水平に移動するとき、垂直方向（上下方向）の変位（垂直変位）が４０μｍ以下、２０μｍ以下さらには１０μｍ以下となる程度の剛性を支持手段が備えると好ましい。
【００３２】
《その他》
（１）防塵対策
計測機器や可動部（移動手段、支持手段等）は、原料粉末等の粉塵の侵入を防ぐために防塵対策がされていると好ましい。これにより、粉敷き性の安定した評価、評価装置の耐久性向上等を図れると共に、原料粉末を交換する際の清掃時間の短縮も図れる。例えば、防塵仕様の部品・部材を使用すればよい。
【００３３】
但し、防塵対策を行っても、異なる原料粉末の粉敷き性を評価するときは、評価装置の清掃が多少必要となる。このため評価装置は、分解性および組立性に優れる構造である程、複数の原料粉末の評価を効率的に行えて好ましい。
【００３４】
（２）原料粉末
成分組成や形態（粒子形状、粒径、粒度分布等）が異なる種々の粉末が、粉敷き性評価の対象となる。なお、金属粉末（例えば、ＡｌまたはＡｌ合金からなるＡｌ系粉末）が積層造形に用いられることが多いが、金属粉末でも成分組成や形態が異なる多数の粉末が存在する。
【実施例】
【００３５】
製作した評価装置を用いて原料粉末の粉敷き性を評価した。この具体例を示しつつ、以下に本発明をさらに詳しく説明する。
【００３６】
《評価装置》
本発明の一実施例である評価装置Ｓを模式的に描いた正面図を図１Ａに、その側面図を図１Ｂにそれぞれ示した。また、評価装置Ｓに設けたリコータ２の周辺を拡大した斜視図を図２に示した。評価装置Ｓは、リコータベース１と、リコータ２と、スライダー３と、計測機器４と、スタンドベース５と、スタンド６と、計測フレーム７と、コントローラ（図略）とを備える。なお、コントローラは、評価装置Ｓの専用ユニットでもよいが、パソコン等でもよい。また、本発明でいう支持手段は、少なくとも計測フレーム７により構成される。但し、計測フレーム７を支持するスタンド６も含めて支持手段と解してもよい。
【００３７】
リコータベース１は、平坦なベースプレート１１と、その略中央に配設されて昇降可能な評価ステージ１２とからなる。評価ステージ１２もベースプレート１１と同様に平坦なプレート状をしており、ベースプレート１１と面一状態から所定の移動量毎に降下できる。本実施例では、評価ステージ１２を１００×１００ｍｍの略矩形状とし、その降下ピッチを１μｍ、最大移動量（ストローク）を２ｍｍとした。なお、評価ステージ１２の昇降動は、ボールネジ等の伝動機構を作動させるサーボモータをコントローラで駆動制御することにより行える。
【００３８】
リコータ２は、リコータ本体２１と、その上方開口に設けた原料粉末の供給ガイド２２とからなる。リコータ本体２１には、粉末積層造形装置（SLM Solutions社製  SLM280HL）のリコータを用いた。このリコータ本体２１は、ブレードで原料粉末を均すタイプである。
【００３９】
スライダー３（移動手段）は、ベースプレート１１の左右端側（図２参照）に立設したレール３１１、３２１と、レール３１１、３２１上を前後方向（図２参照）に摺動するガイド３１２、３２２と、ガイド３１２、３２２を前後に駆動する駆動部（図略）とからなる。駆動部は、例えば、コントローラにより制御されたサーボモータが、ベルト・プーリ等からなる伝動機構を作動させることにより実現される。この駆動部により、ガイド３１２、３２２により左右端側が保持されたリコータ２は、１〜５００ｍｍ／ｓｅｃ内の一定速度（本実施例の常用速度：１２０ｍ／ｓｅｃ）で、前後方向に水平動可能となっている。
【００４０】
計測機器４には、白色干渉方式の三次元レーザ変位計（株式会社キーエンス製白色干渉３Ｄ変位計／コントローラ：WI-5000、センサヘッド：WI-001）を用いた。計測機器４は、ホルダー７４を介して後述するＸＹ軸ステージ７２に取り付けられている。
【００４１】
スタンドベース５は、リコータベース１の左右外側に配設されており、ベースプレート５１、５２と、ベースプレート５１の前後端側に磁着脱できるマグネットベース５１１、５１２およびベースプレート５２の前後端側に磁着脱できるマグネットベース５２１、５２２とからなる。
【００４２】
スタンド６は、マグネットベース５１１、５１２、５２１、５２２からそれぞれ垂直に立設された支柱６１１、６１２、６２１、６２２と、支柱６１１、６１２の上端側を前後方向に架橋する支柱６１３と、支柱６２１、６２２の上端側を前後方向に架橋する支柱６２３と、支柱６１３、６２３の中間を左右方向に架橋する支柱６３０とからなる。いずれの支柱も鋼鉄製の十分に太いパイプから構成されており、計測機器４等の重量に対して十分な剛性を有する。これにより、支柱６３０に懸架された計測機器４の上下方向（鉛直方向）の変位量（≒支柱６３０のたわみ量）は殆どない状態となっている。
【００４３】
計測フレーム７は、Ｘ軸方向（図１Ａ参照）への摺動が可能なように支柱６３０に嵌挿されたＺ軸ステージ（株式会社ミスミグループ製 （高精度）Ｘ軸  アリ溝  ラック＆ピニオン式）７１と、断面Ｌ字状の中間プレート７３を介してＺ軸ステージ７１に取り付けられたＸＹ軸ステージ７２（株式会社ミスミグループ製 （高精度）ＸＹ軸  アリ溝  ラック＆ピニオン式  長方形）と、ＸＹ軸ステージ７２に取付けられて計測機器４を保持するホルダー７４とからなる。
【００４４】
Ｚ軸ステージ７１とＸＹ軸ステージ７２の各軸方向への移動は、操作ハンドル（図略）を回転させることによりなされる。操作ハンドル１回転あたりの移動量は２０ｍｍ以下が好ましく（本実施例では１８ｍｍ）、最大移動量は１２０ｍｍ以上が好ましい（本実施例では１２０ｍｍ）。なお、各ステージの操作は、手動に限らず電動としてもよい。
【００４５】
《粉敷き性評価》  
評価装置Ｓを用いて、原料粉末の粉敷き性を評価した。原料粉末として、２種類の積層造形用のアルミニウム合金粉、すなわち、第１粉末（LPW Technology社製  AlSi10Mg）と第２粉末（東洋アルミニウム株式会社製  ３Ｄ積層造形用アルミニウム合金粉末  AlSi10Mg  typeA）を用意した。各原料粉末の粉敷き（リコート）と、その粉面の計測・評価は次のような手順で行った。
【００４６】
（１）粉敷き
供給ガイド２２からリコータ本体２１へ原料粉末を充填する。評価ステージ１２を所定位置（本実施例：深さ６０μｍ）まで移動させる。Ｚ軸ステージ７１を操作して、リコータ２と干渉しない位置まで計測機器４を退避させる。リコータ本体２１を一定速度（本実施例：１２０ｍｍ／ｓｅｃ）で１回または複数回（本実施例：２回）水平移動させる。こうして評価ステージ１２上に所定厚さ（本実施例：１２０μｍ）の粉体層ｐを形成する。
【００４７】
（２）計測・評価
リコータ２を初期位置（粉敷き開始前の位置）まで退避させた状態で、Ｚ軸ステージ７１およびＸＹ軸ステージ７２を操作して、計測機器４を評価ステージ１２上に形成した粉体層ｐの粉面上に移動させる。
【００４８】
Ｚ軸ステージ７１を操作してピントを合わせた後、計測機器４で各粉面の算術平均高さ（Ｓａ）を計測した結果を図３に併せて示した。
【００４９】
図３から明らかなように、第１粉末は全体的にＳａが小さくて粉敷きが均一的になされていることがわかる。一方、第２粉末はＳａが大きくて不均一な粉敷きとなっていることがわかる。いずれにしても、各粉末の粉敷き性を定量評価（本実施例の指標：Ｓａ）できることがわかった。また、計測機器４として白色干渉３Ｄ変位計を用いることにより、汎用粉の一部（○囲み部分）に窪み（空隙）が形成され易いことも一目で把握できた。
【００５０】
なお、粉敷き性の評価対象は、評価ステージ上に原料粉末を単にリコートしただけの粉面に限らず、リコートした粉面に意図的に窪み等を設け、その粉面へさらにリコートした粉面等でもよい。後者により、実際の積層造形中に生じ得る粉面が模擬的に再現され、より的確な原料粉末の選定が可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
Ｓ    粉敷き性評価装置
１２  評価ステージ
２    リコータ
３    スライダー（移動手段）
４    計測機器
６    スタンド
７    計測フレーム（支持手段）
ｐ    粉体層
【図１Ａ】
2019043107.tif 000003
【図１Ｂ】
2019043107.tif 000004
【図２】
2019043107.tif 000005
【図３】
2019043107.tif 000006