(57)【要約】【課題】安定して粉末材料をステージに供給することができると共に、処理室内が粉末材料で汚れることを抑制することができる３次元積層造形装置を提供する。【解決手段】３次元積層造形装置１は、ステージ４と、粉末供給ユニット７と、を備えている。粉末供給ユニット７は、粉末カートリッジ２１と、粉末カートリッジ２１を着脱可能に保持する保持機構２２と、を備えている。また、粉末カートリッジ２１は、ステージ４に敷き詰められる一層分、あるいは複数層分の粉末材料Ｍ１を収容する容器本体２６と、容器本体２６に設けられ粉末材料Ｍ１が排出される排出口２６ａと、を有する。【選択図】図４
2015182252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形物を形成するための粉末材料が積層されるステージと、
前記ステージに前記粉末材料を敷き詰める粉末供給ユニットと、を備え、
前記粉末供給ユニットは、
前記粉末材料を収容し、かつ前記粉末材料を前記ステージに排出する粉末カートリッジと、
前記粉末カートリッジを着脱可能に保持する保持機構と、を備え、
前記粉末カートリッジは、
前記ステージに敷き詰められる一層分、あるいは複数層分の前記粉末材料を収容する容器本体と、
前記容器本体に設けられ前記粉末材料が排出される排出口と、を有する
３次元積層造形装置。
【請求項２】
前記粉末供給ユニットは、
前記粉末カートリッジを保持する前記保持機構を前記ステージの上方において、前記ステージにおける前記粉末材料が敷き詰められる一面と平行をなす方向に移動可能に支持する移動機構を有する
請求項１に記載の３次元積層造形装置。
【請求項３】
前記粉末供給ユニットは、複数の前記保持機構を備え、
複数の前記保持機構には、それぞれ前記粉末カートリッジが着脱可能に保持される
請求項１又は２に記載の３次元積層造形装置。
【請求項４】
前記粉末カートリッジは、
前記容器本体に収容された前記粉末材料の詰まりを解消する詰まり防止機構を有する
請求項１〜３のいずれかに記載の３次元積層造形装置。
【請求項５】
前記詰まり防止機構は、
前記容器本体の中に回転可能に設けられた回転翼からなる
請求項４に記載の３次元積層造形装置。
【請求項６】
前記粉末カートリッジは、
前記容器本体の中に配置され、前記粉末材料を削り、前記粉末材料の粒径よりも小さな粒径の粉末材料を生成する粉砕機構を有する
請求項１〜５のいずれかに記載の３次元積層造形装置。
【請求項７】
前記粉末カートリッジを格納するカートリッジ格納庫をさらに備えた
請求項１〜６のいずれかに記載の３次元積層造形装置。
【請求項８】
使用済みの粉末カートリッジと、前記カートリッジ格納庫に格納された前記粉末カートリッジを交換するカートリッジ交換機構をさらに備えた
請求項７に記載の３次元積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージ上に粉末材料を薄く敷いた層を一層ずつ重ねて造形する３次元積層造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、粉末材料を薄く敷いた層を一層ずつ重ねて造形する３次元積層造形技術が脚光を浴びており、粉末材料の材料や造形手法の違いにより多くの種類の３次元積層造形技術が開発されている
【０００３】
従来の３次元積層造形装置の造形方法としては、例えば粉末材料を粉末台であるステージの上面に一層毎に敷き詰める。次に、ステージ上に敷き詰められた粉末材料に対し、造形物の一断面に相当する二次元構造部だけを電子ビームやレーザからなる溶融機構で溶融する。そして、そのような粉末材料の層を一層ずつ高さ方向（Ｚ方向）に積み重ねることにより造形物を形成している。
【０００４】
次に、従来の３次元積層造形装置の一例について、図２０を参照して説明する。
図２０は、従来の３次元積層造形装置の一例を示す概略構成図である。
【０００５】
図２０に示すように、３次元積層造形装置２００は、造形処理を行う中空の処理室２０２と、処理室２０２内に配置されたステージ２０４と、ステージ２０４上面に粉末材料を吐出する吐出ヘッド２２１を有している。また、３次元積層造形装置２００は、粉末材料を貯蔵する粉末貯蔵庫２２５と、粉末貯蔵庫２２５と吐出ヘッド２２１とを連通する搬送パイプ２２６と、搬送パイプ２２６を介して粉末貯蔵庫２２５から吐出ヘッド２２１に粉末材料を搬送する不図示の粉末搬送機構と、を有している。
【０００６】
また、吐出ヘッド２２１は、第１のガイド部２２３と、第２のガイド部２２４によってステージ２０４の一面と平行をなす方向に移動可能に支持されている。
【０００７】
そして、粉末搬送機構により搬送パイプ２２６を介して粉末貯蔵庫２２５から吐出ヘッド２２１に粉末が搬送される。次に、吐出ヘッド２２１は、第１のガイド部２２３及び第２のガイド部２２４によって、ステージ２０４の一面と平行をなす方向に移動する。そして、吐出ヘッド２２１からステージ２０４の一面に粉末材料を吐出されることで、ステージ２０４の一面に粉末材料が敷き詰められる。
【０００８】
また、特許文献１には、平板状の規制部材を、造形物を形成する造形枠の上面を水平方向に移動させて、ステージの上面に粉末材料を搬送すると共に、粉末材料全体が一定の厚みとなるようにステージの上面に敷き詰める技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１５２２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図２０に示す３次元積層造形装置２００では、粉末貯蔵庫２２５と吐出ヘッド２２１を連通する搬送パイプ２２６内に粉末材料が詰まるおそれがあり、安定して吐出ヘッド２２１からステージ２０４に粉末材料を吐出することができなくなる、という問題を有していた。
【００１１】
また、特許文献１に開示された技術では、ステージの上面から除去された粉末材料が無駄になっていた。さらに、規制部材が粉末材料を搬送する際に、粉末材料が処理室内で飛散し、この飛散した粉末材料が処理室内に付着して、処理室内部を汚染する、という問題を有していた。
【００１２】
本発明の目的は、上記の問題点を考慮し、安定して粉末材料をステージに供給することができると共に、処理室内が粉末材料で汚れることを抑制することができる３次元積層造形装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の３次元積層造形装置は、造形物を形成するための粉末材料が積層されるステージと、ステージに粉末材料を敷き詰める粉末供給ユニットと、を備えている。粉末供給ユニットは、粉末材料を収容し、かつ粉末材料をステージに排出する粉末カートリッジと、粉末カートリッジを着脱可能に保持する保持機構と、を備えている。また、粉末カートリッジは、ステージに敷き詰められる一層分、あるいは複数層分の粉末材料を収容する容器本体と、容器本体に設けられ粉末材料が排出される排出口と、を有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の３次元積層造形装置によれば、搬送パイプを有していないため、搬送パイプ内に粉末材料が詰まる心配がなく、安定して粉末材料をステージに供給することができる。さらに、粉末カートリッジの容器本体内に造形物を形成する粉末材料を、小分けして収容することで、処理室内が粉末材料で汚れることを抑制することができ、粉末材料が無駄になることを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置を示す概略平面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置を示す概略平面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の粉末供給ユニットの要部を示す断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置のカートリッジ格納庫の近傍について示す断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置を示す概略平面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の粉末供給ユニットの要部を示す断面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の粉末供給ユニットを示す正面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の粉末カートリッジを示すもので、図９Ａは粉末カートリッジの平面図、図９Ｂは粉末カートリッジを示す断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の粉末供給ユニットの要部を示す断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の粉末カートリッジを示すもので、図１１Ａは粉末カートリッジの平面図、図１１Ｂは粉末カートリッジを示す断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の粉末カートリッジの要部を拡大して示す断面図である。
【図１３】本発明の第４の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の粉末カートリッジから排出された粉末材料の状態を示す説明図である。
【図１４】本発明の第５の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の粉末供給ユニットを示すもので、図１４Ａは粉末供給ユニットの要部を示す断面図、図１４Ｂは粉末供給ユニットの要部を示す側面図である。
【図１５】本発明の第５の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の粉末供給ユニット及びカートリッジ交換機構を示す断面図である。
【図１６】本発明の第５の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置のカートリッジ交換機構を示すもので、図１６Ａは交換筒を示す断面図、図１６Ｂはカートリッジ交換機構を平面で切断した断面図である。
【図１７】本発明の第５の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置のカートリッジ交換機構における交換動作を示す説明図である。
【図１８】本発明の第５の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置のカートリッジ交換機構における交換動作の要部を示す断面図である。
【図１９】本発明の第５の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の変形例を示す断面図である。
【図２０】従来の３次元積層造形装置の一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の３次元積層造形装置の実施の形態例について、図１〜図１９を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、説明は以下の順序で行うが、本発明は、必ずしも以下の形態に限定されるものではない。
１．第１の実施の形態例
１−１．３次元積層造形装置の構成
１−２．３次元積層造形装置の動作
２．第２の実施の形態例
３．第３の実施の形態例
４．第４の実施の形態例
５．第５の実施の形態例
５−１．３次元積層造形装置の構成
５−２．粉末カートリッジの交換動作
５−３．変形例
【００１７】
１．第１の実施の形態例
１−１．３次元積層造形装置の構成
まず、本発明の３次元積層造形装置の第１の実施の形態例について図１を参照して説明する。
図１は、本例の３次元積層造形装置を模式的に示す説明図である。
【００１８】
図１に示す３次元積層造形装置１は、例えば、チタン、アルミニウム、鉄等の金属粉末からなる粉末材料に電子ビームを照射して粉末材料を溶融させ、この粉末材料が凝固した層を積み重ねて立体物を造形する装置である。
【００１９】
３次元積層造形装置１は、中空の処理室２と、造形枠３と、平板状のステージ４と、ステージ駆動機構５と、粉末供給ユニット７と、電子銃８と、カートリッジ格納庫９とを有している。ここで、ステージ４の一面と平行をなす方向を第１の方向Ｘ１とし、第１の方向Ｘ１と直交し、かつステージ４の一面と平行をなす方向を第２の方向Ｙ１とする。また、ステージ４の一面と直交する方向を第３の方向Ｚ１とする。
【００２０】
処理室２には、図示していない真空ポンプが接続されている。そして、処理室２内の雰囲気が真空ポンプにより排気されることで、処理室２内は、真空に維持されている。この処理室２内には、造形枠３と、ステージ４、ステージ駆動機構５及び粉末供給ユニット７が設けられている。また、処理室２の第１の方向Ｘ１の一側には、カートリッジ格納庫９が連接している。処理室２の第３の方向Ｚ１の一側には、電子銃８が装着されており、第３の方向Ｚ１の他側には、造形枠３が配置されている。
【００２１】
造形枠３には、第３の方向Ｚ１に沿って一方から他方にかけて貫通するピット３ａが形成されている。ピット３ａは、略四角柱状に開口している。また、完成した造形物Ｐ１を取り出せるようにするために、造形枠３におけるピット３ａの外周面の一部は、開放されている。
【００２２】
造形枠３におけるピット３ａには、ステージ４及びステージ駆動機構５が配置されている。ステージ４は、造形物Ｐ１を形成するための金属粉末Ｍ１が積層される粉末台である。また、ステージ４の側端部には、耐熱性及び柔軟性のある摺動部材１４が設けられている。摺動部材１４は、ピット３ａの壁面に摺動可能に接触している。そして、摺動部材１４により、ステージ４における第３の方向Ｚ１の一方の空間と他方の空間が密閉されている。
【００２３】
また、ステージ４における金属粉末Ｍ１が積層される一面と反対側の他面には、軸部４ｄが設けられている。軸部４ｄは、ステージ４の他面から第３の方向Ｚ１の他方に向けて突出している。軸部４ｄは、ピット３ａに収容されたステージ駆動機構５に接続されている。ステージ駆動機構５は、軸部４ｄを介してステージ４を第３の方向Ｚ１に沿って駆動する。ステージ駆動機構５としては、例えば、ラックとピニオンやボールねじ等が挙げられる。
【００２４】
電子銃８は、処理室２の第３の方向Ｚ１の一側において、ステージ４の一面４ａに対向して配置される。電子銃８は、予め準備された設計上の造形物（３次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）データにより表された造形物）をΔＺ間隔でスライスした２次元形状に従い、金属粉末Ｍ１に対して電子ビームＬ１を出射する。電子銃８から出射された電子ビームＬ１により、その２次元形状に対応する領域の金属粉末Ｍ１が溶融する。
【００２５】
また、造形枠３から第３の方向Ｚ１の一方には、所定の間隔を開けて粉末供給ユニット７が配置されている。次に、図１〜図５を参照して、粉末供給ユニット７の詳細な構成について説明する。
【００２６】
図２及び図３は、３次元積層造形装置を示す概略平面図である。
図２及び図３に示すように、粉末供給ユニット７は、粉末カートリッジ２１と、保持機構２２と、一対の第１のガイド部２３と、第２のガイド部２４と、を有している。また、一対の第１のガイド部２３と、第２のガイド部２４によって移動機構の一例を構成する。
【００２７】
一対の第１のガイド部２３は、ステージ４を間に挟んで第２の方向Ｙ１の両側に配置されている。また、一対の第１のガイド部２３は、第１の方向Ｘ１に沿って処理室２内に延在している。一対の第１のガイド部２３には、第２のガイド部２４が第１の方向Ｘ１に移動可能に支持されている。
【００２８】
第２のガイド部２４は、一対の第１のガイド部２３の間で、第２の方向Ｙ１に沿って延在している。第２のガイド部２４には、３つの保持機構２２が第２の方向Ｙ１に移動可能に支持されている。そして、３つの保持機構２２には、粉末カートリッジ２１が着脱可能に保持されている。
【００２９】
図４は、粉末供給ユニット７の要部を示す断面図である。
図４に示すように、粉末カートリッジ２１は、金属粉末Ｍ１を収容する中空の容器本体２６を有している。容器本体２６内には、ステージ４に敷き詰める金属粉末Ｍ１が収容されている。容器本体２６には、例えば、ステージ４に敷き詰める一層分、あるいは複数層分の金属粉末Ｍ１が収容されている。
【００３０】
また、容器本体２６には、金属粉末Ｍ１をステージ４に向けて排出する排出口２６ａが設けられている。さらに、粉末カートリッジ２１は、容器本体２６の排出口２６ａを開閉可能に覆うシャッター部材２７を有している。
【００３１】
保持機構２２は、粉末カートリッジ２１を着脱可能に保持する保持部３１と、第２のガイド部２４に設けたガイドレール２４ａに摺動可能に係合するレール係合部３２と、端子接続部３３と、を有している。端子接続部３３には、粉末カートリッジ２１のシャッター部材２７と電気的に接続するカートリッジ側端子３３ａが設けられている。端子接続部３３は、第２のガイド部２４に設けた端子受部２５に挿入される。端子受部２５には、ガイド側端子２５ａが設けられている。ガイド側端子２５ａは、端子接続部３３に設けたカートリッジ側端子３３ａと電気的に接続される。
【００３２】
なお、本例では、第２のガイド部２４に３つの粉末カートリッジ２１及び保持機構２２を設けた例を説明したが、粉末カートリッジ２１及び保持機構２２の数は、３つに限定されるものではなく、２つ以下、あるいは４つ以上設けてもよい。
【００３３】
また、３つの粉末カートリッジ２１の容器本体２６には、それぞれ異なる種類の金属粉末Ｍ１を収容させてもよく、あるいは全て同じ種類の金属粉末Ｍ１を収容させてもよい。
【００３４】
図５は、カートリッジ格納庫９の近傍について示す断面図である。
図５に示すように、カートリッジ格納庫９には、金属粉末Ｍ１が充填された新たな粉末カートリッジ２１が複数格納されている。カートリッジ格納庫９における処理室２側には、粉末カートリッジを排出する交換窓１２が形成されている。また、カートリッジ格納庫９における交換窓１２と反対側には、押出機構３５が設けられている。
【００３５】
押出機構３５は、粉末カートリッジ２１に当接する押出板３６と、押出板３６を交換窓１２側へ付勢するコイルばね３７とから構成されている。そして、押出機構３５は、格納されている粉末カートリッジ２１を交換窓１２側へ付勢する。
【００３６】
また、カートリッジ格納庫９における交換窓１２には、不図示のストッパーが設けられている。ストッパーは、押出機構３５により付勢された粉末カートリッジ２１に当接し、粉末カートリッジ２１がカートリッジ格納庫９から押し出されることを規制する。また、粉末カートリッジ２１を交換する際に、ストッパーが粉末カートリッジ２１から外れ、一つの粉末カートリッジ２１が保持機構２２へ受け渡される。
【００３７】
なお、押出機構３５は、上述した押出板３６とコイルばね３７に限定されるものではなく、モータ、ピストン、や高圧ガス等その他各種の機構を用いてもよい。
【００３８】
また、カートリッジ格納庫９の第３の方向Ｚ１の他方には、カートリッジ回収庫１１が設けられている。カートリッジ回収庫１１には、金属粉末Ｍ１を全て排出した使用済み粉末カートリッジ２１Ｂが排出される。
【００３９】
なお、カートリッジ回収庫１１に回収された使用済み粉末カートリッジ２１Ｂに新たに金属粉末Ｍ１を充填することで、使用済み粉末カートリッジ２１Ｂを再利用することができる。また、使用済み粉末カートリッジ２１Ｂ内に残留する金属粉末Ｍ１も再利用することができる。
【００４０】
１−２．３次元積層造形装置の動作
次に、図１〜図５を参照して上述した構成を有する３次元積層造形装置１の動作について説明する。
図２は、本例の３次元積層造形装置１の動作の要部を模式的に示す説明図である。
【００４１】
まず、図１に示すように、ステージ駆動機構５により、造形枠３の上面より第３の方向Ｚ１にΔＺ分下がった位置にステージ４を配置する。このΔＺが、その後に敷き詰められる金属粉末Ｍ１の第３の方向Ｚ１の層厚に相当する。
【００４２】
次に、粉末供給ユニット７により、厚さΔＺ分の金属粉末Ｍ１をステージ４の一面に敷き詰める。具体的には、図２を示すように、第１のガイド部２３及び第２のガイド部２４に沿って保持機構２２及び粉末カートリッジ２１をステージ４の第３の方向Ｚ１の他方に移動させる。そして、図４に示すように、粉末カートリッジ２１のシャッター部材２７を開放させる。これにより、粉末カートリッジ２１に収容された金属粉末Ｍ１が、排出口２６ａからステージ４の一面４ａに金属粉末Ｍ１を排出される。
【００４３】
次に、図１に示すように、金属粉末Ｍ１に対して電子銃８から電子ビームＬ１を出射する。電子銃８は、予め準備された設計上の造形物（３次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）データにより表された造形物）をΔＺ間隔でスライスした２次元形状に従い、金属粉末Ｍ１に対して電子ビームＬ１を出射する。電子銃８から出射された電子ビームＬ１により、その２次元形状に対応する領域の金属粉末Ｍ１が溶融する。
【００４４】
次に、溶融した金属粉末Ｍ１は、材料に応じた所定時間が経過すると凝固する。１層分の金属粉末Ｍ１が溶融及び凝固した後、ステージ駆動機構５によりステージ４をΔＺ分下げる。このステージ４の第３の方向Ｚ１への動きは、摺動部材１４が造形枠３のピット３ａの内面を滑ることにより実現される。
【００４５】
次に、再び粉末供給ユニット７によって、粉末カートリッジ２１をステージ４の第３の方向Ｚ１の一方へ移動させ、ΔＺ分の金属粉末Ｍ１を直前に敷き詰められた層（下層）の上に敷き詰める。電子銃８から出射される電子ビームＬ１により、その層に相当する２次元形状に対応する領域の金属粉末Ｍ１を溶融及び凝固させる。この一連の処理を繰り返して、溶融及び凝固した金属粉末Ｍ１の層を積み重ねることにより造形物Ｐ１を構築する。これにより、本例の３次元積層造形装置１の動作が完了する。
【００４６】
ここで、収容している金属粉末Ｍ１を全て排出した使用済み粉末カートリッジ２１Ｂは、図３及び図５に示すように、カートリッジ格納庫９及びカートリッジ回収庫１１まで搬送される。そして、保持機構２２から使用済み粉末カートリッジ２１Ｂが外され、使用済み粉末カートリッジ２１Ｂは、カートリッジ回収庫１１に回収される。
【００４７】
次に、保持機構２２は、カートリッジ格納庫９の交換窓１２からカートリッジ格納庫９内に挿入し、金属粉末Ｍ１が充填された新たな粉末カートリッジ２１を保持する。カートリッジ格納庫９から粉末カートリッジ２１が保持機構２２へ受け渡されると、カートリッジ格納庫９に格納されている残りの粉末カートリッジ２１は、押出機構３５により、交換窓１２に向けて付勢される。これにより、次に保持機構２２に保持される粉末カートリッジ２１がカートリッジ格納庫９における受け取り位置に待機する。
【００４８】
本例の３次元積層造形装置１によれば、造形物を形成する金属粉末Ｍ１を一層分、あるいは複数の層分に分けて、複数の粉末カートリッジ２１に収容している。これにより、金属粉末Ｍ１を搬送する搬送パイプを設ける必要がないため、金属粉末Ｍ１が搬送パイプ内に詰まる問題がなく、常に安定して金属粉末Ｍ１をステージ４に供給することができる。
【００４９】
金属粉末Ｍ１は、粉末カートリッジ２１の容器本体２６内に収容されているため、処理室２内が金属粉末Ｍ１で汚れることを抑制することできる。
【００５０】
また、３つの粉末カートリッジ２１の容器本体２６に、それぞれ異なる種類の金属粉末Ｍ１を収容させることができる。その結果、複数の種類の金属粉末Ｍ１をそれぞれ独立して所定の位置に配置することができ、同一の層に、複数の種類の金属粉末Ｍ１を配置することができる。
【００５１】
さらに、造形物Ｐ１を造形するために必要な金属粉末Ｍ１を複数の粉末カートリッジ２１に少量ずつ小分けして管理することができる。金属粉末Ｍ１の保存及び管理を容易にすることができる。さらに、金属粉末Ｍ１が無駄になることを防ぐことができる。
【００５２】
２．第２の実施の形態例
次に、図６〜図８を参照して本発明の３次元積層造形装置の第２の実施の形態例について説明する。
図６は、第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置４１を示す概略平面図、図７は、第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置４１の要部を示す断面図、図８は、正面図である。
【００５３】
この第２の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置４１が、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と異なる点は、粉末供給ユニット４２の移動機構の構成及び粉末カートリッジの数である。そのため、ここでは、粉末供給ユニット４２について説明し、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００５４】
図６に示すように、粉末供給ユニット４２は、移動機構を構成する第１のガイド部２３と、第１のガイド部２３に設けた第２のガイド部４４と、第２のガイド部４４に固定された複数の保持機構２２及び粉末カートリッジ２１とを有している。
【００５５】
第２のガイド部４４は、第１のガイド部２３に第１の方向Ｘ１に移動可能に支持されている。第２のガイド部４４には、粉末カートリッジ２１を保持する保持機構２２が、ステージ４の第２の方向Ｙ１の走査線上に沿って隙間なく複数固定されている。
【００５６】
また、図７に示すように、第２のガイド部４４には、均し部材４７が設けられている。均し部材４７は、第２のガイド部４４からステージ４の一面４ａ又は、ステージ４に敷き詰められた金属粉末Ｍ１で形成された平面（以下、「試料面」という）Ｍ３から第３の方向Ｚ１に沿って所定の間隔を開けて配置される。また、均し部材４７は、粉末供給ユニット４２が金属粉末Ｍ１をステージ４の一面４ａに向けて供給する際において、第２のガイド部４４の移動方向の後方に設けられる。
【００５７】
図７及び図８に示すように、均し部材４７は、粉末カートリッジ２１から排出された金属粉末Ｍ１の山を崩すと共に、ステージ４の一面４ａ又は試料面Ｍ３上で排出された金属粉末Ｍ１が略均一の厚さになるように均す。これにより、ステージ４の一面４ａ又は試料面Ｍ３上に、金属粉末Ｍ１を所定の厚さで、整然と配置することができる。
【００５８】
その他の構成は、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような粉末供給ユニット４２を有する３次元積層造形装置４１によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と同様の作用効果を得ることができる。
【００５９】
なお、第２の実施の形態例にかかる粉末供給ユニット４２によれば、保持機構２２及び粉末カートリッジ２１を第２の方向Ｙ１へ移動させる必要がないため、移動機構の構成を第１の実施の形態例にかかる粉末供給ユニット７よりも簡略化することができる。
【００６０】
また、第１の実施の形態例にかかる粉末供給ユニット７に上述した均し部材４７を設けてもよい。
【００６１】
３．第３の実施の形態例
次に、図９及び図１０を参照して本発明の３次元積層造形装置の第３の実施の形態例について説明する。
図９及び図１０は、第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の粉末供給ユニットを示す概略構成図である。
【００６２】
この第３の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置が、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と異なる点は、粉末供給ユニット５０の粉末カートリッジ５１及び保持機構６１の構成である。そのため、ここでは、粉末カートリッジ５１及び保持機構６１について説明し、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００６３】
図９Ａ及び図９Ｂに示すように、粉末カートリッジ５１は、容器本体５２と、排出口５２ａを開閉可能に覆うシャッター部材５３と、詰まり防止機構５４と、を有している。容器本体５２における排出口５２ａと反対側の端部は、その一面が開口している。また、容器本体５２の開口を閉じるように、軸受部５８と、接続部５９が設けられている。
【００６４】
軸受部５８は、平板状に形成されており、軸受孔５８ａが設けられている。この軸受部５８における容器本体５２の反対側の一面には、筒状の接続部５９が固定されている。
【００６５】
また、詰まり防止機構５４は、回転翼５５と、軸部５６と、従動ギヤ５７とを有している。回転翼５５は、軸部５６の軸方向の一端に固定されている。回転翼５５は、容器本体５２内において、排出口５２ａと対向して配置される。
【００６６】
回転翼５５は、略円錐状に形成されており、複数の翼が放射状に設けられている。そして、回転翼５５の先端は、排出口５２ａに接近して配置される。軸部５６は、軸受部５８の軸受孔５８ａに回転可能に支持される。軸部５６の軸方向の一端部は、容器本体５２内に挿入され、軸方向の他端は、軸受部５８から接続部５９側へ突出する。また、軸部５６の軸方向の他端には、従動ギヤ５７が固定されている。
【００６７】
図１０に示すように、保持機構６１は、保持部６２と、アーム部６３と、駆動部６４と、レール係合部６５と、端子接続部６６とを有している。アーム部６３は、保持部６２における第３の方向Ｚ１の一端には、駆動部６４が設けられている。
【００６８】
駆動部６４は、保持部６２が粉末カートリッジ５１を保持した際に、粉末カートリッジ５１の接続部５９内に挿入される。また、駆動部６４は、従動ギヤ５７と歯合する駆動ギアが設けられている。そして、駆動部６４は、従動ギヤ５７及び軸部５６を介して回転翼５５を回転させる。
【００６９】
ここで、容器本体５２の排出口５２ａの開口径が狭い場合、容器本体５２に収容された金属粉末Ｍ１により排出口５２ａが塞がれるおそれがある。これに対し、第３の実施の形態例にかかる粉末供給ユニット５０によれば、排出口５２ａに接近して配置された回転翼５５が回転することで、排出口５２ａの近傍に留まる金属粉末Ｍ１の固まりが崩される。これにより、金属粉末Ｍ１が排出口５２ａの近傍で詰まることを防ぐことができ、安定して金属粉末Ｍ１を排出口５２ａから排出することができる。
【００７０】
その他の構成は、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような粉末供給ユニット５０を有する３次元積層造形装置によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と同様の作用効果を得ることができる。
【００７１】
なお、第３の実施の形態例では、回転翼５５を回転させることで詰まりを防止するようにした例について説明したが、詰まり防止機構の構成は、これに限定されるものではない。詰まり防止機構としては、例えば、容器本体５２を振動させる振動機構や、容器本体５２内を仕切り、かつ排出口５２ａから排出する金属粉末Ｍ１の量を規制する規制部材やその他各種の機構を適用してもよい。
【００７２】
４．第４の実施の形態例
次に、図１１〜図１３を参照して本発明の３次元積層造形装置の第４の実施の形態例について説明する。
図１１及び図１２は、第４の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の粉末供給ユニットの要部を示す概略構成図である。
【００７３】
この第４の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置が、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と異なる点は、粉末供給ユニット７０の粉末カートリッジ７１及び保持機構の構成である。そのため、ここでは、粉末カートリッジ７１について説明し、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。なお、保持機構の構成は、第３の実施の形態例にかかる保持機構６１と同一であるため、その説明は省略する。
【００７４】
図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、粉末カートリッジ７１は、容器本体７２と、排出口７２ａを開閉可能に覆うシャッター部材７３と、粉砕機構８０とを有している。容器本体７２は、第３の実施の形態例にかかる容器本体５２と同様に、軸受孔７８ａが設けられた軸受部７８と、接続部７９とを有している。
【００７５】
粉砕機構８０は、擦り部材７４と、擦り受け部材８１とを有している。擦り部材７４は、粉砕部７５と、軸部７６と、従動ギヤ７７とを有している。粉砕部７５は、軸部７６の軸方向の一端に固定されている。粉砕部７５は、略円錐状に形成されており、複数の擦り片が放射状に設けられている。そして、粉砕部７５の先端は、後述する擦り受け部材８１を貫通し、排出口７２ａに接近して配置される。
【００７６】
軸部７６は、軸受部７８の軸受孔７８ａに回転可能に支持される。軸部７６の軸方向の一端部は、容器本体７２内に挿入され、軸方向の他端は、軸受部７８から接続部７９側へ突出する。また、軸部７６の軸方向の他端には、従動ギヤ７７が固定されている。
【００７７】
擦り受け部材８１は、容器本体７２内において排出口７２ａと対向して配置される。擦り受け部材８１は、擦り受け部８２と、フランジ部８３とを有している。擦り受け部８２は、中空の略円錐状に形成されている。擦り受け部８２の頂点には、粉砕部７５の先端が貫通する貫通孔８２ａが設けられている。また、擦り受け部８２は、その貫通孔８２ａ側を排出口７２ａに向けて容器本体７２内に設置されている。
【００７８】
擦り受け部８２における貫通孔８２ａと反対側の外縁には、フランジ部８３が設けられている。フランジ部８３は、擦り受け部８２の外縁から半径外方向に向けて突出している。そして、フランジ部８３は、容器本体７２の内壁に固定される。また、フランジ部８３には、金属粉末Ｍ１が通過する挿通孔８３ａが設けられている。挿通孔８３ａの開口の径は、金属粉末Ｍ１の粒径よりも大きく設定される。
【００７９】
図１２に示すように、容器本体７２に収容された金属粉末Ｍ１の一部は、フランジ部８３の挿通孔８３ａを通過する。また、金属粉末Ｍ１の残りは、擦り部材７４の粉砕部７５と擦り受け部材８１の擦り受け部８２の隙間に侵入する。そして、擦り部材７４が回転駆動すると、粉砕部７５と擦り受け部８２の隙間に介在する金属粉末Ｍ１が削られる。これにより、容器本体７２に収容された金属粉末Ｍ１よりも粒径の小さな粉砕粉末Ｍ２が生成される。その結果、排出口７２ａからは、金属粉末Ｍ１と、金属粉末Ｍ１よりも粒径の小さい粉砕粉末Ｍ２が排出される。
【００８０】
図１３は、粉末カートリッジ７１から排出された金属粉末Ｍ１及び粉砕粉末Ｍ２の状態を示す説明図である。
図１３に示すように、粉末カートリッジ７１から排出された粉砕粉末Ｍ２は、隣り合う２つの金属粉末Ｍ１の間に入り込む。これにより、隣り合う２つの金属粉末Ｍ１の接触面積を大きくすることができる。
【００８１】
一般的に、金属粉末Ｍ１が溶融処理時に、溶融用の電子ビームの運動エネルギーにより飛散することを防ぐために、３次元積層造形装置は、金属粉末Ｍ１を溶融する前に、金属粉末Ｍ１の表面を溶かし、金属粉末Ｍ１同士を弱く結合させる予熱処理が行われる。
【００８２】
この第４の実施の形態例にかかる３次元積層装置によれば、金属粉末Ｍ１の間に入り込む粉砕粉末Ｍ２が予熱処理で溶融することで、予熱処理における金属粉末Ｍ１の結合度を高めることができる。また、粉砕粉末Ｍ２は、金属粉末Ｍ１よりも小さな熱量で溶融するため、予熱処理にかかる時間を軽減することができるだけでなく、予熱処理を行わずに溶融処理を行うことも可能となる。
【００８３】
また、粉砕粉末Ｍ２が金属粉末Ｍ１の隙間に入り込むことで、ステージ４の一面４ａ及び試料面Ｍ３に積層された金属粉末Ｍ１全体の密度を上げることができる。これにより、造形される造形物の密度を高めることができるだけでなく、造形物の精度及び表面粗さの向上を図ることもできる。
【００８４】
さらに、粉砕機構８０が詰まり防止機構としても作用し、安定して金属粉末Ｍ１を容器本体７２から排出することもできる。
【００８５】
その他の構成は、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような粉末供給ユニット７０を有する３次元積層造形装置によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と同様の作用効果を得ることができる。
【００８６】
５．第５の実施の形態例
５−１．３次元積層造形装置の構成
次に、図１４〜図１８を参照して本発明の３次元積層造形装置の第５の実施の形態例について説明する。
図１４Ａ及び図１４Ｂは、粉末供給ユニットについて示す説明図、図１５は、３次元積層造形装置における要部を示す断面図である。
【００８７】
この第５の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置が、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と異なる点は、粉末供給ユニットの粉末カートリッジ及び保持機構の構成と、カートリッジ交換機構を設けた点である。そのため、ここでは、粉末カートリッジ、保持機構及びカートリッジ交換機構について説明し、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００８８】
図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、粉末供給ユニット９０は、粉末カートリッジ９１と、粉末カートリッジ９１を着脱可能に保持する保持機構９２と、不図示の移動機構と、を有している。
【００８９】
保持機構９２は、本体部９３と、粉末カートリッジ９１を着脱可能に保持する保持部９４と、回動部９５と、押さえ部材９７とを有している。回動部９５は、本体部９３に第１回動軸９６を介して回動可能に取り付けられている。また、回動部９５には、摺動溝９５ａが設けられている。
【００９０】
摺動溝９５ａには、保持部９４が摺動可能に支持されている。保持部９４は、回動部９５が回動すると、摺動溝９５ａを摺動し、鉛直方向の下側である第３の方向Ｚ１の他側へ移動する。
【００９１】
また、図１４Ｂに示すように、本体部９３には、回動部９５及び保持部９４と、保持部９４に保持された粉末カートリッジ９１が配置される装着凹部９３ａが設けられている。図１４Ａに示すように、粉末カートリッジ９１を交換する場合、保持部９４及び粉末カートリッジ９１は、本体部９３の装着凹部９３ａの外側に配置される。そして、図１４Ｂに示すように、金属粉末Ｍ１を排出する場合、回動部９５が回動し、保持部９４及び粉末カートリッジ９１は、装着凹部９３ａ内に配置される。
【００９２】
また、装着凹部９３ａには、第２回動軸９８を介して押さえ部材９７が回動可能に設けられている。押さえ部材９７には、凹部９７ａが形成されている。凹部９７ａには、装着凹部９３ａに配置される粉末カートリッジ９１の排出口１２１ａと反対側の端部が挿入される。これにより、粉末カートリッジ９１における装着凹部９３ａ内での移動が押さえ部材９７によって規制される。その結果、金属粉末Ｍ１を排出する際に、粉末カートリッジ９１の位置がずれること防ぐことができる。
【００９３】
また、図１５に示すように、処理室２における第１の方向Ｘ１の一側の壁面には、交換窓１０１が形成されている。交換窓１０１における処理室２側の端部には、シール部材１０１ａが取り付けられている。また、交換窓１０１における第１の方向Ｘ１の一側には、カートリッジ交換機構１００が配置されている。そして、交換窓１０１は、処理室２とカートリッジ交換機構１００を連通する。
【００９４】
次に、図１５〜図１７を参照してカートリッジ交換機構１００について説明する。
図１５に示すように、カートリッジ交換機構１００は、交換筒１０２と、交換筒１０２が移動可能に通過する交換通路１０３と、高圧ガスが噴射されるガスノズル１０４と、交換筒１０２を付勢する付勢部材１０５とを有している。
【００９５】
図１５に示すように、交換通路１０３は、交換窓１０１の第１の方向Ｘ１の一側において、第３の方向Ｚ１に沿って延在している。交換通路１０３は、筒状に形成されており、交換窓１０１とカートリッジ格納庫９とを連通している。交換通路１０３における交換窓１０１と対向する位置には、排気ポート１０３ａが設けられている。排気ポート１０３ａには、不図示の開閉弁を介して真空ポンプが接続されている。また、交換通路１０３における第３の方向Ｚ１の一側には、ガスノズル１０４が設けられている。
【００９６】
ガスノズル１０４は、高圧ガスを噴射する噴射口１０４ａと、排気口１０４ｂとを有している。そして、ガスノズル１０４の噴射口１０４ａから交換通路１０３に向けて高圧ガスが噴射される。
【００９７】
また、交換通路１０３内には、交換筒１０２が第３の方向Ｚ１に沿って移動可能に設けられている。
【００９８】
図１６Ａは、交換筒１０２を示す断面図、図１６Ｂは、カートリッジ交換機構１００を第１の方向Ｘ１の一側から見た断面図である。図１７Ａ〜図１７Ｃ、図１８は、粉末カートリッジ９１の交換動作を示す説明図である。
【００９９】
図１６Ａに示すように、交換筒１０２は、筒状に形成されており、軸方向の一端が閉塞し、軸方向の他端が開放されている。図１６Ｂに示すように、交換筒１０２は、交換通路１０３内に移動可能に配置される。また、図１６Ａに示すように、交換筒１０２における側面部には、挿入窓１０２ａと、受取口１０２ｂが形成されている。
【０１００】
挿入窓１０２ａは、交換筒１０２における交換窓１０１側の側面部において、軸方向の一側から他側にかけて連続して開口している。図１６Ｂに示すように、挿入窓１０２ａには、粉末カートリッジ９１及び保持機構９２の保持部９４が挿抜可能に挿入される。
【０１０１】
図１６Ａに示すように、受取口１０２ｂは、交換筒１０２の側面部において挿入窓１０２ａと対向して設けられている。図１５に示すように、交換筒１０２が第３の方向Ｚ１の一側に配置されている場合、受取口１０２ｂは、交換通路１０３の排気ポート１０３ａに臨む。また、図１７Ｃに示すように、交換筒１０２が第３の方向Ｚ１の他側に配置されている場合、受取口１０２ｂは、カートリッジ格納庫９の開口に臨む。
【０１０２】
また、図１６Ａに示すように、交換筒１０２における軸方向の一端部には、ガス受凹部１０２ｃが形成されている。ガス受凹部１０２ｃは、交換筒１０２における軸方向の一端から他側に向けて凹んだ凹部である。このガス受凹部１０２ｃには、ガスノズル１０４の噴射口１０４ａから噴射された高圧ガスが吹き付けられる。
【０１０３】
さらに、交換筒１０２における軸方向の他端部には、その開口を閉じるように平板状の底板１１２が固定されている。底板１１２には、粉末カートリッジ９１に設けた係止溝１２１ｂ（図１８参照）と係止する係止部１１３が設けられている。係止部１１３は、底板１１２に固定されて、交換筒１０２の軸方向の他端部に配置される。
【０１０４】
また、底板１１２の一面には、筒側シール部材１１４が取り付けられている。筒側シール部材１１４は、例えば、Ｏリングからなり、底板１１２の一面において交換筒１０２の外周を囲むように設けられている。図１７Ａ及び図１８に示すように、交換筒１０２が第３の方向Ｚ１の一側に配置されているとき、筒側シール部材１１４は、処理室２における第３の方向Ｚ１の他端側の壁面に密着する。これにより、底板１１２を間に挟んで、交換通路１０３とカートリッジ格納庫９側の開口が密閉され、底板１１２よりも第３の方向Ｚ１の一側の空間が気密的に封止される。
【０１０５】
図１５及び図１７Ａに示すように、底板１１２における交換筒１０２が固定される一面と反対側の他面には、付勢部材１０５が設けられている。付勢部材１０５は、例えば、弾性を有するコイルばねにより構成されている。付勢部材１０５の一端部は、底板１１２に固定される。付勢部材１０５の他端部は、底板１１２と対向し、かつカートリッジ格納庫９の開口の近傍に配置されるばね受部１０６に固定される。そして、付勢部材１０５は、底板１１２を介して交換筒１０２を第３の方向Ｚ１の一側へ常に付勢している。
【０１０６】
ばね受部１０６は、カートリッジ格納庫９の第３の方向Ｚ１の他側の一面からさらに第３の方向Ｚ１の他側へ凹んだ凹部である。ばね受部１０６の第１の方向Ｘ１の一側には、カートリッジ格納庫９が配置され、ばね受部１０６の第１の方向Ｘ１の他側には、図に表れないカートリッジ回収庫１１に連通する回収通路１３１が形成されている。
【０１０７】
５−２．粉末カートリッジの交換動作
次に、図１５、図１７Ａ〜図１７Ｃ及び図１８を参照して上述した構成を有するカートリッジ交換機構１００を用いた粉末カートリッジ９１の交換動作について説明する。
ここで、図１７Ａに示す交換筒１０２の位置を受取位置と称し、図１７Ｃに示す交換筒１０２の位置を交換位置と称す。
【０１０８】
図１５及び図１７Ａに示すように、粉末カートリッジ９１を交換する際、まず、保持機構９２は、回動部９５を回動させ、粉末カートリッジ９１の排出口１２１ａを第３の方向Ｚ１の一側に向ける。そして、保持機構９２は、不図示の移動機構により第１の方向Ｘ１の一側へ移動し、交換窓１０１に接近する。
【０１０９】
ここで、図１７Ａに示すように、交換筒１０２が交換位置に配置されている場合、挿入窓１０２ａの第３の方向Ｚ１の他側の一部は、交換窓１０１に臨み、受取口１０２ｂは、排気ポート１０３ａに臨んでいる。さらに、筒側シール部材１１４は、処理室２における第３の方向Ｚ１の他端側の壁面に密着し、底板１１２により交換通路１０３の第３の方向Ｚ１の他側の開口を閉じている。そして、排気ポート１０３ａには、常に動作している不図示の真空ポンプが開閉弁を介して接続されている。なお、図１７Ａに示す状態では、排気ポート１０３ａに接続されている開閉弁は閉じられている。
【０１１０】
次に、図１７Ｂに示すように、保持機構９２は、粉末カートリッジ９１及び保持部９４を交換筒１０２の内部空間に挿入する。このとき、交換筒１０２内に配置した係止部１１３と粉末カートリッジ９１に設けた係止溝１２１ｂが挿入され、粉末カートリッジ９１は、保持機構９２の保持部９４から外れる。
【０１１１】
また、交換窓１０１における処理室２側の開口は、保持機構９２により塞がれる。このとき、交換窓１０１に設けたシール部材１０１ａは、保持機構９２に密接する。これにより、交換窓１０１が密閉され、処理室２側の空間が気密的に封止される。
【０１１２】
次に、粉末カートリッジ９１の係止溝１２１ｂと係止部１１３が係止されると、ガスノズル１０４の噴射口１０４ａから高圧ガスを噴射する。噴射口１０４ａから噴射された高圧ガスは、交換筒１０２のガス受凹部１０２ｃに吹き付けられる。そのため、交換筒１０２は、高圧ガスにより第３の方向Ｚ１の他側へ付勢される。その結果、交換筒１０２は、付勢部材１０５の付勢力に抗して、交換通路１０３内を摺動し、図１７Ｃに示す交換位置まで移動する。交換筒１０２が第３の方向Ｚ１の他側へ移動することで、係止部１１３と粉末カートリッジ９１の係止溝１２１ｂが係止される。
【０１１３】
このとき、交換筒１０２に設けた挿入窓１０２ａは、交換筒１０２の軸方向に沿って一端から他端にかけて連続して開口している。そのため、交換筒１０２内に挿入された保持機構９２の保持部９４が交換筒１０２に干渉することを防ぐことができる。このとき、交換筒１０２内は、大気開放される。しかしながら、上述したように、交換窓１０１のシール部材１０１ａが保持機構９２に密接することで、処理室２側の空間が気密的に封止されているため、処理室２内を真空に維持することができる。
【０１１４】
図１７Ｃに示すように、交換筒１０２が交換位置まで移動すると、カートリッジ格納庫９から新たな粉末カートリッジ９１が受取口１０２ｂを介して交換筒１０２内に送り込まれる。そして、交換筒１０２内に収容された使用済み粉末カートリッジ９１Ｂは、新たな粉末カートリッジ９１によって回収通路１３１側へ押し出される。新たな粉末カートリッジ９１Ａによって回収通路１３１側へ押し出されることで、使用済み粉末カートリッジ９１Ｂの係止溝１２１ｂと係止部１１３との係止が解除される。その結果、使用済み粉末カートリッジ９１Ｂは、挿入窓１０２ａ及び回収通路１３１を介してカートリッジ回収庫へ排出される。
【０１１５】
次に、ガスノズル１０４の排気口１０４ｂから交換通路１０３内の気体を排気する。このとき、交換通路１０３に設けた排気ポート１０３ａは、交換筒１０２の壁面により閉じられている。その結果、交換筒１０２は、付勢部材１０５により付勢されて、交換通路１０３内を第３の方向Ｚ１の一側へ摺動する。交換筒１０２が第３の方向Ｚ１へ移動することにより、係止部１１３と新たな粉末カートリッジ９１Ａの係止溝１２１ｂが係止され、交換筒１０２内には新たな粉末カートリッジ９１Ａが装填される。なお、図１７Ｂ及び図１７Ｃの状態においても、排気ポート１０３ａに接続された開閉弁は、閉じている。
【０１１６】
そして、図１８に示すように、交換筒１０２は、交換通路１０３における受取位置まで移動する。次に、排気ポート１０３ａに接続された開閉弁を開いて、排気ポート１０３ａから不図示の真空ポンプを用いて交換筒１０２内の気体を排気する。このとき、粉末カートリッジ９１の容器本体１２１に設けたシャッター部材の一例を示す開閉弁１２２を開放し、排出口１２１ａを開く。ここで、粉末カートリッジ９１は、排出口９１ａが鉛直方向の上方である第３の方向Ｚ１の一方を向いて、交換筒１０２内に装填されている。そのため、粉末カートリッジ９１の容器本体１２１内に金属粉末Ｍ１と共に充填されている不活性ガスを、排出口１２１ａから素早く排気することができる。
【０１１７】
粉末カートリッジ９１の容器本体１２１内に充填された不活性ガスが全て排気されると、開閉弁１２２を動作させて排出口１２１ａを閉じる。次に、保持機構９２の保持部９４により粉末カートリッジ９１を保持する。そして、交換筒１０２内が真空ポンプにより、所定時間排気されて、排気ポート１０３ａに接続された開閉弁が閉じられると、保持機構９２を第１の方向Ｘ１の他側へ移動させて、保持部９４を交換筒１０２の挿入窓１０２ａ及び交換窓１０１から引き抜く。粉末カートリッジ９１が第１の方向Ｘ１へ略水平に移動することで、係止部１１３が粉末カートリッジ９１の係止溝１２１ｂから外れ、係止部１１３と係止溝１２１ｂの係止が解除される。
【０１１８】
次に、図１５に示すように、保持機構９２は、粉末カートリッジ９１の排出口１２１ａが第３の方向Ｚ１の他側、すなわち造形枠３及びステージ４の一面４ａに向くように、回動部９５を回動させる。これにより、粉末カートリッジ９１の交換動作が完了する。
【０１１９】
その他の構成は、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このような粉末供給ユニット９０及びカートリッジ交換機構１００を有する３次元積層造形装置によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１と同様の作用効果を得ることができる。
【０１２０】
また、第５の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置によれば、交換筒１０２を第３の方向Ｚ１に沿って受取位置と交換位置に一往復させるだけで、粉末カートリッジ９１の交換を行うことができる。これにより、粉末カートリッジ９１の交換作業の高速化を図ることができる。
【０１２１】
また、粉末カートリッジ９１の容器本体１２１内には、造形物を形成する金属粉末Ｍ１を一層分、あるいは複数の層分に分けて収容している。そのため、粉末カートリッジ９１の収容可能な量を小さくすることができ、交換筒１０２の容積を小さくすることができ、交換筒１０２内を排気する作業にかかる時間を短縮することができる。
【０１２２】
さらに、上述した実施の形態例では、交換筒１０２を移動させる交換筒移動機構として、高圧ガスとコイルばねからなる付勢部材１０５を適用した例を説明したが、これに限定されるものではない。交換筒１０２を移動させる交換筒移動機構としては、モータ及びギヤや、リニアモータ、シリンダ等その他各種の移動機構を適用できるものである。
【０１２３】
５−３．変形例
次に、図１９を参照して第５の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の変形例について説明する。
図１９は、変形例にかかる３次元積層造形装置の要部を示す断面図である。
【０１２４】
図１９に示す変形例にかかる３次元積層造形装置が、第５の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置と異なる点は、カートリッジ格納庫及びカートリッジ回収庫の構成である。そのため、ここでは、カートリッジ格納庫及びカートリッジ回収庫について説明し、第５の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【０１２５】
図１９に示すように、カートリッジ格納庫１４０は、カートリッジ収納室１４１と、格納側中間室１４２と、格納側待機室１４３とを有している。カートリッジ収納室１４１と格納側中間室１４２との間には、第１の開閉ドア１４４が設けられている。また、格納側中間室１４２と格納側待機室１４３との間には、第２の開閉ドア１４５が設けられている。
【０１２６】
カートリッジ収納室１４１は、使用前の新たな粉末カートリッジ９１が複数収納されている。また、カートリッジ収納室１４１の雰囲気は、大気圧と同じに設定されている。また、格納側中間室１４２は、不図示の真空ポンプが接続される。格納側中間室１４２は、真空ポンプにより排気されることで、大気状態から真空状態に変換される。
【０１２７】
カートリッジ収納室１４１から格納側中間室１４２へ粉末カートリッジ９１が搬送された場合、第１の開閉ドア１４４及び第２の開閉ドア１４５を閉じる。次に、真空ポンプを作動させて、格納側中間室１４２の状態を大気から真空に変換する。これにより、粉末カートリッジ９１に充填された不活性ガスの排気作業が完了する。次に、粉末カートリッジ９１の排気作業が完了すると、第２の開閉ドア１４５を開放させて、格納側中間室１４２から格納側待機室１４３へ粉末カートリッジ９１を搬送する。
【０１２８】
格納側待機室１４３は、カートリッジ交換機構１００の交換通路１０３に連通している。そして、格納側待機室１４３が交換筒１０２の交換位置となる。この格納側待機室１４３は、真空に維持されている。そのため、この変形例では、交換位置に配置されている粉末カートリッジ９１は、既に不活性ガスの排気作業が完了しているため、カートリッジ交換機構１００の交換作業時に排気作業を行う必要がない。そのため、交換通路１０３に排気用の排気ポート１０３ａを設けなくてもよい。これにより、粉末カートリッジ９１の排気作業を省略することができるため、カートリッジ交換機構１００での交換作業をより素早く行うことができる。
【０１２９】
カートリッジ回収庫１５０は、カートリッジ回収室１５１と、回収側中間室１５２と、回収側待機室１５３とを有している。カートリッジ回収室１５１と回収側中間室１５２との間には、第１の開閉ドア１５４が設けられており、回収側中間室１５２と回収側待機室１５３との間には、第２の開閉ドア１５５が設けられている。
【０１３０】
回収側待機室１５３は、回収通路１３１に連通しており、真空状態が維持されている。この回収側待機室１５３には、回収通路１３１を通過して使用済み粉末カートリッジ９１Ｂが搬送される。
【０１３１】
回収側中間室１５２には、不図示の真空ポンプが接続されており、大気状態から真空状態に変換される。回収側中間室１５２が真空状態のときに、第２の開閉ドア１５５が開き、回収側待機室１５３から使用済み粉末カートリッジ９１Ｂが搬送される。また、カートリッジ回収室１５１の雰囲気は、大気圧と同じに設定されている。そして、第１の開閉ドア１５４は、第２の開閉ドア１５５が閉じてから開放される。これにより、回収側待機室１５３側の状態を常に真空状態に維持することができる。
【０１３２】
また、回収側中間室１５２からカートリッジ回収室１５１へ使用済み粉末カートリッジ９１Ｂが搬送され、カートリッジ回収室１５１により使用済み粉末カートリッジ９１Ｂが回収される。カートリッジ回収室１５１は、真空状態にする必要がないため、使用済み粉末カートリッジ９１Ｂの回収作業を容易に行うことができる。
【０１３３】
その他の構成は、第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１及び第５の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置と同様であるため、それらの説明は省略する。このようなカートリッジ格納庫１４０及びカートリッジ回収庫１５０を有する３次元積層造形装置によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置１及び第５の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置と同様の作用効果を得ることができる。
【０１３４】
なお、本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。
【０１３５】
例えば、上述した実施の形態例では、粉末材料としてチタン、アルミニウム、鉄等の金属粉末を適用した例を説明したが、これに限定されるものではなく、粉末材料としては、樹脂等を用いてもよい。また、粉末材料を溶融させる溶融機構として電子ビームを照射する電子銃を適用した例を説明したが、これに限定されるものではない。溶融機構としては、例えば、レーザを照射するレーザ照射部を適用してもよい。
【符号の説明】
【０１３６】
１，４１…３次元積層造形装置、  ２…処理室、  ３…造形枠、  ４…ステージ、  ４ａ…一面、  ７，４２，５０，７０、９０…粉末供給ユニット、  ８…電子銃（溶融機構）、  ９，１４０…カートリッジ格納庫、  １１，１５０…カートリッジ回収庫、  １２，１０１…交換窓、  ２１，５１，７１，９１…粉末カートリッジ、  ２２，６１，９２…保持機構、  ２３…第１のガイド部（移動機構）、  ２４，４４…第２のガイド部（移動機構）  ２６，５２，７２…容器本体、  ２６ａ，５２ａ，７２ａ，９１ａ…排出口、  ２７，５３，７３…シャッター部材、  ３１，６２，９４…保持部、  ３５…押出機構、  ４７…均し部材、  ５４…詰まり防止機構、  ５５…回転翼、  ５６…軸部、  ７４…擦り部材、  ７５…粉砕部、  ８０…粉砕機構、  ８１…擦り受け部材、  ８２…擦り受け部、  ８２ａ…貫通孔、  ９３…本体部、  ９５…回動部、  １００…カートリッジ交換機構、  １０１ａ…シール部材、  １０２…交換筒、  １０２ａ…挿入窓、  １０２ｂ…受取口、  １０２ｃ…ガス受凹部、  １０３…交換通路、  １０３ａ…排気ポート、  １０４…ガスノズル、  １０５…付勢部材、  Ｌ１…電子ビーム、  Ｍ１…金属粉末（粉末材料）、  Ｍ２…粉砕粉末、  Ｍ３…試料面、  Ｐ１…造形物、  Ｘ１…第１の方向、  Ｙ１…第２の方向、  Ｚ１…第３の方向
【図１】
2015182252.tif 000003
【図２】
2015182252.tif 000004
【図３】
2015182252.tif 000005
【図４】
2015182252.tif 000006
【図５】
2015182252.tif 000007
【図６】
2015182252.tif 000008
【図７】
2015182252.tif 000009
【図８】
2015182252.tif 000010
【図９】
2015182252.tif 000011
【図１０】
2015182252.tif 000012
【図１１】
2015182252.tif 000013
【図１２】
2015182252.tif 000014
【図１３】
2015182252.tif 000015
【図１４】
2015182252.tif 000016
【図１５】
2015182252.tif 000017
【図１６】
2015182252.tif 000018
【図１７】
2015182252.tif 000019
【図１８】
2015182252.tif 000020
【図１９】
2015182252.tif 000021
【図２０】
2015182252.tif 000022