(57)【要約】【課題】ステージ駆動機構に加わる負荷を抑制でき、ステージ駆動機構の駆動及び停止精度の向上を図ることができる次元積層造形装置及び３次元積層造形方法を提供する。【解決手段】３次元積層造形装置１は、ステージ４と、ステージ駆動機構５と、重量調整機構１０と、を備えている。ステージ４は、造形物Ｐ１を形成するための粉末材料Ｍ１が敷き詰められて、複数層の粉末材料Ｍ１が積層される。ステージ駆動機構５は、ステージ４を昇降可能に支持する。重量調整機構１０は、ステージ４に連結され、ステージ４からステージ駆動機構５に加わる重量を調整する。【選択図】図１
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【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敷き詰められて、複数層の前記粉末材料が積層されるステージと、
前記ステージを昇降可能に支持するステージ駆動機構と、
前記ステージに連結され、前記ステージから前記ステージ駆動機構に加わる重量を調整する重量調整機構と、
を備えた３次元積層造形装置。
【請求項２】
前記重量調整機構は、
一端が前記ステージに連結されるロープと、
前記ロープの他端が連結される重量調整部と、
前記ロープが巻き付けられる滑車と、
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】
前記重量調整部は、
前記ロープの他端が連結される調整カゴと、
前記調整カゴに調整錘を供給する調整錘供給部と、
を有する
請求項２に記載の３次元積層造形装置。
【請求項４】
前記調整カゴには、前記ステージに前記粉末材料が積層される度に、積層された前記粉末材料の重量と同じ重量分の前記調整錘が加えられる
請求項３に記載の３次元積層造形装置。
【請求項５】
前記調整カゴには、前記ステージに前記粉末材料が複数層積層される度に、前記調整錘が加えられる
請求項３に記載の３次元積層造形装置。
【請求項６】
前記重量調整部には、前記ステージに積層される最大積層量の半分の重量の調整錘が設けられる
請求項２に記載の３次元積層造形装置。
【請求項７】
ステージ駆動機構によりステージを下降させる工程と、
ステージに造形物を形成するための粉末材料を敷き詰め、前記粉末材料を積層する工程と、
前記ステージに連結された重量調整機構により前記ステージから前記ステージ駆動機構に加わる重量を調整する工程と、
を含む３次元積層造形方法。
【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次元積層造形装置及び３次元積層造形方法に関する。
【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（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図３は、従来技術に係る３次元積層造形装置１００の概略断面図である。
【０００５】
３次元積層造形装置１００は、粉体供給部１０７を用いて粉末材料として金属粉末Ｍ１を粉末台であるステージ１０４の上面に一層毎に敷き詰める。次に、ステージ１０４上に敷き詰められた金属粉末Ｍ１に対し、造形物Ｐ１の一断面に相当する二次元構造部だけを電子ビームで溶融する。そして、そのような金属粉末Ｍ１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する。
【０００６】
３次元積層造形装置１００は、図３に示すように、真空容器１０２の上部に溶融機構である電子銃１０８が装着されており、真空容器１０２の内部には筒状の造形枠台１０３が設けられている。また、電子銃１０８には、電子銃１０８を制御する不図示の電子ビーム制御部が接続されている。造形枠台１０３の中央部に形成されたピット１０３ａの下方にはステージ１０４を昇降可能に支持するステージ駆動機構１０５が設けられている。ステージ駆動機構１０５は、ステージ１０４の軸部１０４ｄに接続し、ステージ１０４を鉛直方向に駆動する。真空容器１０２内は、真空に維持されている。
【０００７】
そして、ステージ駆動機構１０５により、ステージ１０４が、造形枠台１０３の上面より鉛直方向にΔＺ分下がった位置に配置される。そして、粉体供給部１０７により厚さΔＺ分の金属粉末Ｍ１がステージ１０４に敷き詰められる。
【０００８】
次に、予め準備された設計上の造形物をΔＺ間隔でスライスした２次元形状に従い、金属粉末Ｍ１に対して電子銃１０８から電子ビームＬ１が出射される。電子銃１０８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金属粉末Ｍ１が溶融する。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１０５によりステージ１０４をΔＺ分下げる。次に、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。そして、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に電子ビームＬ１を照射し、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、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が構築される。
【０００９】
また、造形物Ｐ１を精度よく構築するためには、ステージ駆動機構１０５を常に精度よく駆動及び停止させることが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−１５５２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の３次元積層造形装置では、ステージ駆動機構には、粉末材料の層を積み重ねる毎に加わる重量が変化する。さらに、大きな造形物を構築する際や、比較的重量の重い粉末材料を用いた際には、ステージ駆動機構に大きな負荷が加わる。その結果、従来の３次元積層造形装置では、ステージ駆動機構を精度よく駆動及び停止させることが困難であった。また、ステージ駆動機構の停止制度をよくするために、フィードバック制御することが考えられるが、停止させるまでの制御の時間がかかるため、造形速度が遅くなる、という問題を有している。
【００１２】
本発明の目的は、上記の問題点を考慮し、ステージ駆動機構に加わる負荷を抑制でき、ステージ駆動機構の駆動及び停止精度の向上を図ることができる３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法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、ステージと、ステージ駆動機構と、重量調整機構と、を備えている。ステージは、造形物を形成するための粉末材料が敷き詰められて、複数層の粉末材料が積層される。ステージ駆動機構は、ステージを昇降可能に支持する。重量調整機構は、ステージに連結され、ステージからステージ駆動機構に加わる重量を調整する。
【００１４】
また、本発明の３次元積層造形方法は、以下（１）〜（３）に示す工程を含んでいる。
（１）ステージ駆動機構によりステージを下降させる工程。
（２）ステージに造形物を形成するための粉末材料を敷き詰め、粉末材料を積層する工程。
（３）ステージに連結された重量調整機構によりステージからステージ駆動機構に加わる重量を調整する工程。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法によれば、重量調整機構を設けたことで、ステージを介してステージ駆動機構に加わる負荷を軽減することができ、ステージ駆動機構の駆動及び停止精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明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】本発明の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における造形物を構築する前の状態を模式的に示す説明図である。
【図３】従来技術にかかる３次元積層造形装置を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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２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．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
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
３次元積層造形装置１は、中空の処理室２と、造形枠３と、ステージ４と、ステージ４を昇降可能に支持するステージ駆動機構５と、ステージ４に粉末材料の一例を示す金属粉末Ｍ１を供給する粉体供給部７と、電子銃８とを有している。また、３次元積層造形装置１は、重量調整機構１０と、を有している。
【００２１】
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、粉体供給部７及び重量調整機構１０が設けられている。
【００２２】
造形枠３は、処理室２の鉛直方向の下部に配置されている。造形枠３には、略筒状に開口するピット３ａが形成されている。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。
【００２３】
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、略平板状に形成されている。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。
【００２４】
また、造形枠３には、後述する重量調整機構１０の滑車１６が配置される機械室３ｂが設けられている。機械室３ｂは、ピット３ａの近傍に配置されている。
【００２５】
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の他面から鉛直方向の下方に向けて突出している。軸部４ｄは、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を鉛直方向に駆動する。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。
【００２６】
また、造形枠３における鉛直方向の上方には、粉体供給部７が配置されている。粉体供給部７は、ピット３ａ内に金属粉末Ｍ１を供給し、ステージ４の一面に金属粉末Ｍ１を敷き詰める。また、ステージ４の一面に供給された金属粉末Ｍ１を平らに均す均し板を処理室２内に設置してもよい。
【００２７】
なお、ステージ４の一面に金属粉末Ｍ１を供給する機構は、上述したものに限定されるものではない。例えば、予め処理室２内に供給された金属粉末Ｍ１を平板状のアーム部材を介して、ステージ４まで搬送し、ステージ４の一面に金属粉末Ｍ１を敷き詰めてもよい。
【００２８】
また、処理室２の鉛直方向の上部には、溶融機構の一例を示す電子銃８が装着されている。電子銃８は、処理室２の鉛直方向の上部において、ステージ４の一面に対向して配置される。
【００２９】
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。
【００３０】
重量調整機構１０は、ステージ４に連結される連結部１１と、ガイドレール１２と、ガイドレール１２を摺動するスライダ１３と、ロープ１４と、滑車１６と、重量調整部２１と、を有している。連結部１１は、ステージ４の一面の端部に連結されている。そして、連結部１１は、ピット３ａの側面部に形成された溝部３ｃを貫通している。連結部１１には、スライダ１３が接続されている。
【００３１】
スライダ１３は、ガイドレール１２に摺動可能に連結されている。ガイドレール１２は、ピット３ａの近傍に配置されている。ガイドレール１２は、ステージ４の移動方向と平行に鉛直方向に沿ってステージ４の移動距離と略同じ長さで延在している。スライダ１３には、ロープ１４の一端が連結されている。
【００３２】
滑車１６は、造形枠３の鉛直方向の上部に設けた機械室３ｂに配置されている。滑車１６には、ロープ１４が巻き掛けられている。また、ロープ１４の反対側の他端には、重量調整部２１を構成する調整カゴ１８が連結されている。これにより、調整カゴ１８は、ロープ１４、スライダ１３及び連結部１１を介してステージ４に連結される。そして、調整カゴ１８は、ステージ４の昇降動作に応じて昇降する。
【００３３】
また、調整カゴ１８は、容器状に形成されており、後述する調整錘Ｔ１が収納可能に構成されている。調整カゴ１８の重量は、ステージ４の重量と略等しくなるように設定されている。
【００３４】
また、調整カゴ１８の近傍には、調整錘供給部１９が設けられている。そして、調整カゴ１８と調整錘供給部１９により重量調整部２１を構成している。調整錘供給部１９には、調整錘Ｔ１が格納されている。調整錘供給部１９は、ステージ４に積層される金属粉末Ｍ１の重量に応じて調整錘Ｔ１を調整カゴ１８へ供給する。
【００３５】
調整錘Ｔ１としては、ステージ４に積層される金属粉末Ｍ１と同一の材料を用いてもよく、あるいは金属粉末Ｍ１の比重と同じ比重の材料を用いてもよい。さらに、調整錘Ｔ１として、金属粉末Ｍ１の比重と異なる比重の材料を適用してもよい。
【００３６】
１−２．３次元積層造形装置の動作
次に、図１及び図２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、３次元積層造形装置１における造形物Ｐ１を構築する前の状態を模式的に示す説明図である。
【００３７】
まず、図２に示すように、ステージ４に金属粉末Ｍ１が積層される前の状態では、ステージ４は、ピット３ａの鉛直方向の上部に配置されている。また、重量調整部２１の調整カゴ１８内には、調整錘Ｔ１は、収納されていない。上述したように、調整カゴ１８の重量とステージ４の重量は、略等しく設定されているため、調整カゴ１８とステージ４は、ロープ１４を介して釣り合う。その結果、ステージ４からステージ駆動機構５に加わる負荷を軽減することができる。
【００３８】
次に、図１に示すように、ステージ駆動機構５により、造形枠３の上面より鉛直方向に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の鉛直方向の層厚に相当する。次に、粉体供給部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。
【００３９】
このとき、ステージ４とロープ１４を介して連結する調整カゴ１８がステージ４と同期して鉛直方向に上昇する。さらに、調整カゴ１８には、調整錘供給部１９からステージ４に積層された金属粉末Ｍ１の重量と同じ重量分の調整錘Ｔ１が加えられる。これにより、ステージ４の重量と調整カゴ１８の重量が、ロープ１４を介して釣り合う。その結果、ステージ駆動機構５に加わる負荷を軽減することができる。
【００４０】
また、調整錘Ｔ１として、金属粉末Ｍ１と同一の材料、あるいは金属粉末Ｍ１と同じ比重の材料を適用した場合、調整カゴ１８に加える調整錘Ｔ１の量は、ステージ４に積層された金属粉末Ｍ１の量と同じになる。これにより、調整カゴ１８へ加える調整錘Ｔ１の量の調整を容易に行うことができる。
【００４１】
次に、金属粉末Ｍ１を敷き詰める工程が終了すると、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。
【００４２】
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。ここで、ステージ４は、ロープ１４を介して調整カゴ１８と釣り合っている。そのため、ステージ駆動機構５に加わる負荷は、図２に示す状態から図１に示す状態へ移動したときと同じになり、すなわち、常に一定にすることができる。これにより、ステージ駆動機構５に加わる負荷を軽減することができ、ステージ駆動機構５における駆動及び停止精度の向上を図ることができる。
【００４３】
さらに、ステージ駆動機構５に加わる負荷が軽減するため、ステージ駆動機構５の寿命を長く保つことができる。
【００４４】
次に、再び粉体供給部７によって、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。また、調整カゴ１８には、調整錘供給部１９からステージ４に積層された金属粉末Ｍ１の重量と同じ重量分の調整錘Ｔ１が加えられる。
【００４５】
そして、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。この一連の工程を繰り返して、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】
また、本例の３次元積層造形装置１では、ステージ４に金属粉末Ｍ１を１層積み重ねる度に調整カゴ１８に調整錘Ｔ１を加えた例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、金属粉末Ｍ１を複数層積み重ねる度に、調整カゴ１８に調整錘Ｔ１を加えてもよい。これにより、調整錘Ｔ１を供給する頻度を少なくすることができ、重量調整機構１０における重量の調整工程を簡略化することができる。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
また、上述した実施の形態例では、重量調整部として調整錘Ｔ１を収納する調整カゴ１８と、調整錘Ｔ１を調整カゴ１８へ供給する調整錘供給部１９を設けた例を説明したが、これに限定されるものではない。重量調整部としては、ステージ４に積層される最大積層量の半分の重量の調整錘をロープ１４に連結させてもよい。
【００５０】
そのため、ステージ４に粉末材料が最大積層重量の半分の重量が積層された時、ステージ４と重量調整部が釣り合う。これにより、ステージ４に粉末材料が積層されていない無積層時及びステージ４に粉末材料が最大積層された最大積層時の両者でステージ駆動機構５に加わる負荷が最大となるが、ステージ駆動機構５に加わる負荷の最大値を低く抑えることが可能である。この構成によれば、調整錘を供給する調整錘供給部１９が不要となるため、重量調整機構の構成を簡略化することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１…３次元積層造形装置、  ２…処理室、  ３…造形枠、  ３ｂ…機械室、  ４…ステージ、  ５…ステージ駆動機構、  ７…粉体供給部、  ８…電子銃（溶融機構）、  １０…重量調整機構、  １１…連結部、  １２…ガイドレール、  １３…スライダ、  １４…ロープ、  １６…滑車、  １８…調整カゴ、  １９…調整錘供給部、  ２１…重量調整部、  Ｍ１…金属粉末（粉末材料）、  Ｐ１…造形物、  Ｔ１…調整錘
【図１】
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【図２】
2015175011.tif 000004
【図３】
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