(57)【要約】【課題】ステージ上面においてブレードを一方向に一回移動させることで、ステージ上面に平坦な粉末材料の層を形成することができる三次元積層造形装置を提供することを目的とする。【解決手段】ステージ５の上面側を移動する移動部２０、及び、移動部２０の移動方向と直交する方向に延在する複数のブレード２１ａ〜２１ｃであって、移動部２０の移動方向に沿って移動部２０に支持された複数のブレード２１ａ〜２１ｃからなるブレード部２１を備える三次元積層造形装置１を構成する。ブレード部２１が複数のブレード２１ａ〜２１ｃを有することにより、複数のブレード２１ａ〜２１ｃが移動部２０の移動に伴って移動し、粉末材料を均しながらステージ５の上面に敷き詰める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に造形物を形成するための粉末材料を保持するステージと、
前記粉末材料を供給するために前記ステージの近傍に設けられた粉末供給部と、
前記ステージの上方であって、前記ステージの表面に対して平行な方向に移動する移動部と、
前記移動部に設けられ、前記移動部の移動方向と直交する方向に延びた複数のブレードからなるブレード部と
を備える三次元積層造形装置。
【請求項２】
前記ステージの上面側に配置され、回転する第１ベルト部を有する第１回転機構と、
前記ステージの上面側に配置され、回転する第２ベルト部を有し、前記第２ベルト部の延在方向が前記第１ベルト部の延在方向と平行になるように配置されている第２回転機構とを備え、
前記移動部は、前記第１ベルト部と前記第２ベルト部との間に支持され、前記第１及び第２ベルト部の回転に伴って前記ステージの上面側を移動する
請求項１に記載の三次元積層造形装置。
【請求項３】
前記第１及び第２ベルト部との間には、２つの移動部が配置され、前記２つの移動部は回転する第１及び第２ベルト部の半周毎に１つずつ配置されている
請求項２に記載の三次元積層造形装置。
【請求項４】
前記複数のブレードは、互いに剛度又は／及び形状が異なる
請求項１〜３のいずれかに記載の三次元積層造形装置。
【請求項５】
前記ブレード部は、前記移動方向の先頭側に設けられ、非可撓性の材料で構成された第１ブレードと、前記移動方向に対して前記第１ブレードの後方に設けられ、可撓性の材料で構成された第２ブレードとを有する
請求項１〜４のいずれかに記載の三次元積層造形装置。
【請求項６】
前記ブレード部は、さらに、
前記移動方向に対して前記第２ブレードの後ろ側に設けられ、前記粉末材料に接する辺側が前記移動方向と反対方向に湾曲した第３ブレードを有する
請求項５に記載の三次元積層造形装置。
【請求項７】
前記複数のブレードは、前記粉末材料と同じ材料で構成されている
請求項１〜６のいずれかに記載の三次元積層造形装置。
【請求項８】
前記粉末供給部は、粉末材料が充填された粉末タンクと、前記粉末タンクの粉末材料を排出する排出口に設けられた計量排出器とを備える
請求項１〜７のいずれかに記載の三次元積層造形装置。
【請求項９】
前記ブレード部で前記ステージの上面に粉末材料を敷き詰めた後に残った余剰な粉末材料を回収する粉末回収ボックスを備える
請求項１〜８のいずれかに記載の三次元積層造形装置。
【請求項１０】
前記粉末回収ボックスは、不要物を除去する粉末分級器を備える
請求項９に記載の三次元積層造形装置。
【請求項１１】
前記粉末回収ボックスで回収された粉末材料を、再度、前記粉末供給部に自動輸送する粉末ポンプを備える
請求項９又は１０に記載の三次元積層造形装置。
【請求項１２】
前記ステージが内部を軸方向に移動可能な筒状体を備え、外部からヒータによって加熱される造形枠と、
前記粉末タンクの排出口近傍に設けられ、前記造形枠と断熱された粉末受けとを更に備える
請求項１〜１１に記載の三次元積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末材料層の所定の領域を凝固させて形成する凝固層の形成を複数層繰り返すことにより、三次元構造の造形物を形成する三次元積層造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、造形物を一層ずつ重ねて造形する積層造形技術が脚光を浴びており、素材や造形手法の違いにより、多くの種類の三次元積層造形装置が開発されている（特許文献１参照）。
【０００３】
図９に従来の三次元積層造形装置の概略断面構成を示す。図９に示すように、従来の三次元積層造形装置１００は、中央部にピット部１０２ａを有する造形枠１０２と、造形枠１０２のピット部１０２ａ内部に設けられたステージ１０５と、ステージ１０５をピット部１０２ａ内部で上下に移動させる駆動機構１０３とを有する。さらに、三次元積層造形装置１００は、ステージ１０５の表面に粉末材料Ｐを供給する粉末タンク１０７Ａ，１０７Ｂと、ブレード１０９と、ステージ１０５表面に形成される粉末材料Ｐの層にレーザ光や電子ビームなどのエネルギービームを照射するためのビーム源１１０とを有する。
【０００４】
粉末タンク１０７Ａ，１０７Ｂは、ステージ１０５の両側に配置されており、ステージ１０５側に所望の粉末材料Ｐを供給する。ステージ１０５は、その端面にシール部材１０６を備え、このシール部材１０６によりステージ１０５と造形枠１０２との間で摺動性と密閉性が保持されている。ブレード１０９は、例えばステージ１０５の幅方向に延在する板状の部材で構成される。ブレード１０９は、２つの粉末タンク１０７Ａ，１０７Ｂ間を往復する支持部材１０８に支持されることで、粉末タンク１０７Ａ，１０７Ｂから流出する粉末材料Ｐを平坦に均しながらステージ１０５表面に敷き詰める。ビーム源１１０は、所望の三次元構造物を造形するために、一定の厚みにスライスした２次元形状のデータに基づいてエネルギービームを照射し、そのエネルギービームにより、ステージ１０５上の粉末材料Ｐを溶融する。
【０００５】
このような三次元積層造形装置１００では、まず、ブレード１０９で粉末タンク１０７Ａ，１０７Ｂから排出された粉末材料Ｐを掻き取りながらステージ１０５上に運び、ステージ１０５の表面に一層分の粉末材料Ｐを敷き詰める。そして、その粉末材料Ｐの層に対してエネルギービームを二次元面内で走査することで所定の位置にある粉末材料Ｐを溶融させる。このとき、溶融した粉末材料Ｐ同士が接合し、その後凝固することで一層分の凝固層が形成される。次に、ラック＆ピニオンやボールねじなどの駆動機構１０３によってステージ１０５を下げて更に粉末材料Ｐを敷き詰め、前工程と同様にしてその粉末材料を溶融・凝固させることで、先に作成された下層の凝固層と一体となった二層分の凝固層を形成する。このように、ステージ１０５を下げ、ステージ１０５上に粉末材料Ｐを供給し、その粉末材料Ｐを溶融及び凝固させる工程を繰り返すことで、三次元の造形物Ｍが形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００８−５４０１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、粉末材料Ｐを溶融・凝固させて所望の造形物Ｍを形成する場合、その形成過程において、不要に溶融して凝固した粗大溶融片が、ステージ１０５上の粉末材料Ｐの層に混入する場合がある。従来の三次元積層造形装置１００のように、一枚のブレード１０９で粉末材料Ｐの層を敷き詰める場合、ステージ１０５上の粉末材料Ｐの層に粗大溶融片が混入した状態でブレード１０９を移動させると、その粗大溶融片の影響により一回の移動では粉末材料Ｐの層を平坦にできない。このため、従来は、ステージ１０５上において、ブレード１０９を複数回行き来させることで粉末材料Ｐの層を平坦に均すことが行われていた。
【０００８】
このように、従来の三次元積層造形装置１００では、粉末材料Ｐの敷き詰めの為、ステージ１０５上でブレード１０９を複数回行き来させる必要があり、粉末材料Ｐの敷き詰め工程に時間がかかってしまう。
【０００９】
そこで、本発明は、ブレードを一方向に一回移動させるだけでステージの上面に平坦な粉末材料の層を形成することができる三次元積層造形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】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の三次元積層造形装置は、表面に造形物を形成するための粉末材料が供給されるステージと、ステージの近傍に粉末材料を供給する粉末供給部とを有する。また、本発明の三次元積層造形装置は、ステージの上面側を移動する移動部及びブレード部を備える。ブレード部は、移動部の移動方向と直交する方向に延在する複数のブレードであって、移動部の移動方向に沿って移動部に支持された複数のブレードを備える。そして、ブレード部は、移動部の移動に伴って粉末材料を均しながらステージの上面に敷き詰める。
【００１１】
本発明の三次元積層装置では、ブレード部が複数枚のブレードで構成されることにより、ブレード部を一方向に一回移動させるだけで、ステージの上面に平坦な粉末材料の層を形成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、作業効率の向上が図られた三次元積層造形装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図（その１）である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図（その２）である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る三次元積層造形装置のＺ駆動機構の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る三次元積層造形装置の均し部材の側面図である。
【図５】ステージの上面への金属粉末Ｐの敷き詰め作業時の説明図である。
【図６】ステージ支持体が移動範囲の最下端まで移動した状態を示した図である。
【図７】変形例に係る均し部材の概略構成図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略構成図である。
【図９】従来の三次元積層造形装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施形態に係る三次元積層造形装置の一例を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
【００１５】
〈１．第１の実施形態：三次元積層造形装置〉
［１−１．三次元積層造形装置の構成］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図（その１）であり、図２は、本発明の第１の実施形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図（その２）である。図１は、三次元積層造形装置を正面における断面図（一部正面図で示す）であり、図２は、三次元積層造形装置の側面における断面図（一部側面図で示す）である。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態の三次元積層造形装置１は、真空容器２と、真空容器２の内部に構成された造形枠３、ヒータ４、ステージ５、ステージ支持体６、Ｚ駆動機構支持部７、均し部材移動機構１０、均し部材１９、粉末供給部３５及び粉末回収ボックス４０とを有する。また、本実施形態の三次元積層造形装置１は、真空容器２の上部に装着された造形部５０を備える。以下の説明では、ステージ５の移動方向（鉛直方向）をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な第１の方向をＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向に垂直な第２の方向をＹ方向とする。また、本実施形態では、造形物を形成する粉末材料として、チタン、アルミニウム、鉄等の金属粉末を用いる例を説明する。
【００１７】
真空容器２は、内部を真空に維持できる容器で構成されており、上部に造形部５０が装着されている。造形物を造形する場合は、図示しない真空ポンプにより真空容器２内が脱気され、真空容器２の内部は真空に維持される。
【００１８】
造形枠３は、その軸方向がＺ方向となる筒状体３ａと、筒状体３ａの軸方向の上端部側に設けられたつば部３ｂとを有する。筒状体３ａは、軸方向に垂直な方向の断面が四角形である角筒である。つば部３ｂは、筒状体３ａの上端部の側周に設けられており、表面が水平となるように構成されている。また、つば部３ｂの外周の端部は真空容器２の内壁面に固定されている。筒状体３ａ内部では、後述するステージ５上で造形物Ｍが形成される。このため、完成した造形物Ｍを造形枠３から取り出せるように、筒状体３ａを構成する角筒の一面は開放可能な構造となっている。
【００１９】
ヒータ４は、筒状体３ａの外周面に沿って配置されている。ヒータ４としては、例えば２種類のセラミックスで構成されたＰＧ／ＰＢＮ（Pyrolytic Graphite/ Pyrolytic Boron Nitride）ヒータ等の１０００℃以上の温度に加熱できるヒータが用いられる。ヒータ４が加熱されることにより筒状体３ａが加熱され、筒状体３ａ内部の温度を上げることができる。
【００２０】
ステージ５は、表面にＸＹ平面に平行な面を有する四角形の板状の部材で構成されており、筒状体３ａ内部でＺ方向に上下動可能な大きさに構成されている。そして、ステージ５は、第１断熱構造体２６及び第２断熱構造体２７からなる断熱構造体が配置されたステージ支持体６によって支持され、その表面が水平になるように造形枠３の筒状体３ａ内部に配置されている。
【００２１】
また、ステージ５の外周の端部には、筒状体３ａの内壁面に接するシール部材１１が設けられており、ステージ５と筒状体３ａの内壁面との滑り面において、摺動性と密閉性とを持たせている。シール部材１１としては、例えば、耐熱性及び柔軟性を有するセラミクスウールなどを用いることができる。シール部材１１が設けられていることにより、後述する粉末供給部３５から供給される金属粉末Ｐがステージ５の下に漏れることを防止することができる。
【００２２】
ステージ支持体６は、ステージ５の表面と平行な面を有する板状の底部６ａと、底部６ａのＸ方向に対向する辺においてＺ方向に立設された側壁部６ｂとで構成され、上方が開放された断面がコ字状の部材で構成されている。底部６ａは造形枠３の筒状体３ａのＺ方向に垂直な面の断面積よりも大きな面積で構成された四角形状の部材で構成され、側壁部６ｂは、長方形状の面を有する板状の部材で構成されている。そして、ステージ支持体６は、底部６ａの側壁部６ｂが設けられた側の面に、第１断熱構造体２６及び第２断熱構造体２７からなる断熱構造体を介してステージ５を支持すると共に、側壁部６ｂが造形枠３の取り出し口となる面を塞がないように配置されている。
【００２３】
第１断熱構造体２６及び第２断熱構造体２７は、この順でステージ支持体６の底部６ａに積層して配置されており、第２断熱構造体２７の上面にステージ５が固定されている。第１断熱構造体２６としては、熱伝導率の低い材料を用いることができ、例えば、耐火煉瓦、セラミックス等を用いることができる。また、第２断熱構造体２７としては、熱伝導率が低い金属材料を用いることができ、例えば、ステンレスを用いることができる。さらに、本実施形態では、第２断熱構造体２７の内部に空間部２７ａが形成されており、軽量化が図られると共に、熱伝導を抑えている。
【００２４】
Ｚ駆動機構支持部７は、ステージ支持体６を挟む位置に配置された第１Ｚ駆動機構支持部７Ａ及び第２Ｚ駆動機構支持部７Ｂで構成されている。第１Ｚ駆動機構支持部７Ａ及び第２Ｚ駆動機構支持部７Ｂは、それぞれ、真空容器２の底部側に設けられた土台３０上面に固定される板状の底部７ａと、底部７ａの端部の辺においてＺ方向に立設された側壁部７ｂとからなる断面がＬ字状の部材で構成されている。第１Ｚ駆動機構支持部７Ａ及び第２Ｚ駆動機構支持部７Ｂは、それぞれの底部７ａの側壁部７ｂが設けられた側とは反対側の端部が真空容器２の内壁面に固定されており、それぞれの側壁部７ｂがステージ支持体６の側壁部６ｂに沿うように配置されている。また、第１Ｚ駆動機構支持部７Ａ及び第２Ｚ駆動機構支持部７Ｂのそれぞれの側壁部７ｂ及びステージ支持体６の側壁部６ｂの対向する面には、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂが設けられている。Ｚ駆動機構１２Ａ、１２Ｂの構成は同じであるので、ここでは、Ｚ駆動機構１２Ａを代表して図示し、その構造を説明する。
【００２５】
図３は、Ｚ駆動機構１２Ａの説明図である。図３に示すＺ駆動機構１２Ａは、第１Ｚ駆動機構支持部７ＡとＺ駆動機構１２Ａの間からＸ方向にＺ駆動機構１２Ａを見た状態を表したものである。
【００２６】
Ｚ駆動機構１２Ａは、図３に示すように、第１Ｚ駆動機構支持部７Ａ側に取り付けられたガイド部材１２ａ、ボールねじ３２Ａ及び駆動部３１Ａと、ステージ支持体６側に取り付けられたスライド部材３４Ａとを有する。このＺ駆動機構１２Ａは、ガイド部材１２ａとスライド部材３４Ａとの接触部にローラが用いられたリニアローラガイドである。
【００２７】
ガイド部材１２ａは、第１Ｚ駆動機構支持部７Ａの側壁部７ｂにＺ方向に沿って並列に固定された２本のガイドシャフト１２ａ１，１２ａ２から構成される。ボールねじ３２Ａがガイドシャフト１２ａ１，１２ａ２と同様に第１Ｚ駆動機構支持部７Ａの側壁部７ｂにＺ方向に配置されており、一端にモータ等の駆動部３１Ａが接続されている。ボールねじ３２Ａは駆動部３１Ａの駆動力を受けて正回転又は逆回転する。
【００２８】
スライド部材３４Ａは、ボールねじ３２Ａの回転に応じて、２本のガイドシャフト１２ａ１，１２ａ２に沿って（案内されて）Ｚ方向（上下方向）へ移動する。スライド部材３４Ａは、ステージ支持体６の側壁部６ｂ及び第１Ｚ駆動機構支持部７Ａの側壁部７ｂの形状に合わせて、一例として、ＹＺ平面に平行な面を持つ平板状の形状である。スライド部材３４Ａの少なくともＹＺ平面に平行な面には、ステージ支持体６の側壁部６ｂが固定されている。そのため、スライド部材３４ＡのＺ方向への移動に伴ってステージ支持体６がＺ方向へ移動し、造形枠３の筒状体３ａ内部におけるステージ５のＺ方向における位置（高さ）が変わる。
【００２９】
Ｚ駆動機構１２Ｂも、Ｚ駆動機構１２Ａと同様に、２本のガイドシャフトで構成されるガイド部材１２ｂと、ボールねじ３２Ｂと、スライド部材３４Ｂと、モータ等の駆動部３１Ｂを有する（図１参照）。スライド部材３４Ｂが、ボールねじ３２Ｂの回転に応じてガイド部材１２ｂの２本のガイドシャフトに案内されてＺ方向へ移動する。スライド部材３４Ｂもスライド部材３４Ａと同様、一例としてＹＺ平面に平行な面を持つ平板状の形状である。スライド部材３４Ｂの少なくともＹＺ平面に平行な面には、ステージ支持体６の側壁部６ｂが固定されている。Ｚ駆動機構１２Ａのスライド部材１３ＡとＺ駆動機構１２Ｂのスライド部材３４Ｂの駆動は、ステージ５がＸＹ平面に平行（水平）となるように制御される。
【００３０】
このようなＺ駆動機構１２Ａ，１２Ｂを持つ三次元積層造形装置１において、ステージ支持体６（ステージ５）のＺ方向のストロークが６００ｍｍ程度である場合に、室温におけるステージ５の横方向への振れ量は、３μｍ〜数μｍと非常に小さい。そして、このようなＺ駆動機構１２Ａ，１２Ｂによってステージ支持体６がＺ駆動機構支持部７に対してＺ方向にスライドすることでステージ５がＺ方向に移動する。
【００３１】
土台３０は、Ｚ駆動機構支持部７が載置される台であり、中央部にステージ支持体６の底部６ａの外径よりも大きな径の穴（ピット）３０ａが形成されている。ステージ支持体６は、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂにより、第１及び第２Ｚ駆動機構支持部７Ａ，７Ｂの内側及びピット３０ａ内をＺ方向に移動する。
【００３２】
また、造形枠３の筒状体３ａの外周面とステージ支持体６の側壁部６ｂとの間、及び、造形枠３の筒状体３ａの土台３０側の端部とステージ支持体６の底部６ａとの間には、熱遮蔽板４１が設けられている。造形枠３の周りは高温になるが、この熱遮蔽板４１によって真空雰囲気での赤外線（輻射熱）が遮蔽される。熱遮蔽板４１の形成材料としては、比較的熱電率が良く、反射面を作りやすいアルミニウムを用いることができる。
【００３３】
この熱遮蔽板４１は、熱伝導率が高い材質で形成された接続部材４１ａを介して、冷却配管４２により冷却されているＺ駆動機構支持部７に接触している。熱遮蔽板４１の上部とＺ駆動機構支持部７の側壁部７ｂのそれぞれの上端は、接続部材４１ａ、ステージ支持体６の移動を妨げないように連結している。冷却配管４２は、配管内部を冷却水等が流れており、Ｚ駆動機構支持部７の側壁部７ｂのステージ支持体６に面する側とは反対側の面に沿うように配置されている。また、造形枠３のつば部３ｂの下面には、断熱材４４が配置されており、造形枠３のつば部３ｂが断熱材４４を介してＺ駆動機構支持部７の側壁部７ｂの上端に固定されている。このように、熱遮蔽板４１と断熱材４４によって、造形枠３からＺ駆動機構支持部７に熱が輻射されること及び熱が伝導することを防止できる。
【００３４】
均し部材移動機構１０は、造形枠３のつば部３ｂの上面側に設けられており、ステージ５を挟んで配置された第１回転機構１０Ａ及び第２回転機構１０Ｂによって構成されている。第１回転機構１０Ａは、後述する均し部材１９の移動方向（Ｘ方向）においてステージ５を挟む位置に配置された一対の歯車１３とその一対の歯車１３に張架された第１ベルト部１４で構成されている。また、第２回転機構１０Ｂは、第１回転機構１０Ａと同様、後述する均し部材１９の移動方向（Ｘ方向）においてステージ５を挟む位置に配置された一対の歯車１７とその一対の歯車１７に張架された第２ベルト部１６で構成されている。第１ベルト部１４及び第２ベルト部１６としては、例えばチェーンベルトや耐熱性歯付ベルトを用いることができる。そして、図２に示すように、第１及び第２回転機構１０Ａ，１０Ｂは、第１及び第２ベルト部１４，１６のそれぞれが、ＸＹ平面においてステージ５の上方をＸ方向に走行するように、ステージ５のＸ方向の辺に沿って配置されている。
【００３５】
第１回転機構１０Ａを構成する一対の歯車１３と第２回転機構１０Ｂを構成する一対の歯車１７はそれぞれ同形状である。また、第１回転機構１０Ａを構成する一対の歯車１３の一方と、第２回転機構１０Ｂを構成する一対の歯車１７の一方がＹ方向に並んで配置されると共に、同一の回転軸１５ａに接続されている。さらに、第１回転機構１０Ａを構成する一対の歯車１３の他方と、第２回転機構１０Ｂを構成する一対の歯車１７の他方がＹ方向に並んで配置されると共に、同一の回転軸１５ｂに接続されている。そして、図２に示すように、回転軸１５ａは、真空容器２の外部に配置されたモータ１８に接続されている。また、回転軸１５ｂについても、図示はされていないが、真空容器２の外部に配置されたモータに接続されている。モータ１８からの回転駆動力は回転導入機などのＯリングを用いたフィードスルーによって真空容器２内に導入される。
【００３６】
なお、図２では、回転軸１５ａの一方の端部がモータ１８に接続され、他方の端部が支持されていないが、他方の端部も真空容器２の内壁面に回転可能に支持される構成としてもよい。また、本実施形態では、回転軸１５ａ，１５ｂの両方がモータに接続される構成としたが、２本の回転軸１５ａ，１５ｂのうち、少なくとも一方がモータに接続されていればよい。
【００３７】
このような構成において、モータ１８を駆動し、歯車１３，１７を回転させることによって、第１及び第２回転機構１０Ａ，１０Ｂの第１及び第２ベルト部１４，１６が回転する。このとき、Ｙ方向に隣り合う同形状の歯車１３，１７同士が同一速度で回転することで、第１及び第２回転機構１０Ａ，１０Ｂにおける第１及び第２ベルト部１４，１６が同一速度で回転する。このような構成の均し部材移動機構１０において、第１及び第２ベルト部１４，１６間に後述する均し部材１９を支持することにより、均し部材１９をＸ方向に移動させることができる。本明細書においては、図１において、第１及び第２ベルト部１４，１６は時計回りに回転するものとし、ステージ５に近い側を移動する均し部材１９は、後述する粉末供給部３５側から粉末回収ボックス４０側へ（図１の右側から左側へ）移動するものとして、以下の説明を行う。
【００３８】
図４は、均し部材１９の側面図である。均し部材１９は、第１及び第２ベルト部１４，１６の回転と共に移動する移動部２０と、その移動部２０に支持されるブレード部２１と、移動部２０の両側端部に設けられた支持部材２２及び補助車輪２３とを備える。
【００３９】
移動部２０は支持部材２２に対して回転の自由度を持った状態で支持されている。また、支持部材２２は、移動部２０の移動方向に直交する両側端部に設けられており、移動部２０の両側端部に設けられたそれぞれの支持部材２２が第１ベルト部１４及び第２ベルト部１６に固定されている。このとき、移動部２０の長手方向のバランスが取れ、ブレード部２１のステージ５側の端部が水平になるように移動部２０は第１ベルト部１４及び第２ベルト部１６に固定されている。そして、移動部２０は、第１及び第２ベルト部１４，１６に固定されることにより、第１及び第２ベルト部１４，１６の回転に伴って移動する。
【００４０】
補助車輪２３は、支持部材２２と同様、移動部２０の移動方向に直交する方向の両側端部において、支持部材２２よりもステージ５側に近い位置に設けられている。補助車輪２３は回転軸２５により回転可能に取り付けられている。また、本実施形態では、補助車輪２３は、移動部２０のそれぞれの側端部に２つずつ設けられており、側端部に設けられた２つの補助車輪２３は、移動部２０の移動方向に並べて配置されている。
【００４１】
本実施形態では、図２に示すように、ステージ５が配置される領域の外側の領域において、ステージ５のＸ方向（すなわち、均し部材１９の移動方向）の辺に沿ってレール２４が配置されている。そして、移動部２０がステージ５に近い位置を移動する際には補助車輪２３はステージ５脇に設けられたレール２４に嵌合し、レール２４上を回転移動する。これにより、移動部２０のＺ方向の動きが規制され、移動部２０のＸ方向への移動が安定する。
【００４２】
ブレード部２１は、図４に示すように、第１〜第３ブレード２１ａ〜２１ｃの３つのブレードで構成されている。第１〜第３ブレード２１ａ〜２１ｃは、長方形状の部材で構成され、その長手方向が均し部材１９の移動方向と直交する幅方向に延在するように移動部２０に固定されている。また、第１〜第３ブレード２１ａ〜２１ｃは、Ｘ方向に所定の間隔を空けて移動部２０に支持され、均し部材１９の移動方向の先頭側（すなわち、図１では左側）から、第１ブレード２１ａ、第２ブレード２１ｂ、第３ブレード２１ｃの順に配置されている。
【００４３】
本実施形態では、第１ブレード２１ａは非可撓性の板状部材で構成され、第２ブレード２１ｂは可撓性の板状部材で構成される。また、第３ブレード２１ｃは、第２ブレード２１ｂよりも弾性変形しやすい可撓性の部材で構成され、ステージ５側の辺側が、均し部材１９の移動方向とは反対方向に湾曲している。さらに、第１〜第３ブレード２１ａ〜２１ｃは、後述する金属粉末Ｐと同じ材料で形成されている。第１〜第３ブレード２１ａ〜２１ｃは、移動部２０の移動に伴い、後述する粉末タンク３４から排出された金属粉末Ｐを掻き取りながらＸ方向に移動し、掻き取った金属粉末Ｐをステージ５上面に敷き詰める。
【００４４】
第１ブレード２１ａを非可撓性の比較的硬い板状部材で構成することにより、粉末タンク３４から供給される金属粉末Ｐを運ぶ際に、後述する粉末受け３７上から掻き取った金属粉末Ｐの重みによるブレードの撓みを防止することができる。これにより、金属粉末Ｐをステージ５全面に運ぶことができる。また、第１ブレード２１ａを非可撓性の部材で構成することにより、第２層目以降の金属粉末Ｐの敷き詰め工程において、ステージ５上にできた溶融片等の不要物を後述する粉末回収ボックス４０側に運ぶことができる。
【００４５】
一方、第２ブレード２１ｂを可撓性の比較的柔らかい板状部材で構成することにより、金属粉末Ｐの表面をより平坦に均すことができる。また、第３ブレード２１ｃを第２ブレード２１ｂを構成する板状部材よりも弾性変形しやすい可撓性の板状部材で構成し、ステージ５に近い側の端部側が移動部２０の移動方向と反対方向に湾曲した形状とする。これにより、ステージ５上の金属粉末Ｐの表面をさらに平坦にすることができる。
【００４６】
また、本実施形態では、図１に示すように、均し部材１９は回転する第１及び第２ベルト部１４，１６の半周置きに１つずつ配置されている。これにより、一方の均し部材１９をステージ５の上面において右から左に移動させた場合、他方の均し部材１９は左から右に移動するので、どちらかの均し部材１９を常に粉末供給部３５の近傍に待機させておくことができ、金属粉末Ｐの敷き詰め工程を効率的に行うことができる。
【００４７】
粉末供給部３５は、金属粉末Ｐが充填された漏斗状の粉末タンク３４と、粉末タンク３４の金属粉末Ｐを排出する排出口に設けられた計量排出器３６とを備える。粉末タンク３４は、造形枠３のつば部３ｂの外側に配置され、その排出口は、つば部３ｂのＹ方向の辺に沿って設けられた粉末受け３７に金属粉末Ｐを排出するようにステージ５のＹ方向の辺に沿って設けられている。
【００４８】
計量排出器３６は、例えばモータで回転されるスクリューで構成されており、排出口から粉末受け３７に排出される金属粉末Ｐの排出量を調整する。例えば、粉末受け３７に設けられた重量測定器（図示を省略する）で粉末受け３７に排出されている金属粉末Ｐの重量を計測し、その重量に基づいて必要な量の金属粉末Ｐを計量排出器３６で計量して排出する。計量排出器３６からは、ステージ５に敷き詰められる一層分の量の粉末が粉末受け３７に供給されていることが好ましい。
【００４９】
粉末受け３７は、造形枠３がヒータ４で予備加熱される際に発生する熱の伝導を避けるため、造形枠３のつば部３ｂとは断熱されている。粉末受け３７は熱伝導率の低い材料で形成したり、粉末受け３７を造形枠３のつば部３ｂと接触しないようにつば部３ｂよりも一段上に配置したりすることで、粉末受け３７と造形枠３のつば部３ｂとを断熱することができる。粉末受け３７を造形枠３と断熱することで、供給される金属粉末Ｐが粉末受け３７上で焼結するのを防止することができる。
【００５０】
また、本実施形態では、均し部材１９のブレード部２１によって粉末受け３７に供給された金属粉末Ｐを掻き取り、その掻き取った金属粉末Ｐをステージ５上に敷き詰める。したがって、均し部材１９の軌道が粉末受け３７上方を通るように、均し部材移動機構１０の位置と粉末受け３７の高さ（位置）とが調節されている。
【００５１】
粉末回収ボックス４０は、ステージ５を挟んで粉末供給部３５とは反対側に設けられ、造形枠３のつば部３ｂよりも外側に設けられている。均し部材１９が一方向に移動することによりブレード部２１で掻き寄せられた余剰の金属粉末Ｐは粉末回収ボックス４０に最終的に回収される。本実施形態では、図示を省略するが、粉末回収ボックス４０はふるい等で構成される粉末分級器を備え、ブレード部２１によって掻き寄せられた粗大溶融片等の不要物を粉末分級器によって取り除き、分級された粉末を回収することができる。
【００５２】
造形部５０は、電子銃で構成されており、電子ビーム出射がステージ５の表面に向くように真空容器２の上面に装着されている。本実施形態では、造形部５０から出射された電子ビームがステージ５の表面で二次元的に走査される。電子ビームが出射されることにより、ステージ５の表面に供給された金属粉末Ｐが溶融し、溶融した金属粉末Ｐ同士が接合しながら凝固する。これにより、所望の形状の凝固層を形成することができ、凝固層の形成を繰り返すことで三次元の造形物Ｍを形成することができる。
【００５３】
［１−２．三次元積層造形装置の動作］
次に、造形物Ｍの製造時における三次元積層造形装置１の動作を説明する。図５は、ステージ５上部への金属粉末Ｐの敷き詰め作業時の説明図である。また、図６は、ステージ支持体６が移動範囲の最下端まで移動した状態を示した図である。なお、図１，２，５，６では、金属粉末Ｐの敷き詰め、及び、金属粉末Ｐの溶融・凝固を複数回繰り返した後の断面構成を示しているが、以下では、第１層目における金属粉末Ｐの敷き詰め工程から説明する。
【００５４】
まず、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂによりステージ５の表面が造形枠３のつば部３ｂの表面とほぼ同じ高さになるように調整する。次に、ヒータ４により造形枠３の筒状体３ａの予備加熱を行う。造形枠３の筒状体３ａが予備加熱されることにより、ステージ５及び周囲の雰囲気が予備加熱される。次に、計量排出器３６によって粉末タンク３４から所定の量の金属粉末Ｐを排出する。排出された金属粉末Ｐは主に粉末受け３７上部に供給される。
【００５５】
次に、モータ１８を回転させることで均し部材移動機構１０の第１及び第２ベルト部１４，１６を回転させ、均し部材１９を移動させる。本実施形態では、均し部材１９が粉末受け３７上に供給された金属粉末Ｐを掻き取り、掻き取った金属粉末Ｐをステージ５上に運ぶ。このため、第１及び第２ベルト部１４，１６を回転し始める時に、２つの均し部材１９のうちどちらかの均し部材１９が粉末受け３７に近い側（図１では右側）の歯車の上部に位置するように調整しておく。
【００５６】
第１及び第２ベルト部１４，１６が回転することにより、粉末受け３７に近い側の歯車の上部側にあった均し部材１９は、図１の破線で示すようにブレード部２１を移動部２０の下端面に保持しながら時計回りに移動する。これにより、ブレード部２１は粉末受け３７にある金属粉末Ｐを掻き取りながら移動し、均し部材１９が歯車上の最下点に到達したときに、移動部２０の両側端に設けられた補助車輪２３がレール２４に嵌合する。そして、補助車輪２３がレール２４に案内されることで、均し部材１９はレール２４の軌道で決まる高さを維持しながら水平に移動する。このとき、均し部材１９のブレード部２１のステージ５側の先端と造形枠３のつば部３ｂ表面との隙間が、作成される造形物Ｍの第１層目の層厚となる。そして、均し部材１９がＸ方向に移動することによって、第１層目の金属粉末Ｐがステージ５の上面に平坦に均されながら供給される。
【００５７】
図５に示すように、均し部材１９が右側から左側に移動することで金属粉末Ｐがステージ５上に供給され、その後、ブレード部２１によって掻き寄せられた余剰の金属粉末Ｐは、粉末回収ボックス４０に回収される。図５に示すように、一方の均し部材１９がステージ５上部を均しながら右側から左側に移動するのに伴い、他方の均し部材１９は、左側から右側に移動する。そして、金属粉末Ｐの敷き詰めが終わり、２つの均し部材１９が均し部材移動機構１０のＸ方向の両側（右左）に振り分けられた状態で第１及び第２ベルト部１４，１６の回転を停止する。その後、造形枠３上に均し部材１９が存在しない状態（図１に示す状態）で造形部５０から電子ビームを出射する。
【００５８】
造形部５０は、三次元積層造形装置１で製造する目的の造形物の三次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）データを一定の厚み（Δｚの厚み）にスライスした２次元データに基づいて電子ビームを走査し、金属粉末Ｐを溶融する。そして、溶融した金属粉末Ｐ同士が接合して凝固することにより、一層分の造形物Ｍが形成される。
【００５９】
続いて、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂにより、Δｚ分だけステージ５を下げる。そして、粉末タンク３４から所定の量の金属粉末Ｐを粉末受け３７に供給し、モータ１８を駆動して第１及び第２ベルト部１４，１６を回転させることにより均し部材１９を移動させることで、再度、第１層目と同様にして金属粉末Ｐをステージ５上に敷き詰める。第２層目における金属粉末Ｐの敷き詰め工程では、第１層目の金属粉末Ｐの敷き詰め工程が終了した時点で図１の右側の歯車の上端部側で停止している均し部材１９が用いられる。このように、本実施形態では、均し部材１９を第１及び第２ベルト部１４，１６の半周置きに１つずつ設けることによって、第１及び第２ベルト部１４，１６が半回転する毎に金属粉末Ｐの敷き詰めを行うことができるため、作業効率を上げることができる。
【００６０】
そして、第２層目の金属粉末Ｐが敷き詰められた後、第２層目に相当する二次元データに基づいて電子ビームを走査し、金属粉末Ｐを溶融する。このとき、溶融した金属粉末Ｐ同士が接合すると共に、溶融した金属粉末Ｐが第１層目の凝固層とも接合して凝固する。これにより二層分の造形物Ｍが形成される。そして、図６に示すように、ステージ支持体６をＺ駆動機構支持部７に対してＺ方向に移動することでステージ５をＺ方向に下げながら、金属粉末Ｐの敷き詰め、及び、金属粉末Ｐの溶融・凝固を繰り返し行うことにより、所望の造形物Ｍを形成する。
【００６１】
本実施形態では、ブレード部２１を第１〜第３ブレード２１ａ〜２１ｃからなる３枚のブレードで構成することで、一枚のブレードで金属粉末Ｐを敷き詰める場合に比較して、金属粉末Ｐの層の平坦性を高めることができる。このため、本実施形態では、均し部材１９をステージ５上面において一方向に一回移動させるだけで、十分に平坦な金属粉末Ｐの層を形成することができる。また、移動方向の先頭に配置される第１ブレード２１ａを非可撓性の部材で構成し、粉末受け３７上で掻き取った金属粉末Ｐの重みに耐え得る素材とすることで、金属粉末Ｐをステージ５上面の端部にまで運ぶことができる。
【００６２】
ところで、第２層目以降の金属粉末Ｐの敷き詰め工程では、下層に、溶融・凝固の工程で発生した溶融ゴミ等が混ざっている場合がある。本実施形態の三次元積層造形装置１では、ブレード部２１のうち、移動方向の先頭に配置された第１ブレード２１ａが非可撓性の部材で構成される。このため、第１ブレード２１ａが粉末受け３７に供給された金属粉末Ｐをステージ５上に運ぶと同時に、下層に残った溶融ゴミなどを粉末回収ボックス４０側に移動させる役割を果たす。そして、第２及び第３ブレード２１ｂ，２１ｃを可撓性の部材で構成することにより、金属粉末Ｐを均しながらステージ５上に平坦に敷き詰めることができる。さらに、本実施形態では、第３ブレード２１ｃは可撓性部材で構成されると共に、ステージ５に近い側の端部側が移動方向とは反対方向に湾曲した形状であるため、金属粉末Ｐの表面を更に平坦にし、仕上がりをよりきれいにすることができる。
【００６３】
また、従来、ブレードは例えば耐熱性に優れたＳＵＳ（Steel Use Stainless）で形成されていたが、粉末材料としてＳＵＳ以外のものを用いた場合には、摩耗したブレード材が不純物として造形物に混入するおそれがある。これに対し、本実施形態では、第１〜第３ブレード２１ａ〜２１ｃを金属粉末Ｐと同じ素材か同等の素材で構成することにより、作成される造形物Ｍへの異素材の混入を防止することができる。
【００６４】
本実施形態では、ブレード部２１は、剛度や形状の異なる第１〜第３ブレード２１ａ〜２１ｃで構成したが、剛度及び形状が同じであるブレードを複数枚用いてブレード部２１を構成してもよい。ブレード部２１は、ステージ５上を一方向に一回移動させるだけで金属粉末Ｐを平坦に均すことのできる構成であればよく、種々の変更が可能である。
【００６５】
［１−３．均し部材の変形例］
図７に、変形例に係る均し部材の概略構成を示す。図７において、図４に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。なお、図７では、均し部材６０の移動方向(Ｘ方向)から均し部材６０を見たときの平面図である。
【００６６】
図７に示すように、変形例に係る均し部材６０は、形状を異ならせた複数枚（図７では２枚）のブレード６１，６２でブレード部６３を構成する例を示す。均し部材６０は、移動部２０と、移動部２０に支持された櫛歯状の第１ブレード６１及び第２ブレード６２を有する。第１ブレード６１の歯部と第２ブレード６２の歯部は、それぞれ異なる幅に形成されており、第１及び第２ブレード６１，６２は、第１ブレード６１の歯部が第２ブレード６２の隣り合う２つの歯部間の隙間を覆うように配置されている。また、変形例においても第１及び第２ブレード６１，６２は、用いられる金属粉末Ｐと同じ材料で構成されることが好ましい。
【００６７】
このように、櫛歯状のブレード６１，６２を２枚用いることによっても、不要な溶融片を除去し、かつ、表面を平坦に均しながら金属粉末Ｐを敷き詰めることができる。２枚のブレードを移動部２０に設けることで、均し部材６０を一度ステージ５上で移動させるだけで、金属粉末Ｐを平坦に均すことができる。
【００６８】
〈２．第２の実施形態：粉体ポンプを有する三次元積層造形装置〉
図８に、本発明の第２の実施形態に係る三次元積層造形装置の概略断面構成を示す。本実施形態の三次元積層造形装置７０は、第１の実施形態に係る三次元積層造形装置１に、粉体ポンプ７１を追加した例である。図８において、図１に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。
【００６９】
粉体ポンプ７１は、例えばスクリューポンプなどの、金属粉末Ｐを自動輸送可能な装置で構成され、粉末回収ボックス４０から粉末タンク３４に粉末を輸送するように配置されている。この粉体ポンプ７１は、例えば造形枠３の造形物Ｍの取り出し口とは反対側など製造工程において邪魔にならない位置に配置される。粉体ポンプ７１は例えば粉末回収ボックス４０に取り付けられたモータ取り付け台７４に固定されたモータ７３によって駆動される。モータ７３を駆動することにより、粉末回収ボックス４０において、ふるいにかけられることで異物が取り除かれ分級された金属粉末Ｐを粉末タンク３４に運ぶ。
【００７０】
以上のように、本実施形態では、敷き詰め工程でブレード部２１が余剰に掻き取った金属粉末Ｐを回収して再度、造形物Ｍの作成に用いることができ、余剰粉末の自動リサイクルが可能である。その他、本実施形態の三次元積層造形装置７０においても、第１の実施形態と同様の効果を有する。
【００７１】
上述した第１及び第２の実施形態では、粉末材料として金属粉末を用いる例としたが、これに限られるものではない。例えば、粉末材料として、金属材料の他、セラミック、樹脂等を用いることができる。また、ブレード部を構成する複数枚のブレードはそれぞれ材質を異ならせてもよい。
【００７２】
また、第１及び第２の実施形態では、造形部５０として電子銃を用いる例としたが、これに限られるものではない。例えば、造形部５０として、レーザ光を発振するレーザ光源や、イオンビームを発生させるイオン銃、紫外線を照射する紫外線照射装置などを用いることができる。また、粉末材料に液滴を吐出させて粉末材料を固めるような構成の装置にも本願発明を適用することができる。なお、第１及び第２の実施形態では、造形部５０として電子銃を用いる例とするため、ステージ５を真空引きした真空容器２内に配置する構成としたが、造形部５０としてレーザ光源を用いる場合には大気中で造形物の製造工程を行うことができる。
【００７３】
以上、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１・・・三次元積層造形装置、２・・・真空容器、３・・・造形枠、３ａ・・・筒状体、３ｂ・・・つば部、４・・・ヒータ、５・・・ステージ、６・・・ステージ支持体、７・・・Ｚ駆動機構支持部、７Ａ・・・第１Ｚ駆動機構支持部、７Ｂ・・・第２Ｚ駆動機構支持部、１０・・・均し部材移動機構、１０Ａ・・・第１回転機構、１０Ｂ・・・第２回転機構、１１・・・シール部材、１２Ａ，１２Ｂ・・・Ｚ駆動機構、１２ａ・・・ガイド部材、１３，１７・・・歯車、１３Ａ・・・スライド部材、１４・・・第１ベルト部、１６・・・第２ベルト部、１８・・・モータ、１９・・・均し部材、２０・・・移動部、２１・・・ブレード部、２１ａ・・・第１ブレード、２１ｂ・・・第２ブレード、２１ｃ・・・第３ブレード、２２・・・支持部材、２３・・・補助車輪、２４・・・レール、２６・・・第１断熱構造体、２７・・・第２断熱構造体、３０・・・土台、３４・・・粉末タンク、３５・・・粉末供給部、３６・・・計量排出器、４０・・・粉末回収ボックス、４１・・・熱遮蔽板、４２・・・冷却配管、４４・・・断熱材、５０・・・造形部、６３・・・ブレード部、７０・・・三次元積層造形装置、７１・・・粉体ポンプ、７３・・・モータ
【図１】
2015193134.tif 000003
【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】
2015193134.tif 000008
【図７】
2015193134.tif 000009
【図８】
2015193134.tif 000010
【図９】
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