(57)【要約】【課題】粉末材料再生を的確に行うことができるものとする。【解決手段】粉末材料１５の層を形成してこの層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層１６を形成することを繰り返すとともに、造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う工程を複数回の焼結層の作製工程中に挿入して所要の三次元形状造形物を製造する際の粉末材料の再生方法である。未焼結粉末材料と切削除去工程で生じた切削屑とを回収するとともに切削屑を分離する回収分離工程と、切削屑が分離された回収粉末材料の材料成分の検査を行う材料成分検査工程と、該検査結果を基に不足材料成分を補充して混合することで材料再生を行う材料追加工程と、再生した材料粉末を上記造形に供する材料粉末供給工程とを有する。切削屑の分離に加えて、材料分析で失われた成分を検査し、その結果に応じて不足材料成分を補充して再生を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作製した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う工程を複数回の焼結層の作製工程中に挿入して所要の三次元形状造形物を製造する際の粉末材料の再生方法であって、未焼結粉末材料と切削除去工程で生じた切削屑とを回収するとともに切削屑を分離する回収分離工程と、切削屑が分離された回収粉末材料の材料成分の検査を行う材料成分検査工程と、該検査結果を基に不足材料成分を補充して混合することで材料再生を行う材料追加工程と、再生した材料粉末を上記造形に供する材料粉末供給工程とを有することを特徴とする三次元形状造形物の製造における粉末材料再生方法。
【請求項２】
不足材料成分の補充に際し、本来の粒子径よりも細かい粒子径のものを補充することを特徴とする請求項１記載の三次元形状造形物の製造における粉末材料再生方法。
【請求項３】
材料成分検査に際して、粒度検査を併せて行って、不足材料成分の補充に際し粒度検査結果に基づく粒子径のものを補充することを特徴とする請求項１または２記載の三次元形状造形物の製造における粉末材料再生方法。
【請求項４】
材料粉末供給工程は、三次元形状造形物の造形中の切削除去工程時に実施することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元形状造形物の製造における粉末材料再生方法。
【請求項５】
材料粉末供給工程は、粉末層の形成に供する粉末材料を収納した材料タンク内の粉末材料残量に応じたタイミングで再生粉末材料を供給するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の三次元形状造形物の製造における粉末材料再生方法。
【請求項６】
材料粉末供給工程は、粉末層の形成に供する粉末材料を収納した材料タンク内の粉末材料残量と、造形物の造形に必要な粉末材料の量との比較結果に基づいて再生粉末材料を供給するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の三次元形状造形物の製造における粉末材料再生方法。
【請求項７】
三次元形状造形物の造形中に各工程を処理して再生した材料粉末を上記造形に供することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の三次元形状造形物の製造における粉末材料再生方法。
【請求項８】
無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作製した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う工程を複数回の焼結層の作製工程中に挿入して所要の三次元形状造形物の造形を行う三次元形状造形物の製造装置のための粉末材料再生装置であって、未焼結粉末材料と切削除去工程で生じた切削屑とを回収する回収手段と、切削屑を分離する分離手段と、切削屑が分離された回収粉末材料の材料成分の検査を行う材料成分検査手段と、該検査結果を基に不足材料成分を補充して混合することで材料再生を行う材料追加手段と、再生した材料粉末を上記造形に供する材料粉末供給手段とを有することを特徴とする三次元形状造形物の製造における粉末材料再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粉末材料を光ビームで焼結硬化させることで三次元形状造形物を製造する三次元形状造形物の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光造形法として知られている三次元形状造形物の製造方法は、無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結（融着）することで焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して該粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結することで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成するということを繰り返すことで、複数の焼結層が積層一体化された粉末焼結部品（三次元形状造形物）を作製するものであり、三次元形状造形物の設計データ（ＣＡＤデータ）であるモデルを所望の層厚みにスライスして生成する各層の断面形状データをもとに光ビームを照射することから、マシニングセンターのような装置が無くとも任意形状の三次元形状造形物を製造することができるほか、切削加工などによる製造方法に比して、迅速に所望の形状の造形物を得ることができる。
【０００３】
ところで、光ビームを照射して焼結硬化させた部分の周囲には伝達された熱が原因となって不要な粉末が付着したり、垂れ下がった焼結部が生じてしまったりするものであり、このような表面層を除去して滑らかな表面の三次元形状造形物を得るために、本出願人は特許第３４４６７３３号において、焼結層の形成後にそれまでに作製した造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を行う工程を複数回の焼結層の作製工程中に挿入することを提案した。この場合、焼結層の作製と造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を繰り返し行うことで、ドリル長などの制約を受けることなく表面を仕上げることができる。
【０００４】
しかし、上記除去工程を挿入した場合、次の新たな問題が生じる。すなわち、除去に際して生じた屑（切削屑）が焼結層や粉末層の最上層の表面上に飛散してしまうために、無機質または有機質の粉末材料の余剰分を回収して再利用する時、これら切削屑も混入してしまう。
【０００５】
また、切削屑の混入だけであれば、これを分離することで対応することができるが、粉末材料はきわめて細かい微粒子のものが入っており、回収過程や切削屑の分離過程でこの微粒子の材料が飛散等によってかなり失われてしまうものであり、このために光造形にそのまま供すると、造形物の出来上がりが悪化してしまうことが多々生じる。
【特許文献１】特許第３４４６７３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、粉末材料再生を的確に行うことができる三次元形状造形物の製造における粉末材料再生方法及び粉末材料再生装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明に係る三次元形状造形物の製造における粉末材料再生方法は、無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作製した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う工程を複数回の焼結層の作製工程中に挿入して所要の三次元形状造形物を製造する際の粉末材料の再生方法であって、未焼結粉末材料と切削除去工程で生じた切削屑とを回収するとともに切削屑を分離する回収分離工程と、切削屑が分離された回収粉末材料の材料成分の検査を行う材料成分検査工程と、該検査結果を基に不足材料成分を補充して混合することで材料再生を行う材料追加工程と、再生した材料粉末を上記造形に供する材料粉末供給工程とを有することに特徴を有している。切削屑の分離に加えて、材料分析で失われた成分を検査し、その結果に応じて不足材料成分を補充して再生を行うのである。
【０００８】
上記不足材料成分の補充に際し、本来の粒子径よりも細かい粒子径のものを補充することが好ましい。失われやすい微粒子のものを重点的に補充するのである。
【０００９】
材料成分検査に際して、粒度検査を併せて行って、不足材料成分の補充に際し粒度検査結果に基づく粒子径のものを補充するならば、粒度分布もオリジナルの粉末材料に匹敵するものを得ることができる。
【００１０】
材料粉末供給工程は、三次元形状造形物の造形中の切削除去工程時に実施するとよい。切削除去工程時には粉末層の形成がなされないために、この間に供給することで造形時間を増やすことなく材料供給を行うことができる。
【００１１】
材料粉末供給工程は、粉末層の形成に供する粉末材料を収納した材料タンク内の粉末材料残量に応じたタイミングで再生粉末材料を供給すると、材料タンク内の底部に使われずに残ってしまう粉末材料の量を少なくすることができる。
【００１２】
また、材料粉末供給工程は、粉末層の形成に供する粉末材料を収納した材料タンク内の粉末材料残量と、造形物の造形に必要な粉末材料の量との比較結果に基づいて再生粉末材料を供給するものであると、その次の造形に用いる粉末材料が異なる種類のものである場合に、材料タンクからそれまでの粉末材料を抜き取る手間と時間と少なくすることができる。
【００１３】
そして、三次元形状造形物の造形中に各工程を処理して再生した材料粉末を上記造形に供すると、未焼結粉末材料（余剰粉末材料）の収納や、再生後の粉末材料を溜めておく貯蔵タンクの容量が少なくてすむ。
【００１４】
また本願発明に係る三次元形状造形物の製造における粉末材料再生装置は、無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させることで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作製した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う工程を複数回の焼結層の作製工程中に挿入して所要の三次元形状造形物の造形を行う三次元形状造形物の製造装置のための粉末材料再生装置であって、未焼結粉末材料と切削除去工程で生じた切削屑とを回収する回収手段と、切削屑を分離する分離手段と、切削屑が分離された回収粉末材料の材料成分の検査を行う材料成分検査手段とと、該検査結果を基に不足材料成分を補充して混合することで材料再生を行う材料追加手段と、再生した材料粉末を上記造形に供する材料粉末供給手段とを有することに特徴を有している。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、切削屑の分離に加えて、材料分析で失われた成分を検査し、その結果に応じて不足材料成分を補充して粉末材料を再生するために、再生粉末材料を用いて製造した造形物は、オリジナルの粉末材料を用いて製造した造形物と変わりのないものを得ることができる。また、回収再生した粉末材料の利用により、最初に用意すべき粉末材料の量を削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、図１及び図２中の１０は造形用のチャンバーで窒素等が充填されることで内部空間が不活性雰囲気に保たれるチャンバー１０内の底部には造形タンク１１と材料タンク１２とが並んで配設されている。造形タンク１１は図２に示すように上下動自在な造形用テーブル１３を備え、材料タンク１２は同じく上下動自在な昇降テーブル１４を備えており、材料タンク１２内には複数の材料で構成された造形用粉末材料１５が収められている。
【００１７】
上記両タンク１１，１２の傍らにはスキージング用ブレード２１とこれを水平移動させる駆動機構２２とからなる材料供給機構２が配設されており、またミーリングヘッド４１とこれをＸＹ方向に移動させるＸＹ駆動機構４０とから構成されて、光造形で形成される造形物の表面の切削除去加工を行う切削除去手段４が配設されている。
【００１８】
さらにチャンバー１０の上方には、レーザー発振器３０から出力されたレーザーをガルバノミラー等のスキャン光学系３１を介して造形タンク１１に向けて照射する造形手段３が配設されている。
【００１９】
このものにおいては、次のようにして三次元形状造形物の造形がなされる。すなわち、材料タンク１２内の昇降テーブル１４を所定量だけ上昇させた状態でスキージング用ブレード２１を駆動することで、材料タンク１２内の粉末材料１５を造形タンク１１内の造形用テーブル１３上に供給するとともにブレード２１でならすことで造形テーブル１３上に第１層目の粉末層を形成し、この粉末層の硬化させたい箇所に光ビーム（レーザー）Ｌを照射して粉末を焼結させてベースと一体化した焼結層１６を形成する。
【００２０】
この後、昇降テーブル１４を少し上昇させるとともに造形用テーブル１３を少し下げてブレード２１で再度粉末材料の供給と表面をならすことで第２層目の粉末層を形成し、この粉末層の硬化させたい箇所に光ビーム（レーザー）Ｌを照射して粉末を焼結させて下層の焼結層１６と一体化した焼結層１６を形成するものであり、造形用テーブル１３を下降させるとともに粉末材料を供給して新たな粉末層を形成し、光ビームを照射して所要箇所を焼結層１６とする工程を繰り返すことで、目的とする三次元形状造形物を製造する。
【００２１】
光ビームの照射経路は、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。すなわち、従来のものと同様に、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（たとえば０．０５ｍｍ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。
【００２２】
また、厚みが０．０５ｍｍ程度の粉末層を形成しては光ビームを照射して焼結層１６を形成するということを繰り返して造形を行う途中には、上記切削除去手段４による造形物表面の切削除去を行う。つまり、焼結層１６の全厚みがたとえば切削除去手段４におけるミーリングヘッド４１の工具長などから求めた所要の値になれば、いったん切削除去手段４を作動させてそれまでに造形した造形物の表面部（側面を含む）を切削する。この切削除去加工により、造形物の表面に付着した粉末による表面層や、焼結時の垂れ下がりで造形物の側面に現れる不要焼結部などを除去する。切削除去手段４による切削加工経路は、光ビームの照射経路と同様に予め三次元ＣＡＤデータから作成する。
【００２３】
そして上記切削除去手段４による切削除去を行った後は、再度粉末層の形成並びに焼結層１６の形成を繰り返す。この結果、表面仕上げ加工を造形完了後に行わなくとも求める形状であり且つ表面が十分にきれいな造形物を得ることができる。
【００２４】
ここにおいて、ブレード２１の駆動による造形タンク１１側への粉末材料の供給時には、表面をならすようにして供給するために、余剰分が発生するものであり、この余剰分は造形タンク１１の脇に配置した余剰粉末を収納するための回収タンク５１にブレード２１によって送り込まれるのであるが、上記切削除去時には切削屑が発生しているために、切削除去工程直後に回収タンク５１に回収される粉末材料の余剰分には切削屑も混入していることになる。
【００２５】
このためにここでは上記余剰分を切削屑分別装置５２を介して回収するようにしている。切削屑は、いったん焼結によって合金化されたものであり、当初の粉末材料とは形状や大きさ、磁化率などの性質が異なることから、この点を利用して分別することができるものであり、図１に示す切削屑分別装置５２は、振動駆動されるふるいを用いて、大きさと形状から切削屑を分離し、切削屑ストッカー５３へと送っている。
【００２６】
つまり、必要最大径以下の粉末粒子だけが通る穴があいたふるいを用いることで、切削屑を除去する。分離の効率性の点からすれば、予め粗めのふるいを用いて、粒子径の大きい切削屑を取り除いた上で、さらに必要な最大径以下の粉末材料の粒子だけを通すふるいを用いるのが好ましい。また、一度のふるい作業ですべての切削屑を分離できるとは限らないことから、最大径の粒子径に併せたふるいを複数回通過させることも好ましい。
【００２７】
図３は上記切削屑分別装置５２の他例を示しており、図中５２１は材料噴出口、５２２は磁束密度を変化させることができる磁界発生部である。材料噴出口５２１から磁界発生部５２２で発生させた磁界中に向けて切削屑が混じった粉末材料を噴出させれば、強磁性体である鉄やニッケルを主成分とする粉末材料は、磁界発生部５２２に近い箇所に配された回収タンク５１に入るが、焼結後の合金である切削屑は鉄やニッケルを含んでいても合金化によって磁化率が落ちているために、上記磁界通過中の進路変更は少なく、このために回収タンク５１よりも遠方に設置されている切削屑ストッカー５３に入る。この場合、粉末材料が複数の材料成分からなる時、各材料毎に用意した回収タンクに入るように設定することもできる。
【００２８】
切削屑を除去した後の余剰粉末材料は、上記回収タンク５１から材料成分分析装置５４に送られて、回収された粉末材料が本来の成分比率のままであるかの検査がなされる。複数の成分からなる粉末材料は、その粒子の大きさや比重の関係で、上記分別や搬送の過程で成分比率が変化している可能性（微粉成分が周辺に飛散して減少している可能性）が高く、これを元の成分比率に戻すために、材料成分分析装置５４で成分比率を検査するのである。たとえば、当初の粉末材料が金属Ａ：７０％、金属Ｂ：２９％、添加物１％の重量配分であり、回収して切削屑を除去した後の粉末材料が金属Ａ：７０．２５％、金属Ｂ：２９．２５％、添加物０．５％の重量配分であったとすると、添加物を補充すべき材料とする。
【００２９】
各材料の成分比率が同じで変化がなくとも、各材料について通常の粒子径よりも微粒子が多い材料を混合することも好ましい。この種の光造形においては、粉末材料の粒子径も造形物の仕上がりに大きな影響を及ぼすことから、回収した粉末材料では飛散等で少なくなりがちの微粒子粉末材料の補充は、当初の粉末材料と同等のものとすることについて、きわめて有効である。
【００３０】
上記材料成分分析装置５４による材料分析に加えて、サンプリングしたものの粒度を計測することも好ましい。たとえば、ある材料成分の粒度分布が本来図４(a)で示すようなものであったのに対し、回収した粉末材料のその材料成分の粒度分布が図４(b)に示すものになっていた場合、図４(b)のイの範囲の粒度が多い材料（本来のものよりも微粒子のものが多い材料）を追加すべき材料とするのである。上記サンプリングは、複数箇所から行って、その粒度の平均値とそのばらつき量を求め、これを元の粉末材料の粒度分布と比較して、追加すべき材料及び量を決定するのが好ましい。
【００３１】
粒度の計測は、計測機器の分野で用いられている粒子分析装置を用いてもよいが、上記のようにサンプリングしてランダムにその粒子像を抽出し、その拡大画像から画像認識装置で大きさの計測を行い、その計測値の分布を求めると、簡易に計測を行うことができる。
【００３２】
粉末材料を構成する複数の材料の粒度が当初から異なるのであれば、材料成分分析装置５４として上記粒度計測手段を代用することができる。回収した材料粉末の粒度分布が当初の粒度分布と異なる時、少なくなっている粒度のもので構成されている材料を追加するのである。
【００３３】
材料分析装置５４で材料分析がなされた粉末材料は、次いで材料補充部５６を備えた混合機５５へと送られる。各材料毎に補充を行うことができる材料補充部５６によって前段の材料分析で補充すべきとされた材料の補充と混合とが混合機５５で行われるものであり、また、混合された粉末材料の一部は材料分析装置５４に戻されて再度検査が行われる（図５参照）。
【００３４】
そして造形前と同じ成分比率（且つ同じ粒度分布）に戻された粉末材料は、一時貯蔵タンク５７に送られ、その後、図６に示すように適宜タイミングで材料タンク１２に供給される。この時、材料タンク１２内の昇降テーブル１４は供給される量に合わせて降下させる。
【００３５】
一時貯蔵タンク５７内の粉末材料を造形のための材料タンク１２に戻すタイミングは、図７に示すように、造形途中に挿入される切削除去加工時とするのが好ましい。切削除去加工中は、材料タンク１２からの粉末材料供給が行われないために、造形に要する時間の延長を招くことなく粉末材料の再生利用を行うことができる。
【００３６】
ただし、切削除去加工時に必ず粉末材料を戻すことを行う必要はなく、材料タンク１２内の粉末材料を一定量以上消費したならば、次の切削除去加工時に粉末材料を材料タンク１２に戻すのが好ましい。特に、図８に示すように、切削除去加工の間に造形される造形物の造形に必要な粉末材料の量が材料タンク１２内での高さでΔＨ２（この数値は予め求めておくものとする）である時、材料タンク１２内の粉末材料の残量（高さＨ）がＨ＜ΔＨ２となった時点で戻すのが好ましい。このようにすることで、材料タンク１２の底に使われることなく残ってしまう粉末材料の量を少なくすることができる。なお、図７中の材料再生タイミングかどうかの判断処理は、この材料タンク１２内の粉末材料の残量（使用量）や次の造形に使用されると予測される粉末材料の量に応じてなされる処理である。
【００３７】
また、図９に示すように、ある造形物の造形に必要な粉末材料の量が材料タンク１２内での高さでΔＨであり、造形開始時の材料タンク１２内の粉末材料の量が高さでＨ０である時、Ｈ０＞ΔＨであれば、その造形中には一時貯蔵タンク５７から材料タンク１２に粉末材料を戻すことなく造形を行ってしまうようにすることも好ましい。この場合、造形が完了すれば再度同じ判断処理を行うことで再生粉末材料を材料タンク１２に戻すかどうかを判断して、この決定に従う。
【００３８】
なお、粉末材料の消費量は、材料タンク１２の昇降テーブル１４の高さを距離検知センサ６０やリニアゲージ、昇降テーブル１３の昇降駆動用のモータの回転数検知手段等で検出することで知ることができる。
【００３９】
また、図７に示すフローチャートにおいては、切削除去工程に入ったならば、上述の切削屑の分別と成分検査と不足成分補充及び混合の工程である分離再生工程と、一時貯蔵タンク５７から材料タンク１２に粉末材料を戻す材料再供給工程とを行うものとなっているが、上記分離再生工程については光造形中に並行して行ってもよい。
【００４０】
さらに、以上の説明では粉末材料の再生をオンラインで行って再生した粉末材料を造形途中に材料タンク１２に戻すことができるようにしたものを示したが、オフラインでのバッチ処理で粉末材料再生を行ってもよいのはもちろんである。ただし、この場合は回収タンク５１や一時貯蔵タンク５７として大容量のものが必要となる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態の一例のブロック図である。
【図２】同上の造形装置部分の概略断面図である。
【図３】切削屑分別装置の他例の動作を示す説明図である。
【図４】(a)(b)は夫々粒度分布図である。
【図５】同上の再生工程のフローチャートである。
【図６】同上の再生後の粉末材料の処理についてのフローチャートである。
【図７】同上のオンライン処理についてのフローチャートである。
【図８】粉末材料を戻すタイミングについての説明図である。
【図９】粉末材料を戻すタイミングについての他の説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
５１  回収タンク
５２  切削屑分別装置
５４  材料成分分析装置
５５  混合機
５６  材料補充部
５７  一時貯蔵タンク
【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】
2005335199.tif 000009
【図８】
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【図９】
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