(57)【要約】【課題】粉末材料の層の表面が荒れるのを抑制することができる粉末床溶融結合装置を提供することを目的とする。【解決手段】粉末材料Mを供給する粉末供給部１１、１３と、粉末供給部１１、１３に並べて設けられた台１５と、水平面内に回転軸Cを有し、かつ台１５に対向するローラ２０と、水平面に沿ってローラ２０を移動させることにより、粉末供給部１１、１３から台１５の上に粉末材料Mを運搬すると共に、ローラの移動速度vを自在に設定可能な移動駆動部３０と、ローラ２０が台１５の上で粉末材料Mの上を自然に転がる回転方向とは逆の回転方向にローラ２０を回転させると共に、ローラ２０の回転速度Nを自在に設定可能な回転駆動部４０とを有する粉末床溶融結合装置１０が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末材料を供給する粉末供給部と、
前記粉末供給部に並べて設けられた台と、
水平面内に回転軸を有し、かつ前記台に対向するローラと、
水平面に沿って前記ローラを移動させることにより、前記粉末供給部から前記台の上に前記粉末材料を運搬すると共に、前記ローラの移動速度を自在に設定可能な移動駆動部と、
前記ローラが前記台の上で前記粉末材料の上を自然に転がる回転方向とは逆の回転方向に前記ローラを回転させると共に、前記ローラの回転速度を自在に設定可能な回転駆動部と、
を有する粉末床溶融結合装置。
【請求項２】
前記回転駆動部は、同一の前記移動速度に対して、複数の異なる前記回転速度を設定可能である請求項１に記載の粉末床溶融結合装置。
【請求項３】
前記ローラの周速度は、前記移動速度の１．０〜２．４倍である請求項１又は請求項２に記載の粉末床溶融結合装置。
【請求項４】
前記ローラの周速度は、前記移動速度の１．７〜２．４倍である請求項３に記載の粉末床溶融結合装置。
【請求項５】
前記回転駆動部は、前記ローラに連結されたモータを有し、前記モータの回転数を制御することにより前記回転速度を制御する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の粉末床溶融結合装置。
【請求項６】
前記ローラは、
円筒面を備えた本体と、
前記円筒面に形成され、前記本体よりも固い材料の被膜とを有する請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の粉末床溶融結合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末材料を層状に堆積させつつ、粉末材料をレーザ光で選択的に加熱して固化させることで立体的な造形物を形成する粉末床溶融結合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試作品や少量多品種の造形物を作成する技術として、粉末材料の層を堆積させた後、その層にレーザ光を照射して固化させる技術がある。この技術では、粉末材料の層の堆積と固化とを繰り返すことで三次元の造形物を作製することができる。【０００３】
粉末材料の層を堆積させるには、リコータと呼ばれるローラが使用される。リコータは、造形物を作製する台の上に移動して粉末材料の層を形成する機能と、自身が回転して粉末材料の層の表面を平らにならす機能とを備えたローラである。
しかしながら、リコータの移動速度や回転速度を任意とすると、粉末材料の層の表面が荒れてしまう等の結果、引張弾性率、引張伸び率等の造形物の物性が劣化してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１７５３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、粉末材料の層の表面が荒れるのを抑制することができる粉末床溶融結合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】
【０００６】
一側面によれば、粉末材料を供給する粉末供給部と、前記粉末供給部に並べて設けられた台と、水平面内に回転軸を有し、かつ前記台に対向するローラと、水平面に沿って前記ローラを移動させることにより、前記粉末供給部から前記台の上に前記粉末材料を運搬すると共に、前記ローラの移動速度を自在に設定可能な移動駆動部と、前記ローラが前記台の上で前記粉末材料の上を自然に転がる回転方向とは逆の回転方向に前記ローラを回転させると共に、前記ローラの回転速度を自在に設定可能な回転駆動部とを有する粉末床溶融結合装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
一側面によれば、ローラの移動速度と回転速度とを自在に設定可能としたことで、粉末材料に適した移動速度と回転速度を得ることができ、粉末材料から形成された層の表面が荒れるのを防止できると共に、その層から得られた造形物の物性が劣化するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は、本実施形態に係る粉末床溶融結合装置の上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【図２】図２（ａ）は、ローラを移動させる移動駆動部の模式断面図であり、図２（ｂ）は、ローラを回転させる回転駆動部の模式断面図である。
【図３】粉末床溶融結合装置を用いた積層造形方法について説明するための模式断面図（その１）である。
【図４】粉末床溶融結合装置を用いた積層造形方法について説明するための模式断面図（その２）である。
【図５】粉末床溶融結合装置を用いた積層造形方法について説明するための模式断面図（その３）である。
【図６】ローラの断面図である。
【図７】ローラの移動速度と周速度とについて説明するための模式断面図である。
【図８】粉末材料としてポリフェニレンサルファイドを使用した場合において、周速度と移動速度の様々な組み合わせで得られた層の表面の光学写真を示す図である。
【図９】粉末材料としてポリプロピレンを使用した場合において、周速度と移動速度の様々な組み合わせで得られた層の表面の光学写真を示す図である。
【図１０】ローラの移動速度を１５０mm/secに固定しながらローラの周速度を変化させた場合における造形物の引張強度を調査して得られた表である。
【図１１】ローラの移動速度を１５０mm/secに固定しながらローラの周速度を変化させた場合における造形物の引張弾性率を調査して得られた表である。
【図１２】ローラの移動速度を１５０mm/secに固定しながらローラの周速度を変化させた場合における造形物の引張伸び率を調査して得られた表である。
【図１３】層２３の表面にみられるローラ２０の大きな跡（縞模様）の写真を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。
図１（ａ）は、本実施形態に係る粉末床溶融結合装置の上面図である。
【００１０】
図１（ａ）に示すように、この粉末床溶融結合装置１０は、第１の粉末容器１１、造形容器１２、及び第２の粉末容器１３を有する。これらの各容器１１〜１３は、金属製の天板１４に互いに並べて配置される。
【００１１】
また、第１の粉末容器１１と第２の粉末容器１３は、粉末供給部の一例であって、三次元の造形物を造形するための粉末材料Mを収容する。そのような粉末材料Mとしては、例えば、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ナイロン６、ナイロン１１、ナイロン１２、及びエストラマの粉末がある。なお、これらの粉末にガラスビーズやカーボンファイバ等のフィラーを混錬してもよい。
更に、天板１４の上にはリコータと呼ばれるローラ２０が配される。
図１（ｂ）は、図１（ａ）のI−I線に沿う断面図である。
【００１２】
図１（ｂ）に示すように、第１の粉末容器１１と第２の粉末容器１３の各々には、鉛直方向に沿って昇降可能な第１のフィードテーブル１７ａと第２のフィードテーブル１７ｂとが設けられる。
【００１３】
また、ローラ２０は、水平面内に回転軸Cを有する円筒状であり、天板１４の上を往復することにより各粉末容器１１、１３内の粉末材料Mを造形容器１２内に運搬し、粉末材料Mの層２３を形成する。
一方、造形容器１２にはパートテーブル１５が収容される。パートテーブル１５は、鉛直方向に昇降可能な台であり、その上に前述の層２３が積層される。
【００１４】
造形容器１２の上方には、レーザ光２４を発生させるレーザ光学系２５が設けられる。レーザ光学系２５は、作成すべき造形物Pのスライスデータに基づき、ミラーやレンズの動きを制御して最上層の層２３にレーザ光２４を照射し、造形物Pに対応する部分の層２３を加熱して溶融させる。
図２（ａ）は、ローラ２０を移動させる移動駆動部３０の模式断面図である。
【００１５】
移動駆動部３０は、水平面に沿ってローラ２０を移動させる機構であり、第１のモータ３１とプーリ３２とを有する。第１のモータ３１とプーリ３２との間には第１のタイミングベルト３３が懸架されており、更にその第１のタイミングベルト３３にはフレーム３４が固定される。フレーム３４は、ローラ２０を回転可能な状態で支持すると共に、第１のタイミングベルト３３と共に水平面に沿って移動する。
第１のモータ３１の回転速度は任意に設定可能である。これにより、水平面に沿ったローラ２０の移動速度vが自在に設定可能となる。
図２（ｂ）は、ローラ２０を回転させる回転駆動部４０の模式断面図である。
【００１６】
回転駆動部４０は、ローラ２０がパートテーブル１５（図１（ｂ）参照）の上で粉末材料Mの上を自然に転がる回転方向とは逆の回転方向にローラ２０を回転させる機構である。この例では、回転駆動部４０は、第２のモータ４１とプーリ４２、４３とを有する。そして、ローラ２０、第２のモータ４１、及び各プーリ４２、４３の各々に第２のタイミングベルト４４が懸架されており、第２のモータ４１が回転することでローラ２０が回転速度Nで回転する。なお、回転速度Nは、単位時間あたりのローラ２０の回転数(rpm)である。
【００１７】
このような機構によれば、ローラ２０が水平面を移動速度vで移動するのに合わせて第２のタイミングベルト４４が変形するため、ローラ２０の移動を妨げずにローラ２０を回転させることができる。
また、この例では第２のモータ４１の回転速度は任意に設定可能であり、これによりローラ２０の回転速度Nも自在に設定可能となる。
次に、この粉末床溶融結合装置１０を用いた積層造形方法について説明する。
図３〜図５は、粉末床溶融結合装置１０を用いた積層造形方法について説明するための模式断面図である。
【００１８】
なお、積層造形において樹脂粉末等が用いられる場合には、積層造形を行う間、粉末材料Mが冷めないよう、各容器１１〜１３の不図示のヒータを動作させて、各容器１１〜１３を所定の温度に加熱してもよい。
ヒータでの加熱又はレーザでの溶融において樹脂粉末が酸化するのを防止するように、例えば窒素ガスを充填して酸素濃度を下げておくことが望ましい。その際、造形室内を大気圧よりもわずかに高めの圧力にすることにより、造形室の隙間や排気側からの酸素の流入を防止すると、より好ましい。
【００１９】
そして、図３（ａ）に示すように、第１の粉末容器１１の開口端にローラ２０を配置する。
【００２０】
次いで、図３（ｂ）に示すように、第１のフィードテーブル１７ａを上昇させると共に、パートテーブル１５を一つの層２３（図１（ｂ）参照）の厚さ分、例えば８０μｍ〜１２０μm程度下降させる。層２３の厚さは、造形物Pに高い工作精度が要求されるかどうかや、粉末材料Mが容易に加熱できる材料かどうかという観点から定められるため、これらに応じてパートテーブル１５の下降量も決定される。
また、第２のフィードテーブル１７ｂを、層２３の形成に使用されなかった粉末材料Mが十分に収納される程度に下降させる。
【００２１】
次いで、図３（ｃ）に示すように、移動駆動部３０がローラ２０を水平面に沿って移動させる。これにより、パートテーブル１５にローラ２０が対向しながら粉末材料Mが造形容器１２まで運ばれて、パートテーブル１５の上に粉末材料Mの層２３が形成される。このとき、回転駆動部４０によって、ローラ２０が粉末材料Mの上を自然に転がるのとは逆方向にローラ２０が回転する。これにより、ローラ２０の進行方向に粉末材料Mの塊が発生し、その塊の上をローラ２０が移動することにより層２３の表面の平坦性が良好となる。
次に、図４（ａ）に示すように、ローラ２０を更に移動させることにより、残った粉末材料Mを第２の粉末容器１３まで運ぶ。
【００２２】
その後に、図４（ｂ）に示すように、作製すべき造形物Pのスライスデータに基づいて層２３の上でレーザ光２４を走査し、造形物Pとなる部分の層２３を溶融させる。溶融した部分の層２３は、自然冷却により固化して固化層２３ａとなる。
【００２３】
続いて、図４（ｃ）に示すように、第２のフィードテーブル１７ｂを上昇させると共に、パートテーブル１５を層２３の一層分だけ下降させる。同様に、第１のフィードテーブル１７ａも下降させる。
【００２４】
そして、図５（ａ）に示すように、移動駆動部３０がローラ２０を移動させることにより造形容器１２に粉末材料Mを搬送し、固化層２３ａの上に新たな層２３を形成する。この場合も、図３（ｃ）の工程と同様に、ローラ２０が粉末材料Mの上を自然に転がるのとは逆方向に回転駆動部４０がローラ２０を回転させることにより、層２３の表面の平坦性が良好となる。
【００２５】
次に、図５（ｂ）に示すように、一番上の層２３の上でレーザ光２４を走査し、造形物Pとなる部分の層２３を溶融させる。溶融した部分の層２３は、自然冷却により固化して固化層２３ａとなる。
このような工程を繰り返すことにより、複数の固化層２３ａを積層してなる造形物Pを作製することができる。
【００２６】
なお、本実施形態では天板１４の上をローラ２０が往復する例を示したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、天板１４の上を往復する二つの方向のうち、一方の方向のみにローラ２０が移動してもよい。
図６は、ローラ２０の断面図である。
図６に示すように、ローラ２０は、円筒状の本体２０ａと、その本体２０ａの円筒面２０ｂに形成された被膜２０ｃとを有する。
【００２７】
本体２０ａの材料は特に限定されないが、この例では旋盤加工が容易なステンレスをその材料として使用する。また、被膜２０ｃは、本体２０ａよりも固いニッケル膜である。このように被膜２０ｃの材料として本体２０ａよりも固い材料を使用することで、ローラ２０が粉末材料Mによって摩滅、摩耗するのを防止することができる。
次に、ローラ２０の移動速度と周速度について説明する。
図７は、ローラ２０の移動速度v(mm/sec)と周速度w(mm/sec)とについて説明するための模式断面図である。
移動速度v(mm/sec)は、ローラ２０の回転軸Cが水平方向に移動する速度として定義される。
【００２８】
一方、周速度w(mm/sec)は、ローラ２０と共に移動する座標系から見た場合における、ローラ２０の縁の速度の絶対値として定義される。なお、ローラ２０の直径をR、ローラ２０の回転速度をN(rpm)とすると、周速度wは、w = π×R×N／60 (mm/sec)となる。
【００２９】
本実施形態に係る粉末床溶融結合装置１０においては、前述のように移動駆動部３０により移動速度vを自在に設定できる。また、回転駆動部４０によって回転速度Nも自在に設定できるため、周速度wも自在に設定できる。
【００３０】
本願発明者は、現状では周速度wを移動速度vの０．９７倍にする条件と、周速度wを移動速度vの１．２３倍にする条件の二つの条件で粉末床溶融結合装置１０を運用している。これら二つの条件よりも好ましい条件を探すべく、本願発明者は、周速度wと移動速度vが層２３に与える影響について調査した。以下に、その調査結果について説明する。
＜層２３の表面形状について＞
本願発明者は、周速度wと移動速度vによって層２３の表面形状がどのように変わるのかを調査した。その調査結果を図８に示す。
【００３１】
図８は、粉末材料Mとしてポリフェニレンサルファイドを使用した場合において、周速度wと移動速度vの様々な組み合わせで得られた層２３の表面の光学写真を示す図である。
【００３２】
この調査では、粉末材料Mとして平均粒径が約５０μmのポリフェニレンサルファイドを使用し、その粉末材料Mから得られた層２３の表面を撮影した。なお、各写真の下の数値は、周速度wと移動速度vとの比（w/v）を表す。
図８に示すように、同一の移動速度vで比較した場合、周速度wが速くなるほど層２３の表面の凹凸が小さくなり、良質な層２３が得られることが分かった。
【００３３】
本願発明者は、このような傾向が別の粉末材料Mでも見られるかを確かめるため、粉末材料Mとして平均粒径が約５０μmのポリプロピレンを用い、上記と同様の調査を行った。その調査結果を図９に示す。
【００３４】
図９は、粉末材料Mとしてポリプロピレンを使用した場合において、周速度wと移動速度vの様々な組み合わせで得られた層２３の表面の光学写真を示す図である。なお、図８と同様に、各写真の下の数値は、周速度wと移動速度vとの比（w/v）を表す。
【００３５】
図９に示すように、ポリプロピレンにおいても、同一の移動速度vで比較した場合、周速度wが速くなるほど層２３の表面の凹凸が小さくなることが明らかとなった。
【００３６】
本実施形態に係る粉末床溶融結合装置１０では、上記のように移動速度vと周速度wの各々を自在に設定できる。そのため、移動速度vと周速度wの複数の組み合わせのうちで層２３の表面の凹凸が小さくなる組み合わせを選択することで、粉末材料Mの種類によらずに層２３の表面の凹凸を小さくすることができる。
【００３７】
また、図８と図９のいずれの結果においても、周速度wを移動速度vの１．７倍以上とすることにより、層２３の表面の荒れが収まる傾向がみられる。よって、層２３の表面の荒れを防止するという観点からすると、周速度wを移動速度vの１．７倍以上とするのが好ましい。
【００３８】
図１３は、層２３の表面にみられるローラ２０の大きな跡（縞模様）を示す写真である。
なお、本願発明者の別の調査によれば、周速度wを移動速度vの２．４倍以上とすると、図８と図９の写真には写らないような図１３に示されるローラ２０の大きな跡が層２３の表面についてしまうことも明らかとなった。
【００３９】
したがって、層２３の表面にローラ２０の跡がつくのを防止しつつ、かつ層２３の表面の荒れを抑制するには、周速度wを移動速度vの１．７倍〜２．４倍とするのが好ましい。
＜造形物Pの物性について＞
本願発明者は、周速度wと移動速度vによって造形物Pの物性がどのように変わるのかを調査した。その調査結果を図１０〜図１２に示す。
・引張強度
【００４０】
図１０は、移動速度vを１５０mm/secに固定しながら周速度wを変化させた場合における、造形物Pの引張強度(MPa)を調査して得られた表である。なお、周速度wについては、移動速度vとの比の値で表わしている。また、この調査では、各々の周速度wについてサンプルＳ１〜Ｓ５を用意し、これらのサンプルの引張強度の平均値を求めた。これらについては、後述の引張弾性率と引張伸び率の各調査でも同様である。
図１０に示すように、周速度wが移動速度vの０．３〜３．４倍の範囲において、引張強度については優位な差はみられないことが分かる。
・引張弾性率
【００４１】
図１１は、移動速度vを１５０mm/secに固定しながら周速度wを変化させた場合における、造形物Pの引張弾性率(MPa)を調査して得られた表である。なお、サンプルＳ５において、周速度wと移動速度vとの比が３．１の場合は、ひずみゲージの接触不良により測定値を得ることができなかった。
引張弾性率については、周速度ｗと移動速度ｖの比が３．１のときに引張強度の平均が７９７MPaの値を持つものの、周速度wが移動速度vの２．４倍以下において、引張弾性率が７６０MPa以上の安定した値が得られている。
【００４２】
・引張伸び率
図１２は、移動速度vを１５０mm/secに固定しながら周速度wを変化させた場合における、造形物Pの引張伸び率(%)を調査して得られた表である。
周速度wが移動速度vの１．０倍以上において、引張伸び率が３２０％以上の安定した値が得られている。さらに、周速度wが移動速度vの１．７〜２．４倍の範囲において、引張伸び率が４４０％以上のより安定した値が得られている。
【００４３】
上記した図８〜図１３の結果より、周速度wを移動速度vの１．０〜２．４倍とすることにより、造形物Pの引張弾性率が安定して７６０MPaを超えると共に、引張伸び率が３２０％を安定して超え、層２３の表面にみられるローラ２０の大きな跡（縞模様）（図１３）が発生しないことが明らかとなった。
【００４４】
更に、周速度wを移動速度vの１．７〜２．４倍に狭めることにより、引張伸び率が、４４０％を超え、層２３の表面荒れも防止でき（図８、図９）、より好ましい結果が得られることが明らかとなった。
【００４５】
前述のように、本願発明者は、現状では周速度wを移動速度vの０．９７倍にする条件と、周速度wを移動速度vの１．２３倍にする条件の二つの条件で粉末床溶融結合装置１０を運用しているが、上記の結果によれば、後者の条件（１．２３倍）よりも好適な範囲（１．７倍〜２．４倍）が見つかった。この範囲（１．７倍〜２．４倍）で粉末床溶融結合装置１０を運用することにより、現状よりも安定した物性値を有する造形物Pを作製することが可能となる。
【符号の説明】
【００４６】
１０…粉末床溶融結合装置、１１…第１の粉末容器、１２…造形容器、１３…第２の粉末容器、１４…天板、１５…パートテーブル、１７ａ…第１のフィードテーブル、１７ｂ…第２のフィードテーブル、２０…ローラ、２０ａ…本体、２０ｂ…円筒面、２０ｃ…被膜、２３…層、２４…レーザ光、２５…レーザ光学系、３０…移動駆動部、３１…第１のモータ、３２、４２、４３…プーリ、３３…第１のタイミングベルト、３４…フレーム、４０…回転駆動部、４１…第２のモータ、４４…第２のタイミングベルト。
【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】
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【図８】
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【図９】
2020044522.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2020044522.tif 000013
【図１２】
2020044522.tif 000014
【図１３】
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【国際調査報告】
2020044522.tif 000016
2020044522.tif 000017
2020044522.tif 000018