JP5888826B1

JP5888826B1 - 積層造形装置

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Publication number: JP5888826B1
Application number: JP2015090222A
Authority: JP
Inventors: 幹男金子
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2016-03-22
Anticipated expiration: 2035-04-27
Also published as: CN106077636A; US20160311025A1; JP2016204720A; CN106077636B; US10625340B2; US20190366437A1

Abstract

【課題】異常焼結部の切削時間を抑え、粉末層から飛び出た異常焼結部の先端部を確実に切除できる積層造形装置を提供すること。【解決手段】金属材料粉末を平坦化し粉末層を形成するブレードと鉛直方向に移動し上面に粉末層が形成されるテーブルと切削工具の先端が粉末層の上端面の高さに配置され粉末層が焼結された焼結層を切削する切削装置と切削装置を制御する数値制御装置を備えた積層造形装置であって、数値制御装置は粉末層形成時にテーブルを下降させるための下降距離データと焼結層の水平投影領域を含む切削領域データが記憶された記憶部を有し、粉末層形成中にブレードがその下の焼結層に生じた異常焼結部に衝突した場合テーブルの下降距離データと切削領域データを取得し、切削工具の先端を粉末層の上端面から下端面まで下降させ、焼結層の水平投影領域を含む切削領域において異常焼結部を除去するように切削装置を制御する。【選択図】図４

Description

本発明は、金属の積層造形物を製造する積層造形装置に関する。

金属の積層造形物を製造するための装置として、特許文献１に記載の積層造形装置がある。この積層造形装置では、造形槽内の造形空間において、リコータヘッドを水平一軸方向に移動させ、リコータヘッドに設けられた材料貯蓄箱およびブレードにより、金属の粉末材料を供給、且つ、平坦化させることによって粉末層を形成し、レーザ照射装置によって粉末層の所定範囲にレーザビームを照射して焼結層を形成する。そして、この焼結層の上に新たな粉末層を形成してレーザビームを照射し、焼結層を形成することを繰り返し行うことによって、金属の積層造形物を製造している。

ここで、特許文献１に記載のような積層造形装置では、レーザビームを照射して粉末層を焼結する際に火花が飛び散り、この火花に含まれる金属粉末の残滓が焼結層の表面に付着して突起状の異常焼結部となってしまうことがある。

積層造形装置によって製造される積層造形物に用いられる粉末材料の粒径は、約１０〜５０μｍである。従って、例えば、粉末層一層当たりの厚みを５０μｍに設定した場合、焼結の際に異常焼結部が生じると、その上に形成される粉末層の上端面よりも異常焼結部の先端部が上に飛び出てしまうことがある。この場合、粉末層を平坦化させる際にブレードが異常焼結部と衝突し、ブレードの破損防止などのために積層造形物の造形加工が一時中断してしまう。

このような問題を解決するために、切削工具によって異常焼結部を切除することにより、造形加工を中断させることなく積層造形物の製造を行うことができる装置として、特許文献２に記載の積層造形装置がある。この積層造形装置では、ブレードが異常焼結部に衝突した際、ブレードを衝突位置から一時退避させ、粉末層の上端面から飛び出た異常焼結部の先端部を粉末層の上端面に沿って切削している。これにより、粉末層形成時のブレードの経路上にある異常焼結部を切除することによって、改めて粉末層を形成する際、ブレードと異常焼結部との衝突を防止し、造形加工を中断することなく積層造形物の製造を行っている。

さらに、特許文献２には、最終的に得たい焼結層の厚みよりも厚い粉末層を形成し、焼結層を形成する度に、焼結層の余剰厚み分を切削する方法が記載されている。この方法によれば、新たな粉末層を形成する前に、その下の焼結層が所定の厚みとなるように、異常焼結部を含めた切削が行われる。従って、異常焼結部が切除された状態で粉末層を形成することができるため、ブレードと異常焼結部とが衝突することがない。これにより、造形加工を中断することなく積層造形物の製造を行っている。

特表平１−５０２８９０号公報特開２００４−２７７８８１号公報

ところで、粉末層から飛び出た異常焼結部の先端部の長さは短く、数μｍ程度である。従って、特許文献２に記載のように、粉末層の上端面から飛び出た異常焼結部の先端部を切削する場合、切削工具の側面に設けられた切刃をうまく当てることができず、切削作業を行ったにも関わらず、切除すべき異常焼結部の先端部が切削できていないおそれがある。この場合、改めて粉末層を形成する際、切除しきれていなかった異常焼結部の先端部がブレードと再衝突するため、上述した異常焼結部の切削作業を繰り返し行わなければならない。これにより、造形時間が不必要に長くなってしまう。また、場合によっては、切削作業を繰り返し行っても粉末層の上面から飛び出た異常焼結部を切削することができず、造形加工がそれ以上進まなくなるおそれがある。

また、特許文献２では、上述したように、最終的に得たい焼結層の厚みよりも厚い粉末層を形成し、焼結層を形成する度に、焼結層の余剰厚み分を切削する方法が記載されている。この方法によれば、新たな粉末層を形成する前に、その下の焼結層に生じた異常焼結部を完全に切除することができるため、上述したような問題は生じない。

しかしながら、この方法では、異常焼結部が生じていない場合であっても、焼結層の形成の度に、余剰厚み分を切削することになる。つまり、ブレードと衝突する異常焼結部の在り無しに関わらず、形成された焼結層の全水平投影領域を切削していくことになる。従って、不必要に広い範囲を切削することになる。また、その切削回数は、積層造形物を得るために焼結する焼結層の層数と同じ回数になる。従って、例えば、焼結層一層当たりの厚みを５０μｍ、製造する積層造形物の高さを１０ｃｍとすると、積層造形装置は、切削のための動作を２０００回行わなければならないことになる。以上により、この方法によれば、異常焼結部の切削に要する時間が長くなってしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、異常焼結部の切削に要する時間を抑えつつ、粉末層から飛び出た異常焼結部の先端部を確実に切除することができる積層造形装置を提供することである。

第１の発明の積層造形装置は、水平１軸方向に移動し、金属の材料粉末を平坦化して粉末層を形成するブレードと、鉛直方向に移動し、上面に前記粉末層が形成されるテーブルと、粉末層の所定領域にレーザビームを照射して焼結層を形成するレーザ照射装置と、切削工具の先端が粉末層の上端面の高さに配置され、焼結層を切削するための切削装置と、前記切削装置を制御する数値制御装置と、を備えた積層造形装置であって、前記数値制御装置は、粉末層を形成する際に前記テーブルを下降させるための下降距離データおよび焼結層の水平投影領域を含む切削領域データが記憶された記憶部を有し、新たな粉末層を形成している間に前記ブレードが最上の焼結層に生じた突起状の異常焼結部に衝突した場合、前記記憶部から前記下降距離データおよび前記切削領域データを取得し、前記切削工具の先端を前記新たな粉末層の上端面から下端面まで下降させ、前記最上の焼結層の水平投影領域を含む切削領域において、前記異常焼結部を除去するように前記切削装置を制御することを特徴とすることを特徴とするものである。

本発明では、ブレードが異常焼結部に衝突したときのみ異常焼結部の切削を行う。従って、焼結の度に、形成された焼結層の全水平投影領域を切削する場合に比べて、切削動作を行う回数を抑え、且つ、切削領域を小さくすることができる。これにより、異常焼結部の切削に要する時間を抑えることができる。

また、粉末層を形成する際のテーブルの下降距離を、異常焼結部の切削時の切削装置における切削工具の先端の下降距離として用いている。より具体的には、数値制御装置の記憶部に記憶された、粉末層を形成する際のテーブルの下降距離データを用いて、切削工具の先端を粉末層の上端面から下端面の高さ、すなわち、焼結層の上端面の高さまで粉末層の厚み（テーブルの下降距離）下降させ、切削工具の先端を焼結層の上端面に沿って移動させることにより、異常焼結層の根元部分に切削工具を当てて切削を行うことができる。異常焼結部の根元部分は所定の太さを有するため、粉末層の上端面から飛び出た異常焼結部の先端部のみを切削する場合のように、切削を行ったにも関わらず、切除すべき異常焼結部が切削できていないという問題は生じない。従って、本発明によれば、粉末層の上端面から飛び出た異常焼結部の先端部を含めて、焼結層の上端面より上側部分に生じた異常焼結部を取り残しなく確実に切除することができる。これにより、改めて粉末層を形成する際、ブレードが異常焼結部に再度衝突することがない。従って、造形時間が不必要に長くなる、或いは、造形がそれ以上進まなくなるなどの問題を防止することができる。

ここで、粉末層の上端面から切削工具の先端の高さを変更し、変更後の高さに沿って異常焼結部の切削を行う場合、作業者は、切削工具の先端の鉛直方向の移動距離を数値制御装置に入力しておかなければならない。また、造形を開始すると安全のためのプロテクトがかかるため切削加工のための造形データの編集を行うことができず、正常に造形が行われているのか確認することもできない。従って、作業者が切削工具の先端の鉛直方向の移動距離の入力を忘れたり、誤った数値が入力された状態で造形を開始した場合、入力ミスに気づくことなく造形終了まで誤った切削を行ってしまう。この場合、所望の積層造形物を得ることができず、改めて造形を行わなければならないおそれがある。積層造形物の製造には多くの時間を要し、積層造形物の原料となる粉末材料も高価であるため、このような事態が生じた場合は多大な損害となる。従って、この入力作業は、作業者にとって大きな作業負担となる。

本発明では、切削工具の先端の下降距離として、記憶部に記憶済みの粉末層形成の際のテーブルの下降距離を転用させる。これにより、作業者が数値制御装置に切削工具の先端の下降距離を入力することなく粉末層の下端面の高さまで切削工具の先端を下降させ、焼結層の上端面に沿って切削工具の先端を移動させることによって、異常焼結部を確実に切除することができる。

また、切削工具の先端の下降距離が粉末層形成の際のテーブルの下降距離に依存するため、造形中、粉末層形成の際のテーブルの下降距離の変化、すなわち、形成する粉末層の厚みの変化にも対応して異常焼結部の切削を行うことができる。これにより、本発明によれば、複数種類の層の厚みを有する積層造形物を製造することができる。

第２の発明の積層造形装置は、前記第１の発明において、前記記憶部には、粉末層を形成する際に前記テーブルが下降する下降距離からの補正距離データが記憶されており、新たな粉末層を形成している間に前記ブレードが最上の焼結層に生じた突起状の異常焼結部に衝突した場合、前記数値制御装置は、前記記憶部から、前記下降距離データと前記補正距離データとを取得し、前記切削工具の先端を、粉末層を形成する際に前記テーブルが下降する下降距離に補正距離を加えた距離、下降させる指令を出力することを特徴とするものである。

本発明では、記憶部には、粉末層を形成する際にテーブルが下降する下降距離からの補正距離データが記憶されている。従って、ブレードが異常焼結部に衝突した際、切削装置先端が下降する距離を、粉末層を形成する際にテーブルが下降する下降距離に加えて補正距離分だけ上下方向に補正することができる。これにより、粉末層の焼結に係るわずかな厚みの変化や表面の形状変化に対応して、焼結層に生じた異常焼結部を確実に切除することができる。なお、この補正距離は、粉末層を形成する際にテーブルが下降する下降距離よりも下降距離が短くなるように補正するものであっても、長くなるように補正するものであっても構わない。言い換えれば、移動後の切削工具の先端の高さが、高くなるように補正するものであっても、低くなるように補正するものであっても構わない。

実施形態に係る積層造形装置の全体構成を示す概略側面図である。積層造形装置の下側構造物を示す斜視図である。積層造形装置のリコータヘッドを示す斜視図である。積層造形装置のＣＡＭ装置および数値制御装置の構成を示すブロック図である。積層造形装置の制御装置の構成を示すブロック図である。粉末層形成中の造形空間の内部側面図である。異常焼結部切削中の造形空間の内部側面図である。異常焼結部切削後の造形空間の内部側面図である。変形例に係る異常焼結部切削中の造形空間の内部側面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

積層造形装置１は、焼結式金属粉末積層造形装置である。図１に示すように、積層造形装置１は、造形槽内に設けられた造形室１Ａと駆動装置室１Ｂとを有する。造形室１Ａは積層造形装置１の前側に配置され、駆動装置室１Ｂは後側に配置される。造形室１Ａと駆動装置室１Ｂは、蛇腹１Ｃで仕切られている。造形室１Ａと駆動装置室１Ｂには、それぞれ不活性ガス供給装置（不図示）から不活性ガスが供給され、造形中は、造形槽内から可能な限り酸素が除かれるように構成されている。なお、以下では、図１の紙面左側を前側、紙面右側を後側、紙面手前側を右側、紙面奥側を左側、紙面上側を上側、紙面下側を下側と定義して、適宜、「前」、「後」、「右」、「左」、「上」、「下」の方向語を使用して説明する。

造形室１Ａには、積層造形物を形成する造形空間が形成される。造形空間には、金属の粉末材料が敷き詰められる。造形室１Ａには、造形テーブル２Ａが収容されている。造形空間は、造形テーブル２Ａの上側全域に形成される。造形テーブル２Ａは、粉末層を形成する度に、粉末層の厚さに相当する高さだけ下降する。

図１、図２に示すように、粉末層形成装置２は、造形テーブル２Ａと、造形テーブル２Ａを支持するとともに造形テーブル２Ａを昇降させる支持機構２Ｂと、支持機構２Ｂに動力を伝達する伝達機構２Ｃと、支持機構２Ｂを駆動するモータ（不図示）を含む駆動装置とを含んでなる。また、粉末層形成装置２は、リコータヘッド３を含んでなる。

図３に示されるように、リコータヘッド３は、ブレード３Ａと、材料貯蓄箱３Ｂと、ガイド機構３Ｃとを含んでなる。リコータヘッド３は、水平１軸方向（左右方向）に移動して造形空間に粉末層を形成する。より具体的には、リコータヘッド３は、材料貯蓄箱３Ｂから粉末材料を供給し、粉末層の上面の基準高さに沿ってブレード３Ａを左右方向に移動させて、供給された粉末材料を平坦化することにより粉末層を形成する。

ブレード３Ａには、ヒュームを吸引して造形室１Ａの外に排出する吸引口３Ｄが設けられている。ブレード３Ａの上側には、ブレードの材料貯蓄箱３Ｂに粉末材料を供給する移動しない材料供給装置（不図示）が備えられている。造形中に材料貯蓄箱３Ｂの中の粉末材料が不足しないように、適時、材料供給装置から材料貯蓄箱３Ｂに粉末材料が供給されて補充される。

ガイド機構３Ｃは、一対の軸受３１と、各軸受３１Ｒ，３１Ｌがそれぞれ受ける一対の軸材３２であるガイドレール３２Ｒ，３２Ｌとからなる。図２に示されるように、ガイドレール３２Ｒには、ヒュームを吸引する吸引パイプが設けられている。また、ガイドレール３２Ｌには、不活性ガスを供給する供給パイプが設けられている。

リコータヘッド３は、ブレードサーボモータ４によってガイド機構３Ｃの軸材３２に沿って、図２に示す矢印の方向に往復移動する。ブレードサーボモータ４は、後述する数値制御装置１０から出力される移動指令にしたがって動作する。より具体的には、ブレードサーボモータ４は、数値制御装置１０とブレードサーボモータ４との間に設けられたブレードサーボモータ制御装置７０によって位置決め制御されている。ブレードサーボモータ４の回転駆動軸は、粉末層形成装置２の動作の邪魔にならないように配設される伝達機構（ボールねじとナット）によって、ブレード３Ａと連結されている。

レーザ照射装置５は、所定の造形空間のうちの所定の照射領域にレーザビームを照射する。レーザ照射装置５は、図２に示すように、２つのガルバノミラーを含むレーザ走査装置５Ａと、レーザ発振器５Ｂと、焦点レンズ５Ｃと、複数のレーザ伝達部材（不図示）とを有する。

レーザ発振器５Ｂから出力される所定のエネルギを有するレーザビームは、レーザ伝達部材を通してガルバノミラーに到達する。一対のガルバノミラーを反射したレーザビームは、焦点レンズ５Ｃで収束されて、造形室１Ａの天板に穿設されている通孔に設けられた透過レンズ１Ｄを通過する。焦点レンズ５Ｃで収束されたレーザビームは、予め定められているスポット径で粉末層に照射される。

レーザ照射装置５のレーザ走査装置５Ａは、造形室１Ａの造形室１Ａの天板上に設置される。後述するように、レーザ走査装置５Ａの各ガルバノミラーは、それぞれガルバノミラーを回転させる電動アクチュエータ２３を備えている。電動アクチュエータ２３は、レーザ制御装置２０の走査指令に従って駆動する。レーザ走査装置５Ａは、レーザ制御装置２０によってレーザビームのスポットを所定の走査経路に沿って所定の移動速度で移動される。

図１に示すように、切削装置７は、駆動装置室１Ｂ内に設置されている。切削装置７は、第１移動体リニアモータ４０によって、ブレード３Ａが移動する水平１軸方向（左右方向）に往復移動可能な第１移動体７Ａと、第２移動体リニアモータ５０によって、上記水平１軸方向に直交する他の水平１軸方向（前後方向）に往復移動可能な第２移動体７Ｂとを有する。また、第２移動体７Ｂの前端には、加工ヘッドリニアモータ６０によって、鉛直方向（上下方向）に往復移動可能な加工ヘッド７Ｃが取り付けられている。加工ヘッド７Ｃには、その下側部分にスピンドルヘッド８が設けられている。スピンドルヘッド８は、切削工具であるエンドミル９を装着して回転可能に構成されている。エンドミル９の側面には、切削を行うための切刃が設けられている。

切削装置７は、後述するように、数値制御装置１０によって、第１移動体７Ａの第１移動体リニアモータ４０、第２移動体７Ｂの第２移動体リニアモータ５０、および、加工ヘッド７Ｃの加工ヘッドリニアモータ６０の駆動が制御される。従って、第１移動体７Ａによって左右方向、第２移動体７Ｂによって前後方向、加工ヘッド７Ｃによって上下方向の位置を位置決めすることができる。これにより、エンドミル９を３軸方向に自在に移動させ、その先端９Ａを造形室１Ａ内の任意の高さに位置決めすることができる。そして、水平方向に移動しながら回転するエンドミル９の切刃を焼結層に当てることによって切削することができる。

図５に示すように、積層造形装置１の制御装置は、ＣＡＭ装置３０と、数値制御装置１０と、レーザ制御装置２０と、ブレードサーボモータ制御装置７０と、第１移動体リニアモータ制御装置４０と、第２移動体リニアモータ制御装置５０と、加工ヘッドリニアモータ制御装置６０とで構成されている。

図４に示すように、数値制御装置１０は、記憶装置１１と、演算装置１２とからなる。記憶装置１１は、ＣＡＭ装置３０で作成された積層造形物の造形データが記憶されるハードディスクである。造形データには、例えば、粉末層を形成する際に造形テーブル２Ａが下降する下降距離データＤ１が含まれている。演算装置１２は、記憶装置１１に記憶された造形データを解読する解読部１４と、解読部１４によって解読された造形データを一時的に記憶するメモリである記憶部１３と、解読部１４によって解読された造形データによって指令を出力する指令部１５と、指令部１５からの指令を上述した各装置に分配して出力する分配出力部１６などを有している。

図５に示すように、ブレードサーボモータ４は、ブレード３Ａを左右方向に往復移動させる。数値制御装置１０とブレードサーボモータ４との間には、ブレードサーボモータ４を位置決め制御するブレードサーボモータ制御装置７０が設けられている。ブレードサーボモータ制御装置７０には、演算装置１２の指令部１５からの移動指令が信号或いはデータで入力される。ブレードサーボモータ４は、駆動電流供給装置７１から移動指令に従う駆動電流の供給を受けて所定の速度でブレード３Ａを移動させる。また、駆動電流供給装置７１とブレードサーボモータ４との間には、ブレードサーボモータ４へ供給される電流値を検出する電流プローブが配置され、検出された電流値はブレードサーボモータ制御装置７０にフィードバックされる。ブレードサーボモータ制御装置７０は、フィードバック信号によってブレードサーボモータ４を位置決め制御する。

第１移動体リニアモータ４２は、切削装置７の第１移動体７Ａを左右方向に移動させる。数値制御装置１０と第１移動体リニアモータ４２との間には、第１移動体リニアモータ４２を位置決め制御する第１移動体リニアモータ制御装置４０が設けられている。第１移動体リニアモータ制御装置４０には、演算装置１２の指令部１５からの移動指令が信号或いはデータで入力される。第１移動体リニアモータ４２は、駆動電流供給装置４１から移動指令に従う駆動電流の供給を受けて所定の速度で第１移動体７Ａを移動させる。また、駆動電流供給装置４１と第１移動体リニアモータ４２との間には、第１移動体リニアモータ４２へ供給される電流値を検出する電流プローブが配置され、検出された電流値は第１移動体リニアモータ制御装置４０にフィードバックされる。第１移動体リニアモータ制御装置４０は、フィードバック信号によって第１移動体リニアモータ４２を位置決め制御する。

第２移動体リニアモータ５２は、切削装置７の第２移動体７Ｂを前後方向に移動させる。数値制御装置１０と第２移動体リニアモータ５２との間には、第２移動体リニアモータ５２を位置決め制御する第２移動体リニアモータ制御装置５０が設けられている。第２移動体リニアモータ制御装置５０には、演算装置１２の指令部１５からの移動指令が信号或いはデータで入力される。第２移動体リニアモータ５２は、駆動電流供給装置５１から移動指令に従う駆動電流の供給を受けて所定の速度で第２移動体７Ｂを移動させる。また、駆動電流供給装置５１と第２移動体リニアモータ５２との間には、第２移動体リニアモータ５２へ供給される電流値を検出する電流プローブが配置され、検出された電流値は第２移動体リニアモータ制御装置５０にフィードバックされる。第２移動体リニアモータ制御装置５０は、フィードバック信号によって第２移動体リニアモータ５２を位置決め制御する。

加工ヘッドリニアモータ６２は、切削装置７の加工ヘッド７Ｃを上下方向に移動させる。数値制御装置１０と加工ヘッドリニアモータ６２との間には、加工ヘッドリニアモータ６２を位置決め制御する加工ヘッドリニアモータ制御装置６０が設けられている。加工ヘッドリニアモータ制御装置６０には、演算装置１２の指令部１５からの移動指令が信号或いはデータで入力される。加工ヘッドリニアモータ６２は、駆動電流供給装置６１から移動指令従う駆動電流の供給を受けて所定の速度で加工ヘッド７Ｃを移動させる。また、駆動電流供給装置６１と加工ヘッドリニアモータ６２との間には、加工ヘッドリニアモータ６２へ供給される電流値を検出する電流プローブが配置され、検出された電流値は加工ヘッドリニアモータ制御装置６０にフィードバックされる。加工ヘッドリニアモータ制御装置６０は、フィードバック信号によって加工ヘッドリニアモータ６２を位置決め制御する。

レーザ制御装置２０は、アクチュエータ制御装置２１と、駆動電流供給装置２２を含む。レーザ制御装置２０は、造形データにしたがってアクチュエータ制御装置２１に走査指令を信号あるいはデータで出力する。レーザ走査装置５Ａの各電動アクチュエータは、駆動電流供給装置２２から走査指令にしたがう駆動電流の供給を受けて、所望の方向にガルバノミラーを傾斜させる。また、駆動電流供給装置２２と電動アクチュエータ２３との間には、電動アクチュエータ２３へ供給される電流値を検出する電流プローブが配置され、検出された電流値はアクチュエータ制御装置２１にフィードバックされる。アクチュエータ制御装置２１は、フィードバック信号によってレーザ走査装置５Ａの各電動アクチュエータを位置決め制御する。

次に、上述した積層造形装置１を用いて、積層造形物を製造する過程について詳細に説明する。

まず、図４に示すように、ＣＡＭ装置３０で作成した積層造形物の造形データを数値制御装置１０に取り込み、記憶装置１１に記憶させる。記憶装置１１に記憶された造形データは、数値制御装置１０の演算装置１２に取り込まれる。そして、演算装置１２の解読部１４によって解読され、記憶部１３に記憶される。指令部１５は、解読部１４によって解読された造形データに指示されている順番で、分配出力部１６を介して各装置に指令を出力する。

より具体的には、造形槽内の造形空間においてリコータヘッド３を左右方向に移動させ、材料貯蓄箱３Ｂから材料粉末を供給しつつ、ブレード３Ａによって材料粉末を平坦化させる。これにより、粉末層を形成し、所定範囲にレーザビームを照射して焼結層を形成する。焼結層形成後、造形テーブル２Ａを次に形成する粉末層の厚さ下降させる。そして、上記と同様に焼結層の上に、その厚みが造形テーブル２Ａの下降距離と等しい新たな粉末層を形成し、所定範囲にレーザビームを照射することで焼結層を形成することを繰り返し行うことにより、所望の積層造形物を製造する。なお、粉末層形成の際の造形テーブル２Ａの下降距離、すなわち、形成する粉末層の厚みは、一定でなくても構わない。より具体的には、例えば、積層造形物の上側部分では、下側部分よりも焼結層の厚みが薄くなるように、粉末層形成の際の造形テーブル２Ａの下降距離を小さく変更しても構わない。

また、切削装置７は、所定の焼結層ごとに積層造形物の側面切削を行う。さらに、側面切削に加えて、所定の焼結層ごとに積層造形物の上面切削を行うことにより、形状を定期的に整えながら積層造形物の造形を行う。これにより、より形状精度の高い積層造形物を製造することができる。

ところで、粉末層を焼結させる際、形成された焼結層には、上端面から突出した突起状の異常焼結部が生じる場合がある。ここで、積層造形装置１によって製造される積層造形物に用いられる粉末材料の粒径は、約１０〜５０μｍである。従って、例えば、粉末層一層当たりの厚みを５０μｍに設定した場合、焼結の際に異常焼結部が生じると、その上に形成される粉末層の上端面よりも異常焼結部が上に飛び出てしまうことがある。この場合、材料貯蓄箱３Ｂから供給された材料粉末を平坦化して粉末層を形成する際、ブレード３Ａが異常焼結部に衝突し、ブレード３Ａの破損防止のために造形加工が一時中断してしまう。

本実施形態に係る積層造形装置１では、ブレード３Ａが異常焼結部に衝突したとき、切削装置７によって異常焼結部を切削することにより、造形加工を中断させることなく積層造形物の製造を行う。以下、ブレード３Ａが異常焼結部に衝突した際の積層造形装置１の動作について、図４、図６〜図８を参照しつつ詳細に説明する。なお、図６〜図８に示すように、造形中の積層造形物の焼結層３１〜３６は、焼結層が形成される順に、下側から、焼結層３１、焼結層３２、焼結層３３、焼結層３４、焼結層３５、焼結層３６の順に積層されている。また、図６、図７に示すように、焼結層３６の上には、粉末層３７が形成されている。

図４に示すように、数値制御装置１０の演算装置１２は、衝突検出部１７を有している。衝突検出部１７は、電流プローブによって検出される電流値を常時監視している。衝突検出部１７は、電流プローブによって検出される電流値が設定値を超えると、指令部１５にブレード３Ａと異常焼結部との衝突を検出したことを出力する。

図６に示すように、粉末層３７形成時、左方向に走行するブレード３Ａが焼結部３６に生じた異常焼結部３６Ａに衝突し、電流プローブによって検出される電流値が設定値を超えると、図４に示すように、衝突検出部１７は、指令部１５に衝突を検出したことを出力する。そして、指令部１５は、分配出力部１６を介して、ブレードサーボモータ制御装置７０に対して制御遮断指令を出力する。制御信号が遮断されると、駆動電流供給装置７１からブレードサーボモータ４への電流の供給が停止され、ブレードサーボモータ４が停止状態となる。これにより、ブレード３Ａは、異常焼結部３６Ａに対して弾性的に反発し、これまでの進行方向とは反対方向である右方向に空走する。そして、所定時間経過後、指令部１７は、ブレードサーボモータ制御装置７０に対して制御指令を出力し、駆動電流供給装置７１からブレードサーボモータ４への電流の供給を再開させ、図７に示すように、右側の粉末層形成開始位置までブレード３Ａを退避させる。

次に、図４に示すように、指令部１５は、記憶部１３に記憶された造形データから、粉末層を形成する際に造形テーブル２Ａが下降する下降距離データＤ１を取得し、分配出力部１６を介して第１移動体リニアモータ制御装置４０、第２移動体リニアモータ制御装置５０、および、加工ヘッドリニアモータ制御装置６０に切削のための指令を出力する。

図７に示すように、指令部１５からの指令を受けて、切削装置７は、下降距離データＤ１に基づき、エンドミル９の先端９Ａを粉末層３７の上端面３７ａから下端面３７ｂの高さ（焼結層３６の上端面３６ａの高さ）まで、粉末層３７を形成する際に造形テーブル２Ａが下降する距離ｄ（粉末層３７の厚み）下降する。そして、エンドミル９の先端９Ａを焼結層３６の上端面３６ａに沿って移動させることにより、エンドミル９の側面に設けられた切刃によって、積層造形物の水平投影領域を切削する。なお、切削を行う水平投影領域は、例えば、粉末層が形成される全領域を切削しても構わない。また、異常焼結部が生じた焼結層の水平投影領域のみ切削しても構わない。以上により、図８に示すように、焼結層３６の異常焼結部３６Ａを完全に切除することができる。その後、改めて粉末層３７の形成から造形加工を再開させる。

（作用効果）
本実施形態では、ブレード３Ａが異常焼結部に衝突したときのみ異常焼結部の切削を行う。従って、焼結の度に、形成された焼結層の全水平投影領域を切削する場合に比べて、切削動作を行う回数を抑え、且つ、切削を行う水平投影領域を小さくすることができる。これにより、異常焼結部の切削に要する時間を抑えることができるため、積層造形物の製造に要する時間を短くすることができる。

また、粉末層を形成する際の造形テーブル２Ａの下降距離を、異常焼結部の切削時のエンドミル９の先端９Ａの下降距離ｄとして用いている。より具体的には、数値制御装置１０の記憶部１３に記憶された造形データに含まれる、粉末層を形成する際の造形テーブル２Ａの下降距離データＤ１を用いて、図７に示すように、エンドミル９の先端９Ａを粉末層３７の上端面３７ａの高さから下端面３７ｂの高さ（焼結層３６の上端面３６ａの高さ）まで、粉末層３７を形成する際に造形テーブル２Ａが下降する距離ｄ（粉末層３７の厚み）下降させ、エンドミル９の先端９Ａを焼結層３６の上端面３６ａに沿って移動させることにより、異常焼結層３６Ａの根元部分にエンドミル９に設けられた切刃を当てて切削を行うことができる。これにより、粉末層３７の上端面３６ａから飛び出た異常焼結層３６Ａの先端部分を含めて、焼結層３６の上端面３６ａより上側部分に生じた異常焼結部３６Ａを取り残しなく確実に切除することができる。以上により、改めて粉末層３７を形成する際、ブレード３Ａが異常焼結層３６Ａの先端部分に再度衝突することがない。従って、造形時間が不必要に長くなる、或いは、積層造形物の造形がそれ以上進まなくなるなどの問題を防止することができる。

また、エンドミル９の先端９Ａの下降距離ｄとして、粉末層形成の際の造形テーブル２Ａの下降距離を転用させて用いている。これにより、記憶部１３に記憶された造形データ中の造形テーブル２Ａの下降距離データＤ１を用いることによって、作業者が数値制御装置１０にエンドミル９の先端９Ａの下降距離ｄを入力することなく粉末層３７の下端面３７ｂの高さまでエンドミル９の先端９Ａを下降させ、焼結層３６の上端面３６ａに沿ってエンドミル９の先端９Ａを移動させることによって、異常焼結部３６Ａを確実に切除することができる。

また、エンドミル９の先端９Ａの下降距離ｄが粉末層形成の際の造形テーブル２Ａの下降距離に依存するため、造形中、粉末層形成の際の造形テーブル２Ａの下降距離の変化、すなわち、形成する粉末層の厚みの変化に対応し、エンドミル９の先端９Ａの高さを粉末層の下の焼結層の上端面まで移動させ、その焼結層に生じた異常焼結部を根元から切削することができる。従って、ブレード３Ａが異常焼結部に衝突した際、異常焼結部を確実に切削し、複数種類の層の厚みを有する積層造形物を製造することができる。より具体的には、例えば、形成する粉末層の厚みを上側部分と下側部分とで変更し、２種類の焼結層厚みを有する積層造形物を製造することができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態や実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。

また、本実施形態では、数値制御装置１０の記憶部１３に記憶された造形データ中の、粉末層を形成する際の造形テーブル２Ａの下降距離データＤ１を用いて、粉末層を形成する際の造形テーブル２Ａの下降距離を、異常焼結部の切削時のエンドミル９の先端９Ａの下降距離としたが、例えば、予め、作業者が粉末層を形成する際の造形テーブル２Ａの下降距離からの補正距離データを造形データに入力しておき、ブレード３Ａが異常焼結部に衝突した際、記憶部１３に記憶された造形データから下降距離データＤ１と補正距離データとを取得し、図９に示すように、エンドミル９の先端９Ａの下降距離を、下降距離ｄから補正距離Δｄ上下方向に補正しても構わない。これにより、粉末層の焼結に係るわずかな厚みの変化や表面の形状変化に対応して、焼結層に生じた異常焼結部を確実に切除することができる。なお、この補正距離Δｄは、粉末層を形成する際に造形テーブル２Ａが下降する下降距離よりも下降距離が短くなるように補正するものであっても、長くなるように補正するものであっても構わない。言い換えれば、補正距離Δｄは、移動後のエンドミル９の先端９Ａの高さが、高くなる方向に補正するものであっても、低くなる方向に補正するものであっても構わない。

また、積層造形装置１は、切削装置７によって所定の焼結層ごとに積層造形物の側面切削および上面切削を行うと記載したが、積層造形装置１は、側面切削、および／または、上面切削を行わなくても構わない。

また、積層造形装置１は、ブレード３Ａが異常焼結部に衝突した際、ブレードサーボモータ４を停止し、異常焼結部との衝突の際の反発力によってブレード３Ａを進行方向逆側に空走させ、ブレードサーボモータ４を再度駆動させることによってブレード３Ａを粉末層形成開始位置まで退避させると記載したが、例えば、ブレード３Ａは、ブレードサーボモータ４を逆回転させることにより、異常焼結部から退避させても構わない。

１：積層造形装置
２Ａ：造形テーブル
３Ａ：ブレード
７：切削装置
９：エンドミル
１０：数値制御装置
１１：記憶装置
１２：演算装置
１３：記憶部
１４：解読部
１５：指令部
１７：衝突検出部
３０：ＣＡＭ装置
Ｄ１：粉末層を形成する際の造形テーブル２Ａの下降距離データ

Claims

水平１軸方向に移動し、金属の材料粉末を平坦化して粉末層を形成するブレードと、
鉛直方向に移動し、上面に前記粉末層が形成されるテーブルと、
粉末層の所定領域にレーザビームを照射して焼結層を形成するレーザ照射装置と、
切削工具の先端が粉末層の上端面の高さに配置され、焼結層を切削するための切削装置と、
前記切削装置を制御する数値制御装置と、
を備えた積層造形装置であって、
前記数値制御装置は、
粉末層を形成する際に前記テーブルを下降させるための下降距離データおよび焼結層の水平投影領域を含む切削領域データが記憶された記憶部を有し、
新たな粉末層を形成している間に前記ブレードが最上の焼結層に生じた突起状の異常焼結部に衝突した場合、前記記憶部から前記下降距離データおよび前記切削領域データを取得し、
前記切削工具の先端を前記新たな粉末層の上端面から下端面まで下降させ、前記最上の焼結層の水平投影領域を含む切削領域において、前記異常焼結部を除去するように前記切削装置を制御することを特徴とする積層造形装置。
前記記憶部には、粉末層を形成する際に前記テーブルが下降する下降距離からの補正距離データが記憶されており、
新たな粉末層を形成している間に前記ブレードが最上の焼結層に生じた突起状の異常焼結部に衝突した場合、前記数値制御装置は、前記記憶部から、前記下降距離データと前記補正距離データとを取得し、
前記切削工具の先端を、粉末層を形成する際に前記テーブルが下降する下降距離に補正距離を加えた距離、下降させる指令を出力することを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。