JP6802882B2 - 金属３ｄプリンター用金属粉末の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置に関する。

［国家研究開発支援に関する説明］
本研究は、韓国科学技術研究院の主観の下、韓国（Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ）の科学技術情報通信部、韓国研究財団の後続研究支援（戦略研究分野として指定）（極限環境用ボールベアリングの信頼性の向上とスマートボールベアリングコア技術の開発、第１７１１０８４５８６号）によってなされるものである。

図面さえあれば誰でも製品を生産することができる３Ｄプリンターが「第４次産業革命」、「製造業のインターネット革命」と呼ばれ、全世界で関心を集めている。中でも、金属を用いた３Ｄプリンター技術は、装備及び材料価格が高く且つ大量生産が難しいという限界から懐疑的な視覚がある。

金属を用いた金属３Ｄプリンターは、ＰＢＦ（Ｐｏｗｄｅｒ Ｂｅｄ Ｆｕｓｉｏｎ）方式とＤＥＤ（Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方式とに大別される。

ＰＢＦ方式は、粉末供給装置で一定の面積を有する粉末ベッドに数十μｍの金属粉末層を塗布し、造形光源としてレーザーまたは電子ビームを設計図面に従って選択的に照射した後、一層ずつ溶融させ金属粉末を互いに結合させて積み上げる方式である。ＤＥＤ方式は、保護ガスの雰囲気下で金属粉末をリアルタイムで供給し、供給される該金属粉末を高出力のレーザーを用いて溶融して金属粉末を溶融積層していく方式である。ＰＢＦ方式は、比較的に精度よく形状自由度の具現に有利であるという長所がある。

３Ｄプリンター用金属粉末は、ＰＢＦ方式に球形を使用し、多様な製造方式にて微粒子化（ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ）して製造する。代表的に、３Ｄプリンター用金属粉末の製造方式は、ＰＲＥＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ）、ＰＡ（Ｐｌａｓｍａ ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ）及びＧＡ（Ｇａｓ Ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ）などの方式がある。これらのうち、特許文献１のようなＰＲＥＰ方式の場合は、高精度や高均質性、及び高歩留まりという長所を有する。

しかし、ＰＲＥＰ方式では高速回転を保持する必要があるが、高速回転で回転軸の安定性を保持し、且つ、チタン棒の長さが減る度に取り替える必要があるため、生産性が低下するという短所がある。

米国登録特許第５,８５５,６４２号

本発明の一目的は、金属棒の移動領域を増大させ、回転軸の回転速度を向上させるとともに安全な駆動を可能にする金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置を提供することである。

本発明の他の一目的は、プラズマトーチと金属棒との間の距離を一定の距離に保持する金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置を提供することである。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置は、回転力を発生させる駆動部と、前記駆動部から回転力を受けるように前記駆動部に連結され、一端部が真空チャンバの内部に配置される金属ビーム（金属の横棒材）、及び前記金属ビームの長さ方向に該金属ビームを相対移動できるように磁気力を用いて前記金属ビームの外周を支持する軸支持部と、を含み、前記軸支持部は、内側が前記金属ビームの外周と所定の間隔だけ離間して配置され、前記金属ビームとの相対距離を調節自在に前記金属ビームを支持可能である。

前記軸支持部は、外形を形成し、内側に形成される収容部を備えるハウジングと、前記金属ビームの外周に配置されるように前記収容部に設置され、円周方向に沿って複数個突設されるポール（磁極）を備えるコア部、及び前記ポールに巻線され電流が供給されることで前記ポールに電磁気力を発生させるコイルと、を含む。

前記ポールの一端部は、前記金属ビームの外周と離間して配置されていてよい。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置は、前記駆動部が、発生された回転力によって回転し前記金属ビームの端部に結合される駆動軸を備えてなり、前記駆動軸と前記金属ビームとの間の偏心を緩和すべく前記駆動軸の端部と前記金属ビームの端部とを互いに結合させるフレキシブル結合部材をさらに含んでいてよい。

前記軸支持部は、前記真空チャンバに隣接するように底に固設可能であってよい。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置は、前記駆動部を移動させるようにフィードする（送り込む）リニアステージ（直線的可動載物台）をさらに含んでいてよい。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置は、前記駆動部を移動させるようにフィードするリニアステージ、及び前記コイルに供給される電流の強さや前記リニアステージのフィードする距離を制御するように前記軸支持部及び前記リニアステージに電気的に接続される制御部をさらに含んでいてよい。

前記制御部は、前記金属ビームと前記軸支持部との間の距離に基づいて前記コイルに供給される電流の強さを制御し、前記軸支持部の剛性を調節することができる。

前記制御部は、前記金属ビームと前記軸支持部との間の距離と前記コイルに供給される入力電流値に基づいて消散（消耗）する金属ビームの距離を算出し、前記消散する金属ビームの距離分だけ前記リニアステージを移動させることができる。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置は、前記軸支持部の内側に設置されるバックアップベアリングをさらに含み、前記バックアップベアリングは、前記金属ビームの回転時に前記金属ビームとの間に空気膜（空隙）を形成するトップフォイル、及び前記トップフォイルに結合され、多孔質の弾性体からなる多孔性フォイルを含む。

前記金属ビームは強磁性体であってよい。

本発明は、軸支持部が回転軸の外周と所定の間隔だけ離間して配置され磁気力を用いて回転軸を支持することで、回転軸の高速回転でも安全な駆動を可能にすることができる。

本発明は、制御部がコイルに供給される電流の強さやリニアステージのフィーディング距離を調節することでプラズマトーチと金属ビームとの間の距離を一定に保持することができる。

本発明は、金属ビームの両端にベアリングによって支持され、プラズマトーチを用いて金属ビームの相当量を飛散することができるため、生産性及び安定性を向上させることができる。

また、本発明は、軸支持部が回転軸の外周と所定の間隔だけ離間して配置され磁気力を用いて回転軸を支持することで、自動フィーディングを可能にすることができる。

本発明の一例に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置の断面図である。 図１の金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置の断面図である。 図１中のコア部及びコイルを示す正面図である。 図３ａにおいてバックアップベアリングに設置された例を示す正面図である。 初期状態にある図１の金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置を示す概念図である。 最終状態にある図１の金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置を示す概念図である。 本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置のブロック図である。 本発明の他の一例に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置の断面図である。 図７中の金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置の断面図である。

以下、添付の図面を参考して本明細書に開示された実施例について詳しく説明し、同一または類似の構成要素には同一、類似の図面符号を付し、これに対する重複する説明は省略することにする。以下の説明で用いられる構成要素に対する接尾辞「部」は、明細書作成の容易さだけを考慮して付与又は混用されており、それ自体で互いに区別される意味又は役割を持つことはない。また、本明細書に開示された実施例を説明するうえで関連公知技術に関する具体的な説明が本明細書に開示された実施例の要旨を曖昧にし得ると判断される場合、その詳細な説明を省略する。また、添付の図面は本明細書に開示された実施例を理解し易くするためのものであるに過ぎず、添付の図面によって本明細書に開示された技術的思想が制限されることではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されるべきである。

第１、第２などといったように序数を含む用語が多様な構成要素を説明するために用いられることがあるが、当該構成要素が前記用語によって限定されることではない。前記用語は、一つの構成要素を他の構成要素と区別する目的のみから用いられる。

ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いると言及されたときは、該他の構成要素に直接的に連結されていることもあるが、別の構成要素が間に介在していることもあると理解されるべきである。

単数の表現は、文脈上明らかに言及しない限り、複数の表現を含む。

本出願における「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせが存在することを表すためのものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはそれらの組み合わせなどの存在または付加可能性を予め排除するためのものではないと理解されるべきである。

図１及び２は、本発明の一例に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置１００の断面図であり、図３ａは、図１中のコア部４３及びコイル４５を示す正面図である。図３ｂは、図３ａにおいてバックアップベアリング９０に設置された例を示す正面図である。また、図６は、本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置１００のブロック図である。

以下、図１〜図３ｂ、図６を参考して、本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置１００の構造について述べる。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置１００は、ＨＦＭＢ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｆｏｉｌ Ｍａｇｅｎｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇ：ハイブリッドな膜（フォイル）を有する磁気軸受）またはＨＦＭＢを含む構造からなるものであると理解し得る。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置１００は、駆動部１０、金属ビーム３０、及び軸支持部４０を含む。

駆動部１０は回転力を発生させる。さらに、駆動部１０は、金属ビーム３０の端部に結合される駆動軸１３を備えることができる。駆動軸１３は、駆動部１０の発生された回転力によって回転する。図面では図示していないが、駆動部１０は、電源に連結されて電力の供給を受けることができ、これにより回転するように構成されていてよい。また、駆動部１０は、後述するリニアステージ６０によって駆動軸１３の長さ方向に移動することができる。一方、駆動部１０の両端には支持端部１５が設けられていてよく、支持端部１５の内側には駆動軸１３を回転自在に支持するために駆動軸１３を取り囲むように配置されるボールベアリング１７が設置されていてよい。これにより、駆動軸１３は高速回転でも耐えられるようになる。

金属ビーム３０は、駆動部１０から回転力を受けるように駆動軸１３に連結され、駆動部１０から回転力を受けて回転できるように構成される。また、金属ビーム３０は、一端部が真空チャンバ７の内部に配置されるように構成され、プラズマトーチ５によって高温環境で溶けて金属粉末を形成することができる。

一例として、図１に示されるように、金属ビーム３０は、駆動部１０の駆動軸１３に連結されていてよく、粉末の形成によって長さが減ったときやメンテナンスのときに取り替え自在に構成されていてよい。この場合、例えば、金属ビーム３０は、非磁性体のチタン棒であることが好ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。

図１に示される例の実施例によると、金属ビーム３０は、強磁性体からなるものが好ましい。一例として、強磁性体は１２ Ｃｒ Ｓｔｅｅｌ（１２％クロム鋼）であってよい。

図１及び２などを参考すると、金属ビーム３０は、プラズマトーチ５と偏心するように配置され、駆動部１０の回転によって金属ビーム３０が一様に融解し、側方向に飛散することで金属粉末が得られるようにすることが好ましい。

一方、本発明において真空チャンバ７は、内部に真空領域７ａを備え、真空領域７ａにおいて金属ビーム３０から高精度且つ高均一の金属粉末を得ることができる。真空チャンバ７は、一例として、底または固設された固定物に固定されるように形成されていてよい。

軸支持部４０は、磁気力を用いて金属ビーム３０の外周を支持し、金属ビーム３０の長さ方向に金属ビーム３０を相対移動自在にする。このために、軸支持部４０の内周は、金属ビーム３０の外周から離間される。軸支持部４０は、内側で磁気力が発生するように構成され、磁気力によって金属ビーム３０と接触することなく金属ビーム３０を支持することができるため、相互摩擦が全く発生しない。

図１に示されるように、本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置１００で用いられる金属ビーム３０の全長は、Ａ＋Ｗ＋２Ｌ＋Ｗ’であってよく、このとき、金属ビーム３０の両端がベアリング（軸支持部４０及び自動調芯ベアリング）で支持されているため安定した構造であり、金属ビーム３０と軸支持部４０との間には全くコンタクトがないため、フィーディング（Ｆｅｅｄｉｎｇ）によって２Ｌ長さの金属ビームをプラズマトーチですべて飛散させることができる。

一方、従来技術のボールベアリングを用いた構造の場合は、ボールベアリングが金属ビームに当接して金属ビームと両端のボールベアリングとともに移動する構造であったため、最大生産できる距離はＬであって、最小保障長さ（最小必要長さ：Ｂａｌｌ ｂｅａｒｉｎｇ〜ｓｅｌｆ−ａｌｉｎｇｉｎｇ：ボールベアリング〜自動調芯）であるＬ’の長さは、常にＬと同じかそれよりも長い必要があるので、当該システムで最大生産できる粉末はＬである。前の部分のＬが後ろの部分のＬより長くなると、オーバーハング（ｏｖｅｒｈａｎｇ）された構造となって非常に不安定になり、高速回転が困難になるため、Ｌ’はＬよりも長い必要がある。

図１の拡大図に示されるように、軸支持部４０は、金属ビーム３０と離間して金属ビーム３０を支持することで、金属ビーム３０は長さ方向への移動の際も支持された状態で動くことができる。一方、軸支持部４０は、後述する制御部７０によって能動制御されてベアリングの剛性またはダンピング力を変化させることができ、高速回転の環境下で金属ビーム３０の支持をより容易に行うことができる。

軸支持部４０は、一例として、真空チャンバ７に隣接して固設された固定物や底に固定されていてよく、これにより、金属ビーム３０を金属ビーム３０の長さ方向に相対移動自在にする。図１には、軸支持部４０が真空チャンバ７の外壁の右側及び底に固定される例が示されている。

本発明における軸支持部４０は、一例として、マグネチックベアリングであってよい。

軸支持部４０は、ハウジング４１、コア部４３、及びコイル４５を含んでいてよい。

ハウジング４１は、軸支持部４０の外形を形成し、内側に設けられてコア部４３を設置可能にする収容部４１ａを備える。

コア部４３は、金属ビーム３０の外周に配置されるようにして収容部４１ａに設置される。さらに、コア部４３は、ポール４３ａを備え、ポール４３ａは、コア部４３の内側で円周方向に沿って複数個突設される。図３ａには、コア部４３の内側で円周方向に沿って突出する８個のポール４３ａが形成される例が示されており、各ポール４３ａは、後述するコイル４５によってＮ極またはＳ極に磁化し、磁気力によって金属ビーム３０を支持することができる。

コア部４３は薄板であってよく、ハウジング４１の収容部に複数個配置されていてよい。例えば、コア部４３は、ケイ素鋼板から形成されるものであってよいが、必ずしもこれに限定されるものではない。図３ａ及び３ｂに明らかには示されていないが、金属ビーム３０の外周とハウジング４１の収容部４１ａとの間にコア部４３が金属ビーム３０の長さ方向に沿って複数個配置されるようになる。

コイル４５はポール４３ａに巻き回されていてよく、一例として、コイル４５は複数本からなり、各コイル４５は隣接した２つのポール４３ａにそれぞれ巻き回され、電源供給部４７から電流が各コイル４５に供給されると、磁気力が発生するようになる。

軸支持部４０は、金属ビーム３０と軸支持部４０の内側との間の距離を測定する位置センサ４８をさらに含んでいてよい。一例として、位置センサ４８は、金属ビーム３０の外周とポール４３ａの端部との間の距離を測定することができる。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置１００は、真空チャンバ７の壁に密閉設置され、金属ビーム３０を真空チャンバ７の内外に移動できるようにする能動制御密封部（ａｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｅａｌ）８０をさらに含んでいてよい。能動制御密封部８０が金属ビーム３０の外周と直接密着することなく非当接環境を保持可能にした状態で、能動制御密封部８０によって真空チャンバ７の内部を真空環境にすることができるようになる。

能動制御密封部８０は、一例として、磁性流体（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｉｄ）によってなされる磁性流体シール（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｉｄ ｓｅａｌ：磁性流体密封部）であってよい。本発明の能動制御密封部８０は、真空チャンバ７の壁に磁性流体が位置し磁束によって液体リング（ｒｉｎｇ）を形成して密封を可能にするものである。磁性流体は、一例として、約１０ｎｍ程度の磁性を持つ微細粒子に対し特殊表面処理を施した後に液体に混合してなるコロイド状態の流体であってよい。図１の拡大図には、能動制御密封部８０によって矢印方向に沿って磁性流体８０ａが形成される例が示されている。これにより、非当接環境を保持可能にした状態で真空チャンバ７の内部を真空環境にする。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置１００は、フレキシブル結合部材５０をさらに含んでいてよい。フレキシブル結合部材５０は、駆動軸１３の端部と金属ビーム３０の端部とを結合させることで駆動軸と回転軸との間で微細に同心がずれる場合でもこれを調整して円滑な回転ができるようにする。これにより、駆動軸１３と金属ビーム３０との間の中心不一致を緩和し、且つ回転速度が一定の速度を超えるときに発生し得る不平衡力を緩和することで回転安定性を向上させる。

また、フレキシブル結合部材５０に隣接して、金属ビーム３０には自動調芯ベアリング（ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ）５５がさらに設置されていてよい。自動調芯ベアリング５５が金属ビーム３０に設置されることにより、金属ビーム３０が極力同心を保持しながら回転できるようになり、且つ、駆動軸１３と金属ビーム３０との間の不平衡力をより緩和させ、回転安定性をさらに向上させる。図１及び図２には、自動調芯ベアリング５５が後述するリニアステージ６０に移動自在に設置される例が示されている。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置１００は、リニアステージ６０をさらに含んでいてよい。リニアステージ６０は、図１及び２に示されるように、駆動部１０及び自動調芯ベアリング５５を下方から支持することができ、駆動部１０を金属ビーム３０の長さ方向に沿って移動させることに伴い、金属ビーム３０を長さ方向に移動させる。また、リニアステージ６０は、動きを微調整することができ、軸支持部４０の内側で金属ビーム３０の同心が調節できるように構成されることが好ましい。例えば、リニアステージ６０は、ＬＭガイドを含んでなるものであってよい。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置１００は、制御部７０をさらに含んでいてよい。図６のブロック図に示されるように、制御部７０は、軸支持部４０及びリニアステージ６０に電気的に接続され、軸支持部４０のコイル４５に供給される電流の強さや駆動部１０のフィーディング距離を制御することができる。一例として、制御部７０は、軸支持部４０の電源供給部４７及び位置センサ４８に連結されていてよい。

制御部７０は、金属ビーム３０と軸支持部４０との間の距離に基づき、コイル４５に供給される電流の強さを制御することができる。前記電流強さの制御によって軸支持部４０の剛性またはダンピング力が調節できる。これにより、粉末の形成に伴い金属ビーム３０の質量が減るときに発生し得る金属ビーム３０の偏心を防止し、高速回転を可能にする。金属ビーム３０と軸支持部４０との間の距離は、一例として、金属ビーム３０の外周とコア部４３のポール４３ａの端部との間の空隙距離であってよく、金属ビーム３０の中心と軸支持部４０の中心との間の距離であってもよい。

一例として、前記電流の強さの制御は、式ｆ_ｙ＝ｋ_ｉｉ_ｙ−ｋ_ｙｙ（以下、「数式１」）によって行われていてよい。ここで、ｋ_ｙ＝μ_０*Ａ*Ｎ^２／ｇ_０ ^３*ｉ_ｂ ^２（ｃｏｓα）で、ｋ_ｉ＝μ_０*Ａ*Ｎ^２／ｇ_０ ^２*ｉ_ｂ（ｃｏｓα）であってよく、Ｎはコイル４５の巻線数、Ａはコイル４５によって巻き回されるポール４３ａの断面積、μ_０は透過度であってよい。すなわち、ｋ_ｙは、位置剛性係数である軸支持部４０の一定の定数値で、ｋ_ｉは、電流剛性係数である軸支持部４０の一定の定数値であってよい。

ここで、ｆ_ｙ＝ｍｇであって、ｍｇは、軸の重さ（軸支持部４０によって支持される金属ビーム３０の合力）であってよく、金属ビーム３０と軸支持部４０との間の距離ｙに基づき、電流の強さｉ_ｙを制御することができる。

制御部７０は、電流制御値であるｉ_ｙの変化をセンシングして金属ビーム３０の消散する長さを求めることもできる。

また、制御部７０は、電流の強さから消散する金属ビーム３０の長さを算出し、消散した金属ビーム３０の長さ分リニアステージ６０をフィードすることで駆動部１０を移動させる。駆動部１０の移動に伴い、駆動部１０の駆動軸１３に連結された金属ビーム３０が移動するようになる。

一例として、消散する金属ビーム３０の長さは、式ｆ_ｘ＝ｋ_ｉｉ_ｘ−ｋ_ｓｘ（以下、「数式２」）によって算出されていてよい。ここで、ｋ_ｓ＝μ_０*Ａ*Ｎ^２／ｇ_０ ^３*ｉ_ｂ ^２（ｃｏｓα）で、ｋ_ｉ＝μ_０*Ａ*Ｎ^２／ｇ_０ ^２*ｉ_ｂ（ｃｏｓα）であり、ｋ_ｓは、位置剛性係数である軸支持部４０の一定の定数値で、ｋ_ｉは、電流剛性係数である軸支持部４０の一定の定数値であってよい。また、ｆ_ｘ＝ｍｇ（金属ビーム３０の重さ）であって、ｍｇ＝（ρπr^２l）ｇであってよい。ここで、ρは金属ビーム３０の密度、πは円周率、ｒは金属ビーム３０の半径、ｌは金属ビーム３０の長さであって、一定の定数値である。数式２に軸支持部４０に加えられる電流値ｉ_ｘ及び金属ビーム３０と軸支持部４０との間の距離値ｘを入力し、消散する金属ビーム３０の長さｌを算出することができるようになる。

制御部７０は、金属ビーム３０の消散した長さｌ分リニアステージ６０をフィードして駆動部１０を移動させることで、プラズマトーチ５と金属ビーム３０との間の距離を一定に保持できるようにする。

一例として、制御部７０は、金属ビーム３０とプラズマトーチ５との間の距離に基づいてリニアステージ６０を移動させることができる。金属ビーム３０とプラズマトーチ５との間の距離は、位置センサ４８によってセンシングされた値であってよい。一例として、金属ビーム３０粉末の形成が進行するにつれ、金属ビーム３０の端部とプラズマトーチ５との距離が離れると、制御部７０は、金属ビーム３０を真空チャンバ７の内部にさらに進入させるようにリニアステージ６０を制御し、駆動部１０を真空チャンバ７に向かって移動させる。

一方、制御部７０は、金属ビーム３０の回転速度に応じて軸支持部４０の剛性及びダンピング力を調節できるようにする。

一方、図３ｂを参考すると、本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置１００は、軸支持部４０の内側に設置されるバックアップベアリング９０をさらに含んでいてよい。バックアップベアリング９０は、金属ビーム３０と軸支持部４０との間で発生し得る干渉や破損などを防止させる。例えば、軸支持部４０が誤作動や磁力低下などの理由から金属ビーム３０を支持し難くなった場合、バックアップベアリング９０によって金属ビーム３０と軸支持部４０との間の当接または衝突を防止させる。

バックアップベアリング９０は、一例として、エアフォイルベアリングであってよい。バックアップベアリング９０は、金属ビーム３０の回転の際に金属ビーム３０との間に空気膜を形成するトップフォイル９３及び多孔質の弾性体からなる多孔性フォイル９５を含んでいてよい。金属ビーム３０と隣接して配置され金属ビーム３０を浮上させることで金属ビーム３０と軸支持部４０との間の当接または衝突を防止させる。バックアップベアリング９０は、一例として、軸支持部４０の結合片４９にボルト１６０によって結合されていてよい。また、ポール４３ａの間には誘電体４９ａが充填されており、結合片４９は誘電体４９ａの内部に設置される。

以下、図４及び図５を参考して、本発明の動作過程について述べる。

図４には、金属粉末を製造する初期段階の状態が示されている。図４を参考すると、真空チャンバ７の壁に軸支持部４０が固設されており、軸支持部４０には、金属ビーム３０が長さ方向に移動自在に設置されている。金属ビーム３０は、駆動部１０に連結され該駆動部から駆動力を受けて回転自在になる。プラズマトーチ５と金属ビーム３０とが所定の距離を保持し、金属ビーム３０が高速回転しながらプラズマトーチ５から伝えられる高温によって溶解して、金属粉末が形成されるようになる。

図５には、金属粉末を製造する最終段階の状態が示されている。最終段階では、真空チャンバ７の壁に固定された軸支持部４０に対し、金属ビーム３０が長さ方向に沿って左方に移動し、金属ビーム３０が駆動部１０から駆動力を受けて高速回転しながらプラズマトーチ５から伝えられる高温によって該金属ビーム３０が溶解して、金属粉末が形成された。プラズマトーチ５と金属ビーム３０とが所定の距離を保持する例が図５に示されている。

図７及び図８は、本発明の他の一例に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置２００の断面図である。

以下、図７及び図８を参考して、本発明の他の一例に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置２００の構造について述べる。また、金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置２００におけるコア部４３及びコイル４５などについては、図３ａ及び３ｂを参考して述べることにする。なお、以下では、本発明の他の一例に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置２００において特に述べない部分については、本発明の一例に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置１００に係る説明に代えることにする。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置２００は、駆動部１０、回転軸２２０、金属ビーム２３０、及び軸支持部４０を含む。

駆動部１０は回転力を発生させる。また、駆動部１０は、回転軸２２０の端部に結合される駆動軸１３を備えていてよい。駆動軸１３は、駆動部１０からの回転力によって回転する。図面では図示していないが、駆動部１０は、電源に連結されて電力の供給を受けることができ、これにより回転するように構成されていてよい。また、駆動部１０は、後述するリニアステージ６０によって駆動軸１３の長さ方向に移動することができる。一方、駆動部１０の両端には支持端部１５が設けられていてよく、支持端部１５の内側には駆動軸１３を回転自在に支持するために駆動軸１３を取り囲むように配置されるボールベアリング１７が設置されていてよい。これにより、駆動軸１３は高速回転でも耐えられるようになる。

回転軸２２０は、駆動部１０に結合され駆動部１０から回転力を受ける。回転軸２２０には、後述する金属ビーム２３０がねじ止めされる場合、金属ビーム２３０の端部のねじを収容することができるねじ結合部が形成されていてよい。回転軸２２０は、駆動部１０から高速回転力を受けて遠心力が発生することがある。

金属ビーム２３０は、回転軸２２０の一端部に連結され、回転軸２２０とともに回転可能になるように構成される。また、金属ビーム２３０は、一端部が真空チャンバ７の内部に配置されるように構成され、プラズマトーチ５によって高温環境で溶けて金属粉末を形成することができる。

一例として、図７に示されるように、金属ビーム２３０は、回転軸２２０にボルト結合によって結合されていてよく、粉末の形成によって長さが減ったときやメンテナンスのときに取り替え自在に構成されていてよい。この場合、例えば、金属ビーム２３０は、非磁性体のチタン棒であることが好ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。

図７及び図８などを参考すると、金属ビーム２３０は、プラズマトーチ５と偏心するように配置され、回転軸２２０の回転によって金属ビーム２３０が一様に融解し、側方向に飛散することで金属粉末が得られるようにすることが好ましい。

一方、本発明において真空チャンバ７は、内部に真空領域７ａを備え、真空領域７ａにおいて金属ビーム２３０から高精度且つ高均一の金属粉末を得ることができる。真空チャンバ７は、一例として、底または固設された固定物に固定されるように形成されていてよい。

軸支持部４０は、磁気力を用いて回転軸２２０の外周を支持し、回転軸２２０の長さ方向に回転軸２２０を相対移動自在にする。軸支持部４０は、内側で磁気力が発生するように構成され、磁気力によって回転軸２２０と接触することなく回転軸２２０を支持することができるため、相互摩擦が全く発生しない。図７の拡大図に示されるように、軸支持部４０は、回転軸２２０と離間して回転軸２２０を支持することで、回転軸２２０は長さ方向への移動の際も支持された状態で動くことができる。一方、軸支持部４０は、後述する制御部によって能動制御されてベアリングの剛性またはダンピング力を変化させることができ、高速回転の環境下で回転軸２２０の支持をより容易に行うことができる。

軸支持部４０は、一例として、真空チャンバ７に隣接して固設された固定物や底に固定されていてよく、これにより、回転軸２２０及び金属ビーム２３０を回転軸２２０の長さ方向に相対移動自在にする。図７には、軸支持部４０が真空チャンバ７の外壁の右側及び底に固定される例が示されている。

本発明における軸支持部４０は、一例として、マグネチックベアリングであってよい。

軸支持部４０は、ハウジング４１、コア部４３、及びコイル４５を含んでいてよい。

ハウジング４１は、軸支持部４０の外形を形成し、内側に設けられてコア部４３を設置可能にする収容部４１ａを備える。

コア部４３は、回転軸２２０の外周に配置されるようにして収容部４１ａに設置される。さらに、コア部４３は、ポール４３ａを備え、ポール４３ａは、コア部４３の内側で円周方向に沿って複数個突設される。図３ａには、コア部４３の内側で円周方向に沿って突出する８個のポール４３ａが形成される例が示されており、各ポール４３ａは、後述するコイル４５によってＮ極またはＳ極に磁化し、磁気力によって回転軸２２０を支持することができる。

コア部４３は、薄板であってよく、ハウジング４１の収容に複数個配置されていてよい。例えば、コア部４３は、ケイ素鋼板から形成されるものであってよいが、必ずしもこれに限定されるものではない。図３ａ及び３ｂに明らかに示されてはいないが、回転軸２２０の外周とハウジング４１の収容部４１ａとの間にコア部４３が回転軸２２０の長さ方向に沿って複数個配置されるようになる。

コイル４５はポール４３ａに巻き回されていてよく、一例として、コイル４５は複数本からなり、各コイル４５は隣接した２つのポール４３ａにそれぞれ巻き回され、電源供給部４７から電流が各コイル４５に供給されると、磁気力が発生するようになる。

軸支持部４０は、回転軸２２０と軸支持部４０の内側との間の距離を測定する位置センサ４８をさらに含んでいてよい。一例として、位置センサ４８は、回転軸２２０の外周とポール４３ａの端部との間の距離を測定することができる。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置２００は、真空チャンバ７の壁に密閉設置され、金属ビーム２３０及び回転軸２２０を真空チャンバ７の内外に移動できるようにする能動制御密封部８０をさらに含んでいてよい。能動制御密封部８０が金属ビーム２３０または回転軸２２０の外周と直接密着することなく非当接環境を保持可能にした状態で、能動制御密封部８０によって真空チャンバ７の内部を真空環境にすることができるようになる。能動制御密封部８０は、一例として、磁性流体によってなされる磁性流体シール（ｓｅａｌ）であってよい。本発明の能動制御密封部８０は、真空チャンバ７の壁に磁性流体が位置し磁束によって液体リング（ｒｉｎｇ）を形成して密封を可能にするものである。磁性流体は、一例として、約１０ｎｍ程度の磁性を持つ微細粒子に対し特殊表面処理を施した後に液体に混合してなるコロイド状態の流体であってよい。図７の拡大図には、能動制御密封部８０によって矢印方向に沿って磁性流体８０ａが形成される例が示されている。これにより、非当接環境を保持可能にした状態で真空チャンバ７の内部を真空環境にする。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置２００は、フレキシブル結合部材５０をさらに含んでいてよい。フレキシブル結合部材５０は、駆動軸１３の端部と回転軸２２０の端部とを結合させることで駆動軸と回転軸との間で微細に同心がずれる場合でもこれを調整して円滑な回転ができるようにする。これにより、駆動軸１３と回転軸２２０との間の中心不一致を緩和し、且つ回転速度が一定の速度を超えるときに発生し得る不平衡力を緩和することで回転安定性を向上させる。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置２００は、リニアステージ６０をさらに含んでいてよい。リニアステージ６０は、図７及び図８に示されるように、駆動部１０を下方から支持することができ、駆動部１０を回転軸２２０の長さ方向に沿って移動させることに伴い、回転軸２２０を長さ方向に移動させる。また、リニアステージ６０は、動きを微調整することができ、軸支持部４０の内側で回転軸２２０の同心を調節できるように構成されることが好ましい。例えば、リニアステージ６０は、ＬＭガイドを含んでなるものであってよい。

本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置２００は、制御部（図示せず）をさらに含んでいてよい。制御部は、軸支持部４０及びリニアステージ６０に電気的に接続され、軸支持部４０のコイル４５に供給される電流の強さや駆動部１０がフィーディング距離を制御することができる。一例として、制御部は、軸支持部４０の電源供給部４７及び位置センサ４８に連結されていてよい。

制御部は、回転軸２２０と軸支持部４０との間の距離に基づき、コイル４５に供給される電流の強さを制御することができる。前記電流強さの制御によって軸支持部４０の剛性またはダンピング力が調節できる。これにより、粉末の形成に伴い金属ビーム２３０の質量が減るときに発生し得る回転軸２２０の偏心を防止し、高速回転を可能にする。回転軸２２０と軸支持部４０との間の距離は、一例として、回転軸２２０の外周とコア部４３のポール４３ａの端部との間の空隙距離であってよく、回転軸２２０の中心と軸支持部４０の中心との間の距離であってもよい。

一例として、前記電流の強さの制御は、式ｆ_ｙ＝ｋ_ｉｉ_ｙ−ｋ_ｙｙ（以下、「数式１」）によって行われていてよい。ここで、ｋ_ｙ＝μ_０*Ａ*Ｎ^２／ｇ_０ ^３*ｉ_ｂ ^２（ｃｏｓα）で、ｋ_ｉ＝μ_０*Ａ*Ｎ^２／ｇ_０ ^２*ｉ_ｂ（ｃｏｓα）であってよく、Ｎはコイル４５の巻線数、Ａはコイル４５によって巻き回されるポール４３ａの断面積、μ_０は透過度であってよい。すなわち、ｋ_ｙは、位置剛性係数である軸支持部４０の一定の定数値で、ｋ_ｉは、電流剛性係数である軸支持部４０の一定の定数値であってよい。

ここで、ｆ_ｙ＝ｍｇであって、ｍｇは、軸の重さ（軸支持部４０によって支持される金属ビーム２３０と回転軸２２０の合力）であってよく、回転軸２２０と軸支持部４０との間の距離ｙに基づき、電流の強さｉ_ｙを制御することができる。

制御部は、電流制御値であるｉ_ｙの変化をセンシングして金属ビーム２３０の消散する長さを求めることもできる。

また、制御部は、電流の強さから消散する金属ビーム２３０の長さを算出し、消散した金属ビーム２３０の長さ分リニアステージ６０をフィードすることで駆動部１０を移動させる。駆動部１０の移動に伴い、駆動部１０の駆動軸１３に連結された回転軸２２０が移動し、回転軸２２０の端部に結合された金属ビーム２３０も共に移動するようになる。

一例として、消散する金属ビーム２３０の長さは、式ｆ_ｘ＝ｋ_ｉｉ_ｘ−ｋ_ｓｘ（以下、「数式２」）によって算出されていてよい。ここで、ｋ_ｓ＝μ_０*Ａ*Ｎ^２／ｇ_０ ^３*ｉ_ｂ ^２（ｃｏｓα）で、ｋ_ｉ＝μ_０*Ａ*Ｎ^２／ｇ_０ ^２*ｉ_ｂ（ｃｏｓα）であり、ｋ_ｓは、位置剛性係数である軸支持部４０の一定の定数値で、ｋ_ｉは、電流剛性係数である軸支持部４０の一定の定数値であってよい。また、ｆ_ｘ＝ｍｇ（金属ビーム２３０の重さ）であって、ｍｇ＝（ρπr^２l）ｇであってよい。ここで、ρは金属ビーム２３０の密度、πは円周率、ｒは金属ビーム２３０の半径、ｌは金属ビーム２３０の長さであって、一定の定数値である。数式２に軸支持部４０に供給される電流値ｉ_ｘ及び回転軸２２０と軸支持部４０との間の距離値ｘを入力し、消散する金属ビーム２３０の長さｌを算出することができるようになる。

制御部は、金属ビーム２３０の消散した長さｌ分リニアステージ６０をフィードして駆動部１０を移動させることでプラズマトーチ５と金属ビーム２３０との間の距離を一定に保持できるようにする。

一例として、制御部は、金属ビーム２３０とプラズマトーチ５との間の距離に基づいてリニアステージ６０を移動させることができる。金属ビーム２３０とプラズマトーチ５との間の距離は、位置センサ４８によってセンシングされた値であってよい。一例として、金属ビーム２３０粉末の形成が進行するにつれ、金属ビーム２３０の端部とプラズマトーチ５との距離が離れると、制御部は、金属ビーム２３０に連結された回転軸２２０を真空チャンバ７の内部にさらに進入させるようにリニアステージ６０を制御し、駆動部１０を真空チャンバ７に向かって移動させる。

一方、制御部は、回転軸２２０の回転速度に応じて軸支持部４０の剛性及びダンピング力を調節できるようにする。

一方、図３ｂを参考すると、本発明に係る金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置２００は、軸支持部４０の内側に設置されるバックアップベアリング９０をさらに含んでいてよい。バックアップベアリング９０は、回転軸２２０と軸支持部４０との間で発生し得る干渉や破損などを防止させる。例えば、軸支持部４０が誤作動や磁力低下などの理由から回転軸２２０を支持し難くなった場合、バックアップベアリング９０によって回転軸２２０と軸支持部４０との間の当接または衝突を防止させる。

バックアップベアリング９０は、一例として、エアフォイルベアリングであってよい。バックアップベアリング９０は、回転軸２２０の回転の際に回転軸２２０との間に空気膜を形成するトップフォイル９３及び多孔質の弾性体からなる多孔性フォイル９５を含んでいてよい。回転軸２２０と隣接して配置され回転軸を浮上させることで回転軸２２０と軸支持部４０との間の当接または衝突を防止させる。バックアップベアリング９０は、一例として、軸支持部４０の結合片４９にボルト１６０によって結合されていてよい。また、ポール４３ａの間には誘電体４９ａが充填されており、結合片４９は誘電体４９ａの内部に設置される。

以上で説明した金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置１００、２００は、前述した実施例の構成と方法に限定されるものではなく、実施例は、多様な変形がなされ得るように、各実施例の全部または一部を選択的に組み合わせて構成することもできる。

本発明は、本発明の精神及び必須特徴を逸脱しない範囲で他の特定の形態に具体化できることは当業者にとって自明である。したがって、前記した詳細な説明は、すべての面で制限的に解釈されてはならず、例示的なものと考慮されるべきである。本発明の範囲は請求項の合理的解釈によって決められるべきであり、本発明の等価的範囲内でのすべての変更は本発明の範囲に含まれる。

１００、２００：金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置、
５：プラズマトーチ、
７：真空チャンバ、
７ａ：真空領域、
１０：駆動部、
１３：駆動軸、
１５：支持端部、
１７：ボールベアリング、
２２０：回転軸、
３０、２３０：金属ビーム、
４０：軸支持部、
４１：ハウジング、
４３：コア部、
４３ａ：ポール、
４５：コイル、
４７：電源供給部、
４８：位置センサ、
５０：フレキシブル結合部材、
５５：自動調芯ベアリング、
６０：リニアステージ、
７０：制御部、
８０：能動制御密封部。

Claims (10)

1. 回転力を発生させる駆動部と、
   前記駆動部から回転力を受けるように前記駆動部に連結され、一端部が真空チャンバの内部に配置される金属ビーム、及び
   前記金属ビームの長さ方向に該金属ビームを相対移動できるように磁気力を用いて前記金属ビームの外周を支持する軸支持部と、を含み、
   前記軸支持部は、内側が前記金属ビームの外周と所定の間隔だけ離間して配置され、前記金属ビームとの相対距離を調節自在に、前記金属ビームを支持可能であり、
   前記軸支持部は、前記真空チャンバに隣接するように、底に固設可能であることを特徴とする金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置。
2. 前記軸支持部は、
   外形を形成し、内側に形成される収容部を備えるハウジングと、
   前記金属ビームの外周に配置されるように前記収容部に設置され、円周方向に沿って複数個突設されるポールを備えるコア部、及び
   前記ポールに巻線され、電流が供給されることで、前記ポールに電磁気力を発生させるコイル、を含むことを特徴とする請求項１に記載の金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置。
3. 前記ポールの一端部は、前記金属ビームの外周と離間して配置されることを特徴とする請求項２に記載の金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置。
4. 前記駆動部は、発生された回転力によって回転し、前記金属ビームの端部に結合される駆動軸を備えてなり、
   前記駆動軸と前記金属ビームとの間の偏心を緩和すべく、前記駆動軸の端部と前記金属ビームの端部とを互いに結合させるフレキシブル結合部材をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置。
5. 前記駆動部を移動させるようにフィードするリニアステージをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置。
6. 前記駆動部を移動させるようにフィードするリニアステージ、及び
   前記コイルに供給される電流の強さや前記リニアステージのフィードする距離を制御するように前記軸支持部及び前記リニアステージに電気的に接続される制御部をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置。
7. 前記制御部は、前記金属ビームと前記軸支持部との間の距離に基づいて前記コイルに供給される電流の強さを制御し、前記軸支持部の剛性を調節することを特徴とする請求項６に記載の金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置。
8. 前記制御部は、前記金属ビームと前記軸支持部との間の距離と前記コイルに供給される入力電流値に基づいて消散する金属ビームの距離を算出し、前記消散する金属ビームの距離分だけ前記リニアステージを移動させることを特徴とする請求項６に記載の金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置。
9. 前記軸支持部の内側に設置されるバックアップベアリングをさらに含み、
   前記バックアップベアリングは、
   前記金属ビームの回転時に前記金属ビームとの間に空気膜を形成するトップフォイル、及び
   前記トップフォイルに結合され、多孔質の弾性体からなる多孔性フォイルを含むことを特徴とする請求項１に記載の金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置。
10. 前記金属ビームは強磁性体であることを特徴とする請求項１に記載の金属３Ｄプリンター用金属粉末の製造装置。