JP7703926B2 - 積層造形装置及び粉末床形成装置 - Google Patents

Description

本開示は、積層造形装置及び粉末床形成装置に関する。

積層造形装置は、エネルギビームを照射することにより、敷き均した粉末を部分的に固める。従って、積層造形装置は、基本的な構成要素として、粉末を敷き均す部品を備える。このような部品は、ブレードと呼ばれることがある。特許文献１は、ブレード機器を開示する。このブレード機器は、粉末を均すストリップを備える。さらに、ブレード機器は、粉末からブレード機器までの距離を監視するセンサアレイを備える。

特開２０１９－３２０５０号公報

積層造形は、粉末の敷き均しとエネルギビームの照射とを繰り返す。この繰り返しによって、三次元の造形物が形成される。三次元の造形物を得るためには、粉末の敷き均し動作を複数回実施する。粉末の敷き均し動作ごとに形成される粉末の層は、複数回の動作に亘って、厚みなどの状態が安定していることが望まれる。敷き均し動作が安定することによって、敷き均し動作を含む造形プロセスを安定して継続することが可能になる。

本開示は、造形プロセスを安定して継続することができる積層造形装置及び粉末床形成装置を説明する。

本開示の積層造形装置は、少なくとも粉末が載置されるプレート主面を含むプレートと、プレート主面に敷き均された粉末である粉末床を形成する粉末床形成部と、粉末床にエネルギビームを照射する照射部と、を備える。粉末床形成部は、粉末を供給する供給部と、所定の方向に向かってプレートに対して相対的に移動することによって、供給部から供給された粉末をプレート主面に敷き均す塗布部と、プレートに対する塗布部の移動方向において塗布部の前方に配置されて、供給部から供給された後であって塗布部によって敷き均される前の粉末の量を計測する計測部と、を有する。

積層造形装置の粉末床形成部は、粉末をプレート主面に敷き均す塗布部の前方に粉末の量を計測する計測部を配置している。この構成によると、供給部から供給された後に塗布部によって敷き均される前の粉末の量を計測することができる。敷き均す前の粉末の量に関する情報を得ることができるので、当該情報に基づいて供給部からの粉末の供給量を制御することが可能になる。敷き均しに適した状態が実現されるので、塗布部の敷き均し動作によって安定して所望の粉末床を形成することができる。従って、造形プロセスを安定して継続することができる。

本開示の積層造形装置のプレートは、所定の回転軸線を中心として回転し、プレートの回転によって、プレートに対する塗布部の相対的な移動が発生してもよい。この構成によれば、回転式の積層造形を行うことができる。

本開示の積層造形装置は、プレートの回転方向における上流から下流に向かって、供給部、計測部、塗布部及び照射部の順に配置されていてもよい。この構成によれば、プレートの回転によって、供給部からの粉末の供給と、計測部による粉末の量の計測と、塗布部による粉末の敷き均しと、粉末床に対するエネルギビームの照射と、をこの順に連続して行うことができる。

本開示の積層造形装置の計測部は、供給部と塗布部とに挟持されていてもよい。この構成によれば、供給部と塗布部とによって計測部を周囲の熱から保護することができる。その結果、良好な計測値を得ることができる。

本開示の積層造形装置の供給部、計測部及び塗布部は、回転軸線からプレートの外周縁に向かって延びていてもよい。この構成によれば、円板状のプレートにまんべんなく粉末床を形成することができる。

本開示の積層造形装置において、プレートの回転中心側において供給部が供給する粉末の量は、プレートの外周縁側において供給部が供給する粉末の量よりも少なくてもよい。この構成によれば、供給部は、円板状のプレートにおける半径方向に応じた量の粉末を供給する。その結果、半径方向に均質な粉末床を形成することができる。

本開示の積層造形装置は、計測部から計測信号を受けると共に、供給部に制御信号を出力する制御部をさらに備えてもよい。制御部は、計測部が出力する粉末の量に関する計測信号に基づいて、供給部が供給する粉末の量を制御する制御信号を生成してもよい。この構成によれば、供給部は、敷き均し動作に適した量の粉末を供給することができる。

本開示の粉末床形成装置は、少なくとも粉末が載置されるプレート主面を含むプレートと、プレート主面に敷き均された粉末である粉末床にエネルギビームを照射する照射部と、を備える積層造形装置のための粉末床を形成する。粉末床形成装置は、粉末を供給する供給部と、所定の方向に向かってプレートに対して相対的に移動することによって、供給部から供給された粉末をプレート主面に敷き均す塗布部と、プレートに対する塗布部の移動方向において塗布部の前方に配置されて、供給部から供給された後であって塗布部によって敷き均される前の粉末の量を計測する計測部と、を備える。

粉末床形成装置は、粉末をプレート主面に敷き均す塗布部の前方に粉末の量を計測する計測部を配置している。この構成によると、供給部から供給された後に塗布部によって敷き均される前の粉末の量を計測することができる。敷き均す前の粉末の量に関する情報を得ることができるので、当該情報に基づいて供給部からの粉末の供給量を制御することが可能になる。敷き均しに適した状態が実現されるので、塗布部の敷き均し動作によって安定して所望の粉末床を形成することができる。従って、造形プロセスを安定して継続することができる。

本開示の積層造形装置及び粉末床形成装置は、造形プロセスを安定して継続することができる。

図１は、積層造形装置の構成を示す概略図である。 図２は、図１の積層造形装置の主要な構成を示す斜視図である。 図３は、粉末供給機構の構成を示す図である。 図４は、粉末床形成機構の側面図である。 図５は、塗布不良を説明する断面図である。 図６は、積層造形装置のコントローラが行う動作を示すフロー図である。 図７は、粉末床形成機構の効果を示す断面図である。 図８は、第１変形例の積層造形装置の主要な構成を示す斜視図である。 図９（ａ）は、第２変形例の積層造形装置が備える粉末量計測器の例示である。図９（ｂ）は、第３変形例の積層造形装置が備える粉末量計測器の例示である。図９（ｃ）は、第４変形例の積層造形装置が備える粉末量計測器の例示である。図９（ｄ）は、第５変形例の積層造形装置が備える粉末量計測器の例示である。図９（ｅ）及び図９（ｆ）は、第６変形例の積層造形装置が備える粉末量計測器の例示である。 図１０は、比較例の粉末床形成機構の側面図である。

以下、添付図面を参照しながら本開示の積層造形装置及び粉末床形成装置の一形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示す三次元回転積層造形物製造装置（以下「積層造形装置１」という）は、粉末Ｐ１から造形物ＰＡを製造するいわゆる３Ｄプリンタである。積層造形装置１は、エネルギビームとして電子ビームを採用する。つまり、積層造形装置１は、いわゆる電子銃粉末床溶融方式を採用する。

粉末Ｐ１は、金属の粉末であり、例えばチタン系金属粉末、インコネル粉末又はアルミニウム粉末等である。また、粉末Ｐ１は、金属粉末に限定されない。粉末Ｐ１は、例えばＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）など、炭素繊維と樹脂とを含む粉末であってもよい。また、粉末Ｐ１は、導電性を有するその他の粉末でもよい。なお、本開示における粉末は、導電性を有するものには限定されない。例えばエネルギビームとしてレーザを用いる場合には、粉末Ｐ１は導電性を有しなくてもよい。

積層造形装置１は、粉末Ｐ１にエネルギを付与する。換言すると、積層造形装置１は、粉末Ｐ１の温度を上昇させる。その結果、粉末Ｐ１は溶融又は焼結する。そして、積層造形装置１がエネルギの付与を停止すると、粉末Ｐ１の温度が下がるので、凝固する。つまり、積層造形装置１は、エネルギの付与と停止とを複数回繰り返すことにより、造形物ＰＡを製造する。なお、本実施形態で言う「粉末Ｐ１を固める」とは、融点より高い温度まで加熱されて液体となった粉末Ｐ１が凝固する態様と、融点より低い温度まで加熱されることにより焼結する態様と、を含む。造形物ＰＡは、例えば機械部品である。造形物ＰＡは、その他の構造物であってもよい。

積層造形装置１は、駆動ユニット２と、造形処理ユニット３Ａと、コントローラ４（制御部）と、ハウジング５と、を有する。駆動ユニット２は、造形に要する種々の動作を実現する。造形処理ユニット３Ａは、粉末Ｐ１を処理することによって、造形物ＰＡを得る。具体的には、粉末Ｐ１の処理とは、粉末Ｐ１の供給処理と、粉末Ｐ１の予熱処理と、粉末Ｐ１の造形処理と、を含む。ハウジング５は、複数のコラムによって支持されている。ハウジング５は、造形空間Ｓを形成する。造形空間Ｓは、造形処理ユニット３による粉末Ｐ１の処理を行うための減圧可能な気密空間である。

造形空間Ｓには、スタートプレート５１と造形タンク５２とが配置されている。スタートプレート５１は、造形処理が行われる処理台である。スタートプレート５１は、例えば円板を呈し、造形物ＰＡの原料である粉末Ｐ１が配置される。スタートプレート５１は、その中心軸線がハウジング５の中心軸線と重複するように配置されてもよい。スタートプレート５１には、駆動ユニット２が接続されている。従って、スタートプレート５１は、駆動ユニット２によって、回転と、回転軸線に沿った直線移動と、を行う。

駆動ユニット２は、スタートプレート５１を回転及び昇降させる。駆動ユニット２は、回転駆動機構２１と、昇降駆動機構２２と、を有する。回転駆動機構２１は、スタートプレート５１を回転させる。回転駆動機構２１の上端は、スタートプレート５１に連結されている。回転駆動機構２１の下端は、駆動源に取り付けられている。昇降駆動機構２２は、スタートプレート５１を造形タンク５２に対して相対的に昇降させる。この昇降は、回転駆動機構２１の回転軸線に沿っている。なお、駆動ユニット２は、スタートプレート５１を回転及び昇降させることができる機構であればよく、駆動ユニット２は、上記の機構に限定されない。

図２は、造形処理に用いられる主要な部品を拡大して示す。スタートプレート５１上には、造形処理ユニット３Ａ、３Ｂが配置されている。つまり、造形処理ユニット３Ａ、３Ｂは、スタートプレート５１のプレート主面５１ａに対面する。造形処理ユニット３Ａ、３Ｂは、回転軸線のまわりに等間隔（１８０度）に配置されている。換言すると、造形処理ユニット３Ａ、３Ｂは、例えば、円周方向に等配置である。この配置によれば、次の処理領域までの回転角度に応じて粉末Ｐ１の積層厚さを揃えることができる。なお、上述した造形処理ユニット３Ａ、３Ｂの配置は、例示であって、当該構成に限定されない。例えば、造形処理ユニット３Ａ、３Ｂの配置は、円周方向に異なる角度を持って配置されてもよい。

造形処理ユニット３Ａ、３Ｂは、配置される位置が互いに異なるだけであり、具体的な構成要素は同じである。なお、造形処理ユニット３Ａ、３Ｂの構成要素は互いに異なっていてもよい。例えば、造形処理ユニット３Ａ、３Ｂは、それらの一方の構成要素のうち、他方がその一部を省略したものであってもよい。以下、造形処理ユニット３Ａについて詳細に説明する。

造形処理ユニット３Ａは、粉末床形成機構３０（粉末床形成部、粉末床形成装置）と、ヒータ３ａと、ビーム源３ｂ（照射部）と、を含む。粉末床形成機構３０は、粉末床ＰＢを形成する。ヒータ３ａは、粉末床ＰＢの予熱処理を行う。ビーム源３ｂは、粉末床ＰＢへエネルギビームを照射する造形処理を行う。

粉末床形成機構３０は、粉末床ＰＢをスタートプレート５１に形成する。粉末床形成機構３０は、粉末供給機構３１と、粉末塗布機構３２と、粉末量計測器３３と、を有する。粉末供給機構３１は、粉末Ｐ１を貯留すると共にスタートプレート５１上に粉末Ｐ１を供給する。粉末塗布機構３２は、スタートプレート５１上の粉末Ｐ１の表面を均す。粉末量計測器３３は、粉末塗布機構３２によって敷き均される前の粉末Ｐ１の量を計測する。粉末床形成機構３０は、後に詳細に説明する。

ヒータ３ａは、放射熱によって粉末Ｐ１の温度を上昇させる。ヒータ３ａとして、例えば赤外線ヒータを用いてもよいし、例えばガスヒータを用いてもよい。ここでいう予熱とは、予熱領域における粉末Ｐ１の温度が供給領域における粉末Ｐ１よりも高くなるように加熱する処理であることを意味する。このような加熱処理は、例えば、粉末Ｐ１を仮焼結する処理であってもよい。仮焼結とは、粉末Ｐ１同士が拡散現象によって最小点で拡散して接合した状態である。ヒータ３ａは、一例として、粉末Ｐ１の融点の半分以上の温度まで粉末Ｐ１を加熱する。これは、焼結の拡散現象が活発になるのが、一般的に融点の半分以上であることに基づく。例えば、粉末Ｐ１がチタンである場合、仮焼結温度は、７００℃以上８００℃以下である。なお、チタン合金の融点は約１５００℃以上１６００℃以下である。また、粉末Ｐ１がアルミニウムである場合、仮焼結温度は、３００℃である。なお、アルミニウムの融点は約６６０℃である。

ビーム源３ｂは、電子ビームを発生させる。電子ビームは、粉末Ｐ１に照射される。ビーム源３ｂは、例えば電子銃である。電子銃は、カソードとアノードとの間に生じる電位差に応じた電子ビームを発生させる。電子ビームが照射されるプレート主面５１ａ上の領域は、粉末Ｐ１の温度を上昇させる領域である。当該温度は、ヒータ３ａによって予熱された粉末Ｐ１の温度よりも高い。つまり、電子ビームが照射された粉末Ｐ１の温度は、造形物ＰＡを形成可能な温度（焼結温度又は融解温度）である。ビーム源３ｂは、所望の部分に電子ビームを走査して照射する。

粉末床形成機構３０、ヒータ３ａ及びビーム源３ｂは、スタートプレート５１の回転方向（時計方向ＣＷ）に沿って、この順に配置されている。以下の説明において、「上流」及び「下流」とは、スタートプレート５１の回転方向を基準とする。

スタートプレート５１は、時計方向ＣＷに回転する。そうすると、スタートプレート５１において、ある点を仮定したとき、当該点は、スタートプレート５１の回転に伴って、粉末床形成機構３０と、ヒータ３ａと、ビーム源３ｂと、をこの順に通過していく。

コントローラ４は、回転駆動機構２１を制御する。その結果、スタートプレート５１が時計方向ＣＷに一定の回転速度をもって回転する。この回転速度は、予熱領域及び造形領域における温度上昇幅によって決定してよい。例えば、予熱前の粉末Ｐ１の温度を予熱後には所定の温度まで上昇させるために要するエネルギ量を得る。次に、当該エネルギ量を粉末Ｐ１に与えるために要する所要時間が決まる。そして、当該所要時間と、予熱領域を通過する際に通過する軌跡の長さと、によれば、回転速度が得られる。コントローラ４は、昇降駆動機構２２を制御する。その結果、スタートプレート５１が時間の経過とともに連続的に下方に移動する（離間動作）。スタートプレート５１の移動速度は、スタートプレート５１が一回転するごとに形成される層の厚み（つまり、粉末床ＰＢの厚み）により決定してよい。コントローラ４は、粉末床形成機構３０を制御する。コントローラ４が粉末床形成機構３０を制御することによって、粉末床ＰＢを形成する動作については、後に詳細に説明する。

以下、粉末床形成機構３０について詳細に説明する。粉末床形成機構３０は、粉末供給機構３１（供給部）と、粉末塗布機構３２（塗布部）と、粉末量計測器３３（計測部）と、を有する。

図３の粉末供給機構３１は、ローラ３１１の回転によって粉末Ｐ１を搬送する。粉末供給機構３１は、ローラ３１１と、ホッパ３１２と、ケーシング３１３と、を有する。このような部品によって構成さたれた粉末供給機構３１は、ローラフィーダと称される。なお、粉末供給機構３１は、ローラフィーダとは異なる構成を採用してもよい。例えば、粉末供給機構３１は、スクリューフィーダを採用してもよい。スクリューフィーダの場合には、スタートプレート５１の径方向に沿って、複数の粉末の排出口を設ける。この排出口の配置によれば、疑似的に直線状の均一な粉末Ｐ１の供給が実現できる。

ホッパ３１２は、粉末Ｐ１を収容する容器である。ホッパ３１２は、ケーシング３１３に対して粉末Ｐ１を供給する。ホッパ３１２の出口は、ケーシング３１３の入口に繋がっている。なお、図３の例示では、ホッパ３１２とケーシング３１３とは一体の容器を構成する。ケーシング３１３は、ホッパ３１２から提供された粉末Ｐ１をローラ３１１に供給する。また、ケーシング３１３は、ローラ３１１を回転可能に支持する支持部と、ローラ３１１を回転させる駆動部とを含んでもよい。

ローラ３１１は、ケーシング３１３内に収容されており、その周面の一部が露出している。ローラ３１１は、駆動部である駆動モータによって回転駆動されて、回転軸線を中心に回転する。ローラ３１１の周面３１１ａとケーシング３１３の下端との間には、隙間Ｇが形成されている。ローラ３１１の周面３１１ａは、ざらついていることが好ましい。ローラ３１１は、周面３１１ａ上に粉末Ｐ１を堆積させた状態を維持できる形状および大きさ（すなわち直径）を有する。ローラ３１１は、その回転とともに、周面３１１ａを周方向に移動させる。この場合の搬送方向は、円弧状である。搬送面の移動量は、ローラ３１１の周面３１１ａの移動量であり、ローラ３１１の半径と回転角度により定まる。ローラ３１１は、コントローラ４によって駆動モータが制御されることにより所定の回転角度を回転する。この回転によって、前端部において周面３１１ａを反転させる。このとき、隙間に相当する厚みをもって周面３１１ａ上に堆積した粉末Ｐ１は、前端部から落下する。

なお、ローラ式の搬送装置を備える粉末供給装置において、ローラ３１１の径を軸方向において変化させてもよい。そうすれば、スタートプレート５１の径方向において隙間Ｇを変化させることができる。例えば３１１の径がスタートプレート５１の径方向において中心から外周に向かうにつれて小さくなるように、ローラ３１１が構成されてもよい。この構成により、隙間Ｇの高さは、ローラ３１１の軸方向の端部よりも中央部において大きくなる。隙間Ｇの高さが、次第に変化しているので、適切な供給量をもって粉末を供給することができる。

図４に示す粉末塗布機構３２は、粉末供給機構３１からプレート主面５１ａ上に落下した粉末Ｐ１を敷き均す。ここでいう「敷き均す」とは、造形面に対して所定の厚みを有する粉末Ｐ１の層を形成することをいう。そして、この粉末Ｐ１の層を粉末床ＰＢと称する。

粉末塗布機構３２は、レーキブレード３２１とボディ３２２とを有する。レーキブレード３２１は、粉末Ｐ１に接触する部分である。レーキブレード３２１は、薄い金属板であってもよい。ボディ３２２は、レーキブレード３２１のブレード基端３２１ｆを保持する。ボディ３２２は、造形空間Ｓに対して静止する。このボディ３２２がレーキブレード３２１を保持することによって、レーキブレード３２１も造形空間Ｓに対して静止できる。レーキブレード３２１は、押圧力の方向に移動することはない。

レーキブレード３２１のブレード先端３２１ｅは、被処理面ＰＬから所定の高さだけ離間する。この被処理面ＰＬとは、例えば、造形処理ユニット３Ａにおいて部分的にエネルギビームの照射を受けた後に、下流側の造形処理ユニット３Ｂにおいて粉末供給機構３１からの粉末Ｐ１の供給を受ける前の粉末床ＰＢの表面を意味する。

被処理面ＰＬに対して粉末Ｐ１が落下すると、被処理面ＰＬ上に粉末Ｐ１が堆積する。堆積した粉末Ｐ１の高さは、粉末床ＰＢの厚みより大きい。そして、堆積した粉末Ｐ１に対して、レーキブレード３２１のブレード前面３２１ａが押し当てられる。この押し当ては、静止しているレーキブレード３２１に対してスタートプレート５１が回転することにより生じる。そうすると、堆積した粉末Ｐ１のうち、被処理面ＰＬとブレード先端３２１ｅとの間に存在する粉末Ｐ１は、レーキブレード３２１の背面側に移動する。一方、レーキブレード３２１の背面側の粉末Ｐ１のうち、ブレード先端３２１ｅよりも上方に存在する粉末Ｐ１は、レーキブレード３２１に阻まれるので、ブレード背面３２１ｂの側に移動できない。従って、被処理面ＰＬとブレード先端３２１ｅとの隙間と同じ厚みＰＢｔを有する粉末Ｐ１の層である粉末床ＰＢが形成される。

以下の説明において、レーキブレード３２１のブレード前面３２１ａの側において、粉末床ＰＢの表面よりも高くなるように堆積した部分を「粉だまりＰＤ」と称する。つまり、粉だまりＰＤは、粉末Ｐ１によって形成されている。粉だまりを形成する粉末Ｐ１は、ブレード先端３２１ｅよりも上方に存在するので、ブレード背面３２１ｂの側に移動できない。さらに、粉だまりＰＤの量を、「粉だまり量」と定義する。粉だまり量は、体積又は重量であってもよい。

また、粉末供給機構３１から単位時間あたりに供給される粉末Ｐ１の体積又は重量として、「供給量」を定義する。さらに、粉末床ＰＢとして粉末塗布機構３２の下流側に単位時間あたりに移動する粉末Ｐ１の体積又は重量を「粉末床量」と定義する。粉だまり量は、供給量と、粉末床量と、の差分によって決まる。例えば、供給量が粉末床量より多い場合には、粉だまり量は次第に増加する。逆に、供給量が粉末床量より少ない場合には、粉だまり量は次第に減少する。さらに、供給量が粉末床量と等しい場合には、粉だまり量は増減しない。

例えば、粉だまり量が時間の経過と共に減少して、堆積した粉末Ｐ１の高さが被処理面ＰＬからブレード先端３２１ｅまでの高さよりも低くなったとする。この場合には、そもそも所望の厚みを有する粉末床ＰＢを形成できなくなる。

逆に、粉だまり量が時間の経過と共に増加したとする。この場合には、塗布不良が生じる。塗布不良とは、粉末床ＰＢの表面に無視できない凹凸が生じたことをいう。この塗布不良について、詳細に説明する。

図５には、スタートプレート５１上に、幾つかの層が形成されている様子を示す断面図である。プレート主面５１ａには、未焼結の粉末Ｐ１からなる未焼結層Ｐ２が形成されている。未焼結層Ｐ２の上には、仮焼結された粉末Ｐ１からなる仮焼結層Ｐ３が形成されている。そして、この図５では、仮焼結層Ｐ３の表面が被処理面ＰＬに対応する。いま、粉末供給機構３１から未焼結の粉末Ｐ１が被処理面ＰＬである仮焼結層Ｐ３の表面に供給されている。そして、供給量が粉末床量より多くなっており、粉だまり量が次第に増加しているとする。

図５に示すように、粉だまり量が増加すると、粉だまりＰＤに起因して被処理面ＰＬに作用する押圧力が高まる。この押圧力は、被処理面ＰＬと粉だまりＰＤとが接する接触面との間に作用する層間摩擦力Ｒ１に影響する。押圧力は、つまり垂直抗力であるから、押圧力が高まると、仮焼結層Ｐ３と粉だまりを形成する粉末Ｐ１との間の層間摩擦力Ｒ１も高まる。このような状態において、粉だまりＰＤがレーキブレード３２１から進行方向に沿う押圧力を受けると、仮焼結層Ｐ３と粉だまりＰＤとの間に大きい層間摩擦力Ｒ１が発生する。

一方、プレート主面５１ａと未焼結層Ｐ２との間にも壁面摩擦力Ｒ２は生じる。しかし、垂直抗力が同じであったとしても、仮焼結層Ｐ３と粉だまりＰＤとの間の状態と、プレート主面５１ａと未焼結層Ｐ２との間の状態とは、互いに相違する。従って、仮焼結層Ｐ３と粉だまりＰＤとの間に発生する層間摩擦力Ｒ１の大きさと、プレート主面５１ａと未焼結層Ｐ２との間に発生する壁面摩擦力Ｒ２の大きさとは異なる。以下の説明において、仮焼結層Ｐ３と粉だまりＰＤとの間に発生する摩擦力を、単に「層間摩擦力Ｒ１」と称する。同様に、プレート主面５１ａと未焼結層Ｐ２との間に発生する摩擦力を、単に「壁面摩擦力Ｒ２」と称する。

まず、層間摩擦力Ｒ１の大きさが、壁面摩擦力Ｒ２よりも小さい場合を仮定する。この仮定は、粉だまり量が少ないときに成り立つ。この場合には、粉だまりＰＤがレーキブレード３２１から押圧力を受けると、仮焼結層Ｐ３と粉だまりＰＤとの間で滑りが生じる。このとき、プレート主面５１ａと未焼結層Ｐ２との間では滑りは生じない。この場合には、塗布不良は生じない。

逆に、層間摩擦力Ｒ１の大きさが、壁面摩擦力Ｒ２よりも大きい場合を仮定する。この仮定は、粉だまり量が多いときに成り立つ。この場合には、粉だまりＰＤがレーキブレード３２１から押圧力を受けると、大きい層間摩擦力Ｒ１によって仮焼結層Ｐ３と粉だまりＰＤとの間で滑りが生じにくくなる。そうすると、仮焼結層Ｐ３と粉だまりＰＤとの間で滑りが生じない状態で、プレート主面５１ａと未焼結層Ｐ２との間で滑りが生じてしまう。この場合に、塗布不良が生じる。

従って、粉だまりＰＤの量（粉だまり量）は、所定の範囲を維持する必要がある。粉だまり量は、下限より少なくなることは許されないし、上限より多くなることも許されない。つまり、粉だまり量に応じて、粉末供給機構３１からの供給量を増減させる必要が生じる。供給量の制御は、粉だまり量に基づくから、粉だまり量を計測する必要がある。そこで、粉末床形成機構３０は、粉だまり量を計測する粉末量計測器３３を有する。

図４に示す粉末量計測器３３は、粉だまり量を計測する。粉だまり量は、堆積した粉末Ｐ１の体積として扱うこともできるし、堆積した粉末Ｐ１の重量として扱うこともできる。一方、粉末量計測器３３は、粉末Ｐ１の体積又は重量を直接に計測しない。粉末量計測器３３は、粉末Ｐ１の体積又は重量とは別の計測項目に関するデータを得る。そして、当該データを利用して、粉末Ｐ１の体積又は重量を得る。なお、粉末量計測器３３は、粉末Ｐ１の体積又は重量とは別の計測項目に関するデータを取得するだけであってもよい。つまり、粉末量計測器３３は、別の計測項目に関するデータを粉末Ｐ１の体積又は重量に換算する機能を備えていなくてもよい。この場合において、別の計測項目に関するデータを粉末Ｐ１の体積又は重量に換算する機能は、コントローラ４が担ってもよい。

粉末量計測器３３が直接に計測する計測項目は、粉末高さＨ又は粉末幅Ｗである。粉末量計測器３３は、粉末高さＨ又は粉末幅Ｗの少なくとも一方を計測する。本開示では、計測項目として、粉末高さＨを例示する。粉末幅Ｗを計測項目とする態様については、変形例として説明する。

一例として、粉末高さＨとは、粉末床表面ＰＢｓから粉だまりＰＤの表面（以下、「粉だまり表面ＰＤｓ」と称する）までのプレート主面５１ａの法線方向に沿った距離である。粉だまり表面ＰＤｓとは、レーキブレード３２１の前方に位置する粉末Ｐ１において、任意の位置を選択してよい。例えば、レーキブレード３２１の直前に形成される斜面ＰＤｓ１であってもよい。また、斜面ＰＤｓ１のさらに前方に形成される平坦面ＰＤｓ２であってもよい。また、粉末高さＨの基準は、粉末床表面ＰＢｓとは別のものを用いてもよい。粉末高さＨの基準は、レーキブレード３２１のブレード先端３２１ｅを採用することもできる。この場合には、粉末高さＨは、ブレード先端３２１ｅから粉だまり表面ＰＤｓまでの法線方向Ｎに沿った距離である。

なお、法線方向Ｎにおいて、ブレード先端３２１ｅの位置は、粉末床ＰＢの位置と実質的に同じである。従って、ブレード先端３２１ｅから粉だまり表面ＰＤｓまでの距離を粉末高さＨとする定義は、粉末床表面ＰＢｓから粉だまり表面ＰＤｓまで距離を粉末高さＨとする定義と実質的に同じである。また、例えば、粉末高さＨの基準として、プレート主面５１ａを採用することもできる。この場合における粉末高さＨとは、プレート主面５１ａから粉だまり表面ＰＤｓまでの距離である。

粉末量計測器３３は、一例としてレーザ測距計を用いることができる。レーザ測距計によれば、レーザＬの出射位置から、粉だまり表面ＰＤｓまでの距離を得ることができる。粉末塗布機構３２に対する粉末量計測器３３の相対的な位置は、一意に知ることができるから、出射位置からレーキブレード３２１のブレード先端３２１ｅまでの距離は知ることができる。従って、レーキブレード３２１のブレード先端３２１ｅまでの距離から、レーザＬの出射位置から粉だまり表面ＰＤｓまでの距離を減算することによって、粉末高さＨを得ることができる。

なお、粉末量計測器３３の具体的な構成は、レーザ測距計に限定されない。粉末量計測器３３は、レーザ測距計のように粉末Ｐ１に接触することなく粉末高さＨを測定する非接触方式を採用してもよい。粉末量計測器３３は、粉末Ｐ１に接触することによって粉末高さＨを測定する接触方式を採用してもよい。そのほかの例示については、後述する変形例にて説明する。

次に、図６に示すフロー図を参照しながら、粉末床形成機構３０による粉末床を形成する動作について説明する。

まず、コントローラ４は、設定値を取得する（工程Ｓ１）。この設定値とは、供給量を増やすべきか、減らすべきかを判定する値である。具体的には、粉だまり量の閾値である。工程Ｓ１では、予め準備した複数の設定値から、粉末床ＰＢの厚みなどの製造条件に基づいて、適切な設定値を選択してもよい。また、工程Ｓ１では、別途入力された製造条件に基づいて設定値を算出してもよい。

次に、コントローラ４は、制御信号を出力することにより、粉末供給機構３１に粉末Ｐ１を供給させる（工程Ｓ２）。また、コントローラ４は、制御信号を出力することにより、スタートプレート５１の回転を開始する。

次に、コントローラ４は、粉だまり量を得る（工程Ｓ３）。まず、コントローラ４は、粉末量計測器３３から粉だまり表面ＰＤｓまでの距離を得る。次に、コントローラ４は、当該距離を用いて粉末高さＨを算出する。次に、コントローラ４は、粉末高さＨを粉だまり量に換算する。

次に、コントローラ４は、塗布前の粉末量である粉だまり量と設定値とを比較する（工程Ｓ４）。具体的には、コントローラ４は、粉だまり量が設定値より大きいか否かを判定する。工程Ｓ４の比較の結果、粉だまり量が設定値より大きい場合（工程Ｓ４：ＹＥＳ）には、コントローラ４は、制御信号を出力することにより、粉末供給機構３１からの供給量を減らす（工程Ｓ５）。工程Ｓ４の比較の結果、粉だまり量が設置値より小さい場合（工程Ｓ４：ＮＯ）には、コントローラ４は、制御信号を出力することにより、粉末供給機構３１からの供給量を増やす（工程Ｓ６）。

なお、コントローラ４は、供給量を増やす又は減らすという２値の制御のほか、供給量を増やす、供給量を減らす及び供給量を維持する３値の制御を行ってもよい。

その後、スタートプレート５１の回転によって、粉だまりＰＤがレーキブレード３２１に至る。その結果、所定の厚みを有する粉末床ＰＢが形成される（工程Ｓ７）。

次に、コントローラ４は、造形処理が完了したか否かを判定する（工程Ｓ８）。造形処理が完了していない（工程Ｓ８：ＮＯ）場合には、再び工程Ｓ３からの処理を繰り返す。造形処理が完了した（工程Ｓ８：ＹＥＳ）場合には、全体の処理を終了する。

以下、本開示の積層造形装置１及び粉末床形成機構３０の作用効果について説明する。

積層造形装置１は、少なくとも粉末Ｐ１が載置されるプレート主面５１ａを含むスタートプレート５１と、プレート主面５１ａに敷き均された粉末Ｐ１である粉末床ＰＢを形成する粉末床形成機構３０と、粉末床ＰＢにエネルギビームを照射するビーム源３ｂと、を備える。粉末床形成機構３０は、粉末Ｐ１を供給する粉末供給機構３１と、時計方向ＣＷに向かってスタートプレート５１に対して相対的に移動することによって、粉末供給機構３１から供給された粉末Ｐ１をプレート主面５１ａに敷き均す粉末塗布機構３２と、スタートプレート５１に対する粉末塗布機構３２の移動方向において粉末塗布機構３２の前方に配置されて、粉末供給機構３１から供給された後であって粉末塗布機構３２によって敷き均される前の粉末Ｐ１の量を計測する粉末量計測器３３と、を有する。

積層造形装置１の粉末床形成機構３０は、粉末Ｐ１をプレート主面５１ａに敷き均す粉末塗布機構３２の前方に粉末Ｐ１の量を計測する粉末量計測器３３を配置している。この構成によると、粉末供給機構３１から供給された後に粉末塗布機構３２によって敷き均される前の粉末Ｐ１の量を計測することができる。敷き均す前の粉末Ｐ１の量に関する情報を得ることができるので、当該情報に基づいて粉末供給機構３１からの粉末Ｐ１の供給量を制御することが可能になる。敷き均しに適した状態が実現されるので、粉末塗布機構３２の敷き均し動作によって安定して所望の粉末床ＰＢを形成することができる。従って、造形プロセスを安定して継続することができる。

積層造形装置１のスタートプレート５１は、所定の回転軸線を中心として回転し、スタートプレート５１の回転によって、スタートプレート５１に対する粉末塗布機構３２の相対的な移動が発生してもよい。この構成によれば、回転式の積層造形を行うことができる。

積層造形装置１は、スタートプレート５１の回転方向における上流から下流に向かって、粉末供給機構３１、粉末量計測器３３、粉末塗布機構３２及び照射部の順に配置されている。この構成によれば、スタートプレート５１の回転によって、粉末供給機構３１からの粉末Ｐ１の供給と、粉末量計測器３３による粉末Ｐ１の量の計測と、粉末塗布機構３２による粉末Ｐ１の敷き均しと、粉末床ＰＢに対するエネルギビームの照射と、をこの順に連続して行うことができる。

例えば、図１０に示す比較例のように、粉末量計測器１３３が粉末塗布機構３２の下流側に配置されているとする。粉末量計測器１３３は、粉末床ＰＢの厚みＰＢｔを計測する。粉末量計測器１３３は、その全体が造形空間Ｓに晒されている。造形空間Ｓは、真空領域である。そうすると、粉末量計測器１３３は、周囲の物体、特に電子ビームを受けた粉末Ｐ１から電磁波として放射される熱を受け易くなる。一方、積層造形装置１の粉末量計測器３３は、粉末供給機構３１と粉末塗布機構３２とに挟持されている。この構成によれば、粉末量計測器３３は、粉末供給機構３１と粉末塗布機構３２に挟まれているから、放射熱を受ける露出面が少なくなる。つまり、粉末供給機構３１と粉末塗布機構３２とによって粉末量計測器３３を周囲の熱から保護することができる。その結果、良好な計測値を得ることができる。

積層造形装置１の粉末供給機構３１、粉末量計測器３３及び粉末塗布機構３２は、回転軸線からスタートプレート５１の外周縁に向かって延びていてもよい。この構成によれば、円板状のスタートプレート５１にまんべんなく粉末床ＰＢを形成することができる。

積層造形装置１は、粉末量計測器３３から計測信号を受けると共に、粉末供給機構３１に制御信号を出力するコントローラ４をさらに備える。コントローラ４は、粉末量計測器３３が出力する粉末Ｐ１の量に関する計測信号に基づいて、粉末供給機構３１が供給する粉末Ｐ１の量を制御する制御信号を生成する。この構成によれば、粉末供給機構３１は、敷き均し動作に適した量の粉末Ｐ１を供給することができる。

積層造形装置１及び粉末床形成機構３０によれば、さらなる効果を奏することもできる。図７は、粉だまり量が増加した状態の一例を示す。図７の例示では、粉だまり量が増加しているが、塗布不良は発生していないものとする。粉だまり量が増加すると、レーキブレード３２１に作用する押圧力が増加する。レーキブレード３２１が受ける押圧力が高まると、レーキブレード３２１が下流側へ曲がる。レーキブレード３２１のブレード基端３２１ｆからブレード先端３２１ｅまでの距離は一定であるから、この曲がりによって、ブレード基端３２１ｆからブレード先端３２１ｅまでの法線方向に沿った長さが短くなる。その結果、短くなった分だけ（厚みＤＨ）、粉末床ＰＢの厚みが増してしまう。要するに、粉だまり量が多くなると、粉末床ＰＢの厚みＰＤｔが増す傾向がある。

これに対して、積層造形装置１は、粉だまり量を適正な範囲に維持することができる。その結果、粉末床ＰＢの厚みに影響を及ぼすようなレーキブレード３２１の曲がりの発生が抑制される。従って、積層造形装置１は、粉末床ＰＢの厚みを良好に維持することができる。

本開示の積層造形装置及び粉末床形成装置は、前述した実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

図８は、第１変形例の積層造形装置１Ａの斜視図である。第１変形例の積層造形装置１Ａは、粉末供給機構及び粉末量計測器の構成が、実施形態の積層造形装置１とは異なる。具体的には、第１変形例の積層造形装置１Ａは、スタートプレート５１の径方向に沿って配置された複数の粉末供給機構３１Ａ１、３１Ａ２、３１Ａ３を有する。さらに、第１変形例の積層造形装置１Ａは、スタートプレート５１の径方向に沿って配置された複数の粉末量計測器３３Ａを有する。１個の粉末供給機構３１Ａ３は、１個の粉末量計測器３３Ａに対応する。この構成によると、粉末供給機構３１Ａ１、３１Ａ２、３１Ａ３ごとに、供給量を調整することができる。最も中心側に配置された粉末供給機構３１Ａ１の供給量と、最も外周側に配置された粉末供給機構３１Ａ３の供給量と、を互いに異ならせることができる。例えば、積層造形装置１Ａにおいて、スタートプレート５１の回転中心側において粉末供給機構３１Ａ１が供給する粉末Ｐ１の量を、スタートプレート５１の外周縁側において粉末供給機構３１Ａ３が供給する粉末Ｐ１の量よりも少なくすることができる。従って、粉末供給機構３１Ａは、円板状のスタートプレート５１における半径方向に応じた量の粉末Ｐ１を供給することが可能になる。その結果、半径方向に均質な粉末床ＰＢを形成することができる。

粉末床形成機構３０の粉末量計測器３３は、レーザ光を用いて、粉末の高さを計測する手法を採用していた。粉末量計測器３３が採用する手法は、この手法に限定されない。以下、第２～第６変形例である粉末量計測器３３を説明する。

図９（ａ）は、第２変形例の積層造形装置１Ｂが備える粉末床形成機構３０Ｂを示す。粉末量計測器３３Ｂは、粉末高さＨを計測する。粉末量計測器３３Ｂは、接触式である。具体的には、粉末量計測器３３Ｂは、所定の高さに配置された電気プローブ３３Ｂ１を有する。さらに、粉末量計測器３３Ｂは、電源３３Ｂ２と、電流計３３Ｂ３と、を有する。電気プローブ３３Ｂ１、電源３３Ｂ２及び電流計３３Ｂ３は、直列に接続されている。そして、電流計３３Ｂ３は、レーキブレード３２１に接続されている。この構成によると、電気プローブ３３Ｂ１、電源３３Ｂ２、電流計３３Ｂ３及びレーキブレード３２１によってひとつの接点検知回路が構成される。電気プローブ３３Ｂ１は、レーキブレード３２１に直接に接触しないから、通常は、回路に電流は流れない。しかし、粉だまり量が増加した場合には、粉だまりＰＤは、レーキブレード３２１に接触すると共に電気プローブ３３Ｂ１にも接触する。そうすると、電気プローブ３３Ｂ１とレーキブレード３２１とが導通状態となる。その結果、回路に電流が流れる。この電流が流れたことをトリガとして、粉だまり量が閾値に達したことを知ることができる。

図９（ｂ）は、第３変形例の積層造形装置１Ｃが備える粉末床形成機構３０Ｃを示す。粉末量計測器３３Ｃは、粉末高さＨを計測する。粉末量計測器３３Ｃは、接触式である。具体的には、粉末量計測器３３Ｃは、温度プローブ３３Ｃ１と、温度計３３Ｃ２と、を有する。温度プローブ３３Ｃ１は、第２変形例の電気プローブ３３Ｂ１と同様の位置に配置される。粉だまり量が増加すると、粉だまりＰＤが温度プローブ３３Ｃ１に接触する。この接触は、温度計３３Ｃ２が出力する温度データに不連続な変化をもたらす。この不連続な変化をトリガとして、粉だまり量が閾値に達したことを知ることができる。

図９（ｃ）は、第３変形例の積層造形装置１Ｄが備える粉末床形成機構３０Ｄを示す。粉末量計測器３３Ｄは、粉末幅Ｗを計測する。具体的には、粉末量計測器３３Ｄは、箔板３３Ｄ１と、レーザ測距計３３Ｄ２と、を有する。箔板３３Ｄ１は、レーキブレード３２１の前方に配置されている。箔板３３Ｄ１は、粉末塗布機構３２Ｄの筐体に取り付けられていてもよい。箔板３３Ｄ１は、レーキブレード３２１よりも変形しやすい。また、箔板３３Ｄ１の先端は、ブレード先端３２１ｅよりも高い位置にある。粉だまり量が増加すると、粉末幅Ｗが長くなる。粉末幅Ｗが長くなると、箔板３３Ｄ１が粉末Ｐ１に押圧されるので、箔板３３Ｄ１は、前方へ変形する。この変形は、レーザ測距計３３Ｄ２によって検知する。このような構成によっても、粉末幅Ｗを得ることができる。

図９（ｄ）は、第４変形例の積層造形装置１Ｅが備える粉末床形成機構３０Ｅを示す。粉末量計測器３３Ｅは、粉末幅Ｗを計測する。粉末量計測器３３Ｅは、箔板３３Ｅ１と、接点検知回路３３Ｅ２と、を有する。箔板３３Ｅ１は、第３変形例の箔板３３Ｄ１と同様の構成を有する。第４変形例では、箔板３３Ｅ１の変形を検知する構成が、第３変形例と相違する。第４変形例では、箔板３３Ｅ１の変形を電気的に検知する。接点検知回路３３Ｅ２は、接点３３Ｅ３と、電源３３Ｅ４と、電流計３３Ｅ５とを含む。変形した箔板３３Ｅ１が接点３３Ｅ３に接すると、接点検知回路３３Ｅ２が導通状態となり、回路に電流が流れる。この電流が流れたことをトリガとして、粉だまり量が閾値に達したことを知ることができる。

図９（ｅ）及び図９（ｆ）は、第５変形例の積層造形装置１Ｆが備える粉末床形成機構３０Ｆを示す。粉末量計測器３３Ｆは、粉末高さＨ又は粉末幅Ｗを計測する。第５変形例では、粉末幅Ｗが閾値に達したことをレーザによって検知する。具体的には、粉末量計測器３３Ｆは、径方向に沿って中心側に配置されたレーザ光源３３Ｆ１と、外周側に配置された受光センサ３３Ｆ２と、を有する。図９（ｅ）及び図９（ｆ）の例示では、紙面奥側から、紙面手前側に向けてレーザＬを照射しているとする。粉だまり量が少ない場合には、レーザＬは、粉末Ｐ１に妨げられることがないので、受光センサ３３Ｆ２によって検知できる（図９（ｅ）参照）。一方、粉だまり量が多い場合には、レーザＬは、粉末Ｐ１によって妨げられるので、受光センサ３３Ｆ２で検知できない（図９（ｆ）参照）。この受光センサ３３Ｆ２において、検出されていたレーザが検出されなくなったことをトリガとして、粉だまり量が閾値に達したことを知ることができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ 積層造形装置
２ 駆動ユニット
３ 造形処理ユニット
３Ａ 造形処理ユニット
３ａ ヒータ
３Ｂ 造形処理ユニット
３ｂ ビーム源，ビーム源（照射部）
４ コントローラ（制御部）
５ ハウジング
７ コラム
２１ 回転駆動機構
２２ 昇降駆動機構
３０，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ，３０Ｆ 粉末床形成機構（粉末床形成部、粉末床形成装置）
３１，３１Ａ，３１Ａ１，３１Ａ３ 粉末供給機構（供給部）
３２，３２Ｄ 粉末塗布機構（塗布部）
３３，３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄ，３３Ｅ，３３Ｆ 粉末量計測器（計測部）
５１ スタートプレート（プレート）
５１ａ プレート主面
５２ 造形タンク
Ｐ１ 粉末
ＰＡ 造形物
ＰＢ 粉末床
Ｈ 粉末高さ
Ｗ 粉末幅

Claims (6)

1. 少なくとも粉末が載置されるプレート主面を含み、所定の回転軸線を中心として回転するプレートと、
   前記プレート主面に敷き均された前記粉末である粉末床を形成する粉末床形成部と、
   前記粉末床にエネルギビームを照射する照射部と、を備え、
   前記粉末床形成部は、
   前記粉末を供給する供給部と、
   所定の方向に向かって前記プレートに対して相対的に移動することによって、前記供給部から供給された前記粉末を前記プレート主面に敷き均す塗布部と、
   前記プレートに対する前記塗布部の移動方向において前記塗布部の前方に配置されて、前記供給部から供給された後であって前記塗布部によって敷き均される前の前記粉末の量を計測する計測部と、を有し、
   前記プレートの回転によって、前記プレートに対する前記塗布部の相対的な移動が発生し、
   前記プレートの回転方向における上流から下流に向かって、前記供給部、前記計測部、前記塗布部及び前記照射部の順に配置されている、積層造形装置。
2. 前記計測部は、前記供給部と前記塗布部とに挟持されている、請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記供給部、前記計測部及び前記塗布部は、前記回転軸線から前記プレートの外周縁に向かって延びている、請求項２に記載の積層造形装置。
4. 前記プレートの回転中心側において前記供給部が供給する前記粉末の量は、前記プレートの外周縁側において前記供給部が供給する前記粉末の量よりも少ない、請求項３に記載の積層造形装置。
5. 前記計測部から計測信号を受けると共に、前記供給部に制御信号を出力する制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記計測部が出力する前記粉末の量に関する前記計測信号に基づいて、前記供給部が供給する前記粉末の量を制御する前記制御信号を生成する、請求項１～４の何れか一項に記載の積層造形装置。
6. 少なくとも粉末が載置されるプレート主面を含み、所定の回転軸線を中心として回転するプレートと、前記プレート主面に敷き均された前記粉末である粉末床にエネルギビームを照射する照射部と、を備える積層造形装置のための前記粉末床を形成する粉末床形成装置であって、
   前記粉末を供給する供給部と、
   所定の方向に向かって前記プレートに対して相対的に移動することによって、前記供給部から供給された前記粉末を前記プレート主面に敷き均す塗布部と、
   前記プレートに対する前記塗布部の移動方向において前記塗布部の前方に配置されて、前記供給部から供給された後であって前記塗布部によって敷き均される前の前記粉末の量を計測する計測部と、を備え、
   前記プレートの回転によって、前記プレートに対する前記塗布部の相対的な移動が発生し、
   前記供給部、前記計測部及び前記塗布部は、前記プレートの回転方向における前記照射部より上流側に配置され、
   前記プレートの回転方向における上流から下流に向かって、前記供給部、前記計測部、及び前記塗布部の順に配置されている、粉末床形成装置。

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