JP7718124B2 - Three-dimensional modeling device and three-dimensional modeling method - Google Patents
Three-dimensional modeling device and three-dimensional modeling methodInfo
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Description
本発明は、三次元造形装置及び三次元造形方法に関する。 The present invention relates to a three-dimensional modeling device and a three-dimensional modeling method.
従来、三次元造形装置及び三次元造形方法として、例えば、特許第4639087号公報に記載されるように、造形タンク内に設置されるテーブルに粉末材料を敷き均し、この粉末材料に対し予備加熱を行い、粉末材料にエネルギビームを照射して粉末材料を加熱し凝固させ、これらの工程を繰り返して積層させることにより三次元の物体を造形する装置及び方法が知られている。 Conventionally, as described in Patent No. 4639087, for example, a known three-dimensional modeling device and method involves spreading powder material evenly on a table installed inside a modeling tank, preheating the powder material, irradiating the powder material with an energy beam to heat and solidify it, and repeating these steps to form layers to model a three-dimensional object.
ところで、このような三次元の物体の造形において、大きな物体を製造する場合、製造に長い時間を要することになる。このため、テーブルの周方向に各工程を行う領域を設定し、テーブルを回転させ、粉末材料の敷き均し、予備加熱及びビーム照射の各工程を同時に行うことが考えられる。これにより、物体の製造を効率良く行うことができ、製造時間を短縮することができる。ところが、この場合、テーブル及び造形タンクを回転させる必要があり、テーブルについては物体が造形されていくに従い徐々に下方へ移動させる必要がある。そのため、テーブルを回転させるテーブル回転機構、造形タンクを回転させるタンク回転機構及びテーブルを上下動させるテーブル移動機構を設けることが必要となる。従って、装置が大型化することが懸念される。 However, when manufacturing large three-dimensional objects, the manufacturing process takes a long time. For this reason, it is possible to set up areas around the table where each process is performed, rotate the table, and simultaneously perform the processes of spreading the powder material, preheating, and beam irradiation. This would allow for efficient manufacturing of objects and shorten the manufacturing time. However, in this case, the table and the modeling tank must be rotated, and the table must be gradually moved downward as the object is being modeled. This requires the installation of a table rotation mechanism to rotate the table, a tank rotation mechanism to rotate the modeling tank, and a table movement mechanism to move the table up and down. This raises concerns that the device may become larger.
そこで、物体の製造効率を高めつつ、装置の大型化を抑制できる三次元造形装置及び三次元造形方法の開発が望まれる。 Therefore, it is desirable to develop a three-dimensional modeling device and a three-dimensional modeling method that can increase the efficiency of object manufacturing while preventing the device from becoming too large.
本開示の一態様に係る三次元造形装置は、造形タンク内に設置されるテーブル上に粉末材料を供給し粉末材料に対しエネルギビームを照射して三次元の物体を造形する三次元造形装置において、軸方向に延びる筒状の軸体であって回転可能に支持され造形タンクに接合され造形タンクと共に回転する第一シャフトと、第一シャフトの内側に挿通され第一シャフトと同軸状に配置され第一シャフトに対し軸方向に移動可能に設けられテーブルに接合されテーブルと共に回転する第二シャフトと、第一シャフト及び第二シャフトの一方に対し回転力を与える第一駆動部と、第二シャフトを軸方向へ移動させるための第二駆動部と、第一シャフト及び第二シャフトの一方から他方に回転力を伝達し第一シャフトに対し第二シャフトの軸方向への相対的な移動を許容する駆動力伝達部を備えて構成される。この三次元造形装置によれば、第一シャフト及び第二シャフトの一方から他方に回転力を伝達し第一シャフトに対し第二シャフトの軸方向への相対的な移動を許容する駆動力伝達部を備えることにより、第一駆動部により第一シャフト及び第二シャフトを回転させることができ、第二シャフトのみを軸方向へ移動させることができる。このため、少ない駆動源によりテーブルを回転させて物体の造形を効率良く行うことができ、装置の大型化を抑制することができる。 A three-dimensional printing apparatus according to one aspect of the present disclosure supplies powder material onto a table installed in a modeling tank and irradiates the powder material with an energy beam to form a three-dimensional object. The three-dimensional printing apparatus includes a first shaft, which is a cylindrical shaft extending in the axial direction and rotatably supported, joined to the modeling tank, and rotates with the modeling tank; a second shaft, which is inserted inside the first shaft, arranged coaxially with the first shaft, and is axially movable relative to the first shaft, joined to the table, and rotates with the table; a first drive unit that applies a rotational force to one of the first shaft and the second shaft; a second drive unit that moves the second shaft in the axial direction; and a drive force transmission unit that transmits the rotational force from one of the first shaft and the second shaft to the other, allowing relative axial movement of the second shaft relative to the first shaft. This three-dimensional printing apparatus includes a drive force transmission unit that transmits the rotational force from one of the first shaft and the second shaft to the other, allowing relative axial movement of the second shaft relative to the first shaft, allowing the first drive unit to rotate the first shaft and the second shaft, and allowing only the second shaft to move in the axial direction. This allows the table to be rotated using a small number of drive sources, allowing for efficient object formation and preventing the device from becoming too large.
また、本開示の一態様に係る三次元造形装置において、駆動力伝達部は、第一シャフト及び第二シャフトの一方に凸部を形成し第一シャフト及び第二シャフトの他方に凹部を形成し、凸部は、凹部に向けて突出して凹部に収容され、凹部は、軸方向へ延びる溝であってもよい。この場合、駆動力伝達部の凸部を凹部に収容するように構成することにより、第一シャフト及び第二シャフトの一方から他方に回転力を伝達し、第一シャフトに対し第二シャフトの軸方向への相対的な移動を許容することができる。 Furthermore, in a three-dimensional modeling device according to one aspect of the present disclosure, the drive force transmission unit may form a convex portion on one of the first shaft and the second shaft and a concave portion on the other of the first shaft and the second shaft, the convex portion protruding toward the concave portion and being housed in the concave portion, and the concave portion may be a groove extending in the axial direction. In this case, by configuring the convex portion of the drive force transmission unit to be housed in the concave portion, it is possible to transmit rotational force from one of the first shaft and the second shaft to the other and allow relative axial movement of the second shaft with respect to the first shaft.
また、本開示の一態様に係る三次元造形方法は、造形タンク内に設置されるテーブル上に粉末材料を供給し粉末材料に対しエネルギビームを照射して三次元の物体を造形する三次元造形装置を用いて行う三次元造形方法であって、三次元造形装置は、軸方向に延びる筒状の軸体であって回転可能に支持され造形タンクに接合され造形タンクと共に回転する第一シャフトと、第一シャフトの内側に挿通され第一シャフトと同軸状に配置され第一シャフトに対し軸方向に移動可能に設けられテーブルに接合されテーブルと共に回転する第二シャフトと、第一シャフト及び第二シャフトの一方に対し回転力を与える第一駆動部と、第二シャフトを軸方向へ移動させるための第二駆動部と、第一シャフト及び第二シャフトの一方から他方に回転力を伝達し第一シャフトに対し第二シャフトの軸方向への相対的な移動を許容する駆動力伝達部とを備える。この三次元造形方法によれば、テーブルを回転させて物体を造形することができるため、物体の造形を効率良く行うことができる。また、第一駆動部の駆動により第一シャフト及び第二シャフトを通じてテーブル及び造形タンクを回転させることができ、第二駆動部の駆動により第一シャフトの軸方向への移動を通じてテーブルを軸方向へ移動させて造形を行うことができる。このため、第一シャフトと第二シャフトをそれぞれ回転させるための二つの駆動部を設ける必要がなく、三次元造形装置が大型化することを抑制できる。従って、造形するためのスペースが狭くても物体の造形を行うことができる。 A three-dimensional modeling method according to one aspect of the present disclosure is a three-dimensional modeling method performed using a three-dimensional modeling device that supplies powder material onto a table installed in a modeling tank and irradiates the powder material with an energy beam to model a three-dimensional object. The three-dimensional modeling device includes: a first shaft, which is a cylindrical shaft extending in the axial direction and rotatably supported, joined to the modeling tank, and rotates together with the modeling tank; a second shaft, which is inserted inside the first shaft, arranged coaxially with the first shaft, and is axially movable relative to the first shaft, joined to the table, and rotates together with the table; a first drive unit that applies a rotational force to one of the first shaft and the second shaft; a second drive unit that moves the second shaft in the axial direction; and a drive force transmission unit that transmits the rotational force from one of the first shaft and the second shaft to the other, allowing relative axial movement of the second shaft relative to the first shaft. This three-dimensional modeling method allows the table to be rotated to model an object, thereby enabling efficient modeling of objects. Furthermore, the table and modeling tank can be rotated via the first and second shafts by driving the first drive unit, and the table can be moved axially by moving the first shaft in the axial direction by driving the second drive unit, thereby performing modeling. This eliminates the need to provide two drive units, one for rotating the first shaft and one for rotating the second shaft, and prevents the three-dimensional modeling device from becoming larger. Therefore, objects can be modeled even in small spaces.
本開示によれば、物体の造形を効率良く行うことができ装置の大型化を抑制することができる。 This disclosure makes it possible to efficiently create objects and prevent the device from becoming too large.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that in the description of the drawings, identical elements will be given the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted.
図1は、本開示の実施形態に係る三次元造形装置の構成概要を示す垂直断面図である。図1に示すように、三次元造形装置1は、粉末材料Aにエネルギビームを照射して粉末材料Aを溶融又は焼結させて三次元の物体Oを造形する装置である。例えば、この三次元造形装置1は、敷き均した粉末材料Aに対し電子ビームを照射して造形を行うパウダーベッド方式の装置に適用される。粉末材料A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、アルミニウム粉末等である。また、粉末材料Aは、金属粉末に限定されず、例えば樹脂粉末、CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)などの炭素繊維と樹脂とを含む粉末であってもよい。また、粉末材料A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材料は、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、粉末材料は導電性を有しなくてもよい。 FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing the overall configuration of a three-dimensional modeling apparatus according to an embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 1, the three-dimensional modeling apparatus 1 is an apparatus that irradiates powder material A with an energy beam to melt or sinter the powder material A and form a three-dimensional object O. For example, this three-dimensional modeling apparatus 1 is applicable to a powder bed type apparatus that irradiates a spread powder material A with an electron beam to form a shape. The powder material A is a metal powder, such as titanium-based metal powder, Inconel powder, or aluminum powder. Furthermore, the powder material A is not limited to a metal powder, but may also be, for example, a resin powder or a powder containing carbon fiber and resin, such as CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics). Furthermore, the powder material A may be any other electrically conductive powder. The powder material in the present disclosure is not limited to electrically conductive materials. For example, if a laser is used as the energy beam, the powder material does not need to be electrically conductive.
三次元造形装置1は、駆動部3、制御部4、処理部6、フレーム7及びチャンバ8を備えている。フレーム7は、駆動部3、処理部6及びチャンバ8を支持し設置するための枠体である。例えば、フレーム7は、複数の平板部材を上下に設けて構成される。具体的には、フレーム7は、水平方向に向けて配置される平板状の第一部材71、第二部材72、第三部材73及び第四部材74を有している。第一部材71はフレーム7の最下位置に設けられている。第一部材71の上方に所定の間隔をおいて第二部材72が設けられ、第二部材72の上方に所定の間隔をおいて第三部材73が設けられ、第三部材73の上方に所定の間隔をおいて第四部材74が設けられている。第二部材72、第三部材73及び第四部材74は、縦方向に延びる柱部材又は壁部材によって支持されている。駆動部3は、フレーム7に組付けられており、チャンバ8はフレーム7の上方に設置されている。処理部6は、チャンバ8内に設置されている。なお、フレーム7の構造は、上述したものに限られず、駆動部3、処理部6及びチャンバ8を支持し設置することができれば、異なる構造であってもよい。 The three-dimensional modeling device 1 includes a drive unit 3, a control unit 4, a processing unit 6, a frame 7, and a chamber 8. The frame 7 is a framework for supporting and installing the drive unit 3, the processing unit 6, and the chamber 8. For example, the frame 7 is configured by multiple flat plate members arranged vertically. Specifically, the frame 7 includes a first member 71, a second member 72, a third member 73, and a fourth member 74, which are flat plate-shaped and arranged horizontally. The first member 71 is located at the lowest position of the frame 7. The second member 72 is located above the first member 71 at a predetermined distance, the third member 73 is located above the second member 72 at a predetermined distance, and the fourth member 74 is located above the third member 73 at a predetermined distance. The second member 72, the third member 73, and the fourth member 74 are supported by pillar members or wall members extending vertically. The drive unit 3 is assembled to the frame 7, and the chamber 8 is located above the frame 7. The processing unit 6 is located within the chamber 8. The structure of the frame 7 is not limited to that described above, and may be a different structure as long as it can support and install the drive unit 3, processing unit 6, and chamber 8.
駆動部3は、テーブル13を回転及び昇降させ、造形タンク14を回転させる駆動機構である。テーブル13及び造形タンク14は、チャンバ8内に設けられている。テーブル13は、物体Oを造形するための台であり、例えば水平に配置した板体により構成される。造形タンク14は、造形を行うための容器であり、上方を開放した筒状のものが用いられ、内部にテーブル13を配置している。 The drive unit 3 is a drive mechanism that rotates and raises and lowers the table 13 and rotates the modeling tank 14. The table 13 and modeling tank 14 are provided inside the chamber 8. The table 13 is a platform for modeling the object O and is composed of, for example, a horizontally placed plate. The modeling tank 14 is a container for modeling, and is cylindrical with an open top, with the table 13 located inside.
駆動部3は、第一シャフト31、第二シャフト32、第一駆動部33、第二駆動部34及び駆動力伝達部35を備えている。第一シャフト31は、軸方向に延びる筒状の軸体であって、回転可能にフレーム7に支持され、造形タンク14に接合され造形タンク14と共に回転する。つまり、第一シャフト31は、造形タンク14を回転させるための軸体として機能する。第一シャフト31は、例えば、第三部材73及び第四部材74を垂直に貫通して設けられ、第三部材73に対し転がり軸受311を介して取り付けられ、フレーム7に対し回転可能に支持されている。 The drive unit 3 includes a first shaft 31, a second shaft 32, a first drive unit 33, a second drive unit 34, and a drive force transmission unit 35. The first shaft 31 is a cylindrical shaft extending in the axial direction, rotatably supported by the frame 7, and joined to the modeling tank 14 so as to rotate together with the modeling tank 14. In other words, the first shaft 31 functions as a shaft for rotating the modeling tank 14. The first shaft 31 is provided, for example, vertically penetrating the third member 73 and the fourth member 74, attached to the third member 73 via a rolling bearing 311, and rotatably supported by the frame 7.
第一シャフト31の上部は、第四部材74を突き抜けて造形タンク14に接合されている。例えば、第一シャフト31の上部は、支持部材131を介して造形タンク14に接合されている。支持部材131は、造形タンク14と一体に形成され、造形タンク14を下方から支持する部材である。支持部材131は、例えば造形タンク14とほぼ同径に形成された筒状体であり、造形タンク14と第一シャフト31の間に配置され、第一シャフト31の回転力を造形タンク14へ伝達する。このため、第一シャフト31が回転すると、支持部材131及び造形タンク14が一体となって回転する。 The upper part of the first shaft 31 passes through the fourth member 74 and is joined to the modeling tank 14. For example, the upper part of the first shaft 31 is joined to the modeling tank 14 via a support member 131. The support member 131 is formed integrally with the modeling tank 14 and is a member that supports the modeling tank 14 from below. The support member 131 is, for example, a cylindrical body formed with approximately the same diameter as the modeling tank 14, and is positioned between the modeling tank 14 and the first shaft 31 to transmit the rotational force of the first shaft 31 to the modeling tank 14. Therefore, when the first shaft 31 rotates, the support member 131 and the modeling tank 14 rotate together.
第二シャフト32は、第一シャフト31内に挿通され、第一シャフト31と同軸状に配置されている。第二シャフト32は、第一シャフト31に対し軸方向に移動可能に設けられ、テーブル13に接合されテーブル13と共に回転する。例えば、第二シャフト32は、第一シャフト31の内周に設けられるすべり軸受312により支持されている。このため、第二シャフト32は、第一シャフト31に対し軸方向に移動可能に支持される。 The second shaft 32 is inserted through the first shaft 31 and is arranged coaxially with the first shaft 31. The second shaft 32 is provided so as to be movable in the axial direction relative to the first shaft 31, and is joined to the table 13 so as to rotate together with the table 13. For example, the second shaft 32 is supported by a plain bearing 312 provided on the inner periphery of the first shaft 31. Therefore, the second shaft 32 is supported so as to be movable in the axial direction relative to the first shaft 31.
第二シャフト32の上部は、テーブル13の下面側に接合されている。このため、第二シャフト32が回転することによりテーブル13が回転し、第二シャフト32が軸方向へ移動することによりテーブル13も軸方向へ移動する。第二シャフト32は、図1のように直接テーブル13に接合されてもよいし、別部材を介してテーブル13に接合されていてもよい。第二シャフト32の下部は、スラスト軸受346を介して昇降体345に接合されている。スラスト軸受346は、第二シャフト32の回転を許容して第二シャフト32を支持する軸受部材である。昇降体345は、第二駆動部34の一部を構成する部材であって、軸方向へ移動可能となっている。第二シャフト32は、昇降体345の移動と共に、軸方向へ移動する。 The upper part of the second shaft 32 is joined to the underside of the table 13. Therefore, when the second shaft 32 rotates, the table 13 rotates, and when the second shaft 32 moves in the axial direction, the table 13 also moves in the axial direction. The second shaft 32 may be joined directly to the table 13 as shown in FIG. 1, or may be joined to the table 13 via a separate member. The lower part of the second shaft 32 is joined to the lifting body 345 via a thrust bearing 346. The thrust bearing 346 is a bearing member that supports the second shaft 32 while allowing it to rotate. The lifting body 345 is a member that constitutes part of the second drive unit 34 and is movable in the axial direction. The second shaft 32 moves in the axial direction as the lifting body 345 moves.
第一駆動部33は、第一シャフト31に対し回転力を与える機構であり、例えば第三部材73に取り付けられ、第一シャフト31の外周近傍の位置に設けられている。第一駆動部33は、例えば第一モータ331、減速機332、ギアボックス333及び歯車334を備えて構成される。第一モータ331は、回転力を発生させる電動機であり、回転軸を水平に向けて設けられ、減速機332を介して第三部材73に取り付けられている。減速機332は、第一モータ331の回転速度を減速する減速装置であり、例えば遊星減速機、平行軸減速機など公知の減速機構を備えたものを用いることができる。減速機332は、第三部材73上に固定されている。ギアボックス333は、回転の軸方向を変換する歯車機構を備え、水平方向の入力軸と鉛直方向の出力軸を有している。ギアボックス333の入力軸は減速機332に接続され、出力軸には歯車334が取り付けられている。歯車334は、第一モータ331の回転力を第一シャフト31へ伝達させるための平歯車である。歯車334は、第一シャフト31の外周に形成される歯車313に噛み合っている。歯車313は、第一シャフト31の外周面に周方向へ沿って形成される複数の歯により構成されている。第一駆動部33は、第一モータ331の回転力を減速機332により減速し、ギアボックス333により回転軸の方向を水平から鉛直に変換し、歯車334を通じて第一シャフト31を回転させる。 The first drive unit 33 is a mechanism that applies rotational force to the first shaft 31 and is attached to, for example, the third member 73 and located near the outer periphery of the first shaft 31. The first drive unit 33 is composed of, for example, a first motor 331, a reducer 332, a gearbox 333, and a gear 334. The first motor 331 is an electric motor that generates rotational force, has a horizontal rotation axis, and is attached to the third member 73 via the reducer 332. The reducer 332 is a reduction device that reduces the rotational speed of the first motor 331 and can be one equipped with a known reduction mechanism such as a planetary reducer or a parallel axis reducer. The reducer 332 is fixed to the third member 73. The gearbox 333 has a gear mechanism that converts the direction of the rotation axis and has a horizontal input shaft and a vertical output shaft. The input shaft of the gearbox 333 is connected to the reducer 332, and a gear 334 is attached to the output shaft. Gear 334 is a spur gear that transmits the rotational force of first motor 331 to first shaft 31. Gear 334 meshes with gear 313 formed on the outer periphery of first shaft 31. Gear 313 is composed of multiple teeth formed along the circumferential direction on the outer periphery of first shaft 31. First drive unit 33 reduces the rotational force of first motor 331 using reducer 332, converts the direction of the rotation axis from horizontal to vertical using gear box 333, and rotates first shaft 31 via gear 334.
図2は、第二駆動部34の構成概要を示す斜視図である。図3は、図1のIII-IIIにおける第二駆動部34の垂直断面図である。図2に示すように、第二駆動部34は、第二シャフト32を軸方向へ移動させるための駆動機構である。第二駆動部34は、例えば第二モータ341、減速機342、回転力伝達機構343、ボールねじ機構344及び昇降体345を備えている。第二モータ341は、回転力を発生させる電動機であり、回転軸を水平に向けて設けられ、減速機342を介して第二部材72に取り付けられている。減速機342は、第二モータ341の回転速度を減速する減速装置であり、例えば遊星減速機、平行軸減速機など公知の減速機構を備えたものを用いることができる。減速機342は、第二部材72上に固定されている。回転力伝達機構343は、減速機342の回転力を二つのボールねじ機構344へ伝達するための機構である。回転力伝達機構343は、例えば第二部材72上に設けられ、第一ギアボックス343a、二つの第二ギアボックス343b及び二つの第三ギアボックス343cを有している。第一ギアボックス343a、第二ギアボックス343b及び二つの第三ギアボックス343cは、シャフト343dにより連結され、シャフト343dを通じて回転力を伝達している。 Figure 2 is a perspective view showing the general configuration of the second drive unit 34. Figure 3 is a vertical cross-sectional view of the second drive unit 34 taken along line III-III in Figure 1. As shown in Figure 2, the second drive unit 34 is a drive mechanism for moving the second shaft 32 in the axial direction. The second drive unit 34 includes, for example, a second motor 341, a reducer 342, a rotational force transmission mechanism 343, a ball screw mechanism 344, and an elevator 345. The second motor 341 is an electric motor that generates rotational force, has a horizontal rotation axis, and is attached to the second member 72 via the reducer 342. The reducer 342 is a reduction device that reduces the rotational speed of the second motor 341, and can be one equipped with a known reduction mechanism such as a planetary reducer or a parallel axis reducer. The reducer 342 is fixed to the second member 72. The rotational force transmission mechanism 343 is a mechanism for transmitting the rotational force of the reducer 342 to the two ball screw mechanisms 344. The rotational force transmission mechanism 343 is provided, for example, on the second member 72 and has a first gear box 343a, two second gear boxes 343b, and two third gear boxes 343c. The first gear box 343a, the second gear box 343b, and the two third gear boxes 343c are connected by a shaft 343d, and transmit rotational force via the shaft 343d.
第一ギアボックス343aは、入力する回転の軸方向を垂直に変換し左右二方向へ出力する歯車機構を備え、正面から入力される回転を左右方向へそれぞれ出力する。第二ギアボックス343bは、入力する回転の軸方向を垂直に変換して出力する歯車機構を備え、側面から入力される回転を背面側へ出力する。二つの第三ギアボックス343cは、第二シャフト32を挟むように第二シャフト32の側方にそれぞれ設けられている。第三ギアボックス343cは、入力する回転の軸方向を垂直に変換して出力する歯車機構を備え、正面から入力される回転を底面側へ出力する。 The first gearbox 343a is equipped with a gear mechanism that converts the direction of the input rotational axis to vertical and outputs it in two directions, left and right, so that rotation input from the front is output in both directions. The second gearbox 343b is equipped with a gear mechanism that converts the direction of the input rotational axis to vertical and outputs it, so that rotation input from the side is output to the rear side. The two third gearboxes 343c are respectively provided on either side of the second shaft 32, sandwiching the second shaft 32. The third gearboxes 343c are equipped with gear mechanisms that convert the direction of the input rotational axis to vertical and output it, so that rotation input from the front is output to the bottom side.
図3に示すように、第三ギアボックス343cの下方には、ボールねじ機構344が設けられている。ボールねじ機構344は、回転力伝達機構343の回転を受けて昇降体345を上下方向へ移動させるための機構であり、ねじ軸344a及びナット344bを有している。ねじ軸344aは、第三ギアボックス343cに接合され、第三ギアボックス343cの下方に垂直方向へ向けて設けられている。ねじ軸344aの下端は、第一部材71上で軸受けされている。ねじ軸344aには、ナット344bが螺合されて設けられている。ナット344bは、昇降体345に取り付けられている。このため、ねじ軸344aが回転すると、ナット344b及び昇降体345が上下方向に移動する。昇降体345の移動によって第二シャフト32が軸方向へ移動する。なお、ナット344bの内部には図示しない複数のボールが設けられている。また、図2に示すように、フレーム7にはガイドシャフト347が設けられている。ガイドシャフト347は、昇降体345を上下方向に案内するためのシャフトであり、例えば第一部材71と第二部材72の間に軸方向に向けて設けられている。ガイドシャフト347は、複数設けられ、例えば昇降体345の各角部付近を貫通し軸受けされて設けられる。 As shown in FIG. 3, a ball screw mechanism 344 is provided below the third gear box 343c. The ball screw mechanism 344 is a mechanism for moving the lifting body 345 up and down in response to the rotation of the rotational force transmission mechanism 343, and includes a screw shaft 344a and a nut 344b. The screw shaft 344a is joined to the third gear box 343c and is provided below the third gear box 343c, facing vertically. The lower end of the screw shaft 344a is journaled on the first member 71. A nut 344b is threadedly engaged with the screw shaft 344a. The nut 344b is attached to the lifting body 345. Therefore, when the screw shaft 344a rotates, the nut 344b and the lifting body 345 move up and down. The movement of the lifting body 345 moves the second shaft 32 in the axial direction. Note that multiple balls (not shown) are provided inside the nut 344b. As shown in FIG. 2, a guide shaft 347 is provided on the frame 7. The guide shaft 347 is a shaft for guiding the lifting body 345 in the up and down direction, and is provided, for example, between the first member 71 and the second member 72 in the axial direction. Multiple guide shafts 347 are provided, and for example, they pass through the vicinity of each corner of the lifting body 345 and are provided as bearings.
このように、ボールねじ機構344は第二シャフト32を挟み込むように左右両側に一つずつ設けられているため、昇降体345を左右両側で支えることができる。従って、重量の大きい物体Oを造形する場合であっても昇降体345、テーブル13及び物体Oを確実に支持することができ円滑に移動させることができる。また、第二駆動部34を第二シャフト32の側方に配置することにより、第二駆動部34を第二シャフト32の下方に配置する場合と比べて、三次元造形装置1を低く構成することができ、三次元造形装置1をコンパクトに構成することができる。 In this way, because the ball screw mechanisms 344 are provided on both the left and right sides of the second shaft 32, the lifting body 345 can be supported on both the left and right sides. Therefore, even when printing a heavy object O, the lifting body 345, table 13, and object O can be reliably supported and moved smoothly. Furthermore, by arranging the second drive unit 34 to the side of the second shaft 32, the three-dimensional printing device 1 can be configured lower than when the second drive unit 34 is arranged below the second shaft 32, allowing the three-dimensional printing device 1 to be configured more compactly.
フレーム7には、位置センサ41が取り付けられている。位置センサ41は、テーブル13の上下方向(軸方向)の位置を検出するためのセンサである。位置センサ41としては、例えばリニアエンコーダが用いられ、メインスケール41a及び検知部41bを備える。メインスケール41aは長尺状を呈し、第二シャフト32の下方であってその中心位置に垂直に向けて設けられている。例えば、メインスケール41aは、第一部材71上に取り付けられ、昇降体345を貫通して第二シャフト32内に挿通して設けられる。検知部41bは、例えば昇降体345に取り付けられる。位置センサ41の検知信号は、制御部4へ入力される。昇降体345、第二シャフト32及びテーブル13が一体となって移動する時に、位置センサ41がその移動を検知し、テーブル13の位置が制御部4によって検出される。この位置センサ41は、第二シャフト32の中心位置及びテーブル13の中心位置の下方に設置されているため、テーブル13の位置を正確に検出することができる。なお、位置センサ41としては、例えば電磁式、光学式などいずれタイプのセンサを用いることができる。また、位置センサ41としては、テーブル13の位置を検出することができるものであれば、上述した以外のセンサを用いることもできる。 A position sensor 41 is attached to the frame 7. The position sensor 41 detects the vertical (axial) position of the table 13. A linear encoder, for example, is used as the position sensor 41, and includes a main scale 41a and a detection unit 41b. The main scale 41a is elongated and is located below the second shaft 32, facing vertically at its center. For example, the main scale 41a is attached to the first member 71, passing through the lifting body 345 and into the second shaft 32. The detection unit 41b is attached to the lifting body 345, for example. The detection signal from the position sensor 41 is input to the control unit 4. When the lifting body 345, second shaft 32, and table 13 move together, the position sensor 41 detects their movement, and the position of the table 13 is detected by the control unit 4. Because the position sensor 41 is installed below the center of the second shaft 32 and the center of the table 13, the position of the table 13 can be accurately detected. The position sensor 41 can be any type of sensor, such as an electromagnetic or optical type. Furthermore, sensors other than those mentioned above can also be used as the position sensor 41, as long as they can detect the position of the table 13.
図4は駆動力伝達部の拡大断面図であり、図5は図1のV-Vにおける駆動力伝達部の水平断面図である。 Figure 4 is an enlarged cross-sectional view of the driving force transmission section, and Figure 5 is a horizontal cross-sectional view of the driving force transmission section taken along line V-V in Figure 1.
図4に示すように、駆動力伝達部35は、第一シャフト31の回転力を第二シャフト32に伝達し、第一シャフト31に対し第二シャフト32の軸方向への相対的な移動を許容する機構である。例えば、駆動力伝達部35は、凸部351及び凹部352を備えて構成される。凸部351は、第一シャフト31に設けられ、内側の第二シャフト32に向けて突出する部材である。凸部351は、例えば第一シャフト31の下端の位置に設けられ、内周側へ向けて突出して形成される。凸部351は、凹部352内に収容されて掛止部材として機能する。また、凸部351の先端部分には、例えば伝達ローラ351aが設けられる。伝達ローラ351aは、突出方向を軸線として回転するローラである。伝達ローラ351aを設けることにより、第一シャフト31に対し第二シャフト32が軸方向へ移動する場合に凸部351と凹部352の間の摺動抵抗を低減することができ、第二シャフト32の移動が円滑に行える。凹部352は、第二シャフト32の外周面を窪ませて形成される溝であり、軸方向に向けて形成される長溝となっている。凹部352は、凸部351を収容可能な幅及び深さで形成される。 As shown in FIG. 4 , the driving force transmission unit 35 is a mechanism that transmits the rotational force of the first shaft 31 to the second shaft 32 and allows the second shaft 32 to move axially relative to the first shaft 31. For example, the driving force transmission unit 35 is configured with a convex portion 351 and a concave portion 352. The convex portion 351 is provided on the first shaft 31 and is a member that protrudes toward the second shaft 32 located inside. The convex portion 351 is provided, for example, at the lower end of the first shaft 31 and is formed to protrude toward the inner periphery. The convex portion 351 is housed within the concave portion 352 and functions as a latch member. In addition, for example, a transmission roller 351a is provided at the tip of the convex portion 351. The transmission roller 351a is a roller that rotates with its axis aligned in the protruding direction. By providing the transmission roller 351a, sliding resistance between the convex portion 351 and the concave portion 352 can be reduced when the second shaft 32 moves axially relative to the first shaft 31, allowing the second shaft 32 to move smoothly. The recess 352 is a groove formed by recessing the outer circumferential surface of the second shaft 32, and is an elongated groove extending in the axial direction. The recess 352 is formed with a width and depth sufficient to accommodate the protrusion 351.
図5に示すように、凸部351が凹部352内に収容されて設けられることにより、第一シャフト31が回転すると、凸部351が凹部352の内壁に当接し、第二シャフト32も回転する。一方、第二シャフト32が軸方向へ移動する場合、凸部351に対し凹部352が軸方向へ移動していくため、第二シャフト32から第一シャフト31へ移動力が伝達されず、第二シャフト32のみの移動が許容される。 As shown in Figure 5, the convex portion 351 is housed within the concave portion 352, so that when the first shaft 31 rotates, the convex portion 351 abuts against the inner wall of the concave portion 352, causing the second shaft 32 to rotate as well. On the other hand, when the second shaft 32 moves in the axial direction, the concave portion 352 moves in the axial direction relative to the convex portion 351, so that no moving force is transmitted from the second shaft 32 to the first shaft 31, and only the second shaft 32 is allowed to move.
なお、上述した駆動力伝達部35では、第一シャフト31側に凸部351を設け第二シャフト32側に凹部352を設ける場合について説明したが、第一シャフト31側に凹部352を設け第二シャフト32側に凸部351を設けてもよい。また、第一シャフト31の内周の水平断面形状を非円形とし、第二シャフト32の外周の水平断面形状を非円形とし、第一シャフト31の内周面を凹部352として機能させ、第二シャフト32の外周面を凸部351として機能させてもよい。例えば、第一シャフト31の内周の水平断面形状を矩形とし、第二シャフト32の外周の水平断面形状を矩形とすることにより、第一シャフト31の回転力を第二シャフト32に伝達させ、第一シャフト31に対し第二シャフト32の軸方向への相対的な移動を許容させてもよい。 In the above-described driving force transmission unit 35, the convex portion 351 is provided on the first shaft 31 side and the concave portion 352 is provided on the second shaft 32 side. However, the concave portion 352 may be provided on the first shaft 31 side and the convex portion 351 may be provided on the second shaft 32 side. Furthermore, the horizontal cross-sectional shape of the inner circumference of the first shaft 31 may be non-circular, and the horizontal cross-sectional shape of the outer circumference of the second shaft 32 may be non-circular, with the inner circumferential surface of the first shaft 31 functioning as the concave portion 352 and the outer circumferential surface of the second shaft 32 functioning as the convex portion 351. For example, by making the horizontal cross-sectional shape of the inner circumference of the first shaft 31 rectangular and the horizontal cross-sectional shape of the outer circumference of the second shaft 32 rectangular, the rotational force of the first shaft 31 may be transmitted to the second shaft 32, allowing relative axial movement of the second shaft 32 with respect to the first shaft 31.
図1において、処理部6は、粉末材料Aを処理して物体Oを得る。粉末材料Aの処理は、例えば粉末材料Aの供給処理、粉末材料Aの予熱処理(予備加熱処理)および粉末材料Aの造形処理を含む。チャンバ8は、フレーム7の上方に形成されている。チャンバ8の内部は、造形空間Sとなっている。造形空間Sは、粉末材料Aを収容し、処理部6による粉末材料Aの処理を行うための減圧可能な気密空間である。 In FIG. 1, the processing unit 6 processes powder material A to obtain an object O. The processing of powder material A includes, for example, supplying powder material A, preheating powder material A (preheating), and modeling powder material A. The chamber 8 is formed above the frame 7. The interior of the chamber 8 forms a modeling space S. The modeling space S is an airtight space that can be decompressed and that contains powder material A and is used for processing powder material A by the processing unit 6.
造形空間Sには、テーブル13と造形タンク14とが配置されている。テーブル13は、造形処理が行われる処理台である。テーブル13は、例えば円板状のものが用いられ、物体Oの原料である粉末材料Aが配置される。テーブル13には、駆動部3の第二シャフト32が接続されている。従って、テーブル13は、駆動部3によって、回転と回転軸線に沿った直線移動を行う。 A table 13 and a modeling tank 14 are arranged in the modeling space S. The table 13 is a processing stage where the modeling process is carried out. The table 13 is, for example, disk-shaped, and powder material A, the raw material for the object O, is placed on the table 13. The second shaft 32 of the drive unit 3 is connected to the table 13. Therefore, the table 13 rotates and moves linearly along the rotation axis due to the drive unit 3.
図6は、造形処理に用いられる主要な部品を示している。処理部6は、テーブル13に対し対面するように配置されている。例えば、処理部6は、テーブル13の上方に配置され、テーブル13の造形面(主面又は上面)13aに対面している。処理部6は、例えば、処理ユニットとして、フィーダ61、ヒータ62及びビーム源63を備えている。フィーダ61は、粉末材料Aの供給処理を行う。ヒータ62は、粉末材料Aの予熱処理を行う。ビーム源63は、粉末材料Aの造形処理を行う。 Figure 6 shows the main components used in the modeling process. The processing unit 6 is arranged to face the table 13. For example, the processing unit 6 is arranged above the table 13 and faces the modeling surface (main surface or upper surface) 13a of the table 13. The processing unit 6 includes, for example, a feeder 61, a heater 62, and a beam source 63 as processing units. The feeder 61 supplies powder material A. The heater 62 preheats powder material A. The beam source 63 models powder material A.
フィーダ61は、テーブル13上に粉末材料Aを供給する供給部として機能する。例えば、フィーダ61は、図示しない原料タンクと均し部とを有する。原料タンクは、粉末材料Aを貯留すると共にテーブル13上に粉末材料Aを供給する。均し部は、テーブル13上の粉末材料Aの表面を均す。なお、三次元造形装置1は、均し部に替えて、ローラ部、棒状部材、刷毛部などを有してもよい。 The feeder 61 functions as a supply unit that supplies powder material A onto the table 13. For example, the feeder 61 has a raw material tank and a leveling unit, not shown. The raw material tank stores powder material A and supplies powder material A onto the table 13. The leveling unit levels the surface of the powder material A on the table 13. Note that the three-dimensional modeling device 1 may have a roller unit, a rod-shaped member, a brush unit, etc. instead of the leveling unit.
ヒータ62は、テーブル13上に供給された粉末材料Aの予備加熱を行う加熱部として機能し、ビーム照射される前に粉末材料Aの予備加熱を行う。例えば、ヒータ62は、テーブル13の上方に配置され、放射熱によって粉末材料Aの温度を上昇させる。ヒータ62として、他の方式により加熱するものであってもよく、例えば赤外線ヒータを用いてもよい。 The heater 62 functions as a heating unit that preheats the powder material A supplied onto the table 13, and preheats the powder material A before it is irradiated with the beam. For example, the heater 62 is placed above the table 13 and uses radiant heat to raise the temperature of the powder material A. The heater 62 may also use other methods of heating, such as an infrared heater.
ビーム源63は、電子ビームを出射し、その電子ビームを粉末材料Aに照射するビーム出射部として機能する。例えば、ビーム源63として、電子銃が用いられる。ビーム源63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、電界調整により電子ビームを収束させ所望の位置に照射させる。 The beam source 63 functions as a beam emission section that emits an electron beam and irradiates the powder material A with the electron beam. For example, an electron gun is used as the beam source 63. The beam source 63 generates an electron beam according to the potential difference generated between the cathode and anode, and adjusts the electric field to converge the electron beam and irradiate it at the desired position.
フィーダ61、ヒータ62及びビーム源63は、テーブル13の回転方向に沿って配置されている。すなわち、フィーダ61、ヒータ62及びビーム源63は、テーブル13の上方においてテーブル13の回転方向に沿って設けられている。例えば、回転軸線Cを原点としたXY座標系を規定したとき、フィーダ61は第二象限の正のY軸に沿って配置され、ヒータ62は第二象限及び第三象限の領域に配置され、ビーム源63は第一象限及び第四象限の領域に配置される。 The feeder 61, heater 62, and beam source 63 are arranged along the rotation direction of the table 13. That is, the feeder 61, heater 62, and beam source 63 are provided above the table 13 along the rotation direction of the table 13. For example, when an XY coordinate system is defined with the rotation axis C as the origin, the feeder 61 is arranged along the positive Y axis of the second quadrant, the heater 62 is arranged in the second and third quadrants, and the beam source 63 is arranged in the first and fourth quadrants.
このように、造形処理を行うフィーダ61、ヒータ62及びビーム源63をテーブル13の回転方向に沿って配置し、テーブル13を回転させて造形を行うことにより、テーブル13上への粉末材料Aの供給、粉末材料Aの予備加熱およびビーム照射による造形の各処理を並行して行うことができる。つまり、フィーダ61の位置で粉末材料Aの供給が行われ、ヒータ62の位置で粉末材料Aの予備加熱が行われ、ビーム源63の位置でビーム照射が行われて、物体Oが造形される。このため、粉末材料Aの供給、粉末材料Aの予備加熱及びビーム照射を順次行う場合と比べて、物体Oの造形を効率良く行え、物体Oの造形時間を短くすることができる。特に、大型の物体Oを造形する場合に有効である。 In this way, by arranging the feeder 61, heater 62, and beam source 63 that perform the modeling process along the rotational direction of the table 13 and rotating the table 13 to perform modeling, the processes of supplying powder material A onto the table 13, preheating powder material A, and modeling by beam irradiation can be performed in parallel. In other words, powder material A is supplied at the position of the feeder 61, preheating powder material A at the position of the heater 62, and beam irradiation is performed at the position of the beam source 63 to form object O. Therefore, object O can be modeled more efficiently and the time required to model object O can be shortened compared to when supplying powder material A, preheating powder material A, and beam irradiation are performed sequentially. This is particularly effective when manufacturing large objects O.
図1において、制御部4は、三次元造形装置1の装置全体の制御を行う電子制御ユニットであり、例えばCPU、ROM、RAMを含むコンピュータを含んで構成される。制御部4は、テーブル13の昇降制御および回転制御、造形タンク14の回転制御、フィーダ61の作動制御、ヒータ62の作動制御、ビーム源63の作動制御などを行う。また、制御部4は、例えば、物体Oの水平断面のスライスデータを取得し、回転軸線Cを中心としてスライスデータを周方向に分割した複数の分割データを取得し、この分割データごとに電子ビームの照射位置を設定する設定部として機能する。 In FIG. 1, the control unit 4 is an electronic control unit that controls the entire 3D printing apparatus 1, and is configured to include a computer including, for example, a CPU, ROM, and RAM. The control unit 4 controls the elevation and rotation of the table 13, the rotation of the printing tank 14, the operation of the feeder 61, the operation of the heater 62, and the operation of the beam source 63. The control unit 4 also functions as a setting unit that, for example, acquires slice data of a horizontal cross section of the object O, acquires multiple pieces of divided data by dividing the slice data circumferentially around the rotation axis C, and sets the irradiation position of the electron beam for each piece of divided data.
制御部4は、第一モータ331及び第二モータ341と電気的に接続され、第一モータ331及び第二モータ341に対し制御信号を出力し、第一モータ331及び第二モータ341の動作を通じてテーブル13及び造形タンク14の回転制御を行い、テーブル13の軸方向への昇降制御(移動制御)を行う。 The control unit 4 is electrically connected to the first motor 331 and the second motor 341, outputs control signals to the first motor 331 and the second motor 341, and controls the rotation of the table 13 and the modeling tank 14 through the operation of the first motor 331 and the second motor 341, and controls the elevation (movement) of the table 13 in the axial direction.
制御部4は、フィーダ61と電気的に接続され、フィーダ61に対し制御信号を出力し、粉末材料Aの供給制御を行う。例えば、制御部4は、フィーダ61を作動させて、テーブル13上に粉末材料Aを供給させ、その粉末材料Aを敷き均させる。 The control unit 4 is electrically connected to the feeder 61 and outputs a control signal to the feeder 61 to control the supply of powder material A. For example, the control unit 4 operates the feeder 61 to supply powder material A onto the table 13 and spread the powder material A evenly.
制御部4は、ヒータ62と電気的に接続され、ヒータ62に対し制御信号を出力し、粉末材料Aの予熱制御を行う。例えば、制御部4は、ヒータ62を作動させて、テーブル13上に粉末材料Aを加熱させ、粉末材料Aの予備加熱を実行させる。粉末材料Aの加熱量は、粉末材料Aの材質や種類、テーブル13の回転速度などに応じて設定すればよい。 The control unit 4 is electrically connected to the heater 62 and outputs a control signal to the heater 62 to control the preheating of powder material A. For example, the control unit 4 activates the heater 62 to heat powder material A on the table 13, thereby preheating powder material A. The amount of heat applied to powder material A may be set according to the material and type of powder material A, the rotation speed of the table 13, etc.
制御部4は、ビーム源63と電気的に接続され、ビーム源63に対し制御信号を出力し、ビームの出射制御を行う。例えば、制御部4は、ビーム源63を作動させて、電子ビームを出射させ、粉末材料Aの所定の位置に電子ビームを照射させる。電子ビームを照射させる位置は物体Oを造形すべき領域であり、予め設定される照射位置に従って電子ビームが照射される。なお、図1では、制御部4は、フレーム7内に設置されているが、フレーム7の外部に設置されていてもよい。 The control unit 4 is electrically connected to the beam source 63 and outputs a control signal to the beam source 63 to control the beam emission. For example, the control unit 4 activates the beam source 63 to emit an electron beam and irradiate a predetermined position of the powder material A with the electron beam. The position to be irradiated with the electron beam is the area where the object O is to be formed, and the electron beam is irradiated according to a preset irradiation position. Note that although the control unit 4 is installed within the frame 7 in FIG. 1, it may also be installed outside the frame 7.
次に、本実施形態に係る三次元造形装置1の動作及び本実施形態に係る三次元造形方法について説明する。 Next, we will explain the operation of the 3D printing device 1 according to this embodiment and the 3D printing method according to this embodiment.
まず、図1において、テーブル13が上方へ移動させられ造形タンク14の上部の位置に配置される。すなわち、制御部4から第二モータ341に制御信号が出力され、第二モータ341が駆動する。これにより、図2に示すように、第二モータ341の回転速度が減速機342により減速され、減速機342の回転出力が回転力伝達機構343を通じてボールねじ機構344に伝達される。そして、図3に示すように、ねじ軸344aが回転されることにより、ナット344bが上方へ移動し、それに伴って昇降体345及び第二シャフト32が上方へ移動する。このため、第二シャフト32に接合されるテーブル13が上方へ移動する。 First, in FIG. 1, the table 13 is moved upward and positioned above the modeling tank 14. That is, a control signal is output from the control unit 4 to the second motor 341, causing the second motor 341 to be driven. As a result, as shown in FIG. 2, the rotational speed of the second motor 341 is reduced by the reducer 342, and the rotational output of the reducer 342 is transmitted to the ball screw mechanism 344 via the rotational force transmission mechanism 343. Then, as shown in FIG. 3, the screw shaft 344a is rotated, causing the nut 344b to move upward, which in turn causes the lifting body 345 and second shaft 32 to move upward. As a result, the table 13 joined to the second shaft 32 moves upward.
このとき、第二シャフト32は駆動力伝達部35を介して第一シャフト31と接合されているが、駆動力伝達部35は第一シャフト31に対し第二シャフト32の軸方向への相対的な移動を許容するため、第二シャフト32のみを上方へ円滑に移動させることができる。 At this time, the second shaft 32 is connected to the first shaft 31 via the driving force transmission part 35, but the driving force transmission part 35 allows the second shaft 32 to move axially relative to the first shaft 31, allowing only the second shaft 32 to move smoothly upward.
そして、図6に示すように、回転軸線Cを中心にテーブル13及び造形タンク14が回転させられる。すなわち、制御部4から第一モータ331に制御信号が出力され、第一モータ331が駆動する。これにより、図1に示すように、第一モータ331の回転速度が減速機332により減速され、減速機332の回転出力がギアボックス333を通じて歯車334に伝達される。そして、歯車334の回転により第一シャフト31が回転し、第一シャフト31に接合される造形タンク14が回転する。 Then, as shown in FIG. 6, the table 13 and the modeling tank 14 are rotated around the rotation axis C. That is, a control signal is output from the control unit 4 to the first motor 331, and the first motor 331 is driven. As a result, as shown in FIG. 1, the rotational speed of the first motor 331 is reduced by the reducer 332, and the rotational output of the reducer 332 is transmitted to the gear 334 via the gear box 333. Then, the rotation of the gear 334 rotates the first shaft 31, and the modeling tank 14 connected to the first shaft 31 rotates.
また、第一シャフト31の回転に伴い、第二シャフト32も同じ方向へ同じ回転速度で回転する。すなわち、図5に示すように、第一シャフト31の回転力は駆動力伝達部35を通じて第二シャフト32に伝達され、第二シャフト32も回転する。従って、テーブル13及び造形タンク14は、同方向に同じ回転速度で回転することとなる。 Furthermore, as the first shaft 31 rotates, the second shaft 32 also rotates in the same direction at the same rotational speed. That is, as shown in FIG. 5, the rotational force of the first shaft 31 is transmitted to the second shaft 32 via the drive force transmission unit 35, causing the second shaft 32 to also rotate. Therefore, the table 13 and the modeling tank 14 rotate in the same direction at the same rotational speed.
そして、図1において、フィーダ61によりテーブル13上に粉末材料Aが供給される。すなわち、制御部4からフィーダ61に制御信号が出力されてフィーダ61が作動し、フィーダ61によりテーブル13上に粉末材料Aが供給されて敷き均される。 In FIG. 1, powder material A is supplied onto table 13 by feeder 61. That is, a control signal is output from control unit 4 to feeder 61, causing feeder 61 to operate, and powder material A is supplied onto table 13 by feeder 61 and spread evenly.
また、ヒータ62により粉末材料Aの予備加熱が行われる。すなわち、制御部4からヒータ62に制御信号が出力されてヒータ62が作動し、テーブル13の回転によってヒータ62の下方に移動してくる粉末材料Aが加熱される。 In addition, the heater 62 preheats the powder material A. That is, a control signal is output from the control unit 4 to the heater 62, which activates the heater 62, heating the powder material A that moves below the heater 62 as the table 13 rotates.
また、ビーム源63により粉末材料Aに電子ビームが照射され、物体Oの造形が行われる。すなわち、制御部4からビーム源63に制御信号が出力されビーム源63が作動し、テーブル13の回転によってビーム源63の下方に粉末材料Aに対し電子ビームが照射される。これにより、粉末材料Aが溶融又は焼結し、物体Oが造形されていく。 In addition, the beam source 63 irradiates the powder material A with an electron beam, thereby forming the object O. That is, a control signal is output from the control unit 4 to the beam source 63, which activates it, and the electron beam is irradiated onto the powder material A below the beam source 63 as the table 13 rotates. This melts or sinters the powder material A, thereby forming the object O.
そして、テーブル13は、物体Oの造形が進むに連れて降下される。すなわち、制御部4から第二モータ341に制御信号が出力され、第二モータ341の作動によりテーブル13が軸方向に沿って降下する。具体的には、制御部4から第二モータ341に制御信号が出力され、第二モータ341が駆動する。これにより、図2に示すように、第二モータ341の回転速度が減速機342により減速され、減速機342の回転出力が回転力伝達機構343を通じてボールねじ機構344に伝達される。そして、図3に示すように、ねじ軸344aが回転されることにより、ナット344bが下方へ移動し、それに伴って昇降体345及び第二シャフト32が下方へ移動する。このため、第二シャフト32に接合されるテーブル13が下方へ移動する。 The table 13 is then lowered as the formation of the object O progresses. That is, a control signal is output from the control unit 4 to the second motor 341, and the table 13 is lowered along the axial direction by operating the second motor 341. Specifically, the control unit 4 outputs a control signal to the second motor 341, driving the second motor 341. As a result, as shown in FIG. 2, the rotational speed of the second motor 341 is reduced by the reducer 342, and the rotational output of the reducer 342 is transmitted to the ball screw mechanism 344 via the rotational force transmission mechanism 343. Then, as shown in FIG. 3, the screw shaft 344a is rotated, causing the nut 344b to move downward, which in turn causes the lifting body 345 and the second shaft 32 to move downward. As a result, the table 13, which is joined to the second shaft 32, moves downward.
このとき、第二シャフト32は駆動力伝達部35を介して第一シャフト31と接合されているが、駆動力伝達部35は第一シャフト31に対し第二シャフト32の軸方向への相対的な移動を許容するため、第二シャフト32のみを下方へ移動させることができる。なお、テーブル13の降下は、テーブル13の回転と同期させてもよいが、完全には同期させなくてもよい。 At this time, the second shaft 32 is connected to the first shaft 31 via the drive force transmission unit 35, but the drive force transmission unit 35 allows relative axial movement of the second shaft 32 with respect to the first shaft 31, so only the second shaft 32 can be moved downward. The descent of the table 13 may be synchronized with the rotation of the table 13, but does not have to be completely synchronized.
このように、テーブル13を回転させ、テーブル13上への粉末材料Aの供給、粉末材料Aの予備加熱およびビーム照射による造形の各処理を並行して行い、テーブル13を徐々に降下させて粉末材料Aの供給、粉末材料Aの予備加熱およびビーム照射による造形の各処理を繰り返すことにより物体Oを造形することができる。 In this way, the object O can be formed by rotating the table 13, simultaneously carrying out the processes of supplying powder material A onto the table 13, preheating the powder material A, and irradiating it with a beam, and then gradually lowering the table 13 to repeat the processes of supplying powder material A, preheating the powder material A, and irradiating it with a beam.
以上説明したように、本実施形態に係る三次元造形装置1によれば、第一シャフト31及び第二シャフト32の一方から他方に回転力を伝達し、第一シャフト31に対し第二シャフト32の軸方向への相対的な移動を許容する駆動力伝達部35を備えることにより、第一駆動部33により第一シャフト31及び第二シャフト32を回転させることができ、第二シャフト32のみを軸方向へ移動させることができる。このため、少ない駆動源によりテーブル13を回転させて物体Oの造形を効率良く行うことができ、装置の大型化を抑制することができる。 As described above, the three-dimensional modeling device 1 according to this embodiment is equipped with a drive force transmission unit 35 that transmits rotational force from one of the first shaft 31 and the second shaft 32 to the other and allows relative axial movement of the second shaft 32 relative to the first shaft 31. This allows the first drive unit 33 to rotate the first shaft 31 and the second shaft 32, and moves only the second shaft 32 in the axial direction. Therefore, the table 13 can be rotated with a small number of drive sources to efficiently model the object O, and the device can be prevented from becoming too large.
つまり、第一駆動部33により第一シャフト31及び第二シャフト32の双方を回転させることができるため、第一シャフト31及び第二シャフト32を回転させるための駆動部をそれぞれに設ける必要がない。このため、装置の大型化を抑制することが可能となる。また、第二シャフト32を回転させ軸方向に移動可能とすることにより、テーブル13を回転させ軸方向に移動させて、テーブル13上に物体Oを効率良く造形することができる。 In other words, because the first drive unit 33 can rotate both the first shaft 31 and the second shaft 32, there is no need to provide separate drive units for rotating the first shaft 31 and the second shaft 32. This makes it possible to prevent the device from becoming too large. Furthermore, by allowing the second shaft 32 to rotate and move axially, the table 13 can be rotated and moved axially, allowing the object O to be efficiently formed on the table 13.
また、本実施形態に係る三次元造形装置1によれば、駆動力伝達部35の凸部351を凹部352に収容するように構成することにより、第一シャフト31及び第二シャフト32の一方から他方に回転力を伝達し、第一シャフト31に対し第二シャフト32の軸方向への相対的な移動を許容することができる。 Furthermore, with the three-dimensional modeling device 1 according to this embodiment, by configuring the convex portion 351 of the drive force transmission unit 35 to be housed in the concave portion 352, it is possible to transmit rotational force from one of the first shaft 31 and the second shaft 32 to the other, and to allow relative axial movement of the second shaft 32 with respect to the first shaft 31.
また、本実施形態に係る三次元造形方法によれば、テーブル13を回転させて物体Oを造形することができるため、物体の造形を効率良く行うことができる。また、第一駆動部33の駆動により第一シャフト31及び第二シャフト32を通じてテーブル13及び造形タンク14を回転させることができ、第二駆動部34の駆動により第一シャフト31の軸方向への移動を通じてテーブル13を軸方向へ移動させて造形を行うことができる。このため、三次元造形装置が大型化することを抑制できコンパクトに構成することができる。従って、造形するためのスペースが小さくても物体Oの造形を行うことができる。 Furthermore, according to the three-dimensional printing method of this embodiment, the table 13 can be rotated to print the object O, thereby enabling efficient object printing. Furthermore, the table 13 and the printing tank 14 can be rotated via the first shaft 31 and the second shaft 32 by driving the first drive unit 33, and the table 13 can be moved in the axial direction by moving the first shaft 31 in the axial direction by driving the second drive unit 34, thereby enabling printing to be performed. This prevents the three-dimensional printing device from becoming too large, allowing for a compact configuration. Therefore, the object O can be printed even if the printing space is small.
以上のように本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲の記載の要旨を逸脱しない範囲で様々な変形態様を取ることができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments. The present invention can be modified in various ways without departing from the spirit of the claims.
例えば、上述した実施形態では、フィーダ61、ヒータ62及びビーム源63をそれぞれ一つずつ備えた三次元造形装置1について説明したが、フィーダ61、ヒータ62及びビーム源63をそれぞれ複数備えていてもよい。例えば、図7に示すように、フィーダ61、ヒータ62及びビーム源63をそれぞれ二つずつ備えていてもよい。すなわち、テーブル13の周方向にフィーダ61、ヒータ62及びビーム源63を二セット備えていてもよい。この場合、テーブル13の半分の一方側で粉末材料Aの供給、粉末材料Aの予備加熱およびビーム照射が行え、これと並行して、テーブル13の半分の他方側でも粉末材料Aの供給、粉末材料Aの予備加熱およびビーム照射が行える。このため、より効率良く物体Oの造形が行える。また、フィーダ61、ヒータ62及びビーム源63をそれぞれ三つ以上備えて構成されていてもよい。 For example, in the above-described embodiment, the three-dimensional modeling apparatus 1 is described as having one feeder 61, one heater 62, and one beam source 63. However, the three-dimensional modeling apparatus 1 may have multiple feeders 61, heaters 62, and multiple beam sources 63. For example, as shown in FIG. 7, two feeders 61, two heaters 62, and two beam sources 63 may be provided. That is, two sets of feeders 61, heaters 62, and beam sources 63 may be provided circumferentially around the table 13. In this case, powder material A can be supplied, preheated, and irradiated with a beam on one half of the table 13, and simultaneously, powder material A can be supplied, preheated, and irradiated with a beam on the other half of the table 13. This allows for more efficient modeling of the object O. The apparatus may also have three or more feeders 61, heaters 62, and multiple beam sources 63.
また、上述した実施形態では、一つのビーム源63によってテーブル13上の粉末材料Aに電子ビームを照射しているが、複数のビーム源63によってビーム照射を行ってもよい。 In addition, in the above-described embodiment, an electron beam is irradiated onto the powder material A on the table 13 using one beam source 63, but beam irradiation may also be performed using multiple beam sources 63.
また、上述した実施形態では、エネルギビームとして電子ビームを用いて物体Oを造形する場合について説明したが、電子ビーム以外のエネルギビームを用いて造形を行うものであってもよい。例えば、イオンビーム、レーザビーム、紫外線などを照射して物体Oを造形するものであってもよい。また、パウダーベッド方式以外の方式で物体Oを造形するものであってもよい。 In addition, in the above-described embodiment, an electron beam is used as an energy beam to form the object O, but the object O may also be formed using an energy beam other than an electron beam. For example, the object O may be formed by irradiating it with an ion beam, laser beam, ultraviolet light, or the like. Furthermore, the object O may also be formed using a method other than the powder bed method.
1 三次元造形装置
3 駆動部
4 制御部
6 処理部
7 フレーム
8 チャンバ
13 テーブル
14 造形タンク
31 第一シャフト
32 第二シャフト
33 第一駆動部
34 第二駆動部
35 駆動力伝達部
61 フィーダ
62 ヒータ
63 ビーム源
351 凸部
352 凹部
A 粉末材料
C 回転軸線
O 物体
S 造形空間
Reference Signs List 1 Three-dimensional modeling apparatus 3 Drive unit 4 Control unit 6 Processing unit 7 Frame 8 Chamber 13 Table 14 Modeling tank 31 First shaft 32 Second shaft 33 First drive unit 34 Second drive unit 35 Driving force transmission unit 61 Feeder 62 Heater 63 Beam source 351 Convex portion 352 Concave portion A Powder material C Rotation axis O Object S Modeling space
Claims (3)
軸方向に延びる筒状の軸体であって、回転可能に支持され、前記造形タンクに接合され前記造形タンクと共に回転する第一シャフトと、
前記第一シャフトの内側に挿通され前記第一シャフトと同軸状に配置され、前記第一シャフトに対し前記軸方向に移動可能に設けられ、前記テーブルに接合され前記テーブルと共に回転する第二シャフトと、
前記第一シャフト及び前記第二シャフトの一方に対し回転力を与える第一駆動部と、
前記第二シャフトを前記軸方向へ移動させるための第二駆動部と、
前記第一シャフト及び前記第二シャフトの一方から他方に前記回転力を伝達し、前記第一シャフトに対し前記第二シャフトの前記軸方向への相対的な移動を許容する駆動力伝達部と、
を備え、
前記第二駆動部は、
前記第二シャフトの下部に接合される昇降体と、
前記昇降体を支持するボールねじ機構と、
前記第二シャフトの側方に配置されるモータと、
前記モータの回転力を前記ボールねじ機構に伝達することによって、前記第二シャフトとともに前記昇降体を前記軸方向に移動させる回転力伝達機構と、を有する、三次元造形装置。 1. A three-dimensional modeling apparatus that supplies a powder material onto a table installed in a modeling tank and irradiates the powder material with an energy beam to model a three-dimensional object,
a first shaft, which is a cylindrical shaft extending in an axial direction, rotatably supported, joined to the modeling tank, and rotates together with the modeling tank;
a second shaft that is inserted inside the first shaft, arranged coaxially with the first shaft, and is provided so as to be movable in the axial direction relative to the first shaft, and is joined to the table and rotates together with the table;
a first drive unit that applies a rotational force to one of the first shaft and the second shaft;
a second drive unit for moving the second shaft in the axial direction;
a driving force transmission unit that transmits the rotational force from one of the first shaft and the second shaft to the other and allows relative movement of the second shaft in the axial direction with respect to the first shaft;
Equipped with
The second drive unit is
a lifting body joined to a lower portion of the second shaft;
a ball screw mechanism for supporting the lifting body;
a motor disposed laterally of the second shaft;
a rotational force transmission mechanism that transmits the rotational force of the motor to the ball screw mechanism, thereby moving the lifting body together with the second shaft in the axial direction .
前記凸部は、前記凹部に向けて突出して前記凹部に収容され、
前記凹部は、前記軸方向へ延びる溝である、
請求項1に記載の三次元造形装置。 the driving force transmission portion has a convex portion formed on one of the first shaft and the second shaft, and a concave portion formed on the other of the first shaft and the second shaft;
the protrusion protrudes toward the recess and is accommodated in the recess,
The recess is a groove extending in the axial direction.
The three-dimensional modeling apparatus according to claim 1 .
前記三次元造形装置は、
軸方向に延びる筒状の軸体であって、回転可能に支持され、前記造形タンクに接合され前記造形タンクと共に回転する第一シャフトと、
前記第一シャフトの内側に挿通され前記第一シャフトと同軸状に配置され、前記第一シャフトに対し前記軸方向に移動可能に設けられ、前記テーブルに接合され前記テーブルと共に回転する第二シャフトと、
前記第一シャフト及び前記第二シャフトの一方に対し回転力を与える第一駆動部と、
前記第二シャフトを前記軸方向へ移動させるための第二駆動部と、
前記第一シャフト及び前記第二シャフトの一方から他方に前記回転力を伝達し、前記第一シャフトに対し前記第二シャフトの軸方向への相対的な移動を許容する駆動力伝達部と、を備え、
前記第二駆動部は、
前記第二シャフトの下部に接合される昇降体と、
前記昇降体を支持するボールねじ機構と、
前記第二シャフトの側方に配置されるモータと、
前記モータの回転力を前記ボールねじ機構に伝達することによって、前記第二シャフトとともに前記昇降体を前記軸方向に移動させる回転力伝達機構と、を有する、
三次元造形方法。 A three-dimensional modeling method using a three-dimensional modeling device that supplies a powder material onto a table installed in a modeling tank and irradiates the powder material with an energy beam to model a three-dimensional object, comprising:
The three-dimensional modeling device includes:
a first shaft, which is a cylindrical shaft extending in an axial direction, rotatably supported, joined to the modeling tank, and rotates together with the modeling tank;
a second shaft that is inserted inside the first shaft, arranged coaxially with the first shaft, and is provided so as to be movable in the axial direction relative to the first shaft, and is joined to the table and rotates together with the table;
a first drive unit that applies a rotational force to one of the first shaft and the second shaft;
a second drive unit for moving the second shaft in the axial direction;
a driving force transmission unit that transmits the rotational force from one of the first shaft and the second shaft to the other and allows relative movement of the second shaft in the axial direction with respect to the first shaft ,
The second drive unit is
a lifting body joined to a lower portion of the second shaft;
a ball screw mechanism for supporting the lifting body;
a motor disposed laterally of the second shaft;
a rotational force transmission mechanism that transmits the rotational force of the motor to the ball screw mechanism to move the lifting body together with the second shaft in the axial direction,
Three-dimensional modeling method.
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