JP7718124B2 - 三次元造形装置及び三次元造形方法 - Google Patents

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。

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。

特許第４６３９０８７号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本開示の実施形態に係る三次元造形装置の構成概要図である。 図１の三次元造形装置の第二駆動部の構成概要を示す斜視図である。 図１のIII-IIIにおける第二駆動部の垂直断面図である。 図１の三次元造形装置における駆動力伝達機構の拡大図である。 図１のV-Vにおける駆動力伝達部の水平断面図である。 図１の三次元造形装置の処理部の説明図である。 図１の三次元造形装置の変形例の説明図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (3)

1. 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、前記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、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。
2. 前記駆動力伝達部は、前記第一シャフト及び前記第二シャフトの一方に凸部を形成し、前記第一シャフト及び前記第二シャフトの他方に凹部を形成し、
   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。
3. 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前記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、
   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。