三维成形装置以及三维成形方法
【专利摘要】提供一种三维成形装置以及三维成形方法，能够使用微小粒径的金属粉末。三维成形装置包括：材料供给部件，朝向所述载台供给含有金属粉末和粘合剂的被烧结材料；能量照射部件，向从所述材料供给部件供给的所述被烧结材料，供给能够烧结所述被烧结材料的能量；以及驱动部件，使所述材料供给部件和所述能量照射部件能够相对于所述载台进行三维移动，所述材料供给部件具有材料喷出部，该材料喷出部供给预定量的所述被烧结材料，所述能量照射部件具有用于射出所述能量的能量照射部，所述材料喷出部和所述能量照射部支承于一个支承部件上。
【专利说明】
三维成形装置以及三维成形方法
技术领域
[0001]本发明涉及三维成形装置以及三维成形方法。
【背景技术】
[0002]以前，作为使用金属材料便利地形成三维形状的制造方法，公开有如专利文献I所示那样的方法。专利文献I中公开的三维形状造型物的制造方法是，将原料中具有金属粉末、溶剂、粘着增进剂的金属浆用于形成层状的材料层。然后，向层状的材料层照射光束，形成金属的烧结层或者金属的熔融层，通过重复材料层的形成和光束的照射，层叠烧结层或者熔融层，得到所希望的三维形状造型物。
[0003]但是，在专利文献I所披露的三维形状造型物的制造方法中，向层状供给的材料层的仅一部分在光束的照射下烧结或者熔融，形成为造型物的一部分，未照射光束的材料层是要去除的无用部分。另外，存在如下不良情况:对于预定的光束的照射区域，其附近虽非完全但产生烧结或者熔融的材料层，其非完全部分附着在通过所希望的烧结或者熔融而形成的部分上，导致造型物的形状不稳定。
[0004]于是，能够想到通过应用专利文献2或者专利文献3所公开的喷嘴来消除专利文献I的不良情况，该喷嘴通过向所希望的部位一边供给金属材料一边照射激光，能够形成金属填充部的喷嘴，。
[0005]专利文献2、3公开的喷嘴是，在喷嘴中心部内具有激光照射部，在激光照射部的周围具有用于供给金属粉末(粉末)的粉末供给部。而且，朝向从喷嘴中心的激光照射部照射的激光供给粉末，所供给的粉末通过激光熔融而在施工对象物上作为填充金属而形成。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献I:日本特开2008-184622号公报
[0009]专利文献2:日本特开2005-219060号公报
[0010]专利文献3:日本特开2013-75308号公报
【发明内容】
[0011]发明要解决的技术问题
[0012]但是，在使用专利文献2、3所公开的喷嘴来形成填充金属的情况下，使适用的金属粉末的粒径变得更加微小是困难的。即，由于是微小粒径、所谓微粉末，成为粒子间的粘附性增大的所谓强粘附性粉体，若例如通过压缩空气等输送、喷出则容易附着鱼流道，流动性明显受损，喷射的稳定性受损。因此，为了确保粉末的流动性，减小粉末的粒径有限，难以在不使用微小粒径的粉末就无法实现的微细且高精度的三维形状的形成中使用专利文献2、3公开的喷嘴。
[0013]因此，本发明的目的在于提供一种能够形成微细的三维造型物且能够使用微小粒径的金属粉末的三维成形装置以及三维成形方法。
[0014]用于解决技术问题的手段
[0015][适用例I]
[0016]本适用例的三维成形装置的特征在于，包括:载台；材料供给部件，朝向所述载台供给含有金属粉末和粘合剂的被烧结材料;能量照射部件，向从所述材料供给部件供给的所述被烧结材料，供给能够烧结所述被烧结材料的能量；以及驱动部件，使所述材料供给部件和所述能量照射部件能够相对于所述载台进行三维移动，所述材料供给部件具有材料喷出部，该材料喷出部供给预定量的所述被烧结材料，所述能量照射部件具有用于射出所述能量的能量照射部，所述材料喷出部和所述能量照射部支承于一个支承部件上。
[0017]根据本适用例的三维成形装置，由于向形成三维形状造型物的形状的区域供给必要量的烧结材料，向所供给的烧结材料通过能量照射部件供给能量，因此降低材料供给的损失、能量供给的损失。
[0018]以往，仅供给金属粉末，烧结情况下产生的、金属微粒子间的附着力增大，成为强粘附性粉体，通过压缩空气等输送、喷出的情况下，容易附着在流道上，显著地损害流动性，减小金属微粒子的粒径存在极限。但是，通过使搅拌金属粉末和粘合剂的被烧结材料从材料供给部件供给到载台上的构成，能够防止附着到材料输送的流道，能够形成稳定的材料供给，能够使用极微小的金属粉体形成三维形状造型物。
[0019]另外，在本适用例中，“能够烧结”中的烧结指的是，通过向供给材料供给能量，构成供给材料的粘合剂在供给能量作用下蒸发，然后，剩下的金属粉末彼此通过供给能量来金属结合。另外，本说明书中使金属粉末熔融结合的形态也作为通过供给能量使金属粉末结合的形态，作为烧结而说明。
[0020][适用例2]
[0021]上述适用例中，其特征在于，所述能量照射部件沿与重力方向交叉的方向照射所述能量。
[0022]根据上述的适用例，无需使材料供给部件和能量照射部件相对移动，能够对从材料供给部件供给的被烧结材料照射烧结所要的能量。
[0023]另外，通过使从能量照射部照射的能量线以与重力方向交叉的方式照射，例如能使载台上反射的反射能量线不朝向能量照射部。因此，能够防止通过反射能量线造成的能量反射部的损害。
[0024][适用例3]
[0025]上述适用例中，其特征在于，从所述材料喷出部的喷出口呈液滴状喷出所述被烧结材料。
[0026]根据上述的适用例，通过使被烧结材料以微小的液滴状供给到载台上并烧结，形成作为微小形状的烧结体的集合物的三维形状造型物。因此，能够进行微小部分的形成，能够容易地得到小型且精密的三维形状造型物。
[0027][适用例4]
[0028]上述适用例中，其特征在于，所述三维成形装置具有多个所述能量照射部。
[0029]根据上述的适用例，能够向供给到载台上的被烧结材料，均匀地供给能量。
[0030][适用例5]
[0031]上述适用例中，其特征在于，所述材料供给部件具有材料供给部，该材料供给部至少将所述被烧结材料供给至所述材料喷出部，所述材料喷出部具有与所述载台相对的材料喷出口，所述材料供给部设有多个，供给2种以上的具有不同组成的所述被烧结材料。
[0032]根据上述的适用例，能够具有用于按照每个不同组成供给被烧结材料的材料供给部件，通过每个组成的各材料供给部件的材料供给和能量照射部件，能够烧结或熔融不同材料，能够容易地形成由2种以上组成材料得到的造型物。
[0033][适用例6]
[0034]上述适用例中，其特征在于，所述能量照射部件是激光照射部件。
[0035]根据上述的适用例，能够向成为目标的供给材料集中照射能量，能够形成质量良好的三维形状造型物。另外，例如根据被烧结材料的种类，能够容易地进行控制照射能量的量(功率、扫描速度)，能够得到所希望质量的三维形状造型物。
[0036][适用例7]
[0037]本适用例的三维成形方法包括:单层形成工序，通过材料供给工序和烧结工序来形成单层，所述材料供给工序供给含有金属粉末和粘合剂的被烧结材料，所述烧结工序朝向通过所述材料供给工序供给的所述被烧结材料，供给能够烧结所述被烧结材料的能量，使所述被烧结材料烧结；以及层叠工序，在通过所述单层形成工序形成的所述单层上，层叠通过所述单层形成工序形成的另外的所述单层，重复预定次数的所述层叠工序来形成三维形状造型物，其特征在于，在所述单层形成工序中，所述材料供给工序呈液滴状喷出所述被烧结材料，针对着落的单位液滴状材料进行的所述烧结工序在预定的所述单层的整个形成区域进行。
[0038]以往，仅供给金属粉末，烧结情况下产生的、金属微粒子间的附着力增大，成为强粘附性粉体，通过压缩空气等输送、喷出的情况下，容易附着在流道上，显著地损害流动性，减小金属微粒子的粒径存在极限。但是，通过使搅拌金属粉末和粘合剂的被烧结材料从材料供给部件供给到载台上的构成，能够防止附着到材料输送的流道，能够使用极微小的金属粉体形成三维形状造型物。
[0039][适用例8]
[0040]上述适用例中，其特征在于，所述烧结工序的所述能量的照射方向是与重力方向交叉的方向。
[0041 ]根据上述的适用例，无需使材料供给部件和能量照射部件相对移动，能够对从材料供给部件供给的被烧结材料照射烧结所要的能量。
[0042][适用例9]
[0043]上述适用例中，其特征在于，在所述层叠工序中形成用于支承所述单层的支架部，所述支架部是在所述烧结工序中未被照射所述能量的未烧结部。
[0044]根据上述的适用例，在重力方向上无法形成三维形状造型物所谓悬伸部的情况下，通过作为材料供给面形成支持部，防止悬伸部在重力方向上的变形，能够形成具有希望形状的三维形状造型物。
[0045][适用例10]
[0046]上述适用例中，其特征在于，所述三维成形方法还包括支架部去除工序，该支架部去除工序去除所述支架部。
[0047]根据上述的适用例，支持部是未烧结的状态，能够容易地去除。因此，即使在任意的位置形成悬伸部，也对作为完成品的三维形状造型物的形成没有损害，能够得到具有正确形状的三维形状造型物。
【附图说明】
[0048]图1是示出第一实施方式的三维成形装置的构成的简要构成图；
[0049]图2是示出第一实施方式的三维成形装置的支承部件，(a)是侧视外观图、(b)是从上方看的外观图；
[0050]图3是说明激光的照射角度和对单体材料的照射能量的关系的示意图，(a)和(b)是第I激光照射部的照射状态图，(C)和(d)是第2激光照射部的照射状态图，(e)是(b)、(d)示出的照射区域的状态的合成图；
[0051 ]图4是示出第一实施方式的激光照射部和材料供给部的其他构成的简要构成图；
[0052]图5是示出第二实施方式的三维成形装置的构成的简要构成图；
[0053]图6是示出第二实施方式的三维成形装置的支承部件，(a)是外观俯视图，(b)是外观侧视图；
[0054]图7的(a)是示出第三实施方式的三维成形方法的流程图，(b)是(a)示出的单层形成工序的详细流程图；
[0055]图8是示出第三实施方式的三维成形方法的工序的部分剖视图；
[0056]图9是示出第三实施方式的三维成形方法的工序的部分剖视图；
[0057]图10是示出第三实施方式的三维成形方法的工序的部分剖视图；
[0058]图11是示出第三实施方式的三维成形方法的工序的部分剖视图；
[0059]图12是示出通过第四实施方式的三维成形方法形成的三维形状造型物，(a)是俯视外观图，(b)是(a)示出的A-A'剖视图；
[0060]图13是示出第四实施方式的三维成形方法的流程图；
[0061]图14是示出第四实施方式的三维成形方法的工序的剖视图和俯视图。
[0062]附图标记说明:
[0063]10、基座，11、驱动装置，20、载台，21、试料板，30、头部支承部，31、头部，32、支承臂，40、材料供给装置，41、材料喷出装置，42、材料供给单元，50、激光照射装置，51、激光照射部，52、激光激发器，60、控制单元，61、载台控制器，62、材料供给控制器，1000、三维成形
目.ο
【具体实施方式】
[0064]下面，参照附图，说明本发明的实施方式。
[0065](第一实施方式)
[0066]图1是示出第一实施方式的三维成形装置的构成的简要构成图。另外，本说明书中的“三维成形”是表示形成所谓立体造型物，例如也包含形成平板状所谓二维形状的形状且具有厚度的形状。
[0067]如图1所示，三维成形装置1000具有:基座10;载台20，通过设在基座10上的作为驱动部件的驱动装置11，能够沿图示的Χ、γ、ζ方向移动；以及头部支承部30，具有头部31和支承臂32，该头部31用作支承后述的材料供给部件和能量照射部件的支承部件，该支承臂32的一端部固定在基座10上，另端部支承固定头部31。另外，本实施方式中说明通过驱动装置11使载台20在X、Y、Z方向移动的构成，但并不限于此，只要载台20与头部31可在X、Y、Z方向上相对移动即可。
[0068]然后，在载台20上，形成为三维形状造型物200的过程中的部分造型物201、202、203以层状形成。三维形状造型物200的形成将在后面描述，由于进行通过激光的热量照射，因此为了保护载台20受到热量影响，也可以使用具有耐热性的试料板21，在试料板21上形成三维形状造型物200。作为试料板21，例如通过使用陶瓷板，能够得到高耐热性，还进一步降低与烧结或者熔融的供给材料的反应性，能够防止三维形状造型物200变质。另外，图1中为了说明上的便利，例示出部分造型物201、202、203的3层，但层叠至所希望的三维形状造型物200的形状。
[0069]头部31中支承有:作为材料供给部件的材料供给装置40所具有的材料喷出部41、作为能量照射部件的激光照射装置50所具有的作为能量照射部的激光照射部51。在本实施方式中，激光照射部51具有第I激光照射部51a和第2激光照射部52b。
[0070]三维成形装置1000具有用作控制部件的控制单元60，该控制单元60基于从例如未图示的个人计算机等数据输出装置输出的三维形状造型物200的造型用数据，控制上述的载台20、材料供给装置40所具有的材料喷出部41和激光照射装置50。虽未图示，控制单元60至少具有载台20的驱动控制部、材料喷出部41的动作控制部和激光照射装置50的动作控制部。而且，控制单元60具有使载台20、材料喷出部41和激光照射装置50协同驱动、动作的控制部。
[0071]在基座10上以能够移动的方式设置的载台20基于来自控制单元60的控制信号，载台控制器61生成用于控制载台20的移动开始和停止、移动方向、移动量、移动速度等的信号，输送到设于基座10的驱动装置11，载台20在图示的X、Y、Z方向上移动。
[0072]在固定于头部31的材料喷出部41中，基于来自控制单元60的控制信号，材料供给控制器62生成用于控制从材料喷出部41喷出的材料喷出量等的信号，根据所生成的信号从材料喷出部41喷出预定量的材料。
[0073]材料喷出部41上连接有从材料供给装置40所具有的材料供给单元42延伸设置的作为材料供给路径的供给管42a。包含通过本实施方式的三维成形装置1000成形的三维形状造型物200的原料的被烧结材料作为供给材料容纳在材料供给单元42中。供给材料的被烧结材料是，将成为三维形状造型物200的原料的金属例如镁(Mg)、铁(Fe)、钴(Co)、铬(Cr)、铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)的单体粉末或者包含其I种以上的合金等的混合粉末，与溶剂、作为粘合剂的增粘剂搅拌得到的泥浆状(或者膏状)的混合材料。
[0074]另外，金属粉末优选平均粒径在ΙΟμπι以下，作为溶剂或分散剂，例如除蒸馏水、纯净水、RO纯水等其他各种水以外，壳列举甲醇、乙醇、2-丙醇、1-丁醇、2-丁醇、辛醇、乙二醇、二甘醇、甘油等醇类、乙二醇单甲醚(甲基溶纤剂)、乙二醇单乙醚(乙基溶纤剂)、乙二醇单苯醚(苯基溶纤剂)等醚类(溶纤剂类)、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲酸乙酯等酯类、丙酮、甲基乙基酮、二乙基酮、甲基异丁基酮、甲基异丙基酮、环己酮等酮类、戊烷、己烷、辛烷等脂肪烃类、环己烷、甲基环己烷等环烃类、苯、甲苯、二甲苯、乙基苯、叔丁基苯、辛基苯、壬苯、癸苯、十一烷基苯、十二烷基苯、十三烷基苯、十四烷基苯等具有苯环和长链烷基的芳香族烃类、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳、I，2_二氯乙烷等卤代烃类、吡啶、吡嗪、呋喃、吡咯、噻吩、甲基吡咯烷酮等芳香族杂环类、乙腈、丙腈、丙烯腈等腈类、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺等酰胺类、羧酸或其他各种油类等等。
[0075]作为增粘剂，只要可溶于上述的溶剂或者分散剂，则并不限定。例如，可以使用丙烯酸类树脂、环氧树脂、硅酮树脂、纤维素树脂、合成树脂等。另外，例如，也可以使用PLA(聚乳酸)、PA(聚酰胺)、PPS(聚苯硫醚)等热可塑性树脂。在使用热可塑性树脂的情况下，通过加热材料喷出部41和材料供给单元42维持热可塑性树脂的柔软性。另外，关于耐热溶剂，可通过使用硅油等来提高流动性。
[0076]固定在头部31上的激光照射装置50所具有的激光照射部51基于来自控制单元60的控制信号，通过激光激发器52发射预定输出的激光，通过激光照射部51照射激光。激光照射从材料喷出部41喷出的供给材料，烧结或者熔融固化供给材料中包含的金属粉末。此时，同时通过激光的热量来蒸发供给材料中包含的溶剂和增粘剂。本实施方式的三维成形装置1000中使用的激光并不特别限定，光纤激光器或者二氧化碳激光器具有波长长且金属的吸收效率高的优点，因此优选。另外，由于输出高、能够减小造型时间，更优地是光纤激光器。
[0077]图2是示出图1示出的头部31、支承于头部31的材料喷出部41和激光照射部51的放大外观图，(a)是从图1示出的Y方向的向视外观图，(b)是从图1示出的Z方向的向视外观图。
[0078]如图2的(a)所示，支承在头部31的材料喷出部41具有喷嘴41b、使预定量的材料从喷嘴41b喷出的喷出驱动部41a。喷出驱动部41a上连接有与材料供给单元42相连的供给管42a，通过供给管42a供给被烧结材料M。喷出驱动部41a上设有未图示的喷出驱动装置，基于来自材料供给控制器62的控制信号将被烧结材料M输送到喷嘴42b。
[0079]从喷嘴41b的喷出口41c喷出的被烧结材料M成为液滴状即成为大致球体形状的材料飞行体Mf朝向试料板21或者图1示出的最上层的部分造型物203飞出，着落到试料板21或者部分造型物203并作为单位液滴状材料Ms(下面，称为单位材料Ms)在试料板21上或者部分造型物203上形成。
[0080]然后，朝向单位材料Ms，从第I激光照射部51a射出激光LI，从第2激光照射部51b射出激光L2 ο通过激光LI和激光L2，加热、烧结单位材料Ms。
[0081 ]优选的是，从喷出口 41喷出的材料飞行体Mf从喷出口 41c向图示箭头的重力方向G喷出。即，通过使材料飞行体Mf向重力方向G喷出，能够使材料飞行体Mf可靠地朝向着落位置飞出，单位材料Ms配置到所希望的位置。而且，向朝向重力方向G喷出着落的单位材料Ms照射的激光L1、L2向相对重力方向G交叉的方向照射，即激光LI从第I激光照射部51a朝向与重力方向G成角度α I的图示的照射方向FLl射出，照射单体材料Ms。同样，激光L2从第2激光照射部51b朝向与重力方向G成角度α2的图示的照射方向FL2射出，照射单体材料Ms。
[0082]如上述所述，本实施方式的三维成形装置1000所具有的材料供给装置40是从材料喷出部41喷出液滴状的材料飞行体Mf的装置。在现有技术的从材料供给口喷出金属微粉末而通过激光等能量线烧结的方式中，成为增大粒子间的附着力的所谓强附着性粉体，若例如通过压缩空气等输送、喷出则容易附着于流道，流动性显著受损。但是，在本实施方式中，作为材料的被烧结材料M，使用搅拌平均粒径在1ym以下的金属微粉末、溶剂和增粘剂而得到的混制物，能够赋予优异的流动性。
[0083]而且，通过赋予高的流动性，能够将微量的被烧结材料M以液滴状从材料喷出部41的喷出口41c喷出，能够在试料板21或者部分造型物203上配置单体材料Ms。即，能够形成用作微量造型的连续体的微细的三维造型物。
[0084]另外，由于以朝向形成单体材料Ms的位置的方式向与重力方向交叉的FL1、FL2方向照射激光L1、L2，不用移动头部31与试料板21或者部分造型物203之间的相对位置就能够向单体材料Ms照射激光L1、L2。
[0085]图3是说明激光L1、L2的照射角度α?、α2和朝向单体材料Ms的照射量的关系的示意图。图3的(a)和图3的(b)是第I激光照射部51a和从第I激光照射部51a射出的激光LI的照射状态图，图3的(c)和图3的(d)是第2激光照射部5 Ib和从第2激光照射部5 Ib射出的激光L2的照射状态图。另外，图3的(e)是激光L1、L2照射的照射区域的状态、即合成、绘制图3的(b)、(d)的图。
[0086]如图3的(a)所示，从第I激光照射部5Ia朝向试料板21或者部分造型物203的上表面，沿与重力方向G成角度α?的FLl方向射出激光LI。从第I激光照射部51a射出的激光LI在与其射出方向FLl正交的面的截面下，形成为大致圆形的激光射出形状Lid。当激光LI到达试料板21或者部分造型物203的上表面时，由于照射方向FLl的角度α?的倾斜，激光射出形状Lld成为如图3的(b)所示那样的椭圆形的激光照射形状Lis。
[0087]同样，在第2激光照射部5Ib中，如图3的(c)所示，从第2激光照射部5Ib朝向试料板21或者部分造型物203的上表面，沿与重力方向G成角度α2的FL2方向射出激光L2。从第2激光照射部51b射出的激光L2在与其射出方向FL2正交的面的截面下，形成为大致圆形的激光射出形状L2d。当激光L2到达试料板21或者部分造型物203的上表面时，由于照射方向FL2的角度α2的倾斜，激光射出形状L2d成为如图3的(d)所示那样的椭圆形的激光照射形状L2s。而且，如图3的(e)所示，着落到试料板21或者部分造型物203的上表面的单体材料Ms(参照图2)被照射激光L1、L2，以便配置在激光照射形状Lls、L2s的区域内。
[0088]另外，如上所述，通过沿与重力方向G交叉的方向FL1、FL2照射激光L1、L2，被试料板21或者部分造型物203反射的反射激光Lrl、Lr2如图3的(a)、(c)所示那样向相对于重力方向G的轴线的相反角度方向前进。因此，激光L1、L2的反射激光Lr 1、Lr2不会朝向激光照射部51a、51b，能够防止损伤激光照射部51a、51b。
[0089]另外，上述的第一实施方式的三维成形装置1000具有2个激光照射部51a、51b，但并不限于此。例如，也可以具有I个激光照射部，或者3个以上的激光照射部。另外，激光照射部51a、51b以使激光L1、L2沿与重力方向G交叉的方向FL1、FL2照射的方式安装在头部31上，但并不限于此。
[0090]图4是示出第一实施方式的三维成形装置1000所具有的激光照射部51以及材料喷出部41不同方式的其他方式的部分简要构成图。另外，对与三维成形装置1000相同的构成要素标注相同的附图标记，省略其说明。
[0091]图4所示的头部131上安装有:激光照射部151，沿重力方向G照射激光Lg;以及喷嘴141b，具有喷出口 141c，喷出口 141c朝向试料板21或者部分造型物203上的激光Lg照射位置，将被烧结材料M以液滴状的材料飞行体Mf沿与重力方向交叉的图示的Fm方向喷出。
[0092]喷出口141c向Fm方向喷出被烧结材料M，材料飞行体Mf受到重力作用，，一边描绘重力方向的所谓抛物线飞行轨迹Fd—边飞行，成为单体材料Ms着落。因此，以使激光Lg向飞行轨迹Fd在试料板21或者部分造型物203上的到达区域照射的方式，材料喷出部141和激光照射部151安装在头部131上。
[0093]也可以将激光照射方向和被烧结材料的喷出方向构成为如此交叉。在该构成中，激光Lg被试料板21或者部分造型物203反射，激光照射部151可能被其反射激光照射，但为了使激光Lg向重力方向G照射，能够非常准确地控制激光的照射位置，能够以高能量密度照射。因此，通过更加精细地控制激光Lg的激光射出形状(相当于图3的(a)、(c)中所说明的激光射出形状Lld、L2d)，使反射激光在单体材料Ms的表面扩散，能够减弱反射激光朝向激光照射部151的能量。
[0094]第一实施方式的三维成形装置1000将金属微粉末、增粘剂和溶剂搅拌而得到的被烧结材料以液滴状喷出，在试料板21或者部分造型物203的最上层、例如图1所示的部分造型物203的上部形成单体液滴状材料(图2的(a)所示的Ms)，通过激光进行烧结。即，将金属微粉末、增粘剂和溶剂搅拌而得到的被烧结材料以极微小的液滴状形成单位造型物，作为形成的极微小的单位造型物的连续体构成三维形状造型物200。因此，能够容易地进行微细形状的三维形状造型物的形成。
[0095]另外，通过将三维形状造型物的原料即金属微粉末与增粘剂、溶剂搅拌，即使是极微小的粒径的粉末，也不会附着在被烧结材料的供给路径，能够不成为所谓强附着性粉体的情况下在供给路径中流动。因而，能够减小金属微粉末的粒径，能够形成微细的三维形状造型物。另外，能够得到精密的造型物。
[0096]另外，在本实施方式的三维成形装置1000中，说明了作为所照射的能量而使用激光L1、L2的方式，但并不限于此。只要是提供烧结被烧结材料M的热量的手段，也可以是例如尚频波、齒素灯等。
[0097](第二实施方式)
[0098]图5是示出通过多个被烧结材料形成三维造型物的第二实施方式的三维成形装置2000的简要构成图。另外，图6示出头部231的详细构成，(a)是头部231的从图5的附图上方沿Z轴看的外观俯视图，(b)是沿X轴方向的外观侧视图。另外，三维成形装置2000与第一实施方式的三维成形装置1000的材料供给装置40的构成不同，因此对相同的构成要素标注相同的附图标记，省略其说明。
[0099]如图5所示，第二实施方式的三维成形装置2000具有作为材料供给部件的第I材料供给装置240、第2材料供给装置250。第I材料供给装置240具有第I材料供给单元242、第I供给管242a、与第I供给管242a相连并支承在头部231上的第I材料喷出部241。同样，第2材料供给装置250具有第2材料供给单元252、第2供给管252a、与第2供给管252a相连并支承在头部231上的第2材料喷出部251。
[0100]如图6的(a)所示，头部231在头部主体231a具有可动头231b。在本实施方式中，可动头231b具有:以能够旋转驱动的方式配置在头部主体231a上的驱动螺纹轴231c;旋转驱动螺纹轴231c的驱动装置232。可动头231b具有螺纹嵌合部，螺纹嵌合部根据旋转的驱动螺纹轴231c的旋转方向R，使可动头231b在Y轴方向的图示的S方向上往复移动。
[0101]在可动头231b上支承有第I喷嘴241b和第2喷嘴251b。头部主体231a上支承有激光照射装置50所具有的第I激光照射部51a和第2激光照射部51b。
[0102]图6示出的本实施方式的三维成形装置2000的头部231的状态是以与激光照射部51a、51b的照射位置对应的方式移动可动头231b来配置第2喷嘴251b。如图6的(b)所示，从材料供给控制器262基于对第2材料供给装置250的材料供给的指令，向驱动装置232输入使驱动螺纹轴231c驱动并使可动头231b移动至预定位置的信号，移动可动头231b。然后，可动头231b到达预定的位置后，材料喷出驱动信号输入到第2材料喷出部251所具有的喷出驱动部251a，从第2喷嘴251b喷出容纳在第2材料供给单元252中的材料。
[0103]然后，在转移到由第I材料供给装置240供给材料的情况下，从材料供给控制器262输出停止从第2材料供给装置250的材料供给的信号，向驱动装置232输入驱动螺纹轴231c驱动并使可动头23 Ib移动至预定位置的彳目号，移动可动头23 lb。然后，可动头23 Ib到达预定的位置后，材料喷出驱动信号输入到第I材料喷出部241所具有的喷出驱动部241a，从喷嘴241b喷出容纳在第I材料供给单元242中的材料。
[0104]如此，通过使可动头231b在S方向上往复移动，能够从第I材料供给装置240或者第2材料供给装置250向来自激光照射部51 a、51 b的激光L1、L2的照射区域喷出所希望的被烧结材料。另外，本实施方式中说明了喷出2种被烧结材料的方式，但并不限于此，能够根据材料种类具备多个材料供给装置。
[0105]另外，本实施方式的三维成形装置2000中说明了对应2种被烧结材料而具有第I材料喷出部241和第2材料喷出部251的方式，但图中虽未示出，例如通过在第一实施方式的三维成形装置1000的构成的供给管42a的途中设置可切换供给材料的流道切换装置，能够从I个材料喷出部41喷出多个被烧结材料。
[0106](第三实施方式)
[0107]作为第三实施方式，使用第一实施方式的三维成形装置1000说明形成三维形状造型物的三维成形方法。图7的(a)是示出第三实施方式的三维成形方法的流程图，图7的(b)是图7的(a)示出的单层形成工序(S300)的详细流程图。另外，图8和图9是说明本实施方式的三维成形方法的部分剖视图。
[0108](三维成形用数据获取工序)
[0109]如图7的(a)所示，本实施方式的三维成形方法执行三维成形用数据获取工序(S100)，将三维形状造型物200的三维成形用数据从未图示的例如个人计算机等中获取到控制单元。关于三维成形用数据获取工序(S100)中获取的三维成形用数据，从控制单元60向载台控制器61、材料供给控制器62、激光激发器52发送控制数据，转移到层叠开始工序。
[0110](层叠开始工序)
[0111]在层叠开始工序(S200)中，如示出三维成形方法的图8的(a)所示，针对放置在载台20上的试料板21，在预定的相对位置上配置头部31。此时，在XY平面(参照图1)上，在基于上述的三维成形用数据的成形起点即载台20的坐标位置PllUll，yll)，以从材料喷出部41的喷嘴41b的喷出口 41c喷出的液滴状的被烧结材料即材料飞行体Mf (参照图2)着落的方式移动具有试料板21的载台20，开始三维造型物的形成，转移到单层形成工序。
[0112](单层形成工序)
[0113]如图7的(b)所示，单层形成工序(S300)包含材料供给工序(S310)和烧结工序(S320)。首先，作为材料供给工序(S310)，如图8的(b)所示，试料板21以使头部31所支承的喷嘴41b与通过层叠开始工序(S200)作为预定位置的Pll(X11，yn)位置相对的方式移动，从喷嘴41b作为被烧结材料的供给材料70朝向试料板21以液滴状的材料飞行体71从喷出口41c在重力方向上喷出(参照图2)。供给材料70是，将成为三维形状造型物200的原料的金属例如不锈钢、钛合金的单体粉末、或者难以合金化的不锈钢和铜(Cu)、或者不锈钢和钛合金、或者钛合金和钴(Co)、铬(Cr)等的混合粉末与溶剂、作为粘合剂的增粘剂搅拌，调制为泥浆状(或者膏状)的物质。
[0114]材料飞行体71着落到试料板21的上表面2Ia，作为单位液滴状材料72(以下，称为单位材料72)在上表面21 a上的P11 (X11，y 11)位置形成，材料供给工序(S310)结束。材料飞行体71从喷出口41c沿重力方向喷出并飞行，由此能够使单位材料72正确地着落到应当着落的Pl I (X11，y 11)位置。此时，优选地，加热试料板21。通过加热试料板21，单位材料72中包含的溶剂蒸发，成为与供给材料70相比流动性差的单体材料72。因此，材料飞行体71着落到试料板21的上表面21a后，抑制沿上表面21a的湿润扩散，能够确保单位材料72距试料板21的上表面21a的高度hi (即填充量)。
[0115]当单位材料72配置到上表面21a时，开始烧结工序(S320)。如图8的(C)所示，烧结工序(S320)使来自激光照射部51a、51b的激光L1、L2朝向单位材料72以与重力方向交叉的方式照射(参照图2)。通过激光L1、L2所带有的能量(热量)蒸发单位材料72中包含的溶剂和增粘剂，金属粉末的粒子之间结合所谓烧结或者熔融结合，由此成为金属块的单位烧结体73在Pll(X11，yn)位置形成。激光L1、L2的照射是根据单位材料72的材料组成、体积等的条件来设定照射条件，所设定的照射量照射到单位材料72后，停止照射。
[0116]然后，虽后面叙述，重复上述的材料供给工序(S310)和烧结工序(S320)，本例中形成作为第I单层的第I层的部分造型物201。
[0117]关于部分造型物201，上述的材料供给工序(S310)和烧结工序(S320)与载台20的移动一起重复m次，第m次的单位烧结体73形成于成为部分造型物201的端部的载台20的坐标 PEND = Plm(Xlm，yim)位置。
[0118]在这里，当在PlI (X11，yil)位置形成单位烧结体73时，执行成形路径确认工序(S330)，判断材料供给工序(S310)和烧结工序(S320)是否达到形成部分造型物201的m次重复、即喷嘴41b是否达到载台20的坐标位置?隱=?1111(11?，71?)。在成形路径确认工序(5330)中，在判断为未达到m次重复、即喷嘴41b未达到载台20的坐标位置PEND = Plm(xim，yim)的“否”时，如图9的(d)所示，再次转移到材料供给工序(S310)，载台20驱动到使接下来的单位材料72的形成位置即Pl 2 (xi2，yi2)位置与喷嘴41b相对。然后，在喷嘴41b与P12(xi2，yi2)位置相对的位置，执行材料供给工序(S310)和烧结工序(S320)，在Pl2(X12，y12)位置形成单位烧结体73。
[0119]然后，如图9的(e)所示，通过重复m次材料供给工序(S310)和烧结工序(S320)，形成部分造型物201。然后，确认重复第m次的喷嘴41b所相对的载台20的坐标位置是否位于坐标PEND = Plm(Xlm，yim)位置，当判断为“是”时，单层形成工序(S300)结束。
[0120](层叠数比较工序)
[0121]当通过单层形成工序(S300)形成作为第I单层的第I层的部分造型物201时，转移到与通过三维成形用数据获取工序(S100)获得的成形数据进行比较的层叠数比较工序(S400)。在层叠数比较工序(S400)中，对构成三维形状造型物200的部分造型物的层叠数N与到层叠数比较工序(S400)之前的单层形成工序(S300)为止所层叠的部分造型物的层叠数η进行比较。
[0122]在层叠数比较工序(S400)中，当判断为η = Ν时，判断为完成三维形状造型物200的形成，结束三维成形。但是，当判断为η〈Ν时，再次执行层叠开始工序(S200)。
[0123]图10的(a)是示出作为第2单层的第2层的部分造型物202的形成方法的剖视图。首先，如图10的(a)所示，再次执行层叠开始工序(S200)。此时，载台20以与喷出口41c和激光照射部51a、51b分开与第I层的部分造型物201的厚度hi相当的量的方式在Z轴方向移动。进一步地，以使从材料喷出部41的喷嘴41b的喷出口 41喷出的液滴状的被烧结材料的材料飞行体71(参照图2)着落到基于三维成形数据的第2层造型的起点即载台20的坐标位置P21(X21，y21)的方式，移动具有试料板21的载台20，开始三维造型物的第2层形成，转移到第2层的单层形成工序(S300)。
[0124]之后，和示出上述的第I层的部分造型物201的形成的图8、图9相同，执行单层形成工序(S300)。首先，作为材料供给工序(S301)，如图10的(b)所示，试料板21以使头部31所支承的喷嘴41b与通过层叠开始工序(S200)作为预定位置的P21(X21，y21)位置相对的方式，伴随载台20的移动而移动，作为被烧结材料的供给材料70从喷嘴41b朝向第I层的部分造型物201的上部201a作为液滴状的材料飞行体71从喷出口 41c喷出。
[0125]材料飞行体71着落到部分造型物201的上部201a，作为单位液滴状材料72(以下，称为单位材料72)配置在上部201a，结束P21(X21，y21)位置处的材料供给工序(S310)，在部分造型物201的上部201a形成高度h2(所谓填充量)的单位材料72。
[0126]当单位材料72配置到部分造型物201的上部21a时，开始烧结工序(S320)。如图10的(c)所示，烧结工序(S320)使来自激光照射部5 Ia、5 Ib的激光L1、L2朝向单位材料72照射。通过激光L1、L2所带有的能量(热量)，单位材料72烧结并成为单位烧结体73。然后，重复上述的材料供给工序(S310)和烧结工序(S320)，在第I层的部分造型物201的上部201a上形成第2层的部分造型物202。关于部分造型物201，上述的材料供给工序(S310)和烧结工序(S320)与载台20的移动一起重复m次，第m次的单位烧结体73形成于成为部分造型物203的端部的载台20的坐标Pend = P2m( X2m，y2m)位置。
[0127]在这里，当P21(X21，y21)位置形成单位烧结体73时，执行成形路径确认工序(S330)，判断材料供给工序(S310)和烧结工序(S320)是否达到形成第2层的部分造型物202的!11次重复、8卩喷嘴4113是否达到载台20的坐标位置?￡_ = ?21]1(12111，72111)。在成形路径确认工序(S330)中，在判断为未达到m次重复、即喷嘴41b未达到载台20的坐标位置PEND = P2m(X2m，y2m)的“否”时，如图11的⑷所示，再次转移到材料供给工序(S310)，载台20驱动到使接下来的单位材料72的形成位置即？22(122，722)位置与喷嘴4113相对。然后，在喷嘴41b与P22(X22，y22)位置相对的位置，执行材料供给工序(S310)和烧结工序(S320)，在P22(X22，y22)位置形成单位烧结体73。
[0128]然后，如图11的(e)所示，通过重复m次材料供给工序(S310)和烧结工序(S320)，形成第2层的部分造型物202。然后，确认重复第m次的喷嘴41b所相对的载台20的坐标位置是否位于坐标PEND = P2m(X2m，y2m)位置，当判断为“是”时，第2层的单层形成工序(S300)结束。
[0129]然后，再次转移到层叠数比较工序(S400)，重复层叠开始工序(S200)和单层形成工序(S300)，直到n = N为止，能够使用第一实施方式的三维成形装置1000形成三维形状造型物。另外，在上述的适用例中的层叠工和层叠数比较工序(S400)中，重复执行在作为第一单层的第一层的部分造型物201的上方形成作为第二单层的第2层的部分造型物202的层叠开始工序(S200)和单层形成工序(S300)，直到判断为η = N为止。
[0130](第四实施方式)
[0131]对第四实施方式的三维成形方法进行说明。上述第三实施方式的三维成形方法中，在三维形状造型物有悬伸部的情况下，对于悬伸部，在上述的单层形成工序(S300)中的材料供给工序(S310)中，由于不存在材料飞行体71应当着落的下层的部分造型物，无法形成单位材料72(参照图10的(b))。假设即使使单位材料72以与在图11的(d)示出的P21(x21，y21)位置形成的单位烧结体73重叠连接的方式着落，如果未配置有下层的部分造型，则有可能变形成向重力方向下垂。即，这是因为，烧结前的单位材料72是将原料的金属例如不锈钢、钛合金的单体粉末、或者难以合金化的不锈钢和铜(Cu)、或者不锈钢和钛合金、或者钛合金和钴(Co)或铬(Cr)等的混合粉末，与溶剂、增粘剂搅拌而得到的泥浆状(或者膏状)的柔软状态的物质。
[0132]因此，说明通过第四实施方式的三维成形方法来使悬伸部不变形而形成三维形状造型物的方法。另外，对和第三实施方式的三维成形方法相同的工序标注相同的附图标记，省略其说明。另外，为了简化说明，例不如图12的(a)的俯视外观图和图12的(b)的表不图12的(B)A-A'部的剖视图那样具有简单形状的三维形状造型物300，说明第四实施方式的三维成形方法，但并不限于此，能够适用于所谓具有悬伸部的造型物。
[0133]如图12所示，在三维形状造型物300中，在具有凹部300a的圆柱形的基部300b的凹部开口侧端部设有向基部300b的外侧延伸的作为悬伸部的凸缘部300c。为了基于第四实施方式的三维成形方法形成该三维形状造型物300，关于成形过程中去除的支架部310，将在凸缘部300c的图示下部方向直至基部300b的底部位置的成形用数据加到三维形状造型物300的三维成形用数据中来生成。
[0134]图13是示出图12示出的三维形状造型物300的成形方法的流程图。另外，图14示出通过图13所示的流程图来进行的三维形状造型物300的成形方法，图示左侧配置部分剖视图，右侧配置俯视外观图。另外，在本实施方式的三维形状造型物300中，使用层叠4层成形的例子进行说明，但并不限于此。
[0135]首先，如图14的(a)所示，在未图示的试料板21上成为第I层的部分造型物301通过第三实施方式的三维成形方法形成。在形成部分造型物301的工序中，还形成第I层的局部支架部311。关于局部支架部311，不执行通过图8和图9说明的单层形成工序(S300)中的烧结工序(S320)，在保持单位材料72的状态、即保持未烧结部或者未熔融部的状态下执行单层形成工序(S300)。
[0136]接着，重复单层形成工序(S300)，如图14的(b)所示那样形成第2层和第2层的部分造型物302、303。然后，在形成部分造型物302、303的工序中，还形成第2层和第3层的局部支架部312、313。关于局部支架部312、313，与局部支架部311相同，不执行单层成形工序(S300)中的烧结工序(S320)，在保持成形材料72的状态、即保持未烧结部或者未熔融部的状态下执行单层形成工序(S300)，通过局部支架部311、312、313形成支架部310。
[0137]接着，如图14的(C)所示，形成在凸缘部300c上形成的第4层的部分造型物304。部分造型物304以被通过局部支架部311、312、313形成的支架部310的端面310a支承的方式形成。通过如此形成部分造型物304，作为单位材料72(参照图8)的着落面而形成端面310a，由此能够正确地形成成为凸缘部300c的第4层的部分造型物304。
[0138]然后，如图14的(d)所示，在成形三维形状造型物300时，通过支架部去除工序(S500)，从三维形状造型物300去除支架部310，由于支架部310由未烧结的材料形成，作为支架部去除工序(S500)中的支架部310去除方法，可以是例如图14的(d)所示那样通过锋利的刀具Kn进行的物理切除。或者，也可以是浸泡在溶剂中，溶解材料中包含的增粘剂而从三维形状造型物300中去除。
[0139]如上所述，在形成具有作为悬伸部的凸缘部300c的三维形状造型物300的情况下，通过将支承凸缘部300c的支架部310与三维形状造型物300—起形成，能够防止凸缘部300c向重力方向变形。另外，图12所示的支架部310并不限于如图示那样整面支承凸缘部300c的方式，可根据造型物的形状、材料组成等，适当地设置形状、大小等。
[0140]另外，本发明的实施方式的具体构成能够在能达到本发明的目的的范围内适当改变为其他的装置或者方法。
【主权项】
1.一种三维成形装置，其特征在于，包括: 载台； 材料供给部件，朝向所述载台供给含有金属粉末和粘合剂的被烧结材料； 能量照射部件，向从所述材料供给部件供给的所述被烧结材料，供给能够烧结所述被烧结材料的能量;以及 驱动部件，使所述材料供给部件和所述能量照射部件能够相对于所述载台进行三维移动， 所述材料供给部件具有材料喷出部，该材料喷出部供给预定量的所述被烧结材料， 所述能量照射部件具有用于射出所述能量的能量照射部， 所述材料喷出部和所述能量照射部支承于一个支承部件上。2.根据权利要求1所述的三维成形装置，其特征在于， 所述能量照射部件沿与重力方向交叉的方向照射所述能量。3.根据权利要求1或2所述的三维成形装置，其特征在于， 从所述材料喷出部的喷出口呈液滴状喷出所述被烧结材料。4.根据权利要求1至3中任一项所述的三维成形装置，其特征在于， 所述三维成形装置具有多个所述能量照射部。5.根据权利要求1至4中任一项所述的三维成形装置，其特征在于， 所述材料供给部件具有材料供给部，该材料供给部至少将所述被烧结材料供给至所述材料喷出部，所述材料喷出部具有与所述载台相对的材料喷出口， 所述材料供给部设有多个， 供给2种以上的具有不同组成的所述被烧结材料。6.根据权利要求1至5中任一项所述的三维成形装置，其特征在于， 所述能量照射部件是激光照射部件。7.—种三维成形方法，包括: 单层形成工序，通过材料供给工序和烧结工序来形成单层，所述材料供给工序供给含有金属粉末和粘合剂的被烧结材料，所述烧结工序朝向通过所述材料供给工序供给的所述被烧结材料，供给能够烧结所述被烧结材料的能量，使所述被烧结材料烧结；以及 层叠工序，在通过所述单层形成工序形成的所述单层上，层叠通过所述单层形成工序形成的另外的所述单层， 重复预定次数的所述层叠工序来形成三维形状造型物，其特征在于， 在所述单层形成工序中，所述材料供给工序呈液滴状喷出所述被烧结材料，针对着落的单位液滴状材料进行的所述烧结工序在预定的所述单层的整个形成区域进行。8.根据权利要求7所述的三维成形方法，其特征在于， 所述烧结工序的所述能量的照射方向是与重力方向交叉的方向。9.根据权利要求7或8所述的三维成形方法，其特征在于， 在所述层叠工序中形成用于支承所述单层的支架部， 所述支架部是在所述烧结工序中未被照射所述能量的未烧结部。10.根据权利要求9所述的三维成形方法，其特征在于， 所述三维成形方法还包括支架部去除工序，该支架部去除工序去除所述支架部。
【文档编号】B22F3/105GK105983696SQ201610149575
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】鎌仓知之
【申请人】精工爱普生株式会社