三次元形状造形物の製造方法及び製造装置
【課題】三次元形状造形物の製造方法において、複数の光ビームによって効率的な造形を行う。
【解決手段】金属光造形加工機１は、金属粉末２の粉末層２１が敷かれる造形用プレート３と、造形用プレート３を保持し、上下に昇降する造形用テーブル３１と、粉末層２１を形成する粉末層形成部４と、粉末層２１に複数の光ビームを照射する照射部５と造形の進捗状況を撮影するカメラ６と、金属光造形加工機１を制御する制御部と、を備える。粉末層２１の層毎の造形エリアに対し、複数の光ビームＬそれぞれが造形する造形エリアを予め決めておき、照射部５に、それぞれの造形エリアに対応する走査データを同時に順次実行させ、並列動作によって三次元形状造形物を造形する。このように、複数の光ビームを並列動作によって照射するので、効率良く三次元形状造形物を造形することができる。
【解決手段】金属光造形加工機１は、金属粉末２の粉末層２１が敷かれる造形用プレート３と、造形用プレート３を保持し、上下に昇降する造形用テーブル３１と、粉末層２１を形成する粉末層形成部４と、粉末層２１に複数の光ビームを照射する照射部５と造形の進捗状況を撮影するカメラ６と、金属光造形加工機１を制御する制御部と、を備える。粉末層２１の層毎の造形エリアに対し、複数の光ビームＬそれぞれが造形する造形エリアを予め決めておき、照射部５に、それぞれの造形エリアに対応する走査データを同時に順次実行させ、並列動作によって三次元形状造形物を造形する。このように、複数の光ビームを並列動作によって照射するので、効率良く三次元形状造形物を造形することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機質、又は有機質の粉末材料に光ビームの照射を行なう三次元形状造形物の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、無機質、又は有機質の粉末材料で形成した粉末層に光ビームを照射し、粉末層を溶融して焼結層を形成し、その焼結層の上に新たな粉末層を形成して光ビームを照射し焼結層を形成することを繰り返して、三次元形状造形物を製造する製造方法が知られている。
【０００３】
また、光ビームを複数として三次元形状造形物を製造する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に示されるような製造方法においては、効率的な造形を行なうための複数の光ビームの制御方法が示されていない。
【特許文献１】特表平７−５０１９９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記問題を解消するものであり、複数の光ビームによって効率的な造形を行うことが可能な三次元形状造形物の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層に光ビームを照射して該粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射工程とを備え、前記粉末層形成工程と照射工程とを繰り返すことにより下層の焼結硬化層と一体になった新たな焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、前記光ビームを走査する複数の光ビーム走査手段を有し、前記光ビームを前記粉末層の複数の箇所に照射すると共に、一つの層の造形エリアに対し、複数の光ビームが行う造形エリアを予め決めておき、前記光ビーム走査手段に、同時に、それぞれの造形エリアに対応する異なる走査データを順次実行させ、並列動作によって三次元形状造形物を造形するものである。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法において、一つの光ビームが担当する造形エリアを単位面積当たりの領域に小分割し、分割した領域毎に造形終了を検出するものである。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法において、一つの光ビームが担当する造形エリアの造形を終了すると、他の光ビームの造形エリアの造形を行なうものである。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、それぞれの光ビームが担当する各層の造形エリアの面積が等しくなるように、造形エリア全体が分割されているものである。
【００１０】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、それぞれの光ビームが担当する造形エリアが、該光ビームを走査するそれぞれの光ビーム走査手段から近くになるように造形エリア全体が分割されているものである。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法において、異なる焼結密度からなる三次元形状造形物の造形において、照射する光ビームが焼結密度毎に異なるものである。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、造形前及び任意の造形途中のいずれか一方又は両方において、それぞれの光ビームの照射位置の原点補正を行なうものである。
【００１３】
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記焼結硬化層の形成後に、それまでに積層して得られた三次元形状造形物の表面部及び不要部分のいずれか一方又は両方の切削除去を行なう切削工程を更に備え、造形前及び任意の造形途中のいずれか一方又は両方において、それぞれの光ビームの照射位置及び切削削除位置の原点補正を行なうものである。
【００１４】
請求項９の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、光ビームを分岐して複数の光ビームを形成するものである。
【００１５】
請求項１０の発明は、請求項９に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記光ビームの分岐はハーフミラーによって行なわれるものである。
【００１６】
請求項１１の発明は、請求項９に記載の三次元形状造形物の製造方法において、光ビームの光軸上に設置され該光軸と垂直な回転軸を有し、前記回転軸によって前記光軸との角度を変化させる回転ミラーにより、光ビームを前記回転ミラーによって反射される光ビームと前記回転ミラーの端部の外側を通過する光ビームとに分けることにより前記光ビームを分岐し、前記回転ミラーによる反射光を、該反射光の照射位置に移動する移動ミラーによって受光して照射方向へ反射し、前記回転ミラーと前記光軸との角度を変えることにより、光ビームの分岐量を変えるものである。
【００１７】
請求項１２の発明は、請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記光ビームは、パワーを制御されるものである。
【００１８】
請求項１３の発明は、請求項１２に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記光ビームのパワー制御は、前記光ビームを該光ビームの光軸上に設けられた径の異なる穴に通過させ、該光ビームの一部を制限することにより行なうものである。
【００１９】
請求項１４の発明は、無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層に光ビームを照射して該粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射手段と、を備え、前記粉末層の形成と前記焼結硬化層の形成とを繰り返すことにより下層の焼結硬化層と一体になった新たな焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造装置において、前記照射手段は光ビームを走査する複数の光ビーム走査手段を有し、複数の光ビームを前記粉末層の複数の箇所にそれぞれ照射し、一つの層の造形エリアに対し、複数の光ビームの各々が行う造形エリアを予め決めておき、前記光ビーム走査手段に、同時に、それぞれの造形エリアに対応する異なる走査データを順次実行させて並列動作によって三次元形状造形物を造形すると共に、一つの光ビームが担当する造形エリアを単位面積当たりの領域に小分割し、分割した領域毎に造形終了を検出するものである。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１の発明によれば、複数の光ビームを並列動作によって照射するので、効率良く三次元形状造形物を造形することができる。
【００２１】
請求項２の発明によれば、造形の進捗状況が詳しく分かるので、効率良く三次元形状造形物を造形することができる。
【００２２】
請求項３の発明によれば、それぞれの光ビームは、他の光ビームの造形エリアも造形するので効率良く造形を行なうことができる。
【００２３】
請求項４の発明によれば、それぞれの光ビームの造形エリア面積が等しいので、効率良く造形を行なうことができる。
【００２４】
請求項５の発明によれば、光ビームの照射の位置精度が良くなり、三次元形状造形物の寸法精度が良くなる。
【００２５】
請求項６の発明によれば、光ビームの条件を造形中に変えないので、効率良く造形を行なうことができる。
【００２６】
請求項７の発明によれば、三次元形状造形物の寸法精度が良くなる。
【００２７】
請求項８の発明によれば、切削工程を有する製造方法においても三次元形状造形物の寸法精度が良くなる。
【００２８】
請求項９の発明によれば、製造装置の低コスト化を図ることができると共に、製造装置を小型化することができる。
【００２９】
請求項１０の発明によれば、容易に光ビームを分岐することができる。
【００３０】
請求項１１の発明によれば、光ビームの分岐量を調整し、効率良く造形を行なうことができる。
【００３１】
請求項１２の発明によれば、分岐した光ビーム毎にパワーを変えることができ、効率良く造形を行なうことができる。また、光ビーム毎に通過／遮断の制御を行なうことができる。
【００３２】
請求項１３の発明によれば、分岐した光ビーム毎のパワーを容易に制御することができ、効率良く造形を行なうことができる。
【００３３】
請求項１４の発明によれば、複数の光ビームを並列動作によって照射するので、効率良く三次元形状造形物を造形することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図面を参照して説明する。図１及び図２は、同製造方法に用いられる金属光造形加工機の構成を示す。金属光造形加工機１は、金属粉末２の粉末層２１が敷かれる造形用プレート３と、造形用プレート３を保持し、上下に昇降する造形用テーブル３１と、粉末層２１を形成する粉末層形成部４と、粉末層２１に光ビームを照射する照射部５と造形の進捗状況を撮影するカメラ６と、金属光造形加工機１各部の動作を制御する制御部７１と、を備える。
【００３５】
粉末層形成部４は、金属粉末２を供給する供給槽４１と、供給槽４１の金属粉末２を上昇させる材料用テーブル４２と、粉末層２１を形成するスキージ４３と、を有する。スキージ４３は、方向Ｄに移動して材料用テーブル４１上の金属粉末２を造形用プレート３上に供給する。照射部５は、光ビームＬを発する光ビーム発振器５１と、光ビームＬを複数に分岐する分波器５２と、光ビームＬを通過／遮断するスイッチングデバイス５３と、光ビームＬの径を調整するスポット径変更デバイス５４と、ガルバノミラーにより光ビームＬを粉末層２１の上に走査するスキャナ５５と、光ビームＬを反射して光路に進める反射ミラー５９とを有する。光ビームＬの分岐は３本に限られず、２本以上の複数本とすればよい。また、光ビームＬを分岐する構成に代えて、複数の光ビーム発振器５１を用いて、複数の光ビームを照射する構成としてもよい。金属粉末２は、例えば、平均粒径２０μｍの球形の鉄粉であり、光ビーム発振器５１は、例えば、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザの発振器である。
【００３６】
次に、分波器について説明する。図３は分波器５２の一構成例を示す。分波器５２は、ハーフミラー５２ａと反射ミラー５２ｂとを有している。分波器５２は、光ビームＬをハーフミラー５２ａにより透過光と反射光とに分け、反射光を更に反射ミラー５２ｂによって反射することにより分岐している。光ビームＬを３本以上に分岐する場合には、更にハーフミラー５２ａを用いて光ビームＬを分岐する。このように、ハーフミラーを用いることにより、光ビームを容易に分岐することができる。
【００３７】
図４（ａ）及び（ｂ）は、分波器５２の第１の変形例を示す。分波器５２は、ポリイミド系の材料より構成され、内部にＹ字状に分岐した光導波路５２ｃが形成されている。光ビームＬは光導波路５２ｃを全反射しながら進み、分岐部５２ｄにより分岐される。分波器５２をこのような構成にすることにより、光ビームを容易に分岐することができる。
【００３８】
図５（ａ）は、分波器５２の第２の変形例を示し、図５（ｂ）は、その反射部分を拡大して示す。分波器５２は、回転軸５２ｅを有する回転ミラー５２ｆと、回転ミラー５２ｆによる反射光を反射する移動ミラー５２ｇとを備えている。回転ミラー５２ｆは、光ビームＬの一部を反射するが、回転ミラー５２ｆの端部の外側を通る光ビームＬを通過させる。また、回転ミラー５２ｆは、光ビームＬの光軸との角度を変えることにより、光ビームＬの反射量を変える。このとき、移動ミラー５２ｇは矢印Ｅ方向に移動することにより、光ビームＬの光軸と回転ミラー５２ｆとの角度が変わって反射光の反射方向が変化しても、反射光を受けて照射方向へ反射する。このように、分波器５２は光ビームＬを分岐すると共に、回転ミラー５２ｆと光ビームＬの光軸との角度を変えることにより、光ビームＬの分岐量を変えることができる。
【００３９】
次に、スイッチングデバイス５３について図６を参照して説明する。図６（ａ）及び（ｂ）はスイッチングデバイス５３の一構成例を示す。スイッチングデバイス５３は、回転軸５３ａを有する反射ミラー５３ｂと光ビームＬを吸収するダンパー５３ｃとを備えている。図６（ａ）は、スイッチングデバイス５３が光ビームＬを遮断している状態を示す。光ビームＬを遮断するときは、反射ミラー５３ｂを回転軸５３ａによって回転させ、光ビームＬをダンパー５３ｃの方へ反射させ、ダンパー５３ｃによって吸収する。図６（ｂ）は、光ビームＬを通過させている状態を示す。光ビームＬを通過させるときは、光ビームＬを遮断しないように反射ミラー５３ｂを回転させる。このような構成にすることにより、光ビームＬの通過と遮断を容易に行なうことができる。
【００４０】
図６（ｃ）及び（ｄ）は、スイッチングデバイス５３の変形例を示す。このスイッチングデバイス５３は、回転軸５３ｄを有するダンパー５３ｅを備えている。図６（ｃ）は、スイッチングデバイス５３が光ビームＬを遮断している状態を示す。光ビームＬを遮断するときは、ダンパー５３ｅが光ビームＬの光軸と垂直になるようにダンパー５３ｅを回転軸５３ｄによって回転させ、光ビームＬをダンパー５３ｄによって吸収する。図６（ｄ）は、光ビームＬを通過させている状態を示す。光ビームＬを通過させるときには、ダンパー５３ｅが光ビームＬを遮断しないように、ダンパー５３ｅを光軸と平行になるように回転させる。スイッチングデバイス５３をこのような構成にすることにより、光ビームＬの通過と遮断を容易に行なうことができる。
【００４１】
次に、三次元形状造形物の製造方法を図７及び図８を参照して説明する。図７はそのフローを、図８は、その製造方法を実施したときの時系列状態を示す。まず、図８（ａ）に示すように、造形用プレート３が造形用テーブル３１の上に載置される（ステップＳ１）。次に、制御部は造形用プレート３の上面と基準テーブル３２の上面との段差が長さΔｔになるように、造形用テーブル３１を下降させる（ステップＳ２）。次に、制御部はスキージ４３によって材料用テーブル４２上の金属粉末２を造形用プレート３上に供給する。スキージ４３は、基準テーブル３２の上面と同じ高さで水平方向に移動し、造形用プレート３の上に厚みΔｔの粉末層２１を形成する（ステップＳ３）。このステップＳ２及びＳ３は粉末層形成工程を構成する。
【００４２】
ステップＳ３の後、図８（ｂ）に示すように、制御部は光ビームＬをスキャナによって任意の位置に走査させ（ステップＳ４）、粉末層２１を溶融し造形用プレート３と一体化した厚みΔｔの焼結硬化層２２を形成する（ステップＳ５）。このステップＳ４及びＳ５は照射工程を構成する。
【００４３】
ステップＳ５の後、制御部は造形が終了したかを判断し（ステップＳ６）、終了していないときは、図８（ｃ）、（ｄ）に示すように、ステップＳ２へ戻り、ステップＳ３乃至Ｓ５を繰り返し実行し、焼結硬化層２２を積層する。こうして、図８（ｅ）に示すように、造形が終了するまでステップＳ２乃至Ｓ６を繰り返して、焼結層２２を積層する。
【００４４】
次に、複数の光ビームＬを照射する動作について図９を参照して説明する。図９は、照射を制御するための構成を示す。光ビームＬは分波器５２によって３本の光ビームＬＡ、ＬＢ、ＬＣに分岐している。制御部７１は、それぞれの光ビームＬＡ、ＬＢ、ＬＣの走査データを、対応するスキャナコントローラ７２に送信する。スキャナコントローラ７２は、走査データに基づいて、光ビームＬＡ、ＬＢ、ＬＣの通過／遮断をスイッチングデバイス５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃによって行い、走査をスキャナ５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃによって行う。このようにして、制御部７１は光ビームＬＡ、ＬＢ、ＬＣの制御を行なう。
【００４５】
次に、造形の感知の動作について図１０を参照して説明する。図１０（ａ）は造形エリアＳを、図１０（ｂ）は造形エリアＳの光ビーム毎の分担エリアを示す。造形エリアＳは、２つの光ビームそれぞれが造形する分担エリアＳ１とＳ２に分割されている。図１０（ｃ）は造形の進捗を管理するために単位面積当たりの小領域Ｓ３に小分割された造形エリアを示す。制御部は、小領域Ｓ３毎にカメラによって造形が終了したかを検出する。図１０（ｄ）は、造形途中の分担エリアＳ１及びＳ２の状態を示し、終了エリアＳ１Ｅ及びＳ２Ｅが造形が終了した領域である。
【００４６】
そして、図１０（ｅ）に示すように分担エリアＳ１の造形が終了した時点で分担エリアＳ２の造形が終了していない場合には、図１０（ｆ）に示すように分担エリアＳ１を造形していた光ビームは分担エリアＳ２の造形を行なう。このように、造形エリアを単位面積当たりの小領域Ｓ３に小分割して造形の進捗を管理するので造形の終了状況が分かり易く、一つの光ビームが予定していた分担エリアの造形を終了すると、その光ビームは他の光ビームの分担エリアの造形を行なうことができ、効率良く造形を行なうことができる。
【００４７】
上記分担エリア分割方法は、各分担エリアの面積を等しくするような方法による。図１１（ａ）は、造形する三次元形状造形物の構成を、図１１（ｂ）は三次元形状造形物の水平方向の断面位置を、図１１（ｃ）乃至（ｅ）は、各断面において分割された２つの分担エリアＳ１及びＳ２を示す。断面Ａの位置では、造形エリアを２つの分担エリアＳ１及びＳ２に分割する分割線Ｍ１は断面図中の上下の中間位置にある。断面Ｂの位置では、断面形状が断面Ａでの形状とは異なり、断面Ｂでの分割線Ｍ２は分割線Ｍ１より断面図中で下の方向に移動する。そして、断面Ｃの位置では、分割線Ｍ３は分割線Ｍ１より断面図中で上の方向に移動する。このように、断面の位置によって分割線の位置を変えて分担エリアの面積が等しくなるようにすることにより、効率良く造形を行なうことができる。
【００４８】
また、上記分担エリア分割方法は、各光ビームの分担エリアがそれぞれの光ビームを照射するスキャナ５５から近くになるような方法でもよい。図１２（ａ）は、分割された造形エリアの平面視を、図１２（ｂ）はその正面視を示す。スキャナ５５Ａの分担エリアＳ１は、スキャナ５５Ａの下に設定されている。同様に、分担エリアＳ２はスキャナ５５Ｂの下に、分担エリアＳ３はスキャナ５５Ｃの下に設定されている。分担エリアがそれぞれのスキャナ５５の近くなので、光ビームＬＡ、ＬＢ、ＬＣの照射の位置精度がよく、造形の精度が良くなる。この分担エリアは、スキャナ５５の下でなくても、近くになるように設定すればよい。
【００４９】
また、上記分担エリア分割方法は、三次元形状造形物が焼結密度の異なる領域から構成されている場合、造形エリアの焼結密度毎に分割する方法でもよい。図１３（ａ）（ｂ）は、それぞれ分割された造形エリアの平面視及び正面視の構成を示す。三次元形状造形物は、焼結密度が異なる高密度領域Ｓ１１と中密度領域Ｓ１２と低密度領域Ｓ１３との３領域に分かれている。そして、それぞれの領域毎に、光ビームを照射するスキャナ５５が異なっており、高密度領域Ｓ１１にはスキャナ５５Ａから高密度用の光ビームＬＡを照射し、同様に、中密度領域Ｓ１２にはスキャナ５５Ｂから光ビームＬＢを、低密度領域Ｓ１３にはスキャナ５５Ｃから光ビームＬＣを照射する。
【００５０】
このように焼結密度を変化させるには、光ビームの出力や、走査速度や、走査ピッチを変化させることにより行うが、焼結密度毎に光ビームを設定することにより、光ビームの条件を走査中に変更しなくてよいので効率が良い。また、複数の光ビーム発振器５１を用いる場合には、特定の光ビーム発振器５１を高密度用に出力を高くすれば走査速度を遅くしなくてよいので効率が良い。
【００５１】
次に、第１の実施形態の製造方法の変形例について図１４を参照して説明する。図１４は、本変形例に用いる金属光造形加工機の構成を示す。図示では、照射部についてはスキャナ５５のみを示している。本変形例では、第１の製造方法に加えて、更に造形物の周囲の切削を行う。金属光造形加工機１は、第１の実施形態に係る金属光造形加工機に加えて、造形物の周囲を削るミーリングヘッド７３と、ミーリングヘッド７３を切削箇所に移動させるＸＹ駆動機構７４とを有している。本変形例では、粉末層形成工程と照射工程を繰り返して焼結硬化層の厚みがミーリングヘッド７３の有効刃長から定めた厚み以上になると、ＸＹ駆動機構７４によってミーリングヘッド７３を矢印Ｘ及び矢印Ｙ方向に移動させ、造形物の表面部及び不要部分を切削する切削工程を行う。製造される三次元形状造形物の表面粗さが細かくなり、寸法精度が向上する。
【００５２】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図１５を参照して説明する。本実施形態においては、第１の実施形態の製造方法に加えて、更に光ビームの照射位置と切削削除位置の原点補正を行う。図１５（ａ）は、本実施形態に用いる金属光造形加工機の構成を示す。金属光造形加工機１は、ミーリングヘッド７３を備え、ミーリングヘッド７３の横に撮像カメラ７５と照明部７６を有している。原点補正は、造形前に造形用テーブル３１の上にターゲット板７７を設置し、ターゲット板７７にミーリングヘッド７３による切削や光ビームＬによって印を付け、その印の位置に撮像カメラ７５と照明部７６をＸＹ駆動機構７４によって移動させて、その印の座標を測定することにより行う。原点補正を造形途中に行う場合には、造形を停止し、ターゲット板７７を造形物の上に設置し、そのターゲット板７７を用いて上述したのと同一の方法によって行う。
【００５３】
原点補正の一例として、光ビームの照射位置の原点補正の方法を説明する。図１５（ｂ）は、ターゲット板７７の平面視を示し、図１５（ｃ）は、ターゲット板７７に印された格子パターンを拡大して示す。最初にターゲット板７７を造形用テーブル３１の上に設置する。ターゲット板７７は、光ビームが炭酸ガスレーザの場合は、例えば感熱紙やアクリル板を用い、ＹＡＧレーザの場合は、例えば不透明アクリルの表面に白色の塗装を施した板を用いる。続いて、ターゲット板７７に光ビームＬによって格子パターン７８を印す。
【００５４】
続いて、撮像カメラ７５をＸＹ駆動機構７４によって、各格子点７９に移動させ、各格子点７９の座標を測定し、本来のあるべき座標との誤差をＸ方向とＹ方向とについて計測する。全ての格子点７９の誤差の平均ΔＸとΔＹとを算出し、Ｘ方向とＹ方向のズレを補正する。続いて、格子パターン７８の４隅の点Ｅ１乃至Ｅ４の座標を測定し、点Ｅ１点Ｅ２間、点Ｅ１点Ｅ３間、点Ｅ２点Ｅ４間、点Ｅ３点Ｅ４間の距離を測定し、本来のあるべき距離との誤差を計測する。この誤差から、Ｘ方向及びＹ方向のゲイン（拡大率）を補正する。こうして、Ｘ、Ｙ方向のズレとゲインの補正を繰り返すことにより、原点の補正を行う。切削削除位置の原点補正も光ビームの照射位置の原点補正と同様に行う。原点補正を行なうことにより三次元形状造形物の寸法精度が良くなる。
【００５５】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図１６を参照して説明する。本実施形態においては、第１の実施形態に更に加えて光ビームのパワーの制御を行う。
【００５６】
図１６（ａ）は、パワー可変デバイス５６の構成を示す。パワー可変デバイス５６は、光ビームの光軸上に設置されており、中心に軸５７を有した円板状の形態であり、円板の周辺部に直径が異なる複数の穴５８ａ乃至５８ｃから成る穴５８を備えている。パワー可変デバイス５６は軸５７を中心に回転して、所定の直径の穴５８を光ビームＬの光軸に合わせる。このとき、穴５８の中心と光ビームＬの光軸とが合うように穴５８が開けられている。図１６（ｂ）は、光ビームＬを１００％透過させている状態を示す。光ビームＬの光軸には、穴の直径が光ビームＬの直径よりも大きい穴５８ａが合わせられており、光ビームＬはパワーを制限されることなく、穴５８ａを通過している。図１６（ｃ）は、光ビームＬの透過量を制限している状態を示す。光ビームＬの光軸には、穴の直径が光ビームＬの直径よりも小さい穴５８ｂ、又は５８ｃが合わせられており、光ビームＬは、穴の直径よりも大きい分のパワーを制限されている。
【００５７】
このパワー可変デバイス５６には穴５８が開いていない箇所も設けられており、穴５８が開いていない箇所を光ビームＬの光軸に合わせることにより、光ビームＬを遮断することができる。このように、パワー可変デバイス５６を用いることにより、同じ光ビームから分割された光ビームでも、光ビーム毎に出力を調整し、造形物の密度を変化させることができる。また、光ビームの通過／遮断の制御を行うこともできる。
【００５８】
次に、このパワー可変デバイスの変形例を説明する。図１７（ａ）乃至（ｃ）はパワー可変デバイスが光ビームのパワーを制限している状態を示す。パワー可変デバイス５６は液晶パネルにより構成されており、液晶パネルへの電圧印加により透過度を変更することができる。この液晶パネルを光ビームの光軸上に設置し、液晶パネルの透過度を調整することにより、光ビームのパワーを調整する。図１７（ａ）においては、光ビームＬを１００％透過させており、図１７（ｂ）においては、光ビームＬを５０％透過させており、図１７（ｃ）においては、光ビームを遮断している。液晶の透過度を細かく変えることができるので、光ビームのパワーを細かく制御することができる。
【００５９】
なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、金属粉末の組成は、上記実施形態の構成に限られないし、また、有機質の粉末材料でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る製造方法に用いる金属光造形加工機の斜視図。
【図２】同金属光造形加工機の構成図。
【図３】同金属光造形加工機の分波器の構成図。
【図４】（ａ）は同金属光造形加工機の分波器の第１の変形例の斜視図、（ｂ）は平面図。
【図５】（ａ）は同金属光造形加工機の分波器の第２の変形例の正面図、（ｂ）は分波器の反射部分の拡大図。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は同金属光造形加工機のスイッチングデバイスの正面図、（ｃ）及び（ｄ）はスイッチングデバイスの変形例の正面図。
【図７】第１の実施形態に係る製造方法のフロー図。
【図８】同製造方法を時系列に示す図。
【図９】同製造方法における光ビームの制御方法を示す図。
【図１０】同製造方法における造形の感知方法を示す図。
【図１１】同製造方法における造形エリアから分割された分担エリアを示す図。
【図１２】造形エリアの分割方法の第１の変形例を示す図。
【図１３】造形エリアの分割方法の第２の変形例を示す図。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る製造方法に用いる金属光造形加工機の斜視図。
【図１５】（ａ）は同金属光造形加工機の正面図、（ｂ）は同金属光造形加工機に用いるターゲット板の平面図、（ｃ）はターゲット板の拡大図。
【図１６】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る製造方法に用いるパワー可変デバイスの斜視図、（ｂ）及び（ｃ）はパワー可変デバイスが光ビームのパワーを制御している状態を示す図。
【図１７】（ａ）乃至（ｃ）は変形例のパワー可変デバイスが光ビームのパワーを制御している状態を示す図。
【符号の説明】
【００６１】
１ 金属光造形加工機（三次元形状造形物の製造装置）
２１ 粉末層
２２ 焼結硬化層
４ 粉末層形成部（粉末層形成手段）
５ 照射部（照射手段）
５２ａ ハーフミラー
５２ｅ 回転軸
５２ｆ 回転ミラー
５２ｇ 移動ミラー
５５ スキャナ（光ビーム走査手段）
Ｌ 光ビーム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機質、又は有機質の粉末材料に光ビームの照射を行なう三次元形状造形物の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、無機質、又は有機質の粉末材料で形成した粉末層に光ビームを照射し、粉末層を溶融して焼結層を形成し、その焼結層の上に新たな粉末層を形成して光ビームを照射し焼結層を形成することを繰り返して、三次元形状造形物を製造する製造方法が知られている。
【０００３】
また、光ビームを複数として三次元形状造形物を製造する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、特許文献１に示されるような製造方法においては、効率的な造形を行なうための複数の光ビームの制御方法が示されていない。
【特許文献１】特表平７−５０１９９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記問題を解消するものであり、複数の光ビームによって効率的な造形を行うことが可能な三次元形状造形物の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層に光ビームを照射して該粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射工程とを備え、前記粉末層形成工程と照射工程とを繰り返すことにより下層の焼結硬化層と一体になった新たな焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、前記光ビームを走査する複数の光ビーム走査手段を有し、前記光ビームを前記粉末層の複数の箇所に照射すると共に、一つの層の造形エリアに対し、複数の光ビームが行う造形エリアを予め決めておき、前記光ビーム走査手段に、同時に、それぞれの造形エリアに対応する異なる走査データを順次実行させ、並列動作によって三次元形状造形物を造形するものである。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法において、一つの光ビームが担当する造形エリアを単位面積当たりの領域に小分割し、分割した領域毎に造形終了を検出するものである。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法において、一つの光ビームが担当する造形エリアの造形を終了すると、他の光ビームの造形エリアの造形を行なうものである。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、それぞれの光ビームが担当する各層の造形エリアの面積が等しくなるように、造形エリア全体が分割されているものである。
【００１０】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、それぞれの光ビームが担当する造形エリアが、該光ビームを走査するそれぞれの光ビーム走査手段から近くになるように造形エリア全体が分割されているものである。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法において、異なる焼結密度からなる三次元形状造形物の造形において、照射する光ビームが焼結密度毎に異なるものである。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、造形前及び任意の造形途中のいずれか一方又は両方において、それぞれの光ビームの照射位置の原点補正を行なうものである。
【００１３】
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記焼結硬化層の形成後に、それまでに積層して得られた三次元形状造形物の表面部及び不要部分のいずれか一方又は両方の切削除去を行なう切削工程を更に備え、造形前及び任意の造形途中のいずれか一方又は両方において、それぞれの光ビームの照射位置及び切削削除位置の原点補正を行なうものである。
【００１４】
請求項９の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、光ビームを分岐して複数の光ビームを形成するものである。
【００１５】
請求項１０の発明は、請求項９に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記光ビームの分岐はハーフミラーによって行なわれるものである。
【００１６】
請求項１１の発明は、請求項９に記載の三次元形状造形物の製造方法において、光ビームの光軸上に設置され該光軸と垂直な回転軸を有し、前記回転軸によって前記光軸との角度を変化させる回転ミラーにより、光ビームを前記回転ミラーによって反射される光ビームと前記回転ミラーの端部の外側を通過する光ビームとに分けることにより前記光ビームを分岐し、前記回転ミラーによる反射光を、該反射光の照射位置に移動する移動ミラーによって受光して照射方向へ反射し、前記回転ミラーと前記光軸との角度を変えることにより、光ビームの分岐量を変えるものである。
【００１７】
請求項１２の発明は、請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記光ビームは、パワーを制御されるものである。
【００１８】
請求項１３の発明は、請求項１２に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記光ビームのパワー制御は、前記光ビームを該光ビームの光軸上に設けられた径の異なる穴に通過させ、該光ビームの一部を制限することにより行なうものである。
【００１９】
請求項１４の発明は、無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層に光ビームを照射して該粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射手段と、を備え、前記粉末層の形成と前記焼結硬化層の形成とを繰り返すことにより下層の焼結硬化層と一体になった新たな焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造装置において、前記照射手段は光ビームを走査する複数の光ビーム走査手段を有し、複数の光ビームを前記粉末層の複数の箇所にそれぞれ照射し、一つの層の造形エリアに対し、複数の光ビームの各々が行う造形エリアを予め決めておき、前記光ビーム走査手段に、同時に、それぞれの造形エリアに対応する異なる走査データを順次実行させて並列動作によって三次元形状造形物を造形すると共に、一つの光ビームが担当する造形エリアを単位面積当たりの領域に小分割し、分割した領域毎に造形終了を検出するものである。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１の発明によれば、複数の光ビームを並列動作によって照射するので、効率良く三次元形状造形物を造形することができる。
【００２１】
請求項２の発明によれば、造形の進捗状況が詳しく分かるので、効率良く三次元形状造形物を造形することができる。
【００２２】
請求項３の発明によれば、それぞれの光ビームは、他の光ビームの造形エリアも造形するので効率良く造形を行なうことができる。
【００２３】
請求項４の発明によれば、それぞれの光ビームの造形エリア面積が等しいので、効率良く造形を行なうことができる。
【００２４】
請求項５の発明によれば、光ビームの照射の位置精度が良くなり、三次元形状造形物の寸法精度が良くなる。
【００２５】
請求項６の発明によれば、光ビームの条件を造形中に変えないので、効率良く造形を行なうことができる。
【００２６】
請求項７の発明によれば、三次元形状造形物の寸法精度が良くなる。
【００２７】
請求項８の発明によれば、切削工程を有する製造方法においても三次元形状造形物の寸法精度が良くなる。
【００２８】
請求項９の発明によれば、製造装置の低コスト化を図ることができると共に、製造装置を小型化することができる。
【００２９】
請求項１０の発明によれば、容易に光ビームを分岐することができる。
【００３０】
請求項１１の発明によれば、光ビームの分岐量を調整し、効率良く造形を行なうことができる。
【００３１】
請求項１２の発明によれば、分岐した光ビーム毎にパワーを変えることができ、効率良く造形を行なうことができる。また、光ビーム毎に通過／遮断の制御を行なうことができる。
【００３２】
請求項１３の発明によれば、分岐した光ビーム毎のパワーを容易に制御することができ、効率良く造形を行なうことができる。
【００３３】
請求項１４の発明によれば、複数の光ビームを並列動作によって照射するので、効率良く三次元形状造形物を造形することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図面を参照して説明する。図１及び図２は、同製造方法に用いられる金属光造形加工機の構成を示す。金属光造形加工機１は、金属粉末２の粉末層２１が敷かれる造形用プレート３と、造形用プレート３を保持し、上下に昇降する造形用テーブル３１と、粉末層２１を形成する粉末層形成部４と、粉末層２１に光ビームを照射する照射部５と造形の進捗状況を撮影するカメラ６と、金属光造形加工機１各部の動作を制御する制御部７１と、を備える。
【００３５】
粉末層形成部４は、金属粉末２を供給する供給槽４１と、供給槽４１の金属粉末２を上昇させる材料用テーブル４２と、粉末層２１を形成するスキージ４３と、を有する。スキージ４３は、方向Ｄに移動して材料用テーブル４１上の金属粉末２を造形用プレート３上に供給する。照射部５は、光ビームＬを発する光ビーム発振器５１と、光ビームＬを複数に分岐する分波器５２と、光ビームＬを通過／遮断するスイッチングデバイス５３と、光ビームＬの径を調整するスポット径変更デバイス５４と、ガルバノミラーにより光ビームＬを粉末層２１の上に走査するスキャナ５５と、光ビームＬを反射して光路に進める反射ミラー５９とを有する。光ビームＬの分岐は３本に限られず、２本以上の複数本とすればよい。また、光ビームＬを分岐する構成に代えて、複数の光ビーム発振器５１を用いて、複数の光ビームを照射する構成としてもよい。金属粉末２は、例えば、平均粒径２０μｍの球形の鉄粉であり、光ビーム発振器５１は、例えば、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザの発振器である。
【００３６】
次に、分波器について説明する。図３は分波器５２の一構成例を示す。分波器５２は、ハーフミラー５２ａと反射ミラー５２ｂとを有している。分波器５２は、光ビームＬをハーフミラー５２ａにより透過光と反射光とに分け、反射光を更に反射ミラー５２ｂによって反射することにより分岐している。光ビームＬを３本以上に分岐する場合には、更にハーフミラー５２ａを用いて光ビームＬを分岐する。このように、ハーフミラーを用いることにより、光ビームを容易に分岐することができる。
【００３７】
図４（ａ）及び（ｂ）は、分波器５２の第１の変形例を示す。分波器５２は、ポリイミド系の材料より構成され、内部にＹ字状に分岐した光導波路５２ｃが形成されている。光ビームＬは光導波路５２ｃを全反射しながら進み、分岐部５２ｄにより分岐される。分波器５２をこのような構成にすることにより、光ビームを容易に分岐することができる。
【００３８】
図５（ａ）は、分波器５２の第２の変形例を示し、図５（ｂ）は、その反射部分を拡大して示す。分波器５２は、回転軸５２ｅを有する回転ミラー５２ｆと、回転ミラー５２ｆによる反射光を反射する移動ミラー５２ｇとを備えている。回転ミラー５２ｆは、光ビームＬの一部を反射するが、回転ミラー５２ｆの端部の外側を通る光ビームＬを通過させる。また、回転ミラー５２ｆは、光ビームＬの光軸との角度を変えることにより、光ビームＬの反射量を変える。このとき、移動ミラー５２ｇは矢印Ｅ方向に移動することにより、光ビームＬの光軸と回転ミラー５２ｆとの角度が変わって反射光の反射方向が変化しても、反射光を受けて照射方向へ反射する。このように、分波器５２は光ビームＬを分岐すると共に、回転ミラー５２ｆと光ビームＬの光軸との角度を変えることにより、光ビームＬの分岐量を変えることができる。
【００３９】
次に、スイッチングデバイス５３について図６を参照して説明する。図６（ａ）及び（ｂ）はスイッチングデバイス５３の一構成例を示す。スイッチングデバイス５３は、回転軸５３ａを有する反射ミラー５３ｂと光ビームＬを吸収するダンパー５３ｃとを備えている。図６（ａ）は、スイッチングデバイス５３が光ビームＬを遮断している状態を示す。光ビームＬを遮断するときは、反射ミラー５３ｂを回転軸５３ａによって回転させ、光ビームＬをダンパー５３ｃの方へ反射させ、ダンパー５３ｃによって吸収する。図６（ｂ）は、光ビームＬを通過させている状態を示す。光ビームＬを通過させるときは、光ビームＬを遮断しないように反射ミラー５３ｂを回転させる。このような構成にすることにより、光ビームＬの通過と遮断を容易に行なうことができる。
【００４０】
図６（ｃ）及び（ｄ）は、スイッチングデバイス５３の変形例を示す。このスイッチングデバイス５３は、回転軸５３ｄを有するダンパー５３ｅを備えている。図６（ｃ）は、スイッチングデバイス５３が光ビームＬを遮断している状態を示す。光ビームＬを遮断するときは、ダンパー５３ｅが光ビームＬの光軸と垂直になるようにダンパー５３ｅを回転軸５３ｄによって回転させ、光ビームＬをダンパー５３ｄによって吸収する。図６（ｄ）は、光ビームＬを通過させている状態を示す。光ビームＬを通過させるときには、ダンパー５３ｅが光ビームＬを遮断しないように、ダンパー５３ｅを光軸と平行になるように回転させる。スイッチングデバイス５３をこのような構成にすることにより、光ビームＬの通過と遮断を容易に行なうことができる。
【００４１】
次に、三次元形状造形物の製造方法を図７及び図８を参照して説明する。図７はそのフローを、図８は、その製造方法を実施したときの時系列状態を示す。まず、図８（ａ）に示すように、造形用プレート３が造形用テーブル３１の上に載置される（ステップＳ１）。次に、制御部は造形用プレート３の上面と基準テーブル３２の上面との段差が長さΔｔになるように、造形用テーブル３１を下降させる（ステップＳ２）。次に、制御部はスキージ４３によって材料用テーブル４２上の金属粉末２を造形用プレート３上に供給する。スキージ４３は、基準テーブル３２の上面と同じ高さで水平方向に移動し、造形用プレート３の上に厚みΔｔの粉末層２１を形成する（ステップＳ３）。このステップＳ２及びＳ３は粉末層形成工程を構成する。
【００４２】
ステップＳ３の後、図８（ｂ）に示すように、制御部は光ビームＬをスキャナによって任意の位置に走査させ（ステップＳ４）、粉末層２１を溶融し造形用プレート３と一体化した厚みΔｔの焼結硬化層２２を形成する（ステップＳ５）。このステップＳ４及びＳ５は照射工程を構成する。
【００４３】
ステップＳ５の後、制御部は造形が終了したかを判断し（ステップＳ６）、終了していないときは、図８（ｃ）、（ｄ）に示すように、ステップＳ２へ戻り、ステップＳ３乃至Ｓ５を繰り返し実行し、焼結硬化層２２を積層する。こうして、図８（ｅ）に示すように、造形が終了するまでステップＳ２乃至Ｓ６を繰り返して、焼結層２２を積層する。
【００４４】
次に、複数の光ビームＬを照射する動作について図９を参照して説明する。図９は、照射を制御するための構成を示す。光ビームＬは分波器５２によって３本の光ビームＬＡ、ＬＢ、ＬＣに分岐している。制御部７１は、それぞれの光ビームＬＡ、ＬＢ、ＬＣの走査データを、対応するスキャナコントローラ７２に送信する。スキャナコントローラ７２は、走査データに基づいて、光ビームＬＡ、ＬＢ、ＬＣの通過／遮断をスイッチングデバイス５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃによって行い、走査をスキャナ５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃによって行う。このようにして、制御部７１は光ビームＬＡ、ＬＢ、ＬＣの制御を行なう。
【００４５】
次に、造形の感知の動作について図１０を参照して説明する。図１０（ａ）は造形エリアＳを、図１０（ｂ）は造形エリアＳの光ビーム毎の分担エリアを示す。造形エリアＳは、２つの光ビームそれぞれが造形する分担エリアＳ１とＳ２に分割されている。図１０（ｃ）は造形の進捗を管理するために単位面積当たりの小領域Ｓ３に小分割された造形エリアを示す。制御部は、小領域Ｓ３毎にカメラによって造形が終了したかを検出する。図１０（ｄ）は、造形途中の分担エリアＳ１及びＳ２の状態を示し、終了エリアＳ１Ｅ及びＳ２Ｅが造形が終了した領域である。
【００４６】
そして、図１０（ｅ）に示すように分担エリアＳ１の造形が終了した時点で分担エリアＳ２の造形が終了していない場合には、図１０（ｆ）に示すように分担エリアＳ１を造形していた光ビームは分担エリアＳ２の造形を行なう。このように、造形エリアを単位面積当たりの小領域Ｓ３に小分割して造形の進捗を管理するので造形の終了状況が分かり易く、一つの光ビームが予定していた分担エリアの造形を終了すると、その光ビームは他の光ビームの分担エリアの造形を行なうことができ、効率良く造形を行なうことができる。
【００４７】
上記分担エリア分割方法は、各分担エリアの面積を等しくするような方法による。図１１（ａ）は、造形する三次元形状造形物の構成を、図１１（ｂ）は三次元形状造形物の水平方向の断面位置を、図１１（ｃ）乃至（ｅ）は、各断面において分割された２つの分担エリアＳ１及びＳ２を示す。断面Ａの位置では、造形エリアを２つの分担エリアＳ１及びＳ２に分割する分割線Ｍ１は断面図中の上下の中間位置にある。断面Ｂの位置では、断面形状が断面Ａでの形状とは異なり、断面Ｂでの分割線Ｍ２は分割線Ｍ１より断面図中で下の方向に移動する。そして、断面Ｃの位置では、分割線Ｍ３は分割線Ｍ１より断面図中で上の方向に移動する。このように、断面の位置によって分割線の位置を変えて分担エリアの面積が等しくなるようにすることにより、効率良く造形を行なうことができる。
【００４８】
また、上記分担エリア分割方法は、各光ビームの分担エリアがそれぞれの光ビームを照射するスキャナ５５から近くになるような方法でもよい。図１２（ａ）は、分割された造形エリアの平面視を、図１２（ｂ）はその正面視を示す。スキャナ５５Ａの分担エリアＳ１は、スキャナ５５Ａの下に設定されている。同様に、分担エリアＳ２はスキャナ５５Ｂの下に、分担エリアＳ３はスキャナ５５Ｃの下に設定されている。分担エリアがそれぞれのスキャナ５５の近くなので、光ビームＬＡ、ＬＢ、ＬＣの照射の位置精度がよく、造形の精度が良くなる。この分担エリアは、スキャナ５５の下でなくても、近くになるように設定すればよい。
【００４９】
また、上記分担エリア分割方法は、三次元形状造形物が焼結密度の異なる領域から構成されている場合、造形エリアの焼結密度毎に分割する方法でもよい。図１３（ａ）（ｂ）は、それぞれ分割された造形エリアの平面視及び正面視の構成を示す。三次元形状造形物は、焼結密度が異なる高密度領域Ｓ１１と中密度領域Ｓ１２と低密度領域Ｓ１３との３領域に分かれている。そして、それぞれの領域毎に、光ビームを照射するスキャナ５５が異なっており、高密度領域Ｓ１１にはスキャナ５５Ａから高密度用の光ビームＬＡを照射し、同様に、中密度領域Ｓ１２にはスキャナ５５Ｂから光ビームＬＢを、低密度領域Ｓ１３にはスキャナ５５Ｃから光ビームＬＣを照射する。
【００５０】
このように焼結密度を変化させるには、光ビームの出力や、走査速度や、走査ピッチを変化させることにより行うが、焼結密度毎に光ビームを設定することにより、光ビームの条件を走査中に変更しなくてよいので効率が良い。また、複数の光ビーム発振器５１を用いる場合には、特定の光ビーム発振器５１を高密度用に出力を高くすれば走査速度を遅くしなくてよいので効率が良い。
【００５１】
次に、第１の実施形態の製造方法の変形例について図１４を参照して説明する。図１４は、本変形例に用いる金属光造形加工機の構成を示す。図示では、照射部についてはスキャナ５５のみを示している。本変形例では、第１の製造方法に加えて、更に造形物の周囲の切削を行う。金属光造形加工機１は、第１の実施形態に係る金属光造形加工機に加えて、造形物の周囲を削るミーリングヘッド７３と、ミーリングヘッド７３を切削箇所に移動させるＸＹ駆動機構７４とを有している。本変形例では、粉末層形成工程と照射工程を繰り返して焼結硬化層の厚みがミーリングヘッド７３の有効刃長から定めた厚み以上になると、ＸＹ駆動機構７４によってミーリングヘッド７３を矢印Ｘ及び矢印Ｙ方向に移動させ、造形物の表面部及び不要部分を切削する切削工程を行う。製造される三次元形状造形物の表面粗さが細かくなり、寸法精度が向上する。
【００５２】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図１５を参照して説明する。本実施形態においては、第１の実施形態の製造方法に加えて、更に光ビームの照射位置と切削削除位置の原点補正を行う。図１５（ａ）は、本実施形態に用いる金属光造形加工機の構成を示す。金属光造形加工機１は、ミーリングヘッド７３を備え、ミーリングヘッド７３の横に撮像カメラ７５と照明部７６を有している。原点補正は、造形前に造形用テーブル３１の上にターゲット板７７を設置し、ターゲット板７７にミーリングヘッド７３による切削や光ビームＬによって印を付け、その印の位置に撮像カメラ７５と照明部７６をＸＹ駆動機構７４によって移動させて、その印の座標を測定することにより行う。原点補正を造形途中に行う場合には、造形を停止し、ターゲット板７７を造形物の上に設置し、そのターゲット板７７を用いて上述したのと同一の方法によって行う。
【００５３】
原点補正の一例として、光ビームの照射位置の原点補正の方法を説明する。図１５（ｂ）は、ターゲット板７７の平面視を示し、図１５（ｃ）は、ターゲット板７７に印された格子パターンを拡大して示す。最初にターゲット板７７を造形用テーブル３１の上に設置する。ターゲット板７７は、光ビームが炭酸ガスレーザの場合は、例えば感熱紙やアクリル板を用い、ＹＡＧレーザの場合は、例えば不透明アクリルの表面に白色の塗装を施した板を用いる。続いて、ターゲット板７７に光ビームＬによって格子パターン７８を印す。
【００５４】
続いて、撮像カメラ７５をＸＹ駆動機構７４によって、各格子点７９に移動させ、各格子点７９の座標を測定し、本来のあるべき座標との誤差をＸ方向とＹ方向とについて計測する。全ての格子点７９の誤差の平均ΔＸとΔＹとを算出し、Ｘ方向とＹ方向のズレを補正する。続いて、格子パターン７８の４隅の点Ｅ１乃至Ｅ４の座標を測定し、点Ｅ１点Ｅ２間、点Ｅ１点Ｅ３間、点Ｅ２点Ｅ４間、点Ｅ３点Ｅ４間の距離を測定し、本来のあるべき距離との誤差を計測する。この誤差から、Ｘ方向及びＹ方向のゲイン（拡大率）を補正する。こうして、Ｘ、Ｙ方向のズレとゲインの補正を繰り返すことにより、原点の補正を行う。切削削除位置の原点補正も光ビームの照射位置の原点補正と同様に行う。原点補正を行なうことにより三次元形状造形物の寸法精度が良くなる。
【００５５】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図１６を参照して説明する。本実施形態においては、第１の実施形態に更に加えて光ビームのパワーの制御を行う。
【００５６】
図１６（ａ）は、パワー可変デバイス５６の構成を示す。パワー可変デバイス５６は、光ビームの光軸上に設置されており、中心に軸５７を有した円板状の形態であり、円板の周辺部に直径が異なる複数の穴５８ａ乃至５８ｃから成る穴５８を備えている。パワー可変デバイス５６は軸５７を中心に回転して、所定の直径の穴５８を光ビームＬの光軸に合わせる。このとき、穴５８の中心と光ビームＬの光軸とが合うように穴５８が開けられている。図１６（ｂ）は、光ビームＬを１００％透過させている状態を示す。光ビームＬの光軸には、穴の直径が光ビームＬの直径よりも大きい穴５８ａが合わせられており、光ビームＬはパワーを制限されることなく、穴５８ａを通過している。図１６（ｃ）は、光ビームＬの透過量を制限している状態を示す。光ビームＬの光軸には、穴の直径が光ビームＬの直径よりも小さい穴５８ｂ、又は５８ｃが合わせられており、光ビームＬは、穴の直径よりも大きい分のパワーを制限されている。
【００５７】
このパワー可変デバイス５６には穴５８が開いていない箇所も設けられており、穴５８が開いていない箇所を光ビームＬの光軸に合わせることにより、光ビームＬを遮断することができる。このように、パワー可変デバイス５６を用いることにより、同じ光ビームから分割された光ビームでも、光ビーム毎に出力を調整し、造形物の密度を変化させることができる。また、光ビームの通過／遮断の制御を行うこともできる。
【００５８】
次に、このパワー可変デバイスの変形例を説明する。図１７（ａ）乃至（ｃ）はパワー可変デバイスが光ビームのパワーを制限している状態を示す。パワー可変デバイス５６は液晶パネルにより構成されており、液晶パネルへの電圧印加により透過度を変更することができる。この液晶パネルを光ビームの光軸上に設置し、液晶パネルの透過度を調整することにより、光ビームのパワーを調整する。図１７（ａ）においては、光ビームＬを１００％透過させており、図１７（ｂ）においては、光ビームＬを５０％透過させており、図１７（ｃ）においては、光ビームを遮断している。液晶の透過度を細かく変えることができるので、光ビームのパワーを細かく制御することができる。
【００５９】
なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、金属粉末の組成は、上記実施形態の構成に限られないし、また、有機質の粉末材料でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る製造方法に用いる金属光造形加工機の斜視図。
【図２】同金属光造形加工機の構成図。
【図３】同金属光造形加工機の分波器の構成図。
【図４】（ａ）は同金属光造形加工機の分波器の第１の変形例の斜視図、（ｂ）は平面図。
【図５】（ａ）は同金属光造形加工機の分波器の第２の変形例の正面図、（ｂ）は分波器の反射部分の拡大図。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は同金属光造形加工機のスイッチングデバイスの正面図、（ｃ）及び（ｄ）はスイッチングデバイスの変形例の正面図。
【図７】第１の実施形態に係る製造方法のフロー図。
【図８】同製造方法を時系列に示す図。
【図９】同製造方法における光ビームの制御方法を示す図。
【図１０】同製造方法における造形の感知方法を示す図。
【図１１】同製造方法における造形エリアから分割された分担エリアを示す図。
【図１２】造形エリアの分割方法の第１の変形例を示す図。
【図１３】造形エリアの分割方法の第２の変形例を示す図。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る製造方法に用いる金属光造形加工機の斜視図。
【図１５】（ａ）は同金属光造形加工機の正面図、（ｂ）は同金属光造形加工機に用いるターゲット板の平面図、（ｃ）はターゲット板の拡大図。
【図１６】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る製造方法に用いるパワー可変デバイスの斜視図、（ｂ）及び（ｃ）はパワー可変デバイスが光ビームのパワーを制御している状態を示す図。
【図１７】（ａ）乃至（ｃ）は変形例のパワー可変デバイスが光ビームのパワーを制御している状態を示す図。
【符号の説明】
【００６１】
１ 金属光造形加工機（三次元形状造形物の製造装置）
２１ 粉末層
２２ 焼結硬化層
４ 粉末層形成部（粉末層形成手段）
５ 照射部（照射手段）
５２ａ ハーフミラー
５２ｅ 回転軸
５２ｆ 回転ミラー
５２ｇ 移動ミラー
５５ スキャナ（光ビーム走査手段）
Ｌ 光ビーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層に光ビームを照射して該粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射工程とを備え、前記粉末層形成工程と照射工程とを繰り返すことにより下層の焼結硬化層と一体になった新たな焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、
前記光ビームを走査する複数の光ビーム走査手段を有し、
前記光ビームを前記粉末層の複数の箇所に照射すると共に、一つの層の造形エリアに対し、複数の光ビームが行う造形エリアを予め決めておき、
前記光ビーム走査手段に、同時に、それぞれの造形エリアに対応する異なる走査データを順次実行させ、並列動作によって三次元形状造形物を造形することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
【請求項２】
一つの光ビームが担当する造形エリアを単位面積当たりの領域に小分割し、分割した領域毎に造形終了を検出することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項３】
一つの光ビームが担当する造形エリアの造形を終了すると、他の光ビームの造形エリアの造形を行なうことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項４】
それぞれの光ビームが担当する各層の造形エリアの面積が等しくなるように、造形エリア全体が分割されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項５】
それぞれの光ビームが担当する造形エリアが、該光ビームを走査するそれぞれの光ビーム走査手段から近くになるように造形エリア全体が分割されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項６】
異なる焼結密度からなる三次元形状造形物の造形において、照射する光ビームが焼結密度毎に異なることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項７】
造形前及び任意の造形途中のいずれか一方又は両方において、それぞれの光ビームの照射位置の原点補正を行なうことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項８】
前記焼結硬化層の形成後に、それまでに積層して得られた三次元形状造形物の表面部及び不要部分のいずれか一方又は両方の切削除去を行なう切削工程を更に備え、造形前及び任意の造形途中のいずれか一方又は両方において、それぞれの光ビームの照射位置及び切削削除位置の原点補正を行なうことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項９】
光ビームを分岐して複数の光ビームを形成することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項１０】
前記光ビームの分岐はハーフミラーによって行なわれることを特徴とする請求項９に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項１１】
光ビームの光軸上に設置され該光軸と垂直な回転軸を有し、前記回転軸によって前記光軸との角度を変化させる回転ミラーにより、光ビームを前記回転ミラーによって反射される光ビームと前記回転ミラーの端部の外側を通過する光ビームとに分けることにより前記光ビームを分岐し、前記回転ミラーによる反射光を、該反射光の照射位置に移動する移動ミラーによって受光して照射方向へ反射し、前記回転ミラーと前記光軸との角度を変えることにより、光ビームの分岐量を変えることを特徴とする請求項９に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項１２】
前記光ビームは、パワーを制御されることを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項１３】
前記光ビームのパワー制御は、前記光ビームを該光ビームの光軸上に設けられた径の異なる穴に通過させ、該光ビームの一部を制限することにより行なうことを特徴とする請求項１２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項１４】
無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層に光ビームを照射して該粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射手段と、を備え、前記粉末層の形成と前記焼結硬化層の形成とを繰り返すことにより下層の焼結硬化層と一体になった新たな焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造装置において、
前記照射手段は光ビームを走査する複数の光ビーム走査手段を有し、複数の光ビームを前記粉末層の複数の箇所にそれぞれ照射し、一つの層の造形エリアに対し、複数の光ビームの各々が行う造形エリアを予め決めておき、
前記光ビーム走査手段に、同時に、それぞれの造形エリアに対応する異なる走査データを順次実行させて並列動作によって三次元形状造形物を造形すると共に、
一つの光ビームが担当する造形エリアを単位面積当たりの領域に小分割し、分割した領域毎に造形終了を検出することを特徴とする三次元形状造形物の製造装置。
【請求項１】
無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成工程と、前記粉末層に光ビームを照射して該粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射工程とを備え、前記粉末層形成工程と照射工程とを繰り返すことにより下層の焼結硬化層と一体になった新たな焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造方法において、
前記光ビームを走査する複数の光ビーム走査手段を有し、
前記光ビームを前記粉末層の複数の箇所に照射すると共に、一つの層の造形エリアに対し、複数の光ビームが行う造形エリアを予め決めておき、
前記光ビーム走査手段に、同時に、それぞれの造形エリアに対応する異なる走査データを順次実行させ、並列動作によって三次元形状造形物を造形することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
【請求項２】
一つの光ビームが担当する造形エリアを単位面積当たりの領域に小分割し、分割した領域毎に造形終了を検出することを特徴とする請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項３】
一つの光ビームが担当する造形エリアの造形を終了すると、他の光ビームの造形エリアの造形を行なうことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項４】
それぞれの光ビームが担当する各層の造形エリアの面積が等しくなるように、造形エリア全体が分割されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項５】
それぞれの光ビームが担当する造形エリアが、該光ビームを走査するそれぞれの光ビーム走査手段から近くになるように造形エリア全体が分割されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項６】
異なる焼結密度からなる三次元形状造形物の造形において、照射する光ビームが焼結密度毎に異なることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項７】
造形前及び任意の造形途中のいずれか一方又は両方において、それぞれの光ビームの照射位置の原点補正を行なうことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項８】
前記焼結硬化層の形成後に、それまでに積層して得られた三次元形状造形物の表面部及び不要部分のいずれか一方又は両方の切削除去を行なう切削工程を更に備え、造形前及び任意の造形途中のいずれか一方又は両方において、それぞれの光ビームの照射位置及び切削削除位置の原点補正を行なうことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項９】
光ビームを分岐して複数の光ビームを形成することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項１０】
前記光ビームの分岐はハーフミラーによって行なわれることを特徴とする請求項９に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項１１】
光ビームの光軸上に設置され該光軸と垂直な回転軸を有し、前記回転軸によって前記光軸との角度を変化させる回転ミラーにより、光ビームを前記回転ミラーによって反射される光ビームと前記回転ミラーの端部の外側を通過する光ビームとに分けることにより前記光ビームを分岐し、前記回転ミラーによる反射光を、該反射光の照射位置に移動する移動ミラーによって受光して照射方向へ反射し、前記回転ミラーと前記光軸との角度を変えることにより、光ビームの分岐量を変えることを特徴とする請求項９に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項１２】
前記光ビームは、パワーを制御されることを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項１３】
前記光ビームのパワー制御は、前記光ビームを該光ビームの光軸上に設けられた径の異なる穴に通過させ、該光ビームの一部を制限することにより行なうことを特徴とする請求項１２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項１４】
無機質又は有機質の粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成手段と、前記粉末層に光ビームを照射して該粉末層を溶融させ焼結硬化層を形成する照射手段と、を備え、前記粉末層の形成と前記焼結硬化層の形成とを繰り返すことにより下層の焼結硬化層と一体になった新たな焼結硬化層を積層して三次元形状造形物を造形する三次元形状造形物の製造装置において、
前記照射手段は光ビームを走査する複数の光ビーム走査手段を有し、複数の光ビームを前記粉末層の複数の箇所にそれぞれ照射し、一つの層の造形エリアに対し、複数の光ビームの各々が行う造形エリアを予め決めておき、
前記光ビーム走査手段に、同時に、それぞれの造形エリアに対応する異なる走査データを順次実行させて並列動作によって三次元形状造形物を造形すると共に、
一つの光ビームが担当する造形エリアを単位面積当たりの領域に小分割し、分割した領域毎に造形終了を検出することを特徴とする三次元形状造形物の製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００９−６５０９（Ｐ２００９−６５０９Ａ）
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６７８２６（Ｐ２００７−１６７８２６）
【出願日】平成１９年６月２６日（２００７．６．２６）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月１５日（２００９．１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２６日（２００７．６．２６）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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