JP7221107B2 - Apparatus for manufacturing three-dimensional model and method for manufacturing three-dimensional model - Google Patents
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Description
本発明は、三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法に関する。 The present invention relates to a three-dimensional structure manufacturing apparatus and a three-dimensional structure manufacturing method.
スポット状のレーザ光を金属粉体に照射することによって、スポット状の領域に存在する金属粉体を焼結させる積層造形装置が知られている。これにより、スポット状のレーザ光を順次、金属粉体に照射して、金属製の三次元造形物を製造する。また、Grating Light Valve(GLV:登録商標)を用いて、ライン状のレーザ光を金属粉体に照射することによって、ライン状の領域に存在する金属粉体を同時に焼結させる積層造形装置も開示されている(例えば、特許文献1参照)。これにより、ライン状のレーザ光を順次、金属粉体に照射して、金属製の三次元造形物を高速に製造する。
2. Description of the Related Art Laminated molding apparatuses are known that sinter metal powder existing in spot-like regions by irradiating the metal powder with spot-like laser light. As a result, the metal powder is sequentially irradiated with spot-shaped laser light to manufacture a metal three-dimensional structure. Also disclosed is a layered manufacturing apparatus that simultaneously sinters the metal powder present in the line-shaped region by irradiating the metal powder with a line-shaped laser beam using a Grating Light Valve (GLV: registered trademark). (See
しかしながら、ライン状のレーザ光を金属粉体に照射した場合に、所望の形状の三次元造形物を製造できなかった。本件発明者らは、上記課題を解決するために、ライン状のレーザ光を金属粉体に照射した場合に、所望の形状の三次元造形物を製造する方法について検討を行った。そこで、所定領域において、レーザ光によって溶融した金属材料が流動することがわかった。例えば、所定領域が複数の単位空間を含む場合、第1の単位空間に存在した第1の金属材料と、第2の単位空間に存在した第2の金属材料とが、各単位空間で焼結せず、第1の単位空間と第2の単位空間との間で第1の金属材料と第2の金属材料とが混ざり合った。特に、所定領域のうち、端部に位置する第1の単位空間に存在した第1の金属材料と、中央部に位置する第2の単位空間に存在した第2の金属材料との間に温度差が生じて、温度差により第1の金属材料と第2の金属材料とが対流した。 However, when a line-shaped laser beam is applied to metal powder, a three-dimensional model having a desired shape cannot be manufactured. In order to solve the above problems, the present inventors studied a method for manufacturing a three-dimensional structure having a desired shape when a linear laser beam is irradiated onto metal powder. Therefore, it has been found that the metal material melted by the laser beam flows in a predetermined area. For example, when the predetermined region includes a plurality of unit spaces, the first metal material existing in the first unit space and the second metal material existing in the second unit space are sintered in each unit space. Instead, the first metal material and the second metal material were mixed between the first unit space and the second unit space. In particular, the temperature between the first metal material existing in the first unit space located in the end portion and the second metal material existing in the second unit space located in the central portion of the predetermined area was A difference was created and the temperature difference caused convection between the first metal material and the second metal material.
また、混ざり合った第1の金属材料及び第2の金属材料の界面には、表面張力が生じて、表面張力により第1の金属材料と第2の金属材料とが流動した。例えば、第1の金属材料及び第2の金属材料の界面形状は、平面でなく球面になった。よって、対流情報及び/又は表面張力情報に基づいて、ライン状のレーザ光において、強度の分布を持たせることを見出した。例えば、第1の金属材料に照射するレーザ光の強度を強くし、第2の金属材料に照射するレーザ光の強度を弱くした。すなわち、対流情報及び/又は表面張力情報を含む流動情報に基づいて作成された強度の分布を用いて、造形材料にレーザ光を照射することを見出した。 Moreover, surface tension was generated at the interface between the first metal material and the second metal material that were mixed together, and the first metal material and the second metal material flowed due to the surface tension. For example, the interface shape of the first metallic material and the second metallic material became spherical rather than planar. Therefore, the present inventors have found that a line-shaped laser beam has an intensity distribution based on convection information and/or surface tension information. For example, the intensity of the laser light with which the first metal material is irradiated is increased, and the intensity of the laser light with which the second metal material is irradiated is decreased. That is, the present inventors have found that the modeling material is irradiated with a laser beam using an intensity distribution created based on flow information including convection information and/or surface tension information.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、所望の形状の三次元造形物を素早く製造できる三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a three-dimensional structure manufacturing apparatus and a three-dimensional structure manufacturing method capable of quickly manufacturing a three-dimensional structure having a desired shape. be.
本発明の一局面によれば、三次元造形物の製造装置は、複数の単位空間を含む所定造形空間中に三次元造形物を製造する。三次元造形物の製造装置は、ビーム照射部と、制御装置とを備える。前記ビーム照射部は、造形材料にビームを照射する。前記制御装置は、ビーム照射部を制御する。前記ビーム照射部は、前記複数の単位空間のうち少なくとも2つの単位空間に対して、それぞれ、互いに異なる強度を有する前記ビームを導くことが可能である。前記制御装置は、流動情報に基づいて作成された前記強度の分布を有する前記ビームを前記造形材料に照射するように、前記ビーム照射部を制御する照射制御部を有する。前記流動情報は、前記少なくとも2つの単位空間が隣接する場合に、前記少なくとも2つの単位空間の間で、前記造形材料が流動する情報を含む。 According to one aspect of the present invention, a three-dimensional structure manufacturing apparatus manufactures a three-dimensional structure in a predetermined modeling space including a plurality of unit spaces. A three-dimensional structure manufacturing apparatus includes a beam irradiation unit and a control device. The beam irradiation unit irradiates the modeling material with a beam. The controller controls the beam irradiation unit. The beam irradiation section can direct the beams having different intensities to at least two unit spaces among the plurality of unit spaces. The control device has an irradiation control unit that controls the beam irradiation unit so as to irradiate the modeling material with the beam having the intensity distribution created based on the flow information. The flow information includes information on how the modeling material flows between the at least two unit spaces when the at least two unit spaces are adjacent to each other.
本発明の三次元造形物の製造装置において、前記ビーム照射部は、レーザ光源と、所定方向に並んだ前記複数の単位空間に対して前記ビームを同時に導く光変調器と、前記レーザ光源から発振されたレーザ光を、前記所定方向に延びるラインビームに整形して、前記光変調器に導く照明光学系とを有することが好ましい。 In the three-dimensional structure manufacturing apparatus of the present invention, the beam irradiation unit includes a laser light source, an optical modulator that simultaneously guides the beam to the plurality of unit spaces arranged in a predetermined direction, and oscillation from the laser light source. and an illumination optical system that shapes the laser beam thus obtained into a line beam extending in the predetermined direction and guides it to the optical modulator.
本発明の三次元造形物の製造装置において、前記光変調器は、基台と、固定反射面を有する固定部材と、可動反射面を有する可動部材とを有し、複数の前記固定部材と複数の前記可動部材とは、前記所定方向に並べられ、前記複数の固定部材は、前記基台に固定され、前記複数の可動部材は、前記固定反射面に対して、前記可動反射面に垂直な方向に移動可能であることが好ましい。 In the three-dimensional structure manufacturing apparatus of the present invention, the optical modulator has a base, a fixed member having a fixed reflecting surface, and a movable member having a movable reflecting surface. The movable members are arranged in the predetermined direction, the plurality of fixed members are fixed to the base, and the plurality of movable members are perpendicular to the fixed reflecting surface and the movable reflecting surface. It is preferably movable in a direction.
本発明の三次元造形物の製造装置において、前記制御装置は、前記三次元造形物の形状を示す造形データ及び前記流動情報に基づいて、前記強度の分布を示す露光データを作成する露光データ作成部を更に有し、前記照射制御部は、前記露光データに基づいて、前記ビームを前記造形材料に照射することが好ましい。 In the three-dimensional structure manufacturing apparatus of the present invention, the control device creates exposure data representing the intensity distribution based on modeling data representing the shape of the three-dimensional structure and the flow information. The irradiation control unit preferably irradiates the modeling material with the beam based on the exposure data.
本発明の三次元造形物の製造装置において、前記ビーム照射部から出射された前記ビームを、前記複数の単位空間のうち選択された所定の単位空間に順次、導く走査部を更に備えることが好ましい。 The apparatus for manufacturing a three-dimensional structure according to the present invention preferably further includes a scanning unit that sequentially guides the beam emitted from the beam irradiation unit to a predetermined unit space selected from among the plurality of unit spaces. .
本発明の三次元造形物の製造装置において、前記走査部は、ガルバノミラーを有し、前記ガルバノミラーは、前記ビーム照射部から出射された前記ビームの進行方向を変更することが好ましい。 In the three-dimensional structure manufacturing apparatus of the present invention, it is preferable that the scanning unit has a galvano-mirror, and the galvano-mirror changes the traveling direction of the beam emitted from the beam irradiation unit.
本発明の三次元造形物の製造装置において、前記造形材料が供給されるステージを更に備え、前記走査部は、前記ステージを移動させることが好ましい。 The three-dimensional structure manufacturing apparatus of the present invention preferably further includes a stage to which the modeling material is supplied, and the scanning section moves the stage.
本発明の他の局面によれば、三次元造形物の製造方法は、複数の単位空間を含む所定造形空間中に三次元造形物を製造する。三次元造形物の製造方法は、制御工程と、作製工程とを含む。前記制御工程は、流動情報に基づいて作成された強度の分布を有するビームを造形材料に照射する。前記作製工程は、前記制御工程によって、高さが略一定である焼結体を作製する。前記流動情報は、前記少なくとも2つの単位空間が隣接する場合に、前記少なくとも2つの単位空間の間で、前記造形材料が流動する情報を含む。 According to another aspect of the present invention, a method for manufacturing a three-dimensional structure manufactures a three-dimensional structure in a predetermined modeling space including a plurality of unit spaces. A method for manufacturing a three-dimensional structure includes a control process and a production process . The control step irradiates the modeling material with a beam having an intensity distribution created based on the flow information. In the manufacturing step, a sintered body having a substantially constant height is manufactured by the controlling step. The flow information includes information on how the modeling material flows between the at least two unit spaces when the at least two unit spaces are adjacent to each other.
本発明によれば、所望の形状の三次元造形物を素早く製造できる。 According to the present invention, a three-dimensional structure having a desired shape can be quickly manufactured.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、図中、同一又は相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「左」又は「右」の特定の位置と方向とを意味する用語が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、実際に実施される際の方向とは関係しないものである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. Also, even though the descriptions below may use the terms "upper", "lower", "left" or "right" to refer to specific positions and directions, these terms are They are used for convenience in order to facilitate understanding of the contents of the embodiments, and are irrelevant to the direction in which they are actually implemented.
<実施の形態>
以下、本実施の形態に関する三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法について説明する。
<Embodiment>
A three-dimensional structure manufacturing apparatus and a three-dimensional structure manufacturing method according to the present embodiment will be described below.
図1を参照して、本発明による三次元造形物の製造装置100の実施形態を説明する。図1は、本実施形態の三次元造形物の製造装置100を示す図である。なお、本願明細書では、発明の理解を容易にするため、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸を記載することがある。X軸及びY軸は水平方向に平行であり、Z軸は鉛直方向に平行である。
An embodiment of a three-dimensional
図1に示すように、製造装置100は、ビーム照射部40と、制御装置20とを備える。ビーム照射部40は、造形材料にビームL32を照射する。制御装置20は、ビーム照射部40を制御する。具体的には、制御装置20は、CPU(Central Processing Unit)のようなプロセッサーを含む。
As shown in FIG. 1 , the
また、製造装置100は、走査機構(走査部)19と、供給機構16と、記憶部30とを更に備える。記憶部30は、記憶装置を含む。具体的には、記憶部30は、半導体メモリーのような主記憶装置、並びに、半導体メモリー及び/又はハードディスクドライブのような補助記憶装置を含む。
The
製造装置100は、所定造形空間SP中に三次元造形物を製造する。所定造形空間SPは、三次元空間である。所定造形空間SPは、複数の単位空間を含む。例えば、複数の単位空間は、それぞれ互いに同じ体積を有する立方体形状を有する。例えば、複数の単位空間は、N行×M列×S層の単位空間を含む。N、M及びSのうちの少なくとも1つは2以上の整数を示す。複数の単位空間は、Y方向に第1行から第N行まで順に並び、X方向に第1列から第M列まで順に並び、Z方向に第1層から第S層まで順に並んでいる。供給機構16の所定の空間に所定造形空間SPが設定されたデータを、記憶部30は記憶する。
The
三次元造形物は、造形材料によって所望の形状に製造される。造形材料は、粉末又はペーストであり、例えば、金属粉体、エンジニアリングプラスチック、セラミックス、合成樹脂である。金属粉体は、チタン、アルミニウム又はステンレスである。三次元造形物を製造する造形材料には、複数の種類の造形材料が含まれてもよい。 A three-dimensional modeled object is manufactured into a desired shape using a modeling material. The modeling materials are powders or pastes, such as metal powders, engineering plastics, ceramics, and synthetic resins. The metal powder is titanium, aluminum or stainless steel. A plurality of types of modeling materials may be included in the modeling materials for manufacturing the three-dimensional modeled object.
造形材料は、例えば、供給機構16によって所定の単位空間に供給される。そして、ビームL32が照射されると造形材料の温度が上昇して、造形材料の表面又は全体が溶融して、ビームL32の照射が停止されると、造形材料は焼結体となる。また、所望の形状としては、特に限定されない。所望の形状を示す造形データは、例えば、製造者により記憶部30に記憶される。造形データは、例えば、CAD(Computer Aided Design)データである。
A modeling material is supplied to a predetermined unit space by, for example, a
引き続き、造形材料にビームL32を照射するビーム照射部40の詳細を説明する。ビーム照射部40は、レーザ光源10と、照明光学系11と、光変調器14と、投影光学系18とを有する。
Subsequently, the details of the
レーザ光源10は、レーザ光L30を照明光学系11に発振する。レーザ光源10は、例えば、ファイバーレーザ光源である。レーザ光L30の波長は、例えば、1064nmである。例えば、レーザ光L30の進行方向に対して垂直な面におけるレーザ光L3の断面形状は、略円形である。また、レーザ光L30の進行方向に対して垂直な面におけるレーザ光L3の断面寸法は、進行方向に進行すればするほど大きくなっていく。
The
照明光学系11は、レーザ光L30をラインビームL31に整形して、ラインビームL31を光変調器14に導く。具体的には、照明光学系11は、複数のレンズを備える。例えば、ラインビームL31は、ラインビームL31の進行方向に対して垂直な面において進行方向に進行しても大きさが一定である平行光である。また、ラインビームL31は、垂直な面において略均一な強度を有する。例えば、ラインビームL31は、垂直な面において所定方向に長い略長方形を有する。所定方向は、例えばY軸方向である。
The illumination
光変調器14は、ラインビームL31をビームL32に変調して、ビームL32を投影光学系18に出射する。光変調器14は、例えば、GLV(登録商標)、PLV(登録商標)(Planar Light Valve)又はDMD(Digital Mirror Device)である。光変調器14は、制御装置20によって制御される。その結果、ビームL32は、少なくとも所定方向において異なる強度の分布を有する。
The
投影光学系18は、ビームL32で中間像を形成した後、ビームL32を走査機構19に出射する。例えば、投影光学系18は、複数のレンズを備える。
After forming an intermediate image with the beam L32, the projection
引き続き、走査機構19の詳細を説明する。走査機構19は、ビームL32を反射して、ビームL32を造形材料に照射する。走査機構19は、例えば、ガルバノミラーを有する。ガルバノミラーは、例えば、所定方向を回転軸として回転する。
Next, the details of the
詳細には、走査機構19は、複数の単位空間のうち少なくとも2つの単位空間に対して、それぞれ、互いに異なる強度を有するビームL32を導く。具体的には、走査機構19は、所定方向に並んだ複数の単位空間に対してビームL32を導く。例えば、第1の単位空間に対して、第1の強度を有するビームL32を導く。また、第2の単位空間に対して、第2の強度を有するビームL32を導く。その結果、複数の単位空間に造形材料が供給されていると、第1の単位空間に存在する造形材料に第1の強度を有するビームL32が照射され、第2の単位空間に存在する造形材料に第2の強度を有するビームL32が照射される。
Specifically, the
また、走査機構19は、複数の単位空間のうち選択された所定の複数の単位空間に順次、ビームL32を導く。すなわち、走査機構19は、ビームL32を走査する。例えば、ガルバノミラーは、ビーム照射部40から出射されたビームL32の進行方向を変更する。具体的には、ガルバノミラーが回転して、ビームL32を走査方向に走査する。走査方向は、所定方向に垂直な方向であり、例えば、X軸方向である。具体的には、第m列の複数の単位空間に対してビームL32を導く。例えば、第m列第n行の単位空間に対して、第1の強度を有するビームL32を導くと同時に、第m列第(n+1)行の単位空間に対して、第2の強度を有するビームL32を導く。その後、第(m+1)列の複数の単位空間に対してビームL32を導く。例えば、第(m+1)列第n行の単位空間に対して、第3の強度を有するビームL32を導くと同時に、第(m+1)列第(n+1)行の単位空間に対して、第4の強度を有するビームL32を導く。
Further, the
引き続き、複数の単位空間に造形材料を供給する供給機構16の詳細を説明する。詳細には、供給機構16は、複数の単位空間のうち選択された所定の複数の単位空間に順次、造形材料層を形成する。造形材料層は、造形材料からなる。例えば、第s層の複数の単位空間に第1の造形材料層を形成する。その後、第(s+1)層の複数の単位空間に第2の造形材料層を形成する。具体的には、供給機構16は、パートシリンダー16Aと、フィードシリンダー16Bと、スキージ16Dとを備える。
Next, the details of the
フィードシリンダー16Bは、フィードシリンダー16Bの内部に下面を有する。下面は、フィードシリンダー16Bの内部でZ軸方向に移動可能である。フィードシリンダー16Bの内部で下面の上部には、造形材料が収容されている。一方、パートシリンダー16Aは、パートシリンダー16Aの内部に下面を有する。下面は、パートシリンダー16Aの内部でZ軸方向に移動可能である。パートシリンダー16Aの内部で下面の上部には、所定造形空間SPが設定されている。
The
パートシリンダー16Aの内部には、フィードシリンダー16Bから造形材料が供給される。具体的には、パートシリンダー16Aの下面を所定距離、下降させる。一方、フィードシリンダー16Bの下面を所定距離、上昇させる。そして、フィードシリンダー16Bからパートシリンダー16Aへ向かって、スキージ16Dを移動させる。その結果、所定量の造形材料がフィードシリンダー16Bの内部からパートシリンダー16Aの内部へ移動する。
A molding material is supplied from the
次に、制御装置20の詳細を説明する。制御装置20は、ビーム照射部40及び供給機構16を制御する。具体的には、制御装置20は、照射制御部21を含む。そして、制御装置20のプロセッサーは、記憶部30の記憶装置に記憶されたコンピュータープログラムを実行することによって、照射制御部21として機能する。
Next, details of the
照射制御部21は、ビーム照射部40を制御する。具体的には、照射制御部21は、レーザ制御部20Cと、変調制御部20Aとを有する。
The
レーザ制御部20Cは、レーザ光源10を制御する。詳細には、レーザ制御部20Cは、レーザ光源10からレーザ光L30を発振させる。
A
変調制御部20Aは、ビームL32を造形材料に照射するように、光変調器14を制御する。ビームL32は、強度の分布を有する。強度の分布は、造形データ及び流動情報に基づいて作成される。流動情報は、少なくとも2つの単位空間が隣接する場合に、少なくとも2つの単位空間の間で、造形材料が流動する情報を含む。流動情報は、例えば、対流情報及び/又は表面張力情報を含む。流動情報は、造形材料の種類の情報を含んでもよい。また、2つの単位空間の間に隙間(空間)が形成されている場合に、2つの単位空間の間で造形材料が移動するときには、2つの単位空間は隣接することに含まれる。
The
強度の分布を示すデータは、露光データ(露光強度のプロファイル)BPとして、記憶部30に記憶されている。すなわち、変調制御部20Aは、露光データBPに基づいて光変調器14を制御することによって、造形データ及び流動情報に基づいて作成された強度の分布を有するビームL32を作成する。
Data indicating the intensity distribution is stored in the
続けて、図2及び図3を参照して、露光データBPを詳細に説明する。図2(a)は、実施形態に係る所定方向における露光データBPの一例を示す図である。図2(a)において、縦軸は露光強度を示し、横軸は所定造形空間SPにおける所定方向位置を示す。また、図2(b)は、図2(a)に示す露光データBPに基づいて作製された焼結体の形状を示す図である。図2(b)において、縦軸は焼結体の高さを示し、横軸は所定造形空間SPにおける所定方向位置を示す。所定方向には複数の単位空間が第1の単位空間から順に並んでいる。 Subsequently, the exposure data BP will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. FIG. 2A is a diagram showing an example of exposure data BP in a predetermined direction according to the embodiment. In FIG. 2(a), the vertical axis indicates the exposure intensity, and the horizontal axis indicates the predetermined direction position in the predetermined modeling space SP. FIG. 2(b) is a diagram showing the shape of a sintered body produced based on the exposure data BP shown in FIG. 2(a). In FIG. 2(b), the vertical axis indicates the height of the sintered body, and the horizontal axis indicates the predetermined direction position in the predetermined molding space SP. A plurality of unit spaces are arranged in order from the first unit space in a predetermined direction.
図2(a)に示すように、第4~第11の単位空間にビームL32は導かれる。第4の単位空間と第5の単位空間とは隣接し、第5の単位空間と第6の単位空間とは隣接するように、第4~第11の単位空間は所定方向に連続している。第4、第5、第10及び第11の単位空間は、8個の単位空間の端部に位置する。第4、第5、第10及び第11の単位空間には、強い露光強度を有するビームL32が導かれる。一方、第6~第9の単位空間は、8個の単位空間の中央部に位置する。第6~第9の単位空間には、弱い露光強度を有するビームL32が導かれる。これにより、図2(b)に示すように、端部と中央部との温度差を抑制したので、第4~第11の単位空間の間での造形材料の対流が抑制された。対流が抑制されたため、焼結体の高さは、第4~第11の単位空間において略一定であった。 As shown in FIG. 2(a), the beam L32 is guided to the fourth to eleventh unit spaces. The fourth to eleventh unit spaces are continuous in a predetermined direction so that the fourth unit space and the fifth unit space are adjacent, and the fifth unit space and the sixth unit space are adjacent. . The fourth, fifth, tenth and eleventh unit spaces are located at the ends of the eight unit spaces. A beam L32 having a strong exposure intensity is guided to the fourth, fifth, tenth and eleventh unit spaces. On the other hand, the sixth to ninth unit spaces are located in the center of the eight unit spaces. A beam L32 having a weak exposure intensity is guided to the sixth to ninth unit spaces. As a result, as shown in FIG. 2(b), the temperature difference between the end portion and the central portion was suppressed, so that the convection of the modeling material between the fourth to eleventh unit spaces was suppressed. Since the convection was suppressed, the height of the sintered body was substantially constant in the fourth to eleventh unit spaces.
一方、図3(a)は、比較例に係る所定方向における露光データBPの一例を示す図である。図3(a)において、縦軸は露光強度を示し、横軸は所定造形空間SPにおける所定方向位置を示す。また、図3(b)は、図3(a)に示す露光データBPに基づいて作製された焼結体の形状を示す図である。図3(b)において、縦軸は焼結体の高さを示し、横軸は所定造形空間SPにおける所定方向位置を示す。 On the other hand, FIG. 3A is a diagram showing an example of exposure data BP in a predetermined direction according to a comparative example. In FIG. 3A, the vertical axis indicates the exposure intensity, and the horizontal axis indicates the predetermined direction position in the predetermined modeling space SP. FIG. 3(b) is a diagram showing the shape of a sintered body produced based on the exposure data BP shown in FIG. 3(a). In FIG. 3(b), the vertical axis indicates the height of the sintered body, and the horizontal axis indicates the predetermined direction position in the predetermined molding space SP.
図3(a)に示すように、8個の単位空間には、同じ露光強度を有するレーザ光が導かれる。これにより、図3(b)に示すように、第4、第5、第10及び第11の単位空間に存在した造形材料の温度と、第6~第9の単位空間に存在した造形材料の温度との差が大きく、第4~第11の単位空間の間で造形材料が激しく対流した。その結果、焼結体の高さは、第4、第5、第10及び第11の単位空間で低く、第6~第9の単位空間で高かった。 As shown in FIG. 3A, laser beams having the same exposure intensity are guided to eight unit spaces. As a result, as shown in FIG. 3(b), the temperature of the modeling material existing in the fourth, fifth, tenth and eleventh unit spaces and the temperature of the modeling material existing in the sixth to ninth unit spaces The difference from the temperature was large, and the modeling material violently convected between the 4th to 11th unit spaces. As a result, the height of the sintered body was low in the 4th, 5th, 10th and 11th unit spaces, and high in the 6th to 9th unit spaces.
以上のように、本実施形態によれば、隣接する少なくとも2つの単位空間にビームL32を導く。少なくとも2つの単位空間の間で造形材料が流動するが、流動情報に基づいて作成された強度の分布を有するビームL32を造形材料に照射するため、所望の形状の三次元造形物を素早く製造できる。 As described above, according to this embodiment, the beam L32 is guided to at least two adjacent unit spaces. The modeling material flows between at least two unit spaces, and since the beam L32 having the intensity distribution created based on the flow information is applied to the modeling material, it is possible to quickly manufacture a three-dimensional model having a desired shape. .
再び図1を参照して、制御装置20の詳細を説明する。図1に示すように、制御装置20は、走査制御部20Bを更に有する。走査制御部20Bは、露光データBPに基づいて、走査機構19及び供給機構16を制御する。詳細には、走査制御部20Bは、複数の単位空間のうち選択された所定の単位空間に順次、ビームL32を導くように、走査機構19及び供給機構16を制御する。具体的には、走査制御部20Bは、ガルバノミラーを回転させることによって、ビームL32を走査方向に走査する。また、走査制御部20Bは、パートシリンダー16Aとフィードシリンダー16Bとスキージ16Dとを移動させることによって、所定の複数の単位空間に順次、造形材料層を形成する。
The details of the
以上のように、本実施形態によれば、流動情報に基づいて作成された強度の分布を有するビームL32を造形材料に照射するため、所望の高さを有する焼結体を製造できる。その結果、焼結体上に焼結体を作製することを繰り返しても、三次元造形物を精度よく製造できる。よって、高さが高い形状の三次元造形物を精度よく製造できる。 As described above, according to the present embodiment, since the beam L32 having the intensity distribution created based on the flow information is irradiated to the modeling material, a sintered compact having a desired height can be manufactured. As a result, even if it repeats producing a sintered body on a sintered body, it is possible to manufacture a three-dimensional structure with high accuracy. Therefore, a three-dimensional structure having a high height can be manufactured with high accuracy.
制御装置20は、データ取得部20Dと、露光データ作成部20Eとを更に有する。
The
データ取得部20Dは、例えば、外部装置又は記憶媒体からデータを受信することで、データを記憶部30に記憶させる。具体的には、外部装置又は記憶媒体から露光データBPを受信することで、露光データBPを記憶部30に記憶させる。例えば、露光データBPは、シミュレーション又は計算に基づいて作成されている。詳細には、コンピュータソフトを用いて、溶融した所定の体積の造形材料において、所定の温度の分布を設けたときに生じる対流をシミュレーションする。その結果、対流が抑制される温度の分布を決定する。そして、温度の分布を与える露光データBPを作成する。更に、実際に造形材料にビームを照射して、焼結体の形状を計測することを繰り返すことにより、露光データBPは作成されてもよい。
The
また、データ取得部20Dは、外部装置又は記憶媒体から造形データ及び流動情報を受信することで、造形データ及び流動情報を記憶部30に記憶させる。なお、流動情報は、記憶部30に予め記憶されていてもよい。
Further, the
露光データ作成部20Eは、造形データ及び流動情報に基づいて、露光データBPを作成する。具体的には、外部装置又は記憶媒体から露光データBPを受信せずに、造形データ及び流動情報を受信した場合に、造形データ及び流動情報に基づいて、露光データBPを作成する。例えば、露光データ作成部20Eは、造形データに基づいて、複数の単位空間が所定方向に連続しているか否かを判定する。その結果、複数の単位空間が所定方向に連続していることを、露光データ作成部20Eが判定したときに、露光データBPを作成する。露光データBPは、複数の単位空間の端部に位置する単位空間には、強い露光強度を有するビームL32が導かれ、中央部に位置する単位空間には、弱い露光強度を有するビームL32が導かれることを示す。また、露光データ作成部20Eは、蓄積されたデータに基づいて露光データBPを作成してもよい。例えば、露光データBPと、作製された焼結体の形状との関係を蓄積していく。その結果、露光データ作成部20Eは、複数の単位空間の数と、作製された焼結体の形状との関係に基づいて、露光データBPを作成してもよい。
The exposure
以上のように、本実施形態によれば、露光データ作成部20Eは、造形データ及び流動情報に基づいて、露光データBPを作成する。その結果、本実施形態によれば、造形データ及び流動情報を受信したときに、所望の形状の三次元造形物を製造できる。
As described above, according to the present embodiment, the exposure
次に、図4を参照して、本実施形態に係る制御装置20の処理の一例について説明する。図4は、制御装置20の処理の一例を示すフローチャートである。本実施形態に係る制御装置20の処理は、ステップS101~ステップS103を含む。
Next, an example of processing of the
まず、ステップS101において、データ取得部20Dは、例えば、外部装置又は記憶媒体からデータを受信することで、データを記憶部30に記憶させる。そして、処理はステップS102に進む。
First, in step S101, the
次に、ステップS102において、レーザ制御部20Cは、レーザ光源10を制御する。そして、処理はステップS103に進む。
Next, in step S102, the
最後に、ステップS103において、変調制御部20Aは、ビームL32を造形材料に照射するように、光変調器14を制御する。ビームL32は、造形データ及び流動情報に基づいて作成された強度の分布を有する。そして、処理が終了する。
Finally, in step S103, the
ここで、図5及び図6を参照して、所定方向に並んだ複数の単位空間に対してビームを同時に導く光変調器14として、GLVを説明する。図5は、光変調器14を示す平面図である。また、図6は、光変調器14の一部を示す拡大斜視図である。図5及び図6に示すように、光変調器14は、基台2と、光変調素子群4とを有する。
Here, with reference to FIGS. 5 and 6, a GLV will be described as the
基台2の上面は、共通電極3を有する。
The upper surface of the
光変調素子群4は、可動部材である複数の可動リボン1a及び固定部材である複数の固定リボン1bを有する。複数の固定リボン1bは、共通電極3と所定距離を空けて、基台2に対して固定される。固定リボン1bの上面には固定反射面が設けられる。複数の可動リボン1aは、共通電極3と所定距離を空けて、基台2に対して、可動反射面に垂直な方向に移動可能である。可動リボン1aの上面には可動反射面が設けられている。複数の可動リボン1a及び複数の固定リボン1bは、所定方向に交互に平行に配列形成される。
The light
そして、光変調器14では、1本の可動リボン1aと1本の固定リボン1bとを格子要素とすると、可動リボン1aと固定リボン1bがペアで1つの単位空間に対応する変調素子となる。
In the
変調制御部20Aは、可動リボン1aと共通電極3との間に電圧(電位差)を与えることにより、可動リボン1aを共通電極3側に変位させる。詳細には、変調制御部20Aは、1本の可動リボン1aごとに電圧を印加する。更に、変調制御部20Aは、可動リボン1aに印加する電圧を調整することで、可動リボン1aの変位量を調整する。
The
続いて、図7及び図8を参照して、光変調器14の動作を詳細に説明する。図7は、光変調器14の一例を示す断面図である。また、図8は、光変調器14の他の一例を示す断面図である。
Next, the operation of the
図7に示すように、共通電極3の面に対して垂直な方向において、可動リボン1aの位置と固定リボン1bの位置とが同じ高さにある。その結果、可動リボン1aで反射した光と、固定リボン1bで反射した光との位相差は、0(ゼロ)である。なお、可動リボン1aの位置と固定リボン1bの位置とが同じ高さにある状態で反射した光の露光強度を、100%とする。
As shown in FIG. 7, in the direction perpendicular to the plane of the
図8に示すように、可動リボン1aが下降している。光変調器14への光の入射角αと、可動リボン1aの位置と固定リボン1bの位置との高さの差Dfとに基づいて、可動リボン1aで反射した光と固定リボン1bで反射した光との光路差(2Df・cosα)が示される。
As shown in FIG. 8, the
可動リボン1aで反射した光と固定リボン1bで反射した光の光路差(2Df・cosα)が、例えば、(m+1/4)・λとなるように、高さの差Dfは調整される。mは0以上の整数であり、λは光の波長である。換言すれば、可動リボン1aで反射した光と固定リボン1bで反射した光との位相差が、π/2radとなるように、可動リボン1aの位置と固定リボン1bの位置との高さの差Dfは調整される。位相差がπ/2radである状態で反射した光の露光強度は、50%である。
The height difference Df is adjusted so that the optical path difference (2Df·cosα) between the light reflected by the
なお、位相差が1.16radである状態で反射した光の露光強度は、70%であり、位相差が1.26radである状態で反射した光の露光強度は、65%であり、位相差が1.37radである状態で反射した光の露光強度は、60%である。 The exposure intensity of the light reflected when the phase difference is 1.16 rad is 70%, and the exposure intensity of the light reflected when the phase difference is 1.26 rad is 65%. is 1.37 rad, the exposure intensity of the reflected light is 60%.
以上のように、本実施形態によれば、GLVを制御して、強度の分布を有するビームL32を精度よく作製できる。その結果、所望の形状の三次元造形物を素早く製造できる。 As described above, according to the present embodiment, the GLV can be controlled to accurately produce the beam L32 having the intensity distribution. As a result, a three-dimensional structure having a desired shape can be quickly manufactured.
次に、図9及び図10を参照して、製造装置100での光路を詳細に説明する。図9及び図10は、製造装置100での光路を示す図である。図9は、ZX面での光路を示す図である。また、図10は、XY面での光路を示す図である。
Next, optical paths in the
図9及び図10に示すように、照明光学系11は、レーザ光源10から出射されたレーザ光L30を光変調器14へと導く。照明光学系11は、レンズ11aとレンズ11bとを備え、レーザ光L30を各レンズによって線状の光であるラインビームL31に整形し出力する。このような各レンズとしては、例えば、コリメートレンズやパウエルレンズなどを用いることができる。なお、照明光学系11は、必ずしも図9及び図10に示されるように構成される必要はなく、他の光学素子が追加されてもよい。
As shown in FIGS. 9 and 10, the illumination
投影光学系18は、光変調器14で変調された光(ビームL32)を走査機構19へと導く。投影光学系18は、レンズ18aを備え、中間像の形成や、入射光の断面寸法の拡大等を行う。このようなレンズとしては、例えば、コリメートレンズやテレセントリックレンズなどを用いることができる。なお、投影光学系18は、必ずしも図9及び図10に示されるように構成される必要はなく、複数の他の光学素子が追加されてもよい。
The projection
走査機構19は、例えば、ガルバノミラー19aと、fθレンズ19bとを有する。ガルバノミラー19aは、入射光を反射する。fθレンズ19bは、入射光の断面寸法をY方向に維持し、Z方向に縮小する。なお、走査機構19は、必ずしも図9及び図10に示されるように構成される必要はなく、その他の光学素子が追加されてもよい。
The
以上、図面(図1~図10)を参照しながら本発明の実施形態を説明した。但し、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である(例えば、下記に示す(1)~(3))。図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の厚み、長さ、個数等は、図面作成の都合上から実際とは異なる。また、上記の実施形態で示す各構成要素の材質や形状、寸法等は一例であって、特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings (FIGS. 1 to 10). However, the present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented in various aspects without departing from the scope of the invention (for example, (1) to (3) shown below). In order to facilitate understanding, the drawings schematically show each component mainly, and the thickness, length, number, etc. of each component illustrated are different from the actual ones due to the convenience of drawing. . In addition, the material, shape, dimensions, etc. of each component shown in the above embodiment are examples and are not particularly limited, and various changes are possible within a range that does not substantially deviate from the effects of the present invention. be.
(1)走査機構19は、所定方向を回転軸として回転するガルバノミラーを有し、供給機構16は、パートシリンダー16Aとフィードシリンダー16Bとスキージ16Dとを備えたが、本発明はこれに限定されない。図11は、本実施形態の三次元造形物の製造装置100の他の一例を示す図である。図11に示すように、供給機構16は、テーブル(ステージ)16Cを備える。テーブル16Cは、X軸方向に移動する。具体的には、テーブル16Cの上面に、造形材料層を形成して、テーブル16CがX軸方向に移動して、テーブル16Cの上面におけるビームL32が照射される領域が位置決めされる。なお、テーブル16Cは、Y軸方向に移動可能であってもよい。
また、供給機構16又はテーブル16C上に梁部材を設け、ビーム照射部40をX軸方向及び/又はY軸方向に移動させる構成としてもよい。更に、テーブル16Cを移動させる構成と、ガルバノミラーを用いる構成と、ビーム照射部40を移動させる構成とを組み合わせてもよい。
(1) The
A beam member may be provided on the
(2)8個の単位空間の端部に位置する第4、第5、第10及び第11の単位空間には、強い露光強度を有するビームL32が導かれ、8個の単位空間の中央部に位置する第6~第9の単位空間には、弱い露光強度を有するビームL32が導かれる露光データBPを示したが、本発明はこれに限定されない。図12(a)は、他の実施形態に係る所定方向における露光データBPの他の一例を示す図である。図12(a)において、縦軸は露光強度を示し、横軸は所定造形空間SPにおける所定方向位置を示す。また、図12(b)は、図12(a)に示す露光データBPに基づいて作製された焼結体の形状を示す図である。図12(b)において、縦軸は焼結体の高さを示し、横軸は所定造形空間SPにおける所定方向位置を示す。 (2) A beam L32 having a strong exposure intensity is guided to the fourth, fifth, tenth, and eleventh unit spaces located at the ends of the eight unit spaces, and the central portion of the eight unit spaces Although the sixth to ninth unit spaces located at , the exposure data BP leading to the beam L32 having the weak exposure intensity are shown, the present invention is not limited to this. FIG. 12A is a diagram showing another example of exposure data BP in a predetermined direction according to another embodiment. In FIG. 12(a), the vertical axis indicates the exposure intensity, and the horizontal axis indicates the predetermined direction position in the predetermined modeling space SP. FIG. 12(b) is a diagram showing the shape of a sintered body produced based on the exposure data BP shown in FIG. 12(a). In FIG. 12(b), the vertical axis indicates the height of the sintered body, and the horizontal axis indicates the predetermined direction position in the predetermined modeling space SP.
図12(a)に示すように、第4、第6、第9及び第11の単位空間には、強い露光強度を有するビームL32が導かれる。一方、第4、第5、第7及び第10の単位空間には、弱い露光強度を有するビームL32が導かれる。これにより、図12(b)に示すように、複数の凹凸を持つ露光強度を有するビームL32を照射するので、第4~第11の単位空間の間での造形材料の対流が小さくなる。対流が小さくなったため、焼結体の高さは、第4~第11の単位空間において略一定である。 As shown in FIG. 12(a), a beam L32 having a strong exposure intensity is guided to the fourth, sixth, ninth and eleventh unit spaces. On the other hand, a beam L32 having a weak exposure intensity is guided to the fourth, fifth, seventh and tenth unit spaces. As a result, as shown in FIG. 12(b), the beam L32 having the exposure intensity having a plurality of unevenness is irradiated, so that the convection of the modeling material between the fourth to eleventh unit spaces is reduced. Since the convection is reduced, the height of the sintered body is substantially constant in the fourth to eleventh unit spaces.
(3)また、図13を参照して、光変調器14としてPLVを用いた場合について説明する。なお、PLVについては特開2007-514203号公報に記載されているので詳しい説明を省略する。図13に示すように、PLV4aは、基板と、基板に固定された平面状の固定部材41aと、固定部材41aに開口が形成されており当該開口に形成された可動部材41bとを備える。固定部材41の上面には固定反射面が設けられ、可動部材41bの上面には可動反射面が設けられる。また、固定部材41aと可動部材41bとを1組として2次元(M×N)に配列形成されている。
(3) Also, with reference to FIG. 13, a case where a PLV is used as the
固定部材41aと可動部材41bを1つのペアとして、各ペアが並ぶ1列が1つの単位空間に対応する変調素子となる。よって、図13では、N個の変調素子を有する光変調器として機能する。したがって、PLV4aに入射するラインビームL31の断面が矩形となる。可動部材41bの可動反射面が固定部材41の固定反射面に対して垂直に移動する(例えば、固定反射面に対して可動反射面が下がる)ことで、入射した光が変調されることとなる。また、PLV4aで変調された光(ビームL32)は、投影光学系18により、各列単位で積算されたビームとして整形される。そのため、より大きな光エネルギーを造形材料に照射することができる。
The fixed
本発明は、三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法に好適に用いられる。 INDUSTRIAL APPLICATION This invention is used suitably for the manufacturing apparatus of a three-dimensional structure, and the manufacturing method of a three-dimensional structure.
1a 可動リボン
1b 固定リボン
2 基台
10 レーザ光源
11 照明光学系
14 光変調器
16 供給機構
16C テーブル
18 投影光学系
19 走査機構
19a ガルバノミラー
20 制御装置
20E 露光データ作成部
21 照射制御部
40 ビーム照射部
100 製造装置
BP 露光データ
L30 レーザ光
L31 ラインビーム
L32 ビーム
1a
Claims (9)
造形材料にビームを照射するビーム照射部と、
前記ビーム照射部を制御する制御装置と
を備え、
前記ビーム照射部は、
前記複数の単位空間のうち少なくとも2つの単位空間に対して、それぞれ、互いに異なる強度を有する前記ビームを導くことが可能であり、
前記制御装置は、流動情報に基づいて作成された前記強度の分布を有する前記ビームを前記造形材料に照射するように、前記ビーム照射部を制御する照射制御部を有し、
前記流動情報は、前記少なくとも2つの単位空間が隣接する場合に、前記少なくとも2つの単位空間の間で、前記造形材料が流動する情報を含む、三次元造形物の製造装置。 A three-dimensional model manufacturing apparatus for manufacturing a three-dimensional model in a predetermined modeling space including a plurality of unit spaces,
a beam irradiation unit that irradiates a beam to the modeling material;
A control device for controlling the beam irradiation unit,
The beam irradiation unit
It is possible to guide the beams having different intensities to at least two unit spaces among the plurality of unit spaces,
The control device has an irradiation control unit that controls the beam irradiation unit so as to irradiate the modeling material with the beam having the intensity distribution created based on the flow information,
The flow information includes information about the flow of the modeling material between the at least two unit spaces when the at least two unit spaces are adjacent to each other.
レーザ光源と、
所定方向に並んだ前記複数の単位空間に対して前記ビームを同時に導く光変調器と、
前記レーザ光源から発振されたレーザ光を、前記所定方向に延びるラインビームに整形して、前記光変調器に導く照明光学系と
を有する、請求項1に記載の三次元造形物の製造装置。 The beam irradiation unit
a laser light source;
an optical modulator that simultaneously guides the beams to the plurality of unit spaces arranged in a predetermined direction;
2. The apparatus for manufacturing a three-dimensional structure according to claim 1, further comprising an illumination optical system that shapes the laser light emitted from the laser light source into a line beam extending in the predetermined direction and guides it to the light modulator.
基台と、
固定反射面を有する固定部材と、
可動反射面を有する可動部材と
を有し、
複数の前記固定部材と複数の前記可動部材とは、前記所定方向に並べられ、
前記複数の固定部材は、前記基台に固定され、
前記複数の可動部材は、前記固定反射面に対して、前記可動反射面に垂直な方向に移動可能である、請求項2に記載の三次元造形物の製造装置。 The optical modulator is
a base;
a fixed member having a fixed reflective surface;
a movable member having a movable reflective surface;
the plurality of fixed members and the plurality of movable members are arranged in the predetermined direction,
The plurality of fixing members are fixed to the base,
3. The apparatus for manufacturing a three-dimensional structure according to claim 2, wherein said plurality of movable members are movable with respect to said fixed reflecting surface in a direction perpendicular to said movable reflecting surface.
前記照射制御部は、前記露光データに基づいて、前記ビームを前記造形材料に照射する、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造装置。 The control device further has an exposure data creating unit that creates exposure data indicating the intensity distribution based on modeling data indicating the shape of the three-dimensional structure and the flow information,
The three-dimensional structure manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the irradiation control unit irradiates the modeling material with the beam based on the exposure data.
前記ガルバノミラーは、前記ビーム照射部から出射された前記ビームの進行方向を変更する、請求項5に記載の三次元造形物の製造装置。 The scanning unit has a galvanomirror,
The three-dimensional structure manufacturing apparatus according to claim 5, wherein the galvanomirror changes a traveling direction of the beam emitted from the beam irradiation unit.
前記走査部は、前記ステージを移動させる、請求項5に記載の三次元造形物の製造装置。 further comprising a stage to which the modeling material is supplied;
The three-dimensional structure manufacturing apparatus according to claim 5, wherein the scanning unit moves the stage.
前記供給機構は、前記複数の単位空間に造形材料層を形成する、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の三次元造形物の製造装置。 A supply mechanism for supplying the modeling material to the unit space,
The three-dimensional structure manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the supply mechanism forms a forming material layer in the plurality of unit spaces.
流動情報に基づいて作成された強度の分布を有するビームを造形材料に照射する制御工程と、
前記制御工程によって、高さが略一定である焼結体を作製する作製工程と
を含み、
前記流動情報は、少なくとも2つの単位空間が隣接する場合に、前記少なくとも2つの単位空間の間で、前記造形材料が流動する情報を含む、三次元造形物の製造方法。 A method for manufacturing a three-dimensional model for manufacturing a three-dimensional model in a predetermined modeling space including a plurality of unit spaces,
a control step of irradiating the modeling material with a beam having an intensity distribution created based on the flow information ;
A production step of producing a sintered body having a substantially constant height by the control step;
including
A method for manufacturing a three-dimensional structure, wherein the flow information includes information about the flow of the modeling material between at least two unit spaces when at least two unit spaces are adjacent to each other.
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