CN107000059B - 造形装置及造形方法 - Google Patents

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Abstract

造形装置，其具备：光束造形系统(500)，具有包含射出光束的聚光光学系(82)的光束照射部(520)、以及供给被来自前述光束照射部(520)的光束照射的造形材料的材料处理部(530)；以及控制装置，根据形成于对象面上的三维造形物的3D数据控制工件的移动系统与光束造形系统(500)，以一边使工件(W)(或载台(12))上的对象面(TAS)与来自光束照射部(520)的光束相对移动、一边从材料处理部(530)供给造形材料据以对对象面上的目标部位(TA)施加造形。又，能变更在聚光光学系的射出面侧的既定面(MP)内的光束的强度分布。因此，能将加工精度良好的三维造形物形成于对象面上。

Description

造形装置及造形方法
技术领域
本发明关于造形装置及造形方法，更详言之，关于在对象面上形成三维造形物的造形装置及造形方法。本发明的造形装置及造形方法，能非常合适地用于基于快速原型设计(有时也被称为3D打印或附加制造、或直接数字制造)的三维造形物的形成。
背景技术
从CAD数据直接生成3D(三维)形状的技术，被称为快速原型设计(有时也被称为3D打印或附加制造、或直接数字制造，但以下使用快速原型设计作为总称)，有助于在极短的前置时间制作主要以形状确认为目的的试作品。通过3D打印机等快速原型设计来形成三维造形物的造形装置，若以处理材料分类，能大分为处理树脂者与处理金属者。以快速原型设计制作的金属制三维造形物，与树脂制的场合不同地专作为实际零件使用。即，并非形状确认用的试作零件，而使之作为实际机械构造物的一部分(不论其为量产品或试作品)来发挥功能。作为既有的金属用3D打印机(以下简称为M3DP(Metal 3D Printer))，有PBF(PowderBed Fusion)与DED(Directed Energy Deposition)的两种类为众所皆知。
PBF在搭载被加工物的底床上积层较薄的烧结金属粉末，对该处利用电流镜等扫描一高能量的激光束，并使光束接触的部分熔融并凝固。在一层量的描绘结束后，底床下降一层量的厚度，在该处再度涂抹烧结金属的粉末，反复相同动作。以此方式逐层反复进行造形，而制得所欲的三维形状。
PBF因其造形原理，本质上存在几个问题点：(1)零件的制作精度不充分，(2)完工的表面粗度差，(3)处理速度慢，以及(4)烧结金属粉末的处理麻烦且费事等。
DED采取使熔解后的金属材料附着于加工对象的方法。例如，对以聚光透镜聚集的激光束的焦点附近喷射粉末金属。之后，该粉末金属因激光照射而熔解成为液体状。若在该焦点附近有加工对象，则该液体化的金属附着于加工对象，被冷却而再度凝固。此焦点部分即为所谓笔尖，能在加工对象表面陆续描绘“具有厚度的线”。通过加工对象及加工头(激光及粉末喷射头等其他)的一方相对另一方基于CAD数据适切地相对运动，而能形塑出所欲形状(参照例如专利文献1)。
由此点可知，在DED，由于粉末材料从加工头视需要而喷射所需的量，不会产生浪费且也无须在大量剩余粉末中进行加工。
如上所述，DED相较于PBF，虽在作为原材料的粉末金属的处理等已有谋求改善，但应改善的点仍多。
在此种背景下，被强烈期待能提升作为形成三维造形物的造形装置的工作机械的便利性、最终能提升制造的经济合理性。
先行技术文献
[专利文献1]美国专利申请公开第2003/02606820号说明书
发明内容
用以解决课题的手段
根据本发明的第1态样，提供一种造形装置，在对象面上形成三维造形物，其具备：移动系统，使前述对象面移动；光束造形系统，具有包含射出光束的聚光光学系的光束照射部、以及供给被来自前述光束照射部的光束照射的造形材料的材料处理部；以及控制装置，根据形成于前述对象面上的三维造形物的3D数据控制前述移动系统与前述光束造形系统，以一边使前述对象面与来自前述光束照射部的光束相对移动、一边从前述材料处理部供给前述造形材料从而对前述对象面上的目标部位施加造形；能变更在前述聚光光学系的射出面侧的既定面内的前述光束的强度分布。
此处的对象面为设定造形的目标部位的面，既定面也可为在造形时应将该对象面对齐的假想面。该既定面例如也可为与聚光光学系的光轴垂直的面。该既定面也可为聚光光学系的后侧焦点面或其附近的面。
由此，能将加工精度良好的三维造形物形成于对象面上。
根据本发明的第2态样，提供一种造形方法，在对象面上形成三维造形物，其包含：以一边使从包含聚光光学系的光束照射部的光束与对象面相对移动、一边供给被以前述光束照射的造形材料从而对前述对象面上的目标部位施加造形的方式，根据形成于前述对象面上的三维造形物的3D数据控制前述对象面的移动与来自前述光束照射部的前述光束的射出状态及前述造形材料的供给状态的至少一方的动作；能变更在前述聚光光学系的射出面侧的既定面内的前述光束的强度分布。
由此，能将加工精度良好的三维造形物形成于对象面上。
附图说明
图1是显示一实施形态的造形装置的整体构成的方块图。
图2是将移动系统的构成与测量系统一起概略显示的图。
图3是显示搭载有工件的移动系统的立体图。
图4是将光束造形系统与搭载有工件的载台一起显示的图。
图5是显示构成光束造形系统所具备的光束照射部的一部分的光源系构成一例的图。
图6是显示来自光源系的平行光束照射于反射镜阵列，来自多个反射镜元件各个的反射光束对聚光光学系的入射角度被个别控制的状态的图。
图7是将光束造形系统所具备的材料处理部与聚光光学系一起显示的图。
图8是显示形成于材料处理部的喷头的多个供给口与开闭该多个供给口的各个的开闭构件的图。
图9(A)是将图4的圆A内放大显示的图，图9(B)是显示图9(A)所示的一文字区域与扫描方向的关系的图。
图10是显示形成于造形面上的光束照射区域的一例的图。
图11是显示以造形装置的控制系为中心构成的控制装置的输出入关系的方块图。
图12(A)及图12(B)是用以将一实施形态的造形装置的一个效果与以往技术比较说明的图。
图13是用以说明使用分别形成于三个一文字区域的三个一文字光束对工件进行附加加工的例的图。
图14是显示图13所示的三个一文字区域的配置与扫描方向的关系的图。
图15(A)及图15(B)是用以说明通过稍微加粗一文字区域的宽度以增厚涂布层厚度的例的图。
具体实施方式
以下，根据图1～图15(B)说明一实施形态。图1是以方块图显示一实施形态的造形装置100的整体构成。
造形装置100是DED方式的M3DP。造形装置100虽能用于通过快速原型设计在后述的载台12上形成三维造形物，但也能用于对工件(例如既有的零件)进行三维造形的附加加工。本实施形态中，以后者的对工件进行附加加工的场合为中心进行说明。在实际的制造业现场，一般而言会对以别的制法、别的材料或别的工作机械作成的零件进一步反复加工而完工成所欲的零件，而对于三维造形的附加加工，其要求也潜在相同。
造形装置100具备移动系统200、测量系统400及光束造形系统500、以及包含这些系统且控制造形装置100整体的控制装置600。其中，测量系统400、光束造形系统500，在既定方向分离配置。以下说明中为了方便，测量系统400与光束造形系统500在后述的X轴方向(参照图2)分离配置。
图2是将移动系统200的构成与测量系统400一起概略显示。又，图3因此立体图显示搭载有工件W的移动系统200。以下，将图2中纸面内的左右方向定为Y轴方向，将与纸面正交的方向定为X轴方向，将与X轴及Y轴正交的方向定为Z轴方向，将绕X轴、Y轴及Z轴的旋转(倾斜)方向分别定为θx、θy及θz方向以进行说明。
移动系统200，变更造形的对象面(此处为设定工件W上的目标部位TA的面)TAS(参照例如图4及图9(A))的位置及姿势。具体而言，通过将具有对象面的工件及搭载该工件的后述载台驱动于6自由度方向(X轴、Y轴、Z轴、θx、θy及θz的各方向)，来进行对象面的6自由度方向的位置变更。本说明书中，针对载台、工件或对象面等，将θx、θy及θz方向的3自由度方向的位置适当地总称为“姿势”，对应于此，将剩余的3自由度方向(X轴、Y轴及Z轴方向)的位置适当地总称为“位置”。
移动系统200，作为变更载台的位置及姿势的驱动机构一例具备史都华(Stewart)平台型的6自由度平行连结机构。此外，移动系统200不限于能将载台驱动于6自由度方向者。
移动系统200(不过，不合后述平面马达的定子)，如图2所示，配置于以其上面与XY平面大致平行的方式设置于地F上的底座BS上。移动系统200，如图3所示具有构成底座平台的俯视正六角状的滑件10、构成末端效应器的载台12、连结滑件10与载台12的6支能伸缩的杆(连结件)141～146、以及分别设于杆141～146而使该各杆伸缩的伸缩机构161～166(在图3中未图示，参照图11)。移动系统200通过以伸缩机构161～166分别独立地调整杆141～146的长度而能在三维空间内于6自由度控制载台12的移动的构造。移动系统200，由于具备史都华平台型的6自由度平行连结机构作为载台12的驱动机构，因此有高精度、高刚性、支撑力大、逆向运动学计算容易等特征。
本实施形态的造形装置100，在对工件的附加加工时等，为了对工件形成所欲形状的造形物等，相对光束造形系统500、更具体而言相对来自后述光束照射部的光束控制工件(载台12)的位置及姿势。原理上，此相反地来自光束照射部的光束也可为可动，光束与工件(载台)的两方也可为可动。如后所述，由于光束造形系统500为复杂的构成，因此使工件移动的方式较为简便。
载台12，此处是由将正三角形的各顶点部分切离的形状的板构件构成。在载台12的上面搭载附加加工对象的工件W。在载台12，设有用以固定工件W的夹具机构13(在图3中未图示，参照图11)。作为夹具机构13，使用例如机械式夹具或真空夹具等。此外，载台12不限于图3所示的形状，也可为矩形板状、圆盘状等任意形状。
此情形下，如由图3可清楚得知，杆141～146的各个的两端经由万向接头18而分别连接于滑件10与载台12。又，杆141，142连接于载台12的三角形的一个顶点位置附近，通过滑件10与这些杆141，142而成为构成大略三角形的配置。同样地，杆143，144、及杆145，146分别连接于载台12的三角形的剩余的各顶点位置附近，而通过滑件10与杆143，144及杆145，146分别成为构成大略三角形的配置。
这些杆141～146的各个，如在图3针对杆141代表地显示般，具有能于各个的轴方向相对移动的第1轴构件20与第2轴构件22，第1轴构件20的一端(下端)经由万向接头18安装于滑件10，第2轴构件22的另一端(上端)经由万向接头安装于载台12。
在第1轴构件20的内部形成有具段差的圆柱状中空部，在此中空部的下端侧，收纳有例如伸缩型的气缸。在此气缸连接有空压回路及空气压源(均未图示)。又，通过经由空压回路控制从该空气压源供给的压缩空气以控制气缸的内压，由此气缸所具有的活塞往返移动于轴方向。在气缸，返回步骤利用组装于平行连结机构时作用于活塞的重力。
又，在第1轴构件20的中空部内的上端侧，配置有排列配置于轴方向的多个电枢线圈所构成的电枢单元(未图标)。
另一方面，第2轴构件22，其一端部(下端部)插入第1轴构件20的中空部内。在此第2轴构件22的一端部，形成有直径较其他部分小的小径部，在此小径部的周围设有由磁性体构件构成的圆管状可动轭。在可动轭的外周部设有由同一尺寸的多个永久磁石构成的中空圆柱状、即圆筒状的磁石体。此情形下，通过可动轭与磁石体，构成有中空圆柱状的磁石单元。本实施形态中，通过电枢单元与磁石单元，构成电磁力线性马达的一种即轴马达。以此方式构成的轴马达，通过对定子即电枢单元的各线圈供给既定周期及既定振幅的正弦波状驱动电流，而利用磁石单元与电枢单元之间的电磁气相互作用的一种的电磁相互作用而产生的劳伦兹力(驱动力)使第2轴构件22相对第1轴构件20被驱动于轴方向。
即，本实施形态中，通过上述的气缸与轴马达将第1轴构件20与第2轴构件22在轴方向相对驱动，而分别构成使杆141～146的各个伸缩的前述伸缩机构161～166(参照图11)。
又，轴马达的动子即磁石单元，经由设于第1轴构件20内周面的空气垫而相对定子即电枢单元以非接触方式被支撑。
又，在图3中虽省略图示，但于杆141～146分别设有检测以第1轴构件20作为基准的第2轴构件22的轴方向位置的绝对型的线性编码器241～246，这些线性编码器241～246的输出供给至控制装置600(参照图11)。以线性编码器241～246检测出的第2轴构件22的轴方向位置，对应于杆141～146各个的长度。
根据线性编码器241～246的输出，伸缩机构161～166被控制装置600所控制(参照图11)。与本实施形态的移动系统200相同的平行链接机构的构成详细，揭示于例如美国发明专利第6,940,582号说明书，控制装置600通过与上述美国发明专利说明书所揭示相同的方法，使用逆向运动学计算经由伸缩机构161～166控制载台12的位置及姿势。
移动系统200中，分别设于杆141～146的伸缩机构161～166，由于具有相互串联(或并联)配置的气缸与电磁力线性马达的一种即轴马达，因此控制装置600能通过气缸的空压控制，将载台12粗略大幅驱动，且通过轴马达细幅地使的微动。此结果，能在短时间且正确地进行载台12的6自由度方向的位置(即位置及姿势)控制。
又，杆141～146的各个，由于具有将轴马达的动子即磁石单元相对定子即电枢单元以非接触方式支撑的空气垫，因此能避免在控制藉伸缩机构对杆的伸缩时的作为非线性成分的摩擦，由此，能更高精度地进行载台12的位置及姿势的控制。
又，本实施形态中，由于作为构成伸缩机构161～166的电磁力线性马达使用轴马达，在该轴马达中使用在动子侧使用了圆筒状磁石的磁石单元，因此能于该磁石的放射方向全方向产生磁通(磁场)，使该全方向的磁通有助于因电磁相互作用所致的劳伦兹力(驱动力)的产生，与例如一般线性马达等相较能使明显较大的推力产生，相较于油压汽缸等更容易小型化。
因此，通过各杆分别包含轴马达的移动系统200，能同时实现小型且轻量化与输出的提升，而能非常合适地用于造形装置100。
又，控制装置600，能通过控制分别构成伸缩机构的气缸的空压来将低频振动制振且通过对轴马达的电流控制使高频振动绝缘。
移动系统200，进一步具备平面马达26(参照图11)。在滑件10的底面设有由磁石单元(或线圈单元)所构成的平面马达26的动子，对应于此在底座BS内部收容有由线圈单元(或磁石单元)所构成的平面马达26的定子。在滑件10底面以包围动子的方式设有多个空气轴承(空气静压轴承)，通过多个空气轴承，滑件10隔着既定的空隙(间隔或间隙)悬浮支撑于作成高平坦度的底座BS的上面(导引面)上。通过利用平面马达26的定子与动子之间的电磁相互作用而产生的电磁力(劳伦兹力)，滑件10相对底座BS的上面以非接触方式在XY平面内被驱动。本实施形态中，移动系统200如图1所示，能在测量系统400及光束造形系统500、以及工件搬送系300(在图1中未图示，参照图11)的配置位置相互间使载台12移动自如。此外，移动系统200也可分别具备搭载工件W的多个载台12。例如也可在对多个载台的一个所保持的工件进行使用了光束造形系统500的加工的期间，对另一个载台所保持的工件进行使用了测量系统400的测量。在此种情形下，只要在测量系统400及光束造形系统500、以及工件搬送系300(在图1中未图示，参照图11)的配置位置相互间使各个载台移动自如即可。或者，在采用设置专用测量系统400的测量时保持工件的载台与专用光束造形系统500的加工时保持工件的载台，且工件对该两个载台的搬入及搬出可通过工件搬送系等进行的构成时，各个滑件10也可固定于底座BS上。即使在设置多个载台12的场合，各个载台12也可移动于6自由度方向，且其6自由度方向的位置也能控制。
此外，作为平面马达26并不限于气浮方式，也可使用磁浮式的平面马达。在后者的场合，不需对滑件10设置空气轴承。又，作为平面马达26，也可使用动磁型、动圈型的任一者。
控制装置600，通过控制对构成平面马达26的线圈单元的各线圈供给的电流的大小及方向的至少一方，而能将滑件10在底座BS上自由驱动于X、Y二维方向。
本实施形态中，移动系统200具备测量滑件10在X轴方向及Y轴方向的位置信息的位置测量系28(参照图11)。作为位置测量系28能使用二维绝对编码器。具体而言，在底座BS的上面设置具有涵盖X轴方向全长的既定宽度的带状绝对码(code)的二维标尺，与此对应地，在滑件10底面设置发光元件等光源与X读头及Y读头，该X读头及Y读头由分别接收来自被从该光源射出的光束照明的二维标尺的反射光的排列于X轴方向的一维受光元件阵列及排列于Y轴方向的一维受光元件阵列所构成。作为二维标尺，使用例如在非反射性的基材(反射率0％)上沿着彼此正交的2方向(X轴方向及Y轴方向)以一定周期二维排列有多个正方形反射部(标记)且反射部的反射特性(反射率)具有依循既定规则的阶度者。作为二维绝对编码器，也可采用例如与美国发明专利申请公开第2014/0070073号公报所揭示的二维绝对编码器相同的构成。通过与美国发明专利申请公开第2014/0070073号公报相同构成的绝对型二维编码器，能进行与以往的递增编码器同等的高精度二维位置信息的测量。由于是绝对编码器，因此与递增编码器不同地，不需要进行原点检测。位置测量系28的测量信息被送至控制装置600。
本实施形态中，如后所述，通过测量系统400测量搭载于载台12上的工件W上的对象面(例如上面)的至少一部分的三维空间内的位置信息(在本实施形态中为形状信息)，在该测量后进行对工件W的附加加工(造形)。因此，控制装置600，在已测量工件W上的对象面的至少一部分形状信息时，通过使其测量结果与其测量时设于杆141～146的线性编码器241～246的测量结果及位置测量系28的测量结果建立对应关系，而能将搭载于载台12的工件W上的对象面的位置及姿势与造形装置100的基准坐标系(以下称为载台坐标系)建立关联。由此，在其后通过基于线性编码器241～246及位置测量系28的测量结果的载台12的6自由度方向位置的开环(open loop)控制，即能控制工件W上的对象面TAS的相对于目标值的在6自由度方向的位置。本实施形态中，由于作为线性编码器241～246及位置测量系28使用绝对型编码器而不需要找出原点，因此重设容易。此外，能用于控制载台12在6自由度方向位置的通过开环控制所致的工件W上的对象面的相对于目标值的在6自由度方向的位置的、待以测量系统400测量的前述三维空间内的位置信息，不论形状为何，只要为对应对象面形状的至少3点三维位置信息即足够。
此外，上述实施形态中，虽说明了作为将滑件10在XY平面内驱动的驱动装置使用平面马达26的场合，但也可取代平面马达26而使用线性马达。此情形下，也可构成取代前述二维绝对编码器而改由绝对型线性编码器测量滑件10的位置信息的位置测量系。又，测量滑件10的位置信息的位置测量系不限于编码器，也可使用干涉仪系统构成。
又，上述实施形态中，虽例示了使用将滑件在XY平面内驱动的平面马达与通过滑件构成底座平台的史都华平台型的6自由度平行链接机构来构成驱动载台的机构的场合，但不限于此，也可使用其他类型的平行连结机构或平行连结机构以外的机构构成驱动载台的机构。例如，也可采用在XY平面内移动的滑件与在滑件上将载台12驱动于Z轴方向及相对于XY平面的倾斜方向的Z倾斜驱动机构。作为此种Z倾斜驱动机构的一例，可举出将载台12在三角形的各顶点位置经由例如万向接头等其他接头从下方予以支撑且具有能将各支撑点彼此独立地驱动于Z轴方向的三个致动器(音圈马达等)的机构。不过，驱动移动系统200的载台的机构的构成不限于这些，只要能将载置工件的载台(可动构件)驱动于XY平面内的3自由度方向及Z轴方向、以及相对于XY平面的倾斜方向的至少5自由度方向的构成即可，也可不具备在XY平面内移动的滑件。例如也可通过载台与驱动此载台的机器人构成移动系统。不论是何种构成，只要使用绝对型的线性编码器的组合或该线性编码器与绝对型旋转编码器的组合来构成测量载台位置的测量系，则能使重设容易。
此外，也可取代移动系统200，而采用能将载台12驱动于XY平面内的3自由度方向及Z轴方向、以及相对于XY平面的倾斜方向(θx或θy)的至少5自由度方向的系统。此情形下，可将载台12本身通过气浮或磁浮隔着既定空隙(间隔或间隙)悬浮支撑(非接触支撑)于底座BS等的支撑构件的上面上。若采用此种构成，载台由于相对于支撑载台的构件以非接触方式移动，因此在定位精度方面极为有利，大幅有助于造形精度的提升。
测量系统400，进行用以将搭载于载台12的工件的位置及姿势与载台坐标系建立关联的工件三维位置信息例如形状的测量。测量系统400如图2所示具备激光非接触式的三维测量机401。三维测量机401具备设置于底座BS上的框架30、安装于框架30的读头部32、安装于读头部32的Z轴导件34、设于Z轴导件34下端的旋转机构36、以及连接于旋转机构36下端的传感器部38。
框架30由延伸于Y轴方向的水平构件40与将水平构件40在Y轴方向两端部从下方予以支撑的一对柱构件42所构成。
读头部32安装于框架30的水平构件40。
Z轴导件34，在读头部32安装成能移动于Z轴方向，通过Z驱动机构44(在图2中未图示，参照图11)被驱动于Z轴方向。Z轴导件34的Z轴方向位置(或自基准位置起的变位)通过Z编码器46(在图2中未图示，参照图11)测量。
旋转机构36，将传感器部38相对于读头部32(Z轴导件34)在既定角度范围(例如90度(π/2)或180度(π)的范围)内绕与Z轴平行的旋转中心轴连续地(或以既定角度步进)旋转驱动。本实施形态中，旋转机构36的传感器部38的旋转中心轴，与从构成传感器部38的后述照射部照射的线光的中心轴一致。基于旋转机构36的传感器部38的自基准位置起的旋转角度(或传感器部的θz方向位置)是通过例如旋转编码器等旋转角度传感器48(在图2中未图示，参照图11)被测量。
传感器部38是以对载置于载台12上的被检测物(图2中为工件W)照射用以进行光切断的线光的照射部50、以及检测因被照射线光而出现光切断面(线)的被检测物的表面的检测部52为主体构成。又，对传感器部38连接有根据通过检测部52检测出的影像数据求出被检测物形状的运算处理部54。运算处理部54被本实施形态中用以统筹控制造形装置100的构成各部的控制装置600所包含(参照图11)。
照射部50，由未图示的圆柱透镜及具有细带状缺口的狭缝板等构成，是接收来自光源的照明光并使扇状的线光50a产生的部件。作为光源能使用LED、激光光源或SLD(superluminescent diode)等。在使用LED的场合能廉价地形成光源。又，在使用激光光源的场合，由于是点光源而能作出像差少的线光，波长稳定性优异且半值宽度小，由于能将半值宽度小的滤光器用于杂散光截止，因此能减少干扰的影响。又，在使用SLD的场合，除了激光光源的特性以外，由于可干涉性较激光光低，因此能抑制在被检测物面的班点的产生。检测部52是用以从与照射部50的光照射方向不同的方向拍摄投影于被检测物(工件W)表面的线光50a的部件。又，检测部52由未图示的成像透镜或CCD等构成，如后所述使载台12移动而在线光50a每隔既定间隔扫描时拍摄被检测物(工件W)。此外，照射部50及检测部52的位置，被决定成被检测物(工件W)表面上的线光50a对检测部52的入射方向与照射部50的光照射方向成既定角度θ。本实施形态中，上述既定角度θ设定为例如45度。
以检测部52拍摄的被检测物(工件W)的影像数据被送至运算处理部54，在此处进行既定的影像运算处理而算出被检测物(工件W)表面的高度，以求出被检测物(工件W)的三维形状(表面形状)。运算处理部54，在被检测物(工件W)的影像中，根据对应于被检测物(工件W)凹凸而变形的线光50a对光切断面(线)的位置信息，就光切断面(线)(线光91a)延伸的长度方向的各像素使用三角测量原理算出被检测物(工件W)表面自基准平面起的高度，进行求出被检测物(工件W)的三维形状的运算处理。
本实施形态中，控制装置600，使载台12移动于与投影于被检测物(工件W)的线光50a的长度方向大致直角的方向，由此使线光50a扫描被检测物(工件W)的表面。控制装置600，以旋转角度传感器48检测出传感器部38的旋转角度，根据其检测结果使载台12移动于与线光50a的长度方向大致直角的方向。如此，本实施形态中，由于在测量被检测物(工件W)形状等时使载台12移动，因此作为其前提，在保持工件W而移动至测量系统400的传感器部38下方的时点，载台12的位置及姿势(6自由度方向的位置)随时设定为既定基准状态。基准状态，例如是杆141～146均成为相当于伸缩动程范围中立点的长度(或最小长度)的状态，此时，载台12在Z轴、θx、θy及θz的各方向的位置为(Z，θx，θy，θz)＝(Z0，0，0，0)。又，在此基准状态下，载台12在XY平面内的位置(X，Y)，与通过位置测量系28测量的滑件10的X，Y位置一致。
其后，虽开始对被检测物(工件W)的上述测量，但包含此测量中在内，载台12的6自由度方向位置是通过控制装置600在载台坐标系上被管理。即，控制装置600，根据位置测量系28的测量信息控制平面马达26，且根据线性编码器241～246的测量值，控制伸缩机构161～166，由此控制载台12的6自由度方向位置。
此外，在如本实施形态的三维测量机401般使用光切断法的场合，较佳为使从传感器部38的照射部50照射于被检测物(工件W)的线光50a配置于与传感器部38与载台12(被检测物(工件W))的相对移动方向正交的方向。例如，图2中，在将传感器部38与被检测物(工件W)的相对移动方向设定为Y轴方向的场合，较佳为将线光50a沿着X轴方向配置。若采用此方式，即能进行在测量时有效地利用了线光50a全区的相对被检测物(工件W)的相对移动，能以最佳方式测量被检测物(工件W)的形状。以使线光50a的方向与上述相对移动方向能随时正交的方式设有旋转机构36。
上述的三维测量机401是与例如美国发明专利申请公开第2012/0105867号公报所揭示的形状测定装置同样地构成。不过，线光对被检测物在与X，Y平面平行的方向的扫描，相较于美国发明专利申请公开第2012/0105867号公报所记载的装置系通过传感器部的移动来进行，本实施形态中则是通过载台12的移动来进行，此点不同。此外，本实施形态中，也可在线光对被检测物在与Z轴平行的方向的扫描时，驱动Z轴导件34及载台12的任一者。
在使用本实施形态的三维测量机401的测量方法，通过使用光切断法，将由一条线光构成的线状投影图案投影于被检测物的表面，并每在使线状投影图案扫描被检测物表面的全区时，从与投影方向不同的角度拍摄投影于被检测物的线状投影图案。接着，从被拍摄的被检测物表面的拍摄影像，就线状投影图案的长度方向的各像素使用三角测量原理等算出被检测物表面的自基准平面起的高度，以求出被检测物表面的三维形状。
此外，作为构成测量系统400的三维测量机，也能使用与例如美国发明专利第7,009,717号说明书所揭示的光探针相同构成的装置。此光探针是以两个以上的光学群构成，包含2个以上的视野方向与2个以上的投影方向。在一个光学群中包含一个以上的视野方向与一个以上的投影方向，至少一个视野方向与至少一个投影方向在光学群间不同，依视野方向所取得的数据，仅会通过依相同光学群的投影方向所投影的图案被生成。
测量系统400，也可取代上述的三维测量机401、或除了上述的三维测量机以外进一步地，具备以光学方式检测对准标记的标记检测系56(参照图11)。标记检测系56，能检测出例如形成于工件的对准标记。控制装置600，通过使用标记检测系56分别正确地检测出至少三个对准标记的中心位置(三维坐标)，来算出工件(或载台12)的位置及姿势。此种标记检测系56，能包含例如立体摄影机而构成。也可通过标记检测系56，以光学方式检测出预先形成于载台12上的最少三处的对准标记。
本实施形态中，控制装置600以上述方式使用三维测量机401扫描工件W的表面(对象面)，以取得其表面形状资料。接着，控制装置600使用该表面形状数据进行最小平方法处理而将工件上的对象面的三维位置及姿势与载台坐标系建立关连关系。此处，由于包含对被检测物(工件W)的上述测量中在内，载台12的6自由度方向位置是通过控制装置600在载台坐标系上被管理，因此在工件的三维位置及姿势与载台坐标系建立关连关系后，包含三维造形的附加加工时在内，工件W的6自由度方向位置(即位置及姿势)的控制均能通过依照载台坐标系的载台12的开环控制进行。
图4显示光束造形系统500与搭载有工件W的载台12。如图4所示，光束造形系统500具备包含光源系510而射出光束的光束照射部520、供给粉状造形材料的材料处理部530、以及洒水头540(在图4中未图示，参照图11)。此外，光束造形系统500也可不具备洒水头540。
光源系510如图5所示具备光源单元60、连接于光源单元60的光导引光纤62、配置于光导引光纤62的射出侧的双复眼光学系64、以及聚光透镜系66。
光源单元60具备外壳68与收纳于外壳68内部且彼此平行地排列成矩阵状的多个激光单元70。作为激光单元70，能使用进行脉冲振荡或连续波振荡动作的各种激光、例如碳酸气体激光、Nd：YAG激光、光纤激光、或GaN系半导体激光等的光源单元。
光导引光纤62是将多数条光纤素线随机捆束构成的光纤束，具备个别连接于多个激光单元70的射出端的多个入射口62a与具有较入射口62a数量多的射出口的射出部62b。光导引光纤62将从多个激光单元70各个射出的多个激光束(以下适当地简称为“光束”)经由各入射口62a来接收并分配至多数个射出口，使各激光束的至少一部分从共通射出口射出。以此方式，光导引光纤62将从多个激光单元70各个射出的光束混合射出。由此，与使用单一激光单元的场合相较，能使总输出与激光单元70数量相应地增加。不过，在以单一激光单元即能取得充分的输出的场合，也可不使用多个激光单元。
此处，射出部62b具有与如下说明的构成双复眼光学系64入射端的第1复眼透镜系的入射端的整体形状相似的剖面形状，在该剖面内以大致均等的配置设有射出口。因此，光导引光纤62也兼具将以上述方式混合的光束整形为与第1复眼透镜系的入射端的整体形状相似的整形光学系的作用。
双复眼光学系64用以使光束(照明光)的剖面照度分布(剖面强度分布)一样，由在光导引光纤62后方的激光束的光束路(光路)上依序配置的第1复眼透镜系72、透镜系74、及第2复眼透镜系76构成。此外，在第2复眼透镜系76周围设有光阑。
此情形下，第1复眼透镜系72的入射面与第2复眼透镜系76的入射面设定成在光学上彼此共轭。又，第1复眼透镜系72的射出侧焦点面(在此处形成后述的面光源)、第2复眼透镜系76的射出侧焦点面(在此处形成后述的面光源)、及后述的聚光光学系82的光瞳面(入射光瞳)PP设定成在光学上彼此共轭。此外，本实施形态中，聚光光学系82的光瞳面(入射光瞳)PP与前侧焦点面一致(参照例如图4、图6、图7等)。
通过光导引光纤62而混合的光束射入双复眼光学系64的第1复眼透镜系72。由此，在第1复眼透镜系72的射出侧焦点面形成面光源、即多数个光源像(点光源)所构成的2次光源。来自这些多数个点光源的各个的激光光经由透镜系74而射入第2复眼透镜系76。由此，在第2复眼透镜系76的射出侧焦点面形成使多数个微小光源像一样地分布于既定形状的区域内而成的面光源(3次光源)。
聚光透镜系66将从上述3次光源射出的激光光作为照度分布均一的光束射出。
此外，通过第2复眼透镜系76的入射端的面积、聚光透镜系66的焦点距离等的优化，从聚光透镜系66射出的光束能视为平行光束。
本实施形态的光源系510具备具有光导引光纤62与双复眼光学系64与聚光透镜系66的照度均一化光学系，使用此照度均一化光学系，将从多个激光单元70分别射出的光束混合，以生成剖面照度分布被均一化的平行光束。
此外，照度均一化光学系不限于上述的构成。也可使用例如杆状积分器、准直透镜系等来构成照度均一化光学系。
光源系510的光源单元60连接于控制装置600，通过控制装置600，构成光源单元60的多个激光单元70的on/off系被个别控制。由此，调整从光束照射部520照射于工件W(上的对象面)的激光束的光量(激光输出)。
此外，造形装置100也可不具备光源单元60、或光源单元60与照度均一化光学系。例如也可将具有所欲光量(能量)与所欲照度均一性的平行光束从外部装置供给至造形装置100。
光束照射部520如图4所示，除了光源系510以外，还具有依序配置于来自光源系510(聚光透镜系66)的平行光束的光路上的光束剖面强度转换光学系78及空间光调制器(SLM：Spatial Light Modulator)的一种即反射镜阵列80、使来自反射镜阵列80的光聚集的聚光光学系82。此处所谓空间光调制器是将往既定方向行进的光的振幅(强度)、相位或偏光状态在空间上予以调制的元件的总称。
光束剖面强度转换光学系78转换来自光源系510(聚光透镜系66)的平行光束的剖面的强度分布。本实施形态中，光束剖面强度转换光学系78将来自光源系510的平行光束转换成包含其剖面中心的区域的强度大致为零的甜甜圈状(环带状)的平行光束。光束剖面强度转换光学系78，在本实施形态中是通过例如依序配置于来自光源系510的平行光束的光路上的凸型圆锥反射镜及凹型圆锥反射镜所构成。凸型圆锥反射镜，在其光源系510侧具有外周面为圆锥状的反射面，凹型圆锥反射镜由其内径较凸型圆锥反射镜的外径大的环状构件构成，在其内周面具有与凸型圆锥反射镜的反射面对向的反射面。此情形下，若以通过凹型圆锥反射镜中心的任意剖面观察，则凸型圆锥反射镜的反射面与凹型圆锥反射镜的反射面为平行。因此，来自光源系510的平行光束被凸型圆锥反射镜的反射面反射成放射状，此反射光束在凹型圆锥反射镜的反射面被反射，由此转换成环带状的平行光束。
本实施形态中，经由光束剖面强度转换光学系78的平行光束，如后所述系经由反射镜阵列80及聚光光学系82而照射于工件。通过使用光束剖面强度转换光学系78转换来自光源系510的平行光束的剖面强度分布，而能变更从反射镜阵列80射入聚光光学系82的光瞳面(入射光瞳)PP的光束的强度分布。又，通过使用光束剖面强度转换光学系78转换来自光源系510的平行光束的剖面强度分布，而也能实质地变更从聚光光学系82射出的光束在聚光光学系82的射出面的强度分布。
此外，光束剖面强度转换光学系78，不限于凸型圆锥反射镜与凹型圆锥反射镜的组合，也可使用例如美国发明专利申请公开第2008/0030852号公报所揭示的绕射光学元件、远焦透镜、及圆锥旋转三棱镜系的组合来构成。光束剖面强度转换光学系78，只要是转换光束的剖面强度分布的光学系即可，可考虑各种构成。依光束剖面强度转换光学系78的构成不同，也能将来自光源系510的平行光束，非使在包含其剖面中心(聚光光学系82的光轴)的区域的强度大致为零而使较在其外侧的区域的强度小。
反射镜阵列80在本实施形态中，具有在一面具有相对XY平面及XZ平面成45度(π/4)的面(以下为了说明方便而称为基准面)的底座构件80A、在底座构件80A的基准面上配置成例如P列Q行的矩阵状的例如M(＝P×Q)个的反射镜元件81p，q(p＝1～P，q＝1～Q)、以及包含个别驱动各反射镜元件81p，q的M个致动器(未图标)的驱动部87(在图4中未图示，参照图11)。反射镜阵列80，通过调整多数个反射镜元件81p，q相对基准面的倾斜，而能实质地形成与基准面平行的较大反射面。
反射镜阵列80的各反射镜元件81p，q，例如构成为能绕与各反射镜元件81p，q的一方的对角线平行的旋转轴旋动，能将其反射面相对于基准面的倾斜角度设定成既定角度范围内的任意角度。各反射镜元件的反射面角度是通过检测旋转轴的旋转角度的传感器、例如旋转编码器83p，q(在图4中未图示，参照图11)来测量。
驱动部87，例如包含电磁石或音圈马达作为致动器，各个反射镜元件81p，q被致动器驱动而以非常高响应动作。
构成反射镜阵列80的多个反射镜元件中被来自光源系510的环带状平行光束照明的反射镜元件81p，q的各个，往对应其反射面的倾斜角度的方向射出反射光束(平行光束)，而射入聚光光学系82(参照图6)。此外，本实施形态中，虽关于使用反射镜阵列80的理由及使环带状平行光束射入反射镜阵列80的理由将于后述，但不一定要设为环带状，也可使射入反射镜阵列80的平行光束的剖面形状(剖面强度分布)不同于环带形状，也可不设置光束剖面强度转换光学系78。
聚光光学系82是数值孔径N.A.为例如0.5以上、较佳为0.6以上的高NA且低像差的光学系。聚光光学系82由于是大口径、低像差且高NA，因此能将来自反射镜阵列80的多个平行光束聚光于后侧焦点面上。详细虽留待后述，但光束照射部520，能将从聚光光学系82射出的光束聚光成例如点状或狭缝状。又，聚光光学系82由于以一片或多片的大口径透镜构成(在图4等，代表性地图示一片大口径透镜)，因此能使入射光的面积增大，由此，能较使用数值孔径N.A.小的聚光光学系的场合撷取更多量的光能量。因此，通过本实施形态的聚光光学系82而聚光的光束极为尖锐而具有高能量密度，此事直接关连于提高基于造形的附加加工的加工精度。
本实施形态中，说明通过如后所述将载台12移动于与XY平面平行的扫描方向(图4中例如为Y轴方向)，一边使光束与在上端具有造形的对象面TAS的工件W相对扫描于扫描方向(SCAN方向)、一边进行造形(加工处理)的情形。此外，进行造形时，当然也可在载台12往Y轴方向的移动中，使载台12移动于X轴方向、Z轴方向、θx方向、θy方向、及θz方向的至少一个方向。又，如后所述，通过激光束的能量使通过材料处理部530而被供给的粉状造形材料(金属材料)熔融。因此，如前所述，只要聚光光学系82所撷取的能量总量变大，则从聚光光学系82射出的光束的能量即变大，每单位时间能熔解的金属量即增加。而只要与其相应地提升造形材料的供给量与载台12的速度，则提升光束造形系统500的造形加工的产能。
然而，即使以如前述的手法大幅提高激光的总输出，现实上由于无法无限地使载台12的扫描动作高速化，因此并无法实现完全活用其激光功率的产能。为了解决此问题，本实施形态的造形装置100如后所述，非将点状光束的照射区域而是将狭缝状光束的照射区域(以下称为一文字区域(参照图9(B)的符号LS))形成于应对齐造形的对象面TAS的既定面(以下称为造形面)MP(参照例如图4及图9(A))上，能一边相对形成该一文字区域LS的光束(以下称为一文字光束)在与其长度方向垂直的方向相对扫描工件W、一边进行造形(加工处理)。由此，能一口气处理较以点状光束扫描(SCAN)工件的情形宽广极多的面积(例如数倍至数十倍左右的面积)。此外，如后所述，本实施形态中，虽上述的造形面MP是聚光光学系82的后侧焦点面(参照例如图4及图9(A))，但造形面也可以是后侧焦点面附近的面。又，本实施形态中，造形面MP虽然与聚光光学系82的射出侧的光轴AX成垂直，但也可为非垂直。
作为设定或变更在造形面MP上的光束的强度分布的方法(例如形成如上述的一文字区域的方法)，能采用例如控制射入聚光光学系82的多个平行光束的入射角度分布的方法。如本实施形态的聚光光学系82般将平行光聚光于一点的透镜系以光瞳面(入射光瞳)PP中的平行光束LB(参照例如图4、图6等)的入射角度决定在后侧焦点面(聚光面)的聚光位置。此处的入射角度是由a.射入聚光光学系82的光瞳面PP的平行光束相对与聚光光学系82的光轴AX平行的轴所构成的角度α(0≤α＜90度(πr/2))、b.在光瞳面PP上以光轴AX上的点作为原点，而设定有与光轴AX正交的二维正交坐标系(X，Y)时射入光瞳面PP的平行光束往光瞳面PP(XY坐标平面)正射影的二维正交坐标系(X，Y)上相对基准轴(例如X轴(X≥0)的角度β(0≤β＜360度(2π))所决定。例如，对聚光光学系82的光瞳面PP成垂直地(与光轴成平行地)射入的光束聚光于光轴AX上，相对聚光光学系82(相对光轴AX)稍微倾斜的光束聚光于从该光轴AX上稍微偏离的位置。利用此关系，使来自光源系510的平行光束反射并使的射入聚光光学系82时，通过对射入聚光光学系82的光瞳面PP的多个平行光束LB的入射角度(入射方向)赋予适当的分布，即能任意变更造形面MP内光束的强度分布、例如造形面MP中照射区域的位置、数量、大小、及形状的至少一个。因此，例如一文字区域、三行区域、缺损一文字区域等(参照图10)也当然能容易地形成，且形成点状照射区域也容易。此外，此处虽使用角度α与角度β来说明入射角度(入射方向)，但入射角度(入射方向)的表示方法当然可考虑各种方式，射入光瞳面PP的平行光束的入射角度(入射方向)并不限定于以角度α与角度β作为参数的控制。
此外，本实施形态的聚光光学系82由于是其光瞳面(入射光瞳)PP与前侧焦点面为一致的构成，因此虽通过变更使用了反射镜阵列80的多个平行光束LB的入射角度，能正确且简便地控制该多个平行光束LB的聚光位置，但也可以是聚光光学系82的光瞳面(入射光瞳)与前侧焦点面非一致的构成。
又，只要形成于造形面的照射区域的形状及大小非为可变，则只要使用所欲形状的固体(solid)的反射镜，即也能控制射入聚光光学系82的光瞳面的一个平行光束的入射角度而变更照射区域的位置。
然而，在进行对工件的附加加工(造形)的场合，不限于设定有其造形的目标部位的对象面的区域均为平坦面。即不限于能够进行一文字光束的相对扫描。在工件的轮廓边缘附近或中实区域与中空区域的边界附近的位置，边界倾斜、或变窄、或附有R角的类，难以适用一文字光束的相对扫描。举例而言，宽度宽的刷毛，由于难以涂满此种位置，因此必须有对应其的宽度窄的刷毛或细铅笔，即，实时且连续地自由区分使用刷毛与细铅笔。与此同样地，在工件的轮廓边缘附近或中实区域与中空区域的边界附近的位置，即产生要变更光束照射区域的扫描方向(相对移动方向)宽度或使照射区域的大小(例如一文字光束的长度)、数量或位置(光束的照射点位置)变化的要求。
因此，本实施形态中，采用反射镜阵列80，控制装置600以非常高响应使各反射镜元件81p，q动作，由此分别控制射入聚光光学系82的光瞳面PP的多个平行光束LB的入射角度。由此，设定或变更造形面MP上的光束的强度分布。此情形下，控制装置600，能于光束与对象面TAS(系设定有造形的目标部位TA的面，本实施形态中为工件W上的面)的相对移动中使造形面MP上的光束的强度分布、例如光束的照射区域的形状、大小、数量的至少一个变化。此情形下，控制装置600能连续地或断续地变更造形面MP上的光束的强度分布。例如，也能在光束与对象面TAS的相对移动中使一文字区域的相对移动方向宽度连续地或断续地变化。控制装置600也能按照光束与对象面TAS的相对位置使造形面MP上的光束的强度分布变化。控制装置600也能按照被要求的造形精度与产能，使在造形面MP的光束的强度分布变化。
又，本实施形态中，控制装置600由于使用前述的旋转编码器83p，q检测出各反射镜元件的状态(此处为反射面的倾斜角度)，由此实时监控各反射镜元件的状态，因此能正确地控制反射镜阵列80的各反射镜元件的反射面倾斜角度。
材料处理部530如图7所示具有：具有设于聚光光学系82的射出面下方的喷嘴构件(以下简称为喷嘴)84a的喷嘴单元84、经由配管90a连接于喷嘴单元84的材料供给装置86、以及经由配管分别连接于材料供给装置86的多个例如两个的粉末匣88A，88B。图7显示从一Y方向观看较图4的聚光光学系82下方的部分。
喷嘴单元84，具备在聚光光学系82下方延伸于X轴方向且具有供给造形材料的粉末的至少一个供给口的喷嘴84a、以及支撑喷嘴84a的长度方向两端部且各上端部连接于聚光光学系82的壳体的一对支撑构件84b，84c。对一方的支撑构件84b经由配管90a连接有材料供给装置86的一端(下端)，在内部形成有连通配管90a与喷嘴84a的供给路径。本实施形态中，喷嘴84a配置于聚光光学系82的光轴的正下方，在下面(底面)设有后述的多个供给口。此外，喷嘴84a不一定要配置于聚光光学系82的光轴上，也可配置于从光轴往Y轴方向的一侧些许偏离的位置。
在材料供给装置86的另一端(上端)连接有做为对材料供给装置86的供给路径的配管90b，90c，分别经由配管90b，90c而对材料供给装置86连接有粉末匣88A，88B。在一方的粉末匣88A收容有第1造形材料(例如钛)的粉末。又，在另一方的粉末匣88B收容有第2造形材料(例如不锈钢)的粉末。
此外，本实施形态中，造形装置100虽为了将2种类的造形材料供给至材料供给装置86而具备两个粉末匣，但造形装置100所具备的粉末匣也可为一个。
从粉末匣88A，88B对材料供给装置86的粉末的供给，虽也能使粉末匣88A，88B的各个具有强制对材料供给装置86供给粉末的功能，但在本实施形态中，使材料供给装置86具有配管90b，90c切换的功能，且也具有从粉末匣88A，88B的任一方利用真空吸引粉末的功能。材料供给装置86连接于控制装置600(参照图11)。在造形时，通过控制装置600，使用材料供给装置86进行配管90b，90c的切换，来自粉末匣88A的第1造形材料(例如钛)的粉末与来自粉末匣88B的第2造形材料(例如不锈钢)的粉末被择一地供给至材料供给装置86，从材料供给装置86经由配管90a将任一方的造形材料粉末供给至喷嘴84a。此外，也可通过变更材料供给装置86的构成，而能在必要的场合同时将来自粉末匣88A的第1造形材料与来自粉末匣88B的第2造形材料对材料供给装置86供给，并将两个造形材料的混合物经由配管90a供给至喷嘴84a。此外，也可将能连接于粉末匣88A的喷嘴与能连接于粉末匣88B的另一喷嘴设于聚光光学系82下方，在造形时从任一喷嘴供给粉末或从或两喷嘴供给粉末。
又，控制装置600能调整从粉末匣88A，88B经由材料供给装置86供给至喷嘴84a的造形材料的每单位时间的供给量。例如，通过调整从粉末匣88A，88B的至少一方对材料供给装置86供给的粉末量，即能调整经由材料供给装置86供给至喷嘴84a的造形材料的每单位时间的供给量。例如，通过调整来自粉末匣88A，88B的对材料供给装置86的粉末供给所利用的真空等级，即能调整供给至喷嘴84a的造形材料的每单位时间的供给量。或者，也能设置从材料供给装置86供给至配管90a粉末量的阀，以调整供给至喷嘴84a的造形材料的每单位时间的供给量。
此处，图7中虽未图示，但实际上，在喷嘴84a的下面(底面)如图8所示，在X轴方向以等间隔形成有多个例如N个供给口91i(i＝1～N)，各供给口91i能通过开闭构件93i个别地开闭。此外，图8中，为了图示方便，供给口91i作为一例图示有12个，且为了了解供给口与开闭构件的关系而图示有两者。然而实际上形成有比12个多的数量的供给口，且相邻供给口间的分隔的部分更为狭窄。不过，只要供给口是涵盖喷嘴84a的长度方向大致全长来配置，则供给口的数量不论是几个均可。例如，供给口也可为涵盖喷嘴84a的长度方向大致全长的一个狭缝状开口。
开闭构件93i，如在图8中针对第k个的开闭构件93k赋予箭头而代表性地显示，能滑动驱动于+Y方向及-Y方向，以将供给口91i开闭。开闭构件93i并不限于滑动驱动，也可以是能以一端部为中心往倾斜方向旋动的构成。
各开闭构件93i，通过控制装置600经由未图标的致动器被驱动控制。控制装置600按照造形面上的光束的强度分布、例如形成于造形面上的光束的照射区域的形状、大小、配置等的设定(或变更)，而使用各开闭构件93i开闭控制多个例如N个的供给口91i的各个。由此，材料处理部530供给造形材料的供给动作受到控制。此情形下，通过控制装置600选择多个供给口91i中的至少一个供给口，仅关闭该被选择的至少一个供给口的开闭构件93i被开放控制、例如被驱动于-Y方向。因此，本实施形态中，能仅从多个例如N个的供给口91i中的一部分供给造形材料。
又，控制装置600也能通过经由前述材料供给装置86供给至喷嘴84a的造形材料的每单位时间的供给量控制、以及使用了任意开闭构件93i的开闭控制的至少一方，来调整来自以该开闭构件93i开闭的供给口91i的造形材料的每单位时间供给量。控制装置600按照造形面上的光束的强度分布、例如形成于造形面上的光束的照射区域的形状、大小、配置等的设定(或变更)决定来自任意供给口91i的造形材料的每单位时间供给量。控制装置600例如根据前述的一文字区域的扫描方向宽度决定来自各供给口91i的每单位时间供给量。
此外，也可构成为能通过各开闭构件93i调整各供给口91i的开度。此情形下，控制装置600也可按照例如前述的一文字区域的扫描方向宽度来调整各开闭构件93i的各供给口的开度。
此外，供给造形材料的粉末的至少一个供给口也可为可动。例如也可在喷嘴84a的下面形成一个延伸于X轴方向的狭缝状供给口，并使喷嘴84a相对一对支撑构件84b，84c能移动于例如X轴方向与Y轴方向的至少一方，而控制装置600则按照造形面上的光束的强度分布的变更、即光束的照射区域的形状、大小、位置的变更，来移动在下面形成有供给口的喷嘴84a。此外，也可使喷嘴84a在Z轴方向为可动。
或者，也可将喷嘴84a以本体部与相对该本体部能在例如XY平面内移动于X轴方向与Y轴方向的至少一方且在其底面形成有供给口的至少两个可动构件构成，并由控制装置600按照造形面上的光束的强度分布的变更使可动构件的至少一部分移动。此情形下也同样地也可使可动构件的至少一部分在Z轴方向为可动。
又，多个供给口中的一个供给口与另一供给口也可为能相对移动的构成。或者，例如上述一个供给口的Y轴方向位置与上述另一个供给口的Y轴方向位置也可为不同。或者，上述一个供给口的Z轴方向位置与上述另一个供给口的Z轴方向位置也可为不同。
此外，至少一个供给口的移动，不仅配合光束的强度分布的设定或变更来进行，也可因别的目的使其移动。
如前所述，设于喷嘴84a的多个供给口91i是与聚光光学系82的光轴正交而于X轴方向涵盖喷嘴84a全长以等间隔配置且在相邻供给口91i彼此之间仅有些微间隙。因此，如以图9(A)中的黑箭头所示，只要从喷嘴84a的多个供给口91i的各个将粉末状造形材料PD沿着与聚光光学系82的光轴AX平行的Z轴方向往正下方供给，则会对聚光光学系82的光轴AX正下方的前述一文字区域LS(一文字光束的照射区域)供给该造形材料PD。此情形下，来自喷嘴84a的造形材料PD的供给，能通过利用造形材料PD的自重或施加了些微喷出压力的喷出动作进行。因此，不需要如对造形的对象面从倾斜方向供给造形材料的场合般用以产生导引造形材料的供给的气流的产生机构等的复杂机构。又，若能如本实施形态般对工件以极近距离垂直地供给造形材料，则在确保造形的加工精度方面极为有利。
此外，也可于喷嘴84a设置气体供给口。从该气体供给口供给的气体，也可为了导引造形材料的供给而使的流动，或为了别的目的例如使有助于造形的气体流动。
本实施形态中，由于环带状的平行光束照射于反射镜阵列80，因此来自反射镜阵列80的反射光束射入聚光光学系82的周缘附近的部分区域(N.A.较大的部分区域)，并经由位于聚光光学系82的射出端、即位于光束照射部520射出端的终端透镜的与光轴相距一距离的周缘部区域，聚光于聚光光学系82的造形面MP(与本实施形态中聚光光学系82的后侧焦点面一致)(参照图4)。即，仅通过通过同一聚光光学系82的周缘附近部分的光形成例如一文字光束。因此，与将经由各个光学系的光聚光于同一区域以形成光束点(激光点)的情形相较，能形成更高质量的光束点。又，本实施形态，能限制对设于聚光光学系82射出面(下端面)的中央下方的喷嘴84a的光束照射。因此，本实施形态中，能将来自反射镜阵列80的反射光束均利用于光束点的形成，且不需于聚光光学系82的入射面侧的与喷嘴84a对应的部分设置用以限制光束照射于喷嘴84a的遮光构件等。因上述理由，而通过环带状的平行光束照明反射镜阵列80。
此外，位于聚光光学系82射出端的光学构件至少在从其射出侧的面的光轴离开的区域形成光学面，只要能经由该光学面将光束聚光于造形面(后侧焦点面)即可。因此，此光学构件，在包含光轴的区域中射出面与入射面的至少一方也可为与聚光光学系82的光轴垂直的平面，或者在包含光轴的区域形成孔。也可通过在包含光轴的中央部区域开孔的甜甜圈状的聚光透镜构成位于聚光光学系82射出端的光学构件。
此外，为了限制从聚光光学系82射入喷嘴84a的光束，也可将例如图7中以二点链线显示的限制构件85设于聚光光学系82的入射面侧(例如光瞳面PP)。通过限制构件85限制来自聚光光学系82的光束对喷嘴84a的入射。作为限制构件85虽能使用遮光构件，但也可使用减光滤光器等。此种情形下，射入聚光光学系82的平行光束也可为剖面圆形的平行光束，也可为环带状的平行光束。若为后者，由于光束不会照射于限制构件85，因此能将来自反射镜阵列80的反射光束均利用于光束点的形成。
此外，虽不一定要将从聚光光学系82射入喷嘴84a的光束完全遮蔽，但为了防止来自聚光光学系82的光束射入喷嘴84a，也可仅从聚光光学系82的终端透镜的射出面的在Y轴方向分离于光轴两侧的周缘部区域(例如两个圆弧区域)射出光束。
洒水头540(参照图11)用于所谓淬火时。洒水头540具有供给冷却液(冷却水)的供给口，用以将冷却液对冷却对象物喷射。洒水头540连接于控制装置600(参照图11)。控制装置600在进行淬火时控制光源单元60将来自光束照射部520的光束的热能量调节成适于淬火的值。接着，控制装置600能在对工件表面照射光束以使的呈高温后，经由洒水头540将冷却液对该高温部喷射以使的急冷，由此进行淬火。此情形下，也能在通过三维造形对工件进行的附加加工同时进行淬火步骤。此外，在与附加加工同时进行淬火步骤的场合，作为造形材料较佳为使用淬火性良好的金属。
本实施形态中，在对工件的附加加工时等，如将图4及图4的圆A内放大显示的图9(A)所示，通过聚光光学系82周缘部附近且通过喷嘴84a的+Y侧及-Y侧(工件W(载台12)的扫描方向前方及后方)的光路的光束(在图9(A)为了方便而显示为光束LB11，LB12)聚光于喷嘴84a的正下方，以X轴方向(图9(A)中的纸面正交方向)作为长度方向的一文字区域LS形成于造形面上(参照图9(B))，对形成该一文字区域LS的一文字光束，经由喷嘴84a的多个供给口91i沿着与聚光光学系82的光轴AX平行的Z轴(沿着包含光轴AX的XZ面)供给粉末状的造形材料PD。由此，在喷嘴84a正下方形成延伸于X轴方向的线状熔融池WP。又，此种熔融池WP的形成是一边将载台12扫描于扫描方向(图9(A)中为+Y方向)、一边进行。由此，能形成涵盖一文字光束(熔融池WP)的长度方向(X轴方向)长度的既定宽度的焊珠(熔融凝固后的金属)(Bead)BE。此外，图9(A)所示的光束LB11，LB12也可是被反射镜阵列80的各反射镜元件81p，q分别反射且以不同入射角度射入聚光光学系82的光瞳面PP的不同平行光束，也可以是同一平行光束、例如剖面环带状的平行光束的一部分。
在使多个平行光束射入聚光光学系82的光瞳面PP的情形下，例如不减少射入聚光光学系82的平行光束LB的数量，而是以一文字光束的X轴方向宽度或Y轴方向宽度、或两者和缓变窄的方式，调整射入聚光光学系82的多个平行光束LB的入射角度的情形，光束的聚光密度(能量密度)变高。因此，通过相应于此地，增加每单位时间的粉末(造形材料)的供给量且提升对象面TAS的扫描速度，即能将所形成的焊珠BE的层厚度保持于一定且以高等级保持产能。不过，并不限于此种调整方法，也能使用其他调整方法来将所形成的焊珠BE的层厚度保持于一定。例如，也可按照一文字光束的X轴方向宽度或Y轴方向宽度、或两者宽度调节多个激光单元70中至少一个的激光输出(激光束的能量)，也可变更从反射镜阵列80射入聚光光学系82的平行光束LB的数量。此情形下，相较于上述调整方法虽产能略微降低，但调整简便。
图11显示有表示以造形装置100的控制系为中心构成的控制装置600的输出入关系的方块图。控制装置600包含工件站(或微电脑)等，统筹控制造形装置100的构成各部。
以上述方式构成的本实施形态的造形装置100的基本功能是对既有零件(工件)通过三维造形附加所欲的形状。工件被投入造形装置100，在被正确地附加了所欲形状后从造形装置100搬出。此时，该附加的形状的实际形状数据从装置送至外部装置例如上位装置。以造形装置100进行的一连串动作大致如下所述。
在载台12位于既定的装载/卸除位置时，通过工件搬送系300将工件W搭载于载台12。此时载台12位于前述的基准状态(Z，θx，θy，θz)＝(Z0，0，0，0)，其XY位置与通过位置测量系28测量的滑件10的X，Y位置一致。
其次，通过控制装置600，搭载有工件W的载台12移动至测量系统400下方。载台12的移动是通过控制装置600根据位置测量系28的测量信息控制平面马达26以使滑件10在底座BS上驱动于X轴方向(及Y轴方向)来进行。在此移动中，载台12被维持前述的基准状态。
通过控制装置600，使用测量系统400，进行处于基准状态的载台12上的工件W上的对象面TAS的至少一部分在三维空间内的位置信息(在本实施形态中为形状信息)的测量。在此测量以后，即能根据此测量结果，在载台坐标系(基准坐标系)上通过开环控制管理工件W上的对象面TAS的6自由度方向位置。
其次通过控制装置600，搭载有已结束对象面TAS至少一部分形状信息测量的工件W的载台12，移动至光束造形系统500下方。
其次，对载台12上的工件进行附加与3D数据对应的形状的三维造形的附加加工。此附加加工是以下述方式进行。
即，控制装置600将待通过附加加工附加的形状(从附加加工后所制作的物体的形状去除作为附加加工对象的工件的形状后的形状)的三维CAD数据作为三维造形用的数据，转换为例如STL(StereoLithography)数据，进而从此三维STL资料生成于Z轴方向切片的各层(Layer)的资料。接着，控制装置600根据各层的数据，为了进行对工件的各层的附加加工，控制移动系统200及光束造形系统500，针对各层反复进行如下动作：一边将载台12扫描于扫描方向、一边进行前述的一文字区域的形成及对一文字光束的来自喷嘴84a的造形材料的供给所致的线状(狭缝状)熔融池的形成。此处，附加加工时工件上的对象面的位置及姿势的控制是考虑先前测量的对象面的形状信息来进行。
此处，以上的说明中，以工件W的设定为附加加工的目标部位TA的对象面(例如上面)TAS，为通过调整载台12的倾斜而设定成与聚光光学系82的光轴垂直的面(与XY平面平行的面)的平面作为前提，来进行伴随载台12的扫描动作的造形。然而，工件的设定为附加加工的目标部位的对象面，不限于一定要为能使用一文字光束的平面。可是，本实施形态的造形装置100具备能将搭载有工件的载台12的6自由度方向位置设定成任意位置的移动系统200。因此，此种情形下，控制装置600根据使用测量系统400测量的工件的三维形状，控制移动系统200及光束造形系统500的光束照射部520，一边将造形面MP上的光束照射区域的X轴方向宽度调整成对齐于造形面MP的工件W上的对象面(例如上面)能视为可在造形面MP上的光束照射区域内进行附加加工的平坦的程度，一边经由喷嘴84a的各开闭构件93i进行各供给口91i的开闭操作，从必要的供给口将造形材料供给至照射于照射区域的光束。由此，即使工件上面(对象面)非为平坦，也能对必要的部分施加造形。
此外，也可在进行基于焊珠积层的造形时，以在造形面的照射区域的X轴方向宽度小的光束进行附加加工(焊珠形成)，在形成较大面积的平面后，使用使在造形面的照射区域的X轴方向宽度增大的一文字光束，对该平面上进行附加加工(焊珠形成)。例如也可在对有凹凸的对象面上进行造形时，以在造形面的照射区域的X轴方向宽度小的光束进行填埋凹部的附加加工(焊珠形成)而形成平面后，使用使在造形面MP的照射区域的X轴方向宽度增大的一文字光束，对该平面上进行附加加工(焊珠形成)。此种情形下当然也同样地，从按照在造形面MP的光束的照射区域大小(宽度)变化而选择的一个或多个供给口供给造形材料的粉末。
在对工件W的附加加工结束后，通过控制装置600，将搭载有附加加工完毕的工件W的载台12移动至前述的装载/卸除位置。
其次，通过控制装置600，对工件搬送系300指示工件的卸除。依据此指示，通过工件搬送系300，附加加工完毕的工件W从载台12上被取出而被搬送至造形装置100外部。接着，通过控制装置600，移动系统200的载台12被设定为基准状态。由此，移动系统200，在装载/卸除位置准备次一工件的搬入而待机。
如以上所详细说明，根据本实施形态的造形装置100及以该造形装置100进行的造形方法，前述的在造形面MP内的光束的强度分布，能不仅在经由光束与对象面TAS的相对移动的造形开始前，在光束与对象面TAS的相对移动中，在必要情形下也能连续地变更，且能按照对象面TAS与光束的相对位置，进而能按照被要求的造形精度与产能予以变更。由此，造形装置100，例如能通过快速原型设计将造形物以高加工精度且高产能形成于工件W的对象面TAS上。
又，造形装置100及以该造形装置100进行的造形方法，当在平坦对象面TAS上进行较宽广面积的附加加工(造形)时，采用对前述的一文字光束从喷嘴84a供给粉末状的造形材料PD以在喷嘴84a正下方形成线状的熔融池WP，一边使载台12扫描于扫描方向(在图4中为+Y方向)一边进行此种熔融池WP的形成的方法。根据此方法，经由以往的3D打印机等若不使图12(B)所示的点状光束往返数十次即无法生成的形状，能如图12(A)所示，以相对一文字光束的载台12的数次往返即能生成。根据本实施形态，与通过以往点状光束的造形的所谓一笔到底的造形的情形相较，能以格外短的时间将造形物形成于工件的对象面上。即，此点也能提升产能。
又，根据本实施形态的造形装置100及以该造形装置100进行的造形方法，由于通过变更反射镜阵列80的各反射镜元件的反射面倾斜角度，来进行聚光光学系82在造形面内的光束的强度分布的变更，因此作为该强度分布的变更，能容易地变更在造形面内的光束的照射区域的位置、数量、大小、及形状的至少一个。因此，例如将照射区域设定为点状、狭缝状(线状)等，即能以前述手法对工件上的对象面施加三维造形，由此形成高精度的三维造形物。
又，本实施形态的造形装置100具有多个例如两个的粉末匣88A，88B，在粉末匣88A，88B各个的内部收容有第1造形材料(例如钛)的粉末、第2造形材料(例如不锈钢)的粉末。又，在附加加工时(造形时)，通过控制装置600，进行使用了材料供给装置86的对喷嘴单元84的粉末供给路径、即配管90b，90c的切换。由此，来自粉末匣88A的第1造形材料(例如钛)的粉末与来自粉末匣88B的第2造形材料(例如不锈钢)的粉末被择一地供给至喷嘴单元84。因此，仅将控制装置600所供给的粉末材料对应部位做切换，即能容易地生成异种材料的接合形状。又，其切换能大致在瞬间进行。进而，也能通过混合异种材料来供给而当场制作“合金”，也能将其组成视场所来改变或使的渐层(gradation)。
此外，上述实施形态中，说明了通过光束造形系统500形成单一直线状光束(一文字光束)的照射区域，并相对该一文字光束将工件W扫描于扫描方向(例如Y轴方向)的情形。然而，光束造形系统500，如前所述可通过对射入聚光光学系82的多个平行光束LB的入射角度赋予适当的分布来自由地变更造形面MP上的光束的强度分布。因此，造形装置100，能变更造形面MP上的光束的照射区域的位置、数量、大小及形状的至少一个，也能如前所述形成例如一文字区域、三行区域、缺损一文字区域等(参照图10)来作为光束的照射区域。
图13显示例如使用分别照射于构成前述三行区域的三个一文字区域的三个一文字光束对工件W进行附加加工的情形。如图13所示，通过聚光光学系82周缘部附近且通过相对喷嘴84a的工件W(载台12)的扫描方向前方及后方光路的光束LB11，LB12聚光于喷嘴84a(的多个供给口)的正下方而成为以X轴方向(图13中的纸面正交方向)作为长度方向的狭缝状(线状)第1一文字区域LS1形成于造形面上。此时，工件W的设定有目标部位TA的对象面TAS对齐于造形面MP。又，通过聚光光学系82周缘部附近且通过相对喷嘴84a的扫描方向后方的光路的光束LB21，LB22聚光，而在往第1一文字区域LS1的扫描方向后方相隔既定距离的位置，形成有与第1一文字区域LS1平行地以与第1一文字区域LS1相同长度延伸于X轴方向的第2一文字区域LS2。又，通过聚光光学系82周缘部附近且通过相对喷嘴84a的扫描方向前方的光路的光束LB31，LB32聚光，而在往第1一文字区域LS1的扫描方向前方相隔既定距离的位置，形成有与第1一文字区域LS1平行地以与第1一文字区域LS1相同长度延伸于X轴方向的第3一文字区域LS3。图14在XY平面内显示图13所示的三个一文字区域LS1、LS2、LS3与扫描方向的关系。
此外，图13所示的LB11、LB12、LB21、LB22、LB31、LB12是示意显示，射入各一文字区域的至少一个光束的光路、光束数量等例如可通过控制反射镜阵列80来设定及变更。
此处，如前所述，通过对形成三个一文字区域LS1、LS2、LS3中位于载台12的扫描方向中央的第1一文字区域LS1的一文字光束(以下为了说明方便，称为第1一文字光束)从喷嘴84a供给粉末状造形材料PD，以在喷嘴84a的多个供给口正下方形成线状的熔融池WP，一边使工件W(载台12)扫描于扫描方向(在图13中为+Y方向)一边进行此种熔融池WP的形成。
形成相对第1一文字区域LS1位于载台12的扫描方向后方(行进方向后方)的第2一文字区域LS2的一文字光束(以下为了说明方便，称为第2一文字光束)，例如具有在施加造形前将工件W表面(对象面的目标部为)温度预热(先加热至刚好的温度)的作用。在不进行此种预热的场合，会因通过激光束熔融的高温金属与低温工件(对象面)之间的较大温度差而产生熔融金属的急速冷却，会瞬间凝固而成为干硬的块体。此事是使加工面(造形部的表面)的面精度、面粗糙度等恶化的一大要因。相对于此，通过先以第2一文字光束事前加热工件W(对象面)的表面以减小熔融金属与工件W(对象面)的温度差，而使工件W(对象面)上的熔融金属的凝固速度和缓，熔融金属因表面张力的作用而于工件W表面(对象面)扩展，能充分取得时间上的余裕。其结果可实现优异的面精度及面粗糙度。
形成相对第1一文字区域LS1位于载台12的扫描方向前方(行进方向前方)的第3一文字区域LS3的一文字光束(以下为了说明方便，称为第3一文字光束)，例如发挥激光研磨附着于工件W表面(对象面的目标部位)而凝固(固化)的造形材料(金属材料)、即激光研磨焊珠BE表面的作用。虽通过激光束进行的表面研磨为公知的一般技术，但通常通过一次附加加工(造形)无法取得的面精度、面粗糙度，可通过第3一文字光束立即研磨来予以实现。
尤其是，在图13所示的对工件W的附加加工，能在将工件W(载台12)往扫描方向一次扫描的期间进行上述的工件W表面的事前加热(预热)、对工件的熔融池及焊珠的形成、以及所形成的焊珠表面的激光研磨。此外，图13的场合的第2一文字光束并不限于预热也可用于其他用途。同样地，第3一文字光束也可用于激光研磨以外的用途。例如，也可对应于第1、第2及第3一文字区域LS1、LS2及LS3的配置，设置三个喷嘴，并通过第1、第2及第3一文字光束在工件W的造形面上同时形成三个既定宽度的直线状熔融池。
此外，在与图13相反地往-Y方向设定有工件W(载台12)的扫描方向时，第3一文字光束具有在施加造形前将工件W表面温度先加热至刚好的温度的作用，而第2一文字光束则具有将附着于工件W表面而暂时凝固的金属材料表面激光研磨的作用。
此外，上述说明中，虽说明了除了用于对工件形成熔融池的第1一文字光束的照射区域(第1一文字区域)以外，用于工件W表面的事前加热的第2一文字光束的照射区域(第2一文字区域)、以及用于所形成的焊珠表面的激光研磨的第3一文字光束的照射区域(第3一文字区域)在造形面上彼此分离形成的情形，但例如第1一文字区域与第2一文字区域也可至少一部份重迭。又，第2一文字区域LS2与第3一文字区域LS3的至少一方，其形状与尺寸的至少一方也可与第1一文字区域不同。又，第2一文字区域与第3一文字区域的至少一方也可不一定要使用，因此在造形面上，不一定非要形成第2一文字区域与第3一文字区域的至少一方。
至此为止，使一文字区域成为尽可能细的尖锐状，利用散焦时照射于该一文字区域的光束的能量密度急遽下降来极力地增高熔融池(涂布层)的厚度控制性的方法为前提进行了说明。然而，此情形下，涂布层的厚度变得非常薄，在附加相同厚度的层时，必须区分成更多层来进行附加加工(造形)(必须重新涂布好几次)，就生产性观点而言并不利。
因此，考虑到被要求的造形精度与产能的均衡，而也能考虑欲增厚涂布层厚度的情形。此种情形下，控制装置600按照被要求的造形精度与产能，使造形面内的光束的强度分布变化，具体而言只要控制反射镜阵列80的各反射镜元件81p，q的倾斜角以稍微加宽一文字区域宽度即可。例如图15(B)所示的一文字区域LS变化成一文字区域LS’。如此一来，散焦时的能量密度变化变得和缓，而如图15(A)所示，铅垂方向的高能量区域的厚度h变厚，由此能增厚一次扫描能生成的层厚度，据以使生产性提升。
如以上所述，本实施形态的造形装置100与以往金属用3D打印机相较，其具备多数个便利性、依照实际加工现场的要求的解决方案，为其一大特征。
此外，上述实施形态中，虽说明了使用反射镜阵列80作为空间光调制器的情形，但也可取代此方式，使用将多数个通过MEMS技术制作的数字微镜元件(Digital MicromirrorDevice：DMD(注册商标))配置成矩阵状而成的大面积数字微镜元件。在此种情形下，难以使用编码器等测量各反射镜元件的状态(例如倾斜角)。而在此种情形下，也可使用检测系统，其对该大面积数字微镜元件表面照射检测光，并接收来自构成数字微镜元件的多数个反射镜元件的反射光，根据其强度分布检测各反射镜元件的状态。在此情形，检测系统也可根据以拍摄手段拍摄由数字微镜元件形成的像所取得的影像信息来检测多数个反射镜元件各个的状态。
此外，上述实施形态的造形装置100中，也可连同旋转编码器83p，q一起使用图11中以假想线显示的检测系统89。作为此检测系统89，能使用例如经由配置于反射镜阵列80与聚光光学系82之间的分束器接收来自构成反射镜阵列80的多数个反射镜元件81p，q的反射光，再根据其强度分布检测各反射镜元件81p，q的状态的检测系统。作为检测系统，能使用与例如美国发明专利第8,456,624号说明书所揭示者相同构成的系统。
又，上述实施形态中，虽例示了使用各反射镜元件81p，q的反射面相对基准面的倾斜角度为能变更类型的反射镜阵列80的情形，但不限于此，也可采用各反射镜元件能相对基准面倾斜且能位移于与基准面正交的方向的构造的反射镜阵列。又，各反射镜元件，也可不一定可相对基准面倾斜。如上述，能位移于与基准面正交的方向的反射镜阵列，例如揭示于美国发明专利第8,456,624号说明书。此外，也可采用各反射镜元件能绕与基准面平行的彼此正交的二轴旋转(即能变更正交的两方向的倾斜角度)类型的反射镜阵列。如上述的能变更正交的两方向的倾斜角度的反射镜阵列，揭示于例如美国发明专利第6,737,662号说明书。这些情形中也能使用上述美国发明专利第8,456,624号说明书所揭示的检测系统来检测各反射镜元件的状态。
此外，也可使用对反射镜阵列80表面照射检测光并接收来自构成反射镜阵列80的多数个反射镜元件81p，q的反射光的检测系统。或者，作为检测系统，也可将个别检测各反射镜元件的相对基准面(底座)的倾斜角及间隔的传感器设于反射镜阵列(光学元件)。
此外，上述实施形态中，虽说明了通过个别控制射入聚光光学系82的光瞳面的多个平行光束的入射角度来进行在造形面上的光束的强度分布的变更的情形，但也可非为能控制(变更)射入聚光光学系82的光瞳面的多个平行光束的所有入射角度。因此，在与上述实施形态同样地使用反射镜阵列控制射入聚光光学系82的平行光束的入射角度时等，所有反射镜元件也可非能变更反射面状态(反射面的位置及倾斜角度的至少一方)。又，上述实施形态中，虽说明了为了进行射入聚光光学系82的多个平行光束的入射角度的控制、即为了变更造形面上的光束的强度分布而使用反射镜阵列80的情形，但也可取代反射镜阵列而使用以下说明的空间光调制器(非发光型影像显示元件)。作为透射型空间光调制器，除了透射型液晶显示元件(LCD：Liquid CrystalDisplay)以外，还能例举出电致变色显示器(ECD)等。又，作为反射型空间光调制器，除了上述的微镜阵列以外，还能例举出反射型液晶显示元件、电泳显示器(EPD：Electro Phonetic Display)、电子纸(或电子墨)、光绕射型光阀(Grating Light Valve)等。又，上述实施形态中，虽说明了为了进行造形面上的光束的强度分布的变更而使用反射镜阵列(空间光调制器的一种)的情形，但也可因其他目的使用空间光调制器。
又，如上述，聚光光学系82虽较佳为大口径，但也可使用数值孔径N.A.较0.5小的聚光光学系。
又，上述实施形态中，为了管理光束的强度分布，造形装置100也可具备于聚光光学系82或其附近能配置受光部的传感器。例如较佳为于载台12上搭载CCD影像传感器，通过该CCD影像传感器以适当频率校正光束的强度分布(在造形面的照射区域内的强度分布)。此时，虽也可在传感器的受光部(例如载台12)停止的状态下进行测量，但也可使传感器的受光部(例如载台12)一边移动、一边进行从聚光光学系82接收光束的扫描测量。通过一边移动传感器的受光部一边进行测量，例如能排除CCD影像传感器、反射镜阵列等有限像素数量的影响，得到正确的测量结果。如此，通过以接收来自聚光光学系82的光束的传感器测量光束的强度分布，而能进行也加入了聚光光学系82的热像差等变动要因后的光束的强度分布管理。又，通过根据其结果控制反射镜阵列80等，而能以良好精度将在聚光光学系82后侧焦点面等的光束的强度分布设定成所欲状态。
此外，上述实施形态中，虽例示了使用钛、不锈钢的粉末作为造形材料的情形，但当然也可使用铁粉等其他金属的粉末，也能使用尼龙、聚丙烯、ABS等的粉末等金属以外的粉末。又，作为造形材料除了粉末以外的物，在使用例如用于熔接的焊线等的情形，也能适用上述实施形态的造形装置100。不过，在此情形下取代粉末匣及喷嘴单元等粉末供给系而设有送线装置等。
又，上述实施形态中，虽说明了从喷嘴84a的多个供给口91i的各个将粉末状的造形材料PD沿着与聚光光学系82的光轴AX平行的Z轴方向供给的情形，但不限于此，也可从相对光轴AX倾斜的方向供给造形材料(粉末)。且也可从相对铅垂方向倾斜的方向供给造形材料(粉末)。
此外，上述实施形态的造形装置100中，材料处理部530所具备的喷嘴84a，也可具有前述造形材料的供给口与用以将未熔融的粉末状造形材料回收的回收口(吸引口)。
至此为止，虽说明了对既有的工件附加形状的例，但本实施形态的造形装置100的使用用途并不限于此，也可与一般3D打印机等同样地，在载台12上从无任何物的处通过造形而生成三维形状。此情形下，无非是对所谓“无”的工件施加附加加工。当在此种载台12上进行三维造形物的造形时，控制装置600，只要通过测量系统400所具备的标记检测系56(参照图11)，以光学方式检测预先形成于载台12上的最少三处的对准标记，由此求出设定于载台12上的造形的对象面于6自由度方向的位置信息，并一边根据此结果控制相对光束(的照射区域)的载台12上的对象面的位置及姿势、一边进行三维造形即可。
此外，上述实施形态中，作为一例，说明了控制装置600控制移动系统200、测量系统400及光束造形系统500的构成各部的情形，但不限于此，也可由分别包含微处理器等处理装置的多个硬件构成造形系统的控制装置。此情形下，移动系统200、测量系统400及光束造形系统500也可分别具备处理装置，也可以是控制移动系统200、搬送系统300、测量系统400及光束造形系统500中的两个的第1处理装置与控制剩余的一个系统的第2处理装置的组合。不论是哪一种情形，各个处理装置皆是负责上述控制装置600的功能的一部分。或者，也可通过多个微处理器等处理装置与统筹管理此等处理装置的主计算机来构成造形系统的控制装置。
上述各实施形态的构成要件的至少一部分能与上述各实施形态的构成要件的至少其他一部分适当地组合。也可不使用上述各实施形态的构成要件中的一部分。又，在法令所许容范围内，援用上述各实施形态中所引用的与曝光装置等相关的所有公开公报及美国发明专利的揭示以作为本文记载的一部分。
产业上可利用性
如以上所说明，本发明的造形装置及造形方法适于三维造形物的形成。
符号说明
12 载台
62 光导引光纤
64 双复眼光学系
66 聚光透镜系
70 激光单元
78 光束剖面强度转换光学系
80 反射镜阵列
81 反射镜元件
82 聚光光学系
83 旋转编码器
85 限制构件
89 检测系统
91 供给口
100 造形装置
200 移动系统
500 光束造形系统
520 光束照射部
530 材料处理部
540 洒水头
600 控制装置
BS 底座
PD 造形材料
LS 一文字区域
LS1 第1一文字区域
LS2 第2一文字区域
LS3 第3一文字区域
MP 造形面
TA 目标部位
TAS 对象面
W 工件
WP 熔融池

Claims (83)

1.一种造形装置，在对象面上形成三维造形物，其具备：
移动系统，使所述对象面移动；
光束造形系统，包含光束照射部以及材料处理部，所述光束照射部包含射出光束的聚光光学系，所述材料处理部具有供给被来自所述光束照射部的光束照射的造形材料的至少一个供给口；以及
控制装置，根据形成于所述对象面上的三维造形物的3D数据控制所述移动系统与所述光束造形系统，以一边使所述对象面与来自所述光束照射部的光束相对移动、一边从所述材料处理部供给所述造形材料从而对所述对象面上的目标部位施加造形，
从所述至少一个供给口沿着与所述聚光光学系的射出面侧的光轴平行的供给轴来供给所述造形材料，
以所述光束照射所述造形材料，所述光束从包含透镜的光轴的区域的外侧区域射出，通过相对于所述供给轴外侧的所述光轴倾斜的光路，所述透镜构成所述聚光光学系的一部分且具有与所述射出面侧的光轴一致的所述光轴，
能变更在所述聚光光学系的射出面侧的既定面内的所述光束的强度分布。
2.如权利要求1所述的造形装置，其中，所述强度分布的变更包含：在所述既定面内的所述光束的照射区域位置、在所述既定面内的所述照射区域数量、在所述既定面内的所述照射区域大小、以及在所述既定面内的所述照射区域形状的至少一个的变更。
3.如权利要求1所述的造形装置，其中，所述既定面是所述聚光光学系的后侧焦点面。
4.如权利要求1所述的造形装置，其中，所述强度分布的变更是由所述光束照射部进行。
5.如权利要求4所述的造形装置，其中，所述光束照射部通过控制射入所述聚光光学系的至少一个入射光束的入射角度来进行所述强度分布的变更。
6.如权利要求5所述的造形装置，其中，能通过所述入射角度的控制，变更射入所述聚光光学系的光瞳面的所述至少一个入射光束的入射角度。
7.如权利要求6所述的造形装置，其中，所述至少一个入射光束包含对所述光瞳面的入射角度不同的多个入射光束。
8.如权利要求6所述的造形装置，其中，所述光瞳面与所述聚光光学系的前侧焦点面一致。
9.如权利要求5所述的造形装置，其中，所述光束照射部具有空间光调制器，使用所述空间光调制器控制射入所述聚光光学系的所述至少一个入射光束的入射角度。
10.如权利要求9所述的造形装置，其中，所述光束照射部使用所述空间光调制器进行所述强度分布的变更。
11.如权利要求9所述的造形装置，其中，所述空间光调制器具有配置成矩阵状的多个反射镜；
所述多个反射镜分别具有反射面；
所述多个反射镜分别独立地可动。
12.如权利要求11所述的造形装置，其中，所述空间光调制器能分别独立地变更所述多个反射镜的反射面状态。
13.如权利要求12所述的造形装置，其中，所述反射面状态的变更包含所述反射面的位置与倾斜角度的至少一方的变更。
14.如权利要求11所述的造形装置，其具备检测所述多个反射镜各个的所述反射面状态的检测系统；
根据所述检测系统的输出，控制所述多个反射镜各个的所述反射面状态。
15.如权利要求14所述的造形装置，其中，所述检测系统包含分别独立地安装于所述多个反射镜的传感器。
16.如权利要求14所述的造形装置，其中，所述检测系统对所述多个反射镜的表面照射检测光并接收来自所述多个反射镜的反射光。
17.如权利要求11所述的造形装置，其中，分别独立地或依群组变更所述多个反射镜的所述反射面状态。
18.如权利要求9所述的造形装置，其中，所述光束照射部具有转换光束剖面强度分布的转换光学构件；
从所述转换光学构件射出的光束射入所述空间光调制器。
19.如权利要求18所述的造形装置，其中，所述光束照射部具有照度均一化光学系；
从所述照度均一化光学系射出的光束射入所述转换光学构件。
20.如权利要求19所述的造形装置，其中，所述照度均一化光学系将从多个光源单元分别射出的多个光束混合及均一化。
21.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，射入所述聚光光学系的至少一个入射光束是平行光束。
22.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，在所述既定面内的所述光束的照射区域包含第1区域与第2区域；
以照射于所述第1区域的方式从所述聚光光学系射出第1光束；
以被所述第1光束照射的方式从所述材料处理部供给所述造形材料。
23.如权利要求22所述的造形装置，其中，在以照射于所述第2区域的方式从所述聚光光学系射出的第2光束照射于所述目标部位后，以对所述目标部位供给通过所述第1光束而熔融的所述造形材料的方式进行所述相对移动。
24.如权利要求23所述的造形装置，其中，以所述第2光束将所述目标部位预热。
25.如权利要求22所述的造形装置，其中，在所述既定面内的所述光束的照射区域进一步包含第3区域，所述第3区域隔着所述第1区域形成在与所述第2区域相反的侧。
26.如权利要求25所述的造形装置，其中，以照射于所述第3区域的方式从所述聚光光学系射出第3光束；
以对通过所述第1光束而熔融且在所述目标部位上固化的所述造形材料照射所述第3光束的方式进行所述相对移动。
27.如权利要求26所述的造形装置，其中，通过对在所述目标部位上固化的所述造形材料照射所述第3光束，进行在所述目标部位上固化的所述造形材料的表面研磨。
28.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，在所述既定面内的所述强度分布能在所述光束与所述对象面的相对移动中变更。
29.如权利要求28所述的造形装置，其中，在所述既定面内的所述强度分布能在所述光束与所述对象面的相对移动中连续地变更。
30.如权利要求28所述的造形装置，其中，所述控制装置按照所述对象面与所述光束的相对位置使在所述既定面内的所述强度分布变化。
31.如权利要求28所述的造形装置，其中，所述控制装置按照被要求的造形精度与产能使在所述既定面内的所述强度分布变化。
32.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，所述控制装置按照所述强度分布的变更控制所述材料处理部供给所述造形材料的供给动作。
33.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，所述至少一个供给口为可动。
34.如权利要求33所述的造形装置，其中，按照所述强度分布的变更移动所述至少一个供给口。
35.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，所述材料处理部具有供给所述造形材料的多个供给口，能仅从所述多个供给口的一部分供给所述造形材料。
36.如权利要求35所述的造形装置，其中，按照所述强度分布的变更，从所述多个供给口选择至少一个供给口，并从所述选择的至少一个供给口供给所述造形材料。
37.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，来自所述至少一个供给口的所述造形材料的每单位时间的供给量可调整。
38.如权利要求37所述的造形装置，其中，所述控制装置按照所述强度分布的设定，决定来自所述至少一个供给口的所述供给量。
39.如权利要求38所述的造形装置，其中，所述控制装置根据在所述既定面的所述光束的照射区域的所述相对移动方向宽度决定所述供给量。
40.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，所述材料处理部具有喷嘴构件，该喷嘴构件具有所述至少一个供给口；
所述喷嘴构件配置于所述聚光光学系与所述既定面之间。
41.如权利要求40所述的造形装置，其中，从所述喷嘴构件的所述至少一个供给口沿着所述供给轴供给所述造形材料。
42.如权利要求40所述的造形装置，其中，所述喷嘴构件配置于所述聚光光学系的所述光轴上。
43.如权利要求40所述的造形装置，其中，所述光束照射部具有限制来自所述聚光光学系的光束对所述喷嘴构件的入射的限制构件。
44.如权利要求43项的造形装置，其中，所述限制构件包含配置于所述聚光光学系的入射面侧的遮光构件。
45.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，所述光束照射部使在所述聚光光学系的射出面从所述聚光光学系射出的光束在包含所述聚光光学系的光轴的区域的强度比在其外侧区域的强度小。
46.如权利要求45所述的造形装置，其中，从所述聚光光学系射出的光束不通过所述聚光光学系射出面的包含光轴的所述区域。
47.如权利要求45所述的造形装置，其中，所述光束照射部具有转换光束剖面强度分布的转换光学构件；
至少一个入射光束经由所述转换光学构件射入所述聚光光学系。
48.如权利要求45所述的造形装置，其中，所述聚光光学系包含位于所述光束照射部的射出端的聚光构件，该聚光构件至少在从其射出侧的面的光轴离开的区域形成光学面，经由该光学面将光束聚光于所述既定面或其附近的面。
49.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，所述光束照射部具有照度均一化光学系；
至少一个入射光束经由所述照度均一化光学系射入所述聚光光学系。
50.如权利要求49所述的造形装置，其中，所述照度均一化光学系将从多个光源单元分别射出的多个光束混合及均一化。
51.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，所述控制装置按照在所述既定面的强度分布决定所述对象面与来自所述光束照射部的光束的相对移动速度。
52.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，通过供给被从所述聚光光学系射出的光束照射的所述造形材料，形成所述造形材料的熔融池。
53.如权利要求52所述的造形装置，其中，通过一边在所述目标上形成所述熔融池、一边使所述对象面与来自所述光束照射部的光束相对移动，以对所述目标部位施加造形。
54.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，所述光束造形系统具有供给冷却液的供给口。
55.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，所述移动系统具有保持具有所述对象面的工件且可移动的可动构件。
56.如权利要求55所述的造形装置，其进一步具备支撑所述移动系统的底座构件；
所述移动系统以气浮方式或磁浮方式悬浮支撑于所述底座构件上。
57.如权利要求55所述的造形装置，其中，当在所述可动构件上不存在所述工件的状态下进行所述造形时，将所述可动构件的一面作为所述对象面。
58.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，使用粉末状材料作为所述造形材料。
59.如权利要求1至20中任一项所述的造形装置，其中，所述三维造形物积层有多个层；
所述控制装置根据从所述三维造形物的3D数据取得的多层积层剖面的数据，控制所述移动系统与所述光束造形系统。
60.一种造形方法，在对象面上形成三维造形物，其包含：
以一边使从包含聚光光学系的光束照射部射出的光束与对象面相对移动、一边供给被所述光束照射的造形材料从而对所述对象面上的目标部位施加造形的方式，根据形成于所述对象面上的三维造形物的3D数据控制所述对象面的移动与来自所述光束照射部的所述光束的射出状态及所述造形材料的供给状态的至少一方的动作；所述造形材料从所述至少一个供给口，沿着与所述聚光光学系的射出面侧的光轴平行的供给轴而供给，
以所述光束照射所述造形材料，所述光束从包含透镜的光轴的区域的外侧区域射出，通过相对于所述供给轴外侧的所述光轴倾斜的光路，所述透镜构成所述聚光光学系的一部分且具有与所述射出面侧的光轴一致的所述光轴，
能变更在所述聚光光学系的射出面侧的既定面内的所述光束的强度分布。
61.如权利要求60所述的造形方法，其中，所述强度分布的变更包含：在所述既定面内的所述光束的照射区域位置、在所述既定面内的所述照射区域数量、在所述既定面内的所述照射区域大小、以及在所述既定面内的所述照射区域形状的至少一个的变更。
62.如权利要求60所述的造形方法，其中，所述既定面是所述聚光光学系的后侧焦点面。
63.如权利要求60所述的造形方法，其中，通过控制射入所述聚光光学系的至少一个入射光束的入射角度来进行所述强度分布的变更。
64.如权利要求63所述的造形方法，其中，使用空间光调制器控制射入所述聚光光学系的所述至少一个入射光束的入射角度。
65.如权利要求60至64中任一项所述的造形方法，其中，在所述既定面内的所述光束的照射区域包含第1区域与第2区域；
以照射于所述第1区域的方式从所述聚光光学系射出第1光束；
以被所述第1光束照射的方式供给所述造形材料。
66.如权利要求65所述的造形方法，其中，在以照射于所述第2区域的方式从所述聚光光学系射出的第2光束照射于所述目标部位后，以对所述目标部位供给通过所述第1光束而熔融的所述造形材料的方式进行所述相对移动。
67.如权利要求66所述的造形方法，其中，以所述第2光束将所述目标部位预热。
68.如权利要求65所述的造形方法，其中，在所述既定面内的所述光束的照射区域进一步包含第3区域，所述第3区域隔着所述第1区域形成在与所述第2区域相反的侧。
69.如权利要求68所述的造形方法，其中，以照射于所述第3区域的方式从所述聚光光学系射出第3光束；
以通过所述第1光束而熔融且在所述目标部位上固化的所述造形材料以被所述第3光束照射的方式进行所述相对移动。
70.如权利要求69所述的造形方法，其中，通过对在所述目标部位上固化的所述造形材料照射所述第3光束，进行在所述目标部位上固化的所述造形材料的表面研磨。
71.如权利要求60至64中任一项所述的造形方法，其中，在所述既定面内的所述强度分布能在所述光束与所述对象面的相对移动中变更。
72.如权利要求71所述的造形方法，其中，在所述既定面内的所述强度分布能在所述光束与所述对象面的相对移动中连续地变更。
73.如权利要求71所述的造形方法，其中，按照所述对象面与所述光束的相对位置使在所述既定面内的所述强度分布变化。
74.如权利要求71所述的造形方法，其中，按照被要求的造形精度与产能使在所述既定面内的所述强度分布变化。
75.如权利要求60至64中任一项所述的造形方法，其中，按照所述强度分布的变更控制所述造形材料的供给状态。
76.如权利要求60至64中任一项所述的造形方法，其中，所述造形材料的供给状态的控制包含每单位时间的供给量的控制。
77.如权利要求76所述的造形方法，其中，按照所述强度分布的设定决定所述供给量。
78.如权利要求77所述的造形方法，其中，根据在所述既定面的所述光束的照射区域的所述相对移动方向宽度决定所述供给量。
79.如权利要求60至64中任一项所述的造形方法，其中，按照在所述既定面的强度分布决定所述对象面与来自所述光束照射部的光束的相对移动速度。
80.如权利要求60至64中任一项所述的造形方法，其中，通过以被从所述聚光光学系射出的光束照射的方式供给所述造形材料，以形成所述造形材料的熔融池。
81.如权利要求80所述的造形方法，其中，通过一边在所述目标上形成所述熔融池、一边使所述对象面与来自所述光束照射部的光束相对移动，以对所述目标部位施加造形。
82.如权利要求60至64中任一项所述的造形方法，其中，使用粉末状材料作为所述造形材料。
83.如权利要求60至64中任一项所述的造形方法，其中，所述三维造形物积层有多个层；
根据从所述三维造形物的3D数据取得的多层积层剖面的数据，控制所述对象面的移动与来自所述光束照射部的所述光束的射出状态及所述造形材料的供给状态的至少一方。
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