CN110709195A - 造型系统及造型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的造型系统使用光束在对象面(TAS)上形成三维造型物，且具备：光束照射部(520)，射出通过相对于轴(AX)倾斜的光路的光束(LB1、LB2)；材料供给部(530)，具有材料供给口，沿轴(AX)供给要利用来自光束照射部的光束照射的粉状造型材料(PD)；外罩部件(30)，具有自一端侧向另一端侧逐渐收敛的内表面，且在另一端形成有使来自光束照射部的光束通过的出口；及气体供给装置(42)，经由气体供给口向外罩部件内部的空间(30a)内供给惰性气体；且惰性气体经由外罩部件的出口向空间之外流动，造型材料经由外罩部件的出口供给至所述空间之外。

Description

造型系统及造型方法
技术领域
本发明涉及一种造型系统及造型方法，更详细来说，涉及一种使用光束在对象面上形成三维造型物的造型系统及造型方法。本发明的造型系统及造型方法可适宜地用于利用快速原型(有时也称为3D打印、或者附加制造、或者直接数字制造)形成三维造型物。
背景技术
由CAD数据直接生成3D(三维)形状的技术被称为快速原型(有时也称为3D打印、或者附加制造、或者直接数字制造，以下将快速原型用作总称)。如果将3D打印机等利用快速原型形成三维造型物的造型装置按照处理的材料进行分类，那么可大致分为处理树脂的装置与处理金属的装置。利用快速原型制作的金属制三维造型物用作实际的机械构造物的一部分(无论是量产品还是试制品)。作为既有的金属用3D打印机(以下略记为M3DP(Metal 3DPrinter))，已知有PBF(Powder Bed Fusion)及DED(Directed Energy Deposition)2种。
DED采用使熔解的金属材料附着于加工对象的方法。例如，对利用聚光透镜缩窄的激光光束的焦点附近喷射粉末金属(例如参照专利文献1)。
DED因为粉末材料根据需要自加工头仅供给需要的量，所以浪费较少。
如上所述，DED与PBF相比，在作为原材料的粉末金属的处理等方面实现了改善，但仍有较多应改善的方面。
[背景技术文献]
[专利文献]
专利文献1：美国专利申请公开第2003/0206820号说明书
发明内容
根据本发明的第1形态，提供一种造型系统，其使用光束在对象面上形成三维造型物，且具备：光束照射部，射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；材料供给部，具有材料供给口，沿所述轴供给要利用来自所述光束照射部的光束照射的粉状造型材料；外罩部件，具有自一端侧向另一端侧逐渐收敛的内表面，且在所述另一端形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；及气体供给装置，经由气体供给口向所述外罩部件内部的空间内供给惰性气体；且所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外。
在本说明书中，对象面是设定造型的目标部位的面。
根据本发明的第2形态，提供一种造型系统，其使用光束在对象面上形成三维造型物，且具备：光束照射部，射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；材料供给部，具有材料供给口，沿所述轴供给要利用来自所述光束照射部的光束照射的粉状造型材料；外罩部件，具有以包围所述光路的至少一部分的方式配置的内表面，形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；及气体供给装置，经由气体供给口向所述外罩部件内部的空间内供给惰性气体；且所述惰性气体成为回旋流，沿所述外罩部件的内表面向所述出口流动，所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外。
根据本发明的第3形态，提供一种造型系统，其使用光束在对象面上形成三维造型物，且具备：光束照射部，射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；材料供给部，具有材料供给口，沿所述轴供给要利用来自所述光束照射部的光束照射的粉状造型材料；外罩部件，具有以包围所述光路的至少一部分的方式配置的内表面，形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；及气体供给装置，经由气体供给口向所述外罩部件内部的空间内供给惰性气体；且所述惰性气体绕所述轴成为回旋流，向所述出口流动，所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外。
根据本发明的第4形态，提供一种造型系统，其使用光束在对象面上形成三维造型物，且具备：光束照射部，射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；材料供给部，具有材料供给口，沿所述轴供给作为造型材料的粉体；外罩部件，形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；及气体供给装置，经由气体供给口向所述外罩部件内部的空间内供给惰性气体；且所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外的所述对象面。
根据本发明的第5形态，提供一种造型方法，其使用光束在对象面上形成三维造型物，且包括：自光束照射部射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；沿所述轴供给要利用所述光束照射的粉状造型材料；及经由气体供给口向外罩部件的内部的空间内供给惰性气体，所述外罩部件具有自一端侧向另一端侧逐渐收敛的内表面，且在所述另一端形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；且所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外的所述对象面。
根据本发明的第6形态，提供一种使用光束在对象面上形成三维造型物的造型方法，包括：自光束照射部射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；沿所述轴供给要利用所述光束照射的粉状造型材料；及经由气体供给口向外罩部件的内部的空间内供给惰性气体，所述外罩部件具有以包围所述光路的至少一部分的方式配置的内表面，且形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；且所述惰性气体成为回旋流，沿所述外罩部件的内表面向所述出口流动，所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外的所述对象面。
根据本发明的第7形态，提供一种造型方法，其使用光束在对象面上形成三维造型物，且包括：自光束照射部射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；沿所述轴供给要利用所述光束照射的粉状造型材料；及经由气体供给口向外罩部件的内部的空间内供给惰性气体，所述外罩部件具有以包围所述光路的至少一部分的方式配置的内表面，且形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；且所述惰性气体绕所述轴成为回旋流，向所述出口流动，所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外的所述对象面。
根据本发明的第8形态，提供一种造型方法，其使用光束在对象面上形成三维造型物，且包括：自光束照射部射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；沿所述轴供给要利用所述光束照射的粉状造型材料；及经由气体供给口向外罩部件的内部的空间内供给惰性气体，所述外罩部件具有自一端侧向另一端侧逐渐收敛的内表面，且在所述另一端形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；且所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外的所述对象面。
附图说明
图1是表示一实施方式的造型系统的整体构成的框图。
图2是一并表示造型系统与搭载着工件的载台的图。
图3是表示来自光源系统的平行光束照射至反射镜阵列，且个别地控制来自多个各反射镜元件的反射光束相对于聚光光学系统的入射角度的状态的图。
图4是一并表示造型系统所具备的材料供给部与聚光光学系统等的图。
图5是将图2中的镜筒85及其下方的部分与工件W的目标部位TA附近部分一并放大表示的图。
图6是表示构成造型装置的控制系统的中心的控制装置的输入输出关系的框图。
图7是用于对经由多个供给口，将惰性气体供给至外罩部件的内部，产生向上下流动的气流的变形例进行说明的图。
具体实施方式
以下，基于图1～图6对一实施方式进行说明。在图1中，以框图示出一实施方式的造型系统100的整体构成。
造型系统100是DED方式的M3DP。造型系统100也可用于利用快速原型在下述载台上形成三维造型物，也可以用于利用三维造型对工件(例如既有的零件)进行附加加工。在本实施方式中，以后者即进行针对工件的附加加工的情形为中心进行说明。
造型系统100具备移动装置200、测量装置400及造型头部500、及控制包括这些各部分的造型系统100整体的控制装置600。其中，测量装置400与造型头部500在规定方向上分离配置。在以下的说明中，为了方便起见，设为测量装置400与造型头部500在下述X轴方向(参照图2)上分离配置。
在图2中，一并示出造型头部500与搭载着工件W的载台12。以下，将图2中的与纸面正交的方向设为X轴方向，将纸面内的左右方向设为Y轴方向，将与X轴及Y轴正交的方向设为Z轴方向，将绕X轴、Y轴及Z轴的旋转(倾斜)方向分别设为θx、θy及θz方向进行说明。
移动装置200变更造型的对象面(此处为工件W上的设定有目标部位TA的面)TAS(例如参照图2及图5)的位置及姿势。具体来说，通过将搭载具有对象面TAS的工件W的载台12沿6个自由度方向(X轴、Y轴、Z轴、θx、θy及θz的各方向)移动，进行对象面的6个自由度方向的位置的变更。在本说明书中，关于载台、工件或对象面等，将θx、θy及θz方向的3个自由度方向的位置适当总称为“姿势”，与之对应地将其余的3个自由度方向(X轴、Y轴及Z轴方向)的位置适当总称为“位置”。
移动装置200具备载置工件W的载台12、配置于与XY平面平行的地面上，变更载台12的位置及姿势的驱动机构11(图2中未图示，参照图6)、及用于使载台12、工件W及驱动机构11整体沿地面在二维方向上移动的平面马达26(图2中未图示，参照图6)。此处，作为载台12的驱动机构11，作为一例，移动装置200具备构成底座平台的滑块、及构成末端效应器的载台12，例如具备与美国专利第6,940,582号说明书中所公开的机构以相同的方式构成的史都华平台(Stewart platform)型的6自由度平行连杆机构。移动装置200因为具备史都华平台型的6自由度平行连杆机构作为载台12的驱动机构11，所以有高精度、高刚性、支撑力大、逆运动学计算容易等特征。此外，移动装置200不限定于可使载台沿6个自由度方向移动的装置。
在本实施方式的造型系统100中，在针对工件的附加加工时等，为了对工件形成所需形状的造型物等，相对于造型头部500、更具体来说相对于来自下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，可以与之相反地使来自光束照射部的光束可动，也可以使光束及工件(载台)双方可动。
载台12在其上表面搭载附加加工对象的工件W。在载台12设有用于固定工件W的夹盘机构13(图2中未图示，参照图6)。作为夹盘机构13，例如使用机械夹盘或者真空夹盘等。此外，载台12的形状可为矩形板状、圆盘状等任何形状。控制装置600利用与美国专利第6,940,582号说明书中所公开的方法相同的方法，使用逆运动学计算经由驱动机构11(平行连杆机构)控制载台12的位置及姿势。此外，平行连杆机构具备6根能够伸缩的杆(连杆)，利用控制装置600经由使各杆个别地伸缩的6个伸缩机构控制各杆的长度，利用线性编码器241～246(参照图6)分别测量各杆的长度信息(长度相对于基准状态的变化量)。此外，线性编码器实际上设置在构成平行连杆机构的6根能够伸缩的杆，但在图6中，为了方便起见，与驱动机构11分开示出。
作为平面马达26，使用动磁铁型(或动圈型)的空气悬浮方式的平面马达。即，利用与前述平面马达26的转子一并设于滑块的底面的多个空气轴承，将包括载台12的驱动机构11整体悬浮支撑在设有平面马达26的定子的地面(或底座)上悬浮。利用平面马达26，使包括载台12的驱动机构11整体在地面(或底座)上移动。在本实施方式中，移动装置200在图1所示的测量装置400及造型头部500、以及工件搬送系统300(图1中未图示，参照图6)相互之间，能够使载台12自由移动。此外，移动装置200也可具备分别搭载工件W的多个载台12。例如在对保持在多个载台之一上的工件使用造型头部500进行加工期间，可使用测量装置400对保持在另一载台的工件进行测量。在该情况下，也是只要使各载台能够在测量装置400及造型头部500、以及工件搬送系统300(图1中未图示，参照图6)相互之间自由移动即可。或者，在采用设置专门在使用测量装置400进行测量时保持工件的载台、及专门在使用造型头部500进行加工时保持工件的载台，并且能够利用工件搬送系统300等对该2个载台进行工件的搬入及搬出的构成的情况下，构成各平行连杆机构的底座平台的滑块可固定在地面(或底座)上。即便在设置多个载台12的情况下，各载台12在6个自由度方向上也为可动，可进行其6个自由度方向的位置的控制。
此外，作为平面马达26，并不限定于空气悬浮方式，也可使用磁悬浮方式的平面马达。在后者的情况下，在滑块上无需设置空气轴承。
在控制装置600中，通过控制对构成平面马达26的线圈单元供给的各线圈的电流的大小及方向的至少一个，能够使滑块在地面(或底座)上沿X、Y的二维方向自由地移动。
在本实施方式中，移动装置200具备对与滑块的X轴方向及Y轴方向相关的位置信息进行测量的位置测量系统28(参照图6)。位置测量系统28例如可以由编码器系统或者干涉仪系统等构成。
在本实施方式中，如下所述，利用测量装置400，测量搭载于载台12上的工件W上的对象面(例如上表面)的至少一部分三维空间内的位置信息(本实施方式中为形状信息)，在该测量后对工件W进行附加加工(造型)。所以，控制装置600在测量工件W上的对象面的至少一部分形状信息时，通过将该测量结果、利用线性编码器241～246测得的该测量时平行连杆机构的6根杆各自的长度的测量信息、及位置测量系统28的测量结果建立对应关系，能够将搭载于载台12的工件W上的对象面的位置及姿势与造型系统100的基准坐标系统(以下称为载台坐标系统)建立关联。由此，在此以后，通过基于平行连杆机构的6根杆各自的长度的测量信息及位置测量系统28的测量结果，进行载台12的6个自由度方向的位置的开环控制，能够针对工件W上的对象面TAS的目标值，进行6个自由度方向上的位置控制。此外，为了可以利用载台12的6个自由度方向的位置的开环控制来针对工件W上的对象面的目标值进行6个自由度方向的位置控制，要利用测量装置400测量的前述三维空间内的位置信息并不限定于形状，只要是与对象面的形状相对应的至少3点三维位置信息即可。
此外，在本实施方式中，作为使滑块在XY平面内活动的驱动装置，可使用线性马达代替平面马达26。
另外，可使用前述史都华平台型的6自由度平行连杆机构以外的类型的平行连杆机构、或者平行连杆机构以外的机构来构成用于移动载台12的机构。总而言之，用于使移动装置200的载台移动的机构的构成只要是能够使载置工件的载台(可动部件)沿XY平面内的3个自由度方向、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个自由度方向移动的构成即可。在该情况下，可利用空气悬浮或磁悬浮，将载台12本身介隔规定的间隙(gap或clearance)悬浮支撑(非接触支撑)在底座等支撑部件的上表面上。如果采用这种构成，那么载台因为相对于将其支撑的部件是以非接触状态移动，所以在定位精度方面极其有利，非常有助于提高造型精度。此外，载台12可仅于X轴、Y轴、Z轴的3个自由度方向上可动。
此外，用于移动载台12的机构也可不具备在XY平面内移动的滑块。例如可由载台及移动该载台的机器人构成移动系统。
测量装置400对用于将搭载于载台12的工件的位置及姿势与载台坐标系统建立关联的工件的三维位置信息、举例来说为形状进行测量。如图6所示，测量装置400例如具备激光非接触式的三维测量机401。三维测量机401例如以与美国专利申请公开第2012/0105867号说明书中所公开的形状测定装置相同的方式构成。
在使用本实施方式的三维测量机401的测量方法中，例如通过使用光切割法，在受检物的表面投影包含一根线光的线状投影图案，每次使线状投影图案扫描受检物表面整个区域时，自与投影方向不同的角度拍摄投影于受检物的线状投影图案。并且，根据所拍摄的受检物表面的拍摄图像，针对线状投影图案的长度方向的每个像素，使用三角测量的原理等算出受检物表面距离基准平面的高度，求出受检物表面的三维形状。其中，关于线光针对受检物的与X、Y平面平行的方向的扫描，美国专利申请公开第2012/0105867号说明书中所记载的装置是利用传感器部的移动来进行，与此相对，在本实施方式中，不同的是通过移动载台12来进行该扫描。当然，也可利用传感器部的移动、或者传感器部与载台12双方的移动进行前述扫描。
测量装置400可具备光学检测对准标记的标记检测系统56以代替上述三维测量机401，或者除上述三维测量机以外还具备光学检测对准标记的标记检测系统56(参照图6)。标记检测系统56例如能够检测形成于工件的对准标记。控制装置600通过使用标记检测系统56分别准确地检测至少3个对准标记的中心位置(三维坐标)，算出工件(或载台12)的位置及姿势。该标记检测系统56例如可包括立体摄像机构成。可利用标记检测系统56光学检测预先形成于载台12上的最少三个部位的对准标记。
在本实施方式中，控制装置600如上述般使用三维测量机401，对工件W的表面(对象面)进行扫描，获得其表面形状数据。并且，控制装置600使用该表面形状数据进行最小平方处理，将工件上的对象面的三维的位置及姿势相对于载台坐标系统建立关联。此处，包括在针对受检物(工件W)的上述测量过程中，因为由控制装置600是在载台坐标系统上管理载台12的6个自由度方向的位置，所以在将工件的三维位置及姿势相对于载台坐标系统建立关联之后，包括在利用三维造型进行附加加工时，工件W的6个自由度方向的位置(即位置及姿势)的控制可全部利用依据载台坐标系统的载台12的开环控制来进行。
此外，也可不具备测量装置400。
如图2所示，造型头部500具备：光束照射部520，包括光源系统510及聚光光学系统82，射出经由聚光光学系统82(末端透镜82a)通过相对于光轴AX在YZ面内倾斜的光路的光束LB1、LB2；材料供给部530，供给粉状的造型材料PD；外罩部件30，连接于保持聚光光学系统82的镜筒85的下端；及气体供给装置40(参照图6)，经由下述气体供给口向外罩部件30的内部的第1空间30a内供给惰性气体，例如氮气(N2)。
光源系统510例如具备包括多个激光单元的光源单元60(图2中未图示，参照图6)、及具备双复眼光学系统及聚光透镜系统等的照度均匀化光学系统(未图示)，使用照度均匀化光学系统，将自多个激光单元分别射出的光束混合，生成截面照度分布均匀化的平行光束。
此外，照度均匀化光学系统的构成没有特别局限。例如，可使用杆积分器、准直透镜系统等构成照度均匀化光学系统。
光源系统510的光源单元60(多个激光单元)连接于控制装置600(参照图6)，利用控制装置600个别地控制多个激光单元的开关。由此，能够调整自光束照射部520照射至工件W(上方的对象面)的激光光束的光量(激光输出)。
此外，造型系统100可不具备光源、或者光源与照度均匀化光学系统。例如，可自外部装置将具有所需的光量(能量)及所需的照度均匀性的平行光束供给至造型系统100。
如图2所示，光束照射部520除具有光源系统510以外，还具有依次配置于来自光源系统510的平行光束的光路上的光束截面强度转换光学系统78及作为空间光调制器(SLM：Spatial Light Modulator)的一种的反射镜阵列80、及将来自反射镜阵列80的光聚光的聚光光学系统82。此处，空间光调制器是对向规定方向行进的光的振幅(强度)、相位或者偏光的状态进行空间性调制的元件的总称。
光束截面强度转换光学系统78转换来自光源系统510的平行光束的截面的强度分布。在本实施方式中，光束截面强度转换光学系统78将来自光源系统510的平行光束转换为包含其截面的中心的区域的强度大致为零的圆环状(环带状)的平行光束。在本实施方式中，光束截面强度转换光学系统78例如由依次配置于来自光源系统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构成。来自光源系统510的平行光束通过被凸型圆锥反射镜的反射面呈放射状地反射，该反射光束被凹型圆锥反射镜的反射面反射，由此转换为环带状的平行光束。
在本实施方式中，经过光束截面强度转换光学系统78的平行光束如下所述，经由反射镜阵列80及聚光光学系统82照射至工件。通过使用光束截面强度转换光学系统78转换来自光源系统510的平行光束的截面强度分布，能够变更自反射镜阵列80入射至聚光光学系统82的光瞳面(入射光瞳)PP的光束的强度分布。另外，通过使用光束截面强度转换光学系统78转换来自光源系统510的平行光束的截面强度分布，也能够变更实质上自聚光光学系统82射出的光束在聚光光学系统82的射出面上的强度分布。
此外，光束截面强度转换光学系统78并不限定于凸型圆锥反射镜与凹型圆锥反射镜的组合，例如也可使用美国专利申请公开第2008/0030852号说明书中所公开的衍射光学元件、无焦透镜及圆锥转向镜系列的组合构成。光束截面强度转换光学系统78只要是变更光束的截面强度分布的系统即可，认为有各种各样的构成。根据光束截面强度转换光学系统78的构成，可以使来自光源系统510的平行光束小于其外侧区域的强度，而并非使包含其截面中心(聚光光学系统82的光轴)的区域的强度大致为零。
在本实施方式中，反射镜阵列80具有在一面具有相对于XY平面及XZ平面成45度(π/4)的面(以下，为了方便起见称为基准面)的底座部件80A、及在底座部件80A的基准面上配置为例如P行Q列的矩阵状的例如M(＝P×Q)个反射镜元件81p,q(p＝1～P、q＝1～Q)、及包含使各反射镜元件81p,q个别地运动的M个致动器(未图示)的驱动部87(图2中未图示，参照图6)。反射镜阵列80通过调整数个反射镜元件81p,q相对于基准面的斜率(例如，通过使所有反射镜元件81p,q的反射面与基准面大致平行)，能够实质上形成与基准面平行的较大的反射面。
反射镜阵列80的各反射镜元件81p,q的反射面例如为矩形。反射镜阵列80的各反射镜元件81p,q例如构成为能够绕与各反射镜元件81p,q的一个反射面的对角线平行的旋转轴旋动，可将该反射面相对于基准面的倾斜角度设定为规定角度范围内的任意角度。利用检测旋转轴的旋转角度的传感器、例如旋转编码器83p,q(图2中未图示，参照图6)测量各反射镜元件的反射面的角度。
驱动部87例如包含电磁铁或者音圈马达作为致动器，各个反射镜元件81p,q由致动器操纵而以快速响应进行动作。
构成反射镜阵列80的多个反射镜元件中，由来自光源系统510的环带状的平行光束照明的反射镜元件81p,q各自向与其反射面的倾斜角度对应的方向射出反射光束(平行光束)，入射至聚光光学系统82(参照图3)。此外，在本实施方式中，可使入射至反射镜阵列80的平行光束的截面形状(截面强度分布)与环带形状不同。例如，于聚光光学系统82的光瞳面PP，可使光束仅照射于光轴AX周围的环带状的区域的一部分(例如相对于光轴AX一侧的第1部分及另一侧的第2部分)。也可以不设置光束截面强度转换光学系统78。
聚光光学系统82是开口数N.A.例如为0.5以上、优选为0.6以上的高NA、低像差的光学系统。如图2所示，聚光光学系统82利用包含由圆筒状的镜筒85保持的末端透镜82a的一或多片大口径的透镜(图2等中，代表性地图示末端透镜82a)构成。在本实施方式中，作为末端透镜82a，使用在包含光轴AX的中心部具有贯通光轴AX方向的中空部TH的透镜(为了方便起见，称为中空透镜)。在聚光光学系统82具有多片透镜的情况下，末端透镜82a以外的透镜可以是中空透镜，也可以不是中空透镜。因为聚光光学系统82是大口径、低像差且高N.A.，所以能够将来自反射镜阵列80的多根平行光束聚光于后侧焦点面上。光束照射部520可将自聚光光学系统82(末端透镜82a)射出的光束例如聚光为点状。另外，因为聚光光学系统82是由一或多片大口径的透镜构成，所以能够增大入射光的面积，由此，与使用开口数N.A.较小的聚光光学系统的情况相比，能够撷取更加大量的光能。所以，由本实施方式的聚光光学系统82聚光的光束极其锐利且具有高能量密度，由此，能够提高附加加工的加工精度。
在本实施方式中，如下所述，对如下情况进行说明：通过使载台12沿与XY平面平行的扫描方向(图2中，作为一例，为Y轴方向)移动，一边使光束及上端具有造型的对象面TAS的工件W在扫描方向(scan方向)上相对扫描，一边进行造型(加工处理)。此外，更不用说在进行造型时，在向载台12向Y轴方向移动的过程中，可使载台12沿X轴方向、Z轴方向、θx方向、θy方向、及θz方向的至少1个方向移动。另外，在本实施方式中，如下所述，利用激光光束的能量将由材料供给部530供给的粉状的造型材料(金属材料)熔融。所以，如上所述，如果聚光光学系统82所撷取的能量的总量变大，那么自聚光光学系统82射出的光束的能量变大，单位时间内可熔解的金属的量增加。因此，如果提高造型材料的供给量及载台12的速度，那么造型的产出量提高。
在本实施方式的造型系统100中，使造型的对象面TAS对准规定面(以下，称为造型面MP)(例如参照图2及图5)。在造型系统100中，例如将点状光束的照射区域(光束点)形成于造型面MP上，可相对于形成其该束点的光束(点光束)一边使工件W(对象面TAS)相对扫描一边进行造型(加工处理)。
此外，在本实施方式中，上述造型面MP是聚光光学系统82的后侧焦点面(例如参照图2及图5)，但造型面也可以是后侧焦点面附近的面。另外，在本实施方式中，造型面MP与聚光光学系统82的射出侧的光轴AX垂直，但也可不垂直。
作为设定或变更造型面MP上的光束的强度分布的方法(例如形成如上述的光束点的方法)，例如可采用对入射至聚光光学系统82的多根平行光束的入射角度分布进行控制的方法。
此外，因为本实施方式的聚光光学系统82为其光瞳面(入射光瞳)PP与前侧焦点面一致的构成，所以能够通过变更使用反射镜阵列80的多根平行光束LB的入射角度来准确且简便地控制该多根平行光束LB的聚光位置，但也可以不是聚光光学系统82的光瞳面(入射光瞳)与前侧焦点面一致的构成。
在本实施方式中，采用反射镜阵列80，控制装置600使各反射镜元件81p,q以非常快速的应答进行动作，由此分别控制入射至聚光光学系统82的光瞳面PP的多根平行光束LB的入射角度。由此，可设定或变更造型面MP上的光束的强度分布。在该情况下，控制装置600可在光束与对象面TAS(设定有造型的目标部位TA的面，本实施方式中为工件W上的面)的相对移动过程中改变造型面MP上的光束的强度分布，例如光束的照射区域的形状、大小、个数的至少1个。在该情况下，控制装置600可连续或者断续地变更造型面MP上的光束的强度分布。控制装置600也可根据光束与对象面TAS的相对位置来改变造型面MP上的光束的强度分布。控制装置600也可根据所要求的造型精度及产出量来改变造型面MP上的光束的强度分布。
另外，在本实施方式中，因为控制装置600使用前述旋转编码器83p,q来检测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，所以能够准确地控制反射镜阵列80的各反射镜元件的反射面的倾斜角度。
此外，如果使形成于造型面的照射区域的形状及大小不可变，那么也可使用所需形状的固态反射镜代替反射镜阵列80，控制入射至聚光光学系统82的光瞳面的1个平行光束的入射角度，变更照射区域的位置。
图4中示出自-Y方向观察的图2的聚光光学系统82(镜筒85)及其下方的部分。另外，图5中一并放大示出图2中的镜筒85及其下方的部分与工件W上的对象部位TA附近部分。如图4所示，材料供给部530具有沿光轴AX配置于聚光光学系统82的末端透镜82a的中空部TH内的在Z轴方向上延伸的供给管84、及经由配管90a连接于供给管84的一端(上端)的材料供给装置86。供给管84的另一端(下端)形成有材料供给口84a，材料供给口84a配置于外罩部件30内部的第1空间30a内。
如图4所示，供给管84配置于末端透镜82a的中空部内，供给管84的外周面与末端透镜82a的中空部TH内表面之间的间隙由密封部件89密封。因此，如图5所示，末端透镜82a下方的外罩部件30内部的第1空间30a与末端透镜82a上方的镜筒85内部的空间(第2空间)85a分离，阻止气体自第1空间30a流入第2空间85a。
如图5放大所示，外罩部件30由中空的圆锥状的部件(外表面及内表面具有圆锥面的厚度大致均匀的板部件)构成，于其底面(图5中的上侧的面)设有俯视圆环状的安装部31。安装部31是由内径小于外罩部件30的底面(稍微大于末端透镜82a的外径)、且外径稍微大于外罩部件30的底面的圆环状的板部件构成。外罩部件30经由安装部31固定于镜筒85的下端面。即，外罩部件30悬挂支撑于镜筒85。于外罩部件30的前端部(图5中的下端部)，于其前端形成有向对象面TAS照射的光束(LB1、LB2)的出口30b。此外，外罩部件30的外表面可以不是圆锥面，也可以不是厚度均匀的板部件。
返回图4，材料供给装置86具有内部收容造型材料PD的匣子，使匣子内的造型材料PD经由配管90a及供给管84自材料供给口84a朝向出口30b例如自由下落，或者通过以规定的压力挤出而下落，从而沿光轴AX供给至对象面上。在像这样使造型材料PD自由下落的情况下，通常造型材料越往下(越接近外罩部件30的前端)越扩散，如果供给管84的下端至对象面TAS的距离有规定距离以上，那么会扩散至面积比出口30b宽阔的区域。在这样的情况下，即便利用光束LB1、LB2使造型材料PD熔融，也难以在对象面上进行细微的造型。
因此，在本实施方式中，设有前述气体供给装置40(参照图6)，该气体供给装置40利用外罩部件30的内表面30c的圆锥形状，以沿其圆锥状的内表面30c产生图5中符号SF所示的螺旋状的回旋流的方式，将作为惰性气体的一种的氮气N2供给至外罩部件30的内部空间(第1空间)30a。此外，气体供给装置40也可以将作为惰性气体的一种的稀有气体(例如氦气、氖气、氩气等)、氮气与至少1种稀有气体的混合气体、或者多种稀有气体的混合气体代替氮气供给至第1空间30a内。
于外罩部件30的上端部附近，形成有用于连接图5所示的气体供给管42的开口30d。于开口30d连接着气体供给管42的一端。对此进行进一步详细叙述，气体供给管42的一端以相对于外罩部件30的壁俯视(自上方观察)呈锐角交叉的方式，例如在外罩部件30的周壁的切线方向上自外侧插入形成在外罩部件30的开口30d，气体供给管42的前端的气体供给口42a在外罩部件30内部的第1空间30a内露出。在该情况下，气体供给口42a位于比外罩部件30的高度方向的中央更上部。另外，气体供给口42a位于高于材料供给口84a的位置。
另外，气体供给管42的一端部以在插入开口30d的状态下一端侧低于另一端侧的方式相对于XY平面稍微倾斜。即，上述开口30d以于俯视下相对于外罩部件30的周壁以锐角交叉、且相对于XY平面稍微倾斜的朝向，形成于外罩部件30。
气体供给管42的另一端连接于气体供给装置40(参照图6)。因此，在气体供给装置40的作动状态下，经由气体供给管42的气体供给口42a，实质上沿着外罩部件30的圆锥状的内表面30c，例如实质上沿着外罩部件30的内表面30c的切线方向，将氮气N2(惰性气体)送入第1空间内30a内，该送入的氮气N2成为如图5中符号SF所示的沿着外罩部件30的内表面30c的、绕着光轴AX的螺旋状的回旋流(循环引起的回旋流)向外罩部件30的出口30b流动，自出口30b向第1空间30a的外部流出。该情况下的回旋流SF因为流速越接近中心越快，所以(黏性影响变强的中心的极附近除外)根据伯努利定理(Bernoulli's theorem)，越接近中心静压越低。另外，外罩部件30的内表面30c的直径越往下(越接近外罩部件30的出口30b)越小。所以，外罩部件30作为将流体加速的收敛喷嘴(convergent nozzle)发挥功能，越接近狭窄的部分(外罩部件30的前端部)，在外罩部件30的内部流动的气体的流速越快，压力越低。所以，回旋流SF中的静压于外罩部件30的出口30b的位置的中心部变得最低。因此，自供给管84向正下方下落的粉状的造型材料PD越往下(越接近外罩部件30的出口30b)，越会因为氮气N2(惰性气体)的回旋流而与外罩部件30的内表面30c的形状对应地缩窄。所以，在气体供给装置40的作动状态下，可将自供给管84供给的粉状的造型材料PD收敛为大致一点(此处为光轴AX上的点)，从而通过利用光束LB1、LB2熔化造型材料PD，能够制作确保优异的造型精度、高分辨力的三维造型物。本实施方式的气体供给装置40能够调整送入第1空间30a内的惰性气体的温度、流速等。
此外，可将设于外罩部件30的开口30d作为气体供给口。在该情况下，气体供给管42的前端以不在第1空间30a露出的方式连接于外罩部件30的开口30d即可。
另外，可将气体供给口42a(开口30d)配置于比外罩部件30的高度方向的中央更下方。另外，也可将气体供给口42a(开口30d)配置于比材料供给口84a更下方。
此外，由上述说明可知，在本实施方式中，因为利用经由出口30b射出的光束LB1、LB2来形成造型面MP上的光束的照射区域，所以形成于造型面的照射区域的形状、大小、或者位置的可变更范围受到出口30b的形状及大小限制。
另外，在本实施方式中，由图5可知，因为气体供给口42a设于高度与末端透镜82a的下表面大致相同的位置，所以利用高速的惰性气体流对末端透镜82a的下表面进行气体冲洗，可保护末端透镜82a免受污染(包括来自材料供给口84a的造型材料的附着)。另外，因为利用外罩部件30物理保护末端透镜82a，所以使其免受外罩部件30外部环境中的污染物质的污染。
虽顺序颠倒，此处对材料供给装置86进行说明。材料供给装置86例如具有2个粉末匣子，在2个粉末匣子各自中收容第1造型材料(例如钛)、第2造型材料(例如不锈钢)的粉末。此外，在本实施方式中，材料供给装置86为了供给2种造型材料而具备2个粉末匣子，但材料供给装置86所具备的粉末匣子也可以是1个。
在本实施方式中，材料供给装置86连接于控制装置600(参照图6)，造型时，根据来自控制装置600的指示，由材料供给装置86(内部的控制单元)选择2个粉末匣子的一个，来自其选择的粉末匣子的造型材料经由配管90a供给至供给管84。此外，也可设为如下构成：可以通过变更材料供给装置86的构成，在必要时将来自一粉末匣子的第1造型材料与来自另一粉末匣子的第2造型材料的混合物经由配管90a供给至供给管84。
控制装置600能够调整从由材料供给装置86选择的粉末匣子供给至供给管84的造型材料的每单位时间的供给量。供给至供给管84的造型材料的每单位时间的供给量的调整可通过如下方式等进行：在获取来自粉末匣子的粉末时，将粉末匣子的外部相对于内部设为负压，但对其负压的水平进行调整；或者设置调整自材料供给装置86供给至配管90a的粉末的量的阀，对该阀的开度进行调整。
在本实施方式中，因为环带状的平行光束照射至反射镜阵列80，所以来自反射镜阵列80的反射光束入射至聚光光学系统82的周缘附近的部分区域(N.A.较大的部分区域)，经由远离位于聚光光学系统82的射出端、即光束照射部520的射出端的末端透镜82a的光轴AX的周缘部的区域聚光至聚光光学系统82的造型面MP(本实施方式中与聚光光学系统82的后侧焦点面一致)(参照图2)。即，仅利用通过同一聚光光学系统82的周缘附近的部分的光，例如形成光束点。因此，与将经由不同光学系统的光聚光于同一区域而形成光束点(激光点)的情况相比，可形成高品质的光束点。另外，在本实施方式中，可限制光束照射至配置于聚光光学系统82的末端透镜82a的中空部TH内的供给管84及一端连接于供给管84的上端的配管90a。因此，在本实施方式中，可将来自反射镜阵列80的反射光束全部用于点的形成，并且无需在与聚光光学系统82的入射面侧的供给管84对应的部分设置用于限制光束照射至供给管84的遮光部件等。根据该理由，利用环带状的平行光束照射反射镜阵列80。
此外，为了限制自聚光光学系统82入射至供给管84的光束，例如可将图4中双点划线所示的限制部件92设于聚光光学系统82的入射面侧(例如光瞳面PP)。利用限制部件92，限制来自聚光光学系统82的光束入射至供给管84。作为限制部件92，虽然可使用遮光部件，也可使用中性密度滤光器等。在该情况下，入射至聚光光学系统82的平行光束可以是截面圆形的平行光束，也可以是环带状的平行光束。在后者的情况下，光束不会照射至限制部件92，所以可将来自反射镜阵列80的反射光束全部用于点的形成。
在本实施方式中，于对工件进行附加加工时等，如图2及图5所示，通过聚光光学系统82(末端透镜82a)的周缘部附近且通过供给管84的+Y侧及-Y侧(工件W(载台12)的扫描方向的前方及后方)的光路的光束(图2、图5中为了方便起见表示为光束LB11、LB12)聚光于供给管84的正下方，光束点形成于造型面上，对于形成该光束点的点光束，经由供给管84且沿光轴AX通过外罩部件30的出口30b供给粉末状的造型材料PD。由此，于供给管84的正下方形成熔融池WP。并且，该熔融池WP的形成是一边沿扫描方向(图5中为+Y方向)扫描载台12一边进行的。由此，能够以规定宽度(光束点的宽度)形成规定长度的焊道(熔融凝固的金属)BE。此外，图5所示的光束LB1、LB2可以是以反射镜阵列80的不同反射镜元件81p,q分别反射而以不同入射角度入射至聚光光学系统82的光瞳面PP的分开的平行光束，也可以是同一平行光束、例如截面环带状的平行光束的一部分。
在使多根平行光束入射至聚光光学系统82的光瞳面PP的情况下，例如不减少入射至聚光光学系统82的平行光束LB的数量，而是以使光束的X轴方向的宽度、或Y轴方向的宽度、或X轴方向的宽度及Y轴方向的宽度逐渐变窄的方式，进行入射至聚光光学系统82的多根平行光束LB的入射角度的调整，在该情况下，光束的聚光密度(能量密度)提高。所以，与之对应地，通过增加每单位时间的粉末(造型材料)的供给量，且提高对象面TAS的扫描速度，可将形成的焊道BE的层的厚度保持为固定，并且将产出量保持于较高水平。但是，不限定于该调整方法，也可使用其它调整方法，将形成的焊道BE的层的厚度保持为固定。例如，可根据光束的X轴方向的宽度、或Y轴方向的宽度、或X轴方向的宽度及Y轴方向的宽度调节多个激光单元中至少1个的激光输出(激光光束的能量)，也可变更自反射镜阵列80入射至聚光光学系统82的平行光束LB的数量。在该情况下，与上述调整方法相比，产出量略有降低，但调整较为简便。
图6示出表示中心性构成造型系统100的控制系统的控制装置600的输入输出关系的框图。控制装置600包括工作站(或微电脑)等，统括控制造型系统100的构成各部分。
如上所述般构成的本实施方式的造型系统100的基本功能是对既有的零件(工件)，利用三维造型附加所需的形状。工件投入至造型系统100，在准确附加所需的形状后自造型系统100搬出。此时，该附加的形状的实际形状数据自控制装置600发送至外部的装置、例如上位装置。造型系统100中进行的一系列动作大概如下。
首先，当载台12处于规定的装载/卸载位置时，工件由工件搬送系统300搭载于载台12。此时，载台12处于基准状态(Z、θx、θy、θz)＝(Z0、0、0、0)，其XY位置与由位置测量系统28测量的驱动机构11的滑块的X、Y位置一致。
接着，利用控制装置600，将搭载工件W的载台12移动至测量装置400的下方。载台12的移动是通过控制装置600基于位置测量系统28的测量信息，控制平面马达26，使滑块在地面(或底座)上沿X轴方向(及Y轴方向)移动来进行的。在该移动过程中，载台12仍维持前述基准状态。
其次，利用控制装置600，使用测量装置400，对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(本实施方式中为形状信息)进行测量。此后，可基于该测量结果，在载台坐标系统(基准坐标系统)上，利用开环控制来管理工件W上的对象面TAS的6个自由度方向的位置。
其次，利用控制装置600，将搭载了结束对象面TAS的至少一部分的形状信息的测量的工件W的载台12移动至造型头部500(外罩部件30)的下方。
其次，进行利用对载台12上的工件附加与3D数据对应的形状的三维造型所进行的附加加工。该附加加工例如以如下方式进行。
即，控制装置600以要利用附加加工附加的形状(自附加加工后制作的物体的形状去除作为附加加工对象的工件的形状而得的形状)的三维CAD数据作为三维造型用的数据，例如转换为STL(Stereo Lithography)数据，进而根据该三维STL数据生成沿Z轴方向切片的各层(layer)的数据。并且，控制装置600基于各层的数据，为了对工件的各层进行附加加工，对各层反复进行如下操作：控制移动装置200及造型头部500，一边沿扫描方向扫描载台12，一边形成前述光束点，且对点光束供给来自供给管84的造型材料PD，形成熔融池WP。此处，附加加工时工件上的对象面的位置及姿势的控制考虑先前测量的对象面的形状信息而进行。
此处，在以上的说明中，通过调整载台12的斜率，使工件W的设定了附加加工的目标部位TA的对象面(例如上表面)TAS成为设定为与聚光光学系统82的光轴垂直的面(与XY平面平行的面)的平面，在这个前提下，伴随载台12的扫描动作进行造型。
针对工件W的附加加工结束后，利用控制装置600，将搭载经附加加工的工件W的载台12移动至前述装载/卸载位置。
接着，利用控制装置600，对工件搬送系统300指示工件的卸载。根据该指示，利用工件搬送系统300将经附加加工的工件W自载台12上取出，搬送至造型系统100的外部。并且，利用控制装置600，将移动装置200的载台12设定为基准状态。由此，移动装置200在装载/卸载位置处，等待下一工件的搬入。
如以上详细说明，在本实施方式的造型系统100中，将点状光束的照射区域(光束点)以与造型的对象面TAS对准的状态形成于造型面MP(例如参照图2及图5)上，可一边相对于形成该光束点的光束(点光束)使工件W进行相对扫描一边对该工件W进行造型(加工处理)。在造型系统100中，在造型时，在载台12向Y轴方向移动过程中，也可使载台12沿X轴方向、Z轴方向、θx方向、θy方向、及θz方向的至少1个方向移动。
另外，在造型系统100中，利用激光光束的能量将由材料供给部530供给的粉状的造型材料(金属材料)PD熔融。在造型系统100中，在造型时，利用控制装置600使气体供给装置40作动，经由气体供给管42的气体供给口42a，以产生沿着外罩部件30的内表面30c的螺旋状回旋流(参照图5中符号SF)的方式将氮气(惰性气体)送入外罩部件30内。利用该氮气(惰性气体)的回旋流，使自供给管84朝向正下方通过自然下落供给的粉状的造型材料PD越往下(越靠近外罩部件30的前端)，越对应于外罩部件30的内表面30c(内壁面)的形状缩窄。由此，可将自供给管84供给的粉状的造型材料PD收敛为大致一点(此处为光轴AX上的点)，从而通过利用光束LB1、LB2熔化造型材料PD，能够制作确保优异的造型精度、高分辨力的三维造型物。
另外，在本实施方式的造型头部500中，可利用高速的惰性气体流对末端透镜82a的下表面进行气体冲洗，可保护末端透镜82a免受污染。另外，因为利用外罩部件30物理保护末端透镜82a，所以使其免受外罩部件30外部环境中的污染物质的污染。从这方面来说，能够防止造型精度的降低。
另外，在本实施方式的造型头部500中，因为聚光光学系统82是由一或多片大口径的透镜构成，所以能够增大入射光的面积，由此，与使用开口数N.A.较小的聚光光学系统的情况相比，能够撷取更加大量的光能。所以，由本实施方式的聚光光学系统82聚光的光束极其锐利且具有高能量密度，由此，能够提高造型的加工精度。另外，如果聚光光学系统82所撷取的能量的总量变大，那么自聚光光学系统82射出的光束的能量变大，单位时间可熔解的金属的量增加。因此，如果提高造型材料的供给量及载台12的速度，那么利用造型头部500所进行的造型加工的产出量提高。
另外，在本实施方式的造型头部500中，例如通过控制入射至聚光光学系统82的多根平行光束的入射角度分布，可设定或变更造型面MP上的光束的强度分布。
所以，在本实施方式的造型系统100中，例如可利用快速原型，高加工精度且高产出量地将造型物形成于工件W的对象面TAS上。
另外，本实施方式的造型系统100具有多个、例如2个粉末匣子，在2个粉末匣子各自的内部，收容第1造型材料(例如钛)的粉末、第2造型材料(例如不锈钢)的粉末。并且，在附加加工时(造型时)，利用控制装置600，切换使用材料供给装置86的供给管84的粉末供给。由此，将第1造型材料(例如钛)的粉末与第2造型材料(例如不锈钢)的粉末二选一地供给至供给管84。所以，仅仅通过由控制装置600根据部位切换供给的粉末材料，就可容易地生成不同材料的接合形状。另外，该切换可大致瞬间进行。进而也可通过将不同材料进行混合供给而当场制作“合金”，而且也可以视情况使其组成改变或渐变。
此外，在所述实施方式中，通过利用密封部件89将配置于末端透镜82a的中空部TH内的供给管84的外周面与末端透镜82a的中空部TH内表面之间的间隙密封，使末端透镜82a下方的外罩部件30内的空间(第1空间30a)与末端透镜82a上方的镜筒85内部的空间(第2空间85a)分离，但也可以代替此或除此以外，与第1空间30a的内部相比将第2空间85a的内部设定为正压。在该情况下，可使两空间可分离为可维持第1空间30a与第2空间85a的压力差的程度，也可始终自第2空间85a朝向第1空间30a喷出气体(惰性气体等)。在该情况下，也可阻止气体自第1空间流入第2空间内。
此外，在所述实施方式中，自气体供给管42朝向比水平更下方将惰性气体经由气体供给口42a供给至外罩部件30(第1空间30a)内，但并不限定于此，也可朝向水平方向将惰性气体经由气体供给口42a供给至外罩部件30内。
另外，可在外罩部件30形成多个开口，于各个开口个别地连接气体供给管42。在该情况下，可以例如在外罩部件30的圆形底面(图5中的上侧的面)，以在中心角能成为等角度间隔的位置分别连接气体供给管42的方式形成多个开口。在该情况下，可通过自多个气体供给管42各自的气体供给口42a沿外罩部件30的内表面30c的切线方向供给氮气N2，产生同一旋转方向(顺时针方向或逆时针方向)的1个回旋流。
另外，于在外罩部件30形成多个开口，于各个开口个别地连接气体供给管42的情况下，也可使至少1个气体供给管42的气体供给口42a的光轴AX方向(Z轴方向)的位置(高度方向的位置)与其余的至少1个气体供给口不同。在该情况下，由至少1个气体供给管42的气体供给口42a供给的惰性气体可以是温度、流速等与由其余的至少1个气体供给口供给的惰性气体不同，也可以是惰性气体的成分或种类不同。所谓惰性气体的成分不同，意为比如在惰性气体例如是多种稀有气体的混合气体的情况下，其成分气体互不相同。当然，惰性气体也可以是氮气与稀有气体的混合气体。
另外，在所述实施方式中，对以下情况进行了说明：通过沿着外罩部件30的圆锥状的内表面30c的切线方向将惰性气体供给至第1空间30a内，沿着外罩部件30的内表面30c产生螺旋状的回旋流(循环引起的回旋流)SF，利用越靠近中心静压越低、及内表面30c的直径朝向出口30b侧逐渐变窄的原理，使自材料供给口84a沿着光轴AX朝向出口30b供给的造型材料PD收敛于光轴上。但是，并不限定于此，例如可以如图7所示，将多个气体供给口42a遍及外罩部件30的全周以大致相等间隔设置，自该多个气体供给口42a各自供给惰性气体，由此遍及光轴的周围全周以大致相等间隔产生多个沿着自一端(上端)侧向另一端(下端)侧逐渐收敛的外罩部件30的内表面30c从上侧向下侧流动的惰性气体的气流LF，利用该多个惰性气体的气流LF，将自材料供给口84a沿着光轴AX朝向出口30b供给的造型材料PD收敛于光轴上。此外，在图7中，出于作图方便等理由而仅示出2个气流LF，但可对应多个气体供给口42a各自产生气流LF。在该情况下，在出口30b附近，惰性气体的气流流经其开口截面整个面，越靠中心部流速越快(静压越低)，所以可将造型材料PD收敛于光轴上。在该情况下，也可在外罩部件30的内表面30c设置如图7所示的多个引导部33。并不限定于此，作为引导部，例如可将如形成有与前述回旋流SF相同的螺旋状的导槽的凹凸部形成于外罩部件的内表面30c。
另外，也可采用安装于气体供给管42的一端部的外罩部件30的部分可相对于XY平面倾斜的构成。
此外，在所述实施方式中，例示了外罩部件30为中空圆锥状的部件、即为像兜帽一样的部件的情况，但外罩部件只要是具有于在Z轴方向(与光轴AX平行的方向)上从出口30b的相反侧朝向出口30b侧收敛的一部分包含曲面的形状、例如圆锥状或椭圆锥状的内表面的部件即可，其外观形状没有特别限制。
另外，在所述实施方式中，对造型头部500具有聚光光学系统82，作为聚光光学系统82的末端透镜82a，使用以包含光轴AX的方式形成有贯通孔的中空透镜的情况进行了说明，但并不限定于此，聚光光学系统的末端的光学元件可以是不具有贯通孔的通常的透镜，也可以是透镜以外的反射镜等。另外，造型头部500可不具有聚光光学系统。在不具有聚光光学系统的情况下，可自光束照射部射出通过相对于沿着从供给管起的造型材料的供给路的轴(铅直轴)倾斜的光路的光束。
此外，在所述实施方式及图7的变形例中，对气体供给管42自外侧连接于外罩部件30的周壁的情况进行了说明，但并不限定于此，可不经由外罩部件30地将气体供给管42插入第1空间30a内。
另外，在所述实施方式中，对将外罩部件30经由安装部31安装于镜筒85的情况(外罩部件30悬挂支撑于镜筒85的情况)进行了例示，但为了抑制来自外罩部件30的振动传达至包含聚光光学系统82的末端透镜82a的高N.A.的各光学元件，可于镜筒85与外罩部件30之间配置抗振部件(橡胶等)，也可利用与镜筒85不同的其它部件支撑外罩部件。
另外，外罩部件30可相对于镜筒85为可动。
此外，在所述实施方式中，对使用反射镜阵列80作为空间光调制器的情况进行了说明，但除此以外，也可使用将利用MEMS技术制作的数字微镜器件(Digital MicromirrorDevice：DMD(注册商标))配置为多数矩阵状而成的大面积的数字反射镜器件。
此外，在所述实施方式中，对通过个别地控制入射至聚光光学系统82的光瞳面的多根平行光束的入射角度来变更造型面上的光束的强度分布的情况进行了说明，但并不是必须使入射至聚光光学系统82的光瞳面的多根平行光束全体的入射角度都能够控制(变更)。所以，在与所述实施方式同样地使用反射镜阵列控制入射至聚光光学系统82的平行光束的入射角度的情况下等，并不是必须使所有反射镜元件都能够变更反射面的状态(反射面的位置及倾斜角度的至少一者)。另外，可用于控制入射至所述实施方式的聚光光学系统82的多根平行光束的入射角度的反射型空间光调制器并不限定于上述反射镜阵列。作为可使用的反射型空间光调制器，例如可列举反射型液晶显示元件、电泳显示器(EPD：ElectroPhonetic Display)、电子纸(或电子墨水)、光衍射型光阀(Grating Light Valve)等作为例子。
另外，可通过变更配置于聚光光学系统(投影光学系统)的入射面侧的光罩的开口(大小、形状、数量)来变更造型面上的光束的强度分布。在该情况下，只要在聚光光学系统的物体面配置光罩，将像面、或其附近作为造型面即可。另外，在该情况下，也可通过使聚光光学系统的光瞳面上的光束强度分布例如为环带状，或者将对包含光轴的圆形区域进行遮光的遮光部件配置于光瞳面，而使该聚光光学系统的末端透镜成为中空透镜。
另外，如上所述，理想的是聚光光学系统82为大口径，但也可使用开口数N.A.小于0.5的聚光光学系统。
另外，在所述实施方式中，为了管理光束的强度分布，造型系统100可于聚光光学系统82的后侧焦点面、或其附近具备可配置受光部的传感器。例如，理想的是于载台12上搭载CCD影像传感器，利用该CCD影像传感器，以适当的频率校准光束的强度分布(造型面上的照射区域内的强度分布)。这样一来，通过以接收来自聚光光学系统82的光束的传感器测量光束的强度分布，可对包含了聚光光学系统82的热像差等变动因素在内的光束的强度分布进行管理。另外，通过基于其结果对反射镜阵列80等进行控制，能够将聚光光学系统82的后侧焦点面等上的光束的强度分布高精度地设定为所需状态。另外，也可使用该传感器对基准坐标系统中的光束的位置进行管理。
此外，在所述实施方式中，对使用钛、不锈钢的粉末作为造型材料的情况进行了例示，铁粉及其它金属的粉末自不必言，也可使用尼龙、聚丙烯、ABS等的粉末等金属以外的粉末。
此外，在所述实施方式的造型系统100中，外罩部件30可具有兼作光束的出口及惰性气体的出口、以及造型材料的出口的出口30b、与回收未熔融的粉状的造型材料的回收口(抽吸口)。
以上说明了对既有的工件附加形状的例子，但本实施方式的具备造型头部500的造型系统100的使用用途并不限定于此，与通常的3D打印机等同样地，可在载台12上利用造型从无开始生成三维形状。在该情况下，无非是对“无”这一工件实施附加加工。当在该载台12上进行三维造型物的造型时，控制装置600只要通过利用测量装置400所具备的标记检测系统56(参照图6)，对预先形成于载台12上的最少三个部位的对准标记进行光学性检测，从而求出设定于载台12上的造型的对象面的6个自由度方向的位置信息，基于该结果控制载台12上的对象面相对于光束(的照射区域)的位置及姿势，从而进行三维造型即可。
此外，在所述实施方式中，作为一例，对控制装置600控制移动装置200、测量装置400及造型头部500的构成各部分的情况进行了说明，但并不限定于此，可由分别含有微处理器等处理装置的多个硬件构成造型系统的控制装置。在该情况下，移动装置200、测量装置400及造型头部500各自可具备处理装置，也可以是控制移动装置200、测量装置400及造型头部500中的2个的第1处理装置、与控制其余1个的第2处理装置的组合。在任一情况下，各处理装置都负责上述控制装置600的功能的一部分。或者，可由多个微处理器等处理装置、及统括性管理这些处理装置的主计算机构成造型系统的控制装置。
另外，在上述各实施方式中，存在使用圆形、矩形等对部件、开口、孔等的形状进行说明的情况，但当然并不限定于这些形状。
此外，援用所述实施方式中所引用的所有美国专利申请公开说明书及美国专利说明书等的公开内容作为本说明书的记载的一部分。
[工业上的可利用性]
如以上说明，本发明的造型系统及造型方法适于形成三维造型物。
[符号的说明]
30 外罩部件
30a 第1空间
30b 出口
30c 内表面
33 引导部
40 气体供给装置
42a 气体供给口
82 聚光光学系统
82a 末端透镜
84 供给管
84a 材料供给口
85 镜筒
85a 第2空间
89 密封部件
100 造型系统
200 移动装置
520 光束照射部
530 材料供给部
600 控制装置
AX 光轴
LB1、LB2 光束
PD 造型材料
SF 回旋流
TA 目标部位
TAS 对象面
TH 贯通孔

Claims (34)

1.一种造型系统，其使用光束在对象面上形成三维造型物，具备：
光束照射部，射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；
材料供给部，具有材料供给口，沿所述轴供给要利用来自所述光束照射部的光束照射的粉状造型材料；
外罩部件，具有自一端侧向另一端侧逐渐收敛的内表面，且在所述另一端形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；及
气体供给装置，经由气体供给口向所述外罩部件内部的空间内供给惰性气体；
所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，
所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外。
2.根据权利要求1所述的造型系统，其中所述惰性气体成为回旋流，沿所述外罩部件的内表面向所述出口流动。
3.一种造型系统，其使用光束在对象面上形成三维造型物，具备：
光束照射部，射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；
材料供给部，具有材料供给口，沿所述轴供给要利用来自所述光束照射部的光束照射的粉状造型材料；
外罩部件，具有以包围所述光路的至少一部分的方式配置的内表面，形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；及
气体供给装置，经由气体供给口向所述外罩部件内部的空间内供给惰性气体；
所述惰性气体成为回旋流，沿所述外罩部件的内表面向所述出口流动，
所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，
所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外。
4.根据权利要求2或3所述的造型系统，其中所述惰性气体绕所述轴成为回旋流，向所述出口流动。
5.一种造型系统，其使用光束在对象面上形成三维造型物，具备：
光束照射部，射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；
材料供给部，具有材料供给口，沿所述轴供给要利用来自所述光束照射部的光束照射的粉状造型材料；
外罩部件，具有以包围所述光路的至少一部分的方式配置的内表面，形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；及
气体供给装置，经由气体供给口向所述外罩部件内部的空间内供给惰性气体；
所述惰性气体绕所述轴成为回旋流，向所述出口流动，
所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，
所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的造型系统，以形成所述回旋流的方式，自所述气体供给口供给所述惰性气体。
7.一种使用光束在对象面上形成三维造型物的造型系统，具备：
光束照射部，射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；
材料供给部，具有材料供给口，沿所述轴供给作为造型材料的粉体；
外罩部件，形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；及
气体供给装置，经由气体供给口向所述外罩部件内部的空间内供给惰性气体；
所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，
所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外的所述对象面。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的造型系统，其中所述气体供给口位于比所述外罩部件的高度方向的中央更上部。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的造型系统，其中所述气体供给装置实质上沿所述外罩部件的所述内表面将所述惰性气体自所述气体供给口供给至所述空间内。
10.根据权利要求9所述的造型系统，其中所述外罩部件的所述内表面在至少一部分包含曲面，
所述气体供给装置实质上沿所述曲面的切线方向将所述惰性气体自所述供给口供给至所述空间内。
11.根据权利要求9或10所述的造型系统，其中所述气体供给装置向比水平更下方将所述惰性气体经由所述气体供给口供给至所述空间内。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的造型系统，其中所述光束照射部具有聚光光学系统。
13.根据权利要求12所述的造型系统，其中所述聚光光学系统具有末端透镜，所述末端透镜射出通过相对于所述轴倾斜的光路的所述光束，
所述轴与所述末端透镜的光轴大致平行。
14.根据权利要求13所述的造型系统，其中所述气体供给口在所述轴的方向上，处于与所述末端透镜的射出面大致相同的位置。
15.根据权利要求13或14所述的造型系统，其中在所述末端透镜以包含所述光轴的方式形成有贯通孔。
16.根据权利要求15所述的造型系统，其中所述材料供给部具有配置于所述末端透镜的所述贯通孔内的所述造型材料的供给管。
17.根据权利要求16所述的造型系统，其中所述供给管与所述末端透镜之间由密封部件密封。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的造型系统，其中所述材料供给口配置于所述外罩部件的所述出口与所述末端透镜之间。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的造型系统，其具有保持所述末端透镜的保持部件，所述保持部件内部的空间相对于所述外罩部件内部的空间为正压。
20.根据权利要求13至18中任一项所述的造型系统，其具有保持所述末端透镜的保持部件，
所述外罩部件由所述保持部件保持。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的造型系统，其中所述材料供给口配置于所述轴上。
22.根据权利要求21所述的造型系统，其中所述外罩部件的所述出口配置于所述轴上，
自所述材料供给口供给的所述造型材料沿所述轴向所述出口流动。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的造型系统，其中在所述轴的方向上，所述气体供给口配置于与所述材料供给口不同的位置。
24.根据权利要求23所述的造型系统，其中在所述轴的方向上，所述气体供给口比所述材料供给口更远离所述出口。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的造型系统，其中所述气体供给装置具有作为第1气体供给口的所述气体供给口，
所述气体供给装置具有能够向所述外罩部件内部的空间内供给惰性气体的第2气体供给口。
26.根据权利要求25所述的造型系统，其中所述第2气体供给口的所述轴的方向的位置与所述第1气体供给口的所述轴的方向的位置不同。
27.根据权利要求25或26所述的造型系统，其中所述第2气体供给口在绕所述轴的方向上的位置与所述第1气体供给口在绕所述轴的方向上的位置不同。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的造型系统，其中在所述外罩部件的所述内表面，设有引导所述惰性气体的流动的引导部。
29.根据权利要求1至28中任一项所述的造型系统，其中所述外罩部件的所述内表面是在与所述轴平行的方向上自所述出口的相反侧向所述出口侧收敛的圆锥状或椭圆锥状的面。
30.根据权利要求1至29中任一项所述的造型系统，其进而具备：
移动装置，使所述对象面与所述光束相对移动；及
控制装置，基于要形成于所述对象面上的三维造型物的3D数据，控制所述移动装置与来自所述光束照射部的所述光束的照射状态，从而通过一边使所述对象面与所述光束相对移动，一边自所述材料供给口供给所述造型材料来对所述对象面上的目标部位实施造型。
31.一种造型方法，其使用光束在对象面上形成三维造型物，包括：
自光束照射部射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；
沿所述轴供给要利用所述光束照射的粉状造型材料；及
经由气体供给口向外罩部件的内部的空间内供给惰性气体，所述外罩部件具有自一端侧向另一端侧逐渐收敛的内表面，且在所述另一端形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；
所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，
所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外的所述对象面。
32.一种造型方法，其使用光束在对象面上形成三维造型物，包括：
自光束照射部射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；
沿所述轴供给要利用所述光束照射的粉状造型材料；及
经由气体供给口向外罩部件的内部的空间内供给惰性气体，所述外罩部件具有以包围所述光路的至少一部分的方式配置的内表面，且形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；
所述惰性气体成为回旋流，沿所述外罩部件的内表面向所述出口流动，
所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，
所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外的所述对象面。
33.一种造型方法，其使用光束在对象面上形成三维造型物，包括：
自光束照射部射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；
沿所述轴供给要利用所述光束照射的粉状造型材料；及
经由气体供给口向外罩部件的内部的空间内供给惰性气体，所述外罩部件具有以包围所述光路的至少一部分的方式配置的内表面，且形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；
所述惰性气体绕所述轴成为回旋流，向所述出口流动，
所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，
所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外的所述对象面。
34.一种造型方法，其使用光束在对象面上形成三维造型物，包括：
自光束照射部射出通过相对于轴倾斜的光路的光束；
沿所述轴供给要利用所述光束照射的粉状造型材料；及
经由气体供给口向外罩部件的内部的空间内供给惰性气体，所述外罩部件具有自一端侧向另一端侧逐渐收敛的内表面，且在所述另一端形成有使来自所述光束照射部的光束通过的出口；
所述惰性气体经由所述外罩部件的所述出口向所述空间之外流动，
所述造型材料经由所述外罩部件的所述出口供给至所述空间之外的所述对象面。
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