JP2002166481A - 3次元造形シミュレーション装置および3次元造形装置 - Google Patents
3次元造形シミュレーション装置および3次元造形装置Info
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Abstract
て、簡易に、高速に、かつ精度良く立体形状を実体化す
ることが可能な3次元造形シミュレーション装置および
造形装置の提供を目的とする。 【解決手段】 照射光ビームの実質半径Wo、露光密度EM
AX、粉体状被硬化材料のの硬化深度係数Dpおよび粉体状
被硬化材料のポーラス度による硬化後の体積収縮率に基
づいて 【式32】 【式33】 から硬化深度Cd、硬化幅WCを算出し、これに基づいて3
次元造形シミュレーションを行うこと、およびシミュレ
ーション結果に基づいて、実際の3次元造形を行う装
置。これにより、高速、かつ高精度に3次元造形を行う
ことができる。
Description
し、特に3次元データに基づいて光ビームを粉体状被硬
化材料の薄層に照射して、高精度で実体化することので
きる3次元造形装置に関する。
択的に照射して部分的に硬化する処理を繰り返して積層
し、3次元形状を高速で実体化するラピッドプロトタイ
ピングに用いる光造形装置については、「3次元造形シ
ステム」(中川・丸谷著、日刊工業新聞社)に詳しく説
明されている。
性樹脂ではなく、光照射によって焼結する粉体を用いる
場合がある。この方法は粉体焼結積層造形法として知ら
れているが、成形材料として樹脂粉体から金属粉体まで
幅広い素材を採用できるという特徴により、非常に注目
されつつある。しかしながら、粉体焼結積層によって3
次元造形を行う場合、照射ビーム光と粉体の焼結との関
係が必ずしも十分に明らかではなく、このため従来よ
り、一般に思考錯誤的に造形を行うことが多く、高精度
の3次元造形することが困難であった。
作されたものであり、粉体状被硬化材料の薄層に光ビー
ムを照射して、簡易に、高速に、かつ精度良く立体形状
を実体化することが可能な3次元造形シミュレーション
装置および3次元造形装置の提供を目的とする。
タに基づいて光ビームを粉体状被硬化材料の薄層表面に
選択的に照射し、粉体状被硬化材料を熔融し硬化させる
ことにより、立体物を作成する3次元造形シミュレーシ
ョン装置であって、照射光ビームの露光密度EMAXを記憶
する手段と、前記硬化材料が硬化するに必要な露光量の
閾値である臨界露光密度Ecを記憶する手段と、露光密度
の微小増分に対する硬化深度の微小増分の比で定義され
る硬化深度係数Dpを記憶する手段と、前記照射光ビーム
の露光密度EMAX, 臨界露光密度Ecおよび硬化深度係数Dp
の値を、次式
る手段と、前記予測された硬化深度Cdと、前記3次元デ
ータに基づいて形成される3次元の立体物画像を作成す
る手段とを有することを特徴とする。また、本願発明
は、3次元データに基づいて光ビームを粉体状被硬化材
料の薄層表面に選択的に照射し、粉体状被硬化材料を熔
融し硬化させることにより、立体物を作成する3次元造
形シミュレーション装置であって、照射光ビームの露光
密度EMAXを記憶する手段と、前記硬化材料が硬化するに
必要な露光量の閾値である臨界露光密度Ecを記憶する手
段と、露光密度の微小増分に対する硬化深度の微小増分
の比で定義される硬化深度係数Dpを記憶する手段と、前
記照射光ビームの露光密度EMAX, 臨界露光密度Ecおよび
硬化深度係数Dpの値を、次式
る手段と、前記硬化深度Cd, 硬化深度係数Dp, 照射光ビ
ームの露光幅Woの値を、次式
手段と、前記予測された硬化深度Cdおよび硬化幅WCと、
前記3次元データに基づいて形成される3次元の立体物
画像を作成する手段とを有することを特徴とする。これ
により、粉体状被硬化材料を用いた場合にも補正すべき
硬化深度を容易に予測することが可能となるので、従来
のような思考錯誤的な作業を不要とし、精度の良好な実
態形状を高速に作製することが可能となる。
次元データに基づいて光ビームを粉体状被硬化材料の薄
層表面に選択的に照射し、粉体状被硬化材料を熔融し硬
化する手段と、前記3次元造形シミュレーション装置に
よって作成された3次元の立体物画像と、目的とする3
次元造形物とを比較し、その比較結果に基づいて前記3
次元データを補正する手段とを有することを特徴とす
る。
合にも補正すべき硬化幅を容易に精度良く予測すること
が可能となる。さらに, 本願発明の3次元造形装置は、
3次元データに基づいて光ビームを粉体状被硬化材料の
薄層表面に選択的に照射し、粉体状被硬化材料を熔融し
硬化する手段と、請求項1乃至5のいずれか一に記載の
3次元造形シミュレーション装置によって作成された3
次元の立体物画像と、目的とする3次元造形物とを比較
する手段と、比較結果に基づいて前記3次元データを補
正する手段とを有することを特徴とする。
業を不要とし、精度の良好な立体形状を高速に作製する
ことが可能となる。また、本願発明の3次元造形装置
は、要求する加工精度によって、粉体状被硬化材料の種
類あるいは光ビームの露光密度を変更する手段を有する
ことを特徴とする。
分を加工するときは、光吸収係数の低い粉体状被硬化材
料や、露光密度の高いビームを使用し、高精度を必要と
する部分を加工するときは、光吸収係数の高い粉体状被
硬化材料や、露光密度の低いビームを使用することによ
り、全体として、高精度に、かつ高速に実体形状を作製
することが可能となる。
形装置の全体構成を示す図である。パウダーカートリッ
ジ4から粉体が供給されると、粉体供給用ローラー3が
回転しながら移動し、粉体をパウダーベッド1全体にわ
たって供給するとともに、表面を平にして所定の厚さの
粉体層2を形成する。このとき、余分な粉体は反対側の
パウダーカートリッジ5に排出される。粉体層2が形成
されると、CO2 レーザ8から光学系7を介して所定の領
域にレーザ光を照射する。粉体はレーザ光のエネルギー
を得て熔融し、一定時間の後に硬化する。このようにし
て、粉体層2の所定領域の硬化処理を終えると、パウダ
ーベッド1を僅かに下降させ、新しい粉体をパウダーカ
ートリッジ4から押し上げてパウダーベッド1に供給
し、再びレーザ光を照射して硬化処理をする。このよう
にして、各層ごとに硬化処理して積層することにより、
3次元の実体造形を形成することができる。
象となる粉体がレーザー光の熱を吸収し、輻射し, 伝導
することで熔融し、成形加工を行う手法である。従っ
て、焼結は、熱伝導や散乱・輻射の各現象が絡み合い、
複雑な過程を伴うものと考えられており、非常に制御が
困難であるものと予想されていた。このため、粉体焼結
積層造形法による場合は、作製してみると、実体形状が
予定したものに比較して大きかったり、あるいは目的と
した角部の形状がほとんど得られなかったりした。そこ
で、精度が要求される場合には、思考錯誤的にビーム径
を細くしたり、ビームの露光密度を低下させていた。
と非常に薄くした場合において、ランバート・ベールの
法則(光のエネルギーは, 透過深さに対して指数関数的
に減衰するという法則)を適用し、光強度と硬化深度の
関係、光強度と硬化幅の関係をそれぞれ理論的に求め実
験と比較した。その結果、理論値と実験値と非常に良く
一致していることを見出した。
を、(1)レーザビーム強度の数式化による特定、
(2)レーザビーム光による粉体材料の硬化深度の数式
化による特定、(3)レーザビーム光による粉体材料の
硬化幅の数式化による特定、(4)理論と実験結果との
比較、の順に説明する。 (1)レーザビームの強度の特定 焼結を引き起こす熱源レーザ光としては、CO2レーザやY
AGレーザが用いられている。これらのレーザ光は必ずし
も完全なガウスビームではないが、数学的取り扱いの便
宜上、ガウス分布に従うレーザ光として近似すると、レ
ーザ光の光強度H の分布は、次式で表される。
のとき、光強度H はピークの光強度Hoとなることから、
の光強度分布図を図2に示す。そして、図2に示される
ように、
9を式7に代入すると、レーザビームの光強度分布は、
以下の式10で表される。
Lは、H(r)をr=0 から無限大まで積分した値に等しいか
ら、
ると、以下の式12となる。
ると、
モードのエネルギー分布H(x,y)がビームの中心からの距
離r の関数として表される。これにより、光硬化を加工
する光照射工具が特定されたことになる。次に、式15
で表されるレーザを光硬化対象である粉体表面に照射
し、硬化加工される形状を特定する。
表面に照射しながら走査すると、粉体が熔融して糸状の
硬化物が得られる。その糸状の硬化物の硬化幅と硬化深
さが、粉体焼結積層造形の加工単位であり、この加工単
位を特定し、かつ制御することで、3次元立体像を成形
する際の寸法精度の向上が可能となる。まず、粉体材料
の硬化深度を特定する。
示すように、レーザビーム9の半径がWo、中心部の光強
度がHoであるシングルモードであるガウス分布のレーザ
ビーム光H(x, y) を速度VsでX 軸方向に走査する。その
ときの粉体の表面z=0 での露光量E(x, y) を以下のよう
にして導く。なお、図3(a )は上面図、図3(b )は
側面図、図3(c )は正面図であり、10はレーザビー
ム9の走査によって硬化した粉体を示している。
ため、式16のように表される。
と式16及びピタゴラスの定理から、
い可変数νを定義する。
ことが証明されているから、
0) での露光量を表している。さて、次に任意のz にお
ける露光量E(y, z) はランバート・ベールの法則に従う
と仮定しているので、その法則を適用して表面からのz
の位置の点P(y, z) におけるレーザ光の通過による総露
光量を求めると、
が光をどの程度透過するかの指標を示し、用いた粉体材
料に固有の値である。なお、透過深度Dpは光を吸収する
度合いを示す吸光率εの逆数の関係にある。以上から、
任意の点P(y, z) の露光量はy とz の関数として表せ
る。
が与えられると焼結する。レーザの露光量がEcの場合は
焼結点と呼ばれ, 熔融焼結の限界を示す境界点である。
粉体材料にレーザ露光して焼結させるということは、粉
体材料に臨界露光量Ecを上回るエネルギーの露光をした
こととなる。一方、E(y, z)=Ec(臨界露光量)となる臨
界領域を特定することにより、硬化する形状をある程度
特定することができる。まず、臨界露光量となる点をP
(Yc,Zc) とするとEc=E(Yc, Zc)であり、これを式22に
代入すると、
で表すことができる。
に凸の放物線形状となる。しかし、この形状がそのまま
粉体材料の硬化形状とはならない。粉体はローラーで押
して供給されるため、50%程度、ポーラスと考えられ
る。従って、露光中、あるいは露光後に粉体は焼結・熔
融し、下方に落ち込むこととなる。いま、ポーラス度を
50%と仮定し、0.1mm の積層を行うためには、0.2mm
を積層して焼結させることになる。硬化形状は、図4の
実線で囲まれた領域で示される。すなわち、硬化した粉
体11は、最上面12および最下面13に囲まれた領域
になる。ここで、最大露光量Emaxを求める。照射される
レーザ光がシングルモードのガウス分布ビームであるか
ら、表面(z=0 )で、かつy=0 の点が露光量最大とな
り、最大露光量Emaxは、
すると、硬化した最大深さZcは、
化深さZcは、成形物の硬化深度Cd (CureDepth) に一致
することから、
は、透過深度Dpに比例するとともに、臨界露光量Ecと最
大露光量Emaxの比の対数に比例していることを示してい
る。この式を図示すると、図13に示すようになる。こ
の図から、以下の重要な事項が得られる。
あること。 (b )硬化深度Cdとln(Emax)をグラフにした硬化深度曲
線の傾きはDpとなる。 (c )硬化深度曲線のx 軸との交点における露光量は、
Ecである。 次に硬化幅を求める。 (3)粉体材料の硬化幅の特定 まず、最大硬化幅を求める。硬化形状は、前述した式2
3で与えられており、また下に凸の放物線形状であるか
ら、最大硬化幅は、Zc=0のときに求めることができる。
そこで、Zc=0を式23に代入すると、
であるから、
下の式を導くことができる。
深度、Dpは透過深度を示している。式25より、最大硬
化幅Wcは照射ビームの半径Woに比例する。また最大硬化
幅Wcは硬化深度Cdの平方根に比例し、深く硬化すれば同
時に硬化幅も広がることが示されている。さらに、最大
硬化幅Wcは透過深度Dpの平方根に反比例する。すなわ
ち、透過深度の高い(吸光率の低い)材料ほど、最大硬
化幅は小さくなる。
平板一層分(縦:30mm, 横:30mm、厚さ0.1mm )の粉体
層を形成した。また、図5(b )に示すように、露光量
を平板上の全域で均等に露光されるように、隣接するレ
ーザビームを70%重ねる方法を用いた。こうして図6
に示すような実験結果を得た。なお比較のために理論曲
線も描いている。この実験で用いた粉体材料の特性は、
臨界露光量Ec=1.385J/cm2 であり、透過深度Dp=0.2285m
m である。
し、温度による補正が必要であるので、環境温度によっ
て適宜、値を変更する必要がある。なお、透過深度Dpは
実用上、温度に関して定数と考える。このように、照射
する光ビームの露光密度および光ビームの半径から硬化
深度と硬化幅を予測することができるので、造形3次元
データに対し、補正量を決定できる。この補正データを
用いることにより、予測した状態に近い実体形状を作成
することができる。
添付の図面を参照して説明する。 (1)粉体焼結造形積層のシミュレーション装置とシミ
ュレーション 図7はシミュレーション装置の構成を示す図であり、図
8は図7に示すシミュレーション処理を説明する図であ
る。
さや粉体材料の特性を示す透過深度Dpの粉体データを入
力する。また使用するレーザ光の、露光密度やビーム幅
等のビームデータを入力する。さらに、目的とする3次
元造形物に対応する3次元データを入力する(図8にお
いて、P 1)。記憶装置17には、上述した粉体の硬化
深度の計算式や硬化幅の計算式が記憶されているので、
制御装置18は、データ入力手段16から入力された上
記データを、記憶装置18内の計算式に代入する計算処
理を行うことにより、露光深度Cdおよび露光幅Wcを算出
する(P 2)。
(P 3)、最終的に表示装置19に3次元形状が表示さ
れる(P 4)。このように、本願発明の実施の形態に係
る粉体焼結造形積層のシミュレーション装置によれば、
実験データに非常に合致する理論式を用いてシミュレー
ションしているので、作成した3次元造形も実際に作製
する造形物と非常に近いものとなる。なお、目的とすべ
き3次元造形に対して、シミュレーションによって得ら
れた3次元造形とがかなり異なっていれば、上記入力デ
ータの変更や補正を行い、再度、シミュレーションす
る。
で自動的に行うようにしてもよい。その場合、実際の露
光、予熱条件をシミュレーションに加味し、正確さを増
すことができる。そして、目的とした3次元造形に近く
なったとき、そのときに使用したビームデータ、粉体デ
ータおよび3次元データを実際の粉体焼結造形積層装置
に適用することにより、従来のように無駄の多い思考錯
誤的作業をすることなく、所定の形状の3次元造形を作
製することができる。
形積層処理 図9は粉体焼結造形積層装置の構成を示す図であり、図
10は図9に示す粉体焼結造形積層装置による積層処理
を説明する図である。まず、データ入力手段20に、前
述したシミュレーションの結果、採用することとなった
粉体データを入力する。また使用するレーザ光の露光密
度やビーム幅等のビームデータを入力する。さらに、目
的とする3次元造形物に対応する3次元データを入力す
る(図10において、Q 1)。
ら粉体をパウダーベッドに供給し、ローラーによって粉
体の平坦化し、所定の厚さの薄層を形成する。なお、薄
層の厚さは、パウダーベッド機構系24を介してパウダ
ーベッドを上下して高さを決めることにより設定するこ
とができる(Q 2)。また、入力データに基づき、制御
装置22は光学系23を制御し、所定露光幅、所定露光
密度のレーザー光を粉体薄層の所定の領域を照射する。
これにより、照射された領域が硬化する(Q 3)。この
ような処理を各層ごとに繰り返し行うことにより、目的
とする3次元実体造形を形成することができる(Q 2〜
Q 4)。
積層装置 図11は別の実施の形態に係る粉体焼結造形積層装置の
構成を示す図である。図9の粉体焼結造形積層装置と異
なるのは、光学系が第1の光学系31と第2の光学系3
2とを有する点である。ここで、第1の光学系31は、
第2の光学系32に比較してレーザ光の露光密度を低く
し、かつビーム幅を細くしている。これにより、目的と
する3次元造形物の外形を決める個所や、角部や窪み等
の微妙な曲線を形成することを要求されている個所に
は、第1の光学系31を作動させて精度を優先させる。
一方、あまり精度を必要としない領域では、第2の光学
系32のレーザビーム光を使用して高速の硬化処理を行
う。
によれば、精度を要求する領域とそれほど精度を要求し
ない領域とで、使用するレーザビーム光を使い分けして
いるので、3次元実体造形を効率良く製作することがで
きる。 (4)外挿(Ec) 図6に示すように、特定の粉体状被硬化材料の臨界露光
密度Ecは、異なった露光密度の光ビームを照射し、その
外挿値によって求めることことができる。
の温度に大きく依存するので、異なった温度ごとに取得
する必要がある。従って、実際に3次元造形装置によっ
て造形するときには、そのときの温度に応じた臨界露光
密度Ecの値を採用する必要がある。 (5 )走査順序の変更 粉体層の所定の領域を照射するときには、レーザ光をラ
イン状に走査する。一般に走査したラインに続いて隣接
したラインを走査する。しかし、粉体層は熱エネルギー
によって熔融し、自然冷却によって硬化するものである
ので、走査直後においては、隣接走査ラインも熱伝導に
より高温になっている。このため、さらに次ぎのレーザ
光が走査すると、短時間の内に2重に光エネルギーを受
けることになる。このため、シミュレーション結果と異
なる場合がある。
により、余分な熱エネルギーが加わらないようにして、
シミュレーションとの一致を図っている。これを図12
に示す。 (6)粉体層の厚さやレーザ光について 粉体層の厚さとしては、材料にもよるが、0.3 mm程度
までは、シミュレーション結果と良く一致するが、高精
度を要求する場合は、0.1 mm程度が望ましい。なお、
現在、200μm、100μmの幅のレーザ光が一般に
使用されているが、露光密度を抑え、かつより高い吸収
係数の粉体材料を用いることにより、10μm程度の加
工精度まで上げることが可能となる。
状被硬化材料のシミュレーション装置によれば、実験結
果に良く合致する簡単な式を基にして粉体硬化の幅や深
さを予測することができる。このため、3次元データを
基にして3次元形状を描画するとき、実態形状に近い造
形が可能となる。
た造形物の形状が目的とする造形物の形状と異なると
き、3次元データを補正する必要があるが、このとき使
用した3次元データ補正は、そのまま3次元造形装置を
使用して実際に造形するときにも生かすことが可能とな
る。このため、従来のように3次元データの補正量を試
行錯誤的に設定して、実際の造形を何度も行う必要がな
くなる。
形装置によれば、シミュレーションによって正確に硬化
深さや幅を予測できるので、高精度を要求する所にも正
確に所定の形状を作成することができる。
る。
説明する図であり、図3(a )は上面図、図3(b )は
側面図、図3(c )は正面図である。
す正面図である。
説明する図である。
である。
シミュレーションを行う粉体焼結積層造形装置の構成を
示す図である。
装置を用いて3次元形状の形成シミュレーションを説明
するフローチャートである。
を行う粉体焼結積層造形装置の構成を示す図である。
形装置による3次元形状形成工程を説明するフローチャ
ートである。
の形成を行う粉体焼結積層造形装置の構成を示す図であ
る。
順序の変更を説明する図である。
す図である。
Claims (9)
- 【請求項1】3次元データに基づいて光ビームを粉体状
被硬化材料の薄層表面に選択的に照射し、粉体状被硬化
材料を熔融し硬化させることにより、立体物を作成する
3次元造形シミュレーション装置であって、 照射光ビームの露光密度EMAXを記憶する手段と、 前記硬化材料が硬化するに必要な露光量の閾値である臨
界露光密度Ecを記憶する手段と、 露光密度の微小増分に対する硬化深度の微小増分の比で
定義される硬化深度係数Dpを記憶する手段と、 前記照射光ビームの露光密度EMAX, 臨界露光密度Ecおよ
び硬化深度係数Dpの値を、次式 【式1】 に代入して、硬化深度Cd(Zc)を算出して予測する手段
と、 前記予測された硬化深度Cdと、前記3次元データに基づ
いて形成される3次元の立体物画像を作成する手段とを
有することを特徴とする3次元造形シミュレーション装
置。 - 【請求項2】3次元データに基づいて光ビームを粉体状
被硬化材料の薄層表面に選択的に照射し、粉体状被硬化
材料を熔融し硬化させることにより、立体物を作成する
3次元造形シミュレーション装置であって、 照射光ビームの露光密度EMAXを記憶する手段と、 照射光ビームの実質半径Woを記憶する手段と、 前記硬化材料が硬化するに必要な露光量の閾値である臨
界露光密度Ecを記憶する手段と、 露光密度の微小増分に対する硬化深度の微小増分の比で
定義される硬化深度係数Dpを記憶する手段と、 前記照射光ビームの露光密度EMAX, 臨界露光密度Ecおよ
び硬化深度係数Dpの値を、次式 【式2】 に代入して、硬化深度Cd(Zc)を算出して予測する手段
と、 前記硬化深度Cd, 硬化深度係数Dp, 照射光ビームの実質
半径Woの値を、次式 【式3】 に代入して、硬化幅WCを算出して予測する手段と、 前記予測された硬化深度Cdおよび硬化幅WCと、前記3次
元データに基づいて形成される3次元の立体物画像を作
成する手段とを有することを特徴とする3次元造形シミ
ュレーション装置。 - 【請求項3】前記作成された立体物画像を表示する手段
を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の3次
元造形シミュレーション装置。 - 【請求項4】特定の粉体状被硬化材料に異なった露光密
度の光ビームを照射して各硬化深度を求め、その外挿値
を該粉体状被硬化材料の臨界露光密度Ecとして求めるこ
とを特徴とする請求項1又は2に記載の3次元造形シミ
ュレーション装置。 - 【請求項5】前記臨界露光密度Ecは粉体状被硬化材料の
温度に依存する値を有することを特徴とする請求項4に
記載の3次元造形シミュレーション装置。 - 【請求項6】3次元データに基づいて光ビームを粉体状
被硬化材料の薄層表面に選択的に照射し、粉体状被硬化
材料を熔融し硬化する手段と、 請求項1乃至5のいずれか一に記載の3次元造形シミュ
レーション装置によって作成された3次元の立体物画像
と、目的とする3次元造形物とを比較する手段と、 比較結果に基づいて前記3次元データを補正する手段と
を有することを特徴とする3次元造形装置。 - 【請求項7】要求する加工精度によって、前記粉体状被
硬化材料の種類あるいは光ビームの露光密度を変更する
手段を有することを特徴とする請求項6に記載の3次元
造形装置。 - 【請求項8】前記光ビーム照射手段は、走査ビームの走
査順序を変更する手段を備え、隣接する走査ビームが粉
体状被硬化材料の硬化に影響を与えないようにすること
を特徴とする請求項6又は7に3次元造形装置。 - 【請求項9】請求項1乃至5のいずれか一に記載の3次
元造形シミレーション装置を組み込んでいることを特徴
とする請求項6乃至8のいずれか一に記載の3次元造形
装置。
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JP2000363399A JP4739507B2 (ja) | 2000-11-29 | 2000-11-29 | 3次元造形装置 |
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JP2000363399A JP4739507B2 (ja) | 2000-11-29 | 2000-11-29 | 3次元造形装置 |
Publications (2)
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JP2002166481A true JP2002166481A (ja) | 2002-06-11 |
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