JP2011006719A - 三次元形状造形物の製造方法およびその製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】材料粉末をより好適な態様で均すことができる三次元造形物の製造方法を提供すること。
【解決手段】（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および、（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、材料粉末を均すことによって粉末層を形成し、均される材料粉末量を検知することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
【選択図】図８

Description

本発明は、三次元形状造形物の製造方法およびその製造装置に関する。より詳細には、本発明は、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して固化層を形成することを繰り返し実施することによって複数の固化層が積層一体化した三次元形状造形物を製造する方法およびそのための装置に関する。

従来より、材料粉末に光ビームを照射して三次元形状造形物を製造する方法（一般的には「粉末焼結積層法」と称される）が知られている。かかる方法では、「（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射することよって、かかる所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成し、（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を敷いて同様に光ビームを照射して更に固化層を形成する」といったことを繰り返して三次元形状造形物を製造している（特許文献１または特許文献２参照）。材料粉末として金属粉末やセラミック粉末などの無機質の材料粉末を用いた場合では、得られた三次元形状造形物を金型として用いることができ、樹脂粉末やプラスチック粉末などの有機質の材料粉末を用いた場合では、得られた三次元形状造形物をモデルとして用いることができる。このような製造技術によれば、複雑な三次元形状造形物を短時間で製造することが可能である。

粉末焼結積層法では、酸化防止等の観点から不活性雰囲気下に保たれたチャンバー内で三次元形状造形物が製造される場合が多い。材料粉末として金属粉末を用い、得られる三次元形状造形物を金型として用いる場合を例にとると、図１に示すように、まず、所定の厚みｔ１の粉末層２２を造形プレート２１上に形成した後（図１（ａ）参照）、光ビームを粉末層２２の所定箇所に照射して、造形プレート２１上において固化層２４を形成する。そして、形成された固化層２４の上に新たな粉末層２２を敷いて再度光ビームを照射して新たな固化層を形成する。このように固化層を繰り返し形成すると、複数の固化層２４が積層一体化した三次元形状造形物を得ることができる（図１（ｂ）参照）。最下層に相当する固化層は造形プレート面に接着した状態で形成され得るので、三次元形状造形物と造形プレートとは相互に一体化した状態となる。一体化した三次元形状造形物と造形プレートとは、そのまま金型として用いることができる。

特表平１−５０２８９０号公報 特開２０００−７３１０８号公報

粉末層の形成は、「造形プレートが配される造形テーブルを囲むように設けられたテーブル枠体」に対して材料粉末を供した後、その供された材料粉末を均す（レベリングする）ことによっても行うことができる。特に、本願の発明者らは、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、筒状の材料供給枠７０の内部に材料粉末１９を供給し、材料供給枠７０をスライドさせることによって材料粉末を均すといった機構を考案している。これにより、材料供給枠７０で囲われた限定的な領域にのみ材料粉末１９が供給されるので、テーブル枠体６０の上面に材料粉末が飛び散らず、効率的に造形プレート２０上へと材料粉末を供給することができるだけでなく、材料供給枠のスライド移動により材料粉末の均しを行うことができる。しかしながら、かかる均しにおいては、材料供給枠７０内の材料粉末が足りなくなると、原料となる材料の欠乏により所望の粉末層を形成できなくなってしまう。また、材料供給枠７０内の材料粉末が多すぎると、オーバーフローする粉末が多くなってしまう。本願の発明者らは、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、材料供給枠７０から材料粉末１９が供された後では、材料供給枠の通過後に粉末層が盛り上がる現象が生じることを見出している。盛り上がった部分は、粉末層形成に用いられないので、その部分の材料は無駄になるだけでなく、“盛り上がり”に起因して“かさ密度”の違いが粉末層に生じることになる。更にいえば、“盛り上がり”に起因して所望の厚み以上の粉末層が形成され、その厚みで固化層が形成されると、所望の焼結精度を得ることができなくなることが懸念される。このような“盛り上がり現象”は、材料供給枠内の材料粉末の自重に起因して圧縮されていた粉末層が材料供給枠の通過によって解放されることで生じるものと考えられる。

本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の課題は、材料粉末をより好適な態様で均すことができる三次元造形物の製造方法およびそのための装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明では、
（ｉ）造形テーブル（好ましくは造形テーブル上に配された造形プレート）上に形成された粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
材料粉末を均すことによって粉末層を形成しており、均される材料粉末量を検知することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法が提供される。

本発明の製造方法は、粉末層の形成に際して、均される材料粉末量を検知することを特徴としている。好ましくは、均される材料粉末量を検知し、それに基づいて、形成された粉末層が「均される材料粉末」から受ける力を把握する。

筒状の材料供給枠の内部に材料粉末を供給し、材料供給枠をスライド移動させることによって材料粉末を均す場合（以下では「材料供給枠バージョン」とも称する）、材料粉末の均しに際して材料供給枠内の材料粉末量・粉末残量を検知することが好ましい。

材料供給枠バージョンのある好適な態様では、材料供給枠内の材料粉末の自重に起因して粉末層が受ける力（例えば“圧力”）を調整するために、検知された材料粉末量に基づいて材料供給枠内に材料粉末を補充する。補充は、材料粉末の貯留タンクから補充する態様に限定されず、スクリューフィーダーを用いて補充したり、あるいは、カートリッジ方式で補充してもよい。

材料供給枠内の粉末量の検知は、材料供給枠内の材料粉末レベルを測定することによって行うことができる。例えば、以下の態様で材料供給枠内の材料粉末レベル・材料粉末量の測定ないしは検知を行ってよい：
（１）光学的手段などを用いて材料供給枠内の材料粉末レベルを測定する。
（２）材料供給枠内の所定レベルにおける電気抵抗を測定する。
（３）材料供給枠内の所定レベルに設けたスターラーの攪拌抵抗を測定する。
（４）材料粉末の均しに際して材料供給枠が移動する距離を測定する。
また、テーブル枠体に配置された重量センサを用いてよく、それによって、材料供給枠内における材料粉末量を直接的に測定してもよい。

尚、本発明の製造方法では、造形テーブル（＝「造形プレートが配置されるテーブル」）を囲むテーブル枠体に対して材料粉末を供給した後、均し板をスライドさせることによって材料粉末を造形テーブル又は造形プレートへと供しつつ材料粉末の均しを行ってよい（以下では「均し板バージョン」とも称する）。かかる場合、粉末層の形成に際しては、テーブル枠体に供された材料粉末量を検知することが好ましい。

本発明では、上述した製造方法を実施するための「三次元形状造形物の製造装置」も提供される。かかる三次元形状造形物の製造装置は、
粉末層を形成するための粉末層形成手段、
固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段、ならびに
粉末層および／または固化層が形成されることになる造形テーブル（好ましくは造形テーブル上に配された造形プレート）、
を有して成り、
粉末層形成手段が材料粉末量を検知するためのセンサを有して成ることを特徴としている。

本発明の製造装置のある好適な態様では、粉末層形成手段が、「造形テーブル上方をスライド移動することができる材料供給枠」を更に有して成り、その材料供給枠に対して「材料粉末量を検知するためのセンサ」が設けられている。

本発明では、粉末層形成に用いる材料粉末量を検知できるので、材料粉末の過不足を把握することができる。例えば“材料供給枠バージョン”でいえば、粉末層の形成に伴って材料供給枠内の材料粉末量が減ることになるが、材料供給枠内の粉末残量を適宜把握できることによって、好ましい量の材料粉末を材料供給枠内に適宜補充することができる。あるいは、粉末層の形成開始に際して、材料供給枠内へと投入される材料粉末量も把握できるので、好ましい量の材料粉末を材料供給枠内へと供給できる。

特に、本発明では、均しに際してスライド移動する材料供給枠の粉末残量をリアルタイムで把握することが好ましく、それによって、材料供給枠の材料粉末が粉末層に及ぼす力をリアルタイムで把握できる。リアルタイムで把握するので、粉末層がその上に位置する材料粉末から一定の圧力を受けることになるように、材料供給枠内に材料粉末を適宜補充できる。材料粉末から一定の圧力を受けた状態で粉末層が形成されると、形成される粉末層のかさ密度が一定となり得、それから得られる固化層は、その品質が一定となり得る。

また、上述したように、“材料供給枠バージョン”では、供給枠から材料粉末が供された後において、供給枠の通過後に粉末層が盛り上がる現象が一般に生じ得るが、本発明では、材料供給枠内の材料粉末量を必要最小限に維持して“盛り上がり現象”を抑制することができる。つまり、“材料供給枠内の材料粉末の重量に起因した粉末層の圧縮力”が最小限度に維持されるように枠内の粉末量を必要最小限に維持することができ、“盛り上がり現象”を効果的に抑制できる。

光造形複合加工機の動作を模式的に示した断面図 材料供給枠を用いて粉末層を形成する態様を模式的に示した斜視図 材料供給枠の通過後に粉末層が盛り上がる現象を概念的に表した模式図 粉末焼結積層法が行われる態様を模式的に示した斜視図 粉末焼結積層法が実施される光造形複合加工機の構成を模式的に示した斜視図 光造形複合加工機の動作のフローチャート 光造形複合加工プロセスを経時的に表した模式図 本発明を実施するために用いられる粉末層形成手段の典型的な態様を表した模式図 粉末層が材料粉末から受ける力を概念的に表した模式図 材料供給枠の移動距離と粉末残量との一般的な相関関係を示したグラフ 材料粉末レベルによって材料粉末量を検知する態様を表した模式図（図１１（ａ）光通過検知：、図１１（ｂ）：距離センサ検知、図１１（ｃ）：接触子検知） 材料粉末量を検知する種々の態様を表した模式図（図１２（ａ）電気抵抗計測：図１２（ｂ）：攪拌抵抗計測、図１２（ｃ）：重量センサ計測） 材料供給枠の移動距離に基づいて材料粉末量を検知する態様を表した模式図 本発明の製造装置の典型的態様を模式的に表した斜視図 均し板を用いて粉末層を形成する態様を表した模式図 材料供給枠へと供給・補充する種々の態様を模式的に表した斜視図（図１６（ａ）貯留タンクからの供給・補充：、図１６（ｂ）：スクリューフィーダーによる供給・補充、図１６（ｃ）：カートリッジ方式による供給・補充）

以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

［粉末焼結積層法］
まず、本発明の製造方法の前提となる粉末焼結積層法について説明する。説明の便宜上、材料粉末タンクから材料粉末を供給し、均し板を用いて材料粉末を均して粉末層を形成する態様を前提として粉末焼結積層法を説明する。図１，４および５には、粉末焼結積層法を実施できる光造形複合加工機の機能および構成が示されている。光造形複合加工機１は、「金属粉末および樹脂粉末などの粉末を所定の厚みで敷くことによって粉末層を形成する粉末層形成手段２」と「外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内において上下に昇降する造形テーブル２０」と「造形テーブル２０上に配され造形物の土台となる造形プレート２１」と「光ビームＬを任意の位置に照射する光ビーム照射手段３」と「造形物の周囲を削る切削手段４」とを主として備えている。粉末層形成手段２は、図１に示すように、「外周が壁２６で囲まれた材料粉末タンク２８内において上下に昇降する粉末テーブル２５」と「造形テーブル又は造形プレート上に粉末層２２を形成するための均し板２３」とを主として有して成る。光ビーム照射手段３は、図４および図５に示すように、「光ビームＬを発する光ビーム発振器３０」と「光ビームＬを粉末層２２の上にスキャニング（走査）するガルバノミラー３１（スキャン光学系）」とを主として有して成る。必要に応じて、光ビーム照射手段３には、光ビームスポットの形状を補正するビーム形状補正手段（例えば一対のシリンドリカルレンズと、かかるレンズを光ビームの軸線回りに回転させる回転駆動機構とを有して成る手段）やｆθレンズなどが具備されている。必要に応じて用いられる切削手段４は、「造形物の周囲を削るミーリングヘッド４０」と「ミーリングヘッド４０を切削箇所へと移動させるＸＹ駆動機構４１（４１ａ，４１ｂ）」とを主として有して成る（図４および図５参照）。

光造形複合加工機１の動作を図１、図６および図７を参照して詳述する。図６は、光造形複合加工機の一般的な動作フローを示しており、図７は、光造形複合加工プロセスを模式的に簡易に示している。

光造形複合加工機の動作は、粉末層２２を形成する粉末層形成ステップ（Ｓ１）と、粉末層２２に光ビームＬを照射して固化層２４を形成する固化層形成ステップ（Ｓ２）と、造形物の表面を切削する切削ステップ（Ｓ３）とから主に構成されている。粉末層形成ステップ（Ｓ１）では、最初に造形テーブル２０をΔｔ１下げる（Ｓ１１）。次いで、粉末テーブル２５をΔｔ１上げた後、図１（ａ）に示すように、均し板２３を、矢印Ａ方向に移動させ、粉末テーブル２５に配されていた粉末（例えば「平均粒径５μｍ〜１００μｍ程度の鉄粉」または「平均粒径３０μｍ〜１００μｍ程度のナイロン、ポリプロピレン、ＡＢＳ等の粉末」）を造形プレート２１上へと移送させつつ（Ｓ１２）、所定厚みΔｔ１に均して粉末層２２を形成する（Ｓ１３）。次に、固化層形成ステップ（Ｓ２）に移行し、光ビーム発振器３０から光ビームＬ（例えば炭酸ガスレーザ（５００Ｗ程度）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（５００Ｗ程度）またはファイバレーザ（５００Ｗ程度）など）を発し（Ｓ２１）、光ビームＬをガルバノミラー３１によって粉末層２２上の任意の位置にスキャニングし（Ｓ２２）、粉末を溶融させ、固化させて造形プレート２１と一体化した固化層２４を形成する（Ｓ２３）。光ビームは、空気中を伝達させることに限定されず、光ファイバーなどで伝送させてもよい。

固化層２４の厚みがミーリングヘッド４０の工具長さ等から求めた所定厚みになるまで粉末層形成ステップ（Ｓ１）と固化層形成ステップ（Ｓ２）とを繰り返し、固化層２４を積層する（図１（ｂ）参照）。尚、新たに積層される固化層は、焼結又は溶融固化に際して、既に形成された下層を成す固化層と一体化することになる。

積層した固化層２４の厚みが所定の厚みになると、切削ステップ（Ｓ３）へと移行する。かかる切削ステップ（Ｓ３）は、本発明にとって必ずしも必要というわけではなく、付加的に実施されるステップである。かかる任意の切削ステップ（Ｓ３）は、図１および図７に示すような態様ではミーリングヘッド４０を駆動させることによって開始する（Ｓ３１）。例えば、ミーリングヘッド４０の工具（ボールエンドミル）が直径１ｍｍ、有効刃長さ３ｍｍである場合、深さ３ｍｍの切削加工ができるので、Δｔ１が０．０５ｍｍであれば、６０層の固化層を形成した時点でミーリングヘッド４０を駆動させる。ＸＹ駆動機構４１（４１ａ，４１ｂ）によってミーリングヘッド４０を矢印Ｘ及び矢印Ｙ方向に移動させ、積層した固化層２４から成る造形物の表面を切削加工する（Ｓ３２）。そして、三次元形状造形物の製造が依然終了していない場合では、粉末層形成ステップ（Ｓ１）へ戻ることになる。以後、Ｓ１乃至Ｓ３を繰り返して更なる固化層２４を積層することによって、三次元形状造形物の製造を行う（図７参照）。

固化層形成ステップ（Ｓ２）における光ビームＬの照射経路と、切削ステップ（Ｓ３）における切削加工経路とは、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。この時、等高線加工を適用して加工経路を決定する。例えば、固化層形成ステップ（Ｓ２）では、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（例えばΔｔ１を０．０５ｍｍとした場合では０．０５ｍｍピッチ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。

［本発明の製造方法］
本発明は、上述した粉末焼結積層法のなかでも、特に粉末層の形成に特徴を有している。具体的には、本発明では、粉末残量を把握するために、あるいは、均される材料粉末から粉末層が受ける力を把握するために、均される材料粉末量を検知している。

以下の説明では、粉末として「金属粉末」を用いる態様（即ち、粉末層として金属粉末層を用いる態様）を例にとって説明する。ちなみに、本発明に用いる金属粉末は、鉄系粉末を主成分とした粉末であって、場合によってニッケル粉末、ニッケル系合金粉末、銅粉末、銅系合金粉末および黒鉛粉末などから成る群から選択される少なくとも１種類を更に含んで成る粉末であってよい（一例として、平均粒径２０μｍ程度の鉄系粉末の配合量が６０〜９０重量％、ニッケル粉末及びニッケル系合金粉末の両方又はいずれか一方の配合量が５〜３５重量％、銅粉末および／または銅系合金粉末の両方又はいずれか一方の配合量が５〜１５重量％、ならびに、黒鉛粉末の配合量が０．２〜０．８重量％となった金属粉末を挙げることができる）。

本発明を実施するための粉末層形成手段２の典型的な態様を図８（ａ）および（ｂ）に示す。図示する態様では、筒状の材料供給枠７０の内部に材料粉末を供給し、材料供給枠７０をＡ方向にスライドさせることによって材料粉末を均して粉末層を形成することができる。換言すれば、図８（ｂ）に示すように、材料供給枠７０が造形プレート２１上方を通過するようにスライド移動することによって、材料粉末が材料供給枠７０の下方開口端を介して造形プレート上に供給されると共に、材料供給枠７０の枠部分７０ａによって材料粉末が均されることになる。

本発明では、粉末層の形成に際して、材料粉末から粉末層が受ける力を把握するために、かかる均される材料粉末量を検知している。図８に示される態様では、材料供給枠７０にセンサ８０が設けられており、材料供給枠７０内に存在する材料粉末量を検知することができるので、粉末層が材料粉末から受ける力を把握することができる。図示する態様から分かるように、「粉末層が材料粉末から受ける力」とは、材料粉末の自重に基づいて粉末層が受ける力を実質的に意味している。つまり、図９に示すように、粉末層２２ａは、その上に材料供給枠７０が存在した状態で形成されるので、材料供給枠７０内の材料粉末１９の重量によって粉末層２２ａが受ける力のことを指している。例えば、図９に示す態様でいえば、粉末層２２ａが、材料供給枠７０の材料粉末１９から受ける圧力Ｐは以下の式で表すことができる：
Ｐ＝Ｗ／Ｓ
Ｐ［ｋｇ／ｃｍ^２］：材料供給枠の下方にて形成された粉末層が受ける圧力
Ｗ［ｋｇ］：材料供給枠内の材料粉末の重量
Ｓ［ｃｍ^２］：材料供給枠の下方開口端における開口面積

材料供給枠７０内の材料粉末量の検知は、粉末層の形成に先立って行ってもよいし、材料粉末を均す過程でリアルタイムに行ってもよい。例えば、リアルタイムで材料供給枠７０内の材料粉末量を検知すると、材料供給枠７０内の移動に伴って形成される粉末層が材料粉末から受ける力Ｆをリアルタイムで把握できる。これにより、把握された力Ｆが所望の値に近づくように、材料供給枠７０内に材料粉末を逐次補充することができる。換言すれば、検知された材料粉末量に基づいて、即ち、把握された「粉末層が受ける力Ｆ」に基づいて、補充すべき材料粉末量をフィードバック制御することができる。かかるフィードバック制御に際しては、コントローラー８０’により貯留タンク９０のバルブ９５の開度を調節することによって材料粉末の補充量を制御できる（図８参照）。

本発明では特に、力Ｆが実質的に一定となるように材料供給枠７０内への材料粉末の補充を調整することができ、これによって、形成される粉末層のかさ密度を材料供給枠の移動方向に沿って一定にすることができる。「かさ密度が実質的に一定となった粉末層を形成できる」ということは、これより形成される固化層の品質が実質的に一定となることを意味している。

また、材料供給枠の通過後の粉末層の“盛り上がり現象”を減じるべく、供給枠７０内への材料粉末の補充を適宜調整することもできる。かかる場合、材料供給枠内の材料粉末量が常に必要最小限の量に維持されるように、材料供給枠７０内へと補充される材料粉末量を調整する。つまり、図３に示すように材料供給枠内の材料粉末量が多すぎると高い圧力Ｐに起因して“盛り上がり現象”が生じやすくなるので、そうならないように粉末層形成に支障がない程度にまで材料粉末量を小さく維持する。

更にいえば、材料供給枠のスライド移動により材料粉末を造形プレート上（即ち、造形テーブルに配置されたプレート上）へと供する場合、一般的には、図１０に示すようにスライド移動の初期（即ち、材料供給枠の移動距離が少ない段階）において材料粉末がより多量に材料供給枠から排出される傾向がある（理想的な量よりも多く供給されてしまう）。本発明では、それに対して好適に対処することができる。具体的には、材料供給枠内に多くの材料粉末量が充填されていると、それに応じて、材料供給枠から排出される材料粉末量が多くなるので、そうならないように、材料粉末の充填量を必要以上の排出が生じない程度の比較的少ない値に維持する。これにより、材料供給枠の移動距離に関係なく、安定して材料粉末を供給できるようになる。

本発明では、材料供給枠７０内の粉末量の検知を行っているが、その検知の手法は特に制限されるものではなく、材料供給枠内の材料粉末の充填量・残量を把握できるものであれば、いずれの手法を用いてもよい。例えば、材料供給枠７０内の材料粉末レベルを測定することを通じて材料粉末量の検知を行ってよい（即ち、“材料粉末高さ”と“充填量”との相関関係に基づいて材料供給枠内の材料粉末量を求めてよい）。かかる場合、図１１（ａ）または１１（ｂ）に示すような光学的手段を用いることができる。

図１１（ａ）に示す態様では、所定高さにおける光の透過を検知することによって、粉末材料レベルを測定している。図示するように「投光機８０ａと受光素子８０ｂとの組合せ」を材料供給枠の所定高さＨに設置しておき、投光機８０ａから発せられた光が受光素子８０ｂにより受信できるか否かによって、材料粉末が所定高さＨにまで存在するか否かを把握する。具体的には、投光機８０ａから発せられた光が受光素子８０ｂで受信できない場合には、光が材料粉末で遮られたことになるので、材料粉末が所定高さＨにまで少なくとも存在することになる。その一方、投光機８０ａから発せられた光が受光素子８０ｂで受信できた場合には、光が途中で材料粉末により遮られなかったことになるので、材料粉末が所定高さＨには存在していないことになる。「投光機と受光素子との組合せ」を任意の供給枠高さＨ_１,2,…ｎに複数設置すると、粉末材料レベルの測定精度が向上し得る。

図１１（ｂ）では、光学式または超音波式の距離センサ８０ｃを用いることによって、粉末材料レベルを測定している。つまり、光または超音波を送信し、その跳ね返ってくるまでの時間を計測することにより、粉末材料の表面位置を把握する。図示するように、材料供給枠の上方に距離センサ８０ｃを設け、下方に向かって光または超音波を送信する態様が好ましい。

尚、光学的手段による計測についていえば、いわゆる“光切断法”を併せて用いると、粉末材料の表面のうねり・波打ち状態までも把握することができるため、より正確な測定を実現できる。

また、光学的な手段に依らずとも、図１１（ｃ）に示すように、接触子８０ｄを用いて、粉末材料レベルの測定を行ってもよい。つまり、図示するように、接触子８０ｄのセンサ部分が材料粉末の表面に触れるか否かで粉末材料の表面位置を把握する。特に、図示するような接触子を用いると、先端のセンサ部分を水平方向に動かすことによって粉末材料表面を均すことができるので有利である。

「材料供給枠内の材料粉末量を検知する」といった態様には、その他に種々の態様が考えられる。以下それについて説明する。

（電気抵抗計測）
電気抵抗の計測により材料粉末量を検知する態様を図１２（ａ）に示す。図示するように、「プラス電極（＋）とマイナス電極（−）との組合せ」を材料供給枠の所定レベル（例えば“所定高さＨ”）に設置しておき、プラス電極（＋）とマイナス電極（−）との間の電気抵抗が増加したか否かによって、材料粉末が所定高さＨにまで存在するか否かを把握する。つまり、電気抵抗が比較的低い場合には、金属製の材料粉末が電極間に通電媒体として存在していることが示唆されるので、材料粉末が所定高さＨにまで少なくとも存在していることが把握される。その一方、電気抵抗が比較的高い場合には、通電媒体となる金属製の材料粉末が存在していないことが示唆されるので、材料粉末が所定高さＨには存在していないことが把握される。「プラス電極（＋）とマイナス電極（−）との組合せ」を任意の供給枠高さＨ_１,2,…ｎに複数設置すると、粉末材料レベルの測定精度が向上し得る。

（攪拌抵抗計測）
攪拌抵抗の計測により材料粉末量を検知する態様を図１２（ｂ）に示す。図示するように、スターラー（例えば攪拌翼）８０ｅを材料供給枠の所定レベル（例えば“所定高さＨ”）に設置しておき、攪拌時にて攪拌抵抗が増加したか否かによって、材料粉末が所定高さＨにまで存在するか否かを把握する。攪拌抵抗はモータートルクセンサで検知する。かかる態様では、攪拌抵抗が比較的高いと、攪拌翼が材料粉末に接した状態にあることが示唆され、材料粉末が攪拌翼の設置高さＨに少なくとも存在することが把握される。その一方、攪拌抵抗が比較的低いと、攪拌翼が材料粉末に接していない状態にあることが示唆され、材料粉末が攪拌翼の設置高さＨには存在していないことになる。攪拌翼を任意の供給枠高さＨ_１,2,…ｎに複数設置すると、粉末材料レベルの測定精度が向上し得る。

（重量センサによる計測）
重量センサを用いることによって材料粉末量を検知する態様を図１２（ｃ）に示す。図示するように、テーブル枠体６０に対して配置された重量センサ８０ｆを用いることが好ましく、その重量センサ８０ｆが設置された箇所に材料供給枠７０を位置付けることによって、材料供給枠の内部に供給または補充された材料粉末量を検知することができる。重量センサ８０ｆとしては、ロードセル（過重変換器）や台ばかりなどを用いることができる。

（材料供給枠の移動距離に基づく計測）
材料供給枠の移動距離に基づく計測によって、材料粉末量を検知する態様を図１３に示す。粉末層の形成に際して材料供給枠７０がスライド移動すると、材料粉末が自重に起因して材料供給枠の下方開口端を介して排出される。一般的に、「材料供給枠の移動距離」と「排出される材料粉末量」とは相関関係を有しているので、材料供給枠の移動距離を測定することによって、材料供給枠内の粉末量を間接的に把握することができる。換言すれば、材料供給枠によるスキージング回数の計測を通じて材料供給枠内の粉末残量を把握する。

［本発明の製造装置］
次に、本発明の製造方法の実施に好適な装置について説明する。かかる装置は、例えば図１４に示すように、
粉末層を形成するための粉末層形成手段２、
固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段３、ならびに
粉末層および／または固化層が形成されることになる造形テーブル２０（好ましくは造形テーブル上に配置される造形プレート２１）、
を有して成り、
粉末層形成手段２には材料粉末量を検知するためのセンサ８０が設けられている。図示するように、粉末層形成手段２が、造形テーブル２０上をスライド移動できる材料供給枠７０を更に有して成り、その材料供給枠７０に対して材料粉末量を検知するためのセンサ８０が設けられていることが好ましい。ここでいう「材料供給枠」とは、図示する態様から分かるように、その内部にて材料粉末を包囲できる筒状部材であり、スライド移動させることによって、その下方開口端から材料粉末を排出できる部材のことを実質的に意味している。

かかる製造装置では、センサ８０でもって材料供給枠７０内の材料粉末量・残量を検知できるので、検知された値に基づいて所望量の材料粉末を材料供給枠内へと供給または補充することができる。特に、センサ８０で検知された粉末量データに基づいて、コントローラー８０’によって材料粉末の供給量または補充量をフィードバック制御することができ、「形成される粉末層が材料供給枠内の材料粉末から受ける力Ｆ」を好適に調整できる。つまり、力Ｆが実質的に一定の値に近づくように、材料供給枠７０内への材料粉末の補充量を調整することができ、これによって、形成される粉末層のかさ密度を材料供給枠の移動方向に沿って一定にすることができる。また、フィードバック制御では、材料供給枠の通過後の粉末層の“盛り上がり現象”を防止すべく、材料供給枠内の材料粉末量を常に必要最小限の量に維持することができる。

本発明の装置の動作も含め、「粉末層形成手段２」、「光ビーム照射手段３」、「造形テーブル２０」および「材料供給枠７０」等については、上述の［粉末焼結積層法］および［本発明の製造方法］などで説明しているので、重複を避けるために説明を省略する。尚、「粉末層形成手段２」について付言しておくと、材料供給枠を備えるもの（即ち“材料供給枠バージョン”）であってもよいし、あるいは、均し板を備えるもの（即ち“均し板バージョン”）のいずれであってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の適用範囲のうちの典型例を例示したに過ぎない。従って、本発明はこれに限定されず、種々の改変がなされ得ることを当業者は容易に理解されよう。

例えば、上述の説明では、筒状の材料供給枠の内部に材料粉末を供給し、材料供給枠をスライド移動させることによって材料粉末を均す態様を中心に説明してきたが、必ずしもかかる態様に限定されるわけではない。例えば、図１５に示すように、造形テーブル２０を囲むテーブル枠体６０に対して材料粉末を供給した後、均し板２３をスライドさせることによって材料粉末を均してもよい（つまり、“均し板バージョン”に相当する態様であってよい）。かかる場合、例えば「材料粉末が供給されるテーブル枠体６０」に対して重量センサ８０ｇを設けておいてよい。これにより、材料粉末量を測定できるので、「均される材料粉末から粉末層が受けることになる力」を間接的に把握できる。

また、上述の説明（特に図面）では、図１６（ａ）に示すように、材料粉末を貯留タンク９０から材料供給枠７０へと供給・補充する態様を中心に説明してきたが、必ずしもかかる態様に限定されるわけではない。例えば、図１６（ｂ）に示すように、スクリューフィーダー９２を用いることによって材料粉末を材料供給枠７０へと供給・補充してもよく、あるいは、図１６（ｃ）に示すようにカートリッジ方式で材料粉末を材料供給枠へと供給・補充してもよい。尚、カートリッジ方式では、図示する態様から分かるように、「材料粉末が予め充填されたカートリッジ部材９４」を材料供給枠内の針部７５へと差し込むことによってカートリッジ部材９４を開封できるので、それによって、カートリッジ部材９４に充填されていた材料粉末を材料供給枠７０内へと供給できる。

更に、材料粉末の補充について付言しておけば、造形モデルデータから必要な材料粉末量を予め算出しておいて、それを材料供給枠内の粉末残量と比較してよい。これにより、材料粉末の補充量を好適に把握できる。

本発明の三次元形状造形物の製造方法を実施することによって、種々の物品を製造することができる。例えば、『粉末層が無機質の金属粉末層であって、固化層が焼結層となる場合』では、得られる三次元形状造形物をプラスチック射出成形用金型、プレス金型、ダイカスト金型、鋳造金型、鍛造金型などの金型として用いることができる。また、『粉末層が有機質の樹脂粉末層であって、固化層が硬化層となる場合』では、得られる三次元形状造形物を樹脂成形品して用いることができる。

１ 光造形複合加工機
２ 粉末層形成手段
３ 光ビーム照射手段
４ 切削手段
１９ 粉末／粉末層（例えば金属粉末/金属粉末層または樹脂粉末／樹脂粉末層）
２０ 造形テーブル
２１ 造形プレート
２２ 粉末層（例えば金属粉末層または樹脂粉末層）
２３ 均し板（スキージング用ブレード）
２４ 固化層（例えば焼結層または硬化層）またはそれから得られる三次元形状造形物
２５ 粉末テーブル
２６ 材料粉末タンクの壁部分
２７ 造形タンクの壁部分
２８ 材料粉末タンク
２９ 造形タンク
３０ 光ビーム発振器
３１ ガルバノミラー
３２ 反射ミラー
３３ 集光レンズ
４０ ミーリングヘッド
４１ ＸＹ駆動機構
４１ａ Ｘ軸駆動部
４１ｂ Ｙ軸駆動部
４２ ツールマガジン
５０ チャンバー
５２ 光透過窓
６０ テーブル枠体
７０ 材料供給枠
７０ａ 材料供給枠の枠部分
７５ 材料供給枠内の針部
８０ センサ
８０ａ 投光機
８０ｂ 受光素子
８０ｃ 距離センサ
８０ｄ 接触子
８０ｅ スターラー（例えば攪拌翼）
８０ｆ 重量センサ
８０ｇ 重量センサ
８０’ コントローラー（制御機）
９０ 貯留タンク（可動式貯留タンク）
９２ スクリューフィーダー
９４ カートリッジ部材
９５ バルブ
Ｌ 光ビーム

Claims (12)

1. （ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
   （ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
   を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
   材料粉末を均すことによって粉末層を形成しており、均される材料粉末量を検知することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
2. 材料粉末量を検知して、均される材料粉末から粉末層が受ける力を把握することを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
3. 筒状の材料供給枠の内部に材料粉末を供給し、材料供給枠をスライドさせることによって材料粉末を均しており、
   材料粉末の均しに際して材料供給枠内の材料粉末量を検知することを特徴とする、請求項１または２に記載の製造方法。
4. 材料供給枠内の材料粉末から粉末層が受ける力を調整するために、検知された材料粉末量に基づいて材料供給枠内に材料粉末を補充することを特徴とする、請求項３に記載の製造方法。
5. 材料供給枠内の材料粉末量の検知に際して、材料供給枠内の材料粉末レベルを測定することを特徴とする、請求項３または４に記載の製造方法。
6. 材料供給枠内の材料粉末量の検知に際して、材料供給枠内の所定レベルにおける電気抵抗を測定することを特徴とする、請求項３または４に記載の製造方法。
7. 材料供給枠内の材料粉末量の検知に際して、材料供給枠内の所定レベルに設けられたスターラーの攪拌抵抗を測定することを特徴とする、請求項３または４に記載の製造方法。
8. 材料供給枠内の材料粉末量の検知に際して、材料供給枠が移動する距離を測定することを特徴とする、請求項３または４に記載の製造方法。
9. 粉末層および／または固化層が形成される造形テーブルを囲むように設けられているテーブル枠体に対して重量センサを設け、材料供給枠内の材料粉末量の検知に際して前記重量センサを用いることを特徴とする、請求項３または４に記載の製造方法。
10. 粉末層および／または固化層が形成される造形テーブルを囲むように設けられているテーブル枠体に対して材料粉末を供給した後、均し板をスライドさせることによって材料粉末を均しており、
    粉末層の形成に際しては、テーブル枠体に供された材料粉末量を検知することを特徴とする、請求項１または２に記載の製造方法。
11. 粉末層を形成するための粉末層形成手段、
    固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段、ならびに
    粉末層および／または固化層が形成されることになる造形テーブル、
    を有して成り、
    粉末層形成手段が材料粉末量を検知するためのセンサを有して成ることを特徴とする、三次元形状造形物の製造装置。
12. 粉末層形成手段が、造形テーブルの上方にてスライドすることができる材料供給枠を更に有して成り、
    前記材料供給枠に対して材料粉末量を検知するためのセンサが設けられていることを特徴とする、請求項１１に記載の三次元形状造形物の製造装置。

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