JP2012522661A - 照射装置の校正方法および校正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】校正を完全に自動化して費用効率を向上すると共により精密に行う方法および装置を提供すること。
【解決手段】三次元物体の製造装置の照射装置の校正方法および校正装置に関する。校正には、イメージ変換プレート（１２）を製造装置の作業面（６）に、または作業面（６）と平行に配設し、照射装置がイメージ変換プレート（１２）の所定の位置にエネルギー放射線（８’）を照射した時に、イメージ変換プレート（１２）が検出可能な光（１３）を出射するステップと、照射装置によりイメージ変換プレート（１２）を走査するステップと、検出可能な光（１３）を光検出器（１５）により検出するステップと、検出可能な光（１３）が検出されると照射装置（７、９）の座標を決定するステップと、決定された座標と所定の基準座標を比較するステップと、座標間の偏差に基づいて照射装置（７、９）を校正するステップとを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、三次元物体を生成的に製造する製造装置の照射装置を校正するための方法および装置に係る。

特許文献１は、三次元物体を生成的に製造する製造装置の照射装置を校正するための方法について記載している。特許文献１によると、製造装置は、製造装置の支持体または先に塗布した層の上に粉末状の建築材料を層方向に塗布し、この塗布層が作業面を画定し、建築材料の固化すべき個所に照射装置を用いてエネルギー放射線を照射することにより、これらの個所の建築材料を固化する。支持体は、照射装置に対して不変の座標系を機械に対しては相対的に画定している。校正中、支持体の上に検出可能な基準符号（reference characters）が与えられ、そこから、機械に対する座標系が算出される。エネルギー放射線が、機械に対する座標系の中で所定の目標位置に偏向され、エネルギー放射線の衝撃点の実際の位置の目標位置からの偏差が、基準符号を使用して検出される。次に、前記偏差に従って照射装置の校正が行われる。ここではサーモフォイルのような感光性媒体とスキャナを用いて衝撃点の実際の位置が評価される。

特許文献２および特許文献３は、感光性媒体も使用する校正方法についてそれぞれ記載している。また、特許文献４は、立体リトグラフィー装置用の校正方法を開示しており、ここでは複数のセンサを使って校正を行っている。

ＥＰ−１ ０４８ ４４１ Ａ１ ＥＰ−０ ７９２ ４８１ Ｂ１ ＷＯ ９４／１５２６５ ＵＳ−５、１２３、７３４ Ａ

本発明の目的は、三次元物体を生成的に製造する製造装置の照射装置を校正するための方法および装置であって、校正を完全に自動化して費用効率を向上すると共により精密に行うことができる方法および装置を提供することにある。

本発明の目的は、請求項１に記載の特徴を有する三次元物体を生成的に製造する製造装置用の照射装置の校正方法、および、請求項１０に記載の特徴を有する校正装置によって達成される。有利な更なる展開については、従属請求項に記載される。

作業面全体において完全に自動化された校正が可能であるため、有利である。また、感光性媒体もスキャナも必要とせず、すべての校正動作が製造装置内で行われる。レーザ光を検出可能な光に変換するイメージ変換プレート（image converter plate）を使用することにより、複数のセンサを配置する必要が無いため、特に、コスト効率が高くなる。

さらに、添付する図面を基に以下に行う実施形態に関する説明から、本発明のその他の特徴や目的についても明らかになる。

三次元物体の製造装置の概略図である。 本発明の一実施形態による照射装置を校正するための方法および装置を示す概略図である。 本発明の実施形態によるイメージ変換プレートを示す概略図である。

図１は、三次元物体３を製造するための製造装置を示す概略図であり、この製造装置は本実施形態ではレーザ焼結装置として構成されている。

レーザ焼結装置は、上部が開口しているフレーム１を備え、製造する三次元物体３を支持し垂直方向に可動である支持体５が、フレーム１の内部に配置されている。支持体５は、レーザ焼結装置の構築面を画定している。また、フレーム１と支持体５とが、構築空間を画定している。必要に応じて、フレーム１と支持体５とが、レーザ焼結装置から取り外し可能な交換式フレームを形成するようにしても良い。支持体５は、リフト機構４に連結されており、現時点で固化すべき構造物３の層が作業面６の上にくるように、リフト機構４によって支持体５を垂直方向に移動させるように構成されている。

さらに、粉末状の建築材料１１の層を塗布する塗布器１０が設けられている。粉末状の建築材料１１としては、レーザで焼結できる粉末状材料であれば全て使用することができ、例えば、ポリアミドやポリスチレンなどのレーザで焼結可能な合成樹脂、特に、ＰＥＥＫ等の高温合成樹脂、金属、セラミックス、鋳型砂、複合材料等を使用することができる。金属粉末状の建築材料１１としては、任意の金属、任意の合金の他、金属化合物との混合物、あるいは、非金属化合物との混合物等を挙げることができる。まず、粉末状の建築材料１１が、塗布器１０の貯蔵容器からフレーム１へと供給される。次に、塗布器１０をフレーム１の上縁部２の内側で作業面６から所定の高さのところまで移動させ、粉末状の建築材料１１の層がその前に固化された層の上の所定の高さに来るようにする。レーザ焼結装置は、エネルギー放射線８’を生成する放射源７を更に備えている。本実施形態では、放射源７は、レーザ７である。レーザ７は、エネルギー放射線８、８’をレーザビーム８、８’の形で生成し、レーザビーム８、８’は、偏光装置９によって作業面６の任意の地点に合焦される。作業面６全体を走査（scan）できるように、偏光装置９は、ステップモータのようなアクチュエータ装置によって少なくとも２軸を中心として回転可能な回転ミラーによって実現される。この構成により、レーザビーム８、８’は、製造しようとする構造物３の断面に相当する所望の位置において、粉末状の建築材料１１を選択的に固化することが可能となる。レーザ７と偏光装置９とが、照射装置を構成している。レーザとしては、ＣＯ２レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザを、固化する建築材料に応じて使用することができる。

フレーム１、支持体５、リフト機構４、塗布器１０は、処理室１００内に配設されている。処理室１００は、その上部に、レーザビーム８、８’を導入するための開口部を有している。制御部４０が、更に設けられており、レーザ焼結装置は、この制御部によって協調的に制御されて構築工程を行うと共に校正方法を実施する。

レーザ焼結装置の動作時、最初のステップにおいて、支持体５がリフト機構４によって、その上側が一層の厚さ分だけ作業面６より下に来るまで下方に移動される。次に、粉末状の建築材料１１の第１の層を塗布器１０により支持体５上に供給して平滑化する。その後、制御部４０が偏光装置９を制御して、偏向されたレーザビーム８、８’が粉末状の建築材料１１の層の固化しようとする個所に選択的に当たるようにする。これにより、粉末状の建築材料１１がこれらの個所において固化および／または焼結され、そこに三次元物体３が生成される。

次のステップにおいて、支持体５がリフト機構４によって、次の層の厚さ分だけ下方に移動される。粉末状の建築材料１１の第２の層が塗布器１０によって塗布され、平滑化された後、レーザビーム８、８’によって選択的に固化される。所望の構造物３が製造されるまで、これらのステップが繰り返し行われる。

図２は、本発明の実施形態によるレーザ焼結装置の照射装置７、９を校正する方法および装置を示す概略図であり、図３は、本発明の実施形態によるイメージ変換プレート１２を示す概略図である。

本発明に係る装置は、作業面６に、または作業面６と平行に配置されるイメージ変換プレート１２を備え、照射装置７、９がイメージ変換プレート１２の所定の位置にエネルギー放射線８’を照射すると、イメージ変換プレート１２は検出可能な光１３を出力する。イメージ変換プレート１２は、ガラス基板１８のような基板１８から形成するのが好ましい。ガラス基板１８の上側に、例えば、薄いＳｉＯ２の層のような画像変換材料１９が塗布される。ＳｉＯ２の薄層は、ＣＯ２レーザ光８’を検出可能な光１３としての可視光または近赤外光にほぼ完全に変換することができる。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやファイバレーザも、レーザ７として使用できる。画像変換材料１９の下に配置された基板１８は、検出可能な光１３を通過させる。イメージ変換プレート１２は、本実施形態に限定されず、他の材料で形成されてもよい。好ましくは、イメージ変換プレート１２は、その上側にアパーチャマスク１６を備え、アパーチャマスク１６では、開口部１７がイメージ変換プレート１２の所定の位置に対応するように配置されている。これらの開口部１７を、イメージ変換プレート１２全体に分布するように配置することにより、照射装置７、９の校正が、作業面６全体で行えるようにするのが望ましい。本実施形態では、アパーチャマスク１６を鋼板のようなプレートとし、それに開口部１７を開けたものとして構成されている。プレート状のアパーチャマスク１６の場合、ガラス基板１８を機械的に補強することもできる。開口部１７は、エネルギー放射線８’の照射方向に配列するのが好ましい。なお、図３に示すアパーチャマスク１６、ガラス基板１８、および画像変換材料１９のそれぞれの厚さは、実寸によるものではなく、概略的に示したものにすぎない。

本発明に係る装置は、イメージ変換プレート１２から出力された検出可能な光１３を検出する光検出器１５を更に備えている。本実施例における検出可能な光１３は、可視光であるため、光検出器１５は、ＣＣＤチップとして実施することができる。イメージ変換プレート１２と光検出器１５との間に集束光学系１４が配設されており、この集束光学系１４が検出可能な光１３を光検出器１５に向けて集束させる。イメージ変換プレート１２と光検出器１５と集束光学系１４とは、一体形成されるのが好ましく、例えば、フレームや筐体を設け、その内部にイメージ変換プレート１２と光検出器１５と集束光学系１４とを一体に実装してもよい。

光検出器１５は、本実施形態では、制御部４０と一体化された評価部４０に連結（接続）されている。評価部４０は、偏光装置９にも連結（接続）されており、偏光装置９のミラーのアクチュエータモータの角座標を受信する。この角座標は、ミラーの実際の姿勢および／または方位を示すものである。

次に、本発明に係る装置の動作について述べる。

第１のステップとして、光検出器１５と集束光学系１４とを、作業面６の下の製造装置の構築空間の中に配設する。例えば、予め所望の高さに移動させた支持体５の上に、光検出器１５と集束光学系１４とを配設してもよい。その後、イメージ変換プレート１２を、作業面６に、または、作業面６と平行に製造装置の中に配設する。製造装置内のイメージ変換プレート１２の正確な位置および高さは、位置決めピンや治具のような図示しない位置決め装置により調整することができる。イメージ変換プレート１２と光検出器１５と集束光学系１４とを一体形成した場合、これらの構成要素１２、１４、１５の配置がワンステップで行われる。好ましくは、イメージ変換プレート１２を製造装置の加熱装置等で加熱して例えば温度約１５０℃にした場合、画像変換の効果の向上が期待できる。

次のステップでは、イメージ変換プレート１２を照射装置７、９によって走査（scan）する。レーザビーム８’がアパーチャマスク１６の開口部１７を通過すると、レーザビーム８’はガラス基板１８の上側に形成されたＳｉＯ２層に当たり、可視光１３へと変換される。可視光１３は、ガラス基板１８を通過した後、集束光学系１４を通過して光検出器１５に集束される。

光検出器１５は、検出可能な光１３を検出して、検出した検出可能な光１３に対応する強度信号を評価装置４０に出力する。

レーザビーム８’がアパーチャマスク１６の開口部１７を通過する際に、評価装置４０は、検出された検出可能な光１３の強度信号の立ち上がり面（increasing flank）と立ち下がり面（dropping flank）を認識する。立ち上がり面と立ち下がり面とに基づいて、評価装置４０は、レーザビーム８’が開口部１７の中心を通過する正確な時間、および、その時間に偏光装置９を制御する実際（現実）の座標を導き出すことができる。評価装置４０は、偏光装置９のミラーの実際の座標を照射装置７、９から受信し、それにより、レーザビーム８’が開口部１７の厳密に中心を通過した際の実際の座標を評価する。

評価装置４０には、例えばそれぞれの開口部１７の中心に相当する基準座標も記憶されている。イメージ変換プレート１２が製造装置内の既定の位置に固定的に配置されているため、基準座標は既知であり、イメージ変換プレート１２内の開口部１７の位置も既知である。

次のステップにおいて、評価装置４０は、決定された実際の座標と所定の基準座標とを比較する。決定された実際の座標と基準座標との偏差に基づき、評価装置４０は、例えば先行技術で公知の方法などにより、照射装置７、９の校正を行う。例えば、偏光装置９のミラー用のステップモータのアクチュエータ変数（actuator variables）を補正表に基づいて補正する。校正の精度は、開口部１７の直径が小さいほど、また、イメージ変換プレート１２の厚さが薄いほど高くなる。

照射装置７、９の校正は、レーザビーム８’で自動式にイメージ変換プレート１２を走査することにより完全に自動化して行い、その後、評価装置４０が校正を行う。

本発明の範囲は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に定義される範囲に入ることを条件として、更なる変更および修正も包含するものである。

照射装置７、９が必ずしもイメージ変換プレート１２全体を走査する必要はなく、イメージ変換プレート１２を部分的に走査するだけでも足りる。

本実施形態では、イメージ変換プレート１２がアパーチャマスク１６を備えるが、イメージ変換プレート１２の変形例として、放射線透過性のガラス基板１８を備え、その上にイメージ変換プレート１２の所定の位置にのみ画像変換材料１９を塗布してもよい。この場合、アパーチャマスク１６は、省略することができる。

本実施形態のアパーチャマスク１６は、鋼板として形成されているが、アパーチャマスク１６は、コーティング法によりガラス基板１８に塗布するようにしてもよい。

本実施形態の光検出器１５は、ＣＣＤチップであるが、その代わりに光ダイオード、ビデオカメラ、ＧｅまたはＳｉに基づく検出器等を用いることもできる。本実施形態では、光検出器１５を１つのみ使用しているが、変形例として、複数の光検出器１５を使用してもよい。

本実施形態では、評価装置が制御部４０に一体化されているが、評価装置を制御部４０とは別個に設けてもよく、製造装置自体と別個に設けてもよい。

照射装置の校正は、レーザ焼結装置の中で行っても良いし、その外部で別個に行ってもよい。

本発明による方法は、レーザ焼結に適用できるだけでなく、粉末状または液状の材料を使用し、これをエネルギー放射線で固化する生成的方法全般に適用することができる。エネルギー放射線は必ずしもレーザビーム８’である必要はなく、電子ビーム等を使用することもできる。

Claims (10)

1. 粉末状または液状の建築材料（１１）を支持体（５）または先に塗布した層の上に層方向に塗布し、塗布された層が作業面（６）を画定し、構造物（３）に相当する個所の建築材料（１１）に照射装置（７、９）を用いてエネルギー放射線（８’）を照射して、前記個所の建築材料（１１）を固化し、三次元物体（３）を生成的に製造する製造装置の前記照射装置（７、９）を校正する方法であって、
   イメージ変換プレート（１２）を作業面（６）に、または作業面（６）と平行に配設し、照射装置（７、９）がイメージ変換プレート（１２）の所定の位置にエネルギー放射線（８’）を照射した時に、該イメージ変換プレート（１２）が検出可能な光（１３）を出力するようにするステップと、
   前記照射装置（７、９）により前記イメージ変換プレート（１２）を走査するステップと、
   前記検出可能な光（１３）を光検出器（１５）により検出するステップと、
   前記検出可能な光（１３）が検出されると、前記照射装置（７、９）の座標を決定するステップと、
   決定された座標と所定の基準座標とを比較するステップと、
   前記決定された座標と前記基準座標との偏差に基づいて前記照射装置（７、９）を校正するステップとを含むことを特徴とする方法。
2. 前記イメージ変換プレート（１２）が、その上に画像変換材料（１９）が設けられ前記検出可能な光（１３）を通過させる基板（１８）と、イメージ変換プレート（１２）の所定位置に対応して開口部（１７）が形成されたアパーチャマスク（１６）とを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記開口部（１７）が、前記エネルギー放射線（８’）の照射方向に配列されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記イメージ変換プレートが、前記イメージ変換プレートの所定位置にのみ画像変換材料を塗布され前記検出可能な光を通過させる基板を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記光検出器（１５）が、前記イメージ変換プレート（１２）の下方に配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記光検出器（１５）が、ＣＣＤチップ、光ダイオード、またはビデオカメラであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記検出可能な光（１３）を前記光検出器（１５）に集束させる集束光学系（１４）が、前記イメージ変換プレート（１２）と前記光検出器（１５）との間に配設されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記照射装置（７、９）が、放射源（７）と、前記放射源（７）から出射された前記エネルギー放射線（８’）を前記作業面（６）の任意の位置に向けて偏向する偏光装置（９）とを備え、
   前記決定された座標と前記基準座標との偏差に基づいて前記偏光装置（９）が校正されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記イメージ変換プレート（１２）が、レーザ光（８’）を可視光（１３）または近赤外光（１３）に変換することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の方法。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置であって、
    作業面（６）に、または作業面（６）と平行に配置され、前記照射装置（７、９）が該イメージ変換プレート（１２）の所定位置にエネルギー放射線（８’）を照射すると、前記検出可能な光（１３）を出力するイメージ変換プレート（１２）と、
    前記イメージ変換プレート（１２）から出力された前記検出可能な光（１３）を検出する光検出器（１５）と、
    前記検出可能な光（１３）が検出されると前記照射装置（７、９）の座標を決定して、前記決定された座標と所定の前記基準座標とを比較し、前記決定された座標と所定の前記基準座標との偏差に基づいて照射装置（７、９）の校正を行う評価装置（４０）とを備えることを特徴とする装置。

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