JP2014184659A - 三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粉体層に対してレーザ光を照射する三次元造形方法において、外観が良好な三次元造形物を効率よく得る。
【解決手段】粉体層２８の積層物からなる半製品６０は、三次元造形物の表層部となる表層部形成部位６２と、前記表層部に囲繞される内部となる内部形成部位６４とを有する。表層部形成部位６２にレーザ光Ｌを照射する際には、該表層部形成部位６２にレーザ光Ｌの焦点を合わせたフォーカス状態とする。一方、内部形成部位６４にレーザ光Ｌを照射する際には、該内部形成部位６４からレーザ光Ｌの焦点を偏倚させたデフォーカス状態とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、粉体からなる粉体層に対してレーザ光を照射することで、前記粉体層から三次元造形物を得る三次元造形方法に関する。

例えば、特許文献１に記載されるように、粉体を積層して粉体層を形成した後、該粉体層に対してレーザ光を照射することによって該粉体層を焼結させて（又は、粉体を互いに溶着させて）三次元造形物とすることが広汎に行われている。

この種の三次元造形方法において、三次元造形物を短時間で得るべく、造形速度を大きくすることが要請されている。そこで、大エネルギ密度のレーザ光を照射することが考えられる。しかしながら、この場合、三次元造形物の外表面の面粗度が大きくなる。すなわち、外観が良好な三次元造形物を得ることが困難であるという不具合が顕在化している。

特許文献２には、レーザ光の焦点を意図的に偏倚させてデフォーカス状態とする三次元造形方法が提案されている。該特許文献２の記載によれば、デフォーカス状態を維持することによりレーザ光の照射範囲が広くなるので、造形速度を向上させることができる、とのことである。

特開２００１−２７７３６８号公報 特開平７−２９９８７４号公報

デフォーカス状態では、加工部位に焦点が合っていない。このため、得られた三次元造形物では、上記と同様に外表面の面粗度が大きい。

以上のように、従来公知の三次元造形方法では、外観が良好な三次元造形物を短時間で得ることが困難である。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、外表面の面粗度が小さい、換言すれば、外観が良好な三次元造形物を効率よく得ることが可能な三次元造形方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、粉体からなる粉体層に対してレーザ光を照射することで、前記粉体層から三次元造形物を得る三次元造形方法において、
前記粉体層の、前記三次元造形物の表層部となる表層部形成部位にレーザ光を照射する際には、前記表層部形成部位にレーザ光の焦点を合わせたフォーカス状態とし、
前記粉体層の、前記表層部に囲繞される内部となる内部形成部位にレーザ光を照射する際には、前記内部形成部位からレーザ光の焦点を偏倚させたデフォーカス状態とすることを特徴とする。

表層部形成部位は、外観が良好であることが求められる表層部となる部位である。そこで、この部位にレーザ光を照射する際にはフォーカス状態とし、レーザ光の入射範囲を小さくする。この状態でレーザ光照射部を走査することにより、面粗度が小さく美観に優れる外表面を形成することができる。

一方、内部形成部位から得られる内部は、外方から視認されることはない。従って、内部の面粗度を大きくしても特に差し支えはない。そこで、この部位にレーザ光を照射する際にはデフォーカス状態とし、レーザ光の入射範囲を大きくする。この状態でレーザ光照射部を走査することにより、内部形成部位を広範囲にわたって短時間で焼結又は溶着させることが可能となる。この分だけ、造形速度を大きくすることができる。

このように、本発明によれば、面粗度が小さく美観に優れる外表面を有する三次元造形物を効率よく得ることができる。

内部形成部位にレーザ光を照射するときには、表層部形成部位にレーザ光を照射するときよりもレーザ光の出力又は径を大きくすることが好ましい。これにより、造形速度を一層大きくすることができる。

さらに、内部形成部位にレーザ光を照射するときに、表層部形成部位にレーザ光を照射するときよりもレーザ光照射部の走査速度を大きくするようにしてもよい。これにより、造形速度をより一層大きくすることができる。

なお、デフォーカス状態を得るには、例えば、レーザ光照射部を鉛直方向に沿って下降又は上昇させればよい。この場合、簡便な操作によってデフォーカス状態を容易に得ることができる。

以上において、デフォーカス状態にあるとき、レーザ光の入射位置が、本来入射すべき位置（すなわち、フォーカス状態におけるレーザ光の入射位置）から偏倚することがある。このようなときには、フォーカス状態の際にレーザ光が入射する位置にレーザ光が入射するように、レーザ光照射位置を補正することが好ましい。このようにすることにより、レーザ光が照射されず、焼結ないし溶着が進行しない部位が発生する懸念が払拭される。

本発明においては、三次元造形物の表層部となる表層部形成部位にレーザ光を照射する際にはフォーカス状態となるようにしているので、面粗度が小さく美観に優れる外表面を形成することができる。一方、内部となる内部形成部位にレーザ光を照射する際にはデフォーカス状態となるようにしている。これにより内部を短時間で得ることができる分、造形速度を大きくすることができる。

以上のように、本発明によれば、面粗度が小さく美観に優れる外表面を有する三次元造形物を効率よく得ることができる。

三次元造形物を得るための造形装置の要部概略斜視図である。 三次元造形物を作製する過程で形成される半製品に対し、フォーカス状態又はデフォーカス状態でレーザ光を照射している状態を示す要部縦断面図である。 三次元造形物の水平断面の一例を示す水平断面図である。 レーザ光の出力及び径と、面粗度及び造形速度との関係を示すグラフである。

以下、本発明に係る三次元造形方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

先ず、本実施の形態に係る三次元造形方法を実施するための造形装置につき概略説明する。

図１は、三次元造形物を得るための造形装置１０の要部概略斜視図である。この造形装置１０は、三次元造形物の出発材料である粉体１２を貯留した貯留ホッパ１４と、ガントリー１６によって図１中の矢印Ｘ方向、矢印Ｙ方向及び矢印Ｚ方向の３軸に移動可能なレーザ光照射部１８とを有する。レーザ光照射部１８は、保護カバー１９で覆われており、該保護カバー１９と一体的に移動する。

造形装置１０は、図示しない基台をさらに有し、該基台上には、三次元造形物を載置するためのテーブル２０が設けられる。また、レーザ光照射部１８の先端には、下端が開口したシュラウド２２が設けられており、レーザ光照射部１８から照射されたレーザ光Ｌは、シュラウド２２内を進行する。なお、レーザ光照射部１８は、光ファイバケーブル２４を介してレーザ光発振機２６に電気的に接続されている。

シュラウド２２には、ヒューム吸引機取付部３０、及びＮ₂ガス供給機取付部３２が設けられる。これらヒューム吸引機取付部３０、及びＮ₂ガス供給機取付部３２には、吸気管３４、送気管３６を介してヒューム吸引機３８、Ｎ₂ガス供給機４０がそれぞれ接続される。

以上の構成において、レーザ光発振機２６、ヒューム吸引機３８、及びＮ₂ガス供給機４０は、信号線４２ａ〜４２ｃの各々を介して制御部４４に電気的に接続される。すなわち、レーザ光Ｌの発振（照射）、シュラウド２２内へのＮ₂ガスの供給、シュラウド２２内のヒュームの吸引は、制御部４４の制御作用下に行われる。

また、シュラウド２２には、前記貯留ホッパ１４が支持される。該貯留ホッパ１４の下端面には、制御信号によって開閉可能なシャッタ（図示せず）が設けられる。シャッタが開放されると、貯留ホッパ１４内の粉体１２が前記テーブル２０上に供給される。その一方で、シャッタが閉止されると、粉体１２の供給が停止される。

貯留ホッパ１４の下端部には、シュラウド２２と貯留ホッパ１４との間に介在するようにしてブレード４６が支持される。このブレード４６は、テーブル２０上に供給された粉体１２を均す役割を果たす。

なお、粉体１２は、レーザ光Ｌによって焼結（ないし溶着）可能なものであればよく、特に限定されるものではない。例えば、金属粉体であってもよいし、樹脂粉体であってもよい。

レーザ光照射部１８は、例えば、ギア機構によって傾動可能であり、また、傾動した姿勢で停止することも可能である。レーザ光照射部１８がこのように傾動することにより、レーザ光Ｌの照射角度を任意に変更することができる。

レーザ光照射部１８と、シュラウド２２及び貯留ホッパ１４とを一体的に移動させるためのガントリー１６は、１対の固定ガイドレール４８ａ、４８ｂと、該固定ガイドレール４８ａ、４８ｂの長手方向に沿って変位可能な可動ガイドレール５０と、該可動ガイドレール５０に沿って変位可能で、且つ支柱５２を支承したスキャナ５４とを有する。

この中、固定ガイドレール４８ａ、４８ｂは、ともに図１中の矢印Ｙ方向に沿って延在する。一方、可動ガイドレール５０は固定ガイドレール４８ａから固定ガイドレール４８ｂに橋架されている。このため、可動ガイドレール５０は、固定ガイドレール４８ａ、４８ｂの延在方向である矢印Ｙ方向に対して直交する矢印Ｘ方向に延在する。

可動ガイドレール５０は、図示しない第１駆動源の作用下に、固定ガイドレール４８ａ、４８ｂ、換言すれば、矢印Ｙ方向に沿って変位することが可能である。また、スキャナ５４は、図示しない第２駆動源の作用下に、可動ガイドレール５０（矢印Ｘ方向）に沿って変位することが可能であり、支柱５２は、図示しない第３駆動源の作用下に、鉛直方向（矢印Ｚ方向）に沿って変位することが可能である。可動ガイドレール５０、スキャナ５４及び支柱５２が以上のようにして変位することにより、レーザ光照射部１８、シュラウド２２及び貯留ホッパ１４を任意の座標に位置させることが可能である。

次に、本実施の形態に係る三次元造形方法につき説明する。

三次元造形物を作製するには、先ず、第１駆動源及び第２駆動源を付勢することで可動ガイドレール５０及びスキャナ５４を変位させる。すなわち、レーザ光照射部１８及び貯留ホッパ１４を、ガントリー１６の作用下に所定の（ｘ，ｙ）座標に位置させる。

その後、貯留ホッパ１４の下端部に設けられた前記シャッタが開放される。これに伴い、貯留ホッパ１４に貯留された粉体１２がテーブル２０上に降下する。

この状態で、レーザ光照射部１８及び貯留ホッパ１４を、上記と同様にして矢印Ｘ方向又は矢印Ｙ方向の少なくともいずれか一方に沿って変位させる。その結果、粉体１２が線状に連なるようにしてテーブル２０上に供給されるとともに、ブレード４６によって均される。これにより、所定の厚みの粉体層２８が形成される。レーザ光照射部１８及び貯留ホッパ１４が予め設定された所定の軌跡に沿って変位した後、前記シャッタが閉止されて粉体１２の供給が停止される。

この変位の前後において、制御部４４の制御作用下に、Ｎ₂ガス供給機４０及びヒューム吸引機３８が付勢される。すなわち、送気管３６を介してシュラウド２２内にＮ₂ガスが供給されるとともに、シュラウド２２内のガスが吸気管３４を介して排出される。これにより、シュラウド２２内の雰囲気が循環される。

次に、第３駆動源を付勢することにより支柱５２を矢印Ｚ方向に沿って下降させ、レーザ光照射部１８を所定のｚ座標に位置させる。

次に、制御部４４の制御作用下にレーザ光発振機２６が付勢され、レーザ光照射部１８からレーザ光Ｌが出射される。レーザ光Ｌは、粉体層２８に入射する。この入射に伴って発生するヒュームは、ヒューム吸引機３８の作用下に、吸気管３４を介してシュラウド２２外へ排出される。

レーザ光Ｌが入射した部位では、粉体１２の温度が上昇する。このため、粉体１２の一部が溶融し、焼結ないし溶着が進行する。すなわち、粉体１２同士の結合が起こり、これにより粉体層２８が固化する。レーザ光照射部１８が粉体層２８に沿って変位（走査）されることにより、粉体層２８が全体にわたって固化物となる。

次に、このようにして固化した粉体層２８上に新たな粉体１２を供給して粉体層２８を積層する。この積層に先んじ、前記第３駆動源が再付勢されて支柱５２等が若干上昇し、シュラウド２２やレーザ光照射部１８が若干上昇する。

その後、新たな粉体層２８にレーザ光Ｌを照射することにより、該新たな粉体層２８を固化させる。勿論、以上の作業は、上記に準拠して行われる。

この作業、すなわち、粉体層２８の積層・固化を繰り返すことにより、図２に示すように、立体的な三次元造形物が形成される。なお、図２においては、三次元造形物を作製する過程で形成される半製品６０を縦断面にして示している。

ここで、半製品６０（粉体層２８の固化物）には、三次元造形物の表層部となる表層部形成部位６２と、内部となる内部形成部位６４とが存在する。なお、表層部とは、三次元造形物の水平断面の一例である図３に示すように、外方から視認可能な外表面とその近傍であり、「スキン層」とも指称される。一方、内部とは、「コア層」とも指称され、表層部に囲繞された奥部であり、外方からは視認し得ない部位である。従って、表層部形成部位６２（図２参照）は、半製品６０において、外方から視認可能な外表面とその近傍であり、内部形成部位６４は、表層部形成部位６２よりも奥であり且つ外方からは視認し得ない部位である。

理解を容易にするべく、図２においては、表層部形成部位６２と内部形成部位６４との間に境界線を付して示しているが、実際の半製品６０にそのような境界線が存在しないことは勿論である。同様に、図３に示した表層部と内部との間の境界線も、実際の三次元造形物には存在しない。

そして、本実施の形態においては、表層部形成部位６２に対してレーザ光Ｌを照射する際にはフォーカス状態とし、一方、内部形成部位６４に対してレーザ光Ｌを照射する際にはデフォーカス状態とする。

具体的には、表層部形成部位６２に対してレーザ光Ｌを照射するときには、図２に示すように、表層部形成部位６２のレーザ光入射表面に焦点を一致させる。これにより、フォーカス状態が得られる。必要であれば、前記第３駆動源を付勢して支柱５２を変位させ、レーザ光照射部１８のｚ座標を調整するようにしてもよい。

表層部形成部位６２は、最終製品である三次元造形物の表層部となる部位である。すなわち、外部から視認される部位となるため、美観が良好であることが求められる。そこで、この場合、レーザ光Ｌの出力や直径、レーザ光照射部１８の走査速度等を、表層部の面粗度が許容値以下となるように設定する。

従って、表層部形成部位６２に対してレーザ光Ｌを照射することで得られた表層部は、面粗度が小さい。結局、面粗度が小さく美観に優れた外表面を有する三次元造形物が得られる。

レーザ光照射部１８が表層部形成部位６２から内部形成部位６４に走査される（変位する）と、前記第３駆動源が付勢され、例えば、支柱５２が上方に変位する。これに伴い、レーザ光Ｌの焦点位置が内部形成部位６４のレーザ光入射表面よりも上方となる。すなわち、レーザ光Ｌの焦点位置と、内部形成部位６４のレーザ光入射表面とが不一致となったデフォーカス状態となる。このため、図２からも諒解されるように、内部形成部位６４の広範囲にわたってレーザ光Ｌが入射する。換言すれば、レーザ光Ｌの入射範囲が大きくなる。

デフォーカス状態とすると、内部形成部位６４に対するレーザ光Ｌの入射位置が、本来入射すべき位置（すなわち、フォーカス状態におけるレーザ光Ｌの入射位置）から偏倚することがある。この場合、レーザ光Ｌが照射されず、焼結ないし溶着が進行しない部位が発生する懸念がある。この懸念を払拭するべく、偏倚量を予め測定しておき、その偏倚量分を補正するようにしてもよい。このためには、例えば、レーザ光Ｌの入射位置（照射位置）と、本来入射すべき位置とが合致するように、レーザ光照射部１８を傾動させてレーザ光Ｌの照射角度を調整すればよい。

本実施の形態では、上記のようにしてデフォーカス状態を得るのに加え、レーザ光Ｌの出力や直径、レーザ光照射部１８の走査速度等を、表層部形成部位６２に対してレーザ光Ｌを照射するときよりも大きく（例えば、３倍程度）する。

デフォーカス状態によってレーザ光Ｌの入射範囲が大きくなっていることと、レーザ光Ｌの照射条件を上記のように変更することとが相俟って、内部形成部位６４から内部を得る際の造形速度が大きくなる。この分だけ、粉体層２８から三次元造形物を得るまでの造形速度を大きくすることができる。

レーザ光Ｌの出力及び径と、面粗度及び造形速度との関係をグラフにして図４に示す。この図４から、レーザ光Ｌの出力及び径を大きくした内部では、表層部に比して造形速度を大きくし得るものの、面粗度が大きくなってしまうことが分かる。しかしながら、内部は、外方から視認し得ない部位である。従って、内部の面粗度が大きくなっても、そのことによって外観不良が発生することはない。

その一方で、三次元造形物の外表面は面粗度が小さく、従って、外観が良好である。上記の通り、面粗度を小さくするべくレーザ光Ｌの出力及び径を小さくし、且つスキャナ５４の走査速度を小さくしてレーザ光Ｌの照射を行ったからである。

すなわち、本実施の形態によれば、造形速度を大きくしながら、三次元造形物の外観が不良となることを回避することができる。換言すれば、外観が良好な三次元造形物を効率よく得ることが可能である。

本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、デフォーカス状態を得るには、レーザ光照射部１８と粉体層２８との間に分散レンズを配置するようにしてもよい。

また、内部形成部位６４にレーザ光Ｌを照射するときに、表層部形成部位６２にレーザ光Ｌを照射するときよりもレーザ光Ｌの出力や径を大きくすることは必須ではなく、同一であってもよい。

さらに、図２では、デフォーカス状態とするとき、内部形成部位６４におけるレーザ光入射表面の上方側に焦点を偏倚させるようにしているが、レーザ光照射部１８を矢印Ｚ方向に沿って鉛直下方に変位させ、内部形成部位６４におけるレーザ光入射表面の下方側に焦点を偏倚させるようにしてもよい。

１０…造形装置 １２…粉体
１４…貯留ホッパ １６…ガントリー
１８…レーザ光照射部 ２２…シュラウド
２６…レーザ光発振機 ２８…粉体層
４４…制御部 ４６…ブレード
４８ａ、４８ｂ…固定ガイドレール ５０…可動ガイドレール
５２…支柱 ５４…スキャナ
６０…半製品 ６２…表層部形成部位
６４…内部形成部位 Ｌ…レーザ光

Claims (5)

1. 粉体からなる粉体層に対してレーザ光を照射することで、前記粉体層から三次元造形物を得る三次元造形方法において、
   前記粉体層の、前記三次元造形物の表層部となる表層部形成部位にレーザ光を照射する際には、前記表層部形成部位にレーザ光の焦点を合わせたフォーカス状態とし、
   前記粉体層の、前記表層部に囲繞される内部となる内部形成部位にレーザ光を照射する際には、前記内部形成部位からレーザ光の焦点を偏倚させたデフォーカス状態とすることを特徴とする三次元造形方法。
2. 請求項１記載の造形方法において、前記内部形成部位にレーザ光を照射するときに、前記表層部形成部位にレーザ光を照射するときよりもレーザ光の出力又は径を大きくすることを特徴とする三次元造形方法。
3. 請求項１又は２記載の造形方法において、前記内部形成部位にレーザ光を照射するときに、前記表層部形成部位にレーザ光を照射するときよりもレーザ光照射部の走査速度を大きくすることを特徴とする三次元造形方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の造形方法において、レーザ光照射部を鉛直方向に沿って下降又は上昇させることでデフォーカス状態を得ることを特徴とする三次元造形方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の造形方法において、デフォーカス状態にあるとき、フォーカス状態の際にレーザ光が入射する位置にレーザ光が入射するように、レーザ光照射位置を補正することを特徴とする三次元造形方法。

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