JP2015202594A - 造形装置、造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱エネルギー効率性が良好で、かつ小型化が可能な造形装置、及び造形方法を提供する。【解決手段】造形装置１は、可撓性を有する造形材料１０をステージ２上の造形位置に搬送するテープ搬送機構６と、造形位置に搬送された造形材料１０にレーザー光を照射するレーザー照射機構７と、造形位置Ｐをステージに対して相対的に移動させる移動機構４と、を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、造形材料を積層して三次元造形物を造形する造形装置、及び造形方法に関する。

従来、入力データに基づいて三次元造形物を生成する造形装置（いわゆる、３Ｄプリンター）が知られている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１に記載の装置は、基板及び小出しヘッドを備え、これらの基板及び小出しヘッドが相対的に移動可能に設けられている。小出しヘッドには、造形材料である固体ロッドが供給され、当該固体ロッドが小出しヘッド内で溶融点まで加熱され、流動状態で小出しヘッドのノズルから小出しされる。

特開平３−１５８２２８号公報

ところで、特許文献１に記載のような装置では、小出しヘッド内に供給された固体ロッド（造形材料）を溶融し、溶融状態の材料を所定位置に小出しすることで、三次元造形物を造形する。このような構成では、造形材料を確実に溶融させる必要があり、加熱部の構成が大型化するとの課題があり、さらに、溶融に必要な熱量も大きくなるので、エネルギー効率性も悪化するとの課題がある。また、造形材料を溶融状態で押し出す必要があるので、完全溶融させるための加熱時間も長くなるとの課題もあり、ノズルに溶融した加工材料が残留するとクリーニング等のメンテナンスも煩雑となる。

本発明は、熱エネルギー効率性が良好で、かつ小型化が可能な造形装置、及び造形方法を提供することを目的とする。

本発明の造形装置は、可撓性を有する造形材料をステージ上の造形位置に搬送する送り機構と、前記造形位置に搬送された前記造形材料にレーザー光を照射して溶融させるレーザー照射機構と、前記造形位置を前記ステージに対して相対的に移動させる移動機構と、を備えたことを特徴とする。

本発明では、ステージ上の造形位置まで造形材料を搬送し、搬送された造形材料の例えば先端部にレーザー照射機構から出射されたレーザー光を照射して溶融させる。これにより、造形材料の必要な部分のみを溶融させることができ、溶融された造形材料を造形位置に積層することができる。そして、移動機構によりステージに対する造形位置を移動させて、順次造形材料の積層位置を変化させて、上記の造形処理を繰り返すことで、所望の形状の造形物を造形することができる。なお、本発明におけるステージ上の造形位置とは、ステージの所定位置が造形位置となるものに加え、ステージに造形された造形物における所定位置が造形位置となるものも含む。
このような本発明では、造形材料の例えば先端部の造形位置に局所的にレーザー光を照射すればよく、造形材料の全部を溶融させる必要がない。したがって、例えば溶融状態の造形材料を押し出す構成に比べて、必要となる熱エネルギーが少なく、かつ、気体を加熱するための時間も短縮でき、エネルギー効率性が良い。よって、造形材料を溶融するための大型の加熱機構を必要とせず、装置の小型化を図ることができる。さらに、溶融した造形材料が造形装置に残留することもないので、当該残留材料を取り除くクリーニング等が不要であり、メンテナンスも容易となる。

本発明の造形装置において、前記造形材料は、断面矩形状を有するテープ状材料であることが好ましい。
本発明では、テープ状の造形材料を用いる。断面円形や断面楕円形状の造形材料では、位置によって厚み寸法が異なり、造形位置に積層される造形材料の厚みが変動する。これに対して、断面矩形状のテープ状材料では、厚み寸法が均一であるため、造形位置に積層した際の厚み寸法も均一となり、精度の高い造形物を造形することができる。
また、順次送り出される造形材料は、通常、円筒状の巻芯（ボビン）に巻装して保管されるが、断面円形や断面楕円形状の造形材料をボビンに巻装する場合、上記のように、断面円形や断面楕円形状の造形材料は位置によって断面厚み寸法が異なるので、造形材料が互いに隣接するようにボビンに巻装した場合でも隙間が生じる。これに対して、テープ状の造形材料をボビンに巻装する場合では、テープ表面とテープ裏面とを密着させてボビンに巻装させることが可能となるので、断面円形や断面楕円形状の造形材料を用いる場合に比べて体積占有率を向上させることができる。すなわち、断面円形や断面楕円形状の造形材料を用いる場合に比べて、造形材料の巻装保管スペースを小さくでき、装置のさらなる小型化を図ることができる。

本発明の造形材料において、前記造形材料は、断面視におけるテープ厚み寸法とテープ幅寸法とのアスペクト比が１０以上であることが好ましい。
本発明では、アスペクト比（テープ幅寸法／テープ厚み寸法）が１０以上である。ここで、アスペクト比が１０未満である場合は、テープ幅寸法に対してテープ厚み寸法が大きすぎる場合と、テープ厚み寸法に対してテープ幅寸法が小さすぎる場合とが考えられる。前者の場合、造形材料の可撓性が不十分であり、送り機構による造形材料の搬送ハンドリング性が悪化する。また、後者では、捩れ等が生じ、搬送ハンドリング性が悪化する。これに対して、上記のようにアスペクト比を１０以上にすることで、可撓性を有する造形材料の搬送効率を向上させることができ、所望の造形位置に造形材料を効率的に搬送することができる。

本発明の造形装置において、前記レーザー照射機構は、前記造形材料のテープ幅方向に沿って前記レーザー光の照射スポットを移動させる走査部を備えていることが好ましい。
本発明では、テープ状造形材料の幅方向における一部にレーザー光を局所的に照射して、その照射部（照射スポット）のみを溶融させる。この際、レーザー照射機構に走査部を設けることで、照射スポットをテープの幅方向に移動させることができる。これにより、例えば、テープ幅方向の一部を溶融させて、次にテープを搬送して再びテープ幅方向の一部を溶融させる構成等に比べて、テープ幅方向の造形材料を全て造形位置に積層させることができ、テープ状の造形材料を無駄なく使用することができる。

本発明の造形装置において、前記レーザー照射機構は、不活性ガス雰囲気下で前記造形材料に前記レーザー光を照射することが好ましい。
本発明では、不活性ガス雰囲気下で、造形材料がレーザー光により加熱溶融される。このため、造形材料が化学変化等により変質することがなく、高品質な造形物を造形することができる。例えば、造形材料として金属素材を用いる場合、レーザー光による加熱で酸化等により造形物が変質することが考えられるが、本発明では、不活性ガスにより金属酸化を防止できる。

本発明の造形装置において、前記レーザー照射機構は、除湿気体雰囲気下で前記造形材料に前記レーザー光を照射することが好ましい。
本発明では、除湿気体雰囲気下で、造形材料を加熱溶融させる。このため、造形材料が水と化学反応して変質する不都合を防止でき、高品質な造形物を造形することができる。

本発明の造形装置において、前記レーザー照射機構は、前記ステージの法線方向に対して傾斜する方向から前記レーザー光を照射することが好ましい。
本発明では、ステージの法線方向に対して傾斜する方向からレーザー光を照射する。このような構成では、造形材料の造形位置以外の領域にレーザー光が照射されにくくなる。特に、造形材料の搬送方向における上流側から下流側に向かってレーザー光を照射することで、レーザー光が造形位置よりも上流側に照射される不都合を回避できる。
また、造形位置において正反射されたレーザー光がレーザー照射機構に戻ることにより発生するゴーストを防止することができ、高精度な造形物を造形できる。

本発明の造形装置において、前記造形位置において前記造形材料に反射された前記レーザー光を受光する受光部を備えていることが好ましい。
本発明では、造形位置にて反射されたレーザー光を受光する受光部を備えている。
受光部によりレーザー光を受光し、その受光位置を検出することで、レーザー光の照射位置を高度に制御することができる。また、受光部にて受光されるレーザー光の強度から、造形材料を溶融させるために必要な強度や波長のレーザー光が出力されているか否かを判定することができる。

本発明の造形装置において、前記レーザー照射機構は、光強度空間分布の半値幅が５０μｍ以上２００μｍ以下となる前記レーザー光を照射することが好ましい。
本発明では、照射スポットにおける光強度空間分布の半値幅が５０μｍから２００μｍとなるレーザー光を照射する。照射スポットに対して光強度空間分布の半値幅が５０μｍ未満のレーザー光を照射する場合、レーザー光の出力が不足し、造形材料の溶融が困難となる場合がある。また、照射スポットに対して光強度空間分布の半値幅が２００μｍより大きいレーザー光を照射する場合、造形材料の照射スポット以外の領域まで溶融してしまうおそれがある。これに対して、照射スポットに対する光強度空間分布の半値幅を上記条件に設定することで、照射スポットに対して最適な出力のレーザー光を照射でき、効率よく造形材料を溶融させることができるとともに、照射スポット外の造形材料の溶融を抑制して高精度な造形物を造形できる。

本発明の造形装置において、前記造形材料は、金属により構成されていることが好ましい。
本発明は、造形材料として金属素材を用いているので、高強度な造形物を造形することができる。

本発明の造形装置において、前記造形材料は、難燃化又は不燃化処理されていることが好ましい。
本発明では、金属造形材料が難燃化処理又は不燃化処理されている。したがって、レーザー光を照射した際に、金属材料が燃焼による化学反応を起こしにくく、高品質な造形物を造形することができる。

本発明の造形装置において、前記造形材料は、樹脂により構成されていることが好ましい。
本発明では、造形材料として樹脂素材を用いている。樹脂素材は、金属素材に比べて融点が低く、レーザー光の出力も下げることができ、省電力化を図れる。

本発明の造形方法は、可撓性を有する造形材料をステージ上の造形位置に搬送し、前記造形位置に搬送された前記造形材料にレーザー光を照射して溶融させて前記造形位置に前記造形材料を積層し、かつ、前記造形位置を移動させることで前記造形材料の積層位置を変化させて造形物を造形することを特徴とする。
本発明では、上記発明と同様に、ステージ上の造形位置まで造形材料を搬送し、搬送された造形材料の例えば先端部に対してレーザー光を照射させて溶融させ、造形位置に積層させる。これを、造形位置を移動させて繰り返すことで、所望の形状の造形物を造形することができる。また、造形材料の例えば先端部の造形位置に局所的にレーザー光を照射するため、造形材料の全部を溶融させる必要がなく、例えば溶融状態の造形材料を押し出す構成に比べて、必要となる熱エネルギーが少なく、エネルギー効率性の向上を図れる。また、造形材料を溶融するための大型の加熱機構を必要とせず、装置の小型化を図ることができる。

本実施形態の造形装置の概略構成を示す図。 本実施形態で用いられる造形材料の概略構成を示す斜視図。 本実施形態のカセットの概略構成を示す断面図。 本実施形態のレーザー照射機構の概略構成を示す図。 レーザー照射機構から出射されるレーザー光の光強度空間分布を示す図。 本実施形態の造形装置を用いた造形物の造形方法（造形処理）を示すフローチャート。 本実施形態において、造形処理により造形物が形成される過程を示す斜視図。 他の実施形態における、造形材料の保管構成を示す斜視図。 他の実施形態における糸状造形材料を用いた場合の送出ローラーの構成を示す断面図。

以下、本発明に係る一実施形態の造形装置について、図面に基づいて説明する。
［造形装置の概略構成］
図１は、本実施形態の造形装置の概略構成を示す図である。
図１に示すように、造形装置１（積層造形装置）は、ステージ２と、造形ヘッド３と、移動機構４と、コントローラー５とを備えている。
この造形装置１は、例えばパーソナルコンピューター等のデータ出力装置からコントローラー５に入力された造形用データの断面形状に応じて、ステージ２上に造形材料を積層して三次元造形物を造形する装置である。具体的には、コントローラー５は、造形用データに基づいて移動機構４を制御して、造形ヘッド３を所定の造形位置Ｐに移動させる。そして、コントローラー５は、造形ヘッド３を制御して、ステージ２上の造形位置Ｐに造形材料１０を溶融積層させる。
なお、図示は省略するが、本実施形態において、ステージ２、造形ヘッド３、及び移動機構４は、チャンバー等の密閉された造形室内に設けられ、不活性化ガスが充填されている。
以下、各構成について、詳細に説明する。

［ステージ２の構成］
ステージ２は、造形物を造形するための台座であり、例えば、造形物を載置する平面を備えている。

［造形ヘッド３の構成］
造形ヘッド３は、ステージ２に対して移動機構４により移動可能に設けられており、図１に示すように、テープ搬送機構６と、レーザー照射機構７と、ディテクター８（受光部）と、を備えている。
［テープ搬送機構６の構成］
テープ搬送機構６は、本発明の送り機構を構成し、造形材料１０をステージ２上の造形位置Ｐに搬送する。このテープ搬送機構６は、造形材料１０を格納するカセット６１と、カセット６１から供給される造形材料１０をステージ２上の所定の造形位置Ｐに搬送する送出部６２とを備えている。

（造形材料１０の構成）
ここで、カセット６１に格納される造形材料１０について、説明する。
図２は、本実施形態で用いられる造形材料１０の概略構成を示す斜視図である。
図２に示すように、造形材料１０は、短辺（テープ厚み寸法）ａ、長辺（テープ幅寸法）ｂの扁平断面を有し、アスペクト比（ｂ／ａ）が１０以上の薄肉状（テープ状）に構成されている。ここで、アスペクト比が１０未満である場合、造形材料１０の搬送ハンドリング性が低下する。つまり、テープ幅寸法ｂに対してテープ厚み寸法ａを大きくすると、造形材料１０の可撓性が低下により、後述する送出ローラー対６２１や駆動ローラー対６２２における搬送効率が低下し、搬送時にハンドリング性（搬送のしやすさ）が低下する。また、本実施形態では、造形材料１０の可撓性を利用して、造形材料１０のステージ２側の面（テープ裏面）と、造形位置Ｐにおける造形物の上面（又はステージ２の面）とを当接させる。したがって、十分な可撓性を有さない場合、造形位置Ｐにおいて、造形物の上面（又はステージ２の面）と、造形材料１０のテープ裏面との間に隙間が生じ、造形材料１０を溶融して積層させた際の密着性が低下してしまう。また、テープ厚み寸法ａが十分に小さい場合でも、テープ幅寸法ｂが小さいと、搬送時に造形材料１０に捩れが発生するおそれがあり、搬送ハンドリング性が低下する。
これに対して、上記のようにアスペクト比を１０以上にすることで、可撓性を有する造形材料１０の搬送効率を向上させることができ、所望の造形位置に造形材料を効率的に搬送することができる。

このような造形材料１０としては、金属や樹脂等が例示できる。
造形材料１０として金属を用いる場合、樹脂よりも造形により得られる造形物の強度が高くなる。一方、造形材料１０では、ステージ２上の造形位置Ｐまで搬送する必要があり、可撓性が求められる。金属製の造形材料１０では、上記可撓性を確保するためにテープ厚み寸法がａ≦０．１ｍｍとすることが好ましい。テープ厚み寸法がａ＞０．１ｍｍである場合、造形材料１０が撓みにくく、搬送時において所望の造形位置Ｐに造形材料１０を搬送することが困難となる。
そして、上記のように搬送ハンドリング性を考慮してテープ幅寸法ｂが設定されており、テープ厚み寸法ａが０．１ｍｍの場合では、テープ幅寸法として、１ｍｍ以上とすることが好ましい。なお、テープ厚み寸法ａの設定値にもよるが、テープ幅寸法ｂの設定値としては、５ｍｍ≦ｂ≦１５ｍｍとすることがより好ましい。以上のような寸法ａ，ｂに形成されたテープ状の造形材料１０では、十分な可撓性を維持でき、かつ捩れ等によるハンドリング性の低下を抑制できる。

金属製の造形材料１０を用いる場合、より好ましくはＭｇを用いることが好ましい。Ｍｇは例えばＡｌ等に比べて、比重が小さく（Ｍｇ比重が１．７に対してＡｌ比重が２．７）、造形材料１０の軽量化を図れる。
さらに、金属製の造形材料１０では、融点近傍まで熱せられた際に酸化が発生しないように、難燃化処理又は不燃化処理を施されていることが好ましい。難燃化処理や不燃化処理としては、公知の技術を用いることができる。
上述のような金属製の造形材料１０は、例えば、圧延や押し出し等により成型されたものをカットすることで、大量かつ安価に製造することが可能となる。

一方、造形材料１０として、樹脂を用いる場合、金属に比べて融点が低く、後述するレーザー照射機構７におけるレーザー光の出力を低く設定でき、加熱機構の更なる簡略化を図れる。このような樹脂性の造形材料１０を用いる場合では、テープ厚み寸法がａ≦１ｍｍ、テープ幅寸法が５ｍｍ≦ｂとすることが好ましい。樹脂性の造形材料１０は、金属に比べて可撓性を確保しやすく厚み寸法を大きくできるが、テープ厚み寸法がａ＞１ｍｍの場合では、可撓性が不足し、ハンドリング性が低下する。また、テープ幅寸法が５ｍｍ＞ｂである場合は、捩れが生じやすく、ハンドリング性が低下する。以上から、上記のような寸法ａ，ｂの範囲でアスペクト比が１０以上となるように、造形材料１０を構成することが好ましい。

（カセット６１の構成）
次に、テープ搬送機構６のカセット６１について具体的に説明する。
図３は、本実施形態のカセット６１の概略構成を示す断面図である。
図３に示すように、カセット６１は、ケース６１１と、ボビン６１２と、ピンチローラー６１３と、を備えている。
ケース６１１は、例えば、内部空間を有する直方体形状であり、内部にボビン６１２、ボビン６１２に巻装された造形材料１０、及びピンチローラー６１３が格納されている。
また、ケース６１１の一部（本実施形態では、直方体の角部）に、送出口６１１Ａが設けられており、内部に収納された造形材料１０は、この送出口６１１Ａから外部に取り出される。

ボビン６１２は、軸状部材であり、ケース６１１における互いに対向する面に回転可能に支持されている。このボビン６１２には、上述した造形材料１０の一端部が固定され、当該造形材料１０がボビン６１２の周面に沿って巻装されている。より具体的には、テープ状の造形材料１０は、テープ裏面（ステージ２上に搬送された際に、ステージ２に対向する面）が、ボビン６１２に巻装された造形材料１０のテープ表面（テープ裏面とは反対側の面）に密着するように、同心円状に巻装され、ロール状で収納されている。
このような構成では、例えば断面円形状の造形材料をボビン６１２に巻装させた場合に比べて、体積占有率が高くなる。したがって、断面円形状の造形材料と、本実施形態のテープ状の造形材料１０とを、同量分だけボビンに巻装する場合、本実施形態の造形材料１０を用いる場合では、断面円形状の造形材料を用いる場合に比べて、体積を小さくでき、カセット６１の小型化を図ることができ、さらに、ボビン６１２への巻数も少なくなるので、製造効率性も良好となる。また、カセット６１のサイズが規定されている場合では、本実施形態のテープ状の造形材料１０を用いる場合では、体積占有率が大きいため、断面円形状の造形材料を用いる場合に比べて、カセット６１内により多くの造形材料１０を収納することが可能となる。

ピンチローラー６１３は、送出口６１１Ａの近傍に設けられ、造形材料１０が搬送方向をガイドする。ピンチローラー６１３は、一対設けられており、これらの一対のピンチローラー６１３により造形材料１０を挟み込んで送出口６１１Ａに案内する。また、ピンチローラー６１３により造形材料１０が挟み込まれることで、巻装された造形材料１０の弛みを抑制でき、送出口６１１Ａから送り出される造形材料１０の走行性（搬送性）が向上する。

また、カセット６１は、例えばケース６１１の外装部に図示略の係止ピンやガイド突起等による位置決め部が設けられており、これらの位置決め部を造形ヘッド３における所定位置に位置決めすることで、カセット６１を造形ヘッド３に装着することが可能となる。

（送出部６２の構成）
送出部６２は、図１に示すように、カセット６１から提供された造形材料１０をステージ２上の造形位置Ｐまで送り出す。
この送出部６２は、一対の送出ローラー６２１Ａ，６２１Ｂにより構成された送出ローラー対６２１と、駆動ローラー６２２Ａ及び従動ローラー６２２Ｂにより構成された駆動ローラー対６２２と、ガイド部６２３とを備えている。なお、本実施形態では、送出ローラー対６２１が１つ設けられる例を示すが、２つ以上設けられていてもよく、送出ローラー対６２１が設けられず、駆動ローラー対６２２のみが設けられる構成などとしてもよい。さらに、駆動ローラー対６２２が１つのみ設けられる例を示すが、２つ以上設けられる構成などとしてもよい。

送出ローラー対６２１は、送出ローラー６２１Ａ，６２１Ｂにより造形材料１０を挟み込み、造形材料１０の搬送をガイドする。ここで、送出ローラー対６２１は、カセット６１から送出された造形材料１０の巻癖（ボビン６１２への巻装方向）とは反対側に造形材料１０を湾曲させつつ、当該造形材料１０を搬送する。これにより、造形材料１０の巻癖を矯正することが可能となる。

駆動ローラー対６２２は、造形材料１０を引き込み、造形位置Ｐに向かって送出する。具体的には、駆動ローラー対６２２は、モーター等の駆動量により回転駆動される駆動ローラー６２２Ａと、駆動ローラー６２２Ａの駆動に追従する（モーター駆動力が伝達されない）従動ローラー６２２Ｂとを備えている。駆動ローラー６２２Ａ及び従動ローラー６２２Ｂにより、造形材料１０の定速度での搬送が可能となる。
ここで、駆動ローラー６２２Ａは、造形材料１０のテープ裏面に接することが好ましい。これにより、造形材料１０の巻癖により当該造形材料１０が駆動ローラー６２２Ａに付勢され、搬送時の滑り等を抑制でき、搬送効率性を向上できる。
なお、駆動ローラー６２２Ａがテープ表面に接する構成としてもよい。また、駆動ローラー対６２２を構成する一対のローラーの双方を駆動ローラーとして駆動させる構成としてもよい。この場合、さらに、テープ裏面に接する駆動ローラーを、テープ表面に接する駆動ローラーに対して回転速度を僅かに上げることで、造形材料１０の巻癖をより確実に矯正することができる。

ガイド部６２３は、例えば、表面が耐摩耗処理された、耐久性の高い金属材により板バネ状に構成され、搬送方向に沿う両端にガイド壁（図示略）を備えている。
このガイド部６２３は、造形材料１０の弛みを取るとともに造形材料１０の搬送方向を矯正してステージ２上の造形位置Ｐへの搬送を案内する。
ガイド部６２３により案内された造形材料１０は、撓みにより先端部が造形位置Ｐに付勢当接され、後述のレーザー照射機構７により熱された部分が溶融して造形位置Ｐに積層される。すなわち、本実施形態の造形材料１０は、ステージ２又はステージ２上の造形材料に対して、強い応力で押し付けられるものではなく、撓みによりその先端部のみが接触することで、造形位置Ｐに対して造形材料１０が搬送される。

［レーザー照射機構７の構成］
図４は、レーザー照射機構７の概略構成を示す図である。
レーザー照射機構７は、図４に示すように、レーザー光源７１と、ビーム整形光学系７２と、スキャンミラー７３とを含んで構成されている。
レーザー光源７１は、コントローラー５の制御により駆動されてレーザー光を出力する。レーザー光源７１としては、ガスレーザー、ファイバーレーザー、半導体レーザー等を利用することができ、金属製の造形材料１０を対象とする場合には、金属への吸収率が高いＹＡＧレーザーやエキシマレーザー等を用いることができる。また、照射するレーザー光の波長としては、造形材料１０への吸収率が高い最適な波長が設定される。
レーザー光源７１から出射されたレーザー光は、ビーム整形光学系７２においてビーム形状が整形される。整形されたレーザー光は、スキャンミラー７３によって走査され、造形材料１０の造形位置Ｐ上の照射スポットに照射される。
ここで、スキャンミラー７３は、例えばガルバノミラーや、ポリゴンミラーを用いることができる。スキャンミラー７３は、レーザー光の照射スポットを造形材料１０のテープ幅方向に沿って走査させることができ、すなわち、本発明の走査部を構成する。
なお、スキャンミラーの後段にエフシータレンズなどの光学系を配置してもよい。

図５は、レーザー照射機構７から照射されたレーザー光の光強度空間分布を示す図である。
レーザー照射機構７から出射されたレーザー光は、図５に示すようなガウシアン分布に略従った光強度空間分布となる。ここで、本実施形態では、造形材料１０に照射される照射スポット内のレーザー光が、半値幅Ｅ_５０内の光強度空間分布を持つレーザー光となるように、レーザー光の出力が設定される。なお、半値幅Ｅ_５０としては、５０μｍ〜２００μｍとなるように設定されていることが好ましい。ここで、半値幅が５０μｍ未満となる場合では、所望の照射スポットに対して高出力のレーザー光が照射される範囲が狭く、熱量が不十分となる場合がある。一方、半値幅が２００μｍより大きい場合では、所望の照射スポット以外の領域まで造形材料１０を溶融させる恐れがある。これに対して、上記のような半値幅を設定することで、照射スポットに対して造形材料１０への吸収率が高いレーザー光を好適に照射することができ、高精度な造形物の造形を実現できる。

また、レーザー照射機構７は、出射されたレーザー光が造形材料１０の搬送方向における上流側から下流側に向かうように、ステージ２の法線方向Ｄ_２に対して所定の角度θで傾斜して配置されている。この傾斜角度θとしては、例えば０°＜θ≦２０°であることが好適であり、好ましくは１０°≦θ≦２０°である。２０°以上の場合は、レーザー照射機構７の配置スペースが大きくなり、装置が大型化する。
上記構成では、レーザーが造形材料１０の表面で正反射され、反射光がレーザー照射機構７に戻り、所謂ゴーストとして像がぼやけたり、所望の照射スポット以外の領域に結像されたりする不都合が回避される。また、搬送方向の上流側から下流側に向かってレーザー光を照射することで、造形材料１０の上流側へのレーザー光の照射を防止でき、造形位置Ｐの照明スポット以外の領域が溶融される不都合も防止できる。

［ディテクター８の構成］
ディテクター８は、造形位置Ｐで反射されたレーザー光を受光し、その受光量に応じた信号をコントローラー５に出力する。
ディテクター８が設けられる位置としては、ステージ２の法線（Ｄ_２）に対して、レーザー照射機構７と線対称となる位置が好ましく、つまり、図４に示すように、搬送方向の下流側で、法線方向Ｄ_２に対して角度θで傾斜する位置に設けられる。

［移動機構４の構成］
移動機構４は、造形ヘッド３をステージ２に対してＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各軸方向に移動させて、造形ヘッド３におけるテープ搬送機構６の造形材料１０の搬送先（造形位置Ｐ）、及びレーザー照射機構７のレーザー光の照射スポットを所望の位置に移動させる。すなわち、移動機構４は、造形位置Ｐをステージに対して移動させる。
具体的な構成としては、例えばＹ軸方向に沿って敷設されたＹガイド上で移動可能なコラム、コラム上に設けられてＸ軸方向に延びるＸガイドを備えたスライダ、Ｘガイドに沿って移動可能でＺ方向に沿ったＺガイドを備えたラムを備え、ラムのＺガイドに沿って移動可能に造形ヘッド３が設けられる構成等が例示できる。また、複数のアーム部材を連結し、アームの連結角度を制御することで、造形ヘッド３を３次元空間で移動可能な構成などとしてもよい。
また、本実施形態では、移動機構４により造形ヘッド３をステージ２に対して移動させる構成を例示するがこれに限定されず、例えば、ステージ２を造形ヘッド３に対して移動させる構成などとしてもよい。さらには、ステージ２をＺ方向に沿って移動させ、造形ヘッド３をＸＹ軸に沿って移動させる構成などとしてもよい。

［コントローラー５の構成］
コントローラー５は、例えばメモリー等の記憶部、ＣＰＵとの演算回路等により構成され、造形装置１の全体動作を制御する。記憶回路には、造形装置１を制御するための各種プログラムや各種データが記録される。また、コントローラー５の演算回路は、記憶部に記憶されたプログラムを読み込み実行することで、図１に示すように、データ取得手段５１、移動制御手段５２、及び造形制御手段５３として機能する。なお、本実施形態では、各機能構成は、ハードウェアである演算回路と、プログラム（ソフトウェア）との協働により実現される例を示すが、例えば各機能を有する集積回路（ハードウェア）を組み合わせることで実現される構成などとしてもよい。
データ取得手段５１は、例えば、コントローラー５に通信可能に接続されるパーソナルコンピューター等の外部機器から造形用データを取得する。なお、コントローラー５が記録媒体を読み込むドライブ装置を備え、当該ドライブ装置に装着された記録媒体から直接造形用データを取得する構成などとしてもよい。
移動制御手段５２は、造形用データに基づいて、移動機構４を制御し、造形ヘッド３を移動させる。
造形制御手段５３は、造形ヘッド３を制御する。具体的には、造形制御手段５３は、送出部６２の駆動ローラー対６２２、レーザー照射機構７、及びディテクター８の動作を制御し、造形位置Ｐに造形材料１０を溶融積層させて造形物を造形する。

［造形装置１による造形物の製造方法］
次に、上述のような造形装置１を用いた造形物の造形方法について図面に基づいて説明する。
図６は、本実施形態の造形装置１を用いた造形物の造形方法（造形処理）を示すフローチャートである。図７は、造形処理により造形物が形成される過程を示す斜視図である。
造形装置１により、造形物を造形するには、まず、コントローラー５のデータ取得手段５１は、造形用データを取得する（ステップＳ１）。具体的には、データ取得手段５１は、操作者の操作に基づいて、例えばコントローラー５に接続されたパーソナルコンピューター等の外部機器から入力される造形用データ、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に記録された造形用データ、インターネット等の通信回線を介して取得された造形用データ等を取得する。

次に、移動制御手段５２は、造形用データから造形物の断面形状を解析し、図９に示すように、造形ヘッド３を造形物断面に相当する造形位置Ｐに移動させる（ステップＳ２）。
具体的には、テープ搬送機構６により搬送される造形材料１０の先端部が造形用データに基づいて示される造形位置Ｐに位置するように、移動機構４を制御して造形ヘッド３の位置を設定し、かつ、レーザー照射機構７のスキャンミラー７３を制御して、造形材料１０のテープ幅方向における照射スポットを設定する。

この後、造形制御手段５３は、造形ヘッド３等を制御し、造形位置Ｐに対して造形材料１０を溶融して積層させ、図７に示すように、造形物を形成する（ステップＳ３）。
具体的には、造形制御手段５３は、レーザー光源７１を制御して所定強度のレーザー光を出射させる。この際、コントローラー５は、ディテクター８から入力される受光量に応じた信号を参照し、レーザー光の強度を調整、即ちフィードバック制御を実施する。
これにより、レーザー照射機構７から出射されたレーザー光は、造形材料１０の先端部におけるテープ幅方向の一部（照射スポット）に照射され、レーザー光のエネルギーにより造形材料１０が溶融して造形位置Ｐに積層される。

この後、造形制御手段５３は、造形用データに基づいた造形物の造形処理が完了したか否かを判定する（ステップＳ４）。
ステップＳ４で「Ｎｏ」と判定された場合は、ステップＳ２及びステップＳ３に戻り、造形ヘッド３の移動及び造形材料の溶融積層を繰り返す。
この際、移動制御手段５２は、スキャンミラー７３をコントロールし、照射スポットの位置をテープ幅方向に沿って移動させ、かつ移動機構４を移動させて、照射スポットが造形用データに基づいた造形位置Ｐとなるように、造形ヘッド３の位置を制御する。レーザー光の照射スポットは、例えば受光部において受光されるレーザー反射光の位置を検出することで制御することができる。
また、造形制御手段５３は、テープ幅方向に沿った造形材料１０が溶融及び積層された場合は、送出部６２の駆動ローラー６２２Ａを駆動させることで、造形材料１０を所定量送り出し、先端部を造形位置Ｐに移動させる。送出部６２により送り出された造形材料１０は、可撓性を有するため自重により撓み、造形位置Ｐに付勢当接される。この後、ステップＳ３と同様に、造形位置Ｐに対して造形材料１０を溶融させて積層させる。
そして、ステップＳ４において、「Ｙｅｓ」と判定されると、造形処理を終了させる。

［本実施形態の作用効果］
本実施形態の造形装置１は、造形物が造形されるステージ２と、可撓性を有する造形材料１０をステージ２上の所定の造形位置Ｐに搬送するテープ搬送機構６と、造形位置Ｐに搬送された造形材料１０に対してレーザー光を照射して照射スポット内の造形材料１０を溶融させるレーザー照射機構７と、レーザー照射機構７が組み込まれる造形ヘッド３を、造形位置Ｐが造形用データに基づく所望位置に位置するように移動させる移動機構４とを備えている。
このような構成では、造形材料１０の搬送供給とレーザー光による造形材料１０の溶融とを別機構により実施し、造形材料１０の必要な個所のみを局所的にレーザー光で溶融できる。したがって、例えば溶融された造形材料１０を押し出して造形位置Ｐに積層する場合に比べて、造形材料１０の溶融量及び溶融面積（体積）が小さく、熱エネルギーも少なくて済む。よって、加熱機構の構成を小型化でき、造形装置１の小型化、製造コストの低コスト化を図ることができる。
また、テープ搬送機構６により搬送された造形材料１０は、造形位置Ｐに付勢当接されて、その位置で溶融されるので、テープ搬送機構６やレーザー照射機構７に溶融した造形材料１０が付着したり残留したりすることがない。したがって、造形装置１のメンテナンスも容易となる。

本実施形態では、造形材料１０は、断面矩形状を有するテープ状に形成されている。このようなテープ状の造形材料１０は、厚み寸法が均一であるため、造形位置Ｐに積層された造形材料１０の厚みが変動することなく、高精度な造形物を造形することができる。
また、造形材料１０をボビン６１２が同心円状に巻装する場合に、テープ裏面とテープ表面とを密着させることで、隙間をなくすことができ、例えば、断面円形状の造形材料を用いる場合に比べて、体積占有率が高くなる。つまり、同量の造形材料をカセット６１内に収納する場合に、断面円形状の造形材料に比べて、カセット６１の小型化を図ることができる。カセット６１のサイズが固定である場合は、断面円形状の造形材料を用いる場合に比べて、より多くの造形材料１０をボビンに巻装させることができる。
また、造形材料として粉体を用いる構成もあるが、このような粉体は球状となるため、糸状造形材料と同様、カセット６１に格納した際に体積占有率が小さくなり、また、カセットの送出口６１１Ａを閉塞する蓋部等を設ける必要も生じる。これに対して、本実施形態の造形材料１０では、粉体の造形材料よりも体積占有率を大きくでき、かつ送出口６１１Ａに蓋部を設ける必要もなく、取扱いが容易となる。

本実施形態では、テープ状の造形材料１０のテープ厚み寸法ａとテープ幅寸法ｂとの比であるアスペクト比（ａ／ｂ）が１０以上である。このため、十分に造形材料１０の可撓性を確保することができ、かつ捩れや撓み等により造形材料１０の搬送ハンドリング性の悪化も抑制できる。

ここで、本実施形態の造形材料１０としては、金属製及び樹脂性のいずれかを選択することができる。
金属製の造形材料１０を用いる場合は、樹脂性の造形材料１０に比べて耐久性が高い品質の造形物を造形でき、樹脂性の造形材料１０を用いる場合では、金属製の造形材料１０に比べて、加熱温度が低く、レーザー光の出力を低くできる。
また、金属製の造形材料１０を用いる場合では、比重の小さいＭｇを用いることで造形材料１０の軽量化を図れ、造形される造形物も軽量のものとなる。また、このような金属を用いる場合では、加熱による酸化反応を抑制するために、難燃化処理又は不燃化処理が施される。これにより、レーザー光を照射した際に金属酸化を効果的に抑制でき、変質による造形物の品質低下を防止できる。

本実施形態では、レーザー照射機構７は、スキャンミラー７３を備えている。
このため、コントローラー５によりスキャンミラー７３を制御することで、レーザー光の照射スポットを造形材料１０のテープ幅方向に沿って走査させることができる。これにより、テープ状の造形材料１０を無駄なく使用することができる。

本実施形態では、ステージ２、造形ヘッド３、及び移動機構４が、不活性ガス雰囲気下に維持されたチャンバー等の造形室内に配置されている。すなわち、レーザー照射機構７は、不活性ガス雰囲気下で造形材料１０に対してレーザー光を照射する。
このため、不活性ガス雰囲気下で造形材料１０がレーザー光により加熱されることになり、加熱溶融時に造形材料１０が化学変化等により変質することがなく、高品質な造形物を造形することができる。

本実施形態では、レーザー照射機構７は、ステージ２の法線方向Ｄ_２に対して角度θで傾斜して配置されている。したがって、レーザー照射機構７から出射されたレーザー光は造形位置Ｐに搬送された造形材料１０に対して斜めから入射されることになり、造形材料１０においてレーザー光が正反射されても、レーザー照射機構７に戻らず、ゴースト等によってレーザー光が造形材料１０の造形位置Ｐ以外（照射スポット以外）の部位に照射される不都合を防止できる。
また、レーザー照射機構７は、搬送方向Ｄ_１の上流側から下流側に向かって、レーザー光を照射するので、レーザー光が造形材料１０の上流側に照射されることがなく、意図しない位置の造形材料１０が溶融される不都合を回避できる。

本実施形態では、ディテクター８により、造形材料１０にて反射されたレーザー光を受光する。
したがって、ディテクター８により受光された受光信号をコントローラー５に入力することで、コントローラー５によりレーザー光の出力値を所望の値に設定することができる。また、ディテクター８にて受光されたレーザー光の位置によって、照射スポットの位置を検出することができ、例えばテープ幅方向に沿って照射スポットを走査する際に、精度よく所望位置に照射スポットを移動させることができる。

本実施形態では、レーザー照射機構７は、照射スポットに照射される光強度空間分布の半値幅が５０μｍ以上２００μｍ以下となるレーザー光を照射する。
照射スポットに対するレーザー光の光強度空間分布の半値幅が５０μｍ未満である場合は、レーザー光の出力不足が生じるおそれがあり、２００μｍより大きい場合は、照射スポット外の造形材料１０まで溶融するおそれがある。これに対して、上記条件により、照射スポットに対して最適な出力のレーザー光が照射されることで効率よく造形材料１０を溶融させることができる。また、照射スポット以外の造形材料１０の溶融が抑制され、高精度な造形物を造形できる。

［その他の実施形態］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
上記実施形態において、レーザー照射機構７を、レーザー光が搬送方向の上流側から下流側に向かって照射されるように、ステージ２の法線方向Ｄ_２に対して傾斜させる構成を例示したがこれに限定されない。例えば、テープ幅方向の一方側から他方側に向かってレーザー光を照射する構成としてもよく、搬送方向の下流側から上流側に向かってレーザー光を照射する構成などとしてもよい。また、レーザー照射機構７をステージ２の法線方向Ｄ_２に沿って配置し、法線方向Ｄ_２に沿ってレーザー光を照射してもよい。

上記実施形態では、スキャンミラー７３を用いて、照射スポットをテープ幅方向に沿って走査させる構成を例示したがこれに限定されない。例えば、レーザー光の照射スポットがテープ幅全体に亘る場合（ライン光を照射する場合等）や、糸状の造形材料を用いる場合では、スキャンミラー７３を設けなくてもよい。
また、スキャンミラー７３により照射スポットをテープ幅方向に沿って走査させたが、造形ヘッド３においてレーザー照射機構７が独立して移動可能な構成とし、レーザー照射機構７自体をテープ幅方向に移動させる構成、レーザー照射機構７を揺動させる構成などとしてもよい。
さらには、例えばテープ搬送機構６として、例えば送出部６２をテープ幅方向に移動させる幅方向移動機構を備える構成としてもよい。この場合でも、テープ搬送機構６により、造形材料１０をテープ幅方向に移動させることができるため、レーザー照射機構７に走査部（スキャンミラー７３等）が設けられない構成としてもよい。

上記実施形態において、ディテクター８によりレーザー光を受光する構成例を示したが、これに限定されない。例えば、ディテクター８が設けられない構成としてもよい。
また、造形材料１０で反射されたレーザー光をディテクター８で受光する例を示したが、例えば、レーザー照射機構７から出射されたレーザー光の一部を、例えばビームスプリッタ等により分離し、分離したレーザー光をディテクターにより受光してその強度を測定してもよい。

上記実施形態において、造形室内が不活性ガス雰囲気下で維持されている構成を例示したが、これに限定されない。例えば、除湿された大気雰囲気下に維持されていてもよい。この場合でも、水分子によって造形材料１０が酸化されることなく、高品質な造形物を造形することが可能となる。
さらに、造形室内にステージ２、造形ヘッド３、移動機構４が設けられる例を示したが、これに限定されない。造形材料１０として、加熱等により変質しない素材を用いる場合は、造形室がなくてもよい。また、レーザー光の照射スポットに対して、不活性ガス（又は除湿された空気）を吹き付けるガス噴出部を設ける構成としてもよい。この場合でも、レーザー光の照射スポット近傍を不活性ガス雰囲気下にすることができ、造形材料１０の変質を抑制できる。

上記実施形態において、レーザー光の照射スポットにおいて光強度空間分布の半値幅が５０μｍ〜２００μｍとなるレーザー光を照射させたが、これに限定されない。例えば、十分な光量を有していれば、レーザー光の半値幅が５０μｍ未満であってもよく、２００μｍより大きくてもよい。

造形材料１０として、アスペクト比が１０以上となる断面矩形状のテープ状材料を例示したが、これに限定されない。例えば、造形材料１０の材質等によって、十分な可撓性を有し、かつテープ搬送機構６における造形材料１０の搬送ハンドリング性が良好であれば、アスペクト比が１０未満となるテープ状材料を用いてもよい。

上記実施形態では、造形材料１０は、カセット６１に収納される構成としたが、これに限定されない。例えば、図８に示すように、軸芯６１４に造形材料１０を巻装することで、造形材料１０をロール状に保持してもよい。この場合、軸芯６１４の中心軸に沿って装着孔６１５を設け、例えば造形ヘッド３に設けられた係止ピンを装着孔６１５に挿通することで、造形材料１０が巻装された軸芯６１４を造形ヘッド３に装着できる。また、軸芯６１４の軸方向の両端部に、造形材料１０のテープ幅方向の両端縁を保持するフランジ部６１６を設ける構成とすることで、造形材料１０の弛み等を防止できる。

上記実施形態では、造形材料１０がテープ状材料である例を示したが、例えば糸状に構成されていてもよい。この場合でも、図３に示すようなカセット６１のボビン６１２や図８に示す軸芯６１４に糸状造形材料を同心円状に複数列に巻装させることで、造形材料を保持することができる。一方、このような糸状造形材料を用いる場合、搬送時の捩れ等が発生しやすく、搬送ハンドリング性が悪化する場合がある。
この場合、送出部６２の駆動ローラー対６２２として、図９に示すような断面形状のローラー６２４Ａ，６２４Ｂを用いることが好ましい。駆動ローラー６２４Ａの表面を例えばゴムやエラストマー等の孔摩擦係数を有する弾性部材により構成されたローラーである。また、従動ローラー６２４Ｂは、糸状造形材料１０Ａに対して２点で接し、糸状造形材料１０Ａの半分以上が入り込む断面三角形状の溝６２４Ｂ１が周方向に沿って形成されたローラーである。このような構成では、溝６２４Ｂ１に対して糸状造形材料１０Ａを弾性力で付勢しつつ、搬送方向に送り出すことで、安定した定量搬送が可能となる。

上記実施形態では、移動機構４として、造形ヘッド３をＺＹＺの３軸方向に移動させる例を示したが、これに限定されず、例えば、上述したように、ステージ２を３軸方向に移動させる構成としてもよく、ステージ２をＺ軸方向に移動させ、造形ヘッドをＸＹ軸方向に移動させる構成としてもよい。さらに、図７に示すように、断面円形（円筒形）の造形物を造形する場合等では、ステージ２に回転機構を設ける等して、ステージ２に対して造形ヘッド３を相対に回転移動可能な構成としてもよい。

その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等に適宜変更できる。

１…造形装置、２…ステージ、３…造形ヘッド、４…移動機構、５…コントローラー、６…テープ搬送機構（送り機構）、７…レーザー照射機構、８…ディテクター（受光部）、１０…造形材料、１０Ａ…糸状造形材料、７１…レーザー光源、７３…スキャンミラー（走査部）。

Claims (13)

1. 可撓性を有する造形材料をステージ上の造形位置に搬送する送り機構と、
   前記造形位置に搬送された前記造形材料にレーザー光を照射して溶融させるレーザー照射機構と、
   前記造形位置を前記ステージに対して相対的に移動させる移動機構と、
   を備えたことを特徴とする造形装置。
2. 請求項１に記載の造形装置において、
   前記造形材料は、断面矩形状を有するテープ状材料である
   ことを特徴とする造形装置。
3. 請求項２に記載の造形装置において、
   前記造形材料は、断面視におけるテープ厚み寸法とテープ幅寸法とのアスペクト比が１０以上である
   ことを特徴とする造形装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の造形装置において、
   前記レーザー照射機構は、前記造形材料のテープ幅方向に沿って前記レーザー光の照射スポットを移動させる走査部を備えている
   ことを特徴とする造形装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の造形装置において、
   前記レーザー照射機構は、不活性ガス雰囲気下で前記造形材料に前記レーザー光を照射する
   ことを特徴とする造形装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の造形装置において、
   前記レーザー照射機構は、除湿気体雰囲気下で前記造形材料に前記レーザー光を照射する
   ことを特徴とする造形装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の造形装置において、
   前記レーザー照射機構は、前記ステージの法線方向に対して傾斜する方向から前記レーザー光を照射する
   ことを特徴とする造形装置。
8. 請求項７に記載の造形装置において、
   前記造形位置において前記造形材料に反射された前記レーザー光を受光する受光部を備えている
   ことを特徴とする造形装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の造形装置において、
   前記レーザー照射機構は、光強度空間分布の半値幅が５０μｍ以上２００μｍ以下となる前記レーザー光を照射する
   ことを特徴とする造形装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の造形装置において、
    前記造形材料は、金属により構成されている
    ことを特徴とする造形装置。
11. 請求項１０に記載の造形装置において、
    前記造形材料は、難燃化又は不燃化処理されている
    ことを特徴とする造形装置。
12. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の造形装置において、
    前記造形材料は、樹脂により構成されている
    ことを特徴とする造形装置。
13. 可撓性を有する造形材料をステージ上の造形位置に搬送し、
    前記造形位置に搬送された前記造形材料にレーザー光を照射して溶融させて前記造形位置に前記造形材料を積層し、かつ、前記造形位置を移動させることで前記造形材料の積層位置を変化させて造形物を造形する
    ことを特徴とする造形方法。

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