JP2016074132A - 積層造形装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】積層造形にかかる時間を増大させることなく、造形物の品質を向上させることができる、粉末焼結積層造形方法の提供。【解決手段】三次元形状を有する造形物モデルを所定単位高で水平面で分割してなる各分割層に対応する材料粉体層８を形成し、各分割層の輪郭形状で囲まれた照射領域にレーザ光Ｌを照射して前記照射領域内の材料粉体層８の材料粉体を選択的に焼結することを繰り返して造形物を生成する粉末焼結積層造形方法において、レーザ光Ｌは、レーザ光Ｌが照射されるように設けられた走査経路に沿って走査されながら材料粉体層８に照射され、前記走査経路は、多数の線分で構成され、レーザ光Ｌの照射は、第１線分に沿って照射された後に、第１線分に隣接した第２線分に沿って照射を行う前までの間の冷却時間内に、第１線分から離れた一又は複数の線分に沿って照射を行うように制御される、粉末焼結積層造形方法。【選択図】図１

Description

この発明は、積層造形装置に関する。
レーザ光による金属の積層造形においては、上下方向に移動可能な造形テーブル上に非常に薄い材料粉体層を形成し、この材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して照射位置の材料粉体を焼結させる工程を繰り返すことによって、所望の造形物を形成する。
レーザ光は、レーザ光を照射すべき領域に全体に渡ってレーザ光が照射されるように設けられた走査経路に沿って走査されながら材料粉体層に照射される（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０１０−１７３１２３号公報
ところで、材料粉体層へのレーザ光の走査経路４６は、例えば、図１４に示すように、レーザ光を照射する照射領域４５の全体に渡ってレーザ光が照射されるように設けられる。図１４の例では、走査経路４６は、図１４に示すように、マトリックス状に配置された多数の線分ｓ１，ｓ２，ｓ３，・・・，ｓ１００で構成されている。レーザ光は、線分ｓ１，ｓ２，ｓ３，・・・，ｓ１００の順に、各線分に沿って、例えば左から右に走査される。レーザ光は、各線分の左端から右端まで走査されながら材料粉体層に照射されることによって、材料粉体層が線分状に焼結される。図１４の例では、レーザ光がある線分の右端から、次の線分の左端に走査される間は、レーザ光はＯＦＦにされて材料粉体層には照射されない。
本発明者らは、レーザ光の照射条件を検討するに際して、走査経路４６に沿ってレーザ光を材料粉体層に照射させる際に、ある第１線分に沿ってレーザ光が照射された後に、それに隣接した第２線分に沿ってレーザ光に照射を開始するまでの間の時間をできるだけ短くして、積層造形にかかる時間をできるだけ短くすることが試みた。しかし、この間の時間を短くしすぎると、第１線分に沿った焼結部分からの熱の影響によって、材料粉体層が第２線分に沿って過剰に加熱されてしまって、材料の盛り上がり、スパッタの発生、材料の昇華によるヒュームに発生、組成の変化などの問題が起こることが分かった。
このような問題を防ぐために、ある第１線分に沿ってレーザ光が照射された後に、それに隣接した第２線分に沿ってレーザ光に照射を開始するまでの間の冷却時間を適切に設定することが重要であると考え、冷却時間を各線分に沿ったレーザ光照射時間の５倍程度にしたところ、上記の問題が解決されて、高品質の造形物が製造可能になることが分かった。
しかし、冷却時間を長くしたことによって、積層造形にかかる時間が増大するという新たな問題が生じてしまった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、積層造形にかかる時間を増大させることなく、造形物の品質を向上させることができる、粉末焼結積層造形方法を提供するものである。
本発明によれば、所望の三次元形状を有する造形物モデルを所定単位高で水平面で分割してなる各分割層に対応する材料粉体層を形成し、前記造形物モデルの各分割層の輪郭形状で囲まれた照射領域にレーザ光を照射して前記照射領域内の前記材料粉体層の材料粉体を選択的に焼結することを繰り返して造形物を生成する粉末焼結積層造形方法において、前記レーザ光は、前記照射領域の全体に渡って前記レーザ光が照射されるように設けられた走査経路に沿って走査されながら前記材料粉体層に照射され、前記走査経路は、多数の線分で構成され、前記レーザ光の照射は、第１線分に沿って前記レーザ光が照射された後に、第１線分に隣接した第２線分に沿って前記レーザ光の照射を行う前までの間の冷却時間内に、第１線分から離れた一又は複数の線分に沿って前記レーザ光の照射を行うように制御される、粉末焼結積層造形方法が提供される。
本発明者は、ある第１線分に沿ってレーザ光の照射を行った後に、それに隣接する第２線分に沿ってレーザ光の照射を行うまでの間の冷却時間の間に、より離れた位置に設けられた別の線分に沿ってレーザ光の照射を行うことによって、冷却時間を適切に確保しつつ積層造形にかかる時間が延びることを防ぐことができることを見出し、本発明の完成に到った。
以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、第２線分は、第１線分の幅方向に最近接の線分である。
好ましくは、前記冷却時間は、第１線分に沿ったレーザ光照射時間の１．５〜１０倍である。
好ましくは、前記冷却時間内に前記レーザ光が照射される線分の数は、１〜９本である。
好ましくは、前記多数の線分は、複数の線分群に区分され、各線分群は、互いに隣接した複数の線分を含み、第１及び第２線分は、同じ線分群に属し、前記冷却時間内に別の線分群に属する線分に沿って前記レーザ光の照射を行う。
好ましくは、前記レーザ光を照射する際に前記複数の線分群が順に選択され、選択された線分群に属する一の線分に沿って前記レーザ光が照射される。
好ましくは、前記複数の線分群は、１つの照射領域内の別々の領域に配置される。
好ましくは、前記照射領域は、互いに離間された複数のサブ照射領域で構成され、前記複数の線分群は、別々のサブ照射領域に配置される。
また、本発明の別の観点によれば、上記記載の粉末焼結積層造形方法における前記レーザ光の照射を制御するための制御データを生成する、コンピュータ支援製造システムが提供される。
本発明の第１実施形態の積層造形装置の概略構成図である。 粉体層形成装置３及びレーザ光照射部１３の斜視図である。 リコータヘッド１１の斜視図である。 リコータヘッド１１の別の角度から見た斜視図である。 （ａ）は所望形状の造形物４７の斜視図、（ｂ）は、（ａ）の造形物のモデルの斜視図、（ｃ）は、（ｂ）のモデルを所定単位高で水平面で分割した状態を示す斜視図である。 焼結層５０を積層させて得られる造形物４７の斜視図である。 本発明の第１実施形態の積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 照射領域４５ａの全体に渡って設けられる走査経路４６を示す。 本発明の第１実施形態の積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の第２実施形態での照射領域４５の全体に渡って設けられる走査経路４６を示す。 本発明の第３実施形態での照射領域４５の全体に渡って設けられる走査経路４６を示す。 本発明の第４実施形態での照射領域４５の全体に渡って設けられる走査経路４６を示す。 （ａ）〜（ｂ）は、それぞれ、実施例及び比較例の条件で生成した造形物の写真である。 照射領域４５に設けられる走査経路４６の一例を示す。
以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。
１．第１実施形態
図１〜図２に示すように、本発明の第１実施形態の積層造形装置は、所要の造形領域Ｒを覆い且つ所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバ１と、造形領域Ｒ上に形成される材料粉体層８の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して照射位置の材料粉体を焼結させるレーザ光照射部１３を備える。
チャンバ１内には、粉体層形成装置３が設けられる。粉体層形成装置３は、造形領域Ｒを有するベース４と、ベース４上に配置され且つ水平１軸方向（矢印Ｂ方向）に移動可能に構成されたリコータヘッド１１と、リコータヘッド１１の移動方向に沿って造形領域Ｒの両側に設けられた細長部材９ｒ，９ｌとを備える。造形領域Ｒには、駆動機構３１によって駆動されて上下方向（図１の矢印Ａ方向）に移動可能な造形テーブル５が設けられる。積層造形装置の使用時には、造形テーブル５上に造形プレート７が配置され、造形テーブル５上に材料粉体層８が形成される。
造形テーブル５を取り囲むように粉体保持壁２６が設けられており、粉体保持壁２６と造形テーブル５によって囲まれる粉体保持空間に未焼結の材料粉体が保持される。粉体保持壁２６の下側には、粉体保持空間内の材料粉体を排出可能な粉体排出部２７が設けられ、積層造形の完了後に、造形テーブル５を降下させることによって、未焼結の材料粉体が粉体排出部２７から排出され、排出された材料粉体は、シューターガイド２８によってシューター２９に案内され、シューター２９を通じてバケット３０に収容される。
リコータヘッド１１は、図２〜図４に示すように、材料収容部１１ａと、材料収容部１１ａの上面に設けられた材料供給部１１ｂと、材料収容部１１ａの底面に設けられ且つ材料収容部１１ａ内の材料粉体を排出する材料排出部１１ｃとを備える。材料排出部１１ｃは、リコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に直交する水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に延びるスリット形状である。リコータヘッド１１の両側面には材料排出部１１ｃから排出された材料粉体を平坦化して材料粉体層８を形成するスキージングブレード１１ｆｂ，１１ｒｂが設けられる。また、リコータヘッド１１の両側面には、材料粉体の焼結時に発生するヒュームを吸引するヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓが設けられる。ヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓは、リコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に直交する水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に沿って設けられる。材料粉体は、例えば、金属粉（例：鉄粉）であり、例えば平均粒径２０μｍの球形である。
細長部材９ｒ，９ｌにはそれぞれリコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に沿って開口部が設けられる。これらの開口部の一方が不活性ガス供給口として利用され、他方が不活性ガス排出口として利用されることによって、造形領域Ｒ上に矢印Ｃ方向の不活性ガスの流れができるので、造形領域Ｒで発生したヒュームがこの不活性ガスの流れに沿って容易に排出される。なお、本明細書において、「不活性ガス」とは、材料粉体と実質的に反応しないガスであり、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどが例示される。
チャンバ１の上方にはレーザ光照射部１３が設けられる。図２に示すように、レーザ光照射部１３は、レーザ光Ｌを出力するレーザ光源４２と、レーザ光源４２から出力されたレーザ光Ｌを二次元走査する一対のガルバノスキャナ４３ａ，４３ｂと、レーザ光Ｌを集光する集光レンズ４４とを備える。ガルバノスキャナ（Ｘ軸スキャナ）４３ａは、レーザ光Ｌを矢印Ｂ方向（Ｘ軸方向）に走査し、ガルバノスキャナ（Ｙ軸スキャナ）４３ｂは、レーザ光Ｌを矢印Ｃ方向（Ｙ軸方向）に走査する。スキャナ４３ａ，４３ｂは、それぞれ、回転角度制御信号の大きさに応じて回転角度が制御されるので、スキャナ４３ａ，４３ｂに入力する回転角度制御信号の大きさを変化させることによって所望の位置にレーザ光Ｌの照射位置を移動させることが可能になっている。集光レンズ４４の例は、fθレンズである。
集光レンズ４４を通過したレーザ光Ｌは、チャンバ１に設けられたウィンドウ１ａを透過して造形領域Ｒに形成された材料粉体層８に照射される。レーザ光Ｌは、材料粉体を焼結可能なものであればその種類は限定されず、例えば、ＣＯ２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザなどである。ウィンドウ１ａは、レーザ光Ｌを透過可能な材料で形成される。例えば、レーザ光Ｌがファイバーレーザ又はＹＡＧレーザの場合、ウィンドウ１ａは石英ガラスで構成可能である。
チャンバ１の上面には、ウィンドウ１ａを覆うようにヒューム付着防止部１７が設けられる。付着防止部１７は、円筒状の筐体１７ａと、筐体１７ａ内に配置された円筒状の拡散部材１７ｃを備える。筐体１７ａと拡散部材１７ｃの間に不活性ガス供給空間１７ｄが設けられる。また、筐体１７ａの底面には、拡散部材１７ｃの内側に開口部１７ｂが設けられる。拡散部材１７ｃには多数の細孔１７ｅが設けられており、不活性ガス供給空間１７ｄに供給された清浄な不活性ガスは細孔１７ｅを通じて清浄空間１７ｆに充満される。そして、清浄空間１７ｆに充満された清浄な不活性ガスは、開口部１７ｂを通じて付着防止部１７の下方に向かって噴出される。
次に、チャンバ１への不活性ガス供給系統と、チャンバ１からのヒューム排出系統について説明する。
チャンバ１への不活性ガス供給系統には、不活性ガス供給装置１５と、ヒュームコレクタ１９が接続されている。不活性ガス供給装置１５は、不活性ガスを供給する機能を有し、例えば、不活性ガスのガスボンベである。ヒュームコレクタ１９は、その上流側及び下流側にダクトボックス２１，２３を有する。チャンバ１から排出されたガス（ヒュームを含む不活性ガス）は、ダクトボックス２１を通じてヒュームコレクタ１９に送られ、ヒュームコレクタ１９においてヒュームが除去された不活性ガスがダクトボックス２３を通じてチャンバ１へ送られる。このような構成により、不活性ガスの再利用が可能になっている。
不活性ガス供給系統は、図１に示すように、チャンバ１の上部供給口１ｂと、付着防止部１７の不活性ガス供給空間１７ｄと、細長部材９ｒにそれぞれ接続される。上部供給口１ｂを通じてチャンバ１の造形空間１ｄ内に不活性ガスが充填される。細長部材９ｒ内に供給された不活性ガスが開口部を通じて造形領域Ｒ上に排出される。
本実施形態では、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが上部供給口１ｂに送られ、不活性ガス供給装置１５からの不活性ガスが不活性ガス供給空間１７ｄ及び細長部材９ｒに送られるように構成されている。ヒュームコレクタ１９からの不活性ガス中には除去しきれなかったヒュームが残留するおそれがあるが、本実施形態の構成では、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが特に高い清純度が要求される空間（清浄空間１７ｆ及び造形領域Ｒ近傍の空間）に供給されないので、残留ヒュームの影響を最小限にすることができる。
チャンバ１からのヒューム排出系統は、図１に示すように、チャンバ１の上部排出口１ｃと、リコータヘッド１１のヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓ、及び細長部材９ｌにそれぞれ接続される。上部排出口１ｃを通じてチャンバ１の造形空間１ｄ内の、ヒュームを含む不活性ガスが排出されることによって、造形空間１ｄ内に上部供給口１ｂから上部排出口１ｃに向かう不活性ガスの流れが形成される。リコータヘッド１１のヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓは、リコータヘッド１１が造形領域Ｒ上を通過する際に造形領域Ｒで発生したヒュームを吸引することができる。また、細長部材９ｌの開口部を通じてヒュームを含む不活性ガスがチャンバ１外に排出される。ヒューム排出系統は、ダクトボックス２１を通じてヒュームコレクタ１９に接続されており、ヒュームコレクタ１９においてヒュームが取り除かれた後の不活性ガスが再利用される。
次に、上記の積層造形装置を用いた粉末焼結積層造形方法について説明する。
ここでは、図５（ａ）に示す三次元形状を有する造形物４７を積層造形によって生成する場合を例に挙げて説明を進める。
まず、図５（ｂ）〜（ｃ）に示すように、所望の三次元形状を有する造形物４７をコンピュータ上でモデル化した造形物モデル４８を所定単位高で水平面で分割して分割層４９ａ，４９ｂ，・・・４９ｆを形成する。次に、図６〜図９に示すように、材料粉体層８に対してレーザ光Ｌを照射して材料粉体を選択的に焼結させて分割層４９ａ，４９ｂ，・・・４９ｆに対応した形状を有する焼結層５０ａ，５０ｂ，・・・５０ｆを形成すると共にこれらの層を互いに融合させることによって、造形物４７を形成する。分割層４９ａ，４９ｂ，・・・４９ｆのそれぞれの輪郭形状で囲まれた領域がレーザ光Ｌを照射すべき照射領域４５ａ，４５ｂ，・・・４５ｆとなる。分割層、焼結層、及び照射領域は、それぞれ、分割層４９、焼結層５０、及び照射領域４５とも称する。
このように、造形物モデル４８の各分割層４９の輪郭形状で囲まれた照射領域４５にレーザ光Ｌを照射して照射領域４５内の材料粉体層８の材料粉体を選択的に焼結することを繰り返することによって、造形物４７が生成される。
次に、焼結層５０を形成する方法を詳細に説明する。
まず、造形テーブル５上に造形プレート７を載置した状態で造形テーブル５の高さを適切な位置に調整する。この状態で材料収容部１１ａ内に材料粉体が充填されているリコータヘッド１１を図１の矢印Ｂ方向に造形領域Ｒの左側から右側に移動させることによって、造形プレート７上に１層目の材料粉体層８を形成する。
次に、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することによって材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図７に示すように、１層目の焼結層５０ａを得る。
レーザ光Ｌは、図８に示すように、照射領域４５ａの全体に渡ってレーザ光Ｌが照射されるように設けられた走査経路４６に沿って走査されながら材料粉体層８に照射される。走査経路４６は、多数の線分ｓ１〜ｓ１４９で構成されている。各列の最初と最後の線分以外の線分の符号は、適宜省略しているが、各列の上から下に向かって順に線分の符号が付与される。例えば、右から２列目では、２１本の線分に対して、上から順に、符号ｓ１８，ｓ１９，ｓ２０，・・・，ｓ３６，ｓ３７，ｓ３８が付与される。レーザ光Ｌは、各線分に沿って、左から右に（又はその逆方向に）走査されながら材料粉体層８に対して照射されて、照射された部位にある材料粉体を焼結させる。各列にある複数の線分（ｓ１〜ｓ１７、ｓ１８〜ｓ３８など）は、互いに平行に設けられている。線分ｓ１〜ｓ１４９の多くは、同一の長さになっているが、照射領域４５ａの輪郭付近に設けられた線分の長さは、他の部分に設けられた線分よりも長く又は短くなっている。なお、図８で示した線分の構成は、一例であって、多数の線分は、必ずしも平行に並べられる必要はなく、特許文献１のように傾斜して設けられる線分があってもよい。また、長さの異なる線分が輪郭付近以外にも存在していてもよい。
従来技術では、線分の並び順に従って順にレーザ光Ｌの照射が行われていたので、線分ｓ１，線分ｓ２，線分ｓ３のような順序で、互いに平行に設けられた線分に沿って、順次、レーザ光Ｌの照射が行われていた。しかし、ある第１線分（例：線分ｓ４）に沿ってレーザ光Ｌが照射された直後に、第１線分に隣接した第２線分（例：線分ｓ５）に沿ってレーザ光Ｌが照射されると、第１線分に沿った焼結部分からの熱の影響によって、材料粉体層８が第２線分に沿って過剰に加熱されてしまって、材料の盛り上がり、スパッタの発生、材料の昇華によるヒュームに発生、組成の変化などの問題が起こる場合がある。
上記問題を解決するために、本実施形態では、第１線分に沿ってレーザ光Ｌの照射を行った後に、所定の冷却時間が経過した後に、第２線分に沿ってレーザ光Ｌの照射を行う。この冷却時間の間に第１線分に沿って焼結された部分がある程度冷却されることによって、第１線分に沿った焼結部分からの熱の影響が緩和されて、上記の問題が解決される。なお、走査経路４６を構成する多数の線分のうちの任意のものを第１線分として選択することができ、第１線分に隣接した任意の線分を第２線分として選択することができる。第２線分としては、第１線分の熱の影響を受ける任意の線分を選択することができるが、第１線分の幅方向（図８の矢印Ｗ方向）に最近接の線分が、第１線分からの熱の影響を最も受けやすいので、第１線分の幅方向に最近接の線分（例えば、第１線分が線分ｓ４の場合は、線分ｓ５）を第２線分として選択することが好ましい。
適切な冷却時間は、レーザ光Ｌの出力、走査速度、スポット径などのレーザ光照射条件に従って適宜設定されるが、例えば、第１線分に沿ったレーザ光Ｌの照射時間の１．５〜１０倍が好ましく、２〜６倍がさらに好ましい。冷却時間が短すぎると第１線分に沿った焼結部分の冷却が不十分となって上記問題が発生するので、冷却時間は、第１線分に沿ったレーザ光Ｌの照射時間の１．５倍以上が好ましい。一方、冷却時間が長すぎると、第１線分に沿った焼結部分と第２線分に沿った焼結部分の融合が不十分になって造形物内部に不完全な溶融部分が発生しやすくなってしまうという別の問題が生じやすいことが実験的に分かっているので、冷却時間は、第１線分に沿ったレーザ光Ｌの照射時間の１０倍以下が好ましい。具体的には、例えば、第１線分に沿ったレーザ光Ｌの照射時間が１０ｍｓｅｃである場合、冷却時間は、１５ｍｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃが好ましい。冷却時間は、第１線分の長さによらずに一定にしてもよく、第１線分の長さが長いほど、冷却時間を長くしてもよい。
上記の冷却時間は、高品質の造形物を生成するために必須であるが、冷却時間を長くするに従って造形物の生成に要する時間が延びてしまうという問題がある。そこで、本実施形態では、冷却時間の間に、第１線分から離れた一又は複数の線分に沿ってレーザ光Ｌの照射を行って、レーザ光Ｌの照射を行った部位の材料粉体を焼結させることによって、冷却時間が有効に活用されて、造形物の生成にかかる時間が延びることを防いでいる。レーザ光Ｌの照射位置は、上記のように、ガルバノスキャナ４３ａ，４３ｂの角度を変えることによって、即座に任意の位置に移動させることができる。冷却時間の間にレーザ光Ｌが照射される線分の数は、冷却時間の長さにもよるが例えば１〜９本であり、２〜６本がさらに好ましい。
冷却時間の間にレーザ光Ｌを照射する線分は任意に選択することが可能であるが、本実施形態では、線分の選択を体系的に行うために、走査経路４６に含まれる多数の線分ｓ１〜ｓ１４９を複数の線分群Ｇ１〜Ｇ４に区分している。線分群Ｇ１〜Ｇ４は、１つ照射領域４５ａ内の別々の領域に配置されている。各線分群には互いに隣接した複数の線分が含まれており、具体的には、線分群Ｇ１には線分ｓ１〜ｓ３８が属し、線分群Ｇ２には線分ｓ３９〜ｓ８７が属し、線分群Ｇ３には線分ｓ８８〜ｓ１３２が属し、線分群Ｇ４には線分ｓ１３３〜ｓ１４９が属している。各線分群に属する線分の数は、同一であっても異なっていてもよい。また、線分群の数は、２つ又は３つであってもよく、５つ以上であってもよい。
レーザ光Ｌは、線分群Ｇ１〜Ｇ４を順に選択して、選択された線分群に属する一の線分に沿って照射される。具体的には、線分群をＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４のような順序で選択し、選択された線分群の中での線分の優先順位に従って、選択された線分群内の一の線分が選択される。線分群Ｇ１内の線分の優先順位がｓ１，ｓ２，・・・ｓ３８、線分郡Ｇ２内の線分の優先順位がｓ３９，ｓ４９，・・・ｓ８７、線分群Ｇ３内の線分の優先順位がｓ８群８，ｓ８９，・・・ｓ１３２、線分群Ｇ４内の線分の優先順位がｓ１３３，ｓ１３４，・・・ｓ１４９である場合、レーザ光Ｌは、線分ｓ１，線分ｓ３９，線分ｓ８８，線分ｓ１３３，線分ｓ２，線分ｓ４０，線分ｓ８９，線分ｓ１３４の順序で照射される。線分ｓ１を第１線分とし、線分ｓ２を第２線分とすると、冷却時間内に線分ｓ３９，線分ｓ８８，線分ｓ１３３に沿ってレーザ光Ｌが照射されることになる。線分ｓ３９，線分ｓ８８，線分ｓ１３３は、第１線分である線分ｓ１から十分に離れているので、第１線分ｓ１に沿った焼結部分からの熱の影響を受けることがない。以上の方法によれば、冷却時間内にレーザ光Ｌを照射すべき線分を容易に選択することができる。
また、別の線分を第１線分としてもよい。例えば線分群Ｇ２に属する線分ｓ３９を第１線分とし、線分ｓ４０を第２線分とすると、冷却時間内に線分ｓ８８，線分ｓ１３３，線分ｓ２に沿ってレーザ光Ｌが照射されることになる。線分ｓ８８，線分ｓ１３３，線分ｓ２は、第１線分である線分ｓ１から十分に離れているので、第１線分ｓ１に沿った焼結部分からの熱の影響を受けることがない。このように、任意の線分群に属する線分を第１線分とすることができる。
以上の方法に従って、照射領域４５ａ内の走査経路４６を構成する全ての線分に沿ってレーザ光Ｌを照射することによって、焼結層５０ａが形成される。なお、レーザ光Ｌの照射の制御は、積層造形装置に内蔵されたプログラムが生成する制御データに基づいて行ってもよく、別途設けたコンピュータ支援製造（ＣＡＭ）システムに、レーザ光の照射を制御するための制御データを生成するプログラムを実行させることによって生成された制御データに基づいて行ってもよい。制御データとは、例えば、レーザ光Ｌの照射位置とレーザ光源４２のＯＮ／ＯＦＦを関連付けたデータである。積層造形装置は、このような制御データに基づいて、ガルバノスキャナ４３ａ，４３ｂの角度制御とレーザ光源４２のＯＮ／ＯＦＦ制御を連動させて行うことによってレーザ光Ｌの照射位置に制御して、本実施形態の粉末焼結積層造形方法を実施することが可能になる。
次に、造形テーブル５の高さを材料粉体層８の１層分下げ、リコータヘッド１１を造形領域Ｒの右側から左側に移動させることによって、焼結層５０ａ上に２層目の材料粉体層８を形成する。
次に、上記と同様の方法に従って、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することによって材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図９に示すように、２層目の焼結層５０ｂを得る。
以上の工程を繰り返すことによって、３層目の焼結層５０ｃ、４層目の焼結層５０ｄ、５層目以降の焼結層が形成される。隣接する焼結層は、互いに強く固着される。
積層造形の完了後は、粉体排出部２７を通じて未焼結の材料粉体を排出することによって、造形物を得ることができる。
２．第２実施形態
図１０を用いて、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に類似しており、複数の造形物を一度の積層造形で生成する場合の実施形態である。
造形物のサイズが小さい場合には、一度の積層造形で複数の造形物を生成する場合がある。この場合の複数の造形物は、互いに同一形状であってもよく、異なる形状であってもよい。このように複数の造形物を一度の積層造形で生成する場合、照射領域４５は、図１０に示すように、互いに離間された複数のサブ照射領域１４５で構成される。そして、走査経路４６は、複数のサブ照射領域１４５に渡って設けられる。
また、線分群Ｇ１〜Ｇ４は、別々のサブ照射領域１４５に配置される。各線分群には互いに隣接した複数の線分が含まれており、具体的には、線分群Ｇ１には線分ｓ１〜ｓ１６が属し、線分群Ｇ２には線分ｓ１７〜ｓ３２が属し、線分群Ｇ３には線分ｓ３３〜ｓ４８が属し、線分群Ｇ４には線分ｓ４９〜ｓ６４が属している。
第１実施形態と同様に、レーザ光Ｌは、線分群Ｇ１〜Ｇ４を順に選択して、選択された線分群に属する一の線分に沿って照射される。具体的には、線分群をＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４のような順序で選択し、選択された線分群の中での優先順位に従って、選択された線分群内の一の線分が選択されてレーザ光Ｌが照射される。線分群Ｇ１〜Ｇ４が互いに離間されているので、すでにレーザ光Ｌを照射した部位からの熱の影響が低減される。従って、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、適切な冷却時間を確保しつつ、造形時間の増大を防ぐことができる。
３．第３実施形態
図１１を用いて、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に類似しており、線分群の設定方法の違いが主な相違点である。以下、相違点を中心に説明する。
第１実施形態では、図８に示すように、各列の全ての線分が同じ線分群に属するように線分群を設定したが、本実施形態では、各列に属する線分を複数に区分して、別々の線分群に属するように線分群を設定している。具体的には、１列目に属する線分ｓ１〜ｓ２０を４つに区分して、線分ｓ１〜ｓ５、線分ｓ６〜１０、線分ｓ１１〜ｓ１５、線分ｓ１６〜線分ｓ２０がそれぞれ線分群Ｇ１〜Ｇ４に属するように線分群Ｇ１〜Ｇ４を設定している。また、２列目についても同様に、線分ｓ２１〜ｓ４０を４つに区分して、線分ｓ２１〜ｓ２５、線分ｓ２６〜３０、線分ｓ３１〜ｓ３５、線分ｓ３６〜線分ｓ４０がそれぞれ線分群Ｇ１〜Ｇ４に属するようにしている。
第１実施形態と同様に、レーザ光Ｌは、線分群Ｇ１〜Ｇ４を順に選択して、選択された線分群に属する一の線分に沿って照射される。具体的には、線分群をＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４のような順序で選択し、選択された線分群の中での優先順位に従って、選択された線分群内の一の線分が選択されてレーザ光Ｌが照射される。具体的には、レーザ光Ｌは、線分ｓ１，ｓ６，ｓ１１，ｓ１６，ｓ２，ｓ７，ｓ１２，ｓ１６・・・の順序で照射される。線分ｓ１（第１線分）に沿ったレーザ光照射と線分ｓ２（第２線分）に沿ったレーザ光照射の間の冷却時間内にレーザ光Ｌが照射される線分ｓ６，ｓ１１，ｓ１６は、何れも線分ｓ１から離れているので、第１線分ｓ１に沿った焼結部分からの熱の影響は十分に小さい。従って、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、適切な冷却時間を確保しつつ、造形時間の増大を防ぐことができる。
４．第４実施形態
図１２を用いて、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に類似しており、線分に沿ったレーザ光Ｌの照射の順序の違いが主な相違点である。以下、相違点を中心に説明する。
本実施形態では、照射領域４５内に設けられた走査経路４６は、線分ｓ１〜ｓ４０で構成されており、線分ｓ１〜ｓ４０は、図１２に示すように、奇数行では左から右に向かって並べられ、偶数行では右から左に向かって並べられている。そして、１回目のレーザ光照射では、太線で表された奇数番の線分に沿ってレーザ光Ｌが照射され、２回目のレーザ光照射では、点線で表された偶数番の線分に沿ってレーザ光Ｌが照射される。このような順序で照射することによって、線分ｓ１（第１線分）に沿ったレーザ光照射の後に、線分ｓ１に隣接した線分ｓ２，ｓ８に沿ってレーザ光Ｌが照射されるまでに十分な冷却時間が確保され、且つその冷却時間内に多数の線分に沿ってレーザ光Ｌが照射される。
粒径２０μｍの鉄粉を用いて厚さ２００〜２５０μｍの材料粉体層を形成し、材料粉体層に対してレーザ光を照射することにより厚さ５０μｍの焼結層を生成する工程を繰り返すことによって造形物を生成した。レーザ光の照射条件は、走査速度１４００ｍｍ／ｓ、出力３２０Ｗ、スポット径２００μｍとした。レーザ光の照射経路は、図１１に示すようにマトリックス状に配置された多数の線分で構成した。隣接する線分間のピッチは、１２０μｍとした。各線分に対するレーザ光の照射時間は、９ｍｓｅｃとした。比較例では、隣接する線分へのレーザ光照射の間の冷却時間を９ｍｓｅｃとし、冷却時間に別の線分に沿ったレーザ光照射は行わなかった。実施例では、隣接する線分へのレーザ光照射の間の冷却時間を３０ｍｓｅｃとし、冷却時間の間には、第３実施形態と同様に、線分群Ｇ１〜Ｇ４を順に選択して、選択された線分群に属する一の線分に沿ってレーザ光を照射した。従って、実施例では、冷却時間内に３つの線分に沿ってレーザ光照射を行った。実施例の条件では、比較例の条件よりも、造形物の生成にかかる時間が短かった。
実施例・比較例の条件で得られたロックウェル硬度を表１に示す。また、造形物の上面の拡大写真を図１３（ａ）〜（ｂ）に示す。この結果は、実施例のほうが比較例に対して面質が向上し、硬度がより高くなっていることを示す。また、"巣"と称される空隙がより少なく嵩密度がより高くなっていることを示す。本発明によると、金属部品または金型により適する造形を行なうことができる。
１：チャンバ、３：粉体層形成装置、５：造形テーブル、８：材料粉体層、１１：リコータヘッド、１３：レーザ光照射部、１７：ヒューム付着防止部、２６：粉体保持壁、２７：粉体排出部、２８：シューターガイド、２９：シューター、３０：バケット、３１：駆動機構、３２：粉体保持空間、３３：上部ワイパー、３４：ダストトレイ、４２：レーザ光源、４３ａ，４３ｂ：ガルバノスキャナ、４４：集光レンズ、４５：照射領域、４６：走査経路、４７：造形物、４８：造形物モデル、４９：分割層、５０：焼結層、Ｌ：レーザ光
本発明によれば、所望の三次元形状を有する造形物モデルを所定単位高で水平面で分割してなる各分割層に対応する材料粉体層を形成し、前記造形物モデルの各分割層の輪郭形状で囲まれた照射領域にレーザ光を照射して前記照射領域内の前記材料粉体層の材料粉体を選択的に焼結することを繰り返して造形物を生成する粉末焼結積層造形方法において、前記レーザ光は、前記照射領域の全体に渡って前記レーザ光が照射されるように設けられた走査経路に沿って走査されながら前記材料粉体層に照射され、前記走査経路は、多数の線分で構成され、前記多数の線分は、複数の線分群に区分され、各線分群は、互いに隣接する複数の線分と、前記走査方向に沿って複数配置された線分とを含み、前記互いに隣接する線分は、第１線分および第２線分を含み、前記レーザ光の照射は、第１線分に沿って前記レーザ光が照射された後に、第２線分に沿って前記レーザ光の照射を行う前までの間の冷却時間内に、第１線分および第２線分群が属する線分群とは別の線分群に属する線分に沿って前記レーザ光の照射を行うように制御され、前記レーザ光を照射する際に前記複数の線分群が順に選択され、選択された線分群に属する一の線分に沿って前記レーザ光が照射される、粉末焼結積層造形方法が提供される。
以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、第２線分は、第１線分の幅方向に最近接の線分である。
好ましくは、前記冷却時間は、第１線分に沿ったレーザ光照射時間の１．５〜１０倍である。
好ましくは、前記冷却時間内に前記レーザ光が照射される線分の数は、１〜９本である。
好ましくは、前記複数の線分群は、１つの照射領域内の別々の領域に配置される。
好ましくは、前記照射領域は、互いに離間された複数のサブ照射領域で構成され、前記複数の線分群は、別々のサブ照射領域に配置される。
好ましくは、前記レーザ光の照射は、隣接する前記線分に対して過剰な加熱を与えずかつ隣接する前記線分との間の融合が不十分にならない冷却時間に基づいて所定の前記線分群内の前記第１線分を照射してから前記冷却時間後に前記所定の線分群内の前記第２線分が照射されるように、前記所定の線分群から次の前記線分群へと順次各線分群の前記第１線分に沿って前記レーザ光が照射された後に、前記所定の線分群から次の線分群へと順次前記各線分群の前記第２線分に沿って前記レーザ光の照射を行うことによって前記照射領域内の全ての線分に沿って前記レーザ光が照射されるまで前記第１線分から離れた一又は複数の線分に沿って前記レーザ光の照射を行うように制御される。
また、本発明の別の観点によれば、上記記載の粉末焼結積層造形方法における前記レーザ光の照射を制御するための制御データを生成する、コンピュータ支援製造システムが提供される。
本発明によれば、所望の三次元形状を有する造形物モデルを所定単位高で水平面で分割してなる各分割層に対応する材料粉体層を形成し、前記造形物モデルの各分割層の輪郭形状で囲まれた照射領域にレーザ光を照射して前記照射領域内の前記材料粉体層の材料粉体を選択的に焼結することを繰り返して造形物を生成する粉末焼結積層造形方法において、前記レーザ光は、前記照射領域の全体に渡って前記レーザ光が照射されるように設けられた走査経路に沿って走査されながら前記材料粉体層に照射され、前記走査経路は、多数の線分で構成され、前記多数の線分は、複数の線分群に区分され、各線分群は、線分の幅の方向に設けられる複数の線分と、線分の幅の方向に直交する方向に設けられる複数の線分とを含み、前記多数の線分のうちの前記レーザ光を照射する任意のある線分を第１線分とするときに前記第１線分の熱の影響を受ける線分を第２線分として、前記レーザ光の照射は、前記第１線分に沿って前記レーザ光が照射された後に、前記第２線分に沿って前記レーザ光の照射を行う前までの間の冷却時間内に、前記第１線分が属する前記線分群とは別の線分群に属するとともに前記第２線分以外の線分に沿って前記レーザ光の照射を行うように制御され、前記レーザ光を照射する際に前記複数の線分群が順に選択され、選択された線分群に属する一の線分に沿って前記レーザ光が照射される、粉末焼結積層造形方法が提供される。

Claims (9)

  1. 所望の三次元形状を有する造形物モデルを所定単位高で水平面で分割してなる各分割層に対応する材料粉体層を形成し、前記造形物モデルの各分割層の輪郭形状で囲まれた照射領域にレーザ光を照射して前記照射領域内の前記材料粉体層の材料粉体を選択的に焼結することを繰り返して造形物を生成する粉末焼結積層造形方法において、
    前記レーザ光は、前記照射領域の全体に渡って前記レーザ光が照射されるように設けられた走査経路に沿って走査されながら前記材料粉体層に照射され、
    前記走査経路は、多数の線分で構成され、
    前記レーザ光の照射は、第１線分に沿って前記レーザ光が照射された後に、第１線分に隣接した第２線分に沿って前記レーザ光の照射を行う前までの間の冷却時間内に、第１線分から離れた一又は複数の線分に沿って前記レーザ光の照射を行うように制御される、粉末焼結積層造形方法。
  2. 第２線分は、第１線分の幅方向に最近接の線分である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記冷却時間は、第１線分に沿ったレーザ光照射時間の１．５〜１０倍である、請求項１又は請求項２に記載の方法。
  4. 前記冷却時間内に前記レーザ光が照射される線分の数は、１〜９本である、請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の方法。
  5. 前記多数の線分は、複数の線分群に区分され、各線分群は、互いに隣接した複数の線分を含み、
    第１及び第２線分は、同じ線分群に属し、
    前記冷却時間内に別の線分群に属する線分に沿って前記レーザ光の照射を行う、請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の方法。
  6. 前記レーザ光を照射する際に前記複数の線分群が順に選択され、選択された線分群に属する一の線分に沿って前記レーザ光が照射される、請求項５に記載の方法。
  7. 前記複数の線分群は、１つの照射領域内の別々の領域に配置される、請求項５又は請求項６に記載の方法。
  8. 前記照射領域は、互いに離間された複数のサブ照射領域で構成され、
    前記複数の線分群は、別々のサブ照射領域に配置される、請求項５又は請求項６に記載の方法。
  9. 請求項１〜請求項８の何れか１つに記載の粉末焼結積層造形方法における前記レーザ光の照射を制御するための制御データを生成する、コンピュータ支援製造システム。
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