JP2017115181A - 積層造形装置及び積層造形装置用位置ずれ補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】材料粉体に形成された焼結痕に基づいてレーザ光の目標位置と実照射位置との位置ずれを容易に算出可能な積層造形装置を提供すること。【解決手段】所望の三次元造形物を所定厚で分割してなる複数の各分割層毎に造形テーブル５上に形成される材料粉体層８上の所定の照射領域にレーザ光Ｌを照射して焼結層を形成するとともに、前記材料粉体の所定の目標位置にレーザ光Ｌを照射して照射位置の前記材料粉体を焼結させて焼結痕を形成するレーザ光照射部１３と、前記チャンバ１内を移動可能な切削工具を有する切削装置５０と、前記焼結痕を撮像する撮像部と、前記目標位置と前記焼結痕に基づく実照射位置とを比較して位置ずれを算出する算出手段と、前記位置ずれに基づいて前記レーザ光照射部１３の座標であるレーザ光座標と前記切削工具の座標である主軸座標とを整合するように補正する補正手段と、を備える積層造形装置が提供される。【選択図】図１

Description

この発明は、積層造形装置及び積層造形装置用位置ずれ補正方法に関する。

レーザ光による金属の積層造形法では、不活性ガスが充満された密閉されたチャンバ内において、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ことを繰り返すことによって、複数の焼結層を積層して一体となる焼結体からなる所望の三次元形状を造形する。また、好ましくは水平鉛直に移動可能なエンドミル等の回転切削工具を用いて、造形物の造形途中に、材料粉体を焼結して得られた焼結体の表面や不要部分に対して機械加工を施してもよい。かかる工程の組み合わせと繰り返しとを経て、所望の積層造形物が形成される。

このような積層造形を行うための積層造形装置には、数多くの熱源が存在しており、この熱源からの熱によって種々の部材に熱変位が生じる。特に、材料粉体層の所定の位置にレーザ光を照射するレーザ光照射部は、回転切削工具を含む切削装置に比して造形テーブル上の材料粉体層と離れた位置に設けられるため、熱変位による位置ずれの影響を受けやすい。そのため、積層造形の精度を維持するために、定期的にレーザ光照射部の座標であるレーザ光座標と切削工具の座標である主軸座標とを整合するように補正することが望ましい。

特許文献１では、レーザ光照射位置の座標（当該文献における光ビーム座標系）と加工ヘッドの座標（当該文献における切削座標系）とを一致させるために、まず事前に造形テーブル上に専用の較正板を配置し、較正板の予め定められた位置に両者によるマーク（焼結痕及び切削痕）をそれぞれ施し、当該マークの位置を比較することにより位置ずれを算出している。また、当該位置ずれに基づいて光ビーム座標系を補正している。

特許第３５８７２０８号公報

ところが特許文献１の方法は、位置ずれの算出の度に、専用に用意された較正板とその上に施された、それぞれ切削手段と光ビーム照射手段による２種類のマークとを必要とする。また、特許文献１の方法では、較正板の取り付け、取り外しのためにチャンバを開放する必要があり、このとき外部空気が流入する。そのため、造形途中に位置ずれの算出を行う場合は、造形再開時にチャンバ内に不活性ガスを再充填しなければならず再開までに時間がかかる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、材料粉体に形成された焼結痕に基づいてレーザ光の目標位置と実照射位置との位置ずれを容易に算出可能な積層造形装置を提供するものである。

本発明によれば、所要の造形領域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と、前記チャンバ内において上下方向に制御可能に構成される造形テーブルと、所望の三次元造形物を所定厚で分割してなる複数の各分割層毎に前記造形テーブル上に形成される材料粉体層上の所定の照射領域にレーザ光を照射して焼結層を形成するとともに、前記材料粉体の所定の目標位置にレーザ光を照射して照射位置の前記材料粉体を焼結させて焼結痕を形成するレーザ光照射部と、前記チャンバ内を移動可能な切削工具を有する切削装置と、前記焼結痕を撮像する撮像部と、前記目標位置と前記焼結痕に基づく実照射位置とを比較して位置ずれを算出する算出手段と、前記位置ずれに基づいて前記レーザ光照射部の座標であるレーザ光座標と前記切削工具の座標である主軸座標とを整合するように補正する補正手段と、を備える積層造形装置が提供される。

本発明の他の側面によれば、造形テーブルに材料粉体を敷布する敷布工程と、所定の目標位置にレーザ光を照射することで前記材料粉体を焼結して焼結痕を形成する形成工程と、前記焼結痕を撮像する撮像工程と、前記目標位置と前記焼結痕に基づく実照射位置とを比較して位置ずれを算出する算出工程と、前記位置ずれに基づいてレーザ光照射部の座標であるレーザ光座標と切削工具の座標である主軸座標とを整合するように補正する補正工程と、を備える積層造形装置用位置ずれ補正方法が提供される。

本発明では、所定の目標位置を入力してレーザ光を照射することで材料粉体に焼結痕を形成し、焼結痕を撮像し、目標位置と焼結痕に基づく実照射位置とを比較することで位置ずれが算出される。すなわち、専用に用意された較正板等を用いずに、容易に位置ずれの算出及びその補正が可能となる。

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、前記撮像部は、前記切削工具と同一の駆動機構に配置される。
好ましくは、前記切削工具は前記焼結痕に切削痕を形成し、前記撮像部は前記切削痕を撮像することで前記撮像部の座標である撮像系座標と前記主軸座標とを対応付ける。
好ましくは、前記位置ずれが所定の閾値以上又は当該閾値を超えるとき、前記補正手段は前記レーザ光照射部を補正する。
好ましくは、前記位置ずれが所定の閾値以上又は当該閾値を超えるとき、積層造形物の造形を中止する。
好ましくは、前記レーザ光照射部は、少なくとも２箇所の前記焼結痕を形成し、前記撮像部は、少なくとも２箇所の当該焼結痕を撮像する。
好ましくは、前記レーザ光照射部は、前記焼結層と前記焼結痕とが互いに固着しない領域内の前記材料粉体に前記レーザ光を照射することで前記焼結痕を形成する。
好ましくは、前記造形テーブルには前記造形テーブルの表面に比して面積の小さい造形プレートが配置され、前記レーザ光照射部は、前記造形テーブル上で前記造形プレートが配置されていないマージン領域内の前記材料粉体に焼結痕を形成する。
好ましくは、前記撮像工程に使用する撮像部と前記切削工具とが同一の駆動機構に配置される。
好ましくは、前記切削工具を用いて前記焼結痕に切削痕を形成し、前記撮像工程において、前記切削痕を撮像することで撮像部の座標である撮像系座標と前記切削工具の座標である主軸座標とを対応付ける。
好ましくは、前記補正工程では、前記位置ずれが所定の閾値以上又は当該閾値を超えるとき、前記レーザ光照射部を補正する。
好ましくは、前記補正工程では、前記位置ずれが所定の閾値以上又は当該閾値を超えるとき、積層造形物の造形を中止する。
好ましくは、前記形成工程では、少なくとも２箇所の前記焼結痕を形成し、少なくとも２箇所の当該焼結痕を撮像する。
好ましくは、前記形成工程では、前記材料粉体が焼結されることにより形成される焼結層と前記焼結痕とが互いに固着しない領域内に前記焼結痕を形成する。
好ましくは、前記形成工程では、前記造形テーブル上で造形プレートが配置されていないマージン領域内の前記材料粉体に焼結痕を形成する。

本発明の一実施形態に係る積層造形装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る粉体層形成装置３及びレーザ光照射部１３の斜視図である。 本発明の一実施形態に係るリコータヘッド１１の斜視図である。 本発明の一実施形態に係るリコータヘッド１１の別の角度から見た斜視図である。 本発明の一実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の一実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の一実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の一実施形態に係る積層造形装置を用いた補正方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る積層造形装置を用いた補正方法の説明図である。

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。
図１〜図２に示すように、本発明の一実施形態に係る積層造形装置は、チャンバ１とレーザ光照射部１３とを有する。

チャンバ１は積層造形物を形成する造形室１ｄを有する前チャンバと、回転切削工具が装着されるスピンドルヘッド６０を造形室１ｄの任意の位置に移動させるための加工ヘッド駆動機構の大部分が収容される駆動室を有する後チャンバとからなる。造形室１ｄと駆動室は伸縮可能な蛇腹で仕切られるが、造形室１ｄと駆動室の間には不活性ガスが通過できるようわずかな隙間である連通部が設けられている。なお、図１は前チャンバを正面から図示しており、後チャンバは図示省略されている。チャンバ１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には、内部に粉体層形成装置３が設けられ、上面部にヒューム拡散装置１７が設けられる。
粉体層形成装置３は、ベース台４とリコータヘッド１１と細長部材９ｒ、９ｌとを有する。

ベース台４は、積層造形物が形成される造形領域Ｒを有する。造形領域Ｒには、造形テーブル５が設けられる。造形テーブル５は、造形テーブル駆動機構３１によって駆動されて上下方向（図１の矢印Ａ方向）に移動することができる。積層造形装置の使用時には、造形テーブル５上にその表面に比して面積の小さい造形プレート７が配置され、その上に材料粉体層８が形成される。また、所定の照射領域は、造形領域Ｒ内に存在し、所望の三次元造形物の輪郭形状で囲繞される領域とおおよそ一致する。

造形テーブル５の周りには、粉体保持壁２６が設けられる。粉体保持壁２６と造形テーブル５とによって囲まれる粉体保持空間には、未焼結の材料粉体が保持される。図１においては不図示であるが、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が設けられてもよい。かかる場合、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から排出される。排出された材料粉体は、シューターガイドによってシューターに案内され、シューターを通じてバケットに収容されることになる。

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と材料供給部１１ｂと材料排出部１１ｃとを有する。

材料収容部１１ａは材料粉体を収容する。なお、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。材料供給部１１ｂは、材料収容部１１ａの上面に設けられ、材料供給装置３２から材料収容部１１ａに供給される材料粉体の受口となる。材料排出部１１ｃは、材料収容部１１ａの底面に設けられ、材料収容部１１ａ内の材料粉体を排出する。なお、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。

また、リコータヘッド１１の両側面には、ブレード１１ｆｂ、１１ｒｂと第１供給口３３ａと第２排出口３４ｂとが設けられる。ブレード１１ｆｂ、１１ｒｂは、材料粉体を敷布する。換言するとブレード１１ｆｂ、１１ｒｂ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。第１供給口３３ａ及び第２排出口３４ｂ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）に沿ってそれぞれ設けられ、不活性ガスの供給及び排出を行う（詳細は後述）。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、ヘリウムガス等が例示される。

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）に沿って第３排出口３４ｃ及び第４排出口３４ｄがそれぞれ設けられる。第３排出口３４ｃ及び第４排出口３４ｄにより、ヒュームをより効率よく排出することができる（詳細は後述）。

切削装置５０は、加工ヘッド５７とスピンドルヘッド６０とを有する。加工ヘッド５７には、スピンドルヘッド６０と撮像部４１とが設けられ、加工ヘッド５７は、不図示の加工ヘッド駆動機構により制御可能に、スピンドルヘッド６０と撮像部４１とを所望の位置に水平鉛直方向に移動させる。すなわち、スピンドルヘッド６０に装着される回転切削工具の座標（主軸座標）と撮像部４１の座標（撮像系座標）とは互いに整合する（又は対応関係を有する）。

スピンドルヘッド６０は、不図示のエンドミル等の回転切削工具を取り付けて回転させることができるように構成されており、材料粉体を焼結して得られた焼結層の表面や不要部分に対して切削加工を行うことができる（特許請求の範囲における「機械加工」）。また回転切削工具は複数種類の回転切削工具であることが好ましく、使用する回転切削工具は不図示の自動工具交換装置によって、造形中にも交換可能である。

撮像部４１は、例えば可視光領域をダイナミックレンジとするＣＣＤカメラである。特に、レーザ光照射位置と主軸位置とを略整合させる補正処理（後述）において使用される。

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拡散装置１７が設けられる。ヒューム拡散装置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を通じて清浄室１７ｆに充満される。そして、清浄室１７ｆに充満された清浄な不活性ガスは、開口部１７ｂを通じてヒューム拡散装置１７の下方に向かって噴出される。

レーザ光照射部１３は、チャンバ１の上方に設けられる。レーザ光照射部１３は、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。具体的には、レーザ光照射部１３は、レーザ光源４２と２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂと集光レンズ４４とを有する。なお、各ガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、それぞれガルバノミラー４３ａ、４３ｂを回転させるアクチュエータを備えている。

レーザ光源４２はレーザ光Ｌを照射する。ここで、レーザ光Ｌは、材料粉体を焼結可能なレーザであって、例えば、ＣＯ_２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ等である。

２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、レーザ光源４２より出力されたレーザ光Ｌを制御可能に２次元走査する。特にガルバノミラー４３ａは、レーザ光Ｌを矢印Ｂ方向（Ｘ軸方向）に走査し、ガルバノミラー４３ｂは、レーザ光Ｌを矢印Ｃ方向（Ｙ軸方向）に走査する。ガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、それぞれ、不図示の制御装置から入力される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。かかる特徴により、ガルバノミラー４３ａ、４３ｂの各アクチュエータ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を照射することができる。

集光レンズ４４は、例えばｆθレンズであり、レーザ光源４２より出力されたレーザ光Ｌを集光する。なお、集光レンズ４４は、レーザ光Ｌに沿ってレーザ光源４２とガルバノミラー４３ａ、４３ｂとの間に位置するように配置されていてもよい。

ガルバノミラー４３ａ、４３ｂ及び集光レンズ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。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。

次に、不活性ガス給排系統について説明する。不活性ガス給排系統は、ヒューム拡散装置１７と、不活性ガス供給装置１５と、ヒュームコレクタ１９と、ダクトボックス２１、２３とを含む。不活性ガス給排系統では、チャンバ１が常時所定濃度以上の不活性ガスで充満されているように不活性ガスを供給するとともに、レーザ光Ｌの照射によって発生したヒュームによって汚染された不活性ガスをチャンバ１の外に排出する。

不活性ガス給排系統は、チャンバ１に設けられる複数の不活性ガスの供給口及び排出口と、各供給口及び各排出口と不活性ガス供給装置１５及びヒュームコレクタ１９とを接続する配管を含む。本実施形態の供給口は、第１供給口３３ａと、第２供給口３３ｂと、副供給口３３ｅと、ヒューム拡散装置供給口３３ｄと、駆動室供給口（不図示）とからなる。本実施形態の排出口は、第１排出口３４ａと、第２排出口３４ｂと、第３排出口３４ｃと、第４排出口３４ｄと、副排出口３４ｅとからなる。

第１供給口３３ａは、第１排出口３４ａの設置位置に対応して第１排出口３４ａに対面するように設けられる。望ましくは、第１供給口３３ａは、リコータヘッド１１が材料供給装置３２の設置位置に対して所定の照射領域を挟んで反対側に位置しているときに第１排出口３４ａと対面するように、矢印Ｃ方向に沿ってリコータヘッド１１の片面に設けられる。

第１排出口３４ａは、チャンバ１の側板に第１供給口３３ａに対面するように所定の照射領域から所定距離離れて設けられる。また、第１排出口３４ａに接続するように吸引装置３５が設けられる。吸引装置３５は、レーザ光Ｌの照射経路からヒュームを効率よく排除することを助ける。また、吸引装置３５によって、第１排出口３４ａにおいて、より多くの量のヒュームを排出することができ、造形室１ｄ内にヒュームが拡散しにくくなる。

第２供給口３３ｂは、ベース台４の端上に所定の照射領域を間に置いて第１排出口３４ａに対面するように設けられる。第２供給口３３ｂは、リコータヘッド１１が所定の照射領域を通過して第１供給口３３ａが所定の照射領域を間に置かずに第１排出口３４ａに直面する位置にあるとき、第１供給口３３ａから第２供給口３３ｂに選択的に切り換えられて開放される。そのため、第２供給口３３ｂは、第１供給口３３ａから供給される不活性ガスと同じ所定の圧力と流量の不活性ガスを第１排出口３４ａに向けて供給するので、常に同じ方向に不活性ガスの流れを作り出し、安定した焼結を行なえる点で有利である。

第２排出口３４ｂは、リコータヘッド１１の第１供給口３３ａが設けられている片面に対して反対側の側面に、矢印Ｃ方向に沿って設けられる。第１供給口３３ａから不活性ガスを供給できないとき、換言すれば、第２供給口３３ｂから不活性ガスを供給するときに、所定の照射領域のより近くで不活性ガスの流れを作り出していくらかのヒュームを排出するので、ヒュームをより効率よくレーザ光Ｌの照射経路から排除することができる。

不活性ガス給排系統の不活性ガスの最大供給量を超えない範囲で、細長部材９ｒ、９ｌにそれぞれ第３排出口３４ｃ及び第４排出口３４ｄが矢印Ｂ方向に沿って設けられる。所定の照射領域がより広く造形領域Ｒの前側又は奥側の端にレーザ光Ｌの照射スポットがある場合は、第１供給口３３ａ又は第２供給口３３ｂから第１排出口３４ａまでの間に形成される不活性ガスの流れにヒュームが乗り切れずに漂流するおそれがある。第３排出口３４ｃ及び第４排出口３４ｄにより、ヒュームをより効率よく排出することができる。

また、本実施形態の不活性ガス給排系統は、第１排出口３４ａに対面するようにチャンバ１の側板に設けられヒュームコレクタ１９から送給されるヒュームが除去された清浄な不活性ガスを造形室１ｄに供給する副供給口３３ｅと、チャンバ１の上面に設けられヒューム拡散装置１７へ不活性ガスを供給するヒューム拡散装置供給口３３ｄと、チャンバ１の後チャンバに設けられ駆動室（不図示）へ不活性ガスを供給する不図示の駆動室供給口と、第１排出口３４ａの上側に設けられチャンバ１の上側に残留するヒュームを多く含む不活性ガスを排出する副排出口３４ｅとを備える。

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拡散装置１７が設けられる。ヒューム拡散装置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、ヒューム拡散装置供給口３３ｄを通じて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を通じて清浄室１７ｆに充満される。そして、清浄室１７ｆに充満された清浄な不活性ガスは、開口部１７ｂを通じてヒューム拡散装置１７の下方に向かって噴出される。この噴出された清浄な不活性ガスは、レーザ光Ｌの照射経路に沿って流れ出てレーザ光Ｌの照射経路からヒュームを排除し、ウィンドウ１ａがヒュームによって汚れることを防止する。

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、周囲の空気から窒素ガスを取り出す膜式窒素セパレータを備える装置である。本実施形態の不活性ガス供給装置１５は、第１供給口３３ａ及び第２供給口３３ｂを通じて不活性ガスを供給する第１不活性ガス供給装置１５ａと、ヒューム拡散装置供給口３３ｄ及び不図示の駆動室供給口を通じて不活性ガスを供給する第２不活性ガス供給装置１５ｂとからなる。第１不活性ガス供給装置１５ａとしては、不活性ガスの濃度を管理可能なものが好ましい。第２不活性ガス供給装置１５ｂは、第１不活性ガス供給装置１５ａと同様の構成の装置であってもよいが、造形領域Ｒから比較的離れた位置にある供給口と接続され比較的不活性ガス濃度管理の重要性が低いので、不活性ガスの濃度を管理する機能を有していなくてもよい。ヒュームコレクタ１９は、その上流側及び下流側にそれぞれダクトボックス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清浄な不活性ガスがダクトボックス２３を通じてチャンバ１の副供給口３３ｅ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として、図１に示すように、第１不活性ガス供給装置１５ａと、第１供給口３３ａ及び第２供給口３３ｂとがそれぞれ接続され、第２不活性ガス供給装置１５ｂと、ヒューム拡散装置供給口３３ｄ及び不図示の駆動室供給口とがそれぞれ接続される。また、ヒュームコレクタ１９と副供給口３３ｅとがダクトボックス２３を通じて接続される。第１不活性ガス供給装置１５ａ及び第２不活性ガス供給装置１５ｂは、制御装置を通して制御バルブが所定量開放されることによって、所定の圧力と流量の清浄な不活性ガスをチャンバ１へそれぞれ供給する。チャンバ１内に供給された不活性ガスは、造形室１ｄと不図示の駆動室との間の連通部を通じて造形室１ｄ内に供給される。

また、本実施形態の積層造形装置においては、造形室１ｄに連通する開口に設けられる作業扉が開かれた場合は、不図示の作業扉の開閉を検出する扉検知器によって制御装置は作業扉が開いていることを検出し、第１不活性ガス供給装置１５ａを停止するが、第２不活性ガス供給装置１５ｂは、不活性ガスを供給し続けるようにされている。作業扉が開いているときは、造形室１ｄに不活性ガスを供給しても大気中に拡散してしまうので、作業扉が開いているときに造形室１ｄへの不活性ガスの供給を停止することによって、不活性ガスの無駄な供給を抑制することができる。

ヒューム排出系統として、図１に示すように、第１排出口３４ａ、第２排出口３４ｂ、第３排出口３４ｃ、第４排出口３４ｄ及び副排出口３４ｅとヒュームコレクタ１９とがダクトボックス２１を通じてそれぞれ接続される。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清浄な不活性ガスは、チャンバ１へと返送され再利用される。

（積層造形方法）
次に、図１及び図５〜図７を用いて、上記の積層造形装置を用いた積層造形方法について説明する。なお、図５〜図７では、不活性ガス給排系統は図示を省略している。

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（図５）。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５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を照射することで材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図６に示すように、積層造形物全体に対して所定厚を有する分割層である１層目の焼結層８１ｆを得る。

次に、造形テーブル５の高さを材料粉体層８の所定厚（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８１ｆ上に２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、２層目の焼結層８２ｆ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８３ｆ、４層目の焼結層８４ｆ、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。

好ましくは、焼結体の表面精度を高める等の目的で、複数層の焼結層を形成する度に、焼結層に対して、スピンドルヘッド６０に装着された回転切削工具によって切削加工を行う切削工程を実施する。

必要数の焼結層を形成した後、未焼結の材料粉体を除去することによって、造形した焼結体を得ることができる。この焼結体は、例えば樹脂成形用の金型として利用可能である。

（補正方法）
続いて、図８及び図９を用いて、レーザ光照射部１３より出力されるレーザ光Ｌの照射位置座標（レーザ光座標）とスピンドルヘッド６０に装着された回転切削工具の座標（主軸座標）との補正方法（特許請求の範囲における「積層造形装置用位置ずれ補正方法」）について説明する。当該補正は、１層目の焼結層の造形を開始する前に行ってもよいし、造形途中に行ってもよい。
以下、図８の各ステップごとに説明する。

（ステップＳ１）
まず、焼結痕の形成に適したレーザ照射条件が設定される。レーザ照射条件は、例えばレーザの強度、スポット径、照射位置等である。ここでは、第１の目標位置と第２の目標位置とを照射位置とする。また図９に示すように、第１の目標位置と第２の目標位置とは、それぞれ造形テーブル５上であって造形プレート７の外側に位置する領域（マージン領域）にあるものとする。かかるマージン領域は所定の積層造形物を形成する造形工程において所望の積層造形物の形状に関わらず常に当該積層造形物が形成されない領域である。そのため、マージン領域内に第１の目標位置と第２の目標位置を設定するようにすれば、造形物の形状を考慮して各目標位置を設定する必要がなく好適である。

（ステップＳ２）
第１の目標位置に対応する回転制御信号がガルバノミラー４３ａ、４３ｂにそれぞれ入力される。ガルバノミラー４３ａ、４３ｂはそれぞれ所定の角度を向く。図９に示すように、レーザ光源からレーザ光Ｌが出力されガルバノミラー４３ａ、４３ｂを介して、第１の目標位置に対応する所定の位置（実照射位置）に照射される。かかる領域は材料粉体で覆われており、材料粉体の一部が焼結し第１の焼結痕が形成される。

（ステップＳ３）
第２の目標位置に対応する回転制御信号がガルバノミラー４３ａ、４３ｂにそれぞれ入力される。ガルバノミラー４３ａ、４３ｂはそれぞれ所定の角度を向く。図９に示すように、レーザ光源からレーザ光Ｌが出力されガルバノミラー４３ａ、４３ｂを介して、第２の目標位置に対応する所定の位置（実照射位置）に照射される。かかる領域は材料粉体で覆われており、材料粉体の一部が焼結し第２の焼結痕が形成される。

（ステップＳ４）
撮像部４１がステップＳ２及びステップＳ３において形成された第１の焼結痕及び第２の焼結痕を撮像する。

（ステップＳ５ａ）
所定の算出手段によってステップＳ４において撮像された第１の焼結痕及び第２の焼結痕を含む画像から、第１の目標位置に対応する実照射位置及び第２の目標位置に対応する実照射位置が算出される。実照射位置は、焼結痕における所定の特徴点として算出されることが好ましい。つまり焼結痕のスポット形状が略円であれば、実照射位置は当該略円の略中心位置である。一方でレーザ光Ｌを走査して焼結痕の軌跡がリング状、クロス状等となるようにしてもよい。かかる場合実照射位置は、例えばクロスの略交点位置やリングの略中心位置である。

続いて算出手段は、第１の目標位置と第１の照射位置との誤差Δ１及び第２の目標位置と第２の照射位置との誤差Δ２を算出する。なお、所定の算出手段とは、例えばガルバノミラー４３ａ、４３ｂを制御する不図示の制御装置、制御回路等であることが好ましい。

（ステップＳ５ｂ）
さらに算出手段は、誤差Δ１と所定の閾値Ｔ１と比較し、誤差Δ２と所定の閾値Ｔ２とを比較する。本実施形態においては、
Δ１＞Ｔ１及びΔ２＞Ｔ２
のうち少なくとも一方を満たすとき、下記ステップＳ６に進む。満たさない場合は処理を終了する。

（ステップＳ６）
入力される目標位置とレーザ光Ｌの照射位置とが整合するように、所定の補正手段はレーザ光Ｌの照射位置を補正する。具体的には、並進ずれ及び回転ずれの両成分を補正することができる。つまり、上記Δ１及びΔ２は、いずれもＸ方向の並進ずれΔｘ、Ｙ方向の並進ずれΔｙ及び回転ずれΔθに起因する。任意の目標位置の列ベクトルをｐ＝^Ｔ（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）とし、かかる目標位置に対応する実照射位置の列ベクトルをｑ＝^Ｔ（ｘ_ｑ，ｙ_ｑ）とすると、これらは
ｐ＝Ａ_Ｒｑ＋ｄ （１）

と表せる。ただしＡ_Ｒは−Δθを回転角とする２次元回転行列であり、ｄは並進ずれを成分とする列ベクトル（ｄ＝^Ｔ（Δｘ，Δｙ））である。すなわち、Δ１及びΔ２からＡ_Ｒ及びｄを算出し、式（１）に示す補正をすることで実照射位置を目標位置と略一致させることができる。換言すると、レーザ光座標と撮像系座標とが略整合される。さらにこの結果、レーザ光座標と既に撮像系座標と対応関係を有する主軸座標とが略整合される。なお、所定の補正手段とは、例えばガルバノミラー４３ａ、４３ｂを制御する不図示の制御装置、制御回路等であることが好ましい。

本発明は、以下の態様でも実施可能である。
第１に、上記実施形態では回転ずれの補正のために、照射位置を２箇所としたが、３箇所以上の照射位置を有するように実施してもよい。回転ずれを補正しない場合、１箇所の照射位置を有するように実施してもよい。
第２に、上記実施形態ではレーザ光Ｌの走査手段として一対のガルバノミラー４３ａ、４３ｂを用いたが、レーザ光Ｌは別の手段によって走査させてもよい。
第３に、上記実施形態では撮像部４１を加工ヘッド５７に配置したが、加工ヘッド駆動機構上の加工ヘッド５７以外の場所に設けてもよいし、焼結痕を撮像可能な範囲で加工ヘッド駆動機構上ではない場所に設けても良い。前者の場合、撮像部４１と加工ヘッド５７が同一の駆動機構上に配置されるので、上記実施形態と同様に撮像系座標と主軸座標とが構造上対応関係をもつ。後者の場合、所望の積層造形物とは別体の焼結体（較正用焼結体）を、例えば造形プレート７の端部分等に形成し、上記レーザ光照射部の補正時又は直前に、較正用焼結体に対して回転切削工具で切削痕を形成して撮像部４１で撮像することで、撮像系座標と主軸座標とを対応付けしてもよい。また、切削痕を形成する位置にレーザ光による焼結痕を形成することで、レーザ光座標と主軸座標とを略整合させることができる。
第４に、上記ステップＳ５ｂにおける条件を、
Δ１≧Ｔ１及びΔ２≧Ｔ２
のうち少なくとも一方を満たすとき、としてもよい。
第５に、上記補正方法を積層造形物の造形途中に実施してもよい。
第６に、上記ステップＳ５ｂにおける上記補正に代えて、積層造形装置による積層造形物の形成動作そのものを中止するように実施してもよい。
第７に、上記マージン領域以外の前記焼結層と前記焼結痕とが互いに固着しない領域に焼結痕を形成するように実施してもよい。

１：チャンバ、１ａ：ウィンドウ、１ｄ：造形室、３：粉体層形成装置、４：ベース台、５：造形テーブル、７：造形プレート、８：材料粉体層、９ｌ：細長部材、９ｒ：細長部材、１１：リコータヘッド、１１ａ：材料収容部、１１ｂ：材料供給部、１１ｃ：材料排出部、１１ｆｂ、１１ｒｂ：ブレード、１３：レーザ光照射部、１５：不活性ガス供給装置、１５ａ：第１不活性ガス供給装置、１５ｂ：第２不活性ガス供給装置、１７：ヒューム拡散装置、１７ａ：筐体、１７ｂ：開口部、１７ｃ：拡散部材、１７ｄ：不活性ガス供給空間、１７ｅ：細孔、１７ｆ：清浄室、１９：ヒュームコレクタ、２１、２３：ダクトボックス、２６：粉体保持壁、３１：造形テーブル駆動機構、３２：材料供給装置、３３ａ：第１供給口、３３ｂ：第２供給口、３３ｄ：ヒューム拡散装置供給口、３３ｅ：副供給口、３４ａ：第１排出口、３４ｂ：第２排出口、３４ｃ：第３排出口、３４ｄ：第４排出口、３４ｅ：副排出口、３５：吸引装置、４２：レーザ光源、４３ａ、４３ｂ：ガルバノミラー、４４：集光レンズ、５０：切削装置、５７：加工ヘッド、６０：スピンドルヘッド、８１ｆ、８２ｆ、８３ｆ、８４ｆ：焼結層、Ｌ：レーザ光、Ｒ：造形領域。

Claims (16)

1. 所要の造形領域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と、
   前記チャンバ内において上下方向に制御可能に構成される造形テーブルと、
   所望の三次元造形物を所定厚で分割してなる複数の各分割層毎に前記造形テーブル上に形成される材料粉体層上の所定の照射領域にレーザ光を照射して焼結層を形成するとともに、前記材料粉体の所定の目標位置にレーザ光を照射して照射位置の前記材料粉体を焼結させて焼結痕を形成するレーザ光照射部と、
   前記チャンバ内を移動可能な切削工具を有する切削装置と、
   前記焼結痕を撮像する撮像部と、
   前記目標位置と前記焼結痕に基づく実照射位置とを比較して位置ずれを算出する算出手段と、
   前記位置ずれに基づいて前記レーザ光照射部の座標であるレーザ光座標と前記切削工具の座標である主軸座標とを整合するように補正する補正手段と、を備える積層造形装置。
2. 前記撮像部は、前記切削工具と同一の駆動機構に配置される、請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記切削工具は前記焼結痕に切削痕を形成し、前記撮像部は前記切削痕を撮像することで前記撮像部の座標である撮像系座標と前記主軸座標とを対応付ける、請求項１に記載の積層造形装置。
4. 前記位置ずれが所定の閾値以上又は当該閾値を超えるとき、前記補正手段は前記レーザ光照射部を補正する、請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の積層造形装置。
5. 前記位置ずれが所定の閾値以上又は当該閾値を超えるとき、積層造形物の造形を中止する、請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の積層造形装置。
6. 前記レーザ光照射部は、少なくとも２箇所の前記焼結痕を形成し、
   前記撮像部は、少なくとも２箇所の当該焼結痕を撮像する、
   請求項１〜請求項５のうち何れか１つに記載の積層造形装置。
7. 前記レーザ光照射部は、前記焼結層と前記焼結痕とが互いに固着しない領域内の前記材料粉体に前記レーザ光を照射することで前記焼結痕を形成する、請求項１〜請求項６の何れか１つに記載の積層造形装置。
8. 前記造形テーブルには前記造形テーブルの表面に比して面積の小さい造形プレートが配置され、
   前記レーザ光照射部は、前記造形テーブル上で前記造形プレートが配置されていないマージン領域内の前記材料粉体に焼結痕を形成する、請求項７に記載の積層造形装置。
9. 造形テーブルに材料粉体を敷布する敷布工程と、
   所定の目標位置にレーザ光を照射することで前記材料粉体を焼結して焼結痕を形成する形成工程と、
   前記焼結痕を撮像する撮像工程と、
   前記目標位置と前記焼結痕に基づく実照射位置とを比較して位置ずれを算出する算出工程と、
   前記位置ずれに基づいてレーザ光照射部の座標であるレーザ光座標と切削工具の座標である主軸座標とを整合するように補正する補正工程と、
   を備える積層造形装置用位置ずれ補正方法。
10. 前記撮像工程に使用する撮像部と前記切削工具とが同一の駆動機構に配置される、請求項９に記載の積層造形装置用位置ずれ補正方法。
11. 前記切削工具を用いて前記焼結痕に切削痕を形成し、前記撮像工程において、前記切削痕を撮像することで撮像部の座標である撮像系座標と前記切削工具の座標である主軸座標とを対応付ける、請求項９に記載の積層造形装置用位置ずれ補正方法。
12. 前記補正工程では、前記位置ずれが所定の閾値以上又は当該閾値を超えるとき、前記レーザ光照射部を補正する、請求項９〜請求項１１の何れか１つに記載の積層造形装置用位置ずれ補正方法。
13. 前記補正工程では、前記位置ずれが所定の閾値以上又は当該閾値を超えるとき、積層造形物の造形を中止する、請求項９〜請求項１１の何れか１つに記載の積層造形装置用位置ずれ補正方法。
14. 前記形成工程では、少なくとも２箇所の前記焼結痕を形成し、少なくとも２箇所の当該焼結痕を撮像する、請求項９〜請求項１３の何れか１つに記載の積層造形装置用位置ずれ補正方法。
15. 前記形成工程では、前記材料粉体が焼結されることにより形成される焼結層と前記焼結痕とが互いに固着しない領域内に前記焼結痕を形成する、請求項９〜請求項１４の何れか１つに記載の積層造形装置用位置ずれ補正方法。
16. 前記形成工程では、前記造形テーブル上で造形プレートが配置されていないマージン領域内の前記材料粉体に焼結痕を形成する、請求項１５に記載の積層造形装置用位置ずれ補正方法。