JP2017159530A - 三次元物体造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元物体造形方法において、スキージの摺動速度の改善によって効率的な粉末層の形成を実現すること。【解決手段】造形室への粉末の供給工程、及び上記供給に係る粉末に対するスキージの摺動に伴う平滑化に基づく粉末層形成工程、光ビーム又は電子ビームの前記粉末層に対する照射及び当該照射の位置を移動させることによる焼結工程を順次繰り返すことによって、当該焼結層を積層する三次元物体造形方法であって、各積層単位毎における、焼結予定領域を含む内側領域１とその余の外側領域２に区分するか、又は複数個の積層単位に区分した上で、上記各複数個の積層単位毎に、スキージによる摺動領域を、上記複数個の積層単位における最大焼結領域３を含む内側領域１とその余の外側領域２とを区分した上で、スキージの摺動速度を、内側領域１の摺動速度よりも大きい状態に設定することによって上記課題を達成している三次元物体造形方法。【選択図】図３（ａ）

Description

本発明は、粉末層の形成と光ビーム又は電子ビームの照射による焼結層の形成とを順次繰り返すことによって焼結層を積層することによる三次元物体造形方法に関するものである。

上記粉末層の形成工程においては、造形室内に供給された粉末に対するスキージの摺動、即ちスキージングによる平滑化を不可欠としている。

然るに、従来技術においては、高さ方向に沿った全積層領域においてスキージの摺動速度を一律に一定としていた。

現に、特許文献１においては、粉末供給装置４０によって供給された粉末につき、造形テーブル１０におけるスキージの摺動を開示しているが（図１及び段落［００３１］）、当該摺動速度を特に変化させている訳ではない。

同様に、特許文献２においても、スキージの摺動を不可欠の工程として説明しているが（要約部分）、スキージの摺動速度を特に変化させることについては、全く言及していない。

上記特許文献１、２のような従来技術の場合には、焼結予定領域を含む内側領域と含んでいない外側領域とは、一律に同一の摺動速度に設定されているが、焼結を予定していない外側領域については、焼結予定領域を含む領域と同程度の摺動速度を設定する必要はない。

従って、上記従来技術の場合には、焼結予定領域を含まない外側領域については、不要な低速度に設定されている結果、極めて非効率的なスキージングが行われていた。

このような非効率性を克服するために、スキージの摺動を行う領域を、全高さ方向に沿って一律に焼結予定領域を含む矩形状の内側領域とその外側領域とに区分し、外側領域におけるスキージの摺動速度を、内側領域における摺動速度よりも大きく設定する改良技術を想定することができる。

しかしながら、焼結領域は、各積層単位により高さ方向に即して、順次変化する場合が多い以上、上記改良技術の場合にも、焼結予定領域に該当しない広範な矩形状の内側領域においてスキージの摺動速度を小さく設定することによって、非効率的なスキージの摺動が行われるという非効率性を免れることができない。

特開２０１５−１９９１９７号公報 再表２０１２−１６０８１１号公報

本発明は、三次元物体造形方法において、スキージの摺動速度の改善によって効率的な粉末層の形成を実現することを課題としている。

上記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
（１）造形室への粉末の供給及び上記供給に係る粉末に対するスキージの摺動に伴う平滑化に基づく粉末層形成工程、光ビーム又は電子ビームの前記粉末層に対する照射及び当該照射の位置を移動させることによる焼結工程を順次繰り返すことによって、焼結層を積層する三次元物体造形方法であって、各積層単位毎に、スキージが摺動する領域につき、焼結予定領域を含む内側領域と、上記焼結予定領域を含んでいない外側領域とに区分し、上記外側におけるスキージの摺動速度を、上記内側領域における摺動速度よりも大きい状態に設定している三次元物体造形方法、
（２）造形室への粉末の供給及び上記供給に係る粉末に対するスキージの摺動に伴う平滑化に基づく粉末層形成工程、光ビーム又は電子ビームの前記粉末層に対する照射及び当該照射の位置を移動させることによる焼結工程を順次繰り返すことによって、焼結層を積層する三次元物体造形方法であって、造形領域を高さ方向に沿って複数個の積層単位に区分した上で、上記複数個の積層単位の各積層において予定している焼結領域の全てを重畳することによって形成された最大焼結予定領域を基準として、上記各複数個の積層単位毎に、上記最大焼結予定領域を含む内側領域と、上記最大焼結予定領域を含んでいない外側領域とに区分し、上記外側の領域におけるスキージの摺動速度を、上記内側領域の摺動速度よりも大きい状態に設定している三次元物体造形方法、
からなる。

基本構成（１）及び同（２）においては、高さ方向に沿って、各積層単位毎の焼結領域（基本構成（１）の場合）、又は区分された各複数個の積層単位において各積層単位の焼結領域を重畳することによって形成される最大焼結予定領域（基本構成（２）の場合）を含む内側領域と、上記各焼結予定領域を含んでいない外側領域とを区分した結果、高さ方向に応じて、上記内側領域及び外側領域を順次変化させることによって、広範な外側領域を設定し、かつ内側領域においては、正確な平坦形状を実現するために必要な低速度にてスキージを摺動させ、外側領域においては、ラフな平坦状態とするため、相当の高速度にてスキージを摺動させることができる。

その結果、効率的なスキージの摺動、即ちスキージングを実現することができる。

各積層単位毎に、内側領域と外側領域とを区分している基本構成（１）は、複数個の積層単位毎に、内側領域と外側領域とを区分している基本構成（２）に比し、より効率的なスキージングを確保することができる。

しかしながら、三次元造形物の高さ方向の変化が緩慢な場合には、基本構成（２）の方法は、高さ方向に沿った内側領域と外側領域との区分が比較的シンプルでありながら、基本構成（１）に準ずる程度の効率的なスキージングを実現することができる。

基本構成（１）及び同（２）にそれぞれ立脚している実施例１の特徴点を示す平面図である。尚、Ｏは、焼結領域又は最大焼結領域の中心位置を示す。 基本構成（１）及び同（２）にそれぞれ立脚している実施例２の特徴点を示す平面図である。尚、Ｏは、焼結領域又は最大焼結領域の中心位置を示す。 基本構成（１）のプロセスを示すフローチャートである。 基本構成（２）のプロセスを示すフローチャートである。

基本構成（１）は、図３（ａ）のフローチャートに示すように、プログラムによって、予め各積層単位毎に、焼結予定領域を含むような内側領域１と、当該焼結予定領域を含まない外側領域２とに区分した上で、粉末の供給、スキージによる摺動、焼結を順次繰り返すことによって、三次元造形に必要な積層を実現し、その際、スキージの摺動速度につき、上記外側領域２の速度を、上記内側領域１の場合よりも大きく設定している。

基本構成（２）は、図３（ｂ）のフローチャートに示すように、プログラムによって、予め高さ方向に沿って複数個の積層単位による区分を行い、かつ当該区分に基づく複数個の積層単位における各積層単位において予定している焼結領域３の全てを重畳することによって形成され、最大焼結予定領域を基準として、上記各複数個の積層単位毎に、上記最大焼結予定領域を含む内側領域１と当該最大焼結予定領域を含まない外側領域２とに区分した上で、粉末の供給、スキージの摺動、各焼結を順次繰り返すことによって三次元造形に必要な積層を実現し、その際、スキージの摺動速度につき、上記外側領域２の速度を、上記内側領域１の場合よりも大きく設定している。

このように、上記内側領域１と上記外側領域２との区分、更には、異なる速度の設定によって、基本構成（１）及び同（２）は、前記のような発明の効果を発揮することができる。

基本構成（１）及び同（２）における内側領域１の形状は特定している訳ではない。

したがって、従来技術の場合と同様に、矩形を採用することが可能であり、円形も採用可能である。

矩形領域の場合には、スキージの往復に基づく摺動の範囲が画一的であって、区分がシンプルであるというメリットが存在する。

これに対し、円形の場合には、内側領域１を矩形の場合に比しコンパクトに設定することによって、外側領域２をより広範とすることができ、更に効率的なスキージングを可能とするというメリットが存在する。

以下、実施例に即して説明する。

実施例１は、図１に示すように、基本構成（１）において、内側領域１と外側領域２との境界の各位置が、焼結予定領域の外側周囲の各位置に対し、前記焼結予定領域の中心位置と、当該外側周囲の各位置とを結ぶラインの方向に沿って、所定の距離ａだけ長い状態にあることを特徴とすると共に、
基本構成（２）において、内側領域１と外側領域２との境界の各位置が、最大焼結予定領域の外側周囲の各位置に対し、前記最大焼結予定領域の中心位置と、当該外側周囲の各位置とを結ぶラインの方向に沿って、所定の距離ａだけ長い状態にあることを特徴としている。

このような実施例１の場合には、上記各中心位置から上記各ラインの方向に沿って、内側領域１を、上記外側周囲の各位置よりも所定幅ａだけ焼結領域３よりも長い距離を設定することによって、上記円形の内側領域１の場合に比し、更にコンパクトな内側領域１を設定することが可能となり、より一層効率的なスキージングを実現することができる。

尚、図１に示すような、ａだけ長い距離については、予めＣＡＤによって焼結領域３の外側周囲の位置を設定した上で、ＣＡＭによって算定することができる。

実施例２は、図２に示すように、基本構成（１）において、各積層単位毎に、焼結予定領域と内側領域１とが一致していることを特徴とすると共に、
基本構成（２）において、各複数個の積層単位毎に、最大焼結予定領域と内側領域１とが一致していることを特徴としている。

このように、焼結領域又は上記最大焼結領域３と内側領域１とが一致している実施例２においては、焼結領域３以外の領域が全て外側領域２であることから、実施例１よりも更に効率的なスキージングを実現することができる。

但し、実際の三次元物体の形状は、焼結領域３よりも外側からの切削を必要としていることから、各積層単位における焼結領域３（基本構成（１）の場合）、及び区分された各複数個の積層単位における最大焼結領域３（基本構成（２）の場合）については、本来の造形の領域よりも、所定の広い領域に設定することを必要としている。

このように、本発明は効率的なスキージングを実現し、ひいては、効率的な三次元物体の造形を確保し得ることから、三次元造形の技術分野において広範な利用に資することができる。

１ 内側領域
２ 外側領域
３ 焼結領域又は最大焼結領域

本発明は、粉末層の形成と光ビーム又は電子ビームの照射による焼結層の形成とを順次繰り返すことによって焼結層を積層することによる三次元物体造形方法に関するものである。

上記粉末層の形成工程においては、造形室内に供給された粉末に対するスキージの摺動、即ちスキージングによる平滑化を不可欠としている。

然るに、従来技術においては、高さ方向に沿った全積層領域においてスキージの摺動速度を一律に一定としていた。

現に、特許文献１においては、粉末供給装置４０によって供給された粉末につき、造形テーブル１０におけるスキージの摺動を開示しているが（図１及び段落［００３１］）、当該摺動速度を特に変化させている訳ではない。

同様に、特許文献２においても、スキージの摺動を不可欠の工程として説明しているが（要約部分）、スキージの摺動速度を特に変化させることについては、全く言及していない。

上記特許文献１、２のような従来技術の場合には、焼結予定領域を含む内側領域と含んでいない外側領域とは、一律に同一の摺動速度に設定されているが、焼結を予定していない外側領域については、焼結予定領域を含む領域と同程度の摺動速度を設定する必要はない。

従って、上記従来技術の場合には、焼結予定領域を含まない外側領域については、不要な低速度に設定されている結果、極めて非効率的なスキージングが行われていた。

このような非効率性を克服するために、スキージの摺動を行う領域を、全高さ方向に沿って一律に焼結予定領域を含む矩形状の内側領域とその外側領域とに区分し、外側領域におけるスキージの摺動速度を、内側領域における摺動速度よりも大きく設定する改良技術を想定することができる。

しかしながら、焼結領域は、各積層単位により高さ方向に即して、順次変化する場合が多い以上、上記改良技術の場合にも、焼結予定領域に該当しない広範な矩形状の内側領域においてスキージの摺動速度を小さく設定することによって、非効率的なスキージの摺動が行われるという非効率性を免れることができない。

特開２０１５−１９９１９７号公報 再表２０１２−１６０８１１号公報

本発明は、三次元物体造形方法において、スキージの摺動速度の改善によって効率的な粉末層の形成を実現することを課題としている。

上記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
造形室への粉末の供給及び上記供給に係る粉末に対するスキージの摺動に伴う平滑化に基づく粉末層形成工程、光ビーム又は電子ビームの前記粉末層に対する照射及び当該照射の位置を移動させることによる焼結工程を順次繰り返すことによって、焼結層を積層する三次元物体造形方法であって、造形領域を高さ方向に沿って複数個の積層単位に区分した上で、上記複数個の積層単位の各積層において予定している焼結領域の全てを重畳することによって形成された最大焼結予定領域を基準として、上記各複数個の積層単位毎に、上記最大焼結予定領域を含む内側領域と、上記最大焼結予定領域を含んでいない外側領域とに区分し、上記外側の領域におけるスキージの摺動速度を、上記内側領域の摺動速度よりも大きい状態に設定している三次元物体造形方法、
からなる。

前記基本構成においては、高さ方向に沿って区分された各複数個の積層単位において各積層単位の焼結領域を重畳することによって形成される最大焼結予定領域を含む内側領域と、上記各焼結予定領域を含んでいない外側領域とを区分した結果、高さ方向に応じて、上記内側領域及び外側領域を順次変化させることによって、広範な外側領域を設定し、かつ内側領域においては、正確な平坦形状を実現するために必要な低速度にてスキージを摺動させ、外側領域においては、ラフな平坦状態とするため、相当の高速度にてスキージを摺動させることができる。

その結果、効率的なスキージの摺動、即ちスキージングを実現することができる。

前記基本構成に立脚している実施例１の特徴点を示す平面図である。尚、Ｏは、焼結領域又は最大焼結領域の中心位置を示す。 前記基本構成に立脚している実施例２の特徴点を示す平面図である。尚、Ｏは、焼結領域又は最大焼結領域の中心位置を示す。 前記基本構成のプロセスを示すフローチャートである。

前記基本構成は、図３のフローチャートに示すように、プログラムによって、予め高さ方向に沿って複数個の積層単位による区分を行い、かつ当該区分に基づく複数個の積層単位における各積層単位において予定している焼結領域３の全てを重畳することによって形成され、最大焼結予定領域を基準として、上記各複数個の積層単位毎に、上記最大焼結予定領域を含む内側領域１と当該最大焼結予定領域を含まない外側領域２とに区分した上で、粉末の供給、スキージの摺動、各焼結を順次繰り返すことによって三次元造形に必要な積層を実現し、その際、スキージの摺動速度につき、上記外側領域２の速度を、上記内側領域１の場合よりも大きく設定している。

このように、前記基本構成においては、上記内側領域１と上記外側領域２との区分、更には、異なる速度の設定によって、前記のような発明の効果を発揮することができる。

前記基本構成における内側領域１の形状は特定している訳ではない。

したがって、従来技術の場合と同様に、矩形を採用することが可能であり、円形も採用可能である。

矩形領域の場合には、スキージの往復に基づく摺動の範囲が画一的であって、区分がシンプルであるというメリットが存在する。

これに対し、円形の場合には、内側領域１を矩形の場合に比しコンパクトに設定することによって、外側領域２をより広範とすることができ、更に効率的なスキージングを可能とするというメリットが存在する。

以下、実施例に即して説明する。

実施例１は、図１に示すように、前記基本構成において、内側領域１と外側領域２との境界の各位置が、最大焼結予定領域の外側周囲の各位置に対し、前記最大焼結予定領域の中心位置と、当該外側周囲の各位置とを結ぶラインの方向に沿って、所定の距離ａだけ長い状態にあることを特徴としている。

このような実施例１の場合には、上記各中心位置から上記各ラインの方向に沿って、内側領域１を、上記外側周囲の各位置よりも所定幅ａだけ焼結領域３よりも長い距離を設定することによって、上記円形の内側領域１の場合に比し、更にコンパクトな内側領域１を設定することが可能となり、より一層効率的なスキージングを実現することができる。

尚、図１に示すような、ａだけ長い距離については、予めＣＡＤによって焼結領域３の外側周囲の位置を設定した上で、ＣＡＭによって算定することができる。

実施例２は、図２に示すように、前記基本構成において、各複数個の積層単位毎に、最大焼結予定領域と内側領域１とが一致していることを特徴としている。

このように、焼結領域又は上記最大焼結領域３と内側領域１とが一致している実施例２においては、焼結領域３以外の領域が全て外側領域２であることから、実施例１よりも更に効率的なスキージングを実現することができる。

但し、実際の三次元物体の形状は、焼結領域３よりも外側からの切削を必要としていることから、区分された各複数個の積層単位における最大焼結領域３については、本来の造形の領域よりも、所定の広い領域に設定することを必要としている。

このように、本発明は効率的なスキージングを実現し、ひいては、効率的な三次元物体の造形を確保し得ることから、三次元造形の技術分野において広範な利用に資することができる。

１ 内側領域
２ 外側領域
３ 焼結領域又は最大焼結領域

Claims (8)

1. 造形室への粉末の供給及び上記供給に係る粉末に対するスキージの摺動に伴う平滑化に基づく粉末層形成工程、光ビーム又は電子ビームの前記粉末層に対する照射及び当該照射の位置を移動させることによる焼結工程を順次繰り返すことによって、焼結層を積層する三次元物体造形方法であって、各積層単位毎に、スキージが摺動する領域につき、焼結予定領域を含む内側領域と、上記焼結予定領域を含んでいない外側領域とに区分し、上記外側におけるスキージの摺動速度を、上記内側領域における摺動速度よりも大きい状態に設定している三次元物体造形方法。
2. 造形室への粉末の供給及び上記供給に係る粉末に対するスキージの摺動に伴う平滑化に基づく粉末層形成工程、光ビーム又は電子ビームの前記粉末層に対する照射及び当該照射の位置を移動させることによる焼結工程を順次繰り返すことによって、焼結層を積層する三次元物体造形方法であって、造形領域を高さ方向に沿って複数個の積層単位に区分した上で、上記複数個の積層単位の各積層において予定している焼結領域の全てを重畳することによって形成された最大焼結予定領域を基準として、上記各複数個の積層単位毎に、上記最大焼結予定領域を含む内側領域と、上記最大焼結予定領域を含んでいない外側領域とに区分し、上記外側の領域におけるスキージの摺動速度を、上記内側領域の摺動速度よりも大きい状態に設定している三次元物体造形方法。
3. 内側領域の形状が矩形であることを特徴とする請求項１、２の何れか一項に記載の三次元物体造形方法。
4. 内側領域の形状が円形であることを特徴とする請求項１、２の何れか一項に記載の三次元物体造形方法。
5. 内側領域と外側領域との境界の各位置が、焼結予定領域の外側周囲の各位置に対し、前記焼結予定領域の中心位置と、当該外側周囲の各位置とを結ぶラインの方向に沿って、所定の距離だけ長い状態にあることを特徴とする請求項１記載の三次元物体造形方法。
6. 内側領域と外側領域との境界の各位置が、最大焼結予定領域の外側周囲の各位置に対し、前記最大焼結予定領域の中心位置と、当該外側周囲の各位置とを結ぶラインの方向に沿って、所定の距離だけ長い状態にあることを特徴とする請求項２記載の三次元物体造形方法。
7. 各積層単位毎に、焼結予定領域と内側領域とが一致していることを特徴とする請求項１記載の三次元物体造形方法。
8. 各複数個の積層単位毎に、最大焼結予定領域と内側領域とが一致していることを特徴とする請求項２記載の三次元物体造形方法。

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