JP2017160482A - 三次元造形方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】焼結不良を速やかに検出することにより、欠陥三次元造形物の発生を防止し得る三次元造形方法の構成を提供すること。【解決手段】粉末層の形成工程、及びレーザービーム又は電子ビームによって前記粉末層を焼結する焼結工程とによる三次元造形方法であって、以下の作動をすることによって、上記課題を達成し得る三次元造形方法。ａ 焼結表面において発生した火花の形成領域幅の撮影及び火花による光強度の測定、ｂ 時間単位においてａの領域幅及び光強度が基準範囲内であることが検出された場合には、次の時間単位内の焼結、又は次の粉末層形成工程を継続する指令、ｃ 時間単位においてａの領域幅及び光強度が基準範囲から逸脱する状態が発生していることが検出された場合には、焼結不良が生じた旨の判断の下に、次の時間単位内の焼結、又は次の粉末層形成工程を中止する指令。【選択図】図１
Description
本発明は、粉末層の形成工程、及び当該粉末層に対するレーザービーム又は電子ビームによる焼結工程を繰り返すことに基づく三次元形状造形物の製造方法に関するものである。
上記三次元造形方法においては、
Ａ レーザービーム又は電子ビームの粉末層に対する照射に関する制御系の異常によって、供給されるビームが過剰であるか又は不足することによって、各ビームの供給が正常である場合に比し焼結表面が平坦でなく、概略規則的な凹凸状態を形成すること、
Ｂ 粉末層の形成に際し、前記Ａの凹凸状態の形成、又は切り屑が入り込むことを原因として、スキージの移動が困難と化し、均一な平坦面の実現に支障が生ずること、又は既に焼結が行われた層と新たに焼結が行われた層との溶融による接合が不完全であること等による粉末層表面の異常を原因として粉末層表面が平坦ではなく、不規則的な凹凸状態を形成すること、
に基づく焼結不良を完全に防止することが不可能な状況にある。
Ａ レーザービーム又は電子ビームの粉末層に対する照射に関する制御系の異常によって、供給されるビームが過剰であるか又は不足することによって、各ビームの供給が正常である場合に比し焼結表面が平坦でなく、概略規則的な凹凸状態を形成すること、
Ｂ 粉末層の形成に際し、前記Ａの凹凸状態の形成、又は切り屑が入り込むことを原因として、スキージの移動が困難と化し、均一な平坦面の実現に支障が生ずること、又は既に焼結が行われた層と新たに焼結が行われた層との溶融による接合が不完全であること等による粉末層表面の異常を原因として粉末層表面が平坦ではなく、不規則的な凹凸状態を形成すること、
に基づく焼結不良を完全に防止することが不可能な状況にある。
然るに、三次元造形方法においては、密閉された装置において、積層及び焼結工程が繰り返されるため、上記Ａ、Ｂの如き焼結不良が看過され、繰り返しによる全積層工程及び全焼結工程が終了した後において初めて判明するというのが偽らざる実情である。
レーザービーム又は電子ビームを粉末層表面に照射した場合には、粉末の飛散（スパッタリング）に伴って図７に示すように、火花が恒常的に発生している。
前記Ａ、Ｂの如き焼結不良が生じた場合には、火花は、正常な焼結とは異なる態様を呈することが経験則上知られている。
前記Ａ、Ｂの如き焼結不良が生じた場合には、火花は、正常な焼結とは異なる態様を呈することが経験則上知られている。
然るに、従来技術においては、焼結に際して発生する火花に着目して、焼結不良を検出するという技術的発想は全く提唱されていない。
因みに、特許文献１においては、三次元造形において粉末の飛散に伴って発生する火花については、異常な造形の原因と見做されているに過ぎない。
しかも、特許文献１以外に、各ビームの照射に際して発生する火花に着目して、当該火花を三次元造形において積極的に活用しようとしている公知技術文献は見当たらない。
因みに、特許文献１においては、三次元造形において粉末の飛散に伴って発生する火花については、異常な造形の原因と見做されているに過ぎない。
しかも、特許文献１以外に、各ビームの照射に際して発生する火花に着目して、当該火花を三次元造形において積極的に活用しようとしている公知技術文献は見当たらない。
本発明は、粉末層に対するレーザービーム又は電子ビームの照射に際し、粉末の飛散（スパッタリング）に伴って発生する火花に着目して、焼結不良を速やかに検出し、かつ当該焼結不良領域を含むことによる三次元造形物の欠陥製品の発生を防止することを可能とする三次元造形方法の構成を提供することにある。
前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、粉末層形成工程と、移動するレーザービーム又は電子ビームの照射によって前記粉末層を焼結する焼結工程との交互の繰り返しからなる積層を伴う三次元造形方法であって、前記焼結工程に際し、以下のプロセスを採用している三次元造形方法。
ａ 焼結領域の全周囲におけるレーザービーム又は電子ビームの照射を原因として粉末の飛散に伴って発生する火花の撮影、及び当該火花による光強度の測定、
ｂ 各焼結工程に必要な時間以内の時間単位において、ａによって撮影された火花の形成領域幅又は前記ａによって測定された火花による光強度が、焼結不良を生じていない状態にある上記領域幅による基準及び上記光強度による基準の各範囲を逸脱していないことが検出された場合には、次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を継続すべき旨の指令、
ｃ 各焼結工程に必要な時間以内の時間単位において、ａによって撮影された火花の形成領域幅又は前記ａによって測定された火花による光強度が、焼結不良を生じていない状態にある上記領域幅による基準又は上記光強度による基準の各範囲を逸脱していることが検出された場合には、焼結不良が発生している旨の判断の下に、次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を中止すべき旨の指令、
からなる。
ａ 焼結領域の全周囲におけるレーザービーム又は電子ビームの照射を原因として粉末の飛散に伴って発生する火花の撮影、及び当該火花による光強度の測定、
ｂ 各焼結工程に必要な時間以内の時間単位において、ａによって撮影された火花の形成領域幅又は前記ａによって測定された火花による光強度が、焼結不良を生じていない状態にある上記領域幅による基準及び上記光強度による基準の各範囲を逸脱していないことが検出された場合には、次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を継続すべき旨の指令、
ｃ 各焼結工程に必要な時間以内の時間単位において、ａによって撮影された火花の形成領域幅又は前記ａによって測定された火花による光強度が、焼結不良を生じていない状態にある上記領域幅による基準又は上記光強度による基準の各範囲を逸脱していることが検出された場合には、焼結不良が発生している旨の判断の下に、次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を中止すべき旨の指令、
からなる。
前記基本構成においては、ｃの指令を伴う焼結不良の検出によって次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を中止することが可能となり、焼結不良の発生を徒過したことによって更に積層及び焼結を行うという無駄な工程を防止し、ひいては、焼結不良領域を含むような三次元造形物としての欠陥製品の発生を避けることが可能となる。
しかも、後の実施形態において説明するように、焼結不良の原因を解明し、かつ当該原因を是正する一方、当該焼結不良が生じた全焼結領域、又は当該全領域及び既に積層された焼結領域を溶融するか、若しくは軟化することによって除去するか、又は上記各全焼結領域を、切削工具によって除去したうえで、改めて積層工程及び焼結工程を繰り返した場合には、上記焼結不良の発生にも拘らず、効率的な三次元造形物の製造を実現することができる。
前記基本構成においては、図１に示すように、コンテナ（容器）１内において積層されている粉末及び当該粉末に基づく焼結生成物を載置するテーブル２、コンテナ１に対する粉末供給用具３、給付された粉末を平坦とするためのスキージ４、レーザービーム又は電子ビーム供給源５、及びこれらのビームを移動可能とするためのスキャナ装置６、及びコントローラー１０を必要とする点においては、従来技術の場合と同様であるが、焼結領域の全周囲において、火花撮影装置８及び火花による光強度測定装置９を備えている。
火花は、焼結面において発生している以上、火花撮影装置８及び火花による光強度測定装置９は、焼結面以上の高さ領域に設置されている。
尚、光強度測定装置９は、火花による光の光度及び照度の何れをも基準とすることができる。
尚、光強度測定装置９は、火花による光の光度及び照度の何れをも基準とすることができる。
前記基本構成のｂ、ｃにおいては、上記領域幅及び上記光強度に関する評価を行うために、各焼結工程以内の時間単位を設定しているが、その根拠は、測定の都度評価を行うことは極めて煩雑でありかつ無意味であることから、効率的な評価を行うことにある。
上記時間単位は、各焼結工程の時間である場合も包摂されているが、当該時間の１／１０〜１／２のような時間をも選択して設定することができる。
前記基本構成の各プロセスは、図２のフローチャートに示す通りであって、焼結不良を生じていない状態であって、予め設定されている基準となる火花の形成領域幅及び火花による光強度の範囲内にある場合には、ｂのように、次の時間単位の焼結、又は次の粉末層形成工程を継続すべき旨の指令を行うが、焼結不良を生じている場合であって、予め設定されている基準となる火花の形成領域幅又は火花による光強度の範囲を超えている場合、即ち当該基準範囲よりも大きい場合又は小さい場合の何れにおいても、ｃのように、次の時間単位の焼結、又は次の粉末層形成工程を中止している。
焼結不良が生じていない場合である上記基準範囲は、各焼結工程において、焼結不良が生じていないことが確認された場合の火花の形成における最大幅並びに最小幅、及び光強度における光度又は照度の最大値並びに最小値に基づくデータによって予め各焼結工程毎に設定されている。
ａの測定による火花の形成領域幅及び火花による光強度が前記の基準範囲を逸脱している場合に、ｃのような中止を選択する根拠は以下の通りである。
背景技術の項Ａ記載のレーザービーム又は電子ビームの制御に関する異常が発生した場合であって、これらのビームが焼結不良を発生させないという適切な量を超えている場合には、ａの撮影による火花の形成領域幅は、所定の画像範囲を超えており、同様にａの測定による光強度は、所定の数値範囲を超えている一方、これらのビームが不足している場合には、上記領域幅は所定の画像範囲に至っておらず、かつ上記光強度は所定の数値範囲未満とならざるを得ない。
これらのビームが適切な量を超えている場合及び不足している場合の何れにおいても、焼結表面においては、正常な焼結の場合に比し、概略規則的な凹凸状態が形成される以上、上記領域幅が所定の画像範囲を逸脱し、しかも上記光強度が所定の数値範囲を逸脱している場合には、焼結不良の発生と対応しており、ｃの中止の選択が適切であることを意味している。
他方、背景技術の項Ｂ記載の粉末層表面の異常の場合には、当該異常な表面においては、不規則な凹凸状態が形成されていることによって、平面方向（実際には水平方向）における単位面積当りの粉末の表面積が増加していることから、火花の形成領域幅は、正常な粉末層表面の場合に比し、大きな画像幅を呈すると共に、火花の光強度もまた正常な粉末層表面の場合に比し、大きな数値と化し、ｃの選択が適切であることに帰する。
しかも、ｃの指令の原因となる焼結不良は、殆ど大抵の場合前記Ａ、Ｂの原因に由来している。
かくして、焼結不良が生じていない場合の火花の形成領域幅又は火花による光強度における基準範囲に基づいてｃの中止指令を発することは極めて適切であって、このような指令によって、更なる積層及び焼結の繰り返しという無意味かつ無駄な工程の発生を防止し、ひいては欠陥を伴う三次元造形物の製造を避けることができる。
焼結不良が生じていない場合の上記領域幅の画像範囲、及び上記光強度の基準となる数値範囲の設定は、以下の通りである。
三次元造形方法においては、造形対象物の種類によって適切なレーザービーム又は電子ビームの強度の範囲が特定されている。
従って、前記Ａの異常なビームの供給を原因とする凹凸状態に到らない基準については、各種類の造形対象物につき、所定の時間単位及び所定の測定位置の下に正常なレーザービーム又は電子ビームの供給量を、正常な状態から順次増加及び減少させ、適切な凹凸状態の限界に到るような供給を行い、当該限界の段階における火花７の形成領域幅及び火花７による光強度を測定することによって、上記供給量が過剰な段階に到る寸前の最大値及び不足な状態に到る寸前の最小値を予め設定することができる。
三次元造形方法においては、造形対象物の種類によって適切なレーザービーム又は電子ビームの強度の範囲が特定されている。
従って、前記Ａの異常なビームの供給を原因とする凹凸状態に到らない基準については、各種類の造形対象物につき、所定の時間単位及び所定の測定位置の下に正常なレーザービーム又は電子ビームの供給量を、正常な状態から順次増加及び減少させ、適切な凹凸状態の限界に到るような供給を行い、当該限界の段階における火花７の形成領域幅及び火花７による光強度を測定することによって、上記供給量が過剰な段階に到る寸前の最大値及び不足な状態に到る寸前の最小値を予め設定することができる。
他方、三次元造形対象物の殆どの種類において、正常、即ち平坦な粉末表面の状態は共通している。
この点を考慮し、前記Ｂの異常な凹凸状態に到らない基準については、所定の時間単位及び所定の測定位置の下に、切り屑の入り込み等を原因として、平坦面の実現に支障を生ずるようなスキージ４の移動困難な状態、又は不十分な焼結による不完全な溶融状態を設定することによって上記不規則の程度及び不完全の程度を次第に減少するという個別の実験によって、正常な平坦状態と異常な凹凸状態の境界段階を確認し、当該確認を行った段階における火花７の形成領域幅及び火花７による光強度を測定することによって、不規則な状態に到る寸前の最小値を予め設定することができる。
この点を考慮し、前記Ｂの異常な凹凸状態に到らない基準については、所定の時間単位及び所定の測定位置の下に、切り屑の入り込み等を原因として、平坦面の実現に支障を生ずるようなスキージ４の移動困難な状態、又は不十分な焼結による不完全な溶融状態を設定することによって上記不規則の程度及び不完全の程度を次第に減少するという個別の実験によって、正常な平坦状態と異常な凹凸状態の境界段階を確認し、当該確認を行った段階における火花７の形成領域幅及び火花７による光強度を測定することによって、不規則な状態に到る寸前の最小値を予め設定することができる。
上記領域幅と、上記光強度とは、殆ど大抵の場合対応関係にあり、前者が基準範囲内にある場合には、後者も同様であり、前者が基準範囲を逸脱している場合には、後者もまた同様である。
但し、極めて例外的ではあるが、このような対応関係が成立せず、前者が基準範囲内にあるにも拘らず、後者が基準範囲から逸脱している場合、又はその逆の場合が発生することを否定することができない。
このため、ｂの継続指令の場合には、双方が各基準の範囲内にあることを要件とするのに対し、ｃの中止指令の場合には、何れか一方が各基準の範囲を逸脱していることを要件としている。
尚、図２のフローチャートにおいては、ｂとｃの峻別に関し、上記領域幅及び光強度が基準範囲内にあるか否かの判断を行っているが、当該判断が「Ｎｏ」であって否定された場合には、少なくとも何れか一方が各基準の範囲を逸脱している以上、上記判断から更に何れか一方が各基準の範囲を逸脱しているか否かを判断する必要はない。
但し、極めて例外的ではあるが、このような対応関係が成立せず、前者が基準範囲内にあるにも拘らず、後者が基準範囲から逸脱している場合、又はその逆の場合が発生することを否定することができない。
このため、ｂの継続指令の場合には、双方が各基準の範囲内にあることを要件とするのに対し、ｃの中止指令の場合には、何れか一方が各基準の範囲を逸脱していることを要件としている。
尚、図２のフローチャートにおいては、ｂとｃの峻別に関し、上記領域幅及び光強度が基準範囲内にあるか否かの判断を行っているが、当該判断が「Ｎｏ」であって否定された場合には、少なくとも何れか一方が各基準の範囲を逸脱している以上、上記判断から更に何れか一方が各基準の範囲を逸脱しているか否かを判断する必要はない。
ｃの指令の原因となる焼結不良が発生した場合には、通常その原因が究明されることになる。
上記焼結不良の原因を究明するために、以下のようなプロセスによる実施形態を採用することができる。
ｄ ｃの指令の原因である焼結不良を発生した焼結部位、及びその後の時間単位内における焼結部位の火花の形成領域の撮影、
ｅ ｄにおける各火花の形成領域幅が変化していないか、又は緩慢な変化である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断を行い、
ｄにおける各火花の形成領域幅が急変している場合には、ｃの指令の原因である焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断を行うこと。
ｄ ｃの指令の原因である焼結不良を発生した焼結部位、及びその後の時間単位内における焼結部位の火花の形成領域の撮影、
ｅ ｄにおける各火花の形成領域幅が変化していないか、又は緩慢な変化である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断を行い、
ｄにおける各火花の形成領域幅が急変している場合には、ｃの指令の原因である焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断を行うこと。
ｅによる判断の根拠は、以下の通りである。
前記Ａが制御系に関する異常を原因とする焼結不良の場合には、レーザービーム又は電子ビームは、過剰であるか又は不足している状態にあるが、このような過剰状態又は不足状態が継続することから、上記領域幅は、焼結部位が異なっても、変化していない（但し、殆ど変化していないという近似的に変化していない場合をも含む。）か、又は緩慢な変化を呈しているに過ぎない。
したがって、ｄのように、ｃの指令の原因となった焼結不良の部位における上記領域幅に対し、その後の焼結部位における領域幅とは、図３（ａ）に示すように、変化しないか又は緩慢な変化を示すに過ぎない。
これに対し、前記Ｂのような粉末層表面の異常を原因とする焼結不良の場合には、当該焼結不良の部位が必ずしも連続している訳ではない一方、粉末層の凹凸状態は不規則である。
したがって、ｃの指令の原因となった焼結不良が生じている焼結部位の後に上記領域幅が撮影されている焼結部位が依然として焼結不良状態である場合には、不規則な凹凸状態が当初の焼結不良の凹凸状態とは、明らかに相違することによって、上記領域幅もまた相違する。
他方、その後の焼結部位において既に焼結不良が消失している場合には、上記領域幅はｂの基準範囲内にある以上、ｃの指令の原因に対応する当初の上記領域幅とは、明らかに相違している。
したがって、ｃの指令の原因となった焼結不良が生じている焼結部位における上記領域幅に対し、その後の焼結部位における上記領域幅は、図３（ｂ）に示すように、急変している。
このように、前記Ａの場合と前記Ｂの場合とは、上記領域幅の推移が明白に相違するが故に、スペクトル画像の変化状態も相違し、ｅのような判断が可能となる。
ｅによる判断は、ｃの指令の原因となった焼結不良に対応する上記領域幅と、その後の焼結領域に対応する上記領域幅との変化状態に対する目視によって実現することができる。
しかしながら、上記判断を自動化し、かつ当該判断を表示する場合には、所定の数値制御を必要とする。
そのためには、図４のフローチャートに示すように、ｄの各火花の形成領域幅のうち、ｃの指令の原因である焼結不良が発生している焼結部位における火花の形成領域幅と、その後の焼結部位のうち、１箇所の焼結部位における火花の形成領域幅との相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲以内である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因が、レーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行い、
前記相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲を逸脱している場合には、焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行うことを特徴とする実施形態を採用するとよい。
前記相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲を逸脱している場合には、焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行うことを特徴とする実施形態を採用するとよい。
上記の所定の数値範囲を予め基準として設定することは、各焼結工程において、前記Ａのように、レーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常が最大状態である場合につき、各時間単位の複数箇所につき、予め粉末の飛散に伴う火花の形成領域幅を撮影し、かつ上記領域幅の変化状態に関するデータを予め作成したうえで、現実の判断に際しては、上記の２箇所の焼結部位における上記領域幅の比率又は差分による数値を採用することによって実現することができる。
上記数値もまた、造形対象物の原料、更には、各ビームの照射強度、及び上記領域幅及び上記光強度を測定する測定装置の性能によって相違しており、一般的に上記基準範囲による数値範囲を特定することは不可能である。
前記ｄ、ｅにおける実施形態とは別に、上記焼結不良の原因を究明するためには、以下のような実施形態を採用することができる。
ｆ ｃの指令の原因である焼結不良が発生した部位、及びその後の時間単位内における焼結部位の火花による光強度の記録、
ｇ ｆにおける各光強度が変化していないか、又は緩慢な変化である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断を行い、ｆにおける各光強度が急変している場合には、上記焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断を行うこと。
ｆ ｃの指令の原因である焼結不良が発生した部位、及びその後の時間単位内における焼結部位の火花による光強度の記録、
ｇ ｆにおける各光強度が変化していないか、又は緩慢な変化である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断を行い、ｆにおける各光強度が急変している場合には、上記焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断を行うこと。
ｆのように上記光強度の記録によって、ｇのような判断が可能である根拠は、以下の通りである。
ｄの撮影及びｅの判断に即して説明したように、Ａを原因とする場合には、粉末の飛散を伴う火花の発生状態は変化していない（但し、殆ど変化していないという近似的に変化していない場合をも含む。）か又は緩慢な変化を行っているに過ぎない。
その結果、火花による光強度もまた図５（ａ）に示すように、変化していないか又は緩慢な変化を呈しているに過ぎない。
これに対し、前記Ｂを原因としている場合には、粉末層表面における凹凸状態は急変しており、その結果、ｃの指令の原因となった焼結部位における上記光強度とその後の焼結部位における上記光強度とは、図５（ｂ）に示すように急変している。
このように、前記Ａの場合と前記Ｂの場合とは、上記光強度の変化の推移が明らかに相違することから、ｇのような判断を行うことができる。
ｇによる判断は、ｃの指令の原因となった焼結不良における上記光強度と、その後の焼結領域における上記光強度との変化状態に対する目視によって実現することができる。
しかしながら、上記判断を自動化し、かつ当該判断を表示するためには、所定の数値制御を必要とする。
そのためには、図６のフローチャートに示すように、ｆの各光強度のうち、ｃの指令の原因である焼結不良が発生している焼結部位における光強度と、その後の焼結部位のうち、１箇所の焼結部位における光強度の相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲内にある場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行い、
上記相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲を逸脱している場合には、焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行うことを特徴とする実施形態を採用するとよい。
上記相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲を逸脱している場合には、焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行うことを特徴とする実施形態を採用するとよい。
上記の所定の数値範囲を予め基準として設定することは、前記Ａのように、レーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常状態が最大状態である場合につき、各焼結工程における時間単位に即して、上記光強度の推移に関するデータを予め作成することによって、現実の判断に際しては、上記２箇所の焼結部位における焼結強度に関する比率又は差分による数値の基準を採用することによって実現することができる。
上記数値もまた、造形対象物の原料、更には、各ビームの照射強度、及び上記領域幅及び上記光強度を測定する測定装置の性能によって相違しており、一般的に上記基準範囲による数値範囲を特定することは不可能である。
以下、実施例に即して説明する。
実施例１は、焼結不良の原因を是正し、かつｃの指令が行われた焼結部位を含む全焼結領域、又は当該全焼結領域及び当該領域の下側にて既に積層されている全焼結領域を、レーザービーム又は電子ビームによって溶融するか、若しくは軟化したうえで、当該溶融若しくは軟化領域の厚さ分若しくは当該焼結及び積層された焼結領域の厚さ分だけ除去するか、又は上記各全焼結領域を、切削工具によって除去したうえで、改めて除去した領域から積層工程及び焼結工程を繰り返すことを特徴としている。
実施例１の技術的趣旨について立ち入って説明するに、ｃの指令の原因となる焼結不良の位置及びその近傍をレーザービーム又は電子ビームによって溶融しかつ除去したとしても、このような領域について改めて積層及び焼結を行う場合には、溶融して除去した領域につき画像解析を行い、当該解析に基づいて改めて積層及び焼結を行うことが必要とならざるを得ない。
しかしながら、そのような画像解析を行うこと、及び当該画像解析に基づく局所領域における粉末層形成工程及び焼結工程を実現することは、極めて煩雑であり、かつ非効率的である。
このため、実施例１においては、上記各ビームによって焼結不良が生じた位置を含む全焼結領域、又は当該全焼結領域だけでなく、既に形成されている全焼結領域を溶融したうえで、正確な寸法測定に基づいて、当該焼結領域の厚さ分を除去するか、又は当該全領域及びその下方の既に形成されている全焼結領域の厚さ分を除去したうえで、改めて積層及び焼結を行っている。
このような実施例１の場合には、上記のように溶融及び除去した領域以外に既に形成されている焼結層を有効に利用することが可能となり、焼結不良が判明した場合であっても、欠陥を伴わない三次元造形物の製造が可能となる。
実施例２は、ｃの指令に際し、光信号及び／又は音声信号によって焼結異常を知らせることを特徴としている。
このような特徴点によって、焼結不良に対し速やかに対処することができる。
特に、焼結不良の原因が前記Ａ、Ｂの何れに存在するかに即して異なるカラーの光信号を選択する場合又は異なる音声を選択する場合には、焼結不良の原因を速やかに把握しかつ対処することが可能となる。
このように、本発明は、焼結不良を速やかに検出することによって、効率的に三次元造形物を製造可能とする一方、欠陥を伴う三次元造形物の製造を防止し得ることから、本発明は、全ての三次元造形方法に利用することができる。
１ コンテナ（容器）
２ テーブル
３ 粉末供給用具
４ スキージ
５ レーザービーム又は電子ビーム供給源
６ スキャナ
７ 火花
８ 火花の形成領域幅撮影装置
９ 火花による光強度の測定装置
１０ コントローラー
２ テーブル
３ 粉末供給用具
４ スキージ
５ レーザービーム又は電子ビーム供給源
６ スキャナ
７ 火花
８ 火花の形成領域幅撮影装置
９ 火花による光強度の測定装置
１０ コントローラー
本発明は、粉末層の形成工程、及び当該粉末層に対するレーザービーム又は電子ビームによる焼結工程を繰り返すことに基づく三次元形状造形物の製造方法に関するものである。
上記三次元造形方法においては、
Ａ レーザービーム又は電子ビームの粉末層に対する照射に関する制御系の異常によって、供給されるビームが過剰であるか又は不足することによって、各ビームの供給が正常である場合に比し焼結表面が平坦でなく、概略規則的な凹凸状態を形成すること、
Ｂ 粉末層の形成に際し、前記Ａの凹凸状態の形成、又は切り屑が入り込むことを原因として、スキージの移動が困難と化し、均一な平坦面の実現に支障が生ずること、又は既に焼結が行われた層と新たに焼結が行われた層との溶融による接合が不完全であること等による粉末層表面の異常を原因として粉末層表面が平坦ではなく、不規則的な凹凸状態を形成すること、
に基づく焼結不良を完全に防止することが不可能な状況にある。
Ａ レーザービーム又は電子ビームの粉末層に対する照射に関する制御系の異常によって、供給されるビームが過剰であるか又は不足することによって、各ビームの供給が正常である場合に比し焼結表面が平坦でなく、概略規則的な凹凸状態を形成すること、
Ｂ 粉末層の形成に際し、前記Ａの凹凸状態の形成、又は切り屑が入り込むことを原因として、スキージの移動が困難と化し、均一な平坦面の実現に支障が生ずること、又は既に焼結が行われた層と新たに焼結が行われた層との溶融による接合が不完全であること等による粉末層表面の異常を原因として粉末層表面が平坦ではなく、不規則的な凹凸状態を形成すること、
に基づく焼結不良を完全に防止することが不可能な状況にある。
然るに、三次元造形方法においては、密閉された装置において、積層及び焼結工程が繰り返されるため、上記Ａ、Ｂの如き焼結不良が看過され、繰り返しによる全積層工程及び全焼結工程が終了した後において初めて判明するというのが偽らざる実情である。
レーザービーム又は電子ビームを粉末層表面に照射した場合には、粉末の飛散（スパッタリング）に伴って図７に示すように、火花が恒常的に発生している。
前記Ａ、Ｂの如き焼結不良が生じた場合には、火花は、正常な焼結とは異なる態様を呈することが経験則上知られている。
前記Ａ、Ｂの如き焼結不良が生じた場合には、火花は、正常な焼結とは異なる態様を呈することが経験則上知られている。
然るに、従来技術においては、焼結に際して発生する火花に着目して、焼結不良を検出するという技術的発想は全く提唱されていない。
因みに、特許文献１においては、三次元造形において粉末の飛散に伴って発生する火花については、異常な造形の原因と見做されているに過ぎない。
しかも、特許文献１以外に、各ビームの照射に際して発生する火花に着目して、当該火花を三次元造形において積極的に活用しようとしている公知技術文献は見当たらない。
因みに、特許文献１においては、三次元造形において粉末の飛散に伴って発生する火花については、異常な造形の原因と見做されているに過ぎない。
しかも、特許文献１以外に、各ビームの照射に際して発生する火花に着目して、当該火花を三次元造形において積極的に活用しようとしている公知技術文献は見当たらない。
本発明は、粉末層に対するレーザービーム又は電子ビームの照射に際し、粉末の飛散（スパッタリング）に伴って発生する火花に着目して、焼結不良を速やかに検出し、かつ当該焼結不良領域を含むことによる三次元造形物の欠陥製品の発生を防止することを可能とする三次元造形方法の構成を提供することにある。
前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
（１）粉末層形成工程と、移動するレーザービーム又は電子ビームの照射によって前記粉末層を焼結する焼結工程との交互の繰り返しからなる積層を伴う三次元造形方法であって、前記焼結工程に際し、以下のプロセスを採用している三次元造形方法。
ａ 焼結領域の全周囲におけるレーザービーム又は電子ビームの照射を原因として粉末の飛散に伴って発生する火花の撮影、及び当該火花による光強度の測定、
ｂ 各焼結工程に必要な時間以内の時間単位において、ａによって撮影された火花の形成領域幅及び前記ａによって測定された火花による光強度が、焼結不良を生じていない状態にある上記領域幅による基準及び上記光強度による基準の各範囲を逸脱していないことが検出された場合には、次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を継続すべき旨の指令、
ｃ 各焼結工程に必要な時間以内の時間単位において、ａによって撮影された火花の形成領域幅又は前記ａによって測定された火花による光強度が、焼結不良を生じていない状態にある上記領域幅による基準又は上記光強度による基準の各範囲を逸脱していることが検出された場合には、焼結不良が発生している旨の判断の下に、次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を中止すべき旨の指令、
ｄ ｃの指令の原因である焼結不良を発生した焼結部位、及びその後の時間単位内における焼結部位の火花の形成領域の撮影、
ｅ ｄにおける各火花の形成領域幅が変化していないか、又は緩慢な変化である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断を行い、
ｄにおける各火花の形成領域幅が急変している場合には、ｃの指令の原因である焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断を行うこと、
（２）粉末層形成工程と、移動するレーザービーム又は電子ビームの照射によって前記粉末層を焼結する焼結工程との交互の繰り返しからなる積層を伴う三次元造形方法であって、前記焼結工程に際し、以下のプロセスを採用している三次元造形方法。
ａ 焼結領域の全周囲におけるレーザービーム又は電子ビームの照射を原因として粉末の飛散に伴って発生する火花の撮影、及び当該火花による光強度の測定、
ｂ 各焼結工程に必要な時間以内の時間単位において、ａによって撮影された火花の形成領域幅及び前記ａによって測定された火花による光強度が、焼結不良を生じていない状態にある上記領域幅による基準及び上記光強度による基準の各範囲を逸脱していないことが検出された場合には、次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を継続すべき旨の指令、
ｃ 各焼結工程に必要な時間以内の時間単位において、ａによって撮影された火花の形成領域幅又は前記ａによって測定された火花による光強度が、焼結不良を生じていない状態にある上記領域幅による基準又は上記光強度による基準の各範囲を逸脱していることが検出された場合には、焼結不良が発生している旨の判断の下に、次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を中止すべき旨の指令、
ｆ ｃの指令の原因である焼結不良が発生した部位、及びその後の時間単位内における焼結部位の火花による光強度の記録、
ｇ ｆにおける各光強度が変化していないか、又は緩慢な変化である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断を行い、ｆにおける各光強度が急変している場合には、上記焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断を行うこと、
からなる。
（１）粉末層形成工程と、移動するレーザービーム又は電子ビームの照射によって前記粉末層を焼結する焼結工程との交互の繰り返しからなる積層を伴う三次元造形方法であって、前記焼結工程に際し、以下のプロセスを採用している三次元造形方法。
ａ 焼結領域の全周囲におけるレーザービーム又は電子ビームの照射を原因として粉末の飛散に伴って発生する火花の撮影、及び当該火花による光強度の測定、
ｂ 各焼結工程に必要な時間以内の時間単位において、ａによって撮影された火花の形成領域幅及び前記ａによって測定された火花による光強度が、焼結不良を生じていない状態にある上記領域幅による基準及び上記光強度による基準の各範囲を逸脱していないことが検出された場合には、次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を継続すべき旨の指令、
ｃ 各焼結工程に必要な時間以内の時間単位において、ａによって撮影された火花の形成領域幅又は前記ａによって測定された火花による光強度が、焼結不良を生じていない状態にある上記領域幅による基準又は上記光強度による基準の各範囲を逸脱していることが検出された場合には、焼結不良が発生している旨の判断の下に、次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を中止すべき旨の指令、
ｄ ｃの指令の原因である焼結不良を発生した焼結部位、及びその後の時間単位内における焼結部位の火花の形成領域の撮影、
ｅ ｄにおける各火花の形成領域幅が変化していないか、又は緩慢な変化である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断を行い、
ｄにおける各火花の形成領域幅が急変している場合には、ｃの指令の原因である焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断を行うこと、
（２）粉末層形成工程と、移動するレーザービーム又は電子ビームの照射によって前記粉末層を焼結する焼結工程との交互の繰り返しからなる積層を伴う三次元造形方法であって、前記焼結工程に際し、以下のプロセスを採用している三次元造形方法。
ａ 焼結領域の全周囲におけるレーザービーム又は電子ビームの照射を原因として粉末の飛散に伴って発生する火花の撮影、及び当該火花による光強度の測定、
ｂ 各焼結工程に必要な時間以内の時間単位において、ａによって撮影された火花の形成領域幅及び前記ａによって測定された火花による光強度が、焼結不良を生じていない状態にある上記領域幅による基準及び上記光強度による基準の各範囲を逸脱していないことが検出された場合には、次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を継続すべき旨の指令、
ｃ 各焼結工程に必要な時間以内の時間単位において、ａによって撮影された火花の形成領域幅又は前記ａによって測定された火花による光強度が、焼結不良を生じていない状態にある上記領域幅による基準又は上記光強度による基準の各範囲を逸脱していることが検出された場合には、焼結不良が発生している旨の判断の下に、次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を中止すべき旨の指令、
ｆ ｃの指令の原因である焼結不良が発生した部位、及びその後の時間単位内における焼結部位の火花による光強度の記録、
ｇ ｆにおける各光強度が変化していないか、又は緩慢な変化である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断を行い、ｆにおける各光強度が急変している場合には、上記焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断を行うこと、
からなる。
前記基本構成（１）、（２）においては、ｃの指令を伴う焼結不良の検出によって次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を中止することが可能となり、焼結不良の発生を徒過したことによって更に積層及び焼結を行うという無駄な工程を防止し、ひいては、焼結不良領域を含むような三次元造形物としての欠陥製品の発生を避けることが可能となる。
しかも、焼結不良の原因を解明し、かつ当該原因を是正する一方、当該焼結不良が生じた全焼結領域、又は当該全領域及び既に積層された焼結領域を溶融するか、若しくは軟化することによって除去するか、又は上記各全焼結領域を、切削工具によって除去したうえで、改めて積層工程及び焼結工程を繰り返した場合には、上記焼結不良の発生にも拘らず、効率的な三次元造形物の製造を実現することができる。
前記基本構成（１）、（２）においては、図１に示すように、コンテナ（容器）１内において積層されている粉末及び当該粉末に基づく焼結生成物を載置するテーブル２、コンテナ１に対する粉末供給用具３、給付された粉末を平坦とするためのスキージ４、レーザービーム又は電子ビーム供給源５、及びこれらのビームを移動可能とするためのスキャナ装置６、及びコントローラー１０を必要とする点においては、従来技術の場合と同様であるが、焼結領域の全周囲において、火花撮影装置８及び火花による光強度測定装置９を備えている。
火花は、焼結面において発生している以上、火花撮影装置８及び火花による光強度測定装置９は、焼結面以上の高さ領域に設置されている。
尚、光強度測定装置９は、火花による光の光度及び照度の何れをも基準とすることができる。
尚、光強度測定装置９は、火花による光の光度及び照度の何れをも基準とすることができる。
前記基本構成（１）、（２）のｂ、ｃにおいては、上記領域幅及び上記光強度に関する評価を行うために、各焼結工程以内の時間単位を設定しているが、その根拠は、測定の都度評価を行うことは極めて煩雑でありかつ無意味であることから、効率的な評価を行うことにある。
上記時間単位は、各焼結工程の時間である場合も包摂されているが、当該時間の１／１０〜１／２のような時間をも選択して設定することができる。
前記基本構成（１）、（２）におけるプロセスａ、ｂ、ｃは、図２のフローチャートに示す通りであって、焼結不良を生じていない状態であって、予め設定されている基準となる火花の形成領域幅及び火花による光強度の範囲内にある場合には、ｂのように、次の時間単位の焼結、又は次の粉末層形成工程を継続すべき旨の指令を行うが、焼結不良を生じている場合であって、予め設定されている基準となる火花の形成領域幅又は火花による光強度の範囲を超えている場合、即ち当該基準範囲よりも大きい場合又は小さい場合の何れにおいても、ｃのように、次の時間単位の焼結、又は次の粉末層形成工程を中止している。
焼結不良が生じていない場合である上記基準範囲は、各焼結工程において、焼結不良が生じていないことが確認された場合の火花の形成における最大幅並びに最小幅、及び光強度における光度又は照度の最大値並びに最小値に基づくデータによって予め各焼結工程毎に設定されている。
ａの測定による火花の形成領域幅及び火花による光強度が前記の基準範囲を逸脱している場合に、ｃのような中止を選択する根拠は以下の通りである。
背景技術の項Ａ記載のレーザービーム又は電子ビームの制御に関する異常が発生した場合であって、これらのビームが焼結不良を発生させないという適切な量を超えている場合には、ａの撮影による火花の形成領域幅は、所定の画像範囲を超えており、同様にａの測定による光強度は、所定の数値範囲を超えている一方、これらのビームが不足している場合には、上記領域幅は所定の画像範囲に至っておらず、かつ上記光強度は所定の数値範囲未満とならざるを得ない。
これらのビームが適切な量を超えている場合及び不足している場合の何れにおいても、焼結表面においては、正常な焼結の場合に比し、概略規則的な凹凸状態が形成される以上、上記領域幅が所定の画像範囲を逸脱し、しかも上記光強度が所定の数値範囲を逸脱している場合には、焼結不良の発生と対応しており、ｃの中止の選択が適切であることを意味している。
他方、背景技術の項Ｂ記載の粉末層表面の異常の場合には、当該異常な表面においては、不規則な凹凸状態が形成されていることによって、平面方向（実際には水平方向）における単位面積当りの粉末の表面積が増加していることから、火花の形成領域幅は、正常な粉末層表面の場合に比し、大きな画像幅を呈すると共に、火花の光強度もまた正常な粉末層表面の場合に比し、大きな数値と化し、ｃの選択が適切であることに帰する。
しかも、ｃの指令の原因となる焼結不良は、殆ど大抵の場合前記Ａ、Ｂの原因に由来している。
かくして、焼結不良が生じていない場合の火花の形成領域幅又は火花による光強度における基準範囲に基づいてｃの中止指令を発することは極めて適切であって、このような指令によって、更なる積層及び焼結の繰り返しという無意味かつ無駄な工程の発生を防止し、ひいては欠陥を伴う三次元造形物の製造を避けることができる。
焼結不良が生じていない場合の上記領域幅の画像範囲、及び上記光強度の基準となる数値範囲の設定は、以下の通りである。
三次元造形方法においては、造形対象物の種類によって適切なレーザービーム又は電子ビームの強度の範囲が特定されている。
従って、前記Ａの異常なビームの供給を原因とする凹凸状態に到らない基準については、各種類の造形対象物につき、所定の時間単位及び所定の測定位置の下に正常なレーザービーム又は電子ビームの供給量を、正常な状態から順次増加及び減少させ、適切な凹凸状態の限界に到るような供給を行い、当該限界の段階における火花７の形成領域幅及び火花７による光強度を測定することによって、上記供給量が過剰な段階に到る寸前の最大値及び不足な状態に到る寸前の最小値を予め設定することができる。
三次元造形方法においては、造形対象物の種類によって適切なレーザービーム又は電子ビームの強度の範囲が特定されている。
従って、前記Ａの異常なビームの供給を原因とする凹凸状態に到らない基準については、各種類の造形対象物につき、所定の時間単位及び所定の測定位置の下に正常なレーザービーム又は電子ビームの供給量を、正常な状態から順次増加及び減少させ、適切な凹凸状態の限界に到るような供給を行い、当該限界の段階における火花７の形成領域幅及び火花７による光強度を測定することによって、上記供給量が過剰な段階に到る寸前の最大値及び不足な状態に到る寸前の最小値を予め設定することができる。
他方、三次元造形対象物の殆どの種類において、正常、即ち平坦な粉末表面の状態は共通している。
この点を考慮し、前記Ｂの異常な凹凸状態に到らない基準については、所定の時間単位及び所定の測定位置の下に、切り屑の入り込み等を原因として、平坦面の実現に支障を生ずるようなスキージ４の移動困難な状態、又は不十分な焼結による不完全な溶融状態を設定することによって上記不規則の程度及び不完全の程度を次第に減少するという個別の実験によって、正常な平坦状態と異常な凹凸状態の境界段階を確認し、当該確認を行った段階における火花７の形成領域幅及び火花７による光強度を測定することによって、不規則な状態に到る寸前の最小値を予め設定することができる。
この点を考慮し、前記Ｂの異常な凹凸状態に到らない基準については、所定の時間単位及び所定の測定位置の下に、切り屑の入り込み等を原因として、平坦面の実現に支障を生ずるようなスキージ４の移動困難な状態、又は不十分な焼結による不完全な溶融状態を設定することによって上記不規則の程度及び不完全の程度を次第に減少するという個別の実験によって、正常な平坦状態と異常な凹凸状態の境界段階を確認し、当該確認を行った段階における火花７の形成領域幅及び火花７による光強度を測定することによって、不規則な状態に到る寸前の最小値を予め設定することができる。
上記領域幅と、上記光強度とは、殆ど大抵の場合対応関係にあり、前者が基準範囲内にある場合には、後者も同様であり、前者が基準範囲を逸脱している場合には、後者もまた同様である。
但し、極めて例外的ではあるが、このような対応関係が成立せず、前者が基準範囲内にあるにも拘らず、後者が基準範囲から逸脱している場合、又はその逆の場合が発生することを否定することができない。
このため、ｂの継続指令の場合には、双方が各基準の範囲内にあることを要件とするのに対し、ｃの中止指令の場合には、何れか一方が各基準の範囲を逸脱していることを要件としている。
尚、図２のフローチャートにおいては、ｂとｃの峻別に関し、上記領域幅及び光強度が基準範囲内にあるか否かの判断を行っているが、当該判断が「Ｎｏ」であって否定された場合には、少なくとも何れか一方が各基準の範囲を逸脱している以上、上記判断から更に何れか一方が各基準の範囲を逸脱しているか否かを判断する必要はない。
但し、極めて例外的ではあるが、このような対応関係が成立せず、前者が基準範囲内にあるにも拘らず、後者が基準範囲から逸脱している場合、又はその逆の場合が発生することを否定することができない。
このため、ｂの継続指令の場合には、双方が各基準の範囲内にあることを要件とするのに対し、ｃの中止指令の場合には、何れか一方が各基準の範囲を逸脱していることを要件としている。
尚、図２のフローチャートにおいては、ｂとｃの峻別に関し、上記領域幅及び光強度が基準範囲内にあるか否かの判断を行っているが、当該判断が「Ｎｏ」であって否定された場合には、少なくとも何れか一方が各基準の範囲を逸脱している以上、上記判断から更に何れか一方が各基準の範囲を逸脱しているか否かを判断する必要はない。
ｃの指令の原因となる焼結不良が発生した場合には、通常その原因が究明されることになる。
上記焼結不良の原因を究明するために、基本構成（１）においては、以下のようなプロセスを採用している。
ｄ ｃの指令の原因である焼結不良を発生した焼結部位、及びその後の時間単位内における焼結部位の火花の形成領域の撮影、
ｅ ｄにおける各火花の形成領域幅が変化していないか、又は緩慢な変化である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断を行い、
ｄにおける各火花の形成領域幅が急変している場合には、ｃの指令の原因である焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断を行うこと。
ｄ ｃの指令の原因である焼結不良を発生した焼結部位、及びその後の時間単位内における焼結部位の火花の形成領域の撮影、
ｅ ｄにおける各火花の形成領域幅が変化していないか、又は緩慢な変化である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断を行い、
ｄにおける各火花の形成領域幅が急変している場合には、ｃの指令の原因である焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断を行うこと。
ｅによる判断の根拠は、以下の通りである。
前記Ａが制御系に関する異常を原因とする焼結不良の場合には、レーザービーム又は電子ビームは、過剰であるか又は不足している状態にあるが、このような過剰状態又は不足状態が継続することから、上記領域幅は、焼結部位が異なっても、変化していない（但し、殆ど変化していないという近似的に変化していない場合をも含む。）か、又は緩慢な変化を呈しているに過ぎない。
したがって、ｄのように、ｃの指令の原因となった焼結不良の部位における上記領域幅に対し、その後の焼結部位における領域幅とは、図３（ａ）に示すように、変化しないか又は緩慢な変化を示すに過ぎない。
これに対し、前記Ｂのような粉末層表面の異常を原因とする焼結不良の場合には、当該焼結不良の部位が必ずしも連続している訳ではない一方、粉末層の凹凸状態は不規則である。
したがって、ｃの指令の原因となった焼結不良が生じている焼結部位の後に上記領域幅が撮影されている焼結部位が依然として焼結不良状態である場合には、不規則な凹凸状態が当初の焼結不良の凹凸状態とは、明らかに相違することによって、上記領域幅もまた相違する。
他方、その後の焼結部位において既に焼結不良が消失している場合には、上記領域幅はｂの基準範囲内にある以上、ｃの指令の原因に対応する当初の上記領域幅とは、明らかに相違している。
したがって、ｃの指令の原因となった焼結不良が生じている焼結部位における上記領域幅に対し、その後の焼結部位における上記領域幅は、図３（ｂ）に示すように、急変している。
このように、前記Ａの場合と前記Ｂの場合とは、上記領域幅の推移が明白に相違するが故に、スペクトル画像の変化状態も相違し、ｅのような判断が可能となる。
ｅによる判断は、ｃの指令の原因となった焼結不良に対応する上記領域幅と、その後の焼結領域に対応する上記領域幅との変化状態に対する目視によって実現することができる。
しかしながら、上記判断を自動化し、かつ当該判断を表示する場合には、所定の数値制御を必要とする。
そのためには、図４のフローチャートに示すように、ｄの各火花の形成領域幅のうち、ｃの指令の原因である焼結不良が発生している焼結部位における火花の形成領域幅と、その後の焼結部位のうち、１箇所の焼結部位における火花の形成領域幅との相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲以内である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因が、レーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行い、
前記相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲を逸脱している場合には、焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行うことを特徴とする実施形態を採用するとよい。
前記相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲を逸脱している場合には、焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行うことを特徴とする実施形態を採用するとよい。
上記の所定の数値範囲を予め基準として設定することは、各焼結工程において、前記Ａのように、レーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常が最大状態である場合につき、各時間単位の複数箇所につき、予め粉末の飛散に伴う火花の形成領域幅を撮影し、かつ上記領域幅の変化状態に関するデータを予め作成したうえで、現実の判断に際しては、上記の２箇所の焼結部位における上記領域幅の比率又は差分による数値を採用することによって実現することができる。
上記数値もまた、造形対象物の原料、更には、各ビームの照射強度、及び上記領域幅及び上記光強度を測定する測定装置の性能によって相違しており、一般的に上記基準範囲による数値範囲を特定することは不可能である。
上記焼結不良の原因を究明するために基本構成（２）においては、以下のようなプロセスを採用している。
ｆ ｃの指令の原因である焼結不良が発生した部位、及びその後の時間単位内における焼結部位の火花による光強度の記録、
ｇ ｆにおける各光強度が変化していないか、又は緩慢な変化である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断を行い、ｆにおける各光強度が急変している場合には、上記焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断を行うこと。
ｆ ｃの指令の原因である焼結不良が発生した部位、及びその後の時間単位内における焼結部位の火花による光強度の記録、
ｇ ｆにおける各光強度が変化していないか、又は緩慢な変化である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断を行い、ｆにおける各光強度が急変している場合には、上記焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断を行うこと。
ｆのように上記光強度の記録によって、ｇのような判断が可能である根拠は、以下の通りである。
ｄの撮影及びｅの判断に即して説明したように、Ａを原因とする場合には、粉末の飛散を伴う火花の発生状態は変化していない（但し、殆ど変化していないという近似的に変化していない場合をも含む。）か又は緩慢な変化を行っているに過ぎない。
その結果、火花による光強度もまた図５（ａ）に示すように、変化していないか又は緩慢な変化を呈しているに過ぎない。
これに対し、前記Ｂを原因としている場合には、粉末層表面における凹凸状態は急変しており、その結果、ｃの指令の原因となった焼結部位における上記光強度とその後の焼結部位における上記光強度とは、図５（ｂ）に示すように急変している。
このように、前記Ａの場合と前記Ｂの場合とは、上記光強度の変化の推移が明らかに相違することから、ｇのような判断を行うことができる。
ｇによる判断は、ｃの指令の原因となった焼結不良における上記光強度と、その後の焼結領域における上記光強度との変化状態に対する目視によって実現することができる。
しかしながら、上記判断を自動化し、かつ当該判断を表示するためには、所定の数値制御を必要とする。
そのためには、図６のフローチャートに示すように、ｆの各光強度のうち、ｃの指令の原因である焼結不良が発生している焼結部位における光強度と、その後の焼結部位のうち、１箇所の焼結部位における光強度の相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲内にある場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行い、
上記相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲を逸脱している場合には、焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行うことを特徴とする実施形態を採用するとよい。
上記相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲を逸脱している場合には、焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行うことを特徴とする実施形態を採用するとよい。
上記の所定の数値範囲を予め基準として設定することは、前記Ａのように、レーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常状態が最大状態である場合につき、各焼結工程における時間単位に即して、上記光強度の推移に関するデータを予め作成することによって、現実の判断に際しては、上記２箇所の焼結部位における焼結強度に関する比率又は差分による数値の基準を採用することによって実現することができる。
上記数値もまた、造形対象物の原料、更には、各ビームの照射強度、及び上記領域幅及び上記光強度を測定する測定装置の性能によって相違しており、一般的に上記基準範囲による数値範囲を特定することは不可能である。
以下、実施例に即して説明する。
実施例１は、焼結不良の原因を是正し、かつｃの指令が行われた焼結部位を含む全焼結領域、又は当該全焼結領域及び当該領域の下側にて既に積層されている全焼結領域を、レーザービーム又は電子ビームによって溶融するか、若しくは軟化したうえで、当該溶融若しくは軟化領域の厚さ分若しくは当該焼結及び積層された焼結領域の厚さ分だけ除去するか、又は上記各全焼結領域を、切削工具によって除去したうえで、改めて除去した領域から積層工程及び焼結工程を繰り返すことを特徴としている。
実施例１の技術的趣旨について立ち入って説明するに、ｃの指令の原因となる焼結不良の位置及びその近傍をレーザービーム又は電子ビームによって溶融しかつ除去したとしても、このような領域について改めて積層及び焼結を行う場合には、溶融して除去した領域につき画像解析を行い、当該解析に基づいて改めて積層及び焼結を行うことが必要とならざるを得ない。
しかしながら、そのような画像解析を行うこと、及び当該画像解析に基づく局所領域における粉末層形成工程及び焼結工程を実現することは、極めて煩雑であり、かつ非効率的である。
このため、実施例１においては、上記各ビームによって焼結不良が生じた位置を含む全焼結領域、又は当該全焼結領域だけでなく、既に形成されている全焼結領域を溶融したうえで、正確な寸法測定に基づいて、当該焼結領域の厚さ分を除去するか、又は当該全領域及びその下方の既に形成されている全焼結領域の厚さ分を除去したうえで、改めて積層及び焼結を行っている。
このような実施例１の場合には、上記のように溶融及び除去した領域以外に既に形成されている焼結層を有効に利用することが可能となり、焼結不良が判明した場合であっても、欠陥を伴わない三次元造形物の製造が可能となる。
実施例２は、ｃの指令に際し、光信号及び／又は音声信号によって焼結異常を知らせることを特徴としている。
このような特徴点によって、焼結不良に対し速やかに対処することができる。
特に、焼結不良の原因が前記Ａ、Ｂの何れに存在するかに即して異なるカラーの光信号を選択する場合又は異なる音声を選択する場合には、焼結不良の原因を速やかに把握しかつ対処することが可能となる。
このように、本発明は、焼結不良を速やかに検出することによって、効率的に三次元造形物を製造可能とする一方、欠陥を伴う三次元造形物の製造を防止し得ることから、本発明は、全ての三次元造形方法に利用することができる。
１ コンテナ（容器）
２ テーブル
３ 粉末供給用具
４ スキージ
５ レーザービーム又は電子ビーム供給源
６ スキャナ
７ 火花
８ 火花の形成領域幅撮影装置
９ 火花による光強度の測定装置
１０ コントローラー
２ テーブル
３ 粉末供給用具
４ スキージ
５ レーザービーム又は電子ビーム供給源
６ スキャナ
７ 火花
８ 火花の形成領域幅撮影装置
９ 火花による光強度の測定装置
１０ コントローラー
Claims (9)
- 粉末層形成工程と、移動するレーザービーム又は電子ビームの照射によって前記粉末層を焼結する焼結工程との交互の繰り返しからなる積層を伴う三次元造形方法であって、前記焼結工程に際し、以下のプロセスを採用している三次元造形方法。
ａ 焼結領域の全周囲におけるレーザービーム又は電子ビームの照射を原因として粉末の飛散に伴って発生する火花の撮影、及び当該火花による光強度の測定、
ｂ 各焼結工程に必要な時間以内の時間単位において、ａによって撮影された火花の形成領域幅及び前記ａによって測定された火花による光強度が、焼結不良を生じていない状態にある上記領域幅による基準及び上記光強度による基準の各範囲を逸脱していないことが検出された場合には、次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を継続すべき旨の指令、
ｃ 各焼結工程に必要な時間以内の時間単位において、ａによって撮影された火花の形成領域幅又は前記ａによって測定された火花による光強度が、焼結不良を生じていない状態にある上記領域幅による基準又は上記光強度による基準の各範囲を逸脱していることが検出された場合には、焼結不良が発生している旨の判断の下に、次の時間単位における焼結工程、又は次の粉末形成工程を中止すべき旨の指令。 - 以下のプロセスを採用していることを特徴とする請求項１記載の三次元造形方法。
ｄ ｃの指令の原因である焼結不良を発生した焼結部位、及びその後の時間単位内における焼結部位の火花の形成領域の撮影、
ｅ ｄにおける各火花の形成領域幅が変化していないか、又は緩慢な変化である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断を行い、
ｄにおける各火花の形成領域幅が急変している場合には、ｃの指令の原因である焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断を行うこと。 - ｄの各火花の形成領域幅のうち、ｃの指令の原因である焼結不良が発生している焼結部位における火花の形成領域幅と、その後の焼結部位のうち、１箇所の焼結部位における火花の形成領域幅との相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲以内である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因が、レーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行い、
前記相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲を逸脱している場合には、焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行うことを特徴とする請求項２記載の三次元造形方法。 - 以下のプロセスを採用していることを特徴とする請求項１記載の三次元造形方法。
ｆ ｃの指令の原因である焼結不良が発生した部位、及びその後の時間単位内における焼結部位の火花による光強度の記録、
ｇ ｆにおける各光強度が変化していないか、又は緩慢な変化である場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断を行い、ｆにおける各光強度が急変している場合には、上記焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断を行うこと。 - ｆの各光強度のうち、ｃの指令の原因である焼結不良が発生している焼結部位における光強度と、その後の焼結部位のうち、１箇所の焼結部位における上記光強度の相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲内にある場合には、ｃの指令の原因となった焼結不良の原因がレーザービーム又は電子ビームに関する制御系の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行い、
上記相違が、予め峻別基準として設定した所定の数値範囲を逸脱している場合には、焼結不良の原因が粉末層表面の異常にある旨の判断及びその旨の表示を行うことと特徴とする請求項４記載の三次元造形方法。 - 焼結不良の原因を是正し、かつｃの指令が行われた焼結部位を含む全焼結領域、又は当該全焼結領域及び当該領域の下側にて既に積層されている全焼結領域を、レーザービーム又は電子ビームによって溶融するか、若しくは軟化したうえで、当該溶融若しくは軟化領域の厚さ分若しくは当該焼結及び積層された焼結領域の厚さ分だけ除去するか、又は上記各全焼結領域を、切削工具によって除去したうえで、改めて除去した領域から積層工程及び焼結工程を繰り返すことを特徴とする請求項２、３、４、５の何れか一項に記載の三次元造形方法。
- ｃの指令に際し、光信号及び／又は音声信号によって焼結異常を知らせることを特徴とする請求項２、３、４、５の何れか一項に記載の三次元造形方法。
- 焼結不良の原因に対応して異なるカラーの光信号を選択することを特徴とする請求項３、５、７の何れか一項に記載の三次元造形方法。
- 焼結不良の原因に対応して異なる音声を選択することを特徴とする請求項３、５、７の何れか一項に記載の三次元造形方法。
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