JP2017177557A - ３次元造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元造形装置において、エネルギービーム照射に伴い造形ステージ付近で発生するヒュームの拡散を効率よく防止できるようにする。【解決手段】造形ステージ１０１上に配置された粉末層に対してレーザ光１１１を走査し、固化層を形成する工程を繰り返し、３次元造形を行う。レーザ光１１１を通過させるスリットを備え、造形ステージ１０１上に、粉末層１０７に対するレーザ光１１１の照射位置を局所的に包囲し、レーザ光１１１の照射により生じるヒューム（１１８）の拡散を抑制する局所カバー１０４を配置する。移動ステージ１２６により、局所カバー１０４は、レーザ光１１１の走査に応じて、スリットをレーザ光１１１が通過するようカバーを移動させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、造形ステージに配置された粉末層に対してエネルギービームを走査し、固化層を形成する工程を繰り返し、３次元造形を行う３次元造形装置に関するものである。

いわゆる３Ｄプリンタなどの名称で、３次元積層造形技術方式の一つである粉末床溶融結合法を利用した３次元造形装置が実現されている。この種の３次元造形装置では、造形ステージ上に配置された粉末層に対してエネルギービームを走査し、固化層を形成する工程を繰り返し、３次元造形を行う。造形ステージ上に材料粉末を配置するには、例えば材料粉末を敷く可動式粉敷きローラが用いられる。また、この種の３次元造形装置では、エネルギービームには、高エネルギーのレーザ光などが用いられる。以下では、造形用のエネルギービームがレーザ光、またその発生源がレーザ光源である場合につき言及する。

この種の３次元造形装置では、造形ステージ上に粉敷きローラにより材料粉末を配置し、レーザの加熱で選択的に融解して、造形ステージ上に成層させる工程を繰り返し、立体形状を造形する。材料粉末の特性などにもよるが、レーザ照射、加熱の工程で、造形ステージの周囲の雰囲気を不活性ガスの充填、減圧などによって不活性化する必要がある場合がある。このため、多くの３次元造形装置では、造形ステージおよびその周辺を覆うチャンバーが配置される。

この種のチャンバーを配置する場合、造形ステージ、および粉敷きローラのような材料粉末の供給手段はチャンバー内に配置される。また、レーザ光源とレーザ光の走査手段はチャンバー外側に配置され、レーザ光チャンバーに設けた透過窓を介して造形ステージ上を例えば２次元走査するように照射される。

レーザ照射による造形時、材料粉末がレーザで融解されると同時に、ヒューム（ｆｕｍｅ）などと呼ばれる煙状の物質、例えば金属蒸気や樹脂蒸気が放出される。これを放置すると、成層の繰返しにより、最終的に上記のチャンバー内が大量のヒュームで満たされ、レーザ透過窓にヒュームが付着し、レーザを拡散ないし減衰させ、レーザ照射強度が低下する問題を生じる。また、レーザ光路上にヒュームが滞留することにより同様にレーザの拡散・減衰の問題が発生する。これにより、例えば、造形ステージまで届くレーザのエネルギー密度が低下し、加工品質、例えば造形精度などに影響を与える可能性がある。

レーザ照射に伴い発生するヒュームに関しては、下記の特許文献１、２のような構成が提案されている。特許文献１では、チャンバー上部に設けられたレーザ透過窓の下方空間領域を包囲する筒部材を設け、その筒部材の内部に筒部材の下端部の起点からチャンバー内の雰囲気とは異なる温度または種類のガスを供給する。特許文献１では、供給ガスとチャンバー内の雰囲気との温度差或いは密度差に起因した下向きの自然対流によって供給ガスと共にヒュームを下方へと移動させ、回収することにより、レーザ照射強度の低下や造形精度の問題を解決しようとしている。

また、特許文献２では、チャンバー上部に設けられたレーザ透過窓の下方に、照射されるレーザ光を遮断しないような開口部を有する筐体と、筐体内をチャンバー内のガスと同じ種類のガスで充満させる不活性ガス供給路とを備えた機構を有する。開口部からガスを噴出して、前記レーザ光の照射経路に沿ってガスの層流を形成し、レーザ光路からヒュームを除去し、ヒュームによる造形精度とレーザ強度の低下は緩和することもできる。

特許第５７６４７５１号公報 特許第５７２１８８７号公報

上記の特許文献１、２ともに、粉敷きローラと造形ステージを囲むチャンバーの上部に下降気流を形成する構造を設けている。この下降気流により、造形時に生じるヒュームをチャンバーの透過窓付近とレーザ光路から遠ざけ、回収しようとしている。

しかし、上記のような従来のヒューム回収方法では、レーザ発振器の付近で形成された下降気流がチャンバー内に通過する際、周り空気の抵抗などにより、気流の動圧が低下していくことになる。その結果、造形ステージ付近では、気流の速度が大きく低下し、レーザ光路上におけるヒュームの除去が不充分となり、除去されなかったヒュームがチャンバー内に滞留する可能性がある。また、除去されなかったヒュームがレーザ透過窓を含めたチャンバー内の部品に付着する問題が生じる。

本発明の課題は、上記の問題に鑑み、３次元造形装置において、エネルギービーム照射に伴い造形ステージ付近で発生するヒュームの拡散を効率よく防止できるようにすることにある。

上記の課題を解決するため、本発明においては、造形ステージに配置された粉末層に対してエネルギービームを走査し、固化層を形成する工程を繰り返し、３次元造形を行う３次元造形装置において、前記エネルギービームを通過させるスリットを備え、前記造形ステージに配置された前記粉末層に対する前記エネルギービームの照射位置を局所的に包囲し、前記エネルギービームの照射により生じるヒュームの拡散を抑制するカバーと、前記エネルギービームの走査に応じて、前記スリットを前記エネルギービームが通過するよう前記カバーを移動させる移動装置と、を備えた構成を採用した。

上記構成によれば、エネルギービームを通過させるスリットを備え、エネルギービームの照射位置を局所的に包囲し、エネルギービームの照射により生じるヒュームの拡散を抑制するカバーを設けている。このため、エネルギービーム照射に伴い造形ステージ付近で発生するヒュームの拡散を効率よく防止でき、高精度な３次元造形を行える優れた３次元造形装置を提供することができる。

本発明を実施可能な３次元造形装置の構成を示した説明図である。 図１の３次元造形装置の造形ステージ近傍を拡大して示した説明図である。 図１の３次元造形装置のカバー（局所カバー）の構成例（実施例１）を示した斜視図である。 図１の３次元造形装置のカバー、およびその駆動機構の構成例（実施例１）を示した上面図である。 図１の３次元造形装置のカバーの構成例（実施例１）を示した断面図である。 図１の３次元造形装置のカバーの構成例（実施例２）を示した断面図である。 図１の３次元造形装置のカバー、およびその駆動機構の構成例（実施例３）を示した上面図である。 図１の３次元造形装置のカバー、およびその駆動機構の構成例（実施例４）を示した上面図である。 本発明を実施した３次元造形装置のカバーの構成例（実施例５）を示した断面図である。

以下、添付図面に示す実施例を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。なお、以下に示す実施例はあくまでも一例であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更することができる。また、本実施形態で取り上げる数値は、参考数値であって、本発明を限定するものではない。

＜実施例１＞
本発明を実施可能な粉末床溶融結合法を用いた３次元造形装置の構成例の１つにつき、図１と図２を参照して説明する。図１は本発明を実施可能な３次元造形装置の基本構成を示している。図１は、本実施例のみならず、後述の他の実施例にも共通する概略構成を示している。図２は図１の３次元造形装置の造形ステージ近傍を拡大して示しており、特に造形時に材料粉末の融解によって放出されたヒュームのイメージを示している。

図１に示すように、３次元形状の造形物が造形される造形ステージ１０１を有する。造形ステージ１０１は造形物の積層の進行に応じて、造形テーブル１０３により、例えば除々に下降させるように昇降可能である。造形テーブル１０３の昇降機構１０２は、例えばモータのような駆動源、ラック＆ピニオンのような駆動系を備え、制御部１２０の制御により造形物の積層の進行に応じて造形ステージ１０１を昇降駆動する。

図１の３次元造形装置は、造形ステージ１０１上に材料粉末を供給して粉末層１０７を形成するために、可動式の粉敷きローラ１０５を備える。粉敷きローラ１０５の図示の位置は退避ないし待機位置であり、粉敷きローラ１０５はこの位置からローラ駆動機構１０５１によって造形ステージ１０１上に移動させ、材料粉末を供給して粉末層１０７を形成することができる。材料粉末は、不図示の容器に収容され例えば適量ずつ粉敷きローラ１０５に供給される。

造形ステージ１０１上の粉末層１０７に照射するエネルギービームとして、本実施例ではレーザ光を用いる。レーザ光１１１の発生源としてのレーザ光源１０９１と、レーザ光１１１を２次元走査するレーザ走査装置１０９は、例えば造形中に発生するヒュームの影響を避けるため、造形環境中の雰囲気を保持するチャンバー１１０の外部に配置する。

本実施例のレーザ走査装置１０９は、造形ステージ１０１上でレーザ光１１１を少なくとも２次元（ＸＹ）方向に走査できるよう構成される。このため、例えばレーザ走査装置１０９は造形物の形状に応じて制御される２枚のガルバノミラーを用いて構成される。レーザ走査装置１０９が２次元走査するレーザ光１１１は、チャンバー１１０の上部、例えば造形ステージ１０１の中心の直上に設けられたレーザ透過窓１１２を介して造形ステージ１０１上の照射領域に照射される。このレーザ光１１１は、造形ステージ１０１上に敷設された粉末層１０７を加熱し、造形物の層構造に応じて融解固化させ、固化層１０６を形成する。

チャンバー１１０には、供給口１１３を介してチャンバー１１０内を満たす雰囲気として不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構１１５が接続されている。不活性ガス供給機構１１５は、所定の供給圧力をもって、チャンバー１１０内、および継手１３３（図４）を介して不活性ガスを供給できるよう構成される。また、不活性ガス供給機構１１５は、後述のカバー１０４（局所カバー：図３）の開口１２９を介してカバー１０４内部に所定の供給圧力をもって不活性ガスを供給する。

この回収した不活性ガスに含まれている造形時に放出されたヒューム（下記の１１８）を回収するため、ヒューム回収機構１１６がチャンバー１１０の外部に配置されている。ヒューム回収機構１１６は、基本的にはエアコンプレッサなどを用いた負圧発生装置を含み、チャンバー１１０の回収口１１４と接続され、チャンバー１１０の内部の不活性ガスを回収する。

チャンバー１１０からヒューム回収機構１１６の本体に向かう回収経路の途中には、ダクト回収ボックス１０８を配置することができる。ダクト回収ボックス１０８は、ヒュームや他の異物粉体などをキャッチし、回収するフィルタや回収容器などから構成する。

また、後述のカバー１０４（局所カバー）に設けた回収経路（１３５ａ）は、回収経路１３５ｃを介してダクト回収ボックス１０８と接続されている。これにより、カバー１０４の回収経路１３５ａにヒューム回収機構１１６の負圧を作用させ、カバー１０４の内部で発生したヒュームをダクト回収ボックス１０８へと回収する。

不活性ガス供給機構１１５およびヒューム回収機構１１６は、チャンバー１１０の内部の雰囲気の状態を保つとともに、後述のカバー１０４の内部において、ヒューム（１１８）を含む雰囲気を整流するための圧力制御に利用される。

図２は図１の３次元造形装置の造形ステージ近傍を拡大して示しており、造形ステージ１０１上の粉末層１０７にレーザ光１１１を照射して固化層１０６を形成する際、ヒューム１１８が発生する。このヒューム１１８は、材料粉末の特性によっても異なるが、例えば金属蒸気や樹脂蒸気（あるいはこれらの微細な粉体など）を含む煙状の物質である。このヒューム１１８は、レーザ光１１１の通過領域においてはレーザ光１１１を拡散させ、粉末層１０７に到達するエネルギー強度を低下させる可能性がある。また、ヒューム１１８が図１のレーザ透過窓１１２に付着し、これを汚染すると、やはりレーザ光１１１を拡散させ、照射強度を低下させる可能性がある。

本実施例では、造形ステージ１０１付近のレーザ照射領域で加熱により発生するヒューム１１８（図２）の拡散を防止するため、図１に示すように、造形ステージ１０１の上部を局所的に覆うカバー１０４（局所カバー）を設ける。本実施例のカバー１０４は、全体として下方が開放された円筒状容器の形状であり、造形ステージ１０１の上部に配置される。カバー１０４の上部には、レーザ光１１１を通過させるためのスリット１２７が設けられる。このカバー１０４により、造形ステージ１０１の上部の照射領域を局所的に覆い、ヒューム１１８がチャンバー１１０内に拡散してレーザ光１１１の通過する空間に滞留し、またレーザ透過窓１１２に付着したりするのを防止する。

カバー１０４の構造については、以下で図３〜図６を参照し、さらに詳細に説明する。本実施例のカバー１０４は、チャンバー１１０内のヒューム１１８の拡散を防止する他、カバー１０４のスリット１２７を通過するレーザ光１１１に対する影響を低下させるための機構を有する。この機構は、後述するように、例えば、ヒュームが離間する方向に流れるようヒュームを整流する整流機構から構成することができる。

また、本実施例では、カバー１０４は、レーザ光１１１がスリット１２７を通過することができるよう、レーザ走査装置１０９のレーザ走査に応じて、カバー１０４を移動させる移動装置を設ける。この移動装置は、例えば移動ステージ１２６（図１）により構成することができる。

図１の移動ステージ１２６は、後述の直動ステージ１２６ａ（図４）、１２６ｂ（図７、図８）などに相当する。ここで、スリット１２７が、レーザ光１１１の２次元走査のうち１つの走査方向をカバーする直線形状（例えば図３、図４）であるものとする。この場合、移動ステージ１２６（図１）は、は少なくとも前記スリット１２７に交差する走査方向にカバー１０４を移動可能な直動ステージ１２６ａ（図４）として構成する。また、スリット１２７は、例えばレーザ光１１１の２次元走査の２走査方向（ＸＹ２軸）をカバーするような十字形状（例えば図７、図８）とすることもできる。この場合には、移動ステージ１２６（図１）はＸＹ２軸に沿ってカバー１０４を移動可能なＸＹステージ（図７、図８の１２６ｂ）として構成することができる。この構成については、後述の実施例３で詳述する。

また、レーザ光１１１を走査する場合、必ずしも造形ステージ１０１（ないしそのＸＹ２軸）に対して、直交的に走査するばかりとは限らない。造形条件によっては、レーザ光１１１を造形ステージ１０１（ないしそのＸＹ２軸）に対して傾斜した方向に走査したい場合もあり得る。その場合には、カバー１０４のスリット１２７は、レーザ光１１１の１つの走査方向に沿って図８に示すように傾斜させることができるよう構成する必要がある。図８の例では、移動ステージ１２６（図１）によって、カバー１０４はＸＹ２軸に沿って直動可能、かつＺ軸（例えば図１の上下方向に相当）廻りに回動可能に支持する。そして、ＸＹステージ１２６ｂによってカバー１０４は、ＸＹ２軸に沿って走査し、また回動ローラ１３７などによって例えばスリット中心廻りの回動姿勢を制御可能とする。

このように、図１の移動ステージ１２６は、レーザ走査の１ないし２軸（Ｘ、Ｙ）に沿う方向（１０４１）、カバー１０４を移動（走査）するよう構成することができる。さらに、レーザ光１１１を造形ステージ１０１のＸＹ平面に対して傾斜した方向に走査する必要がある場合には、移動ステージ１２６は、カバー１０４をＸＹ平面に直交する軸（Ｚ軸ないしそれに並行な軸）廻りに回動できるよう構成することができる。この構成については、後述の実施例４で詳述する。

以上のようにレーザ走査装置１０９によるレーザ光１１１の走査に応じて移動ステージ１２６によりカバー１０４を移動させる動作は、制御部１２０によって両者を同期させる制御を行うことにより実現できる。

制御部１２０は、例えば汎用マイクロプロセッサなどから成るＣＰＵ１２１、ＲＯＭ１２２、ＲＡＭ１２３などを用いて構成することができる。制御部１２０は、粉敷きローラ１０５の材料粉末を供給制御、造形ステージ１０１の昇降機構１０２の昇降制御、レーザ光源１０９１の点灯制御およびレーザ走査装置１０９による走査制御を行うことにより、３次元造形全体の動作を制御する。また、３次元造形動作の進行に伴ない、不活性ガス供給機構１１５およびヒューム回収機構１１６を制御する。

特に、３次元造形動作においては、カバー１０４のスリット１２７を介してレーザ光１１１を照射する。このため、制御部１２０はレーザ走査装置１０９による走査制御に同期して、レーザ光１１１が常にスリット１２７を通過できるよう、移動ステージ１２６によってカバー１０４を移動させる制御を行う。この移動ステージ１２６によるカバー１０４の移動（走査）制御の詳細については、後ほど詳細に説明する。

制御部１２０が、カバー１０４の移動（走査）制御を含む３次元造形動作を制御するための制御手順は、例えばＣＰＵ１２１が実行する制御プログラムとして、ＲＯＭ１２２に格納しておくことができる。この制御プログラムを実行する際、ＣＰＵ１２１はＲＡＭ１２３をワークエリアとして用いる。また、この制御プログラムをＲＯＭ１２２（や不図示の各種フラッシュメモリやＨＤＤのような外部記憶装置）に記録（格納）する場合、これらの記録媒体は、本発明を実施するための制御手順を格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を構成する。なお、後述の制御手順を実行させるプログラムは、ＲＯＭやＨＤＤのような固定的な記録媒体に格納する他、各種フラッシュメモリや光（磁気）ディスクのような着脱可能なコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納してもよい。このような格納形態は、本発明の制御手順を実行させる制御プログラムをインストールしたり更新したりする場合に利用できる。また、本発明の制御手順を実行させるプログラムをインストールしたり更新したりする場合、上記のような着脱可能な記録媒体を用いる他、不図示のネットワーク（イントラネットなど）を介してプログラムをダウンロードする方式を利用してもよい。

さらに、制御部１２０には、液晶ディスプレイなどを用いた表示部１２４と、キーボード（あるいはさらにマウスなどのポインティングデバイス）などから成る操作部１１９を接続することができる。表示部１２４は、３次元造形動作の進行や、設定時の制御パラメータなどを表示するために用いられる。操作部１１９は、３次元造形動作の起動、（一時）停止などを指令し、また、設定時の制御パラメータ入力などに用いられる。

図３〜図５を参照して、カバー１０４の構成例を示す。図３〜図５においては、特にカバー１０４の空力学的な構成、特にヒュームがスリット１２７付近から離間する方向に流れるようヒュームを整流する整流機構についても説明する。図３はカバーの斜視図、図４は上面図で、図５は図４で示しているＡ方向から見た断面図である。カバー１０４は造形による発生したヒューム１１８（図２）をカバー１０４の局所空間の外に拡散しないよう封じ込めるために造形ステージ１０１上に設置され、造形中の固化層１０６を包囲する。

図３に示すように、カバー１０４の本体部は、例えば金属ないし樹脂などの材料から、造形ステージ１０１側の下方が開放された円筒形状に構成する。即ち、カバー１０４の本体部は、上部板としての円形の分圧板１３０と、その下面の周囲を取り囲むように形成された側壁１０４ａから構成される。分圧板１３０と側壁１０４ａは一体構成でもよく、あるいは接着や溶接、ネジ止めなどの手法により、好ましくはこれら２者の間は気密状態で結合する。

レーザ光１１１を透過させるスリット１２７は、例えばカバー１０４の上部板である分圧板１３０の直径方向に沿って形成する。

カバー１０４の上部板を構成する分圧板１３０は、図示のように側壁１０４ａの部分の頂部よりも低い位置に配置する。そして、側壁１０４ａの部分の頂部には、レーザ光１１１を透過可能な例えば（耐熱）ガラスなどの材料から成るレーザ透過材１３１ａを接着、その他の手法により好ましくは気密状態で結合する。

かくして、カバー１０４の上部板を構成する分圧板１３０とレーザ透過材１３１ａの間に圧力室１３１が画成される。この圧力室１３１には、分圧板１３０よりも上部の側壁１０４ａには、カバー１０４の外部から気体を導入するための開口１２９が開いている。図３では、開口１２９は２個所に図示してあるが、この数は任意であり、例えば４個所に開口１２９を配置する場合は、図４に示す４個所の継手１３３（ダクト）とそれぞれ連通させる。

これら継手１３３には、図１の不活性ガス供給機構１１５（図１）の不活性ガス供給路を接続する。これにより、４個所の継手１３３および開口１２９を介して、分圧板１３０の上部の圧力室１３１内に不活性ガスを供給することができる。

なお、カバー１０４にレーザ光１１１を通過させるスリット１２７を設けるため、分圧板１３０および側壁１０４ａの部位は、例えば遮光性のある不透明材料から構成すればよい。ただし、この分圧板１３０および側壁１０４ａの遮光性は、本発明に必須の要件ではない。

さらに、図５に示すように、カバー１０４の下縁部には、例えば円形の溝形状の不活性ガスの回収経路１３５ａを設ける。この回収経路１３５ａは、図１に破線で示したダクト回収ボックス１０８に向かう回収経路１３５ｃと連通させることができる。カバー１０４の回収経路１３５ａと回収経路１３５ｃは、上記の継手１３３と同様の連通路（不図示）により結合することができる。

上記の分圧板１３０上部の圧力室１３１、およびその開口１２９、スリット１２７、およびカバー１０４の下縁の回収経路１３５ａは、カバー１０４内部の気体の流れ（図４、図５の矢印１３４ａ、１３４ｂ）を整流する整流機構を構成する。

即ち、レーザ光１１１照射による造形中、図５に示すように、開口１２９を介して不活性ガス供給機構１１５（図１）から陽圧の不活性ガスを供給する。一方、カバー１０４の下縁の回収経路１３５ａには、ダクト回収ボックス１０８（図１）を介してヒューム回収機構１１６の負圧を印加する。これにより、分圧板１３０上部の圧力室１３１の陽圧と、分圧板１３０より下の陰圧により、分圧板１３０の上下に圧力差が生じ、カバー１０４の内部の気体の流れは、図４、図５の矢印１３４ａ、図５の矢印１３４ｂのように整流される。

即ち、開口１２９（、１２９…）から流入した不活性ガスは、図４、図５の矢印１３４ａのように分圧板１３０のスリット１２７に向かって集中する。そして、図５の矢印１３４ｂのようにスリット１２７から下方に向かって吹き出し、さらにカバー１０４の下縁の回収経路１３５ａから印加される負圧によって回収経路１３５ａの方向に向かう。

上記のようにして、カバー１０４の内部の気体の流れは矢印１３４ａ、１３４ｂのように整流される。即ち、圧力室１３１の内部では、開口１２９から分圧板１３０のスリット１２７に向かうよう気流が整流される（矢印１３４ａ）。また、カバー１０４下部、固化層１０６の上部の照射領域においては、カバー１０４の下縁の回収経路１３５ａから印加される負圧によって、ヒューム１１８は回収経路１３５ａの方向に向かうよう整流される（矢印１３４ｂ）。

即ち、レーザ光１１１の照射により生じるヒューム１１８は、スリット１２７から離間するように整流されるとともに、カバー１０４の下縁周囲の回収経路１３５ａに向かうよう整流される。また、圧力室１３１の陽圧、およびカバー１０４の下縁の回収経路１３５ａからの負圧を作用させることにより、ヒューム１１８を含む雰囲気はカバー１０４に漏れ出し、拡散することなく、回収経路１３５ａを介して回収される。

以上のように、カバー１０４の整流機能を実現することができる。これにより、レーザ光１１１の照射により生じるヒューム１１８をカバー１０４内の局所空間にほぼ封じ込め、例えば、ヒューム１１８がチャンバー１１０内に拡散するのを抑制することができる。

即ち、上記構成によれば、スリット１２７上部に圧力室１３１を配置し不活性ガス供給機構１１５（図１）から陽圧で不活性ガスを供給する。一方、カバー１０４の下縁の回収経路１３５ａには、ダクト回収ボックス１０８（図１）を介してヒューム回収機構１１６の負圧を印加する。このため、不活性ガスが圧力室１３１からスリット１２７を介して下方へ吹き出すよう整流（１３４ｂ）することができ、スリット１２７付近のレーザ光１１１の通過経路からヒューム１１８が近づくことなく、むしろそこから離間するような整流が起きる。これにより、スリット１２７付近のレーザ光１１１の通過経路におけるヒューム１１８によるレーザ照射強度の低下を抑制することができる。

また、レーザ光１１１の照射により生じるヒューム１１８は、速やかにカバー１０４の下縁の回収経路１３５ａに向かって離心的に固化層１０６の上部から離間するよう流れ、回収経路１３５ａを介して回収される。従って、ヒューム１１８がチャンバー１１０内に拡散し、例えばレーザ透過窓１１２に付着してレーザ照射強度を低下させるのを抑制することができる。

以上のようにして、本実施例のカバー１０４によれば、レーザ（エネルギービーム）の照射に伴い造形ステージ１０１付近で発生するヒューム１１８の拡散を効率よく防止することができる。これにより、ヒューム１１８に起因するレーザ照射強度の低下などを抑制し、高精度な３次元造形を実現することができる。

ここで、図４を参照して、３次元造形時に制御部１２０が実行する移動ステージ１２６によるカバー１０４の移動（走査）制御につき説明する。

図４は、図１の上方向から造形ステージ１０１（破線）を取り囲む造形テーブル１０３の周囲の部位を示している。図１の左方向は図４の上方向に相当する。造形ステージ１０１は、例えば破線で示すような矩形（正方形）であり、制御部１２０は、ローラ駆動機構１０５１により粉敷きローラ１０５を造形ステージ１０１を往復移動させるよう制御することができる。例えば、１層の固化層１０６（図１、図５）を形成するに先立ち、制御部１２０は、ローラ駆動機構１０５１により粉敷きローラ１０５を造形ステージ１０１上で移動させる。これにより、不図示の供給容器から適量分の材料粉末が造形ステージ１０１ないしその上に既に形成された固化層１０６に供給する。

しかる後に、制御部１２０は、粉敷きローラ１０５を図４の初期（退避）位置に退避させ、レーザ光源１０９１を点灯させ、レーザ走査装置１０９によるレーザ光１１１の２次元（ＸＹ）走査を開始させる。このレーザ光１１１の２次元（ＸＹ）走査には、例えば２枚のガルバノミラーを用いて行うことができる。その場合、１枚のガルバノミラーにより主走査（Ｘ）方向にレーザ光１１１を走査し、１主走査が終了すると他方のガルバノミラーにより副走査（Ｙ）方向にレーザ光１１１の反射方向を切り換える。

図４において、破線の矩形範囲は、造形ステージ１０１の上面の形状で、例えば上記の２次元（ＸＹ）走査によってレーザ光１１１が照射（走査）される走査範囲に相当する。ここで、図４において上記のレーザ光１１１の主走査（Ｘ）方向は例えば図の左右方向に、また、副走査（Ｙ）方向は例えば図の上下方向に相当するものとする。この場合、カバー１０４のスリット１２７は、レーザ光１１１の主走査（Ｘ）方向に沿って配置されている。

このような構成において、ある１層の固化層１０６を形成する時、当然ながら、制御部１２０はその層の形成に必要な照射パターンでレーザ光１１１を造形ステージ１０１上に照射するようレーザ走査装置１０９を制御する。そして、レーザ光１１１をある主走査（Ｘ方向）に１走査する時、制御部１２０は、直動ステージ１２６ａを制御して、照射点に向かうレーザ光１１１がスリット１２７を通過できる位置にカバー１０４を移動させる。さらに、制御部１２０は、レーザ光１１１の主走査（Ｘ方向）が終了する毎に図４の直動ステージ１２６ａを副走査（Ｙ）方向に副走査ピッチずつ移動させる。以上のようなレーザ走査およびカバー１０４移動の同期制御を行うことにより、造形ステージ１０１上の加熱の必要な範囲をスリット１２７を経由したレーザ光１１１によって走査することができる。

また、制御部１２０は、上記のレーザ走査による加熱、３次元造形動作の期間中、不活性ガス供給機構１１５およびヒューム回収機構１１６を動作させる。即ち、上述のようにカバー１０４の圧力室１３１へ陽圧により不活性ガスを供給するとともに、カバー１０４下縁の回収経路１３５ａにヒューム回収機構１１６からの負圧を作用させる。これにより、レーザ走査による加熱、３次元造形動作の期間中、上述のようにしてヒューム（１１８）の整流、および回収が行われ、カバー１０４外部へのヒューム（１１８）の拡散が抑制される。従って、スリット１２７付近のヒューム（１１８）滞留や、チャンバー１１０のレーザ透過窓１１２の汚染などが防止され、ヒューム１１８に起因するレーザ照射強度の低下などを抑制し、高精度な３次元造形を実現できる。

特に、本実施例では、レーザ走査およびカバー１０４移動の同期制御を行うことによって、造形ステージ１０１上のレーザ照射範囲は、カバー１０４はスリット１２７とある特定の位置関係を保つよう、同期制御される。大まかに言えば、カバー１０４およびスリット１２７の位置は、これらのほぼ中心の下部の一定範囲に造形ステージ１０１上のレーザ照射位置が来るように同期制御される。これにより、主なヒューム１１８の発生部位であるレーザ照射位置が、常に上述のカバー１０４の整流機構（図５）のほぼ中心に一致するよう制御される。このため、造形ステージ１０１上で１層の造形を行う間を通して、ほぼ均等なヒューム拡散防止ないし回収特性を維持でき、１層の造形を通してむらのないレーザ照射特性を実現でき、高精度な３次元造形を行うことができる。

続いて、以下に実施例２〜５として、上述の３次元造形装置の一部の構成を変更した変形例につき説明する。以下の各実施例でも、図１〜図５に示した基本構成は同一であるものとし、以下では特に上記実施例１の構成と異なる部分について詳細に説明し、それ以外の部分については重複した説明は省略するものとする。

＜実施例２＞
上記実施例１では、カバー１０４の下縁に溝状の回収経路１３５ａを配置し、この回収経路１３５ａにヒューム回収機構１１６からの負圧を作用させて、ヒューム１１８を回収している（図５）。ヒューム回収経路は、カバー１０４の下縁以外の位置に配置することができる。例えば図６に示すように、カバー１０４の側壁１０４ａの下縁よりも高い位置に回収経路１３５ｂ（、１３５ｂ…）を１ないし数個配置してもよい。この回収経路１３５ｂは、回収経路１３５ａと同様に、ヒューム回収機構１１６のダクト回収ボックス１０８に向かう回収経路１３５ｃと接続する。

このような構成によれば、回収経路１３５ａに加え、回収経路１３５ｂからもヒューム１１８を回収できる。

また、図５のように回収経路１３５ｂの無い構成では、スリット１２７から離間するよう下方に向かう下降気流（１３４ｂ）によってカバー１０４の中位の高さの部位に渦流１３６が発生する可能性がある。そして、このような渦流１３６が発生すると、カバー１０４の内側面がヒューム１１８の付着によって汚染される可能性がある。そして、もし、カバー１０４の内側面に付着したヒューム１１８に起因する物質が剥離し、造形ステージ１０１上に落下したりすれば、実行中の層造形に影響を与える可能性がある。

これに対して、図６のように回収経路１３５ｂをカバー１０４の側壁１０４ａの比較的高さのある部位に配置して、回収経路１３５ｂから回収負圧を印加することにより、カバー内部の雰囲気を回収経路１３５ｂに向かうよう整流できる。即ち、カバー１０４の中位の高さにおいて、渦流１３６を発生させることなくカバー１０４の内部の雰囲気を回収経路１３５ｂから回収することができる。このため、カバー１０４の内側面に対するヒューム１１８の付着、汚染を抑制することができる。このように、回収経路１３５ｂをカバー１０４の側壁１０４ａの比較的高さのある部位に配置することにより、カバー１０４内の圧力と気流速度の分布を整え、カバー１０４の内壁を汚染することなく効率よくヒューム１１８を回収することができる。

＜実施例３＞
レーザ走査装置１０９に複数のガルバノミラーなどを用いる場合、レーザ光１１１の走査パターンは、上記のように直線的な主走査を副走査方向に移動しつつ繰り返す単純な走査パターンに限定されない。要求される造形物の形状によっては、走査方向の異なる複数の走査線を用いてレーザ光１１１を走査する場合も考えられる。

そこで、カバー１０４の上部板としての分圧板１３０に配置するスリット１２７は、図４に示したような１条の直線的な形状のみならず、異なる方向に沿って複数形成することが考えられる。例えば、実施例１でも触れたが、スリット１２７は、図７に示すように、直交する２条から成る十字型に構成することが考えられる。その他の部材の構成は、実施例１で説明したものと同様である。

このような構成によれば、ある走査区間では、スリット１２７の直交する２条のうち一方を介してレーザ光１１１を走査する。また、他の走査区間では、スリット１２７の２条のうち他方を介してレーザ光１１１を走査する、といった走査パターンを利用できるようになる。また、１層の固化層を造形する間に、レーザ光１１１の走査方向を垂直２軸方向に交互に切り換えつつ、文字通り十字型を描くよう走査させる走査パターンも利用することができる。

カバー１０４の上部に、異なる方向に沿ってスリット１２７を複数形成する場合には、移動ステージ１２６（図１）も走査方向に対応する数の軸方向にカバー１０４を移動できるよう構成する必要がある。例えば図７のような直交する十字型のスリット１２７の構成では、移動ステージ１２６（図１）は、少なくとも図中に交差する矢印で示す２軸方向にカバー１０４を移動（走査）可能な直動ステージ１２６ｂとして構成する。このような直動ステージ１２６ｂは例えばＸＹステージとして構成することできる。制御部１２０（図１）は、レーザ走査装置１０９によるレーザ光１１１の走査パターンに応じて、直動ステージ１２６ｂによるカバー１０４移動（ＸＹ走査）位置を決定する制御を行うことができる。

＜実施例４＞
実施例１でも触れたが、造形物の造形条件によっては、レーザ光１１１を造形ステージ１０１（ないしそのＸＹ２軸）に対して傾斜した方向に走査する需要が生じる場合もあり得る。この場合には、カバー１０４の移動装置には、レーザ光１１１の走査線の方向に沿うようにカバー１０４（のスリット１２７）を回動させる回動機構を含める必要がある。例えば、図８に示すように、カバー１０４の円筒形状を利用し、その周囲に円形のレール１３９を配置し、回動ローラ１３７でレール１３９を回転駆動し、カバー１０４の回動姿勢（角度）を選択できるよう構成する。その他の部材の構成は、実施例１で説明したものと同様である。

このような構成により、制御部１２０（図１）は、スリット１２７の方向がレーザ光１１１の走査線の方向に合致するようなカバー１０４の回動姿勢（角度）を選択することができる。

従って、本実施例４によれば、実施例１や実施例３では対応できない垂直な２軸方向に直交する方向の主および副走査方向のみならず、それ以外のレーザ光１１１の走査線の方向に対応することができる。また、図８の構成では、図７と同様に２軸方向にカバー１０４を移動（走査）可能な直動ステージ１２６ｂを採用している。このため、造形ステージ１０１（ないしそのＸＹ２軸）に対して傾斜した走査線を用いる場合でも、少なくとも２方向の副走査方向へのカバー１０４の移動（走査）が可能である。このような構成により、造形ステージ１０１（ないしそのＸＹ２軸）に対して例えば３０°、４５°といった傾斜した走査線を用いる場合でも、制御部１２０（図１）は、スリット１２７が走査線を追従するようカバー１０４を移動させることができる。

＜実施例５＞
図５では、カバー１０４のスリット１２７が設けられる上部板である分圧板１３０の上に配置される圧力室１３１の上部は、レーザ透過材１３１ａによって画成している。このレーザ透過材１３１ａは、エネルギービーム透過部であり、スリット１２７に向かうレーザ光（エネルギービーム）を通過させる光透過材料から構成する。

しかしながら、スリット１２７の上部の圧力室１３１を画成する上部の部材は、スリットに向かうエネルギービーム透過部（レーザ透過部）として構成されていればよく、必ずしもガラスや樹脂のようなレーザ透過材１３１ａを用いる必要はない。

そこで、図５のレーザ透過材１３１ａは、スリット１２７の上部にエネルギービーム透過部としての開口１３１ｄを設けたその他の部位は遮光性のある金属や樹脂の板材１３１ｃに置換してもよい。開口１３１ｄの開口面積や形状は、スリット１２７に向かうレーザ光１１１を妨害しないような形状であれば任意である。

この場合、好ましくは、制御部１２０は、不活性ガス供給機構１１５によるチャンバー１１０内部への供給圧と、回収経路１３５ａに作用させるヒューム回収機構１１６からの負圧の圧力差を十分大きくとるよう制御する。これにより、例えば、圧力室１３１から開口１３１ｄを介して上方向に向かうような気流が発生しないよう整流することができる。

このような構成によって、圧力室１３１の上部を構成する板材１３１ｃの開口１３１ｄは、開口１２９と同様に不活性ガスの供給路として機能し、カバー１０４の雰囲気は、実施例１と同様に下降気流（１３４ｂ）に整流される。このような構造によっても、実施例１で説明したのとほぼ同様の整流機構を実現でき、レーザ光１１１の照射によって発生したヒューム１１８をカバー１０４下縁の回収経路１３５ａを介して回収することができる。

また、不活性ガス供給機構１１５によるチャンバー１１０内部への供給圧と、回収経路１３５ａに作用させるヒューム回収機構１１６からの負圧のバランスなどの条件によっては、上記の圧力室１３１を排した構成を採用することもできる。

例えば、図９に示すように、カバー１０４をスリット１２７を形成した分圧板１３０（上部板）と、円筒形状の側壁１０４ａのみによって構成し、上述の圧力室１３１を省略する構成である。図９は、図５（実施例１）、図６（実施例２）などと同様の様式で造形テーブル１０３より上のカバー１０４を含む断面構造を示している。図９の構成では、当然ながら、制御部１２０が、不活性ガス供給機構１１５によるチャンバー１１０内部への不活性ガスの供給圧を陽圧とし、ヒューム回収機構１１６によって回収経路１３５ａに作用させる回収圧を負圧とする。

図９の構成においては、スリット１２７はレーザ光１１１の通過経路として機能するとともに、図５の開口１２９と同様に、カバー１０４内への不活性ガスの供給路として機能する。即ち、図９の構成においても、分圧板１３０の上下に圧力差を生じさせることができ、カバー１０４内の気体は図示のようにスリット１２７付近から離間し、下縁周囲の回収経路１３５ａへと向かう下降気流（１３４ｂ）に整流することができる。このため、実施例１の場合と同様に、スリット１２７付近にレーザ照射により発生したヒューム１１８が滞留し、付着するのが防止される。また、発生したヒューム１１８はカバー１０４内に局所的に封じ込められ、チャンバー１１０内への拡散が抑制される。従って、チャンバー１１０内、あるいはその天井部のレーザ透過窓１１２の汚染などが防止され、ヒューム１１８に起因するレーザ照射強度の低下などを抑制し、高精度な３次元造形を実現できる。

１０１…造形ステージ、１０２…昇降機構、１０３…造形テーブル、１０４…局所カバー、１０５…粉敷きローラ、１０６…固化層、１０７…粉末層、１０８…ダクト回収ボックス、１０９…レーザ走査装置、１０９１…レーザ光源、１１０…チャンバー、１１１…レーザ光、１１２…レーザ透過窓、１１３…供給口、１１４…排出口、１１５…不活性ガス供給機構、１１６…ヒューム回収機構、１１８…ヒューム、１２６…移動ステージ、１２６ａ…直動ステージ、１２６ｂ…ＸＹステージ、１２７…スリット、１３０…分圧板、１３１…圧力室、１３３…継手。

Claims (14)

1. 造形ステージに配置された粉末層に対してエネルギービームを走査し、固化層を形成する工程を繰り返し、３次元造形を行う３次元造形装置において、
   前記エネルギービームを通過させるスリットを備え、前記造形ステージに配置された前記粉末層に対する前記エネルギービームの照射位置を局所的に包囲し、前記エネルギービームの照射により生じるヒュームの拡散を抑制するカバーと、
   前記エネルギービームの走査に応じて、前記スリットを前記エネルギービームが通過するよう前記カバーを移動させる移動装置と、
   を備えた３次元造形装置。
2. 請求項１に記載の３次元造形装置において、前記造形ステージおよび前記カバーを収容し、外部に配置された発生源から照射される前記エネルギービームを透過させる透過窓を備えたチャンバーを有する３次元造形装置。
3. 請求項１または２に記載の３次元造形装置において、前記カバーが、前記スリットを備えた上部板と、この上部板の下面の周囲を取り囲むように形成され、前記造形ステージの側が開放された側壁を備える３次元造形装置。
4. 請求項３に記載の３次元造形装置において、前記カバーが、前記カバーの内部において、前記エネルギービームが通過する前記スリットから前記ヒュームが離間する方向に流れるよう前記ヒュームを整流する整流機構を備えた３次元造形装置。
5. 請求項４に記載の３次元造形装置において、前記整流機構は、前記カバーの前記上部板の上部に前記カバーの外部から気体を導入する開口を有する圧力室を含む３次元造形装置。
6. 請求項５に記載の３次元造形装置において、前記開口を介して不活性ガス供給機構から前記整流機構の圧力室に前記不活性ガスが供給される３次元造形装置。
7. 請求項４から６のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、前記カバーの前記側壁の下縁に配置された回収経路を介して前記カバーの内部で発生した前記ヒュームを回収するヒューム回収機構を備えた３次元造形装置。
8. 請求項５から７のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、前記圧力室の上部に前記上部板のスリットに向かう前記エネルギービームを通過させるエネルギービーム透過部が設けられた３次元造形装置。
9. 請求項８に記載の３次元造形装置において、前記エネルギービーム透過部が前記上部板のスリットに向かう前記エネルギービームを通過させる光透過材料から成る３次元造形装置。
10. 請求項８に記載の３次元造形装置において、前記エネルギービーム透過部が前記上部板のスリットに向かう前記エネルギービームを通過させる開口から成る３次元造形装置。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、前記スリットが前記カバーに異なる方向に沿って複数形成された３次元造形装置。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、前記移動装置が、前記エネルギービームの走査に応じて前記カバーを移動させる際、前記エネルギービームの走査方向に応じて定まる１つの方向に前記カバーを移動させる３次元造形装置。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、前記移動装置が、前記エネルギービームの走査方向に応じて前記スリットを前記エネルギービームが通過するよう前記カバーを回動させる回動機構を含む３次元造形装置。
14. 請求項１から１３のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、前記エネルギービームがレーザ光である３次元造形装置。

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