JP2018138694A - Shaping apparatus and shaping method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shaping apparatus and a shaping method that are capable of forming a three-dimensional shaped object with good processing accuracy.SOLUTION: A shaping apparatus comprises: a beam shaping system 500 which has a beam irradiation section 520 including a condensing optical system 82 which emits a beam, and a material processing section 530 supplying a shaping material irradiated with the beam from the beam irradiation section 520; and a controller which, on the basis of 3D data of a three-dimensional shaped object to be formed on a target surface TAS, controls a workpiece movement system and the beam shaping system 500 such that a target portion TA on the target surface is shaped by supplying the shaping material from the material processing section 530 while moving the beam from the beam irradiation section 520 and the target surface on a workpiece (or a table 12) relatively to each other. Further, the intensity distribution of the beam in a shaping plane MP facing the emitting surface of the condensing optical system can be modified.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、造形装置及び造形方法に係り、さらに詳しくは、対象面上に三次元造形物を形成する造形装置及び造形方法に関する。本発明に係る造形装置及び造形方法は、ラピッドプロトタイピング(3Dプリンティング、あるいは付加製造、あるいはダイレクトデジタル製造と呼ばれることもある)による三次元造形物の形成に好適に用いることができる。   The present invention relates to a modeling apparatus and a modeling method, and more particularly to a modeling apparatus and a modeling method for forming a three-dimensional modeled object on a target surface. The modeling apparatus and the modeling method according to the present invention can be suitably used for forming a three-dimensional modeled object by rapid prototyping (sometimes referred to as 3D printing, addition manufacturing, or direct digital manufacturing).

CADデータから直接3D(三次元)形状を生成する技術は、ラピッドプロトタイピング(3Dプリンティング、あるいは付加製造、あるいはダイレクトデジタル製造と呼ばれることもあるが、以下、ラピッドプロトタイピングを総称として用いる)と呼ばれ、主として形状の確認を目的とした試作品を極めて短いリードタイムで制作することに寄与してきた。3Dプリンタ等のラピッドプロトタイピングにより三次元造形物を形成する造形装置を、扱う材料で分類すると、樹脂を扱うものと金属を扱うものに大別できる。ラピッドプロトタイピングで製作される金属製の三次元造形物は、樹脂製の場合と異なりもっぱら、実際の部品として用いられる。すなわち、形状確認用の試作部品ではなく、実際の機械構造物の一部(それが量産品にせよ試作品にせよ)として機能させることになる。既存の金属用3Dプリンタ(以下、M3DP(Metal 3D Printer)と略記する)として、PBF(Powder Bed Fusion)とDED(Directed Energy Deposition)の2種類がよく知られている。   A technique for directly generating 3D (three-dimensional) shapes from CAD data is called rapid prototyping (sometimes called 3D printing, additive manufacturing, or direct digital manufacturing, but hereinafter rapid prototyping is used as a generic term). This has contributed to the production of prototypes mainly for the purpose of shape confirmation with extremely short lead times. If a modeling apparatus that forms a three-dimensional modeled object by rapid prototyping, such as a 3D printer, is classified according to the material to be handled, it can be broadly classified into one that handles resin and one that handles metal. A metal three-dimensional structure manufactured by rapid prototyping is used as an actual part exclusively, unlike the case of resin. That is, it is not a prototype part for shape confirmation, but functions as a part of an actual mechanical structure (whether it is a mass-produced product or a prototype). As existing metal 3D printers (hereinafter abbreviated as M3DP (Metal 3D Printer)), two types of PBF (Powder Bed Fusion) and DED (Directed Energy Deposition) are well known.

PBFは、被加工物を搭載するベッドの上に焼結金属の粉末を薄く積層させ、そこに高エネルギのレーザビームをガルバノミラーなどで走査し、ビームが当たった部分を溶融し凝固させる。1層分の描画が完了すると、ベッドが1層分の厚さだけ下降し、そこに再び焼結金属の粉末を塗り広げ、同じことを繰り返す。このようにして1層ずつ造形を繰り返し、所望の3次元形状を得るものである。   In the PBF, a sintered metal powder is thinly laminated on a bed on which a workpiece is mounted, and a high-energy laser beam is scanned by a galvanometer mirror or the like to melt and solidify a portion irradiated with the beam. When the drawing for one layer is completed, the bed is lowered by the thickness of one layer, and the sintered metal powder is spread again there, and the same is repeated. In this manner, modeling is repeated layer by layer to obtain a desired three-dimensional shape.

PBFは、その造形原理により、本質的に、(1)部品の製作精度が不十分である、(2)仕上がりの表面粗さが悪い、(3)処理速度が遅い、及び(4)焼結金属粉末の扱いが面倒で手間が掛かるなど、いくつかの問題点が存在する。   Due to its modeling principle, PBF is essentially (1) inadequate production accuracy of parts, (2) poor surface finish, (3) slow processing speed, and (4) sintering. There are some problems such as troublesome handling of metal powder.

DEDでは、溶解させた金属材料を、加工対象に付着させる方法をとっている。例えば、集光レンズで絞ったレーザビームの焦点付近に、粉末金属を噴射する。するとその粉末金属がレーザの照射によって溶解して液体状になる。その焦点付近に加工対象があったなら、その液体化した金属は加工対象に付着し、冷却され再び凝固する。この焦点の部分がいわばペン先となり、加工対象の表面に次々と「厚みを有する線」を描いていくことができる。加工対象及び加工ヘッド(レーザ及び粉末噴射ノズル他)の一方が他方に対してCADデータに基づき適切に相対運動することで、所望の形状が形作られる(例えば、特許文献1参照)。   In DED, a method of adhering a dissolved metal material to an object to be processed is employed. For example, powder metal is injected in the vicinity of the focal point of the laser beam focused by the condenser lens. Then, the powder metal is melted by laser irradiation and becomes liquid. If there is an object to be processed near the focal point, the liquefied metal adheres to the object to be processed, and is cooled and solidified again. This focal portion becomes a so-called pen tip, and it is possible to draw “thick lines” one after another on the surface to be processed. A desired shape is formed by appropriately moving one of a processing target and a processing head (laser, powder injection nozzle, etc.) relative to the other based on CAD data (see, for example, Patent Document 1).

このことからわかるように、DEDでは、粉末材料は加工ヘッドから必要に応じて必要な量だけ噴射されるため、無駄が無く、大量の余剰粉末の中で加工を行う必要もない。   As can be seen from this, in DED, since the powder material is ejected from the machining head in a necessary amount as needed, there is no waste and it is not necessary to process in a large amount of surplus powder.

上述したように、DEDは、PBFに比べて、原材料となる粉末金属の扱いなどにおいて改善が図られているが、改善すべき点は多い。   As described above, DED has been improved in handling of powder metal as a raw material as compared with PBF, but there are many points to be improved.

このような背景により、三次元造形物を形成する造形装置の工作機械としての利便性の向上、つまるところはものづくりの経済合理性の向上が強く望まれている。   Due to such a background, improvement of convenience as a machine tool of a modeling apparatus for forming a three-dimensional modeled object, that is, improvement of economic rationality of manufacturing is strongly desired.

米国特許出願公開第2003/0206820号明細書US Patent Application Publication No. 2003/0206820

本発明の第1の態様によれば、対象面上に三次元造形物を形成する造形装置であって、前記対象面を移動する移動システムと、ビームを射出する集光光学系を含むビーム照射部と、前記ビーム照射部からのビームで照射される造形材料を供給する材料処理部とを有するビーム造形システムと、前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとを相対移動させつつ前記造形材料を前記材料処理部から供給することにより前記対象面上の目標部位に造形が施されるように、前記対象面上に形成する三次元造形物の3Dデータに基づいて、前記移動システムと前記ビーム造形システムとを制御する制御装置と、を備え、前記集光光学系の射出面側の所定面内における前記ビームの強度分布を変更可能である造形装置が、提供される。   According to the first aspect of the present invention, there is provided a modeling apparatus for forming a three-dimensional modeled object on a target surface, the beam irradiation including a moving system that moves the target surface and a condensing optical system that emits a beam. And a material processing unit that supplies a modeling material irradiated with a beam from the beam irradiation unit, and the modeling material while relatively moving the target surface and the beam from the beam irradiation unit Based on 3D data of a three-dimensional structure to be formed on the target surface so that modeling is performed on a target site on the target surface by supplying from the material processing unit, the moving system and the beam And a control device that controls the modeling system, and a modeling device capable of changing the intensity distribution of the beam in a predetermined plane on the exit surface side of the condensing optical system is provided.

ここで、対象面は、造形の目標部位が設定される面であり、所定面は、造形の際に、その対象面を位置合わせすべき仮想的な面であっても良い。その所定面は、例えば、集光光学系の光軸に垂直な面であっても良い。その所定面は、集光光学系の後側焦点面又はその近傍の面であっても良い。   Here, the target surface is a surface on which a target site for modeling is set, and the predetermined surface may be a virtual surface on which the target surface should be aligned during modeling. The predetermined surface may be, for example, a surface perpendicular to the optical axis of the condensing optical system. The predetermined plane may be a rear focal plane of the condensing optical system or a plane in the vicinity thereof.

これによれば、加工精度の良好な三次元造形物を対象面上に形成することが可能になる。   According to this, it becomes possible to form a three-dimensional structure with good processing accuracy on the target surface.

本発明の第2の態様によれば、対象面上に三次元造形物を形成する造形方法であって、集光光学系を含むビーム照射部から射出されるビームと対象面とを相対移動させつつ前記ビームで照射されるように造形材料を供給することにより前記対象面上の目標部位に造形が施されるように、前記対象面上に形成する三次元造形物の3Dデータに基づいて、前記対象面の移動と、前記ビーム照射部からの前記ビームの射出状態及び前記造形材料の供給状態の少なくとも一方と、を制御することを含み、前記集光光学系の射出面側の所定面内における前記ビームの強度分布を変更可能である造形方法が、提供される。   According to the second aspect of the present invention, there is provided a modeling method for forming a three-dimensional modeled object on a target surface, wherein the beam emitted from the beam irradiation unit including the condensing optical system and the target surface are relatively moved. On the other hand, based on the 3D data of the three-dimensional structure to be formed on the target surface so that the target part on the target surface is shaped by supplying the modeling material to be irradiated with the beam, Controlling the movement of the target surface and at least one of the emission state of the beam from the beam irradiation unit and the supply state of the modeling material, and within a predetermined plane on the emission surface side of the condensing optical system A modeling method capable of changing the intensity distribution of the beam is provided.

これによれば、加工精度の良好な三次元造形物を対象面上に形成することが可能になる。   According to this, it becomes possible to form a three-dimensional structure with good processing accuracy on the target surface.

一実施形態に係る造形装置の全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure of the modeling apparatus which concerns on one Embodiment. 移動システムの構成を、計測システムとともに概略的に示す図である。It is a figure which shows the structure of a movement system schematically with a measurement system. ワークが搭載された移動システムを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the movement system with which the workpiece | work was mounted. ビーム造形システムをワークが搭載されたテーブルとともに示す図である。It is a figure which shows a beam shaping system with the table in which the workpiece | work was mounted. ビーム造形システムが備えるビーム照射部の一部を構成する光源系の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the light source system which comprises some beam irradiation parts with which a beam shaping system is provided. 光源系からの平行ビームがミラーアレイに照射され、複数のミラー素子それぞれからの反射ビームの集光光学系に対する入射角度が個別に制御される状態を示す図である。It is a figure which shows the state by which the parallel beam from a light source system is irradiated to a mirror array, and the incident angle with respect to the condensing optical system of the reflected beam from each of several mirror element is controlled separately. ビーム造形システムが備える材料処理部を集光光学系とともに示すである。It is a material processing part with which a beam shaping system is provided, and shows a condensing optical system. 材料処理部のノズルに形成された複数の供給口と該複数の供給口のそれぞれを開閉する開閉部材とを示す図である。It is a figure which shows the some supply port formed in the nozzle of a material processing part, and the opening-and-closing member which opens and closes each of this some supply port. 図9(A)は、図4の円A内を拡大して示す図、図9(B)は、図9(A)に示される一文字領域とスキャン方向との関係を示す図である。9A is an enlarged view of the inside of circle A in FIG. 4, and FIG. 9B is a view showing the relationship between one character area shown in FIG. 9A and the scan direction. 造形面上に形成されるビームの照射領域の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the irradiation area | region of the beam formed on a modeling surface. 造形装置の制御系を中心的に構成する制御装置の入出力関係を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the input / output relationship of the control apparatus which mainly comprises the control system of a modeling apparatus. 図12(A)及び図12(B)は、一実施形態に係る造形装置の1つの効果を従来技術と比較して説明するための図である。FIG. 12A and FIG. 12B are diagrams for explaining one effect of the modeling apparatus according to the embodiment in comparison with the prior art. 3つの一文字領域にそれぞれ形成された3つの一文字ビームを用いてワークに対する付加加工を行う例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the example which performs the additional process with respect to a workpiece | work using the three one character beam each formed in three one character area | regions. 図13に示される3つの一文字領域の配置とスキャン方向との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between arrangement | positioning of three one character area | regions shown by FIG. 13, and a scanning direction. 図15(A)及び図15(B)は、一文字領域の幅を少し太くすることで塗布層の厚さを厚くする例を説明するための図である。FIG. 15A and FIG. 15B are diagrams for explaining an example in which the thickness of the coating layer is increased by slightly increasing the width of one character region.

以下、一実施形態について、図1〜図15(B)に基づいて説明する。図1には、一実施形態に係る造形装置100の全体構成が、ブロック図にて示されている。   Hereinafter, an embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a modeling apparatus 100 according to an embodiment.

造形装置100は、DED方式のM3DPである。造形装置100は、ラピッドプロトタイピングにより、後述するテーブル12上で三次元造形物を形成するのにも用いることができるが、ワーク(例えば、既存の部品)に対して三次元造形による付加加工を行うのにも用いることもできる。本実施形態では、後者のワークに対する付加加工を行う場合を中心として説明を行う。実際のモノづくりの現場では、別の製法、別の材料あるいは別の工作機械で生成された部品に対し、更に加工を繰り返し所望の部品に仕立てていくことが普通であり、三次元造形による付加加工に対してもその要求は潜在的には同じである。   The modeling apparatus 100 is a DED M3DP. The modeling apparatus 100 can also be used to form a three-dimensional modeled object on the table 12 described later by rapid prototyping, but performs additional processing by three-dimensional modeling on a workpiece (for example, an existing part). It can also be used to do. In the present embodiment, the description will be made centering on the case of performing additional machining on the latter workpiece. In actual manufacturing, it is common to repeat the processing of parts produced with different manufacturing methods, different materials, or different machine tools, and tailor them to the desired parts. The requirements for processing are potentially the same.

造形装置100は、移動システム200、計測システム400及びビーム造形システム500と、これらのシステムを含み、造形装置100の全体を制御する制御装置600とを備えている。このうち、計測システム400と、ビーム造形システム500とは、所定方向、に離れて配置されている。以下の説明では、便宜上、計測システム400と、ビーム造形システム500とは、後述するX軸方向(図2参照)に離れて配置されているものとする。   The modeling apparatus 100 includes a moving system 200, a measurement system 400, a beam modeling system 500, and a control device 600 that includes these systems and controls the entire modeling apparatus 100. Among these, the measurement system 400 and the beam shaping system 500 are arranged separately in a predetermined direction. In the following description, for convenience, it is assumed that the measurement system 400 and the beam shaping system 500 are arranged apart from each other in the X-axis direction (see FIG. 2) described later.

図2には、移動システム200の構成が、計測システム400とともに概略的に示されている。また、図3には、ワークWが搭載された移動システム200が、斜視図にて示されている。以下では、図2における紙面内の左右方向をY軸方向、紙面に直交する方向をX軸方向、X軸及びY軸に直交する方向をZ軸方向とし、X軸、Y軸及びZ軸回りの回転(傾斜)方向を、それぞれθx、θy及びθz方向として説明を行う。   In FIG. 2, the configuration of the movement system 200 is schematically shown together with the measurement system 400. FIG. 3 is a perspective view of the moving system 200 on which the workpiece W is mounted. In the following, the horizontal direction in FIG. 2 is defined as the Y-axis direction, the direction orthogonal to the paper surface is defined as the X-axis direction, and the direction orthogonal to the X-axis and Y-axis is defined as the Z-axis direction. The rotation (tilt) direction will be described as θx, θy, and θz directions, respectively.

移動システム200は、造形の対象面(ここではワークW上の目標部位TAが設定される面)TAS(例えば図4及び図9(A)参照)の位置及び姿勢を変更する。具体的には、対象面を有するワーク及び該ワークが搭載される後述するテーブルを6自由度方向(X軸、Y軸、Z軸、θx、θy及びθzの各方向)に駆動することで、対象面の6自由度方向の位置の変更を行う。本明細書においては、テーブル、ワーク又は対象面などについて、θx、θy及びθz方向の3自由度方向の位置を適宜「姿勢」と総称し、これに対応して残りの3自由度方向(X軸、Y軸及びZ軸方向)の位置を適宜「位置」と総称する。   The movement system 200 changes the position and orientation of a modeling target surface (here, a surface on which the target portion TA on the workpiece W is set) TAS (see, for example, FIGS. 4 and 9A). Specifically, by driving a workpiece having a target surface and a table (described later) on which the workpiece is mounted in directions of six degrees of freedom (X-axis, Y-axis, Z-axis, θx, θy, and θz directions), Change the position of the target surface in the direction of 6 degrees of freedom. In this specification, the positions of the three degrees of freedom in the θx, θy, and θz directions of the table, work, or target surface are collectively referred to as “posture” as appropriate, and the remaining three degrees of freedom directions (X The positions of the axis, the Y-axis, and the Z-axis direction) are collectively referred to as “position” where appropriate.

移動システム200は、テーブルの位置及び姿勢を変更する駆動機構の一例としてスチュワートプラットホーム型の6自由度パラレルリンク機構を備えている。なお、移動システム200は、テーブルを6自由度方向に駆動できるものに限定されない。   The movement system 200 includes a Stewart platform type 6-degree-of-freedom parallel link mechanism as an example of a drive mechanism that changes the position and posture of the table. The moving system 200 is not limited to one that can drive the table in the direction of 6 degrees of freedom.

移動システム200(但し、後述する平面モータの固定子を除く)は、図2に示されるように、床F上にその上面がXY平面にほぼ平行になるように設置されたベースBS上に配置されている。移動システム200は、図3に示されるように、ベースプラットホームを構成する平面視正六角状のスライダ10と、エンドエフェクタを構成するテーブル12と、スライダ10とテーブル12とを連結する6本の伸縮可能なロッド(リンク)141〜146と、ロッド141〜146にそれぞれ設けられ当該各ロッドを伸縮させる伸縮機構161〜166(図3では図示せず、図11参照)とを有している。移動システム200は、ロッド141〜146の長さを伸縮機構161〜166でそれぞれ独立に調整することにより、テーブル12の動きを三次元空間内で6自由度で制御できる構造となっている。移動システム200は、テーブル12の駆動機構として、スチュワートプラットホーム型の6自由度パラレルリンク機構を備えているので、高精度、高剛性、支持力が大きい、逆運動学計算が容易などの特徴がある。 As shown in FIG. 2, the moving system 200 (excluding the stator of a planar motor described later) is disposed on a base BS installed on the floor F so that its upper surface is substantially parallel to the XY plane. Has been. As shown in FIG. 3, the moving system 200 includes a regular hexagonal slider 10 constituting a base platform, a table 12 constituting an end effector, and six expansion / contractions connecting the slider 10 and the table 12. Possible rods (links) 14 1 to 14 6 and expansion / contraction mechanisms 16 1 to 16 6 (not shown in FIG. 3 but refer to FIG. 11) provided on the rods 14 1 to 14 6 to expand and contract the rods. Have. The moving system 200 has a structure in which the movement of the table 12 can be controlled with six degrees of freedom in a three-dimensional space by independently adjusting the lengths of the rods 14 1 to 14 6 with the extension mechanisms 16 1 to 16 6. ing. Since the moving system 200 includes a Stewart platform type 6-degree-of-freedom parallel link mechanism as a driving mechanism of the table 12, it has features such as high accuracy, high rigidity, large support force, and easy inverse kinematics calculation. .

本実施形態に係る造形装置100では、ワークに対する付加加工時等において、ワークに対して所望の形状の造形物を形成する等のため、ビーム造形システム500に対し、より具体的には後述するビーム照射部からのビームに対してワーク(テーブル12)の位置及び姿勢が制御される。原理的には、この逆にビーム照射部からのビームの方が可動であっても良いし、ビームとワーク(テーブル)の両方が可動であっても良い。後述するようにビーム造形システム500は複雑な構成であるため、ワークの方を動かす方が簡便である。   In the modeling apparatus 100 according to the present embodiment, a beam to be described later is more specifically described with respect to the beam modeling system 500 in order to form a modeled object having a desired shape on the workpiece at the time of additional processing on the workpiece. The position and posture of the work (table 12) are controlled with respect to the beam from the irradiation unit. In principle, on the contrary, the beam from the beam irradiation unit may be movable, or both the beam and the work (table) may be movable. As will be described later, since the beam shaping system 500 has a complicated configuration, it is easier to move the workpiece.

テーブル12は、ここでは、正三角形の各頂点の部分を切り落としたような形状の板部材から成る。テーブル12の上面に付加加工対象のワークWが搭載される。テーブル12には、ワークWを固定するためのチャック機構13(図3では不図示、図11参照)が設けられている。チャック機構13としては、例えばメカニカルチャックあるいは真空チャックなどが用いられる。なお、テーブル12は、図3に示される形状に限らず、矩形板状、円盤状など如何なる形状でも良い。   Here, the table 12 is made of a plate member having a shape obtained by cutting off each vertex of the equilateral triangle. A workpiece W to be subjected to additional processing is mounted on the upper surface of the table 12. The table 12 is provided with a chuck mechanism 13 (not shown in FIG. 3, refer to FIG. 11) for fixing the workpiece W. For example, a mechanical chuck or a vacuum chuck is used as the chuck mechanism 13. The table 12 is not limited to the shape shown in FIG. 3, and may have any shape such as a rectangular plate shape or a disk shape.

この場合、図3から明らかなように、ロッド141〜146のそれぞれは、両端がユニバーサルジョイント18を介して、スライダ10とテーブル12とにそれぞれ接続されている。また、ロッド141、142は、テーブル12の三角形の1つの頂点位置の近傍に接続され、スライダ10とこれらのロッド141、142とによって概略三角形が構成されるような配置となっている。同様に、ロッド143,144、及びロッド145,146は、テーブル12の三角形の残りの各頂点位置の近傍にそれぞれ接続され、スライダ10と、ロッド143、144、及びロッド145,146とによって、それぞれ概略三角形が構成されるような配置となっている。 In this case, as is apparent from FIG. 3, each of the rods 14 1 to 14 6 is connected to the slider 10 and the table 12 via the universal joint 18 at both ends. Further, the rods 14 1 and 14 2 are connected in the vicinity of one vertex position of the triangle of the table 12, and the slider 10 and the rods 14 1 and 14 2 constitute an approximate triangle. Yes. Similarly, the rods 14 3 and 14 4 and the rods 14 5 and 14 6 are respectively connected in the vicinity of the remaining vertex positions of the triangle of the table 12, and the slider 10, the rods 14 3 , 14 4 , and the rod 14 are connected. 5 and 14 6 are arranged so as to form an approximate triangle.

これらのロッド141〜146のそれぞれは、図3にロッド141について代表的に示されるように、それぞれの軸方向に相対移動可能な第1軸部材20と、第2軸部材22とを有しており、第1軸部材20の一端(下端)は、スライダ10にユニバーサルジョイント18を介して取り付けられており、第2軸部材22の他端(上端)は、テーブル12にユニバーサルジョイントを介して取り付けられている。 Each of these rods 14 1 to 14 6 includes a first shaft member 20 and a second shaft member 22 that can move relative to each other in the axial direction, as representatively shown for the rod 14 1 in FIG. One end (lower end) of the first shaft member 20 is attached to the slider 10 via the universal joint 18, and the other end (upper end) of the second shaft member 22 has a universal joint on the table 12. Is attached through.

第1軸部材20の内部には、段付き円柱状の中空部が形成されており、この中空部の下端側には、例えばベローズ型のエアシリンダが収納されている。このエアシリンダには、空圧回路及び空気圧源(いずれも不図示)が接続されている。そして、その空気圧源から供給される圧縮空気の空気圧を空圧回路を介して制御することにより、エアシリンダの内圧を制御し、これによってエアシリンダが有するピストンが軸方向に往復動されるようになっている。エアシリンダでは、戻り工程は、パラレルリンク機構に組み込まれた際にピストンに作用する重力を利用するようになっている。   A stepped columnar hollow portion is formed inside the first shaft member 20, and a bellows type air cylinder, for example, is housed at the lower end side of the hollow portion. A pneumatic circuit and an air pressure source (both not shown) are connected to the air cylinder. Then, by controlling the air pressure of the compressed air supplied from the air pressure source via the pneumatic circuit, the internal pressure of the air cylinder is controlled so that the piston of the air cylinder is reciprocated in the axial direction. It has become. In the air cylinder, the return process uses gravity that acts on the piston when it is incorporated into the parallel link mechanism.

また、第1軸部材20の中空部内の上端側には、軸方向に並べて配置された複数の電機子コイルから成る電機子ユニット(不図示)が配置されている。   In addition, an armature unit (not shown) including a plurality of armature coils arranged in the axial direction is disposed on the upper end side in the hollow portion of the first shaft member 20.

一方、第2軸部材22は、その一端部(下端部)が第1軸部材20の中空部内に挿入されている。この第2軸部材22の一端部には、他の部分に比べて直径が小さい小径部が形成されており、この小径部の周囲には、磁性体部材から成る円管状の可動子ヨークが設けられている。可動子ヨークの外周部には、同一寸法の複数の永久磁石から成る中空円柱状、すなわち円筒状の磁石体が設けられている。この場合、可動子ヨークと磁石体とによって、中空円柱状の磁石ユニットが構成されている。本実施形態では、電機子ユニットと磁石ユニットとによって、電磁力リニアモータの一種であるシャフトモータが構成されている。このようにして構成されたシャフトモータでは、固定子である電機子ユニットの各コイルに対し、所定周期及び所定振幅の正弦波状の駆動電流を供給することにより、磁石ユニットと電機子ユニットとの間の電磁気的相互作用の一種である電磁相互作用によって発生するローレンツ力(駆動力)により第1軸部材20に対し第2軸部材22が軸方向に相対駆動される。   On the other hand, one end (lower end) of the second shaft member 22 is inserted into the hollow portion of the first shaft member 20. One end of the second shaft member 22 is formed with a small-diameter portion having a smaller diameter than the other portions, and a circular-shaped mover yoke made of a magnetic member is provided around the small-diameter portion. It has been. On the outer peripheral portion of the mover yoke, a hollow columnar shape composed of a plurality of permanent magnets having the same dimensions, that is, a cylindrical magnet body is provided. In this case, a hollow cylindrical magnet unit is constituted by the mover yoke and the magnet body. In the present embodiment, the armature unit and the magnet unit constitute a shaft motor that is a kind of electromagnetic force linear motor. In the shaft motor configured as described above, a sinusoidal drive current having a predetermined period and a predetermined amplitude is supplied to each coil of the armature unit, which is a stator, so that a gap between the magnet unit and the armature unit is obtained. The second shaft member 22 is driven relative to the first shaft member 20 in the axial direction by Lorentz force (driving force) generated by electromagnetic interaction, which is a kind of electromagnetic interaction.

すなわち、本実施形態では、上述したエアシリンダと、シャフトモータとによって、第1軸部材20と第2軸部材22とを軸方向に相対駆動して、ロッド141〜146のそれぞれを伸縮させる前述の伸縮機構161〜166(図11参照)が、それぞれ構成されている。 That is, in the present embodiment, the first shaft member 20 and the second shaft member 22 are relatively driven in the axial direction by the air cylinder and the shaft motor described above, and each of the rods 14 1 to 14 6 is expanded and contracted. The aforementioned telescopic mechanisms 16 1 to 16 6 (see FIG. 11) are respectively configured.

また、シャフトモータの可動子である磁石ユニットは、第1軸部材20の内周面に設けられたエアパッドを介して固定子である電機子ユニットに対して非接触で支持されている。   The magnet unit, which is a mover of the shaft motor, is supported in a non-contact manner with respect to the armature unit, which is a stator, via an air pad provided on the inner peripheral surface of the first shaft member 20.

また、図3では図示が省略されているが、ロッド14〜14のそれぞれには、第1軸部材20を基準とする第2軸部材22の軸方向の位置を検出するアブソリュート型のリニアエンコーダ24〜24が設けられており、これらのリニアエンコーダ24〜24の出力は、制御装置600に供給されるようになっている(図11参照)。リニアエンコーダ24〜24で検出される第2軸部材22の軸方向の位置は、ロッド14〜14それぞれの長さに対応する。 Although not shown in FIG. 3, each of the rods 14 1 to 14 6 has an absolute linear that detects the axial position of the second shaft member 22 with respect to the first shaft member 20. Encoders 24 1 to 24 6 are provided, and outputs of these linear encoders 24 1 to 24 6 are supplied to the control device 600 (see FIG. 11). The axial position of the second shaft member 22 detected by the linear encoders 24 1 to 24 6 corresponds to the lengths of the rods 14 1 to 14 6 .

リニアエンコーダ24〜24の出力に基づいて、伸縮機構161〜166が、制御装置600により制御されるようになっている(図11参照)。本実施形態の移動システム200と同様のパラレルリンク機構の構成の詳細は、例えば米国特許第6,940,582号明細書に開示されており、制御装置600は上記米国特許明細書に開示されているのと同様の方法により、逆運動学計算を用いて伸縮機構161〜166を介してテーブル12の位置及び姿勢を制御する。 Based on the outputs of the linear encoders 24 1 to 24 6 , the expansion / contraction mechanisms 16 1 to 16 6 are controlled by the control device 600 (see FIG. 11). Details of the configuration of the parallel link mechanism similar to the mobile system 200 of the present embodiment are disclosed in, for example, US Pat. No. 6,940,582, and the control device 600 is disclosed in the above US patent specification. The position and posture of the table 12 are controlled via the expansion / contraction mechanisms 16 1 to 16 6 using inverse kinematics calculation in the same manner as described above.

移動システム200では、ロッド14〜14にそれぞれ設けられる伸縮機構161〜1663が、相互に直列(又は並列)に配置されたエアシリンダと電磁力リニアモータの一種であるシャフトモータとを有していていることから、制御装置600ではエアシリンダの空圧制御により、テーブル12を、粗く大きく駆動するとともに、シャフトモータにより細かく微動させることができる。この結果、テーブル12の6自由度方向の位置(すなわち位置及び姿勢)の制御を短時間で正確に行うことが可能になる。 In the moving system 200, the telescopic mechanisms 16 1 to 16 63 provided on the rods 14 1 to 14 6 respectively include an air cylinder arranged in series (or in parallel) and a shaft motor that is a kind of electromagnetic force linear motor. Therefore, in the control device 600, the table 12 can be driven roughly coarsely and finely and finely moved by the shaft motor by air pressure control of the air cylinder. As a result, the position of the table 12 in the 6-degree-of-freedom direction (that is, the position and orientation) can be accurately controlled in a short time.

また、ロッド14〜14のそれぞれは、シャフトモータの可動子である磁石ユニットを固定子である電機子ユニットに対して非接触で支持するエアパッドを有しているので、伸縮機構によるロッドの伸縮を制御する際の非線形成分となる摩擦を回避することができ、これにより、テーブル12の位置及び姿勢の制御を一層高精度に行うことができる。 In addition, each of the rods 14 1 to 14 6 has an air pad that supports the magnet unit, which is a mover of the shaft motor, in a non-contact manner with respect to the armature unit, which is a stator. Friction, which is a non-linear component when controlling expansion and contraction, can be avoided, whereby the position and posture of the table 12 can be controlled with higher accuracy.

また、本実施形態では、伸縮機構941〜946を構成する電磁力リニアモータとしてシャフトモータが用いられ、該シャフトモータでは可動子側に円筒状の磁石が用いられた磁石ユニットが用いられているので、その磁石の放射方向の全方向に磁束(磁界)が発生し、その全方向の磁束を、電磁相互作用によるローレンツ力(駆動力)の発生に寄与させることができ、例えば通常のリニアモータ等に比較して明らかに大きな推力を発生させることができ、油圧シリンダ等に比べて小型化が容易である。 Further, in the present embodiment, the shaft motor is used as the electromagnetic force linear motor constituting the telescopic mechanism 94 1-94 6, in the shaft motor cylindrical magnet unit magnet is used is used for the movable section Therefore, magnetic flux (magnetic field) is generated in all directions in the radial direction of the magnet, and the magnetic flux in all directions can be contributed to the generation of Lorentz force (driving force) due to electromagnetic interaction. Compared to a motor or the like, a clearly large thrust can be generated, and the size can be easily reduced as compared to a hydraulic cylinder or the like.

したがって、各ロッドがシャフトモータをそれぞれ含む移動システム200によれば、小型・軽量化と出力の向上とを同時に実現でき、造形装置100に好適に適用できる。   Therefore, according to the moving system 200 in which each rod includes a shaft motor, it is possible to simultaneously realize a reduction in size and weight and an improvement in output, which can be suitably applied to the modeling apparatus 100.

また、制御装置600では、伸縮機構をそれぞれ構成するエアシリンダの空圧を制御することにより低周波振動を制振するとともにシャフトモータに対する電流制御により高周波振動を絶縁するようにすることができる。   Further, in the control device 600, it is possible to suppress low-frequency vibrations by controlling the air pressure of the air cylinders that respectively constitute the expansion and contraction mechanisms, and to insulate high-frequency vibrations by current control on the shaft motor.

移動システム200は、さらに平面モータ26(図11参照)を備えている。スライダ10の底面には、磁石ユニット(又はコイルユニット)から成る、平面モータ26の可動子が設けられ、これに対応してベースBSの内部には、コイルユニット(又は磁石ユニット)から成る、平面モータ26の固定子が収容されている。スライダ10の底面には、可動子を取り囲んで複数のエアベアリング(空気静圧軸受)が設けられ、複数のエアベアリングによってスライダ10は、平坦度が高く仕上げられたベースBSの上面(ガイド面)上に所定のクリアランス(ギャップ又は隙間)を介して浮上支持されている。平面モータ26の固定子と可動子との間の電磁相互作用によって生じる電磁力(ローレンツ力)により、スライダ10は、ベースBSの上面に対して非接触でXY平面内で駆動される。本実施形態では、移動システム200は、図1に示されるように、計測システム400及びビーム造形システム500、並びにワーク搬送系300(図1では不図示、図11参照)の配置位置相互間で、テーブル12を自在に移動可能である。なお、移動システム200が、それぞれにワークWを搭載する複数のテーブル12を備えていても良い。例えば複数のテーブルの一つに保持されたワークに対してビーム造形システム500を用いた加工を行っている間に、別の一つのテーブルに保持されたワークに対して計測システム400を用いた計測を行っても良い。かかる場合においても、計測システム400及びビーム造形システム500、並びにワーク搬送系300(図1では不図示、図11参照)の配置位置相互間で、それぞれのテーブルが自在に移動可能にすれば良い。あるいは、もっぱら計測システム400を用いた計測のときにワークを保持するテーブルと、もっぱらビーム造形システム500を用いた加工のときにワークを保持するテーブルを設けるとともに、その2つのテーブルに対するワークの搬入及び搬出がワーク搬送系等によって可能となる構成を採用した場合には、それぞれのスライダ10は、ベースBS上に固定されていても良い。複数のテーブル12を設ける場合であっても、それぞれのテーブル12は、6自由度方向に可動であり、その6自由度方向の位置の制御が可能である。   The moving system 200 further includes a planar motor 26 (see FIG. 11). On the bottom surface of the slider 10, a mover of a planar motor 26 made of a magnet unit (or coil unit) is provided. Correspondingly, a flat surface made of a coil unit (or magnet unit) is formed inside the base BS. The stator of the motor 26 is accommodated. A plurality of air bearings (aerostatic bearings) are provided on the bottom surface of the slider 10 so as to surround the mover, and the slider 10 is finished with high flatness (guide surface) by the plurality of air bearings. It is levitated and supported above via a predetermined clearance (gap or gap). The slider 10 is driven in the XY plane in a non-contact manner with respect to the upper surface of the base BS by electromagnetic force (Lorentz force) generated by electromagnetic interaction between the stator and the movable element of the planar motor 26. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the moving system 200 is arranged between the arrangement positions of the measurement system 400, the beam shaping system 500, and the work transfer system 300 (not shown in FIG. 1, see FIG. 11). The table 12 can be moved freely. Note that the moving system 200 may include a plurality of tables 12 on which the workpieces W are mounted. For example, while processing using the beam shaping system 500 is performed on a workpiece held on one of a plurality of tables, measurement using the measurement system 400 is performed on a workpiece held on another table. May be performed. Even in such a case, each table may be freely movable between the arrangement positions of the measurement system 400, the beam shaping system 500, and the workpiece transfer system 300 (not shown in FIG. 1, refer to FIG. 11). Alternatively, a table that holds the workpiece exclusively during measurement using the measurement system 400 and a table that holds the workpiece exclusively during machining using the beam shaping system 500 are provided, and the workpiece is loaded into the two tables. When adopting a configuration in which unloading is possible by a workpiece transfer system or the like, each slider 10 may be fixed on the base BS. Even when a plurality of tables 12 are provided, each table 12 is movable in the direction of 6 degrees of freedom, and the position in the direction of 6 degrees of freedom can be controlled.

なお、平面モータ26としては、エア浮上方式に限らず、磁気浮上方式の平面モータを用いても良い。後者の場合、スライダ10には、エアベアリングを設ける必要はない。また、平面モータ26としては、ムービングマグネット型、ムービングコイル型のいずれをも用いることができる。   The planar motor 26 is not limited to the air levitation method, and a magnetic levitation method planar motor may be used. In the latter case, the slider 10 need not be provided with an air bearing. As the planar motor 26, either a moving magnet type or a moving coil type can be used.

制御装置600では、平面モータ26を構成するコイルユニットの各コイルに供給する電流の大きさ及び方向の少なくとも一方を制御することで、スライダ10を、ベースBS上でX、Y2次元方向に自在に駆動することができる。   The control device 600 controls the slider 10 in the X and Y two-dimensional directions on the base BS by controlling at least one of the magnitude and direction of the current supplied to each coil of the coil unit constituting the planar motor 26. Can be driven.

本実施形態では、移動システム200は、スライダ10のX軸方向及びY軸方向に関する位置情報を計測する位置計測系28(図11参照)を備えている。位置計測系28としては、2次元アブソリュートエンコーダを用いることができる。具体的には、ベースBSの上面に、X軸方向の全長に渡る所定幅の帯状のアブソリュートコードを有する2次元スケールを設け、これに対応してスライダ10の底面に、発光素子などの光源と、該光源から射出された光束により照明された2次元スケールからの反射光をそれぞれ受光するX軸方向に配列された一次元受光素子アレイ及びY軸方向に配列された一次元受光素子アレイとによって構成されるXヘッド及びYヘッドを設ける。2次元スケールとしては、例えば非反射性の基材(反射率0%)上において、互いに直交する2方向(X軸方向及びY軸方向)に沿って一定の周期で複数の正方形の反射部(マーク)が2次元配列され、反射部の反射特性(反射率)が、所定の規則に従う階調を有するものが使用される。2次元アブソリュートエンコーダとしては、例えば米国特許出願公開第2014/0070073号公報に開示されている2次元アブソリュートエンコーダと同様の構成を採用しても良い。米国特出願公開第2014/0070073号公報と同様の構成のアブソリュート型2次元エンコーダによると、従来のインクリメンタルエンコーダと同等の高精度な2次元位置情報の計測が可能になる。アブソリュートエンコーダであるから、インクリメンタルエンコーダと異なり原点検出が不要である。位置計測系28の計測情報は、制御装置600に送られる。   In the present embodiment, the moving system 200 includes a position measurement system 28 (see FIG. 11) that measures position information regarding the X-axis direction and the Y-axis direction of the slider 10. As the position measurement system 28, a two-dimensional absolute encoder can be used. Specifically, a two-dimensional scale having a belt-like absolute cord with a predetermined width over the entire length in the X-axis direction is provided on the upper surface of the base BS, and a light source such as a light emitting element is provided on the bottom surface of the slider 10 correspondingly. And a one-dimensional light-receiving element array arranged in the X-axis direction and a one-dimensional light-receiving element array arranged in the Y-axis direction for receiving the reflected light from the two-dimensional scale illuminated by the light beam emitted from the light source, respectively. A configured X head and Y head are provided. As a two-dimensional scale, for example, on a non-reflective substrate (reflectance 0%), a plurality of square reflecting portions (with a constant period) along two directions (X-axis direction and Y-axis direction) orthogonal to each other ( Marks) are two-dimensionally arranged, and the reflection characteristic (reflectance) of the reflection portion has a gradation according to a predetermined rule. As the two-dimensional absolute encoder, for example, the same configuration as the two-dimensional absolute encoder disclosed in US Patent Application Publication No. 2014/0070073 may be adopted. According to the absolute two-dimensional encoder having the same configuration as that of US Patent Application Publication No. 2014/0070073, it is possible to measure two-dimensional position information with high accuracy equivalent to that of a conventional incremental encoder. Since it is an absolute encoder, unlike the incremental encoder, origin detection is not required. Measurement information of the position measurement system 28 is sent to the control device 600.

本実施形態では、後述するように、計測システム400により、テーブル12上に搭載されたワークW上の対象面(例えば上面)の少なくとも一部の三次元空間内の位置情報(本実施形態では形状情報)が計測され、その計測後にワークWに対する付加加工(造形)が行われる。したがって、制御装置600は、ワークW上の対象面の少なくとも一部の形状情報を計測したときに、その計測結果と、その計測時におけるロッド14〜14に設けられたリニアエンコーダ24〜24の計測結果及び位置計測系28の計測結果と、を対応づけることで、テーブル12に搭載されたワークW上の対象面の位置及び姿勢を、造形装置100の基準座標系(以下、テーブル座標系と呼ぶ)と関連付けることができる。これにより、それ以後は、リニアエンコーダ24〜24及び位置計測系28の計測結果に基づくテーブル12の6自由度方向の位置のオープンループの制御により、ワークW上の対象面TASの目標値に対する6自由度方向に関する位置制御が可能になっている。本実施形態では、リニアエンコーダ24〜24及び位置計測系28として、アブソリュート型のエンコーダが用いられているので原点出しが不要なためリセットが容易である。なお、テーブル12の6自由度方向の位置のオープンループの制御によるワークW上の対象面の目標値に対する6自由度方向に関する位置制御を可能にするために用いられる、計測システム400で計測すべき前述の三次元空間内の位置情報は、形状に限らず、対象面の形状に応じた少なくとも3点の三次元位置情報であれば足りる。 In this embodiment, as will be described later, position information (in this embodiment, shape information) in at least a part of a target surface (for example, the upper surface) on the workpiece W mounted on the table 12 by the measurement system 400. Information) is measured, and after the measurement, additional processing (modeling) is performed on the workpiece W. Therefore, when the control device 600 measures the shape information of at least a part of the target surface on the workpiece W, the measurement result and the linear encoders 24 1 to 24 1 provided on the rods 14 1 to 14 6 at the time of the measurement are displayed. 24 6 and the result of measurement by the measuring result and position measurement system 28, by associating it with the position and orientation of the target surface on the work W mounted on the table 12, the reference coordinate system of the molding apparatus 100 (hereinafter, table Called a coordinate system). Thereby, thereafter, the target value of the target surface TAS on the workpiece W is controlled by the open loop control of the position of the table 12 in the direction of 6 degrees of freedom based on the measurement results of the linear encoders 24 1 to 24 6 and the position measurement system 28. Position control in the direction of 6 degrees of freedom with respect to is possible. In the present embodiment, since absolute encoders are used as the linear encoders 24 1 to 24 6 and the position measurement system 28, the origin is not required and resetting is easy. It should be measured by the measurement system 400 that is used to enable position control in the direction of 6 degrees of freedom with respect to the target value of the target surface on the workpiece W by open loop control of the position in the direction of 6 degrees of freedom of the table 12. The above-described position information in the three-dimensional space is not limited to the shape, and it is sufficient if the position information is at least three points according to the shape of the target surface.

なお、上記実施形態では、スライダ10をXY平面内で駆動する駆動装置として、平面モータ26を用いる場合について説明したが、平面モータ26に代えてリニアモータを用いても良い。この場合、前述した2次元アブソリュートエンコーダに代えて、アブソリュート型のリニアエンコーダによりスライダ10の位置情報を計測する位置計測系を構成しても良い。また、スライダ10の位置情報を計測する位置計測系を、エンコーダに限らず、干渉計システムを用いて構成しても良い。   In the above embodiment, the case where the planar motor 26 is used as the driving device for driving the slider 10 in the XY plane has been described, but a linear motor may be used instead of the planar motor 26. In this case, instead of the above-described two-dimensional absolute encoder, a position measurement system for measuring the position information of the slider 10 may be configured by an absolute linear encoder. Further, the position measurement system for measuring the position information of the slider 10 is not limited to the encoder, and may be configured using an interferometer system.

また、上記実施形態では、テーブルを駆動する機構を、スライダをXY平面内で駆動する平面モータと、スライダによってベースプラットホームが構成されるスチュワートプラットホーム型の6自由度パラレルリンク機構とを用いて構成する場合について例示したが、これに限らず、その他のタイプのパラレルリンク機構、あるいはパラレルリンク機構以外の機構を用いてテーブルを駆動する機構を構成しても良い。例えば、XY平面内で移動するスライダと、スライダ上でテーブル12をZ軸方向及びXY平面に対する傾斜方向に駆動するZチルト駆動機構を採用しても良い。かかるZチルト駆動機構の一例としては、テーブル12を三角形の各頂点位置で例えばユニバーサルジョイントその他のジョイントを介して下方から支持するとともに、各支持点を互いに独立してZ軸方向に駆動可能な3つのアクチュエータ(ボイスコイルモータなど)を有する機構が挙げられる。ただし、移動システム200のテーブルを駆動する機構の構成は、これらに限定されるものではなく、ワークが載置されるテーブル(可動部材)をXY平面内の3自由度方向、及びZ軸方向、並びにXY平面に対する傾斜方向の少なくとも5自由度方向に駆動できる構成であれば良く、XY平面内で移動するスライダを備えていなくても良い。例えばテーブルとこのテーブルを駆動するロボットによって移動システムを構成しても良い。いずれの構成であっても、テーブルの位置を計測する計測系を、アブソリュート型のリニアエンコーダの組み合わせ、又は該リニアエンコーダとアブソリュート型のロータリエンコーダとの組み合わせを用いて構成すると、リセットを容易にすることができる。   Moreover, in the said embodiment, the mechanism which drives a table is comprised using the plane motor which drives a slider in XY plane, and the Stewart platform type 6 degree-of-freedom parallel link mechanism by which a base platform is comprised with a slider. Although the case has been illustrated, the present invention is not limited to this, and a mechanism for driving the table may be configured by using another type of parallel link mechanism or a mechanism other than the parallel link mechanism. For example, a slider that moves in the XY plane and a Z tilt drive mechanism that drives the table 12 in the Z-axis direction and the tilt direction with respect to the XY plane on the slider may be employed. As an example of such a Z tilt driving mechanism, the table 12 is supported from below by, for example, a universal joint or other joint at each vertex position of a triangle, and each supporting point can be driven independently in the Z-axis direction. A mechanism having two actuators (such as a voice coil motor) may be mentioned. However, the configuration of the mechanism that drives the table of the moving system 200 is not limited to these, and the table (movable member) on which the workpiece is placed is placed in the three-degree-of-freedom direction in the XY plane, the Z-axis direction, In addition, any structure that can be driven in at least five degrees of freedom in the inclination direction with respect to the XY plane may be used, and a slider that moves in the XY plane may not be provided. For example, the movement system may be configured by a table and a robot that drives the table. Regardless of the configuration, if the measurement system that measures the position of the table is configured using a combination of an absolute linear encoder or a combination of the linear encoder and an absolute rotary encoder, the resetting is facilitated. be able to.

この他、移動システム200に代えて、テーブル12をXY平面内の3自由度方向、及びZ軸方向、並びにXY平面に対する傾斜方向(θx又はθy)の少なくとも5自由度方向に駆動可能なシステムを採用しても良い。この場合において、テーブル12そのものを、エア浮上又は磁気浮上によって、ベースBSなどの支持部材の上面上に所定のクリアランス(ギャップ又は隙間)を介して浮上支持(非接触支持)しても良い。このような構成を採用すると、テーブルは、これを支持する部材に対して非接触で移動するので、位置決め精度上極めて有利であり、造形精度向上に大きく寄与する。   In addition, instead of the moving system 200, a system capable of driving the table 12 in at least 5 degrees of freedom in the direction of three degrees of freedom in the XY plane, the direction of the Z axis, and the tilt direction (θx or θy) with respect to the XY plane. It may be adopted. In this case, the table 12 itself may be supported by levitation (non-contact support) via a predetermined clearance (gap or gap) on the upper surface of a support member such as the base BS by air levitation or magnetic levitation. When such a configuration is adopted, the table moves in a non-contact manner with respect to a member that supports the table, which is extremely advantageous in terms of positioning accuracy and greatly contributes to improvement in modeling accuracy.

計測システム400は、テーブル12に搭載されたワークの位置及び姿勢をテーブル座標系と関連付けるためのワークの三次元位置情報、一例として形状の計測を行う。計測システム400は、図2に示されるように、レーザ非接触式の三次元計測機401を備えている。三次元計測機401は、ベースBS上に設置されたフレーム30と、フレーム30に取付けられたヘッド部32と、ヘッド部32に装着されたZ軸ガイド34と、Z軸ガイド34の下端に設けられた回転機構36と、回転機構36の下端に接続されたセンサ部38と、を備えている。   The measurement system 400 measures the three-dimensional position information of the workpiece for associating the position and orientation of the workpiece mounted on the table 12 with the table coordinate system, for example, the shape. As shown in FIG. 2, the measurement system 400 includes a laser non-contact type three-dimensional measuring machine 401. The three-dimensional measuring instrument 401 is provided at the frame 30 installed on the base BS, the head part 32 attached to the frame 30, the Z-axis guide 34 attached to the head part 32, and the lower end of the Z-axis guide 34. And a sensor unit 38 connected to the lower end of the rotation mechanism 36.

フレーム30は、Y軸方向に延びる水平部材40と、水平部材40をY軸方向の両端部で下方から支持する一対の柱部材42とから成る。   The frame 30 includes a horizontal member 40 extending in the Y-axis direction and a pair of column members 42 that support the horizontal member 40 from below at both ends in the Y-axis direction.

ヘッド部32は、フレーム30の水平部材40に取付けられている。   The head portion 32 is attached to the horizontal member 40 of the frame 30.

Z軸ガイド34は、ヘッド部32にZ軸方向に移動可能に装着され、Z駆動機構44(図2では図示せず、図11参照)によってZ軸方向に駆動される。Z軸ガイド34のZ軸方向の位置(又は基準位置からの変位)は、Zエンコーダ46(図2では図示せず、図11参照)によって計測される。   The Z-axis guide 34 is attached to the head portion 32 so as to be movable in the Z-axis direction, and is driven in the Z-axis direction by a Z drive mechanism 44 (not shown in FIG. 2, see FIG. 11). The position of the Z-axis guide 34 in the Z-axis direction (or the displacement from the reference position) is measured by a Z encoder 46 (not shown in FIG. 2, see FIG. 11).

回転機構36は、センサ部38をヘッド部32(Z軸ガイド34)に対して所定角度範囲(例えば90度(π/2)又は180度(π)の範囲)内でZ軸と平行な回転中心軸回りに連続的に(又は所定角度ステップで)回転駆動する。本実施形態では、回転機構36によるセンサ部38の回転中心軸は、センサ部38を構成する後述する照射部から照射されるライン光の中心軸と一致している。回転機構36によるセンサ部38の基準位置からの回転角度(又はセンサ部のθz方向の位置)は、例えばロータリエンコーダなどの回転角度センサ48(図2では図示せず、図11参照)によって計測される。   The rotation mechanism 36 rotates the sensor unit 38 parallel to the Z axis within a predetermined angle range (for example, a range of 90 degrees (π / 2) or 180 degrees (π)) with respect to the head unit 32 (Z-axis guide 34). It is driven to rotate continuously (or at a predetermined angle step) around the central axis. In the present embodiment, the rotation center axis of the sensor unit 38 by the rotation mechanism 36 coincides with the center axis of line light emitted from an irradiation unit (described later) constituting the sensor unit 38. The rotation angle from the reference position of the sensor unit 38 by the rotation mechanism 36 (or the position of the sensor unit in the θz direction) is measured by a rotation angle sensor 48 (not shown in FIG. 2, see FIG. 11) such as a rotary encoder, for example. The

センサ部38は、テーブル12上に載置される被検物(図2ではワークW)に光切断を行うためのライン光を照射する照射部50と、ライン光が照射されることで光切断面(線)が現れた被検物の表面を検出する検出部52と、を主体に構成される。また、センサ部38には、検出部52により検出された画像データに基づいて被検物の形状を求める演算処理部54が接続されている。演算処理部54は、本実施形態では造形装置100の構成各部を統括的に制御するための制御装置600に含まれる(図11参照)。   The sensor unit 38 is configured to irradiate a test object (work W in FIG. 2) placed on the table 12 with line light for irradiating the line light, and to irradiate the line light with the irradiation unit 50. A detection unit 52 that detects the surface of the test object on which the surface (line) appears is mainly configured. The sensor unit 38 is connected to an arithmetic processing unit 54 that obtains the shape of the test object based on the image data detected by the detection unit 52. In this embodiment, the arithmetic processing unit 54 is included in a control device 600 for comprehensively controlling each component of the modeling apparatus 100 (see FIG. 11).

照射部50は、図示しないシリンドリカルレンズ及び細い帯状の切り欠きを有したスリット板等から構成され、光源からの照明光を受けて扇状のライン光50aを生じさせるものである。光源としては、LED、レーザ光源あるいはSLD(super luminescent diode)等を用いることができる。LEDを用いた場合は安価に光源を形成することができる。また、レーザ光源を用いた場合、点光源であるため収差の少ないライン光を作ることができ、波長安定性に優れ半値幅が小さく、迷光カットに半値幅の小さいフィルタが使えるため、外乱の影響を少なくすることができる。また、SLDを用いた場合は、レーザ光源の特性に加え可干渉性がレーザ光よりも低いため被検物面でのスペックルの発生を抑えることができる。検出部52は、被検物(ワークW)の表面に投影されるライン光50aを照射部50の光照射方向とは異なる方向から撮像するためのものである。また、検出部52は、図示しない結像レンズやCCD等から構成され、後述するようにテーブル12を移動させてライン光50aが所定間隔走査される毎に被検物(ワークW)を撮像するようになっている。なお、照射部50及び検出部52の位置は、被検物(ワークW)の表面上のライン光50aの検出部52に対する入射方向と、照射部50の光照射方向とが、所定角度θを成すように定められている。本実施形態では、上記所定角度θが例えば45度に設定されている。   The irradiation unit 50 includes a cylindrical lens (not shown) and a slit plate having a thin band-shaped notch, and the like, and receives illumination light from a light source to generate a fan-shaped line light 50a. As the light source, an LED, a laser light source, an SLD (super luminescent diode), or the like can be used. When the LED is used, the light source can be formed at a low cost. In addition, when a laser light source is used, it is a point light source, so it can produce line light with less aberration, excellent wavelength stability, a small half-value width, and a filter with a small half-value width can be used to cut stray light. Can be reduced. In addition, when the SLD is used, since the coherence is lower than the laser light in addition to the characteristics of the laser light source, the generation of speckles on the surface of the test object can be suppressed. The detection part 52 is for imaging the line light 50a projected on the surface of the test object (work W) from a direction different from the light irradiation direction of the irradiation part 50. The detection unit 52 includes an imaging lens (not shown), a CCD, and the like. As described later, the detection unit 52 moves the table 12 and images the test object (work W) every time the line light 50a is scanned at a predetermined interval. It is like that. The positions of the irradiation unit 50 and the detection unit 52 are such that the incident direction of the line light 50a on the surface of the test object (work W) with respect to the detection unit 52 and the light irradiation direction of the irradiation unit 50 form a predetermined angle θ. It is determined to make. In the present embodiment, the predetermined angle θ is set to 45 degrees, for example.

検出部52で撮像された被検物(ワークW)の画像データは、演算処理部54に送られ、ここで所定の画像演算処理がなされて被検物(ワークW)の表面の高さが算出され、被検物(ワークW)の三次元形状(表面形状)が求められるようになっている。演算処理部54は、被検物(ワークW)の画像において、被検物(ワークW)の凹凸に応じて変形したライン光50aによる光切断面(線)の位置情報に基づき、光切断面(線)(ライン光91a)が延びる長手方向の画素毎に三角測量の原理を用いて被検物(ワークW)表面の基準平面からの高さを算出し、被検物(ワークW)の三次元形状を求める演算処理を行う。   The image data of the test object (work W) captured by the detection unit 52 is sent to the arithmetic processing unit 54, where a predetermined image calculation process is performed, and the height of the surface of the test object (work W) is increased. The calculated three-dimensional shape (surface shape) of the test object (work W) is obtained. The arithmetic processing unit 54 uses the light cutting surface based on the position information of the light cutting surface (line) by the line light 50a deformed according to the unevenness of the testing object (work W) in the image of the testing object (work W). (Line) For each pixel in the longitudinal direction in which the line light 91a extends, the height of the surface of the test object (work W) from the reference plane is calculated using the principle of triangulation, and the test object (work W) is calculated. Arithmetic processing for obtaining a three-dimensional shape is performed.

本実施形態では、制御装置600が、被検物(ワークW)に投影されたライン光50aの長手方向と略直角な方向にテーブル12を移動させることで、ライン光50aを被検物(ワークW)の表面を走査させる。制御装置600は、センサ部38の回転角度を回転角度センサ48で検出し、該検出結果に基づいてテーブル12をライン光50aの長手方向と略直角な方向に移動させる。このように、本実施形態では、被検物(ワークW)の形状等の計測に際し、テーブル12を移動させるので、その前提として、ワークWを保持して計測システム400のセンサ部38の下方に移動してきた時点では、テーブル12の位置及び姿勢(6自由度方向の位置)は、常に所定の基準状態に設定されている。基準状態は、例えばロッド14〜14がいずれも伸縮ストローク範囲の中立点に相当する長さ(あるいは最小の長さ)となる状態であり、このとき、テーブル12のZ軸、θx、θy及びθzの各方向の位置(Z、θx、θy、θz)=(Z、0、0、0)となる。また、この基準状態では、テーブル12のXY平面内の位置(X,Y)は、位置計測系28によって計測されるスライダ10のX、Y位置と一致する。 In the present embodiment, the control device 600 moves the table 12 in a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the line light 50a projected on the test object (work W), so that the line light 50a is transferred to the test object (work). The surface of W) is scanned. The control device 600 detects the rotation angle of the sensor unit 38 with the rotation angle sensor 48, and moves the table 12 in a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the line light 50a based on the detection result. As described above, in the present embodiment, the table 12 is moved when measuring the shape or the like of the test object (work W). As a precondition, the work W is held below the sensor unit 38 of the measurement system 400. At the time of movement, the position and posture of the table 12 (position in the direction of 6 degrees of freedom) are always set to a predetermined reference state. The reference state is a state in which, for example, the rods 14 1 to 14 6 all have a length (or a minimum length) corresponding to the neutral point of the expansion / contraction stroke range. At this time, the Z axis of the table 12, θx, θy And θz (Z, θx, θy, θz) = (Z 0 , 0, 0 , 0). In this reference state, the position (X, Y) of the table 12 in the XY plane coincides with the X and Y positions of the slider 10 measured by the position measurement system 28.

その後、被検物(ワークW)に対する上述した計測が開始されるが、この計測中を含み、テーブル12の6自由度方向の位置は、制御装置600によってテーブル座標系上で管理される。すなわち、制御装置600は、位置計測系28の計測情報に基づいて平面モータ26を制御するとともに、リニアエンコーダ24〜24の計測値に基づいて、伸縮機構161〜166を制御することで、テーブル12の6自由度方向の位置を制御する。 Thereafter, the above-described measurement for the test object (work W) is started. The position of the table 12 in the 6-degree-of-freedom direction is managed on the table coordinate system by the control device 600 including this measurement. That is, the control unit 600 controls the planar motor 26 based on the measurement information of the position measurement system 28, based on the measurement values of linear encoders 24 1-24 6, to control the expansion mechanism 16 1 to 16 6 Thus, the position of the table 12 in the direction of 6 degrees of freedom is controlled.

ところで、本実施形態に係る三次元計測機401のように光切断法を用いる場合、センサ部38の照射部50から被検物(ワークW)に照射されるライン光50aを、センサ部38とテーブル12(被検物(ワークW))との相対移動方向と直交する方向に配置させるのが望ましい。例えば、図2において、センサ部38と被検物(ワークW)との相対移動方向をY軸方向に設定した場合、ライン光50aをX軸方向に沿って配置するのが望ましい。このようにすると、計測時にライン光50aの全域を有効に利用した被検物(ワークW)に対する相対移動を行うことができ、被検物(ワークW)の形状を最適に計測できるためである。ライン光50aの向きと上述の相対移動方向とを常に直交させることができるように、回転機構36が設けられている。   By the way, when the light cutting method is used as in the three-dimensional measuring instrument 401 according to the present embodiment, the line light 50 a irradiated from the irradiation unit 50 of the sensor unit 38 to the test object (work W) is referred to as the sensor unit 38. It is desirable to arrange in a direction orthogonal to the relative movement direction with respect to the table 12 (test object (work W)). For example, in FIG. 2, when the relative movement direction between the sensor unit 38 and the test object (work W) is set in the Y-axis direction, it is desirable to arrange the line light 50a along the X-axis direction. This is because the relative movement with respect to the test object (work W) that effectively uses the entire area of the line light 50a at the time of measurement can be performed, and the shape of the test object (work W) can be optimally measured. . A rotation mechanism 36 is provided so that the direction of the line light 50a and the relative movement direction described above can always be orthogonal to each other.

上述した三次元計測機401は、例えば米国特許出願公開第2012/0105867号公報に開示されている形状測定装置と同様に構成されている。ただし、ライン光の被検物に対するX、Y平面に平行な方向の走査は、米国特許出願第2012/0105867号公報に記載されている装置では、センサ部の移動によって行われるのに対し、本実施形態では、テーブル12の移動によって行われる点が相違する。なお、本実施形態では、ライン光の被検物に対するZ軸に平行な方向の走査に際しては、Z軸ガイド34及びテーブル12のいずれを駆動しても良い。   The three-dimensional measuring instrument 401 described above is configured in the same manner as the shape measuring apparatus disclosed in, for example, US Patent Application Publication No. 2012/0105867. However, scanning of the line light in the direction parallel to the X and Y planes with respect to the test object is performed by the movement of the sensor unit in the apparatus described in US Patent Application No. 2012/0105867. The embodiment is different in that it is performed by moving the table 12. In the present embodiment, either the Z-axis guide 34 or the table 12 may be driven when the line light is scanned in the direction parallel to the Z-axis.

本実施形態に係る三次元計測機401を用いる計測方法では、光切断法を用いることで、被検物の表面に一本のライン光からなるライン状投影パターンを投影し、ライン状投影パターンを被検物表面の全域を走査させる毎に、被検物に投影されたライン状投影パターンを投影方向と異なる角度から撮像する。そして、撮像された被検物表面の撮像画像よりライン状投影パターンの長手方向の画素毎に三角測量の原理等を用いて被検物表面の基準平面からの高さを算出し、被検物表面の三次元形状を求める。   In the measurement method using the three-dimensional measuring instrument 401 according to the present embodiment, by using the light cutting method, a line-shaped projection pattern composed of one line light is projected onto the surface of the test object, and the line-shaped projection pattern is converted into a line-shaped projection pattern. Each time the entire surface of the test object is scanned, the line-shaped projection pattern projected onto the test object is imaged from an angle different from the projection direction. Then, the height from the reference plane of the surface of the test object is calculated from the captured image of the surface of the test object for each pixel in the longitudinal direction of the linear projection pattern using the principle of triangulation, etc. Find the three-dimensional shape of the surface.

この他、計測システム400を構成する三次元計測機としては、例えば米国特許第7,009,717号明細書に開示されている光プローブと同様の構成の装置を用いることもできる。この光プローブは、2つ以上の光学グループで構成され、2以上の視野方向と2以上の投影方向を含む。1つの光学グループでは1つ以上の視野方向と1つ以上の投影方向を含み、少なくとも1つの視野方向と少なくとも1つの投影方向が光学グループ間で異なり、視野方向により得られたデータは同じ光学グループの投影方向により投影されたパターンのみにより生成される。   In addition, as the three-dimensional measuring machine constituting the measurement system 400, for example, an apparatus having the same configuration as the optical probe disclosed in US Pat. No. 7,009,717 can be used. The optical probe is composed of two or more optical groups, and includes two or more visual field directions and two or more projection directions. One optical group includes one or more field directions and one or more projection directions. At least one field direction and at least one projection direction are different between the optical groups, and the data obtained by the field direction is the same optical group. It is generated only by the pattern projected according to the projection direction.

計測システム400は、上述の三次元計測機401の代わりに、あるいは上述の三次元計測機に加えて、アライメントマークを光学的に検出するマーク検出系56(図11参照)を備えていても良い。マーク検出系56は、例えばワークに形成されたアライメントマークを検出することができる。制御装置600は、マーク検出系56を用いて少なくとも3つのアライメントマークの中心位置(三次元座標)をそれぞれ正確に検出することで、ワーク(又はテーブル12)の位置及び姿勢を算出する。かかるマーク検出系56は、例えばステレオカメラを含んで構成することができる。マーク検出系56により、テーブル12上に予め形成された最低三か所のアライメントマークを光学的に検出することとしても良い。   The measurement system 400 may include a mark detection system 56 (see FIG. 11) that optically detects an alignment mark instead of the above-described three-dimensional measuring device 401 or in addition to the above-described three-dimensional measuring device. . The mark detection system 56 can detect, for example, an alignment mark formed on the workpiece. The control device 600 calculates the position and orientation of the workpiece (or table 12) by accurately detecting the center positions (three-dimensional coordinates) of at least three alignment marks using the mark detection system 56, respectively. The mark detection system 56 can be configured to include a stereo camera, for example. The mark detection system 56 may optically detect at least three alignment marks formed in advance on the table 12.

本実施形態では、制御装置600は、上述したようにして三次元計測機401を用いて、ワークWの表面(対象面)を走査し、その表面形状データを取得する。そして、制御装置600は、その表面形状データを用いて最小自乗的処理を行いワーク上の対象面の三次元的位置及び姿勢をテーブル座標系に対して関連付けを行う。ここで、被検物(ワークW)に対する上述した計測中を含み、テーブル12の6自由度方向の位置は、制御装置600によってテーブル座標系上で管理されているので、ワークの三次元的位置及び姿勢がテーブル座標系に対して関連付けられた後は、三次元造形による付加加工時を含み、ワークWの6自由度方向の位置(すなわち位置及び姿勢)の制御は全てテーブル座標系に従ったテーブル12のオープンループの制御により行うことができる。   In the present embodiment, the control device 600 scans the surface (target surface) of the workpiece W using the three-dimensional measuring device 401 as described above, and acquires the surface shape data. Then, the control device 600 performs a least square process using the surface shape data, and associates the three-dimensional position and orientation of the target surface on the workpiece with the table coordinate system. Here, since the position of the table 12 in the six-degree-of-freedom direction is managed on the table coordinate system by the control device 600, including the above-described measurement with respect to the test object (work W), the three-dimensional position of the work And after the posture is associated with the table coordinate system, the control of the position of the workpiece W in the 6 degrees of freedom direction (that is, the position and the posture) is all in accordance with the table coordinate system, including the time of additional processing by three-dimensional modeling. This can be done by open loop control of the table 12.

図4には、ビーム造形システム500が、ワークWが搭載されたテーブル12とともに示されている。図4に示されるように、ビーム造形システム500は、光源系510を含み、ビームを射出するビーム照射部520と、粉状の造形材料を供給する材料処理部530と、ウォーターシャワーノズル540(図4では図示せず、図11参照)と、を備えている。なお、ビーム造形システム500が、ウォーターシャワーノズル540を備えていなくても良い。   FIG. 4 shows a beam shaping system 500 together with a table 12 on which a workpiece W is mounted. As shown in FIG. 4, the beam shaping system 500 includes a light source system 510, a beam irradiation unit 520 that emits a beam, a material processing unit 530 that supplies a powdery shaping material, and a water shower nozzle 540 (see FIG. 4). 4) (see FIG. 11). Note that the beam shaping system 500 may not include the water shower nozzle 540.

光源系510は、図5に示されるように、光源ユニット60と、光源ユニット60に接続されたライトガイドファイバ62と、ライトガイドファイバ62の射出側に配置されたダブルフライアイ光学系64と、コンデンサレンズ系66と、を備えている。   As shown in FIG. 5, the light source system 510 includes a light source unit 60, a light guide fiber 62 connected to the light source unit 60, a double fly's eye optical system 64 disposed on the emission side of the light guide fiber 62, A condenser lens system 66.

光源ユニット60は、ハウジング68と、ハウジング68の内部に収納され、互いに平行にマトリクス状に並べられた複数のレーザユニット70と、を備えている。レーザユニット70としては、パルス発振又は連続波発振動作を行う各種レーザ、例えば炭酸ガスレーザ、Nd:YAGレーザ、ファイバレーザ、あるいはGaN系半導体レーザなどの光源のユニットを用いることができる。   The light source unit 60 includes a housing 68 and a plurality of laser units 70 housed in the housing 68 and arranged in a matrix in parallel with each other. As the laser unit 70, various lasers that perform pulse oscillation or continuous wave oscillation operation, for example, a light source unit such as a carbon dioxide laser, an Nd: YAG laser, a fiber laser, or a GaN semiconductor laser can be used.

ライトガイドファイバ62は、多数の光ファイバ素線をランダムに束ねて構成されたファイババンドルであって、複数のレーザユニット70の射出端に個別に接続された複数の入射口62aと、入射口62aの数より多い数の射出口を有する射出部62bとを有している。ライトガイドファイバ62は、複数のレーザユニット70のそれぞれから射出される複数のレーザビーム(以下、適宜「ビーム」と略記する)を、各入射口62aを介して受光して多数の射出口に分配し、各レーザビームの少なくとも一部を共通の射出口から射出させる。このようにして、ライトガイドファイバ62は、複数のレーザユニット70のそれぞれから射出されるビームを混合して射出する。これにより、単一のレーザユニットを用いる場合に比べて、総出力をレーザユニット70の数に応じて増加させることができる。ただし、単一のレーザユニットで十分な出力が得られる場合には、複数のレーザユニットを使わなくても良い。   The light guide fiber 62 is a fiber bundle configured by randomly bundling a large number of optical fiber strands, and includes a plurality of incident ports 62a individually connected to the emission ends of the plurality of laser units 70, and an incident port 62a. And an injection part 62b having a larger number of injection ports. The light guide fiber 62 receives a plurality of laser beams emitted from each of the plurality of laser units 70 (hereinafter, abbreviated as “beams” as appropriate) through each incident port 62a and distributes the laser beams to a plurality of emission ports. Then, at least a part of each laser beam is emitted from a common exit. In this way, the light guide fiber 62 mixes and emits the beams emitted from each of the plurality of laser units 70. Thereby, compared with the case where a single laser unit is used, the total output can be increased according to the number of laser units 70. However, when a sufficient output can be obtained with a single laser unit, a plurality of laser units need not be used.

ここで、射出部62bは、次に説明するダブルフライアイ光学系64の入射端を構成する第1フライアイレンズ系の入射端の全体形状と相似な断面形状を有し、その断面内に射出口がほぼ均等な配置で設けられている。このため、ライトガイドファイバ62は、上述のようにして混合したビームを、第1フライアイレンズ系の入射端の全体形状と相似になるように整形する整形光学系の役目も兼ねている。   Here, the emitting portion 62b has a cross-sectional shape similar to the overall shape of the incident end of the first fly-eye lens system that constitutes the incident end of the double fly's eye optical system 64 described below, and the incident portion 62b projects within the cross section. The outlets are provided in a substantially uniform arrangement. For this reason, the light guide fiber 62 also serves as a shaping optical system that shapes the beam mixed as described above so as to be similar to the overall shape of the incident end of the first fly-eye lens system.

ダブルフライアイ光学系64は、ビーム(照明光)の断面照度分布(断面強度分布)を一様化するためのもので、ライトガイドファイバ62後方のレーザビームのビーム路(光路)上に順次配置された第1フライアイレンズ系72、レンズ系74、及び第2フライアイレンズ系76とから構成される。なお、第2フライアイレンズ系76の周囲には、絞りが設けられている。   The double fly's eye optical system 64 is for uniformizing the cross-sectional illuminance distribution (cross-sectional intensity distribution) of the beam (illumination light), and is sequentially arranged on the beam path (optical path) of the laser beam behind the light guide fiber 62. The first fly-eye lens system 72, the lens system 74, and the second fly-eye lens system 76. A diaphragm is provided around the second fly-eye lens system 76.

この場合、第1フライアイレンズ系72の入射面、第2フライアイレンズ系76の入射面は、光学的に互いに共役に設定されている。また、第1フライアイレンズ系72の射出側焦点面(ここに後述する面光源が形成される)、第2フライアイレンズ系76の射出側焦点面(ここに後述する面光源が形成される)、及び後述する集光光学系82の瞳面(入射瞳)PPは光学的に互いに共役に設定されている。なお、本実施形態において、集光光学系82の瞳面(入射瞳)PPは、前側焦点面と一致している(例えば図4、図6、図7等参照)。   In this case, the incident surface of the first fly-eye lens system 72 and the incident surface of the second fly-eye lens system 76 are set optically conjugate with each other. In addition, the exit-side focal plane of the first fly-eye lens system 72 (a surface light source described later is formed), and the exit-side focal plane of the second fly-eye lens system 76 (a surface light source described later is formed). ) And a pupil plane (incidence pupil) PP of the condensing optical system 82 to be described later are optically conjugate with each other. In the present embodiment, the pupil plane (incident pupil) PP of the condensing optical system 82 coincides with the front focal plane (see, for example, FIGS. 4, 6, and 7).

ライトガイドファイバ62によって混合されたビームは、ダブルフライアイ光学系64の第1フライアイレンズ系72に入射する。これにより、第1フライアイレンズ系72の射出側焦点面に面光源、すなわち多数の光源像(点光源)から成る2次光源が形成される。これらの多数の点光源の各々からのレーザ光は、レンズ系74を介して第2フライアイレンズ系76に入射する。これにより、第2フライアイレンズ系76の射出側焦点面に多数の微小な光源像を所定形状の領域内に一様分布させた面光源(3次光源)が形成される。   The beam mixed by the light guide fiber 62 is incident on the first fly eye lens system 72 of the double fly eye optical system 64. As a result, a surface light source, that is, a secondary light source composed of a large number of light source images (point light sources) is formed on the exit-side focal plane of the first fly-eye lens system 72. Laser light from each of these many point light sources enters the second fly's eye lens system 76 via the lens system 74. As a result, a surface light source (tertiary light source) is formed on the exit-side focal plane of the second fly's eye lens system 76 in which a large number of minute light source images are uniformly distributed within a region having a predetermined shape.

コンデンサレンズ系66は、上記3次光源から射出されたレーザ光を、照度分布が均一なビームとして射出する。   The condenser lens system 66 emits the laser light emitted from the tertiary light source as a beam having a uniform illuminance distribution.

なお、第2フライアイレンズ系76の入射端の面積、コンデンサレンズ系66の焦点距離などの最適化により、コンデンサレンズ系66から射出されるビームは、平行ビームとみなすことができる。   The beam emitted from the condenser lens system 66 can be regarded as a parallel beam by optimizing the area of the incident end of the second fly-eye lens system 76, the focal length of the condenser lens system 66, and the like.

本実施形態の光源系510は、ライトガイドファイバ62とダブルフライアイ光学系64とコンデンサレンズ系66とを備えた照度均一化光学系を備え、この照度均一化光学系を用いて、複数のレーザユニット70からそれぞれ射出されるビームを混合し、断面照度分布が均一化された、平行ビームを生成する。   The light source system 510 of the present embodiment includes an illuminance uniformizing optical system including a light guide fiber 62, a double fly's eye optical system 64, and a condenser lens system 66, and a plurality of lasers using the illuminance uniforming optical system. The beams respectively emitted from the units 70 are mixed to generate a parallel beam having a uniform cross-sectional illuminance distribution.

なお、照度均一化光学系は、上述した構成に限られない。例えば、ロッドインテグレータ、コリメーターレンズ系などを用いて照度均一化光学系を構成しても良い。   The illuminance uniforming optical system is not limited to the above-described configuration. For example, the illuminance uniforming optical system may be configured using a rod integrator, a collimator lens system, or the like.

光源系510の光源ユニット60は、制御装置600に接続されており、制御装置600によって、光源ユニット60を構成する複数のレーザユニット70のオンオフが、個別に制御される。これにより、ビーム照射部520からワークW(上の対象面)に照射されるレーザビームの光量(レーザ出力)が調整される。   The light source unit 60 of the light source system 510 is connected to the control device 600, and the control device 600 individually controls on / off of the plurality of laser units 70 constituting the light source unit 60. Thereby, the light quantity (laser output) of the laser beam irradiated to the workpiece | work W (upper target surface) from the beam irradiation part 520 is adjusted.

なお、造形装置100が、光源ユニット60、あるいは光源ユニット60と照度均一化光学系を備えていなくても良い。例えば、所望の光量(エネルギー)と所望の照度均一性を有する平行ビームを、外部装置から造形装置100に供給しても良い。   Note that the modeling apparatus 100 may not include the light source unit 60 or the light source unit 60 and the illuminance uniformizing optical system. For example, a parallel beam having a desired light amount (energy) and desired illuminance uniformity may be supplied to the modeling apparatus 100 from an external device.

ビーム照射部520は、図4に示されるように、光源系510の他、光源系510(コンデンサレンズ系66)からの平行ビームの光路上に順次配置されたビーム断面強度変換光学系78及び空間光変調器(SLM:Spatial Light Modulator)の一種であるミラーアレイ80と、ミラーアレイ80からの光を集光する集光光学系82とを有する。ここで、空間光変調器とは、所定方向へ進行する光の振幅(強度)、位相あるいは偏光の状態を空間的に変調する素子の総称である。   As shown in FIG. 4, in addition to the light source system 510, the beam irradiation unit 520 includes a beam cross-sectional intensity conversion optical system 78 and a space sequentially arranged on the optical path of the parallel beam from the light source system 510 (condenser lens system 66). It has a mirror array 80 which is a kind of light modulator (SLM: Spatial Light Modulator), and a condensing optical system 82 for condensing light from the mirror array 80. Here, the spatial light modulator is a general term for elements that spatially modulate the amplitude (intensity), phase, or polarization state of light traveling in a predetermined direction.

ビーム断面強度変換光学系78は、光源系510(コンデンサレンズ系66)からの平行ビームの断面の強度分布を変換する。本実施形態では、ビーム断面強度変換光学系78は、光源系510からの平行ビームを、その断面の中心を含む領域の強度がほぼ零となるドーナツ状(輪帯状)の平行ビームに変換する。ビーム断面強度変換光学系78は、本実施形態では、例えば光源系510からの平行ビームの光路上に順次配置された凸型円錐反射鏡及び凹型円錐反射鏡によって構成されている。凸型円錐反射鏡は、その光源系510側に外周面が円錐状の反射面を有し、凹型円錐反射鏡は、その内径が凸型円錐反射鏡の外径より大きな環状部材から成り、その内周面に凸型円錐反射鏡の反射面に対向する反射面を有する。この場合、凹型円錐反射鏡の中心を通る任意の断面で見ると、凸型円錐反射鏡の反射面と凹型円錐反射鏡の反射面とは、平行である。したがって、光源系510からの平行ビームは、凸型円錐反射鏡の反射面により放射状に反射され、この反射ビームが凹型円錐反射鏡の反射面で反射されることで、輪帯状の平行ビームに変換される。   The beam cross-sectional intensity conversion optical system 78 converts the cross-sectional intensity distribution of the parallel beam from the light source system 510 (condenser lens system 66). In the present embodiment, the beam cross-section intensity conversion optical system 78 converts the parallel beam from the light source system 510 into a donut-shaped (annular) parallel beam in which the intensity of the region including the center of the cross-section is substantially zero. In the present embodiment, the beam cross-section intensity conversion optical system 78 is constituted by, for example, a convex cone reflector and a concave cone reflector that are sequentially arranged on the optical path of the parallel beam from the light source system 510. The convex conical reflecting mirror has a conical reflecting surface on the light source system 510 side, and the concave conical reflecting mirror is composed of an annular member whose inner diameter is larger than the outer diameter of the convex conical reflecting mirror. A reflection surface facing the reflection surface of the convex cone reflector is provided on the inner peripheral surface. In this case, when viewed in an arbitrary cross section passing through the center of the concave conical reflecting mirror, the reflecting surface of the convex conical reflecting mirror and the reflecting surface of the concave conical reflecting mirror are parallel. Therefore, the parallel beam from the light source system 510 is reflected radially by the reflecting surface of the convex cone reflector, and this reflected beam is reflected by the reflecting surface of the concave cone reflector, thereby converting it into an annular parallel beam. Is done.

本実施形態では、ビーム断面強度変換光学系78を経由した平行ビームは、後述するようにミラーアレイ80及び集光光学系82を介してワークに照射される。ビーム断面強度変換光学系78を用いて光源系510からの平行ビームの断面強度分布を変換することによって、ミラーアレイ80から集光光学系82の瞳面(入射瞳)PPに入射するビームの強度分布を変更することが可能である。また、ビーム断面強度変換光学系78を用いて光源系510からの平行ビームの断面強度分布を変換することによって、実質的に集光光学系82から射出されるビームの集光光学系82の射出面における強度分布を変更することも可能である。   In the present embodiment, the parallel beam that has passed through the beam cross-sectional intensity conversion optical system 78 is irradiated onto the workpiece via a mirror array 80 and a condensing optical system 82 as described later. By converting the cross-sectional intensity distribution of the parallel beam from the light source system 510 using the beam cross-sectional intensity conversion optical system 78, the intensity of the beam incident on the pupil plane (incident pupil) PP of the condensing optical system 82 from the mirror array 80. It is possible to change the distribution. Further, by converting the cross-sectional intensity distribution of the parallel beam from the light source system 510 using the beam cross-sectional intensity conversion optical system 78, the emission of the beam substantially emitted from the condensing optical system 82 is emitted. It is also possible to change the intensity distribution on the surface.

なお、ビーム断面強度変換光学系78は、凸型円錐反射鏡と凹型円錐反射鏡との組み合わせに限らず、例えば米国特許出願公開第2008/0030852号公報に開示される、回折光学素子、アフォーカルレンズ、及び円錐アキシコン系の組み合わせを用いて構成しても良い。ビーム断面強度変換光学系78は、ビームの断面強度分布を変換するものであれば良く、種々の構成が考えられる。ビーム断面強度変換光学系78の構成によっては、光源系510からの平行ビームを、その断面の中心(集光光学系82の光軸)を含む領域での強度をほぼ零でなく、その外側の領域での強度よりも小さくすることも可能である。   The beam cross-sectional intensity conversion optical system 78 is not limited to a combination of a convex cone reflector and a concave cone reflector, and is disclosed in, for example, US Patent Application Publication No. 2008/0030852. A combination of a lens and a conical axicon system may be used. The beam cross-sectional intensity conversion optical system 78 may be any one that converts the cross-sectional intensity distribution of the beam, and various configurations are conceivable. Depending on the configuration of the beam cross-section intensity conversion optical system 78, the intensity of the parallel beam from the light source system 510 in the region including the center of the cross-section (the optical axis of the condensing optical system 82) is not substantially zero, It is also possible to make it smaller than the intensity in the region.

ミラーアレイ80は、本実施形態では、XY平面及びXZ平面に対して45度(π/4)を成す面(以下、便宜上基準面と呼ぶ)を一面に有するベース部材80Aと、ベース部材80Aの基準面上に例えばP行Q列のマトリクス状に配置された例えばM(=P×Q)個のミラー素子81p,q(p=1〜P、q=1〜Q)と、各ミラー素子81p,qを個別に駆動するM個のアクチュエータ(不図示)を含む駆動部87(図4では図示せず、図11参照)とを有している。ミラーアレイ80は、多数のミラー素子81p,qの基準面に対する傾きを調整することにより、基準面と平行な大きな反射面を実質的に形成可能である。 In this embodiment, the mirror array 80 includes a base member 80A having a plane (hereinafter referred to as a reference plane for convenience) that forms 45 degrees (π / 4) with respect to the XY plane and the XZ plane, and a base member 80A. For example, M (= P × Q) mirror elements 81 p, q (p = 1 to P, q = 1 to Q) arranged in a matrix of, for example, P rows and Q columns on the reference plane, and each mirror element And a drive unit 87 (not shown in FIG. 4; see FIG. 11) including M actuators (not shown) that individually drive 81 p and q . The mirror array 80 can substantially form a large reflecting surface parallel to the reference surface by adjusting the inclination of the multiple mirror elements 81 p, q with respect to the reference surface.

ミラーアレイ80の各ミラー素子81p,qは、例えば各ミラー素子81p,qの一方の対角線に平行な回転軸回りに回動可能に構成され、その反射面の基準面に対する傾斜角度を所定角度範囲内の任意の角度に設定可能である。各ミラー素子の反射面の角度は、回転軸の回転角度を検出するセンサ、例えばロータリエンコーダ83p,q(図4では不図示、図11参照)によって計測される。 Each mirror element 81 p, q of the mirror array 80 is configured to be rotatable in parallel to the rotation axis, for example, in one diagonal of each mirror element 81 p, q, a predetermined inclination angle with respect to the reference plane of the reflecting surface An arbitrary angle within the angle range can be set. The angle of the reflecting surface of each mirror element is measured by a sensor that detects the rotation angle of the rotating shaft, for example, a rotary encoder 83 p, q (not shown in FIG. 4, refer to FIG. 11).

駆動部87は、例えばアクチュエータとして電磁石あるいはボイスコイルモータを含み、個々のミラー素子81p,qは、アクチュエータによって駆動されて非常に高応答で動作する。 The drive unit 87 includes, for example, an electromagnet or a voice coil motor as an actuator, and each mirror element 81 p, q is driven by the actuator and operates with a very high response.

ミラーアレイ80を構成する複数のミラー素子のうち、光源系510からの輪帯状の平行ビームによって照明されたミラー素子81p,qのそれぞれは、その反射面の傾斜角度に応じた方向に反射ビーム(平行ビーム)を射出し、集光光学系82に入射させる(図6参照)。なお、本実施形態において、ミラーアレイ80を用いている理由及び輪帯状の平行ビームをミラーアレイ80に入射させる理由については、後述するが、必ずしも輪帯状にする必要はなく、ミラーアレイ80に入射する平行ビームの断面形状(断面強度分布)を輪帯形状とは異ならせても良いし、ビーム断面強度変換光学系78を設けなくても良い。 Of the plurality of mirror elements constituting the mirror array 80, each of the mirror elements 81p and q illuminated by the annular parallel beam from the light source system 510 has a reflected beam in a direction according to the inclination angle of its reflecting surface. (Parallel beam) is emitted and incident on the condensing optical system 82 (see FIG. 6). In the present embodiment, the reason why the mirror array 80 is used and the reason why the annular parallel beam is incident on the mirror array 80 will be described later. The cross-sectional shape (cross-sectional intensity distribution) of the parallel beam may be different from the annular shape, or the beam cross-sectional intensity conversion optical system 78 may not be provided.

集光光学系82は、開口数N.A.が例えば0.5以上、好ましくは0.6以上の高NAで、低収差の光学系である。集光光学系82は、大口径、低収差かつ高NAであるため、ミラーアレイ80からの複数の平行ビームを後側焦点面上に集光することができる。詳細は後述するが、ビーム照射部520は、集光光学系82から射出されるビームを、例えば、スポット状又はスリット状に集光することができる。また、集光光学系82は、1又は複数枚の大口径のレンズによって構成される(図4等では、1枚の大口径のレンズを代表的に図示)ので、入射光の面積を大きくすることができ、これにより、開口数N.A.が小さい集光光学系を用いる場合に比べてより多量の光エネルギを取り込むことができる。したがって、本実施形態に係る集光光学系82によって集光されたビームは、極めてシャープで高エネルギ密度を有することとなり、このことは造形による付加加工の加工精度を高めることに直結する。   The condensing optical system 82 has a numerical aperture of N.P. A. Is an optical system with a high NA of 0.5 or more, preferably 0.6 or more, and low aberration. Since the condensing optical system 82 has a large aperture, low aberration, and high NA, a plurality of parallel beams from the mirror array 80 can be condensed on the rear focal plane. Although details will be described later, the beam irradiation unit 520 can condense the beam emitted from the condensing optical system 82 into, for example, a spot shape or a slit shape. Further, the condensing optical system 82 is configured by one or a plurality of large-diameter lenses (in FIG. 4 and the like, one large-diameter lens is representatively shown), so that the area of incident light is increased. This allows the numerical aperture N.D. A. As compared with the case of using a condensing optical system having a small size, a larger amount of light energy can be taken in. Therefore, the beam condensed by the condensing optical system 82 according to the present embodiment is extremely sharp and has a high energy density, which directly leads to an increase in processing accuracy of additional processing by modeling.

本実施形態では、後述するように、テーブル12をXY平面に平行な走査方向(図4では、一例としてY軸方向)に移動することにより、ビームと造形の対象面TASを上端に有するワークWとを走査方向(スキャン方向)に相対走査しながら造形(加工処理)を行う場合を説明する。なお、造形の際に、テーブル12のY軸方向への移動中に、X軸方向、Z軸方向、θx方向、θy方向、及びθz方向の少なくとも1つの方向にテーブル12を移動しても良いことは言うまでもない。また、後述するように、材料処理部530によって供給された粉状の造形材料(金属材料)をレーザビームのエネルギにより溶融するようになっている。したがって、前述したように、集光光学系82が取り込むエネルギの総量が大きくなれば、集光光学系82から射出されるビームのエネルギが大きくなり、単位時間に溶解できる金属の量が増える。その分、造形材料の供給量とテーブル12の速度とを上げれば、ビーム造形システム500による造形加工のスループットが向上する。   In this embodiment, as will be described later, by moving the table 12 in a scanning direction parallel to the XY plane (in FIG. 4, as an example, the Y-axis direction), a workpiece W having a beam and a modeling target surface TAS at the upper end. A case will be described in which modeling (processing) is performed while relatively scanning in the scanning direction (scanning direction). During modeling, the table 12 may be moved in at least one of the X axis direction, the Z axis direction, the θx direction, the θy direction, and the θz direction while the table 12 is moving in the Y axis direction. Needless to say. As will be described later, the powdery modeling material (metal material) supplied by the material processing unit 530 is melted by the energy of the laser beam. Therefore, as described above, if the total amount of energy taken in by the condensing optical system 82 increases, the energy of the beam emitted from the condensing optical system 82 increases, and the amount of metal that can be dissolved per unit time increases. Accordingly, if the supply amount of the modeling material and the speed of the table 12 are increased, the throughput of modeling processing by the beam modeling system 500 is improved.

しかるに、レーザの総出力を前述したような手法で大いに高められたとしても、現実的にはテーブル12のスキャン動作を無限に高速にすることはできないため、そのレーザパワーを完全に生かすだけのスループットを実現することはできない。これを解決するため、本実施形態の造形装置100では、後述するように、スポット状のビームの照射領域ではなく、スリット状のビームの照射領域(以下、一文字領域と呼ぶ(図9(B)の符号LS参照))を、造形の対象面TASを位置合わせすべき所定面(以下、造形面と呼ぶ)MP(例えば図4及び図9(A)参照)上に形成し、その一文字領域LSを形成するビーム(以下、一文字ビームと呼ぶ)に対してその長手方向に垂直な方向にワークWを相対走査しながら造形(加工処理)を行うことができる。これにより、スポット状のビームでワークを走査(スキャン)する場合に比べて格段広い面積(例えば数倍から数十倍程度の面積)を一気に処理することができる。なお、後述するように、本実施形態において、上述の造形面MPは、集光光学系82の後側焦点面である(例えば図4及び図9(A)参照)が、造形面は、後側焦点面の近傍の面でも良い。また、本実施形態において、造形面MPは、集光光学系82の射出側の光軸AXに垂直であるが、垂直でなくても良い。   However, even if the total output of the laser is greatly increased by the above-described method, the scanning operation of the table 12 cannot actually be made infinitely fast, so that the throughput is sufficient to make full use of the laser power. Cannot be realized. In order to solve this, in the modeling apparatus 100 of this embodiment, as will be described later, instead of a spot-shaped beam irradiation region, a slit-shaped beam irradiation region (hereinafter referred to as a single character region (FIG. 9B). )) Is formed on a predetermined surface (hereinafter referred to as a modeling surface) MP (for example, see FIGS. 4 and 9A) on which the modeling target surface TAS is to be aligned, and the one character region LS The modeling (processing) can be performed while the workpiece W is relatively scanned in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the beam forming the beam (hereinafter referred to as a single character beam). Thereby, an extremely large area (for example, an area of several times to several tens of times) can be processed at a stroke as compared with the case of scanning a workpiece with a spot-like beam. As will be described later, in the present embodiment, the above-described modeling surface MP is the rear focal plane of the condensing optical system 82 (see, for example, FIGS. 4 and 9A), but the modeling surface is the rear surface. A surface near the side focal plane may be used. In the present embodiment, the modeling surface MP is perpendicular to the optical axis AX on the exit side of the condensing optical system 82, but may not be perpendicular.

造形面MP上におけるビームの強度分布を設定する、あるいは変更する方法(例えば、上述したような一文字領域を形成する方法)としては、例えば集光光学系82に入射する複数の平行ビームの入射角度分布を制御する手法を採用することができる。本実施形態の集光光学系82のように平行光を一点に集光するレンズ系は、瞳面(入射瞳)PPにおける平行ビームLB(例えば図4、図6等参照)の入射角度で後側焦点面(集光面)での集光位置が決まる。ここで入射角度は、a.集光光学系82の瞳面PPに入射する平行ビームが集光光学系82の光軸AXと平行な軸に対して成す角度α(0≦α<90度(π/2))と、b.瞳面PP上に光軸AX上の点を原点とし、光軸AXに直交する二次元直交座標系(X,Y)を設定した場合に瞳面PPに入射する平行ビームの瞳面PP(XY座標平面)への正射影の、二次元直交座標系(X,Y)上における基準軸(例えばX軸(X≧0)に対する角度β(0≦β<360度(2π))とから決まる。例えば、集光光学系82の瞳面PPに対して垂直に(光軸に平行に)入射したビームは光軸AX上に、集光光学系82に対して(光軸AXに対して)少し傾斜したビームは、その光軸AX上から少しずれた位置に集光する。この関係を利用し、光源系510からの平行ビームを反射して集光光学系82に入射させる際に、集光光学系82の瞳面PPに入射する複数の平行ビームLBの入射角度(入射方向)に、適切な分布をつけることで、造形面MP内におけるビームの強度分布、例えば造形面MPにおける照射領域の位置、数、大きさ、及び形状の少なくとも一つを任意に変更することができる。したがって、例えば一文字領域、三列領域、欠損一文字領域など(図10参照)も当然容易に形成できるし、スポット状の照射領域を形成することも容易である。なお、ここでは、入射角度(入射方向)を角度αと角度βを用いて説明したが、入射角度(入射方向)の表し方は種々考えられ、瞳面PPに入射する平行ビームの入射角度(入射方向)を、角度αと角度βをパラメータとする制御に限定されないことは言うまでもない。   As a method of setting or changing the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP (for example, a method of forming a single character region as described above), for example, the incident angles of a plurality of parallel beams incident on the condensing optical system 82 A technique for controlling the distribution can be employed. A lens system that condenses parallel light at one point, such as the condensing optical system 82 of the present embodiment, is rearward at an incident angle of a parallel beam LB (for example, see FIGS. 4 and 6) on the pupil plane (incidence pupil) PP. The condensing position on the side focal plane (condensing surface) is determined. Here, the incident angle is: a. Angle α (0 ≦ α <90 degrees) formed by a parallel beam incident on the pupil plane PP of the condensing optical system 82 with respect to an axis parallel to the optical axis AX of the condensing optical system 82 π / 2)) and b. When a two-dimensional orthogonal coordinate system (X, Y) orthogonal to the optical axis AX is set on the pupil plane PP and the point on the optical axis AX is set as the origin, it is incident on the pupil plane PP. The angle β (0 ≦ β <360) of the orthogonal projection of the parallel beam onto the pupil plane PP (XY coordinate plane) with respect to a reference axis (for example, the X axis (X ≧ 0) on the two-dimensional orthogonal coordinate system (X, Y)) For example, a beam incident perpendicularly to the pupil plane PP of the condensing optical system 82 (parallel to the optical axis) is incident on the optical axis AX with respect to the condensing optical system 82. A beam slightly tilted (with respect to the optical axis AX) is condensed at a position slightly deviated from the optical axis AX. When a parallel beam is reflected and incident on the condensing optical system 82, an appropriate distribution is given to the incident angles (incident directions) of the plurality of parallel beams LB incident on the pupil plane PP of the condensing optical system 82. The beam intensity distribution in the modeling surface MP, for example, at least one of the position, number, size, and shape of the irradiation area on the modeling surface MP can be arbitrarily changed. Of course, it is easy to form a missing one-character area (see FIG. 10), and it is also easy to form a spot-shaped irradiation area, where the incident angle (incident direction) is set to an angle α and an angle β. As described above, there are various ways of expressing the incident angle (incident direction), and the incident angle (incident direction) of the parallel beam incident on the pupil plane PP is not limited to control using the angles α and β as parameters. Needless to say, the.

なお、本実施形態の集光光学系82は、その瞳面(入射瞳)PPと前側焦点面とが一致する構成となっているため、ミラーアレイ80を用いた複数の平行ビームLBの入射角度の変更により、その複数の平行ビームLBの集光位置を正確に、簡便に制御することができるが、集光光学系82の瞳面(入射瞳)と前側焦点面とが一致する構成でなくても良い。   In addition, since the condensing optical system 82 of this embodiment has a configuration in which the pupil plane (incidence pupil) PP and the front focal plane coincide, the incident angles of a plurality of parallel beams LB using the mirror array 80 are used. However, the converging position of the plurality of parallel beams LB can be controlled accurately and simply, but the pupil plane (incident pupil) of the condensing optical system 82 and the front focal plane are not matched. May be.

また、造形面に形成される照射領域の形状、及び大きさを可変にしないのであれば、所望の形状のソリッドなミラーを用いて、集光光学系82の瞳面に入射する1つの平行ビームの入射角度を制御して、照射領域の位置を変更することもできる。   In addition, if the shape and size of the irradiation region formed on the modeling surface are not variable, a single parallel beam incident on the pupil plane of the condensing optical system 82 using a solid mirror having a desired shape. The incident angle can be controlled to change the position of the irradiation region.

しかるに、ワークに対する付加加工(造形)を行う場合、その造形の目標部位が設定される対象面の領域が常に平坦な面であるとは限らない。すなわち一文字ビームの相対走査が可能であるとは限らない。ワークの輪郭エッジ近傍、あるいは中実領域と中空領域との境界付近の場所では、境界は斜めになっていたり、狭くなっていたり、Rがついていたりして、一文字ビームの相対走査の適用は困難である。例えて言えば、幅の広い刷毛では、このような場所を塗りつぶすのは困難であるため、それに応じた幅の狭い刷毛や、細い鉛筆が必要となるので、いわば、リアルタイムかつ連続的に、自在に刷毛と細い鉛筆を使い分けられるようにしたい。これと同様、ワークの輪郭エッジ近傍、あるいは中実領域と中空領域との境界付近の場所では、ビームの照射領域のスキャン方向(相対移動方向)の幅を変更したり、照射領域の大きさ(例えば一文字ビームの長さ)、個数又は位置(ビームの照射点の位置)を変化させたりしたいという要求が発生する。   However, when performing additional processing (modeling) on a workpiece, the region of the target surface where the target site for modeling is set is not always a flat surface. That is, relative scanning of one character beam is not always possible. In the vicinity of the contour edge of the workpiece or near the boundary between the solid area and the hollow area, the boundary is slanted, narrowed, or has an R, making it difficult to apply relative scanning of a single character beam. It is. For example, with a wide brush, it is difficult to paint in such a place, so a narrow brush and a thin pencil are needed, so to speak, in real time and continuously, freely I want to use a brush and a thin pencil separately. Similarly, in the vicinity of the workpiece edge or near the boundary between the solid area and the hollow area, the width of the irradiation area of the beam in the scanning direction (relative movement direction) can be changed, or the size of the irradiation area ( For example, there is a demand for changing the length of one character beam), the number, or the position (position of the irradiation point of the beam).

そこで、本実施形態では、ミラーアレイ80を採用し、制御装置600が、各ミラー素子81p,qを非常に高応答で動作させることで、集光光学系82の瞳面PPに入射する複数の平行ビームLBの入射角度をそれぞれ制御する。これにより、造形面MP上におけるビームの強度分布を設定又は変更する。この場合、制御装置600は、ビームと対象面TAS(造形の目標部位TAが設定される面であり、本実施形態ではワークW上の面である)との相対移動中に造形面MP上におけるビームの強度分布、例えばビームの照射領域の形状、大きさ、個数の少なくとも1つを変化させることが可能になる。この場合において、制御装置600は、造形面MP上におけるビームの強度分布を連続的、あるいは断続的に変更することができる。例えば、ビームと対象面TASの相対移動中に一文字領域の相対移動方向の幅を連続的、あるいは断続的に変化させることも可能である。制御装置600は、ビームと対象面TASとの相対位置に応じて造形面MP上におけるビームの強度分布を変化させることもできる。制御装置600は、要求される造形精度とスループットとに応じて、造形面MPにおけるビームの強度分布を変化させることもできる。 Therefore, in the present embodiment, the mirror array 80 is employed, and the control device 600 operates each mirror element 81 p, q with a very high response so that a plurality of light incident on the pupil plane PP of the condensing optical system 82 is obtained. The incident angle of the parallel beam LB is controlled. Thereby, the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP is set or changed. In this case, the control device 600 is on the modeling surface MP during the relative movement between the beam and the target surface TAS (the surface on which the modeling target portion TA is set, which is the surface on the workpiece W in this embodiment). It becomes possible to change the intensity distribution of the beam, for example, at least one of the shape, size and number of the irradiation region of the beam. In this case, the control device 600 can change the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP continuously or intermittently. For example, it is possible to continuously or intermittently change the width of one character area in the relative movement direction during the relative movement of the beam and the target surface TAS. The control device 600 can also change the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP according to the relative position between the beam and the target surface TAS. The control device 600 can also change the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP according to the required modeling accuracy and throughput.

また、本実施形態では、制御装置600が、前述したロータリエンコーダ83p,qを用いて、各ミラー素子の状態(ここでは反射面の傾斜角度)を検出し、これにより各ミラー素子の状態を、リアルタイムでモニタしているので、ミラーアレイ80の各ミラー素子の反射面の傾斜角度を正確に制御できる。 Further, in the present embodiment, the control device 600 detects the state of each mirror element (here, the inclination angle of the reflecting surface) using the rotary encoder 83 p, q described above, and thereby the state of each mirror element is determined. Since the monitoring is performed in real time, the inclination angle of the reflecting surface of each mirror element of the mirror array 80 can be accurately controlled.

材料処理部530は、図7に示されるように、集光光学系82の射出面の下方に設けられたノズル部材(以下、ノズルと略記する)84aを有するノズルユニット84と、ノズルユニット84に配管90aを介して接続された材料供給装置86と、材料供給装置86に配管を介してそれぞれ接続された複数、例えば2つの粉末カートリッジ88A、88Bとを有している。図7には、図4の集光光学系82より下方の部分が−Y方向から見て示されている。   As shown in FIG. 7, the material processing unit 530 includes a nozzle unit 84 having a nozzle member (hereinafter abbreviated as a nozzle) 84 a provided below the exit surface of the condensing optical system 82, and a nozzle unit 84. A material supply device 86 connected via a pipe 90a and a plurality of, for example, two powder cartridges 88A and 88B connected to the material supply device 86 via a pipe, respectively. 7 shows a portion below the condensing optical system 82 of FIG. 4 as viewed from the −Y direction.

ノズルユニット84は、集光光学系82の下方でX軸方向に延び、造形材料の粉末を供給する少なくも1つの供給口を有するノズル84aと、ノズル84aの長手方向の両端部を支持するとともに、それぞれの上端部が集光光学系82の筐体に接続された一対の支持部材84b、84cとを備えている。一方の支持部材84bには、配管90aを介して材料供給装置86の一端(下端)が接続されており、内部に配管90aとノズル84aとを連通する供給路が形成されている。本実施形態において、ノズル84aは、集光光学系82の光軸の直下に配置されており、下面(底面)には、後述する複数の供給口が設けられている。なお、ノズル84aは、必ずしも集光光学系82の光軸上に配置する必要はなく、光軸からY軸方向の一側に幾分ずれた位置に配置されても良い。   The nozzle unit 84 extends in the X-axis direction below the condensing optical system 82 and supports at least one supply port for supplying the powder of the modeling material and both ends in the longitudinal direction of the nozzle 84a. , And a pair of support members 84 b and 84 c each having an upper end connected to the housing of the condensing optical system 82. One support member 84b is connected to one end (lower end) of a material supply device 86 via a pipe 90a, and a supply path for communicating the pipe 90a and the nozzle 84a is formed therein. In the present embodiment, the nozzle 84a is disposed immediately below the optical axis of the condensing optical system 82, and a plurality of supply ports to be described later are provided on the lower surface (bottom surface). The nozzle 84a is not necessarily arranged on the optical axis of the condensing optical system 82, and may be arranged at a position somewhat shifted from the optical axis to one side in the Y-axis direction.

材料供給装置86の他端(上端)には、材料供給装置86への供給路としての配管90b、90cが接続され、配管90b、90cをそれぞれ介して材料供給装置86に粉末カートリッジ88A、88Bが接続されている。一方の粉末カートリッジ88Aには、第1の造形材料(例えばチタン)の粉末が収容されている。また、他方の粉末カートリッジ88Bには、第2の造形材料(例えばステンレス)の粉末が収容されている。   The other ends (upper ends) of the material supply device 86 are connected to pipes 90b and 90c as supply paths to the material supply device 86, and powder cartridges 88A and 88B are connected to the material supply device 86 via the pipes 90b and 90c, respectively. It is connected. One powder cartridge 88A contains a powder of a first modeling material (for example, titanium). The other powder cartridge 88B contains powder of the second modeling material (for example, stainless steel).

なお、本実施形態では、造形装置100は、2種類の造形材料を材料供給装置86に供給するために2つの粉末カートリッジを備えているが、造形装置100が備える粉末カートリッジは1つでも良い。   In the present embodiment, the modeling apparatus 100 includes two powder cartridges for supplying two types of modeling materials to the material supply apparatus 86, but the modeling apparatus 100 may include one powder cartridge.

粉末カートリッジ88A、88Bから材料供給装置86への粉末の供給は、粉末カートリッジ88A、88Bのそれぞれに材料供給装置86に粉末を強制的に供給させる機能を持たせても良いが、本実施形態では、材料供給装置86に、配管90b、90cの切り換えの機能とともに、粉末カートリッジ88A、88Bのいずれか一方から真空を利用して粉末を吸引する機能をも持たせている。材料供給装置86は、制御装置600に接続されている(図11参照)。造形時に、制御装置600により、材料供給装置86を用いて配管90b、90cの切り換えが行われ、粉末カートリッジ88Aからの第1の造形材料(例えばチタン)の粉末と粉末カートリッジ88Bからの第2の造形材料(例えばステンレス)の粉末とが択一的に材料供給装置86に供給され、材料供給装置86から配管90aを介して、いずれか一方の造形材料の粉末がノズル84aに供給される。なお、材料供給装置86の構成を変更することで、必要な場合に粉末カートリッジ88Aからの第1の造形材料と粉末カートリッジ88Bからの第2の造形材料とを同時に材料供給装置86に供給して、2つの造形材料の混合物を、配管90aを介してノズル84aに供給できる構成としても良い。なお、粉末カートリッジ88Aに接続可能なノズルと粉末カートリッジ88Bに接続可能な別のノズルを、集光光学系82の下方に設け、造形時に、いずれか一方のノズルから粉末を供給、又は両方のノズルから粉末を供給しても良い。   The supply of powder from the powder cartridges 88A and 88B to the material supply device 86 may have a function of forcibly supplying the powder to the material supply device 86 in each of the powder cartridges 88A and 88B. The material supply device 86 has a function of sucking powder from one of the powder cartridges 88A and 88B by using a vacuum, in addition to a function of switching the pipes 90b and 90c. The material supply device 86 is connected to the control device 600 (see FIG. 11). At the time of modeling, the control device 600 switches between the pipes 90b and 90c using the material supply device 86, and the first modeling material (for example, titanium) powder from the powder cartridge 88A and the second from the powder cartridge 88B. The powder of the modeling material (for example, stainless steel) is alternatively supplied to the material supply device 86, and either one of the powders of the modeling material is supplied from the material supply device 86 to the nozzle 84a via the pipe 90a. By changing the configuration of the material supply device 86, the first modeling material from the powder cartridge 88A and the second modeling material from the powder cartridge 88B are supplied to the material supply device 86 at the same time if necessary. It is good also as a structure which can supply the mixture of two modeling materials to the nozzle 84a via the piping 90a. In addition, a nozzle that can be connected to the powder cartridge 88A and another nozzle that can be connected to the powder cartridge 88B are provided below the condensing optical system 82, and powder is supplied from either one of the nozzles during modeling, or both nozzles. You may supply powder from.

また、制御装置600は、粉末カートリッジ88A、88Bから材料供給装置86を介してノズル84aに供給される造形材料の単位時間あたりの供給量を調整可能である。例えば、粉末カートリッジ88A、88Bの少なくとも一方から材料供給装置86へ供給される粉末の量を調整することにより、材料供給装置86を介してノズル84aに供給される造形材料の単位時間あたりの供給量を調整可能である。例えば、粉末カートリッジ88A、88Bからの材料供給装置86への粉末の供給に利用されている真空のレベルを調整することで、ノズル84aに供給される造形材料の単位時間あたりの供給量を調整可能である。あるいは、材料供給装置86から配管90aに供給される粉末の量を調整するバルブを設けて、ノズル84aに供給される造形材料の単位時間あたりの供給量を調整することも可能である。   Further, the control device 600 can adjust the supply amount of the modeling material supplied from the powder cartridges 88 </ b> A and 88 </ b> B to the nozzle 84 a via the material supply device 86 per unit time. For example, by adjusting the amount of powder supplied from at least one of the powder cartridges 88A and 88B to the material supply device 86, the supply amount of the modeling material supplied to the nozzle 84a via the material supply device 86 per unit time. Can be adjusted. For example, it is possible to adjust the supply amount per unit time of the modeling material supplied to the nozzle 84a by adjusting the vacuum level used for supplying the powder from the powder cartridges 88A and 88B to the material supply device 86. It is. Alternatively, a valve for adjusting the amount of powder supplied from the material supply device 86 to the pipe 90a may be provided to adjust the supply amount per unit time of the modeling material supplied to the nozzle 84a.

ここで、図7では不図示ではあるが、実際には、ノズル84aの下面(底面)には、図8に示されるように、複数、例えばN個の供給口91(i=1〜N)が、X軸方向に等間隔で形成され、各供給口91が開閉部材93によって個別に開閉できるようになっている。なお、図8では、図示の便宜上から、供給口91は、一例として12個図示され、かつ供給口と開閉部材との関係がわかるように両者が図示されている。しかし、実際には、12個より多くの数の供給口が形成されており、かつ隣接する供給口間の仕切りの部分は、より狭くなっている。ただし、供給口がノズル84aの長手方向のほぼ全長に渡って配置されているのであれば、供給口の数はいくつでも良い。例えば、供給口は、ノズル84aの長手方向のほぼ全長に渡る1つのスリット状の開口であっても良い。 Here, although not shown in FIG. 7, actually, as shown in FIG. 8, a plurality of, for example, N supply ports 91 i (i = 1 to N) are provided on the lower surface (bottom surface) of the nozzle 84 a. ) Are formed at equal intervals in the X-axis direction, and each supply port 91 i can be individually opened and closed by the opening and closing member 93 i . In FIG. 8, for convenience of illustration, twelve supply ports 91 i are illustrated as an example, and both are illustrated so that the relationship between the supply port and the opening / closing member can be understood. However, in reality, more than 12 supply ports are formed, and the partition portion between adjacent supply ports is narrower. However, the number of supply ports may be any number as long as the supply ports are arranged over substantially the entire length in the longitudinal direction of the nozzle 84a. For example, the supply port may be a single slit-like opening over almost the entire length in the longitudinal direction of the nozzle 84a.

開閉部材93は、図8中にk番目の開閉部材93について矢印を付して代表的に示されるように、+Y方向及び−Y方向にスライド駆動可能であり、供給口91を、開閉する。開閉部材93は、スライド駆動に限らず、一端部を中心としてチルト方向に回動可能に構成されていても良い。 Closing member 93 i, as shown by arrowed for k th closing member 93 k typically in FIG. 8, can be driven slide in the + Y direction and the -Y direction, the supply port 91 i, Open and close. The opening / closing member 93 i is not limited to the slide drive, and may be configured to be rotatable in the tilt direction with the one end portion as the center.

各開閉部材93は、制御装置600によって不図示のアクチュエータを介して駆動制御される。制御装置600は、造形面上におけるビームの強度分布、例えば造形面上に形成されるビームの照射領域の形状、大きさ、配置等の設定(又は変更)に応じて複数、例えばN個の供給口91のそれぞれを、各開閉部材93を用いて開閉制御する。これにより、材料処理部530による造形材料の供給動作が制御される。この場合、制御装置600により、複数の供給口91のうちの少なくとも1つの供給口が選択され、その選択された少なくとも1つの供給口を閉鎖している開閉部材93のみが開放制御、例えば−Y方向に駆動される。したがって、本実施形態では、複数、例えばN個の供給口91のうちの一部のみから造形材料を供給可能である。 Each opening / closing member 93 i is driven and controlled by the control device 600 via an actuator (not shown). The control device 600 supplies a plurality of, for example, N supplies according to the setting (or change) of the intensity distribution of the beam on the modeling surface, for example, the shape, size, and arrangement of the irradiation region of the beam formed on the modeling surface. Each of the ports 91 i is controlled to be opened and closed using each opening and closing member 93 i . Thereby, the supply operation of the modeling material by the material processing unit 530 is controlled. In this case, at least one of the plurality of supply ports 91 i is selected by the control device 600, and only the opening / closing member 93 i that closes the selected at least one supply port is controlled to open, for example, Driven in the -Y direction. Therefore, in the present embodiment, the modeling material can be supplied from only a part of a plurality of, for example, N supply ports 91 i .

また、制御装置600は、前述した材料供給装置86を介してノズル84aに供給される造形材料の単位時間あたりの供給量制御と、任意の開閉部材93を用いた開閉制御との少なくとも一方により、その開閉部材93で開閉される供給口91からの造形材料の単位時間あたりの供給量を調整することも可能である。制御装置600は、造形面上におけるビームの強度分布、例えば造形面上に形成されるビームの照射領域の形状、大きさ、配置等の設定(又は変更)に応じて任意の供給口91からの造形材料の単位時間あたりの供給量を決定する。制御装置600は、例えば前述の一文字領域のスキャン方向の幅に基づいて、それぞれの供給口91からの単位時間あたりの供給量を決定する。 The control device 600 includes a supply amount control per unit time of the building material to be supplied to the nozzle 84a through the material supply device 86 described above, by at least one of the opening and closing control using any of the opening and closing member 93 i It is also possible to adjust the supply amount per unit time of the modeling material from the supply port 91 i opened and closed by the opening and closing member 93 i . The control device 600 controls the intensity distribution of the beam on the modeling surface, for example, from any supply port 91 i according to the setting (or change) of the shape, size, arrangement, etc. of the irradiation region of the beam formed on the modeling surface. The supply amount per unit time of the modeling material is determined. The control device 600 determines the supply amount per unit time from each supply port 91 i based on, for example, the width in the scan direction of the one character area described above.

なお、各開閉部材93により、各供給口91の開度を調整可能に構成しても良い。この場合には、制御装置600は、例えば前述の一文字領域のスキャン方向の幅に応じて各開閉部材93による各供給口の開度を調整することとしても良い。 In addition, you may comprise so that the opening degree of each supply port 91 i can be adjusted with each opening-and-closing member 93 i . In this case, the control device 600 may adjust the opening degree of each supply port by each opening / closing member 93 i according to, for example, the width in the scanning direction of the one character region described above.

この他、造形材料の粉末を供給する少なくとも1つの供給口が可動であっても良い。例えばノズル84aの下面にX軸方向に延びるスリット状の供給口を1つ形成し、ノズル84aを、一対の支持部材84b、84cに対して、例えば、X軸方向とY軸方向の少なくとも一方に移動可能な構成とし、制御装置600が、造形面上におけるビームの強度分布の変更、すなわちビームの照射領域の形状、大きさ、位置の変更に応じて、下面に供給口が形成されたノズル84aを移動しても良い。なお、ノズル84aをZ軸方向に可動にしても良い。   In addition, at least one supply port for supplying the powder of the modeling material may be movable. For example, one slit-like supply port extending in the X-axis direction is formed on the lower surface of the nozzle 84a, and the nozzle 84a is disposed on at least one of the X-axis direction and the Y-axis direction with respect to the pair of support members 84b and 84c, for example. The control device 600 has a movable configuration, and the control device 600 changes the intensity distribution of the beam on the modeling surface, that is, the nozzle 84a having the supply port formed on the lower surface in accordance with the change in the shape, size, and position of the irradiation region of the beam. You may move. The nozzle 84a may be movable in the Z-axis direction.

あるいは、ノズル84aを、本体部と、該本体部に対して例えばXY平面内でX軸方向とY軸方向の少なくとも一方に移動可能でその底面に供給口が形成された少なくとも2つの可動部材とで構成し、可動部材の少なくとも一部を、制御装置600が、造形面上におけるビームの強度分布の変更に応じて、移動しても良い。この場合も、可動部材の少なくとも一部がZ軸方向に可動であっても良い。   Alternatively, the nozzle 84a can be moved in at least one of the X-axis direction and the Y-axis direction in the XY plane with respect to the main body part, for example, in the XY plane, and at least two movable members having a supply port formed on the bottom surface thereof The control device 600 may move at least a part of the movable member according to a change in the intensity distribution of the beam on the modeling surface. Also in this case, at least a part of the movable member may be movable in the Z-axis direction.

また、複数の供給口のうちの1つ供給口と別の供給口とが相対的に移動可能な構成にしても良い。あるいは、例えば、上記1つの供給口のY軸方向の位置と上記別の1つの供給口のY軸方向の位置とが異なっていても良い。あるいは、上記1つの供給口のZ軸方向の位置と上記別の1つの供給口のZ軸方向の位置とが異なっていても良い。   Moreover, you may make it the structure which can relatively move one supply port and another supply port among several supply ports. Alternatively, for example, the position of the one supply port in the Y-axis direction may be different from the position of the other one supply port in the Y-axis direction. Alternatively, the position of the one supply port in the Z-axis direction may be different from the position of the other supply port in the Z-axis direction.

なお、少なくとも1つの供給口の移動は、ビームの強度分布の設定又は変更に合わせて行うだけでなく、別の目的で動かしても良い。   Note that the movement of at least one supply port is not limited to the setting or change of the intensity distribution of the beam, but may be moved for another purpose.

前述したように、ノズル84aに設けられた複数の供給口91iは、集光光学系82の光軸に直交してX軸方向にノズル84aの全長に渡って等間隔で配置されかつ隣接する供給口91i同士の間には僅かの隙間しかない。このため、図9(A)中の黒矢印で示されるように、ノズル84aの複数の供給口91iのそれぞれから粉末状の造形材料PDを集光光学系82の光軸AXに平行なZ軸方向に沿って真下に供給すれば、集光光学系82の光軸AXの直下の前述の一文字領域LS(一文字ビームの照射領域)にその造形材料PDが供給されることになる。この場合、ノズル84aからの造形材料PDの供給は、造形材料PDの自重を利用して、あるいは僅かな噴き出し圧力を加えた噴き出しによって行うことができる。したがって、造形の対象面に対して斜めの方向から造形材料を供給する場合のような造形材料の供給をガイドするガス流の発生機構等の複雑な機構が不要である。また、本実施形態のようにワークに対して至近距離で垂直に造形材料を供給できることは、造形における加工精度を確保する上で極めて有利である。 As described above, the plurality of supply ports 91 i provided in the nozzle 84 a are arranged at equal intervals over the entire length of the nozzle 84 a in the X-axis direction perpendicular to the optical axis of the condensing optical system 82 and adjacent to each other. There is only a slight gap between the supply ports 91 i . For this reason, as shown by the black arrow in FIG. 9A, the powdery modeling material PD is parallel to the optical axis AX of the condensing optical system 82 from each of the plurality of supply ports 91 i of the nozzle 84a. If the material is supplied directly along the axial direction, the modeling material PD is supplied to the one character region LS (one character beam irradiation region) immediately below the optical axis AX of the condensing optical system 82. In this case, supply of the modeling material PD from the nozzle 84a can be performed by utilizing the weight of the modeling material PD or by jetting with a slight jet pressure. Therefore, a complicated mechanism such as a gas flow generation mechanism for guiding the supply of the modeling material as in the case of supplying the modeling material from an oblique direction with respect to the modeling target surface is unnecessary. In addition, the ability to supply a modeling material perpendicularly to a workpiece at a close distance as in the present embodiment is extremely advantageous in ensuring processing accuracy in modeling.

なお、ノズル84aにガス供給口を設けても良い。そのガス供給口から供給されるガスは、造形材料の供給をガイドするために流しても良いし、別の目的、例えば造形に寄与するガスを流しても良い。   In addition, you may provide a gas supply port in the nozzle 84a. The gas supplied from the gas supply port may flow in order to guide the supply of the modeling material, or may flow a gas that contributes to another purpose, for example, modeling.

本実施形態では、輪帯状の平行ビームがミラーアレイ80に照射されるので、ミラーアレイ80からの反射ビームは、集光光学系82の周縁近傍の部分領域(N.A.が大きな部分領域)に入射し、集光光学系82の射出端、すなわちビーム照射部520の射出端に位置する終端レンズの光軸から離れた周縁部の領域を介して集光光学系82の造形面MP(本実施形態では集光光学系82の後側焦点面に一致)に集光される(図4参照)。すなわち、同一の集光光学系82の周縁近傍の部分を通る光のみによって、例えば一文字ビームが形成される。このため、別々の光学系を介した光を同一領域に集光してビームスポット(レーザスポット)を形成する場合に比べて、高品質なビームスポットの形成が可能である。また、本実施形態では、集光光学系82の射出面(下端面)の中央下方に設けたノズル84aへのビームの照射を制限することができる。このため、本実施形態では、ミラーアレイ80からの反射ビームを全てスポットの形成に利用することが可能になるとともに、集光光学系82の入射面側のノズル84aに対応する部分にビームがノズル84aに照射されるのを制限するための遮光部材等を設ける必要がなくなる。かかる理由により、輪帯状の平行ビームによりミラーアレイ80を照明することとしているのである。   In the present embodiment, since the annular parallel beam is irradiated onto the mirror array 80, the reflected beam from the mirror array 80 is a partial region (partial region having a large NA) in the vicinity of the periphery of the condensing optical system 82. And the shaping surface MP (the main surface of the condensing optical system 82 through the peripheral area away from the optical axis of the terminal lens located at the exit end of the condensing optical system 82, that is, the exit end of the beam irradiation unit 520. In the embodiment, the light is condensed on the rear focal plane of the condensing optical system 82 (see FIG. 4). That is, for example, a single character beam is formed only by the light passing through the vicinity of the periphery of the same condensing optical system 82. For this reason, it is possible to form a high-quality beam spot as compared with the case where a beam spot (laser spot) is formed by condensing light through different optical systems in the same region. Further, in the present embodiment, it is possible to limit the irradiation of the beam to the nozzle 84 a provided below the center of the exit surface (lower end surface) of the condensing optical system 82. For this reason, in the present embodiment, it is possible to use all of the reflected beam from the mirror array 80 for spot formation, and the beam is provided at a portion corresponding to the nozzle 84a on the incident surface side of the condensing optical system 82. There is no need to provide a light shielding member or the like for restricting the irradiation to 84a. For this reason, the mirror array 80 is illuminated with an annular parallel beam.

なお、集光光学系82の射出端に位置する光学部材は、少なくともその射出側の面の光軸から離れた領域に光学面が形成され、該光学面を介して造形面(後側焦点面)にビームを集光することができれば良い。したがって、この光学部材は、光軸を含む領域では射出面と入射面との少なくとも一方が、集光光学系82の光軸に垂直な平面であっても良いし、あるいは、光軸を含む領域に穴が形成されていても良い。光軸を含む中央部の領域に穴の空いたドーナツ状の集光レンズによって集光光学系82の射出端に位置する光学部材を構成しても良い。   The optical member located at the exit end of the condensing optical system 82 has an optical surface formed at least in a region away from the optical axis of the exit side surface, and a modeling surface (rear focal plane) is interposed through the optical surface. It is only necessary that the beam can be condensed. Therefore, in the optical member, in the region including the optical axis, at least one of the exit surface and the incident surface may be a plane perpendicular to the optical axis of the condensing optical system 82, or the region including the optical axis. A hole may be formed in the hole. The optical member positioned at the exit end of the condensing optical system 82 may be configured by a donut-shaped condensing lens having a hole in the central region including the optical axis.

なお、集光光学系82からノズル84aに入射するビームを制限するために、例えば図7に二点鎖線で示される制限部材85を集光光学系82の入射面側(例えば瞳面PP)に設けても良い。制限部材85によって、集光光学系82からのビームのノズル84aへの入射を制限する。制限部材85としては、遮光部材を用いても良いが、減光フィルタ等を用いても良い。かかる場合において、集光光学系82に入射する平行ビームは、断面円形の平行ビームであっても良いし、輪帯状の平行ビームであっても良い。後者では、ビームが制限部材85に照射されることがないので、ミラーアレイ80からの反射ビームを全てスポットの形成に利用することが可能になる。   In order to limit the beam incident on the nozzle 84a from the condensing optical system 82, for example, a limiting member 85 indicated by a two-dot chain line in FIG. 7 is provided on the incident surface side (for example, the pupil plane PP) of the condensing optical system 82. It may be provided. The limiting member 85 limits the incidence of the beam from the condensing optical system 82 on the nozzle 84a. As the limiting member 85, a light shielding member may be used, or a neutral density filter or the like may be used. In such a case, the parallel beam incident on the condensing optical system 82 may be a parallel beam having a circular cross section or an annular parallel beam. In the latter case, since the beam is not irradiated on the limiting member 85, all the reflected beams from the mirror array 80 can be used for spot formation.

なお、集光光学系82からノズル84aに入射するビームを必ずしも完全に遮光する必要はないが、集光光学系82からのビームがノズル84aに入射するのを防止するために、集光光学系82の終端レンズの射出面の、Y軸方向に関して光軸の両側の分離した周縁部領域(例えば2つの円弧領域)のみからビームを射出するようにしても良い。   It is not always necessary to completely shield the beam incident on the nozzle 84a from the condensing optical system 82, but in order to prevent the beam from the condensing optical system 82 from entering the nozzle 84a, the condensing optical system. The beam may be emitted only from the peripheral region (for example, two arc regions) separated from both sides of the optical axis in the Y-axis direction on the exit surface of the terminal lens 82.

ウォーターシャワーノズル540(図11参照)は、いわゆる焼入れの際に用いられる。ウォーターシャワーノズル540は、冷却液(冷却水)を供給する供給口を有し、冷却液を冷却対象物に噴射するものである。ウォーターシャワーノズル540は、制御装置600に接続されている(図11参照)。制御装置600は、焼入れに際し、光源ユニット60を制御してビーム照射部520からのビームの熱エネルギを焼入れに適切な値に調節する。そして、制御装置600は、ワークの表面にビームを照射して高温にした後、ウォーターシャワーノズル540を介して冷却液をその高温部に噴射して急冷することにより、焼入れを行うことができる。この場合、三次元造形によるワークに対する付加加工と同時に焼入れ工程を行うことも可能である。なお、付加加工と同時に焼き入れ工程を行う場合、造形材料として、焼入れ性の良好な金属を用いることが望ましい。   The water shower nozzle 540 (see FIG. 11) is used during so-called quenching. The water shower nozzle 540 has a supply port for supplying a cooling liquid (cooling water), and jets the cooling liquid onto the object to be cooled. The water shower nozzle 540 is connected to the control device 600 (see FIG. 11). At the time of quenching, the control device 600 controls the light source unit 60 to adjust the thermal energy of the beam from the beam irradiation unit 520 to a value appropriate for quenching. The control device 600 can perform quenching by irradiating the surface of the workpiece with a beam to increase the temperature, and then injecting a cooling liquid into the high temperature portion via the water shower nozzle 540 to rapidly cool the workpiece. In this case, it is possible to perform the quenching process simultaneously with the additional processing for the workpiece by three-dimensional modeling. In addition, when performing a hardening process simultaneously with additional processing, it is desirable to use a metal with favorable hardenability as a modeling material.

本実施形態では、ワークに対する付加加工時等には、図4及び図4の円A内を拡大して示す図9(A)に示されるように、集光光学系82の周縁部近傍を通過しノズル84aの+Y側及び−Y側(ワークW(テーブル12)のスキャン方向の前方及び後方)の光路を通るビーム(図9(A)に便宜上ビームLB1、LB1として示されている)がノズル84aの真下に集光されて、X軸方向(図9(A)における紙面直交方向)を長手方向とする一文字領域LSが造形面上に形成され(図9(B)参照)、その一文字領域LSを形成する一文字ビームに対してノズル84aの複数の供給口91を介して粉末状の造形材料PDが集光光学系82の光軸AXと平行なZ軸に沿って(光軸AXを含むXZ面に沿って)供給される。これにより、ノズル84aの真下にX軸方向に延びる線状の溶融池WPが形成される。そして、かかる溶融池WPの形成がテーブル12をスキャン方向(図9(A)では+Y方向)に走査しながら行われる。これにより、一文字ビーム(溶融池WP)の長手方向(X軸方向)の長さに渡る所定幅のビード(溶融凝固した金属)BEを形成することが可能である。なお、図9(A)に示されるビームLB1、LB1は、ミラーアレイ80の異なるミラー素子81p.qでそれぞれ反射され集光光学系82の瞳面PPに異なる入射角度で入射した別々の平行ビームであっても良いし、同一の平行ビーム、例えば断面輪帯状の平行ビームの一部であっても良い。 In this embodiment, at the time of additional processing on the workpiece, as shown in FIG. 9A showing an enlarged view of the circle A in FIGS. 4 and 4, it passes through the vicinity of the peripheral portion of the condensing optical system 82. Beams passing through the optical path on the + Y side and -Y side of the nozzle 84a (front and rear in the scanning direction of the workpiece W (table 12)) (shown as beams LB1 1 and LB1 2 for convenience in FIG. 9A) Is condensed directly below the nozzle 84a, and a one-character region LS having a longitudinal direction in the X-axis direction (the direction orthogonal to the paper surface in FIG. 9A) is formed on the modeling surface (see FIG. 9B). For one character beam forming one character region LS, the powdered modeling material PD passes along the Z axis parallel to the optical axis AX of the condensing optical system 82 via the plurality of supply ports 91 i of the nozzle 84a (optical axis). (Along the XZ plane including AX). As a result, a linear molten pool WP extending in the X-axis direction is formed directly below the nozzle 84a. The molten pool WP is formed while scanning the table 12 in the scanning direction (+ Y direction in FIG. 9A). As a result, it is possible to form a bead (melted and solidified metal) BE having a predetermined width over the length in the longitudinal direction (X-axis direction) of the single character beam (molten pool WP). The beams LB1 1 and LB1 2 shown in FIG. 9A are different from each other in the mirror elements 81 p. It may be a separate parallel beam reflected at q and incident on the pupil plane PP of the condensing optical system 82 at a different incident angle, or may be a part of the same parallel beam, for example, a parallel beam having a ring-shaped cross section. Also good.

複数の平行ビームを集光光学系82の瞳面PPに入射させる場合において、例えば集光光学系82に入射する平行ビームLBの数を減らさずに、一文字ビームのX軸方向の幅、又はY軸方向の幅、又は両方が徐々に狭まるように、集光光学系82に入射する複数の平行ビームLBの入射角度の調整を行った場合、ビームの集光密度(エネルギー密度)が高くなる。したがって、それに応じて、単位時間当たりの粉末(造形材料)の供給量を増やし、かつ対象面TASのスキャン速度を上げることで、形成されるビードBEの層の厚さを一定に保つとともに、スループットを高いレベルで保つことが可能になる。ただし、かかる調整方法に限らず、他の調整方法を用いて、形成されるビードBEの層の厚さを一定に保つこともできる。例えば、一文字ビームのX軸方向の幅、又はY軸方向の幅、又は両方の幅に応じて複数のレーザユニット70のうちの少なくとも1つのレーザ出力(レーザビームのエネルギ量)を調節しても良いし、ミラーアレイ80から集光光学系82に入射する平行ビームLBの数を変更しても良い。この場合、上述した調整方法に比べて、スループットは幾分低下するが、調整が簡便である。   When a plurality of parallel beams are incident on the pupil plane PP of the condensing optical system 82, for example, without reducing the number of parallel beams LB incident on the condensing optical system 82, the width of one character beam in the X-axis direction, or Y When the incident angles of the plurality of parallel beams LB incident on the condensing optical system 82 are adjusted so that the axial width or both are gradually narrowed, the condensing density (energy density) of the beams is increased. Accordingly, by increasing the supply amount of powder (modeling material) per unit time and increasing the scanning speed of the target surface TAS accordingly, the thickness of the formed bead BE layer is kept constant, and the throughput is increased. Can be kept at a high level. However, the thickness of the bead BE layer to be formed can be kept constant by using other adjustment methods as well as the adjustment method. For example, the laser output (the amount of energy of the laser beam) of at least one of the plurality of laser units 70 may be adjusted according to the width in the X-axis direction, the width in the Y-axis direction, or both widths of one character beam. Alternatively, the number of parallel beams LB incident on the condensing optical system 82 from the mirror array 80 may be changed. In this case, the throughput is somewhat lower than the adjustment method described above, but the adjustment is simple.

図11には、造形装置100の制御系を中心的に構成する制御装置600の入出力関係を示すブロック図が示されている。制御装置600は、ワークステーション(又はマイクロコンピュータ)等を含み、造形装置100の構成各部を統括制御する。   FIG. 11 is a block diagram illustrating the input / output relationship of the control device 600 that mainly configures the control system of the modeling apparatus 100. The control device 600 includes a workstation (or a microcomputer) and the like, and comprehensively controls each component of the modeling device 100.

上述のようにして構成された本実施形態に係る造形装置100の基本的機能は、既存の部品(ワーク)に対し、三次元造形により所望の形状を付け加えることである。ワークは造形装置100に投入され、所望の形状を正確に付け加えられた後に造形装置100から搬出される。このとき、その付け加えられた形状の実際の形状データは、装置から外部の装置、例えば上位装置に送られる。造形装置100で行われる一連の動作は、大略次の通りである。   The basic function of the modeling apparatus 100 according to the present embodiment configured as described above is to add a desired shape to an existing part (work) by three-dimensional modeling. The workpiece is put into the modeling apparatus 100, and after a desired shape is accurately added, the workpiece is unloaded from the modeling apparatus 100. At this time, the actual shape data of the added shape is sent from the device to an external device, for example, a host device. A series of operations performed by the modeling apparatus 100 is roughly as follows.

まず、テーブル12が、所定のローディング/アンローディングポジションにあるときに、ワーク搬送系300によってワークがテーブル12に搭載される。このとき、テーブル12は、前述した基準状態(Z、θx、θy、θz)=(Z、0、0、0)にあり、そのXY位置は、位置計測系28によって計測されているスライダ10のX、Y位置と一致している。 First, when the table 12 is at a predetermined loading / unloading position, the workpiece is loaded on the table 12 by the workpiece transfer system 300. At this time, the table 12 is in the above-described reference state (Z, θx, θy, θz) = (Z 0 , 0, 0 , 0), and the XY position thereof is measured by the position measurement system 28. This coincides with the X and Y positions.

次いで、制御装置600により、ワークWを搭載したテーブル12が計測システム400の下方に移動される。テーブル12の移動は、制御装置600が位置計測系28の計測情報に基づいて、平面モータ26を制御して、スライダ10をベースBS上でX軸方向(及びY軸方向)に駆動することで行われる。この移動中も、テーブル12は、前述した基準状態が維持されている。   Subsequently, the control device 600 moves the table 12 on which the workpiece W is mounted below the measurement system 400. The table 12 is moved by the control device 600 controlling the planar motor 26 based on the measurement information of the position measurement system 28 and driving the slider 10 in the X-axis direction (and Y-axis direction) on the base BS. Done. During this movement, the above-described reference state is maintained on the table 12.

次に制御装置600により、計測システム400を用いて、基準状態にあるテーブル12上のワークW上の対象面TASの少なくとも一部の三次元空間内の位置情報(本実施形態では形状情報)の計測が行われる。これ以後は、この計測結果に基づき、ワークW上の対象面TASの6自由度方向の位置は、テーブル座標系(基準座標系)上で、オープンループの制御により管理することが可能になる。   Next, the control device 600 uses the measurement system 400 to store position information (shape information in this embodiment) in at least a part of the target surface TAS on the work W on the table 12 in the reference state in the three-dimensional space. Measurement is performed. Thereafter, based on this measurement result, the position of the target surface TAS on the workpiece W in the direction of 6 degrees of freedom can be managed by open loop control on the table coordinate system (reference coordinate system).

次に制御装置600により、対象面TASの少なくとも一部の形状情報の計測が終了したワークWを搭載したテーブル12が、ビーム造形システム500の下方に移動される。   Next, the table 12 on which the workpiece W on which measurement of at least part of the shape information of the target surface TAS has been completed is moved by the control device 600 below the beam shaping system 500.

次に、テーブル12上のワークに3Dデータに対応する形状を付加する三次元造形による付加加工が行われる。この付加加工は、次のようにして行われる。   Next, additional processing is performed by three-dimensional modeling to add a shape corresponding to 3D data to the workpiece on the table 12. This additional processing is performed as follows.

すなわち、制御装置600は、付加加工により付加すべき形状(付加加工後に作られる物体の形状から付加加工の対象となるワークの形状を取り去った形状)の三次元CADデータを三次元造形用のデータとして、例えばSTL(Stereo Lithography)データに変換し、更に、この三次元STLデータから、Z軸方向にスライスした各レイヤ(層)のデータを生成する。そして、制御装置600は、各レイヤのデータに基づき、ワークに対する各層の付加加工を行うべく、移動システム200及びビーム造形システム500を制御して、前述した一文字領域の形成、及び一文字ビームに対するノズル84aからの造形材料の供給による線状(スリット状)の溶融池の形成を、テーブル12をスキャン方向に走査しながら行うことを、各層について繰り返し行う。ここで、付加加工時におけるワーク上の対象面の位置及び姿勢の制御は、先に計測した対象面の形状情報を考慮して行われる。   In other words, the control device 600 converts the 3D CAD data of the shape to be added by the additional processing (the shape obtained by removing the shape of the workpiece to be subjected to the additional processing from the shape of the object created after the additional processing) to the data for three-dimensional modeling. For example, the data is converted into STL (Stereo Lithography) data, and data of each layer sliced in the Z-axis direction is generated from the three-dimensional STL data. Then, the control device 600 controls the moving system 200 and the beam shaping system 500 to perform additional processing of each layer on the workpiece based on the data of each layer, thereby forming the above-described one character region and the nozzle 84a for one character beam. The formation of the linear (slit-shaped) molten pool by supplying the modeling material from is repeatedly performed for each layer while scanning the table 12 in the scanning direction. Here, the control of the position and orientation of the target surface on the workpiece during the additional machining is performed in consideration of the shape information of the target surface measured previously.

ここで、上の説明では、ワークWの付加加工の目標部位TAが設定される対象面(例えば上面)TASが、テーブル12の傾きを調整することで、集光光学系82の光軸に垂直な面(XY平面に平行な面)に設定される平面であることを前提とし、テーブル12のスキャン動作を伴う造形が行われるものとしている。しかしながら、ワークの付加加工の目標部位が設定される対象面は、必ずしも一文字ビームが使えるような平面であるとは限らない。しかるに、本実施形態に係る造形装置100は、ワークが搭載されたテーブル12の6自由度方向の位置を任意に設定可能な移動システム200を備えている。そこで、かかる場合において、制御装置600は、計測システム400を用いて計測したワークの三次元形状に基づいて、移動システム200、及びビーム造形システム500のビーム照射部520を制御して、造形面MPに位置合わせされるワークW上の対象面(例えば上面)が造形面MP上におけるビームの照射領域内において付加加工可能な平坦と見なせる程度に造形面MP上におけるビーム照射領域のX軸方向の幅を調整しつつ、ノズル84aの各開閉部材93を介して各供給口91の開閉操作を行い、必要な供給口から造形材料を照射領域に照射されるビームに供給する。これにより、ワーク上面(対象面)が平坦でなくても、必要な部分に造形を施すことができる。 Here, in the above description, the target surface (for example, the upper surface) TAS on which the target portion TA for the additional processing of the workpiece W is set is perpendicular to the optical axis of the condensing optical system 82 by adjusting the tilt of the table 12. Assuming that the surface is a flat surface (a surface parallel to the XY plane), modeling with the scanning operation of the table 12 is performed. However, the target surface on which the target part for workpiece additional machining is set is not necessarily a plane that can use a single character beam. However, the modeling apparatus 100 according to the present embodiment includes the moving system 200 that can arbitrarily set the position of the table 12 on which the workpiece is mounted in the direction of 6 degrees of freedom. Therefore, in such a case, the control device 600 controls the moving surface 200 and the beam irradiation unit 520 of the beam forming system 500 based on the three-dimensional shape of the workpiece measured using the measuring system 400, and the forming surface MP. The width in the X-axis direction of the beam irradiation region on the modeling surface MP to the extent that the target surface (for example, the upper surface) on the workpiece W aligned with the surface of the modeling surface MP can be regarded as a flat that can be additionally processed in the irradiation region of the beam on the modeling surface MP The supply port 91 i is opened / closed via the open / close members 93 i of the nozzle 84 a, and the modeling material is supplied from the necessary supply port to the beam irradiated to the irradiation region. Thereby, even if the upper surface (target surface) of the workpiece is not flat, it is possible to model the necessary portion.

なお、ビードの積層による造形を行う際に、造形面における照射領域のX軸方向の幅が小さいビームで付加加工(ビード形成)を行い、比較的大面積の平面を形成した後に、造形面における照射領域のX軸方向の幅を大きくした一文字ビームを使って、その平面上に付加加工(ビード形成)を行っても良い。例えば、凹凸のある対象面上に造形を行う際に、造形面における照射領域のX軸方向の幅が小さいビームで、凹部を埋める付加加工(ビード形成)を行って平面を形成した後に、造形面MPにおける照射領域のX軸方向の幅を大きくした一文字ビームを用いて、その平面上に付加加工(ビード形成)を行っても良い。かかる場合においても、造形面MPにおけるビームの照射領域の大きさ(幅)変化に応じて選択された、1つ又は複数の供給口から造形材料の粉末が供給されることは言うまでもない。   In addition, when performing modeling by laminating beads, additional processing (bead formation) is performed with a beam having a small width in the X-axis direction of the irradiation region on the modeling surface, and a relatively large area plane is formed. Additional processing (bead formation) may be performed on the plane using a single character beam having a larger width in the X-axis direction of the irradiation region. For example, when modeling is performed on an uneven target surface, after forming a plane by performing additional processing (bead formation) to fill the recess with a beam having a small width in the X-axis direction of the irradiation region on the modeling surface, Additional processing (bead formation) may be performed on the plane using a single character beam having a larger width in the X-axis direction of the irradiation region on the surface MP. Even in such a case, it goes without saying that the powder of the modeling material is supplied from one or a plurality of supply ports selected in accordance with the size (width) change of the irradiation region of the beam on the modeling surface MP.

ワークWに対する付加加工の終了後、制御装置600により、付加加工済みのワークWを搭載したテーブル12上が前述のローディング/アンローディングポジションに移動される。   After completion of the additional machining for the workpiece W, the control device 600 moves the table 12 on which the workpiece W after the additional machining is mounted to the above-described loading / unloading position.

次いで制御装置600により、ワーク搬送系300に対し、ワークのアンロードが指示される。この指示に応じ、ワーク搬送系300によって、付加加工済みのワークWがテーブル12上から取り出され、造形装置100の外部に搬送される。そして、制御装置600により、移動システム200のテーブル12が基準状態に設定される。これにより、移動システム200は、ローディング/アンローディングポジションにて、次のワークの搬入に備えて待機することとなる。   Next, the control device 600 instructs the workpiece transfer system 300 to unload the workpiece. In response to this instruction, the workpiece transfer system 300 takes out the workpiece W that has undergone additional processing from the table 12 and transfers it to the outside of the modeling apparatus 100. Then, the control device 600 sets the table 12 of the mobile system 200 to the reference state. As a result, the moving system 200 stands by in preparation for loading the next workpiece at the loading / unloading position.

以上、詳細に説明したように、本実施形態に係る造形装置100及び該造形装置100で行われる造形方法によると、前述の造形面MP内におけるビームの強度分布を、ビームと対象面TASとの相対移動による造形開始前だけでなく、ビームと対象面TASとの相対移動中に、必要な場合には連続的に変更可能であるとともに、対象面TASとビームとの相対位置に応じて、しかも要求される造形精度とスループットに応じて変更可能である。これにより、造形装置100では、例えばラピッドプロトタイピングにより造形物をワークWの対象面TAS上に高い加工精度でかつ高スループットで形成することが可能になる。   As described above in detail, according to the modeling apparatus 100 according to the present embodiment and the modeling method performed by the modeling apparatus 100, the intensity distribution of the beam in the above-described modeling surface MP is determined between the beam and the target surface TAS. Not only before the modeling starts by relative movement, but also during the relative movement between the beam and the target surface TAS, it can be changed continuously if necessary, and depending on the relative position between the target surface TAS and the beam, It can be changed according to the required modeling accuracy and throughput. As a result, the modeling apparatus 100 can form a modeled object on the target surface TAS of the workpiece W with high processing accuracy and high throughput, for example, by rapid prototyping.

また、造形装置100及び該造形装置100で行われる造形方法では、平坦な対象面TAS上に比較的広い面積の付加加工(造形)を行う場合に、前述した一文字ビームに対してノズル84aから粉末状の造形材料PDを供給してノズル84aの真下に線状の溶融池WPを形成し、かかる溶融池WPの形成をテーブル12をスキャン方向(図4では+Y方向)に走査しながら行う方法が採用される。この方法によると、従来の3Dプリンタ等では、図12(B)に示されるようにスポット状のビームを何十回も往復しないと生成できなかった形状を、図12(A)に示されるように、一文字ビームに対するテーブル12の数回の往復で生成することが可能になる。本実施形態によると、従来のスポット状のビームによる造形、のいわば一筆書きの造形の場合と比べて格段に短時間で造形物をワークの対象面上に形成することが可能になる。すなわち、この点においても、スループットの向上が可能になる。   Moreover, in the modeling apparatus 100 and the modeling method performed by the modeling apparatus 100, when performing additional processing (modeling) with a relatively large area on the flat target surface TAS, the powder from the nozzle 84a is applied to the single character beam described above. A linear shaped molten pool WP is formed immediately below the nozzle 84a by supplying the shaped molding material PD, and the molten pool WP is formed while scanning the table 12 in the scanning direction (+ Y direction in FIG. 4). Adopted. According to this method, in a conventional 3D printer or the like, as shown in FIG. 12 (B), a shape that cannot be generated unless the spot-like beam is reciprocated dozens of times as shown in FIG. 12 (A). In addition, the table 12 can be generated by several reciprocations for one character beam. According to the present embodiment, it is possible to form a modeled object on the target surface of the workpiece in a much shorter time than in the case of modeling with a conventional spot-shaped beam, that is, modeling with a single stroke. That is, also in this respect, throughput can be improved.

また、本実施形態に係る造形装置100及び該造形装置100で行われる造形方法によると、ミラーアレイ80の各ミラー素子の反射面の傾斜角度を変更することにより、集光光学系82の造形面内におけるビームの強度分布の変更が行われるので、その強度分布の変更として、造形面内におけるビームの照射領域の位置、数、大きさ、及び形状の少なくとも一つの変更を容易に行うことができる。したがって、例えば照射領域をスポット状、スリット状(ライン状)などに設定して、前述した手法により、ワーク上の対象面に三次元造形を施すことで、高精度な三次元造形物の形成が可能になる。   Further, according to the modeling apparatus 100 according to the present embodiment and the modeling method performed by the modeling apparatus 100, the modeling surface of the condensing optical system 82 is changed by changing the inclination angle of the reflecting surface of each mirror element of the mirror array 80. Since the intensity distribution of the beam is changed, at least one of the position, number, size, and shape of the irradiation area of the beam in the modeling surface can be easily changed as the intensity distribution change. . Therefore, for example, by setting the irradiation area in a spot shape, slit shape (line shape), etc., and performing the three-dimensional modeling on the target surface on the workpiece by the method described above, a highly accurate three-dimensional structure can be formed. It becomes possible.

また、本実施形態に係る造形装置100は、複数、例えば2つの粉末カートリッジ88A、88Bを有し、粉末カートリッジ88A、88Bそれぞれの内部には、第1の造形材料(例えばチタン)の粉末、第2の造形材料(例えばステンレス)の粉末が収容されている。そして、付加加工時(造形時)に、制御装置600により、材料供給装置86を用いたノズルユニット84に対する粉末の供給経路、すなわち配管90b、90cの切り換えが行われる。これにより、粉末カートリッジ88Aからの第1の造形材料(例えばチタン)の粉末と粉末カートリッジ88Bからの第2の造形材料(例えばステンレス)の粉末とが択一的にノズルユニット84に供給される。したがって、制御装置600が供給する粉末材料を部位に応じて切り換えるだけで、異種材料の接合形状が容易に生成可能である。また、その切り換えはほぼ瞬時に行うことが可能である。更に異種材料を混合して供給することで「合金を」その場で作ってしまうことも、その組成を場所によって変えたりグラデーションにしたりすることも可能である。   The modeling apparatus 100 according to the present embodiment includes a plurality of, for example, two powder cartridges 88A and 88B, and each of the powder cartridges 88A and 88B includes a first modeling material (for example, titanium) powder, a first The powder of 2 modeling materials (for example, stainless steel) is accommodated. At the time of additional processing (modeling), the control device 600 switches the powder supply path to the nozzle unit 84 using the material supply device 86, that is, the pipes 90b and 90c. Thereby, the powder of the first modeling material (for example, titanium) from the powder cartridge 88A and the powder of the second modeling material (for example, stainless steel) from the powder cartridge 88B are alternatively supplied to the nozzle unit 84. Therefore, the joining shape of different materials can be easily generated by simply switching the powder material supplied by the control device 600 according to the site. The switching can be performed almost instantaneously. Furthermore, it is possible to make “alloys” on the spot by mixing and supplying different materials, or to change the composition depending on the place or to make it gradation.

なお、上記実施形態では、ビーム造形システム500により単一の直線状のビーム(一文字ビーム)の照射領域を形成し、該一文字ビームに対してワークWを走査方向(例えばY軸方向)に走査する場合について説明した。しかしながら、ビーム造形システム500では、前述したように、集光光学系82に入射する複数の平行ビームLBの入射角度に、適切な分布をつけることで、造形面MP上におけるビームの強度分布を自在に変更できる。したがって、造形装置100では、造形面MP上におけるビームの照射領域の位置、数、大きさ及び形状の少なくとも1つを変更することができ、前述したようにビームの照射領域として例えば一文字領域、三列領域、欠損一文字領域など(図10参照)を形成することも可能である。   In the above embodiment, an irradiation area of a single linear beam (one character beam) is formed by the beam shaping system 500, and the workpiece W is scanned in the scanning direction (for example, the Y-axis direction) with respect to the one character beam. Explained the case. However, in the beam shaping system 500, as described above, the intensity distribution of the beam on the shaping surface MP can be freely set by appropriately distributing the incident angles of the plurality of parallel beams LB incident on the condensing optical system 82. Can be changed. Therefore, in the modeling apparatus 100, at least one of the position, number, size, and shape of the beam irradiation area on the modeling surface MP can be changed. As described above, as the beam irradiation area, for example, one character area, three It is also possible to form a row region, a missing single character region, etc. (see FIG. 10).

図13には、一例として前述した三列領域を構成する3つの一文字領域にそれぞれ照射される3つの一文字ビームを用いたワークWに対する付加加工が行われている様子が示されている。図13に示されるように、集光光学系82の周縁部近傍を通過し、ノズル84aに対してワークW(テーブル12)のスキャン方向の前方及び後方の光路を通るビームLB1、LB1がノズル84a(の複数の供給口)の真下に集光されてX軸方向(図13における紙面直交方向)を長手方向とするスリット状(ライン状)の第1一文字領域LS1が造形面上に形成されている。このとき、ワークWの目標部位TAが設定された対象面TASは、造形面MPに位置合わせされている。また、集光光学系82の周縁部近傍を通過し、ノズル84aに対してスキャン方向の後方の光路を通るビームLB2、LB2が集光されて、第1一文字領域LS1のスキャン方向の後方に所定距離離れた位置に、第1一文字領域LS1に平行に、第1一文字領域LS1と同じ長さでX軸方向に延びる第2一文字領域LS2が形成されている。また、集光光学系82の周縁部近傍を通過し、ノズル84aに対してスキャン方向の前方の光路を通るビームLB3、LB3が集光されて、第1一文字領域LS1のスキャン方向の前方に所定距離離れた位置に、第1一文字領域LS1に平行に、第1一文字領域LS1と同じ長さでX軸方向に延びる第3一文字領域LS3が形成されている。図14には、図13に示される3つの一文字領域LS1、LS2、LS3とスキャン方向との関係がXY平面内で示されている。 FIG. 13 shows a state in which additional processing is performed on the workpiece W using three one-character beams that are respectively irradiated on the three one-character areas constituting the three-row area described above as an example. As shown in FIG. 13, beams LB1 1 and LB1 2 that pass through the vicinity of the peripheral portion of the condensing optical system 82 and pass through the front and rear optical paths in the scanning direction of the workpiece W (table 12) with respect to the nozzle 84a. A slit-shaped (line-shaped) first first character region LS1 having a longitudinal direction in the X-axis direction (the direction orthogonal to the paper surface in FIG. 13) is formed on the modeling surface, and is collected directly below the nozzle 84a (a plurality of supply ports thereof). Has been. At this time, the target surface TAS in which the target part TA of the workpiece W is set is aligned with the modeling surface MP. Further, the beams LB2 1 and LB2 2 that pass through the vicinity of the peripheral edge of the condensing optical system 82 and pass through the optical path on the rear side in the scanning direction with respect to the nozzle 84a are condensed and rearward in the scanning direction of the first first character area LS1. A second character region LS2 extending in the X-axis direction and having the same length as the first character region LS1 is formed at a position that is a predetermined distance away from the first character region LS1. Further, the beams LB3 1 and LB3 2 that pass through the vicinity of the peripheral edge of the condensing optical system 82 and pass through the optical path in the scanning direction with respect to the nozzle 84a are collected, and the first one character region LS1 is moved forward in the scanning direction. A third character region LS3 extending in the X-axis direction is formed at a position that is a predetermined distance away from the first character region LS1 in parallel with the first character region LS1. FIG. 14 shows the relationship between the three one-character areas LS1, LS2, and LS3 shown in FIG. 13 and the scan direction in the XY plane.

なお、図13に示したビームLB1、LB1、LB2、LB2、LB3、LB3は模式的に示したものであり、各一文字領域に入射する少なくとも1つのビームの光路、ビームの数などは、例えばミラーアレイ80を制御することによって設定、及び変更が可能である。 Note that the beams LB1 1 , LB1 2 , LB2 1 , LB2 2 , LB3 1 , and LB3 2 shown in FIG. 13 are schematically shown, and the optical path of the at least one beam incident on each character region and the beam The number and the like can be set and changed by controlling the mirror array 80, for example.

ここで、前述したように、3つの一文字領域LS1、LS2、LS3のうちテーブル12のスキャン方向の中央に位置する第1一文字領域LS1形成する一文字ビーム(以下、便宜上第1一文字ビームと称する)に対してノズル84aから粉末状の造形材料PDが供給されることで、ノズル84aの複数の供給口の真下に線状の溶融池WPが形成され、かかる溶融池WPの形成がワークW(テーブル12)をスキャン方向(図13では+Y方向)に走査しながら行われる。   Here, as described above, one character beam formed in the first one character region LS1 located in the center of the scanning direction of the table 12 among the three one character regions LS1, LS2, LS3 (hereinafter referred to as the first one character beam for convenience). On the other hand, when the powdery modeling material PD is supplied from the nozzle 84a, a linear molten pool WP is formed immediately below the plurality of supply ports of the nozzle 84a, and the formation of the molten pool WP is the work W (table 12). ) In the scanning direction (+ Y direction in FIG. 13).

第1一文字領域LS1に対してテーブル12のスキャン方向後方(進行方向後方)に位置する第2一文字領域LS2を形成する一文字ビーム(以下、便宜上第2一文字ビームと称する)は、一例として造形が施される前にワークWの表面(対象面の目標部位)の温度を予熱する(程よい温度に熱しておく)役割を担う。かかる予熱が行われない場合、レーザビームにより溶融した高温の金属と低温のワーク(対象面)との間の大きな温度差により溶融金属の急速な冷却が起こり、瞬時に凝固してぼそぼそとした塊になってしまう。このことは加工面(造形部の表面)の面精度、面荒さなどを悪化させる大きな要因である。これに対し、第2一文字ビームで、ワークW(対象面)の表面を事前に熱して、溶融金属とワークW(対象面)との温度差を小さくしておくことで、ワークW(対象面)上での溶融金属の凝固スピードが緩やかになり、溶融金属がワークWの表面(対象面)に表面張力の作用で広がり、なじむ時間的余裕が得られる。結果として優れた面精度及び面荒さが実現できる。   The one character beam forming the second one character region LS2 (hereinafter referred to as the second one character beam for convenience) formed behind the scanning direction (backward in the traveling direction) of the table 12 with respect to the first one character region LS1 is shaped as an example. Before being performed, it plays a role of preheating (heating to a moderate temperature) the surface of the workpiece W (target portion of the target surface). If such preheating is not performed, rapid cooling of the molten metal occurs due to a large temperature difference between the high-temperature metal melted by the laser beam and the low-temperature workpiece (target surface), and it instantly solidifies and becomes a loose lump. Become. This is a major factor that deteriorates the surface accuracy, surface roughness, and the like of the processed surface (the surface of the modeling portion). On the other hand, the surface of the workpiece W (target surface) is heated in advance with the second first character beam, and the temperature difference between the molten metal and the workpiece W (target surface) is reduced, thereby the workpiece W (target surface). ) The solidification speed of the molten metal becomes slow, and the molten metal spreads on the surface (target surface) of the workpiece W by the action of surface tension, so that a time allowance is obtained. As a result, excellent surface accuracy and surface roughness can be realized.

第1一文字領域LS1に対してテーブル12のスキャン方向前方(進行方向前方)に位置する第3一文字領域LS3を形成する一文字ビーム(以下、便宜上第3一文字ビームと称する)は、一例としてワークW表面(対象面の目標部位)に付着して凝固(固化)した造形材料(金属材料)、すなわちビードBEの表面をレーザ研磨する作用をもたらす。レーザビームによる表面研磨は一般的な技術として公知であるが、通常1回の付加加工(造形)では得ることのできない良好な面精度、面荒さを、第3一文字ビームで即座に研磨してしまうことで実現できる。   One character beam (hereinafter referred to as the third one character beam for convenience) forming the third one character region LS3 positioned in front of the table 12 in the scanning direction (forward in the traveling direction) with respect to the first one character region LS1 is, for example, the surface of the workpiece W It brings about the effect | action which carries out the laser polishing of the surface of the modeling material (metal material) which adhered to (target site | part of the object surface) and was solidified (solidified), ie, bead BE. Surface polishing with a laser beam is well known as a general technique. However, good surface accuracy and surface roughness that cannot normally be obtained by one additional processing (modeling) are immediately polished with the third first character beam. This can be achieved.

特に、図13に示されるワークWに対する付加加工では、ワークW(テーブル12)をスキャン方向に1回走査する間に、上述したワークWの表面の事前加熱(予熱)、ワークに対する溶融池及びビードの形成、並びに形成されたビード表面のレーザ研磨を行うことができる。なお、図13の場合の第2一文字ビームは、予熱に限らず他の用途に用いても良い。同様に、第3一文字ビームは、レーザ研磨以外の用途に用いても良い。例えば、第1、第2及び第3一文字領域LS1、LS2及びLS3の配置に対応して、3つのノズルを設け、第1、第2及び第3一文字ビームにより、ワークWの造形面上に3つの所定幅の直線状の溶融池を同時に形成しても良い。   In particular, in the additional processing for the workpiece W shown in FIG. 13, while the workpiece W (table 12) is scanned once in the scanning direction, the above-described preheating (preheating) of the surface of the workpiece W, the molten pool and the bead for the workpiece are performed. And laser polishing of the formed bead surface can be performed. Note that the second one-character beam in the case of FIG. 13 is not limited to preheating and may be used for other purposes. Similarly, the third first character beam may be used for purposes other than laser polishing. For example, three nozzles are provided corresponding to the arrangement of the first, second, and third one character regions LS1, LS2, and LS3, and three are formed on the modeling surface of the workpiece W by the first, second, and third one character beams. Two linear molten pools having a predetermined width may be formed simultaneously.

なお、図13と反対に−Y方向にワークW(テーブル12)のスキャン方向が設定された場合には、第3一文字ビームが、造形を施される前に、ワークWの表面温度を程よい温度に熱しておく役割を担い、第2一文字ビームがワークW表面に付着して一旦凝固した金属材料の表面をレーザ研磨する役割を担うこととなる。   If the scan direction of the workpiece W (table 12) is set in the -Y direction as opposed to FIG. 13, the surface temperature of the workpiece W is moderately lowered before the third first character beam is shaped. The second first character beam adheres to the surface of the workpiece W and plays a role of laser polishing the surface of the metal material once solidified.

なお、上の説明では、ワークに対する溶融池の形成に用いられる第1一文字ビームの照射領域(第1一文字領域)に加えて、ワークWの表面の事前加熱(予熱)に用いられる第2一文字ビームの照射領域(第2一文字領域)、及び形成されたビード表面のレーザ研磨に用いられる第3一文字ビームの照射領域(第3一文字領域)が造形面上に互いに離れて形成される場合について説明したが、例えば第1一文字領域と第2一文字領域とは、少なくとも一部が重なっていても良い。また、第2一文字領域LS2と第3一文字領域LS3の少なくとも一方は、第1一文字領域LS1と形状とサイズの少なくとも一方が異なっていても良い。また、第2一文字ビームと第3一文字ビームの少なくとも一方は、必ずしも用いなくても良く、したがって造形面上に、第2一文字領域及び第3一文字領域の少なくとも一方を必ずしも形成する必要はない。   In the above description, in addition to the irradiation region (first first character region) of the first first character beam used for forming the molten pool on the work, the second first character beam used for preheating (preheating) the surface of the work W. The case where the irradiation region (second one character region) and the third one character beam irradiation region (third one character region) used for laser polishing of the formed bead surface are formed apart from each other on the modeling surface has been described. However, for example, at least a part of the first one character region and the second one character region may overlap. Further, at least one of the second one character region LS2 and the third one character region LS3 may be different from the first one character region LS1 in at least one of shape and size. Further, it is not always necessary to use at least one of the second one character beam and the third one character beam. Therefore, it is not always necessary to form at least one of the second one character region and the third one character region on the modeling surface.

これまでは、一文字領域をできるだけ細くシャープにすることで、デフォーカスした時にその一文字領域に照射されるビームのエネルギ密度が急激に低下することを利用し、溶融池(塗布層)の厚さ制御性を極力高めた使い方を前提に説明を行っていた。しかし、この場合、塗布層の厚さは非常に薄くなり、同一厚さの層を付加する場合に、より多くの層に分けて付加加工(造形)を行わなければならず(何度も重ね塗りしなければならず)、生産性の観点では不利になる。   Up to now, the thickness of the molten pool (coating layer) is controlled by making the single character area as thin and sharp as possible, making use of the fact that the energy density of the beam irradiated to the single character area drops sharply when defocused. The explanation was given on the premise that usage was enhanced as much as possible. However, in this case, the thickness of the coating layer becomes very thin, and when adding a layer of the same thickness, additional processing (modeling) must be carried out by dividing it into more layers (overlapping many times). It has to be painted), which is disadvantageous in terms of productivity.

したがって、要求される造形精度とスループットの兼ね合いを考慮の上、塗布層の厚さを厚くしたい場合が考えられる。かかる場合には、制御装置600は、要求される造形精度とスループットとに応じて、造形面内におけるビームの強度分布を変化させる、具体的にはミラーアレイ80の各ミラー素子81p,qの傾き角を制御して一文字領域の幅を少し太くすれば良い。例えば図15(B)に示される一文字領域LSが一文字領域LS’に変化する。このようにすると、デフォーカスした時のエネルギ密度変化が緩やかになり、図15(A)に示されるように、鉛直方向の高エネルギエリアの厚さhが厚くなり、これにより1回のスキャンで生成できる層の厚さを厚くすることができ、生産性を向上させることができる。 Therefore, there may be a case where it is desired to increase the thickness of the coating layer in consideration of the balance between required modeling accuracy and throughput. In such a case, the control device 600 changes the intensity distribution of the beam in the modeling surface according to the required modeling accuracy and throughput, specifically, the mirror elements 81 p and q of the mirror array 80. It is only necessary to control the tilt angle to make the width of one character area a little thicker. For example, the one character area LS shown in FIG. 15B changes to one character area LS ′. In this way, the energy density change at the time of defocusing becomes gradual, and as shown in FIG. 15A, the thickness h of the high-energy area in the vertical direction is increased, and this makes it possible to perform one scan. The thickness of the layer that can be generated can be increased, and productivity can be improved.

以上のように、本実施形態に係る造形装置100は、従来の金属用3Dプリンタと比較して、多数の利便性、実際の加工現場の要求に沿うソリューションを備えていることが大きな特徴である。   As described above, the modeling apparatus 100 according to the present embodiment is characterized in that it has a large number of conveniences and solutions that meet the demands of the actual processing site as compared with the conventional metal 3D printer. .

なお、上記実施形態では、空間光変調器としてミラーアレイ80を用いる場合について説明したが、これに代えて、MEMS技術によって作製されるデジタル・マイクロミラー・デバイス(Digital Micromirror Device:DMD(登録商標))を多数マトリクス状に配置して成る大面積のデジタル・ミラーデバイスを用いても良い。かかる場合には、各ミラー素子の状態(例えばチルト角)をエンコーダなどで計測することは困難になる。かかる場合には、その大面積のデジタル・ミラーデバイスの表面に検出光を照射し、デジタル・ミラーデバイスを構成する多数のミラー素子からの反射光を受光し、その強度分布に基づき、各ミラー素子の状態を検出する検出システムを用いても良い。この場合、検出システムは、デジタル・ミラーデバイスによって形成される像を撮像手段により撮像して得られた画像情報に基づいて多数のミラー素子それぞれの状態を検出するものであっても良い。   In the above embodiment, the case where the mirror array 80 is used as the spatial light modulator has been described. Instead, a digital micromirror device (DMD (registered trademark)) manufactured by the MEMS technology is used. ) May be used in a large area. In such a case, it becomes difficult to measure the state (for example, tilt angle) of each mirror element with an encoder or the like. In such a case, the surface of the large-area digital mirror device is irradiated with detection light, reflected light from a large number of mirror elements constituting the digital mirror device is received, and each mirror element is based on its intensity distribution. You may use the detection system which detects this state. In this case, the detection system may detect the state of each of a large number of mirror elements based on image information obtained by imaging an image formed by the digital mirror device by the imaging means.

なお、上記実施形態に係る造形装置100において、ロータリエンコーダ83p,qとともに、図11に仮想線で示される検出システム89を、用いても良い。この検出システム89としては、例えば、ミラーアレイ80を構成する多数のミラー素子81p,qからの反射光を、ミラーアレイ80と集光光学系82との間に配置されたビームスプリッターを介して受光し、その強度分布に基づき、各ミラー素子81p,qの状態を検出する検出システムを用いることができる。検出システムとしては、例えば米国特許8,456,624号明細書の開示されるものと同様の構成のシステムを用いることができる。 In the modeling apparatus 100 according to the above embodiment, the detection system 89 indicated by a virtual line in FIG. 11 may be used together with the rotary encoders 83 p and q . As this detection system 89, for example, the reflected light from a large number of mirror elements 81p and q constituting the mirror array 80 is passed through a beam splitter disposed between the mirror array 80 and the condensing optical system 82. A detection system that receives light and detects the state of each mirror element 81 p, q based on the intensity distribution can be used. As the detection system, for example, a system having the same configuration as that disclosed in US Pat. No. 8,456,624 can be used.

また、上記実施形態では、各ミラー素子81p,qの反射面の基準面に対する傾斜角度を変更可能なタイプのミラーアレイ80を用いる場合について例示したが、これに限らず、各ミラー素子が、基準面に対して傾斜可能かつ基準面に直交する方向に変位可能な構造のミラーアレイを採用しても良い。また、各ミラー素子は、必ずしも基準面に対して傾斜可能でなくても良い。このように、基準面に直交する方向に変位可能なミラーアレイは、例えば米国特許第8,456,624号明細書に開示されている。この他、各ミラー素子が、基準面に平行な互いに直交する2軸の回りに回転可能(すなわち直交する2方向の傾斜角度を変更可能)なタイプのミラーアレイを採用しても良い。このように直交する2方向の傾斜角度を変更可能なミラーアレイは、例えば米国特許第6,737,662号明細書に開示されている。これらの場合においても、上記米国特許第8,456,624号明細書に開示される検出システムを用いて各ミラー素子の状態を検出することができる。 Further, in the above embodiment, the case where the mirror array 80 of a type that can change the inclination angle of the reflection surface of each mirror element 81p , q with respect to the reference surface is used, but the present invention is not limited to this. You may employ | adopt the mirror array of the structure which can be tilted with respect to a reference plane and can be displaced to the direction orthogonal to a reference plane. Further, each mirror element does not necessarily have to be tiltable with respect to the reference plane. A mirror array that can be displaced in a direction perpendicular to the reference plane is disclosed in, for example, US Pat. No. 8,456,624. In addition, a mirror array of a type in which each mirror element can rotate around two mutually orthogonal axes parallel to the reference plane (that is, the tilt angle in two orthogonal directions can be changed) may be employed. Such a mirror array capable of changing the inclination angle in two orthogonal directions is disclosed in, for example, US Pat. No. 6,737,662. Even in these cases, the state of each mirror element can be detected using the detection system disclosed in the above-mentioned US Pat. No. 8,456,624.

なお、ミラーアレイ80の表面に検出光を照射し、ミラーアレイ80を構成する多数のミラー素子81p,qからの反射光を受光する検出システムを用いても良い。あるいは、検出システムとして、各ミラー素子の基準面(ベース)に対する傾斜角及び間隔を個別に検出するセンサを、ミラーアレイ(光学デバイス)に設けても良い。 Note that a detection system that irradiates the surface of the mirror array 80 with detection light and receives reflected light from a large number of mirror elements 81 p and q constituting the mirror array 80 may be used. Alternatively, as a detection system, a sensor that individually detects an inclination angle and an interval with respect to a reference plane (base) of each mirror element may be provided in the mirror array (optical device).

なお、上記実施形態では、集光光学系82の瞳面に入射する複数の平行ビームの入射角度を個別に制御することにより造形面上でのビームの強度分布の変更を行う場合について説明したが、集光光学系82の瞳面に入射する複数の平行ビームの全ての入射角度が制御(変更)可能でなくても良い。したがって、上記実施形態と同様にミラーアレイを用いて集光光学系82に入射する平行ビームの入射角度を制御する場合などに、全てのミラー素子が反射面の状態(反射面の位置及び傾斜角度の少なくとも一方)を変更可能でなくても良い。また、上記実施形態では、集光光学系82に入射する複数の平行ビームの入射角度の制御、すなわち造形面上におけるビームの強度分布の変更のためにミラーアレイ80を用いる場合について説明したが、ミラーアレイに代えて、以下に説明する空間光変調器(非発光型画像表示素子)を用いても良い。透過型空間光変調器としては、透過型液晶表示素子(LCD:Liquid Crystal Display)以外に、エレクトロクロミックディスプレイ(ECD)等が例として挙げられる。また、反射型空間光変調器としては、上述のマイクロミラー・アレイの他に、反射型液晶表示素子、電気泳動ディスプレイ(EPD:Electro Phonetic Display)、電子ペーパー(又は電子インク)、光回折型ライトバルブ(Grating Light Valve)等が例として挙げられる。また、上記実施形態では、造形面上におけるビームの強度分布の変更のためミラーアレイ(空間光変調器の一種)を用いる場合について説明したが、空間光変調器をその他の目的で用いても良い。   In the above-described embodiment, the case where the intensity distribution of the beam on the modeling surface is changed by individually controlling the incident angles of the plurality of parallel beams incident on the pupil plane of the condensing optical system 82 has been described. The incident angles of the plurality of parallel beams incident on the pupil plane of the condensing optical system 82 may not be controllable (changeable). Therefore, when the incident angle of the parallel beam incident on the condensing optical system 82 is controlled using a mirror array as in the above embodiment, all mirror elements are in the state of the reflecting surface (the position and the inclination angle of the reflecting surface). At least one of them may not be changeable. In the above embodiment, the case where the mirror array 80 is used to control the incident angles of a plurality of parallel beams incident on the condensing optical system 82, that is, to change the intensity distribution of the beam on the modeling surface. Instead of the mirror array, a spatial light modulator (non-light emitting image display element) described below may be used. Examples of the transmissive spatial light modulator include an electrochromic display (ECD) in addition to a transmissive liquid crystal display (LCD). In addition to the above-described micromirror array, the reflective spatial light modulator includes a reflective liquid crystal display element, an electrophoretic display (EPD), electronic paper (or electronic ink), and a light diffraction light. An example is a valve (Grating Light Valve). Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where a mirror array (a kind of spatial light modulator) was used for the change of the intensity distribution of the beam on a modeling surface, you may use a spatial light modulator for the other objective. .

また、上述したように、集光光学系82は大口径であることが望ましいが、開口数N.A.が0.5より小さい集光光学系を用いても良い。   As described above, it is desirable that the condensing optical system 82 has a large aperture. A. A condensing optical system having a smaller than 0.5 may be used.

また、上記実施形態において、ビームの強度分布を管理するために、集光光学系82の後側焦点面、又はその近傍に受光部を配置可能なセンサを造形装置100が備えていても良い。例えば、テーブル12上にCCDイメージセンサを搭載し、該CCDイメージセンサにより、ビームの強度分布(造形面における照射領域内の強度分布)を適当な頻度でキャリブレーションすることが望ましい。この際、センサの受光部(例えばテーブル12)が停止した状態で計測しても良いが、センサの受光部(例えばテーブル12)が動きながら、集光光学系82からのビーム受光するスキャン計測を行っても良い。センサの受光部を移動しながら計測を行うことで、例えばCCD、ミラーアレイなどの有限な画素数の影響を排除し、正しい計測結果を得ることができる。このように、集光光学系82からのビームを受光するセンサでビームの強度分布を計測することで、集光光学系82の熱収差などの変動要因も加味されたビームの強度分布の管理が可能となる。また、その結果に基づいてミラーアレイ80などを制御することによって、集光光学系82の後側焦点面などにおけるビームの強度分布を所望状態に精度良く設定することができる。   In the above-described embodiment, the modeling apparatus 100 may include a sensor capable of arranging the light receiving unit on the rear focal plane of the condensing optical system 82 or in the vicinity thereof in order to manage the intensity distribution of the beam. For example, it is desirable to mount a CCD image sensor on the table 12 and calibrate the intensity distribution of the beam (intensity distribution in the irradiation area on the modeling surface) with an appropriate frequency by the CCD image sensor. At this time, measurement may be performed in a state where the light receiving unit (for example, the table 12) of the sensor is stopped, but scan measurement for receiving a beam from the condensing optical system 82 while the light receiving unit (for example, the table 12) of the sensor is moving is performed. You can go. By performing measurement while moving the light receiving portion of the sensor, it is possible to eliminate the influence of a finite number of pixels such as a CCD and a mirror array, and to obtain a correct measurement result. Thus, by measuring the intensity distribution of the beam with the sensor that receives the beam from the condensing optical system 82, the intensity distribution of the beam can be managed in consideration of the fluctuation factors such as thermal aberration of the condensing optical system 82. It becomes possible. Further, by controlling the mirror array 80 and the like based on the result, the beam intensity distribution on the rear focal plane of the condensing optical system 82 can be set to a desired state with high accuracy.

なお、上記実施形態では、造形材料としてチタン、ステンレスの粉末を用いる場合につて例示したが、鉄粉その他の金属の粉末は勿論、ナイロン、ポリプロピレン、ABS等の粉末など金属以外の粉末を用いることも可能である。また、造形材料として粉末以外のもの、例えば溶接に用いられるフィラワイヤなどを用いる場合にも、上記実施形態に係る造形装置100は適用が可能である。ただし、この場合には、粉末カートリッジ及びノズルユニットなどの粉末の供給系に代えて、ワイヤ送り装置などが設けられることになる。   In the above embodiment, the case where titanium or stainless steel powder is used as the modeling material is exemplified. However, powders other than metals such as iron powder and other metal powders, as well as powders such as nylon, polypropylene, and ABS are used. Is also possible. Also, the modeling apparatus 100 according to the above embodiment can be applied to the case where a material other than powder, such as a filler wire used for welding, is used as the modeling material. In this case, however, a wire feeder or the like is provided in place of the powder supply system such as the powder cartridge and the nozzle unit.

また、上記実施形態では、ノズル84aの複数の供給口91iのそれぞれから粉末状の造形材料PDを集光光学系82の光軸AXに平行なZ軸方向に沿って供給する場合について説明したが、これに限らず、光軸AXに対して傾斜した方向から造形材料(粉末)を供給しても良い。また鉛直方向に対して傾斜した方向から造形材料(粉末)を供給しても良い。 In the above-described embodiment, the case where the powdery modeling material PD is supplied from each of the plurality of supply ports 91 i of the nozzle 84 a along the Z-axis direction parallel to the optical axis AX of the condensing optical system 82 has been described. However, the present invention is not limited thereto, and the modeling material (powder) may be supplied from a direction inclined with respect to the optical axis AX. Moreover, you may supply modeling material (powder) from the direction inclined with respect to the perpendicular direction.

なお、上記実施形態の造形装置100において、材料処理部530が備えるノズル84aは、前述の造形材料の供給口とともに、溶融されなかった粉末状の造形材料を回収する回収口(吸引口)を有していても良い。   In the modeling apparatus 100 of the above-described embodiment, the nozzle 84a included in the material processing unit 530 has a recovery port (suction port) for recovering the powdered modeling material that has not been melted together with the above-described modeling material supply port. You may do it.

これまでは、既存のワークに形状を付け加える例について説明したが、本実施形態に係る造形装置100の使用用途がこれに限られるものではなく、通常の3Dプリンタなどと同様に、テーブル12上で何もないところから三次元形状を造形によって生成することも可能である。この場合は、「無」というワークに、付加加工を施すことに他ならない。かかるテーブル12上での三次元造形物の造形の際には、制御装置600は、計測システム400が備えるマーク検出系56(図11参照)により、テーブル12上に予め形成された最低三か所のアライメントマークを光学的に検出することで、テーブル12上に設定される造形の対象面の6自由度方向の位置情報を求め、この結果に基づいてビーム(の照射領域)に対するテーブル12上の対象面の位置及び姿勢を制御しつつ、三次元造形を行えば良い。   So far, the example of adding a shape to an existing workpiece has been described, but the usage of the modeling apparatus 100 according to the present embodiment is not limited to this, and on the table 12 as in a normal 3D printer or the like. It is also possible to generate a three-dimensional shape by modeling from nothing. In this case, it is nothing but to perform additional processing on the work "None". When modeling a three-dimensional structure on the table 12, the control device 600 uses the mark detection system 56 (see FIG. 11) included in the measurement system 400 to form at least three places formed in advance on the table 12. The position information in the direction of six degrees of freedom of the target surface of the modeling set on the table 12 is obtained by optically detecting the alignment mark, and on the table 12 with respect to the beam (irradiation area) based on this result Three-dimensional modeling may be performed while controlling the position and orientation of the target surface.

なお、上記実施形態では、一例として、制御装置600が、移動システム200、計測システム400及びビーム造形システム500の構成各部を制御する場合について説明したが、これに限らず、造形システムの制御装置を、マイクロプロセッサ等の処理装置をそれぞれ含む複数のハードウェアにより構成しても良い。この場合において、移動システム200、計測システム400及びビーム造形システム500のそれぞれが処理装置を備えていても良いし、移動システム200、計測システム400及びビーム造形システム500のうちの2つを制御する第1処理装置と、残りの1つのシステムを制御する第2処理装置の組み合わせであっても良い。いずれの場合もそれぞれの処理装置が、上述した制御装置600の機能の一部を受け持つことになる。あるいは、複数のマイクロプロセッサ等の処理装置と、これらの処理装置を統括的に管理するホスト・コンピュータとによって、造形システムの制御装置を構成しても良い。   In the above-described embodiment, as an example, the case where the control device 600 controls each component of the moving system 200, the measurement system 400, and the beam modeling system 500 is described. A plurality of hardware units each including a processing unit such as a microprocessor may be used. In this case, each of the movement system 200, the measurement system 400, and the beam shaping system 500 may include a processing device, or the second one that controls two of the movement system 200, the measurement system 400, and the beam shaping system 500. A combination of one processing apparatus and a second processing apparatus that controls the remaining one system may be used. In either case, each processing device is responsible for a part of the function of the control device 600 described above. Or you may comprise the control apparatus of a modeling system by several processing apparatuses, such as a microprocessor, and the host computer which manages these processing apparatuses comprehensively.

上述の各実施形態の構成要件の少なくとも一部は、上述の各実施形態の構成要件の少なくとも他の一部と適宜組み合わせることができる。上述の各実施形態の構成要件のうちの一部が用いられなくても良い。また、法令で許容される限りにおいて、上述の各実施形態で引用した露光装置等に関する全ての公開公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。   At least a part of the configuration requirements of each embodiment described above can be appropriately combined with at least another part of the configuration requirements of each embodiment described above. Some of the configuration requirements of the above-described embodiments may not be used. In addition, as long as it is permitted by law, the disclosure of all published publications and US patents related to the exposure apparatus and the like cited in each of the above-described embodiments is incorporated as part of the description of the text.

以上説明したように、本発明に係る造形装置及び造形方法は、三次元造形物の形成に適している。   As described above, the modeling apparatus and the modeling method according to the present invention are suitable for forming a three-dimensional modeled object.

12…テーブル、62…ライトガイドファイバ、64…ダブルフライアイ光学系、66…コンデンサレンズ系、70…レーザユニット、78…ビーム断面強度変換光学系、80…ミラーアレイ、81…ミラー素子、82…集光光学系、83…ロータリエンコーダ、85…制限部材、89…検出システム、91…供給口、100…造形装置、200…移動システム、500…ビーム造形システム、520…ビーム照射部、530…材料処理部、540…ウォーターシャワーノズル、600…制御装置、BS…ベース、PD…造形材料、LS…一文字領域、LS1…第1一文字領域、LS2…第2一文字領域、LS3…第3一文字領域、MP…造形面、TA…目標部位、TAS…対象面、W…ワーク、WP…溶融池。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Table, 62 ... Light guide fiber, 64 ... Double fly eye optical system, 66 ... Condenser lens system, 70 ... Laser unit, 78 ... Beam cross-section intensity conversion optical system, 80 ... Mirror array, 81 ... Mirror element, 82 ... Condensing optical system, 83 ... Rotary encoder, 85 ... Restriction member, 89 ... Detection system, 91 ... Supply port, 100 ... Modeling device, 200 ... Moving system, 500 ... Beam modeling system, 520 ... Beam irradiation unit, 530 ... Material Processing unit, 540 ... Water shower nozzle, 600 ... Control device, BS ... Base, PD ... Modeling material, LS ... One character area, LS1 ... First one character area, LS2 ... Second one character area, LS3 ... Third one character area, MP ... modeling surface, TA ... target site, TAS ... target surface, W ... work, WP ... molten pool.

本発明の第1の態様によれば、対象面上に三次元造形物を形成する造形装置であって、前記対象面を移動する移動システムと、ビームを射出する集光光学系を含むビーム照射部と、前記ビーム照射部からのビームで照射される造形材料を供給する材料処理部とを有するビーム造形システムと、前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとを相対移動させつつ前記造形材料を前記材料処理部から供給することにより前記対象面上の目標部位に造形が施されるように、前記対象面上に形成する三次元造形物の3Dデータに基づいて、前記移動システムと前記ビーム造形システムとを制御する制御装置と、を備え、前記集光光学系の射出面側の所定面内における前記ビームの強度分布を変更可能であり、前記所定面内における前記強度分布を、前記ビームと前記対象面との相対移動中に変更する造形装置が、提供される。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a modeling apparatus for forming a three-dimensional modeled object on a target surface, the beam irradiation including a moving system that moves the target surface and a condensing optical system that emits a beam. And a material processing unit that supplies a modeling material irradiated with a beam from the beam irradiation unit, and the modeling material while relatively moving the target surface and the beam from the beam irradiation unit Based on 3D data of a three-dimensional structure to be formed on the target surface so that modeling is performed on a target site on the target surface by supplying from the material processing unit, the moving system and the beam a control device for controlling and modeling system, wherein the Ri changeable der the intensity distribution of the beam in the converging optical system exit plane side of the predetermined plane of the intensity distribution in the predetermined plane, before To change in the relative movement between the beam and the target surface modeling apparatus is provided.

本発明の第2の態様によれば、対象面上に三次元造形物を形成する造形方法であって、集光光学系を含むビーム照射部から射出されるビームと対象面とを相対移動させつつ前記ビームで照射されるように造形材料を供給することにより前記対象面上の目標部位に造形が施されるように、前記対象面上に形成する三次元造形物の3Dデータに基づいて、前記対象面の移動と、前記ビーム照射部からの前記ビームの射出状態及び前記造形材料の供給状態の少なくとも一方と、を制御することを含み、前記ビームと前記対象面との相対移動中に、前記集光光学系の射出面側の所定面内における前記ビームの強度分布を変更する造形方法が、提供される。 According to the second aspect of the present invention, there is provided a modeling method for forming a three-dimensional modeled object on a target surface, wherein the beam emitted from the beam irradiation unit including the condensing optical system and the target surface are relatively moved. On the other hand, based on the 3D data of the three-dimensional structure to be formed on the target surface so that the target part on the target surface is shaped by supplying the modeling material to be irradiated with the beam, Including controlling movement of the target surface and at least one of an injection state of the beam from the beam irradiation unit and a supply state of the modeling material, and during relative movement of the beam and the target surface, A modeling method for changing the intensity distribution of the beam in a predetermined plane on the exit surface side of the condensing optical system is provided.

移動システム200では、ロッド14〜14にそれぞれ設けられる伸縮機構16116 6 が、相互に直列(又は並列)に配置されたエアシリンダと電磁力リニアモータの一種であるシャフトモータとを有していていることから、制御装置600ではエアシリンダの空圧制御により、テーブル12を、粗く大きく駆動するとともに、シャフトモータにより細かく微動させることができる。この結果、テーブル12の6自由度方向の位置(すなわち位置及び姿勢)の制御を短時間で正確に行うことが可能になる。 In the moving system 200, the telescopic mechanisms 16 1 to 16 6 provided in the rods 14 1 to 14 6 respectively include an air cylinder arranged in series (or in parallel) and a shaft motor that is a kind of electromagnetic force linear motor. Therefore, in the control device 600, the table 12 can be driven roughly coarsely and finely and finely moved by the shaft motor by air pressure control of the air cylinder. As a result, the position of the table 12 in the 6-degree-of-freedom direction (that is, the position and orientation) can be accurately controlled in a short time.

また、本実施形態では、伸縮機構16 1 16 6 を構成する電磁力リニアモータとしてシャフトモータが用いられ、該シャフトモータでは可動子側に円筒状の磁石が用いられた磁石ユニットが用いられているので、その磁石の放射方向の全方向に磁束(磁界)が発生し、その全方向の磁束を、電磁相互作用によるローレンツ力(駆動力)の発生に寄与させることができ、例えば通常のリニアモータ等に比較して明らかに大きな推力を発生させることができ、油圧シリンダ等に比べて小型化が容易である。 In the present embodiment, a shaft motor is used as the electromagnetic force linear motor that constitutes the expansion and contraction mechanisms 16 1 to 16 6 , and the shaft motor uses a magnet unit in which a cylindrical magnet is used on the mover side. Therefore, magnetic flux (magnetic field) is generated in all directions in the radial direction of the magnet, and the magnetic flux in all directions can be contributed to the generation of Lorentz force (driving force) due to electromagnetic interaction. Compared to a motor or the like, a clearly large thrust can be generated, and the size can be easily reduced as compared to a hydraulic cylinder or the like.

本実施形態では、移動システム200は、スライダ10のX軸方向及びY軸方向に関する位置情報を計測する位置計測系28(図11参照)を備えている。位置計測系28としては、2次元アブソリュートエンコーダを用いることができる。具体的には、ベースBSの上面に、X軸方向の全長に渡る所定幅の帯状のアブソリュートコードを有する2次元スケールを設け、これに対応してスライダ10の底面に、発光素子などの光源と、該光源から射出された光束により照明された2次元スケールからの反射光をそれぞれ受光するX軸方向に配列された一次元受光素子アレイ及びY軸方向に配列された一次元受光素子アレイとによって構成されるXヘッド及びYヘッドを設ける。2次元スケールとしては、例えば非反射性の基材(反射率0%)上において、互いに直交する2方向(X軸方向及びY軸方向)に沿って一定の周期で複数の正方形の反射部(マーク)が2次元配列され、反射部の反射特性(反射率)が、所定の規則に従う階調を有するものが使用される。2次元アブソリュートエンコーダとしては、例えば米国特許出願公開第2014/0070073号公報に開示されている2次元アブソリュートエンコーダと同様の構成を採用しても良い。米国特出願公開第2014/0070073号公報と同様の構成のアブソリュート型2次元エンコーダによると、従来のインクリメンタルエンコーダと同等の高精度な2次元位置情報の計測が可能になる。アブソリュートエンコーダであるから、インクリメンタルエンコーダと異なり原点検出が不要である。位置計測系28の計測情報は、制御装置600に送られる。 In the present embodiment, the moving system 200 includes a position measurement system 28 (see FIG. 11) that measures position information regarding the X-axis direction and the Y-axis direction of the slider 10. As the position measurement system 28, a two-dimensional absolute encoder can be used. Specifically, a two-dimensional scale having a belt-like absolute cord with a predetermined width over the entire length in the X-axis direction is provided on the upper surface of the base BS, and a light source such as a light emitting element is provided on the bottom surface of the slider 10 correspondingly. And a one-dimensional light-receiving element array arranged in the X-axis direction and a one-dimensional light-receiving element array arranged in the Y-axis direction for receiving the reflected light from the two-dimensional scale illuminated by the light beam emitted from the light source, respectively. A configured X head and Y head are provided. As a two-dimensional scale, for example, on a non-reflective substrate (reflectance 0%), a plurality of square reflecting portions (with a constant period) along two directions (X-axis direction and Y-axis direction) orthogonal to each other ( Marks) are two-dimensionally arranged, and the reflection characteristic (reflectance) of the reflection portion has a gradation according to a predetermined rule. As the two-dimensional absolute encoder, for example, the same configuration as the two-dimensional absolute encoder disclosed in US Patent Application Publication No. 2014/0070073 may be adopted. According to the US absolute type 2-dimensional encoder Patent Application Publication No. 2014/0070073 discloses a similar configuration allows measurement of the conventional incremental encoder and equivalent high precision two-dimensional position information. Since it is an absolute encoder, unlike the incremental encoder, origin detection is not required. Measurement information of the position measurement system 28 is sent to the control device 600.

上述した三次元計測機401は、例えば米国特許出願公開第2012/0105867号公報に開示されている形状測定装置と同様に構成されている。ただし、ライン光の被検物に対するX、Y平面に平行な方向の走査は、米国特許出願公開第2012/0105867号公報に記載されている装置では、センサ部の移動によって行われるのに対し、本実施形態では、テーブル12の移動によって行われる点が相違する。なお、本実施形態では、ライン光の被検物に対するZ軸に平行な方向の走査に際しては、Z軸ガイド34及びテーブル12のいずれを駆動しても良い。 The three-dimensional measuring instrument 401 described above is configured in the same manner as the shape measuring apparatus disclosed in, for example, US Patent Application Publication No. 2012/0105867. However, the scanning of the line light in the direction parallel to the X and Y planes with respect to the test object is performed by the movement of the sensor unit in the apparatus described in U.S. Patent Application Publication No. 2012/0105867, This embodiment is different in that it is performed by moving the table 12. In the present embodiment, either the Z-axis guide 34 or the table 12 may be driven when the line light is scanned in the direction parallel to the Z-axis.

この場合、第1フライアイレンズ系72の入射面、第2フライアイレンズ系76の入射面は、光学的に互いに共役に設定されている。また、第1フライアイレンズ系72の射出側焦点面(ここに後述する面光源が形成される)、第2フライアイレンズ系76の射出側焦点面(ここに後述する面光源が形成される)、及び後述する集光光学系82の瞳面(入射瞳)PPは光学的に互いに共役に設定されている。なお、本実施形態において、集光光学系82の瞳面(入射瞳)PPは、前側焦点面と一致している(例えば図4、図6、図7等参照)。 In this case, the incident surface of the first fly-eye lens system 72, the incident surface of the second fly-eye lens system 76, are set optically conjugate with one another. In addition, the exit-side focal plane of the first fly-eye lens system 72 (a surface light source described later is formed), and the exit-side focal plane of the second fly-eye lens system 76 (a surface light source described later is formed). ) And a pupil plane (incidence pupil) PP of the condensing optical system 82 to be described later are optically conjugate with each other. In the present embodiment, the pupil plane (incident pupil) PP of the condensing optical system 82 coincides with the front focal plane (see, for example, FIGS. 4, 6, and 7).

まず、テーブル12が、所定のローディング/アンローディングポジションにあるときに、ワーク搬送系300によってワークがテーブル12に搭載される。このとき、テーブル12は、前述した基準状態(Z、θx、θy、θz)=(Z、0、0、0)にあり、そのXY位置は、位置計測系28によって計測されているスライダ10のX、Y位置と一致している。 First, when the table 12 is at a predetermined loading / unloading position, the workpiece W is mounted on the table 12 by the workpiece transfer system 300. At this time, the table 12 is in the above-described reference state (Z, θx, θy, θz) = (Z 0 , 0, 0 , 0), and the XY position thereof is measured by the position measurement system 28. This coincides with the X and Y positions.

なお、上記実施形態に係る造形装置100において、ロータリエンコーダ83p,qとともに、図11に仮想線で示される検出システム89を、用いても良い。この検出システム89としては、例えば、ミラーアレイ80を構成する多数のミラー素子81p,qからの反射光を、ミラーアレイ80と集光光学系82との間に配置されたビームスプリッターを介して受光し、その強度分布に基づき、各ミラー素子81p,qの状態を検出する検出システムを用いることができる。検出システムとしては、例えば米国特許8,456,624号明細書の開示されるものと同様の構成のシステムを用いることができる。 In the modeling apparatus 100 according to the above embodiment, the detection system 89 indicated by a virtual line in FIG. 11 may be used together with the rotary encoders 83 p and q . As this detection system 89, for example, the reflected light from a large number of mirror elements 81p and q constituting the mirror array 80 is passed through a beam splitter disposed between the mirror array 80 and the condensing optical system 82. A detection system that receives light and detects the state of each mirror element 81 p, q based on the intensity distribution can be used. As the detection system, for example, a system having the same configuration as that disclosed in US Pat. No. 8,456,624 can be used.

なお、上記実施形態では、造形材料としてチタン、ステンレスの粉末を用いる場合につて例示したが、鉄粉その他の金属の粉末は勿論、ナイロン、ポリプロピレン、ABS等の粉末など金属以外の粉末を用いることも可能である。また、造形材料として粉末以外のもの、例えば溶接に用いられるフィラワイヤなどを用いる場合にも、上記実施形態に係る造形装置100は適用が可能である。ただし、この場合には、粉末カートリッジ及びノズルユニットなどの粉末の供給系に代えて、ワイヤ送り装置などが設けられることになる。 In the above embodiment, as titanium building material has been exemplified have Nitsu case of using the powder of stainless steel, powdered iron powder other metals as well, nylon, polypropylene, a powder other than metal, such as powders such as ABS It is also possible to use it. Also, the modeling apparatus 100 according to the above embodiment can be applied to the case where a material other than powder, such as a filler wire used for welding, is used as the modeling material. In this case, however, a wire feeder or the like is provided in place of the powder supply system such as the powder cartridge and the nozzle unit.

Claims (84)

対象面上に三次元造形物を形成する造形装置であって、
前記対象面を移動する移動システムと、
ビームを射出する集光光学系を含むビーム照射部と、前記ビーム照射部からのビームで照射される造形材料を供給する材料処理部と、を有するビーム造形システムと、
前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとを相対移動させつつ前記造形材料を前記材料処理部から供給することにより前記対象面上の目標部位に造形が施されるように、前記対象面上に形成する三次元造形物の3Dデータに基づいて、前記移動システムと前記ビーム造形システムとを制御する制御装置と、を備え、
前記集光光学系の射出面側の所定面内における前記ビームの強度分布を変更可能である造形装置。
A modeling apparatus for forming a three-dimensional structure on a target surface,
A moving system for moving the target surface;
A beam shaping system having a beam irradiation unit including a condensing optical system that emits a beam, and a material processing unit that supplies a modeling material irradiated with the beam from the beam irradiation unit;
On the target surface, the target material on the target surface is shaped by supplying the modeling material from the material processing unit while relatively moving the target surface and the beam from the beam irradiation unit. A control device for controlling the moving system and the beam shaping system based on 3D data of the three-dimensional shaped object to be formed;
A modeling apparatus capable of changing the intensity distribution of the beam in a predetermined plane on the exit surface side of the condensing optical system.
前記強度分布の変更は、前記所定面内における前記ビームの照射領域の位置、前記所定面内における前記照射領域の数、前記所定面内における前記照射領域の大きさ、及び前記所定面内における前記照射領域の形状の少なくとも一つの変更を含む請求項1に記載の造形装置。   The change of the intensity distribution includes the position of the irradiation area of the beam in the predetermined plane, the number of the irradiation areas in the predetermined plane, the size of the irradiation area in the predetermined plane, and the position in the predetermined plane. The modeling apparatus according to claim 1, comprising at least one change in the shape of the irradiation region. 前記所定面は、前記集光光学系の後側焦点面である請求項1又は2に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 1, wherein the predetermined surface is a rear focal plane of the condensing optical system. 前記強度分布の変更は、前記ビーム照射部により行われる請求項1〜3のいずれか一項に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 1, wherein the intensity distribution is changed by the beam irradiation unit. 前記ビーム照射部は、前記集光光学系に入射する少なくとも一つの入射ビームの入射角度を制御することにより前記強度分布の変更を行う請求項4に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 4, wherein the beam irradiation unit changes the intensity distribution by controlling an incident angle of at least one incident beam incident on the condensing optical system. 前記角度制御によって、前記集光光学系の瞳面に入射する、前記少なくとも一つの入射ビームの入射角度が変更可能である請求項5に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 5, wherein an incident angle of the at least one incident beam incident on a pupil plane of the condensing optical system can be changed by the angle control. 前記少なくとも一つの入射ビームは、前記瞳面に対する入射角度が異なる複数の入射ビームを含む請求項6に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 6, wherein the at least one incident beam includes a plurality of incident beams having different incident angles with respect to the pupil plane. 前記瞳面は、前記集光光学系の前側焦点面と一致する請求項6又は7に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 6 or 7, wherein the pupil plane coincides with a front focal plane of the condensing optical system. 前記ビーム照射部は、空間光変調器を有し、前記空間光変調器を用いて、前記集光光学系に入射する前記少なくとも一つの入射ビームの入射角度を制御する請求項5〜8のいずれか一項に記載の造形装置。   The said beam irradiation part has a spatial light modulator, and controls the incident angle of the said at least 1 incident beam which injects into the said condensing optical system using the said spatial light modulator. The modeling apparatus according to claim 1. 前記ビーム照射部は、空間光変調器を用いて、前記強度分布の変更を行う請求項1〜4のいずれか一項に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 1, wherein the beam irradiation unit changes the intensity distribution using a spatial light modulator. 前記空間光変調器は、マトリクス状に配置された複数のミラーを有し、
前記複数のミラーのそれぞれは、反射面を有し、
前記複数のミラーは、個別に可動である請求項9又は10に記載の造形装置。
The spatial light modulator has a plurality of mirrors arranged in a matrix,
Each of the plurality of mirrors has a reflective surface;
The modeling apparatus according to claim 9 or 10, wherein the plurality of mirrors are individually movable.
前記空間光変調器は、前記複数のミラーの反射面の状態を個別に変更可能である請求項11に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 11, wherein the spatial light modulator is capable of individually changing a state of a reflection surface of the plurality of mirrors. 前記反射面の状態の変更は、前記反射面の位置と傾斜角度の少なくとも一方の変更を含む請求項12に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 12, wherein the change in the state of the reflecting surface includes a change in at least one of a position and an inclination angle of the reflecting surface. 前記複数のミラーそれぞれの前記反射面の状態を検出する検出システムを備え、
前記検出システムの出力に基づいて、前記複数のミラーそれぞれの前記反射面の状態が制御される請求項11〜13のいずれか一項に記載の造形装置。
A detection system for detecting a state of the reflecting surface of each of the plurality of mirrors;
The modeling apparatus as described in any one of Claims 11-13 by which the state of the said reflective surface of each of these mirrors is controlled based on the output of the said detection system.
前記検出システムは、前記複数のミラーに個別に取付けられたセンサを含む請求項14に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 14, wherein the detection system includes sensors individually attached to the plurality of mirrors. 前記検出システムは、前記複数のミラーの表面に検出光を照射し、前記複数のミラーからの反射光を受光する請求項14又は15に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 14 or 15, wherein the detection system irradiates detection light onto surfaces of the plurality of mirrors and receives reflected light from the plurality of mirrors. 前記複数のミラーの前記反射面の状態を個別に又はグループ毎に変更する請求項11〜16のいずれか一項に記載の造形装置。   The modeling apparatus as described in any one of Claims 11-16 which changes the state of the said reflective surface of these mirrors individually or for every group. 前記ビーム照射部は、ビームの断面強度分布を変換する変換光学部材を有し、
前記変換光学部材から射出されたビームが前記空間光変調器に入射する請求項9〜17のいずれか一項に記載の造形装置。
The beam irradiation unit includes a conversion optical member that converts a cross-sectional intensity distribution of the beam,
The modeling apparatus as described in any one of Claims 9-17 in which the beam inject | emitted from the said conversion optical member injects into the said spatial light modulator.
前記ビーム照射部は、照度均一化光学系を有し、
前記照度均一化光学系から射出されたビームが前記変換光学部材に入射する請求項18に記載の造形装置。
The beam irradiation unit has an illuminance uniformizing optical system,
The modeling apparatus according to claim 18, wherein a beam emitted from the illuminance uniformizing optical system is incident on the conversion optical member.
前記照度均一化光学系は、複数の光源ユニットからそれぞれ射出される複数のビームを混合及び均一化する請求項19に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 19, wherein the illuminance uniformizing optical system mixes and equalizes a plurality of beams respectively emitted from a plurality of light source units. 前記集光光学系に入射する少なくとも一つの入射ビームは平行ビームである請求項5〜20のいずれか一項に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 5, wherein at least one incident beam incident on the condensing optical system is a parallel beam. 前記所定面内における前記ビームの照射領域は、第1領域と第2領域とを含み、
前記第1領域に照射されるように前記集光光学系から第1ビームが射出され、
前記第1ビームで照射されるように前記造形材料が前記材料処理部から供給される請求項1〜21のいずれか一項に記載の造形装置。
The irradiation area of the beam in the predetermined plane includes a first area and a second area,
A first beam is emitted from the condensing optical system so as to irradiate the first region;
The modeling apparatus according to any one of claims 1 to 21, wherein the modeling material is supplied from the material processing unit so as to be irradiated with the first beam.
前記第2領域に照射されるように前記集光光学系から射出された第2ビームが前記目標部位に照射された後に、前記目標部位に前記第1ビームで溶融された前記造形材料が供給されるように前記相対移動が行われる請求項22に記載の造形装置。   After the second beam emitted from the condensing optical system is irradiated to the target region so as to irradiate the second region, the modeling material melted by the first beam is supplied to the target region. The modeling apparatus according to claim 22, wherein the relative movement is performed as described above. 前記第2ビームで前記目標部位が予熱される請求項23に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 23, wherein the target portion is preheated by the second beam. 前記所定面内における前記ビームの照射領域は、第3領域を更に含み、前記第3領域は、前記第1領域を挟んで前記第2領域とは反対側に形成される請求項22〜24のいずれか一項に記載の造形装置。   25. The irradiation region of the beam in the predetermined plane further includes a third region, and the third region is formed on the opposite side of the second region across the first region. The modeling apparatus as described in any one of Claims. 前記第3領域に照射されるように前記集光光学系から第3ビームが射出され、
前記第1ビームで溶融され前記目標部位上で固化した前記造形材料に、前記第3ビームが照射されるように、前記相対移動が行われる請求項25に記載の造形装置。
A third beam is emitted from the condensing optical system so as to irradiate the third region;
26. The modeling apparatus according to claim 25, wherein the relative movement is performed such that the modeling material melted by the first beam and solidified on the target portion is irradiated with the third beam.
前記目標部位上で固化した前記造形材料に前記第3ビームを照射することによって、前記目標部位上で固化した前記造形材料の表面の研磨が行われる請求項26に記載の造形装置。   27. The modeling apparatus according to claim 26, wherein the surface of the modeling material solidified on the target site is polished by irradiating the third beam on the modeling material solidified on the target site. 前記所定面内における前記強度分布は、前記ビームと前記対象面との相対移動中に変更可能である請求項1〜27のいずれか一項に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to any one of claims 1 to 27, wherein the intensity distribution in the predetermined plane can be changed during relative movement between the beam and the target surface. 前記所定面内における前記強度分布は、前記ビームと前記対象面との相対移動中に連続的に変更可能である請求項28に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 28, wherein the intensity distribution in the predetermined plane can be continuously changed during relative movement between the beam and the target plane. 前記制御装置は、前記対象面と前記ビームとの相対位置に応じて前記所定面内における前記強度分布を変化させる請求項28又は29に記載の造形装置。   30. The modeling apparatus according to claim 28 or 29, wherein the control device changes the intensity distribution in the predetermined plane according to a relative position between the target surface and the beam. 前記制御装置は、要求される造形精度とスループットとに応じて、前記所定面内における前記強度分布を変化させる請求項28〜30のいずれか一項に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to any one of claims 28 to 30, wherein the control device changes the intensity distribution in the predetermined plane according to required modeling accuracy and throughput. 前記制御装置は、前記強度分布の変更に応じて、前記材料処理部による前記造形材料の供給動作を制御する請求項1〜31のいずれか一項に記載の造形装置。   The said control apparatus is a modeling apparatus as described in any one of Claims 1-31 which controls the supply operation | movement of the said modeling material by the said material processing part according to the change of the said intensity distribution. 前記材料処理部は、前記造形材料を供給する少なくとも一つの供給口を有する請求項1〜32のいずれか一項に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 1, wherein the material processing unit includes at least one supply port that supplies the modeling material. 前記少なくとも一つの供給口は可動である請求項33に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 33, wherein the at least one supply port is movable. 前記強度分布の変更に応じて、前記少なくとも一つの供給口が移動される請求項34に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 34, wherein the at least one supply port is moved in accordance with the change in the intensity distribution. 前記材料処理部は、前記造形材料を供給する複数の供給口を有し、前記複数の供給口のうちの一部からのみ前記造形材料を供給可能である請求項33〜35のいずれか一項に記載の造形装置。   The said material processing part has a some supply port which supplies the said modeling material, and can supply the said modeling material only from some of these supply ports. The modeling apparatus described in 1. 前記強度分布の変更に応じて、前記複数の供給口から少なくとも一つの供給口が選択され、前記選択された少なくとも一つの供給口から前記造形材料が供給される請求項33〜36のいずれか一項に記載の造形装置。   37. The method according to claim 33, wherein at least one supply port is selected from the plurality of supply ports according to the change in the intensity distribution, and the modeling material is supplied from the selected at least one supply port. The modeling apparatus described in the item. 前記少なくとも一つの供給口からの前記造形材料の単位時間あたりの供給量は調整可能である請求項33〜37のいずれか一項に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to any one of claims 33 to 37, wherein a supply amount of the modeling material from the at least one supply port per unit time is adjustable. 前記制御装置は、前記強度分布の設定に応じて、前記少なくとも一つの供給口からの前記供給量を決定する請求項38に記載の造形装置。   39. The modeling apparatus according to claim 38, wherein the control device determines the supply amount from the at least one supply port in accordance with the setting of the intensity distribution. 前記制御装置は、前記所定面における前記ビームの照射領域の、前記相対移動方向の幅に基づいて、前記供給量を決定する請求項39に記載の造形装置。   40. The modeling apparatus according to claim 39, wherein the control device determines the supply amount based on a width of the irradiation region of the beam on the predetermined surface in the relative movement direction. 前記材料処理部は、前記少なくとも一つの供給口を有するノズル部材を有し、
前記ノズル部材は、前記集光光学系と前記所定面との間に配置される請求項33〜40のいずれか一項に記載の造形装置。
The material processing unit has a nozzle member having the at least one supply port,
41. The modeling apparatus according to any one of claims 33 to 40, wherein the nozzle member is disposed between the condensing optical system and the predetermined surface.
前記ノズル部材の前記少なくとも一つの供給口から、前記集光光学系の光軸と平行な軸に沿って前記造形材料が供給される請求項41に記載の造形装置。   42. The modeling apparatus according to claim 41, wherein the modeling material is supplied from the at least one supply port of the nozzle member along an axis parallel to the optical axis of the condensing optical system. 前記ノズル部材は、前記集光光学系の前記光軸上に配置されている請求項41又は42に記載の造形装置。   43. The modeling apparatus according to claim 41 or 42, wherein the nozzle member is disposed on the optical axis of the condensing optical system. 前記ビーム照射部は、前記集光光学系からのビームの前記ノズル部材への入射を制限する制限部材を有する請求項41〜43のいずれか一項に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to any one of claims 41 to 43, wherein the beam irradiation unit includes a limiting member that limits the incidence of the beam from the condensing optical system on the nozzle member. 前記制限部材は、前記集光光学系の入射面側に配置された遮光部材を含む請求項44に記載の造形装置。   45. The modeling apparatus according to claim 44, wherein the limiting member includes a light shielding member disposed on an incident surface side of the condensing optical system. 前記ビーム照射部は、前記集光光学系の射出面において、前記集光光学系から射出されるビームの、前記集光光学系の光軸を含む領域での強度を、その外側の領域での強度よりも小さくする請求項1〜45のいずれか一項に記載の造形装置。   The beam irradiating unit is configured to determine an intensity of a beam emitted from the condensing optical system in an area including the optical axis of the condensing optical system on an outer surface of the exit surface of the condensing optical system. The modeling apparatus according to any one of claims 1 to 45, which is smaller than the strength. 前記集光光学系から射出されるビームは、前記集光光学系の射出面の、前記光軸を含む前記領域を通過しない請求項46に記載の造形装置。   47. The modeling apparatus according to claim 46, wherein a beam emitted from the condensing optical system does not pass through the region including the optical axis on the exit surface of the condensing optical system. 前記ビーム照射部は、ビームの断面強度分布を変換する変換光学部材を有し、
前記変換光学部材を介して少なくとも一つの入射ビームが前記集光光学系に入射する請求項46又は47に記載の造形装置。
The beam irradiation unit includes a conversion optical member that converts a cross-sectional intensity distribution of the beam,
48. The modeling apparatus according to claim 46 or 47, wherein at least one incident beam is incident on the condensing optical system via the conversion optical member.
前記集光光学系は、前記ビーム照射部の射出端に位置する集光部材を含み、該集光部材は少なくともその射出側の面の光軸から離れた領域に光学面が形成され、該光学面を介して前記所定面又はその近傍の面にビームを集光する請求項46〜48のいずれか一項に記載の造形装置。   The condensing optical system includes a condensing member positioned at the exit end of the beam irradiating unit, and the condensing member has an optical surface formed at least in a region away from the optical axis of the exit side surface. 49. The modeling apparatus according to any one of claims 46 to 48, wherein a beam is condensed on the predetermined surface or a surface in the vicinity thereof via a surface. 前記ビーム照射部は、照度均一化光学系を有し、
前記照度均一化光学系を介して、少なくとも一つの入射ビームが前記集光光学系に入射する請求項1〜49のいずれか一項に記載の造形装置。
The beam irradiation unit has an illuminance uniformizing optical system,
The modeling apparatus according to any one of claims 1 to 49, wherein at least one incident beam is incident on the condensing optical system via the illuminance uniformizing optical system.
前記照度均一化光学系は、複数の光源ユニットからそれぞれ射出される複数のビームを混合及び均一化する請求項50に記載の造形装置。   51. The modeling apparatus according to claim 50, wherein the illuminance uniformizing optical system mixes and equalizes a plurality of beams respectively emitted from a plurality of light source units. 前記制御装置は、前記所定面での強度分布に応じて、前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとの相対移動速度を決定する請求項1〜51のいずれか一項に記載の造形装置。   52. The modeling apparatus according to any one of claims 1 to 51, wherein the control device determines a relative moving speed between the target surface and a beam from the beam irradiation unit according to an intensity distribution on the predetermined surface. . 前記集光光学系から射出されるビームに照射される前記造形材料を供給することにより、前記造形材料の溶融池が形成される請求項1〜52のいずれか一項に記載の造形装置。   53. The modeling apparatus according to any one of claims 1 to 52, wherein a molten pool of the modeling material is formed by supplying the modeling material irradiated to a beam emitted from the condensing optical system. 前記目標部位上に前記溶融池を形成しながら、前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとを相対的に移動することによって、前記目標部位に造形が施される請求項53に記載の造形装置。   54. Modeling according to claim 53, wherein the target site is modeled by relatively moving the target surface and the beam from the beam irradiation unit while forming the molten pool on the target site. apparatus. 前記ビーム造形システムは、冷却液を供給する供給口を有する請求項1〜54のいずれか一項に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to any one of claims 1 to 54, wherein the beam modeling system includes a supply port for supplying a coolant. 前記移動システムは、前記対象面を有するワークを保持するとともに移動可能な可動部材を有する請求項1〜55のいずれか一項に記載の造形装置。   The said moving system is a modeling apparatus as described in any one of Claims 1-55 which has a movable member which can move while hold | maintaining the workpiece | work which has the said target surface. 前記移動システムを支持するベース部材をさらに備え、
前記移動システムは、エア浮上方式又は磁気浮上方式で、前記ベース部材上に浮上支持されている請求項56に記載の造形装置。
A base member supporting the moving system;
57. The modeling apparatus according to claim 56, wherein the moving system is levitated and supported on the base member by an air levitation method or a magnetic levitation method.
前記可動部材上に前記ワークが存在しない状態で、前記造形を行うとき、前記可動部材の一面を前記対象面とする請求項56又は57に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to claim 56 or 57, wherein when the modeling is performed in a state where the workpiece does not exist on the movable member, one surface of the movable member is the target surface. 前記造形材料として、粉末状の材料が用いられる請求項1〜58のいずれか一項に記載の造形装置。   The modeling apparatus according to any one of claims 1 to 58, wherein a powdered material is used as the modeling material. 前記三次元造形物は、複数の層が積層されて成り、
前記制御装置は、前記三次元造形物の3Dデータから得られる多層の積層断面のデータに基づいて、前記移動システムと前記ビーム造形システムとを制御する請求項1〜59のいずれか一項に記載の造形装置。
The three-dimensional structure is formed by laminating a plurality of layers,
The said control apparatus controls the said movement system and the said beam modeling system based on the data of the multilayer lamination | stacking cross section obtained from 3D data of the said three-dimensional structure. Modeling equipment.
対象面上に三次元造形物を形成する造形方法であって、
集光光学系を含むビーム照射部から射出されるビームと対象面とを相対移動させつつ前記ビームで照射される造形材料を供給することにより前記対象面上の目標部位に造形が施されるように、前記対象面上に形成する三次元造形物の3Dデータに基づいて、前記対象面の移動と、前記ビーム照射部からの前記ビームの射出状態及び前記造形材料の供給状態の少なくとも一方と、を制御することを含み、
前記集光光学系の射出面側の所定面内における前記ビームの強度分布を変更可能である造形方法。
A modeling method for forming a three-dimensional structure on a target surface,
The target part on the target surface is shaped by supplying the modeling material irradiated with the beam while relatively moving the beam emitted from the beam irradiation unit including the condensing optical system and the target surface. In addition, based on 3D data of the three-dimensional structure to be formed on the target surface, at least one of movement of the target surface, an injection state of the beam from the beam irradiation unit, and a supply state of the modeling material, Including controlling
A modeling method capable of changing the intensity distribution of the beam in a predetermined plane on the exit surface side of the condensing optical system.
前記強度分布の変更は、前記所定面内における前記ビームの照射領域の位置、前記所定面内における前記照射領域の数、前記所定面内における前記照射領域の大きさ、及び前記所定面内における前記照射領域の形状の少なくとも一つの変更を含む請求項61に記載の造形方法。   The change of the intensity distribution includes the position of the irradiation area of the beam in the predetermined plane, the number of the irradiation areas in the predetermined plane, the size of the irradiation area in the predetermined plane, and the position in the predetermined plane. The modeling method according to claim 61, comprising at least one change in the shape of the irradiated region. 前記所定面は、前記集光光学系の後側焦点面である請求項61又は62に記載の造形方法。   The modeling method according to claim 61 or 62, wherein the predetermined surface is a rear focal plane of the condensing optical system. 前記集光光学系に入射する少なくとも一つの入射ビームの入射角度を制御することにより前記強度分布の変更が行われる請求項61〜63のいずれか一項に記載の造形方法。   The modeling method according to any one of claims 61 to 63, wherein the intensity distribution is changed by controlling an incident angle of at least one incident beam incident on the condensing optical system. 前記集光光学系に入射する前記少なくとも一つの入射ビームの入射角度を制御に、空間光変調器が用いられる請求項64に記載の造形方法。   The modeling method according to claim 64, wherein a spatial light modulator is used to control an incident angle of the at least one incident beam incident on the condensing optical system. 前記所定面内における前記ビームの照射領域は、第1領域と第2領域とを含み、
前記第1領域に照射されるように前記集光光学系から第1ビームが射出され、
前記第1ビームで照射されるように前記造形材料が供給される請求項61〜65のいずれか一項に記載の造形方法。
The irradiation area of the beam in the predetermined plane includes a first area and a second area,
A first beam is emitted from the condensing optical system so as to irradiate the first region;
The modeling method according to any one of claims 61 to 65, wherein the modeling material is supplied so as to be irradiated with the first beam.
前記第2領域に照射されるように前記集光光学系から射出された第2ビームが前記目標部位に照射された後に、前記目標部位に前記第1ビームで溶融された前記造形材料が供給されるように前記相対移動が行われる請求項66に記載の造形方法。   After the second beam emitted from the condensing optical system is irradiated to the target region so as to irradiate the second region, the modeling material melted by the first beam is supplied to the target region. The modeling method according to claim 66, wherein the relative movement is performed as described above. 前記第2ビームで前記目標部位が予熱される請求項67に記載の造形方法。   The modeling method according to claim 67, wherein the target portion is preheated by the second beam. 前記所定面内における前記ビームの照射領域は、第3領域を更に含み、前記第3領域は、前記第1領域を挟んで前記第2領域とは反対側に形成される請求項66〜68のいずれか一項に記載の造形方法。   69. The irradiation region of the beam in the predetermined plane further includes a third region, and the third region is formed on the opposite side to the second region with the first region interposed therebetween. The modeling method as described in any one of Claims. 前記第3領域に照射されるように前記集光光学系から第3ビームが射出され、
前記第1ビームで溶融され前記目標部位上で固化した前記造形材料が、前記第3ビームで照射されるように、前記相対移動が行われる請求項69に記載の造形方法。
A third beam is emitted from the condensing optical system so as to irradiate the third region;
70. The modeling method according to claim 69, wherein the relative movement is performed so that the modeling material melted by the first beam and solidified on the target portion is irradiated by the third beam.
前記目標部位上で固化した前記造形材料に前記第3ビームを照射することによって、前記目標部位上で固化した前記造形材料の表面の研磨が行われる請求項70に記載の造形方法。   The modeling method according to claim 70, wherein the surface of the modeling material solidified on the target site is polished by irradiating the third beam on the modeling material solidified on the target site. 前記所定面内における前記強度分布は、前記ビームと前記対象面との相対移動中に変更可能である請求項61〜71のいずれか一項に記載の造形方法。   The modeling method according to any one of claims 61 to 71, wherein the intensity distribution in the predetermined plane can be changed during relative movement between the beam and the target surface. 前記所定面内における前記強度分布は、前記ビームと前記対象面との相対移動中に連続的に変更可能である請求項72に記載の造形方法。   The modeling method according to claim 72, wherein the intensity distribution in the predetermined plane can be continuously changed during relative movement between the beam and the target plane. 前記対象面と前記ビームとの相対位置に応じて前記所定面内における前記強度分布を変化させる請求項72又は73に記載の造形方法。   The modeling method according to claim 72 or 73, wherein the intensity distribution in the predetermined plane is changed according to a relative position between the target surface and the beam. 要求される造形精度とスループットとに応じて、前記所定面内における前記強度分布を変化させる請求項72〜74のいずれか一項に記載の造形方法。   The modeling method according to any one of claims 72 to 74, wherein the intensity distribution in the predetermined plane is changed according to required modeling accuracy and throughput. 前記強度分布の変更に応じて、前記造形材料の供給状態が制御される請求項61〜75のいずれか一項に記載の造形方法。   The modeling method according to any one of claims 61 to 75, wherein a supply state of the modeling material is controlled according to the change in the intensity distribution. 前記造形材料の供給状態の制御は、単位時間あたりの供給量の制御を含む請求項61〜76のいずれか一項に記載の造形方法。   The modeling method according to any one of claims 61 to 76, wherein the control of the supply state of the modeling material includes control of a supply amount per unit time. 前記強度分布の設定に応じて、前記供給量は決定される請求項77に記載の造形方法。   78. The modeling method according to claim 77, wherein the supply amount is determined according to the setting of the intensity distribution. 前記所定面における前記ビームの照射領域の、前記相対移動方向の幅に基づいて、前記供給量が決定される請求項78に記載の造形方法。   The modeling method according to claim 78, wherein the supply amount is determined based on a width of the irradiation region of the beam on the predetermined surface in the relative movement direction. 前記所定面での強度分布に応じて、前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとの相対移動速度が決定される請求項61〜79のいずれか一項に記載の造形方法。   The modeling method according to any one of claims 61 to 79, wherein a relative moving speed between the target surface and a beam from the beam irradiation unit is determined according to an intensity distribution on the predetermined surface. 前記集光光学系から射出されるビームで照射されるように前記造形材料を供給することにより、前記造形材料の溶融池が形成される請求項61〜80のいずれか一項に記載の造形方法。   The modeling method according to any one of claims 61 to 80, wherein a molten pool of the modeling material is formed by supplying the modeling material so as to be irradiated with a beam emitted from the condensing optical system. . 前記目標部位上に前記溶融池を形成しながら、前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとを相対的に移動することによって、前記目標部位に造形が施される請求項81に記載の造形方法。   The modeling according to claim 81, wherein modeling is performed on the target site by relatively moving the target surface and the beam from the beam irradiation unit while forming the molten pool on the target site. Method. 前記造形材料として、粉末状の材料が用いられる請求項61〜82のいずれか一項に記載の造形方法。   83. The modeling method according to any one of claims 61 to 82, wherein a powdered material is used as the modeling material. 前記三次元造形物は、複数の層が積層されて成り、
前記三次元造形物の3Dデータから得られる多層の積層断面のデータに基づいて、
前記対象面の移動と、前記ビーム照射部からの前記ビームの射出状態及び前記造形材料の供給状態の少なくとも一方と、が制御される請求項61〜83のいずれか一項に記載の造形方法。
The three-dimensional structure is formed by laminating a plurality of layers,
Based on the data of the multilayer cross section obtained from the 3D data of the three-dimensional structure,
The modeling method according to any one of claims 61 to 83, wherein movement of the target surface and at least one of an injection state of the beam from the beam irradiation unit and a supply state of the modeling material are controlled.
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