JP2019155758A - 立体造形装置、熱画像測定装置、及び熱画像測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】照射窓の大口径化を回避するとともに、観測像の歪みを抑えることができる立体造形装置を提供する。【解決手段】立体造形装置は、粉末材料を用いて粉末薄層を形成する粉末薄層形成手段と、前記粉末薄層の周囲を囲い、外部環境と熱的に遮断する断熱手段と、前記断熱手段の外部に配置され、前記粉末薄層に選択的に電磁波ビームを照射する電磁波ビーム照射光学系と、前記断熱手段の一部に設けられ、前記電磁波ビームに対して透明な材質からなる照射窓と、前記断熱手段の外部に配置され、前記照射窓を介して前記粉末薄層の表面温度を測定する熱画像測定手段とを備え、前記熱画像測定手段は、前記粉末薄層から放射される赤外線を検出する熱画像センサと、前記熱画像センサの光学的視野を可変するための回転可能な反射鏡とを含む。【選択図】図５

Description

本発明は、立体造形装置、熱画像測定装置、及び熱画像測定方法に関する。

立体造形物を形成する立体造形装置として、粉末状の金属材料やセラミックス材料、又は樹脂材料を使った薄層形成し、レーザ等の電磁波照射による選択的な溶融・固化を繰り返すことで立体造形物を形成する粉末床溶融結合装置が知られている。

粉末床溶融結合装置では、立体造形物の反り返りや歪みを防ぐために、レーザ光を照射する間、レーザ走査スペースに形成された粉末薄層の表面を、所望の温度に維持することが求められる。このため、従来の粉末床溶融結合装置では、粉末薄層の表面温度を赤外線放射温度計等で測定し、その温度測定結果に基づいて加熱手段を制御することで、温度制御を行っている。さらに、造形中を通じて粉末薄層の表面が適正な温度分布に維持されているかどうかを、赤外線カメラ等の熱画像測定装置を使って、常時、観測している。

粉末薄層の表面温度を一定に保つためには、レーザ走査スペース全体を断熱チェンバで囲い、外部と熱的に遮蔽する必要がある。このため、レーザ光源及び赤外線放射温度計等は断熱チェンバの外側に配置され、粉末薄層へのレーザ光の照射は、断熱チェンバに設けられた照射窓を介して行われる。

また、造形中の粉末薄層の温度分布を観測するための熱画像測定装置も、断熱チェンバの外側に配置され、前記照射窓を介して、あるいは前記照射窓とは別に設けられた専用の観測窓を介して、観測を行っている。

熱画像測定装置を照射窓越しに設置する場合、レーザ照射光学系との物理的干渉を避けるために、レーザ照射光学系の光軸との距離を十分に確保して設置する必要がある。このため、大口径のレーザ窓を使用しなければならないことによるコスト上昇の問題や、粉末薄層表面を真上からではなく、斜めから観測しなければならないことによる顕著な観測像の歪みの発生という問題がある。

また、照射窓とは別の専用の観測窓越し設置する場合もやはり、新たに別の窓材が必要になることによるコスト上昇の問題や、粉末薄層表面を斜めから観測しなければならないことによる顕著な観測像の歪みの発生という問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、照射窓の大口径化を回避するとともに、観測像の歪みを抑えることができる立体造形装置の提供を目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の立体造形装置は、粉末材料を用いて粉末薄層を形成する粉末薄層形成手段と、前記粉末薄層の周囲を囲い、外部環境と熱的に遮断する断熱手段と、前記断熱手段の外部に配置され、前記粉末薄層に選択的に電磁波ビームを照射する電磁波ビーム照射光学系と、前記断熱手段の一部に設けられ、前記電磁波ビームに対して透明な材質からなる照射窓と、前記断熱手段の外部に配置され、前記照射窓を介して前記粉末薄層の表面温度を測定する熱画像測定手段とを備え、前記熱画像測定手段は、前記粉末薄層から放射される赤外線を検出する熱画像センサと、前記熱画像センサの光学的視野を可変するための回転可能な反射鏡とを含む。

本発明によれば、照射窓の大口径化を回避するとともに、観測像の歪みを抑えることができる。

図１は、実施の形態にかかる粉末床溶融結合装置の概略構成を示す斜視図である。 図２は、実施の形態にかかる粉末床溶融結合装置のブロック図である。 図３−１は、立体造形物の製造方法を説明するための図である。 図３−２は、立体造形物の製造方法を説明するための図である。 図４−１は、立体造形物の製造方法を説明するための図である。 図４−２は、立体造形物の製造方法を説明するための図である。 図５は、実施の形態にかかるビーム照射光学系と熱画像測定装置の概略構成図である。 図６−１は、熱画像測定装置の動作を説明する模式図である。 図６−２は、熱画像測定装置の動作を説明する模式図である。 図６−３は、熱画像測定装置の動作を説明する模式図である。

以下に添付図面を参照して、立体造形装置の実施の形態を詳細に説明する。図１は、実施の形態にかかる粉末床溶融結合装置１（立体造形装置の一例）の概略構成を示す斜視図である。

（粉末床溶融結合装置の構成）
図1に示すように、粉末床溶融結合装置１は、供給槽１１、ヒータ１１Ｈ、ローラ１２、ヒータ１３Ｈ、断熱チェンバ１４、照射窓１５、レーザ発生装置１８、第１の反射鏡１９、二次元熱画像カメラ２０、第２の反射鏡２１、ノッチフィルタ２３、ピストン１１Ｐ、及びピストン１３Ｐを有している。

供給槽１１は、造形用の粉末Ｐを収容するための容器である。粉末Ｐとしては、粉末状の金属材料、セラミックス材料、又は樹脂材料などが挙げられる。本実施の形態においては、樹脂粉末を用いる。

ヒータ１１Ｈは、供給槽１１に収容されている粉末Ｐを加熱する。ヒータ１３Ｈは、レーザ走査スペース１３に供給される粉末Ｐを加熱する。

ローラ１２は、粉末床溶融結合装置１のレーザ走査スペース１３に供給される粉末Ｐを整地して粉末Ｐの薄層を形成する粉末薄層形成手段である。粉末薄層形成手段としては、ローラ、ブレード、ブラシ、又はこれらの組合せなどを使用できる。

断熱チェンバ１４は、高温に維持されるレーザ走査スペース１３と、外部の常温環境とを熱的に遮断する断熱手段である。

照射窓１５は、断熱チェンバ１４の一部に設けられ、レーザ発生装置１８から射出されるレーザ光Ｌに対して透明な材質からなる透明窓である。レーザ光Ｌは、照射窓１５を通してレーザ走査スペース１３に導入される。

レーザ発生装置１８は、断熱チェンバ１４の外部に配置され、粉末薄層に電磁波ビームを照射して溶融させる。レーザ発生装置１８は、電磁波ビーム源としてＣＯ_２レーザ光源を備え、レーザ光Ｌを射出する。電磁波ビーム源としては、レーザ光源、赤外線照射源、マイクロ波発生器、又はこれらの組合せなどを使用できる。

第１の反射鏡１９は、図２に示す反射鏡駆動部１２３により回転角度が制御される回転可能な反射鏡であり、粉末Ｐ（粉末薄層）にレーザビームを照射する電磁波ビーム照射光学系を構成する。第１の反射鏡１９は、レーザ発生装置１８から射出されたレーザ光Ｌを反射して、レーザ走査スペース１３の所定位置へ導く。第１の反射鏡１９の反射面は、レーザ発生装置１８がレーザ光Ｌを照射している間、３Ｄ（ｔｈｒｅｅ―ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ)モデルの二次元データに基づいて、角度を変化させる。３Ｄモデルの二次元データは、３Ｄモデルを所定の間隔でスライスしたときの各断面形状データである。これにより、レーザ光Ｌの反射角度が変わることで、レーザ走査スペース１３のうち、二次元データによって指示される部分に、選択的にレーザ光Ｌが照射される。すなわち、第１の反射鏡１９は、分離された一方向の偏光成分のレーザ光のみを照射窓１５に導き、照射窓１５を介して粉末薄層に選択的に照射させる選択的照射手段として機能する。レーザ光が照射される位置の粉末Ｐは、粉末同士が互いに焼結し、または溶融して一体化し、溶融層を形成する。

二次元熱画像カメラ２０は、断熱チェンバ１４の外側に配置され、照射窓１５を介して粉末薄層から放射される赤外線を検出する熱画像センサである。また、第２の反射鏡２１は、二次元画像カメラ２０の光学的視野を可変するための回転可能な反射鏡である。第２の反射鏡２１は、図２に示す反射鏡駆動部１２３により回転角度が制御される。これら二次元熱画像カメラ２０及び第２の反射鏡２１と、図２に示す部分画像取得部３０及び画像合成部４０とで、粉末薄層の表面温度を測定する熱画像測定装置５０を構成する。熱画像測定装置５０については、後に詳述する。

ノッチフィルタ２３は、第２の反射鏡２１と赤外線カメラ２０との間に設けられ、レーザ光Ｌの反射光が赤外線カメラ２０に入射するのを防止する。

ピストン１１Ｐ及びピストン１３Ｐは、溶融層の造形が完了すると、図２に示すピストン駆動部１２２によって駆動され、供給槽１１、及びレーザ走査スペース１３を、造形物の積層方向に対し上、又は下方向に移動させる。これにより、供給槽１１からレーザ走査スペース１３へ、新たな層の造形に用いられる新たな粉末Ｐを供給する。

図２は、粉末床溶融結合装置１の制御系の概略構成を示すブロック図である。粉末床溶融結合装置１は、粉末床溶融結合装置１の全体の制御を行う制御部１００を備えている。制御部１００は、コントローラ部１１０と、エンジン制御部１２０とを備えている。

コントローラ部１１０は、ＣＰＵやメモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）等から構成され、エンジン制御部１２０、データ入力部２００等と接続されている。コントローラ部１１０は、予め組み込まれている制御プログラムを実行することにより、粉末床溶融結合装置１全体の制御を行う。例えば、コントローラ部１１０は、データ入力部２００を介して入力された３Ｄモデルから生成される複数の二次元データを受け付け、そのデータに従ってエンジン制御部１２０を制御し、立体造形物を形成する動作を制御する。また、コントローラ部１１０は、エンジン制御部１２０を制御し、熱画像を測定及び生成する動作を制御する。

エンジン制御部１２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備え、コントローラ部１１０、各検知部材（二次元熱画像カメラ２０）等と接続され、予め組み込まれている制御プログラムを実行することにより、コントローラ部１１０らの指令に基づいて、造形動作を行う造形エンジン（ヒータ１１Ｈ、ローラ１２、ヒータ１３Ｈ、レーザ発生装置１８、第１の反射鏡１９、熱画像生成装置５０、ピストン１１Ｐ、及びピストン１３Ｐ等）の制御、及び、熱画像の測定及び生成の制御を行う。例えば、エンジン制御部１２０は、ローラ駆動部１２１を制御して、ローラ１２の駆動を制御したり、ピストン駆動部１２２を制御して、ピストン１１Ｐ及びピストン１３Ｐの上下動を制御したり、入力されたデータに基づいて反射鏡駆動部１２３を制御して、第１の反射鏡２４の角度を制御したりする。また、エンジン制御部１２０は、熱画像測定装置５０の各部（第２の反射鏡２１、二次元熱画像カメラ２０、部分画像取得部３０、画像合成部４０）を制御して、熱画像を測定及び生成する動作を制御したり、生成された熱画像に基づいて、ヒータ駆動部１２４を制御して、ヒータ１３Ｈの通電時間を制御したりする。熱画像の測定・生成動作の制御ついては、後に詳述する。

（立体造形物の製造方法）
次に、立体造形物の製造方法について、図３−１、図３−２、図４−１、図４−２を用いて説明する。

エンジン制御部１２０は、ヒータ１１Ｈを制御して、供給槽１１に収容された粉末Ｐを加熱する。供給槽１１の温度としては、粉末Ｐをレーザ光照射により溶融するときに、反り返りを抑制する点では、粉末Ｐの融点以下のなるべく高い温度が好ましいが、供給槽１１での粉末Ｐの溶融を防ぐ点では、粉末Ｐの融点より１１０℃以上低いことが好ましい。

エンジン制御部１２０は、ローラ１２を制御して、供給槽１１の粉末Ｐをレーザ走査スペース１３へ供給して整地させ、図３−１に示すように１層分の厚さＴの粉末薄層を形成する。レーザ走査スペース１３へ供給された粉末Ｐの表面温度は、照射窓１５を介して二次元熱画像カメラ２０で遠隔測定される。エンジン制御部１２０は、ヒータ１３Ｈを制御し、所望の温度まで粉末Ｐを加熱する。所望の温度としては、粉末Ｐをレーザ照射により溶融するときに反り返りを抑制する点では、なるべく高い方が好ましいが、レーザ走査スペース１３での粉末Ｐの溶融を防ぐ点では、粉末Ｐの融点より５℃以上低温であることが好ましい。

エンジン制御部１２０は、データ入力部２００から、３Ｄモデルから生成される複数の二次元データを受け付ける。エンジン制御部２００は、図３−２に示すように、複数の二次元データのうち最も底面側の二次元データに基づいて、第１の反射鏡１９の反射面の角度を変えつつ、レーザ発生装置１８にレーザ光Ｌを射出させる。レーザの出力としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択されるが、１０ワット以上１５０ワット以下が好ましい。レーザ光の照射により、粉末薄層のうち、最も底面側の二次元データによって示される画素に対応する位置の粉末Ｐが溶融する。レーザ光の照射が完了すると、溶融した樹脂は硬化して、最も底面側の二次元データが示す形状の溶融層が形成される。

溶融層の厚さＴとしては、特に限定されないが、平均値として、１０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上が更に好ましい。また、溶融層の厚みＴとしては、特に限定されないが、平均値として、２００μｍ未満が好ましく、１５０μｍ未満がより好ましく、１２０μｍ未満が更に好ましい。

最も底面側の溶融層が形成されると、図４−１に示すように、エンジン制御部１２０は、レーザ走査スペース１３に１層分の厚さＴの造形スペースが形成されるように、レーザ走査スペース１３を厚さＴだけピストン１３Ｐを降下させる。また、エンジン制御部１２０は、新たな粉末Ｐを供給可能とするため、ピストン１１Ｐを上昇させる。続いて、図４−１に示すように、エンジン制御部１２０は、ローラ１２を駆動して、供給槽１１の粉末Ｐをレーザ走査スペース１３へ供給して整地することで、１層分の厚さＴの粉末薄層を形成する。

続いて、図４−２に示すように、エンジン制御部１２０は、複数の二次元データのうち最も底面側から２層目の二次元データに基づいて、第１の反射鏡２４の反射面の角度を変えつつ、レーザ発生装置１８にレーザ光Ｌを射出させる。これにより、粉末薄層のうち、最も底面側から２層目の二次元データによって示される画素に対応する位置の粉末Ｐが溶融する。レーザ光の照射が完了すると、溶融した樹脂は硬化して、最も底面側から２層目の二次元データが示す形状の溶融層が、最も底面側の溶融層に積層された状態で形成される。

エンジン制御部１２０は、上記の粉末Ｐの供給と、粉末薄層の形成とを繰り返すことで、溶融層を積層させる。複数の二次元データのすべてに基づく造形が完了すると、３Ｄモデルと同形状の立体造形物が得られる。

（熱画像測定装置の構成及び熱画像測定方法）
本実施の形態によるビーム照射光学系と熱画像測定装置の構成を、図５を用いて説明する。図５は図３−１から図４−２の主要部分を抜粋した簡略図である。図５に示すように、レーザ発生装置１８から射出されたレーザ光Ｌは、直交する２方向の回転軸周りに回動可能な第１の反射鏡１９で偏向され、照射窓１５を通って粉末薄層のレーザ照射面Ａを走査する。破線Ｌ１、Ｌ２は、第１の反射鏡１９によるレーザ光Ｌの偏向範囲を示す。

レーザ照射面Ａから放射される赤外線の一部は、回動可能な第２の反射鏡２１で反射されノッチフィルタ２３を介し二次元熱画像カメラ２０に到達するおそれがある。ノッチフィルタ２３は、レーザ光Ｌの反射光が二次元熱画像カメラ２０に入射するのを防止するために設けられており、カメラを損傷させる恐れのある高エネルギーレーザ光Ｌの波長成分を選択的に減衰させ、それ以外の温度測定に必要な波長成分を透過させる機能を有する。このように、ノッチフィルタ２３を二次元熱画像カメラ２０への入射開口の前に設置することで、温度測定精度を損なうことなく、エネルギービームによるセンサの損傷を回避できる。

エンジン制御部１２０は、第２の反射鏡２１及び二次元熱画像カメラ２０を制御して、第２の反射鏡２１の設定角度に応じた複数の二次元熱画像を撮像させ、記憶する。部分画像生成部３０は、それぞれの二次元熱画像から、第２の反射鏡２１の設定角度に応じた矩形領域を切り出す。すなわち、部分画像生成部３０は、第２の反射鏡２１の回転角度に応じた、二次元熱画像カメラ２０の複数の光学的視野（換言すれば、二次元熱画像カメラ２０の赤外線を受光する画角）に対応する複数の部分熱画像を取得する。画像合成部４０は、それら複数の部分熱画像をつなぎ合わせて合成し、レーザ照射面Ａの二次元熱画像として出力する。以下に、熱画像測定装置の構成及び熱画像測定方法についてより具体的に説明する。

図６−１、図６−２、及び図６−３は、熱画像測定装置５０の動作を示す模式図である。図６−１は、二次元熱画像カメラ２０の視野の一部が第２の反射鏡２１で屈曲され、レーザ照射面Ａの矩形領域Ｓ１を撮像している様子を表している。図６−２は、第２の反射鏡２１の回転に伴い、レーザ照射面Ａの撮像領域が矩形領域Ｓ２に移動する様子を表している。図６−３は、第２の反射鏡２１がさらに回転し、レーザ照射面Ａの撮像領域が矩形領域Ｓ３に移動する様子を表している。実際には、第２の反射鏡２１の回転角度をより細かく設定することで、連続した矩形領域を取得することが可能である。

取得された複数の矩形領域画像は、第２の反射鏡２１の作用により鏡像反転しているので、画像合成部４０は各々の矩形領域画像の鏡像反転を補正し、その後、各矩形領域画像どうしを接続して１枚の合成熱画像を生成する。以上のようにして目的とするレーザ照射面Ａの熱画像を取得することができる。エンジン制御部１２０は、得られた熱画像に基づき、ヒータ１３Ｈの通電時間等を制御し、レーザ走査スペース１３に形成された粉末薄層の表面を、所望の温度に維持する。

上述のように、本実施の形態においては、サイズの大きな熱画像センサを、レーザ照射光学系から離して設置する代わりに、熱画像センサよりもコンパクトなサイズの反射鏡をレーザ照射光学系の近傍に設置する。これにより、大口径の照射窓を使用しなくても、レーザ照射光学系と熱画像測定装置の物理的干渉を避けることができる。このため、観測像の歪みの発生を軽減できるとともに、照射窓の大口径化を回避してコスト上昇を避けることができる。

熱画像センサの一例である二次元熱画像カメラ２０としては、内部光電効果や焦電効果、熱電効果、温度上昇による電気抵抗の変化の効果等を利用した、各種赤外線センサを用いることができる。本発明においてはいずれにも限定されない。また、二次元熱画像カメラの代わりに走査式放射温度センサを用いることも可能である。走査式放射温度センサを用いた場合にも、センサの光学的視野を可変するための回転可能な反射鏡と組み合わせて熱画像測定装置を構成することで、二次元熱画像カメラを用いた場合と同様の効果を得ることができる。

１ 粉末床溶融結合装置
１１ 供給槽
１１Ｈ、１３Ｈ ヒータ
１１Ｐ、１３Ｐ ピストン
１２ ローラ
１３ レーザ走査スペース
１４ 断熱チェンバ
１５ 照射窓
１８ レーザ発生装置
１９ 第１の反射鏡
２０ 二次元熱画像カメラ
２１ 第２の反射鏡
３０ 部分画像取得部
４０ 画像合成部
５０ 熱画像測定装置
１００ 制御部
１１０ コントローラ部
１２０ エンジン制御部

特許第４１４６３８５号公報 特開２００７−１４４６９１号公報

Claims (5)

1. 粉末材料を用いて粉末薄層を形成する粉末薄層形成手段と、
   前記粉末薄層の周囲を囲い、外部環境と熱的に遮断する断熱手段と、
   前記断熱手段の外部に配置され、前記粉末薄層に選択的に電磁波ビームを照射する電磁波ビーム照射光学系と、
   前記断熱手段の一部に設けられ、前記電磁波ビームに対して透明な材質からなる照射窓と、
   前記断熱手段の外部に配置され、前記照射窓を介して前記粉末薄層の表面温度を測定する熱画像測定手段と
   を備え、
   前記熱画像測定手段は、
   前記粉末薄層から放射される赤外線を検出する熱画像センサと、
   前記熱画像センサの光学的視野を可変するための回転可能な反射鏡と
   を含む立体造形装置。
2. 前記熱画像測定手段は、前記電磁波ビームを減衰させるフィルタをさらに含む請求項１に記載の立体造形装置。
3. 前記反射鏡の回転角度に応じた、前記熱画像センサの複数の視野に対応する複数の部分熱画像を取得する取得部と、
   前記複数の部分熱画像を合成して前記対象物の熱画像を生成する画像合成部と
   をさらに備える請求項１又は２に記載の立体造形装置。
4. 対象物から放射される赤外線を検出する熱画像センサと、
   前記熱画像センサの光学的視野を可変するための回転可能な反射鏡と、
   前記反射鏡の回転角度に応じた、前記赤外線センサの複数の視野に対応する複数の部分熱画像を取得する取得部と、
   前記複数の部分熱画像を合成して前記対象物の熱画像を生成する画像合成部と
   を備える熱画像測定装置。
5. 熱画像センサを用いた熱画像測定方法であって、
   前記対象物から放射される赤外線を反射する反射鏡の回転角度を変えることで、前記熱画像センサ光学的視野を可変し、前記反射鏡の回転角度に応じた、前記熱画像センサの複数の視野に対応する複数の部分熱画像を取得する工程と、
   前記複数の部分熱画像を合成して前記対象物の熱画像を生成する工程と
   を含む熱画像測定方法。

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