JP2021152219A - 造形装置及び造形方法 - Google Patents
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Abstract
Description
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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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