JP2023026163A - ３次元造形装置の評価用造形パターン - Google Patents

Abstract

【課題】３次元造形装置の性能を正確に評価することができる評価用造形パターンを提供する。【解決手段】次元造形装置の評価用造形パターン１００は、ベース１０１と、ベース１０１に形成された構造物１１１、１１２、１１３、１１４と、構造物１１１、１１２、１１３、１１４又はベース１０１の基準面１０２に形成され、構造物１１１、１１２、１１３、１１４の基準点Ｑ２、Ｑ３を示す補助マーク１２１と、を有している。【選択図】図３

Description

本発明は、３次元造形装置を評価する際に用いられる評価用造形パターンに関する。

３次元造形装置としては、粉末材料を薄く敷いた層を一層ずつ重ねて造形する積層方式がある（例えば、特許文献１参照）。また、３次元造形装置としては、液状の樹脂に紫外線などを照射し少しずつ硬化させていく光造形方式や、液化した材料またはバインダを噴射して積層させて造形するインクジェット方式等がある。

このような３次元造形装置の性能を評価するために、所定の形状からなる構造物を有する評価用造形パターンを３次元造形装置で造形し、造形した評価用造形パターンの構造物の寸法を計測している。例えば、円筒形状の構造物であれば真円度、四角形であれば構成する各二辺間でなす角度を計測し、形状のずれ量を評価することで、３次元造形装置の性能を評価している。

３次元造形装置は、造形空間上に大きなサイズの構造物を一つ配置して造形することもあれば、小さいサイズの構造物を複数配置して造形することもある。そして、造形された構造物が正しい座標位置に形成されていることも３次元装置の性能を評価するめに求められている。

特開２０２０－１５７６９８号公報

しかしながら、従来の評価用造形パターンは、構造物が正しい座標位置に造形されたか否かを評価することを想定していなかった。そのため、従来の評価用造形パターンでは、３次元造形装置の性能を正確に評価することが困難であった。

本発明の目的は、上記の問題点を考慮し、３次元造形装置の性能を正確に評価することができる評価用造形パターンを提供することにある。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の３次元造形装置の評価用造形パターンは、３次元造形装置で造形されたベースと、ベースに形成された構造物と、構造物又はベースの基準面に形成され、構造物の基準点を示す補助マークと、を有している。

本発明の３次元造形装置の評価用造形パターンによれば、３次元造形装置の性能を正確に評価することができる。

３次元造形装置を模式的に示す概略断面図である。 本発明の第１の実施の形態例にかかる評価用造形パターンを示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態例にかかる評価用造形パターンを示す平面図である。 本発明の第２の実施の形態例にかかる評価用造形パターンを示す平面図である。

以下、本発明の３次元造形装置の評価用造形パターンの実施の形態例について、図１～図４を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。

１．第１の実施の形態例
１－１．３次元造形装置の構成
本発明の第１の実施の形態例（以下、「本例」という。）にかかる３次元造形装置の評価用造形パターンについて図１から図３を参照して説明する。まず、評価用造形パターンを造形する３次元造形装置の構成について図１を参照して説明する。
図１は、３次元造形装置を模式的に示す概略断面図である。

図１に示す３次元造形装置１は、例えば、チタン、アルミニウム、鉄等の金属粉末からなる粉末材料に電子ビームを照射して粉末材料を溶融させ、この粉末材料が凝固した層を積み重ねて立体物を造形する３次元積層造形装置である。

図１に示すように、３次元造形装置１は、中空の処理室２と、造形ボックス３と、平板状のステージ４と、ステージ駆動機構５と、支持台６と、粉末供給機構７と、電子銃８と、粉末タンク９と、を備えている。

ここで、ステージ４の一面４ａと平行をなす方向を第１の方向Ｘとし、第１の方向Ｘと直交し、かつステージ４の一面４ａと平行をなす方向を第２の方向Ｙとする。また、ステージ４の一面４ａと直交する方向を第３の方向Ｚとする。

処理室２には、図示しない真空ポンプが接続されている。処理室２内の空気が真空ポンプにより排気されることで、処理室２内は、真空に維持されている。この処理室２内には、造形ボックス３と、ステージ４と、ステージ駆動機構５、支持台６、粉末供給機構７及び粉末タンク９が配置されている。処理室２の第３の方向Ｚの一端部側、すなわち処理室２の上部には、電子銃８が装着されている。また、電子銃８と第３の方向Ｚで対向する位置には、支持台６に支持された造形ボックス３が配置されている。

造形ボックス３は、筒部３ａと、フランジ部３ｂとを有している。筒部３ａの軸方向は、第３の方向Ｚと平行をなし、筒部３ａは、第３の方向Ｚの両端部が開口している。筒部３ａの筒孔内には、粉末供給機構７によって供給された粉末材料Ｍ１及び粉末材料Ｍ１によって形成された造形物が収容される。

フランジ部３ｂは、筒部３ａにおける第３の方向Ｚの一端部側である上端部の外縁部に設けられている。フランジ部３ｂは、筒部３ａの外縁部から略垂直に屈曲している。そして、フランジ部３ｂは、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙと平行に配置される。

フランジ部３ｂは、処理室２内に配置された支持台６に支持されている。そのため、造形ボックス３は、筒部３ａの軸方向の一端部、すなわち上端部側が固定端となり、筒部３ａの軸方向の他端部、すなわち下端部側が自由端となる。

また、フランジ部３ｂの第１の方向Ｘの両端部には、粉末材料Ｍ１を貯留する粉末タンク９が配置されている。粉末タンク９は、フランジ部３ｂにおける第３の方向Ｚの一端部側、すなわち上方に配置されている。粉末タンク９におけるフランジ部３ｂと対向する側には、所定量の粉末材料Ｍ１を排出する定量供給部が配置されている。この定量供給部からフランジ部３ｂに向けて所定量の粉末材料Ｍ１が供給される。

また、粉末タンク９とフランジ部３ｂとの間には、粉末供給機構７が配置されている。粉末供給機構７は、アーム部２１と、均し板２２と、ガイド部２４とを有している。

アーム部２１は、所定の長さを有する長尺状の部材により形成されている。アーム部２１の長手方向の一端部は、ガイド部２４に移動可能に支持されている。ガイド部２４は、第１の方向Ｘに沿って配置されている。

アーム部２１は、ガイド部２４に支持されて、その長手方向が第２の方向Ｙと平行に延在している。アーム部２１の長手方向の長さは、少なくともステージ４の第２の方向Ｙの一端部から他端部までの長さよりも長く設定されている。そのため、アーム部２１は、ステージ４における第２の方向Ｙの一端部から他端部に亘って延在する。アーム部２１の第３の方向Ｚの他端部、すなわちステージ４と対向する側の端部には、均し板２２が設けられている。

均し板２２は、略平板状に形成されている。均し板２２は、アーム部２１と同様に、その長手方向が第２の方向Ｙと平行に延在している。そして、アーム部２１及び均し板２２がガイド部２４によって第１の方向Ｘに沿って移動することで、ステージ４に粉末材料Ｍ１を供給し、粉末材料Ｍ１を第３の方向Ｚに所定の高さで平坦に均す。これにより、ステージ４には、粉末材料Ｍ１からなる粉末層が形成される。

造形ボックス３の筒部３ａの筒孔内には、ステージ４が第３の方向Ｚに沿って摺動可能に配置されている。ステージ４は、略平板状に形成されている。ステージ４における第３の方向Ｚの一端部側の一面４ａには、粉末材料Ｍ１が積層される。

また、ステージ４の側端部には、耐熱性及び柔軟性を有する摺動部材１４が設けられている。摺動部材１４は、筒部３ａの内壁面３ｃに摺動可能に接触している。

また、ステージ４の一面４ａとは反対側の他面には、軸部４ｂが設けられている。軸部４ｂは、ステージ４の他面から第３の方向Ｚの他方に向けて突出している。軸部４ｂは、造形ボックス３の第３の方向Ｚの他端部側に配置されたステージ駆動機構５に接続されている。

移動機構を示すステージ駆動機構５は、軸部４ｂを介してステージ４を第３の方向Ｚに沿って移動可能に支持する。ステージ駆動機構５としては、例えば、ラックとピニオンやボールねじからなる軸部４ｂを駆動する駆動部等が適用される。

ステージ４の一面４ａは、処理室２に装着された電子銃８と対向する。加熱機構の一例を示す電子銃８は、予め準備された設計上の造形物（３次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データにより表された造形物）を所定の間隔でスライスした２次元形状に従い、粉末材料Ｍ１に対して電子ビームＬ１を出射する。電子銃８から出射された電子ビームＬ１により、その２次元形状に対応する領域の粉末材料Ｍ１が溶融する。溶融した粉末材料Ｍ１は、凝固して造形物Ｐ１となる。

一層分の粉末材料Ｍ１が溶融及び凝固した後、ステージ駆動機構５によりステージ４を所定の高さ分下げる。次に、粉末材料Ｍ１を直前に敷き詰められた層（下層）の上に敷き詰める。そして、その層に相当する２次元形状に対応する領域の粉末材料Ｍ１に電子ビームＬ１を照射し、粉末材料Ｍ１を溶融及び凝固させる。この一連の処理を繰り返し、溶融及び凝固した粉末材料Ｍ１の層を積み重ねることにより、造形ボックス３の筒部３ａ内には、造形物Ｐ１が構築される。

なお、３次元造形装置１として、粉末材料が凝固した層を積み重ねて立体物を造形する積層型の３次元積層造形装置を適用した例を説明したが、これに限定されるものではない。３次元造形装置としては、液状の樹脂に紫外線などを照射し少しずつ硬化させていく光造形方式や、液化した材料またはバインダを噴射して積層させて造形するインクジェット方式等その他各種の３次元造形装置を適用してもよい。

１－２．評価用造形パターンの構成例
次に、上述した３次元造形装置１で造形される評価用造形パターン１００の構成例について図２及び図３を参照して説明する。
図２は、評価用造形パターンを示す斜視図、図３は、評価用造形パターンを示す平面図である。

図２及び図３に示す評価用造形パターン１００は、３次元造形装置１の性能を評価するために用いられる。この評価用造形パターン１００は、３次元造形装置１で形成された後、評価装置により撮影又は計測される。

図２及び図３に示すように、評価用造形パターン１００は、ベース１０１と、複数の構造物１１０、１１１、１１２、１１３、１１４と、を有している。ベース１０１の基準面１０２は、第１の方向Ｘと第２の方向Ｙで形成された平面と平行に形成される。

複数の構造物１１０、１１１、１１２、１１３、１１４は、ベース１０１の基準面１０２に形成されている。構造物１１０、１１１、１１２、１１３としては、角柱状の構造物１１１、円柱状の構造物１１３、円柱状の筒孔１１２、半円と三角形を組合せた構造物１１４、角柱状の凹部や、第３の方向Ｚに対して傾斜した構造物等その他各種の形状が適用される。さらに、各種構造物１１１、１１２、１１３は、寸法の異なる同一の形状が複数形成されている。

また、ベース１０１の基準面１０２における第１の方向Ｘと第２の方向Ｙの座標位置の中心部には、中心位置を示す中心構造物１１０が形成されている。中心位置を示す中心構造物１１０は、電子銃８に入力される予め準備された設計上の造形物データの原点位置に形成されていてもよく、あるいは使用者が任意に定めた中心位置に形成されていてもよい。角柱状の構造物１１１や円柱状の構造物１１３は、中心構造物１１０に対して放射状に所定の間隔で複数形成されている。なお、ベース１０１に形成される構造物１１０、１１１、１１２、１１３、１１４は、図２及び図３に示す例に限定されるものではなく、その他各種の形状や配置例が適用されるものである。

さらに、ベース１０１の基準面１０２には、原点位置Ｑ１を示す原点マーク１２０と、各種構造物１１１、１１２、１１３、１１４の基準点Ｑ２、Ｑ３を示す補助マーク１２１と、評価用基準線１３０が形成されている。評価用基準線１３０は、基準面１０２において第１の方向Ｘと平行に形成されている。そして、評価用基準線１３０は、第１の方向Ｘに沿って所定の間隔で複数の目盛りが形成されている。なお、評価用基準線１３０を第１の方向Ｘと平行に形成する例を説明したが、これに限定されるものではなく、評価用基準線１３０を第２の方向Ｙと平行に形成してもよい。

原点マーク１２０及び補助マーク１２１は、ベース１０１に形成された複数の構造物１１０、１１１、１１２、１１３、１１４の全てに形成されている。原点マーク１２０及び補助マーク１２１は、各種構造物１１０、１１１，１１２、１１３、１１４の外縁部に複数形成されている。

原点マーク１２０は、中心構造物１１０形成されている。そして、原点マーク１２０の交点は、評価用造形パターン１００を設計する設計値データの座標位置に中心である原点位置Ｑ１に設定される。原点マーク１２０を中心構造物１１０に形成した例を説明したが、これに限定されるものではない。ベース１０１に中心構造物１１０を形成せずに、ベース１０１の基準面１０２に、原点マーク１２０のみを形成してもよい。このときの原点マーク１２０としては、例えば十字状のマークが適用される。

複数の補助マーク１２１の交点は、構造物１１１、１１２、１１３、１１４の基準点Ｑ２、Ｑ３と一致する。角柱状の構造物１１１、円柱状の構造物１１３に形成された補助マーク１２１の交点（基準点Ｑ２）は、各構造物１１１、１１２の中心位置と一致する。

なお、補助マーク１２１の交点を示す基準点は、構造物の中心位置に限定されるものではない。例えば、半円と三角形を組合せた構造物１１４に形成された補助マーク１２１の交点（基準点Ｑ３）のように、半円の中心や図形の頂点と一致するように形成してもよい。

原点マーク１２０、補助マーク１２１及び評価用基準線１３０は、ベース１０１の基準面１０２に形成された凹部の連続線として形成されている。また、原点マーク１２０、補助マーク１２１及び評価用基準線１３０としては、凹部の連続線に限定されるものではなく、点線や、凸部、凸部と凹部を組み合わせた形状等その他各種の形状が適用できるものである。さらに、原点マーク１２０、補助マーク１２１及び評価用基準線１３０の反射率を周辺の構造物１１０、１１１、１１２、１１３、１１４や基準面１０２の反射率と異なる値に設定してもよい。すなわち、原点マーク１２０、補助マーク１２１及び評価用基準線１３０は、評価用造形パターン１００を計測する評価装置によって識別可能な形状であればよい。

なお、原点マーク１２０及び補助マーク１２１は、平らな面であるベース１０１の基準面１０２に形成した例を説明したが、これに限定されるものではなく、角柱状の構造物１１１や円柱状の構造物１１３の最上面に形成してもよい。または、原点マーク１２０及び補助マーク１２１を、ベース１０１の基準面１０２から構造物１１１、１１３の最上面にかけて連続して形成してもよい。なお、比較的寸法が小さい構造物１１１、１１３の場合、構造物１１１、１１３上に補助マーク１２１を形成することが困難となる。そのため、補助マーク１２１は、図２及び図３に示すように、ベース１０１の基準面１０２において構造物１１１、１１３の外縁部に形成することが好ましい。

１－３．３次元造形装置の評価方法
次に、上述した評価用造形パターン１００を用いた３次元造形装置１の評価方法について説明する。
まず、使用者は、３次元造形装置１を用いて図２及び図３に示す評価用造形パターン１００を造形する。そして、造形した評価用造形パターン１００を評価装置にセットし、評価装置によってベース１０１に形成された各種構造物１１０、１１１、１１２、１１３、１１４を計測する。上述したように、ベース１０１の一面には、原点位置Ｑ１を示す原点マーク１２０と、各種構造物１１１、１１２、１１３、１１４の基準点Ｑ２、Ｑ３を示す補助マーク１２１と、評価用基準線１３０が形成されている。原点マーク１２０と、補助マーク１２１を計測することで、評価装置は、評価用造形パターン１００の原点位置Ｑ１と、各構造物１１１、１１２、１１３、１１４の基準点Ｑ２、Ｑ３を判別することができる。これにより、原点位置Ｑ１と基準点Ｑ２、Ｑ３から各構造物１１０、１１１、１１２、１１３、１１４の造形位置を計測することができる。

例えば、中心構造物１１０の原点位置Ｑ１と各構造物１１１、１１２、１１３、１１４の基準点Ｑ２、Ｑ３の間隔を計測することで、各構造物１１１、１１２、１１３、１１４の造形位置を正確に計測することができる。そして、各構造物１１１、１１２、１１３、１１４の造形位置と、設計値とを比較することで、造形位置のずれ量を評価することができる。

なお、中心構造物１１０の中心位置を原点位置Ｑ１に設定する例を説明したが、これに限定されるものでなく、原点位置Ｑ１は、使用者が任意に設定できるものである。そして、原点マーク１２０としては、中心構造物１１０とは異なる構造物１１１、１１２、１１３、１１４に形成した補助マーク１２１を原点マークとして適用してもよい。また、評価用基準線１３０の複数の目盛りのうち評価用造形パターン１００の原点位置に対応する目盛りを原点マーク１２０としてもよい。

また、各構造物１１１、１１２、１１３、１１４の基準点Ｑ２、Ｑ３の間隔を計測することで、各構造物１１１、１１２、１１３、１１４間の相対位置のずれ量を評価することができる。さらに、構造物１１１、１１２、１１３に形成された補助マーク１２１の交点（基準点Ｑ２）は、構造物１１１、１１２、１１３の中心位置を示している。この基準点Ｑ２を計測することで、各構造物１１１、１１２、１１３における第１の方向Ｘや第２の方向Ｙの歪みや対称性を評価することができる。

ここで、粉末材料Ｍ１に電子ビームＬ１を照射し、粉末材料Ｍ１を溶融及び凝固させる３次元造形装置では、粉末材料Ｍ１が凝固する際に、造形物が収縮する。これに対して、本例の評価用造形パターン１００では、上述したように、第１の方向Ｘに沿って所定の間隔で形成された複数の目盛りを有する評価用基準線１３０が形成されている。そして、評価装置は、評価用基準線１３０の目盛りの間隔を計測し、計測した目盛りの間隔と設計値データとを比較する。これにより、評価用造形パターン１００全体の収縮率を計測することができる。その結果、電子銃８に入力する造形物データをこの収縮率に基づいて補正することで、造形寸法の正確性を向上させることができる。

このように、本例の評価用造形パターン１００を用いれば、造形した３次元造形装置１の性能を正確に評価することができる。

２．第２の実施の形態例
次に、図４を参照して第２の実施の形態例にかかる評価用造形パターンの構成について説明する。なお、第１の実施の形態例にかかる評価用造形パターン１００と共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図４は、第２の実施の形態例にかかる評価用造形パターンを示す平面図である。

図４に示す第２の実施の形態例にかかる評価用造形パターン１００Ｂは、ベース１０１の基準面１０２に複数の構造物１１０、１１１、１１２、１１３、１１４が形成されている。また、ベース１０１には、原点位置Ｑ１を示す原点マーク１２０と、各構造物１１１、１１２、１１３、１１４の基準点Ｑ２、Ｑ３を示す補助マーク１２１が形成されている。

この第２の実施の形態例にかかる評価用造形パターン１００Ｂでは、評価用基準線１３０が形成されていない。しかしながら、原点マーク１２０と、補助マーク１２１から原点位置Ｑ１と、各構造物１１１、１１２、１１３、１１４の基準点Ｑ２を計測し、原点位置Ｑ１と基準点Ｑ２間の間隔や、各基準点Ｑ２間の間隔を計測することで、評価用造形パターン１００Ｂ全体の収縮率を計測することができる。

その他の構成は、第１の実施の形態にかかる評価用造形パターン１００と同様であるため、それらの説明は省略する。この第２の実施の形態例にかかる評価用造形パターン１００Ｂによっても、上述した第１の実施の形態例にかかる評価用造形パターン１００と同様の作用効果を得ることができる。

なお、本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。

例えば、上述した実施の形態例では、粉末材料としてチタン、アルミニウム、鉄等の金属粉末を適用した例を説明したが、これに限定されるものではなく、粉末材料としては、樹脂等を用いてもよい。また、粉末材料を予熱や溶融させる加熱機構として電子ビームを照射する電子銃を適用した例を説明したが、これに限定されるものではない。加熱機構としては、例えば、レーザを照射するレーザ照射部を適用してもよい。

なお、本明細書において、「平行」及び「直交」等の単語を使用したが、これらは厳密な「平行」及び「直交」のみを意味するものではなく、「平行」及び「直交」を含み、さらにその機能を発揮し得る範囲にある、「略平行」や「略直交」の状態であってもよい。

１…３次元造形装置、 ４…ステージ、 １００、１００Ｂ…評価用造形パターン、 １０１…ベース、 １０２…基準面、 １１０…中心構造物、 １１１、１１２、１１３、１１４…構造物、 １２０…原点マーク、 １２１…補助マーク、 １３０…評価用基準線、 Ｑ１…原点位置、 Ｑ２、Ｑ３…基準点

Claims (7)

1. ３次元造形装置で造形されたベースと、
   前記ベースに形成された構造物と、
   前記構造物又は前記ベースの基準面に形成され、前記構造物の基準点を示す補助マークと、
   を有する３次元造形装置の評価用造形パターン。
2. 前記補助マークで示される前記基準点は、前記構造物の中心位置と一致する
   請求項１に記載の３次元造形装置の評価用造形パターン。
3. 前記補助マークは、前記ベースの基準面において前記構造物の外縁部に形成される
   請求項１又は２に記載の３次元造形装置の評価用造形パターン。
4. 前記補助マークは、前記構造物ごとに複数形成され、複数の前記補助マークの交点が前記構造物の基準点となる
   請求項１から３のいずれか１項に記載の３次元造形装置の評価用造形パターン。
5. 前記ベースには、所定の方向に沿って複数の目盛りが形成された評価用基準線が形成される
   請求項１から４のいずれか１項に記載の３次元造形装置の評価用造形パターン。
6. 前記ベースには、前記評価用造形パターンの原点位置を示す原点マークが形成される
   請求項１から５のいずれか１項に記載の３次元造形装置の評価用造形パターン。
7. 前記補助マークは、前記３次元造形装置を評価する評価装置によって認識可能な形状で形成される
   請求項１から６のいずれか１項に記載の３次元造形装置の評価用造形パターン。

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