JP2024072880A - Molding apparatus and molding method - Google Patents

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Abstract

【課題】加工精度の良好な三次元造形物を造形する。【解決手段】造形装置は、対象面TASを動かす移動システムと、移動システムにより移動可能な状態で対象面TASの位置情報を取得するための計測システムと、ビーム照射部520とビーム照射部520からのビームLBで照射される造形材料を供給する材料処理部530とを有するビーム造形システム500と、制御装置と、を備えている。制御装置は、対象面TASとビーム照射部520からのビームLBとを相対的に移動させつつ造形材料を供給することにより対象面TAS上の目標部位TAに造形が施されるように、造形対象の三次元造形物の3Dデータと、計測システムを使って取得された対象面TASの位置情報とに基づいて、移動システムとビーム造形システム500とを制御する。したがって、加工精度の良好な三次元造形物を造形することが可能になる。【選択図】図4[Problem] To form a three-dimensional object with good processing accuracy. [Solution] The modeling apparatus includes a moving system for moving a target surface TAS, a measuring system for acquiring position information of the target surface TAS while it is movable by the moving system, a beam modeling system 500 having a beam irradiation unit 520 and a material processing unit 530 for supplying modeling material to be irradiated with a beam LB from the beam irradiation unit 520, and a control device. The control device controls the moving system and the beam modeling system 500 based on 3D data of the three-dimensional object to be modeled and position information of the target surface TAS acquired using the measuring system so that modeling is performed on a target area TA on the target surface TAS by supplying modeling material while moving the target surface TAS and the beam LB from the beam irradiation unit 520 relatively. Therefore, it is possible to form a three-dimensional object with good processing accuracy. [Selected Figure] 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 specifically to a modeling apparatus and a modeling method for forming a three-dimensional 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 object by rapid prototyping (also called 3D printing, additive 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製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。 The technology to generate 3D (three-dimensional) shapes directly from CAD data is called rapid prototyping (sometimes called 3D printing, additive manufacturing, or direct digital manufacturing, but hereafter, rapid prototyping will be used as a general term), and has contributed to the production of prototypes with an extremely short lead time, mainly for the purpose of confirming the shape. When modeling devices that form three-dimensional objects by rapid prototyping, such as 3D printers, are classified according to the material they handle, they can be broadly divided into those that handle resin and those that handle metal. Unlike resin-made three-dimensional objects, metal three-dimensional objects produced by rapid prototyping are used exclusively as actual parts. In other words, they function not as prototype parts for shape confirmation, but as part of an actual mechanical structure (whether it is a mass-produced product or a prototype). There are two well-known types of existing metal 3D printers (hereafter, abbreviated as M3DP (Metal 3D Printer)): PBF (Powder Bed Fusion) and DED (Directed Energy Deposition).

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 PBF, sintered metal powder is thinly layered on a bed on which the workpiece is placed, and then a high-energy laser beam is scanned over it using a galvanometer mirror or similar device, melting and solidifying the areas where the beam hits. When drawing of one layer is complete, the bed is lowered by the thickness of one layer, and sintered metal powder is spread over that area again, and the same process is repeated. In this way, the desired three-dimensional shape is obtained by repeating the process of forming one layer at a time.

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。 Because of its manufacturing principle, PBF inherently has several problems, including (1) insufficient manufacturing precision of parts, (2) poor surface roughness of the finished product, (3) slow processing speed, and (4) cumbersome and time-consuming handling of sintered 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)。 DED uses a method in which molten metal material is attached to the workpiece. For example, powdered metal is sprayed near the focal point of a laser beam focused by a condenser lens. The powdered metal is then melted and liquefied by the laser irradiation. If the workpiece is located near the focal point, the liquefied metal adheres to the workpiece, cools, and solidifies again. This focal point becomes a kind of pen tip, and "lines with thickness" can be drawn one after another on the surface of the workpiece. The desired shape is created by appropriately moving one of the workpiece and the processing head (laser, powder spray 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, with DED, powder material is sprayed from the processing head only in the amount required when needed, so there is no waste and there is no need to process in the midst of large amounts of excess 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 mentioned above, DED has been improved compared to PBF in terms of handling the powdered metal used as raw material, but there are still many areas that need improvement.

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。 In light of this, there is a strong demand for improvements in the convenience of machine tools used to create three-dimensional objects, and ultimately, improvements in the economic rationality of manufacturing.

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、前記対象面を動かす移動システムと、前記移動システムにより移動可能な状態で前記対象面の位置情報を取得するための計測システムと、ビームを射出するビーム照射部と、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的に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べき三次元造形物の3Dデータと、前記計測システムを使って取得された前記対象面の位置情報とに基づいて、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、を備える造形装置が、提供される。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a modeling device for forming a three-dimensional object on a target surface, the modeling device comprising: a beam modeling system having a movement system for moving the target surface; a measurement system for acquiring position information of the target surface while movable by the movement system; a beam irradiation unit for emitting a beam; and a material processing unit for supplying modeling material to be irradiated with the beam from the beam irradiation unit; and a control device for controlling the movement system and the beam modeling system based on 3D data of a three-dimensional object to be formed on the target surface and position information of the target surface acquired using the measurement system so that a target portion on the target surface is modeled by supplying the modeling material from the material processing unit while moving the target surface and the beam from the beam irradiation unit relatively.

ここで、対象面は、造形の目標部位が設定される面である。 Here, the target surface is the surface on which the target part for modeling is set.

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。 This makes it possible to form three-dimensional objects 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、前記対象面の位置情報を計測することと、前記対象面上に形成すべき三次元造形物の3Dデータと、前記計測された前記対象面の位置情報とに基づいて、前記対象面とビームとを相対的に移動させつつ前記ビームで照射される造形材料を供給して前記対象面上の目標部位に造形を施すことと、を含む造形方法が、提供される。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a modeling method for forming a three-dimensional object on a target surface, the modeling method including measuring position information of the target surface, and, based on 3D data of the three-dimensional object to be formed on the target surface and the measured position information of the target surface, moving the target surface and the beam relatively to each other while supplying a modeling material to be irradiated by the beam to model a target portion on the target surface.

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。 This makes it possible to form three-dimensional objects 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。1 is a block diagram showing an overall configuration of a molding apparatus according to an 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。FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of a moving system together 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。FIG. 2 is a perspective view showing a moving system on which a workpiece is 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。FIG. 2 is a diagram showing the beam shaping system together with a table on which a workpiece is 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。FIG. 2 is a diagram showing an example of a configuration of a light source system that constitutes a part of a beam irradiation unit included in the beam shaping system. 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。1 is a diagram showing a state in which a parallel beam from a light source system is irradiated onto a mirror array, and the angle of incidence of the reflected beam from each of a plurality of mirror elements with respect to a focusing optical system is individually controlled. 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。1 shows a material processing section of a beam shaping system together with a focusing 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。4 is a diagram showing a plurality of supply ports formed in a nozzle of a material processing section and opening/closing members for opening and closing each of the plurality of supply ports. FIG. 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 diagram showing the relationship between the one-character region shown in FIG. 9A and the scanning 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。1 is a diagram showing an example of a beam irradiation area formed on a modeling surface. FIG. 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。2 is a block diagram showing input/output relationships of a control device that is a central component of a control system of the molding apparatus. FIG. テーブル上の計測装置の配置を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the arrangement of measuring devices on a table. 計測装置を構成する、テーブル内部に配置された構成部分を、計測部材とともに示す図である。FIG. 2 is a diagram showing components that configure the measuring device and are arranged inside a table, together with a measuring member. 図14(A)は、集光光学系の後側焦点面におけるビームの強度分布を計測する際の光学配置を示す図、図14(B)は、瞳面におけるビームの強度分布を計測する際の光学配置を示す図である。FIG. 14(A) is a diagram showing the optical arrangement when measuring the intensity distribution of a beam on the rear focal plane of the focusing optical system, and FIG. 14(B) is a diagram showing the optical arrangement when measuring the intensity distribution of a beam on the pupil plane. 制御装置の一連の処理アルゴリズムに対応するフローチャートである。4 is a flowchart corresponding to a series of processing algorithms of the control device. 図16(A)及び図16(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。16A and 16B are diagrams for explaining one effect of the modeling apparatus according to the embodiment in comparison with the conventional technology. 造形面におけるビームの強度分布を計測するための計測装置の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a measurement device for measuring the intensity distribution of a beam on a modeling surface. 図18(A)及び図18(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。18A and 18B are diagrams for explaining an example in which the thickness of the coating layer is increased by slightly increasing the width of the single character region.

以下、一実施形態について、図1~図18(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。 One embodiment will be described below with reference to Figs. 1 to 18(B). Fig. 1 shows a block diagram of the overall configuration of a molding device 100 according to one 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 device 100 is a DED type M3DP. The modeling device 100 can be used to form a three-dimensional object on a table 12 (described later) by rapid prototyping, but can also be used to perform additional processing on a workpiece (e.g., an existing part) by three-dimensional modeling. In this embodiment, the explanation focuses on the latter case of performing additional processing on a workpiece. In actual manufacturing sites, it is common for parts created using a different manufacturing method, using a different material, or using a different machine tool to be further processed repeatedly to create the desired part, and the requirements for additional processing using three-dimensional modeling are potentially the same.

造形装置100は、移動システム200、搬送システム300、計測システム400及びビーム造形システム500の4つのシステムと、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、搬送システム300と、計測システム400と、ビーム造形システム500とは、所定方向に関して互いに離れて配置されている。以下の説明では、便宜上、搬送システム300と、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)に関して互いに離れて配置されているものとする。 The modeling apparatus 100 includes four systems, a moving system 200, a transport system 300, a measurement system 400, and a beam modeling system 500, and a control device 600 that includes these systems and controls the modeling apparatus 100 as a whole. Of these, the transport system 300, the measurement system 400, and the beam modeling system 500 are arranged at a distance from each other in a predetermined direction. In the following description, for the sake of convenience, the transport system 300, the measurement system 400, and the beam modeling system 500 are assumed to be arranged at a distance from each other in the X-axis direction (see FIG. 2) described below.

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。 Figure 2 shows a schematic configuration of the moving system 200 together with the measurement system 400. Figure 3 shows a perspective view of the moving system 200 with the workpiece W mounted thereon. In the following description, the left-right direction on the paper in Figure 2 is the Y-axis direction, the direction perpendicular to the paper is the X-axis direction, the direction perpendicular to the X-axis and Y-axis is the Z-axis direction, and the directions of rotation (tilt) around the X-axis, Y-axis, and Z-axis are the 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 attitude of the target surface TAS (here, the surface on which the target part TA on the workpiece W is set) to be modeled (see, for example, Figures 4 and 9(A)). Specifically, the position of the target surface in the six degrees of freedom is changed by driving the workpiece having the target surface and the table on which the workpiece is mounted, which will be described later, in six degrees of freedom directions (X-axis, Y-axis, Z-axis, θx, θy, and θz directions). In this specification, the positions of the table, workpiece, target surface, etc. in the three degrees of freedom directions, θx, θy, and θz directions, are collectively referred to as "attitudes" as appropriate, and the positions of the remaining three degrees of freedom directions (X-axis, Y-axis, and Z-axis directions) are collectively referred to as "positions" as 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 moving system 200 is equipped with a Stewart platform type six-degree-of-freedom parallel link mechanism as an example of a drive mechanism for changing the position and attitude of the table. Note that the moving system 200 is not limited to one that can drive the table in six 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。 The moving system 200 (excluding the stator of the planar motor described later) is placed on a base BS that is installed on a floor F so that its upper surface is approximately parallel to the XY plane, as shown in Fig. 2. As shown in Fig. 3, the moving system 200 has a slider 10 that is a regular hexagon in a plan view and constitutes a base platform, a table 12 that constitutes an end effector, six extendable rods (links) 14 1 to 14 6 that connect the slider 10 and the table 12, and telescopic mechanisms 16 1 to 16 6 (not shown in Fig. 3, see Fig. 11) that are provided on the rods 14 1 to 14 6 and extend or retract each of the rods. The moving system 200 is structured so that the movement of the table 12 can be controlled with six degrees of freedom in three-dimensional space by independently adjusting the lengths of the rods 14 1 to 14 6 with the telescopic mechanisms 16 1 to 16 6 . The moving system 200 is equipped with a Stewart platform type six-degree-of-freedom parallel link mechanism as a drive mechanism for the table 12, and is therefore characterized by high precision, 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 device 100 according to this embodiment, during additional processing of the workpiece, the position and orientation of the workpiece (table 12) are controlled by the beam modeling system 500, more specifically, the beam from the beam irradiation unit described below, in order to form a model of a desired shape on the workpiece. In principle, the beam from the beam irradiation unit may be movable, or both the beam and the workpiece (table) may be movable. As described below, the beam modeling system 500 has a complex configuration, so it is simpler 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。また、テーブル12には、図3に示される平面視円形の計測部材92を含む、計測装置110(図12、図13参照)が設けられている。計測装置110については、後に詳述する。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 shaped like an equilateral triangle with each apex cut off. The workpiece W to be processed is placed on the upper surface of the table 12. The table 12 is provided with a chuck mechanism 13 (not shown in FIG. 3, see FIG. 11) for fixing the workpiece W. The chuck mechanism 13 may be, for example, a mechanical chuck or a vacuum chuck. The table 12 is also provided with a measuring device 110 (see FIGS. 12 and 13) including a measuring member 92 that is circular in plan view as shown in FIG. 3. The measuring device 110 will be described in detail later. The shape of the table 12 is not limited to that shown in FIG. 3, and may be any shape, such as a rectangular plate or a disk.

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。 3, both ends of each of the rods 14 1 to 14 6 are connected to the slider 10 and the table 12 via universal joints 18. Rods 14 1 and 14 2 are connected to the vicinity of one vertex of a triangle of the table 12, and are arranged so that the slider 10 and the rods 14 1 and 14 2 roughly form a triangle. Similarly, rods 14 3 and 14 4 and rods 14 5 and 14 6 are connected to the vicinity of the remaining vertices of the triangle of the table 12, and are arranged so that the slider 10 and the rods 14 3 and 14 4 and the rods 14 5 and 14 6 roughly form a 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.sub.1 to 14.sub.6 has a first shaft member 20 and a second shaft member 22 that are relatively movable in their respective axial directions, as representatively shown for rod 14.sub.1 in FIG. 3, and one end (lower end) of the first shaft member 20 is attached to the slider 10 via a universal joint 18, and the other end (upper end) of the second shaft member 22 is attached to the table 12 via a universal joint.

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 cylindrical hollow section is formed inside the first shaft member 20, and a bellows-type air cylinder, for example, is housed at the lower end of this hollow section. A pneumatic circuit and an air pressure source (neither shown) are connected to this air cylinder. The internal pressure of the air cylinder is controlled by controlling the air pressure of the compressed air supplied from the air pressure source via the pneumatic circuit, thereby causing the piston of the air cylinder to reciprocate in the axial direction. In the air cylinder, the return stroke utilizes gravity acting on the piston when incorporated into a 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) consisting of multiple armature coils arranged in the axial direction is disposed at the upper end side of 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、磁極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. A small diameter portion having a smaller diameter than the other portions is formed at one end of the second shaft member 22, and a cylindrical movable member yoke made of a magnetic material is provided around this small diameter portion. A hollow cylindrical magnet body made of a plurality of permanent magnets of the same dimensions is provided on the outer periphery of the movable member yoke. In this case, a hollow cylindrical magnet unit is formed by the movable member yoke and the magnet body. In this embodiment, a shaft motor, which is a type of electromagnetic linear motor, is formed by the armature unit and the magnet unit. In the shaft motor configured in this manner, a sinusoidal driving current with a predetermined period and a predetermined amplitude is supplied to each coil of the armature unit, which is the stator, and the second shaft member 22 is driven axially relative to the first shaft member 20 by the Lorentz force (driving force) generated by electromagnetic interaction, which is a type of electromagnetic interaction between the magnetic pole unit and the armature unit.

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 this embodiment, the above-mentioned air cylinder and shaft motor are used to relatively drive the first shaft member 20 and the second shaft member 22 in the axial direction to form the aforementioned extension and contraction mechanisms 16-1 to 16-6 (see Figure 11), which extend and contract each of the rods 14-1 to 14-6 .

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 the mover of the shaft motor, is supported in a non-contact manner with respect to the armature unit, which is the stator, via an air pad provided on the inner circumferential 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。 3, absolute type linear encoders 241 to 246 are provided on the rods 141 to 146, respectively, for detecting the axial position of the second shaft member 22 relative to the first shaft member 20, and the outputs of these linear encoders 241 to 246 are supplied to the control device 600 (see FIG. 11 ). The axial position of the second shaft member 22 detected by the linear encoders 241 to 246 corresponds to the length of each of the rods 141 to 146 .

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。 The telescopic mechanisms 16-1 to 16-6 are controlled by a control device 600 based on the outputs of the linear encoders 24-1 to 24-6 (see FIG. 11). Details of the configuration of a parallel link mechanism similar to the movement system 200 of this embodiment are disclosed in, for example, U.S. Patent No. 6,940,582, and the control device 600 controls the position and attitude of the table 12 via the telescopic mechanisms 16-1 to 16-6 using inverse kinematics calculations in a manner similar to that disclosed in the above U.S. patent.

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 on the rods 14-1 to 14-6 respectively have air cylinders and shaft motors, which are a type of electromagnetic linear motor, arranged in series (or parallel) with each other, so that the control device 600 can drive the table 12 roughly and widely by pneumatic control of the air cylinders, and can move it finely and slightly by the shaft motor. As a result, it becomes possible to accurately control the position of the table 12 in six degrees of freedom (i.e., position and attitude) 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 air pads that support the magnet unit, which is the movable part of the shaft motor, without contacting the armature unit, which is the stator. This makes it possible to avoid friction, which becomes a nonlinear component when controlling the extension and retraction of the rods by the extension and retraction mechanism, and thereby makes it possible to control the position and attitude of the table 12 with even greater precision.

また、本実施形態では、伸縮機構161~166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 addition, in this embodiment, shaft motors are used as the electromagnetic linear motors that constitute the extension and contraction mechanisms 16-16-6 , and in these shaft motors, magnet units using cylindrical magnets on the movable member side are used, so that magnetic flux (magnetic field) is generated in all directions in the radial direction of the magnet, and this omnidirectional magnetic flux can be made to contribute to the generation of Lorentz force (driving force) due to electromagnetic interaction. For example, a significantly larger thrust can be generated compared to a normal linear motor, and it is easier to make it smaller than a hydraulic cylinder, etc.

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, the movement system 200, in which each rod includes a shaft motor, can simultaneously achieve small size and light weight while improving output, and can be suitably applied to the modeling device 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。 In addition, the control device 600 can suppress low-frequency vibrations by controlling the air pressure of the air cylinders that make up each of the extension and contraction mechanisms, and can isolate high-frequency vibrations by controlling the current to 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、並びに搬送システム300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、並びに搬送システム300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である。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). The bottom surface of the slider 10 is provided with a mover of the planar motor 26, which is made of a magnet unit (or a coil unit), and the base BS accommodates a stator of the planar motor 26, which is made of a coil unit (or a magnet unit). The bottom surface of the slider 10 is provided with a plurality of air bearings (hydrostatic air bearings) surrounding the mover, and the slider 10 is supported by the plurality of air bearings in a floating manner with a predetermined clearance (gap or gap) on the top surface (guide surface) of the base BS, which is finished to a high degree of flatness. The slider 10 is driven in the XY plane without contact with the top surface of the base BS by the electromagnetic force (Lorentz force) generated by the electromagnetic interaction between the stator and mover of the planar motor 26. In this embodiment, the moving system 200 can freely move the table 12 between the positions of the measurement system 400, the beam shaping system 500, and the transport system 300, as shown in FIG. 1. The moving system 200 may include a plurality of tables 12 on each of which a workpiece W is mounted. For example, while processing a workpiece held on one of the tables using the beam shaping system 500, measurement may be performed on a workpiece held on another table using the measurement system 400. Even in such a case, each table can be freely moved between the positions of the measurement system 400, the beam shaping system 500, and the transport system 300. Alternatively, when a table that holds a workpiece when measuring using the measurement system 400 and a table that holds a workpiece when processing using the beam shaping system 500 are provided, and a configuration is adopted in which the workpiece can be carried in and out of the two tables by a work transport 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 six degrees of freedom, and the position in the six 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 an air levitation type, and a magnetic levitation type planar motor may be used. In the latter case, there is no need to provide an air bearing on the slider 10. The planar motor 26 may be either a moving magnet type or a moving coil type.

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 at least one of the magnitude and direction of the current supplied to each coil of the coil unit that constitutes the planar motor 26, thereby allowing the slider 10 to be freely driven in two dimensions, X and Y, on the base BS.

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 this embodiment, the moving system 200 includes a position measurement system 28 (see FIG. 11) that measures position information of the slider 10 in the X-axis direction and the Y-axis direction. A two-dimensional absolute encoder can be used as the position measurement system 28. Specifically, a two-dimensional scale having a strip-shaped absolute code of a predetermined width over the entire length in the X-axis direction is provided on the upper surface of the base BS, and an X head and a Y head are provided on the bottom surface of the slider 10 corresponding to the two-dimensional scale, which are constituted by a light source such as a light-emitting element, 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, respectively, that receive reflected light from the two-dimensional scale illuminated by the light beam emitted from the light source. As the two-dimensional scale, for example, a non-reflective base material (reflectance 0%) is used in which a plurality of square reflective parts (marks) are two-dimensionally arranged at a constant period along two mutually orthogonal directions (X-axis direction and Y-axis direction), and the reflective characteristics (reflectance) of the reflective parts have gradations according to a predetermined rule. The two-dimensional absolute encoder may have a configuration similar to that of the two-dimensional absolute encoder disclosed in, for example, U.S. Patent Application Publication No. 2014/0070073. An absolute type two-dimensional encoder having a configuration similar to that of U.S. Patent Application Publication No. 2014/0070073 can measure two-dimensional position information with high accuracy equivalent to that of a conventional incremental encoder. Since it is an absolute encoder, it does not require origin detection, unlike an incremental encoder. The 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 described later, the measurement system 400 measures position information (shape information in this embodiment) of at least a part of the target surface (e.g., the upper surface) on the workpiece W mounted on the table 12 in a three-dimensional space, and additional processing (shaping) is performed on the workpiece W after the measurement. Therefore, when the control device 600 measures the shape information of at least a part of the target surface on the workpiece W, the control device 600 can associate the position and orientation of the target surface on the workpiece W mounted on the table 12 with the reference coordinate system (hereinafter referred to as the table coordinate system) of the molding device 100 by associating the measurement result with the measurement results of the linear encoders 24 1 to 24 6 provided on the rods 14 1 to 14 6 and the measurement result of the position measurement system 28 at the time of the measurement. As a result, it is possible to control the position of the target surface TAS on the workpiece W in the six degrees of freedom directions relative to the target value by open-loop control of the position of the table 12 in the six degrees of freedom directions based on the measurement results of the linear encoders 24 1 to 24 6 and the position measurement system 28. In this embodiment, absolute type encoders are used as the linear encoders 24 1 to 24 6 and the position measurement system 28, so resetting is easy since there is no need to return to the origin. Note that the position information in the above-mentioned three-dimensional space to be measured by the measurement system 400, which is used to enable position control in six degrees of freedom directions relative to target values of the target surface on the workpiece W by open-loop control of the position of the table 12 in the six degrees of freedom directions, is not limited to the shape, and three-dimensional position information of at least three points according to the shape of the target surface is sufficient.

なお、本実施形態では、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 this embodiment, the planar motor 26 is used as a drive device for driving the slider 10 in the XY plane. However, a linear motor may be used instead of the planar motor 26. In this case, instead of the two-dimensional absolute encoder described above, a position measurement system that measures the position information of the slider 10 may be configured using an absolute linear encoder. Also, the position measurement system that measures the position information of the slider 10 is not limited to an encoder, and may be configured using an interferometer system.

また、本実施形態では、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。 In addition, in this embodiment, the mechanism for driving the table is configured using a planar motor that drives the slider in the XY plane and a Stewart platform type six-degree-of-freedom parallel link mechanism in which the slider forms the base platform. However, the present invention is not limited to this, and the mechanism for driving the table may be configured using other types of parallel link mechanisms or mechanisms 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 on the slider in the Z-axis direction and in the tilt direction relative to the XY plane may be adopted. One example of such a Z-tilt drive mechanism is a mechanism that supports the table 12 from below at each apex position of a triangle via, for example, a universal joint or other joint, and has three actuators (such as voice coil motors) that can drive each support point independently in the Z-axis direction. However, the configuration of the mechanism for driving the table of the movement system 200 is not limited to these, and any configuration is sufficient as long as it can drive the table (movable member) on which the workpiece is placed in at least five degrees of freedom, including three degrees of freedom in the XY plane, the Z-axis direction, and the inclination direction relative to the XY plane, and does not have to include a slider that moves within the XY plane. For example, the movement system may be composed of a table and a robot that drives the table. In either configuration, resetting can be made easier by configuring the measurement system that measures the position of the table using a combination of an absolute type linear encoder, or a combination of the linear encoder and an absolute type rotary encoder.

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 five degrees of freedom, i.e., three degrees of freedom in the XY plane, the Z-axis direction, and the tilt direction (θx or θy) relative to the XY plane, may be used. In this case, the table 12 itself may be supported (non-contact supported) by air levitation or magnetic levitation via a predetermined clearance (gap or space) on the upper surface of a support member such as the base BS. When such a configuration is adopted, the table moves without contacting the member supporting it, which is extremely advantageous in terms of positioning accuracy and contributes greatly to improving the molding 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 example the shape, to associate the position and orientation of the workpiece mounted on the table 12 with the table coordinate system. As shown in FIG. 2, the measurement system 400 includes a laser non-contact three-dimensional measuring machine 401. The three-dimensional measuring machine 401 includes a frame 30 installed on a base BS, a head unit 32 attached to the frame 30, a Z-axis guide 34 attached to the head unit 32, a rotation mechanism 36 provided at 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 consists of 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 unit 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 drives the sensor unit 38 to rotate continuously (or in predetermined angular steps) around a rotation axis parallel to the Z axis within a predetermined angle range (e.g., a range of 90 degrees (π/2) or 180 degrees (π)) relative to the head unit 32 (Z-axis guide 34). In this embodiment, the rotation axis of the sensor unit 38 rotated by the rotation mechanism 36 coincides with the central axis of a line of light irradiated from an irradiation unit (described later) that constitutes the sensor unit 38. The rotation angle of the sensor unit 38 rotated by the rotation mechanism 36 from a reference position (or the position of the sensor unit in the θz direction) from the reference position is measured by a rotation angle sensor 48 (not shown in FIG. 2, see FIG. 11), such as a rotary encoder.

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 mainly composed of an irradiation unit 50 that irradiates a line of light for optical cutting onto a test object (workpiece W in FIG. 2) placed on the table 12, and a detection unit 52 that detects the surface of the test object on which an optical cutting surface (line) appears as a result of the line of light being irradiated. In addition, a calculation processing unit 54 that determines the shape of the test object based on image data detected by the detection unit 52 is connected to the sensor unit 38. In this embodiment, the calculation processing unit 54 is included in a control device 600 that provides overall control of each component of the molding device 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 is composed of a cylindrical lens (not shown) and a slit plate having a thin strip-shaped notch, and generates a fan-shaped line light 50a by receiving illumination light from a light source. As the light source, an LED, a laser light source, or an SLD (super luminescent diode), etc. can be used. When an LED is used, the light source can be formed inexpensively. In addition, when a laser light source is used, since it is a point light source, it is possible to create a line light with little aberration, and since it has excellent wavelength stability and a small half-width, and a filter with a small half-width can be used to cut stray light, the influence of disturbance can be reduced. In addition, when an SLD is used, in addition to the characteristics of the laser light source, the coherence is lower than that of laser light, so the occurrence of speckles on the surface of the test object can be suppressed. The detection unit 52 is for imaging the line light 50a projected on the surface of the test object (workpiece W) from a direction different from the light irradiation direction of the irradiation unit 50. In addition, the detection unit 52 is composed of an imaging lens, a CCD, etc. (not shown), and is configured to image the test object (workpiece W) every time the line light 50a is scanned at a predetermined interval by moving the table 12 as described later. The positions of the irradiation unit 50 and the detection unit 52 are determined so that the direction of incidence of the line light 50a on the surface of the test object (workpiece W) to the detection unit 52 and the light irradiation direction of the irradiation unit 50 form a predetermined angle θ. In this embodiment, the predetermined angle θ is set to, for example, 45 degrees.

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50a)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。 Image data of the test object (workpiece W) captured by the detection unit 52 is sent to the calculation processing unit 54, where a predetermined image calculation process is performed to calculate the height of the surface of the test object (workpiece W) and obtain the three-dimensional shape (surface shape) of the test object (workpiece W). The calculation processing unit 54 calculates the height of the test object (workpiece W) surface from a reference plane for each pixel in the longitudinal direction along which the light section (line) (line light 50a) extends using the principle of triangulation based on the position information of the light section (line) of the line light 50a deformed in accordance with the unevenness of the test object (workpiece W) in the image of the test object (workpiece W), and performs calculation processing to obtain the three-dimensional shape of the test object (workpiece W).

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 this embodiment, the control device 600 moves the table 12 in a direction approximately perpendicular to the longitudinal direction of the line light 50a projected on the test object (workpiece W), thereby causing the line light 50a to scan the surface of the test object (workpiece W). The control device 600 detects the rotation angle of the sensor unit 38 by the rotation angle sensor 48, and moves the table 12 in a direction approximately perpendicular to the longitudinal direction of the line light 50a based on the detection result. In this manner, in this embodiment, the table 12 is moved when measuring the shape of the test object (workpiece W), and therefore, as a prerequisite, when the table 12 holds the workpiece W and moves below the sensor unit 38 of the measurement system 400, the position and attitude (position in the six degrees of freedom direction) of the table 12 are always set to a predetermined reference state. The reference state is, for example, a state in which the rods 14.sub.1 to 14.sub.6 are all at a length equivalent to the neutral point of the extension stroke range (or the minimum length), and at this time, the positions of the table 12 in the Z axis, θx, θy, and θz directions (Z, θx, θy, θz)=(Z.sub.0, 0 , 0, 0).In addition, in this reference state, the position (X, Y) of the table 12 in the XY plane coincides with the X, 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-mentioned measurement of the test object (workpiece W) is started, and the position of the table 12 in the six degrees of freedom directions, including during this measurement, is managed on the table coordinate system by the control device 600. That is, the control device 600 controls the planar motor 26 based on the measurement information of the position measurement system 28, and also controls the extension mechanisms 16-1 to 16-6 based on the measurement values of the linear encoders 24-1 to 24-6 , thereby controlling the position of the table 12 in the six degrees of freedom directions.

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。 When using the light cutting method as in the three-dimensional measuring machine 401 according to this embodiment, it is desirable to arrange the line light 50a irradiated from the irradiation unit 50 of the sensor unit 38 to the test object (workpiece W) in a direction perpendicular to the relative movement direction between the sensor unit 38 and the table 12 (test object (workpiece W)). For example, in FIG. 2, when the relative movement direction between the sensor unit 38 and the test object (workpiece W) is set to the Y-axis direction, it is desirable to arrange the line light 50a along the X-axis direction. This is because, during measurement, relative movement with respect to the test object (workpiece W) can be performed effectively using the entire area of the line light 50a, and the shape of the test object (workpiece W) can be optimally measured. A rotation mechanism 36 is provided so that the direction of the line light 50a and the above-mentioned relative movement direction can always be perpendicular 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 above-mentioned three-dimensional measuring machine 401 is configured in the same manner as the shape measuring machine disclosed in, for example, US Patent Application Publication No. 2012/0105867. However, the difference is that the scanning of the test object with the line light in a direction parallel to the X-Y plane is performed by moving the sensor unit in the machine described in US Patent Application Publication No. 2012/0105867, whereas the scanning is performed by moving the table 12 in this embodiment. Note that in this embodiment, when scanning the test object with the line light in a direction parallel to the Z-axis, either the Z-axis guide 34 or the table 12 may be driven.

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 device 401 according to this embodiment, a light-section method is used to project a line-shaped projection pattern consisting of a single line of light onto the surface of the test object, and each time the line-shaped projection pattern is scanned across the entire surface of the test object, the line-shaped projection pattern projected onto the test object is imaged from an angle different from the projection direction. Then, from the image of the test object surface that has been imaged, the height of the test object surface from a reference plane is calculated for each pixel in the longitudinal direction of the line-shaped projection pattern using the principle of triangulation or the like, and the three-dimensional shape of the test object surface is obtained.

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, a device having a similar configuration to the optical probe disclosed in U.S. Patent No. 7,009,717 can be used as a three-dimensional measuring device constituting the measurement system 400. This optical probe is composed of two or more optical groups and includes two or more viewing directions and two or more projection directions. One optical group includes one or more viewing directions and one or more projection directions, at least one viewing direction and at least one projection direction differs between the optical groups, and data obtained by a viewing direction is generated only by a pattern projected by the projection direction of the same optical group.

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。 Instead of the above-mentioned three-dimensional measuring machine 401, or in addition to the above-mentioned three-dimensional measuring machine, the measurement system 400 may be equipped with a mark detection system 56 (see FIG. 11) that optically detects alignment marks. The mark detection system 56 can detect, for example, alignment marks formed on a workpiece. The control device 600 calculates the position and attitude 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. Such a mark detection system 56 can be configured to include, for example, a stereo camera. 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 this embodiment, the control device 600 uses the three-dimensional measuring device 401 to scan the surface (target surface) of the workpiece W as described above and obtains the surface shape data. The control device 600 then performs least squares processing using the surface shape data to associate the three-dimensional position and orientation of the target surface on the workpiece with the table coordinate system. Here, the position of the table 12 in the six degrees of freedom directions, including during the above-mentioned measurement of the test object (workpiece W), is managed on the table coordinate system by the control device 600. Therefore, after the three-dimensional position and orientation of the workpiece are associated with the table coordinate system, all control of the position (i.e., position and orientation) of the workpiece W in the six degrees of freedom directions, including during additional processing by three-dimensional modeling, can be performed by open-loop control of the table 12 according to the table coordinate system.

本実施形態の計測システム400は、付加加工開始前のワーク等の位置計測に加え、付加加工後の部品(ワーク)の形状検査にも用いられるが、これについては、後述する。 The measurement system 400 of this embodiment is used not only to measure the position of a workpiece before additional processing begins, but also to inspect the shape of a part (workpiece) after additional processing, as will be described later.

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。 In FIG. 4, the beam shaping system 500 is shown 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, and is equipped with a beam irradiation unit 520 that emits a beam, a material processing unit 530 that supplies powdered shaping material, and a water shower nozzle 540 (not shown in FIG. 4, see FIG. 11). Note that the beam shaping system 500 does not necessarily have to 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 arranged on the exit side of the light guide fiber 62, and 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 comprises a housing 68 and a plurality of laser units 70 housed inside the housing 68 and arranged in a matrix in parallel to one another. The laser units 70 can be light source units such as various lasers that perform pulsed or continuous wave oscillation, for example, carbon dioxide lasers, Nd:YAG lasers, fiber lasers, or GaN-based semiconductor lasers.

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 formed by randomly bundling a large number of optical fiber strands, and has a number of entrances 62a individually connected to the emission ends of the laser units 70, and an emission section 62b having a number of emission outlets greater than the number of entrances 62a. The light guide fiber 62 receives a number of laser beams (hereinafter abbreviated as "beams") emitted from each of the laser units 70 through each entrance 62a, distributes the beams to a number of emission outlets, and emits at least a portion of each laser beam from a common emission outlet. In this way, the light guide fiber 62 mixes and emits the beams emitted from each of the laser units 70. This allows the total output to be increased according to the number of laser units 70 compared to the case of using a single laser unit. However, if a sufficient output can be obtained with a single laser unit, it is not necessary to use multiple laser units.

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。 The exit section 62b has a cross-sectional shape similar to the overall shape of the entrance end of the first fly-eye lens system that constitutes the entrance end of the double fly-eye optical system 64 described below, and the exit ports are arranged approximately evenly within the cross section. Therefore, the light guide fiber 62 also serves as a shaping optical system that shapes the beam mixed as described above so that it is similar to the overall shape of the entrance 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 intended to uniformize the cross-sectional intensity distribution of the beam (illumination light), and is composed of a first fly's eye lens system 72, a lens system 74, and a second fly's eye lens system 76, which are arranged in sequence on the beam path (optical path) of the laser beam behind the light guide fiber 62. An aperture is provided around the second fly's 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 entrance surface of the first fly-eye lens system 72 and the entrance surface of the second fly-eye lens system 76 are set optically conjugate to each other. Also , the exit side focal plane of the first fly-eye lens system 72 (where a surface light source described later is formed), the exit side focal plane of the second fly-eye lens system 76 (where a surface light source described later is formed), and the pupil plane (entrance pupil) PP of the focusing optical system described later are set optically conjugate to each other. In this embodiment, the pupil plane (entrance pupil) PP of the focusing optical system 82 coincides with the front focal plane (see, for example, Figures 4, 6, 7, etc.).

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 enters the first fly-eye lens system 72 of the double fly-eye optical system 64. As a result, a surface light source, i.e. a secondary light source consisting of a large number of light source images (point light sources), is formed on the exit focal plane of the first fly-eye lens system 72. The laser light from each of these many point light sources enters the second fly-eye lens system 76 via the lens system 74. As a result, a surface light source (tertiary light source) in which a large number of tiny light source images are uniformly distributed within an area of a predetermined shape is formed on the exit focal plane of the second fly-eye lens system 76.

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 outputs the laser light emitted from the tertiary light source as a beam with 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。 By optimizing the area of the entrance end of the second fly-eye lens system 76, the focal length of the condenser lens system 66, and other factors, the beam emitted from the condenser lens system 66 can be considered a parallel beam.

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 this embodiment includes an illuminance homogenizing optical system that includes a light guide fiber 62, a double fly's eye optical system 64, and a condenser lens system 66. Using this illuminance homogenizing optical system, the beams emitted from the multiple laser units 70 are mixed to generate a parallel beam with a homogenized 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。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 homogenizing optical system is not limited to the above-mentioned configuration. The illuminance homogenizing optical system may be configured using a rod integrator, a collimator lens system, etc.

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(図11参照)、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 a control device 600 (see FIG. 11), and the control device 600 individually controls the on/off of the multiple laser units 70 that make up the light source unit 60. This adjusts the amount of light (laser output) of the laser beam irradiated from the beam irradiation section 520 to the workpiece W (upper target surface).

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, the beam irradiation unit 520 includes a light source system 510, a beam cross-sectional intensity conversion optical system 78 and a mirror array 80, which is a type of spatial light modulator (SLM), sequentially arranged on the optical path of the parallel beam from the light source system 510 (condenser lens system 66), and a focusing optical system 82 that focuses the light from the mirror array 80. Here, a spatial light modulator is a general term for an element that spatially modulates the amplitude (intensity), phase, or polarization state of light traveling in a specified 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 intensity distribution of the cross section of the parallel beam from the light source system 510 (condenser lens system 66). In this embodiment, the beam cross-sectional 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 area including the center of the cross section is almost zero. In this embodiment, the beam cross-sectional intensity conversion optical system 78 is composed of, for example, a convex conical reflector and a concave conical reflector arranged sequentially on the optical path of the parallel beam from the light source system 510. The convex conical reflector has a conical reflecting surface on the outer circumferential surface on the light source system 510 side, and the concave conical reflector is made of an annular member whose inner diameter is larger than the outer diameter of the convex conical reflector, and has a reflecting surface facing the reflecting surface of the convex conical reflector on its inner circumferential surface. In this case, when viewed in any cross section passing through the center of the concave conical reflector, the reflecting surface of the convex conical reflector and the reflecting surface of the concave conical reflector are parallel. Therefore, the parallel beam from the light source system 510 is radially reflected by the reflecting surface of the convex conical reflector, and this reflected beam is then reflected by the reflecting surface of the concave conical reflector, converting it into an annular parallel beam.

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 this embodiment, the parallel beam that has passed through the beam cross-sectional intensity conversion optical system 78 is irradiated onto the workpiece via the mirror array 80 and the focusing optical system 82, as described below. 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, it is possible to change the intensity distribution of the beam incident on the pupil plane (entrance pupil) PP of the focusing optical system 82 from the mirror array 80. In addition, 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, it is also possible to change the intensity distribution of the beam emitted from the focusing optical system 82 at the exit surface of the focusing optical system 82.

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 conical reflector and a concave conical reflector, but may be configured using a combination of a diffractive optical element, an afocal lens, and a conical axicon system, as disclosed in U.S. Patent Application Publication No. 2008/0030852. The beam cross-sectional intensity conversion optical system 78 may be configured in various ways as long as it converts the cross-sectional intensity distribution of the beam. Depending on the configuration of the beam cross-sectional intensity conversion optical system 78, it is possible to make the intensity of the collimated beam from the light source system 510 in the area including the center of the cross-section not nearly zero, but smaller than the intensity in the area outside the center.

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 has a base member 80A having a surface (hereinafter, for convenience, referred to as a reference surface) that forms an angle of 45 degrees (π/4) with the XY plane and the XZ plane, 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 surface of the base member 80A, and a drive unit 87 (not shown in FIG. 4, see FIG. 11) including M actuators (not shown) that individually drive each mirror element 81 p, q. The mirror array 80 can substantially form a large reflecting surface parallel to the reference surface by adjusting the inclination of the many 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 81p ,q of the mirror array 80 is configured to be rotatable around a rotation axis parallel to one diagonal of each mirror element 81p ,q , and the inclination angle of the reflecting surface with respect to a reference plane can be set to any angle within a predetermined angle range. The angle of the reflecting surface of each mirror element is measured by a sensor that detects the rotation angle of the rotation axis, for example, a rotary encoder 83p,q (not shown in FIG. 4, see 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 driving unit 87 includes, for example, an electromagnet or a voice coil motor as an actuator, and the individual mirror elements 81 p, q are driven by the actuator and operate with extremely 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 multiple mirror elements constituting the mirror array 80, each of the mirror elements 81p ,q illuminated by the annular parallel beam from the light source system 510 emits a reflected beam (parallel beam) in a direction corresponding to the inclination angle of its reflecting surface, and causes the reflected beam to be incident on the light collecting optical system 82 (see FIG. 6). Note that in this embodiment, the reason for using the mirror array 80 and the reason for causing the annular parallel beam to be incident on the mirror array 80 will be described later, but it is not necessarily required to have an annular shape, and the cross-sectional shape (cross-sectional intensity distribution) of the parallel beam incident on the mirror array 80 may be made different from the annular shape, and 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 focusing optical system 82 is an optical system with a high NA, for example, 0.5 or more, preferably 0.6 or more, and low aberration. The focusing optical system 82 has a large aperture, low aberration, and high NA, so it can focus multiple parallel beams from the mirror array 80 on the rear focal plane. Details will be described later, but the beam irradiation unit 520 can focus the beam emitted from the focusing optical system 82, for example, in a spot shape or a slit shape. In addition, since the focusing optical system 82 is composed of one or more large-diameter lenses (one large-diameter lens is representatively illustrated in FIG. 4, etc.), the area of the incident light can be increased, and thus a larger amount of light energy can be taken in than when a focusing optical system with a small numerical aperture N.A. is used. Therefore, the beam focused by the focusing optical system 82 according to this embodiment is extremely sharp and has a high energy density, which directly leads to improved processing accuracy in additional processing by molding.

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 described later, the table 12 is moved in a scanning direction parallel to the XY plane (in FIG. 4, the Y-axis direction is an example), and the beam and the workpiece W having the target surface TAS at the upper end are scanned relative to each other in the scanning direction (scanning direction) to perform modeling (processing). It goes without saying that during modeling, the table 12 may be moved in at least one of the X-axis direction, Z-axis direction, θx direction, θy direction, and θz direction while the table 12 is moving in the Y-axis direction. Also, as described later, the powdered 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 focusing optical system 82 is increased, the energy of the beam emitted from the focusing optical system 82 is increased, and the amount of metal that can be melted per unit time is increased. If the supply amount of modeling material and the speed of the table 12 are increased accordingly, 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-mentioned method, in reality, the scanning operation of the table 12 cannot be made infinitely fast, so that a throughput that fully utilizes the laser power cannot be realized. In order to solve this problem, in the molding device 100 of this embodiment, as described later, a slit-shaped beam irradiation area (hereinafter referred to as a single character area (see symbol LS in FIG. 9B)) is formed on the surface (hereinafter referred to as a molding surface) MP (see, for example, FIGS. 4 and 9A) to which the target surface TAS of the molding should be aligned, and molding (processing) can be performed while scanning the workpiece W relative to the beam (hereinafter referred to as a single character beam) that forms the single character area LS in a direction perpendicular to its longitudinal direction. This makes it possible to process a much larger area (for example, an area several times to several tens of times larger) at once compared to the case of scanning the workpiece with a spot-shaped beam. As described below, in this embodiment, the above-mentioned printing surface MP is the rear focal plane of the focusing optical system 82 (see, for example, Figures 4 and 9(A)), but the printing surface may be a surface in the vicinity of the rear focal plane. Also, in this embodiment, the printing surface MP is perpendicular to the optical axis AX on the exit side of the focusing optical system 82, but it does not have to 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(入射方向)に、適切な角度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。 As a method for setting or changing the intensity distribution of the beam on the printing surface MP (for example, a method for forming a single character region as described above), for example, a method for controlling the incidence angle distribution of multiple parallel beams entering the focusing optical system 82 can be adopted. In a lens system that focuses parallel light to a single point, such as the focusing optical system 82 of this embodiment, the focusing position at the rear focal plane (focusing surface) is determined by the incidence angle of the parallel beam LB (see, for example, Figures 4 and 6) at the pupil plane (entrance pupil) PP. Here, the angle of incidence is determined from: a. the angle α (0≦α<90 degrees (π/2)) that the collimated beam incident on the pupil plane PP of the focusing optical system 82 makes with an axis parallel to the optical axis AX of the focusing optical system 82; and b. the angle β (0≦β<360 degrees (2π)) with respect to a reference axis (e.g., X-axis (X≧0)) on the two-dimensional orthogonal coordinate system (X, Y) of the orthogonal projection onto the pupil plane PP (XY coordinate plane) of the collimated beam incident on the pupil plane PP when a two-dimensional orthogonal coordinate system (X, Y) orthogonal to the optical axis (AX) is set on the pupil plane with a point on the optical axis (AX) as the origin. For example, a beam incident perpendicularly (parallel to the optical axis) on the pupil plane PP of the focusing optical system 82 will be projected on the optical axis AX with respect to the focusing optical system 82 (optical axis AX). A beam that is slightly tilted relative to the axis AX is focused at a position slightly shifted from the optical axis AX. By utilizing this relationship, when the parallel beam from the light source system 510 is reflected and made incident on the focusing optical system 82, the incident angle (incident direction) of the multiple parallel beams LB incident on the pupil plane PP of the focusing optical system 82 can be appropriately distributed, thereby arbitrarily changing at least one of the beam intensity distribution within the printing surface MP, for example, the position, number, size, and shape of the irradiation area on the printing surface. Therefore, for example, a one-character area, a three-row area, a missing one-character area, etc. (see FIG. 10) can be easily formed, and it is also easy to form a spot-shaped irradiation area.

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 the present embodiment, the focusing optical system 82 is configured so that its pupil plane (entrance pupil) PP coincides with the front focal plane, so that the focusing position of the multiple parallel beams LB can be accurately and easily controlled by changing the angle of incidence of the multiple parallel beams LB using the mirror array 80. However, the pupil plane (entrance pupil) of the focusing optical system 82 does not have to coincide with the front focal plane.

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 area formed on the modeling surface are not variable, a solid mirror of the desired shape can be used to control the angle of incidence of a single parallel beam incident on the pupil plane of the focusing optical system 82, thereby changing the position of the irradiation area.

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 (shaping) on a workpiece, the area of the target surface where the target part of the shaping is set is not always a flat surface. In other words, it is not always possible to perform relative scanning with a single character beam. In the vicinity of the contour edge of the workpiece or the boundary between the solid area and the hollow area, the boundary is slanted, narrow, or has an R, making it difficult to apply relative scanning with a single character beam. For example, it is difficult to fill such an area with a wide brush, so a narrow brush or a thin pencil is required accordingly, so it is desirable to be able to freely use a brush and a thin pencil in real time and continuously. Similarly, in the vicinity of the contour edge of the workpiece or the boundary between the solid area and the hollow area, there is a demand to change the width of the beam irradiation area in the scanning direction (relative movement direction), or to change the size (for example, the length of the single character beam), number, or position (position of the beam irradiation point) of the irradiation area.

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 this embodiment, a mirror array 80 is adopted, and the control device 600 controls the incidence angles of the multiple parallel beams LB incident on the pupil plane PP of the focusing optical system 82 by operating each mirror element 81 p,q with very high response. This sets or changes the intensity distribution of the beam on the printing surface MP. In this case, the control device 600 can change at least one of the intensity distribution of the beam on the printing surface MP, for example, the shape, size, and number of the irradiation area of the beam, during the relative movement between the beam and the target surface TAS (a surface on which the target part TA of the printing is set, which is a surface on the workpiece W in this embodiment). In this case, the control device 600 can continuously or intermittently change the intensity distribution of the beam on the printing surface MP. For example, it is also possible to continuously or intermittently change the width of the one-character area in the relative movement direction during the relative movement between the beam and the target surface TAS. The control device 600 can also change the intensity distribution of the beam on the printing 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 printing surface MP according to the required printing 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。 Furthermore, in this embodiment, the control device 600 detects the state of each mirror element (here, the tilt angle of the reflective surface) using the rotary encoders 83 p, q described above, thereby monitoring the state of each mirror element in real time, so that the tilt angle of the reflective 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 Figure 7, the material processing section 530 has a nozzle unit 84 having a nozzle member (hereinafter abbreviated as nozzle) 84a provided below the emission surface of the focusing optical system 82, a material supply device 86 connected to the nozzle unit 84 via piping 90a, and multiple, for example two, powder cartridges 88A, 88B each connected to the material supply device 86 via piping. Figure 7 shows the portion below the focusing optical system 82 in Figure 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 includes a nozzle 84a extending in the X-axis direction below the focusing optical system 82 and having at least one supply port for supplying the powdered modeling material, and a pair of support members 84b, 84c that support both longitudinal ends of the nozzle 84a and have their upper ends connected to the housing of the focusing optical system 82. One end (lower end) of the material supply device 86 is connected to one support member 84b via a pipe 90a, and a supply path that connects the pipe 90a and the nozzle 84a is formed inside. In this embodiment, the nozzle 84a is disposed directly below the optical axis of the focusing optical system 82, and a plurality of supply ports, which will be described later, are provided on the lower surface (bottom surface). Note that the nozzle 84a does not necessarily need to be disposed on the optical axis of the focusing optical system 82, and may be disposed at a position slightly 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。 Pipes 90b and 90c are connected to the other end (upper end) of the material supply device 86 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. One of the powder cartridges, 88A, contains powder of a first modeling material (e.g., titanium). The other powder cartridge, 88B, contains powder of a second modeling material (e.g., 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 this embodiment, the modeling device 100 is equipped with two powder cartridges to supply two types of modeling materials to the material supply device 86, but the modeling device 100 may be equipped with only 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 be made to have the function of forcibly supplying powder to each of the powder cartridges 88A and 88B, but in this embodiment, the material supply device 86 has the function of switching between the pipes 90b and 90c, as well as the function of sucking powder from one of the powder cartridges 88A and 88B using a vacuum. The material supply device 86 is connected to the control device 600 (see FIG. 11). During modeling, the control device 600 switches between the pipes 90b and 90c using the material supply device 86, and the powder of the first modeling material (e.g. titanium) from the powder cartridge 88A and the powder of the second modeling material (e.g. stainless steel) from the powder cartridge 88B are alternatively supplied to the material supply device 86, and the powder of one of the modeling materials is supplied to the nozzle 84a from the material supply device 86 via the pipe 90a. In addition, by changing the configuration of the material supply device 86, if necessary, the first modeling material from the powder cartridge 88A and the second modeling material from the powder cartridge 88B can be simultaneously supplied to the material supply device 86, and a mixture of the two modeling materials can be supplied to the nozzle 84a via the pipe 90a. In addition, a nozzle connectable to the powder cartridge 88A and another nozzle connectable to the powder cartridge 88B can be provided below the focusing optical system 82, and powder can be supplied from either one of the nozzles or from both nozzles during modeling.

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。 The control device 600 can also adjust the amount of modeling material supplied per unit time from the powder cartridges 88A and 88B to the nozzle 84a via the material supply device 86. 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 amount of modeling material supplied per unit time to the nozzle 84a via the material supply device 86 can be adjusted. For example, by adjusting the level of vacuum used to supply powder from the powder cartridges 88A and 88B to the material supply device 86, the amount of modeling material supplied per unit time to the nozzle 84a can be adjusted. Alternatively, a valve that adjusts the amount of powder supplied from the material supply device 86 to the pipe 90a can be provided to adjust the amount of modeling material supplied per unit time 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, in reality, a plurality of, for example, N supply ports 91 i (i=1 to N) are formed at equal intervals in the X-axis direction on the lower surface (bottom surface) of the nozzle 84a as shown in FIG. 8, and each supply port 91 i can be opened and closed individually by an opening and closing member 93 i . Note that in FIG. 8, for convenience of illustration, 12 supply ports 91 i are shown as an example, and both are shown so that the relationship between the supply ports and the opening and 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, as long as the supply ports are arranged over almost the entire length of the nozzle 84a in the longitudinal direction, any number of supply ports may be used. For example, the supply port may be a single slit-shaped opening over almost the entire length of the nozzle 84a in the longitudinal direction.

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。 The opening/closing member 93 i can be slidably driven in the +Y direction and the −Y direction, as representatively shown by the arrows for the k-th opening/closing member 93 k in Fig. 8, and opens and closes the supply port 91 i . The opening/closing member 93 i is not limited to being slidably driven, and may be configured to be rotatable in the tilt direction around one end.

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 controls the opening and closing of each of the multiple, for example, N, supply ports 91 i using each opening/closing member 93 i in accordance with the setting (or change) of the intensity distribution of the beam on the modeling surface, for example, the shape, size, arrangement, etc. of the irradiation area of the beam formed on the modeling surface. This controls the supply operation of the modeling material by the material processing unit 530. In this case, at least one supply port of the multiple supply ports 91 i is selected by the control device 600, and only the opening/closing member 93 i closing the selected at least one supply port is controlled to open, for example, driven in the -Y direction. Therefore, in this embodiment, the modeling material can be supplied from only a part of the multiple, 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 can also adjust the supply amount of the modeling material per unit time from the supply port 91 i opened and closed by the opening and closing member 93 i by at least one of controlling the supply amount per unit time of the modeling material supplied to the nozzle 84 a via the material supply device 86 described above and controlling the opening and closing using the optional opening and closing member 93 i . The control device 600 determines the supply amount of the modeling material per unit time from any supply port 91 i according to the setting (or change) of the intensity distribution of the beam on the modeling surface, for example, the shape, size, arrangement, etc. of the irradiation area of the beam formed on the modeling surface. The control device 600 determines the supply amount per unit time from each supply port 91 i based on, for example, the width of the above-mentioned single character area in the scanning direction.

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。 The opening degree of each supply port 91 i may be adjustable by each opening/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 in accordance with, for example, the width of the one-character region in the scanning direction.

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 powdered modeling material may be movable. For example, a single slit-shaped supply port extending in the X-axis direction may be formed on the underside of the nozzle 84a, and the nozzle 84a may be configured to be movable, for example, in at least one of the X-axis and Y-axis directions relative to the pair of support members 84b, 84c, and the control device 600 may move the nozzle 84a with the supply port formed on the underside in response to changes in the intensity distribution of the beam on the modeling surface, i.e., changes in the shape, size, and position of the beam irradiation area. Note that the nozzle 84a may also 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 may be composed of a main body and at least two movable members that can move relative to the main body in at least one of the X-axis and Y-axis directions within the XY plane, for example, and have a supply port formed on their bottom surfaces, and at least a portion of the movable members may be moved by the control device 600 in response to changes in the intensity distribution of the beam on the printing surface. In this case, at least a portion of the movable members may also 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。 Furthermore, one of the multiple supply ports may be configured to be movable relative to another supply port. Alternatively, for example, the position of the one supply port in the Y-axis direction may be different from the position of the other 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。 The movement of at least one supply port may be performed not only in accordance with the setting or change of the beam intensity distribution, but also 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 multiple supply ports 91 i provided in the nozzle 84a are arranged at equal intervals over the entire length of the nozzle 84a in the X-axis direction perpendicular to the optical axis of the focusing optical system 82, and there is only a small gap between adjacent supply ports 91 i . Therefore, as shown by the black arrows in FIG. 9A, if the powdered modeling material PD is supplied directly below from each of the multiple supply ports 91 i of the nozzle 84a along the Z-axis direction parallel to the optical axis AX of the focusing optical system 82, the modeling material PD will be supplied to the above-mentioned one-character region LS (the irradiation region of the one-character beam) directly below the optical axis AX of the focusing optical system 82. In this case, the modeling material PD can be supplied from the nozzle 84a by utilizing the weight of the modeling material PD itself or by ejection with a slight ejection pressure. Therefore, there is no need for a complex mechanism such as a gas flow generating mechanism for guiding the supply of the modeling material, as in the case of supplying the modeling material from an oblique direction to the target surface of the modeling. Furthermore, being able to supply the modeling material perpendicularly to the workpiece at close range as in this embodiment is extremely advantageous in terms of ensuring processing accuracy during modeling.

なお、ノズル84aにガス供給口を設けても良い。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。 The nozzle 84a may be provided with a gas supply port. The gas supplied from the gas supply port may be supplied to guide the supply of the modeling material, or may be supplied for another purpose, such as a gas that contributes to 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 this embodiment, since an annular parallel beam is irradiated onto the mirror array 80, the reflected beam from the mirror array 80 is incident on a partial area (a partial area with a large N.A.) near the periphery of the focusing optical system 82, and is condensed onto the forming surface MP of the focusing optical system 82 (which coincides with the rear focal plane of the focusing optical system 82 in this embodiment) via the peripheral area away from the optical axis of the terminal lens located at the exit end of the focusing optical system 82, i.e., the exit end of the beam irradiation unit 520 (see FIG. 4). That is, for example, a single character beam is formed only by the light passing through the portion near the periphery of the same focusing optical system 82. Therefore, it is possible to form a high-quality beam spot compared to the case where light passing through separate optical systems is condensed onto the same area to form a beam spot (laser spot). In addition, in this embodiment, it is possible to limit the irradiation of the beam to the nozzle 84a provided below the center of the exit surface (lower end surface) of the focusing optical system 82. For this reason, in this embodiment, all of the reflected beams from the mirror array 80 can be used to form spots, and there is no need to provide a light-shielding member or the like to limit the beam from being irradiated onto the nozzle 84a in the portion of the light-collecting optical system 82 that corresponds to the nozzle 84a on the incident surface side. For these reasons, 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 focusing optical system 82 needs to have an optical surface formed at least in an area away from the optical axis of the exit side surface, and be able to focus the beam on the modeling surface (rear focal plane) via the optical surface. Therefore, in the area including the optical axis, at least one of the exit surface and the entrance surface of this optical member may be a plane perpendicular to the optical axis of the focusing optical system 82, or a hole may be formed in the area including the optical axis. The optical member located at the exit end of the focusing optical system 82 may be configured using a donut-shaped focusing lens with a hole in the central area 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 focusing optical system 82, a limiting member 85 shown by a two-dot chain line in FIG. 7 may be provided on the entrance surface side (e.g., pupil plane PP) of the focusing optical system 82. The limiting member 85 limits the beam from the focusing optical system 82 from entering the nozzle 84a. The limiting member 85 may be a light-shielding member, but may also be a neutral density filter or the like. In such a case, the parallel beam incident on the focusing optical system 82 may be a parallel beam with a circular cross section or a parallel beam with an annular cross section. In the latter case, the beam is not irradiated on the limiting member 85, so that all of the reflected beams from the mirror array 80 can be used to form a spot.

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 necessary to completely block the beam entering the nozzle 84a from the focusing optical system 82, but in order to prevent the beam from the focusing optical system 82 from entering the nozzle 84a, the beam may be emitted only from separate peripheral regions (e.g., two arc regions) on both sides of the optical axis in the Y-axis direction on the exit surface of the terminal lens of the focusing optical system 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 in so-called hardening. The water shower nozzle 540 has a supply port for supplying a cooling liquid (cooling water) and sprays the cooling liquid onto the object to be cooled. The water shower nozzle 540 is connected to the control device 600 (see FIG. 11). During hardening, 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 hardening. The control device 600 can perform hardening by irradiating the surface of the workpiece with a beam to heat it to a high temperature, and then spraying the cooling liquid onto the high-temperature part through the water shower nozzle 540 to rapidly cool it. In this case, it is also possible to perform the hardening process simultaneously with additional processing on the workpiece by three-dimensional modeling. When performing the hardening process simultaneously with additional processing, it is desirable to use a metal with good hardenability as the 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。 In this embodiment, during additional processing of the workpiece, as shown in FIG. 4 and FIG. 9A which shows an enlarged view of the circle A in FIG. 4, a beam (shown as beams LB1 1 and LB1 2 for convenience in FIG. 9A) that passes through the vicinity of the peripheral portion of the focusing optical system 82 and passes through the optical path on the + Y side and -Y side (front and rear of the scanning direction of the workpiece W (table 12 )) of the nozzle 84a is focused directly below the nozzle 84a, and a single character area LS having a longitudinal direction in the X-axis direction (direction perpendicular to the paper surface in FIG. 9A) is formed on the forming surface (see FIG. 9B), and a powdered forming material PD is supplied to the single character beam that forms the single character area LS along the Z-axis parallel to the optical axis AX of the focusing optical system 82 (along the XZ plane including the optical axis AX) via a plurality of supply ports 91 i of the nozzle 84a. As a result, a linear molten pool WP extending in the X-axis direction is formed directly below the nozzle 84a. The formation of the molten pool WP is performed while scanning the table 12 in the scan direction (+Y direction in FIG. 9A ). This makes it possible to form a bead (molten and solidified metal) BE of a predetermined width that spans the length of the longitudinal direction (X-axis direction) of the single character beam (molten pool WP).

この場合において、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の相対移動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。 In this case, for example, if the angle of incidence of the parallel beams LB incident on the focusing optical system 82 is adjusted so that the width of the single character beam in the X-axis direction, the width of the single character beam in the Y-axis direction, or both, gradually narrows without reducing the number of parallel beams LB incident on the focusing optical system 82, the beam focusing density (energy density) increases. Therefore, by increasing the supply amount of powder (molding material) per unit time and increasing the relative movement speed of the target surface TAS accordingly, it is possible to keep the thickness of the layer of the bead BE formed constant and maintain a high level of throughput. However, this adjustment method is not limited to this, and other adjustment methods can be used to keep the thickness of the layer of the bead BE formed constant. For example, the laser output (energy amount of the laser beam) of at least one of the multiple laser units 70 may be adjusted according to the width of the single character beam in the X-axis direction, the width of the Y-axis direction, or both widths, or the number of parallel beams LB incident on the focusing optical system 82 from the mirror array 80 may be changed. In this case, the throughput is somewhat lower than in the above-mentioned adjustment method, but the adjustment is simple.

本実施形態に係る造形装置100には、集光光学系82からのビームを受けて計測処理を行う計測装置110が設けられている。例えば、計測装置110は、集光光学系82からのビームを受光して、ビームの光学特性などを計測可能である。本実施形態では、計測装置110は、ビームの強度分布を管理するために、用いられる。本実施形態では、計測装置110は、集光光学系82の後側焦点面(本実施形態では、造形面MPと一致)におけるビームの強度分布と、集光光学系82の瞳面PP(本実施形態は前側焦点面と一致)におけるビームの強度分布を計測する。 The modeling apparatus 100 according to this embodiment is provided with a measuring device 110 that receives the beam from the focusing optical system 82 and performs measurement processing. For example, the measuring device 110 can receive the beam from the focusing optical system 82 and measure the optical characteristics of the beam. In this embodiment, the measuring device 110 is used to manage the intensity distribution of the beam. In this embodiment, the measuring device 110 measures the intensity distribution of the beam at the rear focal plane of the focusing optical system 82 (which coincides with the modeling surface MP in this embodiment) and the intensity distribution of the beam at the pupil plane PP of the focusing optical system 82 (which coincides with the front focal plane in this embodiment).

計測装置110は、図12に示されるように、テーブル12の上面の一部を構成する計測部材92と、テーブル12の内部に収容された残りの構成部分とを有している。 As shown in FIG. 12, the measuring device 110 has a measuring member 92 that forms part of the upper surface of the table 12, and the remaining components are housed inside the table 12.

図13には、計測装置110の一部であり、テーブル12内部に配置された構成部分が、計測部材92とともに斜視図にて示されている。図13に示されるように、計測装置110は、計測部材92と、第1光学系94と、光学系ユニット95と、受光器96とを備えている。 In FIG. 13, a part of the measuring device 110, which is a component arranged inside the table 12, is shown in a perspective view together with the measuring member 92. As shown in FIG. 13, the measuring device 110 includes the measuring member 92, a first optical system 94, an optical system unit 95, and a light receiver 96.

計測部材92は、上面がテーブル12の残りの部分と面一(同一面)となる状態で、テーブル12の上面に形成された円形開口内に配置されている。計測部材92は、集光光学系82からのビームを透過可能な、例えば石英などで形成された基材を有し、その基材の表面には、クロム等の金属の蒸着により反射膜を兼ねる遮光膜が形成されており、その遮光膜の中央部に、円形の開口92aが形成されている。したがって、計測部材92の上面は、遮光膜の表面と開口92a内の基材表面とを含む。なお、遮光膜は、非常に薄く形成されており、以下の説明では、遮光膜の表面と開口92a内の基材表面とは同一面内に位置するとみなして説明する。また、遮光膜を形成しなくても良いが、遮光膜を形成することによって、計測の際に、フレアなどの影響を抑制する効果を期待できる。 The measuring member 92 is placed in a circular opening formed on the top surface of the table 12 with its top surface being flush (on the same plane) with the rest of the table 12. The measuring member 92 has a base material made of, for example, quartz, which is capable of transmitting the beam from the focusing optical system 82, and a light-shielding film that also serves as a reflective film is formed on the surface of the base material by deposition of a metal such as chromium, and a circular opening 92a is formed in the center of the light-shielding film. Therefore, the top surface of the measuring member 92 includes the surface of the light-shielding film and the base material surface in the opening 92a. Note that the light-shielding film is formed very thin, and in the following description, the surface of the light-shielding film and the base material surface in the opening 92a are assumed to be located in the same plane. In addition, it is not necessary to form a light-shielding film, but by forming a light-shielding film, it is expected that the effect of suppressing the influence of flare, etc. during measurement can be suppressed.

第1光学系94は、計測部材92の下方に配置されている。計測部材92の開口92aを介したビームは、第1光学系94に入射する。なお、本実施形態において、第1光学系94は、コリメータ光学系であるが、コリメータ光学系でなくても良い。 The first optical system 94 is disposed below the measurement member 92. The beam passing through the opening 92a of the measurement member 92 is incident on the first optical system 94. Note that in this embodiment, the first optical system 94 is a collimator optical system, but it does not have to be a collimator optical system.

光学系ユニット95は、中心に回転軸101aが設けられた円形の回転板101を有している。回転板101には、回転軸101aを中心として所定角度間隔で開口部97とレンズ(第2光学系)98とが配置されている。回転軸101aの回転、すなわち回転板101の回転により、開口部97とレンズ98とのいずれかを、第1光学系94を介した光の光路上(光軸AX1に対応する位置)に、選択的に配置可能となっている。回転軸101aの回転は、制御装置600の指示の下、駆動装置102(図13では不図示、図11参照)によって行われる。 The optical system unit 95 has a circular rotating plate 101 with a rotating shaft 101a at its center. An opening 97 and a lens (second optical system) 98 are arranged on the rotating plate 101 at a predetermined angular interval centered on the rotating shaft 101a. By rotating the rotating shaft 101a, i.e., by rotating the rotating plate 101, either the opening 97 or the lens 98 can be selectively positioned on the optical path of the light passing through the first optical system 94 (at a position corresponding to the optical axis AX1). The rotation of the rotating shaft 101a is performed by a driving device 102 (not shown in FIG. 13, see FIG. 11) under the command of the control device 600.

開口部97は、第1光学系94から射出された平行光をそのまま通過させる。この開口部97を、集光光学系82を介したビームの光路上に配置するとともに、第1光学系94、又は第1光学系94を構成する少なくとも1つの光学素子を動かすことにより、受光器96では、集光光学系82の瞳面(入射瞳)PP(本実施形態では前側焦点面に一致)におけるビームの強度分布を計測することが可能となる。なお、計測装置110は、集光光学系82の瞳面(入射瞳)PPの強度分布を計測できなくても良い。この場合、レンズ98は固定であっても良い。 The opening 97 allows the parallel light emitted from the first optical system 94 to pass through as is. By arranging this opening 97 on the optical path of the beam passing through the focusing optical system 82 and moving the first optical system 94 or at least one optical element that constitutes the first optical system 94, the receiver 96 can measure the intensity distribution of the beam at the pupil plane (entrance pupil) PP of the focusing optical system 82 (which coincides with the front focal plane in this embodiment). Note that the measurement device 110 does not need to be able to measure the intensity distribution at the pupil plane (entrance pupil) PP of the focusing optical system 82. In this case, the lens 98 may be fixed.

レンズ98は、第1光学系94とともにリレー光学系を構成し、開口92aが形成された計測部材92の上面と受光器96の受光素子(後述)の受光面とを光学的に共役にする。 The lens 98, together with the first optical system 94, constitutes a relay optical system, and optically conjugates the upper surface of the measuring member 92 in which the opening 92a is formed with the light receiving surface of the light receiving element (described below) of the receiver 96.

受光器96は、2次元CCD等から成る受光素子(以下、「CCD」と呼ぶ)96aと、例えば電荷転送制御回路等の電気回路96bと、を有している。なお、受光素子96aとしてCMOSイメージセンサを用いても良いことは言うまでもない。受光器96の受光結果(受光データ)は制御装置600に出力される(図11参照)。CCD96aは、開口92aを介して第1光学系94に入射し、第1光学系94から射出され開口部97を通過する平行光のすべてを受光するのに十分な面積を有している。また、CCD96aの受光面は、第1光学系94とレンズ98とによって構成されるリレー光学系によって計測部材92の上面(開口92aの形成面)と光学的に共役である。また、CCD96aの各画素は、上述のリレー光学系を介して収束されるビームの照射領域内に複数の画素が含まれるサイズを有している。CCD96aには、1つ又は複数の基準画素が定められており、その基準画素とテーブル12の基準点、例えば中心点との位置関係は既知である。したがって、制御装置600は、受光器96の出力から、CCD96aに入射するビームと基準画素との位置関係を知ることができ、テーブル座標系内におけるビームの位置情報(例えば、ビームの集光位置情報)を取得することができる。 The light receiver 96 has a light receiving element (hereinafter referred to as "CCD") 96a consisting of a two-dimensional CCD or the like, and an electric circuit 96b such as a charge transfer control circuit. It goes without saying that a CMOS image sensor may be used as the light receiving element 96a. The light receiving result (light receiving data) of the light receiver 96 is output to the control device 600 (see FIG. 11). The CCD 96a has an area sufficient to receive all the parallel light that enters the first optical system 94 through the opening 92a, exits from the first optical system 94, and passes through the opening 97. In addition, the light receiving surface of the CCD 96a is optically conjugate with the upper surface (the surface on which the opening 92a is formed) of the measuring member 92 by the relay optical system consisting of the first optical system 94 and the lens 98. In addition, each pixel of the CCD 96a has a size that includes multiple pixels within the irradiation area of the beam converged through the above-mentioned relay optical system. One or more reference pixels are defined in the CCD 96a, and the positional relationship between the reference pixel and a reference point, such as the center point, of the table 12 is known. Therefore, the control device 600 can know the positional relationship between the beam incident on the CCD 96a and the reference pixel from the output of the photoreceiver 96, and can obtain position information of the beam in the table coordinate system (for example, information on the focused position of the beam).

なお、CCD96aの受光面は、計測部材92の上面(基材表面)が集光光学系82の後側焦点面(造形面MP)に一致し、かつ開口部97が、開口92a及び第1光学系94を介したビームの光路上に配置されている状態では、集光光学系82の瞳面と共役である。 The light receiving surface of the CCD 96a is conjugate with the pupil plane of the focusing optical system 82 when the upper surface (substrate surface) of the measuring member 92 coincides with the rear focal plane (printing surface MP) of the focusing optical system 82 and the opening 97 is positioned on the optical path of the beam passing through the opening 92a and the first optical system 94.

また、開口部97の代わりに、光学系(光学部材)を回転板101に配置して、CCD96aの受光面と集光光学系82の瞳面とを共役にしても良い。また、計測の際に、計測部材92の上面を集光光学系82の後側焦点面から光軸AX方向にずらした位置に配置しても良い。 In addition, instead of the opening 97, an optical system (optical member) may be placed on the rotating plate 101 to conjugate the light receiving surface of the CCD 96a with the pupil plane of the focusing optical system 82. In addition, during measurement, the upper surface of the measurement member 92 may be positioned at a position shifted in the optical axis AX direction from the rear focal plane of the focusing optical system 82.

また、光学系ユニット95は、上述のものに限られない。例えば、回転板101を使わずに、例えば可動部材でレンズ98を保持して、その可動部材を光軸に垂直方向に(例えばX軸方向に沿って)移動することによってレンズ98を挿脱しても良い。 Furthermore, the optical system unit 95 is not limited to the one described above. For example, instead of using the rotating plate 101, the lens 98 may be held by a movable member, and the lens 98 may be inserted or removed by moving the movable member in a direction perpendicular to the optical axis (for example, along the X-axis direction).

上述の説明から明らかなように、本実施形態では、計測部材92を含む計測装置110が6自由度方向に自在に移動可能なテーブル12に設けられているので、計測装置110の受光部として機能する計測部材92は、集光光学系82の射出面側の光軸AXに平行なZ軸方向、光軸AXに垂直なX軸、Y軸方向の少なくとも一方向に移動しながら、集光光学系82からのビームを受光可能である。 As is clear from the above description, in this embodiment, the measuring device 110 including the measuring member 92 is mounted on a table 12 that is freely movable in six degrees of freedom. Therefore, the measuring member 92 that functions as the light receiving unit of the measuring device 110 can receive the beam from the focusing optical system 82 while moving in at least one of the directions of the Z axis parallel to the optical axis AX on the exit surface side of the focusing optical system 82, the X axis perpendicular to the optical axis AX, and the Y axis.

集光光学系82の後側焦点面におけるビームの強度分布の計測は、例えば次のようにして行われる。 The measurement of the beam intensity distribution at the rear focal plane of the focusing optical system 82 is performed, for example, as follows.

制御装置600は、まず、位置計測系28及びリニアエンコーダ24~24の計測値に基づいて、平面モータ26及び伸縮機構16~16を、既知の目標値(設計情報など)に基づいて制御してテーブル12を移動し、計測部材92の開口92aを、集光光学系82の光軸AX上の位置に位置決めする。 The control device 600 first controls the planar motor 26 and the telescopic mechanisms 16-1 to 16-6 based on known target values (such as design information) to move the table 12 and position the opening 92a of the measurement member 92 at a position on the optical axis AX of the focusing optical system 82, based on the measurement values of the position measurement system 28 and the linear encoders 24-1 to 24-6.

また、制御装置600は、駆動装置102を介して回転板101を回転し、レンズ98を、開口92a及び第1光学系94を介したビームの光路上に配置する。そして、この状態で、レンズ98によってCCD96aの受光面上に収束されるビームの受光結果である受光データ(LRD1とする、図11参照)に基づいて、集光光学系82の後側焦点面におけるビームの強度分布を計測する。 The control device 600 also rotates the rotating plate 101 via the driving device 102, and positions the lens 98 on the optical path of the beam passing through the opening 92a and the first optical system 94. In this state, the control device 600 measures the intensity distribution of the beam at the rear focal plane of the focusing optical system 82 based on the light reception data (LRD1, see FIG. 11) which is the result of receiving the beam converged by the lens 98 on the light receiving surface of the CCD 96a.

図14(A)には、集光光学系82の後側焦点面におけるビームの強度分布を計測する際の光学配置が、計測装置110の光軸AX1及び集光光学系82の光軸AXに沿って展開して示されている(但し、集光光学系82より上流側の部分は図示を省略)。このとき、ミラーアレイ80の各ミラー素子81p,qの反射面は、後側焦点面において所望のビームの強度分布(ビームの照射領域の形状、大きさ、配置等)が得られるような設計上の角度に設定されているものとする。 14A shows an optical arrangement for measuring the beam intensity distribution on the rear focal plane of the focusing optical system 82, developed along the optical axis AX1 of the measuring device 110 and the optical axis AX of the focusing optical system 82 (however, the portion upstream of the focusing optical system 82 is not shown). At this time, the reflecting surfaces of the mirror elements 81p, 81q of the mirror array 80 are set at a design angle that provides a desired beam intensity distribution (shape, size, arrangement, etc. of the beam irradiation area) on the rear focal plane.

図14(A)に示される光学配置において、制御装置600が光源ユニット60の少なくとも1つのレーザユニット70からレーザビームを発振させ、光源系510から平行ビームが射出されると、その平行ビームは、ミラーアレイ80の複数のミラー素子81p,qによってそれぞれ反射され、複数の平行ビームとなって集光光学系82に入射する。集光光学系82に入射した複数の平行ビームは、集光光学系82により後側焦点面に集光され、該後側焦点面又はその近傍に位置する開口92aに入射する。 14A, when the control device 600 causes at least one laser unit 70 of the light source unit 60 to emit a laser beam and a parallel beam is emitted from the light source system 510, the parallel beam is reflected by each of the multiple mirror elements 81p , q of the mirror array 80, and becomes multiple parallel beams that enter the focusing optical system 82. The multiple parallel beams that enter the focusing optical system 82 are focused on the rear focal plane by the focusing optical system 82, and enter an opening 92a located on or near the rear focal plane.

開口92aを通過した光は、第1光学系94及びレンズ98から成るリレー光学系によって、計測部材92の光学的な共役面すなわちCCD96aの受光面上で集光される。したがって、CCD96aの受光面の強度分布は、計測部材92の上面内におけるビームの強度分布となる。CCD96aにより、その強度分布を有するビームが受光され、光電変換されて得られる受光データLRD1が受光器96(電気回路96b)から制御装置600に送信される(図11参照)。 The light passing through the opening 92a is focused on the optically conjugate surface of the measuring member 92, i.e., the light receiving surface of the CCD 96a, by a relay optical system consisting of the first optical system 94 and the lens 98. Therefore, the intensity distribution on the light receiving surface of the CCD 96a becomes the intensity distribution of the beam on the upper surface of the measuring member 92. The beam having this intensity distribution is received by the CCD 96a, and the light receiving data LRD1 obtained by photoelectric conversion is transmitted from the light receiver 96 (electrical circuit 96b) to the control device 600 (see FIG. 11).

そこで、制御装置600は、リニアエンコーダ24~24の計測値に基づいて伸縮機構16~16を介してテーブル12をZ軸方向にステップ移動しつつ、上記受光データLRD1の取り込みを行い、その取り込んだ受光データLRD1に基づいて、例えばCCD96aの受光面に形成されるビームの照射領域の面積が最小となるZ軸方向の位置を見つける。CCD96aの受光面に形成されるビームの照射領域の面積が最小となるのは、計測部材92の上面が、集光光学系82の後側焦点面に一致して、開口92a内に最もシャープなビームの照射領域が形成されるときである。したがって、制御装置600は、受光器96からの受光データLRD1に基づき、ビームを受光した画素の数が最も少なくなるテーブル12のZ位置を、計測部材92の上面と後側焦点面とが一致しているZ位置と判断することができる。本実施形態では、後側焦点面を造形面MPとしているので、制御装置600は、そのZ位置における受光データLRD1に基づいて、造形面MPにおけるビームの強度分布(ビームの照射領域の形状、大きさ、配置等)を求めることができる。造形面MPにおけるビームの強度分布(ビームの照射領域の形状、大きさ、配置等)が所望状態と異なる場合、制御装置600は、例えばミラーアレイ80の複数のミラー素子81p,qの少なくとも一部の角度を調整し、造形面MPにおけるビームの強度分布を所望状態に調整する。 Therefore, the control device 600 takes in the light receiving data LRD1 while stepping the table 12 in the Z-axis direction via the extension and contraction mechanisms 16-1-16-6 based on the measurement values of the linear encoders 24-1-24-6 , and finds, for example, a position in the Z-axis direction at which the area of the irradiation region of the beam formed on the light receiving surface of the CCD 96a is smallest based on the taken in light receiving data LRD1. The area of the irradiation region of the beam formed on the light receiving surface of the CCD 96a is smallest when the upper surface of the measuring member 92 coincides with the rear focal plane of the focusing optical system 82 and the sharpest irradiation region of the beam is formed within the opening 92a. Therefore, based on the light receiving data LRD1 from the light receiver 96, the control device 600 can determine that the Z position of the table 12 at which the number of pixels receiving the beam is smallest is the Z position at which the upper surface of the measuring member 92 coincides with the rear focal plane. In this embodiment, since the rear focal plane is the printing surface MP, the control device 600 can obtain the beam intensity distribution (shape, size, arrangement, etc. of the beam irradiation area) on the printing surface MP based on the light receiving data LRD1 at the Z position. If the beam intensity distribution (shape, size, arrangement, etc. of the beam irradiation area) on the printing surface MP is different from a desired state, the control device 600 adjusts the angles of at least a part of the multiple mirror elements 81p ,q of the mirror array 80, for example, to adjust the beam intensity distribution on the printing surface MP to a desired state.

また、計測部材92の上面と後側焦点面とが一致している状態での、CCD96aの受光面におけるビームの強度分布と1つ、又は複数の基準画素との位置関係から、造形面MP(集光光学系82の後側焦点面)におけるビームの照射領域の、テーブル座標系上の位置などを求めることができる。 In addition, when the upper surface of the measuring member 92 and the rear focal plane are aligned, the position of the beam irradiation area on the printing surface MP (the rear focal plane of the focusing optical system 82) on the table coordinate system can be calculated from the positional relationship between the beam intensity distribution on the light receiving surface of the CCD 96a and one or more reference pixels.

なお、集光光学系82の後側焦点面のZ位置が既知であり、そのZ位置が変化していないと判断できる場合には、Z軸方向のステップ移動をしなくても良い。 Note that if the Z position of the rear focal plane of the focusing optical system 82 is known and it can be determined that the Z position has not changed, there is no need to perform step movement in the Z axis direction.

本実施形態では、制御装置600は、上述の造形面MPにおけるビームの強度分布(ビームの照射領域の形状、大きさ、配置等)の計測を行った後に、次に説明する集光光学系82の瞳面(入射瞳)PPにおけるビームの強度分布の計測を行う。 In this embodiment, the control device 600 measures the beam intensity distribution (shape, size, arrangement, etc. of the beam irradiation area) on the above-mentioned printing surface MP, and then measures the beam intensity distribution on the pupil plane (entrance pupil) PP of the focusing optical system 82, which will be described next.

集光光学系82の瞳面(入射瞳)PP(本実施形態では前側焦点面に一致)おけるビームの強度分布の計測は、例えば次のようにして行われる。 The measurement of the beam intensity distribution at the pupil plane (entrance pupil) PP of the focusing optical system 82 (which coincides with the front focal plane in this embodiment) is performed, for example, as follows.

上述した造形面MPにおけるビームの強度分布(ビームの照射領域の形状、大きさ、配置等)の計測の終了後、制御装置600は、計測部材92の上面(開口92aの形成面)が集光光学系82の光軸AX上の位置であって造形面MPと同一高さとなる位置に、テーブル12の位置を、維持したまま、駆動装置102を介して回転板101を回転し、開口部97を、開口92a及び第1光学系94を介したビームの光路上に配置する。そして、この状態で、瞳面PPにおけるビームの強度分布の計測を行う。 After completing the measurement of the beam intensity distribution (shape, size, arrangement, etc. of the beam irradiation area) on the printing surface MP described above, the control device 600 rotates the rotating plate 101 via the drive device 102 while maintaining the position of the table 12 so that the upper surface of the measurement member 92 (the formation surface of the opening 92a) is on the optical axis AX of the focusing optical system 82 and at the same height as the printing surface MP, and positions the opening 97 on the optical path of the beam via the opening 92a and the first optical system 94. Then, in this state, the beam intensity distribution on the pupil plane PP is measured.

図14(B)には、瞳面PPにおけるビームの強度分布計測が行われる際の光学配置が、計測装置110の光軸AX1及び集光光学系82の光軸AXに沿って展開して示されている(但し、集光光学系82より上流側の部分は図示を省略)。図14(B)に示されるように、この状態では、ビームの光路上には、開口部97が配置されているため、第1光学系94を介した平行光は、そのまま受光器96を構成するCCD96aに入射する。この場合、CCD96aの受光面は、集光光学系82の瞳面PPと共役な位置に配置されているとみなすことができ、その瞳面PPにおけるビームの強度分布に対応する光束を受光することが可能となる。そこで、制御装置600は、受光器96の受光データ(LRD2とする、図11参照)を取り込み、その受光データLRD2に基づいて瞳面PPにおけるビームの強度分布を求める。そして、その求めた強度分布のデータをメモリに記憶する。 14B shows the optical arrangement when the intensity distribution of the beam on the pupil plane PP is measured, developed along the optical axis AX1 of the measuring device 110 and the optical axis AX of the focusing optical system 82 (however, the portion upstream of the focusing optical system 82 is not shown). As shown in FIG. 14B, in this state, an opening 97 is arranged on the optical path of the beam, so that the parallel light through the first optical system 94 is directly incident on the CCD 96a constituting the light receiver 96. In this case, the light receiving surface of the CCD 96a can be considered to be arranged in a position conjugate with the pupil plane PP of the focusing optical system 82, and it is possible to receive a light beam corresponding to the intensity distribution of the beam on the pupil plane PP. Therefore, the control device 600 takes in the light receiving data (LRD2, see FIG. 11) of the light receiver 96 and obtains the intensity distribution of the beam on the pupil plane PP based on the light receiving data LRD2. Then, the obtained intensity distribution data is stored in a memory.

制御装置600は、瞳面PPにおけるビームの強度分布に基づいて、例えばミラーアレイ80の複数のミラー素子81p,qの少なくとも一部の角度を調整することができる。 The control device 600 can adjust, for example, the angles of at least a portion of the multiple mirror elements 81 p, q of the mirror array 80 based on the intensity distribution of the beam on the pupil plane PP.

なお、制御装置600は、瞳面PPにおけるビームの強度分布の計測を、造形面MPにおけるビームの強度分布を計測する度に行っても良いが、造形面MPにおけるビームの強度分布計測を所定回数行う度に1回の頻度で行っても良い。 The control device 600 may measure the beam intensity distribution at the pupil plane PP each time it measures the beam intensity distribution at the printing surface MP, or it may measure the beam intensity distribution at the printing surface MP once a predetermined number of times.

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。 Figure 11 shows a block diagram showing the input/output relationship of the control device 600, which is the central component of the control system of the molding device 100. The control device 600 includes a workstation (or a microcomputer) and the like, and controls each component of the molding 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で行われる一連の作業は自動化されており、ワークの供給は、パレットにまとめた一定量を1ロットとして、ロット単位で投入することが可能である。 The basic function of the molding device 100 according to this embodiment configured as described above is to add a desired shape to an existing part (workpiece) by three-dimensional modeling. The workpiece is input into the molding device 100, and after the desired shape has been accurately added, it is removed from the molding device 100. At this time, the actual shape data of the added shape is sent from the device to an external device, such as a higher-level device. The series of operations performed by the molding device 100 is automated, and the supply of workpieces can be input in lot units, with a fixed amount collected on a pallet being considered as one lot.

図15には、制御装置600の一連の処理アルゴリズムに対応するフローチャートが示されている。以下のフローチャートにおける各ステップの処理(判断を含む)は、制御装置600によって行われるが、以下では特に必要な場合を除き、制御装置600に関する説明は省略する。 Figure 15 shows a flowchart corresponding to a series of processing algorithms of the control device 600. The processing (including judgment) of each step in the following flowchart is performed by the control device 600, but explanations of the control device 600 will be omitted below unless specifically necessary.

外部から開始指令が制御装置600に入力されると、図15のフローチャートに従う処理が開始される。 When a start command is input to the control device 600 from outside, processing begins according to the flowchart in Figure 15.

まず、ステップS2において、ロット内のワークの番号を示すカウンタのカウント値nを初期化する(n←1)。 First, in step S2, the count value n of the counter indicating the workpiece number in the lot is initialized (n←1).

次のステップS4では付加加工前の1ロットのワークが搭載されたパレット(不図示)を外部から造形装置100内の所定の搬出入位置に搬入する。この搬入は、制御装置600の指示に応じて不図示の搬出入装置によって行われる。ここで、1ロットは例えばi×j個であり、パレット上にi×j個のワークがi行j列のマトリックス状の配置で搭載されている。すなわち、パレット上面には、i行j列のマトリックス状の配置でワークの搭載位置(載置位置)が定められており、それぞれの搭載位置にワークが搭載(載置)されている。例えば各搭載位置には、それぞれマークが付されており、各マークのパレット上の位置は既知である。以下では、1ロットは、一例として4×5=20個とし、パレット上面には、4行5列のマトリックス状の配置でマークが付されており、各マークの上にワークが搭載されているものとする。例えば、ロット内の第1~第5番目のワークは、それぞれ1行1列~1行5列の位置に配置され、第6~第10番目のワークは、それぞれ2行1列~2行5列の位置に配置され、第11~第15番目のワークは、それぞれ3行1列~3行5列の位置に配置され、第16~第20番目のワークは、それぞれ4行1列~4行5列の位置に配置される。 In the next step S4, a pallet (not shown) on which one lot of workpieces before additional processing is mounted is carried from the outside to a predetermined carry-in/out position in the molding device 100. This carrying is performed by a carry-in/out device (not shown) in response to an instruction from the control device 600. Here, one lot is, for example, i x j pieces, and i x j pieces of workpieces are mounted on the pallet in a matrix arrangement of i rows and j columns. That is, the mounting positions (mounting positions) of the workpieces are determined on the top surface of the pallet in a matrix arrangement of i rows and j columns, and the workpieces are mounted (placed) on each mounting position. For example, each mounting position is marked, and the position of each mark on the pallet is known. In the following, one lot is, for example, 4 x 5 = 20 pieces, and marks are placed on the top surface of the pallet in a matrix arrangement of 4 rows and 5 columns, and the workpieces are mounted on each mark. For example, the first through fifth workpieces in a lot are placed in positions 1st row, 1st column to 1st row, 5th column, respectively, the sixth through tenth workpieces are placed in positions 2nd row, 1st column to 2nd row, 5th column, respectively, the eleventh through fifteenth workpieces are placed in positions 3rd row, 1st column to 3rd row, 5th column, respectively, and the sixteenth through twentieth workpieces are placed in positions 4th row, 1st column to 4th row, 5th column, respectively.

次のステップS6ではロット内のn番目のワークをパレットから取り出してテーブル12に搭載する。このとき移動システム200は、造形装置100内の搬送システム300が設置された位置の近傍に設定されているローディング/アンローディングポジションにあるものとする。また、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。 In the next step S6, the nth workpiece in the lot is removed from the pallet and mounted on the table 12. At this time, the moving system 200 is in a loading/unloading position set in the vicinity of the position where the transport system 300 is installed in the molding apparatus 100. Also, at this time, the table 12 is in the above-mentioned reference state (Z, θx, θy, θz) = (Z0, 0 , 0, 0), and its XY position coincides with the X, Y position of the slider 10 measured by the position measurement system 28.

具体的には、制御装置600が、カウント値nを参照して、取り出すべきワークのパレット上の位置(i,j)を特定するとともに、搬送システム300に対し、その特定した位置(i.j)にあるワークの取り出しの指示を与える。この指示に応じ、搬送システム300によりワークがパレット上から取り出されてテーブル12上に搭載される。例えば、n=1の場合、パレット上の1行1列目の位置にあるワークが取り出されてテーブル12上に搭載される。 Specifically, the control device 600 refers to the count value n to identify the position (i, j) on the pallet of the workpiece to be removed, and instructs the transport system 300 to remove the workpiece at the identified position (i, j). In response to this instruction, the transport system 300 removes the workpiece from the pallet and places it on the table 12. For example, when n=1, the workpiece located at the first row, first column position on the pallet is removed and placed on the table 12.

次いで、ステップS7において、ワークを搭載したテーブル12を、計測システム400(センサ部38)の下方に移動する。このテーブル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、移動システム200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。 Next, in step S7, the table 12 with the workpiece mounted thereon is moved below the measurement system 400 (sensor unit 38). This movement of the table 12 is performed by the control device 600 controlling the planar motor 26 based on the measurement information of the position measurement system 28 to drive the movement system 200 in the X-axis direction (and Y-axis direction) on the base BS. Even during this movement, the table 12 maintains the reference state described above.

次のステップS8では、計測システム400を用いて、基準状態にあるテーブル12上に搭載されたワーク上の対象面の少なくとも一部の三次元空間内の位置情報(本実施形態では三次元形状情報)の計測が行われる。これ以後は、この計測結果に基づき、ワーク上の対象面の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。 In the next step S8, the measurement system 400 is used to measure the position information (three-dimensional shape information in this embodiment) in three-dimensional space of at least a portion of the target surface on the workpiece mounted on the table 12 in the reference state. After this, based on the measurement results, the position of the target surface on the workpiece in the six degrees of freedom directions can be managed by open-loop control on the table coordinate system (reference coordinate system).

次のステップS9では、対象面の少なくとも一部の位置情報(形状情報)の計測が終了したワークを搭載したテーブル12を、前述と同様にしてビーム造形システム500(ノズルユニット84)の下方に移動する。 In the next step S9, the table 12 carrying the workpiece, for which measurement of the position information (shape information) of at least a portion of the target surface has been completed, is moved below the beam shaping system 500 (nozzle unit 84) in the same manner as described above.

次のステップS10では、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を施す。この付加加工は、次のようにして行われる。 In the next step S10, additional processing is performed using three-dimensional modeling to add a shape corresponding to the 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位置情報(本実施形態では形状情報)を考慮して行われる。例えば、計測システム400を使って取得されたワークWの対象面TASの位置情報(形状情報)は、ワークWの対象面TAS上の目標部位TAを、造形面MPにおけるビームの照射領域に位置合わせするために用いられる。この他、制御装置600は、計測システム400を使って取得されたワークWの対象面TASの位置情報(形状情報)に基づいて、ビーム造形システム500をも制御する。この制御の内容としては、先に、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、配置等を設定又は変更する方法として説明したビーム照射部520の各種制御、及びビームの強度分布の設定又は変更に応じて行われることとして説明した、材料処理部530による造形材料の供給動作に関連する各種の制御内容の全てが含まれる。 That is, the control device 600 converts the three-dimensional CAD data of the shape to be added by the additional processing (the shape obtained by subtracting the shape of the workpiece to be added from the shape of the object created after the additional processing) into, for example, STL (Stereo Lithography) data as data for three-dimensional modeling, and further generates data for each layer sliced in the Z-axis direction from this three-dimensional STL data. Then, the control device 600 controls the movement system 200 and the beam modeling system 500 to perform additional processing on each layer of the workpiece based on the data of each layer, and repeats the formation of the above-mentioned single character area and the formation of a linear molten pool by supplying modeling material from the nozzle 84a to the single character beam while scanning the table 12 in the scan direction for each layer. Here, the position and posture of the target surface on the workpiece during the additional processing are controlled taking into account the position information (shape information in this embodiment) of the target surface measured previously. For example, the position information (shape information) of the target surface TAS of the workpiece W acquired using the measurement system 400 is used to align the target area TA on the target surface TAS of the workpiece W with the beam irradiation area on the printing surface MP. In addition, the control device 600 also controls the beam printing system 500 based on the position information (shape information) of the target surface TAS of the workpiece W acquired using the measurement system 400. The contents of this control include all of the various controls of the beam irradiation unit 520 described above as a method for setting or changing the beam intensity distribution on the printing surface, for example, the shape, size, arrangement, etc. of the beam irradiation area formed on the printing surface, and the various controls related to the supply operation of the printing material by the material processing unit 530, which were described above as being performed in response to the setting or change of the beam intensity distribution.

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, it is assumed that the target surface (e.g., the upper surface) TAS on which the target area TA of the workpiece W for additional processing is set is a plane that is set to a plane perpendicular to the optical axis of the focusing optical system 82 (a plane parallel to the XY plane) by adjusting the inclination of the table 12, and modeling is performed with the scanning operation of the table 12. However, the target surface on which the target area of the workpiece for additional processing is set is not necessarily a plane on which a single character beam can be used. However, the modeling device 100 according to this embodiment is equipped with a moving system 200 that can arbitrarily set the position in six degrees of freedom of the table 12 on which the workpiece is mounted. In this case, the control device 600 controls the moving system 200 and the beam irradiation unit 520 of the beam modeling system 500 based on the three-dimensional shape of the work measured using the measurement system 400, and adjusts the width of the beam irradiation area on the modeling surface MP in the X-axis direction so that the target surface (e.g., the top surface) of the work W aligned with the modeling surface MP can be considered flat enough to be additionally processed within the beam irradiation area on the modeling surface MP, while opening and closing each supply port 91 i via each opening and closing member 93 i of the nozzle 84a, and supplies modeling material from the necessary supply port to the beam irradiated to the irradiation area. This allows modeling to be performed on the necessary part even if the top surface of the work (target surface) is not flat.

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 stacking beads, additional processing (bead formation) may be performed with a beam with a small width in the X-axis direction of the irradiation area on the modeling surface to form a relatively large surface area, and then additional processing (bead formation) may be performed on the surface using a single-character beam with a larger width in the X-axis direction of the irradiation area on the modeling surface. For example, when performing modeling on an uneven target surface, additional processing (bead formation) may be performed to fill in the recesses using a beam with a small width in the X-axis direction of the irradiation area on the modeling surface to form a surface, and then additional processing (bead formation) may be performed on the surface using a single-character beam with a larger width in the X-axis direction of the irradiation area on the modeling surface MP. Even in such a case, it goes without saying that the powder of the modeling material is supplied from one or more supply ports selected according to the change in size (width) of the irradiation area of the beam on the modeling surface MP.

ワークに対する付加加工の終了後、ステップS11において、付加加工済みのワークWを搭載したテーブル12を計測システム400の下方に移動する。 After additional processing of the workpiece is completed, in step S11, the table 12 carrying the processed workpiece W is moved below the measurement system 400.

次のステップS12では、計測システム400の三次元計測機401を用いてテーブル12上のワークの形状を検査する。具体的には、制御装置600は、付加加工済みのワークの三次元形状を、そのワークをテーブル12上に搭載したまま三次元計測機401を用いて計測し、設計値から求められる付加加工済のワークの三次元形状に対する計測したワークの三次元形状の寸法誤差を求める。ここで、検査の対象となる付加加工済みのワーク(テーブル12上のワーク)は、最初の付加加工のみが施されたワーク及び付加加工後に後述する修正加工が施されたワークの双方を含む。 In the next step S12, the three-dimensional measuring machine 401 of the measurement system 400 is used to inspect the shape of the workpiece on the table 12. Specifically, the control device 600 uses the three-dimensional measuring machine 401 to measure the three-dimensional shape of the workpiece after additional machining while the workpiece is still mounted on the table 12, and determines the dimensional error of the measured three-dimensional shape of the workpiece relative to the three-dimensional shape of the workpiece after additional machining that is determined from the design values. Here, the workpiece after additional machining (the workpiece on the table 12) to be inspected includes both workpieces that have been subjected to only the initial additional machining and workpieces that have been subjected to the corrective machining described below after the additional machining.

検査終了後、次のステップS14において、検査により得られた寸法誤差が予め定めたしきい値以下であるか否かを判断することにより、付加加工の合否判定、すなわち合格か否かの判断を行う。そして、このステップS14における判断が肯定された場合、すなわち合格であった場合には、ステップS15に進む。 After the inspection is completed, in the next step S14, a pass/fail judgment is made for the additional processing, that is, whether or not the part has passed the inspection, by determining whether or not the dimensional error obtained by the inspection is equal to or less than a predetermined threshold value. If the judgment in step S14 is positive, that is, if the part has passed the inspection, the process proceeds to step S15.

一方、ステップS14における判断が否定された場合、すなわち不合格であった場合には、ステップS19に移行し、ワークを搭載したテーブル12をビーム造形システム500の下方に移動した後、ステップS20においてテーブル12上に搭載されているワークに対する修正加工を行う。この修正加工は、例えば、先に検査により得られた寸法誤差に基づいて、その寸法誤差が極力零になるように、通常の3Dプリンタによる造形と同様、ビーム造形システム500のビーム照射部520からのビーム(例えばスポット状のビーム)を用いて、テーブル12を静止した状態又は極低速で移動させつつ溶融池を形成することで行われる。この場合において、検査の結果得られた寸法誤差がプラス(正)の値であった場合、すなわち付加加工によりワークの対象面上に必要以上に厚い形状が付加されていた場合には、余分な部分の造形材料を除去する必要がある。本実施形態では、制御装置600が、造形材料の供給を行うこと無く、ビーム造形システム500のビーム照射部520からのビームをワークの対象面上の余分な形状部分に照射してその部分の造形材料を溶かしつつ、テーブル12を急加速、急減速させつつ移動して、溶けた造形材料をワークの対象面上から除去する。なお、テーブル12を急加速、急減速させつつ移動するとともに、あるいは代わりに、溶けた造形材料を吹き飛ばす圧縮空気の噴き出し装置を、ビーム造形システム500に設けても良い。あるいは、ビームにより造形材料を溶かすことなく、余分な造形材料を機械的に除去する刃物等を有する除去装置を、ビーム造形システム500内に設けても良い。いずれにしても、ワークの対象面上から除去された造形材料(溶かされた造形材料又は機械的に除去された造形材料)を、回収する回収装置を、ビーム造形システム500内に設けることが望ましい。回収装置を、ノズル84aと全く別に設けても良いが、ノズルに溶融しなかった余分の粉状の造形材料の回収口を設ける場合には、その回収口を上記の除去された造形材料の回収口として兼用しても良い。 On the other hand, if the judgment in step S14 is negative, i.e., if the workpiece is not passed, the process proceeds to step S19, where the table 12 carrying the workpiece is moved below the beam modeling system 500, and then in step S20, the workpiece mounted on the table 12 is corrected. This correction process is performed, for example, based on the dimensional error previously obtained by inspection, by forming a molten pool while moving the table 12 in a stationary state or at a very low speed using a beam (e.g., a spot-shaped beam) from the beam irradiation unit 520 of the beam modeling system 500, in the same manner as in modeling with a normal 3D printer, so that the dimensional error is reduced to as close to zero as possible. In this case, if the dimensional error obtained as a result of the inspection is a positive value, i.e., if a shape that is thicker than necessary has been added to the target surface of the workpiece by additional processing, it is necessary to remove the excess modeling material. In this embodiment, the control device 600 does not supply the modeling material, but irradiates the beam from the beam irradiation unit 520 of the beam modeling system 500 to an excess shape portion on the target surface of the workpiece to melt the modeling material in that portion, and moves the table 12 while rapidly accelerating and decelerating to remove the melted modeling material from the target surface of the workpiece. In addition to or instead of moving the table 12 while rapidly accelerating and decelerating, a compressed air blowing device that blows off the melted modeling material may be provided in the beam modeling system 500. Alternatively, a removal device having a blade or the like that mechanically removes the excess modeling material without melting the modeling material with the beam may be provided in the beam modeling system 500. In any case, it is preferable to provide a recovery device in the beam modeling system 500 that recovers the modeling material removed from the target surface of the workpiece (melted modeling material or mechanically removed modeling material). The recovery device may be provided completely separate from the nozzle 84a, but if a recovery port is provided in the nozzle for excess powdered modeling material that has not melted, that recovery port may also be used as a recovery port for the removed modeling material.

上述した修正加工が終了すると、ステップS11に戻り、修正加工済みのワークを搭載したテーブル12を計測システム400の下方に移動した後、次のステップS12で計測システム400の三次元計測機401を用いてテーブル12上のワークの形状を検査する。そして、ステップS14において、付加加工の合否判定、すなわち合格か否かの判断を行う。そして、再び、ステップS14における判断が否定された場合(不合格であった場合)には、以降、ステップS14における判断が肯定されるまで、すなわち、修正加工後の形状の検査結果が合格となるまで、ステップS19、S20、S11、S12、S14のループの処理(判断を含む)が繰り返され、必要なさらなる修正加工が施される。 When the above-mentioned correction processing is completed, the process returns to step S11, and the table 12 carrying the corrected workpiece is moved below the measurement system 400. In the next step S12, the shape of the workpiece on the table 12 is inspected using the three-dimensional measuring device 401 of the measurement system 400. Then, in step S14, a pass/fail judgment is made for the additional processing, that is, whether or not it passes. If the judgment in step S14 is again negative (if it fails), the process (including judgment) of the loop of steps S19, S20, S11, S12, and S14 is repeated thereafter until the judgment in step S14 is positive, that is, until the inspection result of the shape after the correction processing passes, and any further correction processing required is performed.

ステップS15では、付加加工済み(修正加工済みを含む)のワークが搭載されたテーブル12を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する。 In step S15, the table 12 on which the workpiece that has undergone additional processing (including modified processing) is mounted is moved to the loading/unloading position described above.

次のステップS16では、テーブル12上に搭載されている加工済みのロット内のn番目のワークをパレットに戻す。具体的には、制御装置600が、カウント値nを参照して、パレット上の位置を特定し、搬送システム300に対し、パレット上の特定した位置にワークを戻させるための指示を与える。この指示に応じ、搬送システム300により、付加加工済みのワークがテーブル12上から取り出されてパレット上の特定された位置に戻される。上記の搬送システム300に対する指示と前後して、制御装置600は、直前にステップS12において行われたワークの形状検査で得られた、付け加えられた形状の実際の形状データを、外部の装置、例えば上位装置に送る。 In the next step S16, the nth workpiece in the processed lot mounted on the table 12 is returned to the pallet. Specifically, the control device 600 refers to the count value n to identify the position on the pallet, and issues an instruction to the transport system 300 to return the workpiece to the identified position on the pallet. In response to this instruction, the transport system 300 removes the workpiece that has been subjected to additional processing from the table 12 and returns it to the identified position on the pallet. Around the same time as issuing the instruction to the transport system 300, the control device 600 sends actual shape data of the added shape obtained in the workpiece shape inspection performed immediately before in step S12 to an external device, for example a higher-level device.

ステップS16の処理が実行されると、ステップS22に移行する。この時点では、テーブル12上には、ワークは存在しない。ステップS22では、カウンタのカウント値nを1インクリメント(n←n+1)する。 After the process of step S16 is executed, the process proceeds to step S22. At this point, there is no work on the table 12. In step S22, the counter value n is incremented by 1 (n←n+1).

次のステップS24では、カウント値nがN(Nは、1ロットのワークの数、本実施形態ではN=20)を超えているか否かを判断する。そして、ステップS24における判断が否定された場合、すなわちロット内に処理が終了していないワークが存在する場合には、ステップS6に戻り、ステップS24における判断が肯定されるまで、ステップS6~S24を繰り返す。これにより、ロット内の第2番目以降のワークに対して、上述した一連の処理(判断を含む)が行われる。そして、ロット内の全てのワークに対して処理が終了し、ステップS24における判断が肯定されると、ステップS26に進んで、不図示の搬出入装置に対し、処理済みのワークが搭載されたパレットの装置外への搬出を指示した後、本ルーチンの一連の処理を終了する。 In the next step S24, it is determined whether the count value n exceeds N (N is the number of workpieces in one lot; in this embodiment, N=20). If the determination in step S24 is negative, i.e., if there are workpieces in the lot that have not been processed, the process returns to step S6, and steps S6 to S24 are repeated until the determination in step S24 is positive. This causes the above-mentioned series of processes (including determination) to be performed on the second and subsequent workpieces in the lot. When the processing of all workpieces in the lot is completed and the determination in step S24 is positive, the process proceeds to step S26, where an instruction is given to a loading/unloading device (not shown) to unload the pallet on which the processed workpieces are mounted outside the device, and the series of processes in this routine is then terminated.

なお、上の説明では、ワークに対する付加加工の終了後、付加加工済みのワークWを搭載したテーブル12を計測システム400の下方に移動して、計測システム400の三次元計測機401を用いてテーブル12上のワークの形状を検査するものとしたが、かかる検査を行うこと無く、ワークに対する付加加工の終了後、付加加工済みのワークWを搭載したテーブル12を、その加工済みのワークをパレットに戻すため、ローディング/アンローディングポジションに移動することとしても良い。すなわち、付加加工済みのワークの形状検査、及びこの検査結果を用いる前述の修正加工は、必ずしも行わなくても良い。あるいは、ワークに対する付加加工の終了後、付加加工済みのワークWを搭載したテーブル12を計測システム400の下方に移動して、計測システム400の三次元計測機401を用いてテーブル12上のワークの形状を検査し、その検査結果にかかわらず、修正加工を施すこと無く、付加加工済みのワークをパレットに戻すため、ローディング/アンローディングポジションに移動することとしても良い。この場合にも、検査の結果得られた付け加えられた形状の実際の形状データは、制御装置600によって外部の装置、例えば上位装置に送られる。また、修正加工を行った場合は、ワークの形状検査は行わなくても良い。すなわち、ステップS20の次にステップS15に進み、修正加工済みのワークが搭載されたテーブル12を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しても良い。 In the above description, after the additional processing of the workpiece is completed, the table 12 carrying the additionally processed workpiece W is moved below the measurement system 400, and the shape of the workpiece on the table 12 is inspected using the three-dimensional measuring device 401 of the measurement system 400. However, without such inspection, after the additional processing of the workpiece is completed, the table 12 carrying the additionally processed workpiece W may be moved to the loading/unloading position in order to return the processed workpiece to the pallet. In other words, the shape inspection of the additionally processed workpiece and the above-mentioned correction processing using the inspection result do not necessarily have to be performed. Alternatively, after the additional processing of the workpiece is completed, the table 12 carrying the additionally processed workpiece W may be moved below the measurement system 400, and the shape of the workpiece on the table 12 may be inspected using the three-dimensional measuring device 401 of the measurement system 400, and regardless of the inspection result, the table 12 carrying the additionally processed workpiece may be moved to the loading/unloading position in order to return the additionally processed workpiece to the pallet without performing correction processing. In this case, the actual shape data of the added shape obtained as a result of the inspection is sent by the control device 600 to an external device, for example, a higher-level device. Also, if correction processing has been performed, it is not necessary to inspect the shape of the workpiece. In other words, after step S20, the process may proceed to step S15, and the table 12 on which the corrected workpiece is mounted may be moved to the loading/unloading position described above.

また、上の説明では、ワークに対する付加加工の終了後に、修正加工の必要性の有無を判定するため、加工済みのワークの形状検査を行うために付加加工済みのワークWを搭載したテーブル12を計測システム400の下方に移動ものとした。しかし、これに限らず、ワークに対する付加加工の途中で、ワークWを搭載したテーブル12を計測システム400の下方に移動し、付加部分を含む対象面の位置情報(形状情報)を取得した後、ワークWを搭載したテーブル12を再度、ビーム造形システム500の下方に移動し、取得した付加部分を含む対象面の位置情報(形状情報)に基づいて、造形を再開することとしても良い。 In the above explanation, after the additional processing of the workpiece is completed, the table 12 carrying the processed workpiece W is moved below the measurement system 400 to inspect the shape of the processed workpiece in order to determine whether or not corrective processing is necessary. However, this is not limited to the above, and the table 12 carrying the workpiece W may be moved below the measurement system 400 during the additional processing of the workpiece, and after obtaining position information (shape information) of the target surface including the added portion, the table 12 carrying the workpiece W may be moved again below the beam forming system 500, and forming may be resumed based on the obtained position information (shape information) of the target surface including the added portion.

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及び造形装置100で実行される造形方法によると、付加加工が施されたワークをテーブル12から取り外すことなくテーブル12上に搭載したままの状態でのそのワークの対象面の三次元形状を、計測システム400により計測することが可能になり、その計測結果に基づいて、例えば、加工後の形状の合否(OK/NG)を判定することが可能になる。そして、不合格の場合には、ワークをテーブル12上に搭載したまま、ビーム造形システム500を用いてそのまま修正加工することも可能であり、極めて効率的である。 As explained in detail above, according to the modeling apparatus 100 and the modeling method executed by the modeling apparatus 100 of this embodiment, it is possible to use the measurement system 400 to measure the three-dimensional shape of the target surface of the workpiece that has been subjected to additional processing while it is still mounted on the table 12 without removing it from the table 12, and based on the measurement results, it is possible to determine, for example, whether the shape after processing is OK/NG. If it is rejected, it is also possible to perform corrective processing using the beam modeling system 500 while the workpiece is still mounted on the table 12, which is extremely efficient.

また、大量に部品を生産していく過程において、部品を製作しその場で寸法検査を行うことは、品質をコントロールする上で極めて都合が良い。なぜなら、装置の精度には様々な要因から、ドリフトがつきものである。検査をその場で行うことによって、このドリフトの傾向を制御装置600が感知することが出来、その結果に基づき加工精度に対してフィードバックしていくことが可能になる。すなわち、制御装置600は、計測システム400を用いて取得したワークの対象面の位置情報(形状情報)に基づいて、造形における装置のドリフトの傾向を求め、その求めた結果に応じて計測システム400、ビーム造形システム500及び移動システム200の少なくとも1つを調整することが可能になり、これによって寸法の変動を抑え、歩留まり、品質ばらつきを向上させることが可能になる。 In addition, in the process of mass-producing parts, manufacturing parts and inspecting their dimensions on the spot is extremely convenient for controlling quality. This is because drift is inherent in the precision of the device due to various factors. By inspecting on the spot, the control device 600 can sense the tendency of this drift, and based on the results, it becomes possible to provide feedback to the processing precision. In other words, the control device 600 can determine the tendency of the device to drift during modeling based on the position information (shape information) of the target surface of the workpiece obtained using the measurement system 400, and adjust at least one of the measurement system 400, beam modeling system 500, and movement system 200 according to the determined results, thereby making it possible to suppress dimensional fluctuations and improve yield and quality variation.

なお、制御装置600は、造形における装置のドリフトの傾向を求める場合に限らず、計測システム400を用いて取得したワークの対象面の位置情報(形状情報)に基づいて、計測システム400、ビーム造形システム500及び移動システム200の少なくとも1つを調整することとしても良い。この場合のワークは、付加加工を施す前のワーク、付加加工を施した後のワーク、および修正加工を施した後のワークの少なくとも1つを含む。 The control device 600 may adjust at least one of the measurement system 400, the beam shaping system 500, and the movement system 200 based on the position information (shape information) of the target surface of the workpiece acquired using the measurement system 400, not limited to determining the drift tendency of the device during shaping. In this case, the workpiece includes at least one of the workpiece before additional processing is performed, the workpiece after additional processing is performed, and the workpiece after corrective processing.

本実施形態に係る造形装置100の場合、これまでの説明からもわかるように加工に伴う反力は無いに等しいので、ワークの固定状態が、加工精度や仕上がりに直結するマシニングセンタのような工作機械とは異なり、ワークをテーブル12上に強固に固定する必要がない。また、造形装置100は、計測システム400を備えているので、搬送システム300によりワークがテーブル12上に多少ラフに搭載されたとしても、計測システム400により後に改めて座標系に対する位置が特定されるので問題とならない。この計測システム400による三次元形状計測(3次元アライメントの一態様)が行われるが故に、搬送システム300による、ワークのテーブル12上へのロード及びテーブル12上からの付加加工済みのワークのアンロードを含む、一連の動作の自動化が可能となり、効率の良い生産が可能となる。 In the case of the molding device 100 according to this embodiment, as can be seen from the above explanation, there is almost no reaction force associated with processing, so unlike machine tools such as machining centers in which the fixed state of the workpiece is directly related to the processing accuracy and finish, there is no need to firmly fix the workpiece on the table 12. In addition, since the molding device 100 is equipped with a measurement system 400, even if the workpiece is loaded somewhat roughly on the table 12 by the transport system 300, the position relative to the coordinate system is later determined by the measurement system 400, so there is no problem. Because the measurement system 400 performs three-dimensional shape measurement (one aspect of three-dimensional alignment), it is possible to automate a series of operations, including loading the workpiece onto the table 12 and unloading the workpiece from the table 12 after additional processing by the transport system 300, and efficient production is possible.

また、本実施形態に係る造形装置100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。 Furthermore, with the modeling apparatus 100 according to this embodiment, the beam intensity distribution within the modeling surface MP can be changed continuously, if necessary, not only before modeling begins through the relative movement between the beam and the target surface TAS, but also during the relative movement between the beam and the target surface TAS, and can be changed according to the relative position between the target surface TAS and the beam, and according to the required modeling accuracy and throughput. This makes it possible for the modeling apparatus 100 to form a model 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16(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16(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。 In addition, in the modeling device 100, when performing additional processing (modeling) of a relatively large area on a flat target surface TAS, a method is adopted in which a powdered modeling material PD is supplied from the nozzle 84a to the one-character beam described above to form a linear molten pool WP directly below the nozzle 84a, and the formation of the molten pool WP is performed while scanning the table 12 in the scan direction (+Y direction in FIG. 4). With this method, a shape that could not be generated by a conventional 3D printer or the like without moving a spot-shaped beam back and forth dozens of times as shown in FIG. 16(B) can be generated by moving the table 12 back and forth several times with respect to the one-character beam as shown in FIG. 16(A). According to this embodiment, it is possible to form a model on the target surface of the work in a significantly shorter time than in the case of a conventional modeling using a spot-shaped beam, which is a one-stroke modeling. In other words, this also makes it possible to improve throughput.

また、本実施形態に係る造形装置100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。 In addition, according to the modeling device 100 of this embodiment, the beam intensity distribution in the modeling surface of the focusing optical system 82 is changed by changing the inclination angle of the reflecting surface of each mirror element of the mirror array 80, so that the intensity distribution can be changed by easily changing at least one of the position, number, size, and shape of the irradiation area of the beam in the modeling surface. Therefore, for example, by setting the irradiation area to a spot shape, slit shape (line shape), etc., and performing three-dimensional modeling on the target surface on the workpiece using the above-mentioned method, it becomes possible to form a highly accurate three-dimensional object.

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 molding device 100 according to this embodiment has a plurality of, for example, two, powder cartridges 88A and 88B, and powder of a first molding material (for example, titanium) and powder of a second molding material (for example, stainless steel) are contained inside the powder cartridges 88A and 88B, respectively. During additional processing (molding), the control device 600 switches the powder supply path to the nozzle unit 84 using the material supply device 86, that is, the piping 90b and 90c. As a result, the powder of the first molding material (for example, titanium) from the powder cartridge 88A and the powder of the second molding material (for example, stainless steel) from the powder cartridge 88B are alternatively supplied to the nozzle unit 84. Therefore, by simply switching the powder material supplied by the control device 600 according to the location, it is possible to easily generate a joint shape of different materials. Moreover, the switching can be performed almost instantly. Furthermore, it is possible to mix and supply different materials to create an "alloy" on the spot, or to change the composition depending on the location or create a gradation.

本実施形態に係る造形装置100では、制御装置600は、計測装置110を用いて、前述した手法により、適当な頻度で造形面MP内におけるビームの強度分布を計測し、必要なキャリブレーションを行うことができる。例えば、制御装置600は、計測装置110を用いた造形面MP内におけるビームの強度分布の計測結果に基づいて、ミラーアレイ80などを制御して、造形面MP内におけるビームの強度分布を調整することができる。 In the modeling apparatus 100 according to this embodiment, the control device 600 can use the measuring device 110 to measure the beam intensity distribution within the modeling surface MP at an appropriate frequency using the method described above, and perform the necessary calibration. For example, the control device 600 can adjust the beam intensity distribution within the modeling surface MP by controlling the mirror array 80, etc., based on the measurement results of the beam intensity distribution within the modeling surface MP using the measuring device 110.

また、制御装置600は、計測装置110を用いて造形面MP内におけるビームの強度分布の計測を、例えばワークに対する造形処理(付加加工)に先立って行い、その計測結果に基づいて、造形処理中に、ビーム造形システム500と移動システム200との少なくとも一方の調整を行うこととしても良い。この場合も、造形面MP内におけるビームの強度分布の計測に続いて、瞳面PPにおけるビームの強度分布の計測を行い、その結果に基づいて、造形処理中に、ビーム造形システム500と移動システム200との少なくとも一方の調整(制御)を行うこととしても良い。 The control device 600 may also use the measurement device 110 to measure the beam intensity distribution within the modeling surface MP, for example, prior to modeling processing (additional processing) of the workpiece, and adjust at least one of the beam modeling system 500 and the movement system 200 during the modeling processing based on the measurement results. In this case, following the measurement of the beam intensity distribution within the modeling surface MP, the control device 600 may also measure the beam intensity distribution at the pupil plane PP, and adjust (control) at least one of the beam modeling system 500 and the movement system 200 during the modeling processing based on the measurement results.

この場合における移動システム200の調整(制御)としては、ワークWの対象面TAS上の目標部位TAを、造形面MPにおけるビームの照射領域に位置合わせするための、テーブル12の位置制御が代表的に挙げられる。 In this case, the adjustment (control) of the movement system 200 typically involves controlling the position of the table 12 to align the target area TA on the target surface TAS of the workpiece W with the beam irradiation area on the printing surface MP.

また、ビーム造形システム500の調整(制御)の内容としては、先に、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、配置等を設定又は変更する方法として説明したビーム照射部520の各種制御、及びこのビームの強度分布の設定又は変更に応じて行われることとして説明した、材料処理部530による造形材料の供給動作に関連する各種の制御内容の全てが含まれる。 The adjustment (control) of the beam shaping system 500 includes all of the various controls of the beam irradiation unit 520, which were previously described as a method for setting or changing the beam intensity distribution on the shaping surface, such as the shape, size, and arrangement of the irradiation area of the beam formed on the shaping surface, and the various controls related to the supply operation of shaping material by the material processing unit 530, which were previously described as being performed in response to the setting or change of the beam intensity distribution.

また、造形面MPにおけるビームの強度分布の計測を、テーブル12が静止した状態で受光器96で一度に行うことができない場合、例えば、造形面MPにおけるビームの照射領域の配置範囲が広い場合などには、テーブル12(計測部材92の開口92a)をXY平面内でX軸方向及びY軸方向の少なくとも一方向に移動しながら造形面MPにおけるビームの強度分布の計測が行われる。 In addition, when the measurement of the beam intensity distribution on the printing surface MP cannot be performed all at once by the photodetector 96 while the table 12 is stationary, for example, when the range of the beam irradiation area on the printing surface MP is wide, the measurement of the beam intensity distribution on the printing surface MP is performed while moving the table 12 (opening 92a of the measuring member 92) in at least one of the X-axis direction and the Y-axis direction within the XY plane.

なお、本実施形態に係る造形装置100では、テーブル12に計測装置110の全ての構成部分が設けられているが、これに限らず、CCD96aの受光面と、受光部として機能する計測部材92の開口92aの形成面との光学的な共役関係が保たれるのであれば、計測部材92以外の計測装置110の構成部分は、テーブル12の外部に設けても良い。 In the molding apparatus 100 according to this embodiment, all components of the measuring device 110 are provided on the table 12, but this is not limited thereto. As long as an optically conjugate relationship is maintained between the light receiving surface of the CCD 96a and the formation surface of the opening 92a of the measuring member 92 that functions as the light receiving section, the components of the measuring device 110 other than the measuring member 92 may be provided outside the table 12.

また、上述の計測装置110と同様のセンサ装置が搭載され、テーブル12とは独立して移動可能な可動部材を、テーブル12とは別に設けても良い。この場合、可動部材は、X、Y、Zの3軸方向に可動であれば良く、制御装置600が、テーブル座標系上でその可動部材及びセンサの位置を制御(管理)可能な構成を採用しても良い。センサ装置を用いて、制御装置600が、前述した造形面におけるビームの強度分布の計測を行うことができる。この場合も、瞳面PPにおけるビームの強度分布の計測を行うようにしても良い。また、この場合、制御装置600は、センサ装置を用いて計測した造形面MP内におけるビームの強度分布に基づいて、造形処理中に、上述したビーム造形システム500と移動システム200との少なくとも一方の調整を行うこととしても良い。この他、制御装置600は、テーブル12上のワークを、計測システム400を用いて計測するのと並行して、センサ装置を用いて前述した造形面におけるビームの強度分布の計測などを行うことができる。 In addition, a sensor device similar to the measuring device 110 described above may be mounted on a movable member that can move independently of the table 12, and may be provided separately from the table 12. In this case, the movable member may be movable in the three axial directions of X, Y, and Z, and the control device 600 may adopt a configuration that allows the control device 600 to control (manage) the position of the movable member and the sensor on the table coordinate system. Using the sensor device, the control device 600 can measure the intensity distribution of the beam on the above-mentioned modeling surface. In this case, the intensity distribution of the beam on the pupil plane PP may also be measured. In this case, the control device 600 may adjust at least one of the beam modeling system 500 and the moving system 200 described above during the modeling process based on the intensity distribution of the beam in the modeling surface MP measured using the sensor device. In addition, the control device 600 can measure the intensity distribution of the beam on the above-mentioned modeling surface using the sensor device in parallel with measuring the work on the table 12 using the measurement system 400.

なお、これまでの説明からわかるように、計測装置110は、ビームの強度の照射領域内部のむら(強度分布)を検出するむらセンサとしても用いることができる。 As can be seen from the above explanation, the measuring device 110 can also be used as an unevenness sensor that detects unevenness (intensity distribution) within the irradiation area of the beam intensity.

また、計測装置110を使って集光光学系82の波面収差を計測するようにしても良い。例えば、図13に示される回転板101の空き領域、例えば図13中の仮想線(二点鎖線)の円内の領域に開口92aの形成面と、CCD96aの受光面とを光学的に共役にする複数のマイクロレンズがマトリックス状に配置されたマイクロレンズアレイを配置しても良い。この場合、回転板101を回転させて、そのマイクロレンズアレイを、第1光学系94から射出される平行光の光路上に位置させ、光透過部としてピンホールパターンが形成されたパターン板を、例えば第2フライアイレンズ系76の射出側に配置することで、集光光学系82の波面収差を計測可能なシャック・ハルトマン方式の波面収差計測器を構成することも可能である。この場合、パターン板は、第2フライアイレンズ系76の射出側に挿脱可能な構成である。波面収差計測が可能な構成を採用した場合、集光光学系82の後側焦点面の位置が変化しても、波面収差計測結果から、変化後の集光光学系82の後側焦点面の位置を計測することができ、それに基づいて造形面MPの位置を変更したり、計測装置110による計測処理の際の計測部材92の上面の位置を調整したりすることができる。また、波面収差計測が可能な構成を採用した場合、併せて、集光光学系82の光学特性を調整可能な構成としても良い。例えば、集光光学系82を複数のレンズで構成し、そのうちの一部のレンズを、圧電素子等の駆動素子により、光軸AX方向及び光軸AXに直交する平面に対する傾斜方向(チルト方向)に駆動可能な構成としても良い。かかる場合には、可動なレンズを軸AX方向及びチルト方向の少なくとも一方の方向に駆動することで、集光光学系82の光学特性を調整することができる。 The wavefront aberration of the focusing optical system 82 may also be measured using the measuring device 110. For example, a microlens array in which a plurality of microlenses that optically conjugate the formation surface of the opening 92a and the light receiving surface of the CCD 96a are arranged in a matrix may be arranged in the free area of the rotating plate 101 shown in FIG. 13, for example, in the area within the circle of the virtual line (two-dot chain line) in FIG. 13. In this case, it is also possible to configure a Shack-Hartmann type wavefront aberration measuring instrument capable of measuring the wavefront aberration of the focusing optical system 82 by rotating the rotating plate 101 to position the microlens array on the optical path of the parallel light emitted from the first optical system 94, and arranging a pattern plate on which a pinhole pattern is formed as a light transmitting portion, for example, on the exit side of the second fly-eye lens system 76. In this case, the pattern plate is configured to be insertable and detachable from the exit side of the second fly-eye lens system 76. When a configuration capable of measuring wavefront aberration is adopted, even if the position of the rear focal plane of the focusing optical system 82 changes, the position of the rear focal plane of the focusing optical system 82 after the change can be measured from the wavefront aberration measurement result, and based on that, the position of the printing surface MP can be changed or the position of the upper surface of the measurement member 92 during the measurement process by the measurement device 110 can be adjusted. In addition, when a configuration capable of measuring wavefront aberration is adopted, the focusing optical system 82 may also be configured to be adjustable in optical characteristics. For example, the focusing optical system 82 may be configured to be composed of multiple lenses, and some of the lenses may be configured to be drivable in the optical axis AX direction and in the tilt direction relative to the plane perpendicular to the optical axis AX by a driving element such as a piezoelectric element. In such a case, the optical characteristics of the focusing optical system 82 can be adjusted by driving the movable lens in at least one of the axis AX direction and the tilt direction.

この他、上述した計測装置110に代えて、図17に示されるように、前述の受光器96を、テーブル12の上面に、CCD96aの受光面が、テーブル12のその他の部分と面一(同一面)となるように配置しても良い。そして、この受光器96により、造形面MPにおけるビームの強度分布を計測することとしても良い。この場合も、テーブル12が停止した状態での計測だけではなく、テーブル12が動きながらのビームの強度分布を計測するスキャン計測を可能にすることで、CCDやミラーアレイ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 addition, instead of the above-mentioned measuring device 110, as shown in FIG. 17, the above-mentioned light receiver 96 may be arranged on the top surface of the table 12 so that the light receiving surface of the CCD 96a is flush with the other parts of the table 12. The light receiver 96 may then measure the intensity distribution of the beam on the printing surface MP. In this case, it is possible to eliminate the influence of the finite number of pixels of the CCD and mirror array and obtain correct measurement results by enabling not only measurement when the table 12 is stopped but also scan measurement that measures the intensity distribution of the beam while the table 12 is moving. In this way, by measuring the intensity distribution of the beam with a sensor that receives the beam from the focusing optical system 82, it is possible to manage the intensity distribution of the beam taking into account fluctuation factors such as thermal aberration of the focusing optical system 82. In addition, by controlling the mirror array 80 based on the results, the intensity distribution of the beam on the rear focal plane of the focusing optical system 82 can be set to a desired state with high accuracy.

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、適切な角度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, the beam shaping system 500 forms an irradiation area of a single linear beam (single character beam), and the workpiece W is scanned in the scanning direction (e.g., Y-axis direction) with the single character beam. However, as described above, the beam shaping system 500 can freely change the intensity distribution of the beam on the printing surface MP by providing an appropriate angular distribution to the incident angle of the multiple parallel beams LB incident on the focusing optical system 82. Therefore, the printing device 100 can change at least one of the position, number, size, and shape of the beam irradiation area on the printing surface MP, and as described above, it is also possible to form, for example, a single character area, a three-row area, a missing single character area, etc. (see FIG. 10) as the beam irradiation area.

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 until now, explanations have been given on the premise that by making the character area as thin and sharp as possible, the energy density of the beam irradiated to that character area drops sharply when it is defocused, and this is used to maximize control over the thickness of the molten pool (coating layer). However, in this case, the thickness of the coating layer becomes very thin, and when adding layers of the same thickness, the additive processing (shaping) must be performed in many separate layers (multiple overcoats must be applied), 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18(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18(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, it may be necessary to increase the thickness of the coating layer while considering the balance between the 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 inclination angle of each mirror element 81 p, q of the mirror array 80 is controlled to make the width of the one-character region a little wider. For example, the one-character region LS shown in FIG. 18(B) changes to the one-character region LS'. In this way, the change in energy density when defocused becomes gentle, and the thickness h of the high energy area in the vertical direction becomes thicker as shown in FIG. 18(A), thereby making it possible to increase the thickness of the layer that can be generated in one scan, thereby improving productivity.

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 molding device 100 according to this embodiment has the major feature of being equipped with many conveniences and solutions that meet the requirements of actual processing sites, compared to conventional metal 3D printers.

なお、上記実施形態では、一例として、パレットにまとめた一定量を1ロットとして、ロット単位でワークが処理される場合について説明したが、これに限らず、ワークを1つずつ処理しても良い。この場合、搬送システム300によって、外部搬送系から受けとった加工前のワークがテーブル12上にロードされるとともに、加工終了後のワークがテーブル上からアンロードされて、外部搬送系に渡される。 In the above embodiment, as an example, a case has been described in which a certain amount collected on a pallet is considered as one lot, and workpieces are processed in lot units, but this is not limiting, and workpieces may be processed one by one. In this case, the conveying system 300 loads the unmachined workpiece received from the external conveying system onto the table 12, and unloads the machined workpiece from the table and passes it to the external conveying system.

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 mirror array 80 is used as the spatial light modulator. Alternatively, a large-area digital mirror device may be used that is made up of a large number of digital micromirror devices (DMD (registered trademark)) fabricated by MEMS technology arranged in a matrix. In such a case, it is difficult to measure the state (e.g., tilt angle) of each mirror element using an encoder or the like. In such a case, a detection system may be used that irradiates the surface of the large-area digital mirror device with detection light, receives reflected light from the many mirror elements that make up the digital mirror device, and detects the state of each mirror element based on the intensity distribution. In this case, the detection system may detect the state of each of the many mirror elements based on image information obtained by capturing an image formed by the digital mirror device using an 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、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、例えば米国特許第8,456,624号明細書に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 addition, in the molding apparatus 100 according to the above embodiment, a detection system 89 shown by virtual lines in Fig. 11 may be used together with the rotary encoder 83p,q . As the detection system 89, a detection system that irradiates detection light onto the surface of the mirror array 80, receives reflected light from the multiple mirror elements 81p ,q that constitute the mirror array 80, and detects the state of each mirror element 81p ,q based on the intensity distribution of the light may be used. As the detection system, for example, a system having a configuration similar to that disclosed in U.S. Patent No. 8,456,624 may 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。 In the above embodiment, the mirror array 80 is exemplified as being capable of changing the inclination angle of the reflecting surface of each mirror element 81 p,q with respect to the reference plane. However, the present invention is not limited to this, and a mirror array having a structure in which each mirror element is inclined with respect to the reference plane and displaceable in a direction perpendicular to the reference plane may be adopted. Also, each mirror element does not necessarily have to be inclined with respect to the reference plane. A mirror array that is displaceable in a direction perpendicular to the reference plane in this way is disclosed in, for example, U.S. Patent No. 8,456,624. In addition, a mirror array in which each mirror element is rotatable around two mutually perpendicular axes parallel to the reference plane (i.e., the inclination angle in two perpendicular directions can be changed) may be adopted. A mirror array that is capable of changing the inclination angle in two perpendicular directions in this way is disclosed in, for example, U.S. Patent No. 6,737,662. In these cases, the state of each mirror element can be detected using the detection system disclosed in the above-mentioned U.S. Patent 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。 It is also possible to use a detection system that irradiates detection light onto the surface of the mirror array 80 and receives reflected light from the numerous mirror elements 81p,q that constitute the mirror array 80. Alternatively, as the detection system, a sensor that individually detects the tilt angle and spacing of each mirror element with respect to a reference surface (base) 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 embodiment, the incident angle of the parallel beams incident on the pupil plane of the focusing optical system 82 is individually controlled to change the intensity distribution of the beam on the modeling surface. However, it is not necessary that all the incident angles of the parallel beams incident on the pupil plane of the focusing optical system 82 can be controlled (changed). Therefore, in the case of controlling the incident angle of the parallel beams incident on the focusing optical system 82 using a mirror array as in the above embodiment, it is not necessary that all the mirror elements can change the state of the reflecting surface (at least one of the position and the inclination angle of the reflecting surface). In the above embodiment, the incident angle of the parallel beams incident on the focusing optical system 82 is controlled, that is, the intensity distribution of the beam on the modeling surface is changed. However, instead of the mirror array, a spatial light modulator (non-emissive image display element) described below may be used. Examples of the transmissive spatial light modulator include electrochromic displays (ECDs) in addition to transmissive liquid crystal display elements (LCDs). In addition to the above-mentioned micromirror array, examples of the reflective spatial light modulator include a reflective liquid crystal display element, an electrophoretic display (EPD: Electro Phonetic Display), electronic paper (or electronic ink), and a grating light valve. In the above embodiment, a mirror array (a type of spatial light modulator) is used to change the intensity distribution of the beam on the modeling surface, but the spatial light modulator may be used for other purposes.

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 mentioned above, it is preferable that the focusing optical system 82 has a large aperture, but a focusing optical system with a numerical aperture N.A. of less than 0.5 may also 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, the case where titanium and stainless steel powders are used as the molding material is exemplified, but it is also possible to use powders of iron and other metals, as well as powders of nylon, polypropylene, ABS, etc., other than metals. The molding apparatus 100 according to the above embodiment can also be applied when a material other than powder, such as a filler wire used in welding, is used as the molding material. In this case, however, a wire feed device or the like is provided instead of a powder supply system such as a powder cartridge and a 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 embodiment, the powdered modeling material PD is supplied from each of the multiple supply ports 91i of the nozzle 84a along the Z-axis direction parallel to the optical axis AX of the focusing optical system 82, but the present invention is not limited to this. The modeling material (powder) may be supplied from a direction inclined with respect to the optical axis AX. The modeling material (powder) may also be supplied from a direction inclined with respect to the vertical direction.

なお、上記実施形態の造形装置100において、材料処理部が備えるノズル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 addition, in the modeling device 100 of the above embodiment, the nozzle 84a provided in the material processing unit may have, in addition to the supply port for the modeling material described above, a recovery port (suction port) for recovering the powdered modeling material that has not been melted.

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, an example of adding a shape to an existing workpiece has been described, but the use of the modeling device 100 according to this embodiment is not limited to this, and it is also possible to generate a three-dimensional shape by modeling from nothing on the table 12, just like a normal 3D printer. In this case, it is nothing more than performing additional processing on a workpiece that is "nothing". When modeling such a three-dimensional object on the table 12, the control device 600 optically detects at least three alignment marks formed in advance on the table 12 using the mark detection system 56 (see FIG. 11) provided in the measurement system 400, thereby obtaining position information in six degrees of freedom directions of the target surface of the modeling set on the table 12, and based on this result, it is sufficient to perform three-dimensional modeling while controlling the position and attitude of the target surface on the table 12 relative to the beam (irradiation area).

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、搬送システム300、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、搬送システム300、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、搬送システム300、計測システム400及びビーム造形システム500のうちの少なくとも2つを制御する第1処理装置と、残りのシステムを制御する第2処理装置との組み合わせであっても良いし、あるいは上記4つのシステムのうちの2つを制御する第1処理装置と、残り2つのシステムを個別に制御する第2及び第3処理装置と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 embodiment, as an example, the control device 600 controls each of the components of the moving system 200, the transport system 300, the measurement system 400, and the beam modeling system 500. However, the present invention is not limited to this, and the control device of the modeling system may be configured with multiple hardware devices each including a processing device such as a microprocessor. In this case, the moving system 200, the transport system 300, the measurement system 400, and the beam modeling system 500 may each be equipped with a processing device, or a combination of a first processing device that controls at least two of the moving system 200, the transport system 300, the measurement system 400, and the beam modeling system 500 and a second processing device that controls the remaining system may be used, or a combination of a first processing device that controls two of the above four systems and a second and third processing device that individually control the remaining two systems may be used. In either case, each processing device will take on part of the functions of the control device 600 described above. Alternatively, the control device of the modeling system may be configured with multiple processing devices such as microprocessors and a host computer that collectively manages these processing devices.

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 some of the constituent elements of each of the above-mentioned embodiments can be appropriately combined with at least some of the other constituent elements of each of the above-mentioned embodiments. Some of the constituent elements of each of the above-mentioned embodiments may not be used. In addition, to the extent permitted by law, the disclosures of all publications and U.S. patents cited in each of the above-mentioned embodiments are incorporated by reference into the present 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 device and modeling method according to the present invention are suitable for forming three-dimensional objects.

12…テーブル、82…集光光学系、83…ロータリエンコーダ、91…供給口、85…制限部材、89…検出システム、92…計測部材、92a…開口、100…造形装置、110…計測装置、200…移動システム、300…搬送システム、400…計測システム、401…三次元計測機、500…ビーム造形システム、520…ビーム照射部、530…材料処理部、600…制御装置、PD…造形材料、LS…一文字領域、TA…目標部位、TAS…対象面、W…ワーク、WP…溶融池。 12...table, 82...light collecting optical system, 83...rotary encoder, 91...supply port, 85...restriction member, 89...detection system, 92...measuring member, 92a...opening, 100...modeling device, 110...measuring device, 200...moving system, 300...transport system, 400...measuring system, 401...three-dimensional measuring machine, 500...beam modeling system, 520...beam irradiation unit, 530...material processing unit, 600...control device, PD...modeling material, LS...single character area, TA...target part, TAS...target surface, W...workpiece, WP...molten pool.

Claims (65)

対象面上に三次元造形物を形成する造形装置であって、
前記対象面を動かす移動システムと、
前記移動システムにより移動可能な状態で前記対象面の位置情報を取得するための計測システムと、
ビームを射出するビーム照射部と、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的に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べき三次元造形物の3Dデータと、前記計測システムを使って取得された前記対象面の位置情報とに基づいて、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、
を備える造形装置。
A modeling apparatus for forming a three-dimensional object on a target surface, comprising:
a motion system for moving the target surface;
a measurement system for acquiring position information of the target surface while being movable by the moving system;
A beam shaping system including a beam irradiation unit that emits a beam and a material processing unit that supplies a shaping material to be irradiated with the beam from the beam irradiation unit;
a control device that controls the movement system and the beam modeling system based on 3D data of a three-dimensional object to be formed on the target surface and positional information of the target surface acquired using the measurement system, so that a target portion on the target surface is modeled by supplying the modeling material from the material processing unit while moving the target surface and the beam from the beam irradiation unit relatively;
A molding apparatus comprising:
前記計測システムは、三次元計測機を含む請求項1に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 1, wherein the measurement system includes a three-dimensional measuring machine. 前記計測システムは、前記対象面の少なくとも3点の位置情報を計測可能である請求項1又は2に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 1 or 2, wherein the measurement system is capable of measuring positional information of at least three points on the target surface. 前記計測システムは、前記対象面の三次元形状を計測可能である請求項1~3のいずれか一項に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the measurement system is capable of measuring the three-dimensional shape of the target surface. 前記制御装置は、前記造形の後に、前記造形によって前記対象面上に付加された部分の表面の少なくとも一部の位置情報を、前記計測システムを用いて取得する請求項1~4のいずれか一項に記載の造形装置。 The molding device according to any one of claims 1 to 4, wherein the control device, after the molding, uses the measurement system to obtain position information of at least a portion of the surface of the portion added to the target surface by the molding. 前記移動システムは、ワークを保持可能な可動部材を有し、
前記対象面は、前記可動部材に保持された前記ワークの表面の少なくとも一部を含む請求項1~5のいずれか一項に記載の造形装置。
The moving system has a movable member capable of holding a workpiece,
The molding apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the target surface includes at least a part of a surface of the workpiece held by the movable member.
前記可動部材上に、加工前の前記ワークをロードするとともに、加工終了後の前記ワークを前記可動部材からアンロードする搬送システムをさらに備え、
前記制御装置は、前記搬送システムを制御する請求項6に記載の造形装置。
Further comprising a conveying system for loading the workpiece before machining onto the movable member and unloading the workpiece from the movable member after machining is completed;
The molding apparatus according to claim 6 , wherein the control device controls the transfer system.
前記可動部材に設けられた受光部で前記ビームを受光するセンサをさらに備える請求項6又は7に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 6 or 7, further comprising a sensor that receives the beam at a light receiving portion provided on the movable member. 前記制御装置は、基準座標系の下で前記可動部材の位置及び姿勢を制御し、
前記位置情報を取得することによって、前記対象面を前記基準座標系に対して関連付ける請求項6~8のいずれか一項に記載の造形装置。
The control device controls the position and attitude of the movable member under a reference coordinate system;
The molding apparatus according to any one of claims 6 to 8, wherein the target surface is associated with the reference coordinate system by acquiring the position information.
前記制御装置は、前記造形が施された前記ワークを前記可動部材で保持したまま、前記造形によって前記ワークの前記対象面上に付加された部分の表面の少なくとも一部の位置情報を、前記計測システムを用いて取得する請求項6~9のいずれか一項に記載の造形装置。 The molding device according to any one of claims 6 to 9, wherein the control device uses the measurement system to obtain positional information of at least a portion of the surface of the portion added to the target surface of the workpiece by the molding while holding the workpiece on which the molding has been performed with the movable member. 前記制御装置は、前記計測システムを用いて取得された位置情報に基づいて、前記付加された部分の寸法誤差を求める請求項5又は10に記載の造形装置。 The molding device according to claim 5 or 10, wherein the control device determines the dimensional error of the added portion based on the position information acquired using the measurement system. 前記制御装置は、前記寸法誤差を用いて付加加工の合否判定を行う請求項11に記載の造形装置。 The molding device according to claim 11, wherein the control device uses the dimensional error to determine whether additional processing is successful. 前記制御装置は、前記合否判定の結果、不合格と判定されたワークについては、前記寸法誤差に基づいて、前記可動部材で保持したまま、前記ビーム造形システムを用いて修正加工を施す請求項12に記載の造形装置。 The modeling device according to claim 12, wherein the control device performs correction processing on a workpiece that is determined to be unacceptable as a result of the pass/fail judgment, while the workpiece is held by the movable member, using the beam modeling system based on the dimensional error. 前記制御装置は、前記ビーム照射部からのビームを用いて前記修正加工を行う請求項13に記載の造形装置。 The molding device according to claim 13, wherein the control device performs the correction processing using the beam from the beam irradiation unit. 前記制御装置は、前記付加部分の表面の少なくとも一部の位置情報に基づいて、前記ビーム造形システムと前記移動システムを制御して、前記付加部分の表面の少なくとも一部を含む対象面上の目標部位に造形を施す請求項5、10~14のいずれか一項に記載の造形装置。 The shaping device according to any one of claims 5, 10 to 14, wherein the control device controls the beam shaping system and the movement system based on position information of at least a portion of the surface of the additional portion to perform shaping on a target portion on a target surface including at least a portion of the surface of the additional portion. 前記制御装置は、前記付加部分の表面の少なくとも一部の位置情報に基づいて、前記計測システム、前記ビーム造形システム及び前記移動システムの少なくとも1つを調整する請求項5、10~15のいずれか一項に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to any one of claims 5, 10 to 15, wherein the control device adjusts at least one of the measurement system, the beam modeling system, and the movement system based on position information of at least a portion of the surface of the added portion. 前記制御装置は、前記位置情報に基づいて、前記造形における装置のドリフトの傾向を求め、その求めた結果に応じて前記計測システム、前記ビーム造形システム及び前移動システムの少なくとも1つを調整する請求項16に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 16, wherein the control device determines the drift tendency of the apparatus during the molding based on the position information, and adjusts at least one of the measurement system, the beam molding system, and the forward movement system according to the determined result. 前記ビームを受光部で受光するセンサをさらに備える請求項1~5のいずれか一項に記載の造形装置。 The molding device according to any one of claims 1 to 5, further comprising a sensor that receives the beam at a light receiving section. 前記センサは、前記ビームの強度分布を計測可能である請求項8又は18に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to claim 8 or 18, wherein the sensor is capable of measuring the intensity distribution of the beam. 前記制御装置は、前記センサの受光部を移動しつつ、前記ビームを前記受光部で受光する請求項8、18、19のいずれか一項に記載の造形装置。 The molding device according to any one of claims 8, 18, and 19, wherein the control device receives the beam at the light receiving section of the sensor while moving the light receiving section. 前記ビーム照射部は、前記ビームを射出する集光光学系を有し、
前記センサの受光部は、前記集光光学系から射出されるビームを受光可能である請求項8、18~20のいずれか一項に記載の造形装置。
The beam irradiation unit has a focusing optical system that emits the beam,
The molding apparatus according to any one of claims 8 and 18 to 20, wherein the light receiving portion of the sensor is capable of receiving the beam emitted from the focusing optical system.
前記受光部は、前記集光光学系の後側焦点面、又はその近傍で前記ビームを受光するように配置される請求項21に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 21, wherein the light receiving unit is positioned to receive the beam at or near the rear focal plane of the focusing optical system. 前記受光部は、前記集光光学系の射出面側の光軸に平行な方向と前記光軸に垂直な方向の少なくとも一方に移動しながら、前記集光光学系からのビームを受光可能である請求項21又は22に記載の造形装置。 The molding device according to claim 21 or 22, wherein the light receiving unit is capable of receiving the beam from the focusing optical system while moving in at least one of a direction parallel to the optical axis of the exit surface side of the focusing optical system and a direction perpendicular to the optical axis. 前記センサは、前記集光光学系の射出面側の光軸に垂直な第1面内における前記ビームの強度分布を計測可能である請求項21~23のいずれか一項に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to any one of claims 21 to 23, wherein the sensor is capable of measuring the intensity distribution of the beam within a first plane perpendicular to the optical axis on the exit surface side of the focusing optical system. 前記第1面は、前記集光光学系の後側焦点面、又はその近傍の面である請求項24に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 24, wherein the first surface is a rear focal plane of the focusing optical system or a surface in its vicinity. 前記制御装置は、前記センサを用いた計測の結果に基づいて、前記第1面における前記ビームの強度分布を調整する請求項24又は25に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 24 or 25, wherein the control device adjusts the intensity distribution of the beam on the first surface based on the result of the measurement using the sensor. 前記制御装置は、前記センサを用いた計測の結果に基づいて、前記集光光学系の入射面側の光軸に垂直な第2面内に入射する少なくとも一つの入射ビームの角度を調整する請求項21~26のいずれか一項に記載の造形装置。 The molding device according to any one of claims 21 to 26, wherein the control device adjusts the angle of at least one incident beam that is incident on a second plane perpendicular to the optical axis on the incident surface side of the focusing optical system based on the result of the measurement using the sensor. 前記第2面は、前記集光光学系の前側焦点面、又はその近傍の面を含む請求項27に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to claim 27, wherein the second surface includes a front focal plane of the focusing optical system or a surface in its vicinity. 前記少なくとも一つの入射ビームは、前記第2面に対する入射角度が異なる複数のビームを含む請求項27又は28に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 27 or 28, wherein the at least one incident beam includes a plurality of beams having different angles of incidence with respect to the second surface. 前記制御装置は、前記センサを使って行われた計測結果に基づいて、前記ビーム造形システムと前記移動システムとの少なくとも一方の調整を行う請求項8、18~29のいずれか一項に記載の造形装置。 The modeling device according to any one of claims 8, 18 to 29, wherein the control device adjusts at least one of the beam modeling system and the movement system based on the measurement results obtained using the sensor. 前記センサを使って行われた計測結果に基づく前記ビーム造形システムの調整は、前記材料処理部の調整を含む請求項30に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to claim 30, wherein the adjustment of the beam modeling system based on the measurement results performed using the sensor includes adjustment of the material processing unit. 前記材料処理部の調整は、前記材料処理部による前記造形材料の供給動作を調整することを含む請求項31に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 31, wherein the adjustment of the material processing unit includes adjusting the supply operation of the molding material by the material processing unit. 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し、
前記センサを使って行われた計測結果に基づいて、前記少なくとも一つの供給口からの前記造形材料の供給状態が調整される請求項31又は32に記載の造形装置。
The material processing unit has at least one supply port for supplying the modeling material,
The molding apparatus according to claim 31 or 32, wherein a supply state of the molding material from the at least one supply port is adjusted based on a measurement result obtained by using the sensor.
前記少なくとも一つの供給口は可動であり、
前記センサを使って行われた計測結果に基づいて、前記少なくとも一つの供給口が移動される請求項33に記載の造形装置。
the at least one supply port is movable;
34. The apparatus of claim 33, wherein the at least one inlet is moved based on measurements made using the sensor.
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、
前記センサを使って行われた計測結果に基づい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31~34のいずれか一項に記載の造形装置。
The material processing unit has a plurality of supply ports for supplying the modeling material,
At least one supply port is selected from the plurality of supply ports based on a measurement result performed using the sensor;
The molding apparatus according to any one of claims 31 to 34, wherein the molding material is supplied from the selected at least one supply port.
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33~35のいずれか一項に記載の造形装置。 The molding device according to any one of claims 33 to 35, wherein the amount of the molding material supplied per unit time from the at least one supply port is adjustable. 前記制御装置は、前記センサを使って行われた計測結果に基づいて、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36に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 36, wherein the control device determines the supply amount from the at least one supply port based on the measurement results obtained using the sensor. 前記ビーム照射部は、前記ビームを射出する集光光学系を有し、
前記制御装置は、前記計測システムの計測結果に基づいて、前記集光光学系の射出面側の光軸に垂直な第1面内における前記ビームの強度分布を調整する請求項1~37のいずれか一項に記載の造形装置。
The beam irradiation unit has a focusing optical system that emits the beam,
A molding apparatus according to any one of claims 1 to 37, wherein the control device adjusts the intensity distribution of the beam within a first plane perpendicular to the optical axis on the exit surface side of the focusing optical system based on the measurement results of the measurement system.
前記第1面は、前記集光光学系の後側焦点面、又はその近傍の面である請求項38に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 38, wherein the first surface is a rear focal plane of the focusing optical system or a surface in its vicinity. 前記制御装置は、前記集光光学系の入射面側の光軸に垂直な第2面内に入射する少なくとも一つの入射ビームの角度を調整することによって、前記第1面内における前記ビームの強度分布を調整する請求項38又は39に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to claim 38 or 39, wherein the control device adjusts the intensity distribution of the beam within the first plane by adjusting the angle of at least one incident beam that is incident within a second plane perpendicular to the optical axis of the incident surface side of the focusing optical system. 前記第2面は、前記集光光学系の前側焦点面、又はその近傍の面を含む請求項40に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 40, wherein the second surface includes a front focal plane of the focusing optical system or a surface in its vicinity. 前記少なくとも一つの入射ビームは、前記第2面に対する入射角度が異なる複数のビームを含む請求項40又は41に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 40 or 41, wherein the at least one incident beam includes a plurality of beams having different angles of incidence with respect to the second surface. 前記計測システムの計測結果に基づく前記ビーム造形システムの調整は、前記ビーム照射部の調整を含む請求項1~42のいずれか一項に記載の造形装置。 The modeling device according to any one of claims 1 to 42, wherein the adjustment of the beam modeling system based on the measurement results of the measurement system includes adjustment of the beam irradiation unit. 前記計測システムの計測結果に基づく前記ビーム造形システムの調整は、前記材料処理部の調整を含む請求項1~43のいずれか一項に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to any one of claims 1 to 43, wherein the adjustment of the beam modeling system based on the measurement results of the measurement system includes adjustment of the material processing unit. 前記材料処理部の調整は、前記材料処理部による前記造形材料の供給動作を調整することを含む請求項44に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 44, wherein the adjustment of the material processing unit includes adjusting the supply operation of the molding material by the material processing unit. 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し、
前記計測システムの計測結果に基づいて、前記少なくとも一つの供給口からの前記造形材料の供給状態が調整される請求項44又は45に記載の造形装置。
The material processing unit has at least one supply port for supplying the modeling material,
The molding apparatus according to claim 44 or 45, wherein a supply state of the molding material from the at least one supply port is adjusted based on a measurement result of the measurement system.
前記少なくとも一つの供給口は可動であり、
前記センサを使って行われた計測結果に基づいて、前記少なくとも一つの供給口の位置が調整される請求項46に記載の造形装置。
the at least one supply port is movable;
47. The apparatus of claim 46, wherein a position of the at least one inlet is adjusted based on measurements made using the sensor.
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、
前記計測システムの計測結果に基づい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46又は47に記載の造形装置。
The material processing unit has a plurality of supply ports for supplying the modeling material,
The molding apparatus according to claim 46 or 47, wherein at least one supply port is selected from the plurality of supply ports based on a measurement result of the measurement system, and the molding material is supplied from the selected at least one supply port.
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46~48のいずれか一項に記載の造形装置。 The molding device according to any one of claims 46 to 48, wherein the amount of the molding material supplied per unit time from the at least one supply port is adjustable. 前記制御装置は、前記計測システムの計測結果に基づいて、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49に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 49, wherein the control device determines the supply amount from the at least one supply port based on the measurement results of the measurement system. 前記ビーム照射部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を形成する請求項1~50のいずれか一項に記載の造形装置。 The modeling device according to any one of claims 1 to 50, which forms a molten pool of the modeling material by supplying the modeling material so that it is irradiated with the beam emitted from the beam irradiation unit. 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51に記載の造形装置。 The molding apparatus according to claim 51, in which the target portion is molded by moving the target surface and the beam from the beam irradiation unit relative to each other while forming the molten pool on the target portion. 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1~52のいずれか一項に記載の造形装置。
The three-dimensional object is formed by laminating a plurality of layers,
The molding apparatus according to any one of claims 1 to 52, wherein the control device controls the movement system and the beam molding system based on data of multi-layer stacked cross sections obtained from 3D data of the three-dimensional object.
対象面上に三次元造形物を形成する造形方法であって、
前記対象面の位置情報を計測することと、
前記対象面上に形成すべき三次元造形物の3Dデータと、前記計測された前記対象面の位置情報とに基づいて、前記対象面とビームとを相対的に移動させつつ前記ビームで照射される造形材料を供給して前記対象面上の目標部位に造形を施すことと、
を含む造形方法。
A method for forming a three-dimensional object on a target surface, comprising the steps of:
Measuring position information of the target surface;
Based on 3D data of a three-dimensional object to be formed on the target surface and positional information of the measured target surface, supplying a modeling material to be irradiated by the beam while moving the target surface and the beam relatively to each other, thereby modeling a target portion on the target surface;
A molding method comprising:
前記計測することでは、前記対象面の少なくとも一部の三次元的位置情報が計測される請求項54に記載の造形方法。 The modeling method according to claim 54, wherein the measurement measures three-dimensional position information of at least a portion of the target surface. 前記三次元的位置情報として、前記対象面の三次元形状が計測される請求項55に記載の造形方法。 The modeling method according to claim 55, wherein the three-dimensional shape of the target surface is measured as the three-dimensional position information. 前記対象面は、位置及び姿勢が基準座標系の下で制御される可動部材に保持されたワークの表面の少なくとも一部を含み、
前記計測された位置情報に基づいて、前記対象面の位置及び姿勢を前記基準座標系に対して関連付けることをさらに含む請求項54~56のいずれか一項に記載の造形方法。
the target surface includes at least a portion of a surface of a workpiece held by a movable member whose position and orientation are controlled under a reference coordinate system;
The method according to any one of claims 54 to 56, further comprising associating a position and an orientation of the target surface with respect to the reference coordinate system based on the measured position information.
前記造形によって前記対象面上に付加された部分の表面の少なくとも一部の位置情報を、前記造形が施されたワークを前記可動部材上に搭載したまま計測することをさらに含む請求項57に記載の造形方法。 The molding method according to claim 57, further comprising measuring positional information of at least a portion of the surface of the portion added to the target surface by the molding while the workpiece on which the molding has been performed is mounted on the movable member. 前記造形によって前記対象面上に付加された部分の表面の少なくとも一部の位置情報として、三次元形状が計測される請求項58に記載の造形方法。 The modeling method according to claim 58, in which a three-dimensional shape is measured as positional information of at least a portion of the surface of the portion added to the target surface by the modeling. 計測された前記位置情報に基づいて、前記付加された部分の寸法誤差を求めることをさらに含む請求項58又は59に記載の造形方法。 The molding method according to claim 58 or 59, further comprising determining a dimensional error of the added portion based on the measured position information. 前記寸法誤差を用いて付加加工の合否判定を行うことをさらに含む請求項60に記載の造形方法。 The molding method according to claim 60, further comprising using the dimensional error to determine whether additional processing is acceptable or not. 前記合否判定の結果、不合格と判定されたワークについては、前記寸法誤差に基づいて、前記可動部材で保持したまま、前記ビームを用いて修正加工を施すことをさらに含む請求項61に記載の造形方法。 The molding method according to claim 61, further comprising performing correction processing using the beam on the workpiece that is determined to be unsatisfactory as a result of the pass/fail judgment, while the workpiece is held by the movable member, based on the dimensional error. 前記付加部分の表面の少なくとも一部の位置情報に基づいて、前記付加部分の表面の少なくとも一部を含む対象面上の目標部位に造形が施される請求項58~62のいずれか一項に記載の造形方法。 The modeling method according to any one of claims 58 to 62, in which modeling is performed on a target portion on a target surface including at least a portion of the surface of the additional portion based on position information of at least a portion of the surface of the additional portion. 前記対象面は、位置及び姿勢が基準座標系の下で制御される可動部材の表面の少なくとも一部を含み、
前記計測された位置情報に基づいて、前記対象面の位置及び姿勢を前記基準座標系に対して関連付けることをさらに含む請求項54~56のいずれか一項に記載の造形方法。
the target surface includes at least a portion of a surface of a movable member whose position and orientation are controlled under a reference coordinate system;
The method according to any one of claims 54 to 56, further comprising associating a position and an orientation of the target surface with respect to the reference coordinate system based on the measured position information.
前記三次元造形物は、複数の層が積層されて成り、
前記対象面上の目標部位に造形を施すことは、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、各層について繰り返し行われる請求項54~64のいずれか一項に記載の造形方法。
The three-dimensional object is formed by laminating a plurality of layers,
The modeling method according to any one of claims 54 to 64, wherein modeling of the target portion on the target surface is performed repeatedly for each layer based on data of a multi-layer stacked cross section obtained from 3D data of the three-dimensional object.
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