JP4947588B2 - Manufacturing equipment for 3D shaped objects - Google Patents
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本発明は、粉末材料の層に光ビームを照射して焼結層を形成する工程を繰り返すことにより、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造する製造装置に関する。 The present invention relates to a manufacturing apparatus for manufacturing a three-dimensional shaped object in which a plurality of sintered layers are laminated and integrated by repeating a step of forming a sintered layer by irradiating a light beam onto a layer of powder material.
光造形法として知られている三次元形状造形物の製造方法がある。例えば、特許文献1に示された当該製造方法は、粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して当該箇所の粉末を焼結することで焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して当該粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して当該箇所の粉末を焼結することで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成するということを繰り返すことで、複数の焼結層が積層一体化された粉末焼結部品(三次元形状造形物)を製造するものであり、三次元形状造形物の設計データ(CADデータ)であるモデルを所望の層厚みにスライスして生成する各層の断面形状データをもとに光ビームを照射することから、任意形状の三次元形状造形物を製造することができるほか、切削加工などによる製造方法に比して、迅速に所望の形状の造形物を得ることができる。
There is a method for manufacturing a three-dimensional shaped object known as an optical modeling method. For example, in the manufacturing method disclosed in
ここで、光ビームを二次元的に走査させるアクチュエータとして、一般的に、ガルバノスキャナミラーが用いられる。ガルバノスキャナミラーは、一組の回転ミラーであり、各々のミラーが独立に回転し、光ビームが一方のミラーで反射し、当該ミラーで反射された光ビームが他方のミラーでさらに反射することにより、光ビームが粉末材料の層を二次元的に走査する。
しかし、ガルバノスキャナミラーを用いると、回転ミラーが2つであるので、光ビームの反射に誤差が生じやすくなり、この誤差を低減させるためには、非常に困難な補正が必要となるという問題がある。 However, when the galvano scanner mirror is used, since there are two rotating mirrors, an error is likely to occur in the reflection of the light beam, and in order to reduce this error, a very difficult correction is required. is there.
本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであって、光ビームの反射に誤差が生じにくく、光ビームを所望の経路で二次元的に走査させることができる三次元形状造形物の製造装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an apparatus for manufacturing a three-dimensional shaped object that is less likely to cause an error in reflection of a light beam and that can cause the light beam to scan two-dimensionally along a desired path. The purpose is to provide.
上記課題を解決するために、請求項1に記載の三次元形状造形物の製造装置は、粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して当該箇所の粉末を焼結することで焼結層を形成し、当該焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆し所定箇所に光ビームを照射して当該箇所の粉末を焼結することで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返して、複数の焼結層が積層一体化された三次元形状造形物を製造する製造装置であって、1軸回りに回転可能な1枚の回転ミラーと、回転ミラーの表面に光ビームを出射する光ビーム出射部が設けられた光ビーム出射手段と、を有し、回転ミラーの回転により光ビームが粉末材料の層を走査し回転ミラーに出射される光ビームが回転ミラーを回転可能にする略軸方向に移動するものである光ビーム走査手段を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, the three-dimensional shaped article manufacturing apparatus according to claim 1 sinters by irradiating a predetermined part of the layer of powder material with a light beam and sintering the powder at the part. A layer was formed, and a new layer of powder material was coated on the sintered layer, and a predetermined portion of the powder was irradiated with a light beam to sinter the powder at that location, thereby integrating with the lower sintered layer. One rotating mirror that is rotatable about one axis, and is a manufacturing apparatus that manufactures a three-dimensional shaped object in which a plurality of sintered layers are laminated and integrated by repeatedly forming a new sintered layer And a light beam emitting means provided with a light beam emitting unit for emitting a light beam on the surface of the rotating mirror, and the rotating mirror rotates to cause the light beam to scan the powder material layer and be emitted to the rotating mirror. The light beam moves in a substantially axial direction that makes the rotating mirror rotatable. Characterized in that it comprises a light beam scanning means.
請求項2に記載の発明は、上記請求項1に記載の三次元形状造形物の製造装置において、光ビーム走査手段は、光ビーム出射部から回転ミラーに出射される光ビームが回転ミラーに対して移動するものであることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the three-dimensional shaped article manufacturing apparatus according to the first aspect, the light beam scanning unit is configured such that the light beam emitted from the light beam emitting unit to the rotating mirror is applied to the rotating mirror. It is characterized by moving.
請求項3に記載の発明は、上記請求項1に記載の三次元形状造形物の製造装置において、光ビーム走査手段は、回転ミラーと光ビーム出射部とが一体的に移動するものであることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the three-dimensional shaped article manufacturing apparatus according to the first aspect of the present invention, the light beam scanning means is such that the rotating mirror and the light beam emitting portion move integrally. It is characterized by.
請求項4に記載の発明は、上記請求項1〜3のいずれか1項に記載の三次元形状造形物の製造装置において、光ビーム走査手段は、回転ミラーと光ビーム出射部とが粉末材料の層に照射される光ビームの走査方向を変更するように水平面内で一体的に回動するものであることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the three-dimensional shaped article manufacturing apparatus according to any one of the first to third aspects of the present invention, the light beam scanning means includes a rotating mirror and a light beam emitting portion as a powder material. It is characterized in that it rotates integrally in a horizontal plane so as to change the scanning direction of the light beam applied to the layer.
請求項5に記載の発明は、上記請求項1〜4のいずれか1項に記載の三次元形状造形物の製造装置において、光ビーム走査手段は、回転ミラーと光ビーム出射部との距離が変化するものであることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the apparatus for manufacturing a three-dimensional shaped article according to any one of the first to fourth aspects, the light beam scanning means has a distance between the rotating mirror and the light beam emitting portion. It is characterized by changes.
請求項6に記載の発明は、上記請求項1〜5のいずれか1項に記載の三次元形状造形物の製造装置において、光ビーム走査手段の動作を制御する制御部を備えることを特徴とする。
Invention of
請求項7に記載の発明は、上記請求項1〜6のいずれか1項に記載の三次元形状造形物の製造装置において、光ビームを発振し出力する光ビーム発振器を備え、光ビーム発振器から出力される光ビームが光ファイバーを介して回転ミラーに出射されることを特徴とする。
The invention described in
請求項8に記載の発明は、上記請求項1〜6のいずれか1項に記載の三次元形状造形物の製造装置において、光ビームを発振し出力する光ビーム発振器を備え、光ビーム発振器から出力される光ビームが反射ミラーを介して回転ミラーに出射されることを特徴とする。
The invention according to claim 8 is the apparatus for manufacturing a three-dimensional structure according to any one of
請求項9に記載の発明は、上記請求項7または8に記載の三次元形状造形物の製造装置において、複数の光ビーム発振器を備え、複数の光ビーム発振器は、異なる種類の光ビームを発振し出力することを特徴とする。 A ninth aspect of the present invention is the apparatus for manufacturing a three-dimensional shaped article according to the seventh or eighth aspect, comprising a plurality of light beam oscillators, wherein the plurality of light beam oscillators oscillate different types of light beams. Output.
請求項10に記載の発明は、上記請求項1〜9のいずれか1項に記載の三次元形状造形物の製造装置において、複数の光ビーム走査手段を備えることを特徴とする。 A tenth aspect of the present invention is the apparatus for producing a three-dimensional shaped object according to any one of the first to ninth aspects, further comprising a plurality of light beam scanning means.
請求項11に記載の発明は、上記請求項10に記載の三次元形状造形物の製造装置において、光ビームを複数の回転ミラーに対して分岐させる光ビーム分岐手段を備えることを特徴とする。
The invention described in
請求項12に記載の発明は、上記請求項11に記載の三次元形状造形物の製造装置において、光ビーム分岐手段と複数の回転ミラーとが一体的に移動することを特徴とする。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the three-dimensional shaped article manufacturing apparatus according to the eleventh aspect, the light beam branching means and the plurality of rotating mirrors move integrally.
請求項13に記載の発明は、上記請求項10に記載の三次元形状造形物の製造装置において、光ビームが出射される回転ミラーを切り替える回転ミラー切り替え手段を備えることを特徴とする。 A thirteenth aspect of the invention is characterized in that in the three-dimensional shaped article manufacturing apparatus according to the tenth aspect, a rotating mirror switching means for switching a rotating mirror from which the light beam is emitted is provided.
請求項1に記載の発明によれば、光ビームの走査に誤差が生じにくく、光ビームを所望の経路で二次元的に走査させることができる。 According to the first aspect of the present invention, an error is unlikely to occur in the scanning of the light beam, and the light beam can be scanned two-dimensionally along a desired path.
請求項2に記載の発明によれば、回転ミラーを光ビーム出射部に合わせて軸方向に移動させなくてもよいので、簡易な構成とすることができる。 According to the second aspect of the present invention, it is not necessary to move the rotating mirror in the axial direction in accordance with the light beam emitting portion, so that a simple configuration can be achieved.
請求項3に記載の発明によれば、常に回転ミラーの同じ箇所に光ビームを当てることができるので、回転ミラーを小型化することができる。 According to the third aspect of the invention, the light beam can always be applied to the same part of the rotating mirror, so that the rotating mirror can be reduced in size.
請求項4に記載の発明によれば、積層される各焼結層の形成において、光ビームの走査方向を任意に変更することができるので、粉末材料を焼結させる際に生じた焼結層の歪みが造形物全体の形状を損なわないように三次元形状造形物を製造することができる。
According to the invention described in
請求項5に記載の発明によれば、粉末材料に照射する光ビームのスポット径を変化させることができる。 According to the fifth aspect of the present invention, the spot diameter of the light beam applied to the powder material can be changed.
請求項6に記載の発明によれば、所望の光ビームを所望の経路で走査させることができる。 According to the sixth aspect of the invention, a desired light beam can be scanned along a desired path.
請求項7に記載の発明によれば、光軸が変化しても光ビーム出射手段が影響を受けることはなく、光ビーム出射手段の構成の自由度を向上させることができる。 According to the seventh aspect of the present invention, even if the optical axis changes, the light beam emitting means is not affected, and the degree of freedom of the configuration of the light beam emitting means can be improved.
請求項8に記載の発明によれば、光ビーム出射手段の構成の自由度を向上させることができる。 According to the eighth aspect of the invention, the degree of freedom of the configuration of the light beam emitting means can be improved.
請求項9に記載の発明によれば、三次元形状造形物の内部に該当する焼結層については、集光径の大きい光ビームを用いて短時間で形成し、三次元形状造形物の表面に該当する焼結層については、集光径の小さい光ビームを用いて精度良く形成することができるので、三次元形状造形物を効率よく製造することができる。 According to the invention described in claim 9, the sintered layer corresponding to the inside of the three-dimensional shaped object is formed in a short time using a light beam having a large condensing diameter, and the surface of the three-dimensional shaped object is obtained. Since the sintered layer corresponding to the above can be accurately formed using a light beam having a small condensing diameter, a three-dimensional shaped object can be manufactured efficiently.
請求項10に記載の発明によれば、光ビームが走査される粉末材料の層の所定領域を個々の光ビーム走査手段に割り当てることができるので、短時間で焼結層を形成することができるとともに、回転ミラーと粉末材料の層との距離が短くなることにより、さらに光ビームの走査に誤差が生じにくくなり、三次元形状造形物を高精度に製造することができる。 According to the tenth aspect of the present invention, since a predetermined region of the layer of the powder material to be scanned with the light beam can be assigned to each light beam scanning means, the sintered layer can be formed in a short time. At the same time, since the distance between the rotating mirror and the layer of the powder material is shortened, an error is less likely to occur in the scanning of the light beam, and a three-dimensional shaped object can be manufactured with high accuracy.
請求項11に記載の発明によれば、複数の光ビーム走査手段が光ビーム発振器を共用できるので、部品点数を減らすことができるとともに、全体として、光ビームを発振し出力するコストを低減することができる。
According to the invention described in
請求項12に記載の発明によれば、複数の光ビームの走査経路を容易に設定することができる。 According to the twelfth aspect of the present invention, it is possible to easily set scanning paths for a plurality of light beams.
請求項13に記載の発明によれば、粉末材料の層における所望の領域に精度良く光ビームを走査させることができる。 According to the thirteenth aspect of the present invention, it is possible to accurately scan a desired region in the powder material layer with a light beam.
(実施形態1)
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。以下の説明では具体例を挙げて本発明を説明する場合があるが、本発明は以下の具体例に限定されない。
(Embodiment 1)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the present invention may be described with specific examples, but the present invention is not limited to the following specific examples.
図1は、本実施形態に係る三次元形状造形物の製造装置(以下、単に「製造装置」と呼ぶ)1Aの概略斜視図である。 FIG. 1 is a schematic perspective view of a three-dimensional shaped article manufacturing apparatus (hereinafter simply referred to as “manufacturing apparatus”) 1A according to the present embodiment.
製造装置1Aは、第1に、シリンダーで外周が囲まれた空間内を上下に昇降する昇降テーブル20上に供給した粉末材料をスキージング用ブレード21でならすことで所定厚みΔt1(図5参照)の粉末材料の層(粉末層)10を形成する粉末層形成手段2を基本構成要件とする。また、製造装置1Aは、第2に、光ビームLを発振し出力する光ビーム発振器30を基本構成要件とする。そして、製造装置1Aは、第3に、粉末層形成手段2の上方に設けられ、軸a回りに回転可能な回転ミラー31と、光ビーム発振器30と光ファイバー33で接続されて光ビームLが伝送され光ビームLの形状を変更し光ビームLを回転ミラー31の表面に出射する光ビーム出射部32が設けられた光ビーム成形部34を有する光ビーム出射手段3と、を備え、回転ミラー31の回転により光ビームLが粉末層10を走査し回転ミラー31に出射される光ビームLが軸a方向に移動するものである光ビーム走査手段4を基本構成要件とする。図1では省略しているが、図2に示すように、回転ミラー31と光ビーム成形部34とは、光ビームLを透過する窓部36が設けられたベース板37上にそれぞれXY方向に移動可能に配置されて、照射ユニット38を形成する。図2(a)は、照射ユニット38の概略側面図であり、図2(b)は、照射ユニット38の概略平面図である。さらに、製造装置1Aは、第4に、ボールエンドミルを備え上記粉末層形成手段2のベース部にXY駆動機構(高速化の点で直動リニアモータ駆動のものが好ましい)40を介して設けられた切削工具41によりそれまでに製造された造形物における表面部または不要部分の少なくとも一方を除去する除去手段5を基本構成要件とする。
First, the
ここで、粉末材料は、粒径が1〜100μmの細かい金属粉末を含む。具体的には、粉末材料は、クロムモリブデン鋼(SCM440)、ニッケル(Ni)、銅マンガン合金(CuMnNi)および黒鉛(C)の混合粉末であり、その配合割合は、(70重量%SCM440−20重量%Ni−9重量%CuMnNi)+0.3重量%Cである。 Here, the powder material includes a fine metal powder having a particle size of 1 to 100 μm. Specifically, the powder material is a mixed powder of chromium molybdenum steel (SCM440), nickel (Ni), copper manganese alloy (CuMnNi) and graphite (C), and the blending ratio thereof is (70 wt% SCM440-20). Wt% Ni-9 wt% CuMnNi) +0.3 wt% C.
また、光ビームLとしては炭酸ガスレーザーが用いられる。光ビームLの照射経路は、予め三次元CADデータから作成しておく。すなわち、三次元CADモデルから生成したSTLデータを等ピッチでスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。 As the light beam L, a carbon dioxide laser is used. The irradiation path of the light beam L is created in advance from three-dimensional CAD data. That is, contour shape data of each cross section obtained by slicing STL data generated from a three-dimensional CAD model at an equal pitch is used.
そして、光ビーム成形部34は、複数のレンズ群からなる。これにより、光ビームLの径を拡大したり縮小したり、また、光ビームを平行光に成形することができる。
The light
また、回転ミラー31としては、一定の速度で回転運動を繰り返すポリゴンミラーを使用することができる。なお、回転ミラー31と粉末層10の間にfθレンズのような特殊レンズを挿入することで、等速ビーム走査をしてもよいし、特殊演算を事前に行い、回転ミラー31の回転速度を変化させることで、等速ビーム走査をしてもよい。回転ミラー31の回転と光ビームLのONまたはOFFは、予め設定されたNCデータに従い、一般的に、同期が取られる。また、回転ミラー31の回転と光ビーム成形部34の動作とについても、同様に同期が取られる。そして、回転ミラー31に出射される光ビームLを軸a方向に移動させるために、光ビーム走査手段4に、回転ミラー31と光ビーム出射部32とが一体的に移動する構成を採用することができる。具体的には、照射ユニット38自体を移動させればよい。照射ユニット38自体を移動させるためには、例えば、図3に示すように、照射ユニット38の一方の端をモータ39で回転駆動するボールネジ40上に配し、他方の端をスライドレール41上に配すればよい。このような構成を採用することにより、常に回転ミラー31の同じ箇所に光ビームLを当てることができるので、回転ミラー31を小型化することができる。一方、光ビーム走査手段4に、光ビームLの走査領域における軸a方向の長さをカバーできるほど軸a方向に長い回転ミラー31を使用すれば、回転ミラー31の位置は固定したままで、光ビーム出射部32を移動させるだけでよい。具体的には、照射ユニット38上で、回転ミラー31は移動させずに、光ビーム成形部34を光ビームLが軸a方向に移動するように軸a方向に移動させればよい。このような構成を採用すれば、回転ミラー31を光ビーム出射部32に合わせて軸a方向に移動させなくてもよいので、簡易な構成とすることができる。
Further, as the rotating
そして、光ビーム走査手段4に、回転ミラーと光ビーム出射部とが粉末材料の層に照射される光ビームの走査方向を変更するように水平面内で一体的に回動する構成を採用する。具体的には、図4に示すように、照射ユニット38が円弧形のガイドレール35上を回動することにより、回転ミラー31と光ビーム出射部32とが円弧形のガイドレール35上を一体的に回動する。このような構成を採用することにより、積層される各焼結層11の形成において、光ビームLの走査方向を任意に変更することができるので、粉末材料を焼結させる際に生じた焼結層11の歪みが造形物全体の形状を損なわないように三次元形状造形物を製造することができる。図4(a)は、照射ユニット38の初期位置を示す要部平面図であり、図4(b)は、照射ユニット38が90度回動したときの位置を示す要部平面図である。なお、図4における照射ユニット38は窓部36(図2参照)を必要としない。
The light
また、光ビーム走査手段4に、回転ミラー31と光ビーム出射部32との距離が変化する構成を採用することができる。具体的には、照射ユニット38上で、回転ミラー31または光ビーム成形部34の少なくとも一方を移動させ、回転ミラー31と光ビーム成形部34との距離を変化させればよい。そのため、粉末材料に照射する光ビームLのスポット径を変化させることができる。
Further, a configuration in which the distance between the
光ビーム走査手段4の上述した各動作は、制御部(図示せず)により制御される。例えば、制御部は、回転ミラー31に所望の回転角を有するように指示し、回転ミラー31は、制御部に現在の回転角のデータをフィードバックする。これにより、回転ミラー31の回転角が制御される。また、制御部は、光ビーム成形部34に所望の位置への移動を指示し、光ビーム成形部34は、制御部に現在の位置のデータをフィードバックする。これにより、光ビーム成形部34の位置が制御される。そのため、所望の光ビームLを所望の経路で走査させることができる。
Each operation | movement of the light beam scanning means 4 mentioned above is controlled by the control part (not shown). For example, the control unit instructs the
このものにおける三次元形状造形物の製造は、図5に示すように、光ビーム走査手段4と焼結層11との相対距離を調整する調整手段であるところの昇降テーブル20上面の造形用ベース22表面に粉末材料を供給してブレード21でならすことで厚さが50μm程度の第1層目の粉末層10を形成し、この粉末層10の硬化させたい箇所に回転ミラー31の回転により光ビームLを走査させ回転ミラー31に出射される光ビームLを軸a方向に移動させることにより粉末材料を焼結させて造形用ベース22と一体化した焼結層11を形成する。
As shown in FIG. 5, the manufacturing of the three-dimensional shaped object in this product is a modeling base on the upper surface of the lifting table 20 which is an adjusting means for adjusting the relative distance between the light beam scanning means 4 and the
この後、昇降テーブル20を少し下げて再度粉末材料を供給してブレード21でならすことで第2層目の粉末層10を形成し、粉末材料を焼結させる際に生じる焼結層11の歪みが造形物全体の形状を損なわないように、照射ユニット38を水平面内で回動させることにより回転ミラー31と光ビーム出射部32とを水平面内で一体的に回動させ、粉末層10に照射される光ビームLの走査方向を変更し、この粉末層10の硬化させたい箇所に回転ミラー31の回転により光ビームLを走査させ回転ミラー31に出射される光ビームLを軸a方向に移動させることにより粉末材料を焼結させて下層の焼結層11と一体化した焼結層11を形成する。
Thereafter, the lifting table 20 is slightly lowered, the powder material is supplied again, and the
上記工程を繰り返すことにより、目的とする三次元形状造形物が製造される。 By repeating the above steps, a target three-dimensional shaped object is manufactured.
粉末材料が酸化すると焼結しにくくなる場合には、粉末材料を酸化から保護する機構を設けることが好ましい。具体的には、上記工程を、チャンバー(図示せず)内で行い、当該チャンバーには、窒素供給装置と酸素濃度計とを接続し、酸素濃度計のデータに従って窒素供給装置を制御する酸素濃度制御装置によりチャンバー内の雰囲気を調整する。 When the powder material is difficult to sinter when oxidized, it is preferable to provide a mechanism for protecting the powder material from oxidation. Specifically, the above process is performed in a chamber (not shown), and a nitrogen supply device and an oxygen concentration meter are connected to the chamber, and the oxygen concentration is controlled according to the data of the oxygen concentration meter. The atmosphere in the chamber is adjusted by the control device.
なお、光ビームLを照射して、焼結硬化させた部分の周囲には、伝達された熱が原因となって、不要な粉末が付着し、密度の低い表面層が造形物に形成されてしまう。この密度の低い表面層を除去して滑らかな表面の三次元形状造形物を得るために、焼結層11の形成後に、除去手段5により、それまでに製造した造形物における表面部または不要部分の少なくとも一方の除去を行う。これにより、焼結層11の形成とそれまでに製造した造形物における表面部または不要部分の少なくとも一方の除去とを繰り返し行うことで、ドリル長などの制約を受けることなく表面を仕上げることができる。
In addition, unnecessary powder adheres to the periphery of the portion that is irradiated with the light beam L and sintered and hardened, due to the transferred heat, and a low-density surface layer is formed on the molded object. End up. In order to remove the low-density surface layer and obtain a three-dimensional shaped object having a smooth surface, after the formation of the
ところで、図1に示す例では、光ビーム発振器30と光ビーム成形部34とが光ファイバー33で接続され、光ビームLが光ファイバー33を介して回転ミラー31に出射される。そのため、光軸が変化しても光ビーム出射手段3が影響を受けることはなく、光ビーム出射手段3の構成の自由度を向上させることができる。なお、図6に示すように、光ビーム発振器30からの光ビームLが反射ミラー42を介して回転ミラー31に出射されてもよい。図6においては、反射ミラー42は、照射ユニット38のベース板37上に固定して配置されている。このようにしても、光ビーム出射手段3の構成の自由度を向上させることができる。
By the way, in the example shown in FIG. 1, the
また、複数の光ビーム発振器30を備え、複数の光ビーム発振器30が異なる種類の光ビームを発振し出力するようにしてもよい。具体的には、2つの光ビーム発振器30,30を備え、一方の光ビーム発振器30で光ビームLとして炭酸ガスレーザーを発振し出力するようにして、他方の光ビーム発振器30で光ビームLとしてYAGレーザーまたはファイバーレーザーを発振し出力するようにする。炭酸ガスレーザーの波長は、10.6μmであり、YAGレーザーやファイバーレーザーの波長は、1.06μmであり、光ビームLの集光径は波長に比例するため、YAGレーザーやファイバーレーザーは炭酸ガスレーザーに比べて小さい集光径を得ることができる。また、金属に対しては、炭酸ガスレーザーの波長よりYAGレーザーやファイバーレーザーの波長のほうが吸収されやすい。一方で、YAGレーザーやファイバーレーザーは、炭酸ガスレーザーに比べて出力の大きい光ビーム発振器30を構成することが難しい。そこで、三次元形状造形物の内部に該当する焼結層11については、強度を担保できればよいので、集光径の大きい炭酸ガスレーザーを用いて短時間で形成し、三次元形状造形物の表面に該当する焼結層11については、微細で高精度である必要があるので、YAGレーザーやファイバーレーザーを用いて形成する。このようにすれば、三次元形状造形物を効率よく製造することができる。
Further, a plurality of
したがって、光ビームLの走査に誤差が生じにくく、光ビームLを所望の経路で二次元的に走査させることができる。 Accordingly, an error is unlikely to occur in the scanning of the light beam L, and the light beam L can be scanned two-dimensionally along a desired path.
(実施形態2)
図7は、本実施形態に係る製造装置1Bの概略平面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a schematic plan view of the
本実施形態に係る製造装置1Bは、複数の光ビーム走査手段4を備えている点で実施形態1に係る製造装置1Aと異なる。
The
図7に示すように、製造装置1Bは、2つの光ビーム走査手段4,4を備え、各光ビーム走査手段4,4は、2つの光ビームL,Lがそれぞれ粉末層10の所定領域51,52を走査するものである。
As shown in FIG. 7, the
なお、2つの光ビーム走査手段4,4における2つの光ビーム発振器30,30が異なる種類の光ビームを発振し出力するようにしてもよい。具体的には、一方の光ビーム発振器30で光ビームLとして炭酸ガスレーザーを発振し出力するようにして、他方の光ビーム発振器30で光ビームLとしてYAGレーザーまたはファイバーレーザーを発振し出力するようにする。そして、三次元形状造形物の内部に該当する焼結層11については、集光径の大きい炭酸ガスレーザーを用いて短時間で形成し、三次元形状造形物の表面に該当する焼結層11については、YAGレーザーやファイバーレーザーを用いて微細で高精度に形成する。このようにすれば、三次元形状造形物を効率よく製造することができる。
The two
したがって、光ビームLが走査される粉末層10の所定領域51,52を個々の光ビーム走査手段4,4に割り当てることができるので、短時間で焼結層11を形成することができるとともに、回転ミラー31と粉末層10との距離が短くなることにより、さらに光ビームLの走査に誤差が生じにくくなり、三次元形状造形物を高精度に製造することができる。
Therefore, since the
(実施形態3)
図8は、本実施形態に係る製造装置1Cの概略平面図である。
(Embodiment 3)
FIG. 8 is a schematic plan view of the
本実施形態に係る製造装置1Cは、2つの光ビーム走査手段4,4が1つの光ビーム発振器30を共用し、光ビーム発振器30から出力された光ビームLを複数の回転ミラー31に対して分岐させる光ビーム分岐手段6を備えている点で実施形態2に係る製造装置1Bと異なる。
In the
光ビーム分岐手段6としては、照射ユニット38上に固定して配置されたハーフミラー61および反射ミラー62を用いている。そして、本実施形態では、ハーフミラー61および反射ミラー62における光ビームLの反射部を光ビーム出射部としている。
As the light
ハーフミラー61は、光ビーム発振器30から出力された光ビームLの50%を反射して、一方の回転ミラー31に出射し、光ビームLの50%を透過して、反射ミラー62に反射させて、他方の回転ミラー31に出射する。
The
ここで、光ビーム分岐手段6は、照射ユニット38上に配置されているので、2つの回転ミラー31,31と一体的に移動することとなる。そのため、複数の光ビームLの走査経路を容易に設定することができる。
Here, since the light
なお、図9に示すように、2つの回転ミラー31,31を軸aと垂直方向(図9における左右方向)に一体的に移動させる駆動機構53を照射ユニット38のベース板37上に設けてもよい。このような構成を採用することにより、光ビーム発振器30を多く搭載できない場合に、大きな面積の焼結層11を形成することが容易となる。
As shown in FIG. 9, a
したがって、複数の光ビーム走査手段4,4が光ビーム発振器30を共用できるので、部品点数を減らすことができるとともに、全体として、光ビームLを発振し出力するコストを低減することができる。
Therefore, since the plurality of light beam scanning means 4 and 4 can share the
(実施形態4)
図10は、本実施形態に係る製造装置1Dの概略平面図であり、図11は、製造装置1Dの動作説明図である。
(Embodiment 4)
FIG. 10 is a schematic plan view of the
本実施形態に係る製造装置1Dは、2つの光ビーム走査手段4,4が1つの光ビーム発振器30を共用し、光ビーム発振器30から出力された光ビームLをいずれの回転ミラー31に出射するかを切り替える回転ミラー切り替え手段7を備えている点で実施形態2と異なる。
In the
図10に示すように、照射ユニット38上には、光ビーム出射部32から光ビームLが出射される方向に、2つの回転ミラー31,31が設けられている。
As shown in FIG. 10, two
ここで、図11に示すように、まず、光ビーム出射部32に近いほうの回転ミラー31に光ビームLを出射し、次に、光ビーム出射部32に近いほうの回転ミラー31を光ビームLが当たらないように回転させることにより、光ビーム出射部32に遠いほうの回転ミラー31に光ビームLを出射する。この順序は前後してもよい。本実施形態では、回転ミラー切り替え手段7として、回転ミラー31の回転を例示したが、回転ミラー31を光ビームLの経路から外す手段であれば特に制限されない。そのため、粉末層10の焼結させたい箇所に近い回転ミラー31を光ビームLの粉末層10への照射に用いるとよい。
Here, as shown in FIG. 11, first, the light beam L is emitted to the
したがって、粉末層10における所望の領域に精度良く光ビームLを走査させることができる。
Therefore, the light beam L can be scanned with high accuracy in a desired region in the
なお、上述した実施形態1〜4における各構成は適宜に選択し、組み合わせることができる。 In addition, each structure in Embodiment 1-4 mentioned above can be selected suitably, and can be combined.
1A,1B,1C,1D 三次元形状造形物の製造装置
2 粉末層形成手段
3 光ビーム出射手段
4 光ビーム走査手段
5 除去手段
6 光ビーム分岐手段
7 回転ミラー切り替え手段
10 粉末材料の層(粉末層)
11 焼結層
30 光ビーム発振器
31 回転ミラー
32 光ビーム出射部
33 光ファイバー
42 反射ミラー
a 軸
L 光ビーム
1A, 1B, 1C, 1D Three-dimensional shaped
DESCRIPTION OF
Claims (13)
1軸回りに回転可能な1枚の回転ミラーと、回転ミラーの表面に光ビームを出射する光ビーム出射部が設けられた光ビーム出射手段と、を有し、回転ミラーの回転により光ビームが粉末材料の層を走査し回転ミラーに出射される光ビームが回転ミラーを回転可能にする略軸方向に移動するものである光ビーム走査手段を備えることを特徴とする三次元形状造形物の製造装置。 A predetermined layer of the powder material layer is irradiated with a light beam to sinter the powder at the corresponding portion to form a sintered layer, and a new layer of the powder material is coated on the sintered layer to cover the predetermined portion. A plurality of sintered layers were laminated and integrated by repeating the formation of a new sintered layer integrated with the lower sintered layer by irradiating the light beam and sintering the powder at that location. A manufacturing apparatus for manufacturing a three-dimensional shaped object,
A rotating mirror capable of rotating around one axis, and a light beam emitting means provided with a light beam emitting portion for emitting a light beam on the surface of the rotating mirror. Manufacturing of a three-dimensional shaped object characterized by comprising light beam scanning means for scanning a layer of powder material and for the light beam emitted to the rotating mirror to move in a substantially axial direction enabling the rotating mirror to rotate. apparatus.
光ビーム発振器から出力される光ビームが光ファイバーを介して回転ミラーに出射されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の三次元形状造形物の製造装置。 It has a light beam oscillator that oscillates and outputs a light beam,
The apparatus for producing a three-dimensional shaped article according to any one of claims 1 to 6, wherein the light beam output from the light beam oscillator is emitted to a rotating mirror via an optical fiber.
光ビーム発振器から出力される光ビームが反射ミラーを介して回転ミラーに出射されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の三次元形状造形物の製造装置。 It has a light beam oscillator that oscillates and outputs a light beam,
The apparatus for producing a three-dimensional shaped article according to any one of claims 1 to 6, wherein a light beam output from the light beam oscillator is emitted to a rotating mirror via a reflecting mirror.
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