JP5015326B2 - 三次元物体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元物体の断面に相当する層の各所においてガスレーザビームにより造形材料を固化することにより該物体を一層ずつ固化する三次元物体製造方法に関する。

下掲の特許文献１に記載されたレーザ焼結による三次元物体製造方法では、固化の対象となる層の真上の個所においてレーザビームの位置、パワー、および／または直径を測定し、測定の結果を所定の基準値と比較し、その比較結果を基に誤差の表示またはビームの修正を行う。この方法では、固体レーザを使用するのが好ましいとされている。

下掲の特許文献２では、請求項１の前置部による方法が開示されている。この公知の方法は、ステレオリソグラフィー・システムやレーザ焼結システムのようなラピッドプロトタイピング・システムにおけるレーザパワーの制御に関係する方法である。このようなラピッドプロトタイピング・システムでは、ステレオリソグラフィーの場合は液体造形材料を、またレーザ焼結の場合は粉末造形材料を、レーザビームを用いて層ごとに固化することによって物体を固化するが、その際、物体の断面に相当する各層の各所においてレーザビームによる固化が行われる。同時に、レーザビームをスキャナ・システムにより偏光させて、ビームが層上方を通るベクトルのような線に沿って案内されるようにする。製造しようとする物体の各領域について最適な露光量とするのが望ましいが、その露光量は全ての領域で等しい場合と領域ごとに異なる場合があり得る。この公知の方法では、レーザビームのパワーをパワー測定装置を用いて測定した後、所望のパワーと露光の深さが得られるようにレーザパワーの調整を行う。

特にＣＯ２レーザのようなガスレーザの場合、短時間と長時間でのレーザのパワーの偏差が、その前のレーザ運転の条件に大きく依存し、しかもレーザ運転の条件は連続的に変化するものである、という問題がある。これに対し、特許文献２のような簡単な閉ループ制御では、長時間に亘って安定したレーザパワーを得る上で適当とは言えない。

ＥＰ−０ ７５８ ９５２ Ｂ１ ＥＰ−１ ７０５ ６１６ Ａ１

本発明の課題は、ラピッドプロトタイピングによる三次元物体製造方法であって、ＣＯ２レーザのようなガスレーザを使用し、短時間と長時間でのレーザのパワーの偏差を無くすことにより、最初に製造される物体の品質を向上させることのできる製造方法を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の方法によって達成される。本発明のさらなる展開については、従属請求項に記載の通りである。

特に、本発明の方法は、ごく短い遅延にてレーザパワーを自動的に評価することでレーザの入力制御信号を調整することができ、特定のスイッチオンランプによってスイッチオン効果を無くすことができる。こうすることで、１０μｓ程度のレーザパワーの偏差を補正することが可能となる。

本発明のその他の特長および利点については、図面を基に行う実施形態の説明において示すこととする。

本発明の実施形態に係るレーザ焼結装置の概略図である。 パワーの測定値の時間変化を示すグラフであり、レーザビームによって照射される層内の軌道にスイッチオンランプを使用する場合と使用しない場合について示している。 レーザに対する入力制御信号を概略的に示す曲線である。 連続する２つの軌道に関するパワー測定値を示す概略図である。

以下では、本発明の実施形態に係る、レーザ制御を有するレーザ焼結装置について、図１を参照して説明する。

本装置は、造形用容器１を備え、その中に造形対象の物体３を支持する支持台２が設けられている。支持台２は、造形用容器内で高さ調節手段４によって垂直方向に可動である。塗布した粉末造形材料の固化を行う平面が作業面５を形成している。作業面５の中で粉末材料を固化するために、レーザ６が設けられており、レーザ６はＣＯ２レーザのようなガスレーザとして構成することができる。レーザ６がレーザビーム７を生成し、生成したレーザビームを、例えば回転部（不図示）によって回転される１つまたはそれ以上の偏光ミラーの形態を取る偏光手段８と焦点合わせ部９とによって作業面５上に合焦させる。制御装置１０が偏光手段８、および必要に応じて焦点合わせ部１０を制御して、レーザビーム７を作業面５のいずれかの地点に偏光させるように設けられている。

また、次の層を形成するための粉末造形材料を供給する供給装置１１が設けられている。ディスペンサ１２を介して造形材料が作業面５に塗布され、平坦化される。

レーザビーム経路のレーザビーム７の一部７´が、図１に示すように、レーザの内部または外部に配設された部分的に透明なミラー１３によって分割される。この部分的に透明なミラー１３は、約１％未満のレーザパワーを分割するように構成されている。本実施形態では、部分的に透明なミラー１３がビーム経路内の偏光手段８の正面に配置されている。分割されたビーム７´はパワーを測定するセンサ１４に衝突する。センサ１４は、原子層サーモパイルセンサ（サーモパイルセンサ）として形成するのが好ましい。このセンサの応答遅延は約１０μｓと短いものである。そのため、レーザの単パルスの分解が可能となる。このセンサは特に、レーザのスイッチオン特性の記録を通常の造形動作と同時に行えるように構成されている。

動作に際して、支持台２を一層ごとに下降させながら、物体に相当する作業面５において各層各所に新たな粉末層を塗布した後レーザビーム７により固化させる。同時に、レーザビーム７が作業面５上の各軌道に沿って案内されるように偏光手段８の制御が行われる。例えば、公知の露光パターンは、横に並んだ複数の平行軌道である。通常の場合、各軌道の終点でレーザをスイッチオフし、新たな軌道の始点においてレーザをスイッチオンする。

図２は、１本の軌道に関してセンサ１４によって測定したレーザパワーの時間変化を示したものである。曲線１は本発明による制御を実施した場合に測定されたレーザパワーを示している。この場合、曲線の左の部分にはっきりと見えるように、レーザのスイッチオンはオーバシュート１ａを伴う。すなわち、軌道の始点においてパワーが高くなり過ぎるということである。軌道の全てまたは大部分がこのようなパワーの偏差を示した場合、軌道に沿って固化が均等に行われなくなるため、物体の造形に誤差が生まれる結果となる。

好適な実施形態による方法では、オーバシュートを含むスイッチオン動作の期間に相当する実時間内でレーザのパワーをセンサ１４によって測定する。この期間を図２ではΔｔ１で示している。

レーザの入力制御信号についてのスイッチオンランプは、パワーの測定値から決定されるが、このスイッチオンランプはスイッチオン動作時間Δｔ１における入力制御信号の時間変化の依存度を示すものであり、図２に示す曲線１のオーバシュート１ａを補正するようにスイッチオンランプが選択される。図２の曲線２は、スイッチオン動作において選択されたスイッチオンランプに応じて入力制御信号が変更される場合のパワーの測定値を表している。

図３は、入力制御信号の値の時間変化を概略的に示している。スイッチオンランプを使用しない場合、入力制御信号はゼロから所定の値へと急激に変化する。そのため、図２に示すようなオーバシュートが生じる結果となる。スイッチオンランプを使用すると、入力制御信号の値は所定の関数に従って増加する。図３は、この機能の有利な形状を示しており、スイッチオン時のパルスの後に制御信号が一時的に減衰している。これによって目標とするレーザパワーに早急に到達することができる一方、図２に示すようなオーバシュートが防止される。

スイッチオンランプは制御パワーの時間変化を示す。このランプはいくつかのパラメータの関数であり、特に所望のレーザパワー、レーザをスイッチオンする前の休止期間の他、その前のスイッチ条件の集合に依存する。例えば、ランプを経験的に決定した上でパラメータをテーブルに記録しても良いし、あるいは計算する関数を規定することもできる。

図４に示す軌道ｎと軌道ｎ＋１のように、多くの軌道が相互に連なっており、レーザはそれらの軌道を層内で追跡する。オーバシュートを無くすためにスイッチオン動作中に軌道ｎにおいてレーザパワーの実時間測定を行うことで決定されるスイッチオンランプが、次の軌道ｎ＋１に関して既に考慮されている。スイッチオン動作中に軌道ｎ＋１において測定されるパワーを、今度は次の軌道のスイッチオンランプの修正に用いることができる。このように、この方法は反復性である。

ここに開示する方法によると、センサ１４の時間分解能の範囲まで、すなわち約１０μｓの範囲までのレーザパワーの偏差を補正することができる。これにより、レーザパワーの安定化は絶えず変化するレーザ運転の履歴に依存することが無くなるため、レーザパワーの安定化を長時間に亘って行うことが可能となる。

変形実施形態においては、安定化を行うことなくレーザの動作を長時間に亘ってセンサにより監視し、測定により得たパワー曲線を基に、個々の動作モードまたは個々の露光パターンの分類を行い、そこから適切なスイッチオンランプを算出する。その後、所定のスイッチオンランプを基に、上記の反復処理によりレーザパワーの制御をそれぞれの層に適用する。

また、レーザのパワーを記録し、記録された時間について使用される軌道にこのレーザパワー割当てることが可能となる。

さらに別の変形例では、露光する軌道の中で、スイッチオン挙動を加速挙動に適用することができる。

本発明は上に述べた実施形態に限定されるものではない。本発明はガスレーザを用いる全てのラピッドプロトタイピング法に使用可能である。

さらに、本発明は、スイッチオン挙動に基づくレーザパワーの制御に限定されるものでなく、例えば、スイッチオフ動作、低レーザパワーから高レーザパワーへの変化またはその逆を含む動作など、レーザパワーが変化する全ての動作を測定・制御することができる。

Claims (9)

1. 三次元物体の断面に相当する層の各所においてガスレーザビームにより造形材料を固化することにより該物体を一層ずつ固化する三次元物体製造方法において、レーザのパワーを測定し、該測定値に従ってレーザのパワーを制御する方法であり、パワーの変化する時間ウィンドウにおいて前記パワーの測定を行い、その測定値に従ってレーザの入力制御信号を制御することを特徴とする方法。
2. 前記パワーの変化が急激に生じることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記パワーの変化がスイッチオン動作、スイッチオフ動作、または２つのパワー値の間での切換えであることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. レーザビームを層上方の軌道において案内し、各軌道が始点を有しており、軌道の始点においてレーザをスイッチオンし、スイッチオン動作時にパワーの測定を行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 測定値に従ってスイッチオンランプを決定し、スイッチオン動作時に該スイッチオンランプに従ってレーザの入力制御信号を変更することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. レーザビームを層上方の軌道において案内し、各軌道が始点と終点とを有しており、軌道の始点においてレーザをスイッチオンし、終点においてスイッチオフし、後続の軌道のレーザの入力制御信号は、前の軌道のスイッチオン動作時に測定されたパワーの値に依存することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記制御が反復的に行われることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. レーザがＣＯ２レーザであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. パワー測定手段としてセンサを使用し、該センサの応答遅延が約１０μｓ以下であること特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。

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