JP5795657B1 - 積層造形装置及び積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粉末層の形成完了を待つこと無く光ビームの照射を開始することで造形時間の短縮化を図ること。【解決手段】積層造形装置は、３次元形状の造形物が造形される造形テーブル２３を備える造形部２と、造形テーブル２３上に材料粉末を供給して粉末層Ｍを形成する粉末層形成部３と、造形テーブル２３上に積層された粉末層Ｍに光ビームを照射して固化層の領域を選択して形成する光ビーム照射部４と、各部の動作を制御する制御部５を備え、制御部５は、粉末層形成部３が粉末層の形成を開始してから１層分の粉末層を形成し終えるまでの間に既に形成された粉末層上に造形可能領域を認識し、この造形可能領域内に光ビームを照射することによって、上記課題を達成し得る積層造形装置及び当該装置を実現する方法。【選択図】図１

Description

本発明は、材料粉末に光ビーム又は電子ビームを照射して３次元形状造形物を造形する積層造形装置及び積層造形方法に関するものである。

従来、材料粉末で形成した粉末層に光ビーム又は電子ビームを照射して固化層を形成し、この固化層の上に新たな粉末層を形成して光ビーム又は電子ビームを照射することで固化層を積層していくことを繰り返して、３次元形状の造形物を製造する積層造形装置が知られている。このような積層造形装置は、３次元形状の造形物が造形される造形テーブルを備える造形部と、造形テーブル上に材料粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成部と、造形テーブル上に積層された粉末層に光ビーム又は電子ビームを照射して溶融固化させ固化層を形成する光ビーム又は電子ビーム照射部と、各部の動作を制御する制御部を備えている。このような積層造形装置による基本動作工程は、造形テーブル上に材料粉末の粉末層を形成する工程、粉末層上での造形物の断面形状に対応する領域に光ビーム又は電子ビームを照射して選択的に固化層を形成する工程、造形テーブルを設定高さ降下させて固化層上に新たな材料粉末の粉末層を形成する工程の繰り返しになる（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０１０−１３２９６１号公報

前述した従来の積層造形装置の動作は、造形テーブル上に粉末層を形成する工程と粉末層上の造形領域に光ビーム又は電子ビームを照射して固化層の領域を選択して形成する工程が別時間に行われており、粉末層が完全に形成されるのを待ってその粉末層に光ビーム又は電子ビームを照射することがなされていた。これによると、繰り返し行われる粉末層の形成工程に要する時間が、光ビーム又は電子ビームの照射工程の待ち時間になるので、全体の造形時間が長時間化する問題があった。特に、造形テーブルの面積が広い場合には１層分の粉末層を形成するのに要する時間が長くなり、その時間が複数回繰り返されることになるので、造形時間の長時間化が避けられない問題があった。
本発明は、このような問題に対処し、結局、粉末層の形成完了を待つこと無く光ビーム又は電子ビームの照射を開始することで造形時間の短縮化を図ることを課題としている。

このような目的を達成するために、本発明による積層造形装置及び積層造形方法は、以下の基本構成に立脚している。

３次元形状の造形物が造形される造形テーブルを備える造形部と、造形テーブル上に材料粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成部と、造形テーブル上に積層された粉末層に光ビーム又は電子ビームを照射して固化層の領域を選択して形成する光ビーム又は電子ビーム照射部と、各部の動作を制御する制御部を備え、
前記粉末層形成部は、前記造形テーブルにおける所定の方向に沿って移動することによって当該造形テーブル上に粉末層を順次形成する粉末積層装置と、該粉末積層装置における上記所定の方向に沿った移動位置を検知する移動位置検知手段を備え、
前記移動位置検知手段の出力によって前記制御部は、前記粉末層形成部が粉末層の形成を開始してから１層分の粉末層を形成し終えるまでの間に既に形成された粉末層上に造形可能領域を認識し、前記制御部が、前記認識に基づいて、２枚の走査ミラーの角度調整によって、光ビーム又は電子ビームの照射位置を加工データに応じて走査することによって当該造形可能領域内に光ビーム又は電子ビームを照射する積層造形装置。

（２）造形テーブル上に材料粉末の粉末層を形成する粉末層形成工程と、粉末層上に光ビーム又は電子ビームを照射して固化層の領域を選択して形成する光ビーム又は電子ビーム照射工程とを有し、前記光ビーム又は電子ビーム照射工程は、前記粉末層形成工程において粉末層の形成を開始してから１層分の粉末層を形成し終えるまでの間に既に形成された粉末層上に造形可能領域を認識し、当該造形可能領域内に光ビーム又は電子ビームを照射する積層造形方法。

上記基本構成に基づく積層造形装置又は積層造形方法においては、粉末層の形成完了を待つこと無く光ビーム又は電子ビームの照射を開始することで、造形時間の短縮化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る積層造形装置の概略構成を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置における制御部の動作を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置の制御部による走査制御の一例を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置の制御部による走査制御の他の例を示した説明図である。 図４に示した走査制御に用いられる光ビーム又は電子ビーム走査手段を示した説明図である。 図４に示した走査制御における走査形態例を示した説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る積層造形装置の概略構成を示した説明図である。積層造形装置１は、基本構成として、造形部２、粉末層形成部３、光ビーム又は電子ビーム照射部４、制御部５を備えている。

造形部２は、３次元形状の造形物が形成される造形テーブル２３を備える。また、造形部２は、装置の土台となる基台２１、基台２１上に装備されて造形テーブル２３を上下に昇降させる昇降装置２２などを備える。造形テーブル２３はその上に供給される材料粉末と類似の材質で形成されるか、或いは溶融固化した材料粉末と密着する材質で形成される。

粉末層形成部３は、造形テーブル２３上に材料粉末を供給して粉末層Ｍを形成するものであって、造形テーブル２３の一方向（図示Ｙ軸方向）に沿って移動しながら造形テーブル２３上に順次粉末層Ｍを形成する粉末積層装置３０を備えている。この粉末積層装置３０は、材料粉末が貯留され造形テーブル２３の一辺（図示Ｘ軸方向に沿った辺）に沿って線状に材料粉末を供給するものである。また、粉末層形成部３は、粉末積層装置３０を造形テーブル２３の一方向（図示Ｙ軸方向）に沿って移動させる移動装置３１を備えており、移動装置３１には、粉末積層装置３０の一方向（図示Ｙ軸方向）に沿った移動位置を検知する移動位置検知手段３２を備えている。

光ビーム又は電子ビーム照射部４は、造形テーブル２３上に積層された粉末層Ｍに光ビーム又は電子ビームＬを照射して選択的に固化層を形成するものであり、光ビーム又は電子ビームＬを発振する光ビーム又は電子ビーム発振器４０と、光ビーム又は電子ビーム発振器４０から出射した光ビーム又は電子ビームＬを光ビーム又は電子ビーム走査手段４２に導く反射光学系４１と、光ビーム又は電子ビームＬを加工データに従って粉末層Ｍ上の任意の位置に照射する光ビーム又は電子ビーム走査手段４２を備えている。光ビーム又は電子ビーム発振器４０は、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザなどによって構成することができる。光ビーム又は電子ビーム走査手段４２は、光ビーム又は電子ビームＬを反射する２枚の走査ミラー４２Ａとこの走査ミラー４２Ａを異なる２軸周りに回転させる走査装置４２Ｂを備えている。光ビーム又は電子ビーム走査手段４２は、走査装置４２Ｂを制御して２枚の走査ミラー４２Ａの角度を調整することで、粉末層Ｍ上での光ビーム又は電子ビームＬの照射位置を加工データに応じて任意の位置に走査することができる。

制御部５は、粉末積層装置３０の位置を移動位置検知手段３２の検出によって、粉末層上の造形可能領域を認識した上で、加工データに従って光ビーム又は電子ビーム走査手段４２に対し、前記のように２枚の走査ミラー４２Ａの角度を調整することによって、前記照射位置を加工データに応じて走査するように制御するものである。また、制御部５は、粉末層形成部３が造形テーブル２３上に１層分の粉末層を形成し光ビーム又は電子ビーム走査手段４が１層分の加工処理を行う毎に昇降装置２２を制御して、造形テーブル２３の高さを徐々に下降させる制御を行うものである。

図２は、本発明の実施形態に係る積層造形装置における制御部の動作を示した説明図である。制御部５は、基本的には、入力された加工データに基づいて光ビーム又は電子ビーム走査手段５２を制御して、造形テーブル２３に積層された粉末層Ｍ上の光ビーム又は電子ビーム照射位置Ｌｓを造形物の断面形状Ｆ内で走査する。制御部５に入力される加工データのＸ−Ｙ平面座標は造形テーブル２３上の平面位置に対応するように初期設定がなされており、制御部５が加工データに応じて光ビーム又は電子ビーム走査手段４２を制御することで、造形テーブル２３上に仮想的に描かれた断面形状Ｆの内側で光ビーム又は電子ビーム照射位置Ｌｓが走査される。

これに対して、制御部５は、移動位置検知手段３２の検知信号によって、粉末積層装置３０が図示の所定のＹ軸方向のどの位置まで移動しており、造形デーブル２３上の何処までが造形可能領域であって何処からが造形不可能領域であるかを認識している。

制御部５は、粉末層形成部３０が造形テーブル２３上に１層分の粉末層を形成し始めてから形成し終えるまでの間に、既に形成された粉末層Ｍ上に造形可能領域を認識して、この造形可能領域内で光ビーム又は電子ビームＬを照射するように光ビーム又は電子ビーム走査手段４２を制御する。具体的には、粉末積層装置３０は、図示のＹ軸方向に沿って連続的に移動するので、造形テーブル２３上に既に粉末層Ｍが形成された造形可能領域は、粉末積層装置３０が移動を開始してからＹ軸方向に沿って徐々に拡大することになり、造形可能領域が断面形状Ｆ内の座標と重なった時点でその重なった範囲内で光ビーム又は電子ビームの照射が開始される。その後は、粉末積層装置３０の移動に従った造形可能範囲の拡大に伴って、断面形状Ｆ内での光ビーム又は電子ビーム照射位置Ｌｓの走査範囲が順次変更される。

図３は、制御部による走査制御の一例を示している。図示の例では、光ビーム又は電子ビーム照射位置Ｌｓの走査は、Ｘ軸方向に沿った主走査とＹ軸方向に沿った副走査によって構成されている。図３（ａ）は、断面形状Ｆ内の座標領域と造形可能領域が重なった直後の状態を示しており、造形可能領域のＹ座標（Ｙ１）が断面形状ＦのＹ座標の最小値（Ｙ０）を超えた直後を示している。図３（ｂ）には、粉末積層装置３０が更に移動して、造形可能領域のＹ座標（Ｙ２）が断面形状ＦのＹ座標範囲の中程まで移動した状態を示している。図示のように、断面形状Ｆ内の座標領域と造形可能領域が重なった時点で、その重なった領域内に光ビーム又は電子ビームが照射され、加工データに従って断面形状Ｆ内のＸ座標範囲でＸ軸方向の主走査が行われる。そして、粉末積層装置３０の移動に伴う造形可能領域の拡大に従って、光ビーム又は電子ビーム照射位置Ｌｓの副走査範囲を徐々に所定のＹ軸方向に沿って拡大する。
以下、実施例にしたがって

実施例においては、図４に示すように、制御部５は、造形テーブル２３上に複数の分割領域（仮想グリッドによって分割された領域）を認識し、造形可能領域内での分割領域を選択して、選択された分割領域内で光ビーム又は電子ビームの照射することを特徴としている。図４に示す具体例の場合には、造形テーブル２３上のＸ−Ｙ平面領域は、Ｘ軸方向に５分割され、Ｙ軸方向に６分割されている。そして、図５に示すように、光ビーム又は電子ビーム照射部４が、分割領域に対応して光ビーム又は電子ビームＬを照射する複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段４２を備え、制御部５は、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段４２を個別の走査指令で同時に制御する。複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段４２は、それぞれ駆動手段４３を備えており、制御部５からの走査指令に従って各駆動手段４３が各光ビーム又は電子ビーム走査手段４２を個別に制御する。
実施例においては、図４、図５に示すように、Ｘ軸方向に複数分割（図４、図５の場合には５分割）された分割領域毎に光ビーム又は電子ビーム走査手段４２を配備して、Ｘ軸方向に沿った複数の分割領域に複数の光ビーム又は電子ビームＬ（Ａ），Ｌ（Ｂ），Ｌ（Ｃ），Ｌ（Ｄ）が照射され、複数の分割領域は複数の光ビーム又は電子ビームで同時に加工処理がなされる。

具体的には、図４（ａ）に示すように、Ｘ軸方向に沿って分割された複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが造形可能領域になると、各分割領域Ａ〜Ｄ内における断面形状Ｆ内の座標領域に対して光ビーム又は電子ビーム照射位置の走査が行われる。この際、分割領域内における光ビーム又は電子ビームの走査は、様々な走査形態（パス）を採用することができる。図６はその一例を示している。図６（ａ）に示した例は内巻きの渦巻きパスであり、図６（ｂ）に示した例は外巻きの渦巻きパスである。また、図６（ｃ）に示した例はＸ軸方向を主走査としてＹ軸方向を副走査とするつづらおりパスである。
図４（ｂ）に示すように、粉末積層装置３０の移動によって造形可能領域が徐々に拡大すると、光ビーム又は電子ビームＬ（Ａ）は、分割領域Ａの次に分割領域Ｆ，分割領域Ｋを順次処理対象にし、他の光ビーム又は電子ビームも同様に、それぞれＹ軸方向に並んだ複数の分割領域を順次処理対象にする。

以上説明した各実施形態及び実施例からも明らかなように、本発明に係る積層造形装置は、造形テーブル上に材料粉末の粉末層Ｍを形成する粉末層形成工程と、粉末層Ｍ上に光ビーム又は電子ビームＬを照射して選択的に固化層を形成する光ビーム又は電子ビーム照射工程と、造形テーブルを設定高さ降下させて形成された固化層の上に新たな粉末層Ｍを形成する工程を繰り返すことで、造形テーブル上に３次元形状の造形物を形成する。この際、光ビーム又は電子ビーム照射工程は、粉末層形成工程において粉末層Ｍの形成を開始してから１層分の粉末層Ｍを形成し終えるまでの間に既に形成された粉末層Ｍ上に造形可能領域を認識し、この造形可能領域内に光ビーム又は電子ビームＬを照射する。これによって、粉末層形成工程と光ビーム又は電子ビーム照射工程を一部同時に進行させることができ、造形時間の短縮化が可能になる。

特に、実施例の場合のような制御部５が造形テーブル上に複数の分割領域を認識し、造形可能領域内での分割領域を選択して、選択された分割領域内に光ビーム又は電子ビームＬの照射を行うことで、複数の分割領域を異なる光ビーム又は電子ビームＬで同時に加工処理することができる。これによると更に造形時間の短縮化が可能になる。
かくして、本発明は、積層造形装置及び積層造形方法分野においてその利用の可能性は絶大といっても過言ではない。

１：積層造形装置

２：造形部
２１：基台
２２：昇降装置
２３：造形テーブル
３：粉末層形成部
３０：粉末積層装置
３１：移動装置
３２：移動位置検知手段
４：光ビーム又は電子ビーム照射部
４０：光ビーム又は電子ビーム発振器
４１：反射光学系
４２：光ビーム又は電子ビーム走査手段
４２Ａ：走査ミラー
４２Ｂ：走査装置
５：制御部
Ｌ：光ビーム又は電子ビーム
Ｍ：粉末層
Ｌａ：光ビーム又は電子ビーム照射位置
Ｆ：断面形状

Claims (3)

1. ３次元形状の造形物が造形される造形テーブルを備える造形部と、造形テーブル上に材料粉末を供給して粉末層を形成する粉末層形成部と、造形テーブル上に積層された粉末層に光ビーム又は電子ビームを照射して固化層の領域を選択して形成する光ビーム又は電子ビーム照射部と、各部の動作を制御する制御部を備え、
   前記粉末層形成部は、前記造形テーブルにおける所定の方向に沿って移動することによって当該造形テーブル上に粉末層を順次形成する粉末積層装置と、該粉末積層装置における上記所定の方向に沿った移動位置を検知する移動位置検知手段を備え、
   前記移動位置検知手段の出力によって前記制御部は、前記粉末層形成部が粉末層の形成を開始してから１層分の粉末層を形成し終えるまでの間に既に形成された粉末層上に造形可能領域を認識し、前記制御部が、前記認識に基づいて、２枚の走査ミラーの角度調整によって、光ビーム又は電子ビームの照射位置を加工データに応じて走査することによって当該造形可能領域内に光ビーム又は電子ビームを照射する積層造形装置。
2. 前記制御部は、前記造形テーブル上に複数の分割領域を認識し、前記造形可能領域内での前記分割領域を選択して、選択された前記分割領域内に光ビーム又は電子ビームの照射を行うことを特徴とする請求項１記載の積層造形装置。
3. 前記光ビーム又は電子ビーム照射部は、前記分割領域に対応して光ビーム又は電子ビームを照射する複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段を備え、
   前記制御部は、複数の前記光ビーム又は電子ビーム走査手段を個別の走査指令で同時に制御することを特徴とする請求項２記載の積層造形装置。

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