JP5826430B1 - 三次元造形装置及び三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 造形効率の向上を可能とする三次元造形装置の構成を提供すること。【解決手段】 光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を複数設け、これら複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０による複数の光ビーム又は電子ビームを同じ粉末層に照射するとともに、これら複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０による照射位置の移動における各移動単位を同期させている三次元造形装置において、前記複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段として、大径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段２０Ｌと、小径照射領域を形成する小径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段２０Ｓとを備え、大径照射領域Ｌの中央の位置に含まれるように、小径照射領域Ｓを形成し、かつ前記大径照射領域Ｌの形成の後に前記小径照射領域Ｓの形成が実現するように制御する三次元造形装置。【選択図】 図２

Description

本発明は、粉末材料を積層し焼結して三次元形状の造形物を製造する三次元造形装置及び三次元形状造形物の製造方法に関するものである。

従来、この種の発明では、粉末供給装置から粉末材料を供給して粉末層を形成する工程と、当該工程によって形成された粉末層の所定領域に光ビーム又は電子ビームを照射して前記所定領域の粉末を焼結する工程とを繰り返すことにより、多数の焼結層からなる三次元形状の造形物を製造するようにしている。

ところで、前記従来技術では、光ビーム又は電子ビームを照射するために、ガルバノスキャナ装置を用いる場合が多い。例えば、特許文献１に記載の発明では、レーザ発振器（２０）から出射される光ビーム又は電子ビームを、単一のガルバノスキャナ装置（スキャナ２２）に反射させるとともにその反射方向を変化させて粉末層に照射している。このような構成によれば、ガルバノスキャナ装置によって高速に光ビーム又は電子ビームの照射位置を移動させることが可能となり、造形時間の短縮に効果がある。

しかしながら、粉末材料を焼結するためには、高エネルギー照射が必要となり、光ビーム又は電子ビームを集約する必要がある。通常、焼結に使用する光ビーム又は電子ビームは、200Wレーザであり、照射径が0.1mm以下になるまで集光し、高エネルギー化する。前記のように照射径が極小であること等から、比較的大きな造形物を製作する場合は、ガルバノスキャナ装置を用いたとしても非常に時間がかかることが課題となっている。

また、通常の三次元造形物では、表面の硬度及び密度を高くすることが要求されるが、内部の硬度及び密度については比較的低くてもよい場合が多い。このため、従来技術では、造形時間の短縮のために、造形物の内部側に位置する粉末層を焼結する際には、照射径を大きくする等してエネルギー密度を低くし、造形物の外郭側に位置する粉末層を焼結する際にのみ照射径を小さくしてエネルギー密度を高くするようにしている。

しかしながら、このような従来技術では、照射径の切り換えを要することや、単一のガルバノスキャナ装置による走査パターンが多くなること等から、制御が複雑になる傾向がある。

特開２００５−３３６５４７号公報

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、造形効率を向上することができる三次元造形装置及び三次元形状造形物の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の基本構成は、
粉末供給装置によって粉末層を形成する積層工程と、光ビーム又は電子ビーム走査手段によって光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を中央制御装置、即ちコントローラにおける制御に関与しているコンピュータによって設定されている各移動単位毎に移動させて前記粉末層を焼結する焼結工程とを交互に繰り返し、かつ前記光ビーム又は電子ビーム走査手段を複数設け、これら複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段による複数の光ビーム又は電子ビームを同じ粉末層に照射するとともに、これら複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段による照射位置の移動における各移動単位を同期させるようにしている三次元造形装置において、
前記複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段として、前記粉末層の表面に大径照射領域を形成する一個又は複数個の大径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段と、同粉末層の表面に前記大径照射領域よりも径の小さな一個又は複数個の小径照射領域を形成する小径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段とを備え、
前記大径照射領域の中央の位置に含まれるように、前記小径照射領域を形成し、当該形成状態を維持しながら前記大径照射領域の形成の後に前記小径照射領域の形成が実現するように、前記大径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段及び前記小径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段を前記粉末層の表面に沿って移動させるように制御することを特徴としている三次元造形装置、
からなる。

本発明は、以上説明したように構成されているので、焼結化を効率的に行って、造形効率を向上することができると共に、高エネルギーの単一の光ビーム又は電子ビームを照射するようにした場合と比較し、熱衝撃が小さく、高品質な三次元形状造形物を得ることができる。

本発明における技術的前提を模式的に示す斜視図である。 本発明の基本構成を模式的に示す斜視図である。

前記基本構成においては、粉末供給装置によって粉末層を形成する積層工程と、光ビーム又は電子ビーム走査手段によって光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を中央制御装置、即ちコントローラにおける制御に関与しているコンピュータによって設定されている各移動単位毎に移動させて前記粉末層を焼結する焼結工程とを交互に繰り返すようにした三次元造形装置において、前記光ビーム又は電子ビーム走査手段を複数設け、これら複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段による複数の光ビーム又は電子ビームを同じ粉末層に照射するとともに、これら複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段による照射位置の移動における各移動単位を同期させている。

この構成によれば、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段による複数の光ビーム又は電子ビームを、同じ粉末層に照射するとともにその照射位置の移動における各移動単位を同期させているため、焼結効率及び造形効率を向上することができる。

具体的に説明するに、この三次元造形装置１は、図１に示すように、昇降可能な造形テーブル１０と、該造形テーブル１０の上方側に設けられた複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０と、造形テーブル１０の昇降や各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の動作等を制御するコントローラ３０と、造形テーブル１０上に粉末材料を供給する粉末供給装置４０とを具備し、粉末材料を供給して粉末層を形成する積層工程と、光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を各移動単位毎に移動させて前記粉末層を焼結する焼結工程とを交互に繰り返して三次元形状造形物を製造する。

造形テーブル１０は、上面を平坦状に形成したテーブルであり、図示しない昇降機構によって昇降するように構成されている。

この造形テーブル１０は、後述する粉末供給装置４０及び光ビーム又は電子ビーム走査手段２０により粉末層の形成と該粉末層の部分的な焼結が繰り返される毎に、下方へ所定量移動する。

なお、他例としては、この造形テーブル１０を昇降不能に固定し、粉末供給装置４０を昇降させる構造とすることも可能である。

光ビーム又は電子ビーム走査手段２０は、光ビーム又は電子ビーム発信装置（図示せず）から発せられる光ビーム又は電子ビームを、二つの反射ミラー２１，２１により反射させて、造形テーブル１０上の粉末層の上面に照射するととものその照射位置を平面方向へ移動させる二軸式のガルバノスキャナ装置である。

各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０は、コントローラ３０からの操作指令に応じて、二つの反射ミラー２１，２１を、それぞれモーター２２，２２により独立して回転させ、この回転により、粉末層上面に照射される光ビーム又は電子ビームを、ＣＣＤカメラ等の撮像装置（図示せず）により撮像した造形テーブル１０上の基準位置を原点にしてＸＹ方向へ走査する。

なお、図１中、符号２３は、コントローラ３０の制御電圧を増幅して各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０へ供給するアンプである。

また、前記光ビーム又は電子ビーム発信装置は、例えば、光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の数よりも少ない数のレーザ光源を備え、該レーザ光源から出射されるレーザ光を、プリズムやレンズ等の光学手段により分光し、それぞれの光を光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の反射ミラー２１へ照射する構成とすればよい。なお、光ビーム又は電子ビーム発信装置の他例としては、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０毎にレーザ光源を具備することも可能である。

コントローラ３０は、加工プログラム及び加工データ等を記憶する記憶部、ＣＰＵ、及び入出力インターフェース等を具備した制御回路であり、例えば、マイコンやプログラマブルコントローラ、その他の電子回路により構成すればよい。

このコントローラ３０には、図示しないＣＡＤ／ＣＡＭシステムにより生成された三次元データ（例えば、ＳＴＬ形式データ等）や、光ビーム又は電子ビームの照射径、光ビーム又は電子ビームの照射出力等のデータが入力される。そして、コントローラ３０は、前記データを予め記憶した加工プログラムに基づき演算処理し、その処理結果に応じて、光ビーム又は電子ビーム発信装置（図示せず）や、造形テーブル１０の昇降機構（図示せず）、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０等を制御する。

光ビーム又は電子ビームの照射径を変更する手段は、光ビーム又は電子ビームの光路中に、ビーム径を変えることが可能な絞り機構を具備すればよい。この絞り機構は、例えば、径の異なる複数の絞り孔を有するマスク板を備え、このマスク板を移動させて、前記複数の絞り孔を選択的に光ビーム又は電子ビームの光路上に移動させる構造とすればよい。

また、粉末供給装置４０は、水平に移動しながら平面上に金属製又は非金属製の粉末材料を供給しスキージングすることで、略平坦状の粉末層を形成する周知の装置である。この造形テーブル１０は、造形テーブル１０の上方側を略水平に移動するように設けられ、造形テーブル１０上面に粉末層を形成したり、該粉末層上にさらに粉末層を積層したりする。

次に、上記三次元造形装置１により、三次元形状造形物を製造する手順を詳細に説明する。

先ず、コントローラ３０は、予め記憶した加工プログラムに基づき、粉末供給装置４０を動作させ、造形テーブル１０上に粉末層を形成する。この後、コントローラ３０は、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を動作させて、前記粉末層の上表面に光ビーム又は電子ビームを照射する。

詳細に説明すれば、コントローラ３０は、図１に示すように、造形テーブル１０上に、前記三次元データ等に基づき、被造形領域Ｅを設定する。

被造形領域Ｅは、当該三次元造形装置１によって製造される三次元形状造形物を、造形テーブル１０に平行する平面で切断した断面に対応しており、前記三次元形状造形物の形状に応じて、複数の粉末層毎に異なる形状となる場合や、同一形状となる場合等がある。

次に、コントローラ３０は、図１に示すように、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０による複数の光ビーム又は電子ビームを、同じ粉末層における被造形領域Ｅ上の所定位置に集中させて照射するとともに、その集中部分ｘ１を、予め設定された造形パスに沿って移動させるように、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の動作を同期させる。前記集中部分ｘ１は、粉末層上において複数の光ビーム又は電子ビームが照射された瞬時の領域であり、上記絞り機構により調整された照射径を有する。

前記造形パスは、光ビーム又は電子ビームの走査経路であり、コントローラ３０が前記三次元データ等に基づき予め設定し所定の記憶領域に記憶している。

この造形パスには、被造形領域Ｅの輪郭に沿って光ビーム又は電子ビームを走査せるためのベクトル造形パスと、被造形領域Ｅの内側の領域をハッチングするようにして光ビーム又は電子ビームを走査せるためのラスタ造形パスとの２種類があり、それぞれ、粉末層毎に設定される。

前記ラスタ造形パスは、詳細に説明すれば、例えば、光ビーム又は電子ビームオン状態で被造形領域Ｅ内の一端側から他端側へ向かう直線状走査経路と、光ビーム又は電子ビームオフ状態で前記直線状走査経路の前記一端側からオフセットした位置へ向かう戻り走査経路とを交互に繰り返した経路とされる。なお、このラスタ造形パスは、前記パターン以外の他のパターンとすることが可能である。

前記造形パスに沿って光ビーム又は電子ビームの走査が行われると、粉末層上面の被造形領域Ｅが光ビーム又は電子ビームの熱により焼結する。この後、コントローラ３０は、造形テーブル１０を粉末層の厚み分だけ下降させ、被造形領域Ｅを含む粉末層の上面に対し、粉末供給装置４０により新たな粉末層を形成する。

そして、コントローラ３０は、上述した最初の粉末層に対する加工と同様に、前記新たな粉末層の上面に、被造形領域Ｅを設定し、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０による複数の光ビーム又は電子ビームを、前記新たな粉末層における被造形領域Ｅ上の所定位置に集中させて照射するとともに、その集中部分ｘ１を前記造形パスに沿って移動させるように、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の動作を同期させる。よって、新たな粉末層の被造形領域Ｅが焼結するとともに、この焼結部分が、先の粉末層の焼結部分と一体化する。

以降、造形テーブル１０の下降と、粉末供給装置４０による粉末層の形成と、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の光ビーム又は電子ビーム走査による焼結とが順番に繰り返されることで、所定の三次元形状造形物が製造される。なお、前記行程中、焼結層の外周部は、必要に応じて、図示しない切削加工装置により高精度に切削加工される。

よって、上記構成の三次元造形装置１によれば、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段による複数の光ビーム又は電子ビームを、同じ粉末層の被造形領域Ｅにおける所定位置に集中させて照射するようにしているため、その集中部分ｘ１において高エネルギー焼結を行うことができ、ひいては、造形時間を短縮化することができる。

なお、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の光ビーム又は電子ビームによる集中部分ｘ１は、前記ベクトル造形パスと前記ラスタ造形パスとのうちの一方を走査するのに用いてもよいし、双方を走査するのに用いてもよい。例えば、前記集中部分ｘ１を前記ベクトル造形パスの走査に用い、図示しない単一の光ビーム又は電子ビーム走査手段の光ビーム又は電子ビームをラスタ造形パスの走査に用いれば、三次元形状造形物の外周面寄りに高密度な焼結層を形成するとともに、内部側に低密度な焼結層を形成することができる。

前記基本構成においては、
前記複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段として、前記粉末層の表面に大径照射領域を形成する一個又は複数個の大径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段と、同粉末層の表面に前記大径照射領域よりも径の小さな一個又は複数個の小径照射領域を形成する小径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段とを備え、
前記大径照射領域の中央の位置に含まれるように、前記小径照射領域を形成し、当該形成状態を維持しながら前記大径照射領域の形成の後に前記小径照射領域の形成が実現するように、前記大径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段及び前記小径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段を前記粉末層の表面に沿って移動させるように制御することを特徴としている。

この構成によれば、大径照射領域及び小径照射領域が同時に移動する際、先ず、大径照射領域の外周寄り部分によって粉末層の表面に予熱が与えられる。そして、その予熱された部分を、小径照射領域が通過することにより、該部分がさらに加熱されることになる。

よって、粉末層の表面を大径照射領域と小径照射領域とによって段階的に加熱することができ、ひいては、高エネルギーの単一の光ビーム又は電子ビームを照射するようにした場合と比較し、熱衝撃が小さく、高品質な三次元形状造形物を得ることができる。

上記大径照射領域及び小径照射領域について更に具体的に説明するに、図２に示す態様では、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段として、粉末層の表面に大径照射領域Ｌを形成する大径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段２０Ｌと、同粉末層の表面に大径照射領域Ｌよりも径の小さな小径照射領域Ｓを形成する小径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段２０Ｓとを備える。

大径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段２０Ｌ及び小径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段２０Ｓの各々は、上述した光ビーム又は電子ビーム走査手段２０と同構造のものが用いられ、それぞれの光ビーム又は電子ビームが、上述した絞り機構（図示せず）によって絞られることで、被照射面上に、比較的径の大きな大径照射領域Ｌと、該大径照射領域Ｌよりも径の小さな小径照射領域Ｓを形成する。

コントローラ３０は、大径照射領域Ｌ内の中央の位置に含まれるように、小径照射領域Ｓを配置し、当該形成状態を維持しながら、これら大径照射領域Ｌ及び小径照射領域Ｓを所定の造形パスに沿って移動させるように、大径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段Ａ及び前記小径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段Ｂの動作における各移動単位を同期させる。

上記構成によれば、小径照射領域Ｓの輪郭線と大径照射領域Ｌの輪郭線との間の領域は、一方の光ビーム又は電子ビームのみが照射されるため、比較的熱量が小さく、小径照射領域Ｓの輪郭線の内側の領域は、一方の光ビーム又は電子ビームと他方の光ビーム又は電子ビームとが重なり合うため、比較的熱量が大きくなる。そして、これら二つの照射領域Ｓ，Ｌが同時に移動すると、被造形領域Ｅ内の同一点を、最初に大径照射領域Ｌの外周寄りの部分が通過した後、次に大径照射領域Ｌ内中央寄りの小径照射領域Ｓが通過することになる。このため、前記一方の光ビーム又は電子ビームにより予熱された部分が、前記一方及び他方の光ビーム又は電子ビームにより高熱量で加熱されるという、段階的な加熱が行われ、ひいては、高エネルギーの単一の光ビーム又は電子ビームを一度に照射するようにした場合と比較し、熱衝撃が小さく、高品質な三次元形状造形物を得ることができる。

以上の実施形態及び実施形態からも明らかなように、造形効率を明らかに向上している本発明は、三次元造形物の製造分野において、十分産業上の利用価値を発揮することができる。

１０ ：造形テーブル
２０ ：光ビーム又は電子ビーム走査手段
２０Ｓ：小径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段
２０Ｌ：大径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段
３０ ：コントローラ
４０ ：粉末供給装置
Ｅ ：被造形領域
Ｓ ：小径照射領域
Ｌ ：大径照射領域

Claims (2)

1. 粉末供給装置によって粉末層を形成する積層工程と、光ビーム又は電子ビーム走査手段によって光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を中央制御装置、即ちコントローラにおける制御に関与しているコンピュータによって設定されている各移動単位毎に移動させて前記粉末層を焼結する焼結工程とを交互に繰り返し、かつ前記光ビーム又は電子ビーム走査手段を複数設け、これら複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段による複数の光ビーム又は電子ビームを同じ粉末層に照射するとともに、これら複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段による照射位置の移動における各移動単位を同期させるようにしている三次元造形装置において、
   前記複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段として、前記粉末層の表面に大径照射領域を形成する一個又は複数個の大径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段と、同粉末層の表面に前記大径照射領域よりも径の小さな一個又は複数個の小径照射領域を形成する小径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段とを備え、
   前記大径照射領域の中央の位置に含まれるように、前記小径照射領域を形成し、当該形成状態を維持しながら前記大径照射領域の形成の後に前記小径照射領域の形成が実現するように、前記大径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段及び前記小径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段を前記粉末層の表面に沿って移動させるように制御することを特徴としている三次元造形装置。
2. 大径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段及び小径領域用光ビーム又は電子ビーム走査手段における光ビーム又は電子ビームが絞り機構によって、大径照射領域と小径照射領域を形成することを特徴とする請求項１記載の三次元造形装置。

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