JP6017400B2 - 積層造形装置及び積層造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、積層造形装置及び積層造形物の製造方法に関する。

従来、積層造形物を製造する方法として、樹脂材料や金属材料からなる粉末材料により粉末層を形成する工程、及び、粉末層の所定の位置に光やレーザ光等を照射して粉末層の所定の範囲を固化させる工程を繰り返し行い、固化層を積層させて三次元形状の積層造形物を製造する技術が知られている。

特開２００６−２０００３０号公報

本発明が解決しようとする課題は、複数の粉末状の材料を用いて積層造形物の製造が可能な積層造形装置及び積層造形物の製造方法を提供することにある。

実施形態の積層造形装置は、第１ノズルと、第２ノズルと、光源と、制御装置と、を備える。第１ノズルは、対象物に向かって第１材料を噴射可能、且つ、噴射した第１材料にレーザ光を照射して第１材料を溶融可能に形成される。第２ノズルは、対象物に向かって第２材料を噴射可能、且つ、噴射した第２材料にレーザ光を照射して第２材料を溶融可能に形成される。光源は、第１ノズルから照射されるレーザ光と、第２ノズルから照射されるレーザ光と、を出射可能である。制御装置は、第１ノズルに対して供給する第１材料、及び第２ノズルに対して供給する第２材料の供給量を制御可能に形成される。

第１の実施形態に係る積層造形装置の構成を模式的に示す説明図。 同積層造形装置の要部構成を模式的に示す説明図。 同積層造形装置の要部構成を示す斜視図。 同積層造形装置を用いた積層造形物の製造の一例を示す説明図。 第２の実施形態に係る積層造形装置の構成を模式的に示す説明図。 第３の実施形態に係る積層造形装置の構成を模式的に示す説明図。 第４の実施形態に係る積層造形装置の構成を模式的に示す説明図。 同積層造形装置を用いた積層造形物の製造の一例を示す説明図。

以下、第１の実施形態に係る積層造形装置１及び積層造形物１００の製造方法を、図１乃至図４を用いて説明する。
図１は第１の実施形態に係る積層造形装置１の構成を模式的に示す説明図、図２は積層造形装置１の要部構成、具体的には、ノズル３３及び溶融装置４５の構成を模式的に示す説明図、図３は積層造形装置１に用いられる光学装置１５のガルバノスキャナ５５の構成を示す斜視図、図４は積層造形装置１を用いた積層造形物１００の製造の一例を示す説明図である。

図１に示すように、積層造形装置１は、処理槽１１と、ステージ１２と、移動装置１３と、ノズル装置１４と、光学装置１５と、計測装置１６と、制御装置１７と、を備えている。積層造形装置１は、ステージ１２上に設けられる対象物１１０に、ノズル装置１４で供給される材料を層状として複数積層させることで、所定の形状の積層造形物１００を造形可能に形成されている。

なお、対象物１１０とは、その上面に積層造形物１００を造形するためのベース１１０ａや、積層造形物１００の一部を構成する層１１０ｂ等であり、ノズル装置１４によって材料を供給する対象である。また、材料とは、粉末状の樹脂材料又は金属材料であって、複数種の異なる金属材料、例えば第１材料１２１及び第２材料１２２が用いられる。

処理槽１１は、主室２１と、主室２１に隣接して形成された副室２２と、主室２１を開閉可能、且つ、主室２１を気密に閉塞可能な扉部２３と、を備えている。主室２１は、その内部にステージ１２、移動装置１３、ノズル装置１４の一部、及び、計測装置１６を配置可能に形成されている。主室２１は、例えば、窒素及びアルゴン等の不活性ガスが供給される供給口２１ａと、主室２１内のガス等を排出する排出口２１ｂと、を備えている。主室２１は、供給口２１ａが不活性ガスを供給する供給装置に接続されている。排出口２１ｂは、主室２１内のガスを排出する排出装置に接続されている。

副室２２は、主室２１に隣接して形成される。副室２２は、扉部２３を介して主室２１と空間が連続可能に形成される。副室２２は、例えば、主室２１で処理された積層造形物１００が搬送される。副室２２は、例えば、製造された積層造形物１００を積載し、主室２１から搬送する移載装置や、バキュームヘッド等によって積層造形物１００を吸着させて搬送する搬送アーム等の搬送装置２４を備えている。副室２２は、積層造形物１００の造形時に、扉部２３が閉じられることで、主室２１と隔離される。

ステージ１２は、その上部に対象物１１０を支持可能に形成されている。移動装置１３は、ステージ１２を３軸方向に移動させることが可能に形成されている。

ノズル装置１４は、複数種の材料を所定の量だけステージ１２上の対象物１１０に選択的に供給可能、且つ、レーザ光２００を出射可能に形成されている。具体的には、ノズル装置１４は、第１材料１２１を供給可能な第１供給装置３１と、第２材料１２２を供給可能な第２供給装置３２と、第１供給装置３１及び第２供給装置３２並びに光学装置１５に接続されたノズル３３と、第１供給装置３１及びノズル３３並びに第２供給装置３２及びノズル３３を接続する供給管３４と、を備えている。

例えば、第１材料１２１は、粉末状の金属材料である。また、第２材料１２２は、粉末状であって第１材料と異なる金属材料である。

第１供給装置３１は、第１材料１２１を貯蔵するタンク３１ａと、タンク３１ａから第１材料１２１をノズル３３に所定の量だけ供給する供給手段３１ｂと、を備えている。第１供給装置３１は、例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガスをキャリアとしてタンク３１ａ内の第１材料１２１をノズル３３に供給可能に形成されている。

第２供給装置３２は、第２材料１２２を貯蔵するタンク３２ａと、タンク３２ａから第２材料１２２をノズル３３に所定の量だけ供給する供給手段３２ｂと、を備えている。第２供給装置３２は、例えば、窒素やアルゴン等の不活性ガスをキャリアとしてタンク３２ａ内の第２材料１２２をノズル３３に供給可能に形成されている。

ノズル３３は、第１供給装置３１及び第２供給装置３２に供給管３４を介して接続される。ノズル３３は、光学装置１５にレーザ光２００を通過させることが可能なケーブル２１０を介して接続される。ノズル３３は、ステージ１２に対して移動可能に形成されている。

ノズル３３は、円筒状の外郭体３６と、外郭体３６内に設けられ、その先端から第１材料１２１及び第２材料１２２を噴射する噴射口３７と、レーザ光２００を通過させる光通路部３８と、光通路部３８内に設けられた光学レンズ３９と、を備えている。ノズル３３は、例えば、噴射口３７の径が異なる二つが設けられる。例えば、一方のノズル３３の噴射口３７は、０．２ｍｍの径に、他方のノズル３３の噴射口３７は、２．０ｍｍに形成される。ノズル３３は、第１供給装置３１及び第２供給装置３２から供給された粉末状の第１材料１２１及び第２材料１２２を混合可能に形成されている。

ノズル３３は、例えば、その内部で第１供給装置３１及び第２供給装置３２から供給された粉末状の第１材料１２１及び第２材料１２２を混合可能、又は、複数の噴射口３７からそれぞれ第１材料１２１及び第２材料１２２を噴射し、噴射後第１材料１２１及び第２材料１２２を混合可能に形成されている。

なお、本実施の形態においては、噴射口３７は、例えば、二つ設けられ、一方が第１供給装置３１に接続される第１噴射口３７ａであり、他方が第２供給装置３２に接続される第２噴射口３７ｂである構成を用いて説明する。図２に示すように、例えば、噴射口３７は、第１供給装置３１及び第２供給装置３２から供給されたガスによって搬送された第１材料１２１及び第２材料１２２が、噴射口３７から所定の距離において交差するように、外郭体３６の軸心、さらに言えば出射するレーザ光２００の光軸に対して傾斜して形成される。

光通路部３８は、外郭体３６の軸心に沿って設けられる。光学レンズ３９は、例えば、光通路部３８に設けられる。光学レンズ３９は、ケーブル２１０からのレーザ光２００を平行光に変換し、且つ、平行光を収束可能に２つ設けられる。光学レンズ３９は、所定の位置、具体的には、噴射口３７から噴射された第１材料１２１及び第２材料１２２が交差する位置で最も収束するように構成される。

図１及び図３に示すように、光学装置１５は、光源４１と、光源４１にケーブル２１０を介して接続された光学系４２と、を備えている。光源４１は、発信素子を有し、レーザ光２００を発信素子から出射可能に形成されたレーザ光２００の供給源である。光源４１は、出射するレーザ光のパワー密度を変更可能に形成されている。

光学系４２は、光源４１から出射されたレーザ光２００をノズル３３に供給可能、且つ、対象物１１０に向かって噴射された第１材料１２１及び第２材料１２２に照射可能に形成されている。また、光学系４２は、ベース１１０ａ上の層１１０ｂや材料１２１，１２２にレーザ光２００を照射可能に形成されている。

具体的には、光学系４２は、第１レンズ５１と、第２レンズ５２と、第３レンズ５３と、第４レンズ５４と、ガルバノスキャナ５５と、を備えている。光学系４２は、第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３及び第４レンズ５４が固定されている。なお、光学系４２は、第１レンズ５１、第２レンズ５２、第３レンズ５３及び第４レンズ５４を二軸方向、具体的には光路に対して直交又は交差する方向に移動可能な調整装置を備えている構成であってもよい。

第１レンズ５１は、ケーブル２１０を介して入射されたレーザ光２００を平行光に変換可能、且つ、変換したレーザ光２００をガルバノスキャナ５５に入射可能に形成されている。第２レンズ５２は、ノズル３３と同数設けられる。第２レンズ５２は、ガルバノスキャナ５５から出射されたレーザ光２００を収束させるとともに、ケーブル２１０を介してノズル３３にレーザ光２００を出射可能に形成されている。

第３レンズ５３は、ガルバノスキャナ５５から出射されたレーザ光２００を収束させ、対象物１１０上にレーザ光２００を照射可能に形成されている。第４レンズ５４は、ガルバノスキャナ５５から出射されたレーザ光２００を収束させ、対象物１１０上にレーザ光２００を照射可能に形成されている。

ガルバノスキャナ５５は、第１レンズ５１で変換された平行光を、第２レンズ５２、第３レンズ５３及び第４レンズ５４に分割可能に形成されている。ガルバノスキャナ５５は、第１ガルバノミラー５７と、第２ガルバノミラー５８と、第３ガルバノミラー５９と、を備えている。各ガルバノミラー５７，５８，５９は、傾斜角度を可変可能、且つ、レーザ光２００を分割可能に形成されている。

第１ガルバノミラー５７は、第１レンズ５１を通過したレーザ光２００の一部を通過させることでレーザ光２００を第２ガルバノミラー５８に出射するととともに、当該レーザ光２００の他部を反射させることでレーザ光２００を第４レンズ５４に出射する。また、第１ガルバノミラー５７は、その傾斜角度によって、第４レンズ５４を通過したレーザ光２００の照射位置を調整可能に形成されている。

第２ガルバノミラー５８は、レーザ光２００の一部を第３ガルバノミラー５９に出射するととともに、当該レーザ光２００の他部を反射させて第３レンズ５３に出射する。また、第２ガルバノミラー５８は、その傾斜角度によって、第３レンズ５３を通過したレーザ光２００の照射位置を調整可能に形成されている。

第３ガルバノミラー５９は、レーザ光２００の一部を一方の第２レンズ５２に出射させるととともに、当該レーザ光２００の他部を他方の第２レンズ５２に出射する。

このような光学系４２は、第１ガルバノミラー５７、第２ガルバノミラー５８及び第３レンズ５３によって対象物１１０に供給された第１材料１２１（１２３）及び第２材料１２２（１２３）を加熱して層１１０ｂを形成するとともにアニール処理を行う溶融装置４５を構成する。溶融装置４５は、ベース１１０ａ上にノズル３３から供給された第１材料１２１及び第２材料１２２をレーザ光２００によって溶融し、層１１０ｂを形成する。

また、光学系４２は、第１材料１２１及び第２材料１２２によってベース１１０ａ上及び層１１０ｂに形成された不要な部位を第１ガルバノミラー５７及び第４レンズ５４によって供給されたレーザ光２００により除去する除去装置４６を構成する。

除去装置４６は、ノズル３３による第１材料１２１及び第２材料１２２の供給時に発生する材料の飛散や、層１１０ｂの形成時に発生する不要部位等の、積層造形物１００の所定の形状とは異なる部位を除去可能に形成されている。除去装置４６は、当該部位を除去可能なパワー密度を有するレーザ光２００を出射可能に形成されている。

計測装置１６は、ベース１１０ａ上の固化した材料の形状である、層１１０ｂの形状及び造形した積層造形物１００の形状を計測することが可能に形成されている。計測装置１６は、計測した形状の情報を制御装置１７に送信可能に形成されている。

例えば、計測装置１６は、カメラ６１と、カメラ６１で計測した情報に基づいて画像処理を行う画像処理装置６２と、を備えている。なお、計測装置１６は、例えば、干渉方式や光切断方式等によって、層１１０ｂ及び積層造形物１００の形状、即ち、ベース１１０ａ上の第１材料１２１及び第２材料１２２が混合した材料１２３の形状を計測可能に形成されている。

制御装置１７は、移動装置１３、搬送装置２４、第１供給装置３１、第２供給装置３２、光源４１、ガルバノスキャナ５５及び画像処理装置６２に信号線２２０を介して電気的に接続されている。

制御装置１７は、移動装置１３を制御することで、ステージ１２を３軸方向に移動可能に形成されている。制御装置１７は、搬送装置２４を制御することで、造形した積層造形物１００を副室２２に搬送可能に形成されている。制御装置１７は、第１供給装置３１を制御することで、第１材料１２１の供給、及び、第１材料１２１の供給量を調整が可能に形成されている。

制御装置１７は、第２供給装置３２を制御することで、第２材料１２２の供給、及び、第２材料１２２の供給量を調整が可能に形成されている。制御装置１７は、光源４１を制御することで、光源４１から出射されるレーザ光２００のパワー密度を調整可能に形成されている。制御装置１７は、ガルバノスキャナ５５を制御することで、第１ガルバノミラー５７、第２ガルバノミラー５８及び第３ガルバノミラー５９の傾斜角度を調整可能に形成されている。また、制御装置１７は、ノズル３３を移動可能に形成されている。

制御装置１７は、記憶部１７ａを備えている。記憶部１７ａには、閾値として、造形する積層造形物１００の形状が記憶されている。また、記憶部１７ａには、造形する積層造形物１００の各層１１０ｂにおける材料１２１，１２２の比率が記憶されている。

また、制御装置１７は、以下の機能（１）乃至（３）を有している。

（１）ノズル３３から材料を選択的に噴射する機能。

（２）ベース１１０ａ上で材料の形状を判断する機能。

（３）ベース１１０ａ上の材料のトリミングを行う機能。

次に、これら機能（１）乃至機能（３）について説明する。
機能（１）は、記憶部１７ａに記憶された、予め設定された積層造形物１００の各層１１０ｂにおける第１材料１２１及び第２材料１２２の比率に基づいて、ノズル３３から第１材料１２１及び第２材料１２２を選択的に噴射する機能である。具体的には、第１供給装置３１及び第２供給装置３２の供給手段３１ｂ,３２ｂを制御し、積層造形物１００の所定の層１１０ｂを形成するときに、当該層１１０ｂに設定された第１材料１２１及び第２材料１２２の比率を調整する機能である。また、例えば、積層造形物１００が部分的に異なる材料又は比率で形成される場合に、第１材料１２１及び第２材料１２２の比率を変化させることで、傾斜材料を形成する機能である。

より具体的に説明すると、例えば、積層造形物の一端側を第１材料１２１のみで形成し、他端側を第２材料１２２のみで形成する場合には、まず、ベース１１０ａ上に、第１材料のみを供給して層１１０ｂを積層させて第１材料１２１のみで形成される部位を形成する。次に、第２材料１２２のみで形成する部位までは、第１材料及び第２材料の比率を漸次変えていき、第１材料１２１のみで形成する部位及び第２材料１２２のみで形成する部位の中間位置で第１材料及び第２材料の比率が半分となるように、層１１０ｂの材料の比率を変化させる。このように機能（１）は、第１材料１２１及び第２材料の比率を変えることで、漸次第１材料１２１及び第２材料１２２の比率が変化する傾斜材料を形成することが可能となる。

機能（２）は、ベース１１０ａ上でノズル３３から噴射された第１材料１２１及び第２材料１２２で形成された層１１０ｂ又は積層造形物１００の形状を計測装置１６で計測し、記憶部１７ａの閾値と比較することで、所定の形状でない部位が形成されているか否かを判断する機能である。具体的には、ノズル３３からガスを用いて第１材料１２１及び第２材料１２２が噴射されるとともに、レーザ光２００によって溶融されることから、ベース１１０ａ上及び層１１０ｂ上に材料１２１，１２２が供給されたときに、当該材料１２１，１２２の一部が飛散して、所定の形状でない部位が形成される虞がある。この飛散した材料１２１，１２２を検出するために、計測装置１６で計測した形状と記憶部１７ａに記憶された閾値とを比較し、所定の形状に材料１２１，１２２が供給されているか否かを判断する機能である。換言すると、機能（２）は、積層造形物１００の所定の形状とは異なる部位に材料１２１，１２２が付着し、所定の形状（閾値）から突出する部位を有するか否かを判断する機能である。

機能（３）は、機能（２）で計測された、所定の形状とは異なる部位の材料１２１，１２２を除去することで、ノズル３３から供給された材料１２１，１２２を所定の形状にトリミングする機能である。具体的には、機能（２）で、所定の形状とは異なる部位に材料１２１，１２２が飛散して付着している場合に、第１ガルバノミラー５７を介して第４レンズ５４から出射されたレーザ光２００が材料１２１，１２２を蒸発可能なパワー密度となるように光源４１を制御する。その後、第１ガルバノミラー５７を制御し、当該レーザ光２００を、当該部位に照射して材料１２１，１２２を蒸発させることで、所定の形状にトリミングを行う機能である。

次に、積層造形装置１を用いた積層造形物１００の製造方法を、図２及び図４を用いて説明する。
まず、図４に示すように、制御装置１７は、第１供給装置３１及び第２供給装置３２を制御して所定の量の第１材料１２１及び第２材料１２２を、ノズル３３から所定の範囲に溶射する。具体的には、制御装置１７により第１供給装置３１及び第２供給装置３２を制御し、形成を行う層１１０ｂの所定の材料となるように、噴射口３７から粉末状の第１材料１２１及び／又は第２材料１２１を所定の比率で噴射させる。また、レーザ光２００を照射して、噴射した材料１２１，１２２を溶融させる。

これにより、図２に示すように、ベース１１０ａ上の層１１０ｂを形成する範囲に、溶融した材料１２３が所定の量だけ供給される。なお、例えば、材料１２３は、ベース１１０ａや層１１０ｂに噴射されると、変形して層状又は薄膜状等の材料１２３の集合となるか又は自身を運ぶガスによって冷却若しくは材料１２３の集合へと熱が伝わり放熱されるによって冷却され、粒状で積層され、粒状の集合となる。

次に、ベース１１０ａ上の材料１２３の集合に溶融装置４５を制御してレーザ光２００を照射し、材料１２３の集合を再溶融させて層１１０ｂとするとともにアニール処理を行う。次に、計測装置１６により、アニール処理を行ったベース１１０ａ上の材料１２３を計測する。制御装置１７は、計測装置１６で計測されたベース１１０ａ上の材料１２３の形状と、記憶部１７ａに記憶された閾値とを比較する。

ベース１１０ａ上の材料１２３が所定の形状の層１１０ｂに形成されていたら、制御装置１７は、再び第１供給装置３１及び第２共有装置３２を制御して、形成した層１１０ｂ上に新たに層１１０ｂを形成する。

ベース１１０ａ上の材料１２３が所定の形状とは異なる位置に材料１２３が付着している場合には、制御装置１７は、除去装置４６を制御して、当該付着した材料１２３にレーザ光２００を照射し、不要な材料１２３を蒸発させる。このように、制御装置１７は、計測装置１６で計測した材料１２３の形状が所定と異なる部位にレーザ光２００を照射して不要な材料１２３を除去することで、層１１０ｂが所定の形状となるようにトリミングを行う。

トリミング終了後、制御装置１７は、再び第１供給装置３１及び第２共有装置３２を制御して、形成した層１１０ｂ上に新たに層１１０ｂを形成する。このように、層１１０ｂを繰り返し形成して積層させることで、積層造形物１００が造形される。

このように構成された積層造形装置１は、制御装置１７によって所定の量の第１材料１２１及び／又は第２材料１２２をノズル３３に供給可能、且つ、第１材料１２１及び第２材料１２２をノズル３３で混合してレーザ光２００により溶射可能に形成されに形成されている。これにより、材料１２１，１２２を所定の比率で供給することが可能となり、積層造形物１００に複数の異なる材料を用いることが可能となる。そして、積層造形物１００は、傾斜材料となる。

また、積層造形装置１は、ベース１１０ａ上に供給された材料１２３（層１１０ｂ）を溶融装置４５により再溶融して層状とするとともに、アニール処理を行うことで、残留応力を除去することが可能となる。さらに、材料１２１，１２２を確実に混合させることが出来るので、強度を向上することが可能となる。

さらに、積層造形装置１は、計測装置１６で計測した材料１２３の形状を記憶部１７ａの閾値と比較し、不要に供給された材料１２３を除去することで、供給された材料１２３の形状に応じてトリミングが可能となる。このため、ノズル３３から材料１２３を噴射する構成であっても、飛散して付着した不要な材料１２３を除去可能となり、所定の形状の積層造形物１００を造形可能となる。

上述したように、第１の実施形態に係る積層造形装置１によれば、傾斜材料の形成、アニール処理及びトリミングが可能となり、複数の粉末状の材料１２１，１２２を用いて積層造形物１００を製造することが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、図５を用いて、第２の実施形態に係る積層造形装置１Ａについて説明する。図５は、第２の実施形態に係る積層造形装置１Ａの構成を模式的に示す説明図である。なお、第２の実施形態に係る積層造形装置１Ａの構成のうち、上述した第１の実施形態に係る積層造形装置１と同様の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図５に示すように、積層造形装置１Ａは、処理槽１１と、ステージ１２と、移動装置１３と、ノズル装置１４と、光学装置１５Ａと、計測装置１６と、制御装置１７と、を備えている。積層造形装置１Ａは、ステージ１２上に設けられる対象物１１０に、ノズル装置１４で供給される材料を層状として複数積層させることで、所定の形状の積層造形物１００を形成に形成されている。

光学装置１５Ａは、一対の光源４１と、一方の光源４１にケーブル２１０を介して接続された第１光学系４２Ａと、他方の光源４１にケーブル２１０を介して接続された第２光学系４３と、を備えている。

第１光学系４２Ａは、光源４１から出射されたレーザ光２００をノズル３３に供給可能、且つ、対象物１１０に向かって噴射された第１材料１２１及び第２材料１２２に照射可能に形成されている。第２光学系４３は、光源４１から出射されたレーザ光２００を、ベース１１０ａ上の層１１０ｂや材料１２１，１２２に照射可能に形成されている。

具体的には、第１光学系４２Ａは、第１レンズ５１と、第２レンズ５２と、第３レンズ５３と、ガルバノスキャナ５５Ａと、を備えている。光学系４２Ａは、第１レンズ５１、第２レンズ５２、及び、第３レンズ５３を、二軸方向、具体的には光路に対して直交又は交差する方向に移動可能な調整装置を備えている。

ガルバノスキャナ５５Ａは、第１レンズ５１で変換された平行光を、第２レンズ５２及び第３レンズ５３に分割可能に形成されている。ガルバノスキャナ５５Ａは、第１ガルバノミラー５８と、第２ガルバノミラー５９と、を備えている。各ガルバノミラー５８，５９は、傾斜角度を可変可能、且つ、レーザ光２００を分割可能に形成されている。

第１光学系４２Ａは、上述した光学系４２の第４レンズ５４及び第１ガルバノミラー５７を有さない構成である。このような第１光学系４２Ａは、第１ガルバノミラー５８及び第３レンズ５３により、レーザ光２００を対象物１１０に供給された第１材料１２１（１２３）及び第２材料１２２（１２３）に照射することで、材料１２１，１２２を再溶融させて層状とするとともに、アニール処理を行う溶融装置４５を構成する。

第２光学系４３は、例えば、第１レンズ５１と、第４レンズ５４を備える。第２光学系４３は、光源４１から供給されたレーザ光２００により、ベース１１０ａ上及び層１１０ｂに第１材料１２１及び第２材料１２２によって形成された不要な部位を除去する除去装置４６Ａを構成する。例えば、第２光学系４３に接続される光源４１は、レーザ光２００として、ピコ秒レーザを出射可能に形成されている。なお、第２光学系４３は、ガルバノスキャナを有さない構成であっても、有する構成であってもよい。

このように構成された積層造形装置１Ａは、積層造形装置１と同様の構成であって、且つ、光学装置１５Ａの溶融装置４５を含む第１光学系４２Ａと除去装置４６Ａ（４３）とが別体に設けられる構成である。

このような積層造形装置１Ａは、上述した積層造形装置１と同様に、第１材料１２１及び第２材料１２２をノズル３３で混合して噴射可能に形成され、且つ、制御装置１７によって所定の量の第１材料１２１及び／又は第２材料１２２を供給可能に形成されている。これにより、材料１２１，１２２を所定の比率で供給することが可能となり、積層造形物１００に複数の異なる材料を用いることが可能となる。そして、積層造形物１００は、傾斜材料となる。

また、積層造形装置１Ａは、ベース１１０ａ上に供給された材料１２３（層１１０ｂ）を溶融装置４５Ａによりにより再溶融して層状とするとともに、アニール処理を行うことで残留応力を除去することが可能となる。さらに、材料１２１，１２２を確実に混合させることが出来るので、強度を向上することが可能となる。

さらに、積層造形装置１Ａは、計測装置１６で計測した材料１２３の形状を記憶部１７ａの閾値と比較し、不要に供給された材料１２３を除去することで、供給された材料１２３の形状に応じてトリミングが可能となる。このため、ノズル３３から材料１２３を噴射する構成であっても、飛散した不要な材料１２３を除去可能となり、所定の形状の積層造形物１００を造形可能となる。

上述したように、第２の実施形態に係る積層造形装置１Ａによれば、傾斜材料の形成、アニール処理及びトリミングが可能となり、複数の粉末状の材料１２１，１２２を用いて積層造形物１００を製造することが可能となる。

（第３の実施形態）
次に、図６を用いて、第３の実施形態に係る積層造形装置１Ｂについて説明する。図６は、第３の実施形態に係る積層造形装置１Ｂの構成を模式的に示す説明図である。なお、第３の実施形態に係る積層造形装置１Ｂの構成のうち、上述した第１の実施形態に係る積層造形装置１及び第２の実施形態に係る積層造形装置１Ａと同様の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図６に示すように、積層造形装置１Ｂは、処理槽１１と、ステージ１２と、移動装置１３と、ノズル装置１４と、光学装置１５Ｂと、計測装置１６と、制御装置１７と、を備えている。また、積層造形装置１Ｂは、除去装置４６Ｂを備えている。積層造形装置１Ｂは、ステージ１２上に設けられる対象物１１０に、ノズル装置１４で供給される材料を層状として複数積層させることで、所定の形状の積層造形物１００を形成に形成されている。

光学装置１５Ｂは、光源４１と、光源４１にケーブル２１０を介して接続された光学系４２Ｂと、を備えている。

光学系４２Ｂは、光源４１から出射されたレーザ光２００をノズル３３に供給可能、且つ、対象物１１０に向かって噴射された第１材料１２１及び第２材料１２２の所定の範囲に照射可能に形成されている。

具体的には、光学系４２Ｂは、第１レンズ５１と、第２レンズ５２と、第３レンズ５３と、ガルバノスキャナ５５Ａと、レーザ光２００の照射範囲を調整する照射範囲調整機構５６と、を備えている。光学系４２Ｂは、第１レンズ５１、第２レンズ５２、及び、第３レンズ５３を、二軸方向、具体的には光路に対して直交又は交差する方向に移動可能な調整装置を備えている。このような光学系４２Ｂは、第１ガルバノミラー５８及び第３レンズ５３によって対象物１１０に供給されるレーザ光２００を照射範囲調整機構５６によって照射範囲を調整可能に形成される。光学系４２Ｂは、第１レンズ５１、第３レンズ５３、第１ガルバノミラー５８及び照射範囲調整機構５６により、照射範囲が調整されたレーザ光２００により第１材料１２１（１２３）及び第２材料１２２（１２３）を再溶融し、アニール処理を行うことが可能な溶融装置４５Ｂを構成する。

照射範囲調整機構５６は、レーザ光２００の照射範囲を拡大可能なズーム機構５６ａと、ズーム機構５６ａで拡大した照射範囲を所定の形状とするマスク機構５６ｂと、を備えている。ズーム機構５６ａは、信号線２２０を介して制御装置１７に接続され、材料１２１，１２２を再溶融するレーザ光２００の範囲を拡大可能に形成されている。なお、レーザ光２００の範囲を拡大するときには、制御装置１７は、光源４１の出力を増加させて、レーザ光２００によって材料１２１，１２２を溶融可能なパワー密度とする。

マスク機構５６ｂは、信号線２２０を介して制御装置１７に接続され、層１１０ｂのレーザ光２００を照射する部位に応じて、レーザ光２００の照射する範囲の形状を変更可能に形成されている。例えば、マスク機構５６ｂは、制御装置１７に制御されることで、照射位置に応じてマスクを変更し、層１１０ｂの適切な照射範囲にレーザ光２００を照射することが可能に形成されている。

除去装置４６Ｂは、例えば、切削工具によって材料１２３を切削可能に形成された切削装置である。除去装置４６Ｂは、制御装置１７に信号線２２０を介して接続され、制御装置１７によって移動可能に形成されている。

このように構成された積層造形装置１Ｂは、積層造形装置１，１Ａと同様の構成であって、且つ、材料１２１，１２２を溶融させる溶融装置４５Ｂによるレーザ光２００の照射範囲を照射範囲調整機構５６によって可変する構成である。また、積層造形装置１Ｂは、除去装置４６Ｂによって不要な材料を切削して除去する構成である。

このような積層造形装置１Ｂは、上述した積層造形装置１，１Ａと同様に、制御装置１７によって所定の量の第１材料１２１及び／又は第２材料１２２を供給可能、且つ、第１材料１２１及び第２材料１２２をノズル３３で混合して噴射可能に形成されている。これにより、材料１２１，１２２を所定の比率で供給することが可能となり、積層造形物１００に複数の異なる材料を用いることが可能となる。そして、積層造形物１００は、傾斜材料となる。

積層造形装置１Ｂは、計測装置１６で計測した材料１２３の形状を記憶部１７ａの閾値と比較し、不要に供給された材料１２３を除去装置４６Ｂにより除去するトリミングが可能となる。このため、ノズル３３から材料１２３を噴射する構成であっても、飛散した不要な材料１２３を除去可能となり、所定の形状の積層造形物１００を造形可能となる。

また、積層造形装置１Ｂは、ベース１１０ａ上に供給された材料１２３（層１１０ｂ）を溶融装置４５Ａによりにより再溶融して層状とするとともに、アニール処理を行うことで残留応力を除去することが可能となる。さらに、材料１２１，１２２を確実に混合させることが出来るので、強度を向上することが可能となる。

また、積層造形装置１Ｂは、ベース１１０ａ上の層１１０ｂを再溶融させてアニール処理を行う場合に、レーザ光２００を照射する範囲を照射範囲調整機構５６によって調整することが可能となる。これにより、アニール処理を行う処理時間を短縮することが可能となる。

上述したように、第３の実施形態に係る積層造形装置１Ｂによれば、傾斜材料の形成、アニール処理及びトリミングが可能となり、複数の粉末状の材料１２１，１２２を用いて積層造形物１００を製造することが可能となる。

（第４の実施形態）
次に、図７及び図８を用いて、第４の実施形態に係る積層造形装置１Ｃについて説明する。図７は第４の実施形態に係る積層造形装置１Ｃの構成を模式的に示す説明図、図８は積層造形装置１Ｃを用いた積層造形物１００の製造の一例を示す説明図である。なお、第４の実施形態に係る積層造形装置１Ｃの構成のうち、上述した第１の実施形態に係る積層造形装置１と同様の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図７に示すように、積層造形装置１Ｃは、処理槽１１と、ステージ１２と、移動装置１３と、ノズル装置１４Ｃと、光学装置１５と、計測装置１６と、制御装置１７と、を備えている。

ノズル装置１４Ｃは、複数の材料を所定の量だけステージ１２上の対象物１１０に供給可能、且つ、レーザ光２００を出射可能に形成されている。具体的には、ノズル装置１４は、第１材料１２１を供給可能な第１供給装置３１と、第２材料１２２を供給可能な第２供給装置３２と、第１供給装置３１及び光学装置１５に接続された第１ノズル３３ａと、第２供給装置３２及び光学装置１５に接続された第２ノズル３３ｂと、第１供給装置３１及び第１ノズル３３ａ並びに第２供給装置３２及び第２ノズル３３ｂを接続する供給管３４と、を備えている。

第１ノズル３３ａ及び第２ノズル３３ｂは、それぞれ、供給管３４を介して第１供給装置３１及び第２供給装置３２に接続される。これらノズル３３ａ，３３ｂは、光学装置１５にレーザ光２００を通過させることが可能なケーブル２１０を介して接続される。ノズル３３ａ，３３ｂは、ステージ１２に対して移動可能に形成されている。

ノズル３３ａ，３３ｂは、円筒状の外郭体３６と、外郭体３６内に設けられ、その先端から第１材料１２１又は第２材料１２２を噴射する噴射口３７と、レーザ光２００を通過させる光通路部３８と、光通路部３８内に設けられた光学レンズ３９と、を備えている。

次に、積層造形装置１Ｃを用いた積層造形物１００の製造方法を、図８を用いて説明する。
まず、図８に示すように、制御装置１７は、第１供給装置３１を制御して所定の量の第１材料１２１を、ノズル３３ａから所定の範囲に溶射する。具体的には、制御装置１７により第１供給装置３１を制御し、形成を行う層１１０ｂの所定の材料となるように、噴射口３７から対象物１１０に向かって粉末状の第１材料１２１を噴射させる。また、レーザ光２００を照射して、噴射した第１材料１２１を溶融させる。

次に、第２供給装置３２を制御し、ノズル３３ｂから所定の量の第２材料１２２を対象物１１０に向かって噴射してレーザ光２００により溶融させることで、第２材料１２２を所定の範囲に溶射する。

これにより、図８に示すように、第１材料１２１及び第２材料１２２がベース１１０ａ上に設けられる。具体的には、ベース１１０ａ上に第１材料１２１が付着し、さらに第１材料１２１上に第２材料１２２が付着する。換言すると、ベース１１０ａ上に第１材料１２１及び第２材料１２２が積層される。次に、溶融装置４５によってレーザ光２００を、材料１２１，１２２の集合に照射させて材料１２１，１２２の集合を再度溶融させて、層１１０ｂを形成する。これにより、材料１２１，１２２が混合されて層１１０ｂを形成するとともに、層１１０ｂのアニール処理が行われる。次に、計測装置１６により、再溶融することでアニール処理を行ったベース１１０ａ上の材料１２３を計測する。制御装置１７は、計測装置１６で計測されたベース１１０ａ上の材料１２３の形状と、記憶部１７ａに記憶された閾値とを比較する。

ベース１１０ａ上の材料１２３が所定の形状の層１１０ｂに形成されていたら、制御装置１７は、再び第１供給装置３１を制御して第１材料１２１を供給し、次に第２供給装置３２を制御して第２材料１２２を供給する。次に、溶融装置４５を制御して、材料１２１,１２２を再溶融させてアニール処理を行い、層１１０ｂ上に新たに層１１０ｂを形成する。

ベース１１０ａ上の材料１２３が所定の形状とは異なる位置に材料１２３が付着している場合には、制御装置１７は、除去装置４６を制御して、当該付着した材料１２３にレーザ光２００を照射して蒸発させる。このように、制御装置１７は、計測装置１６で計測した材料１２３の形状が所定と異なる部位にレーザ光２００を照射してトリミングを行う。

トリミング終了後、制御装置１７は、再び第１供給装置３１及び第２供給装置３２を制御して、形成した層１１０ｂ上に新たに層１１０ｂを形成する。このように、層１１０ｂを繰り返し形成して積層させることで、積層造形物１００が造形される。

このように構成された積層造形装置１Ｃによれば、上述した積層造形装置１と同様に、傾斜材料の形成、アニール処理及びトリミングが可能となり、複数の粉末状の材料１２１，１２２を用いて積層造形物１００を製造することが可能となる。

なお、本実施形態に係る積層造形装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、上述した構成に限定されない。例えば、上述した例では、積層造形装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、主室２１及び副室２２を具備する処理槽１１を備える構成を説明したがこれに限定されない。例えば、処理槽１１は、主室２１のみの構成であってもよく、また、搬送装置２４を備えない副室を備える構成であってもよい。ただし、処理室１１は、副室２２を用いる構成とすることで、主室２１内の雰囲気を保つ事が可能となるとともに、主室２１と副室２２とにおいて連続で作業することが容易となる。また、副室２２に積層造形物１００を搬送する構成とすることで、主室２１内でノズル３３から噴射することで主室２１内を舞っている材料が外部へと出ていきにくい。このため、処理室１１は、主室２１に隣接する副室２２を有する構成が望ましい。

また、上述した例では、光学装置１５は、ノズル３３から供給した材料１２１，１２２を再溶融させて層１１０ｂを形成し、且つ、アニール処理を行う溶融装置４５を備える構成を説明したが、これに限定されない。例えば、積層造形装置は、溶融ではなく焼結により層１１０ｂを形成し、且つ、アニール処理を行う構成であってもよい。

また、上述した例では、計測装置１６は、カメラ６１と、カメラ６１で計測した情報に基づいて画像処理を行う画像処理装置６２と、を備える構成を説明したがこれに限定されず、ベース１１０ａ上に供給された材料の形状を計測可能であれば、他の構成であってもよい。

また、上述した例では、積層造形装置１をノズル３３及びステージ１２を移動可能とする構成を説明したがこれに限定されず、ノズル３３のみ又はステージ１２のみを移動可能な積層造形装置であってもよい。

また、上述した例では、ノズル３３は、噴射口３７の径の異なる二つが設けられる構成を説明したがこれに限定されず、それ以上設けられる構成であってもよい。ノズル３３が複数設けられることで、材料を噴射する面積や形状に応じて、効率のよいノズル３３を使用することが可能となり、効率よく積層造形物１００を造形することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１,１Ａ、１Ｂ，１Ｃ…積層造形装置、１１…処理槽、１２…ステージ、１３…移動装置、１４,１４Ｃ…ノズル装置、１５,１５Ａ,１５Ｂ…光学装置、１６…計測装置、１７…制御装置、１７ａ…記憶部、２１…主室、２２…副室、２３…扉部、２４…搬送装置、３１…供給装置、３２…第２供給装置、３３…ノズル、３４…供給管、３６…外郭体、３７…噴射口、３８…光通路部、３９…光学レンズ、４１…光源、４２,４２Ａ,４２Ｂ…光学系、４３…第２光学系、４５，４５Ｂ…溶融装置、４６，４６Ａ，４６Ｂ…除去装置、５１…第１レンズ、５２…第２レンズ、５３…第３レンズ、５４…第４レンズ、５５,５５Ａ…ガルバノスキャナ、５６…照射範囲調整機構、５６ａ…ズーム機構、５６ｂ…マスク機構、５７…ガルバノミラー、５８…第２ガルバノミラー、５９…第３ガルバノミラー、６１…カメラ、６２…画像処理装置、１００…積層造形物、１１０…対象物、１１０ａ…ベース、１１０ｂ…層、１２１…第１材料、１２２…第２材料、２００…レーザ光、２１０…ケーブル、２２０…信号線。

Claims (13)

1. 対象物に向かって第１材料を噴射可能、且つ、噴射した前記第１材料にレーザ光を照射して前記第１材料を溶融可能に形成された第１ノズルと、
   前記対象物に向かって第２材料を噴射可能、且つ、噴射した前記第２材料にレーザ光を照射して前記第２材料を溶融可能に形成された第２ノズルと、
   前記第１ノズルから照射される前記レーザ光と、前記第２ノズルから照射される前記レーザ光と、を出射可能な光源と、
   前記第１ノズルに対して供給する前記第１材料、及び前記第２ノズルに対して供給する前記第２材料の供給量を制御可能に形成された制御装置と、
   を備えることを特徴とする積層造形装置。
2. 対象物に向かって第１材料を噴射可能、且つ、噴射した前記第１材料にレーザ光を照射して前記第１材料を溶融可能に形成された第１ノズルと、
   前記対象物に向かって第２材料を噴射可能、且つ、噴射した前記第２材料にレーザ光を照射して前記第２材料を溶融可能に形成された第２ノズルと、
   前記第１ノズルから照射される前記レーザ光と、前記第２ノズルから照射される前記レーザ光と、を出射可能な光源と、
   を備えることを特徴とする積層造形装置。
3. 前記光源から出射されるレーザ光を、前記第１ノズル及び前記第２ノズルの各々に導くための光学系を、
   さらに備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の積層造形装置。
4. 前記第１ノズルに供給する前記第１材料を貯蔵する第１貯蔵部と、
   前記第２ノズルに供給する前記第２材料を貯蔵する第２貯蔵部と、
   をさらに備える請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の積層造形装置。
5. 前記対象物に付着した前記第１材料及び前記第２材料を再び溶融させる溶融装置を、さらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の積層造形装置。
6. 前記第１材料及び前記第２材料のうち少なくとも一方で形成された前記対象物の形状を計測する計測装置と、
   前記計測装置による計測結果に基づいて前記対象物の一部を除去可能な除去装置と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の積層造形装置。
7. 積層造形物の形状を閾値として記憶された記憶部と、を備え、
   前記制御装置は、前記計測装置で計測した前記形状を前記閾値と比較し、前記形状の前記閾値と異なる部位を前記除去装置で除去することを特徴とする請求項６に記載の積層造形装置。
8. 第１ノズルから第１材料を対象物に向かって噴射する工程と、
   前記第１材料に光源からのレーザ光を照射することで前記噴射した前記第１材料を溶融する工程と、
   第２ノズルから第２材料を前記対象物に向かって噴射する工程と、
   前記第２材料に前記光源からのレーザ光を照射することで前記噴射した前記第２材料を溶融する工程と、
   を有することを特徴とする積層造形物の製造方法。
9. 前記第２材料は、前記対象物上の前記第１材料の上に付着させることを特徴とする請求項８に記載の積層造形物の製造方法。
10. 前記対象物に付着した前記第１材料及び前記第２材料のうち少なくとも一方を再び溶融する工程をさらに有することを特徴とする請求項８乃至９のいずれかに記載の積層造形物の製造方法。
11. 前記対象物の一部を構成する層の上に、前記第１材料及び前記第２材料のうち少なくとも一方を含めた層を形成する工程を有することを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれかに記載の積層造形物の製造方法。
12. 前記第１材料及び前記第２材料のうち少なくとも一方で形成された前記対象物の形状を計測する工程と、
    前記計測装置による計測結果に基づいて前記対象物の一部を除去する工程と、
    を有することを特徴とする請求項８乃至請求項１１のいずれかに記載の積層造形物の製造方法。
13. 制御装置により記憶部に記憶された積層造形物の形状である閾値と前記計測装置で計測した前記形状を比較する工程と、
    前記閾値と前記計測装置で計測した前記形状を比較し、前記形状に前記閾値と異なる部位があるときに、前記対象物の一部を除去する工程と、
    を有することを特徴とする請求項１２に記載の積層造形物の製造方法。

Images