JP6030597B2 - 三次元造形装置及び三次元形状造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属製の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、粉末供給装置から金属製の粉末材料を供給して粉末層を形成する工程と、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金属製の粉末層に照射している。光ビーム又は電子ビームの走査経路は造形パスと呼称され、予め設定され制御回路に記憶されている。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、前記従来技術によれば、図３に示すように、先ず、一端側から他端側へ向かう直線状の走査経路ａ１となるようにガルバノスキャナ装置を動作させ、この後、光ビーム又は電子ビームの発振器を一端オフ状態にし、ガルバノスキャナ装置の照射位置を、前記一端側の所定箇所に位置決めする（破線部参照）。さらにこの後、レーザ発振器を再度オン状態にして、一端側から他端側へ向かうとともに前記走査経路ａ１に略平行な走査経路ａ２となるようにガルバノスキャナ装置を動作させる。そして、前記走査を多数回繰り返すことで、金属製の粉末層上の被造形領域Ｅを、ハッチングするようにして焼結させる。このため、多数回の前記位置決め等による待ち時間が、造形時間を長引かせる要因になっている。

また、光ビーム又は電子ビームによる前記走査は、その走査の最初の方と最後の方とで時間差があるため、例えば、光ビーム又は電子ビームが、最後の方の走査経路に位置する時、この走査経路の温度は光ビーム又は電子ビームにより上昇するが、最初の方の走査経路の温度は外気等に冷却されて下降している場合がある。このため、前記のような温度差に起因して、造形物全体の温度分布が不均一になり、造形物に反り等の形状変形が生じるおそれがある。

特開２００５−３３６５４７号公報

本発明は、上記従来事情を課題の一例とし、その目的は、造形効率を向上すること、及び造形物に形状変形が生じるのを抑制すること等である。

上記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
（１）粉末供給装置によって金属製の粉末層を形成する積層工程と、レーザビーム走査手段によってレーザ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、かつ被造形物内部側におけるレーザビームの走査経路となる造形パスを、同一線上を通過せず、かつ交点を形成せずに連続する経路によって予め設定し、当該造形パスに沿って前記レーザビーム走査手段によるレーザビームを連続的に照射するようにしたことを特徴とする三次元造形装置において、相互に隣接し合う２個の直線状又は曲線状による造形パスを設定した上で、隣接し合う走査経路の間隔がレーザビームの照射径よりも大きい状態にあり、かつ前記照射径の１０倍以下の状態にあり、前記造形パスが、所定の角度を伴って結合している複数の直線による順次内側若しくは順次外側に向かう配列状態、又は連続した１個の曲線による順次内側若しくは順次外側に向かう配列状態である三次元造形装置、
（２）金属製の粉末材料を供給して粉末層を形成する積層工程と、レーザ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、かつ被造形物内部側におけるレーザビームの走査経路となる造形パスを、同一線上を通過せず、かつ交点を形成せずに連続する経路によって予め設定し、当該造形パスに沿ってレーザビームを連続的に照射するようにしたことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法において、相互に隣接し合う２個の直線状又は曲線状による造形パスを設定した上で、隣接し合う走査経路の間隔がレーザビームの照射径よりも大きい状態にあり、かつ前記照射径の１０倍以下の状態にあり、前記造形パスが、所定の角度を伴って結合している複数の直線による順次内側若しくは順次外側に向かう配列状態、又は連続した１個の曲線による順次内側若しくは順次外側に向かう配列状態である三次元形状造形物の製造方法
からなる。

上記基本構成による本発明においては、連続する経路に沿ったレーザビームの照射によって造形効率を向上すると共に、造形物に形状変形が生じるのを抑制することができ、しかも被造形領域における温度分布の偏りを軽減して、高品質な三次元形状造形物を製造することができる。

実施例の造形パスを示す平面図であり、（ａ）は順次内側に向かう態様を示しており、（ｂ）は順次外側に向かう態様を示している。 本発明の技術的前提である三次元造形装置の一例を模式的に示す斜視図である。 従来の造形パスを示す平面図である。

前記基本構成のうち、装置に関する構成（１）においては、粉末供給装置によって金属製の粉末層を形成する積層工程と、レーザビーム走査手段によってレーザ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、被造形物内部側におけるレーザビームの走査経路となる造形パスを、同一線上を通過せず、かつ交点を形成せずに連続する経路によって予め設定し、当該造形パスに沿って前記レーザビーム走査手段によるレーザビームを連続的に照射するようにしている。

上記構成によれば、被造形物内部側のレーザビームの走査経路を、同一線上を通らない連続する経路とし、この経路に沿うレーザビームの照射を連続的に行うようにしているため、従来技術の場合のような位置合わせによる待ち時間の発生を少なくし、造形時間を短縮化することができ、かつこの点は方法に関する基本構成（２）においても同様である。

前記基本構成（１）、（２）においては、相互に隣接し合う２個の直線状又は曲線状による造形パスを設定した上で、隣接し合う走査経路の間隔がレーザビームの照射径（例えば、２００μｍ）よりも大きい状態にあることを特徴としている。

上記構成によれば、相互に隣接し合う走査経路の間に形成される隙間により、温度分布が不均一になるのを軽減し、造形物に反り等の形状変形が生じるのを抑制することができる。

しかも、前記間隔を、レーザビームの照射径よりも大きく且つ同照射径の１０倍以下としている。

前記間隔の範囲は、本願発明者らが試行錯誤の上実験的に見出した好適な範囲であり、前記間隔を前記範囲よりも小さくした場合には、交差方向に隣接する走査経路間の温度上昇等により温度分布が不均一になり、造形物に反り等の形状変形が顕著に大きくおそれがある。また、前記間隔を前記範囲よりも大きくした場合には、相互に隣接し合う走査経路間の焼結密度が小さくなり、造形物の品質低下を招くおそれがある。

前記基本構成（１）、（２）の技術的前提につき、図面に基づいて詳細に説明する。

三次元造形装置１は、図２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レーザビーム走査手段２０と、造形テーブル１０の昇降や各レーザビーム走査手段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上に金属製の粉末材料を供給する粉末供給装置４０とを具備し、金属製の粉末材料を供給して金属製の粉末層を形成する積層工程と、レーザ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及びレーザビーム走査手段２０により金属製の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。

レーザビーム走査手段２０は、レーザビーム発信装置（図示せず）から発せられるレーザ又は電子ビームを、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上の金属製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。

各レーザビーム走査手段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、金属製の粉末層上面に照射されるレーザビームを、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２中、符号２３は、コントローラ３０の制御電圧を増幅して各レーザビーム走査手段２０へ供給するアンプである。

また、前記レーザビーム発信装置は、レーザ光源から出射されるレーザ光を、レーザビーム走査手段２０の反射ミラー２１へ照射する構成とすればよい。

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、レーザビームの照射径、レーザ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、レーザビーム発信装置（図示せず）や、造形テーブル１０の昇降機構（図示せず）、レーザビーム走査手段２０等を制御する。

レーザビームの照射径を変更する手段は、レーザビームの光路中に、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レーザ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、略平坦状の金属製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上面に金属製の粉末層を形成したり、該粉末層上にさらに金属製の粉末層を積層したりする。

以下、実施例に即して説明する。

実施例においては、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、前記造形パスが、所定の角度を伴って結合している複数の直線による順次内側若しくは順次外側に向かう配列状態、又は連続した１個の曲線による順次内側若しくは順次外側に向かう配列状態であることを特徴としている。

図２に即して、上記配列状態を実現する状態を具体的に説明するに、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上に金属製の粉末層を形成する。この後、コントローラ３０は、レーザビーム走査手段２０を動作させて、前記粉末層の上表面にレーザビームを照射する。

詳細に説明すれば、コントローラ３０は、図１（ａ）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、複数の粉末層で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（ａ）に示すように、レーザビーム走査手段２０によるレーザビームを、同じ粉末層における被造形領域Ｅ上の所定位置に照射するとともに、その照射部分ｘを、予め設定された造形パスに沿って移動させるように、レーザビーム走査手段２０の動作を制御する。前記照射部分ｘは、粉末層上においてレーザ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、コントローラ３０が前記三次元データ等に基づき設定したレーザビームの走査経路であり、所定の記憶領域に記憶されている。

この造形パスには、被造形領域Ｅの輪郭に沿ってレーザビームを走査せるためのベクトル造形パスＰ１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レーザビームを走査せるためのラスタ造形パスＰ２との２種類があり、それぞれ、粉末層毎に設定される。

ベクトル造形パスＰ１は、被造形領域Ｅの輪郭に沿って無端輪状に連続する経路である。

また、ラスタ造形パスＰ２は、同一線上を通過せず、かつ交点を形成せずに連続する経路であり、図１（ａ）に示す一例によれば、被造形領域Ｅの輪郭寄りから複数の直線を所定の角度（図１（ａ）の場合には直角）を伴って結合したうえで、順次外側から内側に向かう状態にて配列した状態による走査経路である。

そして、このラスタ造形パスＰ２は、被造形領域Ｅ内の全領域をハッチングするようにして、渦巻き状に形成される。なお、図１（ａ）に示す一例によれば、ラスタ造形パスＰ２を、矩形状の被造形領域Ｅの各辺に平行な複数の直線により形成しているが、他例として、被造形領域Ｅにおいて、円及び惰円を組み合わせたことによる連続した１個の曲線を外側から内側に向けて配列した場合には、ラスタ造形パスＰ２を、徐々に中心部へ近づく曲線渦巻き状に形成する。

ベクトル造形パスＰ１とラスタ造形パスＰ２に沿うレーザビームの照射は、図示例によれば、単一のレーザビーム走査手段２０によって順番に行うようにしているが、他例としては、レーザビーム走査手段２０を２つ設け、その一方によりベクトル造形パスＰ１に沿う走査を行い、他方によりラスタ造形パスＰ２に沿う走査を行うようにしてもよい。

レーザビームの照射は、ベクトル造形パスＰ１又はラスタ造形パスＰ２に沿う経路中、途中で中断されることなく、連続的に行われる。

前記のようにして造形パスＰ１，Ｐ２に沿ってレーザビームの走査が行われると、金属製の粉末層上面の被造形領域Ｅがレーザ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により新たな金属製の粉末層を形成する。

そして、コントローラ３０は、上述した最初の金属製の粉末層に対する加工と同様に、前記新たな金属製の粉末層の上面に、被造形領域Ｅを設定し、この被造形領域Ｅ上にレーザビーム走査手段２０によるレーザビームを照射するとともに、その照射部分ｘを造形パスＰ１，Ｐ２に沿って移動させるように、レーザビーム走査手段２０の動作を制御する。よって、新たな金属製の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、先の金属製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による金属製の粉末層の形成と、レーザビーム走査手段２０のレーザ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Ｍ（図２参照）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。

図１（ｂ）に示す態様では、渦巻き状のラスタ造形パスＰ２における走査方向を、先の実施例に対し逆方向にしたものである。すなわち、この態様のラスタ造形パスＰ２は、同一線上を通過せず、かつ交点を形成せずに連続する経路であり、被造形領域Ｅの中心部側から同被造形領域Ｅにおいて、複数の直線を所定の角度（図１（ｂ）の場合には直角）を伴って結合したうえで、順次内側から外側に向かう状態にて配列することによって走査経路が形成される。

よって、図１（ｂ）に示す態様によれば、先の実施例と同様にして、位置合わせ等による待ち時間の発生を少なくし、造形時間を短縮化することができる上、温度分布の偏りを軽減し、造形物の反り等の形状変形を抑制することができる。

また、図２では、単一のレーザビーム走査手段２０を用いる構成としたが、他例としては、複数のレーザビーム走査手段２０を設け、これらレーザビーム走査手段２０による複数のレーザビームを被造形領域Ｅに照射し走査することも可能である。

実施例においては、図１（ａ）、（ｂ）、及び図２に示す造形パスを設定したが、これらの造形パスを適宜に組み合わせてなる造形パスを設定し、この造形パスに沿ってレーザビームを途中で中断することなく連続的に照射させることも可能である。

以上の実施形態及び実施例からも明らかなように、本発明は、造形効率の向上及び造形物の形状変更を抑制し得ることから、三次元造形分野においてその利用価値は絶大である。

１０：造形テーブル
２０：レーザビーム走査手段
３０：コントローラ
４０：粉末供給装置
Ｅ ：被造形領域
Ｐ１：ベクトル造形パス
Ｐ２：ラスタ造形パス
ａ１〜ａ４：走査経路

Claims (2)

1. 粉末供給装置によって金属製の粉末層を形成する積層工程と、レーザ走査手段によってレーザ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、かつ被造形物内部側にレーザビームの走査経路となる造形パスを、同一線上を通過せず、かつ交点を形成せずに連続する経路によって予め設定し、当該造形パスに沿って前記レーザビーム走査手段によるレーザビームを連続的に照射するようにしたことを特徴とする三次元造形装置において、相互に隣接し合う２個の直線状又は曲線状による造形パスを設定した上で、隣接し合う走査経路の間隔がレーザビームの照射径よりも大きい状態にあり、かつ前記照射径の１０倍以下の状態にあり、前記造形パスが、所定の角度を伴って結合している複数の直線による順次内側若しくは順次外側に向かう配列状態、又は連続した１個の曲線による順次内側若しくは順次外側に向かう配列状態である三次元造形装置。
2. 金属製の粉末材料を供給して粉末層を形成する積層工程と、レーザ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、かつ被造形物内部側におけるレーザビームの走査経路となる造形パスを、同一線上を通過せず、かつ交点を形成せずに連続する経路によって予め設定し、当該造形パスに沿ってレーザビームを連続的に照射するようにしたことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法において、相互に隣接し合う２個の直線状又は曲線状による造形パスを設定した上で、隣接し合う走査経路の間隔がレーザビームの照射径よりも大きい状態にあり、かつ前記照射径の１０倍以下の状態にあり、前記造形パスが、所定の角度を伴って結合している複数の直線による順次内側若しくは順次外側に向かう配列状態、又は連続した１個の曲線による順次内側若しくは順次外側に向かう配列状態である三次元形状造形物の製造方法。

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