JP6254036B2 - 三次元積層装置及び三次元積層方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層により三次元形状物を製造する三次元積層装置及び三次元積層方法に関するものである。

三次元形状物を製造する技術として、金属粉末材料に光ビームを照射することによって三次元形状物を製造する積層造形技術が知られている。例えば、特許文献１には、金属粉末材料で形成された粉末層に光ビームを照射して焼結層を形成し、それを繰り返すことによって複数の焼結層が一体として積層された三次元形状造形物を製造する方法が記載されている。また、特許文献２には、着脱自由の円錐形ノズルに形成された中央開口からレーザービームと粉末化金属とを出力し、加工対象のワークにレーザを照射して、液化された金属の浅い溜めを形成し、その位置に粉末化金属を供給することで肉盛りを行う装置が記載されている。

特開２００９−１９００号公報 特表平１０−５０１４６３号公報

ところで、三次元形状物を製造する積層造形技術において、三次元形状物を高精度に製造する技術が求められている。

本発明は、三次元形状物を高精度に製造する三次元積層装置及び三次元積層方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、基台部に成形層を積層させて三次元形状を形成する三次元積層装置であって、粉末材料を供給する粉末供給部と、前記粉末材料に光ビームを照射し、前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結又は溶融固化させて前記成形層を形成する光照射部と、前記基台部または成形層の前記光ビームが照射される位置を通過した領域または前記光ビームが照射される位置を通過する前の領域を選択的に加熱する加熱部と、前記粉末供給部、前記光照射部及び前記加熱部の動作を制御する制御装置と、を有する。

また、前記粉末供給部は、前記基台部に向かって前記粉末材料を噴射し、前記光照射部は、前記粉末供給部から前記基台部に向けて移動する前記粉末材料に光ビームを照射し、前記粉末材料を溶融させて、溶融した前記粉末材料を前記基台部上で固化させて前記成形層を形成することが好ましい。

また、前記粉末供給部は、前記光照射部の外周に同心円状に配置され、前記光照射部の前記光ビームが通過する経路を囲う内管と前記内管を覆う外管との間が前記粉末材料の流れる粉末流路となることが好ましい。

また、前記光照射部及び前記粉末供給部と、前記基台部と、を相対移動させる移動機構を有し、前記制御装置は、前記移動機構によって前記基台部に対して前記光照射部及び前記粉末供給部が通過する経路を決定することが好ましい。

また、前記加熱部は、光ビームを出力する光源ユニットを有し、前記光源ユニットから出力する光ビームを照射して加熱を行うことが好ましい。

また、前記光ビームは、レーザ光であることが好ましい。

また、前記加熱部は、前記光源ユニットから出力された光ビームを反射するミラー及び前記ミラーの角度を調整する角度調整機構を備える照射位置調整機構を備えることが好ましい。

また、前記光源ユニットは、レーザ光を出力する半導体レーザと、前記半導体レーザから出力されたレーザ光を集光する集光部と、前記集光部で集光されたレーザ光が入射される光ファイバとを有することが好ましい。

また、前記光源ユニットは、前記半導体レーザと前記集光部とを複数有し、
複数の前記半導体レーザで出力され、それぞれの前記集光部で集光されたレーザ光が１つの光ファイバに入射されることが好ましい。

また、前記半導体レーザは、垂直発光型半導体レーザであることが好ましい。

また、前記半導体レーザを複数有し、前記集光部は、複数の前記半導体レーザのそれぞれに配置されたコリメートレンズと、複数の前記コリメートレンズでコリメートされたレーザ光を合波して前記光ファイバに入射させる合波部と、を有することが好ましい。

また、前記成形層の表面の温度を検出する温度検出部を有し、前記制御装置は、前記温度検出部による前記成形層の表面温度の計測結果に応じて、前記加熱部による加熱を制御することが好ましい。

また、前記制御装置は、前記温度検出部による前記成形層の表面温度の計測結果と、前記基台部及び前記成形層の特性とに基づいて、前記加熱部による加熱を制御することが好ましい。

また、前記成形層の表面のプラズマ発光を検出するプラズマ発光検出部を有し、前記制御装置は、前記プラズマ発光検出部による計測結果に応じて、前記加熱部による加熱を制御することが好ましい。

また、前記成形層の表面からの反射光を検出する反射光検出部を有し、前記制御装置は、前記反射光検出部による計測結果に応じて、前記加熱部による加熱を制御することが好ましい。

また、前記加熱部は、前記光ビームが照射される位置を通過した領域を加熱することが好ましい。

また、前記加熱部は、前記光ビームが照射される位置を通過する前の領域を加熱することが好ましい。

また、前記光照射部と前記加熱部の相対位置を切り換える切換機構を有し、前記制御装置は、前記光照射部と前記加熱部と、前記基台部との相対移動の方向と、前記加熱部で加熱する領域が、前記基台部または成形層の前記光ビームが照射される位置を通過した領域であるか前記光ビームが照射される位置を通過する前の領域であるかに応じて、前記切換機構により前記光照射部と前記加熱部の相対位置を制御することが好ましい。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、基台部に成形層を積層して三次元形状物を形成する三次元積層方法であって、粉末材料を基台部に向かって噴射しつつ、前記粉末材料に光ビームを照射することにより前記粉末材料を溶融させ、前記溶融した粉末材料を前記基台部上で固化させることにより前記基台部上に成形層を形成し、当該成形層を積層する積層ステップと、前記基台部または成形層の前記光ビームが照射される位置を通過した領域または前記光ビームが照射される位置を通過する前の領域に光ビームを照射し選択的に加熱するステップと、を有する。

本発明によれば、三次元形状物を積層する機構と加熱部とを備え、光ビームが照射される位置を通過した領域または光ビームが照射される位置を通過する前の領域を選択的に加熱できる新たな装置及び方法を提供することができる。これにより、三次元形状物を高精度に製造することができる。

図１は、本実施形態の三次元積層装置を示す模式図である。 図２は、積層ヘッドの先端部の一例を示す断面図である。 図３は、積層ヘッドの粉末材料を供給する構造の概略構成を示す模式図である。 図４は、積層ヘッドの分配部と分岐管の概略構成を示す展開図である。 図５は、積層ヘッドのノズル周辺の粉末材料を供給する構造の概略構成を示す斜視図である。 図６は、制御装置の構成を示す模式図である。 図７は、積層ヘッド収納室に設置された各部の概略構成を示す模式図である。 図８は、加熱ヘッドの概略構成を示す模式図である。 図９は、加熱ヘッドの光源ユニットの概略構成を示す模式図である。 図１０は、加熱ヘッドの概略構成を示す斜視図である。 図１１は、加熱ヘッドの光源ユニットの他の例の概略構成を示す模式図である。 図１２は、加熱ヘッドの他の例の概略構成を示す模式図である。 図１３は、機械加工部計測部の一例を示す模式図である。 図１４Ａは、粉末導入部の一例を示す模式図である。 図１４Ｂは、粉末導入部の一例を示す模式図である。 図１５は、粉末回収部の一例を示す模式図である。 図１６は、本実施形態に係る三次元積層装置による三次元形状物の製造方法を示す説明図である。 図１７Ａは、本実施形態に係る三次元積層装置による三次元形状物の製造方法を示す説明図である。 図１７Ｂは、本実施形態に係る三次元積層装置による三次元形状物の製造方法を示す説明図である。 図１７Ｃは、本実施形態に係る三次元積層装置による三次元形状物の製造方法を示す説明図である。 図１８は、本実施形態に係る三次元積層装置による三次元形状物の製造工程を示すフローチャートである。 図１９は、本実施形態に係る三次元積層装置による成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。 図２０は、成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。 図２１は、三次元積層装置の積層ヘッドの周辺部の他の例を示す模式図である。 図２２は、成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。 図２３は、成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。 図２４は、成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。 図２５は、積層ヘッド収納室の他の例を示す模式図である。 図２６は、三次元積層装置による処理動作の一例を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本実施形態の三次元積層装置１を示す模式図である。ここで、本実施形態では、水平面内の一方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれと直交する方向（すなわち鉛直方向）をＺ軸方向とする。

図１に示す三次元積層装置１は、基台部１００に三次元形状物を製造する装置である。基台部１００は、三次元形状物が形成される土台となる部材であり、三次元積層装置１で所定の位置に搬送され、表面に三次元形成物が形成される。本実施形態の基台部１００は、板状の部材である。なお、基台部１００は、これに限定されない。基台部１００は、三次元形状物の土台となる部材を用いてもよいし、三次元形状物を付加する部材を用いてもよい。所定の位置に三次元形成物が形成されることで、部品、製品となる部材を基台部１００として用いてもよい。

三次元積層装置１は、三次元積層室２と、予備室３と、積層ヘッド収納室４と、機械加工部収納室５と、ベッド１０と、テーブル部１１と、積層ヘッド１２と、機械加工部１３と、制御装置２０と、を加熱ヘッド３１と、機械加工部計測部３２と、工具交換部３３と、ノズル交換部３４と、粉末導入部３５と、空気排出部３７と、ガス導入部３８と、粉末回収部３９と、温度検出部１２０と、質量検出部１３０と、を有する。

三次元積層室２は、接続された配管等の設計された連通部分以外が外部から密封されている筐体（チャンバー）である。なお、設計された連通部分は、密閉状態と開放状態を切り換えるバルブ等が設けられており、必要に応じて、三次元積層室２を密閉状態とすることができる。三次元積層室２は、ベッド１０と、テーブル部１１と、積層ヘッド１２と、機械加工部１３の一部と、加熱ヘッド３１の一部と、機械加工部計測部３２と、工具交換部３３と、ノズル交換部３４とが内部に配置されている。

予備室３は、三次元積層室２に隣接して設けられている。予備室３は、接続された配管等の設計された連通部分以外が外部から密封されている。予備室３は、外部と三次元積層室２とを接続する減圧室となっている。予備室３内には、基台移動部３６が設けられている。ここで、予備室３は、三次元積層室２の接続部に例えば気密性を有する扉６が設けられている。また、予備室３は、気密性を有する扉７により外部と接続されている。また、予備室３には、予備室３から空気を排出する空気排出部２５が設けられている。予備室３は、扉７を開くことで、外部から必要な部材を内部に搬入することができる。また、予備室３は、扉６を開くことで、三次元積層室２との間で部材の搬入、搬出を行うことができる。

積層ヘッド収納室４は、三次元積層室２のＺ軸方向上側の面に設けられている。積層ヘッド収納室４は、Ｚ軸スライド部４ａで三次元積層室２に対してＺ軸方向（矢印１０２）に移動可能な状態で支持されている。積層ヘッド収納室４は、Ｚ軸方向下側の面がベローズ１８により三次元積層室２と繋がっている。ベローズ１８は、積層ヘッド収納室４のＺ軸方向下側の面と三次元積層室２とを繋げ、積層ヘッド収納室４のＺ軸方向下側の面を三次元積層室２の一部とする。また、三次元積層室２は、ベローズ１８で囲われた領域に開口が形成されている。積層ヘッド収納室４のＺ軸方向下側の面とベローズ１８とで囲まれた空間は、三次元積層室２と繋がり、三次元積層室２とともに密閉されている。積層ヘッド収納室４は、積層ヘッド１２と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１と、を支持している。また、積層ヘッド収納室４は、積層ヘッド１２のノズル２３を含む一部と、加熱ヘッド３１の先端部２４を含む一部がＺ軸方向下側の面から三次元積層室２に向けて突出している。

積層ヘッド収納室４は、Ｚ軸スライド部４ａでＺ軸方向に移動することで、保持している積層ヘッド１２と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１をＺ軸方向に移動させる。また、積層ヘッド収納室４は、ベローズ１８を介して三次元積層室２と接続していることで、ベローズ１８がＺ軸方向の移動に合わせて変形し、三次元積層室２と積層ヘッド収納室４との間の密閉状態を維持できる。

機械加工部収納室５は、三次元積層室２のＺ軸方向上側の面に設けられている。また、機械加工部収納室５は、積層ヘッド収納室４に隣接して配置されている。機械加工部収納室５は、Ｚ軸スライド部５ａで三次元積層室２に対してＺ軸方向（矢印１０４の方向）に移動可能な状態で支持されている。機械加工部収納室５は、Ｚ軸方向下側の面がベローズ１９により三次元積層室２と繋がっている。ベローズ１９は、機械加工部収納室５のＺ軸方向下側の面と三次元積層室２とを繋げ、機械加工部収納室５のＺ軸方向下側の面を三次元積層室２の一部とする。また、三次元積層室２は、ベローズ１９で囲われた領域に開口が形成されている。機械加工部収納室５のＺ軸方向下側の面とベローズ１９とで囲まれた空間は、三次元積層室２と繋がり、三次元積層室２とともに密閉されている。機械加工部収納室５は、機械加工部１３を支持している。また、機械加工部収納室５は、機械加工部１３の工具２２を含む一部がＺ軸方向下側の面から三次元積層室２に向けて突出している。

機械加工部収納室５は、Ｚ軸スライド部５ａでＺ軸方向に移動することで、保持している機械加工部１３をＺ軸方向に移動させる。また、機械加工部収納室５は、ベローズ１９を介して三次元積層室２と接続していることで、ベローズ１９がＺ軸方向の移動に合わせて変形し、三次元積層室２と機械加工部収納室５との間の密閉状態を維持できる。

ベッド１０は、三次元積層室２内のＺ軸方向の底部に設けられている。ベッド１０は、テーブル部１１を支持している。ベッド１０は、各種配線や配管や駆動機構が配置されている。

テーブル部１１は、ベッド１０の上面に配置され、基台部１００を支持する。テーブル部１１は、Ｙ軸スライド部１５と、Ｘ軸スライド部１６と、回転テーブル部１７と、を有する。テーブル部１１は、基台部１００を取り付けて基台部１００をベッド１０上で移動させる。

Ｙ軸スライド部１５は、ベッド１０に対してＸ軸スライド部１６をＹ軸方向（矢印１０６の方向）に沿って移動させる。Ｘ軸スライド部１６は、Ｙ軸スライド部１５の稼働部となる部材に固定されており、Ｙ軸スライド部１５に対して回転テーブル部１７をＸ軸方向（矢印１０８の方向）に沿って移動させる。回転テーブル部１７は、Ｘ軸スライド部１６の稼働部となる部材に固定されており、基台部１００を支持している。回転テーブル部１７は、例えば傾斜円テーブルであり、固定台１７ａと、回転テーブル１７ｂと、傾斜テーブル１７ｃと、回転テーブル１７ｄと、を有する。固定台１７ａは、Ｘ軸スライド部１６の稼働部となる部材に固定されている。回転テーブル１７ｂは、固定台１７ａに支持されており、Ｚ軸方向と平行な回転軸１１０を回転軸として回転する。傾斜テーブル１７ｃは、回転テーブル１７ｂに支持されており、回転テーブル１７ｂの支持されている面に直交する回転軸１１２を軸として回動される。回転テーブル１７ｄは、傾斜テーブル１７ｃに支持されており、傾斜テーブル１７ｃの支持されている面に直交する回転軸１１４を軸として回転される。傾斜テーブル１７ｄは、基台部１００を固定している。このように、回転テーブル部１７は、回転軸１１０、１１２、１１４を軸として各部を回転させることで、基台部１００を直交する３軸周りに回転させることができる。テーブル部１１は、回転テーブル部１７に固定されている基台部１００を、Ｙ軸スライド部１５及びＸ軸スライド部１６により、Ｙ軸方向及びＸ軸方向に移動させる。また、テーブル部１１は、回転テーブル部１７により回転軸１１０、１１２、１１４を軸として各部を回転させることで、基台部１００を直交する３軸周りに回転させる。テーブル部１１は、さらにＺ軸方向に沿って基台部１００を移動させてもよい。

積層ヘッド１２は、基台部１００に向けて粉末材料を噴射し、さらに噴射した粉末材料にレーザ光を照射することにより粉末を溶融させて、溶融した粉末を基台部１００上で固化させて成形層を形成する。積層ヘッド１２に導入される粉末は、三次元形状物の原料となる材料の粉末である。本実施形態において、粉末は、例えば鉄、銅、アルミニウム又はチタン等の金属材料などを用いることができる。なお、粉末としては、セラミック等金属材料以外の材料を用いてもよい。積層ヘッド１２は、ベッド１０のＺ軸方向の上側の面に対面する位置に設けられており、テーブル部１１と対面している。積層ヘッド１２は、Ｚ軸方向の下部にノズル２３が設置されている。積層ヘッド１２は、本体４６にノズル２３が装着されている。

まず、図２を用いてノズル２３について説明する。図２は、積層ヘッド１２のノズル２３の一例を示す断面図である。図２に示すように、ノズル２３は、外管４１と、外管４１の内部に挿入された内管４２とを有する二重管である。外管４１は、管状の部材であり、先端（Ｚ軸方向下側）に向かって径が小さくなっている。内管４２は、外管４１の内部に挿入されている。内管４２も、管状の部材であり、先端（Ｚ軸方向下側）に向かって径が小さくなる形状である。ノズル２３は、外管４１の内周と内管４２の外周との間が粉末材料（粉末）Ｐの通過する粉末流路４３となる。内管４２の内周面側がレーザ光Ｌの通過するレーザ経路４４となる。ここで、ノズル２３が装着されている本体４６は、ノズル２３と同様に二重管であり、粉末流路４３とレーザ経路４４も同様に形成されている。積層ヘッド１２は、レーザ経路４４の周囲を囲うように粉末流路４３が配置されている。本実施形態では、粉末流路４３が粉末を噴射する粉末噴射部となる。積層ヘッド１２は、粉末導入部３５から導入された粉末材料Ｐが粉末流路４３を流れ、外管４１と内管４２との間の端部の開口であるノズル噴射口部４５から噴射される。

また、積層ヘッド１２は、光源４７と光ファイバ４８と集光部４９とを有する。光源４７は、レーザ光Ｌを出力する。光ファイバ４８は、光源４７から出力されたレーザ光Ｌをレーザ経路４４に案内する。集光部４９は、レーザ経路４４に配置され、光ファイバ４８から出力されたレーザ光Ｌの光路に配置されている。集光部４９は、光ファイバ４８から出力されたレーザ光Ｌを集光する。集光部４９で集光されたレーザ光Ｌは、内管４２の端部から出力される。

三次元積層装置１は、焦点位置調整部１４０を有する。焦点位置調整部１４０は、集光部４９をレーザ光Ｌの進行方向に沿って移動させる。焦点位置調整部１４０は、集光部４９の位置をレーザ光Ｌの進行方向に沿って移動させることで、レーザ光Ｌの焦点位置を調整することができる。なお、焦点位置調整部１４０としては、集光部４９の焦点距離を調整する機構を用いることもできる。また、三次元積層装置１は、Ｚ軸スライド部４ａも焦点位置調整部の１つとなる。Ｚ軸スライド部４ａは、レーザ光Ｌの焦点位置Ｐ１と粉末材料が噴射される位置（例えば噴射される粉末材料の焦点位置Ｐ２）とが一体で移動し、焦点位置調整部１４０は、粉末材料が噴射される位置Ｐ２に対してもレーザ光Ｌの焦点位置Ｐ１を移動させることができる。三次元積層装置１は、調整する対象に応じて制御する対象を切り換えることができる。

積層ヘッド１２は、粉末流路４３から粉末Ｐを噴射し、レーザ経路４４からレーザ光Ｌを出力する。積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐは、積層ヘッド１２から出力されたレーザ光Ｌが照射される領域に侵入し、レーザ光Ｌによって加熱される。レーザ光Ｌが照射された粉末Ｐは溶融した後、基台部１００上に到達する。溶融した状態で基台部１００上に到達した粉末Ｐは、冷却されて固化する。これにより、基台部１００上に成形層を形成する。

ここで、本実施形態の積層ヘッド１２は、光源４７から出力されたレーザ光Ｌを光ファイバ４８で案内した光ファイバはなくてもよい。また、集光部４９は、本体４６に設けてもノズル２３に設けても、両方に設けてもよい。本実施形態の積層ヘッド１２は、効果的に加工ができるため、粉末Ｐを噴射する粉末流路４３と、レーザ光Ｌを照射するレーザ経路４４とを同軸に設けたがこれに限定されない。積層ヘッド１２は、粉末Ｐを噴射する機構とレーザ光Ｌを照射する機構とを別体としてもよい。本実施形態の積層ヘッド１２は、粉末材料にレーザ光Ｌを照射したが、粉末材料を溶解または焼結させることができればよく、レーザ光以外の光ビームを照射してもよい。

次に、積層ヘッド１２の粉末材料が供給される経路についてより詳細に説明する。図３は、積層ヘッドの粉末材料を供給する構造の概略構成を示す模式図である。図４は、積層ヘッドの分配部と分岐管の概略構成を示す展開図である。図５は、積層ヘッドのノズル周辺の粉末材料を供給する構造の概略構成を示す斜視図である。図６は、混合部の概略構成を示す模式図である。図７は、混合部の断面の遷移を示す説明図である。図３に示すように積層ヘッド１２は、粉末導入部３５から粉末供給管１５０を介して粉末材料が供給される。積層ヘッド１２は、供給された粉末材料を粉末流路４３に供給する機構として、分配部１５２と、複数の分岐管１５４と、を有する。

分配部（ディストリビュータ）１５２は、粉末供給管１５０から供給される粉末を均一化して分岐管１５４に供給する。複数の分岐管１５４は、分配部１５２と粉末流路４３とを接続する管路であり、分配部１５２から供給された粉末を粉末流路４３に供給する。本実施形態の積層ヘッド１２は、図５に示すように３本の分岐管１５４が周方向に均等に、つまり１２０°間隔で配置されている。

分岐管１５４は、内部に混合部１５６が設けられている。混合部１５６は、分岐管１５４を流れる粉末を分岐管１５４内で均一化する機構であり、複数の撹拌板１５６ａが配置されている。撹拌板１５６ａは、分岐管１５４の流れ方向に沿って分岐管１５４の軸方向周りにねじられた構造である。また、撹拌版１５６ａと流れ方向に隣接する撹拌版１５６ａとは、ねじられる方向が逆となる。これにより、混合部１５４を通過する流体の流れは、岐管１５４の軸方向の位置に応じて変化する流れとなる。これにより撹拌が促進される。なお、本実施形態では、分岐管１５４を３本としたが、本数は特に限定されない。分岐管１５４は、周方向に均等に、つまり一定角度間隔で配置されていることが好ましい。

また、積層ヘッド１２は、粉末流路４３に整流装置１５８が設置されている。整流装置１５８は、３本の分岐管１５４から供給された粉末材料を含む流れを整流する。これにより、積層ヘッド１２は、粉末流路４３から噴射する粉末材料の流れを整った流れとすることができ、目的の位置により高い精度で供給することができる。

機械加工部１３は、例えば成形層等を機械加工する。図１に示すように、機械加工部１３は、ベッド１０のＺ軸方向の上側の面に対面する位置に設けられており、テーブル部１１と対面している。機械加工部１３は、Ｚ軸方向の下部に工具２２が装着されている。なお、機械加工部１３は、ベッド１０よりもＺ軸方向上側で、テーブル部１１による基台部１００の移動可能範囲に設けられていればよく、配置位置は本実施形態の位置に限られない。

図６は、制御装置２０の構成を示す模式図である。制御装置２０は、三次元積層装置１の各部と電気的に接続されており、三次元積層装置１の各部の動作を制御する。制御装置２０は、三次元積層室２や予備室３の外部に設置されている。制御装置２０は、図６に示すように、入力部５１と、制御部５２と、記憶部５３と、出力部５４と、通信部５５と、を有する。入力部５１と、制御部５２と、記憶部５３と、出力部５４と、通信部５５と、の各部は電気的に接続されている。

入力部５１は、例えば操作パネルである。作業者は、入力部５１に情報や指令等を入力する。制御部５２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリである。制御部５２は、三次元積層装置１の各部に、三次元積層装置１の各部の動作を制御する指令を出力する。また、制御部５２には、三次元積層装置１の各部からの情報等が入力される。記憶部５３は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）又はＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶装置である。記憶部５３には、制御部５２で実行されることで各部の動作を制御する三次元積層装置１の運転プログラムや、三次元積層装置１の情報、又は三次元形状物の設計情報等が記憶される。出力部５４は、例えばディスプレイである。出力部５４は、例えば三次元積層装置１の各部からの情報等を表示する。通信部５５は、例えばインターネット又はＬＡＮ（Local Area Network）等のような通信回線と通信して、通信回線との間で情報をやり取りする。なお、制御装置２０は、少なくとも制御部５２及び記憶部５３を有していればよい。制御装置２０は、制御部５２及び記憶部５３を有していれば、三次元積層装置１の各部に指令を出力することができる。

形状計測部３０は、積層ヘッド収納室４に固定されている。形状計測部３０は、積層ヘッド１２に隣接して配置されている。形状計測部３０は、基台部１００上に形成された成形層の表面形状を計測する。形状計測部３０は、例えば３Ｄスキャナや相対距離を計測する装置を用いることができる。形状計測部３０は、例えば基台部１００上の成形層の表面にレーザ光をスキャニング（走査）させ、その反射光から成形層の表面の位置情報（矢印１６０の距離）を算出することにより、成形層の表面形状を計測する。また、本実施形態において、形状計測部３０は、積層ヘッド収納室４に取付けられているが、基台部１００上に形成された成形層の表面形状を計測できればよく、別の位置に取り付けられてもよい。

図７は、積層ヘッド収納室に設置された各部の概略構成を示す模式図である。加熱ヘッド３１は、基台部１００、基台部１００上の成形層又は溶融した粉末Ｐ等を加熱する。加熱ヘッド３１は、図１及び図７に示すように積層ヘッド１２に隣接して配置されており、積層ヘッド１２で加工される領域の上流側の部分（加工される前の部分）、下流側の部分（加工された後の部分）を選択的に加熱する。加熱ヘッド３１は、積層ヘッド収納室４に固定されている。加熱ヘッド３１は、積層ヘッド１２に隣接して配置されている。加熱ヘッド３１は、レーザ光１６２を照射し、基台部１００、成形層、溶融した粉末Ｐ（溶融体Ａ）、固化体Ｂ等を加熱する。加熱ヘッド３１で成形層又は溶融した粉末Ｐを加熱することで、成形層又は溶融した粉末Ｐの温度を制御することができる。これにより、成形層又は溶融した粉末Ｐの急激な温度低下を抑制したり、粉末Ｐが溶融しやすい雰囲気（高い温度環境）を形成したりすることができる。また、加熱ヘッド３１は、溶融体Ａが付着する前、つまり積層ヘッド１２で成形層が形成される前の成形層や基台部１００を加熱することもできる。

図８から図１０を用いて、加熱ヘッド３１の一例を説明する。図８は、加熱ヘッドの概略構成を示す模式図である。図９は、加熱ヘッドの光源ユニットの概略構成を示す模式図である。図１０は、加熱ヘッドの概略構成を示す斜視図である。加熱ヘッド３１は、光源ユニット５０２と、加熱位置調整機構５０４と、を有する。

光源ユニット５０２は、成形層や基台部１００等を加熱するレーザ光１６２を出力する。光源ユニット５０２は、図９に示すように、２つの半導体レーザ５４０と、２つの集光部５４２と、光ファイバ５４４とを有する。２つの半導体レーザ５４０は、それぞれレーザ光を出力する。集光部５４２は、半導体レーザ５４０のそれぞれに対して設置されており、半導体レーザ５４０から出力されたレーザを集光する。光ファイバ５４４は、２つの集光部５４２のそれぞれで集光されたレーザ光が入射される。光ファイバ５４４は、入射されたレーザ光を加熱位置調整機構５０４に向けて出力する。

光源ユニット５０２は、２つの半導体レーザ５４０から入射された光を集光部５４２で集光して、１つの光ファイバ５４４に入射させる。これにより、光源ユニット５０２からは、２つの半導体レーザ５４０から出力されたレーザ光が合波（合流）したレーザ光１６２が出力される。なお、本実施形態では、２つの半導体レーザ５４０のレーザ光をまとめたが、半導体レーザの数は、２つに限定されず、１つでも３つ以上でもよい。光源ユニット５０２は、半導体レーザの数を増やすことで、レーザ光１６２の出力を大きくすることができる。

加熱位置調整機構５０４は、ミラー５１２と、ガルバノミラー５１４と、を有する。加熱位置調整機構５０４は、光源ユニット５０２から出力されたレーザ光１６２をミラー５１２で反射させた後、ガルバノミラー５１４に反射させることで向きを変えて、基台部１００の領域５３２に照射させる。ガルバノミラー５１４は、ミラー５２０と、回転軸５２１を軸としてミラー５２０を回動させて、ミラー５２０の向きを変える角度位置調整機構５２２と、を有する。ガルバノミラー５１４は、回転軸５２１周りにミラー５２０を回転させることで、図１０に示すように、ミラー５２０の向きによって、基台部１００の表面においてレーザ光１６２が照射される位置を移動させることができる。本実施形態では、領域５３２の範囲でレーザ光１６２の照射位置を移動させることができる。加熱位置調整機構５０４は、ガルバノミラー５１４でミラー５２０を所定の速度パターンで回動させることで、レーザ光を走査させることができる。加熱位置調整機構５０４は、基台部１００または成形層と加熱ヘッド３１の相対移動方向である矢印５２８の方向に直交する方向にレーザ光を走査させる。これにより、領域５３２は、矢印５２８に直交する方向が長手方向となる。なお、加熱位置調整機構５０４でレーザ光を移動させる方向は、これに限定されず、必要に応じて、任意の方向にすればよい。加熱位置調整機構５０４は、例えば可動式ミラー５１４の回転軸５２１の向きを調整することで、レーザ光が移動可能な向きを調整することができる。

加熱ヘッド３１は、光源ユニット５０２から出力されたレーザ光１６２を加熱位置調整機構５０４で移動させることで領域５３２にある基台部１００または成形層を加熱する。加熱ヘッド３１は、レーザ光の照射位置が移動できることで加熱を行う基台部１００の位置を高い精度で調整することができ、高い精度で加熱を行うことが可能となる。

加熱ヘッド３１は、レーザ光源として、半導体レーザ５４０を用いることで、波長の短いレーザ光を出力することができ、基台部１００、成形層等に対するエネルギー吸収率を高くすることができる。これにより、効率よく加熱を行うことができる。また効率よく加熱できることで、発振器を小さくすることができ、光源ユニット５０２を小さくすることができる。また、上記実施形態では、装置が小型化できるため、光源ユニット５０２を加熱ヘッド３１の筐体の内部に配置したが、筐体の外に配置してもよい。

ここで、加熱ヘッドの光源ユニットは、レーザ光源として、基板面に垂直方向にビームを出力する垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ、Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を用いることが好ましい。

図１１は、加熱ヘッドの光源ユニットの他の例の概略構成を示す模式図である。光源ユニット５０２ａは、２つの半導体レーザ５４０ａと、合波部５５０と、光ファイバ５４４と、を有する。合波部５５０は、２つのコリメートレンズ５５１と、回折格子５５２と、集光部５５４と、を有する。２つの半導体レーザ５４０ａは、それぞれレーザ光を出力する。半導体レーザ５４０ａは、垂直共振器型面発光レーザである。コリメートレンズ５５１は、半導体レーザ５４０ａのそれぞれに対して設置されており、半導体レーザ５４０ａから出力されたレーザをコリメートする。回折格子５５２は、２つのコリメートレンズ５５１でコリメートされたレーザ光が入射する。回折格子５５２は、異なる２つの方向から入射したレーザ光の少なくとも一方を回折し、同じ方向のレーザ光とする。集光部５５４は、回折格子５５２を通過したレーザ光を集光して光ファイバ５５４に入射させる。光ファイバ５４４は、集光部５５４で集光されたレーザ光が入射される。光ファイバ５４４は、入射されたレーザ光を加熱位置調整機構５０４に向けて出力する。

光源ユニット５０２ａは、垂直共振器型面発光レーザを用いることで、光源ユニットをより小さくすることができる。また、上記実施形態では、レーザ光を光ファイバに入射させたが、光ファイバを用いなくてもよい。

また、上記実施形態の加熱ヘッドは、１軸方向に走査可能としたが、レーザ光を多軸方向に走査可能とすることが好ましい。図１２は、加熱ヘッドの他の例の概略構成を示す模式図である。図１２に示す加熱ヘッド３１ａは、光源ユニット５０２と、加熱位置調整機構５０４ａと、を有する。加熱位置調整機構５０４ａは、加熱位置調整機構５０４のミラー５１２に換えて、ガルバノミラー５６０を有する。

加熱位置調整機構５０４ａは、ガルバノミラー５１２ａと、ガルバノミラー５１４と、を有する。加熱位置調整機構５０４ａは、光源ユニット５０２から出力されたレーザ光１６２をガルバノミラー５１２ａで反射させた後、ガルバノミラー５１４に反射させることで向きを変えて、基台部１００の領域５３２に照射させる。ガルバノミラー５１２ａは、ミラー５６０と、回転軸５６４を軸としてミラー５６０を回動させて、ミラー５６０の向きを変える角度位置調整機構５６２と、を有する。ここで、回転軸５６４は、回転軸５２１とは異なる向きの軸である。ガルバノミラー５１２ａは、回転軸５６４周りにミラー５６２を回転させることで、図１２に示すように、ミラー５６２の向きによって、ガルバノミラー５１２ａに到達するレーザ光１６２の位置を移動させることができる。

加熱位置調整機構５０４ａは、ガルバノミラー５６０のミラー５６２を回動させてミラー５２０に到達するレーザ光の位置を変化させ、さらに、ガルバノミラー５１４のミラー５２０を回動させて、基台部１００に到達するレーザ光の位置を変化させることで、基台部１００に到達するレーザ光の位置を二次元方向に移動させることができる。このように、加熱ヘッド３１ａは、レーザ光１６２の照射位置を基台部１００の表面で二軸方向に移動させることで、二次元で照射位置を調整することができる。これにより、加熱ヘッド３１ａは、基台部１００上で加熱を行う位置をより高い精度で調整することができ、より高い精度で加熱を行うことが可能となる。

なお、本実施形態の加熱ヘッド３１ａは、レーザ光を照射して対象の領域を加熱したが、これに限定されない。加熱ヘッド３１ａは、加熱領域を選択的に加熱することができればよく、レーザ光以外の光、例えば赤外光との光ビームを用いて加熱を行ってもよいし、電磁波等を照射して加熱を行ってもよい。

温度検出部１２０は、加熱ヘッド３１に隣接して配置されている。温度検出部１２０は、図７に示すように、レーザ光Ｌが照射される位置と、加熱ヘッド３１でレーザ光１６２が照射され加熱される範囲を含む範囲に測定波１６４を出力し、温度を計測する。温度検出部１２０は、成形層が形成される表面の温度を計測する各種温度センサを用いることができる。

質量検出部１３０は、回転テーブル部１７の回転テーブル１７ｄに取り付けられる基台部１００の質量を検出する。質量検出部１３０は、ロードセルを用いることができる。

機械加工部計測部３２は、機械加工部１３の工具２２の先端５６の位置を計測する。図１３は、機械加工部計測部３２の一例を示す模式図である。図１３に示すように、機械加工部計測部３２は、光源部５７と、撮像部５８と、を有する。機械加工部計測部３２は、光源部５７と撮像部５８との間に、機械加工部１３の工具２２の先端５６を位置させる。光源部５７は、例えばＬＥＤである。撮像部５８は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラである。機械加工部計測部３２は、光源部５７と撮像部５８との間に工具２２の先端５６を配置した状態で、光源部５７から撮像部５８に向けて光ＬＩを照射し、撮像部５８で画像を取得する。これにより、工具２２の先端５６によって、光が遮られた画像を取得することができる。機械加工部計測部３２は、撮像部５８で取得した画像を解析し、具体的には、光が入射した位置と光が入射していない位置の境界を検出することで、先端５６の形状、位置を取得することができる。制御装置２０は、取得した工具２２の先端５６の位置と機械加工部１３の位置（機械加工部収容室５の位置）とに基づいて、機械加工部１３に装着された工具２２の先端の正確な位置を検出する。なお、機械加工部計測部３２は、機械加工部１３の先端５６の位置を計測するものであれば、この構成に限られず、例えばレーザ光によって計測してもよい。

工具交換部３３は、三次元積層室２の内部に配置されている。工具交換部３３は、機械加工部１３に装着される工具２２を交換する。工具交換部３３は、工具２２を保持していない部分を機械加工部１３と対面する位置に移動させる。その後、工具交換部３３は、機械加工部１３と対面する位置に工具２２を把持していない部分に移動させる。その後、機械加工部１３に装着されている工具２２を取り外す処理を実行する。その後、機械加工部１３に装着する別の工具２２を把持している部分を機械加工部１３に対面する位置に移動させ、機械加工部１３に別の工具２２を取り付ける。このように、工具交換部３３は、機械加工部１３の工具２２を着脱することにより、機械加工部１３の工具２２を交換することができる。なお、工具交換部３３は、機械加工部１３の工具２２を交換することができれば、この構成に限れられない。

ノズル交換部３４は、三次元積層室２の内部に配置されている。ノズル交換部３４は、積層ヘッド１２に装着されるノズル２３を交換する。ノズル交換部３４は、工具交換部３３と同様の構造を用いることができる。

粉末導入部３５は、積層ヘッド１２に三次元形状物の原料となる粉末材料を積層ヘッド１２に導入する。図１４Ａ及び図１４Ｂは、それぞれ粉末導入部の一例を示す模式図である。図１４Ａに示すように、本実施形態において、粉末Ｐはカートリッジ８３に封入された状態で管理される。すなわち、粉末は、例えば材料の種類毎にカートリッジ８３内に封入されて出荷される。カートリッジ８３には材料表示部８４が設けられる。材料表示部８４は、例えば材料の種類などの粉末の情報を示す表示である。材料表示部８４は、目視で確認できる情報に限定されず、ＩＣチップ、二次元コード又はマーク等、読み取り器で読み取ることで情報を取得できる表示であってもよい。材料表示部８４は、粉末の材料の種類を示すことができれば、これらに限られない。材料表示部８４は、粉末の材料の種類以外にも、例えば粉末の粒度、重量、純度又は酸素含有量等の、三次元形状物製造の上で必要な粉末の情報を示すことができる。また、材料表示部８４は、粉末が正規品であるか否かを示す情報を含んでいてもよい。

粉末導入部３５は、粉末収納部８１及び粉末識別部８２を有する。粉末収納部８１は、例えば箱状の部材であり、内部にカートリッジ８３を収納する。粉末収納部８１は、粉末を搬出するための搬送空気供給部や、粉末を積層ヘッド１２に搬送する搬送経路が接続されている。粉末収納部８１は、カードリッジ８３が収納された場合、カードリッジ８３に貯留されている粉末を積層ヘッド１２に導入する。粉末識別部８２は、粉末収納部８１にカートリッジ８３が収納されたことを検出したら、カートリッジ８３の材料表示部８４を読み取り、カートリッジ８３に貯留されている粉末の情報を読み取る。粉末導入部３５は、粉末識別部８２で粉末の情報を取得することで、積層ヘッド１２に既知の粉末を供給することができる。

ここで、粉末導入部３５は、カートリッジ８３内に封入された状態で管理されていない粉末を積層ヘッド１２に供給するようにしてもよい。図１４Ｂは、粉末がカートリッジに封入されない場合の粉末導入部３５Ａを示している。粉末導入部３５Ａは、粉末収納部８１Ａと、粉末識別部８２Ａと、粉末収容部８１Ａと粉末識別部８２Ａとを繋げる粉末案内管８９とを有する。粉末収納部８１Ａは、例えば箱状の部材であり、内部に粉末Ｐを収納する。粉末識別部８２Ａは、粉末案内管８９を介して供給された粉末Ｐを分析し、粉末Ｐの材料の種類、粒度、重量、純度、酸化物被膜又は酸素含有量等の、三次元形状物製造の上で必要な粉末Ｐの情報を計測する。粉末識別部８２Ａとしては、分光分析により粉末の材料を識別する分光分析装置を有し、粒度分析により粉末Ｐの粒度を計測する粒度分析装置、粉末の重量を計測する重量計等を用いることができる。粉末識別部８２Ａは、例えば計測した粉末Ｐの材料の種類、粒度及び重量等から、粉末の純度を計測する。また、粉末識別部８２は、例えば導電率により、粉末の酸化物被膜を計測する。粉末導入部３５Ａも、粉末識別部８２Ａで粉末の情報を取得することで、積層ヘッド１２に既知の粉末を供給することができる。

基台移動部３６は、予備室３に配置されている。基台移動部３６は、基台部１００ａを予備室３内から三次元積層室２内に移動させ、三次元積層室２内の基台部１００を予備室３内に移動させる。基台移動部３６は、外部から予備室３内に搬入された基台部１００ａが取付けられる。基台移動部３６は、取付けられた基台部１００ａを予備室３から三次元積層室２内に搬入する。より詳しくは、基台移動部３６は、基台移動部３６に取付けられた基台部１００を、三次元積層室２内に移動させて、回転テーブル部１７に取付ける。基台移動部３６は、例えばロボットアームや直交軸搬送機構により、基台部１００を移動させる。

空気排出部３７は、例えば真空ポンプであり、三次元積層室２内の空気を排出する。ガス導入部３８は、三次元積層室２内に所定成分のガス、例えばアルゴン、窒素等の不活性ガスを導入する。三次元積層装置１は、空気排出部３７により三次元積層室２の空気を排出し、ガス導入部３８により三次元積層室２にガスを導入する。これにより、三次元積層装置１は、三次元積層室２内を所望するガス雰囲気にすることができる。ここで、本実施形態において、ガス導入部３８は、空気排出部３７よりもＺ軸方向下方に設けられる。ガス導入部３８を空気排出部３７よりもＺ軸方向下方に設けることで、空気中の酸素等の気体よりも比重が高いアルゴンを導入するガスを用いた場合、三次元積層室２内に好適にアルゴンガスを満たすことができる。なお、導入するガスを空気よりも軽いガスとする場合、配管の配置を逆にすればよい。

粉末回収部３９は、積層ヘッド１２のノズル噴射口部４５から噴射された粉末Ｐであって、成形層を形成しなかった粉末Ｐを回収する。粉末回収部３９は、三次元積層室２内の空気を吸引して、空気に含まれる粉末Ｐを回収する。積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐは、レーザ光Ｌにより溶融固化して、成形層を形成する。しかし、粉末Ｐの一部は、例えばレーザ光Ｌが照射されないことで、そのまま三次元積層室２内に残る場合がある。また、機械加工部１３により切削されて成形層から排出された切粉が三次元積層室２に残る。粉末回収部３９は、三次元積層室２に残った粉末Ｐや切粉を回収する。粉末回収部３９は、ブラシ等機械的に粉末を回収する機構を備えていてもよい。

図１５は、粉末回収部３９の一例を示す模式図である。図１５に示すように、粉末回収部３９は、導入部８５と、サイクロン部８６と、気体排出部８７と、粉末排出部８８とを有する。導入部８５は、例えば管状の部材であり、一方の端部が例えば三次元積層室２内に接続されている。サイクロン部８６は、例えば中空の円錐台形状の部材であり、例えば鉛直方向下方に向かって径が小さくなる。導入部８５の他方の端部は、サイクロン部８６の外周の接線方向に沿って、サイクロン部８６に接続されている。気体排出部８７は、管状の部材であり、一方の端部がサイクロン部８６の鉛直方向上方の端部に接続されている。粉末排出部８８は、管状の部材であり、一方の端部がサイクロン部８６の鉛直方向下方の端部に接続されている。

気体排出部８７の他方の端部には、例えば気体を吸引するポンプが接続されている。従って、気体排出部８７は、サイクロン部８６から気体を吸引して、サイクロン部８６を負圧にする。サイクロン部８６は負圧になるため、導入部８５は、三次元積層室２から気体を吸引する。導入部８５は、三次元積層室２内の気体と共に、成形層を形成しなかった粉末Ｐを吸引する。導入部８５は、サイクロン部８６の外周の接線方向に沿って、サイクロン部８６に接続されている。従って、導入部８５に吸引された気体及び粉末Ｐは、サイクロン部８６の内周に沿って旋回する。粉末Ｐは、気体よりも比重が高いため、サイクロン部８６の内周の放射方向外側に遠心分離される。粉末Ｐは、自重により延伸方向下方の粉末排出部８８に向かい、粉末排出部８８から排出される。また、気体は気体排出部８７により排出される。

粉末回収部３９は、このようにして成形層を形成しなかった粉末Ｐを回収する。また、本実施形態における粉末回収部３９は、粉末Ｐを比重毎に分けて回収してもよい。例えば比重が低い粉末は、自重が小さいため、粉末排出部８８に向かわずに、気体排出部８７に吸引される。従って、粉末回収部３９は、比重毎に粉末Ｐを分別して回収することができる。なお、粉末回収部３９は、成形層を形成しなかった粉末Ｐを回収することができれば、このような構成に限られない。

次に、三次元積層装置１による三次元形状物の製造方法について説明する。図１６は、本実施形態に係る三次元積層装置１による三次元形状物の製造方法を示す模式図である。また、図１６に示す製造方法は、制御装置２０が各部の動作を制御することで実行することができる。本実施形態においては、台座９１上に三次元形状物を製造する場合として説明する。台座９１は、例えば金属製の板状部材であるが、上部に三次元形状物が製造されるものであれば、形状及び材料は任意である。台座９１は、基台部１００上に取付けられる。基台部１００は、台座９１と共に、テーブル部１１の回転テーブル部１７に固定される。なお、台座９１を基台部１００とすることもできる。

制御装置２０は、ステップＳ１に示すように、テーブル部１１により、基台部１００上の台座９１が積層ヘッド１２のＺ軸方向下方に配置されるように、基台部１００を移動させる。

次に、制御装置２０は、ステップＳ２に示すように、粉末導入部３５から積層ヘッド１２に粉末Ｐを導入し、積層ヘッド１２から気体と共に粉末Ｐを噴射しつつ、レーザ光Ｌを掃射する。粉末Ｐは、所定の収束径をもって、基台部１００上の台座９１に向かって噴射される。レーザ光Ｌは、積層ヘッド１２と台座９１との間において、所定のスポット径をもって粉末Ｐに照射される。ここで、粉末Ｐの収束径のＺ軸方向での位置に対するレーザ光Ｌのスポット径のＺ軸方向での位置および粉末Ｐの収束径のＺ軸方向での位置におけるスポット径は、例えば集光部４９の位置を動かすことにより制御することができる。

制御装置２０は、積層ヘッド１２によりレーザ光Ｌを照射しつつ粉末Ｐを噴射することで、ステップＳ３に示すように、粉末Ｐがレーザ光Ｌの照射により溶融する。溶融した粉末Ｐは、溶融体Ａとして、基台部１００上の台座９１に向かってＺ軸方向下方へ落下する。

Ｚ軸方向下方へ落下した溶融体Ａは、基台部１００上の台座９１の所定の位置に到達する。台座９１上の溶融体Ａは、台座９１上の所定の位置で、例えば放冷されることにより冷却される。冷却された溶融体Ａは、ステップＳ４に示すように、台座９１上で固化体Ｂとして固化される。

制御装置２０は、テーブル部１１で基台部１００上を所定の位置に移動させつつ、ステップＳ２からステップＳ４に示す手順で積層ヘッド１２により固化体Ｂを基台部１００上に形成する。これらの手順を繰り返すことにより、ステップＳ５に示すように、固化体Ｂは、台座９１上で所定の形状を有する成形層９２を形成する。

制御装置２０は、ステップＳ６に示すように、台座９１に形成された成形層９２が機械加工部１３のＺ軸方向下方に配置されるように、テーブル部１１により基台部１００の台座９１を移動させる。さらに、制御装置２０は、機械加工部１３により、成形層９２を機械加工する。制御装置２０は、機械加工部１３による機械加工を実施するか否かを選択し、不要な場合は実行しなくてもよい。従って、ステップＳ６に示す機械加工は、制御装置２０の指令によっては、実施されない場合がある。

次に、制御装置２０は、ステップＳ７に示すように、テーブル部１１は、制御装置２０の指令により、基台部１００を、例えば成形層９２が積層ヘッド１２のＺ軸方向下方に位置するように移動させる。そして、ステップＳ２からステップＳ６に示す手順を繰り返し、成形層９２の上に成形層９３が順次積層され、三次元形状物が製造される。

以上を纏めると、本実施形態に係る三次元積層装置１は、次のように三次元形状物を製造する。積層ヘッド１２の粉末噴射部は、粉末Ｐを基台部１００上の台座９１に向かって噴射する。また、積層ヘッド１２の内管４２は、積層ヘッド１２と台座９１との間において、粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射する。レーザ光Ｌが照射された粉末Ｐは、溶融され、基台部１００上の台座９１上で固化されて、成形層９２を形成する。三次元積層装置１は、成形層９２上に順次成形層９３を積層し、機械加工部１３により成形層９２，９３に適宜機械加工を加えて、三次元形状物を製造する。

本実施形態において、三次元形状物は、台座９１上に製造されたが、三次元形状物は、台座９１上に製造されなくてもよい。三次元形状物は、例えば基台部１００上に直接製造されてもよい。また、三次元積層装置１は、既存の造形物上に成形層を積層することにより、いわゆる肉盛り溶接を行ってもよい。

本実施形態において、機械加工部１３は、例えば成形層９２の表面を機械加工するが、それ以外の機械加工を行ってもよい。図１７Ａから図１７Ｃは、それぞれ本実施形態に係る三次元積層装置１による三次元形状物の製造方法を示す説明図である。図１７Ａから図１７Ｃは、三次元積層装置１が図１７Ｃに示す部材９９を製造する手順を示している。

部材９９は、円板部９５と、軸部９７と、円錐台部９８とを有する。また、部材９９は、円板部９５にねじ穴部９６が形成されている。図１７Ｃに示すように、円板部９５は円板状の部材である。軸部９７は、円板部９５よりも径が小さい軸状の部材であり、円板部９５の一方の面の中央部から延在する。ねじ穴部９６は、円板部９５の軸部９７よりも外側に設けられる。円錐台部９８は、軸部９７の先端に設けられ、円板部９５と反対方向に向かうに従って、外径が大きくなる。円錐台部９８の長径は、例えば円板部９５の外径と同じ大きさである。すなわち、ねじ穴部９６は、円錐台部９８の長径よりも内側に位置する。

次に、三次元積層装置１による部材９９の製造手順について説明する。三次元積層装置１は、図１７Ａに示すように、積層ヘッド１２による成形層の積層によって円板部９５及び軸部９７を形成する。三次元積層装置１は、円板部９５及び軸部９７を製造した後に、図１７Ｂに示すように、機械加工部１３によりねじ穴部９６を形成する。三次元積層装置１は、ねじ穴部９６を形成した後に、積層ヘッド１２による成形層の積層により、軸部９７上に円錐台部９８を形成する。部材９９は、このようにして製造される。

ここで、円錐台部９８の長径部分は、ねじ穴部９６よりも外側に位置する。言い換えれば、ねじ穴部９６は、円錐台部９８により上部が覆われている。従って、例えば機械加工により部材９９を製造する場合、円錐台部９８の上部から円板部９５に向かって、ねじ穴部９６の加工工具を移動させることができない。しかし、三次元積層装置１は、円錐台部９８が製造される前に、ねじ穴部９６を形成する。この場合、ねじ穴部９６の上部は覆われていない。従って、三次元積層装置１は、機械加工部１３を、Ｚ軸方向上部からＺ軸方向に沿って移動させることにより、ねじ穴部９６を加工することができる。このように、機械加工部１３は、成形層の形成と機械加工とのタイミングを調整することにより、機械加工を容易にすることができる。

次に、本実施形態に係る三次元積層装置１による三次元形状物の製造の詳細な工程について説明する。図１８は、本実施形態に係る三次元積層装置１による三次元形状物の製造工程を示すフローチャートである。制御装置２０は、例えば記憶部５３内に記憶された三次元形状物の設計情報を読み出す。

次に、制御装置２０は、空気排出部３７により三次元積層室２内の空気を排出する（ステップＳ１１）。ここで、三次元積層室２は、扉６が閉じており、予備室３と分離されている。また、三次元積層室２は、他の外気と連通している部分も閉じられ、密封されている。制御装置２０は、例えば、空気排出部３７により空気を排出することで、三次元積層室２内の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下とする。制御装置２０は、三次元積層室２内の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下とすることで、不活性状態とすることができ、１０ｐｐｍ以下とすることで、より確実に不活性状態とすることができる。

次に、台座９１を有する基台部１００を予備室３内の基台移動部３６に取付ける（ステップＳ１２）。なお、三次元積層装置１は、ステップＳ１２の処理を、ステップＳ１１の処理よりも先に行ってもよい。

制御装置２０は、予備室３内の基台移動部３６が取付けられたら、予備室３の扉７を閉じ、空気排出部２５により、予備室３内の空気を排出する（ステップＳ１３）。制御装置２０は、空気排出部２５で空気を排出することで、予備室３内の酸素濃度を低下させる。予備室３内の酸素濃度は、例えば三次元積層室２内と同じ酸素濃度になることが好ましい。

制御装置２０は、予備室３の空気の排出が完了したら、三次元積層室２の扉６を開き、基台移動部３６により三次元積層室２内の回転テーブル部１７に基台部１００を取付ける（ステップＳ１４）。基台部１００は、回転テーブル部１７に固定される。制御装置２０は、基台部１００を回転テーブル部１７に取り付けたら、基台移動部３６を予備室３内に戻し、扉６を閉じる。

制御装置２０が、基台部１００を回転テーブル部１７にセットしたら、ガス導入部３８により三次元積層室２内にガスを導入する（ステップＳ１５）。制御装置２０は、気体導入部３８により、三次元積層室２内を、導入したガス雰囲気にする。実施形態１において、気体導入部３８が導入するガスは、窒素もしくはアルゴン等の不活性ガスである。気体導入部３８は、三次元積層室２内の残留酸素濃度が１００ｐｐｍ以下となるように、不活性ガスを導入する。

また、三次元積層装置１は、粉末材料の種類によっては、ステップＳ１１、ステップＳ１３，ステップＳ１５を省略してもよい。例えば粉末材料の酸化によっても三次元形状物の品質等が問題にならない場合は、これらのステップを省略し、三次元積層室２及び予備室３を大気雰囲気にしてもよい。

制御装置２０は、三次元積層室２への不活性ガスの導入が完了したら、基台部１００上の台座９１について機械加工を行うかを判断する（ステップＳ１６）。例えば、制御装置２０は、形状計測部３０に台座９１の表面形状を計測させる。制御装置２０は、形状計測部３０の計測結果に基づき、台座９１について機械加工を行うかを判断する。制御装置２０は、例えば、台座９１の表面粗さが所定の値より大きかった場合、台座９１の機械加工を行うと判断する。ただし、制御装置２０による台座９１の機械加工の要否判断は、これに限られず、形状計測部３０の計測結果によらなくてもよい。制御装置２０は、例えば、記憶部５３内に台座９１の情報を記憶させておき、台座９１の情報と三次元形状物の設計情報とから、台座９１の加工要否を判断してもよい。また、制御装置２０は、常に台座９１を加工する設定としてもよい。

制御装置２０は、台座９１の機械加工が必要であると判断した場合（ステップＳ１６でＹｅｓ）、機械加工部１３により、所定の条件で台座９１の機械加工を行う（ステップＳ１７）。制御装置２０は、例えば形状計測部３０による台座９１の形状計測結果、又は台座９１の情報と三次元形状物の設計情報と等に基づき、台座９１の機械加工の条件を決定する。

制御装置２０は、台座９１の加工が必要でないと判断した場合（ステップＳ１６でＮｏ）、または、所定の条件で台座９１の機械加工を行った場合、例えば記憶部５３から読み出した三次元形状物の設計情報に基づき、成形層の形成条件を決定する（ステップＳ１８）。成形層の形成条件とは、例えば、成形層の各層の形状、粉末Ｐの種類、粉末Ｐの噴射速度、粉末Ｐの噴射圧力、レーザ光Ｌの照射条件、粉末Ｐの収束径とレーザ光Ｌのスポット径と成形層表面の位置関係、気中で溶融した粉末Ａの寸法、温度、形成中の成形層表面溶融プールＢの寸法、冷却速度、又はテーブル部１１による基台部１００の移動速度等、成形層を形成する上で必要な条件である。

制御装置２０は、成形層の形成条件を決定したら、積層ヘッド１２により、粉末Ｐを基台部１００上の台座９１に向かって噴射し、レーザ光Ｌの照射し、基台部１００の加熱を開始する（ステップＳ１９）。制御装置２０は、粉末Ｐを噴射しつつ、レーザ光Ｌを照射することで、レーザ光Ｌにより粉末Ｐを溶融し、溶融した粉末Ｐを固化することができ、台座９１上に固化体Ｂが形成する。また、制御装置２０は、加熱ヘッド３１からレーザ光Ｌを基台部１００に照射し、基台部１００の加熱を開始する。

制御装置２０は、粉末Ｐを噴射しつつ、レーザ光Ｌを照射し、テーブル部１１により基台部１００を移動させることで、台座９１上に成形層９２を形成する（ステップＳ２０）。制御装置２０は、加熱ヘッド３１で加熱を行うことで、形成された成形層９２を加熱したり、固化体Ｂが付着する前の部分を加熱したりする。

制御装置２０は、成形層９２を形成したら、成形層９２に機械加工が必要かを判断する（ステップＳ２１）。制御装置２０は、例えば形状計測部３０に、成形層９２の表面形状を計測させる。制御装置２０は、形状計測部３０の計測結果に基づき、成形層９２の機械加工の要否を判断する。例えば、制御装置２０は、成形層９２の表面粗さが所定の値より大きかった場合、成形層９２の機械加工を行うと判断する。ただし、成形層９２の機械加工の要否判断の基準は、これに限られない。制御装置２０は、例えば三次元形状物の設計情報と成形層の形成条件とから、成形層９２の機械加工の要否を判断してもよい。例えば、制御装置２０は、成形層の形成条件から算出された成形層９２の表面粗さが三次元形状物の設計情報に基づく必要な表面粗さよりも大きい場合、成形層９２に機械加工が必要であると判断するようにしてもよい。

制御装置２０は、成形層９２の機械加工が必要ではないと判断した場合（ステップＳ２１でＮｏ）、ステップＳ２４に進む。制御装置２０は、成形層９２の機械加工が必要である（ステップＳ２１でＹｅｓ）と判断した場合、成形層９２の機械加工の加工条件を決定する（ステップＳ２２）。例えば、制御装置２０は、形状計測部３０の計測結果、又は三次元形状物の設計情報と成形層の形成条件と等に基づき、加工条件を決定する。制御装置２０は、成形層加工条件を決定したら、機械加工部１３により、決定した加工条件に基づいて成形層９２を機械加工する（ステップＳ２３）。

制御装置２０は、成形層９２の機械加工を行った場合、または、成形層９２の機械加工が必要ではないと判断した場合、成形層９２の上に更に成形層９３を積層する必要があるかを判断する（ステップＳ２４）。制御装置２０は、例えば記憶部５３から読み出した三次元形状物の設計情報に基づき、成形層９２の上に更に成形層９３を積層する必要があるかを判断する。

制御装置２０は、成形層９３の積層が必要であると判断した場合（ステップＳ２４でＹｅｓ）、ステップＳ１８に戻って、成形層９２上に成形層９３を積層する。制御装置２０は、成形層９３の積層が不要である（ステップＳ２４でＮｏ）と判断した場合、三次元形状物の製造が完了となる。

三次元積層装置１は、このようにして三次元形状物を製造する。本実施形態に係る三次元積層装置１は、積層ヘッド１２により粉末Ｐを噴射して、粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射することにより、三次元形状物を製造する。具体的には、三次元積層装置１は、対象物に向かっている粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射し、対象物に到達する前に溶融させ、溶融体を対象物に付着させる。これにより、レーザ光Ｌで対象物を溶解させずに、または溶解させる量を少なくして成形層を形成することができる。これにより、製造した対象物や成形層にレーザ光が与える影響を少なくすることができ、形成されたものにさらに固化物を積層する加工を行うことができる。以上より、三次元積層装置１は、三次元形状物を高精度で製造することができる。

また、三次元積層装置１は、加熱ヘッド３１を用いて、加熱位置を選択しながら、基台部または成形層を加熱することで、成形層を形成する条件をより適切に制御することができる。例えば、加熱ヘッド３１を用いて、成形層のレーザ光が照射される位置を通過した領域、つまり成形層が形成された後の領域を加熱することで、成形層の減温速度を調整することができる。これにより成形層の状態をより高精度に制御することができ、成形層の強度等を調整することができる。または、加工ヘッド３１は、レーザ光が照射される位置を通過する前の領域、つまり溶融体Ａが付着する前の基台部または成形層を加熱することで、溶融体が付着した場合に急激に冷却されることを抑制でき、粉末をより確実に溶融体にすることができる。これにより、三次元積層装置１は、より高精度な加工が可能となり、高い精度で三次元形状物を製造することができる。

さらに、三次元積層装置１は、機械加工部１３により、成形層９２に適宜機械加工を加えることができる。従って、三次元積層装置１は、三次元形状物を高精度で製造することができる。なお、上記実施形態では、機械加工部１３を用いて、成形層や、基台部に対して機械加工を行うことで、より高い精度での加工を行うことができるが、機械加工部１３を設けずに機械加工を行わなくてもよい。

また、基台移動部３６は、三次元積層室２の内部に基台部１００を移動させる。三次元積層室２の内部は、空気が排出されている場合がある。基台移動部３６は、例えば作業者が三次元積層室２の内部に入らなくても、三次元積層室２の内部に基台部１００を移動させることができる。

ここで、三次元積層装置１は、形状計測部３０を有することにより、成形層の形成条件を決定することが好ましい。図１９は、本実施形態に係る三次元積層装置１による成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。図１９の処理は、図１８のステップＳ１８の処理の一部として実行することができる。制御装置２０は、形状計測部３０により、成形層９２の形状を計測する（ステップＳ３１）。制御装置２０は、積層ヘッド１２に成形層９２を形成させながら、形状計測部３０に成形層９２の形状を測定させてもよい。形状計測部３０は、積層ヘッド１２が固化体Ｂを形成しようとする箇所の形状と、その箇所に形成された固化体Ｂの形状との双方の形状を計測することができる。すなわち、形状計測部３０は、成形層９２の形成前後における表面形状を計測することができる。制御装置２０は、成形層９２の形状を計測したら、形状計測部３０の測定結果に基づき、加熱条件を含む成形層９２の形成条件を決定する（ステップＳ３３）。

制御装置２０は、形状計測部３０による成形層９２の表面形状の計測結果に応じて、加熱条件を決定することで、成形層９２の形状に応じて、各位置の加熱量を決定することができ、より適切に各位置を加熱することができる。これにより、各位置の温度を均一にしたり、温度変化を均一にしたりすることができ、より高精度な加工を行うことができる。

また、制御装置２０は、形状計測部３０による成形層の表面形状の計測結果に応じて、成形層の形成条件を決定し、積層ヘッド１２の動作を制御する。従って、三次元積層装置１は、成形層を形成する箇所と積層ヘッド１２との間の距離を一定にするなど、成形層の形成をより適切に行うことができる。さらに、三次元積層装置１は、積層ヘッド１２により成形層を形成させながら、形状計測部３０により成形層９２の形状を計測することができる。従って、三次元積層装置１は、成形層の形成条件をより適切なものにすることができ、三次元形状物をより高精度で製造することができる。ここで、上記実施形態では、積層ヘッド１２により加工について説明したが、機械加工部１３による加工も同様に行うことができる。また、上記実施形態で決定する成形層の形成条件は、位置に応じ変動する条件としてもよいし、一定の条件としてもよい。

三次元積層装置１は、検出結果に基づいて、成形層の形成条件として、積層ヘッド１２の移動経路、つまり、積層ヘッド１２のＺ軸方向の位置とテーブル部１１による移動の相対関係を決定することが好ましい。これにより、積層される成形層の厚みや凝固部温度、積層速度を均一化することができる。

三次元積層装置１は、温度検出部１２０で検出した温度分布に基づいて処理動作を決定してもよい。図２０は、成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。制御装置２０は、温度検出部１２０で成形層の表面の温度分布を検出する（ステップＳ４２）。制御装置２０は、テーブル部１１で基台部１００を移動させつつ、温度検出部１２０で計測を行うことで、成形層の表面の全域の温度分布を検出することができる。制御装置２０は、積層ヘッド１２での加工を行う前に計測を行ってもよいし、積層ヘッド１２での加工を行っている間に計測を行ってもよい。

制御装置２０は、温度分布を検出したら、形状計測部３０で成形層の形状（表面形状）を検出する（ステップＳ４４）。成形層の表面形状の検出と温度分布の検出は同時に行ってもよい。

制御装置２０は、成形層の形状を検出したら、成形層の形状と温度分布とに基づいて、温度検出部で温度を検出する検出位置を特定し（ステップＳ４６）、特定した位置の温度を検出する（ステップＳ４８）。制御装置２０は、検出した温度に基づいて加熱条件を含む成形層の形成条件を決定し（ステップＳ４９）、本工程を終了する。

三次元積層装置１は、特定の位置、例えば冷えにくいところや温まりやすいところについて温度を計測して加熱条件を決定することで、各位置の温度や温度変化を高い精度で制御することができ、より適切な加工を行うことができる。

さらに、三次元積層装置１は、温度分布と形状に基づいて加工条件として積層ヘッド１２の移動経路を決定することで、つまり温度分布も加味して加工条件を決定することで、積層される成形層の厚みや凝固部温度、積層速度を均一化することができる。つまり冷えにくいところや温まりやすいところを把握して、加工条件を決定的、より均一な加工を行うことが可能となる。

また、図２０に示す例では、温度を再度検出したが、ステップＳ４６とステップＳ４８の処理は、行わずに加熱条件を含む成形層の形成条件を決定してもよい。三次元積層装置１は、温度分布と形状に基づいて加熱条件を決定することで、各位置の温度や温度変化を高い精度で制御することができる。

また、三次元積層装置１は、質量検出部１３０の検出結果を用いて、処理動作を決定してもよい。例えば、形成した成形物によって生じる質量の変化を検出し、製造している三次元積層物を評価するようにしてもよい。具体的には、形成した大きさと質量の変化を検出することで、三次元積層物の密度を算出することができ、三次元積層物に空隙が形成されていないかを判定することができる。また、三次元積層装置１は、質量検出部１３０の重量に基づいて、基台部１００に異物、具体的には、溶融しなかった粉末材料や機械加工部１３による加工で生成された切粉が付着していないかを検出することもできる。これにより、粉末回収部３９の動作の制御に用いることができる。

三次元積層装置は、形成条件を制御するためのパラメータを検出する装置として、さらに他の検出部を備えていてもよい。図２１は、三次元積層装置の積層ヘッドの周辺部の他の例を示す模式図である。図２１に示す三次元積層装置は、積層ヘッドのレーザ光の経路の周辺に、温度検出部１２０ａと、ハーフミラー１８２と、プラズマ発光検出部１９０と、反射光検出部１９２と、を有する。ハーフミラー１８２は、光源４７と、集光部４９との間に配置され、光源４７から集光部４９に向かうレーザ光を透過させ、集光部４９から光源４７に向かうレーザ光を反射する。つまりハーフミラー１８２は、基台部１００や成形層で反射したレーザ光を所定の方向に反射する。

プラズマ発光検出部１９０は、基台部１００や成形層、供給される粉末にレーザ光Ｌが照射されることで発生するプラズマを検出する。反射光検出部１９２は、ハーフミラー１８２で反射されたレーザ光Ｌを検出する。また、温度検出部１２０ａは、ミラー１８２で反射されて映るレーザ光の照射位置の状態に基づいて温度を検出する。

次に、図２２から図２４を用いて、各部を用いて実行する制御の一例を説明する。図２２は、成形層の形成条件、具体的には加熱ヘッドによる加熱条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。図２２から図２４の処理は、積層ヘッドによる加工時に並行して行うことが好ましいが、形成条件を決める際に実行してもよい。制御装置２０は、温度検出部１２０ａで温度を検出し（ステップＳ１０２）、検出した結果に基づいて、加熱条件を決定し（ステップＳ１０４）、本処理を終了する。制御装置２０は、温度検出部１２０ａで検出した結果に基づいて加熱ヘッド３１による加熱の条件を決定することで、成形層の温度をより均一にすることができより高精度な加工を行うことができる。なお、温度検出部１２０の場合も同様の制御を行うことができる。

図２３は、成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。制御装置２０は、プラズマ発光検出部１９０でプラズマ発光を検出し（ステップＳ１１２）、検出したプラズマ発光に基づいて、加熱条件を決定し（ステップＳ１１４）、本処理を終了する。制御装置２０は、プラズマ発光検出部１９０で検出した結果に基づいて加熱ヘッド３１による加熱の条件を決定することでも、成形層の温度をより均一にすることができより高精度な加工を行うことができる。ここで、制御装置２０は、プラズマ発光検出部１９０でプラズマ発光を検出することで、レーザの焦点位置の温度を監視することができる。また噴射された粉末がレーザ光に入り溶融する場合に発光するプラズマを検出することで気中の粉末溶融状態を監視することができる。

図２４は、成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。制御装置２０は、反射光検出部１９２で反射光を検出し（ステップＳ１２２）、検出した反射光に基づいて、加熱条件を決定し（ステップＳ１２４）、本処理を終了する。制御装置２０は、反射光検出部１９２で検出した結果に基づいて加熱ヘッド３１による加熱の条件を決定することでも、成形層の温度をより均一にすることができより高精度な加工を行うことができる。ここで、制御装置２０は、反射光検出部１９２で反射光を検出することで、溶融体Ａが付着する位置の温度を監視することができる。

ここで、三次元積装置１は、温度検出部１２０及び加熱ヘッド３１を積層ヘッド１２に対して、Ｚ軸周りに回転できるようにすることが好ましい。これにより、テーブル部１１の移動方向に応じて、積層ヘッド１２と温度検出部１２０及び加熱ヘッド３１との相対位置を一定としたり、切り換えたりすることができる。また、三次元積装置１は、温度検出部１２０及び加熱ヘッド３１を積層ヘッド１２に対して２つ設け、積層ヘッド１２を挟み込むように配置してもよい。

図２５は、積層ヘッド収納室の他の例を示す模式図である。図２５に示す積層ヘッド収納室５０４は、積層ヘッド１２と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１とを支持している。積層ヘッド収納室５０４は、積層ヘッド１２と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１とを支持している部分が切換機構５８０となる。切換機構５８０は、固定部５８１と、可動部５８２と、回転機構５８４と、シール部５８６とを有する。固定部５８１は、Ｚ軸スライド部４ａに支持され、底面がベローズ１８と繋がっている。可動部５８２は、固定部５８１に内蔵され、積層ヘッド１２と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１とを固定している。回転機構５８４は、固定部５８１に対して可動部５８２を軸５９０周りに回転させる。シール５８６は、鉛直方向下側の面、つまり、三次元積層室２に露出している面の固定部５８１と可動部５８２との間を回転自在の状態で密閉している。

切換機構５８０は、固定部５８１に対して可動部５８２を回転させることで、可動部５８２が支持している積層ヘッド１２と加熱ヘッド３１との相対位置を切り換えることができる。これにより、切換機構５８０は、積層ヘッド１２と基台部１００との相対移動方向、つまりテーブル部１１が基台部１００を移動させる方向に対して、積層ヘッド１２が加熱ヘッド３１よりも上流側にある状態と、積層ヘッド１２が加熱ヘッド３１よりも下流側にある状態と、を切り換えることができる。つまり、同じ方向に基台部１００が移動している場合は、可動部５８２を１８０度回転させることで積層ヘッド１２と加熱ヘッド３１との加工位置に対する前後関係を入れ替えることができる。これにより、加熱ヘッド３１が、積層ヘッド１２を通過する前（成形層の形成を行う前）の基台部１００または成形層を加熱するか、積層ヘッド１２を通過した後（成形層の形成を行った後）の基台部１００または成形層を加熱するかを切り換えることができる。

図２６は、三次元積層装置による処理動作の一例を示すフローチャートである。制御装置２０は、積層ヘッド１２と基台部１００との相対移動方向を検出し（ステップＳ１７０）、加熱ヘッド３１の加熱領域を特定する（ステップＳ１７２）。加熱ヘッド３１の加熱領域とは、積層ヘッド１２で加工される基台部に対して設定されており、積層ヘッド１２を通過する前の基台部１００または成形層を加熱する領域、積層ヘッド１２を通過した後の基台部１００または成形層を加熱する領域がある。

制御装置２０は、加熱ヘッド３１が積層ヘッド１２に対して適正な位置であるかを判定する（ステップＳ１７４）。つまり、積層ヘッド１２と基台部１００との相対移動方向と加熱領域と現状の積層ヘッド１２と加熱ヘッド３１との相対位置に基づいて、加熱ヘッドが加熱領域を加熱できる位置であるかを判定する。

制御装置２０は、加熱ヘッド３１が積層ヘッド１２に対して適正な位置である（ステップＳ１７４でＹｅｓ）と判定した場合、ステップＳ１７８に進む。制御装置２０は、加熱ヘッド３１が積層ヘッド１２に対して適正な位置ではない（ステップＳ１７４でＮｏ）と判定した場合、切換機構５８０で、加熱ヘッド３１と積層ヘッドとの相対位置を切り換え（ステップＳ１７６）、ステップＳ１７８に進む。

制御装置２０は、ステップＳ１７４でＹｅｓまたはステップＳ１７６の処理を行った場合、積層ヘッド１２と基台部１００との相対移動方向が変更されたかを判定する（ステップＳ１７８）。制御装置２０は、移動方向が変更した（ステップＳ１７８でＹｅｓ）と判定した場合、ステップＳ１７０に戻る。制御装置２０は、移動方向が変更していない（ステップＳ１７８でＮｏ）と判定した場合、製造終了かを判定する（ステップＳ１７９）。制御装置２０は、製造終了ではない（ステップＳ１７９でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ１７８に戻り、製造終了である（ステップＳ１７９でＹｅｓ）と判定した場合、本処理を終了する。

三次元積層装置１は、図２６に示す処理を行い、積層ヘッドと基台部との相対移動方向に応じて、積層ヘッドと加熱ヘッドとの相対位置を切り換えることで、加工位置に対する積層ヘッドと加熱ヘッドとの関係を設定に応じた位置にすることができる。これにより、積層ヘッドと基台部との相対移動によって、積層ヘッドが加工する位置に対して加熱ヘッドで加熱する位置が変化することを抑制できる。これにより、より高精度な加工を行うことができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態の内容によりこれらの実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態等の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。例えば、三次元積層装置１は、積層ヘッド１２により粉末Ｐを噴射して、粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射する構成に限られない。三次元積層装置１は、粉末Ｐを供給して粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射することにより成形層を形成し、成形層に適宜機械加工を加えることができればよい。例えば、三次元積層装置１は、粉末供給部により粉末層を形成し、粉末層の一部にレーザ光Ｌを照射して粉末を焼結させることにより、成形層を形成するものであってもよい。

１ 三次元積層装置
２ 三次元積層室
３ 予備室
４ 積層ヘッド収納室
４ａ、５ａ Ｚ軸スライド部
５ 機械加工部収納室
６、７ 扉
１０ ベッド
１１ テーブル部
１２ 積層ヘッド
１３ 機械加工部
１５ Ｙ軸スライド部
１６ Ｘ軸スライド部
１７ 回転テーブル部
１８、１９ ベローズ
２０ 制御装置
２２ 工具
２３ ノズル
２４ 先端部
２５ 空気排出部
３０ 形状計測部
３１、３１ａ 加熱ヘッド
３２ 機械加工部計測部
３３ 工具交換部
３４ ノズル交換部
３５、３５Ａ 粉末導入部
３６ 基台移動部
３７ 空気排出部
３８ ガス導入部
３９ 粉末回収部
４１ 外管
４２ 内管
４３ 粉末流路
４４ レーザ経路
４６ 本体
４７ 光源
４８ 光ファイバ
４９ 集光部
５１ 入力部
５２ 制御部
５３ 記憶部
５４ 出力部
５５ 通信部
５６ 先端
５７ 光源部
５８ 撮像部
８１、８１Ａ 粉末収納部
８２、８２Ａ 粉末識別部
８３ カートリッジ
８４ 材料表示部
８５ 導入部
８６ サイクロン部
８７ 気体排出部
８８ 粉末排出部
９１ 台座
９２、９３ 成形層
９５ 円板部
９６ ねじ穴部
９７ 軸部
９８ 円錐台部
９９ 部材
１００ 基台部
１０２、１０４、１０６、１０８ 矢印
１１０、１１２、１１４ 回転軸
１２０、１２０ａ 温度検出部
１３０ 質量検出部
１４０ 焦点位置調整部
１５０ 粉末供給管
１５２ 分配部
１５４ 分岐管
１５６ 混合部
１５６ａ 撹拌板
１５８ 整流装置
１６２ レーザ光
１６４ 測定波
１８２ ハーフミラー
１９０ プラズマ発光検出部
１９２ 反射光検出部
５０２、５０２ａ 光源ユニット
５０４、５０４ａ 加熱位置調整機構
５１２、５２０、５６０ ミラー
５１４、５１４ａ ガルバノミラー
５２２、５６２ 角度位置調整機構
５３２ 領域
５４０、５４０ａ 半導体レーザ
５４２ 集光部
５４４ 光ファイバ
５５０ 合波部
５５１ コリメートレンズ
５５２ 回折格子
５５４ 集光部
Ａ 溶融体
Ｂ 固化体
Ｌ レーザ光
Ｐ 粉末
Ｐ１、Ｐ２ 位置

Claims (22)

1. 基台部に成形層を積層させて三次元形状を形成する三次元積層装置であって、
   前記基台部に向かって粉末材料を噴射する粉末供給部と、
   前記粉末材料に光ビームを照射し、前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を溶融固化させて前記成形層を形成する光照射部と、
   前記基台部または成形層の前記光ビームが照射される位置を通過した下流側領域または前記光ビームが照射される位置を通過する前の上流側領域を選択的に加熱する加熱部と、
   前記粉末供給部、前記光照射部及び前記加熱部の動作を制御する制御装置と、を有し、
   前記加熱部は、前記光照射部の側方に回転可能に支持され、
   前記光照射部の光源と前記加熱部の光源とは、互いに異なる、
   三次元積層装置。
2. 前記粉末供給部は、前記基台部に向かって前記粉末材料を噴射し、
   前記光照射部は、前記粉末供給部から前記基台部に向けて移動する前記粉末材料に光ビームを照射し、前記粉末材料を溶融させて、溶融した前記粉末材料を前記基台部上で固化させて前記成形層を形成する請求項１に記載の三次元積層装置。
3. 前記粉末供給部は、前記光照射部の外周に同心円状に配置され、前記光照射部の前記光ビームが通過する経路を囲う内管と前記内管を覆う外管との間が前記粉末材料の流れる粉末流路となる請求項２に記載の三次元積層装置。
4. 前記光照射部及び前記粉末供給部と、前記基台部と、を相対移動させる移動機構を有し、
   前記制御装置は、前記移動機構によって前記基台部に対して前記光照射部及び前記粉末供給部が通過する経路を決定する請求項２または３に記載の三次元積層装置。
5. 前記加熱部は、光ビームを出力する光源ユニットを有し、
   前記光源ユニットから出力する光ビームを照射して加熱を行う請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
6. 前記光ビームは、レーザ光である請求項５に記載の三次元積層装置。
7. 前記加熱部は、前記光源ユニットから出力された光ビームを反射するミラー及び前記ミラーの角度を調整する角度調整機構を備える照射位置調整機構を備える請求項５または６に記載の三次元積層装置。
8. 前記照射位置調整機構は、前記ミラーの角度を所定の速度パターンで回動させることで、前記成形層と前記加熱部の相対移動方向に直交する方向に前記光ビームを走査させる、請求項７に記載の三次元積層装置。
9. 前記光源ユニットは、レーザ光を出力する半導体レーザと、前記半導体レーザから出力されたレーザ光を集光する集光部と、前記集光部で集光されたレーザ光が入射される光ファイバとを有する請求項７又は請求項８に記載の三次元積層装置。
10. 前記光源ユニットは、前記半導体レーザと前記集光部とを複数有し、
    複数の前記半導体レーザで出力され、それぞれの前記集光部で集光されたレーザ光が１つの光ファイバに入射される請求項９に記載の三次元積層装置。
11. 前記半導体レーザは、垂直発光型半導体レーザである請求項９に記載の三次元積層装置。
12. 前記半導体レーザを複数有し、
    前記集光部は、複数の前記半導体レーザのそれぞれに配置されたコリメートレンズと、
    複数の前記コリメートレンズでコリメートされたレーザ光を合波して前記光ファイバに入射させる合波部と、を有する請求項１１に記載の三次元積層装置。
13. 前記成形層の表面の温度と分布を検出する温度検出部を有し、
    前記制御装置は、前記温度検出部による前記成形層の表面温度の計測結果に応じて、前記加熱部による加熱を制御する請求項１から１２のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
14. 前記温度検出部は、前記光照射部と前記加熱部との間に配置され、前記光照射部によって光ビームが照射される位置と、前記加熱部によって加熱される領域との両方の温度を計測する請求項１３に記載の三次元積層装置。
15. 前記成形層の表面形状を計測する形状計測部を有し、
    前記制御装置は、前記温度検出部による前記成形層の表面温度の計測結果と、前記形状計測部による前記成形層の表面形状の計測結果との両方に基づいて、前記加熱部による加熱を制御する請求項１２に記載の三次元積層装置。
16. 前記成形層の表面のプラズマ発光を検出するプラズマ発光検出部を有し、
    前記制御装置は、前記プラズマ発光検出部による計測結果に応じて、前記加熱部による加熱を制御する請求項１から１５のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
17. 前記成形層の表面からの反射光を検出する反射光検出部を有し、
    前記制御装置は、前記反射光検出部による計測結果に応じて、前記加熱部による加熱を制御する請求項１から１６のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
18. 前記光照射部と前記加熱部の相対位置を切り換える切換機構を有し、
    前記制御装置は、前記下流側領域を加熱するか前記上流側領域を加熱するかに応じて、前記切換機構により前記光照射部と前記加熱部の相対位置を制御する請求項１に記載の三次元積層装置。
19. 前記加熱部は、前記下流側領域を加熱する場合には第１の相対位置に配置され、前記上流側領域を加熱する場合には前記第１の相対位置とは異なる第２の相対位置に配置される、請求項１８に記載の三次元積層装置。
20. 前記加熱部は、前記下流側領域を加熱することで、前記光照射部の照射する光ビームによって形成された前記成形層の減温速度を調整する、請求項１から１９のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
21. 前記光照射部は、前記基台部と前記粉末供給部との間の空間において前記粉末供給部から前記基台部に向けて噴射されている前記粉末材料に光ビームを照射し、前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を前記空間で焼結または溶融させて液滴状の溶融体を形成し、前記空間から前記基台部に落下した前記溶融体を固化させて前記成形層を形成する、請求項１から２０のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
22. 基台部に成形層を積層して三次元形状物を形成する三次元積層方法であって、
    前記基台部に向かって粉末材料を粉末供給部から噴射し、
    前記粉末材料に第１の光源を含む光照射部から光ビームを照射することにより、前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を溶融固化させて前記基台部上に成形層を形成し、
    前記基台部または成形層の前記光ビームが照射される位置を通過した下流側領域または前記光ビームが照射される位置を通過する前の上流側領域に、前記第１の光源とは異なる第２の光源を含む加熱部から光ビームを照射して選択的に加熱し、
    前記下流側領域を加熱する場合は、前記加熱部を前記光照射部に対して回転させ第１の相対位置に配置し、前記上流側領域を加熱する場合は、前記加熱部を前記光照射部に対して回転させ前記第１の相対位置とは異なる第２の相対位置に配置する、三次元積層方法。

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