JP6357540B2

JP6357540B2 - ３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラム

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Publication number: JP6357540B2
Application number: JP2016547133A
Authority: JP
Inventors: 善仁藤田; 二井谷　春彦; 春彦二井谷
Original assignee: Technology Research Association for Future Additive Manufacturing (TRAFAM)
Current assignee: Technology Research Association for Future Additive Manufacturing (TRAFAM)
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2036-03-25
Also published as: US20180162053A1; WO2017163428A1; JPWO2017163428A1; EP3248761A1; EP3248761A4

Description

本発明は、３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラムに関する。

上記技術分野において、特許文献１には、レーザ光を対象物に向けて集束させる技術が開示されている。

特開２０１５−１７８１９２号公報

しかしながら、上記文献に記載の技術では、ノズル交換時の材料集束位置の変化に対応できず、高精度の３次元積層造形物を造形することができなかった。

本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置は、
造形台上に、３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射手段と、
噴射された材料に光線を照射する光線照射手段と、
前記光線の光線経路上に配置され、前記光線の照射方向に対して垂直な前記材料の造形面上の集束位置を検出し、検出した前記集束位置に基づいて、前記光線の照射位置を前記光線の照射方向に対して垂直な方向に調整するように、前記光線の光線経路を制御する光線経路制御手段と、
を備え、
前記光線経路制御手段は、
前記材料噴射手段により噴射された前記材料の材料噴射パターンの中心と前記光線照射手段により照射された前記光線の光線スポットの中心とのずれを判定する判定手段を有し、
前記判定手段による判定結果に基づいて、前記光線の光線経路を制御する。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置の制御方法は、
造形台上に、３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
前記光線の光線経路上に配置され、前記光線の照射方向に対して垂直な前記材料の造形面上の集束位置を検出し、検出した前記集束位置に基づいて、前記光線の照射位置を前記光線の照射方向に対して垂直な方向に調整するように、前記光線の光線経路を制御して、前記集束位置に対する焦点位置の位置決めを行う光線経路制御ステップと、
を含み、
前記光線経路制御ステップは、
前記材料噴射ステップにおいて噴射された前記材料の材料噴射パターンの中心と前記光線照射ステップにおいて照射された前記光線の光線スポットの中心とのずれを判定する判定ステップと、
前記判定ステップにおける判定結果に基づいて、少なくとも３つの駆動手段により少なくとも１つのミラーの角度を調整する調整ステップと、を含む。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置の制御プログラムは、
造形台上に、３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
前記光線の光線経路上に配置され、前記光線の照射方向に対して垂直な前記材料の造形面上の集束位置を検出し、検出した前記集束位置に基づいて、前記光線の照射位置を前記光線の照射方向に対して垂直な方向に調整するように、前記光線の光線経路を制御して、前記集束位置に対する焦点位置の位置決めを行う光線経路制御ステップと、
をコンピュータに実行させ、
前記光線経路制御ステップは、
前記材料噴射ステップにおいて噴射された前記材料の材料噴射パターンの中心と前記光線照射ステップにおいて照射された前記光線の光線スポットの中心とのずれを判定する判定ステップと、
前記判定ステップにおける判定結果に基づいて、少なくとも３つの駆動手段により少なくとも１つのミラーの角度を調整する調整ステップと、を含む。

本発明によれば、高精度の３次元積層造形物を造形することができる。

本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の構成の概要を説明するための図である。本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の構成の概要を説明するための図である。本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置による光線焦点位置と材料噴射パターンとの関係を説明する上面図である。本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置による光線焦点位置と材料噴射パターンとの関係により造形される３次元積層造形物の特徴の一例を説明する上面図である。本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置による光線焦点位置と材料噴射パターンとの関係により造形される３次元積層造形物の特徴の一例を説明する上面図である。本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置による光線焦点位置と材料噴射パターンとの関係により造形される３次元積層造形物の特徴の一例を説明する上面図である。本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置による光線焦点位置と材料噴射パターンとの関係により造形される３次元積層造形物の特徴の一例を説明する上面図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての３次元積層造形装置１００について、図１を用いて説明する。３次元積層造形装置１００は、造形台上に材料１３０を噴射し、噴射した材料１３０に光線１４０を照射して３次元積層造形物を造形する装置である。

図１に示すように、３次元積層造形装置１００は、材料噴射部１０１と、光線照射部１０２と、光線経路制御部１０３とを含む。

材料噴射部１０１は、３次元積層造形物が造形される造形台１２０上に、３次元積層造形物の材料１３０を噴射する。光線照射部１０２は、噴射された材料１３０に光線１４０を照射する。光線経路制御部１０３は、光線１４０の光線経路上に配置され、光線１４０の焦点位置と材料１３０の集束位置とに基づいて、光線１４０の光線経路を制御する。

本実施形態によれば、高精度の３次元積層造形物を造形することができる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置２００について、図２乃至図４を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００の構成の概要を説明するための図である。

＜前提技術＞
本実施形態に係る３次元積層造形装置２００の前提技術に係る３次元積層造形装置では、目的に合わせて積層ノズルを交換して使用している。例えば、高能率で３次元積層造形物を造形したい場合には、金属粉末などの材料を大量に噴射できる積層ノズルを３次元積層造形装置に取り付けて使用する。また、高精度で３次元積層造形物を造形したい場合には、材料の噴射量は少なくても、高い精度で材料を集束させることができる積層ノズルを使用する。

積層ノズルを交換した場合、レーザ光などの光線の焦点位置と、材料の集束位置とを調整するため、前提技術に係る３次元積層造形装置においては、ユーザが、手動で光線の焦点位置を動かしてアライメント調整を行っていた。このアライメント調整は、例えば、３次元積層造形装置に取り付けられたＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラで撮像された積層ノズルの映像に基づいて行われる。

そして、ＣＣＤカメラを用いた調整が終了したら、ユーザは、試し造形を実施する。試し造形により実際に３次元積層造形物を造形して、光線の焦点位置と、材料の集束位置とがずれていないかを確認する。この試し造形では、円形状（円筒状）の３次元積層造形物を造形する。円形状の３次元積層造形物を造形すると、例えば、基準点から９０°の位置では積層幅が細くなり、１８０°（反対側）の位置では積層幅が太くなるなどするので、焦点位置と集束位置とがずれているか否かが分かる。

つまり、３次元積層造形装置のユーザは、積層ノズルを交換した場合は、積層造形を実施する前にこのような調整を実施しなければならず、非常に手間暇がかかり、多くの時間を必要とするものであった。

図４Ａ乃至図４Ｄは、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００による光線スポット４０１と材料噴射パターンとの関係により造形される３次元積層造形物の特徴の一例を説明する上面図である。

図４Ａは、光線スポット４０１が、積層方向（光線２４０の移動方向）に対して、材料噴射パターン４０２の後側にずれている場合を示している。この場合、光線２４０の光線スポット４０１の径の中に入ってくる材料２３０の量が少なくなるので、造形に使われる材料２３０が少なくなる。よって、この場合、細いビードが造形される。

図４Ｂは、光線スポット４０１が、積層方向に対して、材料噴射パターン４０２の前側にずれている場合を示している。この場合、光線２４０の光線スポット４０１の径の中に入ってくる材料２３０の量が多くなるので、造形に使われる材料２３０が多くなる。よって、この場合、太いビードが造形される。

図４Ｃおよび図４Ｄは、光線スポット４０１が、積層方向に対して、材料噴射パターン４０２の上側（または下側）にずれている場合を示している。この場合、光線スポット４０１が位置している側には、光線スポット４０１の径の中に入ってくる材料２３０の量が少なく（多く）なる。したがって、この場合、光線スポット４０１が位置している側が粗（密）になり、光線スポット４０１が位置している側と反対の側が密（粗）となるビードが造形される。

＜本実施形態の技術＞
図２に示したように、３次元積層造形装置２００は、材料噴射ノズル２０１と、光線照射部２０２と、光線経路制御部２０３とを備える。

材料噴射ノズル２０１は、３次元積層造形物の材料２３０である金属粉末や樹脂粉末などを造形台２２０上に噴射する。材料噴射ノズル２０１から噴射された材料２３０は、横から見ると円錐状に集束して、造形台２２０上に噴射される。

光線照射部２０２は、レーザ光などの光線２４０を発振させ、照射する。光線照射部２０２が照射する光線２４０は、レーザ光には限定されず、例えば、電子線やその他の波長の光線であってもよい。

光線経路制御部２０３は、光線２４０の経路を制御して、光線２４０の焦点位置を制御する。光線経路制御部２０３は、アクチュエータ２３１とミラー２３２とを有する。ミラー２３２には、アクチュエータ２３１が少なくとも３つ取り付けられており、アクチュエータ２３１を駆動させることにより、ミラー２３２の向き（角度）を調整して、光線２４０の焦点位置（スポット位置）を所望の位置へと移動させる。

なお、本実施形態では、ミラー２３２にアクチュエータ２３１を取り付けた例で説明をしたが、アクチュエータ２３１はミラー２５０に取り付けてもよい。この場合、アクチュエータとミラー２５０との組み合わせが光線経路制御部を構成する。また、アクチュエータは、ミラー２３２およびミラー２５０の両方に取り付けてもよい。この場合、アクチュエータとミラー２３２，２５０との組み合わせが光線経路制御部を構成する。また、ミラー２３２の向きを変える機構は、アクチュエータ２３１には限定されず、ミラー２３２（ミラー２５０）の向きを変えられる機構であれば、例えば、モータやソレノイドなどの機構であってもよい。

図３は、造形面上において、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００による光線焦点位置と材料噴射パターンとの関係を説明する上面図である。光線スポット３０１は、レーザ光などの光線２４０が集光する位置であり、光線２４０の焦点位置を表している。材料噴射パターン３０２は、材料噴射ノズル２０１から噴射される材料２３０の噴射パターンを表しており、材料噴射ノズル２０１の円形の噴射口から噴射された材料２３０は、造形台２２０に向かって円の半径を徐々に狭めていきながら集束していく。

そして、光線経路制御部２０３は、アクチュエータ２３１を駆動し、ミラー２３２の向き（角度）を変更して、光線スポット３０１の位置を移動させることにより、光線スポット３０１の位置を補正する。例えば、光線経路制御部２０３は、材料噴射パターン３０２の中心と、光線スポット３０１の中心とのずれを判定し、ずれの量が小さくなるように、アクチュエータ２３１を動かせばよい。すなわち、光線経路制御部２０３は、カメラ２６０の画像を解析して、光線スポット３０１と材料噴射パターン３０２の中心とのずれをずれベクトルを求め、ずれベクトルの逆ベクトルに従ってアクチュエータ２３１を動かすことにより、位置決めをすればよい。

また、３次元積層造形装置２００は、造形面をメッシュに分割し、メッシュの各格子点の位置とアクチュエータ２３１による駆動量との関係を表したテーブルを保持してもよい。そして、材料噴射パターン３０２の中心がどの格子点上にあるかにより、光線経路制御部２０３は、上記テーブルを参照して、光線スポット３０１を位置決めしてもよい。

なお、上述の説明では、レーザ光などの光線光学系が、溶融池などを観察する観察光学系とは異なる軸上に配置されている例で説明をしたが、光線光学系と観察光学系とが同軸上に配置されていてもよい。光線光学系と観察光学系とが同軸上に配置される場合、ミラーの代わりにプリズムなどを用いてもよい。材料噴射ノズル２０１と造形台２２０とが十分離れている場合には、材料噴射ノズル２０１を通して観察する必要はなく、外部にＣＣＤカメラを配置して溶融池などを観察することも可能である。

本実施形態によれば、光線の焦点位置と材料の集束位置との位置決めを簡易、迅速に行うことができる。また、光線の焦点位置と材料の集束位置とをリアルタイムで位置決めすることもできる。さらに、材料噴射ノズルが交換されても、光線の焦点位置と材料の集束位置とを自動的に位置決めすることができる。光線の焦点位置と材料の集束位置とを位置決めできるので、高精度の３次元積層造形物を造形することができる。

［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

Claims

造形台上に、３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射手段と、
噴射された材料に光線を照射する光線照射手段と、
前記光線の光線経路上に配置され、前記光線の照射方向に対して垂直な前記材料の造形面上の集束位置を検出し、検出した前記集束位置に基づいて、前記光線の照射位置を前記光線の照射方向に対して垂直な方向に調整するように、前記光線の光線経路を制御する光線経路制御手段と、
を備え、
前記光線経路制御手段は、
前記材料噴射手段により噴射された前記材料の材料噴射パターンの中心と前記光線照射手段により照射された前記光線の光線スポットの中心とのずれを判定する判定手段を有し、
前記判定手段による判定結果に基づいて、前記光線の光線経路を制御する３次元積層造形装置。
前記光線経路制御手段は、前記集束位置に対する前記焦点位置の位置決めを行う請求項１に記載の３次元積層造形装置。
前記光線経路制御手段は、
少なくとも１つのミラーと、
前記ミラーの角度を調整する少なくとも３つの駆動手段と、
を有する請求項１または２に記載の３次元積層造形装置。
造形台上に、３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
前記光線の光線経路上に配置され、前記光線の照射方向に対して垂直な前記材料の造形面上の集束位置を検出し、検出した前記集束位置に基づいて、前記光線の照射位置を前記光線の照射方向に対して垂直な方向に調整するように、前記光線の光線経路を制御して、前記集束位置に対する焦点位置の位置決めを行う光線経路制御ステップと、
を含み、
前記光線経路制御ステップは、
前記材料噴射ステップにおいて噴射された前記材料の材料噴射パターンの中心と前記光線照射ステップにおいて照射された前記光線の光線スポットの中心とのずれを判定する判定ステップと、
前記判定ステップにおける判定結果に基づいて、少なくとも３つの駆動手段により少なくとも１つのミラーの角度を調整する調整ステップと、を含む３次元積層造形装置の制御方法。
造形台上に、３次元積層造形物の材料を噴射する材料噴射ステップと、
噴射された材料に光線を照射する光線照射ステップと、
前記光線の光線経路上に配置され、前記光線の照射方向に対して垂直な前記材料の造形面上の集束位置を検出し、検出した前記集束位置に基づいて、前記光線の照射位置を前記光線の照射方向に対して垂直な方向に調整するように、前記光線の光線経路を制御して、前記集束位置に対する焦点位置の位置決めを行う光線経路制御ステップと、
をコンピュータに実行させ、
前記光線経路制御ステップは、
前記材料噴射ステップにおいて噴射された前記材料の材料噴射パターンの中心と前記光線照射ステップにおいて照射された前記光線の光線スポットの中心とのずれを判定する判定ステップと、
前記判定ステップにおける判定結果に基づいて、少なくとも３つの駆動手段により少なくとも１つのミラーの角度を調整する調整ステップと、を含む３次元積層造形装置の制御プログラム。