JP6411601B2 - 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 - Google Patents

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、パウダーベッド方式の３次元積層造形装置において、造形物の形成途中に、造形物の表層および不要部分を除去する技術が開示されている。

特開２０１０−２８０１７３号公報

しかしながら、上記文献に記載の技術では、造形物側面の切削は造形物の形状に依存して、複雑化し、時間がかかっていた。

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、
３次元積層造形物が造形される造形台上に、前記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、
前記光線を照射した前記材料が、溶融し、凝固して形成されるビードを切削する切削手段と、
を備え、
前記切削手段は、前記ビードの側面の表面粗さが低減されるように、前記材料噴射手段と前記光線照射手段とによる複数回の造形工程中に少なくとも１回、前記ビードの上面を積層方向に対して垂直になるよう切削する。

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、
３次元積層造形物が造形される造形台上に、前記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、
前記光線を照射した前記材料が、溶融し、凝固して形成されるビードを切削する切削ステップと、
を含み、
前記切削ステップにおいて、前記ビードの側面の表面粗さが低減されるように、前記材料噴射ステップと前記光線照射ステップとによる複数回の造形工程中に少なくとも１回、前記ビードの上面を積層方向に対して垂直になるよう切削する。

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プログラムは、
３次元積層造形物が造形される造形台上に、前記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、
前記光線を照射した前記材料が、溶融し、凝固して形成されるビードを切削する切削ステップと、
をコンピュータに実行させ、
前記切削ステップにおいて、前記ビードの側面の表面粗さが低減されるように、前記材料噴射ステップと前記光線照射ステップとによる複数回の造形工程中に少なくとも１回、前記ビードの上面を積層方向に対して垂直になるよう切削する。

本発明によれば、仕上げ加工なしに造形精度を向上させることができる。

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を示す図である。 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を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置により形成されるビードの一例を説明する図である。 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３次元積層造形物の造形の一例を説明する図である。 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切削加工を経ずに造形される３次元積層造形物と、切削加工を経て造形される３次元積層造形物とを示す図である。 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３次元積層造形物の造形の他の例の課題を説明する図である。 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３次元積層造形物の造形の他の例の課題を説明する図である。 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３次元積層造形物の造形の他の例の課題を説明する図である。 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３次元積層造形物の造形の他の例を説明する図である。 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造形が有利な構造の３次元積層造形物の一例を示す図である。 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造形が有利な構造の３次元積層造形物の他の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の処理手順を説明するフローチャートである。

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１２０に材料１３０を噴射し、噴射された材料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、切削部１０３と、制御部１０４とを含む。

材料噴射部１０１は、３次元積層造形物１５０が造形される造形台１２０上に、３次元積層造形物１５０の材料１３０を噴射する。光線照射部１０２は、材料１３０に光線１４０を照射する。切削部１０３は、光線１４０を照射した材料１３０が、溶融し、凝固して形成されるビード１６０を切削する。切削部１０３は、ビードの上面を積層高さより少なくビード厚みの１／２以下の寸法で切削する。制御部１０４は、材料噴射部１０１による材料１３０の噴射および光線照射部１０２による光線１４０の照射と、切削部１０３によるビード１６０の切削とを制御する。

本実施形態によれば、高精度かつ高能率な積層造形を行いながら、造形物表面の粗さを低減することができる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置について、図２乃至図９を用いて説明する。なお、３次元積層造形装置２００としては、ＬＭＤ(Laser Metal Deposition)型の３次元積層造形装置を例に説明をする。また、３次元積層造形装置２００は、光線２４０の出力や、材料２３０の噴射量を制御して、ビード２６０の幅や高さを調整して、高能率造形と、高精度造形とを使い分けて３次元積層造形物２５０を造形することができる。ここで、高能率造形とは、幅や高さが比較的大きいビード２６０を形成して３次元積層造形物２５０を造形することいい、高精度造形とは、幅や高さが比較的小さいビード２６０を形成して３次元積層造形物２５０を造形することをいう。

図２は、本実施形態に係る３次元積層造形装置の構成を説明するための図である。３次元積層造形装置２００は、材料噴射部２０１と、光線照射部２０２と、切削部２０３と、制御部２０４と、傾斜部２０５とを備える。

材料噴射部２０１は、造形台２２０上に金属粉末などの材料２３０を噴射する。３次元積層造形物２５０は、造形台２２０上に造形される。材料２３０は、金属粉末には限定されず、例えば、樹脂粉末などであってもよい。

そして、光線照射部２０２は、光線照射部２０２から放射されたレーザ光や電子線などの光線２４０を材料噴射部２０１の先端部分から材料２３０に照射する。なお、光線２４０は、レーザ光や電子線などには限定されず、その他の波長の光線であってもよい。レーザ光などの光線２４０を照射された材料２３０は、光線２４０から与えられた熱（エネルギー）により溶融し、溶融池（溶融プール）を形成する。その後、溶融池が冷えて、凝固することでビード２６０が形成される。そして、この材料２３０の噴射と、光線２４０の照射を繰り返すことにより材料２３０が積層され、３次元積層造形物２５０が造形される。

切削部２０３は、材料２３０が光線２４０により与えられた熱により溶融し、凝固して形成されたビード２６０の表面を切削する。材料２３０が溶融し、凝固して形成されたビード２６０は、断面形状が楕円形の形状となっている。切削部２０３は、ビード２６０の表面、例えば、上面や側面を切削して、ビード２６０の表面（上面または側面）を例えば、造形台２２０の造形面に対して水平または積層方向に対して垂直にする。また、切削部２０３がビード２６０の上面を切削する量は、積層高さより少なくビード２６０の厚みの１／２以下の寸法を切削することが好ましが、これには限定されず、必要に応じて任意の分量を切削してもよい。

また、ビード２６０の切削加工の際には、３次元積層造形装置２００は、造形台２２０を移動して、ビード２６０が切削部２０３の下部に位置するようにする。これとは反対に、切削部２０３を移動して、ビード２６０が切削部２０３の下部に位置するようにしてもよい。なお、切削部２０３は、例えば、エンドミルなどの切削工具であるが、これには限定されず、ビード２６０の表面を切削可能であればいずれの工具であってもよい。

制御部２０４は、材料２３０の噴射および光線２４０の照射と、ビード２６０の切削とを制御する。制御部２０４は、例えば、材料噴射部２０１による材料２３０の噴射および光線照射部２０２による光線２４０の照射により、１層分の積層が完了したら、切削部２０３により切削を実行してもよい。また、制御部２０４は、複数層分（ｎ層分）の積層が完了したら、切削部２０３により切削を実行してもよい。制御部２０４は、造形する３次元積層造形物２５０に要求される造形精度などに基づいて、ビード２６０の切削量などを決定する。

傾斜部２０５は、造形台２２０を傾斜させる。例えば、３次元積層造形物２５０の材料２３０として、光線２４０の反射率の高い材料２３０を用いた場合、材料２３０に照射された光線２４０が反射する。そして、反射した反射光が、材料噴射部２０１内部にある集光レンズ（不図示）や、光線２４０の発振器（不図示）などを損傷してしまう。したがって、反射光が材料噴射部２０１の内部に入射されないように、傾斜部２０５により造形台２２０を傾斜させて、反射光が材料噴射部２０１内部に入射しないようにする。また、複雑な形状の３次元積層造形物２５０を造形する場合も、造形台２２０を傾斜させる。

図３は、３次元積層造形装置２００により形成されるビード２６０の形状を示す図である。ビード２６０は、横から見て楕円形形状をしている。この楕円の長径が積層幅に相当し、短径がビード厚みに相当し、造形台２２０の上面の上に飛び出している部分が積層高さに相当する。そして、３次元積層造形装置２００は、このようなビード２６０を複数積み重ねることにより３次元積層造形物を造形する。

図４は、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００による３次元積層造形物２５０の造形の一例を説明する図である。３次元積層造形装置２００は、１層分のビード２６０を造形した後（図４の４０１）、切削部２０３でビード２６０の上面を、所定量切削する（図４の４０２）。この所定量は、例えば、積層高さの１／２以上であるが、これには限定されない。このように、積層高さの１／２以上を削りとることにより、楕円の曲線部分２６１を削り取り、楕円の直線に近い部分２６２を残すことが可能となる。そして、このようにして上面を削り取ったビード２６０は、側面が略垂直となる。

そして、３次元積層造形装置２００は、切削加工され、側面が略垂直となったビード２６０の上に、新たなビード２６０を１層分造形した後（図４の４０３）、切削部２０３で新たに形成したビード２６０の上面を切削加工する（図４の４０４）。そして、３次元積層造形装置２００は、次のビード２６０を造形する（図４の４０５）。これらを繰り返すことにより、３次元積層造形装置２００は、側面が略垂直となっているビード２６０を複数積み重ねることができ、側面精度の高い３次元積層造形物２５０を造形できる。３次元積層造形装置２００による切削加工を施して得られた３次元積層造形物２５０は、切削加工を経ないで得られた３次元積層造形物と比較して、側面の表面粗さは約１／１０となる。

なお、ここでは、切削加工のタイミングとして、１層ごとに切削加工を実施する例で説明をしたが、切削加工のタイミングはこれには限定されず、例えば、所定層数（ｎ層）ごとに切削加工を実施してもよい。

図５は、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００による切削加工を経ずに造形される３次元積層造形物と、切削加工を経て造形される３次元積層造形物とを示す図である。３次元積層造形装置２００による切削加工を行わずに造形された３次元積層造形物は、断面形状が楕円形のビード２６０が積み重ねられて造形されるので、側面の造形粗さが大きくなる（図５の５０１）。

これに対して、３次元積層造形装置２００による切削加工を行って造形された３次元積層造形物は、側面が略垂直のビード２６０が積み重ねられて造形されるので、側面の粗さが小さい造形物となる（図５の５０２）。

図６Ａ乃至図６Ｃは、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００による３次元積層造形物２５０の造形の他の例の課題を説明する図である。３次元積層造形物２５０の材料２３０が、銅(Cu)やアルミニウム(Al)、鉄(Fe)などの光線２４０の反射率が高い材料２３０の場合、図６Ａに示したように、造形台２２０を傾けて積層造形を行わなければならない。

光線２４０の反射率の高い材料２３０の場合、材料２３０が光線２４０の熱により溶融して形成された溶融池６２０から反射した反射光６１０が、材料噴射部２０１に入射し、光線２４０の光線発振器や光線２４０の集光用レンズなどを損傷させるからである。

ただし、図６Ａに示したように、造形台２２０を傾けると、図６Ｂに示したように、重力の影響により、片寄がり発生したビード２６０が形成される。そして、図６Ｃに示したように、ビード２６０に片寄りが発生した状態で造形を続けると、片寄りが累積され、造形誤差が大きい３次元積層造形物２５０が造形される。

図７は、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００による３次元積層造形物２５０の造形の他の例を説明する図である。なお、図７において、造形台２２０は、紙面上では水平に描かれているが、実際には、傾いているものとする。

図７の７０１に示したように、造形台２２０を傾けて材料２３０に光線２４０を照射して、造形を実行すると、形成されたビード２６０に片寄りが生じる。よって、図７の７０２に示したように、例えば、１層分の材料２３０の積層が完了した後に、切削部２０３により、形成されたビード２６０を削る。そして、図７の７０３に示したように、削られたビード２６０の上に、次の材料２３０を積層する。これらの手順を繰り返すことにより、造形台２２０を傾けた場合であっても、高精度かつ高能率に３次元積層造形物２５０を造形することができる。なお、ここでは、造形台２２０を傾斜させる例で説明をしたが、造形台２２０を水平に維持したまま、材料噴射部２０１および切削部２０３を傾斜させてもよい。また、造形後に造形台２２０の傾斜を調節し、切削部２０３と造形台とを概ね垂直に位置させて、形成されたビード２６０を削ってもよい。

図８Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００による造形が有利な構造の３次元積層造形物２５０の一例を示す図である。図８Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００による造形が有利な構造の３次元積層造形物２５０の他の一例を示す図である。図８Ａおよび図８Ｂに示したように、内部に空間があるような閉構造（中空構造）の３次元積層造形物２５０の場合、矢印８０１，８０２で示した部分は、造形完了後に切削しようとしても、切削工具が届かず切削加工することが困難であった。そこで、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００により、このような３次元積層造形物２５０を造形すれば、造形が完了した時点で高精度の３次元積層造形物２５０を短時間で得られる。材料噴射部２０１により形成される全てのビード２６０は切削部２０３で加工可能である。したがって、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００による造形が有利な構造の３次元積層造形物２５０はここに示した構造には限定されない。例えば、より入り組んだ複雑な構造の３次元積層造形物２５０や簡素な構造の３次元積層造形物２５０であってもよい。

図９は、本実施形態に係る３次元積層造形装置２００の処理手順を説明するフローチャートである。ステップＳ９０１において、３次元積層造形装置２００は、３次元積層造形物２５０の造形モデルを取得して、取得した造形モデルに基づいて、材料２３０の種類や照射する光線２４０の強度などの造形データを取得する。

ステップＳ９０３において、３次元積層造形装置２００は、取得した造形データに基づいて、造形台２２０の傾斜が必要か否かを判断する。３次元積層造形装置２００は、例えば、取得した造形データから、材料２３０が反射率の高い材料２３０か否かなどに基づいて、造形台２２０の傾斜の必要性を判断する。造形台２２０の傾斜が必要な場合、３次元積層造形装置２００は、次のステップＳ９０５へ進む。そして、ステップＳ９０５において、３次元積層造形装置２００は、造形台２２０を所定の角度だけ傾斜させる。造形台２２０の傾斜が必要ない場合、３次元積層造形装置２００は、ステップＳ９０７に進む。

ステップＳ９０７において、３次元積層造形装置２００は、１層分の積層造形を実施する。そして、ステップＳ９０９において、３次元積層造形装置２００は、形成されたビード２６０の表面、例えば、上面を所定の分量だけ切削加工する。

ステップＳ９１１において、３次元積層造形装置２００は、３次元積層造形物２５０の積層造形が終了したか否かを判断する。積層造形が終了した場合、３次元積層造形装置２００は、処理を終了する。積層造形が終了していない場合、３次元積層造形装置２００は、ステップＳ９０７以降のステップを繰り返す。

本実施形態によれば、精度の高い３次元積層造形物を造形しつつ、造形時間を短縮することができる。中間層を設けることにより、接合力の弱い複数の材料同士を接合した３次元積層造形物を積層造形する場合、中間層の厚みを薄くしつつ異種材料同士を接合した３次元積層造形物を得ることができる。また、光線反射率の高い材料を用いて３次元積層造形物を造形する場合、造形台を傾斜させても、片寄の少ないビードを形成できるので、造形精度の高い３次元積層造形物を得ることができる。

［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 (5)

1. ３次元積層造形物が造形される造形台上に、前記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、
   前記光線を照射した前記材料が、溶融し、凝固して形成されるビードを切削する切削手段と、
   を備え、
   前記切削手段は、前記ビードの側面の表面粗さが低減されるように、前記材料噴射手段と前記光線照射手段とによる複数回の造形工程中に少なくとも１回、前記ビードの上面を積層方向に対して垂直になるよう切削する３次元積層造形装置。
2. 前記切削手段は、前記ビードの積層高さの１／２以上を切削する請求項１に記載の３次元積層造形装置。
3. 前記造形台を傾斜させる傾斜手段をさらに備える請求項１または２に記載の３次元積層造形装置。
4. ３次元積層造形物が造形される造形台上に、前記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、
   前記光線を照射した前記材料が、溶融し、凝固して形成されるビードを切削する切削ステップと、
   を含み、
   前記切削ステップにおいて、前記ビードの側面の表面粗さが低減されるように、前記材料噴射ステップと前記光線照射ステップとによる複数回の造形工程中に少なくとも１回、前記ビードの上面を積層方向に対して垂直になるよう切削する３次元積層造形装置の制御方法。
5. ３次元積層造形物が造形される造形台上に、前記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、
   前記光線を照射した前記材料が、溶融し、凝固して形成されるビードを切削する切削ステップと、
   をコンピュータに実行させ、
   前記切削ステップにおいて、前記ビードの側面の表面粗さが低減されるように、前記材料噴射ステップと前記光線照射ステップとによる複数回の造形工程中に少なくとも１回、前記ビードの上面を積層方向に対して垂直になるよう切削する３次元積層造形装置の制御プログラム。

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