JP6455328B2 - 積層造形方法 - Google Patents

Description

本発明は積層造形方法に関する。

近年、無機材料もしくは有機材料からなる粉末材料にレーザビームを照射し、焼結または溶融固化させることにより、３次元形状の積層造形物を製造する積層造形装置が注目されている。具体的には、ステージ上に粉末材料を敷き詰めて粉末層を形成する工程と、この粉末層の所定領域にレーザビ−ムを照射して焼結または溶融固化させることにより硬化層を形成する工程とを繰り返す。これにより、多数の硬化層を積層一体化して３次元形状の造形物を製造することができる。

特許文献１には、効率的な原料粉末供給を可能とする３次元造形物の製造方法が開示されている。特許文献１に開示されている３次元造形物の製造方法は、ステージ上に粉末材料を敷き詰めて粉末層を形成する工程と、この粉末層の所定領域にレーザビ−ムを照射して焼結または溶融固化させることにより硬化層を形成する工程とを繰り返して３次元造形物を形成する。

特開２０１２−２４６５４１号公報

３次元造形物を形成する積層造形方法では、ステージの上に粉末層を積層する工程と、粉末層の所定箇所の粉末を固化する工程と、を繰り返すことでステージの上に３次元造形物を形成する。ここで、積層造形装置のステージの周囲は側壁で囲まれており、ステージの上の全ての領域に粉末層を積層した場合は、積層された粉末層の周囲全てが側壁で囲まれるので、積層された粉末層が崩落することはない。

一方、形成する３次元造形物のサイズが小さい場合は、ステージの上の全ての領域に粉末層を積層すると原料粉末が無駄になる。このため、このような場合は、ステージの上の一部の領域に粉末層を積層することで、３次元造形物を形成する際の原料粉末の量を少なくすることができる（図９参照）。

しかしながら、ステージの上の一部の領域に粉末層を積層した場合は、積層された粉末層の側面が側壁に囲まれない箇所が生じ（図９の符号１２０参照）、当該箇所において粉末層が崩落するおそれがあるという問題がある。

上記課題に鑑み本発明の目的は、粉末層を積層する際に粉末層が崩落することを抑制することが可能な積層造形方法を提供することである。

本発明にかかる積層造形方法は、ステージの上に粉末層を積層する工程と、前記粉末層の所定箇所の粉末を固化する工程と、を繰り返すことで前記ステージの上に３次元造形物を形成する。前記粉末層を積層する工程では、前記積層された粉末層の少なくとも一端部が、前記３次元造形物の近傍から前記ステージ側に向かって傾斜する傾斜面を有するように各々の粉末層を積層する。このとき、前記傾斜面と水平面との成す傾斜角度が、前記粉末層を構成している粉末材料に基づき決定された安息角以下となるようにしている。

本発明にかかる積層造形方法では、積層された粉末層の少なくとも一端部（積層された粉末層の側面のうち側壁に囲まれていない箇所）が、３次元造形物の近傍からステージ側に向かって傾斜する傾斜面を有するように各々の粉末層を積層している。このとき、この傾斜面と水平面との成す傾斜角度が、粉末層を構成している粉末材料に基づき決定された安息角以下となるようにしているので、積層された粉末層の端部が崩落することを抑制することができる。

本発明にかかる積層造形方法において、前記積層された粉末層は、前記３次元造形物が形成される造形領域と、前記積層された粉末層の前記一端部を含み、前記造形領域と隣接しているマージン領域と、を備えていてもよく、前記マージン領域における前記各々の粉末層の水平方向における長さをｘ_ｍ、前記傾斜面と水平面との成す傾斜角度をα（αは安息角以下である）、前記積層する粉末層の最大高さをＨ_ｍａｘ、既に積層された粉末層の高さをＨ（ｚ）とした場合、前記マージン領域における前記各々の粉末層の長さｘ_ｍを下記の式１で求めた値としてもよい。

各々の粉末層の長さｘ_ｍを式１で求めた値とすることで、傾斜面と水平面との成す傾斜角度を安息角以下とすることができ、積層された粉末層の端部が崩落することを抑制することができる。

本発明にかかる積層造形方法において、前記粉末層を積層する工程は、前記粉末層を積層するスキージに２層分の粉末材料を充填する工程と、前記スキージを水平方向と平行な往方向に移動して第ｎ層（ｎは１以上の整数）の粉末層を形成する工程と、前記第ｎ層の粉末層の所定箇所の粉末を固化した後、前記スキージを前記往方向と逆方向である復方向に移動して第ｎ＋１層の粉末層を形成する工程と、を備えていてもよい。

このように、１回の粉末材料の充填で粉末層を２層形成する（すなわち、スキージを往復させて粉末層を２層形成する）ようにすることで、工程を簡略化することができる。

本発明にかかる積層造形方法において、前記積層された粉末層の内部に埋設されたセンサを用いて前記積層された粉末層の前記傾斜面方向への内部応力を測定する工程を更に備えていてもよく、前記測定された内部応力が所定の閾値を超えている場合、前記傾斜面の前記傾斜角度を小さくするようにしてもよい。

このように、センサを用いて粉末層の傾斜面方向への内部応力を測定することで、粉末層の崩落を事前に検知することができ、粉末層の崩落を確実に抑制することができる。

本発明にかかる積層造形方法において、前記センサは前記粉末層の積層方向に伸びるように配置されており、前記粉末層の積層に応じて前記センサを前記積層方向に変位させてもよい。

このようにセンサの高さを調整することで、粉末層の内部応力を正確に測定することができる。

本発明により、粉末層を積層する際に粉末層が崩落することを抑制することが可能な積層造形方法を提供することができる。

実施の形態１にかかる積層造形装置の概要を説明するための図である。 図１に示す積層造形装置が備える造形部の詳細を説明するための断面図である。 図１に示す積層造形装置が備える造形部の詳細を説明するための上面図である。 実施の形態１にかかる積層造形方法を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１にかかる積層造形方法を説明するためのフローチャートである（図４に示すフローチャートの造形処理（ステップＳ４）に対応）。 実施の形態１にかかる積層造形方法を説明するための断面図である（第１層目を形成する工程）。 実施の形態１にかかる積層造形方法を説明するための断面図である（第２層目を形成する工程）。 実施の形態１にかかる積層造形方法を用いて積層された粉末層の詳細を説明するための断面図である。 本発明の課題を説明するための図である。 実施の形態１にかかる積層造形方法の他の構成例を説明するための断面図である。 実施の形態２にかかる積層造形方法を説明するための断面図である。 実施の形態２にかかる積層造形方法を説明するためのフローチャートである。

＜実施の形態１＞
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態１にかかる積層造形装置１を説明するための図である。本実施の形態にかかる積層造形方法は、図１に示す積層造形装置１を用いて実施することができる。図１に示すように、積層造形装置１は、ベース１１、定盤（ステージ）１２、造形槽１３、造形槽支持部１４、造形槽駆動部１５、支柱１６、支持部１７、レーザスキャナ１８、光ファイバ１９、レーザ発振器２０、スキージ３０、粉末ガイド部３５、粉末分配器３７、及び粉末供給部３９を備える。

ベース１１は、定盤１２及び支柱１６を固定するための台である。ベース１１は、定盤１２が載置される上面が水平になるように、床面に設置される。

定盤１２は、ベース１１の水平な上面に載置、固定されている。定盤１２の上面も水平であって、この定盤１２の上面、つまりステージ（以下、ステージ１２とも記載する）に粉末層２６が形成されて、３次元造形物２７が形成されていく。図１の例では、定盤１２は、四角柱状の部材である。図１に示すように、定盤１２の上面の周縁全体に、水平方向に張り出したフランジ状の凸部１２ａが形成されている。凸部１２ａの外周面が全体に亘り造形槽１３の内側面と接触しているため、定盤１２の上面（ステージ）及び造形槽１３の内側面に囲われた空間（造形部２５）に、積層された粉末層２６を保持することができる。本実施の形態において、粉末材料は、例えば金属材料やセラミック材料等の無機材料、樹脂などの有機材料である。

造形槽１３は、ステージ１２の上に積層された粉末層２６の側面の一部を、造形槽１３の内側の側壁で保持する筒状の部材である。造形槽１３の上部開口端である造形部２５に粉末層２６を形成し、この粉末層２６にレーザビーム２２を照射することにより硬化層を形成する。また、造形槽１３は、上下方向（ｚ軸方向）に移動可能に設置されている。つまり、硬化層を形成する度に造形槽１３をステージ１２に対して一定量ずつ上昇させ、３次元造形物２７を形成していく。

造形槽支持部１４は、造形槽１３のフランジ部１３ａの上面が水平となるように、フランジ部１３ａの下面を支持している支持部材である。造形槽支持部１４は、造形槽１３を上下方向（ｚ軸方向）に移動させる造形槽駆動部１５の連結部１５ｃに連結されている。

造形槽駆動部１５は、造形槽１３を上下方向に移動させるための駆動機構である。造形槽駆動部１５は、ベース１１からｚ軸方向に立設された支柱１６に固定されている。造形槽駆動部１５は、モータ１５ａ、ボールねじ１５ｂ、連結部１５ｃを備える。モータ１５ａが駆動すると、ｚ軸方向に延設されたボールねじ１５ｂが回転する。そして、ボールねじ１５ｂが回転すると、ボールねじ１５ｂに沿って、連結部１５ｃが上下方向に移動する。これにより、造形槽１３が上下方向（ｚ軸方向）に移動する。

レーザスキャナ１８は、造形槽１３の上部開口端である造形部２５に形成された粉末層２６に対して、レーザビーム２２を照射する。レーザスキャナ１８は、不図示のレンズ及びミラーを備えており、レーザビーム２２を水平面（ｘｙ平面）上において走査することができる。つまり、水平面上の任意の箇所の粉末材料を選択的に加熱して固化することができる。レーザビーム２２は、レーザ発振器２０において生成され、光ファイバ１９を介して、レーザスキャナ１８に導入される。レーザスキャナ１８は、支持部１７に固定されている。

スキージ３０は、造形部２５に粉末材料を供給して粉末層２６を形成する。スキージ３０は、図１のｙ軸方向に伸びる第１のスキージ３１および第２のスキージ３２を用いて構成することができる（図３の上面図参照）。第１及び第２のスキージ３１、３２の間には粉末材料を保持するための空隙３３が形成されている。

粉末ガイド部３５は、粉末分配器３７から供給された粉末材料をスキージ３０の空隙３３に導く。粉末分配器３７は、粉末供給部３９から配管３８を介して供給された粉末材料を計量し、所定の量の粉末材料を粉末ガイド部３５を介してスキージ３０の空隙３３に投入する。スキージ３０は、空隙３３に所定の量の粉末材料を保持し、その後、水平方向（ｘ軸方向）に移動することで、造形部２５に粉末層２６を形成する。

本実施の形態にかかる積層造形装置１は、スキージ３０を用いてステージ１２の上に粉末層２６を積層する工程と、積層された粉末層２６の所定箇所の粉末を固化する工程と、を繰り返すことで、ステージ１２の上に３次元造形物２７を形成する（図５のフローチャート参照）。以下で説明する本実施の形態にかかる積層造形方法では、ステージ１２の上の一部の領域に粉末層２６を積層して３次元造形物２７を形成する場合について説明する。

図２、図３はそれぞれ、図１に示した積層造形装置１が備える造形部２５の詳細を説明するための断面図、及び上面図である。図２、図３に示すように、積層された粉末層２６は、造形領域５１とマージン領域５２とを備える。造形領域５１は３次元造形物２７が形成される領域であり、例えば３次元造形物２７を形成するための設計ソフトを用いて設定することができる。マージン領域５２は、造形領域５１と隣接している領域であり、造形領域５１の端部５３における粉末層の崩落を抑制するために設けられている領域である。

図３に示すように、積層された粉末層２６のうちｘ軸マイナス側における端部は造形槽１３の側壁１３_１と接しており、ｙ軸プラス側における端部は造形槽１３の側壁１３_２と接しており、ｙ軸マイナス側における端部は造形槽１３の側壁１３_３と接している。つまり、積層された粉末層２６の側面のうちｘ軸プラス側以外の側面が、造形槽１３の側壁１３_１〜１３_３に囲まれている。

図２に示すように、マージン領域５２には、３次元造形物２７の近傍からステージ１２側に向かって傾斜している傾斜面４５が形成されている。このとき、傾斜面４５と水平面（ｘｙ平面）との成す傾斜角度αは、粉末層２６を構成している粉末材料に基づき決定された安息角以下とする。安息角とは、粉末材料を積層した際に当該積層された粉末層の傾斜面が自発的に崩れることなく安定を保つことができる傾斜面の最大角度である。この安息角は、粉末の粒径、粉末の形状（粉末の角の丸み）等に基づいて決定される値である。

このように、マージン領域５２に傾斜面４５を形成する際に、傾斜面４５と水平面との成す傾斜角度αが安息角以下となるようにすることで、積層された粉末層２６が崩落することを抑制することができる。

例えば、粉末層２６を形成する際に、マージン領域５２における各々の粉末層の長さｘ_ｍを下記の式で求めた値とする。ここで、ｘ_ｍはマージン領域５２における各々の粉末層２６のｘ軸方向における長さ、αは傾斜面４５と水平面との成す傾斜角度（αは安息角以下である）、Ｈ_ｍａｘは積層する粉末層の最大高さ、Ｈ（ｚ）は既に積層された粉末層の高さ（ｚは既に積層された層の数）である。

例えば、傾斜角度αを４０度、積層する粉末層の最大高さＨ_ｍａｘを２００ｍｍとした場合、マージン領域５２における第１層目の粉末層の長さｘ_ｍは、上記式１より２３９ｍｍとなる。また、所定の数の粉末層を形成し、例えば既に積層された粉末層の高さＨ（ｚ）が１００ｍｍである場合は、次に積層する粉末層のマージン領域５２における長さｘ_ｍは、上記式１より１２０ｍｍとなる。このように、式１に、傾斜角度α、積層する粉末層の最大高さＨ_ｍａｘ、既に積層された粉末層の高さＨ（ｚ）を代入することで、各々の粉末層のマージン領域５２における長さｘ_ｍを求めることができる。

ここで、積層する粉末層の最大高さＨ_ｍａｘは、３次元造形物２７の高さに対応している。例えば、積層する粉末層の最大高さＨ_ｍａｘは３次元造形物２７の高さと同一としてもよい。また、３次元造形物２７を形成した後の後工程において機械加工を施す場合は、その加工代を見込んだ高さに設定してもよい。

また、マージン領域５２における第１層目の粉末層の長さｘ_ｍ（つまりマージン領域５２のｘ軸方向における最大長さ。このとき、Ｈ（０）＝０となる）は、傾斜角度αおよび積層する粉末層の最大高さＨ_ｍａｘに応じて変化する。例えば、傾斜角度αを４０度とした場合は、マージン領域５２における第１層目の粉末層の長さｘ_ｍは表１に示すようになる。また、傾斜角度αを５０度とした場合は、マージン領域５２における第１層目の粉末層の長さｘ_ｍは表２に示すようになる。

表１、表２に示すように、粉末層の最大高さＨ_ｍａｘが高くなるほど、マージン領域５２における第１層目の粉末層の長さｘ_ｍ（つまりマージン領域５２のｘ軸方向における最大長さ）は長くなる。また、傾斜角度αが大きくなるほど、マージン領域５２における第１層目の粉末層の長さｘ_ｍ（つまりマージン領域５２のｘ軸方向における最大長さ）は短くなる。

次に、本実施の形態にかかる積層造形方法の一例について、図４、図５に示すフローチャート、及び図６、図７に示す断面図を用いて具体的に説明する。図４に示すように、３次元造形物を形成する際は、まず３次元造形物の形成に必要な各々のデータを積層造形装置１の制御部に入力する（ステップＳ１）。

具体的には、形成する３次元造形物の寸法データや粉末材料の安息角データ等を入力する。例えば、形成する３次元造形物の３次元ＣＡＤ（computer aided design）データを入力することで、造形領域５１および粉末層の最大高さＨ_ｍａｘが決定される。そして、安息角データによって決定された傾斜角度α（安息角以下）、及び粉末層の最大高さＨ_ｍａｘを上記式１に代入することでマージン領域５２（第１層目の粉末層のｘ軸方向の長さｘ_ｍに対応）が決定される。安息角データについては、粉末材料と当該粉末材料に応じた安息角とを対応付けたテーブルを予め準備して制御部に保存しておき、制御部に粉末材料の種類を入力することで、安息角が自動的に決定されるようにしてもよい。

次に、第ｎ層目と第ｎ＋１層目（ｎは１以上の整数）の処理を開始する（ステップＳ２）。初期値はｎ＝１であるので、まずは第１層目と第２層目の処理を開始する。次に、第１層目と第２層目の粉末層を形成する際のスキージ３０の移動量を計算する（ステップＳ３）。具体的には、上記式１に傾斜角度α、積層する粉末層の最大高さＨ_ｍａｘ、既に積層された粉末層の高さＨ（ｚ）（初期値はＨ（０）＝０）を代入してマージン領域５２における長さｘ_ｍを求める。そして、この求めたｘ_ｍに造形領域５１の長さｘ_ｆ（図２参照）を加えることで、スキージ３０のｘ軸方向における移動量（ｘ_ｍ＋ｘ_ｆ）を決定することができる。

次に、第１層目および第２層目の造形処理を行う（ステップＳ４）。図５は、造形処理（ステップＳ４）の詳細を説明するためのフローチャートである。図５に示すように、まず第１層目の粉末層を積層する（ステップＳ１１）。具体的には、図６（ａ）に示すように、まずスキージ３０の空隙に粉末材料４０を充填する。スキージ３０の空隙に充填する粉末材料４０の量は、ステップＳ３で求めたスキージ３０の移動量（ｘ_ｍ＋ｘ_ｆ）に対応した量とする。つまり、本実施の形態では、１回の粉末材料の充填で粉末層を２層形成する（すなわち、スキージ３０を往復させて粉末層を２層形成する）ので、スキージ３０の空隙には粉末層２層分の粉末材料を充填する。

その後、図６（ａ）に示すように、造形槽１３をｚ軸方向に移動して、ステージ１２の上面５５と造形槽１３のフランジ部の上面５６との間に段差を形成する。そして、図６（ｂ）に示すように、スキージ３０をｘ軸プラス側（往方向）に移動して、造形領域５１およびマージン領域５２に粉末層６１を形成する。このとき、粉末層６１の上面と造形槽１３のフランジ部の上面５６とが同一面となる（つまり、段差がなくなる）。また、スキージ３０には２層目の粉末層を形成するための粉末材料４０が残っている。

次に、第１層目の粉末層の所定箇所を固化する（図５のステップＳ１２）。具体的には、図６（ｃ）に示すように、粉末層６１の所定箇所６２にレーザビ−ム２２を照射して粉末層６１の所定箇所６２（硬化層）を選択的に加熱して固化する。

次に、第２層目の粉末層を積層する（図５のステップＳ１３）。具体的には、図７（ａ）に示すように、造形槽１３をｚ軸方向に移動して、第１層目の粉末層６１の上面５７と造形槽１３のフランジ部の上面５６との間に段差を形成する。そして、図７（ｂ）に示すように、スキージ３０をｘ軸マイナス側（復方向）に移動して、造形領域５１およびマージン領域５２に粉末層６５を形成する。このとき、粉末層６５の上面と造形槽１３のフランジ部の上面５６とが同一面となる（つまり、段差がなくなる）。

次に、第２層目の粉末層の所定箇所を固化する（図５のステップＳ１４）。具体的には、図７（ｃ）に示すように、粉末層６５の所定箇所６６にレーザビ−ム２２を照射して粉末層６５の所定箇所６６（硬化層）を選択的に加熱して固化する。

図５〜図７に示した処理により、第１層目および第２層目の造形処理（図４のステップＳ４）が完了する。

次に、図４のステップＳ５に示すように、積層された粉末層が最大高さＨ_ｍａｘに達したか否かを判断する。既に積層された粉末層の高さＨ（ｚ）は、例えばステップＳ１で入力処理したデータを用いて計算することで求めることができる。具体的には、３次元ＣＡＤのデータから１層の粉末層の高さが決定されるので、この１層の粉末層の高さに、既に積層された粉末層の層数を乗算することで、既に積層された粉末層の高さＨ（ｚ）を求めることができる。また、既に積層された粉末層の高さＨ（ｚ）は、積層された粉末層の画像を撮影し、この画像を解析することで求めてもよい。また、センサを用いて既に積層された粉末層の高さＨ（ｚ）を求めてもよい。

既に積層された粉末層の高さＨ（ｚ）が粉末層の最大高さＨ_ｍａｘに達した場合は、３次元造形物を形成する処理を終了する（ステップＳ５：Ｙｅｓ）。一方、既に積層された粉末層の高さＨ（ｚ）が粉末層の最大高さＨ_ｍａｘに達していない場合は（ステップＳ５：Ｎｏ）、ｎの値を２だけ増加させて（ステップＳ６）、ステップＳ２からステップＳ５の処理を繰り返す。

上記で説明した例では、第２層目（ｚ＝２）の粉末層まで形成している状態であるので、既に積層された粉末層の高さＨ（２）は最大高さＨ_ｍａｘに達していない。よって、ｎ＝１＋２＝３として（ステップＳ６）、第３層目と第４層目の処理を開始する（ステップＳ２）。

次に、第３層目と第４層目の粉末層を形成する際のスキージ３０の移動量を計算する（ステップＳ３）。具体的には、上記式１に傾斜角度α、積層する粉末層の最大高さＨ_ｍａｘ、既に積層された粉末層の高さＨ（２）を代入してマージン領域５２における長さｘ_ｍを求める。そして、この求めたｘ_ｍに造形領域５１の長さｘ_ｆ（図２参照）を加えて、スキージ３０のｘ方向における移動量（ｘ_ｍ＋ｘ_ｆ）を決定する。

次に、第３層目および第４層目の造形処理を行う（ステップＳ４）。造形処理については、図５のフローチャート、及び図６、図７の断面図を用いて説明した場合と同様であるので、重複した説明は省略する。

そして、ステップＳ５において、既に積層された粉末層が最大高さＨ_ｍａｘに達したか否かを判断する。既に積層された粉末層の高さＨ（ｚ）が粉末層の最大高さＨ_ｍａｘに達した場合は、３次元造形物を形成する処理を終了する（ステップＳ５：Ｙｅｓ）。一方、既に積層された粉末層の高さＨ（ｚ）が粉末層の最大高さＨ_ｍａｘに達していない場合は（ステップＳ５：Ｎｏ）、ステップ６に進み、更にステップＳ２からステップＳ５の処理を繰り返す。このような処理を繰り返すことで、３次元造形物を形成することができる。

図８は、積層された粉末層の詳細を説明するための断面図である。図８に示す断面図では、６層の粉末層が積層されている状態を示している。上記で説明した積層造形方法では、スキージ３０に粉末材料４０を充填した後、スキージ３０を往復させて粉末層を形成している。このとき、スキージ３０には２層分の粉末材料４０を充填しているので、スキージ３０を１往復させる毎に粉末層が２層形成される。ここで、スキージ３０は充填されている粉末材料４０を連続的に放出するように構成されているので（粉末材料４０の放出を止める機構がない）、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、第１層目の粉末層６１のｘ軸プラス側の端部（終点）と、第２層目の粉末層６５のｘ軸プラス側の端部（開始点）の水平方向における位置が同一となる。つまり、第１層目の粉末層６１の長さ（ｘ_ｍ＋ｘ_ｆ）と第２層目の粉末層６５の長さ（ｘ_ｍ＋ｘ_ｆ）が同一となる。

このように、スキージ３０に２層分の粉末材料４０を充填し、スキージ３０を１往復させる毎に粉末層を２層形成する場合は、第ｎ層目の粉末層のｘ軸プラス側の端部と、第ｎ＋１層目の粉末層のｘ軸プラス側の端部の位置が同一となる。しかし、粉末材料の粒子径は約２０〜５０μｍであり、また各々の粉末層の厚さも約２０〜５０μｍと同程度であるため、第ｎ層目の粉末層のｘ軸プラス側の端部と、第ｎ＋１層目の粉末層のｘ軸プラス側の端部の位置を同一としても、粉末層の崩落は抑制される。

上記で説明した例では、図８に示すように、第ｎ層目と第ｎ＋１層目の粉末層の長さを同一とし、ｎの値が図４のステップＳ６で増加する毎に第ｎ層目と第ｎ＋１層目の粉末層の長さ（ｘ_ｍ＋ｘ_ｆ）を短くして傾斜面４５を形成している。換言すると、粉末層を２層形成する毎に、粉末層のマージン領域５２における長さｘ_ｍを短くすることで傾斜面４５を形成している。

また、上記で説明した積層造形方法では、スキージ３０に粉末材料４０（２層分）を充填した後、スキージ３０を往復させて粉末層を２層形成している場合について説明した。しかし本実施の形態では、スキージ３０を往復させて粉末層を形成する際に、１往復毎に粉末層を１層形成するようにしてもよい。

つまり、スキージ３０に１層分の粉末材料を充填し、スキージ３０を往復させて粉末層を１層形成し（つまり、往路で粉末層を形成し、復路では粉末層を形成しない）、粉末層の所定箇所を固化し、再度、スキージ３０に１層分の粉末材料を充填し、スキージ３０を往復させて粉末層を１層形成し、粉末層の所定箇所を固化する動作を繰り返すことで３次元造形物２７を形成してもよい。この場合は、図４に示したフローチャートのステップＳ２を「第ｎ層の処理を開始（初期値ｎ＝１）」とし、ステップＳ６を「ｎ＝ｎ＋１」とする。

図９は、本発明の課題を説明するための図である。図９に示すように、ステージ１２の上の一部の領域に粉末層１２６を積層した場合は、積層された粉末層１２６の側面が側壁に囲まれない箇所１２０が生じ、当該箇所１２０において粉末層１２６が崩落するおそれがあるという問題があった。

そこで本実施の形態にかかる積層造形方法では、図２に示すように、積層された粉末層２６の側面のうち側壁に囲まれていない箇所（マージン領域５２）が、３次元造形物２７の近傍からステージ１２側に向かって傾斜する傾斜面４５を有するように各々の粉末層２６を積層している。このとき、この傾斜面４５と水平面との成す傾斜角度αが、粉末層２６を構成している粉末材料に基づき決定された安息角以下となるようにしているので、積層された粉末層２６の端部（マージン領域５２）が崩落することを抑制することができる。

特に、スキージ３０を往復させて粉末層を２層形成する場合は、次のような問題が生じる。スキージ３０を往復させて粉末層を２層形成する場合は、予めスキージ３０の空隙に粉末層２層分の粉末材料４０を充填する。しかし、図９に示すように、スキージ３０をｘ軸プラス方向（往方向）に移動して第ｎ層目の粉末層を形成した後、第ｎ層目の粉末層の端部１５３で粉末層が崩落すると、第ｎ層目の粉末層の端部１５３側に位置しているスキージ３０から粉末材料４０が放出され続ける。このため、スキージ３０をｘ軸マイナス方向（復方向）に移動して第ｎ＋１層目の粉末層を形成する際に、粉末材料４０が不足してしまうという問題が生じる。

しかし、上記で説明した本実施の形態にかかる積層造形方法を用いることで、積層された粉末層の端部が崩落することを抑制することができるので、スキージ３０をｘ軸マイナス方向（復方向）に移動して第ｎ＋１層目の粉末層を形成する際に、粉末材料４０が不足してしまうという問題を解決することができる。

次に、図１０を用いて、本実施の形態にかかる積層造形方法の他の構成例について説明する。図１０に示す構成例では、ワーク７２の上に３次元造形物７５を連続的に形成する場合について説明する。積層造形装置は３次元形状の積層造形物を高精度に製造することができる。このため、ワーク７２の上に精度が必要な３次元造形物７５を連続的に形成する場合にこの技術を用いることができる。

図１０に示すように、まず、ワーク７２と土留７１をステージの上に配置する。土留７１の高さはワーク７２の高さと同一とする。土留７１は、ｙ軸方向に伸びるように配置されている。その後、土留７１と造形槽１３の側壁１３_１とで囲まれている空間に粉末材料７３を敷き詰める。このとき、ワーク７２の上面と粉末材料７３の上面とが同一面となるようにする。

その後、図４、図５に示したフローチャートにしたがって、ワーク７２および粉末材料７３の上に粉末層２６を積層する工程と、粉末層２６の所定箇所の粉末を固化する工程とを繰り返すことで、ワーク７２の上に３次元造形物７５を形成する。なお、３次元造形物７５を形成する積層造形方法については、上記で説明した場合と同様であるので重複した説明は省略する。

以上で説明した本実施の形態にかかる発明により、粉末層を積層する際に粉末層が崩落することを抑制することが可能な積層造形方法を提供することができる。

＜実施の形態２＞
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、センサを用いて粉末層の内部応力を測定している点が実施の形態１で説明した積層造形方法と異なる。これ以外は実施の形態１で説明した積層造形方法と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１１は、本実施の形態にかかる積層造形方法を説明するための断面図であり、実施の形態１で説明した図１０の構成に対応している。図１１に示すように、ステージ１２の上にはワーク７２と土留７１が配置されている。土留７１と造形槽１３の側壁１３_１とで囲まれている空間には粉末材料７３が敷き詰められている。そして、粉末層２６を積層する工程と、粉末層２６の所定箇所の粉末を固化する工程とを繰り返すことで、ワーク７２の上に３次元造形物７５を形成する。

本実施の形態では、マージン領域５２の粉末層２６の内部にセンサ８１を埋設し、このセンサ８１を用いて粉末層２６の傾斜面８５方向（ｘ軸方向）への内部応力σを測定している。そして、この測定値に基づいて傾斜面８５の傾斜角度を調整している。センサ８１は粉末層２６の積層方向に伸びるように配置されており、粉末層２６の積層に応じてセンサ８１を積層方向に変位可能に構成されている。センサ８１には、例えば水平方向の応力を測定可能な応力センサを用いることができる。

図１２は、本実施の形態にかかる積層造形方法を説明するためのフローチャートである。３次元造形物を形成する際は、まず３次元造形物の形成に必要な各々のデータを積層造形装置１の制御部に入力する（ステップＳ２１）。なお、図１２のフローチャートのステップＳ２１は、図４に示したフローチャートのステップＳ１と同様であるので、重複した説明は省略する。本実施の形態では、ステップＳ２１において、更に崩落の閾値を入力する。ここで、崩落の閾値とは、粉末層２６の内部応力σの値がこれ以上高くなると粉末層２６が崩落する危険性があることを示す閾値である。崩落の閾値は、予め実験やシミュレーション等によって決定することができる。

次に、第ｎ層目と第ｎ＋１層目（ｎは１以上の整数。初期値はｎ＝１）の処理を開始する（ステップＳ２２）。次に、第ｎ層目と第ｎ＋１層目の粉末層を形成する際のスキージ３０の移動量を計算する（ステップＳ２３）。なお、図１２に示すフローチャートのステップＳ２２、Ｓ２３は、図４に示したフローチャートのステップＳ２、Ｓ３に対応している。

次に、センサ８１で測定された粉末層２６の内部応力σの値（センサ測定値）が閾値を超えたか否か判断する（ステップＳ２４）。センサ８１で測定された粉末層２６の内部応力σの値が閾値を超えていない場合は（ステップＳ２４：Ｎｏ）、センサ８１の高さを調整（ステップＳ２６）した後、造形処理（ステップＳ２７）を開始する。センサ８１の高さを調整する際は、粉末層２６の積層に応じてセンサ８１を積層方向に変位させる。このとき、センサ８１の上端部がスキージ３０と衝突しないように、且つ、センサ８１がレーザビ−ム２２の熱の影響を受けないように、センサ８１の高さを調整する。このようにセンサ８１の高さを調整することで、粉末層２６の内部応力σを正確に測定することができる。造形処理（ステップＳ２７）については、図４のフローチャートに示したステップＳ４（図５のフローチャート参照）と同様である。

そして、造形処理（ステップＳ２７）後、積層された粉末層が最大高さＨ_ｍａｘに達したか否かを判断する。既に積層された粉末層の高さＨ（ｚ）が粉末層の最大高さＨ_ｍａｘに達した場合は、３次元造形物を形成する処理を終了する（ステップＳ２８：Ｙｅｓ）。一方、既に積層された粉末層の高さＨ（ｚ）が粉末層の最大高さＨ_ｍａｘに達していない場合は（ステップＳ２８：Ｎｏ）、ステップ２９に進み、更にステップＳ２２からステップＳ２８の処理を繰り返す。このような処理を繰り返すことで、３次元造形物を形成することができる。なお、図１２に示すフローチャートのステップＳ２８、Ｓ２９はそれぞれ、図４のフローチャートに示したステップＳ５、Ｓ６と同様である。

また、ステップＳ２４において、センサ８１で測定された粉末層２６の内部応力σの値が閾値を超えている場合は（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）、積層された粉末層２６が崩落するおそれがあるので、スキージ３０の移動量を再計算する（ステップＳ２５）。例えば、図１１に示すように、粉末層８６を積層する際に、センサ８１で測定された粉末層２６の内部応力σの値が閾値を超えていると判断された場合、粉末層８６以降の粉末層の傾斜面の傾斜角度βが傾斜角度αよりも小さくなるようにする（βは安息角よりも小さい角度）。このように、粉末層８６以降の粉末層の傾斜面の傾斜角度βを小さくすることで、積層された粉末層２６が崩落することを抑制することができる。

以上で説明したように、本実施の形態にかかる積層造形方法では、粉末層２６の内部にセンサ８１を埋設し、このセンサ８１を用いて粉末層２６の傾斜面８５方向への内部応力σを測定している。そして、この測定値が崩落の閾値を超えた場合、傾斜面８５の傾斜角度が小さくなるようにしている。よって、粉末層２６の崩落を事前に検知することができるので、粉末層２６の崩落を確実に抑制することができる。

以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１ 積層造形装置
１１ ベース
１２ 定盤（ステージ）
１３ 造形槽
１４ 造形槽支持部
１５ 造形槽駆動部
１６ 支柱
１７ 支持部
１８ レーザスキャナ
１９ 光ファイバ
２０ レーザ発振器
２２ レーザビーム
２５ 造形部
２６ 粉末層
２７ ３次元造形物
３０ スキージ
３１ 第１のスキージ
３２ 第２のスキージ
３３ 空隙
３５ 粉末ガイド部
３７ 粉末分配器
３８ 配管
３９ 粉末供給部
４５ 傾斜面
５１ 造形領域
５２ マージン領域

Claims (6)

1. ステージの上に粉末層を積層する工程と、前記粉末層の所定箇所の粉末を固化する工程と、を繰り返すことで前記ステージの上に３次元造形物を形成する積層造形方法であって、
   前記積層された粉末層は、前記３次元造形物が形成される造形領域と、前記造形領域と隣接すると共に前記造形領域の端部における前記粉末層の崩落を抑制可能なマージン領域と、を備え、
   前記粉末層を積層する工程では、前記マージン領域が、前記３次元造形物の近傍から前記ステージ側に向かって傾斜する傾斜面を有するように各々の粉末層を積層し、
   前記マージン領域において、前記傾斜面と水平面との成す傾斜角度は、前記粉末層を構成している粉末材料に基づき決定された安息角以下であり、
   前記マージン領域における粉末層の水平方向における長さは、
   形成する前記３次元造形物のデータを用いて前記造形領域における粉末層の最大高さを決定する工程と、
   前記粉末層を構成する粉末材料に基づいて前記安息角を決定する工程と、
   前記決定された最大高さと前記決定された安息角とに基づいて前記マージン領域における粉末層の長さを決定する工程と、を用いて予め求められ、
   前記粉末層を積層する工程では、前記マージン領域における粉末層の長さが前記予め求められた粉末層の長さとなるように、前記各々の粉末層を積層する、
   積層造形方法。
2. 前記マージン領域における前記各々の粉末層の水平方向における長さをｘ_ｍ、前記傾斜面と水平面との成す傾斜角度をα（αは安息角以下である）、前記積層する粉末層の最大高さをＨ_ｍａｘ、既に積層された粉末層の高さをＨ（ｚ）とした場合、前記マージン領域における前記各々の粉末層の長さｘ_ｍを下記の式で求めた値とする、請求項１に記載の積層造形方法。
   

   
3. 前記粉末層を積層する工程は、
   前記粉末層を積層するスキージに２層分の粉末材料を充填する工程と、
   前記スキージを水平方向と平行な往方向に移動して第ｎ層（ｎは１以上の整数）の粉末層を形成する工程と、
   前記第ｎ層の粉末層の所定箇所の粉末を固化した後、前記スキージを前記往方向と逆方向である復方向に移動して第ｎ＋１層の粉末層を形成する工程と、を備える、
   請求項１または２に記載の積層造形方法。
4. ワークと、当該ワークと同一の高さの土留と、を前記ステージの上に配置し、
   前記土留と造形槽の側壁とで囲まれている空間に、前記ワークの上面と前記土留の上面と粉末材料の上面とが同一面となるように粉末材料を敷き詰め、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の積層造形方法を用いて前記ワークの上に前記３次元造形物を形成する、
   積層造形方法。
5. 前記積層された粉末層の内部に埋設されたセンサを用いて前記積層された粉末層の前記傾斜面方向への内部応力を測定する工程を更に備え、
   前記測定された内部応力が所定の閾値を超えている場合、前記傾斜面の前記傾斜角度を小さくする、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の積層造形方法。
6. 前記センサは前記粉末層の積層方向に伸びるように配置されており、前記粉末層の積層に応じて前記センサを前記積層方向に変位させる、請求項５に記載の積層造形方法。

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