JP6490783B2 - 積層造形装置 - Google Patents

Description

この発明は、積層造形装置に関する。

レーザ光による粉末焼結積層造形法では、密閉されたチャンバ内において、上下方向に移動可能な造形テーブル上に非常に薄い材料粉体層を形成し、この材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して照射位置の材料粉体を焼結させることを繰り返すことによって、複数の焼結層を積層して一体となる焼結体からなる所望の三次元形状物を造形する。

特許文献１に開示されるような典型的な積層造形装置のレーザ照射装置は、機械本機の上側に固定配置されているガルバノスキャナのような光偏向器によってレーザ光を所定の移動経路に沿って走査する構成である。具体的には、例えば、各材料粉体層毎に適正な長さの直線経路を並列に配列してなる走査パターン、いわゆるラスタ走査線に沿って所定の直径の略円形状のスポット形状を有するレーザ光を所定の移動速度で走査させて、所望の三次元造形物の輪郭形状で形成される所定の照射領域の材料粉体を焼結するようにされている。造形時間を短くするためには、レーザ光の走査速度が可能な限り高速であることが望ましい。

また、略円形状のレーザ光は一般にエネルギ分布が均一ではなく、周縁部ほどそのエネルギは低くなる。そのため、特許文献２に開示されるように、隣接する走査線分が互いに重なり合うようレーザ光を照射し、材料粉体の焼結に必要な所要のエネルギが得られるよう構成されている。

特許第２９２０５６８号公報 特表２００１−５０４８９７号公報

しかしながら、スポット形状が略円形状のレーザ光を、隣接する走査線分が互いに重なり合うよう高速で走査した際、材料粉体が均一に加熱されず、鬆や突起状の異常焼結部等の焼結不良が発生し造形の品質が低下することがあった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、造形物を高品質に造形することができる積層造形装置を提供するものである。

本発明によれば、造形領域を覆うチャンバと、前記造形領域に撒布された材料粉体を焼結させて焼結層を形成するレーザ光を生成するレーザ光源と、前記レーザ光を走査する走査部とを備え、前記レーザ光は、少なくとも細長形状を含む１種類以上のスポット形状を有し、前記走査部は、前記細長形状の短手方向にスポット形状が細長形状である前記レーザ光を走査するように構成される、積層造形装置が提供される。

本発明に係る積層造形装置は、スポット形状が細長形状のレーザ光を、当該細長形状の短手方向に走査するものである。かかる構成により高品質な造形物を造形することができる。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。

好ましくは、前記レーザ光は、前記細長形状の長手方向に亘って一様な強度分布を有する。

好ましくは、前記レーザ光のスポット形状の向きを変更可能に構成される。

好ましくは、前記レーザ光は、パルスレーザである。

好ましくは、前記レーザ光のスポット形状が前記細長形状を含む複数種類のスポット形状に変換可能に構成される。

好ましくは、前記走査部は、前記レーザ光源の射出端が設けられるホルダと、前記ホルダを造形領域上の任意の位置に移動させる駆動装置とを含んでなる。

好ましくは、スポット形状が細長形状である前記レーザ光の前記スポット形状の短手方向の長さに対する長手方向の長さの割合は、４〜１０００である。

本発明の実施形態に係る積層造形装置の構成図である。 本発明の実施形態に係る粉体層形成装置３の斜視図である。 本発明の実施形態に係るリコータヘッド１１の斜視図である。 本発明の実施形態に係るリコータヘッド１１の別の角度から見た斜視図である。 本発明の実施形態に係るホルダ４３の断面を示す概略図である。 レーザ光Ｌの照射領域及び分割領域を例示する概略図である。 レーザ光Ｌの照射経路を例示する概略図である。 本発明の実施形態に係るスポット形状の回転を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る照射ヘッド４５ｄを示す概略図である。 本発明の実施形態に係る第２レーザ光Ｌ２のスポット形状を示す図である。 図１０に示す第２レーザ光Ｌ２を用いた走査例を示す図である。 図１０に示す第２レーザ光Ｌ２を用いた他の走査例を示す図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る積層造形装置は、不活性ガスが充満されるチャンバ１内に粉体層形成装置３が設けられる。

粉体層形成装置３は、造形領域Ｒを有するベース台４と、ベース台４上に配置され且つ水平１軸方向（矢印Ｂ方向）に移動可能に構成されたリコータヘッド１１とを備える。造形領域Ｒには、上下方向（図１の矢印Ａ方向）に移動可能な造形テーブル５が設けられる。積層造形装置の使用時には、造形テーブル５上に造形プレート７が配置され、その上に材料粉体層８が形成される。また、所定の照射領域は、造形領域Ｒ内に存在し、所望の三次元造形物の輪郭形状で囲繞される領域とおおよそ一致する。

造形テーブル５の周りには、粉体保持壁２６が設けられる。粉体保持壁２６と造形テーブル５とによって囲まれる粉体保持空間には、未焼結の材料粉体が保持される。図１においては不図示であるが、粉体保持壁２６の下側には、粉体保持空間内の材料粉体を排出可能な粉体排出部が設けられてもよい。かかる場合、積層造形の完了後に造形テーブル５を降下させることによって、未焼結の材料粉体が粉体排出部から排出される。排出された材料粉体は、シューターガイドによってシューターに案内され、シューターを通じてバケットに収容されることになる。

リコータヘッド１１は、図２〜図４に示すように、材料収容部１１ａと材料供給部１１ｂと材料排出部１１ｃとを有する。
材料収容部１１ａは材料粉体を収容する。なお、材料粉体は、例えば金属粉（例：鉄粉）であり、例えば平均粒径２０μｍの球形である。材料供給部１１ｂは、材料収容部１１ａの上面に設けられ、不図示の材料供給装置から材料収容部１１ａに供給される材料粉体の受口となる。材料排出部１１ｃは、材料収容部１１ａの底面に設けられ、材料収容部１１ａ内の材料粉体を排出する。なお、材料排出部１１ｃは、リコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に直交する水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に延びるスリット形状である。

また、リコータヘッド１１の両側面には、ブレード１１ｆｂ、１１ｒｂとリコータヘッド供給口１１ｆｓとリコータヘッド排出口１１ｒｓとが設けられる。ブレード１１ｆｂ、１１ｒｂは、材料排出部１１ｃから排出された材料粉体を平坦化させて材料粉体層８を形成する。リコータヘッド供給口１１ｆｓ及びリコータヘッド排出口１１ｒｓは、リコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に直交する水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に沿ってそれぞれ設けられ、不活性ガスの供給及び排出を行う（詳細は後述）。本明細書において、「不活性ガス」とは、材料粉体と実質的に反応しないガスであり、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等が例示される。

チャンバ１の上方にはレーザ光源４２が設けられる。図１、図５に示すように、レーザ光源４２は、光ケーブル４２ａを通じ光コネクタ４３ａを介してホルダ４３と接続されている。光コネクタ４３ａの先端からレーザ光Ｌが射出されるので、図５では光コネクタ４３ａの先端をレーザ光射出端４３ｂとして表記している。

ホルダ４３は、その内部においてレーザ光Ｌがコリメータ４４と光学処理ユニット４５と保護ガラス４５ａとカバーユニット７０における不活性ガス供給カバー７１とを通り、造形領域Ｒ上に撒布された材料粉体層８を焼結するように、チャンバ１内の上部から造形領域Ｒに向かって延びるように構成される。ホルダ４３は駆動装置６５により、造形領域Ｒ上の任意の位置に移動可能である。コリメータ４４は、レーザ光Ｌを平行光にする。光学処理ユニット４５は、レーザ光Ｌの照射スポットの形状等を制御する。光学処理ユニット４５及びカバーユニット７０については後に詳述するものとする。

以上のような構成によれば、レーザ光Ｌはホルダ４３の直下方向に照射される。そのため、ホルダ４３を駆動装置６５によって所望の位置に移動させることで、所望の位置にレーザ光Ｌを照射することができる。すなわち、ホルダ４３及び駆動装置６５は、レーザ光Ｌを走査する走査部として機能する。

レーザ光Ｌは、材料粉体を焼結可能なものであればその種類は限定されず、例えば、ＣＯ_２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザなどである。

ホルダ４３の下側にはカバーユニット７０が設けられる。ホルダ４３の高さを制御することで、カバーユニット７０の先端が造形領域Ｒに近接可能に構成され、当該先端は開口している。カバーユニット７０は、不活性ガス供給カバー７１とヒューム吸引カバー７２から成る２つのカバーを有し、それらの開口部７３（それぞれ吐出口７１ｂ及び吸引口７２ｂと称する。）が略隣接するように構成される。図５に示す例においては、不活性ガス供給カバー７１とヒューム吸引カバー７２とが一体となって構成されている。

不活性ガス供給カバー７１は、その内部に不活性ガスを供給する供給口としてカバーユニット供給口７１ａを有する。カバーユニット供給口７１ａは、後述する不活性ガス供給装置１５と接続され、清浄な不活性ガスが不活性ガス供給カバー７１の内部に細孔７１ｃを介して流れ込むように構成される。不活性ガス供給カバー７１の内部は、光学処理ユニット４５と保護ガラス４５ａを介して空間的に隔てられており、保護ガラス４５ａは、レーザ光Ｌを透過させつつもヒュームを含んだ不活性ガスの上部への流入を防止する。例えば、レーザ光Ｌがファイバーレーザ又はＹＡＧレーザの場合、保護ガラス４５ａは石英ガラスで構成可能である。

ヒューム吸引カバー７２は、その吸引口７２ｂが不活性ガス供給カバー７１における吐出口７１ｂと略隣接するように設けられている。また、ヒューム吸引カバー７２は、その内部がホルダ４３の側面へと向かうように設けられ、当該側面にはカバーユニット排出口７２ａが設けられている。カバーユニット排出口７２ａは、ダクトボックス２１を介して後述するヒュームコレクタ１９と接続され、ヒュームを含んだ不活性ガスがヒューム吸引カバー７２の内部に流れ込むように構成される。

次に、不活性ガス給排系統について説明する。不活性ガス給排系統は、チャンバ１に設けられる複数の不活性ガスの供給口及び排出口と、各供給口及び各排出口と不活性ガス供給装置１５及びヒュームコレクタ１９とを接続する配管を含む。本実施形態では、リコータヘッド供給口１１ｆｓ、チャンバ供給口１ｂ、副供給口１ｅ、及びカバーユニット供給口７１ａを含む供給口と、チャンバ排出口１ｃ、リコータヘッド排出口１１ｒｓ、及びカバーユニット排出口７２ａとを含む排出口とを備える。

リコータヘッド供給口１１ｆｓは、チャンバ排出口１ｃの設置位置に対応してチャンバ排出口１ｃに対面するように設けられる。好ましくは、リコータヘッド供給口１１ｆｓは、リコータヘッド１１が不図示の材料供給装置の設置位置に対して所定の照射領域を挟んで反対側に位置しているときにチャンバ排出口１ｃと対面するように、矢印Ｃ方向に沿ってリコータヘッド１１の片面に設けられる。

チャンバ排出口１ｃは、チャンバ１の側板にリコータヘッド供給口１１ｆｓに対面するように所定の照射領域から所定距離離れて設けられる。また、チャンバ排出口１ｃに接続するように不図示の吸引装置が設けられるとよい。当該吸引装置は、レーザ光Ｌの照射経路からヒュームを効率よく排除することを助ける。また、吸引装置によってチャンバ排出口１ｃにおいて、より多くの量のヒュームを排出することができ、造形空間１ｄ内にヒュームが拡散しにくくなる。

チャンバ供給口１ｂは、ベース台４の端上に所定の照射領域を間に置いてチャンバ排出口１ｃに対面するように設けられる。チャンバ供給口１ｂは、リコータヘッド１１が所定の照射領域を通過してリコータヘッド供給口１１ｆｓが所定の照射領域を間に置かずにチャンバ排出口１ｃに直面する位置にあるとき、リコータヘッド供給口１１ｆｓからチャンバ供給口１ｂに選択的に切り換えられて開放される。そのため、チャンバ供給口１ｂは、リコータヘッド供給口１１ｆｓから供給される不活性ガスと同じ所定の圧力と流量の不活性ガスをチャンバ排出口１ｃに向けて供給するので、常に同じ方向に不活性ガスの流れを作り出し、安定した焼結を行える点で有利である。

リコータヘッド排出口１１ｒｓは、リコータヘッド１１のリコータヘッド供給口１１ｆｓが設けられている片面に対して反対側の側面に、矢印Ｃ方向に沿って設けられる。リコータヘッド供給口１１ｆｓから不活性ガスを供給できないとき、換言すれば、チャンバ供給口１ｂから不活性ガスを供給するときに、所定の照射領域のより近くで不活性ガスの流れを作り出していくらかのヒュームを排出するので、ヒュームをより効率よくレーザ光Ｌの照射経路から排除することができる。

また、本実施形態の不活性ガス給排系統は、チャンバ排出口１ｃに対面するようにチャンバ１の側板に設けられヒュームコレクタ１９から送給されるヒュームが除去された清浄な不活性ガスを造形空間１ｄに供給する副供給口１ｅと、カバーユニット７０における不活性ガス供給カバー７１の内部に不活性ガスを供給するカバーユニット供給口７１ａと、ヒューム吸引カバー７２を介してヒュームを多く含む不活性ガスを排出するカバーユニット排出口７２ａとを備える。

チャンバ１への不活性ガス供給系統には、不活性ガス供給装置１５と、ヒュームコレクタ１９が接続されている。不活性ガス供給装置１５は、不活性ガスを供給する機能を有し、例えば、周囲の空気から窒素ガスを取り出す膜式窒素セパレータを備える装置である。本実施形態では、図１に示すように、リコータヘッド供給口１１ｆｓ、チャンバ供給口１ｂ、及びカバーユニット供給口７１ａと接続される。

ヒュームコレクタ１９は、その上流側及び下流側にそれぞれダクトボックス２１、２３を有する。チャンバ１から排出されたヒュームを含む不活性ガスは、ダクトボックス２１を通じてヒュームコレクタ１９に送られ、ヒュームコレクタ１９においてヒュームが除去された清浄な不活性ガスがダクトボックス２３を通じてチャンバ１の副供給口１ｅへ送られる。このような構成により、不活性ガスの再利用が可能になっている。

ヒューム排出系統として、図１に示すように、チャンバ排出口１ｃ、リコータヘッド排出口１１ｒｓ及びカバーユニット排出口７２ａとヒュームコレクタ１９とがダクトボックス２１を通じてそれぞれ接続される。ヒュームコレクタ１９においてヒュームが取り除かれた後の清浄な不活性ガスは、チャンバ１へと返送され再利用される。

なお、上記不活性ガス給排系統はあくまでも例示でありこれに限るものではないが、特に、不活性ガス供給系統がホルダ４３に設けられるカバーユニット７０において不活性ガス供給カバー７１が備えるカバーユニット供給口７１ａと接続されており、ヒューム排出系統はホルダ４３に設けられるカバーユニット７０において不活性ガス供給カバー７１が備えるカバーユニット排出口７２ａと接続されている。

図５に示すように、カバーユニット供給口７１ａに不活性ガスを供給することによって、不活性ガスは、不活性ガス供給カバー７１を通り吐出口７１ｂから造形空間１ｄ（特に造形領域Ｒ）に向けて吐出される。これによって不活性ガス供給カバー７１の内部をヒュームの無い清浄な状態に保つことができる。その結果、不活性ガス供給カバー７１の内部を通過するレーザ光Ｌがヒュームに遮断されることなく材料粉体層８に照射されることとなる。好ましくは、カバーユニット供給口７１ａに供給される不活性ガスは、他の供給口から供給される不活性ガスの圧力よりも若干高い（例えば５％以上高い）圧力に設定されるとよい。これにより、不活性ガス供給カバー７１の内部から造形空間１ｄへ向かう気流が形成されやすくなる。また、不活性ガス供給カバー７１の内部を特に清浄に保つために、吐出口７１ｂへ向かう気流の流速を材料粉体を巻き上げない程度に速めることが好ましい。そのために、不活性ガス供給カバー７１の断面が上部から下部に向かって断面が小さくなる構造であることが好ましい。加えて、吐出口７１ｂの径は、細長形状のレーザ光Ｌのスポット形状の長手方向の長さの２〜２０倍程度の大きさであることが好ましい。なお、図５に示すホルダ４３及びカバーユニット７０の断面の形状及び構成はあくまでも例示でありこの限りではない。

本実施形態では、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが副供給口１ｅに送られ、不活性ガス供給装置１５からの不活性ガスがリコータヘッド供給口１１ｆｓ、チャンバ供給口１ｂ、及びカバーユニット供給口７１ａに送られるように構成されている。ヒュームコレクタ１９からの不活性ガス中には除去しきれなかったヒュームが残留するおそれがあるが、本実施形態の構成では、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが特に高い清純度が要求される空間（不活性ガス供給カバー７１の内部及び造形領域Ｒ近傍の空間）に供給されないので、残留ヒュームの影響を最小限にすることができる。また、不活性ガス供給装置１５からの不活性ガスの供給圧力を、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスの供給圧力よりも高くすることによって、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが不活性ガス供給カバー７１の内部及び造形領域Ｒ近傍の空間に近づくことが抑制され、残留ヒュームの影響が更に効果的に抑制される。

上述の通り、不活性ガス供給カバー７１の内部にレーザ光Ｌの照射経路があり、かかるレーザ光Ｌの照射により材料粉体層８が焼結され焼結層８ｆが形成される。このときにヒュームが発生する。本実施形態では、不活性ガス供給カバー７１における吐出口７１ｂ及びヒューム吸引カバー７２の吸引口７２ｂは略隣接しており、且つ駆動装置６５によってホルダ４３を下降させヒューム吸引カバー７２の吸引口７２ｂを造形領域Ｒに極力近接させることができる。これによって、レーザ光Ｌの照射に伴い発生したヒュームを従来技術に比しても明らかに近い位置で吸引することができる構成となっている。

更に、図５に示すように、不活性ガス供給カバー７１の吐出口７１ｂは、カバーユニット７０の造形方向側に設けられ、ヒューム吸引カバー７２の吸込口７２ｂは、カバーユニット７０の反造形方向側に設けられることが好ましい。かかる構成であれば、造形方向と逆方向に気流が形成されるため、吐出口７１ｂから吐出され発生したヒュームを回収し吸引口７２ｂへと運ぶ不活性ガスの気流がより効果的に形成できる。さらには、造形中に吸込口７２ｂが既にレーザ光Ｌが照射された焼結層の上に位置することになるため、吸引口７２ｂから不用意に材料粉体が吸引されることを防止することができる。このような構成にするために、カバーユニット７０が固設される場合は、造形方向を一定にすればよい。或いは、カバーユニット７０を回転可能に構成し、造形方向に応じて吐出口７１ｂ、吸込口７２ｂの位置を変更してもよい。

ここで、造形方向について説明する。レーザ光Ｌによる焼結層の形成にあたっては、図６（ａ）に示すように、各材料粉体層８毎の照射領域を所定の長さ毎に分割し、分割された各分割領域毎にレーザ光Ｌをラスタ走査させ焼結層を形成することを繰り返し、照射領域と対応する所望の焼結層を形成する。ここでは、照射領域を各分割領域に分割する幅を分割幅、分割幅に係る方向に直交し各分割領域において徐々に焼結層が形成されていく方向を造形方向と呼ぶ。なお、図６（ａ）における矢印はある分割領域におけるレーザ光Ｌの照射経路の一例を示している。

図７には、各分割領域毎のレーザ光Ｌの照射経路が例示される。図７（ａ）は、長手方向が分割幅の長さと一致する横長形状（本例では角丸長方形状）のスポット形状を有するレーザ光Ｌを利用した例で、造形方向がレーザ光Ｌの走査方向と一致している。図７（ｂ）及び図７（ｃ）は、略円状のスポット形状を有するレーザ光Ｌを利用した例であり、分割幅と同じ長さの直線走査経路が並列に配列され、造形方向に沿って各直線走査を連続的に行う。かかる場合は、造形方向と各直線走査の方向とが直交する。なお、図７に示すレーザ光Ｌの照射経路において、実線部はレーザ光Ｌの照射がＯＮの状態であることを、点線部はレーザ光Ｌの照射がＯＦＦの状態であることをそれぞれ示す。

ある照射領域に係る焼結層の形成を同じ造形時間で行うにあたって、図７（ａ）に示されるように細長形状のスポット形状を有するレーザ光Ｌを用いた場合と、図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示されるように略円形状のスポット形状を有するレーザ光Ｌを用いた場合とでは、前者の方が走査速度は低速でよい。換言すれば、図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示されるような略円形状のスポット形状を有するレーザ光Ｌを用いた積層造形方法における各直線走査は、背景技術においても述べたように造形時間を短くするために可能な限り高速で走査されることが望ましく、一般にガルバノスキャナに代表される高速走査が可能である光偏向器によってレーザ光Ｌが走査される。一方、図７（ａ）に示されるように細長形状のレーザ光Ｌを造形方向に沿って走査させる場合は、従来の構成に比して走査速度は低速でよいため、一般に高価であるガルバノスキャナに代表される高速走査可能なレーザ光走査装置が不要である。そこで、本実施形態では、細長形状のレーザ光Ｌを用い、レーザ光射出端４３ｂを駆動装置６５によって所望の照射位置に移動させることでレーザ光Ｌの照射を行う。これについては、光学処理ユニット４５の説明において再度詳細に説明する。また、細長形状のスポット形状を有するレーザ光Ｌを用いれば、比較的低エネルギ密度のレーザ光Ｌによって時間をかけて材料粉体を焼結させることができるので、異常焼結部や鬆等の発生を抑制し、安定した造形を行うことができる。

なお、焼結層の形成にあたっては、各分割領域を造形方向に沿ってさらに分割してもよい。ここでは例として、図６（ｂ）に示すように、ある分割領域を分割領域α、分割領域β、分割領域γに分割する。このとき、更に分割された分割領域の焼結は、例えば分割領域α、分割領域γ、分割領域βの順に行われる等、隣接した各分割領域の焼結は必ずしも連続して行われなくてもよい。また、照射領域の周縁部はベクトル走査により焼結層を形成してもよい。なお、ベクトル走査を行うときは例外的に走査方向と造形方向は同一方向であると定義する。

図５に示すように、光学処理ユニット４５は、スポット形状変換光学系４５ｂとスポット形状変換光学系４５ｂを回転させるスポット形状回転機構とを有する。スポット形状変換光学系４５ｂとしては、例えば、マイクロレンズアレイや回折格子を用いればよい。マイクロレンズアレイとは、レンズがアレイ状に配列した光学素子であり、入射したレーザ光Ｌがアレイの数だけ分割され且つそれぞれの光が重ね合わさることで略一様な強度分布を有するレーザ光Ｌを形成することができる。回折格子を用いても同様に入射したレーザ光Ｌが分割され、それぞれの光が重ね合わさることで略一様な強度分布を有するレーザ光Ｌを形成することができる。スポット形状回転機構は、例えばダイレクトドライブ式の回転機構であってもよいし、ベルト等を介して回転させる機構であってもよい。図８にスポット形状回転機構によりスポット形状を回転させた場合の概略を示す。このように、例えば回転角のステップは４５度である。これに限らず、回転角のステップを例えば、５、１０、１５、３０、６０、９０度等として実施してもよい。

また、図９に示すように、スポット形状変換光学系４５ｂが複数種類用意され、これらを選択することができるような照射ヘッド４５ｄが構成されている。図９（ａ）においては照射ヘッド４５ｄが並進移動することによりスポット形状変換光学系４５ｂが選択される。或いは、図９（ｂ）に示すように、回転によりスポット形状変換光学系４５ｂが選択される構成でもよい。またこれらに限定されるものではなく、不図示ではあるが、所定の交換用アームが設けられ、これによりスポット形状変換光学系４５ｂが照射ヘッド４５ｄとともに交換されるような構成であってもよい。後に例を用いて説明するが、これらスポット形状は、照射位置の形状等によって使い分けることが好ましい。

スポット形状変換光学系４５ｂの１つは、レーザ光射出端４３ｂより射出され且つコリメータ４４により平行光となった略円形状のスポット形状を有するレーザ光Ｌ（以後、第１レーザ光Ｌ１と称する。）を、そのスポット形状が細長形状（本例では角丸長方形状であるが、長手方向に亘って略一様な強度分布を有するものであればよく、例えば長方形状でもよい。）であるレーザ光Ｌ（以後、第２レーザ光Ｌ２と称する。）に変換する。図１０に、かかるスポット形状を示す。短手方向の長さａに対する長手方向の長さｂの割合は、好ましくは４〜１０００であり、より好ましくは３０〜２００である。このような範囲であれば、図５（ａ）に示すような走査をするにあたり、造形の際に生じる鬆等の低品質の原因を極力抑制しより高品質な造形を実現することができる。

高品質な造形を実現させるために、スポット形状に関して、図１０に示すように、材料粉体を焼結する程度のエネルギを有しつつ強度分布が長手方向に亘って略一様であるように実施される。一方、短手方向の強度分布は、略一様でなくとも対称性があるものならばよく、例えばガウシアン分布でよい。なお、本願発明において略一様な強度分布を有するレーザ光Ｌとは、単にエネルギの大きさが均一なレーザ光Ｌのみではなく、照射位置の材料粉体の温度上昇が実質的に一様になるよう構成されたレーザ光Ｌを含んでいう。

図１１に、本実施形態の積層造形装置によるレーザ光Ｌの走査方法の例を示す。図１１（ａ）、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）には、照射領域の周縁部（分割幅方向の両端）においては第２レーザ光Ｌ２をベクトル走査し、残りの照射領域に対しては、先に説明した通り、所定の分割幅に分割された分割領域毎に第２レーザ光Ｌ２を一定の方向にラスタ走査し帯状に材料粉体層８を焼結させることを繰り返し、所望の焼結層を形成する態様が順に示されている。このような構成であれば、レーザ光Ｌのスポットの重なりを極力少なくして造形することができるため焼結状態が安定し、より高品質の造形物を得ることができる。また、図１１（ｄ）、図１１（ｅ）及び図１１（ｆ）には、図１１（ａ）、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）とは別方向に走査を行う態様が順に示されている。このように、照射領域の形状等に応じて第２レーザ光Ｌ２の造形方向（走査方向）は任意に決定される。そのため、造形方向に対し、第２レーザ光Ｌ２のスポット形状の長手方向が垂直になるよう、造形方向に応じてスポット形状回転機構によってスポット形状の向きが調整される。

また図１１（ｄ）、図１１（ｅ）及び図１１（ｆ）では、第２レーザ光Ｌ２での造形に適さない狭隘部、すなわち第２レーザ光Ｌ２のスポット形状に比して焼結すべき形状が小さい又は微細である部分に対しては、第２レーザ光Ｌ２を他のスポット形状を有するレーザ光Ｌ（ここでは略円形状のスポット形状を有する第１レーザ光Ｌ１）に切り替えて照射していることが示されている。このように照射位置の形状等によってスポット形状を使い分けることで、より高品質な造形を実現することができる。なお、レーザ光Ｌの切替に応じてそれぞれのレーザ光Ｌによる造形に適したレーザ強度に設定されることが望ましい。

また、レーザ光Ｌの走査方法の他の例として、下記のような走査も可能である。まず、図６（ｂ）で説明したように、各分割領域を造形方向に沿って所定の長さ毎にさらに分割し、碁盤目状の分割領域を設定する。そして、縦、横方向に隣接する分割領域に対する照射を連続して行わないように走査する。例えば、図１２（ａ）に示すように、造形方向に対して斜め一方向に隣接する分割領域を順に第２レーザ光Ｌ２で焼結する。そして、図１２（ｂ）に示すように、先に焼結された分割領域の続きを焼結するように、造形方向に対して斜め一方向に隣接する分割領域を順に第２レーザ光Ｌ２で焼結することを繰り返す。このようにレーザ光Ｌを走査すると、焼結後の冷却時に焼結層に発生する応力を緩和しながら造形することとなるので、造形物に反りが生じることを抑制することができる。また、焼結に際して生じた熱が周囲に伝播し材料粉体層８が焼結時に過剰に加熱されていると、鬆や異常焼結部等の焼結不良の発生、品質の低下、ヒュームの発生等の諸問題が起こりやすくなる。このようなレーザ光Ｌの走査では、焼結による熱が伝播しやすい縦、横方向に隣接する分割領域に対して連続して照射を行わないので、熱の影響による諸問題を抑制することができる。なお、分割領域毎の造形方向は一致していなくてもよい。例えば、ある分割領域における造形方向と該分割領域と縦、横方向に隣接する分割領域における造形方向とが、垂直に交わるよう設定されてもよい。

なお、図１１、図１２においてはレーザ光Ｌのスポット形状を連続的に並べることで、レーザ光Ｌの照射経路や、照射位置に応じた使い分けを概略的に示している。実際は、レーザ光Ｌは造形方向に走査されながら連綿と照射されている。

本発明に係るレーザ光Ｌの走査方法は以上に示した例に限定されるものではない。例えば、造形領域の周縁部においては第１レーザ光Ｌ１をベクトル走査し、残りの造形領域において第２レーザ光Ｌ２をラスタ走査してもよい。また、複数方向の造形方向の走査を組み合わせて１層の焼結層を形成してもよい。或いは、焼結層毎に造形方向を変えてもよい。具体的に例示した以外にも本発明の意義を損ねない範囲で種々の走査方法が採用可能であり、当然以上に示した例は互いに組み合わせ可能である。

更に、レーザ光Ｌは、パルスレーザであることが好ましい。すなわち、レーザ光Ｌは焼結層の形成にあたり所定のパルス幅で高速にオン／オフを切り替えられながら走査される。好適には、パルス幅（オン時間）は１ｍ秒から１０ｍ秒、オフ時間は０．１ｍ秒から５０ｍ秒の範囲に設定される。これにより、熱的影響を抑えた造形ができ、材料粉体層８の焼結状態を安定させることができる。もちろんこれに限定されるものではなく、レーザ光Ｌは連続波レーザであってもよい。

次に、図１及び図１３〜図１６を用いて、上記の積層造形装置を用いた積層造形方法について説明する。なお、図１３〜図１６では、視認性を考慮して図１においては図示した構成要素の一部を省略している。

まず、造形テーブル５上に造形プレート７を載置した状態で造形テーブル５の高さを適切な位置に調整する（図１３）。この状態で材料収容部１１ａ内に材料粉体が充填されているリコータヘッド１１を図１の矢印Ｂ方向に造形領域Ｒの左側から右側に移動させることによって、造形プレート７上に１層目の材料粉体層８を形成する（図１４）。なお、図１３、図１４に示すように、リコータヘッド１１を移動させる際は、リコータヘッド１１とホルダ４３との物理的干渉を防止するために、ホルダ４３を退避位置（図中右上）に退避させている。

続いて、図１５に示すように、ホルダ４３が退避位置から照射位置に移動し、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射して材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、１層目の焼結層８１ｆを得る。この焼結の際に発生するヒュームは、主に、ヒューム吸引カバー７２の吸引口７２ｂから吸引され、カバーユニット排出口７２ａを通じて排出される。

続いて、造形テーブル５の高さを材料粉体層８の１層分下げ、リコータヘッド１１を造形領域Ｒの右側から左側に移動させることによって、焼結層８１ｆ上に２層目の材料粉体層８を形成する。リコータヘッド１１の移動中もリコータヘッド排出口１１ｒｓでヒュームが吸引される。この際のヒューム吸引は、ヒューム発生部位に非常に近い位置で行われるので特に効果的である。

続いて、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することによって材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図１６に示すように、２層目の焼結層８２ｆを得る。この焼結の際に発生するヒュームは、主に、ヒューム吸引カバー７２の吸引口７２ｂから吸引され、カバーユニット排出口７２ａを通じて排出される。

以上の工程を繰り返すことによって、３層目以降の焼結層が形成される。隣接する焼結層は、互いに強く固着される。

必要数の焼結層を形成した後、未焼結の材料粉体を除去することによって、造形した焼結体を得ることができる。この焼結体は、例えば樹脂成形用の金型として利用可能である。

本発明は、以下の態様でも実施可能である。
第１に、チャンバ１内にスピンドルを有する加工ヘッドを備えてもよい。かかる場合、所定数（例：１０層）の焼結層を形成する度に造形物に対して切削加工を行うことができる。なお、加工ヘッドの駆動軸はホルダ４３の駆動装置６５の駆動軸と一部又は全部が共通であってもよいし、別個に設けてもよい。或いは、ホルダ４３が加工ヘッドの機能を兼ねてもよい。

第２に、リコータヘッド１１に代えて、ホルダ４３が材料供給装置及び材料粉体を均すブレードを備えてもよい。かかる場合、リコータヘッド１１とホルダ４３との物理的な干渉を考慮する必要がない。

第３に、ホルダ４３及び駆動装置６５に代えて、例えば回転式の単軸ミラーを走査部として用いてもよい。本願発明ではレーザ光Ｌの走査に高速性が要求されないので、種々の走査装置を採用可能である。

第４に、スポット形状変換光学系４５ｂを用いずに直接スポット形状が細長形状のレーザ光Ｌを照射するように実施してもよい。

１：チャンバ、１ａ：ウィンドウ、１ｂ：チャンバ供給口、１ｃ：チャンバ排出口、１ｄ：造形空間、１ｅ：副供給口、３：粉体層形成装置、４：ベース台、５：造形テーブル、７：造形プレート、８：材料粉体層、８ｆ、８１ｆ、８２ｆ：焼結層、１１：リコータヘッド、１１ａ：材料収容部、１１ｂ：材料供給部、１１ｃ：材料排出部、１１ｆｂ、１１ｒｂ：ブレード、１１ｆｓ：リコータヘッド供給口、１１ｒｓ：リコータヘッド排出口、１５：不活性ガス供給装置、１９：ヒュームコレクタ、２１、２３：ダクトボックス、２６：粉体保持壁、４２：レーザ光源、４２ａ：光ケーブル、４３：ホルダ、４３ａ：光コネクタ、４３ｂ：レーザ光射出端、４４：コリメータ、４５：光学処理ユニット、４５ａ：保護ガラス、４５ｂ：スポット形状変換光学系、４５ｃ：スポット形状回転機構、４５ｄ：照射ヘッド、６５：駆動装置、７０：カバーユニット、７１：不活性ガス供給カバー、７１ａ：カバーユニット供給口、７１ｂ：吐出口、７１ｃ：細孔、７２：ヒューム吸引カバー、７２ａ：カバーユニット排出口、７２ｂ：吸引口、Ｌ：レーザ光、Ｌ１：第１レーザ光、Ｌ２：第２レーザ光、Ｒ：造形領域。

Claims (6)

1. 造形領域を覆うチャンバと、
   前記造形領域に撒布された材料粉体を焼結させて焼結層を形成するレーザ光を生成するレーザ光源と、
   前記レーザ光を走査する走査部と、を備え、
   前記レーザ光は、少なくとも細長形状を含む１種類以上のスポット形状を有し、
   前記走査部は、
   前記レーザ光源の射出端が設けられるホルダと、
   前記ホルダの下側に設けられ、前記チャンバ内の上部から前記造形領域に向かって形成され且つ前記造形領域側に対して開口するカバーユニットと、
   前記レーザ光を透過させるとともに、ヒュームを含んだ不活性ガスがホルダ内部へ流入することを防止する保護ガラスと、
   前記保護ガラスの直下に設けられ前記カバーユニット内に清浄な不活性ガスを供給するカバーユニット供給口と、
   前記スポット形状が前記細長形状である前記レーザ光を走査するとき、前記細長形状の短手方向に走査するように、前記ホルダを前記造形領域上の任意の位置に移動させる駆動装置と、を含む、積層造形装置。
2. 前記レーザ光は、前記細長形状の長手方向に亘って一様な強度分布を有する、請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記レーザ光のスポット形状の向きを変更可能に構成される、請求項１又は請求項２に記載の積層造形装置。
4. 前記レーザ光は、パルスレーザである、請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の積層造形装置。
5. 前記レーザ光のスポット形状が前記細長形状を含む複数種類のスポット形状に変換可能に構成される、請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の積層造形装置。
6. スポット形状が細長形状である前記レーザ光の前記スポット形状の短手方向の長さに対する長手方向の長さの割合は、４〜１０００である、請求項１〜請求項５の何れか１つに記載の積層造形装置。