JP6583771B2

JP6583771B2 - 立体造形装置

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Publication number: JP6583771B2
Application number: JP2015094710A
Authority: JP
Inventors: 喜隆森本; 秀治加藤; 敬吾高杉
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2035-05-07
Also published as: JP2016210068A

Description

本発明は、立体造形装置に関し、特にレーザ照射により加熱された材料を積層させて立体的な造形物を形成する装置に関する。

近年、いわゆる３Ｄプリンタといわれる立体造形装置が実用化され、立体的な造形物を手軽に一体的に形成できる装置として注目されている。例えば、樹脂材料を用いる装置では、光硬化性樹脂に紫外光を照射することで樹脂を部分的に固化させて造形物を形成する方法や、プラスチック線材を加熱して軟化させたものを積層させて造形物を形成する方法などが用いられる。

また、金属材料を用いる装置として、金属粉末からなる粉末層の所定箇所にレーザビームを照射し、照射された箇所の金属粉末を焼結させて焼結層を形成する方法などが用いられる。この方法では、焼結層の上に新たな粉末層を敷いて新たな粉末層の所定箇所にレーザビームを照射することで三次元形状の積層造形物が形成される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−３０８７２号公報

金属粉末を焼結させる場合、加工精度を高めるために粒子径の細かい金属粉末が用いられることから、金属粉末による粉塵爆発の発生や作業者による金属粉末の吸い込みなどが懸念される。また、金属粉末の種類を変えることで多種多様な材料を用いた造形物が形成されるが、材料変更のために粒子径の細かい金属粉末を完全に除去する必要があり、材料変更に非常な手間がかかることがある。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、利便性を高めた立体造形装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の立体造形装置は、ステージと、ステージに向けて線状部材を送り出す材料供給部と、線状部材の先端部に照射されるレーザ光を出力する光源と、光源からのレーザ光を複数のビームに分割し、分割される複数のビームのそれぞれを異なる方向から線状部材の先端部に導く照射機構と、複数のビームの照射を受けて加熱された先端部がステージ上の所望の位置に積層されるようにステージと先端部の相対位置を制御する制御装置と、を備える。

本発明によれば、利便性を高めた立体造形装置を提供することができる。

ある実施例に係る立体造形装置の構成を模式的に示す側面図である。立体造形装置の構成を模式的に示す上面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、複数のビームの照射モードを模式的に示す図である。制御装置の機能構成を模式的に示すブロック図である。立体造形装置の動作の流れを示すフローチャートである。別の実施例に係る立体造形装置の構成を模式的に示す側面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

（第１実施例）
図１は、第１実施例に係る立体造形装置１０の構成を模式的に示す側面図である。立体造形装置１０は、ステージ１２と、ステージ１２に向けて線状部材６を送り出す材料供給部１４と、複数のビーム（第１ビーム２１、第２ビーム２２）を線状部材６の先端部８に導く照射機構３０と、制御装置７０とを備える。立体造形装置１０は、複数のビームの照射により線状部材６の先端部８を加熱し、加熱された先端部８をステージ１２の上に積層させることで造形物９０を形成する。

ステージ１２は、形成される造形物９０の土台となる平面を提供する。ステージ１２は、少なくとも三軸方向に移動可能なステージであり、左右方向（ｘ方向）、前後方向（ｙ方向）、上下方向または鉛直方向（ｚ方向）に移動できるよう構成される。ステージ１２を移動させることで、線状部材６の先端部８がステージ１２上の所望の位置に積層されるようにする。ステージ１２は、制御装置７０に接続されており、制御装置７０からの指令に基づいて動作する。

材料供給部１４は、ステージ１２に向けて線状部材６を送り出す搬送機構である。材料供給部１４は、ステージ１２に向けて線状部材６が鉛直方向（ｚ方向）に進むように線状部材６を送り出す。材料供給部１４は、線状部材６が巻かれたボビン１８と、ボビン１８から線状部材６を引き出してステージ１２に向けて送り出すためのローラ１６とを有する。材料供給部１４は、ローラ１６の回転速度によって線状部材６の供給速度ｖを調整するように構成される。材料供給部１４は、制御装置７０に接続されており、制御装置７０からの指令に基づいて動作する。

線状部材６は、形成される造形物９０の材料となる部材であり、樹脂や金属で構成されるワイヤ状の部材である。線状部材６は、形成しようとする造形物９０の材質や加工精度等に応じて、その材質および太さが選択される。線状部材６として、例えば、直径が１ｍｍ以下の細線が選択され、より具体的には、直径０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の太さのものが選択される。直径の小さい線状部材６を用いることで、造形物９０の加工精度を高めることができる。

図２は、立体造形装置１０の構成を模式的に示す上面図であり、照射機構３０の構成を詳細に示す図である。本図では、材料供給部１４の記載を省略している。照射機構３０は、光源２８から出力されるレーザ光を複数のビームに分割し、分割される複数のビーム２１〜２４のそれぞれを異なる方向から線状部材６の先端部８に導くように構成される。本実施例に係る照射機構３０は、光源２８からのレーザ光を四分割し、分割された４本のビーム２１〜２４を線状部材６に向けて四方向から照射するように構成される。

光源２８は、レーザ光の出力が可能なレーザ発振器を含み、例えば、半導体レーザや、ＹＡＧレーザ、ファイバレーザなどの固体レーザ発振器を含む。光源２８は、レーザ発振器からの出力を一時的に遮断するためのシャッタや、レーザ発振器からのレーザ光の強度を減衰させて出力するための光量調整フィルタなどを含む。光源２８は、制御装置７０に接続されており、制御装置７０からの指令に基づいて、レーザ発振器、シャッタ、光量調整フィルタの動作が制御される。光源２８から出力されるレーザ光は、照射機構３０に入力される。

照射機構３０は、複数の光ファイバ３１〜３７と、複数の分割素子４１〜４３と、複数の光出力部４４〜４７と、複数の集光素子５１〜５４と、複数の位置調整部５６〜５９とを有する。

複数の光ファイバ３１〜３７は、光源２８からのレーザ光を複数の光出力部４４〜４７まで伝送させる。第１光ファイバ３１は、光源２８と第１分割素子４１の間を接続する。第２光ファイバ３２は、第１分割素子４１と第２分割素子４２の間を接続する。第３光ファイバ３３は、第１分割素子４１と第３分割素子４３の間を接続する。第４光ファイバ３４は、第２分割素子４２と第１光出力部４４の間を接続する。第５光ファイバ３５は、第３分割素子４３と第２光出力部４５の間を接続する。第６光ファイバ３６は、第２分割素子４２と第３光出力部４６の間を接続する。第７光ファイバ３７は、第３分割素子４３と第４光出力部４７の間を接続する。

複数の分割素子４１〜４３のそれぞれは、光源２８からのレーザ光を二分割するビームスプリッタである。本実施例では、複数の分割素子４１〜４３のそれぞれによって分割された後のビーム強度が同等となるような特性の分割素子を用いる。このような特性の分割素子として、例えば、透過光と反射光がほぼ同等の強度となるハーフミラーを用いることができる。

第１分割素子４１は、第１光ファイバ３１により伝送される光源２８からのレーザ光を、第２光ファイバ３２に向かう光と第３光ファイバ３３に向かう光に分割する。第２分割素子４２は、第２光ファイバ３２により伝送されるレーザ光を、第４光ファイバ３４に向かう光と第６光ファイバ３６に向かう光に分割する。第３分割素子４３は、第３光ファイバ３３により伝送されるレーザ光を第５光ファイバ３５に向かう光と第７光ファイバ３７に向かう光に分割する。

複数の光出力部４４〜４７は、光ファイバにより伝送されたレーザ光を線状部材６の先端部８に向かう複数のビーム２１〜２４として出力させる。複数の光出力部４４〜４７は、複数のビーム２１〜２４を先端部８に向けて四方向から照射できるように、先端部８を囲む四方に配置される。例えば、第１光出力部４４および第２光出力部４５は、先端部８を挟んでｘ方向に対向するように配置され、第３光出力部４６および第４光出力部４７は、先端部８を挟んでｙ方向に対向するように配置される。

複数の光出力部４４〜４７は、先端部８に向かう複数のビーム２１〜２４の進行方向が互いに非平行となるように配置される。複数の光出力部４４〜４７は、例えば、図１に示す第１ビーム２１および第２ビーム２２のように、先端部８に向けて斜め下方向にビームが進行するように配置される。これにより、第１光出力部４４から出力される第１ビーム２１が対向する位置にある第２光出力部４５に入射し、光源２８にレーザ光が戻るのを防ぐ。

複数の集光素子５１〜５４のそれぞれは、対応する光出力部４４〜４７から出力されるビーム２１〜２４を線状部材６の先端部８に向けて集光させる。複数の集光素子５１〜５４は、例えば、凸レンズなどの正の屈折力を有する光学素子で構成される。なお、複数の集光素子５１〜５４は、図示されるような透過型の光学素子ではなく、凹面鏡などの反射型の光学素子であってもよい。

第１集光素子５１は、第１光出力部４４から出力される第１ビーム２１を先端部８に集光させ、第２集光素子５２は、第２光出力部４５から出力される第２ビーム２２を先端部８に集光させる。第３集光素子５３は、第３光出力部４６から出力される第３ビーム２３を先端部８に集光させ、第４集光素子５４は、第４光出力部４７から出力される第４ビーム２４を先端部８に集光させる。

複数の位置調整部５６〜５９のそれぞれは、対応する集光素子５１〜５４により集光されるビーム２１〜２４の集光位置を調整する。第１位置調整部５６は、第１集光素子５１の配置を変えることで第１ビーム２１の集光位置を調整する。第１位置調整部５６は、第１集光素子５１の位置や角度を変化させるアクチュエータを有し、このアクチュエータを動作させることで第１ビーム２１の集光位置を変化させる。第２位置調整部５７、第３位置調整部５８および第４位置調整部５９は、第１位置調整部５６と同様に構成される。複数の位置調整部５６〜５９のそれぞれは、制御装置７０からの指令に基づいて動作する。

第１位置調整部５６は、例えば、第１ビーム２１の進行方向と第１集光素子５１の光軸のなす角度が変化するように第１集光素子５１をわずかに回転させることで第１ビーム２１の集光位置を調整する。第１位置調整部５６は、第１ビーム２１が第１集光素子５１の光軸から少し外れるように第１集光素子５１を第１ビーム２１の進行方向と交差する方向に変位させることで第１ビーム２１の集光位置を調整してもよい。

第１位置調整部５６は、第１ビーム２１の集光位置を水平方向（ｙ方向）および鉛直方向（ｚ方向）に調整可能となるように構成される。第１位置調整部５６は、第１ビーム２１の集光位置をｙ方向およびｚ方向に調整することで、第１ビーム２１が先端部８の中心に照射されるようにする。第２位置調整部５７も同様に、第２ビーム２２の集光位置をｙ方向およびｚ方向に調整可能となるように構成される。また第３位置調整部５８および第４位置調整部５９は、第３ビーム２３および第４ビーム２４の集光位置をｘ方向およびｚ方向に調整可能となるように構成される。

複数の位置調整部５６〜５９は、複数のビーム２１〜２４のそれぞれの集光位置がｚ方向に一致するように、もしくは、ｚ方向にずれるように動作することでビーム２１〜２４の照射モードを切り替える。図３（ａ）および図３（ｂ）は、複数のビームの照射モードを模式的に示す図である。図３（ａ）は、第１ビーム２１および第２ビーム２２の集光位置が一致する「集中モード」を示す。この集中モードでは、複数のビーム２１〜２４の全ての集光位置がｚ方向に一致するように複数の位置調整部５６〜５９が動作する。複数のビーム２１〜２４の集光位置を一致させることで、線状部材６の先端部８を局所的に加熱できる。

図３（ｂ）は、第１ビーム２１および第２ビーム２２の集光位置がｚ方向にΔｚだけずれた「分散モード」を示す。この分散モードでは、複数のビーム２１〜２４のそれぞれの集光位置がｚ方向にずれるように複数の位置調整部５６〜５９が動作する。複数のビーム２１〜２４の集光位置をずらすことで、線状部材６の先端部８の近傍における広い範囲を加熱できる。

図２に戻り、立体造形装置１０は、計測装置６０をさらに備える。計測装置６０は、先端部８の状態を観測するためのカメラや光検出器を有する。計測装置６０は、先端部８に向けて配置され、先端部８の画像の取得や、先端部８に照射されるビームの散乱光強度の検出をする。計測装置６０が取得または検出する信号は、制御装置７０に送られる。

図４は、制御装置７０の機能構成を模式的に示すブロック図である。制御装置７０は、光源制御部７１と、照射制御部７２と、供給制御部７３と、移動制御部７４と、計測部７５と、受付部７６と、記憶部７７を有する。

本明細書のブロック図において示される各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組み合わせによる様々なかたちで実現できることは、当業者に理解されるところである。

光源制御部７１は、光源２８の動作を制御する。光源制御部７１は、使用する線状部材６の材質や太さに応じて、線状部材６の加熱に適した強度のレーザ光が出力されるように光源２８を制御する。光源制御部７１は、計測部７５が取得する値に応じて、線状部材６の先端部８が積層に適した状態に維持されるように光源２８の出力を調整してもよい。光源制御部７１は、計測部７５が取得する値が所定の閾値を超える場合や下回る場合に、エラー処理として光源２８からのレーザ光の出力を停止させる。

照射制御部７２は、照射機構３０の動作を制御する。照射制御部７２は、複数のビーム２１〜２４のそれぞれが線状部材６の先端部８に照射されるように、複数の位置調整部５６〜５９を動作させる。照射制御部７２は、計測部７５が取得する値に応じて、線状部材６の先端部８が積層に適した状態に維持されるように複数の位置調整部５６〜５９を動作させてもよい。照射制御部７２は、使用する線状部材６の材質や太さに応じて、上述の「集中モード」または「分散モード」のいずれかの一方の照射モードが実現されるように複数の位置調整部５６〜５９を動作させる。

供給制御部７３は、材料供給部１４の動作を制御する。供給制御部７３は、使用する線状部材６の材質や太さに応じて、線状部材６が所定の供給速度ｖで送り出されるように材料供給部１４を動作させる。供給制御部７３は、計測部７５が取得する値に応じて、線状部材６の先端部８が積層に適した状態に維持されるように供給速度ｖを調整してもよい。供給制御部７３は、計測部７５が取得する値が所定の閾値を超える場合や下回る場合に、エラー処理として材料供給部１４による線状部材６の送り出しを停止させる。

移動制御部７４は、ステージ１２の動作を制御する。移動制御部７４は、記憶部７７に保持される造形物９０の形状を示すデータや、造形物９０を成型する手順を示すデータ等に基づいて、先端部８が所望の位置に積層されるようにステージ１２を移動させる。移動制御部７４は、計測部７５が取得する値に応じて、線状部材６の先端部８が積層に適した状態に維持されるようにステージ１２の移動速度を調整してもよい。移動制御部７４は、計測部７５が取得する値が所定の閾値を超える場合や下回る場合に、エラー処理としてステージ１２の移動を停止させる。

計測部７５は、ステージ１２と材料供給部１４の間の電気抵抗を測定し、測定する電気抵抗の値に基づいて線状部材６の先端部８の状態を解析する。線状部材６として金属を用いる場合、ステージ１２の上に形成される造形物９０と線状部材６の間は半溶融状態または溶融状態の先端部８によって電気的に接続される。金属の電気抵抗は、一般に温度に依存し、温度が高くなるほど抵抗値が上がることから、造形物９０と線状部材６の間の電気抵抗を測定することにより、先端部８の状態を推定することができる。

例えば、造形物９０と線状部材６の間の電気抵抗が低い場合、先端部８が固化した状態で造形物９０と線状部材６の間が接続されていることが推定される。一方、造形物９０と線状部材６の間の電気抵抗が高い場合、造形物９０と線状部材６の間がつながっていないことが推定される。また、造形物９０と線状部材６の間の電気抵抗が中程度の場合、いいかえれば、電気抵抗が所定範囲内である場合には、半溶融状態または溶融状態の先端部８により造形物９０と線状部材６の間がつながっていることが推定される。これら三つの状態のいずれであるかを判定するための閾値は、使用する線状部材６の材質や太さなどに応じて設定される。計測部７５は、このようにして、測定する電気抵抗の値から造形物９０と線状部材６の間を状態を解析する。

計測部７５は、計測装置６０からの信号に基づいて線状部材６の先端部８の状態を解析してもよい。計測部７５は、例えば、計測装置６０から取得する画像に基づいて線状部材６の先端部８が均一な厚さで積層されているか否かを判定してもよい。また計測部７５は、計測装置６０が検出する散乱光の強度に基づいて、線状部材６の先端部８に適切にビームが入射しているか否かを判定してもよい。

受付部７６は、ユーザからの操作入力や、造形物９０の成形に必要な各種データの入力等を受け付ける。受け付けされる各種データは、例えば、造形物９０の形状を示す三次元データや、成形工程の順序を示すデータ、使用する線状部材６の材質や太さなどに応じたビーム照射強度、材料供給速度、ステージ移動速度といった成型条件に関するデータなどである。受付部７６が受け付ける各種データは、記憶部７７に保持される。

つづいて、立体造形装置１０の動作について説明する。
図５は、立体造形装置１０の流れを示すフローチャートである。立体造形装置１０は、造形の指示を受け付けると（Ｓ１０）、指示内容に基づいてステージ１２の移動を開始し（Ｓ１２）、ステージ１２への線状部材６の供給および線状部材６の先端部８へのビーム照射を開始する（Ｓ１４）。線状部材６とステージ１２の間の電気抵抗を測定し、測定する電気抵抗が第１範囲内であり（Ｓ１６のＹ）、かつ、第２範囲内である場合（Ｓ１８のＹ）、ステージ１２の移動、線状部材６の供給およびビーム照射を継続する（Ｓ２０）。

測定する電気抵抗が第１範囲内であり（Ｓ１６のＹ）、第２範囲外である場合（Ｓ１８のＮ）、電気抵抗が第２範囲内に収まるように、ステージ１２の移動速度、線状部材６の供給速度およびビーム照射強度などの造形条件を調整し（Ｓ２０）、ステージ１２の移動、線状部材６の供給およびビーム照射を継続する（Ｓ２２）。造形が終了していなければ（Ｓ２４のＮ）、Ｓ１６〜Ｓ２２のステップを繰り返す。造形が終了していれば（Ｓ２４のＹ）、ステージ１２の移動、線状部材６の供給およびビーム照射を停止させる（Ｓ２６）。測定する電気抵抗が第１範囲外である場合（Ｓ１６のＮ）、エラー処理としてステージ１２の移動、線状部材６の供給およびビーム照射を停止させる（Ｓ２６）。

ここで、第１範囲とは、線状部材６の先端部８が造形可能な状態であると推定される電気抵抗値として設定される範囲であり、第２範囲とは、線状部材６の先端部８が造形に適した状態であると推定される電気抵抗値として設定される範囲である。第１範囲は、第２範囲よりも値の範囲が広くなるように設定される。例えば、第１範囲の上限および下限をそれぞれ第１上限値および第１下限値とし、第２範囲の上限および下限をそれぞれ第２上限値および第２下限値とした場合、第１上限値≧第２上限値、第１下限値≦第２下限値の関係となるようにそれぞれの値が設定される。第１範囲および第２範囲の値は、使用する線状部材６の材質や太さに応じて適宜設定することが望ましい。

なお、第１範囲および第２範囲のそれぞれは、上限値または下限値のいずれか一方のみにより定められてもよい。また、第１範囲または第２範囲の双方を設定するのではなく、第１範囲または第２範囲のいずれか一方のみを設定してもよい。例えば、第１範囲のみを設定する場合、電気抵抗値に基づくフィードバック制御せず、第１範囲外となる場合にエラー処理を実行してもよい。一方で、第２範囲のみを設定する場合には、第２範囲外となる場合に電気抵抗値に基づくフィードバック制御をし、電気抵抗値に基づくエラー処理を実行しなくてもよい。

また、第１範囲を設定する代わりに、電気抵抗値が測定不能となる場合、例えば、ステージ１２と線状部材６の間で電流が流れない状態となることを条件としてエラー処理を実行してもよい。また、第２範囲を設定する代わりに、基準となる電気抵抗値（基準抵抗値）を設定し、測定される電気抵抗値が基準抵抗値と一致するように、ステージ１２の移動速度、線状部材６の供給速度およびビーム照射強度などの造形条件を調整するフィードバック制御を実行してもよい。

以上の構成により、立体造形装置１０は、複数のビーム２１〜２４により加熱され、軟化、半溶融もしくは溶融状態となる線状部材６の先端部８をステージ１２の所望の位置に配置する。配置された線状部材６の先端部８は、冷えて硬化し、造形物の一部となる。硬化した造形物の一部の上には加熱された新たな先端部８が配置される。このようにして線状部材６を積み重ねていくことにより、ステージ１２の上に所望の形状を有する造形物９０を形成できる。

本実施例によれば、金属粉末を使用する代わりに金属のワイヤを用いて金属製の造形物を形成することができる。そのため、金属粉末の使用に起因する粉塵爆発の懸念を払拭することができる。また、材料を変更する場合であっても、ボビン１８に巻かれた線状部材６を取り替えればよいため、金属粉末を完全に除去するという手間のかかる作業を省くことができる。したがって、本実施例によれば、利便性の高い立体造形装置１０を提供することができる。

本実施例によれば、線状部材６の先端部８に複数の方向からビームを照射するため、先端部８の積層に適した状態を安定して保つことができる。また、一つの光源２８からのレーザ光を分割して用いるため、複数の方向から照射されるビーム強度を均一にすることが容易となる。これにより、先端部８を均一に加熱して積層に適した状態とすることができる。また、複数のビームの照射強度を一箇所で制御できるため、複数のビーム照射を実現するために光源を複数用意する場合と比べて制御を簡単にできる。

本実施例によれば、直径１ｍｍ以下という径の小さな線状部材６を用いるため、加工精度を高めることができる。また、径の小さな線状部材６を用いることで、先端部８の加熱に必要なエネルギーを小さくできる。例えば、直径０．１ｍｍのチタン（Ｔｉ）製の線状部材６を供給速度ｖ＝１ｍｍ／ｓで供給する場合、先端部８を溶融状態とするために必要な照射ビームの強度は０．１Ｗ以下程度となる。溶融に必要な強度を下げることで、光源２８や照射機構３０を構成する各光学素子を小型化することができ、小型で安価な立体造形装置１０を提供することができる。

本実施例によれば、線状部材６とステージ１２の間の電気抵抗の値を用いてフィードバック制御をすることにより、線状部材６の先端部８を積層に適した状態に維持しながら造形物９０を形成できる。特に、線状部材６として金属を用いる場合、先端部８を半溶融または溶融状態に維持したまま連続的に積層させていくため、造形物９０を構成する各層を一体化させて造形物９０の強度を高めることができる。また、電気抵抗の値が所定の範囲（例えば、第１範囲）から外れた場合には、エラー処理として装置を停止させるため、立体造形装置１０の安全性を高めることができる。

本実施例によれば、照射モードとして「集中モード」と「分散モード」を用意することにより、使用可能な線状部材６の種類を増やすことができる。例えば、樹脂などの軟化に必要なエネルギーが相対的に小さい材料に対して分散モードを用いることにより、線状部材６の過加熱を防ぐことができる。一方、融点の高い金属材料には集中モードを用いることで、先端部８を局所的に加熱して積層が可能となる半溶融状態にすることができる。一台の立体造形装置１０にて扱える材料の種類を増やすことで、立体造形装置１０の利便性をさらに向上させることができる。

（第２実施例）
図６は、第２実施例に係る立体造形装置１１０の構成を模式的に示す側面図である。立体造形装置１１０は、複数の材料供給部１４ａ，１４ｂを備える点で上述の第１実施例に係る立体造形装置１０と相違するが、その他の構成については立体造形装置１０と共通する。以下、立体造形装置１１０について、第１実施例との相違点を中心に説明する。

立体造形装置１１０は、第１材料供給部１４ａと第２材料供給部１４ｂを備える。第１材料供給部１４ａおよび第２材料供給部１４ｂのそれぞれは、上述の材料供給部１４と同様に構成される。第１材料供給部１４ａは、第１線状部材６ａが巻かれた第１ボビン１８ａと、第１ボビン１８ａから第１線状部材６ａを引き出してステージ１２に送り出す第１ローラ１６ａとを有する。第２材料供給部１４ｂは、第２線状部材６ｂが巻かれた第２ボビン１８ｂと、第２ボビン１８ｂから第２線状部材６ｂを引き出してステージ１２に送り出す第２ローラ１６ｂとを有する。

第１材料供給部１４ａおよび第２材料供給部１４ｂは、第１線状部材６ａの第１先端部８ａと第２線状部材６ｂの第２先端部８ｂとが隣接または近接するようにして、それぞれの線状部材をステージ１２に送り出すように構成される。また、第１材料供給部１４ａおよび第２材料供給部１４ｂは、第１線状部材６ａの供給速度ｖ_１と第２線状部材６ｂの供給速度ｖ_２をそれぞれ独立して調整できるように構成される。

第１線状部材６ａと第２線状部材６ｂの材質や太さは、それぞれ同じでもよいし、異なってもよい。第１線状部材６ａと第２線状部材６ｂの材質を同じとすることで、１本の線状部材を用いる場合と比べて材料の供給速度を高めることができる。また、第１線状部材６ａと第２線状部材６ｂの材質を互いに異なるものとすることで、複数のビームが加熱されて半溶融または溶融状態となる先端部において両者を混合させて積層させることができる。例えば、第１線状部材６ａおよび第２線状部材６ｂとして種類の異なる金属ワイヤを用いることで、先端部において合金を形成し、形成された合金をステージ１２上に積層できる。さらに、第１線状部材６ａの供給速度ｖ_１と第２線状部材６ｂの供給速度ｖ_２を調整することにより、先端部に形成される合金の組成比を調整できる。

照射機構３０は、第１先端部８ａと第２先端部８ｂのそれぞれに複数のビームの少なくとも一つを照射するように構成される。例えば、図６に示すように、第１ビーム２１が第１線状部材６ａに照射され、第２ビーム２２が第２線状部材６ｂに照射されるように第１ビーム２１および第２ビーム２２の焦点位置を調整する。また、図２に示す第３ビーム２３が第１線状部材６ａに照射され、第４ビーム２４が第２線状部材６ｂに照射されるように第３ビーム２３および第４ビーム２４の焦点位置を調整する。

照射機構３０は、第１線状部材６ａと第２線状部材６ｂの材質や太さ、それぞれの供給速度ｖ_１、ｖ_２などの造形条件に応じて、第１先端部８ａおよび第２先端部８ｂのそれぞれに照射されるビームの本数を変えてもよい。例えば、第１線状部材６ａが高融点材料である場合や、第１線状部材６ａの供給速度ｖ_１を第２線状部材６ｂの供給速度ｖ_２よりも大きくする場合には、第１先端部８ａに３本のビームを照射し、第２先端部８ｂに１本のビームのみを照射してもよい。また照射機構３０は、第１先端部８ａに複数のビームを照射させる場合に、複数のビームの照射モードが「集中モード」または「分散モード」となるように各ビームの焦点位置を調整してもよい。第２先端部８ｂに複数のビームを照射させる場合も同様である。

制御装置７０は、第１線状部材６ａと第２線状部材６ｂの供給速度ｖ_１、ｖ_２の比が所定値となるように第１材料供給部１４ａおよび第２材料供給部１４ｂを動作させる。例えば、造形物９０を一定の組成比の合金で形成する場合、その組成比が実現されるように供給速度ｖ_１、ｖ_２の値を調整する。また造形物９０の一部の組成比を変化させる場合には、第１先端部８ａおよび第２先端部８ｂが合金となって積層されるステージ１２上の位置に応じて、第１線状部材６ａおよび第２線状部材６ｂの供給速度ｖ_１、ｖ_２の比を調整する。さらに、造形物９０の組成比を連続的に変化させる場合には、積層されるステージ１２上の位置に応じて、第１線状部材６ａおよび第２線状部材６ｂの供給速度ｖ_１、ｖ_２の比を徐々に変化させる。

本実施例によれば、第１線状部材６ａおよび第２線状部材６ｂとして互いに種類の異なる金属ワイヤを用いることで、先端部において合金を形成して積層させることができる。また、第１線状部材６ａおよび第２線状部材６ｂの供給速度ｖ_１、ｖ_２の比を調整することにより、合金の組成比を調整して積層させることができる。これにより、部分的に金属組成比が異なる造形物や、組成比に傾斜性を持たせた造形物を一体的に形成することができる。また、径の小さな線状部材を用いることで、合金の組成比を精密に制御しながら造形物を形成することが可能となる。

以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれ得る。

上述の実施例では、線状部材の先端部に照射するビームを４本用いる場合を示した。変形例においては、線状部材の先端部に照射するためのビームとして、３本以下のビームを用いてもよいし、５本以上のビームを用いてもよい。また、複数のビームのそれぞれを出力する光出力部は、線状部材の先端部を囲むように径方向に均等に配置されてもよいし、不均等に配置されてもよい。

上述の実施例では、線状部材を１本または２本供給できるように構成される材料供給部１４を示した。変形例においては、線状部材を３本以上供給できるように材料供給部を構成してもよい。この場合、材料供給部は３本以上ある複数の線状部材のそれぞれの供給速度を独立に調整できることが望ましい。また、照射機構は、３本以上ある複数の線状部材のいずれかの先端部にビームが照射できるように構成される。

上述の実施例では、光ファイバを用いて複数のビームが伝送される照射機構３０を示した。変形例においては、光学ミラーなどの反射素子を用いて複数のビームを伝送するためのビーム経路が構築される照射機構を採用してもよい。

上述の実施例では、材料供給部１４により供給される線状部材の先端部の位置を固定し、ステージ１２を移動させることにより、ステージ１２と線状部材の先端部との相対位置を変化させて造形物を形成する構成を示した。変形例においては、ステージを固定式とし、線状部材の先端部の位置を水平方向（ｘ方向およびｙ方向）に移動させることで、ステージと線状部材の先端部との相対位置を変化させてもよい。この場合、材料供給部および照射機構は、水平方向に移動可能なヘッドに載置され、ヘッドを水平方向にスキャンすることでステージ上の所望の位置に加熱された先端部が積層される。このとき、ステージが鉛直方向に移動可能となるように構成されてもよいし、ヘッドが鉛直方向に移動可能となるように構成されてもよい。

６…線状部材、８…先端部、１０…立体造形装置、１２…ステージ、１４…材料供給部、２０…ビーム、２８…光源、３０…照射機構、７０…制御装置、９０…造形物。

Claims

ステージと、
前記ステージに向けて金属を含む線状部材を送り出す材料供給部と、
前記線状部材の先端部に照射されるレーザ光を出力する光源と、
前記光源からのレーザ光を複数のビームに分割し、分割される複数のビームのそれぞれを異なる方向から前記線状部材の先端部に導く照射機構と、
前記複数のビームの照射を受けて加熱された前記先端部が前記ステージ上の所望の位置に積層されるように前記ステージと前記先端部の相対位置を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記ステージ上に積層される造形物と前記線状部材の間の電気抵抗を測定し、測定する電気抵抗の値が所定の基準値または所定の範囲内となるように前記複数のビームの強度、前記線状部材および前記ステージと前記先端部の相対速度の少なくとも一つを制御することを特徴とする立体造形装置。
前記制御装置は、前記測定する電気抵抗の値が所定の上限値を超える場合および所定の下限値を下回る場合の少なくとも一方において、前記複数のビームの照射を停止させることを特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
ステージと、
前記ステージに向けて線状部材を送り出す材料供給部と、
前記線状部材の先端部に照射されるレーザ光を出力する光源と、
前記光源からのレーザ光を複数のビームに分割し、分割される複数のビームのそれぞれを異なる方向から前記線状部材の先端部に導く照射機構と、
前記複数のビームの照射を受けて加熱された前記先端部が前記ステージ上の所望の位置に積層されるように前記ステージと前記先端部の相対位置を制御する制御装置と、
を備え、
前記照射機構は、前記複数のビームのそれぞれの照射位置を調整する複数の位置調整部を有し、
前記制御装置は、前記複数のビームのそれぞれの照射位置が前記ステージに向かう前記線状部材の延在方向において一致するように前記複数のビームを照射させる集中モードと、前記複数のビームのそれぞれの照射位置が前記延在方向において互いにずれるように前記複数のビームを照射させる分散モードのいずれか一方が実現されるように、前記複数の位置調整部のそれぞれを動作させることを特徴とする立体造形装置。
前記材料供給部は、複数の線状部材のそれぞれの先端部が隣接または近接するように前記複数の線状部材を前記ステージに向けて送り出し、
前記照射機構は、前記複数の線状部材のそれぞれの先端部に前記複数のビームの少なくとも一つを照射させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の立体造形装置。
前記複数の線状部材のそれぞれは、互いに異なる種類の金属を含み、
前記材料供給部は、前記複数の線状部材をそれぞれ独立した供給速度で前記ステージに向けて送り出し、
前記制御装置は、前記複数の線状部材のそれぞれの供給速度の比が所定値となるよう前記材料供給部を動作させることを特徴とする請求項４に記載の立体造形装置。
ステージと、
前記ステージに向けて線状部材を送り出す材料供給部と、
前記線状部材の先端部に照射されるレーザ光を出力する光源と、
前記光源からのレーザ光を複数のビームに分割し、分割される複数のビームのそれぞれを異なる方向から前記線状部材の先端部に導く照射機構と、
前記複数のビームの照射を受けて加熱された前記先端部が前記ステージ上の所望の位置に積層されるように前記ステージと前記先端部の相対位置を制御する制御装置と、
を備え、
前記材料供給部は、複数の線状部材のそれぞれの先端部が隣接または近接するように前記複数の線状部材を前記ステージに向けて送り出し、前記複数の線状部材のそれぞれが互いに異なる種類の金属を含み、
前記照射機構は、前記複数の線状部材のそれぞれの先端部に前記複数のビームの少なくとも一つを照射して前記先端部を半溶融または溶融状態とし、前記異なる種類の金属が混合された合金を前記ステージ上に積層させることを特徴とする立体造形装置。
前記制御装置は、前記複数の線状部材の先端部が積層される前記ステージ上の位置に応じて前記複数の線状部材のそれぞれの供給速度の比が変化するよう前記材料供給部および前記ステージを動作させることを特徴とする請求項５または６に記載の立体造形装置。
前記複数の線状部材のそれぞれの太さが異なることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の立体造形装置。
前記照射機構は、前記複数のビームのそれぞれの進行方向を互いに非平行として、前記複数のビームを前記線状部材の先端部に照射させることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の立体造形装置。