JP6824652B2 - ３次元造形方法、および３次元造形物の製造装置 - Google Patents

Description

敷設した材料粉末の一部にエネルギービームを照射して材料粉末を固化させて固化層を形成し、形成した固化層の上にさらに敷設した材料粉末の一部にエネルギービームを照射して固化させる３次元造形方法、および３次元造形物の製造装置に関する。

３次元造形物の造形方法の１つとして、材料粉末の薄層を敷設し、材料粉末の薄層の所定箇所にレーザを照射し、材料粉末を溶融または焼結させて固化層を形成することを繰り返して造形物を造形する粉末積層造形法が知られている。この粉末積層造形法では、材料粉末への入熱量により粉末の固化状態（溶融、焼結、拡散接合状態）が変化し、薄層の粉末量に誤差が出ると造形物の特性が変化したり形状精度が低下したりする可能性がある。

例えば、敷設する材料粉末層の厚みに関しては、材料粉末の荷重起因で造形ステージの変位が発生し、造形が進む程に粉末量が増え変位量が増加する現象が知られている（下記の特許文献１）。特許文献１では、造形を通して薄層の厚みが一定にならないことにより単位体積当たりの粉末への入熱量に差が出る問題が認識されている。この特許文献１では、敷設する薄層の厚みを一定にし、層毎に単位体積当たりの粉末への入熱量に差がでる影響を抑制すべく、粉末の荷重起因で造形ステージが変位する量を想定した厚さで粉末を敷設するよう制御する。

また、レーザの入熱による熱応力で造形プレートの反りが発生し、反り量に応じて粉敷きの厚みに誤差が出ることで、単位体積当たりの粉末への入熱量に差が出る現象が知られている（下記の特許文献２）。特許文献２では、造形プレート上に土台固化層とする造形物を造形し、造形プレートおよび土台固化層の反りが発生しなくなるまで土台固化層を造形する構成を用いている。これにより、反り量の大小に起因する粉敷き厚みの誤差を抑制し、層毎に単位体積当たりの粉末への入熱量に差が出る影響を低減しようとしている。

特開２０１２−２４１２６１号公報 特開２０１３−１６３８２９号公報

しかしながら、上記の特許文献１、２に記載の従来技術によると、材料粉末層の厚みを一定にすることができるが、その一定の薄層の厚み内で、材料粉末が例えば所期の均一性をもって、想定通りに敷けているかまでは考慮されていない。

例えば、造形精度を高めるためには、材料粉末の粒径や、１層の材料粉末層の厚みを小さくすることが考えられる。例えば、例えば材料粉末の粒径を１０μｍ以下に、また、１層の材料粉末層の厚みを３０μｍ以下に小さくすることが考えられる。ところが、このような粒径や層厚のオーダでは、敷設前の面精度が高い場所の上部では粉末が想定通りに敷けず、粉末量が少なくなってしまう現象が発生することがある。

発明者の知見によると、材料粉末の敷設の均一性は、材料粉末を敷設する造形エリアの下地、即ち、新しく材料粉末を敷設する敷設面の表面状態（面精度、表面粗さなど）に影響を受ける。この敷設面は、例えば１層目の材料粉末を敷設する造形エリアの底部を構成する造形プレート（ベースプレート）の表面、および、前層の（固化済みの）固化層の表面である。

そして、特にこれら敷設面の面精度が高い（表面粗さが小さい）場合には、次層の敷設時に材料粉末が綺麗に（例えば均一に）敷けないという現象が起こる。また、逆に、このように均一性を持って敷設できなかった材料粉末を固化させて得た固化層は、面精度が比較的、低く（表面粗さが大きく）なる傾向があり、この面精度の低い固化層の上には材料粉末が均一に敷設される、といった現象が観察される。

このように、例え材料粉末層を毎回、一定の層厚で敷設できたとしても、材料粉末が均一に敷設できていない材料粉末層では、実質的に敷設される粉末量が少なくなっている可能性がある。この場合には、当該の材料粉末層では、単位体積当たりの粉末への入熱量が大きくなり過ぎ、造形物の特性が変化したり形状精度が低下する可能性がある。

本発明の課題は、上述の問題点に鑑み、材料粉末へ入熱量を適切に制御することで造形物の特性変化や形状精度の低下を抑制できるようにすることにある。

本発明の一態様は、造形エリアに敷設した材料粉末の一部にエネルギービームを照射して前記材料粉末を固化させて固化層を形成し、形成した前記固化層の上にさらに材料粉末を敷設してその一部にエネルギービームを照射して前記材料粉末を固化させる工程を含む３次元造形物の製造方法において、制御装置が、表面状態測定装置から、前記造形エリアに敷設された前記材料粉末の表面状態の測定情報としての表面粗さの情報を取得する測定情報取得工程と、前記制御装置が、前記測定情報取得工程で取得した表面状態の測定情報に基づき、当該の前記材料粉末に照射するエネルギービームの照射出力を制御する照射出力制御工程と、を備え、前記制御装置は、前記表面状態測定装置で取得した前記造形エリアに敷設された前記材料粉末の特定部位の前記表面粗さの情報に基づき、前記照射出力制御工程において、当該の特定部位を固化させるために照射する前記エネルギービームの照射出力を決定する３次元造形物の製造方法である。

本発明の別の一態様は、造形エリアに敷設した材料粉末の一部にエネルギービームを照射して前記材料粉末を固化させて固化層を形成し、形成した前記固化層の上にさらに材料粉末を敷設してその一部にエネルギービームを照射して前記材料粉末を固化させる３次元造形物の製造装置は、制御装置を備え、前記制御装置は、表面状態測定装置から、前記造形エリアに敷設された前記材料粉末の表面状態の測定情報としての表面粗さの情報を取得する測定情報取得工程と、前記測定情報取得工程で取得した表面状態の測定情報に基づき、当該の前記材料粉末に照射するエネルギービームの照射出力を制御する照射出力制御工程と、を実行し、前記制御装置は、前記表面状態測定装置で取得した前記造形エリアに敷設された前記材料粉末の特定部位の前記表面粗さの情報に基づき、前記照射出力制御工程において、当該の特定部位を固化させるために照射する前記エネルギービームの照射出力を決定する３次元造形物の製造装置である。

上記構成のうち、表面状態測定装置で材料粉末を敷設する前の敷設面の表面状態の測定情報を取得する構成によれば、敷設面に敷設される材料粉末の敷設状態に適合した、同材料粉末に照射するエネルギービームの照射出力値を決定することができる。また、表面状態測定装置によって、敷設した材料粉末の表面状態の測定情報を取得する構成によれば、取得した表面状態に応じて材料粉末の敷設状態を特定できる。そして、当該の材料粉末の敷設状態に適合した同材料粉末を固化させるためのエネルギービームの照射出力値を決定することができる。

また、それまでにエネルギービームの照射により固化させた固化層の層数の偶奇性情報を利用する構成は、敷設状態の良好（均一）、またはそうではない材料粉末層が交互に現れる特性を利用するものである。その場合、それまでにエネルギービームの照射により固化させた固化層の層数の偶奇性情報を利用して、当該の材料粉末の敷設状態に適合した同材料粉末を固化させるためのエネルギービームの照射出力値を決定することができる。例えば、造形エリア底部に配置する造形プレートの表面状態を制御の基点として、前記偶奇性情報を利用して、当該の材料粉末の敷設状態に適合した同材料粉末を固化させるためのエネルギービームの照射出力値を決定することができる。

また、前記材料粉末の敷設に先立ち、前回、固化させた固化層の固化の際に用いたエネルギービームの照射出力値を用いる構成でも、敷設状態が良好（均一）、あるいはそうではない材料粉末層が交互に現れる特性を利用する。例えば、造形エリア底部に配置する造形プレートの表面状態を制御の基点として、当該の材料粉末に先立ち、前回、固化させた固化層の固化の際に用いた照射出力値を用いて、前記材料粉末を固化させるためのエネルギービームの照射出力値を決定する。これにより、当該の材料粉末の敷設状態に適合した同材料粉末を固化させるためのエネルギービームの照射出力値を決定することができる。

上記のいずれかの造形制御によって、敷設した材料粉末を固化させるためのエネルギービームの照射出力値を決定することにより、当該の材料粉末を固化させる際の入熱量を当該の材料粉末の敷設状態に適合した輻射熱量に制御することができる。これにより、造形物の特性変化や形状精度の低下を抑制し、想定通りの造形物の物性値を有する、特に各造形層の物性値が均一な、良好な品質の造形物を造形することができる。

本発明を実施可能な３次元造形装置の構成例を示した模式図である。 （ａ）〜（ｄ）は図１の装置における１層目の粉敷き工程の様子を順を追って示した説明図である。 （ａ）〜（ｄ）は図１の装置における２層目以降の粉敷き工程の様子を順を追って示した説明図である。 図１の装置の制御系（制御装置）の構成例を示したブロック図である。 図１の装置における３次元造形制御手順の流れを示したフローチャート図である。 図１の装置における材料粉末層の敷設状態とレーザ照射出力の関係を示した線図である。 図１の装置において、表面状態測定装置で測定される表面状態に相当する各種特性量と、レーザ照射出力を関係づけの一例を示した線図である。

以下、添付図面に示す実施例を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。なお、以下に示す実施例はあくまでも一例であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更することができる。また、本実施形態で取り上げる数値は、参考数値であって、本発明を限定するものではない。

＜実施例１＞
図１に本発明を実施可能な３次元造形装置の構成の一例を示す。以下、図１の装置によって、本発明の３次元造形物の製造装置の一実施例を説明するとともに、併せて本発明による３次元造形物の製造方法、特に敷設した各層の材料粉末を固化させるエネルギービームの照射出力を制御する手法についても詳細に説明する。

図１の造形装置の主要部は、メインフレーム１によって支持されている。メインフレーム１上には、供給ステージ２、造形ステージ３、粉敷きユニット４、造形レーザユニット５および材料粉末回収ユニット６、およびカメラ７が設置されている。

供給ステージ２は、造形テーブル１０２に設けられた開口部（開口断面形状は任意）内に、不図示の駆動手段により、図の上下方向に昇降駆動できるよう配置される。供給ステージ２は、上部に積載した材料粉末８を供給ステージ２の上昇量に応じた量、造形テーブル１０２の上方へ押し上げることができる。

造形エリア１０１は、主に造形テーブル１０２に設けられた開口部（開口断面形状は任意）と、その内部に不図示の駆動手段により図の上下方向に昇降駆動できるよう配置された造形ステージ３によって構成される。

造形ステージ３上には、造形プレート９が設置される。この造形プレート９上で、造形物１０を１層ずつ造形する。例えば、１層目の造形では、造形ステージ３を介して、造形テーブル１０２上面から所期の材料粉末層の厚みに相当する量だけ造形プレート９を下降させた位置に制御する。

図１の装置では、材料粉末敷設装置として粉敷きユニット４を配置している。上記のように造形プレート９を下降させた後、この粉敷きユニット４を駆動し、造形エリア１０１に材料粉末８を敷設する。

粉敷きユニット４は、例えば粉敷きユニット移動軸１１、回転ローラ１２、およびスキージ１３から構成する。粉敷きユニット移動軸１１は、回転ローラ１２とスキージ１３とを水平方向に移動するための駆動機構である。回転ローラ１２とスキージ１３は、粉敷きユニット移動軸１１によって、例えば供給ステージ２、造形ステージ３が配置された造形エリア１０１の上部の間に任意の位置に移動することができる。

スキージ１３は、図１では右方の先端部１３ａの揺動位置を制御可能な駆動軸１３ｂを有する。不図示の駆動源によって、スキージ１３の先端部１３ａは回転ローラ１２の下面より下降した位置まで下降揺動させることができ、また、必要に応じて回転ローラ１２の下面より上に上昇揺動させることができる。

本実施例では、１層の材料粉末層を固化させるためのエネルギービームには、レーザビーム１４を用いる。この場合、造形レーザユニット５は、材料粉末層を固化させるためのエネルギービームを照射するエネルギービーム照射装置に相当する。レーザビーム１４を照射する造形レーザユニット５はレーザ光源、コリメータ、ガルバノスキャナなどから成る走査装置、およびｆ−θレンズなどから構成される。造形物１０を構成する１層の造形においては、造形レーザユニット５によって、造形エリア１０１の最上部に敷設された材料粉末層を造形物１０の形状に対応した走査パターンで走査する。この時、レーザビーム１４によって輻射加熱された材料粉末層の特定部位が、造形物１０の当該断面に相当する形状に固化される。

カメラ７は、例えばデジタルカメラなどから構成される。本実施例の場合、カメラ７は、造形エリア１０１の全体を撮像領域に含み、これから材料粉末を敷設する敷設面、または既に敷設済みの材料粉末の表面状態を測定する表面状態測定装置として機能させる。

カメラ７は、材料粉末前の敷設面（下地）、即ち、造形エリア１０１に配置した１層目の材料粉末層を敷設する造形プレート９の表面や、また、造形が進行した段階では、造形物１０の最上部で固化されたｎ層目の固化層の表面を撮影することができる。また、カメラ７は、敷設済みの材料粉末の表面、即ち、造形プレート９の表面に敷設された１層目の材料粉末層の表面、あるいは造形が進行した段階では造形物１０の上部に敷設された（固化前の）ｎ＋１層目の材料粉末層の表面を撮影することができる。

本実施例では、カメラ７で撮影した、上記の材料粉末を敷設する前の敷設面（下地）や、敷設済みの材料粉末の表面の画像を利用して、これから敷設する材料粉末、ないし当該の敷設済みの材料粉末を固化させるレーザビーム１４の照射出力を制御する。

本実施例の造形装置では、造形テーブル１０２、粉敷きユニット４、カメラ７は、メインフレーム１とは別体で支持された造形チャンバ１５内に配置してある。一方、造形レーザユニット５は造形チャンバ１５の外側上部に配置してある。造形レーザユニット５のレーザビーム１４は、造形チャンバ１５上部に配置したレーザ透過窓１６を介して照射される。レーザ透過窓１６は、ガラスあるいは樹脂などの光透過材料から構成し、必要に応じて、レーザビーム１４の波長などに応じて定められた光学特性を有する反射防止膜をコートする。

造形チャンバ１５は例えば真空チャンバなどから構成され、不図示の減圧路、気体供給路を介して、内部の真空度の調節、あるいは内部の雰囲気の置換などを行うことができるよう構成される。

ここで、図１の造形装置の制御に用いることができる制御装置６００（制御系）の構成例を図４に示す。図４の制御系は、汎用マイクロプロセッサなどから成るＣＰＵ６０１、ＲＯＭ６０２、ＲＡＭ６０３、インターフェース６０４、６０５、６０６、などから構成される。制御装置６００には、その他に、必要に応じてネットワークインターフェースや、例えばＳＳＤやＨＤＤのようなディスク装置で構成した外部記憶装置を配置してもよい。

ＲＯＭ６０２は、ＣＰＵ６０１に例えば、図１の造形装置の基本制御、および本実施形態の造形制御を実行させるための制御プログラムと制御データを格納する。なお、ＲＯＭ６０２に格納したアクセス制御プログラムと制御データを後から更新（アップデート）できるよう、そのための記憶領域はＥ（Ｅ）ＰＲＯＭなどの記憶デバイスによって構成されていてもよい。ＲＡＭ６０３は、ＤＲＡＭ素子などから構成され、ＣＰＵ６０１が各種の制御、処理を実行するためのワークエリアとして用いられる。後述する造形制御手順に係る機能は、ＣＰＵ６０１が本実施形態の制御プログラム（例えば図５）を実行することにより実現される。なお、ＳＳＤやＨＤＤなどの外部記憶装置を配置している場合には、上記の制御プログラムや制御データを例えばファイル形式で格納することができる。また、ＳＳＤやＨＤＤなどの外部記憶装置は、ＲＡＭ６０３上の主記憶の領域を補完する仮想記憶領域を配置するためにも利用することができる。

なお、外部記憶装置は、ＳＳＤやＨＤＤに限らず、着脱式の各種光ディスクのような記録媒体、あるいは、着脱式のＳＳＤやＨＤＤのディスク装置、着脱式のフラッシュメモリから構成されていてもよい。このような各種の着脱式のコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、例えば、本発明の一部を構成するアクセス制御プログラムをＲＯＭ６０２（Ｅ（Ｅ）ＰＲＯＭ領域）にインストールしたりアップデートするために用いることができる。この場合、各種の着脱式のコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、本発明を構成する制御プログラムを格納しており、記録媒体それ自体も本発明を構成することになる。

ＣＰＵ６０１は、ＲＯＭ６０２（あるいは不図示の外部記憶装置）に格納された造形制御プログラム、造形制御に係る制御プログラム、ファームウェア、アクセス制御プログラムなどを実行する。これにより、例えば図８に示す（制御装置６００の）各機能ブロック（または制御ステップ）が実現される。

また、図４において、制御装置６００には、インターフェース６０４、６０５、６０６が設けられている。インターフェース６０４、６０５、６０６は、各種方式によるシリアルないしパラレルインターフェース、あるいはネットワークインターフェースなどから構成することができる。これらインターフェースのうち、例えばインターフェース６０４は、外部装置から３次元造形データ（３ＤＣＡＤ、３ＤＣＧデータなどデータ形式は任意）を受信するために用いる。

インターフェース６０５は、図１の造形装置にカメラ７が設けられる場合に、ＣＰＵ６０１がカメラ７の撮像した特に敷設した固化前の材料粉末の表面の画像を取得するために用いられる。また、インターフェース６０６は、ＣＰＵ６０１が造形装置（３Ｄプリンタ）の構成要素を制御するために用いられる。図４では、インターフェース６０６に接続された造形装置（３Ｄプリンタ）の構成要素として、造形ステージ３、造形レーザユニット５、および材料粉末供給／回収系４０を示してある。この材料粉末供給／回収系４０は、図１においては、例えば供給ステージ２、粉敷きユニット４、材料粉末回収ユニット６などに相当する。

具体的には、インターフェース６０６で制御される被制御要素には、例えば、粉敷きユニット移動軸１１、回転ローラ１２などのための回転駆動系、供給ステージ２、造形ステージ３、スキージ１３などの昇降（ないし揺動）駆動系などが含まれる。また、インターフェース６０６で制御される被制御要素には、造形レーザユニット５のガルバノスキャナなどの走査駆動系や、レーザ光源の照射出力を決定する駆動電源系が含まれる。

本実施例では、材料粉末８の材質は、任意の金属材料や樹脂材料などであってよく、特に本発明を限定するものではないが、本実施例では粒径が３μｍ程度のＳＵＳ３１６の粉体である。また本実施例では、造形エリア１０１で造形物１０を構成する１層のために敷設する材料粉末８は、例えば、３０μｍ程度の層厚で敷設するものとする。

造形プレート９は、造形物１０の１層目を造形する土台部分に相当し、その材質は例えば材料粉末８の材質と同一（ないしは類似の組成）とする。造形物１０の１層目の材料粉末を均一に敷設し、良好な造形を行うためには、造形プレート９の表（上）面の特性として、研磨された鏡面のように良好すぎる（面精度の高い）表面特性は好ましくない。

本実施例では、上記の材質（ＳＵＳ３１６）および材料粉末８の粒径（３μｍ）、敷設時の層厚（３０μｍ）の条件においては、１層目の敷設面である造形プレート９の面精度、即ち表面粗さは、１層目を良好に敷設するためには次のような範囲が好ましい。発明者の知見によれば、上記条件において、材料粉末８の１層目を良好に、即ち、均一性（後述のＵ）をもって敷設するための造形プレート９の表面粗さは、例えば、Ｒａ＝０．７〜３．０μｍの範囲であった。１層目を良好に敷設するのが好ましいのは当然であり、その場合、造形プレート９は、その上面がこのような表面粗さ（比較的粗い）の範囲となるよう製造（あるいは加工）する。ただし、本実施例のレーザ照射出力制御によれば、造形プレート９上面のＲａ値が０．７より小さい、より良好な面精度であっても、良好な物性値で１層目を固化させることは不可能ではないため、そのような造形プレート９の面精度仕様を採用してもよい。

なお、以下では、その上に、均一性（後述のＵ）をもって材料粉末８を敷設できる、敷設面の表面粗さ（例えばＲａ＝０．７〜３．０μｍ）の範囲を「Ｒａｗ」の符号により参照することがある。

逆に、敷設面のＲａの値が０．７（〜０）より小さい、面精度の高い表面特性では、前述のように、その上に敷設する材料粉末の敷設状態の均一性（後述のＵ）が低下する。上記の表面粗さの範囲（Ｒａｗ：０．７〜３．０μｍ）を持つ造形プレート９の上で敷設、固化させた１層目の固化層では、その表面（次層目の敷設面）のＲａの値が０．７（〜０）より小さい面精度の高い表面特性となる可能性が高い。当然ながら、レーザ照射によりこの材料粉末を固化させると、その表面（次層の敷設面）の均一性（後述のＵ）が低下し、その表面粗さは、逆に良好に材料粉末を敷設できる敷設面の表面粗さの範囲（Ｒａｗ：０．７〜３．０μｍ）に入る。

上記のように、上述の材質（ＳＵＳ３１６）および材料粉末８の粒径（３μｍ）、敷設時の層厚（３０μｍ）の条件を用いる造形制御では、１層おきに均一性（Ｕ）の高い材料粉末の敷設条件が得られる。その結果、その層を造形すると面精度が上り過ぎるため、次層の敷設では、均一性（Ｕ）の高い材料粉末の敷設が難しくなり、結果としてその次層を固化させると、今度は面精度の低下した（逆に敷設には好条件な）敷設面が得られる。発明者の知見によれば、このように上記のような造形条件では、１層ごとに材料粉末の敷設状態の均一性（Ｕ）の高低が交互に繰り返される。本実施例の造形制御はこの知見に基づくものである。

次に、図１の造形装置の動作の概略につき説明する。ここでは、従来のこの種の３Ｄプリンタにおける動作と共通の基本部分につき説明する。まず、供給ステージ２に材料粉末８を積載するとともに、造形ステージ３の上に造形プレート９を設置する。

しかる後に、不図示の減圧路、気体供給路を介して、造形チャンバ１５内の真空度調整ないし雰囲気調整を必要に応じて行う。例えば、造形チャンバ１５を密閉し内部を真空置換する。この時、真空置換後に、必要に応じて不活性ガス置換、例えばＮ２置換、Ｈ２置換、Ａｒ置換などを行ってもよい。また、真空および各気体環境に置換する後に、材料粉末８の急激な変質などの可能性を考慮して、限界酸素濃度以下となるように酸素濃度を制御することもできる。真空または各気体環境に置換後に粉敷きユニット４により、造形プレート９の上部に造形物１０の１層目を構成する材料粉末８の層を敷設する。なお、上記の造形チャンバ１５内の真空度調整ないし雰囲気調整は、例えば図４に示した制御装置６００（ＣＰＵ６０１）によって制御しても良いし、また、別途、配置した他の制御系によって制御しても良い。

ここで、材料粉末８の１層目を敷設する工程について図２を用いて説明する。本実施例では、材料粉末８として、例えば粒径が３μｍ程度の材質ＳＵＳ３１６の粉体を用いることを考える。

図２（ａ）は、供給ステージ２から一定量の材料粉末８を取り出す直前の状態を示している。制御装置６００のＣＰＵ６０１は、供給ステージ２の昇降駆動手段（不図示）を制御して、供給ステージ２を一定量、上昇させる。造形エリア１０１の造形プレート９上に敷設する材料粉末８の量（体積）は、供給ステージ２の上昇量と供給ステージ２の上面の面積によって規定される。

本実施例では、供給ステージ２は、例えば、一辺が１４０ｍｍの正方形形状であるものとする。この供給ステージ２を例えば１００μｍ上昇させることにより１層分の材料粉末８を供給する。供給ステージ２を上昇させた後、不図示の駆動手段を介してスキージ１３の先端部分をローラ１２の下端より下げた状態で供給ステージ２上を移動させる。これにより、スキージ１３により一定量の材料粉末８を造形ステージ３側に移動させることができる。

このスキージ１３による材料粉末８の造形ステージ３側への移動に先立って、制御装置６００のＣＰＵ６０１は、不図示の昇降駆動手段を介して造形ステージ３を一定量下降させ、材料粉末８を敷設するスペースを形成する。本実施例では、造形ステージ３および造形プレート９は、例えば１辺が１４０ｍｍの正方形であり、この段階では、造形ステージ３の下降量は７０μｍ程度に制御する。

図２（ａ）〜（ｂ）は、供給ステージ２より一定量だけ材料粉末８を造形ステージ３側に移動させる様子を示している。この時、制御装置６００のＣＰＵ６０１は、粉敷きユニット４のスキージ１３と回転ローラ１２が同期的に不図示の駆動手段によって移動させる。図２（ａ）〜（ｂ）の粉敷きユニット４の往路では、特にスキージ１３の先端を回転ローラ１２の下端より上昇させた揺動姿勢とすることにより、造形ステージ３の上部はローラ１２で粉敷きができる状態に制御される。また、図２（ａ）〜（ｂ）へと粉敷きユニット４を移動させる時、回転ローラ１２が造形ステージ３の上部を移動している間、例えば図２（ｂ）の矢印に示すようにローラ１２の下端部が進行方向と同方向になるように回転駆動する。これにより、造形エリア１０１（ステージ３の上部）で、材料粉末８を馴らしながら敷設する。

なお、造形プレート９の面粗さが粗すぎると薄層の表面に粗さ形状が転写されてしまい、また、面粗さが良すぎると材料粉末８が綺麗に敷けなくなる。本実施例の条件では、材料粉末８が敷かれる造形プレート９の面粗さは、Ｒａ０．７〜３．０μｍの範囲であれば綺麗に粉敷きを行えることが判明している。なお、造形プレート９の面粗さは、使用する材料粉末８の種類、造形する薄層の厚みに合わせて変更してよい。

図２（ｃ）は、造形ステージ３の上部、つまり造形プレート９の上部に材料粉末８を敷いた後の状態を示している。この状態で、造形ステージ３の下降量分だけ、造形プレート９の上部に材料粉末８を敷くことができている。本実施例では、造形ステージ３の下降量である７０μｍ厚みの薄層が敷かれている。ここから、材料粉末８の薄層の密度を向上させる圧縮工程を行う。まず、材料粉末８を敷く時の下降量より少ない量だけ造形ステージ３を上昇させる。本実施例では、造形ステージ３を４０μｍ上昇させる。

そして、制御装置６００のＣＰＵ６０１は、回転ローラ１２を造形ステージ３の上部を例えば上記とは逆方向から移動させる。この回転ローラ１２が造形ステージ３の上部を移動中は、例えば図２（ｃ）の矢印に示すように回転ローラ１２の下端部が進行方向と同方向になるように回転させることにより材料粉末８を圧縮する。

図２（ｄ）は、造形ステージ３の上部での材料粉末８の圧縮を終えて、ローラ１２を初期位置に復帰させた状態を示している。この状態において、造形プレート９の上部に敷かれた材料粉末８は、造形ステージ３の下降量分だけ粉末が敷かれていた状態から、圧縮工程時の造形ステージ３の上昇分だけ圧縮されて密度が向上している。

本実施例では、７０μｍに敷いた材料粉末層を４０μｍ分圧縮させて、３０μｍの材料粉末層を形成している。このような圧縮工程を行い、材料粉末８の薄層の密度を制御することにより、造形する造形物１０（図１）の物性を所望に調節することができる。ただし、上記の圧縮工程は必ずしも行う必要は無く、造形物１０の物性値が材料粉末８を高密度に敷く必要が無い場合は、圧縮工程の造形ステージ３の上昇を行わないことで圧縮工程を省略しても良い。その場合、本実施例の制御条件では、圧縮工程時の造形ステージ３を４０μｍ上昇させる工程を無くし、その分、粉敷き前の造形ステージ３の下降量を７０μｍから３０μｍに変更すれば同じ厚みの材料粉末層を敷設できる。

以上のようにして、造形ステージ３の上部、つまり造形プレート９の上部に材料粉末８の１層目を敷設することができる。

さらに、図１の造形プレート９の上部に材料粉末８の層を敷設した後のレーザ照射（固化）工程について説明する。制御装置６００のＣＰＵ６０１は、上記のように敷設した材料粉末層の所定箇所に、造形レーザユニット５によりレーザビーム１４を照射させ、材料粉末８を溶融または焼結させて固化層とし造形物１０を形成する。当然ながら、材料粉末層に対するレーザビーム１４の照射範囲は、造形中の造形物１０の当該断面に対応する形状に相当する範囲に制御する。

そして、上述の粉敷き工程と、レーザビーム照射工程とを繰り返し、実行し、造形物１０が所定の形状となるまで造形を行う。粉敷き工程時に、造形ステージ３の上部に載りきらない材料粉末８は、材料粉末回収ユニット６に蹴り落し、材料粉末回収ユニット６に蓄積させる。

造形物１０の最終層まで粉敷き工程と、レーザビーム照射工程とを繰り返し、造形物１０が所期の形状に到達すると、造形ステージ３を上昇させて造形物１０の周囲に付着している（未固化の）材料粉末８の清掃を行う。この清掃工程は、真空中では材料粉末８の吸引が行えないので、真空環境の場合は材料粉末８の急激な変質の生じる限界酸素濃度以下となるように酸素濃度を調整した気体環境に置換した後に実行する。この清掃工程は、一般に作業者が手動操作によって行うが、別途配置したロボット装置などによって行ってもよく、その形態は特に本発明を限定するものではない。この（未固化の）材料粉末８の清掃工程造形チャンバ１５の内部を真空または各気体環境から大気環境に置換し、造形物１０を取り出す。以上のようにして、３次元造形物（造形物１０）を製造することができる。

ここで、特に、造形精度を高めるため、粉末の粒径を１０μｍ以下、１層分の薄層の厚みを３０μｍ以下にしている場合において、２層目以降の粉敷き工程で発生しがちな現象について、図３を用いてさらに詳細に説明する。

図３（ａ）は、２層目での供給ステージ２から一定量の材料粉末８を取り出す直前の状態を示している。２層目でも１層目と同様に、制御装置６００のＣＰＵ６０１は、供給ステージ２を一定量上昇させることで、上昇量と供給ステージ２の受け面積分の材料粉末８を供給させる。そして、スキージ１３の先端部分をローラ１２の下端より下降させた状態で供給ステージ２上を移動させる。このような動作によって、スキージ１３により一定量だけ材料粉末８を造形ステージ３側に移動させる。図３（ｂ）は、２層目での供給ステージ２より一定量だけ材料粉末８を造形ステージ３側に移動させた後の状態を示している。２層目でも１層目と同様に、造形ステージ３を一定量下げて材料粉末８を敷くスペースを形成している。スキージ１３の先端をローラ１２の下端より上昇させることで、造形ステージ３の上部はローラ１２で粉敷きができる状態にしている。

制御装置６００のＣＰＵ６０１は、ローラ１２を造形ステージ３の上部で移動させ、このローラ１２の移動中は、図３（ｂ）の矢印に示すようにローラ１２の下端部が進行方向と同方向になるように回転させ、材料粉末８を敷設していく。ここで、１層目では、造形ステージ３の上部に設置された造形プレート９の表面に材料粉末８を敷設したが、２層目では１層目に敷かれた材料粉末８および、レーザ照射により造形された造形物１０の表面に材料粉末８を敷設することになる。

ここで、図３（ｃ）は、造形ステージ３の上部において、レーザ照射により造形された造形物１０の表面と、造形物１０の周囲の１層目として敷設された（未固化の）材料粉末の上に材料粉末８を敷いた後の状態を示している。

このように、１層前に敷設された（未固化）材料粉末８の上部に新たな材料粉末８を敷くことに特に困難性はない。しかしながら、１層目に造形した造形物１０の上部は面粗さが良好すぎるために綺麗に材料粉末８を敷けない現象が発生することがある。

上記のようにして造形ステージ３の上部に材料粉末８を供給した後、例えば１層目と同様に材料粉末８の薄層の密度を向上させる圧縮工程を行う。まず、制御装置６００のＣＰＵ６０１は、材料粉末８を敷く時の下降量より少ない量だけ造形ステージ３を上昇させる。そして、ローラ１２を造形ステージ３の上部を粉敷き時の逆方向から移動させ、ローラ１２が造形ステージ３の上部を移動中は、図３（ｃ）の矢印に示すようにローラ１２の下端部が進行方向と同方向になるように回転させることで、材料粉末８を圧縮していく。

図３（ｄ）は、ローラ１２が造形ステージ３の上部での材料粉末８の圧縮を終えて、初期位置に戻った状態を示している。このように、圧縮工程を終えた後も、図３（ｄ）に示すように、１層目に造形した造形物１０の上部には綺麗（均一）に材料粉末８を敷けていない状態が残ることがある。

このため、結果として、１層目に造形した造形物１０の上部では、敷設された材料粉末８の量が少なくなってしまうことがある。この場合、レーザ照射工程において、１層目の造形と同じレーザビーム１４の照射出力（照射強度）を用いると、２層目の材料粉末８に単位体積当たり多くの熱量が加わり、この部位で造形物１０の物性値が変化してしまう可能性がある。

ここで、綺麗（均一）に敷設されていない状態の材料粉末層を輻射加熱し、固化させると、その表面の粗さは粗い状態で造形される。このため、綺麗に材料粉末８を敷けていない状態の薄層の造形面上は綺麗に材料粉末８を敷くことができる。つまり、造形物１０の上部に材料粉末８を綺麗に敷けない層は１層毎に現れ、綺麗に敷ける層と綺麗に敷けない層が交互に繰り返される。

即ち、上述のように特に材料粉末が細粒であって、敷設する材料粉末層が薄い場合、良好（例えば均一性よく）に敷設された材料粉末層は、交互に現れることになる。例えば、造形プレート９が材料粉末の敷設に適した表面特性であれば１層目の材料粉末層は良好（均一）に敷設でき、２層目は逆に均一性に欠ける材料粉末層となる。そして、３層目は再度、良好（均一）に敷設された材料粉末層となる。以後、奇数番目の層に良好（均一）に敷設された材料粉末層が、また、偶数番目の層に均一性に欠ける材料粉末層が交互に現れることになる。また、もし、造形プレート９の上面が鏡面加工されているなど、材料粉末の敷設に適していない表面特性である場合には、上記の奇数番目と偶数番目に現れる材料粉末層の敷設特性（敷設結果ないしは表面状態）は上記と逆になる。

そして、良好（均一）に敷設された材料粉末層と、敷設状態が良好（均一）ではなく、敷設総量の少ない材料粉末層と、でこれらを固化させるのに同じレーザビーム１４の照射出力（照射強度）を採用するのは適切でなない。この場合には、敷設総量の少ない良好（均一）ではない材料粉末層で過大な輻射加熱が行われ、形成された固化層の位置で造形物１０の物性値が変化してしまう。

そこで、本実施例では、制御装置６００に、交互に現れる良好（均一）に敷設された材料粉末層と、敷設状態が良好（均一）ではなく、敷設総量の少ない材料粉末層とで、それぞれに適した照射出力（照射強度）となるよう造形レーザユニット５を制御させる。

例えば、図６は、上述のように特に材料粉末が細粒であって、敷設する材料粉末層が薄い場合、下層から順に敷設（固化）される材料粉末層Ｎの各層の均一性Ｕ（あるいは敷設された粉末量）の変化を示している。また、図６において、Ｌｐは、各々の材料粉末層ｎの均一性Ｕ（ないし粉末量）に適した造形レーザユニット５で照射すべきレーザビーム１４の照射出力（照射強度）に相当する。そして、この場合、均一性Ｕの良好な（充分な粉末量の敷設された）材料粉末層（図６のＮ＝１，３，５…）の固化では、規定値に相当する照射出力値（大）を適用する。一方、均一性Ｕに欠ける（敷設された粉末量の少ない）材料粉末層（図６のＮ＝２，４，６…）の固化では、規定値より減力した照射出力値（小）を適用する。このような制御により、全体に渡って物性値の均一な造形物１０を造形することができる。

そこで、本実施例では、より具体的には次のような造形制御を行う。

（１）表面状態測定装置（例えばカメラ７）を用い、材料粉末を敷設する敷設面（造形プレート９または固化済みの造形物１０の表面）の表面状態を測定する。そして、測定した表面状態に応じて、その敷設面に敷設する材料粉末の固化に適用すべきエネルギービーム（レーザビーム）の照射出力を制御する。

（２）または、表面状態測定装置（例えばカメラ７）を用い、敷設済みの材料粉末の表面状態を測定する。そして、測定した表面状態に応じて、当該の材料粉末層の固化に適用すべきエネルギービーム（レーザビーム）の照射出力を制御する。

（３）材料粉末層の敷設の良好度（均一性）が交互に変化することを利用する。例えば、それまでに敷設した、あるいは、エネルギービームの照射により固化させた固化層の層数の偶奇性情報に基づき、材料粉末層を固化させるエネルギービーム（レーザビーム）の照射出力を制御する。例えば、それまでの固化層の層数が０（偶数）である、つまり、造形プレート９上に良好に敷設された１層目の材料粉末層の固化では、規定のエネルギービーム（レーザビーム）の照射出力を用いる。一方、それまでの固化層の層数が１（奇数）である、つまり、１層目の材料粉末層から固化させた１層目の固化層上に敷設された、良好（均一）ではなく、敷設総量の少ない材料粉末層では、照射出力を規定値よりも減力した（小さい）値とする。

（４）あるいは、材料粉末層の敷設の良好度（均一性）が交互に変化することを利用すべく、規定のエネルギービーム（レーザビーム）の照射出力値（大）と、それよりも減力した照射出力値（小）を用意し、これらを交互に適用する。例えば、敷設した各材料粉末層の固化において、それぞれ…照射出力値（大）、照射出力値（小）、照射出力値（大）…の順でエネルギービーム（レーザビーム）の照射出力値を適用する。この場合、例えば、当該の料粉末層の固化において用いる照射出力値（大または小）は、直前の料粉末層の固化で用いた照射出力値（小または大）に応じて選択することができる。この場合、例えば、造形プレート９上に敷設された１層目の材料粉末層の固化に用いる照射出力値（大または小のいずれか）さえ特定しておけば、以後、２層目以降の固化層の形成に用いる照射出力値（小または大）を適宜選択することができる。

次に、上記の造形制御（１）〜（４）のより具体的な構成例につき、順次説明する。

図１の造形装置（３次元造形物の製造装置）には、造形ステージ３の上部を撮像できるカメラ７を配置している。このカメラ７を上記の造形制御（１）または（２）に用いることができる。このカメラ７は、材料粉末の敷設前の敷設面（造形プレート９または固化済みの造形物１０の表面）、または、敷設済みの材料粉末８の表面状態を測定する表面状態測定装置として用いることができる。

例えば、制御装置６００のＣＰＵ６０１は、カメラ７の撮影画像を解析し、敷設面を撮影している場合は敷設面の表面状態が、材料粉末を良好な均一性（Ｕ）で敷設できる状態（敷設面自体の表面状態は均一性（Ｕ）の比較的低い状態）か否かを判定できる。また、敷設済みの材料粉末８の表面を撮影している場合は、材料粉末８が良好な均一性（Ｕ）で敷設されているか否かを判定できる。

例えば、制御装置６００のＣＰＵ６０１は、粉敷き工程（および圧縮工程）の前に、材料粉末を敷設する敷設面（造形プレート９または固化済みの造形物１０の表面）をカメラ７で撮像させる。または、粉敷き工程（および圧縮工程）の後で、敷設（および圧縮）済みの材料粉末層をカメラ７で撮像させる。

そして、敷設面の表面を撮影している場合は、材料粉末を良好な均一性（Ｕ）で敷設できる状態であれば、その敷設面に敷設する材料粉末層を固化させるレーザビームの照射出力としては、規定の照射出力値（大、または規定値）を採用する。逆に、敷設面自体の表面状態の均一性（Ｕ）が比較的高い状態であれば、その上に敷設される材料粉末の敷設状態は均一性（Ｕ）が比較的低くなる。この場合には、その上に敷設される材料粉末の固化には、規定の照射出力値よりも減力した照射出力値（小）を採用する。

一方、敷設済みの材料粉末８の表面を撮影している場合は、当該の材料粉末層を固化させるレーザビームの照射出力としては、表面状態の良好な材料粉末層については、規定の照射出力値（大、または規定値）を採用する。逆に、表面状態の良好ではない材料粉末層については、規定の照射出力値よりも減力した照射出力値（小）を採用する。

制御装置６００のＣＰＵ６０１にこのような照射出力制御工程を実行させることにより、レーザビーム１４を照射して材料粉末８を溶融または焼結させた時に、材料粉末８に加わる入熱量を粉敷き状態に合わせた熱量に制御することができる。これにより、想定通りの造形物１０の物性値、特に各造形層の物性値が均一な、良好な品質の造形物１０を造形することができる。

なお、表面状態測定装置としてのカメラ７は、非接触の変位計や形状計測計、あるいは、表面粗さを計測できるような白色干渉計やレーザ顕微鏡などの計測器に置換してもよい。また、カメラ７などの表面状態測定装置は、必ずしも図１に例示したような位置（メインフレーム１）に固定的に配置しなくてもよい。例えば、表面状態測定装置は、不図示のロボットアームや、ＸＹステージなどの移動手段によって移動可能に構成し、造形ステージ３の上部を走査しながら計測する表面状態測定形態を採用してもよい。あるいは、このように表面状態測定装置を移動させる移動手段は、粉敷きユニット４を移動させる駆動軸を利用して構成してもよい。

一方、上記の造形制御（３）では、材料粉末層の敷設の良好度（均一性）が交互に変化することを利用する。例えば、それまでに敷設した材料粉末層、あるいはそれまでにエネルギービームの照射により固化させた固化層の層数の偶奇性情報に基づき、材料粉末層を固化させるエネルギービーム（レーザビーム）の照射出力を制御する。

上述のように、表面粗さを適切に加工している造形プレート９の上部は材料粉末８を綺麗（均一）に敷設でき、その次の例えば造形物１０の上部などの層は綺麗（均一）に敷設されない可能性がある。即ち綺麗（均一）に敷ける材料粉末層とそうではない層が交互に繰り返される傾向がある。そこで、造形制御（３）では、例えばそれまでに（敷設した、あるいは）エネルギービームの照射により固化させた固化層の層数（ｎ）の偶奇性情報を利用することが考えられる。

例えば、制御装置６００のＣＰＵ６０１は、レジスタやＲＡＭ６０３上などに配置したカウンタなどを用いて造形プレート９から何層目を造形するのかを計数し、その数を認識できる。このカウンタが、例えばそれまでに固化させた固化層の数（n：整数値）を計数するものとすれば、このｎの数値の偶奇性情報を利用することができる。なお、ここでいうそれまでに（敷設した、あるいは）エネルギービームの照射により固化させた固化層の層数（ｎ）は、図６では、Ｎの値から１を減じた値に相当する。

例えば、ＣＰＵ６０１のような計算手段は、整数（自然数）が偶数か奇数かは、２で割ったときの剰余の有無により判定することができる。このような判定関数は、例えばｍｏｄ２（ｎ）のような記法によって記述してもよい。例えば、ｍｏｄ２（ｎ）＝０の場合、ｎは偶数、ｍｏｄ２（ｎ）＝１の場合、ｎは奇数である。

ここで、もし、造形プレート９（の上面）が材料粉末の敷設に適した表面状態であれば、１層目の材料粉末を敷設した直後では、それまでに（敷設した、あるいは）固化させた固化層の数（ｎ）はｎ＝０、上記の判定関数の出力はｍｏｄ２（ｎ）＝０となる。そこで、上記の交互に現れる材料粉末層の表面状態を考慮すると、判定関数がｍｏｄ２（ｎ）＝０となる表面状態の良好な材料粉末層については、固化に用いるレーザビームの照射出力は、規定の照射出力値（大）とする。また、判定関数がｍｏｄ２（ｎ）＝１となる表面状態の良好ではない（敷設量の少ない）材料粉末層については、規定よりも減力した照射出力値（小）とする。

このように造形制御（３）では、良好（均一）、あるいは良好（均一）ではない材料粉末層の表面状態（あるいは敷設された粉末量）が交互に現れる特性を利用する。そして、レーザビーム１４を照射して材料粉末８を固化させる時の入熱量（輻射熱量）を材料粉末層の敷設状態（ないしは敷設量）に適合した熱量に制御することができる。

従って、この造形制御（３）によっても、材料粉末８に加わる入熱量を粉敷き状態に合わせた熱量に制御することができる。従って、上記の造形制御（３）によっても、想定通りの造形物１０の物性値を有する、特に各造形層の物性値が均一な、良好な品質の造形物１０を造形することができる。

なお、上記の造形制御（３）は、造形プレート９（の上面）の表面状態、ないしは、その直上に１層目として敷設される材料粉末層の敷設状態さえ特定できれば実施可能である。即ち、例えばそれまでに（敷設した、あるいは）固化させた固化層の数（ｎ）の偶奇性（ｍｏｄ２（ｎ）が１／０のいずれであるか）を利用して、当該の材料粉末層の固化に用いるレーザビームの照射出力（大、または小）を交互に選択することができる。このため、上記の造形制御（３）は、表面状態測定装置としてカメラ７のような手段を配置していない造形装置においても、簡単安価に実施することができる。

また、上記の造形制御（４）も材料粉末層の敷設の良好度（均一性）が交互に変化することを利用するものである。この造形制御（４）では、規定の照射出力値（大）と、それよりも減力した照射出力値（小）を交互に用いるよう制御する。例えば、制御装置６００のＣＰＵ６０１は、造形レーザユニット５を制御する照射出力値を決定する時、前回の材料粉末層の固化で用いた照射出力値（大または小）に応じて、今回の材料粉末層について用いる照射出力値（小または大）を選択すればよい。

また、この造形制御（４）も、造形レーザユニット５の出力するレーザビーム１４の大、または小の照射出力値を交互に適用する制御である。このため、この造形制御（４）も、造形プレート９（の上面）の表面状態、ないしは、その直上に１層目として敷設される材料粉末層の敷設状態（ないしこの層に適用すべき照射出力値）さえ特定できれば実施可能である。

そして上記の造形制御（４）によっても、材料粉末８に加わる入熱量を粉敷き状態に合わせた熱量に制御することができる。従って、上記の造形制御（４）によっても、想定通りの造形物１０の物性値を有する、特に各造形層の物性値が均一な、良好な品質の造形物１０を造形することができる。

ここで、図５に、図１の造形装置において、制御装置６００のＣＰＵ６０１で実行させる上記の造形制御（１）〜（４）を考慮した３次元造形物の製造過程全体の制御手順の一例を例示する。図５に示した制御手順は、３Ｄ造形物の製造方法、あるいは３Ｄ造形物を造形する造形装置（図１）の制御方法に相当し、ＣＰＵ６０１の制御プログラムとして、例えばＲＯＭ６０２（あるいは不図示の外部記憶装置）に格納しておくことができる。

図５のステップＳ１０において、制御装置６００のＣＰＵ６０１は、上記の例えばそれまでに（敷設ないし）固化させた固化層の数（ｎ：整数値）を計数するカウンタ（ｎ）を０に初期化する。なお、このカウンタ（ｎ）は、表面状態測定装置としてカメラ７のような手段を用いない場合には必ずしも必要がなく、その場合にはこのステップＳ１０は省略してもよい。

続いて、ステップＳ２０では、ＣＰＵ６０１は、インターフェース６０４を介して外部装置から予め用意された造形物の３次元モデルデータ（３ＤＣＡＤ、３ＤＣＧデータなど）を入力（受信）する。

続いて、ステップＳ３０では、入力した３次元モデルデータを水平断面の積層データに分解し、さらに各層に対応する層データ、即ち各造形層のスキャン軌跡のデータを生成する。また、ステップＳ３０において、ＣＰＵ６０１は、必要に応じて、当該の造形層の軌跡データに基づき、レーザ走査系例えばガルバノスキャナの駆動データに変換する。なお、造形レーザユニット５の走査系は上述の構成に限定されるものではない。例えばガルバノスキャナなどの揺動走査系に限定されることなく、必要に応じてポリゴンミラーなどの回転走査系を用いることが考えられる。また、本実施形態では、エネルギービームとしてレーザビーム（Ｌ）を考えたが、材料粉末８の輻射加熱に電子ビームなどの他のエネルギービームを用いる場合には、その発生源や、走査系は当業者において適宜変更して構わない。

続いて、ステップＳ４０において、ＣＰＵ６０１は、カメラ７による撮影、並びに、上述の図２（あるいは図３）で説明した材料粉末層の敷設（および圧縮）、および処理を行わせる。上記の造形制御（１）の場合は、カメラ７によって、材料粉末の敷設前の敷設面（造形プレート９または固化済みの造形物１０の表面）を撮像させる。また、造形制御（２）の場合は、カメラ７によって、上記敷設面上に敷設済みとなっている材料粉末８の表面を撮影させる。

そして、ＣＰＵ６０１は、インターフェース６０５を介してカメラ７から取得した測定情報に基づき、敷設した材料粉末層の表面状態に関する情報を取得する（測定情報取得工程）。なお、このインターフェース６０５を介してカメラ７から測定情報を取得する測定情報取得工程は下記のステップＳ５０に含まれていてもよい。

ステップＳ５０では、ＣＰＵ６０１は、上述の造形制御（１）〜（４）として説明したいずれかの手法を用いて、敷設した材料粉末層の固化のために造形レーザユニット５に与える照射出力値ＬＰｎ（大、または小）を決定する（照射出力制御工程）。

ここで、図５のステップＳ５０の枠内には、照射出力値ＬＰｎ（大、または小）を決定する上記の造形制御（１）〜（４）に相当する疑似関数表現を記入してある。最初のＬＰｎ＝ｆ（Ｕ）は、上記の造形制御（１）または（２）に相当し、表面状態測定装置（カメラ７）で取得した被測定面の表面状態、例えばその均一性（Ｕ）に応じて、照射出力値ＬＰｎ（大、または小）を選択する制御に相当する（測定情報取得工程）。

なお、このステップＳ５０における表面状態測定装置（カメラ７）で取得した撮影表面の表面状態に係る情報、例えばその均一性（Ｕ）に応じて、照射出力値ＬＰｎ（大、または小）を決定する制御例については、後で別項を設けてより詳細に説明する。

また、２つ目のＬＰｎ＝ｇ（ｍｏｄ２（ｎ））は、上記の造形制御（２）に相当し、例えばそれまでに（敷設ないし）固化させた固化層の数（ｎ：整数値）の偶奇性情報に基づき、照射出力値ＬＰｎ（大、または小）を選択する制御に相当する。

また、３つ目のＬＰｎ＝ｈ（ＬＰｎ−１）は、上記の造形制御（４）に相当し、前回の材料粉末層の固化で用いた照射出力値（大または小）に応じて、今回の材料粉末層について用いる照射出力値（小または大）を選択する制御に相当する。

続くステップＳ６０において、ＣＰＵ６０１は、ステップＳ５０の上記のいずれかの上記の造形制御（１）〜（４）によって決定した照射出力値（大または小）で造形レーザユニット５を駆動する（照射出力制御工程）。これにより、当該の材料粉末層を溶融ないし焼結させ、固化させる。ステップＳ７０では、造形ステージ３を次の材料粉末層の敷設（および圧縮）に必要な量だけ下降させる。

ステップＳ８０では、造形物１０の最終層まで造形を終了した（Ｙ）か否（Ｎ）かを判定する。ここで最終層までの造形が終了していない場合には、（必要に応じて）ステップＳ９０でカウンタ（ｎ）を１だけカウントアップしてステップＳ３０に復帰し、上記の処理を繰り返す。

例えば、図５に示したような制御手順により、図１の造形装置を制御し、本発明の３Ｄ造形物の製造方法、あるいは３Ｄ造形物を造形する造形装置の制御方法に相当する造形制御を実現することができる。そして、上記構成によれば、上記の造形制御（１）〜（４）に相当するエネルギービームの照射出力値（大または小）決定過程により、想定通りの造形物１０の物性値を有する、特に各造形層の物性値が均一な、良好な品質の造形物１０を造形することができる。

＜造形制御（１）、（２）における照射出力制御（図５のＳ５０）＞
図７に、表面状態測定装置（カメラ７）で取得した撮影表面の表面状態に係る情報、例えばその均一性（Ｕ）に応じて選択すべき造形レーザユニット５の照射出力値Ｌｐ（大：Ｌｐｈ、または小：Ｌｐｌ）の関係を示す。

図７において、縦軸は、材料粉末に照射する造形レーザユニット５の照射出力値Ｌｐ（大：Ｌｐｈ、または小：Ｌｐｌ）を、横軸は、撮影表面の表面状態に係る情報、例えばその均一性（Ｕ）の尺度に割り当てられている。また、便宜上、ＢおよびＭの各参照符号で示した１次関数的な直線（実際には高次の曲線である可能性がある）は、表面状態測定装置（カメラ７）で取得した撮影表面の表面状態の均一性（Ｕ）と、選択すべき照射出力値Ｌｐの関係を示す。

ここで、特に、Ｂの直線は、上記造形制御（１）において、撮影した材料粉末の敷設面の表面状態の均一性（Ｕ）と選択すべき照射出力値Ｌｐの関係を示している。また、Ｍの直線は、上記造形制御（２）において、撮影した材料粉末の上面の表面状態の均一性（Ｕ）と選択すべき照射出力値Ｌｐの関係を示している。

ここまでの説明では、材料粉末の敷設面、または材料粉末の上面の表面状態に関して、「均一性（Ｕ）」という上位の概念を用いて言及してきたが、実際には（例えばプログラム実装上では）この「均一性（Ｕ）」は表面粗さ（Ｒａ値）に対応づけてもよい。例えば、図７中には、敷設面の場合であればその上に良好な「均一性（Ｕ）」を持って材料粉末を敷設できるとした、上述の表面粗さ（Ｒａ値）の範囲Ｒａｗ（３．０μｍ〜０．７μｍ）を図示してある。

図７のＢの直線は、上記造形制御（１）において採用すべき表面状態と照射出力値の関係を示している。即ち、図７のＢのように、撮影した材料粉末の敷設面の表面状態の均一性（Ｕ）が比較的低い場合は、ＣＰＵ６０１は、その後敷設される材料粉末の固化には、照射出力値（大：Ｌｐｈ）の値を用いる。この表面状態の均一性（Ｕ）は比較的低い場合は、材料粉末の敷設面に良好な「均一性（Ｕ）」を持って材料粉末を敷設できるＲａｗの範囲に相当する。一方、図７の右方において、撮影した材料粉末の敷設面において、表面粗さがＲａｗの範囲を超えて、表面粗さが小さく、面精度が高くなっている場合には、ＣＰＵ６０１は、敷設される材料粉末の固化には、照射出力値（小：Ｌｐｌ）の値を採用する。

一方、図７のＭの直線は、上記造形制御（２）において採用すべき表面状態と照射出力値の関係を示している。即ち、図７のＢのように、撮影した材料粉末の上面の表面粗さが上記のＲａｗの範囲なら、敷設した材料粉末の表面状態の均一性（Ｕ）は比較的低いことを示す。この場合には、敷設されている材料粉末には比較的まばらな領域が含まれ、結果として敷設されている材料粉末の敷設量が小さい、と判断できる。このため、照射出力値（大：Ｌｐｈ）の値を用いると、輻射熱量が過大となり、望ましくない物性変化を生じる可能性がある。そこで、撮影した材料粉末の上面の表面粗さが上記のＲａｗの範囲なら、ＣＰＵ６０１は、この撮影した材料粉末の固化には、照射出力値（小：Ｌｐｌ）の値を採用する。一方、図７の右方において、撮影した材料粉末の上面の表面粗さがＲａｗの範囲を超えて、表面粗さが小さく、より面精度が高くなっている場合には、敷設した材料粉末の表面状態の均一性（Ｕ）が高く、良好な敷設状態である。この場合には、敷設されている材料粉末の敷設量は規定通り充分あるため、ＣＰＵ６０１は、敷設される材料粉末の固化には、照射出力値（大：Ｌｐｈ）の値を用いる。

このように、造形制御（１）および（２）では、撮影した被測定面の表面状態の均一性（Ｕ）に係る物性量、例えば表面粗さと照射出力値の大小関係が逆になる。しかし、これらの制御の目的は同じで、均一に、充分な敷設量で敷設される（敷設された）材料粉末層の固化では照射出力値を大（Ｌｐｈ）とし、逆に均一を欠き敷設量が充分ではない材料粉末層の固化では照射出力値を小（Ｌｐｌ）とすることである。なお、造形制御（１）および（２）においても、結果として、良好な均一性（Ｕ）で敷設、固化された材料粉末（固化）層の、次の層の敷設では、面精度の高さから敷設特性（均一度や敷設量）が低下する、という偶奇（交互）性が作用する。このため、実際の制御結果としては、エネルギービームの照射出力値の制御結果は、造形制御（３）、（４）の場合とほぼ同様の層交互のパターンで実行されることになる。

なお、カメラ７のかわりに表面状態測定装置として白色干渉計やレーザ顕微鏡のような装置を用いるなら、これらの装置は表面粗さの値を出力可能であるから、以上に示した表面粗さ〜照射出力値の関係づけを利用して制御を行うことができる。

一方、表面状態測定装置として、（一般的なデジタルカメラのような）カメラ７を用いる場合には、撮影した被測定面の表面状態の均一性（Ｕ）に係る物性量として、他の測定量を利用できる可能性がある。例えば、図７の横軸のＵに括弧書きで付記したＤおよびＦは、撮影画像の「濃度」（の分布情報）（Ｄ）や「空間周波数」（Ｆ）の値を意図したものである。これらの値は当然ながら、被測定面の粒状度や面精度、表面粗さなどに対応する表面状態の均一性（Ｕ）の尺度として考えてよい。

従って、ＣＰＵ６０１はカメラ７の撮影画像から、その画像の「濃度（濃度平均値や濃度分布）」（Ｄ）、「空間周波数」（Ｆ）の値を取得する。そして、予め図７のＢ、Ｍのような波形で、「濃度（濃度平均値や濃度分布）」（Ｄ）、「空間周波数」（Ｆ）の値と、照射出力値を関係づけたデータテーブルを用意しておき、このテーブルを参照して、照射出力値を決定することができる。このようなデータテーブルは、予め実験を行って得た測定結果に基づき作成することができる。即ち、プログラム実装上は、カメラ７の撮影画像から取得した画像の「濃度（濃度平均値や濃度分布）」（Ｄ）、「空間周波数」（Ｆ）の値から直接、照射出力値を決定する造形制御を行ってもよい。この場合には、特に表面粗さなどを出力する機能を有さない（一般的なデジタルカメラのような）カメラ７を用いて、簡単安価に、また高速な処理によって、造形レーザユニット５の照射出力値Ｌｐを決定することができる。

なお、ＣＰＵ６０１は、カメラ７の撮影情報、例えば「濃度（濃度平均値や濃度分布）」（Ｄ）、「空間周波数」（Ｆ）の値から、表面粗さ（図７中のＲ）や、敷設されている（単位面積あたりの）材料粉末の量（同Ｖ）のような特性量を計算してもよい。そして、画像解析に基づき計算した表面粗さ（図７中のＲ）や、敷設されている（単位面積あたりの）材料粉末の量（同Ｖ）を表面状態の均一性（Ｕ）の尺度として用いて、造形レーザユニット５の照射出力値Ｌｐを決定してもよい。この場合にも、上記同様のデータテーブルを利用したテーブル演算手法によって、照射出力値を決定できる。なお、採用するカメラ７の仕様や、ＣＰＵ６０１が利用する画像処理ライブラリの仕様によっては、上記の「濃度（濃度平均値や濃度分布）」（Ｄ）に替えて、「輝度（輝度平均値や輝度分布）」の情報を利用してもよい。

また、図７に示したような連続性を有する表面状態の均一性（Ｕ）と照射出力値の関係をデータテーブルとして用意しておけば、ＣＰＵ６０１は、カメラ７の撮影画像中の特定部位に対応するエネルギービームの照射領域の照射出力値を選択することができる。この場合には、ＣＰＵ６０１は、造形レーザユニット５のレーザビーム１４を走査させる座標系と、カメラ７の撮影フレーム中の座標系を関連づけた同次変換行列のような変換データを用意しておく。そして、カメラ７の撮影フレーム中の特定部位の均一性（Ｕ）（あるいは上記の濃度、輝度、空間周波数など）に応じて、その部位に対応する、レーザビーム１４の走査座標系におけるスポットで照射すべき照射出力値を選択する。このような制御を行うことにより、１つの材料粉末層中の特定部位ごとに、均一性（Ｕ）（あるいは上記の濃度、輝度、空間周波数など）に応じて適切な照射出力値を選択することができる。なお、この場合には、カメラ７の撮影フレーム中の特定部位の均一性（Ｕ）（あるいは上記の濃度、輝度、空間周波数など）の評価は、層データ（図５のＳ３０）に応じて、レーザビーム１４が走査される部位のみ実行すればよい。これにより、ＣＰＵ６０１の演算量を削減できる可能性がある。

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

１…メインフレーム、２…供給ステージ、３…造形ステージ、４…粉敷きユニット、５…造形レーザユニット、７…カメラ、８…材料粉末、１０…造形物。

Claims (10)

1. 造形エリアに敷設した材料粉末の一部にエネルギービームを照射して前記材料粉末を固化させて固化層を形成し、形成した前記固化層の上にさらに材料粉末を敷設してその一部にエネルギービームを照射して前記材料粉末を固化させる工程を含む３次元造形物の製造方法において、
   制御装置が、表面状態測定装置から、前記造形エリアに敷設された前記材料粉末の表面状態の測定情報としての表面粗さの情報を取得する測定情報取得工程と、
   前記制御装置が、前記測定情報取得工程で取得した表面状態の測定情報に基づき、当該の前記材料粉末に照射するエネルギービームの照射出力を制御する照射出力制御工程と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記表面状態測定装置で取得した前記造形エリアに敷設された前記材料粉末の特定部位の前記表面粗さの情報に基づき、前記照射出力制御工程において、当該の特定部位を固化させるために照射する前記エネルギービームの照射出力を決定する３次元造形物の製造方法。
2. 請求項１に記載の３次元造形物の製造方法において、前記照射出力制御工程において、前記表面状態の測定情報としての表面粗さが小さい場合は、表面粗さが大きい場合よりも前記エネルギービームの照射出力を大きくする３次元造形物の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の３次元造形物の製造方法において、前記表面状態測定装置は前記造形エリアを含む撮像領域の画像を撮像する撮像装置を含み、
   前記制御装置は、前記撮像装置で撮像した画像から、前記表面粗さの情報を取得する３次元造形物の製造方法。
4. 請求項３に記載の３次元造形物の製造方法において、前記制御装置は、前記撮像装置で撮像した画像の、濃度または輝度の平均値またはその分布情報から、前記表面粗さの情報を取得する３次元造形物の製造方法。
5. 請求項３に記載の３次元造形物の製造方法において、前記制御装置は、前記撮像装置で撮像した画像の空間周波数から、前記表面粗さの情報を取得する３次元造形物の製造方法。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の３次元造形物の製造方法において、前記エネルギービームがレーザビームである３次元造形物の製造方法。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の３次元造形物の製造方法における前記測定情報取得工程と前記照射出力制御工程を前記制御装置に実行させるための制御プログラム。
8. 請求項７に記載の制御プログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
9. 造形エリアに敷設した材料粉末の一部にエネルギービームを照射して前記材料粉末を固化させて固化層を形成し、形成した前記固化層の上にさらに材料粉末を敷設してその一部にエネルギービームを照射して前記材料粉末を固化させる３次元造形物の製造装置は、制御装置を備え、
   前記制御装置は、表面状態測定装置から、前記造形エリアに敷設された前記材料粉末の表面状態の測定情報としての表面粗さの情報を取得する測定情報取得工程と、
   前記測定情報取得工程で取得した表面状態の測定情報に基づき、当該の前記材料粉末に照射するエネルギービームの照射出力を制御する照射出力制御工程と、を実行し、
   前記制御装置は、前記表面状態測定装置で取得した前記造形エリアに敷設された前記材料粉末の特定部位の前記表面粗さの情報に基づき、前記照射出力制御工程において、当該の特定部位を固化させるために照射する前記エネルギービームの照射出力を決定する３次元造形物の製造装置。
10. 請求項９に記載の３次元造形物の製造装置において、前記照射出力制御工程において、前記表面状態の測定情報としての表面粗さが小さい場合は、表面粗さが大きい場合よりも前記エネルギービームの照射出力を大きくする３次元造形物の製造装置。

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