JP6886422B2 - 造形装置及び造形方法 - Google Patents

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Description

本発明は、三次元造形物を造形する造形装置及び造形方法に関する。本発明に係る造形装置及び造形方法は、ラピッドプロトタイピング（３Ｄプリンティング、あるいは付加製造、あるいはダイレクトデジタル製造と呼ばれることもある）による三次元造形物の形成に好適に用いることができる。
ＣＡＤデータから直接３Ｄ（三次元）形状を生成する技術は、ラピッドプロトタイピング（３Ｄプリンティング、あるいは付加製造、あるいはダイレクトデジタル製造と呼ばれることもあるが、以下、ラピッドプロトタイピングを総称として用いる）と呼ばれ、主として形状の確認を目的とした試作品を極めて短いリードタイムで制作することに寄与してきた。３Ｄプリンタ等のラピッドプロトタイピングにより三次元造形物を形成する造形装置を、扱う材料で分類すると、樹脂を扱うものと金属を扱うものに大別できる。ラピッドプロトタイピングで製作される金属製の三次元造形物は、樹脂製の場合と異なりもっぱら、実際の部品として用いられる。すなわち、形状確認用の試作部品ではなく、実際の機械構造物の一部（それが量産品にせよ試作品にせよ）として機能させることになる。既存の金属用３Ｄプリンタ（以下、Ｍ３ＤＰ（Metal 3D Printer）と略記する）として、ＰＢＦ（Powder Bed Fusion）とＤＥＤ（Directed Energy Deposition）の２種類がよく知られている。
ＰＢＦは、被加工物を搭載するベッドの上に焼結金属の粉末を薄く積層させ、そこに高エネルギのレーザビームをガルバノミラーなどで走査し、ビームが当たった部分を溶融し凝固させる。１層分の描画が完了すると、ベッドが１層分の厚さだけ下降し、そこに再び焼結金属の粉末を塗り広げ、同じことを繰り返す。このようにして１層ずつ造形を繰り返し、所望の３次元形状を得るものである。
ＰＢＦは、その造形原理により、本質的に、(1)部品の製作精度が不十分である、(2)仕上がりの表面粗さが悪い、(3)処理速度が遅い、及び(4)焼結金属粉末の扱いが面倒で手間が掛かるなど、いくつかの問題点が存在する。
ＤＥＤでは、溶解させた金属材料を、加工対象に付着させる方法をとっている。例えば、集光レンズで絞ったレーザビームの焦点付近に、粉末金属を噴射する。するとその粉末金属がレーザの照射によって溶解して液体状になる。その焦点付近に加工対象があったなら、その液体化した金属は加工対象に付着し、冷却され再び凝固する。この焦点の部分がいわばペン先となり、加工対象の表面に次々と「厚みを有する線」を描いていくことができる。加工対象及び加工ヘッド（レーザ及び粉末噴射ノズル他）の一方が他方に対してＣＡＤデータに基づき適切に相対運動することで、所望の形状が形作られる（例えば、特許文献１参照）。
このことからわかるように、ＤＥＤでは、粉末材料は加工ヘッドから必要に応じて必要な量だけ噴射されるため、無駄が無く、大量の余剰粉末の中で加工を行う必要もない。
上述したように、ＤＥＤは、ＰＢＦに比べて、原材料となる粉末金属の扱いなどにおいて改善が図られているが、改善すべき点は多い。
このような背景により、三次元造形物を形成する造形装置の工作機械としての利便性の向上、つまるところはものづくりの経済合理性の向上が強く望まれている。
米国特許出願公開第２００３／０２０６８２０号明細書
本発明の第１の態様によれば、三次元造形物を造形するＤＥＤ方式の造形装置であって、造形の目標部位が設定される対象面を移動する移動システムと、ビームを射出する集光光学系を含むビーム照射部と、前記ビーム照射部からのビームで照射される造形材料を供給する材料処理部と、を有するビーム造形システムと、前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとを相対移動させつつ前記造形材料を前記材料処理部から供給することにより前記目標部位に造形が施されるように、造形対象の三次元造形物の３Ｄデータに基づいて、前記移動システムと前記ビーム造形システムとを制御する制御装置と、を備え、前記集光光学系の射出面側の所定面内における前記ビームの強度分布を変更可能であり、前記制御装置は、前記強度分布の変更に応じて、前記材料処理部による前記造形材料の供給動作を制御し、前記強度分布の変更は、前記所定面内における照射領域の数を変更することを含む造形装置が、提供される。
ここで、対象面は、造形の目標部位が設定される面であり、所定面は、造形の際に、その対象面を位置合わせすべき仮想的な面であっても良い。その所定面は、例えば、集光光学系の光軸に垂直な面であっても良い。その所定面は、集光光学系の後側焦点面又はその近傍の面であっても良い。
本発明の第２の態様によれば、三次元造形物を造形するＤＥＤ方式の造形装置であって、造形の目標部位が設定される対象面を移動する移動システムと、ビームを射出する集光光学系を含むビーム照射部と、前記ビーム照射部からのビームで照射される造形材料を供給する材料処理部と、を有するビーム造形システムと、前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとを相対移動させつつ前記造形材料を前記材料処理部から供給することにより前記目標部位に造形が施されるように、造形対象の三次元造形物の３Ｄデータに基づいて、前記移動システムと前記ビーム造形システムとを制御する制御装置と、を備え、前記集光光学系の射出面側の所定面内における前記ビームの強度分布を変更可能であり、前記材料処理部は、前記造形材料を供給する複数の供給口を有し、前記強度分布の変更に応じて決定された、前記複数の供給口のうちの少なくとも一つから造形材料を供給する造形装置が、提供される。
本発明の第３の態様によれば、三次元造形物を造形するＤＥＤ方式の造形装置であって、造形の目標部位が設定される対象面を移動する移動システムと、ビームを射出する集光光学系を含むビーム照射部と、前記ビーム照射部からのビームで照射される造形材料を供給する材料処理部と、を有するビーム造形システムと、前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとを相対移動させつつ前記造形材料を前記材料処理部から供給することにより前記目標部位に造形が施されるように、造形対象の三次元造形物の３Ｄデータに基づいて、前記移動システムと前記ビーム造形システムとを制御する制御装置と、を備え、前記集光光学系の射出面側の所定面内における前記ビームの強度分布を変更可能であり、前記材料処理部は、前記造形材料を供給する少なくとも一つの可動供給口を有し、前記強度分布の変更に応じて、前記可動供給口の位置を変更する造形装置が、提供される。
本発明の第４の態様によれば、三次元造形物をＤＥＤ方式で造形する造形方法であって、集光光学系を含むビーム照射部から射出されるビームと造形の目標部位が設定される対象面とを相対移動させつつ前記ビームで照射される造形材料を供給することにより前記目標部位に造形が施されるように、造形対象の三次元造形物の３Ｄデータに基づいて、前記対象面の移動と、前記ビーム照射部からの前記ビームの射出状態及び前記造形材料の供給状態の少なくとも一方と、を制御することを含み、前記集光光学系の射出面側の所定面内における前記ビームの強度分布を変更可能であり、前記強度分布の変更に応じて、前記造形材料の供給動作が制御され、前記強度分布の変更は、前記所定面内における照射領域の数を変更することを含む造形方法が、提供される。
第１ないし第３の態様に係る造形装置及び第４の態様に係る造形方法によれば、加工精度の良好な三次元造形物を造形することが可能になる。
一実施形態に係る造形装置の全体構成を示すブロック図である。 移動システムの構成を、計測システムとともに概略的に示す図である。 ワークが搭載された移動システムを示す斜視図である。 ビーム造形システムをワークが搭載されたテーブルとともに示す図である。 ビーム造形システムが備えるビーム照射部の一部を構成する光源系の構成の一例を示す図である。 光源系からの平行ビームがミラーアレイに照射され、複数のミラー素子それぞれからの反射ビームの集光光学系に対する入射角度が個別に制御される状態を示す図である。 ビーム造形システムが備える材料処理部を集光光学系とともに示すである。 材料処理部のノズルに形成された複数の供給口と該複数の供給口のそれぞれを開閉する開閉部材とを示す図である。 図９（Ａ）は、図４の円Ａ内を拡大して示す図、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示される一文字領域とスキャン方向との関係を示す図である。 造形面上に形成されるビームの照射領域の一例を示す図である。 造形装置の制御系を中心的に構成する制御装置の入出力関係を示すブロック図である。 図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、一実施形態に係る造形装置の１つの効果を従来技術と比較して説明するための図である。 ３つの一文字領域にそれぞれ形成された３つの一文字ビームを用いてワークに対する付加加工を行う例を説明するための図である。 図１３に示される３つの一文字領域の配置とスキャン方向との関係を示す図である。 図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、一文字領域の幅を少し太くすることで塗布層の厚さを厚くする例を説明するための図である。
以下、一実施形態について、図１〜図１５（Ｂ）に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係る造形装置１００の全体構成が、ブロック図にて示されている。
造形装置１００は、ＤＥＤ方式のＭ３ＤＰである。造形装置１００は、ラピッドプロトタイピングにより、後述するテーブル１２上で三次元造形物を形成するのにも用いることができるが、ワーク（例えば、既存の部品）に対して三次元造形による付加加工を行うのにも用いることもできる。本実施形態では、後者のワークに対する付加加工を行う場合を中心として説明を行う。実際のモノづくりの現場では、別の製法、別の材料あるいは別の工作機械で生成された部品に対し、更に加工を繰り返し所望の部品に仕立てていくことが普通であり、三次元造形による付加加工に対してもその要求は潜在的には同じである。
造形装置１００は、移動システム２００、計測システム４００及びビーム造形システム５００と、これらのシステムを含み、造形装置１００の全体を制御する制御装置６００とを備えている。このうち、計測システム４００と、ビーム造形システム５００とは、所定方向、に離れて配置されている。以下の説明では、便宜上、計測システム４００と、ビーム造形システム５００とは、後述するＸ軸方向（図２参照）に離れて配置されているものとする。
図２には、移動システム２００の構成が、計測システム４００とともに概略的に示されている。また、図３には、ワークＷが搭載された移動システム２００が、斜視図にて示されている。以下では、図２における紙面内の左右方向をＹ軸方向、紙面に直交する方向をＸ軸方向、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向をＺ軸方向とし、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸回りの回転（傾斜）方向を、それぞれθｘ、θｙ及びθｚ方向として説明を行う。
移動システム２００は、造形の対象面（ここではワークＷ上の目標部位ＴＡが設定される面）ＴＡＳ（例えば図４及び図９（Ａ）参照）の位置及び姿勢を変更する。具体的には、対象面を有するワーク及び該ワークが搭載される後述するテーブルを６自由度方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、θｘ、θｙ及びθｚの各方向）に駆動することで、対象面の６自由度方向の位置の変更を行う。本明細書においては、テーブル、ワーク又は対象面などについて、θｘ、θｙ及びθｚ方向の３自由度方向の位置を適宜「姿勢」と総称し、これに対応して残りの３自由度方向（Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向）の位置を適宜「位置」と総称する。
移動システム２００は、テーブルの位置及び姿勢を変更する駆動機構の一例としてスチュワートプラットホーム型の６自由度パラレルリンク機構を備えている。なお、移動システム２００は、テーブルを６自由度方向に駆動できるものに限定されない。
移動システム２００（但し、後述する平面モータの固定子を除く）は、図２に示されるように、床Ｆ上にその上面がＸＹ平面にほぼ平行になるように設置されたベースＢＳ上に配置されている。移動システム２００は、図３に示されるように、ベースプラットホームを構成する平面視正六角状のスライダ１０と、エンドエフェクタを構成するテーブル１２と、スライダ１０とテーブル１２とを連結する６本の伸縮可能なロッド（リンク）１４1〜１４6と、ロッド１４1〜１４6にそれぞれ設けられ当該各ロッドを伸縮させる伸縮機構１６1〜１６6（図３では図示せず、図１１参照）とを有している。移動システム２００は、ロッド１４1〜１４6の長さを伸縮機構１６1〜１６6でそれぞれ独立に調整することにより、テーブル１２の動きを三次元空間内で６自由度で制御できる構造となっている。移動システム２００は、テーブル１２の駆動機構として、スチュワートプラットホーム型の６自由度パラレルリンク機構を備えているので、高精度、高剛性、支持力が大きい、逆運動学計算が容易などの特徴がある。
本実施形態に係る造形装置１００では、ワークに対する付加加工時等において、ワークに対して所望の形状の造形物を形成する等のため、ビーム造形システム５００に対し、より具体的には後述するビーム照射部からのビームに対してワーク（テーブル１２）の位置及び姿勢が制御される。原理的には、この逆にビーム照射部からのビームの方が可動であっても良いし、ビームとワーク（テーブル）の両方が可動であっても良い。後述するようにビーム造形システム５００は複雑な構成であるため、ワークの方を動かす方が簡便である。
テーブル１２は、ここでは、正三角形の各頂点の部分を切り落としたような形状の板部材から成る。テーブル１２の上面に付加加工対象のワークＷが搭載される。テーブル１２には、ワークＷを固定するためのチャック機構１３（図３では不図示、図１１参照）が設けられている。チャック機構１３としては、例えばメカニカルチャックあるいは真空チャックなどが用いられる。なお、テーブル１２は、図３に示される形状に限らず、矩形板状、円盤状など如何なる形状でも良い。
この場合、図３から明らかなように、ロッド１４1〜１４6のそれぞれは、両端がユニバーサルジョイント１８を介して、スライダ１０とテーブル１２とにそれぞれ接続されている。また、ロッド１４1、１４2は、テーブル１２の三角形の１つの頂点位置の近傍に接続され、スライダ１０とこれらのロッド１４1、１４2とによって概略三角形が構成されるような配置となっている。同様に、ロッド１４3，１４4、及びロッド１４5，１４6は、テーブル１２の三角形の残りの各頂点位置の近傍にそれぞれ接続され、スライダ１０と、ロッド１４3、１４4、及びロッド１４5，１４6とによって、それぞれ概略三角形が構成されるような配置となっている。
これらのロッド１４1〜１４6のそれぞれは、図３にロッド１４1について代表的に示されるように、それぞれの軸方向に相対移動可能な第１軸部材２０と、第２軸部材２２とを有しており、第１軸部材２０の一端（下端）は、スライダ１０にユニバーサルジョイント１８を介して取り付けられており、第２軸部材２２の他端（上端）は、テーブル１２にユニバーサルジョイントを介して取り付けられている。
第１軸部材２０の内部には、段付き円柱状の中空部が形成されており、この中空部の下端側には、例えばベローズ型のエアシリンダが収納されている。このエアシリンダには、空圧回路及び空気圧源（いずれも不図示）が接続されている。そして、その空気圧源から供給される圧縮空気の空気圧を空圧回路を介して制御することにより、エアシリンダの内圧を制御し、これによってエアシリンダが有するピストンが軸方向に往復動されるようになっている。エアシリンダでは、戻り工程は、パラレルリンク機構に組み込まれた際にピストンに作用する重力を利用するようになっている。
また、第１軸部材２０の中空部内の上端側には、軸方向に並べて配置された複数の電機子コイルから成る電機子ユニット（不図示）が配置されている。
一方、第２軸部材２２は、その一端部（下端部）が第１軸部材２０の中空部内に挿入されている。この第２軸部材２２の一端部には、他の部分に比べて直径が小さい小径部が形成されており、この小径部の周囲には、磁性体部材から成る円管状の可動子ヨークが設けられている。可動子ヨークの外周部には、同一寸法の複数の永久磁石から成る中空円柱状、すなわち円筒状の磁石体が設けられている。この場合、可動子ヨークと磁石体とによって、中空円柱状の磁石ユニットが構成されている。本実施形態では、電機子ユニットと磁石ユニットとによって、電磁力リニアモータの一種であるシャフトモータが構成されている。このようにして構成されたシャフトモータでは、固定子である電機子ユニットの各コイルに対し、所定周期及び所定振幅の正弦波状の駆動電流を供給することにより、磁石ユニットと電機子ユニットとの間の電磁気的相互作用の一種である電磁相互作用によって発生するローレンツ力（駆動力）により第１軸部材２０に対し第２軸部材２２が軸方向に相対駆動される。
すなわち、本実施形態では、上述したエアシリンダと、シャフトモータとによって、第１軸部材２０と第２軸部材２２とを軸方向に相対駆動して、ロッド１４1〜１４6のそれぞれを伸縮させる前述の伸縮機構１６1〜１６6（図１１参照）が、それぞれ構成されている。
また、シャフトモータの可動子である磁石ユニットは、第１軸部材２０の内周面に設けられたエアパッドを介して固定子である電機子ユニットに対して非接触で支持されている。
また、図３では図示が省略されているが、ロッド１４１〜１４６のそれぞれには、第１軸部材２０を基準とする第２軸部材２２の軸方向の位置を検出するアブソリュート型のリニアエンコーダ２４１〜２４６が設けられており、これらのリニアエンコーダ２４１〜２４６の出力は、制御装置６００に供給されるようになっている（図１１参照）。リニアエンコーダ２４１〜２４６で検出される第２軸部材２２の軸方向の位置は、ロッド１４１〜１４６それぞれの長さに対応する。
リニアエンコーダ２４１〜２４６の出力に基づいて、伸縮機構１６1〜１６6が、制御装置６００により制御されるようになっている（図１１参照）。本実施形態の移動システム２００と同様のパラレルリンク機構の構成の詳細は、例えば米国特許第６，９４０，５８２号明細書に開示されており、制御装置６００は上記米国特許明細書に開示されているのと同様の方法により、逆運動学計算を用いて伸縮機構１６1〜１６6を介してテーブル１２の位置及び姿勢を制御する。
移動システム２００では、ロッド１４１〜１４６にそれぞれ設けられる伸縮機構１６1〜１６ 6 が、相互に直列（又は並列）に配置されたエアシリンダと電磁力リニアモータの一種であるシャフトモータとを有していていることから、制御装置６００ではエアシリンダの空圧制御により、テーブル１２を、粗く大きく駆動するとともに、シャフトモータにより細かく微動させることができる。この結果、テーブル１２の６自由度方向の位置（すなわち位置及び姿勢）の制御を短時間で正確に行うことが可能になる。
また、ロッド１４１〜１４６のそれぞれは、シャフトモータの可動子である磁石ユニットを固定子である電機子ユニットに対して非接触で支持するエアパッドを有しているので、伸縮機構によるロッドの伸縮を制御する際の非線形成分となる摩擦を回避することができ、これにより、テーブル１２の位置及び姿勢の制御を一層高精度に行うことができる。
また、本実施形態では、伸縮機構１６ 1 〜１６ 6 を構成する電磁力リニアモータとしてシャフトモータが用いられ、該シャフトモータでは可動子側に円筒状の磁石が用いられた磁石ユニットが用いられているので、その磁石の放射方向の全方向に磁束（磁界）が発生し、その全方向の磁束を、電磁相互作用によるローレンツ力（駆動力）の発生に寄与させることができ、例えば通常のリニアモータ等に比較して明らかに大きな推力を発生させることができ、油圧シリンダ等に比べて小型化が容易である。
したがって、各ロッドがシャフトモータをそれぞれ含む移動システム２００によれば、小型・軽量化と出力の向上とを同時に実現でき、造形装置１００に好適に適用できる。
また、制御装置６００では、伸縮機構をそれぞれ構成するエアシリンダの空圧を制御することにより低周波振動を制振するとともにシャフトモータに対する電流制御により高周波振動を絶縁するようにすることができる。
移動システム２００は、さらに平面モータ２６（図１１参照）を備えている。スライダ１０の底面には、磁石ユニット（又はコイルユニット）から成る、平面モータ２６の可動子が設けられ、これに対応してベースＢＳの内部には、コイルユニット（又は磁石ユニット）から成る、平面モータ２６の固定子が収容されている。スライダ１０の底面には、可動子を取り囲んで複数のエアベアリング（空気静圧軸受）が設けられ、複数のエアベアリングによってスライダ１０は、平坦度が高く仕上げられたベースＢＳの上面（ガイド面）上に所定のクリアランス（ギャップ又は隙間）を介して浮上支持されている。平面モータ２６の固定子と可動子との間の電磁相互作用によって生じる電磁力（ローレンツ力）により、スライダ１０は、ベースＢＳの上面に対して非接触でＸＹ平面内で駆動される。本実施形態では、移動システム２００は、図１に示されるように、計測システム４００及びビーム造形システム５００、並びにワーク搬送系３００（図１では不図示、図１１参照）の配置位置相互間で、テーブル１２を自在に移動可能である。なお、移動システム２００が、それぞれにワークＷを搭載する複数のテーブル１２を備えていても良い。例えば複数のテーブルの一つに保持されたワークに対してビーム造形システム５００を用いた加工を行っている間に、別の一つのテーブルに保持されたワークに対して計測システム４００を用いた計測を行っても良い。かかる場合においても、計測システム４００及びビーム造形システム５００、並びにワーク搬送系３００（図１では不図示、図１１参照）の配置位置相互間で、それぞれのテーブルが自在に移動可能にすれば良い。あるいは、もっぱら計測システム４００を用いた計測のときにワークを保持するテーブルと、もっぱらビーム造形システム５００を用いた加工のときにワークを保持するテーブルを設けるとともに、その２つのテーブルに対するワークの搬入及び搬出がワーク搬送系等によって可能となる構成を採用した場合には、それぞれのスライダ１０は、ベースＢＳ上に固定されていても良い。複数のテーブル１２を設ける場合であっても、それぞれのテーブル１２は、６自由度方向に可動であり、その６自由度方向の位置の制御が可能である。
なお、平面モータ２６としては、エア浮上方式に限らず、磁気浮上方式の平面モータを用いても良い。後者の場合、スライダ１０には、エアベアリングを設ける必要はない。また、平面モータ２６としては、ムービングマグネット型、ムービングコイル型のいずれをも用いることができる。
制御装置６００では、平面モータ２６を構成するコイルユニットの各コイルに供給する電流の大きさ及び方向の少なくとも一方を制御することで、スライダ１０を、ベースＢＳ上でＸ、Ｙ２次元方向に自在に駆動することができる。
本実施形態では、移動システム２００は、スライダ１０のＸ軸方向及びＹ軸方向に関する位置情報を計測する位置計測系２８（図１１参照）を備えている。位置計測系２８としては、２次元アブソリュートエンコーダを用いることができる。具体的には、ベースＢＳの上面に、Ｘ軸方向の全長に渡る所定幅の帯状のアブソリュートコードを有する２次元スケールを設け、これに対応してスライダ１０の底面に、発光素子などの光源と、該光源から射出された光束により照明された２次元スケールからの反射光をそれぞれ受光するＸ軸方向に配列された一次元受光素子アレイ及びＹ軸方向に配列された一次元受光素子アレイとによって構成されるＸヘッド及びＹヘッドを設ける。２次元スケールとしては、例えば非反射性の基材（反射率０％）上において、互いに直交する２方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に沿って一定の周期で複数の正方形の反射部（マーク）が２次元配列され、反射部の反射特性（反射率）が、所定の規則に従う階調を有するものが使用される。２次元アブソリュートエンコーダとしては、例えば米国特許出願公開第２０１４／００７００７３号公報に開示されている２次元アブソリュートエンコーダと同様の構成を採用しても良い。米国特許出願公開第２０１４／００７００７３号公報と同様の構成のアブソリュート型２次元エンコーダによると、従来のインクリメンタルエンコーダと同等の高精度な２次元位置情報の計測が可能になる。アブソリュートエンコーダであるから、インクリメンタルエンコーダと異なり原点検出が不要である。位置計測系２８の計測情報は、制御装置６００に送られる。
本実施形態では、後述するように、計測システム４００により、テーブル１２上に搭載されたワークＷ上の対象面（例えば上面）の少なくとも一部の三次元空間内の位置情報（本実施形態では形状情報）が計測され、その計測後にワークＷに対する付加加工（造形）が行われる。したがって、制御装置６００は、ワークＷ上の対象面の少なくとも一部の形状情報を計測したときに、その計測結果と、その計測時におけるロッド１４１〜１４６に設けられたリニアエンコーダ２４１〜２４６の計測結果及び位置計測系２８の計測結果と、を対応づけることで、テーブル１２に搭載されたワークＷ上の対象面の位置及び姿勢を、造形装置１００の基準座標系（以下、テーブル座標系と呼ぶ）と関連付けることができる。これにより、それ以後は、リニアエンコーダ２４１〜２４６及び位置計測系２８の計測結果に基づくテーブル１２の６自由度方向の位置のオープンループの制御により、ワークＷ上の対象面ＴＡＳの目標値に対する６自由度方向に関する位置制御が可能になっている。本実施形態では、リニアエンコーダ２４１〜２４６及び位置計測系２８として、アブソリュート型のエンコーダが用いられているので原点出しが不要なためリセットが容易である。なお、テーブル１２の６自由度方向の位置のオープンループの制御によるワークＷ上の対象面の目標値に対する６自由度方向に関する位置制御を可能にするために用いられる、計測システム４００で計測すべき前述の三次元空間内の位置情報は、形状に限らず、対象面の形状に応じた少なくとも３点の三次元位置情報であれば足りる。
なお、上記実施形態では、スライダ１０をＸＹ平面内で駆動する駆動装置として、平面モータ２６を用いる場合について説明したが、平面モータ２６に代えてリニアモータを用いても良い。この場合、前述した２次元アブソリュートエンコーダに代えて、アブソリュート型のリニアエンコーダによりスライダ１０の位置情報を計測する位置計測系を構成しても良い。また、スライダ１０の位置情報を計測する位置計測系を、エンコーダに限らず、干渉計システムを用いて構成しても良い。
また、上記実施形態では、テーブルを駆動する機構を、スライダをＸＹ平面内で駆動する平面モータと、スライダによってベースプラットホームが構成されるスチュワートプラットホーム型の６自由度パラレルリンク機構とを用いて構成する場合について例示したが、これに限らず、その他のタイプのパラレルリンク機構、あるいはパラレルリンク機構以外の機構を用いてテーブルを駆動する機構を構成しても良い。例えば、ＸＹ平面内で移動するスライダと、スライダ上でテーブル１２をＺ軸方向及びＸＹ平面に対する傾斜方向に駆動するＺチルト駆動機構を採用しても良い。かかるＺチルト駆動機構の一例としては、テーブル１２を三角形の各頂点位置で例えばユニバーサルジョイントその他のジョイントを介して下方から支持するとともに、各支持点を互いに独立してＺ軸方向に駆動可能な３つのアクチュエータ（ボイスコイルモータなど）を有する機構が挙げられる。ただし、移動システム２００のテーブルを駆動する機構の構成は、これらに限定されるものではなく、ワークが載置されるテーブル（可動部材）をＸＹ平面内の３自由度方向、及びＺ軸方向、並びにＸＹ平面に対する傾斜方向の少なくとも５自由度方向に駆動できる構成であれば良く、ＸＹ平面内で移動するスライダを備えていなくても良い。例えばテーブルとこのテーブルを駆動するロボットによって移動システムを構成しても良い。いずれの構成であっても、テーブルの位置を計測する計測系を、アブソリュート型のリニアエンコーダの組み合わせ、又は該リニアエンコーダとアブソリュート型のロータリエンコーダとの組み合わせを用いて構成すると、リセットを容易にすることができる。
この他、移動システム２００に代えて、テーブル１２をＸＹ平面内の３自由度方向、及びＺ軸方向、並びにＸＹ平面に対する傾斜方向（θｘ又はθｙ）の少なくとも５自由度方向に駆動可能なシステムを採用しても良い。この場合において、テーブル１２そのものを、エア浮上又は磁気浮上によって、ベースＢＳなどの支持部材の上面上に所定のクリアランス（ギャップ又は隙間）を介して浮上支持（非接触支持）しても良い。このような構成を採用すると、テーブルは、これを支持する部材に対して非接触で移動するので、位置決め精度上極めて有利であり、造形精度向上に大きく寄与する。
計測システム４００は、テーブル１２に搭載されたワークの位置及び姿勢をテーブル座標系と関連付けるためのワークの三次元位置情報、一例として形状の計測を行う。計測システム４００は、図２に示されるように、レーザ非接触式の三次元計測機４０１を備えている。三次元計測機４０１は、ベースＢＳ上に設置されたフレーム３０と、フレーム３０に取付けられたヘッド部３２と、ヘッド部３２に装着されたＺ軸ガイド３４と、Ｚ軸ガイド３４の下端に設けられた回転機構３６と、回転機構３６の下端に接続されたセンサ部３８と、を備えている。
フレーム３０は、Ｙ軸方向に延びる水平部材４０と、水平部材４０をＹ軸方向の両端部で下方から支持する一対の柱部材４２とから成る。
ヘッド部３２は、フレーム３０の水平部材４０に取付けられている。
Ｚ軸ガイド３４は、ヘッド部３２にＺ軸方向に移動可能に装着され、Ｚ駆動機構４４（図２では図示せず、図１１参照）によってＺ軸方向に駆動される。Ｚ軸ガイド３４のＺ軸方向の位置（又は基準位置からの変位）は、Ｚエンコーダ４６（図２では図示せず、図１１参照）によって計測される。
回転機構３６は、センサ部３８をヘッド部３２（Ｚ軸ガイド３４）に対して所定角度範囲（例えば９０度（π／２）又は１８０度（π）の範囲）内でＺ軸と平行な回転中心軸回りに連続的に（又は所定角度ステップで）回転駆動する。本実施形態では、回転機構３６によるセンサ部３８の回転中心軸は、センサ部３８を構成する後述する照射部から照射されるライン光の中心軸と一致している。回転機構３６によるセンサ部３８の基準位置からの回転角度（又はセンサ部のθｚ方向の位置）は、例えばロータリエンコーダなどの回転角度センサ４８（図２では図示せず、図１１参照）によって計測される。
センサ部３８は、テーブル１２上に載置される被検物（図２ではワークＷ）に光切断を行うためのライン光を照射する照射部５０と、ライン光が照射されることで光切断面（線）が現れた被検物の表面を検出する検出部５２と、を主体に構成される。また、センサ部３８には、検出部５２により検出された画像データに基づいて被検物の形状を求める演算処理部５４が接続されている。演算処理部５４は、本実施形態では造形装置１００の構成各部を統括的に制御するための制御装置６００に含まれる（図１１参照）。
照射部５０は、図示しないシリンドリカルレンズ及び細い帯状の切り欠きを有したスリット板等から構成され、光源からの照明光を受けて扇状のライン光５０ａを生じさせるものである。光源としては、ＬＥＤ、レーザ光源あるいはＳＬＤ（super luminescent diode）等を用いることができる。ＬＥＤを用いた場合は安価に光源を形成することができる。また、レーザ光源を用いた場合、点光源であるため収差の少ないライン光を作ることができ、波長安定性に優れ半値幅が小さく、迷光カットに半値幅の小さいフィルタが使えるため、外乱の影響を少なくすることができる。また、ＳＬＤを用いた場合は、レーザ光源の特性に加え可干渉性がレーザ光よりも低いため被検物面でのスペックルの発生を抑えることができる。検出部５２は、被検物（ワークＷ）の表面に投影されるライン光５０ａを照射部５０の光照射方向とは異なる方向から撮像するためのものである。また、検出部５２は、図示しない結像レンズやＣＣＤ等から構成され、後述するようにテーブル１２を移動させてライン光５０ａが所定間隔走査される毎に被検物（ワークＷ）を撮像するようになっている。なお、照射部５０及び検出部５２の位置は、被検物（ワークＷ）の表面上のライン光５０ａの検出部５２に対する入射方向と、照射部５０の光照射方向とが、所定角度θを成すように定められている。本実施形態では、上記所定角度θが例えば４５度に設定されている。
検出部５２で撮像された被検物（ワークＷ）の画像データは、演算処理部５４に送られ、ここで所定の画像演算処理がなされて被検物（ワークＷ）の表面の高さが算出され、被検物（ワークＷ）の三次元形状（表面形状）が求められるようになっている。演算処理部５４は、被検物（ワークＷ）の画像において、被検物（ワークＷ）の凹凸に応じて変形したライン光５０ａによる光切断面（線）の位置情報に基づき、光切断面（線）（ライン光９１ａ）が延びる長手方向の画素毎に三角測量の原理を用いて被検物（ワークＷ）表面の基準平面からの高さを算出し、被検物（ワークＷ）の三次元形状を求める演算処理を行う。
本実施形態では、制御装置６００が、被検物（ワークＷ）に投影されたライン光５０ａの長手方向と略直角な方向にテーブル１２を移動させることで、ライン光５０ａを被検物（ワークＷ）の表面を走査させる。制御装置６００は、センサ部３８の回転角度を回転角度センサ４８で検出し、該検出結果に基づいてテーブル１２をライン光５０ａの長手方向と略直角な方向に移動させる。このように、本実施形態では、被検物（ワークＷ）の形状等の計測に際し、テーブル１２を移動させるので、その前提として、ワークＷを保持して計測システム４００のセンサ部３８の下方に移動してきた時点では、テーブル１２の位置及び姿勢（６自由度方向の位置）は、常に所定の基準状態に設定されている。基準状態は、例えばロッド１４１〜１４６がいずれも伸縮ストローク範囲の中立点に相当する長さ（あるいは最小の長さ）となる状態であり、このとき、テーブル１２のＺ軸、θｘ、θｙ及びθｚの各方向の位置（Ｚ、θｘ、θｙ、θｚ）＝（Ｚ０、０、０、０）となる。また、この基準状態では、テーブル１２のＸＹ平面内の位置（Ｘ，Ｙ）は、位置計測系２８によって計測されるスライダ１０のＸ、Ｙ位置と一致する。
その後、被検物（ワークＷ）に対する上述した計測が開始されるが、この計測中を含み、テーブル１２の６自由度方向の位置は、制御装置６００によってテーブル座標系上で管理される。すなわち、制御装置６００は、位置計測系２８の計測情報に基づいて平面モータ２６を制御するとともに、リニアエンコーダ２４１〜２４６の計測値に基づいて、伸縮機構１６1〜１６6を制御することで、テーブル１２の６自由度方向の位置を制御する。
ところで、本実施形態に係る三次元計測機４０１のように光切断法を用いる場合、センサ部３８の照射部５０から被検物（ワークＷ）に照射されるライン光５０ａを、センサ部３８とテーブル１２（被検物（ワークＷ））との相対移動方向と直交する方向に配置させるのが望ましい。例えば、図２において、センサ部３８と被検物（ワークＷ）との相対移動方向をＹ軸方向に設定した場合、ライン光５０ａをＸ軸方向に沿って配置するのが望ましい。このようにすると、計測時にライン光５０ａの全域を有効に利用した被検物（ワークＷ）に対する相対移動を行うことができ、被検物（ワークＷ）の形状を最適に計測できるためである。ライン光５０ａの向きと上述の相対移動方向とを常に直交させることができるように、回転機構３６が設けられている。
上述した三次元計測機４０１は、例えば米国特許出願公開第２０１２／０１０５８６７号公報に開示されている形状測定装置と同様に構成されている。ただし、ライン光の被検物に対するＸ、Ｙ平面に平行な方向の走査は、米国特許出願公開第２０１２／０１０５８６７号公報に記載されている装置では、センサ部の移動によって行われるのに対し、本実施形態では、テーブル１２の移動によって行われる点が相違する。なお、本実施形態では、ライン光の被検物に対するＺ軸に平行な方向の走査に際しては、Ｚ軸ガイド３４及びテーブル１２のいずれを駆動しても良い。
本実施形態に係る三次元計測機４０１を用いる計測方法では、光切断法を用いることで、被検物の表面に一本のライン光からなるライン状投影パターンを投影し、ライン状投影パターンを被検物表面の全域を走査させる毎に、被検物に投影されたライン状投影パターンを投影方向と異なる角度から撮像する。そして、撮像された被検物表面の撮像画像よりライン状投影パターンの長手方向の画素毎に三角測量の原理等を用いて被検物表面の基準平面からの高さを算出し、被検物表面の三次元形状を求める。
この他、計測システム４００を構成する三次元計測機としては、例えば米国特許第７,００９,７１７号明細書に開示されている光プローブと同様の構成の装置を用いることもできる。この光プローブは、２つ以上の光学グループで構成され、２以上の視野方向と２以上の投影方向を含む。１つの光学グループでは１つ以上の視野方向と１つ以上の投影方向を含み、少なくとも１つの視野方向と少なくとも１つの投影方向が光学グループ間で異なり、視野方向により得られたデータは同じ光学グループの投影方向により投影されたパターンのみにより生成される。
計測システム４００は、上述の三次元計測機４０１の代わりに、あるいは上述の三次元計測機に加えて、アライメントマークを光学的に検出するマーク検出系５６（図１１参照）を備えていても良い。マーク検出系５６は、例えばワークに形成されたアライメントマークを検出することができる。制御装置６００は、マーク検出系５６を用いて少なくとも３つのアライメントマークの中心位置（三次元座標）をそれぞれ正確に検出することで、ワーク（又はテーブル１２）の位置及び姿勢を算出する。かかるマーク検出系５６は、例えばステレオカメラを含んで構成することができる。マーク検出系５６により、テーブル１２上に予め形成された最低三か所のアライメントマークを光学的に検出することとしても良い。
本実施形態では、制御装置６００は、上述したようにして三次元計測機４０１を用いて、ワークＷの表面（対象面）を走査し、その表面形状データを取得する。そして、制御装置６００は、その表面形状データを用いて最小自乗的処理を行いワーク上の対象面の三次元的位置及び姿勢をテーブル座標系に対して関連付けを行う。ここで、被検物（ワークＷ）に対する上述した計測中を含み、テーブル１２の６自由度方向の位置は、制御装置６００によってテーブル座標系上で管理されているので、ワークの三次元的位置及び姿勢がテーブル座標系に対して関連付けられた後は、三次元造形による付加加工時を含み、ワークＷの６自由度方向の位置（すなわち位置及び姿勢）の制御は全てテーブル座標系に従ったテーブル１２のオープンループの制御により行うことができる。
図４には、ビーム造形システム５００が、ワークＷが搭載されたテーブル１２とともに示されている。図４に示されるように、ビーム造形システム５００は、光源系５１０を含み、ビームを射出するビーム照射部５２０と、粉状の造形材料を供給する材料処理部５３０と、ウォーターシャワーノズル５４０（図４では図示せず、図１１参照）と、を備えている。なお、ビーム造形システム５００が、ウォーターシャワーノズル５４０を備えていなくても良い。
光源系５１０は、図５に示されるように、光源ユニット６０と、光源ユニット６０に接続されたライトガイドファイバ６２と、ライトガイドファイバ６２の射出側に配置されたダブルフライアイ光学系６４と、コンデンサレンズ系６６と、を備えている。
光源ユニット６０は、ハウジング６８と、ハウジング６８の内部に収納され、互いに平行にマトリクス状に並べられた複数のレーザユニット７０と、を備えている。レーザユニット７０としては、パルス発振又は連続波発振動作を行う各種レーザ、例えば炭酸ガスレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ファイバレーザ、あるいはＧａＮ系半導体レーザなどの光源のユニットを用いることができる。
ライトガイドファイバ６２は、多数の光ファイバ素線をランダムに束ねて構成されたファイババンドルであって、複数のレーザユニット７０の射出端に個別に接続された複数の入射口６２ａと、入射口６２ａの数より多い数の射出口を有する射出部６２ｂとを有している。ライトガイドファイバ６２は、複数のレーザユニット７０のそれぞれから射出される複数のレーザビーム（以下、適宜「ビーム」と略記する）を、各入射口６２ａを介して受光して多数の射出口に分配し、各レーザビームの少なくとも一部を共通の射出口から射出させる。このようにして、ライトガイドファイバ６２は、複数のレーザユニット７０のそれぞれから射出されるビームを混合して射出する。これにより、単一のレーザユニットを用いる場合に比べて、総出力をレーザユニット７０の数に応じて増加させることができる。ただし、単一のレーザユニットで十分な出力が得られる場合には、複数のレーザユニットを使わなくても良い。
ここで、射出部６２ｂは、次に説明するダブルフライアイ光学系６４の入射端を構成する第１フライアイレンズ系の入射端の全体形状と相似な断面形状を有し、その断面内に射出口がほぼ均等な配置で設けられている。このため、ライトガイドファイバ６２は、上述のようにして混合したビームを、第１フライアイレンズ系の入射端の全体形状と相似になるように整形する整形光学系の役目も兼ねている。
ダブルフライアイ光学系６４は、ビーム（照明光）の断面照度分布（断面強度分布）を一様化するためのもので、ライトガイドファイバ６２後方のレーザビームのビーム路（光路）上に順次配置された第１フライアイレンズ系７２、レンズ系７４、及び第２フライアイレンズ系７６とから構成される。なお、第２フライアイレンズ系７６の周囲には、絞りが設けられている。
この場合、第１フライアイレンズ系７２の入射面と、第２フライアイレンズ系７６の入射面とは、光学的に互いに共役に設定されている。また、第１フライアイレンズ系７２の射出側焦点面（ここに後述する面光源が形成される）、第２フライアイレンズ系７６の射出側焦点面（ここに後述する面光源が形成される）、及び後述する集光光学系８２の瞳面（入射瞳）ＰＰは光学的に互いに共役に設定されている。なお、本実施形態において、集光光学系８２の瞳面（入射瞳）ＰＰは、前側焦点面と一致している（例えば図４、図６、図７等参照）。
ライトガイドファイバ６２によって混合されたビームは、ダブルフライアイ光学系６４の第１フライアイレンズ系７２に入射する。これにより、第１フライアイレンズ系７２の射出側焦点面に面光源、すなわち多数の光源像（点光源）から成る２次光源が形成される。これらの多数の点光源の各々からのレーザ光は、レンズ系７４を介して第２フライアイレンズ系７６に入射する。これにより、第２フライアイレンズ系７６の射出側焦点面に多数の微小な光源像を所定形状の領域内に一様分布させた面光源（３次光源）が形成される。
コンデンサレンズ系６６は、上記３次光源から射出されたレーザ光を、照度分布が均一なビームとして射出する。
なお、第２フライアイレンズ系７６の入射端の面積、コンデンサレンズ系６６の焦点距離などの最適化により、コンデンサレンズ系６６から射出されるビームは、平行ビームとみなすことができる。
本実施形態の光源系５１０は、ライトガイドファイバ６２とダブルフライアイ光学系６４とコンデンサレンズ系６６とを備えた照度均一化光学系を備え、この照度均一化光学系を用いて、複数のレーザユニット７０からそれぞれ射出されるビームを混合し、断面照度分布が均一化された、平行ビームを生成する。
なお、照度均一化光学系は、上述した構成に限られない。例えば、ロッドインテグレータ、コリメーターレンズ系などを用いて照度均一化光学系を構成しても良い。
光源系５１０の光源ユニット６０は、制御装置６００に接続されており、制御装置６００によって、光源ユニット６０を構成する複数のレーザユニット７０のオンオフが、個別に制御される。これにより、ビーム照射部５２０からワークＷ（上の対象面）に照射されるレーザビームの光量（レーザ出力）が調整される。
なお、造形装置１００が、光源ユニット６０、あるいは光源ユニット６０と照度均一化光学系を備えていなくても良い。例えば、所望の光量（エネルギー）と所望の照度均一性を有する平行ビームを、外部装置から造形装置１００に供給しても良い。
ビーム照射部５２０は、図４に示されるように、光源系５１０の他、光源系５１０（コンデンサレンズ系６６）からの平行ビームの光路上に順次配置されたビーム断面強度変換光学系７８及び空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）の一種であるミラーアレイ８０と、ミラーアレイ８０からの光を集光する集光光学系８２とを有する。ここで、空間光変調器とは、所定方向へ進行する光の振幅（強度）、位相あるいは偏光の状態を空間的に変調する素子の総称である。
ビーム断面強度変換光学系７８は、光源系５１０（コンデンサレンズ系６６）からの平行ビームの断面の強度分布を変換する。本実施形態では、ビーム断面強度変換光学系７８は、光源系５１０からの平行ビームを、その断面の中心を含む領域の強度がほぼ零となるドーナツ状（輪帯状）の平行ビームに変換する。ビーム断面強度変換光学系７８は、本実施形態では、例えば光源系５１０からの平行ビームの光路上に順次配置された凸型円錐反射鏡及び凹型円錐反射鏡によって構成されている。凸型円錐反射鏡は、その光源系５１０側に外周面が円錐状の反射面を有し、凹型円錐反射鏡は、その内径が凸型円錐反射鏡の外径より大きな環状部材から成り、その内周面に凸型円錐反射鏡の反射面に対向する反射面を有する。この場合、凹型円錐反射鏡の中心を通る任意の断面で見ると、凸型円錐反射鏡の反射面と凹型円錐反射鏡の反射面とは、平行である。したがって、光源系５１０からの平行ビームは、凸型円錐反射鏡の反射面により放射状に反射され、この反射ビームが凹型円錐反射鏡の反射面で反射されることで、輪帯状の平行ビームに変換される。
本実施形態では、ビーム断面強度変換光学系７８を経由した平行ビームは、後述するようにミラーアレイ８０及び集光光学系８２を介してワークに照射される。ビーム断面強度変換光学系７８を用いて光源系５１０からの平行ビームの断面強度分布を変換することによって、ミラーアレイ８０から集光光学系８２の瞳面（入射瞳）ＰＰに入射するビームの強度分布を変更することが可能である。また、ビーム断面強度変換光学系７８を用いて光源系５１０からの平行ビームの断面強度分布を変換することによって、実質的に集光光学系８２から射出されるビームの集光光学系８２の射出面における強度分布を変更することも可能である。
なお、ビーム断面強度変換光学系７８は、凸型円錐反射鏡と凹型円錐反射鏡との組み合わせに限らず、例えば米国特許出願公開第２００８／００３０８５２号公報に開示される、回折光学素子、アフォーカルレンズ、及び円錐アキシコン系の組み合わせを用いて構成しても良い。ビーム断面強度変換光学系７８は、ビームの断面強度分布を変換するものであれば良く、種々の構成が考えられる。ビーム断面強度変換光学系７８の構成によっては、光源系５１０からの平行ビームを、その断面の中心（集光光学系８２の光軸）を含む領域での強度をほぼ零でなく、その外側の領域での強度よりも小さくすることも可能である。
ミラーアレイ８０は、本実施形態では、ＸＹ平面及びＸＺ平面に対して４５度（π/４）を成す面（以下、便宜上基準面と呼ぶ）を一面に有するベース部材８０Ａと、ベース部材８０Ａの基準面上に例えばＰ行Ｑ列のマトリクス状に配置された例えばＭ（＝Ｐ×Ｑ）個のミラー素子８１ｐ,ｑ（ｐ＝１〜Ｐ、ｑ＝１〜Ｑ）と、各ミラー素子８１ｐ,ｑを個別に駆動するＭ個のアクチュエータ（不図示）を含む駆動部８７（図４では図示せず、図１１参照）とを有している。ミラーアレイ８０は、多数のミラー素子８１ｐ,ｑの基準面に対する傾きを調整することにより、基準面と平行な大きな反射面を実質的に形成可能である。
ミラーアレイ８０の各ミラー素子８１ｐ,ｑは、例えば各ミラー素子８１ｐ,ｑの一方の対角線に平行な回転軸回りに回動可能に構成され、その反射面の基準面に対する傾斜角度を所定角度範囲内の任意の角度に設定可能である。各ミラー素子の反射面の角度は、回転軸の回転角度を検出するセンサ、例えばロータリエンコーダ８３ｐ,ｑ（図４では不図示、図１１参照）によって計測される。
駆動部８７は、例えばアクチュエータとして電磁石あるいはボイスコイルモータを含み、個々のミラー素子８１ｐ,ｑは、アクチュエータによって駆動されて非常に高応答で動作する。
ミラーアレイ８０を構成する複数のミラー素子のうち、光源系５１０からの輪帯状の平行ビームによって照明されたミラー素子８１ｐ,ｑのそれぞれは、その反射面の傾斜角度に応じた方向に反射ビーム（平行ビーム）を射出し、集光光学系８２に入射させる（図６参照）。なお、本実施形態において、ミラーアレイ８０を用いている理由及び輪帯状の平行ビームをミラーアレイ８０に入射させる理由については、後述するが、必ずしも輪帯状にする必要はなく、ミラーアレイ８０に入射する平行ビームの断面形状（断面強度分布）を輪帯形状とは異ならせても良いし、ビーム断面強度変換光学系７８を設けなくても良い。
集光光学系８２は、開口数Ｎ．Ａ．が例えば０．５以上、好ましくは０．６以上の高ＮＡで、低収差の光学系である。集光光学系８２は、大口径、低収差かつ高ＮＡであるため、ミラーアレイ８０からの複数の平行ビームを後側焦点面上に集光することができる。詳細は後述するが、ビーム照射部５２０は、集光光学系８２から射出されるビームを、例えば、スポット状又はスリット状に集光することができる。また、集光光学系８２は、１又は複数枚の大口径のレンズによって構成される（図４等では、１枚の大口径のレンズを代表的に図示）ので、入射光の面積を大きくすることができ、これにより、開口数Ｎ．Ａ．が小さい集光光学系を用いる場合に比べてより多量の光エネルギを取り込むことができる。したがって、本実施形態に係る集光光学系８２によって集光されたビームは、極めてシャープで高エネルギ密度を有することとなり、このことは造形による付加加工の加工精度を高めることに直結する。
本実施形態では、後述するように、テーブル１２をＸＹ平面に平行な走査方向（図４では、一例としてＹ軸方向）に移動することにより、ビームと造形の対象面ＴＡＳを上端に有するワークＷとを走査方向（スキャン方向）に相対走査しながら造形（加工処理）を行う場合を説明する。なお、造形の際に、テーブル１２のＹ軸方向への移動中に、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向、θｘ方向、θｙ方向、及びθｚ方向の少なくとも１つの方向にテーブル１２を移動しても良いことは言うまでもない。また、後述するように、材料処理部５３０によって供給された粉状の造形材料（金属材料）をレーザビームのエネルギにより溶融するようになっている。したがって、前述したように、集光光学系８２が取り込むエネルギの総量が大きくなれば、集光光学系８２から射出されるビームのエネルギが大きくなり、単位時間に溶解できる金属の量が増える。その分、造形材料の供給量とテーブル１２の速度とを上げれば、ビーム造形システム５００による造形加工のスループットが向上する。
しかるに、レーザの総出力を前述したような手法で大いに高められたとしても、現実的にはテーブル１２のスキャン動作を無限に高速にすることはできないため、そのレーザパワーを完全に生かすだけのスループットを実現することはできない。これを解決するため、本実施形態の造形装置１００では、後述するように、スポット状のビームの照射領域ではなく、スリット状のビームの照射領域（以下、一文字領域と呼ぶ（図９（Ｂ）の符号ＬＳ参照））を、造形の対象面ＴＡＳを位置合わせすべき所定面（以下、造形面と呼ぶ）ＭＰ（例えば図４及び図９（Ａ）参照）上に形成し、その一文字領域ＬＳを形成するビーム（以下、一文字ビームと呼ぶ）に対してその長手方向に垂直な方向にワークＷを相対走査しながら造形（加工処理）を行うことができる。これにより、スポット状のビームでワークを走査（スキャン）する場合に比べて格段広い面積（例えば数倍から数十倍程度の面積）を一気に処理することができる。なお、後述するように、本実施形態において、上述の造形面ＭＰは、集光光学系８２の後側焦点面である（例えば図４及び図９（Ａ）参照）が、造形面は、後側焦点面の近傍の面でも良い。また、本実施形態において、造形面ＭＰは、集光光学系８２の射出側の光軸ＡＸに垂直であるが、垂直でなくても良い。
造形面ＭＰ上におけるビームの強度分布を設定する、あるいは変更する方法（例えば、上述したような一文字領域を形成する方法）としては、例えば集光光学系８２に入射する複数の平行ビームの入射角度分布を制御する手法を採用することができる。本実施形態の集光光学系８２のように平行光を一点に集光するレンズ系は、瞳面（入射瞳）ＰＰにおける平行ビームＬＢ（例えば図４、図６等参照）の入射角度で後側焦点面（集光面）での集光位置が決まる。ここで入射角度は、a.集光光学系８２の瞳面ＰＰに入射する平行ビームが集光光学系８２の光軸ＡＸと平行な軸に対して成す角度α（０≦α＜９０度（π/２））と、b.瞳面ＰＰ上に光軸ＡＸ上の点を原点とし、光軸ＡＸに直交する二次元直交座標系（Ｘ，Ｙ）を設定した場合に瞳面ＰＰに入射する平行ビームの瞳面ＰＰ（ＸＹ座標平面）への正射影の、二次元直交座標系（Ｘ，Ｙ）上における基準軸（例えばＸ軸（Ｘ≧０）に対する角度β（０≦β＜３６０度（２π））とから決まる。例えば、集光光学系８２の瞳面ＰＰに対して垂直に（光軸に平行に）入射したビームは光軸ＡＸ上に、集光光学系８２に対して（光軸ＡＸに対して）少し傾斜したビームは、その光軸ＡＸ上から少しずれた位置に集光する。この関係を利用し、光源系５１０からの平行ビームを反射して集光光学系８２に入射させる際に、集光光学系８２の瞳面ＰＰに入射する複数の平行ビームＬＢの入射角度（入射方向）に、適切な分布をつけることで、造形面ＭＰ内におけるビームの強度分布、例えば造形面ＭＰにおける照射領域の位置、数、大きさ、及び形状の少なくとも一つを任意に変更することができる。したがって、例えば一文字領域、三列領域、欠損一文字領域など（図１０参照）も当然容易に形成できるし、スポット状の照射領域を形成することも容易である。なお、ここでは、入射角度（入射方向）を角度αと角度βを用いて説明したが、入射角度（入射方向）の表し方は種々考えられ、瞳面ＰＰに入射する平行ビームの入射角度（入射方向）を、角度αと角度βをパラメータとする制御に限定されないことは言うまでもない。
なお、本実施形態の集光光学系８２は、その瞳面（入射瞳）ＰＰと前側焦点面とが一致する構成となっているため、ミラーアレイ８０を用いた複数の平行ビームＬＢの入射角度の変更により、その複数の平行ビームＬＢの集光位置を正確に、簡便に制御することができるが、集光光学系８２の瞳面（入射瞳）と前側焦点面とが一致する構成でなくても良い。
また、造形面に形成される照射領域の形状、及び大きさを可変にしないのであれば、所望の形状のソリッドなミラーを用いて、集光光学系８２の瞳面に入射する１つの平行ビームの入射角度を制御して、照射領域の位置を変更することもできる。
しかるに、ワークに対する付加加工（造形）を行う場合、その造形の目標部位が設定される対象面の領域が常に平坦な面であるとは限らない。すなわち一文字ビームの相対走査が可能であるとは限らない。ワークの輪郭エッジ近傍、あるいは中実領域と中空領域との境界付近の場所では、境界は斜めになっていたり、狭くなっていたり、Ｒがついていたりして、一文字ビームの相対走査の適用は困難である。例えて言えば、幅の広い刷毛では、このような場所を塗りつぶすのは困難であるため、それに応じた幅の狭い刷毛や、細い鉛筆が必要となるので、いわば、リアルタイムかつ連続的に、自在に刷毛と細い鉛筆を使い分けられるようにしたい。これと同様、ワークの輪郭エッジ近傍、あるいは中実領域と中空領域との境界付近の場所では、ビームの照射領域のスキャン方向（相対移動方向）の幅を変更したり、照射領域の大きさ（例えば一文字ビームの長さ）、個数又は位置（ビームの照射点の位置）を変化させたりしたいという要求が発生する。
そこで、本実施形態では、ミラーアレイ８０を採用し、制御装置６００が、各ミラー素子８１ｐ,ｑを非常に高応答で動作させることで、集光光学系８２の瞳面ＰＰに入射する複数の平行ビームＬＢの入射角度をそれぞれ制御する。これにより、造形面ＭＰ上におけるビームの強度分布を設定又は変更する。この場合、制御装置６００は、ビームと対象面ＴＡＳ（造形の目標部位ＴＡが設定される面であり、本実施形態ではワークＷ上の面である）との相対移動中に造形面ＭＰ上におけるビームの強度分布、例えばビームの照射領域の形状、大きさ、個数の少なくとも１つを変化させることが可能になる。この場合において、制御装置６００は、造形面ＭＰ上におけるビームの強度分布を連続的、あるいは断続的に変更することができる。例えば、ビームと対象面ＴＡＳの相対移動中に一文字領域の相対移動方向の幅を連続的、あるいは断続的に変化させることも可能である。制御装置６００は、ビームと対象面ＴＡＳとの相対位置に応じて造形面ＭＰ上におけるビームの強度分布を変化させることもできる。制御装置６００は、要求される造形精度とスループットとに応じて、造形面ＭＰにおけるビームの強度分布を変化させることもできる。
また、本実施形態では、制御装置６００が、前述したロータリエンコーダ８３ｐ,ｑを用いて、各ミラー素子の状態（ここでは反射面の傾斜角度）を検出し、これにより各ミラー素子の状態を、リアルタイムでモニタしているので、ミラーアレイ８０の各ミラー素子の反射面の傾斜角度を正確に制御できる。
材料処理部５３０は、図７に示されるように、集光光学系８２の射出面の下方に設けられたノズル部材（以下、ノズルと略記する）８４ａを有するノズルユニット８４と、ノズルユニット８４に配管９０ａを介して接続された材料供給装置８６と、材料供給装置８６に配管を介してそれぞれ接続された複数、例えば２つの粉末カートリッジ８８Ａ、８８Ｂとを有している。図７には、図４の集光光学系８２より下方の部分が−Ｙ方向から見て示されている。
ノズルユニット８４は、集光光学系８２の下方でＸ軸方向に延び、造形材料の粉末を供給する少なくも１つの供給口を有するノズル８４ａと、ノズル８４ａの長手方向の両端部を支持するとともに、それぞれの上端部が集光光学系８２の筐体に接続された一対の支持部材８４ｂ、８４ｃとを備えている。一方の支持部材８４ｂには、配管９０ａを介して材料供給装置８６の一端（下端）が接続されており、内部に配管９０ａとノズル８４ａとを連通する供給路が形成されている。本実施形態において、ノズル８４ａは、集光光学系８２の光軸の直下に配置されており、下面（底面）には、後述する複数の供給口が設けられている。なお、ノズル８４ａは、必ずしも集光光学系８２の光軸上に配置する必要はなく、光軸からＹ軸方向の一側に幾分ずれた位置に配置されても良い。
材料供給装置８６の他端（上端）には、材料供給装置８６への供給路としての配管９０ｂ、９０ｃが接続され、配管９０ｂ、９０ｃをそれぞれ介して材料供給装置８６に粉末カートリッジ８８Ａ、８８Ｂが接続されている。一方の粉末カートリッジ８８Ａには、第１の造形材料（例えばチタン）の粉末が収容されている。また、他方の粉末カートリッジ８８Ｂには、第２の造形材料（例えばステンレス）の粉末が収容されている。
なお、本実施形態では、造形装置１００は、２種類の造形材料を材料供給装置８６に供給するために２つの粉末カートリッジを備えているが、造形装置１００が備える粉末カートリッジは１つでも良い。
粉末カートリッジ８８Ａ、８８Ｂから材料供給装置８６への粉末の供給は、粉末カートリッジ８８Ａ、８８Ｂのそれぞれに材料供給装置８６に粉末を強制的に供給させる機能を持たせても良いが、本実施形態では、材料供給装置８６に、配管９０ｂ、９０ｃの切り換えの機能とともに、粉末カートリッジ８８Ａ、８８Ｂのいずれか一方から真空を利用して粉末を吸引する機能をも持たせている。材料供給装置８６は、制御装置６００に接続されている（図１１参照）。造形時に、制御装置６００により、材料供給装置８６を用いて配管９０ｂ、９０ｃの切り換えが行われ、粉末カートリッジ８８Ａからの第１の造形材料（例えばチタン）の粉末と粉末カートリッジ８８Ｂからの第２の造形材料（例えばステンレス）の粉末とが択一的に材料供給装置８６に供給され、材料供給装置８６から配管９０ａを介して、いずれか一方の造形材料の粉末がノズル８４ａに供給される。なお、材料供給装置８６の構成を変更することで、必要な場合に粉末カートリッジ８８Ａからの第１の造形材料と粉末カートリッジ８８Ｂからの第２の造形材料とを同時に材料供給装置８６に供給して、２つの造形材料の混合物を、配管９０ａを介してノズル８４ａに供給できる構成としても良い。なお、粉末カートリッジ８８Ａに接続可能なノズルと粉末カートリッジ８８Ｂに接続可能な別のノズルを、集光光学系８２の下方に設け、造形時に、いずれか一方のノズルから粉末を供給、又は両方のノズルから粉末を供給しても良い。
また、制御装置６００は、粉末カートリッジ８８Ａ、８８Ｂから材料供給装置８６を介してノズル８４ａに供給される造形材料の単位時間あたりの供給量を調整可能である。例えば、粉末カートリッジ８８Ａ、８８Ｂの少なくとも一方から材料供給装置８６へ供給される粉末の量を調整することにより、材料供給装置８６を介してノズル８４ａに供給される造形材料の単位時間あたりの供給量を調整可能である。例えば、粉末カートリッジ８８Ａ、８８Ｂからの材料供給装置８６への粉末の供給に利用されている真空のレベルを調整することで、ノズル８４ａに供給される造形材料の単位時間あたりの供給量を調整可能である。あるいは、材料供給装置８６から配管９０ａに供給される粉末の量を調整するバルブを設けて、ノズル８４ａに供給される造形材料の単位時間あたりの供給量を調整することも可能である。
ここで、図７では不図示ではあるが、実際には、ノズル８４ａの下面（底面）には、図８に示されるように、複数、例えばＮ個の供給口９１ｉ（ｉ＝１〜Ｎ）が、Ｘ軸方向に等間隔で形成され、各供給口９１ｉが開閉部材９３ｉによって個別に開閉できるようになっている。なお、図８では、図示の便宜上から、供給口９１ｉは、一例として１２個図示され、かつ供給口と開閉部材との関係がわかるように両者が図示されている。しかし、実際には、１２個より多くの数の供給口が形成されており、かつ隣接する供給口間の仕切りの部分は、より狭くなっている。ただし、供給口がノズル８４ａの長手方向のほぼ全長に渡って配置されているのであれば、供給口の数はいくつでも良い。例えば、供給口は、ノズル８４ａの長手方向のほぼ全長に渡る１つのスリット状の開口であっても良い。
開閉部材９３ｉは、図８中にｋ番目の開閉部材９３ｋについて矢印を付して代表的に示されるように、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向にスライド駆動可能であり、供給口９１ｉを、開閉する。開閉部材９３ｉは、スライド駆動に限らず、一端部を中心としてチルト方向に回動可能に構成されていても良い。
各開閉部材９３ｉは、制御装置６００によって不図示のアクチュエータを介して駆動制御される。制御装置６００は、造形面上におけるビームの強度分布、例えば造形面上に形成されるビームの照射領域の形状、大きさ、配置等の設定（又は変更）に応じて複数、例えばＮ個の供給口９１ｉのそれぞれを、各開閉部材９３ｉを用いて開閉制御する。これにより、材料処理部５３０による造形材料の供給動作が制御される。この場合、制御装置６００により、複数の供給口９１ｉのうちの少なくとも１つの供給口が選択され、その選択された少なくとも１つの供給口を閉鎖している開閉部材９３ｉのみが開放制御、例えば−Ｙ方向に駆動される。したがって、本実施形態では、複数、例えばＮ個の供給口９１ｉのうちの一部のみから造形材料を供給可能である。
また、制御装置６００は、前述した材料供給装置８６を介してノズル８４ａに供給される造形材料の単位時間あたりの供給量制御と、任意の開閉部材９３ｉを用いた開閉制御との少なくとも一方により、その開閉部材９３ｉで開閉される供給口９１ｉからの造形材料の単位時間あたりの供給量を調整することも可能である。制御装置６００は、造形面上におけるビームの強度分布、例えば造形面上に形成されるビームの照射領域の形状、大きさ、配置等の設定（又は変更）に応じて任意の供給口９１ｉからの造形材料の単位時間あたりの供給量を決定する。制御装置６００は、例えば前述の一文字領域のスキャン方向の幅に基づいて、それぞれの供給口９１ｉからの単位時間あたりの供給量を決定する。
なお、各開閉部材９３ｉにより、各供給口９１ｉの開度を調整可能に構成しても良い。この場合には、制御装置６００は、例えば前述の一文字領域のスキャン方向の幅に応じて各開閉部材９３ｉによる各供給口の開度を調整することとしても良い。
この他、造形材料の粉末を供給する少なくとも１つの供給口が可動であっても良い。例えばノズル８４ａの下面にＸ軸方向に延びるスリット状の供給口を１つ形成し、ノズル８４ａを、一対の支持部材８４ｂ、８４ｃに対して、例えば、Ｘ軸方向とＹ軸方向の少なくとも一方に移動可能な構成とし、制御装置６００が、造形面上におけるビームの強度分布の変更、すなわちビームの照射領域の形状、大きさ、位置の変更に応じて、下面に供給口が形成されたノズル８４ａを移動しても良い。なお、ノズル８４ａをＺ軸方向に可動にしても良い。
あるいは、ノズル８４ａを、本体部と、該本体部に対して例えばＸＹ平面内でＸ軸方向とＹ軸方向の少なくとも一方に移動可能でその底面に供給口が形成された少なくとも２つの可動部材とで構成し、可動部材の少なくとも一部を、制御装置６００が、造形面上におけるビームの強度分布の変更に応じて、移動しても良い。この場合も、可動部材の少なくとも一部がＺ軸方向に可動であっても良い。
また、複数の供給口のうちの１つ供給口と別の供給口とが相対的に移動可能な構成にしても良い。あるいは、例えば、上記１つの供給口のＹ軸方向の位置と上記別の１つの供給口のＹ軸方向の位置とが異なっていても良い。あるいは、上記１つの供給口のＺ軸方向の位置と上記別の１つの供給口のＺ軸方向の位置とが異なっていても良い。
なお、少なくとも１つの供給口の移動は、ビームの強度分布の設定又は変更に合わせて行うだけでなく、別の目的で動かしても良い。
前述したように、ノズル８４ａに設けられた複数の供給口９１iは、集光光学系８２の光軸に直交してＸ軸方向にノズル８４ａの全長に渡って等間隔で配置されかつ隣接する供給口９１i同士の間には僅かの隙間しかない。このため、図９（Ａ）中の黒矢印で示されるように、ノズル８４ａの複数の供給口９１iのそれぞれから粉末状の造形材料ＰＤを集光光学系８２の光軸ＡＸに平行なＺ軸方向に沿って真下に供給すれば、集光光学系８２の光軸ＡＸの直下の前述の一文字領域ＬＳ（一文字ビームの照射領域）にその造形材料ＰＤが供給されることになる。この場合、ノズル８４ａからの造形材料ＰＤの供給は、造形材料ＰＤの自重を利用して、あるいは僅かな噴き出し圧力を加えた噴き出しによって行うことができる。したがって、造形の対象面に対して斜めの方向から造形材料を供給する場合のような造形材料の供給をガイドするガス流の発生機構等の複雑な機構が不要である。また、本実施形態のようにワークに対して至近距離で垂直に造形材料を供給できることは、造形における加工精度を確保する上で極めて有利である。
なお、ノズル８４ａにガス供給口を設けても良い。そのガス供給口から供給されるガスは、造形材料の供給をガイドするために流しても良いし、別の目的、例えば造形に寄与するガスを流しても良い。
本実施形態では、輪帯状の平行ビームがミラーアレイ８０に照射されるので、ミラーアレイ８０からの反射ビームは、集光光学系８２の周縁近傍の部分領域（Ｎ．Ａ．が大きな部分領域）に入射し、集光光学系８２の射出端、すなわちビーム照射部５２０の射出端に位置する終端レンズの光軸から離れた周縁部の領域を介して集光光学系８２の造形面ＭＰ（本実施形態では集光光学系８２の後側焦点面に一致）に集光される（図４参照）。すなわち、同一の集光光学系８２の周縁近傍の部分を通る光のみによって、例えば一文字ビームが形成される。このため、別々の光学系を介した光を同一領域に集光してビームスポット（レーザスポット）を形成する場合に比べて、高品質なビームスポットの形成が可能である。また、本実施形態では、集光光学系８２の射出面（下端面）の中央下方に設けたノズル８４ａへのビームの照射を制限することができる。このため、本実施形態では、ミラーアレイ８０からの反射ビームを全てスポットの形成に利用することが可能になるとともに、集光光学系８２の入射面側のノズル８４ａに対応する部分にビームがノズル８４ａに照射されるのを制限するための遮光部材等を設ける必要がなくなる。かかる理由により、輪帯状の平行ビームによりミラーアレイ８０を照明することとしているのである。
なお、集光光学系８２の射出端に位置する光学部材は、少なくともその射出側の面の光軸から離れた領域に光学面が形成され、該光学面を介して造形面（後側焦点面）にビームを集光することができれば良い。したがって、この光学部材は、光軸を含む領域では射出面と入射面との少なくとも一方が、集光光学系８２の光軸に垂直な平面であっても良いし、あるいは、光軸を含む領域に穴が形成されていても良い。光軸を含む中央部の領域に穴の空いたドーナツ状の集光レンズによって集光光学系８２の射出端に位置する光学部材を構成しても良い。
なお、集光光学系８２からノズル８４ａに入射するビームを制限するために、例えば図７に二点鎖線で示される制限部材８５を集光光学系８２の入射面側（例えば瞳面ＰＰ）に設けても良い。制限部材８５によって、集光光学系８２からのビームのノズル８４ａへの入射を制限する。制限部材８５としては、遮光部材を用いても良いが、減光フィルタ等を用いても良い。かかる場合において、集光光学系８２に入射する平行ビームは、断面円形の平行ビームであっても良いし、輪帯状の平行ビームであっても良い。後者では、ビームが制限部材８５に照射されることがないので、ミラーアレイ８０からの反射ビームを全てスポットの形成に利用することが可能になる。
なお、集光光学系８２からノズル８４ａに入射するビームを必ずしも完全に遮光する必要はないが、集光光学系８２からのビームがノズル８４ａに入射するのを防止するために、集光光学系８２の終端レンズの射出面の、Ｙ軸方向に関して光軸の両側の分離した周縁部領域（例えば２つの円弧領域）のみからビームを射出するようにしても良い。
ウォーターシャワーノズル５４０（図１１参照）は、いわゆる焼入れの際に用いられる。ウォーターシャワーノズル５４０は、冷却液（冷却水）を供給する供給口を有し、冷却液を冷却対象物に噴射するものである。ウォーターシャワーノズル５４０は、制御装置６００に接続されている（図１１参照）。制御装置６００は、焼入れに際し、光源ユニット６０を制御してビーム照射部５２０からのビームの熱エネルギを焼入れに適切な値に調節する。そして、制御装置６００は、ワークの表面にビームを照射して高温にした後、ウォーターシャワーノズル５４０を介して冷却液をその高温部に噴射して急冷することにより、焼入れを行うことができる。この場合、三次元造形によるワークに対する付加加工と同時に焼入れ工程を行うことも可能である。なお、付加加工と同時に焼き入れ工程を行う場合、造形材料として、焼入れ性の良好な金属を用いることが望ましい。
本実施形態では、ワークに対する付加加工時等には、図４及び図４の円Ａ内を拡大して示す図９（Ａ）に示されるように、集光光学系８２の周縁部近傍を通過しノズル８４ａの＋Ｙ側及び−Ｙ側（ワークＷ（テーブル１２）のスキャン方向の前方及び後方）の光路を通るビーム（図９（Ａ）に便宜上ビームＬＢ１１、ＬＢ１２として示されている）がノズル８４ａの真下に集光されて、Ｘ軸方向（図９（Ａ）における紙面直交方向）を長手方向とする一文字領域ＬＳが造形面上に形成され（図９（Ｂ）参照）、その一文字領域ＬＳを形成する一文字ビームに対してノズル８４ａの複数の供給口９１ｉを介して粉末状の造形材料ＰＤが集光光学系８２の光軸ＡＸと平行なＺ軸に沿って（光軸ＡＸを含むＸＺ面に沿って）供給される。これにより、ノズル８４ａの真下にＸ軸方向に延びる線状の溶融池ＷＰが形成される。そして、かかる溶融池ＷＰの形成がテーブル１２をスキャン方向（図９（Ａ）では＋Ｙ方向）に走査しながら行われる。これにより、一文字ビーム（溶融池ＷＰ）の長手方向（Ｘ軸方向）の長さに渡る所定幅のビード（溶融凝固した金属）ＢＥを形成することが可能である。なお、図９（Ａ）に示されるビームＬＢ１１、ＬＢ１２は、ミラーアレイ８０の異なるミラー素子８１ｐ．ｑでそれぞれ反射され集光光学系８２の瞳面ＰＰに異なる入射角度で入射した別々の平行ビームであっても良いし、同一の平行ビーム、例えば断面輪帯状の平行ビームの一部であっても良い。
複数の平行ビームを集光光学系８２の瞳面ＰＰに入射させる場合において、例えば集光光学系８２に入射する平行ビームＬＢの数を減らさずに、一文字ビームのＸ軸方向の幅、又はＹ軸方向の幅、又は両方が徐々に狭まるように、集光光学系８２に入射する複数の平行ビームＬＢの入射角度の調整を行った場合、ビームの集光密度（エネルギー密度）が高くなる。したがって、それに応じて、単位時間当たりの粉末（造形材料）の供給量を増やし、かつ対象面ＴＡＳのスキャン速度を上げることで、形成されるビードＢＥの層の厚さを一定に保つとともに、スループットを高いレベルで保つことが可能になる。ただし、かかる調整方法に限らず、他の調整方法を用いて、形成されるビードＢＥの層の厚さを一定に保つこともできる。例えば、一文字ビームのＸ軸方向の幅、又はＹ軸方向の幅、又は両方の幅に応じて複数のレーザユニット７０のうちの少なくとも１つのレーザ出力（レーザビームのエネルギ量）を調節しても良いし、ミラーアレイ８０から集光光学系８２に入射する平行ビームＬＢの数を変更しても良い。この場合、上述した調整方法に比べて、スループットは幾分低下するが、調整が簡便である。
図１１には、造形装置１００の制御系を中心的に構成する制御装置６００の入出力関係を示すブロック図が示されている。制御装置６００は、ワークステーション（又はマイクロコンピュータ）等を含み、造形装置１００の構成各部を統括制御する。
上述のようにして構成された本実施形態に係る造形装置１００の基本的機能は、既存の部品（ワーク）に対し、三次元造形により所望の形状を付け加えることである。ワークは造形装置１００に投入され、所望の形状を正確に付け加えられた後に造形装置１００から搬出される。このとき、その付け加えられた形状の実際の形状データは、装置から外部の装置、例えば上位装置に送られる。造形装置１００で行われる一連の動作は、大略次の通りである。
まず、テーブル１２が、所定のローディング／アンローディングポジションにあるときに、ワーク搬送系３００によってワークＷがテーブル１２に搭載される。このとき、テーブル１２は、前述した基準状態（Ｚ、θｘ、θｙ、θｚ）＝（Ｚ０、０、０、０）にあり、そのＸＹ位置は、位置計測系２８によって計測されているスライダ１０のＸ、Ｙ位置と一致している。
次いで、制御装置６００により、ワークＷを搭載したテーブル１２が計測システム４００の下方に移動される。テーブル１２の移動は、制御装置６００が位置計測系２８の計測情報に基づいて、平面モータ２６を制御して、スライダ１０をベースＢＳ上でＸ軸方向（及びＹ軸方向）に駆動することで行われる。この移動中も、テーブル１２は、前述した基準状態が維持されている。
次に制御装置６００により、計測システム４００を用いて、基準状態にあるテーブル１２上のワークＷ上の対象面ＴＡＳの少なくとも一部の三次元空間内の位置情報（本実施形態では形状情報）の計測が行われる。これ以後は、この計測結果に基づき、ワークＷ上の対象面ＴＡＳの６自由度方向の位置は、テーブル座標系（基準座標系）上で、オープンループの制御により管理することが可能になる。
次に制御装置６００により、対象面ＴＡＳの少なくとも一部の形状情報の計測が終了したワークＷを搭載したテーブル１２が、ビーム造形システム５００の下方に移動される。
次に、テーブル１２上のワークに３Ｄデータに対応する形状を付加する三次元造形による付加加工が行われる。この付加加工は、次のようにして行われる。
すなわち、制御装置６００は、付加加工により付加すべき形状（付加加工後に作られる物体の形状から付加加工の対象となるワークの形状を取り去った形状）の三次元ＣＡＤデータを三次元造形用のデータとして、例えばＳＴＬ（Stereo Lithography）データに変換し、更に、この三次元ＳＴＬデータから、Ｚ軸方向にスライスした各レイヤ(層)のデータを生成する。そして、制御装置６００は、各レイヤのデータに基づき、ワークに対する各層の付加加工を行うべく、移動システム２００及びビーム造形システム５００を制御して、前述した一文字領域の形成、及び一文字ビームに対するノズル８４ａからの造形材料の供給による線状（スリット状）の溶融池の形成を、テーブル１２をスキャン方向に走査しながら行うことを、各層について繰り返し行う。ここで、付加加工時におけるワーク上の対象面の位置及び姿勢の制御は、先に計測した対象面の形状情報を考慮して行われる。
ここで、上の説明では、ワークＷの付加加工の目標部位ＴＡが設定される対象面（例えば上面）ＴＡＳが、テーブル１２の傾きを調整することで、集光光学系８２の光軸に垂直な面（ＸＹ平面に平行な面）に設定される平面であることを前提とし、テーブル１２のスキャン動作を伴う造形が行われるものとしている。しかしながら、ワークの付加加工の目標部位が設定される対象面は、必ずしも一文字ビームが使えるような平面であるとは限らない。しかるに、本実施形態に係る造形装置１００は、ワークが搭載されたテーブル１２の６自由度方向の位置を任意に設定可能な移動システム２００を備えている。そこで、かかる場合において、制御装置６００は、計測システム４００を用いて計測したワークの三次元形状に基づいて、移動システム２００、及びビーム造形システム５００のビーム照射部５２０を制御して、造形面ＭＰに位置合わせされるワークＷ上の対象面（例えば上面）が造形面ＭＰ上におけるビームの照射領域内において付加加工可能な平坦と見なせる程度に造形面ＭＰ上におけるビーム照射領域のＸ軸方向の幅を調整しつつ、ノズル８４ａの各開閉部材９３ｉを介して各供給口９１ｉの開閉操作を行い、必要な供給口から造形材料を照射領域に照射されるビームに供給する。これにより、ワーク上面（対象面）が平坦でなくても、必要な部分に造形を施すことができる。
なお、ビードの積層による造形を行う際に、造形面における照射領域のＸ軸方向の幅が小さいビームで付加加工（ビード形成）を行い、比較的大面積の平面を形成した後に、造形面における照射領域のＸ軸方向の幅を大きくした一文字ビームを使って、その平面上に付加加工（ビード形成）を行っても良い。例えば、凹凸のある対象面上に造形を行う際に、造形面における照射領域のＸ軸方向の幅が小さいビームで、凹部を埋める付加加工（ビード形成）を行って平面を形成した後に、造形面ＭＰにおける照射領域のＸ軸方向の幅を大きくした一文字ビームを用いて、その平面上に付加加工（ビード形成）を行っても良い。かかる場合においても、造形面ＭＰにおけるビームの照射領域の大きさ（幅）変化に応じて選択された、１つ又は複数の供給口から造形材料の粉末が供給されることは言うまでもない。
ワークＷに対する付加加工の終了後、制御装置６００により、付加加工済みのワークＷを搭載したテーブル１２上が前述のローディング／アンローディングポジションに移動される。
次いで制御装置６００により、ワーク搬送系３００に対し、ワークのアンロードが指示される。この指示に応じ、ワーク搬送系３００によって、付加加工済みのワークＷがテーブル１２上から取り出され、造形装置１００の外部に搬送される。そして、制御装置６００により、移動システム２００のテーブル１２が基準状態に設定される。これにより、移動システム２００は、ローディング／アンローディングポジションにて、次のワークの搬入に備えて待機することとなる。
以上、詳細に説明したように、本実施形態に係る造形装置１００及び該造形装置１００で行われる造形方法によると、前述の造形面ＭＰ内におけるビームの強度分布を、ビームと対象面ＴＡＳとの相対移動による造形開始前だけでなく、ビームと対象面ＴＡＳとの相対移動中に、必要な場合には連続的に変更可能であるとともに、対象面ＴＡＳとビームとの相対位置に応じて、しかも要求される造形精度とスループットに応じて変更可能である。これにより、造形装置１００では、例えばラピッドプロトタイピングにより造形物をワークＷの対象面ＴＡＳ上に高い加工精度でかつ高スループットで形成することが可能になる。
また、造形装置１００及び該造形装置１００で行われる造形方法では、平坦な対象面ＴＡＳ上に比較的広い面積の付加加工（造形）を行う場合に、前述した一文字ビームに対してノズル８４ａから粉末状の造形材料ＰＤを供給してノズル８４ａの真下に線状の溶融池ＷＰを形成し、かかる溶融池ＷＰの形成をテーブル１２をスキャン方向（図４では＋Ｙ方向）に走査しながら行う方法が採用される。この方法によると、従来の３Ｄプリンタ等では、図１２（Ｂ）に示されるようにスポット状のビームを何十回も往復しないと生成できなかった形状を、図１２（Ａ）に示されるように、一文字ビームに対するテーブル１２の数回の往復で生成することが可能になる。本実施形態によると、従来のスポット状のビームによる造形、のいわば一筆書きの造形の場合と比べて格段に短時間で造形物をワークの対象面上に形成することが可能になる。すなわち、この点においても、スループットの向上が可能になる。
また、本実施形態に係る造形装置１００及び該造形装置１００で行われる造形方法によると、ミラーアレイ８０の各ミラー素子の反射面の傾斜角度を変更することにより、集光光学系８２の造形面内におけるビームの強度分布の変更が行われるので、その強度分布の変更として、造形面内におけるビームの照射領域の位置、数、大きさ、及び形状の少なくとも一つの変更を容易に行うことができる。したがって、例えば照射領域をスポット状、スリット状（ライン状）などに設定して、前述した手法により、ワーク上の対象面に三次元造形を施すことで、高精度な三次元造形物の形成が可能になる。
また、本実施形態に係る造形装置１００は、複数、例えば２つの粉末カートリッジ８８Ａ、８８Ｂを有し、粉末カートリッジ８８Ａ、８８Ｂそれぞれの内部には、第１の造形材料（例えばチタン）の粉末、第２の造形材料（例えばステンレス）の粉末が収容されている。そして、付加加工時（造形時）に、制御装置６００により、材料供給装置８６を用いたノズルユニット８４に対する粉末の供給経路、すなわち配管９０ｂ、９０ｃの切り換えが行われる。これにより、粉末カートリッジ８８Ａからの第１の造形材料（例えばチタン）の粉末と粉末カートリッジ８８Ｂからの第２の造形材料（例えばステンレス）の粉末とが択一的にノズルユニット８４に供給される。したがって、制御装置６００が供給する粉末材料を部位に応じて切り換えるだけで、異種材料の接合形状が容易に生成可能である。また、その切り換えはほぼ瞬時に行うことが可能である。更に異種材料を混合して供給することで「合金を」その場で作ってしまうことも、その組成を場所によって変えたりグラデーションにしたりすることも可能である。
なお、上記実施形態では、ビーム造形システム５００により単一の直線状のビーム（一文字ビーム）の照射領域を形成し、該一文字ビームに対してワークＷを走査方向（例えばＹ軸方向）に走査する場合について説明した。しかしながら、ビーム造形システム５００では、前述したように、集光光学系８２に入射する複数の平行ビームＬＢの入射角度に、適切な分布をつけることで、造形面ＭＰ上におけるビームの強度分布を自在に変更できる。したがって、造形装置１００では、造形面ＭＰ上におけるビームの照射領域の位置、数、大きさ及び形状の少なくとも１つを変更することができ、前述したようにビームの照射領域として例えば一文字領域、三列領域、欠損一文字領域など（図１０参照）を形成することも可能である。
図１３には、一例として前述した三列領域を構成する３つの一文字領域にそれぞれ照射される３つの一文字ビームを用いたワークＷに対する付加加工が行われている様子が示されている。図１３に示されるように、集光光学系８２の周縁部近傍を通過し、ノズル８４ａに対してワークＷ（テーブル１２）のスキャン方向の前方及び後方の光路を通るビームＬＢ１１、ＬＢ１２がノズル８４ａ（の複数の供給口）の真下に集光されてＸ軸方向（図１３における紙面直交方向）を長手方向とするスリット状（ライン状）の第１一文字領域ＬＳ１が造形面上に形成されている。このとき、ワークＷの目標部位ＴＡが設定された対象面ＴＡＳは、造形面ＭＰに位置合わせされている。また、集光光学系８２の周縁部近傍を通過し、ノズル８４ａに対してスキャン方向の後方の光路を通るビームＬＢ２１、ＬＢ２２が集光されて、第１一文字領域ＬＳ１のスキャン方向の後方に所定距離離れた位置に、第１一文字領域ＬＳ１に平行に、第１一文字領域ＬＳ１と同じ長さでＸ軸方向に延びる第２一文字領域ＬＳ２が形成されている。また、集光光学系８２の周縁部近傍を通過し、ノズル８４ａに対してスキャン方向の前方の光路を通るビームＬＢ３１、ＬＢ３２が集光されて、第１一文字領域ＬＳ１のスキャン方向の前方に所定距離離れた位置に、第１一文字領域ＬＳ１に平行に、第１一文字領域ＬＳ１と同じ長さでＸ軸方向に延びる第３一文字領域ＬＳ３が形成されている。図１４には、図１３に示される３つの一文字領域ＬＳ１、ＬＳ２、ＬＳ３とスキャン方向との関係がＸＹ平面内で示されている。
なお、図１３に示したビームＬＢ１１、ＬＢ１２、ＬＢ２１、ＬＢ２２、ＬＢ３１、ＬＢ３２は模式的に示したものであり、各一文字領域に入射する少なくとも１つのビームの光路、ビームの数などは、例えばミラーアレイ８０を制御することによって設定、及び変更が可能である。
ここで、前述したように、３つの一文字領域ＬＳ１、ＬＳ２、ＬＳ３のうちテーブル１２のスキャン方向の中央に位置する第１一文字領域ＬＳ１形成する一文字ビーム（以下、便宜上第１一文字ビームと称する）に対してノズル８４ａから粉末状の造形材料ＰＤが供給されることで、ノズル８４ａの複数の供給口の真下に線状の溶融池ＷＰが形成され、かかる溶融池ＷＰの形成がワークＷ（テーブル１２）をスキャン方向（図１３では＋Ｙ方向）に走査しながら行われる。
第１一文字領域ＬＳ１に対してテーブル１２のスキャン方向後方（進行方向後方）に位置する第２一文字領域ＬＳ２を形成する一文字ビーム（以下、便宜上第２一文字ビームと称する）は、一例として造形が施される前にワークＷの表面（対象面の目標部位）の温度を予熱する（程よい温度に熱しておく）役割を担う。かかる予熱が行われない場合、レーザビームにより溶融した高温の金属と低温のワーク（対象面）との間の大きな温度差により溶融金属の急速な冷却が起こり、瞬時に凝固してぼそぼそとした塊になってしまう。このことは加工面（造形部の表面）の面精度、面荒さなどを悪化させる大きな要因である。これに対し、第２一文字ビームで、ワークＷ（対象面）の表面を事前に熱して、溶融金属とワークＷ（対象面）との温度差を小さくしておくことで、ワークＷ（対象面）上での溶融金属の凝固スピードが緩やかになり、溶融金属がワークＷの表面（対象面）に表面張力の作用で広がり、なじむ時間的余裕が得られる。結果として優れた面精度及び面荒さが実現できる。
第１一文字領域ＬＳ１に対してテーブル１２のスキャン方向前方（進行方向前方）に位置する第３一文字領域ＬＳ３を形成する一文字ビーム（以下、便宜上第３一文字ビームと称する）は、一例としてワークＷ表面（対象面の目標部位）に付着して凝固（固化）した造形材料（金属材料）、すなわちビードＢＥの表面をレーザ研磨する作用をもたらす。レーザビームによる表面研磨は一般的な技術として公知であるが、通常１回の付加加工（造形）では得ることのできない良好な面精度、面荒さを、第３一文字ビームで即座に研磨してしまうことで実現できる。
特に、図１３に示されるワークＷに対する付加加工では、ワークＷ（テーブル１２）をスキャン方向に１回走査する間に、上述したワークＷの表面の事前加熱（予熱）、ワークに対する溶融池及びビードの形成、並びに形成されたビード表面のレーザ研磨を行うことができる。なお、図１３の場合の第２一文字ビームは、予熱に限らず他の用途に用いても良い。同様に、第３一文字ビームは、レーザ研磨以外の用途に用いても良い。例えば、第１、第２及び第３一文字領域ＬＳ１、ＬＳ２及びＬＳ３の配置に対応して、３つのノズルを設け、第１、第２及び第３一文字ビームにより、ワークＷの造形面上に３つの所定幅の直線状の溶融池を同時に形成しても良い。
なお、図１３と反対に−Ｙ方向にワークＷ（テーブル１２）のスキャン方向が設定された場合には、第３一文字ビームが、造形を施される前に、ワークＷの表面温度を程よい温度に熱しておく役割を担い、第２一文字ビームがワークＷ表面に付着して一旦凝固した金属材料の表面をレーザ研磨する役割を担うこととなる。
なお、上の説明では、ワークに対する溶融池の形成に用いられる第１一文字ビームの照射領域（第１一文字領域）に加えて、ワークＷの表面の事前加熱（予熱）に用いられる第２一文字ビームの照射領域（第２一文字領域）、及び形成されたビード表面のレーザ研磨に用いられる第３一文字ビームの照射領域（第３一文字領域）が造形面上に互いに離れて形成される場合について説明したが、例えば第１一文字領域と第２一文字領域とは、少なくとも一部が重なっていても良い。また、第２一文字領域ＬＳ２と第３一文字領域ＬＳ３の少なくとも一方は、第１一文字領域ＬＳ１と形状とサイズの少なくとも一方が異なっていても良い。また、第２一文字ビームと第３一文字ビームの少なくとも一方は、必ずしも用いなくても良く、したがって造形面上に、第２一文字領域及び第３一文字領域の少なくとも一方を必ずしも形成する必要はない。
これまでは、一文字領域をできるだけ細くシャープにすることで、デフォーカスした時にその一文字領域に照射されるビームのエネルギ密度が急激に低下することを利用し、溶融池（塗布層）の厚さ制御性を極力高めた使い方を前提に説明を行っていた。しかし、この場合、塗布層の厚さは非常に薄くなり、同一厚さの層を付加する場合に、より多くの層に分けて付加加工（造形）を行わなければならず（何度も重ね塗りしなければならず）、生産性の観点では不利になる。
したがって、要求される造形精度とスループットの兼ね合いを考慮の上、塗布層の厚さを厚くしたい場合が考えられる。かかる場合には、制御装置６００は、要求される造形精度とスループットとに応じて、造形面内におけるビームの強度分布を変化させる、具体的にはミラーアレイ８０の各ミラー素子８１ｐ，ｑの傾き角を制御して一文字領域の幅を少し太くすれば良い。例えば図１５（Ｂ）に示される一文字領域ＬＳが一文字領域ＬＳ’に変化する。このようにすると、デフォーカスした時のエネルギ密度変化が緩やかになり、図１５（Ａ）に示されるように、鉛直方向の高エネルギエリアの厚さｈが厚くなり、これにより１回のスキャンで生成できる層の厚さを厚くすることができ、生産性を向上させることができる。
以上のように、本実施形態に係る造形装置１００は、従来の金属用３Ｄプリンタと比較して、多数の利便性、実際の加工現場の要求に沿うソリューションを備えていることが大きな特徴である。
なお、上記実施形態では、空間光変調器としてミラーアレイ８０を用いる場合について説明したが、これに代えて、ＭＥＭＳ技術によって作製されるデジタル・マイクロミラー・デバイス（Digital Micromirror Device：ＤＭＤ（登録商標））を多数マトリクス状に配置して成る大面積のデジタル・ミラーデバイスを用いても良い。かかる場合には、各ミラー素子の状態（例えばチルト角）をエンコーダなどで計測することは困難になる。かかる場合には、その大面積のデジタル・ミラーデバイスの表面に検出光を照射し、デジタル・ミラーデバイスを構成する多数のミラー素子からの反射光を受光し、その強度分布に基づき、各ミラー素子の状態を検出する検出システムを用いても良い。この場合、検出システムは、デジタル・ミラーデバイスによって形成される像を撮像手段により撮像して得られた画像情報に基づいて多数のミラー素子それぞれの状態を検出するものであっても良い。
なお、上記実施形態に係る造形装置１００において、ロータリエンコーダ８３ｐ,ｑとともに、図１１に仮想線で示される検出システム８９を、用いても良い。この検出システム８９としては、例えば、ミラーアレイ８０を構成する多数のミラー素子８１ｐ,ｑからの反射光を、ミラーアレイ８０と集光光学系８２との間に配置されたビームスプリッターを介して受光し、その強度分布に基づき、各ミラー素子８１ｐ,ｑの状態を検出する検出システムを用いることができる。検出システムとしては、例えば米国特許第８，４５６，６２４号明細書の開示されるものと同様の構成のシステムを用いることができる。
また、上記実施形態では、各ミラー素子８１ｐ,ｑの反射面の基準面に対する傾斜角度を変更可能なタイプのミラーアレイ８０を用いる場合について例示したが、これに限らず、各ミラー素子が、基準面に対して傾斜可能かつ基準面に直交する方向に変位可能な構造のミラーアレイを採用しても良い。また、各ミラー素子は、必ずしも基準面に対して傾斜可能でなくても良い。このように、基準面に直交する方向に変位可能なミラーアレイは、例えば米国特許第８，４５６，６２４号明細書に開示されている。この他、各ミラー素子が、基準面に平行な互いに直交する２軸の回りに回転可能（すなわち直交する２方向の傾斜角度を変更可能）なタイプのミラーアレイを採用しても良い。このように直交する２方向の傾斜角度を変更可能なミラーアレイは、例えば米国特許第６，７３７，６６２号明細書に開示されている。これらの場合においても、上記米国特許第８，４５６，６２４号明細書に開示される検出システムを用いて各ミラー素子の状態を検出することができる。
なお、ミラーアレイ８０の表面に検出光を照射し、ミラーアレイ８０を構成する多数のミラー素子８１ｐ,ｑからの反射光を受光する検出システムを用いても良い。あるいは、検出システムとして、各ミラー素子の基準面（ベース）に対する傾斜角及び間隔を個別に検出するセンサを、ミラーアレイ（光学デバイス）に設けても良い。
なお、上記実施形態では、集光光学系８２の瞳面に入射する複数の平行ビームの入射角度を個別に制御することにより造形面上でのビームの強度分布の変更を行う場合について説明したが、集光光学系８２の瞳面に入射する複数の平行ビームの全ての入射角度が制御（変更）可能でなくても良い。したがって、上記実施形態と同様にミラーアレイを用いて集光光学系８２に入射する平行ビームの入射角度を制御する場合などに、全てのミラー素子が反射面の状態（反射面の位置及び傾斜角度の少なくとも一方）を変更可能でなくても良い。また、上記実施形態では、集光光学系８２に入射する複数の平行ビームの入射角度の制御、すなわち造形面上におけるビームの強度分布の変更のためにミラーアレイ８０を用いる場合について説明したが、ミラーアレイに代えて、以下に説明する空間光変調器（非発光型画像表示素子）を用いても良い。透過型空間光変調器としては、透過型液晶表示素子（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）以外に、エレクトロクロミックディスプレイ（ＥＣＤ）等が例として挙げられる。また、反射型空間光変調器としては、上述のマイクロミラー・アレイの他に、反射型液晶表示素子、電気泳動ディスプレイ（ＥＰＤ：Electro Phonetic Display）、電子ペーパー（又は電子インク）、光回折型ライトバルブ（Grating Light Valve）等が例として挙げられる。また、上記実施形態では、造形面上におけるビームの強度分布の変更のためミラーアレイ（空間光変調器の一種）を用いる場合について説明したが、空間光変調器をその他の目的で用いても良い。
また、上述したように、集光光学系８２は大口径であることが望ましいが、開口数Ｎ．Ａ．が０．５より小さい集光光学系を用いても良い。
また、上記実施形態において、ビームの強度分布を管理するために、集光光学系８２の後側焦点面、又はその近傍に受光部を配置可能なセンサを造形装置１００が備えていても良い。例えば、テーブル１２上にＣＣＤイメージセンサを搭載し、該ＣＣＤイメージセンサにより、ビームの強度分布（造形面における照射領域内の強度分布）を適当な頻度でキャリブレーションすることが望ましい。この際、センサの受光部（例えばテーブル１２）が停止した状態で計測しても良いが、センサの受光部（例えばテーブル１２）が動きながら、集光光学系８２からのビーム受光するスキャン計測を行っても良い。センサの受光部を移動しながら計測を行うことで、例えばＣＣＤ、ミラーアレイなどの有限な画素数の影響を排除し、正しい計測結果を得ることができる。このように、集光光学系８２からのビームを受光するセンサでビームの強度分布を計測することで、集光光学系８２の熱収差などの変動要因も加味されたビームの強度分布の管理が可能となる。また、その結果に基づいてミラーアレイ８０などを制御することによって、集光光学系８２の後側焦点面などにおけるビームの強度分布を所望状態に精度良く設定することができる。
なお、上記実施形態では、造形材料としてチタン、ステンレスの粉末を用いる場合について例示したが、鉄粉その他の金属の粉末は勿論、ナイロン、ポリプロピレン、ＡＢＳ等の粉末など金属以外の粉末を用いることも可能である。また、造形材料として粉末以外のもの、例えば溶接に用いられるフィラワイヤなどを用いる場合にも、上記実施形態に係る造形装置１００は適用が可能である。ただし、この場合には、粉末カートリッジ及びノズルユニットなどの粉末の供給系に代えて、ワイヤ送り装置などが設けられることになる。
また、上記実施形態では、ノズル８４ａの複数の供給口９１iのそれぞれから粉末状の造形材料ＰＤを集光光学系８２の光軸ＡＸに平行なＺ軸方向に沿って供給する場合について説明したが、これに限らず、光軸ＡＸに対して傾斜した方向から造形材料（粉末）を供給しても良い。また鉛直方向に対して傾斜した方向から造形材料（粉末）を供給しても良い。
なお、上記実施形態の造形装置１００において、材料処理部５３０が備えるノズル８４ａは、前述の造形材料の供給口とともに、溶融されなかった粉末状の造形材料を回収する回収口（吸引口）を有していても良い。
これまでは、既存のワークに形状を付け加える例について説明したが、本実施形態に係る造形装置１００の使用用途がこれに限られるものではなく、通常の３Ｄプリンタなどと同様に、テーブル１２上で何もないところから三次元形状を造形によって生成することも可能である。この場合は、「無」というワークに、付加加工を施すことに他ならない。かかるテーブル１２上での三次元造形物の造形の際には、制御装置６００は、計測システム４００が備えるマーク検出系５６（図１１参照）により、テーブル１２上に予め形成された最低三か所のアライメントマークを光学的に検出することで、テーブル１２上に設定される造形の対象面の６自由度方向の位置情報を求め、この結果に基づいてビーム（の照射領域）に対するテーブル１２上の対象面の位置及び姿勢を制御しつつ、三次元造形を行えば良い。
なお、上記実施形態では、一例として、制御装置６００が、移動システム２００、計測システム４００及びビーム造形システム５００の構成各部を制御する場合について説明したが、これに限らず、造形システムの制御装置を、マイクロプロセッサ等の処理装置をそれぞれ含む複数のハードウェアにより構成しても良い。この場合において、移動システム２００、計測システム４００及びビーム造形システム５００のそれぞれが処理装置を備えていても良いし、移動システム２００、計測システム４００及びビーム造形システム５００のうちの２つを制御する第１処理装置と、残りの１つのシステムを制御する第２処理装置の組み合わせであっても良い。いずれの場合もそれぞれの処理装置が、上述した制御装置６００の機能の一部を受け持つことになる。あるいは、複数のマイクロプロセッサ等の処理装置と、これらの処理装置を統括的に管理するホスト・コンピュータとによって、造形システムの制御装置を構成しても良い。
上述の各実施形態の構成要件の少なくとも一部は、上述の各実施形態の構成要件の少なくとも他の一部と適宜組み合わせることができる。上述の各実施形態の構成要件のうちの一部が用いられなくても良い。また、法令で許容される限りにおいて、上述の各実施形態で引用した露光装置等に関する全ての公開公報及び米国特許の開示を援用して本文の記載の一部とする。
以上説明したように、本発明に係る造形装置及び造形方法は、三次元造形物の形成に適している。
１２…テーブル、６２…ライトガイドファイバ、６４…ダブルフライアイ光学系、６６…コンデンサレンズ系、７０…レーザユニット、７８…ビーム断面強度変換光学系、８０…ミラーアレイ、８１…ミラー素子、８２…集光光学系、８３…ロータリエンコーダ、８５…制限部材、８９…検出システム、９１…供給口、１００…造形装置、２００…移動システム、５００…ビーム造形システム、５２０…ビーム照射部、５３０…材料処理部、５４０…ウォーターシャワーノズル、６００…制御装置、ＢＳ…ベース、ＰＤ…造形材料、ＬＳ…一文字領域、ＬＳ１…第１一文字領域、ＬＳ２…第２一文字領域、ＬＳ３…第３一文字領域、ＭＰ…造形面、ＴＡ…目標部位、ＴＡＳ…対象面、Ｗ…ワーク、ＷＰ…溶融池。

Claims (61)

  1. 三次元造形物を造形するＤＥＤ方式の造形装置であって、
    造形の目標部位が設定される対象面を移動する移動システムと、
    ビームを射出する集光光学系を含むビーム照射部と、前記ビーム照射部からのビームで照射される造形材料を供給する材料処理部と、を有するビーム造形システムと、
    前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとを相対移動させつつ前記造形材料を前記材料処理部から供給することにより前記目標部位に造形が施されるように、造形対象の三次元造形物の３Ｄデータに基づいて、前記移動システムと前記ビーム造形システムとを制御する制御装置と、を備え、
    前記集光光学系の射出面側の所定面内における前記ビームの強度分布を変更可能であり、
    前記制御装置は、前記強度分布の変更に応じて、前記材料処理部による前記造形材料の供給動作を制御し、
    前記強度分布の変更は、前記所定面内における照射領域の数を変更することを含む造形装置。
  2. 前記材料処理部は、前記造形材料を供給する少なくとも一つの供給口を有する請求項１に記載の造形装置。
  3. 前記少なくとも一つの供給口は可動である請求項２に記載の造形装置。
  4. 前記強度分布の変更に応じて、前記少なくとも一つの供給口が移動される請求項３に記載の造形装置。
  5. 前記材料処理部は、前記造形材料を供給する複数の供給口を有し、前記複数の供給口のうちの一部からのみ前記造形材料を供給可能である請求項２〜４のいずれか一項に記載の造形装置。
  6. 前記強度分布の変更に応じて、前記複数の供給口から少なくとも一つの供給口が選択され、前記選択された少なくとも一つの供給口から前記造形材料が供給される請求項２〜５のいずれか一項に記載の造形装置。
  7. 前記少なくとも一つの供給口からの前記造形材料の単位時間あたりの供給量は調整可能である請求項２〜６のいずれか一項に記載の造形装置。
  8. 前記制御装置は、前記強度分布の設定に応じて、前記少なくとも一つの供給口からの前記供給量を決定する請求項７に記載の造形装置。
  9. 前記制御装置は、前記所定面における前記ビームの照射領域の、前記相対移動方向の幅に基づいて、前記供給量を決定する請求項８に記載の造形装置。
  10. 前記材料処理部は、前記少なくとも一つの供給口を有するノズル部材を有し、
    前記ノズル部材は、前記集光光学系と前記所定面との間に配置される請求項２〜９のいずれか一項に記載の造形装置。
  11. 前記ノズル部材の前記少なくとも一つの供給口から、前記集光光学系の光軸と平行な軸に沿って前記造形材料が供給される請求項１０に記載の造形装置。
  12. 前記ノズル部材は、前記集光光学系の前記光軸上に配置されている請求項１０又は１１に記載の造形装置。
  13. 前記ビーム照射部は、前記集光光学系からのビームの前記ノズル部材への入射を制限する制限部材を有する請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の造形装置。
  14. 前記制限部材は、前記集光光学系の入射面側に配置された遮光部材を含む請求項１３に記載の造形装置。
  15. 前記強度分布の変更は、前記所定面内における前記ビームの照射領域の位置、前記所定面内における前記照射領域の大きさ、及び前記所定面内における前記照射領域の形状の少なくとも一つをさらに含む請求項１〜１４のいずれか一項に記載の造形装置。
  16. 前記変更後の前記ビームの照射領域に前記造形材料が供給されるように、前記材料処理部による前記造形材料の供給位置が制御される請求項１５に記載の造形装置。
  17. 三次元造形物を造形するＤＥＤ方式の造形装置であって、
    造形の目標部位が設定される対象面を移動する移動システムと、
    ビームを射出する集光光学系を含むビーム照射部と、前記ビーム照射部からのビームで照射される造形材料を供給する材料処理部と、を有するビーム造形システムと、
    前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとを相対移動させつつ前記造形材料を前記材料処理部から供給することにより前記目標部位に造形が施されるように、造形対象の三次元造形物の３Ｄデータに基づいて、前記移動システムと前記ビーム造形システムとを制御する制御装置と、を備え、
    前記集光光学系の射出面側の所定面内における前記ビームの強度分布を変更可能であり、
    前記材料処理部は、前記造形材料を供給する複数の供給口を有し、
    前記強度分布の変更に応じて決定された、前記複数の供給口のうちの少なくとも一つから造形材料を供給する造形装置。
  18. 前記強度分布の変更は、前記所定面内における前記ビームの照射領域の変更を含み、
    前記変更後の前記ビームの照射領域に前記造形材料が供給されるように、前記複数の供給口から前記造形材料の供給を行う少なくとも一つの供給口が決定される請求項１７に記載の造形装置。
  19. 三次元造形物を造形するＤＥＤ方式の造形装置であって、
    造形の目標部位が設定される対象面を移動する移動システムと、
    ビームを射出する集光光学系を含むビーム照射部と、前記ビーム照射部からのビームで照射される造形材料を供給する材料処理部と、を有するビーム造形システムと、
    前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとを相対移動させつつ前記造形材料を前記材料処理部から供給することにより前記目標部位に造形が施されるように、造形対象の三次元造形物の３Ｄデータに基づいて、前記移動システムと前記ビーム造形システムとを制御する制御装置と、を備え、
    前記集光光学系の射出面側の所定面内における前記ビームの強度分布を変更可能であり、
    前記材料処理部は、前記造形材料を供給する少なくとも一つの可動供給口を有し、
    前記強度分布の変更に応じて、前記可動供給口の位置を変更する造形装置。
  20. 前記強度分布の変更は、前記所定面内における前記ビームの照射領域の変更を含み、
    前記変更後の前記ビームの照射領域に前記造形材料が供給されるように、前記可動供給口の位置が変更される請求項１９に記載の造形装置。
  21. 前記強度分布の変更は、前記対象面の形状に基づいて行われる請求項１〜２０のいずれ一項に記載の造形装置。
  22. 前記所定面は、前記集光光学系の後側焦点面である請求項１〜２１のいずれか一項に記載の造形装置。
  23. 前記強度分布の変更は、前記ビーム照射部により行われる請求項１〜２２のいずれか一項に記載の造形装置。
  24. 前記ビーム照射部は、前記集光光学系に入射する少なくとも一つの入射ビームの入射角度を制御することにより前記強度分布の変更を行う請求項２３に記載の造形装置。
  25. 前記入射角度の制御によって、前記集光光学系の瞳面に入射する、前記少なくとも一つの入射ビームの入射角度が変更可能である請求項２４に記載の造形装置。
  26. 前記少なくとも一つの入射ビームは、前記瞳面に対する入射角度が異なる複数の入射ビームを含む請求項２５に記載の造形装置。
  27. 前記瞳面は、前記集光光学系の前側焦点面と一致する請求項２５又は２６に記載の造形装置。
  28. 前記ビーム照射部は、空間光変調器を有し、前記空間光変調器を用いて、前記集光光学系に入射する前記少なくとも一つの入射ビームの入射角度を制御する請求項２４〜２７のいずれか一項に記載の造形装置。
  29. 前記ビーム照射部は、空間光変調器を用いて、前記強度分布の変更を行う請求項１〜２３のいずれか一項に記載の造形装置。
  30. 前記空間光変調器は、マトリクス状に配置された複数のミラーを有し、
    前記複数のミラーのそれぞれは、反射面を有し、
    前記複数のミラーは、個別に可動である請求項２８又は２９に記載の造形装置。
  31. 前記空間光変調器は、前記複数のミラーの反射面の状態を個別に変更可能である請求項３０に記載の造形装置。
  32. 前記反射面の状態の変更は、前記反射面の位置と傾斜角度の少なくとも一方の変更を含む請求項３１に記載の造形装置。
  33. 前記複数のミラーそれぞれの前記反射面の状態を検出する検出システムを備え、
    前記検出システムの出力に基づいて、前記複数のミラーそれぞれの前記反射面の状態が制御される請求項３０〜３２のいずれか一項に記載の造形装置。
  34. 前記検出システムは、前記複数のミラーに個別に取付けられたセンサを含む請求項３３に記載の造形装置。
  35. 前記検出システムは、前記複数のミラーの表面に検出光を照射し、前記複数のミラーからの反射光を受光する請求項３３又は３４に記載の造形装置。
  36. 前記複数のミラーの前記反射面の状態を個別に又はグループ毎に変更する請求項３０〜３５のいずれか一項に記載の造形装置。
  37. 前記ビーム照射部は、ビームの断面強度分布を変換する変換光学部材を有し、
    前記変換光学部材から射出されたビームが前記空間光変調器に入射する請求項２８〜３６のいずれか一項に記載の造形装置。
  38. 前記ビーム照射部は、照度均一化光学系を有し、
    前記照度均一化光学系から射出されたビームが前記変換光学部材に入射する請求項３７に記載の造形装置。
  39. 前記照度均一化光学系は、複数の光源ユニットからそれぞれ射出される複数のビームを混合及び均一化する請求項３８に記載の造形装置。
  40. 前記ビーム照射部は、照度均一化光学系を有し、
    前記照度均一化光学系を介して、少なくとも一つの入射ビームが前記集光光学系に入射する請求項１〜３７のいずれか一項に記載の造形装置。
  41. 前記照度均一化光学系は、複数の光源ユニットからそれぞれ射出される複数のビームを混合及び均一化する請求項４０に記載の造形装置。
  42. 前記ビーム照射部は、前記集光光学系の射出面において、前記集光光学系から射出されるビームの、前記集光光学系の光軸を含む領域での強度を、その外側の領域での強度よりも小さくする請求項１〜４１のいずれか一項に記載の造形装置。
  43. 前記集光光学系から射出されるビームは、前記集光光学系の射出面の、前記光軸を含む前記領域を通過しない請求項４２に記載の造形装置。
  44. 前記集光光学系は、前記ビーム照射部の射出端に位置する集光部材を含み、該集光部材は少なくともその射出側の面の光軸から離れた領域に光学面が形成され、該光学面を介して前記所定面又はその近傍の面にビームを集光する請求項４２又は４３に記載の造形装置。
  45. 前記ビーム照射部は、ビームの断面強度分布を変換する変換光学部材を有し、
    前記変換光学部材を介して少なくとも一つの入射ビームが前記集光光学系に入射し、
    前記ビーム照射部は、前記集光光学系の射出面において、前記集光光学系から射出されるビームの、前記集光光学系の光軸を含む領域での強度を、その外側の領域での強度よりも小さくする請求項１〜３６のいずれか一項に記載の造形装置。
  46. 前記集光光学系から射出されるビームは、前記集光光学系の射出面の、前記光軸を含む前記領域を通過しない請求項４５に記載の造形装置。
  47. 前記集光光学系に入射する少なくとも一つの入射ビームは平行ビームである請求項１〜４６のいずれか一項に記載の造形装置。
  48. 前記制御装置は、前記所定面での強度分布に応じて、前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとの相対移動速度を決定する請求項１〜４７のいずれか一項に記載の造形装置。
  49. 前記目標部位に溶融池を形成しながら、前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとを相対的に移動することによって、前記目標部位に造形が施される請求項１〜４８のいずれか一項に記載の造形装置。
  50. 前記ビーム造形システムは、冷却液を供給する供給口を有する請求項１〜４９のいずれか一項に記載の造形装置。
  51. 前記移動システムは、前記対象面を有するワークを保持するとともに移動可能な可動部材を有する請求項１〜５０のいずれか一項に記載の造形装置。
  52. 前記移動システムを支持するベース部材をさらに備え、
    前記移動システムは、エア浮上方式又は磁気浮上方式で、前記ベース部材上に浮上支持されている請求項５１に記載の造形装置。
  53. 前記可動部材上に前記ワークが存在しない状態で、前記造形を行うとき、前記可動部材の一面を前記対象面とする請求項５１又は５２に記載の造形装置。
  54. 前記造形材料として、粉末状の材料が用いられる請求項１〜５３のいずれか一項に記載の造形装置。
  55. 前記目標部位への造形材料の供給と前記目標部位へのビームの照射とを行いながら、前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとを相対的に移動することによって、前記目標部位に造形が施される請求項５４に記載の造形装置。
  56. 前記三次元造形物は、複数の層が積層されて成り、
    前記制御装置は、前記三次元造形物の３Ｄデータから得られる多層の積層断面のデータに基づいて、前記移動システムと前記ビーム造形システムとを制御する請求項１〜５５のいずれか一項に記載の造形装置。
  57. 三次元造形物をＤＥＤ方式で造形する造形方法であって、
    集光光学系を含むビーム照射部から射出されるビームと造形の目標部位が設定される対象面とを相対移動させつつ前記ビームで照射される造形材料を供給することにより前記目標部位に造形が施されるように、造形対象の三次元造形物の３Ｄデータに基づいて、前記対象面の移動と、前記ビーム照射部からの前記ビームの射出状態及び前記造形材料の供給状態の少なくとも一方と、を制御することを含み、
    前記集光光学系の射出面側の所定面内における前記ビームの強度分布を変更可能であり、
    前記強度分布の変更に応じて、前記造形材料の供給動作が制御され、
    前記強度分布の変更は、前記所定面内における照射領域の数を変更することを含む造形方法。
  58. 前記強度分布の変更は、前記照射領域の位置、前記所定面内における前記照射領域の大きさ、及び前記所定面内における前記照射領域の形状の少なくとも一つをさらに変更することを含む請求項５７に記載の造形方法。
  59. 前記造形材料として、粉末状の材料が用いられる請求項５７又は５８に記載の造形方法。
  60. 前記目標部位への造形材料の供給と前記目標部位へのビームの照射とを行いながら、前記対象面と前記ビーム照射部からのビームとを相対的に移動することによって、前記目標部位に造形が施される請求項５９に記載の造形方法。
  61. 前記三次元造形物は、複数の層が積層されて成り、
    前記三次元造形物の３Ｄデータから得られる多層の積層断面のデータに基づいて、前記対象面の移動と、前記ビーム照射部からの前記ビームの射出状態及び前記造形材料の供給状態の少なくとも一方と、が制御される請求項５７〜６０のいずれか一項に記載の造形方法。
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