JP6898746B2 - 三次元積層造形装置およびその制御方法並びにビーム走査パターン生成プログラム - Google Patents

Description

本開示は、三次元積層造形装置およびその制御方法並びにビーム走査パターン生成プログラムに関する。

従来より、粉末層にビーム（例えばレーザビーム又は電子ビーム）を照射して粉末層を選択的に固化する三次元積層造形方法が知られている。この種の三次元積層造形方法では、粉末層にビームを照射して粉末を焼結又は溶融により固化させる際に、ヒュームと呼ばれる煙状の物質がビーム照射位置から発生する。ヒュームは、粉末層が金属粉末からなる場合に顕著に発生するが、粉末層が樹脂粉末等からなる場合にも発生する。

ヒュームがビームの経路を遮ると、ビームのエネルギー量が低下したり、ビーム形状が変形することがある。また、ビームのエネルギー量が低下すると、造形品質に影響し、強度不足や形状精度の低下生じる恐れがある。

特許文献１には、ヒュームによるビームの遮りを防止するために、チャンバ内に入射したビームの経路から離れた位置に局所的なガス流れを形成する技術が開示されている。

特許第５６５３３５８号公報

特許文献１に記載されるようにビームの経路から離れた位置に局所的なガス流れを形成したとしても、ビーム照射位置の近傍に存する発生直後のヒュームによってビームの経路が遮られると、ビームのエネルギー量が低下したり、ビーム形状が変形することがある。このため、依然として、ヒュームに起因して造形品質の低下が生じる恐れがあった。

本発明の少なくとも一実施形態は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、ヒュームに起因する造形品質の低下を抑制可能な三次元積層造形装置及びその制御方法並びにビーム走査パターン生成プログラムを提供することである。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置は、ベースプレートと、前記ベースプレート上に形成された粉末層を選択的に固化するように前記粉末層にビームを照射するためのビーム照射ユニットと、前記粉末層上にガス流れを形成するためのガス流れ形成ユニットと、前記ビーム照射ユニットを制御するコントローラと、
を備え、前記コントローラは、前記ベースプレート上の造形可能領域の少なくとも一部において、前記ビーム照射ユニットからの前記ビームの照射位置を起点として前記ガス流れの下流側に延ばした基準線の両側の禁止角度範囲を除く許容角度範囲内に前記ビームの走査方向を制限するよう構成される。

上記（１）に記載の三次元積層造形装置によれば、ビームの照射位置から発生したヒュームは、基準線に沿ってガス流れの下流側へ流れるため、許容角度範囲内の走査方向へ走査されたビームがヒュームに遮られにくくなり（巻き込まれにくくなり）、ビームに対するヒュームの影響を低減することができる。これにより、ヒュームに起因する造形品質の低下を抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の三次元積層造形装置において、前記禁止角度範囲は、前記基準線の両側にそれぞれ少なくとも２０度の角度範囲を含む。

上記（２）に記載の三次元積層造形装置によれば、禁止角度範囲が基準線を挟んで４０度以上のある程度大きい角度範囲に設定されるため、許容角度範囲内の走査方向へ走査されたビームがヒュームに遮られにくくする効果を高めて、ビームに対するヒュームの影響を効果的に低減することができる。これにより、ヒュームに起因する造形品質の低下を効果的に抑制することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載の三次元積層造形装置において、前記ビーム照射ユニットは、前記ビームを走査するためのスキャナを含み、前記造形可能領域は、前記スキャナよりも前記ガス流れの下流側に位置する第１領域と、前記スキャナよりも前記ガス流れの上流側に位置する第２領域と、を含み、前記コントローラは、前記第１領域への前記ビームの照射時、前記許容角度範囲内への前記ビームの走査方向の制限を解除し、前記第２領域への前記ビームの照射時、前記許容角度範囲内に前記ビームの走査方向を制限するよう構成される。

本願発明者の知見によれば、ガス流れの流れ方向における下流側からビームを照射する場合と比較して、ガス流れの流れ方向における上流側からビームを照射する場合の方が、ビームがヒュームに遮られにくく、ビームに対するヒュームの影響が小さい。

このため、上記（３）に記載のように、光スキャナより下流側の第１領域へのビームの照射時、許容角度範囲内へのビームの走査方向の制限を解除し、光スキャナより上流側の第２領域へのビームの照射時、許容角度範囲内にビームの走査方向を制限することにより、ビームに対するヒュームの影響を低減しつつ、第１領域におけるビームの走査方向の自由度を確保することができる。

（４）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置は、ベースプレートと、前記ベースプレート上に形成された粉末層を選択的に固化するように前記粉末層にビームを照射するためのビーム照射ユニットと、前記粉末層上にガス流れを形成するためのガス流れ形成ユニットと、を備え、前記ビーム照射ユニットは、前記ビームを走査するためのスキャナを含み、前記スキャナは、前記ガス流れの流れ方向における前記ベースプレートの中央位置に対して前記流れ方向の上流側にオフセットして配置されている。

上述のように、ガス流れの流れ方向における下流側からビームを照射する場合と比較して、ガス流れの流れ方向における上流側からビームを照射する場合の方が、ビームがヒュームに遮られにくく、ビームに対するヒュームの影響が小さい。

このため、上記（４）に記載のように、ガス流れの流れ方向におけるベースプレートの中央位置に対して流れ方向の上流側に光スキャナをオフセットして配置することにより、ガス流れの流れ方向において上流側からビームを照射できる領域を広げて、ヒュームによるビームへの影響を低減することができる。これにより、ヒュームに起因する造形品質の低下を抑制することができる。

（５）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置は、ベースプレートと、ビームを走査するためのスキャナを含み、前記ベースプレート上に形成された粉末層を選択的に固化するように前記粉末層に前記ビームを照射するためのビーム照射ユニットと、第１方向と、前記第１方向とは少なくとも反対側に向かう方向成分を有する第２方向と、の間で切り替え可能にガス流れを前記粉末層上に形成するように構成されたガス流れ形成ユニットと、前記ガス流れ形成ユニットを制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記ベースプレート上の造形可能領域のうち、前記スキャナよりも前記第１方向の下流側に位置する第１領域への前記ビームの照射時、前記第１方向の前記ガス流れを前記粉末層上に形成し、前記造形可能領域のうち、前記スキャナよりも前記第１方向の上流側に位置する第２領域への前記ビームの照射時、前記第２方向の前記ガス流れを前記粉末層上に形成するように、前記ガス流れ形成ユニットを制御するよう構成される。

上記（５）に記載の三次元積層造形装置によれば、第１領域へビームを照射する場合においても第２領域へビームを照射する場合においても、ガス流れの流れ方向における上流側から照射位置にビームを照射することができる。このため、ビームがヒュームに遮られにくく、ビームに対するヒュームの影響を低減することができる。これにより、ヒュームに起因する造形品質の低下を抑制することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（５）に記載の三次元積層造形装置において、前記第２方向は、前記第１方向に対して、１６０度以上２００度以下の角度をなす。

上記（６）に記載の三次元積層造形装置によれば、第２方向と第１方向とのなす角度を１８０度程度に設定することにより（ガス流れの方向を逆方向に切り替えることにより）、第１領域へビームを照射する場合においても第２領域へビームを照射する場合においても、ビームがヒュームに遮られにくくなり、ビームに対するヒュームの影響を効果的に低減することができる。これにより、ヒュームに起因する造形品質の低下を効果的に抑制することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（５）又は（６）に記載の三次元積層造形装置において、前記粉末層上における前記ガス流れの方向を検出するための流れ方向センサを更に備え、前記コントローラは、前記ガス流れが前記第２方向に切り替わったことを示す検出結果を前記流れ方向センサから受け取った後、前記第２領域への前記ビームの照射を開始させるように前記ビーム照射ユニットを制御するよう構成される。

上記（７）に記載の三次元積層造形装置によれば、ガス流れの方向が第２方向に切り替わったことを示す検出結果を流れ方向センサから受け取った後に、第２領域へのビームの照射を開始させるようにビーム照射ユニットを制御することで、ヒュームに起因する造形品質の低下を効果的に抑制することができる。

（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置の制御方法において、ベースプレート上に形成された粉末層上にガス流れを形成するステップと、前記ベースプレート上に形成された前記粉末層を選択的に固化するように前記粉末層にビームを照射するステップと、を備え、前記粉末層にビームを照射するステップでは、前記ベースプレート上の造形可能領域の少なくとも一部において、前記ビームの照射位置を起点として前記粉末層上のガス流れの下流側に延ばした基準線の両側の禁止角度範囲を除く許容角度範囲内に前記ビームの走査方向を制限する。

上記（８）に記載の三次元積層造形装置の制御方法によれば、ビームの照射位置から発生したヒュームは、基準線に沿ってガス流れの下流側へ流れるため、許容角度範囲内の走査方向へ走査されたビームがヒュームに遮られにくくなり（巻き込まれにくくなり）、ビームに対するヒュームの影響を低減することができる。これにより、ヒュームに起因する造形品質の低下を抑制することができる。

（９）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置の制御方法において、ベースプレート上に形成された粉末層上にガス流れを形成するステップと、前記ベースプレート上に形成された粉末層を選択的に固化するように前記粉末層にビームを照射するステップと、を備え、前記粉末層に前記ビームを照射するステップでは、前記ベースプレート上の造形可能領域のうち、スキャナよりも第１方向の下流側に位置する第１領域への前記ビームの照射時、前記第１方向の前記ガス流れを前記粉末層上に形成し、前記造形可能領域のうち、前記スキャナよりも前記第１方向の上流側に位置する第２領域への前記ビームの照射時、前記第１方向とは少なくとも反対側に向かう方向成分を有する第２方向の前記ガス流れを前記粉末層上に形成する。

上記（９）に記載の三次元積層造形装置の制御方法によれば、第１領域へビームを照射する場合においても第２領域へビームを照射する場合においても、ガス流れの流れ方向における上流側から照射位置にビームを照射することができる。このため、ビームがヒュームに遮られにくく、ビームに対するヒュームの影響を低減することができる。これにより、ヒュームに起因する造形品質の低下を抑制することができる。

（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置のビーム走査パターン生成プログラムは、造形物の三次元形状データからスライスデータを生成する処理と、生成された前記スライスデータに基づいて、ベースプレート上の造形可能領域の少なくとも一部において、ビームの照射位置を起点としてガス流れ形成ユニットによるガス流れの下流側に延ばした基準線の両側の禁止角度範囲を除く許容角度範囲内に前記ビームの走査方向を制限するようにビーム走査パターンを生成する処理と、をコンピュータに実行させる。

上記（１０）に記載の三次元積層造形装置のビーム走査パターン生成プログラムによれば、ビームの照射位置から発生したヒュームは、基準線に沿ってガス流れの下流側へ流れるため、許容角度範囲内の走査方向へ走査されたビームがヒュームに遮られにくくなり（巻き込まれにくくなり）、ビームに対するヒュームの影響を低減することができる。これにより、ヒュームに起因する造形品質の低下を抑制することができる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、ヒュームに起因する造形品質の低下を抑制可能な三次元積層造形装置及びその制御方法並びにビーム走査パターン生成プログラムが提供される。

一実施形態に係る三次元積層造形装置２（２Ａ）の概略構成を示す模式図である。 一実施形態に係る光ビーム照射ユニット１０による光ビーム８の走査方向を説明するための平面図である。 ヒューム１６の影響の低減効果を説明するための平面図である。 一実施形態に係る光ビーム照射ユニット１０の制御方法を説明するための模式図である。 一実施形態に係る光ビーム照射ユニット１０の制御方法を説明するための模式図である。 ヒューム１６の影響の低減効果を説明するための模式図である。 ヒューム１６の影響の低減効果を説明するための模式図である。 第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２との間に中間領域Ｓ０について説明するための模式図である。 一実施形態に係る三次元積層造形装置２（２Ｂ）の概略構成を示す模式図である。 一実施形態に係る三次元積層造形装置２（２Ｃ）の概略構成を示す模式図である。 一実施形態に係る三次元積層造形装置２（２Ｃ）の概略構成を示す模式図である。 三次元積層造形装置２（２Ｃ）における光ビーム照射ユニット１０の制御方法を説明するための模式図である。 三次元積層造形装置２（２Ｃ）における光ビーム照射ユニット１０の制御方法を説明するための模式図である。 ヒューム１６の影響の低減効果を説明するための模式図である。 ヒューム１６の影響の低減効果を説明するための模式図である。 一実施形態に係る三次元積層造形装置２（２Ｃ）の構成例を示す模式図である。 一実施形態に係る三次元積層造形装置２（２Ｃ）の構成例を示す模式図である。 三次元積層造形装置２（２Ａ〜２Ｃ）における光ビームの走査パターンを生成するためのフローの例を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、一実施形態に係る三次元積層造形装置２（２Ａ）の概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、三次元積層造形装置２は、ベースプレート４と、ベースプレート４上に形成された粉末層６を選択的に固化するように粉末層６に光ビーム８（レーザビーム）を照射するための光ビーム照射ユニット１０と、粉末層６上にガス流れＦを形成するためのガス流れ形成ユニット１２と、光ビーム照射ユニット１０及びガス流れ形成ユニット１２を制御するコントローラ２０とを備える。光ビーム照射ユニット１０は、光ビーム８を走査するための光スキャナ１４（ガルバノミラー）と、不図示の光源とを含む。なお、図１に示す三次元積層造形装置２（２Ａ）では、ガス流れ形成ユニット１２は、例えばポンプ等によって粉末層６上に一方向のガス流れＦを形成するように構成されている。なお、ガス流れＦのガスの種類は特に限定されないが、例えばＡｒガスや窒素ガス等の不活性ガスを用いてもよい。

図２は、一実施形態に係る光ビーム照射ユニット１０による光ビーム８の走査方向を説明するための平面図である。
図１及び図２に示すように、コントローラ２０は、ベースプレート４上の造形可能領域Ｓの少なくとも一部において、光ビーム照射ユニット１０からの光ビームの照射位置Ｐを起点としてガス流れＦの下流側に延ばした基準線Ｌの両側の禁止角度範囲Ａ１を除く許容角度範囲Ａ２内に光ビーム８の走査方向ｄｓを制限する。すなわち、コントローラ２０は、許容角度範囲Ａ２内の方向にのみ光ビーム８を走査するよう光ビーム照射ユニット１０を制御する。

かかる構成によれば、図３に示すように、光ビーム８の照射位置Ｐから発生したヒューム１６は、基準線Ｌに沿ってガス流れＦの下流側へ流れるため、許容角度範囲Ａ２内の走査方向ｄｓへ走査された光ビーム８がヒューム１６に遮られにくくなり（巻き込まれにくくなり）、光ビーム８に対するヒューム１６の影響を低減することができる。これにより、ヒューム１６に起因する造形品質の低下を抑制することができる。

一実施形態では、図２に示すように、禁止角度範囲Ａ１は、基準線Ｌの両側にそれぞれ少なくとも２０度の角度範囲を含む。

かかる構成によれば、禁止角度範囲Ａ１が基準線Ｌを挟んで４０度以上のある程度大きい角度範囲に設定されるため、許容角度範囲Ａ２内の走査方向ｄｓへ走査された光ビーム８がヒューム１６に遮られにくくする効果を高めて、光ビーム８に対するヒューム１６の影響を効果的に低減することができる。これにより、ヒューム１６に起因する造形品質の低下を効果的に抑制することができる。

図４及び図５は、一実施形態に係る光ビーム照射ユニット１０の制御方法を説明するための模式図である。
一実施形態では、図４及び図５に示すように、造形可能領域Ｓは、光スキャナ１４よりもガス流れＦの下流側に位置する第１領域Ｓ１と、光スキャナ１４よりもガス流れＦの上流側に位置する第２領域Ｓ２と、を含む。また、コントローラ２０は、第１領域Ｓ１への光ビーム８の照射時、許容角度範囲Ａ２（図２及び図３参照）内への光ビーム８の走査方向の制限を解除し、第２領域Ｓ２への光ビーム８の照射時、許容角度範囲Ａ２内に光ビームの走査方向を制限する。

ガス流れＦの流れ方向における下流側から光ビーム８を照射する場合（図６参照）と比較して、ガス流れＦの流れ方向における上流側から光ビーム８を照射する場合（図７参照）の方が、光ビーム８がヒューム１６に遮られにくく、光ビーム８に対するヒューム１６の影響が小さい。

このため、光スキャナ１４より下流側の第１領域Ｓ１への光ビーム８の照射時、許容角度範囲Ａ２（図２及び図３参照）内への光ビーム８の走査方向の制限を解除し、光スキャナ１４より上流側の第２領域Ｓ２への光ビーム８の照射時、許容角度範囲Ａ２内に光ビーム８の走査方向を制限することにより、光ビーム８に対するヒューム１６の影響を低減しつつ、光ビーム８の第１領域Ｓ１における走査方向の自由度を確保することができる。

なお、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２とは、図４及び図５に示すように境界線を介して隣接していてもよいし、図８に示すように第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２とは中間領域Ｓ０を挟んで互いに離れていてもよい。

図９は、一実施形態に係る三次元積層造形装置２（２Ｂ）の概略構成を示す模式図である。以下では、三次元積層造形装置２（２Ｂ）のうち、三次元積層造形装置２（２Ａ）と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略し、三次元積層造形装置２（２Ａ）と異なる構成について説明する。

一実施形態では、図９に示すように、光スキャナ１４は、ガス流れＦの流れ方向におけるベースプレート４の中央位置Ｃに対してガス流れＦの流れ方向の上流側にオフセットして配置されている。図示する例示的形態では、光スキャナ１４は、ガス流れＦの流れ方向におけるベースプレート４の上流端１８の位置と重複する同位置または上流端１８より上流側の位置に設けられている。

上述のように、ガス流れＦの流れ方向における下流側から光ビーム８を照射する場合（図６参照）と比較して、ガス流れＦの流れ方向における上流側から光ビーム８を照射する場合（図７参照）の方が、光ビーム８がヒューム１６に遮られにくく、光ビーム８に対するヒューム１６の影響が小さい。このため、上述のように、ガス流れＦの流れ方向におけるベースプレート４の中央位置Ｃに対してガス流れＦの流れ方向の上流側に光スキャナ１４をオフセットして配置することにより、ガス流れＦの流れ方向において上流側から光ビーム８を照射できる領域を広げて、ヒューム１６による光ビーム８への影響を低減することができる。これにより、ヒューム１６に起因する造形品質の低下を抑制することができる。

図１０及び図１１は、一実施形態に係る三次元積層造形装置２（２Ｃ）の概略構成を示す模式図である。図１２及び図１３は、三次元積層造形装置２（２Ｃ）における光ビーム照射ユニット１０の制御方法を説明するための模式図である。以下では、三次元積層造形装置２（２Ｃ）の構成のうち、三次元積層造形装置２（２Ａ）と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略し、三次元積層造形装置２（２Ａ）と異なる構成について説明する。

一実施形態では、図１０及び図１１に示すように、ガス流れ形成ユニット１２は、粉末層６上に形成するガス流れＦの流れ方向を、第１方向ｄ１と、第１方向ｄ１とは少なくとも反対側に向かう方向成分を有する第２方向ｄ２との間で切り替え可能に構成されている。

三次元積層造形装置２（２Ｃ）では、コントローラ２０は、図１２に示すように、ベースプレート４上の造形可能領域Ｓのうち、光スキャナ１４よりも第１方向ｄ１の下流側に位置する第１領域Ｓ１への光ビーム８の照射時、第１方向ｄ１のガス流れＦを粉末層６上に形成するようにガス流れ形成ユニット１２を制御する。また、コントローラ２０は、図１３に示すように、造形可能領域Ｓのうち、光スキャナ１４よりも第１方向ｄ１の上流側に位置する第２領域Ｓ２への光ビーム８の照射時、第２方向ｄ２のガス流れＦを粉末層６上に形成するようにガス流れ形成ユニット１２を制御する。

かかる構成によれば、第１領域Ｓ１へ光ビーム８を照射する場合（図１４参照）においても第２領域Ｓ２へ光ビーム８を照射する場合（図１５参照）においても、ガス流れＦの流れ方向における上流側から光ビーム８を照射することができる。このため、光ビーム８がヒューム１６に遮られにくく、光ビーム８に対するヒューム１６の影響を低減することができる。これにより、ヒューム１６に起因する造形品質の低下を抑制することができる。

一実施形態では、平面視において、第２方向ｄ２は、第１方向ｄ１に対して１６０度以上２００度以下の角度（図１１~図１５に示した例示的形態では、１８０度）をなす。このように、第２方向ｄ２と第１方向ｄ１との角度を１８０度程度に設定することにより、第１領域Ｓ１へ光ビームを照射する場合（図１４参照）においても第２領域Ｓ２へ光ビームを照射する場合（図１５参照）においても、光ビーム８がヒューム１６に遮られにくくなり、光ビーム８に対するヒューム１６の影響を効果的に低減することができる。これにより、ヒューム１６に起因する造形品質の低下を効果的に抑制することができる。

なお、ガス流れＦの方向を第１方向ｄ１と第２方向ｄ２とに切り替えるためのガス流れ形成ユニット１２の構成は特に限定されないが、例えば、図１６に示すガス流れ形成ユニット１２を用いてもよい。

図１６に例示するガス流れ形成ユニット１２は、ポンプ２２、第１流路２４、第２流路２６、第３流路２８、第４流路３０、第１バルブ３２、第２バルブ３４、第３バルブ３６、第４バルブ３８、フィルタ４０及び風向計４２（流れ方向センサ）を備える。

図１６に示す例示的形態では、第１流路２４は、ポンプ２２とチャンバ４４の一端側とを接続しており、第１流路２４に第１バルブ３２が設けられている。第２流路２６は、ポンプ２２とチャンバ４４の他端側とを接続しており、第２流路２６に第２バルブ３４が設けられている。第３流路２８は、第１流路２４におけるポンプ２２と第１バルブ３２との間から分岐して、第２流路２６におけるチャンバ４４と第２バルブ３４との間に接続している。第４流路３０は、第１流路２４における第１バルブ３２とチャンバ４４との間から分岐して第２流路２６における第２バルブ３４とポンプ２２との間に接続している。風向計４２は、第１流路２４における第３流路２８の分岐位置とポンプ２２との間に設けられている。フィルタ４０は、第２流路２６における第３流路２８の接続位置とポンプ２２との間に設けられている。

かかる構成において、ガス流れ形成ユニット１２によって粉末層６上に第１方向ｄ１のガス流れを形成する場合、コントローラ２０は、図１６に示すように、第１バルブ３２及び第２バルブ３４を開状態に制御するとともに第３バルブ３６及び第４バルブ３８を閉状態に制御する。これにより、ポンプ２２からのガス流れは、第１流路２４を通ってチャンバ４４の一端側に供給され、粉末層６上を第１方向ｄ１に流れた後、チャンバ４４の他端側で第２流路２６に流入し、フィルタ４０を通って再びポンプ２２に流入する。

また、ガス流れ形成ユニット１２によって第２方向ｄ２のガス流れを形成する場合、コントローラ２０は、図１７に示すように、第１バルブ３２及び第２バルブ３４を閉状態に制御するとともに第３バルブ３６及び第４バルブ３８を開状態に制御する。これにより、ポンプ２２からのガス流れは、第１流路２４から第３流路２８を通ってチャンバ４４の他端側に供給され、粉末層６上を第２方向ｄ２に流れた後、チャンバ４４の一端側から第１流路２４に流入し、第４流路３０及び第２流路２６のフィルタ４０を通って再びポンプ２２に流入する。

かかる構成により、粉末層６上のガス流れＦの方向を第１方向ｄ１と第２方向ｄ２とに容易に切り替えることができる。また、風向計４２によって、粉末層６上におけるガス流れＦの方向を検出することができる。このため、コントローラ２０は、ガス流れＦの方向が第２方向ｄ２に切り替わったことを示す検出結果を風向計４２から受け取った後に、第２領域Ｓ２への光ビーム８の照射を開始させるように光ビーム照射ユニット１０を制御することで、ヒューム１６に起因する造形品質の低下を効果的に抑制することができる。

なお、上述した三次元積層造形装置２（２Ａ〜２Ｃ）で用いる光ビーム８の走査パターンを生成する場合、図１８に示すフローで走査パターンを生成し、造形処理を行う。
まず、Ｓ１１において、造形物の三次元形状データを生成し、Ｓ１２において、造形物の三次元形状データからスライスデータを生成する。次に、Ｓ１３において、スライスデータに基づいて光ビーム走査パターンを生成する。そして、Ｓ１４において、スライスデータに基づいて一層ずつ造形処理を行うことで造形物を完成させる。

ここで、Ｓ１３において光ビーム走査パターンを生成する際に、例えば上述した光ビームの走査方向の制限を適用してもよい。すなわち、Ｓ１２において生成したスライスデータに基づいて、ベースプレート４上の造形可能領域Ｓの少なくとも一部において、光ビーム照射ユニット１０からの光ビームの照射位置Ｐを起点としてガス流れＦの下流側に延ばした基準線Ｌの両側の禁止角度範囲Ａ１を除く許容角度範囲Ａ２内に光ビーム８の走査方向ｄｓを制限するように、光ビーム走査パターンを生成してもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、上述した実施形態では、ビームとしてレーザビームを用いる形態を例示したが、ビームはこれに限らず、例えば電子ビームであってもよい。この場合、スキャナとして電子レンズが用いられる。

２（２Ａ〜２Ｃ） 三次元積層造形装置
４ ベースプレート
６ 粉末層
８ 光ビーム
１０ 光ビーム照射ユニット
１２ ガス流れ形成ユニット
１４ 光スキャナ
１６ ヒューム
１８ 上流端
２０ コントローラ
２２ ポンプ
２４ 第１流路
２６ 第２流路
２８ 第３流路
３０ 第４流路
３２ 第１バルブ
３４ 第２バルブ
３６ 第３バルブ
３８ 第４バルブ
４０ フィルタ
４２ 風向計
４４ チャンバ

Claims (8)

1. ベースプレートと、
   前記ベースプレート上に形成された粉末層を選択的に固化するように前記粉末層にビームを照射するためのビーム照射ユニットと、
   前記粉末層上にガス流れを形成するためのガス流れ形成ユニットと、
   前記ビーム照射ユニットを制御するコントローラと、
   を備え、
   前記ビーム照射ユニットは、前記ビームを走査するためのスキャナを含み、
   前記スキャナは、前記ガス流れの流れ方向における前記ベースプレートの中央位置に対して前記流れ方向の上流側にオフセットして配置され、
   前記コントローラは、前記ベースプレート上の造形可能領域の少なくとも一部において、前記ビーム照射ユニットからの前記ビームの照射位置を起点として前記ガス流れの下流側に延ばした基準線の両側の禁止角度範囲を除く許容角度範囲内に前記ビームの走査方向を制限するよう構成され、
   前記造形可能領域は、
   前記スキャナよりも前記ガス流れの下流側に位置する第１領域と、
   前記スキャナよりも前記ガス流れの上流側に位置する第２領域と、
   を含み、
   前記コントローラは、
   前記第１領域への前記ビームの照射時、前記許容角度範囲内への前記ビームの走査方向の制限を解除し、
   前記第２領域への前記ビームの照射時、前記許容角度範囲内に前記ビームの走査方向を制限するよう構成されたことを特徴とする三次元積層造形装置。
2. 前記禁止角度範囲は、前記基準線の両側にそれぞれ少なくとも２０度の角度範囲を含むことを特徴とする請求項１に記載の三次元積層造形装置。
3. ベースプレートと、
   ビームを走査するためのスキャナを含み、前記ベースプレート上に形成された粉末層を選択的に固化するように前記粉末層に前記ビームを照射するためのビーム照射ユニットと、
   第１方向と、前記第１方向とは少なくとも反対側に向かう方向成分を有する第２方向と、の間で切り替え可能にガス流れを前記粉末層上に形成するように構成されたガス流れ形成ユニットと、
   前記ガス流れ形成ユニットを制御するコントローラと、
   チャンバと、
   を備え、
   前記コントローラは、
   前記ベースプレート上の造形可能領域のうち、前記スキャナよりも前記第１方向の下流側に位置する第１領域への前記ビームの照射時、前記第１方向の前記ガス流れを前記粉末層上に形成し、
   前記造形可能領域のうち、前記スキャナよりも前記第１方向の上流側に位置する第２領域への前記ビームの照射時、前記第２方向の前記ガス流れを前記粉末層上に形成するように、
   前記ガス流れ形成ユニットを制御するよう構成された、
   前記ガス流れ形成ユニットは、ポンプ、第１流路、第２流路、第３流路、第４流路、第１バルブ、第２バルブ、第３バルブ及び第４バルブを備え、
   前記第１流路は、前記ポンプと前記チャンバの一端側とを接続しており、前記第１流路に前記第１バルブが設けられており、
   前記第２流路は、前記ポンプと前記チャンバの他端側とを接続しており、前記第２流路に前記第２バルブが設けられており、
   前記第３流路は、前記第１流路における前記ポンプと前記第１バルブとの間から分岐して、前記第２流路における前記チャンバと前記第２バルブとの間に接続しており、
   前記第４流路は、前記第１流路における前記第１バルブと前記チャンバとの間から分岐して前記第２流路における前記第２バルブと前記ポンプとの間に接続していることを特徴とする三次元積層造形装置。
4. 前記第２方向は、前記第１方向に対して、１６０度以上２００度以下の角度をなすことを特徴とする請求項３に記載の三次元積層造形装置。
5. 前記粉末層上における前記ガス流れの方向を検出するための流れ方向センサを更に備え、
   前記コントローラは、前記ガス流れが前記第２方向に切り替わったことを示す検出結果を前記流れ方向センサから受け取った後、前記第２領域への前記ビームの照射を開始させるように前記ビーム照射ユニットを制御するよう構成されたことを特徴とする請求項３又は４に記載の三次元積層造形装置。
6. 前記コントローラは、前記ガス流れ形成ユニットによって前記粉末層上に前記第１方向のガス流れを形成する場合、前記第１バルブ及び前記第２バルブを開状態に制御するとともに前記第３バルブ及び前記第４バルブを閉状態に制御し、前記ガス流れ形成ユニットによって前記第２方向のガス流れを形成する場合、前記第１バルブ及び前記第２バルブを閉状態に制御するとともに前記第３バルブ及び前記第４バルブを開状態に制御するように構成された、請求項３乃至５の何れか１項に記載の三次元積層造形装置。
7. 三次元積層造形装置の制御方法であって、
   ベースプレート上に形成された粉末層上にガス流れを形成するステップと、
   前記ベースプレート上に形成された前記粉末層を選択的に固化するように前記粉末層にビームを照射するステップと、
   を備え、
   前記粉末層にビームを照射するステップでは、前記ベースプレート上の造形可能領域の少なくとも一部において、前記ビームの照射位置を起点として前記粉末層上のガス流れの下流側に延ばした基準線の両側の禁止角度範囲を除く許容角度範囲内に前記ビームの走査方向を制限し、
   前記造形可能領域は、
   スキャナよりも前記ガス流れの下流側に位置する第１領域と、
   前記スキャナよりも前記ガス流れの上流側に位置する第２領域と、
   を含み、
   前記粉末層にビームを照射するステップでは、
   前記第１領域への前記ビームの照射時、前記許容角度範囲内への前記ビームの走査方向の制限を解除し、
   前記第２領域への前記ビームの照射時、前記許容角度範囲内に前記ビームの走査方向を制限することを特徴とする、三次元積層造形装置の制御方法。
8. 造形物の三次元形状データからスライスデータを生成する処理と、
   生成された前記スライスデータに基づいて、ベースプレート上の造形可能領域の少なくとも一部において、ビームの照射位置を起点としてガス流れ形成ユニットによるガス流れの下流側に延ばした基準線の両側の禁止角度範囲を除く許容角度範囲内に前記ビームの走査方向を制限するようにビーム走査パターンを生成する処理と、
   をコンピュータに実行させる三次元積層造形装置のビーム走査パターン生成プログラムであって、
   前記造形可能領域は、
   スキャナよりも前記ガス流れの下流側に位置する第１領域と、
   前記スキャナよりも前記ガス流れの上流側に位置する第２領域と、
   を含み、
   前記ビーム走査パターンを生成する処理では、
   前記第１領域への前記ビームの照射時、前記許容角度範囲内への前記ビームの走査方向の制限を解除し、
   前記第２領域への前記ビームの照射時、前記許容角度範囲内に前記ビームの走査方向を制限するように前記ビーム走査パターンを生成する、三次元積層造形装置のビーム走査パターン生成プログラム。

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