JP6981099B2 - 積層造形装置及び積層造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、層を積層して３次元造形物を造形する積層造形技術に関する。

３次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データを層分割し、分割した層ごとに層の上に層を積むようにして材料を付加して３次元の造形物を製造する方法は、国際規格でＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇと定義されている。１９８０年代に発明されたこの製造方法は、一般的には３Ｄプリンタ（スリー ディー プリンタ）と呼ばれる。３Ｄプリンタは、３次元ＣＡＤデータがあれば、金型を使わずに複雑な形状を容易に製造できることから、近年、新たなものづくり手法として注目されている。

３Ｄプリンタでは、切削による除去的な加工や、型に材料を流し込んで固める成形加工とは異なり、メッシュ形状やポーラス形状をはじめとする、かつては製造が難しかった形状を容易に正確に製造できる。更には、複数の種類の材料を造形物内に自由に配置した構造を可能とすることも期待されている。複数の材料を用いた構造により、それぞれの材料の特性を活かした新たな機能を付与した造形物が実現できるからである。

粉末材料を硬化して積層し３次元造形物を形成する「粉末焼結積層法」では、造形ステージに粉末材料を敷き詰め、敷き詰められた粉末材料の所定の箇所をレーザ照射することで焼結または溶融硬化する。これを繰り返して硬化層を積層することで造形物を形成する。このときにレーザ照射された造形物の熱は造形ステージに放熱される。特許文献１には、造形ステージを冷却手段によって冷却することで造形物を効率よく冷却する方法が開示されている。特許文献１によれば、造形物の熱収縮が安定化した後に仕上げ加工を行うことで、仕上げ加工後の収縮が抑制され、造形物の加工精度が向上するとしている。

また、特許文献２と特許文献３には、造形ステージの造形面を複数の小領域に分割し、小領域を造形面に突出させて所定の突出形状を形成し、突出形状を含む造形面上に造形物を形成する方法が開示されている。特許文献２と特許文献３によれば、３次元造形物の造形を効率よく容易に行うことができるとしている。

また、特許文献４には、金属粉末を加熱し凝固させて積み重ねることで造形物を形成する際に、金属粉末を温度を測定しながら予熱する方法が開示されている。特許文献４によれば、金属粉末を用いた造形をし易くすることができるとしている。

特開２００８−３０７８９５号公報 特開２０００−２８０３５５号公報 特開平５−３１８６０７号公報 特開２０１５−１８３２４５号公報

しかしながら、特許文献１〜４の方法では、造形物の熱は造形物が接する造形面を介して造形ステージに放熱される。このため、造形物を形成する硬化層の積層数が増すと、上層ほど硬化層の熱が放熱されにくくなり、加工後の熱収縮により造形物に反りや変形が生じ加工精度が低下するという、解決すべき課題が生じている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、硬化層を積層して形成される３次元造形物を効率よく冷却することで、反りや変形の生じにくい造形を可能とする積層造形装置を提供することにある。

本発明の積層造形装置は、硬化層を積層して３次元造形物を造形する造形面を有する造形部と、前記造形面に所定の材料を供給する供給部と、供給された前記材料の所定の領域を硬化して前記硬化層とする硬化部と、前記造形面から突出する突出部を有し、前記突出部で前記硬化層の温度を測定する温度監視部と、前記温度監視部が測定した前記温度に基づいて、前記造形面の温度を制御する温度制御部を有する。

本発明の積層造形方法は、硬化層を積層して３次元造形物を造形する造形面に所定の材料を供給し、供給された前記材料の所定の領域を硬化して前記硬化層とし、前記造形面から突出させた突出部で前記硬化層の温度を測定し、測定した前記温度に基づいて、前記造形面の温度を制御する。

本発明によれば、硬化層を積層して形成される３次元造形物を効率よく冷却することで、反りや変形の生じにくい造形を可能とする積層造形装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の積層造形装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態の積層造形装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態の積層造形装置の温度監視柱の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態の積層造形装置の造形ステージと温度監視柱の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態の積層造形装置による造形方法を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態の積層造形装置による造形方法の変形例を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態の積層造形装置による別の造形方法を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態の積層造形装置によるさらに別の造形方法を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態の積層造形装置の動作のフローチャートである。 本発明の第３の実施形態の積層造形装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態の積層造形装置の温度監視柱の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態の積層造形装置の造形ステージと温度監視柱の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態の積層造形装置による造形方法を説明するための図である。

以下、図を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の積層造形装置の構成を示す図である。本実施形態の積層造形装置１は、硬化層を積層して３次元造形物を造形する造形面１１ａを有する造形部１１と、前記造形面１１ａに所定の材料を供給する供給部１２と、供給された前記材料の所定の領域を硬化して前記硬化層とする硬化部１４と、を有する。さらに、前記造形面１１ａから突出する突出部１５ａを有し、前記突出部１５ａで前記硬化層の温度を測定する温度監視部１５と、前記温度監視部１５が測定した前記温度に基づいて、前記造形面１１ａの温度を制御する温度制御部１１ｂと、を有する。

積層造形装置１によれば、温度監視部１５の突出部１５ａで硬化層の温度を精度よく測定することができる。これにより、３次元造形物を形成する硬化層の積層数が増して上層の熱が放熱されにくくなっても、突出部１５ａで測定した温度に基づいて、温度制御部１１ｂが造形部１１の造形面１１ａの温度を制御することで、造形部１１への放熱が促進される。このため、３次元造形物は効率よく冷却され、熱による反りや変形が抑制される。

以上のように本実施形態によれば、硬化層を積層して形成される３次元造形物を効率よく冷却することで、反りや変形の生じにくい造形を可能とする積層造形装置を提供することができる。
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態の積層造形装置の構成を示す図である。本実施形態の積層造形装置２は、造形ステージ２１と、材料供給機構２２と、スキージ２３と、レーザ照射機構２４と、温度監視柱２５と、回収ボックス２６と、コントローラ２７と、を有する。

造形ステージ２１は、材料供給機構２２から供給された材料を積層して３次元造形物を造形する造形面２１ａを備えている。さらに、造形ステージ２１は油圧や空圧による昇降機構を有し、材料の積層に合わせて造形面２１ａを昇降することができる。造形面２１ａには、材料供給機構２２により所定の材料が供給され、供給された材料がスキージ２３により平坦化された材料層となり、平坦化された材料の所定の領域がレーザ照射機構２４により硬化され硬化層となる。この硬化層が積層されて３次元造形物が形成される。

造形ステージ２１はまた、後述する温度監視柱２５が測定した硬化層の温度に基づいて、造形面２１ａの温度を制御することのできる温度制御機構２１ｂを備えている。温度制御機構２１ｂの冷却機構としては、例えば、造形ステージ２１内に温度制御された水などの冷媒を流す流路を設けることができる。また、温度制御機構２１ｂの加熱機構としては、例えば、造形ステージ２１内に温度制御された油などの熱媒を流す流路やヒータを設けることができる。

材料供給機構２２は、チャンバ２２ａと供給筒２２ｂとを有する。チャンバ２２ａは、材料を保管する。供給筒２２ｂは、チャンバ２２ａに保管された材料を、造形ステージ２１の造形面２１ａの所定の位置に所定の量を供給する。ここで所定の量とは、造形面２１ａ上に材料を所定の厚さの材料層として敷き詰めるために必要な量である。

材料は粉体（粉末材料）とすることができ、粉体の形状は球形とすることができる。球形状の生成方法としてはアトマイズ法を用いることができるが、これには限定されない。粉体の粒径は５μｍ〜５０μｍなどとすることができるが、これには限定されない。粉体の形状は、また、鱗片状の平板形状（円板形状）とすることができる。平板形状は、アトマイズ法等で製造した球形の粉体を、さらにスタンピング等の方法で鱗片状に平板化することで得られるが、これには限定されない。さらに、材料の形状は球形や平板には限定されず、任意の多面体や楕円体などでもよい。

材料の材質は、プラスチック材料とすることができ、例えば、ナイロン、ポリ乳酸、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトンとすることができる。また、これらの材料にガラスやカーボン等を所定量添加していても良い。また、金属材料とすることもでき、例えば、銅、ステンレス、アルミ、チタンとすることができる。また、セラミックやカーボンとすることもできる。

スキージ２３は、造形面２１ａ上に供給された材料を、造形面２１ａ上に平坦に引き延ばして均一の厚さに敷き詰めた材料層とする。スキージ２３は、平スキージ、角スキージ、剣スキージ等、目的に合わせた形状とすることができる。また、スキージ２３をローラとし、ローラを転がすことによって材料を平坦化し均一な厚さに敷き詰めても良い。スキージ２３の材質は、ゴム、プラスチック、金属等から、目的に合わせて選択することができる。

レーザ照射機構２４は、スキージ２３により平坦化され均一な厚さに敷き詰められた材料層の所定の領域、すなわち造形物を形成する領域に、レーザ光を照射して加熱し、材料を焼結または溶融硬化して硬化層を形成する。硬化層の形成方法としては、ＡＳＴＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）がＡｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇの方式として分類している粉末床溶融結合方式（Ｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄ ｆｕｓｉｏｎ）を用いることができる。レーザとしては、Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇで使用されるファイバーレーザ等を用いることができる。

なお、材料層を加熱して焼結または溶融硬化して硬化層を形成する方法は、レーザ照射には限定されない。材料層を加熱して焼結または溶融硬化して硬化層を形成する方法としては、材料層に電子線を照射してもよい。

温度監視柱２５は、造形ステージ２１の造形面２１ａから突出する突出部を有する。この突出部は、材料層（硬化層）に合わせて造形面２１ａ内で上下し、側面で材料層（硬化層）の側面に接して材料層（硬化層）の温度を測定することができる。例えば、突出部は最上層の硬化層に合わせて上下し、最上層の硬化層の温度を測定することができる。突出部はまた、その上面に形成される硬化層に接して、上面で硬化層の温度を測定することができる。

スキージ２３は、温度監視柱２５の突出部の上面と材料層の表面とを揃えて、材料を平坦化することができる。温度監視柱２５は、平坦化された材料層を突出部の側面で温度測定することができる。さらに、温度監視柱２５は、レーザ照射されて硬化した硬化層を、突出部の側面で温度測定することができる。突出部はまた、その上面に形成される硬化層に接して、上面で硬化層の温度を測定することができる。

図３は、温度監視柱２５の構成を示す図である。温度監視柱２５は、温度測定部２５ａと昇降部２５ｃを有する。

温度測定部２５ａは、上面と側面とを有する。温度測定部２５ａは、造形ステージ２１の造形面２１ａから突出することができ、造形面２１ａから突出する部分の側面や上面で材料層や硬化層に接して、材料層や硬化層の温度を測定することができる。このために温度測定部２５ａは、温度センサ２５ｂを内蔵している。温度センサ２５ｂには、熱電対や赤外線センサを用いることができる。温度センサ２５ｂは、最上層の硬化層の温度を測定することができる。温度測定部２５ａは、銅やアルミニウムやステンレスなどの熱伝導性の良い金属などの材質とすることができる。

昇降部２５ｃは、油圧や空圧などにより、温度測定部２５ａを材料の積層に合わせて昇降することができる。また、昇降部２５ｃは、温度測定部２５ａを回転させることができる。昇降部２５ｃにより、温度測定部２５ａの位置を温度測定したい硬化層の位置に合わせることができる。これにより、硬化層の温度を精度よく測定することができる。また、温度測定部２５ａの位置を最上層の硬化層の位置に合わせることができる。これにより、最上層の硬化層の温度を精度よく測定することができる。また、温度測定部２５ａの位置を最上層より下の硬化層の位置に合わせることができる。これにより、最上層より下の硬化層の温度を精度よく測定することができる。

図４は、本実施形態の積層造形装置２の造形ステージ２１と温度監視柱２５の温度測定部２５ａの構成を示す（ａ）上面図および（ｂ）断面図である。温度測定部２５ａは、造形ステージ２１の造形面２１ａ内の任意の位置に任意の数を配置することができる。例えば、造形物の形状に合わせて、造形物の温度を効果的に測定できるように、造形物に近い位置に配置することができる。また、温度測定部２５ａは、造形物の形状に合わせて、造形物の温度を効果的に測定できるように、回転させることができる。

なお、造形ステージ２１上で予め設けられた温度測定部２５ａの一部が、造形物の形状などの都合により不要となる場合、温度測定部２５ａを取り外すことができる。そして、温度測定部２５ａを取り外したことで造形ステージ２１上に生じた穴を、穴を埋めるキャップなどで塞ぐことができる。穴を埋めるキャップには磁性体を用いて、磁力により固定してもよい。

なお、温度測定部２５ａの上面の形状は、円形には限定されない。温度測定部２５ａの上面の形状は、多角形や、また、曲線や直線を任意に組み合わせた形状とすることができる。

回収ボックス２６は、材料層の硬化層を除いた未硬化な材料を回収する。回収された材料は、再利用することができる。回収ボックス２６は、造形ステージ２１の外周を取り囲むようにして設けることができる。未硬化な材料の回収には、例えば、造形ステージ２１の造形面２１ａ上の未硬化な材料を回収ボックス２６の中へ、ハケやブラシなどで掃き出したり、空気で吹き飛ばしたりして回収することができる。

コントローラ２７は、造形ステージ２１や材料供給機構２２やスキージ２３やレーザ照射機構２４や温度監視柱２５や温度制御機構２１ｂや回収ボックス２６に接続する。そして、これらの動作を制御して連携させることによって、造形物の積層造形に関わる制御を行なう。すなわち、造形ステージ２１の昇降の量、材料の供給量や供給位置や供給タイミング、スキージ２３の動作、レーザ光の照射の出力や位置や時間の制御を行う。さらに、温度監視柱２５の造形面２１ａからの突出量、温度監視柱２５で測定された温度に基づいた温度制御機構２１ｂの制御、未硬化材料の回収などの制御を行なう。

コントローラ２７は、サーバなどの情報処理装置をプログラムにより動作させて実現することができる。このプログラムによる動作の内で、積層造形に関わる動作は、造形物の３次元ＣＡＤデータに基づいて設定される。すなわち、コントローラ２７は、３次元ＣＡＤデータに基づいて３次元造形物の造形を制御することができる。

図５は、本実施形態の積層造形装置２による造形方法を説明するための図である。

図５の（ａ）では、造形ステージ２１の造形面２１ａに対して、温度監視柱２５の温度測定部２５ａを材料層１層分だけ突出させる。（ｂ）では、材料供給機構２２が造形面２１ａ上に供給した材料を、スキージ２３が引き延ばして材料層とする。このとき、スキージ２３は、温度測定部２５ａが造形面２１ａから突出する部分の上面と材料層の表面とを揃えて、材料を平坦化する。材料層１層の厚さは、例えば５０μｍとすることができるが、これには限定されない。材料層１層の厚さは、３次元ＣＡＤデータに基づいて造形物ごとに任意に設定することができる。

（ｃ）では、レーザ照射機構２４が、材料層の所定の位置に所定の時間、所定の出力のレーザ光を照射して材料層を硬化層とする。このときレーザ光照射により硬化層に生じた熱は、造形ステージ２１に放熱され、硬化層は冷却される。

このときに温度測定部２５ａによって測定された硬化層の温度に基づいて、造形ステージ２１に内蔵されている温度制御機構２１ｂにより、造形面２１ａの温度が制御され、硬化層が適切に冷却される。例えば、温度制御機構２１ｂは、温度測定部２５ａが測定した硬化層の温度が所定の温度よりも、高いときには造形面２１ａの温度を下げ、低いときには造形面２１ａの温度を上げることができる。また、温度制御機構２１ｂは、温度測定部２５ａが測定した硬化層の温度が所定の時間経過後に所定の温度よりも高いときには、造形面２１ａの温度を下げることができる。

温度測定部２５ａによって測定された温度に基づいた温度制御機構２１ｂの温度制御は、以上には限定されない。温度制御機構２１ｂの温度制御は、硬化層を効果的に冷却するために、また、硬化層の温度を適切化するために、任意に行うことができる。

なお、（ｃ）では、硬化層は温度測定部２５ａに直接接していても、未硬化の材料層を介して間接的に接していてもよい。硬化層が温度測定部２５ａに直接接することで、硬化層の温度を直接的に測定することができる。また、硬化層が未硬化の材料層を介して間接的に接することで、硬化層の温度を間接的に測定し、硬化層の温度に換算することができる。硬化層の温度に換算する場合、予め用意された、未硬化の材料を介した際の硬化層の温度に換算する実験データや計算データを用いることができる。

（ｄ）では、温度測定部２５ａを、次の材料層１層分だけさらに突出させる。（ｅ）では、供給された材料を平坦化することによって、次の材料層を形成する。このとき、次の材料層の表面と温度測定部２５ａの上面が揃うようにする。

（ｆ）では、次の材料層の所定の位置に所定の時間、所定の出力のレーザ光を照射して次の硬化層を形成する。このとき、温度測定部２５ａによって測定された硬化層の温度に基づいて、造形ステージ２１に内蔵されている温度制御機構２１ｂにより、造形面２１ａの温度が制御され、硬化層が適切に冷却される。温度測定部２５ａによって測定された硬化層の温度は、最上層の硬化層の温度としてもよい。

以上を繰り返すことによって、（ｇ）では、所定の数の層を積層した造形物が完成する。（ｈ）では、未硬化の材料を回収し、完成した造形物を取り出す。

図６は、図５に示す造形方法の変形例を説明するための図である。例えば、図６の中央の温度測定部２５ａに示すように、温度測定部２５ａの上面を硬化層に接触させて、温度測定部２５ａの上面で、上面に接する硬化層の温度を測定するようにしてもよい。

図７は、本実施形態の積層造形装置２による別の造形方法を説明するための図である。

図７の（ａ）では、造形ステージ２１の造形面２１ａに、温度監視柱２５の温度測定部２５ａの上面を揃えて配置する。（ｂ）では、材料供給機構２２が造形面２１ａ上に供給した材料を、スキージ２３が引き延ばして材料層とする。（ｃ）では、レーザ照射機構２４が、材料層の所定の位置に所定の時間、レーザ光を照射して材料層を硬化層とする。

（ｄ）では、温度測定部２５ａを、材料層１層分だけ突出させる。このとき、温度測定部２５ａによって測定された硬化層の温度に基づいて、造形ステージ２１に内蔵されている温度制御機構２１ｂにより、造形面２１ａの温度が制御され、硬化層が適切に冷却される。

（ｅ）では、温度測定部２５ａの上面に残っている未硬化の材料と材料供給機構２２が造形面２１ａ上に供給した材料を、スキージ２３が引き延ばして次の材料層とする。

（ｆ）では、レーザ照射機構２４が、次の材料層の所定の位置に所定の時間、レーザ光を照射して次の硬化層とする。さらに、温度測定部２５ａを材料層１層分だけ突出させ、このとき、温度測定部２５ａによって測定された硬化層の温度に基づいて、造形ステージ２１に内蔵されている温度制御機構２１ｂにより、造形面２１ａの温度が制御され、硬化層が適切に冷却される。

以上を繰り返すことによって、（ｇ）では、所定の数の層を積層した造形物が完成する。（ｈ）では、未硬化の材料を回収し、完成した造形物を取り出す。

図８は、本実施形態の積層造形装置２によるさらに別の造形方法を説明するための図である。

図８の（ａ）では、造形ステージ２１の造形面２１ａに対して、温度監視柱２５の温度測定部２５ａの上面を揃えて配置する。（ｂ）では、材料供給機構２２が造形面２１ａ上に供給した材料を、スキージ２３が引き延ばして最初の材料層とする。（ｃ）では、温度測定部２５ａを最初の材料層と次の材料層の厚さ分だけ造形面２１ａから突出させ、温度測定部２５ａの上面の材料と材料供給機構２２が造形面２１ａ上に供給した材料を、スキージ２３が引き延ばして次の材料層とする。このとき、次の材料層の表面と温度測定部２５ａの上面が揃うようにする。

（ｄ）では、レーザ照射機構２４が、材料層の所定の位置に所定の時間、レーザ光を照射して、次の材料層を硬化層とする。レーザ光照射の時間や照射パワーを制御することによって、最初の材料層は硬化させずに次の硬化層を硬化させることができる。また、最初の材料層を、硬化のためにより多くの熱量を必要とする材料とすることによって、最初の材料層を硬化させずに次の硬化層を硬化させることができる。

このとき、温度測定部２５ａによって測定された硬化層の温度に基づいて、造形ステージ２１に内蔵されている温度制御機構２１ｂにより、造形面２１ａの温度が制御され、硬化層が適切に冷却される。

（ｅ）では、温度測定部２５ａを、さらに次の材料層１層分だけさらに突出させる。さらに、供給された材料を平坦化することによって、さらに次の材料層を形成する。このときスキージ２３は、温度測定部２５ａが造形面２１ａから突出する部分の上面と材料層の表面とを揃えて、材料を平坦化することができる。

（ｆ）では、さらに次の材料層の所定の位置に所定の時間、レーザ光を照射して次の硬化層を形成する。このとき、温度測定部２５ａによって測定された硬化層の温度に基づいて、造形ステージ２１に内蔵されている温度制御機構２１ｂにより、造形面２１ａの温度が制御され、硬化層が適切に冷却される。

以上を繰り返すことによって、（ｇ）では、所定の数の層を積層した造形物が完成する。このとき、造形面２１ａには未硬化の材料が接している。このため、造形物の取り出しは、より容易となる。（ｈ）では、未硬化の材料を回収し、完成した造形物を取り出す。

図８のように、造形面２１ａ上に未硬化の材料層を１層設けた上に造形物を形成することが可能なのは、レーザ光照射により硬化層に生じた熱が、温度制御された造形ステージ２１に効率よく放熱され、硬化層が効率よく冷却されることによる。これにより、前述の図８の（ｄ）のようにして、未硬化の材料層の上の材料層を硬化し積層して造形物を形成することができる。

図９は、本実施形態の積層造形装置２の動作を示すフローチャートである。

ステップＳ１では、造形ステージ２１の造形面２１ａに対して、温度監視柱２５の温度測定部２５ａを材料層１層分だけ突出させる。なお、別の動作として、造形ステージ２１の造形面２１ａに温度監視柱２５の温度測定部２５ａの上面を揃えて配置することができる。

ステップＳ２では、材料供給機構２２が造形面２１ａ上に所定の材料を供給する。

ステップＳ３では、材料供給機構２２が供給した材料を、スキージ２３が引き延ばして平坦化し材料層とする。このとき、スキージ２３は、温度測定部２５ａが造形面２１ａから突出する部分の上面と材料層の表面とを揃えて、材料を平坦化する。なお、別の動作として、ステップＳ１で造形面２１ａに温度監視柱２５の温度測定部２５ａの上面を揃えて配置する場合は、単に材料を平坦化する。

ステップＳ４では、レーザ照射機構２４が、材料層の所定の位置に所定の時間、レーザ光を照射して材料層を硬化層とする。なお、別の動作として、ステップＳ１で造形面２１ａに温度監視柱２５の温度測定部２５ａの上面を揃えて配置する場合は、ステップＳ４ではさらに、造形面２１ａに対して、温度監視柱２５の温度測定部２５ａを材料層１層分だけ突出させる。

さらに、ステップＳ４では、温度測定部２５ａによって測定された硬化層の温度に基づいて、造形ステージ２１に内蔵されている温度制御機構２１ｂにより、造形面２１ａの温度が制御され、硬化層が適切に冷却される。

ステップＳ５では、造形ステージ２１上に所定の数の層が積層されたか否かを確認する。すなわち、造形を完了したか否かを確認する。ステップＳ５がＮＯの場合、次の層を積層させるために造形ステージ２１を所定量、例えば次の材料層の厚さの分だけ下降させて位置を設定する（ステップＳ６）。

造形ステージ２１の位置を設定した後、ステップＳ１以降を繰り返す。このとき、ステップＳ１を繰り返す場合、材料層の最上面に対して温度測定部２５ａを材料層１層分だけ突出させる。また、別の動作として、材料層の最上面に温度測定部２５ａの上面を揃えて配置する。また、ステップＳ２を繰り返す場合、材料層の最上面上に所定の材料を供給する。

一方、所定の数の層が積層されて造形物が完成すると（ステップＳ５のＹＥＳ）、終了する。

以上のように、本実施形態の積層造形装置２によれば、温度監視柱２５の温度測定部２５ａで硬化層の温度を精度よく測定することができる。これにより、３次元造形物を形成する硬化層の積層数が増して上層の熱が放熱されにくくなっても、温度測定部２５ａで測定した温度に基づいて、温度制御機構２１ｂが造形面２１ａの温度を制御することで、造形ステージ２１への放熱が促進される。このため、３次元造形物は効率よく冷却され、熱による反りや変形が抑制される。

以上のように本実施形態によれば、硬化層を積層して形成される３次元造形物を効率よく冷却することで、反りや変形の生じにくい造形を可能とする積層造形装置を提供することができる。
（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態の積層造形装置の構成を示す図である。本実施形態の積層造形装置３は、小領域に分割された複数の個別造形ステージ３１を有する造形ステージ３０と、チャンバ３２ａと供給筒３２ｂを有する材料供給機構３２と、スキージ３３と、レーザ照射機構３４とを有する。さらに、造形ステージ３０内に配置された温度監視柱３５と、回収ボックス３６と、コントローラ３７とを有する。

積層造形装置３の材料供給機構３２とスキージ３３とレーザ照射機構３４と回収ボックス３６は、各々、第２の実施形態の積層造形装置２の材料供給機構２２とスキージ２３とレーザ照射機構２４と回収ボックス２６と同様とすることができる。

造形ステージ３０は、小領域に分割された複数の個別造形ステージ３１を有する。個別造形ステージ３１は、材料供給機構３２から供給された材料を積層して３次元造形物を造形する個別造形面３１ａを備えている。さらに、個別造形ステージ３１は油圧や空圧による昇降機構を有し、各々独立して、材料の積層に合わせて個別造形面３１ａを昇降することができる。

複数の個別造形面３１ａを有する造形面３０ａには、材料供給機構３２により所定の材料が供給され、供給された材料がスキージ３３により平坦化された材料層となり、平坦化された材料の所定の領域がレーザ照射機構３４により硬化され硬化層となる。この硬化層が積層されて３次元造形物が形成される。

個別造形ステージ３１はまた、後述する温度監視柱３５が測定した硬化層の温度に基づいて、個別造形ステージ３１ごとに、個別造形面３１ａの温度を制御することのできる温度制御機構３１ｂを備えている。温度制御機構３１ｂの冷却機構としては、例えば、個別造形ステージ３１内に水などの冷媒を流す流路を設けることができる。また、温度制御機構３１ｂの加熱機構としては、例えば、個別造形ステージ３１内に油などの熱媒を流す流路やヒータを設けることができる。

温度監視柱３５は、造形ステージ３０の造形面３０ａ内に、上面が造形面３０ａの一部を構成するようにして設けられている。さらに、温度監視柱３５は、造形面３０ａから突出して上下することができる。温度監視柱３５は、材料層（硬化層）に合わせて造形面３０ａ内で上下し、上面や側面で材料層（硬化層）の底面や側面に接して材料層（硬化層）の温度を測定することができる。

図１１は、温度監視柱３５の構成を示す図である。温度監視柱３５は、温度測定部３５ａと昇降部３５ｃを有する。

温度測定部３５ａは、上面と側面とを有する。上面は、造形ステージ３０の造形面３０ａの一部を構成することができる。また、温度測定部３５ａは、造形ステージ３０の造形面３０ａから突出することができる。さらに、温度測定部３５ａは、上面や側面で材料層（硬化層）の底面や側面に接して材料層（硬化層）の温度を測定することができる。このために温度測定部３５ａは、温度センサ３５ｂを内蔵している。温度センサ３５ｂには、熱電対や赤外線センサを用いることができる。温度センサ３５ｂは、最上層の硬化層の温度を測定することができる。温度測定部３５ａは、銅やアルミニウムやステンレスなどの熱伝導性の良い金属などの材質とすることができる。

昇降部３５ｃは、油圧や空圧などにより、温度測定部３５ａを材料の積層に合わせて昇降することができる。昇降部３５ｃにより、温度測定部３５ａの位置を温度測定したい硬化層の位置に合わせることができる。これにより、硬化層の温度を精度よく測定することができる。

図１２は、本実施形態の積層造形装置３の造形ステージ３０と温度監視柱３５の温度測定部３５ａの構成を示す（ａ）上面図および（ｂ）断面図である。造形ステージ３０の造形面３０ａは、複数の個別造形ステージ３１の個別造形面３１ａと、温度測定部３５ａの上面とを有する。温度測定部３５ａは、造形面３０ａ内の任意の位置に任意の数を配置することができる。例えば、造形物の形状に合わせて、造形物の温度を効果的に測定できるように、造形物に近い位置に配置することができる。

なお、温度測定部３５ａの上面の形状は、四角形には限定されない。温度測定部３５ａの上面の形状は、多角形や、また、曲線や直線を任意に組み合わせた形状とすることができる。なお、温度測定部３５ａの上面の形状に合わせて、個別造形ステージ３１の個別造形面３１ａの形状を変えることができる。

コントローラ３７は、第２の実施形態のコントローラ２７と同様に、個別造形ステージ３１や材料供給機構３２やスキージ３３やレーザ照射機構３４や温度監視柱３５や温度制御機構３１ｂや回収ボックス３６に接続する。そして、これらの動作を制御して連携させることによって、造形物の積層造形に関わる制御を行なう。

また、コントローラ３７が、コントローラ２７と異なるのは、個別造形ステージ３１や温度監視柱３５の個々の昇降の量の制御や、温度監視柱３５で測定された温度に基づいた、個々の個別造形ステージ３１の温度制御機構２１ｂの温度の制御を行う点である。

図１３は、本実施形態の積層造形装置３による造形方法を説明するための図である。

図１３の（ａ）では、ひとつの平面を成す造形ステージ３０の造形面３０ａに対して、少なくともひとつの個別造形ステージ３１の個別造形面３１ａを、材料層１層分だけ下げる。このとき、温度測定部３５ａの少なくともひとつは、材料層１層分だけ下げられた個別造形ステージ３１に隣接している。

（ｂ）では、材料層１層分だけ下げられた個別造形ステージ３１の個別造形面３１ａに、材料供給機構３２が供給した材料を、スキージ３３が引き延ばして材料層とする。このとき、スキージ３３は、材料層１層分だけ下げられた個別造形ステージ３１を除いた造形面３０ａと材料層の表面とを揃えて、材料を平坦化する。

（ｃ）では、レーザ照射機構３４が、材料層の所定の位置に所定の時間、所定の出力のレーザ光を照射して材料層を硬化層とする。このときレーザ光照射により硬化層に生じた熱は、材料層１層分だけ下げられた個別造形ステージ３１に放熱され、硬化層は冷却される。

このとき、温度測定部３５ａによって測定された硬化層の温度に基づいて、硬化層に接している個別造形ステージ３１に内蔵されている温度制御機構３１ｂにより、個別造形面３１ａの温度が制御され、硬化層が適切に冷却される。例えば、温度制御機構３１ｂは、温度測定部３５ａが測定した硬化層の温度が所定の温度よりも、高いときには個別造形面３１ａの温度を下げ、低いときには個別造形面３１ａの温度を上げることができる。また、温度制御機構３１ｂは、温度測定部３５ａが測定した硬化層の温度が所定の時間経過後に所定の温度よりも高いときには、個別造形面３１ａの温度を下げることができる。

温度測定部３５ａによって測定された温度に基づいた温度制御機構３１ｂの温度制御は、以上には限定されない。温度制御機構３１ｂの温度制御は、硬化層を効果的に冷却するために、また、硬化層の温度を適切化するために、任意に行うことができる。

なお、（ｃ）では、硬化層は温度測定部３５ａに直接接していても、未硬化の材料層を介して間接的に接していてもよい。硬化層が温度測定部３５ａに直接接することで、硬化層の温度を直接的に測定することができる。また、硬化層が未硬化の材料層を介して間接的に接することで、硬化層の温度を間接的に測定し、硬化層の温度に換算することができる。硬化層の温度に換算する場合、予め用意された、未硬化の材料を介した際の硬化層の温度に換算する実験データや計算データを用いることができる。

（ｄ）では、次の材料層を形成するために、次の材料層を形成する造形面３０ａを構成する個別造形ステージ３１の個別造形面３１ａと温度測定部３５ａを、さらに材料層１層分だけ下げる。

（ｅ）では、（ｄ）で材料層１層分だけ下げられた個別造形ステージ３１の個別造形面３１ａや温度測定部３５ａの上面に、材料供給機構３２が供給した材料を、スキージ３３が引き延ばして材料層とする。このとき、スキージ３３は、材料層１層分だけ下げられた個別造形面３１ａや温度測定部３５ａの上面を除いた造形面３０ａと材料層の表面とを揃えて、材料を平坦化する。

（ｆ）では、（ｅ）で形成された材料層の所定の位置に所定の時間、所定の出力のレーザ光を照射して次の硬化層を形成する。このとき、硬化層に接する温度測定部３５ａによって測定された硬化層の温度に基づいて、硬化層に接する個別造形ステージ３１に内蔵されている温度制御機構３１ｂにより、硬化層に接する個別造形面３１ａの温度が制御され、硬化層が適切に冷却される。

以上を繰り返すことによって、（ｇ）では、所定の数の層を積層した造形物が完成する。（ｈ）では、未硬化の材料がある場合はこれを回収し、完成した造形物を取り出す。

以上のように、本実施形態の積層造形装置３によれば、温度監視柱３５の温度測定部３５ａで硬化層の温度を精度よく測定することができる。これにより、３次元造形物を形成する硬化層の積層数が増して上層の熱が放熱されにくくなっても、温度測定部３５ａで測定した温度に基づいて、温度制御機構３１ｂが個別造形面３１ａの温度を制御することで、個別造形ステージ３１への放熱が促進される。このため、３次元造形物は効率よく冷却され、熱による反りや変形が抑制される。

以上のように本実施形態によれば、硬化層を積層して形成される３次元造形物を効率よく冷却することで、反りや変形の生じにくい造形を可能とする積層造形装置を提供することができる。

本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものである。

また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記１）
硬化層を積層して３次元造形物を造形する造形面を有する造形部と、
前記造形面に所定の材料を供給する供給部と、
供給された前記材料の所定の領域を硬化して前記硬化層とする硬化部と、
前記造形面から突出する突出部を有し、前記突出部で前記硬化層の温度を測定する温度監視部と、
前記温度監視部が測定した前記温度に基づいて、前記造形面の温度を制御する温度制御部を有する、積層造形装置。
（付記２）
前記温度制御部は、前記温度監視部が測定した前記温度が所定の温度よりも、高いときには前記造形面の温度を下げ、低いときには前記造形面の温度を上げる、付記１記載の積層造形装置。
（付記３）
前記温度監視部は、前記突出部の側面もしくは上面で前記温度を測定する、付記１または２記載の積層造形装置。
（付記４）
前記造形面に供給された前記材料を平坦化する平坦化部を有し、前記平坦化部は、前記温度監視部の前記突出部の表面と前記材料の表面を揃えて、前記材料を平坦化する、付記１から３の内の１項記載の積層造形装置。
（付記５）
前記供給部は、粉末材料を供給する、付記１から４の内の１項記載の積層造形装置。
（付記６）
前記硬化部は、前記材料を加熱硬化する、付記１から５の内の１項記載の積層造形装置。
（付記７）
前記硬化部は、レーザもしくは電子線を前記材料に照射する、付記１から６の内の１項記載の積層造形装置。
（付記８）
前記造形部は、前記造形面上に未硬化の前記材料を介して前記３次元造形物を造形する、付記１から７の内の１項記載の積層造形装置。
（付記９）
硬化層を積層して３次元造形物を造形する造形面に所定の材料を供給し、
供給された前記材料の所定の領域を硬化して前記硬化層とし、
前記造形面から突出させた突出部で前記硬化層の温度を測定し、
測定した前記温度に基づいて、前記造形面の温度を制御する、積層造形方法。
（付記１０）
測定した前記温度が所定の温度よりも、高いときには前記造形面の温度を下げ、低いときには前記造形面の温度を上げる、付記９記載の積層造形方法。
（付記１１）
前記突出部の側面もしくは上面で前記温度を測定する、付記９または１０記載の積層造形方法。
（付記１２）
前記突出部の表面と前記材料の表面を揃えて、前記材料を平坦化する、付記９から１１の内の１項記載の積層造形方法。
（付記１３）
前記材料は、粉末材料を有する、付記９から１２の内の１項記載の積層造形方法。
（付記１４）
前記材料を加熱して前記硬化層とする、付記９から１３の内の１項記載の積層造形方法。
（付記１５）
レーザもしくは電子線を前記材料に照射して加熱硬化する、付記９から１４の内の１項記載の積層造形方法。
（付記１６）
前記造形面上に未硬化の前記材料を介して前記３次元造形物を造形する、付記９から１５の内の１項記載の積層造形方法。

１、２、３ 積層造形装置
１１ 造形部
１１ａ 造形面
１１ｂ 温度制御部
１２ 供給部
１４ 硬化部
１５ 温度監視部
１５ａ 突出部
２１ 造形ステージ
２１ａ 造形面
２１ｂ、３１ｂ 温度制御機構
２２、３２ 材料供給機構
２２ａ、３２ａ チャンバ
２２ｂ、３２ｂ 供給筒
２３、３３ スキージ
２４、３４ レーザ照射機構
２５、３５ 温度監視柱
２５ａ、３５ａ 温度測定部
２５ｂ、３５ｂ 温度センサ
２５ｃ、３５ｃ 昇降部
２６、３６ 回収ボックス
２７、３７ コントローラ
３０ 造形ステージ
３０ａ 造形面
３１ 個別造形ステージ
３１ａ 個別造形面

Claims (10)

1. 硬化層を積層して３次元造形物を造形する造形面を有する造形部と、
   前記造形面に所定の材料を供給する供給部と、
   供給された前記材料の所定の領域を硬化して前記硬化層とする硬化部と、
   前記造形面から突出する突出部と、
   前記突出部を有し、前記突出部に接する前記材料の温度を測定する温度監視部と、
   前記温度監視部が測定した前記温度に基づいて、前記造形面の温度を制御する温度制御部と、
   を有する、積層造形装置。
   
2. 前記温度制御部は、前記温度監視部が測定した前記温度が所定の温度よりも、高いときには前記造形面の温度を下げ、低いときには前記造形面の温度を上げる、請求項１記載の積層造形装置。
3. 前記温度監視部は、前記突出部の側面もしくは上面で前記温度を測定する、請求項１または２記載の積層造形装置。
4. 前記造形面に供給された前記材料を平坦化する平坦化部を有し、前記平坦化部は、前記温度監視部の前記突出部の表面と前記材料の表面を揃えて、前記材料を平坦化する、請求項１から３の内の１項記載の積層造形装置。
5. 前記供給部は、粉末材料を供給する、請求項１から４の内の１項記載の積層造形装置。
6. 前記硬化部は、前記材料を加熱硬化する、請求項１から５の内の１項記載の積層造形装置。
7. 前記硬化部は、レーザもしくは電子線を前記材料に照射する、請求項１から６の内の１項記載の積層造形装置。
8. 前記造形部は、前記造形面上に未硬化の前記材料を介して前記３次元造形物を造形する、請求項１から７の内の１項記載の積層造形装置。
9. 硬化層を積層して３次元造形物を造形する造形面に所定の材料を供給し、
   供給された前記材料の所定の領域を硬化して前記硬化層とし、
   前記造形面から突出させた突出部に接する前記材料の温度を測定し、
   測定した前記温度に基づいて、前記造形面の温度を制御する、積層造形方法。
   
10. 測定した前記温度が所定の温度よりも、高いときには前記造形面の温度を下げ、低いときには前記造形面の温度を上げる、請求項９記載の積層造形方法。

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