JP7047864B2 - Modeling equipment and modeling method - Google Patents

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本発明は、造形装置及び造形方法に係り、さらに詳しくは、対象面上に三次元造形物を形成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。 The present invention relates to a modeling device and a modeling method, and more particularly to a modeling device and a modeling method for forming a three-dimensional modeled object on an object surface. The modeling apparatus and modeling method according to the present invention can be suitably used for forming a three-dimensional model by rapid prototyping (sometimes referred to as 3D printing, addition manufacturing, or direct digital manufacturing).

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製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。 The technique of directly generating a 3D (three-dimensional) shape from CAD data is called rapid prototyping (sometimes called 3D printing, additive manufacturing, or direct digital manufacturing, but hereinafter, rapid prototyping is used as a general term). This has contributed to the production of prototypes mainly for the purpose of confirming the shape in an extremely short lead time. The modeling equipment that forms a three-dimensional model by rapid prototyping such as a 3D printer can be roughly classified into those that handle resins and those that handle metals. The metal three-dimensional model manufactured by rapid prototyping is used exclusively as an actual part, unlike the case of resin. That is, it functions as a part of an actual mechanical structure (whether it is a mass-produced product or a prototype), not as a prototype part for shape confirmation. Two types of existing metal 3D printers (hereinafter abbreviated as M3DP (Metal 3D Printer)) are well known: PBF (Powder Bed Fusion) and DED (Directed Energy Deposition).

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。 In PBF, sintered metal powder is thinly laminated on a bed on which a work piece is mounted, and a high-energy laser beam is scanned therein with a galvano mirror or the like to melt and solidify the portion hit by the beam. When the drawing for one layer is completed, the bed is lowered by the thickness of one layer, the sintered metal powder is spread over it again, and the same is repeated. In this way, modeling is repeated layer by layer to obtain a desired three-dimensional shape.

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。 Due to its modeling principle, PBF is essentially (1) inadequate manufacturing accuracy of parts, (2) poor finished surface roughness, (3) slow processing speed, and (4) sintering. There are some problems such as the troublesome and troublesome handling of metal powder.

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)。 In DED, a method of adhering a melted metal material to a processing target is adopted. For example, powdered metal is ejected near the focal point of a laser beam focused by a condenser lens. Then, the powdered metal is melted by irradiation with a laser and becomes a liquid. If there is an object to be machined near its focal point, the liquefied metal adheres to the object to be machined, cooled and solidified again. This focal point becomes, so to speak, a pen tip, and "thick lines" can be drawn one after another on the surface of the object to be processed. A desired shape is formed by appropriately moving one of the processing target and the processing head (laser, powder injection nozzle, etc.) with respect to the other based on CAD data (see, for example, Patent Document 1).

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。 As can be seen from this, in DED, since the powder material is sprayed from the processing head in a required amount as needed, there is no waste and there is no need to process in a large amount of surplus powder.

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。 As described above, DED has been improved in handling powder metal as a raw material as compared with PBF, but there are many points to be improved.

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。 Against this background, it is strongly desired to improve the convenience of the modeling device that forms a three-dimensional model as a machine tool, and in the end, to improve the economic rationality of manufacturing.

米国特許出願公開第2003/0206820号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2003/2068620

本発明の第1の態様によれば、三次元造形物を形成する造形装置であって、対象面を動かす移動システムと、前記対象面の位置情報を取得するための計測システムと、ビームを射出するビーム照射部と、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的に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対象面上の目標部位に造形が施されるように、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、前記計測システムは、前記対象面上の目標部位への造形が開始される前に、前記対象面の位置情報を取得し、前記制御装置は、前記対象面の位置情報を取得した後に、前記位置情報に基づいて前記対象面上の目標部位への造形を開始する造形装置が、提供される。 According to the first aspect of the present invention, it is a modeling device for forming a three -dimensional model, a moving system for moving a target surface, a measurement system for acquiring position information of the target surface, and a beam. A beam modeling system having a beam irradiation unit for emitting and a material processing unit for supplying a modeling material, and the modeling material being used as the material while relatively moving the target surface and the beam from the beam irradiation unit. A control device for controlling the moving system and the beam modeling system is provided so that the target portion on the target surface is shaped by supplying from the processing unit, and the measurement system is the target. Before the modeling to the target portion on the surface is started, the position information of the target surface is acquired, and after the control device acquires the position information of the target surface, the target surface is based on the position information. A modeling device is provided that initiates modeling to the above target site .

ここで、対象面は、造形の目標部位が設定される面である。 Here, the target surface is a surface on which a target portion for modeling is set.

これによれば、加工精度の良好な三次元造形物を形成することが可能になる。 This makes it possible to form a three-dimensional model with good processing accuracy.

本発明の第2の態様によれば、三次元造形物を形成する造形方法であって、対象面とビームとを相対的に移動させつつ造形材料を供給することにより前記対象面上の目標部位に造形されるように、前記対象面の動きと、前記ビームの照射と、前記造形材料の供給とを制御するとをみ、前記対象面上の目標部位への造形が開始される前に、前記対象面の位置情報を取得し、前記対象面の位置情報を取得した後に、前記位置情報に基づいて前記対象面上の目標部位への造形を開始する造形方法が、提供される。 According to the second aspect of the present invention, it is a modeling method for forming a three -dimensional modeled object, and the modeling material is supplied while relatively moving the target surface and the beam on the target surface. The movement of the target surface, the irradiation of the beam, and the supply of the modeling material are controlled so that the target portion of the target surface is shaped, and the target portion on the target surface is shaped. Is a modeling method that acquires the position information of the target surface, acquires the position information of the target surface, and then starts modeling the target portion on the target surface based on the position information. , Provided.

これによれば、加工精度の良好な三次元造形物を形成することが可能になる。 This makes it possible to form a three-dimensional model with good processing accuracy.

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。It is a block diagram which shows the whole structure of the modeling apparatus which concerns on one Embodiment. 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。It is a figure which shows the structure of the mobile system together with the measurement system. ワークが搭載された移動システムを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the moving system which mounted the work. 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。It is a figure which shows the beam modeling system together with the table on which the work is mounted. 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。It is a figure which shows an example of the structure of the light source system which constitutes a part of the beam irradiation part which a beam modeling system has. 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。It is a figure which shows the state which the parallel beam from a light source system is irradiated to a mirror array, and the angle of incidence of the reflected beam from each of a plurality of mirror elements with respect to a condensing optical system is controlled individually. 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。The material processing unit of the beam modeling system is shown together with the condensing optical system. 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。It is a figure which shows the plurality of supply ports formed in the nozzle of a material handling section, and the opening / closing member which opens and closes each of the plurality of supply ports. 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。9 (A) is an enlarged view of the inside of the circle A of FIG. 4, and FIG. 9 (B) is a diagram showing the relationship between the one-character region shown in FIG. 9 (A) and the scanning direction. 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。It is a figure which shows an example of the irradiation area of the beam formed on the modeling surface. 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。It is a block diagram which shows the input / output relation of the control device which mainly constitutes the control system of a modeling device. テーブル上の計測装置の配置を示す図である。It is a figure which shows the arrangement of the measuring apparatus on a table. 計測装置を構成する、テーブル内部に配置された構成部分を、計測部材とともに示す図である。It is a figure which shows the constituent part arranged in the table which constitutes the measuring apparatus together with the measuring member. 図14(A)は、集光光学系の後側焦点面におけるビームの強度分布を計測する際の光学配置を示す図、図14(B)は、瞳面におけるビームの強度分布を計測する際の光学配置を示す図である。FIG. 14 (A) is a diagram showing an optical arrangement when measuring the intensity distribution of the beam on the rear focal plane of the condensing optical system, and FIG. 14 (B) is a diagram showing the optical arrangement when measuring the intensity distribution of the beam on the pupil surface. It is a figure which shows the optical arrangement of. 制御装置の一連の処理アルゴリズムに対応するフローチャートである。It is a flowchart corresponding to a series of processing algorithms of a control device. 図16(A)及び図16(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。16 (A) and 16 (B) are diagrams for explaining one effect of the modeling apparatus according to the embodiment in comparison with the prior art. 造形面におけるビームの強度分布を計測するための計測装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the measuring apparatus for measuring the intensity distribution of a beam on a modeling surface. 図18(A)及び図18(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。18 (A) and 18 (B) are diagrams for explaining an example in which the thickness of the coating layer is increased by slightly increasing the width of the single character region.

以下、一実施形態について、図1~図18(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。 Hereinafter, one embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 18 (B). FIG. 1 shows a block diagram of the entire configuration of the modeling apparatus 100 according to the embodiment.

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。 The modeling device 100 is a DED type M3DP. The modeling apparatus 100 can also be used to form a three-dimensional model on the table 12, which will be described later, by rapid prototyping, but the work (for example, an existing part) is subjected to additional processing by three-dimensional modeling. It can also be used for. In this embodiment, the latter case of performing additional processing on the work will be mainly described. At the actual manufacturing site, it is common to repeat processing for parts produced by different manufacturing methods, different materials, or different machine tools to make the desired parts, and add them by three-dimensional modeling. The requirements for processing are potentially the same.

造形装置100は、移動システム200、搬送システム300、計測システム400及びビーム造形システム500の4つのシステムと、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、搬送システム300と、計測システム400と、ビーム造形システム500とは、所定方向に関して互いに離れて配置されている。以下の説明では、便宜上、搬送システム300と、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)に関して互いに離れて配置されているものとする。 The modeling device 100 includes four systems of a mobile system 200, a transport system 300, a measurement system 400, and a beam modeling system 500, and a control device 600 including these systems that controls the entire modeling device 100. Of these, the transport system 300, the measurement system 400, and the beam modeling system 500 are arranged apart from each other in a predetermined direction. In the following description, for convenience, it is assumed that the transport system 300, the measurement system 400, and the beam modeling system 500 are arranged apart from each other in the X-axis direction (see FIG. 2) described later.

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。 FIG. 2 schematically shows the configuration of the mobile system 200 together with the measurement system 400. Further, FIG. 3 shows a mobile system 200 on which the work W is mounted in a perspective view. In the following, the left-right direction in the paper surface in FIG. 2 is the Y-axis direction, the direction orthogonal to the paper surface is the X-axis direction, the direction orthogonal to the X-axis and the Y-axis is the Z-axis direction, and the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis are rotated. The rotation (tilt) direction of the above will be described as the θx, θy, and θz directions, respectively.

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。 The moving system 200 changes the position and posture of the target surface of modeling (here, the surface on which the target portion TA on the work W is set) TAS (see, for example, FIGS. 4 and 9 (A)). Specifically, by driving a work having a target surface and a table on which the work is mounted in six degrees of freedom directions (X-axis, Y-axis, Z-axis, θx, θy, and θz directions), Change the position of the target surface in the direction of 6 degrees of freedom. In the present specification, with respect to a table, a work, a target surface, etc., the positions in the three degrees of freedom direction in the θx, θy, and θz directions are appropriately collectively referred to as “posture”, and the remaining three degrees of freedom direction (X) corresponding to this. Positions in the axis, Y-axis, and Z-axis directions) are collectively referred to as "positions" as appropriate.

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。 The mobile system 200 includes a stewart platform type six-DOF parallel link mechanism as an example of a drive mechanism that changes the position and orientation of the table. The mobile system 200 is not limited to one that can drive the table in the direction of six degrees of freedom.

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。 As shown in FIG. 2, the mobile system 200 (excluding the stator of the planar motor described later) is arranged on the base BS installed on the floor F so that its upper surface is substantially parallel to the XY plane. Has been done. As shown in FIG. 3, the mobile system 200 includes a plan-view regular hexagonal slider 10 constituting a base platform, a table 12 constituting an end effector, and six expansion / contraction systems connecting the slider 10 and the table 12. Possible rods (links) 14 1 to 14 6 and expansion and contraction mechanisms 16 1 to 16 6 provided on the rods 14 1 to 146, respectively, to expand and contract the rods (not shown in FIG. 3, see FIG. 11). Have. The moving system 200 has a structure in which the movement of the table 12 can be controlled with 6 degrees of freedom in a three-dimensional space by independently adjusting the lengths of the rods 14 1 to 14 6 by the expansion / contraction mechanisms 16 1 to 16 6 . ing. Since the mobile system 200 is provided with a Stewart platform type 6-DOF parallel link mechanism as the drive mechanism of the table 12, it has features such as high accuracy, high rigidity, large bearing capacity, and easy inverse kinematics calculation. ..

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。 In the modeling apparatus 100 according to the present embodiment, in order to form a modeled object having a desired shape for the work at the time of addition processing to the work, the beam modeling system 500 is more specifically described later. The position and orientation of the work (table 12) are controlled with respect to the beam from the irradiation unit. In principle, on the contrary, the beam from the beam irradiation unit may be more movable, or both the beam and the work (table) may be movable. As will be described later, since the beam modeling system 500 has a complicated configuration, it is easier to move the work.

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。また、テーブル12には、図3に示される平面視円形の計測部材92を含む、計測装置110(図12、図13参照)が設けられている。計測装置110については、後に詳述する。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。 Here, the table 12 is made of a plate member having a shape as if each apex of an equilateral triangle is cut off. The work W to be added is mounted on the upper surface of the table 12. The table 12 is provided with a chuck mechanism 13 (not shown in FIG. 3, see FIG. 11) for fixing the work W. As the chuck mechanism 13, for example, a mechanical chuck, a vacuum chuck, or the like is used. Further, the table 12 is provided with a measuring device 110 (see FIGS. 12 and 13) including a measuring member 92 having a circular shape in a plan view shown in FIG. The measuring device 110 will be described in detail later. The table 12 is not limited to the shape shown in FIG. 3, and may have any shape such as a rectangular plate shape or a disk shape.

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。 In this case, as is clear from FIG. 3, both ends of the rods 14 1 to 146 are connected to the slider 10 and the table 12 via a universal joint 18, respectively. Further, the rods 14 1 and 142 are connected in the vicinity of one vertex position of the triangle of the table 12, and the slider 10 and these rods 14 1 and 142 form a substantially triangle. There is. Similarly, rods 14 3 , 144, and rods 14 5 , 146 are connected in the vicinity of each of the remaining vertex positions of the triangle on the table 12, respectively, and the slider 10, rods 14 3 , 144 , and rod 14 are connected. The layout is such that a rough triangle is formed by 5 , 146 , respectively.

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。 Each of these rods 14 1 to 146 has a first shaft member 20 and a second shaft member 22 that can move relative to each other in the axial direction, as typically shown for the rod 14 1 in FIG. One end (lower end) of the first shaft member 20 is attached to the slider 10 via a universal joint 18, and the other end (upper end) of the second shaft member 22 has a universal joint attached to the table 12. It is attached via.

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。 A stepped columnar hollow portion is formed inside the first shaft member 20, and a bellows type air cylinder, for example, is housed in the lower end side of the hollow portion. A pneumatic circuit and a pneumatic source (both not shown) are connected to this air cylinder. Then, by controlling the air pressure of the compressed air supplied from the air pressure source via the pneumatic circuit, the internal pressure of the air cylinder is controlled so that the piston of the air cylinder is reciprocated in the axial direction. It has become. In an air cylinder, the return process utilizes the gravity acting on the piston when incorporated into the parallel linkage.

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。 Further, on the upper end side of the hollow portion of the first shaft member 20, an armature unit (not shown) composed of a plurality of armature coils arranged side by side in the axial direction is arranged.

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、磁極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。 On the other hand, one end (lower end) of the second shaft member 22 is inserted into the hollow portion of the first shaft member 20. A small diameter portion having a smaller diameter than the other portions is formed at one end of the second shaft member 22, and a circular tubular mover yoke made of a magnetic member is provided around the small diameter portion. Has been done. A hollow columnar, that is, a cylindrical magnet body composed of a plurality of permanent magnets having the same dimensions is provided on the outer peripheral portion of the mover yoke. In this case, the movable element yoke and the magnet body constitute a hollow cylindrical magnet unit. In the present embodiment, the armature unit and the magnet unit constitute a shaft motor, which is a kind of electromagnetic force linear motor. In the shaft motor configured in this way, by supplying a sinusoidal drive current having a predetermined period and a predetermined amplitude to each coil of the armature unit which is a stator, between the magnetic pole unit and the armature unit. The second shaft member 22 is driven relative to the first shaft member 20 in the axial direction by the Lorentz force (driving force) generated by the electromagnetic interaction, which is a kind of electromagnetic interaction.

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。 That is, in the present embodiment, the above-mentioned air cylinder and the shaft motor drive the first shaft member 20 and the second shaft member 22 relative to each other in the axial direction to expand and contract each of the rods 14 1 to 146. The expansion and contraction mechanisms 16 1 to 16 6 (see FIG. 11) described above are respectively configured.

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。 Further, the magnet unit, which is a mover of the shaft motor, is non-contactly supported by the armature unit, which is a stator, via an air pad provided on the inner peripheral surface of the first shaft member 20.

また、図3では図示が省略されているが、ロッド14~14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24~24が設けられており、これらのリニアエンコーダ24~24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24~24で検出される第2軸部材22の軸方向の位置は、ロッド14~14それぞれの長さに対応する。 Although not shown in FIG. 3, each of the rods 14 1 to 146 is an absolute type linear encoder that detects the axial position of the second shaft member 22 with respect to the first shaft member 20. Encoders 24 1 to 24 6 are provided, and the outputs of these linear encoders 24 1 to 246 are supplied to the control device 600 (see FIG. 11). The axial position of the second shaft member 22 detected by the linear encoders 24 1 to 246 corresponds to the length of each of the rods 14 1 to 146.

リニアエンコーダ24~24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。 The expansion / contraction mechanisms 16 1 to 166 are controlled by the control device 600 based on the outputs of the linear encoders 24 1 to 246 (see FIG. 11). Details of the configuration of the parallel linkage mechanism similar to the mobile system 200 of the present embodiment are disclosed in, for example, US Pat. No. 6,940,582, and the control device 600 is disclosed in the above-mentioned US patent specification. The position and posture of the table 12 are controlled via the expansion / contraction mechanisms 16 1 to 16 6 by the same method as in the case of using inverse kinematics calculation.

移動システム200では、ロッド14~14にそれぞれ設けられる伸縮機構16116 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。 In the mobile system 200, the expansion / contraction mechanisms 16 1 to 166 provided on the rods 14 1 to 146 respectively have an air cylinder arranged in series (or parallel) with each other and a shaft motor which is a kind of electromagnetic force linear motor. Therefore, in the control device 600, the table 12 can be roughly and greatly driven by the pneumatic control of the air cylinder, and can be finely and finely moved by the shaft motor. As a result, it becomes possible to accurately control the position (that is, the position and the posture) of the table 12 in the six degrees of freedom direction in a short time.

また、ロッド14~14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。 Further, since each of the rods 14 1 to 146 has an air pad that non-contactly supports the magnet unit which is the mover of the shaft motor with respect to the armature unit which is the stator, the rod by the expansion / contraction mechanism can be used. Friction, which is a non-linear component when controlling expansion and contraction, can be avoided, whereby the position and posture of the table 12 can be controlled with higher accuracy.

また、本実施形態では、伸縮機構161~166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。 Further, in the present embodiment, a shaft motor is used as the electromagnetic force linear motor constituting the expansion / contraction mechanisms 16 1 to 166, and the shaft motor uses a magnet unit in which a cylindrical magnet is used on the mover side. Therefore, a magnetic flux (magnetic field) is generated in all directions of the magnet's radiation direction, and the magnetic flux in all directions can contribute to the generation of Lorentz force (driving force) due to electromagnetic interaction. It can generate a clearly larger thrust than a motor or the like, and is easier to miniaturize than a hydraulic cylinder or the like.

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。 Therefore, according to the moving system 200 in which each rod includes a shaft motor, it is possible to simultaneously realize miniaturization and weight reduction and improvement of output, and it can be suitably applied to the modeling apparatus 100.

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。 Further, in the control device 600, low-frequency vibration can be suppressed by controlling the pneumatic pressure of the air cylinders constituting the expansion / contraction mechanism, and high-frequency vibration can be insulated by controlling the current for the shaft motor.

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、並びに搬送システム300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、並びに搬送システム300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である。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。 The mobile system 200 further includes a planar motor 26 (see FIG. 11). A mover of a flat motor 26 made of a magnet unit (or a coil unit) is provided on the bottom surface of the slider 10, and a flat surface made of a coil unit (or a magnet unit) is provided inside the base BS correspondingly. The stator of the motor 26 is housed. A plurality of air bearings (pneumatic pressure bearings) are provided on the bottom surface of the slider 10 so as to surround the mover, and the slider 10 is finished with a high flatness by the plurality of air bearings on the upper surface (guide surface) of the base BS. It is buoyantly supported on top through a predetermined clearance (gap or gap). The slider 10 is driven in the XY plane in a non-contact manner with respect to the upper surface of the base BS by the electromagnetic force (Lorentz force) generated by the electromagnetic interaction between the stator and the mover of the plane motor 26. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the mobile system 200 can freely move the table 12 between the arrangement positions of the measurement system 400, the beam modeling system 500, and the transfer system 300. The mobile system 200 may include a plurality of tables 12 on which the work W is mounted. For example, while machining a work held in one of a plurality of tables using the beam modeling system 500, measurement using the measurement system 400 for a work held in another table. May be done. Even in such a case, each table can be freely moved between the arrangement positions of the measurement system 400, the beam modeling system 500, and the transfer system 300. Alternatively, a table for holding the work when measuring using the measurement system 400 exclusively and a table for holding the work when processing using the beam modeling system 500 are provided, and the work is carried in and carried into the two tables. When a configuration is adopted in which the carry-out can be carried out by a work transfer system or the like, each slider 10 may be fixed on the base BS. Even when a plurality of tables 12 are provided, each table 12 is movable in the direction of 6 degrees of freedom, and its position in the direction of 6 degrees of freedom can be controlled.

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。 The flat motor 26 is not limited to the air levitation type, and a magnetic levitation type flat motor may be used. In the latter case, it is not necessary to provide the slider 10 with an air bearing. Further, as the flat motor 26, either a moving magnet type or a moving coil type can be used.

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。 In the control device 600, the slider 10 can be freely moved in the X and Y two-dimensional directions on the base BS by controlling at least one of the magnitude and the direction of the current supplied to each coil of the coil unit constituting the planar motor 26. Can be driven.

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。 In the present embodiment, the moving system 200 includes a position measuring system 28 (see FIG. 11) that measures position information regarding the X-axis direction and the Y-axis direction of the slider 10. As the position measurement system 28, a two-dimensional absolute encoder can be used. Specifically, a two-dimensional scale having a strip-shaped absolute cord having a predetermined width over the entire length in the X-axis direction is provided on the upper surface of the base BS, and correspondingly, a light source such as a light emitting element is provided on the bottom surface of the slider 10. The one-dimensional light-receiving element array arranged in the X-axis direction and the one-dimensional light-receiving element array arranged in the Y-axis direction receive the reflected light from the two-dimensional scale illuminated by the light beam emitted from the light source. An X head and a Y head are provided. As a two-dimensional scale, for example, on a non-reflective substrate (reflectivity 0%), a plurality of square reflecting portions (with a constant period along two directions (X-axis direction and Y-axis direction) orthogonal to each other (reflective part). Marks) are arranged two-dimensionally, and the reflection characteristics (reflectivity) of the reflecting portion have gradations according to a predetermined rule. As the two-dimensional absolute encoder, for example, the same configuration as the two-dimensional absolute encoder disclosed in US Patent Application Publication No. 2014/0070073 may be adopted. According to the absolute type two-dimensional encoder having the same configuration as that of the US Patent Application Publication No. 2014/0070073, it is possible to measure the two-dimensional position information with the same high accuracy as the conventional incremental encoder. Since it is an absolute encoder, it does not require origin detection unlike an incremental encoder. The measurement information of the position measurement system 28 is sent to the control device 600.

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14~14に設けられたリニアエンコーダ24~24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24~24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24~24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。 In the present embodiment, as will be described later, the measurement system 400 provides position information in at least a part of the target surface (for example, the upper surface) on the work W mounted on the table 12 in the three-dimensional space (shape in the present embodiment). Information) is measured, and after the measurement, additional processing (modeling) is performed on the work W. Therefore, when the control device 600 measures at least a part of the shape information of the target surface on the work W, the measurement result and the linear encoders 241 to the rods 141 to 146 at the time of the measurement are measured. By associating the measurement result of 246 with the measurement result of the position measurement system 28, the position and orientation of the target surface on the work W mounted on the table 12 can be set to the reference coordinate system of the modeling device 100 (hereinafter referred to as a table). It can be associated with a coordinate system). As a result, after that, the target value of the target surface TAS on the work W is controlled by controlling the open loop of the position in the 6 degrees of freedom direction of the table 12 based on the measurement results of the linear encoders 241 to 246 and the position measurement system 28. It is possible to control the position with respect to the direction of 6 degrees of freedom. In the present embodiment, since the absolute type encoder is used as the linear encoders 241 to 246 and the position measurement system 28, it is not necessary to set the origin, so that resetting is easy. It should be measured by the measurement system 400 used to enable position control in the 6-DOF direction with respect to the target value of the target surface on the work W by controlling the open loop of the position in the 6-DOF direction of the table 12. The above-mentioned position information in the three-dimensional space is not limited to the shape, and any three-dimensional position information of at least three points according to the shape of the target surface is sufficient.

なお、本実施形態では、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。 In the present embodiment, the case where the flat motor 26 is used as the driving device for driving the slider 10 in the XY plane has been described, but a linear motor may be used instead of the flat motor 26. In this case, instead of the above-mentioned two-dimensional absolute encoder, a position measurement system for measuring the position information of the slider 10 may be configured by an absolute type linear encoder. Further, the position measurement system for measuring the position information of the slider 10 is not limited to the encoder, and may be configured by using an interferometer system.

また、本実施形態では、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。 Further, in the present embodiment, the mechanism for driving the table is configured by using a plane motor for driving the slider in the XY plane and a stewart platform type 6-DOF parallel link mechanism in which the base platform is configured by the slider. Although the case has been illustrated, the present invention is not limited to this, and a mechanism for driving the table may be configured by using another type of parallel link mechanism or a mechanism other than the parallel link mechanism. For example, a slider that moves in the XY plane and a Z tilt drive mechanism that drives the table 12 on the slider in the Z-axis direction and the tilt direction with respect to the XY plane may be adopted. As an example of such a Z tilt drive mechanism, the table 12 can be supported from below at each vertex position of a triangle via, for example, a universal joint or other joint, and the support points can be driven independently of each other in the Z-axis direction 3. A mechanism having two actuators (such as a voice coil motor) can be mentioned. However, the configuration of the mechanism for driving the table of the moving system 200 is not limited to these, and the table (movable member) on which the work is placed is placed in the three-degree-of-freedom direction in the XY plane and the Z-axis direction. In addition, the configuration may be such that it can be driven in at least five degrees of freedom in the tilt direction with respect to the XY plane, and it is not necessary to have a slider that moves in the XY plane. For example, a mobile system may be configured by a table and a robot that drives the table. Regardless of the configuration, if the measurement system for measuring the position of the table is configured by using a combination of an absolute type linear encoder or a combination of the linear encoder and an absolute type rotary encoder, resetting is facilitated. be able to.

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。 In addition, instead of the mobile system 200, a system capable of driving the table 12 in three degrees of freedom direction in the XY plane, the Z axis direction, and at least five degrees of freedom direction (θx or θy) with respect to the XY plane is provided. You may adopt it. In this case, the table 12 itself may be floated and supported (non-contact support) on the upper surface of a support member such as a base BS via a predetermined clearance (gap or gap) by air levitation or magnetic levitation. When such a configuration is adopted, the table moves in a non-contact manner with respect to the member supporting the table, which is extremely advantageous in terms of positioning accuracy and greatly contributes to the improvement of modeling accuracy.

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。 The measurement system 400 measures the three-dimensional position information of the work for associating the position and orientation of the work mounted on the table 12 with the table coordinate system, for example, the shape. As shown in FIG. 2, the measurement system 400 includes a laser non-contact three-dimensional measuring device 401. The three-dimensional measuring instrument 401 is provided at the frame 30 installed on the base BS, the head portion 32 mounted on the frame 30, the Z-axis guide 34 mounted on the head portion 32, and the lower end of the Z-axis guide 34. The rotation mechanism 36 is provided, and a sensor unit 38 connected to the lower end of the rotation mechanism 36 is provided.

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。 The frame 30 includes a horizontal member 40 extending in the Y-axis direction and a pair of pillar members 42 that support the horizontal member 40 from below at both ends in the Y-axis direction.

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。 The head portion 32 is attached to the horizontal member 40 of the frame 30.

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。 The Z-axis guide 34 is movably mounted on the head portion 32 in the Z-axis direction, and is driven in the Z-axis direction by a Z drive mechanism 44 (not shown in FIG. 2, see FIG. 11). The position (or displacement from the reference position) of the Z-axis guide 34 in the Z-axis direction is measured by the Z encoder 46 (not shown in FIG. 2, see FIG. 11).

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。 The rotation mechanism 36 rotates the sensor unit 38 parallel to the Z axis within a predetermined angle range (for example, a range of 90 degrees (π / 2) or 180 degrees (π)) with respect to the head unit 32 (Z axis guide 34). It is continuously (or stepped at a predetermined angle) rotationally driven around the central axis. In the present embodiment, the rotation center axis of the sensor unit 38 by the rotation mechanism 36 coincides with the center axis of the line light emitted from the irradiation unit described later constituting the sensor unit 38. The rotation angle (or the position of the sensor unit in the θz direction) of the sensor unit 38 from the reference position by the rotation mechanism 36 is measured by a rotation angle sensor 48 (not shown in FIG. 2, see FIG. 11) such as a rotary encoder. To.

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)。 The sensor unit 38 includes an irradiation unit 50 that irradiates a test object (work W in FIG. 2) placed on the table 12 with line light for light cutting, and an irradiation unit 50 that irradiates the line light to cut light. It is mainly composed of a detection unit 52 that detects the surface of the subject on which a surface (line) appears. Further, the sensor unit 38 is connected to an arithmetic processing unit 54 that obtains the shape of the test object based on the image data detected by the detection unit 52. In the present embodiment, the arithmetic processing unit 54 is included in the control device 600 for comprehensively controlling each component of the modeling device 100 (see FIG. 11).

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。 The irradiation unit 50 is composed of a cylindrical lens (not shown), a slit plate having a thin band-shaped notch, or the like, and receives illumination light from a light source to generate fan-shaped line light 50a. As the light source, an LED, a laser light source, an SLD (super luminescent diode) or the like can be used. When an LED is used, a light source can be formed inexpensively. In addition, when a laser light source is used, since it is a point light source, it is possible to produce line light with little aberration, it has excellent wavelength stability, the half width is small, and a filter with a small half width can be used to cut stray light, so it is affected by disturbance. Can be reduced. Further, when SLD is used, in addition to the characteristics of the laser light source, the coherence is lower than that of the laser beam, so that the generation of speckle on the surface of the subject can be suppressed. The detection unit 52 is for capturing the line light 50a projected on the surface of the object (work W) from a direction different from the light irradiation direction of the irradiation unit 50. Further, the detection unit 52 is composed of an imaging lens, a CCD, or the like (not shown), and as will be described later, the table 12 is moved to take an image of the subject (work W) every time the line light 50a is scanned at predetermined intervals. It has become like. The positions of the irradiation unit 50 and the detection unit 52 are such that the incident direction of the line light 50a on the surface of the test object (work W) with respect to the detection unit 52 and the light irradiation direction of the irradiation unit 50 have a predetermined angle θ. It is stipulated to be done. In the present embodiment, the predetermined angle θ is set to, for example, 45 degrees.

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50a)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。 The image data of the subject (work W) imaged by the detection unit 52 is sent to the arithmetic processing unit 54, where a predetermined image arithmetic processing is performed to increase the height of the surface of the subject (work W). It is calculated and the three-dimensional shape (surface shape) of the test object (work W) can be obtained. In the image of the test object (work W), the arithmetic processing unit 54 is based on the position information of the light cut surface (line) by the line light 50a deformed according to the unevenness of the test object (work W). The height of the surface of the test object (work W) from the reference plane is calculated using the principle of triangulation for each pixel in the longitudinal direction in which the (line) (line light 50a) extends, and the height of the test object (work W) is calculated. Performs arithmetic processing to obtain a three-dimensional shape.

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14~14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)=(Z、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。 In the present embodiment, the control device 600 moves the table 12 in a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the line light 50a projected on the object (work W), whereby the line light 50a is transferred to the object (work). The surface of W) is scanned. The control device 600 detects the rotation angle of the sensor unit 38 with the rotation angle sensor 48, and moves the table 12 in a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the line light 50a based on the detection result. As described above, in the present embodiment, the table 12 is moved when measuring the shape or the like of the object (work W). Therefore, as a premise, the work W is held and below the sensor unit 38 of the measurement system 400. At the time of movement, the position and posture of the table 12 (position in the direction of 6 degrees of freedom) are always set to a predetermined reference state. The reference state is, for example, a state in which all of the rods 141 to 146 have a length (or a minimum length) corresponding to the neutral point of the expansion / contraction stroke range, and at this time, the Z axis, θx, and θy of the table 12 And the positions in each direction of θz (Z, θx, θy, θz) = (Z 0 , 0, 0, 0). Further, in this reference state, the positions (X, Y) of the table 12 in the XY plane coincide with the X and Y positions of the slider 10 measured by the position measurement system 28.

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24~24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。 After that, the above-mentioned measurement for the test object (work W) is started, and the position of the table 12 in the six degrees of freedom direction is managed by the control device 600 on the table coordinate system including during this measurement. That is, the control device 600 controls the planar motor 26 based on the measurement information of the position measurement system 28, and also controls the expansion / contraction mechanisms 16 1 to 16 6 based on the measured values of the linear encoders 24 1 to 246 . Controls the position of the table 12 in the direction of six degrees of freedom.

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。 By the way, when the optical cutting method is used as in the three-dimensional measuring machine 401 according to the present embodiment, the line light 50a irradiated from the irradiation unit 50 of the sensor unit 38 to the subject (work W) is referred to the sensor unit 38. It is desirable to arrange the table 12 (work W) in a direction orthogonal to the relative movement direction. For example, in FIG. 2, when the relative movement direction between the sensor unit 38 and the object (work W) is set in the Y-axis direction, it is desirable to arrange the line light 50a along the X-axis direction. By doing so, it is possible to perform relative movement with respect to the subject (work W) that effectively utilizes the entire area of the line light 50a at the time of measurement, and the shape of the subject (work W) can be optimally measured. .. A rotation mechanism 36 is provided so that the direction of the line light 50a and the above-mentioned relative movement direction can always be orthogonal to each other.

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。 The above-mentioned three-dimensional measuring device 401 is configured in the same manner as the shape measuring device disclosed in, for example, US Patent Application Publication No. 2012/01058667. However, in the apparatus described in US Patent Application Publication No. 2012/0105867, scanning of the line light in the direction parallel to the X and Y planes with respect to the subject is performed by moving the sensor unit. The present embodiment differs in that it is performed by moving the table 12. In this embodiment, either the Z-axis guide 34 or the table 12 may be driven when scanning the line light in the direction parallel to the Z-axis with respect to the subject.

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。 In the measurement method using the three-dimensional measuring machine 401 according to the present embodiment, a line-shaped projection pattern consisting of a single line light is projected on the surface of the subject by using the optical cutting method, and the line-shaped projection pattern is produced. Each time the entire surface of the subject is scanned, the line-shaped projection pattern projected on the subject is imaged from an angle different from the projection direction. Then, the height of the surface of the subject from the reference plane is calculated from the captured image of the surface of the subject using the principle of triangulation for each pixel in the longitudinal direction of the linear projection pattern, and the subject is examined. Find the three-dimensional shape of the surface.

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。 In addition, as the three-dimensional measuring instrument constituting the measuring system 400, for example, an apparatus having the same configuration as the optical probe disclosed in US Pat. No. 7,009,717 can be used. The optical probe is composed of two or more optical groups and includes two or more visual field directions and two or more projection directions. One optical group includes one or more visual field directions and one or more projection directions, at least one visual field direction and at least one projection direction differ between the optical groups, and the data obtained by the visual field directions are the same optical group. It is generated only by the pattern projected by the projection direction of.

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。 The measurement system 400 may include a mark detection system 56 (see FIG. 11) that optically detects an alignment mark in place of or in addition to the above-mentioned three-dimensional measuring instrument 401. .. The mark detection system 56 can detect, for example, an alignment mark formed on a work. The control device 600 accurately detects the center positions (three-dimensional coordinates) of at least three alignment marks using the mark detection system 56, thereby calculating the position and posture of the work (or table 12). The mark detection system 56 can be configured to include, for example, a stereo camera. The mark detection system 56 may optically detect at least three alignment marks formed in advance on the table 12.

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。 In the present embodiment, the control device 600 scans the surface (target surface) of the work W by using the three-dimensional measuring device 401 as described above, and acquires the surface shape data thereof. Then, the control device 600 performs the minimum self-centered processing using the surface shape data, and associates the three-dimensional position and the posture of the target surface on the work with the table coordinate system. Here, including the above-mentioned measurement with respect to the test object (work W), the position of the table 12 in the six degrees of freedom direction is controlled by the control device 600 on the table coordinate system, and thus the three-dimensional position of the work. And after the orientation is associated with the table coordinate system, all controls of the position (ie, position and orientation) of the work W in the 6 degrees of freedom direction follow the table coordinate system, including during additional machining by 3D modeling. This can be done by controlling the open loop of table 12.

本実施形態の計測システム400は、付加加工開始前のワーク等の位置計測に加え、付加加工後の部品(ワーク)の形状検査にも用いられるが、これについては、後述する。 The measurement system 400 of the present embodiment is used not only for position measurement of a work or the like before the start of additional processing, but also for shape inspection of a part (work) after additional processing, which will be described later.

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。 FIG. 4 shows the beam shaping system 500 together with the table 12 on which the work W is mounted. As shown in FIG. 4, the beam modeling system 500 includes a light source system 510, a beam irradiation unit 520 for emitting a beam, a material processing unit 530 for supplying a powdery modeling material, and a water shower nozzle 540 (FIG. 4). 4 is not shown, and see FIG. 11). The beam modeling system 500 does not have to include the water shower nozzle 540.

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。 As shown in FIG. 5, the light source system 510 includes a light source unit 60, a light guide fiber 62 connected to the light source unit 60, and a double flyeye optical system 64 arranged on the emission side of the light guide fiber 62. It is equipped with a condenser lens system 66.

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。 The light source unit 60 includes a housing 68 and a plurality of laser units 70 housed inside the housing 68 and arranged in a matrix parallel to each other. As the laser unit 70, a unit of a light source such as various lasers that perform pulse oscillation or continuous wave oscillation operation, for example, a carbon dioxide gas laser, an Nd: YAG laser, a fiber laser, or a GaN-based semiconductor laser can be used.

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。 The light guide fiber 62 is a fiber bundle configured by randomly bundling a large number of optical fiber strands, and has a plurality of incident ports 62a individually connected to the emission ends of the plurality of laser units 70 and an incident port 62a. It has an injection section 62b having a number of ejection ports larger than the number of ejection ports. The light guide fiber 62 receives a plurality of laser beams (hereinafter, abbreviated as “beams” as appropriate) emitted from each of the plurality of laser units 70 through the respective incident ports 62a and distributes them to a large number of emission ports. Then, at least a part of each laser beam is emitted from a common ejection port. In this way, the light guide fiber 62 mixes and emits the beams emitted from each of the plurality of laser units 70. As a result, the total output can be increased according to the number of laser units 70 as compared with the case of using a single laser unit. However, if a single laser unit can provide sufficient output, it is not necessary to use multiple laser units.

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。 Here, the injection unit 62b has a cross-sectional shape similar to the overall shape of the incident end of the first fly-eye lens system constituting the incident end of the double fly-eye optical system 64 described below, and emits light into the cross section. The exits are provided in an almost even arrangement. Therefore, the light guide fiber 62 also serves as a shaping optical system that shapes the beam mixed as described above so as to be similar to the overall shape of the incident end of the first flyeye lens system.

ダブルフライアイ光学系64は、ビーム(照明光)の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。 The double fly-eye optical system 64 is for making the cross-sectional intensity distribution of the beam (illumination light) uniform, and the first fly is sequentially arranged on the beam path (optical path) of the laser beam behind the light guide fiber 62. It is composed of an eye lens system 72, a lens system 74, and a second fly eye lens system 76. A diaphragm is provided around the second fly-eye lens system 76.

この場合、第1フライアイレンズ系72の入射面、第2フライアイレンズ系76の入射面は、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)。 In this case, the incident surface of the first fly-eye lens system 72 and the incident surface of the second fly-eye lens system 76 are optically coupled to each other. Further, an emission-side focal plane of the first fly-eye lens system 72 (where a surface light source described later is formed) and an emission-side focal surface of the second fly-eye lens system 76 (where a surface light source described later is formed) are formed. ), And the pupil plane (entering pupil) PP of the condensing optical system described later are optically coupled to each other. In the present embodiment, the pupil plane (entering pupil) PP of the condensing optical system 82 coincides with the front focal plane (see, for example, FIGS. 4, 6, 7, etc.).

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。 The beam mixed by the light guide fiber 62 is incident on the first flyeye lens system 72 of the double flyeye optical system 64. As a result, a surface light source, that is, a secondary light source composed of a large number of light source images (point light sources) is formed on the focal plane on the emission side of the first flyeye lens system 72. Laser light from each of these multiple point light sources is incident on the second flyeye lens system 76 via the lens system 74. As a result, a surface light source (tertiary light source) in which a large number of minute light source images are uniformly distributed in a region having a predetermined shape is formed on the focal plane on the emission side of the second fly-eye lens system 76.

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。 The condenser lens system 66 emits the laser beam emitted from the tertiary light source as a beam having a uniform illuminance distribution.

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。 By optimizing the area of the incident end of the second fly-eye lens system 76, the focal length of the condenser lens system 66, and the like, the beam emitted from the condenser lens system 66 can be regarded as a parallel beam.

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。 The light source system 510 of the present embodiment includes an illuminance uniforming optical system including a light guide fiber 62, a double flyeye optical system 64, and a condenser lens system 66, and a plurality of lasers are used by using the illuminance uniformizing optical system. The beams emitted from the units 70 are mixed to generate a parallel beam having a uniform cross-sectional illuminance distribution.

なお、照度均一化光学系は、上述した構成に限られない。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。 The illuminance uniform optical system is not limited to the above-mentioned configuration. An illuminance uniforming optical system may be configured by using a rod integrator, a collimator lens system, or the like.

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(図11参照)、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。 The light source unit 60 of the light source system 510 is connected to the control device 600 (see FIG. 11), and the control device 600 individually controls the on / off of the plurality of laser units 70 constituting the light source unit 60. As a result, the amount of light (laser output) of the laser beam irradiated from the beam irradiation unit 520 to the work W (upper target surface) is adjusted.

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。 As shown in FIG. 4, the beam irradiation unit 520 includes a light source system 510, a beam cross-sectional intensity conversion optical system 78 and a space sequentially arranged on the optical path of a parallel beam from the light source system 510 (condenser lens system 66). It has a mirror array 80 which is a kind of a light modulator (SLM: Spatial Light Modulator), and a condensing optical system 82 that collects light from the mirror array 80. Here, the spatial light modulator is a general term for elements that spatially modulate the amplitude (intensity), phase, or polarization state of light traveling in a predetermined direction.

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。 The beam cross-section intensity conversion optical system 78 converts the intensity distribution of the cross section of the parallel beam from the light source system 510 (condenser lens system 66). In the present embodiment, the beam cross-section intensity conversion optical system 78 converts a parallel beam from the light source system 510 into a donut-shaped (ring band-shaped) parallel beam in which the intensity of the region including the center of the cross section is almost zero. In the present embodiment, the beam cross-section intensity conversion optical system 78 is composed of, for example, a convex conical reflector and a concave conical reflector sequentially arranged on the optical path of the parallel beam from the light source system 510. The convex conical reflector has a conical reflecting surface on the outer peripheral surface on the 510 side of the light source system, and the concave conical reflector is composed of an annular member whose inner diameter is larger than the outer diameter of the convex conical reflector. The inner peripheral surface has a reflecting surface facing the reflecting surface of the convex conical reflecting mirror. In this case, the reflecting surface of the convex conical reflecting mirror and the reflecting surface of the concave conical reflecting mirror are parallel to each other when viewed in an arbitrary cross section passing through the center of the concave conical reflecting mirror. Therefore, the parallel beam from the light source system 510 is radially reflected by the reflecting surface of the convex conical reflecting mirror, and this reflected beam is reflected by the reflecting surface of the concave conical reflecting mirror to be converted into a ring-shaped parallel beam. Will be done.

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。 In the present embodiment, the parallel beam that has passed through the beam cross-section intensity conversion optical system 78 irradiates the work via the mirror array 80 and the condensing optical system 82, as will be described later. Beam cross-section intensity conversion The intensity of the beam incident on the pupil surface (entrance pupil) PP of the condensing optical system 82 from the mirror array 80 by converting the cross-section intensity distribution of the parallel beam from the light source system 510 using the optical system 78. It is possible to change the distribution. Further, by converting the cross-sectional intensity distribution of the parallel beam from the light source system 510 using the beam cross-sectional intensity conversion optical system 78, the condensed optical system 82 emits the beam substantially emitted from the focused optical system 82. It is also possible to change the intensity distribution on the surface.

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。 The beam cross-sectional intensity conversion optical system 78 is not limited to the combination of the convex conical reflector and the concave conical reflector, and the diffractive optical element and the afocal disclosed in, for example, US Patent Application Publication No. 2008/0030852. It may be configured by using a combination of a lens and a conical axicon system. The beam cross-sectional intensity conversion optical system 78 may have various configurations as long as it converts the cross-sectional intensity distribution of the beam. Depending on the configuration of the beam cross-section intensity conversion optical system 78, it is possible to make the intensity of the parallel beam from the light source system 510 in the region including the center of the cross section not almost zero and smaller than the intensity in the region outside the beam cross-section intensity conversion optical system 78. Is.

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。 In the present embodiment, the mirror array 80 includes a base member 80A having a surface (hereinafter, referred to as a reference surface for convenience) forming 45 degrees (π / 4) with respect to the XY plane and the XZ plane, and the base member 80A. For example, M (= P × Q) mirror elements 81 p, q (p = 1 to P, q = 1 to Q) arranged in a matrix of P rows and Q columns on a reference plane, and each mirror element. It has a drive unit 87 (not shown in FIG. 4, see FIG. 11) including M actuators (not shown) that individually drive 81 p and q . The mirror array 80 can substantially form a large reflecting surface parallel to the reference surface by adjusting the inclination of a large number of mirror elements 81 p, q with respect to the reference surface.

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。 Each mirror element 81 p, q of the mirror array 80 is configured to be rotatable around a rotation axis parallel to one diagonal of each mirror element 81 p , q , for example, and determines an inclination angle of the reflection surface with respect to a reference surface. It can be set to any angle within the angle range. The angle of the reflective surface of each mirror element is measured by a sensor that detects the rotation angle of the rotation axis, for example, a rotary encoder 83 p, q (not shown in FIG. 4, see FIG. 11).

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。 The drive unit 87 includes, for example, an electromagnet or a voice coil motor as an actuator, and the individual mirror elements 81 p and q are driven by the actuator and operate with a very high response.

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。 Of the plurality of mirror elements constituting the mirror array 80, each of the mirror elements 81 p and q illuminated by the ring-shaped parallel beam from the light source system 510 is a reflected beam in a direction corresponding to the inclination angle of the reflecting surface thereof. (Parallel beam) is emitted and incident on the condensing optical system 82 (see FIG. 6). In this embodiment, the reason why the mirror array 80 is used and the reason why the annular parallel beam is incident on the mirror array 80 will be described later, but it is not always necessary to make the mirror array 80 incident on the mirror array 80. The cross-sectional shape (cross-sectional intensity distribution) of the parallel beam may be different from that of the annular shape, or the beam cross-sectional intensity conversion optical system 78 may not be provided.

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。 The condensing optical system 82 has a numerical aperture of N.I. A. Is, for example, an optical system having a high NA of 0.5 or more, preferably 0.6 or more, and low aberration. Since the focusing optical system 82 has a large diameter, low aberration, and high NA, a plurality of parallel beams from the mirror array 80 can be focused on the rear focal plane. Although the details will be described later, the beam irradiation unit 520 can collect the beam emitted from the focusing optical system 82, for example, in a spot shape or a slit shape. Further, since the condensing optical system 82 is composed of one or a plurality of large-diameter lenses (in FIG. 4 and the like, one large-diameter lens is typically shown), the area of incident light is increased. This allows the numerical aperture of N.I. A. A larger amount of light energy can be taken in as compared with the case of using a condensing optical system having a small size. Therefore, the beam focused by the condensing optical system 82 according to the present embodiment is extremely sharp and has a high energy density, which is directly linked to the improvement of the processing accuracy of the additional processing by modeling.

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。 In the present embodiment, as will be described later, by moving the table 12 in the scanning direction parallel to the XY plane (Y-axis direction as an example in FIG. 4), the work W having the beam and the target surface TAS for modeling at the upper end. A case of performing modeling (processing) while performing relative scanning in the scanning direction (scanning direction) will be described. At the time of modeling, the table 12 may be moved in at least one direction of the X-axis direction, the Z-axis direction, the θx direction, the θy direction, and the θz direction while the table 12 is moving in the Y-axis direction. Needless to say. Further, as will be described later, the powdery modeling material (metal material) supplied by the material processing unit 530 is melted by the energy of the laser beam. Therefore, as described above, when the total amount of energy taken in by the condensing optical system 82 increases, the energy of the beam emitted from the condensing optical system 82 increases, and the amount of metal that can be dissolved in a unit time increases. If the supply amount of the modeling material and the speed of the table 12 are increased by that amount, the throughput of the modeling process by the beam modeling system 500 is improved.

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。 However, even if the total output of the laser is greatly increased by the method described above, in reality, the scanning operation of the table 12 cannot be made infinitely high speed, so the throughput is sufficient to fully utilize the laser power. Cannot be realized. In order to solve this problem, in the modeling apparatus 100 of the present embodiment, as will be described later, the irradiation region of the slit-shaped beam (hereinafter referred to as a single character region) is referred to as the irradiation region of the slit-shaped beam instead of the irradiation region of the spot-shaped beam (FIG. 9B). (Refer to the reference numeral LS)) is formed on the surface (hereinafter referred to as the modeling surface) MP (for example, see FIGS. 4 and 9 (A)) to which the target surface TAS of modeling should be aligned, and the one-character region LS thereof is formed. It is possible to perform modeling (processing) while relative scanning the work W in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the beam to be formed (hereinafter referred to as a single character beam). As a result, it is possible to process a significantly larger area (for example, an area of several times to several tens of times) at once as compared with the case of scanning the work with a spot-shaped beam. As will be described later, in the present embodiment, the above-mentioned modeling surface MP is the rear focal surface of the condensing optical system 82 (see, for example, FIGS. 4 and 9 (A)), but the modeling surface is rearward. It may be a surface near the side focal plane. Further, in the present embodiment, the modeling surface MP is perpendicular to the optical axis AX on the emission side of the condensing optical system 82, but it does not have to be perpendicular to the optical axis AX.

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(入射方向)に、適切な角度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。 As a method of setting or changing the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP (for example, a method of forming a single character region as described above), for example, the incident angles of a plurality of parallel beams incident on the focused optical system 82. A method of controlling the distribution can be adopted. A lens system that focuses parallel light to a single point, such as the focused optical system 82 of the present embodiment, is rearranged at the incident angle of the parallel beam LB (see, for example, FIGS. 4, 6, etc.) in the pupil surface (incident pupil) PP. The light-collecting position on the side focal plane (light-collecting surface) is determined. Here, the incident angle is a. The angle α (0≤α <90 degrees) formed by the parallel beam incident on the pupil surface PP of the condensing optical system 82 with respect to the axis parallel to the optical axis AX of the condensing optical system 82 (0≤α <90 degrees). π / 2)) and b. The pupil plane when a two-dimensional orthogonal coordinate system (X, Y) orthogonal to the optical axis (AX) is set with the point on the optical axis (AX) as the origin. The angle β (0 ≦) of the normal projection of the parallel beam incident on the PP onto the pupil surface PP (XY coordinate plane) with respect to the reference axis (for example, the X axis (X ≧ 0)) on the two-dimensional orthogonal coordinate system (X, Y). It is determined by β <360 degrees (2π)). For example, a beam incident perpendicularly (parallel to the optical axis) to the pupil surface PP of the focusing optical system 82 is placed on the optical axis AX by the focusing optical system 82. A beam slightly inclined with respect to the optical axis AX is focused at a position slightly deviated from the optical axis AX. Using this relationship, a parallel beam from the light source system 510 is reflected and collected. By assigning an appropriate angle distribution to the incident angles (incident directions) of the plurality of parallel beam LBs incident on the pupil surface PP of the condensing optical system 82 when incident on the optical optical system 82, the incident surface MP in the modeling surface MP. The intensity distribution of the beam, eg, at least one of the position, number, size, and shape of the irradiation area on the modeling surface can be arbitrarily changed, and thus, for example, a single character region, a three-row region, a missing single character region, etc. (Fig. 10) can also be easily formed, and it is also easy to form a spot-shaped irradiation region.

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。 Since the condensing optical system 82 of the present embodiment has a configuration in which the pupil surface (entering pupil) PP and the front focal plane coincide with each other, the incident angles of a plurality of parallel beam LBs using the mirror array 80 are used. By changing the above, the focusing positions of the plurality of parallel beam LBs can be accurately and easily controlled, but the pupil surface (entrance pupil) of the focusing optical system 82 and the front focal plane do not match. May be.

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。 Further, if the shape and size of the irradiation region formed on the modeling surface are not variable, a solid mirror having a desired shape is used to generate one parallel beam incident on the pupil surface of the focused optical system 82. It is also possible to change the position of the irradiation area by controlling the angle of incidence.

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。 However, when performing additional processing (modeling) on a work, the region of the target surface on which the target portion of the modeling is set is not always a flat surface. That is, it is not always possible to perform relative scanning of a single character beam. In the vicinity of the contour edge of the work or near the boundary between the solid region and the hollow region, the boundary is slanted, narrowed, or has an R, making it difficult to apply single-character beam relative scanning. Is. For example, with a wide brush, it is difficult to fill such a place, so a narrow brush and a thin pencil are required accordingly, so to speak, in real time and continuously, freely. I want to be able to use a brush and a thin pencil properly. Similarly, in the vicinity of the contour edge of the work or near the boundary between the solid region and the hollow region, the width of the scan direction (relative movement direction) of the irradiation region of the beam can be changed, or the size of the irradiation region ( For example, there is a request to change the length, number, or position (position of the irradiation point of the beam) of a single character beam.

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。 Therefore, in the present embodiment, the mirror array 80 is adopted, and the control device 600 operates each mirror element 81 p, q with a very high response, so that a plurality of mirror elements are incident on the pupil surface PP of the condensing optical system 82. The incident angle of the parallel beam LB of the above is controlled. As a result, the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP is set or changed. In this case, the control device 600 is on the modeling surface MP during the relative movement between the beam and the target surface TAS (the surface on which the target portion TA of modeling is set, which is the surface on the work W in this embodiment). It is possible to change the intensity distribution of the beam, for example at least one of the shape, size and number of irradiation areas of the beam. In this case, the control device 600 can continuously or intermittently change the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP. For example, it is possible to continuously or intermittently change the width of the one-character region in the relative movement direction during the relative movement of the beam and the target surface TAS. The control device 600 can also change the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP according to the relative position between the beam and the target surface TAS. The control device 600 can also change the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP according to the required modeling accuracy and throughput.

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。 Further, in the present embodiment, the control device 600 detects the state of each mirror element (here, the tilt angle of the reflecting surface) by using the rotary encoders 83 p and q described above, thereby changing the state of each mirror element. Since the mirror array 80 is monitored in real time, the tilt angle of the reflecting surface of each mirror element of the mirror array 80 can be accurately controlled.

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。 As shown in FIG. 7, the material processing unit 530 includes a nozzle unit 84 having a nozzle member (hereinafter, abbreviated as nozzle) 84a provided below the injection surface of the condensing optical system 82, and the nozzle unit 84. It has a material supply device 86 connected via a pipe 90a, and a plurality of powder cartridges 88A and 88B connected to the material supply device 86 via a pipe, for example, two powder cartridges 88A and 88B. In FIG. 7, the portion below the condensing optical system 82 in FIG. 4 is shown when viewed from the −Y direction.

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。 The nozzle unit 84 extends below the condensing optical system 82 in the X-axis direction and supports a nozzle 84a having at least one supply port for supplying powder of a modeling material and both ends of the nozzle 84a in the longitudinal direction. Each of the upper end portions includes a pair of support members 84b and 84c connected to the housing of the condensing optical system 82. One end (lower end) of the material supply device 86 is connected to one of the support members 84b via the pipe 90a, and a supply path for communicating the pipe 90a and the nozzle 84a is formed inside. In the present embodiment, the nozzle 84a is arranged directly below the optical axis of the condensing optical system 82, and a plurality of supply ports described later are provided on the lower surface (bottom surface). The nozzle 84a does not necessarily have to be arranged on the optical axis of the condensing optical system 82, and may be arranged at a position slightly deviated from the optical axis on one side in the Y-axis direction.

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。 Pipes 90b and 90c as supply paths to the material supply device 86 are connected to the other end (upper end) of the material supply device 86, and powder cartridges 88A and 88B are connected to the material supply device 86 via the pipes 90b and 90c, respectively. It is connected. On the other hand, the powder cartridge 88A contains the powder of the first modeling material (for example, titanium). Further, the powder of the second modeling material (for example, stainless steel) is housed in the other powder cartridge 88B.

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。 In the present embodiment, the modeling device 100 includes two powder cartridges for supplying the two types of modeling materials to the material supply device 86, but the modeling device 100 may have only one powder cartridge.

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。 In the supply of powder from the powder cartridges 88A and 88B to the material supply device 86, each of the powder cartridges 88A and 88B may have a function of forcibly supplying the powder to the material supply device 86, but in the present embodiment. The material supply device 86 is provided with a function of switching between the pipes 90b and 90c and a function of sucking powder from either one of the powder cartridges 88A and 88B using a vacuum. The material supply device 86 is connected to the control device 600 (see FIG. 11). At the time of modeling, the control device 600 switches between the pipes 90b and 90c using the material supply device 86, and the powder of the first modeling material (for example, titanium) from the powder cartridge 88A and the second from the powder cartridge 88B. The powder of the modeling material (for example, stainless steel) is selectively supplied to the material supply device 86, and the powder of either modeling material is supplied from the material supply device 86 to the nozzle 84a via the pipe 90a. By changing the configuration of the material supply device 86, the first modeling material from the powder cartridge 88A and the second modeling material from the powder cartridge 88B are simultaneously supplied to the material supply device 86 when necessary. A mixture of the two modeling materials may be supplied to the nozzle 84a via the pipe 90a. A nozzle that can be connected to the powder cartridge 88A and another nozzle that can be connected to the powder cartridge 88B are provided below the condensing optical system 82, and powder is supplied from either nozzle or both nozzles at the time of modeling. The powder may be supplied from.

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。 Further, the control device 600 can adjust the supply amount of the modeling material supplied from the powder cartridges 88A and 88B to the nozzle 84a via the material supply device 86 per unit time. For example, by adjusting the amount of powder supplied from at least one of the powder cartridges 88A and 88B to the material supply device 86, the supply amount of the modeling material supplied to the nozzle 84a via the material supply device 86 per unit time. Is adjustable. For example, by adjusting the level of the vacuum used for supplying the powder from the powder cartridges 88A and 88B to the material supply device 86, it is possible to adjust the supply amount of the modeling material supplied to the nozzle 84a per unit time. Is. Alternatively, it is also possible to provide a valve for adjusting the amount of powder supplied from the material supply device 86 to the pipe 90a to adjust the supply amount of the modeling material supplied to the nozzle 84a per unit time.

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91(i=1~N)が、X軸方向に等間隔で形成され、各供給口91が開閉部材93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91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。 Here, although not shown in FIG. 7, in reality, as shown in FIG. 8, a plurality of, for example, N supply ports 91 i (i = 1 to N) are actually formed on the lower surface (bottom surface) of the nozzle 84a. ) Are formed at equal intervals in the X-axis direction, and each supply port 91 i can be individually opened and closed by the opening / closing member 93 i . In FIG. 8, for convenience of illustration, 12 supply ports 91 i are shown as an example, and both are shown so that the relationship between the supply port and the opening / closing member can be understood. However, in reality, more than 12 supply ports are formed, and the partition between adjacent supply ports is narrower. However, as long as the supply ports are arranged over substantially the entire length in the longitudinal direction of the nozzle 84a, the number of supply ports may be any number. For example, the supply port may be one slit-shaped opening over substantially the entire length of the nozzle 84a in the longitudinal direction.

開閉部材93は、図8中にk番目の開閉部材93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91を、開閉する。開閉部材93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。 The opening / closing member 93i can be slidably driven in the + Y direction and the −Y direction, as is typically shown with an arrow for the kth opening / closing member 93k in FIG. Open and close. The opening / closing member 93 i is not limited to the slide drive, and may be configured to be rotatable in the tilt direction about one end portion.

各開閉部材93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91のそれぞれを、各開閉部材93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91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93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91のうちの一部のみから造形材料を供給可能である。 Each opening / closing member 93i is driven and controlled by the control device 600 via an actuator (not shown). The control device 600 supplies a plurality, for example, N, depending on the intensity distribution of the beam on the modeling surface, for example, setting (or changing) the shape, size, arrangement, etc. of the irradiation region of the beam formed on the modeling surface. Each of the openings 91 i is controlled to open and close by using each opening / closing member 93 i . As a result, the supply operation of the modeling material by the material processing unit 530 is controlled. In this case, the control device 600 selects at least one of the plurality of supply ports 91i , and only the opening / closing member 93i that closes the selected at least one supply port is open control, for example. -Driven in the Y direction. Therefore, in the present embodiment, the modeling material can be supplied from only a part of a plurality of, for example, N supply ports 91i .

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93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93で開閉される供給口91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91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91からの単位時間あたりの供給量を決定する。 Further, the control device 600 controls at least one of the supply amount control per unit time of the modeling material supplied to the nozzle 84a via the material supply device 86 described above and the opening / closing control using an arbitrary opening / closing member 93i . It is also possible to adjust the supply amount of the modeling material per unit time from the supply port 91i that is opened and closed by the opening / closing member 93i . The control device 600 is set (or changed) from an arbitrary supply port 91i according to the intensity distribution of the beam on the modeling surface, for example, the shape, size, arrangement, etc. of the irradiation region of the beam formed on the modeling surface. Determine the amount of modeling material supplied per unit time. The control device 600 determines the supply amount per unit time from each supply port 91 i , for example, based on the width of the above-mentioned one character area in the scanning direction.

なお、各開閉部材93により、各供給口91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93による各供給口の開度を調整することとしても良い。 The opening / closing member 93 i may be configured so that the opening degree of each supply port 91 i can be adjusted. In this case, the control device 600 may adjust the opening degree of each supply port by each opening / closing member 93i according to the width of the above-mentioned one character area in the scanning direction, for example.

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。 In addition, at least one supply port for supplying the powder of the modeling material may be movable. For example, one slit-shaped supply port extending in the X-axis direction is formed on the lower surface of the nozzle 84a, and the nozzle 84a is provided in at least one of the X-axis direction and the Y-axis direction with respect to the pair of support members 84b and 84c. The nozzle 84a has a movable configuration, and the control device 600 has a nozzle 84a having a supply port formed on the lower surface according to a change in the intensity distribution of the beam on the modeling surface, that is, a change in the shape, size, and position of the irradiation region of the beam. May be moved. The nozzle 84a may be movable in the Z-axis direction.

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。 Alternatively, the nozzle 84a is movable with respect to the main body portion and at least two movable members having a supply port formed on the bottom surface thereof, for example, movable in at least one of the X-axis direction and the Y-axis direction in the XY plane. At least a part of the movable member may be moved by the control device 600 in response to a change in the intensity distribution of the beam on the modeling surface. Also in this case, at least a part of the movable member may be movable in the Z-axis direction.

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。 Further, the supply port of one of the plurality of supply ports and the other supply port may be relatively movable. Alternatively, for example, the position of the one supply port in the Y-axis direction and the position of the other supply port in the Y-axis direction may be different. Alternatively, the position of the one supply port in the Z-axis direction and the position of the other supply port in the Z-axis direction may be different.

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。 It should be noted that the movement of at least one supply port may be performed not only according to the setting or change of the intensity distribution of the beam, but also may be moved for another purpose.

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。 As described above, the plurality of supply ports 91 i provided in the nozzle 84a are arranged and adjacent to each other at equal intervals over the entire length of the nozzle 84a in the X-axis direction orthogonal to the optical axis of the condensing optical system 82. There is only a slight gap between the supply ports 91 i . Therefore, as shown by the black arrow in FIG. 9A, the powdery modeling material PD is transferred from each of the plurality of supply ports 91i of the nozzle 84a to Z parallel to the optical axis AX of the condensing optical system 82. If the light is supplied directly below along the axial direction, the modeling material PD is supplied to the above-mentioned single character region LS (irradiation region of the single character beam) directly below the optical axis AX of the condensing optical system 82. In this case, the modeling material PD can be supplied from the nozzle 84a by utilizing the weight of the modeling material PD or by ejecting with a slight ejection pressure applied. Therefore, there is no need for a complicated mechanism such as a gas flow generation mechanism that guides the supply of the modeling material, such as the case where the modeling material is supplied from an oblique direction with respect to the target surface of the modeling. Further, it is extremely advantageous to be able to supply the modeling material vertically to the work at a close distance as in the present embodiment in order to secure the processing accuracy in the modeling.

なお、ノズル84aにガス供給口を設けても良い。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。 The nozzle 84a may be provided with a gas supply port. The gas supplied from the gas supply port may be flowed to guide the supply of the modeling material, or may be flowed with a gas that contributes to another purpose, for example, modeling.

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。 In the present embodiment, since the ring-shaped parallel beam is applied to the mirror array 80, the reflected beam from the mirror array 80 is a partial region near the peripheral edge of the condensing optical system 82 (a partial region having a large NA). The modeling surface MP (book) of the condensing optical system 82 via the region of the peripheral edge away from the optical axis of the terminal lens located at the emission end of the condensing optical system 82, that is, the emission end of the beam irradiating unit 520. In the embodiment, the light is focused on the rear focal plane of the focusing optical system 82 (see FIG. 4). That is, for example, a single character beam is formed only by the light passing through the portion near the peripheral edge of the same focused optical system 82. Therefore, it is possible to form a high-quality beam spot as compared with the case where light passing through different optical systems is focused on the same region to form a beam spot (laser spot). Further, in the present embodiment, it is possible to limit the irradiation of the beam to the nozzle 84a provided at the lower center of the ejection surface (lower end surface) of the condensing optical system 82. Therefore, in the present embodiment, all the reflected beams from the mirror array 80 can be used for spot formation, and the beam is nozzleed at a portion corresponding to the nozzle 84a on the incident surface side of the condensing optical system 82. It is not necessary to provide a light-shielding member or the like for limiting the irradiation of 84a. For this reason, the mirror array 80 is illuminated by a band-shaped parallel beam.

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。 The optical member located at the emission end of the condensing optical system 82 has an optical surface formed at least in a region away from the optical axis of the surface on the emission side, and the modeling surface (rear focal surface) is formed through the optical surface. ) It is only necessary to be able to focus the beam. Therefore, in the region including the optical axis, at least one of the ejection surface and the incident surface of this optical member may be a plane perpendicular to the optical axis of the condensing optical system 82, or the region including the optical axis. A hole may be formed in the. An optical member located at the ejection end of the condensing optical system 82 may be configured by a donut-shaped condensing lens having a hole in the central region including the optical axis.

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。 In order to limit the beam incident on the nozzle 84a from the condensing optical system 82, for example, the limiting member 85 shown by the two-dot chain line in FIG. 7 is placed on the incident surface side (for example, the pupil surface PP) of the condensing optical system 82. It may be provided. The limiting member 85 limits the incident of the beam from the condensing optical system 82 onto the nozzle 84a. As the limiting member 85, a light-shielding member may be used, but a dimming filter or the like may be used. In such a case, the parallel beam incident on the focused optical system 82 may be a parallel beam having a circular cross section or a parallel beam having a ring-shaped cross section. In the latter, since the beam is not applied to the limiting member 85, all the reflected beams from the mirror array 80 can be used for spot formation.

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。 It is not always necessary to completely block the beam incident on the nozzle 84a from the condensing optical system 82, but in order to prevent the beam from the condensing optical system 82 from being incident on the nozzle 84a, the condensing optical system The beam may be emitted only from the peripheral regions (for example, two arc regions) separated on both sides of the optical axis in the Y-axis direction of the emission surface of the end lens of 82.

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。 The water shower nozzle 540 (see FIG. 11) is used during so-called quenching. The water shower nozzle 540 has a supply port for supplying a cooling liquid (cooling water), and injects the cooling liquid onto the object to be cooled. The water shower nozzle 540 is connected to the control device 600 (see FIG. 11). At the time of quenching, the control device 600 controls the light source unit 60 to adjust the thermal energy of the beam from the beam irradiation unit 520 to an appropriate value for quenching. Then, the control device 600 can perform quenching by irradiating the surface of the work with a beam to raise the temperature to a high temperature, and then injecting a coolant to the high temperature portion via the water shower nozzle 540 to quench the work. In this case, it is also possible to perform the quenching process at the same time as the addition processing to the work by the three-dimensional modeling. When the quenching process is performed at the same time as the addition processing, it is desirable to use a metal having good hardenability as a modeling material.

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LB1、LB1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91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。 In the present embodiment, during addition processing to the work, the light passes near the peripheral edge of the condensing optical system 82 as shown in FIG. 9 (A), which is an enlarged view of the inside of the circle A of FIGS. 4 and 4. Beams passing through optical paths on the + Y side and −Y side (front and rear of the work W (table 12) in the scanning direction) of the nozzle 84a (shown as beams LB1 1 and LB1 2 in FIG. 9A for convenience). Is focused directly under the nozzle 84a, and a single character region LS whose longitudinal direction is the X-axis direction (the direction orthogonal to the paper surface in FIG. 9A) is formed on the modeling surface (see FIG. 9B). For the single character beam forming the single character region LS, the powdery modeling material PD passes through the plurality of supply ports 91 i of the nozzle 84a along the Z axis parallel to the optical axis AX of the condensing optical system 82 (optical axis). Supplied (along the XZ plane containing AX). As a result, a linear molten pool WP extending in the X-axis direction is formed directly below the nozzle 84a. Then, the formation of the molten pool WP is performed while scanning the table 12 in the scanning direction (+ Y direction in FIG. 9A). This makes it possible to form a bead (melted and solidified metal) BE having a predetermined width over the length in the longitudinal direction (X-axis direction) of the single character beam (melting pond WP).

この場合において、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の相対移動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。 In this case, for example, the width of the single character beam in the X-axis direction, the width in the Y-axis direction, or both are gradually narrowed without reducing the number of parallel beam LBs incident on the condensing optical system 82. When the incident angles of the plurality of parallel beams LB incident on the optical system 82 are adjusted, the light collection density (energy density) of the beams becomes high. Therefore, by increasing the supply amount of powder (modeling material) per unit time and increasing the relative movement speed of the target surface TAS accordingly, the thickness of the formed bead BE layer is kept constant and at the same time. It is possible to maintain a high level of throughput. However, the thickness of the bead BE layer to be formed can be kept constant by using other adjustment methods, not limited to such an adjustment method. For example, the laser output (the amount of energy of the laser beam) of at least one of the plurality of laser units 70 may be adjusted according to the width of the single character beam in the X-axis direction, the width in the Y-axis direction, or both. Alternatively, the number of parallel beam LBs incident on the condensing optical system 82 from the mirror array 80 may be changed. In this case, the throughput is somewhat lower than that of the adjustment method described above, but the adjustment is simple.

本実施形態に係る造形装置100には、集光光学系82からのビームを受けて計測処理を行う計測装置110が設けられている。例えば、計測装置110は、集光光学系82からのビームを受光して、ビームの光学特性などを計測可能である。本実施形態では、計測装置110は、ビームの強度分布を管理するために、用いられる。本実施形態では、計測装置110は、集光光学系82の後側焦点面(本実施形態では、造形面MPと一致)におけるビームの強度分布と、集光光学系82の瞳面PP(本実施形態は前側焦点面と一致)におけるビームの強度分布を計測する。 The modeling device 100 according to the present embodiment is provided with a measuring device 110 that receives a beam from the condensing optical system 82 and performs measurement processing. For example, the measuring device 110 can receive a beam from the condensing optical system 82 and measure the optical characteristics of the beam. In this embodiment, the measuring device 110 is used to manage the intensity distribution of the beam. In the present embodiment, the measuring device 110 uses the intensity distribution of the beam on the rear focal plane of the condensing optical system 82 (which coincides with the modeling surface MP in the present embodiment) and the pupil surface PP of the condensing optical system 82 (this). The embodiment measures the intensity distribution of the beam at the front focal plane).

計測装置110は、図12に示されるように、テーブル12の上面の一部を構成する計測部材92と、テーブル12の内部に収容された残りの構成部分とを有している。 As shown in FIG. 12, the measuring device 110 has a measuring member 92 that constitutes a part of the upper surface of the table 12, and the remaining components housed inside the table 12.

図13には、計測装置110の一部であり、テーブル12内部に配置された構成部分が、計測部材92とともに斜視図にて示されている。図13に示されるように、計測装置110は、計測部材92と、第1光学系94と、光学系ユニット95と、受光器96とを備えている。 In FIG. 13, a component portion which is a part of the measuring device 110 and is arranged inside the table 12 is shown in a perspective view together with the measuring member 92. As shown in FIG. 13, the measuring device 110 includes a measuring member 92, a first optical system 94, an optical system unit 95, and a light receiver 96.

計測部材92は、上面がテーブル12の残りの部分と面一(同一面)となる状態で、テーブル12の上面に形成された円形開口内に配置されている。計測部材92は、集光光学系82からのビームを透過可能な、例えば石英などで形成された基材を有し、その基材の表面には、クロム等の金属の蒸着により反射膜を兼ねる遮光膜が形成されており、その遮光膜の中央部に、円形の開口92aが形成されている。したがって、計測部材92の上面は、遮光膜の表面と開口92a内の基材表面とを含む。なお、遮光膜は、非常に薄く形成されており、以下の説明では、遮光膜の表面と開口92a内の基材表面とは同一面内に位置するとみなして説明する。また、遮光膜を形成しなくても良いが、遮光膜を形成することによって、計測の際に、フレアなどの影響を抑制する効果を期待できる。 The measuring member 92 is arranged in a circular opening formed on the upper surface of the table 12 so that the upper surface is flush with the rest of the table 12 (same surface). The measuring member 92 has a base material formed of, for example, quartz, which can transmit a beam from the condensing optical system 82, and the surface of the base material also serves as a reflective film by vapor deposition of a metal such as chromium. A light-shielding film is formed, and a circular opening 92a is formed in the central portion of the light-shielding film. Therefore, the upper surface of the measuring member 92 includes the surface of the light-shielding film and the surface of the base material in the opening 92a. The light-shielding film is formed very thinly, and in the following description, it is assumed that the surface of the light-shielding film and the surface of the base material in the opening 92a are located on the same surface. Further, it is not necessary to form a light-shielding film, but by forming a light-shielding film, the effect of suppressing the influence of flare or the like at the time of measurement can be expected.

第1光学系94は、計測部材92の下方に配置されている。計測部材92の開口92aを介したビームは、第1光学系94に入射する。なお、本実施形態において、第1光学系94は、コリメータ光学系であるが、コリメータ光学系でなくても良い。 The first optical system 94 is arranged below the measuring member 92. The beam through the opening 92a of the measuring member 92 is incident on the first optical system 94. In the present embodiment, the first optical system 94 is a collimator optical system, but it does not have to be a collimator optical system.

光学系ユニット95は、中心に回転軸101aが設けられた円形の回転板101を有している。回転板101には、回転軸101aを中心として所定角度間隔で開口部97とレンズ(第2光学系)98とが配置されている。回転軸101aの回転、すなわち回転板101の回転により、開口部97とレンズ98とのいずれかを、第1光学系94を介した光の光路上(光軸AX1に対応する位置)に、選択的に配置可能となっている。回転軸101aの回転は、制御装置600の指示の下、駆動装置102(図13では不図示、図11参照)によって行われる。 The optical system unit 95 has a circular rotating plate 101 having a rotating shaft 101a at the center. On the rotating plate 101, an opening 97 and a lens (second optical system) 98 are arranged at predetermined angular intervals about the rotating shaft 101a. By rotating the rotating shaft 101a, that is, rotating the rotating plate 101, either the opening 97 or the lens 98 is selected on the optical path of light through the first optical system 94 (position corresponding to the optical axis AX1). It can be arranged as an optical axis. The rotation of the rotation shaft 101a is performed by the drive device 102 (not shown in FIG. 13, see FIG. 11) under the instruction of the control device 600.

開口部97は、第1光学系94から射出された平行光をそのまま通過させる。この開口部97を、集光光学系82を介したビームの光路上に配置するとともに、第1光学系94、又は第1光学系94を構成する少なくとも1つの光学素子を動かすことにより、受光器96では、集光光学系82の瞳面(入射瞳)PP(本実施形態では前側焦点面に一致)におけるビームの強度分布を計測することが可能となる。なお、計測装置110は、集光光学系82の瞳面(入射瞳)PPの強度分布を計測できなくても良い。この場合、レンズ98は固定であっても良い。 The opening 97 allows parallel light emitted from the first optical system 94 to pass through as it is. The aperture 97 is arranged on the optical path of the beam via the condensing optical system 82, and the light receiver is moved by moving the first optical system 94 or at least one optical element constituting the first optical system 94. In 96, it is possible to measure the intensity distribution of the beam in the pupil surface (incident pupil) PP (corresponding to the front focal plane in this embodiment) of the condensing optical system 82. The measuring device 110 may not be able to measure the intensity distribution of the pupil surface (entering pupil) PP of the condensing optical system 82. In this case, the lens 98 may be fixed.

レンズ98は、第1光学系94とともにリレー光学系を構成し、開口92aが形成された計測部材92の上面と受光器96の受光素子(後述)の受光面とを光学的に共役にする。 The lens 98 constitutes a relay optical system together with the first optical system 94, and optically conjugates the upper surface of the measuring member 92 having the opening 92a with the light receiving surface of the light receiving element (described later) of the light receiving device 96.

受光器96は、2次元CCD等から成る受光素子(以下、「CCD」と呼ぶ)96aと、例えば電荷転送制御回路等の電気回路96bと、を有している。なお、受光素子96aとしてCMOSイメージセンサを用いても良いことは言うまでもない。受光器96の受光結果(受光データ)は制御装置600に出力される(図11参照)。CCD96aは、開口92aを介して第1光学系94に入射し、第1光学系94から射出され開口部97を通過する平行光のすべてを受光するのに十分な面積を有している。また、CCD96aの受光面は、第1光学系94とレンズ98とによって構成されるリレー光学系によって計測部材92の上面(開口92aの形成面)と光学的に共役である。また、CCD96aの各画素は、上述のリレー光学系を介して収束されるビームの照射領域内に複数の画素が含まれるサイズを有している。CCD96aには、1つ又は複数の基準画素が定められており、その基準画素とテーブル12の基準点、例えば中心点との位置関係は既知である。したがって、制御装置600は、受光器96の出力から、CCD96aに入射するビームと基準画素との位置関係を知ることができ、テーブル座標系内におけるビームの位置情報(例えば、ビームの集光位置情報)を取得することができる。 The light receiver 96 has a light receiving element (hereinafter referred to as “CCD”) 96a made of a two-dimensional CCD or the like, and an electric circuit 96b such as a charge transfer control circuit or the like. Needless to say, a CMOS image sensor may be used as the light receiving element 96a. The light receiving result (light receiving data) of the light receiving device 96 is output to the control device 600 (see FIG. 11). The CCD96a has an area sufficient to receive all of the parallel light incident on the first optical system 94 through the opening 92a, emitted from the first optical system 94, and passing through the opening 97. Further, the light receiving surface of the CCD 96a is optically conjugated to the upper surface of the measuring member 92 (the surface forming the opening 92a) by the relay optical system composed of the first optical system 94 and the lens 98. Further, each pixel of the CCD96a has a size in which a plurality of pixels are included in the irradiation region of the beam converged via the relay optical system described above. One or a plurality of reference pixels are defined in the CCD96a, and the positional relationship between the reference pixels and the reference point of the table 12, for example, the center point is known. Therefore, the control device 600 can know the positional relationship between the beam incident on the CCD 96a and the reference pixel from the output of the receiver 96, and the position information of the beam in the table coordinate system (for example, the focused position information of the beam). ) Can be obtained.

なお、CCD96aの受光面は、計測部材92の上面(基材表面)が集光光学系82の後側焦点面(造形面MP)に一致し、かつ開口部97が、開口92a及び第1光学系94を介したビームの光路上に配置されている状態では、集光光学系82の瞳面と共役である。 As for the light receiving surface of the CCD 96a, the upper surface (base material surface) of the measuring member 92 coincides with the rear focal surface (modeling surface MP) of the condensing optical system 82, and the opening 97 has the opening 92a and the first optical. When arranged on the optical path of the beam via the system 94, it is conjugated with the pupil surface of the focused optical system 82.

また、開口部97の代わりに、光学系(光学部材)を回転板101に配置して、CCD96aの受光面と集光光学系82の瞳面とを共役にしても良い。また、計測の際に、計測部材92の上面を集光光学系82の後側焦点面から光軸AX方向にずらした位置に配置しても良い。 Further, instead of the opening 97, an optical system (optical member) may be arranged on the rotating plate 101 so that the light receiving surface of the CCD 96a and the pupil surface of the condensing optical system 82 may be conjugated. Further, at the time of measurement, the upper surface of the measuring member 92 may be arranged at a position shifted from the rear focal plane of the condensing optical system 82 in the optical axis AX direction.

また、光学系ユニット95は、上述のものに限られない。例えば、回転板101を使わずに、例えば可動部材でレンズ98を保持して、その可動部材を光軸に垂直方向に(例えばX軸方向に沿って)移動することによってレンズ98を挿脱しても良い。 Further, the optical system unit 95 is not limited to the above-mentioned one. For example, without using the rotating plate 101, for example, the lens 98 is held by a movable member, and the movable member is moved in the direction perpendicular to the optical axis (for example, along the X-axis direction) to insert and remove the lens 98. Is also good.

上述の説明から明らかなように、本実施形態では、計測部材92を含む計測装置110が6自由度方向に自在に移動可能なテーブル12に設けられているので、計測装置110の受光部として機能する計測部材92は、集光光学系82の射出面側の光軸AXに平行なZ軸方向、光軸AXに垂直なX軸、Y軸方向の少なくとも一方向に移動しながら、集光光学系82からのビームを受光可能である。 As is clear from the above description, in the present embodiment, since the measuring device 110 including the measuring member 92 is provided on the table 12 that can be freely moved in the direction of six degrees of freedom, it functions as a light receiving unit of the measuring device 110. The measuring member 92 moves in at least one direction in the Z-axis direction parallel to the optical axis AX on the ejection surface side of the focusing optical system 82, the X-axis perpendicular to the optical axis AX, and the Y-axis direction. The beam from the system 82 can be received.

集光光学系82の後側焦点面におけるビームの強度分布の計測は、例えば次のようにして行われる。 The intensity distribution of the beam on the rear focal plane of the condensing optical system 82 is measured, for example, as follows.

制御装置600は、まず、位置計測系28及びリニアエンコーダ24~24の計測値に基づいて、平面モータ26及び伸縮機構16~16を、既知の目標値(設計情報など)に基づいて制御してテーブル12を移動し、計測部材92の開口92aを、集光光学系82の光軸AX上の位置に位置決めする。 First, the control device 600 sets the planar motor 26 and the expansion / contraction mechanism 16 1 to 166 based on the measured values of the position measuring system 28 and the linear encoders 24 1 to 246 based on known target values (design information, etc.). The table 12 is controlled to move the table 12, and the opening 92a of the measuring member 92 is positioned on the optical axis AX of the condensing optical system 82.

また、制御装置600は、駆動装置102を介して回転板101を回転し、レンズ98を、開口92a及び第1光学系94を介したビームの光路上に配置する。そして、この状態で、レンズ98によってCCD96aの受光面上に収束されるビームの受光結果である受光データ(LRD1とする、図11参照)に基づいて、集光光学系82の後側焦点面におけるビームの強度分布を計測する。 Further, the control device 600 rotates the rotating plate 101 via the driving device 102, and arranges the lens 98 on the optical path of the beam through the opening 92a and the first optical system 94. Then, in this state, based on the light receiving data (referred to as LRD1, see FIG. 11) which is the light receiving result of the beam converged on the light receiving surface of the CCD 96a by the lens 98, in the rear focal plane of the focused optical system 82. Measure the intensity distribution of the beam.

図14(A)には、集光光学系82の後側焦点面におけるビームの強度分布を計測する際の光学配置が、計測装置110の光軸AX1及び集光光学系82の光軸AXに沿って展開して示されている(但し、集光光学系82より上流側の部分は図示を省略)。このとき、ミラーアレイ80の各ミラー素子81p,qの反射面は、後側焦点面において所望のビームの強度分布(ビームの照射領域の形状、大きさ、配置等)が得られるような設計上の角度に設定されているものとする。 In FIG. 14A, the optical arrangement when measuring the beam intensity distribution on the rear focal plane of the condensing optical system 82 is arranged on the optical axis AX1 of the measuring device 110 and the optical axis AX of the condensing optical system 82. It is shown developed along the line (however, the portion upstream of the condensing optical system 82 is not shown). At this time, the reflective surfaces of the mirror elements 81 p and q of the mirror array 80 are designed so that a desired beam intensity distribution (shape, size, arrangement, etc. of the beam irradiation region) can be obtained on the rear focal plane. It is assumed that it is set to the upper angle.

図14(A)に示される光学配置において、制御装置600が光源ユニット60の少なくとも1つのレーザユニット70からレーザビームを発振させ、光源系510から平行ビームが射出されると、その平行ビームは、ミラーアレイ80の複数のミラー素子81p,qによってそれぞれ反射され、複数の平行ビームとなって集光光学系82に入射する。集光光学系82に入射した複数の平行ビームは、集光光学系82により後側焦点面に集光され、該後側焦点面又はその近傍に位置する開口92aに入射する。 In the optical arrangement shown in FIG. 14A, when the control device 600 oscillates a laser beam from at least one laser unit 70 of the light source unit 60 and a parallel beam is emitted from the light source system 510, the parallel beam is emitted. It is reflected by the plurality of mirror elements 81 p and q of the mirror array 80, respectively, and becomes a plurality of parallel beams to be incident on the condensing optical system 82. The plurality of parallel beams incident on the focusing optical system 82 are focused on the rear focal plane by the focusing optical system 82, and are incident on the opening 92a located at or near the rear focal plane.

開口92aを通過した光は、第1光学系94及びレンズ98から成るリレー光学系によって、計測部材92の光学的な共役面すなわちCCD96aの受光面上で集光される。したがって、CCD96aの受光面の強度分布は、計測部材92の上面内におけるビームの強度分布となる。CCD96aにより、その強度分布を有するビームが受光され、光電変換されて得られる受光データLRD1が受光器96(電気回路96b)から制御装置600に送信される(図11参照)。 The light that has passed through the opening 92a is collected by the relay optical system including the first optical system 94 and the lens 98 on the optically conjugate surface of the measuring member 92, that is, the light receiving surface of the CCD 96a. Therefore, the intensity distribution of the light receiving surface of the CCD96a is the intensity distribution of the beam in the upper surface of the measuring member 92. A beam having the intensity distribution is received by the CCD 96a, and the light receiving data LRD1 obtained by photoelectric conversion is transmitted from the light receiver 96 (electric circuit 96b) to the control device 600 (see FIG. 11).

そこで、制御装置600は、リニアエンコーダ24~24の計測値に基づいて伸縮機構16~16を介してテーブル12をZ軸方向にステップ移動しつつ、上記受光データLRD1の取り込みを行い、その取り込んだ受光データLRD1に基づいて、例えばCCD96aの受光面に形成されるビームの照射領域の面積が最小となるZ軸方向の位置を見つける。CCD96aの受光面に形成されるビームの照射領域の面積が最小となるのは、計測部材92の上面が、集光光学系82の後側焦点面に一致して、開口92a内に最もシャープなビームの照射領域が形成されるときである。したがって、制御装置600は、受光器96からの受光データLRD1に基づき、ビームを受光した画素の数が最も少なくなるテーブル12のZ位置を、計測部材92の上面と後側焦点面とが一致しているZ位置と判断することができる。本実施形態では、後側焦点面を造形面MPとしているので、制御装置600は、そのZ位置における受光データLRD1に基づいて、造形面MPにおけるビームの強度分布(ビームの照射領域の形状、大きさ、配置等)を求めることができる。造形面MPにおけるビームの強度分布(ビームの照射領域の形状、大きさ、配置等)が所望状態と異なる場合、制御装置600は、例えばミラーアレイ80の複数のミラー素子81p,qの少なくとも一部の角度を調整し、造形面MPにおけるビームの強度分布を所望状態に調整する。 Therefore, the control device 600 captures the light receiving data LRD1 while stepping the table 12 in the Z-axis direction via the expansion / contraction mechanisms 16 1 to 166 based on the measured values of the linear encoders 24 1 to 246. Based on the captured light-receiving data LRD1, for example, a position in the Z-axis direction where the area of the irradiation region of the beam formed on the light-receiving surface of the CCD96a is minimized is found. The area of the irradiation region of the beam formed on the light receiving surface of the CCD 96a is minimized because the upper surface of the measuring member 92 coincides with the rear focal plane of the condensing optical system 82 and is the sharpest in the opening 92a. It is when the irradiation area of the beam is formed. Therefore, the control device 600 coincides with the upper surface of the measuring member 92 and the rear focal plane at the Z position of the table 12 where the number of pixels that have received the beam is the smallest, based on the light receiving data LRD1 from the light receiving receiver 96. It can be determined that the Z position is set. In the present embodiment, since the rear focal plane is the modeling surface MP, the control device 600 determines the beam intensity distribution (shape and size of the beam irradiation region) on the modeling surface MP based on the light receiving data LRD1 at the Z position. , Arrangement, etc.) can be obtained. When the intensity distribution of the beam (shape, size, arrangement, etc. of the irradiation region of the beam) on the modeling surface MP is different from the desired state, the control device 600 may be used, for example, at least one of a plurality of mirror elements 81 p, q of the mirror array 80. The angle of the portion is adjusted to adjust the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP to a desired state.

また、計測部材92の上面と後側焦点面とが一致している状態での、CCD96aの受光面におけるビームの強度分布と1つ、又は複数の基準画素との位置関係から、造形面MP(集光光学系82の後側焦点面)におけるビームの照射領域の、テーブル座標系上の位置などを求めることができる。 Further, from the positional relationship between the beam intensity distribution on the light receiving surface of the CCD96a and one or a plurality of reference pixels in a state where the upper surface of the measuring member 92 and the rear focal plane coincide with each other, the modeling surface MP ( The position of the beam irradiation region on the rear focal plane of the condensing optical system 82 on the table coordinate system can be obtained.

なお、集光光学系82の後側焦点面のZ位置が既知であり、そのZ位置が変化していないと判断できる場合には、Z軸方向のステップ移動をしなくても良い。 If the Z position of the rear focal plane of the condensing optical system 82 is known and it can be determined that the Z position has not changed, the step movement in the Z-axis direction may not be necessary.

本実施形態では、制御装置600は、上述の造形面MPにおけるビームの強度分布(ビームの照射領域の形状、大きさ、配置等)の計測を行った後に、次に説明する集光光学系82の瞳面(入射瞳)PPにおけるビームの強度分布の計測を行う。 In the present embodiment, the control device 600 measures the intensity distribution of the beam (shape, size, arrangement, etc. of the irradiation region of the beam) on the above-mentioned modeling surface MP, and then the condensing optical system 82 described below. The intensity distribution of the beam in the pupil surface (entering pupil) PP is measured.

集光光学系82の瞳面(入射瞳)PP(本実施形態では前側焦点面に一致)おけるビームの強度分布の計測は、例えば次のようにして行われる。 The intensity distribution of the beam on the pupil surface (entering pupil) PP (corresponding to the front focal plane in this embodiment) of the condensing optical system 82 is measured, for example, as follows.

上述した造形面MPにおけるビームの強度分布(ビームの照射領域の形状、大きさ、配置等)の計測の終了後、制御装置600は、計測部材92の上面(開口92aの形成面)が集光光学系82の光軸AX上の位置であって造形面MPと同一高さとなる位置に、テーブル12の位置を、維持したまま、駆動装置102を介して回転板101を回転し、開口部97を、開口92a及び第1光学系94を介したビームの光路上に配置する。そして、この状態で、瞳面PPにおけるビームの強度分布の計測を行う。 After the measurement of the beam intensity distribution (shape, size, arrangement, etc. of the beam irradiation region) on the modeling surface MP described above is completed, in the control device 600, the upper surface of the measuring member 92 (the forming surface of the opening 92a) is focused. The rotary plate 101 is rotated via the drive device 102 while maintaining the position of the table 12 at the position on the optical axis AX of the optical system 82 and at the same height as the modeling surface MP, and the opening 97 is formed. Is arranged on the optical path of the beam through the opening 92a and the first optical system 94. Then, in this state, the intensity distribution of the beam on the pupil surface PP is measured.

図14(B)には、瞳面PPにおけるビームの強度分布計測が行われる際の光学配置が、計測装置110の光軸AX1及び集光光学系82の光軸AXに沿って展開して示されている(但し、集光光学系82より上流側の部分は図示を省略)。図14(B)に示されるように、この状態では、ビームの光路上には、開口部97が配置されているため、第1光学系94を介した平行光は、そのまま受光器96を構成するCCD96aに入射する。この場合、CCD96aの受光面は、集光光学系82の瞳面PPと共役な位置に配置されているとみなすことができ、その瞳面PPにおけるビームの強度分布に対応する光束を受光することが可能となる。そこで、制御装置600は、受光器96の受光データ(LRD2とする、図11参照)を取り込み、その受光データLRD2に基づいて瞳面PPにおけるビームの強度分布を求める。そして、その求めた強度分布のデータをメモリに記憶する。 FIG. 14B shows the optical arrangement when the intensity distribution of the beam on the pupil surface PP is measured developed along the optical axis AX1 of the measuring device 110 and the optical axis AX of the condensing optical system 82. (However, the portion upstream of the condensing optical system 82 is not shown). As shown in FIG. 14B, in this state, since the opening 97 is arranged on the optical path of the beam, the parallel light via the first optical system 94 constitutes the receiver 96 as it is. It is incident on the CCD96a. In this case, the light receiving surface of the CCD96a can be regarded as being arranged at a position conjugate with the pupil surface PP of the condensing optical system 82, and receives a light flux corresponding to the intensity distribution of the beam on the pupil surface PP. Is possible. Therefore, the control device 600 takes in the light receiving data of the light receiving receiver 96 (referred to as LRD2, see FIG. 11), and obtains the intensity distribution of the beam in the pupil surface PP based on the light receiving data LRD2. Then, the obtained intensity distribution data is stored in the memory.

制御装置600は、瞳面PPにおけるビームの強度分布に基づいて、例えばミラーアレイ80の複数のミラー素子81p,qの少なくとも一部の角度を調整することができる。 The control device 600 can adjust at least a part of the angles of the plurality of mirror elements 81 p, q of the mirror array 80, for example, based on the intensity distribution of the beam in the pupil surface PP.

なお、制御装置600は、瞳面PPにおけるビームの強度分布の計測を、造形面MPにおけるビームの強度分布を計測する度に行っても良いが、造形面MPにおけるビームの強度分布計測を所定回数行う度に1回の頻度で行っても良い。 The control device 600 may measure the intensity distribution of the beam on the pupil surface PP every time the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP is measured, but the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP may be measured a predetermined number of times. You may do it once every time you do it.

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。 FIG. 11 shows a block diagram showing an input / output relationship of the control device 600 that mainly constitutes the control system of the modeling device 100. The control device 600 includes a workstation (or a microcomputer) and the like, and controls each component of the modeling device 100 in an integrated manner.

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で行われる一連の作業は自動化されており、ワークの供給は、パレットにまとめた一定量を1ロットとして、ロット単位で投入することが可能である。 The basic function of the modeling apparatus 100 according to the present embodiment configured as described above is to add a desired shape to an existing part (work) by three-dimensional modeling. The work is put into the modeling device 100, and after the desired shape is accurately added, the work is carried out from the modeling device 100. At this time, the actual shape data of the added shape is sent from the device to an external device, for example, a higher-level device. The series of operations performed by the modeling apparatus 100 is automated, and the work can be supplied in lot units with a fixed amount collected on the pallet as one lot.

図15には、制御装置600の一連の処理アルゴリズムに対応するフローチャートが示されている。以下のフローチャートにおける各ステップの処理(判断を含む)は、制御装置600によって行われるが、以下では特に必要な場合を除き、制御装置600に関する説明は省略する。 FIG. 15 shows a flowchart corresponding to a series of processing algorithms of the control device 600. The processing (including determination) of each step in the following flowchart is performed by the control device 600, but the description of the control device 600 will be omitted below unless it is particularly necessary.

外部から開始指令が制御装置600に入力されると、図15のフローチャートに従う処理が開始される。 When a start command is input to the control device 600 from the outside, the process according to the flowchart of FIG. 15 is started.

まず、ステップS2において、ロット内のワークの番号を示すカウンタのカウント値nを初期化する(n←1)。 First, in step S2, the count value n of the counter indicating the number of the work in the lot is initialized (n ← 1).

次のステップS4では付加加工前の1ロットのワークが搭載されたパレット(不図示)を外部から造形装置100内の所定の搬出入位置に搬入する。この搬入は、制御装置600の指示に応じて不図示の搬出入装置によって行われる。ここで、1ロットは例えばi×j個であり、パレット上にi×j個のワークがi行j列のマトリックス状の配置で搭載されている。すなわち、パレット上面には、i行j列のマトリックス状の配置でワークの搭載位置(載置位置)が定められており、それぞれの搭載位置にワークが搭載(載置)されている。例えば各搭載位置には、それぞれマークが付されており、各マークのパレット上の位置は既知である。以下では、1ロットは、一例として4×5=20個とし、パレット上面には、4行5列のマトリックス状の配置でマークが付されており、各マークの上にワークが搭載されているものとする。例えば、ロット内の第1~第5番目のワークは、それぞれ1行1列~1行5列の位置に配置され、第6~第10番目のワークは、それぞれ2行1列~2行5列の位置に配置され、第11~第15番目のワークは、それぞれ3行1列~3行5列の位置に配置され、第16~第20番目のワークは、それぞれ4行1列~4行5列の位置に配置される。 In the next step S4, a pallet (not shown) on which one lot of workpieces before additional processing is mounted is carried in from the outside to a predetermined carry-in / out position in the modeling apparatus 100. This loading / unloading is performed by a loading / unloading device (not shown) according to the instruction of the control device 600. Here, one lot is, for example, i × j pieces, and i × j pieces of work are mounted on the pallet in a matrix-like arrangement of i rows and j columns. That is, on the upper surface of the pallet, the mounting position (mounting position) of the work is determined by the matrix-like arrangement of i rows and j columns, and the work is mounted (mounted) at each mounting position. For example, each mounting position is marked, and the position of each mark on the pallet is known. In the following, one lot is 4 × 5 = 20 as an example, and marks are attached to the upper surface of the pallet in a matrix-like arrangement of 4 rows and 5 columns, and the workpiece is mounted on each mark. It shall be. For example, the 1st to 5th workpieces in the lot are arranged at positions of 1 row 1 column to 1 row 5 columns, respectively, and the 6th to 10th workpieces are arranged in 2 rows 1 column to 2 rows 5 respectively. The 11th to 15th works are arranged at the positions of columns, the 11th to 15th works are arranged at the positions of 3 rows, 1 column to 3 rows and 5 columns, respectively, and the 16th to 20th works are arranged at 4 rows, 1 column to 4 respectively. Arranged at the position of row 5 column.

次のステップS6ではロット内のn番目のワークをパレットから取り出してテーブル12に搭載する。このとき移動システム200は、造形装置100内の搬送システム300が設置された位置の近傍に設定されているローディング/アンローディングポジションにあるものとする。また、このときテーブル12は、前述した基準状態(Z、θx、θy、θz)=(Z、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。 In the next step S6, the nth work in the lot is taken out from the pallet and mounted on the table 12. At this time, it is assumed that the mobile system 200 is in the loading / unloading position set in the vicinity of the position where the transport system 300 in the modeling apparatus 100 is installed. Further, at this time, the table 12 is in the above-mentioned reference state (Z, θx, θy, θz) = (Z 0 , 0, 0, 0), and its XY position is a slider measured by the position measurement system 28. It coincides with the X and Y positions of 10.

具体的には、制御装置600が、カウント値nを参照して、取り出すべきワークのパレット上の位置(i,j)を特定するとともに、搬送システム300に対し、その特定した位置(i.j)にあるワークの取り出しの指示を与える。この指示に応じ、搬送システム300によりワークがパレット上から取り出されてテーブル12上に搭載される。例えば、n=1の場合、パレット上の1行1列目の位置にあるワークが取り出されてテーブル12上に搭載される。 Specifically, the control device 600 specifies the position (i, j) on the pallet of the work to be taken out with reference to the count value n, and the specified position (i.j.) with respect to the transfer system 300. ) Gives instructions to take out the work. In response to this instruction, the work is taken out from the pallet by the transfer system 300 and mounted on the table 12. For example, when n = 1, the work at the position of the first row and the first column on the pallet is taken out and mounted on the table 12.

次いで、ステップS7において、ワークを搭載したテーブル12を、計測システム400(センサ部38)の下方に移動する。このテーブル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、移動システム200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。 Next, in step S7, the table 12 on which the work is mounted is moved below the measurement system 400 (sensor unit 38). In the movement of the table 12, the control device 600 controls the planar motor 26 based on the measurement information of the position measurement system 28 to drive the movement system 200 on the base BS in the X-axis direction (and the Y-axis direction). It is done by. Even during this movement, the table 12 maintains the above-mentioned reference state.

次のステップS8では、計測システム400を用いて、基準状態にあるテーブル12上に搭載されたワーク上の対象面の少なくとも一部の三次元空間内の位置情報(本実施形態では三次元形状情報)の計測が行われる。これ以後は、この計測結果に基づき、ワーク上の対象面の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。 In the next step S8, the measurement system 400 is used to position information in at least a part of the target surface on the work surface mounted on the table 12 in the reference state in the three-dimensional space (three-dimensional shape information in the present embodiment). ) Is measured. After that, based on this measurement result, the position of the target surface on the work in the six degrees of freedom direction can be managed by open-loop control on the table coordinate system (reference coordinate system).

次のステップS9では、対象面の少なくとも一部の位置情報(形状情報)の計測が終了したワークを搭載したテーブル12を、前述と同様にしてビーム造形システム500(ノズルユニット84)の下方に移動する。 In the next step S9, the table 12 on which the workpiece whose position information (shape information) has been measured for at least a part of the target surface has been measured is moved below the beam modeling system 500 (nozzle unit 84) in the same manner as described above. do.

次のステップS10では、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を施す。この付加加工は、次のようにして行われる。 In the next step S10, additional processing is performed by three-dimensional modeling to add a shape corresponding to 3D data to the work on the table 12. This additional processing is performed as follows.

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位置情報(本実施形態では形状情報)を考慮して行われる。例えば、計測システム400を使って取得されたワークWの対象面TASの位置情報(形状情報)は、ワークWの対象面TAS上の目標部位TAを、造形面MPにおけるビームの照射領域に位置合わせするために用いられる。この他、制御装置600は、計測システム400を使って取得されたワークWの対象面TASの位置情報(形状情報)に基づいて、ビーム造形システム500をも制御する。この制御の内容としては、先に、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、配置等を設定又は変更する方法として説明したビーム照射部520の各種制御、及びビームの強度分布の設定又は変更に応じて行われることとして説明した、材料処理部530による造形材料の供給動作に関連する各種の制御内容の全てが含まれる。 That is, the control device 600 converts the three-dimensional CAD data of the shape to be added by the addition processing (the shape obtained by removing the shape of the work to be added processing from the shape of the object created after the addition processing) as the data for three-dimensional modeling. For example, the data is converted into STL (Stereo Lithography) data, and further, the data of each layer sliced in the Z-axis direction is generated from the three-dimensional STL data. Then, the control device 600 controls the moving system 200 and the beam modeling system 500 in order to perform additional processing of each layer on the work based on the data of each layer, and forms the above-mentioned one-character region and the nozzle 84a for the one-character beam. The formation of the linear molten pool by supplying the modeling material from the above is repeatedly performed for each layer while scanning the table 12 in the scanning direction. Here, the position and orientation of the target surface on the work during the additional machining are controlled in consideration of the position information of the target surface (shape information in the present embodiment) measured earlier. For example, the position information (shape information) of the target surface TAS of the work W acquired by using the measurement system 400 aligns the target portion TA on the target surface TAS of the work W with the irradiation region of the beam in the modeling surface MP. Used to do. In addition, the control device 600 also controls the beam modeling system 500 based on the position information (shape information) of the target surface TAS of the work W acquired by using the measurement system 400. The content of this control is described above as a method of setting or changing the intensity distribution of the beam on the modeling surface, for example, the shape, size, arrangement, etc. of the irradiation region of the beam formed on the modeling surface. It includes all of the various controls related to the various controls of the unit 520 and the various control contents related to the supply operation of the modeling material by the material processing unit 530 described as being performed according to the setting or change of the intensity distribution of the beam.

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93を介して各供給口91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。 Here, in the above description, the target surface (for example, the upper surface) TAS on which the target portion TA of the additional processing of the work W is set is perpendicular to the optical axis of the condensing optical system 82 by adjusting the inclination of the table 12. It is assumed that the plane is set to a plane (a plane parallel to the XY plane), and the modeling accompanied by the scanning operation of the table 12 is performed. However, the target surface on which the target portion for additional processing of the work is set is not always a plane on which a single character beam can be used. However, the modeling apparatus 100 according to the present embodiment includes a moving system 200 capable of arbitrarily setting the position of the table 12 on which the work is mounted in the six degrees of freedom direction. Therefore, in such a case, the control device 600 controls the moving system 200 and the beam irradiation unit 520 of the beam modeling system 500 based on the three-dimensional shape of the work measured by the measurement system 400, and controls the modeling surface MP. The width of the beam irradiation region on the modeling surface MP in the X-axis direction to the extent that the target surface (for example, the upper surface) on the work W aligned with the above can be regarded as flat that can be additionally processed in the beam irradiation region on the modeling surface MP. The opening and closing operation of each supply port 91i is performed through each opening / closing member 93i of the nozzle 84a, and the modeling material is supplied to the beam irradiated to the irradiation region from the necessary supply port. As a result, even if the upper surface (target surface) of the work is not flat, it is possible to perform modeling on a necessary portion.

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。 In addition, when modeling by stacking beads, additional processing (bead formation) is performed with a beam having a small width in the X-axis direction of the irradiation region on the modeling surface to form a plane having a relatively large area, and then on the modeling surface. Additional processing (bead formation) may be performed on the plane using a single character beam having an increased width in the X-axis direction of the irradiation region. For example, when modeling on an uneven target surface, a flat surface is formed by performing additional processing (bead formation) to fill the recesses with a beam having a small width in the X-axis direction of the irradiation region on the modeling surface, and then modeling. Additional processing (bead formation) may be performed on the plane of the single character beam having a widened width in the X-axis direction of the irradiation region in the surface MP. Even in such a case, it goes without saying that the powder of the modeling material is supplied from one or a plurality of supply ports selected according to the change in the size (width) of the irradiation region of the beam on the modeling surface MP.

ワークに対する付加加工の終了後、ステップS11において、付加加工済みのワークWを搭載したテーブル12を計測システム400の下方に移動する。 After the addition processing to the work is completed, in step S11, the table 12 on which the addition processing work W is mounted is moved below the measurement system 400.

次のステップS12では、計測システム400の三次元計測機401を用いてテーブル12上のワークの形状を検査する。具体的には、制御装置600は、付加加工済みのワークの三次元形状を、そのワークをテーブル12上に搭載したまま三次元計測機401を用いて計測し、設計値から求められる付加加工済のワークの三次元形状に対する計測したワークの三次元形状の寸法誤差を求める。ここで、検査の対象となる付加加工済みのワーク(テーブル12上のワーク)は、最初の付加加工のみが施されたワーク及び付加加工後に後述する修正加工が施されたワークの双方を含む。 In the next step S12, the shape of the work on the table 12 is inspected by using the three-dimensional measuring machine 401 of the measuring system 400. Specifically, the control device 600 measures the three-dimensional shape of the work that has been additionally processed by using the three-dimensional measuring machine 401 with the work mounted on the table 12, and the additional processing that is obtained from the design value has been completed. Obtain the dimensional error of the measured 3D shape of the work with respect to the 3D shape of the work. Here, the work that has been subjected to additional processing (work on the table 12) to be inspected includes both a work that has undergone only the first additional processing and a work that has undergone correction processing described later after the additional processing.

検査終了後、次のステップS14において、検査により得られた寸法誤差が予め定めたしきい値以下であるか否かを判断することにより、付加加工の合否判定、すなわち合格か否かの判断を行う。そして、このステップS14における判断が肯定された場合、すなわち合格であった場合には、ステップS15に進む。 After the inspection is completed, in the next step S14, by determining whether or not the dimensional error obtained by the inspection is equal to or less than the predetermined threshold value, the pass / fail determination of the additional processing, that is, the determination of whether or not the addition is passed is determined. conduct. Then, if the determination in step S14 is affirmed, that is, if the determination is successful, the process proceeds to step S15.

一方、ステップS14における判断が否定された場合、すなわち不合格であった場合には、ステップS19に移行し、ワークを搭載したテーブル12をビーム造形システム500の下方に移動した後、ステップS20においてテーブル12上に搭載されているワークに対する修正加工を行う。この修正加工は、例えば、先に検査により得られた寸法誤差に基づいて、その寸法誤差が極力零になるように、通常の3Dプリンタによる造形と同様、ビーム造形システム500のビーム照射部520からのビーム(例えばスポット状のビーム)を用いて、テーブル12を静止した状態又は極低速で移動させつつ溶融池を形成することで行われる。この場合において、検査の結果得られた寸法誤差がプラス(正)の値であった場合、すなわち付加加工によりワークの対象面上に必要以上に厚い形状が付加されていた場合には、余分な部分の造形材料を除去する必要がある。本実施形態では、制御装置600が、造形材料の供給を行うこと無く、ビーム造形システム500のビーム照射部520からのビームをワークの対象面上の余分な形状部分に照射してその部分の造形材料を溶かしつつ、テーブル12を急加速、急減速させつつ移動して、溶けた造形材料をワークの対象面上から除去する。なお、テーブル12を急加速、急減速させつつ移動するとともに、あるいは代わりに、溶けた造形材料を吹き飛ばす圧縮空気の噴き出し装置を、ビーム造形システム500に設けても良い。あるいは、ビームにより造形材料を溶かすことなく、余分な造形材料を機械的に除去する刃物等を有する除去装置を、ビーム造形システム500内に設けても良い。いずれにしても、ワークの対象面上から除去された造形材料(溶かされた造形材料又は機械的に除去された造形材料)を、回収する回収装置を、ビーム造形システム500内に設けることが望ましい。回収装置を、ノズル84aと全く別に設けても良いが、ノズルに溶融しなかった余分の粉状の造形材料の回収口を設ける場合には、その回収口を上記の除去された造形材料の回収口として兼用しても良い。 On the other hand, if the determination in step S14 is denied, that is, if the determination is unsuccessful, the process proceeds to step S19, the table 12 on which the work is mounted is moved below the beam modeling system 500, and then the table in step S20. The work mounted on the 12 is modified. This correction processing is performed from the beam irradiation unit 520 of the beam modeling system 500, as in the case of modeling with a normal 3D printer, so that the dimensional error becomes as zero as possible based on the dimensional error obtained by the inspection. (For example, a spot-shaped beam) is used to form a molten pool while moving the table 12 in a stationary state or at an extremely low speed. In this case, if the dimensional error obtained as a result of the inspection is a positive (positive) value, that is, if an unnecessarily thick shape is added to the target surface of the work by additional processing, it is extra. It is necessary to remove the modeling material of the part. In the present embodiment, the control device 600 irradiates an extra shape portion on the target surface of the work with a beam from the beam irradiation unit 520 of the beam modeling system 500 without supplying the modeling material, and modeling of that portion. While melting the material, the table 12 is moved while rapidly accelerating and decelerating, and the melted modeling material is removed from the target surface of the work. The beam modeling system 500 may be provided with a compressed air ejection device that moves the table 12 while rapidly accelerating or decelerating it, or instead, blows away the melted modeling material. Alternatively, a removing device having a cutting tool or the like that mechanically removes excess modeling material without melting the modeling material by the beam may be provided in the beam modeling system 500. In any case, it is desirable to provide a recovery device in the beam modeling system 500 for recovering the modeling material (melted modeling material or mechanically removed modeling material) removed from the target surface of the work. .. The recovery device may be provided completely separately from the nozzle 84a, but when the nozzle is provided with a recovery port for excess powdery modeling material that has not melted, the recovery port is used to recover the removed modeling material. It may also be used as a mouth.

上述した修正加工が終了すると、ステップS11に戻り、修正加工済みのワークを搭載したテーブル12を計測システム400の下方に移動した後、次のステップS12で計測システム400の三次元計測機401を用いてテーブル12上のワークの形状を検査する。そして、ステップS14において、付加加工の合否判定、すなわち合格か否かの判断を行う。そして、再び、ステップS14における判断が否定された場合(不合格であった場合)には、以降、ステップS14における判断が肯定されるまで、すなわち、修正加工後の形状の検査結果が合格となるまで、ステップS19、S20、S11、S12、S14のループの処理(判断を含む)が繰り返され、必要なさらなる修正加工が施される。 When the above-mentioned correction processing is completed, the process returns to step S11, the table 12 on which the correction processing work is mounted is moved below the measurement system 400, and then the three-dimensional measuring machine 401 of the measurement system 400 is used in the next step S12. Inspect the shape of the work on the table 12. Then, in step S14, a pass / fail determination of the additional processing, that is, a determination of pass / fail is performed. Then, when the judgment in step S14 is denied (if it fails) again, the inspection result of the shape after the correction process is passed until the judgment in step S14 is affirmed. Until then, the loop processing (including determination) of steps S19, S20, S11, S12, and S14 is repeated, and necessary further correction processing is performed.

ステップS15では、付加加工済み(修正加工済みを含む)のワークが搭載されたテーブル12を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する。 In step S15, the table 12 on which the work that has been added (including modified) is mounted is moved to the above-mentioned loading / unloading position.

次のステップS16では、テーブル12上に搭載されている加工済みのロット内のn番目のワークをパレットに戻す。具体的には、制御装置600が、カウント値nを参照して、パレット上の位置を特定し、搬送システム300に対し、パレット上の特定した位置にワークを戻させるための指示を与える。この指示に応じ、搬送システム300により、付加加工済みのワークがテーブル12上から取り出されてパレット上の特定された位置に戻される。上記の搬送システム300に対する指示と前後して、制御装置600は、直前にステップS12において行われたワークの形状検査で得られた、付け加えられた形状の実際の形状データを、外部の装置、例えば上位装置に送る。 In the next step S16, the nth work in the processed lot mounted on the table 12 is returned to the pallet. Specifically, the control device 600 identifies a position on the pallet with reference to the count value n, and gives an instruction to the transfer system 300 to return the work to the specified position on the pallet. In response to this instruction, the transfer system 300 removes the work that has been subjected to the addition processing from the table 12 and returns it to the specified position on the pallet. Prior to and after the instruction to the transfer system 300, the control device 600 applies the actual shape data of the added shape obtained in the shape inspection of the work performed in step S12 immediately before to an external device, for example. Send to higher-level device.

ステップS16の処理が実行されると、ステップS22に移行する。この時点では、テーブル12上には、ワークは存在しない。ステップS22では、カウンタのカウント値nを1インクリメント(n←n+1)する。 When the process of step S16 is executed, the process proceeds to step S22. At this point, there is no work on the table 12. In step S22, the counter count value n is incremented by 1 (n ← n + 1).

次のステップS24では、カウント値nがN(Nは、1ロットのワークの数、本実施形態ではN=20)を超えているか否かを判断する。そして、ステップS24における判断が否定された場合、すなわちロット内に処理が終了していないワークが存在する場合には、ステップS6に戻り、ステップS24における判断が肯定されるまで、ステップS6~S24を繰り返す。これにより、ロット内の第2番目以降のワークに対して、上述した一連の処理(判断を含む)が行われる。そして、ロット内の全てのワークに対して処理が終了し、ステップS24における判断が肯定されると、ステップS26に進んで、不図示の搬出入装置に対し、処理済みのワークが搭載されたパレットの装置外への搬出を指示した後、本ルーチンの一連の処理を終了する。 In the next step S24, it is determined whether or not the count value n exceeds N (N is the number of workpieces in one lot, N = 20 in this embodiment). If the determination in step S24 is denied, that is, if there is a work whose processing has not been completed in the lot, the process returns to step S6, and steps S6 to S24 are repeated until the determination in step S24 is affirmed. repeat. As a result, the series of processes (including judgment) described above are performed on the second and subsequent works in the lot. Then, when the processing is completed for all the workpieces in the lot and the determination in step S24 is affirmed, the process proceeds to step S26, and the pallet on which the processed workpieces are mounted on the loading / unloading device (not shown). After instructing to carry out the device, the series of processes of this routine is terminated.

なお、上の説明では、ワークに対する付加加工の終了後、付加加工済みのワークWを搭載したテーブル12を計測システム400の下方に移動して、計測システム400の三次元計測機401を用いてテーブル12上のワークの形状を検査するものとしたが、かかる検査を行うこと無く、ワークに対する付加加工の終了後、付加加工済みのワークWを搭載したテーブル12を、その加工済みのワークをパレットに戻すため、ローディング/アンローディングポジションに移動することとしても良い。すなわち、付加加工済みのワークの形状検査、及びこの検査結果を用いる前述の修正加工は、必ずしも行わなくても良い。あるいは、ワークに対する付加加工の終了後、付加加工済みのワークWを搭載したテーブル12を計測システム400の下方に移動して、計測システム400の三次元計測機401を用いてテーブル12上のワークの形状を検査し、その検査結果にかかわらず、修正加工を施すこと無く、付加加工済みのワークをパレットに戻すため、ローディング/アンローディングポジションに移動することとしても良い。この場合にも、検査の結果得られた付け加えられた形状の実際の形状データは、制御装置600によって外部の装置、例えば上位装置に送られる。また、修正加工を行った場合は、ワークの形状検査は行わなくても良い。すなわち、ステップS20の次にステップS15に進み、修正加工済みのワークが搭載されたテーブル12を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しても良い。 In the above description, after the addition processing to the work is completed, the table 12 on which the addition processing work W is mounted is moved below the measurement system 400, and the table is used by the three-dimensional measuring machine 401 of the measurement system 400. It was decided to inspect the shape of the work on the work 12, but without performing such an inspection, after the addition processing to the work was completed, the table 12 on which the addition processing work W was mounted was placed on the pallet with the processed work. You may move to the loading / unloading position to return. That is, it is not always necessary to inspect the shape of the work that has been subjected to additional processing and the above-mentioned correction processing using this inspection result. Alternatively, after the addition processing to the work is completed, the table 12 on which the addition processing work W is mounted is moved below the measurement system 400, and the work on the table 12 is moved by using the three-dimensional measuring machine 401 of the measurement system 400. It is also possible to inspect the shape and move to the loading / unloading position in order to return the work that has been additionally processed to the pallet without performing correction processing regardless of the inspection result. In this case as well, the actual shape data of the added shape obtained as a result of the inspection is sent to an external device, for example, a higher-level device by the control device 600. Further, when the correction process is performed, it is not necessary to perform the shape inspection of the work. That is, the process may proceed to step S15 after step S20, and the table 12 on which the modified workpiece may be mounted may be moved to the above-mentioned loading / unloading position.

また、上の説明では、ワークに対する付加加工の終了後に、修正加工の必要性の有無を判定するため、加工済みのワークの形状検査を行うために付加加工済みのワークWを搭載したテーブル12を計測システム400の下方に移動ものとした。しかし、これに限らず、ワークに対する付加加工の途中で、ワークWを搭載したテーブル12を計測システム400の下方に移動し、付加部分を含む対象面の位置情報(形状情報)を取得した後、ワークWを搭載したテーブル12を再度、ビーム造形システム500の下方に移動し、取得した付加部分を含む対象面の位置情報(形状情報)に基づいて、造形を再開することとしても良い。 Further, in the above description, in order to determine whether or not correction processing is necessary after the completion of additional processing on the work, a table 12 on which the additional processing work W is mounted is used to inspect the shape of the processed work. It was moved below the measurement system 400. However, not limited to this, the table 12 on which the work W is mounted is moved below the measurement system 400 in the middle of the addition processing to the work, and after acquiring the position information (shape information) of the target surface including the addition portion, The table 12 on which the work W is mounted may be moved to the lower side of the beam modeling system 500 again, and modeling may be resumed based on the position information (shape information) of the target surface including the acquired additional portion.

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及び造形装置100で実行される造形方法によると、付加加工が施されたワークをテーブル12から取り外すことなくテーブル12上に搭載したままの状態でのそのワークの対象面の三次元形状を、計測システム400により計測することが可能になり、その計測結果に基づいて、例えば、加工後の形状の合否(OK/NG)を判定することが可能になる。そして、不合格の場合には、ワークをテーブル12上に搭載したまま、ビーム造形システム500を用いてそのまま修正加工することも可能であり、極めて効率的である。 As described above in detail, according to the modeling apparatus 100 and the modeling method executed by the modeling apparatus 100 according to the present embodiment, the work to which the additional processing has been performed is mounted on the table 12 without being removed from the table 12. The three-dimensional shape of the target surface of the work in the as-is state can be measured by the measurement system 400, and based on the measurement result, for example, the pass / fail (OK / NG) of the shape after processing is determined. It will be possible to do. Then, in the case of failure, it is possible to perform correction processing as it is by using the beam modeling system 500 while the work is mounted on the table 12, which is extremely efficient.

また、大量に部品を生産していく過程において、部品を製作しその場で寸法検査を行うことは、品質をコントロールする上で極めて都合が良い。なぜなら、装置の精度には様々な要因から、ドリフトがつきものである。検査をその場で行うことによって、このドリフトの傾向を制御装置600が感知することが出来、その結果に基づき加工精度に対してフィードバックしていくことが可能になる。すなわち、制御装置600は、計測システム400を用いて取得したワークの対象面の位置情報(形状情報)に基づいて、造形における装置のドリフトの傾向を求め、その求めた結果に応じて計測システム400、ビーム造形システム500及び移動システム200の少なくとも1つを調整することが可能になり、これによって寸法の変動を抑え、歩留まり、品質ばらつきを向上させることが可能になる。 Further, in the process of mass-producing parts, it is extremely convenient to manufacture the parts and perform dimensional inspection on the spot in order to control the quality. This is because the accuracy of the device is accompanied by drift due to various factors. By performing the inspection on the spot, the control device 600 can detect the tendency of this drift, and it becomes possible to feed back the machining accuracy based on the result. That is, the control device 600 obtains the tendency of the device to drift in modeling based on the position information (shape information) of the target surface of the work acquired by using the measurement system 400, and the measurement system 400 according to the obtained result. , At least one of the beam shaping system 500 and the mobile system 200 can be adjusted, thereby suppressing dimensional variation and improving yield and quality variation.

なお、制御装置600は、造形における装置のドリフトの傾向を求める場合に限らず、計測システム400を用いて取得したワークの対象面の位置情報(形状情報)に基づいて、計測システム400、ビーム造形システム500及び移動システム200の少なくとも1つを調整することとしても良い。この場合のワークは、付加加工を施す前のワーク、付加加工を施した後のワーク、および修正加工を施した後のワークの少なくとも1つを含む。 The control device 600 is not limited to the case where the tendency of the device to drift in modeling is obtained, and the measurement system 400 and beam modeling are based on the position information (shape information) of the target surface of the work acquired by using the measurement system 400. At least one of the system 500 and the mobile system 200 may be coordinated. The work in this case includes at least one of the work before the additional processing, the work after the additional processing, and the work after the correction processing.

本実施形態に係る造形装置100の場合、これまでの説明からもわかるように加工に伴う反力は無いに等しいので、ワークの固定状態が、加工精度や仕上がりに直結するマシニングセンタのような工作機械とは異なり、ワークをテーブル12上に強固に固定する必要がない。また、造形装置100は、計測システム400を備えているので、搬送システム300によりワークがテーブル12上に多少ラフに搭載されたとしても、計測システム400により後に改めて座標系に対する位置が特定されるので問題とならない。この計測システム400による三次元形状計測(3次元アライメントの一態様)が行われるが故に、搬送システム300による、ワークのテーブル12上へのロード及びテーブル12上からの付加加工済みのワークのアンロードを含む、一連の動作の自動化が可能となり、効率の良い生産が可能となる。 In the case of the modeling apparatus 100 according to the present embodiment, as can be seen from the explanations so far, there is almost no reaction force due to machining, so that the fixed state of the work is directly linked to the machining accuracy and finish of the machine tool such as a machining center. Unlike, it is not necessary to firmly fix the work on the table 12. Further, since the modeling apparatus 100 includes the measurement system 400, even if the work is mounted on the table 12 somewhat roughly by the transfer system 300, the position with respect to the coordinate system is specified again by the measurement system 400. It doesn't matter. Since the three-dimensional shape measurement (one aspect of the three-dimensional alignment) is performed by the measurement system 400, the transfer system 300 loads the work onto the table 12 and unloads the additionally processed work from the table 12. It is possible to automate a series of operations including, and efficient production is possible.

また、本実施形態に係る造形装置100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。 Further, according to the modeling apparatus 100 according to the present embodiment, the intensity distribution of the beam in the above-mentioned modeling surface MP is not only before the start of modeling due to the relative movement between the beam and the target surface TAS, but also between the beam and the target surface TAS. During the relative movement, it can be continuously changed if necessary, and can be changed according to the relative position between the target surface TAS and the beam, and also according to the required modeling accuracy and throughput. This makes it possible for the modeling apparatus 100 to form a modeled object on the target surface TAS of the work W with high processing accuracy and high throughput by, for example, rapid prototyping.

また、造形装置100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16(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16(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。 Further, in the modeling apparatus 100, when performing additional processing (modeling) of a relatively wide area on a flat target surface TAS, a powdery modeling material PD is supplied from the nozzle 84a to the above-mentioned single character beam to be a nozzle. A method is adopted in which a linear molten pool WP is formed directly below 84a, and the molten pool WP is formed while scanning the table 12 in the scanning direction (+ Y direction in FIG. 4). According to this method, as shown in FIG. 16 (B), a shape that could not be generated without reciprocating a spot-shaped beam several tens of times with a conventional 3D printer or the like is shown in FIG. 16 (A). In addition, it can be generated by several round trips of the table 12 for a single character beam. According to this embodiment, it is possible to form a modeled object on the target surface of the work in a much shorter time than in the case of the conventional one-stroke modeling of modeling by a spot-shaped beam. That is, the throughput can be improved also in this respect.

また、本実施形態に係る造形装置100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。 Further, according to the modeling apparatus 100 according to the present embodiment, the intensity distribution of the beam in the modeling surface of the condensing optical system 82 is changed by changing the inclination angle of the reflection surface of each mirror element of the mirror array 80. Therefore, it is possible to easily change at least one of the position, number, size, and shape of the irradiation region of the beam in the modeling plane as the change of the intensity distribution. Therefore, for example, by setting the irradiation area to a spot shape, a slit shape (line shape), etc., and performing three-dimensional modeling on the target surface on the work by the above-mentioned method, it is possible to form a highly accurate three-dimensional model. It will be possible.

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。 Further, the modeling apparatus 100 according to the present embodiment has a plurality of, for example, two powder cartridges 88A and 88B, and inside each of the powder cartridges 88A and 88B, a powder of a first modeling material (for example, titanium) is used. Contains powder of 2 modeling materials (eg, stainless steel). Then, at the time of additional processing (during modeling), the control device 600 switches the powder supply path to the nozzle unit 84 using the material supply device 86, that is, the pipes 90b and 90c. As a result, the powder of the first modeling material (for example, titanium) from the powder cartridge 88A and the powder of the second modeling material (for example, stainless steel) from the powder cartridge 88B are selectively supplied to the nozzle unit 84. Therefore, it is possible to easily generate a joint shape of different materials only by switching the powder material supplied by the control device 600 according to the site. Moreover, the switching can be performed almost instantly. Furthermore, it is possible to make an "alloy" on the spot by mixing and supplying different materials, or to change the composition depending on the location or to make a gradation.

本実施形態に係る造形装置100では、制御装置600は、計測装置110を用いて、前述した手法により、適当な頻度で造形面MP内におけるビームの強度分布を計測し、必要なキャリブレーションを行うことができる。例えば、制御装置600は、計測装置110を用いた造形面MP内におけるビームの強度分布の計測結果に基づいて、ミラーアレイ80などを制御して、造形面MP内におけるビームの強度分布を調整することができる。 In the modeling device 100 according to the present embodiment, the control device 600 measures the intensity distribution of the beam in the modeling surface MP at an appropriate frequency by the above-mentioned method using the measuring device 110, and performs necessary calibration. be able to. For example, the control device 600 controls the mirror array 80 or the like based on the measurement result of the beam intensity distribution in the modeling surface MP using the measuring device 110 to adjust the beam intensity distribution in the modeling surface MP. be able to.

また、制御装置600は、計測装置110を用いて造形面MP内におけるビームの強度分布の計測を、例えばワークに対する造形処理(付加加工)に先立って行い、その計測結果に基づいて、造形処理中に、ビーム造形システム500と移動システム200との少なくとも一方の調整を行うこととしても良い。この場合も、造形面MP内におけるビームの強度分布の計測に続いて、瞳面PPにおけるビームの強度分布の計測を行い、その結果に基づいて、造形処理中に、ビーム造形システム500と移動システム200との少なくとも一方の調整(制御)を行うこととしても良い。 Further, the control device 600 measures the intensity distribution of the beam in the modeling surface MP by using the measuring device 110, for example, prior to the modeling process (additional processing) for the work, and is performing the modeling process based on the measurement result. In addition, at least one of the beam modeling system 500 and the mobile system 200 may be adjusted. Also in this case, following the measurement of the beam intensity distribution in the modeling surface MP, the beam intensity distribution in the pupil surface PP is measured, and based on the result, the beam modeling system 500 and the moving system are measured during the modeling process. Adjustment (control) of at least one of 200 may be performed.

この場合における移動システム200の調整(制御)としては、ワークWの対象面TAS上の目標部位TAを、造形面MPにおけるビームの照射領域に位置合わせするための、テーブル12の位置制御が代表的に挙げられる。 As the adjustment (control) of the moving system 200 in this case, the position control of the table 12 for aligning the target portion TA on the target surface TAS of the work W with the irradiation region of the beam on the modeling surface MP is typical. Listed in.

また、ビーム造形システム500の調整(制御)の内容としては、先に、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、配置等を設定又は変更する方法として説明したビーム照射部520の各種制御、及びこのビームの強度分布の設定又は変更に応じて行われることとして説明した、材料処理部530による造形材料の供給動作に関連する各種の制御内容の全てが含まれる。 Further, as the content of the adjustment (control) of the beam modeling system 500, first, the intensity distribution of the beam on the modeling surface, for example, the shape, size, arrangement, etc. of the irradiation region of the beam formed on the modeling surface is set. Or, various controls related to the beam irradiation unit 520 described as a method of changing the beam, and various operations related to the supply operation of the modeling material by the material processing unit 530 described as being performed according to the setting or change of the intensity distribution of the beam. All of the control contents are included.

また、造形面MPにおけるビームの強度分布の計測を、テーブル12が静止した状態で受光器96で一度に行うことができない場合、例えば、造形面MPにおけるビームの照射領域の配置範囲が広い場合などには、テーブル12(計測部材92の開口92a)をXY平面内でX軸方向及びY軸方向の少なくとも一方向に移動しながら造形面MPにおけるビームの強度分布の計測が行われる。 Further, when the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP cannot be measured at once by the photoreceiver 96 while the table 12 is stationary, for example, when the arrangement range of the beam irradiation region on the modeling surface MP is wide. The beam intensity distribution on the modeling surface MP is measured while moving the table 12 (opening 92a of the measuring member 92) in at least one direction in the X-axis direction and the Y-axis direction in the XY plane.

なお、本実施形態に係る造形装置100では、テーブル12に計測装置110の全ての構成部分が設けられているが、これに限らず、CCD96aの受光面と、受光部として機能する計測部材92の開口92aの形成面との光学的な共役関係が保たれるのであれば、計測部材92以外の計測装置110の構成部分は、テーブル12の外部に設けても良い。 In the modeling device 100 according to the present embodiment, the table 12 is provided with all the constituent parts of the measuring device 110, but the table 12 is not limited to this, and the light receiving surface of the CCD 96a and the measuring member 92 functioning as a light receiving unit As long as the optical conjugate relationship with the forming surface of the opening 92a is maintained, the constituent parts of the measuring device 110 other than the measuring member 92 may be provided outside the table 12.

また、上述の計測装置110と同様のセンサ装置が搭載され、テーブル12とは独立して移動可能な可動部材を、テーブル12とは別に設けても良い。この場合、可動部材は、X、Y、Zの3軸方向に可動であれば良く、制御装置600が、テーブル座標系上でその可動部材及びセンサの位置を制御(管理)可能な構成を採用しても良い。センサ装置を用いて、制御装置600が、前述した造形面におけるビームの強度分布の計測を行うことができる。この場合も、瞳面PPにおけるビームの強度分布の計測を行うようにしても良い。また、この場合、制御装置600は、センサ装置を用いて計測した造形面MP内におけるビームの強度分布に基づいて、造形処理中に、上述したビーム造形システム500と移動システム200との少なくとも一方の調整を行うこととしても良い。この他、制御装置600は、テーブル12上のワークを、計測システム400を用いて計測するのと並行して、センサ装置を用いて前述した造形面におけるビームの強度分布の計測などを行うことができる。 Further, a sensor device similar to the above-mentioned measuring device 110 may be mounted, and a movable member that can move independently of the table 12 may be provided separately from the table 12. In this case, the movable member may be movable in the three axes of X, Y, and Z, and the control device 600 adopts a configuration in which the positions of the movable member and the sensor can be controlled (managed) on the table coordinate system. You may. Using the sensor device, the control device 600 can measure the intensity distribution of the beam on the above-mentioned modeling surface. Also in this case, the intensity distribution of the beam on the pupil surface PP may be measured. Further, in this case, the control device 600 is based on the intensity distribution of the beam in the modeling surface MP measured by using the sensor device, and during the modeling process, the control device 600 is at least one of the beam modeling system 500 and the moving system 200 described above. It may be adjusted. In addition, the control device 600 may measure the work on the table 12 by using the measurement system 400, and at the same time, measure the intensity distribution of the beam on the above-mentioned modeling surface by using the sensor device. can.

なお、これまでの説明からわかるように、計測装置110は、ビームの強度の照射領域内部のむら(強度分布)を検出するむらセンサとしても用いることができる。 As can be seen from the above description, the measuring device 110 can also be used as an unevenness sensor for detecting unevenness (intensity distribution) inside the irradiation region of the beam intensity.

また、計測装置110を使って集光光学系82の波面収差を計測するようにしても良い。例えば、図13に示される回転板101の空き領域、例えば図13中の仮想線(二点鎖線)の円内の領域に開口92aの形成面と、CCD96aの受光面とを光学的に共役にする複数のマイクロレンズがマトリックス状に配置されたマイクロレンズアレイを配置しても良い。この場合、回転板101を回転させて、そのマイクロレンズアレイを、第1光学系94から射出される平行光の光路上に位置させ、光透過部としてピンホールパターンが形成されたパターン板を、例えば第2フライアイレンズ系76の射出側に配置することで、集光光学系82の波面収差を計測可能なシャック・ハルトマン方式の波面収差計測器を構成することも可能である。この場合、パターン板は、第2フライアイレンズ系76の射出側に挿脱可能な構成である。波面収差計測が可能な構成を採用した場合、集光光学系82の後側焦点面の位置が変化しても、波面収差計測結果から、変化後の集光光学系82の後側焦点面の位置を計測することができ、それに基づいて造形面MPの位置を変更したり、計測装置110による計測処理の際の計測部材92の上面の位置を調整したりすることができる。また、波面収差計測が可能な構成を採用した場合、併せて、集光光学系82の光学特性を調整可能な構成としても良い。例えば、集光光学系82を複数のレンズで構成し、そのうちの一部のレンズを、圧電素子等の駆動素子により、光軸AX方向及び光軸AXに直交する平面に対する傾斜方向(チルト方向)に駆動可能な構成としても良い。かかる場合には、可動なレンズを軸AX方向及びチルト方向の少なくとも一方の方向に駆動することで、集光光学系82の光学特性を調整することができる。 Further, the wavefront aberration of the condensing optical system 82 may be measured by using the measuring device 110. For example, the forming surface of the opening 92a and the light receiving surface of the CCD96a are optically conjugated in an empty area of the rotating plate 101 shown in FIG. 13, for example, in a region in a circle of a virtual line (dashed-dotted line) in FIG. A microlens array in which a plurality of microlenses are arranged in a matrix may be arranged. In this case, the rotating plate 101 is rotated to position the microlens array on the optical path of the parallel light emitted from the first optical system 94, and the pattern plate on which the pinhole pattern is formed as the light transmitting portion is formed. For example, by arranging it on the emission side of the second fly-eye lens system 76, it is possible to configure a Shack-Hartmann type wave surface aberration measuring instrument capable of measuring the wave surface aberration of the condensing optical system 82. In this case, the pattern plate is configured to be removable on the injection side of the second flyeye lens system 76. When a configuration capable of measuring wave surface aberration is adopted, even if the position of the rear focal plane of the focused optical system 82 changes, the rear focal plane of the focused optical system 82 after the change is obtained from the wave surface aberration measurement result. The position can be measured, the position of the modeling surface MP can be changed based on the position, and the position of the upper surface of the measuring member 92 during the measurement process by the measuring device 110 can be adjusted. Further, when a configuration capable of measuring wavefront aberration is adopted, the configuration may be such that the optical characteristics of the condensing optical system 82 can be adjusted at the same time. For example, the condensing optical system 82 is composed of a plurality of lenses, and some of the lenses are tilted in the optical axis AX direction and the plane orthogonal to the optical axis AX (tilt direction) by a driving element such as a piezoelectric element. It may be configured to be driveable. In such a case, the optical characteristics of the condensing optical system 82 can be adjusted by driving the movable lens in at least one of the axis AX direction and the tilt direction.

この他、上述した計測装置110に代えて、図17に示されるように、前述の受光器96を、テーブル12の上面に、CCD96aの受光面が、テーブル12のその他の部分と面一(同一面)となるように配置しても良い。そして、この受光器96により、造形面MPにおけるビームの強度分布を計測することとしても良い。この場合も、テーブル12が停止した状態での計測だけではなく、テーブル12が動きながらのビームの強度分布を計測するスキャン計測を可能にすることで、CCDやミラーアレイ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。 In addition, instead of the above-mentioned measuring device 110, as shown in FIG. 17, the above-mentioned receiver 96 is mounted on the upper surface of the table 12, and the light receiving surface of the CCD96a is flush with the other parts of the table 12 (same). It may be arranged so as to be a surface). Then, the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP may be measured by the light receiver 96. In this case as well, not only the measurement when the table 12 is stopped, but also the scan measurement for measuring the intensity distribution of the beam while the table 12 is moving is enabled, so that the influence of the finite number of pixels of the CCD or the mirror array can be obtained. Can be eliminated and correct measurement results can be obtained. In this way, by measuring the beam intensity distribution with a sensor that receives the beam from the condensing optical system 82, it is possible to manage the beam intensity distribution in consideration of fluctuation factors such as thermal aberration of the condensing optical system 82. It will be possible. Further, by controlling the mirror array 80 or the like based on the result, the intensity distribution of the beam on the rear focal plane of the condensing optical system 82 or the like can be accurately set to a desired state.

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、適切な角度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。 In the above embodiment, the beam modeling system 500 forms an irradiation region of a single linear beam (single character beam), and the work W is scanned in the scanning direction (for example, the Y-axis direction) with respect to the single character beam. The case was explained. However, in the beam modeling system 500, as described above, by assigning an appropriate angle distribution to the incident angles of the plurality of parallel beams LB incident on the condensing optical system 82, the intensity distribution of the beam on the modeling surface MP can be obtained. It can be changed freely. Therefore, in the modeling apparatus 100, at least one of the position, number, size, and shape of the beam irradiation region on the modeling surface MP can be changed, and as described above, the beam irradiation region is, for example, one character region, three. It is also possible to form a column area, a missing single character area, and the like (see FIG. 10).

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。 Until now, by making the single character area as thin and sharp as possible, the energy density of the beam irradiated to the single character area when defocused is sharply reduced, and the thickness of the molten pool (coating layer) is controlled. The explanation was given on the premise of how to use it with the highest possible sex. However, in this case, the thickness of the coating layer becomes very thin, and when adding layers of the same thickness, it is necessary to divide into more layers and perform additional processing (modeling) (overlapping many times). Must be painted), which is disadvantageous in terms of productivity.

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18(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18(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。 Therefore, it may be desired to increase the thickness of the coating layer in consideration of the balance between the required molding accuracy and the throughput. In such a case, the control device 600 changes the intensity distribution of the beam in the modeling plane according to the required modeling accuracy and throughput, specifically, of each mirror element 81 p, q of the mirror array 80. You can control the tilt angle to make the width of one character area a little thicker. For example, the one-character area LS shown in FIG. 18B changes to the one-character area LS'. By doing so, the change in energy density at the time of defocusing becomes gradual, and as shown in FIG. 18 (A), the thickness h of the high energy area in the vertical direction becomes thicker, whereby in one scan. The thickness of the layer that can be formed can be increased, and the productivity can be improved.

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。 As described above, the modeling apparatus 100 according to the present embodiment is characterized in that it is provided with a large number of conveniences and a solution that meets the requirements of an actual processing site, as compared with a conventional 3D printer for metal. ..

なお、上記実施形態では、一例として、パレットにまとめた一定量を1ロットとして、ロット単位でワークが処理される場合について説明したが、これに限らず、ワークを1つずつ処理しても良い。この場合、搬送システム300によって、外部搬送系から受けとった加工前のワークがテーブル12上にロードされるとともに、加工終了後のワークがテーブル上からアンロードされて、外部搬送系に渡される。 In the above embodiment, as an example, a case where the workpieces are processed in lot units with a fixed amount collected on the pallet as one lot has been described, but the present invention is not limited to this, and the workpieces may be processed one by one. .. In this case, the transport system 300 loads the work before machining received from the external transport system onto the table 12, and the work after machining is unloaded from the table and passed to the external transport system.

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。 In the above embodiment, the case where the mirror array 80 is used as the spatial light modulator has been described, but instead of this, a digital micromirror device (DMD®) manufactured by MEMS technology has been described. ) May be arranged in a matrix, and a large-area digital mirror device may be used. In such a case, it becomes difficult to measure the state (for example, tilt angle) of each mirror element with an encoder or the like. In such a case, the surface of the large-area digital mirror device is irradiated with the detection light, the reflected light from a large number of mirror elements constituting the digital mirror device is received, and each mirror element is based on the intensity distribution thereof. A detection system that detects the state of the above may be used. In this case, the detection system may detect the state of each of a large number of mirror elements based on the image information obtained by imaging the image formed by the digital mirror device by the image pickup means.

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、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号明細書に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。 In the modeling apparatus 100 according to the above embodiment, the detection system 89 shown by the virtual line in FIG. 11 may be used together with the rotary encoders 83 p and q . In this detection system 89, the surface of the mirror array 80 is irradiated with the detection light, the reflected light from a large number of mirror elements 81 p, q constituting the mirror array 80 is received, and each mirror element is based on the intensity distribution thereof. A detection system that detects the state of 81 p, q can be used. As the detection system, for example, a system having the same configuration as that disclosed in US Pat. No. 8,456,624 can be used.

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。 Further, in the above embodiment, a case where a mirror array 80 of a type capable of changing the inclination angle of the reflection surface of each mirror element 81 p, q with respect to the reference surface is used has been illustrated, but the present invention is not limited to this, and each mirror element is not limited to this. A mirror array having a structure that can be tilted with respect to the reference plane and can be displaced in a direction orthogonal to the reference plane may be adopted. Further, each mirror element does not necessarily have to be tiltable with respect to the reference plane. As described above, a mirror array that can be displaced in a direction orthogonal to the reference plane is disclosed, for example, in US Pat. No. 8,456,624. In addition, a mirror array of a type in which each mirror element can rotate around two axes orthogonal to each other parallel to the reference plane (that is, the tilt angle in the two orthogonal directions can be changed) may be adopted. A mirror array that can change the tilt angle in two orthogonal directions in this way is disclosed in, for example, US Pat. No. 6,737,662. Even in these cases, the state of each mirror element can be detected by using the detection system disclosed in the above-mentioned US Pat. No. 8,456,624.

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。 A detection system may be used in which the surface of the mirror array 80 is irradiated with the detection light and the reflected light from a large number of mirror elements 81 p, q constituting the mirror array 80 is received. Alternatively, as the detection system, the mirror array (optical device) may be provided with a sensor that individually detects the tilt angle and the spacing with respect to the reference plane (base) of each mirror element.

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。 In the above embodiment, the case where the intensity distribution of the beams on the modeling surface is changed by individually controlling the incident angles of the plurality of parallel beams incident on the pupil surface of the condensing optical system 82 has been described. It is not necessary that all the angles of incidence of the plurality of parallel beams incident on the pupil surface of the condensing optical system 82 can be controlled (changed). Therefore, when the incident angle of the parallel beam incident on the condensing optical system 82 is controlled by using the mirror array as in the above embodiment, all the mirror elements are in the state of the reflecting surface (position and inclination angle of the reflecting surface). At least one of them) does not have to be changeable. Further, in the above embodiment, the case where the mirror array 80 is used for controlling the incident angles of the plurality of parallel beams incident on the condensing optical system 82, that is, for changing the intensity distribution of the beams on the modeling surface has been described. Instead of the mirror array, a spatial light modulator (non-emission type image display element) described below may be used. Examples of the transmissive spatial light modulator include an electrochromic display (ECD) in addition to a transmissive liquid crystal display element (LCD: Liquid Crystal Display). In addition to the above-mentioned micromirror array, the reflective spatial light modulator includes a reflective liquid crystal display element, an electrophonetic display (EPD), electronic paper (or electronic ink), and a light diffractive light. A valve (Grating Light Valve) and the like can be mentioned as an example. Further, in the above embodiment, the case where a mirror array (a kind of spatial light modulator) is used for changing the intensity distribution of the beam on the modeling surface has been described, but the spatial light modulator may be used for other purposes. ..

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。 Further, as described above, it is desirable that the condensing optical system 82 has a large aperture, but the numerical aperture is N.I. A. A condensing optical system having a value smaller than 0.5 may be used.

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。 In the above embodiment, the case where titanium and stainless steel powders are used as the modeling material has been exemplified, but powders other than metals such as iron powder and other metal powders as well as powders such as nylon, polypropylene and ABS can be used. It can also be used. Further, the modeling apparatus 100 according to the above embodiment can also be applied when a material other than powder, for example, a filler wire used for welding, is used as the modeling material. However, in this case, a wire feeding device or the like is provided instead of the powder supply system such as the powder cartridge and the nozzle unit.

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。 Further, in the above embodiment, the case where the powdery modeling material PD is supplied from each of the plurality of supply ports 91i of the nozzle 84a along the Z-axis direction parallel to the optical axis AX of the condensing optical system 82 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the modeling material (powder) may be supplied from a direction inclined with respect to the optical axis AX. Further, the modeling material (powder) may be supplied from a direction inclined with respect to the vertical direction.

なお、上記実施形態の造形装置100において、材料処理部が備えるノズル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。 In the modeling apparatus 100 of the above embodiment, the nozzle 84a provided in the material processing unit has a collection port (suction port) for collecting the powdered modeling material that has not been melted, in addition to the supply port of the modeling material described above. You may be.

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。 So far, an example of adding a shape to an existing work has been described, but the usage of the modeling apparatus 100 according to the present embodiment is not limited to this, and it is on the table 12 like a normal 3D printer or the like. It is also possible to generate a three-dimensional shape from nothing by modeling. In this case, the work of "nothing" is nothing but additional processing. At the time of modeling the three-dimensional modeled object on the table 12, the control device 600 is at least three places preformed on the table 12 by the mark detection system 56 (see FIG. 11) included in the measurement system 400. By optically detecting the alignment mark of, the position information in the direction of 6 degrees of freedom of the object surface of modeling set on the table 12 is obtained, and based on this result, the position information on the table 12 with respect to the beam (irradiation region) is obtained. Three-dimensional modeling may be performed while controlling the position and orientation of the target surface.

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、搬送システム300、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、搬送システム300、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、搬送システム300、計測システム400及びビーム造形システム500のうちの少なくとも2つを制御する第1処理装置と、残りのシステムを制御する第2処理装置との組み合わせであっても良いし、あるいは上記4つのシステムのうちの2つを制御する第1処理装置と、残り2つのシステムを個別に制御する第2及び第3処理装置と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。 In the above embodiment, as an example, the case where the control device 600 controls each component of the mobile system 200, the transport system 300, the measurement system 400, and the beam modeling system 500 has been described, but the present invention is not limited to this. The control device may be configured by a plurality of hardware including a processing device such as a microprocessor. In this case, each of the mobile system 200, the transfer system 300, the measurement system 400 and the beam modeling system 500 may be provided with a processing device, or the mobile system 200, the transfer system 300, the measurement system 400 and the beam modeling system 500 may be provided. It may be a combination of a first processing device that controls at least two of them and a second processing device that controls the remaining systems, or a first process that controls two of the above four systems. It may be a combination of the device and the second and third processing devices that individually control the remaining two systems. In either case, each processing device is responsible for a part of the functions of the control device 600 described above. Alternatively, the control device of the modeling system may be configured by a processing device such as a plurality of microprocessors and a host computer that collectively manages these processing devices.

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。 At least a part of the constituent elements of each of the above-described embodiments can be appropriately combined with at least another part of the constituent requirements of each of the above-described embodiments. Some of the constituent requirements of each of the above embodiments may not be used. In addition, to the extent permitted by law, the disclosures of all published gazettes and US patents cited in each of the above embodiments shall be incorporated as part of the text.

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。 As described above, the modeling apparatus and modeling method according to the present invention are suitable for forming a three-dimensional model.

12…テーブル、82…集光光学系、83…ロータリエンコーダ、91…供給口、85…制限部材、89…検出システム、92…計測部材、92a…開口、100…造形装置、110…計測装置、200…移動システム、300…搬送システム、400…計測システム、401…三次元計測機、500…ビーム造形システム、520…ビーム照射部、530…材料処理部、600…制御装置、PD…造形材料、LS…一文字領域、TA…目標部位、TAS…対象面、W…ワーク、WP…溶融池。 12 ... table, 82 ... condensing optical system, 83 ... rotary encoder, 91 ... supply port, 85 ... limiting member, 89 ... detection system, 92 ... measuring member, 92a ... opening, 100 ... modeling device, 110 ... measuring device, 200 ... mobile system, 300 ... transfer system, 400 ... measurement system, 401 ... three-dimensional measuring machine, 500 ... beam modeling system, 520 ... beam irradiation unit, 530 ... material processing unit, 600 ... control device, PD ... modeling material, LS ... single character area, TA ... target part, TAS ... target surface, W ... work, WP ... molten pond.

Claims (29)

三次元造形物を形成する造形装置であって、
対象面を動かす移動システムと、
前記対象面の位置情報を取得するための計測システムと、
ビームを射出するビーム照射部と、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的に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対象面上の目標部位に造形が施されるように、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、
前記移動システムは、ワークを保持可能な保持部材を有し、
前記対象面は、前記保持部材に保持された前記ワークの表面の少なくとも一部を含み、
前記計測システムは、前記保持部材に前記ワークが保持された後であって且つ前記ワークの表面上の目標部位に溶融池を形成することによる造形が開始される前に、前記ワークの表面の少なくとも一部の位置情報を取得し、
前記制御装置は、前記ワークの表面の少なくとも一部の位置情報を取得した後に、前記位置情報に基づいて前記ワークの表面上の目標部位に溶融池を形成することによる造形を開始する造形装置。
It is a modeling device that forms a three-dimensional model.
A moving system that moves the target surface,
A measurement system for acquiring the position information of the target surface and
A beam modeling system having a beam irradiation unit that emits a beam and a material processing unit that supplies modeling materials.
The movement is such that the target portion on the target surface is shaped by supplying the modeling material from the material processing unit while relatively moving the target surface and the beam from the beam irradiation unit. A control device for controlling the system and the beam modeling system is provided.
The moving system has a holding member capable of holding the work, and has a holding member.
The target surface includes at least a part of the surface of the work held by the holding member.
The measurement system is at least on the surface of the work after the work is held by the holding member and before modeling by forming a molten pool at a target portion on the surface of the work is started. Get some location information,
The control device is a modeling device that starts modeling by forming a molten pool at a target portion on the surface of the work based on the position information after acquiring the position information of at least a part of the surface of the work.
前記移動システムは、前記保持部材として、前記ワークを保持可能な可動部材を有する請求項1に記載の造形装置。 The modeling device according to claim 1, wherein the moving system has a movable member capable of holding the work as the holding member . 前記可動部材上に前記ワークを搬送する搬送装置を更に備える請求項2に記載の造形装置。 The modeling device according to claim 2, further comprising a transport device for transporting the work on the movable member. 前記移動システムは、前記計測システムにより前記位置情報が取得される前に、前記計測システムの下方に前記ワークを移動させる請求項2に記載の造形装置。 The modeling device according to claim 2, wherein the mobile system moves the work below the measurement system before the position information is acquired by the measurement system. 前記移動システムは、前記計測システムにより前記位置情報が取得された後に、前記ビーム造形システムの下方に前記ワークを移動させる請求項2に記載の造形装置。 The modeling device according to claim 2, wherein the moving system moves the work below the beam modeling system after the position information is acquired by the measurement system. 前記計測システムは、前記計測システムの下方を移動する前記ワークを計測する請求項2に記載の造形装置。 The modeling device according to claim 2, wherein the measurement system measures the work moving below the measurement system. 前記計測システムは、前記材料処理部が造形材料を供給が開始される前に、前記対象面の位置情報を取得する請求項1~6のいずれか一項に記載の造形システム。 The modeling system according to any one of claims 1 to 6, wherein the measurement system acquires position information of the target surface before the material processing unit starts supplying the modeling material. 前記計測システムは、三次元計測機を含む請求項1~7のいずれか一項に記載の造形装置。 The modeling device according to any one of claims 1 to 7, wherein the measurement system includes a three-dimensional measuring device. 前記計測システムは、前記対象面の少なくとも3点の位置情報を計測可能である請求項1~8のいずれか一項に記載の造形装置。 The modeling device according to any one of claims 1 to 8, wherein the measurement system can measure position information of at least three points on the target surface. 前記計測システムは、前記対象面の三次元形状を計測可能である請求項1~8のいずれか一項に記載の造形装置。 The modeling device according to any one of claims 1 to 8, wherein the measurement system can measure a three-dimensional shape of the target surface. 前記制御装置は、前記造形の後に、前記造形によって前記対象面上に付加された部分の表面の少なくとも一部の位置情報を、前記計測システムを用いて取得する請求項1~10のいずれか一項に記載の造形装置。 Any one of claims 1 to 10, wherein the control device acquires at least a part of the position information of the surface of the portion added on the target surface by the modeling after the modeling by using the measurement system. The modeling device described in the section. 前記制御装置は、基準座標系の下で前記可動部材の位置及び姿勢を制御し、
前記対象面の位置情報を取得することによって、前記対象面を前記基準座標系に対して関連付ける請求項2~6のいずれか一項に記載の造形装置。
The control device controls the position and orientation of the movable member under the reference coordinate system.
The modeling apparatus according to any one of claims 2 to 6, wherein the target surface is associated with the reference coordinate system by acquiring the position information of the target surface.
前記制御装置は、前記対象面の位置を前記基準座標系上で、オープンループで管理する請求項12に記載の造形装置 The modeling device according to claim 12, wherein the control device manages the position of the target surface in an open loop on the reference coordinate system. 前記制御装置は、前記造形が施された前記ワークを前記可動部材で保持したまま、前記造形によって前記ワークの前記対象面上に付加された部分の表面の少なくとも一部の位置情報を、前記計測システムを用いて取得する請求項2~6、12、13のいずれか一項に記載の造形装置。 The control device measures the position information of at least a part of the surface of the portion of the work added to the target surface of the work by the modeling while holding the shaped work by the movable member. The modeling apparatus according to any one of claims 2 to 6, 12, and 13 acquired by using the system. 前記ビーム照射部は、前記ビームを射出する集光光学系を有し、
前記制御装置は、前記計測システムの計測結果に基づいて、前記集光光学系の射出面側の光軸に垂直な第1面内における前記ビームの強度分布を調整する請求項1~14のいずれか一項に記載の造形装置。
The beam irradiation unit has a condensing optical system that emits the beam.
Any of claims 1 to 14, wherein the control device adjusts the intensity distribution of the beam in the first plane perpendicular to the optical axis on the emission plane side of the condensing optical system based on the measurement result of the measurement system. The modeling device described in item 1.
前記第1面は、前記集光光学系の後側焦点面、又はその近傍の面である請求項15に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to claim 15, wherein the first surface is a rear focal surface of the condensing optical system or a surface in the vicinity thereof. 前記制御装置は、前記集光光学系の入射面側の光軸に垂直な第2面内に入射する少なくとも一つの入射ビームの角度を調整することによって、前記第1面内における前記ビームの強度分布を調整する請求項15に記載の造形装置。 The control device adjusts the angle of at least one incident beam incident on the second plane perpendicular to the optical axis on the incident plane side of the condensing optical system to adjust the intensity of the beam in the first plane. The modeling apparatus according to claim 15, which adjusts the distribution. 前記第2面は、前記集光光学系の前側焦点面、又はその近傍の面を含む請求項17に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to claim 17, wherein the second surface includes a front focal surface of the condensing optical system or a surface in the vicinity thereof. 前記少なくとも一つの入射ビームは、前記第2面に対する入射角度が異なる複数のビームを含む請求項17に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to claim 17, wherein the at least one incident beam includes a plurality of beams having different angles of incidence with respect to the second surface. 前記計測システムの計測結果に基づく前記ビーム造形システムの調整は、前記ビーム照射部の調整を含む請求項1~19のいずれか一項に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to any one of claims 1 to 19, wherein the adjustment of the beam modeling system based on the measurement result of the measurement system includes the adjustment of the beam irradiation unit. 前記計測システムの計測結果に基づく前記ビーム造形システムの調整は、前記材料処理部の調整を含む請求項1に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to claim 1, wherein the adjustment of the beam modeling system based on the measurement result of the measurement system includes the adjustment of the material processing unit. 前記ビーム照射部からのビームの照射により前記目標部位上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1~21のいずれか一項に記載の造形装置。 The target portion is shaped by relatively moving the target surface and the beam from the beam irradiation portion while forming a molten pool on the target portion by irradiating the beam from the beam irradiation portion. The modeling apparatus according to any one of claims 1 to 21. 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1~22のいずれか一項に記載の造形装置。 The three-dimensional model is formed by laminating a plurality of layers, and the control device is based on the data of the multi-layered laminated cross section obtained from the 3D data of the three-dimensional model, and the mobile system and the beam modeling system. The modeling apparatus according to any one of claims 1 to 22 for controlling and. 前記制御装置は、形成すべき三次元造形物の3Dデータと、前記計測システムを使って取得された前記対象面の位置情報とに基づいて、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1~23のいずれか一項に記載の造形装置。 The control device controls the moving system and the beam modeling system based on the 3D data of the three-dimensional model to be formed and the position information of the target surface acquired by using the measurement system. Item 6. The modeling apparatus according to any one of Items 1 to 23. 前記計測システムにより取得された前記対象面の位置情報は前記対象面の形状情報である請求項1~24のいずれか一項に記載の造形装置。 The modeling apparatus according to any one of claims 1 to 24, wherein the position information of the target surface acquired by the measurement system is the shape information of the target surface. 前記制御装置は、前記対象面の位置を前記基準座標系に対して関連付ける請求項12に記載の造形装置。 The modeling device according to claim 12, wherein the control device associates the position of the target surface with the reference coordinate system. 前記制御装置は、前記対象面の姿勢を前記基準座標系に対して関連付ける請求項12に記載の造形装置。 The modeling device according to claim 12, wherein the control device associates the posture of the target surface with the reference coordinate system. 前記ビーム造形システムは、DED方式により造形を施す請求項1~27のいずれか一項に記載の造形装置。 The modeling device according to any one of claims 1 to 27, wherein the beam modeling system is modeled by a DED method. 三次元造形物を形成する造形方法であって、
対象面とビームとを相対的に移動させつつ造形材料を供給することにより前記対象面上の目標部位に造形が施されるように、前記対象面の動きと、前記ビームの照射と、前記造形材料の供給とを制御することと、
保持部材に保持されたワークの表面の少なくとも一部を前記対象面として、前記ワークの表面の少なくとも一部の位置情報を取得することと
を含み、
前記位置情報を取得することは、前記保持部材に前記ワークが保持された後であって且つ前記ワークの表面上の目標部位に溶融池を形成することによる造形が開始される前に、前記ワークの表面の少なくとも一部の位置情報を取得することを含み
前記ワークの表面の少なくとも一部の位置情報を取得した後に、前記位置情報に基づいて前記ワークの表面上の目標部位に溶融池を形成することによる造形を開始する造形方法。
It is a modeling method that forms a three-dimensional model.
The movement of the target surface, the irradiation of the beam, and the modeling so that the target portion on the target surface is shaped by supplying the modeling material while relatively moving the target surface and the beam. Controlling the supply of materials and
Acquiring the position information of at least a part of the surface of the work by using at least a part of the surface of the work held by the holding member as the target surface.
Including
The position information is acquired after the work is held by the holding member and before modeling by forming a molten pool at a target portion on the surface of the work is started. Including getting the location information of at least a part of the surface of
A modeling method that starts modeling by forming a molten pool at a target portion on the surface of the work based on the position information after acquiring the position information of at least a part of the surface of the work.
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