JP7359912B1 - 三次元造形物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]造形領域に材料粉体を供給して材料層を形成する材料層形成工程と、前記材料層の所定の照射領域にレーザ光又は電子ビームを照射することにより固化層を形成する固化工程とを繰り返すことにより、前記固化層を積層する固化層形成工程を含んでなる三次元造形物の製造方法であって、前記レーザ光又は前記電子ビームの照射条件と前記照射領域の分割幅とを設定する造形条件設定工程と、所望の三次元形状を所定の高さ毎に分割してなる複数の分割層毎に前記照射領域を決定する照射領域決定工程と、各前記分割層の前記照射領域を所定の分割方向に沿って前記照射条件に適する前記分割幅で分割して複数の分割領域を形成する分割工程と、前記分割領域内に所定の走査方向に沿ったラスタ走査線を設定する走査線設定工程と、を備え、前記固化工程では、前記レーザ光又は前記電子ビームは、前記ラスタ走査線を含む走査経路に沿って走査され、前記分割工程では、対象分割層における前記照射領域の前記分割方向を回転角度θ水平回転させた方向を、前記対象分割層の直上の分割層における前記照射領域の前記分割方向とし、前記回転角度θは、0°<θ<180°又は-180°<θ<0°(ただし符号は回転方向を示す)を満たす、製造方法。
[2][1]に記載の製造方法であって、前記走査線設定工程において、前記走査方向は前記分割方向に平行に設定される、製造方法。
[3][1]又は[2]に記載の製造方法であって、前記対象分割層上の前記走査経路に所定値未満の前記ラスタ走査線が含まれるかを判定する長さ判定工程を備え、前記分割工程では、前記長さ判定工程において前記対象分割層上の前記走査経路に前記所定値未満の前記ラスタ走査線が含まれると判定された場合に、前記対象分割層における前記照射領域の前記分割方向を前記回転角度θ水平回転させた方向を、前記対象分割層の直上の分割層における前記照射領域の前記分割方向とする、製造方法。
[4][1]~[3]のいずれか1つに記載の製造方法であって、加工条件に基づき前記回転角度θを設定する回転角度設定工程を備え、前記加工条件は、前記分割幅、前記材料粉体の材質、前記照射領域の条件、前記照射条件のうちの少なくとも1つを含む、製造方法。
図1は、本実施形態に係る積層造形装置100の概略構成図である。積層造形装置100は、チャンバ1と、材料層形成装置3と、照射装置13とを備える。チャンバ1内に配置される造形テーブル5上に設けられた造形領域Rにおいて、材料層82及び固化層83の形成を繰り返すことで、所望の三次元造形物が形成される。
1.1.チャンバ1
チャンバ1は、三次元造形物が形成される領域である造形領域Rを覆う。チャンバ1の内部は不活性ガス供給装置(不図示)から供給される所定濃度の不活性ガスで充満されている。本明細書において不活性ガスとは、材料層82や固化層83と実質的に反応しないガスであり、材料の種類に応じて選択され、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスを使用可能である。固化層83の形成時に発生するヒュームを含んだ不活性ガスは、チャンバ1から排出され、ヒュームコレクタ(不図示)においてヒュームが除去された後にチャンバ1へ供給され再利用される。ヒュームコレクタは、例えば、電気集塵機又はフィルタである。
図1に示すように、材料層形成装置3は、チャンバ1の内部に設けられる。図2に示すように、材料層形成装置3は、ベース4と、ベース4上に配置されるリコータヘッド11とを備える。リコータヘッド11は、リコータヘッド駆動装置12によって水平1軸方向に往復移動可能に構成される。
図1に示すように、照射装置13は、チャンバ1の上方に設けられる。照射装置13は、造形領域R内に形成される材料層82の照射領域にレーザ光Bを照射して、材料粉体を溶融又は焼結して固化させ、固化層83を形成する。
積層造形装置100の制御系統は、図6に示すように、CAM(Computer Aided Manufacturing)装置6及び制御装置7を含む。CAM装置6及び制御装置7は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、補助記憶装置、出入力インターフェース等のハードウェアと、ソフトウェアとを任意に組み合わせて構成される。
次に、レーザ光Bのラスタ走査について説明する。なお、以下の説明は、レーザ光Bの代わりに電子ビームを照射する場合においても同様にあてはまる。
次に、上述の積層造形装置100を用いた三次元造形物の製造方法について説明する。本実施形態に係る製造方法は、造形領域Rに材料粉体を供給して材料層82を形成する材料層形成工程と、材料層82の所定の照射領域にレーザ光B又は電子ビームを照射することにより固化層83を形成する固化工程とを繰り返すことにより固化層83を積層する固化層形成工程を含む。また、本実施形態に係る製造方法は、造形条件設定工程と、照射領域決定工程と、分割工程と、走査線設定工程と、回転角度設定工程とを備える。
固化層形成工程は、材料層形成工程と固化工程とを備える。本実施形態の材料層形成工程では、造形領域Rに材料粉体からなる材料層82を形成する。また、本実施形態の固化工程では、材料層82の所定の照射領域に対してレーザ光Bを照射して固化層83を形成する。材料層形成工程及び固化工程は繰り返し実施される。
造形条件設定工程では、レーザ光B又は電子ビームの照射条件と照射領域の分割幅とを造形条件として設定する。照射条件として、レーザ光Bの出力(レーザパワー)、スポット径の大きさ、走査速度、レーザ光BのOFF時間、ラスタ走査線のピッチpが例示される。照射領域の分割幅は、このような照射条件に基づき、適した値に設定される。また、造形条件には、その他の条件が含まれてもよく、例えば、レーザ光Bの照射対象である材料層82の積層厚み(材料層1層分の厚み)が含まれてもよい。本実施形態では、造形条件が記録された条件ファイルを作成し、当該条件ファイルをCAM装置6に読み込ませることで、照射条件が設定される。
照射領域決定工程では、三次元造形物の所望の三次元形状を所定の高さ毎に分割してなる複数の分割層毎に照射領域を決定する。本実施形態の照射領域決定工程では、造形条件設定工程で設定された材料層82の積層厚み毎に三次元形状を分割して複数の分割層を作成する。分割層は、三次元形状を分割して仮想的に形成される材料層82に相当する。そして、各分割層において、三次元造形物の輪郭形状で囲繞される領域とおおよそ一致する領域を照射領域として決定する。また、本実施形態では、CAM装置6がCADデータ及び条件ファイルを用いた演算処理を行うことで、分割層の作成及び照射領域の決定が行われる。
分割工程では、各分割層の照射領域を所定の分割方向に沿って照射条件に適する所定の分割幅wで分割して複数の分割領域を形成する。図10に、一例として、三次元造形物のk層目の分割層Lkにおける照射領域Sk及びその分割領域を示す。本例では、照射領域Skを、分割方向Dkに沿って分割幅wで直線により分割し、複数の分割領域を形成する。図10における破線は、照射領域Skの分割線を示す。本例では、分割線は、分割方向Dkに直交する直線状である。なお、分割の起点は、照射領域Skの形状等に応じて適宜設定可能であり、例えば、照射領域Skの外縁上に起点を配置してもよく、外縁よりも内側に起点を配置してもよい。
走査線設定工程では、分割領域内に所定の走査方向に沿ったラスタ走査線を設定する。図10及び図11に、例として、分割層Lk,Lk+1の分割領域内に設定されたラスタ走査線を矢印で示す。本実施形態では、走査方向は分割方向に平行に設定される。また、分割領域内のラスタ走査線は、造形条件設定工程で設定されたピッチp毎に配置される。つまり、分割領域内に、分割方向に平行なラスタ走査線が、分割線に沿ってピッチpの間隔で配置される。
回転角度設定工程では、加工条件に基づき回転角度θを設定する。加工条件は、分割幅w、材料粉体の材質、照射領域の条件、レーザ光B又は電子ビームの照射条件、材料層82の形成条件のうちの少なくとも1つを含む。回転角度θは、加工条件に基づき、各分割層の照射領域において基準長さdよりも短いラスタ走査線が配置されている箇所の鉛直方向における重複が小さくなるように設定される。
本発明は、以下の態様でも実施可能である。
Claims (3)
- 造形領域に材料粉体を供給して材料層を形成する材料層形成工程と、前記材料層の所定の照射領域にレーザ光又は電子ビームを照射することにより固化層を形成する固化工程とを繰り返すことにより、前記固化層を積層する固化層形成工程を含んでなる三次元造形物の製造方法であって、
前記レーザ光又は前記電子ビームの照射条件と前記照射領域の分割幅とを設定する造形条件設定工程と、
所望の三次元形状を所定の高さ毎に分割してなる複数の分割層毎に前記照射領域を決定する照射領域決定工程と、
各前記分割層の前記照射領域を所定の分割方向に沿って前記照射条件に適する前記分割幅で分割して複数の分割領域を形成する分割工程と、
前記分割領域内に所定の走査方向に沿ったラスタ走査線を設定する走査線設定工程と、
を備え、
前記固化工程では、前記レーザ光又は前記電子ビームは、前記ラスタ走査線を含む走査経路に沿って走査され、
前記製造方法は、
対象分割層上の前記走査経路に所定値未満の前記ラスタ走査線が含まれるかを判定する長さ判定工程をさらに備え、
前記分割工程では、前記長さ判定工程において前記対象分割層上の前記走査経路に前記所定値未満の前記ラスタ走査線が含まれると判定された場合に、前記対象分割層における前記照射領域の前記分割方向を回転角度θ水平回転させた方向を、前記対象分割層の直上の分割層における前記照射領域の前記分割方向とし、
前記回転角度θは、0°<θ<180°又は-180°<θ<0°(ただし符号は回転方向を示す)を満たす、製造方法。 - 請求項1に記載の製造方法であって、
前記走査線設定工程において、前記走査方向は前記分割方向に平行に設定される、製造方法。 - 請求項1又は請求項2に記載の製造方法であって、
加工条件に基づき前記回転角度θを設定する回転角度設定工程を備え、
前記加工条件は、前記分割幅、前記材料粉体の材質、前記照射領域の条件、前記照射条件のうちの少なくとも1つを含む、製造方法。
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