JPH10166461A - レーザ光照射式積層造形装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】マスク３０で反射したレーザ光の利用性が向上
するレーザ光照射式積層造形装置を提供する。 【解決手段】レーザ光が照射されると固化する樹脂被覆
砂等の固化可能物質にマスク３０越しにレーザ光を照射
し、積層造形物を形成するレーザ光照射式積層造形装置
である。マスク３０で反射されたレーザ光を再び反射さ
せて樹脂被覆砂等の固化可能物質に当てる反射材として
機能する反射筐体２が設けられている。遠赤外線ヒータ
を併設することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マスク越しにレー
ザ照射を行ない三次元的な積層造形物を形成するレーザ
光照射式積層造形装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、レーザ光照射式積層造形方法（特
開平３−１８３５３０号公報、ＵＳＰ４２４７５０８
等）が開発されている。この方法は、樹脂被覆砂等の固
化可能物質を用い、レーザ光を固化可能物質に照射する
ことにより、薄い固化層を形成し、照射を繰返すことに
より固化層を順次多数積層し、これにより三次元的な積
層造形物を形成する造形方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このレーザ光照射式積
層造形方法において、樹脂被覆砂をマスクで覆った状態
で、マスクの外方からレーザ光を樹脂被覆砂に向けて照
射して加熱固化させる技術を本出願人は開発した（本出
願時に未公知）。この技術によれば、マスクの画像パタ
ーン形状に対応した積層造形物が得られるため、レーザ
光を高精度でスキャン照射せずとも良く、レーザ光照射
効率が向上し、生産性が向上する。

【０００４】本発明は上記したレーザ光照射式積層造形
技術を更に改善したものであり、固化可能物質に到達せ
ずマスクで反射されたレーザ光の再利用性を向上させる
ことにより、樹脂被覆砂等の固化可能物質に対するレー
ザ照射性を向上させるのに有利なレーザ光照射式積層造
形装置を提供することを課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に係るレーザ光
照射式積層造形装置は、レーザ光が照射されると固化す
る固化可能物質にマスク越しにレーザ光を照射し、照射
部分を固化して積層造形物を形成するレーザ光照射式積
層造形装置であって、固化可能物質に到達せずマスクで
反射されたレーザ光を再び反射させて固化可能物質に当
てる反射材を備えていることを特徴とするものである。

【０００６】請求項２に係るレーザ光照射式積層造形装
置は、請求項１において、反射材は、高反射効率を有す
る材料で形成されていることを特徴とするものである。
請求項３に係るレーザ光照射式積層造形装置は、請求項
１において、固化可能物質は遠赤外線の照射に伴い加熱
されて固化する性質をもち、固化可能物質を加熱する遠
赤外線ヒータが併設されていることを特徴とするもので
ある。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明装置は反射材を備えてい
る。反射材は、固化可能物質に到達せずマスクで反射さ
れたレーザ光を再び反射させて固化可能物質に当てるも
のである。反射材の構造は、筐体構造、板体構造等を採
用できる。反射材は、高反射効率を有する材料を利用し
て形成できる。反射材は、高反射効率を有する材料のみ
で構成しても良い。或いは、反射材は、安価な基材と、
基材の表面に積層された高反射効率を有する材料で形成
された反射層とで構成しても良い。高反射効率を有する
材料としては、例えばアルミ系、クロム系、ニッケル
系、金系、銀系、鋼系、ステンレス鋼系等を採用でき
る。従って反射層としては、アルミメッキ層、クロムメ
ッキ層、ニッケルメッキ層、金メッキ層、銀メッキ層等
を採用できる。

【０００８】場合によっては、反射層としては、ＭｇＦ
₂ 、ＺｎＳ、ＴｉＯ₂ 等の誘電体物質を交互に何層にも
重ねた誘電体多層膜を採用することもできる。本発明で
用いる固化可能物質としては、レーザ光が照射されると
固化するものであればよく、レーザ光の照射に伴い加熱
固化する熱硬化型樹脂を被覆した砂等の粉体、液状樹
脂、粉末状の金属等を採用できる。

【０００９】本発明で用いるレーザ光としては、ＣＯ₂
レーザ、ＹＡＧレーザ、Ａｒレーザ等の公知のレーザ光
を採用できる。

【００１０】

【実施例】

（実施例１）以下、実施例を図１〜図３を参照して説明
する。本実施例で用いる昇降テーブル装置１は、昇降テ
ーブル１０と、昇降テーブル１０の昇降を案内する案内
部１２とをもつ。昇降テーブル１０には第１駆動手段１
４が連結されている。第１駆動手段１４が駆動すると、
昇降テーブル１０が高さ方向つまり矢印Ｚ１、Ｚ２方向
に沿って昇降する。

【００１１】反射材として機能する反射筐体２が装備さ
れている。反射筐体２は、側壁２０と天井壁２２と下面
開口２４と反射室２５をもつ。天井壁２２には、レーザ
光が透過する透過窓２２ｘが形成されている。更に天井
壁２２の内面部には、断面三角形状をなす多面反射部２
６が連続的に形成されている。多面反射部２６の表出面
２６ｗは、複数の方向に指向している。多面反射部２６
によりレーザ光の反射性が向上し、反射筐体２の反射室
２５におけるレーザ光の照射均等性が向上する。従って
多面反射部２６は、レーザ光散乱手段として機能でき
る。

【００１２】多面反射部２６を含む反射筐体２は、高反
射効率を有する材料のみで構成しても良いし、あるい
は、安価な基材と基材に積層された反射層とで構成して
も良い。例えば、反射筐体２はアルミ合金板、ステンレ
ス鋼板、銅板で構成できる。或いは、安価な鋼板に反射
層（ニッケルメッキ層、クロムメッキ層、アルミメッキ
層等）を被覆したりして構成できる。

【００１３】反射筐体２に第２駆動手段２９が連結され
ている。第２駆動手段２９が駆動すると、反射筐体２が
案内部２ｋに沿って移動し、昇降テーブル１０の上方に
着脱自在に配置される。マスク保持部３には、レーザ光
の照射を遮る性質をもつ板状のマスク３０が着脱自在に
保持されている。マスク３０は、本実施例で照射するレ
ーザ光に対して耐久性をもつ鋼板、アルミ板、アルミ被
覆板等で構成されている。

【００１４】マスク３０には、レーザ光を透過する透過
窓３０ｃが所定の画像パターンで形成されている。マス
ク保持部３には第３駆動手段３２が連結されている。第
３駆動手段３２が駆動すると、マスク３０を保持したマ
スクホルダ３が案内部３ｋに沿って移動し、マスク３０
が昇降テーブル１０の上方に着脱自在に配置される。第
１駆動手段１４、第２駆動手段２９、第３駆動手段３２
としては油圧、空圧等のシリンダ機構、モータ機構を採
用できる。

【００１５】レーザ光照射部４は、レーザ発振機（ＣＯ
₂ レーザ）と、レーザ光のビーム光径を拡大するビーム
エキスパンダと、スキャン照射用の揺動ミラーをもつガ
ルバノスキャナとを備えている。レーザ発振機から発振
したレーザ光はビームエキスパンダでビーム径が拡大さ
れ、揺動ミラーの揺動により、レーザ光はスキャン照射
される。レーザ光のビーム径を拡大するのは、後述する
樹脂被覆砂ＨＡの加熱性を確保するためである。

【００１６】スキャン照射は、図２から理解できるよう
に水平２次元方向であるＸ方向及びＹ方向にわたり、三
角波状にマスク３０の大部分において実行される。なお
レーザ光のスキャン照射は、サイン波曲線状等にしても
良い。図２においてレーザ光のビーム径はｄで示され
る。本実施例では、三次元的な積層造形物が積層造形で
形成される。この場合について説明する。先ず砂散布工
程が実行される。即ち図３から理解できるように、昇降
テーブル１０に薄い砂層６が散布される。砂層６の厚み
ｔは積層造形物の種類に応じて適宜選択できるものの、
０．１〜０．４ｍｍ、特に０．２ｍｍ程度が好ましい。
散布にあたっては、散布装置８を用いる。散布装置８
は、貯蔵室８０及び吐出口８１をもつ容器８２と、容器
８２の底部に回転可能に装備された切り出しローラ８３
とを備えている。

【００１７】貯蔵室８０には固化可能物質としての樹脂
被覆砂ＨＡが装填されている。樹脂被覆砂ＨＡは、レー
ザ光が照射されると加熱固化する性質をもつ熱硬化型樹
脂を砂粒子に被覆したものである。熱硬化型樹脂として
は、例えば、ノボラック系のフェノール樹脂等を採用で
きる。そして図３から理解できるように、昇降テーブル
１０の上方に散布装置８が配置された状態で、切り出し
ローラ８３が回転しつつ、昇降テーブル１０に沿って散
布装置８が矢印Ｓ方向に定速度で横移動し、これにより
砂が散布される。その後、掻き取り部材８７が同方向に
移動し、これにより散布された余分の樹脂被覆砂ＨＡが
掻き取られ、平滑化された砂層６が形成される。

【００１８】必要に応じて、ならしローラ８８を回転さ
せつつ同方向に移動させ、砂層６の上面６ａを一層平滑
化することもできる。上記のように砂散布工程を終えた
ら、レーザ光照射工程が実行される。レーザ光照射工程
では、第３駆動手段３２が駆動して昇降テーブル１０の
上方にマスク３０が着脱可能に配置される。その状態で
は、昇降テーブル１０上に形成した砂層６の上面はマス
ク３０で覆われる。この場合には、マスク３０は反射筐
体２の下面開口２４に対面している。一般的には、砂層
６の上面とマスク３０の下面とは接近している方が好ま
しい。

【００１９】上記のようにマスク３０で砂層６を覆った
状態で、レーザ光照射部４からレーザ光Ｍをスキャン照
射する。レーザ光照射工程においては図１から理解でき
るように、レーザ光照射部４から透過窓２２ｘを透過し
て照射されたレーザ光Ｍは、マスク３０の透過窓３０ｃ
を透過し、砂層６に到達し、これを加熱する。砂層６の
うち、マスク３０越しにレーザ光Ｍが照射された砂部分
は加熱されて固化し、固化層６Ａが形成される。一方、
砂層６のうち、マスク３０で遮光されてレーザ光Ｍが照
射されなかった部分は加熱されず、実質的に未固化であ
り、後処理段階において除去可能である。

【００２０】本実施例では、マスク３０の上面に当たっ
て上方に反射したレーザ光は、反射筐体２の側壁２０の
内面、天井壁２２の多面反射部２６等で反射される。こ
の結果、マスク３０に当たって上方に反射したレーザ光
は、マスク３０の透過窓３０ｃを通過する確率が向上す
る。そのためマスク３０で反射したレーザ光の再利用性
が向上し、エネルギ効率が向上し、高価なレーザ光照射
部４を有効利用できる。

【００２１】上記のようにレーザ光照射工程を終えた
ら、次に昇降テーブル１０を降下ピッチ量Ｋぶん矢印Ｚ
２方向に降下させる。降下ピッチ量Ｋは、砂層６の厚み
ｔに実質的に相当する。砂層６の積層数が増加しても、
降下ピッチ量Ｋぶん降下することにより、レーザ光照射
部４から砂層６までの距離を一定に保持するのに有利で
ある。

【００２２】更に、前述同様に砂散布工程を再び行うべ
く、図３から理解できるように砂層６の上方に散布装置
８を配置した状態で、切り出しローラ８３を回転させつ
つ、散布装置８を矢印Ｓ方向に横移動させ、これにより
砂を散布し、新たな砂層６を形成する。その後、レーザ
光照射工程を再び実行すべく、新たな砂層６にレーザ照
射する。

【００２３】上記のような砂散布工程、レーザ光照射工
程が順に多数回繰り返されると、積層造形が実行され、
三次元的な積層造形物（図１における固化層６Ａの積層
体）が形成される。 （実施例２）実施例２を図４を参照して説明する。実施
例２は実施例１と基本的には同様の構成であり、基本的
には同様の作用効果を奏する。

【００２４】但し、反射筐体２には遠赤外線ヒータ９が
反射室２５に位置して複数個配置されている。遠赤外線
ヒータ９は、ヒータ源９０と、パラボリックミラーとし
て機能する反射板９１とを備えている。ヒータ源９０と
しては遠赤外線放射体を採用できる。遠赤外線ヒータ９
のヒータ源９０はマスク３０の透過窓３０ｃに対面して
いるため、ヒータ源９０からの赤外線はマスク３０の透
過窓３０ｃを透過し、砂層６に到達し、透過窓３０ｃよ
りも下方の砂層６が加熱される。なおマスク３０は、遠
赤外線の吸収性が低いものが好ましい。

【００２５】上記したように遠赤外線ヒータ９による加
熱方式を採用すれば、発熱線ヒータによる加熱方式に比
較して、加熱対象物までの途中媒体である反射室２５の
空気の加熱を抑制しつつ、加熱対象物である砂層６を効
果的に加熱できる。更に砂層６を構成する樹脂被覆砂Ｈ
Ａに被覆されている熱硬化型樹脂に、遠赤外線は吸収さ
れ易い等の利点が得られる。

【００２６】従って、遠赤外線ヒータ９は、高価なレー
ザ光に対する補助熱源として機能できる。故に設備コス
トの低減に有利である。本実施例では、遠赤外線ヒータ
９のヒータ源９０はマスク３０の透過窓３０ｃに対面し
ているため、ヒータ源９０から前方に放出された赤外線
は、マスク３０の透過窓３０ｃを透過し易くなり、透過
窓３０ｃの下方の砂層６をスポット的に加熱するのに有
利である。また、ヒータ源９０から後方に放出された遠
赤外線は、反射板９１で反射されほぼ平行となり、即ち
砂層６に対して垂直または垂直に近い角度で砂層６に入
射するようになり、この意味においても透過窓３０ｃの
下方の砂層６をスポット的に加熱するのに有利である。

【００２７】本実施例では、レーザ光照射部４によるレ
ーザ光照射操作と、遠赤外線ヒータ９により砂層６を加
熱する加熱操作とを同時的に実行してもよいし、或い
は、レーザ光照射操作と遠赤外線ヒータ９による加熱操
作とを時間的にずらして実行しても良い。具体的には、
遠赤外線ヒータ９による加熱操作で砂層６をある温度領
域（砂層６が加熱されても固化しない温度領域）まで予
熱し、予熱後にレーザ光照射操作を実行すれば、レーザ
光照射部４のレーザ出力を抑えつつ、短時間のうちに砂
層６を加熱固化するのに有利となり、生産効率が向上す
る。

【００２８】なお本実施例では、砂層６の温度を検知す
る温度センサ６ｔを設け、温度センサ６ｔの検知信号に
応じて遠赤外線ヒータ９の作動を制御装置９Ｃで制御
し、砂層６の過熱の防止、即ち、遠赤外線ヒータ９によ
る加熱だけで砂層６が固化しないようにすることが好ま
しい。温度センサ６ｔとしては、砂層６に触れて測温す
る接触式の温度センサ、砂層６に触れないで測温する非
接触式の温度センサを採用できる。

【００２９】本実施例のように遠赤外線ヒータ９による
加熱方式を採用した場合には、前述したように加熱対象
物である砂層６を加熱しつつも、砂層６への途中媒体で
ある反射室２５の空気の加熱を抑制できる。そのため反
射室２５における空気の密度変化の抑制を期待でき、レ
ーザ光の直進性確保に有利であり、マスク３０の模様パ
ターンの転写精度を高精度に確保するのに有利である。

【００３０】（他の例）上記した例では図１から理解で
きるように、反射筐体２と多面反射部２６とは一体的に
設けられているが、これに限らず、反射筐体２に対して
別体の多面反射部２６を設けても良い。（付記）上記し
た記載から次の技術的思想も把握できる。 反射材は、固化可能物質の上方を覆う筐体であり、レ
ーザ光が透過する透過窓と、固化可能物質に対面する下
面開口とを備えており、下面開口にマスクが対面して反
射室を区画することを特徴とする請求項１に係るレーザ
光照射式積層造形装置。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように請求項１に係る装置
によれば、固化可能物質に到達せずマスクで反射された
レーザ光を再び反射させて固化可能物質に当てる反射材
を備えているため、レーザ光を再利用するのに有利であ
り、エネルギ効率の向上を図り得る。そのため高価なレ
ーザ光照射部を有効利用するのに有利である。

【００３２】請求項２に係る装置によれば、反射材は、
高反射効率を有する材料で形成されているため、反射材
でのレーザ光反射性が向上し、レーザ光を再利用するの
に一層有利である。請求項３に係る装置によれば、固化
可能物質は遠赤外線の照射に伴い加熱されて固化する性
質をもち、固化可能物質を加熱する遠赤外線ヒータが併
設されているため、高価なレーザ光に対する補助熱源と
して遠赤外線ヒータを利用できる。従ってレーザ出力が
小さいレーザを利用でき、設備コストの低減に有利であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ光照射工程を実行している状態を模式的
に示す構成図である。

【図２】レーザ光照射工程におけるスキャン照射形態を
示す平面図である。

【図３】砂散布工程を実行している状態を模式的に示す
構成図である。

【図４】他の実施形態に係り、レーザ光照射工程を実行
している状態を模式的に示す構成図である。

【符号の説明】

図中、２は反射筐体（反射材）、２６は多面反射部、３
０はマスク、４はレーザ光照射部、６は砂層、６Ａは固
化層、ＨＡは樹脂被覆砂（固化可能物質）、９は遠赤外
線ヒータを示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光が照射されると固化する固化可能
   物質にマスク越しにレーザ光を照射し、照射部分を固化
   して積層造形物を形成するレーザ光照射式積層造形装置
   であって、 前記固化可能物質に到達せず前記マスクで反射されたレ
   ーザ光を再び反射させて前記固化可能物質に当てる反射
   材を備えていることを特徴とするレーザ光照射式造形装
   置。
2. 【請求項２】請求項１において、反射材は、高反射効率
   を有する材料で形成されていることを特徴とするレーザ
   光照射式積層造形装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記固化可能物質は遠
   赤外線の照射に伴い加熱されて固化する性質をもち、前
   記固化可能物質を加熱する遠赤外線ヒータが併設されて
   いることを特徴とするレーザ光照射式積層造形装置。