JPH10211658A - 粉粒体積層造形方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】レーザビームのスポット径を大きめに設定した
場合であっても、固化層ひいては三次元造形物の周縁の
形状精度の向上を図り得、散布層の過熱の抑制、生産性
の向上に有利な粉粒体積層造形方法及びその装置を提供
する。 【解決手段】レーザビームが照射されると固化する性質
をもつ粉粒体を用い、粉粒体をＸ方向及びＹ方向に沿う
ように散布して形成した散布層にレーザビームを照射
し、固化層を形成し、三次元造形物を得る。照射の際
に、散布層をマスクで覆った状態で、Ｘ回転ミラーでＸ
方向において振動しているレーザビームを、Ｙ回転ミラ
ーでＹ方向に移動させることにより、レーザビームが連
続波状の照射軌跡を描くようにレーザビームをマスク越
しに散布層にスキャン照射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、粉粒体を散布した
散布層にレーザ照射を行ない固化層を形成し、これを積
層して三次元造形物を造形する粉粒体積層造形方法及び
その装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、粉粒体積層造形方法（特開平３−
１８３５３０号公報、ＵＳＰ（米国特許）４２４７５０
８等）が開発されている。この粉粒体積層造形方法で
は、樹脂被覆砂等の粉粒体が用いられ、粉粒体を散布し
て散布層を形成する散布処理、散布層にレーザビームを
照射して薄い固化層を形成する照射処理が交互に繰り返
され、これにより固化層が順次多数積層され、以て三次
元造形物が形成される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この粉粒体積層造形方
法においては、レーザビームのスポット径は、固化層の
形状精度、ひいては三次元造形物の形状精度に大きな影
響を与えるため、極めて小さくする必要があった。即
ち、上記した技術では、レーザビームが照射されると散
布層が固化するため、図９から理解できるように、固化
層３００の周縁では、レーザビームのスポット径Ｄの大
きさにほぼ相応する微小な凸部３０１が生成され易い。
そのためスポット径Ｄが大きいと、凸部３０１のサイズ
が大きくなり、三次元造形物の周縁の形状精度が低下す
る。そこで上記した粉粒体積層造形方法においては、造
形物の周縁の形状精度を高精度にするため、スポット径
Ｄを極めて小さく設定せざるを得ない（例えば０．２ｍ
ｍ前後と微小径）。

【０００４】この場合には、三次元造形物の形状精度は
確保されるものの、レーザビームを照射する必要照射時
間がかなり長くなり、高速造形に不利であり、生産性の
向上には限界があった。従って上記した粉粒体積層造形
方法は、量産には必ずしも適さず、せいぜい試作品の造
形に利用するものであった。また生産性の向上を図るに
は、レーザ出力を増大する方策が考えられるが、この場
合には、散布層に照射する単位面積あたりの照射エネル
ギが過大となり易い。従って、適切なエネルギに制御す
るためには、レーザビームのスキャンスピード、オンオ
フ制御をさらに高速で行う必要がある。しかしながら、
その高速化には限界があり、生産性の大幅な向上は現状
では極めて困難である。

【０００５】また生産性の向上を図るべく、セグメント
ミラー法、カライドスコープ法等で生成した散光レーザ
ビームを照射することも考えられるが、この場合には構
造上、エネルギむらも発生し易く、鋳型のような広い面
積をもつ三次元造形物を良好に造形するには、必ずしも
適切ではない。本発明は上記した実情に鑑みなされたも
のであり、請求項１、２、４は、マスクを利用すること
により、レーザビームのスポット径を大きめに設定した
場合であっても、固化層ひいては三次元造形物の周縁の
形状精度の向上を図り得、これによりレーザビームのス
ポット径の拡大及び最適化、スポット径の選択の自由度
の確保に有利であり、レーザビームのスポット径の拡大
及び最適化に伴い、散布層の過熱の抑制、固化層の剥離
防止、固化不足の抑制等、生産性の向上に有利な粉粒体
積層造形方法及び粉粒体積層造形装置を提供することを
課題とする。

【０００６】更に請求項１、２、４は、Ｘ回転ミラー及
びＹ回転ミラーによるスキャン照射方式を採用すること
により、散光レーザビームをスキャンせずに照射する方
式に比較して、広い照射面積においてエネルギを均一に
照射するのに有利であり、従って良好な固化層、三次元
造形物を得るのに有利な粉粒体積層造形方法及び粉粒体
積層造形装置を提供することを課題とする。

【０００７】請求項３は、散布層及び粉粒体の少なくと
も一方の温度に応じてレーザビームの照射エネルギを増
減することにより、散布層の温度に応じてレーザビーム
を照射し、これにより散布層の固化の最適化を図るのに
有利であり、良好な固化層、三次元造形物を得るのに有
利な粉粒体積層造形方法を提供することを課題とする。

【０００８】即ち本発明に係る各請求項は、散布層の過
熱を抑制することを共通課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】 請求項１に係る粉粒体積層造形方法は、レーザビーム
が照射されると固化する性質をもつ粉粒体を用い、粉粒
体をＸ方向及びＹ方向に沿うように散布して形成した散
布層にレーザビームを照射し、Ｘ方向及びＹ方向に沿う
固化層を形成し、固化層を積層して三次元造形物を得る
積層造形方法において、Ｘ方向においてレーザビームの
向きを変えるＸ回転ミラーと、Ｙ方向においてレーザビ
ームの向きを変えるＹ回転ミラーと、レーザビームが透
過する透過パタ−ン形状をもつマスクとを用い、固化層
を形成するにあたり、散布層をマスクで覆った状態で、
レーザ発振機からレーザビームを発振しつつ、Ｘ回転ミ
ラーでＸ方向において振動しているレーザビームを、Ｙ
回転ミラーでＹ方向に移動させることにより、レーザビ
ームが連続波状の照射軌跡を描くようにレーザビームを
マスク越しに散布層にスキャン照射することを特徴とす
るものである。

【００１０】請求項２に係る粉粒体積層造形方法は、
請求項１において、連続波状の照射軌跡は、隣設する頂
点域を実質的に三角形状につないだ三角波または疑似三
角波が連続した軌跡であることを特徴とするものであ
る。 請求項３に係る粉粒体積層造形方法は、レーザビーム
が照射されると固化する性質をもつ粉粒体を用い、粉粒
体をＸ方向及びＹ方向に沿うように散布して形成した散
布層にレーザビームを照射し、Ｘ方向及びＹ方向に沿う
固化層を形成し、固化層を積層して三次元造形物を得る
積層造形方法において、散布層及び散布する前の粉粒体
のうちの少なくとも一方の温度を検出する温度検出手段
を用い、固化層を形成するにあたり、レーザビームを散
布層に照射し、照射の前または照射途中に、温度検出手
段により散布層及び散布する前の粉粒体のうちの少なく
とも一方の温度を検出し、温度検出手段による検出に応
じて、散布層に照射するレーザビームの照射エネルギを
増減することを特徴とするものである。

【００１１】請求項４に係る粉粒体積層造形装置は、
レーザビームが照射されると固化する性質をもつ粉粒体
をＸ方向及びＹ方向に沿う形態で散布する散布装置と、
レーザビームが透過する透過パタ−ン形状をもつマスク
を散布層の上に配置するマスク配置装置と、レーザビー
ムをＸ方向において多数回振動させると共にＹ方向に少
なくとも１回移動させることにより、レーザビームが連
続波状の照射軌跡を描くようにレーザビームをマスク越
しに散布層にスキャン照射するレーザ照射装置とを具備
することを特徴とするものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明で用いる粉粒体は、レーザ
ビームが照射されると固化するものである。この粉粒体
としては、例えば、熱硬化型樹脂を被覆した砂等の粉粒
体、熱硬化型樹脂で形成された粉粒体、金属の粉粒体等
を採用できる。これらは、レーザビーム照射で加熱され
ると固化する。

【００１３】Ｘ回転ミラー、Ｙ回転ミラーとしては、ミ
ラーの向きが反転するガルバノミラー、あるいは、一方
向に連続回転する多面体鏡であるポリゴンミラーなどを
採用できる。本発明で用いるレーザビームとしては、例
えば、ＣＯ₂ レーザ、ＹＡＧレーザ、Ａｒレーザ等の公
知のビームを適宜選択でき、可視光、非可視光の双方を
含む。レーザ出力は適宜選択できる。

【００１４】レーザの出力の割りにレーザビームのスポ
ット径が小さ過ぎると、単位面積あたりの照射エネルギ
が同じでも散布層の最表面が短時間で集中的に過熱され
易く、散布層の最表面の過固化が生じると共に、深さ方
向における加熱が不充分となり易い。従って、固化層と
その下層との結合が不充分となり易く、固化層の剥離、
反り等の欠陥が誘発され易い。一方、レーザ出力の割り
にレーザビームのスポット径が過大であると、スポット
あたりの照射エネルギが同じになるように照射繰り返し
数を増しても、散布層の必要加熱温度まで到達しにくく
なり、固化が不充分となり易い。

【００１５】このような諸要因を考慮して、レーザビー
ムのスポット径を設定する。レーザ出力、造形物のサイ
ズ等によっても相違するものの、スポット径の上限値と
しては２０ｍｍ、５０ｍｍ、８０ｍｍ、１００ｍｍ等、
あるいはそれ以上を採用でき、下限値としては０．２ｍ
ｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍ等を採用できる。
なおレーザ出力が増大すれば、照射むらを抑えつつスポ
ット径を大きくするのに有利である。

【００１６】請求項３に係る方法では、照射の前または
照射途中に、散布層及び散布する前の粉粒体のうちの少
なくとも一方の温度を温度検出手段により検出し、温度
検出手段による検出に応じて、散布層に照射するレーザ
ビームの照射エネルギを増減する。例えば、温度検出手
段で検出した温度が適温域よりも高温気味の場合には、
照射速度の増加およびレーザ発振機の出力の低減のうち
の少なくとも一方の処理を採用できる。また検出した温
度が適温域よりも低温気味の場合には、照射速度の減少
およびレーザ発振機の出力の増加のうちの少なくとも一
方の処理を採用できる。

【００１７】散布層の温度を検出する場合には、散布層
のうちレーザビームが直接照射されなかった部位に対応
する領域の温度を検出することが好ましい。温度が安定
しており、照射前の散布層や粉粒体がもつ本来の温度を
測定し易いからである。温度検出手段としては接触式、
非接触式を問わない。例えば熱電対、サーミスタ、放射
温度計等を採用できる。

【００１８】

【実施例】以下、実施例を図面を参照して説明する。図
１は全体構成を示す。本実施例では、水平二次元方向を
Ｘ方向、Ｙ方向とし、高さ方向をＺ方向とする。Ｘ方
向、Ｙ方向は互いに直交する方向である。本実施例で
は、図１から理解できるように、矢印Ｚ方向に昇降可能
な昇降テーブル１をもつ昇降装置２、昇降テーブル１を
昇降させる第１駆動手段３、粉粒体としての樹脂被覆砂
を収容すると共に樹脂被覆砂を昇降テーブル１に散布し
て散布層を昇降テーブル１に形成する散布装置５、散布
装置５を案内レール６に沿って矢印Ｙ方向に移動させる
第２駆動手段７と、レーザビームを発振するレーザ発振
機８（ＣＯ₂ レーザ）、レーザビームを伝達する伝達系
９、レーザビームの向きを変える回転ミラー装置１０
と、多種類のマスク１２が多数積層されたマスク供給台
１３と、使用済みのマスク１２が多数積層されるマスク
回収台１５と、使用済みマスク１２をマスク回収台１５
に運ぶと共にマスク供給台１３上の新規なマスク１２を
保持して昇降テーブル１の上方に配置させるマスク配置
装置１７とをもつ。マスクホルダ１４はマスク１２を着
脱可能に載せ得る機能をもつ。マスクホルダ１４はマス
ク１２を載せた状態で、案内レール６に沿って矢印Ｙ方
向において移動し、移動に伴い、マスク１２を昇降テー
ブル１の上方にセットしたり、マスク１２を昇降テーブ
ル１から遠ざけたりする機能をもつ。

【００１９】マスク配置装置１７は、マスク１２を１枚
づつ磁気吸着または真空吸着する吸着部１７ｒと、吸着
部１７ｒを移動させる第３駆動手段１９とをもつ。第１
駆動手段３、第２駆動手段７、第３駆動手段１９として
は油圧、空圧等のシリンダ機構が好ましいが、場合によ
ってはモータ機構でもよい。モータ機構としてはパルス
数に応じて駆動量が規定されるステッピングモータが適
する。

【００２０】マスク１２は、本実施例で照射するレーザ
ビームに対して耐久性をもつ鋼板、アルミ板等で構成さ
れている。マスク１２には、レーザビームが透過する所
定の透過パターン形状の透過窓１１が形成されている。
透過窓１１は、レーザビームを透過できる性質をもてば
良い。図２は要部構成を示す。レーザ発振機８から発振
したレーザビームはビームエキスパンダ９ａでビーム径
が拡大及び調整され、固定ミラー９ｂ〜９ｄを経て回転
ミラー装置１０に至る。回転ミラー装置１０は、矢印Ｘ
Ａ方向に揺動して振動するＸ回転ミラー２１をもつＸガ
ルバノスキャナ２２と、ＹＡ方向に揺動して振動するＹ
回転ミラー２４をもつＹガルバノスキャナ２５とをも
つ。

【００２１】Ｘ回転ミラー２１が矢印ＸＡ方向に所定の
振動数で振動すると、レーザビームは矢印Ｘ方向におい
てその振動数で振動する。Ｙ回転ミラー２４が矢印ＹＡ
方向のうちの一方向に揺動すると、矢印Ｘ方向で振動す
るレーザビームは、矢印Ｙ方向のうちのＹ１方向に移動
する。従ってレーザ発振機８、伝達系９、回転ミラー装
置１０はレーザ照射装置２０を構成する。

【００２２】本実施例では図２から理解できるように、
照射にあたっては、レーザビームが矢印Ｘ方向における
照射端Ｍａから照射端Ｍｃまでの間で多数回往復移動し
て振動する間に、その振動するレーザビームはＹ回転ミ
ラー２４の作動により照射端Ｍａから照射端Ｍｅへ矢印
Ｙ１方向に１回往動する。これにより図２に示すよう
に、レーザビームによる連続波状の照射軌跡が形成され
る。

【００２３】本実施例では図２から理解できるように、
連続波状の照射軌跡は、照射端Ｍａ、Ｍｃとして機能す
る頂点域を実質的に三角形状につないだ三角波あるいは
疑似三角波が連続した軌跡である。このような波形で照
射するためには、模式図である図４から理解できるよう
に、Ｘ回転ミラー２１が矢印ＸＡ₁ 方向に揺動すること
によりレーザビームＭを照射端Ｍａから照射端Ｍｃまで
照射した後に、Ｘ回転ミラー２１が逆方向である矢印Ｘ
Ａ₂ 方向に反転する必要がある。そのためレーザビーム
のＸ方向における振動数が過剰に高くなく、適切域であ
れば、Ｘ回転ミラー２１の反転瞬時における揺動速度の
低下の問題は少ないか、あるいは無く、レーザビーム照
射にあたり三角波または疑似三角波が形成され易い。な
お図４ではＹ回転ミラー２４は省略されている。

【００２４】このように三角波が得られる場合には、矢
印Ｘ方向におけるエネルギ密度分布は図５（Ｃ）の特性
線Ｅ_a に示すようになり、矢印Ｘ方向における照射端Ｍ
ａ、Ｍｃでエネルギ密度は高くなるものの、平坦状領域
Ｅ_c の幅が長くなる。従ってＸ方向における散布層５５
のエネルギ照射密度分布の平均化に有利であり、良好な
固化層５５Ａを得るのに有利である。なお図５（Ａ）、
図５（Ｃ）において、横軸は矢印Ｘ方向を意味し、縦軸
はエネルギ照射密度を意味する。図５（Ｂ）、図５
（Ｄ）において、横軸は矢印Ｘ方向を意味し、縦軸は矢
印Ｙ方向を意味する。

【００２５】矢印Ｘ方向において振動するレーザビーム
の振動数が過剰に高い場合には、Ｘ回転ミラー２１の単
位時間あたりの反転数は過剰となり、Ｘ回転ミラー２１
の反転が良好に対応できない。即ち、図５（Ｂ）から理
解できるように、矢印Ｘ方向における中央域Ｘ_Ceをレー
ザビームが通過する通過速度に比較して、反転瞬時であ
る照射端Ｍａ、Ｍｃをレーザビームが通過する通過速度
がかなり遅くなる。よって、図５（Ｂ）に示すようにレ
ーザビームの照射軌跡はサインカーブ状に近くなる。

【００２６】この場合には、矢印Ｘ方向におけるレーザ
ビームの照射エネルギ分布は図５（Ａ）の特性線Ｆ_a に
示すようになり、反転瞬時に相当する照射端Ｍａ、Ｍｃ
における単位時間あたりの照射エネルギが過剰となり、
この結果、照射端Ｍａ、Ｍｃにおける照射エネルギ密度
は高くなると共に、平坦状領域Ｆ_c の幅がかなり短くな
り、不適当領域Ｆ_K が増大し、散布層５５における矢印
Ｘ方向の照射エネルギの均一分布化には不利である。

【００２７】更に本実施例では図２に示すように、昇降
テーブル１に散布した散布層５５の温度を検出する温度
検出手段としての温度センサ３０が装備されている。温
度センサ３０は、散布層５５のうち、マスク１２で遮光
されレーザビームが照射されなかった部位に対応する領
域を非接触で検出する。温度センサ３０の検出信号は信
号線３０ｆを経て制御装置３２に伝達される。制御装置
３２は信号線１０ａを介して回転ミラー装置１０のＸガ
ルバノスキャナ２２、信号線１０ｂを介してＹガルバノ
スキャナ２５を制御し、信号線８ａを介してレーザ発振
機８の出力を制御する。

【００２８】図３は散布装置５を示す。図３に示すよう
に散布装置５は、貯蔵室５１及び吐出口５２をもつ容器
５３と、容器５３の底部に回転可能に装備された切り出
しローラ５４とを備えている。貯蔵室５１には粉粒体と
しての樹脂被覆砂ＨＡが装填されている。樹脂被覆砂Ｈ
Ａは、レーザビームの照射で熱硬化して固化する熱硬化
型樹脂を用い、熱硬化型樹脂を砂粒子に被覆したもので
ある。熱硬化型樹脂の材質はフェノール系樹脂である。
樹脂被覆砂ＨＡの樹脂を含めた平均サイズは５０〜１０
０μｍ程度である。

【００２９】図１に示す第１駆動手段３が駆動すると、
昇降装置２の昇降テーブル１が高さ方向つまり矢印Ｚ
１、Ｚ２方向に沿って昇降し、昇降テーブル１上に積層
されている散布層５５の高さ位置を調整できる。さて本
実施例では、三次元造形物が積層造形で形成される。三
次元造形物は中子型、外型部を含む。この場合には、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、切り出しローラ５４を回転させつつ、昇降テーブ
ル１の載置面１ｗに沿って散布装置５を矢印Ｓ１方向に
定速度で横移動させ、これにより砂を昇降テーブル１の
載置面１ｗに散布する。散布層５５の厚みｔは造形物の
種類に応じて適宜選択できるものの、０．１〜０．４ｍ
ｍ、特に０．２ｍｍ程度にできるが、これに限定される
ものではない。

【００３０】その後、掻き取り部材５７を同方向に移動
させ、これにより散布された余分の樹脂被覆砂を掻き取
り部材５７の先端部５７ｃで掻き取り、平滑化された散
布層５５を形成する。必要に応じて、ならしローラ５８
を回転させつつ同方向に移動させ、散布層５５の上面５
５ｆを一層平滑化することもできる。ならしローラ５
８、掻き取り部材５７は、散布装置５に一体的に搭載で
きる。

【００３１】上記のように砂散布工程を終えたら、レー
ザビーム照射工程を実行する。レーザビーム照射工程で
は、図２から理解できるように、昇降テーブル１に形成
した散布層５５の上面をマスク１２で覆った状態で、レ
ーザビームＭをマスク１２越しに散布層５５にスキャン
照射する。図２から理解できるように、スキャン照射
は、マスク１２の透過窓１１よりも広い範囲にわたって
実行される。

【００３２】レーザビーム照射工程においては照射され
たレーザビームＭはマスク１２の透過窓１１を透過し、
散布層５５に到達し、これを加熱する。散布層５５のう
ち、レーザビームＭが照射された砂部分は熱硬化して固
化し、薄い固化層５５Ａが形成される。一方、散布層５
５のうち、マスク１２で遮光されてレーザビームＭが照
射されなかった部分は熱硬化されずに未固化であり、除
去可能である。

【００３３】上記のようにレーザビーム照射工程によ
り、透過窓１１の平面形状に対応した平面形状をもつ固
化層５５Ａが形成される。レーザビーム照射工程を終え
たら、次に昇降テーブル１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は散布層５５の厚
みに実質的に相当する。

【００３４】その状態で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、一旦、矢印Ｓ２方
向に戻した後に、切り出しローラ５４を回転させつつ、
昇降テーブル１上の固化層５５Ａに沿って散布装置５を
矢印Ｓ１方向に横移動させ、これにより砂を昇降テーブ
ル１の載置面に散布し、新たな散布層５５を形成する。

【００３５】その後、レーザビーム照射工程を再び実行
すべく、新たな散布層５５に、新たなマスク１２を被せ
た状態で、新たな散布層５５にレーザ照射する。このよ
うな砂散布工程、レーザビーム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、三次元造形物が形
成される。 （レーザビーム照射条件の選定）さて図６は、上記した
熱硬化型樹脂で被覆した樹脂被覆砂を用いた場合におい
て、レーザビームの必要照射面積と、この必要照射面積
をスキャン照射するために必要な必要照射時間とを関係
を示す。レーザビームの必要照射面積は、目標とする三
次元造形物の水平断面形状に基づいて求められる。図６
の特性線に基づいて必要照射面積から必要照射時間Ｔが
求められる。必要照射面積がＡ〔ｍｍ〕（Ｘ方向）×Ｂ
〔ｍｍ〕（Ｙ方向）であるときには、レーザ出力が５ｋ
Ｗであれば、必要照射時間Ｔはｔ₂ 秒（例えば１０秒）
となり、レーザ出力が１０ｋＷであれば、必要照射時間
Ｔはｔ₁ 秒（ｔ₁ ＜ｔ₂ ）となる。

【００３６】次にＹ方向におけるレーザビームのスキャ
ンピッチＰを求める。図７から理解できるようにスキャ
ンピッチＰは、Ｙ方向において隣設するスポット径の中
心間距離を意味する。レーザビームがＸ方向において振
動する１秒間あたりの振動数をＨｘ〔Ｈｚ〕とすれば、
スキャンピッチＰ〔ｍｍ〕は次の式（１）から求まる。

【００３７】Ｐ＝Ｂ／（Ｔ・Ｈｘ）…（１） 一方、レーザビームのスポット径をＤ（Ｄ＞Ｐ）とする
と、同じ場所をレーザビームが何回繰り返して透過する
通過回数を示す繰り返し数Ｎは、スポット径Ｄとスキャ
ンピッチＰとの関係で求まる。つまり次の式（２）によ
り求まる。 Ｎ＝Ｄ／Ｐ…（２） 例えば、レーザビームのＸ方向における振動数Ｈｘが５
０〔Ｈｚ〕で、必要照射時間Ｔが１０秒の場合には、Ａ
×Ｂの必要照射面積を１回スキャン照射するにあたり、
レーザビームは５００回振動することになる。従ってＹ
方向の寸法Ｂ＝５００ｍｍの場合にば、Ｙ方向における
スキャンピッチＰ＝５００／５００＝１〔ｍｍ〕とな
る。従ってスポット径が５〔ｍｍ〕、スキャンピッチＰ
が１〔ｍｍ〕の場合には 繰り返し数Ｎ＝５／１＝５回
となる。なお繰り返し数Ｎは、照射エネルギ分布をでき
るだけ均一化し、良好な固化層５５Ａを得るには、本発
明者による現在までの試験によれば、本実施例の条件下
では２〜５回程度が好ましいと考えられる。

【００３８】ところでレーザの出力を維持しつつレーザ
ビームのスポット径を小さくすると、単位面積あたりの
照射エネルギが同じでも、散布層５５の最表面が短時間
で集中的に過熱され、散布層５５の最表面の過硬化が生
じると共に、深さ方向における加熱が不充分となり易
い。この場合には、形成された固化層とこれの下層との
結合性が低下し、過熱された固化層５５Ａの剥離、反り
等が誘発される。一方、レーザの出力をそのままに維持
してスポット径を過大とすると、スポットあたりの照射
エネルギが過少となり易く、散布層５５の必要加熱温度
まで到達せず、固化が不充分となる。上記した事情を考
慮した適切なスポット径は、レーザ発振機８の出力によ
っても変動する。

【００３９】以上の関係を整理すると、本実施例のよう
な条件下ではレーザ発振機８の出力が一般的に１〜５ｋ
Ｗ程度であれば、良好なる造形物を得るには、図８に示
す特性に基づくことが好ましい。図８の横軸はレーザビ
ームのスポット径〔ｍｍ〕を示し、縦軸はレーザビーム
のＸ方向における振動数〔Ｈｚ〕を示す。Ｎ＝２は、繰
り返し数が２回の場合における特性線を示す。Ｎ＝３
は、繰り返し数が３回の場合における特性線を示す。Ｎ
＝５についても同様である。

【００４０】Ｘ方向におけるレーザビームの振動数が約
１００〔Ｈｚ〕（図８に示す境界Ｒｆ）よりも大きくな
ると、それに対応して単位時間あたりにおけるＸ回転ミ
ラー２１の反転数が増加するため、Ｘ回転ミラー２１の
反転瞬時における相対揺動速度が低下し、レーザビーム
の三角波スキャン照射を維持しにくくなる。この結果、
前述したようにレーザビームはサインカーブ状のスキャ
ン照射となり易く、Ｘ方向におけるエネルギ密度の均一
性は低下し易い。そのため現状の反転方式の回転ミラー
装置１０を使用する限り、Ｘ方向におけるレーザビーム
の振動数が１００〔Ｈｚ〕を越えることは好ましくな
い。

【００４１】図８の特性線（Ｎ＝２、Ｎ＝３、Ｎ＝５）
から理解できるように、スポット径Ｄを小さくする場合
には、単一スポット当たりの照射面積が小さいため、こ
れを補うべくレーザビームの振動数を増加する必要があ
る。この場合には、三角波とサインカーブとの境界域
（約１００Ｈｚ、図８に示す境界Ｒｆ）にレーザビーム
の振動数が接近する。そのためレーザビームの連続軌跡
がサインカーブとなり易く、矢印Ｘ方向における照射エ
ネルギの均一化の観点からは好ましくない。

【００４２】これに対してレーザビームのスポット径Ｄ
を大きくすれば、単一スポットの照射面積が増大し、生
産性の向上に貢献できるばかりか、図８の上記特性線か
ら理解できるように、必要照射面積を確保するにあたり
レーザビームのＸ方向の振動数を低減でき、これにより
Ｘ回転ミラー２１の単位時間あたりの反転数が低減で
き、故に前述したようにレーザビームの連続軌跡が三角
波、疑似三角波となり易く、矢印Ｘ方向における照射エ
ネルギの均一化、良好なる造形物を得る観点から好まし
い。

【００４３】上記した実施例に係る試験条件のもとで
は、図８において、スポット径及び振動数が適切である
領域ＫＡでは、良好な固化層５５Ａが得られ易い。スポ
ット径が小さく振動数が高い領域ＫＢでは、固化層５５
Ａが過硬化となり易い。領域ＫＣでは、固化層５５Ａの
硬化が不充分となり易い。良好な固化層５５Ａが得られ
る範囲は、一般的には、図８に示す領域ＫＡにおいてハ
ッチングで示される領域である。

【００４４】図８に示す特性に基づいて、最適なＸ方向
の振動数、繰り返し数、レーザビームのスポット径を選
択することができる。但し図８に示すデータは、上記し
た実施例の場合に適合するものであり、レーザ出力等の
各種条件の変動に応じて変更できる。従って出力が増大
したレーザ発振機８を用いれば、レーザビームのスポッ
ト径の上限値を前述したように５０ｍｍ、８０ｍｍ、１
００ｍｍ、あるいはそれ以上に設定しても、良好なる固
化層５５Ａが得られる。

【００４５】図８に示す特性に基づけば、繰り返し数Ｎ
＝３のときには、レーザビームのスポット径が１０ｍｍ
であれば、Ｘ方向における振動数Ｈｘは８０〔Ｈｚ〕程
度に設定するのが好ましい。繰り返し数Ｎ＝３のときに
は、スポット径が２０ｍｍであれば、Ｘ方向における振
動数Ｈｘは５０〔Ｈｚ〕程度に設定するのが好ましい。
繰り返し数Ｎ＝２のときには、スポット径が３０ｍｍで
あれば、Ｘ方向における振動数Ｈｘは２０〔Ｈｚ〕程度
に設定するのが好ましい。

【００４６】なお、反転方式のＸガルバノスキャナ２２
ではなく、一方向に連続回転する多面鏡であるポリゴン
ミラーをＸ回転ミラーとして採用すれば、反転瞬時の遅
れの問題は改善されるものの、ポリゴンミラー方式は、
その性質上スキャン照射面積が大きい場合には不利であ
る。よって造形物が鋳型等のようにスキャン照射面積が
広い場合には、反転方式のＸガルバノスキャナ２２が適
する。

【００４７】（実施例の効果）以上説明したように本実
施例では、固化層５５Ａを形成するにあたり、散布層５
５をマスク１２で覆った状態で、レーザビームをマスク
１２越しに照射するため、固化層５５Ａはマスク１２の
透過窓１１の形状に対応した平面形状となり、従来技術
で生じていた精度低下の要因である凸部３０１（図９参
照）を防止できる。よって、レーザビームのスポット径
Ｄを増加しても、固化層５５Ａひいては三次元造形物の
周縁の形状精度を確保できる。

【００４８】このように造形物の精度を維持しつつレー
ザビームのスポット径Ｄを増大できるため、レーザビー
ムの過剰集中に起因する散布層５５の過硬化、過固化を
抑制でき、特に散布層５５の最表面の過硬化、過固化を
抑制できる。更にレーザビームのスポット径Ｄを増大で
きるため、単一スポットの照射面積が確保され、照射時
間の短縮を図り得、生産性の向上に有利である。

【００４９】また本実施例では、Ｘ回転ミラー２１及び
Ｙ回転ミラー２４によるスキャン照射方式が採用されて
いるため、散光レーザ（カライドスコープ法、セグメン
トミラー法等による散光レーザ：これらは構造上、レー
ザビーム固定式）を非スキャン方式で照射する場合に比
較して、広い照射面積における照射エネルギの均一化に
有利である。従って固化層５５Ａの均一化に有利であ
り、良好なる三次元造形物を形成するのに有利である。

【００５０】加えて本実施例では前述したように、造形
物の形状精度を確保しつつレーザビームのスポット径Ｄ
を大きくできるため、レーザビームのＸ方向における振
動数を低減しても必要照射面積を確保し易い。このよう
にレーザビームのＸ方向における振動数を低減できるた
め、Ｘ回転ミラー２１の単位時間あたりの反転数が低減
され、三角形状または疑似三角形状の照射軌跡でスキャ
ン照射するのに有利である。この意味においても、Ｘ方
向における照射エネルギ密度の分布の均一化を図り得
る。従って固化層５５Ａの均一化に一層有利であり、良
好なる三次元造形物を形成するのに一層有利である。

【００５１】ところで造形物の形成に伴い固化層５５Ａ
の積層枚数が増加すると、固化層５５Ａが次第に昇温す
る。その理由は、レーザビーム照射されて熱硬化した固
化層５５Ａからの伝熱等の影響である。したがって固化
層５５Ａの上に新たに散布した照射前の散布層５５も昇
温する。また予熱した樹脂被覆砂ＨＡを用いて散布層５
５を形成した場合には、散布層５５は通常よりも昇温し
ている。

【００５２】これらの場合には、散布層５５が常温のと
きと同様のエネルギ密度でレーザビームを散布層５５に
照射すると、照射エネルギの投入が過剰となり、散布層
５５が過硬化し易くなる。この点本実施例では、各散布
層５５を照射する散布層５５の温度が、各散布層５５に
レーザビームを照射する前に温度センサ３０により検出
される。温度センサ３０の検出信号は制御装置３２に入
力され、制御装置３２は、その検出信号に応じて、散布
層５５の単位面積あたりに照射する照射エネルギを増減
する補正処理を実行する。

【００５３】具体的には、散布層５５の温度が適温域よ
りも高温気味の場合には、単位面積あたりの照射エネル
ギを低減補正すべく、レーザ発振機８の出力ＰＬを低減
すると共に、レーザビームの照射速度ＶＬを増加する。
また、散布層５５の温度が適温域よりも低温気味の場合
には、単位面積あたりの照射エネルギを増加補正すべ
く、レーザ発振機８の出力ＰＬを増加すると共に、レー
ザビームの照射速度ＶＬを減少する。

【００５４】散布層５５の温度を検出するにあたって
は、散布層５５のうち、レーザビームが直接照射されな
かった部位に対応する領域の温度を検出することが好ま
しい。温度が安定しており、照射前の散布層５５がもつ
本来の温度を測定し易いからである。上記した例では、
前述したように各散布層５５にレーザビームを照射する
前の段階で散布層５５の温度を検出しているが、これ限
らず、照射途中で散布層５５の温度を検出しても良い。
場合によっては、散布装置５の容器５３内に収容されて
いる樹脂被覆砂ＨＡの温度を検出し、その検出に応じ
て、レーザ発振機８の出力ＰＬ、レーザビームの照射速
度ＶＬを増減補正しても良い。

【００５５】（制御）図１０は、制御装置３２が実行す
るレーザビームの照射エネルギの補正処理サブルーチン
のフローチャートの一例を示す。ステップＳ１００では
検温指令が出力されているか判定する。検温指令は、散
布層５５の形成が完了したら出力される。図１０に示す
ように検温指令が出力されていなければ、補正処理を実
行せずに、メインルーチンにそのままリターンする。

【００５６】検温指令が出力されていれば、ステップＳ
１０２で温度センサ３０からの温度信号Ｔｍを入力す
る。ステップＳ１０４では温度信号Ｔｍに応じて、レー
ザ出力ＰＬを算出する。レーザ出力ＰＬは、温度信号Ｔ
ｍを含む関数式（ＰＬ＝ｆ₁ （Ｔｍ））として表されて
おり、この関数式からレーザ出力ＰＬは算出される。ス
テップＳ１０６では温度信号Ｔｍに応じて、レーザビー
ムの照射速度ＶＬを算出する。照射速度ＶＬは、温度信
号Ｔｍを含む関数式（ＶＬ＝ｆ₂ （Ｔｍ））として表さ
れており、この関数式から照射速度ＶＬは算出される。
そしてステップＳ１０８で補正信号をレーザ発振機８の
駆動回路、回転ミラー装置１０の駆動回路に出力し、メ
インルーチンにリターンする。

【００５７】なお図１に示す例では、図１から理解でき
るように散布装置５が移動する方向が矢印Ｙ方向と規定
し、これと直交する方向が矢印Ｘ方向と規定している
が、これと逆に、散布装置５が移動する方向を矢印Ｘ方
向と規定しても良い。

【００５８】

【発明の効果】請求項１に係る方法によれば、固化層を
形成するにあたり、散布層をマスクで覆った状態で、レ
ーザビームをマスク越しに照射するため、レーザビーム
のスポット径を増加しても、固化層の周縁の形状精度、
ひいては三次元造形物の周縁の形状精度を確保できる。

【００５９】このように造形物の精度を維持しつつレー
ザビームのスポット径を増大及び最適化できるため、レ
ーザビームの過剰集中に起因する散布層の過固化を抑制
でき、特に散布層の最表面の過固化を抑制できる。従っ
て良好な固化層、三次元造形物を得るのに有利である。
更に前述したようにレーザビームのスポット径を増大で
きるため、スキャン照射時間の短縮に有利であり、生産
性の向上にも貢献できる。

【００６０】また請求項１に係る方法によれば、Ｘ回転
ミラー及びＹ回転ミラーによるスキャン照射を採用して
いるため、カライドスコープ法等の散光レーザを非スキ
ャン方式で照射する場合に比較して、広い照射面積にお
ける照射エネルギの均一化に有利である。従って固化層
の均一化に有利であり、良好なる三次元造形物を形成す
るのに有利である。

【００６１】請求項２に係る方法によれば、連続波状の
照射軌跡は三角波または疑似三角波が連続した軌跡であ
る。そのため照射エネルギの均一分布化に一層有利であ
る。従って固化層の均一化に有利であり、良好なる三次
元造形物を形成するのに一層有利である。請求項３に係
る方法によれば、照射の前または照射途中に、散布層及
び散布する前の粉粒体のうちの少なくとも一方の温度を
温度検出手段により検出し、温度検出手段による検出に
応じて、散布層に照射する照射エネルギを増減する。そ
のため、積層造形が進行するにつれて散布層や粉粒体が
昇温した場合であっても、あるいは、散布層や粉粒体が
降温した場合であっても、迅速に対応でき、良好なる固
化層を得るのに有利であり、良好なる三次元造形物を形
成するのに有利である。

【００６２】請求項４に係る装置によれば、請求項１に
係る方法を実施するのに有利である。即ち、固化層を形
成するにあたり、散布層をマスクで覆った状態で、レー
ザビームをマスク越しに照射するため、レーザビームの
スポット径を増加しても、固化層の周縁の形状精度、ひ
いては三次元造形物の周縁の形状精度を確保できる。更
に、カライドスコープ法等の散光レーザを非スキャン方
式で照射する場合に比較して、広い照射面積における照
射エネルギの均一化に有利である。従って固化層の均一
化に有利であり、良好なる三次元造形物を形成するのに
有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】全体構成を模式的に示す構成図である。

【図２】ミラー装置でスキャン照射する形態を模式的に
示す構成図である。

【図３】砂散布工程を示す構成図である。

【図４】Ｘ回転ミラーの反転形態を模式的に示す構成図
である。

【図５】Ｘ方向における照射エネルギ分布を示す構成図
である。

【図６】必要照射面積と必要照射時間との関係を模式的
に示すグラフである。

【図７】レーザビームのスキャン照射におけるスキャン
ピッチを説明するための構成図である。

【図８】レーザビームのスポット径とＸ方向の振動数と
の関係を示すグラフである。

【図９】レーザビームのスポット径の影響で生じて造形
物の形状精度の低下を誘発する凸部を説明する構成図で
ある。

【図１０】制御装置が実行する補正処理サブルーチンの
フローチャートである。

【符号の説明】

図中、１は昇降テーブル、８はレーザ発振機、１０はミ
ラー装置、１１は透過窓、１２はマスク、１７はマスク
配置装置、２０はレーザ照射装置、２１はＸ回転ミラ
ー、２２はＸガルバノスキャナ、２４はＹ回転ミラー、
２５はＹガルバノスキャナ、３０は温度センサ（温度検
出手段）、５５は散布層、５５Ａは固化層を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザビームが照射されると固化する性質
   をもつ粉粒体を用い、前記粉粒体をＸ方向及びＹ方向に
   沿うように散布して形成した散布層にレーザビームを照
   射し、Ｘ方向及びＹ方向に沿う固化層を形成し、前記固
   化層を積層して三次元造形物を得る積層造形方法におい
   て、 Ｘ方向において前記レーザビームの向きを変えるＸ回転
   ミラーと、Ｙ方向において前記レーザビームの向きを変
   えるＹ回転ミラーと、前記レーザビームが透過する透過
   パタ−ン形状をもつマスクとを用い、 前記固化層を形成するにあたり、前記散布層を前記マス
   クで覆った状態で、 レーザ発振機から前記レーザビームを発振しつつ、前記
   Ｘ回転ミラーでＸ方向において振動しているレーザビー
   ムを、前記Ｙ回転ミラーでＹ方向に移動させることによ
   り、前記レーザビームが連続波状の照射軌跡を描くよう
   に前記レーザビームをマスク越しに前記散布層にスキャ
   ン照射することを特徴とする粉粒体積層造形方法。
2. 【請求項２】請求項１において、連続波状の照射軌跡
   は、隣設する頂点域を実質的に三角形状につないだ三角
   波または疑似三角波が連続した軌跡であることを特徴と
   する粉粒体積層造形方法。
3. 【請求項３】レーザビームが照射されると固化する性質
   をもつ粉粒体を用い、前記粉粒体をＸ方向及びＹ方向に
   沿うように散布して形成した散布層にレーザビームを照
   射し、Ｘ方向及びＹ方向に沿う固化層を形成し、前記固
   化層を積層して三次元造形物を得る積層造形方法におい
   て、 前記散布層及び散布する前の前記粉粒体のうちの少なく
   とも一方の温度を検出する温度検出手段を用い、 前記固化層を形成するにあたり、前記レーザビームを前
   記散布層に照射し、 照射の前または照射途中に、前記温度検出手段により前
   記散布層及び散布する前の前記粉粒体のうちの少なくと
   も一方の温度を検出し、前記温度検出手段による検出に
   応じて、 前記散布層に照射するレーザビームの照射エネルギを増
   減することを特徴とする粉粒体積層造形方法。
4. 【請求項４】レーザビームが照射されると固化する性質
   をもつ粉粒体をＸ方向及びＹ方向に沿う形態で散布する
   散布装置と、 レーザビームが透過する透過パタ−ン形状をもつマスク
   を前記散布層の上に配置するマスク配置装置と、 レーザビームをＸ方向において多数回振動させると共に
   Ｙ方向に少なくとも１回移動させることにより、レーザ
   ビームが連続波状の照射軌跡を描くようにレーザビーム
   を前記マスク越しに前記散布層にスキャン照射するレー
   ザ照射装置とを具備することを特徴とする粉粒体積層造
   形装置。