JPH11347761A - レーザによる３次元造形装置 - Google Patents

レーザによる３次元造形装置

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JPH11347761A
JPH11347761A JP10164713A JP16471398A JPH11347761A JP H11347761 A JPH11347761 A JP H11347761A JP 10164713 A JP10164713 A JP 10164713A JP 16471398 A JP16471398 A JP 16471398A JP H11347761 A JPH11347761 A JP H11347761A
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powder
laser
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dimensional
powder layer
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JP10164713A
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Takashi Ishide
孝 石出
Risuke Nayama
理介 名山
Yoshio Hashimoto
義男 橋本
Masanari Watanabe
眞生 渡辺
Takashi Akaha
崇 赤羽
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C41/00—Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor
    • B29C41/34—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C41/52—Measuring, controlling or regulating

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パウダー層の積層高さを均一にして正確な３
次元形状形成ができるレーザによる３次元造形装置を提
供する。 【解決手段】 パウダー層の高さを検出するハイトセン
サ１８を備えると共に、このハイトセンサ１８の検出信
号に基づいて、コントローラにより、パウダー送給装置
２２からのパウダー２４の送給、ＹＡＧレーザ発振器１
５からのレーザビーム２３の発振、或いはＸ，Ｙ，Ｚ軸
駆動装置による３次元造形部２０又はレーザ成形ヘッド
１７の駆動を制御することによってパウダー層の積層高
さを均一にするよう構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザによる３次元
造形装置に関し、具体的には金属のパウダーを積層して
３次元造形を行う装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、Laser Generating(L.G.)技術が注
目されている。樹脂による３次元造形技術はRapid Prot
otyping(R.P.) としてよく知られているが、R.P.を金属
で実現する技術をここではLaser Generating(L.G.)と呼
ぶ。これは、最終的には金属でRapid Productionを狙っ
たものである。レーザの分野での金属による３次元造形
技術には、更に、パウダー槽にレーザビームを照射して
一層ずつ立体を成形する技術もある。ここではこれをSe
lective Laser Sintering(S.L.S)技術と呼ぶ。
【０００３】L.G.技術はレーザクラッディング技術の延
長であり、パウダーを送給しつつレーザビームを照射し
て３次元形状を形成してゆくという技術である。即ち、
図５に示すように、３次元造形装置に備えたレーザ成形
ヘッド１を、３次元造形部３に対して相対的に矢印Ａ方
向に移動させながら、図示しないパウダー送給装置から
送給されてきた金属のパウダー６をレーザ成形ヘッド１
から３次元造形部３に送給してパウダー層を形成しつ
つ、このパウダー層に、図示しないレーザ発振器から発
振されたレーザビーム２をレーザ成形ヘッド１から照射
して、パウダー層を溶融し固化するという動作を繰り返
すことにより、パウダー層を多層（Ｐ1 ，Ｐ2 ・・・Ｐ
n-1 ，Ｐn ）に積層して３次元形状を形成する（３次元
造形物５）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のレーザによる３次元造形装置では、パウダー層の高
さが均一にならない場合、即ち、図５に例示するよう
に、Ｐn-1 番目のパウダー層において何らかの原因によ
りパウダーの送給量が少なくなって高さの低い部分（凹
部４）が生じた場合には、Ｐn 番目以降のパウダー層で
は凹部４の上に同量（少量）のパウダーが送給されて凹
部４の深さが増してしまうか、高さが一層分そろわなく
なり、パウダー層の積層高さの不均一性が生じて正確な
３次元形状形成ができなかった。なお、何れかのパウダ
ー層でパウダーの送給量が多くなって高さの高い部分
（凸部）が生じた場合にも、やはりパウダー層の積層高
さの不均一性が生じて正確な３次元形状形成ができな
い。
【０００５】従って本発明は上記従来技術に鑑み、パウ
ダー層の積層高さを均一にして正確な３次元形状形成が
できるレーザによる３次元造形装置を提供することを課
題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明のレーザによる３次元造形装置は、コントローラの制
御に基づいて、レーザ成形ヘッドから３次元造形部に金
属のパウダーを送給してパウダー層を形成しつつ、前記
パウダー層に前記レーザ成形ヘッドからレーザビームを
照射して前記パウダー層を溶融し固化するという動作を
繰り返すことにより、パウダー層を多層に積層して３次
元形状を形成するよう構成したレーザによる３次元造形
装置であって、前記パウダー層の高さを検出するハイト
センサを備えると共に、このハイトセンサの検出信号に
基づいて、前記コントローラにより、パウダー送給装置
からの前記パウダーの送給、レーザ発振器からの前記レ
ーザビームの発振、或いは駆動装置による前記３次元造
形部又は前記レーザ成形ヘッドの駆動を制御することに
よってパウダー層の積層高さを均一にするよう構成した
ことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。
【０００８】図１は本発明の実施の形態に係るレーザに
よる３次元造形装置の全体構成を示す斜視図、図２は前
記３次元造形装置の全体構成を示すブロック図、図３は
前記３次元造形装置の動作説明図、図４は前記３次元造
形装置によって形成された３次元造形物の一例を示す斜
視図である。
【０００９】図１に示すように、Ｚ軸駆動装置１３の先
端部にはレーザ成形ヘッド（Lasergenerating head)１
７が設けられている。従って、レーザ成形ヘッド１７
は、Ｚ軸駆動装置１３に駆動されてＺ軸方向（矢印Ｚ方
向）に移動することができる。レーザ成形ヘッド１７の
下方にはＸＹテーブル１０が設けられており、このＸＹ
テーブル１０上には３次元造形部（ステージ）２０が設
けられている。従って、３次元造形部２０は、ＸＹテー
ブル１０のＸ軸駆動装置１１及びＹ軸駆動装置１２に駆
動されてＸ軸方向（矢印Ｘ方向）及びＹ軸方向（矢印Ｙ
方向）に移動することができる。
【００１０】レーザ成形ヘッド１７にはパウダー送給装
置（図１では図示せず、図２のパウダー送給装置２２参
照）から金属のパウダー２４がパウダー送給チューブ１
９を介して送給され、このパウダー２４がレーザ成形ヘ
ッド１７から３次元造形部２０へ送給されるようになっ
ている。また、レーザ成形ヘッド１７にはＹＡＧレーザ
発振器１５から発振されたレーザビーム２３が光ファイ
バ１４を介して伝送され、このレーザビーム２３がレー
ザ成形ヘッド１７から３次元造形部２０に送給されたパ
ウダー２４の層に照射されるようになっている。
【００１１】また、本３次元造形装置にはコントローラ
（図１では図示せず、図２のコントローラ２１Ａ，２１
Ｂ，２１Ｃ参照）が設けられており、このコントローラ
によって、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸駆動装置１１，１２，１３、パ
ウダー送給装置及びＹＡＧレーザ発振器１５を制御する
ようになっている。
【００１２】即ち、本３次元造形装置では、コントロー
ラの制御に基づいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸駆動装置１１，１
２，１３の駆動によりレーザ成形ヘッド１７を３次元造
形部２０に対して相対的に移動させながら、パウダー送
給装置から送給されてきたパウダー２４をレーザ成形ヘ
ッド１７から３次元造形部２０に送給してパウダー層を
形成しつつ、このパウダー層に、ＹＡＧレーザ発振器１
から発振されたレーザビーム２３をレーザ成形ヘッド１
７から照射して、パウダー層を溶融し固化するという動
作を繰り返すことにより、パウダー層を多層に積層して
３次元形状（３次元造形物）を形成する。例えば、一つ
のパウダー層の高さを０．２ｍｍ程度とし、これを数百
層に積層して図４に示すような３次元造形物３０を形成
する。
【００１３】そして、図１に示すように、本３次元造形
装置では、レーザ成形ヘッド１７の後部にハイトセンサ
１８が設けられている。このハイトセンサ１８は、３次
元造形部２０に送給されたパウダー２４の層の高さを検
出して凹凸の有無を検出するものである。従って、ハイ
トセンサ１８としては、パウダー層の高さを検出して凹
凸の有無を検出することができるものであればよく、例
えばパウダー層までの距離を検出するレーザセンサ等を
用いることができる。
【００１４】ハイトセンサ１８の検出信号はコントロー
ラにフィードバックされ、コントローラでは、ハイトセ
ンサ１８の検出信号に基づいて、パウダー送給装置、Ｙ
ＡＧレーザ発振器１５及びＸ，Ｙ，Ｚ軸駆動装置１１，
１２，１３を制御する。このコントローラの制御につい
て、図２及び図３に基づき、詳細に説明する。
【００１５】図２に示すように、コントローラ部２１に
はレーザ発振器コントローラ２１Ａと、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸コ
ントローラ２１Ｂと、パウダー送給コントローラ２１Ｃ
とが設けられており、これらの各コントローラ２１Ａ，
２１Ｂ，２１Ｃにハイトセンサ１８の検出信号がフィー
ドバックされる。
【００１６】図３（ａ）にはＰn 番目のパウダー層にお
いてパウダー２４の送給量が少なくなって高さの低い部
分（凹部３１）が生じた場合を示し、図３（ｂ）にはＰ
n 番目のパウダー層においてパウダー２４の送給量が多
くなって高さの高い部分（凸部３２）が生じた場合を示
しているが、このような場合には、ハイトセンサ１８に
よってＰn 番目のパウダー層の高さを検出しているとき
に、このパウダー層に生じた凹部３１又は凸部３２が検
出される。
【００１７】そして、このような場合、各コントローラ
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃでは、ハイトセンサ１８の検出
信号に基づいて次のような制御を行う。
【００１８】 Ｐn 番目のパウダー層に凹部３１が生
じた場合 Ｘ，Ｙ，Ｚ軸コントローラ２１Ｂでは、図３（ａ）に一
点鎖線で示すように、次のＰn+1 番目のパウダー層を積
層するために、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸駆動装置１１，１２，１３
を制御して、レーザ成形ヘッド１７をＺ軸方向（上方）
へ所定量だけ移動させると共に、３次元造形部２０をＸ
軸方向又はＹ軸方向に所定の速度で移動させて、レーザ
成形ヘッド１７を３次元造形部２０に対して相対的に矢
印Ａ方向に所定の速度で移動させる。
【００１９】そして、パウダー送給コントローラ２１Ｃ
では、レーザ成形ヘッド１７の移動に応じて、凹部３１
以外の部分の上に送給するパウダー量よりも凹部３１の
上に送給するパウダー量の方を多くするようにパウダー
送給装置２２を制御して、凹部３１を埋め且つＰn+1 番
目のパウダー層の高さが均一になるように制御する。な
お、凹部３１の上に送給するパウダー量をどれだけ多く
するか、又は、凹部３１以外の部分の上に送給するパウ
ダー量をどれだけ少なくするかは、ハイトセンサ１８の
検出信号に基づいて、凹部３１がどれくらいの深さであ
るかを求めることによって得られる。
【００２０】或いは、パウダー送給コントローラ２１Ｃ
ではパウダー送給量を一定にするようにパウダー送給装
置２２を制御し、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸コントローラ２１Ｂにお
いてレーザ成形ヘッド１７（３次元造形部２０）の移動
速度を変えるように制御してもよい。
【００２１】即ち、凹部３１以外の部分の上方を移動す
るときよりも凹部３１の上方を移動するときの方が遅く
なるようにレーザ成形ヘッド１７の移動速度を制御する
ことによって、凹部３１以外の部分の上に送給されるパ
ウダー量よりも凹部３１の上に送給されるパウダー量の
ほうが多くなるようにしてもよい。なお、レーザ成形ヘ
ッド１７の移動速度を、凹部３１の上方でどれくらいの
低速度にするか、又は、凹部３１以外の部分の上方でど
れくらいの高速度にするかは、凹部３１の深さによって
決まる。
【００２２】レーザ発振器コントローラ２１Ａでは、Ｐ
n 番目のパウダー層積層時と同様に、Ｐn+1 番目のパウ
ダー層を積層するためにＰn 番目のパウダー層の上に順
次送給されるパウダー２４に対して、レーザビーム２３
を順次照射するようにＹＡＧレーザ発振器１５を制御す
る。
【００２３】 Ｐn 番目のパウダー層に凸部３２が生
じた場合 Ｘ，Ｙ，Ｚ軸コントローラ２１では、レーザ成形ヘッド
１７がＰn 番目のパウダー層積層時と同じ位置を移動す
るように、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸駆動装置１１，１２，１３を制
御する。
【００２４】パウダー送給コントローラ２１Ｃでは、レ
ーザ成形ヘッド１７がＰn 番目のパウダー層積層時と同
じ位置を移動する間、パウダー２４の送給を停止するよ
うにパウダー送給装置２２を制御する。
【００２５】そして、レーザ発振器コントローラ２１Ａ
では、レーザ成形ヘッド１７がＰn番目のパウダー層積
層時と同じ位置を移動する際、レーザ成形ヘッド１７が
凸部３２の上方を移動する時にだけレーザビーム２３を
発振するようＹＡＧレーザ発振器１５を制御する。その
結果、凸部３２にだけレーザビーム２３が照射されるこ
とになり、このことによって凸部３２が溶けてならされ
るため、Ｐn 番目のパウダー層の高さが均一になる。
【００２６】しかし、凸部３２が高い場合には、凸部３
２を溶かしてＰn 番目のパウダー層の高さを均一にしよ
うとしても、あまり均一にはならない。そこで、ハイト
センサ１８の検出信号に基づいて凸部３２が高いと判断
した場合には、各コントローラ２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ
では次のように制御する。
【００２７】即ち、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸コントローラ２１Ｂで
は、図３（ｂ）に一点鎖線で示すように、次のＰn+1 番
目のパウダー層を積層するために、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸駆動装
置１１，１２，１３を制御して、レーザ成形ヘッド１７
をＺ軸方向（上方）へ所定量だけ移動させると共に、３
次元造形部２０をＸ軸方向又はＹ軸方向に所定の速度で
移動させて、レーザ成形ヘッド１７を３次元造形部２０
に対して相対的に矢印Ａ方向に所定の速度で移動させ
る。
【００２８】そして、パウダー送給コントローラ２１Ｃ
では、レーザ成形ヘッド１７の移動に応じて、凸部３２
の上に送給するパウダー量よりも凸部３２以外の部分の
上に送給するパウダー量の方を多くするようにパウダー
送給装置２２を制御して、Ｐ n+1 番目のパウダー層の高
さが均一になるように制御する。なお、凸部３２の上に
送給するパウダー量をどれだけ少なくするか、又は、凸
部３２以外の部分の上に送給するパウダー量をどれだけ
多くするかは、ハイトセンサ１８の検出信号に基づい
て、凸部３１がどれくらいの高さであるかを求めること
によって得られる。
【００２９】或いは、パウダー送給コントローラ２１Ｃ
ではパウダー送給量を一定にするようにパウダー送給装
置２２を制御し、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸コントローラ２１Ｂにお
いてレーザ成形ヘッド１７（３次元造形部２０）の移動
速度を変えるように制御してもよい。
【００３０】即ち、凸部３２以外の部分の上方を移動す
るときよりも凸部３２の上方を移動するときの方が速く
なるようにレーザ成形ヘッド１７の移動速度を制御し
て、凸部３２の上に送給されるパウダー量よりも凸部３
２以外の部分の上に送給されるパウダー量の方が多くな
るようにしてもよい。なお、レーザ成形ヘッド１７の移
動速度を、凸部３２の上方でどれくらいの高速度にする
か、又は、凸部３２以外の部分の上方でどれくらいの低
速度にするかは、凸部３２の高さによって決まる。
【００３１】また、このときには、レーザ発振器コント
ローラ２１Ａでは、Ｐn 番目のパウダー層積層時と同様
に、Ｐn+1 番目のパウダー層を積層するためにＰn 番目
のパウダー層の上に順次送給されるパウダー２４に対し
て、レーザビーム２３を順次照射するようにＹＡＧレー
ザ発振器１５を制御する。
【００３２】以上のように、本実施の形態に係るレーザ
による３次元造形装置によれば、多数のパウダー層を積
層して３次元形状を形成する際、何れかのパウダー層で
パウダー２４の送給量が少なくなって又は多くなって凹
部３１又は凸部３２が生じても、この凹部３１又は凸部
３２をハイトセンサ１８によって検出し、このハイトセ
ンサ１８の検出信号に基づいて、各コントローラ２１
Ａ，２１Ｂ，２１Ｃにより、パウダー送給装置２２から
のパウダー２４の送給、ＹＡＧレーザ発振器１５からの
レーザビーム２３の発振、或いはＸ，Ｙ，Ｚ軸駆動装置
１１，１２，１３による３次元造形部２０又はレーザ成
形ヘッド１７の駆動を制御することによって、パウダー
層の積層高さを均一にすることができる。このため、パ
ウダー層の積層高さの均一性が向上し、正確な３次元形
状形成が可能となる。
【００３３】
【発明の効果】以上、発明の実施の形態と共に具体的に
説明したように、本発明のレーザによる３次元造形装置
は、コントローラの制御に基づいて、レーザ成形ヘッド
から３次元造形部に金属のパウダーを送給してパウダー
層を形成しつつ、前記パウダー層に前記レーザ成形ヘッ
ドからレーザビームを照射して前記パウダー層を溶融し
固化するという動作を繰り返すことにより、パウダー層
を多層に積層して３次元形状を形成するよう構成したレ
ーザによる３次元造形装置であって、前記パウダー層の
高さを検出するハイトセンサを備えると共に、このハイ
トセンサの検出信号に基づいて、前記コントローラによ
り、パウダー送給装置からの前記パウダーの送給、レー
ザ発振器からの前記レーザビームの発振、或いは駆動装
置による前記３次元造形部又は前記レーザ成形ヘッドの
駆動を制御することによってパウダー層の積層高さを均
一にするよう構成したことを特徴とする。
【００３４】従って、このレーザによる３次元造形装置
によれば、多数のパウダー層を積層して３次元形状を形
成する際、何れかのパウダー層でパウダーの送給量が少
なくなって又は多くなって凹部又は凸部が生じても、こ
の凹部又は凸部をハイトセンサによって検出し、このハ
イトセンサの検出信号に基づいて、コントローラによ
り、パウダー送給装置からのパウダーの送給、レーザ発
振器からのレーザビームの発振、或いは駆動装置による
３次元造形部又はレーザ成形ヘッドの駆動を制御するこ
とによって、パウダー層の積層高さを均一にすることが
できる。このため、パウダー層の積層高さの均一性が向
上し、正確な３次元形状形成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザによる３次元
造形装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】前記３次元造形装置の全体構成を示すブロック
図である。
【図３】前記３次元造形装置の動作説明図である。
【図４】前記３次元造形装置によって形成された３次元
造形物の一例を示す斜視図である。
【図５】従来のレーザによる３次元造形装置の動作説明
図である。
【符号の説明】
１０ ＸＹテーブル １１ Ｘ軸駆動装置 １２ Ｙ軸駆動装置 １３ Ｚ軸駆動装置 １４ 光ファイバー １５ ＹＡＧレーザ発振器 １７ レーザ成形ヘッド １８ ハイトセンサ １９ パウダー送給チューブ ２０ ３次元造形部 ２１ コントローラ部 ２１Ａ レーザ発振器コントローラ ２１Ｂ Ｘ，Ｙ，Ｚ軸コントローラ ２１Ｃ パウダー送給コントローラ ２２ パウダー送給装置 ２３ レーザビーム ２４ パウダー ３０ ３次元造形物 ３１ 凹部 ３２ 凸部 Ｐ1 ，Ｐ2 ・・・Ｐn ，Ｐn+1 パウダー層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 眞生 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 赤羽 崇 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 コントローラの制御に基づいて、レーザ
    成形ヘッドから３次元造形部に金属のパウダーを送給し
    てパウダー層を形成しつつ、前記パウダー層に前記レー
    ザ成形ヘッドからレーザビームを照射して前記パウダー
    層を溶融し固化するという動作を繰り返すことにより、
    パウダー層を多層に積層して３次元形状を形成するよう
    構成したレーザによる３次元造形装置であって、 前記パウダー層の高さを検出するハイトセンサを備える
    と共に、このハイトセンサの検出信号に基づいて、前記
    コントローラにより、パウダー送給装置からの前記パウ
    ダーの送給、レーザ発振器からの前記レーザビームの発
    振、或いは駆動装置による前記３次元造形部又は前記レ
    ーザ成形ヘッドの駆動を制御することによってパウダー
    層の積層高さを均一にするよう構成したことを特徴とす
    るレーザによる３次元造形装置。
JP10164713A 1998-06-12 1998-06-12 レーザによる３次元造形装置 Withdrawn JPH11347761A (ja)

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