KR101752126B1

KR101752126B1 - 3차원 조형 방법

Info

Publication number: KR101752126B1
Application number: KR1020170004963A
Authority: KR
Inventors: 고이찌 아마야; 고우스케 이시모토
Original assignee: 가부시키가이샤 마쓰우라 기카이 세이사쿠쇼
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2017-06-28
Also published as: CN106984810A; CA2949819C; US9908319B2; ES2673818T3; EP3222409B1; JP6026688B1; JP2017170771A; CA2949819A1; US20170274597A1; CN106984810B; EP3222409A1

Abstract

3차원 조형 방법에 있어서, 조형 대상물의 수평 방향 단면이 높이 방향을 따라서 변화하는 정도에 따라서, 각 적층 단위에 있어서의 두께를 적절히 설정하는 구성을 제공하는 것을 과제로 하고 있고, 분말층 형성 공정과 이동하는 레이저빔 또는 전자빔의 조사에 의해서 상기 분말층을 소결하는 소결 공정과의 교대 반복에 의해서 컨테이너 내에서 적층을 행하는 3차원 조형 방법으로서, 높이 방향을 따라서 적층 영역(4)을 복수개의 등폭 구분 영역(2)으로 설정한 다음, 각 등폭 구분 영역(2)의 상측 경계의 단면(3)의 형상과 하측의 경계의 단면(3)의 형상의 변화의 정도에 대응하여, 상기 변화의 정도를 반영할 수 있는 각 등폭 구분 영역(2)에 있어서의 적층수 N, 나아가서는 각 등폭 구분 영역(2)에 있어서의 각 적층 단위의 두께를 선택하고, 또한 각 N개의 단면(3)에 있어서의 외측 주위(6)의 좌표를 설정하는 것에 의해서, 상기 과제를 달성하는 3차원 조형 방법.

Description

3차원 조형 방법{THREE-DIMENSIONAL SHAPING METHOD}

본 발명은, 분말층의 형성 공정, 및 상기 분말층에 대한 레이저빔 또는 전자빔에 의한 소결 공정을 반복하는 경우에, 각 적층 단위의 두께를 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법을 대상으로 하고 있다.

3차원 조형 방법에 있어서는, 각 적층 단위 두께는 대부분의 경우 일정하다.

실제로, 특허문헌 1에 있어서는, 3차원 조형에 관한 최표면층의 두께의 적정화를 고려하고 있으나, 상기 두께를 각 적층 단위마다 변화시키고 있는 것은 아니다.

단, 특허문헌 2에 있어서는, 소정의 단계에 있어서의 적층에 있어서, 적층의 두께를 초과하는 볼록부가 검출되었을 경우에는, 다음의 단계에 있어서의 적층의 두께에 대해서 상기 볼록부의 높이를 초과하도록 설정하는 것이 개시되어 있다.

그러나, 이러한 두께를 설정하고, 또한 조형 대상물의 전체 형상에 대응한 통일 기준에 기초하여 두께를 선택하고 있는 것은 아니다.

실제의 3차원 조형에 있어서는, 조형 대상물의 수평 방향, 즉 적층이 행해지는 높이 방향과 직교하는 방향에 있어서의 단면 형상의 변화와 각 적층 단위의 두께는 밀접한 관계에 있다.

구체적으로 설명하자면, 각 적층 단면의 형상이 높이 방향을 따라서 크게 변화하는 경우에는, 각 적층 단위에 있어서의 두께를 작게 하는 것에 의해서, 조형 대상물의 본래의 형상을 정확하게 실현할 수 있고, 반대로, 상하 방향을 따른 두께의 변화가 완만한 경우에는, 각 적층 단위에 있어서의 두께를 크게 설정해도, 조형 대상물의 본래의 형상이 부정확해지는 것은 아니다.

그러나, 종래 기술에 있어서는, 수평 방향 단면의 상하 방향을 따른 변화 상황에 대응하여, 각 적층 단위에 있어서의 두께를 적절히 설정하는 것은 전혀 고려되어 있지 않다.

일본 공개특허공보 2013-67036호 일본 공개특허공보 2015-112752호

본 발명은, 3차원 조형 방법에 있어서, 조형 대상물의 수평 방향 단면이 높이 방향을 따라서 변화하는 정도에 따라서, 각 적층 단위에 있어서의 두께를 적절히 설정하는 구성을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 기본 구성은,

[1] 분말층 형성 공정과 이동하는 레이저빔 또는 전자빔의 조사에 의해서 상기 분말층을 소결하는 소결 공정과의 교대 반복에 의해서 컨테이너 내에서 적층을 행하는 3차원 조형 방법으로서, 높이 방향을 따라서 적층 영역을 복수개의 등폭 구분 영역으로 설정한 다음, 이하의 프로세스에 의해서, 각 등폭 구분 영역에 있어서의 적층수 N을 선택하는 것에 의해서, 각 등폭 구분 영역에 있어서의 각 적층 단위의 두께를 선택하고 있는 3차원 조형 방법.

1: 직교 좌표, 즉 (x, y) 좌표를 채용한 다음, 조형을 예정하고 있는 모델의 등폭 구분 영역에 있어서의 상하 양측의 경계를 형성하는 각 단면에 대해서, CAM 또는 컨트롤러용 컴퓨터에 기록되어 있는 각 단면의 외주를 형성하는 좌표 (x₁, y₁) … (x_i, y_i) … (x_h, y_h)로부터,

[수학식 1]

[수학식 2]

의 연산에 의한 상기 각 단면의 중심 위치 (x₀, y₀)의 산정 및 상기 중심 위치 (x₀, y₀)로부터 외측 주위에 있어서의 각 좌표 (x₁, y₁) … (x_i, y_i) … (x_h, y_h)에 이르는 평균 거리 r에 대해서

[수학식 3]

의 산정 및 기록을 행한 다음,

[수학식 4]

의 연산에 의한 산정, 및

각 등폭 구분 영역에 대해서, 상측의 경계에 있어서의 각 단면의 상기 평균 거리와 하측의 경계에 있어서의 각 단면의 상기 평균 거리와의 차이의 절대치인 d의 산정.

2: d가 0인 경우를 상정했을 경우의 최소의 적층수 N₁의 설정, 및 d의 최대치인 D의 검출, 및 최대치 D를 형성하고 있는 등폭 구분 영역에 있어서의 최대의 적층수 N₂의 설정.

3: 최소치 N₁과 최대치 N₂의 사이에서 d가 커짐에 따라서, 큰 수치 n을 설정하고, N = [n]에 의한 적층수 N의 선택.

단, []은 정수의 단위를 나타내는 가우스 기호이다.

4: 상기 1의 각 등폭 구분 영역에 대해서, 상기 3의 적층수 N개에 의해서 상하 방향을 따라서 한층 더 등폭 구분을 행했을 경우의 각 N개의 단면에 있어서의 상기 1의 모델에 입각한 외측 주위 좌표의 설정.

5: 실제의 조형에 있어서, 각 등폭 구분 영역에 있어서 상기 3에 의해서 선택된 적층수 N에 기초하는 분말층의 형성 및 소결, 및 상기 4에 의해서 설정된 외측 주위 좌표의 위치를 최종적인 절삭 위치로 하는 절삭 공구의 이동에 대한 제어,

[2] 분말층 형성 공정과 이동하는 레이저빔 또는 전자빔의 조사에 의해서 상기 분말층을 소결하는 소결 공정과의 교대 반복에 의해서 컨테이너 내에서 적층을 행하는 3차원 조형 방법으로서, 높이 방향을 따라서 적층 영역을 복수개의 등폭 구분 영역으로 설정한 다음, 이하의 프로세스에 의해서, 각 등폭 구분 영역에 있어서의 적층수 N을 선택하는 것에 의해서, 각 등폭 구분 영역에 있어서의 각 적층 단위의 두께를 선택하고 있는 3차원 조형 방법.

1: 직교 좌표, 즉 (x, y) 좌표를 채용한 다음, 조형을 예정하고 있는 모델의 등폭 구분 영역에 있어서의 상하 양측의 경계를 형성하는 각 단면에 대해서, CAM 또는 컨트롤러용 컴퓨터에 의해서, 상기 각 단면에 있어서의 최대의 가로 방향폭과 최대의 세로 방향폭과의 총 합의 산정, 및 각 등폭 구분 영역에 대해서, 상측의 경계에 있어서의 각 단면의 상기 총 합과 하측의 경계에 있어서의 각 단면의 상기 총 합과의 차이의 절대치인 d의 산정.

단, []은 정수의 단위를 나타내는 가우스 기호이다.

[3] 분말층 형성 공정과 이동하는 레이저빔 또는 전자빔의 조사에 의해서 상기 분말층을 소결하는 소결 공정과의 교대 반복에 의해서 컨테이너 내에서 적층을 행하는 3차원 조형 방법으로서, 높이 방향을 따라서 적층 영역을 복수개의 등폭 구분 영역으로 설정한 다음, 이하의 프로세스에 의해서, 각 등폭 구분 영역에 있어서의 적층수 N을 선택하는 것에 의해서, 각 등폭 구분 영역에 있어서의 각 적층 단위의 두께를 선택하고 있는 3차원 조형 방법.

1: 회전 좌표, 즉 (r, θ) 좌표를 채용한 다음, 조형을 예정하고 있는 모델의 등폭 구분 영역에 있어서의 상하 양측의 경계를 형성하는 각 단면에 대해서, CAM 또는 컨트롤러용 컴퓨터에 기록되어 있는 외측 주위의 좌표 (r₁, θ₁) … (r_i, θ_i) … (r_h, θ_h)로부터,

[수학식 5]

[수학식 6]

의 연산에 의한 상기 각 단면의 중심 위치 (r₀, θ₀)의 산정 및 상기 중심 위치 (r₀, θ₀)로부터 외측 주위를 형성하는 각 좌표 (r₁, θ₁) … (r_i, θ_i) … (r_h, θ_h)에 이르는 거리에 대해서, 이미 설정되어 있는 (r, θ) 좌표의 원점 (0, 0)에 대해서, 상기 (r₀, θ₀)의 위치로 시프트하고, 또한 상기 시프트에 기초하는 새로운 중심 위치 (0, 0)와 각 외측 주변의 좌표 위치의 사이의 거리인 r₁' … r_i' … r_h'의 산정을 행하고, 상기 산정에 기초하는 거리로부터 최대 거리의 선택, 및

각 등폭 구분 영역에 대해서, 상측의 경계에 있어서의 각 단면의 상기 최대 거리와 하측의 경계에 있어서의 각 단면의 상기 최대 거리와의 차이의 절대치인 d의 산정.

단, []은 정수의 단위를 나타내는 가우스 기호이다.

로 이루어진다.

기본 구성 [1], [2], [3]에 입각하고 있는 본 발명에 있어서는, 수평 방향에 있어서의 각 등폭 구분 영역의 경계에 있어서의 단면 형상의 변화, 즉, 기본 구성 [1]의 경우에는, 중심으로부터의 평균 거리의 변화, 기본 구성 [2]의 경우에는, 직각 좌표에 있어서의 가로 방향 및 세로 방향에 있어서의 최대폭의 총 합의 변화, 기본 구성 [3]의 경우에는, 회전 좌표에 있어서의 중심 위치로부터의 최대 거리의 변화에 대응하여, 각 등폭 구분 영역에 있어서의 적층수(N)를 설정하는 것에 의해서, 각 적층 단위에 있어서의 수평 방향면의 변화에 대응하여, 적절한 두께 및 상기 적층수(N)에 기초하는 각 단면의 주위의 좌표를 설정하는 것에 의해서 정확한 조형 대상물의 형상을 실현할 수 있다.

도 1a는 기본 구성 [1]에 있어서, 중심 위치 및 중심 위치에서 외측 주위에 이르는 평균 거리 및 상하의 경계 단면에 있어서의 평균 거리의 절대치인 d를 산정하는 경우의 상기 산정의 대상이 되는 각 등폭 구분 영역의 경계에 있어서의 단면도이며, 도 1b는 기본 구성 [1]에 있어서, 중심 위치 및 중심 위치에서 외측 주위에 이르는 평균 거리 및 상하의 경계 단면에 있어서의 상기 평균 거리의 차이의 절대치인 d를 산정하는 경우의 상기 산정의 순서를 나타내는 플로우차트이다.
도 2a는 기본 구성 [2]에 있어서, 최대의 가로 방향폭과 최대의 세로 방향폭의 총 합 및 상하의 경계 단면에 있어서의 상기 총 합의 차이의 절대치인 d를 산정하는 경우의 상기 산정의 대상이 되는 각 등폭 구분 영역의 경계에 있어서의 단면도이며, 도 2b는 기본 구성 [2]에 있어서, 최대의 가로 방향폭과 최대의 세로 방향폭의 총 합 및 상하의 경계 단면에 있어서의 상기 총 합의 절대치인 d를 산정하는 경우의 상기 산정의 순서를 나타내는 플로우차트이다.
도 3a는 기본 구성 [3]에 있어서, 중심 위치 및 중심 위치로부터의 최대 거리 및 상하의 경계 단면에 있어서의 상기 최대 거리의 차이의 절대치인 d를 산정하는 경우의 상기 산정의 대상이 되는 각 등폭 구분 영역의 경계에 있어서의 단면도이며, 도 3b는 기본 구성 [3]에 있어서, 중심 위치 및 중심 위치로부터의 최대 거리 및 상하의 경계 단면에 있어서의 상기 최대 거리의 절대치인 d를 산정하는 경우의 상기 산정의 순서를 나타내는 플로우차트를 나타낸다.
도 4는 조형을 예정하고 있는 모델에 있어서, 등폭 구분 영역을 설정한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 5는 기본 구성 [1], [2], [3]의 각 2의 프로세스에 있어서, d의 최대치 D를 검출하기 위한 플로우차트를 나타낸다.
도 6은 기본 구성 [1], [2], [3]의 각 1 ~ 4의 프로세스 중, 각 2 이후의 프로세스의 플로우차트를 나타낸다.
도 7은 K개의 등폭 구분 영역에 있어서의 각 d의 크기의 순서를 검출하기 위한 플로우차트를 나타낸다.

기본 구성 [1], [2], [3]은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 조형의 높이 방향을 따라서, 적층 영역(4)을 복수개의 등폭 구분 영역(2)으로 설정하고 있는 점에 있어서 공통되어 있다.

이러한 등폭 구분 영역(2)의 설정에 의해서, 상기 각 영역에 있어서의 적층수 N을 선택하고, 나아가서는, 각 등폭 구분 영역(2)에 있어서의 적층 단위의 두께를 선택하는 것이 가능해진다.

각 등폭 구분 영역(2)의 상하 양측에는 반드시 경계가 존재하는데, 각 등폭 구분 영역(2)에 있어서, 상측의 경계 단면(3)의 형상과 하측의 경계 단면(3)의 형상의 변화가 클수록, 외측 주위(6)의 길이 방향에 따른 변화의 정도가 큰 상태에 있다.

이러한 상태에 착안하여, 기본 구성 [1], [2], [3]은, 상기 변화의 정도에 대응하여, 적층수 N을 선택하고 있다.

구체적으로는, 기본 구성 [1]의 경우에는, 프로세스 1 기재와 같이, 단면(3)의 평균 거리를 파라미터로 하고 있고, 기본 구성 [2]의 경우에는, 단면(3)의 최대의 가로 방향폭과 최대의 세로 방향폭과의 총 합을 파라미터로서 선택하고 있고, 기본 구성 [3]의 경우에는, 중심 위치(5)로부터의 최대 거리를 파라미터로서 선택하고 있다.

이들의 파라미터가 선택된 것은, 각 등폭 구분 영역(2)에 있어서, 상측 단면(3)과 하측 단면(3)과의 각 파라미터와의 차이가 클수록, 높이 방향을 따른 각 적층 단면(3)의 변화의 정도가 큰 것을 근거로 하고 있다.

그 결과, 기본 구성 [1]에 있어서는, 프로세스 1로서, 조형을 예정하고 있는 모델의 등폭 구분 영역(2)에 있어서의 상하 양측의 경계를 형성하는 각 단면(3)에 대해서, CAM 또는 컨트롤러용 컴퓨터에 의해서, 직교 좌표, 즉 (x, y) 좌표를 채용한 다음, 도 1a와 1b에 나타내는 바와 같이, 외측 주위(6) 각 좌표 (x₁, y₁) … (x_i, y_i) … (x_h, y_h)로부터,

[수학식 7]

[수학식 8]

라는 연산에 의해서, 상기 각 단면(3)의 중심 위치(5)의 좌표 (x₀, y₀)의 산정을 행한 다음, 상기 중심 위치(5)로부터 외측 주위(6)를 형성하는 각 좌표 (x₁, y₁) … (x_i, y_i) … (x_h, y_h)에 이르는 평균 거리 r에 대해서

[수학식 9]

으로 한 다음,

[수학식 10]

라는 연산에 의한 산정을 행하고, 각 등폭 구분 영역(2)에 대해서, 상측의 경계에 있어서의 각 단면(3)의 상기 평균 거리와 하측의 경계에 있어서의 각 단면(3)의 평균 거리와의 차이의 절대치인 d의 산정을 하고 있고,

기본 구성 [2]에 있어서는, 직교 좌표, 즉 (x, y) 좌표를 채용한 다음, 조형을 예정하고 있는 모델의 등폭 구분 영역(2)에 있어서의 상하 양측의 경계를 형성하는 각 단면(3)에 대해서, CAM 또는 컨트롤러용 컴퓨터에 의해서, 도 2a와 2b에 나타내는 바와 같이, 상기 각 단면(3)에 있어서의 최대의 가로 방향폭과 최대의 세로 방향폭과의 총 합의 산정, 및 각 등폭 구분 영역(2)에 대해서, 상측의 경계에 있어서의 각 단면(3)의 상기 총 합과 하측의 경계에 있어서의 각 단면(3)의 상기 총 합과의 차이의 절대치인 d의 산정을 하고 있고,

기본 구성 [3]에 있어서는, 회전 좌표, 즉 (r, θ) 좌표를 채용한 다음, 조형을 예정하고 있는 모델의 등폭 구분 영역(2)에 있어서의 상하 양측의 경계를 형성하는 각 단면(3)에 대해서, CAM 또는 컨트롤러용 컴퓨터에 의해서, 도 3a와 3b에 나타내는 바와 같이, 외측 주위를 형성하는 좌표 (r₁, θ₁) … (r_i, θ_i) … (r_h, θ_h)로부터,

[수학식 11]

[수학식 12]

라는 연산에 의한 상기 각 단면(3)의 중심 위치(5)의 좌표 (r₀, θ₀)의 산정을 행한 다음, 상기 중심 위치(5)로부터 외측 주위(6)를 형성하는 (r₁, θ₁) … (r_i, θ_i) … (r_h, θ_h)에 이르는 거리에 대해서, 이미 설정되어 있는 (r, θ) 좌표의 원점 (0, 0)을, 상기 (r₀, θ₀)의 위치로 시프트하고, 또한 상기 시프트에 기초하는 새로운 중심 위치 (0, 0)와 각 외측 주변의 좌표 위치의 사이의 거리인 r₁' … r_i' … r_h'의 산정을 행하고, 상기 산정에 기초하는 거리로부터 최대 거리를 선택하고, 각 등폭 구분 영역(2)에 대해서, 상측의 경계에 있어서의 각 단면(3)의 상기 최대 거리와 하측의 경계에 있어서의 각 단면(3)의 상기 최대 거리와의 차이의 절대치인 d의 산정을 하고 있다.

각 단면(3)에 있어서의 파라미터의 산정은, 어느 쪽도 CAM 또는 컨트롤러용 컴퓨터에 의해서 실현되고 있는데, 기본 구성 [1]과 같이, 중심 위치(5)로부터의 평균 거리를 파라미터로서 선택했을 경우에는, 상기 파라미터는 단면(3)의 형상을 극히 정확하게 반영할 수 있는 것에 비하여, 기본 구성 [2]와 같이, 파라미터로서 최대의 가로 방향폭과 최대의 세로 방향폭을 선택했을 경우, 및 기본 구성 [3]과 같이, 파라미터로서 중심 위치(5)로부터의 최대 거리를 선택했을 경우에는, 단면(3)의 형상의 정확한 반영이라고 하는 점에서는, 기본 구성 [1]에 비하여 떨어지고 있는 것을 부정할 수 없다.

그러나, 중심 위치(5)로부터의 평균 거리의 산정을 위해서는, 각 단면(3)에 있어서 디지털 상의 설계에 기초하여 외측 주위(6)에 형성되어 있는 포인트 좌표의 전부에 대해서, 중심 위치(5)를 산정한 다음, 또한 중심 위치(5)로부터의 거리를 산정하는 것이 필요해지지만, 통상의 3차원 조형 방법에 있어서는, 직교 좌표, 즉 (x, y) 좌표가 채용되고 있는 것으로부터, 3평방의 정리(피타고라스의 정리)에 기초하여 상기 평균 거리를 산정하는 것이 필요해질 수 밖에 없다.

만약, 회전 좌표, 즉 (r, θ) 좌표를 채용하는 것에 의해서, 상기 3평방의 정리에 의한 산정이 불필요하다고 해도, 평균 거리의 산정은 상당히 번잡하다.

따라서, 기본 구성 [1]에 있어서의 프로세스 1은, 실제의 조형에 대하여 바로 실현되는 경우보다, 사전에 각 조형 대상물(1)의 모델에 입각하여 실현되는 경우에 적합하다.

이것에 비해, 기본 구성 [2]의 상기 총 합의 산정, 및 기본 구성 [3]의 최대 거리의 산정에는, 이렇다 할 시간이 필요하지 않기 때문에, 각 조형 대상물에 대응하여, 바로 실제의 조형에 있어서, d의 산정을 실현할 수 있다.

기본 구성 [1], [2], [3]의 각 프로세스 1의 산정은, 각각 도 1, 2, 3의 플로우차트에 나타내는 바와 같다.

또한, 도 3b의 플로우차트에 있어서,

r_l과 r_m의 대소 관계에 관하여, 상측의 경계 단면과 하측의 경계 단면이 공통된다고 하는 기준에 입각하고 있는데, 그 근거는, 각 등폭 구분 영역의 상측의 경계 단면 및 하측의 경계 단면에 있어서의 좌표의 수 h에 대해서, 상측의 경계 단면 및 하측의 경계 단면과에 있어서의 r_l과 r_m의 대소 관계가 역전하지 않을 정도로 미세화된 구분을 가능하게 하는 수를 설정하는 것을 당연한 전제로 하고 있다.

각 프로세스 1이 실행된 후에 있어서는, 기본 구성 [1], [2], [3]의 각 프로세스 2, 3, 4는, 어느 쪽도 동일하다.

구체적으로 설명하자면, 프로세스 2에 있어서는, d가 0인 경우를 상정했을 경우의 최소의 적층수 N₁를 설정하는 한편, d의 최대치 D를 도 5에 나타내는 플로우차트에 의해서 검출하고, 상기 최대치 D를 형성하고 있는 등폭 구분 영역(2)에 있어서의 최대의 적층수 N₂를 설정하고 있고,

프로세스 3에 있어서는, 최소치 N₁과 최대치 N₂의 사이에서 d가 커짐에 따라서, 큰 수치 n을 설정한 다음, N = [n]이라고 하는 일반식에 의해서, 적층수 N을 선택하고 있고,

프로세스 4에 있어서는, 실제의 조형에 있어서, 각 등폭 구분 영역(2)에 있어서 프로세스 3에 의해서 선택된 적층수 N에 기초하는 분말층의 형성 및 소결을 실행하고 있다.

프로세스 2에 있어서, d가 0인 경우를 상정하는 것에 의해서, 최소의 적층수 N₁를 설정하고 있는데, 적지않은 조형 대상물(1)에 있어서, 소정의 높이폭에서 높이 방향에 입각하여 단면(3)의 형상이 변화하지 않는 영역이 존재하는 것을 근거로 하고 있다.

이것에 비해, 각 등폭 구분 영역(2)의 d에 있어서는 반드시 최대치 D가 존재하고, 이 경우에는, 가장 등폭 구분 영역(2) 내의 단면(3)의 형상의 변화가 큰 것으로부터, 최대의 적층수 N₂가 설정되어 있다.

프로세스 3에 있어서는, 최소치 N₁과 최대치 N₂의 사이에서 d의 대소 관계를 반영한 적층수 N이 선택되고 있는데, 상기 선택에 있어서는, 특별히 한정되어 있지 않고, 단면(3)의 형상의 변화의 순서가 적층수의 순서를 반영하고 있는 것을 필요로 한다.

이러한 정(+)의 정수인 적층수 N이 선택된 후에는, 기본 구성 [1], [2], [3]은, 프로세스 4와 같이, 프로세스 1에 의한 각 등폭 구분 영역(2)을 상하 방향을 따라서 N개로 더 등구분한 다음, 등구분한 각 N개의 단면(3)의 프로세스 1에서 조형을 예정하고 있는 모델에 입각한 외측 주위(6)의 좌표를 설정하고 있다.

상기 외측 주위(6)의 좌표의 설정은, 상기 모델의 형상을 CAM의 메모리에 기록한 다음, 상기 각 등폭 구분 영역(2)에 있어서의 N개의 한층 더의 등폭 구분에 의한 절단면(3)에 있어서의 상기 모델에 입각한 외측 주위(6)의 각 좌표를 CAM에 의해서 산정하는 것에 의해서 실현될 수 있다.

이러한 프로세스 4를 거친 결과, 프로세스 5와 같이, 적층수 N에 기초하여 분말층의 형성 및 소결을 실행함과 함께, 프로세스 4에 의해서 설정된 외측 주위(6)의 좌표 위치를 최종적인 절삭 위치로 하도록 절삭 공구의 이동에 대한 제어를 행하는 것이 가능해진다.

프로세스 1, 2, 3을 사전에 준비하고, 그 후 실제의 조형을 행하거나, 또는 프로세스 1의 단계로부터 실제의 조형을 행하는 것도 가능하고, 특히 기본 구성 [2], [3]은, 그러한 방법도 극히 적합하게 할 수 있다는 것은, 상기와 같다.

프로세스 2, 3, 4, 5의 각 상황은, 도 6의 플로우차트에 나타내는 바와 같다.

프로세스 3에 있어서의 정(+)의 정수 N의 선택으로서, 가장 전형적인 수법은, 적층수 N으로서,

[수학식 13]

라고 하는 최소치 N₁과 최대치 N₂와의 상가 평균의 채용이다.

상기 적층수 N의 선택으로서는, 상기 상가 평균뿐만이 아니라,

[수학식 14]

라고 하는 최소치 N₁과 최대치 N₂의 사이의 기하 평균의 채용도 가능하다.

상기 기하 평균의 경우에 있어서도, 상가 평균의 경우와 마찬가지로, 각 등폭 구분 영역(2)에 있어서의 단면(3)의 형상의 변화를 정확하게 반영할 수 있다.

적층수 N의 선택으로서는, 상기 상가 평균과 상기 기하 평균과의 중간치의 채용도 가능하다.

구체적으로는, 정(+)의 수 a, b이며, 또한 a+b = 1을 선택하고, N = a·[상가 평균에 의한 N]+b·[기하 평균에 의한 N]이라는 산정, 또는, N = [상가 평균에 의한 N]^a·[기하 평균에 의한 N]^b라는 산정을 행하면 좋다.

상기와 같은 상가 평균 또는 기하 평균, 및 이들의 조합과는 별도로, K개의 등폭 구분 영역(2)에 있어서의 각 등폭 구분 영역(2)의 d에 대해서, d₁ ≤ d₂ ≤ … ≤ d_i ≤ … ≤ d_K 라고 하는 순서를 도 7의 플로우차트에 의해서 검출한 다음,

[수학식 15]

라고 하는 d의 크기의 순서의 반영 상태를 채용하는 것도 가능하다.

이하, 실시예에 입각하여 설명한다.

실시예 1은, 각 적층의 두께에 대응하여, 레이저빔 또는 전자빔의 단위면적당의 조사량을 조정하는 것을 특징으로 하고 있다.

조형 대상물(1)에 있어서는, 당연히 각 영역의 기능에 의해서 소결의 정도를 조정하고 있다.

그러나, 각 등폭 구분 영역(2)에 있어서의 적층수 N이 변화하고, 그 결과, 각 적층 단위의 두께가 변화하고 있는 경우에는, 각 빔의 조사의 정도가 동일한 경우에는, 두께가 얇은 적층 단위일수록, 소결의 정도가 커지고, 상기 기능 상의 요청에 적합하지 않다고 하는 폐해를 일으킨다.

실시예 1은, 이러한 폐해를 피하기 위해, 두께의 변화에 대응하여, 소결의 정도를 조정하고, 각 영역의 기능 상의 요청에 적합한 것을 가능하게 하고 있다.

실시예 2는, 각 적층 단위의 단면(3)이 높이 방향과 직교하는 방향에 있어서 동일 위치인 경우에, 각 적층 단위의 두께가 클수록, 단위면적당의 조사량을 크게 설정하는 것을 특징으로 하고 있다.

현실의 3차원 조형 대상물(1)의 경우에는, 동일한 소결의 정도인 영역이 많이 존재하고 있다.

이러한 경우, 기본 구성 [1], [2], [3]에 의해서, 각 등폭 구분 영역(2)에 있어서의 적층수 N, 나아가서는, 각 적층 단위에 있어서의 두께가 변화했을 경우에는, 동일한 소결의 정도를 채용하는 것에 의해서, 오히려 균일한 소결의 정도가 얻어지지 않게 된다.

실시예 2는, 이러한 상황을 고려하여, 각 적층 단위의 두께가 클수록, 단위면적당의 조사량을 크게 하는 것에 의해서, 균일한 소결의 정도의 실현을 가능하게 하고 있다.

이상의 설명으로부터도 명백한 바와 같이, 본 발명은, 조형 대상물의 상하 방향의 단면 형상의 변화에 대응하여, 적절한 각 적층 단위의 두께의 설정을 가능하게 하고 있고, 3차원 조형의 전부에 있어서 이용할 수 있다.

1: 예정하고 있는 조형 대상물
2: 등폭 구분 영역
3: 등폭 구분 영역의 경계에 있어서의 단면
4: 각 적층 영역
5: 중심 위치
6: 외측 주위

Claims

분말층 형성 공정과 이동하는 레이저빔 또는 전자빔의 조사에 의해서 상기 분말층을 소결하는 소결 공정과의 교대 반복에 의해서 컨테이너 내에서 적층을 행하는 3차원 조형 방법으로서,
높이 방향을 따라서 적층 영역을 복수개의 등폭(等幅) 구분 영역으로 설정한 다음, 이하의 프로세스에 의해서, 각 등폭 구분 영역에 있어서의 적층수 N을 선택하는 것에 의해서, 각 등폭 구분 영역에 있어서의 각 적층 단위의 두께를 선택하고 있는 3차원 조형 방법.
1: 직교 좌표, 즉 (x, y) 좌표를 채용한 다음, 조형을 예정하고 있는 모델의 등폭 구분 영역에 있어서의 상하 양측의 경계를 형성하는 각 단면에 대해서, CAM 또는 컨트롤러용 컴퓨터에 기록되어 있는 각 단면의 외주를 형성하는 좌표 (x₁, y₁) … (x_i, y_i) … (x_h, y_h)로부터,
[수학식 1]

[수학식 2]

의 연산에 의한 상기 각 단면의 중심 위치 (x₀, y₀)의 산정 및 상기 중심 위치 (x₀, y₀)로부터 외측 주위에 있어서의 각 좌표 (x₁, y₁) … (x_i, y_i) … (x_h, y_h)에 이르는 평균 거리 r에 대해서
[수학식 3]

의 산정 및 기록을 행한 다음,
[수학식 4]

의 연산에 의한 산정, 및
각 등폭 구분 영역에 대해서, 상측의 경계에 있어서의 각 단면의 상기 평균 거리와 하측의 경계에 있어서의 각 단면의 상기 평균 거리와의 차이의 절대치인 d의 산정.
2: d가 0인 경우를 상정했을 경우의 최소의 적층수 N₁의 설정, 및 d의 최대치인 D의 검출, 및 최대치 D를 형성하고 있는 등폭 구분 영역에 있어서의 최대의 적층수 N₂의 설정.
3: 최소치 N₁과 최대치 N₂의 사이에서 d가 커짐에 따라서, 큰 수치 n을 설정하고, N = [n]에 의한 적층수 N의 선택.
단, []는 정수의 단위를 나타내는 가우스 기호이다.
4: 상기 1의 각 등폭 구분 영역에 대해서, 상기 3의 적층수 N개에 의해서 상하 방향을 따라서 한층 더 등폭 구분을 행했을 경우의 각 N개의 단면에 있어서의 상기 1의 모델에 입각한 외측 주위 좌표의 설정.
5: 실제의 조형에 있어서, 각 등폭 구분 영역에 있어서 상기 3에 의해서 선택된 적층수 N에 기초하는 분말층의 형성 및 소결, 및 상기 4에 의해서 설정된 외측 주위 좌표의 위치를 최종적인 절삭 위치로 하는 절삭 공구의 이동에 대한 제어.
제 1 항에 있어서,
적층수 N으로서,
[수학식 5]

라고 하는 최소치 N₁과 최대치 N₂의 상가 평균(相加平均)을 채용하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 방법.
제 1 항에 있어서,
적층수 N으로서,
[수학식 6]

라고 하는 최소치 N₁과 최대치 N₂의 사이의 기하 평균을 채용하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 방법.
제 1 항에 있어서,
적층수 N으로서, 제 2 항의 상가 평균과 제 3 항의 기하 평균과의 중간치를 채용하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 방법.
제 1 항에 있어서,
K개의 등폭 구분 영역에 있어서의 각 등폭 구분 영역의 d에 대해서, d₁ ≤ d₂ ≤ … ≤ d_i ≤ … ≤ d_K 라고 하는 순서를 검출한 다음,
[수학식 7]

라고 하는 d의 크기의 순서의 반영 상태를 채용하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 방법.
분말층 형성 공정과 이동하는 레이저빔 또는 전자빔의 조사에 의해서 상기 분말층을 소결하는 소결 공정과의 교대 반복에 의해서 컨테이너 내에서 적층을 행하는 3차원 조형 방법으로서,
높이 방향을 따라서 적층 영역을 복수개의 등폭 구분 영역으로 설정한 다음, 이하의 프로세스에 의해서, 각 등폭 구분 영역에 있어서의 적층수 N을 선택하는 것에 의해서, 각 등폭 구분 영역에 있어서의 각 적층 단위의 두께를 선택하고 있는 3차원 조형 방법.
1: 직교 좌표, 즉 (x, y) 좌표를 채용한 다음, 조형을 예정하고 있는 모델의 등폭 구분 영역에 있어서의 상하 양측의 경계를 형성하는 각 단면에 대해서, CAM 또는 컨트롤러용 컴퓨터에 의해서, 상기 각 단면에 있어서의 최대의 가로 방향폭과 최대의 세로 방향폭과의 총 합의 산정, 및 각 등폭 구분 영역에 대해서, 상측의 경계에 있어서의 각 단면의 상기 총 합과 하측의 경계에 있어서의 각 단면의 상기 총 합과의 차이의 절대치인 d의 산정.
2: d가 0인 경우를 상정했을 경우의 최소의 적층수 N₁의 설정, 및 d의 최대치인 D의 검출, 및 최대치 D를 형성하고 있는 등폭 구분 영역에 있어서의 최대의 적층수 N₂의 설정.
3: 최소치 N₁과 최대치 N₂의 사이에서 d가 커짐에 따라서, 큰 수치 n을 설정하고, N = [n]에 의한 적층수 N의 선택.
단, []은 정수의 단위를 나타내는 가우스 기호이다.
4: 상기 1의 각 등폭 구분 영역에 대해서, 상기 3의 적층수 N개에 의해서 상하 방향을 따라서 한층 더 등폭 구분을 행했을 경우의 각 N개의 단면에 있어서의 상기 1의 모델에 입각한 외측 주위 좌표의 설정.
5: 실제의 조형에 있어서, 각 등폭 구분 영역에 있어서 상기 3에 의해서 선택된 적층수 N에 기초하는 분말층의 형성 및 소결, 및 상기 4에 의해서 설정된 외측 주위 좌표의 위치를 최종적인 절삭 위치로 하는 절삭 공구의 이동에 대한 제어.
제 6 항에 있어서,
적층수 N으로서,
[수학식 8]

라고 하는 최소치 N₁과 최대치 N₂와의 상가 평균을 채용하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 방법.
제 6 항에 있어서,
적층수 N으로서,
[수학식 9]

라고 하는 최소치 N₁과 최대치 N₂의 사이의 기하 평균을 채용하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 방법.
제 6 항에 있어서,
적층수 N으로서, 제 7 항의 상가 평균과 제 8 항의 기하 평균과의 중간치를 채용하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 방법.
제 6 항에 있어서,
K개의 등폭 구분 영역에 있어서의 각 등폭 구분 영역의 d에 대해서, d₁ ≤ d₂ ≤ … ≤ d_i ≤ … ≤ d_K 라고 하는 순서를 검출한 다음,
[수학식 10]

라고 하는 d의 크기의 순서의 반영 상태를 채용하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 방법.
분말층 형성 공정과 이동하는 레이저빔 또는 전자빔의 조사에 의해서 상기 분말층을 소결하는 소결 공정과의 교대 반복에 의해서 컨테이너 내에서 적층을 행하는 3차원 조형 방법으로서,
높이 방향을 따라서 적층 영역을 복수개의 등폭 구분 영역으로 설정한 다음, 이하의 프로세스에 의해서, 각 등폭 구분 영역에 있어서의 적층수 N을 선택하는 것에 의해서, 각 등폭 구분 영역에 있어서의 각 적층 단위의 두께를 선택하고 있는 3차원 조형 방법.
1: 회전 좌표, 즉 (r, θ) 좌표를 채용한 다음, 조형을 예정하고 있는 모델의 등폭 구분 영역에 있어서의 상하 양측의 경계를 형성하는 각 단면에 대해서, CAM 또는 컨트롤러용 컴퓨터에 기록되어 있는 외측 주위의 좌표 (r₁, θ₁) … (r_i, θ_i) … (r_h, θ_h)로부터,
[수학식 11]

[수학식 12]

의 연산에 의한 상기 각 단면의 중심 위치 (r₀, θ₀)의 산정 및 상기 중심 위치 (r₀, θ₀)로부터 외측 주위를 형성하는 각 좌표 (r₁, θ₁) … (r_i, θ_i) … (r_h, θ_h)에 이르는 거리에 대해서, 이미 설정되어 있는 (r, θ) 좌표의 원점 (0, 0)에 대해서, 상기 (r₀, θ₀)의 위치로 시프트하고, 또한 상기 시프트에 기초하는 새로운 중심 위치 (0, 0)와 각 외측 주변의 좌표 위치의 사이의 거리인 r₁' … r_i' … r_h'의 산정을 행하고, 상기 산정에 기초하는 거리로부터 최대 거리의 선택, 및
각 등폭 구분 영역에 대해서, 상측의 경계에 있어서의 각 단면의 상기 최대 거리와 하측의 경계에 있어서의 각 단면의 상기 최대 거리와의 차이의 절대치인 d의 산정.
2: d가 0인 경우를 상정했을 경우의 최소의 적층수 N₁의 설정, 및 d의 최대치인 D의 검출, 및 최대치 D를 형성하고 있는 등폭 구분 영역에 있어서의 최대의 적층수 N₂의 설정.
3: 최소치 N₁과 최대치 N₂의 사이에서 d가 커짐에 따라서, 큰 수치 n을 설정하고, N = [n]에 의한 적층수 N의 선택.
단, []은 정수의 단위를 나타내는 가우스 기호이다.
4: 상기 1의 각 등폭 구분 영역에 대해서, 상기 3의 적층수 N개에 의해서 상하 방향을 따라서 한층 더 등폭 구분을 행했을 경우의 각 N개의 단면에 있어서의 상기 1의 모델에 입각한 외측 주위 좌표의 설정.
5: 실제의 조형에 있어서, 각 등폭 구분 영역에 있어서 상기 3에 의해서 선택된 적층수 N에 기초하는 분말층의 형성 및 소결, 및 상기 4에 의해서 설정된 외측 주위 좌표의 위치를 최종적인 절삭 위치로 하는 절삭 공구의 이동에 대한 제어.
제 11 항에 있어서,
적층수 N으로서,
[수학식 13]

라고 하는 최소치 N₁과 최대치 N₂와의 상가 평균을 채용하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 방법.
제 11 항에 있어서,
적층수 N으로서,
[수학식 14]

라고 하는 최소치 N₁과 최대치 N₂의 사이의 기하 평균을 채용하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 방법.
제 11 항에 있어서,
적층수 N으로서, 제 12 항의 상가 평균과 제 13 항의 기하 평균과의 중간치를 채용하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 방법.
제 11 항에 있어서,
K개의 등폭 구분 영역에 있어서의 각 등폭 구분 영역의 d에 대해서, d₁ ≤ d₂ ≤ … ≤ d_i ≤ … ≤ d_K 라고 하는 순서를 검출한 다음,
[수학식 15]

라고 하는 d의 크기의 순서의 반영 상태를 채용하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 방법.
제 1 항, 제 6 항 및 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
각 적층의 두께에 대응하여, 레이저빔 또는 전자빔의 단위면적당의 조사량을 조정하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 방법.
제 16 항에 있어서,
각 적층 단위의 단면이 높이 방향과 직교하는 방향에 있어서 동일 위치인 경우에, 각 적층 단위의 두께가 클수록, 단위면적당의 조사량을 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 방법.