TWI727479B - 造形裝置及造形方法 - Google Patents
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Abstract
造形裝置,其具備:光束造形系統(500),具有包含射出光束之聚光光學系(82)之光束照射部(520)、以及供給被來自前述光束照射部(520)之光束照射之造形材料的材料處理部(530);以及控制裝置,根據形成於對象面上之三維造形物之3D資料控制工件之移動系統與光束造形系統(500),以一邊使工件(W)(或載台(12))上之對象面(TAS)與來自光束照射部(520)之光束相對移動、一邊從材料處理部(530)供給造形材料據以對對象面上之目標部位(TA)施加造形。又,能變更在聚光光學系之射出面側之既定面(MP)內之光束的強度分布。是以,能將加工精度良好之三維造形物形成於對象面上。
Description
本發明係關於造形裝置及造形方法,更詳言之,係關於在對象面上形成三維造形物之造形裝置及造形方法。本發明之造形裝置及造形方法,能非常合適地用於藉快速原型設計(有時亦被稱為3D列印(three-dimensional printing:三維列印)或附加製造、或直接數位製造)之三維造形物之形成。
從CAD(computer-aided design:電腦輔助設計)資料直接生成3D(三維)形狀之技術,被稱為快速原型設計(有時亦被稱為3D列印或附加製造、或直接數位製造,但以下使用快速原型設計作為總稱),有助於在極短之前置時間製作主要以形狀確認為目的之試作品。藉由3D列印機等快速原型設計來形成三維造形物之造形裝置,若以處理材料分類,能大分為處理樹脂者與處理金屬者。以快速原型設計製作之金屬製三維造形物,與樹脂製之場合不同地專作為實際零件使用。亦即,並非形狀確認用之試作零件,而係使之作為實際機械構造物之一部分(不論其為量產品或試作品)來發揮功能。作為既有之金屬用3D列印機(以下簡稱為M3DP(Metal 3D Printer)),有PBF(Powder Bed Fusion:粉體熔化成型)與DED(Directed Energy Deposition:直接能量沉積)之兩種類為眾所皆知。
PBF,係於搭載被加工物之底床上積層較薄之燒結金屬粉末,對該處透過電流鏡等掃描一高能量之雷射光束,並使光束接觸之部分熔融並凝固。在一層量之描繪結束後,底床下降一層量之厚度,於該處再度塗抹燒結金屬之粉末,反覆相同動作。以此方式逐層反覆進行造形,而製得所欲之三維形狀。
PBF因其造形原理,本質上存在幾個問題點:(1)零件之製作精度不充分,(2)完工之表面粗度差,(3)處理速度慢,以及(4)燒結金屬粉末之處理麻煩且費事等。
DED採取使熔解後之金屬材料附著於加工對象之方法。例如,對以聚光透鏡聚集之雷射光束之焦點附近噴射粉末金屬。之後,該粉末金屬因雷射照射而熔解成為液體狀。若於該焦點附近有加工對象,則該液體化之金屬附著於加工對象,被冷卻而再度凝固。此焦點部分即為所謂筆尖,能於加工對象表面陸續描繪「具有厚度之線」。藉由加工對象及加工頭(雷射及粉末噴射頭等其他)之一方相對另一方基於CAD資料適切地相對運動,而能形塑出所欲形狀(參照例如專利文獻1)。
由此點可知,於DED,由於粉末材料係從加工頭視需要而噴射所需之量,不會產生浪費且亦無須於大量剩餘粉末中進行加工。
如上所述,DED相較於PBF,雖在作為原材料之粉末金屬之處理等已有謀求改善,但應改善之點仍多。
在此種背景下,被強烈期待能提升作為形成三維造形物之造形裝置之工作機械之便利性、最終能提升製造之經濟合理性。
先行技術文獻
[專利文獻1]美國專利申請公開第2003/02606820號說明書
根據本發明之第1態樣,提供一種造形裝置,係於對象面上形成三維造形物,其具備:移動系統,係使前述對象面移動;光束造形系統,具有包含射出光束之聚光光學系之光束照射部、以及供給被來自前述光束照射部之光束照射之造形材料的材料處理部;以及控制裝置,根據形成於前述對象面上之三維造形物之3D資料控制前述移動系統與前述光束造形系統,以一邊使前述對象面與來自前述光束照射部之光束相對移動、一邊從前述材料處理部供給前述造形材料據以對前述對象面上之目標部位施加造形;能變更在前述聚光光學系之射出面側之既定面內之前述光束的強度分布。
此處之對象面為設定造形之目標部位之面,既定面亦可為在造形時應將該對象面對齊之假想面。該既定面例如亦可為與聚光光學系之光軸垂直之面。該既定面亦可為聚光光學系之後側焦點面或其附近之面。
藉此,能將加工精度良好之三維造形物形成於對象面上。
根據本發明之第2態樣,提供一種造形方法,係於對象面上形成三維造形物,其包含:以一邊使從包含聚光光學系之光束照射部之光束與對象面相對移動、一邊供給被以前述光束照射之造形材料據以對前述對象面上之目標部位施加造形之方式,根據形成於前述對象面上之三維造形物之3D資料控制前述對象面之移動與來自前述光束照射部之前述光束
之射出狀態及前述造形材料之供給狀態之至少一方的動作;能變更在前述聚光光學系之射出面側之既定面內之前述光束的強度分布。
藉此,能將加工精度良好之三維造形物形成於對象面上。
12:載台
62:光導引光纖
64:雙複眼光學系
66:聚光透鏡系
70:雷射單元
78:光束剖面強度轉換光學系
80:反射鏡陣列
81:反射鏡元件
82:聚光光學系
83:旋轉編碼器
85:限制構件
89:檢測系統
91:供給口
100:造形裝置
200:移動系統
500:光束造形系統
520:光束照射部
530:材料處理部
540:灑水頭
600:控制裝置
BS:底座
PD:造形材料
LS:一文字區域
LS1:第1一文字區域
LS2:第2一文字區域
LS3:第3一文字區域
MP:造形面
TA:目標部位
TAS:對象面
W:工件
WP:熔融池
圖1係顯示一實施形態之造形裝置之整體構成的方塊圖。
圖2係將移動系統之構成與測量系統一起概略顯示的圖。
圖3係顯示搭載有工件之移動系統之立體圖。
圖4係將光束造形系統與搭載有工件之載台一起顯示的圖。
圖5係顯示構成光束造形系統所具備之光束照射部之一部分之光源系構成一例的圖。
圖6係顯示來自光源系之平行光束照射於反射鏡陣列,來自複數個反射鏡元件各個之反射光束對聚光光學系之入射角度被個別控制之狀態的圖。
圖7係將光束造形系統所具備之材料處理部與聚光光學系一起顯示的圖。
圖8係顯示形成於材料處理部之噴頭之複數個供給口與開閉該複數個供給口之各個之開閉構件的圖。
圖9(A)係將圖4之圓A內放大顯示的圖,圖9(B)係顯示圖9(A)所示之一文字區域與掃描方向之關係的圖。
圖10係顯示形成於造形面上之光束照射區域之一例的圖。
圖11係顯示以造形裝置之控制系為中心構成之控制裝置之輸出入關係
的方塊圖。
圖12(A)及圖12(B)係用以將一實施形態之造形裝置之一個效果與習知技術比較說明的圖。
圖13係用以說明使用分別形成於三個一文字區域之三個一文字光束對工件進行附加加工之例的圖。
圖14係顯示圖13所示之三個一文字區域之配置與掃描方向之關係的圖。
圖15(A)及圖15(B)係用以說明藉由稍微加粗一文字區域之寬度以增厚塗布層厚度之例的圖。
以下,根據圖1~圖15(B)說明一實施形態。圖1係以方塊圖顯示一實施形態之造形裝置100之整體構成。
造形裝置100係DED方式之M3DP。造形裝置100雖能用於藉由快速原型設計於後述之載台12上形成三維造形物,但亦能用於對工件(例如既有之零件)進行三維造形之附加加工。本實施形態中,係以後者之對工件進行附加加工之場合為中心進行說明。在實際之製造業現場,一般而言會對以別的製法、別的材料或別的工作機械作成之零件進一步反覆加工而完工成所欲之零件,而對於三維造形之附加加工,其要求亦潛在相同。
造形裝置100具備移動系統200、測量系統400及光束造形系統500、以及包含此等系統且控制造形裝置100整體之控制裝置600。其中,測量系統400、光束造形系統500,在既定方向分離配置。以下說明中為了方便,測量系統400與光束造形系統500係在後述之X軸方向(參照圖
2)分離配置。
圖2係將移動系統200之構成與測量系統400一起概略顯示。又,圖3係以立體圖顯示搭載有工件W之移動系統200。以下,將圖2中紙面內之左右方向定為Y軸方向,將與紙面正交之方向定為X軸方向,將與X軸及Y軸正交之方向定為Z軸方向,將繞X軸、Y軸及Z軸之旋轉(傾斜)方向分別定為θx、θy及θz方向以進行說明。
移動系統200,係變更造形之對象面(此處為設定工件W上之目標部位TA之面)TAS(參照例如圖4及圖9(A))之位置及姿勢。具體而言,藉由將具有對象面之工件及搭載該工件之後述載台驅動於6自由度方向(X軸、Y軸、Z軸、θx、θy及θz之各方向),來進行對象面之6自由度方向之位置變更。本說明書中,針對載台、工件或對象面等,係將θx、θy及θz方向之3自由度方向之位置適當地總稱為「姿勢」,對應於此,將剩餘之3自由度方向(X軸、Y軸及Z軸方向)之位置適當地總稱為「位置」。
移動系統200,作為變更載台之位置及姿勢之驅動機構一例係具備史都華(Stewart)平台型之6自由度平行連結機構。此外,移動系統200不限於能將載台驅動於6自由度方向者。
移動系統200(不過,不含後述平面馬達之定子),係如圖2所示,配置於以其上面與XY平面大致平行之方式設置於地F上之底座BS上。移動系統200,如圖3所示具有構成底座平台之俯視正六角狀之滑件10、構成末端效應器之載台12、連結滑件10與載台12之6支能伸縮之桿(連結件)141~146、以及分別設於桿141~146而使該各桿伸縮之伸縮機構161~166(在圖3中未圖示,參照圖11)。移動系統200係藉由以伸縮機構161~166
分別獨立地調整桿141~146之長度而能在三維空間內於6自由度控制載台12之移動的構造。移動系統200,由於具備史都華平台型之6自由度平行連結機構作為載台12之驅動機構,因此有高精度、高剛性、支撐力大、逆向運動學計算容易等特徵。
本實施形態之造形裝置100,在對工件之附加加工時等,為了對工件形成所欲形狀之造形物等,係相對光束造形系統500、更具體而言係相對來自後述光束照射部之光束控制工件(載台12)之位置及姿勢。原理上,此相反地來自光束照射部之光束亦可為可動,光束與工件(載台)之兩方亦可為可動。如後所述,由於光束造形系統500為複雜之構成,因此使工件移動之方式較為簡便。
載台12,此處係由將正三角形之各頂點部分切離之形狀之板構件構成。於載台12之上面搭載附加加工對象之工件W。於載台12,設有用以固定工件W之夾具機構13(在圖3中未圖示,參照圖11)。作為夾具機構13,係使用例如機械式夾具或真空夾具等。此外,載台12不限於圖3所示之形狀,亦可為矩形板狀、圓盤狀等任意形狀。
此情形下,如由圖3可清楚得知,桿141~146之各個之兩端係透過萬向接頭18而分別連接於滑件10與載台12。又,桿141,142連接於載台12之三角形之一個頂點位置附近,藉由滑件10與此等桿141,142而成為構成大略三角形的配置。同樣地,桿143,144、及桿145,146分別連接於載台12之三角形之剩餘之各頂點位置附近,而藉由滑件10與桿143,144及桿145,146分別成為構成大略三角形的配置。
此等桿141~146之各個,如於圖3針對桿141代表地顯示般,
具有能於各個之軸方向相對移動之第1軸構件20與第2軸構件22,第1軸構件20之一端(下端)透過萬向接頭18安裝於滑件10,第2軸構件22之另一端(上端)透過萬向接頭安裝於載台12。
於第1軸構件20之內部形成有具段差之圓柱狀中空部,於此中空部之下端側,收納有例如伸縮型之氣缸。於此氣缸連接有空壓迴路及空氣壓源(均未圖示)。又,藉由透過空壓迴路控制從該空氣壓源供給之壓縮空氣以控制氣缸之內壓,藉此氣缸所具有之活塞往返移動於軸方向。在氣缸,返回步驟係利用組裝於平行連結機構時作用於活塞之重力。
又,於第1軸構件20之中空部內之上端側,配置有排列配置於軸方向之複數個電樞線圈所構成之電樞單元(未圖示)。
另一方面,第2軸構件22,其一端部(下端部)插入第1軸構件20之中空部內。於此第2軸構件22之一端部,形成有直徑較其他部分小之小徑部,於此小徑部之周圍設有由磁性體構件構成之圓管狀可動軛。於可動軛之外周部設有由同一尺寸之複數個永久磁石構成之中空圓柱狀、亦即圓筒狀之磁石體。此情形下,藉由可動軛與磁石體,構成有中空圓柱狀之磁石單元。本實施形態中,係藉由電樞單元與磁石單元,構成電磁力線性馬達之一種亦即軸馬達。以此方式構成之軸馬達,係藉由對定子亦即電樞單元之各線圈供給既定週期及既定振幅之正弦波狀驅動電流,而利用磁石單元與電樞單元之間之電磁氣相互作用之一種之電磁相互作用而產生之勞倫茲力(驅動力)使第2軸構件22相對第1軸構件20被驅動於軸方向。
亦即,本實施形態中,係藉由上述之氣缸與軸馬達將第1軸構件20與第2軸構件22於軸方向相對驅動,而分別構成使桿141~146之
各個伸縮之前述伸縮機構161~166(參照圖11)。
又,軸馬達之動子亦即磁石單元,係透過設於第1軸構件20內周面之空氣墊而相對定子亦即電樞單元以非接觸方式被支撐。
又,在圖3中雖省略圖示,但於桿141~146分別設有檢測以第1軸構件20作為基準之第2軸構件22之軸方向位置之絕對型之線性編碼器241~246,此等線性編碼器241~246之輸出供給至控制裝置600(參照圖11)。以線性編碼器241~246檢測出之第2軸構件22之軸方向位置,對應於桿141~146各個之長度。
根據線性編碼器241~246之輸出,伸縮機構161~166被控制裝置600所控制(參照圖11)。與本實施形態之移動系統200相同之平行連結機構之構成詳細,揭示於例如美國發明專利第6,940,582號說明書,控制裝置600係藉由與上述美國發明專利說明書所揭示相同之方法,使用逆向運動學計算透過伸縮機構161~166控制載台12之位置及姿勢。
移動系統200中,分別設於桿141~146之伸縮機構161~166,由於具有相互串聯(或並聯)配置之氣缸與電磁力線性馬達之一種亦即軸馬達,因此控制裝置600能藉由氣缸之空壓控制,將載台12粗略大幅驅動,且藉由軸馬達細幅地使之微動。此結果,能在短時間且正確地進行載台12之6自由度方向之位置(亦即位置及姿勢)控制。
又,桿141~146之各個,由於具有將軸馬達之動子亦即磁石單元相對定子亦即電樞單元以非接觸方式支撐之空氣墊,因此能避免在控制藉伸縮機構對桿之伸縮時之作為非線性成分之摩擦,藉此,能更高精度地進行載台12之位置及姿勢之控制。
又,本實施形態中,由於作為構成伸縮機構161~166之電磁力線性馬達係使用軸馬達,在該軸馬達中使用在動子側使用了圓筒狀磁石之磁石單元,因此能於該磁石之放射方向全方向產生磁通(磁場),使該全方向之磁通有助於因電磁相互作用所致之勞倫茲力(驅動力)之產生,與例如一般線性馬達等相較能使明顯較大之推力產生,相較於油壓汽缸等更容易小型化。
是以,藉由各桿分別包含軸馬達之移動系統200,能同時實現小型且輕量化與輸出之提升,而能非常合適地用於造形裝置100。
又,控制裝置600,能藉由控制分別構成伸縮機構之氣缸之空壓來將低頻振動制振且藉由對軸馬達之電流控制使高頻振動絕緣。
移動系統200,進一步具備平面馬達26(參照圖11)。於滑件10之底面設有由磁石單元(或線圈單元)所構成之平面馬達26之動子,對應於此於底座BS內部收容有由線圈單元(或磁石單元)所構成之平面馬達26之定子。於滑件10底面以包圍動子之方式設有複數個空氣軸承(空氣靜壓軸承),藉由複數個空氣軸承,滑件10隔著既定之空隙(間隔或間隙)懸浮支撐於作成高平坦度之底座BS之上面(導引面)上。藉由利用平面馬達26之定子與動子之間之電磁相互作用而產生之電磁力(勞倫茲力),滑件10相對底座BS之上面以非接觸方式在XY平面內被驅動。本實施形態中,移動系統200如圖1所示,能在測量系統400及光束造形系統500、以及工件搬送系300(在圖1中未圖示,參照圖11)之配置位置相互間使載台12移動自如。此外,移動系統200亦可分別具備搭載工件W之複數個載台12。例如亦可在對複數個載台之一個所保持之工件進行使用了光束造形系統500之加工的期
間,對另一個載台所保持之工件進行使用了測量系統400之測量。在此種情形下,只要在測量系統400及光束造形系統500、以及工件搬送系300(在圖1中未圖示,參照圖11)之配置位置相互間使各個載台移動自如即可。或者,在採用設置專用測量系統400之測量時保持工件之載台與專用光束造形系統500之加工時保持工件之載台,且工件對該兩個載台之搬入及搬出可藉由工件搬送系等進行的構成時,各個滑件10亦可固定於底座BS上。即使在設置複數個載台12之場合,各個載台12亦可移動於6自由度方向,且其6自由度方向之位置亦能控制。
此外,作為平面馬達26並不限於氣浮方式,亦可使用磁浮式之平面馬達。在後者之場合,不需於滑件10設置空氣軸承。又,作為平面馬達26,亦可使用動磁型、動圈型之任一者。
控制裝置600,藉由控制對構成平面馬達26之線圈單元之各線圈供給之電流之大小及方向之至少一方,而能將滑件10在底座BS上自由驅動於X、Y二維方向。
本實施形態中,移動系統200具備測量滑件10在X軸方向及Y軸方向之位置資訊之位置測量系28(參照圖11)。作為位置測量系28能使用二維絕對編碼器。具體而言,係於底座BS之上面設置具有涵蓋X軸方向全長之既定寬度之帶狀絕對碼(code)之二維標尺,與此對應地,於滑件10底面設置發光元件等光源與X讀頭及Y讀頭,該X讀頭及Y讀頭由分別接收來自被從該光源射出之光束照明之二維標尺之反射光之排列於X軸方向之一維受光元件陣列及排列於Y軸方向之一維受光元件陣列所構成。作為二維標尺,係使用例如於非反射性之基材(反射率0%)上沿著彼此正交之2
方向(X軸方向及Y軸方向)以一定週期二維排列有複數個正方形反射部(標記)且反射部之反射特性(反射率)具有依循既定規則之階度者。作為二維絕對編碼器,亦可採用例如與美國發明專利申請公開第2014/0070073號公報所揭示之二維絕對編碼器相同的構成。藉由與美國發明專利申請公開第2014/0070073號公報相同構成之絕對型二維編碼器,能進行與習知之遞增編碼器同等之高精度二維位置資訊之測量。由於係絕對編碼器,因此與遞增編碼器不同地,不需要進行原點檢測。位置測量系28之測量資訊被送至控制裝置600。
本實施形態中,如後所述,藉由測量系統400測量搭載於載台12上之工件W上之對象面(例如上面)之至少一部分之三維空間內之位置資訊(在本實施形態中為形狀資訊),於該測量後進行對工件W之附加加工(造形)。是以,控制裝置600,在已測量工件W上之對象面之至少一部分形狀資訊時,係藉由使其測量結果與其測量時設於桿141~146之線性編碼器241~246之測量結果及位置測量系28之測量結果建立對應關係,而能將搭載於載台12之工件W上之對象面之位置及姿勢與造形裝置100之基準座標系(以下稱為載台座標系)建立關聯。藉此,於其後藉由基於線性編碼器241~246及位置測量系28之測量結果之載台12之6自由度方向位置的開環(open loop)控制,即能控制工件W上之對象面TAS之相對於目標值之在6自由度方向的位置。本實施形態中,由於作為線性編碼器241~246及位置測量系28係使用絕對型編碼器而不需要找出原點,因此重設容易。此外,能用於控制載台12在6自由度方向位置之藉由開環控制所致之工件W上之對象面之相對於目標值之在6自由度方向的位置之、待以測量系統400測量之
前述三維空間內之位置資訊,不論形狀為何,只要為對應對象面形狀之至少3點三維位置資訊即足夠。
此外,上述實施形態中,雖說明了作為將滑件10在XY平面內驅動之驅動裝置係使用平面馬達26之場合,但亦可取代平面馬達26而使用線性馬達。此情形下,亦可構成取代前述二維絕對編碼器而改由絕對型線性編碼器測量滑件10之位置資訊的位置測量系。又,測量滑件10之位置資訊之位置測量系不限於編碼器,亦可使用干渉儀系統構成。
又,上述實施形態中,雖例示了使用將滑件在XY平面內驅動之平面馬達與藉由滑件構成底座平台之史都華平台型之6自由度平行連結機構來構成驅動載台之機構的場合,但不限於此,亦可使用其他類型之平行連結機構或平行連結機構以外之機構構成驅動載台之機構。例如,亦可採用在XY平面內移動之滑件與在滑件上將載台12驅動於Z軸方向及相對於XY平面之傾斜方向的Z傾斜驅動機構。作為此種Z傾斜驅動機構之一例,可舉出將載台12在三角形之各頂點位置透過例如萬向接頭等其他接頭從下方予以支撐且具有能將各支撐點彼此獨立地驅動於Z軸方向之三個致動器(音圈馬達等)的機構。不過,驅動移動系統200之載台之機構的構成不限於此等,只要係能將載置工件之載台(可動構件)驅動於XY平面內之3自由度方向及Z軸方向、以及相對於XY平面之傾斜方向的至少5自由度方向之構成即可,亦可不具備在XY平面內移動之滑件。例如亦可藉由載台與驅動此載台之機器人構成移動系統。不論係何種構成,只要使用絕對型之線性編碼器之組合或該線性編碼器與絕對型旋轉編碼器之組合來構成測量載台位置之測量系,則能使重設容易。
此外,亦可取代移動系統200,而採用能將載台12驅動於XY平面內之3自由度方向及Z軸方向、以及相對於XY平面之傾斜方向(θx或θy)之至少5自由度方向的系統。此情形下,可將載台12本身藉由氣浮或磁浮隔著既定空隙(間隔或間隙)懸浮支撐(非接觸支撐)於底座BS等之支撐構件之上面上。若採用此種構成,載台由於係相對於支撐載台之構件以非接觸方式移動,因此在定位精度方面極為有利,大幅有助於造形精度之提升。
測量系統400,係進行用以將搭載於載台12之工件之位置及姿勢與載台座標系建立關聯之工件三維位置資訊例如形狀的測量。測量系統400如圖2所示具備雷射非接觸式之三維測量機401。三維測量機401具備設置於底座BS上之框架30、安裝於框架30之讀頭部32、安裝於讀頭部32之Z軸導件34、設於Z軸導件34下端之旋轉機構36、以及連接於旋轉機構36下端之感測器部38。
框架30由延伸於Y軸方向之水平構件40與將水平構件40在Y軸方向兩端部從下方予以支撐之一對柱構件42所構成。
讀頭部32安裝於框架30之水平構件40。
Z軸導件34,於讀頭部32安裝成能移動於Z軸方向,藉由Z驅動機構44(在圖2中未圖示,參照圖11)被驅動於Z軸方向。Z軸導件34之Z軸方向位置(或自基準位置起之變位)藉由Z編碼器46(在圖2中未圖示,參照圖11)測量。
旋轉機構36,係將感測器部38相對於讀頭部32(Z軸導件34)在既定角度範圍(例如90度(π/2)或180度(π)之範圍)內繞與Z軸平行
之旋轉中心軸連續地(或以既定角度步進)旋轉驅動。本實施形態中,旋轉機構36之感測器部38之旋轉中心軸,係與從構成感測器部38之後述照射部照射之線光之中心軸一致。藉旋轉機構36之感測器部38之自基準位置起之旋轉角度(或感測器部之θz方向位置),係藉由例如旋轉編碼器等旋轉角度感測器48(在圖2中未圖示,參照圖11)被測量。
感測器部38,係以對載置於載台12上之被檢測物(圖2中為工件W)照射用以進行光切斷之線光之照射部50、以及檢測因被照射線光而出現光切斷面(線)之被檢測物之表面的檢測部52為主體構成。又,於感測器部38連接有根據藉由檢測部52檢測出之影像資料求出被檢測物形狀之運算處理部54。運算處理部54,係被本實施形態中用以統籌控制造形裝置100之構成各部之控制裝置600所包含(參照圖11)。
照射部50,由未圖示之圓柱透鏡及具有細帶狀缺口之狹縫板等構成,係接收來自光源之照明光並使扇狀之線光50a產生者。作為光源能使用LED、雷射光源或SLD(super luminescent diode)等。在使用LED(light-emitting diode:發光二極體)之場合能廉價地形成光源。又,在使用雷射光源之場合,由於係點光源而能作出像差少之線光,波長穩定性優異且半值寬度小,由於能將半值寬度小之濾光器用於雜散光截止,因此能減少干擾之影響。又,在使用SLD之場合,除了雷射光源之特性以外,由於可干渉性較雷射光低,因此能抑制在被檢測物面之班點之產生。檢測部52,係用以從與照射部50之光照射方向不同之方向拍攝投影於被檢測物(工件W)表面之線光50a者。又,檢測部52,係由未圖示之成像透鏡或CCD(charge coupled device:電荷耦合元件)等構成,如後所述般係使載台12移動而在線光
50a每隔既定間隔掃描時拍攝被檢測物(工件W)。此外,照射部50及檢測部52之位置,被決定成被檢測物(工件W)表面上之線光50a對檢測部52之入射方向與照射部50之光照射方向成既定角度θ。本實施形態中,上述既定角度θ設定為例如45度。
以檢測部52拍攝之被檢測物(工件W)之影像資料被送至運算處理部54,在此處進行既定之影像運算處理而算出被檢測物(工件W)表面之高度,以求出被檢測物(工件W)之三維形狀(表面形狀)。運算處理部54,係於被檢測物(工件W)之影像中,根據對應於被檢測物(工件W)凹凸而變形之線光50a對光切斷面(線)之位置資訊,就光切斷面(線)(線光91a)延伸之長度方向之各像素使用三角測量原理算出被檢測物(工件W)表面自基準平面起之高度,進行求出被檢測物(工件W)之三維形狀之運算處理。
本實施形態中,控制裝置600,係使載台12移動於與投影於被檢測物(工件W)之線光50a之長度方向大致直角的方向,藉此使線光50a掃描被檢測物(工件W)之表面。控制裝置600,係以旋轉角度感測器48檢測出感測器部38之旋轉角度,根據其檢測結果使載台12移動於與線光50a之長度方向大致直角的方向。如此,本實施形態中,由於在測量被檢測物(工件W)形狀等時使載台12移動,因此作為其前提,在保持工件W而移動至測量系統400之感測器部38下方的時點,載台12之位置及姿勢(6自由度方向之位置)係隨時設定於既定基準狀態。基準狀態,例如係桿141~146均成為相當於伸縮動程範圍中立點之長度(或最小長度)的狀態,此時,載台12在Z軸、θx、θy及θz之各方向之位置為(Z,θx,θy,θz)=(Z0,0,0,0)。又,在此基準狀態下,載台12在XY平面內之位置(X,Y),與藉由位置測量
系28測量之滑件10之X,Y位置一致。
其後,雖開始對被檢測物(工件W)之上述測量,但包含此測量中在內,載台12之6自由度方向位置係藉由控制裝置600在載台座標系上被管理。亦即,控制裝置600,係根據位置測量系28之測量資訊控制平面馬達26,且根據線性編碼器241~246之測量值,控制伸縮機構161~166,藉此控制載台12之6自由度方向位置。
此外,在如本實施形態之三維測量機401般使用光切斷法的場合,較佳為使從感測器部38之照射部50照射於被檢測物(工件W)之線光50a配置於與感測器部38與載台12(被檢測物(工件W))之相對移動方向正交的方向。例如,圖2中,在將感測器部38與被檢測物(工件W)之相對移動方向設定為Y軸方向的場合,較佳為將線光50a沿著X軸方向配置。若採用此方式,即能進行在測量時有效地利用了線光50a全區之相對被檢測物(工件W)的相對移動,能以最佳方式測量被檢測物(工件W)之形狀。以使線光50a之方向與上述相對移動方向能隨時正交之方式設有旋轉機構36。
上述之三維測量機401,係與例如美國發明專利申請公開第2012/0105867號公報所揭示之形狀測定裝置同樣地構成。不過,線光對被檢測物在與X,Y平面平行之方向之掃描,相較於美國發明專利申請公開第2012/0105867號公報所記載之裝置係藉由感測器部之移動來進行,本實施形態中則係藉由載台12之移動來進行,此點係不同。此外,本實施形態中,亦可在線光對被檢測物在與Z軸平行之方向之掃描時,驅動Z軸導件34及載台12之任一者。
在使用本實施形態之三維測量機401之測量方法,係藉由使
用光切斷法,將由一條線光構成之線狀投影圖案投影於被檢測物之表面,並每於使線狀投影圖案掃描被檢測物表面之全區時,從與投影方向不同之角度拍攝投影於被檢測物的線狀投影圖案。接著,從被拍攝之被檢測物表面之拍攝影像,就線狀投影圖案之長度方向之各像素使用三角測量原理等算出被檢測物表面之自基準平面起之高度,以求出被檢測物表面之三維形狀。
此外,作為構成測量系統400之三維測量機,亦能使用與例如美國發明專利第7,009,717號說明書所揭示之光探針相同構成之裝置。此光探針係以兩個以上之光學群構成,包含2以上之視野方向與2以上之投影方向。在一個光學群中包含一個以上之視野方向與一個以上之投影方向,至少一個視野方向與至少一個投影方向在光學群間不同,依視野方向所取得之資料,僅會藉由依相同光學群之投影方向所投影之圖案被生成。
測量系統400,亦可取代上述之三維測量機401、或除了上述之三維測量機以外進一步地,具備以光學方式檢測對準標記之標記檢測系56(參照圖11)。標記檢測系56,能檢測出例如形成於工件之對準標記。控制裝置600,藉由使用標記檢測系56分別正確地檢測出至少三個對準標記之中心位置(三維座標),來算出工件(或載台12)之位置及姿勢。此種標記檢測系56,能包含例如立體攝影機而構成。亦可藉由標記檢測系56,以光學方式檢測出預先形成於載台12上之最少三處之對準標記。
本實施形態中,控制裝置600以上述方式使用三維測量機401掃描工件W之表面(對象面),以取得其表面形狀資料。接著,控制裝置600使用該表面形狀資料進行最小平方法處理而將工件上之對象面之三維
位置及姿勢與載台座標系建立關連關係。此處,由於包含對被檢測物(工件W)之上述測量中在內,載台12之6自由度方向位置,係藉由控制裝置600在載台座標系上被管理,因此在工件之三維位置及姿勢與載台座標系建立關連關係後,包含三維造形之附加加工時在內,工件W之6自由度方向位置(亦即位置及姿勢)之控制均能藉由依照載台座標系之載台12之開環控制進行。
圖4顯示光束造形系統500與搭載有工件W之載台12。如圖4所示,光束造形系統500具備包含光源系510而射出光束之光束照射部520、供給粉狀造形材料之材料處理部530、以及灑水頭540(在圖4中未圖示,參照圖11)。此外,光束造形系統500亦可不具備灑水頭540。
光源系510如圖5所示具備光源單元60、連接於光源單元60之光導引光纖62、配置於光導引光纖62之射出側之雙複眼光學系64、以及聚光透鏡系66。
光源單元60具備外殼68與收納於外殼68內部且彼此平行地排列成矩陣狀的複數個雷射單元70。作為雷射單元70,能使用進行脈衝振盪或連續波振盪動作之各種雷射、例如碳酸氣體雷射、Nd(釹):YAG(Yttrium Aluminium Garner:釔鋁柘鎦石)雷射、光纖雷射、或GaN(氮化鎵)系半導體雷射等之光源單元。
光導引光纖62,係一將多數條光纖素線隨機捆束構成之光纖束,具備個別連接於複數個雷射單元70之射出端之複數個入射口62a與具有較入射口62a數量多之射出口之射出部62b。光導引光纖62,係將從複數個雷射單元70各個射出之複數個雷射光束(以下適當地簡稱為「光束」)
透過各入射口62a來接收並分配至多數個射出口,使各雷射光束之至少一部分從共通射出口射出。以此方式,光導引光纖62,係將從複數個雷射單元70各個射出之光束混合射出。藉此,與使用單一雷射單元之場合相較,能使總輸出與雷射單元70數量相應地增加。不過,在以單一雷射單元即能取得充分之輸出之場合,亦可不使用複數個雷射單元。
此處,射出部62b,具有與如下說明之構成雙複眼光學系64入射端之第1複眼透鏡系之入射端之整體形狀相似之剖面形狀,於該剖面內以大致均等之配置設有射出口。因此,光導引光纖62,亦兼具將以上述方式混合之光束整形為與第1複眼透鏡系之入射端之整體形狀相似的整形光學系之作用。
雙複眼光學系64,係用以使光束(照明光)之剖面照度分布(剖面強度分布)一樣,由在光導引光纖62後方之雷射光束之光束路(光路)上依序配置之第1複眼透鏡系72、透鏡系74、及第2複眼透鏡系76構成。此外,於第2複眼透鏡系76周圍設有光闌。
此情形下,第1複眼透鏡系72之入射面與第2複眼透鏡系76之入射面設定成在光學上彼此共軛。又,第1複眼透鏡系72之射出側焦點面(於此處形成後述之面光源)、第2複眼透鏡系76之射出側焦點面(於此處形成後述之面光源)、及後述之聚光光學系82之光瞳面(入射光瞳)PP設定成在光學上彼此共軛。此外,本實施形態中,聚光光學系82之光瞳面(入射光瞳)PP與前側焦點面一致(參照例如圖4、圖6、圖7等)。
藉由光導引光纖62而混合之光束,係射入雙複眼光學系64之第1複眼透鏡系72。藉此,於第1複眼透鏡系72之射出側焦點面形成面
光源、亦即多數個光源像(點光源)所構成之2次光源。來自此等多數個點光源之各個之雷射光,係透過透鏡系74而射入第2複眼透鏡系76。藉此,於第2複眼透鏡系76之射出側焦點面形成使多數個微小光源像一樣地分布於既定形狀之區域內而成的面光源(3次光源)。
聚光透鏡系66,係將從上述3次光源射出之雷射光作為照度分布均一之光束射出。
此外,藉由第2複眼透鏡系76之入射端之面積、聚光透鏡系66之焦點距離等之最佳化,從聚光透鏡系66射出之光束能視為平行光束。
本實施形態之光源系510,具備具有光導引光纖62與雙複眼光學系64與聚光透鏡系66之照度均一化光學系,使用此照度均一化光學系,將從複數個雷射單元70分別射出之光束混合,以生成剖面照度分布被均一化之平行光束。
此外,照度均一化光學系不限於上述之構成。亦可使用例如桿狀積分器、準直透鏡系等來構成照度均一化光學系。
光源系510之光源單元60連接於控制裝置600,藉由控制裝置600,構成光源單元60之複數個雷射單元70之on/off係被個別控制。藉此,調整從光束照射部520照射於工件W(上之對象面)之雷射光束之光量(雷射輸出)。
此外,造形裝置100亦可不具備光源單元60、或光源單元60與照度均一化光學系。例如亦可將具有所欲光量(能量)與所欲照度均一性之平行光束從外部裝置供給至造形裝置100。
光束照射部520如圖4所示,除了光源系510以外,還具有
依序配置於來自光源系510(聚光透鏡系66)之平行光束之光路上之光束剖面強度轉換光學系78及空間光調變器(SLM:Spatial Light Modulator)之一種亦即反射鏡陣列80、使來自反射鏡陣列80之光聚集之聚光光學系82。此處所謂空間光調變器,係將往既定方向行進之光之振幅(強度)、相位或偏光狀態在空間上予以調變之元件的總稱。
光束剖面強度轉換光學系78,係轉換來自光源系510(聚光透鏡系66)之平行光束之剖面之強度分布。本實施形態中,光束剖面強度轉換光學系78,係將來自光源系510之平行光束轉換成包含其剖面中心之區域之強度大致為零之甜甜圈狀(環帶狀)之平行光束。光束剖面強度轉換光學系78,在本實施形態中係藉由例如依序配置於來自光源系510之平行光束之光路上之凸型圓錐反射鏡及凹型圓錐反射鏡所構成。凸型圓錐反射鏡,於其光源系510側具有外周面為圓錐狀之反射面,凹型圓錐反射鏡由其內徑較凸型圓錐反射鏡之外徑大之環狀構件構成,於其內周面具有與凸型圓錐反射鏡之反射面對向之反射面。此情形下,若以通過凹型圓錐反射鏡中心之任意剖面觀察,則凸型圓錐反射鏡之反射面與凹型圓錐反射鏡之反射面為平行。是以,來自光源系510之平行光束,係被凸型圓錐反射鏡之反射面反射成放射狀,此反射光束在凹型圓錐反射鏡之反射面被反射,藉此轉換成環帶狀之平行光束。
本實施形態中,經由光束剖面強度轉換光學系78之平行光束,如後所述係透過反射鏡陣列80及聚光光學系82而照射於工件。藉由使用光束剖面強度轉換光學系78轉換來自光源系510之平行光束之剖面強度分布,而能變更從反射鏡陣列80射入聚光光學系82之光瞳面(入射光瞳)PP
之光束之強度分布。又,藉由使用光束剖面強度轉換光學系78轉換來自光源系510之平行光束之剖面強度分布,而亦能實質地變更從聚光光學系82射出之光束在聚光光學系82之射出面的強度分布。
此外,光束剖面強度轉換光學系78,不限於凸型圓錐反射鏡與凹型圓錐反射鏡之組合,亦可使用例如美國發明專利申請公開第2008/0030852號公報所揭示之繞射光學元件、遠焦透鏡、及圓錐旋轉三稜鏡系之組合來構成。光束剖面強度轉換光學系78,只要係轉換光束之剖面強度分布者即可,可考量各種構成。依光束剖面強度轉換光學系78之構成不同,亦能將來自光源系510之平行光束,非使在包含其剖面中心(聚光光學系82之光軸)之區域之強度大致為零而使較在其外側之區域之強度小。
反射鏡陣列80在本實施形態中,具有於一面具有相對XY平面及XZ平面成45度(π/4)之面(以下為了說明方便而稱為基準面)之底座構件80A、於底座構件80A之基準面上配置成例如P列Q行之矩陣狀之例如M(=P×Q)個之反射鏡元件81p,q(p=1~P,q=1~Q)、以及包含個別驅動各反射鏡元件81p,q之M個致動器(未圖示)的驅動部87(在圖4中未圖示,參照圖11)。反射鏡陣列80,藉由調整多數個反射鏡元件81p,q相對基準面之傾斜,而能實質地形成與基準面平行之較大反射面。
反射鏡陣列80之各反射鏡元件81p,q,例如構成為能繞與各反射鏡元件81p,q之一方之對角線平行之旋轉軸旋動,能將其反射面相對於基準面之傾斜角度設定成既定角度範圍內之任意角度。各反射鏡元件之反射面角度,係藉由檢測旋轉軸之旋轉角度之感測器、例如旋轉編碼器83p,q(在圖4中未圖示,參照圖11)來測量。
驅動部87,例如包含電磁石或音圈馬達作為致動器,各個反射鏡元件81p,q,係被致動器驅動而以非常高回應動作。
構成反射鏡陣列80之複數個反射鏡元件中被來自光源系510之環帶狀平行光束照明之反射鏡元件81p,q之各個,係往對應其反射面之傾斜角度之方向射出反射光束(平行光束),而射入聚光光學系82(參照圖6)。此外,本實施形態中,雖關於使用反射鏡陣列80之理由及使環帶狀平行光束射入反射鏡陣列80之理由將於後述,但不一定要設為環帶狀,亦可使射入反射鏡陣列80之平行光束之剖面形狀(剖面強度分布)不同於環帶形狀,亦可不設置光束剖面強度轉換光學系78。
聚光光學系82係數值孔徑N.A.為例如0.5以上、較佳為0.6以上之高NA且低像差之光學系。聚光光學系82,由於係大口徑、低像差且高NA,因此能將來自反射鏡陣列80之複數個平行光束聚光於後側焦點面上。詳細雖留待後述,但光束照射部520,能將從聚光光學系82射出之光束聚光成例如點狀或狹縫狀。又,聚光光學系82,由於係以一或複數片之大口徑透鏡構成(在圖4等,係代表性地圖示一片大口徑透鏡),因此能使入射光之面積增大,藉此,能較使用數值孔徑N.A.小之聚光光學系之場合擷取更多量之光能量。是以,藉由本實施形態之聚光光學系82而聚光之光束,係極為尖銳而具有高能量密度,此事直接關連於提高藉造形之附加加工之加工精度。
本實施形態中,係說明藉由如後所述將載台12移動於與XY平面平行之掃描方向(圖4中例如為Y軸方向),一邊使光束與於上端具有造形之對象面TAS之工件W相對掃描於掃描方向(SCAN方向)、一邊進行造
形(加工處理)的情形。此外,進行造形時,當然亦可在載台12往Y軸方向之移動中,使載台12移動於X軸方向、Z軸方向、θx方向、θy方向、及θz方向之至少一個方向。又,如後所述,係藉由雷射光束之能量使藉由材料處理部530而被供給之粉狀造形材料(金屬材料)熔融。是以,如前所述,只要聚光光學系82所擷取之能量總量變大,則從聚光光學系82射出之光束之能量即變大,每單位時間能熔解之金屬量即增加。而只要與其相應地提升造形材料之供給量與載台12之速度,則提升光束造形系統500之造形加工之產能。
然而,即使以如前述之手法大幅提高雷射之總輸出,現實上由於無法無限地使載台12之掃描動作高速化,因此並無法實現完全活用其雷射功率之產能。為了解決此問題,本實施形態之造形裝置100係如後所述,非將點狀光束之照射區域而係將狹縫狀光束之照射區域(以下稱為一文字區域(參照圖9(B)之符號LS))形成於應對齊造形之對象面TAS的既定面(以下稱為造形面)MP(參照例如圖4及圖9(A))上,能一邊相對形成該一文字區域LS之光束(以下稱為一文字光束)於與其長度方向垂直之方向相對掃描工件W、一邊進行造形(加工處理)。藉此,能一口氣處理較以點狀光束掃描(SCAN)工件之情形寬廣極多之面積(例如數倍至數十倍左右之面積)。此外,如後所述,本實施形態中,雖上述之造形面MP係聚光光學系82之後側焦點面(參照例如圖4及圖9(A)),但造形面亦可係後側焦點面附近之面。又,本實施形態中,造形面MP雖係與聚光光學系82之射出側之光軸AX成垂直,但亦可為非垂直。
作為設定或變更在造形面MP上之光束之強度分布之方法
(例如形成如上述之一文字區域之方法),能採用例如控制射入聚光光學系82之複數個平行光束之入射角度分布的方法。如本實施形態之聚光光學系82般將平行光聚光於一點之透鏡系,係以光瞳面(入射光瞳)PP中之平行光束LB(參照例如圖4、圖6等)之入射角度決定在後側焦點面(聚光面)之聚光位置。此處之入射角度,係由a.射入聚光光學系82之光瞳面PP之平行光束相對與聚光光學系82之光軸AX平行之軸所構成的角度α(0≦α<90度(π/2))、b.於光瞳面PP上以光軸AX上之點作為原點,而設定有與光軸AX正交之二維正交座標系(X,Y)時射入光瞳面PP之平行光束往光瞳面PP(XY座標平面)正射影之二維正交座標系(X,Y)上相對基準軸(例如X軸(X≧0)的角度β(0≦β<360度(2π))所決定。例如,對聚光光學系82之光瞳面PP成垂直地(與光軸成平行地)射入之光束聚光於光軸AX上,相對聚光光學系82(相對光軸AX)稍微傾斜之光束,係聚光於從該光軸AX上稍微偏離之位置。利用此關係,使來自光源系510之平行光束反射並使之射入聚光光學系82時,藉由對射入聚光光學系82之光瞳面PP之複數個平行光束LB之入射角度(入射方向)賦予適當之分布,即能任意變更造形面MP內光束之強度分布、例如造形面MP中照射區域之位置、數量、大小、及形狀之至少一個。是以,例如一文字區域、三行區域、缺損一文字區域等(參照圖10)亦當然能容易地形成,且形成點狀照射區域亦容易。此外,此處雖使用角度α與角度β來說明入射角度(入射方向),但入射角度(入射方向)之表示方法當然可考量各種方式,射入光瞳面PP之平行光束之入射角度(入射方向)並不限定於以角度α與角度β作為參數之控制。
此外,本實施形態之聚光光學系82,由於係其光瞳面(入射
光瞳)PP與前側焦點面為一致之構成,因此雖藉由變更使用了反射鏡陣列80之複數個平行光束LB之入射角度,能正確且簡便地控制該複數個平行光束LB之聚光位置,但亦可係聚光光學系82之光瞳面(入射光瞳)與前側焦點面非一致之構成。
又,只要形成於造形面之照射區域之形狀及大小非為可變,則只要使用所欲形狀之固體(solid)之反射鏡,即亦能控制射入聚光光學系82之光瞳面之一個平行光束之入射角度而變更照射區域之位置。
然而,在進行對工件之附加加工(造形)之場合,不限於設定有其造形之目標部位之對象面之區域均為平坦面。亦即不限於能夠進行一文字光束之相對掃描。在工件之輪廓邊緣附近或中實區域與中空區域之邊界附近之位置,邊界傾斜、或變窄、或附有R角之類,係難以適用一文字光束之相對掃描。舉例而言,寬度寬之刷毛,由於難以塗滿此種位置,因此必須有對應其之寬度窄之刷毛或細鉛筆,亦即,即時且連續地自由區分使用刷毛與細鉛筆。與此同樣地,在工件之輪廓邊緣附近或中實區域與中空區域之邊界附近之位置,即產生要變更光束照射區域之掃描方向(相對移動方向)寬度或使照射區域之大小(例如一文字光束之長度)、數量或位置(光束之照射點位置)變化的要求。
因此,本實施形態中係採用反射鏡陣列80,控制裝置600以非常高回應使各反射鏡元件81p,q動作,藉此分別控制射入聚光光學系82之光瞳面PP之複數個平行光束LB之入射角度。藉此,設定或變更造形面MP上之光束之強度分布。此情形下,控制裝置600,能於光束與對象面TAS(係設定有造形之目標部位TA之面,本實施形態中為工件W上之面)之
相對移動中使造形面MP上之光束之強度分布、例如光束之照射區域之形狀、大小、數量之至少一個變化。此情形下,控制裝置600能連續地或斷續地變更造形面MP上之光束之強度分布。例如,亦能於光束與對象面TAS之相對移動中使一文字區域之相對移動方向寬度連續地或斷續地變化。控制裝置600亦能按照光束與對象面TAS之相對位置使造形面MP上之光束之強度分布變化。控制裝置600亦能按照被要求之造形精度與產能,使在造形面MP之光束之強度分布變化。
又,本實施形態中,控制裝置600,由於係使用前述之旋轉編碼器83p,q檢測出各反射鏡元件之狀態(此處為反射面之傾斜角度),藉此即時監控各反射鏡元件之狀態,因此能正確地控制反射鏡陣列80之各反射鏡元件之反射面傾斜角度。
材料處理部530如圖7所示具有:具有設於聚光光學系82之射出面下方之噴嘴構件(以下簡稱為噴嘴)84a之噴嘴單元84、透過配管90a連接於噴嘴單元84之材料供給裝置86、以及透過配管分別連接於材料供給裝置86之複數個例如兩個之粉末匣88A,88B。圖7係顯示從一Y方向觀看較圖4之聚光光學系82下方之部分。
噴嘴單元84,具備在聚光光學系82下方延伸於X軸方向且具有供給造形材料之粉末之至少一個供給口之噴嘴84a、以及支撐噴嘴84a之長度方向兩端部且各上端部連接於聚光光學系82之殼體之一對支撐構件84b,84c。於一方之支撐構件84b透過配管90a連接有材料供給裝置86之一端(下端),於內部形成有連通配管90a與噴嘴84a之供給路徑。本實施形態中,噴嘴84a配置於聚光光學系82之光軸之正下方,於下面(底面)設有後
述之複數個供給口。此外,噴嘴84a不一定要配置於聚光光學系82之光軸上,亦可配置於從光軸往Y軸方向之一側些許偏離之位置。
於材料供給裝置86之另一端(上端)連接有做為對材料供給裝置86之供給路徑之配管90b,90c,分別透過配管90b,90c而於材料供給裝置86連接有粉末匣88A,88B。於一方之粉末匣88A收容有第1造形材料(例如鈦)之粉末。又,於另一方之粉末匣88B收容有第2造形材料(例如不鏽鋼)之粉末。
此外,本實施形態中,造形裝置100雖為了將2種類之造形材料供給至材料供給裝置86而具備兩個粉末匣,但造形裝置100所具備之粉末匣亦可為一個。
從粉末匣88A,88B對材料供給裝置86之粉末之供給,雖亦能使粉末匣88A,88B之各個具有強制對材料供給裝置86供給粉末之功能,但在本實施形態係使材料供給裝置86具有配管90b,90c切換之功能,且亦具有從粉末匣88A,88B之任一方利用真空吸引粉末之功能。材料供給裝置86連接於控制裝置600(參照圖11)。於造形時,係藉由控制裝置600,使用材料供給裝置86進行配管90b,90c之切換,來自粉末匣88A之第1造形材料(例如鈦)之粉末與來自粉末匣88B之第2造形材料(例如不鏽鋼)之粉末被擇一地供給至材料供給裝置86,從材料供給裝置86透過配管90a將任一方之造形材料粉末供給至噴嘴84a。此外,亦可藉由變更材料供給裝置86之構成,而能在必要之場合同時將來自粉末匣88A之第1造形材料與來自粉末匣88B之第2造形材料對材料供給裝置86供給,並將兩個造形材料之混合物透過配管90a供給至噴嘴84a。此外,亦可將能連接於粉末匣88A之噴
嘴與能連接於粉末匣88B之另一噴嘴設於聚光光學系82下方,於造形時從任一噴嘴供給粉末或從或兩噴嘴供給粉末。
又,控制裝置600能調整從粉末匣88A,88B透過材料供給裝置86供給至噴嘴84a之造形材料之每單位時間之供給量。例如,藉由調整從粉末匣88A,88B之至少一方對材料供給裝置86供給之粉末量,即能調整透過材料供給裝置86供給至噴嘴84a之造形材料之每單位時間之供給量。例如,藉由調整來自粉末匣88A,88B之對材料供給裝置86之粉末供給所利用之真空等級,即能調整供給至噴嘴84a之造形材料之每單位時間之供給量。或者,亦能設置從材料供給裝置86供給至配管90a粉末量之閥,以調整供給至噴嘴84a之造形材料之每單位時間之供給量。
此處,圖7中雖未圖示,但實際上,於噴嘴84a之下面(底面)係如圖8所示,於X軸方向以等間隔形成有複數個例如N個供給口91i(i=1~N),各供給口91i能藉由開閉構件93i個別地開閉。此外,圖8中,為了圖示方便,供給口91i作為一例圖示有12個,且為了了解供給口與開閉構件之關係而圖示有兩者。然而實際上係形成有較12個多之數量之供給口,且相鄰供給口間之分隔之部分更為狹窄。不過,只要供給口係涵蓋噴嘴84a之長度方向大致全長來配置,則供給口之數量不論是幾個均可。例如,供給口亦可為涵蓋噴嘴84a之長度方向大致全長之一個狹縫狀開口。
開閉構件93i,如於圖8中針對第k個之開閉構件93k賦予箭頭而代表性地顯示,能滑動驅動於+Y方向及-Y方向,以將供給口91i開閉。開閉構件93i並不限於滑動驅動,亦可係能以一端部為中心往傾斜方向旋動之構成。
各開閉構件93i,藉由控制裝置600透過未圖示之致動器被驅動控制。控制裝置600,係按照造形面上之光束之強度分布、例如形成於造形面上之光束之照射區域之形狀、大小、配置等之設定(或變更),而使用各開閉構件93i開閉控制複數個例如N個之供給口91i之各個。藉此,材料處理部530供給造形材料之供給動作受到控制。此情形下,藉由控制裝置600選擇複數個供給口91i中之至少一個供給口,僅關閉該被選擇之至少一個供給口之開閉構件93i被開放控制、例如被驅動於-Y方向。是以,本實施形態中,能僅從複數個例如N個之供給口91i中之一部分供給造形材料。
又,控制裝置600,亦能藉由透過前述材料供給裝置86供給至噴嘴84a之造形材料之每單位時間之供給量控制、以及使用了任意開閉構件93i之開閉控制之至少一方,來調整來自以該開閉構件93i開閉之供給口91i之造形材料之每單位時間供給量。控制裝置600,係按照造形面上之光束之強度分布、例如形成於造形面上之光束之照射區域之形狀、大小、配置等之設定(或變更)決定來自任意供給口91i之造形材料之每單位時間供給量。控制裝置600,例如根據前述之一文字區域之掃描方向寬度決定來自各供給口91i之每單位時間供給量。
此外,亦可構成為能藉由各開閉構件93i調整各供給口91i之開度。此情形下,控制裝置600,亦可按照例如前述之一文字區域之掃描方向寬度來調整各開閉構件93i之各供給口之開度。
此外,供給造形材料之粉末之至少一個供給口亦可為可動。例如亦可於噴嘴84a之下面形成一個延伸於X軸方向之狹縫狀供給口,並使噴嘴84a相對一對支撐構件84b,84c能移動於例如X軸方向與Y軸方向
之至少一方,而控制裝置600則按照造形面上之光束之強度分布之變更、亦即光束之照射區域之形狀、大小、位置之變更,來移動在下面形成有供給口之噴嘴84a。此外,亦可使噴嘴84a在Z軸方向為可動。
或者,亦可將噴嘴84a以本體部與相對該本體部能在例如XY平面內移動於X軸方向與Y軸方向之至少一方且於其底面形成有供給口之至少兩個可動構件構成,並由控制裝置600按照造形面上之光束之強度分布之變更使可動構件之至少一部分移動。此情形下亦同樣地亦可使可動構件之至少一部分在Z軸方向為可動。
又,複數個供給口中之一個供給口與另一供給口亦可為能相對移動之構成。或者,例如上述一個供給口之Y軸方向位置與上述另一個供給口之Y軸方向位置亦可為不同。或者,上述一個供給口之Z軸方向位置與上述另一個供給口之Z軸方向位置亦可為不同。
此外,至少一個供給口之移動,不僅配合光束之強度分布之設定或變更來進行,亦可因別的目的使其移動。
如前所述,設於噴嘴84a之複數個供給口91i,係與聚光光學系82之光軸正交而於X軸方向涵蓋噴嘴84a全長以等間隔配置且於相鄰供給口91i彼此之間僅有些微間隙。因此,如以圖9(A)中之黑箭頭所示,只要從噴嘴84a之複數個供給口91i之各個將粉末狀造形材料PD沿著與聚光光學系82之光軸AX平行之Z軸方向往正下方供給,則會對聚光光學系82之光軸AX正下方之前述一文字區域LS(一文字光束之照射區域)供給該造形材料PD。此情形下,來自噴嘴84a之造形材料PD之供給,能藉由利用造形材料PD之自重或施加了些微噴出壓力之噴出動作進行。是以,不需要
如對造形之對象面從傾斜方向供給造形材料之場合般用以產生導引造形材料之供給之氣流之產生機構等的複雜機構。又,若能如本實施形態般對工件以極近距離垂直地供給造形材料,則在確保造形之加工精度方面極為有利。
此外,亦可於噴嘴84a設置氣體供給口。從該氣體供給口供給之氣體,亦可為了導引造形材料之供給而使之流動,或為了別的目的例如使有助於造形之氣體流動。
本實施形態中,由於環帶狀之平行光束照射於反射鏡陣列80,因此來自反射鏡陣列80之反射光束射入聚光光學系82之周緣附近之部分區域(N.A.較大之部分區域),並經由位於聚光光學系82之射出端、亦即位於光束照射部520射出端之終端透鏡之與光軸相距一距離之周緣部區域,聚光於聚光光學系82之造形面MP(與本實施形態中聚光光學系82之後側焦點面一致)(參照圖4)。亦即,僅藉由通過同一聚光光學系82之周緣附近部分之光形成例如一文字光束。因此,與將透過各個光學系之光聚光於同一區域以形成光束點(雷射點)之情形相較,能形成更高品質之光束點。又,本實施形態,能限制對設於聚光光學系82射出面(下端面)之中央下方之噴嘴84a之光束照射。因此,本實施形態中,能將來自反射鏡陣列80之反射光束均利用於光束點之形成,且不需於聚光光學系82之入射面側之與噴嘴84a對應之部分設置用以限制光束照射於噴嘴84a之遮光構件等。因上述理由,而藉由環帶狀之平行光束照明反射鏡陣列80。
此外,位於聚光光學系82射出端之光學構件,係至少於從其射出側之面之光軸離開之區域形成光學面,只要能透過該光學面將光束
聚光於造形面(後側焦點面)即可。是以,此光學構件,在包含光軸之區域中射出面與入射面之至少一方亦可為與聚光光學系82之光軸垂直之平面,或者於包含光軸之區域形成孔。亦可藉由在包含光軸之中央部區域開孔之甜甜圈狀之聚光透鏡構成位於聚光光學系82射出端之光學構件。
此外,為了限制從聚光光學系82射入噴嘴84a之光束,亦可將例如圖7中以二點鏈線顯示之限制構件85設於聚光光學系82之入射面側(例如光瞳面PP)。藉由限制構件85限制來自聚光光學系82之光束對噴嘴84a之入射。作為限制構件85雖能使用遮光構件,但亦可使用減光濾光器等。此種情形下,射入聚光光學系82之平行光束亦可為剖面圓形之平行光束,亦可為環帶狀之平行光束。若為後者,由於光束不會照射於限制構件85,因此能將來自反射鏡陣列80之反射光束均利用於光束點之形成。
此外,雖不一定要將從聚光光學系82射入噴嘴84a之光束完全遮蔽,但為了防止來自聚光光學系82之光束射入噴嘴84a,亦可僅從聚光光學系82之終端透鏡之射出面之在Y軸方向分離於光軸兩側之周緣部區域(例如兩個圓弧區域)射出光束。
灑水頭540(參照圖11)用於所謂淬火時。灑水頭540具有供給冷卻液(冷卻水)之供給口,用以將冷卻液對冷卻對象物噴射。灑水頭540連接於控制裝置600(參照圖11)。控制裝置600,在進行淬火時係控制光源單元60將來自光束照射部520之光束之熱能量調節成適於淬火之值。接著,控制裝置600,能在對工件表面照射光束以使之呈高溫後,透過灑水頭540將冷卻液對該高溫部噴射以使之急冷,藉此進行淬火。此情形下,亦能在透過三維造形對工件進行之附加加工同時進行淬火步驟。此外,在與附加
加工同時進行淬火步驟之場合,作為造形材料較佳為使用淬火性良好之金屬。
本實施形態中,在對工件之附加加工時等,如將圖4及圖4之圓A內放大顯示之圖9(A)所示,通過聚光光學系82周緣部附近且通過噴嘴84a之+Y側及-Y側(工件W(載台12)之掃描方向前方及後方)之光路的光束(於圖9(A)為了方便而顯示為光束LB11,LB12)聚光於噴嘴84a之正下方,以X軸方向(圖9(A)中之紙面正交方向)作為長度方向之一文字區域LS形成於造形面上(參照圖9(B)),對形成該一文字區域LS之一文字光束,透過噴嘴84a之複數個供給口91i沿著與聚光光學系82之光軸AX平行之Z軸(沿著包含光軸AX之XZ面)供給粉末狀之造形材料PD。藉此,於噴嘴84a正下方形成延伸於X軸方向之線狀熔融池WP。又,此種熔融池WP之形成係一邊將載台12掃描於掃描方向(圖9(A)中為+Y方向)、一邊進行。藉此,能形成涵蓋一文字光束(熔融池WP)之長度方向(X軸方向)長度之既定寬度之銲珠(熔融凝固後之金屬)(Bead)BE。此外,圖9(A)所示之光束LB11,LB12亦可係被反射鏡陣列80之各反射鏡元件81p,q分別反射且以不同入射角度射入聚光光學系82之光瞳面PP之不同平行光束,亦可係同一平行光束、例如剖面環帶狀之平行光束之一部分。
在使複數個平行光束射入聚光光學系82之光瞳面PP之情形下,例如不減少射入聚光光學系82之平行光束LB之數量,而係以一文字光束之X軸方向寬度或Y軸方向寬度、或兩者和緩變窄之方式,調整射入聚光光學系82之複數個平行光束LB之入射角度的情形,光束之聚光密度(能量密度)變高。是以,藉由相應於此地,增加每單位時間之粉末(造形材
料)之供給量且提升對象面TAS之掃描速度,即能將所形成之銲珠BE之層厚度保持於一定且以高等級保持產能。不過,並不限於此種調整方法,亦能使用其他調整方法來將所形成之銲珠BE之層厚度保持於一定。例如,亦可按照一文字光束之X軸方向寬度或Y軸方向寬度、或兩者寬度調節複數個雷射單元70中至少一個之雷射輸出(雷射光束之能量),亦可變更從反射鏡陣列80射入聚光光學系82之平行光束LB之數量。此情形下,相較於上述調整方法雖產能略微降低,但調整係簡便。
圖11顯示有表示以造形裝置100之控制系為中心構成之控制裝置600之輸出入關係的方塊圖。控制裝置600包含工件站(或微電腦)等,統籌控制造形裝置100之構成各部。
以上述方式構成之本實施形態之造形裝置100之基本功能,係對既有零件(工件)藉由三維造形附加所欲之形狀。工件被投入造形裝置100,在被正確地附加了所欲形狀後從造形裝置100搬出。此時,該附加之形狀之實際形狀資料,係從裝置送至外部裝置例如上位裝置。以造形裝置100進行之一連串動作大致如下所述。
在載台12位於既定之裝載/卸載位置時,藉由工件搬送系300將工件W搭載於載台12。此時載台12位於前述之基準狀態(Z,θx,θy,θa)=(Z0,0,0,0),其XY位置與藉由位置測量系28測量之滑件10之X,Y位置一致。
其次,藉由控制裝置600,搭載有工件W之載台12移動至測量系統400下方。載台12之移動,係藉由控制裝置600根據位置測量系28之測量資訊控制平面馬達26以使滑件10在底座BS上驅動於X軸方向(及
Y軸方向)來進行。在此移動中,載台12被維持前述之基準狀態。
藉由控制裝置600,使用測量系統400,進行處於基準狀態之載台12上之工件W上之對象面TAS之至少一部分在三維空間內之位置資訊(在本實施形態中為形狀資訊)的測量。於此測量以後,即能根據此測量結果,在載台座標系(基準座標系)上藉由開環控制管理工件W上之對象面TAS之6自由度方向位置。
其次藉由控制裝置600,搭載有已結束對象面TAS至少一部分形狀資訊測量之工件W的載台12,移動至光束造形系統500下方。
其次,對載台12上之工件進行附加與3D資料對應之形狀之三維造形之附加加工。此附加加工係以下述方式進行。
亦即,控制裝置600,係將待藉由附加加工附加之形狀(從附加加工後所製作之物體之形狀去除作為附加加工對象之工件之形狀後的形狀)之三維CAD資料作為三維造形用之資料,轉換為例如STL(Stereo Lithography)資料,進而從此三維STL資料生成於Z軸方向切片之各層(Layer)之資料。接著,控制裝置600根據各層之資料,為了進行對工件之各層之附加加工,控制移動系統200及光束造形系統500,針對各層反覆進行如下動作:一邊將載台12掃描於掃描方向、一邊進行前述之一文字區域之形成及對一文字光束之來自噴嘴84a之造形材料之供給所致之線狀(狹縫狀)熔融池之形成。此處,附加加工時工件上之對象面之位置及姿勢之控制,係考量先前測量之對象面之形狀資訊來進行。
此處,以上之說明中,係以工件W之設定為附加加工之目標部位TA的對象面(例如上面)TAS,為藉由調整載台12之傾斜而設定成與
聚光光學系82之光軸垂直之面(與XY平面平行之面)的平面作為前提,來進行伴隨載台12之掃描動作的造形。然而,工件之設定為附加加工之目標部位的對象面,不限於一定要為能使用一文字光束的平面。可是,本實施形態之造形裝置100具備能將搭載有工件之載台12之6自由度方向位置設定成任意位置的移動系統200。因此,此種情形下,控制裝置600係根據使用測量系統400測量之工件之三維形狀,控制移動系統200及光束造形系統500之光束照射部520,一邊將造形面MP上之光束照射區域之X軸方向寬度調整成對齊於造形面MP之工件W上之對象面(例如上面)能視為可在造形面MP上之光束照射區域內進行附加加工之平坦的程度,一邊透過噴嘴84a之各開閉構件93i進行各供給口91i之開閉操作,從必要之供給口將造形材料供給至照射於照射區域的光束。藉此,即使工件上面(對象面)非為平坦,亦能對必要之部分施加造形。
此外,亦可在進行透過銲珠積層之造形時,以在造形面之照射區域之X軸方向寬度小的光束進行附加加工(銲珠形成),在形成較大面積之平面後,使用使在造形面之照射區域之X軸方向寬度增大之一文字光束,對該平面上進行附加加工(銲珠形成)。例如亦可在對有凹凸之對象面上進行造形時,係以在造形面之照射區域之X軸方向寬度小之光束進行填埋凹部之附加加工(銲珠形成)而形成平面後,使用使在造形面MP之照射區域之X軸方向寬度增大之一文字光束,對該平面上進行附加加工(銲珠形成)。此種情形下當然亦同樣地,係從按照在造形面MP之光束之照射區域大小(寬度)變化而選擇之一個或複數個供給口供給造形材料之粉末。
在對工件W之附加加工結束後,藉由控制裝置600,將搭
載有附加加工完畢之工件W之載台12移動至前述之裝載/卸載位置。
其次,藉由控制裝置600,對工件搬送系300指示工件之卸載。依據此指示,藉由工件搬送系300,附加加工完畢之工件W從載台12上被取出而被搬送至造形裝置100外部。接著,藉由控制裝置600,移動系統200之載台12被設定為基準狀態。藉此,移動系統200,在裝載/卸載位置準備次一工件之搬入而待機。
如以上所詳細說明,根據本實施形態之造形裝置100及以該造形裝置100進行之造形方法,前述之在造形面MP內之光束之強度分布,能不僅在透過光束與對象面TAS之相對移動之造形開始前,在光束與對象面TAS之相對移動中,於必要情形亦能連續地變更,且能按照對象面TAS與光束之相對位置,進而能按照被要求之造形精度與產能予以變更。藉此,造形裝置100,例如能藉由快速原型設計將造形物以高加工精度且高產能形成於工件W之對象面TAS上。
又,造形裝置100及以該造形裝置100進行之造形方法,當於平坦對象面TAS上進行較寬廣面積之附加加工(造形)時,係採用對前述之一文字光束從噴嘴84a供給粉末狀之造形材料PD以於噴嘴84a正下方形成線狀之熔融池WP,一邊使載台12掃描於掃描方向(在圖4中為+Y方向)一邊進行此種熔融池WP之形成的方法。根據此方法,透過習知之3D列印機等若不使圖12(B)所示之點狀光束往返數十次即無法生成的形狀,能如圖12(A)所示,以相對一文字光束之載台12之數次往返即能生成。根據本實施形態,與藉由習知點狀光束之造形之所謂一筆到底之造形之情形相較,能以格外短之時間將造形物形成於工件之對象面上。亦即,此點亦能提升產
能。
又,根據本實施形態之造形裝置100及以該造形裝置100進行之造形方法,由於係藉由變更反射鏡陣列80之各反射鏡元件之反射面傾斜角度,來進行聚光光學系82在造形面內之光束之強度分布之變更,因此作為該強度分布之變更,能容易地變更在造形面內之光束之照射區域之位置、數量、大小、及形狀之至少一個。是以,例如將照射區域設定為點狀、狹縫狀(線狀)等,即能以前述手法對工件上之對象面施加三維造形,藉此形成高精度之三維造形物。
又,本實施形態之造形裝置100具有複數個例如兩個之粉末匣88A,88B,於粉末匣88A,88B各個之內部收容有第1造形材料(例如鈦)之粉末、第2造形材料(例如不鏽鋼)之粉末。又,於附加加工時(造形時),係藉由控制裝置600,進行使用了材料供給裝置86之對噴嘴單元84之粉末供給路徑、亦即配管90b,90c之切換。藉此,來自粉末匣88A之第1造形材料(例如鈦)之粉末與來自粉末匣88B之第2造形材料(例如不鏽鋼)之粉末係擇一地供給至噴嘴單元84。是以,僅將控制裝置600所供給之粉末材料對應部位做切換,即能容易地生成異種材料之接合形狀。又,其切換能大致在瞬間進行。進而,亦能藉由混合異種材料來供給而當場製作「合金」,亦能將其組成視場所來改變或使之漸層(gradation)。
此外,上述實施形態中,係說明了藉由光束造形系統500形成單一直線狀光束(一文字光束)之照射區域,並相對該一文字光束將工件W掃描於掃描方向(例如Y軸方向)的情形。然而,光束造形系統500,如前所述可藉由對射入聚光光學系82之複數個平行光束LB之入射角度賦予適
當之分布來自由地變更造形面MP上之光束之強度分布。是以,造形裝置100,能變更造形面MP上之光束之照射區域之位置、數量、大小及形狀之至少一個,亦能如前所述形成例如一文字區域、三行區域、缺損一文字區域等(參照圖10)來作為光束之照射區域。
圖13係顯示例如使用分別照射於構成前述三行區域之三個一文字區域之三個一文字光束對工件W進行附加加工之情形。如圖13所示,通過聚光光學系82周緣部附近且通過相對噴嘴84a之工件W(載台12)之掃描方向前方及後方光路的光束LB11,LB12聚光於噴嘴84a(之複數個供給口)之正下方而成為以X軸方向(圖13中之紙面正交方向)作為長度方向之狹縫狀(線狀)第1一文字區域LS1形成於造形面上。此時,工件W之設定有目標部位TA之對象面TAS對齊於造形面MP。又,通過聚光光學系82周緣部附近且通過相對噴嘴84a之掃描方向後方之光路的光束LB21,LB22聚光,而於往第1一文字區域LS1之掃描方向後方相隔既定距離之位置,形成有與第1一文字區域LS1平行地以與第1一文字區域LS1相同長度延伸於X軸方向之第2一文字區域LS2。又,通過聚光光學系82周緣部附近且通過相對噴嘴84a之掃描方向前方之光路的光束LB31,LB32聚光,而於往第1一文字區域LS1之掃描方向前方相隔既定距離之位置,形成有與第1一文字區域LS1平行地以與第1一文字區域LS1相同長度延伸於X軸方向之第3一文字區域LS3。圖14係在XY平面內顯示圖13所示之三個一文字區域LS1、LS2、LS3與掃描方向之關係。
此外,圖13所示之LB11、LB12、LB21、LB22、LB31、LB12係示意顯示,射入各一文字區域之至少一個光束之光路、光束數量等例如
可藉由控制反射鏡陣列80來設定及變更。
此處,如前所述,係藉由對形成三個一文字區域LS1、LS2、LS3中位於載台12之掃描方向中央之第1一文字區域LS1之一文字光束(以下為了說明方便,稱為第1一文字光束)從噴嘴84a供給粉末狀造形材料PD,以於噴嘴84a之複數個供給口正下方形成線狀之熔融池WP,一邊使工件W(載台12)掃描於掃描方向(在圖13中為+Y方向)一邊進行此種熔融池WP之形成。
形成相對第1一文字區域LS1位於載台12之掃描方向後方(行進方向後方)之第2一文字區域LS2之一文字光束(以下為了說明方便,稱為第2一文字光束),例如具有在施加造形前將工件W表面(對象面之目標部為)溫度預熱(先加熱至剛好之溫度)的作用。在不進行此種預熱之場合,會因藉由雷射光束熔融之高溫金屬與低溫工件(對象面)之間之較大溫度差而產生熔融金屬之急速冷卻,會瞬間凝固而成為乾硬之塊體。此事係使加工面(造形部之表面)之面精度、面粗糙度等惡化之一大要因。相對於此,藉由先以第2一文字光束事前加熱工件W(對象面)之表面以減小熔融金屬與工件W(對象面)之溫度差,而使工件W(對象面)上之熔融金屬之凝固速度和緩,熔融金屬因表面張力之作用而於工件W表面(對象面)擴展,能充分取得時間上之餘裕。其結果可實現優異之面精度及面粗糙度。
形成相對第1一文字區域LS1位於載台12之掃描方向前方(行進方向前方)之第3一文字區域LS3之一文字光束(以下為了說明方便,稱為第3一文字光束),例如係發揮雷射研磨附著於工件W表面(對象面之目標部位)而凝固(固化)之造形材料(金屬材料)、亦即雷射研磨銲珠BE表面
的作用。雖藉由雷射光束進行之表面研磨為公知之一般技術,但通常透過一次附加加工(造形)無法取得之面精度、面粗糙度,可藉由第3一文字光束立即研磨來予以實現。
尤其是,在圖13所示之對工件W之附加加工,能在將工件W(載台12)往掃描方向一次掃描之期間進行上述之工件W表面之事前加熱(預熱)、對工件之熔融池及銲珠之形成、以及所形成之銲珠表面之雷射研磨。此外,圖13之場合之第2一文字光束並不限於預熱亦可用於其他用途。同樣地,第3一文字光束亦可用於雷射研磨以外之用途。例如,亦可對應於第1、第2及第3一文字區域LS1、LS2及LS3之配置,設置三個噴嘴,並藉由第1、第2及第3一文字光束於工件W之造形面上同時形成三個既定寬度之直線狀熔融池。
此外,在與圖13相反地往-Y方向設定有工件W(載台12)之掃描方向時,第3一文字光束具有在施加造形前將工件W表面溫度先加熱至剛好之溫度的作用,而第2一文字光束則具有將附著於工件W表面而暫時凝固之金屬材料表面雷射研磨的作用。
此外,上述說明中,雖說明了除了用於對工件形成熔融池之第1一文字光束之照射區域(第1一文字區域)以外,用於工件W表面之事前加熱之第2一文字光束之照射區域(第2一文字區域)、以及用於所形成之銲珠表面之雷射研磨之第3一文字光束之照射區域(第3一文字區域)係於造形面上彼此分離形成的情形,但例如第1一文字區域與第2一文字區域亦可至少一部份重疊。又,第2一文字區域LS2與第3一文字區域LS3之至少一方,其形狀與尺寸之至少一方亦可與第1一文字區域不同。又,第2
一文字區域與第3一文字區域之至少一方亦可不一定要使用,是以於造形面上,不一定非要形成第2一文字區域與第3一文字區域之至少一方。
至此為止,係使一文字區域成為盡可能細之尖銳狀,利用散焦時照射於該一文字區域之光束之能量密度急遽下降來極力地增高熔融池(塗布層)之厚度控制性的方法為前提進行了說明。然而,此情形下,塗布層之厚度變得非常薄,在附加相同厚度之層時,必須區分成更多層來進行附加加工(造形)(必須重新塗布好幾次),就生產性觀點而言並不利。
是以,考量到被要求之造形精度與產能之均衡,而亦能考量欲增厚塗布層厚度之情形。此種情形下,控制裝置600係按照被要求之造形精度與產能,使造形面內之光束之強度分布變化,具體而言只要控制反射鏡陣列80之各反射鏡元件81p,q之傾斜角以稍微加寬一文字區域寬度即可。例如圖15(B)所示之一文字區域LS變化成一文字區域LS’。如此一來,散焦時之能量密度變化變得和緩,而如圖15(A)所示,鉛垂方向之高能量區域之厚度h變厚,藉此能增厚一次掃描能生成之層厚度,據以使生產性提升。
如以上所述,本實施形態之造形裝置100與習知金屬用3D列印機相較,其具備多數個便利性、依照實際加工現場之要求之解決方案,為其一大特徵。
此外,上述實施形態中,雖說明了使用反射鏡陣列80作為空間光調變器之情形,但亦可取代此方式,使用將多數個藉由MEMS技術製作之數位微鏡元件(Digital Micromirror Device:DMD(註冊商標))配置成矩陣狀而成之大面積數位微鏡元件。在此種情形下,難以使用編碼器等測量
各反射鏡元件之狀態(例如傾斜角)。而在此種情形下,亦可使用檢測系統,其係對該大面積數位微鏡元件表面照射檢測光,並接收來自構成數位微鏡元件之多數個反射鏡元件之反射光,根據其強度分布檢測各反射鏡元件之狀態。在此情形,檢測系統亦可根據以拍攝手段拍攝由數位微鏡元件形成之像所取得之影像資訊來檢測多數個反射鏡元件各個之狀態。
此外,上述實施形態之造形裝置100中,亦可連同旋轉編碼器83p,q一起使用圖11中以假想線顯示之檢測系統89。作為此檢測系統89,能使用例如透過配置於反射鏡陣列80與聚光光學系82之間之分束器接收來自構成反射鏡陣列80之多數個反射鏡元件81p,q之反射光,再根據其強度分布檢測各反射鏡元件81p,q之狀態之檢測系統。作為檢測系統,能使用與例如美國發明專利第8,456,624號說明書所揭示者相同構成之系統。
又,上述實施形態中,雖例示了使用各反射鏡元件81p,q之反射面相對基準面之傾斜角度為能變更類型之反射鏡陣列80的情形,但不限於此,亦可採用各反射鏡元件能相對基準面傾斜且能位移於與基準面正交之方向之構造的反射鏡陣列。又,各反射鏡元件,亦可不一定可相對基準面傾斜。如上述,能位移於與基準面正交之方向之反射鏡陣列,例如揭示於美國發明專利第8,456,624號說明書。此外,亦可採用各反射鏡元件能繞與基準面平行之彼此正交之二軸旋轉(亦即能變更正交之兩方向之傾斜角度)類型之反射鏡陣列。如上述之能變更正交之兩方向之傾斜角度之反射鏡陣列,揭示於例如美國發明專利第6,737,662號說明書。此等情形中亦能使用上述美國發明專利第8,456,624號說明書所揭示之檢測系統來檢測各反射鏡元件之狀態。
此外,亦可使用對反射鏡陣列80表面照射檢測光並接收來自構成反射鏡陣列80之多數個反射鏡元件81p,q之反射光的檢測系統。或者,作為檢測系統,亦可將個別檢測各反射鏡元件之相對基準面(底座)之傾斜角及間隔之感測器設於反射鏡陣列(光學元件)。
此外,上述實施形態中,雖說明了藉由個別控制射入聚光光學系82之光瞳面之複數個平行光束之入射角度來進行在造形面上之光束之強度分布之變更的情形,但亦可非為能控制(變更)射入聚光光學系82之光瞳面之複數個平行光束之所有入射角度。是以,在與上述實施形態同樣地使用反射鏡陣列控制射入聚光光學系82之平行光束之入射角度時等,所有反射鏡元件亦可非能變更反射面狀態(反射面之位置及傾斜角度之至少一方)。又,上述實施形態中,雖說明了為了進行射入聚光光學系82之複數個平行光束之入射角度之控制、亦即為了變更造形面上之光束之強度分布而使用反射鏡陣列80的情形,但亦可取代反射鏡陣列而使用以下說明之空間光調變器(非發光型影像顯示元件)。作為透射型空間光調變器,除了透射型液晶顯示元件(LCD:Liquid Crystal Display)以外,還能例舉出電致變色顯示器(ECD)等。又,作為反射型空間光調變器,除了上述之微鏡陣列以外,還能例舉出反射型液晶顯示元件、電泳顯示器(EPD:Electro Phonetic Display)、電子紙(或電子墨)、光繞射型光閥(Grating Light Valve)等。又,上述實施形態中,雖說明了為了進行造形面上之光束之強度分布之變更而使用反射鏡陣列(空間光調變器之一種)之情形,但亦可因其他目的使用空間光調變器。
又,如上述,聚光光學系82雖較佳為大口徑,但亦可使用數值孔徑N.A.較0.5小之聚光光學系。
又,上述實施形態中,為了管理光束之強度分布,造形裝置100亦可具備於聚光光學系82或其附近能配置受光部之感測器。例如較佳為於載台12上搭載CCD影像感測器,藉由該CCD影像感測器以適當頻率校正光束之強度分布(在造形面之照射區域內之強度分布)。此時,雖亦可在感測器之受光部(例如載台12)停止之狀態下進行測量,但亦可使感測器之受光部(例如載台12)一邊移動、一邊進行從聚光光學系82接收光束之掃描測量。藉由一邊移動感測器之受光部一邊進行測量,例如能排除CCD影像感測器、反射鏡陣列等有限像素數量之影響,得到正確之測量結果。如此,藉由以接收來自聚光光學系82之光束之感測器測量光束之強度分布,而能進行亦加入了聚光光學系82之熱像差等變動要因後之光束之強度分布管理。又,藉由根據其結果控制反射鏡陣列80等,而能以良好精度將在聚光光學系82後側焦點面等之光束之強度分布設定成所欲狀態。
此外,上述實施形態中,雖例示了使用鈦、不鏽鋼之粉末作為造形材料之情形,但當然亦可使用鐵粉等其他金屬之粉末,亦能使用尼龍、聚丙烯、ABS等之粉末等金屬以外之粉末。又,作為造形材料除了粉末以外之物,在使用例如用於熔接之焊線等的情形,亦能適用上述實施形態之造形裝置100。不過,在此情形下係取代粉末匣及噴嘴單元等粉末供給系而設有送線裝置等。
又,上述實施形態中,雖說明了從噴嘴84a之複數個供給口91i之各個將粉末狀之造形材料PD沿著與聚光光學系82之光軸AX平行之Z軸方向供給的情形,但不限於此,亦可從相對光軸AX傾斜之方向供給造形材料(粉末)。且亦可從相對鉛垂方向傾斜之方向供給造形材料(粉末)。
此外,上述實施形態之造形裝置100中,材料處理部530所具備之噴嘴84a,亦可具有前述造形材料之供給口與用以將未熔融之粉末狀造形材料回収之回収口(吸引口)。
至此為止,雖說明了對既有之工件附加形狀之例,但本實施形態之造形裝置100之使用用途並不限於此,亦可與一般3D列印機等同樣地,在載台12上從無任何物之處藉由造形而生成三維形狀。此情形下,無非是對所謂「無」之工件施加附加加工。當在此種載台12上進行三維造形物之造形時,控制裝置600,只要藉由測量系統400所具備之標記檢測系56(參照圖11),以光學方式檢測預先形成於載台12上之最少三處之對準標記,藉此求出設定於載台12上之造形之對象面於6自由度方向之位置資訊,並一邊根據此結果控制相對光束(之照射區域)之載台12上之對象面之位置及姿勢、一邊進行三維造形即可。
此外,上述實施形態中,作為一例,係說明了控制裝置600控制移動系統200、測量系統400及光束造形系統500之構成各部的情形,但不限於此,亦可由分別包含微處理器等處理裝置之複數個硬體構成造形系統之控制裝置。此情形下,移動系統200、測量系統400及光束造形系統500亦可分別具備處理裝置,亦可係控制移動系統200、搬送系統300、測量系統400及光束造形系統500中之兩個之第1處理裝置與控制剩餘之一個系統之第2處理裝置的組合。不論係哪一種情形,各個處理裝置皆係負責上述控制裝置600之功能之一部分。或者,亦可藉由複數個微處理器等處理裝置與統籌管理此等處理裝置之主電腦來構成造形系統之控制裝置。
上述各實施形態之構成要件之至少一部分能與上述各實施
形態之構成要件之至少其他一部分適當地組合。亦可不使用上述各實施形態之構成要件中之一部分。又,在法令所許容範圍內,援用上述各實施形態中所引用之與曝光裝置等相關之所有公開公報及美國發明專利之揭示以作為本文記載之一部分。
產業上可利用性
如以上所說明,本發明之造形裝置及造形方法適於三維造形物之形成。
12‧‧‧載台
78‧‧‧光束剖面強度轉換光學系
80‧‧‧反射鏡陣列
80A‧‧‧底座構件
81p,q‧‧‧反射鏡元件
82‧‧‧聚光光學系
500‧‧‧光束造形系統
510‧‧‧光源系
520‧‧‧光束照射部
530‧‧‧材料處理部
A‧‧‧圓
AX‧‧‧光軸
LB‧‧‧平行光束
MP‧‧‧造形面
PP‧‧‧光瞳面
TA‧‧‧目標部位
TAS‧‧‧對象面
W‧‧‧工件
Claims (46)
- 一種DED型之造形裝置,係形成三維造形物,其具備:移動系統,係使對象面移動;光束造形系統,具有包含射出光束之聚光光學系之光束照射部、以及供給被來自前述光束照射部之光束照射之造形材料的材料處理部;以及控制裝置,根據造形對象之三維造形物之3D資料控制前述移動系統與前述光束造形系統,以一邊使前述對象面與來自前述光束照射部之光束相對移動、一邊從前述材料處理部供給前述造形材料據以對前述對象面上之目標部位施加造形;前述光束之照射區域包含第1區域與第2區域;以照射至前述第1區域之方式從前述聚光光學系射出第1光束;以由前述第1光束照射之方式從前述材料處理部供給前述造形材料。
- 如申請專利範圍第1項之造形裝置,其中,在以照射於前述第2區域之方式從前述聚光光學系射出之第2光束照射於前述目標部位後,於被前述第1光束照射之前述目標部位供給前述造形材料之方式進行前述相對移動。
- 如申請專利範圍第2項之造形裝置,其中,以前述第2光束將前述目標部位預熱。
- 如申請專利範圍第2項之造形裝置,其中,在前述既定面內之前述光束之照射區域進一步包含第3區域,前述第3區域隔著前述第1區域形成在與前述第2區域相反之側。
- 如申請專利範圍第3項之造形裝置,其中,在前述既定面內之前述 光束之照射區域進一步包含第3區域,前述第3區域隔著前述第1區域形成在與前述第2區域相反之側。
- 如申請專利範圍第4項之造形裝置,其中,以照射於前述第3區域之方式從前述聚光光學系射出第3光束;以對藉由前述第1光束而熔融且在前述目標部位上固化之前述造形材料照射前述第3光束之方式進行前述相對移動。
- 如申請專利範圍第5項之造形裝置,其中,以照射於前述第3區域之方式從前述聚光光學系射出第3光束;以對藉由前述第1光束而熔融且在前述目標部位上固化之前述造形材料照射前述第3光束之方式進行前述相對移動。
- 如申請專利範圍第6項之造形裝置,其中,藉由對在前述目標部位上固化之前述造形材料照射前述第3光束,進行在前述目標部位上固化之前述造形材料之表面研磨。
- 如申請專利範圍第7項之造形裝置,其中,藉由對在前述目標部位上固化之前述造形材料照射前述第3光束,進行在前述目標部位上固化之前述造形材料之表面研磨。
- 如申請專利範圍第1項之造形裝置,其中,能變更在前述聚光光學系之射出面側之既定面內的之前述光束之強度分布,在前述既定面之前述光束之強度分布的變更包含設定前述第1區域與前述第2區域。
- 如申請專利範圍第10項之造形裝置,其中,能同時地實行往前述第1區域照射前述第1光束與往前述第2區域照射前述第2光束。
- 如申請專利範圍第1項之造形裝置,其中,能變更在前述聚光光學系之射出面側之既定面內的前述光束之強度分布,在前述既定面之前述光束之強度分布的變更包含設定前述第1區域與前述第3區域。
- 如申請專利範圍第12項之造形裝置,其中,能同時地實行往前述第1區域照射前述第1光束與往前述第3區域照射前述第3光束。
- 一種造形裝置,係形成三維造形物,其具備:移動系統,係使對象面移動;光束造形系統,具有包含射出光束之聚光光學系之光束照射部、以及供給被來自前述光束照射部之光束照射之造形材料的材料處理部;以及控制裝置,根據造形對象之三維造形物之3D資料控制前述移動系統與前述光束造形系統,以一邊使前述對象面與來自前述光束照射部之光束相對移動、一邊從前述材料處理部供給前述造形材料據以對前述對象面上之目標部位施加造形;前述光束之照射區域包含第1區域與第3區域;以照射至前述第1區域之方式從前述聚光光學系射出第1光束;以被前述第1光束照射之方式從前述材料處理部供給前述造形材料;以照射至前述第3區域之方式從前述聚光光學系射出第3光束;以對藉由前述第1光束而溶融且在前述目標部位上固化之前述造形材料照射前述第3光束之方式進行前述相對移動。
- 如申請專利範圍第14項之造形裝置,其中,藉由對在前述目標部位上固化之前述造形材料照射前述第3光束,進行在前述目標部位上固化 之前述造形材料之表面研磨。
- 如申請專利範圍第1至15項中任一項之造形裝置,其中,前述移動系統具有保持工件之可動構件,於前述工件上造形前述三維造形物。
- 如申請專利範圍第1至15項中任一項之造形裝置,其中,能變更在前述聚光光學系之射出面側之既定面內的前述光束之強度分布。
- 一種DED型之造形裝置,係形成三維造形物,其具備:移動系統,係使對象面移動;光束造形系統,具有包含射出光束之聚光光學系之光束照射部、以及供給被來自前述光束照射部之光束照射之造形材料的材料處理部;以及控制裝置,根據造形對象之三維造形物之3D資料控制前述移動系統與前述光束造形系統,以一邊使前述對象面與來自前述光束照射部之光束相對移動、一邊從前述材料處理部供給前述造形材料據以對前述對象面上之目標部位施加造形;藉由變更入射至前述聚光光學系之至少一個之入射光束之入射角度,能變更在前述聚光光學系之射出面側之既定面內的前述光束之強度分布;前述移動系統具有對工件進行保持之可動構件;於保持於前述可動構件之前述工件上造形前述三維造形物。
- 如申請專利範圍第18項之造形裝置,其中,前述強度分布之變更,包含在前述既定面內之前述光束之照射區域位置、在前述既定面內之前述照射區域數量、在前述既定面內之前述照射區域大小、以及在前述既定面內之前述照射區域形狀之至少一個的變更。
- 如申請專利範圍第18項之造形裝置,其中,前述既定面係前述聚光光學系之後側焦點面。
- 如申請專利範圍第18項之造形裝置,其中,前述強度分布之變更,係藉由前述光束照射部進行。
- 如申請專利範圍第18項之造形裝置,其中,前述光束照射部至少具有一個反射鏡,藉由變更前述反射鏡之角度進行射入至至少包含聚光透鏡之前述聚光光學系的至少一個入射光束之入射角度的變更。
- 如申請專利範圍第22項之造形裝置,其中,能藉由前述入射角度之控制,變更射入前述聚光光學系之光瞳面之前述至少一個入射光束之入射角度。
- 如申請專利範圍第23項之造形裝置,其中,前述至少一個入射光束,包含對前述光瞳面之入射角度不同之複數個入射光束。
- 如申請專利範圍第23項之造形裝置,其中,前述光瞳面與前述聚光光學系之前側焦點面一致。
- 如申請專利範圍第22項之造形裝置,其中,前述光束照射部具有空間光調變器,使用前述空間光調變器控制射入前述聚光光學系之前述至少一個入射光束之入射角度。
- 如申請專利範圍第18項之造形裝置,其中,前述光束照射部使用空間光調變器進行前述強度分布之變更。
- 如申請專利範圍第26項之造形裝置,其中,前述空間光調變器具有配置成矩陣狀之複數個反射鏡;前述複數個反射鏡分別具有反射面; 前述複數個反射鏡個別為可動。
- 如申請專利範圍第28項之造形裝置,其具備:檢測前述複數個反射鏡各個之前述反射面之狀態之檢測系統;根據前述檢測系統之輸出,控制前述複數個反射鏡各個之前述反射面之狀態。
- 如申請專利範圍第26項之造形裝置,其中,前述光束照射部具有轉換光束剖面強度分布之轉換光學構件;從前述轉換光學構件射出之光束射入前述空間光調變器。
- 如申請專利範圍第30項之造形裝置,其中,前述光束照射部具有照度均一化光學系;從前述照度均一化光學系射出之光束射入前述轉換光學構件。
- 如申請專利範圍第22項之造形裝置,其中,射入前述聚光光學系之至少一個入射光束係平行光束。
- 如申請專利範圍第18項之造形裝置,其中,前述控制裝置係按照在前述既定面之強度分布決定前述對象面與來自前述光束照射部之光束之相對移動速度。
- 如申請專利範圍第1至15、18至33項中任一項之造形裝置,其中,前述材料處理部具有噴嘴構件,該噴嘴構件具有至少一個供給口;前述噴嘴構件配置於前述聚光光學系與前述既定面之間。
- 如申請專利範圍第34項之造形裝置,其中,從前述噴嘴構件之前述至少一個供給口沿著與前述聚光光學系之光軸平行之軸供給前述造形材料。
- 如申請專利範圍第34項之造形裝置,其中,前述光束照射部具有限制來自前述聚光光學系之光束對前述噴嘴構件之入射的限制構件。
- 如申請專利範圍第1至15、18至33項中任一項之造形裝置,其中,前述光束照射部,係使在前述聚光光學系之射出面,從前述聚光光學系射出之光束在包含前述聚光光學系之光軸之區域的強度較在其外側區域之強度小。
- 如申請專利範圍第1至15、18至33項中任一項之造形裝置,其中,前述光束照射部具有照度均一化光學系;至少一個入射光束透過前述照度均一化光學系射入前述聚光光學系。
- 如申請專利範圍第1至15、18至33項中任一項之造形裝置,其中,一邊進行從前述聚光光學系射出之光束往前述目標部位之照射與前述造形材料之供給,一邊形成前述造形材料之熔融池。
- 如申請專利範圍第39項之造形裝置,其中,藉由一邊於前述目標部位上形成前述熔融池、一邊使前述對象面與來自前述光束照射部之光束相對移動,以對前述目標部位施加造形。
- 如申請專利範圍第1至15、18至33項中任一項之造形裝置,其中,前述光束造形系統具有供給冷卻液之供給口。
- 如申請專利範圍第1至15、18至33項中任一項之造形裝置,其中,係使用粉末狀材料作為前述造形材料。
- 如申請專利範圍第1至15、18至33項中任一項之造形裝置,其中,前述三維造形物積層有複數個層;前述控制裝置係根據從前述三維造形物之3D資料取得之多層積層剖 面之資料,控制前述移動系統與前述光束造形系統。
- 一種DED方式之造形方法,係形成三維造形物,其包含:準備工件之步驟;以及使用如申請專利範圍第1至43項中任一項之造形裝置,於前述工件上造形前述三維造形物之步驟。
- 一種DED方式之造形方法,係形成三維造形物,其包含如下動作:以一邊使從包含聚光光學系之光束照射部射出之光束與對象面相對移動、一邊供給被以前述光束照射之造形材料而據以對前述對象面上之目標部位施加造形之方式,根據造形對象之三維造形物之3D資料控制前述對象面之移動、與來自前述光束照射部之前述光束之射出狀態及前述造形材料之供給狀態之至少一方;藉由變更射入至前述聚光光學系之至少一個之入射光束之入射角度,能變更在前述聚光光學系之射出面側之既定面內的前述光束之強度分布。
- 一種DED方式之造形方法,係形成三維造形物,其包含如下動作:以一邊使從包含聚光光學系之光束照射部射出之光束與對象面相對移動、一邊供給被以前述光束照射之造形材料而據以對前述對象面上之目標部位施加造形之方式,根據造形對象之三維造形物之3D資料控制前述對象面之移動、與來自前述光束照射部之前述光束之射出狀態及前述造形材料之供給狀態之至少一方;前述光束之照射區域包含第1區域與第2區域;以照射至前述第1區域之方式從前述聚光光學系射出第1光束;以及以由前述第1光束照射之方式從前述材料處理部供給前述造形材料。
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WOPCT/JP2014/080150 | 2014-11-14 | ||
PCT/JP2014/080150 WO2016075801A1 (ja) | 2014-11-14 | 2014-11-14 | 造形装置及び造形方法 |
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