WO2018066099A1

WO2018066099A1 - ３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラム

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Publication number: WO2018066099A1
Application number: PCT/JP2016/079693
Authority: WO
Inventors: 晋平藤巻; 崇宏船木; 庄一佐藤
Original assignee: 技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構
Priority date: 2016-10-05
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2018-04-12
Also published as: JPWO2018066099A1; US20180339457A1; EP3332896A1; JP6310614B1; EP3332896A4

Abstract

本願発明は、３次元積層造形において、コーナー部を有する３次元積層造形物を高精度で造形することを目的とする。　本願発明は、３次元積層造形装置であって、３次元積層造形物の材料を造形台上に供給する材料供給部と、光線を照射する光線照射部と、前記光線の走査方向および走査速度を制御する制御部と、前記３次元積層造形物の造形モデルを取得する造形モデル取得部と、取得した前記造形モデルに基づいて、造形経路を決定する造形経路決定部と、決定した前記造形経路から、前記造形経路の始点、終点および前記造形経路の方向が変化する中継点を抽出する抽出部と、抽出した前記始点、前記終点および前記中継点の少なくとも１つに対する付加経路を決定する付加経路決定部と、を備え、前記制御部は、前記造形経路および前記付加経路に基づいて、前記光線の走査方向および走査速度を制御するものである。

Description

３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラム

　本発明は、３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラムに関する。

　上記技術分野において、特許文献１には、レーザ切断加工において、加工経路のコーナー部の仮想角度に基づいて、通常切断加工と、通常切断加工よりも加工ノズルの移動速度およびレーザ出力が小さいエッジ加工とを切り替える技術が開示されている。特許文献２には、レーザ切断加工において、コーナー部を加工する場合、コーナー部の角度などに基づいて、切断条件を変更して切断加工を行う技術が開示されている。特許文献３には、レーザ切断加工において、コーナー部の角度に応じてエッジ加工処理を実行する技術が開示されている。特許文献４には、コーナー部の立ち上がりにおいて、ワーク材質や板厚に応じて切断速度を段階的に変化させる技術が開示されている。

特許第５２５５１３７号明細書特許第３２１１９０２号明細書特許第３８２５１２３号明細書特開平２－３０３８８号公報

　しかしながら、上記文献に記載の技術では、３次元積層造形において、所定角度以上のコーナー部を有する３次元積層造形物を高精度で造形することができなかった。

　本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

　上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置は、
　３次元積層造形物の材料を造形台上に供給する材料供給手段と、
　光線を照射する光線照射手段と、
　前記光線の走査方向および走査速度を制御する制御手段と、
　前記３次元積層造形物の造形モデルを取得する造形モデル取得手段と、
　取得した前記造形モデルに基づいて、造形経路を決定する造形経路決定手段と、
　決定した前記造形経路から、前記造形経路の始点、終点および前記造形経路の方向が変化する中継点を抽出する抽出手段と、
　抽出した前記始点、前記終点および前記中継点の少なくとも１つに対する付加経路を決定する付加経路決定手段と、
　を備え、
　前記制御手段は、前記造形経路および前記付加経路に基づいて、前記光線の走査方向および走査速度を制御する。

　上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置の制御方法は、
　３次元積層造形物の材料を造形台上に供給する材料供給ステップと、
　光線を照射する光線照射ステップと、
　前記光線の走査方向および走査速度を制御する制御ステップと、
　前記３次元積層造形物の造形モデルを取得する造形モデル取得ステップと、
　取得した前記造形モデルに基づいて、造形経路を決定する造形経路決定ステップと、
　決定した前記造形経路の始点、終点および前記造形経路の方向が変化する中継点を抽出する抽出ステップと、
　抽出した前記始点、前記終点および前記中継点に対する付加経路を決定する付加経路決定ステップと、
　を含み、
　前記制御ステップにおいて、前記造形経路および前記付加経路に基づいて、前記光線の走査方向および走査速度を制御する。

　上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置の制御プログラムは、
　３次元積層造形物の材料を造形台上に供給する材料供給ステップと、
　光線を照射する光線照射ステップと、
　前記光線の走査方向および走査速度を制御する制御ステップと、
　前記３次元積層造形物の造形モデルを取得する造形モデル取得ステップと、
　取得した前記造形モデルに基づいて、造形経路を決定する造形経路決定ステップと、
　決定した前記造形経路の始点、終点および前記造形経路の方向が変化する中継点を抽出する抽出ステップと、
　抽出した前記始点、前記終点および前記中継点に対する付加経路を決定する付加経路決定ステップと、
　をコンピュータに実行させ、
　前記制御ステップにおいて、前記造形経路および前記付加経路に基づいて、前記光線の走査方向および走査速度を制御する。

　本発明によれば、３次元積層造形において、コーナー部を有する３次元積層造形物を高精度で造形することができる。

本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の構成を示す図である。本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置による付加経路の一例を説明する図である。本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置による付加経路の他の例を説明する図である。本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置による中継点における入熱量について説明する図である。本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置による付加経路のさらに他の例を説明する図である。本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置における付加経路の移動時間を説明する図である。本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置による付加経路の長さを説明する図である。本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の有する付加経路テーブルの一例を示す図である。本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置による処理手順を説明するフローチャートである。本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術に係る３次元積層造形装置による造形経路の一例を示す図である。本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術に係る３次元積層造形装置において中継点における入熱量について説明する図である。本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術に係る３次元積層造形装置において中継点を含む造形経路の一例を示す図である。本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術に係る３次元積層造形装置による中継点を含む造形経路の他の例を示す図である。本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の構成を示す図である。本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置による処理手順を説明するフローチャートである。

　以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

　［前提技術］
　図５Ａ乃至図５Ｄを用いて、本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術に係る３次元積層造形装置による造形経路について説明する。図５Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術に係る３次元積層造形装置による造形経路の一例を示す図である。図５Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術に係る３次元積層造形装置において中継点における入熱量について説明する図である。図５Ｃは、本実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術に係る３次元積層造形装置において中継点を含む造形経路の一例を示す図である。図５Ｄは、本実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術に係る３次元積層造形装置による中継点を含む造形経路の他の例を示す図である。

　図５Ａに示したように、外側の四角形の造形経路５１０ａと、四角形の内側の５本の横線の造形経路５１０ｂとを考える。３次元積層造形装置は、まず、レーザビームを時計回りに走査して、外側の四角形の造形経路５１０ａの造形を行い、次に、レーザビームを横方向に走査して、内側の５本の横線の造形経路５１０ｂの造形を行う。

　３次元積層造形装置は、左下の始点５３０ａから時計回りに造形をスタートし、終点５３０ｂ（始点５３０ａと同じ点）まで戻る経路を造形する。その後、移動経路５２０に沿ってノズルを移動させて、一番上の横線の造形経路５１０ｂを左から右へ向かって造形する。そして、移動経路５２０に沿ってノズルを移動させて、１つ下の横線に移動して、２番目の横線の造形経路５１０ｂを右から左へ向かって造形する。このような動作を繰り返して、３次元積層造形装置は、５本の横線の造形を実行する。

　ここで、造形経路５１０ａおよび造形経路５１０ｂは、３次元積層造形装置のノズルからレーザビームを照射して、材料である粉体を溶融し、３次元積層造形物を造形する経路である。移動経路５２０は、３次元積層造形装置のノズルが移動するための経路であり、レーザビームは照射されず、造形は行われない。始点５３０ａは、造形を開始する点であり、終点５３０ｂは、造形を終了する点である。

　このような造形経路５１０ａ、５１０ｂをレーザビームで走査する場合、走査の始点５３０ａにおいては、レーザビーム（ノズル）の走査速度が所定の走査速度まで上昇するまでに時間を要する。そのため、この区間は、つまり、ノズルが停止した状態から所定の走査速度に達するまでの間は、所定の走査速度よりも遅い速度でノズルが造形経路５１０ａ、５１０ｂ上を移動する。

　また、走査の終点５３０ｂに至る造形経路５１０ａ、５１０ｂにおいては、ノズルの走査速度が所定の走査速度に達した状態から、ノズルを減速して、終点５３０ｂでノズルの動きを停止させる。ノズルの走査速度の減速を開始してから、ノズルが停止するまでの間、ノズルは、所定の走査速度よりも遅い速度で造形経路５１０ａ、５１０ｂ上を移動する。

　したがって、ノズルが、所定の走査速度よりも遅い速度で移動している間は、ノズル先端から噴射される粉体を含むキャリアガスに対して、レーザビームが長時間照射されるので、より大きな熱が加えられることとなる。このように過大な熱が加えられると、入熱過多状態となり、始点５３０ａおよび終点５３０ｂ付近において、想定した造形ラインよりも盛り上がった部分が形成されたり、想定した造形ラインよりも落ち込んだ部分が形成されたりする。

　また、所定角度以上のコーナー部である中継点５４０においては、レーザビームの走査方向（ノズルの移動方向）を変更するために、ノズルの走査速度を減速する。または、中継点５４０においてノズルの動きを一旦停止させて、ノズルの移動方向を変え、そこから、ノズルを再度加速させ、所定の走査速度まで到達させる。つまり、中継点５４０は、レーザビーム（ノズル）の移動方向が変化する点である。中継点５４０においては、このようなノズルの動きを行わなければならないため、始点５３０ａや終点５３０ｂと同様に、入熱過多状態が発生し、造形ラインが盛り上がったりするなどの状況が発生する。

　図５Ｂを用いて、このように入熱過多状態が発生する様子をさらに説明する。図５Ｂに示したように、Ｃ点からＤ点までの造形パス（造形経路）を考える。ＣＣ’間は加速区間であり、Ｄ’Ｄ間は減速区間である。レーザビーム（ノズル）は、ＣＣ’間で加速し、Ｃ’点で所定の速度（造形条件速度）に到達し、Ｃ’Ｄ’間は、等速で移動し、Ｄ’点で減速し始め、Ｄ点で、例えば、速度ゼロまで減速する。

　一方で、レーザビーム（ノズル）がＣＤ間を移動している間は、レーザビームの出力は、一定の出力が維持されている。これは、加減速区間であるＣＣ’間およびＤ’Ｄ間でも同じ出力のレーザビームが照射されることを示している。

　つまり、所定の速度よりも遅い速度で移動する区間である、ＣＣ’間およびＤ’Ｄ間では、Ｃ’Ｄ’間よりも長い時間レーザビームが照射されることとなる。その結果、レーザビームにより照射される照射エネルギー密度は、加減速領域であるＣＣ’間およびＤ’Ｄ間において高くなり、等速移動区間であるＣ’Ｄ’間よりもより多くの熱が加えられ、入熱過多状態となる。

　したがって、図５Ｂに示したように、造形ライン高さのイメージは、加減速区間であるＣＣ’間およびＤ’Ｄ間で盛り上がった形状となってしまい、造形精度が低下する原因となる。

　このような入熱過多状態は、始点５３０ａ、終点５３０ｂおよび中継点５４０において発生する。ただし、中継点５４０については、全ての中継点５４０で入熱過多状態が発生するのではなく、方向変化の角度が所定の角度以上の場合に発生し易い。

　この様子を図５Ｃおよび図５Ｄに示す。図５Ｃは、中継点５４０において、入熱過多が発生し難い場合を示し、図５Ｄは、中継点５４０において、入熱過多が発生し易い場合を示している。

　図５Ｃに示したように、中継点５４０を挟んで、造形経路５１０ｃから造形経路５１０ｄへと至る経路を考える。この場合、造形経路５１０ｃと造形経路５１０ｄとのなす角（θ）は、比較的浅い角度となっており、ノズル（レーザビーム）は速度を保ったまま中継点５４０を通過できる。すなわち、造形経路５１０ｃから造形経路５１０ｄへの方向転換の角度が、比較的緩い角度であれば、ノズルは、速度を落とすことなく、造形経路５１０ｃから造形経路５１０ｄをなぞることができる。ここで、ノズルは、ＮＣ（Numerical Control）装置を用いて動かしている。ＮＣ装置の機能として、θが、ある一定の角度よりも小さい角度であれば、ノズルの動きを止めることなく等速でノズルを進めることができる。

　これに対して、図５Ｄに示したように、中継点５４０を挟んで、造形経路５１０ｅから造形経路５１０ｆへと至る経路を考える。この場合、造形経路５１０ｅと造形経路５１０ｆとのなす角（θ’）は、９０°以上の大きな角度となっている。この場合、ノズルは、造形経路５１０ｅから造形経路５１０ｆに移る際に、中継点５４０において、一旦止まるか、または減速してから方向転換をするという動きになるので、停止または減速の過程において、中継点５４０に熱が溜まり易くなる。なお、ここでは、造形の際、ノズルが移動する例で説明をしたが、ノズルは固定されたままで、造形台が移動してもよい。

　［第１実施形態］
　本発明の第１実施形態としての３次元積層造形装置１００について、図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００の構成の概略を説明する図である。なお、図１では、ここに示した構成以外の構成については、図が煩雑になるのを避けるため適宜省略している。なお、３次元積層造形装置１００は、ＬＭＤ（Laser Metal Deposition）型の３次元積層造形装置を例に説明をするが、パウダーベッド型の３次元積層造形装置であってもよい。

　３次元積層造形装置１００は、３次元積層造形物の材料である金属粉体などにレーザビームを照射して、金属粉体を溶融、凝固させて積層することにより造形台１３０上に３次元積層造形物１２０を造形する装置である。

　図１に示したように、３次元積層造形装置１００は、制御部１０１と、造形モデル取得部１０２と、造形経路決定部１０３と、抽出部１０４と、付加経路決定部１０５とを含む。３次元積層造形装置１００は、さらに、造形台１３０と、材料貯蔵部１５０と、材料搬送管１５１と、光源１６０と、鏡筒１７０と、ノズル１８０とを含む。また、材料貯蔵部１５０と、材料搬送管１５１と、ノズル１８０とは、材料供給部を構成する。

　光源１６０は、レーザビームなどの光線を発生させる。鏡筒１７０は、発生したレーザビームの光路を調整して、レーザビームを造形台１３０に誘導して、照射する。ノズル１８０は、ノズル１８０の先端からキャリアガス１４０を噴射して、造形台１３０上に３次元積層造形物１２０の材料を供給する。キャリアガス１４０は、アルゴンガスや窒素ガス、ヘリウムガスなどの不活性ガスであり、３次元積層造形物１２０の材料である金属粉体などを造形台１３０上に搬送するガスである。材料貯蔵部１５０は、３次元積層造形物１２０の材料を貯蔵し、材料搬送管１５１を通じて、圧送などにより、ノズル１８０に対して供給する。

　制御部１０１は、光源１６０、鏡筒１７０、ノズル１８０および材料貯蔵部１５０と接続されている。制御部１０１は、光源１６０を制御して、レーザビームなどの出力や、走査方向、走査速度などを調整して、制御する。同様に、制御部１０１は、鏡筒１７０を制御して、レーザビームなどの光軸や集束状態などの調整をする。さらに、制御部１０１は、ノズル１８０および材料貯蔵部１５０を制御して、ノズル１８０の走査速度やノズル１８０からのキャリアガス１４０の噴射量などを調整し、材料の供給量を調整する。

　造形モデル取得部１０２は、３次元積層造形物１２０の造形に必要なデータである、造形モデル（３次元形状）を取得する。造形モデルは、例えば、ＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）やＣＡＤ（Computer Aided Design）などを用いて作成されるが、これらには限定されない。

　造形経路決定部１０３は、取得した造形モデルに基づいて造形経路を決定する。造形経路の決定は、例えば、３次元形状である造形モデルをスライスデータに変換し、変換して得られた各スライスデータについて、スライスデータを埋めるような造形経路を導き出して行う。

　抽出部１０４は、決定した造形経路から、造形経路の始点および終点を抽出する。抽出部１０４は、さらに、造形経路の方向が変化する地点である中継点を抽出する。始点、終点および中継点の抽出は、例えば、造形経路決定部１０３で決定した造形経路に、コード番号を割り振って行う。コード番号として、例えば、「Ｇ００」および「Ｇ０１」の２つのコード番号を用いれば、この２つのコード番号の違いに基づいて、始点、終点および中継点を抽出することができる。

　つまり、抽出部１０４は、例えば、「Ｇ００」の次に「Ｇ０１」が来れば、始点と判断する。これとは反対に、抽出部１０４は、「Ｇ０１」の次に「Ｇ００」が来れば、終点と判断する。そして、抽出部１０４は、「Ｇ０１」が繋がっている所は、中継点と判断する。このように、抽出部１０４は、造形経路に付けられているコード番号により、始点、終点および中継点を判定して、抽出することができる。なお、始点、終点および中継点の抽出方法は、ここに示した方法には限定されず、例えば、造形経路データに始点、終点および中継点を表すフラグなどの識別用データを付加する方法などであってもよい。

　付加経路決定部１０５は、抽出した始点、終点および中継点に対して、どのような付加経路を付加するかを決定する。付加経路の形状は特に限定はされないが、付加経路決定部１０５は、例えば、付加経路の移動時間や、付加経路の経路長が最短となるように決定する。なお、付加経路は、抽出した始点、終点および中継点の少なくとも１つに対して付けてもよいし、これらの全てに対して付けてもよいし、これらのうちのいくつかの組み合わせに対して付けてもよい。

　そして、制御部１０１は、レーザビームが造形経路および付加経路をなぞるように、光源１６０やノズル１８０などを制御する。なお、制御部１０１は、レーザビームのＯＮ／ＯＦＦを切り替えて、例えば、付加経路ではレーザビームをＯＦＦにして、照射しない（光線の照射を停止する）。レーザビームは出力一定で照射されているので、レーザビームのＯＮ／ＯＦＦは、例えば、ノズル１８０の任意の位置にゲートを設けておき、このゲートの開閉で行ってもよいし、出力を制御する方式で行ってもよい。

　次に、図２Ａおよび図２Ｂを参照して、付加経路について説明する。図２Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置による付加経路の一例を説明する図である。図２Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置による付加経路の他の例を説明する図である。

　図２Ａに示したように、造形経路２１０ａは、左方向から右方向へ向かう造形経路２１０ａと、中継点２４０で方向転換して左斜め上に向かう造形経路２１０ａとで構成されているとする。この造形経路２１０ａに対して、付加経路２１０ｂの全体は、３本の直線の付加経路２１０ｂで構成された三角形状をしている。付加経路２１０ｂにおいてレーザビーム（ノズル１８０）は、方向転換する点である２か所の方向転換点２２０で方向を変え、左斜め上に向かう造形経路２１０ａと同じ方向を向く。そして、レーザビームは、左斜め上を向く付加経路２１０ｂで加速され、再び造形経路２１０ａへと進む。なお、図２Ａに示した付加経路２１０ｂの例では、レーザビームは、２か所の方向転換点２２０で、中継点２４０と同じように、一旦停止するか、または減速する必要がある。なお、付加経路２１０ａの全体の形状は、ここに示した三角形状には限定されず、多角形形状であってもよい。

　次に、図２Ｂに示したように、付加経路２１０ｂは、直線の付加経路２１０ｂと曲線の付加経路２１０ｃとで構成されている。つまり、レーザビームは、直線の付加経路２１０ｂを通過した後、曲線の付加経路２１０ｃを経由し、再度、直線の付加経路２１０ｂを経て、左斜め上へ向かう造形経路２１０ａへと進入する。

　このように、直線の付加経路２１０ｂの間に、曲線の付加経路２１０ｃを挟む構成とすると、方向転換点２２０においてレーザビームが速度を落とすことなく付加経路２１０ｂ、２１０ｃを通過することができる。よって、付加経路２１０ｂ、２１０ｃの通過時間を短縮することができ、造形時間も短縮することができる。なお、曲線の付加経路２１０ｃの回転半径（Ｒ）は、方向転換点２２０において、レーザビームの走査速度を減速することなく、方向転換点２２０を通過できる値となっている。つまり、レーザビームが、直線の付加経路２１０ｂから曲線の付加経路２１０ｃへ、または曲線の付加経路２１０ｃから直線の付加経路２１０ｂへと進入できる値となっている。回転半径の値は、小さければ小さいほどよいが、レーザビームが速度を落とさないで方向転換点２２０を通過できる値が好ましく、例えば、Ｒは、約３ｍｍが目安となるが、これには限定されない。

　図２Ｃは、本実施形態に係る３次元積層造形装置による中継点２４０における入熱量について説明する図である。図２Ｃに示したように、Ａ点からＢ点までの造形経路（造形パス）を考える。Ａ’Ａ（付加パス）間は、例えば、付加経路２１０ｂ、２１０ｃであり、この区間では、レーザビーム（ノズル）が所定の速度まで加速される。そして、ＡＢ間（造形パス）は、所定の速度（等速、造形条件速度）でレーザビームを走査する区間である。レーザビームは、付加パス（助走パス、加速パス）において所定の速度まで加速されてから造形パスに進入するので、造形パスのスタート位置から所定の熱を加えることができる。そして、レーザビームがＢ点、つまり、造形パスのエンド位置まで到達すると、レーザビームは、ＢＢ’間（助走パス、減速パス）において、所定の速度まで、または停止するまで減速させられる。

　付加パスを含む経路全体において、レーザビームのレーザ出力は一定であり、さらに、造形パスにおいてレーザビームの移動速度（走査速度）は、所定速度で一定なので、造形パスにおいて、照射されるレーザビームのエネルギー密度は一定となる。したがって、造形パスにおいて、金属粉体などの材料に与えられる熱は一定となる。ここに示したように、レーザビームの走査を制御して、レーザビームを等速で動かすことにより、上記前提技術で説明した、入熱過多状態の発生を抑制することができるので、造形精度の低下も抑制できる。

　図２Ｄは、本実施形態に係る３次元積層造形装置による付加経路のさらに他の例を説明する図である。図２Ｄに示した付加経路は、図２Ｂに示した付加経路に、さらに直線経路２１０ｂを付け加えた構成となっている。つまり、図２Ｄでは、図２Ｂに示した、直線の付加経路２１０ｂと曲線の付加経路２１０ｃとの間に、さらに直線の付加経路２１０ｂを挟んだ構成となっている。このように、直線部分と曲線部分との間に、角度を付けた比較的距離の短い直線経路を挟んで、曲線の付加経路２１０ｃまたは直線の付加経路２１０ｂへの繋ぎとしてもよい。このように、間に角度を付けた直線部分を挟むことにより、曲線の付加経路２１０ｃの回転半径を小さくすることができる。ここに示したように、付加経路全体を直線の付加経路２１０ｂと曲線の付加経路２１０ｃとを自由に組み合わせて構成してもよい。また、付加経路を曲線の付加経路２１０ｃで構成してもよいが、これらには限定されない。

　図２Ｅは、本実施形態に係る３次元積層造形装置における付加経路の移動時間を説明する図である。同図において、加減速時間は、図２Ａに示した付加経路２１０ｂが直線の場合、方向転換点２２０の前後における、加速および減速に要する時間を示し、ここでは、０．１［ｓ］である。送り速度は、例えば、造形パスにおけるレーザビームの移動速度である。２直線角度は、図２Ａおよび図２Ｂのθである。また、直線ツナギ時間は、図２Ａに示した付加経路の場合の移動時間を示す。円弧ツナギ時間は、図２Ｂに示した付加経路の場合の移動時間を示し、円弧のＲは、３ｍｍである。送り速度が、２００［ｍｍ／ｓ］や１００［ｍｍ／ｓ］の場合には、図２Ｂに示した付加経路に曲線部分を含む経路の方が、高速に移動できる。これとは反対に、送り速度が、１０［ｍｍ／ｓ］の場合には、図２Ａに示した直線で構成された付加経路の方が、高速に移動できる。送り速度が、５０［ｍｍ／ｓ］の場合、２直線角度が４５［ｄｅｇ］、９０［ｄｅｇ］であれば、図２Ｂに示した付加経路の方が高速に移動でき、１３５［ｄｅｇ］であれば、図２Ａに示した付加経路の方が高速に移動できる。

　図２Ｆは、本実施形態に係る３次元積層造形装置による付加経路の長さを説明する図である。同図において、曲線経路（円弧）の回転半径は、１０ｍｍである。同図に示したように、コーナー角が１５０°の場合、直線経路と曲線経路とが９０°で接する（接線）付加経路の方が、直線経路と曲線経路とが６０°で接する付加経路よりも付加経路全体の長さは短くなる。同図に示したように、９０°で接する場合は、付加経路長さは、１１１．２９ｍｍであるのに対して、６０°で接する場合は、１１２．１４ｍｍとなる。付加経路を直線部分と曲線部分とに分けてみると、９０°で接する場合は、直線部分の長さが短くなるのに対して、６０°で接する場合は、直線部分の長さが長くなる。また、９０°接する場合は、曲線部分が長くなるのに対して、６０°で接する場合は、曲線部分が短くなる。ただし、トータルでみると、９０°で接する場合の方が付加経路の長さが短くなる。

　コーナー角が９０度の場合、直線経路と曲線経路とが６０°で接する付加経路の方が、直線経路と曲線経路とが９０°で接する付加経路よりも付加経路全体の長さは短くなる。同図に示したように、９０°で接する場合は、直線部分の長さが短くなるのに対して、６０°で接する場合は、直線部分の長さが長くなる。また、９０°接する場合は、曲線部分が長くなるのに対して、６０°で接する場合は、曲線部分が短くなる。ただし、トータルでみると、６０°で接する場いいの方が付加経路の長さが短くなる。

　上述の説明では、回転半径が１０ｍｍの場合について説明をしたが、回転半径が異なっても、付加経路の形状は相似形状となるので、９０°で接する場合と、６０°で接する場合とで、どちらの経路長さが短くなるかは、以下の条件で決まる。すなわち、２直線のコーナー角と、設定した停止せずに連続移動する角度（移動のベクトル角）とによって決まる。

　図３は、本実施形態に係る３次元積層造形装置の有する付加経路テーブルの一例を示す図である。付加経路テーブル４０１は、中継点２４０の角度４１１（［°］）およびレーザビームの走査速度４１２（［ｍｍ／ｓ］）に関連付けて、付加経路４１３を記憶する。３次元積層造形装置１００は、付加経路テーブル４０１を参照して、付加経路２１０ｂ、２１０ｃを決定する。なお、付加経路２１０ｂ、２１０ｃの決定方法は、付加経路テーブル４０１を参照して決定する方法には限定されず、３次元積層造形装置１００が、中継２４０点の角度およびレーザビームの走査速度に基づいて、その都度決定する方法などであってもよい。

　図４は、本実施形態に係る３次元積層造形装置による処理手順を説明するフローチャートである。ステップＳ４０１において、３次元積層造形装置１００は、３次元積層造形物１２０の造形モデルをＣＡＭやＣＡＤなどから取得する。ステップＳ４０３において、３次元積層造形装置１００は、取得した造形モデルに基づいて、造形経路を決定する。ステップＳ４０５において、３次元積層造形装置１００は、決定した造形経路から、始点、終点および中継点を抽出する。ステップＳ４０７において、３次元積層造形装置１００は、抽出した始点、終点および中継点に対する付加経路を決定する。ステップＳ４０９において、３次元積層造形装置１００は、造形経路および付加経路上をレーザビームが移動するように、レーザビームを制御して、３次元積層造形物１２０を造形する。

　本実施形態によれば、３次元積層造形において、始点、終点および中継点において、精度の高い造形を行うことができるので、３次元積層造形物を高精度で造形することができる。

　［第２実施形態］
　次に本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置について、図６および図７を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る３次元積層造形装置の構成を示す図である。本実施形態に係る３次元積層造形装置は、上記第１実施形態と比べると、角度判定部を有する点で異なる。その他の構成および動作は、第１実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

　３次元積層造形装置６００は、角度判定部６０６をさらに有する。角度判定部６０６は、中継点２４０の角度が所定の角度以上か否かを判定する。ここで、中継点２４０の角度は、中継点２４０における方向変化の角度を表す。そして、付加経路決定部１０５は、角度判定部６０６で判定した角度が、所定の角度以上であれば、中継点２４０の角度に応じた付加経路を決定する。

　例えば、中継点２４０の角度が所定角度未満であれば、付加経路を設けなくとも、レーザビームは走査速度（移動速度）を落とすことなく中継点２４０を通過できる。したがって、中継点２４０における方向変化の角度が浅い場合には、その中継点２４０には付加経路は設けない。よって、本実施形態では、中継点２４０であっても、付加経路を設けない中継点２４０がある。なお、所定角度は、例えば、ＮＣ装置の性能に基づいて設定されるが、これには限定されず、ユーザが任意の角度を設定してもよい。また、始点と終点とには、付加経路が付けられる。

　図７は、本実施形態に係る３次元積層造形装置による処理手順を説明するフローチャートである。ステップＳ７０１において、３次元積層造形装置６００は、始点、終点または中継点２４０を判断する。始点または終点である場合、３次元積層造形装置６００は、ステップＳ７０３へ進む。ステップＳ７０３において、３次元積層造形装置６００は、付加経路を決定する。例えば、レーザビームの造形移動速度に応じた加減速経路を付加経路として、始点または終点に付加する。なお、始点の場合には、ひとつ前の位置決め位置も変更する。

　ステップＳ７０１において、中継点２４０と判断した場合、３次元積層造形装置６００は、ステップＳ７０９へ進む。ステップＳ７０９において、３次元積層造形装置６００は、中継点２４０が所定角度未満か否かを判断する。所定角度未満と判断した場合（ステップＳ７０９のＹＥＳ）、３次元積層造形装置６００は、ステップＳ７０５へと進む。所定角度未満ではないと判断した場合、つまり、所定角度以上であると判断した場合（ステップＳ７０９のＮＯ）、３次元積層造形装置６００は、ステップＳ７１１へと進む。

　ステップＳ７１１において、３次元積層造形装置６００は、中継点２４０に付ける付加経路２１０ｂ、２１０ｃを決定する。付加経路２１０ｂ、２１０ｃの決定は、例えば、直線の付加経路２１０ｂのみからなる付加経路、または円弧（曲線）経路の付加経路２１０ｃを含む付加経路のうち、移動時間（移動距離）の短い方を選択して行うが、これには限定されない。

　次に、３次元積層造形装置６００は、ステップＳ７０３へ進み、始点・終点に対して決定された付加経路と、中継点２４０に対して決定された付加経路とに基づいて、３次元積層造形物１２０の造形に必要な付加経路２１０ｂ、２１０ｃを決定する。

　ステップＳ７０５において、３次元積層造形装置６００は、付加経路２１０ｂ、２１０ｃを含む造形経路２１０ａを決定する。そして、３次元積層造形装置６００は、決定した造形経路２１０ａ（付加経路２１０ｂ、２１０ｃを含む）に対する造形プログラムを修正造形プログラムとして生成し、３次元積層造形装置６００の各機能構成部に動作指令を送る。

　ステップＳ７０７において、３次元積層造形装置６００は、修正造形プログラムに基づいて、ノズル１８０などを制御して、３次元積層造形物１２０の造形を行う。３次元積層造形装置６００の制御部１０１は、造形経路２１０ａではレーザビームをＯＮにし、付加経路２１０ｂ、２１０ｃではレーザビームをＯＦＦにする。また、制御部１０１は、ノズル１８０などの軸を移動させて、レーザビームが造形経路２１０ａおよび付加経路２１０ｂ、２１０ｃをトレースするように動かす。

　本実施形態によれば、３次元積層造形において、所定角度以上中継点を有する３次元積層造形物を高精度で造形することができる。また、３次元積層造形において、所定角度以上の中継点を有する３次元積層造形物を高精度かつ高速に造形することができる。

　［他の実施形態］
　以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

　また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

Claims

　３次元積層造形物の材料を造形台上に供給する材料供給手段と、
　光線を照射する光線照射手段と、
　前記光線の走査方向および走査速度を制御する制御手段と、
　前記３次元積層造形物の造形モデルを取得する造形モデル取得手段と、
　取得した前記造形モデルに基づいて、造形経路を決定する造形経路決定手段と、
　決定した前記造形経路から、前記造形経路の始点、終点および前記造形経路の方向が変化する中継点を抽出する抽出手段と、
　抽出した前記始点、前記終点および前記中継点の少なくとも１つに対する付加経路を決定する付加経路決定手段と、
　を備え、
　前記制御手段は、前記造形経路および前記付加経路に基づいて、前記光線の走査方向および走査速度を制御する３次元積層造形装置。
　前記中継点における方向変化の角度が所定の角度以上か否かを判定する角度判定手段をさらに備え、
　前記付加経路決定手段は、前記角度が所定の角度以上である場合、前記角度に応じた付加経路を決定する、請求項１に記載の３次元積層造形装置。
　前記付加経路は、直線経路を少なくとも１つ含む請求項１または２に記載の３次元積層造形装置。
　前記付加経路は、曲線経路を少なくとも１つ含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
　前記付加経路決定手段は、前記中継点の方向変化の角度に基づいて、前記曲線経路の曲率半径を決定する請求項４に記載の３次元積層造形装置。
　前記付加経路決定手段は、前記光線による前記付加経路の走査時間に基づいて、前記付加経路を決定する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
　前記制御手段は、前記付加経路において、前記光線の走査を加減速する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
　前記制御手段は、前記造形経路において、前記光線を等速で走査する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
　前記光線照射手段は、前記付加経路においては前記光線の照射を停止する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
　前記付加経路決定手段は、前記光線の走査速度に応じて、前記付加経路の経路長を決定する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
　３次元積層造形物の材料を造形台上に供給する材料供給ステップと、
　光線を照射する光線照射ステップと、
　前記光線の走査方向および走査速度を制御する制御ステップと、
　前記３次元積層造形物の造形モデルを取得する造形モデル取得ステップと、
　取得した前記造形モデルに基づいて、造形経路を決定する造形経路決定ステップと、
　決定した前記造形経路の始点、終点および前記造形経路の方向が変化する中継点を抽出する抽出ステップと、
　抽出した前記始点、前記終点および前記中継点に対する付加経路を決定する付加経路決定ステップと、
　を含み、
　前記制御ステップにおいて、前記造形経路および前記付加経路に基づいて、前記光線の走査方向および走査速度を制御する３次元積層造形装置の制御方法。
　３次元積層造形物の材料を造形台上に供給する材料供給ステップと、
　光線を照射する光線照射ステップと、
　前記光線の走査方向および走査速度を制御する制御ステップと、
　前記３次元積層造形物の造形モデルを取得する造形モデル取得ステップと、
　取得した前記造形モデルに基づいて、造形経路を決定する造形経路決定ステップと、
　決定した前記造形経路の始点、終点および前記造形経路の方向が変化する中継点を抽出する抽出ステップと、
　抽出した前記始点、前記終点および前記中継点に対する付加経路を決定する付加経路決定ステップと、
　をコンピュータに実行させ、
　前記制御ステップにおいて、前記造形経路および前記付加経路に基づいて、前記光線の走査方向および走査速度を制御する３次元積層造形装置の制御プログラム。