JP2019059965A - ３次元造形製造装置および３次元造形製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、変調ビームを用いた３次元造形において、３次元造形の仕上がりのバラツキを緩和する技術を提供するものである。
【解決手段】３次元造形製造装置は、レーザー光源（１０）と、ラインビーム（３１）に整形する照明光学系（１１）と、画素ごとにラインビームを変調させる空間光変調器（１４）と、変調ビームをターゲット（５０）上に投影する投影光学系（１８）と、オン画素列におけるオン画素の数に応じて、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビームがターゲット上に与える光量を制御する光量制御部（２０Ｃ）とを備える。
【選択図】図５

Description

本願明細書に開示されるこの発明は、３次元造形製造装置および３次元造形製造方法に関するものである。

金属材料（パウダー）に赤外レーザー源からのスポットレーザー光を照射することによって、金属材料を焼結させる３次元造形が一般的である。

造形の高速化のため、ライン状の光による３次元造形方法も検討されてきた。たとえば、特許文献１には、ＧＬＶ（登録商標）とライン状の光を変調して得られた光とを用いて３次元造形を行う方法が開示されている。

特開２００３−８０６０４号公報

しかしながら、変調して得られた光を用いて３次元造形を行うと、該光の照射エネルギーがターゲットの昇温に寄与する効率の違いによって、３次元造形の仕上がりにバラツキが生じる場合があった。

本願明細書に開示されるこの発明は、以上に記載されたような問題を解決するためになされたものであり、変調して得られた光を用いた３次元造形において、３次元造形の仕上がりのバラツキを緩和する技術を提供することを目的とするものである。

本願明細書に開示される技術の第１の態様は、レーザー光源と、前記レーザー光源から入力されるレーザー光を、ラインビームに整形する照明光学系と、３次元造形を示す造形データに基づいて、画素ごとに前記ラインビームを変調させ変調ビームを生成する空間光変調器と、ターゲットを保持する保持機構と、前記空間光変調器で変調された前記変調ビームを、前記保持機構に保持された前記ターゲット上で走査させる走査手段と、前記空間光変調器において、前記ターゲット上に光量を与える前記変調ビームに対応する前記画素をオン画素とし、連続して並ぶ前記オン画素の列をオン画素列として、前記オン画素列における前記オン画素の数に応じて、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する光量制御部とを備える。

本願明細書に開示される技術の第２の態様は、前記光量制御部は、前記オン画素列における前記オン画素の数が多いほど、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を少なくし、前記オン画素列における前記オン画素の数が少ないほど、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を多くする。

本願明細書に開示される技術の第３の態様は、前記光量制御部は、前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームの階調を前記空間光変調器に調整させることによって、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する。

本願明細書に開示される技術の第４の態様は、前記光量制御部は、前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素の状態を維持する時間によって、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する。

本願明細書に開示される技術の第５の態様は、前記光量制御部は、それぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量が、空間光変調器における複数の前記オン画素列の間で異なるように制御する。

本願明細書に開示される技術の第６の態様は、前記空間光変調器において、前記オン画素以外の画素をオフ画素とし、連続して並ぶ前記オフ画素の列をオフ画素列として、前記光量制御部は、前記オフ画素列における前記オフ画素の数に応じて、当該オフ画素列に隣接する前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する。

本願明細書に開示される技術の第７の態様は、前記光量制御部は、前記オフ画素列における前記オフ画素の数が多いほど、当該オフ画素列に隣接する前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を多くし、前記オフ画素列における前記オフ画素の数が少ないほど、当該オフ画素列に隣接する前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を少なくする。

本願明細書に開示される技術の第８の態様は、前記レーザー光源は、赤外レーザーである前記レーザー光を出力する。

本願明細書に開示される技術の第９の態様は、前記ターゲットは、パウダー状の金属材料である。

本願明細書に開示される技術の第１０の態様は、前記ターゲットは、樹脂材料である。

本願明細書に開示される技術の第１１の態様は、レーザー光源と、前記レーザー光源から入力されるレーザー光を、ラインビームに整形する照明光学系と、３次元造形を示す造形データに基づいて、画素ごとに前記ラインビームを変調させ変調ビームを生成する空間光変調器と、ターゲットを保持する保持機構と、前記空間光変調器で変調された前記変調ビームを、前記保持機構に保持された前記ターゲット上で走査させる走査手段とを備える３次元造形製造装置を用いた３次元造形製造方法であり、前記空間光変調器において、前記ターゲット上に光量を与える前記変調ビームに対応する前記画素をオン画素とし、連続して並ぶ前記オン画素の列をオン画素列として、前記オン画素列における前記オン画素の数に応じて、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する。

本願明細書に開示される技術の第１および第１１の態様によれば、変調ビームの照射エネルギーの寄与の違いによるターゲットの昇温のバラツキを緩和しつつ、精密な３次元造形が可能となる。

本願明細書に開示される技術の第２の態様によれば、連続するオン画素が多い場合に変調ビームによる照射エネルギーが拡散しにくいこと、および、連続するオン画素が少ない場合に変調ビームによる照射エネルギーが拡散しやすいことをそれぞれ相殺するように、変調ビームがターゲット上に与える光量を制御することができる。

本願明細書に開示される技術の第３の態様によれば、空間光変調器における階調制御によって、照射エネルギーの拡散によるターゲットの昇温のバラツキを緩和することができる。

本願明細書に開示される技術の第４の態様によれば、オン画素の状態を維持する時間の制御によって、照射エネルギーの拡散によるターゲットの昇温のバラツキを緩和することができる。

本願明細書に開示される技術の第５の態様によれば、１つの変調ビームにおいて、オン画素の数が異なる複数のオン画素列が存在する場合であっても、オン画素列ごとにオン画素の数に基づく光量制御を行うことができる。

本願明細書に開示される技術の第６の態様によれば、変調ビームにおいて連続するオフ画素の数に基づいて、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に変調ビームが与える光量を制御することによって、照射エネルギーの拡散によるターゲットの昇温のバラツキを緩和することができる。

本願明細書に開示される技術の第７の態様によれば、連続するオフ画素が多い場合に変調ビームによる照射エネルギーが拡散しやすいこと、および、連続するオフ画素が少ない場合に変調ビームによる照射エネルギーが拡散しにくいことをそれぞれ相殺するように、変調ビームがターゲット上に与える光量を制御することができる。

本願明細書に開示される技術の第８の態様によれば、大出力可能な赤外レーザーを用いて３次元造形を行うことができるため、紫外光を用いる場合よりも高速に造形することができる。

本願明細書に開示される技術の第９の態様によれば、変調ビームによって金属材料を焼結させることによって、焼結体による３次元造形を形成することができる。

本願明細書に開示される技術の第１０の態様によれば、変調ビームによって光硬化性樹脂材料を硬化させることによって、３次元造形を形成することができる。

本願明細書に開示される技術に関する目的と、特徴と、局面と、利点とは、以下に示される詳細な説明と添付図面とによって、さらに明白となる。

実施の形態に関する、３次元造形製造装置を実現するための構成を概略的に例示する斜視図である。 実施の形態に関する、３次元造形製造装置の構成を概念的に例示する図である。 実施の形態に関する、空間光変調器の構成を例示する図である。 変調ビームによって同等の光量が与えられた場合の、金属材料における熱拡散の様子を説明するための概念図である。 光量制御を行った場合の、金属材料上の変調ビームの照射位置における設定光量の様子を説明するための概念図である。 オン画素列と設定光量との関係を示す図である。

以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。

なお、図面は概略的に示されるものであり、説明の便宜のため、適宜、構成の省略、または、構成の簡略化がなされるものである。また、異なる図面にそれぞれ示される構成などの大きさおよび位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得るものである。

また、以下に示される説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称と機能とについても同様のものとする。したがって、それらについての詳細な説明を、重複を避けるために省略する場合がある。

また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「側」、「底」、「表」または「裏」などの特定の位置と方向とを意味する用語が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、実際に実施される際の方向とは関係しないものである。

＜実施の形態＞
以下、本実施の形態に関する３次元造形製造装置、および、３次元造形製造方法について説明する。

＜３次元造形製造装置の構成について＞
図１は、本実施の形態に関する３次元造形製造装置を実現するための構成を概略的に例示する斜視図である。

図１に例示されるように、３次元造形製造装置１は、レーザー光源１０と、照明光学系１１と、走査機構１２と、空間光変調器１４と、投影光学系１８と、保持機構１６と、制御装置２０とを備える。

レーザー光源１０は、たとえば、赤外レーザーを出力するファイバーレーザー光源である。レーザー光源１０から出力されるレーザー光の波長は、たとえば、１０６４ｎｍである。レーザー光源１０から射出されたレーザー光３０は図示を省略するミラー等を介して照明光学系１１に導かれる。

照明光学系１１は、レーザー光源１０から射出されたレーザー光３０を空間光変調器１４へと導く。照明光学系１１は、レンズ１１Ａとレンズ１１Ｂとを備え、レーザー光源１０から射出されたレーザー光３０を各レンズによって線状の光であるラインビーム３１に整形し出力する。

空間光変調器１４は、照明光学系１１を介して入力されたラインビーム３１を画素ごとに変調し、線状の変調ビーム３２を生成する。当該変調は、後述の造形データに基づいて行われる。空間光変調器１４としては、たとえば、ｇｒａｔｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｖａｌｖｅ（ＧＬＶ：登録商標）などが用いられる。

投影光学系１８は、空間光変調器１４で変調された光（変調ビーム３２）をターゲットであるパウダー状の金属材料５０に導く。投影光学系１８は、変調ビーム３２の幅を広げる（あるいは狭める）ズーム部を構成する複数のレンズ１８Ａ、レンズ１８Ｂを備える。また、本実施の形態では、変調ビーム３２をターゲットの表面に導くためミラー１９を備える。なお、投影光学系１８には、変調ビーム３２の不要光を遮光する遮光部材（図示省略）と、オートフォーカスを行うオートフォーカス部（図示省略）などがさらに含まれる。

走査機構１２は、照明光学系１１、空間光変調器１４、投影光学系１８、ミラー１９を保持する保持台１２Ａと、保持台１２Ａを移動させる移動機構１２Ｂと、移動機構１２Ｃとを備える。走査機構１２は、保持台１２Ａが、移動機構１２ＢのＸ軸方向における移動、および、移動機構１２ＣのＹ軸方向における移動によって位置決めされることによって、変調ビーム３２が金属材料５０を照射する位置が決定される。移動機構１２Ｂおよび移動機構１２Ｃを移動させる機構としては、たとえば、ボールねじなどがある。特に、Ｙ軸方向に延びる線分として金属材料５０に投影される変調ビーム３２が、移動機構１２ＢのＸ軸方向における移動に合わせて照射されることによって、金属材料５０上で変調ビーム３２を走査させることができる。ここで、金属材料５０上の、変調ビーム３２が投影される領域を投影領域３２Ａとする。

なお、走査機構としては、たとえば、ガルバノミラーを用いて変調ビーム３２を光学的に走査させるものであってもよい。その場合、変調ビームはＸ軸回転のミラーと、Ｙ軸回転のミラーとを介して、ターゲットであるパウダー状の金属材料５０上に照射される。また、保持台１２Ａを移動させる構成と、ガルバノミラーを用いる構成を組み合わせても良い。

保持機構１６は、ターゲットであるパウダー状の金属材料５０を保持する機構である。保持機構１６は、パートシリンダー１６Ａと、フィードシリンダー１６Ｂと、フィードシリンダー１６Ｃと、スキージ１６Ｄとを備える。

パートシリンダー１６Ａの上面には、フィードシリンダー１６Ｂおよびフィードシリンダー１６Ｃから、金属材料５０が供給される。そして、パートシリンダー１６Ａの上面は、金属材料５０に変調ビーム３２が照射されることによって３次元造形の層が形成されると、それに伴ってＺ軸負方向へ下降する。

スキージ１６Ｄは、金属材料５０を、フィードシリンダー１６Ｂおよびフィードシリンダー１６Ｃからパートシリンダー１６Ａの上面に供給し、かつ、パートシリンダー１６Ａの上面に供給された金属材料５０を平坦化する。

制御装置２０は、記憶媒体２２に記憶された造形データに基づいて、空間光変調器１４における変調動作の制御、走査機構１２における走査動作の制御、さらには、変調ビーム３２が金属材料５０に与える光量の制御を行う。なお、記憶媒体２２に記憶された造形データとは、ターゲットである金属材料５０によって形成させる３次元造形を示すデータである。ここで、制御装置２０は、たとえば、ＣＰＵ、マイクロプロセッサまたはマイクロコンピュ−タなどで構成される。また、記憶媒体２２は、たとえば、ＨＤＤ、ＲＡＭ、ＲＯＭまたはフラッシュメモリなどの、揮発性または不揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスクまたはＤＶＤなどを含むメモリなどである。

本実施の形態において、金属材料５０は、変調ビーム３２が照射されることによって温度が上昇して焼結および溶融し、焼結体と呼ばれる緻密な物体となる。なお、ターゲットとなる物質は、本実施の形態に例示されたパウダー状の金属材料に限られるものではなく、エンジニアリングプラスチック、セラミックス、樹脂、砂またはワックスなどを使用することも可能である。

図２は、本実施の形態に関する３次元造形製造装置の構成を概念的に例示する図である。

図２に例示されるように、３次元造形製造装置１は、レーザー光源１０と、照明光学系１１を介してラインビーム３１が入力される空間光変調器１４と、空間光変調器１４で変調された変調ビーム３２が投影光学系１８を介して到達するミラー１９と、変調ビーム３２が照射される金属材料５０を保持する保持機構１６と、制御装置２０とを備える。保持機構１６の内部には、ターゲットの酸化を防止するためにＮ_２などが供給される。

制御装置２０は、変調制御部２０Ａと、走査制御部２０Ｂと、光量制御部２０Ｃとを備える。

変調制御部２０Ａは、記憶媒体２２に記憶された造形データに基づいて、空間光変調器１４における画素ごとにラインビーム３１を変調する動作を制御する。

走査制御部２０Ｂは、記憶媒体２２に記憶された造形データに基づいて、変調ビーム３２の走査を制御する。具体的には、移動機構１２Ｂおよび移動機構１２Ｃの動作を制御することによって保持台１２ＡのＸＹ平面における位置を調整して、造形データに基づく金属材料５０上の所望の位置に、変調ビーム３２を照射させる。なお、図２において、変調ビーム３２は紙面の奥行き方向に幅を有し、かつ、Ｚ軸負方向に照射されるものとする。

光量制御部２０Ｃは、変調制御部２０Ａを制御することによって、変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を制御する。具体的には、変調制御部２０Ａによって空間光変調器１４における変調ビーム３２の画素ごとの階調を制御することによって、または、画素ごとのオンの状態を維持する時間を制御することによって、または、これらの制御を組み合わせることによって、変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を制御する。

＜３次元造形製造装置の動作について＞
次に、図３から図６を参照しつつ、本実施の形態に関する３次元造形製造装置の動作を説明する。以下では、空間光変調器１４としてＧＬＶ（登録商標）が用いられる場合について説明する。

レーザー光源１０から出力されたレーザー光３０は、照明光学系１１によって平行光化され、ラインビーム３１となって空間光変調器１４に入力される。

図３は、空間光変調器１４の構成を例示する図である。図３に例示されるように、空間光変調器１４は、基板１４Ａと、基板１４Ａ上に平行に配列された、可動格子であるリボン状のマイクロブリッジ１４Ｂが複数設けられる。複数のマイクロブリッジ１４Ｂの間には、複数のスリット１４Ｃが形成される。

マイクロブリッジ１４Ｂは、その端部以外の部分が基板１４Ａから離間して位置し、基板１４Ａに対向する下面がＳｉＮxなどからなる可撓性部材で構成され、下面と反対側の上面がアルミニウムなどの単層金属膜からなる反射電極膜で構成される。

空間光変調器１４は、マイクロブリッジ１４Ｂと基板１４Ａとの間に印加される電圧のオン／オフで駆動制御される。マイクロブリッジ１４Ｂと基板１４Ａとの間に印加する電圧をオンにすると、静電誘導された電荷によってマイクロブリッジ１４Ｂと基板１４Ａとの間に静電吸引力が発生し、マイクロブリッジ１４Ｂが基板１４Ａ側に撓む。一方で、マイクロブリッジ１４Ｂと基板１４Ａとの間に印加する電圧をオフにすると、上記の撓みが解消し、マイクロブリッジ１４Ｂは基板１４Ａから離間する。

通常、１画素は複数の、たとえば６個のマイクロブリッジ１４Ｂで構成される。電圧を印加するマイクロブリッジ１４Ｂを交互に配置することによって、電圧の印加により回折格子を生成し、光の変調を行うことができる。

このような空間光変調器１４が変調できるラインビーム３１の大きさが２５ｍｍ×２５μｍで、ラインビーム３１の長手方向に１０００画素が形成されている。なお、１画素のサイズは２５μｍとする。

記憶媒体２２に記憶された造形データに基づいて画素ごとに変調された変調ビーム３２は、投影光学系１８に入力される。走査機構１２においては、移動機構１２Ｂおよび移動機構１２Ｃの動作によって、Ｘ軸方向の１ステップごとに変調された変調ビーム３２が、金属材料５０上をたとえばＸ軸方向に走査する。Ｘ軸方向における移動および照射を繰り返すことによって、金属材料５０の所定の領域が走査される。なお、変調ビーム３２による走査に際して、保持機構１６がＸ軸方向またはＹ軸方向に移動可能であってもよい。

金属材料５０に変調ビーム３２が照射されることによって、金属材料５０の温度が上昇する。そして、金属材料５０の焼結および溶融が生じる。そして、焼結体となった層があらかじめ定められた厚さとなった後で、当該層をパートシリンダー１６ＡのＺ軸負方向への移動によって下降させ、さらに、パートシリンダー１６Ａの上面に金属材料５０を供給する。

パートシリンダー１６Ａの上面に供給された金属材料５０は、スキージ１６Ｄによって平坦化され、次の変調ビーム３２の照射に備える。

ここで、変調ビーム３２によって金属材料５０の温度が上昇し、さらに焼結および溶融する場合の、熱の拡散について説明する。

図４は、変調ビーム３２によって同等の光量が与えられた場合の、金属材料５０における熱拡散の様子を説明するための概念図である。図４において、図４（ａ）は、光量プロファイル（光エネルギー分布）を示している。同図において縦軸は光量を表している。図４（ｂ）の縦軸は、変調ビーム３２が照射された金属材料５０の温度を示し、横軸は変調ビーム３２のそれぞれの画素に対応する照射位置を示す。また、金属材料５０の温度上昇によって焼結および溶融する焼結（溶融）温度Ｔを図示している。また、図４（ｂ）の上方には、変調ビーム３２の照射位置に対応する画素が示されている。

図４では、１つの変調ビーム３２の、空間光変調器１４におけるそれぞれの画素に対応する照射位置が示されている。図４において、範囲Ｌ１および範囲Ｌ２では、金属材料５０上に矩形の光量プロファイルを有する変調ビーム３２が照射されており、当該変調ビーム３２は、空間光変調器１４においてレーザー光を照射する画素であるオン画素（図４における白抜きの画素）に対応するビームである。一方で、図４において、範囲Ｌ１および範囲Ｌ２以外では、金属材料５０上に光量を与える変調ビーム３２が照射されておらず、当該範囲は、空間光変調器１４におけるオン画素以外の画素であるオフ画素（図４における砂地の画素）に対応する照射位置である。

変調ビーム３２を用いて金属材料５０の焼結を行う場合、オン画素に対応するビームが隣接して金属材料５０に照射される。

そのため、あるビームに隣接する他のビームの有無によって、ビームの照射エネルギーの拡散の様子が異なる。すなわち、ビームの照射エネルギーは、隣接する位置に同様にビームが照射された場合には拡散の程度は比較的小さいが、隣接する位置にビームが照射されない場合、たとえば、図４における範囲Ｌ１または範囲Ｌ２の最も外側に位置するビームによる照射エネルギーなどは、照射エネルギーの拡散の程度は比較的大きくなる。また、矩形の光量プロファイルを有するビームを照射しても、金属材料５０内で熱エネルギーに変換され拡散される。

そうすると、これらのビームによる照射エネルギーの金属材料５０の昇温に寄与する効率も、隣接する位置にビームが照射されない場合には下がるものと考えられる。すなわち、変調ビーム３２によって同じ光量が与えられた場合であっても、隣接する照射位置におけるビームの有無によって、金属材料５０の焼結および溶融の度合いに違いが生じることとなる。

図４においては、範囲Ｌ１は連続する５つのオン画素からなるオン画素の列（オン画素列）であり、範囲Ｌ２は連続する９つのオン画素からなるオン画素の列（オン画素列）である。オン画素列におけるオン画素の数が多いほど、熱拡散の影響が少なく、造形に寄与するエネルギーが多くなる。つまり、図４（ｂ）において範囲Ｌ２で示される通り、焼結温度Ｔより高くなる領域が多くなる。一方、オン画素列におけるオン画素の数が少ない場合、熱拡散の影響が大きく、造形に寄与するエネルギーが少なくなる。つまり、図４（ｂ）において範囲Ｌ１で示される通り、焼結（溶融）温度Ｔより高くなる領域が少なくなる。

照射エネルギーの拡散によって金属材料５０の昇温効率が低下すると、当該照射位置は、金属材料５０の焼結に必要な温度である焼結（溶融）温度Ｔに到達しにくくなる。そのため、焼結が不十分となることによって、造形データに基づく寸法よりも小さい寸法の３次元造形が形成される。つまり、焼結（溶融）温度Ｔ以上に温度が上昇した領域のみが有効に造形されることとなる。したがって、温度上昇にバラツキが生じると、形成された３次元造形の縁部において強度が不十分となる場合などがある。

特に、赤外レーザーによって金属材料５０を焼結させる場合、紫外光によって金属材料を焼結させる場合よりも上記照射エネルギーの拡散の程度の違いは顕著となる。

そこで、図２における光量制御部２０Ｃにおいて、オン画素列におけるオン画素の数に応じて、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を制御する。具体的には、オン画素列におけるオン画素の数が多いほど、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を少なく設定し、オン画素列におけるオン画素の数が少ないほど、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を多く設定する。

光量制御部２０Ｃは、たとえば、以下の式（１）に従って、オン画素列に対応する変調ビーム３２の光量を制御する。

ここで、Ｐ_０は、隣接するビームがない状態（すなわち、単体のスポットビーム）での、適切に焼結が生じるための光量を示す。また、Ｋは、ターゲットとなる材料の熱伝導によって定められる係数である。また、Ｎは、オン画素列における連続するオン画素の数である。また、Ｎ_ｍａｘは、無限長さとみなすことのできるオン画素列の連続するオン画素の数である。すなわち、Ｎ_ｍａｘは、オン画素列の最も外側に位置するビームの照射位置までの距離が十分に大きくなることによって、オン画素列における照射エネルギーの拡散が無視できるオン画素の数である。

図５は、上記の光量制御を行った場合の、金属材料５０上の変調ビーム３２の照射位置における設定光量の様子を説明するための概念図である。図５において、縦軸がそれぞれの画素に対応して変調ビーム３２の照射位置に設定される光量を示し、横軸が変調ビーム３２のそれぞれの画素に対応する照射位置を示す。また、図５の上方には、変調ビーム３２の照射位置に対応する画素が、オン画素は白抜きで、オフ画素は砂地でそれぞれ示されている。

範囲Ｌ３は連続する５つのオン画素からなるオン画素列であり、範囲Ｌ４は連続する１５個のオン画素からなるオン画素列である。図５に例示されるように、範囲Ｌ３のオン画素列に設定される光量は、範囲Ｌ４のオン画素列に設定される光量よりも高い。これは、範囲Ｌ３のオン画素列におけるオン画素の数が、範囲Ｌ４のオン画素列におけるオン画素の数よりも少ないからである。

また、上記のとおり、範囲Ｌ３と範囲Ｌ４との設定光量は異なっている。すなわち、１つの変調ビーム３２において、複数のオン画素列間の設定光量が異なっている。

上記のような設定光量の制御は、たとえば、光量制御部２０Ｃによる、変調制御部２０Ａおよび走査制御部２０Ｂの少なくとも一方の制御によって行われる。

具体的には、変調制御部２０Ａによって空間光変調器１４における変調ビーム３２の画素ごとの階調を電圧制御によって調整することによって、または、走査制御部２０Ｂによって変調ビーム３２が金属材料５０上の所望の位置を照射する時間をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御することによって、または、これらの制御を組み合わせることによって、変調ビーム３２の設定光量を制御する。

また、空間光変調器１４におけるオフ画素、さらには、オフ画素の列であるオフ画素列も考慮して、上記の設定光量を制御することも可能である。

図６は、オン画素列と設定光量との関係を示す図である。図６において、縦軸は設定光量を示し、横軸はオン画素列におけるオン画素の数を示す。

複数のオン画素列が近接して位置している場合、それぞれのオン画素列の最も外側に位置するビームの照射位置の照射エネルギーの拡散は、対岸に位置するビームの照射位置の照射エネルギーの拡散の影響を受けて、照射エネルギーの拡散の程度が緩和されるものと考えられる。

すなわち、オン画素列に隣接して位置するオフ画素列のオフ画素の数は、他のオン画素列との間の距離に相当するため、当該オフ画素列のオフ画素の数が少ないほど、変調ビーム３２の照射エネルギーの拡散が緩和される。逆に、当該オフ画素列のオフ画素の数が多いほど、変調ビーム３２の照射エネルギーの拡散の程度が高くなる。

そこで、空間光変調器１４において、オフ画素列におけるオフ画素の数に応じて、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に対応する変調ビーム３２の光量を制御することができる。

具体的には、オフ画素列におけるオフ画素の数が多いほど、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に対応する変調ビーム３２の光量を多く設定する。また、オフ画素列におけるオフ画素の数が少ないほど、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に対応する変調ビーム３２の光量を少なく設定する。

図６においては、オフ画素列におけるオフ画素の数が多い変調ビーム３２の設定光量推移Ｐ１と、設定光量推移Ｐ１の場合よりもオフ画素の数が少ない設定光量推移Ｐ２とが、それぞれ示されている。図６から明らかなように、設定光量推移Ｐ１は、設定光量推移Ｐ２よりも高い光量が設定されている。また、設定光量推移Ｐ１および設定光量推移Ｐ２は、ともにオン画素の数がＮ_ｍａｘに到達した後は、一定の光量が設定されている。

以上のように、本実施の形態の構成によれば、変調ビーム３２によって高速に３次元造形を行う場合に、変調ビーム３２の照射エネルギーによる昇温のバラツキを緩和しつつ、精密な３次元造形が可能となる。具体的には、変調ビーム３２において連続するオン画素の数に依存せず、ターゲットであるパウダー状の金属材料５０を適切に昇温および焼結させることができる。

また、大出力可能な赤外レーザーを用いて３次元造形を行うことができるため、紫外光を用いる場合よりも高速に造形することができる。

なお、投影領域を２次元の面状に拡張させるレーザー光を適用する場合においても、上記の実施の形態と同様の当該投影領域内における多段階の光量制御によって、レーザー光の照射エネルギーによる昇温の違いを緩和しつつ、精密な３次元造形が可能となる。

＜以上に記載された実施の形態によって生じる効果について＞
次に、以上に記載された実施の形態によって生じる効果を例示する。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態に例示された具体的な構成に基づいて当該効果が記載されるが、同様の効果が生じる範囲で、本願明細書に例示される他の具体的な構成と置き換えられてもよい。

以上に記載された実施の形態によれば、３次元造形製造装置は、レーザー光源１０と、照明光学系１１と、空間光変調器１４と、保持機構１６と、走査機構１２と、光量制御部２０Ｃとを備える。ここで、照明光学系１１は、たとえば、レンズ１１Ａ、レンズ１１Ｂに対応するものである。レンズ１１Ａ、レンズ１１Ｂは、レーザー光源１０から入力されるレーザー光３０を、ラインビーム３１に整形する。空間光変調器１４は、ターゲット上で変調ビーム３２によって形成される３次元造形を示す造形データに基づいて、画素ごとにラインビーム３１を変調させる。ここで、ターゲットは、たとえば、金属材料５０に対応するものである。保持機構１６は、金属材料５０を保持する。走査機構１２は、空間光変調器１４で変調された変調ビーム３２を、造形データに基づいて、保持機構１６に保持された金属材料５０上で走査させる。ここで、空間光変調器１４において、金属材料５０上に光量を与える変調ビーム３２に対応する画素をオン画素とし、連続して並ぶオン画素の列をオン画素列とする。そして、光量制御部２０Ｃは、オン画素列におけるオン画素の数に応じて、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を制御する。

このような構成によれば、変調ビーム３２の照射エネルギーの寄与の違いによる金属材料５０の昇温のバラツキを緩和しつつ、精密な３次元造形が可能となる。具体的には、ラインビーム３１において連続するオン画素の数に基づいて変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を制御することによって、照射エネルギーの拡散による金属材料５０の焼結（溶融）度合いのバラツキを緩和することができる。

なお、これらの構成以外の本願明細書に例示される他の構成については適宜省略することができる。すなわち、少なくともこれらの構成を備えていれば、以上に記載された効果を生じさせることができる。

しかしながら、本願明細書に例示される他の構成のうちの少なくとも１つを以上に記載された構成に適宜追加した場合、すなわち、以上に記載された構成としては言及されなかった本願明細書に例示される他の構成が適宜追加された場合であっても、同様の効果を生じさせることができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、光量制御部２０Ｃは、オン画素列におけるオン画素の数が多いほど、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を少なくし、オン画素列におけるオン画素の数が少ないほど、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を多くする。このような構成によれば、連続するオン画素が多い場合に変調ビーム３２による照射エネルギーが拡散しにくいこと、および、連続するオン画素が少ない場合に変調ビーム３２による照射エネルギーが拡散しやすいことをそれぞれ相殺するように、変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を制御することができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、光量制御部２０Ｃは、オン画素列におけるそれぞれのオン画素に対応する変調ビーム３２の階調を空間光変調器１４に調整させることによって、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を制御する。このような構成によれば、空間光変調器１４における階調制御によって、照射エネルギーの拡散による金属材料５０の焼結度合いのバラツキを緩和することができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、光量制御部２０Ｃは、オン画素列におけるそれぞれのオン画素の状態を維持する時間によって、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を制御する。このような構成によれば、オン画素列におけるそれぞれのオン画素の状態を維持する時間の制御によって、照射エネルギーの拡散による金属材料５０の焼結度合いのバラツキを緩和することができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、光量制御部２０Ｃは、それぞれのオン画素に対応する変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量が、空間光変調器１４における複数のオン画素列の間で異なるように制御する。このような構成によれば、変調ビーム３２において、オン画素の数が異なる複数のオン画素列が存在する場合であっても、オン画素列ごとにオン画素の数に基づく光量制御を行うことができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、光量制御部２０Ｃは、空間光変調器１４において、オン画素以外の画素をオフ画素とし、連続して並ぶオフ画素の列をオフ画素列として、オフ画素列におけるオフ画素の数に応じて、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に対応する変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を制御する。このような構成によれば、変調ビーム３２の照射エネルギーによる金属材料５０の昇温のバラツキを緩和しつつ、精密な３次元造形が可能となる。具体的には、変調ビーム３２において連続するオフ画素の数に基づいて、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に変調ビーム３２が与える光量を制御することによって、照射エネルギーの拡散による金属材料５０の焼結度合いのバラツキを緩和することができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、光量制御部２０Ｃは、オフ画素列におけるオフ画素の数が多いほど、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に対応する変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を多くし、オフ画素列におけるオフ画素の数が少ないほど、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に対応する変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を少なくする。このような構成によれば、連続するオフ画素が多い場合に変調ビーム３２による照射エネルギーが拡散しやすいこと、および、連続するオフ画素が少ない場合に変調ビーム３２による照射エネルギーが拡散しにくいことをそれぞれ相殺するように、変調ビーム３２が金属材料５０上に与える光量を制御することができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、レーザー光源１０は、赤外レーザーであるレーザー光を出力する。このような構成によれば、大出力可能な赤外レーザーを用いて３次元造形を行うことができるため、紫外光を用いる場合よりも高速に造形することができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、金属材料５０は、パウダー状の金属材料である。このような構成によれば、変調ビーム３２によって金属材料５０を焼結させることによって、焼結体による３次元造形を形成することができる。

また、以上に記載された実施の形態によれば、金属材料５０の代わりに樹脂材料を用いてもよい。このような構成によれば、変調ビーム３２によって光硬化性樹脂材料を硬化させることによって、３次元造形を形成することができる。なお、このような樹脂材料としてはパウダー状の樹脂材料を採用することができる。

＜以上に記載された実施の形態における変形例について＞
以上に記載された実施の形態では、それぞれの構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係または実施の条件などについても記載する場合があるが、これらはすべての局面において例示であって、本願明細書に記載されたものに限られることはないものとする。

したがって、例示されていない無数の変形例、および、均等物が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。たとえば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１ ３次元造形製造装置
１０ レーザー光源
１１ 照明光学系
１１Ａ，１１Ｂ，１８Ａ，１８Ｂ レンズ
１２ 走査機構
１２Ａ 保持台
１２Ｂ，１２Ｃ 移動機構
１４ 空間光変調器
１４Ａ 基板
１４Ｂ マイクロブリッジ
１４Ｃ スリット
１６ 保持機構
１６Ａ パートシリンダー
１６Ｂ，１６Ｃ フィードシリンダー
１６Ｄ スキージ
１８ 投影光学系
１９ ミラー
２０ 制御装置
２０Ａ 変調制御部
２０Ｂ 走査制御部
２０Ｃ 光量制御部
２２ 記憶媒体
３０ レーザー光
３１ ラインビーム
３２ 変調ビーム
３２Ａ 投影領域
５０ 金属材料
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ 範囲
Ｐ１，Ｐ２ 設定光量推移
Ｔ 焼結温度（溶融温度）

Claims (11)

1. レーザー光源と、
   前記レーザー光源から入力されるレーザー光を、ラインビームに整形する照明光学系と、
   ３次元造形を示す造形データに基づいて、画素ごとに前記ラインビームを変調させ変調ビームを生成する空間光変調器と、
   ターゲットを保持する保持機構と、
   前記空間光変調器で変調された前記変調ビームを、前記保持機構に保持された前記ターゲット上で走査させる走査手段と、
   前記空間光変調器において、前記ターゲット上に光量を与える前記変調ビームに対応する前記画素をオン画素とし、連続して並ぶ前記オン画素の列をオン画素列として、
   前記オン画素列における前記オン画素の数に応じて、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する光量制御部とを備える、
   ３次元造形製造装置。
2. 前記光量制御部は、
   前記オン画素列における前記オン画素の数が多いほど、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を少なくし、
   前記オン画素列における前記オン画素の数が少ないほど、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を多くする、
   請求項１に記載の３次元造形製造装置。
3. 前記光量制御部は、前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームの階調を前記空間光変調器に調整させることによって、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する、
   請求項１または請求項２に記載の３次元造形製造装置。
4. 前記光量制御部は、前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素の状態を維持する時間によって、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する、
   請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の３次元造形製造装置。
5. 前記光量制御部は、それぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量が、空間光変調器における複数の前記オン画素列の間で異なるように制御する、
   請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の３次元造形製造装置。
6. 前記空間光変調器において、前記オン画素以外の画素をオフ画素とし、連続して並ぶ前記オフ画素の列をオフ画素列として、
   前記光量制御部は、前記オフ画素列における前記オフ画素の数に応じて、当該オフ画素列に隣接する前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する、
   請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載の３次元造形製造装置。
7. 前記光量制御部は、
   前記オフ画素列における前記オフ画素の数が多いほど、当該オフ画素列に隣接する前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を多くし、
   前記オフ画素列における前記オフ画素の数が少ないほど、当該オフ画素列に隣接する前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を少なくする、
   請求項６に記載の３次元造形製造装置。
8. 前記レーザー光源は、赤外レーザーである前記レーザー光を出力する、
   請求項１から請求項７のうちのいずれか１項に記載の３次元造形製造装置。
9. 前記ターゲットは、パウダー状の金属材料である、
   請求項１から請求項８のうちのいずれか１項に記載の３次元造形製造装置。
10. 前記ターゲットは、樹脂材料である、
    請求項１から請求項８のうちのいずれか１項に記載の３次元造形製造装置。
11. レーザー光源と、
    前記レーザー光源から入力されるレーザー光を、ラインビームに整形する照明光学系と、
    ３次元造形を示す造形データに基づいて、画素ごとに前記ラインビームを変調させ変調ビームを生成する空間光変調器と、
    ターゲットを保持する保持機構と、
    前記空間光変調器で変調された前記変調ビームを、前記保持機構に保持された前記ターゲット上で走査させる走査手段とを備える３次元造形製造装置を用いた３次元造形製造方法であり、
    前記空間光変調器において、前記ターゲット上に光量を与える前記変調ビームに対応する前記画素をオン画素とし、連続して並ぶ前記オン画素の列をオン画素列として、
    前記オン画素列における前記オン画素の数に応じて、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する、
    ３次元造形製造方法。
    

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