JP3599059B2 - 三次元形状造形物の製造方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は粉末層に光ビームを照射して焼結層を形成するとともにこの焼結層を積層することで所望の三次元形状造形物を製造する三次元形状造形物の製造方法及びその装置に関するものである。

ステージ上に形成した粉末層に光ビーム（指向性エネルギービーム、例えばレーザ）を照射して焼結層を形成し、この焼結層の上に新たな粉末層を形成して光ビームを照射することで焼結層を形成するということを繰り返して焼結層を積層することで三次元形状造形物を製造することは、特表平１−５０２８９０号公報（特許文献１）などにおいて知られている。

また、焼結層の積層で三次元形状造形物を製造する途中に、焼結層の積層物としての造形物の表面の仕上げ加工を漸次行うことが特開２００２−１１５００４公報（特許文献２）に示されている。

ところで粉末層１０の所要箇所に光ビームを照射して選択的に焼結する際、図１８に示すように火花が飛び散って、この火花に含まれる粉末溶融残滓が焼結層１１の表面に付着し、突起状の異常焼結部１９となってしまうことがある。

また、焼結層１１を積層している過程の中で仕上げ加工を漸次行う場合、加工屑（切削屑）が飛び散るとともに、この加工屑が原因で次の粉末層１０の表面に凸部が生じると、次の焼結時に突起状の異常焼結部１９が生じることがある。

密度が高く且つ形状精度の高い三次元形状造形物を得るために、各粉末層１０の厚みを５０μｍといった厚みとする場合、粉末粒子の粒子径が１０〜５０μｍ程度であるために、上記のような異常焼結部１９が生じると、次の粉末層１０よりも異常焼結部１９が上に飛び出てしまうことが多々生じるものであり、この場合、粉末層１０の表面を均すためのブレードが異常焼結部１９に引っ掛かって造形工程が停止してしまうことになる。
特表平１−５０２８９０号公報 特開２００２−１１５００４号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、異常焼結部の発生による造形の停止が生じることがない三次元形状造形物の製造方法及びその装置を提供することを課題とするものである。

しかして本発明に係る三次元形状造形物の製造方法は、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して焼結することで形成した焼結層の表面に新たな粉末層を積層し、この新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して焼結することで下層の焼結層と一体となった新たな焼結層を形成することを繰り返して三次元形状造形物を製造するにあたり、各焼結層の形成毎に焼結層表面に生じた突起状の異常焼結部の有無を検出し、異常焼結部の検出時に該異常焼結部の除去を行うことに特徴を有している。異常焼結部は除去されてしまうものであり、このために異常焼結部の発生に起因して造形停止という状態に陥ってしまうことがないものである。

しかも、各焼結層の形成毎に焼結層表面の異常焼結部の有無を検出し、異常焼結部の検出時に該異常焼結部の除去を行うことから、異常焼結部の除去工程を最小限で済ませることができる。

また、粉末層の表面を均すブレードにかかる駆動負荷で異常焼結部の有無の検出を行うと、異常焼結部の検出のための別途機器を用意する必要がなく、異常焼結部の検出を低コストで行うことができるとともに確実に異常検出部を検出することができる。

光学的に異常焼結部の有無の検出を行うようにしてもよい。この場合、異常焼結部の発生位置を２次元で捉えて異常焼結部の除去加工範囲を小さくすることが容易にできる。

また、異常焼結部の除去のための加工を、検出された異常焼結部近傍位置に対してのみ行えば除去加工に要する時間を短縮することができる。

また、除去加工を焼結層の表面全面もしくは粉末層を含む全面に対して行う場合、検出時に見逃した異常焼結部があっても間違いなく除去することができる。

また、除去加工を、粉末層の表面を均すブレードの通過領域に位置する部分に対してのみ行うと、除去加工に要する時間を短縮することができる。

また本発明に係る三次元形状造形物の製造装置は、ステージ上に形成された粉末層の所定箇所に光ビームを照射して照射位置の粉末を焼結する光ビーム照射手段と、ステージ上及び既に焼結された焼結層上に粉末層を供給する粉末層形成手段と、焼結層の形成の繰り返しの間に焼結層の積層物としての造形物の表面の仕上げ加工を行う加工手段と、形成された焼結層の表面に異常焼結部が存在するかどうかを検出する検出手段と、検出手段による異常焼結部の検出で異常焼結部の除去を行う除去手段とからなることに特徴を有している。

除去手段として検出手段で検出された異常焼結部の位置に応じて演算される除去経路に沿って駆動される上記加工手段を用いると、異常焼結部による造形停止の防止を低コストで達成することができる。

本発明に係る三次元形状造形物の製造方法においては、異常焼結部が除去されてしまうものであり、このために異常焼結部の発生に起因して造形停止という状態に陥ってしまうことがないものであり、また異常焼結部の検出時に該異常焼結部の除去を行うことから、異常焼結部の除去工程を最小限で済ませることができる。

また本発明に係る三次元形状造形物の製造装置は、異常焼結部が生じても、この焼結部を検出して除去することができるものであり、このために異常焼結部の発生に起因して造形停止という状態に陥ってしまうことを防ぐことができる。

以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図２及び図３に示す三次元形状造形物の製造装置は、粉末層形成手段２と光ビーム照射手段３と加工手段４、形成された焼結層の表面に異常焼結部１９が存在するかどうかを検出する検出手段、検出手段による異常焼結部１９の検出で異常焼結部１９の除去を行う除去手段、そして粉末層形成手段２や加工手段４等を内部に納めているチャンバー５で構成されているもので、上記粉末層形成手段２は、外周が囲まれた空間内をシリンダー駆動で上下に昇降するステージ２０上に粉末タンク２３内の金属粉末をスキージング用ブレード２１で供給するとともに均すことで所定厚みΔｔ１の粉末層１０をステージ２０上に形成するものとして構成されている。

光ビーム照射手段３は、レーザー発振器３０から出力されたレーザーをビーム形状補正手段３５及びガルバノミラー３１等のスキャン光学系を介して上記粉末層１０に照射するものであり、チャンバー５外に配設されていて、該光ビーム照射手段３から出射された光ビームはチャンバー５に設けられた光透過性の窓５０を通じて粉末層１０に照射される。なお、窓５０はレーザ光を通過させる材質のものを用いている。レーザー発振器３０が炭酸ガスレーザーである場合、ＺｎＳｅ製の平板等を用いることができる。

加工手段４は上記粉末層形成手段２のベース部にＸＹ駆動機構４０を介してミーリングヘッド４１を設けたものとして構成されている。

そして、上記検出手段としては、ここでは上記ブレード２１の駆動用モータトルクを検出するものを用いており、また除去手段は上記加工手段４に兼ねさせている。

このものにおける三次元形状造形物の製造は、図３に示すように、ステージ２０上面の造形用ベース２２表面に粉末タンク２３から溢れさせた金属粉末をブレード２１で供給すると同時にブレード２１で均すことで第１層目の粉末層１０を形成し、この粉末層１０の硬化させたい箇所に光ビーム（レーザー）Ｌを照射して金属粉末を焼結させてベース２２と一体化した焼結層１１を形成する。

この後、ステージ２０を少し下げて再度金属粉末を供給してブレード２１で均すことで第１層目の粉末層１０（と焼結層１１）の上に第２層目の粉末層１０を形成し、この第２層目の粉末層１０の硬化させたい箇所に光ビーム（レーザー）Ｌを照射して粉末を焼結させて下層の焼結層１１と一体化した焼結層１１を形成する。

ステージ２０を下降させて新たな粉末層１０を形成し、光ビームを照射して所要箇所を焼結層１１とする工程を繰り返すことで、焼結層の積層物として目的とする三次元形状造形物を製造するものであり、光ビームとしては炭酸ガスレーザーを好適に用いることができ、粉末層１０の厚みΔｔ１としては、得られた三次元形状造形物を成形用金型などに利用する場合、０．０５ｍｍ程度とするのが好ましい。

光ビームの照射経路（ハッチング経路）は、図４に示すように、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。すなわち、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（Δｔ１を０．０５ｍｍとした場合、０．０５ｍｍピッチ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。この時、三次元形状造形物の少なくとも最表面が高密度（気孔率５％以下）となるように焼結させることができるように光ビームの照射を行い、内部は低密度となるように焼結させることで、つまりは形状モデルデータを予め、表層部と内部とに分割しておき、内部についてはポーラスとなるような焼結条件、表層部はほぼ粉末が溶融して高密度となる条件で光ビームを照射することで、緻密な表面を持つ造形物を高速に得ることができる。

そして、上記粉末層１０を形成しては光ビームを照射して焼結層１１を形成することを繰り返していくのであるが、焼結層１１の全厚みがたとえば加工手段４におけるミーリングヘッド４１の工具長さなどから求めた所要の値になれば、いったん加工手段４を作動させてそれまでに造形した造形物の表面（主として上部側面）を切削する。たとえば、ミーリングヘッド４１の工具（ボールエンドミル）が直径１ｍｍ、有効刃長３ｍｍで深さ３ｍｍの切削加工が可能であり、粉末層１０の厚みΔｔ１が０．０５ｍｍであるならば、６０層の焼結層１１を形成した時点で、加工手段４を作動させる。

この加工手段４による切削仕上げ加工により、造形物表面に付着した粉末による低密度表面層を除去すると同時に、高密度部まで削り込むことで、造形物表面に高密度部を全面的に露出させることができる。

加工手段４による切削加工経路は、光ビームの照射経路と同様に予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。この時、等高線加工を適用して加工経路を決定するが、Ｚ方向ピッチは焼結時の積層ピッチにこだわる必要はなく、緩い傾斜の場合はＺ方向ピッチをより細かくして補間することで、滑らかな表面を得られるようにしておく。

ここにおいて、最上層の焼結層１１の上面に前記突起状の異常焼結部１９が発生することによる造形停止という事態を解消するために、前述の検出手段及び除去手段を設けているのであるが、上述のように上記ブレード２１の駆動用モータトルクを検出するもので検出手段を構成し、上記加工手段４が除去手段を兼ねるものとしている。

このために、焼結層１１を形成した後、モータ駆動によるブレード２１の移動で粉末をその上面に供給する際、図１に示すように、最上層の焼結層１１の表面にできている突起状の異常焼結部１９の高さが次に形成する粉末層１０の厚みより高い場合、ブレード２１が異常焼結部１９の先端部に当たることでブレード２１駆動用のモータトルクが上昇する。このトルク値が図６に示すように所定のしきい値を越えたならば、該製造装置を統括する制御回路はブレード２１の駆動を停止していったん後退させ、上記加工手段４で異常焼結部１９におけるブレード２１が通過する領域に位置する部分を切削除去し、この後、再度ブレード２１による粉末層１０の形成を行うのである。図５はこの場合の動作、つまりブレード２１の駆動用モータトルクを検出するもので検出手段を構成して、異常焼結部１９の除去を行う場合のフローチャートである。

突起状の異常焼結部１９の先端部の除去は、図７に示すように、ブレード２１の下端の移動軌跡Ｍｖに加工手段４における切削加工具の下端を一致させることで、次に行うブレード２１による粉末層１０の形成時にブレード２１が異常焼結部１９に当たることを確実に防ぐことができるとともに、切削量を最小限に抑えることができる。

ブレード２１の駆動用のモータにエンコーダを付設しておけば、ブレード２１の駆動方向における異常焼結部１９の存在箇所を検出することができるために、異常焼結部１９の除去加工のために加工手段４を動かす範囲を図８に示すように異常焼結部１９を含み且つブレード２１の動作方向において所定の幅を有する帯状範囲Ａ１内に留めることができる。もっとも、帯状範囲Ａ１から外れたところにも突起状の異常焼結部１９が存在している可能性があることから、異常焼結部１９の存在が確認されたところ以降のブレード２１移動領域（図９(a)にＡ５で示す）を異常焼結部１９の除去加工対象領域としてもよい。また、焼結させたエリアの情報を参照することで、図９(b)あるいは図９(c)に示すように、所要のマージン幅ｗｗを加えた範囲内に除去加工対象領域を限定するようにしてもよい。

上記検出手段としては、図１０に示すように、検出用レーザ照射部８０と受光部８１との対で構成されるものを用いてもよく、また図１１に示すように、レーザ光を照射した焼結面を撮像手段８２で撮像してその撮影画像（図１１(b)参照）から異常焼結部１９の有無を検出するレーザ切断法で行うものであってもよい。

後者の検出手段であれば、異常焼結部１９が生じた位置を２軸方向で特定することができるために、異常焼結部１９の除去加工のために加工手段４を動かす範囲を図１２に示すように異常焼結部１９を中心する所定の微小範囲Ａ２内に留めることができる。図１３はこのような光学的検知に基づく異常焼結部１９の除去加工を行う場合のフローチャートである。

また、ブレード２１を利用して異常焼結部１９の存在を検知する場合、焼結層１１を形成してステージ２０を一段下げた状態で上記除去を行うことになるが、光学的に異常焼結部１９の存在を検知する場合、焼結層１１の形成後でステージ２０を一段下げる前に除去加工を行ってもよく、この場合、ステージ２０の一段の下降量に合わせて切削加工具の下端位置を上方にシフトさせることで次の粉末供給時のブレード２１の通過領域に対応させる。

検出手段が異常焼結部１９の有無だけを検出することができて位置を検出することができないものであってもよく、この時には図１４に示すように粉末層１０を含む全面Ａ４、あるいは焼結層１１が形成されるエリアの最大最小座標値とマージン幅ｗｗに基づいて設定したエリアＡ５、あるいは焼結層１１のエリアを所定のオフセット量ｏｓだけ外側に広げたエリアＡ３に対して除去加工を行えばよい。なお、全面Ａ４を除去加工エリアとする場合でも、粉末層１０の表面を均すブレード２１の通過領域外となる部分は異常焼結部１９が存在していても支障になることはないために除外するとよい。

加工手段４を動かす加工経路については、上記除去加工範囲Ａ１〜Ａ５に応じて制御回路で演算して決定する。なお、除去加工範囲がＡ４であれば、予め除去加工経路を決定しておくことができる。

以上の各例では、焼結層１１を形成する毎に、問題となる異常焼結部１９の存在を検知し、存在している時だけ除去加工を行っているが、図１５に示すように、異常焼結部１９が存在しているかどうかにかかわらず、焼結層１１を形成する毎に異常焼結部１９の除去のための除去加工を行うようにしてもよい。この場合も、加工手段４を除去加工に用いることができるが、除去加工対象エリアは前記Ａ４あるいはＡ５あるいはＡ３という広範囲なものになるために、加工手段４の有無にかかわらず、異常焼結部１９の除去にのみ用いる除去手段Ｃ、たとえば図１６に示すようなロータリーカッターＣで異常焼結部１９の除去を行うとよい。所要の幅の範囲を一度に切削することができるために、焼結層１１を形成する毎に除去加工を行うとはいえ、除去加工に要する時間が短時間で済むために、三次元形状造形物の製造に係る時間は殆ど変わらない。

このほか、上述のように焼結層１１が存在するエリア全域を除去加工対象エリアとする場合、積層する焼結層１１の厚みの設計値Ｈ（たとえば５０μｍ）より粉末層１０の厚みを大きくするとともに、焼結して得られる焼結層１１の厚みも設計値Ｈより大きい値（たとえば８０μｍ）となるようにしておき、焼結層１１を形成する毎に行う除去加工によって、図１７に示すように、異常焼結部１９だけでなく焼結層１１の表面も上記の値の差分（上記の例では３０μｍ）だけ研削して焼結層１１の厚みを上記設計値Ｈに一致させるようにしてもよい。

なお、加工手段４とは別に除去手段Ｃを設けることは、検知手段を備えて異常焼結部１９の存在を検知した時だけ異常焼結部１９の除去を行うものにおいても有効なのはもちろんであり、また、加工手段４を備えて焼結層１１の形成の繰り返しの間に焼結層１１の積層物としての造形物の表面の仕上げ加工を行う例を示したが、加工手段４を備えていないものにおいても除去手段、もしくは除去手段と検知手段を設けることで、本発明を適用することができる。

本発明の実施の形態の一例の動作説明図である。 (a)は同上の破断斜視図、(b)は同上の部分斜視図である。 同上の造形に関する動作説明図である。 同上の造形に関するデータフロー図である。 同上の異常焼結部の検出及び除去に関するフローチャートである。 同上の異常検出部検出動作についての説明図である。 同上の除去加工についての詳細を示す説明図である。 同上の除去加工範囲の一例を示す平面図である。 (a)(b)(c)は同上の除去加工範囲の他例を示す平面図である。 同上の検出手段の他例の説明図である。 (a)(b)は同上の検出手段の別の例の説明図である。 同上の除去加工範囲の他例を示す平面図である。 同上の異常焼結部の検出及び除去に関するフローチャートである。 (a)(b)(c)は同上の除去加工範囲の別の例を示す平面図である。 他例のフローチャートである。 (a)(b)は除去手段を備えたものの一例の断面図と斜視図である。 除去加工の他例についての詳細を示す説明図である。 (a)(b)は従来の問題点を示す説明図である。

符号の説明

２ 粉末層形成手段
３ 光ビーム照射手段
４ 加工手段
１０ 粉末層
１１ 焼結層
１９ 異常焼結部
Ｌ 光ビーム

Claims (8)

1. 粉末層の所定箇所に光ビームを照射して焼結することで形成した焼結層の表面に新たな粉末層を積層し、この新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して焼結することで下層の焼結層と一体となった新たな焼結層を形成することを繰り返して三次元形状造形物を製造するにあたり、各焼結層の形成毎に焼結層表面に生じた突起状の異常焼結部の有無を検出し、異常焼結部の検出時に該異常焼結部の除去を行うことを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
2. 粉末層の表面を均すブレードにかかる駆動負荷で異常焼結部の有無の検出を行うことを特徴とする請求項１記載の三次元形状造形物の製造方法。
3. 光学的に異常焼結部の有無の検出を行うことを特徴とする請求項１記載の三次元形状造形物の製造方法。
4. 異常焼結部の除去のための加工を検出された異常焼結部近傍位置に対してのみ行うことを特徴とする請求項２または３項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
5. 除去加工を焼結層の表面全面もしくは粉末層を含む全面に対して行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
6. 除去加工を、粉末層の表面を均すブレードの通過領域に位置する部分に対してのみ行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
7. ステージ上に形成された粉末層の所定箇所に光ビームを照射して照射位置の粉末を焼結する光ビーム照射手段と、ステージ上及び既に焼結された焼結層上に粉末層を供給する粉末層形成手段と、焼結層の形成の繰り返しの間に焼結層の積層物としての造形物の表面の仕上げ加工を行う加工手段と、形成された焼結層の表面に異常焼結部が存在するかどうかを検出する検出手段と、検出手段による異常焼結部の検出で異常焼結部の除去を行う除去手段とからなることを特徴とする三次元形状造形物の製造装置。
8. 除去手段は検出手段で検出された異常焼結部の位置に応じて演算される除去経路に沿って駆動される上記加工手段であることを特徴とする請求項７記載の三次元形状造形物の製造装置。

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