JPH115254A - 積層造形方法 - Google Patents

積層造形方法

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JPH115254A
JPH115254A JP10047719A JP4771998A JPH115254A JP H115254 A JPH115254 A JP H115254A JP 10047719 A JP10047719 A JP 10047719A JP 4771998 A JP4771998 A JP 4771998A JP H115254 A JPH115254 A JP H115254A
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JP
Japan
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laser beam
irradiation
laser
thick
layer
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JP10047719A
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English (en)
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Yukio Otsuka
幸男 大塚
Motoaki Ozaki
元亮 尾崎
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】造形物の表層部の輪郭の精度を確保しつつ、レ
ーザビームの照射時間の短縮化に貢献でき、生産性の向
上に有利な積層造形方法を提供すること。 【解決手段】レーザビームの照射により固化する材料に
レーザビームを照射して固化層１０を形成し、固化層１
０を積層して三次元造形物を形成する。三次元造形物の
表層部を形成する部分と、三次元造形物の内部を形成す
る部分とでレーザビームのビーム径を使い分け、内部を
形成する部分には太いレーザビームＭ１を照射し、表層
部を形成する部分には細いレーザビームＭ２を照射す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビームの照
射により固化した固化層を積層して鋳型等の三次元造形
物を形成する積層造形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、積層造形技術（特開平３−１８３
５３０号公報、米国特許ＵＳＰ４２４７５０８等）が開
発されている。この積層造形技術は、レーザビームの照
射により固化する樹脂被覆砂等の材料を用い、その材料
にレーザビームを照射することにより、固化層を形成
し、固化層を積層することにより三次元造形物を形成す
る造形方法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この積層造形技術にお
いては、上記した固化層を得るにあたり、固化層を形成
する材料に、その目標平面形状を倣うようにレーザビー
ムを照射する。この場合には、図１６から理解できるよ
うに、固化層１００の表層部１０１にビーム径に相応し
た凸部１０１ａが形成される。そのため、レーザビーム
のビーム径Ｄは表層部１０１の形状精度に影響を与え
る。従って上記した積層造形技術では、照射するレーザ
ビームのビーム径は細く設定されている。故に、単位時
間あたりの照射面積の増大には限界があり、１枚の固化
層を形成するにあたり、レーザビームの照射時間が長く
なりがちである。そのため三次元造形物を形成する際の
生産性の向上には限界があった。
【０００４】本発明は上記した実情に鑑みなされたもの
であり、三次元造形物の表層部の輪郭の精度を確保しつ
つ、レーザビームの照射時間の短縮化に貢献でき、生産
性の向上に有利な積層造形方法を提供することを課題と
する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明に係る積層造形方
法は、レーザビームの照射により固化する材料にレーザ
ビームを照射して固化層を形成し、固化層を積層して三
次元造形物を形成する積層造形方法において、レーザビ
ームを照射する際に、三次元造形物の表層部を形成する
部分と、三次元造形物の内部を形成する部分とでレーザ
ビームのビーム径を使い分け、内部を形成する部分には
太いレーザビームを照射し、表層部を形成する部分には
太いレーザビームよりも細いレーザビームを照射するこ
とを特徴とするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】本発明方法では、レーザビームを
照射する際に、三次元造形物の表層部を形成する部分
と、三次元造形物の内部を形成する部分とでレーザビー
ムのビーム径を使い分ける。そして、内部を形成する部
分には太いレーザビームを照射する。表層部を形成する
部分には細いレーザビームを照射する。
【０００７】ビーム径の太い、細いは相対的なものであ
り、従って、細いレーザビームは、太いレーザビームよ
りも相対的に細いものであれば良い。細いレーザビーム
のビーム径、太いレーザビームのビーム径はレーザの種
類、三次元造形物の大きさ、三次元造形物を構成する材
料の種類、レーザビームの照射速度、要求される生産性
等の要因に応じて適宜選択できる。
【０００８】例えば、細いレーザビームのビーム径とし
ては０．０１〜１．０ｍｍを採用でき、なかでも０．１
〜０．３ｍｍを採用できる。太いレーザビームのビーム
径としては、例えば、０．３〜５０ｍｍを採用でき、な
かでも２〜１０ｍｍを採用できる。但し、ビーム径はこ
の値に限定されるものではない。太いレーザビームとし
ては、レーザビームのビーム径を拡大レンズ等の拡大系
で拡大した散光ビームを用いても良い。
【０００９】本発明方法では、太いレーザビームと細い
レーザビームとを１台のレーザ発振器から照射する形態
を採用できる。この場合には、単一のレーザビームを複
数のビームに分割するビーム分割手段を利用することに
より、細い径のレーザビームを生成できる。代表的なビ
ーム分割手段としては、ビームスプリッタ、プリズムな
どを採用できる。ビームスプリッタがコーティング膜を
積層した構造をもつ場合には、コーティング膜の厚み等
を調整することによって、希望する比率でレーザビーム
を複数のビームに分割できる。
【００１０】また本発明方法では、太いレーザビームと
細いレーザビームとを別々のレーザ発振器から個別に照
射する形態を採用することもできる。この場合には、一
般的には、大出力のレーザ発振器で太いレーザビームを
照射し、小出力のレーザ発振器で細いレーザビームを照
射する。また本発明方法では、太いレーザビームが照射
している部分に隣接する部位を、同時期に、細いレーザ
ビームが照射していても良い。あるいは、太いレーザビ
ームが照射している部分と離れた部位を、同時期に、細
いレーザビームが照射していても良い。
【００１１】本発明方法では、固化むらの抑制を考慮す
ると、太いレーザビームで投入される単位面積あたりの
トータル照射エネルギをＱ１とし、細いレーザビームで
投入される単位面積あたりのトータル照射エネルギをＱ
２とすると、Ｑ１とＱ２とを近づけることが好ましい。
殊にＱ１≒Ｑ２が好ましい。従って太いレーザビームの
エネルギ密度よりも細いレーザビームのエネルギ密度が
大きい場合には、太いレーザビームの走査速度をＶ１と
し、細いレーザビームの走査速度をＶ２としたとき、Ｑ
１≒Ｑ２となるように、Ｖ１＜Ｖ２にできる。例えば、
太いレーザビームが出力１０００Ｗでビーム径５ｍｍで
あり、細いレーザビームが出力５０Ｗでビーム径０．２
ｍｍのときには、（１０００／５2）＜（５０／０．
２2）となり、細いレーザビームの単位面積あたりのエ
ネルギは、太いレーザビームの単位面積あたりのエネル
ギよりも大きいため、細いレーザビームの走査速度Ｖ２
を、太いレーザビームの走査速度Ｖ１よりも大きくす
る。
【００１２】しかし種々の条件の相違によっては必要に
応じて、Ｖ１≒Ｖ２、Ｖ１＞Ｖ２にできる。また、太い
レーザビームのエネルギ密度よりも細いレーザビームの
エネルギ密度が大きい場合には、Ｑ１≒Ｑ２となるよう
に、太いレーザビームの照射回数を細いレーザビームの
照射回数よりも増加させることもできる。
【００１３】本発明方法では、レーザビームの照射によ
り固化する材料としては、樹脂を被覆した砂等の粉粒
体、液状樹脂を採用できる。樹脂は熱硬化性をもつもの
を採用できる。本発明方法では、レーザビームとして
は、ＣＯ2 レーザ、ＹＡＧレーザ、Ａｒレーザ、ルビー
レーザ、エキシマレーザ等の公知のレーザビームを採用
でき、可視光、非可視光のいずれでも良い。
【００１４】
【実施例】以下、本発明方法の実施例を図面を参照して
説明する。 （実施例の構成）図１は本実施例で製造する実際の三次
元造形物１の概念を示す斜視図を示す。図２は実際の三
次元造形物１の縦断面図を示す。三次元造形物１は、薄
肉の固化層１０（例えば、厚み：０．１〜０．３ｍｍ）
を積層方向つまり矢印Ｐ方向に沿って積層して構成され
たものであり、鋳物を成形する鋳型を構成する。従って
三次元造形物１は、内部に形成された中型部１ｘと、ア
ルミや鉄の溶湯が供給される成形キャビティとして機能
する空洞１ｗをもつ。
【００１５】本実施例では、まず図３に示すように、実
際の三次元造形物１の形状に等応した三次元モデル４を
把握する。三次元モデル４は、実際の１枚の固化層１０
に等応した形状をもつ薄肉のスライスモデル４０の積層
により構成されるものである。本実施例では図３から理
解できるように、三次元モデル４の内部を含めた三次元
的な基本形状を表現する基本形状立体４１と、三次元モ
デル４の三次元的な輪郭のみを表現する輪郭層立体４２
とで、三次元モデル４を把握する。
【００１６】輪郭層立体４２の厚みは、実際の三次元造
形物１のサイズに応じて適宜選択できるものの、例えば
０．３〜５ｍｍ程度（０．６ｍｍ）にできる。説明の便
宜上、図３において三次元モデル４の所定の高さ位置の
矢視Ｕ１−Ｕ１線に沿って仮想的にスライスしたスライ
スモデル４０を、例にとって以下説明する。図４は、ス
ライスモデル４０の二次元的な基本形状をハッチングで
表現した基本形状断面モデル４５を示す。図４におい
て、ハッチングで表現された領域４５ａ〜４５ｃは、太
いビーム径のレーザビームＭ１がスキャン照射される領
域を意味する。
【００１７】また図５は、スライスモデル４０の二次元
的な輪郭層のみをハッチングで表現した輪郭層断面モデ
ル４６を示す。図５において、ハッチングで表現された
輪郭層４６ａ〜４６ｆ〜４６ｈは、細いビーム径のレー
ザビームＭ２がスキャン照射される領域を意味する。本
実施例では、図６（Ｂ）から理解できるように、レーザ
ビームＭ１、Ｍ２を照射するに先立ち、所定の載置面に
樹脂被覆砂５０ｃを散布することにより、所定厚みの砂
層５０を形成する。
【００１８】本実施例では、上記した図４に示す基本形
状断面モデル４５のデータに基づいて、太いレーザビー
ムＭ１が照射されるスキャン軌跡を演算する。同様に、
上記した図５に示す輪郭層断面モデル４６に基づいて、
細いレーザビームＭ２が照射されるスキャン軌跡を演算
する。本実施例では、演算されたスキャン軌跡に基づい
て、太いレーザビームＭ１を実際の砂層５０に照射する
と共に、細いレーザビームＭ２を実際の砂層５０に照射
する。図６（Ａ）は、砂層５０にレーザビームＭ１、Ｍ
２が照射された形態を模式的に示す。レーザビームＭ
１、Ｍ２の照射は同時に実行しても良いし、時間的にず
らして実行しても良い。
【００１９】本実施例では、砂層５０のうち、レーザビ
ームＭ１、Ｍ２が照射された樹脂被覆砂５０ｃの樹脂が
熱硬化する。よって、隣接する樹脂被覆砂５０ｃ同士が
結合し、以て一枚の固化層１０が形成される。砂層５０
のうち、レーザビームＭ１、Ｍ２が照射されなかった領
域５０ｋ（図６（Ａ）参照）は、未硬化のままである。
従って後処理においてその領域５０ｋの砂を除去すれ
ば、領域５０ｋは成形キャビティとして機能する空洞と
なる。
【００２０】上記した説明は、図３における矢視Ｕ１−
Ｕ１線に沿うスライスモデル４０を例にとっているが、
図３における他の矢視Ｕ２−Ｕ２線等に沿う他のスライ
スモデルについても同様である。本実施例では、照射の
際には、図７に示すように、ビーム径Ｄ１をもつ太いレ
ーザビームＭ１で照射された部分と、ビーム径Ｄ２をも
つ細いビーザビームＭ２で照射された部分とが部分的に
重合しても良い。
【００２１】或いは、図８に示すように、ビーム径Ｄ１
をもつ太いレーザビームＭ１で照射された部分と、ビー
ム径Ｄ２をもつ細いビーザビームＭ２で照射された部分
とが重合しないようにしても良い。レーザビームの照射
回数が１回だけの場合には、あるいは少ない場合に、図
７及び図８から理解できるように、三次元造形物１にお
いて、レーザビームＭ１、Ｍ２が未照射である固化不充
分領域１ｒが発生するおそれがある。この場合には、レ
ーザビームＭ１、Ｍ２の照射回数を増すことができる。
或いは、後処理において、加熱炉や火炎バーナ等の加熱
手段で固化不充分領域１ｒを別途加熱することにしても
良い。
【００２２】固化不充分領域１ｒが存在していても支障
がない三次元造形物１の場合には、固化不充分領域１ｒ
をそのまま三次元造形物１に残留させておいても良い。
ところで本実施例では前述したように、三次元モデル４
の基本形状を表現する基本形状立体４１の他に、三次元
モデル４の輪郭のみを表現する輪郭層立体４２をも把握
し、その後に、実質的に二次元のスライスモデル４０を
求めることにしている。このように三次元的な輪郭層立
体４２を把握した後で、実質的に二次元的として把握で
きるスライスモデル４０を求める方式の利点について、
以下説明を加える。
【００２３】図９（Ａ）は輪郭層立体４２を備えていな
い単なる三次元モデル４Ｘを示す。図９（Ａ）におい
て、スライスモデル４０Ｘは矢視Ｕ１０−Ｕ１０に沿う
ものであり、スライスモデル４０Ｙは矢視Ｕ１１−Ｕ１
１に沿うものである。図９（Ｂ）はスライスモデル４０
Ｘを示す。図９（Ｂ）では、スライスモデル４０Ｘのう
ち輪郭層４６Ｘａ〜４６Ｘｆ〜４６Ｘｈをハッチングで
表現している。図９（Ｄ）は、スライスモデル４０Ｘよ
りも下方に位置しているスライスモデル４０Ｙを示す。
図９（Ｄ）では、スライスモデル４０Ｙのうち輪郭層４
６Ｙａ〜４６Ｙｆ〜４６Ｙｈをハッチングで表現してい
る。
【００２４】図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）の形態と図９
（Ｄ）の形態とを積層した状態を示す。図９（Ｃ）から
理解できるように、矢印Ｋ１で示す領域は、三次元造形
物１の断面形状が急激に変化する領域であるが、この矢
印Ｋ１で示す領域では、輪郭層４６Ｘｃと輪郭層４６Ｙ
ｃとが不連続となる問題が生じ、連続する完全なる輪郭
層をもつ良好なる三次元造形物が得られにくい。
【００２５】これに対して本実施例では前述したよう
に、輪郭のみを表現する輪郭層立体４２（図３参照）を
求めた後で、スライスモデル４０を求める方式を採用し
ているため、図３から理解できるように矢印Ｋ１’で示
す領域では輪郭層が既に形成されている。その状態で、
実質的に二次元的なスライスモデル４０を求めるため、
図９（Ｃ）とは異なり、輪郭層が不連続となる問題を解
消できる。
【００２６】さて、図１０は、三次元造形物１を形成す
る際の工程手順の一例を示す。先ず、ステップＳ２で
は、製造すべき三次元造形物１に基づいた形状、サイズ
をもつ三次元モデル４を求める。この場合には、三次元
造形物１の伸尺や加工代等を考慮する。ステップＳ４で
は、三次元モデル４のなかの基本形状立体４１を求め
る。ステップＳ６では基本形状立体４１に基づいて基本
形状断面モデル４５を求め、ステップＳ８では、求めた
基本形状断面モデル４５に基づいて、太いレーザビーム
のスキャン軌跡を演算する。ステップＳ１０では、演算
されたスキャン軌跡に基づいて太いレーザビームを照射
する。
【００２７】ステップＳ２０では、三次元モデル４のな
かの輪郭層立体４２を求める。ステップＳ２２では、輪
郭層立体４２に基づいて輪郭層断面モデル４６を求め
る。ステップＳ２４では、求めた輪郭層断面モデル４６
に基づいて、細いレーザビームのスキャン軌跡を演算す
る。ステップＳ２６では、演算されたスキャン軌跡に基
づいて細いレーザビームを照射する。
【００２８】ステップＳ３０では、固化層１０の１枚の
厚みに相当する距離、固化層１０の高さ位置を降下させ
る。ステップＳ３２では、三次元造形物１の造形が終了
したか判定し、終了しておれば、ステップＳ３４で三次
元造形物１を取り出す。終了していなければ、ステップ
Ｓ６、ステップＳ２２に戻る。本実施例では、ステップ
Ｓ４〜ステップＳ１０の手順と、ステップＳ２０〜ステ
ップＳ２６の手順とを同時に実行することが好ましい。
【００２９】（実施例の効果）以上の説明から明らかな
ように本実施例では、三次元造形物１の表層部を形成す
る部分と、三次元造形物１の内部を形成する部分とでレ
ーザビームのビーム径を使い分ける。即ち、三次元造形
物１の内部を形成する部分には、スポット径が大きい太
いレーザビームＭ１を照射する。三次元造形物１の表層
部を形成する部分には、スポット径が小さい細いレーザ
ビームＭ２を照射する。
【００３０】このように三次元造形物１のかなりの容積
を占める内部を、照射面積が大きい太いレーザビームＭ
１で照射するため、三次元造形物１の内部を形成するた
めの照射時間が短縮化される。よって、三次元造形物１
を形成する生産性が向上する。更に本実施例では、三次
元造形物１の輪郭は細いレーザビームＭ２で形成される
ため、三次元造形物１の輪郭の形状精度も確保される。
【００３１】また本実施例では、三次元造形物１におい
て、レーザビームＭ１、Ｍ２が未照射である固化不充分
領域１ｒが発生する場合であっても、加熱炉や火炎バー
ナ等の加熱手段で固化不充分領域１ｒを別途加熱すれ
ば、固化不充分領域１ｒが加熱されて固化するので、三
次元造形物１の一層の強度を確保するのに有利である。 （適用例） （第１適用例）図１１及び図１２は第１適用例を示す。
この例では、固定枠６の内部に昇降盤６０がシリンダ機
構やモータ機構等の昇降手段６１により矢印Ｙ１，Ｙ２
方向に昇降可能に設けられている。樹脂被覆砂５０ｃを
散布する砂散布装置７が矢印Ｃ１方向（砂散布方向）、
矢印Ｃ２方向（退避方向）に水平移動可能に設けられて
いる。砂散布装置７は、樹脂被覆砂５０ｃが収容された
容器７０と、容器７０の底部に搭載された回転可能な切
り出しローラ７１と、容器７０に隣設されたならし板７
２とを備えている。
【００３２】固定枠６の上方には、太いビーム径をもつ
レーザビームＭ１を照射するスキャナ式の主照射部８０
が設けられている。主照射部８０には、レーザビームＭ
１の照射角を連続的な変更する図略の回転ミラーが内蔵
されている。主照射部８０に反射ミラー８１を介して太
いレーザビームＭ１を出力する主レーザ発振器８２（Ｃ
Ｏ2 レーザ、大出力：例えば５ｋＷ〜１０ｋＷ）が設け
られている。
【００３３】更に固定枠６に隣接して可動式のＸＹプロ
ッタ９が設けられている。ＸＹプロッタ９は、Ｘ方向に
沿ってのびる案内レール９０に沿って移動するつまりＸ
方向（Ｘ１、Ｘ２）に移動するＸ走行部９１と、Ｘ走行
部９１に搭載されＹ方向（Ｙ１、Ｙ２）に沿って移動す
るＹ走行部９２と、Ｙ走行部９２に搭載された副照射部
９３とをもつ。副照射部９３は、主照射部８０よりも低
い位置に配置されており、細いビーム径をもつレーザビ
ームＭ２を照射するものである。更に、副照射部９３に
レーザビームを出力する副レーザ発振器９４（ＣＯ2 レ
ーザ、小出力：例えば５０Ｗ〜１００Ｗ）が設けられて
いる。
【００３４】ＸＹプロッタ９の作動により副照射部９３
はＸ方向及びＹ方向に二次元的に移動できる。ＸＹプロ
ッタ９に搭載された副照射部９３は、回転ミラーでレー
ザビームをスキャン照射するスキャナ方式に比較して、
広い領域を歪みなくレーザビーム照射するのに有利であ
る。本例では、最初、砂散布装置７が案内レール７７に
案内されて矢印Ｃ１方向に移動しつつ切り出しローラ７
１が回転し、切り出しローラ７１の溝７１ｃにより樹脂
被覆砂５０ｃが容器７０の外方に吐出口７５から吐出さ
れ、これにより昇降盤６０の上面に樹脂被覆砂５０ｃが
散布され砂層５０（厚み：０．１〜０．３ｍｍ）が形成
される。
【００３５】ならし板７２も容器７０と連動して同方向
に移動するため、ならし板７２により砂層５０の上面は
平滑化される。その後、砂散布装置７が矢印Ｃ２方向に
退避する。これにより砂の散布工程が終了する。次に、
主照射部８０から太いビーム径をもつレーザビームＭ１
を、砂層５０のうちの所定の領域に照射する第１照射操
作を実行する。またＸＹプロッタ９をＸ方向、Ｙ方向に
適宜作動させつつ、副照射部９３から細いビーム径をも
つレーザビームＭ２を、砂層５０のうちの所定の領域に
照射する第２照射操作を実行する。これにより照射工程
が終了する。
【００３６】太いレーザビームＭ１を照射する第１照射
操作と、細いレーザビームＭ２を照射する第２照射操作
とを、時間的に同時に実行しても良い。主照射部８０か
ら照射されるレーザビームＭ１とＸＹプロッタ９との干
渉に起因して、ビーム径が太いレーザビームＭ１がＸＹ
プロッタ９により遮られるおそれがある場合には、第１
照射操作と第２照射操作とを時間的に前後にずらして実
行しても良い。
【００３７】また図１１に示すように、砂層５０を領域
Ｓ１と領域Ｓ２とに区分けし、領域Ｓ１において主照射
部８０により第１照射操作を実行しつつ、領域Ｓ２にお
いて副照射部９３により第２照射操作を実行し、その後
に、照射領域を交替しても良い。上記したように砂の散
布工程、レーザビームＭ１、Ｍ２の照射工程が実行され
ると、砂層５０が固化した固化層１０が形成される。こ
のような砂の散布工程、照射工程が繰り返されると、前
述したように固化層１０が次第に積層され、これにより
三次元造形物１が得られる。
【００３８】（第２適用例）図１３は第２適用例を示
す。この例においても、固定枠６の内部に昇降盤６０が
昇降手段６１により矢印Ｙ１，Ｙ２方向に昇降可能に設
けられている。樹脂被覆砂５０ｃを散布する砂散布装置
７が矢印Ｃ１方向（砂散布方向）、矢印Ｃ２方向（退避
方向）に移動可能に設けられている。固定枠６の上方に
はスキャナ式の主照射部８０が設けられている。主照射
部８０に反射ミラー８１を介して太いレーザビームを出
力する主レーザ発振器８２（ＣＯ2 レーザ、大出力：例
えば１０００Ｗ、ビーム径：５ｍｍ）が設けられてい
る。
【００３９】更に固定枠６の上方には、複数個（例えば
２個）のスキャナ式の副照射部９３が設けられている。
細いレーザビームを各副照射部９３に出力する副レーザ
発振器９４（ＣＯ2 レーザ、小出力：例えば５０Ｗ、ビ
ーム径：０．２ｍｍ）が設けられている。本例において
も、大出力の主照射部８０から太いビーム径をもつレー
ザビームＭ１を、砂層５０のうちの所定の領域に照射す
る第１照射操作を実行する。また小出力の複数の副照射
部９３から細いビーム径をもつレーザビームＭ２を、砂
層５０のうちの所定の領域に照射する第２照射操作を実
行する。細いレーザビームＭ２の走査速度を、太いレー
ザビームの走査速度よりも速くしている。
【００４０】この例では、可動式のＸＹプロッタが設け
られておらず、レーザビームとＸＹプロッタとの干渉の
問題を回避できるため、第１照射操作と第２照射操作と
を時間的に同時に実行できる。場合によっては、時間的
に前後にずらして実行しても良い。図１３に示すように
複数個の副照射部９３が設けられている例では、細いレ
ーザビームの径を複数にしても良い。即ち、複数個の副
照射部９３のうちの一方が細いレーザビームを造形物の
表層部に照射し、他方が極細のレーザビームを造形物の
最表層部を照射することにしても良い。
【００４１】（第３適用例）図１４は、１台の主レーザ
発振器８２で太いレーザビームと細いレーザビームとを
時間的にずらして照射する第３適用例を示す。この例に
おいても、固定枠６の内部に昇降盤６０がシリンダ機構
やモータ機構等の昇降手段６１により昇降可能に設けら
れている。樹脂被覆砂５０ｃを散布する砂散布装置７が
矢印Ｃ１方向（砂散布方向）、矢印Ｃ２方向（退避方
向）に水平移動可能に設けられている。砂散布装置７
は、樹脂被覆砂５０ｃが収容された容器７０と、容器７
０の底部に搭載された回転可能な切り出しローラ７１
と、容器７０に隣設されたならし板７２と、容器７０を
矢印Ｃ１，Ｃ２方向に水平移動させる駆動部７７とを備
えている。駆動部７７は、駆動シリンダや駆動モータ等
を利用した機構を採用できる。
【００４２】固定枠６の上方には、太いビーム径をもつ
レーザビームＭ１を照射するスキャナ式の主照射部８０
が設けられている。主照射部８０には、レーザビームＭ
１の照射角を連続的な変更する図略の回転ミラーが内蔵
されている。主照射部８０に反射ミラー８１ａ〜８１ｃ
を介してレーザビームを出力する１台のレーザ発振器８
２ａ（ＣＯ2 レーザ、大出力：例えば５ｋＷ〜１０ｋ
Ｗ）が設けられている。
【００４３】更にレーザ発振器８２ａと主照射部８０と
の間には、可動式のビーム分割手段１００が配置されて
いる。ビーム分割手段１００は、ハーフミラーで構成さ
れたビームスプリッタ１０１と、ビーム径調整レンズ１
０２と、ハウジング１０３とをもつ。ビーム径調整レン
ズ１０２は、ビーム径を５ｍｍから０．２ｍｍとなるよ
うに減少できるレンズ機能をもつ。
【００４４】ビーム分割手段１００は、矢印Ｅ１，Ｅ２
方向に駆動部１０６により移動され、レーザビーム経路
に対して出し入れ可能である。ビーム分割手段１００の
近傍には、冷却部１３０ｗをもつビーム吸収器１３０が
配置されている。ビーム吸収器１３０は、レーザビーム
を吸収するもの機能をもつものであり、例えば、アルミ
等の金属体に吸収皮膜を被覆して形成できる。代表的な
吸収皮膜としては、アルマイト皮膜、グラファイト皮
膜、リン酸マンガン皮膜などを採用できる。
【００４５】制御装置２００は、信号線８１ｒを介して
レーザ発振器８２ａ、信号線１０６ｒを介して駆動部１
０６、信号線８０ｒを介して主照射部８０、信号線７７
ｒを介して駆動部７７、信号線６１ｒを介して昇降手段
６１を制御する。本例においても、最初、砂散布装置７
が案内レール７７に案内されて矢印Ｃ１方向に移動しつ
つ切り出しローラ７１が回転し、切り出しローラ７１の
溝７１ｃにより樹脂被覆砂５０ｃが容器７０の外方に吐
出口７５から吐出され、これにより昇降盤６０の上面に
樹脂被覆砂５０ｃが散布され、砂層５０が形成される。
【００４６】ならし板７２も容器７０と連動して同方向
に移動するため、ならし板７２により砂層５０の上面は
平滑化される。その後、砂散布装置７が矢印Ｃ２方向に
退避する。これにより砂の散布工程が終了する。本例で
は最初に、細いレーザビームＭ２を照射する。この場合
には、駆動部１０６を駆動させてビーム分割手段１００
を矢印Ｅ１方向に移動させてレーザビーム経路Ｌｅに配
置しておく。レーザ発振器８２ａからレーザビームＭが
発振されると、そのレーザビームはビーム調整機８２
ｘ、反射ミラー８１ａを介してビーム分割手段１００の
ビームスプリッタ１０１に至る。レーザビームはビーム
スプリッタ１０１により２つのビームＭＡ，ＭＢに分割
される。分割された一方のビームＭＡは、ビーム吸収器
１３０で吸収される。分割された他方のビームＭＢは、
ビーム径調整レンズ１０２で調整された後に、反射ミラ
ー８１ｂ，８１ｃを経て主照射部８０に至る。これによ
り主照射部８０から細いビーム径をもつレーザビームＭ
２を、砂層５０のうちの所定の領域に照射する。
【００４７】細いレーザビームＭ２の照射後に太いレー
ザビームＭ１を照射する。この場合には、駆動部１０６
を逆方向に駆動させてビーム分割手段１００を矢印Ｅ２
方向に移動させてレーザビーム経路Ｌｅから退避させて
おく。レーザ発振器８２ａから発振されたレーザビーム
は、ビーム調整機８２ｘ、反射ミラー８１ａ，８１ｂ,
８１ｃを介して主照射部８０に至る。これにより主照射
部８０から、太いビーム径をもつレーザビームＭ１を砂
層５０のうちの所定の領域に照射する。このときビーム
分割手段１００がレーザビーム経路Ｌｅから退避してい
るため、レーザビームはビーム分割手段１００を通過し
ない。
【００４８】換言すれば本実施例では、次の（Ａ）〜
（Ｅ）が繰り返して実行される。 （Ａ）砂散布 （Ｂ）細いレーザビームＭ２による造形物の輪郭形状の
スキャン照射 （Ｃ）レーザビーム経路Ｌｅからのビーム分割手段１０
０の退避 （Ｄ）太いレーザビームＭ１による造形物の内部形状の
スキャン照射 （Ｅ）レーザビーム経路Ｌｅに対するビーム分割手段１
００の挿入 上記したように砂の散布工程、レーザビームＭ１、Ｍ２
の照射工程が実行されると、砂層５０が固化した固化層
１０が形成される。このような砂の散布工程、照射工程
が多数回繰り返されると、前述したように固化層１０が
次第に積層され、これにより三次元造形物１が得られ
る。
【００４９】本例では、太いレーザビーム（ビーム径：
５ｍｍ）を照射する場合にはレーザ発振器８２ａの出力
を大パワーとし、細いレーザビーム（ビーム径：０．２
ｍｍ）を照射する場合にはレーザ発振器８２ａの出力を
小パワーにできる。ところでレーザ発振器８２ａの種類
によっては、大出力のレーザ発振器の出力を小出力に低
下させて使用すると、レーザビームの発振が不安定とな
ることがある。例えば、出力が１０００Ｗでビーム径が
５ｍｍのレーザ発振器８２ａの場合には、５０Ｗの出力
に低下すると、出力比が１／２０となり、レーザ発振器
８２ａの発振が不安定となることがある。更にビーム径
も５ｍｍから０．２ｍｍに、つまり１／２５に減少させ
る必要がある。
【００５０】従って本例では、細いレーザビームを照射
するときには、太いレーザビームを照射する場合に比較
してビーム発振器８２ａの出力をあまり低下させること
なく、レーザビームをビーム分割手段１００に通過させ
る。このようにすれば、レーザ発振器８２ａの発振安定
性を維持しつつ、細いレーザビームを生成できる。 （第４適用例）図１５は、１台のレーザ発振器８２ａを
使用し、１本のレーザビームを太いレーザビームと細い
レーザビームとに分割し、太いレーザビームと細いレー
ザビームとを同時に照射する第４適用例を示す。この例
は、図１４に示す例と基本的には同様の構成である。以
下、異なる部位を中心として説明する。この場合には、
駆動部１０６を駆動させてビーム分割手段１００を矢印
Ｅ１方向に移動させてレーザビーム経路Ｌｅに配置させ
ておく。レーザ発振器８２ａからレーザビームが発振さ
れると、そのレーザビームはビーム調整機８２ｘ、反射
ミラー８１ａを介してビーム分割手段１００のビームス
プリッタ１０１に至る。レーザビームはビームスプリッ
タ１０１により２つのビーム、つまり、太いレーザビー
ムＭ１と細いレーザビームＭ２とに分割される。このと
きエネルギの比としては、太いレーザビームＭ１：細い
レーザビームＭ２=（９：１）〜（７：３）に分割でき
る。
【００５１】分割された太いレーザビームＭ１はビーム
径調整レンズ１０２で調整された後に、反射ミラー８１
ｂ,８１ｃを経て主照射部８０に至る。これにより主照
射部８０は太いレーザビームＭ１を砂層５０のうちの所
定の領域に照射する。分割された細いレーザビームＭ２
は反射ミラー８１ｋで反射され、ビーム径調整レンズ１
１２で調整された後に、反射ミラー８１ｍ，８１ｎを経
て副照射部９３に至る。これにより副照射部９３は、細
いレーザビームＭ２を砂層５０のうちの所定の領域に照
射する。
【００５２】この例によれば、１台のレーザ発振器８２
ａから発振されたレーザビームＭを、太いレーザビーム
Ｍ１と細いレーザビームＭ２とにビーム分割手段１００
によって分割し、同時に照射するので、レーザ発振器８
２ａから発振されたレーザビームを捨てることなく、有
効に利用できる。 （他の適用例）上記した例ではビームスプリッタ１０１
は１個であるが、これに限らず、複数個のビームスプリ
ッタ１０１を複数個配置することもできる。このように
すれば、レーザビームのビーム径が大きく減少するた
め、レーザ発振器８２ａの安定性を維持しつつ、細いレ
ーザビームを生成するのに有利である。
【００５３】
【発明の効果】本発明方法では、三次元造形物の表層部
を形成する部分と、三次元造形物の内部を形成する部分
とでレーザビームのビーム径を使い分ける。そして、内
部を形成する部分には太いレーザビームを照射する。表
層部を形成する部分には細いレーザビームを照射する。
そのため三次元造形物の内部を形成するための照射時間
が短縮化され、三次元造形物を形成する生産性が向上す
る。更に三次元造形物の輪郭は細いレーザビームで形成
されるため、輪郭の精度も確保される。
【００５４】本発明方法では、太いレーザビームと細い
レーザビームとを１台のレーザ発振器から照射する場合
には、レーザ発振器のための設備費を低減するのに有利
である。本発明方法では、太いレーザビームと細いレー
ザビームとを別々のレーザ発振器から照射する場合に
は、太いレーザビームの照射と細いレーザビームの照射
とを同時に行うことができ、照射時間の短縮化に有利で
ある。この場合においても、もちろん、太いレーザビー
ムと細いレーザビームとを時間的にずらして照射しても
良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】三次元造形物の斜視図である。
【図２】三次元造形物の断面図である。
【図３】三次元モデルの断面図である。
【図４】基本形状断面モデルの断面図である。
【図５】輪郭層断面モデルの断面図である。
【図６】（Ａ）は太いレーザビームと細いレーザビーム
との双方を照射した形態を示す平面図であり、（Ｂ）は
砂層の断面図である。
【図７】太いレーザビームと細いレーザビームとの双方
を照射した形態を示す構成図である。
【図８】太いレーザビームと細いレーザビームとの双方
を照射した他の形態を示す構成図である。
【図９】輪郭層立体をもつ三次元モデルを求める利点を
説明するための構成図である。
【図１０】操作手順を示すフローチャートである。
【図１１】第１適用例の側面形態を示す構成図である。
【図１２】第１適用例の平面形態を示す構成図である。
【図１３】第２適用例の側面形態を示す構成図である。
【図１４】第３適用例の側面形態を示す構成図である。
【図１５】第４適用例の側面形態を示す構成図である。
【図１６】従来技術に係り、三次元造形物の表層部の凸
部を示す構成図である。
【符号の説明】 図中、１は三次元造形物、１０は固化層、４は三次元モ
デル、４０はスライスモデル、４５は基本形状断面モデ
ル、４６は輪郭層断面モデル、８０は主照射部、９３は
副照射部、Ｍ１、Ｍ２はレーザビームを示す。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】レーザビームの照射により固化する材料に
    レーザビームを照射して固化層を形成し、前記固化層を
    積層して三次元造形物を形成する積層造形方法におい
    て、 レーザビームを照射する際に、前記三次元造形物の表層
    部を形成する部分と、前記三次元造形物の内部を形成す
    る部分とでレーザビームのビーム径を使い分け、 前記内部を形成する部分には太いレーザビームを照射
    し、前記表層部を形成する部分には太いレーザビームよ
    りも細いレーザビームを照射することを特徴とする積層
    造形方法。
  2. 【請求項２】前記太いレーザビームと前記細いレーザビ
    ームとを１台のレーザ発振器から照射することを特徴と
    する請求項１に記載の積層造形方法。
  3. 【請求項３】前記太いレーザビームと前記細いレーザビ
    ームとを別々のレーザ発振器から照射することを特徴と
    する請求項１に記載の積層造形方法。
JP10047719A 1997-04-25 1998-02-27 積層造形方法 Pending JPH115254A (ja)

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