特許 6170239 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

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6170239

(24)【登録日】2017年7月7日

(45)【発行日】2017年7月26日

(54)【発明の名称】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

(51)【国際特許分類】

   B22F 3/16 20060101AFI20170713BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20170713BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20170713BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20170713BHJP

【ＦＩ】

   B22F3/16

   B22F3/105

   B33Y30/00

   B33Y10/00

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2016-510865(P2016-510865)

(86)(22)【出願日】2015年12月25日

(86)【国際出願番号】JP2015086431

【審査請求日】2016年2月29日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度 経済産業省「産業技術開発（次世代産業用三次元造形システム技術開発）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】514227988

【氏名又は名称】技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100134430

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 卓士

(74)【代理人】

【識別番号】100198960

【弁理士】

【氏名又は名称】奥住 忍

(72)【発明者】

【氏名】深瀬 泰志

【審査官】 米田 健志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１８３２８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２２Ｆ ３／１０５

Ｂ２２Ｆ ３／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数種類の材料を積層して傾斜組成を有する３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置であって、
走査しながら前記材料を供給する材料供給手段と、
前記材料にビームを照射する照射手段と、
前記材料供給手段を制御する制御手段と、
前記材料供給手段による前記材料の供給と、前記照射手段による前記材料の照射とを繰り返して前記３次元積層造形物を造形する造形手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記３次元積層造形物の前記異種材料の境界領域において、前記１層分の材料の傾斜組成が、前記材料の積層方向に対して垂直な垂直方向に形成されるように前記材料供給手段を制御し、さらに、前記材料供給手段が材料の走査範囲のうち所定走査範囲に、前記３次元積層造形物の前記１層分の積層に必要な量の所定材料を所定回数に分けて供給するように前記材料供給手段を制御する３次元積層造形装置。

【請求項2】

前記照射手段は、前記所定回数に基づいて、ビーム強度を調整する請求項１に記載の３次元積層造形装置。

【請求項3】

前記ビームは、レーザビームである請求項１または２に記載の３次元積層造形装置。

【請求項4】

前記材料は、金属粉体である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。

【請求項5】

複数種類の材料を積層して傾斜組成を有する３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置であって、
走査しながら前記材料を供給する材料供給手段と、
前記材料にビームを照射する照射手段と、
前記材料供給手段を制御する制御手段と、
前記材料供給手段による前記材料の供給と、前記照射手段による前記材料の照射とを繰り返して前記３次元積層造形物を造形する造形手段と、
を備える３次元積層造形装置の制御方法であって、
前記制御手段が、前記３次元積層造形物の前記異種材料の境界領域において、前記１層分の材料の傾斜組成が、前記材料の積層方向に対して垂直な垂直方向に形成されるように前記材料供給手段を制御し、さらに、前記材料供給手段が材料の走査範囲のうち所定走査範囲に、前記３次元積層造形物の前記１層分の積層に必要な量の所定材料を所定回数に分けて供給するように前記材料供給手段を制御するステップを含む３次元積層造形装置の制御方法。

【請求項6】

複数種類の材料を積層して傾斜組成を有する３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置であって、
走査しながら前記材料を供給する材料供給手段と、
前記材料にビームを照射する照射手段と、
前記材料供給手段を制御する制御手段と、
前記材料供給手段による前記材料の供給と、前記照射手段による前記材料の照射とを繰り返して前記３次元積層造形物を造形する造形手段と、
を備える３次元積層造形装置の制御プログラムであって、
前記制御手段が、前記３次元積層造形物の前記異種材料の境界領域において、前記１層分の材料の傾斜組成が、前記材料の積層方向に対して垂直な垂直方向に形成されるように前記材料供給手段を制御し、さらに、前記材料供給手段が材料の走査範囲のうち所定走査範囲に、前記３次元積層造形物の前記１層分の積層に必要な量の所定材料を所定回数に分けて供給するように前記材料供給手段を制御するステップをコンピュータに実行させる３次元積層造形装置の制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

上記技術分野において、特許文献１には、複数種の材料の供給量を変化させながら材料を供給する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５−８５５４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記文献に記載の技術では、傾斜組成を有する３次元積層造形物を精度よく造形することができなかった。

【0005】

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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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、
複数種類の材料を積層して傾斜組成を有する３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置であって、
走査しながら前記材料を供給する材料供給手段と、
前記材料にビームを照射する照射手段と、
前記材料供給手段を制御する制御手段と、
前記材料供給手段による前記材料の供給と、前記照射手段による前記材料の照射とを繰り返して前記３次元積層造形物を造形する造形手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記３次元積層造形物の前記異種材料の境界領域において、前記１層分の材料の傾斜組成が、前記材料の積層方向に対して垂直な垂直方向に形成されるように前記材料供給手段を制御し、さらに、前記材料供給手段が材料の走査範囲のうち所定走査範囲に、前記３次元積層造形物の前記１層分の積層に必要な量の所定材料を所定回数に分けて供給するように前記材料供給手段を制御する。

【0007】

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、
複数種類の材料を積層して傾斜組成を有する３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置であって、
走査しながら前記材料を供給する材料供給手段と、
前記材料にビームを照射する照射手段と、
前記材料供給手段を制御する制御手段と、
前記材料供給手段による前記材料の供給と、前記照射手段による前記材料の照射とを繰り返して前記３次元積層造形物を造形する造形手段と、
を備える３次元積層造形装置の制御方法であって、
前記制御手段が、前記３次元積層造形物の前記異種材料の境界領域において、前記１層分の材料の傾斜組成が、前記材料の積層方向に対して垂直な垂直方向に形成されるように前記材料供給手段を制御し、さらに、前記材料供給手段が材料の走査範囲のうち所定走査範囲に、前記３次元積層造形物の前記１層分の積層に必要な量の所定材料を所定回数に分けて供給するように前記材料供給手段を制御するステップを含む。

【0008】

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、
複数種類の材料を積層して傾斜組成を有する３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置であって、
走査しながら前記材料を供給する材料供給手段と、
前記材料にビームを照射する照射手段と、
前記材料供給手段を制御する制御手段と、
前記材料供給手段による前記材料の供給と、前記照射手段による前記材料の照射とを繰り返して前記３次元積層造形物を造形する造形手段と、
を備える３次元積層造形装置の制御プログラムであって、
前記制御手段が、前記３次元積層造形物の前記異種材料の境界領域において、前記１層分の材料の傾斜組成が、前記材料の積層方向に対して垂直な垂直方向に形成されるように前記材料供給手段を制御し、さらに、前記材料供給手段が材料の走査範囲のうち所定走査範囲に、前記３次元積層造形物の前記１層分の積層に必要な量の所定材料を所定回数に分けて供給するように前記材料供給手段を制御するステップをコンピュータに実行させる。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、傾斜組成を有する３次元積層造形物を精度よく造形することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】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の概略を説明する図である。

【図2A】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３次元積層造形物の造形の概要を説明する模式図である。

【図2B】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３次元積層造形物の造形の他の概要を説明する模式図である。

【図3】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材料の混合比率の調整方法を説明する図である。

【図4】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３次元積層造形物の造形の概略を説明する図である。

【図5】本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した３次元積層造形物の概要を説明する図である。

【図6A】本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した３次元積層造形物の造形工程を分解した図である。

【図6B】本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した３次元積層造形物の造形工程の概要を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

［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３を用いて説明する。

【0013】

＜前提技術＞
図４は、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００の前提技術に係る３次元積層造形装置による３次元積層造形物の造形の概略を説明する図である。図４（ａ）は、傾斜組成を有する３次元積層造形物の理想的な造形の様子を示している。図４（ｂ）は、傾斜組成を有する３次元積層造形物の実際の造形の様子を示している。

【0014】

同図（ａ）に示したように、前提技術に係る３次元積層造形装置において、理想的なケースでは、不図示の制御部からの制御信号に対して、加工ヘッドやノズルなどが瞬時に反応し、所望の位置から正確に材料供給を開始することができる。したがって、理想的なケースにおいては、傾斜組成の開始位置を所望の開始位置とすることができる。

【0015】

これに対して、同図（ｂ）に示したように、実際の造形においては、ノズルに対して、傾斜組成の形成を開始するという制御信号を送信しても、ノズルは制御信号を受信して動作を開始しているが、ノズルの先端まで材料が搬送されてくるまでには時間がかかる。そうすると、材料供給の開始位置が所望の開始位置からずれるので、傾斜組成の開始位置がずれる。よって、傾斜組成を有する３次元積層造形物を造形することはできるものの、傾斜開始位置の精度が低下した傾斜組成を有する３次元積層造形物しか造形することができなかった。

【0016】

つまり、ノズルから材料を供給（噴射）しながら、加工ヘッド（ノズル）を走査させる場合、例えば、ノズルの走査速度が５０ｍｍ／秒で、ノズルの先端に材料が供給されるまでに５秒要したとすると、材料の供給位置が２５０ｍｍずれる。つまり、材料が、加工面へ到達するのに時間が必要であり、その間、加工ヘッド（ノズル）は移動しているので、材料の供給位置がずれてしまう。

【0017】

このように、前提技術における３次元積層造形装置では、ノズルが制御信号を受信してから実際に材料供給が開始されるまでの間にタイムラグが生じるので、材料供給の開始位置（開始座標）と、材料供給量（材料配合比）とを合致させるのが困難であった。したがって、傾斜組成を有する３次元積層造形物を精度よく造形することができなかった。

【0018】

＜本実施形態の技術＞
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、ここに示した部材以外の部材などについては、図が煩雑になるのを避けるため適宜省略している。

【0019】

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。

【0020】

図１に示すように、３次元積層造形装置１００は、光源１０１と、鏡筒１０２と、ノズル１０３と、制御部１０４と、材料貯蔵部１０５とを含む。光源１０１は、レーザビームなどを発生させる。鏡筒１０２は、発生したレーザビームの経路を調整して、造形台１３０に誘導する。ノズル１０３は、ノズル１０３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１０５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１０３に対して材料を供給する。

【0021】

制御部１０４は、光源１０１、鏡筒１０２、ノズル１０３および材料貯蔵部１０５と接続されている。制御部１０４は、光源１０１を制御して、レーザビームなどの出力などを調整する。同様に、制御部１０４は、鏡筒１０２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１０４は、ノズル１０３および材料貯蔵部１０５を制御して、ノズル１０３の走査速度やノズル１０３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。

【0022】

次に、図２を参照して、３次元積層造形装置１００による３次元積層造形物１２０の造形方法について説明する。図２Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００による３次元積層造形物１２０の造形の概要を説明する模式図である。図２Ａ（ａ）は、３次元積層造形物１２０を上面から見た模式図であり、図２Ａ（ｂ）は、３次元積層造形物１２０を側面から見た模式図である。図２Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００による３次元積層造形物１２０の造形の他の概要を説明する模式図である。図２Ｂ（ａ）は、３次元積層造形物１２０を上面から見た模式図であり、図２Ｂ（ｂ）は、３次元積層造形物１２０を側面から見た模式図である。

【0023】

３次元積層造形物１２０は、２種類の材料を積層して造形される造形物であり、図２（ａ）に示したように、３次元積層造形物１２０は、左から順に材料の組成が変化する傾斜組成を有している。同図に示したように、３次元積層造形物１２０の走査範囲２０１は、５つの走査範囲２１１，２１２，２１３，２１４，２１５に分けられ、左から順に走査範囲２１１，２１２，２１３，２１４，２１５が並んでいる。走査範囲２０１は、例えば、ノズル１０３やリコータなどの材料供給部が走査可能な範囲を示している。

【0024】

走査範囲２１１は、Ａ材が１００％で構成されている。走査範囲２１２は、Ａ材が７５％で、Ｂ材が２５％で構成されている。走査範囲２１３は、Ａ材、Ｂ材ともに５０％で構成されている。走査範囲２１４は、Ａ材が２５％で、Ｂ材が７５％で構成されている。走査範囲２１５は、Ｂ材が１００％で構成されている。このように、造形することにより、造形中（走査中）に材料の供給量や供給比率を変化させなくても、３次元積層造形物１２０は、１層の中で左から順にＡ材とＢ材との混合濃度が変化する傾斜組成を有する造形物となる。

【0025】

次に、図２Ａ（ｂ）に示したように、３次元積層造形物１２０の積層は次の手順で行われる。まず、１回目の走査（積層）では、Ａ材を走査範囲２１１から走査範囲２１４まで供給し、Ｂ材を走査範囲２１５に供給する。２回目の走査では、Ａ材を走査範囲２１１から走査範囲２１３まで供給し、Ｂ材を走査範囲２１４から走査範囲２１５まで供給する。３回目の走査では、Ａ材を走査範囲２１１から走査範囲２１２まで供給し、Ｂ材を走査範囲２１３から走査範囲２１５まで供給する。４回目の走査では、Ａ材を走査範囲２１１に供給し、Ｂ材を走査範囲２１２から走査範囲２１５まで供給する。

【0026】

このように材料を散布すると、走査範囲２１１ではＡ材の濃度が１００％となり、走査範囲２１２ではＡ材の濃度が７５％、Ｂ材の濃度が２５％となる。そして、走査範囲２１３ではＡ材の濃度が５０％、Ｂ材の濃度が５０％となり、走査範囲２１４ではＡ材の濃度が２５％、Ｂ材の濃度が７５％となり、走査範囲２１５ではＢ材の濃度が１００％となる。

【0027】

つまり、本実施形態の造形方法では、ノズル１０３が動いている間には材料（キャリアガス１４０に含まれる材料）の供給量は変化させずに、材料の供給回数（ノズル１０３の走査回数）によって組成を調整する。このような造形方法を採用すれば、走査方向に対して、Ａ材の濃度が１００％から、Ａ材の濃度が徐々に減少し、最終的にＢ材の濃度が１００％となるような、Ａ材とＢ材との混合濃度が変化する傾斜組成（グラデーション）を形成することができる。また、本実施形態の造形方法では、ノズル１０３の稼働中に材料の供給量を変化させないので、造形速度は低下するが、傾斜組成の形成の位置精度は大幅に向上する。

【0028】

なお、ここでは、１層の造形に要する走査回数を１／４ずつ４回に分けて造形する例で説明をしたが、１層を分ける回数は４回には限定されず、任意の回数に分けてもよい。なお、材料に照射するレーザなどの出力は、１層の造形に要する走査回数に応じて変更する。すなわち、１層の造形に要する走査回数が増えれば、１回の走査で供給される材料の量が少なくなるので、これに合わせてレーザの出力を弱めればよい。また、これに対して、１層の造形に要する走査回数を減らせば、供給する材料の量が多くなるので、レーザ出力を強めればよい。

【0029】

また、図２Ｂに示したように、送り方向（Ｙ方向）に対して、積層の順番を変えてもよい。すなわち、送り方向に傾斜組成を形成してもよい。なお、上述の説明では、ＬＭＤ（Laser Metal Deposition）方式のように、レーザビームなどを照射して溶融プールを作っておき、溶融プールの中に材料を放り込む方式を想定して説明をした。しかしながら、パウダーベッド方式のように、最初に材料を造形面に散布し、散布した材料にレーザビームなどを照射する方式にも適用可能である。また、上述の説明では、１層の中で傾斜組成を形成する例で説明したが、例えば、このような積層方法を、複数層の間に適用することも可能である。

【0030】

図３は、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００による材料の混合比率の調整方法を説明する図である。例えば、Ａ材を８０％、Ｂ材を２０％混合した層を造形する場合、１回目〜４回目の走査では、Ａ材を例えば、１ｇ／ｍｉｎで供給し、５回目の走査では、Ｂ材を同様に１ｇ／ｍｉｎで供給すればよい。このプロセスを２層目以降の造形でも繰り返せば、３次元積層造形物１２０として、Ａ材とＢ材との混合比率が８０％：２０％の造形物を造形できる。このように、材料の走査回数を調整することにより、Ａ材とＢ材との混合比率を変更することが可能となるので、傾斜組成を有する３次元積層造形物１２０を造形できる。

【0031】

本実施形態によれば、ノズルの稼働中に材料の供給量を変化させずに、ノズルの走査回数により材料の供給量や供給濃度を変化させるので、傾斜組成を有する３次元積層造形物を精度よく造形することができる。

【0032】

［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５乃至図６Ｂを用いて説明する。図５は、本実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した３次元積層造形物の概要を説明するための上面図である。また、本実施形態においても、１層を１／４に分けて４回走査して造形する例で説明をする。なお、図４の括弧内の数字は、走査回数を表す。

【0033】

３次元積層造形物３０１は、中央部から外周部へ向かってＡ材の濃度が高くなる（Ｂ材の濃度が小さくなる）造形物である。走査範囲３１１は、Ａ材が２５％、Ｂ材が７５％であり、走査範囲３１２は、Ａ材およびＢ材が５０％である。同様に、走査範囲３１３は、Ａ材が７５％、Ｂ材２５％であり、走査範囲３１４は、Ａ材が１００％である。

【0034】

図６Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した３次元積層造形物の造形工程を分解した図である。同図に示したように、３次元積層造形装置は、順に、１／４層目→（２−１）／４層目→（２−２）／４層目→（３−１）／４層目→（３−２）／４層目→（４−１）／４層目→（４−２）／層目とノズル１０３を走査させて、各層を造形する。

【0035】

図６Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置により造形した３次元積層造形物の造形工程の概要を説明する図であり、１層を４つに分割した各層の造形後のＡ材およびＢ材の混合比率を表している。例えば、１層目の造形後は、Ａ材が１００％であり、２層目の造形後は、Ａ材が５０％、Ｂ材が５０％である。３層目の造形後は、２層目と重なる部分である走査範囲３１１は、Ａ材が３３％、Ｂ材が６６％であり、（３−１）／４層目で走査した走査範囲３１２は、Ａ材が６６％、Ｂ材が３３％となる。そして、４層目の造形後は、走査範囲３１２は、Ａ材およびＢ材が５０％となり、（４−２）／４層目で走査した部分である走査範囲３１３は、Ａ材が７５％、Ｂ材が２５％となる。

【0036】

本実施形態によれば、様々な傾斜組成を有する３次元積層造形物を精度よく造形することができる。また、材料の混合むらのない傾斜組成を有する３次元積層造形物を精度よく造形することができる。

【0037】

［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。

【0038】

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。

【要約】

傾斜組成を有する３次元積層造形物を精度よく造形すること。複数種類の材料を積層して傾斜組成を有する３次元積層造形物を造形する３次元積層造形装置であって、走査しながら前記材料を供給する材料供給手段と、前記材料にビームを照射する照射手段と、前記材料供給手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記材料供給手段が材料の走査範囲のうち所定走査範囲に、前記３次元積層造形物の１層分の積層に必要な量の所定材料を所定回数に分けて供給するように前記材料供給手段を制御する。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】