特開 2024-104966 三次元積層造形装置、及び三次元積層造形方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024104966

(43)【公開日】2024-08-06

(54)【発明の名称】三次元積層造形装置、及び三次元積層造形方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 10/36 20210101AFI20240730BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20240730BHJP

   B29C 64/393 20170101ALI20240730BHJP

   B29C 64/268 20170101ALI20240730BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240730BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240730BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20240730BHJP

   B22F 10/25 20210101ALI20240730BHJP

   B22F 12/41 20210101ALI20240730BHJP

【ＦＩ】

B22F10/36

B29C64/153

B29C64/393

B29C64/268

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y50/02

B22F10/25

B22F12/41

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023009436

(22)【出願日】2023-01-25

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100162868

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 英輔

(74)【代理人】

【識別番号】100161702

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100189348

【弁理士】

【氏名又は名称】古都 智

(74)【代理人】

【識別番号】100196689

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 康一郎

(72)【発明者】

【氏名】成田 竜一

【テーマコード（参考）】

4F213

4K018

【Ｆターム（参考）】

4F213AP11

4F213AP12

4F213AQ01

4K018CA44

4K018EA51

(57)【要約】

【課題】造形物に照射されるレーザーのエネルギー密度を適正に維持することができる三次元積層造形装置、及び三次元積層造形方法を提供する。
【解決手段】三次元積層造形装置は、造形物の造形面に粉末材料を供給し、供給された粉末材料にレーザーを照射することで粉末材料を溶融硬化させて、造形物を積層造形する三次元積層造形装置であって、造形物を支持するステージを有する造形装置本体と、レーザーを生成するレーザー発振部と、造形面に向かってレーザーを照射するとともに、レーザーの造形面に対する照射角度を変化させることが可能な照射部と、造形面におけるレーザーの照射面積に基づいてレーザーの出力を調節することが可能な出力調節部と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

造形物の造形面に粉末材料を供給し、供給された前記粉末材料にレーザーを照射することで前記粉末材料を溶融硬化させて、前記造形物を積層造形する三次元積層造形装置であって、
前記造形物を支持するステージを有する造形装置本体と、
前記レーザーを生成するレーザー発振部と、
前記造形面に向かって前記レーザーを照射するとともに、前記レーザーの前記造形面に対する照射角度を変化させることが可能な照射部と、
前記造形面における前記レーザーの照射面積に基づいて前記レーザーの出力を調節することが可能な出力調節部と、
を備える三次元積層造形装置。

【請求項2】

前記出力調節部は、前記照射角度がゼロの状態における前記レーザーの出力、及び前記照射面積をそれぞれＰ_０、Ｄ_０としたときに、任意の位置（ｘ、ｙ）における前記レーザーの出力Ｐ_ｘｙを（１）式のように決定する請求項１に記載の三次元積層造形装置。
Ｐ_ｘｙ＝Ｐ_０×π／４×Ｄｘｃｏｓθｘ×Ｄｙｃｏｓθｙ／（πＤ_０ ^２／４）・・・（１）

【請求項3】

前記出力調節部は、予め取得された前記造形面の任意の位置における前記レーザーに直交する計測面でのビーム径に基づいて、前記レーザーの出力を調節する請求項１又は２に記載の三次元積層造形装置。

【請求項4】

前記出力調節部は、前記レーザーの照射点を中心とする同心円状をなす分割線によって前記造形面を複数の区画に分割し、該区画ごとに異なる前記レーザーの出力を設定することが可能な請求項１又は２に記載の三次元積層造形装置。

【請求項5】

複数の前記照射部を備え、
前記出力調節部は、前記照射部ごとに前記複数の区画を設定する請求項４に記載の三次元積層造形装置。

【請求項6】

粉末材料にレーザーを照射して前記粉末材料を溶融硬化させて造形物を生成する三次元積層造形方法であって、
前記レーザーを生成するステップと、
前記粉末材料が敷設された造形面に向かって前記レーザーを照射するとともに、前記レーザーの前記造形面に対する照射角度を変化させるステップと、
前記造形面における前記レーザーの照射面積を取得するステップと、
前記照射面積に基づいて前記レーザーの出力を調節するステップと、
を含む三次元積層造形方法。

【請求項7】

前記レーザーの出力を調節するステップでは、前記照射角度がゼロの状態における前記レーザーの前記出力、及び前記照射面積をそれぞれＰ_０、Ｄ_０としたときに、任意の位置（ｘ、ｙ）における前記レーザーの前記出力Ｐ_ｘｙを（１）式のように決定する請求項６に記載の三次元積層造形方法。
Ｐ_ｘｙ＝Ｐ_０×π／４×Ｄｘｃｏｓθｘ×Ｄｙｃｏｓθｙ／（πＤ_０ ^２／４）・・・（１）

【請求項8】

前記レーザーの前記出力を調節するステップでは、予め取得された前記造形面の任意の位置における前記レーザーに直交する計測面でのビーム径に基づいて、前記レーザーの前記出力を調節する請求項６又は７に記載の三次元積層造形方法。

【請求項9】

前記レーザーの前記出力を調節するステップでは、前記レーザーの照射点を中心とする同心円状をなす分割線によって前記造形面を複数の区画に分割し、該区画ごとに異なる前記レーザーの前記出力を設定する請求項６又は７に記載の三次元積層造形方法。

【請求項10】

複数の前記照射点から前記レーザーをそれぞれ照射し、
前記レーザーの前記出力を調節するステップでは、前記レーザーごとに前記複数の区画を設定する請求項９に記載の三次元積層造形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、三次元積層造形装置、及び三次元積層造形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザーを金属粒子等に照射して溶融硬化させる工程を複数の層にわたって繰り返すことで造形物を得る三次元積層造形という技術が近年実用化されている。この種の技術を用いた装置では、少なくとも１つの照射点から照射されたレーザーの照射角度を、ガルバノスキャナー等の光学機器を用いて時々刻々と変化させながら、レーザーが所定の経路をなぞることで造形物が構築されていく。

【0003】

ここで、レーザーを用いた加工装置の一例として、下記特許文献１に記載されたものが知られている。下記特許文献１に係る装置では、レーザー溶接を行うに際して、溶接部の端部に対するレーザーの照射角度に応じて、ワークへのレーザーによる入熱量の変化率を調節することが可能であるとされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８－７７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、三次元積層造形を行う際には、レーザーが走査する経路の端部のみならず、経路全体における入熱量が造形品の品質に影響する。このため、レーザーが走査する経路の全体にわたって適正なエネルギー密度を維持することが可能な技術に対する要請が高まっている。

【0006】

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、造形物に照射されるレーザーのエネルギー密度を適正に維持することができる三次元積層造形装置、及び三次元積層造形方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本開示に係る三次元積層造形装置は、造形物の造形面に粉末材料を供給し、供給された前記粉末材料にレーザーを照射することで前記粉末材料を溶融硬化させて、前記造形物を積層造形する三次元積層造形装置であって、前記造形物を支持するステージを有する造形装置本体と、前記レーザーを生成するレーザー発振部と、前記造形面に向かって前記レーザーを照射するとともに、前記レーザーの前記造形面に対する照射角度を変化させることが可能な照射部と、前記造形面における前記レーザーの照射面積に基づいて前記レーザーの出力を調節することが可能な出力調節部と、を備える。

【0008】

本開示に係る三次元積層造形方法は、粉末材料にレーザーを照射して当該粉末材料を溶融硬化させて造形物を生成する三次元積層造形方法であって、前記レーザーを生成するステップと、前記粉末材料が敷設された造形面に向かって前記レーザーを照射するとともに、前記レーザーの前記造形面に対する照射角度を変化させるステップと、前記造形面における前記レーザーの照射面積を取得するステップと、前記照射面積に基づいて前記レーザーのエネルギー密度を調節するステップと、を含む。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、造形物に照射されるレーザーのエネルギー密度を適正に維持することができる三次元積層造形装置、及び三次元積層造形方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示の第一実施形態に係る三次元積層造形装置の構成を示す模式図である。

【図2】レーザーが照射される際の造形面の状態を示す説明図である。

【図3】本開示の第一実施形態に係る制御部の構成を示す機能ブロック図である。

【図4】本開示の第一実施形態に係る出力調節部によって設定される区画の状態を示す模式図である。

【図5】本開示の第一実施形態に係る三次元積層造形方法、及び制御部の制御フローの各ステップを示すフローチャートである。

【図6】レーザーが照射される際の計測面とビーム径との関係を示す説明図である。

【図7】本開示の第二実施形態に係る三次元積層造形方法、及び制御部の制御フローの各ステップを示すフローチャートである。

【図8】本開示の各実施形態に共通する第一変形例であって、出力調節部による区画を示す模式図である。

【図9】本開示の各実施形態に共通する第二変形例であって、出力調節部による区画を示す模式図である。

【図10】本開示の各実施形態に係る制御部のハードウェア構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

＜第一実施形態＞
以下、本開示の第一実施形態に係る三次元積層造形装置１、及び三次元積層造形方法について、図１から図５を参照して説明する。

【0012】

本実施形態に係る三次元積層造形装置１は、金属やセラミック等の粉末材料に対してレーザーによる入熱を行うことで溶融硬化させながら積層していくことで、三次元形状の造形物を得る装置である。つまり、この三次元積層造形装置１は、Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ造形法（ＡＭ造形法）を用いた装置である。

【0013】

（三次元積層造形装置の構成）
図１に示すように、三次元積層造形装置１は、造形装置本体１０と、レーザー発振部２０と、照射部３０と、制御部４０と、を備えている。

【0014】

（造形装置本体）
造形装置本体１０は、ハウジング１１と、可動支持部１２と、ステージ１３と、ベースプレート１３ａと、空間１４と、リコーター１４ａと、を有する。ハウジング１１は、内部に造形チャンバー１１ａとしての空間が形成された容器である。造形チャンバー１１ａは、アルゴン等の不活性ガスによって満たされている。一例としてハウジング１１は、直方体状、又は立方体状をなしている。ハウジング１１の天面１５には、後述するレーザーＬを透過させるための透過窓１６が設けられている。

【0015】

ハウジング１１の底面１７には、可動支持部１２が設けられている。可動支持部１２は、ハウジング１１の底面１７から上方に突出する棒状をなすとともに、当該底面１７に直交する方向に進退動、又は伸縮することが可能とされている。詳しくは図示しないが、可動支持部１２は、アクチュエータによって進退動又は伸縮することが可能とされている。

【0016】

可動支持部１２の上端には、ステージ１３、ベースプレート１３ａ、及び空間１４が設けられている。つまり、ステージ１３、ベースプレート１３ａ及び空間１４は、可動支持部１２の進退動に合わせて上下方向に移動することが可能である。ステージ１３は、可動支持部１２に直交する面内に広がる板状をなしている。ステージ１３の面積は、造形品の寸法体格に応じて適宜決定されてよい。ステージ１３の上面には、ベースプレート１３ａを介して空間１４が設けられている。空間１４は、上述した金属やセラミック等の粉末材料が敷き詰められる領域である。空間１４の上面はレーザーＬが照射される面であり、平滑かつ平坦状に整えられている。この上面のうち、造形品が形成されている領域を、以下では「造形面１８」と呼ぶ。リコーター１４ａは、この造形面１８に粉末を充填・敷設するための装置である。

【0017】

上記の可動支持部１２による空間１４の進退動の移動量は、造形物の積層回数に応じて自動で制御される。つまり、造形面１８上で一つの層の造形が完了すると、可動支持部１２が下方にわずかに移動して、新たな層の造形を進めるように構成されている。言い換えれば、空間１４は造形が進むにつれて下方に移動するが、造形面１８の上下方向位置は常態的に一定である。このような動作を複数の層によって繰り返すことによって、溶融硬化した金属やセラミックが積層され、三次元形状を有する造形品が形成される。

【0018】

（レーザー発振部）
レーザー発振部２０は、上記の粉末材料に入熱を行うためのレーザーＬを生成（発振）する。レーザーＬとしては、例えばＹＡＧレーザーや、ファイバーレーザー、半導体レーザー等が好適に用いられる。レーザーＬの種類は、加工に要する入熱量や造形品の寸法体格に応じて適宜決定されてよい。また、詳しくは後述するが、レーザー発振部２０によって生成されるレーザーＬの出力は、制御部４０からの指令に応じて調節可能である。また、本実施形態では、１つのレーザー発振部２０のみが設けられている。

【0019】

（照射部）
レーザー発振部２０によって生成されたレーザーＬの光路上には照射部３０が設けられている。照射部３０は、造形面１８に向かってレーザーＬが照射されるように光路を変更するとともに、レーザーＬの造形面１８に対する照射角度を変化させることが可能である。照射部３０として具体的には、ガルバノスキャナーが用いられる。ガルバノスキャナーは、角度を変化させることが可能なミラー３１を有している。ミラー３１の角度を変化させることで、当該ミラー３１に反射したレーザーＬの照射方向が変化する。つまり、造形面１８に対するレーザーＬの照射角度が都度変化する。また、照射部３０は、レーザー速度を調節する機能も有している。

【0020】

なお、ここで言う「照射角度」とは、図２に示すように、造形面１８の法線方向に対してレーザーＬの照射方向がなす角度θである。さらに詳細には、照射角度は、造形面１８にＸ軸とＹ軸の座標系を設定した場合に、Ｘ軸を基準とする成分であるθｘと、Ｙ軸を基準とする成分であるθｙと、を含む。したがって、照射角度θの位置におけるレーザーＬの照射面積Ｄ_θは、照射角度がゼロの状態におけるビーム径をＤ_０（つまり、Ｄｘ＝Ｄｙ）とした時、Ｄｘｃｏｓθｘ、及びＤｙｃｏｓθｙを長軸、又は短軸とする楕円形の面積として（１）式のように表される。
Ｄ_θ＝π／４×Ｄｘｃｏｓθｘ×Ｄｙｃｏｓθｙ・・・（１）
さらに、この場合のエネルギー密度Ｑ_θは、照射角度がゼロの状態におけるレーザーＬ出力Ｐ_０を基準として（２）式のようにあらわされる。
Ｑ_θ＝Ｐ_０／（πＤｘＤｙ／４）・・・（２）

【0021】

照射部３０による照射角度の変化（即ち、ミラー３１の角度）は、後述する制御部４０によってコントロールされる。レーザーＬは、造形面１８上を予め定められた経路に従って走査する。レーザーＬの経路は、造形品の形状によって適宜決定される。さらに、照射部３０によるレーザーＬの照射角度の情報は、電気信号として制御部４０（後述）に逐一送られる。

【0022】

（制御部）
制御部４０は、上述したレーザー発振部２０と、照射部３０の動作をコントロールする。具体的には、図３に示すように、角度調節部４１と、出力調節部４２と、ステージ駆動部４３と、記憶部４４と、リコーター駆動部４５と、を有する。

【0023】

角度調節部４１は、上記の照射部３０のミラー３１の角度（姿勢）を変化させることで、造形面１８に対するレーザーＬの照射角度を調節する。つまり、角度調節部４１から送られた信号に基づいて、レーザーＬは造形面１８上を走査する。この走査経路は、造形物の形状や寸法に基づいて予め設定されている。出力調節部４２は、レーザー発振部２０で生成されるレーザーＬの出力をコントロールする。具体的には、レーザーＬの出力は、上述した照射面積に基づいて適宜決定される。

【0024】

ここで、ビーム径が（１）式のように照射角度に応じて変化することから、レーザーＬ出力Ｐ_０が一定とすると、（２）式のようにエネルギー密度は照射角度に応じて変動してしまう。そこで、出力調節部４２は、造形面１８上の任意の位置（ｘ、ｙ）におけるレーザーＬ出力Ｐ_ｘｙを、以下の（３）式に基づいて調節する。
Ｐ_ｘｙ＝Ｐ_０×π／４×Ｄｘｃｏｓθｘ×Ｄｙｃｏｓθｙ／（πＤ_０ ^２／４）・・・（３）
つまり、照射角度から得られた照射面積に基づいて任意の位置における出力が決定される。したがって、照射角度がゼロより大きい位置であっても、レーザーＬのエネルギー密度は、照射角度ゼロの場合のエネルギー密度と同等に維持される。

【0025】

さらに、出力調整部は、レーザーＬの照射角度の範囲に応じて、造形面１８を複数の区画５０に分割し、区画５０ごとにレーザーＬの出力を調節するように構成されている。具体的には図４に示すように、照射部３０からのレーザーＬの照射点３２を中心として同心円状となる分割線５１によって造形面１８が複数の区画５０に分割されている。図４の例では、区画５０の数は３つである。また、同心円のそれぞれの径は、造形品の形状等に基づいて適宜決定されてよい。つまり、等間隔の同心円であってもよいし、不等間隔の同心円であってもよい。内周側の区画５０から外周側の区画５０に向かうに従って照射角度が大きくなっていく。これら区画５０によって造形面１８の全体がカバーされるようになっている。

【0026】

ステージ駆動部４３は、上記のステージ１３、及び空間１４を進退動させるための駆動信号を生成する。造形面１８での造形が１つの層で完了するごとに空間１４を１ピッチ下げるように駆動信号が発信される。１ピッチとは、予め定められた造形品の一層当たりの積層高さである。ピッチを小さくするほど、造形品の表面粗さを低くすることができる。記憶部４４には、これらピッチの情報等が一時的、又は永続的に格納されている。リコーター駆動部４５は、造形面１８での造形が１つの層で完了するごとに当該造形面１８に新たな粉末材料を供給するための駆動信号をリコーター１４ａに送信する。

【0027】

（三次元積層造形方法、及び制御部４０の制御フロー）
次に、本開示の第一実施形態に係る三次元積層造形方法について、図５を参照して説明する。また、この方法は、上記の制御部４０の制御フローとしても成立している。

【0028】

図５に示すように、この方法、及び制御フローは、レーザーＬを生成するステップＳ１と、照射角度を変化させるステップＳ２と、照射面積を取得するステップＳ３と、レーザーＬ出力を調節するステップＳ４と、テーブルを駆動するステップＳ５と、を含む。

【0029】

ステップＳ１では、上記のレーザー発振部２０がレーザーＬを生成する。初期状態でのレーザーＬの出力は、制御部４０の出力調節部４２によって予め設定されている。次いで、ステップＳ２では、造形品の形状に基づく経路に従って、角度調節部４１がレーザーＬの照射方向、つまり照射角度を変化させる。この時の照射角度に関する情報は記憶部４４に格納される。次に、ステップＳ３では、出力調節部４２が、照射角度に基づいてレーザーＬの照射面積を取得する。照射面積は、上記の（１）式によって得られる。

【0030】

さらに、ステップＳ４では、出力調節部４２が、照射面積に基づいて、（２）式からレーザーＬの出力を取得し、レーザー発振部２０に指令信号を送る。これにより、レーザーＬの出力が照射角度に応じて調節される。なお、この時、上述したように、造形面１８を複数の区画５０に分割している場合には、出力調節部４２は、それぞれの区画５０ごとにレーザーＬの出力を変化させる。つまり、１つの区画５０内では、レーザーＬの出力は一定である。その後、ステップＳ５で、１つの層の造形が完了した後に、ステージ駆動部４３がテーブル、及び空間１４を下降させる。この時、リコーター駆動部４５によってリコーター１４ａが動作して新たな粉末材料を空間１４に供給する。これらのステップＳ２からＳ５を、複数の層にかけて繰り返して実行することで、造形品が形成される。以上により、本実施形態に係る三次元積層造形方法、及び制御部４０の制御フローに係る全ステップが完了する。

【0031】

（作用効果）
ここで、三次元積層造形を行う際には、レーザーＬが走査する経路の端部のみならず、経路全体における入熱量が造形品の品質に影響する。このため、レーザーＬが走査する経路の全体にわたって適正なエネルギー密度を設定することが可能な技術に対する要請が高まっていた。そこで、本実施形態では上述の各構成、及び方法を採用している。

【0032】

上記構成によれば、造形面１８におけるレーザーＬの照射面積に基づいて、出力調節部４２がレーザーＬの出力を調節する。これにより、照射角度の変化やビームの経路長（焦点距離）の変化等に起因して照射面積に変動が生じた場合であっても、当該変動に追従するようにしてエネルギー密度を常に適正な状態で維持できるように、レーザーＬの出力が調節される。一例として、エネルギー密度が一定の値を取るようにレーザーＬの出力が調節される。（なお、ここで言う「一定」とは、実質的な一定を指すものであって、外乱要因等によるわずかな変動は許容される。）したがって、造形品の形状を問わず、照射面積が変動した場合であっても、エネルギー密度の変動が抑制されるため、造形面１８上の粉末材料に対する入熱量を一定に保つことが可能となる。その結果、造形品の品質をさらに向上させることが可能となる。反対に、入熱量が不安定な場合には、造形品の肉厚や寸法精度に影響が及び、最終製品としての歩留まりが低下してしまう可能性がある。上記構成によれば、このような可能性を大きく低減することが可能となる。

【0033】

さらに、上記構成では、出力調節部４２は、照射角度がゼロの状態におけるレーザーＬの出力、及び照射面積をそれぞれＰ_０、Ｄ_０とし、照射角度がθの状態におけるレーザーＬの出力、及び照射面積をそれぞれＰ_θ、Ｄ_θとしたときに、任意の位置（ｘ、ｙ）におけるレーザーＬの出力を以下の（１）式のように決定する。
Ｐ_ｘｙ＝Ｐ_０×π／４×Ｄｘｃｏｓθｘ×Ｄｙｃｏｓθｙ／（πＤ_０ ^２／４）・・・（１）

【0034】

この構成によれば、照射角度がゼロの状態におけるレーザーＬの出力、及び照射面積に基づいて、照射角度がθの状態におけるこれら出力、及び照射面積が調節される。これにより、照射角度の変動に起因して、造形面１８上で照射面積に変動が生じた箇所であっても、照射角度がゼロの状態における粉末材料への入熱量と同等の入熱量を維持することができる。その結果、造形品の品質をさらに向上させることが可能となる。

【0035】

また、出力調節部４２は、レーザーＬの照射点３２を中心とする同心円状をなす分割線５１によって造形面１８を複数の区画５０に分割する。さらに、出力調節部４２は、区画５０ごとに異なるレーザーＬの出力を設定することが可能である。ここで、レーザーＬのエネルギー密度を変化させる際には、その境界でレーザーＬの出力が不安定になり、所定の値に対してわずかな変動成分が生じることがある。上記構成によれば、レーザーＬの照射点３２を中心とする同心円状に造形面１８を分割することで、上記のような出力の変化の境界の数を減らすことができる。これにより、レーザーＬ出力が不安定になる位置が減少するため、造形品の品質をさらに高めることが可能となる。

【0036】

以上、本開示の第一実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成・方法に種々の変更を施すことが可能である。

【0037】

＜第二実施形態＞
次に、本開示の第二実施形態について、図６と図７を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。

【0038】

本実施形態では、出力調節部４２がレーザーＬの照射面積を取得した後に、当該照射面積の値を、予め取得されたビーム径によって補正する点で、第一実施形態とは異なっている。ここで言う、「ビーム径」とは、図６に示すように、レーザーＬの照射方向（進行方向）に直交する面である計測面１９上におけるレーザーＬの口径を指す。

【0039】

このようなビーム径の値を得るには、造形面１８の各所で、レーザーＬの照射方向に向けて姿勢を自在に変化させることが可能なビームプロファイラが好適に用いられる。特に、造形面１８の辺縁に近い領域では、ミラー３１の角度を変化させてレーザーＬの照射方向を変化させること、又はビームの経路長（焦点距離）が長くなることに起因して、造形面１８上におけるレーザーＬの口径がガウス分布とは異なる場合がある。ビーム径に誤差がある場合、照射面積の値にも影響が及び、最終的なレーザーＬ出力にズレを生じてしまうことになる。このため、計測面１９上におけるビーム径を実際に計測しておくことが肝要となる。ビームプロファイラを用いたビーム径の計測は、造形作業に先立って予め行われていることが望ましい。出力調節部４２は、上記のように補正された照射面積の値に基づいて、最終的なレーザーＬの出力を決定する。

【0040】

上記の補正を行う場合の制御部４０の制御フローは図７に示すとおりである。まず、ステップＳ１１で、レーザー発振部２０がレーザーＬを生成（発振）する。次いで、ステップＳ１２では、造形品の形状に基づく経路に従って、角度調節部４１がレーザーＬの照射方向、つまり照射角度を変化させる。この時の照射角度に関する情報は記憶部４４に格納される。次に、ステップＳ１３では、出力調節部４２が、照射角度に基づいてレーザーＬの照射面積を取得する。照射面積は、上記の（１）式によって得られる。

【0041】

さらに、ステップＳ１４では、出力調節部４２が、上述のビーム径に基づいて、照射面積の値に補正を加える。続くステップＳ１５では、この補正された照射面積に基づいて、（２）式からレーザーＬの出力を取得し、レーザー発振部２０に指令信号を送る。これにより、レーザーＬの出力が照射角度に応じて調節される。なお、この時、上述したように、造形面１８を複数の区画５０に分割している場合には、出力調節部４２は、それぞれの区画５０ごとにレーザーＬの出力を変化させる。つまり、１つの区画５０内では、レーザーＬの出力は一定である。その後、ステップＳ１６で、１つの層の造形が完了した後に、テーブル駆動部がテーブル、及び空間１４を下降させる。これらのステップＳ１２からＳ１６を、複数の層にかけて繰り返して実行することで、造形品が形成される。以上により、本実施形態に係る三次元積層造形方法、及び制御部４０の制御フローに係る全ステップが完了する。

【0042】

（作用効果）
上記構成では、出力調節部４２は、予め取得された前記造形面１８の任意の位置におけるレーザーＬに直交する計測面１９でのビーム径に基づいて照射面積の値を補正する。その後、補正された照射面積の値に基づいて、レーザーＬの出力が調節される。

【0043】

ここで、造形面１８上における位置によってレーザーＬの経路長（焦点距離）が変わることから、レーザーＬのビーム径（レーザーＬのプロファイル）に変動を生じる場合がある。特に、造形面１８の辺縁に近い領域では、ビームの経路長（焦点距離）が長くなることに起因して、造形面１８上におけるレーザーＬの口径がガウス分布とは異なる場合がある。ビーム径に誤差がある場合、照射面積の値にも影響が及び、最終的なレーザーＬ出力にズレを生じてしまうことになる。上記構成によれば、このビーム径を予め各所で取得した上で、照射面積の値を補正する。これにより、実際のビーム径に基づいて、さらに適正なエネルギー密度を維持した状態でレーザーＬによる造形を進めることができる。したがって、最終製品の歩留まりをさらに向上させることが可能となる。

【0044】

＜その他の実施形態＞
以上、本開示の各実施形態について説明した。なお、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。

【0045】

例えば、上記第一実施形態では、造形装置本体１０の可動支持部１２が１つのみ設けられている例について説明した。しかしながら、可動支持部１２の数は設計や仕様に応じて適宜決定されてよく、２つ以上であってもよい。可動支持部１２の数が多いほど、テーブル、及び空間１４をより安定的に下方から支持することができる。このため、造形面１８の水平状態をさらに正確に維持することが可能となり、造形品の寸法精度をより一層高めることができる。

【0046】

また、上記の各実施形態では、照射部３０によって１つのみのレーザーＬが照射される例について説明した。しかしながら、照射部３０によるレーザーＬの照射点３２の数は１つに限定されず、２つ以上であってもよい。具体的には、第一変形例として図８に示すように、照射点３２が２つである場合には、上述した出力調節部４２による区画５０の分割を照射点３２ごとに行うことが可能である。つまり、１つの照射点３２を基準として同心円状の複数の区画５０を形成しつつ、照射点３２同士の間の中央部分では、直線状の分割線５２によって造形面１８を分割することが望ましい。これにより、各照射点３２から照射されるレーザーＬが互いに干渉することなく、造形作業を進めることが可能となる。

【0047】

さらに、第二変形例として図９に示すように、照射点３２が格子状に４つ配置されている場合には、各照射点３２を中心とする同心円状の区画５０によって造形面１８の全体をカバーすることが可能である。この場合であっても、各照射点３２から照射されるレーザーＬが互いに干渉することなく、造形作業を進めることが可能となる。

【0048】

加えて、上記の各実施形態では、出力調節部４２が、レーザーＬの照射角度に基づいて照射面積を取得する例について説明した。しかしながら、レーザーＬの照射面積は必ずしも出力調節部４２によって取得されなくてもよい。他の例として、ハウジング１１の天面１５に照射面積を随時取得する装置を設けて、出力調節部４２に当該照射面積を送信するように構成してもよい。

【0049】

このような装置として具体的には、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ等の撮像装置の他、サーモグラフィ画像による画像解析を用いる装置が考えられる。この構成によれば、実際に計測又は取得された正確な照射面積の値に基づいてレーザーＬの出力が決定されるため、造形品の寸法精度や形状の正確性をさらに向上させることが可能となる。したがって、最終製品の歩留まりをより一層高めることができる。

【0050】

また、上記の各実施形態で示した、出力調節部４２による造形面１８の分割数、即ち区画５０の数は一例であって、造形品の寸法体格や形状に応じて適宜決定されてよい。つまり、区画５０の数は、３つ以上や２つ以下であってもよい。区画５０の数を減らすほど、レーザーＬの出力が不安定となる境界を減らすことができる。他方で、区画５０の数を増やせば、その分だけレーザーＬの出力が精緻に変化するため、最終製品の品質を向上させることができる。さらには、このような区画５０を設けずに、照射面積の変動に応じてレーザーＬの出力を無段階で変化させる構成を採ることも可能である。

【0051】

なお、本開示の実施形態における制御部４０の処理フローでは、適切な処理が行われる範囲において、処理の順番が入れ替わってもよい。

【0052】

本開示の実施形態における記憶部４４、その他の記憶装置のそれぞれは、適切な情報の送受信が行われる範囲においてどこに備えられていてもよい。また、記憶部４４、その他の記憶装置のそれぞれは、適切な情報の送受信が行われる範囲において複数存在しデータを分散して記憶していてもよい。

【0053】

上述した制御部４０による処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ２００が読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータ２００が読み出して実行することによって、上記処理が行われる。コンピュータ２００の具体例を以下に示す。

【0054】

図１０に示すように、コンピュータ２００は、ＣＰＵ１０１と、メインメモリ１０２と、ストレージ１０３と、インターフェース１０４と、を備える。
例えば、上述の制御部４０はコンピュータ２００に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ１０３に記憶されている。ＣＰＵ１０１は、プログラムをストレージ１０３から読み出してメインメモリ１０２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、ＣＰＵ１０１は、プログラムに従って、上述した記憶部４４に対応する記憶領域をメインメモリ１０２に確保する。

【0055】

ストレージ１０３の例としては、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ１０３は、コンピュータ２００のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インターフェース１０４または通信回線を介してコンピュータ２００に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ２００に配信される場合、配信を受けたコンピュータ２００が当該プログラムをメインメモリ１０２に展開し、上記処理を実行してもよい。なお、ストレージ１０３は、一時的でない有形の記憶媒体である。

【0056】

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現してもよい。さらに、上記プログラムは、前述した機能をコンピュータ２００にすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるファイル、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

【0057】

なお、上記構成に加えて、または上記構成に代えてＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）などのカスタムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、及びこれらに類する処理装置を備えてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ａｒｒａｙ Ｌｏｇｉｃ）、ＧＡＬ（Ｇｅｎｅｒｉｃ Ａｒｒａｙ Ｌｏｇｉｃ）、ＣＰＬＤ（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）が挙げられる。この場合、プロセッサによって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。

【0058】

＜付記＞
各実施形態に記載の三次元積層造形装置１、及び三次元積層造形方法は、例えば以下のように把握される。

【0059】

（１）第１の態様に係る三次元積層造形装置１は、造形物の造形面１８に粉末材料を供給し、供給された前記粉末材料にレーザーＬを照射することで前記粉末材料を溶融硬化させて、前記造形物を積層造形する三次元積層造形装置１であって、前記造形物を支持するステージ１３を有する造形装置本体１０と、前記レーザーＬを生成するレーザー発振部２０と、前記造形面１８に向かって前記レーザーＬを照射するとともに、前記レーザーＬの前記造形面１８に対する照射角度を変化させることが可能な照射部３０と、前記造形面１８における前記レーザーＬの照射面積に基づいて前記レーザーＬの出力を調節することが可能な出力調節部４２と、を備える。

【0060】

上記構成によれば、造形面１８におけるレーザーＬの照射面積に基づいて、出力調節部４２がレーザーＬの出力を調節する。これにより、照射角度の変化や造形面１８上の凹凸等に起因して照射面積に変動が生じた場合であっても、当該変動に追従するようにしてエネルギー密度を常に適正な状態で維持しながら、レーザーＬによる造形を行うことが可能となる。

【0061】

（２）第２の態様に係る三次元積層造形装置１は、（１）の三次元積層造形装置１であって、前記出力調節部４２は、前記照射角度がゼロの状態における前記レーザーＬの出力、及び前記照射面積をそれぞれＰ_０、Ｄ_０としたときに、任意の位置（ｘ、ｙ）における前記レーザーＬの出力Ｐ_ｘｙを（１）式のように決定する。
Ｐ_ｘｙ＝Ｐ_０×π／４×Ｄｘｃｏｓθｘ×Ｄｙｃｏｓθｙ／（πＤ_０ ^２／４）・・・（１）

【0062】

上記構成によれば、照射角度がゼロの状態におけるレーザーＬの出力、及び照射面積に基づいて、照射角度がθの状態におけるこれら出力、及び照射面積が調節される。これにより、造形面１８上で照射面積に変動が生じた箇所であっても、照射角度がゼロの状態における粉末材料への入熱量を維持することができる。

【0063】

（３）第３の態様に係る三次元積層造形装置１は、（１）又は（２）の三次元積層造形装置１であって、前記出力調節部４２は、予め取得された前記造形面１８の任意の位置における前記レーザーＬに直交する計測面１９でのビーム径に基づいて、前記レーザーＬの出力を調節する。

【0064】

ここで、造形面１８上における位置によってレーザーＬの経路長が変わることから、レーザーＬのビーム径（レーザーＬのプロファイル）に変動を生じる場合がある。上記構成によれば、このビーム径を予め各所で取得した上で、照射面積の値を補正する。これにより、さらに適正なエネルギー密度を維持した状態でレーザーＬによる造形を進めることができる。

【0065】

（４）第４の態様に係る三次元積層造形装置１は、（１）から（３）のいずれか一態様に係る三次元積層造形装置１であって、前記出力調節部４２は、前記レーザーＬの照射点３２を中心とする同心円状をなす分割線５１によって前記造形面１８を複数の区画５０に分割し、該区画５０ごとに異なる前記レーザーＬの出力を設定することが可能である。

【0066】

ここで、レーザーＬのエネルギー密度を変化させる際には、その境界でレーザーＬ出力が不安定になることがある。上記構成によれば、レーザーＬの照射点３２を中心とする同心円状に造形面１８を分割することで、上記のような境界の数を減らすことができる。これにより、レーザーＬ出力が不安定になる位置が減少するため、造形品の品質をさらに高めることが可能となる。

【0067】

（５）第５の態様に係る三次元積層造形装置１は、（４）の三次元積層造形装置１であって、複数の前記照射部３０を備え、前記出力調節部４２は、前記照射部３０ごとに前記複数の区画５０を設定する。

【0068】

上記構成によれば、照射部３０が複数ある場合であっても、当該照射部３０ごとに同心円状の複数の区画５０を形成することができる。これにより、エネルギー密度変化の境界における出力の不安定化が抑制され、さらに良好な造形品を得ることができる。

【0069】

（６）第６の態様に係る三次元積層造形方法は、粉末材料にレーザーＬを照射して当該粉末材料を溶融硬化させて造形物を生成する三次元積層造形方法であって、前記レーザーＬを生成するステップと、前記粉末材料が敷設された造形面１８に向かって前記レーザーＬを照射するとともに、前記レーザーＬの前記造形面１８に対する照射角度を変化させるステップと、前記造形面１８における前記レーザーＬの照射面積を取得するステップと、前記照射面積に基づいて前記レーザーＬの出力を調節するステップと、を含む。

【0070】

上記方法によれば、造形面１８におけるレーザーＬの照射面積に基づいて、レーザーＬの出力を調節するステップでレーザーＬの出力を調節する。これにより、照射角度の変化や造形面１８上の凹凸等に起因して照射面積に変動が生じた場合であっても、当該変動に追従するようにしてエネルギー密度を常に適正な状態で維持しながら、レーザーＬによる造形を行うことが可能となる。

【0071】

（７）第７の態様に係る三次元積層造形方法は、（６）の三次元積層造形方法であって、前記エネルギー密度を調節するステップでは、前記照射角度がゼロの状態における前記レーザーＬの出力、及び前記照射面積をそれぞれＰ_０、Ｄ_０としたときに、任意の位置（ｘ、ｙ）における前記レーザーＬの前記出力Ｐ_ｘｙを（１）式のように決定する。
Ｐ_ｘｙ＝Ｐ_０×π／４×Ｄｘｃｏｓθｘ×Ｄｙｃｏｓθｙ／（πＤ_０ ^２／４）・・・（１）

【0072】

上記方法によれば、照射角度がゼロの状態におけるレーザーＬの出力、及び照射面積に基づいて、照射角度がθの状態における出力が調節される。これにより、造形面１８上で照射面積に変動が生じた箇所であっても、照射角度がゼロの状態における粉末材料への入熱量を維持することができる。

【0073】

（８）第８の態様に係る三次元積層造形方法は、（６）又は（７）の三次元積層造形方法であって、前記レーザーＬの前記出力を調節するステップでは、予め取得された前記造形面１８の任意の位置における前記レーザーＬに直交する計測面１９でのビーム径に基づいて、前記レーザーＬの前記出力を調節する。

【0074】

ここで、造形面１８上における位置によってレーザーＬの経路長が変わることから、レーザーＬのビーム径（レーザーＬのプロファイル）に変動を生じる場合がある。上記方法によれば、このビーム径を予め各所で取得した上で、照射面積の値を補正する。これにより、さらに適正なエネルギー密度を維持した状態でレーザーＬによる造形を進めることができる。

【0075】

（９）第９の態様に係る三次元積層造形方法は、（６）から（８）のいずれか一態様に係る三次元積層造形方法であって、前記レーザーＬの前記出力を調節するステップでは、前記レーザーＬの照射点３２を中心とする同心円状をなす分割線５１によって前記造形面１８を複数の区画５０に分割し、該区画５０ごとに異なる前記レーザーＬの前記出力を設定する。

【0076】

ここで、レーザーＬのエネルギー密度を変化させる際には、その境界でレーザーＬ出力が不安定になることがある。上記方法によれば、レーザーＬの照射点３２を中心とする同心円状に造形面１８を分割することで、上記のような境界の数を減らすことができる。これにより、レーザー出力が不安定になる位置が減少するため、造形品の品質をさらに高めることが可能となる。

【0077】

（１０）第１０の態様に係る三次元積層造形方法は、（９）の三次元積層造形方法であって、複数の前記照射点３２から前記レーザーＬをそれぞれ照射し、前記レーザーＬの前記出力を調節するステップでは、前記レーザーＬごとに前記複数の区画５０を設定する。

【0078】

上記構成によれば、照射部３０が複数ある場合であっても、当該照射部３０ごとに同心円状の複数の区画５０を形成することができる。これにより、エネルギー密度変化の境界における出力の不安定化が抑制され、さらに良好な造形品を得ることができる。

【符号の説明】

【0079】

１…三次元積層造形装置
１０…造形装置本体
１１…ハウジング
１１ａ…造形チャンバー
１２…可動支持部
１３…ステージ
１３ａ…ベースプレート
１４…空間
１４ａ…リコーター
１５…天面
１６…透過窓
１７…底面
１８…造形面
１９…計測面
２０…レーザー発振部
３０…照射部
３１…ミラー
３２…照射点
４０…制御部
４１…角度調節部
４２…出力調節部
４３…ステージ駆動部
４４…記憶部
４５…リコーター駆動部
５０…区画
５１，５２…分割線
１０１…ＣＰＵ
１０２…メインメモリ
１０３…ストレージ
１０４…インターフェース
２００…コンピュータ
Ｌ…レーザー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】