特開 2024-62081 ３次元造形装置および３次元造形方法

(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】P2024062081

(43)【公開日】2024-05-09

(54)【発明の名称】３次元造形装置および３次元造形方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 64/268 20170101AFI20240430BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240430BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240430BHJP

   B29C 64/124 20170101ALI20240430BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20240430BHJP

【ＦＩ】

B29C64/268

B33Y10/00

B33Y30/00

B29C64/124

B29C64/153

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022169849

(22)【出願日】2022-10-24

(71)【出願人】

【識別番号】000207551

【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100110847

【弁理士】

【氏名又は名称】松阪 正弘

(74)【代理人】

【識別番号】100136526

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 勉

(74)【代理人】

【識別番号】100136755

【弁理士】

【氏名又は名称】井田 正道

(72)【発明者】

【氏名】水野 博文

(72)【発明者】

【氏名】菱谷 大輔

【テーマコード（参考）】

4F213

【Ｆターム（参考）】

4F213AR07

4F213AR11

4F213WA25

4F213WB01

4F213WL02

4F213WL12

4F213WL67

4F213WL76

4F213WL87

4F213WL95

(57)【要約】

【課題】３次元造形装置の製造コストを抑えつつ、大型の造形物を作製可能とする。
【解決手段】３次元造形装置１は、造形空間３０に材料層を形成する層形成機構１２と、材料層に光を照射する光学ヘッド１１と、光学ヘッド１１を材料層に平行なヘッド移動方向に移動するヘッド移動機構１３とを備える。光学ヘッド１１は、光源と、直線状に配列された複数の変調要素を有する回折型の光変調器と、光源からの光を光変調器に導く照明光学系と、光変調器の投影像を材料層上に形成し、ミラーの向きを変更することにより投影像を、複数の変調要素の配列方向に対応する方向に対して交差し、かつ、ヘッド移動方向（＋Ｙ）に対して交差する走査方向（＋Ｘ）に移動する投影光学系とを備える。これにより、３次元造形装置１の製造コストを抑えつつ、大型の造形物を作製することができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

粉末状またはペースト状の造形材料の材料層の形成、および、前記材料層への光の照射を繰り返すことにより、造形空間に積層された材料層内に３次元の造形物を形成する３次元造形装置であって、
前記造形空間に材料層を形成する層形成機構と、
前記材料層に光を照射する光学ヘッドと、
前記光学ヘッドを前記材料層に平行なヘッド移動方向に移動するヘッド移動機構と、
を備え、
前記光学ヘッドが、
光源と、
直線状に配列された複数の変調要素を有する回折型の光変調器と、
前記光源からの光を前記光変調器に導く照明光学系と、
前記光変調器の投影像を前記材料層上に形成し、ミラーの向きを変更することにより前記投影像を、前記複数の変調要素の配列方向に対応する方向に対して交差し、かつ、前記ヘッド移動方向に対して交差する走査方向に移動する投影光学系と、
を備えることを特徴とする３次元造形装置。

【請求項2】

請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記光変調器が、平面光バルブまたは回折格子光バルブであることを特徴とする３次元造形装置。

【請求項3】

請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記光学ヘッドが、前記ヘッド移動方向に連続的に移動することを特徴とする３次元造形装置。

【請求項4】

請求項１に記載の３次元造形装置であって、
前記層形成機構が、前記ヘッド移動方向に向かって材料層を形成し、
前記光学ヘッドによる一の材料層への光の照射を終了する前に、前記層形成機構が次の材料層の形成を開始することを特徴とする３次元造形装置。

【請求項5】

粉末状またはペースト状の造形材料の材料層の形成、および、前記材料層への光の照射を繰り返すことにより、造形空間に積層された材料層内に３次元の造形物を形成する３次元造形装置であって、
前記造形空間に材料層を形成する層形成機構と、
前記材料層に光を照射する光学ヘッドと、
前記光学ヘッドを前記材料層に平行なヘッド移動方向に移動するヘッド移動機構と、
を備え、
前記層形成機構が、前記ヘッド移動方向に向かって材料層を形成し、
前記光学ヘッドによる一の材料層への光の照射を終了する前に、前記層形成機構が次の材料層の形成を開始することを特徴とする３次元造形装置。

【請求項6】

請求項４または５に記載の３次元造形装置であって、
前記光学ヘッドが前記一の材料層への光の照射を開始してから、前記層形成機構が前記次の材料層の形成を開始するまでの時間が可変であることを特徴とする３次元造形装置。

【請求項7】

請求項４または５に記載の３次元造形装置であって、
前記光学ヘッドの前記ヘッド移動方向が反転可能であり、
前記光学ヘッドが反転した前記ヘッド移動方向に移動する際に、前記層形成機構が、反転した前記ヘッド移動方向に向かって材料層を形成し、
前記光学ヘッドが反転した前記ヘッド移動方向に移動しつつ一の材料層への光の照射を終了する前に、前記層形成機構が反転した前記ヘッド移動方向に向かって次の材料層の形成を開始することを特徴とする３次元造形装置。

【請求項8】

粉末状またはペースト状の造形材料の材料層の形成、および、前記材料層への光の照射を繰り返すことにより、造形空間に積層された材料層内に３次元の造形物を形成する３次元造形方法であって、
ａ）最新の材料層を１層分の厚さだけ下降する工程と、
ｂ）光学ヘッドを前記材料層に平行なヘッド移動方向に移動しつつ前記光学ヘッドから前記材料層への光の照射を開始する工程と、
ｃ）前記ｂ）工程の後、予め設定された遅延時間経過後、かつ、前記材料層への光の照射を終了する前に、前記ヘッド移動方向に向かって次の材料層の形成を開始する工程と、
ｄ）前記材料層への光の照射を終了する工程と、
ｅ）前記次の材料層の形成を終了する工程と、
ｆ）前記ａ）ないしｅ）工程を繰り返す工程と、
を備えることを特徴とする３次元造形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、変調された光を用いて３次元の造形物を形成する技術に関連する。

【背景技術】

【0002】

近年、金属粉末や樹脂粉末等の造形材料の層に変調されたレーザ光を照射して造形材料を結合させ、層形成と造形材料の結合とを繰り返すことにより３次元造形を行うＳＬＳ（Selective Laser Sintering）式の３次元造形装置が使用されている。例えば、特許文献１には、回折格子光バルブ（Grating Light Valve）に平面ビームを照射し、ビームエキスパンダ、ｘ－ｙ平面内で動作するガルバノスキャナ、Ｆθレンズを順に介して物体構築領域表面に変調された光を照射する３次元造形装置が開示されている。

【0003】

なお、特許文献２には、プリントヘッドモジュールに材料層を形成するディスペンサとエネルギー源とを設け、供給材料を堆積させつつ、エネルギー源からのビームにより材料層の所望の領域を選択的に溶解させる技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２０２１－５０９０９４号公報

【特許文献2】特表２０１８－５３５１１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、材料層の形成と光ビームの照射とを繰り返す３次元造形装置において、反射ミラーの向きを変更することにより光ビームの照射位置を走査する方式の場合、造形物の大型化に限界がある。もちろん、光ビームを出射する複数の光学ヘッドを配列したり、光学ヘッドを大型化および高出力化する対策も考えられるが、３次元造形装置が高価になってしまう。また、３次元造形装置では、光ビームの照射時間以外に、材料層の形成時間、光ビームが照射された領域にある材料が熱的に安定するまでの時間等が必要となる。そのため、単純に光ビームの走査領域を大きくすると、生産性が著しく低下する。

【0006】

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、３次元造形装置の製造コストを抑えつつ、大型の造形物を作製可能とすることを第１の目的としている。また、生産性をさらに向上することを第２の目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の態様１は、粉末状またはペースト状の造形材料の材料層の形成、および、前記材料層への光の照射を繰り返すことにより、造形空間に積層された材料層内に３次元の造形物を形成する３次元造形装置であって、前記造形空間に材料層を形成する層形成機構と、前記材料層に光を照射する光学ヘッドと、前記光学ヘッドを前記材料層に平行なヘッド移動方向に移動するヘッド移動機構とを備え、前記光学ヘッドが、光源と、直線状に配列された複数の変調要素を有する回折型の光変調器と、前記光源からの光を前記光変調器に導く照明光学系と、前記光変調器の投影像を前記材料層上に形成し、ミラーの向きを変更することにより前記投影像を、前記複数の変調要素の配列方向に対応する方向に対して交差し、かつ、前記ヘッド移動方向に対して交差する走査方向に移動する投影光学系とを備える。

【0008】

本発明の態様２は、態様１の３次元造形装置であって、前記光変調器が、平面光バルブまたは回折格子光バルブである。

【0009】

本発明の態様３は、態様１（態様１または２であってもよい。）の３次元造形装置であって、前記光学ヘッドが、前記ヘッド移動方向に連続的に移動する。

【0010】

本発明の態様４は、態様１（態様１ないし３のいずれか１つであってもよい。）の３次元造形装置であって、前記層形成機構が、前記ヘッド移動方向に向かって材料層を形成し、前記光学ヘッドによる一の材料層への光の照射を終了する前に、前記層形成機構が次の材料層の形成を開始する。

【0011】

本発明の態様５は、粉末状またはペースト状の造形材料の材料層の形成、および、前記材料層への光の照射を繰り返すことにより、造形空間に積層された材料層内に３次元の造形物を形成する３次元造形装置であって、前記造形空間に材料層を形成する層形成機構と、前記材料層に光を照射する光学ヘッドと、前記光学ヘッドを前記材料層に平行なヘッド移動方向に移動するヘッド移動機構とを備え、前記層形成機構が、前記ヘッド移動方向に向かって材料層を形成し、前記光学ヘッドによる一の材料層への光の照射を終了する前に、前記層形成機構が次の材料層の形成を開始する。

【0012】

本発明の態様６は、態様４または５の３次元造形装置であって、前記光学ヘッドが前記一の材料層への光の照射を開始してから、前記層形成機構が前記次の材料層の形成を開始するまでの時間が可変である。

【0013】

本発明の態様７は、態様４または５（態様４ないし６のいずれか１つであってもよい。）の３次元造形装置であって、前記光学ヘッドの前記ヘッド移動方向が反転可能であり、前記光学ヘッドが反転した前記ヘッド移動方向に移動する際に、前記層形成機構が、反転した前記ヘッド移動方向に向かって材料層を形成し、前記光学ヘッドが反転した前記ヘッド移動方向に移動しつつ一の材料層への光の照射を終了する前に、前記層形成機構が反転した前記ヘッド移動方向に向かって次の材料層の形成を開始する。

【0014】

本発明の態様８は、粉末状またはペースト状の造形材料の材料層の形成、および、前記材料層への光の照射を繰り返すことにより、造形空間に積層された材料層内に３次元の造形物を形成する３次元造形方法であって、ａ）最新の材料層を１層分の厚さだけ下降する工程と、ｂ）光学ヘッドを前記材料層に平行なヘッド移動方向に移動しつつ前記光学ヘッドから前記材料層への光の照射を開始する工程と、ｃ）前記ｂ）工程の後、予め設定された遅延時間経過後、かつ、前記材料層への光の照射を終了する前に、前記ヘッド移動方向に向かって次の材料層の形成を開始する工程と、ｄ）前記材料層への光の照射を終了する工程と、ｅ）前記次の材料層の形成を終了する工程と、ｆ）前記ａ）ないしｅ）工程を繰り返す工程とを備える。

【発明の効果】

【0015】

本発明に態様１ないし４によれば、３次元造形装置の製造コストを抑えつつ、大型の造形物を作製することができる。また、本発明の態様４ないし８によれば、生産性をさらに向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】３次元造形装置を示す斜視図である。

【図2】３次元造形装置の構成を示す図である。

【図3】光学ヘッドの概略構成を示す図である。

【図4】光変調器の構造を簡素化して示す図である。

【図5】投影光学系を簡略化して示す図である。

【図6】材料層の投影面にマルチスポットラインビームが照射される様子を説明するための図である。

【図7】３次元造形装置の機能構成を示すブロック図である。

【図8】３次元造形装置の動作の流れを示す図である。

【図9】投影面への光ビームの照射の他の例を示す図である。

【図10】他の例に係る３次元造形装置を示す図である。

【図11】他の例に係る３次元造形装置を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１は、本発明の一の実施の形態に係る３次元造形装置１を示す斜視図である。３次元造形装置１は、粉末状またはペースト状の造形材料に変調されたレーザ光を照射し、造形材料を溶融結合または焼結することにより３次元造形を行うＳＬＳ（Selective Laser Sintering）式の装置である。すなわち、３次元造形装置１は、材料層の形成、および、材料層への光の照射を繰り返すことにより、造形空間に積層された材料層内に３次元の造形物を形成する。造形材料は、例えば、金属、エンジニアリングプラスチック、セラミックス、合成樹脂等である。当該造形材料は、複数種類の材料を含んでいてもよい。

【0018】

以下の説明において、「材料層への光の照射」とは、材料層への光ビームの照射であり、正確には、材料層への空間変調された光ビームの照射である。また、空間変調された光ビームを「マルチスポットラインビーム」とも呼ぶ。後述するように、光ビームの照射位置は材料層上を走査（移動）する。光ビームの走査により材料層の所望の領域に光を照射することも「材料層への光の照射」と簡略化して表現する場合がある。さらに、材料層の所望の領域に光を照射することを「露光」とも呼ぶ。空間変調された光ビームにより必要な領域のみに光を照射する上記露光を「描画」とも呼ぶ。

【0019】

３次元造形装置１は、光学ヘッド１１と、層形成機構１２と、ヘッド移動機構１３を備える。層形成機構１２は、造形空間３０に造形材料９１の薄層である材料層を形成する。光学ヘッド１１は、材料層の表面の加工領域上に変調された光を照射する。ヘッド移動機構１３は、光学ヘッド１１を図１中のＹ方向に移動する。図２は、層形成機構１２の断面、および、光学ヘッド１１を簡略化して示す図である。図２では、断面を示す平行斜線を部分的に省略している。造形空間３０には、後述するように、複数の材料層９２が積層するように順次形成される。

【0020】

図３は、光学ヘッド１１の概略構成を示す図である。光学ヘッド１１は、レーザ光源２１と、照明光学系２２と、光変調器２３と、投影光学系２４とを含む。図３は簡略図であり、各構成要素の配置は実際の配置とは異なる。レーザ光源２１は、光学ヘッド１１の外部に設けられてもよく、この場合、レーザ光源２１から出射される光は光学ヘッド１１内に導かれる。投影光学系２４は、ガルバノスキャナ４４を有し、材料層９２上における光（後述のマルチスポットラインビーム８）の照射位置を水平なＸ方向に走査する。

【0021】

図２に示すように、層形成機構１２は、造形部３１と、供給部３２とを備える。造形部３１は、第１シリンダ３１１と、第１ピストン３１２とを備える。第１シリンダ３１１は、上下方向に延びる筒状の部材である。第１シリンダ３１１の内部空間の平面視における形状は、例えば略矩形である。第１ピストン３１２は、第１シリンダ３１１の内部空間に収容される略平板状または略柱状の部材であり、平面視における形状は、第１シリンダ３１１の内部空間と略同じである。第１ピストン３１２は、第１シリンダ３１１の内部空間において、上下方向に移動可能である。造形部３１では、第１シリンダ３１１の内側面と第１ピストン３１２の上面とにより囲まれる３次元空間が、３次元造形が行われる造形空間３０である。

【0022】

供給部３２は、第２シリンダ３２１と、第２ピストン３２２と、スキージである層形成部材３２３とを備える。第２シリンダ３２１は、上下方向に延びる筒状の部材であり、第１シリンダ３１１の側方に隣接して配置される。第２シリンダ３２１の内部空間の平面視における形状は、例えば略矩形である。第２ピストン３２２は、第２シリンダ３２１の内部空間に収容される略平板状または略柱状の部材であり、平面視における形状は、第２シリンダ３２１の内部空間と略同じである。第２ピストン３２２は、第２シリンダ３２１の内部空間において、上下方向に移動可能である。供給部３２では、第２シリンダ３２１の内側面と第２ピストン３２２の上面とにより囲まれる３次元空間が、造形部３１に供給される予定の造形材料９１が貯溜される貯溜空間である。層形成部材３２３は、第２シリンダ３２１の上部開口を横断してＸ方向に延びる棒状（例えば、略円柱状）の部材である。層形成部材３２３は、図１に示す１対の駆動機構３２４により、第２シリンダ３２１の上端面に沿ってＹ方向に水平に移動可能である。

【0023】

供給部３２では、第２ピストン３２２が所定距離だけ上昇し、第２シリンダ３２１内の造形材料９１が上方へと持ち上げられる。このとき、事前に第１ピストン３１２により造形空間３０内の造形材料９１の表面が材料層９２の１層分だけ下降している。３次元造形装置１では、この状態で、最新の材料層９２の表面である投影面９５に光学ヘッド１１からのマルチスポットラインビーム８の照射が行われる。すなわち、造形空間３０内の造形材料９１の表面に対して、光変調器２３（図３参照）の投影像であるマルチスポットラインビーム８の走査が行われる。これにより、投影面９５の所定の領域において造形材料が結合する。その結果、３次元造形物９３の１つの層に相当する部位が形成される。

【0024】

詳細について後述するが、３次元造形装置１では、１つの材料層９２へのマルチスポットラインビーム８の照射を終了する前に、層形成部材３２３の第２シリンダ３２１上から第１シリンダ３１１上への移動が開始される。層形成部材３２３に移動により、第２シリンダ３２１の上端面よりも上側に突出する造形材料９１が、造形部３１の造形空間３０内に供給される。造形空間３０内に保持された造形材料９１の上面は、所定の高さ（例えば、第１シリンダ３１１の上端面と同じ高さ）に位置する。これにより、造形空間３０内に１つの材料層９２が形成される。

【0025】

投影面９５である加工領域上でのマルチスポットラインビーム８の走査、および、新たな材料層９２の形成が終了すると、第１ピストン３１２が材料層９２の１層分の距離だけ下降する。造形空間３０内に積層された材料層９２が下降することにより、最新の材料層９２（および投影面９５）は１層分だけ下降する。一方、供給部３２において造形材料９１が押し上げられる。その後、上記のマルチスポットラインビーム８の走査および材料層９２の形成が必要回数繰り返される。すなわち、部分的に並行して行われるマルチスポットラインビーム８の走査と新たな投影面９５の形成とが繰り返される。その結果、造形空間３０内に３次元造形物９３が形成される。

【0026】

３次元造形装置１では、作製される予定の３次元造形物の設計データ（例えば、ＣＡＤデータ）等に基づいて、光学ヘッド１１、層形成機構１２およびヘッド移動機構１３が、制御部（図７参照）により制御される。当該制御部は、例えば、プロセッサと、メモリと、入出力部と、バスとを備える通常のコンピュータである。なお、制御部の構成は様々に変更されてよい。

【0027】

次に、図３の光学ヘッド１１について説明する。レーザ光源２１は、照明光学系２２へとレーザ光８１を出射する。レーザ光源２１は、例えば、ファイバレーザ光源である。レーザ光８１の波長は、例えば１．０７０μｍである。なお、レーザ光源２１の種類、および、レーザ光８１の波長は、様々に変更されてよい。

【0028】

照明光学系２２は、レーザ光８１の光束断面を、一の方向（以下、「長軸方向」と呼ぶ。）に長い略矩形状の整形ビーム８２に整形して光変調器２３へと導く。換言すれば、整形ビーム８２の断面形状は、長軸方向に長く、光軸および長軸方向に垂直な短軸方向に短い略矩形である。整形ビーム８２の断面形状とは、光軸に対して垂直な面における整形ビーム８２の形状である。長軸方向および短軸方向は、光軸の方向、すなわち、整形ビーム８２の進行方向に垂直な方向である。以下の説明において、光束（変調されたものを含む。）を「光」または「ビーム」と表現するが、「光」または「ビーム」の「断面」とは、光軸に垂直な面における光束の断面を意味する。整形ビーム８２の断面形状は、長軸方向に延びる直線状と捉えることもできる。整形ビーム８２の光変調器２３上における形状は、例えば、長軸方向の長さが約２７ｍｍ、短軸方向の長さが約１ｍｍの略矩形である。

【0029】

光変調器２３は、照明光学系２２からの整形ビーム８２を１次元の空間変調された変調光８３に変換する。光変調器２３としては、例えば、高速に変調を行うことができ、ｋＷクラスのレーザ光に耐えることができるＰＬＶ（Planar Light Valve）が用いられる。ＰＬＶは回折型の２次元の空間光変調器であるが、光学ヘッド１１では、これを１次元の空間変調器として利用する。

【0030】

図４は、ＰＬＶである光変調器２３の構造を簡素化して示す図である。光変調器２３は、図示省略の基板上にマトリクス状に配置された（すなわち、２次元配列された）複数の略矩形状のピクセル２３１を備える。光変調器２３では、当該複数のピクセル２３１の表面が変調面２３４となる。図４に示す例では、図中の縦方向にＭ個かつ横方向にＮ個のピクセル２３１が配置される。図４中の横方向は、整形ビーム８２（図３参照）の長軸方向に対応し、図４中の縦方向は、整形ビーム８２の短軸方向に対応する。

【0031】

各ピクセル２３１は、固定部材２３２と、可動部材２３３とを備えた変調機構である。固定部材２３２は、上記基板に固定された平面状の略矩形の部材であり、中央に略円形の開口が設けられる。可動部材２３３は、固定部材２３２の当該開口に設けられる略円形の部材である。固定部材２３２の上面（すなわち、図４中の紙面に垂直な方向における手前側の面）には、固定反射面が設けられる。可動部材２３３の上面には、可動反射面が設けられる。可動部材２３３は、図４中の紙面に垂直な方向に移動可能である。

【0032】

各ピクセル２３１では、図４中の紙面に垂直な方向における固定部材２３２と可動部材２３３との相対位置が変更されることにより、ピクセル２３１からの反射光が、０次（回折）光（すなわち、正反射光）と非０次回折光との間で切り替えられる。換言すれば、ピクセル２３１では、可動部材２３３が固定部材２３２に対して相対移動することにより、回折格子を利用した光変調が行われる。光変調器２３から出射された０次光は、投影光学系２４（図３参照）により造形空間３０へと導かれる。また、光変調器２３から出射された非０次回折光（主として、１次回折光）は、適宜遮光されて造形空間３０には到達しない。

【0033】

光変調器２３では、図４中の縦方向に１列に並ぶＭ個のピクセル２３１（以下、「ピクセル列２３０」とも呼ぶ。）からの反射光の回折状態は同じである。すなわち、一のピクセル２３１からの反射光が０次光である場合、当該一のピクセル２３１が含まれるピクセル列２３０の他の全てのピクセル２３１（すなわち、（Ｍ－１）個のピクセル２３１）からの反射光も０次光である。また、一のピクセル２３１からの反射光が非０次回折光である場合、当該一のピクセル２３１が含まれるピクセル列２３０の他の全てのピクセル２３１からの反射光も非０次回折光である。すなわち、光変調器２３では、整形ビーム８２の短軸方向において変調は行わず、長軸方向において変調を行う。このように、光変調器２３では、１つのピクセル列２３０のＭ個のピクセル２３１（すなわち、Ｍ個の変調機構）が、１つの単位空間に対応する１つの変調要素として機能する。光変調器２３は、整形ビーム８２の長軸方向に１列に並ぶＮ個の変調要素を備える１次元の空間光変調器として機能する。好ましい例では、Ｎは、１０００以上である。

【0034】

次に、投影光学系２４について説明する。図５は投影光学系２４の概略を示す図である。投影光学系２４は、第１投影光学系２４１と第２投影光学系２４２とを含む。第１投影光学系２４１は光変調器２３の中間像８４を所定の中間位置に形成する。第２投影光学系２４２はこの中間像８４を材料層９２上、すなわち、投影面９５上に投影しつつ走査する。換言すれば、投影光学系２４は、光変調器２３の投影像を材料層９２上に形成しつつ走査する。図５において、紙面に垂直な方向が光変調器２３の変調要素が並ぶ方向（以下、「長軸方向」ともいう。）に対応する。

【0035】

第１投影光学系２４１は、光変調器２３側から順に、第１レンズ群４１と第２レンズ群４２とを有する。第１レンズ群４１は少なくとも１つのレンズである。第２レンズ群４２も少なくとも１つのレンズである。第２投影光学系２４２は、第１投影光学系２４１側から順に、第３レンズ群４３と、ガルバノスキャナ４４と、第４レンズ群４５とを有する。第３レンズ群４３は少なくとも１つのレンズである。ガルバノスキャナ４４は、ミラーの向きを変更することにより、変調光をＸ方向に走査する走査機構である。図５では、ガルバノスキャナ４４のミラー部分のみを簡略化して示している。第４レンズ群４５は少なくとも１つのレンズである。

【0036】

第１投影光学系２４１により光変調器２３の中間像８４が形成される。第１レンズ群４１および第２レンズ群４２を球面レンズのみで構成してもよいが、１次元の変調光を生成する場合、長軸方向の変調が造形物の形状を決定するため、第１投影光学系２４１にシリンドリカルレンズ等を含めて中間像８４を短軸方向に縮小してもよい。

【0037】

第３レンズ群４３は、好ましくは１枚のレンズ、または、収差を抑制した貼り合わせレンズである。第４レンズ群４５も、好ましくは１枚のレンズ、または、収差を抑制した貼り合わせレンズである。第２投影光学系２４２は、好ましくは球面レンズのみにより構成され、いわゆるｆθレンズである。第２投影光学系２４２は、像側テレセントリックであっても像側非テレセントリックであってもよい。さらに、第２投影光学系２４２は非ｆθレンズであってもよい。第２投影光学系２４２により、中間像８４の投影像が材料層９２の表面である投影面９５（すなわち、粉末面）上に形成される。第２投影光学系２４２により、中間像８４がマルチスポットラインビーム８となって加工領域である投影面９５上に照射される。また、ガルバノスキャナ４４により、投影像が投影面９５上にてＸ方向に走査される。図５では、マルチスポットラインビーム８が走査される様子をガルバノスキャナ４４から光路を分岐させることにより簡略化して示している。

【0038】

図６は、材料層９２の投影面９５においてマルチスポットラインビーム８が照射される様子を説明するための図である。図６においてＹ方向が長軸方向に対応する。すなわち、マルチスポットラインビーム８のＯＮ（光照射）およびＯＦＦ（光非照射）のスポットがＹ方向に並ぶ。図６中の符号９５０はマルチスポットラインビーム８のスポット列の長さを示し、ガルバノスキャナ４４によりマルチスポットラインビーム８が矢印８ａにて示すように（＋Ｘ）方向に移動することにより、１つの領域９５１に変調光による描画が行われる。以下、領域９５１を「スワス」と呼ぶ。

【0039】

１つのスワス９５１に対する描画が完了すると、図１のヘッド移動機構１３により、光学ヘッド１１が材料層９２に平行なヘッド移動方向である（＋Ｙ）方向にステップ移動し、（＋Ｙ）方向に隣接するスワス９５１への描画が行われる。隣接するスワス９５１への描画が順次行われることにより、材料層９２の投影面９５への描画、すなわち、変調された光の照射による投影面９５の露光が完了する。

【0040】

図７は、３次元造形装置１の機能構成を示すブロック図である。制御部１４は、光学ヘッド１１、層形成機構１２およびヘッド移動機構１３を制御する。制御部１４が光学ヘッド１１およびヘッド移動機構１３を制御することにより、投影面９５への変調光（マルチスポットラインビーム８）の照射が行われる。制御部１４が層形成機構１２を制御することにより、造形空間３０に材料層９２が形成される。制御部１４は遅延時間７１を記憶する。制御部１４の制御により、投影面９５への変調光の照射が開始されてから遅延時間７１の経過後に層形成機構１２による材料層９２の形成が開始される。

【0041】

図８は、３次元造形装置１の動作の流れを示す図である。３次元造形装置１は、まず、遅延時間の設定を受け付ける（ステップＳ１１）。すなわち、制御部１４が有するキーボードやマウス等の入力デバイスを介して操作者が遅延時間を入力すると、入力値が遅延時間７１として制御部１４が有するメモリ内に保存される。このように、遅延時間７１は変更可能な値である。遅延時間７１の変更が不要な場合は、ステップＳ１１は省略されてよい。

【0042】

前処理（ステップＳ１２）では、例えば、複数回の材料層９２の形成、図示省略の加熱部による材料層９２の温度調整等が行われる。次に、第１ピストン３１２が材料層９２の１層分の厚さだけ下降する（ステップＳ１３）。これにより、最上層、すなわち、最新の材料層９２の表面である投影面９５が、マルチスポットラインビーム８の照射に適した高さに位置する。その後、投影面９５へのマルチスポットラインビーム８の照射および走査が開始される（ステップＳ１４）。このように、３次元造形装置１では、材料層９２が形成された直後よりも材料層９２の表面が材料層９２の１層分だけ低い高さにてマルチスポットラインビーム８による描画が行われる。

【0043】

図６を参照して説明したように、マルチスポットラインビーム８を（＋Ｘ）方向に走査しつつ光学ヘッド１１を（＋Ｙ）方向に移動することにより、描画が行われる。描画開始から遅延時間７１経過後に、供給部３２による次の材料層９２の形成が開始される（ステップＳ１５）。すなわち、光学ヘッド１１による一の材料層９２への光の照射を終了する前に、層形成機構１２が次の材料層９２の形成を開始する。具体的には、予め第２ピストン３２２により造形材料９１が第２シリンダ３２１の上端よりも上に押し上げられており、光学ヘッド１１の移動に追従するようにして層形成部材３２３が（＋Ｙ）方向への移動を開始することにより、（＋Ｙ）方向に向かって次の材料層９２が投影面９５上に形成されていく。図６では、層形成部材３２３を二点鎖線にて示し、層形成部材３２３の移動を矢印３２ａにて示している。３次元造形装置１では、光の照射と材料層９２の形成とが部分的に並行して行われる。これにより、造形に要する時間が短縮され、造形物の生産性が向上する。

【0044】

遅延時間７１は、造形材料９１に光が照射されて溶融（または焼結）した後、造形材料９１が熱的に安定するまでの時間を考慮して決定される。これにより、光の照射後、熱的に安定した領域が、次の材料層９２により順次覆われていく。

【0045】

投影面９５に造形物の１断面分（スライス分）の描画が行われると、光ビームの照射を終了し（ステップＳ１６）、その後、材料層９２の形成も終了する（ステップＳ１７）。次の材料層９２への光ビームの照射が必要な場合（ステップＳ１８）、ステップＳ１３に戻って、材料層９２の下降、光ビームの照射、光ビームの照射と部分的に並行して行われる材料層９２の形成が繰り返される（ステップＳ１３～Ｓ１７）。造形物の全てのスライスに対する描画か完了すると（ステップＳ１８）、所定時間の待機や造形物の取り出し動作等の後処理が行われる（ステップＳ１９）。なお、最後のステップＳ１６（光照射）の後のステップＳ１７（材料層９２の形成）は、行われなくてもよい。

【0046】

図９は、３次元造形装置１における投影面９５への光ビームの照射の他の例を示す図である。図９の例では、光学ヘッド１１は（＋Ｙ）方向に連続的に移動する。「連続的に」とは、光ビームの照射途上において光学ヘッド１１の移動が停止しないことを意味する。したがって、各スワス９５１は、矢印８ｂにて示すように、（＋Ｘ）方向に対して（＋Ｙ）側に傾斜する。これにより、投影面９５への描画時間を短縮することができる。図６の場合と同様に、図９では層形成部材３２３を二点鎖線にて示し、層形成部材３２３の移動を矢印３２ａにて示している。

【0047】

具体例として、図６の例の場合において、スポット列の長さ９５０が２５ｍｍ、投影面９５のサイズがＸ方向３５０ｍｍ、Ｙ方向１０００ｍｍ、マルチスポットラインビーム８のＸ方向への走査速度が１０００ｍｍ／秒、光学ヘッド１１のＹ方向に対する静止に要する時間が０．５秒、造形材料９１の加熱後に熱的安定に要する時間が３秒、とした場合、Ｘ方向への１回の走査時間は０．３５秒、Ｘ方向への走査回数は４０回となる。ここで、図６のように、スワス９５１毎に光学ヘッド１１を移動および停止を繰り返す場合、投影面９５全体に描画を行う時間は、約３４秒（＝（０．３５秒＋０．５秒）×４０回）となる。一方、図９のように光学ヘッド１１を連続的に移動する場合は、光学ヘッド１１の移動速度は７１．４ｍｍ／秒（＝２５ｍｍ／０．３５秒）となり、投影面９５全体に描画を行う時間は、約１４秒（＝１０００ｍｍ／（７１．４ｍｍ／秒））となる。さらに、遅延時間７１を３秒とした場合、図９において１層分の処理に要する時間は１７秒（＝１４秒＋３秒）となる。

【0048】

なお、上記数値は一例に過ぎず、例えば、Ｘ方向への走査速度を５０００ｍｍ／秒としてもＹ方向への移動速度は３５７ｍｍ／秒であり、実施可能な速度である。

【0049】

図１０および図１１は、他の例に係る３次元造形装置１ａを示す図である。３次元造形装置１ａでは、光学ヘッド１１が（＋Ｙ）方向に移動する際にも、（－Ｙ）方向に移動する際にも投影面９５への描画が行われる。すなわち、描画の際の光学ヘッド１１のヘッド移動方向が反転可能であり、（＋Ｙ）方向のヘッド移動方向に対して（－Ｙ）方向は反転したヘッド移動方向である。３次元造形装置１ａでは、図２の３次元造形装置１の造形部３１の（＋Ｙ）側に、図２の供給部３２と同様の供給部が追加される。以下、造形部３１の（－Ｙ）側の供給部を「第１供給部３２ａ」と呼び、造形部３１の（＋Ｙ）側の供給部を「第２供給部３２ｂ」と呼ぶ。第１供給部３２ａと第２供給部３２ｂは、層形成部材３２３を共有する。図１０および図１１において、図２と同様の構成要素には同符号を付している。

【0050】

図１０は、光学ヘッド１１が矢印１１ａにて示すように、（＋Ｙ）方向に移動する様子を示す。図１１は、光学ヘッド１１が矢印１１ｂにて示すように、（－Ｙ）方向に移動する様子を示す。３次元造形装置１ａの動作は、光学ヘッド１１が（＋Ｙ）方向および（－Ｙ）方向に移動する際に描画および材料層９２を形成するという点を除いて、図８と同様である。すなわち、予め遅延時間７１を受け付けて保存し（ステップＳ１１）、前処理が完了すると（ステップＳ１２）、造形部３１において材料層９２が下降し、光学ヘッド１１が（＋Ｙ）方向に移動しつつ投影面９５への描画が開始される（ステップＳ１４）。描画開始から遅延時間７１が経過すると、第１供給部３２ａによる次の材料層９２の形成が開始される（ステップＳ１５）。

【0051】

描画および材料層９２の形成が完了すると（ステップＳ１６～Ｓ１８）、造形部３１において材料層９２が下降し（ステップＳ１３）、図１１に示すように光学ヘッド１１が（－Ｙ）方向に移動しつつ投影面９５への描画が開始される（ステップＳ１４）。描画開始から遅延時間７１が経過すると、第２供給部３２ｂによる次の材料層９２の形成が開始される（ステップＳ１５）。すなわち、光学ヘッド１１が（－Ｙ）方向に移動しつつ一の材料層９２への光の照射を終了する前に、層形成機構１２が（－Ｙ）方向に向かって次の材料層９２の形成を開始する。描画および材料層９２の形成が完了すると（ステップＳ１６～Ｓ１８）、造形部３１において材料層９２が下降し（ステップＳ１３）、光学ヘッド１１および第１供給部３２ａによる描画および材料層９２の形成が行われる。

【0052】

光学ヘッド１１が（＋Ｙ）方向および（－Ｙ）方向に移動する際に描画が行われるため、３次元造形装置１ａではさらに高速に造形を行うことができる。また、このような動作を実現するために、３次元造形装置１ａでは、Ｙ方向における光学ヘッド１１と層形成部材３２３との順序を入れ替えることができる構造となっている。すなわち、層形成部材３２３は、光学ヘッド１１の下方を潜り抜けることができる。

【0053】

以上に説明したように、３次元造形装置１，１ａ（以下、３次元造形装置１，１ａを単に「３次元造形装置１」と表現し、「３次元造形装置１」には矛盾しない範囲で「３次元造形装置１ａ」を含むのとする。）では、光学ヘッド１１をＹ方向に移動することにより、３次元造形装置１の製造コストを抑えつつ、大型の造形物の作製することができる。光学ヘッド１１の数が１つであることから、光学ヘッド１１の定期メンテナンス時の工数も削減することができる。また、投影面９５への描画および次の材料層９２の形成を部分的に並行して行うため、造形物の生産性をさらに向上することができる。

【0054】

３次元造形装置１では、造形材料９１の予備的加熱の管理が重要となるが、材料層９２の形成から、この材料層９２への描画までに十分な時間が存在するため、予熱的加熱のための時間消費を抑制しつつ描画を安定して行うことができる。さらに、描画後に速やかに次の材料層９２が描画済みの領域を覆うため、描画後の材料に予備的加熱装置から熱が与えられることを回避することができ、造形物の形状精度を向上することができる。特に、３次元造形装置１では光学ヘッド１１が大きく移動するため、次の材料層９２の速やかな形成は有効である。

【0055】

加えて、３次元造形装置１では、描画開始から次の材料層９２の形成開始までの遅延時間７１が可変であるため、造形材料９１の種類に応じて適切に生産性を向上することができる。

【0056】

３次元造形装置１は、様々に変更可能である。３次元造形装置１では、粉末状またはペースト状の造形材料９１の材料層９２の形成、および、材料層９２への光の照射を繰り返すことにより、造形空間３０に積層された材料層９２内に３次元の造形物を形成する。光の照射を行う構成および材料層９２を形成する構成は、様々に変更されてよい。

【0057】

例えば、光学ヘッド１１の光源は、レーザ光源２１には限定されない。他の公知の様々な光源が採用されてよい。照明光学系２２も光変調器２３の複数の変調要素の領域に光を収束させて導くことができるのであれば様々な光学系が採用されてよい。

【0058】

直線状に配列された複数の変調要素を有する回折型の光変調器２３としては、耐パワー性能が高いＰＬＶ（平面光バルブ）が好ましい。光変調器２３は、回折格子光バルブ（Grating Light Valve：ＧＬＶ（登録商標））であってもよい。光変調器２３としては、投影像中の複数の位置における光の照射および非照射を制御することができるのであれば様々な原理に基づく回折型の光変調器が採用可能である。

【0059】

ミラーの向きを変更することにより高速に光の照射位置を操作する走査機構として、ガルバノスキャナ４４に代えて、ポリゴンレーザスキャナ等の他の機構が採用されてもよい。上記３次元造形装置１では、光の照射位置に形成される投影像は、Ｘ方向またはほぼＸ方向に走査されるが、走査方向はこれらの方向には限定されない。投影像の走査により２次元に描画を行うためには、走査方向は投影像におけるスポット列の方向に対して交差する方向であればよい。スポット列は、投影像において、光変調器２３の複数の変調要素の配列方向に対応する方向である。一方、光学ヘッド１１の移動によっても描画範囲が広がる必要があるため、走査方向はヘッド移動方向に対しても交差する方向である。１つのスワス９５１を描画する方向を「１次走査方向」、ヘッド移動方向であるスワス９５１の配列方向を「２次走査方向」と呼ぶ場合、１次走査方向は、スポット列の方向に対しても２次走査方向に対しても交差する方向である。

【0060】

投影光学系２４により、光変調器２３の投影像が投影面９５上に形成されるが、厳密な意味で光変調器２３と投影面９５とは光学的に共役である必要はない。３次元造形が可能な範囲内で、投影面９５は光変調器２３と共役な位置から僅かにずれてもよい。投影光学系２４の構成は様々に変更されてよい。

【0061】

第１投影光学系２４１は、光変調器２３の中間像８４を所定の中間位置に形成するが、光変調器２３は１次元の空間変調器であるため、「中間像」とは少なくとも長軸方向における像を意味すると解釈されてよい。すなわち、第１投影光学系２４１において長軸方向に関して光変調器２３と中間像８４とは共役な位置関係である。したがって、光変調器２３の投影面９５上の投影像とは、少なくとも長軸方向における投影像を意味する。もちろん、第１投影光学系２４１は長軸方向および短軸方向に同じの投影倍率を有してもよい。なお、第１投影光学系２４１は１つのレンズのみとすることも可能である。第１投影光学系２４１は、１つのレンズ群でもよく、３以上のレンズ群でもよい。

【0062】

光学ヘッド１１を材料層９２に平行なヘッド移動方向に移動するヘッド移動機構１３は、公知の様々な機構が採用可能である。例えば、リニアモータ、モータにボールネジを組み合わせた送り機構等が採用される。

【0063】

層形成機構１２の層形成部材３２３は、スキージには限定されない。ローラや造形材料９１を散布する部材が層形成部材として採用されてもよい。層形成機構１２は、層形成部材３２３を有しない機構であってもよい。投影面９５上に、造形材料９１の新たな材料層９２を形成することにより、新たな投影面９５を形成することができるのであれば、層形成機構１２として様々な他の機構が採用されてよい。

【0064】

３次元造形装置１では、層形成機構１２が、ヘッド移動方向に向かって材料層９２を形成し、光学ヘッド１１による一の材料層９２への光の照射を終了する前に、層形成機構１２が次の材料層９２の形成を開始する。この動作は、造形物の全てのスライス（造形物の１つの材料層９２に対応する部分）に対して行われる必要はない。例えば、１つのスライスにおいて光を照射すべき領域が小さい場合、このスライスに対応する投影面９５への光照射に要する時間は短い可能性があるため、光の照射が完了してから層形成機構１２が次の材料層９２の形成が開始されてもよい。

【0065】

３次元造形装置１では、光学ヘッド１１が一の材料層９２への光の照射を開始してから、層形成機構１２が次の材料層９２の形成を開始するまでの遅延時間７１が可変であるが、使用される造形材料９１が１種類に決められている場合は、遅延時間７１は固定でもよい。なお、遅延時間７１は、実質的に光学ヘッド１１が一の材料層９２への光の照射を開始してから、層形成機構１２が次の材料層９２の形成を開始するまでの時間を反映するものであれば、厳密に、上記時間を示すものである必要はない。

【0066】

図１０および図１１の３次元造形装置１ａでは、光学ヘッド１１のヘッド移動方向が反転可能であり、第１供給部３２ａおよび第２供給部３２ｂにおいて層形成部材３２３が共用されるが、層形成部材３２３は、第１供給部３２ａおよび第２供給部３２ｂのそれぞれに設けられてもよい。

【0067】

上記実施の形態では、光学ヘッド１１がヘッド移動方向に移動し、光学ヘッド１１の移動と部分的に並行して同方向に層形成機構１２が次の材料層９２を形成するが、３次元造形装置１の製造コストを抑制しつつ大きな造形物を形成するという目的のみに注目した場合、光学ヘッド１１の移動と次の材料層９２の形成とは並行して行われなくてもよい。また、光学ヘッド１１により複数ではない１つの変調スポットが形成され、光ビームの照射位置がＸ方向に走査されつつ漸次（＋Ｙ）方向に移動するに従って、次の材料層９２が（＋Ｙ）方向に向かって形成されてもよい。すなわち、マルチスポットラインビーム８にて描画を行いつつ光学ヘッド１１を移動することと、光の照射と材料層９２の形成とを部分的に並行して行うこととは、個別の技術的事項として３次元造形装置に採用されてよい。

【0068】

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

【符号の説明】

【0069】

１，１ａ ３次元造形装置
１１ 光学ヘッド
１２ 層形成機構
１３ ヘッド移動機構
２１ レーザ光源
２２ 照明光学系
２３ 光変調器
２４ 投影光学系
３０ 造形空間
７１ 遅延時間
９１ 造形材料
９２ 材料層
９３ 造形物
２３０ ピクセル列（変調要素）
Ｓ１３～Ｓ１８ ステップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】