(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】
(24)【登録日】2023-10-02
(45)【発行日】2023-10-11
(54)【発明の名称】三次元造形物の製造方法
(51)【国際特許分類】
B29C 64/153 20170101AFI20231003BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20231003BHJP
B29C 64/393 20170101ALI20231003BHJP
B33Y 50/02 20150101ALI20231003BHJP
【ＦＩ】
B29C64/153
B33Y10/00
B29C64/393
B33Y50/02
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2022117266
(22)【出願日】2022-07-22
【審査請求日】2022-10-17
(73)【特許権者】
【識別番号】000132725
【氏名又は名称】株式会社ソディック
(74)【代理人】
【識別番号】110001139
【氏名又は名称】ＳＫ弁理士法人
(74)【代理人】
【識別番号】100130328
【弁理士】
【氏名又は名称】奥野 彰彦
(74)【代理人】
【識別番号】100130672
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 寛之
(72)【発明者】
【氏名】網岡 弘至
【審査官】関口 貴夫
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－１８３２８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０７３７９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０５４３１２７９（ＣＮ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００８／０２４１３９２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－２０１０６８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２９Ｃ ６４／００－６４／４０
Ｂ３３Ｙ １０／００－９９／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
造形領域に材料粉体を供給して材料層を形成する材料層形成工程と、前記材料層の所定の照射領域にレーザ光又は電子ビームを照射することにより固化層を形成する固化工程とを繰り返すことにより、前記固化層を積層する固化層形成工程を含んでなる三次元造形物の製造方法であって、前記レーザ光又は前記電子ビームの照射条件と前記照射領域の分割幅とを設定する造形条件設定工程と、
所望の三次元形状を所定の高さ毎に分割してなる複数の分割層毎に前記照射領域を決定する照射領域決定工程と、
各前記分割層の前記照射領域を所定の分割方向に沿って前記照射条件に適する前記分割幅で分割して複数の分割領域を形成する分割工程と、
前記分割領域内に所定の走査方向に沿ったラスタ走査線を設定する走査線設定工程と、
を備え、
前記固化工程では、前記レーザ光又は前記電子ビームは、前記ラスタ走査線を含む走査経路に沿って走査され、
前記製造方法は、
対象分割層上の前記走査経路に所定値未満の前記ラスタ走査線が含まれるかを判定する長さ判定工程をさらに備え、
前記分割工程では、前記長さ判定工程において前記対象分割層上の前記走査経路に前記所定値未満の前記ラスタ走査線が含まれると判定された場合に、前記対象分割層における前記照射領域の前記分割方向を回転角度θ水平回転させた方向を、前記対象分割層の直上の分割層における前記照射領域の前記分割方向とし、
前記回転角度θは、０°＜θ＜１８０°又は－１８０°＜θ＜０°（ただし符号は回転方向を示す）を満たす、製造方法。
【請求項2】
請求項１に記載の製造方法であって、前記走査線設定工程において、前記走査方向は前記分割方向に平行に設定される、製造方法。
【請求項3】
請求項１又は請求項２に記載の製造方法であって、加工条件に基づき前記回転角度θを設定する回転角度設定工程を備え、
前記加工条件は、前記分割幅、前記材料粉体の材質、前記照射領域の条件、前記照射条件のうちの少なくとも１つを含む、製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、三次元造形物の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
三次元造形物の積層造形方法としては、種々の方式が知られている。例えば粉末床溶融結合を実施する積層造形装置は、造形領域に材料粉体からなる材料層を形成し、レーザ光又は電子ビームを走査して材料層の所定位置に照射することで材料層を焼結又は溶融させて固化層を形成する。そして、材料層及び固化層の形成を繰り返すことによって固化層が積層され、所望の三次元造形物が製造される。
【0003】
レーザ光又は電子ビームは、例えば、材料層の照射領域内に直線状に並列に配置した走査パターンである、いわゆるラスタ走査線に沿って走査される。ここで、照射領域を所定の分割幅で分割し、分割領域毎にラスタ走査を行う場合がある。分割領域毎にラスタ走査を行う場合、各分割領域におけるラスタ走査線の長さが基本的に所定の分割幅に従って同じ長さであるから、照射条件を変えることなく均一な照射エネルギーで材料層を溶融固化することができる。そのため、スパッタの飛散量がより少なくなり、ピンホールや空隙ができにくくなる。また、所定の分割幅に依存するラスタ走査線の基準長さが数ｃｍ程度と短いので、レーザ光又は電子ビームを高速で走査しても周囲に対する熱等の悪影響を最小にできる。そのため、要求される休止時間を比較的短くすることができ、高速で凹凸の差が小さい品質が安定した溶融固化を行なうことができる。特許文献１には、スポット形状を細長形状としたレーザ光を分割領域毎にラスタ走査することで、材料層を均一に加熱し造形品質を向上させることが可能な積層造形装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許６２６６０４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
照射領域を分割せずにラスタ走査を行う場合、照射条件を決める走査線の基準長さが長いので、各走査線の長さの違いが照射領域の縁部分の形状差に与える影響は、相対的に小さい。一方、分割領域毎にラスタ走査を行う場合、各ラスタ走査線は、基本的に所定の分割幅と同じ長さを有する直線として設定される。このとき、照射領域の端部において分割幅よりも短いラスタ走査線が不可避的に生じるが、照射領域を分割せずにラスタ走査を行う場合と比べて走査線の基準長さが明らかに短く、照射エネルギーを含む照射条件に基づいてラスタ走査線の基準長さが設定されているので、基準長さよりも短いラスタ走査線による照射箇所においては、照射により形成されるメルトプールの温度が比較的高くなる。固化層の積層とともに短いラスタ走査線による照射箇所が鉛直方向に重複すると、一層毎の固化層の変形が何層もの積重ねによって徐々に隆起が大きくなっていき、ついには、材料層を形成する材料層形成装置のブレードが衝突するに至る。
【0006】
材料層形成装置は、造形領域を移動し材料粉体を供給しながらブレードによって材料粉体を均して材料層を形成するものである。そのため、隆起に材料層形成装置のブレードが衝突すると、材料粉体の供給量が変動して材料層が不均一となり、造形品質が低下する可能性がある。また、隆起の大きさによっては、ブレードが隆起に衝突したまま動くことができなくなってしまって、隆起を除去しない限り、造形作業を継続することができなくなってしまう。
【0007】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、三次元造形物を高品質に造形することが可能な、三次元造形物の製造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】
【0008】
本発明によれば、以下の発明が提供される。
［１］造形領域に材料粉体を供給して材料層を形成する材料層形成工程と、前記材料層の所定の照射領域にレーザ光又は電子ビームを照射することにより固化層を形成する固化工程とを繰り返すことにより、前記固化層を積層する固化層形成工程を含んでなる三次元造形物の製造方法であって、前記レーザ光又は前記電子ビームの照射条件と前記照射領域の分割幅とを設定する造形条件設定工程と、所望の三次元形状を所定の高さ毎に分割してなる複数の分割層毎に前記照射領域を決定する照射領域決定工程と、各前記分割層の前記照射領域を所定の分割方向に沿って前記照射条件に適する前記分割幅で分割して複数の分割領域を形成する分割工程と、前記分割領域内に所定の走査方向に沿ったラスタ走査線を設定する走査線設定工程と、を備え、前記固化工程では、前記レーザ光又は前記電子ビームは、前記ラスタ走査線を含む走査経路に沿って走査され、前記分割工程では、対象分割層における前記照射領域の前記分割方向を回転角度θ水平回転させた方向を、前記対象分割層の直上の分割層における前記照射領域の前記分割方向とし、前記回転角度θは、０°＜θ＜１８０°又は－１８０°＜θ＜０°（ただし符号は回転方向を示す）を満たす、製造方法。
［２］［１］に記載の製造方法であって、前記走査線設定工程において、前記走査方向は前記分割方向に平行に設定される、製造方法。
［３］［１］又は［２］に記載の製造方法であって、前記対象分割層上の前記走査経路に所定値未満の前記ラスタ走査線が含まれるかを判定する長さ判定工程を備え、前記分割工程では、前記長さ判定工程において前記対象分割層上の前記走査経路に前記所定値未満の前記ラスタ走査線が含まれると判定された場合に、前記対象分割層における前記照射領域の前記分割方向を前記回転角度θ水平回転させた方向を、前記対象分割層の直上の分割層における前記照射領域の前記分割方向とする、製造方法。
［４］［１］～［３］のいずれか１つに記載の製造方法であって、加工条件に基づき前記回転角度θを設定する回転角度設定工程を備え、前記加工条件は、前記分割幅、前記材料粉体の材質、前記照射領域の条件、前記照射条件のうちの少なくとも１つを含む、製造方法。
［１］造形領域に材料粉体を供給して材料層を形成する材料層形成工程と、前記材料層の所定の照射領域にレーザ光又は電子ビームを照射することにより固化層を形成する固化工程とを繰り返すことにより、前記固化層を積層する固化層形成工程を含んでなる三次元造形物の製造方法であって、前記レーザ光又は前記電子ビームの照射条件と前記照射領域の分割幅とを設定する造形条件設定工程と、所望の三次元形状を所定の高さ毎に分割してなる複数の分割層毎に前記照射領域を決定する照射領域決定工程と、各前記分割層の前記照射領域を所定の分割方向に沿って前記照射条件に適する前記分割幅で分割して複数の分割領域を形成する分割工程と、前記分割領域内に所定の走査方向に沿ったラスタ走査線を設定する走査線設定工程と、を備え、前記固化工程では、前記レーザ光又は前記電子ビームは、前記ラスタ走査線を含む走査経路に沿って走査され、前記分割工程では、対象分割層における前記照射領域の前記分割方向を回転角度θ水平回転させた方向を、前記対象分割層の直上の分割層における前記照射領域の前記分割方向とし、前記回転角度θは、０°＜θ＜１８０°又は－１８０°＜θ＜０°（ただし符号は回転方向を示す）を満たす、製造方法。
［２］［１］に記載の製造方法であって、前記走査線設定工程において、前記走査方向は前記分割方向に平行に設定される、製造方法。
［３］［１］又は［２］に記載の製造方法であって、前記対象分割層上の前記走査経路に所定値未満の前記ラスタ走査線が含まれるかを判定する長さ判定工程を備え、前記分割工程では、前記長さ判定工程において前記対象分割層上の前記走査経路に前記所定値未満の前記ラスタ走査線が含まれると判定された場合に、前記対象分割層における前記照射領域の前記分割方向を前記回転角度θ水平回転させた方向を、前記対象分割層の直上の分割層における前記照射領域の前記分割方向とする、製造方法。
［４］［１］～［３］のいずれか１つに記載の製造方法であって、加工条件に基づき前記回転角度θを設定する回転角度設定工程を備え、前記加工条件は、前記分割幅、前記材料粉体の材質、前記照射領域の条件、前記照射条件のうちの少なくとも１つを含む、製造方法。
【発明の効果】
【0009】
本発明に係る三次元造形物の製造方法では、任意の対象材料層における照射領域の分割方向を所定の回転角度θ（０°＜θ＜１８０°又は－１８０°＜θ＜０°）水平回転させた方向を、対象材料層の直上の材料層における照射領域の分割方向とする。分割方向の回転により、鉛直方向において短いラスタ走査線による照射箇所の重複が小さくなり、固化層の隆起の形成及び造形品質の低下を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の実施形態に係る積層造形装置１００の概略構成図である。
【図2】材料層形成装置３の斜視図である。
【図3】リコータヘッド１１の上方からの斜視図である。
【図4】リコータヘッド１１の下方からの斜視図である。
【図5】照射装置１３の概略構成図である。
【図6】積層造形装置１００の制御系統のブロック図である。
【図8】積層造形装置１００を用いた三次元造形物の製造方法を示す図である。
【図9】積層造形装置１００を用いた三次元造形物の製造方法を示す図である。
【図10】例示的な三次元造形物のｋ層目の分割層Ｌｋにおける照射領域Ｓｋ、分割領域、及びラスタ走査線を示す図である。
【図11】例示的な三次元造形物のｋ＋１層目の分割層Ｌｋ＋１における照射領域Ｓｋ＋１、分割領域、及びラスタ走査線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴事項について独立して発明が成立する。
【0012】
１．積層造形装置１００
図１は、本実施形態に係る積層造形装置１００の概略構成図である。積層造形装置１００は、チャンバ１と、材料層形成装置３と、照射装置１３とを備える。チャンバ１内に配置される造形テーブル５上に設けられた造形領域Ｒにおいて、材料層８２及び固化層８３の形成を繰り返すことで、所望の三次元造形物が形成される。
１．１．チャンバ１
チャンバ１は、三次元造形物が形成される領域である造形領域Ｒを覆う。チャンバ１の内部は不活性ガス供給装置（不図示）から供給される所定濃度の不活性ガスで充満されている。本明細書において不活性ガスとは、材料層８２や固化層８３と実質的に反応しないガスであり、材料の種類に応じて選択され、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスを使用可能である。固化層８３の形成時に発生するヒュームを含んだ不活性ガスは、チャンバ１から排出され、ヒュームコレクタ（不図示）においてヒュームが除去された後にチャンバ１へ供給され再利用される。ヒュームコレクタは、例えば、電気集塵機又はフィルタである。
図１は、本実施形態に係る積層造形装置１００の概略構成図である。積層造形装置１００は、チャンバ１と、材料層形成装置３と、照射装置１３とを備える。チャンバ１内に配置される造形テーブル５上に設けられた造形領域Ｒにおいて、材料層８２及び固化層８３の形成を繰り返すことで、所望の三次元造形物が形成される。
１．１．チャンバ１
チャンバ１は、三次元造形物が形成される領域である造形領域Ｒを覆う。チャンバ１の内部は不活性ガス供給装置（不図示）から供給される所定濃度の不活性ガスで充満されている。本明細書において不活性ガスとは、材料層８２や固化層８３と実質的に反応しないガスであり、材料の種類に応じて選択され、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスを使用可能である。固化層８３の形成時に発生するヒュームを含んだ不活性ガスは、チャンバ１から排出され、ヒュームコレクタ（不図示）においてヒュームが除去された後にチャンバ１へ供給され再利用される。ヒュームコレクタは、例えば、電気集塵機又はフィルタである。
【0013】
チャンバ１の上面には、レーザ光Ｂの透過窓となるウィンドウ１ａが設けられる。ウィンドウ１ａは、レーザ光Ｂを透過可能な材料で形成される。具体的に、ウィンドウ１ａの材料は、レーザ光Ｂの種類に応じて、石英ガラスもしくはホウケイ酸ガラス又はゲルマニウム、シリコン、ジンクセレンもしくは臭化カリウムの結晶等から選択される。例えば、レーザ光Ｂがファイバレーザ又はＹＡＧレーザの場合、ウィンドウ１ａは石英ガラスで構成可能である。
【0014】
また、チャンバ１の上面には、ウィンドウ１ａを覆うように汚染防止装置１７が設けられる。汚染防止装置１７は、円筒状の筐体１７ａと、筐体１７ａ内に配置された円筒状の拡散部材１７ｃとを備える。筐体１７ａと拡散部材１７ｃの間に不活性ガス供給空間１７ｄが設けられる。また、筐体１７ａの底面には、拡散部材１７ｃの内側に開口部１７ｂが設けられる。拡散部材１７ｃには多数の細孔１７ｅが設けられており、不活性ガス供給空間１７ｄに供給された清浄な不活性ガスは細孔１７ｅを通じて清浄室１７ｆに充満される。そして、清浄室１７ｆに充満された清浄な不活性ガスは、開口部１７ｂを通じて汚染防止装置１７の下方に向かって噴出される。このような構成により、ヒュームのウィンドウ１ａへの付着を防止し、レーザ光Ｂの照射経路からヒュームを排除することができる。
【0015】
１．２．材料層形成装置３
図１に示すように、材料層形成装置３は、チャンバ１の内部に設けられる。図２に示すように、材料層形成装置３は、ベース４と、ベース４上に配置されるリコータヘッド１１とを備える。リコータヘッド１１は、リコータヘッド駆動装置１２によって水平１軸方向に往復移動可能に構成される。
図１に示すように、材料層形成装置３は、チャンバ１の内部に設けられる。図２に示すように、材料層形成装置３は、ベース４と、ベース４上に配置されるリコータヘッド１１とを備える。リコータヘッド１１は、リコータヘッド駆動装置１２によって水平１軸方向に往復移動可能に構成される。
【0016】
図３及び図４に示すように、リコータヘッド１１は、材料収容部１１ａと、材料供給口１１ｂと、材料排出口１１ｃとを備える。材料供給口１１ｂは、材料収容部１１ａの上面に設けられ、材料供給ユニット（不図示）から材料収容部１１ａに供給される材料粉体の受け口となる。材料排出口１１ｃは、材料収容部１１ａの底面に設けられ、材料収容部１１ａ内の材料粉体を排出する。材料排出口１１ｃは、材料収容部１１ａの長手方向に延びるスリット形状を有する。リコータヘッド１１の両側面には、平板状のブレード１１ｆｂ，１１ｒｂが設けられる。ブレード１１ｆｂ，１１ｒｂは、材料排出口１１ｃから排出される材料粉体を平坦化して、材料層８２を形成する。
【0017】
図１及び図２に示すように、造形領域Ｒは造形テーブル５上に位置し、造形領域Ｒに所望の三次元造形物が形成される。造形テーブル５は、造形テーブル駆動装置５１によって駆動され鉛直方向に移動可能である。造形時には造形領域Ｒ内にベースプレート８１が配置され、ベースプレート８１の上面に材料粉体が供給されて材料層８２が形成される。
【0018】
１．３．照射装置１３
図１に示すように、照射装置１３は、チャンバ１の上方に設けられる。照射装置１３は、造形領域Ｒ内に形成される材料層８２の照射領域にレーザ光Ｂを照射して、材料粉体を溶融又は焼結して固化させ、固化層８３を形成する。
図１に示すように、照射装置１３は、チャンバ１の上方に設けられる。照射装置１３は、造形領域Ｒ内に形成される材料層８２の照射領域にレーザ光Ｂを照射して、材料粉体を溶融又は焼結して固化させ、固化層８３を形成する。
【0019】
図５に示すように、照射装置１３は、光源３１と、コリメータ３３と、フォーカス制御ユニット３５と、走査装置３７とを備え、後述する照射制御装置７２より制御される。光源３１は、レーザ光Ｂを生成する。レーザ光Ｂは、材料粉体を焼結又は溶融可能であればよく、例えば、ファイバレーザ、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザである。本実施形態においては、レーザ光Ｂとして、ファイバレーザが用いられる。
【0020】
コリメータ３３は、コリメータレンズを備え、光源３１から出力されたレーザ光Ｂを平行光に変換する。フォーカス制御ユニット３５は、焦点制御レンズと、焦点制御レンズを光軸方向に沿って前後に移動させるモータとを備え、コリメータ３３により平行光に変換されたレーザ光Ｂの焦点位置を調整することで、材料層８２の表面におけるレーザ光Ｂのビーム径を調整する。
【0021】
走査装置３７は、例えばガルバノスキャナであり、第１ガルバノミラー３７ａ及び第２ガルバノミラー３７ｂと、第１ガルバノミラー３７ａ及び第２ガルバノミラー３７ｂを所望の角度に各々回転させる第１アクチュエータ及び第２アクチュエータ（不図示）とを備える。フォーカス制御ユニット３５を通過したレーザ光Ｂは、第１ガルバノミラー３７ａ及び第２ガルバノミラー３７ｂにより造形領域Ｒ内の材料層８２の上面に２次元走査される。具体的には、レーザ光Ｂは、第１ガルバノミラー３７ａに反射されて造形領域Ｒにおける水平一軸方向であるＸ軸方向に、第２ガルバノミラー３７ｂに反射されて造形領域Ｒにおける他の水平一軸方向であってＸ軸方向に直交するＹ軸方向に走査される。
【0022】
第１ガルバノミラー３７ａ及び第２ガルバノミラー３７ｂにより反射されたレーザ光Ｂは、ウィンドウ１ａを透過して造形領域Ｒ内の材料層８２に照射され、これにより、固化層８３が形成される。なお、照射装置１３は、上述の形態に限定されない。例えば、フォーカス制御ユニット３５に代えてｆθレンズが設けられてもよい。また、照射装置１３は、レーザ光Ｂのかわりに電子ビームを照射して材料層８２を固化させるよう構成されてもよい。具体的には、照射装置１３を、電子を放出するカソード電極と、電子を収束して加速するアノード電極と、磁場を形成して電子ビームの方向を一方向に収束するソレノイドと、被照射体である材料層８２と電気的に接続されカソード電極との間に電圧を印加するコレクタ電極とを含むよう構成してもよい。
【0023】
１．４．制御系統
積層造形装置１００の制御系統は、図６に示すように、ＣＡＭ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）装置６及び制御装置７を含む。ＣＡＭ装置６及び制御装置７は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、補助記憶装置、出入力インターフェース等のハードウェアと、ソフトウェアとを任意に組み合わせて構成される。
積層造形装置１００の制御系統は、図６に示すように、ＣＡＭ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）装置６及び制御装置７を含む。ＣＡＭ装置６及び制御装置７は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、補助記憶装置、出入力インターフェース等のハードウェアと、ソフトウェアとを任意に組み合わせて構成される。
【0024】
ＣＡＭ装置６は、ＣＡＤデータ等の三次元造形物の形状を特定する造形形状データ、材料粉体の材質、レーザ光Ｂの照射条件等に基づき、積層造形装置１００に対する指令が規定されたプロジェクトファイルを作成する。ＣＡＭ装置６は、所望の演算を行う演算装置６２と、演算に必要なデータ等が保存された記憶装置６１と、演算処理の過程で数値やデータを一時的に記憶するメモリ６３とを備える。また、ＣＡＭ装置６は、通信線や記憶媒体を介してプロジェクトファイルを制御装置７に送信可能に構成される。
【0025】
制御装置７は、プロジェクトファイルに従って材料層形成装置３及び照射装置１３等を制御し、積層造形を行う。制御装置７は、主制御装置７１と、照射制御装置７２とを含む。主制御装置７１は、ＣＡＭ装置６が作成したプロジェクトファイルに従ってリコータヘッド駆動装置１２や造形テーブル駆動装置５１等を制御する。また、主制御装置７１はプロジェクトファイルのうち、レーザ光Ｂの照射に係る指令を含むプログラムを照射制御装置７２に送る。照射制御装置７２は、当該造形プログラムに従って照射装置１３を制御する。具体的には、照射制御装置７２は、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータを制御して第１ガルバノミラー３７ａ及び第２ガルバノミラー３７ｂを所望の角度だけ回転させ、レーザ光Ｂを所定の位置に照射する。また、光源３１を制御してレーザ光Ｂの出力（レーザパワー）やオン／オフの切り替えを行い、フォーカス制御ユニット３５のモータを制御してレーザ光Ｂの焦点位置を調整する。
【0026】
２．ラスタ走査
次に、レーザ光Ｂのラスタ走査について説明する。なお、以下の説明は、レーザ光Ｂの代わりに電子ビームを照射する場合においても同様にあてはまる。
次に、レーザ光Ｂのラスタ走査について説明する。なお、以下の説明は、レーザ光Ｂの代わりに電子ビームを照射する場合においても同様にあてはまる。
【0027】
図７Ａ及び図７Ｂは、ラスタ走査の説明図であり、例示的な照射領域Ｓ０に対してラスタ走査を行う場合の走査経路を示す図である。レーザ光Ｂは矢印で示すラスタ走査線に沿って走査される。また、矢印部分においてはレーザ光Ｂが照射され、隣接する矢印同士を結ぶ点線部分においてはレーザ光Ｂの照射が所定時間（ＯＦＦ時間）一時停止される。ＯＦＦ時間は、所定のラスタ走査線の照射が完了してから次のラスタ走査線の照射が開示されるまでにレーザ光Ｂが一時停止される時間であり、レーザ光Ｂの照射に伴う周囲への熱影響を抑制するために確保される。
【0028】
ラスタ走査線に沿ってレーザ光Ｂを照射すると、照射された箇所の温度が急激に上昇して材料粉体が溶融しメルトプールが形成される。当該箇所の照射が終わると、放熱により温度が低下するとともに固化層８３が形成される。
【0029】
図７Ａに示す領域非分割方式によるラスタ走査においては、照射領域Ｓ０内に、所定の走査方向に沿ってピッチｐ毎に走査線が設定される。ラスタ走査線は照射領域Ｓ０の外縁上の２点を走査方向に沿って結ぶ直線状であり、走査線に直交する方向に沿って走査が進行する。
【0030】
図７Ｂに示す領域分割方式によるラスタ走査においては、まず、照射領域Ｓ０を、分割方向Ｄ０に沿って分割幅ｗで複数の分割領域に分割する。図７Ｂにおける破線は、照射領域の分割線を示す。そして、分割領域内に、所定の走査方向に沿ってピッチｐ毎に走査線が設定される。分割領域内において、ラスタ走査線に沿ったレーザ光Ｂの照射が繰り返されながら走査線に直行する方向に沿って走査が進行し、分割領域内の走査が完了すると、別の分割領域に対して同様の走査によりレーザ光Ｂの照射が行われる。
【0031】
領域分割方式においては、ラスタ走査線が基本的には分割幅ｗに応じた同じ基準長さｄを有するため、照射条件を変えることなくより均一な条件で材料層８２を溶融固化可能である。図７Ｂの例では、走査方向が分割方向Ｄ０に平行に設定されているため基準長さｄは分割幅ｗに等しく、大半のラスタ走査線の長さは基準長さｄに等しい。また、領域非分割方式と比較してラスタ走査線が短いため、照射箇所の周囲への熱影響を抑制可能である。
【0032】
一方、分割領域の端部においては、基準長さｄよりも短いラスタ走査線が生じ得る。図７Ｂでは、各分割領域の図中右側の端部、及び図中下側の分割領域に、基準長さｄよりも短いラスタ走査線が生じる。基準長さｄよりも短いラスタ走査線による照射箇所においては、レーザ光Ｂの照射に伴い形成されるメルトプールの温度が比較的高くなり、固化層８３の変形が生じやすい。固化層８３の積層とともに基準長さｄよりも短いラスタ走査線による照射箇所が鉛直方向に重複すると、固化層８３の変形の積重ねにより隆起が大きくなり、材料層形成装置３のブレード１１ｆｂ，１１ｒｂが衝突しやすくなる。
【0033】
このような隆起は、ラスタ走査線が比較的短い領域分割方式において顕著に発生し、ラスタ走査線が比較的長い領域非分割方式においては問題となりにくい。また、ＯＦＦ時間を延長することでメルトプールの温度の上昇を抑制することは可能であるが、造形時間が長くなり製造効率が低下する。
【0034】
本実施形態では、領域分割方式において、後述するように照射領域の分割方向を回転させながらラスタ走査線を設定することで、基準長さｄよりも短いラスタ走査線による照射箇所の鉛直方向における重複を小さくし、隆起の発生を抑制する。
【0035】
３．三次元造形物の製造方法
次に、上述の積層造形装置１００を用いた三次元造形物の製造方法について説明する。本実施形態に係る製造方法は、造形領域Ｒに材料粉体を供給して材料層８２を形成する材料層形成工程と、材料層８２の所定の照射領域にレーザ光Ｂ又は電子ビームを照射することにより固化層８３を形成する固化工程とを繰り返すことにより固化層８３を積層する固化層形成工程を含む。また、本実施形態に係る製造方法は、造形条件設定工程と、照射領域決定工程と、分割工程と、走査線設定工程と、回転角度設定工程とを備える。
次に、上述の積層造形装置１００を用いた三次元造形物の製造方法について説明する。本実施形態に係る製造方法は、造形領域Ｒに材料粉体を供給して材料層８２を形成する材料層形成工程と、材料層８２の所定の照射領域にレーザ光Ｂ又は電子ビームを照射することにより固化層８３を形成する固化工程とを繰り返すことにより固化層８３を積層する固化層形成工程を含む。また、本実施形態に係る製造方法は、造形条件設定工程と、照射領域決定工程と、分割工程と、走査線設定工程と、回転角度設定工程とを備える。
【0036】
３．１．固化層形成工程
固化層形成工程は、材料層形成工程と固化工程とを備える。本実施形態の材料層形成工程では、造形領域Ｒに材料粉体からなる材料層８２を形成する。また、本実施形態の固化工程では、材料層８２の所定の照射領域に対してレーザ光Ｂを照射して固化層８３を形成する。材料層形成工程及び固化工程は繰り返し実施される。
固化層形成工程は、材料層形成工程と固化工程とを備える。本実施形態の材料層形成工程では、造形領域Ｒに材料粉体からなる材料層８２を形成する。また、本実施形態の固化工程では、材料層８２の所定の照射領域に対してレーザ光Ｂを照射して固化層８３を形成する。材料層形成工程及び固化工程は繰り返し実施される。
【0037】
まず、１回目の材料層形成工程が行われる。図８に示すように、造形テーブル５上にベースプレート８１を載置した状態で造形テーブル５の高さを適切な位置に調整する。この状態で、リコータヘッド１１を図８の左側から右側に移動させることにより、図９に示すように、ベースプレート８１上に１層目の材料層８２が形成される。
【0038】
次に、１回目の固化工程が行われる。図９に示すように、１層目の材料層８２の所定の照射領域にレーザ光Ｂを照射することによって、１層目の材料層８２を固化させ、１層目の固化層８３を得る。固化工程において、レーザ光Ｂは、後述するように走査線設定工程において設定されたラスタ走査線を含む走査経路に沿って走査される。
【0039】
続いて、２回目の材料層形成工程が行われる。１層目の固化層８３を形成後、造形テーブル５の高さを材料層８２の１層分下げる。この状態で、リコータヘッド１１を造形領域Ｒの図９の右側から左側に移動させることにより、１層目の固化層８３を覆うように２層目の材料層８２が形成される。そして２回目の固化工程が行われる。上述と同様の方法で、２層目の材料層８２の所定の照射領域にレーザ光Ｂ又は電子ビームを照射することによって２層目の材料層８２を固化させ、２層目の固化層８３を得る。
【0040】
所望の三次元造形物が得られるまで、材料層形成工程及び固化工程が繰り返され、複数の固化層８３が積層される。隣接する固化層８３は、互いに強く固着される。
【0041】
３．２．造形条件設定工程
造形条件設定工程では、レーザ光Ｂ又は電子ビームの照射条件と照射領域の分割幅とを造形条件として設定する。照射条件として、レーザ光Ｂの出力（レーザパワー）、スポット径の大きさ、走査速度、レーザ光ＢのＯＦＦ時間、ラスタ走査線のピッチｐが例示される。照射領域の分割幅は、このような照射条件に基づき、適した値に設定される。また、造形条件には、その他の条件が含まれてもよく、例えば、レーザ光Ｂの照射対象である材料層８２の積層厚み（材料層１層分の厚み）が含まれてもよい。本実施形態では、造形条件が記録された条件ファイルを作成し、当該条件ファイルをＣＡＭ装置６に読み込ませることで、照射条件が設定される。
造形条件設定工程では、レーザ光Ｂ又は電子ビームの照射条件と照射領域の分割幅とを造形条件として設定する。照射条件として、レーザ光Ｂの出力（レーザパワー）、スポット径の大きさ、走査速度、レーザ光ＢのＯＦＦ時間、ラスタ走査線のピッチｐが例示される。照射領域の分割幅は、このような照射条件に基づき、適した値に設定される。また、造形条件には、その他の条件が含まれてもよく、例えば、レーザ光Ｂの照射対象である材料層８２の積層厚み（材料層１層分の厚み）が含まれてもよい。本実施形態では、造形条件が記録された条件ファイルを作成し、当該条件ファイルをＣＡＭ装置６に読み込ませることで、照射条件が設定される。
【0042】
３．３．照射領域決定工程
照射領域決定工程では、三次元造形物の所望の三次元形状を所定の高さ毎に分割してなる複数の分割層毎に照射領域を決定する。本実施形態の照射領域決定工程では、造形条件設定工程で設定された材料層８２の積層厚み毎に三次元形状を分割して複数の分割層を作成する。分割層は、三次元形状を分割して仮想的に形成される材料層８２に相当する。そして、各分割層において、三次元造形物の輪郭形状で囲繞される領域とおおよそ一致する領域を照射領域として決定する。また、本実施形態では、ＣＡＭ装置６がＣＡＤデータ及び条件ファイルを用いた演算処理を行うことで、分割層の作成及び照射領域の決定が行われる。
照射領域決定工程では、三次元造形物の所望の三次元形状を所定の高さ毎に分割してなる複数の分割層毎に照射領域を決定する。本実施形態の照射領域決定工程では、造形条件設定工程で設定された材料層８２の積層厚み毎に三次元形状を分割して複数の分割層を作成する。分割層は、三次元形状を分割して仮想的に形成される材料層８２に相当する。そして、各分割層において、三次元造形物の輪郭形状で囲繞される領域とおおよそ一致する領域を照射領域として決定する。また、本実施形態では、ＣＡＭ装置６がＣＡＤデータ及び条件ファイルを用いた演算処理を行うことで、分割層の作成及び照射領域の決定が行われる。
【0043】
３．４．分割工程
分割工程では、各分割層の照射領域を所定の分割方向に沿って照射条件に適する所定の分割幅ｗで分割して複数の分割領域を形成する。図１０に、一例として、三次元造形物のｋ層目の分割層Ｌｋにおける照射領域Ｓｋ及びその分割領域を示す。本例では、照射領域Ｓｋを、分割方向Ｄｋに沿って分割幅ｗで直線により分割し、複数の分割領域を形成する。図１０における破線は、照射領域Ｓｋの分割線を示す。本例では、分割線は、分割方向Ｄｋに直交する直線状である。なお、分割の起点は、照射領域Ｓｋの形状等に応じて適宜設定可能であり、例えば、照射領域Ｓｋの外縁上に起点を配置してもよく、外縁よりも内側に起点を配置してもよい。
分割工程では、各分割層の照射領域を所定の分割方向に沿って照射条件に適する所定の分割幅ｗで分割して複数の分割領域を形成する。図１０に、一例として、三次元造形物のｋ層目の分割層Ｌｋにおける照射領域Ｓｋ及びその分割領域を示す。本例では、照射領域Ｓｋを、分割方向Ｄｋに沿って分割幅ｗで直線により分割し、複数の分割領域を形成する。図１０における破線は、照射領域Ｓｋの分割線を示す。本例では、分割線は、分割方向Ｄｋに直交する直線状である。なお、分割の起点は、照射領域Ｓｋの形状等に応じて適宜設定可能であり、例えば、照射領域Ｓｋの外縁上に起点を配置してもよく、外縁よりも内側に起点を配置してもよい。
【0044】
また、分割工程では、対象分割層における照射領域の分割方向を回転角度θ水平回転させた方向を、対象分割層の直上の分割層における照射領域の分割方向とする。ここで、回転角度θは、０°＜θ＜１８０°又は－１８０°＜θ＜０°（ただし符号は回転方向を示す）を満たす。なお、回転角度θの設定方法については、詳細を後述する。
【0045】
図１１に、一例として、ｋ層目の分割層Ｌｋを対象分割層とした場合の直上のｋ＋１層目の分割層Ｌｋ＋１における照射領域Ｓｋ＋１及び分割領域を示す。本例では、対象分割層Ｌｋにおける照射領域Ｓｋの分割方向Ｄｋを回転角度θ＝６７°水平回転させた方向を分割層Ｌｋ＋１における照射領域Ｓｋ＋１の分割方向Ｄｋ＋１としている。そして、照射領域Ｓｋ＋１を、分割方向Ｄｋ＋１に沿って分割幅ｗで分割し、複数の分割領域を形成する。図１１における破線は、照射領域Ｓｋ＋１の分割線を示す。
【0046】
本実施形態では、全ての分割層について分割方向の回転を行う。つまり、三次元造形物の下面側から三次元形状をｎ個の分割層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，......Ｌｎに分割し、各分割層における照射領域の分割方向をＤ１，Ｄ２，Ｄ３，......Ｄｎとすると、分割層Ｌｋ（ｋ＝１，２，３，......ｎ－１）及びその直上の分割層Ｌｋ＋１について、分割方向Ｄｋ＋１が分割方向Ｄｋに対して回転角度θ水平回転されている。
【0047】
また、本実施形態では、ＣＡＭ装置６が、照射領域決定工程で決定した照射領域に対して条件ファイル及び後述する回転角度設定工程において設定された回転角度θを用いた演算処理を行うことで、分割領域の形成が行われる。
【0048】
３．５．走査線設定工程
走査線設定工程では、分割領域内に所定の走査方向に沿ったラスタ走査線を設定する。図１０及び図１１に、例として、分割層Ｌｋ，Ｌｋ＋１の分割領域内に設定されたラスタ走査線を矢印で示す。本実施形態では、走査方向は分割方向に平行に設定される。また、分割領域内のラスタ走査線は、造形条件設定工程で設定されたピッチｐ毎に配置される。つまり、分割領域内に、分割方向に平行なラスタ走査線が、分割線に沿ってピッチｐの間隔で配置される。
走査線設定工程では、分割領域内に所定の走査方向に沿ったラスタ走査線を設定する。図１０及び図１１に、例として、分割層Ｌｋ，Ｌｋ＋１の分割領域内に設定されたラスタ走査線を矢印で示す。本実施形態では、走査方向は分割方向に平行に設定される。また、分割領域内のラスタ走査線は、造形条件設定工程で設定されたピッチｐ毎に配置される。つまり、分割領域内に、分割方向に平行なラスタ走査線が、分割線に沿ってピッチｐの間隔で配置される。
【0049】
なお、走査方向は、本例に限定されるものではなく、分割方向に非平行（例えば、分割方向を±４５°回転させた方向）に設定してもよい。また、各分割層において走査方向と分割方向との関係（走査方向と分割方向とがなす角度）は、全ての分割層において同一でもよく、分割層によって異なっていてもよい。
【0050】
図１０及び図１１に示したラスタ走査線のうち、実線部分は分割幅ｗに等しい基準長さｄを有するラスタ走査線を、点線部分は基準長さｄよりも短いラスタ走査線を示している。一般的に鉛直方向に隣接する分割層の照射領域は形状が類似しているため、同じ分割方向に沿って照射領域を分割すると、基準長さｄよりも短いラスタ走査線が設定される箇所が鉛直方向に重複しやすい。一方、本実施形態では、鉛直方向に隣接する分割層Ｌｋ，Ｌｋ＋１について、分割方向Ｄｋ＋１を分割方向Ｄｋに対して回転角度θ（本例においては、θ＝６７°）水平回転することにより、基準長さｄよりも短いラスタ走査線が配置されている箇所が変化し、鉛直方向における重複が小さくなる。全ての分割層について分割方向の回転を行うことで、短いラスタ走査線が設定される箇所の重複を抑制しながら固化層８３を積層することができ、これにより固化層８３の変形の積重ねによる隆起の発生を抑制することが可能となる。
【0051】
本実施形態では、ＣＡＭ装置６が、分割工程で形成した分割領域に対して条件ファイルを用いた演算処理を行うことで、ラスタ走査線の設定が行われる。
【0052】
３．６．回転角度設定工程
回転角度設定工程では、加工条件に基づき回転角度θを設定する。加工条件は、分割幅ｗ、材料粉体の材質、照射領域の条件、レーザ光Ｂ又は電子ビームの照射条件、材料層８２の形成条件のうちの少なくとも１つを含む。回転角度θは、加工条件に基づき、各分割層の照射領域において基準長さｄよりも短いラスタ走査線が配置されている箇所の鉛直方向における重複が小さくなるように設定される。
回転角度設定工程では、加工条件に基づき回転角度θを設定する。加工条件は、分割幅ｗ、材料粉体の材質、照射領域の条件、レーザ光Ｂ又は電子ビームの照射条件、材料層８２の形成条件のうちの少なくとも１つを含む。回転角度θは、加工条件に基づき、各分割層の照射領域において基準長さｄよりも短いラスタ走査線が配置されている箇所の鉛直方向における重複が小さくなるように設定される。
【0053】
分割方向を順次回転させていくと、所定数の分割層毎に分割方向が一致する。例えば、回転角度θ＝±９０°の場合、分割方向が２層毎に一致する。基準長さｄよりも短いラスタ走査線が配置されている箇所の重複を小さくするうえでは、分割方向が一致する周期（分割層数）が大きい方が好ましい。当該周期を大きくするという観点では、回転角度θは、±９０°を含まないこと（つまり、０°＜θ＜９０°、９０°＜θ＜１８０°、－１８０°＜θ＜－９０°、又は－９０°＜θ＜０°）が好ましい。また、回転角度θは、その絶対値｜θ｜が３６０の約数となるような値を含まないことが好ましい。また、回転角度θは、その絶対値｜θ｜と９０との最小公倍数ができるだけ大きくなるように設定することが好ましい。
【0054】
また、回転角度θの絶対値｜θ｜が小さすぎると、又は回転角度θが±１８０°に近すぎると、隣接する分割層間における基準長さｄよりも短いラスタ走査線の位置変化量が小さく、隆起の発生を十分に抑制できない可能性がある。このような観点では、好ましくは４０°≦｜θ｜≦１４０°であり、より好ましくは６０°≦｜θ｜≦１２０°である。
【0055】
回転角度θの設定で加味される加工条件は、領域分割方式において隆起の発生に影響を与え得る条件である。例えば、分割幅ｗが小さいほどラスタ走査線の基準長さｄが小さくなり、隆起が発生しやすくなる。材料粉体の材質によって、具体的には、材料の比熱容量等の条件によって、隆起の発生しやすさが変化する。照射領域の条件、具体的には、照射領域の形状や大きさ等の条件によって、隆起の発生しやすさが変化する。また、レーザ光Ｂ又は電子ビームの照射条件、具体的には、レーザ光Ｂの出力、スポット径の大きさ、走査速度、レーザ光ＢのＯＦＦ時間、走査線のピッチｐ等の条件によって、隆起の発生しやすさが変化する。回転角度設定工程においてこれらの加工条件に基づき適切な回転角度θを設定することにより、隆起の発生をより効果的に抑制することが可能となる。
【0056】
４．他の実施形態
本発明は、以下の態様でも実施可能である。
本発明は、以下の態様でも実施可能である。
【0057】
上述の実施形態では、分割工程において全ての分割層について分割方向の回転を行ったが、このような構成に限定されるものではない。例えば、照射領域の形状等に応じて、一部の分割層について分割方向の回転を行ってもよい。
【0058】
また、製造方法を、対象分割層上の走査経路に所定値未満のラスタ走査線が含まれるかを判定する長さ判定工程を備えるように構成し、判定結果に基づき分割工程において分割方向の回転を行う構成としてもよい。この場合、分割工程では、長さ判定工程において対象分割層上の走査経路に所定値未満のラスタ走査線が含まれると判定された場合に、対象分割層における照射領域の分割方向を回転角度θ水平回転させた方向を、対象分割層の直上の分割層における照射領域の分割方向とする。
【0059】
判定基準となる所定値は、例えば、基準長さｄであり、対象分割層上の走査経路に基準長さｄ未満のラスタ走査線が含まれると判定された場合に、分割方向の回転を行って、対象分割層の直上の分割層における分割方向を決定することができる。なお、所定値は、本例に限定されるものではなく、例えば、基準長さｄよりも短い値を設定してもよい。
【0060】
以上、本発明に係る種々の実施形態を説明したが、これらは例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。当該新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0061】
、１：チャンバ、１ａ：ウィンドウ、３：材料層形成装置、４：ベース、５：造形テーブル、６：ＣＡＭ装置、７：制御装置、１１：リコータヘッド、１１ａ：材料収容部、１１ｂ：材料供給口、１１ｃ：材料排出口、１１ｆｂ：ブレード、１１ｒｂ：ブレード、１２：リコータヘッド駆動装置、１３：照射装置、１７：汚染防止装置、１７ａ：筐体、１７ｂ：開口部、１７ｃ：拡散部材、１７ｄ：不活性ガス供給空間、１７ｅ：細孔、１７ｆ：清浄室、３１：光源、３３：コリメータ、３５：フォーカス制御ユニット、３７：走査装置、３７ａ：第１ガルバノミラー、３７ｂ：第２ガルバノミラー、５１：造形テーブル駆動装置、６１：記憶装置、６２：演算装置、６３：メモリ、７１：主制御装置、７２：照射制御装置、８１：ベースプレート、８２：材料層、８３：固化層、１００：積層造形装置、Ｂ：レーザ光、Ｒ：造形領域
【要約】
【課題】三次元造形物を高品質に造形することが可能な三次元造形物の製造方法を提供する。
【解決手段】
本発明によれば、材料層形成工程と、材料層の照射領域にレーザ光等を照射して固化層を形成する固化工程とを繰り返して固化層を積層する固化層形成工程を含む三次元造形物の製造方法であって、照射条件と照射領域の分割幅とを設定する造形条件設定工程と、三次元形状を分割した分割層毎に照射領域を決定する照射領域決定工程と、照射領域を所定の分割方向に沿って当該分割幅で分割して分割領域を形成する分割工程と、分割領域内にラスタ走査線を設定する走査線設定工程と、を備え、固化工程ではレーザ光等はラスタ走査線を含む走査経路に沿って走査され、分割工程では対象分割層における照射領域の分割方向を回転角度θ（０°＜θ＜１８０°又は－１８０°＜θ＜０°）水平回転させた方向を直上の分割層における分割方向とする、製造方法が提供される。
【選択図】図１
【解決手段】
本発明によれば、材料層形成工程と、材料層の照射領域にレーザ光等を照射して固化層を形成する固化工程とを繰り返して固化層を積層する固化層形成工程を含む三次元造形物の製造方法であって、照射条件と照射領域の分割幅とを設定する造形条件設定工程と、三次元形状を分割した分割層毎に照射領域を決定する照射領域決定工程と、照射領域を所定の分割方向に沿って当該分割幅で分割して分割領域を形成する分割工程と、分割領域内にラスタ走査線を設定する走査線設定工程と、を備え、固化工程ではレーザ光等はラスタ走査線を含む走査経路に沿って走査され、分割工程では対象分割層における照射領域の分割方向を回転角度θ（０°＜θ＜１８０°又は－１８０°＜θ＜０°）水平回転させた方向を直上の分割層における分割方向とする、製造方法が提供される。
【選択図】図１
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
