特許 7580952 三次元造形物の製造方法、三次元造形装置、プログラム、記憶媒体、および粉末堆積装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-01

(45)【発行日】2024-11-12

(54)【発明の名称】三次元造形物の製造方法、三次元造形装置、プログラム、記憶媒体、および粉末堆積装置

(51)【国際特許分類】

   B22F 12/67 20210101AFI20241105BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20241105BHJP

   B29C 64/236 20170101ALI20241105BHJP

   B29C 64/268 20170101ALI20241105BHJP

   B29C 64/321 20170101ALI20241105BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20241105BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20241105BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20241105BHJP

   B29C 64/393 20170101ALI20241105BHJP

   B22F 10/66 20210101ALI20241105BHJP

【ＦＩ】

B22F12/67

B29C64/153

B29C64/236

B29C64/268

B29C64/321

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y50/02

B29C64/393

B22F10/66

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2020109231

(22)【出願日】2020-06-25

(65)【公開番号】P2021036072

(43)【公開日】2021-03-04

【審査請求日】2023-06-22

(31)【優先権主張番号】P 2019153044

(32)【優先日】2019-08-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003133

【氏名又は名称】弁理士法人近島国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】村尾 仁

【審査官】萩原 周治

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／１３２２０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０９５５１７６１（ＣＮ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５１６７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１４３５８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５３１０２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０９８９４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ ３／００－３／２６

Ｂ２２Ｆ １０／００－１２／９０

Ｂ２９Ｃ ６４／００－６４／４０

Ｂ３３Ｙ １０／００－９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

造形テーブルと、
シート状部材の端部を粉末に接触させ、前記造形テーブルの上に粉末層を敷設してその厚さを規定する厚さ規定部材と、
前記厚さ規定部材を移動させるように構成された移動機構と、
前記端部を切断する切断部と、
前記厚さ規定部材を保持する保持部と、
前記粉末にエネルギービームを照射するエネルギービーム照射部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、前記切断部を動作させて前記端部を切断する、
ことを特徴とする三次元造形装置。

【請求項2】

前記厚さ規定部材は、前記シート状部材を固定する固定部を備え、
前記固定部は、前記シート状部材が前記固定部から突出する量を調整する機構を備え、
前記制御部は、前記機構を制御して前記シート状部材が前記固定部から突出する量を調整した後、前記切断部を動作させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。

【請求項3】

前記シート状部材は、弾性材料で形成されている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の三次元造形装置。

【請求項4】

前記制御部は、エネルギービーム照射部の動作中に、前記切断部を動作させる、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記移動機構を制御して前記厚さ規定部材を所定の位置に移動させ、前記所定の位置にて前記切断部を動作させる、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

【請求項6】

前記端部の形状を検査するセンサを備え、
前記制御部は、前記センサの検査結果に基づいて前記切断部を動作させる、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

【請求項7】

前記センサは、前記造形テーブルの外側に設置された撮像センサ、距離センサ、超音波センサの少なくとも１つを備える、
ことを特徴とする請求項６に記載の三次元造形装置。

【請求項8】

前記制御部は、所定の層数を造形したタイミング、前記粉末層を敷設する工程を所定の回数実行したタイミング、作成した固化層の面積積算値が所定の大きさに達したタイミング、のいずれかのタイミングに応じて前記切断部を駆動させる、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

【請求項9】

三次元造形物の製造のため粉末層を堆積する粉末堆積装置であって、
端部を粉末に接触させて前記粉末層を敷設するシート状部材と、
前記端部を切断する切断部と、
前記シート状部材を保持する保持部と、
外部から信号が入力される入力部と、を備え、
前記保持部は、前記入力部に入力された信号に応じて前記切断部を動作させて前記端部を切断する、
ことを特徴とする粉末堆積装置。

【請求項10】

少なくとも１つの厚み規定部材の一部分が粉末と接触しながら移動して粉末層を形成する第１の粉末層形成処理と、
前記第１の粉末層形成処理で形成した前記粉末層に、エネルギービームを照射して固化部を形成する固化処理と、
前記固化処理よりも後に行う第２の粉末層形成処理と、
前記第１の粉末層形成処理と前記第２の粉末層形成処理の間に行う更新処理と、を有し、
前記更新処理は、前記第２の粉末層形成処理において前記少なくとも１つの厚み規定部材のうち前記粉末と接触する部分が、前記第１の粉末層形成処理における前記一部分とは異なる部分になるように変更する処理であり、
前記更新処理は、前記第１の粉末層形成処理を実行した際に前記粉末と接触していた前記一部分を切断する工程を含む、
ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。

【請求項11】

前記更新処理は、前記少なくとも１つの厚み規定部材のうち、前記第１の粉末層形成処理において前記粉末と接触していなかった部分を、前記粉末と接触可能な位置に移動させる移動工程を含む、
ことを特徴とする請求項１０に記載の三次元造形物の製造方法。

【請求項12】

前記移動工程は、前記少なくとも１つの厚み規定部材を保持する保持部を回転させる工程を含む、
ことを特徴とする請求項１１に記載の三次元造形物の製造方法。

【請求項13】

前記厚み規定部材は、シート状の弾性部材である、
ことを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。

【請求項14】

前記更新処理は、前記固化処理を行う間に実行される、
ことを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。

【請求項15】

前記更新処理の前に、前記第１の粉末層形成処理を実行した際に前記粉末と接触していた前記厚み規定部材の前記一部分の形状をセンサにより検査する検査工程を更に有する、
ことを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。

【請求項16】

所定の層数を造形したタイミング、前記粉末層を敷設する工程を所定の回数実行したタイミング、作成した固化層の面積積算値が所定の大きさに達したタイミング、のいずれかのタイミングに応じて前記更新処理を実行する、
ことを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。

【請求項17】

請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法の前記第１の粉末層形成処理、前記固化処理、前記第２の粉末層形成処理および前記更新処理を、三次元造形装置が備えるコンピュータに実行させるためのプログラム。

【請求項18】

請求項１７に記載のプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、いわゆる粉末積層溶融法のように、粉末層の形成と固化を繰り返して物品を製造する製造方法（三次元造形物の製造方法）、およびそれに用いる三次元造形装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、いわゆる３Ｄプリンタの開発が盛んに行われており、さまざまな方式が試みられている。例えば、熱溶融積層造形法、光硬化性樹脂を用いた光造形法、粉末積層溶融法等の方式が知られている。
粉末積層溶融法は、ナイロン樹脂、セラミクス、金属等の原料粉末を層状に敷く工程と、レーザ光を照射して粉末層の一部を選択的に加熱してから固化させる工程とを繰り返し行なうことにより三次元造形物を形成する方法である。近年では、高い機械強度や良好な熱伝導性が要求される物品を製造する方法として、金属粉末を原料に用いた粉末積層溶融法が活用され始めている。

【0003】

粉末積層溶融法では、造形すべき形状に応じて粉末層の所要箇所にレーザ光を照射して溶融や焼結を行う際に、粉末層の積層状態やレーザ光の照射条件の影響等により局部的に突出した固化部（突起部）が形成されてしまうことがある。また、高熱の粉末があたかも火花のように周辺に飛び散る場合があり、固化された部分の表面に付着して突出した固化部（突起部）が形成されてしまう場合がある。
突起部の高さが、次に敷く粉末層の厚み以上に大きくなってしまった場合には、次の層の粉末を堆積させて層の平坦化を行う際に、突起部と粉末層形成機構とが干渉してしまう。このため、粉末層形成機構が突起部に引っかかって動けなくなったり、突起部が形成された造形途中の物品が押し倒されて粉末層形成機構の障害物となったりして、造形装置が動作を停止したり、均一に粉末層を敷けなくなってしまうことがあった。

【0004】

この問題を解決するために、特許文献１には、突起部と粉末層形成機構（材料供給手段）が接触した際に、材料供給手段が予め設定された力以上の力を受けた場合には、材料供給手段を一時的に退避させながら移動させる方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００７－１００１９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に開示された方法を採用した場合には、突起部と接触すると材料供給手段を一時的に退避させながら移動させるため、造形装置の動作が停止してしまうことは回避できる。しかし、材料供給手段を退避させながら移動させている間は、粉末材料を適切に供給することはできない。例えば、粉末の山をブレードで押しながら粉末層を形成してゆく場合に、突起部の位置でブレードを退避させると、そこに粉末の山を載置したままブレードは移動する。そして、突起部を通過した後にブレードを退避位置から戻しても、粉末材料が欠乏しているため、以後は粉末層を形成できないか、できたとしても所定の厚みよりも薄い層になってしまう。このため、三次元造形物の形状精度が低下してしまう問題があった。

【0007】

そこで、従来は高剛性に作られていたブレードを、薄板化したり弾性体を用いて構成すること等により、予め設定された以上の力を受けた時に変形可能にする方式も提案されている。突起部と接触しても、ブレードが変形して乗り越えることを可能にし、粉末層の厚みの変動を抑制するものである。

【0008】

しかしながら、薄板化したり弾性体を採用する場合には、ブレードの耐摩耗性や引き裂き強度が低下するため、粉末層の形成時に粉末や突起部と繰り返し擦れると、ブレードが摩耗したり破損してしまう場合があった。ブレードが摩耗したり破損すると、以後は平坦で均一な厚みの粉末層を形成することができず、三次元造形物の形状精度が低下したり、更に大きな突起部を発生させる原因になったりしていた。このため、三次元造形物の製造歩留まりが低下したり、造形動作を途中で停止せざるを得なくなる場合があった。

【0009】

そこで、粉末層の形成と固化を繰り返して三次元造形物（物品）を製造する際に、材料供給手段の摩耗や破損により造形精度が低下したり造形動作が停止したりするのを防ぎ、三次元造形を精度よく継続することができる方法が求められていた。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の第１の態様によれば、造形テーブルと、シート状部材の端部を粉末に接触させ、前記造形テーブルの上に粉末層を敷設してその厚さを規定する厚さ規定部材と、前記厚さ規定部材を移動させるように構成された移動機構と、前記端部を切断する切断部と、前記厚さ規定部材を保持する保持部と、前記粉末にエネルギービームを照射するエネルギービーム照射部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記切断部を動作させて前記端部を切断する、ことを特徴とする三次元造形装置である。

【0011】

また、本発明の第２の態様によれば、三次元造形物の製造のため粉末層を堆積する粉末堆積装置であって、端部を粉末に接触させて前記粉末層を敷設するシート状部材と、前記端部を切断する切断部と、前記シート状部材を保持する保持部と、外部から信号が入力される入力部と、を備え、前記保持部は、前記入力部に入力された信号に応じて前記切断部を動作させて前記端部を切断する、ことを特徴とする粉末堆積装置である。

【0012】

また、本発明の第３の態様によれば、少なくとも１つの厚み規定部材の一部分が粉末と接触しながら移動して粉末層を形成する第１の粉末層形成処理と、前記第１の粉末層形成処理で形成した前記粉末層に、エネルギービームを照射して固化部を形成する固化処理と、前記固化処理よりも後に行う第２の粉末層形成処理と、前記第１の粉末層形成処理と前記第２の粉末層形成処理の間に行う更新処理と、を有し、前記更新処理は、前記第２の粉末層形成処理において前記少なくとも１つの厚み規定部材のうち前記粉末と接触する部分が、前記第１の粉末層形成処理における前記一部分とは異なる部分になるように変更する処理であり、前記更新処理は、前記第１の粉末層形成処理を実行した際に前記粉末と接触していた前記一部分を切断する工程を含む、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法である。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、粉末層の形成と固化を繰り返して三次元造形物（物品）を製造する際に、材料供給手段の摩耗や破損により造形精度が低下したり造形動作が停止したりするのを防ぎ、三次元造形を精度よく継続することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態１の三次元造形装置の構成を示す模式図。

【図2】粉末堆積装置とその周辺部を模式的に示す斜視図。

【図3】実施形態１にかかる粉末堆積装置の構造を模式的に示す一部断面図。

【図4】（ａ）シート状部材が固定部により挟み込まれて位置が固定され、下端部の高さが規定されている状態を示す図。（ｂ）切断部の刃物を挟動させてシート状部材を切断し、先端部を切り離す状態を示す図。（ｃ）ローラを回転させて、先端部を積層高さ規制線の高さまで降下させる状態を示す図。（ｄ）固定部でシート状部材を挟持して固定する状態を示す図。

【図5】シート状部材の先端部を更新する位置を説明するための模式図。

【図6】実施形態１にかかる三次元造形物の形成手順を説明するためのフローチャート。

【図7】実施形態２にかかる三次元造形物の形成手順を説明するためのフローチャート。

【図8】実施形態３にかかる粉末堆積装置の構造を模式的に示す一部断面図。

【図9】実施形態３にかかる三次元造形物の形成手順を説明するためのフローチャート。

【図10】実施形態４にかかる三次元造形物の形成手順を説明するためのフローチャート。

【図11】実施形態５の三次元造形装置の構成を示す模式図。

【図12】実施形態５にかかる粉末堆積装置の構造を模式的に示す一部断面図。

【図13】実施形態５にかかる保持部の構造を模式的に示す一部断面図。

【図14】シート状部材の寸法を調整し突出し量を管理する方法の一例を示す図。

【図15】保持部の交換を行う位置と動作を説明するための模式図。

【図16】実施形態５にかかる三次元造形物の形成手順を説明するためのフローチャート。

【図17】実施形態６にかかる三次元造形物の形成手順を説明するためのフローチャート。

【図18】実施形態７にかかる粉末堆積装置の構造を模式的に示す一部断面図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

図面を参照して、本発明の実施形態である三次元造形物の製造方法と三次元造形装置について説明する。尚、以下の実施形態及び実施例の説明において参照する図面においては、特に但し書きがない限り、同一の機能を有する部材については同一の参照番号を付して示すものとする。
本発明の実施形態において、粉末層を加熱して固化部を形成する態様は、加熱された粉末が融点よりも低い温度で焼結するものでもよいし、粉末が融点以上に加熱されて溶融した後に冷却して固化するものでもよい。また、本発明の実施形態においては、固化部を積み重ねて三次元造形物を造形してゆくが、三次元造形物の断面観察等で固化部どうしの境界が確認できる場合もあるが、溶融の均一性が高い場合などには固化部どうしの境界が明確に検出されない場合もある。

【0016】

［実施形態１］
（三次元造形装置）
図１を参照して、本実施形態に係る三次元造形装置１について説明する。図１は、三次元造形装置１の構成を説明するための模式図である。
三次元造形装置１は、造形テーブル１０１を備え、造形テーブル１０１は三次元造形物（物品）を形成する際の基台として機能するプレート１０２を装着可能である。造形テーブル１０１は、位置基準としてピン１０３を備え、ピン１０３とプレート１０２のピン穴を嵌合させることで、プレート１０２の位置決めがなされる。本実施形態では、プレート１０２は、ネジ１０４により造形テーブル１０１に固定される。尚、プレートは、三次元造形物を形成する際の支持台として機能するものであれば、必ずしも板状である必要はなく、造形テーブルへの位置決め固定方法も、この例には限られない。造形テーブル１０１は、垂直移動機構１０６により、垂直方向（Ｚ軸の正負方向）に移動可能に支持されている。

【0017】

造形テーブル１０１の左右には、原料粉末を保管する粉末保管部１１３が配置され、粉末堆積装置１０７がプレート１０２上に粉末層を形成する際に使用する原料粉末を供給する。粉末保管部１１３は、粉末保管部垂直移動機構１１４により垂直方向（Ｚ軸の正負方向）に移動可能に支持されている。粉末保管部１１３をＺ軸正方向に所定距離だけ移動して所定量の原料粉末を押し上げ、粉末堆積装置１０７をＸ軸に沿って水平方向に移動させてシート状部材２１で原料粉末を押してゆくことにより、プレート１０２上に粉末層を形成することができる。尚、正方向とは図示の座標軸において矢印が指示する方向を指し、負方向とは図示の矢印とは反対方向を指すものとする。図１中に点線で示す積層高さ規制線２０１は、粉末堆積装置１０７が形成する粉末層の上面の高さを示している。尚、粉末保管部１１３は、図１のように必ずしも造形テーブルの左右両方にある必要はなく、製造に必要な所定量の粉末を保管できる容量があれば左もしくは右のどちらか一方だけでもよい。

【0018】

造形テーブル１０１の上方には、粉末堆積装置１０７と移動ガイド１０８が配置されている。粉末堆積装置１０７は、原料となる粉末を所定の厚さで堆積するための装置で、Ｘ軸に沿って水平方向を往復移動してプレート上を移動（走査）することができるように、移動ガイド１０８に支持されている。

【0019】

図２は、本実施形態の粉末堆積装置１０７とその周辺部を模式的に示す斜視図である。また、図３は、本実施形態の粉末堆積装置１０７の構造を模式的に示す一部断面図である。
図３に示すように、粉末堆積装置１０７はシート状部材２１を有しており、シート状部材２１はロール状にまかれて、保持部２２としてのロール支柱に回転可能に保持されている。シート状部材２１は、材料粉末の山をＸ軸に沿った方向に押してゆくことにより、上面が平坦で厚みが一定の粉末層を形成するブレードとして機能する。シート状部材２１の下端部の高さにより、形成される粉末層の厚みが規定されるため、シート状部材２１は、粉末層の厚みを規定する厚み規定部材であるといえる。シート状部材２１の下端部の高さは、積層高さ規制線２０１に合わせて調整されている。シート状部材２１は、粉末層を形成する際には、図３に示すように固定部２４により板厚方向両側から挟み込まれて位置が固定され、下端部の高さが規定されている。

【0020】

シート状部材２１は、粉末層の厚みを規定すべくある程度の剛性を有するが、固化層上に意図せず形成された突起部と接触した際に、接触部が突起部の形状に倣って変形することができる材料、すなわち弾性材料等で形成されている。具体的には、例えばシリコンゴムやエラストマーを主成分とする弾性材料で形成されている。弾性部材であるシート状部材２１は、突起部と接触した部分が突起部の形状に倣って変形し得るだけの柔軟性を有するとともに、その周辺の突起部とは接触していない部分がほとんど変形しないだけの剛性を有する。かかるシート状部材２１を用いることにより、突起部が存在したとしても、その周辺に敷設される粉末層の平坦性が維持される。

【0021】

このように、突起部の形状に追従して変形するだけの柔軟性を有する材料で形成されたシート状部材２１は、耐摩耗性や、傷が生じた場合の引き裂き耐性が必ずしも高くはない。このため、粉末や突起部と繰り返し擦れることで、造形が完了する前にシート状部材２１の先端部に摩耗や破損が生じてしまい、造形品質が低下したり造形の継続が困難になる可能性がある。

【0022】

そこで、本実施形態の粉末堆積装置１０７は、造形品質が低下したり造形の継続が困難になるまでシート状部材２１の先端部が消耗する前に、自動的にシート状部材２１の先端部を更新する機構を備えている。ここで、シート状部材２１の先端部を更新するとは、シート状部材２１のうち粉末層形成処理の時に粉末と接触していた部位を、粉末と実質的に接触していなかった新たな（未消耗の）部位と交換することをいう。本実施形態あるいは他の実施形態の説明において、粉末と接触していなかった部位とは、文字通り全く接触していなかった部位を指すのはもちろんであるが、厳密にこれに限られるものではない。例えば飛翔した粉末が僅かに接触したことがあるとしても殆んど消耗していない部位は、実質的には粉末と接触していなかった部位に含められると解釈してよい。
先端部を更新（変更）する機構は、シート状部材２１の先端部を切断するための切断部２５と、シート状部材２１を移動させるためのローラ２３（回転部）を含んでいる。

【0023】

切断部２５は、シート状部材２１の切断を行うものであり、例えば図３に示すように、挟動可能な一対の刃物で構成される。粉末層の平坦性を担保するには、シート状部材２１を直線に沿って水平に切断することが必要だが、それが可能であるならば、一対の刃物による構成に限らなくともよい。例えば、刃物と板状部材でシート状部材２１を挟んで切断する機構でもよいし、ワイヤーカッタのような切断機構でもよい。

【0024】

シート状部材を引き出す機能を有する移動部としてのローラ２３は、シート状部材２１を板厚方向両側から挟持して回転することにより、シート状部材２１をロール側から図３の下方向に向かって引き込むことが可能である。図４（ｃ）を参照して後述するように、シート状部材２１の下端部の高さは、ローラ２３の回転量を制御することにより調整される。このため、ローラ２３の回転量は、例えば、ステッピングモータ等により制御されるか、あるいは回転位置を検出するエンコーダを用いてフィードバック制御されるとよい。

【0025】

次に、図４（ａ）～図４（ｄ）を参照して、シート状部材２１の先端部を更新する動作、すなわち更新処理について説明する。尚、これらの図では、図示の便宜から、粉末堆積装置１０７の一部の図示を省略している。
図４（ａ）に示すのは、粉末層形成処理を実行した際の状態で、シート状部材２１が固定部２４により板厚方向両側から挟み込まれて位置が固定され、下端部の高さが規定されている状態を示している。この時、ローラ２３もシート状部材２１を挟持しているが、ローラ２３に回転力は付与されておらず、更にブレーキで固定しておく場合もある。また、シート状部材２１を傷つけることがないよう、切断部２５の刃物は両側に退避している。

【0026】

次に、シート状部材２１の先端部を更新するために、切断部２５を用いて先端部を切り離す。すなわち、図４（ｂ）に示すように、切断部２５の刃物を挟動させてシート状部材２１を切断し、先端部を切り離す。この時、切断部の形状精度を高めるため、固定部２４によりシート状部材２１の位置を固定した状態で切断を行う。

【0027】

次に、図４（ｃ）に示すように、切断部２５の刃物をシート状部材２１と接触しない位置に退避させ、かつ固定部２４をシート状部材２１から離間させて、シート状部材２１を上下動可能に開放する。そして、ローラ２３を回転させて、不図示のロール側からシート状部材２１を引き込みながら、切断により形成された新たな先端部を積層高さ規制線２０の高さまで降下させてゆく。これにより、新たな先端部は次の粉末層形成処理の際に粉末と接触可能な位置に移動される（移動工程）。この新たな先端部の高さにより、粉末層の上面（粉末層の厚み）が規定されるため、ローラ２３の回転量は精密に制御される。場合によっては、シート状部材２１の先端部の高さを、例えば光センサで検知し、ローラ２３の駆動にフィードバックしてもよい。

【0028】

シート状部材２１の先端部の高さが積層高さ規制線２０１に合わせて調整されたら、図４（ｄ）に示すように固定部２４でシート状部材２１を挟持して固定する。
以上の一連の動作により、シート状部材２１の先端部を更新するが、更新動作は、三次元造形装置１内の所定位置に粉末堆積装置１０７を移動させて行う。

【0029】

図５は、シート状部材２１の先端部を更新する動作を実行する位置を説明するための模式図で、図１では省略されていた三次元造形装置１の左側部分を示している。粉末保管部１１３を挟んで造形テーブル１０１の反対側には、余剰粉末回収スペース１２１と切断作業スペース１２２が設けられている。余剰粉末回収スペース１２１は、所定の厚みの粉末層を形成する粉末層形成処理を実行した際に、粉末堆積装置１０７が搬送してきた余剰粉末を回収するスペースである。回収した粉末は廃棄や処理を施して再利用してもよいが、ゴミ等が混入しておらず粉末保管部に保管された粉末と同等の品質が保持されている場合には、原料粉末としてそのまま再利用することも可能である。

【0030】

切断作業スペース１２２は、図４を参照して説明したシート状部材２１の先端部の更新動作を行う空間である。粉末層を形成した後、粉末層にレーザ光を照射している間に粉末堆積装置１０７を切断作業スペース１２２上に移動させ、先端部の更新動作を行う。切断した使用済みの先端部は、切断作業スペース１２２の容器に回収される。

【0031】

尚、本実施形態では、切断作業スペース１２２には、検査部として、シート状部材２１の先端部の形状を計測するためのセンサ１３０が設けられている。センサ１３０は、シート状部材２１のＹ方向全幅にわたり、先端部の形状を計測するセンサである。例えば、Ｙ方向全幅にわたり撮像可能な画像センサや、Ｙ方向の一部領域を撮像可能な撮像センサとＹ方向走査機構の組み合わせでもよい。また、撮像センサに限らず、距離センサや超音波センサを用いてもよい。

【0032】

本実施形態では、粉末層を形成した後、レーザ光を照射している間にセンサ１３０を用いてシート状部材２１の先端部の形状を計測し、先端部の更新が必要か否かを判定し、必要な場合にのみ図４を参照して説明した更新動作を行うようにすることができる。すなわち、センサにより撮像された画像を例えば制御部１１２が画像処理し、摩耗や損傷による変形が所定の程度を超えるか否かを制御部１１２が検査し、検査結果に基づいて制御部１１２が更新処理を行うようにすることができる。なお、先端部の更新動作が必要か否かは、シート状部材２１の先端部の形状に基づいて行う方法には限定されず、粉末層の表面の状態に基づいて行うこともできる。

【0033】

また、先端部の更新動作を行った後、センサ１３０を用いてシート状部材２１の先端部の形状を計測し、更新動作が問題なく行われたかを確認することが可能である。例えば、刃物とシート状部材２１の間にゴミが偶然存在したために切断部の形状が不整であった場合等にはこれを検出することができる。これにより、制御部１１２は、次の粉末層の形成動作を開始する前に、再度先端部の更新処理を行うことができる。

【0034】

図１に戻り、造形テーブル１０１の上方には、エネルギービームを照射する照射部として、レーザ光源１０９、スキャナ１１０、集光レンズ１１１が配置されている。
レーザ光源１０９、スキャナ１１０、集光レンズ１１１は、粉末堆積装置１０７がプレート１０２上に敷いた粉末層ＰＬに、造形すべき形状に応じて加熱用のエネルギービームを局所選択的に照射するための照射光学系を構成している。

【0035】

三次元造形装置１の制御部１１２は、装置各部の動作を制御するためのコンピュータで、内部には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポート等を備えている。
コンピュータ読み取り可能な記憶媒体であるＲＯＭには、三次元造形装置１の動作プログラムが記憶されている。例えば、粉末層形成部としての粉末堆積装置１０７を移動させて所定の厚みの粉末層を基台の上に形成する粉末層形成処理を、制御部１１２が実行するためのプログラムである。あるいは、粉末層ＰＬに三次元造形物の形状に応じてエネルギービームを照射し、固化部１１６を形成する固化処理を、制御部１１２が実行するためのプログラムである。
あるいは、固化処理を実行している間に、センサ１３０を用いてシート状部材２１の先端部の形状を計測し、先端部の更新の要否を判定する処理を、制御部１１２が実行するためのプログラムである。あるいは、図４を参照して説明した先端部の更新処理を、制御部１１２が実行するためのプログラムである。あるいは、先端部の更新処理を実行後に、センサ１３０を用いて更新された先端部の形状を計測する処理を、制御部１１２が実行するためのプログラムである。

【0036】

Ｉ／Ｏポートは、不図示の外部機器やネットワークと接続され、たとえば三次元造形に必要なデータの入出力を、外部コンピュータとの間で行うことができる。三次元造形に必要なデータとは、作成する三次元造形物の形状データや、作成に使用する材料の情報や、１層ごとの焼結層の形状データ、すなわちスライスデータを含む。スライスデータは、外部のコンピュータから受け取っても良いし、造形物の形状データに基づいて制御部１１２内のＣＰＵが作成してＲＡＭに記憶しても良い。あるいは、シート状部材２１の先端部の更新の要否を判定するための基準データも含まれ得る。

【0037】

制御部１１２は、造形テーブルの垂直移動機構１０６、粉末堆積装置１０７、レーザ光源１０９、スキャナ１１０、集光レンズ１１１、粉末保管部垂直移動機構１１４などの各部と接続され、これらの動作を制御して造形に係る処理を実行する。すなわち、粉末層形成処理と固化処理を実行する。
また、制御部１１２はセンサ１３０と接続されており、センサ１３０の動作を制御するとともに、センサ１３０からシート状部材２１の先端部形状の計測データを取得し、先端部の形状を検査する。
また、制御部１１２は、粉末堆積装置１０７のローラ２３、固定部２４、切断部２５を制御して、シート状部材２１の先端部を更新する更新処理を実行する。

【0038】

（三次元造形物の製造方法）
三次元造形装置１を用いた三次元造形物の製造方法について説明する。
三次元造形装置１の造形テーブル１０１にプレート１０２が装着されたら、三次元造形装置１は固化部を繰り返し堆積させてゆき三次元造形物をプレート１０２上に作成する。
図６は、三次元造形物の形成手順を説明するためのフローチャートである。

【0039】

三次元造形が開始されると、工程Ｓ１において、制御部１１２は、所定の厚みの粉末層を形成する粉末層形成処理を実行する。すなわち、制御部１１２は、垂直移動機構１０６に指令を送り、造形動作を行うための初期位置に造形テーブル１０１を移動させる。
次に、左右どちらかの粉末保管部１１３を粉末保管部垂直移動機構１１４により上昇させ、積層高さ規制線２０１より上に粉末を上昇させる。

【0040】

次に、制御部１１２は、粉末堆積装置１０７に指令を送り、上昇させた粉末保管部１１３側からプレート１０２に向けてＸ軸の正方向または負方向に移動ガイド１０８に沿って移動させる。その際には、シート状部材２１の下端の高さが積層高さ規制線２０１の高さと一致するようにシート状部材２１のＺ軸方向の位置を予め合わせておく。積層高さ規制線２０１より上に位置する粉末を、シート状部材２１が押し動かしながらプレート１０２の上を移動することにより、所定の厚さの一層の原料粉末層がプレート１０２の上に形成される。すなわち、第１の粉末層形成処理が実行される。

【0041】

粉末層が形成されたら、工程Ｓ２において、制御部１１２は、固化処理を開始する。すなわち、制御部１１２は、レーザ光源１０９、スキャナ１１０、集光レンズ１１１に指令を送り、固化させようとする箇所にレーザ光を照射させて原料粉末を加熱させる。レーザ光源１０９から出射したレーザ光は、スキャナ１１０によって、造形すべき形状に応じてＸＹ方向のそれぞれについて走査される。レーザ光は、集光レンズ１１１で粉末層の極めて狭い領域に集束され、局所加熱された部分が焼結あるいは溶融して固化する。スキャナ１１０によって走査しながら、レーザ光源１０９を明滅させることにより、粉末層の任意の位置にレーザ光を照射して固化部１１６を形成することができる。

【0042】

制御部１１２は、工程Ｓ２において固化処理を開始したら、工程Ｓ３においてシート状部材２１の先端部の形状を検査する検査処理を実行する。すなわち、制御部１１２は、粉末堆積装置１０７に指令を送り、センサ１３０の計測位置に移動させるとともに、センサ１３０にシート状部材２１の形状を計測させ、計測結果を取得する。制御部１１２は、取得した計測結果を予め記憶していた判定基準に照らし、シート状部材２１の先端部に摩耗や破損があるかを判定する。この場合の判定基準は、摩耗や破損がすでに粉末層の形成に支障があるレベルに到達しているかだけではなく、まだ到達してはいないが、次の粉末層形成処理で支障があるレベルに到達する可能性があることを検出する予防安全の観点で設定するのが望ましい。

【0043】

シート状部材２１の先端部に摩耗や破損があると判定された場合（工程Ｓ３：ＹＥＳ）には、制御部１１２は、工程Ｓ４～工程Ｓ６を実行し、先端部の更新処理を実行する。
まず、工程Ｓ４において、制御部１１２は粉末堆積装置１０７に指令を送り、センサ１３０の計測位置から切断作業スペース１２２（図５）に移動させる。
次に、工程Ｓ５において、制御部１１２は粉末堆積装置１０７に指令を送り、図４（ｂ）を参照して説明したように、シート状部材２１の先端部を切断する。

【0044】

次に、工程Ｓ６において、制御部１１２は粉末堆積装置１０７に指令を送り、図４（ｃ）～図４（ｄ）を参照して説明したように、シート状部材２１の先端部（下端）の高さを調整し、固定する。

【0045】

尚、フローチャートには不図示であるが、先端部の更新処理を実行後に、制御部１１２はセンサ１３０を用いて更新された先端部の形状を計測する処理を実行してもよい。そして、適正な形状の切断形状でなかった場合には、再度、工程Ｓ４～工程Ｓ６を実行してもよい。

【0046】

工程Ｓ４～工程Ｓ６を実行して先端部の更新処理を完了したら、工程Ｓ７において、制御部１１２は、工程Ｓ２で開始したレーザ照射処理がすでに完了しているかを判定する。完了していない場合（工程Ｓ７：ＮＯ）には、工程Ｓ７を繰り返し、レーザ照射処理が完了するのを待つ。
また、先の工程Ｓ３において、シート状部材２１の先端部に摩耗や破損が無いと判定された場合（工程Ｓ３：ＮＯ）には、制御部１１２は、工程Ｓ７に移り、レーザ照射処理が完了するのを待つ。

【0047】

工程Ｓ７において、この粉末層に対するレーザ照射処理が完了したと判定された場合（工程Ｓ７：ＹＥＳ）には、工程Ｓ８に移り、三次元造形物を構成する全ての層の造形（固化）が終了したかを判定する。
三次元造形物を構成する全ての層の造形（固化）が終了していないと判定した場合（工程Ｓ８：ＮＯ）には、工程Ｓ１に戻り、次の固化層を形成するための粉末層形成処理（第２の粉末層形成処理）を行う。
以下、工程Ｓ２以下を実行し、レーザ照射処理を完了させる。工程Ｓ８において、三次元造形物を構成する全ての層の造形（固化）が終了したと判定されるまで、これを繰り返す。
工程Ｓ８において、三次元造形物を構成する全ての層の造形（固化）が終了したと判定された場合（工程Ｓ８：ＹＥＳ）には、三次元造形処理を終了する。

【0048】

本実施形態によれば、粉末層の形成と固化を繰り返して三次元造形物（物品）を製造する際に、材料供給手段の摩耗や破損により造形精度が低下したり造形動作が停止したりするのを防ぎ、三次元造形を精度よく継続することができる。その結果、形状精度が高い三次元造形物を、高い歩留まりで連続して製造することができる。

【0049】

本実施形態では、レーザ光を照射している間に、センサを用いてシート状部材２１の先端部（下端）の形状変化を計測し、先端部の更新（粉末と接触する部位の交換）が必要か否かを判断する。固化処理中のレーザ光の照射と並行して計測を行うため、計測を行うからといって三次元造形物の製造に要するプロセス時間が長くなることはない。また、計測に基づいて先端部の更新が必要か否かを判断するため、シート状部材２１の切断（廃棄）を必要にして十分な範囲に抑制することができる。

【0050】

［実施形態２］
本発明の実施形態２について説明する。実施形態１と説明が共通する部分については、記載を省略する。
（三次元造形装置）
本実施形態の三次元造形装置の全体的な構成は、基本的には実施形態１と共通する。ただし、三次元造形物の製造方法、すなわち三次元造形装置の制御手順が異なり、本実施形態では、センサ１３０によるシート状部材２１の摩耗や破損の計測は行わない。このため、本実施形態では、必ずしもセンサ１３０（図５）を三次元造形装置に設ける必要は無い。ただし、シート状部材２１を切断した後に切断部の形状を確認する計測処理（検査工程）を行うためにセンサ１３０を設けてもよい。

【0051】

（三次元造形物の製造方法）
図７は、実施形態２の三次元造形物の形成手順を説明するためのフローチャートである。実施形態１と同様の工程については、同一の番号を付して示し、詳細な説明は省略する。
本実施形態の粉末堆積装置も、造形品質が低下したり造形の継続が困難になるまでシート状部材２１の先端部が消耗する前に、自動的にシート状部材２１の先端部を更新する機構を備えている。ここで、シート状部材２１の先端部を更新するとは、シート状部材２１のうち粉末層形成時に粉末と接触していた部位を、粉末と接触していなかった新たな（未消耗の）部位と交換することをいう。

【0052】

実施形態１では、工程Ｓ２でレーザ光の照射処理を開始した後、工程Ｓ３においてシート状部材２１の先端部の形状を検査した。そして、シート状部材２１の先端部に所定程度を超える摩耗や破損があると判定された場合に、先端部の更新処理を行った。
これに対して、実施形態２では、先端部の更新処理を実行すべきタイミングを制御部１１２に予め記憶させておき、タイミングが到来したら先端部の更新処理を実行する構成としている。

【0053】

図７は、実施形態２における三次元造形物の形成手順を説明するためのフローチャートである。三次元造形処理を開始し、実施形態１と同様に工程Ｓ１と工程Ｓ２を実行したら、工程Ｓ１４において、制御部１１２は、シート状部材２１の先端部を更新するタイミングであるか否かを判定する。制御部１１２には、シート状部材２１の先端部を更新するタイミングが予め記憶されている。先端部を更新するタイミングは、例えば所定の層数を造形したタイミング、あるいは粉末層形成処理を所定の回数実行したタイミングのように定めておくことができる。また、固化層の面積が大きいほどシート状部材２１の先端部を損耗させる突起部が発生する可能性が大きくなるので、作成した固化層の面積積算値が所定の大きさに達する毎に先端部を更新するように定めておくこともできる。

【0054】

更新タイミングであると判断した（Ｓ１４：ＹＥＳ）場合には、実施形態１と同様の工程Ｓ４～工程Ｓ６を実行してシート状部材２１の先端部を更新する。更新タイミングではないと判断した（Ｓ１４：ＮＯ）場合には、工程Ｓ７に移行する。
本実施形態によれば、シート状部材２１の摩耗や破損を計測するセンサを設けなくてもよいので、三次元造形装置のコストを抑制することができる。

【0055】

［実施形態３］
本発明の実施形態３について説明する。実施形態１と共通する部分については、詳細な説明を省略する。
（三次元造形装置）
本実施形態の三次元造形装置の全体的な構成は、基本的には実施形態１と共通するが、粉末堆積装置の構造が異なっている。実施形態１の粉末堆積装置は、図３を参照して説明したように、シート状部材の先端部をブレードとして用いるものであった。

【0056】

これに対して、実施形態３の三次元造形装置が備える粉末堆積装置では、図８に示すように、シート状部材３１の左端と右端をロール状に巻いて、各ロールをロール支柱３２で支持するとともに、その中間部をローラ３３で下向きに支持する。ロール支柱３２により張架されたシート状部材３１の最下部である接触面ＣＳの高さが、積層高さ規制線２０１の高さになるように、ローラ３３は設置されている。ローラ３３により支持されたシート状部材３１により、材料粉末の山をＸ軸に沿った方向に押してゆくことにより、上面が平坦で厚みが一定の粉末層を形成することができる。粉末を押してゆくシート状部材３１の接触面ＣＳの高さにより、形成される粉末層の厚みが規定されるため、シート状部材３１は、粉末層の厚みを規定する厚み規定部材であるといえる。

【0057】

粉末層を形成する際には、シート状部材３１はローラ３３の円周下部の近傍で固定されており、シート状部材３１の同一部分が接触面ＣＳとして粉末と接触し続ける。
シート状部材３１は、粉末層の厚みを規定すべくある程度の剛性を有するが、三次元造形物に意図せず形成された突起部と接触した際に、接触部が突起部の形状に倣って変形することができる材料、すなわち弾性材料等で形成されている。また、突起部がローラ３３を直接損傷することがないよう、突起部の高さ分だけ圧縮変形可能になるよう十分な厚みをもって形成されている。具体的には、例えばシリコンゴムやエラストマーを主成分とする弾性材料で形成されている。弾性部材であるシート状部材３１は、突起部と接触した部分が突起部の形状に倣って変形するだけの柔軟性を有するとともに、突起部とは接触していないその周辺部はほとんど変形しないだけの剛性を有する。かかるシート状部材３１を用いることにより、突起部が存在したとしても、その周辺に敷設される粉末層の平坦性が維持される。

【0058】

そして、本実施形態では、接触面ＣＳの形状を計測するためのセンサが検査部として設けられている。センサは、シート状部材３１のＹ方向全幅にわたり、接触面ＣＳの形状を計測するセンサである。例えば、Ｙ方向全幅にわたり撮像可能な画像センサや、Ｙ方向の一部領域を撮像可能な撮像センサとＹ方向走査機構の組み合わせでもよい。また、撮像センサに限らず、距離センサや超音波センサを用いてもよい。

【0059】

（三次元造形物の製造方法）
図９は、実施形態３の三次元造形物の形成手順を説明するためのフローチャートである。実施形態１と同様の工程については、同一の番号を付しており、詳細な説明は省略する。
本実施形態の粉末堆積装置は、造形品質が低下したり造形の継続が困難になるまでシート状部材３１の接触面ＣＳが消耗する前に、自動的にシート状部材３１の接触面ＣＳを更新する機構を備えている。ここで、シート状部材３１の接触面ＣＳを更新するとは、シート状部材３１のうち粉末層形成時に粉末と接触していた部位を、粉末と接触していなかった新たな（未消耗の）部位と交換することをいう。

【0060】

本実施形態においては、工程Ｓ２でレーザ光の照射処理を開始した後、工程Ｓ３においてシート状部材３１の接触面ＣＳの形状を検査する。制御部１１２は、取得した計測結果を予め記憶していた判定基準に照らし、シート状部材３１の接触面ＣＳに摩耗や破損があるかを判定する。この場合の判定基準は、摩耗や破損がすでに粉末層の形成に支障があるレベルに到達しているかだけではなく、まだ到達してはいないが、次の粉末層形成処理で支障があるレベルに到達する可能性があることを検出する予防安全の観点で設定するのが望ましい。そして、検査結果に基づきシート状部材３１の摩耗や破損があると判定された（Ｓ３：ＹＥＳ）場合に、接触面ＣＳの更新処理を行う（Ｓ２５）。

【0061】

接触面ＣＳを更新するには、ローラ３３の円周下部の近傍で固定されていたシート状部材３１を固定から開放し、移動部としての二つのロール支柱３２を連動してロールを回転させる。例えば、図８においてロールを時計回りに回転させるとすれば、シート状部材３１のうち粉末と接触していた部位は右側に移動し、粉末と未接触の部位が左側のロールからローラ３３の円周下部に移動する。これにより、粉末と未接触であった部位（新たな接触面ＣＳ）は、次の粉末層形成処理の際に粉末と接触可能な位置に、すなわちローラ３３の直下に移動される。

【0062】

ロール支柱３２の駆動はシート状部材３１の引き込みや送りができればどのようなものであってもよい。例えば、ステッピングモータ等の回転力を生み出す一般的な電動機で、ロール支柱３２を所望の角度だけ回転させる方法がある。また、ロール支柱３２の回転位置を検出するためのエンコーダや、回転を停止させて位置を固定するためのクラッチやブレーキを含む機構であってもよい。
このようにして移動した後、シート状部材３１はローラ３３の円周下部の近傍で固定され、更新された部位が新たな接触面ＣＳとして機能するようになる。

【0063】

本実施形態によれば、粉末層の形成と固化を繰り返して三次元造形物（物品）を製造する際に、材料供給手段の摩耗や破損により造形精度が低下したり造形動作が停止したりするのを防ぎ、三次元造形を精度よく継続することができる。その結果、形状精度が高い三次元造形物を、高い歩留まりで連続して製造することができる。

【0064】

本実施形態では、レーザ光を照射している間に、センサを用いてシート状部材３１の接触面ＣＳの形状変化を計測し、接触面ＣＳの更新（粉末と接触する部位の交換）が必要か否かを判断する。レーザ光の照射と並行して計測を行うため、計測を行うからといって三次元造形物の製造に要するプロセス時間が長くなることはない。また、計測に基づいて接触面ＣＳの更新が必要か否かを判断するため、シート状部材３１の消費を必要にして十分な範囲に抑制することができる。
本実施形態では、実施形態１とは異なりシート状部材のカットを行わないので、切断作業スペース１２２を設ける必要がなく、三次元造形装置を小型化することができる。

【0065】

［実施形態４］
本発明の実施形態４について説明する。実施形態３と説明が共通する部分については、記載を省略する。
（三次元造形装置）
本実施形態の三次元造形装置の全体的な構成は、基本的には実施形態３と共通する。ただし、三次元造形物の製造方法、すなわち三次元造形装置の制御手順が異なり、本実施形態では、センサによるシート状部材３１の摩耗や破損の計測は行わない。このため、本実施形態では、必ずしもセンサを三次元造形装置に設ける必要は無い。ただし、シート状部材３１を更新した後に接触面ＣＳの形状を確認する計測処理（検査）を行うためにセンサを設けてもよい。

【0066】

（三次元造形物の製造方法）
図１０は、実施形態４の三次元造形物の形成手順を説明するためのフローチャートである。実施形態３と同様の工程については、同一の番号を付しており、詳細な説明は省略する。
本実施形態の粉末堆積装置も、造形品質が低下したり造形の継続が困難になるまでシート状部材３１の接触面ＣＳが消耗する前に、自動的にシート状部材３１の接触面ＣＳを更新する機構を備えている。ここで、シート状部材３１の接触面ＣＳを更新するとは、シート状部材３１のうち粉末層形成時に粉末と接触していた部位を、粉末と接触していなかった新たな（未消耗の）部位と交換することをいう。

【0067】

実施形態３では、工程Ｓ２でレーザ光の照射処理を開始した後、工程Ｓ３においてシート状部材３１の接触面ＣＳの形状を検査した。そして、シート状部材３１の摩耗や破損があると判定された場合に、接触面ＣＳの更新処理を行った。
これに対して、実施形態４では、接触面ＣＳの更新処理を実行すべきタイミングを制御部１１２に予め記憶しておき、タイミングが到来したら先端部の更新処理を実行する構成としている。

【0068】

図１０は、実施形態４における三次元造形物の形成手順を説明するためのフローチャートである。三次元造形処理を開始し、実施形態３と同様に工程Ｓ１と工程Ｓ２を実行したら、工程Ｓ２４において、制御部１１２は、シート状部材３１の接触面ＣＳを更新するタイミングであるか否かを判定する。制御部１１２には、シート状部材３１の接触面ＣＳを更新するタイミングが予め記憶されている。接触面ＣＳを更新するタイミングは、例えば所定の層数を造形したタイミング、あるいは粉末層形成処理を所定の回数実行したタイミングのように定めておくことができる。また、固化層の面積が大きいほどシート状部材３１の接触面ＣＳを損耗させる突起部が発生する可能性が大きくなるので、作成した固化層の面積積算値が所定の大きさに達する毎に接触面ＣＳを更新するように定めておくこともできる。

【0069】

更新タイミングであると判断した（Ｓ２４：ＹＥＳ）場合には、実施形態３と同様に工程Ｓ２５を実行してシート状部材３１の接触面ＣＳを更新する。更新タイミングではないと判断した（Ｓ２４：ＮＯ）場合には、工程Ｓ７に移行する。
本実施形態によれば、シート状部材３１の摩耗や破損を計測するセンサを設けなくてもよいので、三次元造形装置のコストを抑制することができる。

【0070】

［実施形態５］
（三次元造形装置）
図１１を参照して、本実施形態に係る三次元造形装置１について説明する。図１１は、三次元造形装置１の構成を説明するための模式図である。尚、実施形態１と共通する部分については、同一の参照番号を付して示し、説明を省略する。本実施形態は、図１に示した実施形態１の三次元造形装置１とは、粉末堆積装置１０７の構造が異なる。

【0071】

図１２は本実施形態の粉末堆積装置１０７の構造を模式的に示す一部断面図である。
図１２に示すように、粉末堆積装置１０７は、シート状部材３２１を保持する保持部３２２を複数有しており、それらを順次交換することにより、摩耗や破損が生じたシート状部材３２１を新しいシート状部材３２１に更新して用いることができる。シート状部材３２１は、材料粉末の山をＸ軸に沿った方向に押してゆくことにより、上面が平坦で厚みが一定の粉末層を形成するブレードとして機能する。

【0072】

シート状部材３２１の下端部の高さにより、形成される粉末層の厚みが規定されるため、シート状部材３２１は、粉末層の厚みを規定する厚み規定部材であるといえる。シート状部材３２１の材料に、実施形態１と同様の弾性材料を用いることにより、突起部が存在したとしても、その周辺に敷設される粉末層の平坦性が維持される。

【0073】

しかし、実施形態１でも説明したように、このようなシート状部材３２１は、耐摩耗性や、傷が生じた場合の引き裂き耐性が必ずしも高くはない。このため、粉末や突起部と繰り返し擦れることで、造形が完了する前にシート状部材３２１に摩耗や破損が生じてしまい、造形品質が低下したり造形の継続が困難になる可能性がある。

【0074】

そこで、本実施形態の粉末堆積装置１０７は、造形品質が低下したり造形の継続が困難になるまでシート状部材が消耗する前に、別のシート状部材に切り替える機能を有している。
図１２に示すように、シート状部材３２１は、挟み込まれるようにして保持部３２２に保持され、保持部３２２は接続部３２３と接続されている。また、接続部３２３は、直動軸３２４に支持されており、直動軸３２４は駆動源３２５により、Ｚ方向に上下動可能である。

【0075】

駆動源３２５は、シート状部材３２１を上下動できるものであれば、どのようなものであってもよい。例えば、空圧や油圧などで制御するピストン機構や、ラックとピニオンを用いてモータ等の回転運動を直線運動に変換する機構等を採用してもよい。
尚、図１２に示す粉末堆積装置１０７は、シート状部材３２１を５つ搭載しているが、搭載するシート状部材３２１の数は複数であればよく、５つに限られるわけではない。少なくとも、第１のシート状部材と、第２のシート状部材を有していればよく、５つより多く搭載していてもよい。

【0076】

図１３は、本実施形態の保持部３２２の周辺の構造を模式的に示す一部断面図である。
図１３に示すように保持部３２２は、凸部３２６を有しており、接続部３２３は凹部３２７を有している。凸部３２６と凹部３２７は、嵌合可能な形状であり、保持部３２２と接続部３２３を組み付け固定する役割がある。保持部３２２の側に凹部を、接続部３２３の側に凸部を設けても良い。
凸部３２６と凹部３２７の構成は、保持部３２２と接続部３２３を容易に組みつけられるものであればどのようなものでもよく、制御部１１２からの信号を受けて接続をＯＮ／ＯＦＦさせる空圧や油圧、磁力などを使用した固定方法でもよい。

【0077】

保持部３２２はシート状部材３２１を挟んで保持し、シート状部材３２１は固定部品３２８で保持部３２２に固定されている。固定部品３２８はボルトとナットの構成になっており、シート状部材３２１を挟む方向に力をかけている。シート状部材３２１と保持部３２２の組み付けは、三次元造形前に行われるが、その際、シート状部材３２１が保持部３２２から突出する突出量２０２を高精度に管理する必要がある。突出量２０２の精度は、図１１で示した積層高さ規制線２０１の精度に影響し、これらの精度が不足すると良好な粉末積層ができなくなるからである。

【0078】

図１４（ａ）と図１４（ｂ）は、シート状部材３２１の寸法を調整し、突出量２０２を管理する方法の一例を示す図である。図１４（ａ）と図１４（ｂ）を参照して、シート状部材３２１の寸法を調整し、突出量２０２を管理する方法を説明する。
まず、図１４（ａ）に示すように、予めシート状部材３２１を保持した保持部３２２を、治具３０１と治具３０２を用いて固定する。治具３０１と治具３０２は、シート状部材３２１の寸法調整工具である。
治具３０１は、保持部３２２の接続部３２３と対応する形状である位置決め形状３０３を有しており、寸法調整の際の基準とすることができる。

【0079】

そして、図１４（ｂ）に示すようにシート状部材３２１の寸法を一定の長さ、すなわち突出量２０２の長さになるよう切断を行う。治具３０２は、シート状部材３２１の先端を切断する切断部３０４を有している。切断部３０４は、シート状部材３２１の切断を行うものであり、例えば、図１４（ｂ）に示すように、挟動可能な一対の刃物で構成される。粉末層の平坦性を担保するには、シート状部材３２１を直線に沿って水平に切断することが必要だが、それが可能であるならば、一対の刃物による構成に限らなくともよい。例えば、刃物と板状部材でシート状部材３２１を挟んで切断する機構でもよいし、ワイヤーカッタのような切断機構でもよい。

【0080】

図１５は、保持部の交換を行う位置と動作を説明するための模式図で、図１１では省略されていた三次元造形装置１の左側部分を示している。粉末保管部１１３を挟んで造形テーブル１０１の反対側には、余剰粉末回収スペース１２１と保持部交換スペース４２２が設けられている。

【0081】

余剰粉末回収スペース１２１は、所定の厚みの粉末層を形成する粉末層形成処理を実行した際に、粉末堆積装置１０７が搬送してきた余剰粉末を回収するスペースである。
回収した粉末は廃棄や処理を施して再利用してもよいが、ゴミなどが混入しておらず粉末保管部に保管された粉末と同等の品質が保持されている場合には、原料粉末としてそのまま再利用することも可能である。

【0082】

保持部交換スペース４２２は、粉末堆積装置１０７が有するすべてのシート状部材を造形中に使い切った場合や、造形開始時や終了時にシート状部材を新品に自動交換する場合に、保持部３２２を交換したり保管したりする空間である。
尚、図１５には不図示であるが、本実施形態では、保持部交換スペース４２２には、検査部として、シート状部材３２１の形状を計測するためのセンサ１３０が設けられている。センサ１３０は、シート状部材３２１のＹ方向全幅にわたり、形状を計測するセンサである。例えば、Ｙ方向全幅にわたり撮像可能な画像センサや、Ｙ方向の一部領域を撮像可能な撮像センサとＹ方向走査機構の組み合わせでもよい。また、撮像センサに限らず、距離センサや超音波センサを用いてもよい。

【0083】

本実施形態では、粉末層を形成した後、レーザ光を照射している間にセンサ１３０を用いてシート状部材３２１の形状を計測し、切り替えが必要か否かを判定し、必要な場合にのみシート状部材の切り替え動作を行うようにすることができる。すなわち、センサにより撮像された画像を例えば制御部１１２が画像処理し、摩耗や損傷による変形が所定の程度を超えるか否かを制御部１１２が検査し、検査結果に基づいて制御部１１２が切り替え処理を行うようにすることができる。なお、切り替えが必要か否かは、シート状部材３２１の形状に基づいて行う方法には限定されず、粉末層の表面の状態に基づいて行うこともできる。

【0084】

また、切り替え動作を行った後、センサ１３０を用いてシート状部材３２１の形状を計測し、正常な状態のシート状部材に交換できたかや切り替え動作が問題なく行われたかを確認することが可能である。例えば、図１４（ａ）に示した工具を使用しての装置外でのシート状部材３２１の切断作業において、刃物とシート状部材３２１の間にゴミが偶然存在したために切断部の形状が不整であった場合等には、これを検出することができる。

【0085】

シート状部材の切り替えが必要になった場合には、制御部１１２は、次の粉末層の形成動作を開始する前に、シート状部材の切り替えを行うことができる。図１５を参照して、保持部３２２の交換動作を説明する。
図１５に示すように、三次元造形装置１の左側には保持部交換スペース４２２が設けられており、この空間において、摩耗したシート状部材を保持する保持部と新鮮な状態のシート状部材を保持する保持部の交換が行われる。

【0086】

保持部交換スペースには、保持部３２２を一定の姿勢で留置しておく留置台１２３が設置されている。まず、空いている留置台１２３の上に交換する保持部３２２（摩耗したシート状部材を保持している保持部）が来るように粉末堆積装置１０７を移動させる。そして、留置台１２３に粉末堆積装置１０７の上下動作で保持部３２２を設置させる。次に、接続部３２３の保持部３２２との組み付けを解除し、留置台１２３に摩耗した保持部３２２を留置させる。

【0087】

続いて、新しいシート状部材を保持する保持部３２２を留置している留置台１２３の上に、保持部を交換する接続部３２３が来るように粉末堆積装置１０７を移動させる。そして、摩耗したシート状部材を保持する保持部３２２を取り外した時とは逆の手順で、新しいシート状部材を保持する保持部を接続部３２３に取り付ける。尚、図１５では、三次元装置の左側に保持部交換スペースを設けた例を示したが、保持部交換スペースは左右どちらにあっても良く、両側にあってもよい。

【0088】

（三次元造形物の製造方法）
本実施形態の三次元造形装置１を用いた三次元造形物の製造方法について説明する。
三次元造形装置１の造形テーブル１０１にプレート１０２が装着されたら、三次元造形装置１は固化部を繰り返し堆積させてゆき、三次元造形物をプレート１０２上に作成する。

【0089】

図１６は、三次元造形物の形成手順を説明するためのフローチャートである。
三次元造形が開始されると、工程Ｓ１において、制御部１１２は、所定の厚みの粉末層を形成する粉末層形成処理を実行する。すなわち、制御部１１２は、垂直移動機構１０６に指令を送り、造形動作を行うための初期位置に造形テーブル１０１を移動させる。
次に、左右どちらかの粉末保管部１１３を粉末保管部垂直移動機構１１４により上昇させ、積層高さ規制線２０１より上に粉末を上昇させる。

【0090】

次に、制御部１１２は、粉末堆積装置１０７に指令を送り、上昇させた粉末保管部１１３側からプレート１０２に向けてＸ軸の正方向または負方向に移動ガイド１０８に沿って移動させる。その際には、シート状部材３２１の下端の高さが積層高さ規制線２０１の高さと一致するようにシート状部材３２１のＺ軸方向の位置を予め合わせておく。
積層高さ規制線２０１より上に位置する粉末を、シート状部材２１が押し動かしながらプレート１０２の上を移動することにより、所定の厚さの一層の原料粉末層がプレート１０２の上に形成される。

【0091】

粉末層が形成されたら、工程Ｓ２において、制御部１１２は、固化処理を開始する。すなわち、制御部１１２は、レーザ光源１０９、スキャナ１１０、集光レンズ１１１に指令を送り、固化させようとする箇所にレーザ光を照射させて原料粉末を加熱させる。
レーザ光源１０９から出射したレーザ光は、スキャナ１１０によって、造形すべき形状に応じてＸＹ方向のそれぞれについて走査される。レーザ光は、集光レンズ１１１で粉末層の極めて狭い領域に集束され、局所加熱された部分が焼結あるいは溶融して固化する。スキャナ１１０によって走査しながら、レーザ光源１０９を明滅させることにより、粉末層の任意の位置にレーザ光を照射して固化部１１６を形成することができる。

【0092】

制御部１１２は、工程Ｓ２において固化処理を開始したら、工程Ｓ３においてシート状部材３２１の形状を検査する検査処理を実行する。すなわち、制御部１１２は、粉末堆積装置１０７に指令を送り、センサ１３０の計測位置に移動させるとともに、センサ１３０にシート状部材３２１の形状を計測させ、計測結果を取得する。
制御部１１２は、取得した計測結果を予め記憶していた判定基準に照らし、シート状部材３２１の摩耗や破損があるかを判定する。この場合の判定基準は、摩耗や破損がすでに粉末層の形成に支障があるレベルに到達しているかだけではなく、まだ到達してはいないが、次の粉末層形成処理で支障があるレベルに到達する可能性があることを検出する予防安全の観点で設定するのが望ましい。

【0093】

シート状部材３２１の摩耗や破損があると判定された場合（工程Ｓ３：ＹＥＳ）には、制御部１１２は、工程Ｓ３４を実行し、シート状部材の切り替え処理を実行する。
工程Ｓ３４を実行して切り替え処理を完了したら、工程Ｓ７において、制御部１１２は、工程Ｓ２で開始したレーザ照射処理がすでに完了しているかを判定する。完了していない場合（工程Ｓ７：ＮＯ）には、工程Ｓ７を繰り返し、レーザ照射処理が完了するのを待つ。

【0094】

また、先の工程Ｓ３において、シート状部材３２１に摩耗や破損が無いと判定された場合（工程Ｓ３：ＮＯ）には、工程Ｓ７に移り、レーザ照射処理が完了するのを待つ。
工程Ｓ７において、この粉末層に対するレーザ照射処理が完了したと判定された場合（工程Ｓ７：ＹＥＳ）には、工程Ｓ８に移り、三次元造形物を構成する全ての層の造形（固化）が終了したかを判定する。

【0095】

三次元造形物を構成する全ての層の造形（固化）が終了していないと判定した場合（工程Ｓ８：ＮＯ）には、工程Ｓ１に戻り、次の固化層を形成するための粉末層形成処理を行う。以下、工程Ｓ２以下を実行し、レーザ照射処理を完了させる。
工程Ｓ８において、三次元造形物を構成する全ての層の造形（固化）が終了したと判定されるまで、これを繰り返す。
工程Ｓ８において、三次元造形物を構成する全ての層の造形（固化）が終了したと判定された場合（工程Ｓ８：ＹＥＳ）には、三次元造形処理を終了する。

【0096】

本実施形態によれば、粉末層の形成と固化を繰り返して三次元造形物（物品）を製造する際に、材料供給手段の摩耗や破損により造形精度が低下したり造形動作が停止したりするのを防ぎ、三次元造形を精度よく継続することができる。その結果、形状精度が高い三次元造形物を、高い歩留まりで連続して製造することができる。
本実施形態では、レーザ光を照射している間に、センサを用いてシート状部材３２１の形状変化を計測し、シート状部材の切り替えが必要か否かを判断する。

【0097】

［実施形態６］
本発明の実施形態６について説明する。実施形態１あるいは実施形態５と説明が共通する部分については、記載を省略する。

【0098】

（三次元造形装置）
本実施形態の三次元造形装置の全体的な構成は、基本的には実施形態５と共通する。ただし、三次元造形物の製造方法、すなわち三次元造形装置の制御手順が異なり、本実施形態では、センサによるシート状部材３２１の摩耗や破損の計測は行わない。このため、本実施形態では、必ずしもセンサを三次元造形装置に設ける必要は無い。

【0099】

（三次元造形物の製造方法）
図１７は、実施形態６の三次元造形物の形成手順を説明するためのフローチャートである。実施形態５と同様の工程については、同一の番号を付して示し、詳細な説明は省略する。
本実施形態の粉末堆積装置も、造形品質が低下したり造形の継続が困難になるまでシート状部材３２１が消耗する前に、自動的にシート状部材３２１を切り替えする機構を備えている。ここで、シート状部材３２１を切り替えるとは、シート状部材３２１のうち粉末層形成時に粉末と接触していたシート状部材３２１を、粉末と接触していなかった新たな（未消耗の）シート状部材３２１と交換(更新)することをいう。

【0100】

実施形態５では、工程Ｓ２でレーザ光の照射処理を開始した後、工程Ｓ３においてシート状部材３２１の形状を検査した。そして、シート状部材３２１に所定程度を超える摩耗や破損があると判定された場合に、切り替え処理を行った。
これに対して、実施形態６では、切り替え処理を実行すべきタイミングを制御部１１２に予め記憶させておき、タイミングが到来したら切り替え処理を実行する構成としている。

【0101】

三次元造形処理を開始し、実施形態５と同様に工程Ｓ１と工程Ｓ２を実行したら、工程Ｓ４３において、制御部１１２は、シート状部材３２１を切り替えるタイミングであるか否かを判定する。制御部１１２には、シート状部材３２１を切り替えるタイミングが予め記憶されている。シート状部材を切り替えるタイミングは、例えば所定の層数を造形したタイミング、あるいは粉末層形成処理を所定の回数実行したタイミングのように定めておくことができる。また、固化層の面積が大きいほどシート状部材３２１を損耗させる突起部が発生する可能性が大きくなるので、作成した固化層の面積積算値が所定の大きさに達する毎に切り替えるように定めておくこともできる。

【0102】

切り替えタイミングであると判断した場合には（Ｓ４３：ＹＥＳ）、実施形態５と同様の工程Ｓ３４を実行してシート状部材３２１の切り替えを行う。
一方、切り替えタイミングではないと判断した場合には（Ｓ４３：ＮＯ）、工程Ｓ７に移行する。
本実施形態によれば、シート状部材３２１の摩耗や破損を計測するセンサを設けなくてもよいので、三次元造形装置のコストを抑制することができる。

【0103】

［実施形態７］
本発明の実施形態７について説明する。実施形態５と共通する部分については、詳細な説明を省略する。

【0104】

（三次元造形装置）
本実施形態の三次元造形装置の全体的な構成は、基本的には実施形態５と共通するが、粉末堆積装置の構造が異なっている。実施形態５の粉末堆積装置は、図１２を参照して説明したように、複数のシート状部材を平行に保持し、水平移動と上下動により切り替え処理を実行するものであった。

【0105】

これに対して、実施形態７の三次元造形装置が備える粉末堆積装置では、図１８に示すように、複数のシート状部材３３１を放射状に配置して保持している。シート状部材３３１は、保持部３３２に挟み込まれるように保持されており、保持部３３２は接続部３３３に接続されている。
本実施形態では、実施形態５の粉末堆積装置とは異なり、シート状部材の切り替えは、放射状に配置されたシート状部材を回転させることにより行う。シート状部材３３１と保持部３３２、接続部３３３の基本構成は実施形態５と同様の構造を使用可能であり、シート状部材の切り替え方法が異なっている。

【0106】

シート状部材３３１を切り替えるための回転動作の駆動機構（回転部）は、損耗したシート状部材３３１や未損耗の新鮮なシート状部材３３１を切り替え作業位置に回転移動させる処理ができれば、どのようなものであってもよい。
例えば、ステッピングモータ等の回転力を生み出す一般的な電動機で、所望の角度だけ回転させる方法がある。また、回転位置を検出するためのエンコーダや、回転を停止させて位置を固定するためのクラッチやブレーキを含む機構であってもよい。

【0107】

以上、実施形態１～７では、三次元造形装置の制御部１１２が粉末堆積装置１０７を制御する構成について説明したが、粉末堆積装置１０７が三次元造形装置との制御部１１２とは別に制御部を有する、独立したユニットであってもよい。粉末堆積装置１０７の制御部は、三次元造形装置の制御部１１２と互いに連携して動作してもよいし、三次元造形装置の制御部とは独立して粉末堆積装置１０７の制御部が動作してもよい。

【0108】

［実施例］
次に、具体的な実施例と比較例を示す。実施例１～実施例４は、上述した実施形態に係る具体例である。また、比較例１は、自動更新機能を有していない従来のブレードを備えた三次元造形装置を用いて造形を行った例である。実施例１～実施例３は本発明の実施形態２の粉末供給機構、実施例４は本発明の実施形態４の粉末供給機構を用いた。

【0109】

実施例および比較例の三次元造形工程は、同一条件下で行うようにした。実施例では原料粉末として、粉末の最大粒径が３５μｍ以下で、平均粒径が２０μｍのＳＵＳ６３０またはＡｌＳｉ１０Ｍｇの粉末材料を使用した。また、比較例１は、実施例１～実施例２と実施例４と同じ材質の原料粉末を用いて造形した。
光源はファイバーレーザを用い、造形時の雰囲気には、温度が３０℃で酸素濃度１０００ｐｐｍのアルゴンガスを用いた。また、１層の厚みは４０μｍであり、トータル２５００層の造形とした。

【0110】

実施形態２の粉末供給機構を用いる実施例１～実施例３では、１００層形成する毎の計２４回、シート状部材の先端部の切断を行い更新した。また、実施形態４の粉末供給機構を用いる実施例４では、１００層形成する毎の計２４回、シート状部材の接触面の交換を行い更新した。

【0111】

三次元造形物は、機械装置用部品として用いる１００ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍのブロックであり、実施例と比較例について同条件の１個取りで造形した。一般的な加熱条件よりも高エネルギーのレーザビームを照射して粉末の溶融を促進し、空孔の発生が抑制された高密度な造形物を作成した。

【0112】

これらの実施例と比較例について、シート状部材の摩耗と造形品品質の２つの評価項目について評価を行った。シート状部材の摩耗に関しては、シート状部材の摩耗量を評価した。造形品品質に影響を与えると想定される摩耗量が、１層の積層厚みである４０μｍ以上になっていないかを評価した。摩耗量が４０μｍ未満の場合はＡ、４０μｍ以上の場合はＢとした。

【0113】

造形品品質については、造形工程の途中で突起部が生じた場合に、完成した造形物について目視で外観を検査し、粉末層の形成不良に起因した割れや造形段差、突起などがないかを評価した。外観が良好な場合はＡ、割れや造形段差、突起等を確認した場合はＢとした。
実施例と比較例について、シート状部材の材質、粉末の材質、評価結果をまとめて表１に示す。

【0114】

【表1】

【0115】

表１に示すように、いずれの実施例においても、実用上問題となるＢの評価は無かった。すなわち、実施例１～実施例４は、シート状部材の摩耗が少なく、完成した造形品の品質は良好であった。
これに対して比較例１では、シート状部材の摩耗量が１層の厚みである４０μｍを超えており、造形品質に影響を与えていると考えられる。また、造形品は摩耗したシート状部材を用いて完成させているため、粉末層の平坦性や厚み精度の不足に起因した形状不良があり、三次元造形物の形状精度が低かった。

【0116】

［他の実施形態］
本発明は、以上説明した実施形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形や組み合わせが可能である。
例えば、三次元造形装置は、更新処理において消耗していない厚み規定部材を供給できる機構を備えていればよく、必ずしもロール状に巻いたシート状部材や板状の弾性部材を用いなくてもよい。
また、敷設した原料粉末層を加熱する光源として、上記実施形態ではレーザ光源を用いたが、照射エネルギー密度の制御や、照射光の走査ができるものであれば、用いる光は必ずしもレーザ光でなくてもよい。たとえば、高輝度ランプ、シャッタ、可変焦点レンズ、走査ミラー等の光学要素を組み合わせた照射光学系を用いることも、場合によっては可能である。さらに、加熱用のエネルギービーム照射部は光ビームを照射する装置でなくともよく、例えば電子ビームを照射する装置であってもよい。
また、原料粉末は、金属粉、ＡＢＳやＰＥＥＫ等の樹脂粉末など多種の材料を用いることが可能で、材料に応じて適宜の粒径を選択することができる。

【符号の説明】

【0117】

１・・・三次元造形装置／２１・・・シート状部材／２２・・・ロール支柱／２３・・・ローラ／２４・・・固定部／２５・・・切断部／３１・・・シート状部材／３２・・・ロール支柱／３３・・・ローラ／１０１・・・造形テーブル／１０２・・・プレート／１０３・・・ピン／１０４・・・ネジ／１０６・・・垂直移動機構／１０７・・・粉末堆積装置／１０８・・・移動ガイド／１０９・・・レーザ光源／１１０・・・スキャナ／１１１・・・集光レンズ／１１２・・・制御部／１１３・・・粉末保管部／１１４・・・粉末保管部垂直移動機構／１１６・・・固化部／１３０・・・センサ／２０１・・・積層高さ規制線／ＣＳ・・・接触面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】