(57)【要約】【課題】三次元造形物の製造精度を低下させることなく三次元造形物の生産性を向上する。【解決手段】粉末層１２を形成する層形成部７と、レーザー照射器１０と、レーザー照射器１０から照射されたレーザーＬを粉末層１２に向かって反射可能であって、姿勢を変化させることで粉末層１２におけるレーザーＬの照射位置を走査方向に移動可能なミラー９０と、レーザー照射器１０とミラー９０との間に設けられる振動光学素子９２と、を備え、ミラー９０の姿勢を変化させて粉末層１２におけるレーザーＬの照射位置を走査方向に移動させるとともに、粉末層１２においてレーザーＬが走査方向と交差する幅方向に振動するように振動光学素子９２を振動させる三次元造形物の製造装置１。【選択図】図２
2020193350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末層を形成する層形成部と、
少なくとも１つのレーザー照射器と、
前記レーザー照射器から照射されたレーザーを前記粉末層に向かって反射可能であって、姿勢を変化させることで前記粉末層における前記レーザーの照射位置を走査方向に移動可能なミラーと、
前記レーザー照射器と前記ミラーとの間に設けられる振動光学素子と、
前記レーザー照射器と前記ミラーと前記振動光学素子とを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記ミラーの姿勢を変化させて前記粉末層における前記レーザーの照射位置を前記走査方向に移動させるとともに、前記粉末層において前記レーザーが前記走査方向と交差する幅方向に振動するように前記振動光学素子を振動させることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記制御部は、三次元造形物の画像データに基づいて前記粉末層に対応する１層分ごとの層画像データを生成し、
前記層画像データは、前記ミラーの姿勢の変化に伴う１回の走査に対応する１走査データにおける前記走査方向の走査方向データと、前記１走査データにおける前記振動光学素子の振動程度に対応する前記幅方向の幅データと、を有し、
前記制御部は、前記画像データにおける画像の形状から前記１走査データの形状、個数および配置を演算して層画像パターンを生成し、前記層画像パターンに基づいて前記層画像データを生成することを特徴とする三次元造形物の製造装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記振動光学素子は、平行平板ガラスと、前記平行平板ガラスを振動させる振動部と、を有することを特徴とする三次元造形物の製造装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記振動光学素子は、一軸方向に振動するとともに振動幅を可変であることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
【請求項５】
請求項４に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記振動光学素子の振動周波数をｆｖ、前記レーザーの前記粉末層に対する照射径をｄ、前記レーザーの前記粉末層に対する照射速度をＶとした場合に、ｆｖ＞Ｖ／ｄであることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
【請求項６】
請求項１から３のいずれか１項に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記振動光学素子は、円状または楕円状に振動するとともに軌道半径を可変であることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
【請求項７】
請求項６に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記振動光学素子の回転周波数をｆｒ、前記レーザーの前記粉末層に対する照射径をｄ、前記レーザーの前記粉末層に対する照射速度をＶとした場合に、ｆｒ＞Ｖ／ｄであることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載された三次元造形物の製造装置において、
前記レーザー照射器として、第１レーザー照射器と第２レーザー照射器とを有し、
第１レーザー照射器から照射された第１レーザーと、第２レーザー照射器から照射された第２レーザーと、の波長を合成するプリズムを備えることを特徴とする三次元造形物の製造装置。
【請求項９】
粉末層を形成する層形成部と、
少なくとも１つのレーザー照射器と、
前記レーザー照射器から照射されたレーザーを前記粉末層に向かって反射可能であって、姿勢を変化させることで前記粉末層における前記レーザーの照射位置を走査方向に移動可能なミラーと、
前記レーザー照射器と前記ミラーとの間に設けられる振動光学素子と、
を備える三次元造形物の製造装置における三次元造形物の製造方法であって、
前記ミラーの姿勢を変化させて前記粉末層における前記レーザーの照射位置を前記走査方向に移動させるとともに、前記粉末層において前記レーザーが前記走査方向と交差する幅方向に振動するように前記振動光学素子を振動させることを特徴とする三次元造形物の製造方法。
【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装置および三次元造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、三次元造形物の製造装置には様々な種類がある。このうち、光などの電磁波を照射し、該電磁波の照射された領域を固化して、三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置がある。例えば、特許文献１には、光硬化性樹脂に対して光線を照射して照射された領域を固化して、三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１６７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の一般的な電磁波を用いて三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置においては、電磁波の照射径が一定な所謂レーザー照射器を使用していることから、生産性が良くない場合があった。製造する三次元造形物の形状や大きさによっては、電磁波を照射する走査回数が増大する場合があるためである。一方、特許文献１に開示される三次元造形物の製造装置は、光の照射経路に位置を変更可能な凸レンズを備え、光の照射径を変更することが可能な構成となっている。しかしながら、このような構成では、光の照射径を大きくすると光の強度が低下し、三次元造形物の製造精度が低下する場合があった。そこで、三次元造形物の製造精度を低下させることなく三次元造形物の生産性を向上することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための本発明の三次元造形物の製造装置は、粉末層を形成する層形成部と、少なくとも１つのレーザー照射器と、前記レーザー照射器から照射されたレーザーを前記粉末層に向かって反射可能であって、姿勢を変化させることで前記粉末層における前記レーザーの照射位置を走査方向に移動可能なミラーと、前記レーザー照射器と前記ミラーとの間に設けられる振動光学素子と、前記レーザー照射器と前記ミラーと前記振動光学素子とを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ミラーの姿勢を変化させて前記粉末層における前記レーザーの照射位置を前記走査方向に移動させるとともに、前記粉末層において前記レーザーが前記走査方向と交差する幅方向に振動するように前記振動光学素子を振動させることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の実施例１に係る三次元造形物の製造装置を表す概略図。
【図２】本発明の実施例１に係る三次元造形物の製造装置のレーザー照射部を表す概略図。
【図３】本発明の実施例１に係る三次元造形物の製造装置の振動光学素子を表す概略図。
【図４】本発明の実施例１に係る三次元造形物の製造装置の制御部が実行する制御フローを表す概念図。
【図５】本発明の実施例１に係る三次元造形物の製造装置を用いて形成される三次元造形物の層の一例および該層に層画像データを重ねて表す概略図。
【図６】本発明の実施例１に係る三次元造形物の製造装置を用いて構成される三次元造形物の層画像データおよび１走査データを表す概略図。
【図７】本発明の実施例１に係る三次元造形物の製造装置におけるレーザー照射方法及び照射領域の一例を表す概略平面図。
【図８】本発明の実施例１に係る三次元造形物の製造装置における図７とは別のレーザー照射方法及び照射領域の一例を表す概略平面図。
【図９】本発明の実施例２に係る三次元造形物の製造装置のレーザー照射部を表す概略図。
【図１０】従来の三次元造形物の製造装置を用いて形成される三次元造形物の層の一例および該層に層画像データを重ねて表す概略図。
【図１１】従来の三次元造形物の製造装置を用いて構成される三次元造形物の層画像データおよび１走査データを表す概略図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
最初に、本発明について概略的に説明する。  
上記課題を解決するための本発明の第１の態様の三次元造形物の製造装置は、粉末層を形成する層形成部と、少なくとも１つのレーザー照射器と、前記レーザー照射器から照射されたレーザーを前記粉末層に向かって反射可能であって、姿勢を変化させることで前記粉末層における前記レーザーの照射位置を走査方向に移動可能なミラーと、前記レーザー照射器と前記ミラーとの間に設けられる振動光学素子と、前記レーザー照射器と前記ミラーと前記振動光学素子とを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ミラーの姿勢を変化させて前記粉末層における前記レーザーの照射位置を前記走査方向に移動させるとともに、前記粉末層において前記レーザーが前記走査方向と交差する幅方向に振動するように前記振動光学素子を振動させることを特徴とする。
【０００８】
本態様によれば、レーザー照射器とミラーとの間に振動光学素子を備え、レーザーの照射位置を走査方向に移動させるとともにレーザーが幅方向に振動するように振動光学素子を振動させる。このため、レーザーを幅方向に振動させることで照射径を大きくするのと同様の効果を得ることができる。すなわち、生産性を高くすることができる。また、レーザーを振動させてもレーザーの強度に顕著な変化は無い。したがって、三次元造形物の製造精度を低下させることなく三次元造形物の生産性を向上することができる。
【０００９】
本発明の第２の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１の態様において、前記制御部は、三次元造形物の画像データに基づいて前記粉末層に対応する１層分ごとの層画像データを生成し、前記層画像データは、前記ミラーの姿勢の変化に伴う１回の走査に対応する１走査データにおける前記走査方向の走査方向データと、前記１走査データにおける前記振動光学素子の振動程度に対応する前記幅方向の幅データと、を有し、前記制御部は、前記画像データにおける画像の形状から前記１走査データの形状、個数および配置を演算して層画像パターンを生成し、前記層画像パターンに基づいて前記層画像データを生成することを特徴とする。
【００１０】
本態様によれば、層画像データは幅データを有し、画像データにおける画像の形状から１走査データの形状、個数および配置を演算して層画像パターンを生成し、層画像パターンに基づいて層画像データを生成する。このため、複雑な制御を行うことなく、簡単に、三次元造形物の製造精度を低下させることなく三次元造形物の生産性を向上することができる。
【００１１】
本発明の第３の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１または第２の態様において、前記振動光学素子は、平行平板ガラスと、前記平行平板ガラスを振動させる振動部と、を有することを特徴とする。
【００１２】
本態様によれば、振動光学素子を平行平板ガラスと振動部とにより簡単に形成できる。
【００１３】
本発明の第４の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１から第３のいずれか１つの態様において、前記振動光学素子は、一軸方向に振動するとともに振動幅を可変であることを特徴とする。
【００１４】
本態様によれば、一軸方向に振動するとともに振動幅を可変である振動光学素子を用いて、三次元造形物の製造精度を低下させることなく三次元造形物の生産性を向上することができる。
【００１５】
本発明の第５の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第４の態様において、前記振動光学素子の振動周波数をｆｖ、前記レーザーの前記粉末層に対する照射径をｄ、前記レーザーの前記粉末層に対する照射速度をＶとした場合に、ｆｖ＞Ｖ／ｄであることを特徴とする。
【００１６】
本態様によれば、振動周波数に対して照射速度が速すぎる或いは照射径が小さすぎることを抑制できる。すなわち、効果的に照射領域の幅を広くすることができ、効果的に三次元造形物の製造精度を低下させることなく三次元造形物の生産性を向上することができる。
【００１７】
本発明の第６の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１から第３のいずれか１つの態様において、前記振動光学素子は、円状または楕円状に振動するとともに軌道半径を可変であることを特徴とする。
【００１８】
本態様によれば、円状または楕円状に振動するとともに軌道半径を可変である振動光学素子を用いて、三次元造形物の製造精度を低下させることなく三次元造形物の生産性を向上することができる。
【００１９】
本発明の第７の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第６の態様において、前記振動光学素子の回転周波数をｆｒ、前記レーザーの前記粉末層に対する照射径をｄ、前記レーザーの前記粉末層に対する照射速度をＶとした場合に、ｆｒ＞Ｖ／ｄであることを特徴とする。
【００２０】
本態様によれば、回転周波数に対して照射速度が速すぎる或いは照射径が小さすぎることを抑制できる。すなわち、効果的に照射領域の幅を広くすることができ、効果的に三次元造形物の製造精度を低下させることなく三次元造形物の生産性を向上することができる。
【００２１】
本発明の第８の態様の三次元造形物の製造装置は、前記第１から第７のいずれか１つの態様において、前記レーザー照射器として、第１レーザー照射器と第２レーザー照射器とを有し、第１レーザー照射器から照射された第１レーザーと、第２レーザー照射器から照射された第２レーザーと、の波長を合成するプリズムを備えることを特徴とする。
【００２２】
本態様によれば、例えば、波長の異なるレーザーを使用できるので、吸収波長の異なる複数の金属を含む金属粉末を用いた場合などにおいて、特に効果的に、三次元造形物の製造精度を低下させることなく三次元造形物の生産性を向上することができる。
【００２３】
本発明の第９の態様の三次元造形物の製造方法は、粉末層を形成する層形成部と、少なくとも１つのレーザー照射器と、前記レーザー照射器から照射されたレーザーを前記粉末層に向かって反射可能であって、姿勢を変化させることで前記粉末層における前記レーザーの照射位置を走査方向に移動可能なミラーと、前記レーザー照射器と前記ミラーとの間に設けられる振動光学素子と、備える三次元造形物の製造装置における三次元造形物の製造方法であって、前記ミラーの姿勢を変化させて前記粉末層における前記レーザーの照射位置を前記走査方向に移動させるとともに、前記粉末層において前記レーザーが前記走査方向と交差する幅方向に振動するように前記振動光学素子を振動させることを特徴とする。
【００２４】
本態様によれば、レーザー照射器とミラーとの間に振動光学素子を備える三次元造形物の製造装置において、レーザーの照射位置を走査方向に移動させるとともにレーザーが幅方向に振動するように振動光学素子を振動させる。このため、レーザーを幅方向に振動させることで照射径を大きくするのと同様の効果を得ることができる。すなわち、生産性を高くすることができる。また、レーザーを振動させてもレーザーの強度に顕著な変化は無い。したがって、三次元造形物の製造精度を低下させることなく三次元造形物の生産性を向上することができる。
【００２５】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。  
［実施例１］  
最初に、本発明の実施例１の三次元造形物の製造装置１の概要について図１を参照して説明する。  
ここで、図中のＸ方向は水平方向であり、Ｙ方向は水平方向であるとともにＸ方向と直交する方向である。また、Ｚ方向は鉛直方向であり層１２の積層方向に対応する。
【００２６】
本実施例の三次元造形物の製造装置１は、層１２を積層することにより三次元造形物Ｏを製造する三次元造形物の製造装置である。そして、図１で表されるように、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、層形成部としての噴射部７、造形台１１、乾燥部８及びレーザー照射部２０と、これらの駆動及び移動の制御をする制御部３と、を備えている。また、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、図１で表されるように、内部に密閉空間を作る筐体部１６と、窒素ガスをボンベ１３から筐体部１６の内部に導入可能なガス管１４と、筐体部１６の内部のガスを排気するためのガス管１５と、を備えている。
【００２７】
また、本実施例の噴射部７は、三次元造形物Ｏを構成する金属粉末と、溶媒と、バインダーと、を含む流動性の材料（ペースト材料）を液滴状態で噴射可能な構成である。さらに、本実施例の噴射部７は、必要に応じて、該流動性材料に加えて、層１２の端部において該流動性材料を支持する流動性の支持材料も液滴状態で噴射可能な構成になっている。ただし、本発明の層形成部は、粉末層を形成することが可能であれば、本実施例の噴射部７のような流動性材料を液滴状態で噴射可能な構成の層形成部を有するものに限定されない。噴射部７と造形台１１を所望の距離に維持し、材料を造形台１１に接触させたまま線状で噴射可能な層形成部としてもよい。
【００２８】
なお、図１で表されるように、本実施例の噴射部７は、噴射部ユニット４に設置されている。また、本実施例の噴射部７は、Ｙ方向に移動しながら流動性材料及び支持材料を吐出可能な構成であり、Ｚ方向に沿って移動可能に構成されていることで、造形台１１とのギャップを調整可能な構成になっている。
【００２９】
また、本実施例の造形台１１は、Ｘ方向に沿って移動可能であり、噴射部７から噴射された流動性材料によって、造形面１１ａに層１２が形成される。ここで、造形台１１は、Ｘ方向のうちのＸ１方向に移動することで、噴射部ユニット４から後述の乾燥ユニット５さらにはレーザーユニット６に移動可能になっている。さらに、造形台１１は、Ｘ方向のうちのＸ１方向とは反対方向に移動することも可能であり、噴射部ユニット４での層１２の形成、乾燥ユニット５での該層１２の乾燥、レーザーユニット６での該層１２へのレーザーＬの照射の終了後、次の層１２を形成するために再び噴射部ユニット４に戻ることができる。
【００３０】
また、本実施例の乾燥部８は、造形台１１に形成された層１２に含まれる溶媒を揮発させて層１２を乾燥させることが可能な構成になっている。なお、本実施例の乾燥部８は、Ｙ方向に沿って延設されるラインヒーターであり、赤外線を造形台１１に形成された層１２に照射させて該層１２を乾燥させることが可能な構成になっている。ただし、乾燥部８はこのような構成に限定されず、ラインヒーター以外であってもよいし、赤外線などの電磁波を照射する構成以外の構成であってもよい。また、図１で表されるように、本実施例の乾燥部８は、乾燥ユニット５に設置されている。なお、使用する層形成部の種類などによっては乾燥部８を有さない構成とすることも可能である。
【００３１】
また、本実施例のレーザー照射部２０は、レーザー照射器１０とガルバノミラーユニット９とで構成されている。ここで、ガルバノミラーユニット９についての詳細は図２などを用いて後述するが、所定の角度の範囲内で内部に設けられたミラー９０の配置を変えることができるとともに、Ｚ方向に沿って移動可能な構成になっている。このような構成になっていることにより、層１２が積層されてもレーザーＬのフォーカスを合わせ続けることが可能であるとともに、造形面１１ａの全ての範囲にレーザーＬを照射可能な構成になっている。また、図１で表されるように、本実施例のレーザー照射部２０は、レーザーユニット６に設置されている。
【００３２】
ここで、図１で表されるように、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、噴射部７から流動性材料を噴射させて造形面１１ａに層１２を形成する際、乾燥部８から赤外線を照射して層１２を乾燥させる際、レーザー照射部２０からレーザーＬを照射する際の何れにおいても、造形面１１ａが水平方向になるように造形台１１を配置する。
【００３３】
次に、本実施例の三次元造形物の製造装置１で使用可能な流動性材料について詳細に説明する。  
三次元造形物Ｏの構成材料である金属粉末としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）やクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）の単体粉末、もしくはこれらの金属を１つ以上含む合金（マルエージング鋼、ステンレス（ＳＵＳ）、コバルトクロムモリブデン、チタニウム合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、コバルト合金、コバルトクロム合金）などの混合粉末を、バインダーを含むペースト状の混合材料にして用いることが可能である。  
三次元造形物Ｏの構成材料であるプラスチック粉末としては、例えばＰＡ１２、ＰＰ、ＰＥＥＫを用いることが可能である。また、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素などのセラミック粉末を用いることが可能である。
【００３４】
バインダーとしては、例えば、熱可塑性樹脂を用いることができる。また、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂或いはその他の合成樹脂又はＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）或いはその他の熱可塑性樹脂などを単独で或いは組み合わせて用いることができる。
【００３５】
また、流動性材料には溶剤をさらに含んでいてもよく、好ましい溶剤としては、例えば、水；エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル等の（ポリ）アルキレングリコールモノアルキルエーテル類；酢酸エチル、酢酸ｎ−プロピル、酢酸ｉｓｏ−プロピル、酢酸ｎ−ブチル、酢酸ｉｓｏ−ブチル等の酢酸エステル類；ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類；メチルエチルケトン、アセトン、メチルイソブチルケトン、エチル−ｎ−ブチルケトン、ジイソプロピルケトン、アセチルアセトン等のケトン類；エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコール類；テトラアルキルアンモニウムアセテート類；ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等のスルホキシド系溶剤；ピリジン、γ−ピコリン、２，６−ルチジン等のピリジン系溶剤；テトラアルキルアンモニウムアセテート（例えば、テトラブチルアンモニウムアセテート等）等のイオン液体等が挙げられ、これらから選択される１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００３６】
また、本実施例の三次元造形物の製造装置１で使用可能な流動性材料についての物性については特に限定は無く、例えば上側よりも下側の方が広がるなど、流動性材料を水平面に載置させた場合に重力の影響により変形するのであれば液体に限定されずゲル状のものであってもよい。ただし、低せん断速度領域において粘度が５００ｍＰａ・ｓ以上、１０００００ｍＰａ・ｓ以下のものを特に好ましく使用できる。
【００３７】
次に、上記三次元造形物の製造装置１の要部であるレーザー照射部２０について、図２から図８を用いて説明する。
【００３８】
上記のように、本実施例のレーザー照射部２０は、レーザー照射器１０とガルバノミラーユニット９を備えている。そして、図２で表されるように、レーザー照射器１０には、レーザーＬを照射する光ファイバー１７が設けられている。
【００３９】
図２で表されるように、ガルバノミラーユニット９には、ミラー９０と集光レンズ９１と振動光学素子９２とが設けられている。光ファイバー１７から照射されたレーザーＬは、振動光学素子９２及び集光レンズ９１を介してミラー９０に向けて照射され、ミラー９０により反射されることで造形台１１に形成された層１２に照射される。
【００４０】
本実施例のレーザー照射部２０は、例えば、ミラー９０を回転方向Ｒ２に回転移動させることでＸ方向に沿って層１２に対する照射位置を変更可能である。別の表現をすると、ミラー９０は、レーザー照射器１０から照射されたレーザーＬを例えば金属の粉末層である層１２に向かって反射可能であって、姿勢を変化させることで層１２におけるレーザーＬの照射位置をＸ方向に沿う走査方向Ｓに走査可能である。
【００４１】
また、本実施例のレーザー照射部２０は、例えば、図２及び図３で表されるように、振動光学素子９２を振動方向Ｒ１に連続的に振動させることで、層１２に対するレーザーＬの照射位置を走査方向Ｓと交差する方向に振動させることが可能である。層１２に対するレーザーＬの照射位置を振動させることで、例えば図７で表されるように、走査方向Ｓに対するレーザーＬの照射幅Ｗ１を、レーザーＬの照射半径Ｗ０よりも広くすることができる。
【００４２】
これは、振動光学素子９２を振動方向Ｒ１に連続的に振動させることで、集光レンズ９１におけるレーザーＬの照射位置及びミラー９０におけるレーザーＬの照射位置が連続的に変化するためである。例えば、図３で表されるように、振動光学素子９２が実線で表される第１姿勢９２ａのときのレーザーＬの照射方向Ｌａと、振動光学素子９２が１点鎖線で表される第２姿勢９２ｂのときのレーザーＬの照射方向Ｌｂと、振動光学素子９２が２点鎖線で表される第３姿勢９２ｃのときのレーザーＬの照射方向Ｌｃとは、異なっている。本実施例の三次元造形物の製造装置１は、制御部３でミラー９０及び振動光学素子９２を制御することにより、ミラー９０による姿勢の変化方向と振動光学素子９２の振動方向とを交差する方向とすることで、走査方向Ｓに対するレーザーＬの照射幅Ｗ１を可変としている。
【００４３】
ここで、図７で表されるように、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、ミラー９０の姿勢を変化させることでＸ方向に沿う走査方向ＳにレーザーＬの照射位置を移動させつつ、Ｙ方向に沿ってレーザーＬの照射位置が振動するように振動光学素子９２を１軸方向に振動させることで、レーザーＬの照射位置が方向Ｆ１に移動するようにレーザーＬを層１２に照射させることが可能である。このようにレーザー照射部２０からレーザーＬを照射することで、照射幅Ｗ１でレーザーＬを層１２に照射させることができる。なお、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、振動光学素子９２の振動速度及び振幅を可変であり、照射幅Ｗ１を可変である。
【００４４】
さらに、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、図８で表されるように、ミラー９０の姿勢を変化させることでＸ方向に沿う走査方向ＳにレーザーＬの照射位置を移動させつつ、レーザーＬの照射位置が回転径Ｄｒで回転方向Ｆ２に回転するように振動光学素子９２を回転方向に振動させることで、レーザーＬの照射位置が回転方向Ｆ２に移動するようにレーザーＬを層１２に照射させることも可能である。なお、図８では、図を見やすくするために、レーザーＬの照射位置を表す回転方向Ｆ２への回転が１回分のみ表されているが、回転方向Ｆ２への回転は連続的に行われる。このようにレーザー照射部２０からレーザーＬを照射することで、照射幅Ｗ２でレーザーＬを層１２に照射させることができる。なお、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、振動光学素子９２の回転速度及び回転角度を可変であり、照射幅Ｗ２を可変である。
【００４５】
上記のように、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、レーザーＬの層１２に対する照射幅を可変である。このため、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、レーザーＬの走査数を減らし、生産性を向上することが可能な構成となっている。
【００４６】
ここで、例えば、図５及び図１０で表されるような、平面視で第１部分１２ａと第２部分１２ｂと第３部分１２ｃとを有する層１２、すなわち、照射領域Ｅに対してレーザーＬを層１２に照射させる場合について考える。本実施例の三次元造形物の製造装置１は、図５で表されるように、第１部分１２ａを１走査、第２部分１２ｂを２走査、第３部分１２ｃを１走査、の合計４走査のレーザーＬの照射で、三次元造形物Ｏの形成部分を完了させることができる。レーザーＬの照射領域Ｅの形状に応じて照射幅を変更できるためである。
【００４７】
一方、従来の三次元造形物の製造装置は、照射幅を変えることができないので、図１０で表されるように、第１部分１２ａを２走査、第２部分１２ｂを３走査、第３部分１２ｃを２走査、の合計７走査のレーザーＬの照射で、三次元造形物Ｏの形成部分を完了させなければならない。そして、従来の三次元造形物の製造装置は、照射幅を変えることができないので、重ねてレーザーＬを照射する部分が発生するなど効率が悪い。
【００４８】
図６は、本実施例の三次元造形物の製造装置１を用いて図５で表される層１２にレーザーＬを照射させる場合の層画像データ１０４及び該層画像データ１０４を構成する各々の１走査データ１１１を表す概念図である。図６で表される層画像データ１０４においては、各々の１走査データ１１１が、走査方向Ｓの走査方向データ１０５と、振動光学素子９２の振動程度に対応する幅方向の幅データ１０６と、を有している。なお、図６の各々の１走査データ１１１では、いずれも走査方向Ｓにおいて幅データ１０６が均一となっているが、このようなデータに限定されず、走査方向Ｓにおいて幅データ１０６を異ならせてもよい。
【００４９】
また、図１１は、従来の三次元造形物の製造装置を用いて図１０で表される層１２にレーザーＬを照射させる場合の層画像データ１０４及び該層画像データ１０４を構成する各々の１走査データ１１１を表す概念図である。図１１で表される層画像データ１０４においては、各々の１走査データ１１１が、幅データ１０６を有さず、走査方向データ１０５のみを有している。
【００５０】
次に、図４を用いて、三次元造形物の製造装置１の制御部３が実行する制御フローについて説明する。最初に、制御部３は、外部装置であるコンピューターなどから３ＤのＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）データ１０１を入力する。そして、該ＣＡＤデータ１０１から３ＤのポリゴンデータであるＳＴＬ（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）データ１０２を生成する。そして、ＳＴＬデータ１０２から、図６で表されるような層画像データ１０４を生成する。なお、この際、図５で表されるように、層１２の照射領域Ｅに対して最適な合成パターンとなる様に層画像パターン１０３を生成し、該層画像パターン１０３に基づいて層画像データ１０４は生成される。そして、層画像データ１０４から各々の１走査データ１１１に対応して、走査方向データ１０５と幅データ１０６とが生成される。ここで、層画像パターン１０３は、ＣＡＤデータ１０１における画像の形状から１走査データ１１１の形状、個数および配置を演算して生成される。なお、図４においては、層画像パターン１０３はＳＴＬデータ１０２から層画像データ１０４を生成する際に使用されるように表されているが、層画像パターン１０３の使用位置はＳＴＬデータ１０２から層画像データ１０４を生成する際に限定されない。
【００５１】
制御部３は、走査方向データ１０５と幅データ１０６とから同期１０７を行うことでレーザー照射器１０と振動光学素子９２とミラー９０との動作が同期するように制御する。具体的には、レーザーＯＮ／ＯＦＦ制御１１０によりレーザー照射器１０を制御することと、振動部９４を介して振動光学素子動作制御１０９をすることにより振動光学素子９２の平行平板ガラス９５の振動を制御することと、ミラー動作機構９３を介してミラー動作制御１０８をすることによりミラー９０を制御することと、を同期させて実行する。
【００５２】
本実施例の三次元造形物の製造装置１の主な特徴は、レーザー照射部２０に振動光学素子９２を備えることである。そして、本実施例の三次元造形物の製造装置１の制御部３が実行する制御フローの特徴は、振動光学素子９２を備えることで照射幅を変更可能であることに伴って１走査データ１１１が幅データ１０６を有すること、並びに、層１２の照射領域Ｅに対して最適な合成パターンとなる様に層画像パターン１０３を生成すること、である。
【００５３】
ここで、一旦まとめると、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、例えば金属の粉末層である層１２を形成する層形成部としての噴射部７と、少なくとも１つのレーザー照射器１０と、レーザー照射器１０から照射されたレーザーＬを層１２に向かって反射可能であって、姿勢を変化させることで層１２におけるレーザーの照射位置を走査方向Ｓに移動可能なミラー９０と、レーザー照射器１０とミラー９０との間に設けられる振動光学素子９２と、レーザー照射器１０とミラー９０と振動光学素子９２とを制御する制御部３と、を備えている。そして、制御部３は、ミラー９０の姿勢を変化させて層１２におけるレーザーＬの照射位置を走査方向Ｓに移動させるとともに、層１２においてレーザーＬが走査方向Ｓと交差する幅方向に振動するように振動光学素子９２を振動させる。
【００５４】
このため、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、レーザーＬを幅方向に振動させることで照射径を大きくするのと同様の効果を得ることができる。すなわち、生産性を高くすることができる。また、レーザーＬを振動させてもレーザーＬの強度に顕著な変化は無い。したがって、三次元造形物Ｏの製造精度を低下させることなく三次元造形物Ｏの生産性を向上することができる。
【００５５】
また、別の表現をすると、粉末層である層１２を形成する噴射部７と、少なくとも１つのレーザー照射器１０と、レーザー照射器１０から照射されたレーザーＬを層１２に向かって反射可能であって、姿勢を変化させることで層１２におけるレーザーの照射位置を走査方向Ｓに移動可能なミラー９０と、レーザー照射器１０とミラー９０との間に設けられる振動光学素子９２と、を備える三次元造形物の製造装置１を用いて、ミラー９０の姿勢を変化させて層１２におけるレーザーＬの照射位置を走査方向Ｓに移動させるとともに、層１２においてレーザーＬが走査方向Ｓと交差する幅方向に振動するように振動光学素子９２を振動させる三次元造形物の製造方法を実行できる。
【００５６】
このような三次元造形物の製造方法を実行することで、レーザーＬを幅方向に振動させることで照射径を大きくするのと同様の効果を得ることができる。すなわち、生産性を高くすることができる。また、レーザーＬを振動させてもレーザーＬの強度に顕著な変化は無い。したがって、三次元造形物Ｏの製造精度を低下させることなく三次元造形物Ｏの生産性を向上することができる。
【００５７】
また、制御部３は、三次元造形物Ｏの画像データであるＣＡＤデータ１０１に基づいて層１２に対応する１層分ごとの層画像データ１０４を生成する。ここで、層画像データ１０４は、ミラー９０の姿勢の変化に伴う１回の走査に対応する１走査データ１１１における走査方向Ｓの走査方向データ１０５と、１走査データ１１１における振動光学素子９２の振動程度に対応する幅方向の幅データ１０６と、を有する。そして、制御部３はＣＡＤデータ１０１における画像の形状から１走査データ１１１の形状、個数および配置を演算して層画像パターン１０３を生成し、層画像パターン１０３に基づいて層画像データ１０４を生成する。
【００５８】
すなわち、本実施例の三次元造形物の製造装置１においては、層画像データ１０４は幅データ１０６を有し、ＣＡＤデータ１０１における画像の形状から１走査データ１１１の形状、個数および配置を演算して層画像パターン１０３を生成し、層画像パターン１０３に基づいて層画像データ１０４を生成する。このため、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、複雑な制御を行うことなく、簡単に、三次元造形物Ｏの製造精度を低下させることなく三次元造形物Ｏの生産性を向上することができる。
【００５９】
また、本実施例の振動光学素子９２は、平行平板ガラス９５と、平行平板ガラス９５を振動させる振動部９４と、を有している。すなわち、本実施例の三次元造形物の製造装置１においては、振動光学素子９２を平行平板ガラス９５と振動部９４とにより簡単に形成している。
【００６０】
また、図７で表されるように、振動光学素子９２は、一軸方向に振動するとともに振動幅を可変である。このため、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、一軸方向に振動するとともに振動幅を可変である振動光学素子９２を用いて、三次元造形物Ｏの製造精度を低下させることなく三次元造形物の生産性を向上することができる。
【００６１】
そして、制御部３は、振動光学素子９２の振動周波数をｆｖ、レーザーＬの層１２に対する照射径をｄ、レーザーＬの層１２に対する照射速度をＶとした場合に、ｆｖ＞Ｖ／ｄとなるようにレーザー照射器１０、ミラー９０、振動光学素子９２の動作を制御できる。このため、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、振動周波数に対して照射速度が速すぎる或いは照射径が小さすぎることを抑制できる。すなわち、効果的に照射領域Ｅの幅を広くすることができ、効果的に三次元造形物Ｏの製造精度を低下させることなく三次元造形物Ｏの生産性を向上することができる。
【００６２】
一方、図８で表されるように、振動光学素子９２は、円状または楕円状に振動するとともに軌道半径を可変である。このため、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、円状または楕円状に振動するとともに軌道半径を可変である振動光学素子９２を用いて、三次元造形物Ｏの製造精度を低下させることなく三次元造形物Ｏの生産性を向上することができる。
【００６３】
そして、制御部３は、振動光学素子９２の回転周波数をｆｒ、レーザーＬの層１２に対する照射径をｄ、レーザーＬの層１２に対する照射速度をＶとした場合に、ｆｒ＞Ｖ／ｄとなるようにレーザー照射器１０、ミラー９０、振動光学素子９２の動作を制御できる。このため、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、回転周波数に対して照射速度が速すぎる或いは照射径が小さすぎることを抑制できる。すなわち、効果的に照射領域Ｅの幅を広くすることができ、効果的に三次元造形物Ｏの製造精度を低下させることなく三次元造形物Ｏの生産性を向上することができる。
【００６４】
［実施例２］  
次に、図９を参照して本発明の実施例２に係る三次元造形物の製造装置１について説明する。図９は、実施例１に係る三次元造形物の製造装置１における図２に対応する図である。ここで、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、レーザー照射部２０以外の構成は実施例１の三次元造形物の製造装置１と同様の構成である。このため、構成が共通する部分における説明は省略する。なお、上記実施例１と共通する構成部材は同じ符号で示しており、詳細な説明は省略する。
【００６５】
実施例１に係る三次元造形物の製造装置１におけるレーザー照射部２０は、図２で表されるように、１つのレーザー照射器１０を有していた。一方、本実施例に係る三次元造形物の製造装置１におけるレーザー照射部２０は、図９で表されるように、第１レーザー照射器１０Ａ及び第２レーザー照射器１０Ｂと２つのレーザー照射器１０を有している。そして、２つのレーザー照射器１０から照射されるレーザーＬを重ね合わさるためにプリズム１８を備えている。
【００６６】
すなわち、本実施例の三次元造形物の製造装置１は、レーザー照射器１０として、第１レーザー照射器１０Ａと第２レーザー照射器１０Ｂとを有し、第１レーザー照射器１０Ａから照射された第１レーザーＬ１と、第２レーザー照射器１０Ｂから照射された第２レーザーＬ２と、の波長を合成するプリズム１８を備えている。本実施例の三次元造形物の製造装置１は、例えば、波長の異なるレーザーＬを使用できるので、吸収波長の異なる複数の金属を含む金属粉末を用いた場合などにおいて、特に効果的に、三次元造形物Ｏの製造精度を低下させることなく三次元造形物Ｏの生産性を向上することができる。
【００６７】
本発明は、上述の実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１…三次元造形物の製造装置、２…ＰＣ、３…制御部、４…噴射部ユニット、
５…乾燥ユニット、６…レーザーユニット、７…噴射部（層形成部）、８…乾燥部、
９…ガルバノミラーユニット、１０…レーザー照射器、１０Ａ…第１レーザー照射器、
１０Ｂ…第２レーザー照射器、１１…造形台、１１ａ…造形面、
１２…層（粉末層）、１２ａ…第１部分、１２ｂ…第２部分、１２ｃ…第３部分、
１３…ボンベ、１４…ガス管、１５…ガス管、１６…筐体部、１７…光ファイバー、
１８…プリズム、２０…レーザー照射部、９０…ミラー、９１…集光レンズ、
９２…振動光学素子、９２ａ…第１姿勢、９２ｂ…第２姿勢、９２ｃ…第３姿勢、
９３…ミラー動作機構、９４…振動部、９５…平行平板ガラス、
１０１…ＣＡＤデータ、１０２…ＳＴＬデータ、１０３…層画像パターン、
１０４…層画像データ、１０５…走査方向データ、１０６…幅データ、１０７…同期、
１０８…ミラー動作制御、１０９…振動光学素子動作制御、
１１０…レーザーＯＮ／ＯＦＦ制御、１１１…１走査データ、Ｅ…照射領域、
Ｌ…レーザー、Ｌ１…第１レーザー、Ｌ２…第２レーザー、Ｌａ…照射方向、
Ｌｂ…照射方向、Ｌｃ…照射方向、Ｏ…三次元造形物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020193350.tif 000009
【図８】
2020193350.tif 000010
【図９】
2020193350.tif 000011
【図１０】
2020193350.tif 000012
【図１１】
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