(57)【要約】【課題】粉末積層溶融法では、三次元造形物を形成する際に突起部が生成される場合がある。突起部を確実に検出可能で、しかも粉末層を平坦化する機構に損耗を与えることのない検出技術が求められていた。【解決手段】所定領域に粉末層を形成する粉末層形成部と、前記粉末層形成部が形成した前記粉末層にエネルギービームを照射して溶融あるいは焼結させ、固化層を形成するエネルギービーム源と、板状プローブを備えた接触検知センサと、を備え、前記固化層の表面における突起物の有無を、前記接触検知センサを用いて検知する、ことを特徴とする三次元造形装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定領域に粉末層を形成する粉末層形成部と、
前記粉末層形成部が形成した前記粉末層にエネルギービームを照射して溶融あるいは焼結させ、固化層を形成するエネルギービーム源と、
板状プローブを備えた接触検知センサと、
を備え、
前記固化層の表面における突起部の有無を、前記接触検知センサを用いて検知する、
ことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記板状プローブは、複数の板バネを所定方向に並べて櫛歯形状に連結した板バネ帯を有し、
前記接触検知センサは、前記複数の板バネの変形を検知する光学センサを備える、
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】
前記複数の板バネのうちのどの板バネが変形したかにより、前記所定方向における前記突起部の位置を検出する、
ことを特徴とする請求項２に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記板状プローブは、２枚の板バネを所定間隔をおいて対向配置した板バネ対を複数有し、前記接触検知センサは、各板バネ対の前記２枚の板バネの電気的な導通を検知する導通センサを備える、
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５】
複数の前記板バネ対が所定方向に沿って配列され、
どの板バネ対の前記２枚の板バネが電気的に導通したかにより、前記所定方向における前記突起部の位置を検出する、
ことを特徴とする請求項４に記載の三次元造形装置。
【請求項６】
前記接触検知センサは前記板状プローブを走査方向に沿って走査可能に構成され、
前記板状プローブが前記突起部を検出した時の前記板状プローブの走査位置により、前記板状プローブの前記走査方向における前記突起部の位置を検出する、
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】
前記板状プローブが前記突起部を検出した場合に、前記粉末層形成部は、前記固化層の上に前記突起部の高さより厚い新たな粉末層を形成する、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項８】
前記板状プローブが前記突起部を検出した場合に、前記突起部を除去した後に前記粉末層形成部が前記固化層の上に新たな粉末層を形成する、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項９】
前記粉末層形成部と前記接触検知センサは、同一のキャリッジに搭載されている、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項１０】
前記接触検知センサは、前記粉末層を形成するときの前記キャリッジの移動方向において、前記粉末層形成部よりも下流側に配置されている、
ことを特徴とする請求項９に記載の三次元造形装置。
【請求項１１】
前記粉末層形成部と前記接触検知センサは、独立して移動が可能な別のキャリッジに搭載されている、
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項１２】
粉末層形成部を用いて所定領域に所定の厚さの粉末層を形成して平坦化する粉末層形成工程と、
前記粉末層形成工程で平坦化された前記粉末層にエネルギービームを照射して固化層を形成する固化工程と、
板状プローブを備えた接触検知センサを用いて、前記固化工程で形成された前記固化層の上に前記粉末層形成部が前記所定の厚さの粉末層を形成する場合に前記粉末層形成部と干渉する高さの突起部が前記固化層に存在するか否かを検出する検出工程と、を有する、
ことを特徴とする三次元造形物を製造する方法。
【請求項１３】
前記板状プローブは、複数の板バネを所定方向に並べて櫛歯形状に連結した板バネ帯を有し、
前記接触検知センサは、前記複数の板バネの変形を検知する光学センサを備える、
ことを特徴とする請求項１２に記載の三次元造形物を製造する方法。
【請求項１４】
前記板状プローブは、２枚の板バネを所定間隔をおいて対向配置した板バネ対を複数有し、前記接触検知センサは、各板バネ対の前記２枚の板バネの電気的な導通を検知する導通センサを備える、
ことを特徴とする請求項１２に記載の三次元造形物を製造する方法。
【請求項１５】
前記検出工程において前記突起部が検出された場合には、前記粉末層形成部を用いて前記所定領域に前記所定の厚さよりも大きな厚さの粉末層を形成して平坦化する、
ことを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の三次元造形物を製造する方法。
【請求項１６】
前記検出工程において前記突起部が検出された場合には、前記突起部を除去する除去工程を行い、その後に前記粉末層形成部を用いて前記所定領域に前記所定の厚さの粉末層を形成して平坦化する、
ことを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の三次元造形物を製造する方法。
【請求項１７】
前記検出工程において前記所定領域の全域に対して突起部の検出を行い、前記検出工程が完了した後に前記除去工程を行う、
ことを特徴とする請求項１６に記載の三次元造形物を製造する方法。
【請求項１８】
前記検出工程においては、前記所定領域を、一方向から前記接触検知センサで走査する、
ことを特徴とする請求項１２乃至１７のいずれか１項に記載の三次元造形物を製造する方法。
【請求項１９】
前記検出工程においては、前記所定領域を、前記固化層を一層形成する度に反対方向から前記接触検知センサで走査する、
ことを特徴とする請求項１２乃至１７のいずれか１項に記載の三次元造形物を製造する方法。
【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を用いた三次元造形物を製造する方法、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さまざまな方式が知られている。
粉末積層溶融法は、原料粉末を層状に敷く工程と、レーザ光等のエネルギービームを照射して粉末層の一部を選択的に溶融させて固める溶融固化工程あるいは焼き固める焼結固化工程とを繰り返し行ない、三次元造形物を形成する方法である。原料粉末には、ナイロン樹脂、セラミックス等が用いられるが、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はじめている。
たとえば、特許文献１には、金属等の原料粉末をスキージング・ブレードを用いて層状に敷いた後、レーザ光を照射して三次元造形物を製造する製造方法が提案されている。
【０００３】
ところで粉末層にエネルギービームを照射して選択的に溶融固化や焼結固化させる際、意図せざる突起部（突起状の固化部）が形成されてしまうことがある。例えば、溶融した材料の一部が飛び散って、正常に形成された固化層の表面に付着する、もしくは溶融物が既に固化した下の層へ溶け込まずに、突起部が形成されてしまうことがある。そのような意図せざる突起部は、大きさとして数１０μｍから、３００μｍ程度、最表層から飛び出した状態になる場合がある。
【０００４】
近年では、三次元造形物の形状精度や密度を高くするために、各粉末層の厚みを数十μｍ程度とすることが行われるが、上記のような突起部が生じると、次に形成する粉末層の上面よりも突起部の高さが大きくなってしまうことが生じ得る。すると、次に粉末層を形成する時に、粉末層の表面を均すための平坦化機構が突起部と機械的に干渉してしまうことになる。その場合には、突起部に平坦化機構が引っ掛かって粉末層の形成工程が停止してしまったり、接触により平坦化機構のブレードが損耗したり、三次元造形物の形状精度が低下したりすることになる。さらには、摩擦により負荷が増え、平坦化機構が停止する、もしくは衝撃が大きい時は、造形物が破壊される場合がある。
【０００５】
特許文献２には、突起部の存在を、平坦化機構の駆動用モータの負荷の変化により検出する方法や、光学的に検出する方法が記載されている。そして、突起部が検出された場合には、除去してから粉末層を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１６０８１１号
【特許文献２】特開２００４−２７７８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献２に開示されている突起部の検出方法は、必ずしも確実な方法ではなかった。
先ず、駆動用モータの負荷の変化により突起部を検出する方法は、平坦化機構が突起部と接触することを前提とする検出法であるため、接触により平坦化機構のブレードに損耗が生じる可能性がある。傷のあるブレードによって形成された粉末層は、傷に対応した盛り上がりを生じ、その部分は粉末層の溶融不足を引き起こし、三次元造形物の形状精度が低下してしまう。
【０００８】
また、突起部は定形ではなくさまざまな形状を取りえるが、特許文献２に記載された撮像装置を用いた光学的な検出方法では、突起部の形状によっては十分な検出感度を発揮できない場合がありえる。
このため、突起部を確実に検出可能で、しかも平坦化機構に損耗を与えることのない検出技術が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、所定領域に粉末層を形成する粉末層形成部と、前記粉末層形成部が形成した前記粉末層にエネルギービームを照射して溶融あるいは焼結させ、固化層を形成するエネルギービーム源と、板状プローブを備えた接触検知センサと、を備え、前記固化層の表面における突起部の有無を、前記接触検知センサを用いて検知する、ことを特徴とする三次元造形装置である。
【００１０】
また、本発明は、粉末層形成部を用いて所定領域に所定の厚さの粉末層を形成して平坦化する粉末層形成工程と、前記粉末層形成工程で平坦化された前記粉末層にエネルギービームを照射して固化層を形成する固化工程と、板状プローブを備えた接触検知センサを用いて、前記固化工程で形成された前記固化層の上に前記粉末層形成部が前記所定の厚さの粉末層を形成する場合に前記粉末層形成部と干渉する高さの突起部が前記固化層に存在するか否かを検出する検出工程と、を有する、ことを特徴とする三次元造形物を製造する方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、造形により発生した意図せざる突起部を確実に検出可能で、しかも平坦化機構に損耗を与えることのない検出技術を提供できるため、形状精度の高い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を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態１の三次元造形装置の装置内部を透視した正面図。
【図２】（ａ）第１の態様の板状プローブを備えた突起部検出器の斜視図。（ｂ）櫛歯形状の板バネの配置を説明する図。（ｃ）突起部検出器の側面図。
【図３】（ａ）第２の態様の板状プローブを備えた突起部検出器の斜視図。（ｂ）板バネ対の配置を説明する図。（ｃ）突起部検出器の側面図。
【図４】（ａ）〜（ｊ）粉末層の一部を固化させた後、次の粉末層を積層するまでの途中の各段階を模式的に示す図。
【図５】実施形態１の三次元造形装置の平面図。
【図６】（ａ）〜（ｈ）突起部検出器と突起部の相対位置の違いによる干渉状態の違いを模式的に示す図。
【図７】実施形態３の三次元造形装置の装置内部を透視した正面図。
【図８】実施形態３の三次元造形装置の平面図。
【図９】実施形態４の三次元造形装置の装置内部を透視した正面図。
【図１０】実施形態５の三次元造形装置の装置内部を透視した正面図。
【図１１】（ａ）〜（ｈ）実施形態２における各工程を模式的に説明する図。
【図１２】レーザ光のフォーカスによるパワー密度の違いを説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［実施形態１］
以下、図面を参照して、本発明の実施形態１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。
図１は、実施形態１の三次元造形装置の構成を示すため、装置内部を模式的に透視した正面図である。
【００１４】
図１において、１は不図示のレーザ光源から例えばファイバーを経由して入力されたレーザ光を走査するためのガルバノスキャナー、２はガルバノスキャナーから出力されたレーザ光を造形ステージ上の決められた高さに集光させるｆ−θレンズである。３は三次元造形物を造形する空間を不活性ガスがリッチな環境に維持するためのチャンバー、４は粉末材料を供給する供給ステージ、５は供給ステージの駆動機構、６は供給ステージに搭載された粉末材料である。７は、造形物を支持する基台となる造形ステージである。
造形ステージ７の上に造形物を造形するには、造形ステージ７の上に粉末材料を所定の厚みになるように敷き、所定位置でレーザを照射して粉末材料を溶融固化させる。その後、所定の厚み分だけ造形ステージ７の位置を下げ、再度粉末材料を敷き、レーザを照射して溶融固化させることを繰り返す。
【００１５】
８は造形ステージの駆動機構である。９は供給ステージより造形ステージに搬送した粉末材料の余りを回収する回収機構である。１０は粉末材料層の表面を均すための平坦化機構としてのローラである。粉末層形成部としての平坦化機構１０は、供給ステージの粉末材料を造形ステージに搬送する役割と、造形ステージ上で粉末層の表面を平坦に均す役割をもつ。１１は突起部検出器１２の高さを制御する位置決め機構で、不図示のキャリッジ上にローラと一緒に搭載されている。キャリッジが動くことで、ローラと位置決め機構１１が一体で移動する。１２は位置決め機構に搭載された突起部検出器で、１３はレーザ照射によって粉末材料が溶融固化された造形物である。突起部検出器１２は、粉末層形成部としての平坦化機構１０に対して、粉末層を形成するときのキャリッジの移動方向の下流側に配置されている。
【００１６】
突起部検出器１２としては、板状プローブを突起部に機械的に接触させてこれを検出する方法が実用上の信頼性が高く、具体的には板バネのような弾性体を用いた接触検知センサが好適に用いられる。
【００１７】
図２（ａ）〜図２（ｃ）を参照して、板状プローブの第１の態様として、矩形の板バネを櫛歯形状に連結した板バネ群を用いた突起部検出器１２を説明する。図２（ａ）は突起部検出器１２の構成を示す外観斜視図、図２（ｂ）は２枚の板バネ群のＹ方向の位置関係を説明するための分解図、図２（ｃ）は突起部検出器１２の構成を説明する側面図である。本実施形態では、突起部の存否だけではなく、存在する位置を特定できるようにするため、櫛歯形状の板バネ群を用いている。
【００１８】
１４ａと１４ｂは、矩形の板バネを櫛歯形状に連結した板バネ群で、図２（ｂ）に示すようにＹ方向において互いの歯の隙間を補間しあうように位相を変えた位置で重ねあわされている。
【００１９】
櫛歯形状の各歯を構成する板バネは、リン青銅などばね性が優れた材料を用い、例えばＹ方向の幅が５ｍｍで、アスペクト比（Ｙ方向長さ：Ｚ方向長さ）が、１：４乃至１：８の矩形形状にするのが好適である。Ｙ方向の幅を小さくすれば、突起部のＹ方向の位置を検知する分解能を高くすることができるが、小さくしすぎると加工や取扱いが簡単ではなくなる。また、アスペクト比を大きくすれば、歯が突起部に接触した際に変形し易くなるため検出感度を高くすることができるが、大きくしすぎると加工や取扱いが簡単ではなくなる。そこで、上述の形状が好適に用いられる。
平坦化機構１０が所定領域に形成する粉末層の全領域をカバーできるように、例えば３００ｍｍの長さにわたり櫛歯はＹ方向に配列されている。
【００２０】
板バネ帯１４と対向する位置には、固定部材１５を介してラインセンサ１６が固定されている。ラインセンサ１６は、ライン状の光源とライン状に配列された受光素子群を備えた光学センサである。板バネが変形していない場合には、光源からの光の多くは板バネに反射されて受光素子に入射するが、板バネが突起部と接触して変形すると反射方向が変化するため、当該板バネに対向する位置の受光素子の受光量は大きく変化する。これにより、板バネが突起部と接触したことを検知することができる。どの受光素子の受光量が変化したかを分析すれば、板バネ群の幅方向における突起部の位置を検出することができる。
【００２１】
次に、図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照して、板状プローブの第２の態様である板バネ対を複数有した突起部検出器１２について説明する。
図３（ａ）は突起部検出器１２の構成を示す外観斜視図、図３（ｂ）は板バネ対のＹ方向の位置関係を説明するための断面図、図３（ｃ）は突起部検出器１２の構成を説明する断面図である。
【００２２】
１７は同じ形状の一対の板バネ１７ａと板バネ１７ｂを、所定間隔をあけて重ねて対向配置した板バネ対であり、１８は、同じ形状の一対の板バネ１８ａと板バネ１８ｂを、所定間隔をあけて重ねて配置した板バネ対である。
【００２３】
図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、複数の板バネ対１７は、板バネの幅と等しい間隔を空けて所定方向（Ｙ方向）に沿って配列される。同様に、複数の板バネ対１８は、板バネの幅と等しい間隔を空けてＹ方向に沿って配列される。Ｘ方向から見たときに、板バネ対１７と板バネ対１８は互いに重ならないように、相手方の板バネ対の間に位置するように構成されている。
【００２４】
板バネ１７ａ、板バネ１７ｂ、板バネ１８ａ、板バネ１８ｂを固定支持している固定部材１９は、非導電性材料でできている。各板バネには、不図示の配線が接続されており、各板バネ対の板バネどうしの電気的導通を検出する導通センサが接続されている。
平坦化機構１０が所定領域に形成する粉末層の全領域をカバーできるように、例えば３００ｍｍの長さにわたり板バネ対はＹ方向に配列されている。
【００２５】
板バネが変形していない場合には、板バネ１７ａと板バネ１７ｂは機械的に接触していないため、電気的に絶縁されている。板バネ１８ａと板バネ１８ｂも同様である。しかし、突起部検出器１２を移動させてゆく途中で板バネが突起部と接触して変形すると、対の相手側の板バネと接触して当該板バネ対は電気的に導通する。したがって、突起部と接触したことを導通センサで検出することができる。どの板バネ対で電気的導通が発生したかを調べることにより、突起部のＹ方向の位置を検出することができる。 
ここで、板バネの下端の高さの設定と接触の検知について詳述する。もし、板バネの下端と突起部の先端が同一高さであれば、板バネは突起部に接触することはできても、キャリッジのＸ方向への移動により、板バネと突起部は干渉せず離れるため、板バネは変形しない。一方、板バネの下端よりも、突起部の高さが高い場合、干渉する部分の長さに従い、板バネはキャリッジのＸ方向への移動により変形する。
【００２６】
板バネ対１７、１８はそれぞれ動作機構が同じなため、ここでは、板バネ対１８について、図６（ａ）〜図６（ｈ）を用いて説明する。各図において、１３はレーザ照射により正常な形状に固化された造形物で、２００は造形物１３に付帯して形成されてしまった異常な突起部である。板バネ１８ａと板バネ１８ｂは、固定部材１９により保持されている。そして、ここでは一例として、固定部材１９から、それぞれの板バネの先端までの長さを２０ｍｍ、また、板バネ１８ａと板バネ１８ｂの間の距離を０．５ｍｍとして組み付けている場合について説明する。これら板バネを含む突起部検出器は、不図示のキャリッジに搭載されており、図のＸ方向に移動される。
【００２７】
まず、板バネの下端と突起部の先端が同じ高さである場合を、図６（ａ）〜図６（ｄ）で説明する。図６（ａ）は、キャリッジがＸ方向に動いている途中、板バネ１８ａが造形物１３上に生じた突起部２００に近づいた状態を表わしている。点線は、板バネ１８ａ、１８ｂの下端であり、かつ突起部２００の先端の高さを表わしており、両者は一致している。ついでキャリッジが少し動き、板バネ１８ａが突起部２００の直上に来た時の様子を図６（ｂ）で示す。図６（ｂ）では、板バネ１８ａと突起部２００は接しはするものの場所的に干渉しないために、板バネ１８ａは変形しない。さらにキャリッジがＸ方向に動くと図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、板バネ１８ａは真直のまま突起部２００から離れていき、結果として板バネ１８ａ、１８ｂによる導通は出現しない。
【００２８】
次に、突起部と板バネが高さで１０μｍ干渉した場合を図６（ｅ）〜図６（ｈ）で説明する。図６（ｅ）は、キャリッジがＸ方向に動いている途中、板バネ１８ａが造形物１３上に生じた突起部２００に近づいた状態を表わしている。二本の点線は、板バネ１８ａ、１８ｂの下端、また突起部２００の先端の高さを表わしており両者の間隔は１０μｍである。図６（ｅ）から、キャリッジをＸ方向に動かして、板バネ１８ａが突起部２００の直上に来た時の様子を図６（ｆ）に示す。板バネ１８ａは、突起部２００と干渉し、曲げが発生する。さらに、キャリッジがＸ方向に動くと図６（ｇ）に示すように、板バネ１８ａと板バネ１８ｂが接触する。キャリッジをＸ方向にさらに進めると、板バネ１８ａの下端と、突起部２００との干渉が解放され、板バネ１８ａは元の真直状態に戻り、板バネ１８ａ、１８ｂの接触がなくなる。その後、図６（ｈ）板バネ１８ｂと突起部２００との干渉があるが、板バネ１８ａ、１８ｂはそれぞれ接触しない。
【００２９】
今回の板バネ１８ａが２０ｍｍ、突起部と干渉する部分の長さがＺ方向において１０μｍの場合、三角法で計算すると、突起部に接触する位置から、キャリッジのＸ方向への移動量が０．６３ｍｍ程度になるまで突起部と干渉し変形する。そして、板バネ１８ａと板バネ１８ｂの間の距離を０．５ｍｍで組み付けているため接触し、検出することが可能になる。
一般に、粉敷きを平滑にかつ厚みを均一にするために、造形ステージ７、および平坦化機構１０（ローラ）のＺ方向への剛性は非常に高く製造されており、小量の干渉でもローラ損傷の可能性がある。つまり、ローラと突起部検出器の板バネの先端を同じ高さに設定している場合は、突起部検出器では検出できなかった突起部（板バネの下端と突起部の先端が同じ高さである突起部）によって、粉敷き中にローラが損傷してしまう可能性がある。このような突起部を検出するためには、突起部検出器の板バネの先端をローラの下端よりも下に設定しておくことが必要である。
【００３０】
次に、図１に示した本実施形態の三次元造形装置が行う一連の造形動作のうち、粉末層形成動作について説明する。図４（ａ）〜図４（ｊ）は、造形ステージ７上の粉末層の一部にレーザ光を照射して粉末層の一部を溶融あるいは焼結させた後、次の粉末層を積層するまでの途中の各段階を模式的に示す図である。造形ステージ７上に造形プレート（不図示）を設置しその上に粉末層を形成してもよい。本明細書においては、粉末層の一部が、溶融された後固化したもの、あるいは焼き固められた（焼結させた）ものを固化層と称する。また、本実施形態では溶融させて固化したものを例に説明するが、焼結したものであっても同様である。
【００３１】
まず、図４（ａ）は、造形ステージ７上の粉末層の一部にレーザ光を照射して粉末層の一部が溶融固化した後の状態を示している。この状態から、引き続き次の粉末層を形成してレーザ光を照射することで、固化層を重ねて造形物を製作していくことになる。図４（ａ）は、レーザ光の照射によって粉末材料が固化された際に、造形物１３の一部に突起部が形成された状態を示しているものとする。
【００３２】
図４（ｂ）は、次の粉末層を形成する前段階として、造形ステージ７の高さを一層の厚さｔ（任意単位）だけ下げた状態を示している。そして、キャリッジを造形ステージ側に移動し、位置決め機構１１によって突起部検出器１２の板バネ下端の高さを造形ステージ上で計測高さになるよう調整した状態を示している。突起部検出器１２の計測高さは、突起部検出器１２の板バネ対１８の最下端が、平坦化機構のローラの最下端よりも例えば１０μｍ下の高さに調整する。この高さに調整することで、ローラと干渉し得る高さの意図せざる突起部を確実に検出できる。図３で示した突起部検出器１２を用いる場合には、板バネ対１８間の電気的導通の有無によって、意図せざる突起部の有無を判定する。板バネ１８ａ、１８ｂは、例えばそれぞれ幅が５ｍｍ、有効長２０ｍｍの形状のバネの対となっており、したがって、この場合のＹ方向の突起検出位置の分解能は５ｍｍである。
【００３３】
次に、図４（ｃ）に示すように板状プローブを備えた突起部検出器１２をＸ方向に移動させながら、突起部の有無を判定する。第１の態様の板状プローブを用いた場合には、突起部があれば、櫛歯形状の板バネ帯が突起部との接触によって変形し、その変形をラインセンサにて検知して突起部があると判断する。突起部の位置は、キャリッジをどこまで移動させたか、すなわち板状プローブの走査位置によりＸ座標が特定され、どの板バネ（歯）の変形が検出されたかによりＹ座標が特定される。
【００３４】
突起部が検出された場合、突起部の高さを把握するために、造形ステージ７の高さをさらに一定量（ｔ）下げ、その状態で、突起部検出器１２をＸ方向に再度走査させながら、突起部の有無と場所の特定をしてもよい。前回、突起部が検出された位置で突起部の検出がなければ、その突起部の高さは、前回のレーザ照射時の粉末層表面を基準として、ｔ以上、２×ｔ未満の高さであると導出できる。また、前回突起部が検出された位置で検出があれば、さらに、造形ステージ７の高さを一定量（ｔ）下げて、突起部検出器１２を走査することを板バネ対１８の突起部との接触による変形検知がなくなるまで繰り返す。そして突起部の高さは、板バネ対１８の変形検知がなくなるまでの造形ステージ７のＺ方向移動量の積算値と、積算値から一定量（ｔ）を引いた値の間と導出される。
【００３５】
この例では、粉末層一層の厚みｔと突起部検出のための造形ステージの一回あたりの移動量を同じにしたが、適宜増減して運用することができる。
また、平坦化機構であるローラと突起部検出器を同じキャリッジに搭載し動作させたが、それぞれ別々のキャリッジに搭載することも可能である。その場合は、突起部を検出する際にローラを動かす必要がないので、突起部とローラの衝突のリスクがなくなるというメリットがある。しかし、別々のキャリッジに搭載した場合、ローラと突起部検出器のＺ方向の位置を、動作範囲の全てでμｍオーダで高さを制御するのは、ガイド等に非常にコストがかかること、また、部品の剛性などで位置が経時的に変わっていく恐れもある。そのため、平坦化機構１０と突起部検出器１２を同一のキャリッジに搭載する方が、ローラと突起部検出器の相対位置を制御しやすく、装置構成も簡素になり有利である。
【００３６】
突起部が検出された場合には、図４（ｄ）に示すように、平坦化機構１０と突起部検出器１２とを一旦は退避させ、位置が特定されている突起部を除去する。あるいは、粉末層の表面が突起物の高さ以上になるように粉敷きをして造形する。突起部の除去は、レーザ光の照射により好適に行われるが、装置上に切削工具を搭載して切削工具にて除去する方式でも構わない。
図４（ｅ）は、突起部がレーザ光を使って溶融され、平坦化機構１０のローラと干渉し得る高さの部分が除去された状態を示したものである。
【００３７】
レーザ光の照射を行った後は、図４（ｆ）に示すように、突起部検出器１２を再度セットしてキャリッジを走査し、さらに別の突起部がないかを探査する。別の突起部が検出された場合には、図４（ｃ）〜図４（ｆ）の動作を行い、ローラと干渉し得る高さの突起部を除去する。
【００３８】
そして、図４（ｇ）に示すように、造形ステージの反対側の座標まで突起部を検出しないで走査できた場合には、ローラと干渉し得る高さの突起部は無いと判断して、粉末層形成工程に移る。
突起部が無いと確認されたら、図４（ｈ）に示すように、平坦化機構１０をキャリッジによって、供給ステージ４を超えた位置に戻し、供給ステージ４を一定量上昇させ粉末材料を押し上げる。
【００３９】
その後、図４（ｉ）に示すように、平坦化機構１０を造形ステージ方向に移動させ、粉末材料を造形ステージ７に移動させる。さらに、平坦化機構１０のローラが造形ステージ上を通過することで、搬送してきた粉末材料が造形ステージ上に積載されていく。
粉末材料は、ローラにより均されるため、造形ステージに搬送された粉末材料の上面は図４（ｊ）に示すように平坦化され、上面が平坦な粉末層が形成される。
【００４０】
以上説明した一連の動作によって、突起部の検出と除去および粉末層の形成を実施する。本実施形態では、図２または図３に示した突起部検出器１２を用いるため、突起部の造形ステージ上の位置を検知することができるので、効率的に除去操作ができる。
【００４１】
図５を参照して、造形ステージ上における突起部の位置の求め方を詳しく説明する。
図５は、本実施形態の三次元造形装置を上から見た平面図である。平坦化機構１０、突起部検出器１２と、これらを走査するキャリッジ２０、供給ステージ４、造形ステージ７が示されている。さらに、２１は平坦化機構１０のローラを回転するモータ、２２は突起部検出器１２の高さを調整する位置決め機構１１の駆動手段、２３はキャリッジ２０のＹ方向とＺ方向の動きを拘束するガイドである。２４はキャリッジをＸ方向に制御する駆動手段で位置制御機能を備えている。また、２５は造形ステージ上にできた突起部を示している。
【００４２】
突起部検出器１２には、図２あるいは図３を参照して説明したように、所定幅の板状プローブすなわち板バネがＹ方向に沿って配列されている。造形ステージ７のＹ方向の全幅を検査できるよう、必要な数の板バネが配列されている。各板バネのＹ方向の幅により、異常検出物を検出する際のＹ方向の分解能が決まる。
【００４３】
キャリッジをＸ方向に駆動して突起部検出器１２が造形ステージ７の端に達したら、突起部検出器１２の板バネの下端の高さを調整する。すなわち、平坦化機構１０が形成した粉末層や、粉末層から溶融固化により形成した正常な形状の三次元造形物には接触しないが、これらよりも突出した突起部には接触する高さに調整される。
【００４４】
そして、キャリッジを駆動して突起部検出器１２で造形ステージ上を走査する。そして、突起部２５を検出したとすると、検出したときのキャリッジの位置によってＸ方向の位置が判り、どの板バネによって検出したかによってＹ方向の位置が判明する。
【００４５】
突起部検出器１２の位置検出分解能により、図５中の２７で示される領域の中に突起部が存在することが判明すれば、この領域においてレーザ光もしくは切削工具を動作させ、効率的に突起部を除去することができる。尚、切削工具にて除去する場合はＺ方向の高さを設定する必要があるが、切削工具の高さについては突起部検出器１２にて検出動作をするときの板バネの最下点の高さと同様にすればよい。尚、突起部検出器１２が突起部を検出した際に、Ｘ方向の位置のみに着目し、求まったＸ座標上すなわち図５の２６に示すライン上をＹ方向に沿って造形ステージの幅分だけレーザ光もしくは切削工具を動作させ、除去作業を行ってもよい。
【００４６】
次に、レーザ光を用いた突起部の除去についてさらに具体的に説明する。
例えば、中心粒径が２０μｍのＳＵＳ３１６で造形し、座標（Ｘ１，Ｙ１）に高さ３０μｍ以上、６０μｍ未満の突起物を検出したと仮定して説明する。
突起物を含む領域に、レーザにて走査照射を行なう。領域について、Ｙ方向に関しては、分解能が例えば５ｍｍの場合はその約３倍の範囲、つまり両隣の板バネも含む１５ｍｍ以下の範囲で設定する。Ｘ方向については、検出精度にもよるが例えば３ｍｍ以上１５ｍｍ以下の範囲で設定する。
そして、上記で定めた領域を、造形物を造形するときのレーザパワーよりエネルギー密度が高い条件（例えば粉末厚みが６０μｍの時の造形条件のレーザパワー（６０Ｗ））で照射する。レーザ走査速度は、Ｘ方向に例えば２５０ｍｍ／ｓ、Ｙ方向に例えば５０μｍピッチで照射する。
【００４７】
次に、突起部検出器を走査し、突起部が除去されているかどうかを確認する。
ここで、突起部を除去するために、エネルギー密度が高い条件でレーザ照射するのは、既に粉末が溶融固化した部分であるので、粉末層に比べ熱伝導がよく温度が上がりにくいため、溶融を確実にするためのものである。また、溶融領域を突起部を含む領域よりも拡大するのは、突起物の回りの溶融固化済みの面を溶融させて突起部を溶かし込むためである。突起部だけを溶融させると、突起部が溶融し表面張力で球状になり、その後、そのまま固化して残ることが多い。
【００４８】
もし、上記のレーザ照射後に、依然突起部が検出された場合、突起部が除去されるまで、さらに厚い粉末層の造形条件（さらにエネルギー密度が高い条件）を同一エリア、もしくはＸ方向には適宜拡大した領域でレーザ照射する。
突起部を検出した時、直前にレーザ照射して溶融固化した全ての領域をレーザ照射して、突起部を除去することも可能である。しかし、検出した突起部の位置を中心に局所的にレーザ走査照射した方が、照射時間が少なくて済むこと、また、加熱部分が少なく歪みの発生が抑えられるというコスト、機能上の両面でメリットがある。
また、突起部を除去する際、照射面積を減らすために、板バネの幅を小さくし、Ｙ方向の分解能を上げることが好ましい。また、突起部を探索するときの走査速度を落として、Ｘ方向の分解能を上げることが好ましい。
【００４９】
尚、突起物の機械的除去については、切削による除去を適用することもできる。なお、レーザによる除去は、三次元造形装置に必須の要件であるレーザ等のエネルギービームにより行うことができるが、機械的除去は別途装置が必要になる。また、エネルギービームによる除去は熱履歴による歪みは生じるが、加工の際の機械的衝突等がないため、特にセラミックスなどの延性の乏しい材料には適している。
一方、機械的除去は、工具の軌跡で突起物が確実に除去できるため、エネルギービームでの除去のように、突起物が除去されたかどうかを確認する工程は必要なく、次の層の作成を行なえるため、信頼性の点では有利である。
切削などによる機械的な除去を行う場合でも、突起部検出器により、突起物の位置が特定できるため、工具のアクセスおよび除去が高速にできるという長所がある。
【００５０】
以上説明したように、板状プローブを備えた突起部の検出器を設け、粉末層を形成する前に突起部の有無を確認する。板状プローブを用いることにより、高い信頼性で突起部を検出可能であり、また突起部の位置情報を得ることができる。突起部を検出した場合には、除去をしてから粉末層を形成することで、平坦化機構と突起部との接触を回避して、平坦化の停止や平坦化機構の損傷を防ぎ、三次元造形作業を安定化し、造形物の形状精度の向上を図ることができる。
【００５１】
［実施形態２］
実施形態１では、突起部が検出された場合に、突起部を除去する方法について説明したが、実施形態２では、突起部が検出された場合に、次に敷く粉末層の表面が突起物の高さ以上になるように粉敷きをして造形する方法について説明する。また、本実施形態では粉末材料を溶融させて固化させたものを例に説明するが、焼結させたものであっても同様である。
粉末層一層の厚み以上の高さの突起物が検出された場合、平坦化機構を突起物に衝突させずに造形するには、粉末層の表面が突起物の高さ以上になるように粉敷きをして造形することができる。そのための方法について図１１（ａ）〜図１１（ｈ）を用いて説明する。
図１１（ａ）〜図１１（ｈ）は、粉末層の一部を溶融固化した後の各段階を模式的に示す図であり、実施形態１と共通する部分については、同じ番号を付して図示している。
【００５２】
まず、予め、粉末層の厚みに応じた良質な造形ができるレーザ照射条件を求めておく。造形物を作成するために必要な要件は、粉末層を溶融するとともに、溶融する粉末層の下にある既に固化している部分も、ある程度溶融させて新たに溶融する層とともに溶融固化させることである。
ある照射位置に入力するエネルギーは、レーザパワーに比例し、走査速度に反比例するため、レーザパワー（Ｗ）／走査速度（ｍｍ／ｓｅｃ）で定義するエネルギー密度に比例する。そのため、レーザ光のパワー、また走査する速度を適切に設定することで、粉末層とその下の既に固化した部分を含めた溶融と固化を制御できる。
【００５３】
さらに、レーザ照射において、照射位置のビーム径の中での位置によってパワー密度（単位面積当たりの照射パワー）が異なる。具体的には、照射ビームの中心が最も強く、一般にはガウス分布に従いｆ−θレンズを通した後も維持される。パワー密度が高くなると、照射部ではパワー密度に応じ温度が上がる。しかし、パワー密度が高すぎると装置の走査速度や、熱伝導による放熱の限界などで、照射部が昇温し、材料の揮発や粉とびが増え、良質な造形ができなくなる。そのため、パワー自体は変えずに、照射ビームのピークパワー密度を減らすことができれば、材料の揮発や粉とびを増やさずに、より深い表面からの深度まで、またはより多くの面積の溶融固化を制御することができる。
【００５４】
そのような手法の一つとしてデフォーカスがある。デフォーカスというのは、ｆ−θレンズにより最も照射ビーム径が絞られたフォーカス位置から、粉末層の位置をＺ方向においてずらす（デフォーカス位置にずらす）ことである。図１２を参照してデフォーカスの概要を説明する。縦軸がパワー密度を、横軸が空間的な位置を表わしていて、ビーム径の中心を縦軸の位置と一致させている。実線の曲線が、最もビーム径が絞られたフォーカス位置でのパワー密度、点線がデフォーカスした時のパワー密度の空間分布を二次元的に表したものである。デフォーカスした方が、パワー密度のある空間領域(横軸）が拡大しており、かつピークパワー密度が下がっている。
【００５５】
この状態で、パワー総量は同じであり、与える熱量は同じである。そのため、過大なピークパワーで材料の揮発や粉とびが起きる場合は、デフォーカスをすることで、造形が改善する場合がある。デフォーカスにより同一レーザパワーでのピークパワー密度を下げること、もしくは、レーザパワーを増やすことと併用することで、照射時の溶融領域を拡大することができる。したがって、粉末層の厚みが大きくなるとデフォーカスが有利になる場合がある。ただ、デフォーカスは照射ビーム径が大きくなるため、造形の細かさは劣化するというデメリットもある。
【００５６】
これらを考慮しながら良質な造形ができるレーザ照射条件を実験等によりあらかじめ求めておく。基本的には、厚みが増えるほど、溶融する粉末の量が増えるので単位面積、単位時間当たりの投入エネルギーを増やす方向になる。造形をするためには、粉末層直下の既に固化した部分も溶融する必要があるため、粉末層の厚みに対して、造形に要する投入エネルギーは比例しない。
【００５７】
次に、本実施形態の三次元造形装置が行う一連の造形動作のうち、粉末層形成動作について説明する。図１１（ａ）〜図１１（ｈ）は、造形ステージ７上の粉末層の一部にレーザ光を照射して粉末層の一部を溶融固化した後、次の粉末層を積層するまでの途中の各段階を模式的に示す図である。造形ステージ７上に造形プレート１０９を設置しその上に粉末層を形成してもよい。本実施形態においては、造形プレート１０９上に粉末層を形成する例を示す。
【００５８】
まず、図１１（ａ）は、造形プレート１０９上の粉末層の一部にレーザ光を照射して粉末層の一部が溶融固化した後の状態を示している。この状態から、引き続き次の粉末層を形成してレーザ光を照射することで、固化層を重ねて造形物を製作していくことになる。図１１（ａ）は、レーザ光の照射によって粉末材料が溶融された後に固化した際に、造形物１３に付帯して突起部２５が形成された状態を示しているものとする。
【００５９】
図１１（ｂ）は、次の粉末層を形成する前段階として、造形ステージ７の高さを一層の厚さt（任意単位）だけ下げた状態を示している。そして、キャリッジを造形ステージ側に移動し、位置決め機構１１によって突起部検出器１２の板バネ下端の高さを造形ステージ上で計測高さになるよう調整した状態を示している。突起部検出器１２の計測高さは、突起部検出器１２の板バネ対１８の最下端が、平坦化機構のローラの最下端よりも例えば１０μｍ下の高さに調整する。この高さに調整することで、ローラと干渉し得る高さの意図せざる突起部を確実に検出できる。図３で示した突起部検出器１２を用いる場合には、板バネ対１８間の電気的導通の有無によって、意図せざる突起部の有無を判定する。板バネ１８ａ、１８ｂは、例えばそれぞれ幅が５ｍｍ、有効長２０ｍｍの形状のバネの対となっており、したがって、この場合のＹ方向の突起検出位置の分解能は５ｍｍである。
【００６０】
次に、図１１（ｃ）に示すように、板状プローブを備えた突起部検出器１２をＸ方向に移動させながら、突起部の有無を判定する。第１の態様の板状プローブを用いた場合には、突起部があれば、櫛歯形状の板バネ帯が突起部との接触によって変形し、その変形をラインセンサにて検知して突起部があると判断する。突起部の位置は、キャリッジをどこまで移動させたか、すなわち板状プローブの走査位置によりＸ座標が特定され、どの板バネ（歯）の変形が検出されたかによりＹ座標が特定される。
【００６１】
突起部が検出された場合、突起部の高さを把握するために、図１１（ｄ）に示すように、造形ステージ７の高さをさらに一定量（ｔ）下げ、その状態で、再度、突起部検出器１２をＸ方向に走査させながら、突起部の有無と場所の特定をしてもよい。前回、突起部が検出された位置で突起部の検出がなければ、その突起部の高さは、前回のレーザ照射時の粉末層表面を基準として、ｔ以上、２×ｔ未満の高さであると導出できる。また、前回突起部が検出された位置で検出があれば、さらに、造形ステージ７の高さを一定量（ｔ）下げて、突起部検出器１２を走査することを板バネ対１８の突起部との接触による変形検知がなくなるまで繰り返す。そして突起部の高さは、板バネ対１８の変形検知がなくなるまでの造形ステージ７のＺ方向移動量の積算値と、積算値から一定量（ｔ）を引いた値の間と導出される。
【００６２】
この例では、粉末層一層の厚みと突起部検出のための造形ステージの一回あたりの移動量を同じにしたが、適宜増減して運用することができる。
また、平坦化機構であるローラと突起部検出器を同じキャリッジに搭載し動作させたが、それぞれ別々のキャリッジに搭載することも可能である。その場合は、突起部を検出する際にローラを動かす必要がないので、突起部とローラの衝突のリスクがなくなるというメリットがある。しかし、別々のキャリッジに搭載した場合、ローラと突起部検出器のＺ方向の位置を、動作範囲の全てでμｍオーダで高さを制御するのは、ガイド等に非常にコストがかかること、また、部品の剛性などで位置が経時的に変わっていく恐れもある。そのため、平坦化機構１０と突起部検出器１２を同一のキャリッジに搭載する方が、ローラと突起部検出器の相対位置を制御しやすく、装置構成も簡素になり有利である。
【００６３】
図１１（ｅ）は、突起物が検出されなくなった状態を示している。次に、図１１（ｆ）に示すように突起部検出器１２を粉敷きを妨げない位置まで上げ、平坦化機構１０（ローラ）をキャリッジによって、供給ステージ４を超えた位置に戻し、供給ステージ４を上昇させ、粉末材料を押し上げる。
その後、図１１（ｇ）に示すように、平坦化機構１０（ローラ）を造形ステージ方向に移動させ、粉末材料を造形プレート１０９に移動させる。さらに、平坦化機構１０（ローラ）が造形ステージ上を通過することで、搬送してきた粉末材料が造形ステージ７、および既に造形された造形物１３の上に積載されていく。粉末材料は、ローラによりならされるため、造形ステージに搬送された粉末材料の上面は粉末層が突起物を全て覆う形で、粉末層が形成される。この時の粉末層の厚みは、突起物が検出されなくなるまで下げられた造形ステージの移動量であり、例えば２回下げた時は２層分の厚さ（２×ｔ）となる。
その後、図１１（ｈ）に示すように、予め求めていた粉末層の厚みに適するレーザ照射条件でレーザ１２１を照射することで、平坦化機構のローラに突起物がぶつからずに造形を進めることができる。
【００６４】
（実施例）
実施例として、粉末層の厚みを変えた時のレーザ照射条件について具体的に説明する。
本実施例では、中心粒径が２０μｍのＳＵＳ３１６粉末について、粉末層の厚みを３０μｍごとに厚くして、造形ができる条件を実験により求めた結果を表１に示す。粉末層の厚みが１５０μｍまでは造形が可能であり、１８０μｍになると、造形できなかった。なお、造形ができる条件は、それぞれの厚みに対して範囲を持っていることがわかった。それらの範囲を括弧内に記す。さらに、造形物の形状、造形プレートの熱容量、造形プレートからの距離によっても、熱の逃げ方が異なるので温度が異なることがわかった。造形できるかできないかは、温度の影響も大きいため、それぞれの条件における値を実験によって求めておくことが好ましい。
【００６５】
良質な造形が可能な各パラメータ（ＳＵＳ３１６、２０μｍ径粉末）を表１に示す。
【表１】
2020026577.tif 000003
【００６６】
以上、説明した一連の工程によって、意図せざる突起物の発生により、従来の装置では粉敷き機構と干渉し造形不具合を起こすような場合でも、突起物以上の適宜の厚みの粉末層を形成することで、造形を進めることができる。
【００６７】
[実施形態３]
図７および図８を参照して、本発明の実施形態３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。実施形態１では、平坦化機構１０と突起部検出器１２は一体化され同一のキャリッジに搭載されていたが、実施形態３ではこれらを別々のキャリッジに搭載し、独立して移動させることが可能になるよう構成している。
【００６８】
図７は、実施形態３の三次元造形装置の構成を示すため、装置内部を模式的に透視した正面図で、図８は三次元造形装置を上から見た平面図である。実施形態１と共通する部分については、同じ番号を付して図示している。
【００６９】
ガイド２３に対して、２個のキャリッジ３２、キャリッジ３３が配置され、それぞれに駆動手段３４と駆動手段３５が配置されている。キャリッジ３２には平坦化機構１０と位置決め機構３６が搭載され、キャリッジ３３には、突起部検出器１２と位置決め機構１１が搭載されている。平坦化機構１０と突起部検出器１２が、独立に造形ステージ７上を走査することができる構成となっている。かかる構成を採用した本実施形態は、図１及び図５に示した実施形態１に対して、以下のような特徴を有する。
【００７０】
実施形態１では、平坦化機構１０と突起部検出器１２が一つのキャリッジ２０に搭載されていた為、単一のキャリッジで構成できている。しかし、突起部検出器１２にて１個目の突起部を検出した後には、その検出物を除去するまでは、その先の走査はできない。除去しないで走査を続行した場合には、１個目の突起部と平坦化機構１０が接触してしまう可能性があるからである。そのため、キャリッジを走査して突起部検出器１２にて突起部を検出した場合、まず検出した突起部を除去してから、その先の突起部の有無を探査しにゆく。造形ステージ上に複数の突起部ができていた場合には、このような手順を繰り返して造形ステージ全域に対して検出と除去を行い、その後に粉層を形成するという工程になる。
【００７１】
一方、本実施形態では、突起部検出器１２が、平坦化機構１０のキャリッジとは別のキャリッジに搭載されている。このため、まず突起部検出器１２を搭載しているキャリッジ３３を走査して突起部を検出したときには、その座標を記録して、継続してその先の走査をすることができる。例えば、図８のように造形ステージ７上に突起部３７と突起部３８が存在した場合に、突起部検出器１２が造形ステージ７上を走査することで、先ず突起部３７を検出する。この座標を求めたら、突起部３７を除去しないで、すなわち突起部検出器１２を退避させないで引き続き突起部検出器１２を走査する。すると突起部３８を検出するので、同じように座標を求める。突起部３８も除去しないで走査を続け、造形ステージ７の端まで到達したことを確認して走査を終了する。このように、造形ステージ全域を突起部検出器１２で連続的に走査して、造形ステージ７にできている全突起部の全座標を記録することができる。よって、突起部が複数発生していたとしても、実施形態１よりも短い時間にて検出作業が終了する。その後、検出した突起部を除去する工程を行えばよい。
【００７２】
以上のように、本実施形態においても、板状プローブを備えた突起部の検出器を設け、粉末層を形成する前に突起部の有無を確認する。板状プローブを用いることにより、高い信頼性で突起部を検出可能であり、また突起部の位置情報を得ることができる。突起部を検出した場合には、除去をしてから粉末層を形成することで、平坦化機構と突起部との接触を回避して、平坦化の停止や平坦化機構の損傷を防ぎ、三次元造形作業を安定化し、造形物の形状精度の向上を図ることができる。
【００７３】
［実施形態４］
図９を参照して、本発明の実施形態４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。図９は、実施形態４の三次元造形装置の構成を示すため、装置内部を模式的に透視した正面図で、実施形態１と共通する部分については、同じ番号を付して図示している。
【００７４】
実施形態４の三次元造形装置は、実施形態１と同様に１台のキャリッジに平坦化機構１０と突起部検出器と位置決め機構１１が搭載されている。実施形態１の三次元造形装置では、図１において、造形ステージ７の左側にのみ供給ステージ４があり、造形ステージ７に左側からしか粉末材料を搬送することができない。このため、粉末層を形成した後には、キャリッジを左側に戻す必要が発生する。
【００７５】
これに対して、実施形態４の三次元造形装置では、図９に示すように、造形ステージ７の両側に供給ステージ４ａ、供給ステージ４ａの駆動機構５ａと、供給ステージ４ｂ、供給ステージ４ｂの駆動機構５ｂとを配置した。これにより、平坦化機構１０を造形ステージ７の左右どちら側から走査しても粉末層の形成ができる。
【００７６】
そこで、左右どちら側の走査方向でも突起部を検出できるように、平坦化機構１０の左側に突起部検出器１２ａを、右側に突起部検出器１２ｂを、位置決め機構１１上に設置する。造形ステージ上を、必ず一方向から突起部検出器で走査しなければならないわけではなく、固化層を一層形成する度に反対方向から走査することができるようになる。
【００７７】
キャリッジが造形ステージ７の左側にある場合、造形ステージ７を下げて、キャリッジを造形ステージ７まで移動し、造形ステージ７の端にて位置決め機構１１によって突起部検出器１２ｂの高さを調整する。その後、突起部検出器１２ｂを走査し、突起部が検出されたらキャリッジを退避して突起部を除去する。そして、造形ステージ７の端にて突起部検出器１２ｂの高さを再度調整して、突起部の検出のために再び走査する。
【００７８】
造形ステージ７上の全域の走査が終了したら、キャリッジが左側にもどって、供給ステージ４ａを上げ、平坦化機構１０にて供給ステージ４ａの粉末材料を造形ステージ７上に搬送して粉末層を形成し、キャリッジを右側の回収機構９ｂまで移動する。この状態にてレーザ光を照射し、造形ステージ７上の粉末層を選択的に溶融させ固化する。
【００７９】
レーザ光の照射工程が終了したら、次の粉層を形成するために、造形ステージ７を下げ、右側にあるキャリッジを造形ステージ７に移動させ、造形ステージ７の端で位置決め機構１１によって突起部検出器１２ａの高さを調整する。今度は、左側に向けて突起部検出器１２ａを走査し、突起部の探索と除去を行う。突起部検出器１２ａが造形ステージ７の端まで到達したら、キャリッジを右端に戻して、供給ステージ４ｂを上げて、平坦化機構１０にて粉末材料を造形ステージ７に搬送し、新たな粉末層を形成してキャリッジを左側の回収機構９ａまで移動する。この状態にてレーザ光を選択的に照射して、固化層を形成する。
本実施形態の構成であれば、平坦化機構１０にて粉末層を形成したあとにキャリッジを戻す必要がなくなり、粉末層形成における時間短縮が図られる。
【００８０】
以上のように、本実施形態においても、板状プローブを備えた突起部の検出器を設け、粉末層を形成する前に突起部の有無を確認する。板状プローブを用いることにより、高い信頼性で突起部を検出可能であり、また突起部の位置情報を得ることができる。突起部を検出した場合には、除去をしてから粉末層を形成することで、平坦化機構と突起部との接触を回避して、平坦化の停止や平坦化機構の損傷を防ぎ、三次元造形作業を安定化し、造形物の形状精度の向上を図ることができる。
【００８１】
［実施形態５］
図１０を参照して、本発明の実施形態５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。図１０は、実施形態５の三次元造形装置の構成を示すため、装置内部を模式的に透視した正面図で、実施形態１と共通する部分については、同じ番号を付して図示している。
【００８２】
実施形態５の三次元造形装置は、実施形態３の特徴である平坦化機構１０と突起部検出器とが別キャリッジで独立して造形ステージ上を走査できることと、実施形態４の特徴である左右両側で走査可能なことを両立させた構成を有する。それによって、実施形態３の構成に対して、粉末層形成に要する時間の短縮を図るものである。
【００８３】
そのために、図１０に示すように、平坦化機構１０の左側にキャリッジに搭載された位置決め機構１１ａと突起部検出器１２ａを配置し、右側にキャリッジに搭載された位置決め機構１１ｂと突起部検出器１２ｂを配置している。
【００８４】
図１０のように、造形ステージ７の左側に平坦化機構１０がある場合、右側にある突起部検出器１２ｂ及び位置決め機構１１ｂがキャリッジによって造形ステージ７に移動する。位置決め機構１１ｂによって突起部検出器１２ｂの高さが調整され、造形ステージ７上を左に向かって走査する。突起部を検出した場合には、検出した造形ステージ上の座標を記録しながら、造形ステージの左端まで走査を完了する。その後、キャリッジによって突起部検出器１２ｂと位置決め機構１１ｂを右側に戻し、検出した座標周辺にてレーザ光もしくは切削工具にて除去動作を行う。そして、突起部検出器１２ｂ及び位置決め機構１１ｂ及びキャリッジを使用して造形ステージ７上の突起部が除去されているのを確認する。
【００８５】
除去が確認されたら、供給ステージ４ａを上昇し、平坦化機構１０をキャリッジによって走査して供給ステージ４ａの粉末材料を造形ステージ７上に搬送し、造形ステージ７上に粉末層を形成する。この時、供給ステージ４ｂを下げておくと、造形ステージ７に粉末層を形成した際に余った粉末材料を供給ステージ４ｂ側で回収することができるため、粉末材料を有効利用できる。
【００８６】
造形ステージ７に粉末層を形成した平坦化機構１０は、左側の位置には戻らずに、そのまま右側の回収機構９ｂの上で停止する。造形ステージ７上に形成された粉末層に対し、レーザ光を照射して固化層を製作する。次の粉末層を形成するために、造形ステージ７を下げたうえで、突起部検出器１２ａと位置決め機構１１ａを動かし、造形ステージ７上を左から右に走査して突起部を検出する。突起部が検出された場合は、除去作業後に除去確認動作を行う。突起部検出器１２ａと位置決め機構１１ａにて、突起部がないことを確認したあとで、平坦化機構１０にて供給ステージ４ｂ上にある粉末材料を造形ステージ７上に搬送し、造形ステージ７上に新たな粉末層を形成する。この時、供給ステージ４ａを下げておくと、余った粉末材料を供給ステージ４ａで回収でき、粉末材料を有効的に利用できることになる。
【００８７】
以上説明したように、図１０のような構成をとることで、粉末層を形成する場合、平坦化機構１０の戻り動作を必要としないため、粉末層形成に要する時間の短縮が図られることになる。
【００８８】
また、本実施形態によれば、板状プローブを備えた突起部の検出器を設け、粉末層を形成する前に突起部の有無を確認する。板状プローブを用いることにより、高い信頼性で突起部を検出可能であり、また突起部の位置情報を得ることができる。突起部を検出した場合には、除去をしてから粉末層を形成することで、平坦化機構と突起部との接触を回避して、平坦化の停止や平坦化機構の損傷を防ぎ、三次元造形作業を安定化し、造形物の形状精度の向上を図ることができる。
【００８９】
［他の実施形態］
本発明の実施形態は、上述した実施形態１〜実施形態５に限られるものではなく、適宜変更したり、組み合わせたりすることが可能で、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
【００９０】
例えば、平坦化機構１０はローラに限定されるわけではなく、例えばスキージやブレードなど、粉末層の平坦化が可能な他の手段を用いても差し支えない。
【００９１】
粉末層を加熱するためのエネルギービーム源は、必ずしもレーザ光源である必要はなく、十分な加熱エネルギーを粉末層の所望の箇所に照射可能な光源であればよい。
【符号の説明】
【００９２】
１・・・ガルバノスキャナー／２・・・ｆ−θレンズ／３・・・チャンバー／４、４ａ、４ｂ・・・供給ステージ／５、５ａ、５ｂ・・・供給ステージの駆動機構／６・・・粉末材料／７・・・造形ステージ／８・・・造形ステージの駆動機構／９、９ａ、９ｂ・・・回収機構／１０・・・ローラ／１１、１１ａ、１１ｂ・・・位置決め機構／１２、１２ａ、１２ｂ・・・突起部検出器／１３・・・造形物／１４ａ、１４ｂ・・・板バネ／１５・・・固定部材／１６・・・ラインセンサ／１７、１８・・・板バネ対／１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ・・・板バネ／１９・・・固定部材／２０・・・キャリッジ／２１・・・モータ／１０９・・・造形プレート／１２１・・・レーザ光／２００・・・突起部
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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