(57)【要約】【課題】レーザ焼結による積層造形において、高精度の造形加工を行なうことができる積層造形装置を提供すること。【解決手段】積層造形装置は、作成目標とする造形物の三次元形状データに対応する造形プログラムに基づき初期の造形物を造形する本機と、初期の造形物の造形後に生じる変位が完了した後に三次元仕上り形状データを算出し、初期の造形物の三次元仕上り形状データと三次元形状データとを比較して造形物表面と直交する方向に生じた変位を算出し、変位と逆方向且つ同変位量の補正データを求める形状修正演算装置と、を備え、本機は、補正データを三次元形状データに加えることにより、作成目標とする造形物表面の座標が補正された補正後の三次元形状データに対応する補正後の造形プログラムに基づき、初期の造形物を造形したときと同じ造形条件で補正後の造形物を造形する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作成目標とする造形物の三次元形状データに対応する造形プログラムに基づき、所定の造形部上に形成された金属の材料粉末からなる粉末層の照射領域にレーザを照射して焼結層を形成するレーザ照射部を有し、焼結層が積層されて成る初期の造形物を造形する本機と、
前記初期の造形物の造形後に生じる変位が完了した後に前記初期の造形物の三次元仕上り形状データを算出し、前記初期の造形物の三次元仕上り形状データと前記三次元形状データとを比較して造形物表面と直交する方向に生じた変位を算出し、前記変位と逆方向且つ同変位量の補正データを求める形状修正演算装置と、
を備え、
前記本機は、前記補正データを前記三次元形状データに加えることにより、作成目標とする造形物表面の座標が補正された補正後の三次元形状データに対応する補正後の造形プログラムに基づき、前記初期の造形物を造形したときと同じ造形条件で、新たに定義された粉末層の照射領域に前記レーザ照射部からレーザを照射して焼結層を形成することにより、焼結層が積層されて成る補正後の造形物を造形することを特徴とする積層造形装置。
【請求項２】
前記金属の材料粉末は、炭素鋼からなり、
前記初期の造形物の造形後に前記初期の造形物に対して熱処理を施しマルテンサイト化させた後、前記三次元仕上り形状データを求めることを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
【請求項３】
作成目標とする造形物の三次元形状データを作成する初期の三次元形状データ作成工程と、
前記三次元形状データに対応する造形プログラムを生成する初期の造形プログラム生成工程と、
前記造形プログラムに基づき、所定の造形部上に形成された金属の材料粉末からなる粉末層の照射領域にレーザを照射して焼結層を形成することにより、焼結層が積層されて成る初期の造形物を造形する初期の造形物造形工程と、
前記初期の造形物の造形後に生じる変位を完了させる変位完了工程と、
前記初期の造形物の三次元仕上り形状データを求める三次元仕上り形状データ算出工程と、
前記三次元仕上り形状データと前記三次元形状データとを比較して造形物表面と直交する方向に生じた変位を算出し、前記変位と逆方向且つ同変位量の補正データを求める補正データ算出工程と、
前記補正データを前記三次元形状データに加えることにより、作成目標とする造形物表面の座標が補正された補正後の三次元形状データ作成工程と、
前記補正後の三次元形状データに対応する補正後の造形プログラムを生成する補正後の造形プログラム生成工程と、
前記補正後の造形プログラムに基づき、前記初期の造形物造形工程を実行することにより、新たに定義された粉末層の照射領域に前記レーザ照射部からレーザを照射して焼結層を形成することにより、焼結層が積層されて成る補正後の造形物を造形する補正後の造形物造形工程と、
を備えていることを特徴とする積層造形物の造形方法。
【請求項４】
前記金属の材料粉末は、炭素鋼からなり、
前記変位完了工程では、前記初期の造形物の造形後に前記初期の造形物に対して熱処理を施すことにより、前記初期の造形物をマルテンサイト化させることを特徴とする請求項３に記載の積層造形物の造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の積層造形物を造形する積層造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属の積層造形物を造形するための装置として、特許文献１に記載の積層造形装置がある。この積層造形装置では、造形槽内の造形テーブル直上において、リコータヘッドを水平一軸方向に移動させ、リコータヘッドに設けられた材料貯蓄箱およびブレードにより、金属の材料粉末を供給、且つ、平坦化させることによって粉末層を形成し、レーザ照射部によって粉末層の照射領域にレーザ照射して焼結層を形成する。そして、この焼結層の上に新たな粉末層を形成してレーザ照射を行い、焼結層を形成することを繰り返し行うことによって金属の積層造形物を造形している。
【０００３】
また、特許文献２に記載の積層造形装置では、表面が水溶性有機材料によって被覆された材料粉末をリコータヘッドから供給、且つ、平坦化することによって粉末層を形成し、その粉末層を構成する材料粉末に対して架橋剤含有水を吐出している。これにより、材料粉末表面の水溶性有機材を溶解させて材料粉末を架橋することにより、粉末層の所定領域を結合硬化して造形層を形成している。そして、上記工程を繰り返し行うことによって複数の造形層を積層形成し、所望の積層造形物を造形している。さらに、焼結炉を用いて当該積層造形物を焼結させることにより、金属の焼結体としての最終造形物を得ている。
【０００４】
ここで、積層造形によって得られる造形物は、造形中、材料粉末が焼結される際に収縮する。そのため、従来から、作成目標とする造形物の造形プログラムを生成する際、造形プログラムに基づき造形される造形物が上記収縮後に作成目標とする形状となるように、予め当該造形プログラムを補正する方法が知られている。
【０００５】
特許文献２に記載の積層造形装置では、作成目標とする造形物の焼結前のデータ、焼結による収縮率のデータ、および、リコータヘッドの移動方向のデータをもとに、リコータヘッドの移動方向、水平方向においてリコータヘッドの移動方向と直交する方向、および、造形層の積層方向において、作成目標とする造形物の造形プログラムをそれぞれ異なる補正量で一律に補正している。これにより、造形中、造形物に生じる変位を補正することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表平１−５０２８９０号公報
【特許文献２】特開２０１６−１５５２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、金属の材料粉末を熱溶融させて再凝固した部分には圧縮応力が発生する。また、固化した金属表面に熱を加えて急冷させた際には引張り応力が残留応力となる。さらに、引用文献１に記載の積層造形では、焼結層を数百から数千層に渡って積層することにより一つの造形物を造形していく。そのため、得られた造形物には、上記応力に加えて、積層方向においても残留応力が生じる。従って、金属の材料粉末を焼結して得られる造形物は、造形中のみならず、上述した応力によって造形後も変位してしまう。
【０００８】
従って、特許文献２に記載のように、造形中に生じる変位のみを想定して補正された造形プログラムでは、得られる造形物の寸法精度および形状精度が低くなってしまう。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、レーザ焼結による積層造形において、高精度の造形加工を行なうことができる積層造形装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明の積層造形装置は、作成目標とする造形物の三次元形状データに対応する造形プログラムに基づき、所定の造形部上に形成された金属の材料粉末からなる粉末層の照射領域にレーザを照射して焼結層を形成するレーザ照射部を有し、焼結層が積層されて成る初期の造形物を造形する本機と、前記初期の造形物の造形後に生じる変位が完了した後に前記初期の造形物の三次元仕上り形状データを算出し、前記初期の造形物の三次元仕上り形状データと前記三次元形状データとを比較して造形物表面と直交する方向に生じた変位を算出し、前記変位と逆方向且つ同変位量の補正データを求める形状修正演算装置と、を備え、前記本機は、前記補正データを前記三次元形状データに加えることにより、作成目標とする造形物表面の座標が補正された補正後の三次元形状データに対応する補正後の造形プログラムに基づき、前記初期の造形物を造形したときと同じ造形条件で、新たに定義された粉末層の照射領域に前記レーザ照射部からレーザを照射して焼結層を形成することにより、焼結層が積層されて成る補正後の造形物を造形するものである。
【００１１】
本発明では、作成目標とする造形物の三次元形状データに対応する造形プログラム通りに初期の造形物を造形し、初期の造形物に生じるすべての変位が完了した後に三次元仕上り形状データを求める。そして、作成目標とする造形物の三次元形状データと初期の造形物の三次元仕上がり形状データとを比較し、初期の造形物表面と直交する方向に生じた変位と逆方向且つ同変位量の補正データを作成目標とする造形物の三次元形状データに加え、作成目標とする造形物表面の座標が補正された補正後の三次元形状データを作成する。そして、補正後の三次元形状データに対応する補正後の造形プログラムを生成し、当該造形プログラムに基づき初期の造形物を造形したときと同じ造形条件で補正後の造形物を造形する。
【００１２】
ここで、作成目標とする造形物の形状および寸法、粉末材料の材質、照射するレーザの出力、走査速度、走査方向および走査順序等の造形条件が等しいとき、得られる造形物に生じる変位は、ほぼ一定である。従って、補正後の造形プログラムに基づき造形を行うことにより、造形中および造形後に生じるすべての変位に対する補正がなされた造形物を得ることができる。これにより、本発明によれば、次に同じ形状の造形物を作成するとき、高精度の造形加工を行なうことができる。
【００１３】
第２の発明の積層造形装置は、前記第１の発明において、前記金属の材料粉末は、炭素鋼からなり、前記初期の造形物の造形後に前記初期の造形物に対して熱処理を施しマルテンサイト化させた後、前記三次元仕上り形状データを求めるものである。
【００１４】
一般的に、レーザ焼結によって造形された造形物を放置した場合、変位が完了するまでには相当の時間を要する。例えば、炭素鋼からなる造形物では、マルテンサイト化が収束するまで変位し続けるため、造形物を造形してから変位を測定することができるまでに相応の時間待機しなければならない。
【００１５】
本発明によれば、造形加工を終了した後に所定の熱処理を施すことにより、マルテンサイト化を意図的に促進させることができる。これにより、変位が収束するまでの時間を早めることができるため、造形物を放置して変位を完了させる場合と比較して、変位を測定するまでの時間を短縮することができる。以上により、造形時の作業効率を向上させることができる。
【００１６】
第３の発明の積層造形物の造形方法は、作成目標とする造形物の三次元形状データを作成する初期の三次元形状データ作成工程と、前記三次元形状データに対応する造形プログラムを生成する初期の造形プログラム生成工程と、前記造形プログラムに基づき、所定の造形部上に形成された金属の材料粉末からなる粉末層の照射領域にレーザを照射して焼結層を形成することにより、焼結層が積層されて成る初期の造形物を造形する初期の造形物造形工程と、前記初期の造形物の造形後に生じる変位を完了させる変位完了工程と、前記初期の造形物の三次元仕上り形状データを求める三次元仕上り形状データ算出工程と、前記三次元仕上り形状データと前記三次元形状データとを比較して造形物表面と直交する方向に生じた変位を算出し、前記変位と逆方向且つ同変位量の補正データを求める補正データ算出工程と、前記補正データを前記三次元形状データに加えることにより、作成目標とする造形物表面の座標が補正された補正後の三次元形状データ作成工程と、前記補正後の三次元形状データに対応する補正後の造形プログラムを生成する補正後の造形プログラム生成工程と、前記補正後の造形プログラムに基づき、前記初期の造形物造形工程を実行することにより、新たに定義された粉末層の照射領域に前記レーザ照射部からレーザを照射して焼結層を形成することにより、焼結層が積層されて成る補正後の造形物を造形する補正後の造形物造形工程と、を備えているものである。
【００１７】
上述したように、造形条件が等しいときに造形物に生じる変位は、ほぼ一定である。そのため、補正後の造形物の造形過程では、初期の造形物の造形過程において生じた変位と略等しい変位が生じる。従って、補正後の造形プログラムに基づき造形を行うことにより、造形中および造形後に生じるすべての変位に対する補正がなされた造形物を得ることができる。これにより、本発明によれば、次に同じ形状の造形物を作成するとき、高精度の造形加工を行なうことができる。
【００１８】
第４の発明の積層造形物の造形方法は、前記第３の発明において、前記金属の材料粉末は、炭素鋼からなり、前記変位完了工程では、前記初期の造形物の造形後に前記初期の造形物に対して熱処理を施すことにより、前記初期の造形物をマルテンサイト化させるものである。
【００１９】
本発明によれば、造形加工を終了した後に所定の熱処理を施すことにより、マルテンサイト化を意図的に促進させることができる。これにより、変位が収束するまでの時間を早めることができるため、造形物を放置して変位を完了させる場合と比較して、変位を測定するまでの時間を短縮することができる。以上により、造形時の作業効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、レーザ焼結による積層造形において、高精度の造形加工を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態に係る積層造形装置本機の側面図である。
【図２】実施形態に係る積層造形装置本機の正面図である。
【図３】リコータヘッドを示す斜視図である。
【図４】粉末層形成装置本機およびレーザ照射装置の斜視図である。
【図５】目標とする造形物を得るまでの流れを示すフローチャートである。
【図６】積層造形システムを構成する各装置の制御を示すブロック図である。
【図７】（ａ）は、作成目標とする造形物のソリッドデータの斜視図であって、（ｂ）は、高さＺ１における当該ソリッドデータの断面図である。
【図８】（ａ）は、作成目標とする造形物のソリッドデータに対応する造形プログラムに基づき造形された実際の造形物のスキャンデータの斜視図であって、（ｂ）は、高さＺ１において、当該スキャンデータの断面図と作成目標とする造形物のソリッドデータの断面図とを比較したものである。
【図９】（ａ）は、補正後のソリッドデータの斜視図であって、（ｂ）は、高さＺ１において、補正後のソリッドデータの断面図と作成目標とする造形物のソリッドデータの断面図とを比較したものである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
積層造形装置１は、焼結式金属粉末積層造形装置である。図１、図２に示すように、積層造形装置１は、造形槽内に設けられた造形室１Ａを有している。造形室１Ａには、図示しない不活性ガス供給装置から不活性ガスが供給されている。これにより、造形室１Ａ内は、酸素濃度が可能な限り低くなるように構成されている。なお、以下では、図１の図面向かって左側を前、右側を後、手前側を右、奥側を左、上側を上、下側を下と定義して、適宜、「前」、「後」、「右」、「左」、「上」、「下」の方向語を使用して説明する。
【００２４】
造形室１Ａには、造形テーブル２Ａが収容されている。造形テーブル２Ａの上側には、金属の材料粉末が敷き詰められる造形空間が形成される。造形テーブル２Ａ上には、粉末層が形成される造形プレート４が配置される。
【００２５】
図１、図２に示すように、粉末層形成装置２は、造形テーブル２Ａと、造形テーブル２Ａを支持するとともに昇降させる支持機構２Ｂと、支持機構２Ｂに動作を伝達する伝達機構２Ｃと、支持機構２Ｂを駆動するモータを含む駆動装置等を有している。造形テーブル２Ａは、粉末層を形成する度に、次に形成される粉末層の厚さに相当する分だけ下降する。
【００２６】
図３、図４に示されるように、リコータヘッド３は、ブレード３Ａと材料貯蓄箱３Ｂとガイド機構３Ｃとからなる。ガイド機構３Ｃは、一対の軸受３１と、各軸受３１Ｒ，３１Ｌがそれぞれ受ける一対の軸材３２であるガイドレール３２Ｒ，３２Ｌを有している。リコータヘッド３は、後述するブレードサーボモータ制御装置１９の走査指令に基づき、ガイド機構３Ｃのガイドレール３２Ｒ，３２Ｌに沿って造形テーブル２Ａ上を左右方向に移動する。これにより、材料貯蓄箱３Ｂから造形テーブル２Ａ上に材料粉末を供給するとともにブレード３Ａによって平坦化することにより、造形プレート４上に粉末層を形成する。
【００２７】
粉末層の形成後にリコータヘッド３が待機する待機場所の上方には、材料貯蓄箱３Ｂに材料粉末を供給する図示しない材料供給装置が備えられている。材料供給装置は、積層造形物の造形中、材料貯蓄箱３Ｂの中の材料粉末が不足しないように、適宜、材料貯蓄箱３Ｂに粉末材料を供給する。
【００２８】
レーザ照射装置５は、各粉末層ごとにそれぞれ設定されるレーザの照射領域にレーザを照射することにより、造形プレート４上の粉末層の一部または全領域に焼結層を形成する。レーザ照射装置５は、２つのガルバノミラーを含むレーザ走査装置５Ａとレーザ発振器５Ｂと焦点レンズ５Ｃと、それらを制御するレーザ制御装置２０等を有している。
【００２９】
レーザ発振器５Ｂから出力される所定のエネルギーを有するレーザは、レーザ伝達部材を通して、レーザ走査装置５Ａのガルバノミラーに到達する。一対のガルバノミラーによって反射されたレーザは、焦点レンズ５Ｃで収束され、造形室１Ａの天板に穿設されている通孔に設けられた透過レンズ１Ｄを通過する。焦点レンズ５Ｃで収束されたレーザは、予め定められているスポット径で照射される。また、レーザ照射位置の原点は、粉末層に対して直交するように、レーザ発振器５Ｂから鉛直方向にレーザを照射したときの照射位置であって、粉末層が形成される造形プレート４の中心位置と略一致する。
【００３０】
レーザ照射装置５のレーザ走査装置５Ａは、造形室１Ａの天板上に設置される。レーザ走査装置５Ａの各ガルバノミラーは、それぞれガルバノミラーを回転させる図示しない電動アクチュエータを備えている。電動アクチュエータは、レーザ制御装置２０の走査指令に従って駆動する。レーザ走査装置５Ａは、レーザ制御装置２０によってレーザのスポットを各照射領域の一端側から他端側へと順に所定の走査経路に沿って所定の移動速度で移動させる。
【００３１】
ＣＡＤ装置１２は、積層造形装置１によって造形される造形物のソリッドデータを作成するためのものである。ＣＡＤ装置１２は、造形物のソリッドデータを作成する演算部１３と演算部１３で作成されたソリッドデータを記憶する記憶部１４等を備えている。なお、ソリッドデータとは、所定の造形物の形状および寸法を示す三次元データである。
【００３２】
ＣＡＭ装置１５は、ＣＡＤ装置１２によって作成されたソリッドデータから造形プログラムを生成するためのものである。ＣＡＭ装置１５は、ＣＡＤ装置１２によって作成されたソリッドデータから造形プログラムを生成する演算部１６と、ＣＡＤ装置１２によって作成されたソリッドデータ、および、演算部１６で生成された造形プログラムを記憶する記憶部１７等を備えている。なお、造形プログラムとは、所定の造形物を造形する際の積層造形装置を構成する各装置の動作手順を示したものである。造形プログラムには、例えば、レーザの照射領域のデータが含まれている。レーザの照射領域のデータは、レーザ照射部５から粉末層に向けて照射されるレーザの照射範囲を各粉末層ごとに規定するために用いられる。
【００３３】
図６に示すように、数値制御装置６は、記憶部１１と演算部１２等を備えている。記憶部１１は、ＣＡＭ装置１５で生成された積層造形物の造形プログラム等が記憶されるハードディスクである。演算部１２は、記憶部１１に記憶された造形プログラム等を解読する解読部１４と、解読部１４によって解読されたものを記憶する記憶部１３と、解読部１４によって解読された造形プログラムに基づき指令を出力する指令部１５と、指令部１５からの指令を上述した各装置に分配して出力する分配出力部１６等を有している。
【００３４】
ブレードサーボモータは、ブレードサーボモータ制御装置１９からの指令に基づき、ブレード３Ａを左右方向に往復移動させる。ブレードサーボモータ制御装置１９には、演算部８の指令部１０からの移動指令が信号或いはデータで入力される。
【００３５】
レーザ制御装置２０は、図示しないアクチュエータ制御装置および駆動電流供給装置等を備えている。レーザ制御装置２０は、造形プログラムに基づきアクチュエータ制御装置に走査指令を信号あるいはデータで出力する。レーザ照射装置５の各電動アクチュエータは、駆動電流供給装置から走査指令に従う駆動電流の供給を受けて、所望の方向にガルバノミラーを傾斜させる。
【００３６】
ところで、金属の材料粉末を熱溶融させて再凝固した部分には圧縮応力が発生する。また、固化した金属表面に熱を加えて急冷させた際には引張り応力が残留応力となる。さらに、積層造形の場合、上述したような焼結層を数百から数千層に渡って積層することにより一つの造形物を得る。そのため、各焼結層ごとに生じる上記応力に加え、積層方向においても残留応力が生じる。以上より、実際に得られる造形物は、作成目標とする造形物から大きく複雑に変位したものとなる。
【００３７】
そこで、本実施形態では、作成目標とする造形物のソリッドデータＤ１に対応する造形プログラムＰ１通りに造形物を造形し、実際に得られた造形物に生じるすべての変位が完了した後に、そのスキャンデータＤ２を求める。そして、ソリッドデータＤ１とスキャンデータＤ２とを比較して変位を算出するとともに、その変位を用いて造形中および造形後に生じるすべての変位に対する補正がなされた新たな造形プログラムＰ２を生成し、新たな造形プログラムＰ２に基づき二つ目以降の造形物を造形する。以下、上記造形を行う際の各装置の制御および動作について、図５のフローチャートおよび図６を参照しつつ詳細に説明する。
【００３８】
まず、ステップＳ１では、作成目標とする造形物のソリッドデータＤ１を作成する。さらに、ステップＳ２では、ソリッドデータＤ１に対応する造形プログラムＰ１を生成する。より具体的には、ＣＡＤ装置１２の演算部１３で作成目標とする造形物のソリッドデータＤ１を作成し、記憶部１４に記憶させる。そして、ソリッドデータＤ１をＣＡＭ装置１５に取り込み、記憶部１７に記憶させる。ＣＡＭ装置１５の演算部１６は、記憶部１７に記憶されたソリッドデータＤ１に対応する造形プログラムＰ１を生成し、記憶部１７に記憶させる。
【００３９】
次に、ステップＳ３では、造形プログラムＰ１に基づき造形物を造形する。より具体的には、ＣＡＭ装置１５で生成した造形プログラムＰ１を数値制御装置６に取り込み、記憶部７に記憶させる。演算部８の解読部９は、記憶部７に記憶された造形プログラムＰ１を解読する。指令部１０は、造形プログラムＰ１に指示されている順番で、分配出力部１６を介してブレードサーボモータ制御装置１９およびレーザ制御装置２０に指令を出力する。リコータヘッド３は、ブレードサーボモータ制御装置１９からの指令に基づき、造形槽内の造形空間を左右方向に移動し、材料貯蓄箱３Ｂから材料粉末を供給しつつ、ブレード３Ａによって材料粉末を平坦化させることより造形プレート４上に粉末層を形成する。そして、レーザ照射装置５は、レーザ制御装置２０からの指令に基づき、各粉末層ごとに設定された照射領域にレーザを照射して焼結層を形成する。焼結層形成後、次に形成する粉末層の厚さ分だけ造形テーブル２Ａを下降させる。そして、上記と同様に焼結層の上に新たな粉末層を形成し、照射領域にレーザを照射して焼結層を形成することを繰り返し行うことにより造形物を造形する。
【００４０】
ステップＳ４では、造形物の変位を完了させる。造形物が炭素鋼からなる場合、熱処理を施しマルテンサイト化を促進させることにより、得られた造形物の変位を短時間で完了させる。より具体的には、焼入れした直後に０度以下に急冷する、所謂サブゼロ処理を行った後に焼戻しする。このサブゼロ処理と焼戻しを複数回行う。
【００４１】
そして、ステップＳ５では、造形物のスキャンデータＤ２を算出する。より具体的には、造形室１Ａから取り出した造形物を三次元測定器１８によって読み込み、実際に得られた造形物のスキャンデータＤ２を求める。造形物のスキャンデータＤ２は、形状修正演算装置２１の記憶部２２に記憶される。なお、スキャンデータとは、上述したソリッドデータと同様に、所定の造形物の形状および寸法を示す三次元データである。
【００４２】
ステップＳ６では、ソリッドデータＤ１とスキャンデータＤ２とを比較し、補正データΔｄを算出する。より具体的には、ＣＡＤ装置１２の記憶部１４に記憶されたソリッドデータＤ１を形状修正演算装置２１に取り込み、記憶部２２に記憶させる。形状修正演算装置２１の演算部２３は、スキャンデータＤ２とソリッドデータＤ１の座標軸を一致させた後、それらを比較し、造形中および造形後に造形物に生じた変位を算出する。さらに、形状修正演算装置２１の演算部２３は、算出した変位から補正データΔｄを求める。補正データΔｄは、ＣＡＤ装置１２に取り込まれ、記憶部１４に記憶される。なお、変位と補正データΔｄについての詳細な説明は後述する。
【００４３】
ステップＳ７では、ソリッドデータＤ１と補正データΔｄからソリッドデータＤ３を作成する。より具体的には、形状修正演算装置２１の演算部２３は、作成目標とする造形物のソリッドデータＤ１と補正データΔｄから新たなソリッドデータＤ３を作成し、記憶部１４に記憶させる。そして、ソリッドデータＤ３をＣＡＭ装置１５に取り込み、記憶部１７に記憶させる。
【００４４】
ステップＳ８では、ソリッドデータＤ３に対応する造形プログラムＰ２を生成する。より具体的には、ＣＡＭ装置１５の演算部１６は、ソリッドデータＤ３に対応する新たな造形プログラムＰ２を生成し、記憶部１７に記憶させる。なお、ソリッドデータＤ３についての詳細な説明は後述する。
【００４５】
ステップＳ９では、造形プログラムＰ２に基づき造形物を造形する。より具体的には、ＣＡＭ装置１５で生成した造形プログラムＰ２を数値制御装置６に取り込み、記憶部７に記憶させる。演算部８の解読部９は、記憶部７に記憶された造形プログラムＰ２を解読する。指令部１０は、造形プログラムＰ２に指示されている順番で、分配出力部１６を介してブレードサーボモータ制御装置１９およびレーザ制御装置２０に指令を出力する。リコータヘッド３およびレーザ照射装置５は、ブレードサーボモータ制御装置１９およびレーザ制御装置２０からの指令に基づき、粉末層を形成するとともに、各層ごとに新たに設定された照射領域に対してレーザを照射して焼結層を形成していく。なお、二つ目以降の造形物を造形する際の造形条件は、一つ目の造形物を造形した時と同条件とする。造形条件とは、例えば、材料粉末の材質、レーザ照射部５から照射されるレーザ強度、レーザの走査速度、走査方向および走査順序等である。
【００４６】
次に、上述した変位、補正データΔｄおよびソリッドデータ３について、図７〜図９を参照しつつ詳細に説明する。
【００４７】
図７（ａ）は、作成目標とする造形物のソリッドデータＤ１の斜視図であって、図７（ｂ）は、高さＺ１におけるソリッドデータＤ１の断面図である。また、図８（ａ）は、作成目標とする造形物のソリッドデータＤ１に対応する造形プログラムＰ１に基づき造形された実際の造形物のスキャンデータＤ２の斜視図であって、側面中央部が外側に対して凸となるように変位している。図８（ｂ）は、高さＺ１において、実際の造形物のスキャンデータＤ２の断面図と作成目標とする造形物のソリッドデータＤ１の断面図とを比較したものである。なお、実際の造形物のスキャンデータＤ２を実線、作成目標とする造形物のソリッドデータＤ１を破線で示す。
【００４８】
形状修正演算装置２１の演算部２３は、実際の造形物のスキャンデータＤ２と作成目標とする造形物のソリッドデータＤ１とを比較し、造形物表面の各点ごとに、造形物表面と直交する方向に生じたすべての変位を算出する。例えば、図８（ｂ）に示すように、高さＺ１における点Ｐ１では、造形物表面と直交するＸ方向に対して、−ｄＸ１変位している。従って、造形物表面の一点である点Ｐ１における変位は、−ｄＸ１である。また、高さＺ１における点Ｐ２では、造形物表面と直交するＹ方向に対して、−ｄＹ１変位している。従って、造形物表面の一点である点Ｐ２における変位は、−ｄＹ１である。
【００４９】
さらに、形状修正演算装置２１の演算部２３は、上述した変位の逆ベクトル、すなわち、造形物表面の各点ごとに、造形物表面と直交する方向に生じた変位方向と逆方向且つ同変位量の補正データを求める。例えば、造形物表面と直交する方向の変位が−ｄＸ１である点Ｐ１では、補正データは＋ｄＸ１である。また、造形物表面と直交する方向の変位が−ｄＹ１である点Ｐ２では、補正データは＋ｄＹ１となる。これらを実際の造形物の表面全域において求めたものを補正データΔｄとする。
【００５０】
形状修正演算装置２１の演算部２３は、補正データΔｄを作成目標とする造形物のソリッドデータＤ１に加えることにより、作成目標とする造形物のソリッドデータＤ１を造形物の表面全域において補正した新たなソリッドデータＤ３を作成する。より具体的には、図９（ａ），（ｂ）に示すように、例えば、点Ｐ１では造形物表面と直交するＸ方向に＋ｄＸ１、点Ｐ２では造形物表面と直交するＹ方向に＋ｄＹ１補正される。ソリッドデータＤ３は、ソリッドデータＤ１に生じた変位の方向と逆に、側面中央部が内側に対して凸となる形状を有している。
【００５１】
（作用・効果）
本実施形態では、まず初めに、レーザによる積層造形によって作成目標とする造形物のソリッドデータＤ１に対応する造形プログラムＰ１通りに一つ目の造形物を造形する。そして、当該造形物に生じるすべての変位を完了させた後、その変位を算出し、上述した補正方法に基づき生成した新たな造形プログラムＰ２に基づき二つ目以降の造形物を造形する。このときの造形条件は、一つ目の造形物の造形時と同条件で行う。上述したように、作成目標とする造形物の形状および寸法、粉末材料の材質、照射するレーザの出力、走査速度、走査方向および走査順序等の造形条件が等しいとき、得られる造形物に生じる変位は、ほぼ一定である。従って、造形プログラムＰ２に基づき造形を行うことにより、造形中および造形後に生じるすべての変位に対する補正がなされた造形物を得ることができる。これにより、本実施形態によれば、二つ目以降から作成目標とする造形物を得ることができる。
【００５２】
また、造形物が炭素鋼からなる場合、上述した熱処理を施すことによってマルテンサイト化を意図的に促進させることができる。これにより、変位が収束するまでの時間を早めることができるため、造形物を放置して変位を完了させる場合と比較し、変位を測定するまでの時間を短縮することができる。以上により、造形時の作業効率を向上させることができる。
【００５３】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態や実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。
【００５４】
本実施形態では、形状修正演算装置２１によってソリッドデータＤ３を作成した後、ソリッドデータＤ３をＣＡＭ装置１５に取り込むと記載したが、例えば、形状修正演算装置２１によってソリッドデータＤ３を作成した後、ＣＡＤ装置１２によってソリッドデータＤ３の形状確認と手動修正を行い、形状確認と手動修正が行われたソリッドデータＤ３をＣＡＭ装置１５に取り込んでも構わない。
【００５５】
また、本実施形態では、造形物が炭素鋼からなる場合、上述した熱処理を施すことによって造形物をマルテンサイト化させると記載したが、熱処理を施すことなく放置した状態で、変位が完了するまで待機しても構わない。また、造形物が炭素鋼以外からなる場合、例えば、上記待機時間を変位が完了するまでより短い時間に設定し、同補正を複数回行うことにより、時間短縮を図るとともに、得られる造形物の寸法精度および形状精度を担保しても構わない。
【００５６】
また、本実施形態では、ソリッドデータＤ１と補正データΔｄからソリッドデータＤ３を作成した後、ソリッドデータＤ３に対応する造形プログラムＰ２を生成すると記載したが、例えば、補正データΔｄを用いて、目標とするソリッドデータＤ１に対応する造形プログラムＰ１を補正することにより、造形プログラムＰ２を生成しても構わない。これは、造形プログラムＰ１に定義された、作成目標とする造形物の各層ごとの焼結領域を書き換えることを意味する。
【００５７】
また、本実施形態では、造形物の表面全域に生じた変位を求めると記載したが、例えば、造形物の表面の一部に生じた変位を求めても構わない。この場合、例えば、造形物表面の一部に生じた変位から造形物表面全域に生じる変位を関数として概算して補正データを求め、それをもとにソリッドデータＤ１を修正することによってソリッドデータＤ３が作成される。
【００５８】
また、本実施形態では、積層造形装置１とは別に設けられた三次元測定器１８によって造形物のスキャンデータＤ２を求めると記載したが、例えば、積層造形装置１の造形室１Ａ内に三次元測定器を設け、数値制御装置６によって三次元測定器を制御することにより、造形物のスキャンデータＤ２を求めても構わない。すなわち、本実施形態のように、積層造形装置１とは別に三次元測定器１８が設けられた積層造形システムを用いて造形物の造形および補正を行っても構わないし、三次元測定器１８を別途設けることなく、三次元測定器が内蔵された積層造形装置１によって造形物の造形および補正を行っても構わない。
【００５９】
また、本実施形態では、ＣＡＤ装置１２、ＣＡＭ装置１５および数値制御装置６の他に別途設けられた形状修正演算装置２１によって変位および補正データΔｄの算出を行うと記載したが、例えば、形状修正演算装置２１を数値制御装置６、ＣＡＤ装置１２もしくはＣＡＭ装置１５に搭載し、変位および補正データΔｄを算出しても構わない。この場合、本実施形態のように形状修正演算装置２１を別途設ける必要はない。
【００６０】
また、本実施形態では、形状修正演算装置２１によってソリッドデータＤ３を作成すると記載したが、例えば、上述したように、形状修正演算装置２１をＣＡＤ装置１２に搭載し、ソリッドデータＤ３を作成しても構わない。
【００６１】
また、本実施形態では、ソリッドデータに基づき造形プログラムを生成すると記載したが、例えば、サーフェスデータに基づき造形プログラムを生成しても構わない。
【符号の説明】
【００６２】
１  積層造形装置
３  リコータヘッド
４  造形プレート
５  レーザ照射装置
６  数値制御装置
１２  ＣＡＤ装置
１３  ＣＡＭ装置
１８  三次元測定器
２１  形状修正演算装置
Ｄ１  作成目標とする造形物のソリッドデータ
Ｄ２  実際に得られた造形物のスキャンデータ
Ｄ３  補正後の造形物のソリッドデータ
Ｐ１  作成目標とする造形物のソリッドデータＤ１に対応する造形プログラム
Ｐ２  補正後の造形物のソリッドデータＤ３に対応する造形プログラム
Δｄ  補正データ
【図１】
2018150592.tif 000003
【図２】
2018150592.tif 000004
【図３】
2018150592.tif 000005
【図４】
2018150592.tif 000006
【図５】
2018150592.tif 000007
【図６】
2018150592.tif 000008
【図７】
2018150592.tif 000009
【図８】
2018150592.tif 000010
【図９】
2018150592.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成30年6月22日(2018.6.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作成目標とする造形物の三次元形状データに対応する造形プログラムに基づき、所定の造形部上に形成された金属の材料粉末からなる粉末層の照射領域にレーザを照射して焼結層を形成するレーザ照射部を有し、焼結層が積層されて成る初期の造形物を造形する本機と、
前記初期の造形物の造形後に生じる、前記初期の造形物の側面中央部が外側に対して凸となるか内側に対して凸となる変位が完了した後に前記初期の造形物の三次元仕上り形状データを算出し、前記初期の造形物の三次元仕上り形状データと前記三次元形状データとを比較して造形物表面と直交する方向に生じた前記変位を算出し、前記変位と逆方向且つ同変位量の補正データを求める形状修正演算装置と、
を備え、
前記本機は、前記補正データを前記三次元形状データに加えることにより、作成目標とする造形物表面の座標が補正された補正後の三次元形状データに対応する補正後の造形プログラムに基づき、前記初期の造形物を造形したときと同じ造形条件で、新たに定義された粉末層の照射領域に前記レーザ照射部からレーザを照射して焼結層を形成することにより、焼結層が積層されて成る補正後の造形物を造形することを特徴とする積層造形装置。
【請求項２】
前記金属の材料粉末は、炭素鋼からなり、
前記初期の造形物の造形後に前記初期の造形物に対して熱処理を施しマルテンサイト化させた後、前記三次元仕上り形状データを求めることを特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
【請求項３】
作成目標とする造形物の三次元形状データを作成する初期の三次元形状データ作成工程と、
前記三次元形状データに対応する造形プログラムを生成する初期の造形プログラム生成工程と、
前記造形プログラムに基づき、所定の造形部上に形成された金属の材料粉末からなる粉末層の照射領域にレーザを照射して焼結層を形成することにより、焼結層が積層されて成る初期の造形物を造形する初期の造形物造形工程と、
前記初期の造形物の造形後に生じる、前記初期の造形物の側面中央部が外側に対して凸となるか内側に対して凸となる変位を完了させる変位完了工程と、
前記初期の造形物の三次元仕上り形状データを求める三次元仕上り形状データ算出工程と、
前記三次元仕上り形状データと前記三次元形状データとを比較して造形物表面と直交する方向に生じた前記変位を算出し、前記変位と逆方向且つ同変位量の補正データを求める補正データ算出工程と、
前記補正データを前記三次元形状データに加えることにより、作成目標とする造形物表面の座標が補正された補正後の三次元形状データ作成工程と、
前記補正後の三次元形状データに対応する補正後の造形プログラムを生成する補正後の造形プログラム生成工程と、
前記補正後の造形プログラムに基づき、前記初期の造形物造形工程を実行することにより、新たに定義された粉末層の照射領域に前記レーザ照射部からレーザを照射して焼結層を形成することにより、焼結層が積層されて成る補正後の造形物を造形する補正後の造形物造形工程と、
を備えていることを特徴とする積層造形物の造形方法。
【請求項４】
前記金属の材料粉末は、炭素鋼からなり、
前記変位完了工程では、前記初期の造形物の造形後に前記初期の造形物に対して熱処理を施すことにより、前記初期の造形物をマルテンサイト化させることを特徴とする請求項３に記載の積層造形物の造形方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
第１の発明の積層造形装置は、作成目標とする造形物の三次元形状データに対応する造形プログラムに基づき、所定の造形部上に形成された金属の材料粉末からなる粉末層の照射領域にレーザを照射して焼結層を形成するレーザ照射部を有し、焼結層が積層されて成る初期の造形物を造形する本機と、前記初期の造形物の造形後に生じる、前記初期の造形物の側面中央部が外側に対して凸となるか内側に対して凸となる変位が完了した後に前記初期の造形物の三次元仕上り形状データを算出し、前記初期の造形物の三次元仕上り形状データと前記三次元形状データとを比較して造形物表面と直交する方向に生じた前記変位を算出し、前記変位と逆方向且つ同変位量の補正データを求める形状修正演算装置と、を備え、前記本機は、前記補正データを前記三次元形状データに加えることにより、作成目標とする造形物表面の座標が補正された補正後の三次元形状データに対応する補正後の造形プログラムに基づき、前記初期の造形物を造形したときと同じ造形条件で、新たに定義された粉末層の照射領域に前記レーザ照射部からレーザを照射して焼結層を形成することにより、焼結層が積層されて成る補正後の造形物を造形するものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明では、作成目標とする造形物の三次元形状データに対応する造形プログラム通りに初期の造形物を造形し、初期の造形物に生じる、初期の造形物の側面中央部が外側に対して凸となるか内側に対して凸となる変位が完了した後に三次元仕上り形状データを求める。そして、作成目標とする造形物の三次元形状データと初期の造形物の三次元仕上がり形状データとを比較し、初期の造形物表面と直交する方向に生じた前記変位と逆方向且つ同変位量の補正データを作成目標とする造形物の三次元形状データに加え、作成目標とする造形物表面の座標が補正された補正後の三次元形状データを作成する。そして、補正後の三次元形状データに対応する補正後の造形プログラムを生成し、当該造形プログラムに基づき初期の造形物を造形したときと同じ造形条件で補正後の造形物を造形する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
ここで、作成目標とする造形物の形状および寸法、粉末材料の材質、照射するレーザの出力、走査速度、走査方向および走査順序等の造形条件が等しいとき、得られる造形物に生じる、造形物の側面中央部が外側に対して凸となるか内側に対して凸となる変位は、ほぼ一定である。従って、補正後の造形プログラムに基づき造形を行うことにより、造形中および造形後に生じる前記変位に対する補正がなされた造形物を得ることができる。これにより、本発明によれば、次に同じ形状の造形物を作成するとき、高精度の造形加工を行なうことができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
第３の発明の積層造形物の造形方法は、作成目標とする造形物の三次元形状データを作成する初期の三次元形状データ作成工程と、前記三次元形状データに対応する造形プログラムを生成する初期の造形プログラム生成工程と、前記造形プログラムに基づき、所定の造形部上に形成された金属の材料粉末からなる粉末層の照射領域にレーザを照射して焼結層を形成することにより、焼結層が積層されて成る初期の造形物を造形する初期の造形物造形工程と、前記初期の造形物の造形後に生じる、前記初期の造形物の側面中央部が外側に対して凸となるか内側に対して凸となる変位を完了させる変位完了工程と、前記初期の造形物の三次元仕上り形状データを求める三次元仕上り形状データ算出工程と、前記三次元仕上り形状データと前記三次元形状データとを比較して造形物表面と直交する方向に生じた前記変位を算出し、前記変位と逆方向且つ同変位量の補正データを求める補正データ算出工程と、前記補正データを前記三次元形状データに加えることにより、作成目標とする造形物表面の座標が補正された補正後の三次元形状データ作成工程と、前記補正後の三次元形状データに対応する補正後の造形プログラムを生成する補正後の造形プログラム生成工程と、前記補正後の造形プログラムに基づき、前記初期の造形物造形工程を実行することにより、新たに定義された粉末層の照射領域に前記レーザ照射部からレーザを照射して焼結層を形成することにより、焼結層が積層されて成る補正後の造形物を造形する補正後の造形物造形工程と、を備えているものである。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
上述したように、造形条件が等しいときに造形物に生じる、造形物の側面中央部が外側に対して凸となるか内側に対して凸となる変位は、ほぼ一定である。そのため、補正後の造形物の造形過程では、初期の造形物の造形過程において生じた前記変位と略等しい変位が生じる。従って、補正後の造形プログラムに基づき造形を行うことにより、造形中および造形後に生じる、造形物の側面中央部が外側に対して凸となるか内側に対して凸となる変位に対する補正がなされた造形物を得ることができる。これにより、本発明によれば、次に同じ形状の造形物を作成するとき、高精度の造形加工を行なうことができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
（作用・効果）
本実施形態では、まず初めに、レーザによる積層造形によって作成目標とする造形物のソリッドデータＤ１に対応する造形プログラムＰ１通りに一つ目の造形物を造形する。そして、当該造形物に生じる、造形物の側面中央部が外側に対して凸となるか内側に対して凸となる変位を完了させた後、その変位を算出し、上述した補正方法に基づき生成した新たな造形プログラムＰ２に基づき二つ目以降の造形物を造形する。このときの造形条件は、一つ目の造形物の造形時と同条件で行う。上述したように、作成目標とする造形物の形状および寸法、粉末材料の材質、照射するレーザの出力、走査速度、走査方向および走査順序等の造形条件が等しいとき、得られる造形物に生じる、造形物の側面中央部が外側に対して凸となるか内側に対して凸となる変位は、ほぼ一定である。従って、造形プログラムＰ２に基づき造形を行うことにより、造形中および造形後に生じる前記変位に対する補正がなされた造形物を得ることができる。これにより、本実施形態によれば、二つ目以降から作成目標とする造形物を得ることができる。