(57)【要約】【課題】立体造形用の粉末で形成される薄層の表面温度を均一にすることを課題とする。【解決手段】開示の技術の一態様に係る立体造形装置は、平坦化部材を移動させて立体造形用の粉末を移送しつつ平坦化して、前記粉末の薄層を形成し、前記薄層の粉末を所要形状に結合して粉末結合層を形成し、前記粉末結合層を積層して立体物を造形する立体造形装置であって、前記薄層の温度分布を取得する薄層温度分布取得手段と、前記温度分布に基づき、前記薄層の温度分布を調整する温度分布調整手段と、を有することを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦化部材を移動させて立体造形用の粉末を移送しつつ平坦化して、前記粉末の薄層を形成し、前記薄層の粉末を所要形状に結合して粉末結合層を形成し、前記粉末結合層を積層して立体物を造形する立体造形装置であって、
前記薄層の温度分布を取得する薄層温度分布取得手段と、
前記温度分布に基づき、前記薄層の温度分布を調整する薄層温度分布調整手段と、を有する
ことを特徴とする立体造形装置。
【請求項２】
前記薄層に選択的に電磁照射線を照射し、前記薄層の粉末を所要形状に焼結させることにより、前記粉末結合層を形成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の立体造形装置。
【請求項３】
前記薄層温度分布調整手段は、内部に発熱体が備えられた前記平坦化部材である
ことを特徴とする請求項１、又は２に記載の立体造形装置。
【請求項４】
前記発熱体は、前記平坦化部材の前記移送の方向と交差する方向の領域を選択的に加熱する
ことを特徴とする請求項３に記載の立体造形装置。
【請求項５】
前記平坦化部材の部分の温度を計測する温度センサを有する
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の立体造形装置。
【請求項６】
前記平坦化部材は、前記移送の方向と交差する方向に対して平行な回転軸を有するローラ部材である
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の立体造形装置。
【請求項７】
前記平坦化部材は、板状部材である
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の立体造形装置。
【請求項８】
前記板状部材の平面部と、前記薄層の平面部とが交差する角度は、前記粉末の材料に応じて変更可能である
ことを特徴とする請求項７に記載の立体造形装置。
【請求項９】
前記平坦化部材は、前記移送の方向と交差する方向に対して平行な回転軸を有する２以上のローラ部材で張架されたベルトである
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の立体造形装置。
【請求項１０】
前記ローラ部材による張架で前記ベルトに形成される平面部と、前記薄層の平面部とが交差する角度は、前記粉末の材料に応じて変更可能である
ことを特徴とする請求項９に記載の立体造形装置。
【請求項１１】
立体物の造形のために入力された造形データに基づき、平坦化部材を移動させて粉末を移送しつつ平坦化して前記粉末の薄層を形成し、選択的に電磁照射線を照射することにより、前記薄層の粉末を所要形状に焼結して焼結薄層を形成し、前記焼結薄層を積層して立体物を造形する立体造形装置であって、
前記薄層の温度分布を取得する粉末薄層温度分布取得手段と、
前記温度分布に基づき、前記薄層の温度分布を調整する温度分布調整手段と、
前記造形データに基づき、前記薄層において、前記温度分布調整手段により温度調整する領域を決定する温度調整領域決定手段と、を有する
ことを特徴とする立体造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金型を用いない立体物の造形技術として、積層造形が注目を浴びるようになってきている。積層造形方式のひとつとして、立体造形用の粉末材料（以下、単に粉末と呼ぶ）で形成した薄層に、選択的にレーザを照射して焼結させて粉末結合層を形成し、粉末結合層を積層することで立体物を造形するＳＬＳ（Selective Laser sintering）方式が知られている。
【０００３】
また、ＳＬＳ方式において、粉末の薄層を形成するための平坦化部材としてのブレードに、部分的にヒータを組み込み、薄層の形成中、或いは形成前に粉末を予熱することで、立体造形に必要な時間を短縮する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、立体物の造形過程で形成される粉末の薄層は、表面温度が全造形領域にわたって均一でないと、造形される立体物に、熱応力に起因した反り等の形状誤差や強度不足を生じさせる場合があった。特許文献１の技術では、単に粉末を予熱するのみであり、粉末の薄層の表面温度を均一にすることはできないため、上記の課題は解決されていない。
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、立体造形用の粉末で形成される薄層の表面温度を均一にすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
開示の技術の一態様に係る立体造形装置は、平坦化部材を移動させて立体造形用の粉末を移送しつつ平坦化して、前記粉末の薄層を形成し、前記薄層の粉末を所要形状に結合して粉末結合層を形成し、前記粉末結合層を積層して立体物を造形する立体造形装置であって、前記薄層の温度分布を取得する薄層温度分布取得手段と、前記温度分布に基づき、前記薄層の温度分布を調整する温度分布調整手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の実施形態によれば、立体造形用の粉末で形成される薄層の表面温度を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態の立体造形装置の構成の一例を示す図である。
【図２】リコータによる薄層形成を説明する図である。
【図３】第１の実施形態の立体造形装置の制御に関わるハードウェアブロック図である。
【図４】第１の実施形態の立体造形装置の機能構成の一例を示すブロック図である。
【図５】第１の実施形態の立体造形装置の処理概要の一例を示すフローチャートである。
【図６】第１の実施形態のリコータの構成の一例を詳細に説明する図である。
【図７】第１の実施形態のサーモカメラによる薄層の温度分布を説明する図である。
【図８】第１の実施形態のリコータの温度分布を説明する図である。
【図９】第１の実施形態の立体造形装置の処理の詳細の一例を示すフローチャートである。
【図１０】第２の実施形態のリコータの構成の一例を説明する図である。
【図１１】第３の実施形態のリコータの構成の一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１０】
また以下で説明する図において、矢印でＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向を示す場合があるが、それぞれ粉末の移送の方向、リコータの軸方向、及び焼結薄層等の粉末結合層の積層方向を表している。なお、Ｙ軸方向、すなわちリコータの軸方向は、「リコータ等の平坦化部材による粉末の移送の方向と交差する方向」の代表的な一例である。
【００１１】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態の立体造形装置１００の構成の一例を示している。立体造形装置１００は、粉末供給槽１と、レーザ走査スペース２と、ヒータ３と、リコータ４と、レーザ光源５と、走査ミラー６と、サーモカメラ７と、制御部３００とを有している。
【００１２】
粉末供給槽１は、粉末を貯蔵する。また粉末供給槽１は、レーザ走査スペース２で粉末の薄層を形成するために、レーザ走査スペース２に粉末を供給する。図１では、Ｘ軸方向において、レーザ走査スペース２の両側に、粉末供給槽１ａと１ｂが設けられている。但し、本実施形態の以降の説明では、粉末供給槽１ａのみを用いる場合を、一例として説明する。
【００１３】
粉末供給槽１が内部に有する供給ステージ１１は、昇降可能に構成され、貯蔵される粉末の量に応じて昇降する。例えば立体物の造形開始時に、粉末供給槽１に粉末が満杯に入れられた状態では、供給ステージ１１は最も下方、すなわち−Ｚ方向に位置する。造形が進むにつれ、粉末は造形のために供給され、量が減少していく。粉末量の減少に応じ、供給ステージ１１は上昇する。粉末供給槽１に貯蔵された粉末を全て使った時、供給ステージ１１は最も上方、すなわち＋Ｚ方向に位置する。
【００１４】
レーザ走査スペース２には、粉末供給槽１からリコータ４により粉末が移送され、平坦化されて粉末の薄層が形成される。レーザ走査スペース２が内部に有する造形ステージ２１は、供給ステージ１１と同様に昇降可能に構成され、立体物の造形に応じて昇降する。例えば立体物の造形開始時は、造形ステージ２１は最も上方に位置する。造形が進むにつれ、焼結薄層は積層され、高さを増す。焼結薄層の積層に応じ、造形ステージ２１は下降する。立体物の造形が完了した時、造形ステージ２１は最も下方に位置する。
【００１５】
ヒータ３は、粉末供給槽１、及びレーザ走査スペース２を加熱する。粉末供給槽１ａ、及び１ｂを加熱するためのヒータ３ａ、及び３ｂ、またレーザ走査スペース２を加熱するためのヒータ３ｃがそれぞれ設けられている。
【００１６】
粉末供給槽１、及びレーザ走査スペース２はヒータ３により加熱され、温度が調節されている。粉末供給槽１の温度は、粉末の融点より少なくとも１０℃以上低いことが好ましい。またレーザ走査スペース２の床、すなわち造形ステージ２１で粉末と接触する面は、粉末の融点より５℃以上低いことが好ましい。
【００１７】
リコータ４は、粉末供給槽１からレーザ走査スペース２に粉末を移送し、レーザ走査スペース２において、粉末を平坦化して、粉末の薄層を形成する。リコータ４は、Ｙ軸方向と平行な軸を回転軸に回転可能な部材であり、回転しながら粉末供給槽１とレーザ走査スペース２との間を往復移動する。リコータ４の動作、及び構成の詳細は後述する。なお、リコータ４は、平坦化部材の代表的な一例である。
【００１８】
レーザ光源５は、Ｘ軸方向にレーザ光を照射する。レーザ光源５は例えばＣＯ２レーザである。レーザ光源５から出射されるレーザ光は、電磁照射線の代表的な一例である。電磁照射線源としては、レーザ光源の他、マイクロウェーブ発生器、放射加熱器、ＬＥＤランプ、又はこれらの組合せ等を用いることができる。レーザ光源５の出力は、特に制限はなく、造形の目的に応じて適宜選択することができるが、１０ワット以上、１５０ワット以下であることが好ましい。
【００１９】
走査ミラー６は、レーザ光源５から出射されたレーザ光を下方に反射し、レーザ走査スペース２のＸＹ平面内に形成された粉末の薄層に照射する。レーザ光が照射された位置にある粉末は、レーザ光による加熱で固まって焼結する。なお焼結とは、粉末を融点以下で加熱した場合に、焼き締まり、ある程度の強度をもつ固体になる現象をいう。
【００２０】
走査ミラー６は、直交する２軸方向に搖動可能であり、レーザ光源５からのレーザ光をＸＹ平面で２次元走査する。走査ミラー６は、レーザ光の２次元走査により、ＸＹ平面内で粉末を焼結させた焼結薄層を形成する。走査ミラーとしては、搖動ミラーの他、ポリゴンミラーや音響光学素子等を組み合わせて用いてもよい。
【００２１】
走査ミラー６による走査に同期させ、造形する立体物の造形データに基づき、レーザ光源５によるレーザ光のオン、オフを制御することで、粉末薄層を所要形状に焼結させ焼結薄層を形成することができる。なお、焼結薄層は、粉末結合層の代表的な一例である。
【００２２】
サーモカメラ７は、レーザ走査スペース２に形成される粉末薄層の温度分布を計測する。サーモカメラ７は、物体から放射される赤外線を撮像し、熱分布、すなわち温度分布を２次元的な図として表した画像、所謂サーモグラフィを取得する。サーモカメラ７により取得された粉末薄層の表面の温度分布データは、制御部３００に出力される。
【００２３】
制御部３００は、粉末薄層の表面の温度が均一でない場合は、リコータ４の内部に設けられたサーマルヘッドを制御し、粉末薄層の表面の温度分布を調整する。この詳細については後述する。
【００２４】
次に、リコータ４による粉末薄層の形成の詳細を、図２を用いて説明する。図２は、立体造形装置１００における粉末供給槽１とレーザ走査スペース２を、Ｙ方向から観察し、ＸＺ平面で切断した断面図を示している。
【００２５】
粉末供給槽１は、内部に供給ステージ１１を有しており、レーザ走査スペース２は、内部に造形ステージ２１を有している。供給ステージ１１と造形ステージ２１はそれぞれ昇降可能に配置されている。
【００２６】
供給ステージ１１の側面は、粉末供給槽１の内側面に接するように配置されている。また、造形ステージ２１の側面はレーザ走査スペース２の内側面に接するように配置されている。これらの供給ステージ１１及び造形ステージ２１の上面は、水平に保たれている。
【００２７】
粉末供給槽１の上には粉末供給装置が配置されている。粉末供給装置は、造形の初期動作時や粉末供給槽１の粉末量が減少した場合に、タンク内の粉末を粉末供給槽１に供給する。粉末供給のための粉末搬送方法としては、スクリューを利用したスクリューコンベア方式や、エアーを利用した空気輸送方式などがある。
【００２８】
リコータ４は、粉末Ｐを粉末供給槽１からレーザ走査スペース２へと移送供給する。また、リコータ４でレーザ走査スペース２の粉末Ｐの表面を均すことで平坦化して所定の厚みで層状に敷き詰められた粉末Ｐの層、すなわち粉末薄層Ｌを形成する。
【００２９】
リコータ４は、粉末供給槽１及びレーザ走査スペース２の内寸、すなわち粉末が供される部分又は仕込まれている部分の幅よりも長いローラ状の部材である。リコータ４の構造の詳細については後述する。
【００３０】
リコータ４は、ローラ回転機構３１によって回転しながら、ローラ往復移動機構３２によりステージ面に沿って、粉末供給槽１及びレーザ走査スペース２の上方をＸ方向に往復移動する。
【００３１】
リコータ４のＸ方向への往復移動により、粉末Ｐがレーザ走査スペース２上へと移送供給される。またリコータ４がレーザ走査スペース２上を通過しながら粉末Ｐを平坦化することで、粉末薄層Ｌが形成される。粉末薄層Ｌに、レーザ光源５からレーザ光が照射され、レーザ光が走査ミラー６で２次元走査されることで、焼結薄層Ｓが形成される。
【００３２】
往復移動する際に、リコータ４は、粉末供給槽１及びレーザ走査スペース２の上端面との間に、ギャップＧが確保されるように配置されている。これにより、レーザ走査スペース２に粉末Ｐを移送供給し、レーザ走査スペース２の粉末Ｐを平坦化する時、リコータ４が、粉末供給槽１及びレーザ走査スペース２の上端面に接触することを確実に防止することができる。接触を防止することで、リコータ４の損傷が低減する。リコータ４の表面が損傷すると、粉末薄層Ｌの表面にスジが発生して平坦性が低下するため、リコータ４の損傷を低減することで、このような不具合を防止することもできる。
【００３３】
次に、立体造形装置１００の制御部の概要について、図３を参照して説明する。図３は本実施形態の立体造形装置１００のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
【００３４】
制御部３００は、主制御部３００Ａと、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）３０５と、Ｉ／Ｆ（Interface）３０６と、Ｉ／Ｏ（Input/Output）３０７とを有している。また制御部３００は、レーザ駆動部３０８と、ミラー駆動部３０９と、モータ駆動部３１０と、カメラ制御部３１１とを有している。
【００３５】
主制御部３００Ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３０１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）３０２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）３０３と、不揮発性メモリ、すなわちＮＶＲＡＭ（Non-Volatile Random Access Memory）３０４とを有している。
【００３６】
ＣＰＵ３０１は、立体造形装置１００の全体の制御を支配している。ＲＯＭ３０２は、ＣＰＵ３０１に、本実施形態に係わる動作の制御を含む立体造形動作の制御を実行させるためのプログラムを含むプログラムと、その他の固定データを格納する。ＲＡＭ３０３は、造形データや温度分布データ等を一時格納する。
【００３７】
ＮＶＲＡＭ３０４は、装置の電源が遮断されている間もデータを保持する。ＡＳＩＣ３０５は、画像データに対する各種信号処理等を行う画像処理やその他装置全体を制御するための入出力信号を処理する。
【００３８】
Ｉ／Ｆ３０６は、外部の造形データ作成装置６００から造形データを受信するときに使用するデータ及び信号の送受を行う。
【００３９】
Ｉ／Ｏ３０７は、各種センサの検知信号を取り込む。Ｉ／Ｏ３０７には、装置の環境条件としての温度及び湿度を検出する温湿度センサ３１３などの検知信号や、その他のセンサ類の検知信号が入力される。またＩ／Ｏ３０７は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）等の外部記憶装置３１４に接続され、外部記憶装置３１４とのデータの入出力が可能となっている。
【００４０】
レーザ駆動部３０８は、入力された制御信号に従って、レーザ光源５に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。
【００４１】
ミラー駆動部３０９は、入力された制御信号に従って、走査ミラー６に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。
【００４２】
モータ駆動部３１０は、入力された制御信号に従って、ローラ往復移動機構３２と、供給ステージ送り機構３３と、造形ステージ送り機構３４とを作動させるためのモータに、駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。ローラ往復移動機構３２はリコータ４を往復移動させる。供給ステージ送り機構３３は、粉末供給槽１内の供給ステージ１１をＺ方向に移動させる。造形ステージ送り機構３４は、レーザ走査スペース２内の造形ステージ２１をＺ方向に移動させる。
【００４３】
カメラ制御部３１１は、サーモカメラ７による撮影と撮影データの取得を制御する。
サーモカメラ７により取得された温度分布データは、ＲＡＭ３０３や、Ｉ／Ｏ３０７を介して外部記憶装置３１４に記憶される。
【００４４】
また制御部３００には、この装置に必要な情報の入力及び表示を行うための操作パネル３１２が接続されている。
【００４５】
一方、造形データ作成装置６００は、立体データ取得部６０１と、平面データ生成部６０２とを有し、立体造形装置１００に接続されている。造形データ作成装置６００は、立体物を造形するための造形データを作成し、立体造形装置１００に供給する。
【００４６】
立体データ取得部６０１は、立体物を造形するための元データとなる立体データを取得して、平面データ生成部６０２に出力する。立体データは、３Ｄスキャナーやステレオ撮影で取り込んだ立体複製データや、３次元ＣＡＤ等で作成した人工データ、或いは２次元画像データに所定の法則で厚みを持たせた疑似立体データ等である。
【００４７】
平面データ生成部６０２は、立体データ取得部６０１により取得された立体データを受け取り、立体データを多層に分割して１層毎の平面データを生成する。平面データ生成部６０２により生成された平面データに基づき、焼結薄層が形成され、焼結薄層が１層ずつＺ軸方向、すなわち積層方向に積層される。
【００４８】
なお、立体造形装置１００は、内部に制御部３００を備えた構成としてもよい。或いは立体造形装置１００の外部に立体造形装置１００に接続した制御装置を設け、このような制御装置に制御部３００の機能を実現させてもよい。
【００４９】
また本実施形態では、立体造形装置１００とは別に、造形データ作成装置６００を設け、造形データ作成装置６００が立体造形装置１００に造形データを供給する例を示すが、これに限定されない。造形データ作成装置６００の機能を実現する構成を、立体造形装置１００に内部に設けても構わない。
【００５０】
ＣＰＵ３０１で行う制御処理の一部、又は全部を、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ等の電子回路で実現してもよい。またＡＳＩＣ５０５で行う制御処理の一部、又は全部をＣＰＵで実現してもよい。
【００５１】
制御部３００は、ＣＰＵ３０１の命令、及び図３に示したハードウェア構成によって、次に説明する機能構成を実現することができる。
【００５２】
図４は、本実施形態の立体造形装置１００の機能構成の一例を示すブロック図である。立体造形装置１００は、造形部４００と、粉末薄層温度分布取得部４０１と、粉末薄層温度分布調整部４０２とを有し、造形データ作成装置６００に接続している。
【００５３】
造形部４００は、粉末薄層形成部４０３と、焼結薄層形成部４０４と、焼結薄層積層部４０５とを有している。
【００５４】
粉末薄層形成部４０３は、リコータ４により粉末供給槽１からレーザ走査スペース２に粉末Ｐを移送して平坦化し、レーザ走査スペース２の造形ステージ２１上に、１層分の粉末薄層Ｌを形成する。
【００５５】
焼結薄層形成部４０４は、形成された粉末薄層Ｌに、造形データ作成装置６００から入力された造形データに基づき、レーザ光源５からレーザ光を照射し、照射位置の粉末Ｐを選択的に焼結させる。焼結薄層形成部４０４は、レーザ光を走査ミラー６で２次元走査することで、２次元面内で粉末Ｐが焼結した１層分の焼結薄層Ｓを形成する。
【００５６】
焼結薄層積層部４０５は、形成された焼結薄層ＳをＺ軸方向に積層する。具体的には、リコータ４を粉末供給槽１における粉末供給のための初期位置まで後退させ、レーザ走査スペース２における造形ステージ２１を１層分に該当する距離だけ下降させる。そして形成した焼結薄層Ｓの上に、次の粉末薄層を形成可能な状態にする。
【００５７】
これらの１層分の粉末薄層の形成、１層分の焼結薄層の形成、及び１層分の焼結薄層の積層を繰り返すことで立体物が造形される。
【００５８】
ここで、上記のような粉末焼結積層方式の立体造形装置では、造形過程において、焼結薄層と焼結されないで残った焼結薄層周囲の粉末とがレーザ走査スペース２に収納されることとなる。
【００５９】
この場合、熱応力に起因する造形物の反りを防止するため、また造形に必要なレーザ出力を小さくするために、ヒータ３により粉末供給槽１内の粉末の表面を予備加熱し、かつレーザ走査スペース２内の焼結直前の粉末薄層の表面を予備加熱している。
【００６０】
しかし、粉末薄層の広い領域の全体が、均一な温度となるように加熱することは困難であり、一般的に、粉末薄層の中央部よりも周辺部で粉末の温度が低くなる傾向にある。このような粉末薄層の表面温度の不均一性は、造形される立体物に、熱応力に起因した反り等の形状誤差や強度不足を生じさせる場合があった。
【００６１】
これに対し、本実施形態では、粉末薄層の表面の温度を均一にするために、粉末薄層温度分布取得部４０１と、粉末薄層温度分布調整部４０２を備えている。
【００６２】
粉末薄層温度分布取得部４０１は、粉末薄層形成部４０３が形成した１層分の粉末薄層の平面内、すなわちＸＹ平面内の表面の温度分布を取得する。粉末薄層温度分布取得部４０１の機能は、制御部３００と、サーモカメラ７等により実現される。サーモカメラ７は、図１で説明したように、粉末薄層Ｌの表面の温度分布データを取得する。取得されたデータは、粉末薄層温度分布調整部４０２に出力される。粉末薄層温度分布取得部４０１は、薄層温度分布取得手段の代表的な一例である。また粉末薄層温度分布調整部４０２は、薄層温度分布調整手段の代表的な一例である。
【００６３】
粉末薄層温度分布調整部４０２は、入力された温度分布データから粉末薄層の表面の温度が均一かを判定する。均一でない場合は、入力された温度分布データに基づき、粉末薄層Ｌの表面の温度が均一になる、すなわち温度分布がなくなるように、粉末薄層Ｌの表面の温度分布を調整する。
【００６４】
また、粉末薄層温度分布調整部４０２は、調整領域決定部４０６を有している。調整領域決定部４０６は、粉末薄層Ｌにおいて、温度を均一化するために温度調整する領域を決定する。また調整領域決定部４０６は、リコータ４において、温度を均一化するために用いる軸方向の領域を決定する。
【００６５】
粉末薄層温度分布調整部４０２の機能は、制御部３００と、リコータ４の内部に設けられたサーマルヘッド等により実現される。ここでサーマルヘッドとは、微小発熱体が整列配置され、通電により微小発熱体を選択的に加熱することが可能なデバイスである。一般には、ダイレクトサーマルプリンタや熱転写型プリンタなど感熱式プリンタに用いられる記録デバイスである。調整領域決定部４０６は、制御部３００等により実現される。
【００６６】
本実施形態では、リコータ４の内部に、微小発熱体がリコータ４の軸方向に整列されるように、サーマルヘッドを設けている。サーマルヘッドが有する複数の発熱体を選択的に加熱することで、軸方向においてリコータ４の表面に温度分布を与える。これにより、リコータ４に接触する粉末薄層Ｌの表面に、リコータ４の軸方向への温度分布を与えることを可能にしている。
【００６７】
粉末薄層温度分布調整部４０２は、入力された粉末薄層Ｌの表面の温度分布データに基づき、温度分布を打ち消すような温度分布データを作成し、サーマルヘッドに入力する。入力データに応じてサーマルヘッドが発熱することで、リコータ４により移送され、平坦化される粉末薄層Ｌの表面の温度分布が打ち消される。すなわち粉末薄層Ｌの表面の温度を均一化される。
【００６８】
以上に示した各機能構成による処理の流れを、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態の立体造形装置１００で行われる処理の一例の概要を示すフローチャートである。
【００６９】
まずステップＳ５０１において、立体造形装置１００は、造形データ作成装置６００から造形データを取得する。
【００７０】
続いてステップＳ５０３において、粉末薄層形成部４０３は、レーザ走査スペース２に１層分の粉末薄層Ｌを形成する。
【００７１】
続いてステップＳ５０５において、粉末薄層温度分布取得部４０１は、１層分の粉末薄層ＬのＸＹ平面内での表面の温度分布データを取得し、粉末薄層温度分布調整部４０２に出力する。
【００７２】
続いてステップＳ５０７において、粉末薄層温度分布調整部４０２は、入力された粉末薄層Ｌの温度分布データから、粉末薄層Ｌの表面の温度が均一かを判定する。例えば温度分布の最大値と最小値の差分に対し、予め閾値を設定しておき、取得された温度分布の最大値と最小値の差分が閾値を超えたか検知することにより、粉末薄層Ｌの表面の温度が均一かを判定する。
【００７３】
ステップＳ５０７で、粉末薄層Ｌの表面の温度が均一でないと判定された場合は、ステップＳ５０９において、粉末薄層温度分布調整部４０２は、粉末薄層Ｌの表面の温度分布データに基づき、サーマルヘッドを制御し、リコータ４の軸方向における温度分布を調整する。そしてステップＳ５０３に戻り、軸方向における温度分布が調整されたリコータ４を用いて、粉末薄層形成部４０３により、粉末薄層Ｌが再度形成される。ステップＳ５０３〜５０９の処理は、粉末薄層Ｌの表面の温度が均一になるまで繰り返される。
【００７４】
ステップＳ５０３〜５０９は、粉末薄層Ｌの表面の温度を均一にするために、リコータ４の軸方向の温度分布を調整するための処理であり、以降では、リコータ４の軸方向の温度分布の校正処理と呼ぶ場合がある。
【００７５】
ステップＳ５０７で、粉末薄層Ｌの表面の温度が均一であると判定された場合、すなわちリコータ４の軸方向の温度分布の校正処理が完了したと判定された場合は、ステップＳ５１１において、粉末薄層形成部４０３は、１層分の粉末薄層Ｌを形成する。
【００７６】
続いてステップＳ５１３において、焼結薄層形成部４０４は、造形データに基づいて、粉末薄層Ｌを選択的に焼結し、１層分の焼結薄層Ｓを形成する。
【００７７】
続いてステップＳ５１５において、焼結薄層積層部４０５は、焼結薄層Ｓを積層する。つまり、形成した焼結薄層Ｓの上に、次の粉末薄層を形成可能な状態にする。
【００７８】
続いてステップＳ５１７において、焼結薄層積層部４０５は、全ての焼結薄層Ｓが形成されたかを判定する。例えば造形データにおける造形すべき層の数を、造形において計数した層の数が超えたかを検知することにより、全ての焼結薄層Ｓが形成されたかを判定する。
【００７９】
ステップＳ５１７で、全ての焼結薄層Ｓが形成されたと判定された場合は、処理を終了する。全ての焼結薄層Ｓが形成されていない場合は、ステップＳ５１１に戻り、次の焼結薄層の形成が行われる。
【００８０】
以上説明したように、立体造形装置１００により、立体造形用の粉末で形成される薄層、すなわち粉末薄層の表面温度を均一にすることができる。そして粉末薄層の表面温度が均一な状態で、立体造形を行うことができる。
【００８１】
なお上記では、リコータ４の軸方向の温度分布の校正処理を、造形処理の最初に行う例を示したが、これに限定されない。例えば、所定の層の数だけ造形が進んだ場合に、リコータ４の軸方向の温度分布の校正処理を実行する等にしてもよい。
【００８２】
以上が本実施形態の立体造形装置１００の全体概要であり、以下に各構成の詳細を説明する。
【００８３】
まず、リコータ４の構造の一例の詳細を、図６を用いて説明する。図６において、（ａ）は、リコータ４を、その軸方向を含む断面、すなわちＹ軸方向を含む断面で切断した時の断面図である。（ｂ）は、リコータ４の斜視図である。
【００８４】
（ａ）において、リコータ４は、サーマルヘッド４１と、固定軸４２と、ハーネス４３と、スリーブ４４と、圧入フランジ４５と、軸受け４６と、温度センサ４７とを有している。
【００８５】
サーマルヘッド４１は、アルミナ、若しくは窒化アルミ等からなる基板に、発熱抵抗層Ａｇ／Ｐｄがリコータ４の軸方向に配列して設けられ、構成されている。サーマルヘッド４１は、スリーブ４４の内部に配置され、固定軸４２に固定されている。サーマルヘッド４１の機能は上述した通りである。サーマルヘッド４１はハーネス４３を介して通電され、整列された各発熱体による選択的な発熱が制御される。
【００８６】
サーマルヘッド４１は、発熱体の代表的な一例である。またスリーブ４４は、「移送の方向と交差する方向に対して平行な回転軸を有するローラ部材」の代表的な一例である。
【００８７】
固定軸４２は、回転せず固定された金属の棒状部材である。固定軸４２をヒートパイプで構成し、サーマルヘッド４１による熱の利用効率を高めてもよい。
【００８８】
スリーブ４４は、サーマルヘッド４１とは独立して固定軸４２の回りに回転可能な中空の筒状の部材である。スリーブ４４の外周部分が、粉末薄層Ｌに接触する。スリーブ４４の内部で、サーマルヘッド４１は、スリーブ４４の中心軸からやや下側にずれて設けられている。スリーブ４４の内側で、下側の部分は、サーマルヘッド４１と接触している。スリーブ４４において、サーマルヘッド４１と接触する部分が加熱される。スリーブ４４の外側に接触する対象、すなわち粉末薄層Ｌは、スリーブ４４を介してサーマルヘッド４１により選択的に加熱される。これにより粉末薄層Ｌの表面の温度分布が調整される。
【００８９】
スリーブ４４は、圧入フランジ４５に接続し、両者は一体となり、固定軸回りに回転する。軸受４６は、圧入フランジ４５と接触し、圧入フランジ４５を支持している。
【００９０】
温度センサ４７は、リコータ４の内部の軸方向における中央付近の温度を計測して出力する。温度センサ４７の出力は、リコータ４の軸方向の温度分布の校正処理において用いられる。具体的には、サーマルヘッド４１による選択加熱により、リコータ４に軸方向の温度分布を与えるが、温度センサ４７の出力は、温度分布の基準となる温度を与える。
【００９１】
図７は、サーモカメラ７により取得した粉末薄層Ｌの温度分布データの一例を示している。粉末薄層Ｌの平面における温度の高低が、色の濃淡により表示されている。色が淡いほど高温を、濃いほど低温をそれぞれ示している。図７に示したデータの一例では、中央部分は色が淡いため温度が高く、外周に向かうほど色が濃いため温度が低くなっている。なお、図７の白抜きの矢印７１は、リコータ４による粉末の移送方向を示している。温度分布データ内に白の実線で示した、粉末の移送方向に長い各升目は、選択的に温度を調整する領域の最小サイズを表している。
【００９２】
一方図８は、リコータ４の温度分布を示している。図８においても、図７と同様に、リコータ４の表面の温度の高低が、色の濃淡により表示されている。図８では、中央部分は色が濃いため温度が低く、外周に向かうほど色が淡いため温度が高くなっている。なお、白抜きの矢印８１で示した方向は、リコータ４の軸方向を示している。
【００９３】
本実施形態では、図７に示した升目、すなわち領域毎で、平均温度を算出し、領域毎の平均温度の差を打ち消すように、リコータ４の軸方向に温度分布を与える。
【００９４】
例えば、粉末薄層Ｌが図７に示した温度分布を有する場合、図８に示した温度分布を有するリコータ４で粉末薄層Ｌを形成するようにする。粉末薄層Ｌで温度が低くなる領域は強く加熱され、また粉末薄層Ｌで温度が高くなる領域は加熱されないため、粉末薄層Ｌの温度分布が打ち消される。これにより、温度が均一な粉末薄層Ｌを得ることができる。
【００９５】
リコータ４の軸方向の温度分布の校正処理の詳細の一例を、図９のフローチャートを参照して説明する。なお、図９のフローチャートは、図５のフローチャートにおけるステップＳ５０３〜Ｓ５０９の処理を、より詳細に説明したものである。
【００９６】
まずステップＳ９０１において、調整領域決定部４０６は、入力された造形データに基づき、粉末薄層で温度を均一化したい領域、すなわち温度調整領域を決定する。例えば造形データにおいて、立体物のサイズが大きい場合は、図７に示した全ての升目を均一化すると決定する。或いは立体物のサイズが比較的小さい場合は、図７に示した升目のうち、内側にある３つの升目に該当する領域を均一化すると決定する。
【００９７】
なお、図７ではリコータの軸方向、すなわちＹ軸方向においてのみ領域を分割した例を示したが、粉末の移送方向、すなわちＸ軸方向の領域を分割し、粉末の移送方向においても任意のサイズの温度調整領域を決定できるようにしても構わない。
【００９８】
調整領域決定部４０６は、「薄層において、温度分布調整手段により温度調整する領域を決定する温度調整領域決定手段」の一例である。
【００９９】
続いてステップＳ９０３において、粉末薄層形成部４０３は、リコータ４を用いて粉末薄層Ｌを形成する。
【０１００】
続いてステップＳ９０５において、粉末薄層温度分布取得部４０１は、粉末薄層Ｌをサーモカメラ７で撮影し、粉末薄層Ｌの温度分布を取得する。
【０１０１】
続いてステップＳ９０７において、粉末薄層温度分布取得部４０１は、粉末薄層Ｌの領域毎、すなわち図７における温度分布データの升目毎の平均温度を算出する。算出される平均温度は、粉末薄層Ｌの領域毎の初期的な温度を意味する。
【０１０２】
続いてステップＳ９０９において、粉末薄層温度分布取得部４０１は、算出した粉末薄層Ｌの領域毎の初期的な平均温度をＲＡＭ３０３に記録する。
【０１０３】
続いてステップＳ９１１において、調整領域決定部４０６は、粉末薄層で温度を均一化したい領域に合わせて、リコータ４において温度調整に用いる領域を決定する。また粉末薄層Ｌで温度を均一化したい領域の最小サイズに合わせて、リコータ４の軸方向の領域の最小サイズが決定され、リコータ４の軸方向の領域が分割される。領域の最小サイズ毎に、リコータ４が有するサーマルヘッド４１の微小発熱体により、選択加熱される。
【０１０４】
続いてステップＳ９１３において、粉末薄層温度分布取得部４０１は、リコータ４の内部に設けた温度センサ４７の出力を取得し、ＲＡＭ３０３に記録する。
【０１０５】
続いてステップＳ９１５において、粉末薄層形成部４０３は、リコータ４により粉末薄層Ｌを形成する。
【０１０６】
続いてステップＳ９１７において、粉末薄層温度分布取得部４０１は、粉末薄層Ｌをサーモカメラ７で撮影し、粉末薄層Ｌの温度分布を取得する。温度分布データは、粉末薄層温度分布調整部４０２に出力される。
【０１０７】
続いてステップＳ９１９において、粉末薄層温度分布調整部４０２は、粉末薄層Ｌの領域毎の平均温度を算出する。
【０１０８】
続いてステップＳ９２１において、粉末薄層温度分布調整部４０２は、算出した粉末薄層Ｌの領域毎の平均温度をＲＡＭ３０３に記録する。
【０１０９】
続いてステップＳ９２３において、粉末薄層温度分布調整部４０２は、粉末薄層Ｌの領域毎の平均温度が、何れの領域でも所定の範囲内にあるかを判定する。所定の範囲は、立体造形の形状精度や強度に対して影響のない温度範囲を予め求めておく。
【０１１０】
ステップＳ９２３において、粉末薄層Ｌで、平均温度が所定の範囲を超える領域があった場合、ステップＳ９２７において、粉末薄層温度分布調整部４０２は、粉末薄層Ｌの温度を均一化するためのリコータ４の軸方向の温度分布を算出する。
【０１１１】
リコータ４の軸方向の温度分布の算出において、温度分布の基準となる温度を決めるために、ステップＳ９１３で取得され、ＲＡＭ３０３に記録された温度センサ４７の出力が用いられる。例えば、±５℃の温度分布があり、基準温度が３０度であった場合、リコータ４の軸方向の各領域は、２５〜３５℃の温度に設定されることになる。
【０１１２】
またリコータ４の軸方向の温度分布の算出において、ステップＳ９０７〜９０９で算出され、ＲＡＭ３０３に記録された、粉末薄層Ｌの領域毎の初期的な温度が使用される。具体的には、ステップＳ９１９〜９２１で算出された温度と、初期的な温度との差分が、領域毎に算出される。このような差分の温度分布が、リコータ４の軸方向に与える温度分布として算出される。
【０１１３】
続いてステップＳ９２９において、粉末薄層温度分布調整部４０２は、算出されたリコータ４の軸方向の温度分布に応じて、リコータ４の軸方向の領域毎の温度を調整する。そしてステップＳ９１３に戻り、処理を継続する。
【０１１４】
ステップＳ９２５において、粉末薄層Ｌの領域毎の平均温度が、何れの領域でも所定の範囲内であった場合は、処理を終了する。
【０１１５】
以上により、リコータ４の軸方向の温度分布は、粉末薄層Ｌの温度分布を打ち消すように校正される。
【０１１６】
以上説明したように、立体造形装置１００により、立体造形用の粉末で形成される薄層、すなわち粉末薄層の表面温度を均一にすることができる。そして粉末薄層の表面温度が均一な状態で、立体造形を行うことができる。
【０１１７】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態における立体造形装置の一例を、図１０を用いて説明する。なお、第１の実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【０１１８】
本実施形態では、リコータとして、第１の実施形態の立体造形装置１００におけるローラ状部材に代えて、ブレードを用いている。図１０は、本実施形態におけるリコータ４ａによる粉末薄層の温度の均一化を説明するためのものである。図１０は、レーザ走査スペース２の造形ステージ２１上に粉末薄層Ｌが形成される途中の状態を示している。
【０１１９】
図１０において、リコータ４ａは、ブレード１０１と、サーマルヘッド４１ａとを有している。ブレード１０１は、ウレタンゴム等のゴム材料からなり、Ｙ軸方向を長手方向とする板状部材である。粉末薄層Ｌに所定角度、所定圧力で当接されている。ブレード１０１がＸ軸方向に往復移動することで、粉末Ｐは粉末供給槽１からレーザ走査スペース２に移送され、かつ粉末Ｐが平坦化されて粉末薄層Ｌが形成される。図１０では、粉末Ｐがブレード１０１により移送される様子が示されている。ブレード１０１は、板状部材の代表的な一例である。
【０１２０】
ブレード１０１の粉末薄層Ｌと接触する部分付近の内部には、サーマルヘッド４１ａが埋め込まれている。サーマルヘッド４１ａは、ブレード１０１の長手方向に配列して設けられている。サーマルヘッド４１ａの機能は、第１の実施形態で説明したものと同様である。
【０１２１】
ブレード１０１を粉末薄層Ｌに当接させる角度θｐは、粉末の種類、例えば粉末材料の硬さや粒径の大きさ等に応じて、任意に変化させられるように構成されている。なお、角度θｐは、図１０において破線で示された角度である。これにより、粉末の種類に応じて、粉末薄層の形成条件を適正化することができる。なお、粉末の種類に応じたブレード１０１の適正な当接角度については、予め実験やシミュレーションにより求めることができる。
【０１２２】
ブレード１０１に埋め込まれたサーマルヘッド４１ａによる加熱により、粉末薄層Ｌの温度分布を打消し、粉末薄層Ｌの温度を均一化することができ、簡易な構成でこれを実現できるという効果が得られる。
【０１２３】
なお、これ以外の効果は、第１の実施形態で説明したものと同様である。
【０１２４】
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態における立体造形装置の一例を、図１１を用いて説明する。なお、第１〜２の実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【０１２５】
本実施形態では、リコータとして、第１の実施形態の立体造形装置１００におけるローラに代えて、ベルトを用いている。図１１は、本実施形態におけるベルト１１１による粉末薄層の温度の均一化を説明するためのものである。図１１は、レーザ走査スペース２の造形ステージ２１上に、粉末薄層Ｌが形成される途中の状態を示している。
【０１２６】
図１１において、リコータ４ｂは、ベルト１１１と、駆動ローラ１１２と、従動ローラ１１３と、サーマルヘッド４１ｂとを有している。ベルト１１１は、金属を基材とした薄板で製作されたシームレスベルトである。ベルト１１１は、内部から駆動ローラ１１２と従動ローラ１１３で張架され、張架方向において平面部１１１ａが形成されている。
【０１２７】
平面部１１１ａが粉末Ｐに接触しながら、ベルト１１１はＸ軸方向に往復移動する。これにより粉末Ｐが粉末供給槽１からレーザ走査スペース２に移送され、かつ粉末Ｐが平坦化されて粉末薄層Ｌが形成される。
【０１２８】
ベルト１１１は、「移送の方向と交差する方向に対して平行な回転軸を有する２以上のローラ部材で張架されたベルト」の代表的な一例である。駆動ローラ１１２と、従動ローラ１１３は、「移送の方向と交差する方向と平行な回転軸を有する２以上のローラ部材」の代表的な一例である。平面部１１１ａは、「ローラ部材による張架でベルトに形成される平面部」の代表的な一例である。
【０１２９】
駆動ローラ１１２はモータに接続され、モータを駆動源に、太い黒矢印で図示した方向に回転する。従動ローラ１１３は、駆動ローラ１１２の回転に従って回転する。従動ローラ１１３は、第１の実施形態のリコータ４と同様に、スリーブを有している。
【０１３０】
スリーブ内部には固定部が設けられ、サーマルヘッド４１ｂは固定部に固定されている。サーマルヘッド４１ｂが内側から加熱することにより、スリーブとベルト１１１を介して、ベルト１１１の外側に接触する粉末Ｐが加熱される。サーマルヘッド４１ｂは、従動ローラの軸方向に配列して設けられている。サーマルヘッド４１ｂの機能は、第１の実施形態で説明したものと同様である。
【０１３１】
ベルト１１１の平面部１１１ａが粉末薄層Ｌに当接する角度θｂは、粉末の種類、例えば粉末材料の硬さや粒径の大きさ等に応じて、任意に変化させられるように構成されている。なお、角度θｂは、図１０において破線で示された角度である。これにより、粉末の種類に応じて、粉末薄層の形成条件を適正化することができる。なお、粉末の種類に応じたベルト１１１の平面部１１１ａの適正な当接角度については、予め実験やシミュレーションにより求めることができる。
【０１３２】
従動ローラ１１３の内部に設けられたサーマルヘッド４１ｂによる加熱により、粉末薄層Ｌの温度分布を打消し、粉末薄層Ｌの温度を均一化することができる。ベルト１１１を回転させながら、粉末Ｐに平面部１１１ａを接触させることができるため、粉末薄層の波打ち等を抑制しながら、平坦な粉末薄層を形成しやすいという効果が得られる。
【０１３３】
なお、これ以外の効果は、第１の実施形態で説明したものと同様である。
【０１３４】
以上、実施形態に係る立体造形装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
【０１３５】
例えば、上記の実施形態ではＳＬＳ方式の立体造形方法を一例として説明したが、ＳＭＳ（Selective Mask Sintering）方式の立体造形方法にも適用可能である。また液体吐出方式により粉末層に結合剤を吐出し、粉末を結合させた粉末結合層を積層して立体物を造形する、所謂バインダージェット方式の立体造形方法にも適用可能である。
【０１３６】
言い換えると、本実施形態は、粉末、紛体、又は粉体で層状構造物を形成し、これを積層して立体物を造形する方法に適用可能である。
【符号の説明】
【０１３７】
１、１ａ、１ｂ  粉末供給槽
１１  供給ステージ
２  レーザ走査スペース
３、３ａ、３ｂ、３ｃ  ヒータ
４、４ａ、４ｂ  リコータ（平坦化部材の一例）
５  レーザ光源
６  走査ミラー
７  サーモカメラ（薄層温度分布取得手段の一例）
４１、４１ａ、４１ｂ  サーマルヘッド（発熱部材の一例）
４２  固定軸
４３  ハーネス
４４  スリーブ
４５  圧入フランジ
４６、４６ａ、４６ｂ  軸受
４７  温度センサ
１００  立体造形装置
１０１  ブレード（板状部材の一例）
１１１  ベルト
１１１ａ  平面部
１１２  駆動ローラ
１１３  従動ローラ
３００  制御部
４００  造形部
４０１  粉末薄層温度分布取得部（薄層温度分布取得手段の一例）
４０２  粉末薄層温度分布調整部（薄層温度分布調整手段の一例）
４０３  粉末薄層形成部
４０４  焼結薄層形成部
４０５  焼結薄層積層部
４０６  調整領域決定部（温度調整領域決定手段の一例）
６００  造形データ作成装置
６０１  立体データ取得部
６０２  平面データ生成部
Ｐ  粉末
Ｌ  粉末薄層
Ｓ  焼結薄層（粉末結合層の一例）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１３８】
【特許文献１】特表２００８−５４０１７３号公報
【図１】
2019119162.tif 000003
【図２】
2019119162.tif 000004
【図３】
2019119162.tif 000005
【図４】
2019119162.tif 000006
【図５】
2019119162.tif 000007
【図６】
2019119162.tif 000008
【図７】
2019119162.tif 000009
【図８】
2019119162.tif 000010
【図９】
2019119162.tif 000011
【図１０】
2019119162.tif 000012
【図１１】
2019119162.tif 000013