(57)【要約】【課題】造形作業中に発生する異常を的確に検知することで、良好な生産効率を実現可能な三次元積層造形装置を提供する。【解決手段】造形面エリアに敷設されたパウダーベッドにビームを照射して積層造形する三次元積層造形装置において、造形面エリアにフリンジパターンを投影し、当該フリンジパターンを撮像することで取得された画像データに基づいて造形面エリアにおける凹凸を検出する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形面エリアに敷設されたパウダーベッドにビームを照射して積層造形する三次元積層造形装置であって、
前記造形面エリアにフリンジパターンを投影するように構成された投影部と、
前記造形面エリアに投影された前記フリンジパターンを撮像するように構成された一対の撮像部と、
前記一対の撮像部で取得された画像データに基づいて前記造形面エリアにおける凹凸を検出可能に構成された凹凸検出部と、
を備える、三次元積層造形装置。
【請求項２】
前記投影部及び前記一対の撮像部は、前記ビームの照射領域を避けるように配置される、請求項１に記載の三次元積層造形装置。
【請求項３】
前記投影部及び前記一対の撮像部は、前記パウダーベッドを敷設するための敷設装置の稼働領域を避けるように配置される、請求項１又は２に記載の三次元積層造形装置。
【請求項４】
前記投影部及び前記一対の撮像部は、前記造形面エリアからの高さが所定値以上に設定される、請求項１から３のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置。
【請求項５】
前記一対の撮像部は、前記投影部からの投影光の前記造形面エリアの中心点における反射方向を基準として所定の立体角度範囲を避けるように設けられた受光路を介して撮像光を取得するように構成される、請求項１から４のいずか一項に記載の三次元積層造形装置。
【請求項６】
前記所定の立体角度範囲は、前記反射方向を基準とする３０度の散乱角で規定される、請求項５に記載の三次元積層造形装置。
【請求項７】
前記一対の撮像部は、前記中心点における前記投影光の入射方向に交差方向に延在するように前記造形面エリア上に規定される基準線に対して、前記投影光の前記造形面エリアへの入射方向と同じ側に前記造形面エリアから出射する撮像光を取得するように構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置。
【請求項８】
前記一対の撮像部は、前記パウダーベッドの敷設方向に沿って前記造形面エリアから出射する撮像光が取得可能なように配置される、請求項１から７のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置。
【請求項９】
前記一対の撮像部を互いに支持する支持部材と、
前記支持部材を冷却するための冷却装置と、
を備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置。
【請求項１０】
前記投影部及び前記一対の撮像部は、前記造形面エリアに対する積層造形が行われるチャンバー内に収容されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置。
【請求項１１】
前記投影部及び前記一対の撮像部は、前記チャンバーの天井プレートに固定される、請求項１０に記載の三次元積層造形装置。
【請求項１２】
前記造形面エリアに対する積層造形が行われるチャンバーを備え、
前記投影部又は前記一対の撮像部の少なくとも一方は前記チャンバーの壁面に設けられた窓部を介して、前記チャンバーの外部に配置される、請求項１から９のいずれか一項に記載の三次元積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、敷設された粉末に光ビームや電子ビーム等のビームを照射して積層造形を行うことにより三次元形状物を製造する三次元積層造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
層状に敷設された粉末に光ビームや電子ビーム等のビームを照射して積層造形を行うことにより三次元形状物を製造するための三次元積層造形技術が知られている。特許文献１には、この種の技術の一例が開示されており、粉末で形成された粉末層に光ビームを照射して焼結層を形成し、それを繰り返すことで、複数の焼結層が一体として積層されることで三次元形状物が製造されることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１のような三次元積層造形方法では、層状の焼結層を繰り返し積層することにより、大きな三次元形状物を形成するため、その完成までには、長い作業時間を要する。特に鉄、銅、アルミニウム又はチタン等の金属粉末を用いる場合、その作業時間は数十時間にも及ぶのが実情である。
【０００５】
また、この種の三次元積層造形方法で実施される造形プロセスは熱加工であるため、造形途中で粉末の敷設面や造形面に異常が生じることがある。例えば造形面が上方に突出するように変形すると、当該造形面上に敷設される粉末の敷設面に凹凸が生じてしまう。また造形中にスパッタが発生すると、スパッタが造形物内に異物として残留することがある。これらの異常は造形作業が進行している最中に生じることがあるが、従来、造形作業の進行中にこれらの異常を検出する技術がないため、一連の造形作業が完了した後に不良品検査を実施することによって品質評価が行われている。そして、造形作業後の検査で異常が発見された場合、その三次元形状物は不良品として廃棄処分せざるを得ず、それまでにかかった長い作業時間が無駄となってしまう。これは、三次元積層造形法における生産性を向上する妨げとなっている。
【０００６】
本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、造形作業中に発生する異常を的確に検知することで、良好な生産効率を実現可能な三次元積層造形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置は上記課題を解決するために、
造形面エリアに敷設されたパウダーベッドにビームを照射して積層造形する三次元積層造形装置であって、
前記造形面エリアにフリンジパターンを投影するように構成された投影部と、
前記造形面エリアに投影された前記フリンジパターンを撮像するように構成された一対の撮像部と、
前記一対の撮像部で取得された画像データに基づいて前記造形面エリアにおける凹凸を検出可能に構成された凹凸検出部と、
を備える。
【０００８】
上記（１）の構成によれば、投影部によって造形面エリア（粉末の敷設面又は三次元形状物の造形面）に投影されたフリンジパターンを一対の撮像部によって撮像することで、フリンジプロジェクション法を利用して造形面エリアの凹凸を検出し、造形作業中における異常を検査できる。
【０００９】
（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、
前記投影部及び前記一対の撮像部は、前記ビームの照射領域を避けるように配置される。
【００１０】
上記（２）の構成によれば、投影部から出射される投影光や一対の撮像部に取り込まれる撮像光を、造形面エリアにおける造形に用いられるビームから好適に分離できるため、造形面エリアにおける凹凸を的確に検出できる。
【００１１】
（３）幾つかの実施形態では上記（１）又は（２）の構成において、
前記投影部及び前記一対の撮像部は、前記パウダーベッドを敷設するための敷設装置の稼働領域を避けるように配置される。
【００１２】
上記（３）の構成によれば、投影部及び一対の撮像部と敷設装置との物理干渉を避けながら、造形面エリアにおける凹凸を的確に検出できる。
【００１３】
（４）幾つかの実施形態では上記（１）から（３）のいずれか一構成において、
前記投影部及び前記一対の撮像部は、前記造形面エリアからの高さが所定値以上に設定される。
【００１４】
上記（４）の構成によれば、造形面エリアに投影されたフリンジパターンを撮像する一対の撮像部は、造形面エリアを基準として所定値以上の高さに配置される。これにより、一対の撮像部は、例えば、造形作業中に造形面エリアから飛散するスパッタや、造形面エリアから発生するヒュームを除去するために造形面エリア近傍を流れるガスなどと干渉することを防止でき、造形面エリアにおける凹凸を的確に検出できる。
【００１５】
（５）幾つかの実施形態では上記（１）から（４）のいずれか一構成において、
前記一対の撮像部は、前記投影部からの投影光の前記造形面エリアの中心点における反射方向を基準として所定の立体角度範囲を避けるように設けられた受光路を介して撮像光を取得するように構成される。
【００１６】
上記（５）の構成によれば、一対の撮像部をこのような位置に配置することで、造形面エリアからの反射光が撮像部に直接取り込まれることを避け、造形面エリアにおける凹凸を的確に検出できる。
【００１７】
（６）幾つかの実施形態では上記（５）の構成において、
前記所定の立体角度範囲は、前記反射方向を基準とする３０度の散乱角で規定される。
【００１８】
上記（６）の構成によれば、立体角度範囲を上記範囲に設定することで、造形面エリアからの反射光が撮像部に直接取り込まれることを好適に回避できる。
【００１９】
（７）幾つかの実施形態では上記（１）から（６）のいずれか一構成において、
前記一対の撮像部は、前記中心点における前記投影光の入射方向に垂直方向に延在するように前記造形面エリア上に規定される基準線に対して、前記投影光の前記造形面エリアへの入射方向と同じ側に前記造形面エリアから出射する撮像光を取得するように構成される。
【００２０】
上記（７）の構成によれば、造形面エリアからの反射光が撮像部に直接取り込まれることを避け、造形面エリアにおける凹凸を的確に検出できる。
【００２１】
（８）幾つかの実施形態では上記（１）から（７）のいずれか一構成において、
前記一対の撮像部は、前記パウダーベッドの敷設方向に沿って前記造形面エリアから出射する撮像光が取得可能なように配置される。
【００２２】
上記（８）の構成によれば、造形面エリアには敷設方向に沿って延在する溝が存在する場合があるが、このような場合においても、一対の撮像部を、敷設方向に沿って造形面エリアから出射する撮像光が取得可能な位置に配置することで、造形面エリアにおける死角発生を避け、造形面エリアに存在する凹凸を好適に検出できる。
【００２３】
（９）幾つかの実施形態では上記（１）から（８）のいずれか一構成において、
前記一対の撮像部を互いに支持する支持部材と、
前記支持部材を冷却するための冷却装置と、
を備える。
【００２４】
上記（９）の構成によれば、一対の撮像部を互いに支持する支持部材は造形作業中に発生する熱によって影響を受けるが、一対の撮像部を冷却装置によって冷却することで、このような影響を軽減又は解消できる。その結果、造形作業中における一対の撮像部の相対的位置関係を精度よく確保することができ、造形面エリアに存在する凹凸を好適に検出できる。
【００２５】
（１０）幾つかの実施形態では上記（１）から（９）のいずれか一構成において、
前記投影部及び前記一対の撮像部は、前記造形面エリアに対する積層造形が行われるチャンバー内に収容されている。
【００２６】
上記（１０）の構成によれば、投影部及び一対の撮像部は、造形面エリアに対する積層造形が行われるチャンバー内に収容されるため、コンパクトで効率的な構造で上記構成を実現できる。
【００２７】
（１１）幾つかの実施形態では上記（１０）の構成において、
前記投影部及び前記一対の撮像部は、前記チャンバーの天井プレートに固定される。
【００２８】
上記（１１）の構成によれば、投影部及び一対の撮像部をチャンバーの天井プレートに固定することにより、造形面エリアにおける凹凸を的確に検出できる。
【００２９】
（１２）幾つかの実施形態では上記（１）から（９）のいずれか一構成において、
前記造形面エリアに対する積層造形が行われるチャンバーを備え、
前記投影部又は前記一対の撮像部の少なくとも一方は前記チャンバーの壁面に設けられた窓部を介して、前記チャンバーの外部に配置される。
【００３０】
上記（１２）の構成によれば、投影部又は一対の撮像部の少なくとも一方は、積層造形が行われるチャンバーの外部に配置されていてもよい。この場合、投影部はチャンバーの壁面に設けられた窓部を介して造形面エリアに対して投影光を照射し、撮像部は窓部を介して造形面エリアからの撮像光を取得する。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、造形作業中に発生する異常を的確に検知することで、良好な生産効率を実現可能な三次元積層造形装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置１の全体構成を示す概略図である。
【図２】図１のビーム照射ユニットの内部構成を示す模式図である。
【図３】図１の形状測定装置の概略構成図である。
【図４】図３の形状測定装置の一構成例を側方から示す模式図である。
【図５】図３の形状測定装置の他の構成例を側方から示す模式図である。
【図６】図３の形状測定装置の他の構成例を側方から示す模式図である。
【図７】図６の変形例である。
【図８】図３の形状測定装置の一構成例を上方から示す模式図である。
【図９】図３の形状測定装置の他の構成例を上方から示す模式図である。
【図１０】図３の形状測定装置の他の構成例を上方から示す模式図である。
【図１１】図１０のＡ−Ａ線における拡大断面図である。
【図１２】支持部材によって互いに支持された一対の撮像部を示す模式図である。
【図１３】図３の形状測定装置の他の構成例を側方から示す模式図である。
【図１４】本発明の幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置の制御内容を工程毎に示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００３４】
図１は本発明の少なくとも一実施形態に係る三次元積層造形装置１の全体構成を示す概略図である。
【００３５】
三次元積層造形装置１は、層状に敷設された粉末にビームを照射して積層造形を行うことにより三次元形状物を製造するための装置である。三次元積層造形装置１は、三次元形状物が造形される土台となるベースプレート２を備える。ベースプレート２は、鉛直方向に沿った中心軸を有する略円筒形状のシリンダ４の内側に昇降可能に配置されている。ベースプレート２上には、後述するように粉末が敷設されることによりパウダーベッド８が形成される。パウダーベッド８は、造形作業の間、各サイクルにてベースプレート２が下降する毎に、上層側に粉末が敷設されることにより新たに形成される。
【００３６】
尚、本実施形態の三次元積層造形装置１ではビームとして光ビームを照射する場合を示すが、電子ビーム等の他の形態のビームを使用する場合にも、本発明の思想は同様に適用可能である。
【００３７】
三次元積層造形装置１は、ベースプレート２上に粉末を敷設してパウダーベッド８を形成するための粉末敷設ユニット１０を備える。粉末敷設ユニット１０は、ベースプレート２の上面側に粉末を供給し、その表面を平坦化することによって、ベースプレート２の上面全体に亘って略均一な厚さを有する層状のパウダーベッド８を形成する。各サイクルで形成されたパウダーベッド８には、後述するビーム照射ユニット１４からビームが照射されることによって選択的に固化され、次サイクルにて、粉末敷設ユニット１０によって再び上層側に粉末が敷設されることで、新たなパウダーベッドが形成されることによって、層状に積み重ねられていく。
【００３８】
尚、粉末敷設ユニット１０から供給される粉末は、三次元形状物の原料となる粉末状物質であり、例えば鉄、銅、アルミニウム又はチタン等の金属材料や、セラミック等の非金属材料を広く採用可能である。
【００３９】
三次元積層造形装置１は、パウダーベッド８を選択的に固化するようにパウダーベッド８にビームを照射するためのビーム照射ユニット１４を備える。ここで図２は図１のビーム照射ユニット１４の内部構成を示す模式図である。ビーム照射ユニット１４は、ビームとしてレーザ光を出力する光源１８と、光源１８からのビームを集光部２５に案内するための光ファイバ２２と、複数の光学部材からなる集光部２５と、を備える。
【００４０】
集光部２５では、光ファイバ２２によって案内されたビームが、コリメータ２４に入射する。コリメータ２４はビームを平行光に集束する。コリメータ２４からの出射光は、アイソレータ２６及びピンホール２８を介して、ビームエキスパンダ３０に入射する。ビームはビームエキスパンダ３０で拡径された後、任意方向に揺動可能なガルバノミラー３２によって偏向され、ｆθレンズ３３を介してパウダーベッド８に照射される。
尚、ガルバノミラー３２からパウダーベッド８へのビーム照射は、ｆθレンズ３３を介さずに行われてもよい。
【００４１】
ビーム照射ユニット１４から照射されるビームは、パウダーベッド８上にて、その表面に沿って二次元的に走査される。このようなビームの二次元走査は、造形目的となる三次元形状物に応じたパターンで実施され、具体的には、ガルバノミラー３２の角度が駆動制御されることによって行われる。
尚、ビームの二次元走査は、例えばビーム照射ユニット１４が不図示の駆動機構によってベースプレート２の表面に沿って平行に移動することによって行われてもよいし、前述のガルバノミラー３２の角度駆動制御との組み合わせによって行われてもよい。
【００４２】
このような構成を有する三次元積層造形装置１では、コントロールユニットである制御装置１００（例えばコンピュータのような演算処理装置）からの制御信号に基づいて、各サイクルにおいて、粉末敷設ユニット１０によってベースプレート２上に粉末を敷設することでパウダーベッド８が形成され、当該パウダーベッド８に対してビーム照射ユニット１４からビームを照射しながら二次元走査することで、パウダーベッド８に含まれる粉末が選択的に固化される。造形作業では、このようなサイクルが繰り返し実施されることで、固化された成形層が積層され、目的となる三次元形状物が製造される。
【００４３】
再び図１に戻って、三次元積層造形装置１には、造形作業中におけるパウダーベッド８又は造形面（ビームが照射される面）における形状を監視するための形状測定装置３４が備えられている。本実施形態では、形状測定装置３４の一例としてフリンジプロジェクション法をベースにした光学式スキャナが用いられている。
【００４４】
ここで図３は、図１の形状測定装置３４の概略構成図である。形状測定装置３４は、ベースプレート２上の造形面エリア（パウダーベッド８又は造形面）５０にフリンジパターン（縞模様）を投影するように構成されたプロジェクタである投影部３４ａと、造形面エリア５０に投影されたフリンジパターンを撮像するように構成された一対の撮像部３４ｂ１及び３４ｂ２と、一対の撮像部３４ｂ１及び３４ｂ２で取得された画像データに基づいて造形面エリア５０における凹凸を検出可能に構成された凹凸検出部３４ｃと、を備える。
尚、フリンジパターンを撮像するための撮像部は、本実施形態では一対の撮像部３４ｂ１及び３４ｂ２として示されているが、いずれか一方でもよい（単体でもよい）。すなわち、撮像部は少なくとも一つでもよい。
【００４５】
一対の撮像部３４ｂ１及び３４ｂ２は、互いの撮像範囲が重なることでステレオ視野が確保可能なステレオカメラであり、当該ステレオ視野には投影部３４ａから投影されるフリンジパターンが重なるように投影される。凹凸検出部３４ｃは、一対の撮像部３４ｂ１及び３４ｂ２で取得されたステレオ画像を解析することによって造形面エリア５０における凹凸を評価可能な画像解析装置であり、例えばコンピュータのような演算処理装置によって構成される。凹凸検出部３４ｃでは、一対の撮像部３４ｂ１及び３４ｂ２から取得された二次元画像が光学的返還式に基づいて独立した三次元座標系にピクセル毎に変換されることによって、造形面エリア５０における凹凸形状が演算される。
尚、凹凸検出部３４ｃは、図１の制御装置１００の一部として構成されていてもよいし、別体として構成されていてもよい。
【００４６】
図４は図３の形状測定装置３４の一構成例を側方から示す模式図である。
形状測定装置３４のうち投影部３４ａ、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２は、造形面エリア５０に対する積層造形が行われるチャンバー６０内に収容されている。チャンバー６０内には、ビーム照射ユニット１４からのビームがチャンバー６０の上部に設けられた窓部６１を介して導入され、チャンバー６０の底部に設けられた造形面エリア５０に導かれる。ビーム照射ユニット１４からのビームは、ガルバノミラー３２の角度に応じて造形面エリア５０上を二次元走査される。
【００４７】
このように投影部３４ａ、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２は、造形面エリア５０に対する積層造形が行われるチャンバー６０内に収容されることで、コンパクトで効率的な構造を有する。また投影部３４ａからの投影光は、保護ガラス等を透過することなく造形面エリア５０に到達することができるので、減衰が少なく、良好な計測精度が得られる。また一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２も同様に、保護ガラス等を透過することなく造形面エリア５０からの撮像光を得ることができるので、減衰が少なく、良好な計測精度が得られる。
尚、チャンバー６０内に収容された投影部３４ａ、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２は、図４に示されるように、チャンバー６０の内部空間のうち、比較的天井側に配置されてもよい。この場合、造形時に熱が発生する造形面エリア５０から投影部３４ａ、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２までの距離を確保できるので、造形面エリア５０からの熱影響を軽減できる。
【００４８】
チャンバー５０内に収容された投影部３４ａ及び一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２は、ビーム照射ユニット１４から照射されるビームの照射領域７０を避けるように配置される。ビーム照射ユニット１４は、上述したようにガルバノミラー３２の角度が駆動制御されることによって、ガルバノミラー３２を頂点とする略三角錐形状の照射領域７０を有する。投影部３４ａは、その長手方向が造形面エリア５０に対して略平行になるように横向きに配置されており、投影部３４ａの光軸上に配置されたプロジェクタ用ミラー１７によって反射された投影光が造形面エリア５０に入射するように構成されている。
【００４９】
ここで投影部３４ａからプロジェクタ用ミラー１７に至る光路の一部は、ビーム照射ユニット１４の照射領域７０を横切ることとなるが、投影部３４ａは照射領域７０外に配置されるため、投影部３４ａからの投影光を、ビーム照射ユニット１４から照射されるビームと良好に分離できる。一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２もまた、ビーム照射ユニット１４の照射領域７０外に配置されており、それぞれの光軸が造形面エリア５０の中心点５０ａを向くように設置されている。これにより、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２に取り込まれる撮像光を、ビーム照射ユニット１４から照射されるビームと良好に分離できる。
【００５０】
尚、本実施形態では、造形面エリア５０からの撮像光が一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２に直接取り込まれるレイアウトが示されているが、造形面エリア５０からの撮像光がレンズやミラーなどの光学素子を介して一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２に取り込まれるように構成されてもよい。
【００５１】
このように投影部３４ａ及び一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２がビーム照射ユニット１４の照射領域７０を避けるように配置されることで、投影部３４ａから出射される投影光や一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２に取り込まれる撮像光を、造形面エリア５０における造形に用いられるビームから好適に分離でき、造形面エリア５０における凹凸を的確に検出できる。
【００５２】
また投影部３４ａ及び一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２は、パウダーベッド８を敷設するための粉末敷設ユニット１０（図１を参照）の稼働領域８０を避けるように配置される。図４では、粉末敷設ユニット１０の稼働領域８０が破線で示されている。この稼働領域８０は、造形面エリア５０から高さｔ１の範囲として規定されている。投影部３４ａ及び一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２は、造形面エリアから高さｔ１より離れた位置に配置されている。これにより、投影部３４ａ及び一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２は、粉末敷設ユニット１０との物理干渉を避けながら、造形面エリア５０における凹凸を的確に検出できる。
【００５３】
尚、本実施形態では、パウダーベッド８を形成するための粉末敷設装置として、造形面エリア５０の全体にわたって粉末を敷設するための粉末敷設ユニット１０を例示しているが、造形面エリア５０の一部に対して局所的に粉末を敷設するためのユニットを更に備えてもよい。この場合、投影部３４ａ及び一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２は、局所的に粉末を敷設可能なユニットの稼働領域を避けるように配置することで、同様に、物理干渉を避けながら、造形面エリア５０における凹凸を的確に検出できる。
【００５４】
図５は図３の形状測定装置３４の他の構成例を側方から示す模式図である。
構成例では、投影部３４ａ及び一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２は、造形面エリア５０からの高さが所定値ｔ２以上に設定される。ビーム照射ユニット１４からビームの照射が行われる造形作業中では、造形面エリア５０からスパッタ８３の飛散が生じることがある。このようなスパッタ８３は造形面エリア５０から上限高さｔ２の範囲８５に及ぶ。そこで本構成例では、当該スパッタ８３が飛散する上限高さｔ２の範囲８５を避けるように、投影部３４ａ及び一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２が配置される。これにより、造形作業中に造形面エリア５０から飛散するスパッタ８３の影響を受けることなく（例えばスパッタ８３が投影部３４ａ及び一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２にさらされると損傷のおそれがある）、造形面エリア５０における凹凸を的確に検出できる。
【００５５】
図６は図３の形状測定装置３４の他の構成例を側方から示す模式図である。
造形作業が実施されるチャンバー６０では、その内部に不活性ガス９０が導入されることにより、造形品質の確保がなされる。チャンバー６０には、このような不活性ガス９０のガス供給口６２及びガス吸引口６４が設けられており、ガス供給口６２からガス吸引口６４に向けた不活性ガス９０の流れが形成される。図６では、ガス供給口６２及びガス吸引口６４は造形面エリア５０の近傍（チャンバー６０の底側）にそれぞれ設けられており、造形面エリア５０から高さｔ３の範囲にわたって不活性ガス９０の流れ領域９２が形成されている。そこで本構成例では、投影部３４ａ及び一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２を、当該流れ領域９２を避けるように配置することで、ガス供給口６２からガス吸引口６４に向けた不活性ガス９０の流れの影響を受けることなく、造形面エリア５０における凹凸を的確に検出できる。例えば、不活性ガス９０の流れが投影部３４ａや一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２に衝突して不均一になることでスパッタ８３（図５を参照）の飛散具合が不均一になることで造形品質のばらつきが悪化することを防止できる。
【００５６】
図７は図６の変形例である。尚、図７では不活性ガスの流れをわかりやすく示すために、チャンバー６０内に配置される投影部３４ａ及び一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２を省略している。
本変形例では、造形面エリア５０から離れた位置（チャンバー６０の天井側）に設けられた第１ガス供給口６２ａと、造形面エリア５０に近い（チャンバー６０の底側の）第２ガス供給口６２ｂとを含む。この場合、第１ガス供給口６２ａ、第２ガス供給口６２ｂ及びガス吸引口６４の位置に基づいて、チャンバー６０内における不活性ガス９０の流れを特定することにより、不活性ガス９０の流れ領域９２を求め、当該流れ領域９２を回避するように投影部３４ａ及び一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２を配置するとよい。
【００５７】
尚、このようなチャンバー６０内における不活性ガス９０の流れ領域９２の特定はシミュレーション的、理論的あるいは実験的な各種方法によって行うことができる。
【００５８】
図８は図３の形状測定装置３４の一構成例を上方から示す模式図である。
ビーム照射により造形面エリア５０に形成された造形面に対して、投影部３４ａから投影光が照射されると、鏡面的な造形面によって投影光が反射される。このような反射光が一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２に直接取り込まれると、造形面エリア５０の撮像品質が低下してしまうおそれがある。
【００５９】
そこで本構成例では、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２は、投影部３４ａからの投影光の造形面エリア５０の中心点５０ａにおける反射方向Ｒを基準として所定の立体角度範囲αを避けるように設けられた受光路５５を介して撮像光を取得するように構成される。本実施形態では特に、上述の立体角度範囲αは、反射方向を基準とする３０度の散乱角で規定される。このような立体角度範囲αを避けるように、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２を配置することにより、造形面エリア５０からの反射光が撮像部３４ｂ１，３４ｂ２に直接取り込まれることを避け、造形面エリア５０における凹凸を的確に検出できる。
【００６０】
尚、本構成例では、造形面エリア５０に直近の受光路５５が立体角度範囲αを避けるように構成されていれば足り、当該箇所より下流側（すなわち一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２側）の光路は、ミラーやレンズなどの光学素子によって任意に構成してもよい。
【００６１】
図９は図３の形状測定装置３４の他の構成例を上方から示す模式図である。尚、図９は上述の図６に示される側方から示された構成例と対応している。
【００６２】
本構成例では、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２は、造形面エリア５０上に規定される基準線Ｌに対して、投影光の造形面エリア５０への入射方向と同じ側に造形面エリア５０から出射する撮像光を取得するように構成される。この基準線Ｌは、造形面エリア５０の中心点５０ａにおける投影光の入射方向の交差方向に延在するように造形面エリア５０上に規定される。すなわち、造形面エリア５０から見て、造形面エリア５０に入射する投影光と、造形面エリア５０から出射される撮像光とが基準線Ｌを境に同じ側になるようにレイアウトされる。この場合もまた、造形面エリア５０からの反射光が撮像部３４ｂ１，３４ｂ２に直接取り込まれることを避け、造形面エリア５０における凹凸を的確に検出できる。
【００６３】
尚、本構成例では、造形面エリア５０からの撮像光の出射方向が、基準線Ｌに対して造形面エリア５０への投影光の入射方向と同じ側であれば足り、造形面エリア５０から出射した撮像光が下流側（すなわち一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２側）において、ミラーやレンズなどの光学素子によって任意の光路を有するように構成してもよい。
【００６４】
図１０は図３の形状測定装置３４の他の構成例を上方から示す模式図であり、図１１は図１０のＡ−Ａ線における拡大断面図である。
【００６５】
本構成例では、ベースプレート２上のＸＹ平面に規定される造形面エリア５０に、パウダーベッド８に対してビームが照射されることで積層造形された造形面が存在しており、当該造形面が所定方向Ｘに沿って延在する凹凸形状を有する。この場合、図１１に示されるように、造形面エリア５０の表面はＸ方向に沿って延在する凸部５１と凹部５２とがＹ方向に沿って交互に繰り返される断面形状を有する。そのため、仮にＹ軸に沿ったＢ方向から造形面エリア５０を撮像した場合、凸部５１と凹部５２によって形成される死角領域５３が存在し、造形面エリア５０の一部が撮像不能となってしまう。
【００６６】
そこで本構成例では、図１０に示されるように、造形面エリア５０から出射する撮像光のうち、凹凸形状の延在方向であるＸ軸に沿って出射する撮像光を取得可能な位置に一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２が配置される。言い換えると、Ｘ方向に沿った造形面エリア５０の中心線Ｃの両側に、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２が配置される。このように一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２を配置することによって、造形面エリア５０上の死角領域５３が少なくなり、良好な精度で測定できる。
【００６７】
尚、本構成例では、造形面エリア５０上に存在する造形面が有する凹凸形状の延在方向を基準として、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２の配置を決定した例を示したが、ビームが照射される前のパウダーベッド８上に存在する凹凸形状の延在方向（例えば、粉末敷設ユニットによる粉末の敷設方向）を基準として、同様に一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２を配置してもよい。
【００６８】
また幾つかの実施形態では、図１２に示されるように、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２は支持部材８１によって互いに支持された状態で、チャンバー６０内に収容されていてもよい。図１２は支持部材８１によって互いに支持された一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２を示す模式図である。
【００６９】
本実施形態では支持部材８１は、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２を囲むケーシングとして構成されている。支持部材８１は、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２に関して本願明細書で言及される位置関係が実現されるように、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２を所定の姿勢で支持する。このような支持部材８１は、造形作業が実施されるチャンバー６０内に収容されており、チャンバー６０の内壁に対して固定可能に構成されている。
【００７０】
また支持部材８１には、投影部３４ａからの投影光が通過可能なホール部８２が設けられている。図１２では図示を省略しているが、ホール部８２の一方側に配置された投影部３４ａが配置されており、投影部３４ａから出射された投影光は、ホール部８２を通過して、ホール部８２の他方側にある造形面エリア５０に対して投影される。このようなホール部８２は、チャンバー６０内における投影部３４ａ、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２に関して本願明細書で言及される位置関係に応じて設けられる。
【００７１】
このように一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２を支持する支持部材８１は、チャンバー６０内に設置されるため、造形作業中に発生する熱の影響を受けることによって熱膨張などの変形が生じ、支持部材８１によって一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２の相対的位置関係が本来の位置からずれてしまうおそれがある。そこで幾つかの実施形態では、支持部材８１は冷却機構を有することにより、このような検出精度の低下を防止可能に構成されていてもよい。
【００７２】
冷却機構を備える支持部材８１の幾つかの態様として、例えば、支持部材８１は、優れた放熱性を有する材料から構成されてもよい。また支持部材８１は、本体部に比べて優れた放熱性を有する放熱部材が取り付けられていてもよい。これらの支持部材８１や放熱部材は、放熱を促進可能なヒートシンク形状を有することにより、熱接触面積を広く確保するようにしてもよい。また支持部材８１は、冷媒が供給される冷却装置を備えてもよい。この場合、冷却装置は、例えば冷媒として冷却水を用いる水冷装置であってもよいし、冷媒として冷却風を用いる送風装置であってもよい。
【００７３】
図１３は図３の形状測定装置３４の他の構成例を側方から示す模式図である。
前述の各構成例では、形状測定装置３４を構成する投影部３４ａ、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２が造形面エリア５０に対する積層造形が行われるチャンバー６０内に収容されていた場合が示されていたが、以下の構成例のように、投影部３４ａ、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２の少なくとも一部がチャンバー６０外に設置されていてもよい。
【００７４】
本構成例では、造形面エリア５０に対して積層造形が行われるチャンバー６０の外部に、投影部３４ａ、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２が配置されている。投影部３４ａから出射される投影光は、チャンバー６０の壁面に設けられた窓部６６ａを介して、チャンバー６０の内部に侵入し、造形面エリア５０に到達可能に構成されている。また造形面エリア５０からの撮像光は、チャンバー６０の壁面に設けられた窓部６６ｂを介して、チャンバー６０の外部に設置された一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２に到達可能に構成されている。
【００７５】
これらの窓部６６ａ、６６ｂは、例えば、レンズなどの光が透過可能な構成を有する。この場合、窓部６６ａ、６６ｂは、透過する光の減衰が極力少なくなるように構成されることが好ましい。このような構成例では、投影部３４ａ、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２をチャンバーの外部に設置しながらも、互いの位置関係を前述の各実施形態と同様に設定することにより、同等の機能を発揮することができる。
【００７６】
尚、図１３の例では、形状測定装置３４を構成する投影部３４ａ、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２の全てがチャンバー６０外に設置された場合を示したが、投影部３４ａ、一対の撮像部３４ｂ１、３４ｂ２の一部のみがチャンバー６０外に設置されてもよい。  
【００７７】
続いて上述の各構成を有する三次元積層造形装置１の制御例について説明する。図１４は本発明の幾つかの実施形態に係る三次元積層造形装置１の制御内容を工程毎に示すフローチャートである。
【００７８】
まず三次元積層造形装置１は積層造形作業を開始する（ステップＳ１）。積層造形作業は、ベースプレート２上への粉末敷設によるパウダーベッド８の形成工程と、パウダーベッド８に対するビーム照射工程を繰り返し実施することにより進行する。
【００７９】
三次元積層造形装置１は、積層造形作業中に、形状測定装置３４から測定結果を取得することにより、造形面エリア５０の表面形状を測定する（ステップＳ２）。このとき形状測定装置３４では、上述のようにフリンジプロジェクション法をベースとした計測によって、造形面エリア５０の表面形状が三次元構造として計測される。
【００８０】
続いて三次元積層造形装置１は、ステップＳ１０２の測定結果に基づいて、造形面エリア５０上に凹凸があるか否かを判断する（ステップＳ３）。本実施形態では、検出された凹凸が許容範囲外である場合、凹凸があると判断される。この許容範囲は、造形サイクルが進行した際に、凹凸が製品品質にとって許容できない程度の欠陥であるか否かに基づいて設定される。
【００８１】
造形面エリア５０に凹凸があると判断された場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、三次元積層造形装置１は製品品質を改善するための各種措置を実施する（ステップＳ４）。ここで実施される措置は、粉末敷設ユニット１０によるパウダーベッド８の敷設作業のやり直し（リコータ）や、造形面エリア５０に対するビーム再照射のような修復作業であってもよいし、オペレータに対して造形面エリア５０に凹凸が存在する旨の報知をしてもよい。このような表面形状に基づく凹凸監視は積層造形作業が完了するまで実施される（ステップＳ５）。
【００８２】
尚、形状測定装置３４による造形面エリア５０の監視は、ビーム照射前のパウダーベッド８に対して行われてもよいし、パウダーベッド８にビーム照射が行われた後の造形面に対して行われてもよい。
【００８３】
以上説明したように上述の三次元積層造形装置１によれば、形状測定装置３４によって、異常又はその兆候となる造形面エリア５０上の凹凸が監視される。そして、形状測定装置３４によって許容範囲外の大きさを有する凹凸が検出された場合、適宜改善措置が実施されることで、造形作業が進むに従って致命的な異常となることを早い段階で防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明の少なくとも一実施形態は、敷設された粉末に光ビームや電子ビーム等のビームを照射して積層造形を行うことにより三次元形状物を製造する三次元積層造形装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１  三次元積層造形装置
２  ベースプレート
４  シリンダ
８  パウダーベッド
１０  粉末敷設ユニット
１４  ビーム照射ユニット
１７  プロジェクタ用ミラー
１８  光源
２２  光ファイバ
２４  コリメータ
２５  集光部
２６  アイソレータ
２８  ピンホール
３０  ビームエキスパンダ
３２  ガルバノミラー
３３  レンズ
３４  形状測定装置
３４ａ  投影部
３４ｂ１，３４ｂ２  撮像部
３４ｃ  凹凸検出部
５０  造形面エリア
５１  凸部
５２  凹部
５５  受光路
６０  チャンバー
６１  窓部
６２  ガス供給口
６４  ガス吸引口
６６ａ，６６ｂ  窓部
８１  支持部材
８２  ホール部
【図１】
2019173103.tif 000003
【図２】
2019173103.tif 000004
【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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【図１３】
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【図１４】
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