(57)【要約】【課題】形成される三次元の造形物の歪みを抑制し、精度の高い造形物を形成することのできる三次元積層造形装置を提供することを目的とする。【解決手段】三次元積層造形装置１は、上下動可能なステージ２と、複数の調整器４を介してステージ２上に配置され、ステージ２側とは反対側の表面が造形物の造形面となる造形台３とを有する。また、三次元積層造形装置１は、造形台３の造形面にレーザ光を照射する複数の光源１１と、造形台３の造形面に照射されたレーザ光の反射光を検出する検出器１２と、造形台３が所定の高さになるように調整器４を調整する制御部１３を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下動可能なステージと、
前記ステージの上方に配置され、前記ステージが配置される面側とは反対側の表面が造形物を形成する造形面となる造形台と、
前記ステージと前記造形台との間に設けられ、前記造形台の前記ステージに対する高さ及び前記造形面の傾きを調整する調整器と、
前記造形面にレーザ光を照射する複数の光源と、
前記造形面に照射されたレーザ光の反射光を検出する検出器と、
前記検出器で検出されたレーザ光の照射位置から、前記造形台の造形面の高さに関する補正量を算出し、前記造形台の造形面が所定の高さになるように前記調整器を調整する制御装置と
を有する三次元積層造形装置。
【請求項２】
前記検出器は二次元マトリクス状に配置された複数の画素を有する撮像素子で構成されている
請求項１に記載の三次元積層造形装置。
【請求項３】
前記レーザ光は、前記調整器が配置された領域の直上の造形面に照射する
請求項１に記載の三次元積層造形装置。
【請求項４】
前記調整器は、複数個設けられ、前記造形台の端部に配置される
請求項１に記載の三次元積層造形装置。
【請求項５】
前記調整器は圧電素子で構成されている
請求項１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】
本発明は、粉末材料の層に光線や電子線等を照射して凝固層を形成することを繰り返すことにより、三次元構造の造形物を形成する三次元積層造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、三次元構造物のデータから、三次元構造物を一定の厚みにスライスした状態の二次元データを作成し、その二次元データに基づいて凝固層の形成を繰り返すことにより三次元の造形物を形成する技術が開発されている（特許文献１参照）。
【０００３】
このような三次元の造形物を形成する三次元積層造形装置では、まず、上下動可能なステージに一層分の粉末材料を供給し、その粉末材料の層に対してレーザ光等の光線や電子ビームを二次元面内で走査することで所定の位置にある粉末材料を溶融させる。このとき、溶融した粉末材料同士が接合し、その後凝固することで一層分の凝固層が形成される。次に、ステージを下げて更に粉末材料を供給し、前工程と同様にして粉末材料を溶融させ、凝固させることで、先に作成された下層の凝固層と一体となった二層分の凝固層が形成される。このように、ステージを下げ、ステージ上に粉末材料を供給し、その粉末材料を溶融及び凝固させる工程を繰り返すことで、三次元の造形物が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５２２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、粉末材料を積層させながら三次元の造形物を形成していく場合、ステージが傾いて設置してあると、粉末材料が均一の厚さに供給されず、三次元の造形物の形状が歪んだり、造形精度が悪くなったりするという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、形成される三次元の造形物の歪みを抑制し、精度の高い造形物を形成することのできる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】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の三次元積層造形装置は、上下動可能なステージと、ステージの上方に設置され、ステージ側とは反対側の表面が造形物を形成する造形面となる造形台とを有する。さらに、本発明の三次元積層造形装置は、ステージと造形台との間に設けられた複数の調整器であって、造形台のステージに対する高さ、及び、造形面の傾きを調節する調整器と、造形台の造形面にレーザ光を照射する複数の光源と、造形台の造形面に照射されたレーザ光の反射光を検出する検出器とを有する。さらに、本発明の三次元積層造形装置は、検出器で検出されたレーザ光の照射位置から造形台の補正量を算出し、造形台が所定の高さになるように調整器を調整する制御部を有する。
【０００８】
本発明の三次元積層装置では、調整器によって、造形台の造形面が所定の高さになるように調整される。これにより、造形台の高さ及び傾きが調整される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、造形精度の高い三次元積層造形装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】図２Ａは三次元積層造形装置の要部を上面から見た図であり、図２Ｂは、その断面図である。
【図３】高さ制御装置を構成する制御部のブロック図である。
【図４】図４Ａは、調整前の造形台及びステージの様子を概略的に示した図であり、図４Ｂは、調整後の造形台及びステージの様子を概略的に示した図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る三次元積層造形装置の対象物製造時の様子を示す概略構成図である。
【図６】比較例に係る三次元積層造形装置の対象物製造時の様子を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態に係る三次元積層造形装置の一例を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。
【００１２】
［三次元積層造形装置の構成］
図１は、本発明の一実施の形態に係る三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図である。また、図２Ａは、本実施形態の三次元積層造形装置の要部を上面から見た図であり、図２Ｂは、その断面図である。本実施形態では、造形物を形成する粉末材料として金属粉末を用いる場合を例として説明する。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の三次元積層造形装置１は、筐体８と、筐体８の内部に構成された造形枠１０、ヒータ１４、造形台３、ステージ２、垂直駆動機構７及び調整器４とを備える。また、造形台３上面に造形物を造形するための造形部１５と、その造形台３の表面（造形面）の高さ及び傾きを検知して制御する高さ制御装置１８とを備える。
【００１４】
筐体８は、内部を真空に維持できる容器で構成されており、上部に造形部１５が装着されている。また、後述する高さ制御装置１８を構成する光源１１から発振されるレーザ光の光路となる部分は光透過性の部材で構成されている。造形物を造形する場合は、図示しない真空ポンプにより筐体８内が脱気され、筐体８の内部は真空に維持される。
【００１５】
造形枠１０は、造形部１５が設けられる側の上端部が開口され、下端部に底部１０ｃを有する筒状のピット部１０ａと、ピット部１０ａの軸方向の上端部側に設けられた鍔部１０ｂとを有する。ピット部１０ａは、軸方向に垂直な方向の断面が四角形である角筒であり、底部１０ｃの中央部には後述する垂直駆動レール５が挿通されている。鍔部１０ｂは、ピット部１０ａの上端部の側周に設けられており、表面が水平となるように構成されている。また、鍔部１０ｂの外周の端部は筐体８の内壁面に固定されている。
【００１６】
ヒータ１４は、ピット部１０ａの側壁の外周面を巻回するように配置されている。ヒータ１４としては、例えば２種類のセラミックスで構成されたＰＧ／ＰＢＮ（Pyro-lytic Graphite/ Pyro-lytic Boron Nitride）ヒータ等の１０００℃以上の温度に加熱できるヒータが用いられる。ヒータが加熱されることによりピット部１０ａが加熱され、ピット部１０ａ内部の温度を上げることができる。
【００１７】
ステージ２は、四角形の板状の部材で構成されており、筒状のピット部１０ａ内部で上下動可能な大きさに構成されている。そして、ステージ２の下面には後述する垂直駆動レール５が接続されており、垂直駆動レール５によりピット部１０ａ内部で上下動する。また、ステージ２の外周の端部には、ピット部１０ａの内壁面に接するシール部材（図示せず）が設けられており、ステージ２とピット部１０ａの内壁面との滑り面において、摺動性と密閉性とを持たせている。シール部材としては、例えば、耐熱性及び柔軟性を有するグラスウールなどを用いることができる。シール部材が設けられていることにより、後述する造形台３の上面に敷き詰められる金属粉末がステージ２の下に漏れることを防止することができる。
【００１８】
造形台３は、ステージ２と同様、四角形の板状の部材で構成されており、筒状のピット部１０ａ内部で上下動可能な大きさに構成されている。造形台３は、ステージ２の上面側に調整器４を介して固定されている。造形台３は、ステージ２がピット部１０ａ内部を上下動するのに伴い、上下動する。造形物の製造時において、造形台３の表面（造形面）には材料格納庫１６（図５参照）から金属粉末１７（図５参照）が供給され、図示を省略するスキーム（ならし部材）によって供給された金属粉末１７が平坦になるように均される。
【００１９】
垂直駆動機構７は、垂直駆動レール５と、垂直駆動部６と、垂直駆動ガイド部９とを備える。垂直駆動レール５は、棒状の部材で構成されており、ピット部１０ａの底部１０ｃに挿通され、ピット部１０ａ内にある一方端がステージ２の下面に接合されている。垂直駆動ガイド部９は、筐体８内部の底部側に配置されており垂直駆動レール５の動作をガイドするガイド溝９ａを備える。垂直駆動部６は、ピット部１０ａと垂直駆動ガイド部９との間に配置され、垂直駆動レール５を支持しており、垂直駆動レール５をピット部１０ａの軸方向と平行な方向に上下動させる。垂直駆動部６によって垂直駆動レール５が駆動されることにより、垂直駆動レール５は垂直駆動ガイド部９のガイド溝９ａに沿って上下動する。これにより、ステージ２及び造形台３がピット部１０ａ内部で上下動する。以下の説明では、ステージ２及び造形台３の移動する方向をｚ方向と記す。
【００２０】
調整器４は、ステージ２と造形台３との間に設けられ、ステージ２に対して造形台３の高さを変化させることのできる部材で構成されている。図２Ａに示すように、調整器４は、造形台３の対角線上にある４つの角部に１つずつ配置され、ステージ２と造形台３との間に計４つ配置されている。調整器４としては、例えば、圧電素子を用いることができる。調整器４をステージ２の４つの角部に設けることにより、造形台３の対角線上の角部の表面の高さを調整することができる。そして、造形台３の４つの角部の表面における高さを調整することにより、造形台３の表面の傾きも調整することができる。
【００２１】
造形部１５は、電子銃で構成されており、電子ビーム出射が造形台３の表面に向くように筐体８の上面に装着されている。本実施形態では、造形部１５から出射された電子ビームが造形台３の表面で二次元的に走査される。電子ビームが出射されることにより、造形台３の表面に供給された金属粉末が溶融し、溶融した金属粉末同士が接合しながら凝固する。これにより、所望の形状の凝固層を形成することができ、凝固層の形成を繰り返すことで三次元の造形物を形成することができる。
【００２２】
高さ制御装置１８は、造形台３の表面にレーザ光を照射する複数の光源１１と、造形台３の表面に入射したレーザ光の反射光を検出する検出器１２と、造形台３の表面の高さを制御する制御部１３とを備える。
【００２３】
光源１１は、レーザ光を発振する固体レーザ等のレーザ発振器で構成されており、筐体８の外部に配置されている。図１では、２つの光源１１を図示しているが、本実施形態では、４つの光源１１が設けられており、それぞれの光源１１は、造形台３の対角線上の角部の領域ｉ（図２Ａ参照）にそれぞれレーザ光が照射されるように固定されて配置されている。すなわち、図２Ａに示すように、それぞれの光源１１から照射されるレーザ光の照射位置ｉと調整器４が配置される位置とが一致するように光源１１が配置されている。光源１１から発振されたレーザ光は、筐体８に設けられた光透過部を透過してそれぞれの照射位置ｉに照射される。
【００２４】
検出器１２は、造形台３の表面に照射されたレーザ光の反射光を検出する検出器であり、筐体８の外部に配置されている。検出器１２としては、２次元マトリクス状に並んだ複数の画素を有する撮像素子を用いることができ、例えば、ＣＣＤイメージセンサ等を用いることができる。図１では、２つの検出器１２を図示しているが、本実施形態では、４つの光源１１から発振されるそれぞれのレーザ光の反射光を検出するため、４つの検出器１２が配置される。４つの検出器１２のそれぞれは、４つの光源１１から発振されるそれぞれのレーザ光の反射光を検出できる位置に配置される。検出器１２で検出された信号は、制御部１３に送られる。
【００２５】
制御部１３は、４つの検出器１２から送られてきた信号から造形台３のレーザ光が照射された位置のそれぞれの高さを算出し、その算出された値に基づいて、調整器４を制御して造形台３の表面の高さ及び傾きを制御する。以下に、制御部１３について詳述する。
【００２６】
図３は、高さ制御装置１８を構成する制御部１３のブロック図である。図３に示すように、制御部１３は、検出信号処理部１９と、補正量算出部２０と、高さ制御部２１とを備える。
【００２７】
検出信号処理部１９は下記の式（１）により、検出器１２による反射光の検出位置Ｐｏｓｉと、照射されるレーザ光の基準位置Ｒｅｆとの差分をとり、造形台３表面におけるレーザ光の照射位置ｉのずれ量を算出する。
ΔＥｒ＝Ｐｏｓｉ−Ｒｅｆ・・・（１）
基準位置Ｒｅｆは、照射位置ｉが基準とする高さにあり、かつ、造形台３の表面が水平である条件下で、レーザ光を照射位置ｉに照射した場合に検出器１２で得られる値である。そして、得られたずれ量ΔＥｒを補正量算出部２０に送る。
【００２８】
補正量算出部２０は、下記の式（２）のように、ずれ量ΔＥｒとゲインＧとを積算することによって調整器４の補正量ΔＡｄを算出する。
ΔＡｄ＝Ｇ・ΔＥｒ・・・（２）
そして、得られた補正量ΔＡｄを高さ制御部２１に送る。
【００２９】
高さ制御部２１は、下記の式（３）のように、調整器４の初期値Ｖ０に補正量ΔＡｄを足し合わせることにより、調整器４を制御する制御信号Ｖｃを得て、補正された制御信号Ｖｃにより調整器４を制御する。
Ｖｃ＝Ｖ０＋ΔＡｄ・・・（３）
これにより、造形台３の対角線上にある４つの角部のステージ２に対する高さが調整され、造形台３の表面の傾きが調整される。そして、εをステージ２の傾きが無視できる程度（例えばε＝１０−３程度）の微少量とすると、｜ΔＥｒ｜＜εが成立するまで制御信号Ｖｃの算出と、制御信号Ｖｃに基づく造形台３の高さの調整とを繰り返すことにより、造形台３の表面を水平にすることができる。
【００３０】
［三次元積層造形装置の調整方法］
次に、三次元積層造形装置１の調整方法について説明する。図４Ａは、調整前の造形台３及びステージ２の様子を概略的に示した図であり、図４Ｂは、調整後の造形台３及びステージ２の様子を概略的に示した図である。
【００３１】
図４Ａに示すように、一般的に垂直駆動レール５に接続されているステージ２の水平精度はそれほど高くない。このため、ステージ２が傾いて設置してある場合、その上面に配置される造形台３もステージ２の傾きを踏襲して傾いた状態となる。したがって、本実施形態では、造形台３の高さ及び傾きの調整は、造形物の形成開始に先立って行う。
【００３２】
三次元積層造形装置１の造形台３の高さ調整を行う場合は、まず、ヒータ１４によって、ピット部１０ａ内にある造形台３及びステージ２を予備加熱する。予備加熱の温度は例えば２００℃〜１０００℃に設定される。ピット部１０ａ内の温度が上がることにより造形台３やステージ２が熱膨張し、これにより、部材に歪みが生じる。本実施形態では、予熱後、造形台３の歪みが安定した時点で造形台３の高さ調整を行うことにより、造形物の製造時の精度を向上させることができる。
【００３３】
予備加熱が完了し、熱によるピット部１０ａ内の造形台３の歪みが安定したところで、式（１）〜（３）を用いて説明した前述の処理を検出器１２毎に行う。そして、制御部１３は、上述した式（１）〜（３）を用いて得られる制御信号Ｖｃにより各調整器４を制御することにより造形台３の４つの角部の高さを調整する。
【００３４】
造形台３の対角線上にある４つの角部の表面の高さが基準の高さになるように調整することにより、造形台３の表面の高さ及び面内の傾きを補正することができるので、図４Ｂに示すように、造形台３表面を水平にすることができる。このように、本実施形態ではステージ２に傾きがあったとしても、造形台３の表面の高さを基準の高さとし、表面を水平に補正することができる。
【００３５】
本実施形態では、三次元積層造形装置１における造形台３の調整時における予備加熱はヒータ１４によって行う例としたが、電子ビームを照射することによって予備加熱を行ってもよい。電子ビームによって予備加熱する場合には、造形台３の表面が均一な温度になるように電子ビームを二次元面内で走査しながら照射する。
【００３６】
［造形物の製造方法］
次に、前述の造形台３の調整が終わった三次元積層造形装置１を用いた造形物の製造方法について説明する。図５は、本実施形態の三次元積層造形装置１の製造時の様子を示す概略構成図である。図５において、高さ制御装置１８の図示は省略する。
【００３７】
まず、垂直駆動部６を駆動し、垂直駆動レール５をｚ方向に下げることにより、造形台３の表面が造形枠１０の鍔部１０ｂの上面よりｚ方向にΔｚ分下がった位置にくるように調整する。このΔｚが、その後に敷き詰められる金属粉末１７のｚ方向の層厚に相当する。次に、金属粉末１７が充填された材料格納庫１６から金属粉末１７を造形台３表面に供給し、厚さΔｚ分の金属粉末１７を造形台３に敷き詰める。その後、図示を省略するスキームによって造形台３表面の金属粉末１７を平坦に均す。
【００３８】
本実施形態では、製造前に、造形台３表面が水平になるように調整されているため、ここで供給される金属粉末１７の厚みは造形台３表面の面内で均一になる。
【００３９】
次に、三次元積層造形装置１で製造する目的の造形物の三次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）データを一定の厚み（Δｚの厚み）にスライスした２次元データに基づいて造形部１５から照射される電子ビームを走査し、金属粉末１７を溶融する。そして、溶融した金属粉末１７同士が接合して凝固することにより、一層分の造形物が形成される。
【００４０】
続いて、再度、垂直駆動レール５をｚ方向にΔｚ分下げることにより、前段で敷き詰められた金属粉末１７の表面が鍔部１０ｂの上面からΔｚ分下がった位置にくるように造形台３を下げる。そして、Δｚ分の厚みの金属粉末１７を再度敷き詰め、スキームによって平坦に均した後、２層目に相当する二次元データに基づいて電子ビームを走査し、金属粉末１７を溶融する。このとき、溶融した金属粉末１７同士が接合すると共に、溶融した金属粉末１７が一層目の凝固層とも接合して凝固する。これにより二層分の造形物が形成される。そして、この工程を繰り返し行うことにより、所望の造形物を形成する。
【００４１】
図６は、比較例に係る三次元積層造形装置１００の製造時の様子を示す概略構成図である。図６において図１に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
【００４２】
比較例に係る三次元積層造形装置１００は、図１の三次元積層造形装置１において、調整器４、造形台３、及び高さ制御装置１８が構成されていない例である。すなわち、比較例に係る三次元積層造形装置１００では、ステージ２上に直接所望の造形物を造形する。
【００４３】
比較例に係る三次元積層造形装置１００では、ステージ２が傾いていたとしても、その傾きを調整することができない。このため、傾いた状態のステージ２表面に金属粉末１７が供給されると、図６に示すように金属粉末１７の厚みが不均一になる。そうすると、完成される造形物に歪みが発生するなど、造形物の造形精度が低くなる。
【００４４】
一方、本実施形態の三次元積層造形装置１では、造形物を形成する前に造形台３の表面の傾きを補正し、その表面を水平にすることができるので、造形台３表面に敷き詰められる金属粉末１７の厚みを均一にすることができる。これにより、造形される造形物の歪みを抑制し精度の高い造形物を得ることができる。
【００４５】
本実施形態では、粉末材料として金属粉末を用いる例としたが、これに限られるものではない。例えば、粉末材料として、金属材料の他、セラミック、樹脂等を用いることができる。
【００４６】
また、本実施形態では、造形部１５として電子銃を用いる例としたが、これに限られるものではない。例えば、造形部１５として、レーザ光を発振するレーザ光源や、イオンビームを発生させるイオン銃、紫外線などを用いることができる。また、粉末材料に液滴を吐出させて粉末材料を固めるような構成の装置にも本願発明を適用することができる。なお、本実施形態では、造形部１５として電子銃を用いる例とするため、造形台３を真空引きした筐体８内に配置する構成としたが、造形部１５としてレーザ光源を用いる場合には大気中で造形物の製造工程を行うことができる。
【００４７】
また、本実施形態では、４つの調整器４を用い、造形台３の対角線上の角部に配置する例としたが、これに限られるものではない。例えば、３つの調整器を用いて造形台３のステージ２に対する高さを調整する構成としてもよい。３つの調整器を用いる場合の３つの調整器の配置位置は任意に決定することができるが、例えば、レーザ光の照射位置の裏面側に調整器を配置することがより好ましい。
【００４８】
また、本実施形態では、光源１１及び検出器１２をそれぞれ４つずつ用い、造形台３の対角線上の４つの角部の高さを検出する例としたが、これに限られるものではない。ｚ軸に対して垂直な面（水平面）をｘｙ平面とするとき、検出位置は、１つの検出器１２では造形台３のｚ方向の高さｚ、ｘｙ面に対する造形面のｙ方向への傾きθ、ｘｙ面に対する造形面のｘ方向への傾きζの３つの変数（ｚ、θ、ζ）で決まる。したがって、少なくとも３つの光源と、その反射光を検出する３つの検出器を用いることで、検出位置を算出することができる。本実施形態のように、４つの検出器１２を用いることにより、冗長性を上げると共に、制御時間を短縮することができる。
【００４９】
また、本実施形態では、調整器４を圧電素子で構成する例としたが、これに限られるものではない。油圧ポンプによって造形台３の高さを調整する機構を用いてもよく、μｍのオーダーで造形台３の高さを調整可能な機構であれば種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１…三次元積層造形装置、２…ステージ、３…造形台、４…調整器、５…垂直駆動レール、６…垂直駆動部、７…垂直駆動機構、８…筐体、９…垂直駆動ガイド部、９ａ…ガイド溝、１０…造形枠、１０ａ…ピット部、１０ｂ…鍔部、１０ｃ…底部、１１…光源、１２…検出器、１３…制御部、１４…ヒータ、１５…造形部、１６…材料格納庫、１７…金属粉末、１８…制御装置、１９…検出信号処理部、２０…補正量算出部、２１…高さ制御部、１００…三次元積層造形装置
【図１】
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【図２】
2015157420.tif 000004
【図３】
2015157420.tif 000005
【図４】
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【図５】
2015157420.tif 000007
【図６】
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