(57)【要約】【課題】  造形効率を向上すること。【解決手段】  粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末供給装置４０と、光ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を移動させる光ビーム走査手段２０とを備え、前記粉末層の形成と、前記光ビーム照射による粉末層の焼結とを交互に繰り返すことで、三次元形状造形物を製造する三次元造形装置において、三次元形状造形物の製造に用いる領域を複数に分割し、これら複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを、それぞれ複数の前記光ビーム走査手段２０によって照射することによって上記課題を達成することができる三次元造形装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末供給装置によって粉末層を形成する積層工程と、光ビーム又は電子ビーム走査手段によって光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を移動させて前記粉末層を焼結する焼結工程とを交互に繰り返すようにした三次元造形装置において、三次元形状造形物の製造に用いる領域を複数に分割し、これら複数の分割領域を、各分割領域に対応する複数の前記光ビーム又は電子ビーム走査手段によってそれぞれ照射するようにしたことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記分割領域が、前記粉末層が堆積される造形テーブルの表面を、等面積に分割した領域であることを特徴とする請求項１記載の三次元造形装置。
【請求項３】
前記分割領域が、前記粉末層上の被造形領域を等面積に分割した領域であることを特徴とする請求項１記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記分割領域が、前記光ビーム又は電子ビームの走査経路となる造形パスの長さが均等になるように分割された領域であることを特徴とする請求項１記載の三次元造形装置。
【請求項５】
前記粉末層の表面に、被造形領域の輪郭から内部側へ離れた無端輪状の境界線を単数もしくは複数設定し、前記分割領域を、前記境界線によって区分された複数の領域とすることを特徴とする請求項１記載の三次元造形装置。
【請求項６】
前記被造形領域における輪郭寄りの分割領域に対応する前記光ビーム又は電子ビーム走査手段と、同被造形領域における中心部寄りの分割領域に対応する前記光ビーム又は電子ビーム走査手段における単位面積当たりの照射量につき、中心部寄りとなるにしたがって小さくなるように制御するか又は大きくなるように制御することを特徴とする請求項５記載の三次元造形装置。
【請求項７】
隣接する二つの分割領域に対応する二つの前記光ビーム又は電子ビーム走査手段について、その一方の光ビーム又は電子ビーム走査手段による光ビーム又は電子ビームの照射領域と、他方の光ビーム又は電子ビーム走査手段による光ビーム又は電子ビームの照射領域とを、前記二つの分割領域の間寄りで重なり合うようにすることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項記載の三次元造形装置。
【請求項８】
分割領域の数を光ビーム又は電子ビーム走査手段の数よりも多く設定することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の三次元造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末材料を積層し焼結して三次元形状の造形物を製造する三次元造形装置及び三次元形状造形物の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の発明では、粉末供給装置から粉末材料を供給して粉末層を形成する工程と、該工程によって形成された粉末層の所定領域に光ビーム又は電子ビームを照射して前記所定領域の粉末を焼結する工程とを繰り返すことにより、多数の焼結層からなる三次元形状の造形物を製造するようにしている。
【０００３】
ところで、前記従来技術では、光ビーム又は電子ビームを照射するために、ガルバノスキャナ装置を用いる場合が多い。例えば、特許文献１に記載の発明では、レーザ発振器（２０）から出射される光ビーム又は電子ビームを、単一のガルバノスキャナ装置（スキャナ２２）に反射させるとともにその反射方向を変化させて粉末層に照射している。このような構成によれば、ガルバノスキャナ装置によって高速に光ビーム又は電子ビームの照射位置を移動させることが可能となり、造形時間の短縮に効果がある。
【０００４】
しかしながら、粉末材料を焼結するためには、高エネルギー照射が必要となり、光ビーム又は電子ビームを集約する必要がある。通常、焼結に使用する光ビーム又は電子ビームは、200Wレーザであり、照射径が0.1mm以下になるまで集光し、高エネルギー化する。前記のように照射径が極小であること等から、比較的大きな造形物を製作する場合は、ガルバノスキャナ装置を用いたとしても非常に時間がかかることが課題となっている。
【０００５】
また、通常の三次元造形物では、表面の硬度及び密度を高くすることが要求されるが、内部の硬度及び密度については比較的低くてもよい場合が多い。このため、従来技術では、造形時間の短縮のために、造形物の内部側に位置する粉末層を焼結する際には、照射径を大きくする等してエネルギー密度を低くし、造形物の外郭側に位置する粉末層を焼結する際にのみ照射径を小さくしてエネルギー密度を高くするようにしている。
【０００６】
しかしながら、このような従来技術では、照射径の切り換えを要することや、単一のガルバノスキャナ装置による走査パターンが多くなること等から、制御が複雑になる傾向がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３３６５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、造形効率を向上することができる三次元造形装置の構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため本発明の基本構成は、粉末供給装置によって粉末層を形成する積層工程と、光ビーム又は電子ビーム走査手段によって光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を移動させて前記粉末層を焼結する焼結工程とを交互に繰り返すようにした三次元造形装置において、三次元形状造形物の製造に用いる領域を複数に分割し、これら複数の分割領域を、各分割領域に対応する複数の前記光ビーム又は電子ビーム走査手段によってそれぞれ照射する三次元造形装置からなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、以上説明したように構成されているので、複数の分割領域を同時に焼結化して、造形効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る三次元造形装置の一例を模式的に示す斜視図である。
【図２】複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段と分割領域との関係を示す模式図である。
【図３】分割領域の他例を示す平面図である。
【図４】分割領域の他例を示す平面図である。
【図５】分割領域の他例を示す平面図である。
【図６】分割領域の他例を示す平面図である。
【図７】分割領域の他例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
前記基本構成においては、粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末供給装置と、光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を移動させる光ビーム又は電子ビーム走査手段とを備え、前記粉末層の形成と、前記光ビーム又は電子ビーム照射による粉末層の焼結とを交互に繰り返すことで、三次元形状造形物を製造する三次元造形装置において、三次元形状造形物の製造に用いる領域を複数に分割し、これら複数の分割領域を、複数の前記光ビーム又は電子ビーム走査手段によってそれぞれ照射している。
【００１３】
ここで、前記「三次元形状造形物の製造に用いる領域」には、例えば、粉末層が積層される造形テーブルの表面や、該造形テーブルに積層された粉末層の表面等を含む。
【００１４】
前記構成によれば、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段によって複数の分割領域に対する焼結を同時進行させることができるため、単位面積当たりの焼結時間を短縮化することができる。
【００１５】
第１の実施形態においては、具体的に好ましい態様として、前記分割領域が、前記粉末層が堆積される造形テーブルの表面を、等面積に分割する領域であることを特徴としている（図２及び図７参照）。
【００１６】
第２の実施形態においては、前記分割領域が、前記粉末層上の被造形領域を等面積に分割した領域であることを特徴としている（図３参照）。
【００１７】
第３の実施形態においては、前記分割領域が、前記光ビーム又は電子ビームの走査経路となる造形パスの長さが均等になるように分割された領域であることを特徴としている（図４参照）。
【００１８】
第４の実施形態においては、前記粉末層の表面に、被造形領域の輪郭から内部側へ離れた無端輪状の境界線を単数もしくは複数設定し、前記分割領域を、前記境界線によって区分された複数の領域であることを特徴としている（図５参照）。
【００１９】
第５の実施形態においては、前記被造形領域における輪郭寄りの分割領域に対応する前記光ビーム又は電子ビーム走査手段と、同被造形領域における中心部寄りの分割領域に対応する前記光ビーム又は電子ビーム走査手段における単位面積当たりの照射量につき、中心部寄りとなるにしたがって小さくなるように制御するか、又は大きくなるように制御することを特徴としている。
【００２０】
ここで、前記「単位面積当たりの照射量につき、中心部寄りとなるにしたがって小さくなるように制御した」という構成には、光ビーム又は電子ビームの照射径を大きくする構成の態様、及び光ビーム又は電子ビーム発振装置の出力を小さくする構成の態様等を含む。
同様に、「単位面積当たりの照射量につき、中心部寄りとなるにしたがって大きくなるように制御した」という構成には、光ビーム又は電子ビームの照射径を小さくする構成の態様、及び光ビーム又は電子ビーム発振装置の出力を大きくする構成の態様等を含むが、このような構成の態様の採用は例外的である。
【００２１】
上記実施形態の構成によれば、造形物外表面と、造形物内部とを異なる密度で、短時間に焼結することができる。
【００２２】
第６の実施形態においては、上記第１乃至第５の実施形態において、隣接する二つの分割領域に対応する二つの前記光ビーム又は電子ビーム走査手段について、その一方の光ビーム又は電子ビーム走査手段による光ビーム又は電子ビームの照射領域と、他方の光ビーム又は電子ビーム走査手段による光ビーム又は電子ビームの照射領域とを、前記二つの分割領域の間寄りで重なり合うようにすることを特徴としている。
【００２３】
この構成によれば、隣接する分割領域間において、隣接する二つの光ビーム又は電子ビームの照射径の僅か誤差等により隣接する走査線の接触部分に段差が生じたり、これら隣接する走査線の間に僅かな隙間が生じたりすることにより、隣接する分割領域間に、焼結密度のムラに起因する筋等が形成されるようなことを防ぐことができる。
【００２４】
第７の実施形態においては、上記第１乃至第６の態様において、分割領域の数を光ビーム又は電子ビーム走査手段の数よりも多く設定することを特徴としている。
尚、第７の実施形態の技術的効果は、図７に即した実施例６において後述する通りである。
【実施例１】
【００２５】
次に、上記特徴を有する好ましい実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００２６】
この三次元造形装置１は、図１に示すように、昇降可能な造形テーブル１０と、該造形テーブル１０の上方側に設けられた複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０と、造形テーブル１０の昇降や各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の動作等を制御するコントローラ３０と、造形テーブル１０上に粉末材料を供給する粉末供給装置４０とを具備し、粉末材料を供給して粉末層を形成する積層工程と、光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を移動させて前記粉末層を焼結する焼結工程とを交互に繰り返して三次元形状造形物を製造する。
【００２７】
造形テーブル１０は、上面を平坦状に形成したテーブルであり、図示しない昇降機構によって昇降するように構成されている。
【００２８】
この造形テーブル１０は、後述する粉末供給装置４０及び光ビーム又は電子ビーム走査手段２０により粉末層の形成と該粉末層の部分的な焼結が繰り返される毎に、下方へ所定量移動する。
【００２９】
なお、他例としては、この造形テーブル１０を昇降不能に固定し、粉末供給装置４０を昇降させる構造とすることも可能である。
【００３０】
光ビーム又は電子ビーム走査手段２０は、光ビーム又は電子ビーム発振装置（図示せず）から発せられる光ビーム又は電子ビームを、二つの反射ミラー２１，２１により反射させて、造形テーブル１０上の粉末層の上面に照射するととものその照射位置を平面方向へ移動させる二軸式のガルバノスキャナ装置である。
【００３１】
各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０は、コントローラ３０からの操作指令に応じて、二つの反射ミラー２１，２１を、それぞれモーター２２，２２により独立して回転させ、この回転により、粉末層上面に照射される光ビーム又は電子ビームを、ＣＣＤカメラ等の撮像装置（図示せず）により撮像した造形テーブル１０上の基準位置を原点にしてＸＹ方向へ走査する。
【００３２】
なお、図１中、符号２３は、コントローラ３０の制御電圧を増幅して各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０へ供給するアンプである。
【００３３】
また、前記光ビーム又は電子ビーム発振装置は、例えば、光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の数よりも少ない数のレーザ光源を備え、該レーザ光源から出射されるレーザ光を、プリズムやレンズ等の光学手段により分光し、それぞれの光を光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の反射ミラー２１へ照射する構成とすればよい。なお、光ビーム又は電子ビーム発振装置の他例としては、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０毎にレーザ光源を具備することも可能である。
【００３４】
コントローラ３０は、加工プログラム及び加工データ等を記憶する記憶部、ＣＰＵ、及び入出力インターフェース等を具備した制御回路であり、例えば、マイコンやプログラマブルコントローラ、その他の電子回路により構成すればよい。
【００３５】
このコントローラ３０には、図示しないＣＡＤ／ＣＡＭシステムにより生成された三次元データ（例えば、ＳＴＬ形式データ等）や、光ビーム又は電子ビームの照射径、光ビーム又は電子ビームの照射出力等のデータが入力される。そして、コントローラ３０は、前記データを予め記憶した加工プログラムに基づき演算処理し、その処理結果に応じて、光ビーム又は電子ビーム発振装置（図示せず）や、造形テーブル１０の昇降機構（図示せず）、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０等を制御する。
【００３６】
光ビーム又は電子ビームの照射径を変更することは、凸レンズ又凹レンズの採用によって実現することができる。
【００３７】
上記レンズ以外には、光ビーム又は電子ビームの光路中に、ビーム径を変えることが可能な絞り機構を採用することが出来る。
【００３８】
具体的には、例えば、径の異なる複数の絞り孔を有するマスク板を備え、このマスク板を移動させて、前記複数の絞り孔を選択的に光ビーム又は電子ビームの光路上に移動させる構造とすればよい。
【００３９】
また、粉末供給装置４０は、水平に移動しながら平面上に金属製又は非金属製の粉末材料を供給しスキージングすることで、略平坦状の粉末層を形成する周知の装置である。この造形テーブル１０は、造形テーブル１０の上方側を略水平に移動するように設けられ、造形テーブル１０上面に粉末層を形成したり、該粉末層上にさらに粉末層を積層したりする。
【００４０】
先ず、コントローラ３０は、予め記憶した加工プログラムに基づき、粉末供給装置４０を動作させ、造形テーブル１０上に粉末層を形成する。この後、コントローラ３０は、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を動作させて、前記粉末層の上表面に光ビーム又は電子ビームを照射する。
【００４１】
詳細に説明すれば、コントローラ３０は、図２に示すように、造形テーブル１０上の領域を、略同一形状（図示例によれば正方形状）の複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして認識し、これら複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに、一対一で対応するように、前記複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を割り当てる。さらに、同コントローラ３０は、造形テーブル１０上に、前記三次元データ等に基づき、前記複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに跨る被造形領域Ｅを設定する。
【００４２】
被造形領域Ｅは、当該三次元造形装置１によって製造される三次元形状造形物を、造形テーブル１０に平行する平面で切断した断面に対応しており、前記三次元形状造形物の形状に応じて、複数の粉末層毎に異なる形状となる場合や、同一形状となる場合等がある。
【００４３】
コントローラ３０は、各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を制御することで、各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０に対応する分割領域Ａ（Ｂ，Ｃ又はＤ）と被造形領域Ｅとが重なる領域ａ（ｂ，ｃ又はｄ）に対し、光ビーム又は電子ビームを照射するとともに、その照射位置を所定の造形パスに沿って移動する。
【００４４】
前記造形パスは、光ビーム又は電子ビームの走査経路であり、コントローラ３０が前記三次元データ等に基づき設定し所定の記憶領域に記憶している。
【００４５】
この造形パスには、被造形領域Ｅの輪郭に沿って光ビーム又は電子ビームを走査せるためのベクトル造形パスと、被造形領域Ｅの内側の領域をハッチングするようにして光ビーム又は電子ビームを走査せるためのラスタ造形パスとの２種類があり、それぞれ、粉末層毎に設定される。
【００４６】
前記ラスタ造形パスは、前記領域ａ（ｂ，ｃ又はｄ）毎に設定され、例えば、光ビーム又は電子ビームオン状態で領域ａ内の一端側から他端側へ向かう直線状走査経路と、光ビーム又は電子ビームオフ状態で前記直線状走査経路の前記一端側からオフセットした位置へ向かう戻り走査経路とを交互に繰り返した経路とされる。なお、このラスタ造形パスは、前記パターン以外の他のパターンとすることが可能である。
【００４７】
前記のようにして造形パスに沿って光ビーム又は電子ビームの走査が行われると、粉末層上面の被造形領域Ｅが光ビーム又は電子ビームの熱により焼結する。この後、コントローラ３０は、造形テーブル１０を粉末層の厚み分だけ下降させ、被造形領域Ｅを含む粉末層の上面に対し、粉末供給装置４０により新たな粉末層を形成する。
【００４８】
そして、コントローラ３０は、上述した最初の粉末層に対する加工と同様に、前記新たな粉末層の上面を複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして認識し、これら複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに、一対一で対応するように、前記複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を割り当てるとともに、新たな粉末層の上面に、前記複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに跨る被造形領域Ｅを設定する。
【００４９】
次に、コントローラ３０は、各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を制御することで、各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０に対応する分割領域Ａ（Ｂ，Ｃ又はＤ）と被造形領域Ｅとが重なる各領域ａ（ｂ，ｃ又はｄ）に対し、光ビーム又は電子ビームを照射するとともに、その照射位置を予め設定された造形パスに沿って移動し、新たな粉末層を焼結するとともに、この焼結部分を先の粉末層の焼結部分に一体化する。
【００５０】
以降、造形テーブル１０の下降と、粉末供給装置４０による粉末層の形成と、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の光ビーム又は電子ビーム走査による焼結とが順番に繰り返されることで、所定の三次元形状造形物が製造される。なお、前記行程中、焼結層の外周部は、必要に応じて、図示しない切削加工装置により高精度に切削加工される。
【００５１】
よって、上記構成の三次元造形装置１によれば、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０により、複数の分割された領域ａ，ｂ，ｃ，ｄに対する焼結を同時進行させることができ、このことによって粉末層毎の焼結時間を短縮化することができ、ひいては、一つの三次元形状造形物全体に対する焼結時間を大幅に短縮して、造形効率を向上することができる。
【００５２】
しかも、例えば、単一の光ビーム又は電子ビーム走査手段により一つの被造形領域Ｅを焼結しようとした場合には、走査経路の最初寄りと後寄りとで時間差に起因する温度差が生じるため、造形物に反り等の形状変形が生じるおそれがあるが、上記三次元造形装置１によれば、複数の領域を同時に焼結するようにしているため、前記時間差及び温度差を小さくして、前記形状変更を抑制することができる。
【００５３】
次に、三次元形状造形物の製造に用いる領域を複数に分割する手段について、他の実施例を説明する。なお、以下に示す実施例は、上記実施例１の一部分を変更したものであるため、主にその変更部分について詳述し、重複する詳細説明を省略する。
【実施例２】
【００５４】
図３に示す態様では、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０が割り当てられる分割領域を、前記粉末層上の被造形領域Ｅ内を等面積に分割した領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとしている。
【００５５】
これら分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、コントローラ３０が、前記三次元データ等に基づき、積層される粉末層毎に予め算出したものである。
【００５６】
よって、図３に示す態様においても、上記態様と同様に、複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに対する焼結を同時進行させて、造形効率を向上するとともに、温度差等による形状変形を抑制することができる。
【実施例３】
【００５７】
図４に示す態様では、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０が割り当てられる分割領域を、ベクトル造形パスおよびラスタ造形パスを含む造形パスの長さが均等になるように分割された領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとしている。なお、図４中、破線は分割線を示す。
【００５８】
すなわち、複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄには、それぞれ対応するように、複数の造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄが設定される。これら造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄは、コントローラ３０が、前記三次元データ等に基づき、積層される粉末層毎に予め算出したものである。
【００５９】
複数に区分された複数の造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ中、被造形領域Ｅの輪郭に凹凸を有する造形パス（例えばＰａ）は、前記輪郭に沿うベクトル造形パスが長くなることから、比較的面積が小さい場合でも、距離が長くなる傾向にある。
【００６０】
よって、図４に示す態様によれば、複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおける複数の造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄが略同一長さであるため、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０による走査を略同時に開始して略同時に終了することができ、ひいては、造形効率をより向上するとともに、温度差等による形状変形を抑制することができる。
【実施例４】
【００６１】
図５に示す態様では、各粉末層の表面に、被造形領域Ｅの輪郭から内部側へ異なる距離だけ離れた複数の無端輪状の境界線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を設定し、これら境界線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３によって区分された複数の領域を、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０が割り当てられる複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとしたものである。
【００６２】
さらに、この態様では、被造形領域Ｅにおける輪郭寄りの分割領域に対応する光ビーム又は電子ビーム走査手段２０と、同被造形領域Ｅにおける中心部寄りの分割領域に対応する光ビーム又は電子ビーム走査手段２０とを、単位面積当たりの照射量が異なるように制御している。
【００６３】
詳細に説明すれば、最も輪郭寄りの分割領域Ａに対応する光ビーム又は電子ビームの照射径は、他の分割領域Ｂ，Ｃ，Ｄに対応する三つの光ビーム又は電子ビームの照射径よりも小さく設定される。
【００６４】
また、前記他の分割領域Ｂ，Ｃ，Ｄに対応する三つの光ビーム又は電子ビームは、同一の照射径に設定される。
【００６５】
よって、図５に示す態様によれば、上記態様と同様に、複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに対する焼結を同時進行させて、造形効率を向上するとともに、温度差等による形状変形を抑制することができる上、最も外側の分割領域Ａを、その内部側の分割領域Ｂ，Ｃ，Ｄよりも高密度に焼結することができ、ひいては、完成する三次元形状造形物の強度及び品質等を向上することができる。
【００６６】
なお、図５に示すように、前記境界線を複数としているが、他例としては、前記境界線を単数とするとともに前記分割領域を二つにすることも可能である。
【００６７】
また、図５に示すように、内外に隣接する境界線間の幅を不均一にしているが、他例としては、均一になるようにしてもよい。
【００６８】
また、他例としては、内部側の分割領域Ｂ，Ｃ，Ｄに対応する光ビーム又は電子ビームの照射径を順番に大きくして、内部へゆくほど低密度に焼結される構成としてもよい。
【００６９】
さらに、他例としては、照射径の大小関係を前記と逆にして、外部へ行くほど低密度に焼結される構成とすることも可能である。
【実施例５】
【００７０】
また、図６に示す態様は、図２に示す態様と同様にして複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを設定するとともに、隣接する二つの分割領域ＡとＢ（ＢとＤ，ＤとＣ又はＣとＡ）に対応する二つの光ビーム又は電子ビーム走査手段２０，２０について、その一方の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０による光ビーム又は電子ビームの照射領域と、他方の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０による光ビーム又は電子ビームの照射領域とを、前記二つの分割領域の間寄りで重なり合うようにしている。
【００７１】
すなわち、図６に示すように、隣接する二つの分割領域ＡとＢ（ＢとＤ，ＤとＣおよびＣとＡ）の間寄りには、光ビーム又は電子ビームの照射領域が重なり合った重複部分ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａが設けられる。
【００７２】
よって、図６に示す態様よれば、分割領域ＡとＢ（ＢとＤ，ＤとＣおよびＣとＡ）の境目に、スジ状の焼結ムラが形成されるのを防ぐことができる。すなわち、例えば、前記重複部分ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａを具備しない場合には、隣り合う分割領域に対応する二つの光ビーム又は電子ビームの照射径の微差や、隣り合う分割領域に対応する二つの光ビーム又は電子ビームの照射径間の若干の隙間等に起因して、分割領域の境目に、焼結密度のムラ等によるスジが形成されるおそれがあるが、前記態様では、前記重複部分ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａにより前記問題を軽減することができる。
【００７３】
なお、図示例によれば、前記重複部分ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａの幅を略均一にしたが、前記スジ等をより生じ難くする好ましい他例としては、前記重複部分ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａの幅を、該幅に直行する長手方向へわたって適宜に変化させるようにしてもよい。
【実施例６】
【００７４】
また、図７に示す態様は、三次元形状造形物の製造に用いる分割領域の数を、光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の数よりも多く設定したものである。
【００７５】
光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の数よりも多い複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄには、上述した複数（図示例によれば４つ）の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０が、適宜に割り当てられる。
【００７６】
図示例によれば、三つの分割領域Ａ、二つ分割領域Ｂ、一つの分割領域Ｃ、二つの分割領域Ｄに対し、それぞれ、一つの光ビーム又は電子ビーム走査手段２０が割り当てられるようになっている。なお、図７中、符号を有さない領域は、何れの光ビーム又は電子ビーム走査手段２０も割り当てられていない。
【００７７】
したがって、実施例６においては、例えば、平面方向の形状が複雑な場合に、各部を効率的に焼結したり、分割領域に応じて光ビーム又は電子ビームの照射径を変えて、平面方向に焼結密度の異なる部分を形成したり等、より多様性に富んだ造形が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明による三次元造形装置においては、造形領域を複数に分割することによって、効率的に造形を実現することが出来、その利用価値は絶大である。
【符号の説明】
【００７９】
１０：造形テーブル
２０：光ビーム又は電子ビーム走査手段
３０：コントローラ
４０：粉末供給装置
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ：分割領域
Ｅ：被造形領域
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３：境界線
Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ：造形パス
ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａ：重複部分
【図１】
2015199195.tif 000003
【図２】
2015199195.tif 000004
【図３】
2015199195.tif 000005
【図４】
2015199195.tif 000006
【図５】
2015199195.tif 000007
【図６】
2015199195.tif 000008
【図７】
2015199195.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成26年8月13日(2014.8.13)
【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】
粉末供給装置によって粉末層を形成する積層工程と、光ビーム又は電子ビーム走査手段によって光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を移動させて前記粉末層を焼結する焼結工程とを交互に繰り返すようにした三次元造形装置において、三次元形状造形物の製造に用いる領域を、前記光ビーム又は電子ビームの走査経路となる造形パスの長さが均等になるように複数に分割し、これら複数の分割領域を、各分割領域に対応する複数の前記光ビーム又は電子ビーム走査手段によってそれぞれ照射するようにしたことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記粉末層の表面に、被造形領域の輪郭から内部側へ離れた無端輪状の境界線を単数もしくは複数設定し、前記分割領域を、前記境界線によって区分された複数の領域とすることを特徴とする請求項１記載の三次元造形装置。
【請求項３】
前記被造形領域における輪郭寄りの分割領域に対応する前記光ビーム又は電子ビーム走査手段と、同被造形領域における中心部寄りの分割領域に対応する前記光ビーム又は電子ビーム走査手段における単位面積当たりの照射量につき、中心部寄りとなるにしたがって小さくなるように制御するか又は大きくなるように制御することを特徴とする請求項２記載の三次元造形装置。
【請求項４】
隣接する二つの分割領域に対応する二つの前記光ビーム又は電子ビーム走査手段について、その一方の光ビーム又は電子ビーム走査手段による光ビーム又は電子ビームの照射領域と、他方の光ビーム又は電子ビーム走査手段による光ビーム又は電子ビームの照射領域とを、前記二つの分割領域の間寄りで重なり合うようにすることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の三次元造形装置。
【請求項５】
分割領域の数を光ビーム又は電子ビーム走査手段の数よりも多く設定することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の三次元造形装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末材料を積層し焼結して三次元形状の造形物を製造する三次元造形装置及び三次元形状造形物の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の発明では、粉末供給装置から粉末材料を供給して粉末層を形成する工程と、該工程によって形成された粉末層の所定領域に光ビーム又は電子ビームを照射して前記所定領域の粉末を焼結する工程とを繰り返すことにより、多数の焼結層からなる三次元形状の造形物を製造するようにしている。
【０００３】
ところで、前記従来技術では、光ビーム又は電子ビームを照射するために、ガルバノスキャナ装置を用いる場合が多い。例えば、特許文献１に記載の発明では、レーザ発振器（２０）から出射される光ビーム又は電子ビームを、単一のガルバノスキャナ装置（スキャナ２２）に反射させるとともにその反射方向を変化させて粉末層に照射している。このような構成によれば、ガルバノスキャナ装置によって高速に光ビーム又は電子ビームの照射位置を移動させることが可能となり、造形時間の短縮に効果がある。
【０００４】
しかしながら、粉末材料を焼結するためには、高エネルギー照射が必要となり、光ビーム又は電子ビームを集約する必要がある。通常、焼結に使用する光ビーム又は電子ビームは、200Wレーザであり、照射径が0.1mm以下になるまで集光し、高エネルギー化する。前記のように照射径が極小であること等から、比較的大きな造形物を製作する場合は、ガルバノスキャナ装置を用いたとしても非常に時間がかかることが課題となっている。
【０００５】
また、通常の三次元造形物では、表面の硬度及び密度を高くすることが要求されるが、内部の硬度及び密度については比較的低くてもよい場合が多い。このため、従来技術では、造形時間の短縮のために、造形物の内部側に位置する粉末層を焼結する際には、照射径を大きくする等してエネルギー密度を低くし、造形物の外郭側に位置する粉末層を焼結する際にのみ照射径を小さくしてエネルギー密度を高くするようにしている。
【０００６】
しかしながら、このような従来技術では、照射径の切り換えを要することや、単一のガルバノスキャナ装置による走査パターンが多くなること等から、制御が複雑になる傾向がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３３６５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、造形効率を向上することができる三次元造形装置の構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため本発明の基本構成は、粉末供給装置によって粉末層を形成する積層工程と、光ビーム又は電子ビーム走査手段によって光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を移動させて前記粉末層を焼結する焼結工程とを交互に繰り返すようにした三次元造形装置において、三次元形状造形物の製造に用いる領域を、前記光ビーム又は電子ビームの走査経路となる造形パスの長さが均等になるように複数に分割し、これら複数の分割領域を、各分割領域に対応する複数の前記光ビーム又は電子ビーム走査手段によってそれぞれ照射する三次元造形装置からなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、以上説明したように構成されているので、複数の分割領域を同時に焼結化して、造形効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態及び実施例１の構成を示す平面図である。
【図２】実施形態２及び実施例２の構成を示す平面図である。
【図３】実施形態３及び実施例３の構成を示す平面図である。
【図４】本発明の基本構成を示す平面図である。
【図５】三次元造形装置の製造領域を複数に分割する基本原理を模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
前記基本構成においては、粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末供給装置と、光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を移動させる光ビーム又は電子ビーム走査手段とを備え、前記粉末層の形成と、前記光ビーム又は電子ビーム照射による粉末層の焼結とを交互に繰り返すことで、三次元形状造形物を製造する三次元造形装置において、三次元形状造形物の製造に用いる領域を、前記光ビーム又は電子ビームの走査経路となる造形パスの長さが均等になるように複数に分割し、これら複数の分割領域を、複数の前記光ビーム又は電子ビーム走査手段によってそれぞれ照射している。
【００１３】
ここで、前記「三次元形状造形物の製造に用いる領域」には、例えば、粉末層が積層される造形テーブルの表面や、該造形テーブルに積層された粉末層の表面等を含む。
【００１４】
前記構成によれば、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段によって複数の分割領域に対する焼結を同時進行させることができるため、単位面積当たりの焼結時間を短縮化することができる。
【００１５】
三次元造形装置１は、図５に示すように、昇降可能な造形テーブル１０と、該造形テーブル１０の上方側に設けられた複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０と、造形テーブル１０の昇降や各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の動作等を制御するコントローラ３０と、造形テーブル１０上に粉末材料を供給する粉末供給装置４０とを具備し、粉末材料を供給して粉末層を形成する積層工程と、光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を移動させて前記粉末層を焼結する焼結工程とを交互に繰り返して三次元形状造形物を製造する。
【００１６】
造形テーブル１０は、上面を平坦状に形成したテーブルであり、図示しない昇降機構によって昇降するように構成されている。
【００１７】
造形テーブル１０は、後述する粉末供給装置４０及び光ビーム又は電子ビーム走査手段２０により粉末層の形成と該粉末層の部分的な焼結が繰り返される毎に、下方へ所定量移動する。
【００１８】
なお、他例としては、この造形テーブル１０を昇降不能に固定し、粉末供給装置４０を昇降させる構造とすることも可能である。
【００１９】
光ビーム又は電子ビーム走査手段２０は、光ビーム又は電子ビーム発振装置（図示せず）から発せられる光ビーム又は電子ビームを、二つの反射ミラー２１，２１により反射させて、造形テーブル１０上の粉末層の上面に照射するととものその照射位置を平面方向へ移動させる二軸式のガルバノスキャナ装置である。
【００２０】
各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０は、コントローラ３０からの操作指令に応じて、二つの反射ミラー２１，２１を、それぞれモーター２２，２２により独立して回転させ、この回転により、粉末層上面に照射される光ビーム又は電子ビームを、ＣＣＤカメラ等の撮像装置（図示せず）により撮像した造形テーブル１０上の基準位置を原点にしてＸＹ方向へ走査する。
【００２１】
なお、図５中、符号２３は、コントローラ３０の制御電圧を増幅して各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０へ供給するアンプである。
【００２２】
また、前記光ビーム又は電子ビーム発振装置は、例えば、光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の数よりも少ない数のレーザ光源を備え、該レーザ光源から出射されるレーザ光を、プリズムやレンズ等の光学手段により分光し、それぞれの光を光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の反射ミラー２１へ照射する構成とすればよい。なお、光ビーム又は電子ビーム発振装置の他例としては、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０毎にレーザ光源を具備することも可能である。
【００２３】
コントローラ３０は、加工プログラム及び加工データ等を記憶する記憶部、ＣＰＵ、及び入出力インターフェース等を具備した制御回路であり、例えば、マイコンやプログラマブルコントローラ、その他の電子回路により構成すればよい。
【００２４】
このコントローラ３０には、図示しないＣＡＤ／ＣＡＭシステムにより生成された三次元データ（例えば、ＳＴＬ形式データ等）や、光ビーム又は電子ビームの照射径、光ビーム又は電子ビームの照射出力等のデータが入力される。そして、コントローラ３０は、前記データを予め記憶した加工プログラムに基づき演算処理し、その処理結果に応じて、光ビーム又は電子ビーム発振装置（図示せず）や、造形テーブル１０の昇降機構（図示せず）、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０等を制御する。
【００２５】
光ビーム又は電子ビームの照射径を変更することは、凸レンズ又凹レンズの採用によって実現することができる。
【００２６】
上記レンズ以外には、光ビーム又は電子ビームの光路中に、ビーム径を変えることが可能な絞り機構を採用することが出来る。
【００２７】
具体的には、例えば、径の異なる複数の絞り孔を有するマスク板を備え、このマスク板を移動させて、前記複数の絞り孔を選択的に光ビーム又は電子ビームの光路上に移動させる構造とすればよい。
【００２８】
また、粉末供給装置４０は、水平に移動しながら平面上に金属製又は非金属製の粉末材料を供給しスキージングすることで、略平坦状の粉末層を形成する周知の装置である。この造形テーブル１０は、造形テーブル１０の上方側を略水平に移動するように設けられ、造形テーブル１０上面に粉末層を形成したり、該粉末層上にさらに粉末層を積層したりする。
【００２９】
先ず、コントローラ３０は、予め記憶した加工プログラムに基づき、粉末供給装置４０を動作させ、造形テーブル１０上に粉末層を形成する。この後、コントローラ３０は、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を動作させて、前記粉末層の上表面に光ビーム又は電子ビームを照射する。
【００３０】
前記基本構成においては、図４に示すように、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０が割り当てられる分割領域を、ベクトル造形パスおよびラスタ造形パスを含む造形パスの長さが均等になるように分割された領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとしている。なお、図４中、破線は分割線を示す。
【００３１】
すなわち、複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄには、それぞれ対応するように、複数の造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄが設定される。これら造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄは、コントローラ３０が、前記三次元データ等に基づき、積層される粉末層毎に予め算出したものである。
【００３２】
複数に区分された複数の造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ中、被造形領域Ｅの輪郭に凹凸を有する造形パス（例えばＰａ）は、前記輪郭に沿うベクトル造形パスが長くなることから、比較的面積が小さい場合でも、距離が長くなる傾向にある。
【００３３】
よって、前記基本構成によれば、複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおける複数の造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄが略同一長さであるため、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０による走査を略同時に開始して略同時に終了することができ、ひいては、造形効率をより向上するとともに、温度差等による形状変形を抑制することができる。
【００３４】
本発明の実施形態に関し、図５の基本原理図に即して更に詳細に説明する。
【００３５】
昇降可能な造形テーブル１０と、該造形テーブル１０の上方側に設けられた複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０と、造形テーブル１０の昇降や各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の動作等を制御するコントローラ３０と、造形テーブル１０上に粉末材料を供給する粉末供給装置４０とを具備し、粉末材料を供給して粉末層を形成する積層工程と、光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を移動させて前記粉末層を焼結する焼結工程とを交互に繰り返して三次元形状造形物を製造する。
【００３６】
造形テーブル１０は、上面を平坦状に形成したテーブルであり、図示しない昇降機構によって昇降するように構成されている。
【００３７】
この造形テーブル１０は、後述する粉末供給装置４０及び光ビーム又は電子ビーム走査手段２０により粉末層の形成と該粉末層の部分的な焼結が繰り返される毎に、下方へ所定量移動する。
【００３８】
なお、他例としては、この造形テーブル１０を昇降不能に固定し、粉末供給装置４０を昇降させる構造とすることも可能である。
【００３９】
光ビーム又は電子ビーム走査手段２０は、光ビーム又は電子ビーム発振装置（図示せず）から発せられる光ビーム又は電子ビームを、二つの反射ミラー２１，２１により反射させて、造形テーブル１０上の粉末層の上面に照射するととものその照射位置を平面方向へ移動させる二軸式のガルバノスキャナ装置である。
【００４０】
各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０は、コントローラ３０からの操作指令に応じて、二つの反射ミラー２１，２１を、それぞれモーター２２，２２により独立して回転させ、この回転により、粉末層上面に照射される光ビーム又は電子ビームを、ＣＣＤカメラ等の撮像装置（図示せず）により撮像した造形テーブル１０上の基準位置を原点にしてＸＹ方向へ走査する。
【００４１】
なお、図５中、符号２３は、コントローラ３０の制御電圧を増幅して各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０へ供給するアンプである。
【００４２】
また、前記光ビーム又は電子ビーム発振装置は、例えば、光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の数よりも少ない数のレーザ光源を備え、該レーザ光源から出射されるレーザ光を、プリズムやレンズ等の光学手段により分光し、それぞれの光を光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の反射ミラー２１へ照射する構成とすればよい。なお、光ビーム又は電子ビーム発振装置の他例としては、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０毎にレーザ光源を具備することも可能である。
【００４３】
コントローラ３０は、加工プログラム及び加工データ等を記憶する記憶部、ＣＰＵ、及び入出力インターフェース等を具備した制御回路であり、例えば、マイコンやプログラマブルコントローラ、その他の電子回路により構成すればよい。
【００４４】
このコントローラ３０には、図示しないＣＡＤ／ＣＡＭシステムにより生成された三次元データ（例えば、ＳＴＬ形式データ等）や、光ビーム又は電子ビームの照射径、光ビーム又は電子ビームの照射出力等のデータが入力される。そして、コントローラ３０は、前記データを予め記憶した加工プログラムに基づき演算処理し、その処理結果に応じて、光ビーム又は電子ビーム発振装置（図示せず）や、造形テーブル１０の昇降機構（図示せず）、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０等を制御する。
【００４５】
光ビーム又は電子ビームの照射径を変更することは、凸レンズ又凹レンズの採用によって実現することができる。
【００４６】
上記レンズ以外には、光ビーム又は電子ビームの光路中に、ビーム径を変えることが可能な絞り機構を採用することが出来る。
【００４７】
具体的には、例えば、径の異なる複数の絞り孔を有するマスク板を備え、このマスク板を移動させて、前記複数の絞り孔を選択的に光ビーム又は電子ビームの光路上に移動させる構造とすればよい。
【００４８】
また、粉末供給装置４０は、水平に移動しながら平面上に金属製又は非金属製の粉末材料を供給しスキージングすることで、略平坦状の粉末層を形成する周知の装置である。この造形テーブル１０は、造形テーブル１０の上方側を略水平に移動するように設けられ、造形テーブル１０上面に粉末層を形成したり、該粉末層上にさらに粉末層を積層したりする。
【００４９】
先ず、コントローラ３０は、予め記憶した加工プログラムに基づき、粉末供給装置４０を動作させ、造形テーブル１０上に粉末層を形成する。この後、コントローラ３０は、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を動作させて、前記粉末層の上表面に光ビーム又は電子ビームを照射する。
【００５０】
詳細に説明すれば、コントローラ３０は、図５に示すように、造形テーブル１０上の領域を、略同一形状（図示例によれば正方形状）の複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして認識し、これら複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに、一対一で対応するように、前記複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を割り当てる。さらに、同コントローラ３０は、造形テーブル１０上に、前記三次元データ等に基づき、前記複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに跨る被造形領域Ｅを設定する。
【００５１】
被造形領域Ｅは、当該三次元造形装置１によって製造される三次元形状造形物を、造形テーブル１０に平行する平面で切断した断面に対応しており、前記三次元形状造形物の形状に応じて、複数の粉末層毎に異なる形状となる場合や、同一形状となる場合等がある。
【００５２】
コントローラ３０は、各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を制御することで、各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０に対応する分割領域Ａ（Ｂ，Ｃ又はＤ）と被造形領域Ｅとが重なる領域ａ（ｂ，ｃ又はｄ）に対し、光ビーム又は電子ビームを照射するとともに、その照射位置を所定の造形パスに沿って移動する。
【００５３】
前記造形パスは、光ビーム又は電子ビームの走査経路であり、コントローラ３０が前記三次元データ等に基づき設定し所定の記憶領域に記憶している。
【００５４】
この造形パスには、被造形領域Ｅの輪郭に沿って光ビーム又は電子ビームを走査せるためのベクトル造形パスと、被造形領域Ｅの内側の領域をハッチングするようにして光ビーム又は電子ビームを走査せるためのラスタ造形パスとの２種類があり、それぞれ、粉末層毎に設定される。
【００５５】
前記ラスタ造形パスは、前記領域ａ（ｂ，ｃ又はｄ）毎に設定され、例えば、光ビーム又は電子ビームオン状態で領域ａ内の一端側から他端側へ向かう直線状走査経路と、光ビーム又は電子ビームオフ状態で前記直線状走査経路の前記一端側からオフセットした位置へ向かう戻り走査経路とを交互に繰り返した経路とされる。なお、このラスタ造形パスは、前記パターン以外の他のパターンとすることが可能である。
【００５６】
前記のようにして造形パスに沿って光ビーム又は電子ビームの走査が行われると、粉末層上面の被造形領域Ｅが光ビーム又は電子ビームの熱により焼結する。この後、コントローラ３０は、造形テーブル１０を粉末層の厚み分だけ下降させ、被造形領域Ｅを含む粉末層の上面に対し、粉末供給装置４０により新たな粉末層を形成する。
【００５７】
そして、コントローラ３０は、上述した最初の粉末層に対する加工と同様に、前記新たな粉末層の上面を複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして認識し、これら複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに、一対一で対応するように、前記複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を割り当てるとともに、新たな粉末層の上面に、前記複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに跨る被造形領域Ｅを設定する。
【００５８】
次に、コントローラ３０は、各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を制御することで、各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０に対応する分割領域Ａ（Ｂ，Ｃ又はＤ）と被造形領域Ｅとが重なる各領域ａ（ｂ，ｃ又はｄ）に対し、光ビーム又は電子ビームを照射するとともに、その照射位置を予め設定された造形パスに沿って移動し、新たな粉末層を焼結するとともに、この焼結部分を先の粉末層の焼結部分に一体化する。
【００５９】
以降、造形テーブル１０の下降と、粉末供給装置４０による粉末層の形成と、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の光ビーム又は電子ビーム走査による焼結とが順番に繰り返されることで、所定の三次元形状造形物が製造される。なお、前記行程中、焼結層の外周部は、必要に応じて、図示しない切削加工装置により高精度に切削加工される。
【００６０】
よって、上記構成の三次元造形装置１によれば、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０により、複数の分割された領域ａ，ｂ，ｃ，ｄに対する焼結を同時進行させることができ、このことによって粉末層毎の焼結時間を短縮化することができ、ひいては、一つの三次元形状造形物全体に対する焼結時間を大幅に短縮して、造形効率を向上することができる。
【００６１】
しかも、例えば、単一の光ビーム又は電子ビーム走査手段により一つの被造形領域Ｅを焼結しようとした場合には、走査経路の最初寄りと後寄りとで時間差に起因する温度差が生じるため、造形物に反り等の形状変形が生じるおそれがあるが、上記三次元造形装置１によれば、複数の領域を同時に焼結するようにしているため、前記時間差及び温度差を小さくして、前記形状変更を抑制することができる。
【００６２】
第１の実施形態においては、前記粉末層の表面に、被造形領域の輪郭から内部側へ離れた無端輪状の境界線を単数もしくは複数設定し、前記分割領域を、前記境界線によって区分された複数の領域であることを特徴としている（図１参照）。
【００６３】
前記第１の実施形態においては、前記被造形領域における輪郭寄りの分割領域に対応する前記光ビーム又は電子ビーム走査手段と、同被造形領域における中心部寄りの分割領域に対応する前記光ビーム又は電子ビーム走査手段における単位面積当たりの照射量につき、中心部寄りとなるにしたがって小さくなるように制御するか、又は大きくなるように制御することができる。
【００６４】
ここで、前記「単位面積当たりの照射量につき、中心部寄りとなるにしたがって小さくなるように制御した」という構成には、光ビーム又は電子ビームの照射径を大きくする構成の態様、及び光ビーム又は電子ビーム発振装置の出力を小さくする構成の態様等を含む。
同様に、「単位面積当たりの照射量につき、中心部寄りとなるにしたがって大きくなるように制御した」という構成には、光ビーム又は電子ビームの照射径を小さくする構成の態様、及び光ビーム又は電子ビーム発振装置の出力を大きくする構成の態様等を含むが、このような構成の態様の採用は例外的である。
【００６５】
上記実施形態の構成によれば、造形物外表面と、造形物内部とを異なる密度で、短時間に焼結することができる。
【００６６】
第２の実施形態においては、隣接する二つの分割領域に対応する二つの前記光ビーム又は電子ビーム走査手段について、その一方の光ビーム又は電子ビーム走査手段による光ビーム又は電子ビームの照射領域と、他方の光ビーム又は電子ビーム走査手段による光ビーム又は電子ビームの照射領域とを、前記二つの分割領域の間寄りで重なり合うようにすることを特徴としている（図２参照）。
【００６７】
この構成によれば、隣接する分割領域間において、隣接する二つの光ビーム又は電子ビームの照射径の僅か誤差等により隣接する走査線の接触部分に段差が生じたり、これら隣接する走査線の間に僅かな隙間が生じたりすることにより、隣接する分割領域間に、焼結密度のムラに起因する筋等が形成されるようなことを防ぐことができる。
【００６８】
第３の実施形態においては、分割領域の数を光ビーム又は電子ビーム走査手段の数よりも多く設定することを特徴としている（図３参照）。
【００６９】
以下、実施例にしたがって説明する。
【実施例１】
【００７０】
図１に示す態様では、各粉末層の表面に、被造形領域Ｅの輪郭から内部側へ異なる距離だけ離れた複数の無端輪状の境界線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を設定し、これら境界線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３によって区分された複数の領域を、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０が割り当てられる複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとしたものである（尚、図１においては、図４に示すような造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄの図示を省略している。）。
【００７１】
さらに、この態様では、被造形領域Ｅにおける輪郭寄りの分割領域に対応する光ビーム又は電子ビーム走査手段２０と、同被造形領域Ｅにおける中心部寄りの分割領域に対応する光ビーム又は電子ビーム走査手段２０とを、単位面積当たりの照射量が異なるように制御している。
【００７２】
詳細に説明すれば、最も輪郭寄りの分割領域Ａに対応する光ビーム又は電子ビームの照射径は、他の分割領域Ｂ，Ｃ，Ｄに対応する三つの光ビーム又は電子ビームの照射径よりも小さく設定される。
【００７３】
また、前記他の分割領域Ｂ，Ｃ，Ｄに対応する三つの光ビーム又は電子ビームは、同一の照射径に設定される。
【００７４】
よって、図１に示す態様によれば、上記態様と同様に、複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに対する焼結を同時進行させて、造形効率を向上するとともに、温度差等による形状変形を抑制することができる上、最も外側の分割領域Ａを、その内部側の分割領域Ｂ，Ｃ，Ｄよりも高密度に焼結することができ、ひいては、完成する三次元形状造形物の強度及び品質等を向上することができる。
【００７５】
なお、図１に示すように、前記境界線を複数としているが、他例としては、前記境界線を単数とするとともに前記分割領域を二つにすることも可能である。
【００７６】
また、図１に示すように、内外に隣接する境界線間の幅を不均一にしているが、他例としては、均一になるようにしてもよい。
【００７７】
また、他例としては、内部側の分割領域Ｂ，Ｃ，Ｄに対応する光ビーム又は電子ビームの照射径を順番に大きくして、内部へゆくほど低密度に焼結される構成としてもよい。
【００７８】
さらに、他例としては、照射径の大小関係を前記と逆にして、外部へ行くほど低密度に焼結される構成とすることも可能である。
【実施例２】
【００７９】
図２に示す態様は、複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを設定するとともに、隣接する二つの分割領域ＡとＢ（ＢとＤ，ＤとＣ又はＣとＡ）に対応する二つの光ビーム又は電子ビーム走査手段２０，２０について、その一方の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０による光ビーム又は電子ビームの照射領域と、他方の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０による光ビーム又は電子ビームの照射領域とを、前記二つの分割領域の間寄りで重なり合うようにしている（尚、図２においても、図４に示すような造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄの図示を省略している。）。
【００８０】
すなわち、図２に示すように、隣接する二つの分割領域ＡとＢ（ＢとＤ，ＤとＣおよびＣとＡ）の間寄りには、光ビーム又は電子ビームの照射領域が重なり合った重複部分ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａが設けられる。
【００８１】
よって、図２に示す態様よれば、分割領域ＡとＢ（ＢとＤ，ＤとＣおよびＣとＡ）の境目に、スジ状の焼結ムラが形成されるのを防ぐことができる。すなわち、例えば、前記重複部分ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａを具備しない場合には、隣り合う分割領域に対応する二つの光ビーム又は電子ビームの照射径の微差や、隣り合う分割領域に対応する二つの光ビーム又は電子ビームの照射径間の若干の隙間等に起因して、分割領域の境目に、焼結密度のムラ等によるスジが形成されるおそれがあるが、前記態様では、前記重複部分ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａにより前記問題を軽減することができる。
【００８２】
なお、図示例によれば、前記重複部分ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａの幅を略均一にしたが、前記スジ等をより生じ難くする好ましい他例としては、前記重複部分ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａの幅を、該幅に直交する長手方向へわたって適宜に変化させるようにしてもよい。
【実施例３】
【００８３】
図３に示す態様は、三次元形状造形物の製造に用いる分割領域の数を、光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の数よりも多く設定したものである（尚、図３においても、図４に示すような造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄの図示を省略している。）。
【００８４】
光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の数よりも多い複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄには、上述した複数（図示例によれば４つ）の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０が、適宜に割り当てられる。
【００８５】
図示例によれば、三つの分割領域Ａ、二つの分割領域Ｂ、一つの分割領域Ｃ、二つの分割領域Ｄに対し、それぞれ、一つの光ビーム又は電子ビーム走査手段２０が割り当てられるようになっている。なお、図３中、符号を有さない領域は、何れの光ビーム又は電子ビーム走査手段２０も割り当てられていない。
【００８６】
したがって、実施例３においては、例えば、平面方向の形状が複雑な場合に、各部を効率的に焼結したり、分割領域に応じて光ビーム又は電子ビームの照射径を変えて、平面方向に焼結密度の異なる部分を形成したり等、より多様性に富んだ造形が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明による三次元造形装置においては、造形領域を複数に分割することによって、効率的に造形を実現することが出来、その利用価値は絶大である。
【符号の説明】
【００８８】
１０：造形テーブル
２０：光ビーム又は電子ビーム走査手段
３０：コントローラ
４０：粉末供給装置
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ：分割領域
Ｅ：被造形領域
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３：境界線
Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ：造形パス
ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａ：重複部分
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2015199195.tif 000010
【図２】
2015199195.tif 000011
【図３】
2015199195.tif 000012
【図４】
2015199195.tif 000013
【図５】
2015199195.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月4日(2014.9.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末材料を積層し焼結して三次元形状の造形物を製造する三次元造形装置及び三次元形状造形物の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の発明では、粉末供給装置から粉末材料を供給して粉末層を形成する工程と、該工程によって形成された粉末層の所定領域に光ビーム又は電子ビームを照射して前記所定領域の粉末を焼結する工程とを繰り返すことにより、多数の焼結層からなる三次元形状の造形物を製造するようにしている。
【０００３】
ところで、前記従来技術では、光ビーム又は電子ビームを照射するために、ガルバノスキャナ装置を用いる場合が多い。例えば、特許文献１に記載の発明では、レーザ発振器（２０）から出射される光ビーム又は電子ビームを、単一のガルバノスキャナ装置（スキャナ２２）に反射させるとともにその反射方向を変化させて粉末層に照射している。このような構成によれば、ガルバノスキャナ装置によって高速に光ビーム又は電子ビームの照射位置を移動させることが可能となり、造形時間の短縮に効果がある。
【０００４】
しかしながら、粉末材料を焼結するためには、高エネルギー照射が必要となり、光ビーム又は電子ビームを集約する必要がある。通常、焼結に使用する光ビーム又は電子ビームは、200Wレーザであり、照射径が0.1mm以下になるまで集光し、高エネルギー化する。前記のように照射径が極小であること等から、比較的大きな造形物を製作する場合は、ガルバノスキャナ装置を用いたとしても非常に時間がかかることが課題となっている。
【０００５】
また、通常の三次元造形物では、表面の硬度及び密度を高くすることが要求されるが、内部の硬度及び密度については比較的低くてもよい場合が多い。このため、従来技術では、造形時間の短縮のために、造形物の内部側に位置する粉末層を焼結する際には、照射径を大きくする等してエネルギー密度を低くし、造形物の外郭側に位置する粉末層を焼結する際にのみ照射径を小さくしてエネルギー密度を高くするようにしている。
【０００６】
しかしながら、このような従来技術では、照射径の切り換えを要することや、単一のガルバノスキャナ装置による走査パターンが多くなること等から、制御が複雑になる傾向がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３３６５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、造形効率を向上することができる三次元造形装置の構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため本発明の基本構成は、粉末供給装置によって粉末層を形成する積層工程と、光ビーム又は電子ビーム走査手段によって光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を移動させて前記粉末層を焼結する焼結工程とを交互に繰り返すようにした三次元造形装置において、三次元形状造形物の製造に用いる領域を、前記光ビーム又は電子ビームの走査経路となる造形パスの長さが均等になるように複数に分割し、これら複数の分割領域を、各分割領域に対応する複数の前記光ビーム又は電子ビーム走査手段によってそれぞれ照射する三次元造形装置からなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、以上説明したように構成されているので、複数の分割領域を同時に焼結化して、造形効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１及び実施例１の構成を示す平面図である。
【図２】実施形態２及び実施例２の構成を示す平面図である。
【図３】実施形態３及び実施例３の構成を示す平面図である。
【図４】本発明の基本構成を示す平面図である。
【図５】三次元造形装置の製造領域を複数に分割する基本原理を模式的に示す斜視図である。
【図６】複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段と分割領域との関係を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
前記基本構成においては、粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末供給装置と、光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を移動させる光ビーム又は電子ビーム走査手段とを備え、前記粉末層の形成と、前記光ビーム又は電子ビーム照射による粉末層の焼結とを交互に繰り返すことで、三次元形状造形物を製造する三次元造形装置において、三次元形状造形物の製造に用いる領域を、前記光ビーム又は電子ビームの走査経路となる造形パスの長さが均等になるように複数に分割し、これら複数の分割領域を、複数の前記光ビーム又は電子ビーム走査手段によってそれぞれ照射している。
【００１３】
ここで、前記「三次元形状造形物の製造に用いる領域」には、例えば、粉末層が積層される造形テーブルの表面や、該造形テーブルに積層された粉末層の表面等を含む。
【００１４】
前記構成によれば、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段によって複数の分割領域に対する焼結を同時進行させることができるため、単位面積当たりの焼結時間を短縮化することができる。
【００１５】
三次元造形装置１は、図５に示すように、昇降可能な造形テーブル１０と、該造形テーブル１０の上方側に設けられた複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０と、造形テーブル１０の昇降や各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の動作等を制御するコントローラ３０と、造形テーブル１０上に粉末材料を供給する粉末供給装置４０とを具備し、粉末材料を供給して粉末層を形成する積層工程と、光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を移動させて前記粉末層を焼結する焼結工程とを交互に繰り返して三次元形状造形物を製造する。
【００１６】
造形テーブル１０は、上面を平坦状に形成したテーブルであり、図示しない昇降機構によって昇降するように構成されている。
【００１７】
造形テーブル１０は、後述する粉末供給装置４０及び光ビーム又は電子ビーム走査手段２０により粉末層の形成と該粉末層の部分的な焼結が繰り返される毎に、下方へ所定量移動する。
【００１８】
なお、他例としては、この造形テーブル１０を昇降不能に固定し、粉末供給装置４０を昇降させる構造とすることも可能である。
【００１９】
光ビーム又は電子ビーム走査手段２０は、光ビーム又は電子ビーム発振装置（図示せず）から発せられる光ビーム又は電子ビームを、二つの反射ミラー２１，２１により反射させて、造形テーブル１０上の粉末層の上面に照射するととものその照射位置を平面方向へ移動させる二軸式のガルバノスキャナ装置である。
【００２０】
各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０は、コントローラ３０からの操作指令に応じて、二つの反射ミラー２１，２１を、それぞれモーター２２，２２により独立して回転させ、この回転により、粉末層上面に照射される光ビーム又は電子ビームを、ＣＣＤカメラ等の撮像装置（図示せず）により撮像した造形テーブル１０上の基準位置を原点にしてＸＹ方向へ走査する。
【００２１】
なお、図５中、符号２３は、コントローラ３０の制御電圧を増幅して各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０へ供給するアンプである。
【００２２】
また、前記光ビーム又は電子ビーム発振装置は、例えば、光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の数よりも少ない数のレーザ光源を備え、該レーザ光源から出射されるレーザ光を、プリズムやレンズ等の光学手段により分光し、それぞれの光を光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の反射ミラー２１へ照射する構成とすればよい。なお、光ビーム又は電子ビーム発振装置の他例としては、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０毎にレーザ光源を具備することも可能である。
【００２３】
コントローラ３０は、加工プログラム及び加工データ等を記憶する記憶部、ＣＰＵ、及び入出力インターフェース等を具備した制御回路であり、例えば、マイコンやプログラマブルコントローラ、その他の電子回路により構成すればよい。
【００２４】
このコントローラ３０には、図示しないＣＡＤ／ＣＡＭシステムにより生成された三次元データ（例えば、ＳＴＬ形式データ等）や、光ビーム又は電子ビームの照射径、光ビーム又は電子ビームの照射出力等のデータが入力される。そして、コントローラ３０は、前記データを予め記憶した加工プログラムに基づき演算処理し、その処理結果に応じて、光ビーム又は電子ビーム発振装置（図示せず）や、造形テーブル１０の昇降機構（図示せず）、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０等を制御する。
【００２５】
光ビーム又は電子ビームの照射径を変更することは、凸レンズ又凹レンズの採用によって実現することができる。
【００２６】
上記レンズ以外には、光ビーム又は電子ビームの光路中に、ビーム径を変えることが可能な絞り機構を採用することが出来る。
【００２７】
具体的には、例えば、径の異なる複数の絞り孔を有するマスク板を備え、このマスク板を移動させて、前記複数の絞り孔を選択的に光ビーム又は電子ビームの光路上に移動させる構造とすればよい。
【００２８】
また、粉末供給装置４０は、水平に移動しながら平面上に金属製又は非金属製の粉末材料を供給しスキージングすることで、略平坦状の粉末層を形成する周知の装置である。この造形テーブル１０は、造形テーブル１０の上方側を略水平に移動するように設けられ、造形テーブル１０上面に粉末層を形成したり、該粉末層上にさらに粉末層を積層したりする。
【００２９】
先ず、コントローラ３０は、予め記憶した加工プログラムに基づき、粉末供給装置４０を動作させ、造形テーブル１０上に粉末層を形成する。この後、コントローラ３０は、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を動作させて、前記粉末層の上表面に光ビーム又は電子ビームを照射する。
【００３０】
詳細に説明すれば、コントローラ３０は、図６に示すように、造形テーブル１０上の領域を、略同一形状（図示例によれば正方形状）の複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして認識し、これら複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに、一対一で対応するように、前記複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を割り当てる。さらに、同コントローラ３０は、造形テーブル１０上に、前記三次元データ等に基づき、前記複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに跨る被造形領域Ｅを設定する。
【００３１】
被造形領域Ｅは、当該三次元造形装置１によって製造される三次元形状造形物を、造形テーブル１０に平行する平面で切断した断面に対応しており、前記三次元形状造形物の形状に応じて、複数の粉末層毎に異なる形状となる場合や、同一形状となる場合等がある。
【００３２】
コントローラ３０は、各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を制御することで、各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０に対応する分割領域Ａ（Ｂ，Ｃ又はＤ）と被造形領域Ｅとが重なる領域ａ（ｂ，ｃ又はｄ）に対し、光ビーム又は電子ビームを照射するとともに、その照射位置を所定の造形パスに沿って移動する。
【００３３】
前記造形パスは、光ビーム又は電子ビームの走査経路であり、コントローラ３０が前記三次元データ等に基づき設定し所定の記憶領域に記憶している。
【００３４】
この造形パスには、被造形領域Ｅの輪郭に沿って光ビーム又は電子ビームを走査せるためのベクトル造形パスと、被造形領域Ｅの内側の領域をハッチングするようにして光ビーム又は電子ビームを走査せるためのラスタ造形パスとの２種類があり、それぞれ、粉末層毎に設定される。
【００３５】
前記ラスタ造形パスは、前記領域ａ（ｂ，ｃ又はｄ）毎に設定され、例えば、光ビーム又は電子ビームオン状態で領域ａ内の一端側から他端側へ向かう直線状走査経路と、光ビーム又は電子ビームオフ状態で前記直線状走査経路の前記一端側からオフセットした位置へ向かう戻り走査経路とを交互に繰り返した経路とされる。なお、このラスタ造形パスは、前記パターン以外の他のパターンとすることが可能である。
【００３６】
前記のようにして造形パスに沿って光ビーム又は電子ビームの走査が行われると、粉末層上面の被造形領域Ｅが光ビーム又は電子ビームの熱により焼結する。この後、コントローラ３０は、造形テーブル１０を粉末層の厚み分だけ下降させ、被造形領域Ｅを含む粉末層の上面に対し、粉末供給装置４０により新たな粉末層を形成する。
【００３７】
そして、コントローラ３０は、上述した最初の粉末層に対する加工と同様に、前記新たな粉末層の上面を複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとして認識し、これら複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに、一対一で対応するように、前記複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を割り当てるとともに、新たな粉末層の上面に、前記複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに跨る被造形領域Ｅを設定する。
【００３８】
次に、コントローラ３０は、各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０を制御することで、各光ビーム又は電子ビーム走査手段２０に対応する分割領域Ａ（Ｂ，Ｃ又はＤ）と被造形領域Ｅとが重なる各領域ａ（ｂ，ｃ又はｄ）に対し、光ビーム又は電子ビームを照射するとともに、その照射位置を予め設定された造形パスに沿って移動し、新たな粉末層を焼結するとともに、この焼結部分を先の粉末層の焼結部分に一体化する。
【００３９】
以降、造形テーブル１０の下降と、粉末供給装置４０による粉末層の形成と、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の光ビーム又は電子ビーム走査による焼結とが順番に繰り返されることで、所定の三次元形状造形物が製造される。なお、前記行程中、焼結層の外周部は、必要に応じて、図示しない切削加工装置により高精度に切削加工される。
【００４０】
よって、上記構成の三次元造形装置１によれば、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０により、複数の分割された領域ａ，ｂ，ｃ，ｄに対する焼結を同時進行させることができ、このことによって粉末層毎の焼結時間を短縮化することができ、ひいては、一つの三次元形状造形物全体に対する焼結時間を大幅に短縮して、造形効率を向上することができる。
【００４１】
しかも、例えば、単一の光ビーム又は電子ビーム走査手段により一つの被造形領域Ｅを焼結しようとした場合には、走査経路の最初寄りと後寄りとで時間差に起因する温度差が生じるため、造形物に反り等の形状変形が生じるおそれがあるが、上記三次元造形装置１によれば、複数の領域を同時に焼結するようにしているため、前記時間差及び温度差を小さくして、前記形状変更を抑制することができる。
【００４２】
前記基本構成においては、図４に示すように、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０が割り当てられる分割領域を、ベクトル造形パスおよびラスタ造形パスを含む造形パスの長さが均等になるように分割された領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとしている。なお、図４中、破線は分割線を示す。
【００４３】
すなわち、複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄには、それぞれ対応するように、複数の造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄが設定される。これら造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄは、コントローラ３０が、前記三次元データ等に基づき、積層される粉末層毎に予め算出したものである。
【００４４】
複数に区分された複数の造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ中、被造形領域Ｅの輪郭に凹凸を有する造形パス（例えばＰａ）は、前記輪郭に沿うベクトル造形パスが長くなることから、比較的面積が小さい場合でも、距離が長くなる傾向にある。
【００４５】
よって、前記基本構成によれば、複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおける複数の造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄが略同一長さであるため、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０による走査を略同時に開始して略同時に終了することができ、ひいては、造形効率をより向上するとともに、温度差等による形状変形を抑制することができる。
【００４６】
第１の実施形態においては、前記粉末層の表面に、被造形領域の輪郭から内部側へ離れた無端輪状の境界線を単数もしくは複数設定し、前記分割領域を、前記境界線によって区分された複数の領域であることを特徴としている（図１参照）。
【００４７】
前記第１の実施形態においては、前記被造形領域における輪郭寄りの分割領域に対応する前記光ビーム又は電子ビーム走査手段と、同被造形領域における中心部寄りの分割領域に対応する前記光ビーム又は電子ビーム走査手段における単位面積当たりの照射量につき、中心部寄りとなるにしたがって小さくなるように制御するか、又は大きくなるように制御することができる。
【００４８】
ここで、前記「単位面積当たりの照射量につき、中心部寄りとなるにしたがって小さくなるように制御した」という構成には、光ビーム又は電子ビームの照射径を大きくする構成の態様、及び光ビーム又は電子ビーム発振装置の出力を小さくする構成の態様等を含む。
同様に、「単位面積当たりの照射量につき、中心部寄りとなるにしたがって大きくなるように制御した」という構成には、光ビーム又は電子ビームの照射径を小さくする構成の態様、及び光ビーム又は電子ビーム発振装置の出力を大きくする構成の態様等を含むが、このような構成の態様の採用は例外的である。
【００４９】
上記実施形態の構成によれば、造形物外表面と、造形物内部とを異なる密度で、短時間に焼結することができる。
【００５０】
第２の実施形態においては、隣接する二つの分割領域に対応する二つの前記光ビーム又は電子ビーム走査手段について、その一方の光ビーム又は電子ビーム走査手段による光ビーム又は電子ビームの照射領域と、他方の光ビーム又は電子ビーム走査手段による光ビーム又は電子ビームの照射領域とを、前記二つの分割領域の間寄りで重なり合うようにすることを特徴としている（図２参照）。
【００５１】
この構成によれば、隣接する分割領域間において、隣接する二つの光ビーム又は電子ビームの照射径の僅か誤差等により隣接する走査線の接触部分に段差が生じたり、これら隣接する走査線の間に僅かな隙間が生じたりすることにより、隣接する分割領域間に、焼結密度のムラに起因する筋等が形成されるようなことを防ぐことができる。
【００５２】
第３の実施形態においては、分割領域の数を光ビーム又は電子ビーム走査手段の数よりも多く設定することを特徴としている（図３参照）。
【００５３】
以下、実施例にしたがって説明する。
【実施例１】
【００５４】
図１に示す態様では、各粉末層の表面に、被造形領域Ｅの輪郭から内部側へ異なる距離だけ離れた複数の無端輪状の境界線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を設定し、これら境界線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３によって区分された複数の領域を、複数の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０が割り当てられる複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄとしたものである（尚、図１においては、図４に示すような造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄの図示を省略している。）。
【００５５】
さらに、この態様では、被造形領域Ｅにおける輪郭寄りの分割領域に対応する光ビーム又は電子ビーム走査手段２０と、同被造形領域Ｅにおける中心部寄りの分割領域に対応する光ビーム又は電子ビーム走査手段２０とを、単位面積当たりの照射量が異なるように制御している。
【００５６】
詳細に説明すれば、最も輪郭寄りの分割領域Ａに対応する光ビーム又は電子ビームの照射径は、他の分割領域Ｂ，Ｃ，Ｄに対応する三つの光ビーム又は電子ビームの照射径よりも小さく設定される。
【００５７】
また、前記他の分割領域Ｂ，Ｃ，Ｄに対応する三つの光ビーム又は電子ビームは、同一の照射径に設定される。
【００５８】
よって、図１に示す態様によれば、上記態様と同様に、複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに対する焼結を同時進行させて、造形効率を向上するとともに、温度差等による形状変形を抑制することができる上、最も外側の分割領域Ａを、その内部側の分割領域Ｂ，Ｃ，Ｄよりも高密度に焼結することができ、ひいては、完成する三次元形状造形物の強度及び品質等を向上することができる。
【００５９】
なお、図１に示すように、前記境界線を複数としているが、他例としては、前記境界線を単数とするとともに前記分割領域を二つにすることも可能である。
【００６０】
また、図１に示すように、内外に隣接する境界線間の幅を不均一にしているが、他例としては、均一になるようにしてもよい。
【００６１】
また、他例としては、内部側の分割領域Ｂ，Ｃ，Ｄに対応する光ビーム又は電子ビームの照射径を順番に大きくして、内部へゆくほど低密度に焼結される構成としてもよい。
【００６２】
さらに、他例としては、照射径の大小関係を前記と逆にして、外部へ行くほど低密度に焼結される構成とすることも可能である。
【実施例２】
【００６３】
図２に示す態様は、複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを設定するとともに、隣接する二つの分割領域ＡとＢ（ＢとＤ，ＤとＣ又はＣとＡ）に対応する二つの光ビーム又は電子ビーム走査手段２０，２０について、その一方の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０による光ビーム又は電子ビームの照射領域と、他方の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０による光ビーム又は電子ビームの照射領域とを、前記二つの分割領域の間寄りで重なり合うようにしている（尚、図２においても、図４に示すような造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄの図示を省略している。）。
【００６４】
すなわち、図２に示すように、隣接する二つの分割領域ＡとＢ（ＢとＤ，ＤとＣおよびＣとＡ）の間寄りには、光ビーム又は電子ビームの照射領域が重なり合った重複部分ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａが設けられる。
【００６５】
よって、図２に示す態様よれば、分割領域ＡとＢ（ＢとＤ，ＤとＣおよびＣとＡ）の境目に、スジ状の焼結ムラが形成されるのを防ぐことができる。すなわち、例えば、前記重複部分ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａを具備しない場合には、隣り合う分割領域に対応する二つの光ビーム又は電子ビームの照射径の微差や、隣り合う分割領域に対応する二つの光ビーム又は電子ビームの照射径間の若干の隙間等に起因して、分割領域の境目に、焼結密度のムラ等によるスジが形成されるおそれがあるが、前記態様では、前記重複部分ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａにより前記問題を軽減することができる。
【００６６】
なお、図示例によれば、前記重複部分ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａの幅を略均一にしたが、前記スジ等をより生じ難くする好ましい他例としては、前記重複部分ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａの幅を、該幅に直交する長手方向へわたって適宜に変化させるようにしてもよい。
【実施例３】
【００６７】
図３に示す態様は、三次元形状造形物の製造に用いる分割領域の数を、光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の数よりも多く設定したものである（尚、図３においても、図４に示すような造形パスＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄの図示を省略している。）。
【００６８】
光ビーム又は電子ビーム走査手段２０の数よりも多い複数の分割領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄには、上述した複数（図示例によれば４つ）の光ビーム又は電子ビーム走査手段２０が、適宜に割り当てられる。
【００６９】
図示例によれば、三つの分割領域Ａ、二つの分割領域Ｂ、一つの分割領域Ｃ、二つの分割領域Ｄに対し、それぞれ、一つの光ビーム又は電子ビーム走査手段２０が割り当てられるようになっている。なお、図３中、符号を有さない領域は、何れの光ビーム又は電子ビーム走査手段２０も割り当てられていない。
【００７０】
したがって、実施例３においては、例えば、平面方向の形状が複雑な場合に、各部を効率的に焼結したり、分割領域に応じて光ビーム又は電子ビームの照射径を変えて、平面方向に焼結密度の異なる部分を形成したり等、より多様性に富んだ造形が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明による三次元造形装置においては、造形領域を複数に分割することによって、効率的に造形を実現することが出来、その利用価値は絶大である。
【符号の説明】
【００７２】
１０：造形テーブル
２０：光ビーム又は電子ビーム走査手段
３０：コントローラ
４０：粉末供給装置
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ：分割領域
Ｅ：被造形領域
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３：境界線
Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ：造形パス
ａｂ，ｂｄ，ｄｃ，ｃａ：重複部分
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2015199195.tif 000015
【図２】
2015199195.tif 000016
【図３】
2015199195.tif 000017
【図４】
2015199195.tif 000018
【図５】
2015199195.tif 000019
【図６】
2015199195.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成27年2月4日(2015.2.4)
【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】
粉末供給装置によって粉末層を形成する積層工程と、光ビーム又は電子ビーム走査手段によって光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を移動させて前記粉末層を焼結する焼結工程とを交互に繰り返すようにした三次元造形装置において、三次元形状造形物の製造に用いる領域を、前記光ビーム又は電子ビームの走査経路となる造形パスの長さが均等になるように複数に分割し、これら複数の分割領域を、各分割領域に対応する複数の前記光ビーム又は電子ビーム走査手段によって照射径を変えることが可能な状態にてそれぞれ照射するようにしたことを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記粉末層の表面に、被造形領域の輪郭から内部側へ離れた無端輪状の境界線を単数もしくは複数設定し、前記分割領域を、前記境界線によって区分された複数の領域とすることを特徴とする請求項１記載の三次元造形装置。
【請求項３】
前記被造形領域における輪郭寄りの分割領域に対応する前記光ビーム又は電子ビーム走査手段と、同被造形領域における中心部寄りの分割領域に対応する前記光ビーム又は電子ビーム走査手段における単位面積当たりの照射量につき、中心部寄りとなるにしたがって小さくなるように制御するか又は大きくなるように制御することを特徴とする請求項２記載の三次元造形装置。
【請求項４】
隣接する二つの分割領域に対応する二つの前記光ビーム又は電子ビーム走査手段について、その一方の光ビーム又は電子ビーム走査手段による光ビーム又は電子ビームの照射領域と、他方の光ビーム又は電子ビーム走査手段による光ビーム又は電子ビームの照射領域とを、前記二つの分割領域の間寄りで重なり合うようにすることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の三次元造形装置。
【請求項５】
分割領域の数を光ビーム又は電子ビーム走査手段の数よりも多く設定することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の三次元造形装置。
【手続補正２】
【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】
前記基本構成においては、粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末供給装置と、光ビーム又は電子ビームを前記粉末層に照射するとともにその照射位置を移動させる光ビーム又は電子ビーム走査手段とを備え、前記粉末層の形成と、前記光ビーム又は電子ビーム照射による粉末層の焼結とを交互に繰り返すことで、三次元形状造形物を製造する三次元造形装置において、三次元形状造形物の製造に用いる領域を、前記光ビーム又は電子ビームの走査経路となる造形パスの長さが均等になるように複数に分割し、これら複数の分割領域を、複数の前記光ビーム又は電子ビーム走査手段によって照射径を変えることが可能な状態にてそれぞれ照射している。