(57)【要約】【課題】一走査における粉末材料薄層の焼結領域の形状が一様になるように粉末材料薄層を焼結すること。【解決手段】粉末材料の薄層にレーザ光を照射し、ミラー制御によりＸ方向及びＹ方向に走査して、粉末材料の薄層を焼結させ、焼結した薄層を順次積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形方法であって、制御装置がミラーの動作開始の信号を出力した後、所定時間後にレーザ光源を点灯し、ミラーの動作停止の信号を出力した後、所定時間後にレーザ光源を消灯することを特徴とする。【選択図】 図３
2008155538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザ光をＸ方向及びＹ方向に走査するミラーと、前記レーザ光源の点灯及び消灯を制御し、かつ前記ミラーの動作を制御する制御装置とを有し、粉末材料の薄層に前記レーザ光を照射し、前記Ｘ方向及びＹ方向に走査して、前記粉末材料の薄層を焼結させ、該焼結した薄層を順次積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形装置であって、
前記制御装置は、前記ミラーの動作開始の信号を出力した後、前記ミラーの動作速度が一定になるときに前記レーザ光源を点灯させ、前記制御装置が前記ミラーの動作停止の信号を出力すると同時に、或いは、前記制御装置が前記ミラーの動作停止の信号を出力した後、前記ミラーの動作速度が前記一定速度から低下する前に前記レーザ光源を消灯させることを特徴とする粉末焼結積層造形装置。
【請求項２】
前記ミラーは、前記ミラーの動作開始の信号に対して立上り遅延時間の経過後一定の速度で動作し、前記ミラーの動作停止の信号に対して停止遅延時間の経過後に停止するように動作し、
前記制御装置において、前記レーザ光の移動距離として、焼結すべき領域の長さに前記ミラーの動作の立上り遅延時間に相当する距離と前記ミラーの動作の停止遅延時間に相当する距離とを加えた距離を入力し、かつ、前記焼結すべき領域の長さに相当する期間だけ、前記レーザ光源を点灯させておくようにレーザオンディレイ時間をセットすることを特徴とする請求項１記載の粉末焼結積層造形装置。
【請求項３】
前記ミラーは、前記ミラーの動作開始の信号に対して立上り遅延時間の経過後一定の速度で動作し、前記ミラーの動作停止の信号に対して前記一定の速度で動作した後減速し始め、減速時間の経過後に停止するように動作し、
前記制御装置において、前記レーザ光の移動距離として、焼結すべき領域の長さに前記ミラーの動作の立上り遅延時間に相当する距離と前記ミラーの動作の減速時間に相当する距離とを加えた距離を入力し、かつ、前記焼結すべき領域の長さに相当する期間に加えて、その期間に続く、前記ミラーの動作停止の信号を出力した後前記ミラーの動作速度が一定速度から低下する前の任意の期間だけ、レーザ光源を点灯させておくようにレーザオンディレイ時間及びレーザオフディレイ時間をセットすることを特徴とする請求項１記載の粉末焼結積層造形装置。
【請求項４】
請求項１記載の粉末焼結積層造形装置を用いて、粉末材料の薄層にレーザ光を照射し、Ｘ方向及びＹ方向に走査して、前記粉末材料の薄層を焼結させ、該焼結した薄層を順次積層して３次元造形物を作成する粉末焼結積層造形方法であって、
前記ミラーの動作開始の信号を出力した後、前記ミラーの動作速度が一定になるときに前記レーザ光源を点灯させ、前記制御装置が前記ミラーの動作停止の信号を出力すると同時に、或いは、前記ミラーの動作停止の信号を出力した後、前記ミラーの動作速度が前記一定速度から低下する前に前記レーザ光源を消灯させることを特徴とする粉末焼結積層造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末焼結積層造形装置及び粉末焼結積層造形方法に関し、より詳しくは、粉末材料の薄層にレーザ光を照射し、Ｘ方向及びＹ方向に走査して、前記粉末材料の薄層を焼結させ、該焼結した薄層を順次積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形装置及び粉末焼結積層造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、機能試験用試作部品や少量多品種の製品に使用される部品等を造形することができる造形装置への要望が増えてきつつある。
【０００３】
この要求を満たすものとして、光造形装置や粉末焼結積層造形装置などがある。なかでも、粉末焼結積層造形装置は、紫外線硬化性樹脂を使用した光造形装置と異なり、多種類かつ強靭な材料が使用できることが大きな特徴の一つであり、市場での認知度も向上し、さまざまな用途で使用されはじめている。
【０００４】
従来市販されている粉末焼結積層造形装置は、レーザ光出射部と、造形部と、制御部とから構成されている。
【０００５】
レーザ光出射部においては、レーザ光源と、レーザ光源から出射したレーザ光をＸ方向及びＹ方向に走査するガルバノメータミラーと、ガルバノメータミラーの動作を制御するドライバとが設けられている。
【０００６】
造形部においては、中央部に設置された造形用容器と、その両側に設置された粉末材料容器とを備えている。造形用容器では、パートテーブル上に形成した粉末材料の薄層をレーザ光の照射により焼結させて焼結薄層が形成され、パートテーブルを下方に移動させて焼結薄層が順次積層され、３次元造形物が作製される。造形用容器の上部開口面を造形領域と称する。粉末材料容器では、フィードテーブル上に粉末材料が収納され、フィードテーブルが上方に移動して粉末材料が供給される。粉末材料容器の上部開口面を粉末材料収納領域と称する。
【０００７】
また、粉末材料容器及び造形用容器はヒータを有し、そのヒータで粉末材料を予備加熱して温度を予めその融点近くまで上昇させておき、レーザ照射により粉末材料の薄層の温度を素早く上昇させて溶融し、焼結させて、均一な粉末材料の焼結薄層を得ることができるようになっている。
【０００８】
図８（ａ）に、レーザ光の一走査における焼結領域を示し、図８（ｂ）に、複数の走査を行って形成した焼結薄層を示す。なお、レーザビームはスポット内で正規分布類似の強度分布を有し、中心部のエネルギーが高く、周辺部に行くに従って次第に弱くなるため、複数の走査を行う場合、レーザ照射量を均一するためビーム径の１／３程度重ね書きしている。
【０００９】
制御部は、パートテーブルを薄層一層分降下させ、左側の粉末材料容器からリコータによって粉末材料を運び出させ、パートテーブル上に粉末材料を供給させて粉末材料の薄層を形成させる。次いで、レーザ光源を照射し、かつ作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、ガルバノメータミラーによりＸ方向及びＹ方向にレーザ光を走査することにより、粉末材料の薄層を選択的に加熱して溶融・焼結させ、焼結薄層を形成させる。次に、パートテーブルを薄層一層分降下させ、右側の粉末材料容器からリコータによって粉末材料を運び出させ、パートテーブル上の焼結薄層の上に粉末材料を供給させて粉末材料の薄層を形成する。次に、粉末材料の薄層を選択的に加熱して焼結させ、焼結薄層を形成させる。これらの動作を繰り返させて焼結薄層を積層し、３次元造形物を形成させる。最後に、３次元造形物を冷却させる。
【特許文献１】特許第２６２０３５３号
【非特許文献１】積層造形技術資料集  オプトロニクス社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、粉末材料の薄層を選択的に加熱して焼結させる際に、レーザ光の移動距離（焼結領域の長さ）を入力する。これにより、制御部から図８（ａ）に示すようなミラーの速度制御信号がドライバに供給され、かつ図８（ｃ）に示すように、レーザ光源のＯＮ／ＯＦＦ制御信号が供給されて、一走査における焼結領域の長さが入力値にほぼ等しくなるように制御される。
【００１１】
この場合、ミラーの実動作は、ドライバ回路による信号遅延やモータによる機械的な動作遅延により、図８（ｂ）に示すようになる。したがって、レーザ光の移動距離、すなわち焼結領域の長さは、ミラーの速度制御信号のオン期間に相当する距離とミラーの動作の停止遅延期間に相当する距離とで決まる。なお、図８（ｃ）に示すレーザオフディレイ時間をタイマにより予め設定することでレーザオフディレイ時間をミラーの停止遅延期間と一致させることができる。したがって、ミラーの速度制御信号のオン期間とミラーの実動作の停止遅延期間とを合わせた期間だけ、レーザ光源のＯＮ／ＯＦＦ制御信号をオンさせることになる。これにより得られる焼結領域を図８（ｄ）に示す。また、この方法を、特に、短い領域を焼結させるような場合に適用した例を図１０（ａ）〜（ｄ）に示す。
【００１２】
なお、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、ミラーは速度制御信号がオンして一定の期間は停止したままであるため、タイマによりレーザ光源の照射をレーザオンディレイ時間だけ遅らせることが多い。このような方法を、特に、短い領域を焼結させるような場合に適用したときの実際のミラーの速度とレーザ光源のＯＮ／ＯＦＦ制御信号のタイミングチャート、及び得られる焼結領域について図１１（ａ）に示す。この場合、ミラーが定速で移動するようになる前にミラーの速度制御信号がオフされるとする。その結果、停止遅延期間でのミラーの速度の立ち下がりの様子は、ミラーが定速で移動するようになった後にミラーの速度制御信号がオフされるような図８の場合と比較して変化する。さらに、このようにミラーが定速で移動するようになる前にミラーの速度制御信号がオフされるようになってくると、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、焼結する距離によって立上り遅延期間でのミラーの速度の立ち上がりの様子や停止遅延期間でのミラーの速度の立ち下がりの様子が変動することになる。このように、焼結する距離によって立上り遅延期間や停止遅延期間におけるミラーの動きが変動してくると、レーザオンディレイ時間やレーザオフディレイ時間が一定であっても、形状及び焼結領域の長さを制御できなくなってしまう。このため、図１１（ｂ）に示すように、焼結領域の形状や長さの変化は顕著になり、３次元造形物の精度が悪化してしまう。
【００１３】
また、図１１（ａ）に示す焼結距離と同じ長さを焼結する場合でも、立上り遅延期間でのミラーの速度の立ち上がりの様子や停止遅延期間でのミラーの速度の立ち下がりの様子が変動すると、やはり、形状及び焼結領域の長さを制御できなくなってしまう。このため、３次元造形物の精度が悪化してしまう。
【００１４】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、粉末材料薄層を焼結すべき領域が短くても、一走査における焼結領域の形状が一様になり、かつ焼結領域の長さを精度良く制御することができる粉末焼結積層造形装置及びその粉末焼結積層造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明は、粉末焼結積層造形装置に係り、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザ光をＸ方向及びＹ方向に走査するミラーと、前記レーザ光源の点灯及び消灯を制御し、かつ前記ミラーの動作を制御する制御装置とを有し、粉末材料の薄層に前記レーザ光を照射し、前記Ｘ方向及びＹ方向に走査して、前記粉末材料の薄層を焼結させ、該焼結した薄層を順次積層して３次元造形物を作製する粉末焼結積層造形装置であって、前記制御装置が前記ミラーの動作開始の信号を出力した後、前記ミラーの動作速度が一定になるときに前記レーザ光源を点灯させ、前記制御装置が前記ミラーの動作停止の信号を出力すると同時に、或いは、前記制御装置が前記ミラーの動作停止の信号を出力した後、前記ミラーの動作速度が前記一定速度から低下する前に前記レーザ光源を消灯させることを特徴としている。
【００１６】
すなわち、ミラーは、ミラーの動作開始の信号に対して立上り遅延時間の後一定の速度で動作し、ミラーの動作停止の信号に対して停止遅延時間後に停止するように動作し、制御装置にレーザ光の移動距離を入力する際に、焼結すべき領域の長さにミラーの動作の立上り遅延時間に相当する距離とミラーの動作の停止遅延時間に相当する距離とを加えて入力し、かつ、焼結すべき領域の長さに相当する期間だけ、レーザ光源を点灯させておくようにレーザオンディレイ時間をセットする。
【００１７】
或いは、ミラーは、ミラーの動作開始の信号に対して立上り遅延時間の経過後一定の速度で動作し、ミラーの動作停止の信号に対して一定の速度で動作した後減速し始め、減速時間の経過後に停止するように動作し、レーザ光の移動距離として、焼結すべき領域の長さにミラーの動作の立上り遅延時間に相当する距離と前記ミラーの動作の減速時間に相当する距離とを加えた距離を入力し、かつ、焼結すべき領域の長さに相当する期間に加えて、その期間に続く、ミラーの動作停止の信号を出力した後ミラーの動作速度が一定速度から低下する前の任意の期間だけ、レーザ光源を点灯させておくようにレーザオンディレイ時間及びレーザオフディレイ時間をセットする。
【００１８】
本発明は、粉末焼結積層造形方法に係り、上記粉末焼結積層造形装置を用いて、粉末材料の薄層にレーザ光を照射し、Ｘ方向及びＹ方向に走査して、前記粉末材料の薄層を焼結させ、該焼結した薄層を順次積層して３次元造形物を作成する粉末焼結積層造形方法であって、前記ミラーの動作開始の信号を出力した後、前記ミラーの動作速度が一定になるときに前記レーザ光源を点灯させ、前記制御装置が前記ミラーの動作停止の信号を出力すると同時に、或いは、前記ミラーの動作停止の信号を出力した後、前記ミラーの動作速度が前記一定速度から低下する前に前記レーザ光源を消灯させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の粉末焼結積層造形装置によれば、一走査において単位長当たりに粉末材料の薄層に供給されるレーザ光の照射エネルギーはどこでも一定になる。このため、特に焼結領域が短い場合でも、一走査における焼結領域について、始点及び終点付近も含めて幅が一定となるとともに、焼結領域の長さを精度よく制御しやすくなる。これにより、特に肉厚の薄い３次元造形物を作製する場合に、精度のよい３次元造形物を作製することができる。
【００２０】
また、本発明の粉末焼結積層造形方法によれば、一走査において単位長当たりに粉末材料薄層に供給されるレーザ光の照射のエネルギーはどこでも一定になるため、特に焼結領域が短い場合でも、一走査における粉末材料薄層の焼結領域の形状は一様になるとともに、焼結領域の長さを精度よく制御しやすくなる。これにより、特に肉厚の薄い３次元造形物を作製する場合に、精度のよい３次元造形物を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（粉末焼結積層造形装置の説明）
本発明の実施の形態に係る粉末焼結積層造形装置は、レーザ光出射部と、造形部と、制御部とから構成されている。
【００２３】
図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る粉末焼結積層造形装置のうち造形部１０１の構成を示す上面図である。図１（ｂ）は、同じく図１（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う断面図で、同図には、造形部１０１のほかに、その上方に配置されているレーザ光出射部１０２も示している。
【００２４】
図２は、本発明の実施の形態に係るレーザ光出射部１０２の詳細な構成を示す図である。
【００２５】
以下に、発明の実施の形態に係る粉末焼結積層造形装置において各部の詳細について説明する。
【００２６】
（ａ）レーザ光出射部１０２の構成
まず、レーザ光出射部１０２の構成について説明する。
【００２７】
レーザ光出射部１０２は、図２に示すように、ＣＯ2レーザで構成されるレーザ光源２３と、レーザ光をＸ方向に走査するガルバノメータミラー、及びレーザ光をＹ方向に走査するガルバノメータミラーを備えた光学系２１と、ＸＹ方向に走査されるレーザ光の動きに従って移動して、レーザ光の焦点距離を粉末材料の薄層表面に合わせるレンズを備えた光学系２２と、その光学系２１の各ガルバノメータミラーを動作させ、かつ光学系２２のレンズを動作させる電気信号を送出するＸＹＺドライバ２４とを有している。光学系２１の各ガルバノメータミラー及び光学系２２のレンズはそれぞれ専用のモータにより動作するようになっている。
【００２８】
ＸＹＺドライバ２４はコントローラ２５により制御され、かつレーザ光源２３のＯＮ（点灯）及びＯＦＦ（消灯）も、同様にコントローラ２５により制御される。コントローラ２５として、例えばＣＰＵ(Central Processing Unit)及び制御用のプログラムが格納されたメモリを備えたコンピュータを用いることができる。コントローラ２５については以下の制御部の項で詳しい構成及び機能につき説明する。
【００２９】
レーザ光源２３から出射したレーザ光はコントローラ２５によるミラー制御によりＸＹ方向に走査されて、造形部１０１のパートテーブル１１上に形成された粉末材料薄層１５ａに選択的に照射されるようになっている。さらに、レーザ光がＸＹ方向に走査されている間、レーザ光が粉末材料の薄膜の丁度表面で焦点を結ぶように、絶えず光学系２２のレンズが動いて焦点距離が調整されるようになっている。ミラー制御は作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき行われる。
【００３０】
（ｂ）造形部１０１の構成
次に、造形部１０１の構成について説明する。
【００３１】
造形部１０１においては、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、３次元造形物が作製される四角い筒状の造形用容器１１と、その両側に設置された四角い筒状の第１及び第２の粉末材料容器１２ａ、１２ｂとを備えている。
【００３２】
造形用容器１１では、パートテーブル（底板）１３上で、粉末材料の薄層１５ａが形成され、粉末材料の薄層１５ａをレーザ光の照射により焼結させて焼結薄層１５ｂが形成される。そして、パートテーブル１３を下方に移動させて焼結薄層１５ｂを順次積層し、３次元造形物が作製される。
【００３３】
第１及び第２の粉末材料容器１２ａ、１２ｂでは、フィードテーブル（底板）１４ａ又は１４ｂ上に粉末材料１５が収納され、フィードテーブル（底板）１４ａ、１４ｂを上方に移動させて粉末材料１５が供給され、かつフィードテーブル１４ａ、１４ｂを下方に移動させて粉末材料の薄層１５ａを形成した後の残余の粉末材料１５が運び入れられる。
【００３４】
造形用容器１１の内壁に囲まれた上部開口面を造形領域と称し、第１及び第２の粉末材料容器１２ａ、１２ｂの内壁に囲まれた上部開口面を第１及び第２の粉末材料収納領域と称する。
【００３５】
造形用容器１１内には、内壁に沿って昇降可能なパートテーブル１３が設置されている。パートテーブル１３上で、順次粉末材料の薄層１５ａが形成され、粉末材料の薄層１５ａごとに加熱され、焼結される。また、第１及び第２の粉末材料容器１２ａ、１２ｂ内には、容器１２ａ、１２ｂ内壁に沿って昇降し、粉末材料１５を供給する第１及び第２のフィードテーブル１４ａ、１４ｂがそれぞれ設置されている。
【００３６】
パートテーブル１３、第１及び第２のフィードテーブル１４ａ、１４ｂには、これらのテーブルを上下移動させる図示しない駆動装置が接続されている。
【００３７】
更に、図１（ｂ）に示すように、第１の粉末材料収納領域、造形領域、第２の粉末材料収納領域の全領域に渡って領域表面に沿って移動するリコータ（粉末材料運搬手段）１６が設けられている。
【００３８】
リコータ１６は、粉末材料容器１４ａ又は１４ｂ表面に沿い、かつ粉末材料容器１４ａ又は１４ｂ表面に接触して移動することにより、第１又は第２のフィードテーブル１４ａ又は１４ｂ上に収納された粉末材料１５を運び出してパートテーブル１３上に供給し、かつ粉末材料１５の表面を均してパートテーブル１３上に粉末材料の薄層１５ａを形成する。さらに、粉末材料の薄層１５ａを形成した後の残余の粉末材料１５を、第２又は第１の粉末材料容器１２ｂ又は１２ａ内に表面を均しながら運び入れる。粉末材料１５の供給量は第１又は第２のフィードテーブル１４ａ又は１４ｂの上昇量で決まり、粉末材料の薄層１５ａの厚さはパートテーブル１３の降下量で決まる。
【００３９】
粉末材料１５として、ナイロン、ポリプロピレン、ポリ乳酸、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリルニトリル・ブタジエン・スチレンコポリマ（ＡＢＳ）、エチレン・酢酸ビニルコポリマー（ＥＶＡ）、スチレン・アクリロニトリルコポリマー（ＳＡＮ）、及びポリカプロラクトンよりなる群から選ばれた少なくとも１種、または、金属粉末などを用いることができる。
【００４０】
（ｃ）制御部の構成及び機能
制御部は、上記説明したレーザ光出射部１０２のコントローラ２５と、図示しない造形部１０１のコントローラとで構成される。
【００４１】
レーザ光出射部１０２のコントローラ２５は、レーザ光源２３のＯＮ（点灯）及びＯＦＦ（消灯）と、光学系２１のミラー及び光学系２２のレンズの動作とを制御する。造形部１０１のコントローラは、パートテーブル１３、第１及び第２のフィードテーブル１４ａ及び１４ｂの動作とリコータ１６の動作とを制御する。
【００４２】
次に、レーザ光出射部１０２のコントローラ２５の機能について、造形動作の順序に従って、図３及び図４を参照して説明する。
【００４３】
図３は、ミラーの速度制御信号（動作開始及び動作停止の信号）とレーザ光源２３の点灯制御信号及び消灯制御信号とをコントローラ２５からＸＹＺドライバ２４に送出するタイミングを示すタイミングチャートである。同図（ａ）はミラーの速度制御信号を送出するタイミングを示し、同図（ｃ）はレーザ光源２３の点灯制御信号及び消灯制御信号を送出するタイミングを示す。なお、図３では、これらの信号にしたがって動作する実際のミラーの動きを同図（ｂ）に示し、その動きによって影響を受ける焼結領域の平面形状を同図（ｄ）に示す。図３（ａ）乃至（ｃ）では、横軸は任意単位の時間を示す。
【００４４】
また、図４は、コントローラ２５から送出される、レーザ光源のON/OFFを制御する信号を具体的に示す図である。
【００４５】
なお、下記の説明では、加速期間、定速期間、減速期間、立上り遅延期間、及び停止遅延期間という用語を用いているが、それぞれ期間の代わりに時間という用語を用いてもよい。
【００４６】
まず、コントローラ２５において以下の初期設定を行う。すなわち、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）、レーザ出力（Ｐeff）、レーザビーム径、ミラーの走査速度、スライスデータに基づく各走査におけるレーザ光の移動距離（加速期間に相当する距離と、定速期間に相当する距離と、減速期間に相当する距離とを加えたもの、或いは立上り遅延期間に相当する距離と、停止遅延期間に相当する距離と、焼結すべき距離とを加えたもの）、ミラーの速度制御信号入力に対するレーザ光源のＯＮ／ＯＦＦ制御信号入力の遅延時間（レーザオンディレイ時間（Tdon）及びレーザオフディレイ時間（Tdoff））及びその時間に相当する距離、などをデータメモリに格納する。一例として、レーザビーム径は通常３００乃至６００μｍの範囲で設定され、ミラーの走査速度は１２．５ｍ／ｓｅｃで設定され、立上り遅延期間に相当する距離は約１０ｍｍで、停止遅延期間に相当する距離は約８ｍｍで設定される。
【００４７】
初期設定が終わったら、制御用のプログラムに従って装置を動作させる。
【００４８】
図３（ａ）に示すように、各走査の移動距離に相当する角度だけミラーを移動させる移動指令に従って、コントローラ２５からＸＹＺドライバ２４にミラーの動作開始に相当するミラーの速度制御信号を送出する。この場合、何れの走査においても、ミラーの移動の始点は形成すべき造形物の境界より立上り遅延期間に相当する距離だけ外側に位置するように設定される。
【００４９】
次いで、送出された速度制御信号に従って、ＸＹＺドライバ２４は速度制御信号を送出し、光学系２１のガルバノメータミラーを動作させるモータを起動させる。この場合、ＸＹＺドライバ２４におけるドライバ回路での信号遅延やモータによる機械的な動作遅延が生じ、図３（ｂ）に示すように、最初ガルバノメータミラーの速度零の状態が少しあって、その後ガルバノメータミラーは徐々に速度を増し、速度制御信号に対して所定の時間（立上り遅延時間）遅れて一定の動作速度に到達する。
【００５０】
一方、レーザオンディレイ時間（Tdon）データに基づき、図３（ｃ）に示すように、コントローラ２５からレーザ光源２３に点灯制御信号が送出される。レーザ光源２３は、点灯制御信号にほぼ追随して点灯する。このとき、ミラーの動作速度は一定になっている。
【００５１】
なお、図３（ｃ）では、点灯制御信号は連続する一つのパルスで示されているが、実際には、図４に示すように、その点灯制御信号は、通常十乃至百ｋＨｚのパルスが用いられる。レーザ出力（Ｐeff）データに基づき、パルス振幅（Ｐ）、及びパルスのデューティ比（TON／TCYC）が調整される。
【００５２】
引き続き、ミラーは、設定された焼結すべき距離に相当する時間だけ回転する。これにしたがって、レーザ光が粉末材料に照射され、凡そレーザビーム径の幅でかつ定速距離に相当する領域内にある粉末材料が焼結される。
【００５３】
その後、コントローラ２５からＸＹＺドライバ２４にミラーの動作停止に相当する速度制御信号を送出する。その速度制御信号に従って、ＸＹＺドライバ２４は動作停止制御信号を送出し、光学系２１のガルバノメータミラーを動作させているモータを停止させる。この場合、ＸＹＺドライバ２４におけるドライバ回路での信号遅延やモータによる機械的な動作遅延が生じ、図３（ｂ）に示すように、ガルバノメータミラーは動作停止制御信号に対して所定の時間一定速度で動作した後急激に減速して動作を停止する。動作停止制御信号を送出した後レーザ光源が点灯していたとしたらミラーが完全に停止するまでにレーザ光が移動する距離が停止遅延期間に相当する距離である。
【００５４】
一方、ミラーの動作停止の速度制御信号入力に対応して、図３（ｃ）に示すように、レーザ光源２３に消灯制御信号が送出される。レーザ光源２３は、消灯制御信号にほぼ追随して消灯する。
【００５５】
このようにして、一走査が完了する。ミラーは次の走査の始点に移動して次の走査のために待機している。
【００５６】
以上のようにコントローラ２５による制御方法によれば、ミラーが一定の速度のときだけレーザ光が照射されるようになるため、一走査において単位長当たりに粉末材料の薄層に供給されるレーザ光の照射のエネルギーはどこでも一定になる。このため、図３（ｄ）に示すように、一走査における焼結領域について、始点及び終点付近も含めて幅が一定となるとともに、焼結領域の長さを精度よく制御しやすくなる。
【００５７】
また、図７（ａ）乃至（ｃ）は、肉厚が薄いものを造形するため焼結領域が短くなった場合におけるコントローラ２５による制御方法を示したタイミングチャートである。図７（ｄ）は、図７（ａ）乃至（ｃ）のタイミングに対応する、レーザ照射の一走査における焼結領域の平面形状を示す図である。
【００５８】
この制御方法も図３（ａ）乃至（ｄ）で説明した制御方法と同じであり、図７（ｄ）に示すように、焼結領域が短い場合でも一走査における粉末材料薄層の焼結領域の形状は一様になる。肉厚が薄いものを造形するため一走査における焼結領域が短くなると、特に、この制御方法が有効であることが分かる。従来例の図１０（ａ）乃至（ｄ）と比較して、その違いは明らかである。
【００５９】
次に、造形部１０１のコントローラの機能について以下に説明する。
【００６０】
そのコントローラは、まず、粉末材料を載せた第１のフィードテーブル１４ｂを上昇させるとともに、パートテーブル１３を薄層一層分だけ下降させ、リコータ１６を移動させて第１の粉末材料容器１２ａから造形用容器１１に粉末材料１５を供給し、パートテーブル１３上に粉末材料の薄層１５ａを形成させる。そして、第２の粉末材料容器１２ｂ内の第２のフィードテーブル１４ｂを下降させ、第２の粉末材料容器１２ｂの表面を均しながらリコータ１６を移動させて粉末材料の薄層１５ａを形成した後の残余の粉末材料１５を第２のフィードテーブル１４ｂ上に収納させる。
【００６１】
なお、その後に、上記したコントローラ２５による制御により、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、レーザ光、光学系２１のミラー及び光学系２２のレンズによって粉末材料の薄層１５ａを選択的に加熱して焼結させる。
【００６２】
また、上記と逆に、粉末材料１５を載せた第２のフィードテーブル１４ｂを上昇させるとともに、パートテーブル１３を薄層一層分だけ下降させ、リコータ１６を移動させて第２の粉末材料容器１２ｂから造形用容器１１に粉末材料１５を供給し、パートテーブル１３上の粉末材料の薄層１５ａの上に新たな粉末材料の薄層１５ａを形成させる。そして、第１の粉末材料容器１２ａ内の第１のフィードテーブル１４ａを下降させ、第１の粉末材料容器１２ａの表面を均しながらリコータ１６を移動させて新たな粉末材料の薄層１５ａを形成した後の残余の粉末材料１５を第１のフィードテーブル１４ａ上に収納させる。
【００６３】
なお、その後、上記したコントローラ２５による制御により、作製すべき３次元造形物のスライスデータ（描画パターン）に基づき、レーザ光、光学系２１のミラー及び光学系２２のレンズによって粉末材料の薄層１５ａを選択的に加熱して焼結させる。
【００６４】
これらの動作を繰り返して、複数の焼結薄層１５ｂを積層させ、３次元造形物を作製させる。
【００６５】
以上のように、本発明の実施の形態に係る粉末焼結積層造形装置によれば、一走査における焼結領域について、始点及び終点付近も含めて幅が一定となるとともに、焼結領域の長さを精度よく制御しやすくなる。これにより、精度のよい３次元造形物を作製することができる。特に、肉厚の薄い３次元造形物を作製する場合に、有効である。
【００６６】
（粉末焼結積層造形方法の説明）
次に、図１乃至図４、図６を参照しながら上記粉末焼結積層造形装置を用いた粉末焼結積層造形方法について説明する。図６（ａ）、（ｂ）はこの粉末焼結積層造形方法により形成された粉末材料の薄層の焼結領域を示す平面図である。
【００６７】
まず、制御部において制御すべき諸元の設定を行う。それら諸元のうち、ミラーの走査速度をＸ方向及びＹ方向ともに１２．５ｍ／ｓｅｃとする。また、レーザ光源２３のON/OFF制御信号を周波数５０ｋＨｚのパルスとし、３０Ｗ程度の実効電力（Ｐeff）となるようにパルス振幅、デューティ比を設定する。また、ミラーの動作開始に相当する速度制御信号入力に対するミラーの立上り遅延時間を１．２ｍｓｅｃ（移動距離にして約１０ｍｍに相当）とし、ミラーの動作停止に相当する速度制御信号入力に対するミラーの停止遅延時間を１ｍｓｅｃ（移動距離にして約８ｍｍに相当）とする。さらに、レーザオンディレイ時間をミラーの立上り遅延時間と同じとし、レーザオフディレイ時間を零とする。
【００６８】
次に、造形部１０１において、左右のフィードテーブル１４ａ、１４ｂを降下させ、フィードテーブル１４ａ、１４ｂ上に十分な量の粉末材料１５を収納する。
【００６９】
次いで、パートテーブル１３を薄層一層分に相当する量だけ降下させる。次いで、左側のフィードテーブル１４ａを上昇させて粉末材料１５が第１の粉末材料容器１２ａの表面から上に出てくるようにする。このとき、右側のフィードテーブル１４ｂを降下させて、粉末材料の薄層１５ａを形成した後の残余の粉末材料１５が収納できるようにその収納部を空けておく。
【００７０】
次いで、リコータ１６を移動させて左側のフィードテーブル１４ａ上、第１の粉末材料容器１２ａの表面から上に出ている粉末材料１５を掻きとりつつ造形用容器１１内のパートテーブル１３上に移動させる。
【００７１】
次に、造形用容器１１の表面を均しつつパートテーブル１３上に粉末材料を運び入れる。これにより、図１（ａ）に示すように、パートテーブル１３上に一層分の粉末材料の薄層１５ａが形成される。このとき、造形用容器１１内壁に設置されたヒータ（図示しない）、或いは造形用容器１１の斜め上に設けられた赤外線加熱装置（図示しない）などにより粉末材料の薄層１５ａの表面を、粉末材料の融点よりも５〜１５℃程度低い温度に予備加熱する。
【００７２】
さらに、リコータ１６を移動させて残余の粉末材料１５を第２の粉末材料容器１２ｂ内に表面を均しつつ運び入れ、第２の粉末材料容器１２ｂ内の第２のフィードテーブル１４ｂ上に収納させる。
【００７３】
次に、コントローラ２５から周波数５０ｋＨｚのパルスで構成され、実効電力３０Ｗ程度の制御信号をレーザ光源２３に送出する。これにより、レーザ光源２３からレーザ光が出射される。さらに、作製すべき３次元造形物のスライスデータに基づき、コントローラ２５により光学系２１のミラー及び光学系２２のレンズの動作を制御し、Ｘ方向にレーザ光を移動させて、粉末材料の薄層１５ａにレーザ光を照射する。これにより、一走査分（加工単位）の粉末材料の薄層１５ａが加熱されて焼結する。
【００７４】
このとき、上記の遅延時間の設定値に基づき、図３に示すように、ミラーの動きを制御し、レーザ光源２３の点灯及び消灯を制御する。これにより、ミラーが一定の速度のときだけレーザ光が粉末材料の薄層１５ａに照射されることになるため、一走査において単位長当たりに粉末材料の薄層１５ａに供給されるレーザ光の照射のエネルギーはどこでも一定になる。これにより、図３（ｄ）に示すように、一走査における粉末材料薄層の焼結領域１５ｂの形状は一様になる。
【００７５】
次いで、この走査をＹ方向に順次行い、粉末材料の薄層１５ａの所定領域を焼結する。図６（ａ）は、粉末材料の薄層１５ａの所定の領域が焼結された後の状態を示す。図６（ａ）に示すように、一走査における粉末材料薄層の焼結領域１５ｂが多く重なるようにしなくても、焼結領域と非焼結領域との境界において凹凸をより少なくし、境界を滑らかにすることができる。なお、この後さらに、境界において凹凸をより少なくし、境界を滑らかにするため、図６（ｂ）に示すように、凹凸しているＹ方向の境界に沿って、レーザ光を照射して縁取りを行うとよい。
【００７６】
次いで、パートテーブル１３を薄層一層分降下させるとともに、第２のフィードテーブル１４ｂを上昇させ、さらに、第1のフィードテーブル１４ａを降下させる。
【００７７】
次いで、上記説明した場合とは逆にリコータ１６を右側から左側に移動させる。そして、第２の粉末材料容器１２ｂから新たな粉末材料１５をパートテーブル１３上に供給し、焼結薄層１５ｂ上に新たな粉末材料の薄層を形成する。
【００７８】
さらに、リコータ１６を移動させて残余の粉末材料１５を第１の粉末材料容器１２ａ内に表面を均しつつ運び入れ、第１の粉末材料容器１２ａ内の第１のフィードテーブル１４ａ上に収納させる。
【００７９】
次いで、焼結薄層１５ｂ上の新たな粉末材料の薄層を加熱焼結し、焼結薄層１５ｂ上に新たな焼結薄層を形成する。すなわち、図３に基づき、ミラーの動きを制御し、レーザ光源の点灯時及び消灯時を制御する。この場合、Ｘ方向にレーザ光を走査した第１層目の場合と異なり、レーザ光の走査をＹ方向に行うことが望ましい。完成した３次元造形物において内部応力を少なくして、造形物の形が歪まないようにするためである。
【００８０】
次に、上記したような方法で、パートテーブル１３を薄層一層分降下させるとともに、第１のフィードテーブル１４ａを上昇させ、さらに、第２のフィードテーブル１４ｂを降下させる。
【００８１】
次いで、上記したような方法で、粉末材料の薄層１５ａの形成→加熱焼結→粉末材料の薄層１５ａの形成→加熱焼結・・を繰り返す。
【００８２】
このようにして、順次焼結薄層１５ｂが積層されて３次元造形物が完成する。そして、最後に予備加熱を止めて自然冷却を行い、常温付近になったら、造形用容器１１から粉末材料１５に埋もれた３次元造形物を取り出す。
【００８３】
以上のように、本発明の実施の形態に係る粉末焼結積層造形方法によれば、一走査における粉末材料薄層の焼結領域の形状は一様になるため、一走査における粉末材料薄層の焼結領域が多く重なるようにしなくても、焼結領域と非焼結領域との境界において凹凸をより少なくし、境界を滑らかにすることができる。このため、精度の良い３次元造形物を作製することができる。
【００８４】
（本発明の他の実施の形態の説明）
以上、実施の形態によりこの発明の粉末焼結積層造形装置及び粉末焼結積層造形方法を詳細に説明したが、この発明の範囲は上記実施の形態に具体的に示した例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の上記実施の形態の変更はこの発明の範囲に含まれる。
【００８５】
例えば、上記実施形態では、粉末材料の薄膜全体について、焼結対象となる全体に本発明の造形方法を適用しているが、焼結対象となる全体のうち特に焼結対象領域が短いところなど精度を必要とするところだけに、選択的に本発明の造形方法を適用してもよい。
【００８６】
また、上記実施形態では、ミラーの速度制御信号入力に対するレーザ光源のＯＮ／ＯＦＦ制御信号入力の遅延時間を予め設定している。これは、その遅延時間が予め分かっている場合に適用できるものであるが、もし、それが分かっていない場合には、ミラーの速度を検出してそれをコントローラ２５にフィードバックし、焼結領域の形状があまり崩れないような特定のミラーの速度のときにレーザ光源のＯＮ／ＯＦＦ制御信号入力を行うようにしてもよい。
【００８７】
また、制御装置がミラーの動作停止の信号を出力するタイミングに合わせてレーザ光源を消灯させているが、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、制御装置がミラーの動作停止の信号を出力した後、ミラーの動作速度が一定速度から低下する前に、或いはその直前にレーザ光源を消灯させてもよい。これにより、図５（ｄ）に示すように、図３（ｄ）と同様、一様な形状の焼結領域が形成される。
【００８８】
さらに、コントローラ２５において制御すべき諸元の設定値は、上記記載した値以外に、この発明の目的を達成できる範囲で、適宜変更できる。
【００８９】
また、実施の形態では、複数の走査を行うとき、ビーム径の１／３未満で重ね書きしているが、レーザ照射量を均一するためビーム径の１／３程度重ね書きすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の形態である粉末焼結積層造形装置のうち造形部の構成を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。
【図２】図１の粉末焼結積層造形装置においてレーザ光出射部の構成を示す図である。
【図３】（ａ）は、図１の粉末焼結積層造形装置を用いた粉末焼結積層造形方法において、ミラーの速度制御信号の印加のタイミングを示すタイミングチャートであり、（ｂ）は、同じく速度制御信号に基づくミラーの実動作を示すタイミングチャートであり、（ｃ）は、同じくレーザ光源のON/OFFの制御信号の印加のタイミングを示すタイミングチャートであり、（ｄ）は、（ａ）〜（ｃ）のタイミングによって形成された、レーザ照射の一走査における焼結領域の平面形状を示す図である。
【図４】図１の粉末焼結積層造形装置において、レーザ光源のON/OFFを制御する信号を具体的に示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、図３（ａ）〜（ｃ）に対してレーザオフディレイ時間を設定した場合のタイミングチャートであり、（ｄ）は、（ａ）〜（ｃ）のタイミングによって形成された、レーザ照射の一走査における焼結領域の平面形状を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、この粉末焼結積層造形方法により形成された粉末材料の薄層の焼結領域を示す平面図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、焼結対象領域が短い場合における図３（ａ）〜（ｄ）のタイミングチャート及び図と対応するタイミングチャート及び図である。
【図８】（ａ）は、従来例において、ミラーの速度制御信号の印加のタイミングを示すタイミングチャートであり、（ｂ）は、同じく速度制御信号に基づくミラーの実動作を示すタイミングチャートであり、（ｃ）は、同じくレーザ光源のON/OFFの制御信号の印加のタイミングを示すタイミングチャートであり、（ｄ）は、同じくレーザ光源のON/OFFの制御信号の印加のタイミングに対応する、レーザ照射の一走査における焼結領域の平面形状を示す図である。
【図９】従来例の粉末焼結積層造形方法により形成された粉末材料の薄層の焼結領域を示す平面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は、従来例において、焼結対象領域が短い場合における図７（ａ）〜（ｄ）のタイミングチャート及び図と対応するタイミングチャート及び図である。
【図１１】（ａ）は、従来例において、図１０（ｃ）に対してレーザオンディレイ時間を設定した場合の図１０（ｂ）〜（ｄ）のタイミングチャート及び図と対応するタイミングチャート及び図である。（ｂ）は、上記（ａ）よりもさらに焼結領域の長さが短い場合の図１０（ｂ）〜（ｄ）のタイミングチャート及び図と対応するタイミングチャート及び図である。
【符号の説明】
【００９１】
１１  造形用容器
１２ａ  第１の粉末材料容器
１２ｂ  第２の粉末材料容器
１３  パートテーブル
１４ａ  第１のフィードテーブル
１４ｂ  第２のフィードテーブル
１５  粉末材料
１５ａ  粉末材料の薄層
１５ｂ  焼結薄層
１６  リコータ
２１、２２  光学系
２３  レーザ光源
２４  ＸＹＺドライバ
２５  コントローラ
１０１  造形部
１０２  レーザ光出射部
【図１】
2008155538.tif 000003
【図２】
2008155538.tif 000004
【図３】
2008155538.tif 000005
【図４】
2008155538.tif 000006
【図５】
2008155538.tif 000007
【図６】
2008155538.tif 000008
【図７】
2008155538.tif 000009
【図８】
2008155538.tif 000010
【図９】
2008155538.tif 000011
【図１０】
2008155538.tif 000012
【図１１】
2008155538.tif 000013