(57)【要約】【課題】原料粉体の固化領域と未固化領域とに対する単位面積当たり加熱量を個別に調整することが容易な三次元造形装置及び三次元造形方法を提供する。【解決手段】層形成機構１０４は、原料粉体１３１の層１３２を形成する。光源１０５Ａ、１０５Ｂ、走査加熱機構１３０Ａ、１３０Ｂは、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂにより層１３２を加熱する。レーザービーム１０９Ｂは、原料粉体１３１が溶融固化した固化領域を加熱する。レーザービーム１０９Ａは、固化領域に隣接する原料粉体１３１の未固化領域を加熱する。制御部２００は、固化領域と未固化領域との境界に沿ってレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂを移動させて層１３２の造形領域を溶融固化するように光源１０５Ａ、１０５Ｂ、走査加熱機構１３０Ａ、１３０Ｂを制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料粉体の層を形成する層形成手段と、
前記層が溶融固化した固化領域を加熱する第１のエネルギービームと、前記固化領域に隣接する未固化領域を加熱する第２のエネルギービームと、により前記層を加熱する加熱手段と、
前記固化領域と前記未固化領域との境界に沿って前記第１のエネルギービーム及び前記第２のエネルギービームを移動させて前記層の造形領域を溶融固化するように前記加熱手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする三次元造形装置。
【請求項２】
前記層の表面位置におけるビームスポットが通過した領域の単位面積当たり加熱量は、前記第１のエネルギービームのほうが前記第２のエネルギービームよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
【請求項３】
前記層の表面位置におけるビームスポットが通過した領域の単位時間当たり加熱量は、前記第１のエネルギービームのほうが前記第２のエネルギービームよりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記層の表面位置におけるビームスポットの面積は、前記第２のエネルギービームのほうが前記第１のエネルギービームよりも大きいことを特徴とする請求項２又は３に記載の三次元造形装置。
【請求項５】
前記加熱手段は、前記第１のエネルギービームを発生させる第１発生源と、前記第２のエネルギービームを発生させる第２発生源と、前記第１のエネルギービーム及び前記第２のエネルギービームを共通に走査する共通走査手段と、を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項６】
前記層の表面位置における前記第１のエネルギービームのビームスポットと前記第２のエネルギービームのビームスポットとが離間していることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項７】
前記層の表面位置における前記第１のエネルギービームのビームスポットと前記第２のエネルギービームのビームスポットとが部分的に重なっていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項８】
前記層の表面位置における前記第１のエネルギービーム及び前記第２のエネルギービームによる合計の加熱量は、前記第１のエネルギービームのビームスポット中心位置のほうが前記第２のエネルギービームのビームスポット中心位置よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の三次元造形装置。
【請求項９】
前記層の表面位置におけるビームスポットの前記境界に沿った移動方向の位置は、前記第２のエネルギービームのほうが前記第１のエネルギービームよりも下流側であることを特徴とする請求項２乃至８のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
【請求項１０】
制御部が、原料粉体の層を形成可能な層形成手段により前記層を形成させる層形成工程と、
前記制御部が、前記層が溶融固化した固化領域を加熱する第１のエネルギービームと前記固化領域に隣接する未固化領域を加熱する第２のエネルギービームとを出力可能な加熱手段により前記層の造形領域を加熱して溶融固化させる加熱工程と、を有し、
前記制御部は、前記加熱工程において、前記固化領域と前記未固化領域との境界に沿って前記第１のエネルギービーム及び前記第２のエネルギービームを移動させるように前記加熱手段を制御することを特徴とする三次元造形方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の三次元造形方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【請求項１２】
請求項１０に記載のプログラムが記録され、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギービームを用いて三次元造形物を製造する三次元造形装置及び三次元造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギービームを用いて加熱工程を行う粉末床溶融結合技術により三次元造形物を製造する三次元造形方法の開発が進められている。エネルギービームを用いて加熱工程を行う粉末床溶融結合技術では、エネルギービームにより蒸発した原料粉末が装置内で凝固したヒュームと呼ばれる微粒子が問題となる。
【０００３】
特許文献１では、装置内に不活性ガスの流れを形成して、装置内で発生したヒュームを装置内から追い出している。特許文献２では、粉末床を形成する層形成部にヒュームの吸引手段を設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１３２９６１号公報
【特許文献２】特許第５７２１８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、２では、三次元造形物の製造過程でヒュームが発生することを前提として、ヒュームの影響を軽減するものであるから、三次元造形物の製造過程で発生するヒュームの総量そのものを削減することはできない。
【０００６】
ところで、エネルギービームを用いて加熱工程を行う従来の粉末床溶融結合技術では、溶融固化した固化領域と固化領域に隣接する未固化領域とに１個のビームスポットをオーバーラップさせてエネルギービームを移動させている（図７参照）。即ち、固化領域と未固化領域との境界沿って１本のエネルギービームのビームスポットを移動させ、両者を同時に溶融して一体化させている。
【０００７】
ここで、粉末状態の未固化領域では、固化して熱が拡散し易い固化領域よりもヒュームが発生し易くなるので、未固化領域に対して固化領域よりも単位面積当たり加熱量を低く設定することが提案された。しかし、固化領域と未固化領域との境界沿ってビームスポットを移動させている場合、固化領域と未固化領域とに対する単位面積当たり加熱量を個別に調整することが難しい。
【０００８】
本発明は、固化領域と未固化領域とに対する単位面積当たり加熱量を個別に調整することが容易な三次元造形装置及び三次元造形方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の三次元造形装置は、原料粉体の層を形成する層形成手段と、前記層が溶融固化した固化領域を加熱する第１のエネルギービームと、前記固化領域に隣接する未固化領域を加熱する第２のエネルギービームと、により前記層を加熱する加熱手段と、前記固化領域と前記未固化領域との境界に沿って前記第１のエネルギービーム及び前記第２のエネルギービームを移動させて前記層の造形領域を溶融固化するように前記加熱手段を制御する制御手段と、を備えるものである。
【００１０】
本発明の三次元造形方法は、制御部が、原料粉体の層を形成可能な層形成手段により前記層を形成させる層形成工程と、前記制御部が、前記層が溶融固化した固化領域を加熱する第１のエネルギービームと前記固化領域に隣接する未固化領域を加熱する第２のエネルギービームとを出力可能な加熱手段により前記層の造形領域を加熱して溶融固化させる加熱工程と、を有する物の製造方法である。そして、前記制御部は、前記加熱工程において、前記固化領域と前記未固化領域との境界に沿って前記第１のエネルギービーム及び前記第２のエネルギービームを移動させるように前記加熱手段を制御する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、固化領域と未固化領域とに対する単位面積当たり加熱量を個別に調整することが容易な三次元造形装置及び三次元造形方法を提供することができる。これにより、固化領域と未固化領域とに対する単位面積当たり加熱量を個別に調整して、三次元造形物の製造過程で発生するヒュームの総量そのものを削減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１の三次元造形装置の構成の説明図である。
【図２】三次元造形装置の制御系のブロック図である。
【図３】三次元造形物の製造プロセスのフローチャートである。
【図４】従来の走査加熱における境界加熱の説明図である。（ａ）は原料粉体の層上のレーザービーム走査経路、（ｂ）はビームスポットによる境界加熱の斜視図である。
【図５】実施の形態１におけるレーザービームの説明図である。（ａ）はビームスポットの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）はレーザービームの強度分布の説明図である。
【図６】造形処理プログラム作成のフローチャートである。
【図７】比較例におけるレーザービームの説明図である。（ａ）はビームスポットの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図８】実施の形態２におけるレーザービームの説明図である。（ａ）はビームスポットの平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図、（ｃ）はレーザービームの強度分布の説明図である。
【図９】実施の形態３のレーザービーム制御の説明図である。（ａ）はビームスポットの平面図、（ｂ）はレーザービームの強度分布の概念図である。
【図１０】実施の形態４のレーザービーム設定の説明図である。（ａ）はビームスポットの平面図、（ｂ）はレーザービームの強度分布の概念図である。
【図１１】実施の形態５の三次元造形装置の構成の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
＜実施の形態１＞
実施の形態１では、固化領域を第１のレーザービームで加熱しつつ未固化領域を第２のレーザービームで加熱して固化領域と未固化領域とを一体に溶融固化させる。そして、第１のレーザービームが加熱した領域の単位面積当たり量を、第２のレーザービームが加熱した領域の単位面積当たり加熱量よりも大きくしている。これにより、粉末床溶融結合技術におけるヒュームの発生そのものを減らすことができる。
【００１５】
（三次元造形装置）
図１は実施の形態１の三次元造形装置の構成の説明図である。粉末床溶融結合技術は、少量多品種の製品造形物や複雑な形状を有する製品造形物を作製することが可能であるため、近年、開発が進められている。粉末床溶融結合技術では、通常、原料粉体の層を形成し、形成した層をエネルギービームにより局所的に溶融して面方向及び深さ方向に結合させる。そして、このようなプロセスを、多数の層で繰り返して積層することにより製品造形物を造形する。
【００１６】
図１に示すように、三次元造形装置１００は、粉末床溶融結合方式のいわゆる３Ｄプリンタである。全体を覆う筐体状の容器１０１は、ステンレスで形成され、密閉可能である。容器１０１には、圧力計１４３が接続されている。
【００１７】
排気機構１４１は、容器１０１内を排気して酸素を除去する。排気機構１４１は、ドライポンプにより構成される。ガス供給機構１４２は、窒素ガスを容器１０１内に供給可能である。粉末床溶融結合技術におけるエネルギービームの照射は、原料粉体の酸化防止のために不活性ガス中で行うことが一般的である。
【００１８】
排気機構１４１は、容器１０１との接続部に開口量を調整可能な開口調整弁を有する。三次元造形装置１００は、ガス供給機構１４２によって容器１０１に気体を供給しつつ圧力計１４３の出力に応じて開口調整弁を調整することで、容器１０１内を所望の雰囲気と圧力（真空度）とに保つことができる。
【００１９】
容器１０１内に造形容器１２０が配置される。造形容器１２０は、ステージ１２１の上に原料粉体１３１の層１３２が積層される基板である積層基材１２４を配置している。昇降機構１２２は、層１３２の厚みに対応させたピッチでステージ１２１を段階的に下降させる。
【００２０】
層形成手段の一例である層形成機構１０４は、層形成工程を実行して原料粉体の層１３２を形成可能である。層形成機構１０４は、原料粉体１３１を収容した移動部１３５が造形容器１２０の上面に沿って矢印Ｒ１方向に移動することに伴って原料粉体１３１の層１３２を形成する。層形成機構１０４は、積層基材１２４上又は層１３２上に原料粉体１３１の層１３２を形成して積層する。層形成機構１０４は、不図示のスキージやローラなどにより、数μｍ〜数１０μｍの粒径の金属粉末の原料粉体１３１を１０μｍ〜１００μｍ程度の均等な厚みに形成する。実施の形態１では、粒径が２０μｍのＳＵＳ３１６の原料粉体を用いて、層形成機構１０４により、厚さ４０μｍの層１３２を形成した。
【００２１】
加熱手段の一例である光源１０５Ａ、１０５Ｂ、走査加熱機構１３０Ａ、１３０Ｂは、加熱工程において、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂを出力可能である。第１発生源の一例である光源１０５Ｂは、第１のエネルギービームの一例であるレーザービーム１０９Ｂを発生させる。第２発生源の一例である光源１０５Ａは、第２のエネルギービームの一例であるレーザービーム１０９Ａを発生させる。
【００２２】
走査加熱機構１３０Ａ、１３０Ｂは、層形成機構１０４により形成された層１３２を２本のレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂにより加熱する。走査加熱機構１３０Ａは、光源１０５Ａで発生させたレーザービーム１０９Ａを、アクチュエータ１０６Ａ、１１６Ａにより走査ミラー１０６ｍ、１１６ｍで二軸に走査して、層１３２における入力データに応じた造形領域を加熱する。走査加熱機構１３０Ｂは、光源１０５Ｂで発生させたレーザービーム１０９Ｂを、走査ミラー１０６ｎ、１１６ｎで二軸に走査して、層１３２における入力データに応じた造形領域を加熱する。
【００２３】
走査加熱機構１３０Ａ、１３０Ｂは、造形容器１２０の層１３２を、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂによって加熱し、ほぼ瞬時に溶融して下層の固体組織と一体に固形化させる。これにより、造形容器１２０に形成された層１３２の所望の造形領域が固体化層１３２Ｈに変化する。
【００２４】
光源１０５Ａ、１０５Ｂは、ＹＡＧレーザー発振器であって、波長１０７０ｎｍ、出力５００Ｗの半導体ファイバーレーザーである。光学系１０７Ａ、１０７Ｂは、レーザービームを集光させるレンズを含み、レーザービームのビームスポットを層１３２の高さに形成する。透過窓１０８は、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂを容器１０１内に透過させる。
【００２５】
（造形物の製造プロセス）
図２は三次元造形装置の制御系のブロック図である。図３は三次元造形物の製造プロセスのフローチャートである。図１に示すように、三次元造形装置１００は、層形成工程とレーザー加熱工程とを繰り返すことにより、固体化層１３２Ｈが積層された三次元の製品造形物１３３を製造する。三次元造形装置１００は、走査ミラー１０６ｍ、１０６ｎ、１１６ｍ、１１６ｎを制御してレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂを走査し、光源１０５Ａ、１０５Ｂを制御してレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂの出力を変化させる。
【００２６】
図２に示すように、制御部２００は、ＲＯＭ２０７から呼び出した三次元造形プロセスの処理プログラム及びデータをＲＡＭ２０６に保持してＣＰＵ２０５が必要な演算と制御を実行することにより、三次元造形のプロセスコントローラとして機能する。制御手段の一例である制御部２００は、外部コンピュータ２１０で作成された造形処理プログラムを実行して三次元造形装置１００を制御する。
【００２７】
図３に示すように、制御部２００は、ユーザーが操作部２０９を通じてプロセス開始を指令すると、準備工程を実行する（Ｓ１１）。準備工程では、図１に示すように、排気機構１４１を作動させて容器１０１内を排気する。そして、容器１０１内の圧力が数百Ｐａに達すると、ガス供給機構１４２による気体供給を開始して、容器１０１内の圧力及び雰囲気を設定する。また、昇降機構１２２を作動させてステージ１２１を下降させることにより、積層基材１２４上に最初の層１３２の形成余地を形成する。
【００２８】
制御部２００は、準備工程が終わると層形成工程を実行する（Ｓ１２）。層形成工程では、図１に示すように、層形成機構１０４を作動させて積層基材１２４上又は既に形成された層１３２上に原料粉体１３１の層１３２を形成する。
【００２９】
制御部２００は、層形成工程が終わるとレーザー加熱工程を実行する（Ｓ１３）。レーザー加熱工程は、窒素ガスを導入した減圧、もしくは大気圧の雰囲気中で実行される。レーザービーム１０９の移動経路に位置する原料粉体１３１が溶融固化して、層１３２の表面が固化領域（３０２：図５）と未固化領域（３０１：図５）とに分かれる。
【００３０】
制御部２００は、レーザー加熱工程が終わると下降工程を実行する（Ｓ１４）。下降工程では、図１に示すように、昇降機構１２２を作動させてステージ１２１を下降させることにより、レーザー加熱工程が実行された層１３２上に次の層１３２の形成余地を形成する。
【００３１】
制御部２００は、製品造形物１３３の成形に必要な積層回数に達するまで（Ｓ１５のＮｏ）、層形成工程（Ｓ１２）、レーザー加熱工程（Ｓ１３）、下降工程（Ｓ１４）を繰り返す。制御部２００は、必要な積層回数に達すると（Ｓ１５のＹｅｓ）、取出工程を実行する（Ｓ１６）。取出工程では、図１に示すように、ガス供給機構１４２及び排気機構１４１を停止し、容器１０１内に外気を供給し、製品造形物１３３の冷却を待ち、操作部２０９の表示画面を通じてユーザーに製品造形物１３３の取り出しを許可する。
【００３２】
（従来の境界加熱）
図４は従来の走査加熱における境界加熱の説明図である。図４中、（ａ）は原料粉体の層上のレーザービーム走査経路、（ｂ）はビームスポットによる境界加熱の斜視図である。
【００３３】
図４の（ａ）に示すように、三次元造形装置１００は、直線的なＸ方向の主走査をＹ方向に等間隔で積み重ねるラスター走査を用いている。レーザービーム１０９をＸ方向に主走査しつつＹ方向に副走査することにより、レーザービーム１０９を層１３２の表面に均一な照射密度で照射する。これを個別の層１３２で繰り返すことにより、図１に示す製品造形物１３３を所望の形状に造形している。
【００３４】
図４の（ｂ）に示すように、レーザー加熱工程では、前回の主走査で溶融固化した固化領域３０２と未溶融の未固化領域３０１とを同時に溶融させて一体に固化させる。そのため、従来は、固化領域３０２と未固化領域３０１にオーバーラップする大きさのビームスポット１１０Ｄを形成し、ビームスポット１１０Ｄの中心が固化領域３０２と未固化領域３０１との境界Ｋに沿って移動するようにレーザービーム１０９を走査していた。ビームスポット１１０Ｄの直径は、主走査の走査ピッチ１１１よりも大きく、ビームスポット１１０Ｄが固化領域３０２と未固化領域３０１の両方を同時に加熱して溶融していた。ビームスポット１１０Ｄが固化領域３０２と未固化領域３０１を一体に固化させるプロセスを主走査経路に沿って連続的に実行することで、固化領域３０２を所望の形状に造形していた。
【００３５】
（ヒュームの問題）
図１に示すように、レーザー加熱工程では、原料粉体１３１の層１３２にレーザービーム１０９を照射して加熱したときにヒュームと言われる煙が発生する。粉末床溶融結合技術では、原料粉体の加熱に伴って容器内に発生するヒュームが問題となる。ヒュームは、原料粉体１３１を急激に加熱した時に昇華や蒸発で発生する金属蒸気が凝縮した微粒子である。ヒュームが容器１０１内に充満すると、レーザービーム１０９を容器１０１内へ導く透過窓１０８にヒュームが付着して透過率が低下する。あるいは、容器１０１内で浮遊するヒュームがレーザービーム１０９を散乱させて、原料粉体１３１の層１３２へ届くレーザービーム１０９が少なくなる。層１３２へ届くレーザービーム１０９が少なくなると、原料粉体１３１の溶融が不十分になって造形不良を引き起こす可能性がある。
【００３６】
ところで、既に原料粉体１３１が溶融固化された固化領域３０２は、未溶融の原料粉体１３１の未固化領域３０１よりも熱伝導度が高く、レーザービーム１０９の照射時に未固化領域３０１よりも温度が上昇し難い。このため、固化領域３０２の溶融には、未固化領域３０１よりも高い密度の加熱エネルギーを供給する必要がある。しかし、図４の（ｂ）に示すように、共通のビームスポット１１０で固化領域３０２と未固化領域３０１とを同時に加熱している場合、固化領域３０２の溶融に必要な強度でレーザービーム１０９が未固化領域３０１を等しく照射してしまう。これにより、未固化領域３０１は、溶融に必要とする以上の高い強度のレーザービーム１０９を照射されて必要以上に温度上昇して過熱状態となり、ヒュームの発生量が増加する。未溶融の金属粉体に対して溶融に必要なエネルギー量以上のレーザービーム１０９が照射されて金属粉体の蒸発が進行してヒュームが形成される。
【００３７】
そこで、実施の形態１では、固化領域３０２を第１のレーザービーム１０９Ｂで加熱しつつ未固化領域３０１を第２のレーザービーム１０９Ａで加熱している。そして、未固化領域３０１を加熱する第２のレーザービーム１０９Ａは、固化領域３０２を加熱する第１のレーザービーム１０９Ｂよりもビームスポットによる加熱性能、すなわちレーザービーム出力を小さくしている。
【００３８】
（ビームスポットの特徴）
図５は実施の形態１におけるレーザービームの説明図である。図５中、（ａ）はビームスポットの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）はレーザービームの強度分布の説明図である。
【００３９】
図５の（ａ）に示すように、実施の形態１では、レーザービーム１０９Ｂは、境界Ｋに沿って移動して、レーザービーム１０９Ａが既に溶融固化させた固化領域３０２を再び加熱する。レーザービーム１０９Ａは、固化領域３０２に隣接する未固化領域３０１を境界Ｋに沿って移動して加熱する。
【００４０】
レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂは、境界Ｋに沿って矢印Ｒ１方向に主走査され、未固化領域３０１と固化領域３０２の両方を溶融して固化させることで、固体化層１３２Ｈを所望の形状に造形する。レーザービーム１０９Ａにより未固化領域３０１を溶融して固化領域３０２を造形する過程で、レーザービーム１０９Ｂにより固化領域３０２を再溶融して固化させている。そして、未固化領域３０１に照射されるレーザービーム１０９Ｂの強度は、固化領域３０２に照射されるレーザービーム１０９Ａの強度よりも大きくしている。
【００４１】
レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂの主走査速度は、２００ｍｍ／ｓｅｃである。レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂのビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの直径は、いずれも６０μｍである。ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの中心は、未固化領域３０１と固化領域３０２の境界Ｋから２０μｍ離れた位置にそれぞれ位置決められているため、ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂは、縁の部分が一部で重なり合っている。
【００４２】
図５の（ｂ）に示すように、層１３２は、未固化領域３０１と固化領域３０２とを含む溶融領域３０３の範囲で溶融して一体に固化する。溶融領域３０３の深さは層１３２の厚さである４０μｍよりも深く、１層前の層１３２と一体に固化する。
【００４３】
図５の（ｃ）に示すように、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂの合計の加熱エネルギー分布３０４は、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂの個々の加熱エネルギー分布３０４Ａ、３０４Ｂを重ね合わせた分布を示す。
【００４４】
未固化領域３０１を照射する第２のレーザービーム１０９Ａは、固化領域３０２を照射する第１のレーザービーム１０９Ｂより加熱エネルギーが小さい。図１に示す光源１０５Ａは、第２のレーザービーム１０９Ａの出力を４０Ｗに設定し、光源１０５Ｂは、第１のレーザービーム１０９Ｂの出力を１００Ｗに設定してある。
【００４５】
ヒューム量を低減するために、光源１０５Ａは、第２のレーザービーム１０９Ａが未固化領域３０１を所望の位置で所望の深さまで溶融するのに必要な最小の加熱エネルギーを確保できるように出力を調整されている。未固化領域３０１の厚さ分を十分に溶融するために、光源１０５Ｂは、第１のレーザービーム１０９Ｂが未固化領域３０１を所望の位置で所望の深さまで溶融するのに必要な加熱エネルギーを確保できるように出力を調整されている。第２のレーザービーム１０９Ａの加熱エネルギーは、固化領域３０２を所望の深さまで造形するのに必要な加熱エネルギーより小さい。
【００４６】
合計の加熱エネルギー分布３０４が極小となる位置が未固化領域３０１と固化領域３０２との境界Ｋに位置するようにレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂの重ね合わせが調整されている。レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂのビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂは、走査方向と直交する方向に並んでいる。
【００４７】
（造形処理プログラム）
図６は造形処理プログラム作成のフローチャートである。図２に示すように、制御部２００は、外部コンピュータ２１０から入力された製品造形物１３３の設計データに基づいて、三次元造形装置１００による製品造形物１３３の造形処理プログラムを自動作成する。ＣＰＵ２０５は、外部コンピュータ２１０から製品造形物１３３の設計データ（ＣＡＤデータ）を取得する（Ｓ２１）。ＣＰＵ２０５は、製品造形物１３３の設計データに基づいて層１３２ごとの造形領域を設定する（Ｓ２２）。
【００４８】
ＣＰＵ２０５は、各層１３２の造形における層１３２の造形領域ごとにレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂのそれぞれの走査経路を設定する（Ｓ２３）。ＣＰＵ２０５は、造形領域ごとのレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂの走査経路上の各点におけるレーザービーム１０９の出力レベルを設定する（Ｓ２４）。ＣＰＵ２０５は、造形領域ごとのレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂの走査経路と出力レベルとを組み合わせて製品造形物１３３の造形処理プログラムを作成する（Ｓ２５）。造形処理プログラムは、外部コンピュータ２１０へ送信して、記録媒体２１１に保存される。
【００４９】
プログラムの一例である造形処理プログラムは、記録媒体２１１に保存され、三次元造形方法の各工程をコンピュータの一例である制御部２００に実行させる。三次元造形装置１００は、２本のレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂで走査加熱を行う造形処理プログラムを用いてレーザー加熱工程（Ｓ１３：図４）を実行する。これにより、原料粉体１３１の層１３２の未固化領域３０１と固化領域３０２とを溶融結合して、所望の形状の製品造形物１３３を造形する。
【００５０】
（比較例）
図７は比較例におけるレーザービームの説明図である。図７中、（ａ）はビームスポットの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００５１】
図１に示すように、比較例では、光源１０５Ａ及び走査加熱機構１３０Ａのみで層１３２の造形領域を溶融固化して製品造形物を三次元造形する。光源１０５Ａで発生させたレーザービーム１０９Ａを走査ミラー１０６ｍ、１１６ｍで走査して、層１３２の造形領域を加熱する。
【００５２】
図７の（ａ）に示すように、比較例では、レーザービーム１０９Ａのビームスポット１１０を、主走査の走査ピッチ（１１１：図４の（ｂ））よりも大きくしている。ビームスポット１１０Ａの中心が固化領域３０２と未固化領域３０１の境界Ｋ上を移動するようにレーザービーム１０９Ａが走査される。レーザービーム１０９Ａは、未固化領域３０１と固化領域３０２の両方に照射される。レーザービーム１０９Ａが固化領域３０２を所望の位置で５０μｍの深さに溶融できるように光源１０５Ａの出力は１００Ｗに設定されている。
【００５３】
三次元造形装置１００において、上記のように光源１０５Ａを設定して、主走査方向の長さ２０ｍｍ、副走査方向の長さ５０ｍｍ、高さ４０ｍｍの直方体の製品造形物（１３３：図１）を製造し、透過窓１０８の透過率の変化を測定した。開始から終了までの造形時間は１００時間である。
【００５４】
【表１】
2017179575.tif 000003
【００５５】
表１に示すように、比較例では、１００時間の造形を通じて、透過窓１０８の波長１０７０ｎｍでの透過率が実験前の９２％から８０％に低下した。これに対して、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂを使用する実施の形態１では、等しく１００時間の造形を行った場合、透過窓１０８の波長１０７０ｎｍでの透過率は、実験前の９２％から９０％までしか低下しなかった。実施の形態１と比較例とを比較すると、実施の形態１のほうが透過窓１０８の透過率が高い。つまり実施の形態１のほうが透過率減少の原因となるヒュームの発生が少なかった。よって、実施の形態１は、ヒューム低減に有効な技術であることがわかる。
【００５６】
（実施の形態１の効果）
実施の形態１では、薄層１３２上にレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂを所望のパターンで照射して各層の造形領域を溶融固化させることにより、組織が緻密で部分的な品質のばらつきが少ない製品造形物１３３を造形することができる。
【００５７】
実施の形態１では、固化領域３０２と未固化領域３０１との境界に沿ってレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂを移動させて層１３２の造形領域を溶融固化させる。このため、固化領域３０２の加熱条件と未固化領域３０１の加熱条件とを容易に調整して、固化領域３０２を十分に溶融しつつ未固化領域３０１の過熱を回避することができる。
【００５８】
実施の形態１では、層１３２の表面位置におけるビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂが通過した経路において、単位面積当たり及び単位時間当たり加熱量は、レーザービーム１０９Ｂのほうがレーザービーム１０９Ａよりも大きい。このため、固化領域３０２を十分に溶融して緻密な組織を形成しつつ、未固化領域３０１の過熱を抑制して造形中のヒューム発生を低減することができる。
【００５９】
実施の形態１では、層１３２の表面位置におけるレーザービーム１０９Ｂのビームスポット１１０Ｂとレーザービーム１０９Ａのビームスポット１１０Ａとが境界Ｋの付近で部分的に重なっている。このため、境界Ｋの付近における加熱不足が発生しにくい。
【００６０】
実施の形態１では、層１３２の表面位置におけるレーザービーム１０９Ｂ及びレーザービーム１０９Ａによる合計の加熱量は、レーザービーム１０９Ｂのビームスポット中心位置のほうがレーザービーム１０９Ａのビームスポット中心位置よりも大きい。このため、固化領域を十分に加熱しつつ未固化領域３０１の過熱を回避することができる。
【００６１】
実施の形態１では、ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの境界Ｋに沿った移動方向の位置は、レーザービーム１０９Ａとレーザービーム１０９Ｂとで同じである。このため、レーザービーム１０９Ａとレーザービーム１０９Ｂとを高速で走査して造形速度を高めることが容易である。
【００６２】
＜実施の形態２＞
図５に示すように、実施の形態１では、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂのビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂを部分的に重ね合わせて原料粉体の層１３２を加熱した。これに対して、実施の形態２では、層１３２の表面位置におけるレーザービーム１０９Ｂのビームスポットとレーザービーム１０９Ａのビームスポットとが離間している。レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂのビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂを離間させた状態を保って走査を行うことにより、原料粉体１３１の層１３２を加熱する。
【００６３】
（ビームスポットの特徴）
図８は実施の形態２におけるレーザービームの説明図である。図８中、（ａ）はビームスポットの平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図、（ｃ）はレーザービームの強度分布の説明図である。実施の形態２では、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂのビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂが離間している以外の構成及び制御は実施の形態１と同一である。このため、図８中、実施の形態１と同一の構成には図７と共通の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００６４】
図８の（ａ）に示すように、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂのビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂは離間している。
【００６５】
レーザービーム１０９Ａのビームスポット１１０Ａの直径は３０μｍである。固化領域３０２と未固化領域３０１の境界Ｋからビームスポット１１０Ａの中心までの距離は４０μｍである。レーザービーム１０９Ｂのビームスポット１１０Ｂの直径は３０μｍである。固化領域３０２と未固化領域３０１の境界Ｋからビームスポット１１０Ｂの中心までの距離は４０μｍである。
【００６６】
図８の（ｂ）に示すように、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂは、原料粉体１３１の層１３２を未固化領域３０１と固化領域３０２とを含む溶融領域３０３の範囲で溶融固化する。溶融領域３０３の深さは層１３２の厚さである４０μｍよりも大きい。
【００６７】
図８の（ｃ）に示すように、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂは、離間しているため、合計の加熱エネルギー分布３０４においてレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂの個々の加熱エネルギー分布３０４Ａ、３０４Ｂが独立している。
【００６８】
未固化領域３０１を照射する第２のレーザービーム１０９Ａは、固化領域３０２を照射する第１のレーザービーム１０９Ｂより加熱エネルギーが小さい。光源１０５Ａは、第２のレーザービーム１０９Ａの出力を６０Ｗに設定し、光源１０５Ｂは、第１のレーザービーム１０９Ｂの出力を１３０Ｗに設定してある。これにより、原料粉体１３１の層１３２は、厚さ４０μｍが溶融される。
【００６９】
光源１０５Ａは、未固化領域３０１が所望の位置で所望の深さまで溶融するのに必要な最小の加熱エネルギー量を設定することが望ましい。光源１０５Ｂは、固化領域３０２が所望の位置で所望の深さまで造形できる最小の加熱エネルギー量を満たしている。したがって、光源１０５Ａは、固化領域３０２を所望の深さまで溶融するだけの加熱エネルギー量を有しない。
【００７０】
ヒューム量を低減するため、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂは、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂの走査方向と直交する方向に並んでいることが望ましい。
【００７１】
以上のようにレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂを設定して、実施の形態１及び比較例と同様な試験造形を行った。そして、１００時間の造形を行った後の透過窓１０８の波長１０７０ｎｍでの透過率を評価した。
【００７２】
【表２】
2017179575.tif 000004
【００７３】
表２に示すように、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂを使用する実施の形態２では、等しく１００時間の造形を行った場合、透過窓１０８の波長１０７０ｎｍでの透過率は、実験前の９２％から９０％までしか低下しなかった。
【００７４】
よって、実施の形態１と同等に透過率減少の原因となるヒュームの発生が少なかったと判断される。よって、実施の形態２はヒューム低減に有効な技術であることがわかる。
【００７５】
＜実施の形態３＞
図５の（ａ）に示すように、実施の形態１では、ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの主走査方向の位置関係を固定して、原料粉体１３１の層１３２を走査加熱した。これに対して、実施の形態３では、ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの主走査方向の位置を主走査中に可変に制御する。そして、ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの境界Ｋに沿った移動方向の位置は、未固化領域３０１を加熱するレーザービーム１０９Ａのほうが固化領域３０２を加熱するレーザービーム１０９Ｂよりも下流側である。
【００７６】
（レーザービーム制御）
図９は実施の形態３のレーザービーム制御の説明図である。図９中、（ａ）はビームスポットの平面図、（ｂ）はレーザービームの強度分布の概念図である。実施の形態３では、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂのビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの主走査方向の距離が可変である以外の構成及び制御は実施の形態１と同一である。このため、図９中、実施の形態１と同一の構成には図５と共通の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００７７】
図９の（ａ）に示すように、未固化領域３０１の溶融固化は、第２のレーザービーム１０９Ａによって、主走査方向へほぼ一定の速度及び時間間隔で実行されることが望ましい。
【００７８】
図９の（ｂ）に示すように、第２のレーザービーム１０９Ａは、未固化領域３０１を所望の位置で所望の深さまで溶融するのに必要な最小の加熱エネルギーに対応させて出力を固定している。このため、走査速度又は走査間隔時間がばらつくと未固化領域３０１に加熱の過不足が発生し易くなる。なお、走査間隔時間とは、主走査ごとに主走査線に沿った方向の同一位置を通過する時間間隔である。
【００７９】
しかし、部品の主走査方向の寸法は位置によって異なるため、走査間隔時間は、部品の主走査方向の寸法に応じてばらつく。そして、走査間隔時間が短い場合は固化領域３０２の温度が高い状態で次回の加熱溶融が始まるので、第２のレーザービーム１０９Ａが同一出力でも、照射された未固化領域３０１の温度が過剰になる傾向がある。そこで、実施の形態３では、部品の主走査方向の寸法が短い位置では、未固化領域３０１の過熱を避けるために、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂのビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの主走査方向の距離Ｌを大きくしている。
【００８０】
図６に示すように、ＣＰＵ２０５は、各層の造形領域を設定した後（Ｓ２２）、造形領域の中で主走査方向の寸法が短い位置を抽出する。そして、主走査方向の寸法が短い位置では、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂのビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの距離Ｌを大きく設定するように、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂの走査計画を設定する（Ｓ２３）。
【００８１】
これにより、主走査方向の各位置における未固化領域３０１の加熱状態のばらつきを減らして、各層の造形領域の部分ごとの未固化領域３０１の加熱の過不足を調整できる。未固化領域３０１の加熱の過剰に起因するヒュームの増加を防止できる。
【００８２】
＜実施の形態４＞
図８の（ａ）に示すように、実施の形態２では、ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂを主走査方向に直交する方向に離間させた。これに対して、実施の形態４では、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂを主走査方向に直交する方向にオーバーラップさせた。
【００８３】
（レーザービーム設定）
図１０は実施の形態４のレーザービーム設定の説明図である。図１０中、（ａ）はビームスポットの平面図、（ｂ）はレーザービームの強度分布の概念図である。実施の形態４では、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂのビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂがオーバーラップしている以外の構成及び制御は実施の形態１と同一である。このため、図１０中、実施の形態１と同一の構成には図５と共通の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００８４】
図１０の（ａ）に示すように、未固化領域３０１の溶融固化は、主走査方向に直交する方向の広い範囲で実行されることが望ましい。主走査１回当たりの造形量が増えて生産性が高まるからである。そして、固化領域３０２の加熱溶融は、未固化領域３０１に隣接する狭い領域に限定することが望ましい。製品造形物１３３の無駄な加熱を回避して、投入電力を造形に割り当てる割合を高めることが望ましいからである。
【００８５】
そこで、実施の形態４では、直径の大きなビームスポット１１０Ａに直径の小さなビームスポット１１０Ｂをオーバーラップさせて、未固化領域３０１に隣接する固化領域３０２の狭い範囲を集中して効率的に加熱できるようにした。ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの主走査方向の位置関係を固定し、ビームスポット１１０Ａが固化領域３０２及び未固化領域３０１を比較的小さなエネルギー密度で加熱する。そして、未固化領域３０１に隣接する固化領域３０２を、高いエネルギー密度のビームスポット１１０Ｂで加熱する。
【００８６】
実施の形態４では、ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの主走査方向の位置関係を固定して、原料粉体１３１の層１３２を走査加熱する。実施の形態４では、層１３２の表面位置におけるビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの面積は、レーザービーム１０９Ａのほうがレーザービーム１０９Ｂよりも大きい。このため、１回の主走査で溶融固化できる面積が増えて生産性が向上する。また、再溶融させる固化領域３０２の面積を少なくして、固化領域３０２の不必要な加熱を少なく済ませることができる。
【００８７】
＜実施の形態５＞
図１に示すように、実施の形態１ではレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂに走査加熱機構１３０Ａ、１３０Ｂをそれぞれ設けた。これに対して、実施の形態５では、共通走査手段の一例である走査加熱機構１３０は、レーザービーム１０９Ｂ及びレーザービーム１０９Ａを共通に走査する。共通の走査加熱機構１３０がレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂを走査して原料粉体１３１の層１３２を加熱する。
【００８８】
（走査加熱機構）
図１１は実施の形態５の三次元造形装置の構成の説明図である。図１１に示すように、三次元造形装置１００Ｂは、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂに対して走査加熱機構１３０が共通である以外の構成は実施の形態１と同一である。このため、図１１中、実施の形態１と共通の構成には図１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００８９】
実施の形態４のように、ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの主走査方向の位置関係が固定されている場合、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂを走査加熱機構１３０で走査することが可能である。
【００９０】
図１１に示すように、光源１０５Ａは、出力可変のレーザービーム１０９Ａを発生させる。光源１０５Ｂは、出力可変のレーザービーム１０９Ｂを発生させる。光源１０５Ａ、１０５Ｂは、紙面と垂直方向に隣接して配置され、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂが紙面と垂直な面内で層１３２の表面へ斜めに入射するように配置される。
【００９１】
走査加熱機構１３０は、光源１０５Ａで発生させたレーザービーム１０９Ａと光源１０５Ｂで発生させたレーザービーム１０９Ｂとをアクチュエータ１０６Ａ、１１６Ａにより走査ミラー１０６ｎ、１１６ｎで共通に二軸に走査する。これにより、層１３２における入力データに応じた造形領域を加熱する。このため、走査加熱機構１３０の台数が削減され、加熱工程におけるビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの相対的な位置関係のばらつきも小さくなる。
【００９２】
＜その他の実施の形態＞
本発明の三次元造形方法及び三次元造形装置は、実施の形態１における具体的な各部構成、部品形態、及び実寸法には限定されない。実施の形態１の構成の一部又は全部を等価な部材に置き換えた別の実施の形態でも実施可能である。
【００９３】
したがって、エネルギービームの波長、レーザー発振器の種類、レーザービームのビームスポットサイズ、光源の出力設定、レーザービームの照射位置、造形容器、原料粉体の層形成装置は、所望の仕様に変更可能である。原料粉体１３１は、ステンレス粒子には限らない。チタン、鉄、アルミニウム、シリコン、炭化金属、窒化金属、酸化金属、セラミック粒子等を自由に選択可能である。容器１０１に導入されるガスも任意に変更可能である。例えば、水素ガスを窒素ガス、アルゴンガスなどと混合した混合ガスを導入し、還元雰囲気化で造形することも高強度化に効果がある。溶融する温度よりも低い温度に加熱して原料粉体を焼結させて三次元造形を行ってもよい。
【００９４】
実施の形態１では、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂの出力を一定比率で固定したが、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂの出力は、原料粉体１３１の層１３２の造形領域の各位置で異ならせてもよい。例えば、未固化領域３０１を加熱するレーザービーム１０９Ａは溶融条件の変動を避けるために一定の出力を維持させる。一方、固化領域３０２を加熱するレーザービーム１０９Ｂは、固化領域３０２の推定温度に基づいて、固化領域３０２の再溶融状態のばらつきを少なくするように出力を変化させることが考えられる。１つの層１３２の加熱溶融過程で、ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂに対する固化領域３０１と未固化領域３０２との割り当てを反転させ、反転に伴ってレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂの出力の大小関係を反転させてもよい。造形領域の未固化領域３０１と固化領域３０２の位置関係が反対になっている位置では、レーザービーム１０９Ａにより固化領域３０２を加熱し、レーザービーム１０９Ｂにより未固化領域３０１を加熱してもよい。
【００９５】
実施の形態３では、ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの移動方向の距離Ｌの変更と同時にレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂの出力を変化させてもよい。あるいは、ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの移動方向の距離Ｌを一定に保って、主走査方向の寸法が短い位置でレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂの出力を低下させてもよい。
【００９６】
実施の形態１では、ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの位置関係を固定して原料粉体１３１の層１３２を加熱している。しかし、２つの独立した走査加熱機構１３０Ａ、１３０Ｂを使用しているため、ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの位置関係は、走査方向及び走査方向に直交する方向へ任意に変更可能である。ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの位置関係の変更は種々の目的で利用できる。例えば、実施の形態３で説明したように、ビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの位置関係を変化させて造形領域の部分ごとの加熱条件のばらつきを軽減してもよい。すなわち、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂに対して独立した走査加熱機構１３０Ａ、１３０Ｂが設けられている場合、造形領域の部分ごとの加熱条件のばらつきを少なくするようにレーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂを位置決めることができる。
【００９７】
造形領域をラスター走査して固化させた後、造形領域の輪郭に沿ってビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂを移動させるように、レーザービーム１０９Ａ、１０９Ｂを移動させてもよい。この場合、造形領域の未固化領域３０１と固化領域３０２の位置関係に応じてビームスポット１１０Ａ、１１０Ｂの相対的な位置関係を変化させることが望ましい。
【００９８】
実施の形態１では、主走査を副走査方向に積み重ねるラスター走査方式により各層の造形領域を固化させた。しかし、ラスター走査方式以外のエネルギービーム移動を採用してもよい。螺旋移動、中心から輪郭へ向かう渦巻き移動、輪郭から中心へ向かう渦巻き移動等を採用してもよい。
【００９９】
実施の形態１では、エネルギービームとして波長１０７０ｎｍのＹＡＧレーザーのレーザービームを用いた。しかし、エネルギービームは、他の波長、他の発振源のレーザービーム、あるいは電子ビームに置き換えてもよい。ただし、電子ビームを用いる場合、図１に示す容器１０１は、高度に真空引きして低い圧力状態を維持する必要がある。
【符号の説明】
【０１００】
１０１：容器、１０３：造形容器、１０４：層形成機構（層形成手段）、１０５Ａ、１０５Ｂ：光源（加熱手段）、１０６ｍ、１０６ｎ、１１６ｍ、１１６ｎ：走査ミラー、１０７Ａ、１０７Ｂ：光学系、１０８：透過窓、１０９Ａ、１０９Ｂ：レーザービーム、１１０Ａ、１１０Ｂ：ビームスポット、１１１：走査ピッチ、１２０：造形容器、１２１：造形ステージ、１２２：昇降機構、１２４：積層基材、１３０Ａ、１３０Ｂ：走査加熱機構（加熱手段）、１３１：原料粉体、１３２：層、１３３：製品造形物、２００：制御部（制御手段）、３０１：未固化領域、３０２：固化領域、３０３：溶融領域
【図１】
2017179575.tif 000005
【図２】
2017179575.tif 000006
【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】
2017179575.tif 000012
【図９】
2017179575.tif 000013
【図１０】
2017179575.tif 000014
【図１１】
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