(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形用プレートに粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成ステップと、
前記粉末層に光ビームを照射して、焼結層を形成する照射ステップと、
前記粉末層形成ステップと照射ステップとを繰り返すことにより前記焼結層を積層する積層ステップと、を備えた三次元形状造形物の製造方法において、
前記光ビームの照射面に載置されたプレート上にセットした補正用ターゲットに、前記照射ステップ時と同じレーザ出力によって前記光ビームを照射することにより、前記補正用ターゲットを貫通させてマークを付与するマーキングステップと、
前記マーキングステップにより付与したマークの位置を計測し、予め定められた照射位置との誤差に基づいて前記光ビームの照射位置の補正を行なう補正ステップと、を備え、
前記プレートは、マークの付与位置に対応する箇所が空洞となっていることを特徴とする三次元形状造形物の製造方法。
【請求項２】
前記補正ステップにおけるマーク位置の計測は、前記補正用ターゲットを照明し、照明によるコントラストを撮像することにより行うことを特徴とする請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項３】
前記マーキングステップは、複数のマークを、互いに独立させて重ならないように付与することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項４】
前記マークは、十字形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【請求項５】
前記マークは、円形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機質、又は有機質の粉末材料に光ビームの照射を行なう三次元形状造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、無機質、又は有機質の粉末材料で形成した粉末層に光ビームを照射し、粉末層を溶融して焼結層を形成し、その焼結層の上に新たな粉末層を形成して光ビームを照射することを繰り返して三次元形状を造形する製造方法が知られている。このような製造方法においては、光ビームの光源として、主にＣＯ２レーザが用いられている。
【０００３】
このＣＯ２レーザは、ガスレーザであるので、レーザ発振に伴う発熱により、光ビーム発振器内部の共振ミラーのアライメントが微妙に変化し、光ビームの広がり角や、光ビームの光軸の安定性や、レーザ出力の安定性等の特性が変化する。そして、光ビームの特性の変化により、光ビームの照射位置、集光径、及びレーザパワー等が変動する。また、光ビームの光源として、ＹＡＧレーザが用いられている場合には、ＹＡＧロッドの両端にある共振ミラーの熱的な平衡やＹＡＧロッド自身の熱膨張により、光ビーム出射開始直後に、ＣＯ２レーザと同様に、光ビームの広がり角や、光軸の安定性や、レーザ出力の安定性等の特性が変化し、光ビームの照射位置、集光径、及びレーザパワー等が変動する。このために、光ビームの照射位置等を補正しなければならず、照射位置の補正は、感熱紙に光ビームを照射し、光ビームの熱によって変色した照射跡の位置を計測して行なわれる。
【０００４】
しかしながら、この補正方法においては、補正時のレーザ出力は、数Ｗ〜数１０Ｗであり、実際に粉末を焼結する出力である数１００Ｗに比べて非常に小さい。そのために、補正時のレーザの発振状態が粉末焼結時と異なることにより光ビーム発振器の熱的な状態が変わり、光ビームの照射位置が粉末焼結時の照射位置と一致しない。このために、光ビームの照射位置の補正が十分に行なえない。
【０００５】
また、粉末焼結時と同等のレーザ出力によって照射跡を付与して光ビームの照射位置の補正を行なう三次元形状造形物の製造方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に示されるような製造方法においても、光ビームの照射跡のコントラストが不明瞭であるので、照射位置の補正が十分に行なえない。
【特許文献１】特開２００５−１３３１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題を解消するものであり、光ビームの照射位置の補正を容易に行うことができる三次元形状造形物の製造方法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】
【０００８】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、造形用プレートに粉末材料を供給して粉末層を形成する粉末層形成ステップと、前記粉末層に光ビームを照射して、焼結層を形成する照射ステップと、前記粉末層形成ステップと照射ステップとを繰り返すことにより前記焼結層を積層する積層ステップと、を備えた三次元形状造形物の製造方法において、前記光ビームの照射面に載置されたプレート上にセットした補正用ターゲットに、前記照射ステップ時と同じレーザ出力によって前記光ビームを照射することにより、前記補正用ターゲットを貫通させてマークを付与するマーキングステップと、前記マーキングステップにより付与したマークの位置を計測し、予め定められた照射位置との誤差に基づいて前記光ビームの照射位置の補正を行なう補正ステップと、を備え、前記プレートは、マークの付与位置に対応する箇所が空洞となっているものである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記補正ステップにおけるマーク位置の計測は、前記補正用ターゲットを照明し、照明によるコントラストを撮像することにより行うものである。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記マーキングステップは、複数のマークを、互いに独立させて重ならないように付与するものである。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記マークは、十字形状であるものである。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の三次元形状造形物の製造方法において、前記マークは、円形状であるものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明によれば、光ビーム照射によって補正用ターゲットを貫通させてマークを付与するので、マークとマーク周囲とのコントラストが明瞭になり、このため、マークの位置を容易に計測することができ、光ビームの照射位置の補正を容易に行うことができる。また、マークの下のプレートが空洞なので、マークとマーク周囲とのコントラストが明瞭になりマークの位置を容易に計測できる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、マークに照明が行われるので、マークとマーク周囲とのコントラストが更に明瞭になりマークの位置を容易に計測できる。
【００１７】
請求項３の発明によれば、マークが互いに独立して重ならないので、補正用ターゲットが抜け落ちることがない。
【００１８】
請求項４の発明によれば、マークが十字形状であるので、縦線と横線が交差する座標を容易に求めることができる。
【００１９】
請求項５の発明によれば、マークが円形状であるので、円上の3点の座標から円の中心の座標を容易に求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法について図面を参照して説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は、同製造方法に用いられる金属光造形加工機の構成を示し、図１（ｂ）においては照射部の一部を省略している。金属光造形加工機1は、金属粉末を所定の厚みの層に敷く粉末層形成部２と、光ビームＬを発し、光ビームＬを任意の位置に照射する照射部３と、金属光造形加工機１各部の動作を制御する制御部６と、を備えている。粉末層形成部２は、上下に昇降する昇降テーブル２１と、昇降テーブル２１の上に配され造形物２２の土台となる造形用プレート２３と、矢印Ａ方向に移動し造形用プレート２３に金属粉末の粉末層２４を敷くワイパ２５と、昇降テーブル２１等を囲む造形タンク２６と、を有している。
【００２１】
照射部３は、光ビームＬを発振する光ビーム発振器３１と、光ビーム発振器３１からの光ビームＬを反射する回転自在な２枚の走査ミラー３２と、走査ミラー３２の回転の角度制御を行うスキャナ３３とを備えている。制御部６は、スキャナ３３を介して走査ミラー３２の回転角度を調整し、光ビームＬを粉末層２４の上に走査させる。走査ミラー３２とスキャナ３３は走査ヘッド３４を構成している。光ビーム発振器３１は、例えば、炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザの発振器である。金属光造形加工機１は、後述する補正用ターゲット４に付与された補正用マークの位置を撮像する撮像カメラ５と、撮像カメラ５を撮像場所に移動させるＸＹ駆動機構５１と、撮像カメラ５によって撮像された画像を処理する画像処理装置５２を備えている。
【００２２】
金属光造形加工機１は、三次元形状を造形する前処理として、光ビームＬの照射位置の補正を行なうため、次のマーキングステップ及びその後の補正ステップを行う。このマーキングステップにおいては、造形用プレート２３の上に補正用ターゲット４が載置される。この補正用ターゲット４には、光ビーム照射位置の補正の基準となる補正用マークを、走査ヘッド３４を用いて光ビームＬを照射することにより付与する。この補正用ターゲット４に付与された補正用マークを撮像カメラ５によって撮像し、その画像から光ビームＬの照射位置を補正する。
【００２３】
上記のように構成された金属光造形加工機１における三次元形状造形物の製造方法を図２及び図３を参照して説明する。図２はその製造方法を実施したときの時系列状態を、図３はそのフローを示す。まず、図２（ａ）に示すように、造形用プレート２３の上に、補正用ターゲット４を載置する（ステップＳ１、Ｓ１と略記、以下同様）。次に、補正用ターゲット４に光ビームＬを照射して補正用マーク（マーク）７を付与する（Ｓ２）。補正用マーク７は十字形状であるが、補正用マーク７の形状は円形や四角形状等の他の形状でもよい。このＳ２において、光ビームＬのレーザ出力は、粉末層を焼結するときのレーザ出力と同等の強さである。このＳ１及びＳ２は、マーキングステップを構成する。
【００２４】
次に、図２（ｂ）に示すように、制御部は、補正用マーク７の上に撮像カメラ５をＸＹ駆動機構によって移動させ、補正用マーク７を撮像して補正用マーク７の位置を測定する（Ｓ３）。そして、撮像した補正用マーク７の位置と予め定められた照射位置との誤差が所定量より小さいかを判断する（Ｓ４）。誤差が所定量より大きい場合には、制御部は、光ビームＬの照射位置の補正を行う（Ｓ５）。そして、補正用ターゲット４を新しいものと交換し（Ｓ６）、Ｓ２へ戻る。このＳ３乃至Ｓ６は補正ステップを構成する。こうして、補正用マーク７の位置と予め定められた照射位置との誤差が所定量より小さくなるまで、Ｓ２乃至Ｓ６を繰り返し、所定量より小さくなると補正用ターゲット４を造形用プレート２３から取り除き、次のＳ７へ進む。
【００２５】
次に、図２（ｃ）に示すように、制御部は、造形用プレート２３の上面と造形タンク２６の上面との段差が長さΔｔになるように、昇降テーブル２１を下降させる（Ｓ７）。次に、制御部はワイパ２５によって金属粉末を造形用プレート２３上に供給する。ワイパ２５は、造形タンク２６の上面と同じ高さで水平方向に移動し、造形用プレート２３の上に厚みΔｔの粉末層２４を形成する（Ｓ８）。このＳ７及びＳ８は粉末層形成ステップを構成する。
【００２６】
上記Ｓ６の後、図２（ｄ）に示すように、制御部は走査ヘッド３４に光ビームＬを任意の位置に走査させ（Ｓ９）、粉末層２４を溶融し造形用プレート２３と一体化した焼結層２７を形成する（Ｓ１０）。このＳ９及びＳ１０は照射ステップを構成する。
【００２７】
上記Ｓ１０の後、制御部は造形が終了したかを判断し（Ｓ１１）、終了していないときは図２（ｃ）、（ｄ）に示すようにＳ７へ戻り、Ｓ７乃至Ｓ１０を繰り返し実行し焼結層２７を積層する。このＳ７乃至Ｓ１０は積層ステップを構成する。こうして、図２（ｅ）に示すように、焼結層２７を積層し、造形物２２を造形する。上述したマーキングステップ及び補正ステップによる光ビームの照射位置の補正は、造形物２２を造形する最初に行なってもよいし、造形物２２を造形する間の任意の時に行なってもよい。光ビームの照射位置の補正を、造形物２２を造形する間に行なう場合には、補正用ターゲット４を粉末層２４や焼結層２７の上に設置してマーキングステップ及び補正ステップを行なう。
【００２８】
次に、上記マーキングステップ後の補正ステップについて図４を参照して説明する。図４は、補正用ターゲット４に付与された補正用マーク７を、撮像カメラ５で撮像している状態を示す。補正用ターゲット４が造形用プレート２３の上に載置されており、補正用ターゲット４には、マーキングステップにおいて補正用マーク７が付与されている。このマーキングされている補正用ターゲット４は、光ビームＬを照射されると、照射された部分が溶解し穴が貫通する材質でできている。補正用ターゲット４は、例えば厚みが０．０５〜０．３ｍｍの白色の紙である。そして、補正用マーク７は、補正用ターゲット４が貫通されて形成されている。
【００２９】
撮像カメラ５は、ＸＹ駆動機構によってＸ方向、及びＹ方向に移動して、貫通した補正用マーク７の上に位置し、補正用マーク７を撮像する。撮像された画像は画像処理装置５２によって解析され、補正用マーク７の位置が計測される。補正用ターゲット４の補正用マーク７が光ビーム照射によって貫通して形成されているので、補正用マーク７とその周囲とのコントラストが明瞭になり、このため、補正用マーク７の位置を容易に計測でき、光ビームＬの照射位置の補正を容易に行うことができる。
【００３０】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法における光ビームの照射位置の補正について図面を参照して説明する。図５（ａ）及び（ｂ）は、撮像カメラ５で補正用ターゲット４に付与された補正用マーク７を撮像している状態を示す。補正用ターゲット４は、補正用マーク７のコントラストを明瞭にするための空洞を有する補正用プレート４１上に載置され、図５（ａ）ではその空洞が座ぐり穴４１ａであり、図５（ｂ）では、その空洞が貫通穴４１ｂである。図６（ａ）は補正用ターゲット４が載置される補正用プレートの平面視を、図６（ｂ）は補正用プレート４１の上に載置された補正用ターゲット４の状態を示す。
【００３１】
本実施形態においては、造形用プレート２３の上に補正用プレート（プレート）４１を載置し、その補正用プレート４１の上に補正用ターゲット４を載置している。補正用プレート４１は、補正用ターゲット４の補正用マーク７に対応する箇所が空洞となっている。空洞は貫通していない座ぐり穴４１ａでもよいし、貫通穴４１ｂでもよい。図６（ａ）及び（ｂ）の例では、補正用プレート４１に９箇所の座ぐり穴４１ａ、又は貫通穴４１ｂが開けられ、その座ぐり穴４１ａ、及び貫通穴４１ｂの上の位置で補正用ターゲット４に補正用マーク７が付与されている。この補正用マーク７を撮像すると、補正用マーク７の下が空洞となっているので、補正用マーク７の部分が暗くなり、補正用マーク７とその周囲とのコントラストが明瞭になる。
【００３２】
また、上記第１の実施形態のように補正用ターゲット４が造形用プレート２３の上に直接に載置されていると、マーキングステップ時の光ビームの熱が造形用プレート２３に発散し、補正用ターゲット４の温度が上がらずに補正用マーク７が貫通し難い。それに対し、本実施形態においては補正用マーク７の下が空洞となっているので、光ビームの熱が発散せずに、補正用マーク７の穴が貫通しやすい。これにより、補正用マーク７とその周囲とのコントラストが明瞭になる。
【００３３】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法における光ビームの照射位置の補正について図面を参照して説明する。図７（ａ）は、座ぐり穴４１ａの上に位置する補正用マーク７の撮像状態を示し、図７（ｂ）は、貫通穴４１ｂの上に位置する補正用マーク７の撮像状態を示す。本実施形態において金属光造形加工機１は、照明部８を備え、補正用マーク７に照明部８から照明を当てて撮像する。照明部８は、例えば白熱灯やＬＥＤ等である。また、外部からの光を伝送して照射する光ファイバでもよい。補正用プレート４１の空洞が図７（ａ）に示すような座ぐり穴４１ａの場合でも、図７（ｂ）に示すような貫通穴４１ｂの場合でも、貫通している補正用マーク７に入射した光は、下の空洞に入り、補正用マーク７の部分は暗く撮像され、補正用マーク７の周囲を照射した光は上側に反射し、補正用マーク７の周囲部は明るく撮像されるので、補正用マーク７とその周囲とのコントラストが明瞭になる。
【００３４】
図８は、補正用プレート４１の貫通穴４１ｂの上に位置する補正用マーク７に、補正用ターゲット４の下側から照明を当てて行う光ビームの照射位置の補正について示す。この場合、補正用プレート４１と造形用プレート２３の間に空間が設けられ、その空間に照明部８が設置されている。補正用マーク７は、照明部８からの光が空洞を通過して撮像カメラ５を照らして明るく撮像され、補正用マーク７の周囲部は暗く撮像されるので、補正用マーク７とその周囲とのコントラストが明瞭になる。
【００３５】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法における光ビームの照射位置の補正について図面を参照して説明する。図９（ａ）及び（ｂ）は十字形状の補正用マーク７が付与された補正用ターゲット４の平面視を示す。本実施形態においては、図９（ａ）のように、補正用マーク７が互いに独立して重ならないように付与されている。図９（ｂ）は、補正用マーク７が互いに連続して重なるように付与された状態を示す。図９（ｂ）のように、補正用マーク７が連続して付与されると、補正用マーク７が補正用ターゲット４を貫通しているので、補正用マーク７に囲まれた、斜線で示す部分が下に脱落し、補正用マーク７の位置を計測することができない。それに対し、図９（ａ）に示す本実施形態のように、補正用マーク７を独立して重ならないように付与することにより、補正用ターゲット４が脱落することがなく、補正用マーク７の位置を計測することができる。
【００３６】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法における光ビームの照射位置の補正について図面を参照して説明する。図１０は、補正用マーク７の形状を示す。本実施形態においては、補正用マーク７を十字形状にしており、補正用マーク７の位置は、次のように計測する。補正用マーク７は縦線７１と横線７２から成っている。縦線７１と横線７２の線幅は撮像カメラ５の視野に収まる太さとし、概ね視野の半分以下にすることが望ましい。半分以下にすることにより、視野が多少ずれても補正用マーク７の位置を計測することができる。まず、補正用マーク７の縦線７１の左側の境界線７１Ｌと右側の境界線７１Ｒを求め、２つの境界線の中間線７１Ｃを算出する。同様に横線７２の上側の境界線７２Ｕと下側の境界線７２Ｌを求め、２つの境界線の中間線７２Ｃを算出する。２つの中間線７１Ｃ及び７２Ｃから交点の座標を算出し、補正用マーク７の位置とする。このように、補正用マーク７が十字形状であるので、縦線と横線が交差する座標を容易に求めることができる。
【００３７】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態に係る三次元形状造形物の製造方法における光ビームの照射位置の補正について図面を参照して説明する。図１１は、補正用マーク７の形状を示す。本実施形態においては、補正用マーク７を円形状にしている。この円７３は、光ビームを円形状に走査して形成してもよいし、光ビーム自体を円形状にして形成してもよい。円７３の直径は、概ね撮像カメラ５の視野の３／４以下にすることが望ましい。３／４以下にすることにより、視野が多少ずれても補正用マーク７の位置を計測することができる。補正用マーク７の位置は、次のように計測する。円７３の外周部の任意の３点７３ａ、７３ｂ、及び７３ｃの座標を求める。３点を通過する円は一つに定まるので、計測した３点７３ａ、７３ｂ、及び７３ｃの座標から、円の中心点を算出する。このように、補正用マーク７が円形状であるので、円上の３点の座標から円の中心の座標を容易に求めることができる。
【００３８】
なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、補正用ターゲットとしてアクリル板や薄い鉄板等を用いてもよく、この場合においても、紙を用いたのと同様の効果を得ることができる。また、本発明の製造方法を、三次元形状造形物の表面を切削する切削工具を有した金属光造形複合加工機によって行なってもよい。この場合においても、金属光造形加工機と同様の効果を得ることができる。金属光造形複合加工機によって、本発明を実施する場合、撮像カメラ５を切削工具のミーリングヘッドに取り付けてもよい。これにより、ＸＹ駆動機構５１が不要となるので低コストとなり、また、ミーリングヘッドの座標系と光ビームの座標系を一致させることができるので、金属光造形複合加工機の加工精度が良くなる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る製造方法に用いる金属光造形加工機の斜視図、（ｂ）は同金属光造形加工機の正面図。
【図２】同製造方法を時系列に示す図。
【図３】同製造方法のフロー図。
【図４】同製造方法において補正用マークを撮像している状態を示す図。
【図５】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る製造方法における光ビームの照射位置の補正ステップにおいて、座ぐり穴の上の補正用マークを撮像している状態を示す図、（ｂ）は、同補正ステップにおいて貫通穴の上の補正用マークを撮像している状態を示す図。
【図６】（ａ）は同補正ステップにおいて用いられる補正用プレートの平面図、（ｂ）は補正用プレートの上に載置された補正用ターゲットの平面図。
【図７】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る製造方法における光ビームの照射位置の補正ステップにおいて、座ぐり穴の上の補正用マークに照明を当てて撮像している状態を示す図、（ｂ）は同補正ステップにおいて貫通穴の上の補正用マークに照明を当てて撮像している状態を示す図。
【図８】同補正ステップにおいて用いられる補正用マークに下から照明を当てて撮像している状態を示す図。
【図９】（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る製造方法における光ビームの照射位置の補正ステップにおいて用いられる補正用マークの平面図、（ｂ）は互いに連続して重なるように付与された補正用マークの平面図。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る製造方法における光ビームの照射位置の補正ステップにおいて用いられる補正用マークの平面図。
【図１１】本発明の第６の実施形態に係る製造方法における光ビームの照射位置の補正ステップにおいて用いられる補正用マークの平面図。
【符号の説明】
【００４０】
１  金属光造形加工機
２２  造形用プレート
２３  粉末層
２６  焼結層
４  補正用ターゲット
４１  補正用プレート（プレート）
７  補正用マーク（マーク）
Ｌ  光ビーム
【要約】
【課題】三次元形状造形物の製造方法において、光ビームの照射位置の補正を容易に行うことができる。
【解決手段】金属光造形加工機１は、粉末層形成部２と、光ビームＬを照射する照射部３と、光ビーム照射位置の補正の基準となる補正用マークが付与される補正用ターゲット４と、補正用マークの位置を撮像する撮像カメラ５と、を備えている。補正用ターゲット４は、光ビームＬが照射されると溶解し、穴が貫通する材質でできている。造形用プレート２３の上に、補正用ターゲット４を載置し、光ビームＬを照射して補正用ターゲット４を貫通させて補正用マーク７を付与する。次に、撮像カメラ５によって補正用マーク７を撮像して補正用マーク７の位置を測定し、照射位置の補正を行う。補正用マーク７が貫通して形成されているので、コントラストが明確になり補正用マーク７の位置が計測し易く、光ビームＬの照射位置の補正を容易に行うことができる。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【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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