(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機質あるいは有機質の粉末材料の層を形成する粉末層形成手段と、上記粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当個所の粉末を焼結または溶融固化させて硬化層を形成する光学機器とを備えて、粉末層形成手段による粉末層の形成と、光学機器による硬化層の形成とを繰り返すことで複数の硬化層が積層一体化された三次元造形物を製造する積層造形装置であって、上記粉末層及び上記硬化層がその上面側に形成されるベースと、固定されている該ベースの外周を囲んでいるとともに該ベースに対して上下移動自在な昇降枠と、該昇降枠を上下に移動させる昇降駆動手段とを備えて、上記粉末層は上記昇降枠の内周面で囲まれた前記ベース上方空間に形成されるものであることを特徴とする積層造形装置。
【請求項２】
無機質あるいは有機質の粉末材料の層を形成する粉末層形成手段と、上記粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当個所の粉末を焼結または溶融固化させて硬化層を形成する光学機器と、切削除去加工用の加工機とを備えて、粉末層形成手段による粉末層の形成と、光学機器による硬化層の形成とを繰り返すことで複数の硬化層が積層一体化された三次元造形物を製造するとともに上記繰り返しの間に上記加工機による切削除去加工をそれまでに積層一体化された三次元造形物の表面に対して行う積層造形装置であって、上記粉末層及び上記硬化層がその上面側に形成されるベースと、該ベースの外周を囲んでいるとともに該ベースに対して上下移動自在な昇降枠と、該昇降枠を上下に移動させる昇降駆動手段とを備え、少なくとも３軸制御可能な数値制御工作機械である上記加工機におけるテーブルに上記ベースが固定されて、上記粉末層は上記昇降枠の内周面で囲まれた前記ベース上方空間に形成されるものであることを特徴とする積層造形装置。
【請求項３】
前記粉末層形成手段は、前記昇降枠の上面に沿ってスライド自在なスライドプレートに設けた粉末材料供給口から上記ベース上面と上記昇降枠とで囲まれる空間に粉末を供給するものとして設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の積層造形装置。
【請求項４】
上記スライドプレートのスライド方向と直交する方向における上記粉末材料供給口の幅が同方向における上記ベースの幅よりも大であることを特徴とする請求項３記載の積層造形装置。
【請求項５】
上記スライドプレートは粉末の嵩密度を高めるための部材を備えていることを特徴とする請求項３または４記載の積層造形装置。
【請求項６】
上記スライドプレートは粉末層表面を均すための部材を備えていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【請求項７】
上面開口に光ビームを透過するウィンドウを備え且つ下面が開放されて前記昇降枠上に配される覆い枠と、該覆い枠内に雰囲気ガスを供給する雰囲気ガス供給手段とを備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【請求項８】
上記覆い枠の内部に供給される雰囲気ガスを旋回流とする旋回流形成手段を備えていることを特徴とする請求項７記載の積層造形装置。
【請求項９】
上記覆い枠の内部空間における酸素濃度を測定する酸素濃度計を備えており、前記雰囲気ガス供給手段は上記酸素濃度計の出力に応じて雰囲気ガスの供給を行うものであることを特徴とする請求項７または８記載の積層造形装置。
【請求項１０】
上記覆い枠の内部空間を上下に移動するピストンを備えて、該ピストンの上下動で雰囲気ガスの給排がなされるものであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【請求項１１】
上記ウィンドウがｆθレンズで形成されていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【請求項１２】
上記ウィンドウの内面を含む上記覆い枠の内面を清掃する清掃手段を備えていることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【請求項１３】
上記清掃手段は、上記昇降枠に設けられて上記覆い枠内を上下移動するとともに回転して上記ウィンドウの内面を含む上記覆い枠の内面を清掃する清掃部材を備えたものであることを特徴とする請求項１２記載の積層造形装置。
【請求項１４】
前記覆い枠が前記昇降枠の上面に沿ってスライド自在なものとして複数設けられているとともに、複数の覆い枠のうちのある覆い枠がベース上にある時に他の覆い枠が清掃手段によって清掃される位置にあることを特徴とする請求項１２または１３記載の積層造形装置。
【請求項１５】
前記光学機器が上記覆い枠上に設置されていることを特徴とする請求項７〜１４のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【請求項１６】
前記昇降枠の上面に設けられて前記光学機器からの光ビームによってマーキングがなされるマークターゲットと、このマークターゲットに付されたマーキングの位置を測定して光学機器による光ビームの照射位置の補正データを得る測定装置とを備えていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【請求項１７】
前記昇降枠の上面に前記光学機器からの光ビームのパワーを測定するパワー測定装置を配していることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【請求項１８】
上面開口に光ビームを透過するウィンドウを備え且つ下面が開放されて昇降枠上に配される覆い枠と、該覆い枠内に雰囲気ガスを供給する雰囲気ガス供給手段とを備えており、前記粉末層形成手段は昇降枠の上面に沿ってスライド自在とされたスライドプレートに設けられており、上記覆い枠は上記スライドプレートの一部として設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の積層造形装置。
【請求項１９】
前記昇降枠は、複数設けられている前記ベースの各外周を囲むとともに各ベースに対して上下移動自在となっており、この昇降枠の上面に沿ってスライド自在なスライドプレートを備え、前記粉末層形成手段は上記スライドプレートに設けられて上記複数のベースの上方に前記スライドプレートのスライドによって選択的に粉末層を形成するものであることを特徴とする請求項１または２記載の積層造形装置。
【請求項２０】
前記スライドプレートは前記加工機における工具を通すための切削用開口を備えていることを特徴とする請求項１８または１９記載の積層造形装置。
【請求項２１】
前記スライドプレートは前記ベース上の未硬化粉末を吸引除去する吸引部を備えていることを特徴とする請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【請求項２２】
前記スライドプレートは前記昇降枠の上面に沿って回転スライドするものであることを特徴とする請求項１８〜２１のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【請求項２３】
前記光学機器は、光ビームの照射面からの高さ位置を可変として設けられていることを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粉末材料を光ビームで焼結または溶融固化させることで三次元形状の積層造形物を製造する積層造形装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
積層造形物の製造に、選択的粉末焼結積層として知られている製造方法がある。これは無機質あるいは有機質の粉末からなる粉末層の形成と、この粉末層の所定箇所を光ビ−ムの照射で焼結または溶融固化させて硬化層を形成するということを繰り返すことで、多数の硬化層を積層一体化して造形物を製造する方法であり、特開２００２−１１５００４号公報（特許文献１）においては、上記に加えて、それまでに作成した造形物の表面の除去加工を行う工程を、繰り返される硬化層の作成工程中に挿入することで、造形物表面をその形状にかかわらず低コストで滑らかに仕上げることができるようにすることが示されている。
【０００３】
しかしながら、上記のものでは製造する積層造形物の精度の点で問題を有している。すなわち、厚みの薄い粉末層を次々と形成するために、上記造形部は図２２に示すように、造形ステージ６１とこの造形ステージ６１を昇降させる昇降機構６２及び造形ステージ６１を囲む造形枠６３で構成し、更に粉末供給部は材料タンク６５とこの材料タンク６５に収めた粉末材料を押し上げる昇降機構６６及び昇降テーブル６７、そして材料タンク６５の上層に位置する材料粉末を造形ステージ６１側に送るとともに表面を均す材料供給ブレード６８で構成していた。
【０００４】
このものでは、上記造形ステージ６１上に形成した粉末層の所定箇所を焼結または溶融固化させることで硬化層を形成した後の次層の粉末層の形成は、造形ステージ６１を下降させるとともに、上記昇降テーブル６７を一段上昇させて材料供給ブレード６８を駆動することで造形ステージ６１側に粉末を供給して行うわけであるが、造形物がその上に形成される造形ステージ６１が可動であるために、光ビームの照射による焼結または溶融固化や、加工機による除去工程の実施に際し、造形テーブル６１上にそれまでに形成した造形物が微小ながらも位置ずれしてしまうものであり、これ故にμｍオーダーの精度の造形物を製造することは困難である。
【０００５】
また、造形ステージ６１及び昇降テーブル６７を昇降させるための昇降機構６２，６６はこれら造形ステージ６１や昇降テーブル６７の下方に設置せざるを得ず、このために造形部の全高Ｈは造形ステージ６１（及び昇降テーブル６７）の昇降範囲Ｈ１の倍以上の高さとなってしまい、装置全体の全高を抑えることが困難である。なお、図中Ｈ２は昇降機構６２（６６）における軸駆動範囲を示している。
【特許文献１】特開２００２−１１５００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、精度の高い積層造形物の製造に応ずることができる上に装置の小型化にも応ずることができる積層造形装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明に係る積層造形装置は、無機質あるいは有機質の粉末材料の層を形成する粉末層形成手段と、上記粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当個所の粉末を焼結または溶融固化させて硬化層を形成する光学機器とを備えて、粉末層形成手段による粉末層の形成と、光学機器による硬化層の形成とを繰り返すことで複数の硬化層が積層一体化された三次元造形物を製造する積層造形装置であって、上記粉末層及び上記硬化層がその上面側に形成されるベースと、固定されている該ベースの外周を囲んでいるとともに該ベースに対して上下移動自在な昇降枠と、該昇降枠を上下に移動させる昇降駆動手段とを備えて、上記粉末層は上記昇降枠の内周面で囲まれた前記ベース上方空間に形成されるものであることに第１の特徴を有しており、無機質あるいは有機質の粉末材料の層を形成する粉末層形成手段と、上記粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当個所の粉末を焼結または溶融固化させて硬化層を形成する光学機器と、切削除去加工用の加工機とを備えて、粉末層形成手段による粉末層の形成と、光学機器による硬化層の形成とを繰り返すことで複数の硬化層が積層一体化された三次元造形物を製造するとともに上記繰り返しの間に上記加工機による切削除去加工をそれまでに積層一体化された三次元造形物の表面に対して行う積層造形装置であって、上記粉末層及び上記硬化層がその上面側に形成されるベースと、該ベースの外周を囲んでいるとともに該ベースに対して上下移動自在な昇降枠と、該昇降枠を上下に移動させる昇降駆動手段とを備え、少なくとも３軸制御可能な数値制御工作機械である上記加工機におけるテーブルに上記ベースが固定されて、上記粉末層は上記昇降枠の内周面で囲まれた前記ベース上方空間に形成されるものであることに第２の特徴を有している。
【０００８】
ベースを動かさずにベース上に粉末層（硬化層）を積み上げていくことができるために、高精度なものを容易に得ることができる。
【０００９】
前記粉末層形成手段は、前記昇降枠の上面に沿ってスライド自在なスライドプレートに設けた粉末材料供給口から上記ベース上面と上記昇降枠とで囲まれる空間に粉末を供給するものとして設けられていると、コンパクトに構成することが容易となる。
【００１０】
上記スライドプレートのスライド方向と直交する方向における上記粉末材料供給口の幅が同方向における上記ベースの幅よりも大であることが粉末供給をむら無く行うという点で有利となる。
【００１１】
上記スライドプレートに粉末の嵩密度を高めるための部材を設けておくことも好ましい。焼結または溶融固化させた後の密度を高くすることができるからである。
【００１２】
そして上記スライドプレートが粉末層表面を均すための部材を備えていると、摩擦による摩耗劣化の防止と安定した粉末供給の点で有利となるとともに硬化層の表面の荒れを少なくすることができる。
【００１３】
また、上面開口に光ビームを透過するウィンドウを備え且つ下面が開放されて前記昇降枠上に配される覆い枠と、該覆い枠内に雰囲気ガスを供給する雰囲気ガス供給手段とを備えたものとするのも好ましい。雰囲気ガスの使用量を抑えつつ硬化層の酸化による問題を避けることができる。
【００１４】
上記覆い枠の内部に供給される雰囲気ガスを旋回流とする旋回流形成手段を備えたものでは、雰囲気ガスの充填を効率良く行うことができる。
【００１５】
上記覆い枠の内部空間における酸素濃度を測定する酸素濃度計を備え、前記雰囲気ガス供給手段が上記酸素濃度計の出力に応じて雰囲気ガスの供給を行うものであると、雰囲気ガスの使用量を更に抑えることができる。
【００１６】
上記覆い枠の内部空間を上下に移動するピストンを備えて、該ピストンの上下動で雰囲気ガスの給排がなされるものであれば、雰囲気ガスの給排を迅速に行うことができる。
【００１７】
また、上記ウィンドウがｆθレンズで形成されていると、精度の良い焼結または溶融固化を行うことができるものとなる。
【００１８】
上記ウィンドウの内面を含む上記覆い枠の内面を清掃する清掃手段を備えていることも好ましい。焼結時に発生するヒュームによる汚れを落として、焼結を適切に行うことができる。この清掃手段としては、上記昇降枠に設けられて上記覆い枠内を上下移動するとともに回転して上記ウィンドウの内面を含む上記覆い枠の内面を清掃する清掃部材を備えたものを好適に用いることができる。
【００１９】
また、前記覆い枠が前記昇降枠の上面に沿ってスライド自在なものとして複数設けられているとともに、複数の覆い枠のうちのある覆い枠がベース上にある時に他の覆い枠が清掃手段によって清掃される位置にあると、焼結と清掃とを同時に行うことができ、清掃動作による製造時間の増大を防ぐことができる。
【００２０】
前記光学機器は覆い枠上に設置されたものであってもよい。
【００２１】
更に、前記昇降枠の上面に設けられて前記光学機器からの光ビームによってマーキングがなされるマークターゲットと、このマークターゲットに付されたマーキングの位置を測定して光学機器による光ビームの照射位置の補正データを得る測定装置とを備えていると、光ビームの照射による焼結または溶融固化の精度を高くすることができる。
【００２２】
前記昇降枠の上面に前記光学機器からの光ビームのパワーを測定するパワー測定装置を配していると、適切なパワーによる精度の良い焼結または溶融固化を行うことができる上に、清掃手段を備えたものでは清掃のタイミングを適切に知ることができる。
【００２３】
また、請求項１または２記載の積層造形装置において、上面開口に光ビームを透過するウィンドウを備え且つ下面が開放されて昇降枠上に配される覆い枠と、該覆い枠内に雰囲気ガスを供給する雰囲気ガス供給手段とを備えており、前記粉末層形成手段は昇降枠の上面に沿ってスライド自在とされたスライドプレートに設けられており、上記覆い枠は上記スライドプレートの一部として設けられているものも好ましい。粉末層の形成と不活性雰囲気下での焼結または溶融固化とをスライドプレートのスライドによって得ることができて、効率の良い積層造形物の製造を行うことができる。
【００２４】
更に前記昇降枠が、複数設けられている前記ベースの各外周を囲むとともに各ベースに対して上下移動自在となっており、この昇降枠の上面に沿ってスライド自在なスライドプレートを備え、前記粉末層形成手段は上記スライドプレートに設けられて上記複数のベースの上方に前記スライドプレートのスライドによって選択的に粉末層を形成するものであれば、単一の昇降枠の昇降動作と該昇降枠に対するスライドプレートのスライド動作で複数のベース上に夫々粉末層を形成していくことができる。
【００２５】
前記スライドプレートは加工機における工具を通すための切削用開口を備えたものであってもよい。スライドプレートのスライドだけで粉末供給と焼結または溶融固化と切削加工の状態を切り換えることができる。
【００２６】
前記スライドプレートがベース上の未硬化粉末を吸引除去する吸引部を備えたものであると、切削加工に際して未硬化粉末が邪魔になったり加工精度を低下させたりしてしまう事態が生じるのを防ぐことができる。
【００２７】
そして前記スライドプレートは、前記昇降枠の上面に沿って回転スライドするものであれば、スライドプレートに多くのものを組み込む時にもコンパクトにまとめることができる。
【００２８】
前記光学機器が、光ビームの照射面からの高さ位置を可変として設けられていると、造形速度や精度に応じた光ビーム照射を行うことができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明は、ベースを動かさずにベース上に粉末層（硬化層）を積み上げていくことができるものであり、このためにベース上に形成される造形物の精度を悪化させることになる要因を無くすことができて、高精度な積層造形物の製造が容易となる。
【００３０】
また、加工機による切削除去加工をそれまでに積層一体化された造形物の表面に対して行うことを粉末層の形成と硬化層の形成の繰り返しの間に行うものにおいては、切削除去加工の際にそれまでに積層一体化された造形物がぶれてしまうことがなく、このものにおいても高精度な積層造形物の製造が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、図１に本発明に係る積層造形装置の一例を示す。この積層造形装置は、造形部１０と造形部１０上に配した粉末供給部１５とからなる造形機１、造形部１０に対して光ビームＬを照射する光学機器２、そして除去加工のための加工機３とからなる。
【００３２】
上記加工機３は、テーブル（マシニングテーブル）３０と少なくとも３軸制御が可能な主軸台３１とを備える数値制御工作機械であり、その主軸台３１のスピンドルヘッド３２には除去加工のためのエンドミル３３がセットされる。そしてこの加工機３におけるテーブル３０上に前記造形機１がセットされるとともに、積層造形物が上面に形成されるベース１１がテーブル３０に固定されて設置されており、上記光学機器２は上記主軸台３１にセットされたものとなっている。なお、図示例ではスピンドルヘッド３２がＸ，Ｚ軸方向に可動でテーブル３０がＹ軸方向に可動のものとなっている。
【００３３】
ここにおける造形機１の造形部１０は、上述のように上記テーブル３０上に固定されたベース１１上に積層造形物を形成するもので、ベース１１上に粉末層を形成するために、ベース１１の四周を囲むとともに上記テーブル３０上にセットされたリニア駆動機構からなる昇降機構１３によって昇降する昇降枠１２を備えている。この昇降枠１２はベース１１に対して上昇させた時、ベース１１上に昇降枠１２で囲んだ十分な高さの空間を形成することができる厚みを少なくともベース１１を囲む部分に有している。
【００３４】
また、粉末供給部１５は、上記昇降枠１２の上面上に粉末を送り込む粉末供給機（図示せず）と、図３にも示すように上記昇降枠１２の上面に配した材料供給ブレード１６と、この材料供給ブレード１６を水平に駆動する駆動部１７とからなるものとして形成している。
【００３５】
ここで用いる材料粉末８は、無機質（金属やセラミック）の粉末、あるいは有機質（プラスチック）の粉末であり、光学機器２で照射する光ビームによって焼結または溶融固化させて硬化層を得ることができるものであれば、その種類を問わないが、図示例のものでは平均粒径２０μｍの球形の鉄粉を用いている。
【００３６】
前記加工機３は、数値制御工作機械、殊に切削工具であるエンドミル３３を自動交換可能なマシニングセンタで構成している。上記エンドミル３３には超硬素材の二枚刃ボールエンドミルが主として用いられ、加工形状や目的に応じてスクエアエンドミル、ラジアスエンドミル、ドリルなども用いられる。
【００３７】
粉末８を焼結するための光ビームＬを照射する光学機器２は、レーザ発振器で構成した光源２１と、集光レンズ、所定位置に光ビームＬを照射するために光ビームＬの方向を偏向するガルバノメータミラー等からなるスキャン機構２２で構成され、ここではスピンドルヘッド３２側面にスキャン機構２２の部分を固定し、光源２１とスキャン機構２２とを光ファイバ２３で接続したものとしてある。上記光源２１としては、粉末が鉄粉である場合、炭酸ガスレーザ（出力５００Ｗ）やＮｄ：ＹＡＧレーザ（出力５００Ｗ）などを使用する。
【００３８】
上記スキャン機構２２（光学機器２）は、図２(a)に示すように、スピンドルヘッド３２の側面に設けた取付台３１０に着脱自在としたり、図２(b)に示すように、スピンドルヘッド３２のコレットチャックによってエンドミル３３に代えて装着されるようにしたものであってもよい。後者の場合、光ビームＬの照射時とエンドミル３３による加工時とでスピンドルヘッド３２をほぼ同じ位置においておくことができるために、主軸台３１側面に光学機器２がある場合に比してスピンドルヘッド３２の全移動範囲を小さくすることができて、相対的に大きい造形物を製造することができることになる。しかもエンドミル３３を用いて切削を行う時には、光学機器２が主軸台３１に無いために、エンドミル３３による加工時に上記光ファイバ２３などが邪魔にならず、切削時の振動の影響も小さくなる。
【００３９】
上記積層造形装置を用いて積層造形物を製造するにあたっては、昇降枠１２の上面に粉末８を供給し、昇降枠１２の上面をベース１１上に固定した造形用プレートの上面より僅かに高くした状態でブレード１６を水平駆動することで上記粉末８をベース１１上に供給するとともに均すことで第１層目の粉末層を形成し、次いで造形部１０の上方に位置させた光学機器２からの光ビームＬを上記粉末層の硬化させたい箇所に照射することで粉末８を焼結させて硬化層を形成する。
【００４０】
この後、昇降枠１２を所定量だけ上げた状態で粉末８の供給と均すことを行って、第１層目の粉末層（と硬化層）の上に第２層目の粉末層を形成し、この第２層目の粉末層の硬化させたい箇所に光ビームＬを照射することで粉末を焼結させて下層の硬化層と一体化した次の硬化層を形成する。
【００４１】
昇降枠１２を上昇させて新たな粉末層を形成し、光ビームＬを照射して所要箇所を硬化させて硬化層とするという工程を繰り返すことで、目的とする三次元形状の造形物９を硬化層の積層物としてベース１１上の上記造形用プレート上に製造するものであり、粉末層の厚みとしては、得られた積層造形物を成形用金型などに利用する場合、０．０５ｍｍ程度とするのが好ましい。
【００４２】
光ビームＬの照射経路（ハッチング経路）は、積層造形物の三次元ＣＡＤデータから予め作成しておく。すなわち、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬ（Standard Triangulation Language）データを等ピッチ（粉末層の厚みを０．０５ｍｍとした場合、０．０５ｍｍピッチ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いて各層毎の光ビームＬの照射経路を作成する。この時、積層造形物の少なくとも最表面が高密度（気孔率５％以下）となるように焼結させることができるように光ビームＬの照射を行い、内部は低密度となるように焼結させることで、つまりは形状モデルデータを予め、表層部と内部とに分割しておき、内部についてはポーラスとなるような焼結条件、表層部はほぼ粉末が溶融して高密度となる条件で光ビームＬを照射することで、緻密な表面を持つ造形物を高速に得ることができる。
【００４３】
そして、上記粉末層を形成しては光ビームＬを照射して硬化層を形成するということを繰り返していくのであるが、それまでに焼結させた硬化層の全厚みがたとえば加工機３におけるエンドミル３３の工具長さなどから求めた所要の値になれば、エンドミル３３を造形部１０の上方に位置させて、エンドミル３３によってそれまでに造形した造形物９の表面（主として上部側面）を切削する。
【００４４】
この加工機３による切削除去加工によって、造形物９の表面に付着した粉末による余剰硬化部を除去することができるために、造形物９表面に高密度部を全面的に露出させることができる。この加工が終了すれば、再度粉末層の形成と焼結とを繰り返す。
【００４５】
加工機３による切削加工経路は、光ビームＬの照射経路と同様に三次元ＣＡＤデータから予め作成しておく。この時、等高線加工を適用して加工経路を決定するが、Ｚ方向（上下方向）ピッチは焼結時の積層ピッチにこだわる必要はなく、緩い傾斜の場合はＺ方向ピッチをより細かくして補間することで、さらに滑らかな表面を得られるようにしてもよい。
【００４６】
図４に粉末供給部１５の他例を示す。ここにおける粉末供給部１５は、昇降枠１２の上面に沿ってスライド移動自在なスライドプレート１８に上下に貫通する粉末供給口１９を形成したものとなっており、該粉末供給口１９がベース１１上ではなく昇降枠１２上に位置する状態で図示しない粉末供給機から粉末供給口１９に粉末を入れ、次いで上記粉末供給口１９がベース１１を横切るようにスライドプレート１８をスライドさせることによって粉末８をベース１１上に供給するとともに均すのである。なお、光ビームＬの照射による焼結は、粉末供給口１９をベース１１上に位置させて粉末供給口１９を通じて粉末層に光ビームＬを照射したり、スライドプレート１８をベース１１上から退去させた状態で行う。
【００４７】
この時、粉末供給口１９の幅（スライドプレート１８のスライド方向と直交する方向の長さ）は、図５(a)に示すようにベース１９の同方向の幅よりも大きくしておくことで、ベース１１上の各部に粉末をむら無く供給することができる。なお、粉末供給口１９は図のような方形である必要はなく、ベース１９上の全域に粉末８を供給することができるものであれば、長方形や円形や楕円形はもちろん他の形状のものであってもよい。
【００４８】
また、図５(b)に示すように、スライドプレート１８内に上下方向を軸として該軸回りに回転自在な回転プレート１９０を設けて、この回転プレート１９０に粉末供給口１９を形成すると、回転プレート１９０の回転によって粉末供給口１９の上記方向の幅を変化させることができる。
【００４９】
粉末供給口１９の内側壁に図５(c)に示すような凹凸１９１を設けておくことも好ましい。粉末供給口１９内の上記幅方向の一方側に粉末８が偏ってしまうというような事態が生じるのを防ぐのに有効である。余剰粉末を回収する回収部をスライドプレート１８もしくは昇降枠１２に設けておいてもよい。余剰粉末がスライドプレート１８のスライド動作を損なってしまう事態が生じるのを防ぐことができる。
【００５０】
粉末供給口１９を有するスライドプレート１８のスライド動作でベース１１上の昇降枠１２で囲まれた造形用空間に粉末８を供給するものにおいては、図６に示すように、粉末供給口１９内にある粉末８上に錘８１を載せて粉末８に圧力を加えたり、振動発生装置８２を設けて振動を粉末８に加えることができるようにしておくと、粉末８の嵩密度を高くしてベース１１上に供給することができるために、粉末層の密度が高くなって焼結密度も高いものを得ることができることになる。
【００５１】
上記の例ではスライドプレート１８そのものがベース１１上の粉末層の表面を均す部材を兼ねているが、図７に示すように、スライドプレート１８における粉末供給口１９のスライド方向前後（前もしくは後ろのいずれか一方だけであってもよい）に粉末８を均すためのブレード１６を設けてもよい。これは軽量化のためにスライドプレート１８を軽金属などで形成する場合に有効である。なお、ブレード１６で粉末層表面を均す時、この表面には異常焼結で生じた硬質な突起物が存在している可能性があるために、ブレード１６には鋼製やセラミック製のものが好適である。
【００５２】
また、上記突起物の除去を確実にするために、図７(b)に示すように、スライドプレート１８の下面側にロータリー刃８３を配して、スライドプレート１８の下面と一致する刃の高さとなっている上記ロータリー刃８３で上記突起物を切削できるようにすることも好ましい。ロータリー刃８３は別途専用モータで駆動するもののほか、スライドプレート１８のスライド移動を利用してロータリー刃８３を回転させる機構（たとえばラックアンドピニオン機構）を用いて駆動するようにしてもよい。
【００５３】
ところで、光ビームＬを粉末層に照射して焼結を行う時、粉末層が大気に開放された状態では、使用する粉末８の材料種別によっては酸化が生じてきれいに焼結させることができないことがある。この種の問題は不活性雰囲気中で光ビームＬを照射することで対処するわけであるが、ここでは図８に示すように、底面開口の開口面積がベース１１の上面の面積以上であるとともに上面がウインドウ４１で閉じられた覆い枠４０を昇降枠１２上に配置し、覆い枠４０で囲んだ空間内に不活性な雰囲気ガス（たとえば窒素やアルゴン）を充填した状態で光ビームＬの照射を上記ウインドウ４１を通じて行うことで対応している。図中４５は雰囲気ガス発生装置またはタンク、４６は焼結時に発生するヒュームなどを捕集する集塵機、４７はガス供給口、４８はガス排出口である。ベース１１上の覆い枠４０で囲まれた小さな空間だけに雰囲気ガスを充填すればよいために、雰囲気ガスの給排に要する時間や使用する雰囲気ガス量を抑えることができる。
【００５４】
雰囲気ガスの使用量の低減という点では、覆い枠４０の内部空間の酸素濃度を計測する酸素濃度計４９を設けて、あらかじめ定めた酸素濃度より上記空間内の酸素濃度が高くなった場合に雰囲気ガスを供給するようにしてもよい。
【００５５】
なお、上記ウィンドウ４１は光ビームＬがＹＡＧレーザの場合は石英ガラスで、光ビームＬが炭酸ガスレーザである場合はジンクセレンなどを使用することで光ビームＬの透過性を高くしているが、単なる平行板ではなく、ｆθレンズとして機能するようにしておくと、光ビームＬの焼結面でのスポット径を一定にすることができるために、精度の良い焼結を行うことができる。もちろん、ダイナミックフォーカスレンズを使用してスポット径を一定にしてもよいが、この場合は光学機器２側に追加部材として配置しなくてはならず、光学機器２が大きく且つ重くなるという問題を有するものとなる。
【００５６】
また、上記覆い枠４０は、昇降枠１２上面に沿ってスライド自在なスライドプレート１８として設けておくと、前記粉末層の形成時及び除去加工時と、光ビームＬを照射することによる焼結時とにおける覆い枠４０の移動を簡便に行わせることができる。
【００５７】
雰囲気ガスの給排に要する時間やその換気効率、そしてウィンドウ４１の汚れ防止などの点から、覆い枠４０に設けるガス供給口４７や排気口４８は、図９に示すように、雰囲気ガスが上方から斜め下方に向けて且つ覆い枠４０の内周面に沿って覆い枠４０の内部空間に入るようにしておくことが望ましい。上記空間内に入る雰囲気ガスが上記空間内で上方側から下方側へと旋回しながら流れるようにしておくわけである。
【００５８】
上記ウィンドウ４１が前述のヒュームによって汚れて時間経過に従い光ビームＬの透過率が低下してしまう点については、このウィンドウ４１を清掃するための清掃手段を昇降枠１２に組み込んでおくことが好ましい。この清掃手段の一例を図１０に示す。昇降枠１２を上下に貫通する開口内に、昇降用シリンダー５３によって昇降駆動されるとともにモータ５２によって回転駆動される清掃部材５１を配置してある。クリーニングペーパや不織布などが表面に設けられているとともに洗浄剤（高圧エア、水など）を噴出する噴出口を備えた清掃部材５１は、洗浄剤によるウィンドウ４１内面や覆い枠４０内壁の洗浄及び汚れの拭き取りを行う。なお、ここでの昇降用シリンダー５３は、テーブル３０上にセットされているために、清掃部材５１の昇降量は昇降枠１２の昇降量も含めて行うものとなっている。
【００５９】
不活性雰囲気を形成する上記覆い枠４０は、昇降枠１２上に複数設けたり、あるいは図１１に示すように、複数の個別のウィンドウ４１を備えたものとして、あるウィンドウ４１がベース１１上に位置する時、他のウィンドウ４１が清掃機構上に位置するようにしておくと、焼結と上記クリーニングとを同時に行うことができることになり、クリーニングによる待ち時間を無くすことができて積層造形物の製造に要する時間を短くすることができる。
【００６０】
上記清掃部材５１をピストンとして利用することで覆い枠４０内の雰囲気ガスの強制給排を清掃部材５１で行うようにしてもよい。清掃部材５１を上昇させることで覆い枠４０の内部空間からの雰囲気ガスの排出を行い、清掃部材５１を下降させることで覆い枠４０の内部空間に雰囲気ガスを吸引するのである。この場合、ガス供給口４７とガス排出口４８はバルブを備えたものとし、これらバルブを清掃部材（ピストン）５１の昇降に連動させて開閉する。
【００６１】
図１２は昇降枠１２上に光ビームＬを照射してマーキングするためのマークターゲット５５を設けるとともに、マークターゲット５５上のマーキングの位置を測定するための照射位置測定装置２５を設けたものを示しており、図１２(a)に示すようにマークターゲット５５上の予め定められた位置（１点でも複数点でも可）に光ビームＬを照射してクロスライン等のマーキングを行い、次いで図１２(b)に示すように照射位置測定装置２５（の撮像素子）で上記マーキングを撮像して画像処理によってマーキングの位置の測定を行い、マーキングの位置に誤差がある場合は光学機器２におけるガルバノメータミラーの回転角の補正を行うことで、光学機器２による光ビームＬの照射位置精度を高精度に保つ。特に上記構成であれば、積層造形物の製造途中においても光ビームＬの照射位置の補正を簡単に行うことができるために、高精度な焼結に有利である。
【００６２】
図１３は昇降枠１２上に光ビームＬのパワーを測定するためのパワーメータ５６を配置した例を示している。覆い枠４０で覆ってウィンドウ４１を通してパワーメータ５６に光ビームＬを照射した時のパワーメータ５６の出力と、覆い枠４０をパワーメータ５６上から外して光ビームＬを直接パワーメータ５６に照射した時のパワーメータ５６の出力との差から、ウィンドウ４１の汚れ具合による光ビームＬの減衰率を求めることができるために、前記清掃手段によるウィンドウ４１の清掃タイミングを容易に且つ適切に設定することができて、製造効率を高めることができるとともに、良好な焼結を常に得ることができるものとなる。
【００６３】
単一のスライドプレート１８に上記覆い枠４０と粉末供給部１５とを設けてもよい。この場合の一例を図１４に示す。昇降枠１２の上面に沿って直線状にスライド自在となっているスライドプレート１８の長手方向一端側に粉末供給口１９を設けて粉末供給部１５とし、スライドプレート１８の他端側をウィンドウ４１が設けられた覆い枠４０としている。このスライドプレート１８は、昇降枠１２の側面に設けたリニアモータ等のリニア駆動部で昇降枠１２上面に沿ってスライドする。
【００６４】
図１４に示す状態からスライドプレート１８を図１４中の左方に移動させることで、ベース１１上への新たな粉末層の形成を行い、次いでウィンドウ４１を通じて粉末層に光ビームＬの照射を行うことで焼結を行う。加工機３による加工を造形物９に対して行う時は、図の位置までスライドプレート１８を復帰させてベース１１上を開放する。
【００６５】
図１５に別の例を示す。ここでのスライドプレート１８は、昇降枠１２上でモータ５８により軸回りに回転スライドする円盤となっている。また、このスライドプレート１８は粉末供給口１９を備える粉末供給部１５とウィンドウ４１を有する覆い枠４０とを兼ねている上に、加工機３による除去加工の時のための切削用開口３９が上下に貫通形成されたものとなっている。
【００６６】
スライドプレート１８を回転させることで、スライドプレート１８の周部に設けた粉末供給部１５と光ビームＬの照射の際の覆い枠４０と除去加工の際の切削用開口３９とをベース１１上に順次入れ換えて位置させることができる。また図示例においては、覆い枠４０の部分と切削用開口３９との間に複数の小孔３８を設けているが、これはベース１１上の粉末（や除去加工に際して生じた切り屑）を吸引する際に用いるもので、焼結後に除去加工を行うに当たって未焼結粉末を除いた状態で行うことで未焼結粉末が造形品を傷付けてしまうことを防いだり、除去加工で生じた切り屑を除いて次に形成する粉末層に切り屑が混じることを防ぐ。
【００６７】
覆い枠４０を兼ねるスライドプレート１８に粉末供給口１９と粉末吸引機構とを設けた例を図１７に示す。直線スライドする上記スライドプレート１８のスライド方向一端側に粉末供給口１９を、覆い枠４０の部分を挟んだ他端側に粉末吸引用の吸引ノズル１８５を配している。該吸引ノズル１８５は、スライドプレート１８の上記他端側にスライド方向と直交する方向に長いスリット１８４に沿ってスライド移動自在として配置しており、粉末８の焼結後、あるいは除去加工後、図１７(c)に示すようにスライドプレート１８のスリット１８４を有する他端部をベース１１上に位置させて吸引ノズル１８５をスリット１８４に沿ってスライドさせつつ未焼結粉末の吸引除去あるいは切り屑の吸引除去を行う。
【００６８】
このような吸引除去を行えば、次に粉末８を供給して硬化させることで硬化層を形成するにあたり、粉末層をスパッタなどが混入していない均質なものとすることができ、また切り屑が混じっていないものとすることができるために、良質な硬化層を形成することができる。なお、粉末除去を行った場合、次の粉末供給に際しては、粉末供給部１５からはより多くの粉末８を供給して粉末層を形成することになる。
【００６９】
ところで、粉末供給部１５や覆い枠４０、更には切削用開口３９等をスライドプレート１８に一体に設ける場合、複数のベース１１と単一の昇降枠１２とに組み合わせると、一方のベース１１に粉末を供給している時に他のベース１１上で焼結や切削加工を行ったり、あるベース１１上で焼結を行っている時に他のベース１１上で切削加工を行ったりすることができるものとなり、複数の造形物を同時に効率良く製造することができるものとなる。
【００７０】
また、スライドプレート１８を上述のように回転スライドするものとして設ける場合、その周部に粉末供給部１５や覆い枠４０、切削用開口３９等を複数配置する時にも、コンパクトに構成することができるほか、上述のように複数のベース１１と単一の昇降枠１２とに組み合わせることにも容易に対応することができる。
【００７１】
上記の各例では、光学機器２を加工機３上に設置していたが、図１６に示すように覆い枠４０（スライドプレート１８）上に光学機器２を設置したものであってもよい。
【００７２】
また、光学機器２を加工機３の主軸台３１に着脱自在に取り付けるものとする場合、図１８に示すように、光学機器２を着脱自在とするための取付台３１に、光学機器２の取付位置を上下方向に変更することができるものを用いることも好ましい。
【００７３】
光学機器２を高い位置に取り付けると、加工面までの距離が長くなるために、この距離が短い場合に比して、スキャン機構２２の振り角度が同じでも加工面での走査距離が長くなり、同じ角速度で振っても加工面での速度は速くなる。その代わりに振り角度に誤差があると、加工面での照射位置誤差が大きくなる。
【００７４】
従って、広範囲を高速に走査することが求められているとともに積層造形物に求められる精度がさほど高くない場合は、光学機器２を高い位置に取り付けることで、より高速な硬化層の形成を行うことができ、精度良く走査したい場合は低い位置に光学機器２を取り付けるのである。
【００７５】
同じ積層造形物に対する光ビームLの照射でも、外面となる部分を形成する時は低い位置に、内部領域の塗り潰しを行う場合は高い位置に光学機器２を取り付けるようにしてもよい。
【００７６】
図１９は、スライドプレート１８に設けた材料供給口１９の上面開口を閉じるカバー１９３を設けた例を示している。該カバー１９３は、材料の粉末８にごみやほこりが混じったり、焼結時に発生するスパッタ、あるいは切削除去加工時に発生する切り屑などが粉末８に混じることを防ぐ。
【００７７】
このカバー１９３は、スライドプレート１８のスライド動作に応じて自動開閉されるようにしておくことが好ましく、図２０に示すものでは、回転自在に支持されているカバー１９３がストッパー１９４との当接で回転して材料供給口１９の上面開口を開く。
【００７８】
図２１は昇降枠１２の上面に溜まった余剰の粉末８を排出するための排出口１２５を昇降枠１２に設けたものを示している。昇降枠１２とスライドプレート１８との間には、きわめて小さい隙間しかなく、ベース１１上の造形部上に溜まるとともに昇降枠１２の上面よりも高い位置にきた粉末や切り屑、スパッタ等は、スライドプレート１８のスライド時に昇降枠１２上面の周辺部へと押し出されてしまう。
【００７９】
上記排出口１２５は、このような粉末や切り屑等を排出し、スライドプレート１８のスライド動作の妨げになったりすることを防ぐ。なお、排出口１２５を通じて排出したものは、篩いにかけて粉末８は回収することで再利用する。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の実施の形態の一例の概略断面図である。
【図２】(a)(b)は夫々同上の光学機器の取り付け例を示す概略図である。
【図３】同上の粉末供給部の一例を示すもので、(a)は平面図、(b)(c)は概略断面図である。
【図４】同上の粉末供給部の他例を概略断面で示す説明図である。
【図５】(a)は同上の粉末供給部の平面図、(b)は更に他例の概略平面図、(c)は更に他の例の概略平面図である。
【図６】粉末供給部の更に他例の概略断面図である。
【図７】(a)(b)は粉末供給部の別の例の概略断面図である。
【図８】不活性雰囲気を形成するための覆い枠の一例を示す概略断面図である。
【図９】(a)(b)は覆い枠の他例の水平断面図と概略断面図である。
【図１０】清掃部材の一例を示す概略断面図である。
【図１１】２組の清掃部材を設けた例を示しており、(a)(b)は共に概略断面図である。
【図１２】(a)(b)は光ビーム照射位置補正のための構成の一例を示す概略断面図である。
【図１３】(a)(b)は光ビームのパワー測定のための構成の一例を示す概略断面図である。
【図１４】別の実施形態の一例を示すもので、(a)は平面図、(b)は概略縦断面図、(c)は概略横断面図である。
【図１５】更に別の実施形態の一例を示すもので、(a)は平面図、(b)は概略縦断面図である。
【図１６】光学機器の他の配置例を示す概略断面図である。
【図１７】粉末吸引機構を備えた例を示しており、(a)はスライドプレートの水平断面図、(b)(c)は概略断面図である。
【図１８】光学機器を着脱自在とした場合の別の例の概略断面図である。
【図１９】材料供給口にカバーを設けた例の概略断面図である。
【図２０】(a)(b)は材料供給口にカバーを設けた他の例の斜視図である。
【図２１】昇降枠に排出口を設けた例の概略断面図である。
【図２２】従来例を示すもので、(a)は要部破断斜視図、(b)は部分断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
１  造形機
２  光学機器
３  加工機
８  粉末
９  硬化層
１０  造形部
１１  ベース
１２  昇降枠
１５  粉末供給部
Ｌ  光ビーム
【図１】
0004238938.tif 000002
【図２】
0004238938.tif 000003
【図３】
0004238938.tif 000004
【図４】
0004238938.tif 000005
【図５】
0004238938.tif 000006
【図６】
0004238938.tif 000007
【図７】
0004238938.tif 000008
【図８】
0004238938.tif 000009
【図９】
0004238938.tif 000010
【図１０】
0004238938.tif 000011
【図１１】
0004238938.tif 000012
【図１２】
0004238938.tif 000013
【図１３】
0004238938.tif 000014
【図１４】
0004238938.tif 000015
【図１５】
0004238938.tif 000016
【図１６】
0004238938.tif 000017
【図１７】
0004238938.tif 000018
【図１８】
0004238938.tif 000019
【図１９】
0004238938.tif 000020
【図２０】
0004238938.tif 000021
【図２１】
0004238938.tif 000022
【図２２】
0004238938.tif 000023