JP6359316B2 - 三次元積層装置及び三次元積層方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層により三次元形状物を製造する三次元積層装置及び三次元積層方法に関するものである。

三次元形状物を製造する技術として、金属粉末材料に光ビームを照射することによって三次元形状物を製造する積層造形技術が知られている。例えば、特許文献１には、金属粉末材料で形成された粉末層に光ビームを照射して焼結層を形成し、それを繰り返すことによって複数の焼結層が一体として積層された三次元形状造形物を製造する方法が記載されている。また、特許文献２には、着脱自由の円錐形ノズルに形成された中央開口からレーザービームと粉末化金属とを出力し、加工対象のワークにレーザを照射して、液化された金属の浅い溜めを形成し、その位置に粉末化金属を供給することで肉盛りを行う装置が記載されている。

特開２００９−１９００号公報 特表平１０−５０１４６３号公報

ところで、三次元形状物を製造する積層造形技術において、三次元形状物を高精度に製造する技術が求められている。

本発明は、三次元形状物を高精度に製造する三次元積層装置及び三次元積層方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、基台部に成形層を積層させて三次元形状を形成する三次元積層装置であって、前記基台部に向かって粉末材料を噴射し、粉末材料を供給する粉末供給部と、前記粉末供給部から前記基台部に向けて移動する前記粉末材料に光ビームを照射し、前記粉末材料を溶融させて、溶融した前記粉末材料を前記基台部上で固化させて前記成形層を形成する光照射部と、前記粉末供給部及び前記光照射部の動作を制御する制御装置と、を有する。

前記粉末供給部に供給する前記粉末材料を貯留する複数の貯留部を備え、前記貯留部を切り換えることで、前記粉末供給部に導入させる前記粉末材料を切り換える粉末導入部を有することが好ましい。

また、前記粉末導入部は、３つ以上の貯留部を有し、３種類以上の粉末材料を前記粉末供給部に導入でき、前記制御装置は、前記粉末供給部に導入させる前記粉末材料を第１粉末材料から第２粉末材料に切り換える場合、前記第１粉末材料で前記成形層を形成した後、前記第１粉末材料と前記第２粉末材料の両方に親和性の高い中間粉末材料で前記成形層を形成した後、前記第２粉末材料で前記成形層を形成することが好ましい。

また、前記粉末導入部は、２つ以上の貯留部を有し、２種類以上の粉末材料を前記粉末供給部に導入でき、前記制御装置は、前記粉末供給部に導入させる前記粉末材料を第１粉末材料から第２粉末材料に切り換える場合、前記第１粉末材料で前記成形層を形成した後、前記第１粉末材料を前記粉末供給部に供給した状態で、前記第２粉末材料の前記粉末供給部への供給を開始し、前記第１粉末材料の供給量を減少させつつ前記第２粉末材料の供給量を増加させて供給比率を変化させることが好ましい。

また、工具を備え、前記工具で前記成形層を機械加工する機械加工部を備えることが好ましい。

また、前記粉末供給部は、前記光照射部の外周に同心円状に配置され、前記光照射部の前記光ビームが通過する経路を囲う内管と前記内管を覆う外管との間が前記粉末材料の流れる粉末流路となることが好ましい。

また、前記粉末供給部の外周側に前記光照射部の外周に同心円状に配置され、前記粉末流路よりも外側から前記粉末材料が噴射される領域の外周を囲い、かつ、前記基台部に向けて噴射されるシールドガスを供給するシールドガス供給部をさらに有することが好ましい。

また、前記光照射部で照射される前記光ビームの焦点位置を調整する焦点位置調整部をさらに有することが好ましい。

また、前記焦点位置調整部は、前記光照射部の位置を移動させる機構であることが好ましい。

また、前記焦点位置調整部は、前記光照射部の集光光学系を調整し、焦点距離または焦点位置を移動させる機構であることが好ましい。

また、前記成形層の表面の温度を検出する温度検出部を有し、前記制御装置は、前記温度検出部による前記成形層の表面温度の計測結果に応じて、前記光照射部から出力する光ビームの強度を制御することが好ましい。

また、前記制御装置は、前記温度検出部による前記成形層の表面温度の計測結果と、前記基台部及び前記成形層の特性とに基づいて、温度を検出する位置を特定し、特定した位置の検出結果に基づいて、前記光照射部から出力する光ビームの強度を制御することが好ましい。

また、前記成形層の表面のプラズマ発光を検出するプラズマ発光検出部を有し、前記制御装置は、前記プラズマ発光検出部による計測結果に応じて、前記光照射部から出力する光ビームの強度を制御することが好ましい。

また、前記成形層の表面からの反射光を検出する反射光検出部を有し、前記制御装置は、前記反射光検出部による計測結果に応じて、前記光照射部から出力する光ビームの強度を制御することが好ましい。

また、前記光照射部及び前記粉末供給部と、前記基台部と、を相対移動させる移動機構を有し、前記制御装置は、前記移動機構によって前記基台部に対して前記光照射部及び前記粉末供給部が通過する経路を決定することが好ましい。

また、前記成形層の表面形状を計測する形状計測部を有し、前記制御装置は、前記形状計測部による前記成形層の表面形状の計測結果に応じて、前記粉末供給部、前記光照射部及び前記移動機構の動作を制御することが好ましい。

また、前記光照射部は、前記光ビームのプロファイルを調整可能であることが好ましい。

また、前記光照射部は、前記光ビームをパルス波で照射するモードと連続波で照射するモードを切り換え可能であることが好ましい。

また、前記粉末供給部から供給され、前記光ビームで溶解されなかった粉末材料を回収する粉末回収部を有することが好ましい。

また、前記粉末回収部で回収した回収物を粉末材料の特性ごとに分離する分別部をさらに有することが好ましい。

また、前記粉末供給部に供給する前記粉末材料を貯留する貯留部と、前記貯留部に貯留されている前記粉末材料を識別する識別部と、を備え、前記識別部で識別した前記貯留部の前記粉末材料を前記粉末供給部に前記粉末材料を導入させる粉末導入部を有し、
前記制御装置は、前記識別部の前記粉末材料の識別結果に応じて、前記粉末導入部から前記粉末供給部への前記粉末材料の導入を制御することが好ましい。

また、前記制御装置は、前記粉末導入部による前記粉末材料の識別結果に応じて、さらに前記粉末供給部及び前記光照射部の少なくとも一方の動作を制御することが好ましい。

前記制御装置は、前記識別部の前記粉末材料の識別結果及び異なる粉末材料を混合して前記粉末供給部から供給する指示に基づいて、前記粉末導入部から前記粉末供給部への異なる前記粉末材料を混合して供給させることが好ましい。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、基台部に成形層を積層して三次元形状物を形成する三次元積層方法であって、粉末材料を基台部に向かって噴射しつつ、前記粉末材料に光ビームを照射することにより前記粉末材料を溶融させ、前記溶融した粉末材料を前記基台部上で固化させることにより前記基台部上に成形層を形成し、当該成形層を積層する。

また、前記成形層の位置を検出し、前記成形層の位置に応じて前記光ビームの焦点位置を調整することが好ましい。

また、前記成形層の表面の温度を検出し、前記成形層の表面温度の計測結果に応じて、出力する光ビームの強度を制御することが好ましい。

また、前記成形層の表面のプラズマ発光を検出し、前記成形層のプラズマ発光の計測結果に応じて、出力する光ビームの強度を制御することが好ましい。

また、前記成形層の表面の反射光を検出し、前記成形層の反射光の計測結果に応じて、出力する光ビームの強度を制御することが好ましい。

また、形成する前記成形層に応じて、前記光ビームをパルス波で照射するモードと連続波で照射するモードを切り換えることが好ましい。

本発明によれば、三次元形状物を高精度に製造することができる。

図１は、本実施形態の三次元積層装置を示す模式図である。 図２は、積層ヘッドの先端部の一例を示す断面図である。 図３は、積層ヘッドの粉末材料を供給する構造の概略構成を示す模式図である。 図４は、積層ヘッドの分配部と分岐管の概略構成を示す展開図である。 図５は、積層ヘッドのノズル周辺の粉末材料を供給する構造の概略構成を示す斜視図である。 図６は、混合部の概略構成を示す模式図である。 図７は、混合部の断面の遷移を示す説明図である。 図８は、制御装置の構成を示す模式図である。 図９は、積層ヘッド収納室に設置された各部の概略構成を示す模式図である。 図１０は、機械加工部計測部の一例を示す模式図である。 図１１Ａは、粉末導入部の一例を示す模式図である。 図１１Ｂは、粉末導入部の一例を示す模式図である。 図１２は、粉末回収部の一例を示す模式図である。 図１３は、本実施形態に係る三次元積層装置による三次元形状物の製造方法を示す説明図である。 図１４Ａは、本実施形態に係る三次元積層装置による三次元形状物の製造方法を示す説明図である。 図１４Ｂは、本実施形態に係る三次元積層装置による三次元形状物の製造方法を示す説明図である。 図１４Ｃは、本実施形態に係る三次元積層装置による三次元形状物の製造方法を示す説明図である。 図１５は、本実施形態に係る三次元積層装置による三次元形状物の製造工程を示すフローチャートである。 図１６は、本実施形態に係る三次元積層装置による成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。 図１７は、成形層の形成条件の一例を説明するための説明図である。 図１８は、成形層の形成条件の一例を説明するための説明図である。 図１９は、成形層の形成条件の一例を説明するための説明図である。 図２０は、成形層の形成条件の一例を説明するための説明図である。 図２１は、成形層の形成条件の一例を説明するための説明図である。 図２２は、成形層の形成条件の一例を説明するための説明図である。 図２３は、成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。 図２４は、本実施形態に係る三次元積層装置による積層ヘッドの先端部を交換する工程の一例を示すフローチャートである。 図２５は、本実施形態に係る三次元積層装置による粉末の識別工程の一例を示すフローチャートである。 図２６は、三次元積層装置の積層ヘッドの周辺部の他の例を示す模式図である。 図２７は、成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。 図２８は、成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。 図２９は、成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。 図３０は、積層ヘッドの他の例を示す模式図である。 図３１は、粉末導入部の一例を示す模式図である。 図３２は、粉末導入部の一例を示す模式図である。 図３３は、三次元積層装置による処理動作の一例を示すフローチャートである。 図３４は、三次元積層装置により製造される成形層の一例を示す説明図である。 図３５は、三次元積層装置による処理動作の一例を示すフローチャートである。 図３６は、粉末材料のバランスの決定に用いる関係の一例を示すグラフである。 図３７は、三次元積層装置により製造される成形層の一例を示す説明図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本実施形態の三次元積層装置１を示す模式図である。ここで、本実施形態では、水平面内の一方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれと直交する方向（すなわち鉛直方向）をＺ軸方向とする。

図１に示す三次元積層装置１は、基台部１００に三次元形状物を製造する装置である。基台部１００は、三次元形状物が形成される土台となる部材であり、三次元積層装置１で所定の位置に搬送され、表面に三次元形成物が形成される。本実施形態の基台部１００は、板状の部材である。なお、基台部１００は、これに限定されない。基台部１００は、三次元形状物の土台となる部材を用いてもよいし、三次元形状物を付加する部材を用いてもよい。所定の位置に三次元形成物が形成されることで、部品、製品となる部材を基台部１００として用いてもよい。

三次元積層装置１は、三次元積層室２と、予備室３と、積層ヘッド収納室４と、機械加工部収納室５と、ベッド１０と、テーブル部１１と、積層ヘッド１２と、機械加工部１３と、制御装置２０と、を加熱ヘッド３１と、機械加工部計測部３２と、工具交換部３３と、ノズル交換部３４と、粉末導入部３５と、空気排出部３７と、ガス導入部３８と、粉末回収部３９と、温度検出部１２０と、質量検出部１３０と、を有する。

三次元積層室２は、接続された配管等の設計された連通部分以外が外部から密封されている筐体（チャンバー）である。なお、設計された連通部分は、密閉状態と開放状態を切り換えるバルブ等が設けられており、必要に応じて、三次元積層室２を密閉状態とすることができる。三次元積層室２は、ベッド１０と、テーブル部１１と、積層ヘッド１２と、機械加工部１３の一部と、加熱ヘッド３１の一部と、機械加工部計測部３２と、工具交換部３３と、ノズル交換部３４とが内部に配置されている。

予備室３は、三次元積層室２に隣接して設けられている。予備室３は、接続された配管等の設計された連通部分以外が外部から密封されている。予備室３は、外部と三次元積層室２とを接続する減圧室となっている。予備室３内には、基台移動部３６が設けられている。ここで、予備室３は、三次元積層室２の接続部に例えば気密性を有する扉６が設けられている。また、予備室３は、気密性を有する扉７により外部と接続されている。また、予備室３には、予備室３から空気を排出する空気排出部２５が設けられている。予備室３は、扉７を開くことで、外部から必要な部材を内部に搬入することができる。また、予備室３は、扉６を開くことで、三次元積層室２との間で部材の搬入、搬出を行うことができる。

積層ヘッド収納室４は、三次元積層室２のＺ軸方向上側の面に設けられている。積層ヘッド収納室４は、Ｚ軸スライド部４ａで三次元積層室２に対してＺ軸方向（矢印）に移動可能な状態で支持されている。積層ヘッド収納室４は、Ｚ軸方向下側の面がベローズ１８により三次元積層室２と繋がっている。ベローズ１８は、積層ヘッド収納室４のＺ軸方向下側の面と三次元積層室２と繋げ、積層ヘッド収納室４のＺ軸方向下側の面を三次元積層室２の一部とする。また、三次元積層室２は、ベローズ１８で囲われた領域に開口が形成されている。積層ヘッド収納室４のＺ軸方向下側の面とベローズ１８とで囲まれた空間は、三次元積層室２と繋がり、三次元積層室２とともに密閉されている。積層ヘッド収納室４は、積層ヘッド１２と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１と、を支持している。また、積層ヘッド収納室４は、積層ヘッド１２のノズル２３を含む一部と、加熱ヘッド３１の先端部２４を含む一部がＺ軸方向下側の面から三次元積層室２に向けて突出している。

積層ヘッド収納室４は、Ｚ軸スライド部４ａでＺ軸方向に移動することで、保持している積層ヘッド１２と、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１をＺ軸方向に移動させる。また、積層ヘッド収納室４は、ベローズ１８を介して三次元積層室２と接続していることで、ベローズ１８がＺ軸方向の移動に合わせて変形し、三次元積層室２と積層ヘッド収納室４との間の密閉状態を維持できる。

機械加工部収納室５は、三次元積層室２のＺ軸方向上側の面に設けられている。また、機械加工部収納室５は、積層ヘッド収納室４に隣接して配置されている。機械加工部収納室５は、Ｚ軸スライド部５ａで三次元積層室２に対してＺ軸方向（矢印１０４の方向）に移動可能な状態で支持されている。機械加工部収納室５は、Ｚ軸方向下側の面がベローズ１９により三次元積層室２と繋がっている。ベローズ１９は、機械加工部収納室５のＺ軸方向下側の面と三次元積層室２とを繋げ、機械加工部収納室５のＺ軸方向下側の面を三次元積層室２の一部とする。また、三次元積層室２は、ベローズ１９で囲われた領域に開口が形成されている。機械加工部収納室５のＺ軸方向下側の面とベローズ１９とで囲まれた空間は、三次元積層室２と繋がり、三次元積層室２とともに密閉されている。機械加工部収納室５は、機械加工部１３を支持している。また、機械加工部収納室５は、機械加工部１３の工具２２を含む一部がＺ軸方向下側の面から三次元積層室２に向けて突出している。

機械加工部収納室５は、Ｚ軸スライド部５ａでＺ軸方向に移動することで、保持している機械加工部１３をＺ軸方向に移動させる。また、機械加工部収納室５は、ベローズ１９を介して三次元積層室２と接続していることで、ベローズ１９がＺ軸方向の移動に合わせて変形し、三次元積層室２と機械加工部収納室５との間の密閉状態を維持できる。

ベッド１０は、三次元積層室２内のＺ軸方向の底部に設けられている。ベッド１０は、テーブル部１１を支持している。ベッド１０は、各種配線や配管や駆動機構が配置されている。

テーブル部１１は、ベッド１０の上面に配置され、基台部１００を支持する。テーブル部１１は、Ｙ軸スライド部１５と、Ｘ軸スライド部１６と、回転テーブル部１７と、を有する。テーブル部１１は、基台部１００を取り付けて基台部１００をベッド１０上で移動させる。

Ｙ軸スライド部１５は、ベッド１０に対してＸ軸スライド部１６をＹ軸方向（矢印１０６の方向）に沿って移動させる。Ｘ軸スライド部１６は、Ｙ軸スライド部１５の稼働部となる部材に固定されており、Ｙ軸スライド部１５に対して回転テーブル部１７をＸ軸方向（矢印１０８の方向）に沿って移動させる。回転テーブル部１７は、Ｘ軸スライド部１６の稼働部となる部材に固定されており、基台部１００を支持している。回転テーブル部１７は、例えば傾斜円テーブルであり、固定台１７ａと、回転テーブル１７ｂと、傾斜テーブル１７ｃと、回転テーブル１７ｄと、を有する。固定台１７ａは、Ｘ軸スライド部１６の稼働部となる部材に固定されている。回転テーブル１７ｂは、固定台１７ａに支持されており、Ｚ軸方向と平行な回転軸１１０を回転軸として回転する。傾斜テーブル１７ｃは、回転テーブル１７ｂに支持されており、回転テーブル１７ｂの支持されている面に直交する回転軸１１２を軸として回動される。回転テーブル１７ｄは、傾斜テーブル１７ｃに支持されており、傾斜テーブル１７ｃの支持されている面に直交する回転軸１１４を軸として回転される。傾斜テーブル１７ｄは、基台部１００を固定している。このように、回転テーブル部１７は、回転軸１１０、１１２、１１４を軸として各部を回転させることで、基台部１００を直交する３軸周りに回転させることができる。テーブル部１１は、回転テーブル部１７に固定されている基台部１００を、Ｙ軸スライド部１５及びＸ軸スライド部１６により、Ｙ軸方向及びＸ軸方向に移動させる。また、テーブル部１１は、回転テーブル部１７により回転軸１１０、１１２、１１４を軸として各部を回転させることで、基台部１００を直交する３軸周りに回転させる。テーブル部１１は、さらにＺ軸方向に沿って基台部１００を移動させてもよい。

積層ヘッド１２は、基台部１００に向けて粉末材料を噴射し、さらに噴射した粉末材料にレーザ光を照射することにより粉末を溶融させて、溶融した粉末を基台部１００上で固化させて成形層を形成する。積層ヘッド１２に導入される粉末は、三次元形状物の原料となる材料の粉末である。本実施形態において、粉末は、例えば鉄、銅、アルミニウム又はチタン等の金属材料などを用いることができる。なお、粉末としては、セラミック等金属材料以外の材料を用いてもよい。積層ヘッド１２は、ベッド１０のＺ軸方向の上側の面に対面する位置に設けられており、テーブル部１１と対面している。積層ヘッド１２は、Ｚ軸方向の下部にノズル２３が設置されている。積層ヘッド１２は、本体４６にノズル２３が装着されている。

まず、図２を用いてノズル２３について説明する。図２は、積層ヘッド１２のノズル２３の一例を示す断面図である。図２に示すように、ノズル２３は、外管４１と、外管４１の内部に挿入された内管４２とを有する二重管である。外管４１は、管状の部材であり、先端（Ｚ軸方向下側）に向かって径が小さくなっている。内管４２は、外管４１の内部に挿入されている。内管４２も、管状の部材であり、先端（Ｚ軸方向下側）に向かって径が小さくなる形状である。ノズル２３は、外管４１の内周と内管４２の外周との間が粉末材料（粉末）Ｐの通過する粉末流路４３となる。内管４２の内周面側がレーザ光の通過するレーザ経路４４となる。ここで、ノズル２３が装着されている本体４６は、ノズル２３と同様に二重管であり、粉末流路４３とレーザ経路４４も同様に形成されている。積層ヘッド１２は、レーザ経路４４の周囲を囲うように粉末流路４３が配置されている。本実施形態では、粉末流路４３が粉末を噴射する粉末噴射部となる。積層ヘッド１２は、粉末導入部３５から導入された粉末材料Ｐが粉末流路４３を流れ、外管４１と内管４２との間の端部の開口であるノズル噴射口部４５から噴射される。

また、積層ヘッド１２は、光源４７と光ファイバ４８と集光部４９とを有する。光源４７は、レーザ光Ｌを出力する。光ファイバ４８は、光源４７から出力されたレーザ光Ｌをレーザ経路４４に案内する。集光部４９は、レーザ経路４４に配置され、光ファイバ４８から出力されたレーザ光Ｌの光路に配置されている。集光部４９は、光ファイバ４８から出力されたレーザ光Ｌを集光する。集光部４９で集光されたレーザ光Ｌは、内管４２の端部から出力される。積層ヘッド１２は、集光部４９を本体４６に配置したが、集光部４６の一部または全部をノズル２３に配置してもよい。ノズル２３に集光部４６の一部または全部を配置した場合、ノズル２３を交換することで、焦点位置を異なる位置とすることができる。

三次元積層装置１は、焦点位置調整部１４０を有する。焦点位置調整部１４０は、集光部４９をレーザ光Ｌの進行方向に沿って移動させる。焦点位置調整部１４０は、集光部４９の位置をレーザ光Ｌの進行方向に沿って移動させることで、レーザ光Ｌの焦点位置を調整することができる。なお、焦点位置調整部１４０としては、集光部４９の焦点距離を調整する機構を用いることもできる。また、三次元積層装置１は、Ｚ軸スライド部４ａも焦点位置調整部の１つとなる。Ｚ軸スライド部４ａは、レーザ光Ｌの焦点位置Ｐ１と粉末材料が噴射される位置（例えば噴射される粉末材料の焦点位置）Ｐ２とが一体で移動し、焦点位置調整部１４０は、粉末材料が噴射される位置Ｐ２に対してもレーザ光Ｌの焦点位置Ｐ１を移動させることができる。三次元積層装置１は、調整する対象に応じて制御する対象を切り換えることができる。

積層ヘッド１２は、粉末流路４３から粉末Ｐを噴射し、レーザ経路４４からレーザ光Ｌを出力する。積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐは、積層ヘッド１２から出力されたレーザ光Ｌが照射される領域に侵入し、レーザ光Ｌによって加熱される。レーザ光Ｌが照射された粉末Ｐは溶融した後、基台部１００上に到達する。溶融した状態で基台部１００上に到達した粉末Ｐは、冷却されて固化する。これにより、基台部１００上に成形層を形成する。

ここで、本実施形態の積層ヘッド１２は、光源４７から出力されたレーザ光Ｌを光ファイバ４８で案内した光ファイバはなくてもよい。また、集光部４９は、本体４６に設けてもノズル２３に設けても、両方に設けてもよい。本実施形態の積層ヘッド１２は、効果的に加工ができるため、粉末Ｐを噴射する粉末流路４３と、レーザ光Ｌを照射するレーザ経路４４とを同軸に設けたがこれに限定されない。積層ヘッド１２は、粉末Ｐを噴射する機構とレーザ光Ｌを照射する機構とを別体としてもよい。本実施形態の積層ヘッド１２は、粉末材料にレーザ光Ｌを照射したが、粉末材料を溶解または焼結させることができればよく、レーザ光以外の光ビームを照射してもよい。

次に、積層ヘッド１２の粉末材料が供給される経路についてより詳細に説明する。図３は、積層ヘッドの粉末材料を供給する構造の概略構成を示す模式図である。図４は、積層ヘッドの分配部と分岐管の概略構成を示す展開図である。図５は、積層ヘッドのノズル周辺の粉末材料を供給する構造の概略構成を示す斜視図である。図６は、混合部の概略構成を示す模式図である。図７は、混合部の断面の遷移を示す説明図である。図２に示すように積層ヘッド１２は、粉末導入部３５から粉末供給管１５０を介して粉末材料が供給される。積層ヘッド１２は、供給された粉末材料を粉末流路４３に供給する機構として、分配部１５２と、複数の分岐管１５４と、を有する。

分配部（ディストリビュータ）１５２は、粉末供給管１５０から供給される粉末を均一化して分岐管１５４に供給する。複数の分岐管１５４は、分配部１５２と粉末流路４３とを接続する管路であり、分配部１５２から供給された粉末を粉末流路４３に供給する。本実施形態の積層ヘッド１２は、図５に示すように３本の分岐管１５４が周方向に均等に、つまり１２０°間隔で配置されている。

分岐管１５４は、内部に混合部１５６が設けられている。混合部１５６は、分岐管１５４を流れる粉末を分岐管１５４内で均一化する機構であり、複数の撹拌板１５６ａ、１５６ｂが配置されている。撹拌板１５６ａ、１５６ｂは、図４、図６及び図７に示すように、分岐管１５４の流れ方向に沿って分岐管１５４の軸方向周りにねじられた構造である。また、範囲１５５ａに配置された撹拌版１５６ａと範囲１５５ｂに配置された撹拌版１５６ｂはねじられる方向が逆となる。これにより、混合部１５６を通過する流体の流れは、図７に示すように分岐管１５４の軸方向の位置に応じて変化する流れとなる。これにより撹拌が促進される。なお、図７は、図中左から、図６のＡ−Ａ線断面、Ｂ−Ｂ線断面、Ｃ−Ｃ線断面の撹拌版１５６ａ側、Ｃ−Ｃ線断面の撹拌版１５６ｂ側、Ｄ−Ｄ線断面、Ｅ−Ｅ線断面のそれぞれの形状を示している。なお、本実施形態では、分岐管１５４を３本としたが、本数は特に限定されない。分岐管１５４は、周方向に均等に、つまり一定角度間隔で配置されていることが好ましい。

また、積層ヘッド１２は、粉末流路４３に整流装置１５８が設置されている。整流装置１５８は、３本の分岐管１５４から供給された粉末材料を含む流れを整流する。これにより、積層ヘッド１２は、粉末流路４３から噴射する粉末材料の流れを整った流れとすることができ、目的の位置により高い精度で供給することができる。

機械加工部１３は、例えば成形層等を機械加工する。図１に示すように、機械加工部１３は、ベッド１０のＺ軸方向の上側の面に対面する位置に設けられており、テーブル部１１と対面している。機械加工部１３は、Ｚ軸方向の下部に工具２２が装着されている。なお、機械加工部１３は、ベッド１０よりもＺ軸方向上側で、テーブル部１１による基台部１００の移動可能範囲に設けられていればよく、配置位置は本実施形態の位置に限られない。

図８は、制御装置２０の構成を示す模式図である。制御装置２０は、三次元積層装置１の各部と電気的に接続されており、三次元積層装置１の各部の動作を制御する。制御装置２０は、三次元積層室２や予備室３の外部に設置されている。制御装置２０は、図８に示すように、入力部５１と、制御部５２と、記憶部５３と、出力部５４と、通信部５５と、を有する。入力部５１と、制御部５２と、記憶部５３と、出力部５４と、通信部５５と、の各部は電気的に接続されている。

入力部５１は、例えば操作パネルである。作業者は、入力部５１に情報や指令等を入力する。制御部５２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリである。制御部５２は、三次元積層装置１の各部に、三次元積層装置１の各部の動作を制御する指令を出力する。また、制御部５２には、三次元積層装置１の各部からの情報等が入力される。記憶部５３は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）又はＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶装置である。記憶部５３には、制御部５２で実行されることで各部の動作を制御する三次元積層装置１の運転プログラムや、三次元積層装置１の情報、又は三次元形状物の設計情報等が記憶される。出力部５４は、例えばディスプレイである。出力部５４は、例えば三次元積層装置１の各部からの情報等を表示する。通信部５５は、例えばインターネット又はＬＡＮ（Local Area Network）等のような通信回線と通信して、通信回線との間で情報をやり取りする。なお、制御装置２０は、少なくとも制御部５２及び記憶部５３を有していればよい。制御装置２０は、制御部５２及び記憶部５３を有していれば、三次元積層装置１の各部に指令を出力することができる。

図９に示すように、形状計測部３０は、積層ヘッド収納室４に固定されている。形状測定部３０は、積層ヘッド１２に隣接して配置されている。形状計測部３０は、基台部１００上に形成された成形層の表面形状を計測する。形状計測部３０は、例えば３Ｄスキャナや相対距離を計測する装置を用いることができる。形状計測部３０は、例えば基台部１００上の成形層の表面にレーザ光をスキャニング（走査）させ、その反射光から成形層の表面の位置情報（矢印１６０の距離）を算出することにより、成形層の表面形状を計測する。また、本実施形態において、形状計測部３０は、積層ヘッド収納室４に取付けられているが、基台部１００上に形成された成形層の表面形状を計測できればよく、別の位置に取り付けられてもよい。

加熱ヘッド３１は、基台部１００上の成形層又は溶融した粉末Ｐ等を加熱する。加熱ヘッド３１は、積層ヘッド収納室４に固定されている。加熱ヘッド３１は、積層ヘッド１２に隣接して配置されている。加熱ヘッド３１は、例えば、レーザ光、赤外光や電磁波を照射し、成形層又は溶融した粉末Ｐを加熱する。加熱ヘッド３１で成形層又は溶融した粉末Ｐを加熱することで、成形層又は溶融した粉末Ｐの温度を制御することができる。これにより、成形層又は溶融した粉末Ｐの急激な温度低下を抑制したり、粉末Ｐが溶融しやすい雰囲気（高い温度環境）を形成したりすることができる。

温度検出部１２０は、加熱ヘッド３１に隣接して配置されている。図９は、積層ヘッド収納室に設置された各部の概略構成を示す模式図である。温度検出部１２０は、図９に示すように、レーザ光Ｌが照射される位置と、加熱ヘッド３１でレーザ光１６２が照射され加熱される範囲を含む範囲に測定波１６４を出力し、温度を計測する。温度検出部１２０は、成形層が形成される表面の温度を計測する各種温度センサを用いることができる。

質量検出部１３０は、回転テーブル部１７の回転テーブル１７ｄに取り付けられる基台部１００の質量を検出する。質量検出部１３０は、ロードセルを用いることができる。

機械加工部計測部３２は、機械加工部１３の工具２２の先端５６の位置を計測する。図１０は、機械加工部計測部３２の一例を示す模式図である。図１０に示すように、機械加工部計測部３２は、光源部５７と、撮像部５８と、を有する。機械加工部計測部３２は、光源部５７と撮像部５８との間に、機械加工部１３の工具２２の先端５６を位置させる。光源部５７は、例えばＬＥＤである。撮像部５８は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラである。機械加工部計測部３２は、光源部５７と撮像部５８との間に工具２２の先端５６を配置した状態で、光源部５７から撮像部５８に向けて光ＬＩを照射し、撮像部５８で画像を取得する。これにより、工具２２の先端５６によって、光が遮られた画像を取得することができる。機械加工部計測部３２は、撮像部５８で取得した画像を解析し、具体的には、光が入射した位置と光が入射していない位置の境界を検出することで、先端５６の形状、位置を取得することができる。制御装置２０は、取得した工具２２の先端５６の位置と機械加工部１３の位置（機械加工部収容室５の位置）とに基づいて、機械加工部１３に装着された工具２２の先端の正確な位置を検出する。なお、機械加工部計測部３２は、機械加工部１３の先端５６の位置を計測するものであれば、この構成に限られず、例えばレーザ光によって計測してもよい。

工具交換部３３は、三次元積層室２の内部に配置されている。工具交換部３３は、機械加工部１３に装着される工具２２を交換する。工具交換部３３は、工具２２を保持していない部分を機械加工部１３と対面する位置に移動させる。その後、工具交換部３３は、機械加工部１３と対面する位置に工具２２を把持していない部分に移動させる。その後、機械加工部１３に装着されている工具２２を取り外す処理を実行する。その後、機械加工部１３に装着する別の工具２２を把持している部分を機械加工部１３に対面する位置に移動させ、機械加工部１３に別の工具２２を取り付ける。このように、工具交換部３３は、機械加工部１３の工具２２を着脱することにより、機械加工部の工具２２を交換することができる。なお、工具交換部３３は、機械加工部の工具２２を交換することができれば、この構成に限れられない。

ノズル交換部３４は、三次元積層室２の内部に配置されている。ノズル交換部３４は、積層ヘッド１２に装着されるノズル２３を交換する。ノズル交換部３４は、工具交換部３３と同様の構造を用いることができる。

粉末導入部３５は、積層ヘッド１２に三次元形状物の原料となる粉末材料を積層ヘッド１２に導入する。図１１Ａ及び図１１Ｂは、それぞれ粉末導入部の一例を示す模式図である。図１１Ａに示すように、本実施形態において、粉末Ｐはカートリッジ８３に封入された状態で管理される。すなわち、粉末は、例えば材料の種類毎にカートリッジ８３内に封入されて出荷される。カートリッジ８３には材料表示部８４が設けられる。材料表示部８４は、例えば材料の種類などの粉末の情報を示す表示である。材料表示部８４は、目視で確認できる情報に限定されず、ＩＣチップ、二次元コード又はマーク等、読み取り器で読み取ることで情報を取得できる表示であってもよい。材料表示部８４は、粉末の材料の種類を示すことができれば、これらに限られない。材料表示部８４は、粉末の材料の種類以外にも、例えば粉末の粒度、重量、純度又は酸素含有量等の、三次元形状物製造の上で必要な粉末の情報を示すことができる。また、材料表示部８４は、粉末が正規品であるか否かを示す情報を含んでいてもよい。

粉末導入部３５は、粉末収納部８１及び粉末識別部８２を有する。粉末収納部８１は、例えば箱状の部材であり、内部にカートリッジ８３を収納する。粉末収納部８１は、粉末を搬出するための搬送空気供給部や、粉末を積層ヘッド１２に搬送する搬送経路が接続されている。粉末収納部８１は、カートリッジ８３が収納された場合、カートリッジ８３に貯留されている粉末を積層ヘッド１２に導入する。粉末識別部８２は、粉末収納部８１にカートリッジ８３が収納されたことを検出したら、カートリッジ８３の材料表示部８４を読み取り、カートリッジ８３に貯留されている粉末の情報を読み取る。粉末導入部３５は、粉末識別部８２で粉末の情報を取得することで、積層ヘッド１２に既知の粉末を供給することができる。

ここで、粉末導入部３５は、カートリッジ８３内に封入された状態で管理されていない粉末を積層ヘッド１２に供給するようにしてもよい。図１１Ｂは、粉末がカートリッジに封入されない場合の粉末導入部３５Ａを示している。粉末導入部３５Ａは、粉末収納部８１Ａと、粉末識別部８２Ａと、粉末収容部８１Ａと粉末識別部８２Ａとを繋げる粉末案内管８９とを有する。粉末収納部８１Ａは、例えば箱状の部材であり、内部に粉末Ｐを収納する。粉末識別部８２Ａは、粉末案内管８９を介して供給された粉末Ｐを分析し、粉末Ｐの材料の種類、粒度、重量、純度、酸化物被膜又は酸素含有量等の、三次元形状物製造の上で必要な粉末Ｐの情報を計測する。粉末識別部８２Ａとしては、分光分析により粉末の材料を識別する分光分析装置を有し、粒度分析により粉末Ｐの粒度を計測する粒度分析装置、粉末の重量を計測する重量計等を用いることができる。粉末識別部８２Ａは、例えば計測した粉末Ｐの材料の種類、粒度及び重量等から、粉末の純度を計測する。また、粉末識別部８２Ａは、例えば導電率により、粉末の酸化物被膜を計測する。粉末導入部３５Ａも、粉末識別部８２Ａで粉末の情報を取得することで、積層ヘッド１２に既知の粉末を供給することができる。

基台移動部３６は、予備室３に配置されている。基台移動部３６は、基台部１００ａを予備室３内から三次元積層室２内に移動させ、三次元積層室２内の基台部１００を予備室３内に移動させる。基台移動部３６は、外部から予備室３内に搬入された基台部１００ａが取付けられる。基台移動部３６は、取付けられた基台部１００ａを予備室３から三次元積層室２内に搬入する。より詳しくは、基台移動部３６は、基台移動部３６に取付けられた基台部１００を、三次元積層室２内に移動させて、回転テーブル部１７に取付ける。基台移動部３６は、例えばロボットアームや直交軸搬送機構により、基台部１００を移動させる。

空気排出部３７は、例えば真空ポンプであり、三次元積層室２内の空気を排出する。ガス導入部３８は、三次元積層室２内に所定成分のガス、例えばアルゴン、窒素等の不活性ガスを導入する。三次元積層装置１は、空気排出部３７により三次元積層室２の空気を排出し、ガス導入部３８により三次元積層室２にガスを導入する。これにより、三次元積層装置１は、三次元積層室２内を所望するガス雰囲気にすることができる。ここで、本実施形態において、ガス導入部３８は、空気排出部３７よりもＺ軸方向下方に設けられる。ガス導入部３８を空気排出部３７よりもＺ軸方向下方に設けることで、空気中の酸素等の気体よりも比重が高いアルゴンを導入するガスを用いた場合、三次元積層室２内に好適にアルゴンガスを満たすことができる。なお、導入するガスを空気よりも軽いガスとする場合、配管の配置を逆にすればよい。

粉末回収部３９は、積層ヘッド１２のノズル噴射口部４５から噴射された粉末Ｐであって、成形層を形成しなかった粉末Ｐを回収する。粉末回収部３９は、三次元積層室２内の空気を吸引して、空気に含まれる粉末Ｐを回収する。積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐは、レーザ光Ｌにより溶融固化して、成形層を形成する。しかし、粉末Ｐの一部は、例えばレーザ光Ｌが照射されないことで、そのまま三次元積層室２内に残る場合がある。また、機械加工部１３により切削されて成形層から排出された切粉が三次元積層室２に残る。粉末回収部３９は、三次元積層室２に残った粉末Ｐや切粉を回収する。粉末回収部３９は、ブラシ等機械的に粉末を回収する機構を備えていてもよい。

図１２は、粉末回収部３９の一例を示す模式図である。図１２に示すように、粉末回収部３９は、導入部８５と、サイクロン部８６と、気体排出部８７と、粉末排出部８８とを有する。導入部８５は、例えば管状の部材であり、一方の端部が例えば三次元積層室２内に接続されている。サイクロン部８６は、例えば中空の円錐台形状の部材であり、例えば鉛直方向下方に向かって径が小さくなる。導入部８５の他方の端部は、サイクロン部８６の外周の接線方向に沿って、サイクロン部８６に接続されている。気体排出部８７は、管状の部材であり、一方の端部がサイクロン部８６の鉛直方向上方の端部に接続されている。粉末排出部８８は、管状の部材であり、一方の端部がサイクロン部８６の鉛直方向下方の端部に接続されている。

気体排出部８７の他方の端部には、例えば気体を吸引するポンプが接続されている。従って、気体排出部８７は、サイクロン部８６から気体を吸引して、サイクロン部８６を負圧にする。サイクロン部８６は負圧になるため、導入部８５は、三次元積層室２から気体を吸引する。導入部８５は、三次元積層室２内の気体と共に、成形層を形成しなかった粉末Ｐを吸引する。導入部８５は、サイクロン部８６の外周の接線方向に沿って、サイクロン部８６に接続されている。従って、導入部８５に吸引された気体及び粉末Ｐは、サイクロン部８６の内周に沿って旋回する。粉末Ｐは、気体よりも比重が高いため、サイクロン部８６の内周の放射方向外側に遠心分離される。粉末Ｐは、自重により延伸方向下方の粉末排出部８８に向かい、粉末排出部８８から排出される。また、気体は気体排出部８７により排出される。

粉末回収部３９は、このようにして成形層を形成しなかった粉末Ｐを回収する。また、本実施形態における粉末回収部３９は、粉末Ｐを比重毎に分けて回収してもよい。例えば比重が低い粉末は、自重が小さいため、粉末排出部８８に向かわずに、気体排出部８７に吸引される。従って、粉末回収部３９は、比重毎に粉末Ｐを分別して回収することができる。なお、粉末回収部３９は、成形層を形成しなかった粉末Ｐを回収することができれば、このような構成に限られない。

次に、三次元積層装置１による三次元形状物の製造方法について説明する。図１３は、本実施形態に係る三次元積層装置１による三次元形状物の製造方法を示す模式図である。また、図１３に示す製造方法は、制御装置２０が各部の動作を制御することで実行することができる。本実施形態においては、台座９１上に三次元形状物を製造する場合として説明する。台座９１は、例えば金属製の板状部材であるが、上部に三次元形状物が製造されるものであれば、形状及び材料は任意である。台座９１は、基台部１００上に取付けられる。基台部１００は、台座９１と共に、テーブル部１１の回転テーブル部１７に固定される。なお、台座９１を基台部１００とすることもできる。

制御装置２０は、ステップＳ１に示すように、テーブル部１１により、基台部１００上の台座９１が積層ヘッド１２のＺ軸方向下方に配置されるように、基台部１００を移動させる。

次に、制御装置２０は、ステップＳ２に示すように、粉末導入部３５から積層ヘッド１２に粉末Ｐを導入し、積層ヘッド１２から気体と共に粉末Ｐを噴射しつつ、レーザ光Ｌを照射する。粉末Ｐは、所定の収束径をもって、基台部１００上の台座９１に向かって噴射される。レーザ光Ｌは、積層ヘッド１２と台座９１との間において、所定のスポット径をもって粉末Ｐに照射される。ここで、粉末Ｐの収束径のＺ軸方向での位置に対するレーザ光Ｌのスポット径のＺ軸方向での位置および粉末Ｐの収束径のＺ軸方向での位置におけるスポット径は、例えば集光部４９の位置を動かすことにより制御することができる。

制御装置２０は、積層ヘッド１２によりレーザ光Ｌを照射しつつ粉末Ｐを噴射することで、ステップＳ３に示すように、粉末Ｐがレーザ光Ｌの照射により溶融する。溶融した粉末Ｐは、溶融体Ａとして、基台部１００上の台座９１に向かってＺ軸方向下方へ落下する。

Ｚ軸方向下方へ落下した溶融体Ａは、基台部１００上の台座９１の所定の位置に到達する。台座９１上の溶融体Ａは、台座９１上の所定の位置で、例えば放冷されることにより冷却される。冷却された溶融体Ａは、ステップＳ４に示すように、台座９１上で固化体Ｂとして固化される。

制御装置２０は、テーブル部１１で基台部１００上を所定の位置に移動させつつ、ステップＳ２からステップＳ４に示す手順で積層ヘッド１２により固化体Ｂを基台部１００上に形成する。これらの手順を繰り返すことにより、ステップＳ５に示すように、固化体Ｂは、台座９１上で所定の形状を有する成形層９２を形成する。

制御装置２０は、ステップＳ６に示すように、台座９１に形成された成形層９２が機械加工部１３のＺ軸方向下方に配置されるように、テーブル部１１により基台部１００の台座９１を移動させる。さらに、制御装置２０は、機械加工部１３により、成形層９２を機械加工する。制御装置２０は、機械加工部１３による機械加工を実施するか否かを選択し、不要な場合は実行しなくてもよい。従って、ステップＳ６に示す機械加工は、制御装置２０の指令によっては、実施されない場合がある。

次に、制御装置２０は、ステップＳ７に示すように、テーブル部１１は、制御装置２０の指令により、基台部１００を、例えば成形層９２が積層ヘッド１２のＺ軸方向下方に位置するように移動させる。そして、ステップＳ２からステップＳ６に示す手順を繰り返し、成形層９２の上に成形層９３が順次積層され、三次元形状物が製造される。

以上を纏めると、本実施形態に係る三次元積層装置１は、次のように三次元形状物を製造する。積層ヘッド１２の粉末噴射部は、粉末Ｐを基台部１００上の台座９１に向かって噴射する。また、積層ヘッド１２の内管４２は、積層ヘッド１２と台座９１との間において、粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射する。レーザ光Ｌが照射された粉末Ｐは、溶融され、基台部１００上の台座９１上で固化されて、成形層９２を形成する。三次元積層装置１は、成形層９２上に順次成形層９３を積層し、機械加工部１３により成形層９２，９３に適宜機械加工を加えて、三次元形状物を製造する。

本実施形態において、三次元形状物は、台座９１上に製造されたが、三次元形状物は、台座９１上に製造されなくてもよい。三次元形状物は、例えば基台部１００上に直接製造されてもよい。また、三次元積層装置１は、既存の造形物上に成形層を積層することにより、いわゆる肉盛り溶接を行ってもよい。

本実施形態において、機械加工部１３は、例えば成形層９２の表面を機械加工するが、それ以外の機械加工を行ってもよい。図１４Ａから図１４Ｃは、それぞれ本実施形態に係る三次元積層装置１による三次元形状物の製造方法を示す説明図である。図１４Ａから図１４Ｃは、三次元積層装置１が図１４Ｃに示す部材９９を製造する手順を示している。

部材９９は、円板部９５と、軸部９７と、円錐台部９８とを有する。また、部材９９は、円板部９５にねじ穴部９６が形成されている。図１４Ｃに示すように、円板部９５は円板状の部材である。軸部９７は、円板部９５よりも径が小さい軸状の部材であり、円板部９５の一方の面の中央部から延在する。ねじ穴部９６は、円板部９５の軸部９７よりも外側に設けられる。円錐台部９８は、軸部９７の先端に設けられ、円板部９５と反対方向に向かうに従って、外径が大きくなる。円錐台部９８の長径は、例えば円板部９５の外径と同じ大きさである。すなわち、ねじ穴部９６は、円錐台部９８の長径よりも内側に位置する。

次に、三次元積層装置１による部材９９の製造手順について説明する。三次元積層装置１は、図１４Ａに示すように、積層ヘッド１２による成形層の積層によって円板部９５及び軸部９７を形成する。三次元積層装置１は、円板部９５及び軸部９７を製造した後に、図１４Ｂに示すように、機械加工部１３によりねじ穴部９６を形成する。三次元積層装置１は、ねじ穴部９６を形成した後に、積層ヘッド１２による成形層の積層により、軸部９７上に円錐台部９８を形成する。部材９９は、このようにして製造される。

ここで、円錐台部９８の長径部分は、ねじ穴部９６よりも外側に位置する。言い換えれば、ねじ穴部９６は、円錐台部９８により上部が覆われている。従って、例えば機械加工により部材９９を製造する場合、円錐台部９８の上部から円板部９５に向かって、ねじ穴部９６の加工工具を移動させることができない。しかし、三次元積層装置１は、円錐台部９８が製造される前に、ねじ穴部９６を形成する。この場合、ねじ穴部９６の上部は覆われていない。従って、三次元積層装置１は、機械加工部１３を、Ｚ軸方向上部からＺ軸方向に沿って移動させることにより、ねじ穴部９６を加工することができる。このように、機械加工部１３は、成形層の形成と機械加工とのタイミングを調整することにより、機械加工を容易にすることができる。

次に、本実施形態に係る三次元積層装置１による三次元形状物の製造の詳細な工程について説明する。図１５は、本実施形態に係る三次元積層装置１による三次元形状物の製造工程を示すフローチャートである。制御装置２０は、例えば記憶部５３内に記憶された三次元形状物の設計情報を読み出す。

次に、制御装置２０は、空気排出部３７により三次元積層室２内の空気を排出する（ステップＳ１１）。ここで、三次元積層室２は、扉６が閉じており、予備室３と分離されている。また、三次元積層室２は、他の外気と連通している部分も閉じられ、密封されている。制御装置２０は、例えば、空気排出部３７により空気を排出することで、三次元積層室２内の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下とする。制御装置２０は、三次元積層室２内の酸素濃度が１００ｐｐｍ以下とすることで、不活性状態とすることができ、１０ｐｐｍ以下とすることで、より確実に不活性状態とすることができる。

次に、台座９１を有する基台部１００を予備室３内の基台移動部３６に取付ける（ステップＳ１２）。なお、三次元積層装置１は、ステップＳ１２の処理を、ステップＳ１１の処理よりも先に行ってもよい。

制御装置２０は、予備室３内の基台移動部３６が取付けられたら、予備室３の扉７を閉じ、空気排出部２５により、予備室３内の空気を排出する（ステップＳ１３）。制御装置２０は、空気排出部２５で空気を排出することで、予備室３内の酸素濃度を低下させる。予備室３内の酸素濃度は、例えば三次元積層室２内と同じ酸素濃度になることが好ましい。

制御装置２０は、予備室３の空気の排出が完了したら、三次元積層室２の扉６を開き、基台移動部３６により三次元積層室２内の回転テーブル部１７に基台部１００を取付ける（ステップＳ１４）。基台部１００は、回転テーブル部１７に固定される。制御装置２０は、基台部１００を回転テーブル部１７に取り付けたら、基台移動部３６を予備室３内に戻し、扉６を閉じる。

制御装置２０が、基台部１００を回転テーブル部１７にセットしたら、ガス導入部３８により三次元積層室２内にガスを導入する（ステップＳ１５）。制御装置２０は、気体導入部３８により、三次元積層室２内を、導入したガス雰囲気にする。実施形態１において、気体導入部３８が導入するガスは、窒素もしくはアルゴン等の不活性ガスである。気体導入部３８は、三次元積層室２内の残留酸素濃度が１００ｐｐｍ以下となるように、不活性ガスを導入する。

また、三次元積層装置１は、粉末材料の種類によっては、ステップＳ１１、ステップＳ１３，ステップＳ１５を省略してもよい。例えば粉末材料の酸化によっても三次元形状物の品質等が問題にならない場合は、これらのステップを省略し、三次元積層室２及び予備室３を大気雰囲気にしてもよい。

制御装置２０は、三次元積層室２への不活性ガスの導入が完了したら、基台部１００上の台座９１について機械加工を行うかを判断する（ステップＳ１６）。例えば、制御装置２０は、形状計測部３０に台座９１の表面形状を計測させる。制御装置２０は、形状計測部３０の計測結果に基づき、台座９１について機械加工を行うかを判断する。制御装置２０は、例えば、台座９１の表面粗さが所定の値より大きかった場合、台座９１の機械加工を行うと判断する。ただし、制御装置２０による台座９１の機械加工の要否判断は、これに限られず、形状計測部３０の計測結果によらなくてもよい。制御装置２０は、例えば、記憶部５３内に台座９１の情報を記憶させておき、台座９１の情報と三次元形状物の設計情報とから、台座９１の加工要否を判断してもよい。また、制御装置２０は、常に台座９１を加工する設定としてもよい。

制御装置２０は、台座９１の機械加工が必要であると判断した場合（ステップＳ１６でＹｅｓ）、機械加工部１３により、所定の条件で台座９１の機械加工を行う（ステップＳ１７）。制御装置２０は、例えば形状計測部３０による台座９１の形状計測結果、又は台座９１の情報と三次元形状物の設計情報と等に基づき、台座９１の機械加工の条件を決定する。

制御装置２０は、台座９１の加工が必要でないと判断した場合（ステップＳ１６でＮｏ）、または、所定の条件で台座９１の機械加工を行った場合、例えば記憶部５３から読み出した三次元形状物の設計情報に基づき、成形層の形成条件を決定する（ステップＳ１８）。成形層の形成条件とは、例えば、成形層の各層の形状、粉末Ｐの種類、粉末Ｐの噴射速度、粉末Ｐの噴射圧力、レーザ光Ｌの照射条件、粉末Ｐの収束径とレーザ光Ｌのスポット径と成形層表面の位置関係、気中で溶融した粉末Ａの寸法、温度、形成中の成形層表面溶融プールＢの寸法、冷却速度、又はテーブル部１１による基台部１００の移動速度等、成形層を形成する上で必要な条件である。

制御装置２０は、成形層の形成条件を決定したら、積層ヘッド１２により、粉末Ｐを基台部１００上の台座９１に向かって噴射し、レーザ光Ｌの照射を開始する（ステップＳ１９）。制御装置２０は、粉末Ｐを噴射しつつ、レーザ光Ｌを照射することで、レーザ光Ｌにより粉末Ｐを溶融し、溶融した粉末Ｐを固化することができ、台座９１上に固化体Ｂが形成する。

制御装置２０は、粉末Ｐを噴射しつつ、レーザ光Ｌを照射し、テーブル部１１により基台部１００を移動させることで、台座９１上に成形層９２を形成する（ステップＳ２０）。制御装置２０は、加熱ヘッド３１により、成形層９２を加熱したり、固化体が付着する前の部分を加熱したりしてもよい。

制御装置２０は、成形層９２を形成したら、成形層９２に機械加工が必要かを判断する（ステップＳ２１）。制御装置２０は、例えば形状計測部３０に、成形層９２の表面形状を計測させる。制御装置２０は、形状計測部３０の計測結果に基づき、成形層９２の機械加工の要否を判断する。例えば、制御装置２０は、成形層９２の表面粗さが所定の値より大きかった場合、成形層９２の機械加工を行うと判断する。ただし、成形層９２の機械加工の要否判断の基準は、これに限られない。制御装置２０は、例えば三次元形状物の設計情報と成形層の形成条件とから、成形層９２の機械加工の要否を判断してもよい。例えば、制御装置２０は、成形層の形成条件から算出された成形層９２の表面粗さが三次元形状物の設計情報に基づく必要な表面粗さよりも大きい場合、成形層９２に機械加工が必要であると判断するようにしてもよい。

制御装置２０は、成形層９２の機械加工が必要ではないと判断した場合（ステップＳ２１でＮｏ）、ステップＳ２４に進む。制御装置２０は、成形層９２の機械加工が必要である（ステップＳ２１でＹｅｓ）と判断した場合、成形層９２の機械加工の加工条件を決定する（ステップＳ２２）。例えば、制御装置２０は、形状計測部３０の計測結果、又は三次元形状物の設計情報と成形層の形成条件等に基づき、加工条件を決定する。制御装置２０は、成形層加工条件を決定したら、機械加工部１３により、決定した加工条件に基づいて成形層９２を機械加工する（ステップＳ２３）。

制御装置２０は、成形層９２の機械加工を行った場合、または、成形層９２の機械加工が必要ではないと判断した場合、成形層９２の上に更に成形層９３を積層する必要があるかを判断する（ステップＳ２４）。制御装置２０は、例えば記憶部５３から読み出した三次元形状物の設計情報に基づき、成形層９２の上に更に成形層９３を積層する必要があるかを判断する。

制御装置２０は、成形層９３の積層が必要であると判断した場合（ステップＳ２４でＹｅｓ）、ステップＳ１８に戻って、成形層９２上に成形層９３を積層する。制御装置２０は、成形層９３の積層が不要である（ステップＳ２４でＮｏ）と判断した場合、三次元形状物の製造が完了となる。

三次元積層装置１は、このようにして三次元形状物を製造する。本実施形態に係る三次元積層装置１は、積層ヘッド１２により粉末Ｐを噴射して、粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射することにより、三次元形状物を製造する。具体的には、三次元積層装置１は、対象物に向かっている粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射し、対象物に到達する前に溶融させ、溶融体を対象物に付着させる。これにより、レーザ光Ｌで対象物を溶解させずに、または溶解させる量を少なくして成形層を形成することができる。これにより、製造した対象物や成形層にレーザ光が与える影響を少なくすることができ、形成されたものにさらに固化物を積層する加工を行うことができる。以上より、三次元積層装置１は、三次元形状物を高精度で製造することができる。

さらに、三次元積層装置１は、機械加工部１３により、成形層９２に適宜機械加工を加えることができる。従って、三次元積層装置１は、三次元形状物を高精度で製造することができる。なお、上記実施形態では、機械加工部１３を用いて、成形層や、基台部に対して機械加工を行うことで、より高い精度での加工を行うことができるが、機械加工部１３を設けずに機械加工を行わなくてもよい。

また、基台移動部３６は、三次元積層室２の内部に基台部１００を移動させる。三次元積層室２の内部は、空気が排出されている場合がある。基台移動部３６は、例えば作業者が三次元積層室２の内部に入らなくても、三次元積層室２の内部に基台部１００を移動させることができる。

ここで、三次元積層装置１は、形状計測部３０を有することにより、成形層の形成条件を決定することが好ましい。図１６は、本実施形態に係る三次元積層装置１による成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。図１６の処理は、図１５のステップＳ１８の処理の一部として実行することができる。制御装置２０は、形状計測部３０により、成形層９２の形状を計測する（ステップＳ３１）。制御装置２０は、積層ヘッド１２に成形層９２を形成させながら、形状計測部３０に成形層９２の形状を測定させてもよい。形状計測部３０は、積層ヘッド１２が固化体Ｂを形成しようとする箇所の形状と、その箇所に形成された固化体Ｂの形状との双方の形状を計測することができる。すなわち、形状計測部３０は、成形層９２の形成前後における表面形状を計測することができる。制御装置２０は、成形層９２の形状を計測したら、形状計測部３０の測定結果に基づき、成形層９２の形成条件を決定する（ステップＳ３３）。

制御装置２０は、形状計測部３０による成形層９２の表面形状の計測結果に応じて、成形層９２の形成条件を決定し、積層ヘッド１２の動作を制御する。従って、三次元積層装置１は、成形層を形成する箇所と積層ヘッド１２との間の距離を一定にするなど、成形層の形成をより適切に行うことができる。さらに、三次元積層装置１は、積層ヘッド１２により成形層を形成させながら、形状計測部３０により成形層９２の形状を計測することができる。従って、三次元積層装置１は、成形層の形成条件をより適切なものにすることができ、三次元形状物をより高精度で製造することができる。ここで、上記実施形態では、積層ヘッド１２により加工について説明したが、機械加工部１３による加工も同様に行うことができる。また、上記実施形態で決定する成形層の形成条件は、位置に応じ変動する条件としてもよいし、一定の条件としてもよい。

三次元積層装置１は、検出結果に基づいて、成形性層の形成条件として、積層ヘッド１２の移動経路、つまり、積層ヘッド１２のＺ軸方向の位置とテーブル部１１による移動の相対関係を決定することが好ましい。これにより、積層される成形層の厚みや凝固部温度、積層速度を均一化することができる。

ここで、制御装置２０は、成形層の形成条件として、積層ヘッド１２から照射されるレーザ光Ｌを制御してもよい。つまり、積層ヘッド１２の光照射部の動作を制御してもよい。以下、図１７から図２２を用いて、制御の一例を説明する。図１７及び図１８は、それぞれ、成形層の形成条件の一例を説明するための説明図である。図１７と図１８は、照射されるレーザ光の一例を示している。制御装置２０は、成形層の形成条件として、積層ヘッド１２から照射されるレーザ光Ｌをパルス波とするか連続波とするかを決定してもよい。具体的には、各種検出結果や設定された条件に基づいて、図１７に示すように連続波のレーザ光Ｌ１を照射するモードと、図１８に示すようにパルス波のレーザ光Ｌ２を照射するモードとを切り換えるようにしてもよい。制御装置２０は、パルス波のレーザ光Ｌ２とすることで、連続波のレーザ光Ｌ１よりも単位時間当たりのレーザの出力を小さくすることができる。また、パルス波の幅（デューティ比）を調整することでさらに出力を調整することができる。これにより、供給する粉末材料や基台部１００、台座９１の材料等に応じて照射するレーザ光を調整することができ、より高い精度で加工を行うことができる。

図１９から図２２は、それぞれ成形層の形成条件の一例を説明するための説明図である。図１９は、レーザ光の出力分布の一例を示しており、図２０は、図１９の出力分布で形成される固化体の一例を示している。制御装置２０は、成形層の形成条件として、積層ヘッド１２から照射されるレーザ光Ｌの出力分布を決定してもよい。制御装置２０は、図１９に示すガウシアン型の分布の出力分布１７０のレーザ光を照射するか、図２１に示す中心付近の出力が周りよりも低くなるカルデラ型の出力分布１７２、１７４のレーザ光を照射するか、中心吹きの出力が一定のトップハット型の出力分布１７６のレーザ光を照射するかを決定してもよい。制御装置２０は、例えば、図１９に示す出力分布１７０のレーザ光を用いることで、図２０に示すように球面上の固化体Ｂ１を形成することができる。また、制御装置２０は、例えば、図２１に示す出力分布１７６のレーザ光を用いることで、図２２に示すように平坦な形状の固化体Ｂ２を形成することができる。これにより、三次元積層装置１は、例えば、形成したい成形層の厚みや幅、レーザ光の出力分布を決定することで、より高い精度で成形層を形成することができる。

三次元積層装置１は、温度検出部１２０で検出した温度分布に基づいて処理動作を決定してもよい。図２３は、成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。制御装置２０は、温度検出部１２０で成形層の表面の温度分布を検出する（ステップＳ４２）。制御装置２０は、テーブル部１１で基台部１００を移動させつつ、温度検出部１２０で計測を行うことで、成形層の表面の全域の温度分布を検出することができる。制御装置２０は、積層ヘッド１２での加工を行う前に計測を行ってもよいし、積層ヘッド２３での加工を行っている間に計測を行ってもよい。

制御装置２０は、温度分布を検出したら、形状計測部３０で成形層の形状（表面形状）を検出する（ステップＳ４４）。成形層の表面形状の検出と温度分布の検出は同時に行ってもよい。

制御装置２０は、成形層の形状を検出したら、成形層の形状と温度分布とに基づいて、温度検出部で温度を検出する検出位置を特定し（ステップＳ４６）、特定した位置の温度を検出する（ステップＳ４８）。制御装置２０は、検出した温度に基づいて加工条件を決定し（ステップＳ４９）、本工程を終了する。

三次元積層装置１は、特定の位置、例えば冷えにくいところや温まりやすいところについて温度を計測して加工条件（形成条件）を決定することで、より適切な加工を行うことができる。

さらに三次元積層装置１は、温度分布と形状に基づいて加工条件として積層ヘッド１２の移動経路を決定することで、つまり温度分布も加味して加工条件を決定することで、積層される成形層の厚みや凝固部温度、積層速度を均一化することができる。つまり冷えにくいところや温まりやすいところを把握して、加工条件を決定的、より均一な加工を行うことが可能となる。

ここで、三次元積層装置１は、温度検出部１２０及び加熱ヘッド３１を積層ヘッド１２に対して、Ｚ軸周りに回転できるようにすることが好ましい。これにより、テーブル部１１の移動方向に応じて、積層ヘッド１２と温度検出部１２０及び加熱ヘッド３１との相対位置を一定としたり、切り換えたりすることができる。また、三次元積装置１は、温度検出部１２０及び加熱ヘッド３１を積層ヘッド１２に対して２つ設け、積層ヘッド１２を挟み込むように配置してもよい。

また、三次元積層装置１は、質量検出部１３０の検出結果を用いて、処理動作を決定してもよい。例えば、形成した成形物によって生じる質量の変化を検出し、製造している三次元積層物を評価するようにしてもよい。具体的には、形成した大きさと質量の変化を検出することで、三次元積層物の密度を算出することができ、三次元積層物に空隙が形成されていないかを判定することができる。また、三次元積層装置１は、質量検出部１３０の重量に基づいて、基台部１００に異物、具体的には、溶融しなかった粉末材料や機械加工部１３による加工で生成された切粉が付着していないかを検出することもできる。これにより、粉末回収部３９の動作の制御に用いることができる。

また、三次元積層装置１は、ノズル交換部３４を有することにより、積層ヘッド１２のノズル２３を交換する工程を加えることができる。図２４は、本実施形態に係る三次元積層装置１による積層ヘッド１２のノズル２３を交換する工程の一例を示すフローチャートである。まず、制御装置２０は、成形層９２の形成条件を決定する（ステップＳ６１）。ステップＳ６１における加工条件の決定は、例えば、図１５のステップＳ１８における成形層９２の形成条件の決定と同様の方法によって行われる。

制御装置２０は、形成条件を決定したら、決定した成形層９２の形成条件に基づき、積層ヘッド１２のノズル２３を交換するかを判断する（ステップＳ６２）。制御装置２０は、例えば、決定した成形層９２の形成条件が成形層９２の形成精度を高くするものである場合、機械加工部１３の工具２２を、よりスポット径の小さいレーザ光Ｌを発するもの、又はより粉末Ｐの噴射の収束径をより小さくするもの等に交換する必要があると判断する。ただし、積層ヘッド１２のノズル２３を交換するかを判断する条件は、これに限らない。

制御装置２０は、積層ヘッド１２のノズル２３を交換する（ステップＳ６２でＹｅｓ）と判断した場合、ノズル交換部３４により、積層ヘッド１２のノズル２３を交換する（ステップＳ６３）。

制御装置２０は、積層ヘッド１２のノズル２３を交換したら、ノズルを交換した積層ヘッド１２により、粉末Ｐの噴射とレーザ光Ｌの照射を行い（ステップＳ６４）、成形層９２の形成を行い（ステップＳ６５）、本工程を終了する。制御装置２０は、積層ヘッド１２のノズル２３を交換する必要がない（ステップＳ６２でＮｏ）と判断した場合、ノズルを交換していない積層ヘッド１２により粉末Ｐの噴射とレーザ光Ｌの照射を行い（ステップＳ６４）、成形層９２の形成を行い（ステップＳ６５）、本工程を終了する。

このように、三次元積層装置１は、ノズル交換部３４により決定した成形層９２の形成条件に基づき、積層ヘッド１２のノズル２３を交換することができる。従って、本実施形態に係る三次元積層装置１は、成形層９２の形成を、より適切に、又はより容易に行うことができる。ここで、上記実施形態では、ノズルの交換について説明したが、工具の交換も同様に行うことができる。

さらに、三次元積層装置１は、粉末導入部３５を有することにより、積層ヘッド１２に導入する粉末を識別する工程を加えることができる。図２５は、本実施形態に係る三次元積層装置１による粉末の識別工程の一例を示すフローチャートである。制御装置２０は、粉末導入部３５に粉末がセットされたことを検出する（ステップＳ７１）、例えば、粉末収納部８１に粉末が入ったカートリッジ８３が収納されたことを検出する。

制御装置２０は、粉末がセットされたら、粉末導入部３５の粉末識別部８２よりに粉末を識別する（ステップＳ７２）。制御装置２０は、例えば粉末導入部３５の粉末識別部８２によりカートリッジ８３の材料表示部８４を読み取り、例えば粉末の種類、粒度、重量、純度又は酸素含有量などの、三次元形状物製造の上で必要な粉末の情報を検出する。制御装置２０は、粉末導入部３５Ａの粉末識別部８２Ａにより、粉末導入部３５Ａ内の粉末を識別してもよい。

制御装置２０は、粉末を識別したら、粉末の識別結果に基づき、粉末導入部３５内の粉末が適正のものであるか判断する（ステップＳ７３）。制御装置２０は、例えば三次元形状物の設計情報に基づき、粉末導入部３５内の粉末が適正なものであるか判断する。例えば、粉末導入部３５内の粉末が、これから製造する三次元形状物を製造するために不適切な材質である場合、制御装置２０は、粉末導入部３５内の粉末が適正なものではないと判断する。

制御装置２０は、粉末が適正なものである（ステップＳ７３でＹｅｓ）と判断した場合、粉末導入部３５により粉末を積層ヘッド１２に導入する（ステップＳ７４）。

次に、制御装置２０は、ステップＳ７２で識別した粉末の情報に基づき、成形層９２の形成条件を決定し(ステップＳ７５)、本工程を終了する。ここで、積層ヘッド１２は、例えば異なる粉末を混合して噴射する場合がある。この場合、制御装置２０は、異なる粉末を混合して噴射する指令内容にも基づいて、成形層９２の形成条件を決定する。ここで、成形層９２の形成条件とは、図１５のステップＳ１８と同様のものであり、例えば、成形層９２の各層の形状、粉末の種類、粉末Ｐの噴射速度、粉末Ｐの噴射圧力、レーザ光Ｌの照射条件、溶融体Ａの温度、固化体Ｂの冷却温度、又はテーブル部１１による基台部１００の移動速度等、成形層を形成する上で必要な条件である。

制御装置２０は、粉末が適切なものでない（ステップＳ７３でＮｏ）と判断した場合、通信部５５を介して、粉末が適切でない旨の情報又は適切でない粉末の情報を、外部のデータサーバ等に伝達し（ステップＳ７６）、本処理を終了する。この場合、制御装置２０は、粉末導入部３５から積層ヘッド１２に粉末導入の指令を出すことなく、本工程は終了する。すなわち、三次元積層装置１は、粉末が適切なものでないと判断した場合は、積層ヘッド１２への粉末の供給を停止する。

このように、制御装置２０は、粉末導入部３５による粉末の識別結果に応じて、粉末導入部３５から積層ヘッド１２への粉末の導入を制御する。粉末が適切なものでない場合、製造される三次元形状物の品質が低下する可能性がある。また、適正でない粉末にレーザ光Ｌを照射した場合、発火するなど安全性が低下する可能性がある。粉末導入部３５は、粉末が適正なものであった場合においてのみ積層ヘッド１２に粉末を導入する。従って、本実施形態に係る三次元積層装置１は、三次元形状物の品質の低下を抑制し、又は、安全性の低下を抑制することができる。

また、粉末が適正なものでないと判断された場合、制御装置２０は、粉末が適切でない旨の情報又は適切でない粉末の情報を、外部のデータサーバ等に伝達することができる。外部のデータサーバに、これらの情報を蓄積することにより、三次元積層装置１が使用する粉末をより適切なものにすることができる。従って、本実施形態に係る三次元積層装置１は、三次元形状物の品質を向上させることができる。

また、制御装置２０は、粉末導入部３５による粉末の識別結果に応じて、成形層９２の形成条件を決定し、積層ヘッド１２の動作を制御する。従って、本実施形態に係る三次元積層装置１は、より適切に成形層９２を形成することができる。

三次元積層装置は、形成条件を制御するためのパラメータを検出する装置として、さらに他の検出部を備えていてもよい。図２６は、三次元積層装置の積層ヘッドの周辺部の他の例を示す模式図である。図２６に示す三次元積層装置は、積層ヘッドのレーザ光の経路の周辺に、温度検出センサ１２０ａと、ハーフミラー１８２と、プラズマ発光検出部１９０と、反射光検出部１９２と、を有する。ハーフミラー１８２は、光源４７と、集光部４９との間に配置され、光源４７から集光部４９に向かうレーザ光を透過させ、集光部４９から光源４７に向かうレーザ光を反射する。つまりハーフミラー１８２は、基台部１００や成形層で反射したレーザ光を所定の方向に反射する。

プラズマ発光検出部１９０は、基台部１００や成形層にレーザ光Ｌが照射されることで発生するプラズマを検出する。反射光検出部１９２は、ハーフミラー１８２で反射されたレーザ光を検出する。また、温度検出部１２０ａは、ミラー１８２で反射されて映るレーザ光の照射位置の状態に基づいて温度を検出する。

次に、図２７から図２９を用いて、各部を用いて実行する制御の一例を説明する。図２７は、成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。制御装置２０は、温度検出部１２０ａで温度を検出し（ステップＳ１０２）、検出した結果に基づいて、レーザ光の強度を決定し（ステップＳ１０４）、本処理を終了する。制御装置２０は、温度検出部１２０ａで検出した結果に基づいてレーザ光の出力を決定することで、成形層の温度をより均一にすることができ、高精度な加工を行うことができる。

図２８は、成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。制御装置２０は、プラズマ発光検出部１９０でプラズマ発光を検出し（ステップＳ１１２）、検出したプラズマ発光に基づいて、レーザ光の強度を決定し（ステップＳ１１４）、本処理を終了する。制御装置２０は、プラズマ発光検出部１９０で検出した結果に基づいてレーザ光の出力を決定することでも、成形層の温度をより均一にすることができより高精度な加工を行うことができる。ここで、制御装置２０は、プラズマ発光検出部１９０でプラズマ発光を検出することで、レーザの焦点位置の温度を監視することができる。また噴射された粉末がレーザ光に入り溶融する場合に発光するプラズマを検出することで気中の粉末溶融状態を監視することができる。

図２９は、成形層の形成条件を決定する工程の一例を示すフローチャートである。制御装置２０は、反射光検出部１９２で反射光を検出し（ステップＳ１２２）、検出した反射光に基づいて、レーザ光の強度を決定し（ステップＳ１２４）、本処理を終了する。制御装置２０は、反射光検出部１９２で検出した結果に基づいてレーザ光の出力を決定することでも、成形層の温度をより均一にすることができより高精度な加工を行うことができる。ここで、制御装置２０は、反射光検出部１９２で反射光を検出することで、溶融体Ａが付着する位置の温度を監視することができる。また、図２７から図２９では、計測した結果に基づいて、レーザ光の出力を決定したが、レーザ光の焦点位置を決定し、決定した焦点位置に調整するようにしてもよい。この場合、積層ヘッド１３を移動させてもよいし、焦点位置調整部１４０でレーザ光Ｌの焦点の位置Ｐ１のみを換え、粉末材料が噴射される位置Ｐ２との相対位置を調整してもよい。

図３０は、積層ヘッドの他の例を示す模式図である。図３０に示す積層ヘッド１２ａは、外管４２の外側にさらに管路２０２が配置されている。管路２０２と外管４２との間には通路が形成されている。通路には、パージガス供給管２０６を介してパージガス供給部２０４が接続されている。積層ヘッド１２ａは、粉末流路４３の外側に管路２０２を設け、三重のノズルとし、粉末流路４３の外側からパージガス２１４を供給することで、粉末流路４３から供給される粉末が拡散することを抑制でき、粉末材料を適切に目的の位置に噴射することができる。

また、三次元積層装置は、粉末導入部から複数種類の粉末を導入することが好ましい。図３１は、粉末導入部の一例を示す模式図である。図３１に示す粉末導入部３５Ｂは、粉末貯留部２４０、２４２と、バッファ部２４４と、搬送空気供給部２４６と、バルブ２５０、２５２とを有する。２つの粉末貯留部２４０と粉末貯留部２４２とは、それぞれ異なる粉末を貯留している。粉末貯留部２４０、２４２は、上述した粉末収納部８１、８１Ａと同様の機能を備えている。バッファ部２４４は、粉末貯留部２４０、２４２から供給された粉末を一時的に貯留する。バッファ部２４４は、粉末供給管１５０と接続されている。搬送空気供給部２４６は、バッファ部２４４に粉末を搬送する空気を供給する。バルブ２５０は、粉末貯留部２４０とバッファ部２４４との間に配置され、開閉を切り換えることで、粉末貯留部２４０からバッファ部２４４への粉末を供給している状態と供給を停止している状態とを切り換える。バルブ２５２は、粉末貯留部２４２とバッファ部２４４との間に配置され、開閉を切り換えることで、粉末貯留部２４２からバッファ部２４４への粉末を供給している状態と供給を停止している状態とを切り換える。

粉末導入部３５Ｂは、以上のような構成であり、バルブ２５０、２５２の開閉を切り換えることで、バッファ部２４４に供給する粉末の種類を制御することができる。バッファ部２４４に供給された粉末は、搬送空気供給部２４６から供給された搬送空気とともに粉末供給管１５０に搬送され、積層ヘッド１２に供給される。粉末導入部３５Ｂは、２種類の粉末を供給することができる。

図３２は、粉末導入部の一例を示す模式図である。図３２に示す粉末導入部３５Ｃは、粉末貯留部２４０、２４２、２４７と、バッファ部２４４ａと、搬送空気供給部２４６と、バルブ２５０、２５２、２５４とを有する。３つの粉末貯留部２４０と粉末貯留部２４２と粉末貯留部２４４は、それぞれ異なる粉末を貯留している。粉末貯留部２４７に貯留されている中間粉末は、粉末貯留部２４０に貯留されている第１粉末と粉末貯留部２４２に貯留されている第２粉末の両方と親和性を有する材料である。粉末貯留部２４０、２４２、２４７は、上述した粉末収納部８１、８１Ａと同様の機能を備えている。バッファ部２４４ａは、粉末貯留部２４０、２４２、２４７から供給された粉末を一時的に貯留する。バッファ部２４４ａは、粉末供給管１５０と接続されている。搬送空気供給部２４６は、バッファ部２４４ａに粉末を搬送する空気を供給する。バルブ２５０は、粉末貯留部２４０とバッファ部２４４ａとの間に配置され、開閉を切り換えることで、粉末貯留部２４０からバッファ部２４４ａへの粉末を供給している状態と供給を停止している状態とを切り換える。バルブ２５２は、粉末貯留部２４２とバッファ部２４４ａとの間に配置され、開閉を切り換えることで、粉末貯留部２４２からバッファ部２４４ａへの粉末を供給している状態と供給を停止している状態とを切り換える。バルブ２５４は、粉末貯留部２４７とバッファ部２４４ａとの間に配置され、開閉を切り換えることで、粉末貯留部２４７からバッファ部２４４ａへの粉末を供給している状態と供給を停止している状態とを切り換える。

粉末導入部３５Ｃは、以上のような構成であり、バルブ２５０、２５２、２５４の開閉を切り換えることで、バッファ部２４４ａに供給する粉末の種類を３種類の中で制御することができる。バッファ部２４４ａに供給された粉末は、搬送空気供給部２４６から供給された搬送空気とともに粉末供給管１５０に搬送され、積層ヘッド１２に供給される。なお、粉末導入部で供給可能とする粉末の種類は、２種類、３種類に限定されず、４種類以上としてもよい。また、粉末導入部は、粉末識別部で粉末を識別することで、供給する粉末の種類、特性を把握することができる。

図３３は、三次元積層装置による処理動作の一例を示すフローチャートである。図３４は、三次元積層装置により製造される成形層の一例を示す説明図である。図３３、図３４は、粉末導入部３５Ｃを用いた処理動作の一例である。制御装置２０は、粉末導入部３５Ｃから供給する粉末を第１粉末材料から第２粉末材料に切り換える指示を検出したら（ステップＳ１４２）、中間粉末材料を特定する（ステップＳ１４４）。中間粉末材料は、切り換える２つの粉末の両方と親和性が高い、接着、密着しやすい粉末である。例えば、粉末貯留部２４０の粉末から粉末貯留部２４２の粉末への切換指示を検出したら、粉末貯留部２４７の粉末を中間粉末に特定する。

制御装置２０は、中間粉末材料を特定したら、積層ヘッド１２に供給する粉末材料を第１粉末材料から中間粉末材料に切り換える（ステップＳ１４６）。制御装置２０は、中間粉末材料に切り換えたら、中間粉末材料の成形層の形成が完了したかを判定する（ステップＳ１４８）。制御装置２０は、中間粉末材料の成形層の形成が完了していない（ステップＳ１４８でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ１４８に戻る。つまり制御装置２０は、中間粉末材料の成形層の形成が完了するまで中間粉末材料を供給し続け、ステップＳ１４８の処理を繰り返す。

制御装置２０は、中間粉末材料の成形層の形成が完了した（ステップＳ１４８でＹｅｓ）と判定した場合、積層ヘッド１２に供給する粉末材料を中間粉末材料から第２粉末材料に切り換え（ステップＳ１４９）、本処理を終了する。制御装置２０は、図３３の処理を行い、第１粉末材料、中間粉末材料、第２粉末材料の順で供給する粉末材料を切り換えることで、図３４に示すように、第１粉末材料の成形層３０２、中間粉末材料の成形層３０４、第２粉末材料の成形層３０６を順に積層させることができる。これにより、異なる種類の粉末を積層させる場合でも、各成形層間の密着力を高くすることができ精度が高い三次元構造を形成することができる。

図３５は、三次元積層装置による処理動作の一例を示すフローチャートである。図３６は、粉末材料のバランスの決定に用いる関係の一例を示すグラフである。図３７は、三次元積層装置により製造される成形層の一例を示す説明図である。図３５から図３７は、粉末導入部３５Ｂを用いた処理動作の一例である。制御装置２０は、粉末導入部３５Ｂから供給する粉末を第１粉末材料から第２粉末材料に切り換える指示を検出したら（ステップＳ１５０）、第１粉末材料と第２粉末材料との割合を算出する（ステップＳ１５０）。ここで制御装置２０は、図３６に示すように時間に応じて第１粉末材料と第２粉末材料との割合が変化する関係、具体的には、時間ｔ１からｔ２に向かうにしたがって、第１粉末材料の割合が減少し、第２粉末材料の割合が上昇し、時間ｔ２で第１粉末材料の割合が０となり、第２粉末材料の割合が１００となる関係である。

制御装置２０は、割合を決定したら、決定した割合に基づいて第１粉末材料と第２粉末材料を供給する（ステップＳ１５４）。制御装置２０は、第１粉末材料と第２粉末材料を供給したら、第２粉末材料への切換を完了したか、つまり、積層ヘッド１２に供給する粉末材料が第１粉末材料から第２粉末材料に１００％切り換わったかを判定する（ステップＳ１５６）。制御装置２０は、切り換えが完了していない（ステップＳ１５６でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ１５２に戻る。つまり制御装置２０は、切り換えが完了するまで、ステップＳ１５２からステップＳ１５６の処理を繰り返す。

制御装置２０は、切り換えが完了した（ステップＳ１５６でＹｅｓ）と判定した場合、本処理を終了する。制御装置２０は、図３５の処理を行い、第１粉末材料と第２粉末材料との割合を変化させつつ、供給する粉末材料を第１粉末材料から第２粉末材料に切り換えることで、図３７に示すように、第１粉末材料の成形層３１２、割合が第１粉末材料多数の状態から第２粉末材料多数の状態に徐々に切り換わる中間の成形層３１４、第２粉末材料の成形層３１６を順に積層させることができる。このように中間の成形層３１４を設けることで、成形層間の密着力を高くすることができ精度が高い三次元構造を形成することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態の内容によりこれらの実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態等の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。例えば、三次元積層装置は、制御装置２０をインターネット等の通信回線を通じて外部の機器と接続され、外部の機器から入力される指示に基づいて加工条件、例えば成形層の形成条件を変更、設定してもよい。つまり、三次元積層装置は、通信回線を用いて通信し、外部の機器から加工条件を変更できるようにしてもよい。

１ 三次元積層装置
２ 三次元積層室
３ 予備室
４ 積層ヘッド収納室
４ａ、５ａ Ｚ軸スライド部
５ 機械加工部収納室
６、７ 扉
１０ ベッド
１１ テーブル部
１２ 積層ヘッド
１３ 機械加工部
１５ Ｙ軸スライド部
１６ Ｘ軸スライド部
１７ 回転テーブル部
１８、１９ ベローズ
２０ 制御装置
２２ 工具
２３ ノズル
２４ 先端部
２５ 空気排出部
３０ 形状計測部
３１ 加熱ヘッド
３２ 機械加工部計測部
３３ 工具交換部
３４ ノズル交換部
３５、３５Ａ 粉末導入部
３６ 基台移動部
３７ 空気排出部
３８ ガス導入部
３９ 粉末回収部
４１ 外管
４２ 内管
４３ 粉末流路
４４ レーザ経路
４６ 本体
４７ 光源
４８ 光ファイバ
４９ 集光部
５１ 入力部
５２ 制御部
５３ 記憶部
５４ 出力部
５５ 通信部
５６ 先端
５７ 光源部
５８ 撮像部
８１、８１Ａ 粉末収納部
８２、８２Ａ 粉末識別部
８３ カートリッジ
８４ 材料表示部
８５ 導入部
８６ サイクロン部
８７ 気体排出部
８８ 粉末排出部
９１ 台座
９２、９３ 成形層
９５ 円板部
９６ ねじ穴部
９７ 軸部
９８ 円錐台部
９９ 部材
１００ 基台部
１０２、１０４、１０６、１０８ 矢印
１１０、１１２、１１４ 回転軸
１２０、１２０ａ 温度検出部
１３０ 質量検出部
１４０ 焦点位置調整部
１５０ 粉末供給管
１５２ 分配部
１５４ 分岐管
１５５ａ、１５５ｂ 範囲
１５６ 混合部
１５６ａ、１５６ｂ 撹拌板
１５８ 整流装置
Ａ 溶融体
Ｂ 固化体
Ｌ レーザ光
Ｐ 粉末

Claims (40)

1. 基台部に成形層を積層させて三次元形状を形成する三次元積層装置であって、
   前記基台部に向かって粉末材料を噴射し、粉末材料を供給する粉末供給部と、
   前記粉末供給部から前記基台部に向けて移動する前記粉末材料に光ビームを照射し、前記粉末材料を溶融させて、溶融した前記粉末材料を前記基台部上で固化させて前記成形層を形成する光照射部と、
   前記基台部と前記粉末供給部との間の空間において前記粉末材料に前記光ビームが照射されるように、かつ、前記空間で溶解した液滴状の溶融体が前記空間から前記基台部に落下して固化されるように、記粉末供給部及び前記光照射部の動作を制御する制御装置と、
   前記粉末供給部に供給する第１の粉末材料を貯留する第１の貯留部と、
   前記粉末供給部に供給する第２の粉末材料を貯留する第２の貯留部と、
   前記第１の貯留部及び前記第２の貯留部から、前記第１の粉末材料及び前記第２の粉末材料の少なくとも一方が一時的に供給されるバッファ部と、
   前記バッファ部に前記第１の貯留部から前記第１の粉末材料を供給するか否かを切り替え、かつ、前記バッファ部に前記第２の貯留部から前記第２の粉末材料を供給するか否かを切り替える粉末切換部と、
   粉末供給管を介して前記バッファ部からの前記粉末材料が供給される分配部と、
   前記分配部と前記粉末供給部とに接続される複数の管であり、前記分配部から前記粉末材料が供給され、供給された前記粉末材料を前記粉末供給部に供給する分岐管と、
   を有する三次元積層装置。
2. それぞれの前記分岐管の内部に設けられて、それぞれの前記分岐管の内部の前記粉末材料を撹拌する混合部を有する、請求項１に記載の三次元積層装置。
3. 前記混合部は、前記分岐管内を流れる前記粉末材料を均一化する機構である、請求項２に記載の三次元積層装置。
4. 前記混合部は、前記分岐管の流れ方向に沿って前記分岐管の軸方向周りにねじられた撹拌板を有する、請求項３に記載の三次元積層装置。
5. 前記撹拌板は、第１の範囲と第２の範囲とを有し、前記第１の範囲に配置された撹拌板と、前記第２の範囲に配置された撹拌板とは、ねじられる方向が逆である、請求項４に記載の三次元積層装置。
6. 前記混合部よりも前記粉末材料の流れの下流側の前記粉末供給部の内部に設けられ、前記分岐管から供給された粉末材料を整流する整流装置を有する、請求項２に記載の三次元積層装置。
7. 前記粉末切換部は、前記第１の貯留部と前記バッファ部との間に配置された第１のバルブと、前記第２の貯留部と前記バッファ部との間に配置された第２のバルブとを有する、請求項１に記載の三次元積層装置。
8. 前記バッファ部に供給された前記第１の粉末材料及び前記第２の粉末材料を前記粉末供給管に搬送するための搬送空気を供給する搬送空気供給部を有する、請求項１に記載の三次元積層装置。
9. 前記制御装置は、前記バッファ部を介して前記粉末供給部に導入させる前記粉末材料を前記第１の粉末材料から前記第２の粉末材料に切り換える場合、前記第１の粉末材料を前記粉末供給部に導入して前記成形層を形成した後、前記第１の粉末材料を前記粉末供給部に供給した状態で、前記第２の粉末材料の前記粉末供給部への供給を開始し、前記第１の粉末材料の供給量を減少させつつ前記第２の粉末材料の供給量を増加させて供給比率を変化させるように、前記粉末切換部を制御する、請求項１に記載の三次元積層装置。
10. 前記粉末供給部に供給する第３の粉末材料を貯留する第３の貯留部を有し、前記バッファ部には、前記第１の貯留部、前記第２の貯留部、及び前記第３の貯留部から、前記第１の粉末材料、前記第２の粉末材料、及び前記第３の粉末材料の少なくとも１つが一時的に供給される、請求項１に記載の三次元積層装置。
11. 前記制御装置は、前記バッファ部を介して前記粉末供給部に導入させる前記粉末材料を前記第１の粉末材料から前記第２の粉末材料に切り換える場合、前記第１の粉末材料を前記粉末供給部に導入して前記第１の粉末材料で前記成形層を形成し、前記第１の粉末材料と前記第２の粉末材料の両方に親和性の高い中間粉末材料である前記第３の粉末材料を前記粉末供給部に導入して前記成形層を形成した後、前記第２の粉末材料で前記成形層を形成するように、前記粉末切換部を制御する、請求項１０に記載の三次元積層装置。
12. 工具を備え、前記工具で前記成形層を機械加工する機械加工部を備える請求項１から１１のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
13. 前記粉末供給部は、前記光照射部の外周に同心円状に配置され、前記光照射部の前記光ビームが通過する経路を囲う内管と前記内管を覆う外管との間が前記粉末材料の流れる粉末流路となる請求項１から１２のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
14. 前記粉末供給部の外周側に前記光照射部の外周に同心円状に配置され、前記粉末流路よりも外側から前記粉末材料が噴射される領域の外周を囲い、かつ、前記基台部に向けて噴射されるシールドガスを供給するシールドガス供給部をさらに有する請求項１３に記載の三次元積層装置。
15. 前記光照射部で照射される前記光ビームの焦点位置を調整する焦点位置調整部をさらに有する請求項１から１４のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
16. 前記焦点位置調整部は、前記光照射部の位置を移動させる機構である請求項１５に記載の三次元積層装置。
17. 前記焦点位置調整部は、前記光照射部の集光光学系を調整し、焦点距離または焦点位置を移動させる機構である請求項１５に記載の三次元積層装置。
18. 前記成形層の表面の温度を検出する温度検出部を有し、
    前記制御装置は、前記温度検出部による前記成形層の表面温度の計測結果に応じて、前記光照射部から出力する光ビームの強度を制御する請求項１から１７のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
19. 前記制御装置は、前記温度検出部による前記成形層の表面温度の計測結果と、前記基台部及び前記成形層の特性とに基づいて、温度を検出する位置を特定し、特定した位置の検出結果に基づいて、前記光照射部から出力する光ビームの強度を制御する請求項１８に記載の三次元積層装置。
20. 前記成形層の表面のプラズマ発光を検出するプラズマ発光検出部を有し、
    前記制御装置は、前記プラズマ発光検出部による計測結果に応じて、前記光照射部から出力する光ビームの強度を制御する請求項１から１９のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
21. 前記成形層の表面からの反射光を検出する反射光検出部を有し、
    前記制御装置は、前記反射光検出部による計測結果に応じて、前記光照射部から出力する光ビームの強度を制御する請求項１から２０のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
22. 前記光照射部及び前記粉末供給部と、前記基台部と、を相対移動させる移動機構を有し、
    前記制御装置は、前記移動機構によって前記基台部に対して前記光照射部及び前記粉末供給部が通過する経路を決定する請求項１から２１のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
23. 前記成形層の表面形状を計測する形状計測部を有し、
    前記制御装置は、前記形状計測部による前記成形層の表面形状の計測結果に応じて、前記粉末供給部、前記光照射部及び前記移動機構の動作を制御する請求項２２に記載の三次元積層装置。
24. 前記光照射部は、前記光ビームのプロファイルを調整可能である請求項１から２３のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
25. 前記光照射部は、前記光ビームをパルス波で照射するモードと連続波で照射するモードを切り換え可能である請求項１から２４のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
26. 前記粉末供給部から供給され、前記光ビームで溶解されなかった粉末材料を回収する粉末回収部を有する請求項１から２５のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
27. 前記粉末回収部で回収した回収物を粉末材料の特性ごとに分離する分別部をさらに有する請求項２６に記載の三次元積層装置。
28. 前記第１の貯留部又は前記第２の貯留部の少なくとも一方に貯留されている前記粉末材料を識別する識別部を備え、前記識別部で識別した前記貯留部の前記粉末材料を前記粉末供給部に導入させ、
    前記制御装置は、前記識別部の前記粉末材料の識別結果に応じて、前記粉末供給部への前記粉末材料の導入を制御する請求項１から２７のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
29. 前記制御装置は、粉末は適切なものであると判断した場合、前記粉末供給部へ前記粉末材料を導入させ、前記識別部の前記粉末材料の識別結果に応じて、成形層の形成条件を決定することを特徴とする請求項２８に記載の三次元積層装置。
30. 前記制御装置は、異なる粉末を混合して噴射する場合、異なる粉末を混合して噴射する指令内容にも基づいて成形層の形成条件を決定することを特徴とする請求項２９に記載の三次元積層装置。
31. 成形層の形成条件は、成形層の各層の形状、粉末の種類、粉末の噴射速度、粉末の噴射圧力、レーザ光の照射条件、溶融体の温度、固化体の冷却温度、基台部の移動速度の少なくとも１つであることを特徴とする請求項２９または３０に記載の三次元積層装置。
32. 前記制御装置は、通信回線を通じて外部の機器と接続されており、外部の機器から入力される指示に基づいて、成形層の形成条件を変更することができる請求項２９から３１のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
33. 前記制御装置は、粉末は適切なものでないと判断した場合、前記粉末供給部への前記粉末材料の供給を停止することを特徴とする請求項２８に記載の三次元積層装置。
34. 前記制御装置は、粉末が適切でない旨の情報又は適切でない粉末の情報を外部のデータサーバに伝達することを特徴とする請求項３３に記載の三次元積層装置。
35. 基台部に成形層を積層して三次元形状物を形成する三次元積層方法であって、
    粉末材料を基台部に向かって噴射しつつ、前記基台部と粉末供給部との間の空間において前記粉末材料に光ビームを照射することにより前記粉末材料を前記空間で溶融させ、前記溶融した液滴状の粉末材料を前記空間から前記基台部に落下させて前記基台部上で固化させることにより前記基台部上に成形層を形成し、当該成形層を積層し、
    第１の貯留部によって前記粉末供給部に供給する第１の粉末材料を貯留し、
    第２の貯留部によって前記粉末供給部に供給する第２の粉末材料を貯留し、
    前記第１の貯留部及び前記第２の貯留部から、前記第１の粉末材料及び前記第２の粉末材料の少なくとも一方を一次的にバッファ部に供給し、
    粉末切換部によって、前記バッファ部に前記第１の貯留部から前記第１の粉末材料を供給するか否かを切り替え、かつ、前記バッファ部に前記第２の貯留部から前記第２の粉末材料を供給するか否かを切り替え、
    粉末供給管を介して前記バッファ部からの前記粉末材料を分配部に供給し、
    前記分配部と前記粉末供給部とに接続される複数の管である分岐管により、前記粉末材料を前記分配部から前記粉末供給部に供給する、
    三次元積層方法。
36. 前記成形層の位置を検出し、前記成形層の位置に応じて前記光ビームの焦点位置を調整する請求項３５に記載の三次元積層方法。
37. 前記成形層の表面の温度を検出し、前記成形層の表面温度の計測結果に応じて、出力する光ビームの強度を制御する請求項３５又は３６に記載の三次元積層方法。
38. 前記成形層の表面のプラズマ発光を検出し、前記成形層のプラズマ発光の計測結果に応じて、出力する光ビームの強度を制御する請求項３５から３７のいずれか一項に記載の三次元積層方法。
39. 前記成形層の表面の反射光を検出し、前記成形層の反射光の計測結果に応じて、出力する光ビームの強度を制御する請求項３５から３８のいずれか一項に記載の三次元積層方法。
40. 形成する前記成形層に応じて、前記光ビームをパルス波で照射するモードと連続波で照射するモードを切り換える請求項３５から３９のいずれか一項に記載の三次元積層方法。

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