JP6320123B2 - 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。

特開２００４−１２４２００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を提供すること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、本発明の三次元積層装置は、基台部に成形層を積層させて三次元形状物を形成する三次元積層装置であって、粉末材料を供給する粉末供給部と、前記粉末材料に光ビームを照射し、前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結又は溶融固化させて前記成形層を形成する光照射部と、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と、前記粉末供給部、前記光照射部及び前記機械加工部の少なくとも一つの動作を制御する制御部と、を有する。

この三次元積層装置は、粉末材料に光ビームを照射して成形層を形成し、その成形層に適宜機械加工を加えることができる。従って、この三次元積層装置は、三次元形状物を高精度に製造することができる。

前記三次元積層装置において、前記粉末供給部は、前記基台部に向かって前記粉末材料を噴射し、前記光照射部は、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ることが好ましい。この三次元積層装置は、粉末材料を噴射して、噴射した粉末材料に光ビームを照射することにより、成形層を形成する。従って、この三次元積層装置は、三次元形状物を高精度に製造することができる。

前記三次元積層装置は、前記粉末供給部は、前記粉末材料を噴射するノズルを備え、
前記粉末供給部の前記ノズルを着脱することにより前記粉末供給部に装着されたノズルを交換するノズル交換部を有することが好ましい。この三次元積層装置は、粉末材料を噴射するノズルを交換することができるため、成形層の形成をより適切に行うことができる。

前記三次元積層装置は、前記機械加工部の前記工具の先端位置を計測する機械加工部計測部を有し、前記制御部は、前記機械加工部計測部で計測した前記工具の先端位置に応じて前記機械加工部の動作を制御することが好ましい。この三次元積層装置は、機械加工部の先端位置の測定結果に応じて機械加工部の動作が制御されるため、三次元形状物をより適切に製造することができる。

前記三次元積層装置は、前記噴射された粉末材料の収束位置及び収束径の少なくとも一方を計測する粉末供給部計測部を有することが好ましい。この三次元積層装置は、噴射された粉末材料の収束位置と収束径とを計測するため、三次元形状物をより適切に製造することができる。

前記三次元積層装置において、前記制御部は、前記粉末供給部計測部で計測した粉末材料の収束位置及び収束径の少なくとも一方に応じて前記粉末供給部及び前記光照射部の少なくとも一つの動作を制御することが好ましい。この三次元積層装置は、噴射された粉末材料の収束位置及び収束径の少なくとも一方の計測結果に基づいて、粉末供給部及び光照射部の少なくとも一つの動作を制御する。従って、この三次元積層装置は、三次元形状物をより適切に製造することができる。

前記三次元積層装置は、前記機械加工部の前記工具の先端位置を計測する機械加工部計測部と、前記粉末材料の収束位置及び収束径の少なくとも一方を計測する粉末供給部計測部とを有し、前記機械加工部計測部と前記粉末供給部計測部とが共通する装置であることを特徴とすることが好ましい。この三次元積層装置は、機械加工部計測部と粉末供給部計測部とを共通する装置とするため、三次元積層装置のサイズが大きくなることを抑制する。

前記三次元積層装置は、前記機械加工部の工具を着脱することにより、前記機械加工部に装着された前記工具を交換する工具交換部を有することが好ましい。この三次元積層装置は、機械加工部の工具を交換することができるため、三次元形状物の切削加工をより適切に行うことができる。

前記三次元積層装置において、前記制御部は、前記光照射部で前記成形層を形成した後、前記機械加工部で前記成形層の表面を機械加工し、機械加工された前記成形層の表面に前記光照射部でさらに成形層を形成することが好ましい。この三次元積層装置は、機械加工した後に、さらに成形層を積層することができるため、成形層の形成をより適切に行うことができる。

前記三次元積層装置は、前記成形層の表面形状を計測する形状計測部を有し、前記制御部は、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機械加工部の少なくとも１つの動作を制御することが好ましい。この三次元積層装置は、成形層の表面形状の測定結果に応じて、三次元形状物の製造過程を制御することができるため、三次元形状物の製造をより適切に行うことができる。

前記三次元積層装置は、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、前記制御部は、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。この三次元積層装置は、粉末材料の識別結果に応じて粉末供給部への粉末材料の導入を制御するため、例えば適正でない粉末材料による三次元形状物の製造を抑制し、三次元形状物の品質の低下を抑制することができる。

前記三次元積層装置において、前記制御部は、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。この三次元積層装置は、粉末材料の識別結果に応じて三次元形状物の製造過程を制御することができるため、三次元形状物の製造をより適切に行うことができる。

前記三次元積層装置は、前記粉末供給部、前記光照射部及び前記機械加工部を内蔵する三次元積層室と、前記三次元積層室の外部から前記三次元積層室の内部に前記基台部を移動させる基台移動部と、を有することが好ましい。この三次元積層装置は、基台移動部を有するため、例えば作業者が三次元積層室の内部に入らなくても、三次元積層室の内部に基台部を移動させることができる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の三次元積層方法は、基台部に粉末材料を焼結又は溶融固化させて形成した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積層ステップと、形成された前記成形層の表面を機械加工する機械加工ステップと、を有する。この三次元積層方法によれば、粉末材料に光ビームを照射して成形層を形成し、その成形層に適宜機械加工を加える。従って、この三次元積層方法によれば、三次元形状物を高精度に製造することができる。

前記三次元積層方法において、前記機械加工ステップは、前記機械加工を行う機械加工部の工具の先端位置を計測し、前記工具の先端位置の計測結果に基づいて、前記成形層の機械加工の加工条件を決定することが好ましい。この三次元積層方法によれば、機械加工部の先端位置の測定結果に応じて成形層の機械加工の加工条件を決定するため、三次元形状物をより適切に製造することができる。

前記三次元積層方法において、前記機械加工ステップは、前記成形層の表面形状を計測し、前記成形層の表面形状の計測結果に基づいて、前記成形層の機械加工の加工条件を決定することが好ましい。この三次元積層方法は、成形層の表面形状の測定結果に応じて、機械加工の加工条件を決定することができるため、三次元形状物の製造をより適切に行うことができる。

前記三次元積層方法において、前記機械加工ステップは、前記機械加工を行う機械加工部の位置及び前記成形層の表面形状を計測し、前記成形層の表面形状及び前記機械加工部の位置の計測結果に基づいて前記成形層の機械加工の加工条件を決定することが好ましい。この三次元積層方法によれば、成形層の表面形状及び機械加工部の位置の計測結果に基づいて成形層の切削加工の加工条件を決定するため、成形層の形成をより適切に行うことができる。

前記三次元積層方法において、前記積層ステップは、前記基台部に向かって噴射する前記粉末材料を識別し、前記粉末材料の識別結果に応じて、前記粉末材料を噴射する粉末供給部への粉末材料の導入条件を決定することが好ましい。この三次元積層方法によれば、粉末材料の識別結果に応じて粉末供給部への前記粉末材料の導入条件を決定するため、例えば適正でない粉末材料による三次元形状物の製造を抑制し、三次元形状物の品質の低下を抑制することができる。

前記三次元積層方法において、前記積層ステップは、前記粉末材料の識別結果に応じて、さらに前記粉末材料の噴射条件又は前記光ビームの照射条件の少なくとも一方を決定することが好ましい。この三次元積層方法によれば、粉末材料の識別結果に応じて三次元形状物の製造条件を制御することができるため、三次元形状物の製造をより適切に行うことができる。

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、制御装置の構成を示す模式図である。 図４は、装置計測部の一例を示す模式図である。 図５は、工具交換部の一例を示す模式図である。 図６は、ノズル交換部の一例を示す模式図である。 図７Ａは、粉末導入部の一例を示す模式図である。 図７Ｂは、粉末導入部の一例を示す模式図である。 図８は、粉末回収部の一例を示す模式図である。 図９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１０Ａ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１０Ｂ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１０Ｃ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１１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１２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変更する工程の一例を示すフローチャートである。 図１３は、本実施形態に係る三次元積層装置による成形層の加工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１４は、本実施形態に係る三次元積層装置による機械加工部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１５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１６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１７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変更する工程の一例を示すフローチャートである。

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、形状計測部３０と、加熱ヘッド３１と、装置計測部３２と、工具交換部３３と、ノズル交換部３４と、粉末導入部３５と、基台移動部３６と、空気排出部３７と、ガス導入部３８と、粉末回収部３９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、装置計測部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１０２の方向）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を含む一部とが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とを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。回転テーブル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、基台部１００は、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、セラミック等の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。

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。

積層ヘッド１２は、粉末Ｐを、所定の収束位置において所定の収束径を有するように噴射する。ここで、収束径とは、噴射された粉末Ｐの軌跡の径が最小になる場合の、粉末Ｐの軌跡の径である。上述のように、ノズル２３は先端に向かって径が小さくなっているので、積層ヘッド１２は、粉末Ｐを、放射方向内側に収束するように噴射する。すなわち、積層ヘッド１２は、粉末Ｐの軌跡が所定の収束径を有するように、粉末Ｐを噴射する。また、収束位置とは、噴射された粉末Ｐの軌跡が収束する位置である。

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。

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、粉体材料にレーザ光を照射したが、粉体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。

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３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３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、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。

形状計測部３０は、積層ヘッド収納室４に固定されている。形状計測部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。なお、加熱ヘッド３１は、例えば成形層表面の温度を計測する温度センサをさらに設け、温度センサの計測結果に基づいて、加熱を制御してもよい。

装置計測部３２は、機械加工部計測部として、機械加工部１３の工具２２の先端５６の位置を計測する。図４は、装置計測部３２の一例を示す模式図である。図４に示すように、装置計測部３２は、光源部５７と、撮像部５８と、を有する。装置計測部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。装置計測部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。装置計測部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（機械加工部収納室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、装置計測部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。

装置計測部３２は、さらに、粉末供給部計測部として、積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐの収束位置と収束径とを測定する。装置計測部３２は、光源部５７と撮像部５８との間に粉末Ｐが収束するように、積層ヘッド１２を位置させた状態で、光源部５７から撮像部５８に向けて光を照射し、撮像部５８で画像を取得する。そのため、装置計測部３２は、噴射された粉末Ｐによって光が遮られた画像を取得することができる。装置計測部３２は、撮像部５８で取得した画像を解析して、粉末Ｐの収束位置及び収束径を取得する。具体的には、装置計測部３２は、光が遮られて輝度が低い箇所を粉末Ｐが噴射されている領域とし、取得した画像から粉末Ｐの噴射領域の最小径及び最小径の位置を計測することにより、粉末Ｐの収束位置及び収束径を取得する。なお、装置計測部３２は、粉末Ｐの収束位置又は収束径のいずれか一方のみを取得してもよい。

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。図５は、工具交換部３３の一例を示す模式図である。図５に示すように、工具交換部３３は、軸部６１と、円板部６２と、複数の保持部６３と、移動部６６と、を有する。

軸部６１は、軸状の部材であり、例えば軸方向を中心に回転する。円板部６２は、円板状の部材である。円板部６２は、中心に開口部６７を有する。また、円板部６２は、外縁に複数のねじ穴部６８が周方向に沿って所定の間隔で設けられている。円板部６２は、開口部６７が軸部６１に固定されている。円板部６２は、軸部６１の回転に伴って回転する。

保持部６３は、円板部６２の外周に、円板部６２の周方向に沿って複数設けられている。保持部６３は、ねじ穴部６９を有する。保持部６３は、ねじ穴部６９が円板部６２のねじ穴部６８と重ねられボルト６４によって締め付けることにより、円板部６２に固定される。保持部６３の固定方法にこれに限定されない。保持部６３は、把持部６５を有する。把持部６５は、円板部６２の放射方向外側に突出している。把持部６５は、例えば２又の突起を有する形状であり、２つの突起の間に、機械加工部１３の工具２２を把持することができる。工具交換部３３は、大きさや実行する加工が異なる複数種類の工具２２を保持部６３に保持している。

移動部６６は、軸部６１に取付けられている。移動部６６は、軸部６１をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させることで、工具２２を保持している保持部６３をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる。移動部６６は、軸部６１を移動させることで、円板部６２の保持部６３に保持した工具２２を機械加工部１３に対面する位置から、加工動作を阻害しない位置に移動させる。

工具交換部３３は、移動部６６により、円板部６２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、軸部６１を回転させて、機械加工部１３と対面する位置に工具２２を把持していない把持部６５を移動させる。その後、移動部６６により把持部６５を移動させ、機械加工部１３に装着されている工具２２に把持部６５を接触させ、把持部６５で工具２２を把持する。この状態で、機械加工部１３で工具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を把持している把持部６５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。図６は、ノズル交換部３４の一例を示す模式図である。図６に示すように、ノズル交換部３４は、軸部７１と、円板部７２と、複数の保持部７３と、移動部７６と、を有する。ノズル交換部３４は、機械加工部１３の工具２２の代わりに積層ヘッド１２のノズル２３を交換する以外は、工具交換部３３と同じ構成である。より詳しくは、ノズル交換部３４の軸部７１、円板部７２、保持部７３、ボルト７４、把持部７５、移動部７６、開口部７７、ねじ穴部７８及びねじ穴部７９は、それぞれ工具交換部３３の軸部６１、円板部６２、保持部６３、ボルト６４、把持部６５、移動部６６、開口部６７、ねじ穴部６８及びねじ穴部６９に相当する。従って、ノズル交換部３４の説明は省略する。

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７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ粉末導入部の一例を示す模式図である。図７Ａ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、純度又は酸化物被膜等の、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、貯留部としての粉末収納部８１及び識別部としての粉末識別部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７Ｂ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を分析し、粉末の材料の種類、粒度、重量、純度又は酸化物被膜等の、三次元形状物製造の上で必要な粉末の情報を計測する。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、粒度分析により粉末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１００ａ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装置により、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。三次元積層装置１は、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として用いた場合、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内の気体を吸引して、気体に含まれる粉末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８は、粉末回収部３９の一例を示す模式図である。図８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９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９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、台座９１に形成された成形層９２が積層ヘッド１２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。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４３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１０Ａから図１０Ｃ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模式図である。図１０Ａから図１０Ｃは、三次元積層装置１が図１０Ｃ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１０Ｃ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１０Ａ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１０Ｂ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１１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）。本実施形態において、ガス導入部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。ガス導入部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。また、ステップＳ１３及びステップＳ１５は、ステップＳ１６以降においても継続して行われていてもよい。すなわち、空気排出部３７は、三次元形状物を製造している間、三次元積層室２から空気を適宜排出してもよい。またガス導入部３８は、三次元形状物を製造している間、三次元積層室２内に適宜不活性ガスを導入してもよい。

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との位置関係、気中で溶融した粉末Ｐの寸法、温度、形成中の成形層表面に形成される溶融プールの寸法、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Ｂ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９２の形成条件と等に基づき、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。そして、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。

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。

さらに、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変更する工程を加えることができる。図１２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変更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、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、成形層の形成条件の変更が必要かを判断する（ステップＳ３２）。制御装置２０は、例えば、積層ヘッド１２が固化体Ｂを形成しようとする箇所の表面形状の計測結果に基づき、その箇所と積層ヘッド１２との間の距離を変更させるかを判断する。例えば、積層ヘッド１２が固化体Ｂを形成しようとする箇所の表面形状が他の箇所の表面形状と異なる場合、制御装置２０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ように、積層ヘッド１２の位置を変更させる。また、例えば、制御装置２０は、形成された固化体Ｂの形状の計測結果に基づき、例えば粉末Ｐの噴射条件又はレーザ光Ｌの照射条件等を変更させるかを判断する。例えば、形成された固化体Ｂの形状が三次元形状物の設計情報と比較して不適であった場合、制御装置２０は、粉末Ｐの噴射条件又はレーザ光Ｌの照射条件等を適切なものに変更させる。

制御装置２０は、成形層の形成条件の変更が必要である（ステップＳ３２でＹｅｓ）と判断した場合、成形層の形成条件を変更する（ステップＳ３３）。

制御装置２０は、成形層の形成条件を変更した場合または成形層の形成条件の変更が不要である（ステップＳ３２でＮｏ）と判断した場合、積層ヘッド１２により、粉末Ｐの噴射とレーザ光Ｌの照射を行いつつ、テーブル部１１で基台部１００を移動させることで成形層を形成する（ステップＳ３４）。このようにして、形状計測部３０による成形層の形成条件を変更する工程が終了する。

制御装置２０は、形状計測部３０による成形層の表面形状の計測結果に応じて、成形層の形成条件を変更及び決定し、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、上述のように、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。

さらに、三次元積層装置１は、装置計測部３２で機械加工部１３の先端５６の位置を計測することで、機械加工の加工条件を決定する工程を加えることができる。図１３は、本実施形態に係る三次元積層装置１による成形層の加工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、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Ｓ４１）。制御装置２０は、形状計測部３０の測定結果に基づき、成形層９２に機械加工が必要か判断する（ステップＳ４２）。

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Ｓ４２でＹｅｓ）と判断した場合、装置計測部３２により、機械加工部１３の工具２２の先端５６の位置を計測する（ステップＳ４３）。

制御装置２０は、形状計測部３０による成形層９２の形状と、装置計測部３２による機械加工部１３の先端５６の位置の測定結果から、成形層９２の加工条件を決定する（ステップＳ４４）。なお、制御装置２０は、形状計測部３０による成形層９２の形状と、装置計測部３２による機械加工部１３の先端５６の位置の測定結果とのいずれかに基づいて、成形層９２の加工条件を決定してもよい。制御装置２０は、形状計測部３０による成形層９２の形状に基づいて、機械加工部１３により加工する量を決定する。制御装置２０は、加工量を決定することで、機械加工部１３のＺ軸方向の移動の軌跡と、テーブル部１１による基台部１００の移動の軌跡とを決定する。

次に、制御装置２０は、加工条件を決定したら、機械加工部１３により成形層９２を機械加工し（ステップＳ４５）、本工程を終了する。また、制御装置２０は、成形層９２の機械加工が不要であると判断した場合（ステップＳ４２でＮｏ）にも、本工程は終了する。

このように、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と、装置計測部３２による機械加工部１３の先端５６の計測結果とに応じて、成形層の切削条件を決定し、機械加工部１３の動作を制御する。従って、三次元積層装置１は、成形層９２の機械加工の加工条件を適切に算出し、成形層９２の機械加工を適切に行うことができる。

また、装置計測部３２は、撮像によって機械加工部１３の工具２２の先端５６の位置を計測する。従って、装置計測部３２は、機械加工部１３を作動させながら先端の位置を計測することができ、また、熱膨張による機械加工部１３の工具２２の先端５６の位置変化も含めて先端５６の位置を計測することができる。例えば、成形層９２の必要な機械加工代よりも機械加工部１３の工具２２の先端５６の位置の計測結果の誤差の方が大きい場合、成形層９２の機械加工を行っても、成形層９２が機械加工されなかったり、機械加工の加工代が大きくなりすぎたりする可能性がある。しかし、本実施形態に係る三次元積層装置１は、装置計測部３２により機械加工部１３の先端５６の位置の測定誤差を抑制することができるため、成形層９２の機械加工をより適切に行うことができる。

例えば、制御装置２０が、成形層９２のＺ軸方向での厚みを０．２ｍｍにするよう積層ヘッド１２を制御した場合においても、実際に形成された成形層９２のＺ軸方向での厚みは、最大で０．２ｍｍの誤差を持つ場合があり、例えば０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の厚みとなる。また、工具２２の先端５６の位置は熱膨張により変化し、熱膨張による工具２２の先端５６の位置変化の誤差は、例えば最大で０．１ｍｍとなる場合がある。従って、例えばた、形状計測部３０及び装置計測部３２を用いずに成形層９２の表面に生じた形成不良部の除去加工を行う場合、制御装置２０は、成形層９２の厚みと工具２２の位置変化との最大誤差を考慮して、機械加工部１３に０．３ｍｍ以上の加工代で除去加工を行うように指示を出す必要がある。ここで、成形層９２の厚みが０．２ｍｍの場合、加工代が０．３ｍｍ以上であるため、正常部位を含む成形層９２が全て除去され、さらに、成形層９２の下の成形層までが加工されてしまう可能性がある。しかし、形状計測部３０及び装置計測部３２を用いて成形層９２の表面の除去加工を行う場合、形状計測部３０及び装置計測部３２は、成形層９２の実際の厚み及び熱膨張による工具２２の位置変化を計測することができる。従って、制御装置２０は、成形層９２の厚みと工具２２の位置変化との最大誤差を考慮する必要がなく、機械加工部１３に、形成不良を生じた成形層９２の表面だけを適切に除去加工させることができる。

さらに、三次元積層装置１は、工具交換部３３を有することにより、機械加工部１３の工具２２を交換する工程を加えることができる。図１４は、本実施形態に係る三次元積層装置１による機械加工部１３の工具２２を交換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、成形層９２の機械加工の加工条件を決定する（ステップＳ５１）。ステップＳ５１における加工条件の決定は、例えば、図１３のステップＳ４４における加工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、加工条件を決定したら、決定した成形層９２の加工条件に基づき、機械加工部１３の工具２２を交換するかを判断する（ステップＳ５２）。例えば、制御装置２０が、成形層９２の加工をより精度よく行う必要があると判断した場合、制御装置２０は、機械加工部１３の工具２２を、より小さい刃を有するものと交換する必要があると判断する。また、例えば加工内容を変更する場合、制御装置２０は、機械加工部１３の工具２２を交換する必要があると判断する。例えば、機械加工部１３により成形層９２の表面を加工した後に、成形層９２にねじ穴等の加工を行う場合、制御装置２０は、機械加工部１３の工具２２を、表面加工用の工具から、ねじ穴加工用の工具に交換する必要があると判断する。ただし、機械加工部１３の工具２２を交換するかを判断する条件は、これらに限られない。

制御装置２０は、機械加工部１３の工具２２を交換すると判断した場合（ステップＳ５２でＹｅｓ）、工具交換部３３により、機械加工部１３の工具２２を交換する（ステップＳ５３）。

制御装置２０は、機械加工部１３の工具２２を交換したら、工具を交換した機械加工部１３により成形層９２の機械加工を行い（ステップＳ５４）、本工程を終了する。また、制御装置２０は、機械加工部１３の工具２２を交換する必要がない（ステップＳ５２でＮｏ）と判断した場合、工具を交換していない機械加工部１３により成形層９２の機械加工を行い（ステップＳ５４）、本工程は終了する。

このように、工具交換部３３は、決定した成形層９２の加工条件に基づき、機械加工部１３の工具２２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の機械加工を、より適切に、又はより容易に行うことができる。

さらに、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１５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１１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、これに限られない。

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２３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。

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１６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よりにカートリッジ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、純度又は酸化物被膜などの、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１１のステップＳ１８と同様のものであり、例えば、成形層の各層の形状、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（Ｎｏ）、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。

さらに、三次元積層装置１は、装置計測部３２で粉末Ｐの収束位置及び収束径を計測することにより、成形層の形成条件を変更する工程を加えることができる。図１７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変更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、装置計測部３２により、積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐの収束径及び収束位置を計測する（ステップＳ８１）。

制御装置２０は、粉末Ｐの収束径及び収束位置を計測したら、装置計測部３２の計測結果に基づき、成形層の形成条件の変更が必要かを判断する（ステップＳ８２）。制御装置２０は、粉末Ｐの収束径及び収束位置の計測結果に基づき、例えば粉末Ｐの噴射条件又はレーザ光Ｌの照射条件等を変更させるかを判断する。例えば、粉末Ｐの収束径及び収束位置が三次元形状物の設計情報と比較して不適であった場合、制御装置２０は、粉末Ｐの噴射条件又はレーザ光Ｌの照射条件等を適切なものに変更させる。例えば、制御装置２０は、要求する成形層９２の形成精度に対して、計測した粉末Ｐの収束径が大きすぎる場合、粉末Ｐの収束径を小さくするよう判断する。また、例えば、制御装置２０は、計測した粉末Ｐの収束位置が基台部１００から近すぎる場合、粉末Ｐの収束位置を変更するように判断する。

制御装置２０は、成形層の形成条件の変更が必要である（ステップＳ８２でＹｅｓ）と判断した場合、成形層の形成条件を変更する（ステップＳ８３）。例えば、制御装置２０は、粉末Ｐの噴射速度を大きくすることで粉末Ｐの収束径を小さくする。また、例えば、制御装置２０は、例えば積層ヘッド１２をＺ軸方向に沿って移動させることにより、粉末Ｐの収束位置を調整する。

制御装置２０は、成形層の形成条件を変更した場合または成形層の形成条件の変更が不要である（ステップＳ８２でＮｏ）と判断した場合、積層ヘッド１２により、粉末Ｐの噴射とレーザ光Ｌの照射を行いつつ、テーブル部１１で基台部１００を移動させることで成形層を形成する（ステップＳ８４）。このようにして、形状計測部３０による成形層の形成条件を変更する工程が終了する。

ここで、三次元積層装置１は、噴射される粉末Ｐの収束位置及び収束径によって、形成する成形層９２の精度が変化する。例えば、三次元積層装置１は、粉末Ｐの収束径が小さい場合、溶融体Ａの径も小さくなり、緻密な成形層９２を形成する。また、例えば、三次元積層装置１は、粉末Ｐの噴射位置とレーザ光Ｌのスポット径との位置によって、溶融体Ａの径を変化させる。上述のように、三次元積層装置１は、装置計測部３２による粉末Ｐの収束位置及び収束径の計測結果に応じて、制御装置２０が成形層の形成条件を変更及び決定し、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。

また、本実施形態においては、装置計測部３２は、機械加工部１３の先端５６の位置と、積層ヘッド１２により噴射された粉末Ｐの収束位置及び収束径との両方を計測する。すなわち、三次元積層装置１は、機械加工部１３の先端５６の位置を計測する装置と、粉末Ｐの収束位置及び収束径を計測する装置とを共通にしている。従って、三次元積層装置１は、そのサイズが大きくなることを抑制することができる。ただし、三次元積層装置１は、機械加工部１３の先端５６の位置を計測する装置と、積層ヘッド１２により噴射された粉末Ｐの収束位置及び収束径を計測する装置とを、それぞれ別体として有していてもよい。

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、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を照射する構成に限られない。三次元積層装置１は、粉末Ｐを供給して粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射することにより成形層を形成し、成形層に適宜機械加工を加えることができればよい。例えば、三次元積層装置１は、粉末供給部により粉末層を形成し、粉末層の一部にレーザ光Ｌを照射して粉末を焼結させることにより、成形層を形成するものであってもよい。また、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 装置計測部
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
６１、７１ 軸部
６２、７２ 円板部
６３、７３ 保持部
６４、７４ ボルト
６５、７５ 把持部
６６、７６ 移動部
６７、７７ 開口部
６８、６９、７８、７９ 穴部
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 穴部
９７ 軸部
９８ 円錐台部
９９ 部材
１００ 基台部
１０２、１０４、１０６、１０８ 矢印
Ａ 溶融体
Ｂ 固化体
Ｌ レーザ光
Ｐ 粉末

Claims (21)

1. 基台部に成形層を積層させて三次元形状物を形成する三次元積層装置であって、
   粉末材料を供給する粉末供給部と、
   前記粉末材料に光ビームを照射し、前記光ビームが照射された前記粉末材料の少なくとも一部を焼結又は溶融固化させて前記成形層を形成する光照射部と、
   前記成形層の表面形状を計測する形状計測部と、
   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と、
   前記粉末供給部、前記光照射部、前記形状計測部及び前記機械加工部の少なくとも一つの動作を制御する制御部と、を有し、
   前記粉末供給部は、前記基台部に向かって前記粉末材料を噴射し、
   前記光照射部は、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、
   前記制御部は、
   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、前記成形層に機械加工が必要か否かを判断し、必要であると判断した場合に、前記機械加工部により前記成形層の機械加工を行わせ、
   機械加工された前記成形層の表面に更に成形層を積層する必要があるか否かを判断し、必要であると判断した場合に、機械加工された前記成形層の表面に、前記粉末供給部及び前記光照射部により成形層を形成させる、三次元積層装置。
2. 前記粉末供給部は、前記粉末材料を噴射するノズルを備え、
   前記粉末供給部の前記ノズルを着脱することにより前記粉末供給部に装着されたノズルを交換するノズル交換部を有する請求項１に記載の三次元積層装置。
3. 前記機械加工部の前記工具の先端位置を計測する機械加工部計測部を有し、
   前記制御部は、前記形状計測部による前記表面形状の計測結果及び前記機械加工部計測部による前記工具の先端位置の計測結果に応じて前記機械加工部の動作を制御する請求項１又は請求項２に記載の三次元積層装置。
4. 前記噴射された粉末材料の収束位置及び収束径の少なくとも一方を計測する粉末供給部計測部を有する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の三次元積層装置。
5. 前記制御部は、前記粉末供給部計測部で計測した粉末材料の収束位置及び収束径の少なくとも一方に応じて前記粉末供給部及び前記光照射部の少なくとも一つの動作を制御する請求項４に記載の三次元積層装置。
6. 前記機械加工部の前記工具の先端位置を計測する機械加工部計測部と、前記粉末材料の収束位置及び収束径の少なくとも一方を計測する粉末供給部計測部とを有し、前記機械加工部計測部と前記粉末供給部計測部とが共通する装置であることを特徴とする請求項１に記載の三次元積層装置。
7. 前記機械加工部の工具を着脱することにより、前記機械加工部に装着された前記工具を交換する工具交換部を有する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の三次元積層装置。
8. 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、
   前記制御部は、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請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の三次元積層装置。
9. 前記制御部は、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請求項８に記載の三次元積層装置。
10. 前記粉末供給部、前記光照射部及び前記機械加工部を内蔵する三次元積層室と、
    前記三次元積層室の外部から前記三次元積層室の内部に前記基台部を移動させる基台移動部と、を有する請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の三次元積層装置。
11. 前記制御部は、前記形状計測部による前記成形層の表面粗さの測定結果値が所定の値より大きかった場合、前記機械加工部に機械加工を行わせる、誇求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の三次元積層装置。
12. 前記制御部は、前記成形層の形成条件から算出された前記成形層の表面粗さが前記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に、前記成形層に機械加工が必要であると判断する、請求項１１に記載の三次元積層装置。
13. 前記形状計測部は、前記成形層の形成前後における表面形状を計測することが可能であり、
    前記制御部は、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、前記成形層を形成する箇所と前記粉末供給部及び前記光照射部との間の距離を一定にするように、前記粉末供給部及び前記光照射部の位置を制御する、請求項１に記載の三次元積層装置。
14. 前記形状計測部は、前記基台部上の台座の表面形状を計測することが可能であり、
    前記制御部は、前記形状計測部による前記台座の計測結果に応じて、前記台座に機械加工が必要か否かを判断し、
    機械加工が必要であると判断した場合に、前記機械加工部による機械加工を行わせ、機械加工された前記台座の表面に、前記粉末供給部及び前記光照射部により成形層を形成させ、
    機械加工が必要でないと判断した場合に、前記機械加工部による機械加工を行わず、機械加工されていない前記台座の表面に、前記粉末供給部及び前記光照射部により成形層を形成させる、請求項１に記載の三次元積層装置。
15. 基台部に粉末材料を焼結又は溶融固化させて形成した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、
    粉末供給部によって粉末材料を基台部に向かって噴射しつつ、光照射部によっ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積層ステップと、
    前記成形層の表面を機械加工する機械加工ステップと、を有し、
    前記機械加工ステップは、
    前記成形層の表面形状を計測し、
    前記表面形状の計測結果に応じて前記成形層に機械加工が必要か否かを判断し、必要であると判断した場合に、前記成形層の機械加工を行い、
    機械加工された前記成形層の表面に更に成形層を積層する必要があるか否かを判断し、必要であると判断した場合に、機械加工された前記成形層の表面に成形層を形成させる、三次元積層方法。
16. 前記機械加工ステップは、前記機械加工を行う機械加工部の工具の先端位置を計測し、前記工具の先端位置の計測結果に基づいて、前記成形層の機械加工の加工条件を決定する請求項１５に記載の三次元積層方法。
17. 前記機械加工ステップは、前記成形層の表面形状の計測結果に基づいて、前記成形層の機械加工の加工条件を決定する請求項１５又は請求項１６に記載の三次元積層方法。
18. 前記機械加工ステップは、前記機械加工を行う機械加工部の位置及び前記成形層の表面形状を計測し、前記成形層の表面形状及び前記機械加工部の位置の計測結果に基づいて前記成形層の機械加工の加工条件を決定する請求項１５から請求項１７のいずれか１項に記載の三次元積層方法。
19. 前記積層ステップは、前記基台部に向かって噴射する前記粉末材料を識別し、前記粉末材料の識別結果に応じて、前記粉末材料を噴射する粉末供給部への粉末材料の導入条件を決定する請求項１５から請求項１８のいずれか１項に記載の三次元積層方法。
20. 前記積層ステップは、前記粉末材料の識別結果に応じて、さらに前記粉末材料の噴射条件又は前記光ビームの照射条件の少なくとも一方を決定する請求項１９に記載の三次元積層方法。
21. 前記機械加工ステップは、前記成形層の表面形状の計測結果に応じて、前記成形層を形成する箇所と前記粉末供給部及び前記光照射部との間の距離を一定にするように、前記粉末供給部及び前記光照射部の位置を制御する、請求項１５に記載の三次元積層方法。

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