JP6862193B2 - 三次元造形物の製造方法、および三次元造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、いわゆる粉末積層溶融法を用いた三次元造形物の製造方法、およびそれに用いる三次元造形装置に関する。

近年、いわゆる３Ｄプリンタの開発が盛んに行われており、さまざまな方式が試みられている。例えば、熱溶融積層造形法、光硬化性樹脂を用いた光造形法、粉末積層溶融法等のさまざまな方式が知られている。

粉末積層溶融法は、ナイロン樹脂、セラミクス、金属等の原料粉末を層状に敷く工程と、レーザ光を照射して粉末層の一部を選択的に溶融させる工程とを繰り返し行なうことにより三次元造形物を形成する方法である。近年では、高い機械強度や良好な熱伝導性が要求される物品を製造する方法として、金属粉末を原料に用いた粉末積層溶融法が活用されはじめている。

たとえば、特許文献１には、金属等の原料粉末をスキージング・ブレードを用いて層状に敷いた後、レーザ光を照射して三次元造形物を製造する製造方法が提案されている。

ＷＯ２０１２／１６０８１１号公報

粉末積層溶融法では、堆積した粉末層にレーザ光を照射して選択的に溶融させるが、溶融後に固化した部分の一部が隆起して意図しない凸部が生じ、造形物の形状精度が低下する場合がある。凸部が顕著な場合には、原料粉末を敷く際に凸部がスキージング・ブレードと干渉するため、三次元造形プロセスを続行できなくなる場合もある。

特許文献１には、この問題に対処するため、隆起した固化部の上面を切削するための機構を三次元造形装置に設けておき、隆起部を削除しながら三次元造形プロセスを続行する方法が記載されている。

しかしながら、三次元造形装置にかかる切削機構を設けると、装置が複雑化するだけでなく、切削片が以後の造形に支障を及ぼしたり、切削工程を間挿することにより三次元造形に要する時間が長くなる等の問題が発生する。
本発明は、粉末積層溶融法で三次元造形物を作成する際に、三次元造形物の積層方向に意図しない凸部が発生するのを抑制する方法を提供する。

本発明は、粉末を堆積して粉末層を形成する工程と、エネルギービームを走査しながら前記粉末層に照射して溶融させた後に固化させて固化層を形成する工程と、を繰り返して複数の固化層を積層して三次元造形物を形成する方法において、各々の前記固化層は、三次元造形物の表面を含む輪郭領域と、前記輪郭領域と接して内側に形成される内実領域と、を含み、各々の前記固化層を形成するのに、前記輪郭領域と前記内実領域のうち、いずれか一方の領域を先に形成し、他方の領域を後に形成するように前記エネルギービームを照射し、積層される前記固化層の内、上の固化層を形成する前記エネルギービームの照射開始点と、下の固化層を形成する前記エネルギービームの照射開始点とが、積層方向から見て重ならないように前記エネルギービームを走査し、前記上の固化層に含まれる前記輪郭領域と前記内実領域の境界と、前記下の固化層に含まれる前記輪郭領域と前記内実領域の境界とが、積層方向から見て重ならず、前記三次元造形物の側面が前記固化層の主面となす角をθ、前記固化層の１層の厚みをｔとしたとき、ｔ／ｔａｎθが前記エネルギービームのスポット径よりも小さな場合、もしくはｔ／ｔａｎθが０．２ｍｍよりも小さな場合には、上下の固化層の輪郭領域の幅を異ならせる、ことを特徴とする三次元造形物の製造方法である。

また、本発明は、粉末を堆積して粉末層を形成する粉末層形成部と、エネルギービームを走査しながら前記粉末層に照射して固化層を形成するエネルギービーム照射部と、前記粉末層形成部と前記エネルギービーム照射部を制御して複数の固化層を積層させる制御部と、を備え、前記制御部は、前記エネルギービーム照射部が、前記複数の固化層の各々を形成するのに、三次元造形物の表面を含む輪郭領域と、前記輪郭領域と接して内側に形成される内実領域のうち、いずれか一方の領域を先に形成させ、他方の領域を後に形成するとともに、積層させる前記複数の固化層の内、上の固化層を形成する前記エネルギービームの照射開始点と、下の固化層を形成する前記エネルギービームの照射開始点とが、積層方向から見て重ならないように前記エネルギービームを走査するように制御し、前記上の固化層に含まれる前記輪郭領域と前記内実領域の境界と、前記下の固化層に含まれる前記輪郭領域と前記内実領域の境界とが、積層方向から見て重ならず、前記三次元造形物の側面が前記固化層の主面となす角をθ、前記固化層の１層の厚みをｔとしたとき、ｔ／ｔａｎθが前記エネルギービームのスポット径よりも小さな場合、もしくはｔ／ｔａｎθが０．２ｍｍよりも小さな場合には、上下の固化層の輪郭領域の幅を異ならせる、ことを特徴とする三次元造形物の製造装置である。

本発明によれば、粉末積層溶融法で三次元造形物を作成する際に、三次元造形物の積層方向に意図しない凸部が発生するのを抑制することができる。

実施形態の三次元造形装置の模式的な側面図。 実施形態の三次元造形装置の制御ブロック図。 実施形態の三次元造形方法のフローチャート。 （ａ）実施形態の１次分割モデルを示す斜視図。（ｂ）実施形態の２次分割モデルを示す斜視図。 （ａ）実施形態の２次分割モデルを示す模式的断面図。（ｂ）実施形態の１層の２次分割モデルを示す平面図。（ｃ）実施形態の他の１層の２次分割モデルを示す平面図。 実施形態の２次分割モデルを示す模式的断面図。 （ａ）第一の実施形態の１層のエネルギービームの走査方法を示す模式的平面図。（ｂ）第一の実施形態の他の１層のエネルギービームの走査方法を示す模式的平面図。 （ａ）第二の実施形態の１層のエネルギービームの走査方法を示す模式的平面図。（ｂ）第二の実施形態の他の１層のエネルギービームの走査方法を示す模式的平面図。 （ａ）第三の実施形態の１層のエネルギービームの走査方法を示す模式的平面図。（ｂ）第三の実施形態の他の１層のエネルギービームの走査方法を示す模式的平面図。 （ａ）第一の実施形態の造形物の形態を示す模式的断面図。（ｂ）第三の実施形態の造形物の形態を示す模式的断面図。 （ａ）従来の三次元造形方法を示す模式的な斜視図。（ｂ）従来の三次元造形物の模式的断面図。 照射開始点における隆起を示す模式的断面図。 従来の三次元造形物の模式的断面図。

上記課題を検討する中で、本発明者は、凸部が頻繁に発生する場所は造形物の端部（エッジ）であることを見出した。すなわち、図１１（ａ）に示すように、光ビームを所定方向と平行な走査線１１０に沿って照射して粉末層を溶融させ、三次元造形物１１１を形成することがよく行われる。この方法で三次元造形物を作成すると、図１１（ｂ）に示すように、三次元造形物１１１の端部１１２が隆起し、エッジ部分に凸部が発生してしまうことが多く見られる。
かかる凸部が発生する原因については、必ずしも明らかにされてはいないが、以下の２つの要因が複合している可能性がある。

１つには、光ビームの照射開始点は、凸状に隆起する傾向が高い。図１２は、この現象を説明するための図である。図中、１２０は粉末層、１２１は光ビームの照射開始点、１２２は光ビーム、１２３は光ビームの走査方向、１２４は溶融部分である。光ビーム１２２が走査方向１２３に沿って粉末層１２０を走査すると、照射された部分は加熱されて溶融し流動性が高い状態となる。溶融部分１２４においては、走査の最上流側である照射開始点１２１から徐々に温度が低下するが、温度が低下すると表面張力が高まり、まだ温度が高く流動性が高い下流側の溶融材料を吸引しようとする。照射開始点１２１の周囲は粉末層１２０に囲まれているため、照射開始点に流れ込んだ溶融金属は逃げ場がなく、その結果、照射開始点が凸状に隆起するのである。

２つ目の要因は、重なる上下の層において平面視で同じ位置に照射開始点が存在すると、層を積み重ねるにしたがって隆起が累積し、凸形状が顕著化してゆくことである。図１３は、この現象を説明するための図で、層数が増えるにしたがって、両端部の隆起１３１が顕著化しているのがわかる。図１１（ａ）に模式化して示したように、三次元造形物１１１の各層の四辺においては、走査線の照射開始点と照射終了点が交互に並んでいる。しかし、実際には走査線は極めて密集しているため、ある走査線の照射開始点の隆起は、その裾野が隣接する走査線にまで及ぶ。このため、図１１（ｂ）に示すように、三次元造形物１１１の両端に沿って凸部が形成されてしまう。
発明者は、かかる分析に基づき、新たな光ビームの走査方法を考案し、凸部の形成が抑制された三次元造形方法を発明するに至った。

尚、以下の説明では、加熱して粉末を溶融すると言う場合は、加熱した全ての粉末が融点以上になる意味に限定するものではなく、加熱した粉末の一部には融点よりも低い温度で焼結する部分が含まれていてもよいものとする。

また、以下の説明で層という用語は、粉末を堆積して光ビームを照射して溶融させるプロセスを複数回繰り返すことで厚み方向に固化物を積み重ねて三次元造形物を形成する場合に、１回のプロセスで形成される部分をいう。三次元造形物の断面観察等で層と層の境界が確認できる場合もあるが、溶融の均一性が高い場合などには、層と層の境界が明確に検出されない場合もある。

［第一の実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の第一の実施形態である三次元造形物の製造方法と三次元造形装置について説明する。

［三次元造形装置］
まず、図１を用いて、本実施形態で使用する三次元造形装置１について説明する。図１は、三次元造形装置の全体構成を表す模式的な側面図である。

ガス導入口１４を備えたチャンバ２の内部に、三次元造形物を形成する造形ステージ３と、原料となる粉体を供給するための粉体貯蔵槽４、そして造形ステージ上に粉末の層を堆積するためのスキージ５が設けられている。造形ステージ３の上には不図示のベースプレートが取り付けられており、該ベースプレート上に三次元造形物１３を造形する。造形ステージ３の上方には、エネルギービーム照射部として、レーザ光源９や、レーザビームを走査させるための走査光学系８や、レーザビーム６を透過させる透過窓７が設けられている。

本実施形態では、レーザ光源９として波長１０７０ｎｍのファイバーレーザー（最大出力５００Ｗ）を使用したが、これに限らずともよく、他の波長や他の方式のレーザ光源でもよい。走査光学系８に含まれているガルバノスキャナ１０と集光レンズ１１は、レーザ光源９から出たレーザビーム６を、走査および集光することができる光学デバイスである。

１７は、三次元造形装置を使用するユーザのための操作パネルである。操作パネル１７は、三次元造形装置の操作者が装置に指示を与えるための入力部と、操作者に情報を表示するための表示部を有している。入力部は、キーボードや操作ボタンを備えている。表示部は、三次元造形装置の動作状況等を表示する表示パネルを備えている。
制御部１５は、三次元造形装置１の動作を制御するためのコンピュータで、装置内の各部および外部機器と通信可能である。

図２は、三次元造形装置１の制御ブロック図である。制御部１５は、三次元造形装置１の動作を制御するためのコンピュータで、内部には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポート等を備えている。ＲＯＭには、三次元造形装置１の動作プログラムが記憶されている。Ｉ／Ｏポートは、外部機器やネットワークと接続され、たとえば三次元造形に必要なデータの入出力を、外部のコンピュータ２０との間で行うことができる。三次元造形に必要なデータとは、作成する三次元造形物の形状データや、作成に使用する材料の情報や、１層ごとの溶融層の形状データ、すなわちスライスデータを含む。スライスデータは、造形物の形状データに基づいて制御部１５内のＣＰＵが作成してＲＡＭに記憶するが、外部のコンピュータ２０から受け取ってＲＡＭに記憶しても良い。

制御部１５は、造形ステージ３、粉末層形成部であるスキージ５、粉体貯蔵槽４のリフタ１６、操作パネル１７、レーザ光源９、ガルバノスキャナ１０、集光レンズ１１などの装置各部と接続され、これらの動作を制御して造形に係る処理を実行する。

［三次元造形プロセス］
制御部１５は、操作パネル１７から入力されるユーザの指示に基づき、三次元装置の各部を制御し、三次元造形の各工程を遂行する。図３は、三次元造形プロセスの流れを説明するためのフローチャートである。尚、以下の説明では、作成しようとする対象物を物品と呼ぶ場合がある。

三次元造形プロセスが開始されると、工程Ｓ１では、造形すべき物品の三次元形状データを、制御部１５のＲＡＭに格納する。三次元形状データは、外部のコンピュータ２０が作成したものであってもよいし、他のＣＡＤ装置や三次元形状計測装置が作成したデータを、ネットワークや記憶媒体を介して入力したものであってもよい。三次元形状データ形式は、ＳＴＥＰ形式、Ｐａｒａｓｏｌｉｄ形式、ＳＴＬ形式などが用いられるが、三次元形状をデジタルデータとして表現できるものであれば、その種類は限定されない。
次に、工程Ｓ２乃至Ｓ３では、複数の層を積層して物品を形成する際に用いる各層の形状データを、三次元形状データに基づいて、ＣＰＵが作成する。

工程Ｓ２では、制御部１５のＣＰＵは、内蔵する演算装置とＲＯＭに格納された三次元形状編集ソフトウェアを用いて、本実施形態の三次元造形装置で積層可能な一層の厚みで三次元モデル形状を分割した１次分割モデル（スライスデータ）を作成する。

たとえば、図４（ａ）に示すように、造形しようとする物品が直方体であった場合には、三次元モデル４０を三次元造形装置で積層可能な一層の厚みｔで分割する。説明の便宜のため、ここでは６個の層に分割したものとし、下から順に４０−１層、４０−２層、・・、４０−６層と呼ぶ。

工程Ｓ３では、制御部１５のＣＰＵは、１次分割モデルの４０−１層〜４０−６層の各層について、三次元造形物の表面すなわち輪郭線を含む部分と、輪郭線を含む部分に内接する領域とに分割した２次分割モデルを作成する。尚、以後の説明では、三次元造形物の表面すなわち輪郭線を含む部分を輪郭領域と呼び、輪郭領域に内接する領域を内実領域と呼ぶ。

たとえば、図４（ｂ）に示すように、１次分割モデルのＮ層目（Ｎは１〜６のいずれか）である４０−Ｎ層についてみれば、層の外周部は三次元モデル４０の外側表面の輪郭線を含むが、内側の部分は三次元モデル４０の表面の輪郭を構成するわけではない。そこで、制御部１５のＣＰＵは、４０−Ｎ層を、輪郭領域４０−ＮＡ層と内実領域４０−ＮＢ層とに分割する。
ここで、輪郭領域４０−ＮＡ層は、物品の側面となる外側表面を含む部分であり、内実領域４０−ＮＢ層は、輪郭領域４０−ＮＡ層と接してその内側に配置された部分である。

次に、４０−１から４０−６の各層の、輪郭領域と内実領域の形状について説明する。図５（ａ）は、２次分割モデルの各層の形状を説明するため、三次元モデル４０全体をＸＺ面方向に分割した場合に見える断面を示した断面図である。

図５（ａ）では、偶数層目と奇数層目では、輪郭領域と内実領域の形状を異ならせている。図５（ｂ）及び図５（ｃ）を参照しながら、４０−１層と４０−２層を例として説明する。図５（ｂ）及び図５（ｃ）は、それぞれ４０−１層と４０−２層を積層方向の上方から見た平面図である。４０−１層の輪郭領域４０−１Ａと、４０−２層の輪郭領域４０−２Ａとは、領域の幅を異ならせている。（Ｗ１＜Ｗ２）

これは、積層方向の上方から見たときに、積層される上下の層において、輪郭領域と内実領域の境界線が重ならないようにするためである。図５の例では、境界線Ｍ１と境界線Ｍ２が、Ｚ方向上方から見たときに重ならないように、Ｗ１＜Ｗ２としている。積層方向の上方から見たときに、上層の境界線Ｍ２と下層の境界線Ｍ１とを隔てる距離をＤとすると、図５の例ではＤ＝Ｗ２−Ｗ１である。

図５の例では、Ｗ１とＷ２の２種の幅を用い、偶数層目と奇数層目の輪郭領域の幅を異ならせているが、上下の層間で輪郭領域と内実領域の境界が重ならないようにする方法は、これに限らない。たとえば、輪郭領域の幅に関して、Ｗ０＜Ｗ１＜Ｗ２の３種類の幅を用いて、下層から順にＷ０、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ１、Ｗ０、・・というように繰り返し設定してもよい。

上層の境界線と下層の境界線とを隔てる距離Ｄを、適宜の大きさに設定するのが望ましい。図１２を参照して説明したエネルギービームの照射開始点で生じる隆起が、図１３を参照して説明したように累積してゆくのを抑制するためである。

たとえば、距離Ｄは、粉体層にエネルギービームを照射する際のスポット径以上とするのがよい。上層と下層とで、エネルギービームの照射開始点が重複しないようにするためである。あるいは、距離Ｄは、０．２ｍｍ以上とするのがよい。隆起の裾野が重複するのを抑制するためである。

ここで、上下の層間で輪郭領域と内実領域の境界線が重ならないように離間させる方法を、別の例を参照して説明する。図６は、斜面ＳＬを有する円錐台の上部に鉛直な側面ＶＥを有する円柱が一体化した物品の２次分割モデルを示した模式的な断面図である。

鉛直な側面ＶＥを有する円柱部分においては、図５の例と同様な考え方で、Ｗ３とＷ４の２種の幅の輪郭領域を交互に積み重ね、上層の境界線と下層の境界線とが距離Ｄ１だけ隔てるように構成している。

一方、斜面ＳＬを有する円錐台の部分に関しては、下層の輪郭領域の幅Ｗ５と、上層の輪郭領域の幅Ｗ６は、異なる大きさにしなくてもよい場合もある。斜面ＳＬが固化層の主面（ＸＹ平面と平行な面）となす角をθ、１層の厚みをｔとしたとき、Ｗ５＝Ｗ６すなわち上層と下層の輪郭領域の幅を等しくしたとしても、境界線はＤ２＝ｔ／ｔａｎθだけ隔てられることになる。したがって、ｔ／ｔａｎθが、エネルギービームのスポット径あるいは０．２ｍｍ以上の場合には、上下層の輪郭領域の幅Ｗ５とＷ６は等しくしてもよい。ｔ／ｔａｎθが、エネルギービームのスポット径あるいは０．２ｍｍよりも小さい場合には、上下層の輪郭領域の幅Ｗ５とＷ６を異ならせ、上下の層間の境界線を隔てる距離を確保するのが望ましい。これは、円錐台の例に限らず、物品の斜面部分について当てはまることである。

次に、工程Ｓ４では、制御部１５のＣＰＵは、工程Ｓ３で作成した２次分割モデルを参照しながら、三次元造形装置が三次元モデルを造形するために必要な命令セットを作成し、ＲＡＭに格納する。
命令セットは、１層目から６層目までを形成するための各部の動作手順を含む。具体的には、粉末層を堆積するためのスキージ５及び造形ステージ３の動作命令や、エネルギービームを走査するために走査光学系８やレーザ光源９を制御するための動作命令を含む。

本実施形態においては、粉末層を堆積し、当該層の輪郭領域にエネルギービームを照射して溶融させ固化した後に、当該層の内実領域にエネルギービームを照射して溶融させ固化する。しかし、場合によっては、先に内実領域にエネルギービームを照射してから、輪郭領域にエネルギービームを照射するように手順を変更してもよい。その場合には、後述する工程Ｓ６と工程Ｓ７の順番を逆にする。要は、各層について、輪郭領域と内実領域のうち、いずれか一方を先に形成し、他方を後に形成する手順とする。

本実施形態で用いるエネルギービームの走査方法を、図７を参照して説明する。図７（ａ）は輪郭領域の幅がＷ７の層の模式的な平面図で、図７（ｂ）は輪郭領域の幅がＷ８の層の模式的な平面図であり、これらの層は上下に連続している。（ただし、Ｗ７＜Ｗ８）

まず、図７（ａ）の輪郭領域７０−１Ａへのエネルギービームの走査方法を述べる。図示の様に、輪郭領域７０−１Ａにおいては、最外輪郭線Ａ０１から最内輪郭線Ａ０２まで領域を、５本の走査線に沿ってエネルギービームを照射する。ビームのスポット径が５０μｍのレーザを使用し、走査線の間隔を５０μｍに設定しているので、約２５０μｍの幅の輪郭領域が走査される。

次に、図７（ａ）の内実領域７０−１Ｂにエネルギービームを走査するが、Ｘ方向に対して反時計回りに４５度の方向に沿って平行に往復させて走査を行う。図中に黒丸で示す点は、エネルギービームの照射開始点ＳＴ１であり、輪郭領域と内実領域の境界に沿って最内輪郭線Ａ０２より５０μｍ内側に位置する。

次に、図７（ｂ）の輪郭領域７０−２Ａへのエネルギービームの走査方法を述べる。図示の様に、輪郭領域７０−２Ａにおいては、最外輪郭線Ａ０３から最内輪郭線Ａ０４までの領域を、１０本の走査線に沿ってエネルギービームを照射する。ビームのスポット径が５０μｍのレーザを使用し、走査線の間隔を５０μｍに設定しているので、約５００μｍの幅の輪郭領域が走査される。

尚、輪郭領域７０−１Ａ及び輪郭領域７０−２Ａの各走査線においては、図示を省略したが、上下の層の走査線の照射開始点が重ならないように、上下層で照射開始点が離隔するように配置する。

次に、図７（ｂ）の内実領域７０−２Ｂにエネルギービームを走査するが、Ｘ方向に対して反時計回りに１３５度の方向に沿って平行に往復させて走査を行う。図中に白丸で示す点は、エネルギービームの照射開始点ＳＴ２であり、輪郭領域と内実領域の境界に沿って最内輪郭線Ａ０４より５０μｍ内側に位置する。
上記のような走査方法により、上下層の内実領域の照射開始点を２５０μｍ離間させることができる。

尚、内実領域の走査方向を上下の層で９０°回転させる理由は、エネルギービーム照射による加熱履歴を分散させて造形物の反り等を防ぐためである。本実施形態では、１層目の走査角度をＸ方向に対して半時計回りに４５°としたが、０°や９０°等、任意の角度に設定してもよい。
以上の走査方法を実行するための命令セットが作成され、制御部１５のＲＡＭに記憶される。

次に、工程Ｓ５〜工程Ｓ８では、制御部１５は命令セットに従い装置各部を動作させ、物品を作成する。

まず、工程Ｓ５では、制御部１５は、造形ステージ３を所定の高さにセットし、スキージ５を駆動して１層の粉末層を堆積する。本実施形態の装置では、１層の厚みを５０μｍに設定した。粉体には、平均粒径が２０μｍのＳＵＳ３１６Ｌ金属粉を使用した。
尚、原料として用いる粉末はこれに限られず、例えば鉄系材料の粉末を主成分とし、これにニッケル粉末、ニッケル系合金粉末、銅粉末、銅系合金粉末、黒鉛粉末、等から選択される粉末を配合した粉末であってもよい。

次に、工程Ｓ６では、制御部１５は、レーザ光源９、ガルバノスキャナ１０、集光レンズ１１を駆動して、エネルギービームを走査して輪郭領域に照射し、粉末を溶融させた後に冷却固化させ、輪郭領域を形成する。

次に、工程Ｓ７では、制御部１５は、レーザ光源９、ガルバノスキャナ１０、集光レンズ１１を駆動して、エネルギービームを走査して内実領域に照射し、粉末を溶融させた後に冷却固化させ、内実領域を形成する。

工程Ｓ８では、制御部１５は、全層の形成が完了したか確認し、未完了の場合には工程Ｓ５に戻り、次の層を形成する。その際には、造形ステージ３を１層の厚み分だけ下降させ、再びスキージ５で粉末層を形成する。一方、全層の形成が完了した場合には、三次元造形を終了する。

本実施形態の三次元造形方法によれば、輪郭領域においても内実領域においても、上下に隣接する層でエネルギービームの照射開始点が重ならないようにエネルギービームを走査するため、隆起の累積を抑制できる。

特に、隣接する上下の層で、輪郭領域と内実領域の境界が重ならないように各領域の形状を設定したため、輪郭領域と内実領域の境目で隆起が累積するのを抑制できる。図１０（ａ）は、三次元造形物の端部の一部断面形状を示す模式的断面図である。図中、点線の矢印は輪郭領域を形成する際のエネルギービームの走査方向を、１２３は奇数層目の内実領域を形成する際のエネルギービームの走査方向を示している。内実領域７０−１Ｂのエネルギービームの照射開始点ＳＴ１と、内実領域７０−２Ｂのエネルギービームの照射開始点ＳＴ２とが上下に重ならないため、隆起が累積するのが抑制できている。また、内実領域７０−１Ｂのエネルギービームの照射開始点ＳＴ１の隆起部は、上層の輪郭領域７０−２Ａを形成する際に加熱され、高さが低減する効果もある。

以上のように、本実施形態によれば、粉末積層溶融法で三次元造形物を作成する際に、三次元造形物の積層方向で大きな凸部が発生するのを抑制することができる。そのため、粉末を堆積する際にスキージと干渉するのを防止できるとともに、三次元造形物の形状精度を良好なものとすることができる。

［第二の実施形態］
次に、図面を参照して、本発明の第二の実施形態である三次元造形物の製造方法と三次元造形装置について説明する。

［三次元造形装置］
第二の実施形態においても、第一の実施形態と同様に、図１、図２の構成の三次元造形装置を用いる。説明の重複を避けるため、装置についての詳細な説明は省略する。

［三次元造形プロセス］
第二の実施形態においても、図３のフローチャートに沿って三次元造形プロセスを遂行するが、第一の実施形態とはエネルギービームの照射方法が異なる。そのため、工程Ｓ４で作成する造形命令セットの内容や、工程Ｓ６で輪郭領域を形成する際のエネルギービームのスポット径や走査ピッチが、第一の実施形態とは異なるので、差異点を中心に説明する。

第一の実施形態では、工程Ｓ４において、図７（ａ）、（ｂ）に示したエネルギービームの走査を実行するための命令セットを作成したが、第二の実施形態では、図８（ａ）、（ｂ）に示したエネルギービームの走査を実行する命令セットを作成する。
図８（ａ）は輪郭領域の幅がＷ９の層の模式的な平面図で、図８（ｂ）は輪郭領域の幅がＷ１０の層の模式的な平面図であり、これらの層は上下に連続している。（ただし、Ｗ９＜Ｗ１０）

まず、図８（ａ）の輪郭領域８０−１Ａへのエネルギービームの走査方法を述べる。図示の様に、輪郭領域８０−１Ａにおいては、最外輪郭線Ａ０５から最内輪郭線Ａ０６まで領域を、５本の走査線に沿ってエネルギービームを照射する。ビームのスポット径が５０μｍのレーザを使用し、走査線の間隔Ｐ１を５０μｍに設定しているので、約２５０μｍの幅の輪郭領域が走査される。

次に、図８（ａ）の内実領域８０−１Ｂにエネルギービームを走査するが、Ｘ方向に対して反時計回りに４５度の方向に沿って平行に往復させて走査を行う。図中に黒丸で示す点は、エネルギービームの照射開始点ＳＴ３であり、輪郭領域と内実領域の境界に沿って最内輪郭線Ａ０６より５０μｍ内側に位置する。

次に、図８（ｂ）の輪郭領域８０−２Ａへのエネルギービームの走査方法を述べる。図示の様に、輪郭領域８０−２Ａにおいては、最外輪郭線Ａ０７から最内輪郭線Ａ０８まで領域を、５本の走査線に沿ってエネルギービームを照射する。ビームのスポット径が１００μｍのレーザを使用し、走査線の間隔Ｐ２を１００μｍに設定しているので、約５００μｍの幅の輪郭領域が走査される。このように、本実施形態においては、上下層の輪郭領域で、エネルギービームのスポット径と走査ピッチを変更して照射する点が、第一の実施形態と異なる。

尚、輪郭領域８０−１Ａ及び輪郭領域８０−２Ａの各走査線において、図示を省略したが、上下の層の走査線の照射開始点が重ならないように、走査の開始点は上下層で離隔するように配置する。

次に、図８（ｂ）の内実領域８０−２Ｂにエネルギービームを走査するが、Ｘ方向に対して反時計回りに１３５度の方向に沿って平行に往復させて走査を行う。図中に白丸で示す点は、エネルギービームの照射開始点ＳＴ４であり、輪郭領域と内実領域の境界に沿って最内輪郭線Ａ０８より５０μｍ内側に位置する。
上記のような走査方法により、上下層の内実領域の照射開始点を２５０μｍ離間させることができる。
工程Ｓ４では、以上の走査方法を実行するための命令セットが作成され、制御部１５のＲＡＭに記憶される。

第二の実施形態においては、工程Ｓ６で輪郭領域を形成するためにエネルギービームを照射する際、８０−２Ａ層を形成する時には、８０−１Ａ層を形成する時に比べて集光レンズ１１をデフォーカスさせてビームのスポット径を拡大させる。その際には、ガルバノスキャナ１０を使って、８０−２Ａ層を形成する時と同等の速度で走査しても同等のパワー密度で粉末層を加熱できるように、レーザ光源９の出力を上昇させるのがよい。あるいは、走査時間はかかるものの、レーザ光源９の出力は変更せずにガルバノスキャナ１０の走査速度を低下させ、同等のパワー密度で粉末層を加熱できるようにしてもよい。

第二の実施形態の三次元造形方法では、輪郭領域においても内実領域においても、上下に隣接する層でエネルギービームの照射開始点が重ならないようにエネルギービームを走査するため、隆起の累積を抑制できる。

特に、隣接する上下の層で、輪郭領域と内実領域の境界が重ならないように各領域の形状を設定したため、輪郭領域と内実領域の境目で隆起が累積するのを抑制できる。本実施形態によれば、粉末積層溶融法で三次元造形物を作成する際に、三次元造形物の積層方向で大きな凸部が発生するのを抑制することができる。そのため、粉末を堆積する際にスキージと干渉するのを防止できるとともに、三次元造形物の形状精度を良好なものとすることができる。

［第三の実施形態］
次に、図面を参照して、本発明の第三の実施形態である三次元造形物の製造方法と三次元造形装置について説明する。
［三次元造形装置］
第三の実施形態においても、第一の実施形態と同様に、図１、図２の構成の三次元造形装置を用いる。説明の重複を避けるため、装置についての詳細な説明は省略する。

［三次元造形プロセス］
第三の実施形態においても、図３のフローチャートに沿って三次元造形プロセスを遂行するが、第一の実施形態とはエネルギービームの照射方法が異なる。そのため、工程Ｓ４で作成する造形命令セットの内容や、工程Ｓ７で内実領域を形成する際の走査線の照射開始点が、第一の実施形態とは異なるので、差異点を中心に説明する。

第一の実施形態では、工程Ｓ４において、図７（ａ）、（ｂ）に示したエネルギービームの走査を実行するための命令セットを作成したが、第三の実施形態では、図９（ａ）、（ｂ）に示すエネルギービームの走査を実行する命令セットを作成する。
図９（ａ）は輪郭領域の幅がＷ１１の層の模式的な平面図で、図９（ｂ）は輪郭領域の幅がＷ１２の層の模式的な平面図であり、これらの層は上下に連続している。（ただし、Ｗ１１＜Ｗ１２）

まず、図９（ａ）の輪郭領域９０−１Ａへのエネルギービームの走査方法を述べる。図示の様に、輪郭領域９０−１Ａにおいては、最外輪郭線Ａ０９から最内輪郭線Ａ１０まで領域を、５本の走査線に沿ってエネルギービームを照射する。ビームのスポット径が５０μｍのレーザを使用し、走査線の間隔を５０μｍに設定しているので、約２５０μｍの幅の輪郭領域が走査される。

次に、図９（ａ）の内実領域９０−１Ｂにエネルギービームを走査するが、Ｘ方向に対して反時計回りに４５度の方向に沿って平行に往復させて走査を行う。図中に黒丸で示す点は、エネルギービームの照射開始点ＳＴ５であり、輪郭領域と内実領域の境界に沿って最内輪郭線Ａ１０より１００μｍ外側すなわち輪郭領域９０−１Ａ内に位置する。エネルギービームの照射を、すでに溶融固化した輪郭領域内から開始する点が、第一の実施形態と異なる。照射開始点ＳＴ５から走査されるエネルギービームは、内実領域の端部であるＳＴＭ５から未溶融の粉末領域を照射する。かかる走査法の効果については、後述する。

次に、図９（ｂ）の輪郭領域９０−２Ａへのエネルギービームの走査方法を述べる。図示の様に、輪郭領域９０−２Ａにおいては、最外輪郭線Ａ１１から最内輪郭線Ａ１２までの領域を、１０本の走査線に沿ってエネルギービームを照射する。ビームのスポット径が５０μｍのレーザを使用し、走査線の間隔を５０μｍに設定しているので、約５００μｍの幅の輪郭領域が走査される。

尚、輪郭領域９０−１Ａ及び輪郭領域９０−２Ａの各走査線において、図示を省略したが、上下の層の走査線の照射開始点が重ならないように、走査の開始点は上下層で離隔するように配置する。

次に、図９（ｂ）の内実領域９０−２Ｂにエネルギービームを走査するが、Ｘ方向に対して反時計回りに１３５度の方向に沿って平行に往復させて走査を行う。図中に黒丸で示す点は、エネルギービームの照射開始点ＳＴ６であり、輪郭領域と内実領域の境界に沿って最内輪郭線Ａ１２より２５０μｍ外側すなわち輪郭領域９０−２Ａ内に位置する。エネルギービームの照射を、すでに溶融固化した輪郭領域内から開始する点が、第一の実施形態と異なる。照射開始点ＳＴ６から走査されるエネルギービームは、内実領域の端部であるＳＴＭ６から未溶融の粉末領域を照射する。かかる走査法の効果については、後述する。
上記のような走査方法により、上下層の内実領域の実質的な照射開始点であるＳＴＭ５とＳＴＭ６を、２５０μｍ離間させることができる。
工程Ｓ４では、以上の走査方法を実行するための命令セットが作成され、制御部１５のＲＡＭに記憶される。

第三の実施形態の三次元造形方法では、輪郭領域においても内実領域においても、上下に隣接する層でエネルギービームの照射開始点が重ならないようにエネルギービームを走査するため、隆起の累積を抑制できる。

特に、隣接する上下の層で、輪郭領域と内実領域の境界が重ならないように各領域の形状を設定したため、輪郭領域と内実領域の境目で隆起が累積するのを抑制できる。図１０（ｂ）は、本実施形態による三次元造形物の端部の一部断面形状を示す模式的断面図である。図中、点線の矢印は輪郭領域を形成する際のエネルギービームの走査方向を、１２３は奇数層目の内実領域を形成する際のエネルギービームの走査方向を示している。内実領域９０−１Ｂのエネルギービームの実質的な照射開始点ＳＴＭ５と、内実領域９０−２Ｂのエネルギービームの実質的な照射開始点ＳＴＭ６とが上下に重ならないため、隆起が累積するのが抑制できている。

また、本実施形態では、内実領域９０−１Ｂを形成する際のエネルギービームの照射開始点ＳＴ５を、すでに溶融固化が完了した輪郭領域９０−１Ａ内とすることにより、実質的な照射開始点ＳＴＭ５における隆起を、効果的に抑制することができる。輪郭領域９０−１Ａ内のＳＴ５からエネルギービームの照射を開始すると、すでに溶融固化した部分の一部が再溶融するが、すでにバルク化していた部分は熱伝導率が高いため温度上昇は小さく、再溶融する量は比較的少ない。そして、輪郭領域９０−１Ａから内実領域９０−１Ｂに照射点が移動すると、粉末が加熱されて溶融するが、実質的な照射開始点ＳＴＭ５付近の溶融材料は、輪郭領域９０−１Ａ内の再溶融領域（メルトプール）と繋がり、溶融材料が濡れ広がることができる。このため、実質的な照射開始点ＳＴＭ５付近の隆起を抑制することができる。同様に、９０−２Ａ層内のＳＴ６から照射を開始した場合にも、実質的な照射開始点ＳＴＭ６付近における溶融材料の隆起を抑制することができる。

内実領域の照射開始点が異なる以外は同一の条件で第一の実施形態と比較した場合、第一の実施形態では照射開始点付近の隆起が約１１０μｍに抑制されていたのに対し、第三の実施形態では約８０μｍにまで抑制することができた。

以上のように、本実施形態においても、隣接する上下の層で、輪郭領域と内実領域の境界が重ならないように領域の形状を設定したため、輪郭領域と内実領域の境目で隆起が累積するのを抑制できる。さらに、内実領域を形成する工程において、エネルギービームの照射を、すでに溶融固化した輪郭領域から開始することにより、隆起を効果的に抑制することができる。

したがって、本実施形態によれば、粉末積層溶融法で三次元造形物を作成する際に、三次元造形物の積層方向で大きな凸部が発生するのを抑制することができる。そのため、粉末を堆積する際にスキージと干渉するのを防止できるとともに、三次元造形物の形状精度を良好なものとすることができる。

［他の実施形態］
本発明の実施形態は、上述した第一〜第三の実施形態に限られるものではなく、適宜変更したり、組み合わせたりすることが可能である。
たとえば、第二の実施形態では、輪郭領域を形成するのに、上下の層でビームのスポット径が異なる複数の走査線で走査したが、輪郭線に沿ってビームのスポット径が異なる１本の走査線だけで照射してもよい。

また、敷設した原料粉末を加熱する光源として、上記実施形態ではレーザ光源を用いたが、照射エネルギ密度の制御や、照射光の走査ができるものであれば、用いる光は必ずしもレーザ光でなくてもよい。たとえば、高輝度ランプ、シャッタ、可変焦点レンズ、走査ミラー等の光学要素を組み合わせた照射光学系を用いることも、場合によっては可能である。あるいは、電子ビームであってもよい。
また、原料粉末は、金属粉に限らず、ＡＢＳやＰＥＥＫ等の樹脂粉末を用いても良く、粒径も上記実施形態のものに限られない。

１・・・三次元造形装置／２・・・チャンバ／３・・・造形ステージ／４・・・粉体貯蔵槽／５・・・スキージ／８・・・走査光学系／９・・・レーザ光源／１５・・・制御部／４０・・・三次元モデル／４０−１〜４０−６・・・１次分割モデル／４０−ＮＡ・・・輪郭領域／４０−ＮＢ・・・内実領域／Ｍ１、Ｍ２・・・輪郭領域と内実領域の境界／Ｄ１、Ｄ２・・・境界線の距離／ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４、ＳＴ５、ＳＴ６・・・照射開始点

Claims (7)

1. 粉末を堆積して粉末層を形成する工程と、
   エネルギービームを走査しながら前記粉末層に照射して溶融させた後に固化させて固化層を形成する工程と、
   を繰り返して複数の固化層を積層して三次元造形物を形成する方法において、
   各々の前記固化層は、
   三次元造形物の表面を含む輪郭領域と、
   前記輪郭領域と接して内側に形成される内実領域と、
   を含み、
   各々の前記固化層を形成するのに、前記輪郭領域と前記内実領域のうち、いずれか一方の領域を先に形成し、他方の領域を後に形成するように前記エネルギービームを照射し、
   積層される前記固化層の内、上の固化層を形成する前記エネルギービームの照射開始点と、下の固化層を形成する前記エネルギービームの照射開始点とが、積層方向から見て重ならないように前記エネルギービームを走査し、
   前記上の固化層に含まれる前記輪郭領域と前記内実領域の境界と、前記下の固化層に含まれる前記輪郭領域と前記内実領域の境界とが、積層方向から見て重ならず、
   前記三次元造形物の側面が前記固化層の主面となす角をθ、前記固化層の１層の厚みをｔとしたとき、ｔ／ｔａｎθが前記エネルギービームのスポット径よりも小さな場合、もしくはｔ／ｔａｎθが０．２ｍｍよりも小さな場合には、上下の固化層の輪郭領域の幅を異ならせる、
   ことを特徴とする三次元造形物の製造方法。
2. 前記上の固化層に含まれる前記輪郭領域を形成する前記エネルギービームのスポット径と、前記下の固化層に含まれる前記輪郭領域を形成する前記エネルギービームのスポット径とが、異なる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
3. 前記上の固化層に含まれる前記輪郭領域を形成する前記エネルギービームの走査線の数と、前記下の固化層に含まれる前記輪郭領域を形成する前記エネルギービームの走査線の数とが、異なる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形物の製造方法。
4. 前記上の固化層に含まれる前記内実領域を形成する前記エネルギービームの走査方向と、前記下の固化層に含まれる前記内実領域を形成する前記エネルギービームの走査方向とが、異なる、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
5. 各々の前記固化層は、前記内実領域よりも先に前記輪郭領域を形成し、前記内実領域を形成する前記エネルギービームの照射開始点を、先に形成した前記輪郭領域の内とする、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造方法。
6. 粉末を堆積して粉末層を形成する粉末層形成部と、
   エネルギービームを走査しながら前記粉末層に照射して固化層を形成するエネルギービーム照射部と、
   前記粉末層形成部と前記エネルギービーム照射部を制御して複数の固化層を積層させる制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記エネルギービーム照射部が、
   前記複数の固化層の各々を形成するのに、三次元造形物の表面を含む輪郭領域と、前記輪郭領域と接して内側に形成される内実領域のうち、いずれか一方の領域を先に形成させ、他方の領域を後に形成するとともに、
   積層させる前記複数の固化層の内、上の固化層を形成する前記エネルギービームの照射開始点と、下の固化層を形成する前記エネルギービームの照射開始点とが、積層方向から見て重ならないように前記エネルギービームを走査するように制御し、
   前記上の固化層に含まれる前記輪郭領域と前記内実領域の境界と、前記下の固化層に含まれる前記輪郭領域と前記内実領域の境界とが、積層方向から見て重ならず、
   前記三次元造形物の側面が前記固化層の主面となす角をθ、前記固化層の１層の厚みをｔとしたとき、ｔ／ｔａｎθが前記エネルギービームのスポット径よりも小さな場合、もしくはｔ／ｔａｎθが０．２ｍｍよりも小さな場合には、上下の固化層の輪郭領域の幅を異ならせる、
   ことを特徴とする三次元造形物の製造装置。
7. 前記エネルギービームが、レーザ光あるいは電子ビームである、
   ことを特徴とする請求項６に記載の三次元造形物の製造装置。

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