JP7041391B2 - 三次元造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形用の粉末原料を含む組成物の層を形成する層形成部と、前記層中の前記粉末を溶融又は焼結させるレーザー照射部と、を備える三次元造形装置に関するものである。

この種の三次元造形装置の一例として特許文献１に記載の積層造形装置が挙げられる。この文献には、造形物の表面に対して切削や高出力レーザーによって除去する技術が開示されている。

特開２００２－１１５００４号公報

レーザー照射して層に対して溶融処理を行うとスパッタ粒子が飛散する。そのスパッタ粒子の中には溶融処理後の層の表面に付着するものがある。このスパッタ粒子は、次層のレーザー照射時にほとんどが溶融して無くなるが、大きいスパッタ粒子の中には次層の形成時に成長して更に大きくなるものがある。更に、次層のレーザー照射の際にも新たにスパッタ粒子が飛散してその表面に付着する。この繰り返しにより、三次元造形物の最終的な外表面の状態が粗くなって面粗度が低下する虞がある。
特許文献１には、上記スパッタ粒子による上記問題について考慮した記載はない。

本発明の目的は、スパッタ粒子に起因する三次元造形物の最終的な外表面の面粗度の低下を抑制することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様の三次元造形装置は、三次元造形用の粉末原料を含む組成物の層を形成する層形成部と、前記層中の前記粉末を溶融又は焼結させるレーザー照射部と、前記層の表面に存在する付着物を検出可能な検出部と、を備え、前記検出部が前記レーザー照射部によるレーザー照射後に前記層の表面に存在する付着物を検出した場合、前記レーザー照射部は、前記検出部により検出された該付着物の情報に応じて該付着物に対してレーザーを照射する条件を変えるように制御されることを特徴とする。

ここで、「付着物の情報」とは付着物の位置と付着物の大小に関するサイズである。
また、「付着物の情報に応じて該付着物に対してレーザーを照射する条件を変える」における「条件を変える」とは、照射エネルギーの大きさに関する条件を変えることに限定されず、レーザーを照射しないことにすることも含む意味でこの明細書では使われている。

本態様によれば、前記レーザー照射部は、前記検出部により検出されたスパッタ粒子等の付着物に関する情報に応じて該付着物に対してレーザーを照射する条件を変えるように制御される。即ち、前記付着物のサイズ等の情報に応じて該付着物に対してレーザーを照射する条件を変えることで、該付着物の大小の違い等に対応したレーザー照射を行うことが可能となる。これにより、スパッタ粒子等の付着物を効率的に再溶融させて、前記層の表面から突出する物の存在を低減することが可能となり、以って三次元造形物の最終的な外表面の面粗度の低下を抑制することができる。

本発明の第２の態様の三次元造形装置は、第１の態様において、前記レーザー照射部は、前記情報に応じて該付着物にレーザーを照射する条件を変えて該付着物を再溶融するように制御されることを特徴とする。
ここで、「再溶融」は付着物２３の全体を再溶融させる場合と、付着物の上方の一部を再溶融させる場合の両方を含む意味である。

本態様によれば、レーザーを照射して該付着物を再溶融するので、切削等で除去する従来技術に比して三次元造形用の粉末原料が無駄に廃棄されることがないと共に、三次元造形物の最終的な外表面の面粗度の低下を抑制することができる。

本発明の第３の態様の三次元造形装置は、第１の態様又は第２の態様において、前記付着物の情報は、該付着物の位置とサイズであることを特徴とする。
ここで「サイズ」とは、付着物の平面視にけるX方向及びY方向の長さ情報、及び前記X方向及びY方向と直交するZ方向となる高さ情報で定まる大きさを意味する。

本態様によれば、簡単な情報で付着物に対してレーザーを照射する条件を変える制御を行うことができる。

本発明の第４の態様の三次元造形装置は、第３の態様において、前記付着物が、前記層形成部によって形成される前記層の層厚より大きいサイズの場合に該付着物に対して前記レーザー照射を行い、前記層の層厚と同じサイズ又は小さいサイズの場合に該付着物に対する前記レーザー照射を行わないで、前記層形成部によって次の層を形成することを特徴とする。

前記付着物が、前記層形成部によって形成される前記層の層厚と同じサイズ又は小さいサイズである場合には、該付着物に対してレーザーを照射しないで、そのまま残して前記組成物による次層を形成しても該付着物による問題はほとんど生じないことが確認された。
本態様によれば、前記付着物が、形成される前記層の層厚より大きいサイズである場合には該付着物に対するレーザーの照射を行うが、そうではないサイズの場合はレーザー照射を行わないので、造形時間の増加を抑制することができる。

本発明の第５の態様の三次元造形装置は、第３の態様又は第４の態様において、前記検出部によって検出された前記付着物のサイズによって、該付着物に対する前記レーザーの照射回数及び照射位置が制御されることを特徴とする。

本態様によれば、検出された前記付着物のサイズによって、該付着物に対する前記レーザーの照射回数及び照射位置が制御される。従って、前記付着物に対する適切なレーザー照射を容易に行うことができる。

本発明の第６の態様の三次元造形装置は、第５の態様において、前記検出された付着物のサイズが前記レーザー照射部により照射されるレーザーのスポット径より大きい場合、前記照射位置を変えて複数回の照射を行うことを特徴とする。

本態様によれば、レーザーの照射強度を変えることなく、単一のスポット径及び照射強度（照射エネルギー）で、前記付着物に対する適切なレーザー照射を行うことができる。

本発明の第７の態様の三次元造形装置は、第１の態様から第６の態様のいずれか一つの態様において、前記層形成部は、造形対象である三次元造形物の積層方向における外表面に対応する最終層の手前となる数層について形成される層の層厚は、前記数層より以前の層の層厚よりも小さい、ことを特徴とする。

本態様によれば、造形対象である三次元造形物の最終の外表面の寸法精度及び表面滑らかさの精度を容易に向上することができる。

本発明の実施形態１に係る三次元造形装置の概略を表す装置構成図。 同実施形態１に係る三次元造形装置の付着物に対するレーザー照射の制御の実行を説明する概略の構成図。 同実施形態１に係る三次元造形装置で生じたスパッタ粒子の一つを模式的に表した平面図。 同実施形態１に係る三次元造形装置で生じたスパッタ粒子の一つを模式的に表した側面図。 図３Ａで表した付着物とレーザーのスポット径との関係を説明する平面図。 図４のレーザー照射後の付着物の形状を説明する模式的な側面図。 同実施形態１に係る三次元造形装置で生じた図３Ａより大きなスパッタ粒子の一つを模式的に表した平面図。 同実施形態１に係る三次元造形装置で生じた図３Ａより大きなスパッタ粒子の一つを模式的に表した側面図。 図６Ａで表した付着物とレーザーのスポット径との関係を説明する平面図。 図７のレーザー照射後の付着物の形状を説明する模式的な側面図。 従来の問題点を説明する図で、形成した第１の層に対してレーザーを照射した場合に発生するスパッタ粒子の飛散の様子を模式的に表す側断面図。 従来の問題点を説明する図で、形成した第１の層の表面にスパッタ粒子が付着する様子を模式的に表す側断面図。 従来の問題点を説明する図で、形成した第１の層の上面に次層となる第２の層を形成していく場合の問題点を模式的に表す側断面図。 従来の問題点を説明する図で、層形成部で形成する層厚とスパッタ粒子の最大粒径Ｌ及び最終造形物の表面粗さＳｚとの関係を説明するグラフ。

以下に、本発明の実施形態に係る三次元造形装置について、添付図面を参照して詳細に説明する。尚、以下の説明では、最初に図１及び図２に基づいて実施形態１に係る三次元造形装置の全体構成を説明する。次に、同実施形態１に係る三次元造形装置よって三次元造形物を製造する過程で生じたスパッタ粒子の一つに対するレーザー照射による効果を図３Ａ、図３Ｂ、図４及び図５に基づいて説明する。
更に、実施形態１に係る三次元造形装置よって三次元造形物を製造する過程で生じる図３Ａより大きなスパッタ粒子の一つに対するレーザー照射による効果を図６Ａ、図６Ｂ、図７及び図８に基づいて説明する。
続いて、従来の問題点を表す図９、図１０、図１１及び図１２と、本発明の実施形態１に係る三次元造形装置の効果を表す図５及び図８と、を比較して実施形態１に係る三次元造形装置の効果について検証する。
最後にこれら二つの実施形態と部分的構成を異にする他の実施形態について言及する。

◆◆◆実施形態１◆◆
（１）三次元造形装置の全体構成（図１、図２参照）
本実施形態の係る三次元造形装置１は、粉末３と溶媒５とバインダー７とを含む組成物９の層１１を第１の層、第２の層、…第ｎの層と順次形成して行くことで多層構造の三次元造形物を製造する装置である。ここで、粉末３は溶融固化又は焼結されて三次元造形物となる造形用材料である。溶媒５は組成物９をペースト状にするための成分である。バインダー７は後述する層形成部１３によって組成物９がステージ３１上に吐出されて形成される層１１の形状を保つための保形用成分である。

この三次元造形装置１は、ステージ３１上に組成物９の層１１を形成する層形成部１３と、層１１中の溶媒５を揮発させる溶媒揮発部１５と、層１１中の粉末３を溶融させるレーザー照射部１７と、を備えることによって基本的に構成されている。
そして、本実施形態に係る三次元造形装置１は、層１１の表面に存在する付着物２３（図２）を検出可能な検出部１９を備える。この検出部１９がレーザー照射部１７によるレーザーＥの照射後に層１１の表面に存在する付着物２３（図２）を検出した場合、レーザー照射部１７は、検出部１９により検出された付着物２３の情報に応じて付着物２３に対してレーザーＥを照射する条件を変えるように制御部２によって制御される。

＜粉末＞
ここで、粉末３としては、金属粉末やセラミックス粉末が一例として使用できる。金属粉末としては、各種金属や金属化合物等の粒状ないし粉末状の粒子が使用できる。
具体的には、アルミニウム、チタン、鉄、銅、マグネシウム、ステンレス鋼、マルエージング鋼等の各種金属、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコン、酸化錫、酸化マグネシウム、チタン酸カリウム等の各種金属酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム等の各種金属水酸化物、窒素珪素、窒素チタン、窒化アルミニウム等の各種金属窒化物、炭化珪素、炭化チタン、窒化アルミニウム等の各種金属窒化物、炭化珪素、炭化チタン等の各種金属炭素残渣、硫化亜鉛等の各種金属硫化物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の各種金属の炭酸塩、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム等の各種金属の硫酸塩、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム等の各種金属のケイ酸塩、リン酸カルシウム等の各種金属のリン酸塩、ホウ酸アルミニウム、ホウ酸マグネシウム等の各種金属のホウ酸塩や、これらの複合化合物等、石膏（硫酸カルシウムの各水和物、硫酸カルシウムの無水物）等の粉末が使用できる。

＜溶媒＞
溶媒５は、例えば、蒸留水、純水、ＲＯ水等の各種水の他、メタノール、エタノール、２－プロパノール、１－ブタノール、２－ブタノール、オクタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン等のアルコール類、エチレングリコールモノメチルエーテル（メチルセロソルブ）等のエーテル類（セロソルブ類）、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、ギ酸エチル等のエステル類、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルイソプロピルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、ペンタン、ヘキサン、オクタン等の脂肪族炭化水素類、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の環式炭化水素類、ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキシルベンゼン、ヘブチルベンゼン、オクチルベンゼン、ノニルベンゼン、デシルベンゼン、ウンデシルベンゼン、ドデシルベンゼン、トリデシルベンゼン、テトラデシルベンゼン等の長鎖アルキル基及びベンゼン環を有する芳香族炭火水素類、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、１，２－ジクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類、ピリジン、ピラジン、フラン、ピロール、チオフェン、メチルピロリドンのいずれか一つを含む芳香族複素環類、アセトニトクル、プロピオニトリル、アクリロニトリル等のニトリル類、Ｎ，Ｎ－ジメチルアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド等のアミド類、カルボン酸塩又はその他の各種油類等が挙げられる。

＜バインダー＞
バインダー７としては、前述した溶媒５に可溶であれば、限定されない。例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、セルロース系樹脂、合成樹脂等を用いることができる。また、例えば、ＰＬＡ（ポリ乳酸）、ＰＡ（ポリアミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の熱可塑性樹脂を用いることもできる。
また、可溶状態でなく、上述したアクリル樹脂などの樹脂の微小な粒子の状態で、前述した溶媒５中に分散させるようにしてもよい。
因みに、本実施形態では粉末３として金属粉末であるＳＵＳ３１６Ｌ（Ｄ５０=直径３μｍ）を使用し、溶剤５としてプロピレングリコール（ＰＧ）、バインダー７としてポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を一例として使用した。また、これらを混ぜてペースト状の組成物９にしたときの体積比率を一例として粉末３が３０ｖｏｌ％、溶媒５が６８ｖｏｌ％、バインダー７が２ｖｏｌ％とした。

＜付着物＞
付着物２３としては、図９に表すように、レーザー照射部１７で照射されるレーザーＥによる溶融又は焼結時に造形用材料の粉末３にレーザーを照射したときに飛散するスパッタ粒子２３（同じ符号２３を用いる）が挙げられる。
図１０に表すように、スパッタ粒子２３は、レーザー照射後の層１１（例えば第１の層１１Ａ）の表面に付着する。この付着状態のまま次層となる例えば第２の層１１Ｂの積層工程に移行すると、図１１に表すように、第２の層１１Ｂ内にスパッタ粒子２３が存在する状態で第２層１１Ｂが積層される。この状態でレーザーＥを照射する処理を行うと、スパッタ粒子２３は、次層（第２の層１１Ｂ）のレーザー照射時にほとんどが溶融して無くなるが、大きいスパッタ粒子２３の中には次層（第２の層１１Ｂ）の形成時にレーザー照射によって溶融しきれず凸部として成長して更に大きくなるものがある。
更に、次層（第２の層１１Ｂ）の形成の際にも新たにスパッタ粒子が飛散してその表面に付着する。この繰り返しにより、三次元造形物の外表面に凹凸として現われ、面粗度の低下をもたらす要因となってしまう。
図１２は、層形成部１３で形成する一層の層１１の層厚Ｔとスパッタ粒子２３の最大粒径Ｌ及び最終造形物の表面粗さＳｚとの関係を説明するグラフである。このグラフから、一層の層１１の層厚Ｔを大きくすると、出来るスパッタ粒子２３の最大粒径Ｌも大きくなり、最終造形物の表面粗さＳｚも大きくなると言える。

また、本実施形態では、図１に表すように、層形成部１３と溶媒揮発部１５とレーザー照射部１７は、窒素ガスＮ_２の導入部２５と排気部２７とを備えた密閉された筐体２９内に収容されている。
また、筐体２９内には組成物９の層１１を支持するステージ３１が配置されている。ステージ３１は、層形成部１３と溶媒揮発部１５とレーザー照射部１７との間を順番に移動できるよう、図示しない搬送手段によって送り方向Ｘの順方向Ｘ１と、戻し方向Ｘ２と、に自由に移動できるように構成されている。

＜層形成部＞
層形成部１３には、ステージ３１の送り方向Ｘと交差する走査方向Ｙと層１１の積層方向Ｚとに移動可能な描画ヘッド３５を備えるディスペンサー３３が設けられている。また、本実施形態では層形成部１３は、図１中、左端の送り方向Ｘの上流位置に配置されている。
層形成部１３には、粉末３と溶媒５とバインダー７とを含むペースト状の組成物９が供給され、描画ヘッド３５の走査方向Ｙへの走査と、ステージ３１の送り方向Ｘへの移動と、によって所定の位置に描画ヘッド３５を移動させて、その吐出口３７からペースト状の組成物９を吐出することによって所定の描画パターンから成る層１１（例えば第１の層１１Ａ）を形成する。また、一つの層１１が形成されたら、層１１の厚さ分、積層方向Ｚに描画ヘッド３５を上昇させて次層１１（例えば第２の層１１Ｂ）の形成に移行する。

＜溶媒揮発部＞
溶媒揮発部１５は、溶媒５を乾燥させて揮発させる部位である。溶媒揮発部１５には、一例としてライン状ランプヒーター３９が設けられており、溶媒揮発部１５に移動してきたステージ３１上の層１１に対して、ライン状ランプヒーター３９からの熱が作用して溶媒５を揮発させる。
本実施形態では、図１に表すように溶媒揮発部１５は、層形成部１３に隣接する送り方向Ｘの下流位置に配置されている。動作は、ランプヒータ３９の下を、ステージを一方向に送ってもよいし、往復動作を繰り返してもよい。これにより、溶媒揮発部１５はレーザー照射部１７によるレーザー照射が行われる前に層１１に作用して層１１中の溶媒５を揮発させる。

＜レーザー照射部＞
レーザー照射部１７は、制御部２から送信される制御信号に基づいて照射されるレーザー光Ｅを層１１中の粉末３（バインダー７を含む）に作用させて、粉末３を溶融又は焼結させる部位である。レーザー照射部１７には、一例として所定出力のレーザー光Ｅを発振させるレーザー発振器４１と、レーザー発振器４１から発振されたレーザー光Ｅの光路上に設けられ、レーザー光Ｅをステージ３１上の層１１に導くガルバノミラー４３と、を備えるレーザー照射装置が設けられている。
尚、ガルバノミラー４３は、レーザー光Ｅに対する反射角度が変更できるように構成されており、該ガルバノミラー４３の反射角度を調節することによって前記レーザー光Ｅを走査方向Ｙに自由に走査できるように構成されている。
尚、本実施形態で使用するレーザー照射装置としては特に限定はないが、特にファイバーレーザーが金属の吸収効率が高い利点を有することから好適なレーザー照射装置として使用可能である。

＜検出部＞
検出部１９はレーザー照射部１７によるレーザーＥの照射後に層１１の表面に存在する付着物２３（図２）の情報を検出するものである。本実施形態では、検出部１９は、付着物の位置とサイズを検出可能な画像カメラが使われている。ここで、付着物２３の位置はステージ３１上のＸＹ方向の位置であり、付着物２３のサイズは付着物２３の大小に関する物理量である。
本実施形態では、付着物２３の情報は、該付着物２３の前記位置とサイズである。ここで「サイズ」とは、付着物２３の平面視にけるX方向及びY方向の長さ情報、及び前記X方向及びY方向と直交するZ方向となる高さ情報で定まる大きさを意味する。後述する図３Ａ及び図３Ｂに表した付着物２３は小さいサイズの一例であり、図６Ａ及び図６Ｂに表した付着物２３は大きいサイズの一例である。

＜制御部＞
制御部２は、検出部１９がレーザー照射部１７によるレーザーＥの照射後に層１１の表面に存在する付着物２３（図２）を検出した場合に、レーザー照射部１７に、前記検出された付着物２３の情報（位置とサイズ）に応じて付着物２３に対してレーザーＥを照射する条件を変えるように制御する。本実施形態では、レーザー照射部１７は、前記情報に応じて付着物２３を再溶融するようにレーザーＥを照射する条件を変える。
尚、再溶融は、付着物２３の全部を再溶融させる必要はなく、付着物２３の上方の一部であってもよい。後述するように、付着物２３が、層形成部１３によって形成される一層の層厚Ｔ（図３Ｂ、図６Ｂ）同じサイズかそれより小さいサイズである場合は、そのまま残しても層形成部１３によって次の一層を形成後に該層（一層）に対してレーザーＥを照射する際にほとんどが埋没する状態で平坦化して無くなり、三次元造形物の最終的な外表面の状態が粗くなるという問題は生じにくいからである。
このようにレーザーＥを照射して付着物２３を再溶融することにより、切削等で除去する従来技術に比して三次元造形用の粉末原料が無駄に廃棄されることがない。

本実施形態では、制御部２は、付着物２３が、層形成部１３によって形成される一層の層厚Ｔより大きいサイズの場合に付着物２３に対してレーザーＥの照射を行い、層厚Ｔと同じサイズ又は小さいサイズの場合に付着物２３に対するレーザーＥの照射を行わないで、層形成部１３によって次の層１１を形成するように制御する。
付着物２３が、層形成部１３によって形成される一層の層厚Ｔと同じサイズ又は小さいサイズである場合には、該付着物に対してレーザーを照射しないで、そのまま残して前記組成物による次層を形成しても該付着物による問題はほとんど生じないことが確認された。
本実施形態によれば、付着物２３が、形成される前記一層の層厚Ｔより大きいサイズである場合には該付着物２３に対するレーザーＥの照射を行うが、そうではないサイズの場合はレーザーＥの照射を行わないので、造形時間の増加を抑制することができる。

次に、制御部２が上記制御を実行するための制御システム構成を図２に基づいて説明する。
図２に表したように、検出部１９は画像処理部４と接続され、画像処理部４は判断部６と接続され、判断部６は制御部２と接続されている。
画像カメラである検出部１９が付着物２３の情報を検出すると、その画像情報は画像処理部４に送られる。画像処理部４は前記画像情報を付着物２３の位置とサイズの情報に変換する。続いて付着物２３の位置とサイズの情報は判断部６に送られる。判断部６は、送られた付着物２３のサイズ情報と予め設定された基準となるサイズを基に判断して、付着物２３に対するレーザーＥの照射条件を決める。付着物２３がレーザー照射の必要なサイズである場合には、制御部２は、判断部６で決められたレーザーＥの照射条件により付着物２３に対してレーザーＥを照射し、付着物２３を再溶融する処理を行う。

前記再溶融処理により付着物２３のサイズは問題にならいないレベルにまでダウンするので、その後は層形成部１３による層形成を行ってよいが、該層形成の前に検出部１９によって再溶融処理されて小さくなった付着物２３のサイズを確認するようにしてもよいことは勿論である。
図２において、符号８は三次元造形用のＳＴＬ（Stereolithogrphy）データに基づき作成されたツールパスデータを示す。制御部２は、三次元造形時に、送られる前記ツールパスデータに基づいてレーザーＥをガルバノミラー４３によって所定のパターンにスキャン可能になっている。

図３Ａ及び図３Ｂに表した付着物２３に対して、判断部６で決められたレーザーＥの照射条件によって、図４に表したようにレーザーＥを照射すると、付着物２３は再溶融してサイズダウンし、図５のようになる。この例は、レーザーＥのスポット径Ｌｅより付着物２３の外径Ｌｓが小さい場合を表している。この場合は、レーザーＥを付着物２３のほぼ中心に合わせて照射し、その照射位置を移動することなく、１回の照射又は予め決められた複数回の照射によって、付着物２３は図５の状態にサイズダウンされる。

次に、図６Ａ及び図６Ｂに表した付着物２３に対して、判断部６で決められたレーザーＥの照射条件によって、図７に表したようにレーザーＥを照射すると、付着物２３は再溶融してサイズダウンし、図８のようになる。この例は、レーザーＥのスポット径Ｌｅより付着物２３の外径Ｌｂが大きい場合を表している。この場合は、レーザーＥを、付着物２３を４分割して、その内の一つに照射位置を合わせ、その照射位置を順次移動しつつ、この例では４回移動して、各位置で１回の照射又は予め決められた複数回の照射によって、付着物２３は図８の状態にサイズダウンされる。

（２）三次元造形装置による三次元造形物の製造（図１～図８参照）
本実施形態に係る三次元造形装置による造形工程を、層形成工程と、溶媒揮発工程と、レーザー照射工程と、再溶融工程に分けて説明する。
（Ａ）層形成工程（図１参照）
層形成工程は、粉末３と溶媒５とバインダー７とを含む組成物９の層１１を形成する工程である。
即ち、図１に表すようにステージ３１を層形成部１３の層１１の形成開始位置に位置させ、ステージ３１を送り方向Ｘに移動させ、描画ヘッド３５を走査方向Ｙに走査させながら描画ヘッド３５の吐出口３７から粉末３、溶媒５、バインダー７を含むペースト状の組成物９を吐出することによって所定の描画パターンから対応する一層の層１１を形成する。
尚、層１１の形成に先立って、筐体２９を密閉状態にし、窒素ガスＮ_２が置換できる状態にしておく。

（Ｂ）溶媒揮発工程（図１参照）
溶媒揮発工程は、前記形成された層１１中の溶媒５を揮発させる工程である。
即ち、図１に表すように、ステージ３１を送り方向Ｘの下流位置に所定距離移動して溶媒揮発部１５の溶媒揮発開始位置に位置させ、ステージ３１を送り方向Ｘに移動させながらライン状ランプヒーター３９の熱をステージ３１上の層１１に当て、これにより層１１中の溶媒５を乾燥させて揮発させる。
尚、走査方向Ｙに延びるライン状ランプヒーター３９の長さは、層１１の幅（走査方向Ｙの長さ）を賄える長さに設定されているため、本実施形態では溶媒揮発部１５の走査方向Ｙへの走査は行っていない。

（Ｃ）レーザー照射工程（図１参照）
レーザー照射工程は、溶媒５が揮発した層１１中の粉末３にレーザー光Ｅを照射して溶融又は焼結させる工程である。
即ち、図１に表すように、ステージ３１を送り方向Ｘの下流位置に所定距離移動してレーザー照射部１７のレーザー光Ｅの照射開始位置に位置させ、ステージ３１を送り方向Ｘに移動させながらガルバノミラー４３を揺動させてレーザー光Ｅを走査方向Ｙに走査させながらステージ３１上の層１１に当てて層１１中の粉末３を溶融又は焼結させる。
尚、前記レーザー照射により、図９及び図１０に表すように、レーザー照射処理後の層１１の表面には、付着物（スパッタ粒子）２３が付着した状態になる。

（Ｄ）再溶融工程（図２、図３Ａ～図８）
画像カメラである検出部１９が付着物２３の情報を検出すると、例えば図３Ａ及び図３Ｂに表した付着物２３に対して、判断部６で決められたレーザーＥの照射条件によって、図４に表したように付着物２３の中心位置にレーザーＥを照射すると、付着物２３は再溶融してサイズダウンし、図５のようになる。
或いは、図６Ａ及び図６Ｂに表した付着物２３に対して、判断部６で決められたレーザーＥの照射条件によって、図７に表したようにレーザーＥを、照射位置を移動しつつ照射すると、付着物２３は再溶融してサイズダウンし、図８のようになる。
尚、検出された付着物２３が前記層厚Ｔと同じかそれより小さい場合は、（Ｄ）の再溶融工程はなしで次の層形成工程に移行する。

付着物２３の再溶融終了後、ステージ３１は再び次の層１１の形成開始位置に戻る。尚、次層（例えば第２の層１１Ｂ（図１１））の形成に当たっては、層形成部１３、溶媒揮発部１５、レーザー照射部１７のそれぞれ作用位置を層１１の厚さ分、上昇させ、前述した各工程を再び実行する。
以下、同様の動作を積層する層１１の数に応じて繰り返すことによって多層構造の三次元造形物が造形される。

（３）本実施形態に係る三次元造形装置の効果（図３Ａ－図８及び、図９－図１１参照）
図９から図１１に表した従来の三次元造形装置によって造形工程を進め、レーザー照射後に層１１（例えば第１の層１１Ａ）の表面にスパッタ粒子２３が付着した状態で、次層１１（例えば第２の層１１Ｂ）の形成を開始すると、図１１に表すように、第２の層１１Ｂ内にスパッタ粒子２３が存在する状態で第２層１１Ｂが積層される。この状態でレーザーを照射する処理を行うと、スパッタ粒子が成長して三次元造形物の外表面に凹凸となって現れて面粗度が低下してしまう。

これに対し、本実施形態では、レーザー照射後に検出部１９によって付着物２３の存在が検出された場合、上記再溶融が行われることで、付着物２３は図５や図８に表したようにサイズダウンされる。即ち、次層１１（例えば第２の層１１Ｂ）の形成時には、層１１（例えば第１の層１１Ａ）の表面に付着しているスパッタ粒子２３はサイズダウンしている。
従って、本実施形態に係る三次元造形装置によれば、レーザー照射によって出来たスパッタ粒子２３に起因する三次元造形物の最終的な外表面の面粗度の低下を低減することが可能になる。

[他の実施形態]
本発明に係る三次元造形装置は、以上に説明した構成を有することを基本とするものであるが、本願発明の要旨を逸脱しない範囲内での部分的構成の変更や省略等を行うことも勿論可能である。
また、前述したようにステージ３１を送り方向Ｘに移動させることによって層形成部１３、溶媒揮発部１５、レーザー照射部１７の各処理部の各処理を順番に実行させる構成に限らず、ステージ３１側を固定して層形成部１３、溶媒揮発部１５、レーザー照射部１７の３つの処理部側をステージ３１に向けて移動させたり、退避させる構成にすることが可能である。また、ステージ３１側と、前記各処理部１３、１５、１７との双方を移動可能に構成することも可能である。

また、複数の層１１を積層する場合に必要になる積層方向Ｚへの移動手段は、前記各処理部１３、１５、１７に対して設ける他、ステージ３１側に設けたり、これらの各処理部１３、１５、１７と、ステージ３１側の双方に設けることが可能である。
また、レーザー照射部１７でのレーザー光Ｅの照射等によって溶媒５の揮発が併せて実行できるときには、溶媒揮発部１５を三次元造形装置１の構成から省略することが可能であり、前述した溶媒揮発工程を三次元造形物の製造工程から省略することが可能である。

また、前記３つの処理部１３、１５、１７は、直線状に配置する他、ループ状に配置することが可能である。この場合には、ステージ３１を往復移動させることなく、一定の方向にループ状に移動させることで前記各処理部１３、１５、１７の処理を連続的に実行することが可能になる。

また、描画ヘッド３５は、ディスペンサー３３の他、粉末３と熱可塑性のバインダー７とを含む組成物９である場合には、熱溶融させてノズルから射出する熱溶融方式のヘッドを用いることが可能である。

層形成部１３は、造形対象である三次元造形物の積層方向における外表面に対応する最終層の手前となる数層については、描画ヘッド３５からの吐出によって形成される層１１の層厚は、前記数層より以前の層１１の層厚よりも小さくしてもよい。
これにより、造形対象である三次元造形物の最終の外表面の寸法精度及び表面滑かさの精度を容易に向上することが可能となる。

１…三次元造形装置、３…粉末、５…溶媒、７…バインダー、９…組成物、１１…層、
１３…層形成部、１５…溶媒揮発部、１７…レーザー照射部、１９…検出部、
２３…スパッタ粒子（付着物）、２５…導入部、２７…排気部、２９…筺体、
３１…ステージ、３３…ディスペンサー、３５…描画ヘッド、３７…吐出口、
３９…ライン状ランプヒーター、４１…レーザー発振器、４３…ガルバノミラー、
Ｘ…送り方向、Ｙ…走査方向、Ｚ…積層方向、Ｎ_２…窒素ガス、Ｅ…レーザー光

Claims (5)

1. 三次元造形用の粉末原料を含む組成物の層を形成する層形成部と、
   前記層中の前記粉末を溶融させるレーザー照射部と、
   前記層の表面に存在する付着物を検出可能な検出部と、を備え、
   前記検出部が前記レーザー照射部によるレーザー照射後に前記層の表面に存在する付着物の情報として、該付着物の位置とサイズを検出した場合、
   前記レーザー照射部は、前記付着物が、前記層形成部によって形成される前記層の層厚より大きいサイズの場合に該付着物に対して前記レーザー照射を行い、前記層の層厚と同じサイズ又は小さいサイズの場合に該付着物に対する前記レーザー照射を行わないで、前記層形成部によって次の層を形成する、ことを特徴とする三次元造形装置。
2. 請求項１に記載の三次元造形装置において、
   前記レーザー照射部は、前記情報に応じて該付着物にレーザーを照射する条件を変えて該付着物を再溶融するように制御される、ことを特徴とする三次元造形装置。
3. 請求項１に記載の三次元造形装置において、
   前記検出部によって検出された前記付着物のサイズによって、該付着物に対する前記レーザーの照射回数及び照射位置が制御される、ことを特徴とする三次元造形装置。
4. 請求項３に記載の三次元造形装置において、
   前記検出された付着物のサイズが前記レーザー照射部により照射されるレーザーのスポット径より大きい場合、前記照射位置を変えて複数回の照射を行う、ことを特徴とする三次元造形装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元造形装置において、
   前記層形成部は、造形対象である三次元造形物の積層方向における外表面に対応する最終層の手前となる数層について形成される層の層厚は、前記数層より以前の層の層厚よりも小さい、ことを特徴とする三次元造形装置。
   

Images