JP7065351B2

JP7065351B2 - 三次元形状造形物の製造方法

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Description

本発明は、三次元形状造形物の製造方法に関する。より詳細には、本発明は、粉末層への光ビーム照射によって固化層を形成する三次元形状造形物の製造方法に関する。

光ビームを粉末材料に照射することを通じて三次元形状造形物を製造する方法（一般的には「粉末床溶融結合法」と称される）は、従来より知られている。かかる方法は、以下の工程（ｉ）および（ｉｉ）に基づいて粉末層および固化層を交互に繰り返して積層させることで三次元形状造形物を製造する。
（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射し、かかる所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程。
（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、同様に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程。

このような製造技術に従えば、複雑な三次元形状造形物を短時間で製造することが可能となる。粉末材料として無機質の金属粉末を用いる場合、得られる三次元形状造形物を金型として使用することができる。一方、粉末材料として有機質の樹脂粉末を用いる場合、得られる三次元形状造形物を各種モデルとして使用することができる。

粉末材料として金属粉末を用い、それによって得られる三次元形状造形物を金型として使用する場合を例にとる。図１１に示すように、まず、スキージング・ブレード２３を動かして造形プレート２１上に所定厚みの粉末層２２を形成する（図１１（ａ）参照）。次いで、粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射して粉末層２２から固化層２４を形成する（図１１（ｂ）参照）。引き続いて、得られた固化層の上に新たな粉末層を形成して再度光ビームを照射して新たな固化層を形成する。このようにして粉末層形成と固化層形成とを交互に繰り返し実施すると固化層２４が積層することになり（図１１（ｃ）参照）、最終的には積層化した固化層２４から成る三次元形状造形物を得ることができる。最下層として形成される固化層２４は造形プレート２１と結合した状態になるので、三次元形状造形物と造形プレート２１とは一体化物を成すことになり、その一体化物を金型として使用できる。

特開２００４－２７７８８１号公報

ここで、固化層形成時においては、粉末床溶融結合法での特有の現象が生じ得る。具体的には、固化層形成のために粉末層の所定箇所に光ビームを照射する際、光ビームの照射に起因していわゆるスパッタおよび/またはヒュームが生じ得る。本願発明者は、当該スパッタおよび/またはヒュームの挙動が粉末層の所定箇所の粉末の光ビームエネルギーの吸収量の程度によって変わり得ることを見出した。具体的には、粉末層の所定箇所における粉末の光ビームエネルギーの吸収量の程度によって、スパッタの数およびヒュームの量が相対的に多くなったり、スパッタのサイズが相対的に大きくなったりする。そのように相対的に多いスパッタの数およびヒュームの量、ならびに、相対的に大きいスパッタのサイズは、光ビーム照射を阻害し得ることになるので、所望の新たな固化層を好適に形成できず、最終的には高精度な三次元形状造形物を得ることができない虞がある。

本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものである。すなわち、本発明の主たる目的は、より高精度な三次元形状造形物を得ることが可能な三次元形状造形物の製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明では、
（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
により粉末層および固化層を交互に繰り返して積層させることで三次元形状造形物を製造する方法であって、
固化層の形成時において、光ビームが照射される被照射スポットの外観性状をモニタリングすることを更に含む、三次元形状造形物の製造方法が提供される。

本発明の製造方法では、より高精度な三次元形状造形物を得ることが可能である。

被照射スポットの外観性状をモニタリングする態様を模式的に示した断面図（図１（ａ）：ヒューム/スパッタ発生状態：通常時、図１（ｂ）：ヒューム/スパッタ発生状態：異常時）相対的に精度の高い固化部（固化層の構成要素）が形成される態様を模式的に示した断面図（図２（ａ）：光ビーム照射時、図２（ｂ）：粉末溶融開始、図２（ｃ）：ヒューム/スパッタ発生量小、図２（ｄ）：固化部形成）相対的に精度の低い固化部（固化層の構成要素）が形成される態様を模式的に示した断面図（図３（ａ）：光ビーム照射時、図３（ｂ）：粉末溶融開始、図３（ｃ）：ヒューム/スパッタ発生量大、図３（ｄ）：固化部形成）被照射スポットに生じる光の色の数値情報を得る態様を模式的に示した断面図同一層にて固化層の形成条件を途中で変える態様を模式的に示した断面図（図５（ａ）：光ビーム照射エネルギーの変更、図５（ｂ）：光ビームの走査速度の変更、図５（ｃ）：光ビーム照射のスポット径の変更）異なる層間で固化層の形成条件を変える態様を模式的に示した断面図（図６（ａ）：光ビーム照射エネルギーの変更、図６（ｂ）：光ビームの走査速度の変更、図６（ｃ）：光ビーム照射のスポット径の変更）好適な固化層を形成するための態様を模式的に示した断面図（図７（ａ）：光透過窓に付着した汚れの除去、図７（ｂ）：粉末層厚さの変更、図７（ｃ）：固化層上面に形成された隆起部の切削加工）照射条件１と照射条件２におけるＲ値、Ｇ値およびＢ値の平均濃淡値を比べたグラフ照射条件１と照射条件２におけるＲ値、Ｇ値およびＢ値の平均面積値を比べたグラフ照射条件３と照射条件４におけるＲ値、Ｇ値およびＢ値の平均面積値を比べたグラフ粉末床溶融結合法が実施される光造形複合加工のプロセス態様を模式的に示した断面図（図１１（ａ）：粉末層形成時、図１１（ｂ）：固化層形成時、図１１（ｃ）：積層途中）光造形複合加工機の構成を模式的に示した斜視図光造形複合加工機の一般的な動作を示すフローチャート

以下では、図面を参照して本発明の一実施形態をより詳細に説明する。図面における各種要素の形態および寸法は、あくまでも例示にすぎず、実際の形態および寸法を反映するものではない。

本明細書において「粉末層」とは、例えば「金属粉末から成る金属粉末層」を意味している。また「粉末層の所定箇所」とは、製造される三次元形状造形物の領域を実質的に指している。従って、かかる所定箇所に存在する粉末に対して光ビームを照射することによって、その粉末が焼結又は溶融固化して三次元形状造形物を構成することになる。

また、本明細書で直接的または間接的に説明される“上下”の方向は、例えば造形プレートと三次元形状造形物との位置関係に基づいている。具体的には、造形プレートを基準にして三次元形状造形物が製造される側を「上方向」とし、その反対側を「下方向」としている。

［粉末床溶融結合法］
まず、本発明の一実施形態の製造方法の前提となる粉末床溶融結合法について説明する。特に粉末床溶融結合法において三次元形状造形物の切削処理を付加的に行う光造形複合加工を例として挙げる。図１１は、光造形複合加工のプロセス態様を模式的に示しており、図１２および図１３は、粉末床溶融結合法と切削処理とを実施できる光造形複合加工機の主たる構成および動作のフローチャートをそれぞれ示している。

光造形複合加工機１は、図１２に示すように、粉末層形成手段２、光ビーム照射手段３および切削手段４を備えている。

粉末層形成手段２は、金属粉末を所定厚みで敷くことによって粉末層を形成するための手段である。光ビーム照射手段３は、粉末層の所定箇所に光ビームＬを照射するための手段である。切削手段４は、積層化した固化層の表面、すなわち、三次元形状造形物の表面を削るための手段である。

粉末層形成手段２は、図１１に示すように、粉末テーブル２５、スキージング・ブレード２３、造形テーブル２０および造形プレート２１を主に有して成る。粉末テーブル２５は、外周が壁２６で囲まれた粉末材料タンク２８内にて上下に昇降できるテーブルである。スキージング・ブレード２３は、粉末テーブル２５上の粉末１９を造形テーブル２０上へと供して粉末層２２を得るべく水平方向に移動できるブレードである。造形テーブル２０は、外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内にて上下に昇降できるテーブルである。そして、造形プレート２１は、造形テーブル２０上に配され、三次元形状造形物の土台となるプレートである。

光ビーム照射手段３は、図１２に示すように、光ビーム発振器３０およびガルバノミラー３１を主に有して成る。光ビーム発振器３０は、光ビームＬを発する機器である。ガルバノミラー３１は、発せられた光ビームＬを粉末層２２にスキャニングする手段、すなわち、光ビームＬの走査手段である。

切削手段４は、図１２に示すように、エンドミル４０および駆動機構４１を主に有して成る。エンドミル４０は、積層化した固化層の表面、すなわち、三次元形状造形物の表面を削るための切削工具である。駆動機構４１は、エンドミル４０を所望の切削すべき箇所へと移動させる手段である。

光造形複合加工機１の動作について詳述する。光造形複合加工機１の動作は、図１３のフローチャートに示すように、粉末層形成ステップ（Ｓ１）、固化層形成ステップ（Ｓ２）および切削ステップ（Ｓ３）から構成されている。粉末層形成ステップ（Ｓ１）は、粉末層２２を形成するためのステップである。かかる粉末層形成ステップ（Ｓ１）では、まず造形テーブル２０をΔｔ下げ（Ｓ１１）、造形プレート２１の上面と造形タンク２９の上端面とのレベル差がΔｔとなるようにする。次いで、粉末テーブル２５をΔｔ上げた後、図１１（ａ）に示すようにスキージング・ブレード２３を粉末材料タンク２８から造形タンク２９に向かって水平方向に移動させる。これによって、粉末テーブル２５に配されていた粉末１９を造形プレート２１上へと移送させることができ（Ｓ１２）、粉末層２２の形成が行われる（Ｓ１３）。粉末層２２を形成するための粉末材料としては、例えば「平均粒径５μｍ～１００μｍ程度の金属粉末」を挙げることができる。粉末層２２が形成されたら、固化層形成ステップ（Ｓ２）へと移行する。固化層形成ステップ（Ｓ２）は、光ビーム照射によって固化層２４を形成するステップである。かかる固化層形成ステップ（Ｓ２）においては、光ビーム発振器３０から光ビームＬを発し（Ｓ２１）、ガルバノミラー３１によって粉末層２２上の所定箇所へと光ビームＬをスキャニングする（Ｓ２２）。これによって、粉末層２２の所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させ、図１１（ｂ）に示すように固化層２４を形成する（Ｓ２３）。光ビームＬとしては、炭酸ガス光ビーム、Ｎｄ：ＹＡＧ光ビーム、ファイバ光ビームまたは紫外線などを用いてよい。

粉末層形成ステップ（Ｓ１）および固化層形成ステップ（Ｓ２）は、交互に繰り返して実施する。これにより、図１１（ｃ）に示すように複数の固化層２４が積層化する。

積層化した固化層２４が所定厚みに達すると（Ｓ２４）、切削ステップ（Ｓ３）へと移行する。切削ステップ（Ｓ３）は、積層化した固化層２４の表面、すなわち、三次元形状造形物の表面を削るためのステップである。エンドミル４０（図１１（ｃ）および図１２参照）を駆動させることによって切削ステップが開始される（Ｓ３１）。例えば、エンドミル４０が３ｍｍの有効刃長さを有する場合、三次元形状造形物の高さ方向に沿って３ｍｍの切削処理を行うことができるので、Δｔが０．０５ｍｍであれば６０層分の固化層２４が積層した時点でエンドミル４０を駆動させる。具体的には駆動機構４１によってエンドミル４０を移動させながら、積層化した固化層２４の表面を切削処理に付すことになる（Ｓ３２）。このような切削ステップ（Ｓ３）の最終では、所望の三次元形状造形物が得られているか否かを判断する（Ｓ３３）。所望の三次元形状造形物が依然得られていない場合では、粉末層形成ステップ（Ｓ１）へと戻る。以降、粉末層形成ステップ（Ｓ１）～切削ステップ（Ｓ３）を繰り返し実施して更なる固化層の積層化および切削処理を実施することによって、最終的に所望の三次元形状造形物が得られる。

［本発明の製造方法］
本発明は、上述の粉末床溶融結合法において固化層の形成態様に特徴を有している。

具体的には、本発明では、図１に示すように固化層２４の形成時において、光ビームＬが照射される被照射スポット５０の外観性状をモニタリングする。

本明細書における「被照射スポット５０」とは、広義には、光ビームＬが照射される領域およびその周縁領域を含む局所的領域を指し、狭義には、光ビームＬが照射される領域および当該領域の略上方の空間領域を指す。本明細書における「外観性状」とは、外部から観察される所定部分の色、輝度、および大きさを指す。本明細書における「モニタリング」とは、被照射スポットの外観性状を外部から観察または監視することを指す。また、本明細書における「光ビームが照射される領域（光ビーム照射領域に相当）」とは、光ビームが照射される粉末層の所定箇所を実質的に指す。

本願発明者は、粉末層２２の所定箇所への光ビームＬの照射に起因して生じ得るスパッタ６０および/またはヒューム７０の挙動が粉末層２２の所定箇所の粉末１９の光ビームエネルギーの吸収量の程度によって変わり得ることを見出した。より具体的には、本願発明者は、スパッタ６０および/またはヒューム７０の挙動が粉末層２２の所定箇所の粉末１９の光ビームエネルギーの吸収量の程度によって変わり得ると共に、それに対応して被照射スポット５０の外観性状も変わり得ることを見出した。これにつき詳述する。

スパッタ６０の数が相対的に少なく、又スパッタ６０のサイズが相対的に小さい場合（図１（ａ）参照）、又はスパッタが発生していない場合は、そうでない場合（図１（ｂ）参照）と比べて被照射スポット５０の外観性状は異なり得る。つまり、スパッタ６０の数が相対的に多く、又スパッタ６０のサイズが相対的に大きいと、被照射スポット５０の外観性状がそうでない場合と比べて異なることになる。同様にして、ヒューム７０の量が相対的に少ない場合（図１（ａ）参照）、又はヒューム７０が発生していない場合は、そうでない場合（図１（ｂ）参照）と比べて被照射スポット５０の外観性状は異なり得る。つまり、ヒューム７０の量が相対的に多いと、被照射スポット５０の外観性状がそうでない場合と比べて異なることになる。

そこで、当該被照射スポット５０の外観性状をモニタリングし、当該外観性状の変化を確認することができれば、スパッタ６０および/またはヒューム７０の挙動変化を把握することができる。具体的には、被照射スポット５０の外観性状に変化がみられる場合では、スパッタの変化（特に、スパッタ６０の数がより多く発生する、または、サイズがより大きいスパッタ６０が発生するといった現象）が生じていることを間接的に把握できる。同様にして、被照射スポット５０の外観性状に変化がみられる場合には、ヒュームの変化（特に、ヒューム７０の量がより多く発生する現象）が生じていることを間接的に把握することができる。かかる把握によって、粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを好適に照射するための対応をとることができるので、所望の固化層をより好適に形成できる。従って、最終的にはより高精度な三次元形状造形物を得ることができる。

本発明では、上述のように、局所的な領域である被照射スポット５０の外観性状の変化に基づいて、スパッタ６０および/またはヒューム７０の挙動変化をより好適に把握できる。かかる挙動変化の把握は局所的な領域である被照射スポット５０の外観性状の変化のみを確認できれば可能である。これは広範な確認が必要ないことを意味している。つまり、スパッタ６０および/またはヒューム７０は光ビームＬの照射後に所定時間の経過を伴って広範囲に拡がる性質を一般に有し得るところ、本発明では、そのように広範囲に拡がるスパッタ６０および/またはヒューム７０の全体を確認する必要がない。したがって、本発明は、光ビームＬの好適な照射の対応を、スパッタ６０および/またはヒューム７０の挙動を直接確認する場合と比べて迅速にとることが可能となる。

本発明では、被照射スポット５０の外観性状として、被照射スポット５０に生じる光の色をモニタリングしてよい。

上述したように、スパッタ６０および/またはヒューム７０の挙動が粉末層２２の所定箇所の粉末１９の光ビームエネルギーの吸収量の程度によって変わる場合では、これに対応して被照射スポット５０の外観性状も変わることになる。特に、本願発明者らは、スパッタ６０および/またはヒューム７０の挙動が粉末層２２の所定箇所の粉末１９の光ビームエネルギーの吸収量の程度によって変わる場合、被照射スポット５０に生じる光の色が変わり得ることを見出した（図１参照）。

なお、特定の理論に拘束されるものではないが、被照射スポット５０に生じる光の色自体は、例えば粉末層２２の所定箇所に光ビームＬが照射される際に生じ得るガスおよび/または粉末層２２の所定箇所に光ビームＬが照射されて形成され得る溶融物８０に起因して発生するものと考えられ得る。

以下、より精度の高い固化部（固化層の構成要素）を形成する態様を図面を参照しながら説明する（図２参照）。

まず、新たに形成した粉末層２２の所定箇所へ光ビームＬの照射を開始すると（図２（ａ）参照）、光ビームＬの照射領域５１に位置する粉末１９が当該光ビームＬの照射熱により溶融する（図２（ｂ）参照）。本態様では、光ビームＬの照射を継続すると、粉末層２２の所定箇所の粉末１９が光ビームＬのエネルギーを好適に吸収し得る。そのため、光ビームＬの照射領域５１内の粉末１９に近接する粉末および光ビームＬの照射領域５１の下方に位置する固化層２４（母材に相当）が光ビームＬの照射熱により好適に溶融し、表面張力によって略球形状の粉末１９の溶融物８０が形成され得る（図２（ｃ）参照）。本態様では、溶融物８０が形成され得る場合、粉末層２２の所定箇所の粉末１９が光ビームＬのエネルギーを好適に吸収し得ることに起因して、光ビームＬの照射に起因して生じ得るスパッタ６０の数およびヒューム７０の量は相対的に少なく、スパッタ６０のサイズは相対的に小さくなっている。この時、光ビームＬの照射領域５１およびその周縁領域５２から構成される被照射スポット５０内に所定の色を呈する光が生じ得る。次いで、略球形状の溶融物８０は母材となる固化層２４上に濡れ拡がり、濡れ拡がった溶融物８０が冷却固化する。以上により、粉末層２２の所定箇所の粉末１９が光ビームエネルギーを好適に吸収することに起因して、より精度の高い固化層の構成要素である固化部２４ａが形成され得る（図２（ｄ）参照）。従って、かかる固化部２４ａから形成される新たな固化層をより精度の高いものとすることができ得る。

次に、図２に示す態様と比べて、精度の低い固化部（固化層の構成要素）が形成される態様について具体的に説明する（図３参照）。

まず、新たに形成した粉末層２２の所定箇所へ光ビームＬの照射を開始すると（図３（ａ）参照）、光ビームＬの照射領域５１に位置する粉末１９が当該光ビームＬの照射熱により溶融する（図３（ｂ）参照）。本態様では、図２に示す態様と比べて光ビームＬの照射を継続すると、粉末層２２の所定箇所の粉末１９が光ビームＬのエネルギーを好適には吸収しにくいものとなっている。そのため、光ビームＬの照射領域５１の下方に位置する固化層２４（母材に相当）が光ビームＬの照射熱により加熱されにくく、好適には溶融しない。その結果、これに起因して表面張力により形成され得る略球形状の粉末１９の溶融物８０’は、図２（ｃ）に示す溶融物８０と比べて既に形成した固化層２４の領域内に形成されにくくなっている（図３（ｃ）参照）。本態様では、溶融物８０’が形成され得る場合、粉末層２２の所定箇所の粉末１９が光ビームＬのエネルギーを好適には吸収しないことに起因して、光ビームＬの照射に起因して生じ得るスパッタ６０’の数およびヒューム７０’の量は相対的に多く、スパッタ６０’のサイズは相対的に大きくなっている。この時、光ビームＬの照射領域５１およびその周縁領域５２から構成される被照射スポット５０内には図２に示す態様における所定の色とは異なる色の光が生じ得る。次いで、略球形状の溶融物８０’は母材となる固化層２４上に濡れ拡がり、濡れ拡がった溶融物８０’が冷却固化する。以上により、粉末層２２の所定箇所の粉末１９が光ビームエネルギーを好適には吸収しないことに起因して、相対的に精度の低い固化層の構成要素である固化部２４ａ’が形成され得る（図３（ｄ）参照）。従って、かかる固化部２４ａ’から形成される新たな固化層を相対的に精度の低いものとなり得る。

以上の事からも、スパッタ６０、６０’および/またはヒューム７０、７０’（図２（ｃ）および図３（ｃ）参照）の挙動が粉末層２２の所定箇所の粉末１９の光ビームエネルギーの吸収量の程度により変わり得る場合において、これに対応して被照射スポット５０に生じる光の色も変わり得る。従って、当該被照射スポット５０に生じる光の色をモニタリングし当該光の色の変化を確認できれば、スパッタおよび/またはヒュームの挙動が変化し得ることを好適に把握することができ得る。これにより、被照射スポット５０の光の色の変化からスパッタおよび/またはヒュームの挙動に対応した好適な対応を行うことができ得る。

本発明の一態様では、被照射スポットに生じる光の色を撮影し、撮影した光の色の画像データから光の色に関する数値情報を得てよい（図４参照）。

上述したように、スパッタおよび/またはヒュームの挙動が粉末層の所定箇所の粉末の光ビームエネルギーの吸収量の程度によって変わり得る場合では、これに対応して被照射スポットに生じる光の色が変わり得る。本態様では、当該被照射スポットに生じる光の色に関する情報を数値化する。かかる数値化により、被照射スポットに生じる光の色に関して定量的評価を行うことができ、当該光の色に関する評価についてより高い精度を達成することができる。

例えば、図４に示すようにデジタルカメラ、ＲＧＢカメラ、赤外線カメラおよび/又はＣＣＤカメラ等を内蔵した撮影手段９０を用いて、三次元形状造形物の構成要素である固化層２４の形成領域の近傍に配置したサンプル部材１００’の被照射スポット５０’内に生じ得る光の色を撮影する。撮影後、撮影した光の色の画像データからコンピュータ装置１１０を介して当該光の色に関する数値情報を得てよい。なお、これに限定されず、撮影した光の色の発光スペクトルを分光測色計等を用いて算出し、コンピュータ装置１１０を介して当該光の色に関する数値情報を得てもよい。かかる数値情報を得ることができれば、被照射スポット５０’内に生じ得る光の色に関する数値情報の変化からスパッタ６０および/またはヒューム７０の挙動が変化し得ることをより好適に把握することができる。これにより、サンプル部材１００’の被照射スポット５０’内に生じ得る光の色に関する数値情報の変化から予測して、三次元形状造形物の構成要素である既に形成した最上部の固化層２４上に新たな固化層を形成する際に生じ得るスパッタ（図示せず）および/またはヒューム（図示せず）の挙動の変化に対応した好適な対応をとることができる。

また、本発明の一態様では、被照射スポットの外観性状に応じて、同一層にて固化層の形成条件を途中で変えてよい（図５参照）。

本態様では、新たな固化層形成途中で被照射スポットの外観性状に変化が生じていれば、例えばスパッタの数およびヒュームの量が相対的に多くスパッタのサイズが相対的に大きくなり得ると判断し、当該層の形成途中で形成条件を変更する。スパッタの数およびヒュームの量が相対的に多くスパッタのサイズが相対的に大きくなり得ると、新たな粉末層の所定箇所に光ビームを好適に照射できず、新たな単一の固化層を好適に形成できない虞があるところ、同一層にて新たな単一の固化層の形成途中で形成条件を敢えて変更することで、当該新たな単一の固化層を全体として好適に形成することが可能となり得る。

例えば、図５に示すように既に形成した最直近の固化層２４Ａ上に新たな粉末層２２を形成し、当該新たな粉末層２２の所定箇所に光ビームＬを照射して、新たな単一の固化層２４Ｂを形成する場合を例にとる。この場合、図５に示すように同一層にて新たな単一の固化層２４Ｂの形成途中で被照射スポット５０の外観性状、例えば被照射スポット５０に生じる光の色をモニタリングし、当該外観性状が変化しているか否かの確認を行う。

当該外観性状が変化している場合、例えばスパッタの数およびヒュームの量が相対的に多くスパッタのサイズが相対的に大きくなり得ると判断してよい。当該判断後、新たな単一の固化層２４Ｂが全体として最終的に好適に形成されるように、同一層にて新たな単一の固化層２４Ｂの形成途中で例えば光ビームＬの照射条件を好適に変更してよい。

特に限定されるものではないが、図５（ａ）に示すように新たな単一の固化層２４Ｂを全体として好適に形成するために、例えば同一層にて新たな単一の固化層２４Ｂの形成途中で光ビームＬの照射エネルギーを大きくしてよい。また、これに限定されることなく、図５（ｂ）に示すように新たな単一の固化層２４Ｂを全体として好適に形成するために、例えば同一層にて新たな単一の固化層２４Ｂの形成途中で光ビームＬの走査速度を遅くしてよい。また、これに限定されることなく、図５（ｃ）に示すように新たな単一の固化層２４Ｂを全体として好適に形成するために、例えば同一層にて新たな単一の固化層２４Ｂの形成途中で光ビームＬのスポット径を小さくしてよい。

本発明の一態様では、被照射スポットの外観性状に応じて、異なる層間で固化層の形成条件を変えてよい（図６参照）。

本態様では、ｎ－１層目の固化層の形成段階で被照射スポットの外観性状に変化が生じていれば、例えばスパッタの数およびヒュームの量が相対的に多くスパッタのサイズが相対的に大きくなり得ると判断し、ｎ層目以降の固化層を形成するための形成条件を変更する。なお、上述の態様では、同一層において新たな単一の固化層の形成条件を敢えて途中で変更するのに対して、本態様では、ｎ層目以降の固化層の形成条件をｎ－１層目の固化層の形成条件と敢えて変える点で、上述の態様と本態様とは異なり得る。スパッタの数およびヒュームの量が相対的に多くスパッタのサイズが相対的に大きくなり得ると、新たな粉末層の所定箇所に光ビームを好適に照射できず、新たなｎ層目以降の固化層を好適に形成できない虞があるところ、新たなｎ層目以降の固化層の形成条件をｎ－１層目の固化層の形成条件と敢えて異ならせることで、当該新たなｎ層目以降の固化層を好適に形成することが可能となり得る。

例えば、図６に示すように既に形成した最直近の固化層２４Ａ上に固化層２４Ｂを形成し、当該固化層２４Ｂ上に新たな固化層２４Ｃを更に形成する場合を例にとる。この場合、図６に示すように固化層２４Ｂの形成途中で被照射スポット５０の外観性状、例えば被照射スポット５０に生じる光の色をモニタリングし、当該外観性状が変化しているか否かの確認を行う。

当該外観性状が変化している場合、例えばスパッタの数およびヒュームの量が相対的に多くスパッタのサイズが相対的に大きくなり得ると判断してよい。当該判断後、被照射スポット５０の外観性状のモニタリングを行った固化層２４Ｂ上に新たに固化層２４Ｃが全体として好適に形成されるように、固化層２４Ｂを形成するための光ビームＬの照射条件と比べて新たな固化層２４Ｃを形成するための光ビームＬの照射条件を好適に変更してよい。

特に限定されるものではないが、図６（ａ）に示すように新たな固化層２４Ｃを好適に形成するために、固化層２４Ｂを形成するための光ビームＬの照射エネルギーと比べて新たな固化層２４Ｃを形成するための光ビームＬの照射エネルギーを大きくしてよい。また、これに限定されることなく、図６（ｂ）に示すように新たな固化層２４Ｃを好適に形成するために、固化層２４Ｂの形成時の光ビームＬの走査速度と比べて新たな固化層２４C形成時の光ビームＬの走査速度を遅くしてよい。また、これに限定されることなく、図６（ｃ）に示すように新たな固化層２４Cを好適に形成するために、固化層２４Ｂの形成時の光ビームＬのスポット径と比べて新たな固化層２４C形成時の光ビームＬのスポット径を小さくしてよい。

なお、上記態様に限定されず、例えば固化層を好適に形成するために下記態様をとってもよい。

上述のように被照射スポットの外観性状にモニタリングする過程で変化が生じた場合、スパッタの数およびヒュームの量が相対的に多くスパッタのサイズが相対的に大きくなり得る現象が実質的に発生している。

かかる現象が発生すると、図７（ａ）に示すように光ビームを通すための光透過窓１２０に特にヒュームに起因した汚れ１３０が付着し得る。そのため、光透過窓１２０の汚れ１３０に起因して光透過窓１２０を介して粉末層の所定箇所に光ビームを好適に照射できない虞があり得る。

そこで、一態様では、図７（ａ）に示すように例えばエアスプレー１４０を用いて汚れ１３０が付着した光透過窓１２０に向かってエア１５０を吹き付けてよい。かかる吹き付けにより、光透過窓１２０に付着した汚れ１３０を好適に吹き飛ばすことができ得る。これにより、光透過窓１２０に汚れ１３０が付着していないため、光透過窓１２０を介して粉末層の所定箇所に光ビームを好適に照射することができ、それにより所望の固化層を好適に形成でき得る。

上述のように被照射スポットの外観性状がモニタリングする過程で変化が生じた場合、スパッタの数およびヒュームの量が相対的に多くスパッタのサイズが相対的に大きくなり得る現象が実質的に発生している。かかる現象が発生すると、新たな粉末層の所定箇所に光ビームを好適に照射できない虞があり得る。

そこで、一態様では、図７（ｂ）に示すように、例えばスキージング・ブレード２３を用いて既に形成した最上部の固化層２４に敷く新たな粉末層２２の厚さをＬ_１からＬ_２（＜Ｌ_１）へと小さくしてよい。新たな粉末層２２の厚さを小さくすると、当該厚さを小さくする前と比べて厚さが小さくなったことに起因して粉末層２２の所定箇所に光ビームの照射エネルギーを伝え易くなり得る。そのため、所望の固化層を好適に形成でき得る。

また、上述のように被照射スポットの外観性状がモニタリングする過程で変化が生じた場合、スパッタの数およびヒュームの量が相対的に多くスパッタのサイズが相対的に大きくなり得る現象が実質的に発生している。かかる現象が発生すると、新たな粉末層の所定箇所に光ビームを好適に照射できない虞があり得る。そのため、図７（ｃ）に示すように、既に形成した最上部の固化層２４の上面に光ビームを好適に照射できなかったことに起因して隆起部１６０が生じやすくなり得る。

そこで、一態様では、図７（ｃ）に示すように、例えばエンドミル４０を用いて、既に形成した最上部の固化層２４の上面に生じた隆起部１６０を切削加工に付してよい。切削加工を付すと、当該固化層２４の上面を平坦状にすることができ得る。そのため、次なる新たな粉末層２２を当該平坦状の固化層２４の上面上に敷くことができ得るため、それに起因して所望の固化層を好適に形成でき得る。

以下、本発明の一実施形態の実施例について説明する。

（実施例１）
チャンバー外から被照射スポットの外観性状をモニタリングした。具体的には、チャンバー外から被照射スポットに生じる光の色の動画をデジタルカメラ（画素数：２０７万画素、フレーム率：２９ｆｐｓ）を用いて撮影した。なお、本実施例では、被照射スポット領域における照射条件を以下の２つの条件に場合分けした。

・照射条件１（低速・高照射エネルギー条件）
走査速度：２１５ｍｍ/ｓ、照射エネルギー密度：９９．２Ｊ/ｍｍ^３

・照射条件２（高速・低照射エネルギー条件）
走査速度：２５０ｍｍ/ｓ、照射エネルギー密度：７３．１Ｊ/ｍｍ^３

照射条件１および照射条件２それぞれにおいて同一走査方向での静止画を２～３枚抜き取った。静止画を抜き取った後、抜き取った各カラー静止画像をＲＧＢ画像にそれぞれ処理変換した。ＲＧＢ画像に処理変換後、各ＲＧＢ画像について閾値２５以上の最大ブロブにおける濃淡値をそれぞれ算出した。各濃淡値を算出後、各濃淡値から平均濃淡値を算出した。

その結果を図８に示す。

図８に示すように、照射条件１と照射条件２におけるＲ値、Ｇ値およびＢ値の平均濃淡値をそれぞれ比較すると、Ｒ値の平均濃淡値は共に約２５５で略同一であり、Ｇ値の平均濃淡値は共に約２２０で略同一であった。これに対して、照射条件１におけるＢ値の平均濃淡値は約１６０であったのに照射条件２におけるＢ値の平均濃淡値は約１１５であった。つまり、照射条件２におけるＢ値の平均濃淡値は照射条件１におけるＢ値の平均濃淡値の約０．７倍となっていることが分かった。なお、照射条件１におけるＢ値の平均濃淡値と照射条件２におけるＢ値の平均濃淡値との間に違いがある場合、すなわち照射条件１における被照射スポットに生じる光の色と照射条件２における被照射スポットに生じる光の色との間に違いがある場合、照射条件１におけるスパッタの数、大きさおよびヒュームの量と、照射条件２におけるスパッタの数、大きさおよびヒュームの量との間に違いが生じていた。

以上の事から、撮影手段としてデジタルカメラを用いる場合において、照射条件の違いによりスパッタの数、大きさおよびヒュームの量に違いが生じている場合、それに対応して被照射スポットに生じる光の色に関するＢ値の平均濃淡値に違いが生じていることが分かった。

（実施例２）
チャンバー外から被照射スポットの外観性状をモニタリングした。具体的には、チャンバー外から被照射スポットに生じる光の色の動画をデジタルカメラ（画素数：２０７万画素、フレーム率：２９ｆｐｓ）を用いて撮影した。なお、本実施例では、被照射スポット領域における照射条件を以下の２つの条件に場合分けした。

・照射条件１（照射エネルギー大）
走査速度：２１５ｍｍ/ｓ、照射エネルギー密度：９９．２Ｊ/ｍｍ^３

・照射条件２（照射エネルギー小）
走査速度：２５０ｍｍ/ｓ、照射エネルギー密度：７３．１Ｊ/ｍｍ^３

照射条件１および照射条件２それぞれにおいて同一走査方向での静止画を２～３枚抜き取った。静止画を抜き取った後、抜き取った各カラー静止画像をＲＧＢ画像にそれぞれ処理変換した。ＲＧＢ画像に処理変換後、各ＲＧＢ画像について閾値２５以上の最大ブロブにおける面積値をそれぞれ算出した。各面積値を算出後、各面積値から平均面積値を算出した。

その結果を図９に示す。

図９に示すように、照射条件１と照射条件２におけるＲ値、Ｇ値およびＢ値の平均面積値をそれぞれ比較した。まず、図９に示すように、照射条件１におけるＲ値の平均面積値は約３２０００であるのに対して照射条件２におけるＲ値の平均面積値は約３００００であった。つまり、照射条件１におけるＲ値の平均面積値と照射条件２におけるＲ値の平均面積値との差に相対的に大きな変化はなかった。

一方、図９に示すように、照射条件１におけるＧ値の平均面積値は約５１０００であるのに対して照射条件２におけるＧ値の平均面積値は約６３５００であった。つまり、照射条件２におけるＧ値の平均面積値は照射条件１におけるＧ値の平均面積値の約１．２５倍となっていることが分かった。更に、図９に示すように、照射条件１におけるＢ値の平均面積値は約２００００であるのに対して照射条件２におけるＢ値の平均面積値は約５５０００であった。つまり、照射条件２におけるＢ値の平均面積値は照射条件１におけるＢ値の平均面積値の約２．７５倍となっていることが分かった。なお、照射条件１におけるＧ値およびＢ値の平均面積値と照射条件２におけるＧ値およびＢ値の平均面積値との間に違いがある場合、すなわち照射条件１における被照射スポットに生じる光の大きさと照射条件２における被照射スポットに生じる光の大きさとの間に違いがある場合、照射条件１におけるスパッタの数、大きさおよびヒュームの量と、照射条件２におけるスパッタの数、大きさおよびヒュームの量との間に違いが生じていた。

以上の事から、撮影手段としてデジタルカメラを用いる場合において、照射条件の違いによりスパッタの数、大きさおよびヒュームの量に違いが生じている場合、それに対応して被照射スポットに生じる光の大きさに関するＧ値およびＢ値の平均面積値に違いが生じていることが分かった。

（実施例３）
チャンバー外から被照射スポットの外観性状をモニタリングした。具体的には、チャンバー外から被照射スポットに生じる光の色の動画をＲＧＢカメラ（画素数：５００万画素、フレーム率：２０ｆｐｓ、レンズ焦点距離：７５ｍｍ、Ｆ値：１６）を用いて撮影した。なお、本実施例では、被照射スポット領域における照射条件を以下の２つの条件に場合分けした。

・照射条件３（照射エネルギー大）
レーザ出力：３２０Ｗ、スポット径：０．３ｍｍ、走査速度：３００ｍｍ/ｓ、照射エネルギー密度：６１．０Ｊ/ｍｍ^３

・照射条件４（照射エネルギー小）
レーザ出力：１６０Ｗ、スポット径：０．１ｍｍ、走査速度：３００ｍｍ/ｓ、照射エネルギー密度：６１．０Ｊ/ｍｍ^３

照射条件３および照射条件４それぞれにおいて同一走査方向での静止画を２～３枚抜き取った。静止画を抜き取った後、抜き取った各カラー静止画像をＲＧＢ画像にそれぞれ処理変換した。ＲＧＢ画像に処理変換後、各ＲＧＢ画像について閾値２５以上の最大ブロブにおける面積値をそれぞれ算出した。各面積値を算出後、各面積値から平均面積値を算出した。

その結果を図１０に示す。

図１０に示すように、照射条件３と照射条件４におけるＲ値、Ｇ値およびＢ値の平均面積値をそれぞれ比較した。まず、図１０に示すように、照射条件３におけるＲ値の平均面積値は約２８０００であるのに対して照射条件４におけるＲ値の平均面積値は約６５００であった。つまり、つまり、照射条件４におけるＲ値の平均面積値は照射条件３におけるＲ値の平均面積値の約０．２３倍となっていることが分かった。

また、図１０に示すように、照射条件３におけるＧ値の平均面積値は約１７５００であるのに対して照射条件４におけるＧ値の平均面積値は約４０００であった。つまり、照射条件４におけるＧ値の平均面積値は照射条件３におけるＧ値の平均面積値の約０．２３倍となっていることが分かった。更に、図１０に示すように、照射条件３におけるＢ値の平均面積値は約４０００であるのに対して照射条件４におけるＢ値の平均面積値は約９００であった。つまり、照射条件４におけるＢ値の平均面積値は照射条件３におけるＢ値の平均面積値の約０．２３倍となっていることが分かった。なお、照射条件３におけるＧ値およびＢ値の平均面積値と照射条件４におけるＧ値およびＢ値の平均面積値との間に違いがある場合、すなわち照射条件３における被照射スポットに生じる光の大きさと照射条件４における被照射スポットに生じる光の大きさとの間に違いがある場合、照射条件３におけるスパッタの数、大きさおよびヒュームの量と、照射条件４におけるスパッタの数、大きさおよびヒュームの量との間に違いが生じていた。

以上の事から、撮影手段としてＲＧＢカメラを用いる場合において、照射条件の違いによりスパッタの数、大きさおよびヒュームの量に違いが生じている場合、それに対応して被照射スポットに生じる光の大きさに関するＧ値およびＢ値の平均面積値に違いが生じていることが分かった。

以上、本発明の一実施形態について説明してきたが、本発明の適用範囲のうちの典型例を例示したに過ぎない。従って、本発明はこれに限定されず、種々の改変がなされ得ることを当業者は容易に理解されよう。

１９粉末
２２粉末層
２４固化層
２４Ａ固化層
２４Ｂ固化層
２４Ｃ固化層
５０被照射スポット
５０’ 被照射スポット
６０スパッタ
６０’ スパッタ
７０ヒューム
７０’ ヒューム
１００三次元形状造形物
Ｌ光ビーム

Claims

（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、該新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
により粉末層および固化層を交互に繰り返して積層させることで三次元形状造形物を製造する方法であって、
前記固化層の形成時において、前記光ビームが照射される被照射スポットの外観性状をモニタリングすることを更に含み、前記外観性状として前記被照射スポットに生じる光の色を前記モニタリングし、前記モニタリングにおいて、前記光の前記色を撮影し、該撮影した該光の該色の画像データから該光の該色に関する数値情報を得る、三次元形状造形物の製造方法。
前記被照射スポットの前記外観性状に応じて、同一層にて前記固化層の形成条件を途中で変える、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記被照射スポットの前記外観性状に応じて、異なる層間で前記固化層の形成条件を変える、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
前記被照射スポットの前記外観性状に基づき、前記光ビームの照射時におけるスパッタおよびヒュームの少なくとも一方の挙動を把握する、請求項１～３のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。