JP6087328B2 - 積層造形装置 - Google Patents

Description

この発明は、積層造形装置に関する。

レーザ光による金属の積層造形においては、上下方向に移動可能な造形テーブル上に非常に薄い材料粉体層を形成し、この材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して照射位置の材料粉体を焼結させる工程を繰り返すことによって、所望の造形物を形成する。

このような積層造形を行うための積層造形装置には、数多くの熱源が存在しており、この熱源からの熱によって種々の部材に熱変位が生じ、その結果、レーザ光の照射位置にずれが発生してしまう場合がある。

特許文献１では、このようなずれの補正を行うために、造形領域に隣接した位置に基準マークを設定し、スキャン光学系を通じて造形開始前と造形途中に基準マークを計測することによって位置ずれの補正を行っている。また、基準マークの計測を行うために、計測時に移動機構を用いて撮像部を移動させて光路中に挿入したり、ハーフミラーを常時光路中に配置しておいてハーフミラーで光を撮像部に導くという構成が採用されている。

特許第３７７０２０６号公報

しかし、特許文献１の方法は、移動機構を用いる場合には移動機構自体の熱変位のために補正の精度が低下するという問題があり、ハーフミラーを挿入する方法ではハーフミラーによるレーザ光の減衰などの問題がある。さらに、基準マークの位置が撮像部から離れているために高精度の補正を行うことが難しい。さらに、基準マーク自体は発光しないので、基準マークの観察には照明手段を別途準備する必要があり、装置コストの上昇に繋がる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、安価に高精度にレーザ光の照射位置の補正を行うことが可能な積層造形装置を提供するものである。

本発明によれば、所要の造形領域を覆い且つ所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバと、前記造形領域上に形成される材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して照射位置の材料粉体を焼結させるレーザ光照射部と、前記造形領域に隣接して配置された撮像部と、前記レーザ光の照射位置を補正する補正手段を備え、前記補正手段は、前記レーザ光の照射位置として前記撮像部上の所定の点の座標を入力したときの前記レーザ光又はこれと略同一光軸のガイド光の実際の照射位置を前記撮像部で検出し、検出された前記照射位置の経時変化に基づいて前記レーザ光の照射位置を補正するように構成される、積層造形装置が提供される。

本発明では、造形領域に隣接して配置された撮像部を用いて、レーザ光又はこれと同一光軸のガイド光の照射位置を検出し、その経時変化に基づいてレーザ光の照射位置の補正を行う。この方法によれば、レーザ光又はガイド光を直接観察するので別の照明手段が不要であり、且つ造形領域に隣接した位置に撮像部が配置されるので高解像度でレーザ光又はガイド光の照射位置のずれを検出することができる。従って、本発明によれば、安価に高精度にレーザ光の照射位置の補正を行うことが可能になる。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記撮像部は、前記造形領域に隣接し且つ互いに離間された複数箇所に配置され、前記補正手段は、前記複数の撮像部のそれぞれが検出した照射位置の経時変化に基づいて前記レーザ光の照射位置を補正するように構成される。
好ましくは、前記レーザ光照射部は、レーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を二次元走査する一対のガルバノスキャナを備え、前記撮像部は、前記ガルバノスキャナの回転角度制御信号を前記所定座標に対応する値にした状態で前記レーザ光又はガイド光の照射位置を検出するように構成される。
好ましくは、前記撮像部は、積層造形開始前と積層造形途中に前記レーザ光又はガイド光の照射位置を検出するように構成される。
好ましくは、前記撮像部は、半透明板を介して前記レーザ光又は前記ガイド光が入射するように構成されている。

本発明の一実施形態の積層造形装置の概略構成図である。 粉体層形成装置３及びレーザ光照射部１３の斜視図である。 リコータヘッド１１の斜視図である。 リコータヘッド１１の別の角度から見た斜視図である。 本発明の一実施形態の積層造形装置を用いた積層造形方法において、積層造形の開始前にレーザ光Ｌ及びガイド光Ｇの照射位置を検出する工程の説明図である。 粉体層形成装置３及びレーザ光照射部１３の、図５に対応する斜視図である。 本発明の一実施形態の積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 本発明の一実施形態の積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。 レーザ光Ｌ及びガイド光Ｇの照射位置の位置ずれの説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。

図１〜図２に示すように、本発明の一実施形態の積層造形装置は、所要の造形領域Ｒを覆い且つ所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバ１と、造形領域Ｒ上に形成される材料粉体層８の所定箇所にレーザ光Ｌを照射して照射位置の材料粉体を焼結させるレーザ光照射部１３を備える。

チャンバ１内には、粉体層形成装置３が設けられる。粉体層形成装置３は、造形領域Ｒを有するベース４と、ベース４上に配置され且つ水平１軸方向（矢印Ｂ方向）に移動可能に構成されたリコータヘッド１１と、リコータヘッド１１の移動方向に沿って造形領域Ｒの両側に設けられた細長部材９ｒ，９ｌとを備える。造形領域Ｒには、駆動機構３１によって駆動されて上下方向（図１の矢印Ａ方向）に移動可能な造形テーブル５が設けられる。積層造形装置の使用時には、造形テーブル５上に造形プレート７が配置され、その上に材料粉体層８が形成される。また、造形領域Ｒに隣接して撮像部４１が配置されている。撮像部４１は、造形領域Ｒを挟んで対向するように２箇所に設置されている。撮像部４１は、半透明板（図示せず）を介してレーザ光が入射するように構成されている。撮像部４１は、例えばＣＣＤカメラで構成され、レーザ光Ｌ又はこれと同一光軸のガイド光Ｇの照射位置を検出してその照射位置のずれを補正するために用いられる。半透明板は、レーザ光Ｌ又はガイド光Ｇを減衰させることによってレーザ光Ｌ又はガイド光Ｇによる撮像部４１の損傷を防ぐ機能を有する。半透明板は、不要な場合には省略可能である。

造形テーブル５を取り囲むように粉体保持壁２６が設けられており、粉体保持壁２６と造形テーブル５によって囲まれる粉体保持空間に未焼結の材料粉体が保持される。粉体保持壁２６の下側には、粉体保持空間内の材料粉体を排出可能な粉体排出部２７が設けられ、積層造形の完了後に、造形テーブル５を降下させることによって、未焼結の材料粉体が粉体排出部２７から排出され、排出された材料粉体は、シューターガイド２８によってシューター２９に案内され、シューター２９を通じてバケット３０に収容される。

リコータヘッド１１は、図２〜図４に示すように、材料収容部１１ａと、材料収容部１１ａの上面に設けられた材料供給部１１ｂと、材料収容部１１ａの底面に設けられ且つ材料収容部１１ａ内の材料粉体を排出する材料排出部１１ｃとを備える。材料排出部１１ｃは、リコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に直交する水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に延びるスリット形状である。リコータヘッド１１の両側面には材料排出部１１ｃから排出された材料粉体を平坦化して材料粉体層８を形成するスキージングブレード１１ｆｂ，１１ｒｂが設けられる。また、リコータヘッド１１の両側面には、材料粉体の焼結時に発生するヒュームを吸引するヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓが設けられる。ヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓは、リコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に直交する水平１軸方向（矢印Ｃ方向）に沿って設けられる。材料粉体は、例えば、金属粉（例：鉄粉）であり、例えば平均粒径２０μｍの球形である。

細長部材９ｒ，９ｌにはそれぞれリコータヘッド１１の移動方向（矢印Ｂ方向）に沿って開口部が設けられる。これらの開口部の一方が不活性ガス供給口として利用され、他方が不活性ガス排出口として利用されることによって、造形領域Ｒ上に矢印Ｃ方向の不活性ガスの流れができるので、造形領域Ｒで発生したヒュームがこの不活性ガスの流れに沿って容易に排出される。なお、本明細書において、「不活性ガス」とは、材料粉体と実質的に反応しないガスであり、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどが例示される。

チャンバ１の上方にはレーザ光照射部１３が設けられる。図２に示すように、レーザ光照射部１３は、レーザ光Ｌを出力するレーザ光源４２と、レーザ光源４２から出力されたレーザ光Ｌを二次元走査する一対のガルバノスキャナ４３ａ，４３ｂと、レーザ光Ｌを集光する集光レンズ４４とを備える。レーザ光源４２は、レーザ光Ｌと略同一光軸のガイド光Ｇも出力可能になっている。ガイド光Ｇは、例えば、赤色レーザ光のような、視認可能なレーザ光である。ガルバノスキャナ（Ｘ軸スキャナ）４３ａは、レーザ光Ｌ及びガイド光Ｇを矢印Ｂ方向（Ｘ軸方向）に走査し、ガルバノスキャナ（Ｙ軸スキャナ）４３ｂは、レーザ光Ｌ及びガイド光Ｇを矢印Ｃ方向（Ｙ軸方向）に走査する。スキャナ４３ａ，４３ｂは、それぞれ、回転角度制御信号の大きさに応じて回転角度が制御されるので、スキャナ４３ａ，４３ｂに入力する回転角度制御信号の大きさを変化させることによって所望の位置にレーザ光Ｌ及びガイド光Ｇの照射位置を移動させることが可能になっている。集光レンズ４４の例は、fθレンズである。

集光レンズ４４を通過したレーザ光Ｌ及びガイド光Ｇは、チャンバ１に設けられたウィンドウ１ａを透過して造形領域Ｒに形成された材料粉体層８に照射される。レーザ光Ｌは、材料粉体を焼結可能なものであればその種類は限定されず、例えば、ＣＯ_２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザなどである。ウィンドウ１ａは、レーザ光Ｌを透過可能な材料で形成される。例えば、レーザ光Ｌがファイバーレーザ又はＹＡＧレーザの場合、ウィンドウ１ａは石英ガラスで構成可能である。

チャンバ１の上面には、ウィンドウ１ａを覆うようにヒューム拡散部１７が設けられる。ヒューム拡散部１７は、円筒状の筐体１７ａと、筐体１７ａ内に配置された円筒状の拡散部材１７ｃを備える。筐体１７ａと拡散部材１７ｃの間に不活性ガス供給空間１７ｄが設けられる。また、筐体１７ａの底面には、拡散部材１７ｃの内側に開口部１７ｂが設けられる。拡散部材１７ｃには多数の細孔１７ｅが設けられており、不活性ガス供給空間１７ｄに供給された清浄な不活性ガスは細孔１７ｅを通じて清浄空間１７ｆに充満される。そして、清浄空間１７ｆに充満された清浄な不活性ガスは、開口部１７ｂを通じてヒューム拡散部１７の下方に向かって噴出される。

次に、チャンバ１への不活性ガス供給系統と、チャンバ１からのヒューム排出系統について説明する。

チャンバ１への不活性ガス供給系統には、不活性ガス供給装置１５と、ヒュームコレクタ１９が接続されている。不活性ガス供給装置１５は、不活性ガスを供給する機能を有し、例えば、不活性ガスのガスボンベである。ヒュームコレクタ１９は、その上流側及び下流側にダクトボックス２１，２３を有する。チャンバ１から排出されたガス（ヒュームを含む不活性ガス）は、ダクトボックス２１を通じてヒュームコレクタ１９に送られ、ヒュームコレクタ１９においてヒュームが除去された不活性ガスがダクトボックス２３を通じてチャンバ１へ送られる。このような構成により、不活性ガスの再利用が可能になっている。

不活性ガス供給系統は、図１に示すように、チャンバ１の上部供給口１ｂと、ヒューム拡散部１７の不活性ガス供給空間１７ｄと、細長部材９ｒにそれぞれ接続される。上部供給口１ｂを通じてチャンバ１の造形空間１ｄ内に不活性ガスが充填される。細長部材９ｒ内に供給された不活性ガスが開口部を通じて造形領域Ｒ上に排出される。

本実施形態では、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが上部供給口１ｂに送られ、不活性ガス供給装置１５からの不活性ガスが不活性ガス供給空間１７ｄ及び細長部材９ｒに送られるように構成されている。ヒュームコレクタ１９からの不活性ガス中には除去しきれなかったヒュームが残留するおそれがあるが、本実施形態の構成では、ヒュームコレクタ１９からの不活性ガスが特に高い清純度が要求される空間（清浄空間１７ｆ及び造形領域Ｒ近傍の空間）に供給されないので、残留ヒュームの影響を最小限にすることができる。

チャンバ１からのヒューム排出系統は、図１に示すように、チャンバ１の上部排出口１ｃと、リコータヘッド１１のヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓ、及び細長部材９ｌにそれぞれ接続される。上部排出口１ｃを通じてチャンバ１の造形空間１ｄ内の、ヒュームを含む不活性ガスが排出されることによって、造形空間１ｄ内に上部供給口１ｂから上部排出口１ｃに向かう不活性ガスの流れが形成される。リコータヘッド１１のヒューム吸引部１１ｆｓ，１１ｒｓは、リコータヘッド１１が造形領域Ｒ上を通過する際に造形領域Ｒで発生したヒュームを吸引することができる。また、細長部材９ｌの開口部を通じてヒュームを含む不活性ガスがチャンバ１外に排出される。ヒューム排出系統は、ダクトボックス２１を通じてヒュームコレクタ１９に接続されており、ヒュームコレクタ１９においてヒュームが取り除かれた後の不活性ガスが再利用される。

次に、図１及び図５〜図９を用いて、上記の積層造形装置を用いた積層造形方法について説明する。

まず、積層造形の開始前に、レーザ光Ｌの照射位置として一方の撮像部４１上の点Ａの座標を入力する。具体的には、スキャナ４３ａ，４３ｂの回転角度制御信号として点Ａの座標に対応した値を入力する。これによって、図５〜図６に示すように、スキャナ４３ａ，４３ｂが所定の回転角度で回転し、レーザ光Ｌ及びガイド光Ｇの照射位置が撮像部４１上の所定の点Ａ１に移動される。そして、レーザ光Ｌ又はガイド光Ｇを撮像部４１で検出することによって点Ａ１の座標を取得する。同様に、レーザ光Ｌの照射位置として他方の撮像部４１上の点Ｂの座標を入力し、レーザ光Ｌ及びガイド光Ｇの照射位置を点Ｂ１に移動させて、撮像部４１でレーザ光Ｌ又はガイド光Ｇを検出することによって点Ｂ１の座標を取得する。点Ａ１，Ｂ１の座標は、実際の照射位置の座標であり、入力座標である点Ａ，Ｂの座標とは厳密に一致していることが好ましいが、わずかにずれていてもよい。点Ａ１，Ｂ１を図９（ａ）に示す。

次に、積層造形を開始する。まず、造形テーブル５上に造形プレート７を載置した状態で造形テーブル５の高さを適切な位置に調整する。この状態で材料収容部１１ａ内に材料粉体が充填されているリコータヘッド１１を図１の矢印Ｂ方向に造形領域Ｒの左側から右側に移動させることによって、造形プレート７上に１層目の材料粉体層８を形成する。
次に、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することによって材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図７に示すように、１層目の焼結層８１ｆを得る。
次に、造形テーブル５の高さを材料粉体層８の１層分下げ、リコータヘッド１１を造形領域Ｒの右側から左側に移動させることによって、焼結層８１ｆ上に２層目の材料粉体層８を形成する。
次に、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することによって材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図８に示すように、２層目の焼結層８２ｆを得る。
以上の工程を繰り返すことによって、３層目の焼結層８３ｆ、４層目の焼結層８４ｆ、５層目以降の焼結層が形成される。隣接する焼結層は、互いに強く固着される。

所定数（例：１０層）の焼結層が形成された後に、再度、レーザ光Ｌの照射位置として点Ａ，Ｂの座標を入力する。この際のレーザ光Ｌ及びガイド光Ｇの照射位置が点Ａ２，Ｂ２に移動される。点Ａ２，Ｂ２は、積層造形装置が熱変位によって歪むことによって、積層造形開始時の対応する点Ａ１，Ｂ１からずれる。ずれの種類としては、図９（ｂ）〜（ｆ）に示すように、Ｘ方向ずれ、Ｙ方向ずれ、回転ずれ、及びこれらの組み合わせがある。なお、このずれは、撮像部４１がレーザ光Ｌ又はガイド光Ｇを直接受光することによって検出するものであるので、撮像部４１の解像度を最大限利用できる。このため、特許文献１に記載の方法に比べて補正の精度向上が可能である。

積層造形開始時からのずれは、Ｘずれ量、Ｙずれ量、及び回転ずれ量θを算出し、以下の変換式（１）に代入することによって補正することが可能である。例えば、点Ａ２の座標が（Ｘ２，Ｙ２）である場合、変換式（１）によって変換されて得られる座標（Ｘ１，Ｙ１）は、点Ａ１に実質的に一致する。そして、造形領域Ｒ内の各点の座標を変換式（１）に基づいて変換することによって、熱変位による座標のずれを補正することができる。このような補正は、例えば、スキャナ４３ａ，４３ｂの動作を制御する制御部が行うことができる。この制御部が特許請求の範囲の「補正手段」に相当する。

次に、変換式（１）による熱補正がなされた状態で、さらに所定数（例：１０層）の焼結層を形成し、その後に、再度、レーザ光Ｌの照射位置として点Ａ，Ｂの座標を入力する。この際のレーザ光Ｌ及びガイド光Ｇの照射位置が点Ａ３，Ｂ３に移動される。点Ａ３，Ｂ３は、熱変位の結果、積層造形開始時の対応する点Ａ１，Ｂ１からずれているので、そのずれを上記と同様に算出し、算出した値を用いて、造形領域Ｒ内の各点の座標を変換式（１）に基づいて変換することによって、熱変位による座標のずれを補正することができる。

これ以降、積層造形が完了するまで、所定数の焼結層を形成する度に、同様の方法でずれの補正を行うことが可能である。

積層造形の完了後は、粉体排出部２７を通じて未焼結の材料粉体を排出することによって、造形物を得ることができる。

本発明は、以下の態様でも実施可能である。
・上記実施形態では回転ずれの補正のために、撮像部４１を２箇所に設けているが、回転ずれを補正しない場合、撮像部４１は１箇所でもよい。
・上記実施形態では、積層造形開始時点での点Ａ１，Ｂ１からのずれを算出したが、ずれを算出するための基準となる点の位置は、積層造形開始時点での点Ａ１，Ｂ１に限定されず、例えば、積層造形の開始から焼結層を１又は複数層形成した後の時点での点を基準としてもよい。つまり、所定座標を入力したときのレーザ光Ｌ又はガイド光Ｇの照射位置の経時変化に基づいてずれを算出すればよい。
・上記実施形態では、レーザ光Ｌの走査手段として一対のガルバノスキャナ４３ａ，４３ｂを用いたが、レーザ光Ｌは別の手段によって二次元走査させてもよい。
・スピンドルを有する加工ヘッドを備えてもよい。この場合、所定数（例：１０層）の焼結層を形成する度に造形物に対して切削加工を行うことができる。切削加工を行うタイミングは、熱変位の補正を行うタイミングと同じであっても異なっていてもよい。

１：チャンバ、３：粉体層形成装置、５：造形テーブル、８：材料粉体層、１１：リコータヘッド、１７：ヒューム拡散部、２６：粉体保持壁、２７：粉体排出部、２８：シューターガイド、２９：シューター、３０：バケット、３１：駆動機構、３２：粉体保持空間、３３：上部ワイパー、３４：ダストトレイ、３５：駆動機構隔壁、３６：下部ワイパー、４１：撮像ユニット、４１ａ：半透明板、４１ｂ：撮像部、４２：レーザ光源、４３ａ，４３ｂ：ガルバノスキャナ、４４：集光レンズ、Ｌ：レーザ光

Claims (5)

1. 所要の造形領域を覆い且つ所定濃度の不活性ガスで充満されるチャンバと、
   前記造形領域上に形成される材料粉体層の所定箇所にレーザ光を照射して照射位置の材料粉体を焼結させるレーザ光照射部と、
   前記造形領域に隣接して配置された第１及び第２撮像部と、
   前記レーザ光の照射位置を補正する補正手段を備え、
   前記補正手段は、前記レーザ光の照射位置として前記第１及び第２撮像部上の所定の点の座標を入力したときの前記レーザ光又はこれと略同一光軸のガイド光の実際の照射位置を前記第１及び第２撮像部で検出し、検出された前記照射位置の経時変化に基づいて前記レーザ光の照射位置を補正するように構成され、
   前記レーザ光照射部は、前記前記レーザ光をＸ軸方向及びＹ軸方向に走査可能に構成された積層造形装置において、
   前記第１及び第２撮像部は、前記造形領域上を前記Ｘ軸方向と平行な水平１軸方向に往復移動するリコータヘッドの前記移動方向に沿って前記造形領域の両側に設けられる前記不活性ガスの供給口または排出口として利用される細長部材が設けられている位置を除く位置であって、前記両側の前記細長部材のおよそ中間の位置にあるように、且つ前記移動方向に沿って前記造形領域を挟んで対向するように配置されることを特徴とする積層造形装置。
2. 前記補正手段は、前記複数の撮像部のそれぞれが検出した照射位置の経時変化に基づいて前記レーザ光の照射位置を補正するように構成される、請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記レーザ光照射部は、レーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を二次元走査する一対のガルバノスキャナを備え、
   前記第１及び第２撮像部は、前記ガルバノスキャナの回転角度制御信号を前記所定座標に対応する値にした状態で前記レーザ光又はガイド光の照射位置を検出するように構成される、請求項１又は請求項２に記載の積層造形装置。
4. 前記第１及び第２撮像部は、積層造形開始前と積層造形途中に前記レーザ光又はガイド光の照射位置を検出するように構成される、請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の積層造形装置。
5. 前記第１及び第２撮像部は、半透明板を介して前記レーザ光又は前記ガイド光が入射するように構成されている、請求項１〜請求項４の何れか１つに記載の積層造形装置。