JP7274948B2

JP7274948B2 - 三次元積層装置および方法

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Publication number: JP7274948B2
Application number: JP2019108958A
Authority: JP
Inventors: 智宏若名
Original assignee: Technology Research Association for Future Additive Manufacturing (TRAFAM)
Current assignee: Technology Research Association for Future Additive Manufacturing (TRAFAM)
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2023-05-17
Anticipated expiration: 2039-06-11
Also published as: JP2020199536A; TWI747319B; CN113396029B; EP3903989A4; CN113396029A; US20220097143A1; WO2020250462A1; TW202102328A; EP3903989A1

Description

本開示は、積層により三次元形状物を製造する三次元積層装置およ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。積層造形技術としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載された技術は、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物を製造するものである。

特開２０１５－１９６２６４号公報

上述した積層造形技術は、積層ヘッドの中心部から加工対象物に向けて光ビームを照射し、積層ヘッドの周囲の複数個所から光ビームの焦点に向けて金属粉末材料を噴射することで、金属粉末材料を光ビームで加熱して溶融させる。ところで、三次元積層作業の途中工程で、また、機械加工により製造された加工対象物に対して三次元積層を行うとき、加工面が凹凸形状になることがある。加工面が凹凸形状をなすと、光ビームの焦点に向けて噴射された金属粉末材料の一部が加工面にある凸部に干渉することがある。すると、加工面の凸部に干渉した金属粉末材料が光ビームの経路に飛散し、光ビームの出力を減衰させてしまう。また、一部の金属粉末材料が光ビームの焦点、つまり、加工対象物に到達せずに金属粉末材料の積層量が不足してしまう。その結果、三次元形状物の品質を低下させてしまうという課題がある。

本開示は、上述した課題を解決するものであり、三次元形状物の品質の向上を図る三次元積層装置および方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するための本開示の三次元積層装置は、加工対象物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、前記加工対象物の加工面に向け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て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または溶融固化させて前記成形層を形成する光照射部と、前記加工対象物の形状に基づいて前記粉末供給部から噴射される前記粉末材料の前記加工対象物に対する干渉情報を取得する干渉情報取得部と、前記干渉情報取得部が取得した前記干渉情報に基づいて前記粉末供給部が前記加工対象物の加工面に向けて供給する前記粉末材料の供給経路を変更する制御部と、を備えることを特徴とする。

そのため、干渉情報取得部は、加工対象物の形状に基づいて粉末供給部から噴射される粉末材料の加工対象物に対する干渉情報を取得し、制御部は、この干渉情報に基づいて粉末供給部が加工対象物の加工面に向けて供給する粉末材料の供給経路を変更する。すなわち、制御部は、粉末供給部から噴射される粉末材料が加工対象物に干渉する領域を特定し、粉末供給部から噴射される粉末材料が加工対象物に干渉しない領域から粉末供給部が加工対象物の加工面に向けて粉末材料を供給する。その結果、粉末材料が加工対象物に干渉して飛散せず、光ビームの出力を減衰させることがなく、また、決められた量の粉末材料を加工対象物に供給することができ、三次元形状物の品質の向上を図ることができる。

本開示の三次元積層装置では、前記粉末供給部は、前記光照射部の周囲に周方向に所定間隔を空けて設けられる複数の粉末噴射部を有し、前記制御部は、前記複数の粉末噴射部のうち、前記加工対象物への干渉が推定される前記粉末材料を噴射する前記粉末噴射部からの前記粉末材料の噴射を停止することを特徴とする。

そのため、制御部は、加工対象物への干渉が推定される粉末材料を噴射する粉末噴射部からの粉末材料の噴射を停止し、残りの粉末噴射部から粉末材料を噴射することとなり、粉末材料が加工対象物に干渉することで発生する粉末材料の飛散を防止することができる一方で、加工対象物に対して粉末材料を適正に供給することができ、加工対象物の形状に拘わらず、三次元形状物を適正に製造することができる。

本開示の三次元積層装置では、前記制御部は、前記加工対象物への干渉が推定される前記粉末材料を噴射する前記粉末噴射部からの前記粉末材料の噴射を停止したとき、前記粉末材料の噴射を停止した前記粉末噴射部以外の前記粉末噴射部からの前記粉末材料の噴射量を増加させることを特徴とする。

そのため、制御部は、加工対象物への干渉が推定される粉末材料を噴射する粉末噴射部からの粉末材料の噴射を停止したとき、残りの粉末噴射部からの粉末材料の噴射量を増加させることから、常時、適正量の粉末材料を加工対象物へ供給することができ、三次元形状物の品質の低下を抑制することができる。

本開示の三次元積層装置では、前記制御部は、前記加工対象物への干渉が推定される前記粉末材料を噴射する前記粉末噴射部からの前記粉末材料の噴射を停止したとき、前記光照射部が照射する前記光ビームの出力を調整することを特徴とする。

そのため、加工対象物への干渉が推定される粉末材料を噴射する粉末噴射部からの粉末材料の噴射を停止したとき、光照射部が照射する光ビームの出力を調整することから、減少した粉末材料の供給量に適合した光ビームの出力となり、三次元形状物の品質の低下を抑制することができる。

本開示の三次元積層装置では、前記制御部は、前記加工対象物への干渉が推定される前記粉末材料を噴射する前記粉末噴射部からの前記粉末材料の噴射を停止したとき、前記加工対象物の加工速度を調整することを特徴とする。

そのため、加工対象物への干渉が推定される粉末材料を噴射する粉末噴射部からの粉末材料の噴射を停止したとき、加工対象物の加工速度を調整することから、減少した粉末材料の供給量に適合した加工速度となり、三次元形状物の品質の低下を抑制することができる。

本開示の三次元積層装置では、前記干渉情報取得部は、予め前記加工対象物の形状を取得し、取得した前記加工対象物の形状に基づいて前記粉末供給部と前記光照射部の作動プログラムが設定され、前記制御部は、前記作動プログラムに基づいて前記粉末供給部または前記光照射部を制御することを特徴とする。

そのため、制御部は、加工対象物の形状に基づいて設定された粉末供給部と光照射部の作動プログラムに基づいて粉末供給部または光照射部を制御することから、加工対象物の形状に拘わらず、噴射された粉末材料と加工対象物との干渉を防止することができる。

本開示の三次元積層装置では、前記干渉情報取得部は、前記粉末供給部から供給される前記粉末材料の前記加工対象物への到達状況を検出または推定する検出器を有し、前記制御部は、前記検出器の検出結果に基づいて前記粉末供給部を制御することを特徴とする。

そのため、制御部は、検出器により検出または推定された粉末材料の加工対象物への到達状況に基づいて前記粉末供給部を制御することから、加工対象物の形状に拘わらず、噴射された粉末材料と加工対象物との干渉を防止することができる。

また、本開示の三次元積層方法は、加工対象物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方法であって、前記加工対象物の加工面に向けて粉末材料を供給する工程と、前記粉末材料に光ビームを照射して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または溶融固化させて前記成形層を形成する工程と、前記加工対象物の形状に基づいて前記粉末材料の前記加工対象物に対する干渉情報を取得する工程と、前記干渉情報に基づいて前記加工対象物の加工面に向けて供給する前記粉末材料の供給経路を変更する工程と、を有することを特徴とする。

そのため、粉末供給部から噴射される粉末材料が加工対象物に干渉する領域を特定し、粉末供給部から噴射される粉末材料が加工対象物に干渉しない領域から粉末供給部が加工対象物の加工面に向けて粉末材料を供給する。その結果、粉末材料が加工対象物に干渉して飛散せず、光ビームの出力を減衰させることがなく、また、決められた量の粉末材料を加工対象物に供給することができ、三次元形状物の品質の向上を図ることができる。

本開示の三次元積層装置および方法によれば、三次元形状物の品質の向上を図ることができる。

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縦断面図である。図３は、積層ヘッドの先端部の一例を示す水平断面図である。図４は、制御装置の構成を示す模式図である。図５は、三次元積層装置による三次元形状物の製造時の課題を説明するための概略図である。図６は、制御装置による粉末材料の供給経路を変更する第１の制御方法を示すタイムチャートである。図７は、制御装置による粉末材料の供給経路を変更する第２の制御方法を示すタイムチャートである。図８は、三次元積層装置による三次元形状物の製造方法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、本開示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開示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軸方向および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に示すように、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、加工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およびＸ軸スライド部１６により、Ｙ軸方向および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（光ビーム）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、アルミニウムまた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、積層ヘッドの先端部の一例を示す縦断面図、図３は、積層ヘッドの先端部の一例を示す水平断面図である。

図２および図３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（粉末材料）Ｐの通過する粉末流路（粉末供給部）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（光照射部）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（粉末噴射部）４５から噴射される。また、粉末導入部３５に連結される粉末流路４３に供給量制御部６１が設けられる。

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４９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４９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、中心軸Ｏの位置にレーザ光Ｌの通過するレーザ経路４４が設けられ、その外側に複数の粉末流路４３が設けられる。複数の粉末流路４３には、それぞれ供給量制御部６１が設けられる。本実施形態では、６個の粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆが設けられると共に、６個のノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆが設けられ、６個の粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４２ｅ，４３ｆにそれぞれ供給量制御部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆが設けられる。供給量制御部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆは、例えば、ポンプや切替弁などを用いた装置により構成される。供給量制御部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆは、粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆを開放することで粉末Ｐを供給したり、粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆを遮断することで粉末Ｐの供給を停止したりすることができる。また、供給量制御部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆは、開放・遮断の２段階制御に限らず、例えば、ポンプなどの出力を変更することで、粉末導入部３５から粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆに導入される粉末Ｐの導入量、つまり、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆから噴射される粉末Ｐの噴射量を増減させ、所望の粉末供給量を実現することができる。なお、６個の粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆおよび６個のノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆは、周方向に均等間隔で設けられることが好ましいが、均等間隔でなくてもよい。また、粉末流路４３およびノズル噴射口部４５の個数は、６個に限るものではなく、複数個設けられていればよい。

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の焦点Ｆでこのレーザ光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で案内したが、光ファイバ４８に限らず他の伝送部材であってもよい。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、粉末材料にレーザ光を照射したが、粉末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。

図１に示すように、機械加工部１３は、例えば、成形層等を機械加工する。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４は、制御装置２０の構成を示す模式図である。

図１に示すように、制御装置２０は、三次元積層装置１の各部（上述したベッド１０、テーブル部１１、積層ヘッド１２、機械加工部１３、形状計測部３０、加熱ヘッド３１、装置計測部３２、工具交換部３３、ノズル交換部３４、粉末導入部３５、基台移動部３６、空気排出部３７、ガス導入部３８、粉末回収部３９など）の駆動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４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、干渉情報取得部５６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、干渉情報取得部５６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）およびメモリである。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、ＲＡＭ（Random Access Memory）または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、また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、インターネットまたは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。干渉情報取得部５６は、加工対象物の形状に基づいて噴射される粉末Ｐの加工対象物に対する干渉情報を取得するものである。なお、制御装置２０は、少なくとも制御部５２および記憶部５３を有していればよい。制御装置２０は、制御部５２および記憶部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。

図５は、三次元積層装置による三次元形状物の製造時の課題を説明するための概略図である。

図５に示すように、加工対象物９０は、水平方向に沿う第１加工面９１と、鉛直方向に沿う段差９２と、水平方向に沿う第２加工面９３が設けられることで、加工面が凹凸形状をなしている。なお、実際は、積層ヘッド１２に対して加工対象物９０が移動方向Ｍ１に移動して三次元積層を行うが、積層ヘッド１２と加工対象物９０とが相対移動すればよいことから、ここでは、積層ヘッド１２が加工方向Ｍ２に移動するものとして説明する。積層ヘッド１２は、第１加工面９１に対してレーザ光Ｌの照射と粉末Ｐの噴射を行うと共に、加工方向Ｍ２に移動することで三次元積層を行い、成形層９４が形成される。

積層ヘッド１２は、第１加工面９１に対する三次元積層から第２加工面９３に対する三次元積層に移行するとき、加工方向Ｍ２における前方側で噴射された粉末Ｐが段差９２および第２加工面９３の一部に干渉してしまう。すると、段差９２および第２加工面９３の一部に干渉した粉末Ｐがレーザ光Ｌの経路に飛散し、レーザ光Ｌの出力が減衰する。また、一部の粉末Ｐが第１加工面９１に到達せずに粉末Ｐの積層量（成形層９４厚さ）が不足する。

本実施形態の三次元積層装置１は、図４に示すように、干渉情報取得部５６が加工対象物９０の形状（３ＤＣＡＤデータ、ＳＴＬデータ、造形ツールパスデータ等）に基づいて、ノズル噴射口部４５から噴射される粉末Ｐの加工対象物に対する干渉情報を取得し、制御部５２がこの干渉情報に基づいてノズル噴射口部４５が加工対象物９０の加工面に向けて供給する粉末Ｐの粉末流路（供給経路）４３を変更する。干渉情報は、例えば、所定の造形ツールパスに基づき三次元積層を行う際に、どの位置のノズル噴射口部４５から供給される粉末Ｐが、加工対象物（既に積層した部分であっても良い）の一部によって収束経路の途中で遮られ、所定の位置まで収束できないと推定されるかに関連する情報を含む。

図２および図３に示すように、積層ヘッド１２は、レーザ経路４４の周囲に周方向に所定間隔を空けて複数の粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆが設けられ、粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆの先端部にノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆが設けられる。制御部５２は、供給量制御部６１に指示し、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆのうち、加工対象物９０への干渉が推定される粉末Ｐを噴射するノズル噴射口部からの粉末Ｐの噴射を停止する。

このとき、本実施形態の第１制御方法として、制御部５２は、供給量制御部６１に指示し、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆのうち、粉末Ｐの噴射を停止したノズル噴射口部以外のノズル噴射口部からの粉末Ｐの噴射量を増加させる。具体的な制御方法については後述する。

また、本実施形態の第２制御方法として、制御部５２は、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆのうち、加工対象物への干渉が推定される粉末Ｐを噴射するノズル噴射口部からの粉末Ｐの噴射を停止したとき、レーザ経路４４が照射するレーザ光Ｌの出力を低下させる。このとき、制御部５２は、加工対象物９０の加工速度を低下させる。具体的な制御方法については後述する。

干渉情報取得部５６は、予め加工対象物９０の形状（３ＤＣＡＤデータ、ＳＴＬデータ、造形ツールパスデータ等）を取得し、取得した加工対象物９０の形状に基づいて粉末Ｐの噴射とレーザ光Ｌの照射の作動プログラムが設定され、記憶部５３に格納されている。制御部５２は、記憶部５３に格納されている作動プログラムに基づいて粉末Ｐの噴射とレーザ光Ｌの照射を制御する。

また、上述の説明では、干渉情報取得部５６が加工対象物９０の形状に基づいてノズル噴射口部４５から噴射される粉末Ｐの加工対象物に対する干渉情報を取得するようにしたが、この構成に限定されるものではない。例えば、干渉情報取得部５６として、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆから噴射された粉末Ｐの加工対象物への到達状況を検出または推定する検出器７１を設けてもよい。制御部５２は、検出器７１の検出結果（粉末Ｐが加工対象物と干渉しているか、あるいは、干渉する可能性があるか等）に基づいて粉末Ｐの噴射とレーザ光Ｌの照射を制御する。この検出器７１は、例えば、レーザ検出器やＣＣＤカメラなどであって、ブラケット７２を介して積層ヘッド１２に固定される。

ここで、制御装置２０による粉末Ｐの供給経路を変更する方法について説明する。図６は、制御装置による粉末材料の供給経路を変更する第１の制御方法を示すタイムチャートである。

三次元積層装置１による三次元形状物の製造方法において、図１、図２および図３に示すように、本実施形態においては、加工対象物９０の第１加工面９１に三次元形状物を製造する場合として説明する。加工対象物９０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、形状および材料は任意である。加工対象物９０は、基台部１００上に取付けられる。なお、加工対象物は、既に三次元積層装置１によって造形された三次元形状物の一部であっても良い。

制御装置２０は、テーブル部１１により、基台部１００上の加工対象物９０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。制御装置２０は、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上の加工対象物９０に向かって噴射される。レーザ光Ｌは、積層ヘッド１２と加工対象物９０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。

すなわち、図２および図５に示すように、積層ヘッド１２は、供給量制御部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆの作動により全ての粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆに粉末Ｐを導入し、全てのノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆ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（図６にて、時間ｔ１）。レーザ経路４４からのレーザ光Ｌは、加工対象物９０の第１加工面９１の近傍に焦点Ｆが設定され、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐは、このレーザ光Ｌの焦点に向けて噴射される。そのため、積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐは、加工対象物９０の第１加工面９１にあるレーザ光Ｌの焦点Ｆでこのレーザ光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、加工対象物９０の第１加工面９１の近傍で溶融した後、加工対象物９０の第１加工面９１に到達する。溶融した状態で加工対象物９０の第１加工面９１に到達した粉末Ｐは、ここで冷却されて固化される。これにより、加工対象物９０の第１加工面９１に成形層９４が形成される。

制御装置２０は、テーブル部１１で加工対象物９０を所定の移動方向Ｍ１に移動させつつ、積層ヘッド１２から加工対象物９０の第１加工面９１に対してレーザ光Ｌを照射すると共に粉末Ｐを噴射する。そのため、加工対象物９０の第１加工面９１に連続した成形層９４が形成される。この場合、三次元積層装置による加工方向は、Ｍ２となる。三次元積層装置１は、このような成形層９４の形成を繰り返すことによって、複数の成形層が一体として積層された三次元形状物を製造する。

積層ヘッド１２は、第１加工面９１に対する三次元積層から第２加工面９３に対する三次元積層に移行するとき、加工方向Ｍ２における前方側で噴射された粉末Ｐが段差９２および第２加工面９３の一部に干渉する。干渉情報取得部５６は、事前に加工対象物９０の形状を取得しており、取得した加工対象物９０の形状に基づいて粉末Ｐの噴射時期とレーザ光Ｌの照射時期の作動プログラムが設定され、記憶部５３に格納されている。制御部５２は、記憶部５３に格納されている作動プログラムに基づいて粉末Ｐの噴射とレーザ光Ｌの照射を制御する（図６にて、時間ｔ２）。

すなわち、図３および図６に示すように、時間ｔ１にて、積層ヘッド１２は、全てのノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆ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。そして、作動プログラムでは、事前に加工対象物９０の形状を取得しており、時間ｔ２にて、ノズル噴射口部４５ｅ，４５ｆから噴射された粉末Ｐが加工対象物９０に干渉すると判断する。そのため、時間ｔ２にて、ノズル噴射口部４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐの噴射を停止する一方、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄからの粉末Ｐの噴射量を増加させる。このとき、ノズル噴射口部４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐの噴射を停止する前後で、積層ヘッド１２から噴射される粉末Ｐの量が変動しないように、ノズル噴射口部４５ｅ，４５ｆが噴射していた粉末Ｐの噴射量の合計を、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄから噴射される粉末Ｐの噴射量に均等に振り分けて増量する。また、このとき、噴射される粉末Ｐの総量に変化はないので、レーザ光Ｌの出力は維持する。

そのため、噴射された粉末Ｐがレーザ光Ｌの経路に飛散し、レーザ光Ｌの出力が減衰することはなく、また、一部の粉末Ｐが第１加工面９１に到達せずに粉末Ｐの積層量（成形層９４厚さ）が不足することもない。そして、作動プログラムでは、時間ｔ３にて、ノズル噴射口部４５ｅ，４５ｆから噴射された粉末Ｐと加工方向Ｍ２との干渉が解除されることになる。そのため、時間ｔ３にて、ノズル噴射口部４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐの噴射を再開する一方、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄからの粉末Ｐの噴射量を減少させる。つまり、積層ヘッド１２は、全てのノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆから同量の粉末Ｐを噴射し、レーザ経路４４からレーザ光Ｌを出力する。

なお、本実施形態は、上述した制御に限定されるものではない。図７は、制御装置による粉末材料の供給経路を変更する第２の制御方法を示すタイムチャートである。

図３および図７に示すように、時間ｔ１１にて、積層ヘッド１２は、全てのノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆ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。そして、作動プログラムでは、時間ｔ１２にて、ノズル噴射口部４５ｅ，４５ｆから噴射された粉末Ｐが加工対象物９０に干渉することになる。そのため、時間ｔ１２にて、ノズル噴射口部４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐの噴射を停止し、供給される粉末Ｐの総量が減少した分に合わせて、レーザ経路４４が照射するレーザ光Ｌの出力を低下させると共に、加工対象物９０の加工速度を低下させる。粉末Ｐの噴射量とレーザ光Ｌの出力と加工対象物９０の加工速度との関係は、予め実験やシミュレーションなどにより把握しておき、成形層９４の厚さや品質が変動しないように、レーザ光Ｌの出力と加工対象物９０の加工速度を設定する。

そのため、噴射された粉末Ｐがレーザ光Ｌの経路に飛散し、レーザ光Ｌの出力が減衰することはなく、また、一部の粉末Ｐが第１加工面９１に到達せずに粉末Ｐの積層量（成形層９４厚さ）が変動することが抑制され、品質が低下することもない。そして、作動プログラムでは、時間ｔ１３にて、ノズル噴射口部４５ｅ，４５ｆから噴射された粉末Ｐと加工対象物９０との干渉が解除されることになる。そのため、時間ｔ１３にて、ノズル噴射口部４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐの噴射を再開し、レーザ経路４４が照射するレーザ光Ｌの出力を上昇させると共に、加工対象物９０の加工速度を上昇させる。つまり、時間ｔ１２の前の状態に戻す。

また、上述の説明では、制御部５２が記憶部５３に格納されている作動プログラムに基づいて粉末Ｐの噴射とレーザ光Ｌの照射を制御するように構成したが、この構成に限定されるものではない。図２および図３に示すように、例えば、干渉情報取得部５６として、積層ヘッド１２に、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆから噴射された粉末Ｐの加工対象物への到達状況を検出または推定する検出器７１を設け、この検出器７１から取得する情報に基づいて、粉末Ｐの噴射とレーザ光Ｌの照射を制御するように構成してもよい。検出器７１は、積層ヘッド１２を用いて三次元積層を行っている間、オンラインで検出結果を制御部５２に出力している。

ここで、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８は、三次元積層装置による三次元形状物の製造方法を示すフローチャートである。

図８に示すように、ステップＳ１１にて、加工対象物９０を基台部１００上に取付け、制御装置２０は、テーブル部１１により、基台部１００上の加工対象物９０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。ステップＳ１２にて、制御装置２０は、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を噴射する。また、ステップＳ１３にて、制御装置２０は、レーザ光Ｌを照射する。そして、ステップＳ１４にて、基台部１００上と共に加工対象物９０を移動する。すると、ステップＳ１５以降で、三次元積層が開始される。

すなわち、図２および図５に示すように、積層ヘッド１２は、供給量制御部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆにより全ての粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆに粉末Ｐを導入し、全てのノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆ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。レーザ経路４４からのレーザ光Ｌは、加工対象物９０の第１加工面９１の近傍に焦点Ｆが設定され、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐは、このレーザ光Ｌの焦点に向けて噴射される。そのため、積層ヘッド１２から噴射された粉末Ｐは、加工対象物９０の第１加工面９１にあるレーザ光Ｌの焦点Ｆでこのレーザ光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、加工対象物９０の第１加工面９１の近傍で溶融した後、加工対象物９０の第１加工面９１に到達する。溶融した状態で加工対象物９０の第１加工面９１に到達した粉末Ｐは、ここで冷却されて固化される。これにより、加工対象物９０の第１加工面９１に成形層９４が形成される。

ステップＳ１６にて、制御装置２０は、三次元積層が終了したかどうかを判定する。ここで、三次元積層が終了していないと判定（Ｎｏ）されると、ステップＳ１７にて、制御部５２は、干渉情報取得部５６が取得したノズル噴射口部４５から噴射される粉末Ｐの加工対象物に対する干渉情報に基づいてノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆから噴射された粉末Ｐと加工対象物９０との間で干渉が発生しているか（干渉が発生すると推定されるか）どうかを判定する。粉末Ｐと加工対象物９０との間での干渉は、干渉情報取得部５６が取得した加工対象物９０の形状データに基づいて判定してもよいし、検出器７１の検出結果に基づいて判定してもよい。ここで、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆから噴射された粉末Ｐと加工対象物９０との間で干渉が発生していないと判定（Ｎｏ）されると、ステップＳ１８にて、粉末Ｐの噴射形態とレーザ光Ｌの照射形態をそのまま維持し、ステップＳ１６に戻って処理を繰り返す。一方、例えば、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆのうち、ノズル噴射口部４５ｅ，４５ｆから噴射された粉末Ｐと加工対象物９０との間で干渉が発生していると判定（Ｙｅｓ）されると、ステップＳ１９にて、ノズル噴射口部４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐの噴射を停止する一方、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄからの粉末Ｐの噴射量を増加させる（第１の制御方法）。または、ノズル噴射口部４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐの噴射を停止し、レーザ経路４４が照射するレーザ光Ｌの出力を低下させると共に、加工対象物９０の加工速度を低下させる（第２の制御方法）。

そして、再び、ステップＳ１６に戻り、制御装置２０は、三次元積層が終了したかどうかを判定する。ここで、三次元積層が終了していないと判定（Ｎｏ）されると、ステップＳ１７にて、制御部５２は、粉末Ｐと加工対象物９０との間での干渉が発生しているかどうかを判定する。ここで、粉末Ｐと加工対象物９０との間で干渉が発生していると判定（Ｙｅｓ）されると、ステップＳ１９を経由してステップＳ１６に戻り、処理を継続する。一方、粉末Ｐと加工対象物９０との間で干渉が解除されたと判定（Ｎｏ）されると、ステップＳ１８にて、ノズル噴射口部４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐの噴射を再開する一方、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄからの粉末Ｐの噴射量を減少させる。つまり、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆから粉末Ｐの噴射量を元に戻す。または、ノズル噴射口部４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐの噴射を再開し、レーザ経路４４が照射するレーザ光Ｌの出力を上昇させると共に、加工対象物９０の加工速度を上昇させる。つまり、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆから粉末Ｐの噴射量と、レーザ光Ｌの出力と、加工対象物９０の加工速度を元に戻す。

そして、再び、ステップＳ１６に戻り、制御装置２０は、三次元積層が終了したかどうかを判定する。ここで、三次元積層が終了したと判定（Ｙｅｓ）されると、ステップＳ２０にて、制御装置２０は、粉末導入部３５から積層ヘッド１２に粉末の導入を停止し、積層ヘッド１２から気体と共に粉末Ｐの噴射を停止する。また、ステップＳ２１にて、制御装置２０は、レーザ光Ｌの照射を停止する。そして、ステップＳ２２にて、基台部１００上と共に加工対象物９０の移動を停止する。

このように本実施形態の三次元積層装置にあっては、加工対象物９０に向けて粉末Ｐを供給する粉末供給部としての粉末流路４３およびノズル噴射口部４５と、粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射してレーザ光Ｌが照射された粉末Ｐの少なくとも一部を焼結または溶融固化させて成形層９４を形成する光照射部としてのレーザ経路４４と、加工対象物９０の形状に基づいてノズル噴射口部４５から噴射される粉末Ｐの加工対象物９０に対する干渉情報を取得する干渉情報取得部５６と、干渉情報取得部５６が取得した干渉情報に基づいてノズル噴射口部４５が加工対象物９０に向けて供給する粉末Ｐの粉末流路４３を変更する制御部５２とを備える。

そのため、制御部５２は、ノズル噴射口部４５から噴射される粉末Ｐが加工対象物９０に干渉する領域を特定し、ノズル噴射口部４５から噴射される粉末Ｐが加工対象物９０に干渉しない領域からノズル噴射口部４５が加工対象物９０に向けて粉末Ｐを供給する。その結果、粉末Ｐが加工対象物９０に干渉して飛散せず、レーザ光Ｌの出力を減衰させることがなく、また、決められた量の粉末Ｐを加工対象物９０に供給することができ、三次元形状物の品質の向上を図ることができる。

本実施形態の三次元積層装置では、積層ヘッド１２に複数の粉末流路４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆと、複数のノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆを設け、制御部５２は、加工対象物９０への干渉が推定される粉末Ｐを噴射するノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐの噴射を停止する。そのため、粉末Ｐが加工対象物９０に干渉することで発生する粉末Ｐの飛散を防止することができる一方で、加工対象物９０に対して粉末Ｐを供給することができ、加工対象物の形状に拘わらず、三次元形状物を適正に製造することができる。

本実施形態の三次元積層装置では、制御部５２は、加工対象物９０への干渉が推定される粉末Ｐを噴射するノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐの噴射を停止したとき、粉末Ｐの噴射を停止したノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆ以外のノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐの噴射量を増加させる。そのため、常時、適正量の粉末Ｐを加工対象物９０へ供給することができ、三次元形状物の品質の低下を抑制することができる。

本実施形態の三次元積層装置では、制御部５２は、加工対象物９０への干渉が推定される粉末Ｐを噴射するノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐの噴射を停止したとき、レーザ経路４４が照射するレーザ光Ｌの出力を調整、例えば、低下させる。そのため、減少した粉末Ｐの供給量に適合したレーザ光Ｌの出力となり、三次元形状物の品質の低下を抑制することができる。

本実施形態の三次元積層装置では、制御部５２は、加工対象物９０への干渉が推定される粉末Ｐを噴射するノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆからの粉末Ｐの噴射を停止したとき、加工対象物９０の加工速度を調整、例えば、低下させる。そのため、減少した粉末Ｐの供給量に適合した加工速度となり、三次元形状物の品質の低下を抑制することができる。

本実施形態の三次元積層装置では、干渉情報取得部５６は、予め加工対象物９０の形状を取得し、取得した加工対象物９０の形状に基づいて粉末Ｐの噴射とレーザ光Ｌの照射の作動プログラムを設定し、制御部５２は、作動プログラムに基づいて粉末Ｐの噴射とレーザ光Ｌの照射を制御する。そのため、加工対象物９０の形状に拘わらず、噴射された粉末Ｐと加工対象物９０との干渉を防止することができる。

本実施形態の三次元積層装置では、干渉情報取得部５６として、ノズル噴射口部４５から噴射される粉末Ｐの加工対象物９０への到達状況を検出または推定する検出器７１を設け、制御部５２は、検出器７１の検出結果に基づいて粉末Ｐの噴射を制御する。そのため、加工対象物９０の形状に拘わらず、噴射された粉末Ｐと加工対象物９０との干渉を防止することができる。

また、本実施形態の三次元積層方法にあっては、加工対象物９０に向けて粉末Ｐを供給する工程と、粉末Ｐにレーザ光Ｌを照射してレーザ光Ｌが照射された粉末Ｐの少なくとも一部を焼結または溶融固化させて成形層９４を形成する工程と、加工対象物９０の形状に基づいてノズル噴射口部４５から噴射される粉末Ｐの加工対象物９０に対する干渉情報を取得する工程と、干渉情報に基づいてノズル噴射口部４５が加工対象物９０に向けて供給する粉末Ｐの粉末流路４３を変更する工程とを有する。

そのため、ノズル噴射口部４５から噴射される粉末Ｐが加工対象物９０に干渉する領域を特定し、ノズル噴射口部４５から噴射される粉末Ｐが加工対象物９０に干渉しない領域からノズル噴射口部４５が加工対象物９０に向けて粉末Ｐを供給する。その結果、粉末Ｐが加工対象物９０に干渉して飛散せず、レーザ光Ｌの出力を減衰させることがなく、また、決められた量の粉末Ｐを加工対象物９０に供給することができ、三次元形状物の品質の向上を図ることができる。

なお、上述の実施形態にて、干渉情報取得部５６を、ノズル噴射口部４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆから噴射された粉末Ｐの加工対象物９０への到達状況を検出または推定する検出器７１としたが、この構成に限定されるものではない。例えば、干渉情報取得部５６をＣＣＤカメラとし、ＣＣＤカメラが加工対象物９０の形状を撮影し、制御部５２が加工対象物９０の形状に基づいて粉末Ｐと加工対象物９０との干渉を判定してもよい。

また、上述の実施形態にて、粉末供給部が噴射する粉末材料を金属粉末材料としたが、樹脂粉末材料等の非金属粉末材料であってもよい。また、光ビームをレーザ光としたが、電子ビームなどとしてもよい。

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，５ａＺ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
１５Ｙ軸スライド部
１６Ｘ軸スライド部
１７回転テーブル部
１７ａ固定台
１７ｂ回転テーブル
１７ｃ傾斜テーブル
１７ｄ回転テーブル
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
４３，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ，４３ｅ，４３ｆ粉末流路（粉末供給部）
４４レーザ経路（光照射部）
４５，４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆノズル噴射口部（粉末噴射部）
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干渉情報取得部
６１，６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆ供給量制御部
７１検出器
７２ブラケット
９０加工対象物
９１第１加工面
９２段差
９３第２加工面
９４成形層
１００基台部
１０２，１０４，１０６，１０８矢印
１１０回転軸
Ｆ焦点
Ｌレーザ光（光ビーム）
Ｍ１移動方向
Ｍ２加工方向
Ｏ中心軸
Ｐ粉末

Claims

加工対象物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、
前記加工対象物の加工面に向け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て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または溶融固化させて前記成形層を形成する光照射部と、
前記加工対象物の形状に基づいて前記粉末供給部から噴射される前記粉末材料の前記加工対象物に対する干渉情報を取得する干渉情報取得部と、
前記干渉情報取得部が取得した前記干渉情報に基づいて前記粉末供給部が前記加工対象物の加工面に向けて供給する前記粉末材料の供給経路を変更する制御部と、
を備えることを特徴とする三次元積層装置。
前記粉末供給部は、前記光照射部の周囲に周方向に所定間隔を空けて設けられる複数の粉末噴射部を有し、前記制御部は、前記複数の粉末噴射部のうち、前記加工対象物への干渉が推定される前記粉末材料を噴射する前記粉末噴射部からの前記粉末材料の噴射を停止することを特徴とする請求項１に記載の三次元積層装置。
前記制御部は、前記加工対象物への干渉が推定される前記粉末材料を噴射する前記粉末噴射部からの前記粉末材料の噴射を停止したとき、前記粉末材料の噴射を停止した前記粉末噴射部以外の前記粉末噴射部からの前記粉末材料の噴射量を増加させることを特徴とする請求項２に記載の三次元積層装置。
前記制御部は、前記加工対象物への干渉が推定される前記粉末材料を噴射する前記粉末噴射部からの前記粉末材料の噴射を停止したとき、前記光照射部が照射する前記光ビームの出力を調整することを特徴とする請求項２に記載の三次元積層装置。
前記制御部は、前記加工対象物への干渉が推定される前記粉末材料を噴射する前記粉末噴射部からの前記粉末材料の噴射を停止したとき、前記加工対象物の加工速度を調整することを特徴とする請求項４に記載の三次元積層装置。
前記干渉情報取得部は、予め前記加工対象物の形状を取得し、取得した前記加工対象物の形状に基づいて前記粉末供給部と前記光照射部の作動プログラムが設定され、前記制御部は、前記作動プログラムに基づいて前記粉末供給部または前記光照射部を制御することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
前記干渉情報取得部は、前記粉末供給部から供給される前記粉末材料の前記加工対象物への到達状況を検出または推定する検出器を有し、前記制御部は、前記検出器の検出結果に基づいて前記粉末供給部を制御することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の三次元積層装置。
加工対象物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方法であって、
前記加工対象物の加工面に向けて粉末材料を供給する工程と、
前記粉末材料に光ビームを照射して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または溶融固化させて前記成形層を形成する工程と、
前記加工対象物の形状に基づいて前記粉末材料の前記加工対象物に対する干渉情報を取得する工程と、
前記干渉情報に基づいて前記加工対象物の加工面に向けて供給する前記粉末材料の供給経路を変更する工程と、
を有することを特徴とする三次元積層方法。