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技術 3次元造形製造装置および3次元造形製造方法

出願人 株式会社SCREENホールディングス
発明者 植村春生
出願日 2017年9月25日 (2年0ヶ月経過) 出願番号 2017-183209
公開日 2019年4月18日 (6ヶ月経過) 公開番号 2019-059965
状態 未査定
技術分野 粉末冶金 プラスチック等のその他の成形、複合成形(変更なし) 材料からの成形品の製造
主要キーワード 相対的配置関係 可動格子 スポットレーザ 単層金属 光量プロファイル 昇温効率 造形データ 光硬化性樹脂材料
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

この発明は、変調ビームを用いた3次元造形において、3次元造形の仕上がりバラツキ緩和する技術を提供するものである。

解決手段

3次元造形製造装置は、レーザー光源(10)と、ラインビーム(31)に整形す照明光学系(11)と、画素ごとにラインビームを変調させる空間光変調器(14)と、変調ビームをターゲット(50)上に投影する投影光学系(18)と、オン画素列におけるオン画素の数に応じて、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビームがターゲット上に与える光量を制御する光量制御部(20C)とを備える。

概要

背景

金属材料パウダー)に赤外レーザー源からのスポットレーザー光を照射することによって、金属材料を焼結させる3次元造形が一般的である。

造形の高速化のため、ライン状の光による3次元造形方法も検討されてきた。たとえば、特許文献1には、GLV(登録商標)とライン状の光を変調して得られた光とを用いて3次元造形を行う方法が開示されている。

概要

この発明は、変調ビームを用いた3次元造形において、3次元造形の仕上がりバラツキ緩和する技術を提供するものである。3次元造形製造装置は、レーザー光源(10)と、ラインビーム(31)に整形す照明光学系(11)と、画素ごとにラインビームを変調させる空間光変調器(14)と、変調ビームをターゲット(50)上に投影する投影光学系(18)と、オン画素列におけるオン画素の数に応じて、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビームがターゲット上に与える光量を制御する光量制御部(20C)とを備える。

目的

この発明は、以上に記載されたような問題を解決するためになされたものであり、変調して得られた光を用いた3次元造形において、3次元造形の仕上がりのバラツキを緩和する技術を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

レーザー光源と、前記レーザー光源から入力されるレーザー光を、ラインビームに整形す照明光学系と、3次元造形を示す造形データに基づいて、画素ごとに前記ラインビームを変調させ変調ビームを生成する空間光変調器と、ターゲットを保持する保持機構と、前記空間光変調器で変調された前記変調ビームを、前記保持機構に保持された前記ターゲット上で走査させる走査手段と、前記空間光変調器において、前記ターゲット上に光量を与える前記変調ビームに対応する前記画素をオン画素とし、連続して並ぶ前記オン画素の列をオン画素列として、前記オン画素列における前記オン画素の数に応じて、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する光量制御部とを備える、3次元造形製造装置。

請求項2

前記光量制御部は、前記オン画素列における前記オン画素の数が多いほど、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を少なくし、前記オン画素列における前記オン画素の数が少ないほど、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を多くする、請求項1に記載の3次元造形製造装置。

請求項3

前記光量制御部は、前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームの階調を前記空間光変調器に調整させることによって、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する、請求項1または請求項2に記載の3次元造形製造装置。

請求項4

前記光量制御部は、前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素の状態を維持する時間によって、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する、請求項1から請求項3のうちのいずれか1項に記載の3次元造形製造装置。

請求項5

前記光量制御部は、それぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量が、空間光変調器における複数の前記オン画素列の間で異なるように制御する、請求項1から請求項4のうちのいずれか1項に記載の3次元造形製造装置。

請求項6

前記空間光変調器において、前記オン画素以外の画素をオフ画素とし、連続して並ぶ前記オフ画素の列をオフ画素列として、前記光量制御部は、前記オフ画素列における前記オフ画素の数に応じて、当該オフ画素列に隣接する前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する、請求項1から請求項5のうちのいずれか1項に記載の3次元造形製造装置。

請求項7

前記光量制御部は、前記オフ画素列における前記オフ画素の数が多いほど、当該オフ画素列に隣接する前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を多くし、前記オフ画素列における前記オフ画素の数が少ないほど、当該オフ画素列に隣接する前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を少なくする、請求項6に記載の3次元造形製造装置。

請求項8

前記レーザー光源は、赤外レーザーである前記レーザー光を出力する、請求項1から請求項7のうちのいずれか1項に記載の3次元造形製造装置。

請求項9

前記ターゲットは、パウダー状の金属材料である、請求項1から請求項8のうちのいずれか1項に記載の3次元造形製造装置。

請求項10

前記ターゲットは、樹脂材料である、請求項1から請求項8のうちのいずれか1項に記載の3次元造形製造装置。

請求項11

レーザー光源と、前記レーザー光源から入力されるレーザー光を、ラインビームに整形する照明光学系と、3次元造形を示す造形データに基づいて、画素ごとに前記ラインビームを変調させ変調ビームを生成する空間光変調器と、ターゲットを保持する保持機構と、前記空間光変調器で変調された前記変調ビームを、前記保持機構に保持された前記ターゲット上で走査させる走査手段とを備える3次元造形製造装置を用いた3次元造形製造方法であり、前記空間光変調器において、前記ターゲット上に光量を与える前記変調ビームに対応する前記画素をオン画素とし、連続して並ぶ前記オン画素の列をオン画素列として、前記オン画素列における前記オン画素の数に応じて、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する、3次元造形製造方法。

技術分野

0001

本願明細書に開示されるこの発明は、3次元造形製造装置および3次元造形製造方法に関するものである。

背景技術

0002

金属材料パウダー)に赤外レーザー源からのスポットレーザー光を照射することによって、金属材料を焼結させる3次元造形が一般的である。

0003

造形の高速化のため、ライン状の光による3次元造形方法も検討されてきた。たとえば、特許文献1には、GLV(登録商標)とライン状の光を変調して得られた光とを用いて3次元造形を行う方法が開示されている。

先行技術

0004

特開2003−80604号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、変調して得られた光を用いて3次元造形を行うと、該光の照射エネルギーターゲット昇温に寄与する効率の違いによって、3次元造形の仕上がりバラツキが生じる場合があった。

0006

本願明細書に開示されるこの発明は、以上に記載されたような問題を解決するためになされたものであり、変調して得られた光を用いた3次元造形において、3次元造形の仕上がりのバラツキを緩和する技術を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0007

本願明細書に開示される技術の第1の態様は、レーザー光源と、前記レーザー光源から入力されるレーザー光を、ラインビームに整形す照明光学系と、3次元造形を示す造形データに基づいて、画素ごとに前記ラインビームを変調させ変調ビームを生成する空間光変調器と、ターゲットを保持する保持機構と、前記空間光変調器で変調された前記変調ビームを、前記保持機構に保持された前記ターゲット上で走査させる走査手段と、前記空間光変調器において、前記ターゲット上に光量を与える前記変調ビームに対応する前記画素をオン画素とし、連続して並ぶ前記オン画素の列をオン画素列として、前記オン画素列における前記オン画素の数に応じて、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する光量制御部とを備える。

0008

本願明細書に開示される技術の第2の態様は、前記光量制御部は、前記オン画素列における前記オン画素の数が多いほど、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を少なくし、前記オン画素列における前記オン画素の数が少ないほど、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を多くする。

0009

本願明細書に開示される技術の第3の態様は、前記光量制御部は、前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームの階調を前記空間光変調器に調整させることによって、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する。

0010

本願明細書に開示される技術の第4の態様は、前記光量制御部は、前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素の状態を維持する時間によって、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する。

0011

本願明細書に開示される技術の第5の態様は、前記光量制御部は、それぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量が、空間光変調器における複数の前記オン画素列の間で異なるように制御する。

0012

本願明細書に開示される技術の第6の態様は、前記空間光変調器において、前記オン画素以外の画素をオフ画素とし、連続して並ぶ前記オフ画素の列をオフ画素列として、前記光量制御部は、前記オフ画素列における前記オフ画素の数に応じて、当該オフ画素列に隣接する前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する。

0013

本願明細書に開示される技術の第7の態様は、前記光量制御部は、前記オフ画素列における前記オフ画素の数が多いほど、当該オフ画素列に隣接する前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を多くし、前記オフ画素列における前記オフ画素の数が少ないほど、当該オフ画素列に隣接する前記オン画素列におけるそれぞれの前記オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を少なくする。

0014

本願明細書に開示される技術の第8の態様は、前記レーザー光源は、赤外レーザーである前記レーザー光を出力する。

0015

本願明細書に開示される技術の第9の態様は、前記ターゲットは、パウダー状の金属材料である。

0016

本願明細書に開示される技術の第10の態様は、前記ターゲットは、樹脂材料である。

0017

本願明細書に開示される技術の第11の態様は、レーザー光源と、前記レーザー光源から入力されるレーザー光を、ラインビームに整形する照明光学系と、3次元造形を示す造形データに基づいて、画素ごとに前記ラインビームを変調させ変調ビームを生成する空間光変調器と、ターゲットを保持する保持機構と、前記空間光変調器で変調された前記変調ビームを、前記保持機構に保持された前記ターゲット上で走査させる走査手段とを備える3次元造形製造装置を用いた3次元造形製造方法であり、前記空間光変調器において、前記ターゲット上に光量を与える前記変調ビームに対応する前記画素をオン画素とし、連続して並ぶ前記オン画素の列をオン画素列として、前記オン画素列における前記オン画素の数に応じて、それぞれの当該オン画素に対応する前記変調ビームが前記ターゲット上に与える光量を制御する。

発明の効果

0018

本願明細書に開示される技術の第1および第11の態様によれば、変調ビームの照射エネルギーの寄与の違いによるターゲットの昇温のバラツキを緩和しつつ、精密な3次元造形が可能となる。

0019

本願明細書に開示される技術の第2の態様によれば、連続するオン画素が多い場合に変調ビームによる照射エネルギーが拡散しにくいこと、および、連続するオン画素が少ない場合に変調ビームによる照射エネルギーが拡散しやすいことをそれぞれ相殺するように、変調ビームがターゲット上に与える光量を制御することができる。

0020

本願明細書に開示される技術の第3の態様によれば、空間光変調器における階調制御によって、照射エネルギーの拡散によるターゲットの昇温のバラツキを緩和することができる。

0021

本願明細書に開示される技術の第4の態様によれば、オン画素の状態を維持する時間の制御によって、照射エネルギーの拡散によるターゲットの昇温のバラツキを緩和することができる。

0022

本願明細書に開示される技術の第5の態様によれば、1つの変調ビームにおいて、オン画素の数が異なる複数のオン画素列が存在する場合であっても、オン画素列ごとにオン画素の数に基づく光量制御を行うことができる。

0023

本願明細書に開示される技術の第6の態様によれば、変調ビームにおいて連続するオフ画素の数に基づいて、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に変調ビームが与える光量を制御することによって、照射エネルギーの拡散によるターゲットの昇温のバラツキを緩和することができる。

0024

本願明細書に開示される技術の第7の態様によれば、連続するオフ画素が多い場合に変調ビームによる照射エネルギーが拡散しやすいこと、および、連続するオフ画素が少ない場合に変調ビームによる照射エネルギーが拡散しにくいことをそれぞれ相殺するように、変調ビームがターゲット上に与える光量を制御することができる。

0025

本願明細書に開示される技術の第8の態様によれば、大出力可能な赤外レーザーを用いて3次元造形を行うことができるため、紫外光を用いる場合よりも高速に造形することができる。

0026

本願明細書に開示される技術の第9の態様によれば、変調ビームによって金属材料を焼結させることによって、焼結体による3次元造形を形成することができる。

0027

本願明細書に開示される技術の第10の態様によれば、変調ビームによって光硬化性樹脂材料硬化させることによって、3次元造形を形成することができる。

0028

本願明細書に開示される技術に関する目的と、特徴と、局面と、利点とは、以下に示される詳細な説明と添付図面とによって、さらに明白となる。

図面の簡単な説明

0029

実施の形態に関する、3次元造形製造装置を実現するための構成を概略的に例示する斜視図である。
実施の形態に関する、3次元造形製造装置の構成を概念的に例示する図である。
実施の形態に関する、空間光変調器の構成を例示する図である。
変調ビームによって同等の光量が与えられた場合の、金属材料における熱拡散の様子を説明するための概念図である。
光量制御を行った場合の、金属材料上の変調ビームの照射位置における設定光量の様子を説明するための概念図である。
オン画素列と設定光量との関係を示す図である。

実施例

0030

以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。

0031

なお、図面は概略的に示されるものであり、説明の便宜のため、適宜、構成の省略、または、構成の簡略化がなされるものである。また、異なる図面にそれぞれ示される構成などの大きさおよび位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得るものである。

0032

また、以下に示される説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称と機能とについても同様のものとする。したがって、それらについての詳細な説明を、重複を避けるために省略する場合がある。

0033

また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「左」、「右」、「側」、「底」、「表」または「裏」などの特定の位置と方向とを意味する用語が用いられる場合があっても、これらの用語は、実施の形態の内容を理解することを容易にするために便宜上用いられるものであり、実際に実施される際の方向とは関係しないものである。

0034

<実施の形態>
以下、本実施の形態に関する3次元造形製造装置、および、3次元造形製造方法について説明する。

0035

<3次元造形製造装置の構成について>
図1は、本実施の形態に関する3次元造形製造装置を実現するための構成を概略的に例示する斜視図である。

0036

図1に例示されるように、3次元造形製造装置1は、レーザー光源10と、照明光学系11と、走査機構12と、空間光変調器14と、投影光学系18と、保持機構16と、制御装置20とを備える。

0037

レーザー光源10は、たとえば、赤外レーザーを出力するファイバーレーザー光源である。レーザー光源10から出力されるレーザー光の波長は、たとえば、1064nmである。レーザー光源10から射出されたレーザー光30は図示を省略するミラー等を介して照明光学系11に導かれる。

0038

照明光学系11は、レーザー光源10から射出されたレーザー光30を空間光変調器14へと導く。照明光学系11は、レンズ11Aとレンズ11Bとを備え、レーザー光源10から射出されたレーザー光30を各レンズによって線状の光であるラインビーム31に整形し出力する。

0039

空間光変調器14は、照明光学系11を介して入力されたラインビーム31を画素ごとに変調し、線状の変調ビーム32を生成する。当該変調は、後述の造形データに基づいて行われる。空間光変調器14としては、たとえば、grating light valve(GLV:登録商標)などが用いられる。

0040

投影光学系18は、空間光変調器14で変調された光(変調ビーム32)をターゲットであるパウダー状の金属材料50に導く。投影光学系18は、変調ビーム32の幅を広げる(あるいは狭める)ズーム部を構成する複数のレンズ18A、レンズ18Bを備える。また、本実施の形態では、変調ビーム32をターゲットの表面に導くためミラー19を備える。なお、投影光学系18には、変調ビーム32の不要光を遮光する遮光部材(図示省略)と、オートフォーカスを行うオートフォーカス部(図示省略)などがさらに含まれる。

0041

走査機構12は、照明光学系11、空間光変調器14、投影光学系18、ミラー19を保持する保持台12Aと、保持台12Aを移動させる移動機構12Bと、移動機構12Cとを備える。走査機構12は、保持台12Aが、移動機構12BのX軸方向における移動、および、移動機構12CのY軸方向における移動によって位置決めされることによって、変調ビーム32が金属材料50を照射する位置が決定される。移動機構12Bおよび移動機構12Cを移動させる機構としては、たとえば、ボールねじなどがある。特に、Y軸方向に延びる線分として金属材料50に投影される変調ビーム32が、移動機構12BのX軸方向における移動に合わせて照射されることによって、金属材料50上で変調ビーム32を走査させることができる。ここで、金属材料50上の、変調ビーム32が投影される領域を投影領域32Aとする。

0042

なお、走査機構としては、たとえば、ガルバノミラーを用いて変調ビーム32を光学的に走査させるものであってもよい。その場合、変調ビームはX軸回転のミラーと、Y軸回転のミラーとを介して、ターゲットであるパウダー状の金属材料50上に照射される。また、保持台12Aを移動させる構成と、ガルバノミラーを用いる構成を組み合わせても良い。

0043

保持機構16は、ターゲットであるパウダー状の金属材料50を保持する機構である。保持機構16は、パートシリンダー16Aと、フィードシリンダー16Bと、フィードシリンダー16Cと、スキージ16Dとを備える。

0044

パートシリンダー16Aの上面には、フィードシリンダー16Bおよびフィードシリンダー16Cから、金属材料50が供給される。そして、パートシリンダー16Aの上面は、金属材料50に変調ビーム32が照射されることによって3次元造形の層が形成されると、それに伴ってZ軸負方向へ下降する。

0045

スキージ16Dは、金属材料50を、フィードシリンダー16Bおよびフィードシリンダー16Cからパートシリンダー16Aの上面に供給し、かつ、パートシリンダー16Aの上面に供給された金属材料50を平坦化する。

0046

制御装置20は、記憶媒体22に記憶された造形データに基づいて、空間光変調器14における変調動作の制御、走査機構12における走査動作の制御、さらには、変調ビーム32が金属材料50に与える光量の制御を行う。なお、記憶媒体22に記憶された造形データとは、ターゲットである金属材料50によって形成させる3次元造形を示すデータである。ここで、制御装置20は、たとえば、CPU、マイクロプロセッサまたはマイクロコンピュ−タなどで構成される。また、記憶媒体22は、たとえば、HDD、RAM、ROMまたはフラッシュメモリなどの、揮発性または不揮発性半導体メモリ磁気ディスクフレキシブルディスク光ディスクコンパクトディスクミニディスクまたはDVDなどを含むメモリなどである。

0047

本実施の形態において、金属材料50は、変調ビーム32が照射されることによって温度が上昇して焼結および溶融し、焼結体と呼ばれる緻密な物体となる。なお、ターゲットとなる物質は、本実施の形態に例示されたパウダー状の金属材料に限られるものではなく、エンジニアリングプラスチックセラミックス樹脂、砂またはワックスなどを使用することも可能である。

0048

図2は、本実施の形態に関する3次元造形製造装置の構成を概念的に例示する図である。

0049

図2に例示されるように、3次元造形製造装置1は、レーザー光源10と、照明光学系11を介してラインビーム31が入力される空間光変調器14と、空間光変調器14で変調された変調ビーム32が投影光学系18を介して到達するミラー19と、変調ビーム32が照射される金属材料50を保持する保持機構16と、制御装置20とを備える。保持機構16の内部には、ターゲットの酸化を防止するためにN2などが供給される。

0050

制御装置20は、変調制御部20Aと、走査制御部20Bと、光量制御部20Cとを備える。

0051

変調制御部20Aは、記憶媒体22に記憶された造形データに基づいて、空間光変調器14における画素ごとにラインビーム31を変調する動作を制御する。

0052

走査制御部20Bは、記憶媒体22に記憶された造形データに基づいて、変調ビーム32の走査を制御する。具体的には、移動機構12Bおよび移動機構12Cの動作を制御することによって保持台12AのXY平面における位置を調整して、造形データに基づく金属材料50上の所望の位置に、変調ビーム32を照射させる。なお、図2において、変調ビーム32は紙面の奥行き方向に幅を有し、かつ、Z軸負方向に照射されるものとする。

0053

光量制御部20Cは、変調制御部20Aを制御することによって、変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を制御する。具体的には、変調制御部20Aによって空間光変調器14における変調ビーム32の画素ごとの階調を制御することによって、または、画素ごとのオンの状態を維持する時間を制御することによって、または、これらの制御を組み合わせることによって、変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を制御する。

0054

<3次元造形製造装置の動作について>
次に、図3から図6を参照しつつ、本実施の形態に関する3次元造形製造装置の動作を説明する。以下では、空間光変調器14としてGLV(登録商標)が用いられる場合について説明する。

0055

レーザー光源10から出力されたレーザー光30は、照明光学系11によって平行光化され、ラインビーム31となって空間光変調器14に入力される。

0056

図3は、空間光変調器14の構成を例示する図である。図3に例示されるように、空間光変調器14は、基板14Aと、基板14A上に平行に配列された、可動格子であるリボン状のマイクロブリッジ14Bが複数設けられる。複数のマイクロブリッジ14Bの間には、複数のスリット14Cが形成される。

0057

マイクロブリッジ14Bは、その端部以外の部分が基板14Aから離間して位置し、基板14Aに対向する下面がSiNxなどからなる可撓性部材で構成され、下面と反対側の上面がアルミニウムなどの単層金属膜からなる反射電極膜で構成される。

0058

空間光変調器14は、マイクロブリッジ14Bと基板14Aとの間に印加される電圧のオン/オフ駆動制御される。マイクロブリッジ14Bと基板14Aとの間に印加する電圧をオンにすると、静電誘導された電荷によってマイクロブリッジ14Bと基板14Aとの間に静電吸引力が発生し、マイクロブリッジ14Bが基板14A側に撓む。一方で、マイクロブリッジ14Bと基板14Aとの間に印加する電圧をオフにすると、上記の撓みが解消し、マイクロブリッジ14Bは基板14Aから離間する。

0059

通常、1画素は複数の、たとえば6個のマイクロブリッジ14Bで構成される。電圧を印加するマイクロブリッジ14Bを交互に配置することによって、電圧の印加により回折格子を生成し、光の変調を行うことができる。

0060

このような空間光変調器14が変調できるラインビーム31の大きさが25mm×25μmで、ラインビーム31の長手方向に1000画素が形成されている。なお、1画素のサイズは25μmとする。

0061

記憶媒体22に記憶された造形データに基づいて画素ごとに変調された変調ビーム32は、投影光学系18に入力される。走査機構12においては、移動機構12Bおよび移動機構12Cの動作によって、X軸方向の1ステップごとに変調された変調ビーム32が、金属材料50上をたとえばX軸方向に走査する。X軸方向における移動および照射を繰り返すことによって、金属材料50の所定の領域が走査される。なお、変調ビーム32による走査に際して、保持機構16がX軸方向またはY軸方向に移動可能であってもよい。

0062

金属材料50に変調ビーム32が照射されることによって、金属材料50の温度が上昇する。そして、金属材料50の焼結および溶融が生じる。そして、焼結体となった層があらかじめ定められた厚さとなった後で、当該層をパートシリンダー16AのZ軸負方向への移動によって下降させ、さらに、パートシリンダー16Aの上面に金属材料50を供給する。

0063

パートシリンダー16Aの上面に供給された金属材料50は、スキージ16Dによって平坦化され、次の変調ビーム32の照射に備える。

0064

ここで、変調ビーム32によって金属材料50の温度が上昇し、さらに焼結および溶融する場合の、熱の拡散について説明する。

0065

図4は、変調ビーム32によって同等の光量が与えられた場合の、金属材料50における熱拡散の様子を説明するための概念図である。図4において、図4(a)は、光量プロファイル光エネルギー分布)を示している。同図において縦軸は光量を表している。図4(b)の縦軸は、変調ビーム32が照射された金属材料50の温度を示し、横軸は変調ビーム32のそれぞれの画素に対応する照射位置を示す。また、金属材料50の温度上昇によって焼結および溶融する焼結(溶融)温度Tを図示している。また、図4(b)の上方には、変調ビーム32の照射位置に対応する画素が示されている。

0066

図4では、1つの変調ビーム32の、空間光変調器14におけるそれぞれの画素に対応する照射位置が示されている。図4において、範囲L1および範囲L2では、金属材料50上に矩形の光量プロファイルを有する変調ビーム32が照射されており、当該変調ビーム32は、空間光変調器14においてレーザー光を照射する画素であるオン画素(図4における白抜きの画素)に対応するビームである。一方で、図4において、範囲L1および範囲L2以外では、金属材料50上に光量を与える変調ビーム32が照射されておらず、当該範囲は、空間光変調器14におけるオン画素以外の画素であるオフ画素(図4における砂地の画素)に対応する照射位置である。

0067

変調ビーム32を用いて金属材料50の焼結を行う場合、オン画素に対応するビームが隣接して金属材料50に照射される。

0068

そのため、あるビームに隣接する他のビームの有無によって、ビームの照射エネルギーの拡散の様子が異なる。すなわち、ビームの照射エネルギーは、隣接する位置に同様にビームが照射された場合には拡散の程度は比較的小さいが、隣接する位置にビームが照射されない場合、たとえば、図4における範囲L1または範囲L2の最も外側に位置するビームによる照射エネルギーなどは、照射エネルギーの拡散の程度は比較的大きくなる。また、矩形の光量プロファイルを有するビームを照射しても、金属材料50内で熱エネルギーに変換され拡散される。

0069

そうすると、これらのビームによる照射エネルギーの金属材料50の昇温に寄与する効率も、隣接する位置にビームが照射されない場合には下がるものと考えられる。すなわち、変調ビーム32によって同じ光量が与えられた場合であっても、隣接する照射位置におけるビームの有無によって、金属材料50の焼結および溶融の度合いに違いが生じることとなる。

0070

図4においては、範囲L1は連続する5つのオン画素からなるオン画素の列(オン画素列)であり、範囲L2は連続する9つのオン画素からなるオン画素の列(オン画素列)である。オン画素列におけるオン画素の数が多いほど、熱拡散の影響が少なく、造形に寄与するエネルギーが多くなる。つまり、図4(b)において範囲L2で示される通り、焼結温度Tより高くなる領域が多くなる。一方、オン画素列におけるオン画素の数が少ない場合、熱拡散の影響が大きく、造形に寄与するエネルギーが少なくなる。つまり、図4(b)において範囲L1で示される通り、焼結(溶融)温度Tより高くなる領域が少なくなる。

0071

照射エネルギーの拡散によって金属材料50の昇温効率が低下すると、当該照射位置は、金属材料50の焼結に必要な温度である焼結(溶融)温度Tに到達しにくくなる。そのため、焼結が不十分となることによって、造形データに基づく寸法よりも小さい寸法の3次元造形が形成される。つまり、焼結(溶融)温度T以上に温度が上昇した領域のみが有効に造形されることとなる。したがって、温度上昇にバラツキが生じると、形成された3次元造形の縁部において強度が不十分となる場合などがある。

0072

特に、赤外レーザーによって金属材料50を焼結させる場合、紫外光によって金属材料を焼結させる場合よりも上記照射エネルギーの拡散の程度の違いは顕著となる。

0073

そこで、図2における光量制御部20Cにおいて、オン画素列におけるオン画素の数に応じて、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を制御する。具体的には、オン画素列におけるオン画素の数が多いほど、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を少なく設定し、オン画素列におけるオン画素の数が少ないほど、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を多く設定する。

0074

光量制御部20Cは、たとえば、以下の式(1)に従って、オン画素列に対応する変調ビーム32の光量を制御する。

0075

0076

ここで、P0は、隣接するビームがない状態(すなわち、単体スポットビーム)での、適切に焼結が生じるための光量を示す。また、Kは、ターゲットとなる材料の熱伝導によって定められる係数である。また、Nは、オン画素列における連続するオン画素の数である。また、Nmaxは、無限長さとみなすことのできるオン画素列の連続するオン画素の数である。すなわち、Nmaxは、オン画素列の最も外側に位置するビームの照射位置までの距離が十分に大きくなることによって、オン画素列における照射エネルギーの拡散が無視できるオン画素の数である。

0077

図5は、上記の光量制御を行った場合の、金属材料50上の変調ビーム32の照射位置における設定光量の様子を説明するための概念図である。図5において、縦軸がそれぞれの画素に対応して変調ビーム32の照射位置に設定される光量を示し、横軸が変調ビーム32のそれぞれの画素に対応する照射位置を示す。また、図5の上方には、変調ビーム32の照射位置に対応する画素が、オン画素は白抜きで、オフ画素は砂地でそれぞれ示されている。

0078

範囲L3は連続する5つのオン画素からなるオン画素列であり、範囲L4は連続する15個のオン画素からなるオン画素列である。図5に例示されるように、範囲L3のオン画素列に設定される光量は、範囲L4のオン画素列に設定される光量よりも高い。これは、範囲L3のオン画素列におけるオン画素の数が、範囲L4のオン画素列におけるオン画素の数よりも少ないからである。

0079

また、上記のとおり、範囲L3と範囲L4との設定光量は異なっている。すなわち、1つの変調ビーム32において、複数のオン画素列間の設定光量が異なっている。

0080

上記のような設定光量の制御は、たとえば、光量制御部20Cによる、変調制御部20Aおよび走査制御部20Bの少なくとも一方の制御によって行われる。

0081

具体的には、変調制御部20Aによって空間光変調器14における変調ビーム32の画素ごとの階調を電圧制御によって調整することによって、または、走査制御部20Bによって変調ビーム32が金属材料50上の所望の位置を照射する時間をパルス幅変調(PWM)制御することによって、または、これらの制御を組み合わせることによって、変調ビーム32の設定光量を制御する。

0082

また、空間光変調器14におけるオフ画素、さらには、オフ画素の列であるオフ画素列も考慮して、上記の設定光量を制御することも可能である。

0083

図6は、オン画素列と設定光量との関係を示す図である。図6において、縦軸は設定光量を示し、横軸はオン画素列におけるオン画素の数を示す。

0084

複数のオン画素列が近接して位置している場合、それぞれのオン画素列の最も外側に位置するビームの照射位置の照射エネルギーの拡散は、対岸に位置するビームの照射位置の照射エネルギーの拡散の影響を受けて、照射エネルギーの拡散の程度が緩和されるものと考えられる。

0085

すなわち、オン画素列に隣接して位置するオフ画素列のオフ画素の数は、他のオン画素列との間の距離に相当するため、当該オフ画素列のオフ画素の数が少ないほど、変調ビーム32の照射エネルギーの拡散が緩和される。逆に、当該オフ画素列のオフ画素の数が多いほど、変調ビーム32の照射エネルギーの拡散の程度が高くなる。

0086

そこで、空間光変調器14において、オフ画素列におけるオフ画素の数に応じて、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に対応する変調ビーム32の光量を制御することができる。

0087

具体的には、オフ画素列におけるオフ画素の数が多いほど、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に対応する変調ビーム32の光量を多く設定する。また、オフ画素列におけるオフ画素の数が少ないほど、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に対応する変調ビーム32の光量を少なく設定する。

0088

図6においては、オフ画素列におけるオフ画素の数が多い変調ビーム32の設定光量推移P1と、設定光量推移P1の場合よりもオフ画素の数が少ない設定光量推移P2とが、それぞれ示されている。図6から明らかなように、設定光量推移P1は、設定光量推移P2よりも高い光量が設定されている。また、設定光量推移P1および設定光量推移P2は、ともにオン画素の数がNmaxに到達した後は、一定の光量が設定されている。

0089

以上のように、本実施の形態の構成によれば、変調ビーム32によって高速に3次元造形を行う場合に、変調ビーム32の照射エネルギーによる昇温のバラツキを緩和しつつ、精密な3次元造形が可能となる。具体的には、変調ビーム32において連続するオン画素の数に依存せず、ターゲットであるパウダー状の金属材料50を適切に昇温および焼結させることができる。

0090

また、大出力可能な赤外レーザーを用いて3次元造形を行うことができるため、紫外光を用いる場合よりも高速に造形することができる。

0091

なお、投影領域を2次元の面状に拡張させるレーザー光を適用する場合においても、上記の実施の形態と同様の当該投影領域内における多段階の光量制御によって、レーザー光の照射エネルギーによる昇温の違いを緩和しつつ、精密な3次元造形が可能となる。

0092

<以上に記載された実施の形態によって生じる効果について>
次に、以上に記載された実施の形態によって生じる効果を例示する。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態に例示された具体的な構成に基づいて当該効果が記載されるが、同様の効果が生じる範囲で、本願明細書に例示される他の具体的な構成と置き換えられてもよい。

0093

以上に記載された実施の形態によれば、3次元造形製造装置は、レーザー光源10と、照明光学系11と、空間光変調器14と、保持機構16と、走査機構12と、光量制御部20Cとを備える。ここで、照明光学系11は、たとえば、レンズ11A、レンズ11Bに対応するものである。レンズ11A、レンズ11Bは、レーザー光源10から入力されるレーザー光30を、ラインビーム31に整形する。空間光変調器14は、ターゲット上で変調ビーム32によって形成される3次元造形を示す造形データに基づいて、画素ごとにラインビーム31を変調させる。ここで、ターゲットは、たとえば、金属材料50に対応するものである。保持機構16は、金属材料50を保持する。走査機構12は、空間光変調器14で変調された変調ビーム32を、造形データに基づいて、保持機構16に保持された金属材料50上で走査させる。ここで、空間光変調器14において、金属材料50上に光量を与える変調ビーム32に対応する画素をオン画素とし、連続して並ぶオン画素の列をオン画素列とする。そして、光量制御部20Cは、オン画素列におけるオン画素の数に応じて、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を制御する。

0094

このような構成によれば、変調ビーム32の照射エネルギーの寄与の違いによる金属材料50の昇温のバラツキを緩和しつつ、精密な3次元造形が可能となる。具体的には、ラインビーム31において連続するオン画素の数に基づいて変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を制御することによって、照射エネルギーの拡散による金属材料50の焼結(溶融)度合いのバラツキを緩和することができる。

0095

なお、これらの構成以外の本願明細書に例示される他の構成については適宜省略することができる。すなわち、少なくともこれらの構成を備えていれば、以上に記載された効果を生じさせることができる。

0096

しかしながら、本願明細書に例示される他の構成のうちの少なくとも1つを以上に記載された構成に適宜追加した場合、すなわち、以上に記載された構成としては言及されなかった本願明細書に例示される他の構成が適宜追加された場合であっても、同様の効果を生じさせることができる。

0097

また、以上に記載された実施の形態によれば、光量制御部20Cは、オン画素列におけるオン画素の数が多いほど、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を少なくし、オン画素列におけるオン画素の数が少ないほど、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を多くする。このような構成によれば、連続するオン画素が多い場合に変調ビーム32による照射エネルギーが拡散しにくいこと、および、連続するオン画素が少ない場合に変調ビーム32による照射エネルギーが拡散しやすいことをそれぞれ相殺するように、変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を制御することができる。

0098

また、以上に記載された実施の形態によれば、光量制御部20Cは、オン画素列におけるそれぞれのオン画素に対応する変調ビーム32の階調を空間光変調器14に調整させることによって、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を制御する。このような構成によれば、空間光変調器14における階調制御によって、照射エネルギーの拡散による金属材料50の焼結度合いのバラツキを緩和することができる。

0099

また、以上に記載された実施の形態によれば、光量制御部20Cは、オン画素列におけるそれぞれのオン画素の状態を維持する時間によって、それぞれの当該オン画素に対応する変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を制御する。このような構成によれば、オン画素列におけるそれぞれのオン画素の状態を維持する時間の制御によって、照射エネルギーの拡散による金属材料50の焼結度合いのバラツキを緩和することができる。

0100

また、以上に記載された実施の形態によれば、光量制御部20Cは、それぞれのオン画素に対応する変調ビーム32が金属材料50上に与える光量が、空間光変調器14における複数のオン画素列の間で異なるように制御する。このような構成によれば、変調ビーム32において、オン画素の数が異なる複数のオン画素列が存在する場合であっても、オン画素列ごとにオン画素の数に基づく光量制御を行うことができる。

0101

また、以上に記載された実施の形態によれば、光量制御部20Cは、空間光変調器14において、オン画素以外の画素をオフ画素とし、連続して並ぶオフ画素の列をオフ画素列として、オフ画素列におけるオフ画素の数に応じて、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に対応する変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を制御する。このような構成によれば、変調ビーム32の照射エネルギーによる金属材料50の昇温のバラツキを緩和しつつ、精密な3次元造形が可能となる。具体的には、変調ビーム32において連続するオフ画素の数に基づいて、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に変調ビーム32が与える光量を制御することによって、照射エネルギーの拡散による金属材料50の焼結度合いのバラツキを緩和することができる。

0102

また、以上に記載された実施の形態によれば、光量制御部20Cは、オフ画素列におけるオフ画素の数が多いほど、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に対応する変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を多くし、オフ画素列におけるオフ画素の数が少ないほど、当該オフ画素列に隣接するオン画素列におけるそれぞれのオン画素に対応する変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を少なくする。このような構成によれば、連続するオフ画素が多い場合に変調ビーム32による照射エネルギーが拡散しやすいこと、および、連続するオフ画素が少ない場合に変調ビーム32による照射エネルギーが拡散しにくいことをそれぞれ相殺するように、変調ビーム32が金属材料50上に与える光量を制御することができる。

0103

また、以上に記載された実施の形態によれば、レーザー光源10は、赤外レーザーであるレーザー光を出力する。このような構成によれば、大出力可能な赤外レーザーを用いて3次元造形を行うことができるため、紫外光を用いる場合よりも高速に造形することができる。

0104

また、以上に記載された実施の形態によれば、金属材料50は、パウダー状の金属材料である。このような構成によれば、変調ビーム32によって金属材料50を焼結させることによって、焼結体による3次元造形を形成することができる。

0105

また、以上に記載された実施の形態によれば、金属材料50の代わりに樹脂材料を用いてもよい。このような構成によれば、変調ビーム32によって光硬化性樹脂材料を硬化させることによって、3次元造形を形成することができる。なお、このような樹脂材料としてはパウダー状の樹脂材料を採用することができる。

0106

<以上に記載された実施の形態における変形例について>
以上に記載された実施の形態では、それぞれの構成要素の材質、材料、寸法、形状、相対的配置関係または実施の条件などについても記載する場合があるが、これらはすべての局面において例示であって、本願明細書に記載されたものに限られることはないものとする。

0107

したがって、例示されていない無数の変形例、および、均等物が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。たとえば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

0108

1 3次元造形製造装置
10レーザー光源
11照明光学系
11A,11B,18A,18Bレンズ
12走査機構
12A保持台
12B,12C移動機構
14空間光変調器
14A基板
14Bマイクロブリッジ
14Cスリット
16保持機構
16Aパートシリンダー
16B,16Cフィードシリンダー
16Dスキージ
18投影光学系
19ミラー
20制御装置
20A変調制御部
20B走査制御部
20C光量制御部
22記憶媒体
30レーザー光
31ラインビーム
32変調ビーム
32A投影領域
50金属材料
L1,L2,L3,L4 範囲
P1,P2設定光量推移
T焼結温度(溶融温度

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