JP6283053B2

JP6283053B2 - 積層造形装置

Info

Publication number: JP6283053B2
Application number: JP2016082795A
Authority: JP
Inventors: 一朗新家; 秀二岡崎; 泰行宮下; 善考加藤
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2018-02-21
Anticipated expiration: 2036-04-18
Also published as: JP2017193060A

Description

この発明は、積層造形装置に関する。

レーザ光による積層造形法では、不活性ガスが充満された密閉されたチャンバ内において、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ことを繰り返すことによって、複数の焼結層を積層して一体となる焼結体からなる所望の三次元形状を造形する。また、好ましくは鉛直水平方向に移動可能なエンドミル等の切削工具を用いて、造形物の造形途中に、材料粉体を焼結して得られた焼結体の表面や不要部分に対して機械加工を施してもよい。かかる工程の組み合わせと繰り返しとを経て、所望の積層造形物が形成される。

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る。特に、材料粉体層の所定の位置にレーザ光を照射するレーザ光照射部は、切削工具を含む切削装置等に比して造形テーブル上の材料粉体層と離れた位置に設けられるため、熱変位による位置ずれの影響を受けやすい。そのため、積層造形の精度を維持するために、定期的にレーザ光照射部からのレーザ光の照射位置を補正する必要がある。

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する構成や、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４１３０８１３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。更に、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。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高品質な造形物を形成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、造形領域を覆い且つ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上の照射領域における材料粉体を焼結させるレーザ光を照射するレーザ光照射部と、前記材料粉体を焼結させて得られる焼結層を切削する切削工具を前記チャンバ内で鉛直水平方向に移動させる切削装置と、前記レーザ光又は前記レーザ光と同一光軸を有する同軸光から成る補正光の照射位置を検出する光検出部と、前記光検出部において検出された前記補正光の照射位置に基づいて前記レーザ光の照射位置を補正する補正手段と、を備え、前記光検出部は、前記切削装置に設けられる、積層造形装置が提供される。

本発明では、特許文献１等の従来技術とは異なり切削装置に設けられた光検出部を利用するため、レーザ光の照射位置を補正することでレーザ光照射に係る平面座標系と切削工具の位置制御に係る平面座標系との対応付けも合わせて行うことができ、切削の精度を向上させることができる。また、光検出部が移動可能に構成されるため、計測誤差が小さい位置での補正が可能となりより高精度な補正を実現することができる。以上より、本発明によれば、高品質な造形物を形成することができる。

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、前記チャンバ内を移動しながら前記造形領域上に前記材料粉体を撒布して前記材料粉体層を形成するリコータヘッドを更に備え、前記切削装置は、前記リコータヘッドの所定の一方向の移動とともに又は当該移動完了後に前記光検出部を退避位置から測定位置に移動させ、前記補正手段は、前記光検出部が前記測定位置にある状態において、前記光検出部において検出された前記補正光の照射位置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、前記光検出部は、前記切削工具の位置制御に係る平面座標系のどちらか１つの座標軸上に配置される。

好ましくは、前記切削装置は、前記レーザ光の位置制御に係る平面座標系の原点から等距離にある２点に照射したレーザ光を検出するように前記光検出部を移動させる。

好ましくは、前記光検出部は、第１及び第２光検出部を含む複数の光検出部を備え、前記補正手段は、第１及び第２光検出部において検出された前記補正光の照射位置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、第１及び第２光検出部は、前記切削工具の位置制御に係る平面座標系のどちらか１つの座標軸から等距離に配置される。

好ましくは、前記切削装置は、前記レーザ光の位置制御に係る平面座標系の原点から等距離にある２点に照射したレーザ光を第１及び第２光検出部がそれぞれ検出するように、前記光検出部を移動させる。

本発明の第１及び第２実施形態に係る積層造形装置の概略構成図である。本発明の第１及び第２実施形態に係る粉体層形成装置３及びレーザ光照射部１３の斜視図である。本発明の第１及び第２実施形態に係るリコータヘッド１１の斜視図である。本発明の第１及び第２実施形態に係るリコータヘッド１１の別の角度から見た斜視図である。本発明の第１実施形態に係り、図１におけるＰ−Ｐ断面であって加工ヘッド５７に設けられた光検出部４１を示す概略図である。本発明の第１及び第２実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。本発明の第１及び第２実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。本発明の第１及び第２実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。本発明の第１及び第２実施形態に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。本発明の第１実施形態に係り、第１目標照射位置と第２目標照射位置との関係を示す概略図である。本発明の第１及び第２実施形態に係り、目標照射位置と実照射位置との関係を示す概略図である。本発明の第２実施形態に係り、図１におけるＰ−Ｐ断面であって加工ヘッド５７に設けられた第１光検出部４１ａ及び第２光検出部４１ｂを示す概略図である。本発明の第２実施形態に係り、第１目標照射位置と第２目標照射位置との関係を示す概略図である。

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。

１．第１実施形態
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る積層造形装置は、チャンバ１とレーザ光照射部１３とを有する。

チャンバ１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には、内部に粉体層形成装置３が設けられ、上面部にヒューム拡散装置１７が設けられる。粉体層形成装置３は、ベース台４とリコータヘッド１１とを有する。

ベース台４は、積層造形物が形成される造形領域Ｒを有する。造形領域Ｒには、造形テーブル５が設けられる。造形テーブル５は、造形テーブル駆動機構３１によって駆動されて上下方向（図１の矢印Ａ方向）に移動することができる。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、所定の照射領域は、造形領域Ｒ内に存在し、所望の三次元造形物の輪郭形状で囲繞される領域とおおよそ一致する。

造形テーブル５の周りには、粉体保持壁２６が設けられる。粉体保持壁２６と造形テーブル５とによって囲まれる粉体保持空間には、未焼結の材料粉体が保持される。図１においては不図示であるが、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が設けられてもよい。かかる場合、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から排出される。排出された材料粉体は、シューターガイドによってシューターに案内され、シューターを通じてバケットに収容されることになる。

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と材料供給部１１ｂと材料排出部１１ｃとを有する。

材料収容部１１ａは材料粉体を収容する。なお、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。材料供給部１１ｂは、材料収容部１１ａの上面に設けられ、不図示の材料供給装置から材料収容部１１ａに供給される材料粉体の受口となる。材料排出部１１ｃは、材料収容部１１ａの底面に設けられ、材料収容部１１ａ内の材料粉体を排出する。なお、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。

また、リコータヘッド１１の両側面には、ブレード１１ｆｂ、１１ｒｂとリコータヘッド供給口１１ｆｓとリコータヘッド排出口１１ｒｓとが設けられる。ブレード１１ｆｂ、１１ｒｂは、材料粉体を撒布する。換言するとブレード１１ｆｂ、１１ｒｂ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。リコータヘッド供給口１１ｆｓ及びリコータヘッド排出口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）に沿ってそれぞれ設けられ、不活性ガスの供給及び排出を行う（詳細は後述）。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、ヘリウムガス等が例示される。

切削装置５０は、スピンドルヘッド６０と光検出部４１とが設けられた加工ヘッド５７を有する。加工ヘッド５７は、不図示の加工ヘッド駆動機構により制御可能に、スピンドルヘッド６０と光検出部４１とを所望の位置に水平鉛直方向に移動させる。

スピンドルヘッド６０は、図５に示すように、不図示のエンドミル等の切削工具を取り付けて回転させることができるように構成されており、材料粉体を焼結して得られた焼結層の表面や不要部分に対して切削加工を行うことができる。また切削工具は複数種類の切削工具であることが好ましく、使用する切削工具は不図示の自動工具交換装置によって、造形中にも交換可能である。

光検出部４１は、例えば受光素子又はＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−ＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）等の撮像素子であり、レーザ光Ｌの照射位置の補正処理に使用されるものである。かかる補正処理の内容については後に詳述する。

ここで、スピンドルヘッド６０と光検出部４１とがともに同一の駆動系（ここでは加工ヘッド５７）に設けられているため、スピンドルヘッド６０に装着される切削工具の位置制御に係る平面座標系（図５に示すｘ−ｙ座標、座標を（ｘ，ｙ）と示す。）において光検出部４１の座標は既知である。第１実施形態に係る光検出部４１が、切削工具の位置制御に係る平面座標系における１つの軸、すなわちｘ軸あるいはｙ軸上に配置されることが好ましい。ここでは、光検出部４１はｘ軸上に配置される。図５においては、切削工具（主軸）を原点（０，０）として光検出部４１は、（ａ，０）に配置されている。かかる構成によって、後述の補正による切削工具の位置制御に係る平面座標系とレーザ光Ｌの位置制御に係る平面座標系との対応付けをより高精度に行うことができる。なお、以下において造形領域Ｒに平行な切削工具の位置制御に係る平面座標系を単に主軸座標系といい、造形領域Ｒに平行なレーザ光Ｌの位置制御に係る平面座標系を単にレーザ光座標系という。

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装置１７が設けられる。ヒューム拡散装置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を通じて清浄室１７ｆに充満される。そして、清浄室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装置１７の下方に向かって噴出される。

レーザ光照射部１３は、チャンバ１の上方に設けられる。レーザ光照射部１３は、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。具体的には、レーザ光照射部１３は、レーザ光源４２と２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂとフォーカス制御ユニット４４とを有する。なお、各ガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、それぞれガルバノミラー４３ａ、４３ｂを回転させるアクチュエータを備えている。

レーザ光源４２はレーザ光Ｌを照射する。ここで、レーザ光Ｌは、材料粉体を焼結可能なレーザであって、例えば、ＣＯ_２レーザ、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ等である。

フォーカス制御ユニット４４は、レーザ光源４２より出力されたレーザ光Ｌを集光し所望のスポット径に調整する。２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、レーザ光源４２より出力されたレーザ光Ｌを制御可能に２次元走査する。特にガルバノミラー４３ａは、レーザ光Ｌを矢印Ｂ方向（Ｘ軸方向）に走査し、ガルバノミラー４３ｂは、レーザ光Ｌを矢印Ｃ方向（Ｙ軸方向）に走査する。ガルバノミラー４３ａ、４３ｂは、それぞれ、不図示の制御装置から入力される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。かかる特徴により、ガルバノミラー４３ａ、４３ｂの各アクチュエータ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を照射することができる。

ガルバノミラー４３ａ、４３ｂを通過したレーザ光Ｌ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。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。

次に、不活性ガス給排系統について説明する。不活性ガス給排系統は、チャンバ１に設けられる複数の不活性ガスの供給口及び排出口と、各供給口及び各排出口と不活性ガス供給装置１５及びヒュームコレクタ１９とを接続する配管を含む。本実施形態では、リコータヘッド供給口１１ｆｓ、チャンバ供給口１ｂ、副供給口１ｅ、及びヒューム拡散装置供給口１７ｇを含む供給口と、チャンバ排出口１ｃ、リコータヘッド排出口１１ｒｓ、副排出口１ｆを含む排出口とを備える。

リコータヘッド供給口１１ｆｓは、チャンバ排出口１ｃの設置位置に対応してチャンバ排出口１ｃに対面するように設けられる。好ましくは、リコータヘッド供給口１１ｆｓは、リコータヘッド１１が不図示の材料供給装置の設置位置に対して所定の照射領域を挟んで反対側に位置しているときにチャンバ排出口１ｃと対面するように、矢印Ｃ方向に沿ってリコータヘッド１１の片面に設けられる。

チャンバ排出口１ｃは、チャンバ１の側板にリコータヘッド供給口１１ｆｓに対面するように所定の照射領域から所定距離離れて設けられる。また、チャンバ排出口１ｃに接続するように不図示の吸引装置が設けられるとよい。当該吸引装置は、レーザ光Ｌの照射経路からヒュームを効率よく排除することを助ける。また、吸引装置によってチャンバ排出口１ｃにおいて、より多くの量のヒュームを排出することができ、造形空間１ｄ内にヒュームが拡散しにくくなる。

チャンバ供給口１ｂは、ベース台４の端上に所定の照射領域を間に置いてチャンバ排出口１ｃに対面するように設けられる。チャンバ供給口１ｂは、リコータヘッド１１が所定の照射領域を通過してリコータヘッド供給口１１ｆｓが所定の照射領域を間に置かずにチャンバ排出口１ｃに直面する位置にあるとき、リコータヘッド供給口１１ｆｓからチャンバ供給口１ｂに選択的に切り換えられて開放される。そのため、チャンバ供給口１ｂは、リコータヘッド供給口１１ｆｓから供給される不活性ガスと同じ所定の圧力と流量の不活性ガスをチャンバ排出口１ｃに向けて供給するので、常に同じ方向に不活性ガスの流れを作り出し、安定した焼結を行える点で有利である。

リコータヘッド排出口１１ｒｓは、リコータヘッド１１のリコータヘッド供給口１１ｆｓが設けられている片面に対して反対側の側面に、矢印Ｃ方向に沿って設けられる。リコータヘッド供給口１１ｆｓから不活性ガスを供給できないとき、換言すれば、チャンバ供給口１ｂから不活性ガスを供給するときに、所定の照射領域のより近くで不活性ガスの流れを作り出していくらかのヒュームを排出するので、ヒュームをより効率よくレーザ光Ｌの照射経路から排除することができる。

また、本実施形態の不活性ガス給排系統は、チャンバ排出口１ｃに対面するようにチャンバ１の側板に設けられヒュームコレクタ１９から送給されるヒュームが除去された清浄な不活性ガスを造形空間１ｄに供給する副供給口１ｅと、チャンバ１の上面に設けられヒューム拡散装置１７へ不活性ガスを供給するヒューム拡散装置供給口１７ｇと、チャンバ排出口１ｃの上側に設けられチャンバ１の上側に残留するヒュームを多く含む不活性ガスを排出する副排出口１ｆとを備える。

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、周囲の空気から窒素ガスを取り出す膜式窒素セパレータを備える装置である。本実施形態では、図１に示すように、リコータヘッド供給口１１ｆｓ、チャンバ供給口１ｂ、及びヒューム拡散装置供給口１７ｇと接続される。

ヒュームコレクタ１９は、その上流側及び下流側にそれぞれダクトボックス２１、２３を有する。チャンバ１からチャンバ排出口１ｃ及び副排出口１ｆを通じて排出された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清浄な不活性ガスがダクトボックス２３を通じてチャンバ１の副供給口１ｅ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。

ヒューム排出系統として、図１に示すように、チャンバ排出口１ｃ、リコータヘッド排出口１１ｒｓ、及び副排出口１ｆとヒュームコレクタ１９とがダクトボックス２１を通じてそれぞれ接続される。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清浄な不活性ガスは、チャンバ１へと返送され再利用される。

（第１実施形態に係る積層造形方法及び補正方法）
次に、図５〜図９を用いて、第１実施形態に係る積層造形方法及び補正方法について説明する。後述するように、第１実施形態に係る補正方法は、積層造形中に実行されることが好ましい。なお、図６〜図９では、視認性を考慮し図１では示していた構成要素を一部省略している。

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（図６）。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６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。なお、リコータヘッド１１のかかる移動中には、リコータヘッド１１及び切削装置５０の物理的な干渉を防ぐために、切削装置５０を図６における右側（退避位置）に退避させている。また、切削装置５０は鉛直水平方向に移動可能に構成されるため、図中右側への退避に限らず更に鉛直上方向や紙面奥方向に退避させておいてもよい。

次に、リコータヘッド１１を造形領域Ｒの外に退避させるとともに材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射することで材料粉体層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、積層造形物全体に対して所定厚を有する分割層である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の所定厚（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。かかる材料粉体層８の形成をリコートと呼ぶ。

ここで、次に詳述する「補正方法」が実行される。以下、用語「目標照射位置」及び「実照射位置」は、光検出部４１における検出可能領域内の位置としてそれぞれ使用するものとする。また本実施形態では、光検出部４１の目標照射位置へと照射し、実照射位置との誤差を特定するための補正光として、焼結層の形成にも使用するレーザ光Ｌを用いる。なお、レーザ光Ｌによって光検出部４１が損傷されるのを防止するため、補正時のレーザ光Ｌは、光検出部４１が検出できる範囲で出力が弱められてもよいし、半透明板を介して減衰されてから光検出部４１に入射するように構成されてもよい。

図８に示すように、光検出部４１における検出可能領域の中心が第１目標照射位置（詳細は後述）に位置するように切削装置５０を所定の測定位置まで移動させる。第１目標照射位置に対応する回転制御信号がガルバノミラー４３ａ、４３ｂにそれぞれ入力される。ガルバノミラー４３ａ、４３ｂはそれぞれ所定の角度を向く。レーザ光源４２からレーザ光Ｌが出力されガルバノミラー４３ａ、４３ｂを介して、光検出部４１における検出可能領域上であって第１目標照射位置に対応する所定の位置（第１実照射位置）に照射される。ここで、熱変位の影響で第１実照射位置は、第１目標照射位置から幾分かずれた位置となることがある。ただし、当該変位量は光検出部４１における検出可能領域に対して相対的に小さいものであり、当該検出可能領域に第１実照射位置も含まれている。すなわち、光検出部４１により第１実照射位置が検出される。

次に、光検出部４１における検出可能領域の中心が第２目標照射位置に位置するように切削装置５０を移動させる。第２目標照射位置に対応する回転制御信号がガルバノミラー４３ａ、４３ｂにそれぞれ入力される。ガルバノミラー４３ａ、４３ｂはそれぞれ所定の角度を向く。レーザ光源４２からレーザ光Ｌが出力されガルバノミラー４３ａ、４３ｂを介して、第２目標照射位置に対応する所定の位置（第２実照射位置）に照射される。ここで、熱変位の影響で第２実照射位置は第２目標照射位置から幾分かずれた位置となることがある。ただし、当該変位量は光検出部４１における検出可能領域に対して相対的に小さいものであり、当該検出可能領域に第２実照射位置も含まれている。すなわち、光検出部４１により第２実照射位置が検出される。

第１目標照射位置と第２目標照射位置は、例えば図５に示すｘ座標とｙ座標のうち、一方が同一でもう一方が異なるように構成されることが望ましい。本例でいえば、ｘ座標を同一にしてｙ座標を異なる値に設定するため、図８における紙面奥方向に切削装置５０を移動させることになる。図１０に当該移動の前後に係る状態を示す。このとき、レーザ光座標系（図１０に示すＸ−Ｙ座標、座標を［Ｘ，Ｙ］と示す。）の原点から互いに等距離に位置するように、第１及び第２目標照射位置を決定することが好ましい。これにより、２点の測定誤差が略同一となり全体としてより高精度な補正を実現することができる。図１０においては、第１目標照射位置は、［０，Ｂ］に位置し、第２目標照射位置は、［０，−Ｂ］に位置している。

なお、ガルバノミラー４３ａ、４３ｂを用いたレーザ光Ｌの照射位置制御とは、上述の通りあくまでも２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂの角度を制御するものである。つまり、同一の角度を変化させても照射位置の高さによって照射位置上での距離変位が異なってくる（光てこの原理）。したがって、光検出部４１を予め定めた所定の高さにして実施することが望ましい。本補正方法では、造形テーブル５とは異なる所定高さにある光検出部４１上へ照射するので、予め角度とかかる所定高さでの照射位置の対応付けを行っておく必要がある。

更に、リコータヘッド１１との物理的干渉について特に問題がなければ、補正精度の観点からすれば光検出部４１とガルバノミラー４３ａ、４３ｂとの高さの差が大きいことが好ましいと解する。換言すると、切削装置５０の高さをできるだけ低い位置に移動させることが好ましい。なぜなら、光てこの原理から、距離がある方が同一の誤差であっても大きな変位として計測できるからである。

次に、不図示の補正手段（例えば、ガルバノミラー４３ａ、４３ｂを制御する不図示の制御装置、制御回路等）が、第１目標照射位置と第１実照射位置との誤差Δ１及び第２目標照射位置と第２実照射位置との誤差Δ２を算出する。補正手段は、それぞれの目標照射位置と実照射位置とが略一致するようにレーザ光Ｌの照射位置を補正する。換言すると、補正手段は、誤差Δ１及びΔ２が略０となるようにレーザ光Ｌの照射位置を補正する。具体的には、並進ずれ及び回転ずれの両成分を補正することができる。参考までに、図１１に並進ずれや回転ずれのパターンを示す。図１１の上段は第１目標照射位置と第１実照射位置が示されており、下段は第２目標照射位置と第２実照射位置が示されている。また、外側の円は光検出部４１における検出可能領域であり、内側の円は、目標照射位置（ハッチング無し）と実照射位置（ハッチング有り）を示している。上記Δ１及びΔ２は、これらＸ方向の並進ずれΔｘ、Ｙ方向の並進ずれΔｙ及び回転ずれΔθの組み合わせから成る。任意の目標照射位置の列ベクトルをｐ＝^Ｔ（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）とし、かかる目標照射位置に対応する実照射位置の列ベクトルをｑ＝^Ｔ（ｘ_ｑ，ｙ_ｑ）とすると、これらは
ｐ＝Ａ_Ｒｑ＋ｄ（１）

と表せる。ただしＡ_Ｒは−Δθを回転角とする２次元回転行列であり、ｄは並進ずれを成分とする列ベクトル（ｄ＝^Ｔ（Δｘ，Δｙ））である。すなわち、Δ１及びΔ２からＡ_Ｒ及びｄを算出し、式（１）を補正として適用することで、実照射位置と目標照射位置とを略一致させることができる（「補正方法」はここまで。）。

次に、材料粉体層８中の所定部位にレーザ光Ｌを照射し材料粉体層８のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図９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。必要数の焼結層を形成した後、未焼結の材料粉体を除去することによって、造形した焼結体を得ることができる。この焼結体は、例えば樹脂成形用の金型として利用可能である。

なお、上述の補正方法に際して誤差に対する閾値を設けてもよい。例えば、誤差の絶対値｜Δ１｜と閾値Ｔ１とを比較し、誤差の絶対値｜Δ２｜と閾値Ｔ２とを比較して、
｜Δ１｜＞Ｔ１及び｜Δ２｜＞Ｔ２
のうち少なくとも一方を満たすとき、或いは、
｜Δ１｜≧Ｔ１及び｜Δ２｜≧Ｔ２
のうち少なくとも一方を満たすとき、補正手段がレーザ光Ｌの照射位置を補正する。

また、第１目標照射位置から第２目標照射位置へ移動する際にも当該移動に合わせてレーザ光Ｌを移動させながら照射し続け、その移動軌跡を考慮してもよい。軌跡を考慮することで計測誤差を少なくし、より信頼度の高い補正を行うことができると解する。

好ましくは、リコータヘッド１１によるリコート動作と切削装置５０の移動との物理的干渉を回避するために、リコータヘッド１１によるリコート動作（所定の一方向への移動）の完了後に切削装置５０の移動が行われると、従来技術に比してより短い時間で積層造形を行うことができる。更に好ましくは、リコータヘッド１１によるリコート動作と切削装置５０の移動との物理的干渉を回避しつつもこれらを略同時に行うことで、更なる短い時間で積層造形を行うことができる。また、第１実施形態に係る補正方法では、光検出部４１が主軸座標系の何れか１つの座標軸上に配置されるため、精度の高い補正を実現することができる。

２．第２実施形態
続いて、第２実施形態に係る積層造形装置を説明する。第２実施形態では、補正時における複数の目標照射位置と同数である複数の光検出部４１を有する。図１２に示すように、ここでは２つの光検出部４１（第１光検出部４１ａ、第２光検出部４１ｂ）が切削装置５０に設けられる。ここで、スピンドルヘッド６０、第１光検出部４１ａ、及び第２光検出部４１ｂがともに同一の駆動系（ここでは加工ヘッド５７）に設けられているため、主軸座標系（図１２に示すｘ−ｙ座標）において第１光検出部４１ａ及び第２光検出部４１ｂの座標は既知である。ここでは、切削工具の位置制御に係る平面座標系における１つの軸（ここでは、ｘ軸）上から等距離に配置されることが好ましい。図１２においては、切削工具（主軸）を原点として、第１光検出部４１ａは、（ａ，ｂ）に配置され且つ第２光検出部４１ｂは、（ａ，−ｂ）に配置される。かかる構成によれば、より高精度にレーザ光座標系と主軸座標系との対応付けをとることができる。

（第２実施形態に係る補正方法）
図６〜図９、図１１〜図１３を用いて、第２実施形態に係る積層造形方法及び補正方法について説明する。後述するように、第１実施形態に係る補正方法同様、第２実施形態に係る補正方法も積層造形中に実行されることが好ましい。

次に、造形テーブル５の高さを材料粉体層８の所定厚（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。

ここで、次に詳述する「補正方法」が実行される。第１実施形態と同じく本実施形態では、光検出部４１の目標照射位置へと照射し、実照射位置との誤差を特定するための補正光として、焼結層の形成にも使用するレーザ光Ｌを用いる。なお、レーザ光Ｌによって光検出部４１が損傷されるのを防止するため、補正時のレーザ光Ｌは、光検出部４１が検出できる範囲で出力が弱められてもよいし、半透明板を介して減衰されてから光検出部４１に入射するように構成されてもよい。

図８に示すように、第１光検出部４１ａにおける検出可能領域の中心が第１目標照射位置に位置するように切削装置５０を所定の測定位置まで移動させる。このとき、図１２に示すように、第２光検出部４１ｂにおける検出可能領域の中心は、第２目標照射位置に位置することとなる。第１実施形態と同様に、レーザ光座標系（図１３に示すＸ−Ｙ座標、座標を［Ｘ，Ｙ］と示す。）の原点から互いに等距離に位置するように、第１及び第２目標照射位置を決定することが好ましい。これにより、２点の測定誤差が略同一となり全体としてより高精度な補正を実現することができる。図１３においては、第１目標照射位置は、［０，Ｂ］に位置し、第２目標照射位置は、［０，−Ｂ］に位置している。

第１目標照射位置に対応する回転制御信号がガルバノミラー４３ａ、４３ｂにそれぞれ入力される。ガルバノミラー４３ａ、４３ｂはそれぞれ所定の角度を向く。レーザ光源４２からレーザ光Ｌが出力されガルバノミラー４３ａ、４３ｂを介して、第１目標照射位置に対応する所定の位置（第１実照射位置）に照射される。ここで、熱変位の影響で第１実照射位置は、第１目標照射位置から幾分かずれた位置となることがある。ただし、当該変位量は第１光検出部４１ａにおける検出可能領域に対して相対的に小さいものであり、当該検出可能領域に第１実照射位置も含まれている。すなわち、第１光検出部４１ａにより第１実照射位置が検出される。

続いて、第２目標照射位置に対応する回転制御信号がガルバノミラー４３ａ、４３ｂにそれぞれ入力される。ガルバノミラー４３ａ、４３ｂはそれぞれ所定の角度を向く。レーザ光源４２からレーザ光Ｌが出力されガルバノミラー４３ａ、４３ｂを介して、第２目標照射位置に対応する所定の位置（第２実照射位置）に照射される。ここで、熱変位の影響で第２実照射位置は、第２目標照射位置から幾分かずれた位置となることがある。ただし、当該変位量は第２光検出部４１ｂにおける検出可能領域に対して相対的に小さいものであり、当該検出可能領域に第２実照射位置も含まれている。すなわち、第２光検出部４１ｂにより第２実照射位置が検出される。

次に、不図示の補正手段（例えば、ガルバノミラー４３ａ、４３ｂを制御する不図示の制御装置、制御回路等）が、第１目標照射位置と第１実照射位置との誤差Δ１及び第２目標照射位置と第２実照射位置との誤差Δ２を算出する。補正手段は、それぞれの目標照射位置と実照射位置とが略一致するようにレーザ光Ｌの照射位置を補正する。換言すると、補正手段は、誤差Δ１及びΔ２が略０となるようにレーザ光Ｌの照射位置を補正する。具体的には、第１実施形態と同様に、図１１に示すような並進ずれ及び回転ずれの両成分を補正することができる。すなわち、実照射位置と目標照射位置とを略一致させることができる（「補正方法」はここまで。）。

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Ｌ照射部位を焼結させることによって、図９に示すように、２層目の焼結層８２ｆを得る。

なお、第１実施形態同様に補正方法に際して誤差に対する閾値を設けてもよい。例えば、誤差の絶対値｜Δ１｜と閾値Ｔ１とを比較し、誤差の絶対値｜Δ２｜と閾値Ｔ２とを比較して、
｜Δ１｜＞Ｔ１及び｜Δ２｜＞Ｔ２
のうち少なくとも一方を満たすとき、或いは、
｜Δ１｜≧Ｔ１及び｜Δ２｜≧Ｔ２
のうち少なくとも一方を満たすとき、補正手段がレーザ光Ｌの照射位置を補正する。

好ましくは、リコータヘッド１１によるリコート動作と切削装置５０の移動との物理的干渉を回避するために、リコータヘッド１１によるリコート動作（所定の一方向への移動）の完了後に切削装置５０の移動が行われると、従来技術に比してより短い時間で積層造形を行うことができる。更に好ましくは、リコータヘッド１１によるリコート動作と切削装置５０の移動との物理的干渉を回避しつつもこれらを略同時に行うことで、更なる短い時間で積層造形を行うことができる。特に、第２実施形態に係る補正方法は、切削装置５０の移動を伴わずに第１目標照射位置及び第２目標照射位置に向けてレーザ光Ｌを照射することができるため、短時間でレーザ光Ｌの照射位置の補正を実現することができる。

第１実施形態及び第２実施形態に係る補正は任意のタイミングで実施してよいが、より高精度の造形を実現するためには補正の頻度は高い方が望ましい。またかかる補正は、特にその頻度が高いときは、造形時間短縮の観点からリコート中に行われるのが望ましい。対して、不活性ガスの供給やヒュームの除去を効率化するためチャンバ１は小型化されることが望ましいため、リコート中に補正を行った場合、切削装置５０又は切削工具と、リコータヘッド１１とが物理的に干渉するおそれがある。

そのため、本実施形態のようにリコータヘッド１１が両側面にブレード１１ｆｂ、１１ｒｂを備え、リコート１回毎にリコータヘッド１１の移動方向が切り替わる場合は、リコータヘッド１１の移動方向と、補正開始時の切削装置５０の移動方向（すなわち、退避位置から測定位置に移動するときの方向）とが一致しているときに補正を実行するように構成することが望ましい。また、リコータヘッド１１の片側にのみブレードを設け、リコート時のリコータヘッド１１の移動方向が常に一定になるように構成してもよい。この場合はリコータヘッド１１の移動方向と、補正開始時の切削装置５０の移動方向とが一致するように構成すればよい。以上のような構成によれば、リコート中に補正を行う場合でも前述の物理的干渉を防止できる。

本発明は、以下の態様でも実施可能である。

第１に、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ミラー４３ａ、４３ｂを用いたが、レーザ光Ｌは別の手段によって走査させてもよい。

第２に、材料粉体の焼結用に用いるレーザ光Ｌとは別異の光であって当該レーザ光Ｌと同一光軸を有する同軸光を補正光として用いてもよい。補正光は、例えば不可視のレーザ光Ｌの照射位置を表示するためのガイド光である。また上述の補正は、同軸光の照射位置に基づいて行うことができる。

第３に、目標照射位置は１つであっても３つ以上であってもよい。１つである場合は、目標照射位置をレーザ光座標系の原点とすることでより高い精度の補正を実現することができる。ただし、１つである場合は回転成分のずれを補正することができない点に留意する。

１：チャンバ、１ａ：ウィンドウ、１ｂ：チャンバ供給口、１ｃ：チャンバ排出口、１ｄ：造形空間、１ｅ：副供給口、１ｆ：副排出口、３：粉体層形成装置、４：ベース台、５：造形テーブル、７：造形プレート、８：材料粉体層、１１：リコータヘッド、１１ａ：材料収容部、１１ｂ：材料供給部、１１ｃ：材料排出部、１１ｆｂ，１１ｒｂ：ブレード、１１ｆｓ：リコータヘッド供給口、１１ｒｓ：リコータヘッド排出口、１３：レーザ光照射部、１５：不活性ガス供給装置、１７：ヒューム拡散装置、１７ａ：筐体、１７ｂ：開口部、１７ｃ：拡散部材、１７ｄ：不活性ガス供給空間、１７ｅ：細孔、１７ｆ：清浄室、１７ｇ：ヒューム拡散装置供給口、１９：ヒュームコレクタ、２１，２３：ダクトボックス、２６：粉体保持壁、３１：造形テーブル駆動機構、４１：光検出部、４１ａ：第１光検出部、４１ｂ：第２光検出部、４２：レーザ光源、４３ａ，４３ｂ：ガルバノミラー、４４：フォーカス制御ユニット、５０：切削装置、５７：加工ヘッド、６０：スピンドルヘッド、８１ｆ，８２ｆ：焼結層、Ｌ：レーザ光、Ｒ：造形領域。

Claims

造形領域を覆い且つ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上の照射領域における材料粉体を焼結させるレーザ光を照射するレーザ光照射部と、
前記材料粉体を焼結させて得られる焼結層を切削する切削工具を前記チャンバ内で鉛直水平方向に移動させる切削装置と、
前記レーザ光又は前記レーザ光と同一光軸を有する同軸光から成る補正光の照射位置を検出する光検出部と、
前記光検出部において検出された前記補正光の照射位置に基づいて前記レーザ光の照射位置を補正する補正手段と、
を備え、
前記光検出部は、前記切削装置に設けられ、
前記レーザ光照射部は、前記光検出部における検出可能領域上であって目標照射位置に対応する所定の位置に前記補正光を照射し、
前記補正手段は、前記目標照射位置と前記補正光の照射位置との誤差を算出し、前記目標照射位置と前記補正光の照射位置とが一致するように前記レーザ光の照射位置を補正することを特徴とする、
積層造形装置。
前記チャンバ内を移動しながら前記造形領域上に前記材料粉体を撒布して前記材料粉体層を形成するリコータヘッドを更に備え、
前記切削装置は、前記リコータヘッドの所定の一方向の移動とともに又は当該移動完了後に前記光検出部を退避位置から測定位置に移動させ、
前記補正手段は、前記光検出部が前記測定位置にある状態において、前記光検出部において検出された前記補正光の照射位置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。
前記光検出部は、前記切削工具の位置制御に係る平面座標系のどちらか１つの座標軸上に配置される、
請求項１又は請求項２に記載の積層造形装置。
前記切削装置は、前記レーザ光の位置制御に係る平面座標系の原点から等距離にある２点に照射したレーザ光を検出するように前記光検出部を移動させる、
請求項３に記載の積層造形装置。
前記光検出部は、第１及び第２光検出部を含む複数の光検出部を備え、
前記補正手段は、第１及び第２光検出部において検出された前記補正光の照射位置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、
第１及び第２光検出部は、前記切削工具の位置制御に係る平面座標系のどちらか１つの座標軸から等距離に配置される、
請求項１又は請求項２に記載の積層造形装置。
前記切削装置は、前記レーザ光の位置制御に係る平面座標系の原点から等距離にある２点に照射したレーザ光を第１及び第２光検出部がそれぞれ検出するように、前記光検出部を移動させる、
請求項５に記載の積層造形装置。