JP6732502B2 - 三次元造形方法、プログラム、記録媒体、及び三次元造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、エネルギービームを用いて三次元造形物を製造する三次元造形方法及び三次元造形装置に関する。

近年、エネルギービームを用いて加熱工程を行う粉末床溶融結合技術により三次元造形物を製造する三次元造形方法の開発が進められている。エネルギービームを用いて加熱工程を行う粉末床溶融結合技術では、エネルギービームにより蒸発した原料粉末が装置内で凝固したヒュームと呼ばれる微粉が問題となる。

特許文献１では、装置内に不活性ガスの流れを形成して装置内で発生したヒュームを装置内から追い出している。特許文献２では、粉末床を形成する層形成部にヒュームの吸引手段を設けている。

特開２０１０−１３２９６１号公報 特許第５７２１８８６号公報

特許文献１、２では、三次元造形物の製造過程でヒュームが発生することを前提として、ヒュームの影響を軽減するものであるから、三次元造形物の製造過程で発生するヒュームの総量そのものを削減することはできない。

ところで、エネルギービームを用いて加熱工程を行う従来の粉末床溶融結合技術では、溶融固化した固化領域と固化領域に隣接する未固化領域とにビームスポットをオーバーラップさせてエネルギービームを移動させている。即ち、ビームスポットを固化領域と未固化領域との境界沿って移動させ、両者を同時に溶融して一体化させている。

ここで、粉末状態の未固化領域では、固化して熱が拡散し易い固化領域よりもヒュームが発生し易くなるので、未固化領域に対して固化領域よりも単位面積当たり加熱量を低く設定することが提案された。しかし、固化領域と未固化領域との境界沿ってビームスポットを移動させている場合、固化領域と未固化領域とに対する単位面積当たり加熱量を個別に調整することが難しい。

本発明は、固化領域と未固化領域とに対する単位面積当たり加熱量を個別に調整することが容易な三次元造形方法及び三次元造形装置を提供することを目的としている。

本発明の三次元造形方法は、制御部が、原料粉体の層を形成させる層形成工程と、前記制御部が、前記層形成工程により形成された層において、前記原料粉体が溶融固化した固化領域と、前記固化領域に隣接する前記原料粉体が未溶融の粉体領域とを、エネルギービームを移動させて交互に加熱することにより前記固化領域と前記粉体領域とを一体に溶融固化させる加熱工程と、を有し、前記制御部は、前記加熱工程において、前記粉体領域の単位面積当たり加熱量が前記固化領域の単位面積当たり加熱量よりも小さくなるように前記エネルギービームを制御する物の製造方法である。

本発明の三次元造形装置は、原料粉体の層を形成可能な層形成手段と、前記層形成手段により形成された前記層をエネルギービームで加熱する加熱手段と、前記層形成手段により前記層を形成させ、前記層を前記加熱手段により加熱させる制御手段と、を備えるものである。そして、前記制御手段は、前記層において前記原料粉体が溶融固化された固化領域と、前記固化領域に隣接する前記原料粉体が未溶融の粉体領域とを、前記エネルギービームが、前記粉体領域の単位面積当たり加熱量が前記固化領域の単位面積当たり加熱量よりも小さくなるように交互に移動させて、前記固化領域と前記粉体領域とを一体に溶融固化させる。

本発明によれば、固化領域と未固化領域とに対する単位面積当たり加熱量を個別に調整することが容易な三次元造形方法及び三次元造形装置を提供することができる。これにより、固化領域と未固化領域とに対する単位面積当たり加熱量を個別に調整して、三次元造形物の製造過程で発生するヒュームの総量そのものを削減することが可能になる。

実施の形態１の三次元造形装置の構成の説明図である。 三次元造形装置の制御系のブロック図である。 三次元造形物の製造プロセスのフローチャートである。 従来の走査加熱における境界加熱の説明図である。（ａ）は原料粉体の層上のレーザービーム走査経路、（ｂ）はビームスポットの拡大による境界加熱の斜視図である。 レーザービームによる境界走査加熱の説明図である。（ａ）はレーザービーム走査経路、（ｂ）は境界走査加熱の斜視図である。 境界走査加熱の処理プログラム作成のフローチャートである。 境界走査加熱におけるビームスポットの移動経路の説明図である。 実施例１におけるレーザービームの移動速度の設定の説明図である。 実施例２、３におけるレーザービームの出力の設定の説明図である。（ａ）はレーザービーム出力、（ｂ）は境界走査加熱の走査速度である。 実施例４におけるレーザービームの出力の設定の説明図である。（ａ）はレーザービーム出力、（ｂ）は境界走査加熱の走査速度である。 実施の形態２における境界走査加熱の説明図である。（ａ）はレーザービーム出力、（ｂ）は境界走査加熱の走査速度である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
実施の形態１では、固化領域と未固化領域との境界で境界走査加熱を実行して固化領域と未固化領域とを一体に溶融固化させる。そして、未固化領域におけるレーザービームの境界走査速度を、固化領域におけるレーザービームの境界走査速度よりも高くしている。これにより、粉末床溶融結合技術におけるヒュームの発生そのものを減らすことができる。

（三次元造形装置）
図１は実施の形態１の三次元造形装置の構成の説明図である。粉末床溶融結合技術は、少量多品種の金属部品や複雑な形状を有する金属部品を作製することが可能であるため、近年、開発が進められている。粉末床溶融結合技術では、通常、原料粉体の層を形成し、形成した層をエネルギービームにより局所的に溶融して面方向及び深さ方向に結合させるプロセスを多数の層で繰り返して積層することにより製品造形物を造形する。

図１に示すように、三次元造形装置１００は、粉末床溶融結合方式のいわゆる３Ｄプリンタである。容器１０１は、ステンレスで形成され、密閉可能である。容器１０１には、圧力計１４３が接続されている。

排気機構１４１は、容器１０１内を排気して酸素を追い出す。排気機構１４１は、ドライポンプで構成される。ガス供給機構１４２は、窒素ガスを容器１０１内に供給可能である。

排気機構１４１は、容器１０１との接続部に開口量を調整可能な開口調整弁を有する。三次元造形装置１００は、ガス供給機構１４２によって容器１０１に気体を供給しつつ圧力計１４３の出力に応じて開口調整弁を調整することで、容器１０１内を所望の雰囲気と圧力（真空度）とに維持することができる。

容器１０１内に造形容器１２０が配置される。造形容器１２０は、ステージ１２１の上に原料粉体１３１の層１３２が積層される基板である積層基材１２４を配置している。昇降機構１２２は、層１３２の厚みに対応させた任意のピッチでステージ１２１を段階的に下降させる。

層形成機構１０４は、造形容器１２０に原料粉体１３１の層１３２を形成可能である。層形成機構１０４は、原料粉体１３１を収容した移動部１３５が造形容器１２０の上面に沿って矢印Ｒ１方向に移動することに伴って原料粉体１３１の層１３２を形成する。層形成機構１０４は、積層基材１２４上又は層１３２上に原料粉体１３１の層１３２を形成して積層する。層形成機構１０４は、不図示のスキージやローラなどにより、数μｍ〜数１０μｍの粒径の金属粉末の原料粉体１３１を１０μｍ〜１００μｍ程度の均等な厚みに形成する。実施の形態１では、層形成機構１０４により、粒径が２０μｍのＳＵＳ３１６の原料粉体を用いて、厚さ４０μｍの層１３２を形成した。

走査加熱機構１３０は、層形成手段の一例である層形成機構１０４により形成された層１３２をレーザービーム１０９により加熱する。走査加熱機構１３０は、光源１０５で発生させたレーザービーム１０９を、走査ミラー１０６ｍ、１１６ｍで二軸に走査して、層１３２における入力データに応じた固化領域を加熱する。走査加熱機構１３０は、造形容器１２０の層１３２を、レーザービーム１０９によって加熱し、ほぼ瞬時に溶融して下層の固体組織と一体に固形化させる。これにより、造形容器１２０に形成された層１３２の所望の造形領域が固体化層１３２Ｈに変化する。

光源１０５は、ＹＡＧレーザー発振器であって、波長１０７０ｎｍ、出力５００Ｗの半導体ファイバーレーザーである。光学系１０７は、レーザービームを集光させるレンズを含み、レーザービームのビームスポットを層１３２の高さに形成する。透過窓１０８は、レーザービーム１０９を容器１０１内に透過させる。

制御手段の一例である制御部２００は、層形成機構１０４により層１３２を形成させ、層１３２を、加熱手段の一例である走査加熱機構１３０により加熱させる。制御部２００は、レーザービーム１０９を移動させて、図５の（ｂ）に示す層１３２が溶融固化された固化領域３０２と固化領域３０２に隣接する未固化領域３０１とを交互に加熱することにより固化領域３０２と未固化領域３０１とを一体に溶融固化させる。

（造形物の製造プロセス）
図２は三次元造形装置の制御系のブロック図である。図３は三次元造形物の製造プロセスのフローチャートである。図１に示すように、三次元造形装置１００は、層形成工程とレーザー加熱工程とを繰り返すことにより、固体化層１３２Ｈが積層された三次元の製品造形物１３３を製造する。三次元造形装置１００は、走査ミラー１０６ｍ、１１６ｍを制御してレーザービーム１０９の移動速度を変化させ、光源１０５を制御してレーザービーム１０９の出力を変化させる。

図２に示すように、制御部２００は、ＲＯＭ２０７から呼び出した三次元造形プロセスの制御プログラム及びデータをＲＡＭ２０６に保持してＣＰＵ２０５が演算と制御を実行することにより、三次元造形のプロセスコントローラとして機能する。制御部２００は、外部コンピュータ２１０で作成された処理プログラムを実行して三次元造形装置１００を制御する。

図３に示すように、制御部２００は、ユーザーが操作部２０８を通じてプロセス開始を指令すると、準備工程を実行する（Ｓ１１）。準備工程では、図１に示すように、排気機構１４１を作動させて容器１０１内を排気する。そして、容器１０１内の圧力が数百Ｐａに達すると、ガス供給機構１４２による気体供給を開始して、容器１０１内の圧力及び雰囲気を設定する。また、昇降機構１２２を作動させてステージ１２１を下降させることにより、積層基材１２４上に最初の層１３２の形成余地を形成する。

制御部２００は、準備工程が終わると層形成工程を実行する（Ｓ１２）。層形成工程の一例である層形成工程（Ｓ１２）では、制御部２００が原料粉体１３１の層１３２を形成させる。層形成工程では、図１に示すように、層形成機構１０４を作動させて積層基材１２４上又は既に形成された層１３２上に原料粉体１３１の層１３２を形成する。

制御部２００は、層形成工程が終わるとレーザー加熱工程を実行する（Ｓ１３）。加熱工程の一例であるレーザー加熱工程（Ｓ１３）では、制御部２００がエネルギービームの一例であるレーザービーム１０９を制御して、層１３２の溶融固化した固化領域３０２と固化領域３０２に隣接する未固化領域３０１とを交互に加熱する。これにより、固化領域３０２と未固化領域３０１とを一体に溶融固化させる。レーザー加熱工程では、図１に示すように、走査加熱機構１３０及び光源１０５を作動させてレーザービーム１０９により層１３２上の造形領域を溶融固化させる。レーザー加熱工程は、窒素ガスを導入した減圧、もしくは大気圧雰囲気中で実行される。レーザービーム１０９の移動経路に位置する原料粉体１３１が溶融固化して、層１３２の表面が固化領域と未固化領域とに分かれる。

制御部２００は、レーザー加熱工程が終わると下降工程を実行する（Ｓ１４）。下降工程では、図１に示すように、昇降機構１２２を作動させてステージ１２１を下降させることにより、レーザー加熱工程が実行された層１３２上に次の層１３２の形成余地を形成する。

制御部２００は、製品造形物の成形に必要な積層回数に達するまで（Ｓ１５のＮｏ）、層形成工程（Ｓ１２）、レーザー加熱工程（Ｓ１３）、下降工程（Ｓ１４）を繰り返す。制御部２００は、必要な積層回数に達すると（Ｓ１５のＹｅｓ）、取出工程を実行する（Ｓ１６）。取出工程では、図１に示すように、ガス供給機構１４２及び排気機構１４１を停止し、容器１０１内に外気を供給し、製品造形物１３３の冷却を待ち、表示部２０９を通じてユーザーに成型品の取り出しを許可する。

（従来の境界加熱）
図４は従来の走査加熱における境界加熱の説明図である。図４中、（ａ）は原料粉体の層上のレーザービーム走査経路、（ｂ）はビームスポットの拡大による境界加熱の斜視図である。

図４の（ａ）に示すように、三次元造形装置１００は、直線的なＸ方向の主走査をＹ方向に等間隔で積み重ねるラスター走査を用いている。レーザービーム１０９をＸ方向に主走査しつつＹ方向に副走査することにより、レーザービーム１０９を層１３２ｃの表面に均一な照射密度で照射する。これを複数の層１３２で繰り返すことにより、固化領域３０２が積層された製品造形物（１３３：図１）を所望の形状に造形している。

図４の（ｂ）に示すように、レーザー加熱工程では、前回の主走査で溶融固化した固化領域３０２と未溶融の未固化領域３０１とを同時に溶融させて一体に固化させる。そのため、従来は、固化領域３０２と未固化領域３０１にオーバーラップする大きさのビームスポット１１０Ｂを形成し、ビームスポット１１０Ｂの中心が固化領域３０２と未固化領域３０１の境界に沿って移動するようにレーザービーム１０９を走査していた。ビームスポット１１０Ｂの直径は、主走査の走査ピッチ１１１よりも大きく、ビームスポット１１０Ｂが固化領域３０２と未固化領域３０１との両方を同時に加熱して溶融していた。ビームスポット１１０Ｂが固化領域３０２と未固化領域３０１とを連結させるプロセスを主走査経路に沿って連続的に実行することで、固化領域３０２を所望の形状に造形していた。

（ヒュームの問題）
粉末床溶融結合技術におけるエネルギービームの照射は、酸化防止のために不活性ガス中で行うことが一般的である。粉末床溶融結合技術では、不活性ガス中で実行されるエネルギービームによる原料粉体の加熱に伴って、容器内にヒュームと呼ばれる微粒子が発生する。

図１に示すように、レーザー加熱工程では、原料粉体１３１の層１３２にレーザービーム１０９を照射して加熱したときにヒュームと言われる煙が発生する。ヒュームは、原料粉体１３１を急激に加熱した時に昇華や蒸発で発生する金属蒸気が凝縮した微粉末である。ヒュームが容器１０１内に充満すると、レーザービーム１０９を容器１０１内へ導く透過窓１０８にヒュームが付着して透過率が低下する。あるいは、容器１０１内で浮遊するヒュームがレーザービーム１０９を散乱させて、原料粉体１３１の層１３２へ届くレーザービーム１０９が少なくなる。層１３２へ届くレーザービーム１０９が少なくなると、原料粉体１３１の溶融が不十分になる可能性があるため、レーザー加熱工程においては、ヒュームの発生量を抑制することが求められている。

ところで、既に原料粉体１３１が溶融固化された固化領域３０２は、未溶融の原料粉体１３１の未固化領域３０１よりも熱伝導度が高く、レーザービーム１０９の照射時に温度が上昇し難い。よって、未固化領域３０１の溶融には、固化領域３０２に比べて溶融のために必要なレーザービーム１０９のエネルギーを小さくすることが望ましい。図４の（ｂ）に示すように、共通のビームスポット１１０で固化領域３０２と未固化領域３０１とを同時に加熱する場合、固化領域３０２の溶融に必要な強度でレーザービーム１０９が未固化領域３０１を照射してしまう。これにより、未固化領域３０１は、溶融に必要とする以上のレーザービーム１０９を照射されて過熱状態となり、ヒュームの発生量が増加してしまう。

そこで、実施の形態１では、固化領域３０２と未固化領域３０１との境界でビームスポット１１０を走査する境界走査加熱を実行して、固化領域３０２と未固化領域３０１とを交互に加熱している。そして、未固化領域３０１に対しては、固化領域３０２よりもレーザービーム１０９の単位面積当たり照射量を少なくしている。

（境界走査加熱）
図５はレーザービームによる境界走査加熱の説明図である。図６は境界走査加熱の処理プログラム作成のフローチャートである。図５中、（ａ）はレーザービーム走査経路、（ｂ）は境界走査加熱の斜視図である。

図５の（ａ）に示すように、実施の形態１では、走査ピッチ１１１ごとに実行される主走査に伴って境界走査加熱を行う。境界走査加熱では、Ｙ方向に一定の走査ピッチ１１１ずつずらしてＸ方向の主走査を実行する過程で、レーザービーム１０９を高い周波数でＹ方向へ三角波状に往復移動させている。

固化領域３０２と未固化領域３０１との間でビームスポット１１０を高速度で移動させて、固化領域３０２と未固化領域３０１とを交互に加熱する。レーザービーム１０９が、溶融固化した固化領域３０２と未溶融の未固化領域３０１とを交互に加熱することにより、固化領域３０２と未固化領域３０１とが溶融して一体に固化する。ビームスポット１１０に新たに照射された領域が溶融し、ビームスポット１１０に照射されて溶融していた領域との間で固化が発生する。

走査ピッチ１１１が１回の主走査で溶融固化されるべき範囲であるため、ビームスポット１１０による境界走査加熱の振幅は、走査ピッチ１１１よりも大きくしている。これにより、前回の主走査による固化領域３０２と今回の主走査による固化領域３０２とがある程度重なり、固化領域３０２と未固化領域３０１との一体化が確実なものになる。

図５の（ｂ）に示すように、ビームスポット１１０の直径は、境界走査加熱の走査幅Ｌ１よりも小さく、未固化領域３０１における境界走査加熱の加熱幅よりも小さく、固化領域３０２における境界走査加熱の加熱幅よりも小さい。点線で描かれたビームスポット１１０は、既にビームスポット１１０が通過して溶融した部分を模式的に表している。すなわち、ビームスポット１１０の直径をＤとし、未固化領域３０１における境界走査加熱の加熱幅をＬ２とし、固化領域３０２における境界走査加熱の加熱幅をＬ３とすると以下のようになる。
Ｄ ＜ Ｌ３ ≦ Ｌ２ ＜ Ｌ１
Ｌ１ ＝ Ｌ２ ＋ Ｌ３

図２に示すように、外部コンピュータ２１０は、外部から入力された製品造形物１３３の設計データに基づいて、図６に示すように、三次元造形装置１００による製品造形物１３３の造形プログラムを自動作成する。外部コンピュータ２１０は、製品造形物１３３の設計データ（ＣＡＤデータ）を取得する（Ｓ２１）。外部コンピュータ２１０は、製品造形物１３３の設計データに基づいて層１３２ごとの造形領域を設定する（Ｓ２２）。

外部コンピュータ２１０は、層１３２ごとの造形領域に基づいて各層１３２の造形における走査経路を設定する（Ｓ２３）。外部コンピュータ２１０は、層１３２ごとの走査経路上の各点におけるレーザービーム１０９の出力レベルを設定する（Ｓ２４）。外部コンピュータ２１０は、層１３２ごとのレーザービーム１０９の走査経路とレーザービーム１０９の出力レベルとを組み合わせて製品造形物１３３の造形処理プログラムを作成し、保存する（Ｓ２５）。

プログラムの一例である造形処理プログラムは、記録媒体２１１に保存され、三次元造形方法の各工程をコンピュータの一例である制御部２００に実行させる。三次元造形装置１００は、境界走査加熱を行う造形処理プログラムを用いてレーザー加熱工程（Ｓ１３）を実行し、原料粉体１３１の層１３２の未固化領域３０１と固化領域３０２とを溶融結合して所望の形状の製品造形物１３３を造形する。

図４の（ａ）に示すように、実施の形態１では、境界走査加熱を伴って主走査方向の長さ２０ｍｍ、副走査方向の長さ５０ｍｍの直方体の製品造形物（１３３：図１）を製造している。境界走査加熱は、未固化領域３０１と固化領域３０２とを連続的かつ交互に加熱している。

（単位面積当たり加熱量）
図７は境界走査加熱におけるビームスポットの移動経路の説明図である。図７に示すように、ビームスポット１１０は、矢印Ｒ３方向の主走査に伴って矢印Ｒ４方向に往復移動して境界走査加熱を実行する。ヒュームの発生を抑制するため、層１３２にレーザービーム１０９が供給する単位面積当たりに加熱エネルギーは、未固化領域３０１と固化領域３０２とを所望の深さまで溶融するために必要な最小量であることが望ましい。

境界走査加熱では、未固化領域３０１の単位面積当たり加熱量が固化領域３０２の単位面積当たり加熱量よりも小さくなるようにレーザービーム１０９を制御する。境界走査加熱における未固化領域３０１の単位面積当たり加熱量は、固化領域３０２の単位面積当たり加熱量よりも小さく設定される。

境界走査加熱では、未固化領域３０１を所定深さまで溶融固化させるために供給する加熱エネルギーは、固化領域３０２を所定深さまで溶融固化させるために供給する加熱エネルギーよりも小さくする。未固化領域３０１に与える単位面積当たりの照射エネルギーの積分値を、固化領域３０２に与える単位面積当たりの加熱エネルギーの積分値に比べて小さくする。

これにより、未固化領域３０１の過熱によるヒュームの増加を回避している。未固化領域３０１の過熱を防止することにより、レーザー加熱工程（Ｓ１３）を通じたヒュームの発生量そのものを抑制している。

境界走査加熱では、いわゆるラスター走査の手法を用いて、固化領域３０２と未固化領域３０１とを連続的に照射するようにレーザービーム１０９を制御する。

ところで、未固化領域３０１の単位面積当たり加熱量を固化領域３０２の単位面積当たり加熱量よりも小さくする方法としては、次のような例が考えられる。
（１）未固化領域３０１では、固化領域３０２におけるよりもレーザービーム１０９の移動速度を大きくする。後述する実施例１では、未固化領域３０１におけるレーザービーム１０９の平均移動速度が固化領域３０２におけるレーザービーム１０９の平均移動速度よりも大きくなるようにレーザービーム１０９を制御する。また、後述する実施の形態２では固化領域３０２に合わせたサイズのビームスポット１１０を使用して走査の最大振幅位置における減速と停止を利用している。
（２）未固化領域３０１では、固化領域３０２におけるよりもレーザービーム１０９の出力を低下させる。後述する実施例２、３、４では、未固化領域３０１におけるレーザービーム１０９の平均出力が固化領域３０２におけるレーザービーム１０９の平均出力よりも小さくなるようにレーザービーム１０９を制御する。
（３）未固化領域３０１では、固化領域３０２におけるよりもレーザービーム１０９の走査周波数を低くする。

図７に示すように、実施例１、２、３、４では、レーザービーム１０９のビームスポット径が層１３２の表面位置において約８０μｍとなるように光学系（１０７：図１）を調整した。主走査速度を２００ｍｍ／ｓｅｃとし、走査ピッチ１１１を２００μｍとした。主走査と垂直にレーザービーム１０９を走査して境界走査加熱を実行し、境界走査加熱の走査幅（ピーク間距離）は４００μｍとした。境界走査加熱の走査幅は、予め他の金属板により境界走査加熱を実験してレーザービーム１０９の照射痕を見ながら、照射痕の最大距離が約４００μｍになるように設定した。図８、図９の（ａ）に示すように、実施例１、２、３では、境界走査加熱の走査幅Ｌ１を４００μｍとし、固化領域３０２の加熱幅Ｌ３を２００μｍとし、未固化領域３０１の加熱幅Ｌ２を２００μｍとした。

実施例１、２、３、４では、固化領域３０２と未固化領域３０１とをレーザービーム１０９で境界走査加熱する際に、未固化領域３０１における走査の最大振幅位置及びその近傍でレーザービーム１０９の出力を小さくする。最大振幅位置を中心とする近傍の範囲は、レーザービーム１０９のビームスポットサイズに対応し、最大振幅位置におけるレーザービーム１０９の出力は０である。

境界走査加熱における走査速度は、最大振幅の両端で０となり、最大振幅の位置に隣接して加減速領域が設定される。境界走査加熱の最大振幅の位置では、移動方向の反転に伴ってビームスポット１１０の移動速度が０になって単位面積当たりの加熱エネルギーが過剰になるので、レーザービーム１０９の出力を減少させて「０Ｗ」にしている（図９の（ａ）参照）。

（実施例１）
図８は実施例１におけるレーザービームの移動速度の設定の説明図である。図８に示すように、実施例１では、境界走査加熱における未固化領域３０１のレーザービーム１０９の移動速度が固化領域３０２のレーザービーム１０９の移動速度よりも小さい。未固化領域３０１における境界走査加熱の平均速度を２０００ｍｍ／ｓｅｃとし、固化領域３０２における境界走査加熱の平均速度を１３００ｍｍ／ｓｅｃに設定した。

未固化領域３０１では、往復４００μｍの距離を平均速度約２０００ｍｍ／ｓｅｃで移動するため、未固化領域３０１の一回の往復移動時間は、約２００μｓｅｃとなる。２００μｓｅｃの間のビームスポット１１０の主走査方向の移動距離は４０μｍである。一方、固化領域３０２では、同様に往復４００μｍの距離を平均速度約１３００ｍｍ／ｓｅｃで移動するため、固化領域３０２の一回の往復移動時間は、約３０８μｓｅｃとなる。３０８μｓｅｃの間のビームスポット１１０の主走査方向の移動距離は６２μｍである。

実施例１では、境界走査加熱の振幅が未固化領域３０１と固化領域３０２とで等しく、未固化領域３０１と固化領域３０２とでレーザービーム１０９の出力が等しい。このため、未固化領域３０１と固化領域３０２とにおける加熱量は、それぞれにおける主走査距離に比例している。したがって、未固化領域３０１に対する単位面積当たり加熱量は、固化領域３０２に対する単位面積当たり加熱量の４０／６２、即ちおよそ６５％になる。

また、未固化領域３０１と固化領域３０２とにおける加熱量は、それぞれにおける主走査時間に比例している。このため、未固化領域３０１に対する単位時間当たりの加熱量は、固化領域３０２に対する単位時間当たりの加熱量の２００／３０８、即ち６５％になる。

（実施例２）
図９は実施例２、３におけるレーザービームの出力の設定の説明図である。図９中、（ａ）はレーザービーム出力、（ｂ）は境界走査加熱の走査速度である。各線図の横軸は境界走査加熱の走査方向の位置を示し、図中左側に未固化領域３０１が配置され、右側に固化領域３０２が配置され、中央に両者の境界が配置されている。

図９の（ｂ）に示すように、実施例２では、加減速領域を除き、境界走査加熱の走査速度を１０００ｍｍ／ｓｅｃに設定した。境界走査加熱の走査速度は、最大振幅の両端で０となり、最大振幅の間では、未固化領域３０１と固化領域３０２とを通じて１０００ｍｍ／ｓｅｃである。

図９の（ａ）に示すように、未固化領域３０１におけるレーザービーム１０９の出力が固化領域３０２におけるレーザービーム１０９の出力よりも小さい。最大振幅の両端を除いて、未固化領域３０１におけるレーザービーム１０９の出力は１１０Ｗとし、固化領域３０２におけるレーザービーム１０９の出力は２００Ｗとした。

実施例２では、未固化領域３０１と固化領域３０２とで境界走査加熱の走査速度、ピッチ、面積が等しいので、レーザービーム１０９の単位面積当たり加熱量は、レーザービーム出力に比例する。未固化領域３０１と固化領域３０２とにおけるレーザービーム１０９の出力比は、１１０Ｗ／２００Ｗであるため、未固化領域３０１の単位面積当たり加熱量は、固化領域３０２の単位面積当たり加熱量の約５５％である。

実施例２では、未固化領域３０１と固化領域３０２とで境界走査加熱の面積及びレーザービーム１０９の照射時間が等しいため、レーザービーム１０９の単位時間当たり加熱量もレーザービーム出力に比例する。未固化領域３０１と固化領域３０２とにおけるレーザービーム１０９の出力比は、１１０Ｗ／２００Ｗであるため、未固化領域３０１の単位時間当たり加熱量も固化領域３０２の単位時間当たり加熱量の約５５％になる。

（実施例３）
図７に示すように、実施例３では、主走査速度を実施例２の半分の１００ｍｍ／ｓｅｃに設定し、境界走査加熱の平均速度も実施例２の半分の５００ｍｍ／ｓｅｃに設定した。

図９の（ａ）に示すように、実施例３では、未固化領域３０１におけるレーザービーム１０９の出力が固化領域３０２におけるレーザービーム１０９の出力よりも小さい。両端の最大振幅位置を除いて、未固化領域３０１におけるレーザービーム１０９の出力は５０Ｗとし、固化領域３０２におけるレーザービーム１０９の出力は８０Ｗとした。

実施例３では、未固化領域３０１と固化領域３０２とで境界走査加熱の走査速度、ピッチ、面積が等しいので、レーザービーム１０９の単位面積当たり加熱量は、レーザービーム出力に比例する。未固化領域３０１と固化領域３０２とにおけるレーザービーム１０９の出力比は、５０Ｗ／８０Ｗであるため、未固化領域３０１の単位面積当たり加熱量は、固化領域３０２の単位面積当たり加熱量の約６３％である。

実施例３では、未固化領域３０１と固化領域３０２とで境界走査加熱の面積及びレーザービーム１０９の照射時間が等しいため、レーザービーム１０９の単位時間当たり加熱量もレーザービーム出力に比例する。未固化領域３０１と固化領域３０２とにおけるレーザービーム１０９の出力比は、５０Ｗ／８０Ｗであるため、未固化領域３０１の単位時間当たり加熱量も、固化領域３０２の単位時間当たり加熱量の約６３％になる。

（実施例４）
図１０は実施例４におけるレーザービームの出力の設定の説明図である。図１０中、（ａ）はレーザービーム出力、（ｂ）は境界走査加熱の走査速度である。図７に示すように、実施例４では、主走査速度を２００ｍｍ／ｓｅｃとし、走査ピッチ１１１を１５０μｍとした。また、図９の（ｂ）に示すように、境界走査加熱の走査速度を１０００ｍｍ／ｓｅｃとし、走査幅を４００μｍとした。ただし、実施例４では、境界走査加熱の走査幅Ｌ１を４００μｍとし、固化領域３０２の加熱幅Ｌ３を２５０μｍとし、未固化領域３０１の加熱幅Ｌ２を１５０μｍとした。

図９の（ａ）に示すように、実施例４では、未固化領域３０１におけるレーザービーム１０９の出力が固化領域３０２におけるレーザービーム１０９の出力よりも小さい。両端の最大振幅位置を除いて、未固化領域３０１におけるレーザービーム１０９の出力は８０Ｗとし、固化領域３０２におけるレーザービーム１０９の出力は１５０Ｗとした。

実施例４では、未固化領域３０１と固化領域３０２とで境界走査加熱の走査速度、ピッチ、面積が等しいので、レーザービーム１０９の単位面積当たり加熱量は、レーザービーム出力に比例する。未固化領域３０１と固化領域３０２とにおけるレーザービーム１０９の出力比は、８０Ｗ／１５０Ｗであるため、未固化領域３０１の単位面積当たり加熱量は、固化領域３０２の単位面積当たり加熱量の約５５％である。

一方、実施例４では、未固化領域３０１の振幅を１５０μｍ、固化領域３０２の振幅を２５０μｍに設定している。このため、未固化領域３０１の加熱時間は、１５０μｍ÷１０００ｍｍ／ｓｅｃ＝１５０μｓｅｃとなり、固化領域３０２の加熱時間は、２５０μｍ÷１０００ｍｍ／ｓｅｃ＝２５０μｓｅｃとなる。

これにより、未固化領域３０１の単位時間当たり加熱量は、固化領域３０２の単位時間当たり加熱量に対して、レーザービーム出力の違いを含めて、（８０Ｗ／１５０Ｗ）×（１５０μｓｅｃ／２５０μｓｅｃ）＝約３３％、となる。

（比較例１）
比較例１は、図４の（ｂ）に示すように、主走査と副走査とでレーザー加熱工程を実行している。レーザービーム出力を５０Ｗとし、主走査速度を２００ｍｍ／ｓｅｃとし、走査ピッチを４０μｍとした。その他の条件は、実施例１、２と等しく設定した。

（比較例２）
比較例２は、比較例１の条件において、レーザービーム出力を２００Ｗとし、走査ピッチを２００μｍとし、主走査速度を２００ｍｍ／ｓｅｃとした。

（実験結果）
表１に示すように、上述した実施例１、２、３、４、及び比較例１、２の各条件により製品造形物１３３の造形を行って、造形開始後５０時間経過時に、透過窓１０８の波長１０７０ｎｍの赤外光に対する透過率を測定した。

表２に示すように、上述した実施例１、２、３、４、及び比較例１、２の条件における透過窓１０８の透過率の低下状態を比較した。なお、造形開始前の透過窓１０８の波長１０７０ｎｍにおける透過率は９２％である。

表２に示すように、実施例１、２、３、４では、造形開始後５０時間経過時でも透過率が８６〜９０％と高かった。これに対して、比較例１、２では、透過率が８０〜８１％に大きく低下した。このため、実施例１、２、３、４では、透過率の低下の原因となるヒュームの発生が少なかったことが確認された。

（実施の形態１の効果）
実施の形態１では、固化領域３０２と未固化領域３０１とをレーザービーム１０９により境界走査加熱して、固化領域３０２も溶融させながら隣接する未固化領域３０１の原料粉体１３１を溶融させる。このため、固化領域３０２を再溶融して未固化領域３０１に対して高度に一体化させ、加熱不良に起因する組織の乱れが少ない緻密な組織の製品造形物１３３を製造できる。

実施の形態１では、固化領域３０２と未固化領域３０１とを境界走査加熱する際に、固化領域３０２に供給する単位面積当たり加熱エネルギーに比べ、未固化領域３０１に供給する単位面積当たり加熱エネルギーを少なく設定する。このため、未固化領域３０１の原料粉体１３１の過熱と蒸発を抑制して、ヒューム発生量を削減することができる。これにより、容器１０１の透過窓１０８のヒューム付着汚れや容器１０１内でのレーザービーム１０９の散乱を回避して、原料粉体１３１の層１３２に到達するレーザービーム１０９の状態を長時間安定して維持できる。

実施の形態１では、レーザービーム１０９により固化領域３０２と未固化領域３０１とを交互に加熱する境界走査加熱を実行して、両者を一体に溶融固化させる。このため、加熱不良に起因する凹凸が少ない緻密で強固な製品造形物１３３を造形できる。

実施の形態１では、未固化領域３０１の単位面積当たり加熱量が固化領域３０２の単位面積当たり加熱量よりも小さくなるように境界走査加熱を実行する。このため、未固化領域３０１の過熱を回避して未固化領域３０１の加熱に伴うヒュームの発生量そのものを抑制できる。

実施の形態１では、固化領域３０２と未固化領域３０１とを連続的に照射するように境界走査加熱を実行する。このため、固化領域３０２と未固化領域３０１の境界領域を効率的に加熱することができる。また、単位時間当たりの加熱量を増やして三次元造形の生産性を高めることができる。

実施の形態１では、未固化領域３０１における走査の最大振幅位置及びその近傍でレーザービーム１０９の出力を小さくするように境界走査加熱を実行する。このため、境界走査加熱によるビームスポット１１０の移動方向の反転に伴って、ビームスポット１１０が未固化領域３０１上に停止することにより瞬間的に過剰な加熱が行われることを回避できる。

実施の形態１では、境界走査加熱の最大振幅位置を中心とする近傍の範囲は、レーザービーム１０９のビームスポットサイズに対応し、最大振幅位置におけるレーザービーム１０９の出力は０である。このため、ビームスポット１１０の移動方向の反転の前後とそれ以外のタイミングとにおける未固化領域３０１の単位時間当たりの加熱量のばらつきが小さくなる。

＜実施の形態２＞
実施例２、３、４では、境界走査加熱の最大振幅位置を除いた固化領域の全域でレーザービームの出力を高くすることにより、固化領域を溶融するために必要な加熱量を確保した。これに対して、実施の形態２では、上述した境界走査加熱の最大振幅位置におけるレーザービームの走査速度の低下（停止）を利用して、固化領域を溶融するために必要な加熱量を確保する。

（最大振幅位置の過熱）
図１１は実施の形態２における境界走査加熱の説明図である。図１１中、（ａ）はレーザービーム出力、（ｂ）は境界走査加熱の走査速度である。

図１１の（ｂ）に示すように、境界走査加熱の最大振幅位置では、ビームスポットの移動速度が低下して単位面積当たり加熱量が増加する。このため、図１１の（ａ）に示すように、未固化領域３０１の最大振幅位置では、実施例２、３、４と同様にレーザービーム出力を低下させて原料粉体１３１の過熱を回避してヒューム発生を抑制している。一方、固化領域３０２の最大振幅位置では、レーザービーム出力を維持して、破線で示すようなレーザービーム出力の増加と同等な単位面積当たり加熱量の増加を発生させている。そして、そのような単位面積当たり加熱量の増加範囲に対応させて、レーザービーム１０９のビームスポット１１０の直径よりも小さい距離を、固化領域３０２の境界走査加熱の範囲に設定している。

実施の形態２では、未固化領域３０１におけるレーザービーム１０９の照射面積を、固化領域３０２におけるレーザービーム１０９の照射面積よりも大きくなるようにレーザービーム１０９を制御する。これにより、固化領域３０２における再溶融に割り当てられる加熱エネルギーを節約し、未固化領域３０１における原料粉体１３１の溶融に割り当てる加熱エネルギーを増加させる。これにより、１回の主走査に伴って溶融される未固化領域３０１の面積を増して、三次元造形の生産性を高めることができる。レーザー加熱工程における消費電力を節約しつつ三次元造形の生産性を高めることができる。

＜その他の実施の形態＞
本発明の三次元造形方法及び三次元造形装置は、実施の形態１における具体的な各部構成、部品形態、及び実寸法には限定されない。実施の形態１の構成の一部又は全部を等価な部材に置き換えた別の実施の形態でも実施可能である。したがって、エネルギービームのレーザービーム１０９のビームスポットサイズ、レーザービーム出力、レーザービーム照射位置、造形容器、原料粉体の層形成装置は、所望の仕様に変更可能である。原料粉体１３１は、ステンレス粒子には限らない。チタン、鉄、アルミニウム、シリコン、炭化金属、窒化金属、酸化金属、セラミック粒子等を自由に選択可能である。容器１０１に導入されるガスも任意に変更可能である。例えば、水素ガスを窒素ガス、アルゴンガスなどと混合した混合ガスを導入し、還元雰囲気化で造形することも高強度化に効果がある。溶融する温度よりも低い温度に加熱して原料粉体を焼結させて三次元造形を行ってもよい。

実施の形態１では、主走査を副走査方向に積み重ねるラスター走査方式により各層の造形領域を固化させた。しかし、ラスター走査方式以外のエネルギービーム移動を採用してもよい。螺旋移動、中心から輪郭へ向かう渦巻き移動、輪郭から中心へ向かう渦巻き移動等を採用してもよい。

実施の形態１では、固化領域３０２と未固化領域３０１とに対して境界走査加熱の走査速度又はレーザービーム出力を異ならせた。しかし、固化領域３０２と未固化領域３０１とに対して、境界走査加熱の走査速度とレーザービーム出力との両方を同時に並行して異ならせてもよい。

実施の形態１では、主走査方向と直行する方向に境界走査加熱の走査方向を設定した。しかし、境界走査加熱の走査方向は、主走査方向と直行する以外の方向に設定してもよい。固化領域と未固化領域とをレーザービームを移動させて交互に加熱する方法は、ラスター走査には限らない。円軌道、楕円軌道、多角形軌道を平面上で少しずつずらせて移動させる平面螺旋曲線状のレーザービーム移動を行ってもよい。

実施の形態１では、エネルギービームとして波長１０７０ｎｍの半導体レーザーのレーザービームを用いた。しかし、エネルギービームは、他の波長、他の発振源のレーザービーム、あるいは電子ビームに置き換えてもよい。ただし、電子ビームを用いる場合、図１に示す容器１０１は、高度に真空引きして低い圧力状態を維持する必要がある。

１０１：容器、１０３：造形容器、１０４：層形成機構（層形成手段）、１０５：光源、１０６、１１６：走査機構、１０６ｍ、１１６ｍ：走査ミラー、１０７：光学系、１０８：透過窓、１０９：レーザービーム、１１０、１１０Ｂ：ビームスポット、１１１：走査ピッチ、１２０：造形容器、１２１：造形ステージ、１２２：昇降機構、１２４：積層基材、１３０：走査加熱機構（加熱手段）、１３１：原料粉体、１３２：層、１３３：製品造形物、２００：制御部（制御手段）、３０１：未固化領域、３０２：固化領域

Claims (16)

1. 制御部が、原料粉体の層を形成させる層形成工程と、
   前記制御部が、前記層形成工程により形成された層において、前記原料粉体が溶融固化した固化領域と、前記固化領域に隣接する前記原料粉体が未溶融の粉体領域とを、エネルギービームを移動させて交互に加熱することにより前記固化領域と前記粉体領域とを一体に溶融固化させる加熱工程と、を有し、
   前記制御部は、前記加熱工程において、前記粉体領域の単位面積当たり加熱量が前記固化領域の単位面積当たり加熱量よりも小さくなるように前記エネルギービームを制御することを特徴とする三次元造形方法。
2. 前記制御部は、前記加熱工程において、前記固化領域と前記粉体領域とを連続的に照射し、かつ、前記粉体領域における前記エネルギービームの平均移動速度が前記固化領域における前記エネルギービームの平均移動速度よりも大きくなるように前記エネルギービームを制御することを特徴とする請求項１に記載の三次元造形方法。
3. 前記制御部は、前記加熱工程において、前記固化領域と前記粉体領域とを連続的に照射し、かつ、前記粉体領域における前記エネルギービームの平均出力が前記固化領域における前記エネルギービームの平均出力よりも小さくなるように前記エネルギービームを制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元造形方法。
4. 前記制御部は、前記加熱工程において、前記固化領域と前記粉体領域とを前記エネルギービームで走査し、前記粉体領域における走査の最大振幅位置及びその近傍で前記エネルギービームの出力を小さくするように制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の三次元造形方法。
5. 前記最大振幅位置を中心とする前記近傍の範囲は、前記エネルギービームのビームスポットサイズに対応していることを特徴とする請求項４に記載の三次元造形方法。
6. 前記最大振幅位置における前記エネルギービームの出力が０であることを特徴とする請求項４又は５に記載の三次元造形方法。
7. 前記制御部は、前記加熱工程において、前記粉体領域における前記エネルギービームの照射面積が前記固化領域における前記エネルギービームの照射面積よりも大きくなるように前記エネルギービームを制御することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の三次元造形方法。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の三次元造形方法の各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。
9. 請求項８に記載のプログラムを記録した記録媒体。
10. 原料粉体の層を形成可能な層形成手段と、
    前記層形成手段により形成された前記層をエネルギービームで加熱する加熱手段と、
    前記層形成手段により前記層を形成させ、前記層を前記加熱手段により加熱させる制御手段と、を備え、
    前記制御手段は、前記層において前記原料粉体が溶融固化された固化領域と、前記固化領域に隣接する前記原料粉体が未溶融の粉体領域とを、前記エネルギービームが、前記粉体領域の単位面積当たり加熱量が前記固化領域の単位面積当たり加熱量よりも小さくなるように交互に移動させて、前記固化領域と前記粉体領域とを一体に溶融固化させることを特徴とする三次元造形装置。
11. 前記制御手段は、前記固化領域と前記粉体領域とを連続的に照射し、かつ、前記粉体領域における前記エネルギービームの平均移動速度が前記固化領域における前記エネルギービームの平均移動速度よりも大きくなるように前記エネルギービームを制御することを特徴とする請求項１０に記載の三次元造形装置。
12. 前記制御手段は、前記固化領域と前記粉体領域とを連続的に照射し、かつ、前記粉体領域における前記エネルギービームの平均出力が前記固化領域における前記エネルギービームの平均出力よりも小さくなるように前記エネルギービームを制御することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の三次元造形装置。
13. 前記制御手段は、前記固化領域と前記粉体領域とを前記エネルギービームで走査し、前記粉体領域における走査の最大振幅位置及びその近傍で前記エネルギービームの出力を小さくするように制御することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
14. 前記最大振幅位置を中心とする前記近傍の範囲は、前記エネルギービームのビームスポットサイズに対応していることを特徴とする請求項１３に記載の三次元造形装置。
15. 前記最大振幅位置における前記エネルギービームの出力が０であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の三次元造形装置。
16. 前記制御手段は、記粉体領域における前記エネルギービームの照射面積が前記固化領域における前記エネルギービームの照射面積よりも大きくなるように前記エネルギービームを制御することを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

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