JP7221107B2 - 三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法に関する。

スポット状のレーザ光を金属粉体に照射することによって、スポット状の領域に存在する金属粉体を焼結させる積層造形装置が知られている。これにより、スポット状のレーザ光を順次、金属粉体に照射して、金属製の三次元造形物を製造する。また、Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ（ＧＬＶ：登録商標）を用いて、ライン状のレーザ光を金属粉体に照射することによって、ライン状の領域に存在する金属粉体を同時に焼結させる積層造形装置も開示されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、ライン状のレーザ光を順次、金属粉体に照射して、金属製の三次元造形物を高速に製造する。

特開２００３－８０６０４号公報

しかしながら、ライン状のレーザ光を金属粉体に照射した場合に、所望の形状の三次元造形物を製造できなかった。本件発明者らは、上記課題を解決するために、ライン状のレーザ光を金属粉体に照射した場合に、所望の形状の三次元造形物を製造する方法について検討を行った。そこで、所定領域において、レーザ光によって溶融した金属材料が流動することがわかった。例えば、所定領域が複数の単位空間を含む場合、第１の単位空間に存在した第１の金属材料と、第２の単位空間に存在した第２の金属材料とが、各単位空間で焼結せず、第１の単位空間と第２の単位空間との間で第１の金属材料と第２の金属材料とが混ざり合った。特に、所定領域のうち、端部に位置する第１の単位空間に存在した第１の金属材料と、中央部に位置する第２の単位空間に存在した第２の金属材料との間に温度差が生じて、温度差により第１の金属材料と第２の金属材料とが対流した。

また、混ざり合った第１の金属材料及び第２の金属材料の界面には、表面張力が生じて、表面張力により第１の金属材料と第２の金属材料とが流動した。例えば、第１の金属材料及び第２の金属材料の界面形状は、平面でなく球面になった。よって、対流情報及び／又は表面張力情報に基づいて、ライン状のレーザ光において、強度の分布を持たせることを見出した。例えば、第１の金属材料に照射するレーザ光の強度を強くし、第２の金属材料に照射するレーザ光の強度を弱くした。すなわち、対流情報及び／又は表面張力情報を含む流動情報に基づいて作成された強度の分布を用いて、造形材料にレーザ光を照射することを見出した。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、所望の形状の三次元造形物を素早く製造できる三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法を提供することにある。

本発明の一局面によれば、三次元造形物の製造装置は、複数の単位空間を含む所定造形空間中に三次元造形物を製造する。三次元造形物の製造装置は、ビーム照射部と、制御装置とを備える。前記ビーム照射部は、造形材料にビームを照射する。前記制御装置は、ビーム照射部を制御する。前記ビーム照射部は、前記複数の単位空間のうち少なくとも２つの単位空間に対して、それぞれ、互いに異なる強度を有する前記ビームを導くことが可能である。前記制御装置は、流動情報に基づいて作成された前記強度の分布を有する前記ビームを前記造形材料に照射するように、前記ビーム照射部を制御する照射制御部を有する。前記流動情報は、前記少なくとも２つの単位空間が隣接する場合に、前記少なくとも２つの単位空間の間で、前記造形材料が流動する情報を含む。

本発明の三次元造形物の製造装置において、前記ビーム照射部は、レーザ光源と、所定方向に並んだ前記複数の単位空間に対して前記ビームを同時に導く光変調器と、前記レーザ光源から発振されたレーザ光を、前記所定方向に延びるラインビームに整形して、前記光変調器に導く照明光学系とを有することが好ましい。

本発明の三次元造形物の製造装置において、前記光変調器は、基台と、固定反射面を有する固定部材と、可動反射面を有する可動部材とを有し、複数の前記固定部材と複数の前記可動部材とは、前記所定方向に並べられ、前記複数の固定部材は、前記基台に固定され、前記複数の可動部材は、前記固定反射面に対して、前記可動反射面に垂直な方向に移動可能であることが好ましい。

本発明の三次元造形物の製造装置において、前記制御装置は、前記三次元造形物の形状を示す造形データ及び前記流動情報に基づいて、前記強度の分布を示す露光データを作成する露光データ作成部を更に有し、前記照射制御部は、前記露光データに基づいて、前記ビームを前記造形材料に照射することが好ましい。

本発明の三次元造形物の製造装置において、前記ビーム照射部から出射された前記ビームを、前記複数の単位空間のうち選択された所定の単位空間に順次、導く走査部を更に備えることが好ましい。

本発明の三次元造形物の製造装置において、前記走査部は、ガルバノミラーを有し、前記ガルバノミラーは、前記ビーム照射部から出射された前記ビームの進行方向を変更することが好ましい。

本発明の三次元造形物の製造装置において、前記造形材料が供給されるステージを更に備え、前記走査部は、前記ステージを移動させることが好ましい。

本発明の他の局面によれば、三次元造形物の製造方法は、複数の単位空間を含む所定造形空間中に三次元造形物を製造する。三次元造形物の製造方法は、制御工程と、作製工程とを含む。前記制御工程は、流動情報に基づいて作成された強度の分布を有するビームを造形材料に照射する。前記作製工程は、前記制御工程によって、高さが略一定である焼結体を作製する。前記流動情報は、前記少なくとも２つの単位空間が隣接する場合に、前記少なくとも２つの単位空間の間で、前記造形材料が流動する情報を含む。

本発明によれば、所望の形状の三次元造形物を素早く製造できる。

本発明に係る実施形態の三次元造形物の製造装置を示す図である。 （ａ）は、実施形態に係る所定方向における露光データの一例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す露光データに基づいて作製された焼結体の形状を示す図である。 （ａ）は、比較例に係る所定方向における露光データの一例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す露光データに基づいて作製された焼結体の形状を示す図である。 本実施形態に係る制御装置の処理の一例を示すフローチャートである。 本実施形態に係る光変調器を示す平面図である。 本実施形態に係る光変調器の一部を示す拡大斜視図である。 本実施形態に係る光変調器の一例を示す断面図である。 本実施形態に係る光変調器の他の一例を示す断面図である。 本実施形態に係る製造装置での光路を示す図である。 本実施形態に係る製造装置での光路を示す図である。 本発明に係る他の実施形態の三次元造形物の製造装置を示す図である。 （ａ）は、本発明に係る他の実施形態に係る所定方向における露光データの一例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す露光データに基づいて作製された焼結体の形状を示す図である。 本実施形態に係る光変調器の他の一例を示す平面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、図中、同一又は相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。また、以下に記載される説明において、「上」、「下」、「左」又は「右」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。

＜実施の形態＞
以下、本実施の形態に関する三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法について説明する。

図１を参照して、本発明による三次元造形物の製造装置１００の実施形態を説明する。図１は、本実施形態の三次元造形物の製造装置１００を示す図である。なお、本願明細書では、発明の理解を容易にするため、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を記載することがある。Ｘ軸及びＹ軸は水平方向に平行であり、Ｚ軸は鉛直方向に平行である。

図１に示すように、製造装置１００は、ビーム照射部４０と、制御装置２０とを備える。ビーム照射部４０は、造形材料にビームＬ３２を照射する。制御装置２０は、ビーム照射部４０を制御する。具体的には、制御装置２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）のようなプロセッサーを含む。

また、製造装置１００は、走査機構（走査部）１９と、供給機構１６と、記憶部３０とを更に備える。記憶部３０は、記憶装置を含む。具体的には、記憶部３０は、半導体メモリーのような主記憶装置、並びに、半導体メモリー及び／又はハードディスクドライブのような補助記憶装置を含む。

製造装置１００は、所定造形空間ＳＰ中に三次元造形物を製造する。所定造形空間ＳＰは、三次元空間である。所定造形空間ＳＰは、複数の単位空間を含む。例えば、複数の単位空間は、それぞれ互いに同じ体積を有する立方体形状を有する。例えば、複数の単位空間は、Ｎ行×Ｍ列×Ｓ層の単位空間を含む。Ｎ、Ｍ及びＳのうちの少なくとも１つは２以上の整数を示す。複数の単位空間は、Ｙ方向に第１行から第Ｎ行まで順に並び、Ｘ方向に第１列から第Ｍ列まで順に並び、Ｚ方向に第１層から第Ｓ層まで順に並んでいる。供給機構１６の所定の空間に所定造形空間ＳＰが設定されたデータを、記憶部３０は記憶する。

三次元造形物は、造形材料によって所望の形状に製造される。造形材料は、粉末又はペーストであり、例えば、金属粉体、エンジニアリングプラスチック、セラミックス、合成樹脂である。金属粉体は、チタン、アルミニウム又はステンレスである。三次元造形物を製造する造形材料には、複数の種類の造形材料が含まれてもよい。

造形材料は、例えば、供給機構１６によって所定の単位空間に供給される。そして、ビームＬ３２が照射されると造形材料の温度が上昇して、造形材料の表面又は全体が溶融して、ビームＬ３２の照射が停止されると、造形材料は焼結体となる。また、所望の形状としては、特に限定されない。所望の形状を示す造形データは、例えば、製造者により記憶部３０に記憶される。造形データは、例えば、ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データである。

引き続き、造形材料にビームＬ３２を照射するビーム照射部４０の詳細を説明する。ビーム照射部４０は、レーザ光源１０と、照明光学系１１と、光変調器１４と、投影光学系１８とを有する。

レーザ光源１０は、レーザ光Ｌ３０を照明光学系１１に発振する。レーザ光源１０は、例えば、ファイバーレーザ光源である。レーザ光Ｌ３０の波長は、例えば、１０６４ｎｍである。例えば、レーザ光Ｌ３０の進行方向に対して垂直な面におけるレーザ光Ｌ３の断面形状は、略円形である。また、レーザ光Ｌ３０の進行方向に対して垂直な面におけるレーザ光Ｌ３の断面寸法は、進行方向に進行すればするほど大きくなっていく。

照明光学系１１は、レーザ光Ｌ３０をラインビームＬ３１に整形して、ラインビームＬ３１を光変調器１４に導く。具体的には、照明光学系１１は、複数のレンズを備える。例えば、ラインビームＬ３１は、ラインビームＬ３１の進行方向に対して垂直な面において進行方向に進行しても大きさが一定である平行光である。また、ラインビームＬ３１は、垂直な面において略均一な強度を有する。例えば、ラインビームＬ３１は、垂直な面において所定方向に長い略長方形を有する。所定方向は、例えばＹ軸方向である。

光変調器１４は、ラインビームＬ３１をビームＬ３２に変調して、ビームＬ３２を投影光学系１８に出射する。光変調器１４は、例えば、ＧＬＶ（登録商標）、ＰＬＶ（登録商標）（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ）又はＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）である。光変調器１４は、制御装置２０によって制御される。その結果、ビームＬ３２は、少なくとも所定方向において異なる強度の分布を有する。

投影光学系１８は、ビームＬ３２で中間像を形成した後、ビームＬ３２を走査機構１９に出射する。例えば、投影光学系１８は、複数のレンズを備える。

引き続き、走査機構１９の詳細を説明する。走査機構１９は、ビームＬ３２を反射して、ビームＬ３２を造形材料に照射する。走査機構１９は、例えば、ガルバノミラーを有する。ガルバノミラーは、例えば、所定方向を回転軸として回転する。

詳細には、走査機構１９は、複数の単位空間のうち少なくとも２つの単位空間に対して、それぞれ、互いに異なる強度を有するビームＬ３２を導く。具体的には、走査機構１９は、所定方向に並んだ複数の単位空間に対してビームＬ３２を導く。例えば、第１の単位空間に対して、第１の強度を有するビームＬ３２を導く。また、第２の単位空間に対して、第２の強度を有するビームＬ３２を導く。その結果、複数の単位空間に造形材料が供給されていると、第１の単位空間に存在する造形材料に第１の強度を有するビームＬ３２が照射され、第２の単位空間に存在する造形材料に第２の強度を有するビームＬ３２が照射される。

また、走査機構１９は、複数の単位空間のうち選択された所定の複数の単位空間に順次、ビームＬ３２を導く。すなわち、走査機構１９は、ビームＬ３２を走査する。例えば、ガルバノミラーは、ビーム照射部４０から出射されたビームＬ３２の進行方向を変更する。具体的には、ガルバノミラーが回転して、ビームＬ３２を走査方向に走査する。走査方向は、所定方向に垂直な方向であり、例えば、Ｘ軸方向である。具体的には、第ｍ列の複数の単位空間に対してビームＬ３２を導く。例えば、第ｍ列第ｎ行の単位空間に対して、第１の強度を有するビームＬ３２を導くと同時に、第ｍ列第（ｎ＋１）行の単位空間に対して、第２の強度を有するビームＬ３２を導く。その後、第（ｍ＋１）列の複数の単位空間に対してビームＬ３２を導く。例えば、第（ｍ＋１）列第ｎ行の単位空間に対して、第３の強度を有するビームＬ３２を導くと同時に、第（ｍ＋１）列第（ｎ＋１）行の単位空間に対して、第４の強度を有するビームＬ３２を導く。

引き続き、複数の単位空間に造形材料を供給する供給機構１６の詳細を説明する。詳細には、供給機構１６は、複数の単位空間のうち選択された所定の複数の単位空間に順次、造形材料層を形成する。造形材料層は、造形材料からなる。例えば、第ｓ層の複数の単位空間に第１の造形材料層を形成する。その後、第（ｓ＋１）層の複数の単位空間に第２の造形材料層を形成する。具体的には、供給機構１６は、パートシリンダー１６Ａと、フィードシリンダー１６Ｂと、スキージ１６Ｄとを備える。

フィードシリンダー１６Ｂは、フィードシリンダー１６Ｂの内部に下面を有する。下面は、フィードシリンダー１６Ｂの内部でＺ軸方向に移動可能である。フィードシリンダー１６Ｂの内部で下面の上部には、造形材料が収容されている。一方、パートシリンダー１６Ａは、パートシリンダー１６Ａの内部に下面を有する。下面は、パートシリンダー１６Ａの内部でＺ軸方向に移動可能である。パートシリンダー１６Ａの内部で下面の上部には、所定造形空間ＳＰが設定されている。

パートシリンダー１６Ａの内部には、フィードシリンダー１６Ｂから造形材料が供給される。具体的には、パートシリンダー１６Ａの下面を所定距離、下降させる。一方、フィードシリンダー１６Ｂの下面を所定距離、上昇させる。そして、フィードシリンダー１６Ｂからパートシリンダー１６Ａへ向かって、スキージ１６Ｄを移動させる。その結果、所定量の造形材料がフィードシリンダー１６Ｂの内部からパートシリンダー１６Ａの内部へ移動する。

次に、制御装置２０の詳細を説明する。制御装置２０は、ビーム照射部４０及び供給機構１６を制御する。具体的には、制御装置２０は、照射制御部２１を含む。そして、制御装置２０のプロセッサーは、記憶部３０の記憶装置に記憶されたコンピュータープログラムを実行することによって、照射制御部２１として機能する。

照射制御部２１は、ビーム照射部４０を制御する。具体的には、照射制御部２１は、レーザ制御部２０Ｃと、変調制御部２０Ａとを有する。

レーザ制御部２０Ｃは、レーザ光源１０を制御する。詳細には、レーザ制御部２０Ｃは、レーザ光源１０からレーザ光Ｌ３０を発振させる。

変調制御部２０Ａは、ビームＬ３２を造形材料に照射するように、光変調器１４を制御する。ビームＬ３２は、強度の分布を有する。強度の分布は、造形データ及び流動情報に基づいて作成される。流動情報は、少なくとも２つの単位空間が隣接する場合に、少なくとも２つの単位空間の間で、造形材料が流動する情報を含む。流動情報は、例えば、対流情報及び／又は表面張力情報を含む。流動情報は、造形材料の種類の情報を含んでもよい。また、２つの単位空間の間に隙間（空間）が形成されている場合に、２つの単位空間の間で造形材料が移動するときには、２つの単位空間は隣接することに含まれる。

強度の分布を示すデータは、露光データ（露光強度のプロファイル）ＢＰとして、記憶部３０に記憶されている。すなわち、変調制御部２０Ａは、露光データＢＰに基づいて光変調器１４を制御することによって、造形データ及び流動情報に基づいて作成された強度の分布を有するビームＬ３２を作成する。

続けて、図２及び図３を参照して、露光データＢＰを詳細に説明する。図２（ａ）は、実施形態に係る所定方向における露光データＢＰの一例を示す図である。図２（ａ）において、縦軸は露光強度を示し、横軸は所定造形空間ＳＰにおける所定方向位置を示す。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す露光データＢＰに基づいて作製された焼結体の形状を示す図である。図２（ｂ）において、縦軸は焼結体の高さを示し、横軸は所定造形空間ＳＰにおける所定方向位置を示す。所定方向には複数の単位空間が第１の単位空間から順に並んでいる。

図２（ａ）に示すように、第４～第１１の単位空間にビームＬ３２は導かれる。第４の単位空間と第５の単位空間とは隣接し、第５の単位空間と第６の単位空間とは隣接するように、第４～第１１の単位空間は所定方向に連続している。第４、第５、第１０及び第１１の単位空間は、８個の単位空間の端部に位置する。第４、第５、第１０及び第１１の単位空間には、強い露光強度を有するビームＬ３２が導かれる。一方、第６～第９の単位空間は、８個の単位空間の中央部に位置する。第６～第９の単位空間には、弱い露光強度を有するビームＬ３２が導かれる。これにより、図２（ｂ）に示すように、端部と中央部との温度差を抑制したので、第４～第１１の単位空間の間での造形材料の対流が抑制された。対流が抑制されたため、焼結体の高さは、第４～第１１の単位空間において略一定であった。

一方、図３（ａ）は、比較例に係る所定方向における露光データＢＰの一例を示す図である。図３（ａ）において、縦軸は露光強度を示し、横軸は所定造形空間ＳＰにおける所定方向位置を示す。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す露光データＢＰに基づいて作製された焼結体の形状を示す図である。図３（ｂ）において、縦軸は焼結体の高さを示し、横軸は所定造形空間ＳＰにおける所定方向位置を示す。

図３（ａ）に示すように、８個の単位空間には、同じ露光強度を有するレーザ光が導かれる。これにより、図３（ｂ）に示すように、第４、第５、第１０及び第１１の単位空間に存在した造形材料の温度と、第６～第９の単位空間に存在した造形材料の温度との差が大きく、第４～第１１の単位空間の間で造形材料が激しく対流した。その結果、焼結体の高さは、第４、第５、第１０及び第１１の単位空間で低く、第６～第９の単位空間で高かった。

以上のように、本実施形態によれば、隣接する少なくとも２つの単位空間にビームＬ３２を導く。少なくとも２つの単位空間の間で造形材料が流動するが、流動情報に基づいて作成された強度の分布を有するビームＬ３２を造形材料に照射するため、所望の形状の三次元造形物を素早く製造できる。

再び図１を参照して、制御装置２０の詳細を説明する。図１に示すように、制御装置２０は、走査制御部２０Ｂを更に有する。走査制御部２０Ｂは、露光データＢＰに基づいて、走査機構１９及び供給機構１６を制御する。詳細には、走査制御部２０Ｂは、複数の単位空間のうち選択された所定の単位空間に順次、ビームＬ３２を導くように、走査機構１９及び供給機構１６を制御する。具体的には、走査制御部２０Ｂは、ガルバノミラーを回転させることによって、ビームＬ３２を走査方向に走査する。また、走査制御部２０Ｂは、パートシリンダー１６Ａとフィードシリンダー１６Ｂとスキージ１６Ｄとを移動させることによって、所定の複数の単位空間に順次、造形材料層を形成する。

以上のように、本実施形態によれば、流動情報に基づいて作成された強度の分布を有するビームＬ３２を造形材料に照射するため、所望の高さを有する焼結体を製造できる。その結果、焼結体上に焼結体を作製することを繰り返しても、三次元造形物を精度よく製造できる。よって、高さが高い形状の三次元造形物を精度よく製造できる。

制御装置２０は、データ取得部２０Ｄと、露光データ作成部２０Ｅとを更に有する。

データ取得部２０Ｄは、例えば、外部装置又は記憶媒体からデータを受信することで、データを記憶部３０に記憶させる。具体的には、外部装置又は記憶媒体から露光データＢＰを受信することで、露光データＢＰを記憶部３０に記憶させる。例えば、露光データＢＰは、シミュレーション又は計算に基づいて作成されている。詳細には、コンピュータソフトを用いて、溶融した所定の体積の造形材料において、所定の温度の分布を設けたときに生じる対流をシミュレーションする。その結果、対流が抑制される温度の分布を決定する。そして、温度の分布を与える露光データＢＰを作成する。更に、実際に造形材料にビームを照射して、焼結体の形状を計測することを繰り返すことにより、露光データＢＰは作成されてもよい。

また、データ取得部２０Ｄは、外部装置又は記憶媒体から造形データ及び流動情報を受信することで、造形データ及び流動情報を記憶部３０に記憶させる。なお、流動情報は、記憶部３０に予め記憶されていてもよい。

露光データ作成部２０Ｅは、造形データ及び流動情報に基づいて、露光データＢＰを作成する。具体的には、外部装置又は記憶媒体から露光データＢＰを受信せずに、造形データ及び流動情報を受信した場合に、造形データ及び流動情報に基づいて、露光データＢＰを作成する。例えば、露光データ作成部２０Ｅは、造形データに基づいて、複数の単位空間が所定方向に連続しているか否かを判定する。その結果、複数の単位空間が所定方向に連続していることを、露光データ作成部２０Ｅが判定したときに、露光データＢＰを作成する。露光データＢＰは、複数の単位空間の端部に位置する単位空間には、強い露光強度を有するビームＬ３２が導かれ、中央部に位置する単位空間には、弱い露光強度を有するビームＬ３２が導かれることを示す。また、露光データ作成部２０Ｅは、蓄積されたデータに基づいて露光データＢＰを作成してもよい。例えば、露光データＢＰと、作製された焼結体の形状との関係を蓄積していく。その結果、露光データ作成部２０Ｅは、複数の単位空間の数と、作製された焼結体の形状との関係に基づいて、露光データＢＰを作成してもよい。

以上のように、本実施形態によれば、露光データ作成部２０Ｅは、造形データ及び流動情報に基づいて、露光データＢＰを作成する。その結果、本実施形態によれば、造形データ及び流動情報を受信したときに、所望の形状の三次元造形物を製造できる。

次に、図４を参照して、本実施形態に係る制御装置２０の処理の一例について説明する。図４は、制御装置２０の処理の一例を示すフローチャートである。本実施形態に係る制御装置２０の処理は、ステップＳ１０１～ステップＳ１０３を含む。

まず、ステップＳ１０１において、データ取得部２０Ｄは、例えば、外部装置又は記憶媒体からデータを受信することで、データを記憶部３０に記憶させる。そして、処理はステップＳ１０２に進む。

次に、ステップＳ１０２において、レーザ制御部２０Ｃは、レーザ光源１０を制御する。そして、処理はステップＳ１０３に進む。

最後に、ステップＳ１０３において、変調制御部２０Ａは、ビームＬ３２を造形材料に照射するように、光変調器１４を制御する。ビームＬ３２は、造形データ及び流動情報に基づいて作成された強度の分布を有する。そして、処理が終了する。

ここで、図５及び図６を参照して、所定方向に並んだ複数の単位空間に対してビームを同時に導く光変調器１４として、ＧＬＶを説明する。図５は、光変調器１４を示す平面図である。また、図６は、光変調器１４の一部を示す拡大斜視図である。図５及び図６に示すように、光変調器１４は、基台２と、光変調素子群４とを有する。

基台２の上面は、共通電極３を有する。

光変調素子群４は、可動部材である複数の可動リボン１ａ及び固定部材である複数の固定リボン１ｂを有する。複数の固定リボン１ｂは、共通電極３と所定距離を空けて、基台２に対して固定される。固定リボン１ｂの上面には固定反射面が設けられる。複数の可動リボン１ａは、共通電極３と所定距離を空けて、基台２に対して、可動反射面に垂直な方向に移動可能である。可動リボン１ａの上面には可動反射面が設けられている。複数の可動リボン１ａ及び複数の固定リボン１ｂは、所定方向に交互に平行に配列形成される。

そして、光変調器１４では、１本の可動リボン１ａと１本の固定リボン１ｂとを格子要素とすると、可動リボン１ａと固定リボン１ｂがペアで１つの単位空間に対応する変調素子となる。

変調制御部２０Ａは、可動リボン１ａと共通電極３との間に電圧（電位差）を与えることにより、可動リボン１ａを共通電極３側に変位させる。詳細には、変調制御部２０Ａは、１本の可動リボン１ａごとに電圧を印加する。更に、変調制御部２０Ａは、可動リボン１ａに印加する電圧を調整することで、可動リボン１ａの変位量を調整する。

続いて、図７及び図８を参照して、光変調器１４の動作を詳細に説明する。図７は、光変調器１４の一例を示す断面図である。また、図８は、光変調器１４の他の一例を示す断面図である。

図７に示すように、共通電極３の面に対して垂直な方向において、可動リボン１ａの位置と固定リボン１ｂの位置とが同じ高さにある。その結果、可動リボン１ａで反射した光と、固定リボン１ｂで反射した光との位相差は、０（ゼロ）である。なお、可動リボン１ａの位置と固定リボン１ｂの位置とが同じ高さにある状態で反射した光の露光強度を、１００％とする。

図８に示すように、可動リボン１ａが下降している。光変調器１４への光の入射角αと、可動リボン１ａの位置と固定リボン１ｂの位置との高さの差Ｄｆとに基づいて、可動リボン１ａで反射した光と固定リボン１ｂで反射した光との光路差（２Ｄｆ・ｃｏｓα）が示される。

可動リボン１ａで反射した光と固定リボン１ｂで反射した光の光路差（２Ｄｆ・ｃｏｓα）が、例えば、（ｍ＋１／４）・λとなるように、高さの差Ｄｆは調整される。ｍは０以上の整数であり、λは光の波長である。換言すれば、可動リボン１ａで反射した光と固定リボン１ｂで反射した光との位相差が、π／２ｒａｄとなるように、可動リボン１ａの位置と固定リボン１ｂの位置との高さの差Ｄｆは調整される。位相差がπ／２ｒａｄである状態で反射した光の露光強度は、５０％である。

なお、位相差が１．１６ｒａｄである状態で反射した光の露光強度は、７０％であり、位相差が１．２６ｒａｄである状態で反射した光の露光強度は、６５％であり、位相差が１．３７ｒａｄである状態で反射した光の露光強度は、６０％である。

以上のように、本実施形態によれば、ＧＬＶを制御して、強度の分布を有するビームＬ３２を精度よく作製できる。その結果、所望の形状の三次元造形物を素早く製造できる。

次に、図９及び図１０を参照して、製造装置１００での光路を詳細に説明する。図９及び図１０は、製造装置１００での光路を示す図である。図９は、ＺＸ面での光路を示す図である。また、図１０は、ＸＹ面での光路を示す図である。

図９及び図１０に示すように、照明光学系１１は、レーザ光源１０から出射されたレーザ光Ｌ３０を光変調器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、レーザ光Ｌ３０を各レンズによって線状の光であるラインビームＬ３１に整形し出力する。このような各レンズとしては、例えば、コリメートレンズやパウエルレンズなどを用いることができる。なお、照明光学系１１は、必ずしも図９及び図１０に示されるように構成される必要はなく、他の光学素子が追加されてもよい。

投影光学系１８は、光変調器１４で変調された光（ビームＬ３２）を走査機構１９へと導く。投影光学系１８は、レンズ１８ａを備え、中間像の形成や、入射光の断面寸法の拡大等を行う。このようなレンズとしては、例えば、コリメートレンズやテレセントリックレンズなどを用いることができる。なお、投影光学系１８は、必ずしも図９及び図１０に示されるように構成される必要はなく、複数の他の光学素子が追加されてもよい。

走査機構１９は、例えば、ガルバノミラー１９ａと、ｆθレンズ１９ｂとを有する。ガルバノミラー１９ａは、入射光を反射する。ｆθレンズ１９ｂは、入射光の断面寸法をＹ方向に維持し、Ｚ方向に縮小する。なお、走査機構１９は、必ずしも図９及び図１０に示されるように構成される必要はなく、その他の光学素子が追加されてもよい。

以上、図面（図１～図１０）を参照しながら本発明の実施形態を説明した。但し、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である（例えば、下記に示す（１）～（３））。図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の厚み、長さ、個数等は、図面作成の都合上から実際とは異なる。また、上記の実施形態で示す各構成要素の材質や形状、寸法等は一例であって、特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（１）走査機構１９は、所定方向を回転軸として回転するガルバノミラーを有し、供給機構１６は、パートシリンダー１６Ａとフィードシリンダー１６Ｂとスキージ１６Ｄとを備えたが、本発明はこれに限定されない。図１１は、本実施形態の三次元造形物の製造装置１００の他の一例を示す図である。図１１に示すように、供給機構１６は、テーブル（ステージ）１６Ｃを備える。テーブル１６Ｃは、Ｘ軸方向に移動する。具体的には、テーブル１６Ｃの上面に、造形材料層を形成して、テーブル１６ＣがＸ軸方向に移動して、テーブル１６Ｃの上面におけるビームＬ３２が照射される領域が位置決めされる。なお、テーブル１６Ｃは、Ｙ軸方向に移動可能であってもよい。
また、供給機構１６又はテーブル１６Ｃ上に梁部材を設け、ビーム照射部４０をＸ軸方向及び／又はＹ軸方向に移動させる構成としてもよい。更に、テーブル１６Ｃを移動させる構成と、ガルバノミラーを用いる構成と、ビーム照射部４０を移動させる構成とを組み合わせてもよい。

（２）８個の単位空間の端部に位置する第４、第５、第１０及び第１１の単位空間には、強い露光強度を有するビームＬ３２が導かれ、８個の単位空間の中央部に位置する第６～第９の単位空間には、弱い露光強度を有するビームＬ３２が導かれる露光データＢＰを示したが、本発明はこれに限定されない。図１２（ａ）は、他の実施形態に係る所定方向における露光データＢＰの他の一例を示す図である。図１２（ａ）において、縦軸は露光強度を示し、横軸は所定造形空間ＳＰにおける所定方向位置を示す。また、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示す露光データＢＰに基づいて作製された焼結体の形状を示す図である。図１２（ｂ）において、縦軸は焼結体の高さを示し、横軸は所定造形空間ＳＰにおける所定方向位置を示す。

図１２（ａ）に示すように、第４、第６、第９及び第１１の単位空間には、強い露光強度を有するビームＬ３２が導かれる。一方、第４、第５、第７及び第１０の単位空間には、弱い露光強度を有するビームＬ３２が導かれる。これにより、図１２（ｂ）に示すように、複数の凹凸を持つ露光強度を有するビームＬ３２を照射するので、第４～第１１の単位空間の間での造形材料の対流が小さくなる。対流が小さくなったため、焼結体の高さは、第４～第１１の単位空間において略一定である。

（３）また、図１３を参照して、光変調器１４としてＰＬＶを用いた場合について説明する。なお、ＰＬＶについては特開２００７－５１４２０３号公報に記載されているので詳しい説明を省略する。図１３に示すように、ＰＬＶ４ａは、基板と、基板に固定された平面状の固定部材４１ａと、固定部材４１ａに開口が形成されており当該開口に形成された可動部材４１ｂとを備える。固定部材４１の上面には固定反射面が設けられ、可動部材４１ｂの上面には可動反射面が設けられる。また、固定部材４１ａと可動部材４１ｂとを１組として２次元（Ｍ×Ｎ）に配列形成されている。

固定部材４１ａと可動部材４１ｂを１つのペアとして、各ペアが並ぶ１列が１つの単位空間に対応する変調素子となる。よって、図１３では、Ｎ個の変調素子を有する光変調器として機能する。したがって、ＰＬＶ４ａに入射するラインビームＬ３１の断面が矩形となる。可動部材４１ｂの可動反射面が固定部材４１の固定反射面に対して垂直に移動する（例えば、固定反射面に対して可動反射面が下がる）ことで、入射した光が変調されることとなる。また、ＰＬＶ４ａで変調された光（ビームＬ３２）は、投影光学系１８により、各列単位で積算されたビームとして整形される。そのため、より大きな光エネルギーを造形材料に照射することができる。

本発明は、三次元造形物の製造装置及び三次元造形物の製造方法に好適に用いられる。

１ａ 可動リボン
１ｂ 固定リボン
２ 基台
１０ レーザ光源
１１ 照明光学系
１４ 光変調器
１６ 供給機構
１６Ｃ テーブル
１８ 投影光学系
１９ 走査機構
１９ａ ガルバノミラー
２０ 制御装置
２０Ｅ 露光データ作成部
２１ 照射制御部
４０ ビーム照射部
１００ 製造装置
ＢＰ 露光データ
Ｌ３０ レーザ光
Ｌ３１ ラインビーム
Ｌ３２ ビーム

Claims (9)

1. 複数の単位空間を含む所定造形空間中に三次元造形物を製造する三次元造形物の製造装置であって、
   造形材料にビームを照射するビーム照射部と、
   前記ビーム照射部を制御する制御装置と
   を備え、
   前記ビーム照射部は、
   前記複数の単位空間のうち少なくとも２つの単位空間に対して、それぞれ、互いに異なる強度を有する前記ビームを導くことが可能であり、
   前記制御装置は、流動情報に基づいて作成された前記強度の分布を有する前記ビームを前記造形材料に照射するように、前記ビーム照射部を制御する照射制御部を有し、
   前記流動情報は、前記少なくとも２つの単位空間が隣接する場合に、前記少なくとも２つの単位空間の間で、前記造形材料が流動する情報を含む、三次元造形物の製造装置。
2. 前記ビーム照射部は、
   レーザ光源と、
   所定方向に並んだ前記複数の単位空間に対して前記ビームを同時に導く光変調器と、
   前記レーザ光源から発振されたレーザ光を、前記所定方向に延びるラインビームに整形して、前記光変調器に導く照明光学系と
   を有する、請求項１に記載の三次元造形物の製造装置。
3. 前記光変調器は、
   基台と、
   固定反射面を有する固定部材と、
   可動反射面を有する可動部材と
   を有し、
   複数の前記固定部材と複数の前記可動部材とは、前記所定方向に並べられ、
   前記複数の固定部材は、前記基台に固定され、
   前記複数の可動部材は、前記固定反射面に対して、前記可動反射面に垂直な方向に移動可能である、請求項２に記載の三次元造形物の製造装置。
4. 前記制御装置は、前記三次元造形物の形状を示す造形データ及び前記流動情報に基づいて、前記強度の分布を示す露光データを作成する露光データ作成部を更に有し、
   前記照射制御部は、前記露光データに基づいて、前記ビームを前記造形材料に照射する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造装置。
5. 前記ビーム照射部から出射された前記ビームを、前記複数の単位空間のうち選択された所定の単位空間に順次、導く走査部を更に備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造装置。
6. 前記走査部は、ガルバノミラーを有し、
   前記ガルバノミラーは、前記ビーム照射部から出射された前記ビームの進行方向を変更する、請求項５に記載の三次元造形物の製造装置。
7. 前記造形材料が供給されるステージを更に備え、
   前記走査部は、前記ステージを移動させる、請求項５に記載の三次元造形物の製造装置。
8. 前記単位空間に前記造形材料を供給する供給機構を備え、
   前記供給機構は、前記複数の単位空間に造形材料層を形成する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の三次元造形物の製造装置。
9. 複数の単位空間を含む所定造形空間中に三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、
   流動情報に基づいて作成された強度の分布を有するビームを造形材料に照射する制御工程と、
   前記制御工程によって、高さが略一定である焼結体を作製する作製工程と
   を含み、
   前記流動情報は、少なくとも２つの単位空間が隣接する場合に、前記少なくとも２つの単位空間の間で、前記造形材料が流動する情報を含む、三次元造形物の製造方法。

Images