KR20150115595A

KR20150115595A - 3차원 조형 장치

Info

Publication number: KR20150115595A
Application number: KR1020140112871A
Authority: KR
Inventors: 야스노리 다케자와; 도시오 마에다; 도시히코 가토; 고이치 아마야
Original assignee: 가부시키가이샤 마쓰우라 기카이 세이사쿠쇼
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2015-10-14
Also published as: CA2866530A1; US20150283611A1; CN104972121A; US9138807B1; EP2926979B1; CN104972121B; ES2728952T3; EP2926979A1; JP2015199195A; CA2866530C

Abstract

조형 효율을 향상시키는 것을 과제로 하고, 분말 재료를 공급하여 분말층을 형성하는 분말 공급 장치(40)와, 광 빔을 상기 분말층에 조사함과 아울러 그 조사 위치를 이동시키는 광 빔 주사 수단(20)을 구비하여, 상기 분말층의 형성과, 상기 광 빔 조사에 의한 분말층의 소결을 교대로 반복함으로써, 3차원 형상 조형물을 제조하는 3차원 조형 장치에 있어서, 3차원 형상 조형물의 제조에 이용하는 영역을 복수로 분할하고, 이들 복수의 분할 영역(A, B, C, D)을, 각각 복수의 상기 광 빔 주사 수단(20)에 의해서 조사함에 의해 상기 과제를 달성할 수 있는 3차원 조형 장치.

Description

3차원 조형 장치{DEVICE FOR FORMING A 3-DIMENSIONAL SHAPED OBJECT}

본 발명은, 분말 재료를 적층하고 소결하여 3차원 형상의 조형물을 제조하는 3차원 조형(造形) 장치 및 3차원 형상 조형물의 제조 방법에 관한 것이다.

종래, 이러한 종류의 발명에서는, 분말 공급 장치로부터 분말 재료를 공급하여 분말층을 형성하는 공정과, 해당 공정에 의해서 형성된 분말층의 소정 영역에 광 빔 또는 전자 빔을 조사하여 상기 소정 영역의 분말을 소결하는 공정을 반복함에 의해, 다수의 소결층으로 이루어지는 3차원 형상의 조형물을 제조하도록 한다.

그런데, 상기 종래 기술에서는, 광 빔 또는 전자 빔을 조사하기 위하여, 갈바노 스캐너 장치를 이용하는 경우가 많다. 예를 들면, 특허 문헌 1에 기재된 발명에서는, 레이저 발진기(20)로부터 출사되는 광 빔 또는 전자 빔을, 단일의 갈바노 스캐너 장치(스캐너(22))에 반사시킴과 아울러 그 반사 방향을 변화시켜서 분말층에 조사한다. 이러한 구성에 의하면, 갈바노 스캐너 장치에 의해서 고속으로 광 빔 또는 전자 빔의 조사 위치를 이동시킴이 가능해지고, 조형 시간의 단축에 효과가 있다.

그러나, 분말 재료를 소결하기 위해서는, 고(高)에너지 조사가 필요해지고, 광 빔 또는 전자 빔을 집약할 필요가 있다. 통상, 소결에 사용하는 광 빔 또는 전자 빔은, 200W 레이저이며, 조사 지름이 0.1 mm이하로 될 때까지 집광하고, 고에너지화한다. 상기와 같이 조사 지름이 극소인 것 등으로부터, 비교적 큰 조형물을 제작하는 경우는, 갈바노 스캐너 장치를 이용한다고 해도 시간이 많이 걸리는 것이 과제로 되어 있다.

또한, 통상의 3차원 조형물에서는, 표면의 경도 및 밀도를 높게 하는 것이 요구되지만, 내부의 경도 및 밀도에 대해서는 비교적 낮아도 좋은 경우가 많다. 이 때문에, 종래 기술에서는, 조형 시간의 단축을 위해서, 조형물의 내부측에 위치하는 분말층을 소결할 때, 조사 지름을 크게 하는 등으로 하여 에너지 밀도를 낮게 하고, 조형물의 외곽측에 위치하는 분말층을 소결할 때에만 조사 지름을 작게 하여 에너지 밀도를 높게 하도록 한다.

그렇지만, 이러한 종래 기술에서는, 조사 지름의 변경을 필요로 하는 것이나, 단일의 갈바노 스캐너 장치에 의한 주사 패턴이 많아지는 것 등으로 해서, 제어가 복잡해지는 경향이 있다.

일본 공개특허 공보 2005-336547호

본 발명은 상기 종래 사정에 비추어서 이루어진 것으로, 그 과제로 하는 것은, 조형 효율을 향상할 수 있는 3차원 조형 장치의 구성을 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기본 구성은, 분말 공급 장치에 의해서 분말층을 형성하는 적층 공정과, 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단에 의해서 광 빔 또는 전자 빔을 상기 분말층에 조사함과 아울러 그 조사 위치를 이동시켜서 상기 분말층을 소결하는 소결 공정을 교대로 반복하도록 한 3차원 조형 장치에 있어서, 3차원 형상 조형물의 제조에 이용하는 영역을 복수로 분할하고, 이들 복수의 분할 영역을, 각 분할 영역에 대응하는 복수의 상기 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단에 의해서 각각 조사하는 3차원 조형 장치로부터 이루어진다.

본 발명은, 이상 설명한 바와 같이 구성되어 있으므로, 복수의 분할 영역을 동시에 소결화하여, 조형 효율을 향상할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 3차원 조형 장치의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 복수의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단과 분할 영역과의 관계를 나타내는 모식도이다.
도 3은 분할 영역의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 4는 분할 영역의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 5는 분할 영역의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 6은 분할 영역의 다른 예를 나타내는 평면도이다.
도 7은 분할 영역의 다른 예를 나타내는 평면도이다.

상기 기본 구성에 있어서는, 분말 재료를 공급하여 분말층을 형성하는 분말 공급 장치와, 광 빔 또는 전자 빔을 상기 분말층에 조사함과 아울러 그 조사 위치를 이동시키는 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단을 구비하고, 상기 분말층의 형성과, 상기 광 빔 또는 전자 빔 조사에 의한 분말층의 소결을 교대로 반복함으로써, 3차원 형상 조형물을 제조하는 3차원 조형 장치에 있어서, 3차원 형상 조형물의 제조에 이용하는 영역을 복수로 분할하고, 이들 복수의 분할 영역을, 복수의 상기 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단에 의해서 각각 조사한다.

여기서, 상기 「3차원 형상 조형물의 제조에 이용하는 영역」에는, 예를 들면, 분말층이 적층되는 조형 테이블의 표면이나, 해당 조형 테이블에 적층된 분말층의 표면 등을 포함한다.

상기 구성에 의하면, 복수의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단에 의해서 복수의 분할 영역에 대한 소결을 동시 진행시킬 수 있기 때문에, 단위 면적당의 소결 시간을 단축화할 수 있다.

제 1 실시 형태에 있어서는, 구체적으로 바람직한 양태로서, 상기 분할 영역이, 상기 분말층이 퇴적되는 조형 테이블의 표면을, 등면적으로 분할하는 영역인 것을 특징으로 한다(도 2 및 도 7 참조).

제 2 실시 형태에 있어서는, 상기 분할 영역이, 상기 분말층 상의 피조형 영역을 등면적으로 분할한 영역인 것을 특징으로 한다(도 3 참조).

제 3 실시 형태에 있어서는, 상기 분할 영역이, 상기 광 빔 또는 전자 빔의 주사 경로로 되는 조형 패스의 길이가 균등해지도록 분할된 영역인 것을 특징으로 한다(도 4 참조).

제 4 실시 형태에 있어서는, 상기 분말층의 표면에, 피조형 영역의 윤곽으로부터 내부측으로 이격된 엔드리스 링 형상의 경계선을 단수 혹은 복수 설정하고, 상기 분할 영역을, 상기 경계선에 의해서 구분된 복수의 영역인 것을 특징으로 한다(도 5 참조).

제 5 실시 형태에 있어서는, 상기 피조형 영역에 있어서의 윤곽 부근의 분할 영역에 대응하는 상기 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단과, 상기 피조형 영역에 있어서의 중심부 부근의 분할 영역에 대응하는 상기 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단에 있어서의 단위 면적당의 조사량에 대해서, 중심부 부근으로 됨에 따라서 작아지도록 제어하거나, 또는 커지도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 「단위 면적당의 조사량에 대해서, 중심부 부근으로 됨에 따라서 작아지도록 제어한다」고하는 구성에는, 광 빔 또는 전자 빔의 조사 지름을 크게 하는 구성의 양태, 및 광 빔 또는 전자 빔 발진 장치의 출력을 작게 하는 구성의 양태 등을 포함한다.

마찬가지로, 「단위 면적당의 조사량에 대해서, 중심부 부근으로 됨에 따라서 커지도록 제어한다」고하는 구성에는, 광 빔 또는 전자 빔의 조사 지름을 작게 하는 구성의 양태, 및 광 빔 또는 전자 빔 발진 장치의 출력을 크게 하는 구성의 양태 등을 포함하지만, 이러한 구성의 양태의 채용은 예외적이다.

상기 실시 형태의 구성에 의하면, 조형물 외표면과 조형물 내부를 상이한 밀도로, 단시간에 소결할 수 있다.

제 6 실시 형태에 있어서는, 상기 제 1 내지 제 5 실시 형태에 있어서, 인접하는 두 개의 분할 영역에 대응하는 두 개의 상기 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단에 대해서, 그 한쪽의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단에 의한 광 빔 또는 전자 빔의 조사 영역과, 다른 쪽의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단에 의한 광 빔 또는 전자 빔의 조사 영역을, 상기 두 개의 분할 영역의 사이 부근에서 서로 중첩하도록 하는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 인접하는 분할 영역간에 있어서, 인접하는 두 개의 광 빔 또는 전자 빔의 조사 지름의 약간의 오차 등에 의해 인접하는 주사선의 접촉 부분에 단차가 생기거나, 이들 인접하는 주사선의 사이에 약간의 간극이 생기거나 함에 의해, 인접하는 분할 영역간에, 소결 밀도의 불균일에 기인하는 줄무늬 등이 형성되는 것을 막을 수 있다.

제 7 실시 형태에 있어서는, 상기 제 1 내지 제 6 양태에 있어서, 분할 영역의 수를 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단의 수보다 많이 설정하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 제 7 실시 형태의 기술적 효과는, 도 7에 속한 실시예 6에 있어서 후술하는 바와 같다.

[실시예 1]

다음으로, 상기 특징을 갖는 바람직한 실시예를, 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

이 3차원 조형 장치(1)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 승강 가능한 조형 테이블(10)과, 해당 조형 테이블(10)의 상방 측에 마련된 복수의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)과, 조형 테이블(10)의 승강이나 각 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)의 동작 등을 제어하는 컨트롤러(30)와, 조형 테이블(10) 상에 분말 재료를 공급하는 분말 공급 장치(40)를 구비하고, 분말 재료를 공급하여 분말층을 형성하는 적층 공정과, 광 빔 또는 전자 빔을 상기 분말층에 조사함과 아울러 그 조사 위치를 이동시켜서 상기 분말층을 소결하는 소결 공정을 교대로 반복하여 3차원 형상 조형물을 제조한다.

조형 테이블(10)은, 상면을 평탄형상으로 형성한 테이블로서, 도시하지 않는 승강 기구에 의해서 승강하도록 구성되어 있다.

이 조형 테이블(10)은, 후술하는 분말 공급 장치(40) 및 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)에 의해 분말층의 형성과 해당 분말층의 부분적인 소결이 반복될 때마다, 하방으로 소정량 이동한다.

아울러, 다른 예로서는, 이 조형 테이블(10)을 승강 불가능하게 고정하고, 분말 공급 장치(40)를 승강시키는 구조로 하는 것도 가능하다.

광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)은, 광 빔 또는 전자 빔 발진 장치(도시 안함)로부터 발하여지는 광 빔 또는 전자 빔을, 두 개의 반사 거울(21, 21)에 의해 반사시켜, 조형 테이블(10)상의 분말층의 상면에 조사함과 아울러, 그 조사 위치를 평면 방향으로 이동시키는 2축식의 갈바노 스캐너 장치이다.

각 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)은, 컨트롤러(30)로부터의 조작 지령에 따라서, 두 개의 반사 거울(21, 21)을, 각각 모터(22, 22)에 의해 독립적으로 회전시키고, 이 회전에 의해, 분말층 상면에 조사되는 광 빔 또는 전자 빔을, CCD 카메라 등의 촬상 장치(도시 안함)에 의해 촬상한 조형 테이블(10) 상의 기준 위치를 원점으로 하여 XY 방향으로 주사한다.

아울러, 도 1 중에서, 부호 23은, 컨트롤러(30)의 제어 전압을 증폭하여 각 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)으로 공급하는 앰프이다.

또한, 상기 광 빔 또는 전자 빔 발진 장치는, 예를 들면, 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)의 수보다 적은 수의 레이저 광원을 구비하고, 해당 레이저 광원으로부터 출사되는 레이저광을, 프리즘이나 렌즈 등의 광학 수단에 의해 분광하며, 각각의 광을 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)의 반사 거울(21)에 조사하는 구성으로 하면 좋다. 아울러, 광 빔 또는 전자 빔 발진 장치의 다른 예로서는, 복수의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)별로 레이저 광원을 구비하는 것도 가능하다.

컨트롤러(30)는, 가공 프로그램 및 가공 데이터 등을 기억하는 기억부, CPU, 및 입출력 인터페이스 등을 구비한 제어 회로로서, 예를 들면, 마이크로컴퓨터나 프로그래머블 컨트롤러, 그 외의 전자 회로에 의해 구성하면 좋다.

이 컨트롤러(30)에는, 도시하지 않는 CAD/CAM 시스템에 의해 생성된 3차원 데이터(예를 들면, STL 형식 데이터 등)나, 광 빔 또는 전자 빔의 조사 지름, 광 빔 또는 전자 빔의 조사 출력 등의 데이터가 입력된다. 그리고, 컨트롤러(30)는, 상기 데이터를 미리 기억한 가공 프로그램에 의거하여 연산 처리하고, 그 처리 결과에 따라서, 광 빔 또는 전자 빔 발진 장치(도시 안함)나, 조형 테이블(10)의 승강 기구(도시 안함), 복수의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20) 등을 제어한다.

광 빔 또는 전자 빔의 조사 지름을 변경하는 것은, 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈의 채용에 의해서 실현될 수 있다.

상기 렌즈 이외에는, 광 빔 또는 전자 빔의 광로 중에, 빔 지름을 변경하는 것이 가능한 조리개 기구를 채용할 수 있다.

구체적으로는, 예를 들면, 지름이 다른 복수의 조리개 구멍을 갖는 마스크판을 구비하고, 이 마스크판을 이동시켜서, 상기 복수의 조리개 구멍을 선택적으로 광 빔 또는 전자 빔의 광로 상에 이동시키는 구조로 하면 좋다.

또한, 분말 공급 장치(40)는, 수평으로 이동하면서 평면상에 금속제 또는 비금속제의 분말 재료를 공급하고 압축(squeeging)함으로써, 대략 평탄 형상의 분말층을 형성하는 주지의 장치이다. 이 조형 테이블(10)은, 조형 테이블(10)의 상방측을 대략 수평으로 이동하도록 마련되고, 조형 테이블(10) 상면에 분말층을 형성하거나, 해당 분말층 상에 분말층을 더 적층하거나 한다.

먼저, 컨트롤러(30)는, 미리 기억한 가공 프로그램에 의거하여, 분말 공급 장치(40)를 동작시켜서, 조형 테이블(10)상에 분말층을 형성한다. 이후, 컨트롤러(30)는, 복수의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)을 동작시켜서, 상기 분말층의 상표면에 광 빔 또는 전자 빔을 조사한다.

상세하게 설명하면, 컨트롤러(30)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 조형 테이블(10)상의 영역을, 대략 동일 형상(도시예에 의하면 정사각형 형상)의 복수의 분할 영역(A, B, C, D)으로 하여 인식하고, 이들 복수의 분할 영역(A, B, C, D)에, 1:1로 대응하도록, 상기 복수의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)을 할당한다. 또한, 상기 컨트롤러(30)는, 조형 테이블(10)상에, 상기 3차원 데이터 등에 의거하여, 상기 복수의 분할 영역(A, B, C, D)에 걸쳐지는 피조형 영역(E)을 설정한다.

피조형 영역(E)은, 상기 3차원 조형 장치(1)에 의해서 제조되는 3차원 형상 조형물을, 조형 테이블(10)에 평행한 평면으로 절단한 단면에 대응하고, 상기 3차원 형상 조형물의 형상에 따라서, 복수의 분말층마다 상이한 형상으로 되는 경우나, 동일 형상으로 되는 경우 등이 있다.

컨트롤러(30)는, 각 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)을 제어함으로써, 각 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)에 대응하는 분할 영역(A(B, C 또는 D))과 피조형 영역(E)이 겹치는 영역(a(b, c 또는 d))에 대하여, 광 빔 또는 전자 빔을 조사함과 아울러, 그 조사 위치를 소정의 조형 패스에 따라서 이동한다.

상기 조형 패스는, 광 빔 또는 전자 빔의 주사 경로로서, 컨트롤러(30)가 상기 3차원 데이터 등에 의거하여 설정하고 소정의 기억 영역에 기억한다.

이 조형 패스에는, 피조형 영역(E)의 윤곽에 따라서 광 빔 또는 전자 빔을 주사시키기 위한 벡터 조형 패스와, 피조형 영역(E)의 내측의 영역을 해칭하도록 하여 광 빔 또는 전자 빔을 주사시키기 위한 래스터(raster) 조형 패스의 2 종류가 있고, 각각, 분말층마다 설정된다.

상기 래스터 조형 패스는, 상기 영역(a(b, c 또는 d))마다 설정되는데, 예를 들면, 광 빔 또는 전자 빔 온(ON) 상태에서 영역(a)내의 일단측으로부터 타단측으로 향하는 직선 형상 주사 경로와, 광 빔 또는 전자 빔 오프(OFF) 상태에서 상기 직선 형상 주사 경로의 상기 일단측으로부터 옵셋한 위치로 향하는 되돌아가는 주사 경로를 교대로 반복한 경로로 된다. 또한, 이 래스터 조형 패스는, 상기 패턴 이외의 다른 패턴으로 함이 가능하다.

상기와 같이 하여 조형 패스에 따라서 광 빔 또는 전자 빔의 주사가 행해지면, 분말층 상면의 피조형 영역(E)이 광 빔 또는 전자 빔의 열에 의해 소결한다. 이 후, 컨트롤러(30)는, 조형 테이블(10)을 분말층의 두께분만큼 하강시켜, 피조형 영역(E)을 포함하는 분말층의 상면에 대해서, 분말 공급 장치(40)에 의해 새로운 분말층을 형성한다.

그리고, 컨트롤러(30)는, 상술한 최초의 분말층에 대한 가공과 동일하게, 상기 새로운 분말층의 상면을 복수의 분할 영역(A, B, C, D)으로서 인식하고, 이들 복수의 분할 영역(A, B, C, D)에, 1:1로 대응하도록, 상기 복수의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)을 할당함과 아울러, 새로운 분말층의 상면에, 상기 복수의 분할 영역(A, B, C, D)에 걸쳐지는 피조형 영역(E)을 설정한다.

다음으로, 컨트롤러(30)는, 각 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)을 제어함으로써, 각 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)에 대응하는 분할 영역(A(B, C 또는 D))과 피조형 영역(E)이 중첩되는 각 영역(a(b, c 또는 d))에 대해서, 광 빔 또는 전자 빔을 조사함과 아울러, 그 조사 위치를 미리 설정된 조형 패스에 따라서 이동하여, 새로운 분말층을 소결함과 아울러, 이 소결 부분을 앞의 분말층의 소결 부분에 일체화한다.

이후, 조형 테이블(10)의 하강과, 분말 공급 장치(40)에 의한 분말층의 형성과, 복수의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)의 광 빔 또는 전자 빔 주사에 의한 소결이 차례로 반복됨으로써, 소정의 3차원 형상 조형물이 제조된다. 또한, 상기 과정 중, 소결층의 외주부(外周部)는, 필요에 따라서, 도시하지 않는 절삭 가공 장치에 의해 고정밀도로 절삭 가공된다.

따라서, 상기 구성의 3차원 조형 장치(1)에 의하면, 복수의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)에 의해, 복수의 분할된 영역(a, b, c, d)에 대한 소결을 동시 진행시킬 수 있고, 이에 의해서 분말층마다의 소결 시간을 단축화할 수 있으며, 나아가서는, 하나의 3차원 형상 조형물 전체에 대한 소결 시간을 큰폭으로 단축하여, 조형 효율을 향상시킬 수 있다.

더욱이, 예를 들면, 단일의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단에 의해 하나의 피조형 영역(E)을 소결하려고 한 경우에는, 주사 경로의 최초 부근과 후방 부근에서 시간차에 기인하는 온도차가 생기기 때문에, 조형물에 휨 등의 형상 변형이 생길 우려가 있지만, 상기 3차원 조형 장치(1)에 의하면, 복수의 영역을 동시에 소결하도록 하고 있으므로, 상기 시간차 및 온도차를 작게 하여, 상기 형상 변경을 억제할 수 있다.

다음으로, 3차원 형상 조형물의 제조에 이용하는 영역을 복수로 분할하는 수단에 대해서, 다른 실시예를 설명한다. 아울러, 이하에 나타내는 실시예는, 상기 실시예 1의 일부분을 변경한 것이므로, 주로 그 변경 부분에 대해서 상세히 기술하고, 중복되는 상세 설명을 생략한다.

[실시예 2]

도 3에 나타내는 양태에서는, 복수의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)이 할당되는 분할 영역을, 상기 분말층 상의 피조형 영역(E) 내를 등면적으로 분할한 영역(A, B, C, D)으로 한다.

이들 분할 영역(A, B, C, D)은, 컨트롤러(30)가, 상기 3차원 데이터 등에 의거하여, 적층되는 분말층별로 미리 산출한 것이다.

따라서, 도 3에 나타내는 양태에 있어서도, 상기 양태과 동일하게, 복수의 분할 영역(A, B, C, D)에 대한 소결을 동시 진행시켜, 조형 효율을 향상시킴과 아울러, 온도차 등에 의한 형상 변형을 억제할 수 있다.

[실시예 3]

도 4에 나타내는 양태에서는, 복수의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)이 할당되는 분할 영역을, 벡터 조형 패스 및 래스터 조형 패스를 포함하는 조형 패스의 길이가 균등해지도록 분할된 영역(A, B, C, D)으로 한다. 또한, 도 4 중, 파선은 분할선을 나타낸다.

즉, 복수의 분할 영역(A, B, C, D)에는, 각각 대응하도록, 복수의 조형 패스(Pa, Pb, Pc, Pd)가 설정된다. 이들 조형 패스(Pa, Pb, Pc, Pd)는, 컨트롤러(30)가, 상기 3차원 데이터 등에 의거하여, 적층되는 분말층별로 미리 산출한 것이다.

복수로 구분된 복수의 조형 패스(Pa, Pb, Pc, Pd) 중, 피조형 영역(E)의 윤곽에 요철을 갖는 조형 패스(예를 들면 Pa)는, 상기 윤곽을 따르는 벡터 조형 패스가 길어짐으로 해서, 비교적 면적이 작은 경우에서도, 거리가 길어지는 경향이 있다.

따라서, 도 4에 나타내는 양태에 의하면, 복수의 분할 영역(A, B, C, D)에 있어서의 복수의 조형 패스(Pa, Pb, Pc, Pd)가 대략 동일한 길이이므로, 복수의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)에 의한 주사를 대략 동시에 개시하여 대략 동시에 종료할 수 있고, 나아가서는, 조형 효율을 더 향상시킴과 아울러, 온도차 등에 의한 형상 변형을 억제할 수 있다.

[실시예 4]

도 5에 나타내는 양태에서는, 각 분말층의 표면에, 피조형 영역(E)의 윤곽으로부터 내부측으로 상이한 거리만큼 이격된 복수의 엔드리스 링 형상의 경계선(L1, L2, L3)을 설정하고, 이들 경계선(L1, L2, L3)에 의해서 구분된 복수의 영역을, 복수의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)이 할당되는 복수의 분할 영역(A, B, C, D)으로 한 것이다.

또한, 이 양태에서는, 피조형 영역(E)에 있어서의 윤곽 부근의 분할 영역에 대응하는 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)과, 상기 피조형 영역(E)에 있어서의 중심부 부근의 분할 영역에 대응하는 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)을, 단위 면적당의 조사량이 상이하도록 제어한다.

상세하게 설명하자면, 가장 윤곽에 가까운 분할 영역(A)에 대응하는 광 빔 또는 전자 빔의 조사 지름은, 다른 분할 영역(B, C, D)에 대응하는 세 개의 광 빔 또는 전자 빔의 조사 지름보다 작게 설정된다.

또한, 상기 다른 분할 영역(B, C, D)에 대응하는 세 개의 광 빔 또는 전자 빔은, 동일한 조사 지름으로 설정된다.

따라서, 도 5에 나타내는 양태에 의하면, 상기 양태과 동일하게, 복수의 분할 영역(A, B, C, D)에 대한 소결을 동시 진행시켜서, 조형 효율을 향상시킴과 아울러, 온도차 등에 의한 형상 변형을 억제할 수 있고, 또한 가장 외측의 분할 영역(A)을, 그 내부측의 분할 영역(B, C, D)보다 고밀도로 소결할 수 있고, 나아가서는, 완성되는 3차원 형상 조형물의 강도 및 품질 등을 향상시킬 수 있다.

아울러, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 경계선을 복수로 하지만, 다른 예로서는, 상기 경계선을 단수로 함과 아울러 상기 분할 영역을 두 개로 하는 것도 가능하다.

또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 내외에 인접하는 경계선 간의 폭을 불균일하게 하지만, 다른 예로서는, 균일하게 되도록 해도 좋다.

또한, 다른 예로서는, 내부측의 분할 영역(B, C, D)에 대응하는 광 빔 또는 전자 빔의 조사 지름을 차례로 크게 하여, 내부로 갈수록 저밀도로 소결되는 구성으로 해도 좋다.

또한, 다른 예로서는, 조사 지름의 대소 관계를 상기와 반대로 하여, 외부로 갈수록 저밀도로 소결되는 구성으로 하는 것도 가능하다.

[실시예 5]

또한, 도 6에 나타내는 양태는, 도 2에 나타내는 양태과 동일하게 하여 복수의 분할 영역(A, B, C, D)을 설정함과 아울러, 인접하는 두 개의 분할 영역(A)과 분할 영역(B)(B와 D, D와 C 또는 C와 A)에 대응하는 두 개의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20, 20)에 대해서, 그 한쪽의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)에 의한 광 빔 또는 전자 빔의 조사 영역과, 다른 쪽의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)에 의한 광 빔 또는 전자 빔의 조사 영역을, 상기 두 개의 분할 영역의 사이 부근에서 서로 중첩하도록 한다.

즉, 도 6에 나타낸 바와 같이, 인접하는 두 개의 분할 영역(A)과 분할 영역(B)(B와 D, D와 C 및 C와 A)의 사이 부근에는, 광 빔 또는 전자 빔의 조사 영역이 서로 겹친 중복 부분(ab, bd, dc, ca)이 마련된다.

따라서, 도 6에 나타내는 양태에 따르면, 분할 영역(A)과 분할 영역(B)(B와 D, D와 C 및 C와 A)의 경계선에, 줄무늬 형상의 소결 불균일이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 예를 들면, 상기 중복 부분(ab, bd, dc, ca)을 구비하지 않는 경우에는, 서로 이웃하는 분할 영역에 대응하는 두 개의 광 빔 또는 전자 빔의 조사 지름의 미세한 차이나, 서로 이웃하는 분할 영역에 대응하는 두 개의 광 빔 또는 전자 빔의 조사 지름 간의 약간의 간극 등에 기인하여, 분할 영역의 경계에, 소결 밀도의 불균일 등에 의한 줄무늬가 형성될 우려가 있지만, 상기 양태에서는, 상기 중복 부분(ab, bd, dc, ca)에 의해 상기 문제를 경감할 수 있다.

아울러, 도시예에 의하면, 상기 중복 부분(ab, bd, dc, ca)의 폭을 대략 균일하게 했지만, 상기 줄무늬 등을 보다 생기기 어렵게 하는 바람직한 다른 예로서는, 상기 중복 부분(ab, bd, dc, ca)의 폭을, 해당 폭으로 직행(直行)하는 길이 방향에 걸쳐서 적당하게 변화시키도록 해도 좋다.

[실시예 6]

또한, 도 7에 나타내는 양태는, 3차원 형상 조형물의 제조에 이용하는 분할 영역의 수를, 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)의 수보다 많이 설정한 것이다.

광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)의 수보다 많은 복수의 분할 영역(A, B, C, D)에는, 상술한 복수(도시예에 의하면 4개)의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)이, 적절하게 할당된다.

도시예에 의하면, 세 개의 분할 영역(A), 두 개의 분할 영역(B), 하나의 분할 영역(C), 두 개의 분할 영역(D)에 대해, 각각, 하나의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)이 할당되도록 되어 있다. 아울러, 도 7 중, 부호를 갖지 않는 영역은, 어느 쪽의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단(20)도 할당되지 않는다.

따라서, 실시예 6에 있어서는, 예를 들면, 평면 방향의 형상이 복잡한 경우에, 각 부를 효율적으로 소결하거나 분할 영역에 따라 광 빔 또는 전자 빔의 조사 지름을 변경하여, 평면 방향으로 소결 밀도가 상이한 부분을 형성하거나 하는 등, 보다 다양성이 풍부한 조형이 가능하게 된다.

산업상 이용가능성

본 발명에 의한 3차원 조형 장치에 있어서는, 조형 영역을 복수로 분할함에 의해, 효율적으로 조형을 실현할 수 있고, 그 이용 가치는 극히 크다.

10: 조형 테이블
20: 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단
30: 컨트롤러
40: 분말 공급 장치
A, B, C, D: 분할 영역
E: 피조형 영역
L1, L2, L3: 경계선
Pa, Pb, Pc, Pd: 조형 패스
ab, bd, dc, ca: 중복 부분

Claims

분말 공급 장치에 의해서 분말층을 형성하는 적층 공정과, 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단에 의해서 광 빔 또는 전자 빔을 상기 분말층에 조사함과 아울러 그 조사 위치를 이동시켜서 상기 분말층을 소결하는 소결 공정을 교대로 반복하도록 한 3차원 조형 장치에 있어서, 3차원 형상 조형물의 제조에 이용하는 영역을 복수로 분할하고, 이들 복수의 분할 영역을, 각 분할 영역에 대응하는 복수의 상기 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단에 의해서 각각 조사하도록 한 것을 특징으로 하는 3차원 조형 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 분할 영역이, 상기 분말층이 퇴적되는 조형 테이블의 표면을, 등면적으로 분할한 영역인 것을 특징으로 하는 3차원 조형 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 분할 영역이, 상기 분말층 상의 피조형 영역을 등면적으로 분할한 영역인 것을 특징으로 하는 3차원 조형 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 분할 영역이, 상기 광 빔 또는 전자 빔의 주사 경로로 되는 조형 패스의 길이가 균등하게 되도록 분할된 영역인 것을 특징으로 하는 3차원 조형 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 분말층의 표면에, 피조형 영역의 윤곽으로부터 내부측으로 이격된 엔드리스 링 형상(無端輪狀)의 경계선을 단수 혹은 복수 설정하고, 상기 분할 영역을, 상기 경계선에 의해서 구분된 복수의 영역으로 하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 피조형 영역에서의 윤곽 부근의 분할 영역에 대응하는 상기 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단과, 상기 피조형 영역에서의 중심부 부근의 분할 영역에 대응하는 상기 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단에서의 단위 면적당의 조사량에 대해서, 중심부 부근으로 됨에 따라서 작아지도록 제어하거나 또는 커지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 인접하는 두 개의 분할 영역에 대응하는 두 개의 상기 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단에 대해서, 그 한쪽의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단에 의한 광 빔 또는 전자 빔의 조사 영역과, 다른 쪽의 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단에 의한 광 빔 또는 전자 빔의 조사 영역을, 상기 두 개의 분할 영역의 사이 부근에서 서로 중첩하도록 하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 분할 영역의 수를 광 빔 또는 전자 빔 주사 수단의 수보다 많이 설정하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형 장치.