JP6386008B2 - 積層造形装置 - Google Patents

Description

この発明は、積層造形装置に関する。特にこの発明は、造形物の所望の形状よりも切削取り代部分だけ大きくなるように形成した焼結層を積層一体化するとともに切削取り代を切削加工で除去するようにした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。特に、特許文献１で開示されている積層造形装置は、鉛直１軸及び水平２軸方向に同期させて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外側方向に一定の大きさを持って含まれる切削取り代を切削加工で除去する。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。

そうした積層造形装置にあっては、レーザ光の照射領域を造形物の所望の形状よりも切削取り代部分だけ大きな寸法に設定するようにして焼結層が形成される。複数の焼結層を積層一体化して形成される造形物は、造形中にそれまでに作成した焼結層の表面の不要な部分である切削取り代を切削加工で除去されて、最終の形状が所望の形状になるように精度よく形成される。

特開２０１６−１１３６７９号公報

しかし、必要な切削取り代の大きさは、積層造形装置の状態や設置される環境などで異なるものである。これは、積層造形装置の温度、レーザ光照射部のレーザ光走査ユニットの温度、造形物を覆うチャンバ内の雰囲気が時間とともに変化することにより、後述のレーザ光座標と主軸座標との間に差異が発生することに起因する。

このような問題に際しては、切削取り代の大きさの最適値を判断することが困難であったので、必要以上に大きく設定することが一般的である。しかし、切削取り代を大きくするとその分切削する時間が長尺化し、更にこれに伴い積層造形物を造形する時間も長尺化することとなる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、切削取り代の推奨値を決定することができる積層造形装置を提供するものである。

本発明によれば、プロジェクトファイルに基づいて所望の積層造形物を造形する積層造形装置であって、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、切削工具を用いて、前記材料粉体を焼結させて得られた焼結層から所定の切削取り代を切削する切削工具を前記チャンバ内で移動させる切削装置と、前記レーザ光の目標照射位置と実照射位置とのズレ量および前記ズレ量の時間ごとの差分を算出するとともに、前記ズレ量の時間推移に基づいて前記切削取り代の大きさの推奨値を決定するか又は前記ズレ量の時間推移に基づいて設定された前記切削取り代の大きさを含む新たなプロジェクトファイルを生成する算出手段と、を備え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、レーザ光の目標照射位置と実照射位置とのズレ量を算出するとともに、ズレ量の時間推移に基づいて切削取り代の大きさの推奨値を決定することができる。この推奨値を用いれば今後の積層造形について時間短縮を実現することが可能となる。

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、前記算出手段は、演算部であって前記ズレ量の時間推移に基づいて前記切削取り代の大きさの推奨値を決定し、前記推奨値に基づいて前記切削取り代の大きさが設定された新たなプロジェクトファイルを生成する。

好ましくは、前記生成された新たなプロジェクトファイルに基づいて所望の積層造形物を造形する。

好ましくは、当該積層造形装置の前回の動作時において前記生成された新たなプロジェクトファイルに基づいて所望の積層造形物を造形する。

好ましくは、前記算出手段は、前記差分が所定の閾値の範囲内に収束する場合には前記差分のうちその絶対値が最大である第１値を前記推奨値であると決定する。

好ましくは、前記算出手段は、前記差分が所定の閾値の範囲内に収束しない場合には予め決められ且つ第１値よりも大きな第２値を前記推奨値であると決定する。

好ましくは、前記推奨値を画面に表示する表示装置を更に備える。

好ましくは、前記表示装置は、前記差分が前記所定の閾値の範囲内に収束しない場合には当該積層造形装置に係る保守点検が必要である旨の警告を表示する。

好ましくは、前記チャンバ内において上下方向に制御可能に構成される造形テーブルと、前記造形テーブル上を撮像可能に構成される撮像部とを更に備え、前記レーザ光照射部は、前記造形テーブル上にあって且つ前記所望の積層造形物が造形される領域外にある前記材料粉体を焼結させて焼結痕を形成し、前記撮像部は、前記焼結痕を撮像し、前記算出手段は、前記撮像部により撮像された前記焼結痕から前記実照射位置を決定し、これと前記目標照射位置との位置を比較して前記ズレ量を算出する。

本発明の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。 本発明の実施形態に係る積層造形装置の制御系を示すブロック図である。 本発明の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。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた補正方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る積層造形装置におけるズレ量の計測点の説明図である。 本発明の実施形態に係り、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。 本発明の実施形態に係り、切削取り代８ｆａを説明するための概略図である。 本発明の実施形態に係り、ズレ量の時間推移を示すグラフである。 本発明の実施形態に係り、図１３に対応し且つズレ量の差分の時間推移を示すグラフであって、これが略０に収束する場合を示している。 本発明の実施形態に係り、ズレ量の差分の時間推移を示すグラフであって、これが略０に収束しない場合を示している。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた推奨値の決定方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る積層造形装置を用いた推奨値に基づくプロジェクトファイルの生成方法を示すフローチャートである。

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．実施形態
図１に示すように、本発明の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と撮像部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と撮像部４１とを所望の位置に鉛直１軸及び水平２軸方向に同期させて移動させる。

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な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。

撮像部４１は、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）等の撮像素子である。そして、レーザ光Ｌが材料粉体を焼結することによって得られる焼結痕を未焼結の材料粉体と区別可能に撮像することができる。すなわち、撮像部４１によってこれを撮像することで、レーザ光Ｌの造形テーブル５の高さでの実際の照射位置（実照射位置）を取得することができ、照射位置の補正処理に使用することができる。

ここで、スピンドルヘッド６０と撮像部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、撮像部４１の撮像より得られるレーザ光Ｌの実照射位置とスピンドルヘッド６０に装着される切削工具の位置制御に係る平面座標系とは対応関係が既知となる。かかる構成によって、撮像部４１を用い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。具体的な補正処理の内容については後に詳述する。

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とフォーカス制御ユニット４４とレーザ光走査ユニットとを有する。本実施形態のレーザ走査ユニットは、２軸のガルバノミラー４３ａ、４３ｂである。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Ｘ軸方向に走査し、ガルバノミラー４３ｂは、レーザ光Ｌを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。

続いて、図５を用いて、積層造形装置の制御系について説明する。図５に示すように、当該制御系は、コンピュータ支援製造装置６５と数値制御装置７０とを含む。

コンピュータ支援製造装置６５は、所望の積層造形物を形成するためのメインプログラムファイルと、複数の焼結層からなる焼結体８ｆから切削取り代８ｆａを切削加工により除去するための切削プログラムファイルと、レーザ光Ｌの照射手順に係る造形プログラムファイル（レーザ照射プログラムファイル）とを含むプロジェクトファイルを生成する。ここで、複数の焼結層から形成されるとともに切削取り代８ｆａを含む焼結体８ｆを形成するためのプログラムファイルは、主にメインプログラムファイルと造形プログラムファイル（レーザ照射プログラムファイル）である。

数値制御装置７０は、メインプログラムファイルに従って造形テーブル５の高さを制御し、レーザ光照射部１３を制御する不図示のレーザ制御装置に照射すべき分割層を指定し照射開始の指令を出力することを含め、積層造形装置の各部の制御を行う。数値制御装置７０は、フラッシュメモリ等のリムーバブル記憶媒体や通信回線等を介してコンピュータ支援製造装置６５の作成したメインプログラムファイルと、切削プログラムファイルと、造形プログラムファイル（レーザ照射プログラムファイル）とを含むプロジェクトファイルを読み込むように構成される。また、数値制御装置７０は、演算部７１及び記憶部７３を有する。

演算部７１（特許請求の範囲における「算出手段」の一例）は、数値制御に係る種々の演算を実行する。例えば、演算部７１は、メインプログラムファイルと切削プログラムファイルを解析するとともに、メインプログラムファイルをプログラム行ごとに実行するよう、各種の構成要素に指令信号を出力する。なお、図５にあっては、代表的な例として、造形テーブル５、リコータヘッド１１、レーザ光照射部１３、撮像部４１、及び切削装置５０の制御に係ることが示されているが、これらに限定されることを意図するものではない。

記憶部７３は、数値制御装置７０に係るデータや演算部７１の演算に係る一時的な変数の値等を記憶する。特に記憶部７３は、後述のズレ量を記憶する。詳細については後に説明する。

表示装置７４は、数値制御装置７０に接続され、数値制御装置７０に係るデータ、特に切削取り代８ｆａの大きさの推奨値と、保守点検が必要な旨の警告を画面に表示する。これらの詳細については後に説明する。

（積層造形方法）
続いて、図１及び図６〜図８を用いて、上記の積層造形装置を用いた積層造形方法について説明する。なお、図６〜図８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。また、以下に示す積層造形方法の手順は、予め作成されたプロジェクトファイルに基づいて行われるものである。

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５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。

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。

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のレーザ光照射部位を焼結させることによって、図８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。

なお、複数層の焼結層を形成する度に、焼結層に対して、スピンドルヘッド６０に装着された回転切削工具によって切削加工を行う切削工程を実施し、切削取り代８ｆａを除去する。また、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、所望の積層造形物を得ることができる。この積層造形物は、例えば樹脂成形用の金型として利用可能である。

（補正方法）
続いて、図９及び図１０を用いて、レーザ光照射部１３より出力されるレーザ光Ｌの照射位置座標（レーザ光座標）の補正方法について説明する。本発明の実施形態において、当該補正方法は、造形中に所定のタイミングごと（例えば１つ又は複数の焼結層を形成するごと）に１回又は複数回行うものとする。もちろん１層目の焼結層の造形を開始する前にも行ってもよい。以下、図９の各ステップに沿って説明する。

［開始］
（ステップＳ１−１）
まず、焼結痕の形成に適したレーザ照射条件が設定される。レーザ照射条件は、例えばレーザの強度、スポット径、照射位置等である。ここでは、第１目標照射位置と第２目標照射位置とを照射位置とする。また、第１及び第２目標照射位置（計測点）は、それぞれ造形テーブル５上であって積層造形物が造形される領域外に位置する領域にあるものとする。つまり図１０に示すように、第１及び第２目標照射位置（計測点）は、それぞれ造形テーブル５上であって造形プレート７の外側に位置する領域（マージン領域）にあるものとする。かかるマージン領域は、造形プレート７を底面とする直柱体の内側のみに所定の積層造形物を形成する造形工程において所望の積層造形物の形状に関わらず常に当該積層造形物が形成されない領域となる。そのため、マージン領域内に第１目標照射位置と第２目標照射位置とを設定するようにすれば、造形物の形状を考慮して各目標照射位置を設定する必要がなく好適である。

（ステップＳ１−２）
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。図１０に示すように、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に照射される。かかる領域は材料粉体で覆われており、材料粉体の一部が焼結し第１焼結痕が形成される。

（ステップＳ１−３）
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。図１０に示すように、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に照射される。かかる領域は材料粉体で覆われており、材料粉体の一部が焼結し第２焼結痕が形成される。

（ステップＳ１−４）
撮像部４１がステップＳ１−２及びステップＳ１−３において形成された第１焼結痕及び第２焼結痕を撮像する。そして、演算部７１によってステップＳ１−４において撮像された第１焼結痕及び第２焼結痕を含む画像から、第１目標照射位置に対応する実照射位置及び第２目標照射位置に対応する実照射位置が算出される。実照射位置は、焼結痕における所定の特徴点として算出されることが好ましい。つまり焼結痕のスポット形状が略円であれば、実照射位置は当該略円の略中心位置である。一方でレーザ光Ｌを走査して焼結痕の軌跡がリング状、クロス状等となるようにしてもよい。かかる場合、実照射位置は、例えばクロスの略交点位置やリングの略中心位置である。例えば、鉛直１軸及び水平２軸方向に同期させて移動する加工ヘッド５７に取り付けてある撮像部４１は、撮像する画像の中心位置が主軸座標系における第１目標照射位置になるまで移動して第１焼結痕を含む画像を撮像して、撮像する画像の中心位置が主軸座標系における第２目標照射位置になるまで移動して第２焼結痕を含む画像を撮像してもよい。そして、演算部７１は、撮像された第１焼結痕を含む画像から、第１目標位置に対応する主軸座標系における第１実照射位置を算出して、撮像された第２焼結痕を含む画像から、第２目標位置に対応する主軸座標系における第２実照射位置を算出してもよい。

（ステップＳ１−５）
続いて、演算部７１は、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。また、誤差Δ１及び誤差Δ２の値のうち大きい方についてが「ズレ量」として記憶部７３に記憶される。ズレ量は、後述する切削取り代８ｆａの推奨値決定方法において使用するものである。

（ステップＳ１−６）
更に演算部７１は、誤差Δ１と所定の閾値Ｔ１と比較し、誤差Δ２と所定の閾値Ｔ２とを比較する。本実施形態においては、
Δ１＞Ｔ１及びΔ２＞Ｔ２
のうち少なくとも一方を満たすとき、下記ステップＳ１−７に進む。満たさない場合は処理を終了する。

（ステップＳ１−７）
入力される目標照射位置とレーザ光Ｌの照射位置とが整合するように、演算部７１はレーザ光Ｌの照射位置を補正する。その結果、レーザ光座標と撮像系座標とが略整合される。更にこの結果、レーザ光座標と既に撮像系座標と対応関係を有する主軸座標とが略整合される。
［終了］

具体的には、並進ズレ及び回転ズレの両成分を補正することができる。参考までに、図１１に並進ズレや回転ズレのパターンを示す。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、外側の円は目標照射位置と実照射位置とに係る組合せを表し、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方向の並進ズレΔｘ、Ｙ方向の並進ズレΔｙ及び回転ズレ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は並進ズレ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。

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、演算部７１がレーザ光Ｌの照射位置を補正する。

（切削取り代）
続いて、切削取り代８ｆａ及びその大きさの推奨値（簡単のため、単に推奨値と呼ぶ。）について説明する。図１２に示されるように、切削取り代８ｆａは、積層造形物の造形途中に形成されるものであって材料粉体層８を焼結して得られた複数の焼結層から成る焼結体８ｆの外側方向に一定の大きさＷを持って含まれる部分である。かかる部分は、所定のタイミングを以て、切削装置５０における切削工具を用いて焼結体８ｆから切削除去される。残った部分８ｆｂが所望の積層造形物の一部を成す。

上述の通りレーザ光座標が時間とともにずれてしまうため、積層造形方法を行うにあたり切削取り代８ｆａの大きさＷの設定には十分に注意をする必要がある。本実施形態では、図９に示される補正方法のステップＳ１−５において誤差Δ１及び誤差Δ２のうちの大きい方がズレ量として記憶部７３に記憶されている。また、かかる補正方法は造形中、所定のタイミング（例えば１つ又は複数の焼結層を形成する）ごとに複数回実施されるため、所望の積層造形物の造形が完了すれば、図１３に示されるようなズレ量の時間推移を取得することができる。なお、図１３に示されるズレ量の時間推移は、上述の補正を実施した分を含まず、あくまでも初期状態からのズレ量の時間推移を表しているものであることに留意されたい。更に、図１４は、かかるズレ量の差分の時間推移を示している。すなわち、ｎ回目に計測されたズレ量からｎ−１回目に計測されたズレ量を差し引いた値の時間推移である（ｎ＝１，２，３・・・）。これは、上述の補正を実施した状態を含んでズレ量の時間推移を表したものと考えることができる。

ところで、積層造形装置には数多くの熱源が存在し、積層造形方法の開始直後から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８の所定の位置にレーザ光Ｌを照射するレーザ光照射部１３は、切削装置５０等に比して造形テーブル５上の材料粉体層８と離れた位置に設けられるため、熱変位による位置ズレの影響を受けやすい。このような理由で、一般的には図１４に示されるように、各回に係るズレ量の差分の絶対値のうち序盤に係る差分の絶対値が最も大きな値（以後、第１値と呼ぶ。）を示すことが多い（本例では、２回目のズレ量の差分：２回目のズレ量から１回目のズレ量を引いた値）。そして、積層造形装置が正常に動作しているのであれば、ある程度の時間が経過すると、レーザ光照射部１３やチャンバ１内部等の熱状態が安定して図１４に示されるようにズレ量の差分は略０（特許請求の範囲における「所定の閾値の範囲内」の一例）に収束していく。そして、周囲の温度といった動作環境に特段の大きな変化がなければ、ズレ量の差分の時間推移にはある程度の再帰性が期待されうる。

したがって、このように略０に収束する場合は、上述の積層造形方法を実施するにあたり第１値にさえ注意しておけば、切削取り代８ｆａの大きさＷを極力小さくすることができるといえる。そして本実施形態では、演算部７１によって、第１値が推奨値であると決定される。

一方、装置の使用状況や設置環境次第では、図１５に示されるように、ある程度の時間が経過しても、レーザ光照射部１３やチャンバ１内部等の熱状態が安定せずズレ量の差分が略０に収束しないことも考えられる。かかる場合、上述の再帰性が期待できないので第１値を推奨値と決定しないことが好ましい。本実施形態では、このような場合には予め決められ且つ第１値よりも大きな値（装置の仕様上設定できる最大値が好ましい）である第２値が、推奨値として決定されることとしている。

（推奨値の決定及びプロジェクトファイルの生成方法）
続いて、上述の推奨値の決定及びこれを用いたプロジェクトファイルの生成方法について、図１６及び図１７に示されるフローチャートに沿って説明する。

［分析開始］
（ステップＳ２−１）
所望の積層造形物の造形を終了すると、数値制御装置７０において、演算部７１は、記憶部７３に記憶されたズレ量の差分の時間推移を分析する。このとき第１値が特定されるとともにズレ量の差分が所定の閾値の範囲内、例えば略０に収束しているかが判断される。

（ステップＳ２−２、Ｓ２−３ａ、Ｓ２−４ａ）
分析の結果、ズレ量の差分が略０に収束する場合は、演算部７１によって第１値が推奨値として決定される。また、かかる推奨値について表示装置７４の画面に「推奨する切削取り代は、＜第１値＞です。」等と表示される。

（ステップＳ２−２、Ｓ２−３ｂ、Ｓ２−４ｂ）
一方で分析の結果、ズレ量の差分が略０に収束しない場合は、演算部７１によって第２値が推奨値として決定される。また、かかる推奨値について表示装置７４の画面に「造形位置が安定しないため保守をして下さい。推奨する切削取り代は、最大値である＜第２値＞です。」等と表示される。

（ステップＳ２−５）
数値制御装置７０からコンピュータ支援製造装置６５に推奨値及び収束の有無を含む分析結果が転送される。かかるステップを以て、数値制御装置７０はプロジェクトファイルの実行を終了する。
［終了］

［プロジェクトファイル作成開始］
（ステップＳ３−１）
コンピュータ支援製造装置６５が、当該分析結果に基づいてプロジェクトファイルの生成を開始する。つまりコンピュータ支援製造装置６５は、数値制御装置７０から転送された分析結果を参照する。

（ステップＳ３−２、Ｓ３−３ａ）
ここで、切削取り代８ｆａの大きさＷを推奨値にするように自動設定がなされている場合は、当該推奨値を切削取り代８ｆａの大きさＷとするプロジェクトファイルが新たに生成される。

（ステップＳ３−２、Ｓ３−３ｂ）
一方、切削取り代８ｆａの大きさＷを推奨値にするように自動設定がなされていない場合は、コンピュータ支援製造装置６５を操作するオペレータの入力に基づき、切削取り代８ｆａの大きさＷが決定される。もちろん、この入力は推奨値をそのまま使うものとしてもよいし、それ以外の値を適宜設定してもよい。かかる入力に基づいてプロジェクトファイルが新たに生成される。
［終了］

新たに生成されたプロジェクトファイルは、今度は逆にコンピュータ支援製造装置６５から数値制御装置７０に各種転送手段を利用して転送される。このように生成されたプロジェクトファイルを用いることで、次回以降の積層造形物の造形について切削取り代８ｆａの大きさＷを可能な限り小さくし、当該切削取り代８ｆａを切削する時間を可能な限り短くして、積層造形物の造形時間を短縮することができる。特に、「前回」の積層造形物の造形の際に取得された推奨値に基づいて生成されたプロジェクトファイルを用いて、積層造形物の造形を実施することが好ましい。

２．変形例
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、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ズレを補正することができない点に留意する。

第３に、計測に係る照射位置ごとにズレ量をそれぞれ算出してもよい。かかる場合、上述のズレ量の差分が略０に収束したかの判断については、各照射位置に係る全てのズレ量の差分が略０に収束しているか否かについて分析することが好ましい。

第４に、上述の補正方法による補正（図９におけるステップＳ１−７）を実施せずに推奨値を決定するようにしてもよい。かかる場合、上述のズレ量の差分の絶対値の最大値である第１値ではなくズレ量そのものの絶対値の最大値を推奨値として決定することが好ましい。

第５に、ズレ量の計測（補正を含む）にあたっては撮像部４１が焼結痕を撮像することによってレーザ光Ｌの実照射位置を計測するという上述の方法に限定されないことに留意されたい。例えば、撮像部４１に代えてフォトダイオード等の受光素子を設け、受光素子に直接レーザ光Ｌを照射するようにして実照射位置を計測してもよい。

第６に、推奨値の決定とプロジェクトファイルの生成を別工程とせず、例えばコンピュータ支援製造装置６５又は演算部７１が、ズレ量を算出するとともに当該ズレ量の時間推移に基づいて決定された切削取り代８ｆａの大きさを含む新たなプロジェクトファイルを生成するように実施してもよい。

第７に、図１６のステップＳ２−３ｂにおいて、数値制御装置７０は、分析の結果、ズレ量の差分が略０に収束しない場合に推奨値が測定できなかったことを分析結果に含めて、ステップＳ２−４ｂにおいて、表示装置７４に警告を表示するようにしてもよい。それで、図１７のステップＳ３−３ａにおいて、予め第２値を記憶してあるコンピュータ支援製造装置６５は、推奨値を測定できなかったという分析結果であれば、第２値を推奨値に決定して当該推奨値を切削取り代８ｆａの大きさＷとするプロジェクトファイルを新たに生成するようにしてもよい。また、図１７のステップＳ３−２において、コンピュータ支援製造装置６５は、測定できなかったという分析結果であれば、図１７のステップＳ３−３ｂを自動的に選択して、オペレータの入力に基づき決定された切削取り代８ｆａの大きさＷとするプロジェクトファイルを新たに生成するようにしてもよい。

第８に、分析結果は、数値制御装置７０の記憶部７３に記憶されて、コンピュータ支援製造装置６５又はオペレータからの転送要求に応じて適時に転送されてもよい。その場合には、図１６の推奨値の決定方法を示すフローチャートの中で分析結果を転送するステップＳ２−５を省略してフローを終了するフローチャートとなる。

第９に、分析結果の転送手段は、通信回線の利用やフラッシュメモリ等のリムーバブル記憶媒体の利用等を含む。分析結果の転送手段は、数値制御装置７０において、不図示の印刷装置で印刷する、表示装置７４を見てオペレータが紙などに記録する、あるいは、表示装置７４を見てオペレータが覚える等したあと、コンピュータ支援製造装置６５において、オペレータが直接入力することを含む。

第１０に、図１７のステップＳ３−１において、分析結果の参照は、数値制御装置７０から転送された分析結果をコンピュータ支援製造装置６５に予め記憶してフローが開始されてから記憶してある分析結果を読み込むことを含む。図１７のステップＳ３−１において、分析結果の参照は、フローを開始してから数値制御装置７０あるいはオペレータに対して分析結果の転送開始を要求して、当該要求に応じて適時に転送されてくる分析結果を読み込むことを含む。

第１１に、推奨値に基づくプロジェクトファイルの作成は、分析結果が数値制御装置７０からコンピュータ支援製造装置６５に転送されるとすぐに作成を開始してもよい。

第１２に、図１７のステップＳ３−２、Ｓ３−３ａにおいて、推奨値に幾分かの遊び値を加えた値を切削取り代８ｆａの大きさＷとしてプロジェクトファイルが新たに生成されるように実施してもよい。

第１３に、図１７のステップＳ３−３ａ又はステップＳ３−３ｂのあとにコンピュータ支援製造装置６５で新たに生成されたプロジェクトファイルを数値制御装置７０に転送するステップが追加されてもよい。

３．結言
本発明の実施形態やその変形例を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

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
８ｆ ：焼結体
８ｆａ ：切削取り代
８ｆｂ ：部分
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 ：ブレード
１１ｆｓ ：リコータヘッド供給口
１１ｒｂ ：ブレード
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 ：ダクトボックス
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 ：撮像部
４２ ：レーザ光源
４３ａ ：ガルバノミラー
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
６５ ：コンピュータ支援製造装置
７０ ：数値制御装置
７１ ：演算部
７３ ：記憶部
７４ ：表示装置
８１ｆ ：焼結層
８２ｆ ：焼結層

Claims (9)

1. プロジェクトファイルに基づいて所望の積層造形物を造形する積層造形装置であって、
   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、
   切削工具を用いて、前記材料粉体を焼結させて得られた焼結層から所定の切削取り代を切削する切削工具を前記チャンバ内で移動させる切削装置と、
   前記レーザ光の目標照射位置と実照射位置とのズレ量および前記ズレ量の時間ごとの差分を算出するとともに、前記ズレ量の時間推移に基づいて前記切削取り代の大きさの推奨値を決定するか又は前記ズレ量の時間推移に基づいて設定された前記切削取り代の大きさを含む新たなプロジェクトファイルを生成する算出手段と、
   を備える積層造形装置。
2. 前記算出手段は、演算部であって前記ズレ量の時間推移に基づいて前記切削取り代の大きさの推奨値を決定し、
   前記推奨値に基づいて前記切削取り代の大きさが設定された新たなプロジェクトファイルを生成するコンピュータ支援製造装置を更に備える、
   請求項１に記載の積層造形装置。
3. 前記生成された新たなプロジェクトファイルに基づいて所望の積層造形物を造形する、請求項１又は請求項２に記載の積層造形装置。
4. 当該積層造形装置の前回の動作時において前記生成された新たなプロジェクトファイルに基づいて所望の積層造形物を造形する、請求項３に記載の積層造形装置。
5. 前記算出手段は、前記差分が所定の閾値の範囲内に収束する場合には前記差分のうちその絶対値が最大である第１値を前記推奨値であると決定する、請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の積層造形装置。
6. 前記算出手段は、前記差分が所定の閾値の範囲内に収束する場合には前記差分のうちその絶対値が最大である第１値を前記推奨値であると決定する、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の積層造形装置。
7. 前記推奨値を画面に表示する表示装置を更に備える、請求項１〜請求項６の何れか１つに記載の積層造形装置。
8. 前記表示装置は、前記差分が前記所定の閾値の範囲内に収束しない場合には当該積層造形装置に係る保守点検が必要である旨の警告を表示する、請求項７に記載の積層造形装置。
9. 前記チャンバ内において上下方向に制御可能に構成される造形テーブルと、前記造形テーブル上を撮像可能に構成される撮像部とを更に備え、
   前記レーザ光照射部は、前記造形テーブル上にあって且つ前記所望の積層造形物が造形される領域外にある前記材料粉体を焼結させて焼結痕を形成し、
   前記撮像部は、前記焼結痕を撮像し、
   前記算出手段は、前記撮像部により撮像された前記焼結痕から前記実照射位置を決定し、これと前記目標照射位置との位置を比較して前記ズレ量を算出する、
   請求項１〜請求項８の何れか１つに記載の積層造形装置。