JP5301217B2 - 三次元形状造形物の製造方法およびその製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元形状造形物の製造方法および製造装置に関する。より詳細には、本発明は、粉末層の所定箇所に光ビームを照射して固化層を形成することを繰り返し実施して、複数の固化層が積層一体化した三次元形状造形物を製造する方法およびそのための装置に関する。

従来より、粉末材料に光ビームを照射して三次元形状造形物を製造する方法（一般的には「粉末焼結積層法」と称される）が知られている。かかる方法では、「（ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射することよって、かかる所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成し、（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を敷いて同様に光ビームを照射して更に固化層を形成する」といったことを繰り返して三次元形状造形物を製造する（特許文献１または特許文献２参照）。粉末材料として金属粉末を用いた場合では、得られた三次元形状造形物をプラスチック成型用金型として用いることができ、粉末材料として樹脂粉末を用いた場合では、得られた三次元形状造形物をプラスチック成形品として用いることができる。このような製造技術によれば、複雑な三次元形状造形物を短時間で製造することが可能である。

かかる三次元形状造形物の製造は、造形物の酸化などを防止すべく所定の不活性雰囲気下に保たれたチャンバー内で行われる。チャンバー内には「粉末層を形成する手段」、「粉末層および／または固化層が形成されることになる造形テーブル」などが設置されている一方、チャンバー外には光ビーム照射手段が設置されている。光ビーム照射手段から発せられた光ビームは、チャンバーの光透過窓を通じて粉末層の所定箇所へと照射される。

ここで、光ビーム照射手段では、図１に示すように、光ビーム発振器３０から光ビームＬが発せられ、かかる光ビームＬがガルバノミラー３１などのスキャナミラーによって粉末層上の任意の位置に走査（スキャニング）される。これにより、粉末が焼結又は溶融固化して固化層が形成される。かかるスキャナミラーは、光ビームを反射させる機能を有しているが、スキャナミラーの反射率は実際には１００％となっていない（例えば反射率は約９０％〜約９８％程度である）。つまり、スキャナミラーへと入射された光ビームのエネルギーの数％は熱としてミラー部に吸収される。それゆえ、吸収される熱がミラー部からスキャナ本体（例えばミラー駆動部およびミラー制御部などを含んだ部分）へと伝導し、スキャナ本体の温度が上昇してしまう。その結果、スキャナ本体の機械的変位（変形）が引き起こされ、光ビームの照射精度が悪くなってしまう。また、スキャナ本体の温度上昇に起因して、スキャナ本体の電気的特性も変化する虞があり（より具体的にはスキャナの振れ角度センサーの出力が変位する虞があり）、光ビームの照射精度が同様に悪くなってしまう。

ここで、ミラー部は、光ビームの走査時において駆動軸を中心にして高速に往復振れ運動をしているために（図２に示すように、例えば最大振り角が約±１５°程度の範囲内でミラー部６１が約１５〜１８度／秒で高速に往復振れ運動をしているために）、ミラーは軽量であることが求められる。つまり、ミラー部６１のサイズは比較的小さいことが求められているので、吸収される熱がスキャナ本体６２へと伝わり易くなっている（図２参照）。より具体的に言えば、ミラー部６１のサイズが小さいと、ミラー部の熱容量が小さくなるので、外部からの熱でミラー部の温度が上昇し易くなり、スキャナ本体６２へと伝熱し易くなってしまう。また、特に粉末材料として金属粉末を用いた場合では、用いられる光ビームのエネルギーが高く（例えば炭酸ガスレーザー最大出力は５００Ｗ程度）、吸収される熱の影響が大きいので、光ビームの照射精度の低下が特に懸念される。
特表平１−５０２８９０号公報 特開２０００−７３１０８号公報

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものである。即ち、本発明の課題は、光ビームの照射精度の低下を防止した「三次元形状造形物の製造方法」を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明では、
（ｉ）粉末層の所定箇所ａに光ビーム（例えばレーザ光のような指向性エネルギービーム）を照射して所定箇所ａの粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成すること、および
（ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所ｂに光ビームを照射して所定箇所ｂの粉末を焼結又は溶融固化させて更なる固化層を形成することを繰り返して行うに際して、
光ビームを走査するために用いるミラー（スキャナミラー）に対してガスを供給することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法が提供される。

本発明は、図３に示すように、スキャナミラー（特にガルバノミラー）のミラー部６１に対して直接的に空冷することによって、スキャナミラーの本体部６２の温度上昇を防止することを特徴の１つとしている。つまり、本発明者らは鋭意検討のすえ、“空冷”においてガス供給の流れを好適に利用することによって「高速に振れ運動するミラー部」を冷却することを見出した。

本明細書において「ミラー」とは、光ビームの走査のために光ビームを反射させる光偏向器（スキャナミラー）を実質的に意味しており、例えば「ガルバノミラー」などである。ガルバノミラーは、軸中心に回転方向において振れ運動することが可能なミラーであって、光路を連続的に変化させることができる光偏向器である。尚、光ビームを２次元走査する場合、「ガルバノミラー」は、「Ｘ方向走査用のガルバノミラー」および「Ｙ方向走査用のガルバノミラー」のことを実質的に指している（図４参照）。また、本明細書において「スキャナ本体部」とは、光を反射させるミラー部以外の部分を実質的に指しており、例えばミラー駆動部およびミラー制御部などを有して成る部分である。

更に、本明細書において「走査する」という用語は、光ビーム発生源から生じた光ビームを反射などによって偏向させ、所定の位置へと導くことを実質的に意味している。

そして更に、本明細書でいう「粉末層」とは、例えば「金属粉末から成る金属粉末層」または「樹脂粉末から成る樹脂粉末層」などを指している。また「粉末層の所定箇所」とは、製造される三次元形状造形物の領域を実質的に意味している。従って、かかる所定箇所に存在する粉末に対して光ビームを照射することによって、その粉末が焼結又は溶融固化して三次元形状造形物の形状を構成することになる。「固化層」とは、粉末層が金属粉末層である場合には「焼結層」を実質的に意味しており、粉末層が樹脂粉末層である場合には「硬化層」を実質的に意味している。

ある好適な態様において、スキャナミラーは、光ビームを反射させる反射面および前記反射面の背面側に位置する裏面（背面）を有しており、かかる裏面に対してガスを供給する又は吹き付ける。この場合、供給される又は吹き付けられるガスがミラー裏面に沿って全体的に流れることになるように、ミラー裏面にはフィンが設けられていることが好ましい。吹き付けられたガスは、フィンによって案内されてミラー裏面を効果的に流れることになる。ミラー裏面のうち、最も熱が発生する箇所へとガスを案内するフィンを設けてもよい。

また、ある好適な態様において、スキャナミラーへのガス供給は、ミラー裏面に限定されるわけでなく、光ビームの走査に悪影響を及ぼさない限り、スキャナミラーの反射面に対してもガス供給を行ってもよい。この場合、反射面に供給されるガスは、不活性ガスであることが好ましい。

ガス供給は、フィードバック制御によって行ってもよい。この場合、ミラー部の温度を測定し、得られたミラー部の温度に応じて、ガスの供給量および／または温度を制御することが好ましい。

本発明では、上述した製造方法を実施するための「三次元形状造形物の製造装置」も提供される。このような三次元形状造形物の製造装置は、
粉末層を形成するための手段、
固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段、ならびに
粉末層および／または固化層が設けられることになる造形テーブル
を有して成り、
光ビーム照射手段では、光ビームを走査するために用いられるミラー（スキャナミラー）にガスを供給するガス供給部材が設けられていることを特徴とする。

ある好適な態様では、ガス供給部材が、ミラーの動きに合わせて動くことが可能となっている。具体的には、往復振れ運動するミラー部に合わせて、ガス供給部材も同様に往復振れ運動する。つまり、この態様では、ガス供給部材は往復振れ運動しながら、ミラー部に向かってガスを供給する。

ある好適な態様では、スキャナミラーが、光ビームが反射される反射面および前記反射面の背面側に位置する裏面を有して成り、ガス供給部材のガス流出口がミラー裏面と直接的に向かい合っている。ミラー裏面には、供給されるガスが裏面に沿って全体的に流れることになるようにフィンが設けられていることが好ましい。かかるフィンは、ミラー部の往復振れ運動時にバランスがとれるように回転軸（ミラー軸）に対して対称的に配置されることが好ましい。“フィン”について例示すると、裏面に設けられるフィンは、「裏面の中央領域にて裏面から突出するように設けられた円錐台部」および「円錐台部を中心に放射状に延在するように裏面から突出して設けられた複数のプレート部ａ」から成ることが好ましく、円錐台部では、「頂部に設けられた開口部ｍ」と「側面に設けられた複数の開口部ｎ」とが相互に流体連通していることが好ましい（この場合、隣り合う２つのプレート部ａの間に開口部ｎが位置している）。あるいは、フィンは、「裏面の対向する２つの周縁領域（エッジ近傍領域）にて裏面から突出するように設けられた２つのプレート部ｂ,ｃ」および「プレート部ｂとプレート部ｃとの間の裏面領域にてプレート部ｂ,ｃと実質的に平行な状態で裏面から突出するように設けられた少なくとも１つのプレート部ｄ」から成るものであってもよい。尚、本明細書でいう「フィン」とは、ガス流れをミラー部へと導くために設けられる“羽根状”または“ひれ状”の部分・部材を実質的に意味している。また、本明細書でいう「突出」とは、ミラー部の裏面または反射面に対して略垂直な方向へと延在する態様を意味している。

フィンは裏面のみならず、ミラー部の表面側の反射面（“光ビーム反射領域”を除いた領域）に対して設けてもよい。この場合、ミラーの反射面（“光ビーム反射領域”を除いた領域）に向かってガスを供給できるようにガス供給部材が設けられ、フィンが「反射面の周縁領域（エッジ近傍領域）にて反射面から突出するように設けられたプレート部ｅ」から成ることが好ましい。

本発明の製造方法では、スキャナミラーのミラー部において光ビームに起因した温度上昇を抑えることができるので、スキャナ本体部の機械的変位（変形）を抑止できるだけでなく、スキャナ本体部の電気的特性の変化（より具体的にはスキャナの振れ角度センサーの出力変位）を防止できる。それゆえ、粉末焼結積層法の実施に際して、光ビームの照射精度の低下を防ぐことができ、精度良く造形物を製造することができる。つまり、形状精度が向上した三次元形状造形物を得ることができる。

特に、スキャナミラーのミラー部が高速に振れ運動しているので、供されたガスを拡散させ易く、ガス供給による除熱効果が比較的に高くなっている。一般的には、高速振れ運動に起因して“水冷”による除熱を行いにくいと考えられるものの、本発明では、その“ミラー部の振れ運動”を逆に効果的に利用している。

また、ミラー部が振れ運動しているために、ミラー部の裏面または反射面などに沿って好適にガスを流すことができる。特に、ミラー部にフィンを設けた場合では、冷却面の面積（伝熱面積）を増やすことができるだけでなく、ガス流れをミラー部へと効果的に案内できるので、より効率良くミラー部の温度上昇を抑えることができる。

以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

［粉末焼結積層法］
まず、本発明の製造方法の前提となる粉末焼結積層法について説明する。図５には、粉末焼結積層法を実施できる光造形複合加工機１の構成を示す。光造形複合加工機１は、「金属粉末および樹脂粉末などの粉末を所定の厚みで敷くことによって粉末層を形成する粉末層形成手段２」と「外周が壁２７で囲まれた造形タンク２９内においてシリンダー駆動で上下に昇降する造形テーブル２０（図６参照）」と「光ビームＬを任意の位置に照射する光ビーム照射手段３」と「造形物の周囲を削る切削手段４」とを主として備えている。粉末層形成手段２は、図６に示すように、「外周が壁２６で囲まれた粉末材料タンク２８内においてシリンダー駆動で上下に昇降する粉末テーブル２５」と「造形テーブル２０上に配され造形物の土台となる造形プレート２１」と「造形プレート上に粉末層２２を形成するためのスキージング用ブレード２３」とを主として有して成る。光ビーム照射手段３は、図５に示すように、「光ビームＬ（例えばレーザー等の指向性エネルギービーム）を発する光ビーム発振器３０」と「光ビームＬを粉末層２２の上にスキャニング（走査）するガルバノミラー３１（スキャン光学系）」とを主として有して成る。必要に応じて、光ビーム照射手段３には、光ビームスポットの形状を補正するビーム形状補正手段（例えば一対のシリンドリカルレンズと、かかるレンズを光ビームの軸線回りに回転させる回転駆動機構とを有して成る手段）やｆθレンズが具備されている。切削手段４は、「造形物の周囲を削るミーリングヘッド４０」と「ミーリングヘッド４０を切削箇所へと移動させるＸＹ駆動機構４１」とを主として有して成る。

光造形複合加工機１の動作を図６及び図７を参照して詳述する。図６は、光造形複合加工機の動作を模式的に示し、図７は、光造形複合加工機の動作フローを示す。

光造形複合加工機の動作は、粉末層２２を形成する粉末層形成ステップ（Ｓ１）と、粉末層２２に光ビームＬを照射して固化層２４を形成する固化層形成ステップ（Ｓ２）と、造形物の表面を切削する切削ステップ（Ｓ３）とから主に構成されている。粉末層形成ステップ（Ｓ１）では、最初に造形テーブル２０をΔｔ１下げる（Ｓ１１）。次いで、粉末テーブル２５をΔｔ１上げた後、図６（ａ）に示すように、スキージング用ブレード２３を、矢印Ａ方向に移動させ、粉末テーブル２５に配されていた粉末（例えば「平均粒径５μｍ〜１００μｍ程度の鉄粉」または「平均粒径３０μｍ〜１００μｍ程度のナイロン、ポリプロピレン、ＡＢＳ等の粉末」）を造形プレート２１上へと移送させつつ（Ｓ１２）、所定厚みΔｔ１にならして粉末層２２を形成する（Ｓ１３）。次に、固化層形成ステップ（Ｓ２）に移行し、光ビーム発振器３０から光ビームＬ（例えば炭酸ガスレーザーまたは紫外線）を発し（Ｓ２１）、光ビームＬをガルバノミラー３１によって粉末層２２上の任意の位置にスキャニングし（Ｓ２２）、粉末を溶融させ、固化させて造形プレート２１と一体化した固化層２４を形成する（Ｓ２３）。

固化層２４の厚みがミーリングヘッド４０の工具長さ等から求めた所定厚みになるまで粉末層形成ステップ（Ｓ１）と固化層形成ステップ（Ｓ２）とを繰り返し、固化層２４を積層する（図６（ｂ）参照）。尚、新たに積層される固化層は、焼結又は溶融固化に際して、既に形成された下層を成す固化層と一体化することになる。

積層した固化層２４の厚みが所定の厚みになると、切削ステップ（Ｓ３）へと移行し、ミーリングヘッド４０を駆動させる（Ｓ３１）。例えば、ミーリングヘッド４０の工具（ボールエンドミル）が直径１ｍｍ、有効刃長さ３ｍｍである場合、深さ３ｍｍの切削加工ができるので、Δｔ１が０．０５ｍｍであれば、６０層の固化層を形成した時点でミーリングヘッド４０を駆動させる。ＸＹ駆動機構４１によってミーリングヘッド４０を矢印Ｘ及び矢印Ｙ方向に移動させ、積層した固化層２４から成る造形物の表面を切削加工する（Ｓ３２）。そして、三次元形状造形物の製造が依然終了していない場合では、粉末層形成ステップ（Ｓ１）へ戻ることになる。以後、Ｓ１乃至Ｓ３を繰り返して更なる固化層２４を積層することによって、三次元形状造形物の製造を行う。

固化層形成ステップ（Ｓ２）における光ビームＬの照射経路と、切削ステップ（Ｓ３）における切削加工経路とは、予め三次元ＣＡＤデータから作成しておく。この時、等高線加工を適用して加工経路を決定する。例えば、固化層形成ステップ（Ｓ２）では、三次元ＣＡＤモデルから生成したＳＴＬデータを等ピッチ（例えばΔｔ１を０．０５ｍｍとした場合では０．０５ｍｍピッチ）でスライスした各断面の輪郭形状データを用いる。

［本発明の製造方法］
本発明の製造方法は、上述した粉末焼結積層法につき、光ビームを偏向させるスキャナミラー（例えばガルバノミラー）に着目したものである。特に、本発明は、図８に示すように、ガス供給部材７０を用いてミラー部６１の裏面側へとガスを吹き付ける点に特徴を有している（尚、「ガス供給部材」は、例えば「ガスノズル」とも称す）。このように「空冷」としているのは、ミラー部が走査のために高速に往復振れ運動することに起因している。図９には、「Ｘ方向走査用のガルバノミラー」および「Ｙ方向走査用のガルバノミラー」におけるガス供給部材７０の配置態様を模式的に示す。

吹き付けるガスは、空気（例えば圧縮空気）であってよく、場合によってはミラー部に対して不活性なガスであってもよい。「不活性なガス」としては、窒素ガスの他、ヘリウム、アルゴン、ネオンまたはキセノン等の希ガスであってもよい。ちなみに、吹き付けるガスは、結露防止の観点から、水蒸気をほとんど含まないガスであることが望まれる。例えば、吹き込まれるガスの水分濃度は１ｐｐｍ以下が好ましい。ここでいう「ガスの水分濃度（ｐｐｍ）」は、ガスの全体積（０℃１気圧の標準状態）に占める水分（水蒸気）の体積割合を百万分率で示したものであり、常套の露点計で測定することによって得られる値を指している。窒素ガスは比較的高価であるので、乾燥空気を用いるとコスト的に効率が良い。吹き付け時のガス流量は、ガス供給部材の形状、ミラー部の大きさ、ミラー部の振り角度・速度等によって最適値は変わってくるものの、概ね５ＳＬＭ〜５０ＳＬＭの範囲である（ＳＬＭ：気体の標準状態において１分間に供給したガスの量をリットルで示す単位）。ガス流量が少なすぎるとミラー部での除熱効果が低くなる一方、逆にガス流量が多すぎるとミラーの往復振れ運動に悪影響を及ぼし得る。また、吹き付け時のガスの温度は、１０℃〜２２℃程度の低温であることが好ましいものの、コスト的な観点から常温（約２２〜２８℃程度）であってもよい。

本発明に用いるのに好適なガス供給部材７０の態様を図１０（ａ）および１０（ｂ）に示す。図１０（ａ）のガス供給部材７０を例にとって説明すると、図示するガス供給部材７０は、その内部が中空になっており、その中空部を介して流入口７２と複数の流出口７４とが相互に流体連通している。流入口７２にはガス供給管（図示せず）が接続され、かかるガス供給管が「給気ポンプ等から成るガス供給装置（図示せず）」へと接続しているので、ガス供給部材７０を介してガス供給できるようになっている。より具体的には、ガス供給管から送られてくるガスは、ガス供給部材７０の側面部の流入口７２に流入し、そして中空部を通って主面部の複数の流出口７４から流出する。流出口７４が複数設けられていることによって、ミラー部を全体的に均一に除熱することができる。ここで、除熱効率（エアー吹付けの場合には「空冷効率」）を上げるために、ガス供給部材をミラー部に近づけて設置したいものの、近づけすぎると、往復振れ運動するミラー部に接触してしまう。そこで、複数の流出口７４が設けられている主面部は、ミラー部の最大振り角（例えば±１５°程度）に合わせて、側方領域ａおよび側方領域ｂが斜めに形成されていることが好ましい（図示するように、ガス供給部材のＺ方向寸法がエッジａ,ｂに向かうにつれて小さくなるように側方領域ａおよび側方領域ｂが斜めに形成されていることが好ましい）。このように形成されていると、図１１に示すように、往復振れ運動するミラー部に対してより近い位置からガスを吹き付けることができる。また、そのような形状のガス供給部材を用いると、右回り又は左回りのいずれの方向であっても最大に振れた状態のミラー部に対して、その垂直方向からガスを吹き付けることができる。同様の理由で、図１０（ｂ）に示すガス供給部材７０’も、ミラー部の最大振り角に合わせて、主面部の側方領域ａおよび側方領域ｂが中央領域ｃと共に滑らかに形成されており、全体形状が“かまぼこ状”となっている。この場合であっても、往復振れ運動しているミラー部に対してより近い位置から効果的にガスを吹き付けることができるだけでなく、右回り又は左回りのいずれの方向であっても振れた状態のミラー部に対して、その垂直方向からガスを吹き付けることができる（より具体的には図１０（ｂ）に示す曲線部分ａの接線に対して垂直な方向からガスを吹き付けることができる）。ちなみに、本明細書でいう「最大振り角」とは、図１１の点線領域にて模式的に示す角度αのことを実質的に意味している。

ガス供給部材７０のサイズについて詳述すると次のようになる。例えば図３に示すようなガルバノミラー６０を想定した場合（ミラー部サイズ：高さｈ４０〜７０ｍｍ、幅ｗ５０ｍｍ、厚さｔ５ｍｍ）、図１０（ａ）に示されるガス供給部材７０の各種長さ（Ｌ、Ｈ_ａ、Ｈ_ｂ、Ｗ）は、Ｌ＝３０〜８０ｍｍ、Ｈ_ａ＝１５〜２５ｍｍ、Ｈ_ｂ＝１０〜１５ｍｍ、Ｗ＝４０〜６０ｍｍとすることができる。この場合、流入口７２の口径Ｄａは、好ましくは４〜１０ｍｍ程度であり、流出口７４の口径Ｄｂは、好ましくは１〜５ｍｍ程度である。尚、流出口７４の個数は、特に制限されるわけではないが、例えば約１０〜２００個程度である。

ガス供給部材の材質は、特に限定されるわけではないが、強度や耐久性などの観点から、金属材質であることが好ましく、例えば、鉄、アルミニウムもしくはステンレス鋼、耐食性合金（例えば、ハステロイ、インコネル、ステライト）などを挙げることができる。尚、軽量であって耐腐食性に優れたプラスチック製のガス供給部材であってもよく、例えば、アクリル樹脂、塩化ビニル樹脂もしくはポリカーボネート樹脂などの高分子材料から成るガス供給部材であってもよい。尚、ガス供給部材の製造方法・加工法も特に限定されるものでなく、例えば、一般的な機械加工技術を用いることによって製造できる。

ガス供給は、光ビームの反射に悪影響を及ぼさないように、反射面の背面側に位置する裏面に対して行うことが好ましい。但し、光ビームの反射に悪影響を及ぼさないのであれば、反射面に対してガスを吹き付けてもよい。例えば、光ビームが反射される領域にガスを吹き付けるのではなく、その周囲の領域にガスを吹き付けてよい。反射面にガスを吹き付ける態様では、熱が発生するポイントにより近い位置・面においてガスを供することができるので、ミラー部における除熱効率の向上が期待できる。つまり、光ビームは反射面で反射されるところ、熱はミラー部の裏面側ではなく反射面側で発生し得るので（より具体的には、「反射面側で発生した熱が裏面側へと伝熱していくので」）、ガスを反射面に対して吹き付けると、熱の発生面から除熱を行うことができ、より効果的にミラー部を冷却できる。また、反射面にガスを吹き付ける場合では、窒素ガスなどの不活性ガスを吹き付けることが好ましく、それによって、ミラー面の表層の変質（例えば酸化など）を効果的に防止できる。更には、反射面にガスを吹き付けると、ガス流れによるせん断力に起因して、ミラー面へのゴミ付着を防止できる他、乾燥ガスを吹き付けることでミラー面の結露なども防止できるといった効果が奏される。

本発明の製造方法では、効率的なガス吹き付けが行われるように種々の工夫を施してもよい。例えば、ミラー部の裏面には、供給されるガスがミラー裏面に沿って全体的に流れることになるようにフィンを設けてよい。あるいは、ミラー裏面の中でも最も熱が発生する箇所にガスが案内されるようにフィンを設けてもよい。ミラー裏面にフィンを設ける具体的な態様としては、図１２（ａ）に示すような態様が考えられる。図示する態様では、フィンが、「裏面の中央領域にて裏面から突出するように設けられた円錐台部６７」および「円錐台部６７を中心に放射状に延在するように裏面から突出して設けられた複数のプレート部ａ（６７ａ）」から成る。特に、円錐台部６７においては、その内部が中空になっており、「頂部に設けられた開口部ｍ」と「側面に設けられた複数の開口部ｎ」とが相互に流体連通している。また、各々の開口部ｎは、隣り合うプレート部ａ（６７ａ）の間に位置している。フィンの各種寸法について具体的に言えば、例えば図３に示すようなガルバノミラー６０を想定した場合（ミラー部サイズ：高さｈ７０ｍｍ、幅ｗ５０ｍｍ、厚さｔ５ｍｍ）、円錐台部６７の突出高さは５ｍｍ程度であって、円錐台部の底面部分の直径は１０ｍｍ程度および頂部の直径は５ｍｍ程度であることが好ましい。円錐台部６７の開口部ｍの口径Ｄｍは３〜４．５ｍｍ程度であって、開口部ｎの口径Ｄｎは１〜３ｍｍ程度である。また、プレート部ａ（６７ａ）の突出高さｈａは５ｍｍ程度であって、その幅ｗａは１ｍｍ程度であることが好ましい。図１２（ａ）に示す態様では、円錐台部６７の頂部に向かって供されたガスは、開口部ｍを通過した後、円錐台部６７の内部を通って開口部ｎから流出し、その後、裏面の周縁部に向かってプレート部ａ（６７ａ）に沿って流れることになる。かかる態様では、ミラー部の裏面に全体的にガスを流すことができるだけでなく、光ビームが反射される領域（即ち、最も熱が発生する領域）の裏側にガスをより確実に供給することができるので、冷却効率が向上し得る。ミラー裏面にフィンを設ける具体的な態様としては、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）に示す態様も考えられる。図示する態様では、フィンが「裏面の対向する２つの周縁領域にて裏面から突出するように設けられた２つのプレート部ｂ,ｃ（６７ｂ,６７ｃ）」および「プレート部ｂ（６７ｂ）とプレート部ｃ（６７ｃ）との間に位置する裏面領域から突出するように設けられた少なくとも１つのプレート部ｄ（６７ｄ）」から成る。具体的には、２つのプレート部ｂ,ｃ（６７ｂ,６７ｃ）は、ミラー部の回転軸と平行になるようにミラー部の周縁領域に設けられていることが好ましく、その２つのプレート部ｂ,ｃの間にプレートｄ（６７ｄ）がそれらと平行に設けられることが好ましい。例えば図３に示すようなガルバノミラー６０を想定した場合（ミラー部サイズ：高さｈ４０ｍｍ、幅ｗ５０ｍｍ、厚さｔ５ｍｍ）、図１２（ｂ）に示すプレート部ｂ，ｃ，ｄ（６７ｂ,６７ｃ, ６７ｄ）の突出高さｈｂ〜ｈｄはそれぞれ３〜５ｍｍ程度であって、その幅ｗａ〜ｗｃはそれぞれ１〜２ｍｍ程度であることが好ましい。尚、図１２（ｃ）に示すプレート部６７ｄは２つであるが、その間隔は、ビーム径と同じ程度の距離（１０〜５０ｍｍ程度）であることが好ましい。図１２（ｂ）に示す態様では、プレート部ｄ（６７ｄ）に向かって供されたガスは、プレート部６７ｄを境界に分流した後、プレート部６７ｂおよび６７ｃの方向に向かってミラー部の裏面を流れることになる。そして、プレート部６７ｂおよび６７ｃの表面を流れることでミラーの冷却効率の向上が期待できる。特に、図１２（ｃ）に示す態様では、ミラー部の裏面に供給されたガスが２つのプレート部ｄ（６７ｄ）の間の領域にある程度保持され易くなるために、光ビームが反射される領域（即ち、最も熱が発生する領域）にガスをより確実に供すことができ、冷却効率の更なる向上が期待できる。尚、図１２（ｃ）の上方にて符号６７’で示すように、プレート部６７ｄの断面形状を三角形状または略三角形状にすると、供給されたガスがより分流し易くなるために、ガスをより効率的に流すことができる。

フィンは裏面のみならず、ミラー部の表面側に設けることも可能である。例えば、図１２（ｄ）に示すような態様が考えられる。図示する態様では、ミラーの反射面に対してガスを供給できるようにガス供給部材が設けられており、フィンが「反射面の周縁領域にて反射面から突出するように設けられたプレート部ｅ（６７ｅ）」から成る。特に、図示するように、プレート部ｅ（６７ｅ）は、光ビーム反射領域を取り囲むように反射面の周縁部に設けられることが好ましい。特に、プレート部ｅ（６７ｅ）は、入射／反射する光ビームに干渉しない寸法を有していることが好ましく、ミラー部の往復振れ運動時にバランスがとれるように回転軸（ミラー軸）に対して対称的な寸法を有していることが好ましい。例えば図３に示すようなガルバノミラー６０を想定した場合（ミラー部サイズ：高さｈ４０ｍｍ、幅ｗ５０ｍｍ、厚さｔ５ｍｍ）、プレート部ｅ（６７ｅ）の突出高さｈｅは１〜５ｍｍ程度であって、その幅ｗｅは１〜３ｍｍ程度であることが好ましい。図１２（ｄ）に示す態様では、反射面の周縁部に供されたガスは、その一部が反射面側に流れるものの、別の一部が反射面（ミラー部）に当たらずに流れることになる。図１２（ｄ）に示す態様は、フィン自体の面積（冷却フィンとしての面積）が特に大きいので、より効率良くミラー部の温度上昇を抑えることができる。尚、図１２（ｄ）に示す態様でも、必要に応じてプレート部ｅ（６７ｅ）の断面形状を三角形状または略三角形状にしてもよい。

フィンは、プレート部材や円錐台部材などをミラー部に別途設けることによって形成できる他、予めミラー部と一体的に製造することによっても形成可能である。フィンをミラー部とは別個に設ける場合、フィンを構成するプレート部材や円錐台部材は、例えば、鉄、アルミニウムもしくはステンレス鋼、耐食性合金（例えば、ハステロイ、インコネル、ステライト）などの金属材質から成るものが好ましい。

本発明の製造方法では、ミラー部の温度に応じて、ガスの供給量および／または温度を制御することが好ましく、特にフィードバック制御することが好ましい。換言すれば、本発明に係る粉末焼結積層法では、スキャナミラーのミラー部の温度をリアルタイムで検出してこの検出値をガス供給制御部にフィードバックし、ガス供給量およびガス供給温度の少なくとも一方を制御すること好ましい。この場合、温度センサーとしては、熱電対などの接触型温度計の他、赤外線温度計などの非接触型温度計も使用することができる。接触型温度計はミラー部の裏面に設けてその裏面の温度を測定するのに適している。一方、非接触型温度計は、裏面のみならず、ミラー部の反射面の温度を測定するのにも適している。ガス供給制御部は、「検出された温度と目標温度と差」に基づいて、供給されるガスの供給量および／または温度を決定して、それらを制御する。「ガス供給量の制御」にはガス供給管に設けられた電磁弁などのバルブを制御することによって行うことが好ましい。また、「供給されるガスの温度制御」には、ガス供給管に設けられた熱交換器（例えば二重管式熱交換器）を制御することによって行うことが好ましい。尚、ミラー部の目標温度は、好ましくは１５〜３５℃程度である。スキャナ本体部の温度上昇を防ぐことが必要であるものの、スキャナ本体部が冷えすぎるのは好ましくない。従って、スキャナ本体部の温度ができる限り一定に維持されるように「供給されるガスの温度制御」を行うことが好ましい。

フィードバック制御する態様としては、例えば、図１３（ａ）に示すような態様が考えられる。この態様では、ミラー部の裏面に温度センサー（例えば、熱電対もしくは赤外線温度計など）を設けて、ミラー部の裏面の温度をリアルタイムで検出している。検出された温度が、目標温度より高い場合には、電磁弁を自動操作してガス供給（例えばエアー吹付け）を開始する一方、目標温度以下となればガス供給を停止する（図１３（ｂ）参照）。

また、図１３（ｃ）に示すような態様も考えられる。この態様では、ガスの吹付けに際して「冷風の吹付け」と「温風の吹付け」とを併用している。ミラー部の裏面に温度センサー（例えば、熱電対もしくは赤外線温度計など）を設けて、ミラー部の裏面の温度をリアルタイムで検出する。そして、目標温度に維持されるように、検出された温度に基づいて「冷風吹付け用の電磁弁」および「温風吹付け用の電磁弁」をそれぞれ自動操作する。必要に応じて、検出された温度に基づいて、「冷風吹付け用の熱交換器」および「温風吹付け用の熱交換器」をそれぞれ付加的に制御してもよい。

［本発明の製造装置］
次に、本発明の製造方法の実施に好適な装置について説明する（粉末として金属粉末を用い、固化層が焼結層となる態様を例にとって説明する）。かかる装置は、図１、図５、６および８に示すように
金属粉末層を形成するための粉末層形成手段２、
焼結層が形成されるように金属粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段３、ならびに
金属粉末層および／または焼結層が設けられることになる造形テーブル２０
を有して成り、
光ビーム照射手段では、光ビームを走査するために用いられるミラー部６１（３１）に対して、ガスを供給するガス供給部材７０が設けられていることを特徴とする。かかる装置の動作も含めて、「粉末層形成手段２」、「光ビーム照射手段３」、「造形テーブル２０」等については、上述の［粉末焼結積層法］で説明しているので、重複を避けるために説明を省略する。

尚、スキャナミラーのミラー部６１が、光ビームが反射される反射面および前記反射面の背面側に位置する裏面を有して成り、図８に示すように、ガス供給部材７０のガス流出口７４がミラー裏面と向かい合うようになっていることが好ましい。

本発明の製造装置では、効率的なガス吹き付けが行われるように種々の工夫を施してもよい。例えば、ミラー部の裏面には、供給されるガスがミラー裏面に沿って全体的に流れることになるようにフィンが設けられていることが好ましい。これについても、上述の[本発明の製造方法]で説明したので、重複を避けるために説明を省略する。

フィンを設ける態様に代えて又はフィンを設ける態様に加えて、ミラー部の動きに合わせてガス供給部材を動かす態様を採用してもよい。具体的には、図１４に示すように、ミラー部６１が右回りに振れた場合にはガス供給部材７０も同様に右回りに振れる一方（図１４（ａ））、ミラー部６１が左回りに振れた場合にはガス供給部材７０も同様に左回りに振れる（図１４（ｃ））。ミラー部とガス供給部材とを同調させて動かすには、ミラー部の動作を制御する信号をガス供給部材の動作を制御する信号として用いればよい。ミラー部の動きに合わせてガス供給部材を動かすと、ミラー部にガス供給部材が近い位置であっても（ミラー部に近いと“空冷効率”が向上し得る）、往復振れ運動するミラー部にガス供給部材が接触することがない。その結果、ガス供給部材７０の主面図（図１０（ａ）参照）を平坦にすることができ、ガス供給部材７０の形状をよりシンプルにできる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の適用範囲のうちの典型例を例示したに過ぎない。従って、本発明はこれに限定されず、種々の改変がなされ得ることを当業者は容易に理解されよう。

例えば、上述の説明では、ミラー部に対してガスを吹き付ける態様を例示したが（図３参照）、必ずしもかかる態様に限定されるわけではない。例えば必要に応じてミラー軸６４およびスキャナ本体部６２に対してもガスを吹き付けてもよい（図８参照）。

尚、上述の実施形態では、『粉末層が金属粉末層であって、固化層が焼結層となる態様Ａ』を前提に説明している箇所があるが、『粉末層が樹脂粉末層であって、固化層が硬化層となる態様Ｂ』であっても、態様Ａと同様の特徴・効果などを有し得ることを当業者は容易に理解できるであろう。

本発明の効果を確かめるために、「Ｘ方向走査用のガルバノミラー」および「Ｙ方向走査用のガルバノミラー」のそれぞれの温度を「冷却エア調整無し」と「冷却エア調整有り」の条件下で経時的に測定した。「冷却エア調整有り」の条件は以下の通りである：
・供給ガス：圧縮空気
・供給ガス流量：２０ＳＬＭ
・供給ガス温度：２０℃

結果を図１５に示す。図１５（ａ）は、従来例の「冷却エア調整無し」の結果であり、図１５（ｂ）は本発明の「冷却エア調整有り」の結果を示している。この結果から、本発明では、ミラー部の温度上昇を効果的に防止できることを理解できるであろう。また、図１５に示す結果から分かるように、本発明ではミラー部の温度を略一定に維持できることも理解できるであろう。

本発明の三次元形状造形物の製造方法を実施することによって、種々の物品を製造することができる。例えば、『粉末層が金属粉末層であって、固化層が焼結層となる場合』では、得られる三次元形状造形物をプラスチック射出成形用金型、プレス金型、ダイカスト金型、鋳造金型、鍛造金型などの金型として用いることができる。また、『粉末層が樹脂粉末層であって、固化層が硬化層となる場合』では、得られる三次元形状造形物を樹脂成形品して用いることができる。

粉末焼結積層法が行われる態様を模式的に示した斜視図 スキャナミラーが往復振れ運動をする態様を模式的に表した斜視図 本発明の態様を模式的に表した斜視図 スキャナマウントにおける「Ｘ方向走査用のガルバノミラー」および「Ｙ方向走査用のガルバノミラー」の態様を模式的に示した斜視図 粉末焼結積層法が実施される光造形複合加工機の構成を模式的に示した斜視図 光造形複合加工機の動作を模式的に示した断面図 光造形複合加工機の動作のフローチャート スキャナミラーとガス供給部材との位置関係を模式的に示した斜視図 「Ｘ方向走査用のガルバノミラー」および「Ｙ方向走査用のガルバノミラー」おけるガス供給部材の配置態様を模式的に示した斜視図 本発明で用いられるガス供給部材を模式的に示した斜視図 本発明で用いられる別の形態のガス供給部材を模式的に示した斜視図 スキャナミラーの最大振れとガス供給部材との関係を模式的に示した側方図（点線領域内には「振り角α」が模式的に示されている） 裏面側に設けられたフィンの形態を示す斜視図 裏面側に設けられたフィンの別の形態を示す斜視図 裏面側に設けられたフィンの更に別の形態を示す斜視図 反射面側に設けられたフィンの形態を示す斜視図 フィードバック制御の態様を模式的に表した図 ミラー部に合わせてガス供給部材を動かす態様を模式的に示した側方図 実施例の結果を示すグラフ

符号の説明

１ 光造形複合加工機
２ 粉末層形成手段
３ 光ビーム照射手段
４ 切削手段
１９ 粉末／粉末層（例えば金属粉末/金属粉末層または樹脂粉末／樹脂粉末層）
２０ 造形テーブル
２１ 造形プレート
２２ 粉末層（例えば金属粉末層または樹脂粉末層）
２３ スキージング用ブレード
２４ 固化層（例えば焼結層または樹脂層）またはそれから得られる造形物
２５ 粉末テーブル
２６ 粉末材料タンクの壁部分
２７ 造形タンクの壁部分
２８ 粉末材料タンク
２９ 造形タンク
３０ 光ビーム発振器
３１ ガルバノミラー（スキャナミラー）
４０ ミーリングヘッド
４１ ＸＹ駆動機構
５０ チャンバー
５２ 光透過窓
６０ スキャナミラー
６０ａ，６０ｂ Ｘ方向走査用のガルバノミラーおよびＹ方向走査用のガルバノミラー
６１ ミラー部
６２ スキャナ本体部
６４ ミラー軸
６７ フィンの円錐部
６７ａ〜e フィンのプレート部
６７’ プレート部
６９ スキャナマウント
７０ ガス供給部材
７０’ ガス供給部材
７２ ガス流入口
７４ ガス流出口（ガス噴出口）
８２ ガス供給制御部
８４ 電磁弁
Ｌ 光ビーム

Claims (12)

1. （ｉ）粉末層の所定箇所に光ビームを照射して前記所定箇所の粉末を焼結又は溶融固化させて固化層を形成する工程、および
   （ｉｉ）得られた固化層の上に新たな粉末層を形成し、前記新たな粉末層の所定箇所に光ビームを照射して更なる固化層を形成する工程
   を繰り返して行う三次元形状造形物の製造方法であって、
   光ビームの走査に用いるミラーとは別体に設けられたガス供給部材を用いて該ミラーに対してガスを吹き付けており、それによって、該ミラーに該ガスを供給することを特徴とする、三次元形状造形物の製造方法。
2. 前記ミラーが、光ビームが反射される反射面および前記反射面の背面側に位置する裏面を有して成り、前記ガス供給部材のガス流出口が前記裏面と向かい合うように前記ガス供給部材が設けられ、それによって、前記ガスを該ミラーの前記裏面に対して吹き付けることを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状造形物の製造方法。
3. 前記裏面にフィンが設けられたミラーを用い、前記フィンに起因して、供給されたガスが前記裏面に沿って全体的に流れることを特徴とする、請求項２に記載の三次元形状造形物の製造方法。
4. 前記ミラーの前記反射面に対して不活性ガスを供給することを特徴とする、請求項２または３に記載の三次元形状造形物の製造方法。
5. 前記ミラーの温度に応じて、ガスの供給量および／または温度を制御することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の三次元形状造形物の製造方法。
6. 粉末層を形成するための粉末層形成手段、
   固化層が形成されるように粉末層に光ビームを照射するための光ビーム照射手段、ならびに
   粉末層および／または固化層が形成されることになる造形テーブル
   を有して成り、
   光ビーム照射手段においては、光ビームの走査に用いられるミラーに対してガスを吹き付けるように供給するためのガス供給部材が該ミラーと別個に設けられていることを特徴とする、三次元形状造形物の製造装置。
7. 前記ミラーが、光ビームが反射される反射面および前記反射面の背面側に位置する裏面を有して成り、
   前記ガス供給部材のガス流出口が前記裏面と向かい合うように、前記ガス供給部材が設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の三次元形状造形物の製造装置。
8. 前記ガス供給部材が、前記ミラーの動きに合わせて動くことが可能であることを特徴とする、請求項７に記載の三次元形状造形物の製造装置。
9. 前記ミラーの前記裏面には、供給されるガスを前記裏面へと全体的に案内するフィンが設けられていることを特徴とする、請求項７または８に記載の三次元形状造形物の製造装置。
10. 前記フィンが、
    前記裏面の中央領域にて前記裏面から突出するように設けられた円錐台部と、
    前記円錐台部を中心に放射状に延在するように前記裏面から突出して設けられた複数のプレート部ａと
    から成り、
    前記円錐台部の頂部の開口部ｍと、前記円錐台部の側面の複数の開口部ｎとが相互に流体連通していることを特徴とする、請求項９に記載の三次元形状造形物の製造装置。
11. 前記フィンが、
    前記裏面の対向する周縁領域にて前記裏面から突出するように設けられた２つのプレート部ｂ,ｃと、
    プレート部ｂとプレート部ｃとの間に位置する前記裏面の領域から突出するように設けられた少なくとも１つのプレート部ｄと
    から成ることを特徴とする、請求項９に記載の三次元形状造形物の製造装置。
12. ミラーの反射面に対してガスを供給できるようにガス供給部材が設けられ、また、前記反射面にフィンが設けられている三次元形状造形物の製造装置であって、
    前記フィンが、前記反射面の周縁領域にて反射面から突出するように設けられたプレート部ｅから成ることを特徴とする、請求項６に記載の三次元形状造形物の製造装置。

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