以下、本発明を添付図面に示す実施形態� ��基いて説明すると、図1に本発明に係る積層 造形装置の一例を示す。この積層造形装置は 、造形部10と造形部10上に配した粉末供給部15 とからなる造形機1、造形部10に対して光ビー ムLを照射する光学機器2、そして除去加工の� ��めの加工機3とからなる。

 上記加工機3は、テーブル(マシニングテ� �ブル)30と少なくとも3軸制御が可能な主軸台3 1とを備える数値制御工作機械であり、その� �軸台31のスピンドルヘッド32には除去加工の� ��めのエンドミル33がセットされる。そして� �の加工機3におけるテーブル30上に前記造形� �1がセットされるとともに、積層造形物が上� ��に形成されるベース11がテーブル30に固定さ れて設置されており、上記光学機器2は上記� �軸台31にセットされたものとなっている。な お、図示例ではスピンドルヘッド32がX,Z軸方� ��に可動でテーブル30がY軸方向に可動のもの� ��なっている。

 ここにおける造形機1の造形部10は、上述� ��ように上記テーブル30上に固定されたベー� �11上に積層造形物を形成するもので、ベース 11上に粉末層を形成するために、ベース11の� �周を囲むとともに上記テーブル30上にセット されたリニア駆動機構からなる昇降機構13に� ��って昇降する昇降枠12を備えている。この� �降枠12はベース11に対して上昇させた時、ベ� ��ス11上に昇降枠12で囲んだ十分な高さの空間 を形成することができる厚みを少なくともベ ース11を囲む部分に有している。

 また、粉末供給部15は、上記昇降枠12の上 面上に粉末を送り込む粉末供給機(図示せず)� ��、図3にも示すように上記昇降枠12の上面に� ��した材料供給ブレード16と、この材料供給� �レード16を水平に駆動する駆動部17とからな� ��ものとして形成している。

 ここで用いる材料粉末8は、無機質(金属� �セラミック)の粉末、あるいは有機質(プラス チック)の粉末であり、光学機器2で照射する� ��ビームによって焼結または溶融固化させて� ��化層を得ることができるものであれば、そ� ��種類を問わないが、図示例のものでは平均� ��径20μmの球形の鉄粉を用いている。

 前記加工機3は、数値制御工作機械、殊に 切削工具であるエンドミル33を自動交換可能� ��マシニングセンタで構成している。上記エ� ��ドミル33には超硬素材の二枚刃ボールエン� �ミルが主として用いられ、加工形状や目的� �応じてスクエアエンドミル、ラジアスエン� �ミル、ドリルなども用いられる。

 粉末8を焼結するための光ビームLを照射� �る光学機器2は、レーザ発振器で構成した光� ��21と、集光レンズ、所定位置に光ビームLを� ��射するために光ビームLの方向を偏向するガ ルバノメータミラー等からなるスキャン機構 22で構成され、ここではスピンドルヘッド32� �面にスキャン機構22の部分を固定し、光源21� ��スキャン機構22とを光ファイバ23で接続した ものとしてある。上記光源21としては、粉末� ��鉄粉である場合、炭酸ガスレーザ(出力500W)� ��Nd:YAGレーザ(出力500W)などを使用する。

 上記スキャン機構22(光学機器2)は、図2(a)� ��示すように、スピンドルヘッド32の側面に� �けた取付台310に着脱自在としたり、図2(b)に� ��すように、スピンドルヘッド32のコレット� �ャックによってエンドミル33に代えて装着さ れるようにしたものであってもよい。後者の 場合、光ビームLの照射時とエンドミル33によ る加工時とでスピンドルヘッド32をほぼ同じ� ��置においておくことができるために、主軸� ��31側面に光学機器2がある場合に比してスピ� ��ドルヘッド32の全移動範囲を小さくするこ� �ができて、相対的に大きい造形物を製造す� �ことができることになる。しかもエンドミ� �33を用いて切削を行う時には、光学機器2が� �軸台31に無いために、エンドミル33による加� ��時に上記光ファイバ23などが邪魔にならず� �切削時の振動の影響も小さくなる。

 上記積層造形装置を用いて積層造形物を� ��造するにあたっては、昇降枠12の上面に粉� �8を供給し、昇降枠12の上面をベース11上に固 定した造形用プレートの上面より僅かに高く した状態でブレード16を水平駆動することで� ��記粉末8をベース11上に供給するとともに均� ��ことで第1層目の粉末層を形成し、次いで造 形部10の上方に位置させた光学機器2からの光 ビームLを上記粉末層の硬化させたい箇所に� �射することで粉末8を焼結させて硬化層を形� ��する。

 この後、昇降枠12を所定量だけ上げた状� �で粉末8の供給と均すことを行って、第1層目 の粉末層(と硬化層)の上に第2層目の粉末層を 形成し、この第2層目の粉末層の硬化させた� �箇所に光ビームLを照射することで粉末を焼� ��させて下層の硬化層と一体化した次の硬化� ��を形成する。

 昇降枠12を上昇させて新たな粉末層を形� �し、光ビームLを照射して所要箇所を硬化さ� ��て硬化層とするという工程を繰り返すこと� ��、目的とする三次元形状の造形物9を硬化層 の積層物としてベース11上の上記造形用プレ� ��ト上に製造するものであり、粉末層の厚み� ��しては、得られた積層造形物を成形用金型� ��どに利用する場合、0.05mm程度とするのが好� ��しい。

 光ビームLの照射経路(ハッチング経路)は� ��積層造形物の三次元CADデータから予め作成� ��ておく。すなわち、三次元CADモデルから生� ��したSTL(Standard Triangulation Language)データを� �ピッチ(粉末層の厚みを0.05mmとした場合、0.05 mmピッチ)でスライスした各断面の輪郭形状デ ータを用いて各層毎の光ビームLの照射経路� �作成する。この時、積層造形物の少なくと� �最表面が高密度(気孔率5%以下)となるように� ��結させることができるように光ビームLの照 射を行い、内部は低密度となるように焼結さ せることで、つまりは形状モデルデータを予 め、表層部と内部とに分割しておき、内部に ついてはポーラスとなるような焼結条件、表 層部はほぼ粉末が溶融して高密度となる条件 で光ビームLを照射することで、緻密な表面� �持つ造形物を高速に得ることができる。

 そして、上記粉末層を形成しては光ビー� ��Lを照射して硬化層を形成するということを 繰り返していくのであるが、それまでに焼結 させた硬化層の全厚みがたとえば加工機3に� �けるエンドミル33の工具長さなどから求めた 所要の値になれば、エンドミル33を造形部10� �上方に位置させて、エンドミル33によってそ れまでに造形した造形物9の表面(主として上� ��側面)を切削する。

 この加工機3による切削除去加工によって 、造形物9の表面に付着した粉末による余剰� �化部を除去することができるために、造形� �9表面に高密度部を全面的に露出させること� ��できる。この加工が終了すれば、再度粉末� ��の形成と焼結とを繰り返す。

 加工機3による切削加工経路は、光ビーム Lの照射経路と同様に三次元CADデータから予� �作成しておく。この時、等高線加工を適用� �て加工経路を決定するが、Z方向(上下方向)� �ッチは焼結時の積層ピッチにこだわる必要� �なく、緩い傾斜の場合はZ方向ピッチをより� ��かくして補間することで、さらに滑らかな� ��面を得られるようにしてもよい。

 図4に粉末供給部15の他例を示す。ここに� ��ける粉末供給部15は、昇降枠12の上面に沿っ てスライド移動自在なスライドプレート18に� ��下に貫通する粉末供給口19を形成したもの� �なっており、該粉末供給口19がベース11上で� ��なく昇降枠12上に位置する状態で図示しな� �粉末供給機から粉末供給口19に粉末を入れ、 次いで上記粉末供給口19がベース11を横切る� �うにスライドプレート18をスライドさせるこ とによって粉末8をベース11上に供給するとと もに均すのである。なお、光ビームLの照射� �よる焼結は、粉末供給口19をベース11上に位� ��させて粉末供給口19を通じて粉末層に光ビ� �ムLを照射したり、スライドプレート18をベ� �ス11上から退去させた状態で行う。

 この時、粉末供給口19の幅(スライドプレ� ��ト18のスライド方向と直交する方向の長さ)� ��、図5(a)に示すようにベース19の同方向の幅� ��りも大きくしておくことで、ベース11上の� �部に粉末をむら無く供給することができる� �なお、粉末供給口19は図のような方形である 必要はなく、ベース19上の全域に粉末8を供給 することができるものであれば、長方形や円 形や楕円形はもちろん他の形状のものであっ てもよい。

 また、図5(b)に示すように、スライドプレ ート18内に上下方向を軸として該軸回りに回� ��自在な回転プレート190を設けて、この回転� ��レート190に粉末供給口19を形成すると、回� �プレート190の回転によって粉末供給口19の上 記方向の幅を変化させることができる。

 粉末供給口19の内側壁に図5(c)に示すよう� ��凹凸191を設けておくことも好ましい。粉末� ��給口19内の上記幅方向の一方側に粉末8が偏� ��てしまうというような事態が生じるのを防� ��のに有効である。余剰粉末を回収する回収� ��をスライドプレート18もしくは昇降枠12に設 けておいてもよい。余剰粉末がスライドプレ ート18のスライド動作を損なってしまう事態� ��生じるのを防ぐことができる。

 粉末供給口19を有するスライドプレート18 のスライド動作でベース11上の昇降枠12で囲� �れた造形用空間に粉末8を供給するものにお� ��ては、図6に示すように、粉末供給口19内に� ��る粉末8上に錘81を載せて粉末8に圧力を加え たり、振動発生装置82を設けて振動を粉末8に 加えることができるようにしておくと、粉末 8の嵩密度を高くしてベース11上に供給するこ とができるために、粉末層の密度が高くなっ て焼結密度も高いものを得ることができるこ とになる。

 上記の例ではスライドプレート18そのも� �がベース11上の粉末層の表面を均す部材を兼 ねているが、図7に示すように、スライドプ� �ート18における粉末供給口19のスライド方向� ��後(前もしくは後ろのいずれか一方だけであ ってもよい)に粉末8を均すためのブレード16� �設けてもよい。これは軽量化のためにスラ� �ドプレート18を軽金属などで形成する場合に 有効である。なお、ブレード16で粉末層表面� ��均す時、この表面には異常焼結で生じた硬� ��な突起物が存在している可能性があるため� ��、ブレード16には鋼製やセラミック製のも� �が好適である。

 また、上記突起物の除去を確実にするた� ��に、図7(b)に示すように、スライドプレート 18の下面側にロータリー刃83を配して、スラ� �ドプレート18の下面と一致する刃の高さとな っている上記ロータリー刃83で上記突起物を� ��削できるようにすることも好ましい。ロー� ��リー刃83は別途専用モータで駆動するもの� �ほか、スライドプレート18のスライド移動を 利用してロータリー刃83を回転させる機構(た とえばラックアンドピニオン機構)を用いて� �動するようにしてもよい。

 ところで、光ビームLを粉末層に照射して 焼結を行う時、粉末層が大気に開放された状 態では、使用する粉末8の材料種別によって� �酸化が生じてきれいに焼結させることがで� �ないことがある。この種の問題は不活性雰� �気中で光ビームLを照射することで対処する� ��けであるが、ここでは図8に示すように、底 面開口の開口面積がベース11の上面の面積以� ��であるとともに上面がウインドウ41で閉じ� �れた覆い枠40を昇降枠12上に配置し、覆い枠4 0で囲んだ空間内に不活性な雰囲気ガス(たと� ��ば窒素やアルゴン)を充填した状態で光ビー ムLの照射を上記ウインドウ41を通じて行うこ とで対応している。図中45は雰囲気ガス発生� ��置またはタンク、46は焼結時に発生するヒ� �ームなどを捕集する集塵機、47はガス供給口 、48はガス排出口である。ベース11上の覆い� �40で囲まれた小さな空間だけに雰囲気ガスを 充填すればよいために、雰囲気ガスの給排に 要する時間や使用する雰囲気ガス量を抑える ことができる。

 雰囲気ガスの使用量の低減という点では� ��覆い枠40の内部空間の酸素濃度を計測する� �素濃度計49を設けて、あらかじめ定めた酸素 濃度より上記空間内の酸素濃度が高くなった 場合に雰囲気ガスを供給するようにしてもよ い。

 なお、上記ウィンドウ41は光ビームLがYAG� ��ーザの場合は石英ガラスで、光ビームLが炭 酸ガスレーザである場合はジンクセレンなど を使用することで光ビームLの透過性を高く� �ているが、単なる平行板ではなく、fθレン� �として機能するようにしておくと、光ビー� �Lの焼結面でのスポット径を一定にすること� ��できるために、精度の良い焼結を行うこと� ��できる。もちろん、ダイナミックフォーカ� ��レンズを使用してスポット径を一定にして� ��よいが、この場合は光学機器2側に追加部材 として配置しなくてはならず、光学機器2が� �きく且つ重くなるという問題を有するもの� �なる。

 また、上記覆い枠40は、昇降枠12上面に沿 ってスライド自在なスライドプレート18とし� ��設けておくと、前記粉末層の形成時及び除� ��加工時と、光ビームLを照射することによる 焼結時とにおける覆い枠40の移動を簡便に行� ��せることができる。

 雰囲気ガスの給排に要する時間やその換� ��効率、そしてウィンドウ41の汚れ防止など� �点から、覆い枠40に設けるガス供給口47や排� ��口48は、図9に示すように、雰囲気ガスが上� ��から斜め下方に向けて且つ覆い枠40の内周� �に沿って覆い枠40の内部空間に入るようにし ておくことが望ましい。上記空間内に入る雰 囲気ガスが上記空間内で上方側から下方側へ と旋回しながら流れるようにしておくわけで ある。

 上記ウィンドウ41が前述のヒュームによ� �て汚れて時間経過に従い光ビームLの透過率� ��低下してしまう点については、このウィン� ��ウ41を清掃するための清掃手段を昇降枠12に 組み込んでおくことが好ましい。この清掃手 段の一例を図10に示す。昇降枠12を上下に貫� �する開口内に、昇降用シリンダー53によって 昇降駆動されるとともにモータ52によって回� ��駆動される清掃部材51を配置してある。ク� �ーニングペーパや不織布などが表面に設け� �れているとともに洗浄剤(高圧エア、水など) を噴出する噴出口を備えた清掃部材51は、洗� ��剤によるウィンドウ41内面や覆い枠40内壁の 洗浄及び汚れの拭き取りを行う。なお、ここ での昇降用シリンダー53は、テーブル30上に� �ットされているために、清掃部材51の昇降量 は昇降枠12の昇降量も含めて行うものとなっ� ��いる。

 不活性雰囲気を形成する上記覆い枠40は� �昇降枠12上に複数設けたり、あるいは図11に� ��すように、複数の個別のウィンドウ41を備� �たものとして、あるウィンドウ41がベース11� ��に位置する時、他のウィンドウ41が清掃機� �上に位置するようにしておくと、焼結と上� �クリーニングとを同時に行うことができる� �とになり、クリーニングによる待ち時間を� �くすことができて積層造形物の製造に要す� �時間を短くすることができる。

 上記清掃部材51をピストンとして利用す� �ことで覆い枠40内の雰囲気ガスの強制給排を 清掃部材51で行うようにしてもよい。清掃部� ��51を上昇させることで覆い枠40の内部空間か らの雰囲気ガスの排出を行い、清掃部材51を� ��降させることで覆い枠40の内部空間に雰囲� �ガスを吸引するのである。この場合、ガス� �給口47とガス排出口48はバルブを備えたもの� ��し、これらバルブを清掃部材(ピストン)51の 昇降に連動させて開閉する。

 図12は昇降枠12上に光ビームLを照射して� �ーキングするためのマークターゲット55を設 けるとともに、マークターゲット55上のマー� ��ングの位置を測定するための照射位置測定� ��置25を設けたものを示しており、図12(a)に示 すようにマークターゲット55上の予め定めら� ��た位置(1点でも複数点でも可)に光ビームLを 照射してクロスライン等のマーキングを行い 、次いで図12(b)に示すように照射位置測定装� ��25(の撮像素子)で上記マーキングを撮像して 画像処理によってマーキングの位置の測定を 行い、マーキングの位置に誤差がある場合は 光学機器2におけるガルバノメータミラーの� �転角の補正を行うことで、光学機器2による� ��ビームLの照射位置精度を高精度に保つ。特 に上記構成であれば、積層造形物の製造途中 においても光ビームLの照射位置の補正を簡� �に行うことができるために、高精度な焼結� �有利である。

 図13は昇降枠12上に光ビームLのパワーを� �定するためのパワーメータ56を配置した例を 示している。覆い枠40で覆ってウィンドウ41� �通してパワーメータ56に光ビームLを照射し� �時のパワーメータ56の出力と、覆い枠40をパ� ��ーメータ56上から外して光ビームLを直接パ� ��ーメータ56に照射した時のパワーメータ56の 出力との差から、ウィンドウ41の汚れ具合に� ��る光ビームLの減衰率を求めることができる ために、前記清掃手段によるウィンドウ41の� ��掃タイミングを容易に且つ適切に設定する� ��とができて、製造効率を高めることができ� ��とともに、良好な焼結を常に得ることがで� ��るものとなる。

 単一のスライドプレート18に上記覆い枠40 と粉末供給部15とを設けてもよい。この場合� ��一例を図14に示す。昇降枠12の上面に沿って 直線状にスライド自在となっているスライド プレート18の長手方向一端側に粉末供給口19� �設けて粉末供給部15とし、スライドプレート 18の他端側をウィンドウ41が設けられた覆い� �40としている。このスライドプレート18は、� ��降枠12の側面に設けたリニアモータ等のリ� �ア駆動部で昇降枠12上面に沿ってスライドす る。

 図14に示す状態からスライドプレート18を 図14中の左方に移動させることで、ベース11� �への新たな粉末層の形成を行い、次いでウ� �ンドウ41を通じて粉末層に光ビームLの照射� �行うことで焼結を行う。加工機3による加工� ��造形物9に対して行う時は、図の位置までス ライドプレート18を復帰させてベース11上を� �放する。

 図15に別の例を示す。ここでのスライド� �レート18は、昇降枠12上でモータ58により軸� �りに回転スライドする円盤となっている。� �た、このスライドプレート18は粉末供給口19� ��備える粉末供給部15とウィンドウ41を有する 覆い枠40とを兼ねている上に、加工機3による 除去加工の時のための切削用開口39が上下に� ��通形成されたものとなっている。

 スライドプレート18を回転させることで� �スライドプレート18の周部に設けた粉末供給 部15と光ビームLの照射の際の覆い枠40と除去� ��工の際の切削用開口39とをベース11上に順次 入れ換えて位置させることができる。また図 示例においては、覆い枠40の部分と切削用開� ��39との間に複数の小孔38を設けているが、こ れはベース11上の粉末(や除去加工に際して生 じた切り屑)を吸引する際に用いるもので、� �結後に除去加工を行うに当たって未焼結粉� �を除いた状態で行うことで未焼結粉末が造� �品を傷付けてしまうことを防いだり、除去� �工で生じた切り屑を除いて次に形成する粉� �層に切り屑が混じることを防ぐ。

 覆い枠40を兼ねるスライドプレート18に粉 末供給口19と粉末吸引機構とを設けた例を図1 7に示す。直線スライドする上記スライドプ� �ート18のスライド方向一端側に粉末供給口19� ��、覆い枠40の部分を挟んだ他端側に粉末吸� �用の吸引ノズル185を配している。該吸引ノ� �ル185は、スライドプレート18の上記他端側に スライド方向と直交する方向に長いスリット 184に沿ってスライド移動自在として配置して おり、粉末8の焼結後、あるいは除去加工後� �図17(c)に示すようにスライドプレート18のス� ��ット184を有する他端部をベース11上に位置� �せて吸引ノズル185をスリット184に沿ってス� �イドさせつつ未焼結粉末の吸引除去あるい� �切り屑の吸引除去を行う。

 このような吸引除去を行えば、次に粉末8 を供給して硬化させることで硬化層を形成す るにあたり、粉末層をスパッタなどが混入し ていない均質なものとすることができ、また 切り屑が混じっていないものとすることがで きるために、良質な硬化層を形成することが できる。なお、粉末除去を行った場合、次の 粉末供給に際しては、粉末供給部15からはよ� ��多くの粉末8を供給して粉末層を形成するこ とになる。

 ところで、粉末供給部15や覆い枠40、更に は切削用開口39等をスライドプレート18に一� �に設ける場合、複数のベース11と単一の昇降 枠12とに組み合わせると、一方のベース11に� �末を供給している時に他のベース11上で焼結 や切削加工を行ったり、あるベース11上で焼� ��を行っている時に他のベース11上で切削加� �を行ったりすることができるものとなり、� �数の造形物を同時に効率良く製造すること� �できるものとなる。

 また、スライドプレート18を上述のよう� �回転スライドするものとして設ける場合、� �の周部に粉末供給部15や覆い枠40、切削用開� ��39等を複数配置する時にも、コンパクトに� �成することができるほか、上述のように複� �のベース11と単一の昇降枠12とに組み合わせ� ��ことにも容易に対応することができる。

 上記の各例では、光学機器2を加工機3上� �設置していたが、図17に示すように覆い枠40( スライドプレート18)上に光学機器2を設置し� �ものであってもよい。

 また、光学機器2を加工機3の主軸台31に着 脱自在に取り付けるものとする場合、図18に� ��すように、光学機器2を着脱自在とするため の取付台31に、光学機器2の取付位置を上下方 向に変更することができるものを用いること も好ましい。

 光学機器2を高い位置に取り付けると、加 工面までの距離が長くなるために、この距離 が短い場合に比して、スキャン機構22の振り� ��度が同じでも加工面での走査距離が長くな� ��、同じ角速度で振っても加工面での速度は� ��くなる。その代わりに振り角度に誤差があ� ��と、加工面での照射位置誤差が大きくなる� ��

 従って、広範囲を高速に走査することが� ��められているとともに積層造形物に求めら� ��る精度がさほど高くない場合は、光学機器2 を高い位置に取り付けることで、より高速な 硬化層の形成を行うことができ、精度良く走 査したい場合は低い位置に光学機器2を取り� �けるのである。

 同じ積層造形物に対する光ビームLの照射 でも、外面となる部分を形成する時は低い位 置に、内部領域の塗り潰しを行う場合は高い 位置に光学機器2を取り付けるようにしても� �い。

 図19は、スライドプレート18に設けた材料 供給口19の上面開口を閉じるカバー193を設け� ��例を示している。該カバー193は、材料の粉� ��8にごみやほこりが混じったり、焼結時に発 生するスパッタ、あるいは切削除去加工時に 発生する切り屑などが粉末8に混じることを� �ぐ。

 このカバー193は、スライドプレート18の� �ライド動作に応じて自動開閉されるように� �ておくことが好ましく、図20に示すものでは 、回転自在に支持されているカバー193がスト ッパー194との当接で回転して材料供給口19の� ��面開口を開く。

 図21は昇降枠12の上面に溜まった余剰の粉 末8を排出するための排出口125を昇降枠12に設 けたものを示している。昇降枠12とスライド� ��レート18との間には、きわめて小さい隙間� �かなく、ベース11上の造形部上に溜まるとと もに昇降枠12の上面よりも高い位置にきた粉� ��や切り屑、スパッタ等は、スライドプレー� ��18のスライド時に昇降枠12上面の周辺部へと 押し出されてしまう。

 上記排出口125は、このような粉末や切り� ��等を排出し、スライドプレート18のスライ� �動作の妨げになったりすることを防ぐ。な� �、排出口125を通じて排出したものは、篩い� �かけて粉末8は回収することで再利用する。