三维造型方法与流程

本发明涉及一种三维形状造型物的制造方法，该方法基于反复进行粉末层的形成步骤和通过激光束或电子束对于该粉末层的烧结步骤。

背景技术：

上述三维造型方法中，不能完全防止基于下述a、b的烧结不良。

a、由于与激光束或电子束对粉末层的照射相关的控制系统的异常，导致所供给的光束过剩或不足，从而与各光束的供给正常的情况相比，烧结表面不平坦，形成大致规则的凹凸状态，

b、在粉末层的形成时，以所述a的凹凸状态的形成或碎屑混入为原因，刮刀的移动变得困难，妨碍均匀的平坦面的实现，或者以通过已经进行了烧结的层与新进行了烧结的层的熔融而实现的接合不完全等导致的粉末层表面的异常为原因，粉末层表面不平坦，形成不规则的凹凸状态。

然而，实际情况是，关于三维造型方法，在密闭的装置中反复进行层叠和烧结步骤，因此如上述a、b那样的烧结不良会被忽视，在反复进行的全部层叠步骤和全部烧结步骤结束后才首次发现。

在向粉末层表面照射了激光束或电子束的情况下，随着粉末的飞散(溅射)，如图7所示会经常产生火花。

在如所述a、b那样发生烧结不良的情况下，从经验上已知火花会呈现出与正常的烧结不同的状态。

然而，现有技术中完全没有想到要着眼于在烧结时产生的火花来检测烧结不良这样的技术构思。

在专利文献1中，关于在三维造型中伴随粉末的飞散而产生的火花，仅仅被视为异常造型的原因。

而且，除了专利文献1以外，也没有发现着眼于在各光束的照射时产生的火花从而在三维造型中积极利用该火花的公知技术文献。

在先技术文献

专利文献1：日本特开2004-277881号公报

技术实现要素：

本发明提供一种三维造型方法的技术构成，其在对粉末层照射激光束或电子束时，着眼于伴随粉末的飞散(溅射)而产生的火花，能够迅速检测到烧结不良，并且防止由于包含该烧结不良区域而产生三维造型物的缺陷产品。

在后述基本技术构成(1)、(2)中，通过伴随程序c的指示的烧结不良的检测，能够中止下一单位时间的烧结步骤或之后的粉末形成步骤，防止在烧结不良的发生状态下进行进一步的层叠和烧结这样的没有意义的步骤，进而能够避免产生作为包含烧结不良区域的三维造型物的缺陷产品。

而且，能够查明烧结不良的原因，并订正该原因，通过熔融或软化而将发生该烧结不良的全部烧结区域、或该全部区域和已经层叠的烧结区域除去，或者通过切削工具除去上述各全部烧结区域之后，再次反复进行层叠步骤和烧结步骤，该情况下，尽管会发生上述烧结不良，但能够实现有效率的三维造型物的制造。

为解决所述课题，本发明的基本技术构成包括以下(1)和(2)。

(1)一种三维造型方法，该方法伴随着交替反复进行交替反复进行粉末层形成步骤和烧结步骤的层叠工序，所述烧结步骤中通过移动的激光束或电子束的照射将所述粉末层烧结，

在所述烧结步骤时，采用以下程序：

程序a，拍摄烧结区域的整个周围的以激光束或电子束的照射为原因而伴随粉末的飞散产生的火花，并测定该火花的光强度；

程序b，在各烧结步骤所需的时间以内的单位时间中，在检测到程序a所拍摄的火花的形成区域宽度以及所述程序a测定出的火花的光强度没有脱离不会发生烧结不良的状态的上述区域宽度的基准以及上述光强度的基准的各范围的情况下，指示应该继续进行下一单位时间的烧结步骤或之后的粉末形成步骤；

程序c，在各烧结步骤所需的时间以内的单位时间中，在检测到程序a所拍摄的火花的形成区域宽度或所述程序a测定出的火花的光强度脱离了不会发生烧结不良的状态的上述区域宽度的基准或上述光强度的基准的各范围的情况下，判断为发生了烧结不良，并指示应该中止下一单位时间的烧结步骤或之后的粉末形成步骤；

程序d，拍摄发生了造成程序c的指示的烧结不良的烧结部位以及之后的单位时间内的烧结部位的火花的形成区域；

程序e，在程序d中的各火花的形成区域宽度没有变化或缓慢变化的情况下，判断为造成程序c的指示的烧结不良是由于与激光束或电子束相关的控制系统的异常，在程序d中的各火花的形成区域宽度急剧变化的情况下，判断为造成程序c的指示的烧结不良是由于粉末层表面的异常。

(2)一种三维造型方法，该方法伴随着交替反复进行粉末层形成步骤和烧结步骤，所述烧结步骤中通过移动的激光束后电子束的照射将所述粉末层烧结，

在所述烧结步骤时，采用以下程序：

程序a，拍摄烧结区域的整个周围的以激光束或电子束的照射为原因而伴随粉末的飞散产生的火花，并测定该火花的光强度；

程序b，在各烧结步骤所需的时间以内的单位时间中，在检测到程序a所拍摄的火花的形成区域宽度以及通过所述程序a测定出的火花的光强度没有脱离不会发生烧结不良的状态的上述区域宽度的基准以及上述光强度的基准的各范围的情况下，指示应该继续进行下一单位时间的烧结步骤或之后的粉末形成步骤；

程序c，在各烧结步骤所需的时间以内的单位时间中，在检测到程序a所拍摄的火花的形成区域宽度或通过所述程序a测定出的火花的光强度脱离了不会发生烧结不良的状态的上述区域宽度的基准或上述光强度的基准的各范围的情况下，判断为发生了烧结不良，并指示应该中止下一单位时间的烧结步骤或之后的粉末形成步骤；

程序f，记录发生了造成程序c的指示的烧结不良的部位以及之后的单位时间内的烧结部位的火花的光强度；

程序g，在程序f中的各光强度没有变化或缓慢变化的情况下，判断为造成程序c的指示的烧结不良是由于与激光束或电子束相关的控制系统的异常，在程序f中的各光强度急剧变化的情况下，判断为上述烧结不良是由于粉末层表面的异常。

附图说明

图1是关于实现本发明的三维造型方法的装置的示意图，(a)表示侧剖视图，(b)是表示拍摄火花的发生区域并测定火花的光强度的装置的配置状况的正视图。

图2是实现基本技术构成(1)、(2)中的程序a、b、c的流程图。

图3是表示火花的形成区域宽度的时间的推移的图表，(a)表示以背景技术的a项记载的控制的异常为原因的上述区域宽度的变化状况，(b)表示以背景技术的b项记载的粉末层表面的异常为原因的上述区域宽度的变化状况。

图4是与在基本技术构成(1)中基于如图3所示的变化的状况来实现程序d、e相关的流程图。

图5是表示火花的光强度的时间的推移的图表，(a)表示背景技术的a项记载的控制系统异常的情况下的上述光强度的变化状况，(b)表示背景技术的b项记载的粉末层表面异常的情况下的上述光强度的变化状况。

图6是与在基本技术构成(2)中基于如图5所示的变化的状况的差异来实现程序f、g相关的流程图。

图7是表示在进行三维造型的容器内以激光束或电子束的照射为原因而在粉末层表面产生火花的照片。

附图标记说明

1容器

2工作台

3粉末供给用具

4刮刀

5激光束或电子束供给源

6扫描器

7火花

8火花的形成区域宽度拍摄装置

9火花的光强度的测定装置

10控制器

具体实施方式

在所述基本技术构成(1)、(2)中，如图1所示，与现有技术同样需要下述部件：在容器1内将层叠的粉末和基于该粉末的烧结生成物载置的工作台2、对容器1供给粉末的粉末供给用具3、用于使所供给的粉末平坦的刮刀4、激光束或电子束供给源5、用于使这些光束能够移动的扫描装置6、以及控制器10，但还在烧结区域的整个周围具备火花拍摄装置8和火花的光强度测定装置9。

火花在烧结面产生，将火花拍摄装置8和火花的光强度测定装置9设置于烧结面以上的高度区域。

再者，光强度测定装置9能够以火花的光的光度和照度的任一者为基准。

在所述基本技术构成(1)、(2)的程序b、c中，为了进行与上述区域宽度和上述光强度相关的评价，设定各烧结步骤以内的单位时间，其依据在于，对每次测定都进行评价极为繁杂并且没有意义，因此进行有效率的评价。

上述单位时间也包括作为各烧结步骤的时间的情况，但可以选择该时间的1/10～1/2这样的时间进行设定。

所述基本技术构成(1)、(2)中的程序a、b、c，如图2的流程图所示，在处于不会发生烧结不良的状态、且在作为预先设定的基准的火花的形成区域宽度和火花的光强度的范围内的情况下，如程序b那样指示应该继续进行下一单位时间的烧结或之后的粉末层形成步骤，而在发生了烧结不良、且脱离了作为预先设定的基准的火花的形成区域宽度或火花的光强度的范围的情况下，即大于或小于该基准范围的任一情况下，都如程序c那样中止下一单位时间的烧结或之后的粉末层形成步骤。

不会发生烧结不良的情况下的上述基准范围，是根据以在各烧结步骤中确认没有发生烧结不良的情况下的火花的形成的最大宽度和最小宽度、以及光强度的光度或照度的最大值和最小值为基准的数据，预先对于各烧结步骤分别设定的。

在程序a测定出的火花的形成区域宽度和火花的光强度脱离了所述基准范围的情况下，选择程序c那样的中止的依据如下所述。

在发生了背景技术的a项记载的与激光束或电子束的控制相关的异常的情况下，这些光束超过了不会产生烧结不良的适当的量时，程序a所拍摄的火花的形成区域宽度会超出预定的图像范围，同样程序a测定出的光强度也会超出预定数值范围，而在这些光束低于上述适当的量时，上述区域宽度不会到达预定的图像范围，并且上述光强度低于预定数值范围。

在这些光束超过或低于适当的量的任一情况下，在烧结表面，与正常的烧结相比，都会形成大致规则的凹凸状态，意味着在上述区域宽度脱离预定的图像范围、并且上述光强度脱离预定数值范围的情况下，与烧结不良的发生相对应地选择程序c的中止是适当的。

另外，在背景技术的b项记载的粉末层表面的异常的情况下，在该异常的表面，形成不规则的凹凸状态，由此平面方向(实际为水平方向)上的每单位面积的粉末的表面积增加，因此与正常的粉末层表面的情况相比，火花的形成区域宽度呈现出更大的图像宽度，并且与正常的粉末层表面的情况相比，火花的光强度也成为更大的数值，程序c的选择是适当的。

并且，造成程序c的指示的烧结不良，大部分情况都由于所述a、b的原因。

如此，基于不会发生烧结不良的情况下的火花的形成区域宽度或火花的光强度的基准范围而发出程序c的中止指令是非常适当的，通过这样的指令，能够防止进一步的层叠和烧结的反复进行这样的没有意义且浪费的步骤的发生，进而避免伴有缺陷的三维造型物的制造。

不会发生烧结不良的情况下的上述区域宽度的图像范围以及上述光强度的基准的数值范围的设定，如下所述。

在三维造型方法中，通过造形对象物的种类来确定适当的激光束或电子束的强度的范围。

因此，关于不会成为以所述a的异常光束供给为原因的凹凸状态的基准，可以通过针对各种类的造形对象物，在预定的单位时间和预定的测定位置的条件下进行使正常的激光束或电子束的供给量从正常状态开始依次增加和减少而到达适当的凹凸状态的界限这样的供给，测定该界限阶段的火花7的形成区域宽度和火花7的光强度，由此预先设定上述供给量将要到达过剩阶段的最大值和将要达到不足状态的最小值。

另外，三维造型对象物的大多数种类中，正常即平坦的粉末表面的状态是共通的。

考虑到这一点，关于不会成为所述b的异常的凹凸状态的基准，可以通过在预定的单位时间和预定的测定位置的条件下，设定以碎屑的混入等为原因妨碍平坦面的实现的刮刀4的难以移动的状态、或由不充分的烧结导致的不完全的熔融状态，进行将上述不规则的程度和不完全的程度逐渐减少这样的个别的实验，确认正常的平坦状态与异常的凹凸状态的边界阶段，测定进行了该确认的阶段的火花7的形成区域宽度和火花7的光强度，由此预先设定将要达到不规则的状态的最小值。

上述区域宽度与上述光强度在大多数情况下存在对应关系，前者在基准范围内的情况下，后者也同样，前者脱离基准范围的情况下，后者也同样。

也有极其例外的情况，这样的对应关系不成立，不能否定会发生前者在基准范围内但后者脱离基准范围的情况或相反的情况。

因此，在程序b指示继续进行的情况下，需要两者都在各基准范围内，相对地，在程序c指示中止的情况下，需要任意一方脱离了各基准范围。

再者，在图2的流程图中，关于程序b和c的区分，进行了上述区域宽度和光强度是否在基准范围内的判断，但在该判断为“否”即否定的情况下，表示至少任一方脱离了各基准范围，不需要由上述判断进一步判断任一方是否脱离了各基准范围。

在发生了造成程序c的指示的烧结不良的情况下，通常会查明其原因。

为了查明上述烧结不良的原因，在基本技术构成(1)中采用以下程序：

程序d，拍摄发生了造成程序c的指示的烧结不良的烧结部位以及之后的单位时间内的烧结部位的火花的形成区域；

程序e，在程序d中的各火花的形成区域宽度没有变化或缓慢变化的情况下，判断为造成程序c的指示的烧结不良是由于与激光束或电子束相关的控制系统的异常，在程序d中的各火花的形成区域宽度急剧变化的情况下，判断为造成程序c的指示的烧结不良是由于粉末层表面的异常。

程序e的判断的依据如下所述。

以所述a的与控制系统相关的异常为原因的烧结不良的情况下，激光束或电子束处于过剩或不足的状态，这样的过剩状态或不足状态会持续，因此上述区域宽度即使烧结部位不同也没有变化(也包括几乎没有变化这样的近似于没有变化的情况)或缓慢变化。

因此，如程序d那样，相对于造成程序c的指示的烧结不良的部位的上述区域宽度，之后的烧结部位的区域宽度如图3(a)所示没有变化或缓慢变化。

与此相对，以所述b那样的粉末层表面的异常为原因的烧结不良的情况下，该烧结不良的部位并不一定连续，粉末层的凹凸状态是不规则的。

因此，在发生了造成程序c的指示的烧结不良的烧结部位之后，拍摄上述区域宽度的烧结部位依然处于烧结不良状态的情况下，不规则的凹凸状态与当初的烧结不良的凹凸状态明显不同，由此上述区域宽度也不同。

另外，在之后的烧结部位中烧结不良已经消失的情况下，上述区域宽度在程序b的基准范围内，与对应于程序c的指示原因的当初的上述区域宽度明显不同。

因此，相对于发生了造成程序c的指示的烧结不良的烧结部位的上述区域宽度，之后的烧结部位的上述区域宽度如图3(b)所示急剧变化。

像这样，所述a的情况与所述b的情况，由于上述区域宽度的推移明显不同，因此光谱图像的变化状态也不同，能够进行程序e那样的判断。

程序e的判断，能够通过对造成程序c的指示的烧结不良所对应的上述区域宽度和之后的烧结区域所对应的上述区域宽度的变化状态进行目测来实现。

但是，在使上述判断自动化并显示该判断的情况下，需要预定的数值控制。

因此，如图4的流程图所示，可以采用下述实施方式，该实施方式的特征在于，程序d的各火花的形成区域宽度之中，发生了造成程序c的指示的烧结不良的烧结部位的火花的形成区域宽度与之后的烧结部位之中1处烧结部位的火花的形成区域宽度的差异为预先作为区分基准而设定的预定数值范围以内的情况下，判断并显示为造成程序c的指示的烧结不良是由于与激光束或电子束相关的控制系统的异常，在所述差异脱离了预先作为区分基准而设定的预定数值范围的情况下，判断并显示为烧结不良是由于粉末层表面的异常。

将上述预定数值范围预先设定为基准，可以通过下述方式实现：在各烧结步骤中，关于如所述a那样与激光束或电子束相关的控制系统的异常为最大状态的情况，对各单位时间的多处预先拍摄伴随粉末的飞散的火花的形成区域宽度，并预先作成与上述区域宽度的变化状态相关的数据之后，在实际的判断时，采用上述两处烧结部位的上述区域宽度的比率或差值的数值。

上述数值也会根据造形对象物的原料、各光束的照射强度、以及测定上述区域宽度和上述光强度的测定装置的性能而有所不同，一般而言无法确定上述基准范围的数值范围。

为查明上述烧结不良的原因，在基本技术构成(2)中，采用以下程序：

程序f，记录发生了造成程序c的指示的烧结不良的部位以及之后的单位时间内的烧结部位的火花的光强度；

程序g，在程序f中的各光强度没有变化或缓慢变化的情况下，判断为造成程序c的指示的烧结不良是由于与激光束或电子束相关的控制系统的异常，在程序f中的各光强度急剧变化的情况下，判断为上述烧结不良是由于粉末层表面的异常。

通过程序f那样记录上述光强度，能够进行程序g那样的判断的依据如下所述。

如对于程序d的拍摄和程序e的判断所说明的那样，在以a为原因的情况下，伴随粉末的飞散的火花的发生状态没有变化(也包括几乎没有发生变化这样的近似于没有变化的情况)或缓慢变化。

其结果，火花的光强度也如图5(a)所示没有变化或缓慢变化。

与此相对，在以所述b为原因的情况下，粉末层表面的凹凸状态急剧变化，其结果造成程序c的指示的烧结部位的上述光强度与之后的烧结部位的上述光强度，如图5(b)所示急剧变化。

像这样，所述a的情况与所述b的情况，上述光强度的变化的推移明显不同，因此能够进行程序g那样的判断。

程序g的判断，能够通过对造成程序c的指示的烧结不良的上述光强度与之后的烧结区域的上述光强度的变化状态进行目测而实现。

但是，为了使上述判断自动化并显示该判断，需要预定的数值控制。

因此，如图6的流程图所示，可以采用下述实施方式，该实施方式的特征在于，程序f的各光强度之中，发生了造成程序c的指示的烧结不良的烧结部位的光强度与之后的烧结部位之中1处烧结部位的光强度的差异为预先作为区分基准而设定的预定数值范围内的情况下，判断并显示为造成程序c的指示的烧结不良是由于与激光束或电子束相关的控制系统的异常，在上述差异脱离了预先作为区分基准而设定的预定数值范围的情况下，判断并显示为烧结不良是由于粉末层表面的异常。

将上述预定数值范围预先设定为基准，可以通过下述方式实现：关于如所述a那样与激光束或电子束相关的控制系统的异常状态为最大状态的情况，根据各烧结步骤的单位时间，预先作成与上述光强度的推移相关的数据，由此在实际的判断时，采用与上述两处烧结部位的烧结强度相关的比率或差值的数值的基准。

上述数值也会根据造形对象物的原料、各光束的照射强度、以及测定上述区域宽度和上述光强度的测定装置的性能而有所不同，一般无法确定上述基准范围的数值范围。

实施例

以下，通过实施例进行说明。

实施例1

实施例1的特征在于，订正烧结不良的原因，并且对于包括进行了程序c的指示的烧结部位的全部烧结区域、或该全部烧结区域和已经层叠于该区域的下侧的全部烧结区域，通过激光束或电子束进行熔融或软化之后，仅除去该熔融或软化区域的厚度量或该烧结和层叠了的烧结区域的厚度量，或者将上述各全部烧结区域通过切削工具除去之后，再次从进行了除去的区域起反复进行层叠步骤和烧结步骤。

对于实施例1的技术主旨进行说明，即使将造成程序c的指示的烧结不良的位置及其附近通过激光束或电子束熔融并除去，在对于这样的区域再次进行层叠和烧结的情况下，也需要对进行了熔融、除去的区域进行图像分析，基于该分析再次进行层叠和烧结。

但是，进行这样的图像分析以及基于该图像分析而实现局部区域的粉末层形成步骤和烧结步骤，非常繁杂且效率很低。

因此，在实施例1中，通过上述各光束将包括发生了烧结不良的位置的全部烧结区域、或除了该全部烧结区域以外还将已经形成的全部烧结区域熔融之后，基于准确的尺寸测定，除去该烧结区域的厚度量，或除去该全部区域和已经形成于其下方的全部烧结区域的厚度量，然后再次进行层叠和烧结。

在这样的实施例1的情况下，除了如上述那样进行了熔融和除去的区域以外，能够有效利用已经形成的烧结层，即使在判断为烧结不良的情况下，也能够制造不伴有缺陷的三维造型物。

实施例2

实施例2的特征在于，在程序c的指示时，通过光信号和/或声音信号来告知烧结异常。

通过这样的特征，能够迅速应对烧结不良。

特别是根据烧结不良由于所述a、b的任一者而选择不同颜色的光信号或选择不同声音的情况下，能够迅速地掌握并应对烧结不良的原因。

产业可利用性

像这样，本发明通过迅速检测到烧结不良，能够有效率地制造三维造型物，并且可防止伴有缺陷的三维造型物的制造，因此本发明能够利用于所有三维造型方法。