專利名稱：三維形狀造形物的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對無機(jī)物或有機(jī)物的粉末材料進(jìn)行光束照射的三維形狀造 形物的制造方法。
背景技術(shù)：
一直以來，已知將光束照射到無機(jī)物或有機(jī)物的粉末材料所形成的粉末層， 溶解粉末層并形成燒結(jié)層，在該燒結(jié)層上形成新的粉末層并將光束照射在該粉 末層上，反復(fù)如此，造型出三維形狀的制造方法。在這樣的制造方法中，作為
光束的光源，主要采用COr激光。
由于該C(V激光是氣體激光，因此，伴隨著激光振蕩的發(fā)熱，因而光束振蕩 器內(nèi)部的振鏡的沖t準(zhǔn)會有細(xì)^L變化，光束的發(fā)散角、光束光軸的穩(wěn)定性、激光 輸出的穩(wěn)定性等特性會變化。并且，由于光束的特性變化，光束的照射位置、 聚光直徑、以及激光功率等出現(xiàn)變動。另外，作為光束的光源，當(dāng)采用YAG激 光時，由于YAG棒兩端的振鏡的熱平衡、YAG棒自身的熱膨脹，在光束開始射出 之后，與C02激光同樣，光束的發(fā)散角、光軸的穩(wěn)定性、激光輸出的穩(wěn)定性等特 性會發(fā)生變化，光束的照射位置、聚光直徑、以及激光功率等出現(xiàn)變動。因此， 必須校正光束的照射位置等，照射位置的校正，是將光束照射在感光紙上，測 量感光紙上因光束的熱量而變色的照射痕跡的位置。
但是，該校正方法中，校正時的激光輸出為數(shù)W 數(shù)10W,與實際燒結(jié)粉末 時輸出的數(shù)100W相比非常小。因此，由于校正時的激光的振蕩狀態(tài)與粉末燒結(jié) 時不同，所以，光束振蕩器的發(fā)熱狀態(tài)會變化，光束的照射位置與粉末燒結(jié)時 的照射位置不一致。因此，不能充分進(jìn)行光束的照射位置的校正。另外，已知以與粉末燒結(jié)時同等的激光輸出而形成照射痕跡，進(jìn)行光束照 射位置校正的三維形狀造形物的制造方法(例如參照專利文獻(xiàn)1 (特開
2005-133120號公報))。
但是，如專利文獻(xiàn)1所示的制造方法中，由于光束的照射痕跡的對比不清 楚，因而也不能充分進(jìn)行照射位置的校正。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解除上述問題，提供一種能夠容易進(jìn)行光束的照射位置校正的 三維形狀造形物的制造方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明三維形狀造形物的制造方法包括粉末層形成步 驟，向造形用板提供粉末材料形成粉末層；照射步驟，向所述粉末層照射光束 形成燒結(jié)層；層積步驟，通過反復(fù)進(jìn)行所述粉末層形成步驟和照射步驟，層積 所述燒結(jié)層。本發(fā)明三維形狀造形物的制造方法還包括標(biāo)記步驟，通過以與 所述照射步驟時相同的激光輸出，將所述光束向設(shè)置在所述光束的照射面的校 正用目標(biāo)照射，在所述4文正用目標(biāo)處形成標(biāo)記；才文正步驟，測量利用所述標(biāo)記 步驟形成的標(biāo)記的位置，基于與預(yù)先設(shè)定的照射位置的誤差，進(jìn)行所述光束的 照射位置的校正；所述校正用目標(biāo)由用所述標(biāo)記步驟的光束照射，被光束穿透 的材質(zhì)構(gòu)成。
本發(fā)明中，由于校正用目標(biāo)被光束照射而穿透，因而標(biāo)記和標(biāo)記周圍的對 比變得清楚，所以，能夠容易地測量標(biāo)記的位置，能夠容易地進(jìn)行光束的照射 位置的校正。
優(yōu)選是所述校正用目標(biāo)被設(shè)置在放置在照射面的板上，所述板對應(yīng)于標(biāo)記 的形成位置的部位為空洞。由此，由于標(biāo)記下方的々反為空洞，因此標(biāo)記和標(biāo)記 周圍的對比變得更清楚，能夠容易地測量標(biāo)記的位置。優(yōu)選是在所述校正步驟中，通過照明所述校正用目標(biāo)，拍攝由照明造成的 對比，來進(jìn)行標(biāo)記位置的測量。由此，由于對標(biāo)記進(jìn)行照明，因此標(biāo)記和標(biāo)記 周圍的對比變得更為清楚，能夠容易地測量標(biāo)記的位置。
優(yōu)選是所述標(biāo)記步驟，相互獨立地不重疊地形成多個標(biāo)記。由此，由于標(biāo) 記相互獨立不重疊，因此沖t正用目標(biāo)不會脫落。
優(yōu)選是所述標(biāo)記為十字形狀。因此，由于標(biāo)記為十字形狀，因此能夠容易 地求得縱線和^f黃線交差的坐標(biāo)。
優(yōu)選是所述標(biāo)記為圓形。由此，由于標(biāo)記為圓形，因此能夠容易地通過圓
上的3點坐標(biāo)求得圓的中心坐標(biāo)。


圖la為采用本發(fā)明實施例一提供的制造方法的金屬光造形加工機(jī)的立體 圖；圖lb為同一金屬光造形加工機(jī)的正視圖； 圖2為同一制造方法的時序列示意圖； 圖3為同一制造方法的流程圖4為在同一制造方法中拍攝校正用標(biāo)記的狀態(tài)示意圖5a為在本發(fā)明實施例二提供的制造方法的光束照射位置的校正步驟中， 拍攝沉孔上的校正用標(biāo)記的狀態(tài)示意圖；圖5b為在同一校正步驟中，拍攝通孔 上的校正用標(biāo)記的狀態(tài)示意圖6a為在同一校正步驟中所采用的校正用板的平面圖；圖6b為放置在校 正用板上的校正用目標(biāo)的平面圖7a為在本發(fā)明實施例三提供的制造方法的光束照射位置的校正步驟中， 照明拍攝沉孔上的校正用標(biāo)記的狀態(tài)示意圖；圖7b為同一校正步驟中，照明拍 攝通孔上的校正用標(biāo)記的狀態(tài)示意圖；圖8為對在同一校正步驟中所用的校正用標(biāo)記，從下方照明拍攝的狀態(tài)示
意圖9a為在本發(fā)明實施例四提供的制造方法的光束照射位置的校正步驟中所 用的校正用標(biāo)記的平面圖；圖9b為被相互連續(xù)重疊形成的校正用標(biāo)記的平面圖10為本發(fā)明實施例五提供的制造方法的光束照射位置的校正步驟中所用 的校正用標(biāo)記的平面圖11為本發(fā)明實施例六提供的制造方法的光束照射位置的校正步驟中所用 的校正用標(biāo)記的平面圖。
具體實施例方式
實施例一
參照附圖對本發(fā)明實施例 一提供的三維形狀造形物的制造方法進(jìn)行說明。 圖1 (a)及(b)表示用于同一制造方法的金屬光造形加工機(jī)的構(gòu)成，在圖lb 中，省略了照射部的一部分。金屬光造形加工機(jī)l包括粉末層形成部2，將金 屬粉末鋪成少見定厚度的層；照射部3，產(chǎn)生光束L,將光束L照射到任意位置； 控制部6，控制金屬光造形加工機(jī)1各部分動作。粉末層形成部2包括升降平 臺21，可上下升降；造形用板23，配置在升降平臺21上，成為造形物22的基 座；刮刷25,向箭頭A方向移動，在造形用板23上鋪金屬粉末的粉末層24; 造形缸26，包圍升降平臺21等。
照射部3包括振蕩光束L的光束振蕩機(jī)31;反射從光束振蕩器31來的光 束L，旋轉(zhuǎn)自如的2片掃描鏡32;進(jìn)行掃描鏡32的旋轉(zhuǎn)的角度控制的掃描器33。 控制部6通過掃描器33調(diào)整掃描鏡32的旋轉(zhuǎn)角度，使光束L在粉末層24上掃 描。掃描鏡32和掃描器33構(gòu)成掃描頭34。光束振蕩器31為例如二氧化碳激光、 YAG激光振蕩器。金屬光造形加工機(jī)l包括拍攝相機(jī)5，拍攝形成于后述校正用目標(biāo)4的校正用標(biāo)記的位置；XY驅(qū)動機(jī)構(gòu)51，使拍攝相機(jī)5移動到拍攝場所； 圖像處理裝置52,處理拍攝相機(jī)5所拍攝的圖像。
金屬光造形加工機(jī)l，作為三維形狀造形前的處理，為了進(jìn)行光束L的照射 位置的校正，進(jìn)行下面的標(biāo)記步驟以及其后的校正步驟。在該標(biāo)記步驟中，在 造形用板23上放置校正用目標(biāo)4。通過用掃描頭34將光束L照射在該校正用目 標(biāo)4上，在該校正用目標(biāo)4上形成作為光束照射位置的校正基準(zhǔn)的校正用標(biāo)記。 用拍攝相機(jī)5拍攝在該校正用目標(biāo)4形成的校正用標(biāo)記，根據(jù)該圖像校正光束L 的照射位置。
在如上所述構(gòu)成的金屬光造形加工機(jī)1中，參照圖2及圖3說明三維形狀 造形物的制造方法。圖2表示實施該制造方法時的時序列狀態(tài)，圖3表示該流 程。首先，如圖2(a)所示，在造形用板23上放置校正用目標(biāo)4 (步驟Sl,省 略記為S1，以下同樣)。其次，將光束L照射在校正用目標(biāo)4上，形成校正用標(biāo) 記(標(biāo)記)7 (S2)。；艮正用標(biāo)記7為十字形狀，但j交正用標(biāo)記7的形狀也可以 為圓形、四角形等其他形狀。在該S2中，光束L的激光輸出與燒結(jié)粉末層時的 激光輸出為同等強(qiáng)度。該Sl及S2構(gòu)成標(biāo)記步驟。
下面，如圖2 (b)所示，控制部利用XY驅(qū)動機(jī)構(gòu)使拍攝相機(jī)5移動到校正 用標(biāo)記7的上方，拍t聶4交正用標(biāo)記7,測定^^正用標(biāo)記7的位置(S3)。并且， 判斷拍攝的校正用標(biāo)記7的位置和預(yù)先設(shè)定的照射位置的誤差是否小于規(guī)定量 (S4)。當(dāng)誤差大于規(guī)定量時，控制部進(jìn)行光束L的照射位置的校正(S5)。并 且，將校正用目標(biāo)4換成新的(S6)，返回到S2。該S3至S6構(gòu)成校正步驟。這 樣反復(fù)進(jìn)行S2至S6，直到校正用標(biāo)記7的位置和預(yù)先設(shè)定的照射位置的誤差變 成比規(guī)定量小，當(dāng)比規(guī)定量小時，從造形用板23上除去校正用目標(biāo)4，進(jìn)入其 后的S7。下面，如圖2 (c)所示，控制部使升降平臺21下降到造形用板23的上面 與造形缸26的上面的階差長度為At (S7)。其次，控制部通過刮刷25在造形 用板23上提供金屬粉末。刮刷25移動到水平方向與造形缸26的上面相同的高 度，在造形用板23上形成厚度為At的粉末層24 (S8)。該S7及S8構(gòu)成粉末 層形成步驟。
上述S6之后，如圖2 (d)所示，控制部使掃描頭34在任意位置掃描光束 L(S9)，溶解粉末層24，形成與造形用板23—體化的燒結(jié)層27 (SIO)。該S9 及S10構(gòu)成照射步驟。
上述S10之后，控制部判斷造形是否完成(Sll)，未完成時如圖2 (c)、 (d) 所示返回到S7，反復(fù)實行S7至S10,層積燒結(jié)層27。該S7至S10構(gòu)成層積步 驟。這樣，如圖2 (e)所示，層積燒結(jié)層27，將造形物22造形。上述標(biāo)記步 驟及校正步驟所提及的光束的照射位置的校正，可以在將造形物22造形的最初 進(jìn)行，也可以在將造形物22造形期間的任意時刻進(jìn)行。在將造形物22造形期 間進(jìn)行光束的照射位置的校正時，在粉末層24、燒結(jié)層27上設(shè)置校正用目標(biāo)4， 進(jìn)行標(biāo)記步驟及校正步驟。
下面，參照圖4對上述標(biāo)記步驟后的校正步驟進(jìn)行說明。圖4表示用拍攝 相機(jī)5拍攝在校正用目標(biāo)4形成的校正用標(biāo)記7的狀態(tài)。校正用目標(biāo)4被放置 在造形用板23上，在標(biāo)記步驟中在校正用目標(biāo)4形成才交正用標(biāo)記7。該被標(biāo)記 的校正用目標(biāo)4可以由被光束L照射時，被照射的部分溶解并穿透孔洞的材質(zhì) 構(gòu)成。校正用目標(biāo)4是例如厚度為0. 05 ~ 0. 3mm的白色紙。并且，校正用目標(biāo)4 被穿透形成校正用標(biāo)記7。
拍攝相機(jī)5通過XY驅(qū)動機(jī)構(gòu)向X方向及Y方向移動，在穿透了的校正用標(biāo) 記7之上，拍攝校正用標(biāo)記7。拍攝的圖像由圖像處理裝置52解析，測量校正用標(biāo)記7的位置。由于才交正用目標(biāo)4的;f交正用標(biāo)記7是^皮光束照射穿透而形成， 因此，校正用標(biāo)記7和其周圍的對比變得清楚，所以，能夠容易地測量校正用 標(biāo)記7的位置，能夠容易地進(jìn)行光束L的照射位置的校正。 實施例二
參照附圖對在本發(fā)明實施例二提供的三維形狀造形物的制造方法中，光束 照射位置的校正進(jìn)行說明。圖5 ( a )及(b )表示用拍攝相機(jī)5拍攝在校正用目 標(biāo)4形成的校正用標(biāo)記7的狀態(tài)。校正用目標(biāo)4凈皮放置在為使4交正用標(biāo)記7的 對比清楚而設(shè)有空洞的校正用板41上，圖5 (a)中該空洞為沉孔41a,在圖5 (b)中，該空洞為通孔41b。圖6 (a)表示放置校正用目標(biāo)4的校正用板的俯 視圖，圖6 ( b )表示被放置在校正用板41上的校正用目標(biāo)4的狀態(tài)。
在本實施例中，在造形用板23上放置校正用板(板)41,在該校正用板41 上放置有校正用目標(biāo)4。校正用板41對應(yīng)于校正用目標(biāo)4的校正用標(biāo)記7的部 位為空洞?？斩纯梢允遣淮┩傅某量?1a，也可以是通孔41b。在圖6(a)及(b) 的例子中，校正用板41在9個部位開了沉孔41a或通孔41b,在該沉孔41a及 通孔41b的上方的位置，在校正用目標(biāo)4上形成校正用標(biāo)記7。拍攝該校正用標(biāo) 記7時，由于才交正用標(biāo)記7的下方為空洞，因此，；f交正用標(biāo)記7的部分變暗， 校正用標(biāo)記7和其周圍的對比變得清楚。
另外，如上述實施例一，校正用目標(biāo)4被直接放置在造形用板23上時，標(biāo) 記步驟時光束的熱量向造形用板23散發(fā)，校正用目標(biāo)4的溫度不上升就很難穿 透校正用標(biāo)記7。與此相對，在本實施例中由于校正用標(biāo)記7的下方為空洞，使 光束的熱量不散發(fā)，很容易穿透校正用標(biāo)記7的孔。由此，校正用標(biāo)記7和其 周圍的對比變得清楚。
實施例三參照附圖對本發(fā)明實施例三提供的三維形狀造形物的制造方法中的光束照
射位置的校正進(jìn)行說明。圖7 ( a )表示位于沉孔41a上方的校正用標(biāo)記7的拍 攝狀態(tài)，圖7 (b)表示位于通孔41b上方的校正用標(biāo)記7的拍攝狀態(tài)。本實施 例中，金屬光造形加工機(jī)1包括照明部8,由照明部8對校正用標(biāo)記7照明拍攝。 照明部8是例如白熾燈、LED等。另外，也可以是傳送從外部來的光而進(jìn)行照射 的光纖。校正用板41的空洞無論是如圖7(a)所示的沉孔41a,還是如圖7(b) 所示的通孔41b，由于射入穿透了的校正用標(biāo)記7的光，進(jìn)入下方的空洞，校正 用標(biāo)記7的部分拍攝得較暗，而照射校正用標(biāo)記7周圍的光向上方反射，校正 用標(biāo)記7的周圍部分拍攝得較亮，因此，校正用標(biāo)記7和其周圍的對比變得清 楚。
圖8表示對位于校正用板41的通孔41b上方的校正用標(biāo)記7，從校正用目 標(biāo)4的下側(cè)照明進(jìn)行光束的照射位置校正。此時，在校正用板41和造形用板23 間設(shè)有空間，在該空間設(shè)置照明部8。由于從照明部8來的光通過空洞，照射拍 攝相機(jī)5，校正用標(biāo)記7拍攝得較亮，而校正用標(biāo)記7的周圍部分拍攝得較暗， 因此，校正用標(biāo)記7和其周圍的對比變得清楚。
實施例四
參照附圖對本發(fā)明實施例四提供的三維形狀造形物的制造方法中的光束的 照射位置的校正進(jìn)行說明。圖9 (a)及(b)表示形成了十字形狀的校正用標(biāo)記 7的校正用目標(biāo)4的平面視圖。在本實施例中，如圖9(a)所示，校正用標(biāo)記7 被相互獨立不重疊地形成。圖9 (b)表示校正用標(biāo)記7^皮相互連續(xù)重疊地形成 的狀態(tài)。如圖9b所示，4交正用標(biāo)記7被連續(xù)形成時，校正用標(biāo)記7穿透校正用 目標(biāo)4，因此，被校正用標(biāo)記7包圍、用斜線表示的部分向下脫落，不能測量校 正用標(biāo)記7的位置。與此相對，如圖9 (a)所示的本實施例，通過獨立不重疊地形成校正用標(biāo)記7，校正用目標(biāo)4不會脫落，能夠測量校正用標(biāo)記7的位置。 實施例五
參照附圖對本發(fā)明實施例五提供的三維形狀造形物的制造方法中的光束的 照射位置的校正進(jìn)行說明。圖10表示校正用標(biāo)記7的形狀。在本實施例中，將 校正用標(biāo)記7設(shè)為十字形狀，校正用標(biāo)記7的位置如下測量。校正用標(biāo)記7由 縱線71和橫線72構(gòu)成。縱線71和橫線72的線寬設(shè)為收進(jìn)拍攝相機(jī)5視野的 寬度，大概在視野的一半以下最好。由于設(shè)為一半以下，無論視野為多少，都 能夠測量校正用標(biāo)記7的位置。首先，求得校正用標(biāo)記7的縱線71的左側(cè)分界 線71L和右側(cè)分界線71R，算出2個分界線的中間線71C。同樣的，求得橫線72 的上側(cè)分界線72U和下側(cè)分界線72L,算出2個分界線的中間線72C。由2個中 間線71C及72C算出交點的坐標(biāo)，作為校正用標(biāo)記7的位置。如此，因為校正 用標(biāo)記7是十字形狀，所以，能夠容易地求得縱線和橫線交差的坐標(biāo)。
實施例六
參照附圖對本發(fā)明實施例六提供的三維形狀造形物的制造方法中的光束的 照射位置的校正進(jìn)行說明。圖11表示校正用標(biāo)記7的形狀。在本實施例中，校 正用標(biāo)記7設(shè)為圓形。該圓73可以是以圓形狀掃描光束而形成，也可以是將光 束自身設(shè)為圓形而形成。圓73的直徑大概設(shè)為拍攝相機(jī)5視野的3/4以下最好。 由于設(shè)為3/4以下，無論視野是多少，都能夠測量校正用標(biāo)記7的位置。校正 用標(biāo)記7的位置如下測量。求得圓73的外周部分的任意3點73a、 73b及73c 的坐標(biāo)。由于通過3點的圓^f又能確定出一個，因此，由測量到的3點73a、 73b 及73c的坐標(biāo)，算出圓的中心點。如此，因為校正用標(biāo)記7為圓形，所以，能 夠容易地由圓上的3點坐標(biāo)求得圓中心的坐標(biāo)。
另外，本發(fā)明不限于以上各種實施例的構(gòu)成，在不變更發(fā)明意圖的范圍內(nèi)可能有各種變形。例如，校正用目標(biāo)還可以使用亞克力板、薄鐵板，在該情況 中也能夠得到與使用紙同樣的效果。另外，本發(fā)明的制造方法也可以由設(shè)有切 削三維形狀造形物表面的切削工具的金屬光造形復(fù)合加工機(jī)進(jìn)行。在該情況中 也能夠得到與金屬光造形加工機(jī)同樣的效果。金屬光造形復(fù)合加工機(jī)，實施本
發(fā)明時，也可以將拍攝相機(jī)5安裝在切削工具的銑頭上。由此，由于XY驅(qū)動機(jī) 構(gòu)51變得不需要，因此成本降低，另外，由于能夠使銑頭的坐標(biāo)系和光束的坐 標(biāo)系 一致，因此金屬光造形復(fù)合加工機(jī)的加工精度變得良好。
本申請是基于日本專利申請2007-279559要求優(yōu)先權(quán)。參照該申請的全部 內(nèi)容，提出該申請。
權(quán)利要求
1、一種三維形狀造形物的制造方法，包括粉末層形成步驟，向造形用板提供粉末材料，形成粉末層；照射步驟，對所述粉末層照射光束，形成燒結(jié)層；層積步驟，通過反復(fù)進(jìn)行所述粉末層形成步驟和照射步驟，層積所述燒結(jié)層；其特征在于，還包括標(biāo)記步驟，通過以與所述照射步驟時相同的激光輸出，將所述光束向設(shè)置在所述光束的照射面的校正用目標(biāo)照射，在所述校正用目標(biāo)處形成標(biāo)記；校正步驟，測量利用所述標(biāo)記步驟形成的標(biāo)記的位置，基于與預(yù)先設(shè)定的照射位置的誤差，進(jìn)行所述光束的照射位置的校正；所述校正用目標(biāo)由用所述標(biāo)記步驟的光束照射，被光束穿透的材料構(gòu)成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維形狀造形物的制造方法，其特征在于，所述 校正用目標(biāo)設(shè)置在;^丈置在照射面的板上，所述;fcl對應(yīng)于標(biāo)記的形成位置的部位 是空洞。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維形狀造形物的制造方法，其特征在于， 通過照明所述沖l正用目標(biāo)，拍攝由照明造成的對比，進(jìn)行所述校正步驟中標(biāo)記 位置的測量。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維形狀造形物的制造方法，其特征在于， 所述標(biāo)記步驟相互獨立不重疊地形成多個標(biāo)記。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維形狀造形物的制造方法，其特征在于， 所述標(biāo)記為十字形狀。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維形狀造形物的制造方法，其特征在于， 所述標(biāo)記為圓形。
全文摘要
金屬光造形加工機(jī)(1)包括粉末層形成部(2)；照射光束(L)的照射部(3)；形成作為光束照射位置的校正基準(zhǔn)的校正用目標(biāo)(4)；拍攝校正用標(biāo)記位置的拍攝相機(jī)(5)。校正用目標(biāo)(4)可以由被光束(L)照射時溶解，穿透出孔的材質(zhì)做成。在造形用板(23)上放置校正用目標(biāo)(4)，照射光束(L)穿透校正用目標(biāo)(4)，形成校正用標(biāo)記(7)。然后，用拍攝相機(jī)(5)拍攝校正用標(biāo)記(7)，測定校正用標(biāo)記(7)的位置，進(jìn)行照射位置的校正。由于穿透形成校正用標(biāo)記(7)，所以對比變得清楚，容易測量校正用標(biāo)記(7)的位置，能夠很容易地進(jìn)行光束(L)的照射位置的校正。
文檔編號B29C67/00GK101541512SQ20088000065
公開日2009年9月23日 申請日期2008年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月26日
發(fā)明者東喜萬, 阿部諭 申請人:松下電工株式會社