CN109716480A - 三维分层建模装置的电子束列、三维分层建模装置、以及三维分层建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维分层建模装置，其使用多个不同线束形状的电子束同时照射粉末层的表面的大致相同范围。三维分层建模装置100的电子束列200具备：多个电子源20，包括具有各向异性线束产生部的电子源；线束形状变形元件30，使从电子源20输出的电子束在粉末层62的表面63中的线束形状变形。电子束列200具备的偏转器50使从多个电子源20中的每一个输出的电子束以大于通过偏转器50之前的电子束的线束间隔的距离进行偏转。由此，具备该电子束列200的三维分层建模装置100使用不同线束形状的多束电子束同时照射粉末层62的表面63的大致相同范围的同时，使粉末层62熔融凝固而形成三维构造物66。

Description

三维分层建模装置的电子束列、三维分层建模装置、以及三维 分层建模方法

技术领域

本发明涉及一种三维分层建模装置的电子束列、三维分层建模装置、以及三维分层建模方法。

背景技术

已知一种三维分层建模装置，在由金属材料等构成的粉末层的表面的规定范围内照射电子束，形成使粉末层的一部分熔融凝固的横截面层，通过堆积该横截面层，建模三维结构(例如，参照专利文献1、2)。此外，已知三维分层建模装置具备的电子束列的构成例(例如，参照专利文献3、4)。

[现有技术文献]

[专利文献]

专利文献1：美国专利第7,454,262号

专利文献2：美国专利第8,187,521号

专利文献3：特开2015-167125号公报

专利文献4：特开2015-193883号公报

专利文献5：美国专利第9,415,443号

发明内容

[发明所要解决的问题]

在传统的三维分层建模装置中，在进行了使用不熔融粉末层的表面的强度的电子束照射来进行预热的预照射之后，照射(熔融照射)使粉末层熔融的强度的电子束，形成横截面层。

在利用电子束进行预照射以及熔融照射的情况下，因为照射条件大不相同，所以可以采取相应的手段，例如通过控制电子枪的控制电极的电压，改变线束电流值(例如，参照专利文献3)。

然而，存在如下问题：如果改变电子源的线束电流值，则与电子束产生有关的电子源的特性复杂地变化，电子束的可重复性降低，以及到电子束稳定化为止需要等待时间，处理速度降低。

[解决问题的手段]

根据本发明的第一方面，提供一种用于三维分层装置的电子束列，其具有：第一电子源，输出加速到规定的加速电压的第一电子束；第二电子源，输出加速到规定的加速电压的第二电子束；第一线束形状变形元件，使所述第一电子束的横截面形状变形；第二线束形状变形元件，使所述第二电子束的横截面形状变形；电磁透镜，使所述第一电子束以及第二电子束会聚；偏转器，在比所述第一电子束和第二电子束之间的间隔更宽的可偏转范围内调整所述第一电子束以及第二电子束的照射位置。

此外，根据本发明的第二方面，提供一种三维分层建模装置，其具备：上述的电子束列；建模容器，保持粉末层；粉末供给装置，对所述建模容器的表面供给新的粉末层；控制部，基于三维构造物的建模数据，同时照射所述第一电子束以及第二电子束，使规定范围的所述粉末层熔融凝固。

根据本发明的第三方面，提供一种三维分层建模方法，包括以下步骤：供给粉末层的步骤；第一照射步骤，使用能够熔融所述粉末层的电子束密度的第一电子束扫描并熔融照射建模区域，同时，使用整形成比所述第一电子束更宽的横截面的第二电子束预照射比所述建模区域更宽的区域；第二照射步骤，缩窄所述第二电子束以作为能够熔融所述粉末层的电子束密度并沿着所述建模区域的边缘扫描，从而照射所述建模区域的边缘。

需要说明的是，上述的发明概要并不是列举了本发明所需的所有特征。这些特征组的子组合也可以成为本发明。

附图说明

图1示出根据第一实施方式的三维分层建模装置100的构成例。

图2示出根据第一实施方式的电子源20以及电子源控制单元120的构成例。

图3(a)～(c)是示出根据第一实施方式的电子源20的阴极部22、电子发射面23以及加热部26的构成例的图。

图4是示出根据本实施方式的电子源20的阴极部22、电子发射面23以及控制电极24的构成例的仰视图。

图5是从电子源20输出的电子束的几何光学图。

图6是示出照射粉末层的表面的电子束的横截面形状的图。

图7是示出控制线束形状变形元件的变形元件控制单元130的构成例的图。

图8是示出第一电子束以及第二电子束利用共同的偏转器50向粉末层的表面内方向偏转的范围的图。

图9(a)、(b)是示出第一电子束以及第二电子束的横截面形状的图。

图10是示出由电子束照射的粉末层的表面的范围、以及照射该范围的电子束的图。

图11是示出三维分层建模装置100的分层建模动作的流程图。

图12是示出三维分层建模装置100的第一照射步骤的流程图。

图13是示出三维分层建模装置100的第二照射步骤的流程图。

图14(a)、(b)是示出根据第二实施方式的三维分层建模装置100的第一电子束以及第二电子束的横截面形状的图。

图15是示出在根据第二实施方式的三维分层建模装置100中，由电子束照射的粉末层的表面的范围、以及照射该范围的电子束的图。

图16是根据第二实施方式的三维分层建模装置100的第一照射步骤的流程图。

图17是根据第二实施方式的三维分层建模装置100的第二照射步骤的流程图。

图18(a)、(b)是示出根据第三实施方式的三维分层建模装置100的第一电子束以及第二电子束的横截面形状的图。

图19是示出在根据第三实施方式的三维分层建模装置100中，由电子束照射的粉末层的表面的范围、以及照射该范围的电子束的图。

图20是根据第三实施方式的三维分层建模装置100的第一照射步骤的流程图。

图21是根据第三实施方式的三维分层建模装置100的第二照射步骤的流程图。

图22是示出根据第四实施方式的三维分层建模装置100的电子束列210的构成例的图。

图23是示出根据第五实施方式的三维分层建模装置500的电子束列220的构成例的图。

图24是示出图23的电子束列220进行照射的范围的图。

具体实施方式

在下文中，通过发明的实施方式对本发明进行说明，但是下文的实施方式不根据权利要求的范围限制本发明。此外，在实施方式中所说明的所有的特征组合对于本发明的解决方案而言必不可少。

图1示出根据本实施方式的三维分层建模装置100的构成例。三维分层建模装置100具备电子束列200、建模部300以及控制部400。

控制部400输出控制信号以控制电子束列200输出的电子束，并使用电子束照射在建模部300中设置的例如由金属材料的粉末构成的粉末层62的表面63的规定范围。

使用这样照射的电子束熔融凝固粉末层62的一部分，以形成横截面层65，通过层叠横截面层65以建模三维构造物66。

电子束列200具备输出电子束的多个电子源20。电子源20通过热或者电场的作用产生电子。电子源20以预定的加速电压(例如、60KV)在-Z方向上加速产生的电子，并作为电子束输出。在图1所示的电子束列200中，示出两个电子源20分别输出第一电子束以及第二电子束的例子。

需要说明的是，在本实施方式中，电子源20的数量不限于两个，可以是三个或者以上。在这种情况下，第一电子束是指主要用于熔融凝固粉末层62的横截面层的电子束，第二电子束是指用于进行边缘照射或者预照射的电子束。

在下文中，为了简化说明，以电子源20以及电子束的数量为2的情况为例进行说明。

第一电子束以及第二电子束在XY面内方向的间隔例如是小于等于60mm，例如大约为30mm。由于施加在两个电子源20上的高电压都是60KV，并且加速电压相等，所以能够将电子源20布置在接近大约30mm的间隔。

如下所述，电子源20具备热电子发射型电子枪，该电子枪从高温加热的电极的前端发射电子，该电子枪的电极的前端部具有各向异性电子发射面，该各向异性电子发射面在纵向以及与其正交的横向上宽度不同。

从这种电子枪发射的电子束具有各向异性横截面形状。

在图1所示的例子中，输出第一电子束以及第二电子束的电子源20都是具有各向异性电子发射面的电子源20。

需要说明的是，电子源20中的任何一个可以是具有例如圆形或者正方形等各向同性形状的电子发射面的电极。从具备具有各向同性形状的电子发射面的电极的电子源20发射的电子束是各向同性横截面形状。

在本实施方式中，以两个电子源20都是从各向异性电子发射面发射电子的电子源20为例进行说明。

线束形状变形元件30使从电子源20输出的电子束的横截面形状变形。在图1所示的例子中，从各向异性电子源20输出的电子束通过线束形状变形元件30其横截面形状变形。

该线束形状变形元件30可以是沿着在Z轴方向上通过的电子束的行进方向，布置有多级多极杆的元件。多极杆形成的电场(或者磁场)在XY面内中的对称中心与电子束的通过路径一致。

作为多极杆，例如可以使用静电四极杆。静电四极杆具备在X轴方向上产生相对电场的两个电极和在Y轴方向上产生相对电场的两个电极。

需要说明的是，多极杆可以是电磁四极杆来代替静电四极杆。该电磁四极杆具备夹着电子束通过的Z轴，在(X+Y)方向上产生相对磁场的两个电磁线圈、以及在(X-Y)方向上产生相对磁场的两个电磁线圈即可。

电子透镜40由缠绕在透镜轴上的线圈以及围绕线圈并具有相对于透镜轴轴对称的间隙的磁性体部(磁轭)构成。该电磁透镜40在透镜轴上产生朝向透镜轴方向的局部磁场。图1所示的第一电子束以及第二电子束分别沿着电磁透镜40的透镜轴通过电子束列200。电磁透镜40激发的透镜磁场对透镜轴施加透镜作用，沿着大致一致的路径，使通过的电子束会聚。

偏转器50通过偏转电子束来调整设置于建模部300的粉末层62的表面63内方向的电子束的照射位置。偏转器50可以是同时偏转多束电子束的共同的偏转器。或者，偏转器50可以是针对每束电子束的单独偏转器，其分别偏转多束电子束(参照图22)。

同时偏转多束电子束的共同的偏转器50优选为电磁偏转器50。为了同时偏转多束电子束，需要沿着每束电子束的通过路径即Z轴方向，以大致相同的强度在XY面内方向上产生大致相同的方向的偏转场。这是因为在电磁偏转器50的情况下，为了产生这样的偏转场，将偏转线圈布置成围绕多束电子束的整个通过路径就足够了。

电磁偏转器50的偏转线圈具备两组偏转线圈，它们在X方向以及Y方向上产生独立的偏转磁场。每个偏转线圈可以是具有在XY面内直径约为100mm的圆周上布置的弧形绕组的鞍形偏转线圈。这是因为每个第一电子束以及第二电子束通过偏转线圈形成的磁场，在粉末层62的表面63内，因为大约几μm的误差会形成大致相同方向和大致相同距离的偏转。

此外，电磁偏转器50可以设定偏转线圈的绕组数量以及流过偏转线圈的电流值，以使每个第一电子束以及第二电子束在粉末层62的表面63内偏转至少150mm。即，偏转距离的上限可以为150mm及其以上。电子束在未偏转时，以及在最大偏转时，每个偏转距离的上限是粉末层62的表面63在线束照射位置间的距离。

分别从多个电子源20输出的电子束在粉末层62的表面63内方向上偏转的距离的上限(此时为150mm)大于在通过偏转器50之前从多个电子源20输出的电子束之间的线束间隔(此时为30mm)。

因此，该多束电子束的偏转范围的共同部分(重叠部分)能够分别被多束电子束照射。这样，通过选择性地使用具有共同偏转范围的多束电子束进行预照射以及熔融照射，而不需要频繁地使电子束的形状变形，能够提高线束的稳定性以及可重复性。

图1示出横截面的构成例的建模部300将由粉末供给部64供给的粉末试样68保持在建模容器中。建模容器具备底面部72以及侧壁部74。由粉末供给部64供给的粉末试样68通过粉末供给部64的滑动切割动作，在侧壁部74的内侧平坦化，形成与底面部72的上表面大致平行的粉末层62。被电子束照射的粉末层62的上表面称为表面63。

底面部72的高度可通过驱动部82和驱动杆84在Z轴方向上移动。底面部72在Z轴方向上的高度被设定为覆盖三维构造物66的粉末层62的表面63被电子束照射时的大致相同的高度。通过电子束照射而熔融凝固的粉末层62的一部分形成横截面层65，层叠于三维构造物66。除了层叠的横截面层65之外的粉末层62以粉末试样68的形式积累在三维构造物66的周围。

电子束通过的电子束列200的内部空间以及由电子束照射的粉末层62的表面63附近的空间被抽到规定的真空度。这是因为电子束在大气中与气体分子碰撞后会失去能量。

三维分层建模装置100具备排气单元(未图示)，以对电子束的通过路径进行排气。

包括在三维分层建模装置100的控制部400中的CPU110控制三维分层建模装置100的整体动作。CPU110可以是具有输入来自用户的操作指令的输入终端的功能的计算机或者工作站等。CPU110经由总线112与包括在控制部400中的电子源控制单元120、变形元件控制单元130、透镜控制单元140、偏转控制单元150、以及高度控制单元160连接。

包括在控制部400中的每个控制单元根据从CPU110接收的控制信号等分别控制电子束列200以及建模部300的各个部分。此外，包括在控制部400中的每个控制单元经由总线112与外部存储部114连接，交换存储在外部存储部114中的建模数据。建模数据是规定如下范围的数据：与在装置100应该建模的三维构造物66的高度方向正交的平面切断构造物66时获得的横截面的形状对应，对于三维构造物66的每个横截面，由电子束照射粉末层62的表面63以使其熔融凝固。其中，三维构造物66的高度方向对应于图1的Z轴方向。此外，与高度方向正交的平面对应于与图1的XY平面平行的平面。

电子源控制单元120对电子源20施加电子束的加速电压。电子源控制单元120对电子源20输出例如用于产生热电子的加热器的加热电流。电子源控制单元120对电子源20输出电子束的控制电压。稍后将详细说明电子源控制单元120以及电子源20的构成。

变形元件控制单元130对线束形状变形元件30的多极杆输出电压或者电流。在线束形状变形元件是静电四极杆的情况下，变形元件控制单元130例如对在X轴方向上相对的两个电极以及在Y轴方向上相对的两个电极输出电压。此外，在线束形状变形元件是电磁四极杆的情况下，变形元件控制单元130输出流经在(X+Y)方向上相对的两个电磁线圈、以及在(X-Y)方向上相对的两个电磁线圈的电流。变形元件控制单元130通过设定输出电压或者输出电流的大小，来设定照射建模部300的粉末层62的表面63的电子束的横截面形状。

透镜控制单元140输出流经电磁透镜40的线圈部的电流。透镜控制单元140通过设定流经线圈部的输出电流的大小，来设定电磁透镜的透镜强度。

偏转控制单元150基于存储在外部存储部114中的建模数据，生成每个粉末层62的电子束的偏转数据。偏转控制单元150例如驱动图1所示的涉及电磁偏转器50在X轴方向以及Y轴方向偏转的两组偏转线圈，产生偏转磁场，该偏转磁场用于对由粉末层62的表面63内的偏转数据确定的位置照射电子束。

高度控制单元160控制驱动部82，以设定驱动杆84在Z轴方向上的长度以及底面部72的高度。在通过粉末层62熔融凝固形成横截面层65之后，每次供给新的粉末层62时，高度控制单元160将底面部72降低该新的粉末层的厚度，维持覆盖三维构造物66的新的粉末层62的表面63即线束照射面的高度处于大致恒定的高度。这是为了三维构造物66在Z轴方向上的高度随着横截面层65层叠而增加。

在说明具备具有多个电子源20的电子束列200的三维分层建模装置100的实施方式之前，对具有在纵向以及与其正交的横向上宽度不同的各向异性电子发射面的一个电子源20、伴随其的列构成以及电子束的特性进行说明。

在下面的说明中，对线束形状变形元件30由静电四极杆构成的情况进行说明，其中该静电四极杆具备在X轴方向上产生相对电场的两个电极和在Y轴方向上产生相对电场的两个电极。在构成线束形状变形元件30的多极杆具备在(X+Y)方向上产生相对磁场的两个电磁线圈和在(X-Y)方向上产生相对磁场的两个电磁线圈的情况下，通过用电磁线圈替换电极，以及用电流替换电压，下面的说明大致同样适用。

图2示出电子源20的构成例以及控制电子源20的电子源控制单元120。电子源20具有阴极部22，在阴极部22的前端产生电子的电子发射面23以及用于从电子发射面23发射电子的加热部26。加热部26例如是由石墨构成的加热器，加热整个阴极部22以产生热电子。电子源20具有控制电极，其中该控制电极24具备在接近电子发射面23，用于使电子通过的开口25。控制电极24控制通过开口25的电子束数量。

电子源20的这些构成元件通过绝缘部29与接地部27绝缘。在阴极部22和接地部27之间施加用于加速电子束的加速电压。接地部27具有用于使电子束通过的开口28。在通过控制电极24的开口25之后，开口28使朝向接地部27加速的电子束中，放射角度在规定的范围内的电子束通过。电子源20将通过接地部27的开口28的电子束输出到电子源20之后的电子束列200。

电子源控制单元120具备加速电压电源。加速电压电源将加速电压施加到由绝缘部29绝缘的阴极部22、加热部26以及整个控制电极24。本实施方式中的加速电压例如是60KV。从电子源20输出的电子束加速到60KV。

电子源控制单元120具备加热电流电源。加热电流电源为了加热电子源20的阴极部22，对包括加热部的电路输出电流，其中加热部从两侧夹住阴极部22。电子源控制单元120检测对加热部26输出的电流以及在加热部26的两端产生的电压，以控制加热电流电源。

电子源控制单元120具备控制电极电源。控制电极电源在施加了加速电压的电位上，例如对控制电极24输出用于控制电子束数量的电压。控制电极电源检测电子源20输出的电子束电流值，可以控制控制电极24以保持线束电流值的恒定。

图3示出电子源20的阴极部22、电子发射面23以及加热部26的构成例。图3(a)是示出阴极部22、电子发射面23以及加热部26的一部分的XZ面内的正视图。图3(b)是示出阴极部22、电子发射面23以及加热部26的一部分的立体图。图3(c)是示出从电子束行进方向观察的阴极部22、电子发射面23以及加热部26的一部分的仰视图。图3在X轴方向上示出了电子发射面23的横向、在Y轴方向上示出了电子发射面23的纵向以及在Z轴方向上示出了电子束的射出方向。

阴极部22例如是以将六硼化镧(LaB6)的晶体成型为圆柱形状而获得的物质为材料。阴极部22具有圆柱的端部被加工成楔形的形状。楔形的前端具有在纵向以及与其正交的横向上宽度不同的各向异性电子发射面23。

通过加热部加热具有这种形状的阴极部22时，在纵向以及与其正交的横向上具有不同宽度的电子发射面23例如产生热电子。产生的电子由控制电极24控制，通过施加在与接地部27之间的加速电压加速，通过接地部27的开口28，从电子源20输出。

由于电子源20具有在纵向以及与其正交的横向上宽度不同的各向异性电子发射面23，所以与具有与该横向上大致相等宽度的各向同性产生部的电子源相比，能够输出更大的电子束电流值。这是因为具有各向异性电子发射面23的电子源20与具有与横向上大致相等宽度的各向同性电子发射面的电子源相比，产生电子束的部分的面积更大，产生的电子束的电流值也更大。

阴极部22的圆柱的直径优选为大于等于500μm。这是为了通过加热部26加热时，使阴极部22的前端的电子发射面23的温度大致均匀地升高，从电子发射面23大致均匀地产生电子。因此，电子发射面23的长边宽度例如大于等于500μm。

以将阴极部22的前端加工成楔形而没有碎裂或剥离的条件来限定电子发射面23的短边宽度。此外，电子发射面23的短边宽度优选为即使因输出电子而消耗阴极部22的前端，也能够在规定的时段内维持电子发射面23的形状的宽度。电子发射面23的短边宽度例如小于等于300μm。电子源20例如输出50mA的电子束电流值。

加热部26通过从两侧夹住圆柱的侧面，动态地支撑阴极部22。因此，可以从侧面的两个部分切出具有圆柱形状的阴极部22。加热部26可以从电子发射面23的短边方向夹住阴极部22。或者，加热部26可以从电子发射面23的长边方向夹住阴极部22。图3示出加热部26通过从电子发射面23的短边方向夹住阴极部22，动态地支撑阴极部22的例子。电流流过夹住阴极部22的左右的加热部26，使加热部26发热对阴极部22加热。

图4示出从电子束输出方向观察的根据本实施方式的阴极部22以及控制电极24的构成例的仰视图。与图3相同，在X轴方向上示出了电子发射面23的横向、在Y轴方向上示出了电子发射面23的纵向以及在Z轴方向上示出了电子束的输出方向。

从电子发射面23产生的电子朝向页面的前侧加速的同时，通过控制电极24的开口25。通过开口25的电子束受到形成开口25的横向端的控制电极24的静电场的强烈影响。

另一方面，通过开口25的电子束几乎不受形成开口25的纵向端的控制电极24的影响。开口25的横向的宽度设定为窄于纵向的宽度，这是因为开口25的横向端与通过开口25的电子束之间的距离小于开口25的纵向端与通过开口25的电子束之间的距离。

电子源20通过具有各向异性开口25的控制电极24控制从在纵向以及与其正交的横向上宽度不同的各向异性电子发射面23产生的电子。与通过具有与纵向上的宽度大致相等的各向同性开口的控制电极控制的情况相比，电子源20能够有效地控制从电子发射面23的整个表面产生的电子束。从而能够高效地将产生的电子用于电子束。

图5是从电子源20输出的电子束的几何光学图。在图的近似中心说明的垂直方向上Z轴右侧所示的图示出由电子束的行进方向即Z轴方向、电子发射面23的横向即X轴构成的平面(XZ面)内的电子束的几何光学图。Z轴左侧所示的图示出由电子束的行进方向即Z轴方向、电子发射面23的纵向即Y轴构成的平面(YZ面)内的电子束的几何光学图。

Z轴对称的电磁透镜40使沿着与Z轴大致重合的路径通过的电子束会聚。图5的虚线表示未驱动线束形状变形元件30时基于电磁透镜40的电子束的成像关系。电磁透镜40使在包括电子发射面23的横向的XZ面内从点O射出的电子束成像于粉末层62的表面63的点P。电磁透镜40使在包括电子发射面23的纵向的YZ面内从点O射出的电子束成像于粉末层62的表面63的点P。

电磁透镜40在XZ面内以及YZ面内以相等的倍数在粉末层62的表面63上成像电子发射面23的图像。在图5的虚线中，在XZ面内以及YZ面内的点O射出电子束的射出角度θ1相等时，点P处的该电子束的会聚角度θ2在XZ面内以及YZ面内相等。

接下来，将说明驱动线束形状变形元件30的情况。线束形状变形元件30示出沿着Z轴方向布置有两级静电四极杆31以及32的例子。每个静电四极杆31以及32具备在X轴方向上产生相对电场的两个电极和在Y轴方向上产生相对电场的两个电极。

即，静电四极杆31、32被布置成使其两组极杆对准电子源20的电子发射面23的纵向以及横向的相同的方向。

电子束在Z轴方向上通过四个电极的中心。电极上记载的正(+)以及负(-)的符号表示施加到每个电极的电压的极性。静电四极杆31以及32通过向X轴方向电极和Y轴方向电极提供相互不同极性的电压，使电子束的发散角在X轴方向上发散，在Y轴方向上会聚，或者在X轴方向上会聚，在Y轴方向上发散。图5示出基于静电四极杆的电子束的发散方向以及会聚方向与电子束的电子发射面23的横向即X轴方向或者纵向即Y轴方向大致一致的例子。

将说明以图5所示的极性对静电四极杆施加电压的情况。在包括电子发射面23的横向的XZ面内从点O射出的电子束通过静电四极杆31时，接收来自X轴方向的两个-极性电极的排斥力，发散角向会聚方向变化，当通过四极杆32时，接收来自X轴方向的两个+极性电极的引力，发散角向发散方向变化。

另一方面，在包括电子发射面23的纵向的YZ面内从点O射出的电子束通过静电四极杆31时，接收来自Y轴方向的两个+极性电极的引力，发散角向发散方向变化，当通过四极杆32时，接收来自Y轴方向的两个-极性电极的排斥力，发散角向会聚方向变化。

通过向静电四极杆施加电压，以相同射出角度θ1从电子发射面23射出的电子束能够在XZ面内以及YZ面内分别以不同会聚角度θ3以及θ4会聚在粉末层62的表面63的点P。即，电子发射面23的图像能够在XZ面内以及YZ面内以不同的倍数成像于粉末层62的表面63。

会聚角度的关系是θ4＞θ2＞θ3的情况时，XZ面内的成像倍数增大，YZ面内的成像倍数减小。会聚角度的关系是θ3＞θ2＞θ4的情况时，XZ面内的成像倍数减小，YZ面内的成像倍数增大。即，静电四极杆31以及32通过改变施加到电极的电压的极性以及大小，能够改变在电子发射面23的横向以及电子发射面23的纵向上，成像于粉末层62的表面63的电子束的纵向宽度和横向宽度之间的比率。通过利用该功能，在不变更电子束的电流值的情况下，能够改变电子束的横截面形状以及尺寸。如下所述，从而易于切换适合熔融照射、边缘照射以及预照射的线束尺寸。此外，进行熔融照射时，能够在改变线束宽度的同时进行照射。

根据本实施方式的静电四极杆31、32，这种电子束的横截面形状的变形动作在几微秒到几十微秒左右完成，因此能够在频繁地施加电子束的照射条件的同时进行照射。

因此，例如也能够在照射(预照射)扩散到未熔融粉末层程度的密度的电子束，并进行预热的同时，进行用于形成规定的横截面层的熔融照射。

需要说明的是，在线束形状变形元件30中，可以沿着Z轴方向布置三级或三级以上静电四极杆。多级静电四极杆分别控制在XZ面内以及YZ面内射出的电子束的Z轴的离轴量以及Z轴和线束行进方向之间的角度。多级静电四极杆分别设定在XZ面内以及YZ面内以相同的射出角度射出的电子束在P点会聚的会聚角度。布置有多级静电四极杆的线束形状变形元件30在XZ面内以及YZ面内以不同的倍数将电子发射面23的图像成像于粉末层62的表面63。布置有多级静电四极杆的线束形状变形元件30在电子发射面23的横向和电子发射面23的纵向上，改变成像于粉末层62的表面63的电子束的纵向宽度和横向宽度之间的比率(即，纵向宽度/横向宽度)。

图6示出照射在粉末层62的表面63上的电子束的横截面形状的例子。图6的左端所示的电子束B示出对静电四极杆31以及32的电极施加规定的电压，将电子束的纵向宽度和横向宽度之间的比率设定为接近电子发射面23的纵向宽度和横向宽度之间的比率的规定的大小的例子。电子束B在纵向上的线束宽度S能够对应于施加到静电四极杆31以及32的电极的电压的极性以及大小。

图6的中央以及右端所示的电子束Bs以及Bt示出将施加到静电四极杆31以及32的电极的电压设定为使电子束的纵向宽度和横向宽度之间的比率与电子发射面23的纵向宽度和横向宽度之间的比率大不相同的值的极性以及大小的例子。电子束Bs是通过减小纵向上的线束宽度，形成横竖方向上具有大致相同宽度的横截面形状被缩窄的电子束的例子。电子束Bt是通过增大纵向上的线束宽度，形成横截面形状被拉伸的细长线束的例子。

图7示出控制线束形状变形元件30的变形元件控制单元130的构成例。

包括在变形元件控制单元130中的运算电路131是如下电路：运算分别输出到线束形状变形元件30的静电四极杆31以及32的电压数据D1以及D2，以基于纵向上的线束宽度的输入数据S，在粉末层62的表面63形成纵向上的线束宽度与输入数据S大致相等的电子束B。

变形元件控制单元130可以具备如下运算电路：从对应于电子束Bs以及Bt的线束宽度的输入数据中运算分别输出到线束形状变形元件30的静电四极杆31以及32的电压数据，以在粉末层62的表面63形成电子束Bs以及Bt。或者，变形元件控制单元130可以预先测量并存储用于形成电子束Bs的静电四极杆31以及32的电压数据D1s以及D2s、用于形成电子束Bt的静电四极杆31以及32的电压数据D1t以及D2t。

包括在变形元件控制单元130中的存储电路132是如下电路：预先测量并存储分别输出到线束形状变形元件30的静电四极杆31以及32的电压数据D1s以及D2s，以在粉末层62的表面63形成电子束Bs。

此外，包括在变形元件控制单元130中的存储电路133是如下电路：预先测量并存储分别输出到线束形状变形元件30的静电四极杆31以及32的电压数据D1t以及D2t，以在粉末层62的表面63形成电子束Bt。

包括在变形元件控制单元130中的切换部134是切换是否将输出到线束形状变形元件30的静电四极杆31以及32的电压数据设置为运算电路131的运算值、存储电路132的存储值或者存储电路133的存储值的电路。

切换部134通过切换电路131、132或者133的输出，将成像于粉末层62的表面63的电子束的形状分别切换成图6所示的形状。切换部134可以根据粉末层62的表面63的照射条件切换成像于粉末层62的表面63的电子束的形状。

包括在变形元件控制单元130中的数模(DA)转换部135将切换部134切换的电路131、132或者133的输出数据转换为电压值，并输出到线束形状变形元件30的静电四极杆31以及32的电极。

在以上的对具有在纵向以及与其正交的横向上宽度不同的各向异性电子发射面23的一个电子源20、伴随其的列构成以及电子束特性的说明的前提下，对具备具有多个电子源20的电子束列200的三维分层建模装置100的实施方式进行说明。

图8所示的两个圆示出具有两个电子源20的电子束列200(参照图1)输出的第一电子束以及第二电子束利用共同的偏转器50向粉末层62的表面63内方向偏转的范围。

偏转器50偏转第一电子束以及第二电子束的距离上限约为150mm。第一电子束以及第二电子束在XY面内方向上的间隔约为30mm。第一电子束以及第二电子束在粉末层62的表面63上，共同照射直径约为300mm的两个圆的重叠部分，两个圆距离中心约为30mm。

图9(a)示出照射粉末层62的表面63的第一电子束的横截面形状的例子，图9(b)是示出第二电子束的横截面形状的图。

第一电子束以及第二电子束都是从具有细长的各向异性电子发射面23的两个电子源20输出。两个电子源20的电子发射面23的纵向都指向Y轴方向，两个电子源20的电子发射面23的纵向大致彼此平行。

使第一电子束以及第二电子束的线束形状变形的线束形状变形元件30由变形元件控制单元13分别独立地控制。因此，图1所示的变形元件控制单元130根据具有各向异性电子发射面23的电子源20的数量输出向线束形状变形元件30的控制输出。

因此，第一电子束在粉末层62的表面63上变形为纵向上的线束宽度与输入数据Sv大致相等的电子束Bv、横竖方向上具有大致相同宽度的横截面形状被缩窄的电子束Bvs、以及在纵向上横截面形状被拉伸的细长线束Bvt。第二电子束独立于第一线束在粉末层62的表面63上变形为纵向上的线束宽度与输入数据Sv大致相等的电子束Bv、横竖方向上具有大致相同宽度的横截面形状被缩窄的电子束Bvs、以及在纵向上横截面形状被拉伸的细长线束Bvt。

这些第一电子束以及第二电子束照射粉末层62的表面63上的图8所示的两个圆的重叠部分。

图10示出由电子束照射的粉末层62的表面63的范围、以及照射该范围的电子束的例子。在与三维构造物66的高度方向正交的平面上切断三维构造物66时，在横截面形状的建模区域指定通过电子束熔融凝固的粉末层62的范围。在图10的例子中，Z字形的范围是对应于熔融凝固的范围的建模区域。该建模区域包括在粉末层62的表面63中的直径300mm的第一电子束以及第二电子束的共同偏转范围内。

图示的例子中三维分层建模装置100将电子束设定为具有适当的线束宽度Sv的线束Bv，通过以规定的线束移动速度无间隙地扫描粉末层62的表面63的Z字形的范围，使该范围内的粉末层62熔融。此外，三维分层建模装置100将电子束设定为具有大致相等横竖宽度的横截面形状被缩窄的线束Bvs，通过以另一规定的线束移动速度边缘扫描Z字形的范围周围，使粉末层62的Z字形的范围周围熔融。

除了用于使上述的粉末层62熔融凝固的线束照射、以及用于边缘的线束照射之外，三维分层建模装置100进行在比包括粉末层62的表面63的熔融范围更宽的范围内以低照射量密度照射电子束的预照射。其中，照射量密度表示粉末层62的表面63的每单位面积的电子束照射量。

在图10的例子中，虚线表示的范围是预照射的预照射区域63a。

三维分层建模装置100将在纵向上被拉伸的细长线束Bvt用于预照射。即使在与线束Bv或者线束Bvs熔融照射图10的例子所示的Z字形的建模区域相同的条件下扫描线束，在线束Bvt的情况下，由于线束的横截面被拉伸，所以在比建模区域更宽的范围内以低照射量密度照射线束。线束Bvt具有与线束Bv或者线束Bvs大致相同的总线束电流值，但是由于在相同的扫描条件下照射范围宽，所以能够抑制粉末层62的温度上升。因此，线束Bvt能够将粉末层62预热到融点以下的温度。

三维分层建模装置100通过适当地设定细长线束Bvt在纵向上的长度，在与线束Bv或者线束Bvs熔融照射作为粉末层62的表面63的一部分的建模区域相同的扫描条件下，能够将用于预照射的照射量设定在比包括建模区域更宽的范围。

预照射可以与用于熔融的线束照射同时进行或者在用于熔融的线束照射之前进行。预照射用于将包括建模区域的粉末层62加热(预热)到略低于粉末融点的温度，通过熔融照射促进熔融的同时，减轻温度梯度产生的建模物的变形。

此外，预照射在抑制构成粉末层62的原料粉末因线束照射飞散的同时，能够施加备用电荷(电荷施加)以抑制充电。

图11示出表示三维分层建模装置100的分层建模动作的动作流程的例子。当开始分层建模动作时，三维分层建模装置100由建模部300的试样供给部64供给粉末试样68，供给与由侧壁部74包围的底面部72大致平行地平坦化的粉末层62(S1110)。

三维分层建模装置100通过从电子束列200输出的电子束照射粉末层62的表面63。由电子束照射粉末层62的表面63的步骤分为第一照射步骤(S1120)以及第二照射步骤(S1130)的两个步骤来实施。稍后说明第一照射步骤(S1120)以及第二照射步骤(S1130)中由三维分层建模装置100实施的动作流程的例子。三维分层建模装置100通过这些照射步骤，使规定范围的粉末层62熔融凝固，以形成作为三维构造物66一部分的横截面层65。

接下来，三维分层建模装置100判断是否所有层完成了构成三维构造物66的横截面层65的层叠(S1140)。如果没有完成所有层的层叠(S1140、否)，则三维分层建模装置100操作驱动部82和驱动杆84以在Z轴方向上驱动底面部72，降低熔融凝固的粉末层62的表面63的高度(S1150)。三维分层建模装置100返回到供给相当于降低粉末层62的表面63的高度份量的粉末层62的步骤(S1110)。如果已完成所有层的层叠(S1140、是)，则三维分层建模装置100结束分层建模动作。

图12以及图13示出三维分层建模装置100通过从电子束列200输出的电子束照射粉末层62的表面63的第一照射步骤(S1120)以及第二照射步骤(S1130)的动作流程的例子。图12以及图13分别对应于第一照射步骤(S1120)以及第二照射步骤(S1130)。

当开始图12所示的第一照射步骤(S1222～1228)时，三维分层建模装置100将两束电子束中的一束线束例如第二电子束的形状变形元件30设定为用于预照射的线束Bvt。第二电子束被设定为输出线束Bvt直至第一照射步骤结束(S1222)。

三维分层建模装置100设定图7所示的运算电路131的输出，以使两束电子束中的另一束线束例如第一电子束的形状变形元件30成为在纵向上的线束宽度具有规定的线束宽度Sv的线束Bv(S1224)。

此外，三维分层建模装置100将第一电子束和第二电子束的共同的偏转器50设定为使第一电子束偏转到用于熔融照射的偏转位置(x,y)(S1224)。第一电子束的线束宽度Sv以及用于熔融照射的偏转位置(x,y)由表示粉末层62的表面63的熔融部分(建模区域)的形状的建模数据来确定。

三维分层建模装置100利用第一电子束进行熔融照射(S1226)。此时，第二电子束利用共同的偏转器50偏转到第二线束的偏转位置(x,y)，在第一电子束的熔融照射的同时，进行第二电子束的预照射。

第二电子束照射与第一电子束远离电子束之间的间隔(例如，30mm)的位置。由于第二电子束的偏转位置也是根据熔融照射的第一电子束的偏转位置(x,y)设定的，所以第二电子束预照射与由第一电子束照射的粉末层62的范围大致重叠的区域。

三维分层建模装置100判断对粉末层62的表面63的熔融照射是否完成(S1228)。如果未完成熔融照射(S1228、否)，则三维分层建模装置100将第一电子束的形状变形元件30以及偏转器50设定为下一次的熔融照射的线束宽度Sv以及变更位置(x,y)的值，利用第一电子束进行熔融照射(S1226)。同时进行第一电子束的熔融照射以及第二电子束的预照射。如果已完成粉末层62的表面63的熔融部分的熔融照射(S1228、是)，则三维分层建模装置100结束第一照射步骤(S1222～1228)。

通过上述步骤S1224～S1228的照射动作，第一电子束重复在一定时间停留在设定的偏转位置(x,y)，然后移动到下一个变更位置的动作。其间，例如，如图所示的Z型图案的倾斜部分那样，根据图案的形状适当地变更第一电子束在纵向上的线束宽度。

在本实施方式中，通过将静电四极杆用于线束形状变形元件30，变更线束宽度所需的时间短至几微秒到几十微秒，因此步骤S1224即使频繁发生线束宽度的变更，也几乎不降低处理速度。

当在第一照射步骤之后，开始图13所示的第二照射步骤(S1232～1238)时，三维分层建模装置100将两束电子束中的一束线束第一电子束的形状变形元件30设定为用于预照射的线束Bvt。

此外，三维分层建模装置100将两束电子束中的另一束线束第二电子束的形状变形元件30设定为用于边缘照射的线束Bvs。第一电子束以及第二电子束被设定为分别输出线束Bvt以及线束Bvs直至第二照射步骤结束(S1232)。

三维分层建模装置100将第一电子束和第二电子束的共同的偏转器50设定为使第二电子束偏转到用于边缘的偏转位置(x,y)(S1234)。

三维分层建模装置100利用第二电子束进行边缘照射(S1236)。此时，第一电子束利用共同的偏转器50偏转到第一线束的偏转位置(x,y)，在第二电子束的边缘照射的同时，进行第一电子束的预照射。

第一电子束照射与第二电子束远离电子束之间的间隔(例如，30mm)的位置。由于第一电子束的偏转位置也是根据边缘照射的第二电子束的偏转位置(x,y)设定的，所以第一电子束预照射与由第二线束边缘照射的粉末层62的范围大致重叠的区域。

三维分层建模装置100判断粉末层62的表面63的熔融部分的边缘照射是否完成(S1238)。如果未完成边缘照射(S1238、否)，则三维分层建模装置100将第一电子束和第二电子束的共同的偏转器50设定为第二电子束的下一次的边缘照射部的值(S1234)，利用第二电子束进行边缘照射(S1236)。同时进行第一电子束的预照射以及第二电子束的边缘照射。如果已完成粉末层62的表面63的熔融部分的边缘照射(S1238、是)，则三维分层建模装置100结束第二照射步骤(S1132～1138)。

在上述步骤S1232～S1238的边缘照射中，沿着建模区域的边缘照射横截面形状被缩窄的第二电子束。与熔融照射时相比，照射这样被缩窄的电子束会产生陡峭的温度梯度，能够形成轮廓尖锐的熔融层，减少成品建模物表面的粗糙度而提高精度。

在图12、图13所示的步骤中，根据实施方式的三维分层建模装置100通过改变施加到构成线束形状变形元件30的静电四极杆电极的电压，将第一电子束以及第二电子束的形状设定为分别适合熔融照射、边缘照射以及预照射的电子束Bv、Bvs以及Bvt。由于三维分层建模装置100仅通过设定静电四极杆的电极上的电压而使线束形状变形，例如与变更电子源20的动作条件来设定照射条件的情况相比，能够稳定地且可重复性良好地设定每次照射中的电子束的状态。

在根据实施方式的三维分层建模装置100中，第一电子束以及第二电子束在熔融照射以及预照射、或者边缘照射以及预照射等不同的照射条件下，同时照射粉末层62的表面63的大致相同范围。因此，与三维分层建模装置100分别实施熔融照射、边缘照射以及预照射的情况相比能够缩短整个照射步骤的时间。

此外，如果根据实施方式的三维分层建模装置100将第一电子束以及第二电子束设定为适合熔融照射、边缘照射或者预照射的电子束Bv、Bvs、或者Bvt，则在进行图12或者图13的循环图所示的熔融照射以及边缘照射的步骤之间维持原样进行输出。因此，三维分层建模装置100在照射步骤中切换电子束的电流值或者通过大幅度变更尺寸，能够节省直至线束状态稳定的等待时间。

需要说明的是，在图12、图13所示的例子中，假设第一照射步骤中，第一电子束实施熔融照射以及第二电子束实施预照射，第二照射步骤中，第一电子束实施预照射以及第二电子束实施边缘照射。或者，第一照射步骤中，第一电子束实施预照射以及第二电子束实施熔融照射，第二照射步骤中，第一电子束实施边缘照射以及第二电子束实施预照射。

此外，在图12、图13所示的例子中，假设第一照射步骤实施熔融照射和预照射，然后第二照射步骤实施边缘照射和预照射。或者，第一照射步骤实施边缘照射和预照射，然后第二照射步骤实施熔融照射和预照射。

进而，在图12、图13所示的例子中，假设在第一照射步骤以及第二照射步骤中都实施预照射。三维分层建模装置100设定线束Bvt以便在第一照射步骤或者第二照射步骤任一步骤中给出预照射所需要的照射量，由此，可以在第一照射步骤或者第二照射步骤任一步骤中实施预照射。

(第二实施方式)

对根据第二实施方式的三维分层建模装置100的构成例进行说明。根据第二实施方式的三维分层建模装置100具备至少两个电子源20，其具有在纵向以及与其正交的横向上宽度不同的各向异性电子发射面23。两个电子源20中，一个电子源20的电子发射面23的纵向面向Y轴方向，另一个电子源20的电子发射面23的纵向面向X轴方向。即，两个电子源的电子发射面的纵向大致彼此正交。此外，线束形状变形元件30由静电四极杆构成，该静电四极杆具有与输出各束电子束的电子源20的各向异性电子发射面23的纵向或者横向大致一致的发散方向以及会聚方向。

根据第二实施方式的三维分层建模装置100具有除上述之外同图1相同的构成。使用相同的符号说明具有与已经说明的装置构成或装置动作大致相同的功能之处。

图14(a)、(b)对应于已经说明的图9(a)、(b)，示出根据第二实施方式的三维分层建模装置100的第一电子束以及第二电子束的线束形状的例子。第一电子束通过线束形状变形元件30变形为具有与输入数据Sv大致相等的Y轴方向上的线束宽度的电子束Bv、横竖方向上具有大致相同宽度的横截面形状被缩窄的电子束Bvs、以及在Y轴方向上被拉伸的细长线束Bvt。

第二电子束独立于第一线束通过线束形状变形元件30变形为具有与输入数据Sh大致相等的X轴方向上的线束宽度的电子束Bh、横竖方向上具有大致相同宽度的横截面形状被缩窄的电子束Bhs、以及在X轴方向上横截面形状被拉伸的细长线束Bht。

图15对应于已经说明的图10，在根据第二实施方式的三维分层建模装置100中，示出由电子束照射的粉末层62的表面63的范围、以及照射该范围的电子束的例子。在图15的例子中，Z字形的范围相当于熔融凝固的建模区域。

在图15的例子中，三维分层建模装置100将第一电子束设定为线束Bv，将第二电子束设定为线束Bh，通过以规定的线束移动速度无间隙地扫描粉末层62的表面63的Z字形的范围，使该范围内的粉末层62熔融。此外，在图15的例子中，三维分层建模装置100通过使用电子束Bhs以另一规定的线束移动速度边缘扫描Z字形的范围周围，使粉末层62的Z字形的范围周围熔融。

三维分层建模装置100将在Y轴方向上被拉伸的细长线束Bvt用于预照射。用虚线表示预照射的区域63a。在图15和图10中的虚线表示的预照射区域63a和Z字形的熔融凝固范围之间的位置关系有稍微的不同。这是因为在图10所示的例子中，示出第一电子束以及第二电子束都用于预照射的情况，与之相对，在图15所示的例子中，示出例如仅第一电子束用于预照射的情况。

图16、图17对应于已经说明的图12、图13，示出根据第二实施方式的三维分层建模装置100的第一照射步骤以及第二照射步骤的动作流程的例子。图11的步骤S1120、1130示出了第一照射步骤(S1120)以及第二照射步骤(S1130)在装置的整个动作流程中占据的步骤。

当开始图16所示的第一照射步骤(S1522～S1528)时，三维分层建模装置100将两束电子束中的一束线束例如第一电子束的形状变形元件30设定为用于预照射的线束Bvt，将另一束线束例如第二电子束的形状变形元件30设定为用于边缘的线束Bhs。第一电子束以及第二电子束被设定为分别输出线束Bvt以及Bhs直至第一照射步骤结束(S1522)。

三维分层建模装置100将第一电子束和第二电子束的共同的偏转器50设定为使第二电子束偏转到用于边缘的偏转位置(x,y)(S1524)。三维分层建模装置100利用第二电子束进行边缘照射(S1526)。此时，同时进行第一电子束的预照射以及第二电子束的边缘照射。三维分层建模装置100判断对粉末层62的表面63的熔融部分的边缘照射是否完成(S1528)。

如果未完成边缘照射(S1528、否)，则三维分层建模装置100将第一电子束和第二电子束的共同的偏转器50设定为第二电子束的下一次的边缘照射部的值(S1524)，利用第二电子束进行边缘照射(S1526)。如果已完成粉末层62的表面63的熔融部分的边缘照射(S1528、是)，则三维分层建模装置100结束第一照射步骤(S1120)。

当开始图17所示的第二照射步骤(S1120)时，三维分层建模装置100设定图7所示的运算电路131的输出，以使两束电子束中的一束线束例如第一电子束成为Y轴方向上的线束宽度具有规定的线束宽度Sv的线束Bv(S1532)。

此外，三维分层建模装置100将第一电子束和第二电子束的共同的偏转器50设定为使第一电子束偏转到用于熔融照射的偏转位置(x,y)(S1532)。三维分层建模装置100利用第一电子束进行熔融照射(S1533)。此时，在第二电子束的线束形状变形元件30中，设定不允许第二电子束到达粉末层62的表面63的值。

三维分层建模装置100判断第一电子束的熔融照射是否完成(S1534)。如果未完成熔融照射(S1534、否)，则三维分层建模装置100将第一电子束的形状变形元件30以及共同的偏转器50设定为第一电子束进行下一次熔融照射的值(S1532)，利用第一电子束进行熔融照射(S1533)。

如果已完成第一电子束的熔融照射(S1534、是)，则三维分层建模装置100设定图7所示的运算电路131的输出，以使两束电子束中的另一束线束例如第二电子束的形状变形元件30成为X轴方向上的线束宽度具有规定的线束宽度Sh的线束Bh(S1536)。

此外，三维分层建模装置100将第一电子束和第二电子束的共同的偏转器50设定为使第二电子束偏转到用于熔融照射的偏转位置(x,y)(S1536)。三维分层建模装置100利用第二电子束进行熔融照射(S1537)。此时，在第一电子束的线束形状变形元件30中，设定不允许第一电子束到达粉末层62的表面63的值。

三维分层建模装置100判断第二电子束的熔融照射是否完成(S1538)。如果未完成熔融照射(S1538、否)，则三维分层建模装置100将第二电子束的形状变形元件30以及共同的偏转器50设定为第二电子束的下一次熔融照射的值(S1536)，利用第二电子束进行熔融照射(S1537)。如果已完成第二电子束的熔融照射(S1538、是)，则三维分层建模装置100结束第二照射步骤(S1130)。

根据第二实施方式的三维分层建模装置100通过改变施加到构成线束形状变形元件30的静电四极杆电极的电压，将第一电子束以及第二电子束的形状设定为分别适合熔融照射、边缘照射以及预照射的电子束Bv、Bvs以及Bvt、以及Bh、Bhs以及Bht。三维分层建模装置100能够稳定地且可重复性良好地设定每个照射条件下的电子束的状态。

根据第二实施方式的三维分层建模装置100将具有Y轴方向上的线束宽度的第一电子束以及具有X轴方向上的线束宽度的第二电子束都用于粉末层62的表面63的大致相同范围的照射。

三维分层建模装置100能够根据粉末层62的表面63的熔融凝固范围的形状，适当地选择第一电子束以及第二电子束，改善熔融凝固形成的横截面层65的形状精度。

(第三实施方式)

对根据第三实施方式的三维分层建模装置100的构成例进行说明。根据第三实施方式的三维分层建模装置100具备至少两个电子源。两个电子源中的一个电子源20具备在纵向以及与其正交的横向上宽度不同的各向异性电子发射面23。两个电子源中的另一个电子源21具备电子发射面的宽度不论方向如何大致相同的各向同性电子发射面。线束形状变形元件30由静电四极杆构成，该静电四极杆具有与各向异性电子发射面23的纵向或者横向大致一致的发散方向以及会聚方向。

根据第三实施方式的三维分层建模装置100具有除上述之外同图1相同的构成。使用相同的符号说明具有与已经说明的装置构成或装置动作大致相同的功能之处。

图18对应于已经说明的图9，示出根据第三实施方式的三维分层建模装置100的第一电子束以及第二电子束的线束形状的例子。第一电子束通过线束形状变形元件30变形为具有与输入数据Sv大致相等的纵向上的线束宽度的电子束Bv、横竖方向上具有大致相同宽度的横截面形状被缩窄的电子束Bvs、以及在Y轴方向上被拉伸的细长线束Bvt。第二电子束形成线束Bp，该线束Bp具有从各向同性电子发射面输出的各向同性横截面形状。

图19对应于已经说明的图10，在根据第三实施方式的三维分层建模装置100中，示出由电子束照射的粉末层62的表面63的预照射区域63a、以及照射该范围的电子束的例子。在图17的例子中，Z字形的范围相当于熔融凝固的建模区域。三维分层建模装置100将第一电子束设定为电子束Bv，通过以规定的线束移动速度无间隙地扫描粉末层62的表面63的Z字形的范围，使该范围内的粉末层62熔融。三维分层建模装置100通过具有大致相同横竖宽度的电子束Bp以另一规定的线束移动速度边缘扫描Z字形的范围周围，使粉末层62的Z字形的周围熔融。此外，三维分层建模装置100使用第一电子束在Y轴方向上拉伸后得到的细长线束Bvt进行预照射。用虚线表示预照射的区域63a。

图20、图21对应于已经说明的图12、图13，示出根据第三实施方式的三维分层建模装置100的第一照射步骤以及第二照射步骤的动作流程的例子。用图11的S1120、S1130表示第一照射步骤以及第二照射步骤在装置的整个动作流程中占据的步骤。

当开始图20所示的第一照射步骤(S1822～1828)时，三维分层建模装置100将第一电子束的形状变形元件30设定为用于预照射的线束Bvt。第二电子束输出用于边缘的线束Bp。第一电子束以及第二电子束被设定为分别输出线束Bvt以及Bp直至第一照射步骤结束(S1822)。

三维分层建模装置100将第一电子束和第二电子束的共同的偏转器50设定为使第二电子束Bp偏转到用于边缘的偏转位置(x,y)(S1824)。三维分层建模装置100通过第二电子束Bp进行边缘照射(S1826)。此时，同时进行第一电子束的预照射和第二电子束的边缘照射。三维分层建模装置100判断粉末层62的表面63的熔融部分的边缘照射是否完成(S1828)。

如果未完成边缘照射(S1828、否)，则三维分层建模装置100将共同的偏转器50设定为第二电子束Bp的下一次边缘照射部的值(S1824)，通过第二电子束Bp进行边缘照射(S1826)。如果已完成粉末层62的表面63的熔融部分的边缘照射(S1828、是)，则三维分层建模装置100结束第一照射步骤(S1120)。

当开始图21所示的第二照射步骤(S1832～1838)时，三维分层建模装置100设定图7所示的运算电路131的输出，以使第一电子束的形状变形元件30成为Y轴方向上的线束宽度具有规定的线束宽度Sv的线束Bv(S1832)。此外，三维分层建模装置100将第一电子束和第二电子束的共同的偏转器50设定为使第一电子束偏转到用于熔融照射的偏转位置(x,y)(S1832)。三维分层建模装置100利用第一电子束进行熔融照射(S1834)。此时，在相当于第二电子束的元件30的电极中，设定不允许第二电子束到达粉末层62的表面63的值。

三维分层建模装置100判断第一电子束的熔融照射是否完成(S1836)。如果未完成熔融照射(S1836、否)，则三维分层建模装置100将第一电子束的形状变形元件30以及共同的偏转器50设定为第一电子束的下一次熔融照射的值(S1832)，利用第一电子束进行熔融照射(S1834)。如果已完成第一电子束的熔融照射(S1836、是)，则三维分层建模装置100结束第二照射步骤(S1130)。

根据第三实施方式的三维分层建模装置100通过改变施加到构成线束形状变形元件30的静电四极杆电极的电压，将第一电子束的形状设定为分别适合熔融照射以及预照射的电子束Bv以及Bvt。三维分层建模装置100能够稳定地且可重复性良好地保持每个照射条件下的电子束的状态。

根据第三实施方式的三维分层建模装置100在实施第二电子束的边缘照射的同时，实施第一电子束的预照射。与三维分层建模装置100使用单一的线束分别实施熔融照射、边缘照射以及预照射的情况相比，能够缩短整个照射步骤的时间。

(第四实施方式)

说明根据第四实施方式的三维分层建模装置100的构成例。

图22示出根据第四实施方式的三维分层建模装置100的电子束列210的构成例。

电子束列210具备至少两个电子源20、21。

两个电子源20、21都可以具备在纵向以及与其正交的横向上宽度不同的各向异性电子发射面23。或者，两个电子源20、21中的一个电子源20具备在纵向以及与其正交的横向上宽度不同的各向异性电子发射面23，另一个电子源21具备电子发射面的宽度不论方向如何大致相同的各向同性电子发射面。电子源20、21分别产生第一电子束以及第二电子束。

线束形状变形元件30由静电四极杆构成，该静电四极杆具有与电子源20的各向异性电子发射面23的纵向或者横向大致一致的发散方向以及会聚方向。电磁透镜40沿着与透镜轴大致一致的路径使通过的第一电子束以及第二电子束会聚。

图22所示的电子束列210具备分别使第一电子束以及第二电子束偏转的多个偏转器55。偏转器55分别设定第一电子束以及第二电子束在粉末层62的表面63的照射位置。分别使多束电子束偏转的偏转器55优选为静电偏转器。这是因为即使通过偏转器之前的第一电子束和第二电子束之间的间隔是约为30mm，静电偏转器的偏转电极也能够布置成围绕每个线束的通过路径。

图22所示的控制电子束列210的控制部400具备对多个偏转器55分别输出偏转数据的偏转控制单元150。偏转控制单元150对偏转器55分别输出用于第一电子束以及第二电子束照射粉末层62的表面63的偏转数据。

根据第四实施方式的三维分层建模装置100具有除上述之外同图1相同的构成。对与图1的电子束列具有相同构成以及功能的部分使用相同的符号并省略对其的说明。

三维分层建模装置100通过线束形状变形元件30将第一电子束以及第二电子束设定为例如线束Bv，使用与第一电子束以及第二电子束分别对应的线束偏转器55，照射相当于粉末层62的表面63的熔融范围的建模区域。三维分层建模装置100通过线束形状变形元件30将第一电子束以及第二电子束设定为例如线束Bvs，使用与第一电子束以及第二电子束分别对应的偏转器55照射粉末层62的表面63的边缘位置。三维分层建模装置100通过线束形状变形元件30将第一电子束以及第二电子束设定为例如线束Bvt，使用与第一电子束以及第二电子束分别对应的偏转器55照射粉末层62的表面63的预照射区域。

偏转器55偏转第一电子束以及第二电子束的距离上限例如约为150mm。通过向静电偏转器55施加适当的偏转电压，偏转器55能够使第一电子束以及第二电子束偏转大约150mm。第一电子束以及第二电子束在XY面内方向上的间隔例如约为30mm，所以在这种情况下第一电子束以及第二电子束也共同照射离粉末层62的表面63的中心大约30mm的直径约300mm的两个圆的重叠部分。

由于三维分层建模装置100对第一电子束以及第二电子束的偏转器55设定独立的偏转输出，所以第一电子束以及第二电子束在不同的电子束的条件下同时照射粉末层62的表面63的大致相同范围。在第一电子束熔融照射的同时，第二线束可以边缘照射或者预照射。在第一电子束边缘照射的同时，第二线束可以熔融照射或者预照射。或者，在第一电子束预照射的同时，第二线束可以熔融照射或者边缘照射。

根据第四实施方式的三维分层建模装置100通过改变施加到构成线束形状变形元件30的静电四极杆电极的电压，将线束的形状设定为分别适合熔融照射、边缘照射以及预照射的电子束Bv、Bvs以及Bvt。

此外，与其他实施方式相同，根据第四实施方式的三维分层建模装置100使用第一电子束以及第二电子束同时实施熔融照射、边缘照射以及预照射中的两种照射，能够减少整个照射步骤所需的时间。

需要说明的是，根据第四实施方式的三维分层建模装置100除了第一电子束以及第二电子束之外，还可以添加第三电子束。在这种情况下，可以将每束电子束分配给熔融照射、边缘照射以及预照射。通过三束电子束同时实施熔融照射、边缘照射以及预照射的三次照射，三维分层建模装置10能够减少整个照射步骤所需的时间。

(第五实施方式)

说明根据第5实施方式的三维分层建模装置500的构成例。

图23是示出根据第5实施方式的三维分层建模装置500的电子束列220的构成的框图。

电子束列220具备多个模块220a，每个模块具备至少两个电子源。在所示的例子中，示出具备四个这样的模块220a的电子束列220。

各模块220a的构成与图1的电子束列200相同，模块220a例如同时照射第一电子束以及第二电子束。各模块220a例如将直径约为300mm的大致圆形的区域设定为照射区域(偏转区域)。

在本实施方式的电子束列220中，间隔地布置每个模块220a，使得每个模块220a的偏转范围无间隙地连接。

图24(a)是示出电子束列220进行照射的范围的俯视图，图24(b)是示出电子束列200进行照射的范围的俯视图。

在图24(a)所示的例子中，示出了布置有四个模块220a的情况。如图所示，电子束列220的各模块220a布置成其照射范围501、502、503、504无间隙地连接，能够对虚线表示的矩形区域505对应的范围进行预照射、熔融照射以及边缘照射。

另一方面，图24(b)示出了用于比较的第一实施方式的电子束列200的可照射区域510。

从图24(a)、(b)可知，根据本实施方式的电子束列220，与第一实施方式的电子束列200相比，可照射区域更宽，能够层叠建模更大尺寸的建模物。

尽管已经参考实施方式说明了本发明，但是本发明的技术范围不限于上述实施方式中记载的范围。对于本领域技术人员显而易见的是，可以对上述实施方式实施各种修改或改进。从权利要求的范围的描述中可以明显看出，通过实施这样的修改或改进而获得的实施方案也包括在本发明的技术范围内。

权利要求的范围、说明书以及附图中所示的装置、系统、程序、以及方法中的动作、过程、步骤、以及阶段等各处理的执行顺序，在没有明确说明“更前”“之前”等，或者除非将前面的处理的输出用于后面的处理，可以以任何顺序实现。关于权利要求的范围、说明书以及附图中的动作流程，即使为了方便起见使用了“首先”“接下来”等，这并不意味着必须按此顺序执行。

附图标记说明

20、21…电子源、22…阴极部、23…电子发射面、24…控制电极、25…开口、26…加热部、27…接地部、28…开口、29…绝缘部、30…线束形状变形元件、31、32…静电四极杆、40…电磁透镜、50、55…偏转器、62…粉末层、63…表面、63a…预照射区域、64…粉末供给部、65…横截面层、66…三维构造体、68…粉末试样、72…底面部、74…侧壁部、82…驱动部、84…驱动杆、100、500…三维分层建模装置、110…CPU、112…总线、114…外部存储部、120…电子源控制单元、130…变形元件控制单元、131…运算电路、132、133…存储电路、134…切换部、135…数模转换部、140…透镜控制单元、150…偏转器控制单元、160…高度控制单元、200、210、220…电子束列、220a…模块、300…建模部、400…控制部、501、502、503、504…照射范围、505、510…区域、509…照射范围

Claims (15)

1.一种用于三维分层装置的电子束列，其特征在于，具有：

第一电子源，输出加速到规定的加速电压的第一电子束；

第二电子源，输出加速到规定的加速电压的第二电子束；

第一线束形状变形元件，使所述第一电子束的横截面形状变形；

第二线束形状变形元件，使所述第二电子束的横截面形状变形；

电磁透镜，使所述第一电子束以及第二电子束会聚；

偏转器，在比所述第一电子束和第二电子束之间的间隔更宽的可偏转范围内调整所述第一电子束以及第二电子束的照射位置。

2.根据权利要求1所述的用于三维分层装置的电子束列，其特征在于，所述第一电子源以及第二电子源具有各向异性形状的电子发射面。

3.根据权利要求2所述的用于三维分层装置的电子束列，其特征在于，所述第一电子源以及第二电子源布置在所述第一电子源的电子发射面的纵向和所述第二电子源的电子发射面的纵向大致平行的方向上。

4.根据权利要求2所述的用于三维分层装置的电子束列，其特征在于，所述第一电子源以及第二电子源布置在所述第一电子源的电子发射面的纵向和所述第二电子源的电子发射面的纵向大致正交的方向上。

5.根据权利要求1所述的用于三维分层装置的电子束列，其特征在于，所述第一电子源具有细长的各向异性形状的电子发射面，所述第二电子源具有各向同性形状的电子发射面。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的用于三维分层装置的电子束列，其特征在于，所述第一线束变形元件以及第二线束变形元件具有沿所述电子束的行进方向布置的多级多极杆。

7.根据权利要求6所述的用于三维分层装置的电子束列，其特征在于，所述多极杆由静电四极杆构成，该静电四极杆的一对极杆的方向与所述电子发射面的纵向一致，另一对极杆布置在与所述电子发射面的横向一致的方向上。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的用于三维分层装置的电子束列，其特征在于，所述第一电子束以及第二电子束利用共同的偏转器进行偏转。

9.根据权利要求1至7中任意一项所述的用于三维分层装置的电子束列，其特征在于，所述第一电子束以及第二电子束分别利用不同的偏转器进行偏转。

10.根据权利要求1至9中任意一项所述的用于三维分层装置的电子束列，其特征在于，所述偏转器的可偏转范围被设定为比所述第一电子束和第二电子束之间的间隔更宽的范围，所述第一电子束和第二电子束同时照射粉末层。

11.一种三维分层建模装置，其特征在于，具备：

电子束列，具有：第一电子源，输出加速到规定的加速电压的第一电子束；第二电子源，输出加速到规定的加速电压的第二电子束；第一线束形状变形元件，使所述第一电子束的横截面形状变形；第二线束形状变形元件，使所述第二电子束的横截面形状变形；偏转器，在比所述第一电子束和第二电子束之间的间隔更宽的可偏转范围内调整所述第一电子束以及第二电子束的照射位置；

建模容器，保持粉末层；

粉末供给装置，对所述建模容器的表面供给新的粉末层；

控制部，基于三维构造物的建模数据，同时照射所述第一电子束以及第二电子束，使规定范围的所述粉末层熔融凝固。

12.根据权利要求11所述的三维分层建模装置，其特征在于，

还具备变形元件控制单元，对所述第一线束形状变形元件和第二线束形状变形元件输出控制信号；该变形元件控制单元具有：

预照射用数据存储电路，存储产生预照射用的横截面形状被拉伸的电子束的控制输出；

边缘照射用数据存储电路，存储产生边缘照射用的横截面形状被缩窄的电子束的控制输出；

熔融照射用数据运算电路，计算产生所述控制部要求的尺寸的线束所需要的控制输出；

切换部，根据控制部的控制信号，选择并输出预照射用数据存储电路的输出、边缘照射用数据存储电路的输出以及熔融照射用数据运算电路的输出中的任何一个。

13.一种三维分层建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

供给粉末层的步骤；

第一照射步骤，使用第一电子束扫描并熔融照射作为所述粉末层的表面的一部分的建模区域，同时，使用横截面形状被拉伸的第二电子束预照射比所述建模区域更宽的区域；

第二照射步骤，缩窄所述第二电子束的横截面形状并沿着所述建模区域的边缘扫描，从而照射所述建模区域的边缘。

14.根据权利要求13所述的三维分层建模方法，其特征在于，在所述第二照射步骤中，使用横截面形状被拉伸的所述第一电子束预照射比所述第二电子束边缘照射区域更宽的区域。

15.一种使用三维分层建模装置的三维分层建模方法，所述三维分层建模装置具备：

电子束列，具有：第一电子源，输出加速到规定的加速电压的第一电子束；第二电子源，输出加速到规定的加速电压的第二电子束；第一线束形状变形元件，使所述第一电子束的横截面形状变形；第二线束形状变形元件，使所述第二电子束的横截面形状变形；偏转器，在比所述第一电子束和第二电子束之间的间隔更宽的可偏转范围内调整所述第一电子束以及第二电子束的照射位置；

建模容器，保持粉末层；

粉末供给装置，对所述建模容器的表面供给新的粉末层；

控制部，基于三维构造物的建模数据，同时照射所述第一电子束以及第二电子束，使规定范围的所述粉末层熔融凝固；

所述三维分层建模方法的特征在于，具有以下步骤：

对所述建模容器的上表面供给粉末层的步骤；

通过所述第二线束形状变形元件将所述第二电子束设定为规定的被拉伸的横截面形状的步骤；

通过所述第一线束形状变形元件在规定的范围内改变所述第一电子束的尺寸的步骤；

使所述第一电子束移动到建模区域的待照射位置的步骤；

使所述第一电子束在待照射位置停留一段时间以使所述粉末层溶解，同时预照射所述第二电子束的步骤。