JP2017145476A - 三次元造形装置、及び三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】テーブルの開口部と造形壁との固着の防止を図ることが可能な三次元造形装置を提供する。【解決手段】三次元造形装置１００は、層が積層される造形ステージ１１２と、造形ステージ１１２の外周に配置される側壁１０８と、造形ステージ１１２の上の積層３０５を加熱するヒータ１１４とを備える。また、造形ステージ１１２の上方に配置され、側壁１０８よりも内側で開口して層が形成される開口部１１３Ａを有するテーブル１１３を備える。制御部２００は、造形ステージ１１２の上の層にレーザービームＬＢを照射して三次元造形物を形成すると共に開口部１１３Ａの内側に隣接して造形壁を形成して、層の厚み分について造形ステージを下降させる各層造形処理を繰り返し実行する。そして、造形ステージ１１２が下降するに際して、開口部１１３Ａの凹凸形状が開口部１１３Ａと造形壁との切離しを補助する。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元造形物を造形する三次元造形装置、及び三次元造形方法に関する。

近年、いわゆる３Ｄプリンタと呼ばれる三次元造形技術の開発が進められている。三次元造形技術のひとつとして、粉末床溶融結合方式がある。粉末床溶融結合方式は、造形ステージ上に敷かれた金属粉体の層をレーザ光のエネルギーにより選択的に溶融結合することで硬化層を形成し、その硬化層を積層させ三次元造形を行う方式である。このような粉末床溶融結合方式では、レーザ光により硬化層の積層を繰り返し行うため、造形ステージが昇降する必要がある。

また、粉末床溶融結合方式を用いた三次元造形物の造形時には、金属粉体の層をレーザ光により溶融結合するため、造形中の三次元造形物にあって溶融部分と造形後（溶融後）の部分との温度差が生じ易い。このような温度差が生じると、三次元造形物に熱変形が生じる虞があり、高精度に三次元造形物を造形することの妨げとなる。

上記のように三次元造形物に温度差が生じることを防止するため、特許文献１には、造形ステージの周囲の側壁に加熱用のヒータを設けることが提案されている。このものは、加熱用のヒータで造形中の三次元造形物を融点以下の温度範囲で予備加熱することにより、レーザ光で新たに溶融結合する部分と造形後の部分との温度差を減らし、熱変形の低減を図っている。

一方、特許文献２には、三次元造形物の造形に際して金属粉体の無駄を少なくするため、三次元造形物の造形と共にその周囲に造形壁を造形するものが提案されている。このように三次元造形物の周囲に造形壁を造形することで、造形ステージの上面全体に層を形成する必要を無くし、造形の時に使用する粉体の量の低減が図られている。

特許第４８６６１４５号公報 特許第５４５２０７２号公報

上記のように、造形ステージの周囲の側壁に配置したヒータで三次元造形物を加熱する場合には、できるだけ三次元造形物における溶融部分と溶融後の部分との温度差を小さくすることが望ましい。しかしながら、ヒータにより溶融後の部分を溶融部分の温度に近づけようとすると、ヒータにより造形ステージの周囲の側壁を高温に上げる必要が生じる。たとえ側壁の温度が融点以下の温度であっても、金属粉体が高温となると、その側壁の近傍にある金属粉体の原子が拡散して接合してしまう（いわゆる拡散接合を生じてしまう）。このように側壁に金属粉体が接合してしまうと、特に側壁と造形ステージとの間で固着が生じ、造形ステージの昇降ができなくなる。このような造形ステージの側壁に対する固着を防止しようとすると、結局は予備加熱の温度を下げることになり、三次元造形物の高精度化が図れないことになる。

そのため、三次元造形物の周囲に造形壁を造形し、かつ造形壁と側壁とを接触させないことで、上述のような固着の防止を図ることが考えられる。しかし、このように造形壁を造形する場合でも、層を崩さずに形成するためには、造形壁から側壁の方に金属粉体が崩れて落下しないように構成する必要がある。これを実現するためには、層を形成するための開口部を有するテーブルを設け、その開口部に層を形成し、さらに開口部に隣接して造形壁を造形する必要がある。しかしながら、テーブルの開口部の近くに造形壁を溶融しつつ造形することになるので、テーブルの開口部と造形壁とが固着してしまう虞があるという問題があった。

そこで本発明は、テーブルの開口部と造形壁との固着の防止を図ることが可能な三次元造形装置、及び三次元造形方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る三次元造形装置は、原料粉体の層を形成する層形成手段と、昇降可能に構成され、前記層が積層されるステージと、前記ステージに形成された層にエネルギービームを照射するビーム照射手段と、前記ステージの昇降方向の外周に配置される側壁と、前記側壁に配置され、前記ステージの上の積層を加熱する加熱手段と、前記ステージの上方に配置され、前記側壁よりも内側で開口して前記層形成手段により層が形成される開口部を有するテーブルと、前記層を形成し、前記ステージの上の層にエネルギービームを照射して三次元造形物を形成すると共に前記開口部の内側に隣接して造形壁を形成して、前記層の厚み分について前記ステージを下降させる各層造形処理を繰り返し実行するように、前記層形成手段、前記ビーム照射手段、及び前記ステージを制御する制御部と、前記ステージが下降するに際して、前記開口部と前記造形壁との切離しを補助する切離し補助手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る三次元造形方法は、昇降可能なステージの外周に配置されて前記ステージの上の積層を加熱する加熱手段を有する側壁、よりも内側で開口したテーブルの開口部を介して前記ステージの上に原料粉体の層を形成する層形成工程と、前記ステージに形成された層にエネルギービームを照射して三次元造形物を形成すると共に前記開口部の内側に隣接して造形壁を形成する造形工程と、切離し補助手段により前記開口部と前記造形壁との切離しを補助しながら、前記ステージを前記層の厚みに合わせて下降させる下降工程と、を備え、前記各工程を繰り返し実行することにより三次元造形物を造形することを特徴とする。

本発明によると、三次元造形物を形成する際に、側壁よりも内側で開口するテーブルの開口部に隣接して造形壁を形成するので、側壁と造形壁とを離すことができる。このため、側壁に配置された加熱手段でステージの上の積層を例えば拡散接合が生じる温度以上に加熱しても、側壁と積層とが固着することを防止できる。これにより、ステージが昇降不能となってしまうことを防止することができ、かつ三次元造形物を高精度に造形することを可能とすることができる。そして、切離し補助手段によりテーブルの開口部と造形壁との切離しを補助するので、ステージを下降させる際に開口部と造形壁との切離しを容易にでき、開口部と造形壁との固着の防止を図ることができる。

本実施の形態に係る三次元造形装置の構成を示す説明図である。 造形容器の構成を示す説明図である。 第１の実施の形態に係る切離し補助手段を示す模式図で、（ａ）は模式平面図、（ｂ）は模式断面図である。 三次元造形物の造形工程を示すフローチャートである。 層形成時における造形容器を示す説明図で、（ａ）は本実施の形態の層形成時の説明図、（ｂ）は変形例の層形成時の説明図である。 １層目のレーザービーム加熱形成時における造形容器を示す説明図である。 ２層目のレーザービーム加熱形成時における造形容器を示す説明図である。 テーブルの構成の変形例を示す模式図で、（ａ）はテーブルを二層構造で構成した場合の模式断面図、（ｂ）はテーパ面を開口部の上端から設けた場合の模式断面図、（ｃ）は開口部の垂直面を層より短くした場合の模式断面図である。 第２の実施の形態に係る切離し補助手段を示す模式図で、（ａ）は模式平面図、（ｂ）は模式断面図である。 第３の実施の形態に係る切離し補助手段を示す模式図で、（ａ）は模式平面図、（ｂ）は模式断面図である。

＜第１の実施の形態＞
［三次元造形装置の概略構成］
以下、本発明に係る第１の実施の形態について、図１乃至図８を用いて説明する。図１は本実施の形態に係る三次元造形装置の構成を示す説明図、図２は造形容器の構成を示す説明図である。また、図３は第１の実施の形態に係る切離し補助手段を示す模式図で、（ａ）は模式平面図、（ｂ）は模式断面図である。また、図４は三次元造形物の造形工程を示すフローチャートである。また、図５は層形成時における造形容器を示す説明図で、（ａ）は本実施の形態の層形成時の説明図、（ｂ）は変形例の層形成時の説明図である。また、図６は１層目のレーザービーム加熱形成時における造形容器を示す説明図で、図７は２層目のレーザービーム加熱形成時における造形容器を示す説明図である。そして、図８はテーブルの構成の変形例を示す模式図で、（ａ）はテーブルを二層構造で構成した場合の模式断面図、（ｂ）はテーパ面を開口部の上端から設けた場合の模式断面図、（ｃ）は開口部の垂直面を層より短くした場合の模式断面図である。

まず、三次元造形装置１００の概略構成を図１に用いて説明する。図１に示すように、三次元造形装置１００は、金属製の原料紛体を粉末床溶融結合方式で三次元造形する、いわゆる３Ｄプリンタである。容器１０１は、例えばステンレス等の金属製で形成され、密閉可能である。容器１０１には、真空計２０８が接続されており、容器１０１内の圧力を検知可能に構成されている。排気機構１０３は、容器１０１内を減圧可能に構成されており、主に酸素を減少させるため、容器１０１内を排気する。また、排気機構１０３は、容器１０１との接続部に開口量を調整可能な開口調整弁を有する。制御部２００は、後述のガス供給機構１０２によって容器１０１に気体を供給しつつ真空計２０８の出力に応じて開口調整弁を調整することで、容器１０１内を所望の雰囲気と真空度に制御することができる。

一方、ガス供給機構１０２は、例えば金属製の原料紛体を窒化処理する場合には窒素ガスと水素ガスの混合ガスを容器１０１内に供給する。ガス供給機構１０２は、窒素ガスと水素ガスを任意の混合割合で容器１０１内に供給可能である。なお、ガス供給機構を２箇所に設け、窒素ガスと水素ガスとを別々に供給するようにしてもよい。また、ガス供給機構１０２は、例えば金属製の原料紛体を炭化処理する場合にはアセチレンガスなどの単一ガスを容器１０１内に供給してもよいし、不活性ガスとアセチレンガスとを混合して供給してもよい。さらには、原料紛体の酸化をクリーニングする目的で水素ガスだけを供給するようにしてもよいし、水素ガスと不活性ガスとを混合して供給してもよい。

造形容器１０７は、造形室１０９の内側にステージの一例である造形ステージ１１２が昇降可能に配置されている。昇降機構１１１は、不図示のモータとこのモータにより回転駆動されるボールネジとを有しており、造形ステージ１１２を支持する支持軸１１５を上下方向に伸縮させることで造形ステージ１１２を昇降させる。これにより、昇降機構１１１は、後述する層形成機構１０５により形成される原料紛体の層の厚みに対応させた任意のピッチで造形ステージ１１２を段階的に下降させることができる。また、造形ステージ１１２と容器１０１の底面との間には、支持軸１１５の外周を覆う金属製のベローズ１１６が配置されている。このベローズ１１６は、造形ステージ１１２と容器１０１の底面とに対してシールされており、詳しくは後述するように原料紛体が造形ステージ１１２と側壁１０８との間から落下しても、原料紛体が容器１０１から漏れ出ないように構成されている。なお、容器１０１の底面に溜まった原料紛体は三次元造形を行っていないときなどに定期的に（例えば数週間〜数か月程度の期間で）清掃する。

図１及び図２に示すように、造形容器１０７の造形室１０９を形成する側壁１０８は、造形ステージ１１２の昇降方向の外周に配置されている。側壁１０８には、加熱手段の一例であるヒータ１１４が埋め込まれて設けられており、薄い層３００が積み重ねられて構成される積層３０５を加熱（予備加熱）可能となっている。なお、例えば造形ステージ１１２には不図示の温度センサが設けられており、制御部２００は、温度センサの検出結果に基づいてヒータ１１４を制御することで積層３０５を所望の温度に管理する。また、ヒータ１１４は、例えば赤外線等により積層３０５を加熱できるもので、金属ヒータやカーボンヒータ等を用いる。

また、造形容器１０７の側壁１０８の上部には、造形ステージ１１２の上方を開口し、かつ側壁１０８よりも内側で上下方向に貫通して開口する開口部１１３Ａを有するテーブル１１３が配置されている。即ち、テーブル１１３の開口部１１３Ａの縁部は、造形室１０９を構成する側壁１０８よりも造形室１０９の内側方向に突出している。また、本実施の形態では、造形ステージ１１２の上面がテーブル１１３の上面と一致する位置まで上昇できるように、開口部１１３Ａと造形ステージ１１２との水平方向の大きさが同じ、つまり水平方向の断面積が同じとなるように構成されている。このため、造形ステージ１１２は、開口部１１３Ａが内側に突出している分だけ、側壁１０８との間に隙間１２０を有して離れていることになる。

なお、造形ステージ１１２の側面の形状を詳しくは後述するテーブル１１３の開口部１１３Ａの側面の形状と合わせて構成することで、造形ステージ１１２の水平方向の大きさを開口部１１３Ａの大きさよりも大きくしてもよい。さらには、造形ステージ１１２と側壁１０８とを隙間なく接触するようにしてもよい。これらの場合、開口部１１３Ａの縁部から落下した原料紛体が造形ステージ１１２の上面に溜まることが考えられるが、何らかの気体で吹き飛ばしたり、或いは吸引したりするようにしてもよい。このような気体の噴出口や吸引口は、造形ステージ１１２に内蔵させるようにすることが考えられる。

一方、層形成手段の一例である層形成機構１０５は、テーブル１１３の上方を水平方向に移動可能に構成されており、開口部１１３Ａを介して造形ステージ１１２の上に原料紛体の層３００を形成する。原料粉体は、造形室１０９の水平方向の近傍に配置された不図示の原料室に蓄積されており、原料室の上方に押し出された一層分以上の原料紛体を層形成機構１０５で押遣って開口部１１３Ａの中に一定厚さの原料粉体の層３００を形成する。また、層形成機構１０５は、造形ステージ１１２の上に形成された層３００を造形ステージ１１２が一層分降下させることで、次の層３００を積層させる。なお、開口部１１３Ａに入らずに余った原料紛体は、テーブル１１３の縁より外側に層形成機構１０５で押し出して落下させる。

ビーム照射手段の一例である走査加熱機構１０６は、層３００にエネルギービームの一例であるレーザービームＬＢを照射する。走査加熱機構１０６は、光源１１０で発生させたレーザービームＬＢを透明な照射窓１０６ｅを介してガルバノミラー１０６ｍで走査することにより、層３００における入力データに応じた固形化領域をレーザービームのスポットで加熱する。

走査加熱機構１０６は、造形容器１０７の造形室１０９の上面の層３００を、レーザービームによって加熱し、ほぼ瞬時に溶融して下層の固体組織と一体に固形化させる。これにより、造形室１０９の上面の層３００の所望の領域を溶融して固形化することができる。このとき、レーザービーム加熱成形処理中も積層３０５（特に三次元造形物３０１）の温度を、例えば造形していない粉体である非造形部分３０３において溶融を生じず、かつなるべく溶融する温度に近い温度にすることが望ましい。即ち、例えば原料紛体がＳＵＳ３１６であれば、１３７０〜１４００°Ｃ以下でなるべく高い温度が望ましい。このため、本実施の形態では、上述のように隙間１２０を設けることで、積層３０５と側壁１０８とが原料紛体の拡散接合で固着してしまう虞がないので、積層３０５の温度を原料紛体が拡散接合を生じる温度以上（例えば６００°Ｃ以上）に維持する。積層３０５の温度を高く保つことで、三次元造形物３０１の溶融状態のばらつきを減らすと共に溶融部分と溶融後（造形後）の部分との温度差を低減し、高精度の三次元造形物３０１を造形することが可能となる。なお、積層３０５における非造形部分３０３では、原料紛体が拡散接合することになるが、三次元造形が終了した後、非造形部分３０３を削ったり崩したりすることで、三次元造形物３０１を所望の形状で得ることができる。

制御部２００は、ＣＰＵ２０５、ＲＡＭ２０６、及びＲＯＭ２０７を有している。ＲＯＭ２０７から呼び出したプロセスの制御プログラムをＲＡＭ２０６に保持することで、ＣＰＵ２０５は、三次元造形のプロセスコントローラとして機能する。ユーザーは、表示部２０２に表示される各種の情報を視認しながら、操作部２０１を介して三次元造形装置１００を操作する。また、制御部２００は、上述した光源１１０、走査加熱機構１０６、ガス供給機構１０２、排気機構１０３、層形成機構１０５、及び昇降機構１１１を制御し、三次元造形のプロセスを実行する。

［テーブルの開口部の形状］
次に、本第１の実施の形態に係る切離し補助手段としてのテーブル１１３の開口部１１３Ａの形状について図３に用いて説明する。なお、図３（ａ）に示す模式平面図及び図３（ｂ）に示す模式断面図は、テーブル１１３の一部を切取って示したもので、テーブル１１３の全体像は貫通して形成された孔が上方視で矩形状（例えば正方形）の開口部１１３Ａとして視認できる板状の部材である。

図３（ｂ）に示すように、テーブル１１３の開口部１１３Ａは、上方部分が垂直方向に形成された垂直部１１３Ａａと下方側に向けて水平方向の断面積が大きくなる傾斜面であるテーパ形状のテーパ部１１３Ａｂとを有する形状で構成されている。垂直部１１３Ａａの厚みは、層３００（図２参照）の厚みと同じか、それ以上の厚みに形成されている。これにより層３００が形成された際に垂直部１１３Ａａが層３００の側面を覆い、原料紛体が落下し難くなる。また、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、垂直部１１３Ａａは、山部１１３ａと谷部１１３ｂとの形成方向が垂直方向に並んでいる、いわゆる鋸形状の凹凸形状に形成されている。このように形成することで、垂直部１１３Ａａを平面状に形成する場合に比して、詳しくは後述する開口部１１３Ａに隣接して形成される造形壁３０２に隣接する部分の面積を減らすことができる。即ち、造形壁３０２と垂直部１１３Ａａとは、僅かな隙間を存して対向し、特に山部１１３ａが造形壁３０２に隣接（或いは近接）している状態となる。しかしながら、谷部１１３ｂが山部１１３ａに比して造形壁３０２から遠ざかることになるので、上記隣接する部分の面積としては低減されている。さらに、造形壁３０２を溶融する際に、熱量が山部１１３ａに流入することになるが、谷部１１３ｂに向けて熱が拡散する。このため、テーブル１１３の開口部１１３Ａの全体としての温度上昇が小さくなる。これにより、造形壁３０２と開口部１１３Ａとの間の僅かな隙間にある原料紛体の温度上昇が抑えられ、拡散接合が生じ難くなる。

なお、垂直部１１３Ａａの山部１１３ａと谷部１１３ｂとの形成方向は、垂直方向に限らず、水平方向であっても、垂直方向に対して傾斜した方向であっても上記造形壁３０２に隣接する部分の面積を減じる目的ではどのような方向でもよい。しかしながら、造形壁３０２を形成した際に溶融されなかった原料紛体が谷部１１３ｂに存在する可能性がある。このとき、山部１１３ａと谷部１１３ｂとの形成方向が垂直方向或いはそれに近い方向であると、谷部１１３ｂにある原料紛体が下方に落下し易くなり、谷部１１３ｂに溜まり難くなるので望ましい。また、テーブル１１３の開口部１１３Ａのうちの下方側にあるテーパ部１１３Ａｂは、下方側に向けて広がっていることになるので、原料紛体の落下を妨げず、つまり開口部１１３Ａに原料紛体が溜まることを防止している。

［三次元造形の工程］
図４に示すように、制御部２００は、プロセス開始を指令されると、排気機構１０３を作動させて容器１０１内を排気する。続いて、容器１０１内の圧力が例えば１×１０^−２Ｐａに達すると、ガス供給機構１０２による気体供給を開始して窒素ガスと水素ガスの混合気体の供給を開始する。そして、容器１０１内の圧力を大気圧未満のプロセス圧力（例えば１０ｋＰａ）に調整し、三次元造形を行うための雰囲気を調整する（雰囲気調整工程）（Ｓ１１）。

次に制御部２００は、ヒータ１１４をオンし、造形室１０９の予備加熱を開始する（予備加熱開始工程）（Ｓ１２）。なお、制御部２００は、造形ステージ１１２に配置された不図示の温度センサが検出した温度に応じて、この後に層３００が積み重ねられて構成される積層３０５が溶融を生じない温度になるようヒータ１１４を制御する。

続けて制御部２００は、昇降機構１１１を作動させて造形ステージ１１２を下降させ、造形ステージ１１２の上にあってテーブル１１３の開口部１１３Ａに囲まれた領域に、層３００の形成余地を形成する。そして、図５（ａ）に示すように、層形成機構１０５を作動させて原料粉体の層３００を形成する（層形成工程）（Ｓ１３）。この際、ヒータ１１４により層３００が加熱されることで、容器１０１内にある水素が金属製の原料紛体の表面を脱酸素してクリーニングし、窒素により原料紛体の窒化が進む。

なお、図５（ｂ）に示す変形例のように、原料紛体の層３００を形成する際、テーブル１１３の上に例えば１ｍｍ程度の原料紛体の層を形成しておいてもよい。即ち、層形成機構１０５が層を形成する平面方向と造形ステージ１１２の平面方向との平行度が僅かにずれている場合、層３００の平行度や平面度の精度が良好でなくなる虞がある。そのため、層形成機構１０５により造形ステージ１１２及びテーブル１１３の上に例えば１ｍｍ程度の原料紛体の層を形成しておくと、その層の上面の平行度や平面度は、層形成機構１０５の平面方向に倣って合わせられる。これにより、特に２層目以降は、その上に層が形成されることになり、形成される層３００の平行度や平面度を高精度にすることができる。また、その後にレーザービームＬＢにより造形が行われる層３００が、テーブル１１３の開口部１１３Ａから例えば１ｍｍ分の距離で離れる。このため、開口部１１３Ａに造形による熱量が流入し難くなり、開口部１１３Ａと造形壁３０２との拡散接合の防止を図ることができる。

次に制御部２００は、走査加熱機構１０６及び光源１１０を作動させて、層３００のレーザービーム加熱成形処理を実行する（Ｓ１４）。このレーザービーム成形処理（造形工程）では、走査加熱機構１０６及び光源１１０を作動させて、図６に示すように、造形ステージ１１２上の層３００の原料紛体における所望の固形化領域にレーザービームＬＢを照射して溶融し、その部分を固形化する。この際、制御部２００は、固形化領域として、三次元造形物３０１を造形する領域と、テーブル１１３の開口部１１３Ａの内側に隣接して造形壁３０２を造形する領域とにレーザービームＬＢを照射する。つまり、１つの層３００に対するレーザービーム成形処理の内で、三次元造形物３０１の１層分と造形壁３０２の１層分とを溶融して固形化する。

また、造形壁３０２はテーブル１１３の開口部１１３Ａの内側に隣接して造形されるので、テーブル１１３の開口部１１３Ａと造形壁３０２との間には僅かな隙間を存するだけで造形壁３０２が造形される。このため、次の層３００が形成される際に、テーブル１１３の開口部１１３Ａと造形壁３０２との間から原料紛体が落下し難くなる。さらに、造形壁３０２と造形容器１０７の側壁１０８との間は、隙間１２０によって離間している。このため、ヒータ１１４により層３００（積層３０５）を、拡散接合が生じる温度で予備加熱しても、造形壁３０２と造形容器１０７の側壁１０８とが固着することはない。

次に、図４に示すように、制御部２００は、層３００の１層分のレーザービーム加熱成形処理が終了すると、昇降機構１１１により造形ステージ１１２を１層分下降させる下降処理（下降工程）を実行する（Ｓ１５）。この際、層３００における造形壁３０２の領域が溶融され、その領域がテーブル１１３の開口部１１３Ａに隣接しているので、造形壁３０２と開口部１１３Ａとの間には原料紛体が存在している。しかしながら、上述したように開口部１１３Ａの垂直部１１３Ａａには、山部１１３ａと谷部１１３ｂとが形成されて凹凸形状となっているので（図３参照）、開口部１１３Ａと造形壁３０２との間の原料紛体の温度上昇が抑えられ、拡散接合し難くなっている。これにより、昇降機構１１１により造形ステージ１１２の下降処理を実行する際、造形壁３０２とテーブル１１３の開口部１１３Ａとの切離しは、接触面積の減少により補助される。従って、造形ステージ１１２と造形壁３０２とが固着していても、造形ステージ１１２の下降処理の実行が不可能となることが防止される。なお、造形ステージ１１２には、造形プレートを設置し、その上に三次元造形物３０１や造形壁３０２を造形してもよい。この場合も造形プレートが造形ステージ１１２に固定されるので、造形壁３０２がテーブル１１３に固着すると造形ステージ１１２の下降処理の実行が不可能になる虞がある。しかしながら、本実施の形態では、造形壁３０２とテーブル１１３の開口部１１３Ａとの切離しが補助されるので、造形ステージ１１２の下降処理が不可能となることが防止される。

上記下降処理が終了すると、制御部２００は、三次元造形物３０１の成形に必要な積層回数に達しているか否かを判定し（Ｓ１６）、積層回数が終了していない場合には（Ｓ１６のＮｏ）、ステップＳ１３に戻り、次の層形成に移行する。なお、このステップＳ１３からステップＳ１６までの処理を各層の造形処理とする。

次の層形成が行われ、造形ステージ１１２の上に２層目の層が形成されると、ステップＳ１４に進み、図７に示すように、２層目の層３００のレーザービーム加熱成形処理を実行する。この２層目のレーザービーム加熱成形処理において、制御部２００は、三次元造形物３０１を造形する領域では、三次元造形物３０１の形状に応じた領域にレーザービームＬＢを照射する。また、造形壁３０２を造形する領域では、１層目の層と同じ領域にレーザービームＬＢを照射する。そして、２層目のレーザービーム加熱成形処理が終了すると、上述のように開口部１１３Ａの垂直部１１３Ａａの形状により造形壁３０２杜の切離しが補助されつつ、昇降機構１１１により造形ステージ１１２を１層分下降させる（Ｓ１５）。

そして、以上のような層の積層を繰り返し、例えば数ｍｍ程度の積層が行われても、各層で造形壁３０２が形成されているため、造形壁３０２とテーブル１１３の開口部１１３Ａとの間から原料紛体が落下し難い。その後、三次元造形物３０１の形成に必要な積層回数に達すると（Ｓ１６のＹｅｓ）、制御部２００は、ヒータ１１４をオフして予備加熱を停止する（予備加熱停止工程）（Ｓ１７）。そして、制御部２００は、容器１０１内のガスを排出してから容器１０１内に外気を供給し（大気復帰工程）（Ｓ１８）、表示部２０２を通じて三次元造形物３０１の取り出しを許可する。

なお、以上の三次元造形の工程実行中に、造形壁３０２とテーブル１１３の開口部１１３Ａとの間にあって、特に谷部１１３ｂにある原料紛体が落下することがある。しかし、図２に示すように造形ステージ１１２の断面方向の大きさは、テーブル１１３の開口部１１３Ａとほぼ同じ大きさに形成されている。即ち、造形ステージ１１２と造形容器１０７の側壁１０８との間が、側壁１０８と造形壁３０２との間の隙間１２０と同じ距離で離れている。そのため、落下した原料紛体が造形ステージ１１２よりも下に落下するので、側壁１０８と造形ステージ１１２との間に挟まって、それらを固着してしまうことが防止されている。また、造形ステージ１１２よりも下に落下した原料紛体は、図１に示すように、容器１０１の底部分に溜まるが、ベローズ１１６によってシールされるので容器１０１から外部に漏れ出ることはない。容器１０１の底部分に溜まった原料紛体は、三次元造形の工程が終了した状態で定期的に清掃することで取り除かれる。

以上説明したように、三次元造形物３０１を形成する際に、側壁１０８よりも内側で開口するテーブル１１３の開口部１１３Ａに隣接して造形壁３０２を形成するので、側壁１０８と造形壁３０２とを離すことができる。このため、側壁１０８に配置されたヒータ１１４で造形ステージ１１２の上の積層３０５を例えば溶融が生じる手前でかつ拡散接合が生じる温度に加熱しても、側壁１０８と積層３０５（即ち造形壁３０２）とが固着することを防止できる。これにより、造形ステージ１１２が昇降不能となってしまうことを防止することができ、かつ三次元造形物３０１を高精度に造形することを可能とすることができる。そして、第１の実施の形態では切離し補助手段としてテーブル１１３の開口部１１３Ａの凹凸形状により、開口部１１３Ａと造形壁３０２との切離しを補助する。このため、造形ステージ１１２を下降させる際に開口部１１３Ａと造形壁３０２との切離しを容易にでき、開口部１１３Ａと造形壁３０２との固着の防止を図ることができ、造形ステージ１１２が昇降不能となってしまうことを防止することができる。

また、テーブル１１３の開口部１１３Ａは、厚み方向の上方側より下方側が水平方向の断面積が大きくなる形状に形成されている。つまり開口部１１３Ａは、その側面にあって、厚み方向の上部に垂直方向に向けて形成された垂直部１１３Ａａと、厚み方向の下部に下方側に向けて水平方向の断面積が大きくなるテーパ部１１３Ａｂとを有している。このため、造形壁３０２（或いは造形ステージ１１２）と開口部１１３Ａとの接触面積が小さくなり、造形ステージ１１２を下降させる際の切離しが容易になると共に、それらの間から原料紛体が落下することを妨げないようにすることができる。

また、造形ステージ１１２も、水平方向に対して側壁１０８との間に隙間１２０を存する大きさで構成されている。このため、ヒータ１１４で造形ステージ１１２の上の積層３０５を例えば溶融が生じる手前でかつ拡散接合が生じる温度に加熱しても、側壁１０８と造形ステージ１１２とが固着することを防止できる。

［テーブルの構成の変形例１］
ついで、テーブル１１３の構成を変更した変形例について図８に用いて説明する。変形例１として図８（ａ）にテーブル４１３の構成を示す。テーブル４１３は、いわゆる２層構造で構成したものであり、上方側に配置されて開口部４１３Ａの上部を構成する薄板４１４と、薄板４１４の下方側に配置されて薄板４１４を支持すると共に開口部４１３Ａの下部を構成する支持板４１５とを有している。支持板４１５の開口部４１５Ａである開口部４１３Ａの下部は、垂直方向から視て薄板４１４の開口部４１４Ａである開口部４１３Ａの上部の範囲に対して外側に位置している。つまり上方から視て薄板４１４の開口部４１４Ａの方が狭く、支持板４１５の開口部４１５Ａの方が外側に広がっている。言い換えると、開口部４１３Ａの下部は、開口部４１３Ａの上部より水平方向の断面積が大きいことになる。

具体的に薄板４１４は、一枚の平板で構成され、上方から視て矩形状で貫通して形成された開口部４１４Ａを有している。薄板４１４の厚みは、層３００の１層分よりも薄い厚みで構成することで、造形壁３０２（造形ステージ１１２）に対して隣接する部分の面積を小さくでき、固着し難くすることができる。また、薄板４１４の開口部４１４Ａの側面は、造形壁３０２（造形ステージ１１２）に対して隣接する部分の面積が小さいので平面状でも構わないが、上述した開口部１１３Ａのように凹凸形状を形成しておいてもよい。

一方の支持板４１５も、矩形状で貫通して形成された開口部４１５Ａを有する一枚の平板で構成され、かつ薄板４１４よりも厚みが厚く構成されており、薄板４１４を下方から支持している。即ち、薄板４１４は厚みが薄いので撓み易いが、薄板４１４が支持板４１５によって下方から支持されることで平面度を維持するように構成されている。支持板４１５自体は、造形容器１０７の側壁１０８によって支持されている。支持板４１５の開口部４１５Ａは、垂直方向に形成された垂直面４１５ａと、下方側に向けて水平方向の断面積が大きくなるテーパ形状のテーパ面４１５ｂとを有している。垂直面４１５ａは、薄板４１４の開口部４１４Ａに近い方が薄板４１４の撓みを防止する補強機能として有効だが、近すぎると造形壁３０２（或いは造形ステージ１１２）に固着し易くなるので、薄板４１４の剛性に応じて適宜な距離に設定するとよい。また、支持板４１５がテーパ面４１５ｂを有していることで、原料紛体の落下を妨げないように構成されている。

このようにテーブル４１３を２層構造とすることで、薄板４１４を薄くでき、造形壁３０２（或いは造形ステージ１１２）に対向して配置される薄板４１４の開口部４１４Ａの側面の面積を小さくすることができる。これにより、開口部４１４Ａへの熱量の流入を小さくして温度上昇を抑えることができて、開口部４１４Ａと造形壁３０２との間にある原料紛体の拡散接合を低減できる。このため、造形ステージ１１２の下降時におけるテーブル４１３の開口部４１３Ａと造形壁３０２（或いは造形ステージ１１２）との切離しを補助することができる。また、薄板４１４よりも厚みの厚い支持板４１５によって薄板４１４を支持することで、薄板４１４の平面度を維持することができる。

［テーブルの構成の変形例２］
次に変形例２として図８（ｂ）にテーブル５１３の構成を示す。テーブル５１３は、一枚の平板で構成され（１層構造で構成され）、貫通して形成された開口部５１３Ａを有している。この開口部５１３Ａは、下方側に向けて水平方向の断面積が大きくなるテーパ形状のテーパ面５１３ａで構成されており、つまり垂直方向の垂直面を有していない構成となっている。このように開口部５１３Ａを構成することで、造形壁３０２（或いは造形ステージ１１２）に対向する部分が鋭角形状となり、造形壁３０２（或いは造形ステージ１１２）に対して隣接する部分の面積を小さくできる。これにより、開口部５１３Ａへの熱量の流入を小さくして温度上昇を抑えることができて、開口部５１３Ａと造形壁３０２との間にある原料紛体の拡散接合を低減できる。このため、造形ステージ１１２の下降時におけるテーブル５１３の開口部５１３Ａと造形壁３０２（或いは造形ステージ１１２）との切離しを補助することができる。また、テーブル５１３がテーパ面５１３ａを有していることで、原料紛体の落下を妨げないように構成することができ、かつテーブル５１３の開口部５１３Ａの付近の厚みが薄くなったとしても剛性が維持でき、テーブル５１３の平面度を維持することができる。

［テーブルの構成の変形例３］
次に変形例３として図８（ｃ）にテーブル６１３の構成を示す。テーブル６１３は、図３に示すテーブル１１３と同様に、上方部分が垂直方向に形成された垂直部６１３Ａａと下方側に向けて水平方向の断面積が大きくなる傾斜面であるテーパ形状のテーパ部６１３Ａｂとを有する形状で構成されている。図３に示すテーブル１１３と異なり、垂直部６１３Ａａの厚みを層３００の１層分よりも薄い厚みで構成することで、造形壁３０２（造形ステージ１１２）に対して隣接する部分の面積を小さくできる。これにより、開口部６１３Ａへの熱量の流入を小さくして温度上昇を抑えることができて、開口部６１３Ａと造形壁３０２との間にある原料紛体の拡散接合を低減できる。このため、造形ステージ１１２の下降時におけるテーブル６１３の開口部６１３Ａと造形壁３０２（或いは造形ステージ１１２）との切離しを補助することができる。また、テーブル６１３がテーパ部６１３Ａｂを有していることで、原料紛体の落下を妨げないように構成することができ、かつテーブル６１３の開口部６１３Ａの付近の厚みが薄くなったとしても剛性が維持でき、テーブル６１３の平面度を維持することができる。

＜第２の実施の形態＞
ついで、第１の実施の形態を一部変更した第２の実施の形態について図９に用いて説明する。図９は第２の実施の形態に係る切離し補助手段を示す模式図で、（ａ）は模式平面図、（ｂ）は模式断面図である。なお、図９（ａ）に示す模式平面図及び図９（ｂ）に示す模式断面図も、テーブル２１３の一部を切取って示したもので、テーブル２１３の全体像は貫通して形成された孔が上方視で矩形状（例えば正方形）の開口部２１３Ａとして視認できる板状の部材である。

本第２の実施の形態は、造形ステージ１１２の下降時におけるテーブルと造形壁３０２（造形ステージ１１２）との切離しを補助する切離し補助手段として、テーブル２１３に冷却機能を追加したものである。具体的にテーブル２１３は、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、第１の実施の形態のテーブル１１３と同様な構成の開口部２１３Ａを有している。即ち、テーブル２１３の開口部２１３Ａは、上方部分が垂直方向に形成された垂直部２１３Ａａと下方側に向けて水平方向の断面積が大きくなる傾斜面であるテーパ形状のテーパ部２１３Ａｂとを有する形状で構成されている。

そして、テーブル２１３は、内部に冷媒を循環させる循環路２１３ａが冷却手段の一例として形成されており、循環路２１３ａは、外部から開口部２１３Ａの近傍まで周回して外部に戻る循環経路を構成している。循環路２１３ａの供給側は、不図示の冷媒ポンプに接続されてテーブル２１３の外部から冷媒が供給される。また循環路２１３ａの排出側は、熱交換器等の冷媒を冷却するクーラントに接続されている。従って、循環路２１３ａを流れる冷媒は、循環路２１３ａに供給され、開口部２１３Ａの近傍を通ってクーラントに送られた後、再度冷媒ポンプに還流される。なお、図９（ａ）及び図９（ｂ）では、１つの循環路２１３ａを示しているが、テーブル２１３全体には、複数の循環路２１３ａが並設されて、開口部２１３Ａをなるべく均一に冷却するように構成されている。また、冷媒としては、例えば水、油などの液体を用いることが現実的である。さらに、テーブル２１３を冷却する手法としては、テーブル２１３を金属製で構成し、ペルチェ素子などを用いて冷却することも可能である。要するに、テーブル２１３、特に開口部２１３Ａを冷却できれば、どのような構成でもよい。

このようにテーブル２１３を冷却することで開口部２１３Ａの温度上昇を抑えられる。このため、ヒータ１１４で積層３０５を高温で予備加熱した状態で、造形壁３０２（造形ステージ１１２）との間にある原料紛体の温度上昇を抑えることができるので拡散接合が生じることを低減できる。これにより、造形ステージ１１２の下降時においてテーブル２１３の開口部２１３Ａと造形壁３０２（造形ステージ１１２）との切離しを補助することができる。このため、造形ステージ１１２を下降させる際に開口部２１３Ａと造形壁３０２との切離しを容易にでき、開口部２１３Ａと造形壁３０２との固着の防止を図ることができ、造形ステージ１１２が昇降不能となってしまうことを防止することができる。

なお、これ以外の第２の実施の形態における構成、作用、効果は、第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

＜第３の実施の形態＞
ついで、第１の実施の形態を一部変更した第３の実施の形態について図１０に用いて説明する。図１０は第３の実施の形態に係る切離し補助手段を示す模式図で、（ａ）は模式平面図、（ｂ）は模式断面図である。なお、図１０（ａ）に示す模式平面図及び図１０（ｂ）に示す模式断面図において、テーブル１１３及び側壁１０８の一部を切取って示しているが、これらは第１の実施の形態と同様な構成である。

本第３の実施の形態は、造形ステージ１１２の下降時におけるテーブル１１３と造形壁３０２（造形ステージ１１２）との切離しを補助する切離し補助手段の一例としてガス供給機構１０２（図１参照）を造形容器１０７の底部分に接続して構成したものである。そして、気体を開口部１１３Ａと造形壁３０２との間に流すように供給するものである。具体的には、造形容器１０７の底部分に気体を噴き出して供給する供給口（不図示）を設け、造形容器１０７の側壁１０８と造形ステージ１１２との間の隙間１２０を通過させて、矢印Ｗで示すように開口部１１３Ａと造形壁３０２との間に供給する。この気体は、例えばアルゴンなどの不活性ガスであってもよいが、例えば原料紛体を窒化処理する場合には、水素ガスや窒素ガス或いはそれらの混合気体などを供給しても良いし、例えば原料紛体を炭化処理する場合には、アセチレンガスなどを供給しても良い。不活性ガスを供給する場合には、ガス供給機構１０２とは別の気体供給機構を設けてもよい。さらに、ガス供給機構１０２は、例えばベローズ１１６の内部を通して造形ステージ１１２に接続し、造形ステージ１１２の側面或いは下面から吹き出すようにしてもよい。

このように気体を供給することで、テーブル１１３の開口部１１３Ａと造形壁３０２との間にある原料紛体を吹き飛ばして清掃でき、かつ開口部１１３Ａを冷却することもできるので、拡散接合を防止できる。これにより、造形ステージ１１２の下降時においてテーブル１１３の開口部１１３Ａと造形壁３０２（造形ステージ１１２）との切離しを補助することができる。このため、造形ステージ１１２を下降させる際に開口部１１３Ａと造形壁３０２との切離しを容易にでき、開口部１１３Ａと造形壁３０２との固着の防止を図ることができ、造形ステージ１１２が昇降不能となってしまうことを防止することができる。

なお、これ以外の第３の実施の形態における構成、作用、効果は、第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

＜その他の実施の形態の可能性＞
なお、以上説明した第１乃至第３の実施の形態においては、原料紛体として金属粉体を用いることを前提として説明したが、原料紛体は樹脂やセラミックなどであってもよく、どのような原料紛体であっても構わない。

また、以上説明した第１の実施の形態では切離し補助手段として開口部の形状を、第２の実施の形態では切離し補助手段として冷却手段を、第３の実施の形態では切離し補助手段として気体供給手段を説明したが、これらは自在に組合せて用いることができる。

１００…三次元造形装置：１０２…切離し補助手段、気体供給手段（ガス供給機構）：１０５…層形成手段（層形成機構）：１０６…ビーム照射手段（走査加熱機構）：１０８…側壁：１１２…ステージ（造形ステージ）：１１３…テーブル：１１３Ａ…開口部：１１３Ａａ…垂直部：１１３Ａｂ…テーパ部：１１３ａ，１１３ｂ…切離し補助手段、凹凸形状（山部、谷部）：１１４…加熱手段（ヒータ）：２００…制御部：２１３…テーブル：２１３Ａ…開口部：２１３Ａａ…垂直部：２１３Ａｂ…テーパ部：２１３ａ…切離し補助手段、冷却手段（循環路）：３００…層：３０１…三次元造形物：３０２…造形壁：４１３…テーブル：４１３Ａ…開口部：４１４…薄板：４１５…支持板：５１３…テーブル：５１３Ａ…開口部：６１３…テーブル：６１３Ａ…開口部：６１３Ａａ…垂直部：６１３Ａｂ…テーパ部：ＬＢ…エネルギービーム（レーザービーム）

Claims (11)

1. 原料粉体の層を形成する層形成手段と、
   昇降可能に構成され、前記層が積層されるステージと、
   前記ステージに形成された層にエネルギービームを照射するビーム照射手段と、
   前記ステージの昇降方向の外周に配置される側壁と、
   前記側壁に配置され、前記ステージの上の積層を加熱する加熱手段と、
   前記ステージの上方に配置され、前記側壁よりも内側で開口して前記層形成手段により層が形成される開口部を有するテーブルと、
   前記層を形成し、前記ステージの上の層にエネルギービームを照射して三次元造形物を形成すると共に前記開口部の内側に隣接して造形壁を形成して、前記層の厚み分について前記ステージを下降させる各層の造形処理を繰り返し実行するように、前記層形成手段、前記ビーム照射手段、及び前記ステージを制御する制御部と、
   前記ステージが下降するに際して、前記開口部と前記造形壁との切離しを補助する切離し補助手段と、を備える、
   ことを特徴とする三次元造形装置。
2. 前記切離し補助手段は、前記テーブルの開口部の内側の側面に形成された凹凸形状である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記切離し補助手段は、前記テーブルの開口部を冷却する冷却手段である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元造形装置。
4. 前記切離し補助手段は、前記開口部と前記造形壁との間に気体を供給して通過させる気体供給手段である、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
5. 前記テーブルの開口部は、厚み方向の上方側より下方側が水平方向の断面積が大きくなる形状に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
6. 前記テーブルの開口部は、その側面にあって、厚み方向の上部に垂直方向に向けて形成された垂直部と、厚み方向の下部に下方側に向けて水平方向の断面積が大きくなるテーパ部と、を有する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の三次元造形装置。
7. 前記垂直部は、その厚みが前記層形成手段により層よりも薄い、
   ことを特徴とする請求項６に記載の三次元造形装置。
8. 前記テーブルは、上方側に配置されて前記開口部の上部を構成する薄板と、前記薄板の下方側に配置されて前記薄板を支持すると共に前記開口部の下部を構成する支持板と、を有し、前記開口部の下部は、垂直方向から視て前記開口部の上部の外側に位置して前記開口部の上部より水平方向の断面積が大きい、
   ことを特徴とする請求項５に記載の三次元造形装置。
9. 前記テーブルの開口部は、その側面の全体が、厚み方向の下方側に向けて断面積が大きくなるテーパ形状に形成されている、
   ことを特徴とする請求項５に記載の三次元造形装置。
10. 前記ステージは、水平方向に対して前記側壁との間に隙間を存する大きさで構成されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
11. 昇降可能なステージの外周に配置されて前記ステージの上の積層を加熱する加熱手段を有する側壁、よりも内側で開口したテーブルの開口部を介して前記ステージの上に原料粉体の層を形成する層形成工程と、
    前記ステージに形成された層にエネルギービームを照射して三次元造形物を形成すると共に前記開口部の内側に隣接して造形壁を形成する造形工程と、
    切離し補助手段により前記開口部と前記造形壁との切離しを補助しながら、前記ステージを前記層の厚みに合わせて下降させる下降工程と、を備え、
    前記各工程を繰り返し実行することにより三次元造形物を造形する、
    ことを特徴とする三次元造形方法。

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