JP2017165998A - 三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】造形ステージ上に敷かれた金属粉体層に対する加熱効率が高い三次元造形方法を提供する。【解決手段】制御部２００は、造形領域に製品造形物１０８を造形するのと並行して、ヒータ造形領域に製品造形物１０８を加熱するヒータ造形物１１４を造形し、ヒータ造形物１１４に電流を流して発熱させる。粉末層工程では金属粉体の粉末層の一例である薄層１０７を形成させる。加熱工程では、薄層１０７上の造形領域とヒータ造形領域とをレーザービーム１１３により加熱して固化させる。【選択図】図１

Description

本発明は、粉末床溶融結合方式の三次元造形方法に関する。

粉末床溶融結合方式の三次元造形方法が開発されている。特許文献１には、造形ステージ上に敷かれた金属粉体の薄層をレーザービームの熱エネルギーにより選択的に溶融結合することで固化層を形成し、固化層を積層させて三次元造形を行う粉末床溶融結合方式の三次元造形方法が示される。

粉末床溶融結合方式の三次元造形方法では、ヒータ等の外部加熱手段を用いて、造形ステージ上に敷かれた金属粉体の薄層を補助加熱している場合がある。特許文献１では、造形ステージの金属粉体の薄層を囲んで薄層面に対向させるようにランプヒータが設けられている。

特開２００７−２２３１９２号公報

特許文献１では、造形ステージ上に敷かれた金属粉体の薄層の表面をランプヒータで加熱するため、造形ステージ上に形成された金属粉体の固化層が積層されて全体の高さが大きくなると、造形物の高さ方向の各位置の温度が不均一になる。

そこで、造形ステージを囲んで金属粉体の層を収容する側壁や造形ステージに抵抗加熱ヒータを埋め込んで、造形ステージ上に敷かれた金属粉体層の全体を周囲から加熱する方法が提案された。

しかし、製品造形物を含む金属粉体の粉末層の全体を側壁や造形ステージに埋め込んだ抵抗加熱ヒータで外部から加熱すると、側壁や造形ステージを通じて外部へ逃げる熱が多くなって、製品造形物に対する加熱効率が低くなる。

本発明は、金属粉体の粉末層に囲まれた製品造形物に対する加熱効率が高い三次元造形方法を提供することを目的としている。

本発明の三次元造形方法は、制御部が、金属粉体の粉末層を形成させる粉末層工程と、前記制御部が、前記粉末層工程により形成された粉末層上の造形領域とヒータ造形領域とをエネルギービームにより加熱して固化させる加熱工程と、を有する造形工程を実行し、前記制御部が、前記造形工程を実行することにより、前記造形領域に製品造形物が造形され、前記ヒータ造形領域に前記製品造形物を加熱するヒータ造形物が造形される物の製造方法である。

本発明によれば、金属粉体の粉末層に囲まれた製品造形物に対する加熱効率が高い三次元造形方法を提供することができる。

三次元造形装置の説明図である。 三次元造形装置の製造プロセスの説明図である。 実施の形態１における雰囲気調整の説明図である。 三次元造形装置の制御系のブロック図である。 三次元造形処理の処理プログラムの作成のフローチャートである。 造形プレートの平面図である。 製品造形物とヒータ造形物の配置の説明図である。 三次元造形装置の制御のフローチャートである。 １層目の粉末層工程の説明図である。 １層目のレーザー加熱工程の説明図である。 ３層目のレーザー加熱工程の説明図である。 実施の形態２のヒータ造形物の説明図である。 実施の形態３のヒータ造形物の説明図である。 実施の形態３のヒータ造形物の正面図である。 実施の形態３のヒータ造形物の平面図である。 実施の形態４のヒータ造形物の説明図である。 実施の形態５のヒータ造形物の説明図である。 実施の形態５のヒータ造形物の平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
（三次元造形装置）
図１は三次元造形装置の説明図である。図２は三次元造形装置の製造プロセスの説明図である。図３は実施の形態１における雰囲気調整の説明図である。図２中、（ａ）は供給工程、（ｂ）は粉末層工程、（ｃ）はレーザー加熱工程、（ｄ）は下降工程である。

図１に示すように、三次元造形装置１００は、粉末床溶融結合方式のいわゆる３Ｄプリンタである。三次元造形装置１００は、粉敷き機構１１１により造形プレート１０６上に形成された金属粉体１０５の薄層１０７を、レーザービーム１１３で加熱することにより固化し、固化した金属の固化層１０７Ｈを積層して製品造形物１０８を三次元造形する。

昇降ステージの一例である造形ステージ１０１は、薄層１０７を昇降させる。造形ステージ１０１の周囲は、高さを固定された側面壁１０３で囲まれている。昇降装置１０２は、ボールねじ機構で構成され、側面壁１０３の内側で造形ステージ１０１を金属粉体１０５の厚みに対応させた任意のピッチで昇降させる。

粉敷き機構１１１は、造形ステージ１０１上のテーブル上面開口部１１０に金属粉体１０５を敷いて薄層１０７を形成する。図２の（ａ）に示すように、造形ステージ１０１を有する造形容器Ａを挟んで供給ステージ１３１を有する原料容器Ｂが設けられている。粉敷き機構１１１は、金属ローラ１３３を回転させつつ、移動部１３４がガイド１３５に案内されて移動する。金属粉体１０５は、原料容器Ｂに蓄積されている。

供給工程では、図２の（ａ）に示すように、供給ステージ１３１が矢印Ｒ１方向に移動することにより、原料容器Ｂの金属粉体１０５が造形容器Ａの上面よりも高い位置へ盛り上げられる。粉末層工程では、図２の（ｂ）に示すように、粉敷き機構１１１は、金属ローラ１３３を矢印Ｒ４方向に回転させつつ矢印Ｒ２方向に移動して、原料容器Ｂの金属粉体１０５を造形容器Ａへ移動させる。粉敷き機構１１１は、造形容器Ａの上面の金属粉体１０５をすり切って、造形容器Ａに薄層１０７を形成する。粉敷き機構１１１は、続いて、金属ローラ１３３を矢印Ｒ５方向に回転させつつ矢印Ｒ３方向に移動して、造形容器Ａの上面に、一定厚さで組織の締まった薄層１０７を形成する。

図３に示すように、加熱機構１２０は、造形ステージ１０１上の金属粉体１０５に対してレーザービーム１１３を照射する。光源１２１は、ＹＡＧレーザー発振器であって、出力５００Ｗである。Ｘ軸走査機構１２３は、光源１２１で発生させたレーザービーム１１３をガルバノミラー１２３ｍで図中左右方向に走査する。Ｙ軸走査機構１２２は、レーザービーム１１３をガルバノミラー１２２ｍで図中奥行方向に走査する。これにより、造形ステージ１０１の薄層１０７における入力データに応じた領域がレーザービーム１１３のビームスポットにより加熱される。

レーザー加熱工程では、図２の（ｃ）に示すように、レーザービーム１１３は、造形ステージ１０１の薄層１０７を加熱し、ほぼ瞬時に溶融して下層の固体組織と一体に固化させることにより、薄層１０７の所望の領域を固化層１０７Ｈに固化させる。

下降工程では、図２の（ｄ）に示すように、固化層１０７Ｈの積層を行う毎に、造形ステージ１０１を矢印Ｒ７方向に移動させて、固化層１０７Ｈの厚み方向に製品造形物１０８を成長させる。

図１に示すように、造形ステージ１０１の下部には、予備加熱ヒータ１０４が配置されている。予備加熱ヒータ１０４は、抵抗加熱ヒータで構成され、造形ステージ１０１上の薄層１０７を予備加熱する。造形プレート１０６と薄層１０７の界面に不図示の温度センサが設けられている。制御部２００は、温度センサの出力に基づいて予備加熱ヒータ１０４に通電する電流をＯＮ／ＯＦＦ制御する。

三次元造形装置１００は、大気中で実行される粉末床溶融結合方式の三次元造形方法を実行することも可能である。しかし、実施の形態１では、金属粉体１０５の酸化膜を除去し、溶融した金属粉体１０５の酸化を回避するために、真空中又は特殊なガス雰囲気中で粉末床溶融結合方式の三次元造形方法を実行している。

（雰囲気調整）
図３に示すように、容器３０１は、ステンレスで形成され、密閉可能である。容器３０１には、容器３０１内の圧力を検知する圧力計（真空計）３０８が接続されている。排気機構３０３は、容器３０１内を減圧可能である。排気機構３０３は、ドライポンプとターボ分子ポンプを直列に接続して構成され、容器３０１内を排気して酸素を追い出す。容器３０１の到達真空度は１×１０^−４Ｐａである。

ガス供給機構３０２は、排気機構３０３によって真空引きすることにより酸素が除去された容器３０１内に窒素ガスと水素ガスの混合気体を供給する。なお、ガス供給機構３０２は、用途に応じて、アルゴンガス、アンモニアガス、炭化水素ガス等を供給することも可能である。

排気機構３０３は、容器３０１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、ガス供給機構３０２によって容器３０１に気体を供給しつつ圧力計３０８の出力に応じて開口調整弁を調整することで、容器３０１内を所望の雰囲気と真空度に制御することができる。

（製品造形物の温度分布）
図２の（ｃ）に示すように、金属粉体１０５の薄層１０７をレーザービーム１１３の熱エネルギーにより溶融結合する際に、レーザービーム１１３の熱エネルギーにより造形中の製品造形物１０８に積層方向の温度分布が生じる。

積層方向の温度分布を放置すると製品造形物が熱変形したり、熱歪によるクラックを発生させたりする。このため、造形中を通じて金属粉体１０５に囲まれた製品造形物１０８の全体をほぼ均一な温度分布に加熱保持して、積層方向の温度分布を抑制することが望まれている。

そこで、実施の形態１では、図１に示すように、製品造形物１０８とヒータ造形物１１４の同時造形を行っている。そして、造形されたばかりのヒータ造形物１１４に電流を流すことにより、製品造形物１０８の近傍でジュール熱を発生させて、製品造形物１０８の全体を加熱して積層方向の温度分布を抑制している。

（ヒータ造形物の造形手順）
図４は三次元造形装置の制御系のブロック図である。図５は三次元造形処理の処理プログラムの作成のフローチャートである。

図４に示すように、制御部の一例である制御部２００は、ＣＰＵ２０５がＲＯＭ２０７から読み込んだデータ及びプログラムをＲＡＭ２０６に保持して必要な演算と処理を実行するコンピュータ装置である。制御部２００は、外部コンピュータ２１０により作成された製品造形物１０８とヒータ造形物１１４の同時造形の処理プログラムを入力されて実行する。

図５に示すように、制御部の一例である外部コンピュータ２１０は、製品造形物データ（ＣＡＤデータ）を取得すると（Ｓ１１）、製品造形物１０８の周囲にヒータ造形物１１４を自動設計してヒータ造形物データを作成する（Ｓ１２）。外部コンピュータ２１０は、製品造形物データに基づいて金属粉体１０５の各層における製品造形物１０８のレーザービーム溶融領域を設定する（Ｓ１３）。外部コンピュータ２１０は、ヒータ造形物データに基づいて金属粉体１０５の各層におけるヒータ造形物１１４のレーザービーム溶融領域を設定する（Ｓ１４）。

外部コンピュータ２１０は、製品造形物１０８とヒータ造形物１１４のレーザービーム溶融領域の設定結果に基づいて、製品造形物とヒータ造形物とを造形する処理プログラムを作成して記録媒体２１１に保存する（Ｓ１５）。

外部コンピュータ２１０は、造形領域から離れた位置に、造形領域の輪郭に沿って、網目状組織のヒータ面を造形するようにヒータ造形領域を設定する。外部コンピュータ２１０は、ヒータ造形領域と造形領域との平均距離を、ヒータ造形領域と薄層１０７の輪郭との平均距離よりも小さくするようにヒータ造形領域を設定する。ヒータ造形物１１４Ｃは、電流が供給される電極１０９に接続して積層方向に連続する導電部１１４ｐと、導電部１１４ｐから電流を供給されて発熱する発熱部１１４ｈと、を有する。外部コンピュータ２１０は、発熱部１１４ｈの長手方向に垂直な断面積が一定になるようにヒータ造形領域を設定する。

（造形プレート）
図６は造形プレートの平面図である。図７は実施の形態１における製品造形物とヒータ造形物の配置の説明図である。図１に示すように、造形プレート１０６は、造形ステージ１０１上に配置され、固化した製品造形物１０８とともに固化していない金属粉体１０５を造形ステージ１０１から取り出すことができる治具基板であって、電極１０９を有する。電極１０９は、導線１１６を介して電源１１７に接続している。図６に示すように、造形プレート１０６は、電極１０９の周囲に絶縁体１１５を配置することにより、電極１０９と造形プレート１０６との電気的絶縁を確保している。

基板部材の一例である造形プレート１０６は、溶融した金属粉体１０５に対して濡れ性、密着性が高い材料で形成される。造形プレート１０６は、三次元造形装置１００において使用される造形ステージ１０１に対して着脱自在な消耗品である。造形プレート１０６は、導線１１６に接触する反対側の面でレーザー加熱工程（Ｓ２４：図７）によりヒータ造形物１１４に一体化する電極１０９を有する。ステージ電極の一例である導線１１６は、造形プレート１０６を介してヒータ造形物１１４に電流を供給する。電源の一例である電源１１７は、導線１１６を通じてヒータ造形物１１４に電流を供給する。

図７に示すように、実施の形態１では、電極１０９上の薄層１０７にレーザービーム（１１３：図１）を照射することにより、薄層１０７を溶融固化して、製品造形物１０８の周囲を囲んで通電により昇温可能なヒータ造形物１１４を造形している。

（三次元造形装置の制御）
図８は三次元造形装置の制御のフローチャートである。図９は１層目の粉末層工程の説明図である。図１０は１層目のレーザー加熱工程の説明図である。図１１は３層目のレーザー加熱工程の説明図である。

図４に示すように、制御部の一例である制御部２００は、昇降装置１０２、粉敷き機構１１１、ヒータ１０４、電源１１７等を制御して、製品造形物１０８とヒータ造形物１１４とを同時進行で造形する。制御部２００は、電源１１７を制御して、ヒータ造形物１１４による製品造形物１０８の加熱を制御する。

図８に示すように、制御部２００は、供給工程（Ｓ２２）及び粉末層工程（Ｓ２３）により金属粉体の粉末層の一例である薄層１０７を形成させる。制御部２００は、加熱工程の一例であるレーザー加熱工程（Ｓ２４、Ｓ２５）では、薄層１０７上の造形領域とヒータ造形領域とをエネルギービームの一例であるレーザービーム１１３により加熱して固化させる。

制御部２００は、造形工程（Ｓ２）を実行することにより、造形領域に製品造形物１０８を造形するのと並行して、ヒータ造形領域に製品造形物１０８を加熱するヒータ造形物１１４を造形する。制御部２００は、造形工程（Ｓ２）において、ヒータ造形物１１４に電流を流して発熱させる。

ＣＰＵ２０５は、操作部２０８を通じて三次元造形の開始が指示されると、製品造形物１０８の加熱を開始する（Ｓ２１）。三次元造形の開始時点では製品造形物１０８が一層も形成されていないため、ＣＰＵ２０５は、ヒータ１０４の加熱による造形プレート１０６の温度上昇を待って供給工程（Ｓ２２）及び粉末層工程（Ｓ２３）を実行する。図９に示すように、第１層目の粉末層工程では、造形ステージ１０１は最も高い位置に来ている。テーブル上面開口部１１０上を粉敷き機構１１１が動くことで、造形プレート１０６上に金属粉体１０５を押し広げて薄層１０７を形成する（Ｓ２３）。薄層１０７の厚さは製品造形物１０８の形状精度に関係しており、昇降装置１０２の分解能に依存する。

ＣＰＵ２０５は、粉末層工程（Ｓ２３）に続いて、レーザー加熱工程を実行する（Ｓ２４）。図１０に示すように、薄層１０７の加熱溶融領域にレーザービーム１１３を照射して製品造形物１０８とヒータ造形物１１４とを造形する。第１層目の造形を終えた後、下降工程として、昇降装置１０２を作動させて造形ステージ１０１を薄層１０７の厚さと同じ高さだけ下げる（Ｓ２５）。

ＣＰＵ２０５は、積層が終了するまで（Ｓ２６のＮｏ）、粉末層工程（Ｓ２３）とレーザー加熱工程（Ｓ２４）とを繰り返す。図１１に示すように、第３層目の薄層１０７も、第１層目、第２層目の薄層１０７と同様に、粉敷き機構１１１を用いてテーブル上面開口部１１０に金属粉体１０５を敷き伸ばして形成される（Ｓ２３）。第３層目の薄層１０７の加熱溶融領域にレーザービーム１１３を照射し、製品造形物１０８とヒータ造形物１１４とを造形する（Ｓ２４）。第３層目の製品造形物１０８とヒータ造形物１１４の造形後も、第１層目、第２層目と同様に、昇降装置１０２を作動させて造形ステージ１０１を薄層１０７の厚さと同じ高さだけ下げる（Ｓ２５）。

粉末層工程（Ｓ２３）とレーザー加熱工程（Ｓ２４）とを繰り返すことにより、図１に示すように、固化層１０７Ｈを一層ずつ積層させて製品造形物１０８を囲むヒータ造形物１１４を造形する。

ＣＰＵ２０５は、すべての積層が終了すると（Ｓ２６のＹｅｓ）、製品造形物１０８の加熱を停止して（Ｓ２７）、冷却工程を実行し（Ｓ２８）、操作部２０８を通じて製品造形物１０８の取り出しを許可する（Ｓ２９）。製品造形物１０８は、一般的にはワイヤカット等で切断して造形プレート１０６から分離される。

（必要な発熱量の試算）
製品造形物１０８は、材質がステンレスＳＵＳ３１６、外径がφ５０ｍｍ、高さが５０ｍｍの中実円柱形状である。

ヒータ造形物１１４は、材質がステンレスＳＵＳ３１６、外径５２ｍｍ、高さ５０ｍｍの中空円筒形状である。ヒータ造形物１１４の厚みは０．２ｍｍの薄板状として、電極１０９間の抵抗値を確保した。

製品造形物１０８を加熱して一定温度に保持する場合、製品造形物１０８からの放熱量と釣り合う熱量を、ヒータ造形物１１４が外側から製品造形物１０８へ供給し続ける必要がある。製品造形物１０８からの放熱量を、製品造形物１０８が大気中に浮いている状態を想定した単純化したモデルにより概算した。なお、実際は製品造形物１０８が金属粉体や側面壁１０３に囲まれ、それらを伝って装置側へ熱が流れたり、輻射によって周囲に熱が拡散したり、ガス雰囲気中であればガスに熱伝達したりする。このため、実際には、製品造形物１０８からの放熱量は、装置の形態やガスの有無によってかなり変動があると考えられる。
・金属粉体１０５は、水アトマイズ法により製造された平均粒子径３０μｍのステンレス粒子である。
・三次元造形時の環境温度を２０℃に設定する。
・ヒータ造形物１１４によって製品造形物１０８が保持する目標温度を５５０℃に設定する。
・製品造形物１０８の側面積は７８５４［ｍｍ^２］である。
・製品造形物１０８の対流熱伝達率を７．００［Ｗ／ｍ^２Ｋ］とする。
・製品造形物１０８表面の放射率を０．５とする。
・Ｓｔｅｆａｎ−Ｂｏｌｔｚｍａｎ定数５．６７×１０^−８［Ｗｍ^−２Ｋ^−４］とする。

これにより、製品造形物１０８の対流熱損失は２９．１Ｗである。放射熱損失は１０１Ｗである。そして、製品造形物１０８からの熱損失すなわち放熱量は、対流熱損失と放射熱損失の合計であるため、製品造形物１０８の総放熱量は１３０Ｗとなる。

したがって、ヒータ造形物１１４は、製品造形物１０８の積層終了時点で１３０Ｗの発熱量に達するように、電源１１７からの印加電流を積層ごとに増加させて、粉末層工程及びレーザー加熱工程を通じた刻々の発熱量を制御される。

（比較例１）
比較例１では、図１の構成において、製品造形物１０８を造形するために積層及び充填されている金属粉体１０５の周囲の側面壁１０３にヒータを設けた場合を考える。ヒータは、製品造形物１０８を内包しながら積層及び充填された金属粉体１０５の周囲を加熱し、熱伝導によって金属粉体１０５に囲まれた製品造形物１０８を加熱する。

しかし、金属粉体１０５は、固体状の金属に比べて熱伝導率が低いため、比較例１では、内部の製品造形物１０８を効率良く均一に加熱することが難しい。レーザービーム１１３による高温状態を維持し製品造形物１０８の温度分布を抑制して熱変形を低減するためのヒータを側面壁１０３に設けた場合、ヒータから製品造形物１０８までの距離が離れてしまう。このため、ヒータが製品造形物１０８を効率良く均一に加熱できない。

また、比較例１では、製品造形物１０８の温度分布を抑制すべく、より高い温度に加熱しようとすると、金属粉体１０５と、金属粉体１０５の周囲を囲んで金属粉体１０５の崩れを防止している側面壁１０３とが拡散接合により固着する可能性がある。側面壁１０３に金属粉体１０５が固着すると、造形ステージ１０１の昇降が困難になってそれ以降の造形の継続が不可能になる。

（比較例２）
比較例２では、図１の構成において、製品造形物１０８の熱変形を抑制するために、造形容器Ａの上方に反射板と赤外線ヒータを配置し、テーブル上面開口部１１０を通じて造形プレート１０６上の薄層１０７の表面を赤外線加熱する場合を考える。これにより、造形容器Ａ内に形成された製品造形物１０８を上面側から加熱する。

しかし、比較例２では、赤外線ヒータにより、積層中の金属粉体１０５の上面のみを加熱している。このため、製品造形物１０８のレーザービーム１１３で新たに溶融結合された表面のみが加熱され、製品造形物１０８の内部を効率良く均一に加熱することが困難である。

（実施の形態１の効果）
実施の形態１では、製品造形物１０８の表面近傍に昇温可能なヒータを含むヒータ造形物１１４を造形する。ヒータ造形物１１４を製品造形物１０８の表面に沿って、ほぼ均一な発熱密度を持たせて配置することができる。薄層１０７の造形領域内に昇温可能なヒータを含むヒータ造形物１１４の電気回路を同時に造形し、製品造形物１０８の近傍にて加熱する。このため、製品造形物１０８の造形過程の最初から最後まで、製品造形物１０８の近傍で製品造形物１０８全体を効率良く均一に加熱することが可能となる。これにより、造形中の製品造形物１０８に生じる温度分布を小さくして熱変形を抑制することができる。歪やクラックが少なく、精度の高い製品造形物１０８を造形することが可能になる。

実施の形態１では、造形プレート１０６の上面に電極１０９を配置し、電極１０９を通じてヒータ造形物１１４に電流を流し、ジュール熱によりヒータ造形物１１４を発熱させる。このため、電極１０９を通じてヒータ造形物１１４へ効率的に電流を供給してヒータ造形物１１４を所望の加熱状態に制御できる。

実施の形態１では、造形領域に製品造形物１０８を造形するのと並行して、ヒータ造形領域に製品造形物１０８を加熱するヒータ造形物１１４を造形する。したがって、製品造形物１０８の形状や大きさが異なる場合でも、最適な加熱状態を製品造形物１０８に設定することができる。製品造形物１０８の全体を均一に加熱するのみならず、局所的に温度を高くしたり低くしたりする複雑な加熱パターンも実施可能である。

実施の形態１では、造形領域から離れた位置に、造形領域の輪郭に沿って、ヒータ造形領域を設定する。このため、製品造形物１０８に大電流が流れて電源１１７の負荷が高まることがない。製品造形物１０８の輪郭に沿って効率的に製品造形物１０８を加熱することができる。

実施の形態１では、ヒータ造形領域と造形領域との平均距離を、ヒータ造形領域と薄層１０７の輪郭との平均距離よりも小さくするようにヒータ造形領域を設定する。このため、金属粉体１０５の加熱の温度ピークを側面壁１０３から遠く離れた製品造形物１０８の直近位置に形成することができる。これにより、ヒータ造形物１１４から側面壁１０３へ移動する熱量を抑制して、ヒータ造形物１１４で発生した熱を製品造形物１０８へ効率的に導くことができる。側面壁１０３へ移動する熱量を抑制することで、側面壁１０３と金属粉体１０５との融着を回避することができる。

実施の形態１では、図７に示すように、ヒータ造形物１１４は、電流が供給される電極１０９に接続して積層方向に連続する導電部１１４ｐと、導電部１１４ｐから電流を供給されて発熱する発熱部１１４ｈと、を有する。このため、固化層１０７Ｈが積層して製品造形物１０８の高さが高くなっても、低い位置と等しく発熱量を確保して高さ方向の温度のばらつきを小さくすることができる。

実施の形態１では、発熱部１１４ｈの長手方向に垂直な断面積が一定になるようにヒータ造形領域を設定する。このため、発熱部１１４ｈの全体を通じて均一な発熱が得られ、製品造形物１０８の温度ムラを抑制できる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では、製品造形物を円筒状に取り囲む薄板状のヒータ造形物を造形した。これに対して比較例２では製品造形物を円筒状に取り囲むメッシュ状のヒータ造形物を造形している。ヒータ造形物の組織構造以外は、実施の形態１と同一に造形されるため、図１２中、実施の形態１と共通する構成には図１乃至１１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。

（ヒータ造形物）
図１２は実施の形態２のヒータ造形物の説明図である。

図１２に示すように、実施の形態２では、ヒータ造形物１１４の発熱を担う中空円筒状の部分は、針金状の金属組織が４５度方向に交差して連結されたメッシュ状（網形状）の組織構造を有する。これにより、電極１０９間のヒータ造形物１１４の電気抵抗値を大きくして、実施の形態１よりも電源１１７の電流負荷を軽減している。

（ヒータ電流値の試算）
上述したように、製品造形物１０８の総放熱量は１３０Ｗである。したがって、ヒータ造形物１１４の抵抗値が分かれば、製品造形物１０８を一定の温度に保持するために必要な電流値を試算することができる。

ヒータ造形物１１４を以下のように設計して、製品造形物１０８の保温に要する電流値を試算した。
・ヒータ造形物１１４の外観形状を外径５２ｍｍ、内径５１ｍｍ、高さ５０ｍｍの中空円筒形状とする。
・ヒータ造形物１１４の組織形状を４５度方向の２ｍｍピッチの網形状にする。
・網形状を構成する線材は円形断面で直径を１ｍｍとする。
・造形後のヒータ造形物１１４の材料の体積抵抗率を１００［μΩｃｍ］とする。
・ヒータ造形物１１４から製品造形物１０８への加熱効率を５０％とする。

このように数値を設計して試算を行うと、線材の全長が８０５０ｍｍ、線材の断面積が０．７９ｍｍ^２となり、ヒータ造形物１１４全体の抵抗値は１０．３Ωとなる。そして、加熱効率５０％のヒータ造形物１１４の必要発熱量は２６０Ｗである。これにより、ヒータ造形物１１４に流すべき必要電流値は７．１Ａとなる。

実施の形態２では、計算が簡単となるよう製品造形物１０８を単純な中実円柱形状としたが、より複雑な形状の製品造形物を造形する場合も、製品造形物の表面形状に則したヒータ造形物を設計すれば、同じ手順で必要電流値を算出可能である。

実施の形態２では、網目状組織のヒータ面を造形するようにヒータ造形領域を設定する。このため、ヒータ造形領域の断面積を小さくして抵抗を高くすることにより、少ない電流でも発熱量を大きく設定し、電源１１７の負荷を軽減することができる。

＜実施の形態３＞
実施の形態１では、図７に示すように、造形プレート１０６の電極１０９に重なるように円筒状のヒータ造形物１１４を配置した。これに対して、実施の形態３では、図１５に示すように、造形プレート１０６の電極１０９の内側に離れた位置に円筒状のヒータ造形物１１４Ｃを配置した。ヒータ造形物１１４Ｃの形状以外は、実施の形態１と同一に構成され、同一の手順で造形されるため、図１３乃至図１５中、実施の形態１と共通する構成には図１乃至１１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。

（ヒータ造形物）
図１３は実施の形態３のヒータ造形物の説明図である。図１４は実施の形態３のヒータ造形物の正面図である。図１５は実施の形態３のヒータ造形物の平面図である。

図１３に示すように、製品造形物１０８のサイズが小さい場合、製品造形物１０８を精度よく造形するためには、ヒータ造形物１１４Ｃを製品造形物１０８の近傍に造形することが望ましい。しかし、造形プレート１０６の電極１０９の位置を全てのサイズの製品造形物（１０８）に合わせて揃えるのは難しい。

そこで、図１３に示すように、実施の形態３のヒータ造形物１１４Ｃでは、造形プレート１０６の電極１０９の位置に一対の導電部１１４ｐを形成している。図１４に示すように、導電部１１４ｐから内側へ離れた位置に発熱部１１４ｈを形成している。図１５に示すように、導電部１１４ｐと発熱部１１４ｈとを連絡して連絡部１１４ｒを形成している。

図１４に示すように、ヒータ造形物１１４Ｃを造形する際、導電部１１４ｐ及び連絡部１１４ｒは、ヒータ機能を持たせる必要がない。このため、導電部１１４ｐ及び連絡部１１４ｒは、発熱部１１４ｈよりも電気抵抗値を低くしてある。電気抵抗値を低くする方法として、電流が流れる方向に垂直な断面積を大きくしてある。

＜実施の形態４＞
実施の形態１では、円柱形状の製品造形物１０８に合わせて中空円筒形状のヒータ造形物１１４を造形した。これに対して実施の形態４では、段差付円柱形状の製品造形物１０８に合わせて段差付円筒形状のヒータ造形物１１４Ｄを造形している。ヒータ造形物１１４Ｄの形状以外は、実施の形態１と同一に構成され、同一の手順で造形されるため、図１６中、実施の形態１と共通する構成には図１乃至１１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。

（ヒータ造形物）
図１６は実施の形態４のヒータ造形物の説明図である。図１６に示すように、段差付円柱形状の製品造形物１０８を中空円筒形状のヒータ造形物（１１４：図１）により加熱すると、製品造形物１０８の段差で細くなった部分の加熱が不十分になる。そこで、実施の形態４では、段差付円柱形状の製品造形物１０８を段差付円筒形状のヒータ造形物１１４Ｄにより加熱している。

このように、製品造形物１０８の輪郭が複雑形状の場合、ヒータ造形物１１４Ｄを製品造形物１０８の輪郭に沿うように造形することで、製品造形物１０８の表面の近傍での均一な加熱が可能となる。よって、製品造形物１０８の造形過程で発生する製品造形物１０８の温度分布のばらつきを小さくすることができる。

＜実施の形態５＞
実施の形態１では、製品造形物１０８の外周面に沿わせて中空円筒形状のヒータ造形物１１４を造形した。これに対して実施の形態５では、製品造形物１０８の内周面に沿わせて中空円筒形状のヒータ造形物１１４Ｅを造形している。ヒータ造形物１１４Ｅの配置以外は実施の形態１と同一に構成され、同一の手順で造形されるため、図１７中、実施の形態１と共通する構成には図１乃至１１と同一の符号を付して重複する説明を省略する。

（ヒータ造形物）
図１７は実施の形態５のヒータ造形物の説明図である。図１８は実施の形態５のヒータ造形物の平面図である。

図１７に示すように、実施の形態５では、中空円筒形状の製品造形物１０８の外周面に沿わせて中空円筒形状の外側のヒータ造形物１１４を造形し、製品造形物１０８の内周面に沿わせて中空円筒形状の内側のヒータ造形物１１４Ｅを造形している。

外側のヒータ造形物１１４は、実施の形態１で説明したものと同一である。電源１１７は、電極１０９ａ、１０９ｂを通じてヒータ造形物１１４に電流を印加する。

内側のヒータ造形物１１４Ｅは、製品造形物１０８の内周面に対して間隔を等しく保った円筒面状に対向している。電源１１７は、電極１０９ｃ、１０９ｄを通じて、ヒータ造形物１１４Ｅに電流を印加する。

このように、電極１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄを造形プレート１０６に３つ以上持つことで、製品造形物１０８の外部と中空内部との両方からヒータ造形物１１４、１１４Ｅを用いて製品造形物１０８を均一に加熱することができる。これにより、造形過程を通じて製品造形物１０８の温度分布のばらつきを小さくすることができる。

＜その他の実施の形態＞
本発明の三次元造形方法は、実施の形態１乃至５における具体的な各部構成、部品形態、実寸法、条件の数値には限定されない。実施の形態１乃至５の構成及び制御の一部又は全部を等価な部材及び制御に置き換えた別の実施の形態でも実施可能である。

実施の形態２では、網目状組織のヒータ面を造形するようにヒータ造形領域を設定した。しかし、薄層１０７と平行な薄板状のヒータを造形するようにヒータ造形領域を設定してもよい。

実施の形態１では、エネルギービームとしてレーザービーム１１３を用いた。しかし、エネルギービームは、電子ビームに置き換えて、真空中で、造形ステージ１０１上の金属粉体１０５に照射する方法を採用してもよい。

実施の形態１では、ステンレスＳＵＳ３１６の金属粉体１０５を用いた三次元造形を説明した。しかし、金属粉体１０５は、アルミ、鉄、チタン、炭化金属、窒化金属等、細く成形して通電することによりヒータとして利用できる材料であればよい。

実施の形態１では、ヒータ造形物１１４に電極１０９を通じて直流電流を印加した。しかし、ヒータ造形物１１４に電極１０９を通じて交流電流を流してもよい。あるいは、ヒータ造形物１１４でコイルを造形して外部から電磁誘導によりヒータ造形物１１４のコイルに交流電流を発生させてもよい。

１００：三次元造形装置、１０１：造形ステージ（昇降ステージ）、１０２：昇降装置、１０３：側面壁、１０４：補助加熱ヒータ、１０５：金属粉体、１０６：造形プレート（基板部材）、１０７：薄層（粉末層）、１０７Ｈ：固化層、１０８：製品造形物、１０９：電極、１１０：テーブル上面開口部、１１１：粉敷き機構、１１３：レーザービーム（エネルギービーム）、１１４：ヒータ造形物、１１６：導線（ステージ電極）、１１７：電源、２００：制御部、２１０：外部コンピュータ、２１１：記録媒体

Claims (14)

1. 制御部が、金属粉体の粉末層を形成させる粉末層工程と、前記制御部が、前記粉末層工程により形成された粉末層上の造形領域とヒータ造形領域とをエネルギービームにより加熱して固化させる加熱工程と、を有する造形工程を実行し、
   前記制御部が、前記造形工程を実行することにより、前記造形領域に製品造形物が造形され、前記ヒータ造形領域に前記製品造形物を加熱するヒータ造形物が造形される三次元造形方法。
2. 前記制御部が、前記造形工程において、前記ヒータ造形物に電流を流して発熱させることを特徴とする請求項１に記載の三次元造形方法。
3. 前記制御部が、前記造形領域から離れた位置に前記ヒータ造形領域を設定することを特徴とする請求項２に記載の三次元造形方法。
4. 前記制御部が、前記造形領域の輪郭に沿って前記ヒータ造形領域を設定することを特徴とする請求項３に記載の三次元造形方法。
5. 前記制御部が、網目状組織のヒータ面を造形するように前記ヒータ造形領域を設定することを特徴とする請求項４に記載の三次元造形方法。
6. 前記制御部が、粉末層と平行な薄板状のヒータを造形するように前記ヒータ造形領域を設定することを特徴とする請求項４に記載の三次元造形方法。
7. 前記制御部が、前記ヒータ造形領域と前記造形領域との平均距離を、前記ヒータ造形領域と前記粉末層の輪郭との平均距離よりも小さくするように前記ヒータ造形領域を設定することを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項に記載の三次元造形方法。
8. 前記制御部が、電流が供給される電極に接続して積層方向に連続する導電部と、前記導電部から電流を供給されて発熱する発熱部と、を有する前記ヒータ造形物を造形するように前記ヒータ造形領域を設定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の三次元造形方法。
9. 前記制御部が、前記発熱部の長手方向に垂直な断面積が一定になるように前記ヒータ造形領域を設定することを特徴とする請求項８に記載の三次元造形方法。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の三次元造形方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
11. 請求項１０に記載のプログラムを記録した記録媒体。
12. 金属粉体の粉末層を形成させる粉末層工程と、前記粉末層工程により形成された粉末層上の造形領域とヒータ造形領域とをエネルギービームにより加熱して固化させる加熱工程と、を有し、
    前記造形領域に製品造形物が造形され、前記ヒータ造形領域に前記製品造形物を加熱するヒータ造形物が造形される三次元造形方法。
13. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の三次元造形方法を実行する三次元造形装置であって、
    前記ヒータ造形物に電流を供給するためのステージ電極を有し、前記粉末層を昇降させる昇降ステージと、
    前記ステージ電極を通じて前記ヒータ造形物に電流を供給する電源と、を備えることを特徴とする三次元造形装置。
14. 請求項１３に記載の三次元造形装置において使用される基板部材であって、
    前記ステージ電極に接触する反対側の面で前記加熱工程により前記ヒータ造形物に一体化する電極を有し、前記昇降ステージに対して着脱自在であることを特徴とする基板部材。

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