JP2018080356A - 三次元積層造形方法、および三次元積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層造形時に側面となる表面の凹凸が平滑化された造形物を形成することができるようにすること。【解決手段】層状に敷き詰めた金属粉末に第１の電子ビームを照射して金属粉末を溶融させた後凝固して形成された金属凝固層の上に、層状に金属粉末を敷き詰め、第１の電子ビームを照射して、新たに敷き詰めた金属粉末を溶融させた後凝固した金属凝固層を形成することを繰り返して、金属が凝固した一次造形物を形成する積層造形工程と、積層造形工程において凝固せずに一次造形物に付着した金属粉末を除去して二次造形物を形成する金属粉末除去工程と、二次造形物に第２の電子ビームを照射して二次造形物の表面を再溶融させて造形物を形成する表面処理工程とを有するようにした。【選択図】図１

Description

この発明は、電子ビームにより三次元の造形物を形成する三次元積層造形方法、および三次元積層造形装置に関するものである。

従来の三次元積層造形装置では、粉末の層を敷くことと、その層上に光ビームを照射して下層の凝固した層と一体化させることを繰り返し、造形物を製作する作業の途中において、造形物と一体化されなかった粉末を分離もしくは除去する工程と、光ビームを再照射し造形物の表面に付着した粉末を溶融・凝固させる工程を実施し、造形物を形成している（例えば特許文献１）。

また、電子ビームにより金属パウダーを溶融させて造形する装置（例えば特許文献２）や、電子ビームで溶融した後、端部の処理をレーザビームで行う造形装置（例えば特許文献３）も提案されている。

特開２００２−３８２０１号公報 特開２０１０−２５５０５７号公報 特開２０１５−１６８８７７号公報

特許文献１では、粉末焼結部品の作製中に、既に焼結された造形物と焼結されなかった粉末を分離もしくは除去している。除去後に再び積層造形を行う必要があるため、造形物全体は粉末から取出されておらず、造形物の複雑な形状の表面や、積層造形時の光ビームの照射方向に対して裏側の表面には粉末が除去できず、光ビームの再照射が困難で、表面を滑らかにすることが困難であった。また、再照射の光ビームは、光ビームを供給する光ファイバーのＸＹ駆動機構の移動、あるいは、ガルバノスキャナなどの偏向装置で制御されている。このため、造形物の表面の曲面や凹凸面に対して光ビームの位置と焦点を迅速に制御することは困難であり、表面に投入されるエネルギー密度が均一でなく、表面処理や硬化の程度にばらつきが生じて表面が滑らかにすることが困難であった。

また、特許文献１に記載されている積層造形方法では、原料の粉末が光ビームのエネルギーを吸収しにくかった。特に、原料が金属材の場合、光ビームの金属粉末の表面で反射し、溶融するために必要な熱が与えられずに、不十分な溶融で造形物を形成することになり、溶融凝固していない粉末を取り除くなどの後工程で造形物が崩れてしまうことがあった。さらに、積層造形の途中段階で表面処理を行うために、まだ完成していない造形物の端面を露出させて光ビームを照射する手段をとっており、積層造形途中に局部的に加熱されるため、造形物が熱変形してしまうといった問題があった。

特許文献３では、電子ビームで溶融した後、同一方向から電子ビームを再照射することにより表面を平滑化しているが、端部を平滑化することはできない。また、特許文献３では、電子ビームで溶融した後、端部に残った未溶融の金属粉末を電子ビームのエネルギーよりも高エネルギーのレーザビームで行うことが提案されているが、この造形方法では、電子ビームと高エネルギーのレーザビームという２つの熱源を必要とする。

本発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、熱源として電子ビームだけを利用して、金属材の造形物の表面、特に積層造形時に側面となる表面、すなわち端面の凹凸を平滑化し滑らかにすることができる三次元積層造形方法および三次元積層造形装置を得るものである。

本発明の三次元積層造形方法は、層状に敷き詰めた金属粉末に第１の電子ビームを照射して金属粉末を溶融させた後凝固して形成された金属凝固層の上に、層状に金属粉末を敷き詰め、第１の電子ビームを照射して、新たに敷き詰めた金属粉末を溶融させた後凝固した金属凝固層を形成することを繰り返して、金属が凝固した一次造形物を形成する積層造形工程と、積層造形工程において凝固せずに一次造形物に付着した金属粉末を除去して二次造形物を形成する金属粉末除去工程と、二次造形物に第２の電子ビームを照射して二次造形物の表面を再溶融させて造形物を形成する表面処理工程とを有するようにしたものである。

また、本発明の三次元積層造形装置は、第１の電子ビーム照射室と第１の電子銃とを備え、第１の電子ビーム照射室内において、層状に敷き詰めた金属粉末に第１の電子ビームを照射して金属粉末を溶融させた後凝固して形成された金属凝固層の上に、層状に金属粉末を敷き詰め、第１の電子ビームを照射して、新たに敷き詰めた前記金属粉末を溶融させた後凝固して金属凝固層を形成することを繰り返して、金属が凝固した一次造形物を形成するように制御される第１の電子ビーム照射機と、一次造形物に凝固せずに付着した金属粉末を除去して一次造形物を二次造形物とする金属粉末除去室を備えた金属粉末除去機と、第２の電子ビーム照射室と第２の電子銃を備え、第２の電子ビーム照射室内において、二次造形物に第２の電子ビームを照射して二次造形物の表面を再溶融させて造形物を形成するよう構成された第２の電子ビーム照射機とを備えたものである。

本発明によれば、一次造形物に付着した金属粉末を除去した後表面を溶融するようにしたので、造形時に側面となる端面の凹凸が平滑化された造形物を形成することができる。

本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置を説明するための断面模式図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における積層造形工程を説明するための第一の断面模式図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における積層造形工程を説明するための第二の断面模式図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における積層造形工程を説明するための第三の断面模式図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における金属粉末除去工程を説明するための断面模式図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程を説明するための断面模式図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程の電子ビーム照射方向を説明するための斜視模式図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における金属粉末除去工程後の造形物の端部を拡大して示す断面図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における金属粉末除去工程後の造形物の側面表面の状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における金属粉末除去工程後の造形物の上面表面の状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における金属粉末除去工程後の造形物の裏面表面の状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における積層造形工程を説明するための概念斜視図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程を説明するための概念斜視図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程を説明するための概念図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程の造形物表面の状態を示す拡大断面図である。 比較例による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程の造形物表面の状態を示す拡大断面図である。 電子ビームのビーム径を説明する線図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程後の造形物の側面表面の状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程後の造形物の上面表面の状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程後の造形物の裏面表面の状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程を説明するための断面模式図である。 本発明の実施の形態３による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程を説明するための断面模式図である。 本発明の実施の形態３による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程の電子ビーム照射機の構成を説明するための断面模式図である。 本発明の実施の形態４による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における表面処理工程を説明するための概念斜視図である。 本発明の実施の形態４による三次元積層造形方法および三次元積層造形装置における積層造形工程と表面処理工程の電子ビームの照射方向説明するための概念図である。 本発明の実施の形態５による三次元積層造形装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態６による三次元積層造形装置の概略構成を示す断面図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による三次元積層造形方法の各工程を示す概略図であり、各工程における三次元積層造形装置の断面図により示している。本発明に係る三次元積層造形方法は、積層造形工程、金属粉末除去工程、表面処理工程を有する。図１Ａ、図１Ｂは積層造形工程を示す図、図１Ｃ、図１Ｄは金属粉末除去工程を示す図、図１Ｅは表面処理工程を示す図である。

金属材の三次元積層造形を行うため、原料には金属粉末を用いる。図１Ａ、図１Ｂに示すように、積層造形工程において、金属粉末から一次造形物８１を形成する。給粉機７により、加工室である電子ビーム照射室３内に設置された造形ボックス４に金属粉末６を供給して金属粉末６を層状に敷く。層状の金属粉末の一部に電子銃１から発生される電子ビーム２を照射し、金属粉末の予め定めた部分を溶融・凝固させる。所定の部分の層状の金属粉末が凝固した後、昇降ステージ５を所定距離降下させて、給粉機７から金属粉末を供給して凝固した金属の上に層状に金属粉末を敷く。その後、層状の金属粉末の一部に電子銃１から発生される電子ビーム２を照射し、金属粉末の予め定めた部分を溶融・凝固させる。この時、下層の既に凝固した部分と一体となって凝固部を形成する。これらの薄層の粉敷きとビーム照射を繰り返して、図１Ｂに示すように、一体となった金属の一次造形物８１が形成される。一次造形物８１の周りには未溶融の金属粉末６が残ったままとなっている。

次の金属粉末除去工程では、図１Ｃ、図１Ｄに示すように、一次造形物８１の周りの未溶融の金属粉末６を取り除く。周りに未溶融の金属粉末６が付着した状態の一次造形物８１を、ジェットノズル１２を備えた金属粉末除去室１１に設置して、ジェットノズル１２から高圧の気体を噴射させて未溶融の金属粉末６を除去する。電子ビームが照射されていない部分の金属粉末も溶融には至っていないが、高温になっていたため、一次造形物８１の周りに付着している。この未溶融部の金属粉末を気体を吹き付けることにより取り除き、金属粉末が除去された二次造形物８２として取出す。

表面処理工程では、加工室である電子ビーム照射室２３内に二次造形物８２を設置して、二次造形物８２の表面に電子銃２１から発生した電子ビーム２２を照射する。電子ビームの照射位置を偏向により二次造形物８２の表面上で高速に移動させる。二次造形物８２の表面の薄い層のみが溶融し凝固する。表面の凹凸は電子ビームによる溶融・凝固で平均化され平滑になり最終的な造形物８とすることができる。

各工程について詳細に説明する。図２〜図４は金属粉末の積層造形工程を、積層造形工程において使用する電子ビーム照射機１００の断面図により示す図である。電子ビーム照射機１００は、主要構成要素として電子銃１と電子ビーム照射室３を備えている。電子銃１には電子ビーム２を発生する電子源３１、発生した電子ビーム２を金属粉末６上に集束させる集束レンズ３２、金属粉末６上の所定の位置に電子ビーム２の照射位置を移動して走査するための偏向器３３で構成される。積層造形工程において使用する電子ビーム照射機およびその構成要素を、第１の電子ビーム照射機１００、第１の電子銃１、第１の電子ビーム照射室３、のように、また電子ビーム２を第１の電子ビームと、「第１の」を付して称することもある。

電子銃制御装置３４は、電子ビーム電流制御器３５を介して電子源３１を、集束レンズ電源３６を介して集束レンズ３２を、偏向電源３７を介して偏向器３３を制御するように構成されている。電子銃制御装置３４は、予め、造形物の形状に応じた各積層の層毎の所定の形状に応じて作成したビーム電流データ３４１、ビーム焦点制御データ３４２、偏向データ３４３を記憶しておき、これらのデータをもとにビーム電流、ビームの焦点、偏向によるビーム照射位置を制御するように構成されている。

図中に積層造形工程における電子ビームの中心経路である中央ビーム軸２５を示す。この中央ビーム軸２５は偏向をかけない場合の電子ビームの軌道に相当する。電子ビーム照射室３内には、造形ボックス４、積層を繰り返すごとに金属粉末と造形物を移動させる昇降ステージ５、新しい金属粉末の層を敷くための給粉機７で構成される積層槽１５０が配置される。他に真空排気のための真空ポンプや真空計などの真空排気系、機構の制御装置などが備えられるが、本発明とは直接関係ないため省略している。

金属粉末はTiや各種鋼、Cuなど、用途に応じた金属粉末が使われる。金属粉末は平均粒径20〜200μmの金属粉末が選ばれる。造形ボックス４内に金属粉末が充填されている。図２は複数の積層が繰り返された後に電子ビームが照射される状態を示す図である。電子ビーム２は電子銃制御装置３４のデータに従い偏向され、電子ビームが照射された部分の金属粉末が溶融・凝固する。

電子ビームに対する金属材のエネルギー吸収率は80〜90％と高く、金属粉末の表面での反射の影響もない。金属粉末が効率よく加熱され、安定に溶融凝固する。電子ビームの照射されていない部分の金属粉末は溶融していないため、金属粉末同士は強固に固着していない。

図３は、図２の状態で金属粉末６の表面層の所定領域を電子ビームで走査して金属粉末６を溶融凝固させた後、新たに金属粉末が給粉機７により供給された様子を示している。図２の状態から昇降ステージ５が積層の１層分、下方に降下した後に、給粉機７がすでに敷かれた金属粉末上を移動しながら一定の層厚さになるように新たな金属粉末を敷く。層厚さは20〜200μmの範囲内で選ばれることが多い。

図４は新しい層に電子ビーム２が照射されている様子を示す。電子銃制御装置３４は新しい層のビーム照射位置に応じた偏向データに従い偏向器３３を制御し、電子ビームが照射される。下層のすでに凝固している部分と一緒に溶融し、一体となって凝固し凝固部８０を形成する。電子ビームの照射は上述した金属粉末の溶融・凝固のほかに、金属粉末全体の温度を予め設定した温度に保つためにも照射されることがある。

この金属粉末の粉敷きと、そこへ電子ビームの照射を繰り返して金属粉末を所定の形状に凝固させる。予め定めた積層の高さに達するまで、粉敷きと電子ビーム照射を繰り返して行い、一次造形物８１を形成して積層造形工程は終了する。この間、金属粉末には積層造形のために溶融・凝固を行わせる電子ビーム照射と、金属粉末全体の温度を高温に保つための電子ビームの照射がなされるだけである。余分な加熱あるいは局部的な加熱は行われず、造形物の熱変形は抑制されている。

金属粉末除去工程について説明する。図５は、金属粉末除去機２００による金属粉末除去工程の説明図である。金属粉末除去機２００は、主要構成要素として金属粉末除去室１１とジェットノズル１２を備えている。一次造形物８１の周りには未溶融の金属粉末６が付着している。金属粉末全体の温度を定められた高温状態に保持しているため、溶融凝固させたパターン以外の部分の金属粉末も溶融はしていないが、造形物や金属粉末同士で付着している。未溶融の金属粉末が付着した造形物を金属粉末除去室１１内に入れる。ジェットノズル１２から高圧の気体の噴射で、未溶融の金属粉末を一次造形物８１から取り除く。未溶融の金属粉末を取り除いた二次造形物８２の表面には凹凸が残っている。電子ビーム照射側で、積層造形工程のビーム軸に垂直な面は表面の凹凸が小さい。一方、積層造形工程のビーム軸に平行な面や、ビーム照射側と反対側の面では凹凸が大きくなっている。金属粉末が酸化しやすい材料の場合や、粒径が小さい場合には、粉末の酸化、発火を防ぐため、吹き付ける気体として不活性ガスを使用してもよい。また、機械的な振動や衝撃を与える方法など他の方法を用いてもよい。

次に、表面処理工程について説明する。図６は表面処理工程を、表面処理工程で使用する電子ビーム照射機３００の断面図により示す図である。表面処理工程に使用される電子ビーム照射機３００は、主要構成要素として電子銃１と電子ビーム照射室３を備えている。電子銃２１は電子源４１、集束レンズ４２、偏向器４３で構成されている。電子銃制御装置４４は、電子ビーム電流制御器４５を介して電子源４１を、集束レンズ電源４６を介して集束レンズ４２を、偏向電源４７を介して偏向器４３を制御するように構成されている。電子銃制御装置４４は、造形物の形状や加工室内で配置される位置に応じて作成したビーム電流データ４４１、ビーム焦点制御データ４４２、偏向データ４４３を記憶しておき、これらのデータをもとにビーム電流、ビームの焦点、偏向によるビーム照射位置を制御するように構成されている。図中に表面処理工程における電子ビームの中心経路である中央ビーム軸２６を示す。中央ビーム軸２６は、偏向をかけない場合の電子ビームの軌道に相当する。二次造形物８２は、積層造形工程の中央ビーム軸２５に対して表面処理工程での中央ビーム軸２６が直角になるように配置した。なお、表面処理工程において使用する電子ビーム照射機およびその構成要素を、第２の電子銃２１、第２の電子ビーム照射室２３、第２の電子ビーム照射機３００のように、また電子ビーム２２を第２の電子ビーム２２と、「第２の」を付して称することもある。

ここで、図７を参照して、積層造形工程における中央ビーム軸２５と表面処理工程における中央ビーム軸２６のなす角度について説明する。積層における層間の境界面６０に対して積層造形工程の中央ビーム軸２５のなす角α、積層における層間の境界面６０に対して表面処理工程の中央ビーム軸２６のなす角βとする。角度の極性は積層造形工程における中央ビーム軸側を正とする。α-βを中央ビーム軸２５と中央ビーム軸２６のなす角θ
とする。αは通常９０度である。図２〜図４と図６で示した例の場合、αは９０度、βは０度でありθは９０度となる。

電子銃制御装置４４に記憶されているデータをもとに、電子ビーム２２が偏向され二次造形物８２の表面形状に応じて電子ビーム２２の照射位置が移動して二次造形物８２の表面を走査する。電子ビーム２２が照射さている領域では表面深さ方向10〜300μmが溶融し、電子ビームが通り過ぎると凝固する。

ここで、造形物の表面の凹凸について説明する。図８に二次造形物８２の断面の模式図を示す。図は３つの金属凝固層５１が積層されている模様を示している。説明のために溶融前の金属粉末５２を描いている。図の左側が二次造形物８２の端面５３である。積層の１層分の厚さを薄くすることが高精度化には有利であるが、同じ高さあたりに必要な積層数が増加するため、造形時間が大幅に増加する。積層厚さは50〜200μmが適切である。上述したように平均粒径20〜200μmの金属粉末が使われており、金属凝固層５１の１層分の厚さと平均粒径は近い値になる。特に、平均粒径は50〜100μm、また積層の厚さも100μm前後が使われる場合が多く。積層の厚さと平均粒径が近い値の場合が多い。二次造形物８２の端面５３の表面には不完全結合部や余剰造形部が生じ凹凸が発生するが、図のように、電子ビームが照射された時の１層の溶融部の端面の形状は、層厚さに対して粒径が大きいため、粒の形の影響を受けて凹凸が多くなる。積層造形時の中央ビーム軸２５に垂直な面では表面の凹凸は小さく、中央ビーム軸２５に平行に近づくに従って表面の凹凸が大きくなる。電子ビーム照射方向に対して裏側の面も、端面と同様に表面の凹凸が大きくなる。

造形後の造形物の表面の凹凸の例を図９、１０、１１に示す。図は造形物表面の断面の模様である。横方向は表面に平行方向で縦方向がそこでの凹凸の様子になる。図９は積層造形時の中央ビーム軸２５に平行な面、図１０は中央ビーム軸２５に直交する面、図１１は電子ビーム照射側に対して裏側の面である。ぞれぞれの表面粗さは、Raは
積層造形工程の中央ビーム軸２５に平行な面 29μｍ
積層造形工程の中央ビーム軸２５に直交する面 9μｍ
積層造形工程の電子ビーム照射側に対して裏面 27μｍ
程度であった。このように、積層造形時の中央ビーム軸２５に平行な面において、積層方向にそって連続した凸、あるいは連続した凹が発生することが多い。

二次造形物８２に対する表面処理工程の電子ビームの照射方向に関して説明する。図１２は積層造形工程での一次造形物８１と電子ビーム２の位置関係を示す。造形物の形状は球体の例で示す。球体の表面の点線は積層の各層の境界線６１を示す。中央ビーム軸２５は積層における各層の境界面に垂直方向を向いている。図１３は表面処理工程での二次造形物８２に対する電子ビーム２２の照射方向を示す。積層造形工程における電子ビーム２の中央ビーム軸２５に対して、表面処理工程の電子ビーム２２の中央ビーム軸２６が略直角となる方向に照射している。そのため、表面処理工程において、積層造形時の中央ビーム軸２５に平行な面に対して電子ビームを効率よく照射できる。７１は造形物上の電子ビームの照射位置の軌跡を示す。

図１４は表面処理工程での、二次造形物８２上における電子ビーム２２の照射の軌跡７１を示している。電子ビームの照射位置は同図中で上下方向に移動している。電子ビーム照射位置が上の端まで移動した後、同図中の右方向に移動し、７２で示す軌跡の間隔をあけて下方向に移動する。以下、この往復の動きを繰り返す。従って、積層造形工程での積層の各層の境界線６１に対して電子ビームの照射位置の軌跡は直交する。電子ビーム照射位置は電子ビーム２２を偏向器４３で制御するのが好ましい。

二次造形物８２の表面に電子ビームが照射されることにより金属が溶融した溶融池が形成される。電子ビームの照射位置の移動にともない溶融池は移動する。電子ビームを照射したときに発生する溶融池は電子ビームの移動方向を長軸とする楕円になるため、上記のように積層の各層の境界線に対して直交方向に電子ビームを移動させると、積層の複数の層にまたがる長い溶融池を形成し、積層の層毎に形成されていた凹凸を溶かして平滑化効果を高めることができる。

上記では、電子ビームを偏向器４３により制御して、造形物表面上を移動（図中の右方向への移動）させて照射する例で説明したが、電子ビームの進行方向を固定して、二次造形物８２を回転ステージ等で回転させながら、造形物表面上の電子ビームの照射位置を移動させることもできる。この場合、電子ビームを二次造形物８２の表面に効率的に照射でき、短時間で表面処理を行うことができる。また、電子ビームと造形物の両方を移動させても良いのは言うまでもない。

ここで、電子ビームを照射することによる造形物の表面の平滑化に関して図１５および図１６を参照して説明する。図は二次造形物の表面にある凹凸の状況７５を示している。凹凸の間隔（凸と凸の間隔または凹と凹の間隔）は積層の１層分の層厚さや金属粉末の粒径に依存する。一実施例として実験した、積層の１層分の厚さが100μm、金属粉末の平均粒径が60μmの場合、凹凸の間隔は100〜200μmが多かった。

この凹凸部に電子ビーム２２を照射すると溶融池７６が形成される。電子ビーム２２は図中の矢印７８の方向に移動している。図中のｗは溶融池の幅を示す。凹凸部が溶融し、電子ビーム２２の終端部から順番に凝固していく。図１５に示すように、溶融池７６の幅ｗが凹凸の間隔以上の広い範囲であると、凹凸は溶けてしまい平均化されるため凹凸が小さくなり平滑化される。図１６に示すように、凹凸の間隔に対して溶融池７６の幅ｗが狭いと凹凸の平滑化効果は小さくなる。よって、溶融池の幅ｗが、凹凸の間隔に対応して予め設定した寸法以上となるようにするのが良い。凹凸の間隔は、上述のように、積層造形工程において形成された金属凝固層の厚さに対応して生ずる。このため、積層造形工程において形成された金属凝固層の厚さ方向における溶融池の幅ｗが金属凝固層の厚さの２倍以上となるようにするのが好ましい。

溶融池の幅ｗを調整するためにビーム径、ビームパワー、ビームの強度分布形状などの電子ビーム２２のパラメータを調整する。すなわち、積層造形工程において形成された金属凝固層の厚さ方向における溶融池の幅ｗが予め設定した寸法以上となるよう電子ビーム２２のパラメータを設定する。ここで、ビーム径について説明する。図１７に集束された電子ビームのビームプロファイルを示す。横軸が径方向の寸法、縦軸は電流密度である。電流密度のピーク値Jpに対して、半分の電流密度のビームの幅（半値全幅）ｄでビーム径を表す。また、強度分布がフラットな形状のビームにすることもできる、この場合、ビーム径はフラット部分の径として定義できる。

適切なビームパワーを与えた場合、溶融池の幅ｗはビーム径相当となるため、積層の層厚さの２倍以上にビーム径を制御するとよい。層厚さが100μmの場合は、ビーム径が200
μm以上がよい。ビーム径の簡単な調整は、ビーム照射位置での電子ビームの集束状態を
調整することで可能である。電子ビームの集束状態は集束レンズ電流により調整することができる。ビームパワーは、電子源４１で電子ビームを加速する加速電圧は一定に保ち、電子ビームの電流値を変えて調整することが多い。

溶融池の幅が広すぎると、本来必要な形状、例えば小さな突起部分やエッジなどが滑らかになってしまうことがある。200μmより大きい凹凸を精度よく形成するには、溶融池、ビーム径の上限は積層厚さの５倍程度より小さいことが望ましい。これらのことから、積層厚さに対して２〜５倍の溶融池を形成するのが望ましい。このためには、積層厚さの２〜５倍のビーム径に制御することが望ましい。突起部やエッジ部、他精度の必要な箇所は、表面処理のビームを照射しないように制御すればよい。これは、形状データをもとに偏向データにより制御することができる。

ここで、一実施例による結果を示す。Tiの平均粒径60μmの粉末を使用し、層の厚さを100μmmとして実験を行った。積層の各層の境界線に対して電子ビームの照射位置の移動方向が直角の方向になるように電子ビームを偏向で移動させた。ビーム移動速度は1ｍ/ｓ、ビームパワーは600Wである。また、このとき電子ビームの軌跡の間隔（図１４の符号７２で示す間隔）は100μmとした。表面処理工程後の最終の造形物の表面の凹凸の例を図１８（積層造形時のビーム軸に平行な面）、図１９（ビーム軸に直交する面）、図２０（ビーム照射側に対して裏側の面）に示す。表面処理によって、積層造形時のビーム軸に平行な面、ビーム軸に直交する面、ビーム照射側に対して裏側の面の表面粗さRaは次のように改善された。

このように、三次元積層造形方法および装置では、積層造形工程、金属粉末除去工程、表面処理工程に分離し、積層造形が完了し、金属粉末を除去した二次造形物に、積層造形工程の中央ビーム軸とは異なる方向から電子ビームを照射できるように構成したため、二次造形物の表面の凹凸が大きく表面粗さが大きな表面に電子ビームを照射でき、表面を滑らかにできる効果が得られた。

熱源に電子ビームを適用したため、金属粉末の表面での反射の影響なく効率よく加熱され、溶融・凝固が行われ、造形物の崩れ等が発生せず安定に生産できる効果がある。また、積層造形の工程が完了し造形物の形成が完了したあとに、表面処理のため熱源として電子ビームを照射するように構成したため、造形物の熱変形が抑制でき精度の高い積層造形が可能になる効果がある。

さらに、積層造形工程での積層の各層の境界線に対して、表面処理工程の電子ビームの照射位置の軌跡が直交するようにビーム照射位置を移動させることで、表面の凹凸を低減
する効果を高くできる効果があった。

なお、表面処理工程における電子ビームの照射位置の移動方向は積層の層間の境界線に直交方向に限ったものではなく、積層の層間の境界線に対して電子ビームの照射位置が交差するように移動し、その時に形成される溶融池が、積層における１層の層厚さ以上あり、造形物の凹凸の間隔以上にまたがる程度であれば同等の効果を得ることができる。

表面処理工程において、二次造形物を回転させることで、表面処理を短時間でできることを示したように、積層造形工程の電子ビームの軸に対して、相対的に、表面処理工程の電子ビームのビーム軸の方向が変わるようにすることで短時間に表面処理できる効果を得ることができた。

なお、図１３では電子銃を横に配置した例を示したが、電子銃は上方に固定し二次造形物８２の向きを一次造形物８１の向きとは異なる向きに変えて設置して電子ビーム２２を照射しても同等の効果が得られる。また、積層造形工程の中央ビーム軸２５と表面処理工程の中央ビーム軸２６のなす角θ（＝α―β、図８参照）が９０度の場合を示したが、角度θは９０度に限定されるものではなく、造形物の表面に効率よく電子ビームを照射できる角度であれば同等の効果を得ることができる。

また、三次元積層造形方法および装置では、仕上げ加工なしで、複雑な形状で精度の高い造形物を安定に供給できる効果がある。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２による三次元積層造形方法における表面処理工程での電子ビーム照射の模様を、電子ビーム照射機３００の断面図により図２１に示す。出力がkwオーダの電子ビームでは、通常、数mm以上の焦点深度を持つ。偏向によるビーム収差のない範囲では、造形物の平坦な面に対して電子ビームを照射する場合、焦点変動の影響は無視しても効果はかわらない。焦点深度は有限であり、造形物の形状が曲面や複数の面の組合せ、穴やへこみの組合せなど複雑な場合、焦点の補正により表面処理の効果を高めることができる。

電子ビームの焦点を調整しビーム照射部の溶融状態を一定に保ち、安定な表面処理を行う。本実施の形態では集束レンズの焦点距離を調整して造形物の表面に焦点が合うように調整する。図２１は、球状の二次造形物８２に電子ビームを照射した例を示している。電子ビームの照射方向が９１になるように偏向されている場合、二次造形物８２の表面９２の位置に電子ビームの焦点があっている。偏向器４３の制御により電子ビームの照射方向が９３に移動した時に、焦点調整を行わなかった場合の焦点は９４の位置となる。集束レンズ４２を調整し焦点を９５で示す位置に遠ざけることで二次造形物８２の表面で常に電子ビームの焦点を結ばせることができる。

電子銃では通常、磁気集束レンズを用いておりレンズ電流値を制御することで調整できる。光ビームのように機械的な駆動装置によるビーム照射ヘッドの制御やガルバノメータ式スキャナーは不要である。ビーム照射方向を制御する偏向器４３の制御信号に同期して集束レンズの電流を電気的に制御することで、常に二次造形物８２の表面に電子ビームの焦点を合わすことができる。これにより安定に表面処理でき、表面の滑らかな造形物８を得ることができた。なお、集束レンズ電流は造形物の形状データを元にビーム照射位置に応じた焦点距離に相当する電流値を予め計算しておく。

電子ビームの場合、表面処理における造形物上の電子ビームの移動速度は１〜１０ｍ／ｓで高速に移動しているが、電気的に集束レンズ電流を制御するため、機械的な動きが不
要であり、ビーム移動に十分に追随させた焦点補正が可能である。なお、集束レンズ４２は直流用の集束レンズと補正用の高速動作用の集束レンズ（ダイナミックフォーカスレンズと呼ばれる）の２個の集束レンズを組合せて使用しても同等の効果を得ることができる。

この発明の実施の形態２による三次元積層造形方法および装置では、実施の形態１で示したように二次造形物８２の表面の凹凸が大きく表面粗さが大きな表面に電子ビームを照射でき、表面を滑らかにできる効果があることに加えて、造形物の表面形状にあわせて、電子ビームの照射位置とビーム径を制御するように構成したため、表面形状が複雑な造形物でも表面を滑らかにできる効果がある。なお、図２１では球状の造形物で説明したが、他の複雑な形状の造形物においても同様に表面処理が可能である。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３による三次元積層造形方法における表面処理工程での電子ビーム照射の模様を、電子ビーム照射機３００の断面図により図２２に示す。電子ビームをある方向に向けて照射する場合に、９６の矢印の幅で電子ビームをビーム軸の垂直な方向に振動させる、いわゆるビームオシレーションをかけて照射する。図２３はビームオシレーションをかけるための電子銃２１の構成を説明する図である。偏向器４３で電子ビーム２２のビーム照射位置（照射方向）を制御している。ビーム位置の移動を示す偏向データ４０２とビームオシレーション信号４０３を加算器４０１で加算した信号で偏向電源４７を介して偏向器４３を駆動する。オシレーション信号は数ｋHzから100ｋHz程度の高周波数の三角波で振幅はビーム照射位置の振幅で0.1〜2mm程度が選ばれる。偏向データは通常のビーム照射位置を移動するデータである。オシレーション信号により、ワーク１９３上で、電子ビームは細線矢印９６で示す小さな振幅で高周波に振動しながら、ビーム照射位置が太線矢印１９２で示すように移動する。電子ビームはビームオシレーションの周波数が高いため、ワークに対しては見かけ上ビーム径が大きくなったのと同等に作用する。

図２２ではビーム偏向で二次造形物８２の表面に電子ビームを照射している時に、偏向器４３に高周波のオシレーション信号を重畳し、ビーム照射位置を振動させるビームオシレーションを加えた、矢印９６で示す幅だけ振動させる。オシレーションの振幅0.5mm、
周波数10ｋHz、オシレーション波形三角波でビームオシレーションを加え、表面処理の溶融池の幅を安定に制御できた。

実施の形態１で説明したように造形物の表面を滑らかにするためには、積層の層の厚さ、金属粉末の粒径に応じて溶融池の幅を制御することで効果を高めることができる。溶融池の幅はビームパワーで制御可能であるが、溶融深さも同時に変わってしまう。ビームオシレーションを用いることで、深さ方向の溶け込み幅を大きくせず、また熱影響を少なく保って、溶融池の幅を大きくすることができる。

実施の形態３による三次元積層造形方法および装置では、実施の形態１、２で示したように造形物の表面の凹凸が大きく表面粗さの大きな表面を滑らかにでき、表面形状の複雑な造形物の表面を滑らかにできる効果があることに加えて、造形物への熱影響を少ない状態に保ちながら、表面を滑らかにできる効果がある。

また、積層造形工程における１層の層の厚さを変えたときや、金属粉末の粒径が変わったときには、造形物の表面の凹凸の間隔が変わる。表面の凹凸を平滑化するために最適な溶融池の幅の調整するために、ビームオシレーションの振幅の調整が適しており、簡単に表面の滑らかな造形物を製造できる。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４による三次元積層造形方法における表面処理工程での電子ビーム照射の模様を図２４に概念図として示す。積層造形工程での中央ビーム軸２５に対して、表面処理工程での中央ビーム軸２６のなす角θが１３５度になる位置に電子銃２１を配置した。なお、積層造形工程の中央ビーム軸２５と表面処理工程の中央ビーム軸が交差する場合は角θは簡単に表される。交差しない場合は図７で説明したように、積層における層間の境界面に対する角度により定義される。

本実施の形態４によれば、表面処理工程において、積層造形時に電子ビーム照射側からみて造形物の裏側となる面に電子ビームを効率よく照射できる。二次造形物８２の裏面の表面粗さは側面と同等の凹凸が発生している。表面処理工程において、裏面に対して電子ビームを効率的に照射でき、表面の凹凸を低減し、表面を平滑にすることが可能である。図２５は装置構成の例を示している。左側の図２５Ａは積層造形工程を示す図、右側の図２５Ｂは表面処理工程を示す図である。図では積層造形工程における一次造形物８１と表面処理工程における二次造形物８２の配置方向を同じ方向にして、それぞれの電子銃の配置方向を変えている。ただし、ビーム軸方向が同一の電子銃を用いて、造形物の配置方向を変えてもよい。また、電子銃１と電子銃２１として同じ電子銃、電子ビーム照射室３と電子ビーム照射室２３として同じ電子ビーム照射室を使用してもよい。上記では、積層造形時の中央ビーム軸２５と表面処理時の中央ビーム軸２６のなす角度が１３５度の例を示したが、造形物の形状により、θとして９０度〜１８０度の間の角度を選べばよい。

特許文献１に記載されている従来の積層造形方法では、粉末の層を敷くことと、その層へ光ビームを照射して下層の凝固した層との一体化を繰り返し、積層造形作業の途中に、積層造形の途中の造形物を粉末の層から取出し、光ビームを端面に水平方向から照射していた。積層造形の途中で、端面に光ビームを照射するため、再び積層造形を行うことができるように、直前に敷かれた粉末の層から、造形物を鉛直方向に少し持ちあげて光ビームを水平方向から照射するという複雑な方法が使われている。しかし、この方法でも、光ビームの再照射のときには、造形物のほとんどの部分は金属粉末に埋まっており、光ビームを任意の方向、特に下側から上向きに光ビームを照射することはできないという課題があった。

本発明の実施の形態４による三次元積層造形方法および装置では、上述したように、積層造形工程、金属粉末除去工程、表面処理工程に分離し、積層造形が完了し金属粉末を除去した二次造形物に、任意の方向から電子ビームを照射できるように構成したため、積層造形工程のビーム照射方向に対して反対側にあたる二次造形物の表面に対しても、表面処理工程で電子ビームを照射でき、表面を滑らかにできる効果が得られる。

実施の形態５．
図２６は、本発明の実施の形態５による三次元積層造形装置の概略構成を示す断面図である。実施の形態５による三次元積層造形装置では、三次元積層造形装置として、積層造形工程を実行する第１の電子ビーム照射機１００、金属粉末除去工程を実行する金属粉末除去機２００、表面処理工程を実行する第２の電子ビーム照射機３００を有し、連続して処理できるように構成している。第１の電子ビーム照射機１００の電子ビーム照射室３と金属粉末除去機２００の金属粉末除去室１１の間は第１のゲート１０２で仕切られている。積層造形工程中は第１のゲート１０２は閉められており、積層造形工程終了後、第１のゲート１０２を開けて未溶融の金属粉末が付着した一次造形物８１を第１のゲート１０２を通して金属粉末除去装置２００に送り込む。金属粉末除去機２００の金属粉末除去室１１と第２の電子ビーム照射機３００の第２の電子ビーム照射室２３間は第２のゲート２０３で仕切られている。金属粉末除去機２００において金属粉末除去工程を実行している間は、第１のゲート１０２および第２のゲート２０３は閉められている。金属粉末除去工程終了後、第２のゲート２０３を開け、付着していた金属粉末が除去された二次造形物８２を第２の電子ビーム照射室２３に送り込む。その後、第２の電子ビーム照射室２３内で表面処理工程を実行する。なお、処理される各造形物を金属粉末除去室と各電子ビーム照射室の間で移動させるためのステージなどの輸送機構も備えている。

第１の電子ビーム照射機１００、金属粉末除去機２００、第２の電子ビーム照射機３００および各ゲートは、中央制御装置５０により制御され、積層造形工程、金属粉末除去工程、表面処理工程が実行される。中央制御装置５０は、ＣＰＵとメモリを備えており、メモリに保存された各装置の制御パラメータなどに基づいてＣＰＵが必要な演算処理を行い、各装置に対する指令を送出する。中央制御装置５０と各装置の間に、電子銃制御装置のようなローカル制御装置を設けても良い。また、中央制御装置５０は複数の計算機で構成されていても良い。

本実施の形態５によれば、積層造形、金属粉末除去、表面処理の連続した処理が可能となり、生産性が向上する効果を得ることができる。

実施の形態６．
図２７は、本発明の実施の形態６による三次元積層造形装置の概略構成を示す断面図である。実施の形態６による三次元積層造形装置では、三次元積層造形装置として、積層造形工程および表面処理工程を実行する電子ビーム照射機１１０、金属粉末除去工程を実行する金属粉末除去機２００を有し、各工程を連続して処理できるように構成している。電子ビーム照射機１１０の電子ビーム照射室３と金属粉末除去機２００の金属粉末除去室１１の間はゲート１０３で仕切られている。積層造形工程中はゲート１０３は閉められており、積層造形工程終了後、ゲート１０３を開けて未溶融の金属粉末が付着した造形物８１をゲート１０３を通して金属粉末除去室１１に送り込む。金属粉末除去室１１において金属粉末除去工程を実行している間はゲート１０３は閉められている。金属粉末除去工程終了後、ゲート１０３を開け、付着していた金属粉末が除去された二次造形物８２を再び電子ビーム照射室３に送り込む。その後、電子ビーム照射機１１０内で表面処理工程を実行する。表面処理工程を実行する際は、二次造形物８２に第２の電子ビームを照射できるよう、積層槽１５０は退避させる。なお、処理される各造形物を電子ビーム照射室と金属粉末除去室との間で移動させるためのステージなどの輸送機構も備えている。

電子ビーム照射機１１０、金属粉末除去機２００およびゲート１０３は、中央制御装置５０１により制御され、積層造形工程、金属粉末除去工程、表面処理工程が実行される。

本実施の形態６による三次元積層造形装置では積層造形工程に使用した電子ビーム照射機１１０を表面処理工程でも使用する。実施の形態５の、第１の電子銃１と第２の電子銃２１とが同一の電子銃であり、第１の電子ビーム照射室３と第２の電子ビーム照射室２３とが同一の電子ビーム照射室である場合、すなわち第１の電子ビーム照射機１００と第２の電子ビーム照射機３００を同一の電子ビーム照射機１１０とした場合に相当する。造形物８を電子ビーム照射ステージ１０５と金属粉末除去ステージ１０６間で移動させて処理することで、最終的な造形物８が完成する。本実施の形態６によれば、実施の形態５による効果に加え、電子銃１や付随する電源、排気系等を共有でき、設備費用の抑制が可能となる効果がある。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１ 電子銃（第１の電子銃）、２ 電子ビーム（第１の電子ビーム）、３ 電子ビーム照射室（第１の電子ビーム照射室）、４ 造形ボックス、５昇降ステージ、６金属粉末、７
給粉機、８ 造形物、８１ 一次造形物、８２ 二次造形物、１１ 金属粉末除去室、１２ ジェットノズル、２１ 電子銃（第２の電子銃）、２２ 電子ビーム（第２の電子ビーム）、２３ 電子ビーム照射室（第２の電子ビーム照射室）、２５ 積層造形工程の中央ビーム軸、２６ 表面処理工程の中央ビーム軸、７６ 溶融池、１００ 電子ビーム照射機（第１の電子ビーム照射機）、１１０ 電子ビーム照射機、３００ 電子ビーム照射機（第２の電子ビーム照射機、１５０ 積層槽、２００ 金属粉末除去機、１０２ 第１のゲート、１０３ ゲート、２０３ 第２のゲート

Claims (20)

1. 層状に敷き詰めた金属粉末に第１の電子ビームを照射して前記金属粉末を溶融させた後凝固して形成された金属凝固層の上に、層状に金属粉末を敷き詰め、前記第１の電子ビームを照射して、新たに敷き詰めた前記金属粉末を溶融させた後凝固した金属凝固層を形成することを繰り返して、金属が凝固した一次造形物を形成する積層造形工程と、
   前記積層造形工程において凝固せずに前記一次造形物に付着した金属粉末を除去して二次造形物を形成する金属粉末除去工程と、
   前記二次造形物に第２の電子ビームを照射して前記二次造形物の表面を再溶融させて造形物を形成する表面処理工程と
   を有することを特徴とする三次元積層造形方法。
2. 前記第１の電子ビームは、偏向させることにより前記層状に敷き詰められた金属粉末上を走査して前記金属粉末を溶融させることを特徴とする請求項１に記載の三次元積層造形方法。
3. 前記第２の電子ビームの前記二次造形物に対する中央ビーム軸の方向は、前記第１の電子ビームの前記一次造形物に対する中央ビーム軸の方向とは異なることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元積層造形方法。
4. 前記金属凝固層の層の面に対して前記第１の電子ビームの中央ビーム軸が成す角度と、前記金属凝固層の層の面に対して前記第２の電子ビームの中央ビーム軸が成す角度との差が、９０度から１８０度の範囲の角度であることを特徴とする請求項３に記載の三次元積層造形方法。
5. 前記第２の電子ビームと前記二次造形物との少なくとも一方を移動させることにより、前記第２の電子ビームが前記二次造形物の表面における前記金属凝固層の層の境界線に交差するように移動して照射することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の三次元積層造形方法。
6. 前記第２の電子ビームは、偏向させることにより前記二次造形物上を走査して前記二次造形物の表面を再溶融させることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の三次元積層造形方法。
7. 前記積層造形工程において形成された前記金属凝固層の厚さ方向における、前記第２の電子ビームの照射により前記二次造形物の表面に形成される溶融池の幅が、予め設定した寸法以上となるよう、前記第２の電子ビームのパラメータを設定することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の三次元積層造形方法。
8. 前記予め設定した寸法は、前記積層造形工程において形成された前記金属凝固層の１層の厚さの２倍であることを特徴とする請求項７に記載の三次元積層造形方法。
9. 前記第２の電子ビームのパラメータがビームパワーであることを特徴とする請求項７または８に記載の三次元積層造形方法。
10. 前記第２の電子ビームのパラメータがビーム径であることを特徴とする請求項７または８に記載の三次元積層造形方法。
11. 前記第２の電子ビームは、ビーム軸に対して垂直な方向に振動させた電子ビームであり、前記振動の幅を調整して前記溶融池の幅を制御することを特徴とする請求項７または８
    に記載の三次元積層造形方法。
12. 前記第２の電子ビームのビーム径は、前記積層造形工程における前記金属凝固層の１層の厚さの２倍以上であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の三次元積層造形方法。
13. 前記第２の電子ビームは、ビーム軸に対して垂直な方向に振動させた電子ビームであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の三次元積層造形方法。
14. 第１の電子ビーム照射室と第１の電子銃とを備え、前記第１の電子ビーム照射室内において、層状に敷き詰めた金属粉末に第１の電子ビームを照射して前記金属粉末を溶融させた後凝固して形成された金属凝固層の上に、層状に金属粉末を敷き詰め、前記第１の電子ビームを照射して、新たに敷き詰めた前記金属粉末を溶融させた後凝固して金属凝固層を形成することを繰り返して、金属が凝固した一次造形物を形成するように制御される第１の電子ビーム照射機と、
    前記一次造形物に凝固せずに付着した金属粉末を除去して前記一次造形物を二次造形物とする金属粉末除去室を備えた金属粉末除去機と、
    第２の電子ビーム照射室と第２の電子銃を備え、前記第２の電子ビーム照射室内において、前記二次造形物に第２の電子ビームを照射して前記二次造形物の表面を再溶融させて造形物を形成するよう構成された第２の電子ビーム照射機とを備えたことを特徴とする三次元積層造形装置。
15. 前記第１の電子ビーム照射室と前記金属粉末除去室とは、第１のゲートを介して接続されており、前記金属粉末除去室と前記第２の電子ビーム照射室とは、第２のゲートを介して接続されていることを特徴とする請求項１４に記載の三次元積層造形装置。
16. 前記第１の電子ビーム照射室と前記第２の電子ビーム照射室は同一の電子ビーム照射室であり、前記第１の電子銃と前記第２の電子銃は同一の電子銃であることを特徴とする請求項１４に記載の三次元積層造形装置。
17. 前記電子ビーム照射室と前記金属粉末除去室とはゲートを介して接続されていることを特徴とする請求項１６に記載の三次元積層造形装置。
18. 前記第２の電子ビームの前記二次造形物に対する中央ビーム軸の方向が、前記第１の電子ビームの前記一次造形物に対する中央ビーム軸の方向とは異なるように構成されていることを特徴とする請求項１４から１７に記載の三次元積層造形装置。
19. 前記第２の電子ビームのビーム径は、前記金属凝固層の１層の厚さの２倍以上であることを特徴とする請求項１４から１８のいずれか１項に記載の三次元積層造形装置。
20. 前記第２の電子ビームは、ビーム軸に対して垂直な方向に振動させることを特徴とする請求項１４から１８のいずれか１項に記載の三次元積層造形装置。

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