JP2019007065A - ３次元積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】造形面並びに新たに金属粉末を敷き詰める層の下層領域の温度を管理し、品質の良い積層造形物を製作する方法の提供。【解決手段】鉛直方向に移動するベースプレート５と、ベースプレート５の上面に粉末試料からなる粉末層９を積層する粉末供給部と、指示された熱量のビームを発生するビーム発生部２と、粉末層９にビーム発生部２で発生したビームが、３次元造形物データに基づいて計画された走査順で、ベースプレートに積層された粉末層の各指定位置に照射されるようにして造形を制御する制御部と、を備え、制御部が、粉末層の指定位置の熱容量に基づいて、将来の指定時刻において指定位置の温度が所望の温度になるように指定位置に投入するべき必要熱量を計算し、指定位置に必要熱量が投入されるようビーム発生部２で発生されるビームを制御する積層造形物の製作方法。【選択図】図５

Description

本発明は、粉末試料を薄く敷いた層を一層ずつ重ねて造形する３次元積層造形装置に関する。

従来、３次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）等で生成された設計データに基づいて、物体の断面形状を積層することにより３次元の物体を造形する３次元積層造形技術の実用化が進んでいる。その造形方式には、例えば光造形法、熱溶解積層法、粉末焼結積層造形法（「ベッドパウダー方式」とも呼ばれる）等がある。

これらの３次元積層造形技術の中でも、近年、粉末試料を薄く敷いた層（以下「粉末層」と表記する）を一層ずつ重ねて造形する粉末焼結積層造形法が脚光を浴びている。粉末焼結積層造形法で造形を行う３次元積層造形装置は、粉末試料（後述する図５の金属粉末９に対応）を平坦なベースプレート（図５のベースプレート５に対応）の上に薄く敷き詰める。そして、３次元積層造形装置は、薄く敷いた粉末試料からなる粉末層に対し、ビーム径を絞った、熱源としてのレーザ光又は電子ビーム（荷電粒子ビームの一例）を局所的（造形したい部分）に照射することにより、粉末試料を溶融及び凝固（固化）させる。この時固化した領域は、３次元ＣＡＤデータで表現される３次元構造物（造形物）を、ある固定方位軸（積層方向）に垂直な面で輪切りにした時の断面に相当する。３次元積層造形装置は、造形物の高さ方向にベースプレートを移動させながら、粉末試料の敷き詰め、粉末層の所定領域を溶融及び固化させる処理を繰り返すことによって、薄い輪切り状の物体が積層された３次元構造物を造形する。

例えば、特許文献１には、５０重量％以上の鉄系粉末と非鉄系粉末とを含む粉末材料に光ビームを照射して硬化層を形成し、この硬化層を積み重ねて所望の三次元形状を有する造形物を製造する、粉末焼結積層造形方式の三次元形状造形物の製造方法が開示されている。

ここで、図１〜図３を参照して、粉末焼結積層造形方式による３次元積層造形技術について更に詳しく説明する。図１は、粉末焼結積層造形方式による３次元積層造形処理の手順を示す説明図（その１）である。図２は、粉末焼結積層造形方式による３次元積層造形処理の手順を示す説明図（その２）である。さらに、図３は、電子ビームの照射時間と造形面（の指定領域）の温度との関係を示す説明図である。以下は、熱源として電子ビームを利用した例を説明する。

電子ビームＥＢを使った３次元積層造形では、電子ビーム発生装置２においてマイナスの電荷を持つ電子（荷電粒子）を高電圧で加速して、ベースプレート５の上に敷き詰められた金属粉末９ｎに照射する。敷き詰められた金属粉末９ｎの表層に電子がトラップされて停止した時に、それまで電子が持っていた運動エネルギーが金属粉末９ｎを溶融させるための熱量に変換される。

しかし、荷電粒子の過剰な投入は金属粉末９ｎを帯電させ、クーロン斥力を原因とする粉末飛散が生じることが知られている。この現象を抑制するために、電子ビームＥＢを使って造形面を予備的に加熱し（第２予備加熱、図１の上段）、加熱により高温となった面に新規に金属粉末９_ｎ＋１を敷き詰めて仮焼結と呼ばれる過程を踏む（図１の中段）。この作業によって金属粉末９ｎ間の電気的接触効果が増強され、ベースプレート５へ繋がる、余分な電荷を逃がすための経路が提供される。図１及び図２において、濃度が濃い部分ほど高温であることを示している。

この仮焼結後に、一旦造形面（金属粉末９_ｎ＋１からなる粉末層）の温度を所望の温度に戻すために造形面の全面にわたって電子ビームＥＢで高速スキャンを行い（第１予備加熱）、造形面を昇温する（図１の下段）。そして、上述した造形に相当する処理（本溶融、本焼結）（図２の上段）を実施し、指定領域を溶融（本溶融）した後、凝固（本焼結）させる（造形）。造形用の電子ビームが照射された粉末層の溶融部分が凝固することにより、固化領域Ａｆが形成される。固化領域Ａｆを形成した後に、再度造形面（最上層の粉末層）の全面にわたって電子ビームＥＢで高速スキャンを行い（第２予備加熱）、次の金属粉末を敷き詰める工程に備える（図２の下段）。

特開２００１−１５２２０４号公報

造形面の全面にわたって電子ビームＥＢで高速スキャンを実施する予備加熱工程や仮焼結工程の存在は、金属粉末の飛散を防止するだけでなく、金属造形物の熱歪応力を軽減するために高温状態の中で造形する（ホットプロセス）工程の実現にも貢献する。しかし、金属粉末を敷き、仮焼結を実施する直前の造形面温度は、ある金属粉末では７００℃以上の高温に維持しなければ粉末飛散が起きる。また、造形面の局所的低温化は造形物の結晶歪や溶融不良を誘発するので、造形後の品質にも影響を及ぼす。したがって、造形面並びに新たに金属粉末を敷き詰める層の下層領域の温度を管理することは、積層造形を継続し、品質の良い造形物を製作する上で極めて重要である。

造形面に敷かれた新規の金属粉末が粉末飛散を発生しないようにするには、金属粉末を敷く直前の造形面の温度（図３に示すＴ０）が、ある目標の温度（Ｔ１）以上になっていなければならない。しかし、金属粉末表面の酸化や球体であるが故の表面積増加の影響によって、金属粉末が敷き詰められた造形面からの熱輻射は、同じ材質の金属板に比べて大きい。したがって、電子ビームの高速スキャンによって熱せられた造形面は、電子ビームをオフすると同時に一気に冷却され、造形面の直下におけるある範囲を持つ領域で定義される熱溜の温度へと漸近する。

一例として、放射温度計で測定した造形中の表面の温度の時間変化の説明図を図３に示す。この温度は粉末の材質、粒径、粉末状態（固体状態）に依存して変化し、造形中でも刻一刻と変化する可能性が高い。したがって、リアルタイムで造形面の温度の管理をすることが必要である。

仮焼結中の造形面の温度は下層部からの熱量伝播を受け一旦上昇するが、その後は熱輻射や下層の粉末層への熱伝達によって、徐々に冷却されていく。複数個の造形物を同じ表面上に造形する場合、個々の造形に応じて作業時間が累積していき、次の造形を実施する領域の局所表面温度は更に下がっている。このような状況で造形を実施すると、溶融に必要な入熱量（以下「必要熱量」とも称する）が不足して溶融体積の減少を発生させ、結晶歪や溶融不良または内部（深さ方向）に欠陥が多数存在するような造形物になってしまう可能性が高い。したがって、リアルタイムで造形面温度を局所的に管理することが求められる。

更に言えば、造形工程が完了後の金属粉末からなる金属粉体の表層部（造形面）を電子ビームの高速スキャンによって第２予備加熱を実施し、造形面の温度が所定の温度（Ｔ２）に到達後、次の新しい金属粉末の敷き詰めのために電子ビームをオフにすると急激に造形面温度が減少する。しかし、金属粉末の敷き詰めを実施する直前の温度（Ｔ０）が、所望の温度（Ｔ１）になっているかは定かではない。なぜなら、過去と現在の造形物の有無に依存して熱容量は異なるため、与えられた熱量による温度上昇分は過去と現在で異なる。従って、造形面の温度が所定の温度（Ｔ２）を満足したからと言って、（温度Ｔ０）＞（温度Ｔ１）を保証しているとは限らない。なお、図３の“Ｔ３”は仮焼結工程中の極大温度、“Ｔ４”は第１予備加熱直前の温度を示す。

ここで当該不等式が不成立であったならば、再度第２予備加熱の工程を実施する方法も考えられるが、一旦温度が減少した造形表面を加熱することは時間の浪費と造形作業時間の長期化を招いてしまう。同様に、第２予備加熱を一定時間で終えるような作業も可能であるが、やはり粉末敷き詰めを実施する直前の温度（Ｔ０）が、所望の温度（Ｔ１）になっているかは保証されない。つまり、予備加熱中の造形面の温度を測定したからと言って、金属粉末を敷き詰めるときの表面温度が保証されているとは限らず、同様に新たな金属粉末を温めるに足る熱量を持っていることも保証されていない。

電子ビームの電流値を変更して入熱量を調整する機能は、３次元積層造形装置では一般的な機能であるので、入熱量を保証するために、大きな電流値を使って第２予備加熱の作業時間を短くすることも実現できる。しかし、第２予備加熱の作業時間の長短に依存して表層部の温度減少量も異なる。これは、熱の投入と損失が互いに独立な現象であるため、作業時間が短ければ温度減少量も少ないことに起因する。したがって、電子ビーム照射時間の増減に依存する温度減少量を考慮した予備加熱時間の調整、即ち自己無撞着な解法が求められる。

つまり、過去と現在の造形物の存在を反映し、将来の所望の時刻において粉末層の指定領域が所望の温度になっているように、指定領域毎に電子ビームの投入熱量をリアルタイムで計算、実施する必要がある。

上記の状況から、将来の所望の時刻において粉末層（造形面）の指定領域が所望の温度になるように、電子ビーム等の熱源により指定領域に投入される熱量を制御する手法が要望されていた。

本発明の一態様の３次元積層造形装置は、鉛直方向に移動するベースプレートと、該ベースプレートの上面に粉末試料からなる粉末層を積層する粉末供給部と、指示された熱量のビームを発生するビーム発生部と、粉末層にビーム発生部で発生したビームが、３次元造形物データに基づいて計画された走査順で、ベースプレートに積層された粉末層の各指定位置に照射されるように制御する制御部と、を備える。制御部は、粉末層の指定位置の熱容量に基づいて、将来の指定時刻において指定位置の温度が所望の温度になるように指定位置に投入するべき必要熱量を計算し、指定位置に必要熱量が投入されるようビーム発生部で発生されるビームを制御する。

本発明の少なくとも一態様によれば、将来の所望の時刻において粉末層（造形面）の指定領域が所望の温度になるように、電子ビーム等の熱源により指定領域に投入される熱量を制御することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

粉末焼結積層造形方式による３次元積層造形処理の手順を示す説明図（その１）である。 粉末焼結積層造形方式による３次元積層造形処理の手順を示す説明図（その２）である。 電子ビームの照射時間と造形面（指定位置）の温度との関係を示す説明図である。 電子ビームの照射時間と造形面（指定位置）の温度との関係例を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る３次元積層造形装置の構成例を示す概略断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る３次元積層造形装置の電子ビームの投入熱量を制御するシステムを示す概略構成図である。 本発明の第１の実施形態に係る３次元積層造形装置の制御系を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る電子ビーム駆動制御部の内部構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る３次元積層造形装置の第２予備加熱処理の手順例を示すフローチャートである。 図１０Ａは電子ビームの照射時間と金属紛体敷き詰め直前の温度との関係例を示すグラフであり、図１０Ｂは敷き詰め層数と第２予備加熱時の電子ビームの照射時間との関係例を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る３次元積層造形装置の電子ビームの投入熱量を制御するシステムを示す概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る３次元積層造形装置の第２予備加熱処理の手順例を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る３次元積層造形装置の電子ビームの投入熱量を制御するシステムを示す概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る３次元積層造形装置の構成例を示す概略断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る３次元積層造形装置の電子ビームの投入熱量を制御するシステムを示す概略構成図である。 金属粉末の敷き詰め時に造形面全体の温度を所望の温度に設定するための投入熱量（電子ビーム照射時間）の分布強度の例を示すグラフである。 金属粉末敷き詰めに依存する遅延時間も考慮したときの、金属粉末の敷き詰め時に造形面全体の温度を所望の温度に設定するための投入熱量（電子ビーム照射時間）の分布強度の例を示すグラフである。 複数の造形物の配置例を示す平面図である。 造形物をある積層数で造形したときの３次元積層造形物の熱容量の例を示すグラフである。 造形物をある積層数で造形した後における第２予備加熱時に必要な照射時間を計算した結果を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態の例について、添付図面を参照しながら説明する。添付図面において実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

＜１．第１の実施形態＞
［本実施形態の３次元積層造形処理の理論的側面］
以下では、本発明に係る３次元積層造形処理の理論的側面について説明する。一般に、物質の温度の増減量は以下の式（１）で与えられる。

式（１）のΔＱは系に与えられる正味の熱量であり、Ｃは系が持つ熱容量である。式（１）より、系の温度はΔＴだけ（正負も含め）変化することを示している。この式（１）を、以下のように書き換える。

まず式（１）を次式のように書き換えた後、次式を式（２）のように変形する。

式（２）から理解されるように下記の要素が与えられれば、系（本実施形態では造形面の指定領域）の目標の温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}は決まる。
・現在の温度：Ｔ_ｎｏｗ
・熱量（エネルギー）の投入量：Ｑ_ｉｎ
・熱量の損失：Ｑ_ｏｕｔ、言い換えれば温度の減少量：Ｑ_ｏｕｔ／Ｃ
・熱容量：Ｃ

以下では、下記（１）、（２）の項目について順を追って説明する。
（１）過去の温度データを使って熱容量を求める方法
（２）系の温度を“Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}”に制御するために、第２予備加熱の作業時間を算出する方法

まず、「（１）過去の温度データを使って熱容量を求める方法」について図４を参照して説明する。図４は、電子ビームの照射時間と造形面（の指定位置）の温度との関係例を示すグラフである。この図４は、造形実験中の造形表面の温度変化、並びに、（表示上オフセットした）エミッション電流変化のシミュレーション結果を表している。図中、丸点は金属粉末敷き詰め直前の温度（Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}：図３のＴ１に対応）、三角点は仮焼結工程中の極大温度（Ｔ_ｍａｘ；図３のＴ２に対応）、四角点は第１予備加熱直前の温度（Ｔ_ｎｏｗ；図３のＴ３に対応）を表す。上記式（２）を本実施形態に係る３次元積層造形装置に適用するために、下記の〔１ａ〕〜〔１ｃ〕が実施される。

〔１ａ〕 式（２）の“Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}”として金属粉末敷き詰め直前の温度、“Ｔ_ｎｏｗ”として第１予備加熱直前の温度とする。

〔１ｂ〕 式（２）の右辺２項目（Ｑ_ＯＵＴ／Ｃ）は、系の温度損失の項である。仮焼結工程中の極大温度（Ｔ_ｍａｘ）と第１予備加熱直前の温度（Ｔ_ｎｏｗ）を使って傾き：α（℃／ｍｉｎ又はｓｅｃ）を求め、また、第１予備加熱直前の温度（Ｔ_ｎｏｗ）と金属粉末敷き詰め直前の温度（Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}）の時間差Δｔを計算する。両者の掛け算から、Δｔ時間後の温度減少分α・Δｔが求められる（下向き矢印部分に相当）。

〔１ｃ〕 式（２）の右辺３項目の投入熱量Ｑ_ｉｎは、後述する図５の電子ビーム発生装置２（電子銃とも呼ばれる）の加速電圧をＶ_ａｃｃとして、Ｖ_ａｃｃ×Σ（Ｉ_ｊ×τ_ｊ）で与えられる。ここで、Ｉ_ｊは時刻ｊにおける電子ビームのエミッション電流値、τ_ｊはそのエミッション電流の照射時間である。これらを式（２）に代入すると、式（３）が得られる。

式（３）において未知数は熱容量Ｃのみであるので、熱容量Ｃを左辺に移行すれば既に取得したデータを使って、式（４）に示すように“Ｃ”を数値として得ることができる。

次に、「（２）系の温度を“Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}”に制御するために、第２予備加熱の作業時間を算出する方法」を説明する。以下、次の層を造形するにあたって、熱容量が過去のそれと大きく変わらないと仮定すれば、直近の過去の熱容量を使って温度制御するための投入熱量、つまり、第２予備加熱時のビーム照射時間が計算できることを説明する。検討・実施すべきは以下の３つの事項である。

〔２ａ〕 式（４）の右辺分子にあるΔｔを分解する。制御したいイベント（本実施形態では第２予備加熱）が発生するまでの、第１予備加熱、造形、第２予備加熱、その他遅延時間を検討する。
〔２ｂ〕 第１予備加熱、造形、第２予備加熱の投入熱量を把握する。
〔２ｃ〕 今測定した仮焼結中の極大温度と第１予備加熱直前の温度の値（測定値）を取得する。

まず〔２ａ〕におけるΔｔの分解とは、第１予備加熱時のビーム照射時間Δｔ_ｐｈ、造形時のビーム照射時間Δｔ_ａｍ、第２予備加熱時のビーム照射時間Δｔ_ａｈ、その他遅延時間Δｔ_{ｄｅｌａｙ}として、Δｔを（５）のように書き換えることである。

上記式（５）の最後の項であるΔｔ_{ｄｅｌａｙ}は、第２予備加熱用の電子ビームの照射をオフしたときの温度から、ターゲットとなるイベント温度（即ち金属粉末敷き詰め開始時の温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}）に変化するまでの時間である。これはＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等を介した装置（温度計、電子ビーム発生装置）との通信時間や処理時間などで左右される遅延時間であり、事前に数値が得られる。

一方、投入熱量Ｑ_ｉｎは、第１予備加熱時の熱量Ｑ_ｐｈ、造形時の熱量Ｑ_ａｍの各工程に対して、Ｖ_ａｃｃ×Σ_ｊ（Ｉ_ｊ×τ_ｊ）を適応する。第２予備加熱時のビーム照射時間内のエミッション電流値がＩ_ａｈで一定値とすれば、上記式はＶ_ａｃｃ×Ｉ_ｊΣ_ｊ（τ_ｊ）となり、投入熱量Ｑ_ｉｎは、以下の式（６）で表される。式（６）の右辺３項目のＶ_ａｃｃ×Ｉ_ａｈ×Δｔ_ａｈは、熱量Ｑ_ａｈに相当する。

第１予備加熱と造形の投入熱量をＱ_ｘｘと書いた理由は、仮焼結後の第１予備加熱では、電子ビームの照射パターンがほぼ決まっているので、ビーム照射時間Δｔ_ｐｈと投入する熱量Ｑ_ｐｈは事前に評価しておくことができ、一方で、造形時のビーム照射時間Δｔ_ａｍと投入する熱量Ｑ_ａｍも、コンピューター内部（造形制御装置３０）で事前に計算可能だからである。

式（５）と式（６）を、式（３）に代入すると、式（７）となる。

当然、金属粉末敷き詰め開始時の温度“Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}”は一定値に制御したい温度であるから、第２予備加熱時のビーム照射時間“Δｔ_ａｈ”のみが未知数である。式（７）を変形して式（８）が得られる。

このようにして、第２予備加熱時の電子ビームの照射時間Δｔ_ａｈが得られる。本実施形態に係る３次元積層造形装置は、この式（８）に基づいて第２予備加熱時の電子ビームの照射時間を決定し、投入熱量（入熱エネルギー）を調整する。

［３次元積層造形装置の構成］
次に、上述した３次元積層造形処理が適用される３次元積層造形装置の構成について、図５を参照して説明する。図５は、第１の実施形態に係る３次元積層造形装置の構成例を示す概略断面図である。図５において、３次元積層造形装置２０のベースプレート５の移動方向（鉛直方向）をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な第１の方向をＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向に垂直な第２の方向をＹ方向とする。

図５に示す３次元積層造形装置２０は、真空容器１、電子ビーム発生装置２（ビーム発生部の一例）及び真空容器１と電気的に接続された後述する造形制御装置３０（図７参照）を有する。電子ビーム発生装置２は、真空容器１の上部に装着される。真空容器１の内部には、金属粉末９が充填された線状漏斗１０（粉末供給部の一例）、及び、筒状の造形枠台３が設けられる。造形枠台３の中央部にはピット４が設けられる。ピット４の上方には、ベースプレート５が設けられ、ベースプレート５にはＺ軸部６が接続される。ピット４の下方には、Ｚ軸部６をＺ方向に駆動する機構であるＺ駆動機構７が設けられる。Ｚ駆動機構７には、例えば、ラック＆ピニオンやボールねじ等を用いることができる。

ベースプレート５の側端部には、耐熱性及び柔軟性のあるシール部材８が設けられる。ベースプレート５のＺ方向での移動は、シール部材８が造形枠台３の内面を滑ることにより実現される。真空容器１内の雰囲気が図示していない真空ポンプにより排気されることで、真空容器１内は真空に維持される。あるいは、真空容器１には、真空に近い雰囲気にヘリウムガスなどの不活性ガスが充填される。

３次元積層造形装置２０による３次元積層造形処理の開始時には、電子ビーム発生装置２から電子ビームが照射されることにより、ベースプレート５及びその周囲の雰囲気が余熱（例えば７００℃以上）される（第２予備加熱工程）。そして、Ｚ駆動機構７によってＺ軸部６が駆動されることにより、ベースプレート５が、造形枠台３の上面よりＺ方向にΔＺ分下がった位置に配置される。そして、金属粉末９が充填された線状漏斗１０が、造形枠台３の上面（図５では左側）に沿って、ベースプレート５を挟んで反対側にある造形枠台３の上面（図５では右側）に移動する。これにより、金属粉末９がベースプレート５に敷き詰められ、ベースプレート５上に厚さΔＺ分の粉末層（造形面）が形成される。

第２予備加熱により、金属粉末９が敷き詰められる造形面（１回目はベースプレート５、２回目からは粉末層）の表面温度は予熱されているために、造形面の金属粉末９は仮焼結する（仮焼結工程）。

次に、３次元積層造形装置２０の電子ビーム発生装置２は、この仮焼結した金属粉末９からなる粉末層の全面に電子ビームを照射し、造形面の温度を所望の温度に温める（第１予備加熱工程）。これらの第１（及び第２）予備加熱工程では、電子ビームを、一例として２〜３μｓのピッチ（走査速度）で照射する。状況に応じて、電子ビームのビームスポットの合焦状態をぼかしたりすることも行われる。

次に、予め準備された、設計データ上の造形物をΔＺ間隔でスライスして得られる２次元形状の情報（スライスデータ）に従い、ベースプレート５上における粉末層（仮焼結体）の造形物の形成領域（造形面の指定領域）に対して、電子ビームが出射される（造形工程）。そして、電子ビーム発生装置２から出射された電子ビームにより、その２次元形状の形成領域にある金属粉末９が溶融する。このプロセスは、「本溶融」と称される。溶融した金属粉末９は、材料に応じた所定時間が経過すると凝固する。なお、造形工程において、電子ビームは粉末層の造形領域にのみ局所的に照射されるため、造形領域以外の粉末層の温度は低下していく。

造形工程において２次元形状の形成領域にある１層分の金属粉末９の溶融が行われた後、１層分の金属粉末９が凝固すると、Ｚ駆動機構７によりベースプレート５がΔＺ分下げられる。次に、第２予備加熱工程により直前に敷き詰められた粉末層（造形面）の全面に電子ビームの照射が行われた後、ΔＺ分の金属粉末９が、直前に敷き詰められた粉末層（下層）の上に敷き詰められる。そして、上述した第１予備加熱及び造形が行われる。この一連の処理を繰り返し、溶融及び凝固した金属粉末９の層が積み重なることにより、３次元の造形物１１（「３次元構造物」の一例）が構築される。

次に、図６を参照して、３次元積層造形装置２０（電子ビーム発生装置２）の電子ビームの投入熱量を制御する仕組みを説明する。図６は、３次元積層造形装置２０（電子ビーム発生装置２）の電子ビームＥＢの投入熱量を制御する仕組みを示す概略構成図である。

図６に示すように３次元積層造形装置２０には、造形面の有限の領域である温度測定領域Ａｍの温度を測定する温度計３８が設置されている。温度計３８は、造形面（最上層の粉末層）の指定領域の温度をサンプリング時間毎に測定する。そして、温度計３８の出力（測定結果）を、コンピューターを備える造形制御装置３０が読み取る。温度計３８には、例えば黒体放射を測定する放射温度計や赤外線を測定する赤外線温度計を適用することができる。温度計３８は、真空容器１の内部に設置してもよいが、金属粉末９による汚染を防ぐために真空容器１の外部に設置してもよい。

そして、造形制御装置３０の電子ビーム駆動制御部３７は、温度計３８の測定結果を用いて、電子ビーム発生装置２から造形面の指定領域に射出される電子ビームＥＢの熱量（エネルギー）を制御する。電子ビーム駆動制御部３７については、後述する図８を用いて詳述する。

次に、３次元積層造形装置２０の制御系（造形制御装置３０）について説明する。図７は、３次元積層造形装置２０の制御系（造形制御装置３０）を示すブロック図である。

３次元積層造形装置２０は、真空容器１及び電子ビーム発生装置２と電気的に接続された造形制御装置３０を有する。造形制御装置３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３１、ＲＯＭ（Read Only Memory）３２、ＲＡＭ（Random Access Memory）３３、補助記憶装置３４、Ｚ駆動制御部３５、漏斗駆動制御部３６、電子ビーム駆動制御部３７、及び通信インターフェース（図７では「通信Ｉ／Ｆ」と表記する）３９を備える。ＣＰＵ３１は、システムバスを介して、各部と相互にデータを送信及び／又は受信可能に接続されている。

ＣＰＵ３１（制御部の一例）は、ＲＯＭ３２、及びＲＡＭ３３とともに、コンピューターを構成する。ＣＰＵ３１は、ＲＯＭ３２に記憶された造形プログラムをＲＡＭ３３に読み出し、この造形プログラムに従い、各部の処理及び動作を制御する。ＣＰＵ３１は、金属粉末９からなる粉末層に電子ビーム発生装置２で発生した電子ビームが、３次元造形物データに基づいて（計画された走査順で）、ベースプレートに積層された粉末層の各指定位置に照射されるように制御する。

ＲＯＭ３２は、ＣＰＵ３１が実行する造形プログラムや造形物１１（図５参照）のパラメータ（積層造形データ３４ａ）等を記憶する不揮発性の記憶部である。ＲＡＭ３３は、データを一時的に記憶する揮発性の記憶部であり、作業領域として使用される。なお、ＲＯＭ３２に記憶される造形プログラムや造形物１１のパラメータ等のデータを、不揮発性の大容量記憶装置（補助記憶装置３４）に記憶してもよい。

Ｚ駆動制御部３５は、ＣＰＵ３１の制御の下、Ｚ駆動機構７（図５参照）の動作を制御する。漏斗駆動制御部３６は、ＣＰＵ３１の制御の下、線状漏斗１０（図５参照）の動作を制御する。

電子ビーム駆動制御部３７（制御部の一例）は、ＣＰＵ３１の制御の下、電子ビーム発生装置２から出射する電子ビームの照射エネルギー（加速電圧、エミッション電流、照射時間）及び照射位置を制御する。

通信インターフェース３９は、図示しない通信ネットワークを介して、所定の形式に従った情報の送受信を行うインターフェースである。例えば、通信インターフェース３９として図示しないＮＩＣ（Network Interface Card）やシリアルインターフェース等が用いられる。

［電子ビーム駆動制御部３７の内部構成］
次に、図８を参照して、造形制御装置３０の電子ビーム駆動制御部３７の内部構成について説明する。図８は、電子ビーム駆動制御部３７の内部構成例を示すブロック図である。

電子ビーム駆動制御部３７は、積層造形データ読み込み部５１、走査順決定部５２、熱容量計算部５３、照射時間計算部５４、駆動信号出力回路５５、及び増幅回路５６を有する。

積層造形データ読み込み部５１は、システムバスを介して、ＲＯＭ３２又は補助記憶装置３４に格納された積層造形データ３４ａを読み込む。

走査順決定部５２は、電子ビーム発生装置２が発生する電子ビームの粉末層に対する走査順（照射順）を計画し、決定する。

熱容量計算部５３は、上記式（４）を用いて、粉末層（造形面）の各指定位置（照射ポイント）の熱容量を計算し、計算結果を照射時間計算部５４に出力する。

照射時間計算部５４は、熱容量計算部５３から入力された粉末層（造形面）の各指定位置の熱容量に基づいて、将来の指定時刻において各指定位置の温度が所望の温度になるように指定位置に投入するべき必要熱量を計算する。

駆動信号出力回路５５は、走査順決定部５２で設定された走査順に従って、電子ビーム発生装置２に駆動信号を出力する。このとき駆動信号出力回路５５は、各指定位置に必要熱量が投入されるように、照射時間計算部５４で計算された各指定位置に対する電子ビームの照射時間に基づいて、駆動信号を生成する。

増幅回路５６は、駆動信号出力回路５５から出力された駆動信号を増幅して、電子ビーム発生装置２の不図示の電子光学系（走査偏向回路）へ供給する。

そして、電子ビーム発生装置２において、増幅回路５６から供給された駆動信号に基づいて電子ビームの偏向処理が行われることにより、電子ビームが、走査順決定部５２で設定された走査順に従って走査され、各指定位置に必要な熱量が投入される。

［３次元積層造形装置の動作］
次に、図９を参照して３次元積層造形装置２０の第２予備加熱処理（金属粉末敷き詰め直前の温度を制御する）手順を説明する。図９は、３次元積層造形装置２０（電子ビーム駆動制御部３７）の第２予備加熱処理の手順例を示すフローチャートである。一例として電子ビーム駆動制御部３７が、ＲＯＭ３２に格納されたプログラムを実行することにより、図９の第２予備加熱処理の手順が実現される。

既に説明したように、本実施形態に係る３次元積層造形処理は、「金属粉末敷き詰め」→「仮焼結」→「第１予備加熱」→「造形」→「第２予備加熱」→「金属粉末敷き詰め」の工程を繰り返し、温度計３８は、造形面（最上層の粉末層）の温度測定領域Ａｍ（図６参照）の温度をサンプリング時間毎に測定する。前提として、電子ビーム駆動制御部３７の積層造形データ読み込み部５１（図８参照）は、ＲＯＭ３２又は補助記憶装置３４から、対象のｎ層目（ここでは１層目）の積層造形データ３４ａを読み込む。次いで、走査順決定部５２は、対象のｎ層目（１層目）の粉末層に対する電子ビームの走査順（照射順）を計画し、決定する。

電子ビーム駆動制御部３７の熱容量計算部５３は、温度計３８により造形面の指定領域の温度を逐次測定し、測定データをそのときの時刻とともに例えば補助記憶装置３４に記録する（Ｓ１）。

また、熱容量計算部５３は、温度計３８の測定時刻と同時刻における造形面に照射する電子ビームの出力、具体的には加速電圧とエミッション電流値を測定し、測定データをそのときの時刻とともに例えば補助記憶装置３４に記録する（Ｓ２）。

熱容量計算部５３は、補助記憶装置３４に蓄積された造形面の温度の時系列データから、金属粉末敷き詰め直前の温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}、仮焼結中の最大温度Ｔ_ｍａｘ、第１予備加熱直前（第１予備加熱開始時）の温度Ｔ_ｎｏｗを抽出する（Ｓ３）。

また、熱容量計算部５３は、補助記憶装置３４に蓄積された時系列データから、仮焼結中の最大温度Ｔ_ｍａｘと第１予備加熱直前の温度Ｔ_ｎｏｗ、並びに、両者の時間間隔Δｔを使って冷却速度αを算出する（Ｓ４）。

次いで、熱容量計算部５３は、サンプリング周期、即ち温度計３８の測定時間間隔を抽出する（Ｓ５）。

次いで、熱容量計算部５３は、第１予備加熱直前の温度Ｔ_ｎｏｗから金属粉末敷き詰め直前の温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}に変化するまで（第１予備加熱開始時刻から造形を経て金属粉末敷き詰め直前時刻）に、投入した全熱量Ｑ_ｉｎの算出を行う（Ｓ６）。

次いで、熱容量計算部５３は、既述の式（４）を用いて造形面の温度測定領域Ａｍ（図６）の熱容量Ｃを算出する（Ｓ７）。

次いで、電子ビーム駆動制御部３７の照射時間計算部５４は、第１予備加熱の実施時間（ビーム照射時間Δｔ_ｐｈ）と、第１予備加熱で投入した全熱量Ｑ_ｐｈを算出する（Ｓ８）。第１予備加熱で投入した熱量Ｑ_ｐｈは、加速電圧Ｖ_ａｃｃと、エミッション電流Ｉ_ｐｈと、及びビーム照射時間Δｔ_ｐｈとの掛け算で与えられる。

金属粉末敷き詰め工程が完了すると、その後の仮焼結工程から第１予備加熱工程、そして造形工程に至る作業時間は、通常数１０秒にわたる。この時間を使って、指定領域に対する第２予備加熱に必要な熱量を計算しておくことが望ましい。

仮焼結中に電子ビームによる熱量の投入は無い。照射時間計算部５４は、造形時の実施時間（ビーム照射時間Δｔ_ａｍ）と、造形時に投入した全熱量Ｑ_ａｍを算出する（Ｓ９）。造形時に投入される熱量Ｑ_ａｍは事前に決められており、したがって（加速電圧Ｖ_ａｃｃ）×（エミッション電流Ｉ_ａｈ）の値が一定であれば、造形時のビーム照射時間Δｔ_ａｍと造形時に投入した全熱量Ｑ_ａｍも容易に計算できる（Ｓ９）。

次いで、照射時間計算部５４は、第２予備加熱工程において電子ビームをオフにしてから金属粉末敷き詰めまでの時間である遅延時間Δｔ_{ｄｅｌａｙ}を計算する（Ｓ１０）。この遅延時間Δｔ_{ｄｅｌａｙ}は、上述したように３次元積層造形装置２０に関する遅延であるため、事前評価が可能である。

次いで、照射時間計算部５４は、第２予備加熱の投入パワーＷ_ａｈ（＝Ｖ_ａｃｃ×Ｉ_ａｈ）を計算する（Ｓ１１）。第２予備加熱工程における投入熱量Ｑ_ａｈは、加速電圧Ｖ_ａｃｃと電子ビームのエミッション電流値Ｉ_ａｈを一定として、照射時間Δｔ_ａｈの変更によってコントロールするのが一般的である。そこで、本実施形態においても、前者の２つ即ち加速電圧Ｖ_ａｃｃとエミッション電流値Ｉ_ａｈを、固定値であるとする。

次いで、照射時間計算部５４は、既述の式（８）を用いて、第２予備加熱に必要な電子ビームの照射時間Δｔａｈを算出する（Ｓ１２）。式（８）の計算式は極めて簡単な計算であり、最近のコンピューターを用いれば、瞬時に解が求まる。

次いで、照射時間計算部５４は、この第２予備加熱に必要な電子ビームの照射時間Δｔ_ａｈの情報を駆動信号出力回路５５に供給し、電子ビーム発生装置２が射出する電子ビームにフィードバック（反映）する（Ｓ１３）。電子ビーム発生装置２において、造形制御装置３０（電子ビーム駆動制御部３７）から供給された駆動信号に基づいて電子ビームの偏向処理が行われることにより、電子ビームが、走査順決定部５２で設定された走査順に従って走査され、各指定領域に必要な熱量が投入される（第２予備加熱）。

そして、電子ビーム駆動制御部３７は、ステップＳ１３における第２予備加熱が完了すると、次の層の処理、即ち再度金属粉末敷き詰めの工程に移行する（Ｓ１４）。

このように、本実施形態では、造形面の測定領域の温度と投入熱量及び熱損失の簡単な計算から測定領域の熱容量を絶対値として求め、将来の所望時刻で、造形面の温度分布が希望する温度分布になるように、例えば、金属粉末敷き詰めを実施する直前の温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}が所望の温度に一致するように、電子ビーム照射量の絶対値を算出する。仮に加速電圧とエミッション電流値が与えられているならば、電子ビームの照射時間を算出する。

［実験結果］
次に、上述した３次元積層造形方法を適用して、金属粉末敷き詰め直前の温度の予想値と、第２予備加熱時のビーム照射時間の予想値を計算した結果について、図１０を参照して説明する。図１０Ａは、３次元積層造形処理開始からの経過時間と金属紛体敷き詰め直前の温度との関係例を示すグラフであり、図１０Ｂは、敷き詰め層数と第２予備加熱時の電子ビームの照射時間との関係例を示すグラフである。

図１０Ａは、実際の３次元積層造形時に測定された造形面の温度の時系列データと、電子ビームのエミッション電流値とを使って、金属粉末敷き詰め直前の温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}を式（７）から予想した結果を表す。図１０Ａの横軸は３次元積層造形処理開始からの経過時間、縦軸は金属粉末敷き詰め直前の温度を表す。

図１０Ａにおいて、曲線７１は金属粉末敷き詰め直前の温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}の測定値（実験値）の時系列データ、曲線７２は仮焼結中の極大温度Ｔ_ｍａｘの時系列データ、曲線７３は第１予備加熱直前の温度の測定値の時系列データ、並びに、曲線７４は、金属粉末敷き詰め直前の温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}のシミュレーション結果（予想値）である。図１０Ａから分かるように、金属粉末敷き詰め直前の温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}に関して実験値と予想値の一致度は高い。特に、３次元積層造形処理開始からの経過時間が増えるほど、実験値と予想値の一致度が高く、過去（下層）の３次元積層造形処理で得られたデータを使った将来の造形面の温度制御が可能であることを示している。

また、図１０Ｂは、過去（下層）の３次元積層造形処理で得られたデータと、温度計３８により測定された金属粉末敷き詰め直前の温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}から、式（８）を使って、実際に電子ビームの照射時間Δｔ_ａｈがどのくらいであったかを予想したものである。図１０Ｂにおいて、曲線７５は金属粉末敷き詰め直前の温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}の測定値（実験値）の時系列データ、曲線７６は金属粉末敷き詰め直前の温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}のシミュレーション結果（予想値）の時系列データである。図１０Ｂの場合も、金属粉末敷き詰め直前の温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}に関して実験値と予想値の一致度は高い。特に、敷き詰め層数（積層数）が増えるほど、実験値と予想値の一致度が高く、過去（下層）の３次元積層造形処理で得られたデータを使った将来の造形面の温度制御が可能であることを示している。

上述した第１の実施形態によれば、３次元積層造形作業を構成する各種工程時に造形面（指定領域）の温度を測定し、同時に電子ビームの照射エネルギーを記録した時系列データを解析する方法を発明した結果、造形面の熱容量を求めることができるようになった。そして、造形面の温度の時系列データから得られる熱損失レートと上記熱容量を用いて、将来の所望の時刻で造形面（指定領域）を所望温度に設定するための電子ビームの照射条件（例えば投入パワーを一定としたときのビーム照射時間）を、事前にリアルタイムで計算する手法を発明した。

その結果、第１の実施形態では、例えば造形工程後の第２予備加熱工程において造形面（指定領域）に必要な熱量を投入するための電子ビームの照射条件として、ビーム照射時間を計算することができる。それにより、新たな金属粉末を敷き詰め時の焼結温度（造形面の温度）を制御できるようになり、金属造形物の熱歪応力の軽減（結晶相の安定化）に寄与する３次元積層造形環境を構築することができる。

このように、第１の実施形態は、将来の所望の時刻において粉末層（造形面）の指定領域が所望の温度になるように、電子ビーム等の熱源により指定領域に投入される熱量を制御することができる。

＜２．第２の実施形態＞
第２の実施形態は、第１の実施形態の比較的小さな領域を測定する放射温度計が適用された温度計３８に代えて、温度計３８よりも大きな領域を測定可能な広域温度計３８Ａ（後述する図１１参照）を用いた例である。

図１１は、第２の実施形態に係る３次元積層造形装置の電子ビームの投入熱量を制御するシステムを示す概略構成図である。図１１に示すように３次元積層造形装置２０Ａは、造形面の全面Ａｗ（全領域）の温度を測定できる広域温度計３８Ａ（二次元温度計）を備える。広域温度計３８Ａは、造形面の全面Ａｗの温度をサンプリング時間毎に測定する。そして、広域温度計３８Ａの出力（測定結果）を、コンピューターを備える造形制御装置３０が読み取る。広域温度計３８Ａには、例えば放射温度カメラを適用することができる。広域温度計３８Ａは、真空容器１の内部又は外部に設置される。

図１２は、３次元積層造形装置２０Ａの第２予備加熱処理の手順例を示すフローチャートである。図１２のステップＳ２１〜Ｓ３５の処理は、図９のステップＳ１〜Ｓ１５の処理と対応する。３次元積層造形装置２０Ａの第２予備加熱処理時の基本動作は、第１の実施形態の動作（図９参照）と同等である。ただし、第２の実施形態が、第１の実施形態と異なる点は、造形面の温度を２次元的に測定できることである。現在の放射温度カメラは、ＣＣＤ（charge-coupled device）やＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）イメージセンサ等の撮像素子を使った製品が主流であり、撮像素子の画素ごとにある一定の時間間隔で温度情報を取得することができる。つまり、造形面を細かな領域に区切って、造形面の２次元温度分布を測定することができ、各領域に対して第１の実施形態で説明した温度制御が可能になり、造形面の温度管理の精度が向上する。

図１２に示したフローチャートの内容は、第１の実施形態で説明した測定領域（指定領域）が、第２の実施形態では広域温度計３８Ａ（放射温度カメラ）が捉えた各画素、又はビニングを実施して取り扱う画素データ数を抑制した測定領域に変更されるだけである。ビニングは、ＣＣＤのチップ上で隣り合う画素（受光素子）のいくつかをひとまとめにし、複数の画素値を平均化したり足し合ったりすることで単一の値を得る機能である。

本実施形態では広域温度計３８Ａを備えることにより、図１２のステップＳ２１，Ｓ２３，Ｓ２４，Ｓ２６〜Ｓ２９，Ｓ３１，Ｓ３２の処理が、第１の実施形態におけるステップＳ１，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ６〜Ｓ９，Ｓ１１，Ｓ１２の処理（図９参照）と若干異なる。温度を測定する画素又は測定領域（例えば重心）の座標位置を（ｘ、ｙ）で表せば、図１２の該当ステップにおいて電子ビーム駆動制御部３７の各部は、当該座標位置（ｘ，ｙ）の温度に対して第１の実施形態と同じ計算を行う。そして、電子ビーム駆動制御部３７の照射時間計算部５４は、指定領域に対応する座標位置（ｘ，ｙ）毎に第２予備加熱に必要な電子ビームの照射時間Δｔ_ａｈを算出する（Ｓ３２）。

次いで、電子ビーム駆動制御部３７は、この第２予備加熱に必要な電子ビームの照射時間Δｔ_ａｈの情報に基づく駆動信号を、電子ビーム発生装置２にフィードバックする（Ｓ３３）。電子ビーム発生装置２は、造形制御装置３０（電子ビーム駆動制御部３７）から供給された駆動信号に基づいて、造形面の各指定領域を電子ビームで走査し、各指定領域に必要な熱量が投入される（第２予備加熱）。

照射時間計算部５４は、造形面の全領域について計算が完了すると、次の層の処理、即ち再度金属粉末敷き詰めの工程に移行する（Ｓ３４）。

上述した第２の実施形態によれば、造形面全体の温度分布を測定する広域温度計３８Ａ（２次元温度計）を導入することで、特に金属粉末の敷き詰め時に全面にわたって温度を一定に設定する方法を提案し、粉末飛散の抑制につながる３次元積層造形環境を実現できた。

また、第２の実施形態によれば、第１の実施形態の場合と同様に、将来の所望の時刻において粉末層（造形面）の指定領域が所望の温度になるように、電子ビーム等の熱源により指定領域に投入される熱量を制御することができる。

なお、第１の実施形態では、温度計３８に放射温度計を用いて所定の温度測定領域Ａｍの温度を測定する構成としたが、温度計３８が造形面において測定対象領域を可変できる不図示の駆動機構を備えていてもよい。温度計３８が、この駆動機構により、造形面の全領域を例えば所定時間内で順次走査して、造形面の全領域の温度を測定する。このようにした場合、広域温度計３８Ａを利用する第２の実施形態と同様に、第１の実施形態に係る温度計３８を駆動して造形面の全領域の温度を測定することができるため、第２の実施形態とほぼ同様の効果を得ることができる。

なお、ステップＳ３２で計算した造形面の各位置（例えば画素位置）での照射時間Δｔ_ａｈは、造形面で一様ではなく、照射時間の数値が造形面上で分布を持つことがある。このような場合には、指定した任意の位値（基準位置）の照射時間を基準にして規格化された照射時間分布を用いて、造形面における投入熱量の分布が照射時間の分布と同じ分布形状を持つように、第２予備加熱時の電子ビーム照射を実施することになる。即ち、照射時間の数値が造形面において分布を持つことがあり、任意の位置の照射時間を基準にして、位置ごとに規格化された照射時間分布を計算してもよい。

第２予備加熱時の電子ビーム照射は、ビームスポット面積を広げた電子ビームを高速で走査して造形面の表面を温める。造形面の表面全体を一回走査する時間は極めて短く、例えば数１００ｍｓで完了する。この短時間で終了する一回の照射パターンとして、各位置に上記照射時間分布を反映させた熱量を与える。例えば、各位置（ｘ，ｙ）の基準とする照射時間を１０μｓとした場合に、一様だった照射時間を、投入熱量分布に対応した微小調整時間を加減した照射時間に変更し、変更後の照射時間で電子ビームを照射する。そして、１回あたり数１００ｍｓの電子ビームの走査を複数回繰り返し、基準位置にて算出された総照射時間が規定の照射時間Δｔ_ａｈ（通常秒単位）に到達したら、第２予備加熱のための電子ビーム照射を停止する。このような照射時間分布を考慮した第２予備加熱の例については、後述する第５の実施形態及び第６の実施形態において説明する。

＜３．第３の実施形態＞
第３の実施形態は、第１の実施形態の放射温度計が適用された温度計３８に代えて、熱電対を用いた温度計３８Ｂ（後述する図１３参照）を用いた例である。

図１３は、第３の実施形態に係る３次元積層造形装置の電子ビームの投入熱量を制御するシステムを示す概略構成図である。図１３に示すように３次元積層造形装置２０Ｂは、造形面の端辺付近の温度を測定できる温度計３８Ｂを備える。温度計３８Ｂは、熱電対３８Ｂ−１〜３８Ｂ−４、及び計測器３８Ｂ−５から構成される。熱電対３８Ｂ−１〜３８Ｂ−４は、四角形のベースプレート５の４辺に当接するように配置されている。

図１４は、３次元積層造形装置２０Ｂの構成例を示す概略断面図である。図１４に示すように、熱電対３８Ｂ−１〜３８Ｂ−４（図中、熱電対３８Ｂ−１、３８Ｂ−３のみ表示）は、その金属線の接合点が造形枠台３のピット４側の端面に位置するように、造形枠台３の内部に埋設される。なお、本実施形態では、熱電対の数を４個設置しているが、少なくとも１個あればよい。熱電対の数が多いほど、造形面の温度をより正確に計算することができる。

温度計３８Ｂでは、熱電対３８Ｂ−１〜３８Ｂ−４の各々を構成する２本の金属線の電位差に応じた信号が、計測器３８Ｂ−５に供給される。計測器３８Ｂ−５は、サンプリング時間毎に熱電対３８Ｂ−１〜３８Ｂ−４の各々から供給された電位差の情報を用い、平均化や内挿法等により造形面（指定領域）の温度（温度分布）を計算する。温度計３８Ｂは、熱電対を利用した温度計であるため、第１の実施形態における温度計３８及び第２の実施形態における広域温度計３８Ａと比較すると、測定値の精度はやや低下するが安価である。

上述した第３の実施形態によれば、第１及び第２の実施形態の場合と同様に、将来の所望の時刻において粉末層（造形面）の指定領域が所望の温度になるように、電子ビーム等の熱源により指定領域に投入される熱量を制御することができる。

＜４．第４の実施形態＞
第４の実施形態は、造形面の温度をその都度測定するのではなく、事前に計算した温度データが格納された造形面温度時系列データデータベース４０（図１５参照）を利用する例である。

図１５は、第４の実施形態に係る３次元積層造形装置の電子ビームの投入熱量を制御するシステムを示す概略構成図である。図１５に示すように３次元積層造形装置２０Ｃでは、造形制御装置３０に造形面温度時系列データデータベース（図中、造形面温度時系列データＤＢと表記）４０が接続されている。造形面温度時系列データＤＢ４０には、例えば有限要素法等により事前に計算した、対象造形物の全工程にわたる造形面の温度の時系列データが保存され、造形面温度時系列データＤＢ４０は、例えば補助記憶装置３４に構築される。電子ビーム駆動制御部３７の熱容量計算部５３（図８参照）は、造形積層数（粉末層の順番）と同期させて、造形面温度時系列データＤＢ４０から該当する層（造形面）の温度の時系列データを読み出して造形面（指定領域）の熱容量を計算する。

そして、造形制御装置３０は、造形面温度時系列データＤＢ４０に蓄積された造形面の温度の時系列データから得られる熱損失レートと上記熱容量を用いて、将来の所望の時刻で造形面（指定領域）を所望温度に設定するための電子ビームＥＢの照射条件を、事前にリアルタイムで計算することができる。そして、造形制御装置３０は、この電子ビームの照射条件を電子ビーム発生装置２にフィードバックする。

上述した第４の実施形態によれば、造形面全体の温度分布を再現するシミュレーション計算を事前に実施し、温度時系列データを用意しておくことで、特に金属粉末の敷き詰め時に全面にわたって温度を一定に設定する方法を提案し、粉末飛散の抑制につながる３次元積層造形環境を実現できた。

また、第４の実施形態によれば、第１の実施形態の場合と同様に、将来の所望の時刻において粉末層（造形面）の指定領域が所望の温度になるように、電子ビーム等の熱源により指定領域に投入される熱量を制御することができる。

＜５．第５の実施形態＞
次に、金属粉末の敷き詰め時に造形面全体の温度を所望の温度に設定するための投入熱量について、図１６を参照して説明する。図１６は、金属粉末の敷き詰め時に造形面全体の温度を所望の温度に設定するための投入熱量（電子ビーム照射時間）の分布強度の例を示すグラフである。図中、Ｘ軸（第１横軸）及びＹ軸（第２横軸）は造形面上の位置を示し、Ｚ軸（縦軸）は投入される熱量比を示す。

通常、予備加熱では、ベースプレート５の端辺よりも少し内側の領域から中央部分にかけて電子ビームを照射し、造形面の温度を上昇させることが行われる。しかしながら、周囲（例えば図５の造形枠台３）と接触しているベースプレート５の端部は熱損失が大きく、そのために温度が低い。ベースプレート５の端部温度を金属粉末９の敷き詰め時に所望の温度に設定するには、第２予備加熱を作業している時にベースプレート５周辺を照射する電子ビームの照射時間を長くすることが望ましい。このときに要求される照射時間Δｔ_ａｈは、例えば広域温度計３８Ａによって測定された各座標位置の温度の時系列データを、第１の実施形態に係る３次元積層造形処理に従い解析することで算出できる。すなわち、従来周知の方法によって熱容量、温度減少レート、及び投入熱量などを算出した後、本願出願人が作成した式（８）を使用して該当領域のビーム照射時間を求める。

一例として、１２ｃｍ角のベースプレート５を加熱して金属粉末の敷き詰め直前の温度が粉末層全域にわたって一定値になるようにしたときの電子ビーム照射時間（熱量比）の分布強度を図１６に示す。電子ビームの照射条件として、遅延時間Δｔ_{ｄｅｌａｙ}を４［秒］、第２予備加熱の電子ビーム照射条件を加速電圧６０［ｋＶ］、エミッション電流値３０［ｍＡ］、造形面の中央位置での照射時間を２７［秒］とする。このとき、中央位置に投入する熱量を「１」に規格化した場合には、投入熱量をベースプレート５周辺（特に４隅）に向かうにつれて増加させる必要があり、その熱量は中央位置の熱量に対して約１１％増しと見積もられた。投入熱量の増加関数は、２次の放物線で近似しても問題ない形状であった。

上述した第５の実施形態によれば、造形面の全面（中央位置と端部）の温度分布を考慮して造形面に投入するべき熱量を決定する。それにより、第５の実施形態では、第２の実施形態の効果に加え、将来の所望の時刻においてより精度よく粉末層（造形面）の指定領域が所望の温度となるように制御することができる。

＜６．第６の実施形態＞
次に、金属粉末敷き詰めに依存する遅延時間も考慮したときの、金属粉末の敷き詰め時に造形面全体の温度を所望の温度に設定するための投入熱量について、図１７を参照して説明する。

図１７は、金属粉末敷き詰めに依存する遅延時間も考慮したときの、金属粉末の敷き詰め時に造形面全体の温度を所望の温度に設定するための投入熱量（電子ビーム照射時間）の分布強度（熱量比）の例を示すグラフである。図１６に示した例と同様に、電子ビームの照射条件として、遅延時間Δｔ_{ｄｅｌａｙ}を４秒、第２予備加熱の電子ビーム照射条件を加速電圧６０［ｋＶ］、エミッション電流値３０［ｍＡ］、造形面の中央位置での遅延時間を考慮しない照射時間を２７［秒］とする。

加熱した造形面に金属粉末を敷く場合、造形面の全領域で同時に敷き詰め処理を実施できるわけではなく、左から右、又は、右から左に線状漏斗１０（アーム）が動くことによって敷き詰め時刻に遅延が生じる。アームの移動速度が遅い、又は、ベースプレート５の上面の面積が大きくなった場合には、この遅延が無視できなくなる。式（７）または式（８）中の遅延時間Δｔ_{ｄｅｌａｙ}にアーム移動（粉末供給部の移動）による遅延時間を加算すれば、金属粉末が敷かれる時刻が異なっても金属粉末が置かれるときの造形面温度は常に指定値になるように第２予備加熱時のビーム照射時間を調整することができる。

図１７の例は、左から右に（Ｙ座標が０ｍｍの位置からＹ軸方向に沿って）移動するアーム速度を５０［ｍｍ／ｓ］とし、１２［ｃｍ］角のベースプレート５を横切る時間も考慮した照射時間分布（熱量比）を示している。図１７には、線状漏斗１０が右に移動するに伴いビーム照射時間を増加させる割合が明確に示されている。図１７のグラフおいて、左側（Ｙ座標が０ｍｍ付近）と右側（Ｙ座標が１２０ｍｍ付近）では、右側の方が熱量比が高い、即ちビーム照射時間が長い。これは、右側の方は線状漏斗１０（アーム）の到達時間が遅く（遅延時間Δｔ_{ｄｅｌａｙ}が大きく）、それにより熱損失が大きくなり、熱損失が増大した分だけ造形面の温度を一定にするために必要な熱量が大きくなるからである。

上述した第６の実施形態によれば、金属粉末敷き詰めに依存する遅延時間を考慮して造形面に投入するべき熱量を決定する。それにより、第６の実施形態では、第２の実施形態の効果に加え、将来の所望の時刻においてより精度よく粉末層（造形面）の指定領域が所望の温度となるように制御することができる。

＜７．第７の実施形態＞
第７の実施形態では、温度測定領域（指定領域）の熱容量の算出に際し、幾つかの過去（下層の複数の層）の造形工程データ（温度測定領域の温度時系列データ、電子ビームのエミッション電流値を含む）を用いて平均化した熱容量を算出して利用する。それにより、ノイズの影響を除去した第２予備加熱に必要な電子ビームの照射時間Δｔ_ａｈを算出することも可能である。

また、仮焼結中の極大温度Ｔ_ｍａｘと第１予備加熱直前の温度Ｔ_ｎｏｗの測定値を使って計算した、温度減少レートである傾きαの過去数個分の平均値を使えば、ノイズの影響を除去した温度減少レートが計算でき、温度減少量の精度が向上する。

なお、幾つかの過去（下層の複数の層）の造形工程データは、造形時の実際の測定値や設定値ではなく、シミュレーションデータで代用することも可能である。

上記第１〜第６の全ての実施形態において、第２予備加熱の電流値Ｉ_ａｈを変更した場合、式（８）を使えば、その変更を反映した第２予備加熱に必要な電子ビームの照射時間Δｔ_ａｈを算出することもできる。この照射時間Δｔ_ａｈには、照射時間の変更に依存する熱損失量も考慮されており、照射時間Δｔ_ａｈの短縮化（長期化）による熱損失量の減少（増大）効果も反映されている。

［実験結果］
次に、一例として第２の実施形態に係る３次元積層造形装置２０Ａを用いて、複数の造形物が存在するときのビーム照射時間を制御する例を説明する。
図１８は、複数の造形物の配置例を示す平面図である。図１８の例は、ベースプレート５を上方から見た状態を表しており、ベースプレート５の上に４つの造形物を配置するエリアＡｒ１，Ａｒ２，Ａｒ３，Ａｒ４が設定されている。

図１９は、造形物をある積層数で造形したときの図１３の３次元積層造形物の熱容量の例を示すグラフである。曲面８１は、特定の積層数（５０層）を造形した時に、直近の過去３回分（４７層目，４８層目，４９層目）も含めた計４つの熱容量を平均化した造形面の平均熱容量［Ｊ／Ｋ］を示す。

曲面８１は、全体的に平面の特徴が強いが、造形物が存在するエリアＡｒ１，Ａｒ２，Ａｒ３，Ａｒ４では若干熱容量が大きく見えている。これは、造形物が存在する位置の温度が「熱し難く冷め難い」ことを意味している。他方、粉末層の周辺部では熱容量が小さく、「熱し易く冷め易い」ことを表している。

図２０は、造形物をある積層数で造形した後における第２予備加熱時に必要な照射時間を計算した結果を示す説明図である。各メッシュ位置で算出された図１９に示す熱容量を使って、５０層目の造形が終了し、５１層目の金属粉末敷き詰め直前の温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}が造形面の全領域で例えば７１５℃になるように、第２予備加熱（アフターヒート）に必要なビーム照射時間Δｔ_ａｈ［ｓ］を計算した結果が、曲面８２である。

曲面８２の下に位置する平面８３は、５０層目に対する第２予備加熱の電子ビームの照射時間２７秒を示したものであり、照射面全域にわたって一定の時間で照射していることを示している。造形面で変調を受けた照射時間を詳しく見ると、上記４つの造形物が存在する場所では、その周囲の造形面に対するビーム照射時間よりも短い時間でよいことが伺える。造形面の場所毎の熱容量に応じてビーム照射時間は、１０％ほど変調を受けていることがわかる。また、造形面の周辺部では、予想通りに長いビーム照射時間で表面を温めないと、金属粉末敷き詰め直前の温度Ｔ_{ｔａｒｇｅｔ}が希望する７１５℃にはならない。

なお、上述した各実施形態では、熱源として電子ビーム（荷電粒子ビーム）を例示したが、本発明をレーザービームを用いる３次元積層造形装置に適用してもよい。

さらに、本発明は上述した各実施形態例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。

上述した実施形態の例は本発明を分かりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細且つ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることは可能である。また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。

２…電子ビーム発生装置、 ５…ベースプレート、 ９…金属粉末、１０…線状漏斗、 ２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…３次元積層造形装置、 ３０…造形制御装置、 ３１…ＣＰＵ、 ３７…電子ビーム駆動制御部、 ３８，３８Ｂ…温度計、 ３８Ａ…広域温度計、 ５３…熱容量計算部、 ５４…照射時間計算部

Claims (5)

1. 鉛直方向に移動するベースプレートと、
   前記ベースプレートの上面に粉末試料からなる粉末層を積層する粉末供給部と、
   指示された熱量のビームを発生するビーム発生部と、
   前記粉末層に前記ビーム発生部で発生した前記ビームが、３次元造形物データに基づいて計画された走査順で、前記ベースプレートに積層された前記粉末層の各指定位置に照射されるようにして造形を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記粉末層の指定位置の熱容量に基づいて、将来の指定時刻において前記指定位置の温度が所望の温度になるように前記指定位置に投入するべき必要熱量を計算し、前記指定位置に前記必要熱量が投入されるよう前記ビーム発生部で発生される前記ビームを制御する
   ３次元積層造形装置。
2. 前記制御部は、前記ベースプレートの上面に前記粉末試料を薄く敷いて前記粉末層を積層する敷き詰め工程と、前記敷き詰め工程後に前記粉末層の粉末試料が軽度に焼結する仮焼結工程と、前記仮焼結工程後に前記粉末層の全面にわたって前記ビームを走査して前記指定位置を所望の温度に戻すための第１予備加熱工程と、前記３次元造形物データに基づいて計画された走査順で、前記粉末層の各指定位置に前記ビームを照射する造形工程と、前記造形工程後に前記敷き詰め工程に移行する前に前記粉末層の全面にわたって前記ビームを照射して前記指定位置を目標の温度にする第２予備加熱工程と、を繰り返し行うことにより造形を制御する
   請求項１に記載の３次元積層造形装置。
3. 前記必要熱量は、前記第２予備加熱工程において前記指定位置に投入するべき熱量である
   請求項２に記載の３次元積層造形装置。
4. 前記制御部は、前記粉末層の指定位置の熱容量を、前記指定位置に照射したビームにより投入された熱量と、該ビームを照射後の前記指定位置の温度とに基づいて計算する
   請求項１に記載の３次元積層造形装置。
5. 前記制御部は、前記ビームの照射時間によって前記指定位置に投入される熱量を調整する
   請求項１に記載の３次元積層造形装置。