JP2021042410A - ３次元積層造形方法及び３次元積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】造形物に欠陥が生じることを抑制する３次元積層造形方法及び３次元積層造形装置を提供する。【解決手段】３次元積層造形方法のスキージング工程では、ベースプレートの上に粉末試料を供給して粉末層を積層する。本溶融工程では、粉末層の最上層であるパウダーベッドに対して電子ビームを照射して、造形モデルを１層分でスライスした２次元形状領域を溶融する。造形面確認工程では、電子ビームが、本溶融工程において溶融した領域に照射されたときに発生する反射電子を検出し、検出した反射電子に基づいて溶融状態が正常であるか否かを判定する。そして、造形面確認工程において溶融状態が正常でないと判定した場合は、ビーム発生部から発生した電子ビームを本溶融工程において溶融した領域に再度照射する再溶融工程を行う。【選択図】図１

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次元積層造形方法及び３次元積層造形装置に関する。

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３次元積層造形技術が脚光を浴びており、粉末試料の材料や造形手法の違いにより多くの種類の３次元積層造形技術が開発されている（例えば特許文献１を参照）。

特許文献１に開示された３次元積層造形装置では、粉末試料を平坦なベースプレート５の上に薄く敷き詰める。そして、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ー光又は電子ビームを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。

粉末層における固化した領域は、３次元ＣＡＤデータで表現される３次元造形物を、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。また、特許文献１に開示された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、粉末試料を敷き詰めて、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。これにより、薄い輪切り状の物体が積層された３次元構造物が造形される。

特開２０１９−７０６５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された３次元積層造形装置では、粉末層の所定領域を溶融及び固化させた（メルト）後の造形面に異常があっても、造形のプロセスが進んでしまうため、異常が含まれた状態で造形物が完成してしまうことがあった。

本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、造形物に欠陥が生じることを抑制する３次元積層造形方法及び３次元積層造形装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、スキージング工程と、本溶融工程と、造形面確認工程とを備える。スキージング工程では、粉末供給部がベースプレートの上に粉末試料を供給して粉末層を積層する。本溶融工程では、ビーム発生部が粉末層の最上層であるパウダーベッドに対して電子ビームを照射して、造形モデルを１層分でスライスした２次元形状領域を溶融する。造形面確認工程では、ビーム発生部から発生した電子ビームが、本溶融工程において溶融した領域に照射されたときに発生する反射電子を検出部により検出し、溶融状態が正常であるか否かを判定する。そして、造形面確認工程において溶融状態が正常でないと判定した場合は、ビーム発生部から発生した電子ビームを本溶融工程において溶融した領域に再度照射する再溶融工程を行う。

本発明の一態様は、粉末層の所定領域を溶融させた後の造形面を確認するため、造形物に欠陥が生じることを抑制することができる。

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断面図（その１）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断面図（その２）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２分割検出器の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る３次元積層造形装置における２分割検出器の信号の変化を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る３次元積層造形装置における２分割検出器の各信号の変化と造形面の傾斜が０度である場合の差分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制御系を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る３次元積層造形装置の構成例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る３次元積層造形装置の検出部の構成を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る３次元積層造形装置の検出部によりＸ方向に電子ビームを走査した際のＡ−Ｂ信号を示すグラフである。 図１０に示すグラフの傾きを除去して凹凸値を示したグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る３次元積層造形装置の変形例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。なお、各図において共通の構成要素には、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＞
［３次元積層造形装置の構成］
図１及び図２は、本発明の第１の実施の形態に係る３次元積層造形装置の構成例を示す断面図である。
図１及び図２において、３次元積層造形装置５０の粉末台６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。すなわち、図１は、真空容器１のＹ方向に直交する断面を示す断面図であり、図２は、真空容器１のＸ方向に直交する断面を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、３次元積層造形装置５０は、真空容器１と、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６０（図６参照）を有する。真空容器１は、上部に電子銃２（ビーム発生部の一例）が装着されている。真空容器１の内部には、造形ボックス３と、造形ボックス３を真空容器１に固定するための造形ボックス固定部４が設けられている。なお、造形ボックス３は、真空容器１に直接固定してもよい。

造形ボックス３は、金属粉末８が供給されるテーブル３ａと、テーブル３ａに連続する筒部３ｂを有している。テーブル３ａは、Ｘ方向の両端部が真空容器１の内壁に接触する長方形の板状に形成されており、中央に貫通孔を有している。筒部３ｂは、テーブル３ａにおける貫通孔の周縁部に沿った形状の筒部として形成されており、一端がテーブル３ａの下面に連続している。すなわち、テーブル３ａの貫通孔が円形である場合の筒部３ｂは、貫通孔の径と略同一の内径に設定された円筒状に形成されている。

造形ボックス固定部４は、筒部３ｂの筒孔に連通する筒孔を有する筒状に形成されている。造形ボックス固定部４の軸方向の一端には、造形ボックス３（筒部３ｂ）が固定されており、造形ボックス固定部４の軸方向の他端は、真空容器１の底面に固定されている。造形ボックス３の筒部３ｂ及び造形ボックス固定部４は、造形物９を造形するためのスペースであるピットを形成している。

ピット内には、粉末台６と、粉末台６をＺ方向に移動させるＺ駆動機構５（駆動部の一例）が設けられている。粉末台６は、筒部３ｂの筒孔の形状に対応した輪郭の板状に形成されている。すなわち、筒部３ｂの筒孔が円形である場合の粉末台６は、円板状に形成されている。また、粉末台６の側周面には、シール部材７が取り付けられている。

シール部材７は、粉末台６と筒部３ｂの内周面との間に介在されており、それらの間から粉末（金属粉末８）が落ちないように粉末台６と筒部３ｂの内周面との間を密閉する。また、シール部材７は、筒部３ｂの内周面に摺動可能に接触している。Ｚ駆動機構５としては、例えば、ラック＆ピニオンやボールねじ等を採用することができる。真空容器１内の雰囲気は図示しない真空ポンプにより排気されており、真空容器１内は真空に維持されている。

造形ボックス３の上方には、２つの粉末タンク１１と、粉末タンク１１の底部に接続された定量供給器１２と、スキージアーム１３と、スキージアーム１３に取り付けられたブレード１４が設けられている。粉末タンク１１、定量供給器１２、スキージアーム１３、及びブレード１４は、本発明に係る粉末供給部の一例を示す。

２つの粉末タンク１１は、テーブル３ａの貫通孔（ピット）を挟んで対向している。２つの粉末タンク１１には、金属粉末８が充填されている。なお、２つの粉末タンク１１には、それぞれ異なる種類の金属粉末を充填してもよい。定量供給器１２は、粉末タンク１１に充填されている金属粉末８のうちから所定量の金属粉末８を造形ボックス３のテーブル３ａ上に供給する。

図２に示すように、スキージアーム１３は、アーム駆動機構２０に移動可能に支持されており、テーブル３ａと定量供給器１２との間をテーブル３ａに沿って移動する。アーム駆動機構２０は、真空容器１の内壁面に取り付けられたレール（リニアガイド）２０ａと、レール２０ａ上を移動可能なスライダー２０ｂを有している。スライダー２０ｂは、不図示の駆動系（例えば、チェーン駆動機構）によって、レール２０ａ上を移動する。このスライダー２０ｂには、スキージアーム１３が固定されている。

ブレード１４は、スキージアーム１３の下部に取り付けられている。このブレード１４は、スキージアーム１３が２つの粉末タンク１１間を往復移動することにより、テーブル３ａ上に供給された金属粉末８を均す。このとき、粉末台６上の金属粉末８は、テーブル３ａ上の金属粉末８と同じ高さに敷き詰められる。

また、粉末台６上の金属粉末８には、ベースプレート１０が配置されている。このベースプレート１０は、造形物９を積層する土台である。なお、金属粉末８は、造形時にベースプレート１０が高温になった際に、造形ボックス３や粉末台６にベースプレート１０の熱が伝わりにくくする断熱層の役割を果たしている。

また、電子銃２の下方には、２分割検出器１６Ａ，１６Ｂ（検出部の一例）が配置されている。２分割検出器１６Ａ，１６Ｂは、スキージアーム１３に干渉しない位置に固定されている。

図３は、３次元積層造形装置５０における２分割検出器１６Ａ，１６Ｂの構成例を示す図である。
図３に示すように、２分割検出器１６Ａ，１６Ｂは、電子銃２における電子ビーム放射口２ａを挟んでＸ方向で対向している。また、２分割検出器１６Ａ，１６Ｂの中心間の距離は、少なくとも電子ビームを走査する領域（ベースプレート１０の領域と略同じ）の長さ以上に設定されている。

本実施形態では、観察面（例えば、造形物９の造形面）を確認する際に、ベースプレート１０より少し小さい領域を、ジャストフォーカス状態の電子ビームで走査して、反射電子像を収集する。このときの電子ビームは、反射電子が検出できる程度に低いエミッション電流（例えば、１ｍＡ程度）により発生させる。なお、フォーカスの変更は、予め造形レシピデータとして記憶しておくプリセット方式、あるいは反射電子像を複数回収集して、電子顕微鏡等で使用されているオートフォーカス機能を用いて行ってもよい。

２分割検出器１６Ａ，１６Ｂには、それぞれ電流アンプ１７が接続されており、各電流アンプ１７の出力である信号Ａと信号Ｂは、造形制御装置６０（図６参照）に送信される。造形制御装置６０（ＣＰＵ６４）では、Ａ−Ｂ或いは（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算結果から反射電子像（輝度）信号を得る。

すなわち、反射電子は、鏡面反射方向の強度が大きくなるため、観察面（例えば、造形面）に凹凸があった場合は、２分割検出器１６Ａ，１６Ｂに入射される反射電子に、凹凸の表面の傾斜角度に依存した信号差が生じる。そのため、Ａ−Ｂ或いは（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算結果から凹凸に相当する情報が画像化できる（反射電子像を取得することができる）。造形制御装置６０は、凹部や凸部の高さが予め定められた閾値を超える場合に、造形面に凹凸が生じたと判定する。

図４は、例えば、Ｘ方向に電子ビームをスキャンした場合の各点における造形面の傾斜が０°と±０．５°における（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）信号の変化を示すグラグである。また、図５は、各傾斜角度と０°との差分を示すグラフである。

図４及び図５に示すように、２分割検出器１６Ａ，１６Ｂの検出結果によりＸ方向の造形面の角度変化に相当する情報が求めることができる。２分割検出器１６Ａ，１６Ｂにより検出した信号を、正確な凹凸形状に変換するためには、各点の面傾斜を積分して凹凸形状を求める必要がある。

さらに、Ｙ方向についても同様な検出をする（４分割検出器を用いる）ことでより正確な凹凸形状を取得できる。なお、「Ａ−Ｂ」を「Ａ＋Ｂ」で除算する場合は、１次ビーム電流の変動や、造形面の状態によって放出される反射電子像が変動した際のＡ−Ｂへの影響を抑制することができる。また、「Ａ−Ｂ」を「Ａ＋Ｂ」で除算する場合は、Ａ−Ｂよりもビームスキャンに対する変化のリニアリティーが向上する。

なお、検出器としては、電子顕微鏡で使用されているｐｎジャンクションタイプの半導体検出器でもよい。また、電子ビーム方式の３次元積層造形装置の場合は、照射電子ビーム電流がｍＡオーダであるため、金属板電極で直接反射電子を電流として検出してもよい。また、検出器にマイナス１００Ｖ程度の電圧を印加できる電流アンプを使用することで、１００ｅＶ程度の散乱電子の影響を防止することができる。

図６は、３次元積層造形装置の制御系（造形制御装置６０）のブロック図である。
３次元積層造形装置５０は、真空容器１と電気的に接続された造形制御装置６０を有する。造形制御装置６０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）６２、ＲＡＭ（Random Access Memory）６３、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６４、Ｚ駆動制御部６５、粉末供給駆動制御部６６、電子銃駆動制御部６７を備える。

造形制御装置６０は、３次元積層造形装置５０の各駆動部との間で通信インターフェース（不図示）を介して、所定の形式に従った情報の送受信を行なう。この通信インターフェースとしては、例えば、シリアルインターフェースが適用される。

ＲＯＭ６２は、ＣＰＵ６４が実行する造形プログラムや造形物９のパラメータ等を記憶する不揮発性の記憶部である。ＲＡＭ６３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、ＲＯＭ６２に記憶される造形プログラムや造形物９のパラメータ等のデータを、不揮発性の大容量記憶装置に記憶するようにしてもよい。

ＣＰＵ６４は、ＲＯＭ６２に記憶された造形プログラムをＲＡＭ６３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。ＣＰＵ６４は、システムバス６９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。ＣＰＵ６４、ＲＯＭ６２及びＲＡＭ６３は、制御部の一例である。

Ｚ駆動制御部６５は、ＣＰＵ６４の制御の下、Ｚ駆動機構５の動作を制御する。粉末供給駆動制御部６６は、ＣＰＵ６４の制御の下、定量供給器１２及びスキージアーム１３の動作を制御する。電子銃駆動制御部６７は、ＣＰＵ６４の制御の下、電子銃２から出射する電子ビームの強度及び照射位置を制御する。

［３次元積層造形処理］
次に、本実施形態に係る基本的な３次元積層造形処理について説明する。

〈ベースプレート加熱工程〉
３次元積層造形処理では、まず、ベースプレート加熱工程を行う。
ベースプレート加熱工程では、電子銃駆動制御部６７（図６参照）が電子銃２を制御して、ベースプレート１０に対して電子ビーム２１を照射させ、ベースプレート１０を加熱する。

具体的には、電子ビーム２１を走査して、ベースプレート１０の上面全域より少し狭い領域に電子ビーム２１を照射する。そして、この後敷き詰める金属粉末８が仮焼結する程度の温度までベースプレート１０を予め昇温させておく。このとき、ベースプレート１０の上面に電子ビーム２１をフォーカスさせず、デフォーカス状態(ビーム径を大きくする)で照射及び走査することで、ベースプレート１０の局所的な溶融を回避している。

ベースプレート１０が昇温すると、ベースプレート１０の周囲の金属粉末８は、仮焼結されて仮焼結体になる。

〈スキージング工程〉
３次元積層造形処理では、次に、スキージング工程を行う。
スキージング工程では、まず、Ｚ駆動制御部６５（図６参照）がＺ駆動機構５を制御して、粉末台６を下降させ、ベースプレート１０の上面がテーブル３ａの上面より僅かに（１層分）下がった位置に配置する。

次に、粉末供給駆動制御部６６（図６参照）が定量供給器１２を制御して、粉末タンク１１から所定の量の金属粉末８をテーブル３ａ上に供給する。また、粉末供給駆動制御部６６がアーム駆動機構２０を制御して、スキージアーム１３をテーブル３ａの上面に沿って移動させる。その結果、ブレード１４がテーブル３ａ上に供給された金属粉末８が均されて、金属粉末８が、ベースプレート１０の上に１層分敷き詰められたパウダーベッドが形成される。

〈仮焼結工程〉
３次元積層造形処理では、次に、仮焼結工程を行う。
仮焼結工程では、ベースプレート加熱工程において加熱されたベースプレート１０の熱によって、スキージング工程において敷かれた金属粉末８が仮焼結体２２（図６参照）になる。

〈パウダーヒート工程〉
３次元積層造形処理では、次に、パウダーヒート工程を行う。
パウダーヒート工程では、電子銃駆動制御部６７（図６参照）が電子銃２を制御して、ベースプレート１０上の仮焼結体２２（図６参照）の表面に対して電子ビーム２１を照射させ、仮焼結体２２の表面を加熱する。具体的には、上述のベースプレート加熱工程と同様に、デフォーカス状態で電子ビーム２１を走査して、ベースプレート１０上の仮焼結体２２の表面に対して電子ビーム２１を照射する。

〈パウダーベッド確認工程〉
３次元積層造形処理では、次に、パウダーベッド確認工程を行う。
パウダーベッド確認工程では、電子銃駆動制御部６７（図６参照）が電子銃２を制御して、反射電子が検出できる程度に低いエミッション電流でパウダーベッドをスキャンする。次に、パウダーベッドをスキャンしたことにより発生した反射電子を、２分割検出器１６Ａ，１６Ｂによって検出し、ＣＰＵ６４が、反射電子像を取得する。

パウダーヒート工程が完了した直後のパウダーベッドは、正常な状態であれば粉末がスキージングされているため、全体が粉末に覆われており、造形物９のバルク（溶融）面が露出しない。したがって、パウダーベッドに凹凸が生じていない。一方、パウダーベッドから造形物９のバルク（溶融）面が露出している場合や、金属粉末８の供給不足により造形物９とその周りとで段差があるような場合は、パウダーベッドに凹凸が生じている。

ＣＰＵ６４は、取得した反射電子像からパウダーベッドに凹凸が生じていない（パウダーベッド全体が粉末に覆われている）ことを確認した場合に、パウダーベッドが正常であると判定する。ＣＰＵ６４が、パウダーベッドが正常であると判定した場合は、次の工程である本溶融工程に移行する。

一方、ＣＰＵ６４は、取得した反射電子像からパウダーベッドに凹凸が生じていることを確認した場合に、パウダーベッドに異常が発生したと判定する。ＣＰＵ６４が、パウダーベッドに異常が発生したと判定した場合は、再度スキージング工程を行い、その後、再びパウダーヒート工程を行う。すなわち、ＣＰＵ６４がパウダーベッドに異常が発生したと判定した場合は、今回の層の造形についてスキージング工程からやり直す。

なお、パウダーベッドに異常が発生したと判定したとき、パウダーベッドの温度が所定の温度よりも低い場合は、スキージング工程に戻る前に、パウダーヒート工程と同様の処理を実行し、パウダーベッドを加熱する。

また、パウダーベッド確認工程におけるパウダーベッドに異常が発生したか否かの判定は、後述の造形面確認工程において取得した反射電子像（スキージング工程前の反射電子像）と、パウダーベッド確認工程において取得した反射電子像（スキージング工程後の反射電子像）を比較することで行ってもよい。例えば、スキージング工程前の反射電子像とスキージング工程後の反射電子像に違いが無い（同じである）場合は、パウダーベッド全体が粉末に覆われていないことになるため、ＣＰＵ６４は、パウダーベッドに異常が発生したと判断する。

一方、スキージング工程前の反射電子像とスキージング工程後の反射電子像に違いがある場合は、両者の違いが、造形面がある領域であるか否かを確認する。そして、両者の違いが、造形面がある領域の全体である場合に、ＣＰＵ６４は、パウダーベッドが正常であると判定する。一方、両者の違いが、造形面がある領域の全体でない場合は、パウダーベッドの一部から造形面が露出している可能性があるため、ＣＰＵ６４は、パウダーベッドに異常が発生したと判断する。

〈本溶融工程〉
３次元積層造形処理では、次に、本溶融工程を行う。
本溶融工程では、電子銃駆動制御部６７（図６参照）が電子銃２を制御して、ベースプレート１０上の仮焼結体２２（図６参照）の表面に対して電子ビーム２１を照射させ、造形プログラムにより表される造形モデルを１層分でスライスした２次元形状領域を溶融する。このとき、電子ビーム２１をフォーカスさせ、電流密度を上げて仮焼結体２２を溶融する。この溶融工程は、メルトと呼ぶことがある。

〈造形面確認工程〉
３次元積層造形処理では、次に、造形面確認工程を行う。
造形面確認工程では、電子銃駆動制御部６７（図６参照）が電子銃２を制御して、反射電子が検出できる程度に低いエミッション電流で造形面をスキャンする。次に、造形面をスキャンしたことにより発生した反射電子を、２分割検出器１６Ａ，１６Ｂによって検出し、ＣＰＵ６４が、反射電子像を取得する。

ＣＰＵ６４は、凹部や凸部の高さが予め定められた閾値を超える場合に、造形面に凹凸が生じたと判定する。また、ＣＰＵ６４は、凹凸の状態に応じて、過溶融であるか、未溶融（溶融不足も含む）であるかを判断する。例えば、比較的滑らかな状態で凹凸が形成されている場合は、過溶融により溶融面が揺らぎながら凝固したと判断する。一方、未溶融粉末が残っていて比較的エッジが立ったような凹凸の場合は、未溶融と判断する。

造形面確認工程において、ＣＰＵ６４が造形面に凹凸が生じた（溶融状態が正常でない）と判定した場合は、再度、本溶融工程（以下、「再溶融工程」とする）を実行する。この際、造形面の温度が特定の温度よりも低い場合は、パウダーヒート工程と同様の処理を実行し、造形面を加熱してから再溶融工程を実行する。

過溶融の場合の再溶融工程では、電子銃駆動制御部６７（図６参照）が電子銃２を制御して、ビーム電流を減らす、又は走査速度を速めて造形面を溶融する。一方、未溶融の場合の再溶融工程では、ビーム電流を増やす、又は走査速度を遅くして造形面を溶融する。なお、再溶融工程におけるビーム電流や走査速度の条件は、予め造形レシピデータとしてＲＯＭ６２に格納していてもよい。

再溶融工程後は、造形面確認工程を行う。なお、造形面確認工程において、ＣＰＵ６４が造形面に凹凸が生じていない（溶融状態が正常である）と判定するまで、再溶融工程と造形面確認工程を繰り返す。また、今回の層の造形において、造形面確認工程の実行回数が所定回数に達した場合に、ＣＰＵ６４が溶融に係るエラーが発生したと判定し、３次元積層造形処理を停止してもよい。なお、造形面確認工程において、ＣＰＵ６４が造形面に凹凸が生じていない（溶融状態が正常である）と判定した場合は、後述のアフターヒート工程を実行する。

〈アフターヒート工程〉
３次元積層造形処理では、次に、アフターヒート工程を行う。
アフターヒート工程では、電子銃駆動制御部６７（図６参照）が電子銃２を制御して、ベースプレート１０上の造形物９の表面及び仮焼結体２２（図６参照）の表面に対して電子ビーム２１を照射させ、造形物９の表面及び仮焼結体２２の表面を加熱する。具体的には、上述のベースプレート加熱工程と同様に、デフォーカス状態で電子ビーム２１を走査して、造形物９の表面及び仮焼結体２２の表面に対して電子ビーム２１を照射する。

アフターヒート工程の終了後は、次の層におけるスキージング工程に戻り、スキージング工程、仮焼結工程、パウダーヒート工程、パウダーベッド確認工程、本溶融工程、造形面確認工程、アフターヒート工程を繰り返す。そして、造形物の最後の層におけるアフターヒート工程の終了後は、３次元積層造形処理を終了する。その結果、本溶融（メルト）部分が１層ずつ積み重なって造形物９が形成される。

このように、第１の実施形態では、パウダーヒート工程の完了後に、パウダーベッドに凹凸があるか否かを確認し、凹凸がある場合は、パウダーベッドに異常が発生したと判定する。そして、スキージング工程、及びパウダーヒート工程を再度行う。これにより、パウダーベッドが正常な状態で本溶融工程を行うことが可能になる。その結果、造形物９に欠陥が生じることを抑制することができる。

また、本溶融工程の完了後に、造形面に凹凸があるか否かを確認し、造形面に凹凸がある場合は、再溶融工程を行う。これにより、造形面に異常が発生した状態で次工程に移行しないようにすることができる。その結果、造形物９に欠陥が生じることを抑制することができる。

上述の第１の実施形態では、２分割検出器１６Ａ，１６Ｂを用いてパウダーベッドや造形面の凹凸を検出した。しかし、通常の反射電子像を取得する場合のように、一つの電子検出器を用いてパウダーベット面上の造形物(メルト領域)を判別することができる。

反射電子から得られるコントラストは、電子ビームを照射する被観察物の密度(原子番号)に依存する。すなわち、より密度が大きい(原子番号が大きい)物質ほど反射電子が多く放出されるため、反射電子像では明るく見える。そのため、一つの電子検出器の検出結果から得られる反射電子像においても、仮焼結体よりも造形物(メルトされたバルク)が明るく見える。したがって、一つの電子検出器を用いる構成にしても、上述のパウダーベッド確認工程を行うことができる。

また、本溶融する領域において未溶融の金属粉末が残っている部分（未溶融部分）は、溶融された造形物よりも少し暗く見えるため、溶融部分と未溶融部の区別が可能である。したがって、一つの電子検出器を用いる構成にしても、上述の造形面確認工程において、未溶融であるか否かの判別を行うことができる。

一方、過溶融の場合の造形物(メルトされたバルク)は、うねるような凹凸があるものの全てきれいに溶けたバルクであるため、コントラスト差が生じ難い。したがって、一つの電子検出器を用いる構成にした場合は、上述の造形面確認工程において、過溶融であるか否かの判別を行うことが難しい。

＜２．第２の実施形態＞
［３次元積層造形装置の構成］
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る３次元積層造形装置の構成例を示す断面図である。図８は、本発明の第２の実施形態に係る３次元積層造形装置の検出部の構成を示す説明図である。
図７において、３次元積層造形装置５２の粉末台６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。すなわち、図７は、真空容器１のＹ方向に直交する断面を示す断面図である。

第２の実施形態に係る３次元積層造形装置５２の構成は、上述した第１の実施形態に係る３次元積層造形装置５０の構成と同様であり、異なる部分は、造形面の凹凸を確認するための反射電子を検出する検出部２６である。したがって、ここでは、第２の実施形態に係る検出部２６の構成について説明し、第１の実施形態と重複する構成についての説明を省略する。

図７に示すように、真空容器１内における電子銃２の下方には、検出部２６，２７が配置されている。検出部２６，２７は、スキージアーム１３に干渉しない位置に固定されており、電子銃２における電子ビーム放射口を挟んでＸ方向で対向している。また、検出部２６，２７の中心間の距離は、少なくとも電子ビームを走査する領域（ベースプレート１０の領域と略同じ）の長さ以上に設定されている。

図８に示すように、検出部２６は、２分割検出器１６Ａ，１６Ｂと、絞り部材２８を有している。なお、検出部２７は、検出部２６と同じ構成であるため、説明を省略する。２分割検出器１６Ａ，１６Ｂは、Ｚ方向に隣り合っており、反射電子が入射する入射面１６ａ，１６ｂを有している。２分割検出器１６Ａ，１６Ｂの入射面１６ａ，１６ｂは、Ｘ方向に略直交し、且つ、ベースプレート１０側を向いている。

絞り部材２８は、２分割検出器１６Ａ，１６Ｂの入射面１６ａ，１６ｂに対向している。この絞り部材２８は、２分割検出器１６Ａ，１６Ｂの入射面１６ａ，１６ｂに入射する反射電子を制限する。これにより、焦点深度が深くなるため、観察面（例えば、造形面）の凹凸の検出精度を高めることができる。

第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、観察面（例えば、造形物９の造形面）を確認する際に、ベースプレート１０より少し小さい領域を、ジャストフォーカス状態の電子ビームで走査して、反射電子像を収集する。このときの電子ビームは、反射電子が検出できる程度に低いエミッション電流（例えば、１ｍＡ程度）により発生させる。

２分割検出器１６Ａ，１６Ｂには、それぞれ電流アンプ（不図示）が接続されており、各電流アンプの出力である信号Ａと信号Ｂは、造形制御装置６０（図６参照）に送信される。造形制御装置６０（ＣＰＵ６４）では、Ａ−Ｂ或いは（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算結果から反射電子像（輝度）信号を得る。

図９は、例えば、Ｘ方向に電子ビームをスキャンした場合の照射位置に応じたＡ−Ｂ信号を示すグラグである。また、図１０は、図９に示すグラフの傾きを除去して凹凸値を示したグラフである。

図９に示すように、Ａ−Ｂ信号は、走査する方向であるＸ方向の距離に比例して変化する。そして、Ａ−Ｂ信号の傾きを演算により取り去ることで、図１０に示すように、観察面（例えば、造形物９の造形面）の実際の表面形状（凹凸値）を取得することができる。造形制御装置６０（ＣＰＵ６４）は、図１０に示す凹凸値が予め定めた閾値を超えた場合に、造形面に凹凸が生じたと判定する。

なお、検出器としては、電子顕微鏡で使用されているｐｎジャンクションタイプの半導体検出器や、金属板電極を適用することができる。また、検出器にマイナス１００Ｖ程度の電圧を印加できる電流アンプを使用することで、１００ｅＶ程度の散乱電子の影響を防止することができる。

［３次元積層造形処理］
第２の実施形態に係る３次元積層造形処理は、上述した第１の実施形態に係る３次元積層造形処理と同じである。なお、第２の実施形態に係る３次元積層造形処理では、パウダーベッド確認工程及び造形面確認工程において、検出部２６，２７を用いて反射電子を検出する。

〈パウダーベッド確認工程〉
第２の実施形態に係るパウダーベッド確認工程では、電子銃駆動制御部６７（図６参照）が電子銃２を制御して、反射電子が検出できる程度に低いエミッション電流でパウダーベッドをスキャンする。次に、パウダーベッドをスキャンしたことにより発生した反射電子を、検出部２６，２７それぞれで検出し、ＣＰＵ６４が、反射電子像を取得する。

ＣＰＵ６４は、取得した反射電子像からパウダーベッドに凹凸が生じていない（パウダーベッド全体が粉末に覆われている）ことを確認した場合に、パウダーベッドが正常であると判定する。ＣＰＵ６４が、パウダーベッドが正常であると判定した場合は、次の工程である本溶融工程に移行する。

一方、ＣＰＵ６４は、取得した反射電子像からパウダーベッドに凹凸が生じていることを確認した場合に、パウダーベッドに異常が発生したと判定する。ＣＰＵ６４が、パウダーベッドに異常が発生したと判定した場合は、再度スキージング工程を行い、その後、再びパウダーヒート工程を行う。なお、パウダーベッドに異常が発生したと判定したとき、パウダーベッドの温度が所定の温度よりも低い場合は、スキージング工程に戻る前に、パウダーヒート工程と同様の処理を実行し、パウダーベッドを加熱する。

〈造形面確認工程〉
第２の実施形態に係る造形面確認工程では、電子銃駆動制御部６７（図６参照）が電子銃２を制御して、反射電子が検出できる程度に低いエミッション電流で造形面をスキャンする。次に、造形面をスキャンしたことにより発生した反射電子を、検出部２６，２７それぞれで検出し、ＣＰＵ６４が、反射電子像を取得する。

ＣＰＵ６４は、凹部や凸部の高さが予め定められた閾値を超える場合に、造形面に凹凸が生じたと判定する。また、ＣＰＵ６４は、第１の実施形態と同様に、凹凸の状態に応じて、過溶融であるか、未溶融（溶融不足も含む）であるかを判断する。造形面確認工程において、ＣＰＵ６４が造形面に凹凸が生じたと判定した場合は、再溶融工程を実行する。この際、造形面の温度が特定の温度よりも低い場合は、パウダーヒート工程と同様の処理を実行し、造形面を加熱してから再溶融工程を実行する。

過溶融の場合の再溶融工程では、ビーム電流を減らす、又は走査速度を速めて造形面を溶融する。一方、未溶融の場合の再溶融工程では、ビーム電流を増やす、又は走査速度を遅くして造形面を溶融する。なお、再溶融工程におけるビーム電流や走査速度の条件は、予め造形レシピデータとしてＲＯＭ６２に格納していてもよい。

このように、第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、パウダーヒート工程の完了後に、パウダーベッドに凹凸があるか否かを確認し、凹凸がある場合は、パウダーベッドに異常が発生したと判定する。そして、スキージング工程、及びパウダーヒート工程を再度行う。これにより、パウダーベッドが正常な状態で本溶融工程を行うことが可能になる。その結果、造形物９に欠陥が生じることを抑制することができる。

また、本溶融工程の完了後に、造形面に凹凸があるか否かを確認し、造形面に凹凸がある場合は、再溶融工程を行う。これにより、造形面に異常が発生した状態で次工程に移行しないようにすることができる。その結果、造形物９に欠陥が生じることを抑制することができる。また、第２の実施形態では、検出部２６，２７がそれぞれ絞り部材２８を有するため、パウダーベッドや造形面の凹凸を高精度に検出することができる。

［変形例］
図１１は、第２の実施形態に係る３次元積層造形装置５２の変形例を示す説明図である。
図１１に示すように、３次元積層造形装置５２の変形例は、４つの検出部３６，３７，３８，３９を有している。４つの検出部３６，３７，３８，３９は、真空容器１内における電子銃２（図７参照）の下方であって、スキージアーム１３に干渉しない位置に配置されている。

検出部３６，３７は、電子銃２における電子ビーム放射口を挟んでＸ方向で対向している。検出部３６，３７の中心間の距離は、少なくとも電子ビームを走査する領域（ベースプレート１０の領域と略同じ）の長さ以上に設定されている。また、検出部３８，３９は、電子銃２における電子ビーム放射口を挟んでＹ方向で対向している。検出部３８，３９の中心間の距離は、少なくとも電子ビームを走査する領域（ベースプレート１０の領域と略同じ）の長さ以上に設定されている。

検出部３６，３７，３８，３９は、上述した検出部２６（図８参照）と同じ構成である。したがって、ここでは、検出部３６，３７，３８，３９の構成についての説明を省略する。このように、造形面を中心として４方向に検出部３６，３７，３８，３９を配置することにより、走査領域に応じて感度が高くなる検出器によって検出した信号を用いることができ、反射電子像の精度を高めることができる。

以上、本発明は上述した各実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の変形例、応用例を取り得ることは勿論である。
例えば、上記した実施の形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細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、ある実施の形態例の構成の一部を他の実施の形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態例の構成に他の実施の形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態例の構成の一部について、他の構成の追加、置換、削除をすることが可能である。

例えば、上述の第１及び第２の実施形態では、パウダーヒート工程の後に、パウダーベッド確認工程を行うようにした。しかし、パウダーベッドの確認は、パウダーヒート工程の後に限定されず、任意のタイミングで行ってもよい。例えば、スキージング工程後にパウダーベッドの状態を確認することにより、スキージアーム１３やブレード１４に不具合が生じたことを検知するようにしてもよい。

また、本発明に係る３次元積層造形装置としては、造形面確認工程において、造形物９を含むパウダーベッド面が盛り上がっている否かを検知してもよい。そして、造形物９を含むパウダーベッド面が盛り上がっている場合に、ＣＰＵ６４は、パウダーベッドが過熱状態であると判断する。この場合は、アフターヒート工程において、造形物９の表面及び仮焼結体２２（図６参照）の表面に対する電子ビーム２１の照射時間を短くする。これにより、パウダーベッド面の盛上りを抑制、或いは消滅させることができる。

また、上述の第１及び第２の実施形態では、パウダーベッド確認工程と造形面確認工程を行う例を説明した。しかし、本発明に係る３次元積層造形装置としては、少なくともパウダーベッド確認工程と造形面確認工程の一方を行うものであってもよい。

また、本発明に係る３次元積層造形装置としては、造形物の寸法、造形物の(断面の)形状、Ｘ方向及びＹ方向の座標位置について、反射電子像と造形データの整合がとれているか否かを判断してもよい。反射電子像と造形データの整合がとれていない場合は、溶融領域の寸法を変更することにより、造形物の歪補正を行うことができる。

１…真空容器、 ２…電子銃（ビーム発生部）、 ３…造形ボックス、 ４…造形ボックス固定部、 ５…Ｚ駆動機構、 ６…粉末台、 ７…シール部材、 ８…金属粉末（粉末試料）、 ９…造形物、 １０…ベースプレート、 １１…粉末タンク、 １２…定量供給器、 １３…スキージアーム、 １４…ブレード、 １６Ａ，１６Ｂ…２分割検出器、 １７…電流アンプ、 ２０…アーム駆動機構、 ２１…電子ビーム、 ２２…仮焼結体、 ２６，２７，３６，３７，３８，３９…検出部、 ２８…絞り部材、 ５０，５２…３次元積層造形装置、 ６０…造形制御装置

Claims (7)

1. 粉末供給部がベースプレートの上に粉末試料を供給して粉末層を積層するスキージング工程と、
   ビーム発生部が前記粉末層の最上層であるパウダーベッドに対して電子ビームを照射して、造形モデルを１層分でスライスした２次元形状領域を溶融する本溶融工程と、
   前記ビーム発生部から発生した電子ビームが、前記本溶融工程において溶融した領域に照射されたときに発生する反射電子を検出部により検出し、検出した反射電子に基づいて溶融状態が正常であるか否かを判定する造形面確認工程と、を備え、
   前記造形面確認工程において前記溶融状態が正常でないと判定した場合は、前記ビーム発生部から発生した電子ビームを前記本溶融工程において溶融した領域に再度照射する再溶融工程を行う
   ３次元積層造形方法。
2. 前記検出部は、複数の検出器から構成され、
   前記造形面確認工程では、各検出器により検出した反射電子に応じた信号の差分から前記溶融した領域の凹凸を把握し、前記溶融した領域に凹凸が生じた場合に、前記溶融状態が正常でないと判定する
   請求項１に記載の３次元積層造形方法。
3. 前記造形面確認工程では、前記溶融した領域に凹凸が生じた場合に、凹凸の形状に応じて未溶融であるか過溶融であるかを判定し、
   前記再溶融工程では、前記造形面確認工程における未溶融であるか過溶融であるかの判定結果に応じて電子ビームの出力又は電子ビームの走査速度を制御する
   請求項２に記載の３次元積層造形方法。
4. 前記造形面確認工程では、絞り部材により前記検出部に入射する反射電子を制限する
   請求項２に記載の３次元積層造形方法。
5. 前記検出部は、１つの検出器から構成され、
   前記造形面確認工程では、前記検出器により検出した反射電子に応じた信号から前記溶融した領域の明暗を把握し、前記溶融した領域に未溶融が生じたか否かを判定し、前記溶融した領域に未溶融が生じた場合に、前記溶融状態が正常でないと判定する
   請求項１に記載の３次元積層造形方法。
6. 前記再溶融工程を行う前に、前記溶融した領域を加熱する
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の３次元積層造形方法。
7. ベースプレートと、
   前記ベースプレートを鉛直方向に移動させる駆動部と、
   前記ベースプレートの上に粉末試料を供給して粉末層を積層する粉末供給部と、
   前記粉末層に照射する電子ビームを発生するビーム発生部と、
   前記駆動部、前記粉末供給部、及び前記ビーム発生部を制御し、前記粉末層の最上層であるパウダーベッドに電子ビームを照射させて、造形モデルを１層分でスライスした２次元形状領域を溶融することで３次元造形物を造形する制御部と、
   溶融後の前記２次元形状領域に電子ビームを照射したときに発生する反射電子を検出する検出部と、を備え、
   前記制御部は、前記検出部の検出結果に基づいて溶融状態が正常であるか否かを判定し、前記溶融状態が正常でないと判定した場合に、前記２次元形状領域を再溶融する
   ３次元積層造形装置。

Images