JP2021085060A - 三次元造形装置及び三次元造形方法 - Google Patents

三次元造形装置及び三次元造形方法 Download PDF

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Abstract

【課題】三次元積層造形における生産効率を向上する。【解決手段】本開示の少なくとも一実施形態に係る三次元造形装置は、金属材を供給しながら該金属材をエネルギービームで溶融させてビードを形成するための造形ノズルと、ワークのうち、ビードを含む領域が局所的に冷却されるように、上記領域に対して冷却媒体を吹き付けるための冷却媒体ノズルと、少なくとも上記領域の温度を検出する温度検出部と、温度検出部の検出結果に基づいて、冷却媒体ノズルの走査速度又は冷却媒体の単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方を制御するための制御装置と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、三次元造形装置及び三次元造形方法に関する。
三次元積層造形方法が種々の金属製品の製造方法として利用されている。三次元積層造形方法による金属製品の製造では、レーザ光などのエネルギービームによって材料となる金属粉末を溶融させた後、凝固させることで、立体的な製品を形成する。近年、より大きな金属製品を三次元積層造形方法によって製造することが求められている（例えば特許文献１参照）。
特許第６４０５０２８号公報
三次元積層造形方法による金属製品の造形では、上述したようにエネルギービームによって材料となる金属粉末を加熱しているので、ワークに熱が蓄積され易い。また、造形が進むにつれてワークが大きくなるとワークの熱容量が大きくなる。特に、造形するワークが大型である場合、造形時間短縮のために高い溶着速度での造形が求められるため、材料の供給速度の増大に伴ってワークへの入熱量が増加する傾向となる。そのため、造形が進むにつれてワークの温度が下がり難くなってしまい、造形中にワークの温度が下がるのを待つ時間が発生することで造形時間が増加し、結果として生産効率が低下するおそれがある。
上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも一実施形態は、三次元積層造形における生産効率を向上することを目的とする。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る三次元造形装置は、
金属材を供給しながら該金属材をエネルギービームで溶融させてビードを形成するための造形ノズルと、
ワークのうち、前記ビードを含む領域が局所的に冷却されるように、前記領域に対して冷却媒体を吹き付けるための冷却媒体ノズルと、
少なくとも前記領域の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部の検出結果に基づいて、前記冷却媒体ノズルの走査速度又は前記冷却媒体の単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方を制御するための制御装置と、
を備える。
（２）本開示の少なくとも一実施形態に係る三次元造形方法は、
金属材を供給しながら該金属材をエネルギービームで溶融させてビードを形成する工程と、
ワークのうち、前記ビードを含む領域が局所的に冷却されるように、前記領域に対して冷却媒体を吹き付ける工程と、
を備える。
本開示の少なくとも一実施形態によれば、三次元積層造形における生産効率を向上できる。
幾つかの実施形態に係る三次元造形方法を適用可能な三次元造形装置の全体構成の概略を示す図である。 ＬＭＤ方式による造形方法の概略を説明するための図である。 複数台の三次元造形装置を用いて１つの造形物を造形する場合について説明するための図である。 造形ノズルの実施形態を示した図である。 造形ノズルの実施形態を示した図である。 造形ノズルの実施形態を示した図である。 造形ノズルの実施形態を示した図である。 造形ノズルの実施形態を示した図である。 造形ノズルの実施形態を示した図である。 造形ノズルの実施形態を示した図である。 ノズル装置についての他の実施形態の例を示した図である。 ノズル装置についての他の実施形態の例を示した図である。 ノズル装置についての他の実施形態の例を示した図である。 図５Ｃに示したノズル装置における造形ノズル及び冷却媒体ノズルを走査するための装置構成を説明するための模式的な図である。 ノズル装置についてのさらに他の実施形態について示す模式的な図である。 ノズル装置についてのさらに他の実施形態について示す模式的な図である。 図７Ａに示したノズル装置における冷却媒体の供給の制御に関する全体構成を示すブロック図である。 図７Ｂに示したノズル装置における冷却媒体の供給の制御に関する全体構成を示すブロック図である。 幾つかの実施形態の三次元造形装置を用いた三次元造形方法についての処理の手順を示したフローチャートである。 鋼の連続冷却変態曲線（ＣＣＴ曲線）を示す図である。
以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
（三次元造形装置１の全体構成）
図１は、幾つかの実施形態に係る三次元造形方法を適用可能な三次元造形装置の全体構成の概略を示す図である。
幾つかの実施形態の三次元造形装置１は、ＤＥＤ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：指向性エネルギー堆積法）による積層造形を行うことができる装置である。ＤＥＤによる積層造形では、材料に金属粉末や金属ワイヤを用いることができ、アークやエネルギービームによって材料を溶融してビードを形成し、このビードを順次積層していくことで立体的な造形物を形成できる。
幾つかの実施形態の三次元造形装置１は、ビードを形成するためのノズル装置１０と、ノズル装置１０を走査するためのノズル走査装置３０とを備える。幾つかの実施形態の三次元造形装置１は、ノズル走査装置３０として産業用ロボット３を含んでいる。すなわち、幾つかの実施形態の三次元造形装置１は、産業用ロボット３のマニピュレータとしてのロボットアーム５と、エンドエフェクタとしてのノズル装置１０とを含む。
以下の説明では、幾つかの実施形態の三次元造形装置１は、ＤＥＤ方式の一例として、例えばＬＭＤ（Ｌａｓｅｒ Ｍｅｔａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方式による造形装置であるものとする。すなわち、幾つかの実施形態の三次元造形装置１は、立体的な積層造形物（三次元積層造形物）の材料である金属粉末等にレーザビーム等のエネルギービームを照射して溶融させ、溶融した金属粉末を吹き付け、固化させて積層することで三次元積層造形物２０を造形する装置である。
図２は、ＬＭＤ方式による造形方法の概略を説明するための図である。幾つかの実施形態の三次元造形装置１は、図２に示すように上述したノズル装置１０と、照射部７とを備えている。ノズル装置１０は、三次元積層造形物２０の原料である金属粉末１３を供給するための造形ノズル１１を含んでいる。以下の説明では、三次元積層造形物２０のことを単に造形物２０又はワーク２０とも呼ぶ。
照射部７は、レーザービーム等のエネルギービーム１５の照射元である。照射部７からエネルギービーム１５が、造形台９や造形途中のワーク２０に向けて照射される。なお、例えばエネルギービーム１５がレーザービームである場合、照射部７には、ファイバーケーブル１９が固定され、これを介してレーザー発振器１８が接続される。照射部７では、造形台９や造形途中のワーク２０に向けてファイバーケーブル１９からレーザービームが出射される。なお、造形ノズル１１のケーシング１１ｃ内には、レーザビームの集光用のレンズ等（不図示）が格納されている。
造形ノズル１１は、造形ノズル１１の先端から三次元積層造形物２０の原料である金属粉末１３を供給する。矢印１７で示す走査方向１７に走査される造形ノズル１１の先端から供給された金属粉末１３は、エネルギービーム１５によって加熱されて溶融し、ワーク２０上にビード２１となって堆積する。このようにして、幾つかの実施形態の三次元造形装置１は、造形台９やワーク２０上に、造形ノズル１１の走査方向に沿って延在する線状のビード２１を形成できる。幾つかの実施形態の三次元造形装置１は、造形ノズル１１の走査を繰り返すことで、三次元積層造形物２０を線状のビード２１の集合として造形できる。
このように、幾つかの実施形態に係る三次元造形装置１では、ノズル走査装置３０は、ロボットアーム５を含む。
例えばＮＣ装置のようにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれの方向に移動可能なスライド軸を有する走査装置を用いて造形ノズル１１を走査する場合、ワーク２０の大きさは該走査装置の大きさの制約を受ける。また、該走査装置では、造形ノズル１１の姿勢の自由度が駆動系の構成の制約を受ける。
幾つかの実施形態に係る三次元造形装置１によれば、ロボットアーム５によって造形ノズル１１を走査できるので、比較的コンパクトなロボットアーム５であっても上記走査装置と比べて広い範囲に造形ノズル１１を走査することが容易となる。したがって、幾つかの実施形態に係る三次元造形装置１によれば、上記走査装置を用いた場合と比べてより大きな造形物２０を造形できる。
また、幾つかの実施形態に係る三次元造形装置１によれば、造形ノズル１１の姿勢の自由度が高まるので、複雑な形状の造形物２０であっても造形が容易となる。
図３は、複数台の三次元造形装置１を用いて１つの造形物２０を造形する場合について説明するための図である。図３に示す例では、１つの造形物に対して例えば２台の三次元造形装置１を用いて造形する場合の例を示している。図３に示すように、複数台の三次元造形装置１を用いて１つの造形物２０を造形することで、１台の三次元造形装置１を用いて１つの造形物２０を造形する場合と比べて、短時間で造形物２０を製造できる。また、図３に示すように、複数台の三次元造形装置１を用いることで、１台の三次元造形装置１を用いて１つの造形物２０を造形する場合と比べて、より大きな造形物２０を造形できる。
（造形ノズル１１について）
図４Ａから図４Ｇは、幾つかの実施形態に係る三次元造形装置１で用いられるノズル装置１０のうち、造形ノズル１１の幾つかの実施形態をそれぞれ示した図である。なお、図４Ａから図４Ｇに示した造形ノズル１１や後述するその他の図に示した造形ノズル１１には、軸線ＡＸ上に照射部７が配置されているが、照射部７は、造形ノズル１１の軸線ＡＸからずれた位置からエネルギービーム１５を照射するようにしてもよい。
図４Ａから図４Ｇに示した造形ノズル１１は、造形ノズル１１の先端から金属粉末１３だけでなく、不活性ガス等のシールドガスＳＧを噴射可能に構成されている。すなわち、図４Ａから図４Ｇに示した造形ノズル１１の先端部１１ａには、シールドガスＳＧの噴き出し部１１０が設けられている。造形ノズル１１の先端部１１ａに設けられた噴き出し部１１０のことを第１噴き出し部１１１とも呼ぶ。第１噴き出し部１１１から噴射されるシールドガスＳＧのことを第１シールドガスＳＧ１とも呼ぶ。
図４Ａから図４Ｇに示した造形ノズル１１では、第１噴き出し部１１１から第１シールドガスＳＧ１を吹き出すことができるので、図４Ａに示すように、ビード２１の溶融池２３を含むビード２１の形成領域２５をシールドガス雰囲気とすることができる。これにより、高温で酸化しやすい金属であっても、ビード２１形成時の酸化を抑制できる。
なお、図４Ａでは、ビード２１のうち溶融池２３に相当する領域にハッチングを付している。
上述したように、ノズル走査装置３０として産業用ロボット３を用いた場合、三次元造形装置１及びワーク２０を例えばシールドボックスで囲み、シールドボックス内に不活性ガスを満たすことで、ビード２１形成時の酸化を防止することが考えられる。しかし、シールドボックスを設けると、ワーク２０の大きさはシールドボックスの大きさによって制約を受ける。また、シールドボックス内の体積が大きくなるため、シールドボックス内に不活性ガスを満たすのに要する時間や必要な不活性ガスの量が増加してしまう。
シールドボックスを設けなかった場合、シールドガスＳＧが周囲に拡散してしまうとビード２１の形成領域２５の周囲の領域においてビード２１が酸化し易くなる。
そこで、例えば図４Ａに示した造形ノズル１１のように、第１噴き出し部１１１の他にもシールドガスＳＧを噴射可能な噴き出し部１１０である第２噴き出し部１２１を設けることで、シールドガス雰囲気とすることができる領域を拡大してビード２１の酸化を抑制できる。
例えば図４Ａに示した例では、柱形状を有する造形ノズル１１の側方に第２噴き出し部１２１を設けている。図４Ａに示した例では、第２噴き出し部１２１は、柱形状を有する造形ノズル１１の軸線ＡＸに沿ってワーク２０に向けてシールドガスＳＧを噴き出すことができるように構成されている。第２噴き出し部１２１は、軸線ＡＸを取り囲むように環状にシールドガスＳＧを噴き出すように構成されているとよい。例えば、第２噴き出し部１２１には、シールドガスＳＧの不図示の噴出し口が軸線ＡＸを取り囲むように環状に形成されていてもよい。また、例えば、第２噴き出し部１２１には、シールドガスＳＧの不図示の噴出し口が軸線ＡＸを中心とする周方向に沿って間隔を空けて複数形成されていてもよい。第２噴き出し部１２１から噴射されるシールドガスＳＧのことを第２シールドガスＳＧ２とも呼ぶ。
なお、ノズル装置１０についての以下の説明では、軸線ＡＸを中心とした径方向を単に径方向とも称し、軸線ＡＸを中心とした周方向を単に周方向とも称する。
第２噴き出し部１２１は、例えば破線の矢印で示すように、第２シールドガスＳＧ２を溶融池２３に向けて吹き出すように構成されていてもよい。
なお、例えば実線の矢印で示すように、軸線ＡＸを取り囲むように環状に第２シールドガスＳＧ２を噴き出す場合、第２シールドガスＳＧ２は、気体の流れによって第１シールドガスＳＧ１の拡散を抑制する気流カーテンを形成する。この場合、第２噴き出し部１２１は、気流カーテン形成部４１を構成することとなる。気流カーテン形成部４１は、第１シールドガスＳＧ１の拡散を抑制するためのシールド機構４０でもある。
したがって、図４Ａに示した造形ノズル１１によれば、気流カーテンによってシールドガスＳＧの拡散を抑制できるので、ワーク２０の形状が複雑であっても、ビード２１を形成する領域の雰囲気をシールドガスＳＧ雰囲気に保ちやすくなる。
例えば図４Ｂに示した造形ノズル１１では、シールド機構４０として覆い部材４３が設けられている。なお、図４Ｂ及び後述する図４Ｃから図４Ｇでは、後述するブラシ４５の部分については、軸線ＡＸに沿った断面を図示している。
図４Ｂに示した覆い部材４３は、例えば軸線ＡＸを中心とする筒形状を有し、例えば少なくとも造形ノズル１１の先端部１１ａからワーク２０の表面までを覆うように構成された部材である。覆い部材４３は、例えば軸線ＡＸに延在し柔軟性を有する繊維を束ねたブラシ状の部材であってもよい。すなわち、図４Ｂに示した覆い部材４３は、円筒形状となるように束ねられた繊維の集合体（ブラシ）４５であってもよい。
覆い部材４３に用いる繊維は、ビード２１による熱の影響を受け難い材料によって構成されているとよく、例えばガラス繊維であってもよく、金属製の細線であってもよい。覆い部材４３として金属製の細線を用いる場合、該細線は、造形物２０の原料である金属粉末１３の組成と同様の組成を有しているとよい。これにより、仮に該細線がビード２１に混入しても、造形物２０に与える影響を抑制できる。
なお、金属製の細線がビード２１に混入しても造形物２０に与える影響を無視し得るのであれば、金属粉末１３とは組成が比較的大きく異なる金属による細線を覆い部材４３に用いてもよい。
図４Ｂに示した造形ノズル１１によれば、覆い部材４３によって形成された円筒形状の空間５１内に第１噴き出し部１１１から噴射される第１シールドガスＳＧ１が吹き出される。そして、該空間５１内に吹き出された第１シールドガスＳＧ１は、空間５１を囲む覆い部材４３によって空間５１外への拡散が抑制される。また、図４Ｂに示した造形ノズル１１によれば、覆い部材４３が柔軟性を有するので、ワーク２０の形状が複雑であってもブラシ４５の形状がワーク２０の形状に追従し易くなり、空間５１の雰囲気をシールドガスＳＧ雰囲気に保ちやすくなる。これにより、シールドガスＳＧ雰囲気下でビード２１を形成できる。
例えば図４Ｃに示した造形ノズル１１のように、図４Ａに示した造形ノズル１１に設けられた第２噴き出し部１２１と、図４Ｂに示した造形ノズル１１に設けられた覆い部材４３とが設けられていてもよい。
図４Ｄから図４Ｇは、覆い部材４３のバリエーションの例を示す図である。
図４Ｄに示した造形ノズル１１のように、覆い部材４３は、ブラシ４５の先端４５ｂ側がブラシ４５の基端４５ａ側よりも軸線ＡＸを中心とする径方向に広がっていて覆い部材４３が円錐形状を有するように形成されていてもよい。これにより、シールドガスＳＧ雰囲気とすることができるワーク２０の表面の面積を拡大できる。
なお、図４Ｅに示した造形ノズル１１のように、ブラシ４５の基端４５ａ側から先端４５ｂ側に向かうにつれて徐々に拡径して、軸線ＡＸ方向に沿った断面が径方向内側に凹んだ凹状の曲面を有するように覆い部材４３を形成してもよい。これにより、シールドガスＳＧ雰囲気とすることができるワーク２０の表面の面積をさらに拡大できる。
図４Ｆに示した造形ノズル１１のように、ブラシ４５の基端４５ａ側から先端４５ｂ側に向かうにつれて徐々に縮径して、軸線ＡＸ方向に沿った断面が径方向外側に突出した凸状の曲面を有するように覆い部材４３を形成してもよい。すなわち、図４Ｆに示した造形ノズル１１のように、ブラシ４５の先端４５ｂが軸線ＡＸを中心とする径方向内側を向くように覆い部材４３を形成してもよい。これにより、例えば軸線ＡＸ方向に沿って造形ノズル１１に向かって突出し、図示左右方向の寸法が比較的小さい部位を有するワーク２０であっても、ビード２１の形成領域２５をシールドガス雰囲気とすることができる。
例えば、図４Ｇに示した造形ノズル１１のように、ブラシ４５の形状を変更するためのブラシ形状変更部４７を設けてもよい。図４Ｇに示したブラシ形状変更部４７は、矢印ａ１で示すように、ブラシ４５の長さを変更可能に構成されているとよい。また、図４Ｇに示したブラシ形状変更部４７は、矢印ａ２で示すように、ブラシ４５の先端４５ｂの径方向への広がり方を変更可能に構成されているとよい。
図４Ｂから図４Ｇに示すように、幾つかの実施形態では、シールド機構４０は、造形ノズル１１から照射されるエネルギービーム１５の照射方向、すなわち軸線ＡＸに沿って見たときに吹き出し部１１０を周囲から取り囲むように配置された覆い部材４３を含む。
これにより、覆い部材４３がシールドガスＳＧの拡散を抑制するので、ビード２１を形成する領域（形成領域２５）の雰囲気をシールドガス雰囲気に保ちやすくなる。
なお、図４Ｂから図４Ｇに示す造形ノズル１１では、第１噴き出し部１１１は覆い部材４３で覆われた空間５１内に存在している。
図４Ａ及び図４Ｃに示すように、幾つかの実施形態では、吹き出し部１１０は、造形ノズル１１の先端（先端部１１ａ）からシールドガスＳＧを噴き出すように構成された第１吹き出し部１１１と、造形ノズル１１の側方に配置されていてシールドガスＳＧを噴き出すように構成された第２吹き出し部１２１とを含む。
これにより、造形ノズル１１の先端と造形ノズル１１の側方とからシールドガスＳＧが吹き出されることで、ビード２１を形成する領域（形成領域２５）の雰囲気をシールドガス雰囲気に保ち易くなる。
このように、幾つかの実施形態では、シールド機構４０は、シールドガスＳＧの滞留領域を形成している。
（冷却媒体ノズル６０について）
図５Ａから図５Ｃは、幾つかの実施形態に係る三次元造形装置１で用いられるノズル装置１０についての他の実施形態の例をそれぞれ示した図である。
幾つかの実施形態に係る三次元造形装置１では、図５Ａから図５Ｃに示すように、ノズル装置１０は冷却媒体ノズル６０を含んでいてもよい。幾つかの実施形態の冷却媒体ノズル６０は、ワーク２０のうち、ビード２１を含む領域である後述する冷却対象領域５９が局所的に冷却されるように、冷却対象領域５９に対して冷却媒体ＣＭを吹き付けるためのノズルである。以下、幾つかの実施形態の冷却媒体ノズル６０について詳細に説明する。
図５Ａから図５Ｃに示したノズル装置１０は、例えば上述した図４Ａに示した造形ノズル１１と、図４Ｂから図４Ｇに示した覆い部材４３の何れかを含んでいるとよい。なお、図５Ａから図５Ｃに示したノズル装置１０は、図４Ｅに示した覆い部材４３を含んでいる。
図５Ａに示したノズル装置１０では、造形ノズル１１と冷却媒体ノズル６０とは一体化されている。図５Ｂに示したノズル装置１０では、造形ノズル１１と２つの冷却媒体ノズル６０とは一体化されている。図５Ｃに示したノズル装置１０では、造形ノズル１１と２つの冷却媒体ノズル６０とはそれぞれ独立して設けられている。
幾つかの実施形態の冷却媒体ノズル６０のうち、図５Ａに示したノズル装置１０における環状ノズル６１は、柱形状を有する造形ノズル１１の側方に設けられており、覆い部材４３の径方向外側の領域５３においてワーク２０の表面に向かって冷却媒体ＣＭを吹き出すように構成されている。図５Ａに示した環状ノズル６１では、冷却媒体ＣＭの不図示の吹き出し口は、例えば軸線ＡＸを取り囲むように環状に形成されていてもよい。また、図５Ａに示した環状ノズル６１では、冷却媒体ＣＭの不図示の吹き出し口は、例えば軸線ＡＸを中心とする周方向に沿って間隔を空けて複数形成されていてもよい。
幾つかの実施形態の冷却媒体ノズル６０のうち、図５Ｂ及び図５Ｃに示したノズル装置１０における冷却媒体ノズル６３は、造形ノズル１１に対して、走査方向１７の前方と後方の２か所に配置されている。造形ノズル１１に対して走査方向１７の前方に配置された冷却媒体ノズル６３を前方ノズル６３Ａとも呼び、造形ノズル１１に対して走査方向１７の後方に配置された冷却媒体ノズル６３を後方ノズル６３Ｂとも呼ぶ。前方ノズル６３Ａ及び後方ノズル６３Ｂは、それぞれ覆い部材４３の径方向外側の領域５３においてワーク２０の表面に向かって冷却媒体ＣＭを吹き出すように構成されている。
図５Ａ及び図５Ｂに示したノズル装置１０には、冷却媒体ＣＭの拡散を抑制して冷却媒体ＣＭをワーク２０に向けて効果的に吹き付けるための覆い部材７３が設けられている。
説明の便宜上、以下の説明では、上述したシールドガスＳＧのシールド機構４０としての覆い部材４３を第１覆い部材４３とも呼び、冷却媒体ＣＭの拡散を抑制するための覆い部材７３を第２覆い部材７３とも呼ぶ。
図５Ａ及び図５Ｂに示した第２覆い部材７３は、第１覆い部材４３の径方向外側において第１覆い部材４３に対して径方向に間隔を空けて配置され、第１覆い部材４３を周方向に覆うように構成されている。図５Ａ及び図５Ｂに示した第２覆い部材７３は、冷却媒体ノズル６０からワーク２０の表面までを覆うように構成された部材である。第２覆い部材７３は、第１覆い部材４３と同様に、柔軟性を有する繊維を束ねたブラシ状の部材であってもよい。すなわち、図５Ａ及び図５Ｂに示した第２覆い部材７３は、裾広がりの形状となるように束ねられた繊維の集合体（ブラシ）７５であってもよい。第２覆い部材７３に用いる繊維は、第１覆い部材４３と同様の材質であるとよい。
図５Ａ及び図５Ｂに示したノズル装置１０では、第１覆い部材４３と第２覆い部材７３とで囲まれた同心円状の領域５３に環状ノズル６１又は冷却媒体ノズル６３から冷却媒体ＣＭを吹き出すことができる。これにより、第１覆い部材４３と第２覆い部材７３とで囲まれた同心円状の領域５３に接するワーク２０のワーク２０の表面や該領域５３に存在するビード２１を冷却媒体ＣＭによって局所的に冷却できる。
これにより、造形中にワーク２０の温度が下がるのを待つ時間を短縮でき、生産効率が向上する。
なお、図５Ａ及び図５Ｂに示したノズル装置１０では、環状ノズル６１又は冷却媒体ノズル６３は、覆い部材４３を挟んで空間５１とは反対側の領域５３に冷却媒体ＣＭを供給可能である。
図５Ｃに示したノズル装置１０では、冷却媒体ＣＭの拡散を抑制して冷却媒体ＣＭをワーク２０に向けて効果的に吹き付けるため、冷却媒体ノズル６３は、図４Ｂから図４Ｇに示した第１覆い部材４３の何れかと同様の構成を有する覆い部材８３を含んでいるとよい。なお、図５Ｃに示す例では、冷却媒体ノズル６３は、図４Ｅに示した第１覆い部材４３と同様の構成を有する覆い部材８３を含んでいる。説明の便宜上、以下の説明では、図５Ｃに示した冷却媒体ノズル６３に含まれる覆い部材８３を第３覆い部材８３とも呼ぶ。第３覆い部材８３は、第１覆い部材４３と同様に束ねられた繊維の集合体（ブラシ）８５であってもよい。
図５Ｃに示したノズル装置１０では、第３覆い部材８３で囲まれた領域５５に冷却媒体ノズル６３から冷却媒体ＣＭを吹き出すことができる。これにより、第３覆い部材８３で囲まれた領域５５に接するワーク２０の表面や該領域５５に存在するビード２１を冷却媒体ＣＭによって局所的に冷却できる。
これにより、造形中にワーク２０の温度が下がるのを待つ時間を短縮でき、生産効率が向上する。
なお、幾つかの実施形態において、冷却媒体ＣＭによって局所的に冷却することが望ましい領域のことを冷却対象領域５９と呼ぶ。
なお、幾つかの実施形態では、冷却媒体ノズル６０から冷却媒体ＣＭをワーク２０の表面に向けて吹き付けることで、ワーク２０やビード２１の表面の付着物等を除去して浄化できる。
冷却媒体ＣＭには、空気や不活性ガス、水などの液体、ペレット状や粉状の氷、液体窒素、ペレット状や粉状のドライアイス等を用いることができる。
例えば冷却媒体ＣＭにペレット状や粉状のドライアイスを用いれば、ワーク２０に吹き付けられた後のドライアイスはワーク２０の冷却及び浄化後、速やかに昇華するので、ワーク２０やワーク２０の周辺に異物としてドライアイスが残留する心配をしなくてもよい。また、ドライアイスがペレット状又は粉状であれば、幾つかの実施形態の冷却媒体ノズル６０からの供給が容易となる。
図５Ａに示したノズル装置１０では、造形ノズル１１に対して走査方向１７の前方に位置するからワーク２０の表面に噴射される冷却媒体ＣＭは、ワーク２０を冷却するとともに、ビード２１形成の直前のワーク２０の表面を浄化する。図５Ａに示したノズル装置１０では、造形ノズル１１に対して走査方向１７の後方に位置するワーク２０の表面に噴射される冷却媒体ＣＭは、直前に形成されたビード２１及びワーク２０を冷却するとともに、ビード２１及びワーク２０の表面を浄化する。
図５Ｂ及び図５Ｃに示したノズル装置１０では、前方ノズル６３Ａから噴射される冷却媒体ＣＭは、ワーク２０を冷却するとともに、ワーク２０の表面を浄化する。図５Ｂ及び図５Ｃに示したノズル装置１０では、後方ノズル６３Ｂから噴射される冷却媒体ＣＭは、ビード２１及びワーク２０を冷却するとともに、ビード２１及びワーク２０の表面を浄化する。
上述したように、図５Ａ及び図５Ｂに示したノズル装置１０は、造形ノズル１１と冷却媒体ノズル６０とが一体化されている。したがって、図５Ａ及び図５Ｂに示したノズル装置１０は、例えば図１に示すように１つの産業用ロボット３（ノズル走査装置３０）によって走査できる。
すなわち、図５Ａ及び図５Ｂに示したノズル装置１０を走査する１つのノズル走査装置３０は、造形ノズル１１の走査に追従して冷却媒体ノズル６０を走査できる。この場合、該ノズル走査装置３０は、造形ノズル１１と冷却媒体ノズル６０とを一体的に走査可能である。
造形ノズル１１の走査に追従して冷却媒体ノズル６０が走査されることで、ワーク２０のうちビード２１を含む冷却対象領域５９の局所的な冷却を効率的に実施できるので、冷却媒体ＣＭの消費量を抑制できる。
また、造形ノズル１１と冷却媒体ノズル６０とが一体的に走査されるので、ノズル走査装置３０の装置構成及びノズル走査装置３０の制御内容が複雑化することを抑制できる。
なお、上述の説明では、図５Ｂ及び図５Ｃに示したノズル装置１０において、冷却媒体ノズル６３は、造形ノズル１１に対して、走査方向１７の前方と後方の２か所に配置されている。しかし、図５Ｂ及び図５Ｃに示したノズル装置１０において、冷却媒体ノズル６３は、造形ノズル１１に対して、走査方向１７の前方又は後方の何れか１か所にだけ配置されていてもよい。
また、図５Ａに示した環状ノズル６１では、冷却媒体ＣＭの不図示の吹き出し口は、例えば軸線ＡＸを取り囲むように円環状に形成されていてもよいが、円環形状の少なくとも一部が欠けた形状であってもよい。
図５Ａに示した環状ノズル６１では、冷却媒体ＣＭの不図示の吹き出し口は、例えば軸線ＡＸを中心とする周方向に沿って間隔を空けて複数形成されていてもよいが、必ずしも全周にわたって形成されていなくてもよい。
図６は、図５Ｃに示したノズル装置１０における造形ノズル１１及び冷却媒体ノズル６０を走査するための装置構成を説明するための模式的な図である。
上述したように、図５Ｃに示したノズル装置１０は、造形ノズル１１と冷却媒体ノズル６０とがそれぞれ独立して設けられている。したがって、図５Ｃに示したノズル装置１０は、例えば図６に示すように３つの産業用ロボット３（ノズル走査装置３０）によって走査できる。すなわち、図６に示した造形ノズル走査装置３１によって図５Ｃに示した造形ノズル１１を走査でき、前方ノズル走査装置３２によって図５Ｃに示した前方ノズル６３Ａを走査でき、後方ノズル走査装置３３によって図５Ｃに示した後方ノズル６３Ｂを走査できる。
造形ノズル走査装置３１、前方ノズル走査装置３２及び後方ノズル走査装置３３による各ノズルの走査を適宜制御することで、造形ノズル１１の走査に追従して前方ノズル６３Ａ及び後方ノズル６３Ｂを走査できる。
なお、造形ノズル走査装置３１、前方ノズル走査装置３２及び後方ノズル走査装置３３による各ノズルの走査を適宜制御することで、造形ノズル１１と前方ノズル６３Ａと後方ノズル６３Ｂとを個別に走査可能である。
これにより、造形ノズル１１と前方ノズル６３Ａと後方ノズル６３Ｂとで要求される走査速度が異なる場合であっても、それぞれのノズルに適した走査速度で走査できる。
（冷却媒体ＭＣの供給の制御について）
図７Ａ及び図７Ｂは、幾つかの実施形態に係る三次元造形装置１で用いられるノズル装置１０についてのさらに他の実施形態について示す模式的な図である。
図７Ａ及び図７Ｂに示すノズル装置１０では、例えば図５Ｃに示すような造形ノズル１１及びシールド機構４０と、例えば図５Ｃに示すような後方ノズル６３Ｂとを含む。図７Ａ及び図７Ｂに示すノズル装置１０では、後方ノズル６３Ｂは、造形ノズル１１よりも走査方向１７の後方において走査方向に沿って複数配置されている。
なお、以下の説明では、走査方向１７の前方を単に前方とも称し、走査方向１７の後方を単に後方とも称する。
図７Ａ及び図７Ｂに示すノズル装置１０では、各後方ノズル６３Ｂの前方には、ビード２１の温度を検出するための温度センサ７０がそれぞれ配置されている。
説明の便宜上、各後方ノズル６３Ｂについて、前方から後方に向かって順に第１後方ノズルＮ１、第２後方ノズルＮ２、・・・第ｎ後方ノズルＮｎ（不図示）とも呼ぶこととする。また、第１後方ノズルＮ１の前方の温度センサ７０を第１温度センサＴＳ１とも呼び、第２後方ノズルＮ２の前方の温度センサ７０を第２温度センサＴＳ２とも呼ぶ。すなわち、前方からｎ番目（ｎは自然数）の後方ノズルの直前に配置された温度センサ７０を第ｎ温度センサＴＳｎとも呼ぶ。以下の説明では、任意の数字を表すためにアルファベットのｎを用いる場合、ｎは自然数を表すものとする。
図７Ａに示すノズル装置１０では、造形ノズル１１及び各後方ノズル６３Ｂは、それぞれ独立して設けられている。図７Ａに示すノズル装置１０では、造形ノズル１１及び各後方ノズル６３Ｂは、それぞれ異なるノズル走査装置３０によって独立して走査可能に構成されている。
造形ノズル１１を走査するノズル走査装置３０は、上述したように造形ノズル走査装置３１とも呼ぶ。第１後方ノズルＮ１を走査するノズル走査装置３０は、第１走査装置ＳＣ１とも呼ぶ。第２後方ノズルＮ２を走査するノズル走査装置３０は、第２走査装置ＳＣ２とも呼ぶ。すなわち、第ｎ後方ノズルＮｎを走査するノズル走査装置３０は、第ｎ走査装置ＳＣｎとも呼ぶ。
図７Ｂに示すノズル装置１０では、造形ノズル１１及び各後方ノズル６３Ｂは一体化されている。図７Ｂに示すノズル装置１０では、一体化された造形ノズル１１及び各後方ノズル６３Ｂが、１つのノズル走査装置３０によって走査可能に構成されている。
図８Ａは、図７Ａに示したノズル装置１０における冷却媒体ＭＣの供給の制御に関する全体構成を示すブロック図であり、図８Ｂは、図７Ｂに示したノズル装置１０における冷却媒体ＭＣの供給の制御に関する全体構成を示すブロック図である。なお、図８Ａ及び図８Ｂに示したブロック図では、冷却媒体ＭＣの供給の制御に関する構成を主に図示しているが、冷却媒体ＭＣの供給の制御に関係しない構成については図示を省略している。
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、幾つかの実施形態に係る三次元造形装置１は、三次元造形装置１の各部を制御するための制御装置１００を有する。幾つかの実施形態に係る制御装置１００は、造形制御部１０１と、供給制御部１０３とを制御装置１００の機能ブロックとして含んでいる。なお、造形制御部１０１及び供給制御部１０３は、機能ブロックではなく、専用のハードウェアによりそれぞれ構成されていてもよい。
図８Ａ及び図８Ｂに示した造形制御部１０１は、造形ノズル１１の位置や走査速度、エネルギービーム１５の出力、金属粉末１３の供給速度等、ビード２１の形成に関わる各項目を制御する。
図８Ａ及び図８Ｂに示した供給制御部１０３は、冷却媒体ＣＭの単位時間当たりの吹き付け量を制御することで、ワーク２０の単位表面積当たりの冷却媒体ＣＭの供給量を制御する。具体的には、図８Ａ及び図８Ｂに示した供給制御部１０３は、例えば各後方ノズル６３Ｂからの冷却媒体ＣＭの吹き付け量を制御するために調節弁ＣＶの開度を制御することで各後方ノズル６３Ｂからの冷却媒体ＣＭの吹き付け量を制御する。
第１後方ノズルＮ１からの冷却媒体ＣＭの吹き付け量を制御するための調節弁ＣＶは、第１調節弁ＣＶ１とも呼ぶ。第２後方ノズルＮ２からの冷却媒体ＣＭの吹き付け量を制御するための調節弁ＣＶは、第２調節弁ＣＶ２とも呼ぶ。すなわち、第ｎ後方ノズルＮｎからの冷却媒体ＣＭの吹き付け量を制御するための調節弁ＣＶは、第ｎ調節弁ＣＶｎとも呼ぶ。
図８Ａに示した供給制御部１０３は、第１走査装置ＳＣ１から第ｎ走査装置ＳＣｎまでの各ノズル走査装置３０の走査速度を制御できる。
図８Ａ及び図８Ｂに示した供給制御部１０３には、各温度センサ７０で検出した検出温度の情報が入力される。
このように構成される制御装置１００では、供給制御部１０３は例えば次のようにして各後方ノズル６３Ｂからの冷却媒体ＣＭの吹き付け量を制御する。
供給制御部１０３は、造形制御部１０１から、積層造形を行う際の造形ノズル１１の走査速度や、冷却媒体ＣＭで冷却した後のワーク２０又はビード２１の温度の目標値（目標温度Ｔｔ）の情報を取得する。
積層造形が開始されると、供給制御部１０３は、各温度センサ７０で検出した検出温度の情報を取得する。そして、供給制御部１０３は、各温度センサ７０で検出した検出温度と、上述した目標温度Ｔｔとに基づいて、各後方ノズル６３Ｂ毎の冷却媒体ＣＭの吹き付け量を算出する。供給制御部１０３は、算出した冷却媒体ＣＭの吹き付け量となるように各調節弁ＣＶの開度を制御する。
なお、冷却媒体ＣＭによる冷却能力は、ワーク２０の単位表面積当たりの冷却媒体ＣＭの供給量Ｑ／Ｓ（ｇ／ｃｍ２）に依存する。したがって、後方ノズル６３Ｂからの冷却媒体ＭＣの単位時間当たりの吹き付け量Ｑ／ｔ（ｇ／ｓｅｃ）を変更することでワーク２０の単位表面積当たりの冷却媒体ＣＭの供給量Ｑ／Ｓ（ｇ／ｃｍ２）を変更できる。また、後方ノズル６３Ｂの走査速度Ｖｓ（ｍ／ｓｅｃ）を変更することでワーク２０の単位表面積当たりの冷却媒体ＣＭの供給量Ｑ／Ｓ（ｇ／ｃｍ２）を変更できる。
図８Ａに示した供給制御部１０３では、算出した冷却媒体ＣＭの吹き付け量（より具体的にはワーク２０の単位表面積当たりの冷却媒体ＣＭの供給量Ｑ／Ｓ（ｇ／ｃｍ２））となるように、各後方ノズル６３Ｂの走査速度Ｖｓを変更することができる。
なお、供給制御部１０３は、例えばｍをｎ以下の自然数としたときに、第ｍ温度センサＴＳｍで検出した温度が目標温度Ｔｔ以下であると判断した場合、第ｍ調節弁ＣＶｍから第ｎ調節弁ＣＶｎの開度をゼロに設定する。これにより、第ｍ後方ノズルＮｍ及び第ｍ後方ノズルＮｍよりも後方に配置された後方ノズル６３Ｂから冷却媒体ＣＭが吹き出さないので、冷却対象領域５９の温度が不必要に低下することを抑制できる。
このように、幾つかの実施形態に係る三次元造形装置１は、少なくとも冷却対象領域５９の温度を検出する温度センサ７０を備える。また、幾つかの実施形態に係る三次元造形装置１は、温度センサ７０の検出結果に基づいて、冷却媒体ノズル６０の走査速度又は冷却媒体の単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方を制御するための制御装置１００（供給制御部１０３）を備える。
幾つかの実施形態に係る三次元造形装置１によれば、温度センサ７０の検出結果に基づいて、冷却媒体ノズル６０の走査速度又は冷却媒体の単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方を制御できるので、冷却媒体ＣＭを過不足なく吹き付けることができ、冷却媒体ＣＭを効率的に使用でき、冷却媒体ＣＭに掛かるコストを抑制できる。
（フローチャート）
図９は、幾つかの実施形態の三次元造形装置１を用いた三次元造形方法についての処理の手順を示したフローチャートである。
図９に示すように、幾つかの実施形態の三次元造形装置１を用いた三次元造形方法は、ビード形成工程Ｓ１０と、冷却媒体供給工程Ｓ２０と、浄化工程Ｓ３０とを含む。
ビード形成工程Ｓ１０は、金属材（金属粉末１３）を供給しながら該金属材をエネルギービーム１５で溶融させてビード２１を形成する工程である。ビード形成工程Ｓ１０では、造形ノズル１１を走査しながら造形台９やワーク２０上に供給された金属粉末１３が溶融及び固化することで、造形台９やワーク２０上に、造形ノズル１１の走査方向に沿って延在する線状のビード２１が形成される。
冷却媒体供給工程Ｓ２０は、ワーク２０のうち、ビード２１を含む冷却対象領域５９が局所的に冷却されるように、冷却対象領域５９に対して冷却媒体ノズル６０から冷却媒体ＣＭを吹き付ける工程である。冷却媒体供給工程Ｓ２０では、上述したように、ワーク２０の表面に沿って走査される冷却媒体ノズル６０からワーク２０やビード２１に対して冷却媒体ＣＭを吹き付けることで、冷却対象領域５９の温度を低下させる。
なお、冷却媒体供給工程Ｓ２０では、温度センサ７０による冷却対象領域５９の温度の検出結果に基づいて、上述したように、冷却媒体ノズル６０の走査速度又は冷却媒体ＣＭの単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方が制御されるとよい。
浄化工程Ｓ３０は、少なくとも冷却対象領域５９に対して冷却媒体ＣＭを吹き付けることで、冷却対象領域５９の表面を浄化する工程である。浄化工程Ｓ３０では、冷却媒体ノズル６０から冷却媒体ＣＭをワーク２０の表面に向けて吹き付けることで、ワーク２０やビード２１の表面の付着物等を除去して浄化できる。
幾つかの実施形態の三次元造形装置１を用いた三次元造形方法によれば、冷却対象領域５９に対して冷却媒体ＭＣを吹き付けることができるので、造形中にワーク２０の温度が下がるのを待つ時間を短縮でき、生産効率が向上する。また、幾つかの実施形態の三次元造形装置１を用いた三次元造形方法によれば、冷却対象領域５９の温度の検出結果に基づいて、冷却媒体ノズル６０の走査速度又は冷却媒体ＭＣの単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方が制御されるので、冷却媒体ＭＣを過不足なく吹き付けることができ、冷却媒体ＭＣを効率的に使用でき、冷却媒体ＭＣに掛かるコストを抑制できる。
幾つかの実施形態の三次元造形装置１を用いた三次元造形方法によれば、冷却対象領域５９の表面が浄化されることで、ワーク２０の表面の付着物が除去されて、形成されるビード２１の品質低下を抑制できる。
（冷却速度の制御について）
図１０は、鋼の連続冷却変態曲線（ＣＣＴ曲線）を示す図である。鋼に限らず、各種の金属では、溶融する金属を冷却する際の冷却速度は、強度や靭性等、金属の機械的性質に影響を与える。
そこで、幾つかの実施形態の三次元造形装置１では、冷却媒体ノズル６０の走査速度又は冷却媒体ＣＭの単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方を制御することで、ビード２１やワーク２０の冷却装度を制御して造形物２０の機械的性質を制御する。
幾つかの実施形態の三次元造形装置１では、制御装置１００（供給制御部１０３）は、温度検出部である温度センサ７０の検出結果に基づいて、冷却媒体ノズル６０の走査速度又は冷却媒体ＭＣの単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方を制御することで冷却対象領域５９の冷却速度を制御できる。
これにより、ワークすなわち造形物２０の機械的性質を制御できる。
幾つかの実施形態の三次元造形装置１では、冷却媒体ノズル６０は、走査方向１７に沿って複数配置されている。そして、幾つかの実施形態の三次元造形装置１では、制御装置１００（供給制御部１０３）は、温度センサ７０の検出結果に基づいて、冷却媒体ノズル６０の走査速度又は冷却媒体ＣＭの単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方を冷却媒体ノズル６０毎に制御可能である。
したがって、幾つかの実施形態の三次元造形装置１によれば、冷却速度の制御精度が向上するので、造形物２０の機械的性質の制御精度が向上する。
例えば図１０における冷却速度曲線Ｌ１や冷却速度曲線Ｌ２のように比較的高い冷却速度が必要とされる場合、図７Ａや図７Ｂに示したノズル装置１０を用いて、全ての後方ノズル６３Ｂから比較的多くの冷却媒体ＣＭを冷却対象領域５９に対して吹き付けるとよい。
幾つかの実施形態の三次元造形装置１では、制御装置１００（供給制御部１０３）は、造形ノズル１１よりも後方に配置された複数の後方ノズル６３Ｂのうち、前方に配置された後方ノズル６３Ｂよりも後方に配置された後方ノズル６３Ｂの方が冷却媒体ＣＭの単位時間当たりの吹き付け量が多くなるように冷却媒体ＭＣの単位時間当たりの吹き付け量を制御できる。
例えば図１０における冷却速度曲線Ｌ３のように、上述した冷却速度曲線Ｌ１やＬ２と比べると要求される冷却速度が低い場合には、冷却対象領域５９の温度が比較的高い状態では、雰囲気との温度差が比較的大きいため、冷却速度は高くなる傾向となる。逆に、冷却対象領域５９の温度が比較的低い場合、雰囲気との温度差が比較的小さいため、冷却速度は低くなる傾向となる。
したがって、前方に配置された後方ノズル６３Ｂよりも後方に配置された後方ノズル６３Ｂの方が冷却媒体の単位時間当たりの吹き付け量を多くすることで、冷却対象領域５９の温度が比較的低い場合であっても、要求される冷却速度を確保できる。
本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る三次元造形装置１は、金属材（金属粉末１３）を供給しながら該金属材をエネルギービーム１５で溶融させてビード２１を形成するための造形ノズル１１を備える。本開示の少なくとも一実施形態に係る三次元造形装置１は、ワーク２０のうち、ビード２１を含む領域（冷却対象領域５９）が局所的に冷却されるように、冷却対象領域５９に対して冷却媒体ＣＭを吹き付けるための冷却媒体ノズル６０を備える。本開示の少なくとも一実施形態に係る三次元造形装置１は、少なくとも冷却対象領域５９の温度を検出する温度検出部（温度センサ７０）を備える。本開示の少なくとも一実施形態に係る三次元造形装置１は、温度センサ７０の検出結果に基づいて、冷却媒体ノズル６０の走査速度又は冷却媒体ＣＭの単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方を制御するための制御装置１００（供給制御部１０３）を備える。
上記（１）の構成によれば、冷却対象領域５９に対して冷却媒体ＣＭを吹き付けることができるので、造形中にワーク２０の温度が下がるのを待つ時間を短縮でき、生産効率が向上する。また、上記（１）の構成によれば、温度センサ７０の検出結果に基づいて、冷却媒体ノズル６０の走査速度又は冷却媒体ＣＭの単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方を制御できるので、冷却媒体ＣＭを過不足なく吹き付けることができ、冷却媒体ＣＭを効率的に使用でき、冷却媒体ＣＭに掛かるコストを抑制できる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、制御装置１００（供給制御部１０３）は、温度センサ７０の検出結果に基づいて、冷却媒体ノズル６０の走査速度又は冷却媒体ＣＭの単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方を制御することで冷却対象領域５９の冷却速度を制御する。
溶融する金属を冷却する際の冷却速度は、強度や靭性等、金属の機械的性質に影響を与える。上記（２）の構成によれば、ワーク２０のうちビード２１を含む冷却対象領域５９の冷却速度を制御できるので、ワークすなわち造形物２０の機械的性質を制御できる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、冷却媒体ノズル６０は、走査方向１７に沿って複数配置されている。制御装置１００（供給制御部１０３）は、温度センサ７０の検出結果に基づいて、冷却媒体ノズル６０の走査速度又は冷却媒体ＣＭの単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方を冷却媒体ノズル６０毎に制御する。
上記（３）の構成によれば、走査方向１７に沿って複数配置された冷却媒体ノズル６０毎に冷却媒体ノズル６０の走査速度又は冷却媒体ＣＭの単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方を制御できるので、冷却速度の制御精度が向上する。
（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、制御装置１００（供給制御部１０３）は、走査方向１７における前側に配置された冷却媒体ノズル６０（後方ノズル６３Ｂ）よりも走査方向における後側に配置された冷却媒体ノズル６０（後方ノズル６３Ｂ）の方が冷却媒体ＣＭの単位時間当たりの吹き付け量が多くなるように冷却媒体ＣＭの単位時間当たりの吹き付け量を制御する。
冷却対象領域５９の温度が比較的高い場合、雰囲気との温度差が比較的大きいため、冷却速度は高くなる傾向となる。逆に、冷却対象領域５９の温度が比較的低い場合、雰囲気との温度差が比較的小さいため、冷却速度は低くなる傾向となる。
上記（４）の構成によれば、走査方向１７における前側に配置された後方ノズル６３Ｂよりも走査方向１７における後側に配置された後方ノズル６３Ｂの方が冷却媒体ＣＭの単位時間当たりの吹き付け量を多くできるので、冷却対象領域５９の温度が比較的低い場合であっても、要求される冷却速度を確保できる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、冷却媒体ＣＭは、ペレット状又は粉状のドライアイスである。
上記（５）の構成によれば、ワーク２０に吹き付けられた後のドライアイスはワーク２０の冷却後、速やかに昇華するので、ワーク２０を濡らしたり、ワーク２０やワーク２０の周辺に異物としてドライアイスが残留する心配をしなくてもよい。また、上記（５）の構成によれば、ドライアイスがペレット状又は粉状であるので、冷却媒体ノズル６０からの供給が容易となる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、造形ノズル１１の走査に追従して冷却媒体ノズル６０を走査するためのノズル走査装置３０をさらに備える。
上記（６）の構成によれば、ビード２１を含む冷却対象領域５９の局所的な冷却を効率的に実施できるので、冷却媒体ＣＭの消費量を抑制できる。
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、ノズル走査装置３０は、造形ノズル１１と冷却媒体ノズル６０とを一体的に走査可能である。
上記（６）の構成によれば、ノズル走査装置３０の装置構成及びノズル走査装置３０の制御内容が複雑化することを抑制できる。
（８）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、ノズル走査装置３０は、造形ノズル１１と冷却媒体ノズル６０とを個別に走査可能である。
上記（７）の構成によれば、造形ノズル１１と冷却媒体ノズル６０とで要求される走査速度が異なる場合であっても、それぞれのノズルに適した走査速度で走査できる。
（９）幾つかの実施形態では、上記（６）乃至（８）の何れかの構成において、ノズル走査装置３０は、ロボットアーム５を含む。
例えばＮＣ装置のようにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれの方向に移動可能なスライド軸を有する装置を用いて造形ノズル１１を走査する場合、ワーク２０の大きさは装置の大きさの制約を受ける。また、該装置では、造形ノズルの姿勢の自由度が駆動系の構成の制約を受ける。
上記（９）の構成によれば、ロボットアーム５によって造形ノズル１１を走査できるので、比較的コンパクトなロボットアーム５であっても上記装置と比べて広い範囲に造形ノズル１１を走査することが容易となる。また、上記（９）の構成によれば、造形ノズル１１の姿勢の自由度が高まるので、複雑な形状の造形物２０であっても造形が容易となる。
（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れかの構成において、造形ノズル１１は、シールドガスＳＧの吹き出し部１１０を有する。幾つかの実施形態では、シールドガスＳＧの拡散を抑制するためのシールド機構４０をさらに備える。
上記（１０）の構成によれば、シールドガスＳＧ雰囲気下でビード２１を形成できる。
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）の構成において、シールド機構４０は、気体の流れによってシールドガスＳＧの拡散を抑制する気流カーテンを形成するための気流カーテン形成部４１を含む。
上記（１１）の構成によれば、気流カーテンによってシールドガスＳＧの拡散を抑制できるので、ワーク２０の形状が複雑であっても、ビード２１を形成する領域（形成領域２５）の雰囲気をシールドガスＳＧ雰囲気に保ちやすくなる。
（１２）幾つかの実施形態では、上記（１０）又は（１１）の構成において、シールド機構４０は、造形ノズル１１から照射されるエネルギービーム１５の照射方向に沿って見たときに吹き出し部１１０を周囲から取り囲むように配置された覆い部材４３を含む。
上記（１２）の構成によれば、覆い部材４３がシールドガスＳＧの拡散を抑制するので、ビード２１を形成する領域（形成領域２５）の雰囲気をシールドガスＳＧ雰囲気に保ちやすくなる。
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１０）乃至（１２）の何れかの構成において、吹き出し部１１０は、造形ノズル１１の先端（先端部１１ａ）からシールドガスＳＧを噴き出すように構成された第１吹き出し部１１１と、造形ノズル１１の側方に配置されていてシールドガスＳＧを噴き出すように構成された第２吹き出し部１２１とを含む。
上記（１３）の構成によれば、造形ノズル１１の先端と造形ノズル１１の側方とからシールドガスＳＧが吹き出されることで、ビード２１を形成する領域（形成領域２５）の雰囲気をシールドガスＳＧ雰囲気に保ち易くなる。
造形ノズル１１の先端から粉末状の金属材が供給されるように構成されている場合には、造形ノズル１１の先端からのシールドガスＳＧの噴出量を増加させると、ワーク２０の表面に当たって周囲に拡散しようとするシールドガスＳＧの流れに乗って溶融前の金属材（金属粉末１３）が周囲に拡散してしまうおそれがある。そのため、造形ノズル１１の先端からのシールドガスＳＧの噴出量を抑制することが望ましいが、造形ノズル１１の先端からのシールドガスＳＧの噴出量を抑制すると、ビード２１を形成する領域（形成領域２５）の雰囲気をシールドガスＳＧ雰囲気に保ち難くなるおそれがある。上記（１３）の構成によれば、造形ノズル１１の側方からもシールドガスＳＧが吹き出すことができるので、造形ノズル１１の先端からのシールドガスＳＧの噴出量を抑制してもビード２１を形成する領域（形成領域２５）の雰囲気をシールドガスＳＧ雰囲気に保ち易くなる。
（１４）本開示の少なくとも一実施形態に係る三次元造形方法は、金属材（金属粉末１３）を供給しながら該金属材をエネルギービーム１５で溶融させてビード２１を形成する工程（ビード形成工程Ｓ１０）を備える。本開示の少なくとも一実施形態に係る三次元造形方法は、ワーク２０のうち、ビード２１を含む領域（冷却対象領域５９）が局所的に冷却されるように、冷却対象領域５９に対して冷却媒体ノズル６０から冷却媒体ＣＭを吹き付ける工程（冷却媒体供給工程Ｓ２０）を備える。冷却媒体を吹き付ける工程（冷却媒体供給工程Ｓ２０）は、冷却対象領域５９の温度の検出結果に基づいて、冷却媒体ノズル６０の走査速度又は冷却媒体ＣＭの単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方が制御される。
上記（１４）の方法によれば、冷却対象領域５９に対して冷却媒体ＣＭを吹き付けることができるので、造形中にワーク２０の温度が下がるのを待つ時間を短縮でき、生産効率が向上する。また、上記（１４）の方法によれば、冷却対象領域５９の温度の検出結果に基づいて、冷却媒体ノズル６０の走査速度又は冷却媒体ＣＭの単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方が制御されるので、冷却媒体ＣＭを過不足なく吹き付けることができ、冷却媒体ＣＭを効率的に使用でき、冷却媒体ＣＭに掛かるコストを抑制できる。
（１５）幾つかの実施形態では、上記（１４）の方法において、少なくとも冷却対象領域５９に対して冷却媒体ＣＭを吹き付けることで、冷却対象領域５９の表面を浄化する工程（浄化工程Ｓ３０）をさらに備える。
上記（１５）の方法によれば、冷却対象領域５９の表面が浄化されることで、ワーク２０の表面の付着物が除去されて、形成されるビード２１の品質低下を抑制できる。
１ 三次元造形装置
３ 産業用ロボット
５ ロボットアーム
１０ ノズル装置
１１ 造形ノズル
１３ 金属粉末
２０ 三次元積層造形物（造形物、ワーク）
２１ ビード
２５ 形成領域
３０ ノズル走査装置
４０ シールド機構
４１ 気流カーテン形成部
４３ 覆い部材（第１覆い部材）
５９ 冷却対象領域
６０ 冷却媒体ノズル
７０ 温度センサ
７３ 覆い部材（第２覆い部材）
８３ 覆い部材（第３覆い部材）
１００ 制御装置
１０１ 造形制御部
１０３ 供給制御部
１１０ 噴き出し部
１１１ 第１噴き出し部
１２１ 第２噴き出し部

Claims (15)

  1. 金属材を供給しながら該金属材をエネルギービームで溶融させてビードを形成するための造形ノズルと、
    ワークのうち、前記ビードを含む領域が局所的に冷却されるように、前記領域に対して冷却媒体を吹き付けるための冷却媒体ノズルと、
    少なくとも前記領域の温度を検出する温度検出部と、
    前記温度検出部の検出結果に基づいて、前記冷却媒体ノズルの走査速度又は前記冷却媒体の単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方を制御するための制御装置と、
    を備える三次元造形装置。
  2. 前記制御装置は、前記温度検出部の検出結果に基づいて、前記冷却媒体ノズルの走査速度又は前記冷却媒体の単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方を制御することで前記領域の冷却速度を制御する
    請求項１に記載の三次元造形装置。
  3. 前記冷却媒体ノズルは、走査方向に沿って複数配置され、
    前記制御装置は、前記温度検出部の検出結果に基づいて、前記冷却媒体ノズルの走査速度又は前記冷却媒体の単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方を前記冷却媒体ノズル毎に制御する
    請求項２に記載の三次元造形装置。
  4. 前記制御装置は、前記走査方向における前側に配置された前記冷却媒体ノズルよりも前記走査方向における後側に配置された前記冷却媒体ノズルの方が前記冷却媒体の単位時間当たりの吹き付け量が多くなるように前記冷却媒体の単位時間当たりの吹き付け量を制御する
    請求項３に記載の三次元造形装置。
  5. 前記冷却媒体は、ペレット状又は粉状のドライアイスである
    請求項１乃至４の何れか一項に記載の三次元造形装置。
  6. 前記造形ノズルの走査に追従して前記冷却媒体ノズルを走査するためのノズル走査装置
    をさらに備える
    請求項１乃至５の何れか一項に記載の三次元造形装置。
  7. 前記ノズル走査装置は、前記造形ノズルと前記冷却媒体ノズルとを一体的に走査可能である
    請求項６に記載の三次元造形装置。
  8. 前記ノズル走査装置は、前記造形ノズルと前記冷却媒体ノズルとを個別に走査可能である
    請求項６に記載の三次元造形装置。
  9. 前記ノズル走査装置は、ロボットアームを含む
    請求項６乃至８の何れか一項に記載の三次元造形装置。
  10. 前記造形ノズルは、シールドガスの吹き出し部を有し、
    前記シールドガスの拡散を抑制するためのシールド機構
    をさらに備える
    請求項１乃至９の何れか一項に記載の三次元造形装置。
  11. 前記シールド機構は、気体の流れによって前記シールドガスの拡散を抑制する気流カーテンを形成するための気流カーテン形成部を含む
    請求項１０に記載の三次元造形装置。
  12. 前記シールド機構は、前記造形ノズルから照射される前記エネルギービームの照射方向に沿って見たときに前記吹き出し部を周囲から取り囲むように配置された覆い部材を含む
    請求項１０又は１１に記載の三次元造形装置。
  13. 前記吹き出し部は、前記造形ノズルの先端から前記シールドガスを噴き出すように構成された第１吹き出し部と、前記造形ノズルの側方に配置されていて前記シールドガスを噴き出すように構成された第２吹き出し部とを含む
    請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の三次元造形装置。
  14. 金属材を供給しながら該金属材をエネルギービームで溶融させてビードを形成する工程と、
    ワークのうち、前記ビードを含む領域が局所的に冷却されるように、前記領域に対して冷却媒体ノズルから冷却媒体を吹き付ける工程と、
    を備え、
    前記冷却媒体を吹き付ける工程は、前記領域の温度の検出結果に基づいて、前記冷却媒体ノズルの走査速度又は前記冷却媒体の単位時間当たりの吹き付け量の少なくとも何れか一方が制御される
    三次元造形方法。
  15. 少なくとも前記領域に対して前記冷却媒体を吹き付けることで、前記領域の表面を浄化する工程
    をさらに備える
    請求項１４に記載の三次元造形方法。
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