JP2021123761A - ３次元積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】造形ステージが垂直方向に降下せずに斜め方向に降下することに起因する、造形物の高さ方向に垂直な方向の歪みを防止する。【解決手段】本発明の一態様の３次元積層造形装置は、ステージに粉末層を形成する処理と、粉末層に造形用ビームを照射する処理を繰り返す３次元積層造形装置であって、積層造形データに基づいて、ステージの鉛直方向における位置ごとに、粉末層に対する造形用ビームの照射位置を設定する処理と、ステージの鉛直方向における位置ごとに、造形用ビームの照射位置に補正値を加算して補正照射位置を算出する処理と、ステージの鉛直方向における位置ごとに、造形用ビームが補正照射位置に照射されるように電子光学系を制御する処理と、を実行する光学系制御部を備える。【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。

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（ベッドパウダー方式）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。

ベッドパウダー方式の３次元積層造形装置では、造形ステージ上に金属粉末を敷き詰め、熱源となるビームで目的の造形物の一断面に相当する部分を溶融、凝固（固化）し、その後、造形ステージを下方に移動して再度金属粉末を敷き詰める。ビームには、レーザビームや電子ビームが用いられる。このような金属粉末の敷き詰め、ビームの照射、及び金属粉末の溶融と凝固を繰り返し、固化領域を積層することで３次元の造形物が形成される。目的の造形物を得るためには、ビームを正しい位置に照射することが求められる。

例えば、特許文献１に、光ビームにより溶解する補正用ターゲットに付与された補正用マークを使用して、光ビームの照射位置の補正を行う三次元形状造形物の製造方法が開示されている。

特開２００９−１０７１５３号公報

ベッドパウダー方式の３次元積層造形装置では、積層造形の過程で造形ステージを下方に移動させる。その際に、造形ステージが下方（造形ステージの上面（造形面）に垂直な方向）に降下せずに斜め方向に降下する場合がある。この場合、次の粉末層の溶融及び凝固の位置がずれ、粉末層の形成、溶融及び凝固を繰り返すにつれて位置ずれが蓄積していくという問題が発生する。特許文献１に記載の技術では、造形ステージが垂直方向に降下せずに斜め方向に降下することで、次の層の溶融及び凝固の位置がずれていく問題を解決することはできない。

本発明は、上記の状況に鑑みてなされたものであり、造形ステージが垂直方向に降下せずに斜め方向に降下することに起因する、造形物の高さ方向に垂直な方向の歪みを防止することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様の３次元積層造形装置は、ステージと、当該ステージを鉛直方向に駆動する駆動機構と、ステージ上に粉末試料を供給して粉末層を形成する粉末層形成部と、目的の造形物を形成するための積層造形データに基づいて、造形物の高さ方向の位置に応じて粉末層に造形用ビームを照射する電子光学系と、当該電子光学系を制御する電子光学系制御部と、を備え、粉末層の形成と造形用ビームの照射を繰り返す３次元積層造形装置である。
上記の電子光学系制御部は、積層造形データに基づいて、ステージの鉛直方向における位置ごとに、粉末層に対する造形用ビームの照射位置（造形座標）を設定する処理と、ステージの鉛直方向における位置ごとに、造形用ビームの照射位置に補正値を加算して補正照射位置を算出する処理と、ステージの鉛直方向における位置ごとに、造形用ビームが補正照射位置に照射されるように電子光学系を制御する処理と、を実行する。

本発明の少なくとも一態様によれば、ステージの移動方向の位置に基づいて造形用ビーム照射位置の適切な補正値を設定することにより、ステージの移動に伴う造形物の高さ方向に垂直な方向の歪みを防止できる。
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。

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ステージ支持体が移動範囲の最下端まで移動した状態を示した断面図である。 図１に示した３次元積層造形装置のＺ駆動機構の例を示す正面図である。 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光学系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の実施形態に係る造形物の歪み量を測定する方法の例を説明する図である。 本発明の第１の実施形態に係る歪み補正テーブルの構造の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る電子光学系制御部の内部構成例を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態の例について、添付図面を参照して説明する。本明細書及び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。

＜第１の実施形態＞
本発明は、粉末層が形成されるステージの降下位置ごとに、ステージの造形面に垂直な方向に対する当該ステージの位置ずれ量（造形物の歪み）を測定及び記憶する。そして、その位置ずれ量を補正する値を、実際の積層造形時の電子ビームを照射する位置に反映する。それにより、粉末層上の溶融及び凝固する位置が本来（設計時）の位置からずれていくことを解決する。以下、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について図１及び図を参照して説明する。

［３次元積層造形装置の構成］
図１は、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である。図２は、３次元積層造形装置のステージ支持体が移動範囲の最下端（本実施形態では最上端からの距離約６００ｍｍ）まで移動した状態を示した断面図である。図１及び図２において、３次元積層造形装置１のステージ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。

３次元積層造形装置１は、図１及び図２に示すように、真空容器３の上部に電子光学系２が装着されており、真空容器３の内部には造形枠４が設けられている。造形枠４は、筒状体４ａ及びつば部４ｂからなる。筒状体４ａは、軸方向に垂直な方向の断面の形状が四角形である角筒である。ただし、完成した造形物１０（３次元構造物）を造形枠４から取り出せるようにするために、その四角形の一辺（角筒の外周面の一面）は開放可能な構造となっている。つば部４ｂは、筒状体４ａのＺ方向の一端に形成されている。つば部４ｂの端部は、真空容器３の側壁に固定されている。

造形枠４の内側には、ＸＹ平面に平行な面を持ち、造形枠４の筒状体４ａの内部を軸方向に移動するステージ５が配置されている。ステージ５は、造形物１０を形成するための金属粉末９が積層される粉末台（造形ステージ）である。金属粉末９を充填したホッパ５１(粉末試料供給装置)、及びスキージング装置５２（後述する図５参照）により、ステージ５の上面に金属粉末９（粉末層）が所定の厚さに敷き詰められる。

ホッパ５１の排出口及びスキージング装置５２は、ホッパ５１及びスキージング装置５２の移動方向（例えばＸ方向）に対して垂直な方向（Ｙ方向）に所定長さを有する。ホッパ５１により金属粉末９をステージ５又はつば部４ｂ上に供給後、スキージング装置５２がＸ方向に移動することにより、金属粉末９がステージ５上に所定の厚さに敷き詰められる。なお、粉末試料として金属粉末９を用いたが、この例に限らない。

造形枠４の筒状体４ａの外面には、図示しないヒータが配置されている。ヒータは、造形枠４の筒状体の外面に巻回されるように配置される。ヒータとしては、例えば２種類のセラミックスで構成されたＰＧ／ＰＢＮ（Pyro-lytic Graphite/ Pyro-lytic Boron Nitride）ヒータ等の１０００℃以上の温度に加熱できるヒータが用いられる。

ステージ５は、断熱構造体１６が配置されたステージ支持体１４によって支持されている。ステージ支持体１４は、造形枠４の筒状体４ａの外径（Ｚ方向に垂直な方向の長さ）よりも大きな径を有する有底の筒状体（角筒）であり、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２ＢによりＺ方向に移動する。ステージ支持体１４の外周面の一面（筒状体の上部）は、開放されている。ステージ支持体１４のＺ方向への移動に伴い、ステージ５のＺ方向における位置が変化する。ステージ支持体１４が移動範囲の上側（図１の状態）に位置するとき、造形枠４の筒状体４ａがステージ支持体１４の内側にほぼ収容された状態となる。ステージ５の底面は、断熱構造体１６に固定されている。図１の例では、断熱構造体１６は、その内部に空間部１６ａが形成されており、一定の断熱効果を保ちつつ、軽量化されている。

ステージ５は、造形枠４の筒状体４ａの内面に囲まれている。ステージ５の側端部には、造形枠４の筒状体４ａの内面に接するシール部材６が設けられている。シール部材６としては、耐熱性及び柔軟性を有するグラスウールなどが用いられる。ステージ５の側端部に柔軟性を持つシール部材６を設けることによって、シール部材６と筒状体４ａの内面とのすべり面において摺動性と密閉性を持たせている。それにより、ステージ５の上面に敷き詰められた金属粉末９がステージ５の下に漏れることを防止している。真空容器３内の雰囲気は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３内は真空に維持されている。

３次元積層造形装置１の土台７の上面に、Ｚ駆動機構支持部８が固定されている。Ｚ駆動機構支持部８は、ステージ支持体１４の外径より大きな径を有する筒状体（角筒）であり、その筒状体のＺ方向の一端につば部８ａが形成されている。Ｚ駆動機構支持部８の外周面の一面（筒状体の上部と下部）は、ステージ支持体１４と同様に開放されている。Ｚ駆動機構支持部８のつば部８ａの端部は、真空容器３の側壁に固定されている。

Ｚ駆動機構支持部８の内面には、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂが取り付けられている。Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂは、Ｚ駆動機構支持部８の中心部を挟んで対向するように配置されている。Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂの構成は同じであるので、ここではＺ駆動機構１２Ａの構造について図３を参照して説明する。

[Ｚ駆動機構の構造]
図３は、Ｚ駆動機構の例を示す正面図である。図３は、造形枠４の筒状体４ａ側からＺ駆動機構１２Ａを見た状態を表したものである。

Ｚ駆動機構１２Ａは、図３に示すように、ガイド部材１２ａと、ボールねじ２２Ａと、スライド部材１３Ａと、駆動部２３Ａを有する。一例として、Ｚ駆動機構１２Ａは、ガイド部材１２ａとスライド部材１３Ａとの接触部にローラが用いられたリニアローラガイドで構成される。ガイド部材１２ａは、Ｚ駆動機構支持部８の内面にＺ方向に沿って並列に固定された２本のガイドシャフト１２ａ１，１２ａ２から構成される。ボールねじ２２Ａは、ガイドシャフト１２ａ１，１２ａ２と同様にＺ駆動機構支持部８の内面にＺ方向に配置されており、一端にモータ等の駆動部２３Ａが接続されている。ボールねじ２２Ａは、駆動部２３Ａの駆動力を受けて正回転又は逆回転する。

スライド部材１３Ａは、ボールねじ２２Ａの回転に応じて、２本のガイドシャフト１２ａ１，１２ａ２に沿ってＺ方向へ移動する。スライド部材１３Ａは、ステージ支持体１４の筒状体及びＺ駆動機構支持部８の筒状体の形状に合わせて、一例としてＹＺ平面に平行な面を持つ平板状の形状である。スライド部材１３Ａの少なくともＹＺ平面に平行な面には、ステージ支持体１４の筒状体の一の面が固定されている。そのため、スライド部材１３ＡのＺ方向（上下）への移動に伴ってステージ支持体１４がＺ方向へ移動し、ステージ５のＺ方向における位置（高さ）が変わる。

Ｚ駆動機構１２Ｂも、Ｚ駆動機構１２Ａと同様に、２本のガイドシャフトで構成されるガイド部材１２ｂと、ボールねじ２２Ｂと、スライド部材１３Ｂと、モータ等の駆動部２３Ｂを有する（図１参照）。スライド部材１３Ｂが、ボールねじ２２Ｂの回転に応じて、ガイド部材１２ｂの２本のガイドシャフトに案内されてＺ方向へ移動する。スライド部材１３Ｂも、ステージ支持体１４の筒状体及びＺ駆動機構支持部８の筒状体の形状に合わせて、一例としてＹＺ平面に平行な面を持つ平板状の形状である。スライド部材１３Ｂの少なくともＹＺ平面に平行な面には、ステージ支持体１４の筒状体の上記一の面と反対側にある他の面が固定されている。Ｚ駆動機構１２Ａのスライド部材１３ＡとＺ駆動機構１２Ｂのスライド部材１３Ｂの駆動は、ステージ５がＸＹ平面に平行（水平）となるように制御される。

このようなＺ駆動機構１２Ａ，１２Ｂを持つ３次元積層造形装置１において、ステージ支持体１４（ステージ５）のＺ方向のストロークが６００ｍｍ程度である場合に、ステージ５の室温における横方向への振れ量は、３μｍ〜数μｍと非常に小さい。

なお、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂにリニアローラガイドを用いた機構を採用できるが、同程度の精度を有する機構であれば他の機構でもよい。また、上述例ではＺ駆動機構をＺ駆動機構支持部８の２面に設けているが、Ｚ駆動機構を３面又は１面に設けてもよい。また、一つのＺ駆動機構において、１組のボールねじとスライド部材を使用したが、２組のボールねじとスライド部材を使用してもよい。

土台７の中央部には、図１及び図２に示すように、ステージ支持体１４の外径よりも大きな径の穴であるピット１１が形成されている。ステージ支持体１４は、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂにより、ピット１１内でＺ駆動機構支持部８の内側をＺ方向に移動する。

造形枠４の筒状体４ａとステージ支持体１４との間には、熱遮蔽板１７が設けられている。造形物１０の周りは高温になるが、この熱遮蔽板１７によって真空雰囲気での赤外線（輻射熱）が遮蔽される。熱遮蔽板１７は、筒状体４ａ及びステージ支持体１４の筒状体の形状に合わせて、一例として筒状体（角筒）である。筒状体（角筒）である熱遮蔽板１７の外周面の一面は、ステージ支持体１４と同様に開放されている。また、熱遮蔽板１７の底部には、断熱構造体１６の外径より大きな径の貫通孔が形成されており、この貫通孔を断熱構造体１６がＺ方向に移動する。このように熱遮蔽板１７を薄板で形成することにより、設計自由度が限られる３次元積層造形装置１の大型化を抑えることができる。

この熱遮蔽板１７は、熱伝導率が高い材質で形成された接続部材１７ａを介して、Ｚ駆動機構支持部８に接触している。接続部材１７ａ、ステージ支持体１４の移動を妨げないよう、熱遮蔽板１７（筒状体）の上部とＺ駆動機構支持部８の筒状体の上端を連結している。

Ｚ駆動機構支持部８には、その筒状体の外面に巻回されるようにして図示しない冷却配管が配置される。冷却配管は、配管内部を流れる液体（冷却水等）によりＺ駆動機構支持部８を冷却する。

造形枠４のつば部４ｂの下面には、断熱材１９が配置されている。造形枠４のつば部４ｂが、断熱材１９を介してＺ駆動機構支持部８の筒状体の上端に固定されている。熱遮蔽板１７と断熱材１９によって、造形枠４からＺ駆動機構支持部８に熱が輻射されること及び熱が伝導することを防止できる。

スライド部材１３ＢとＺ駆動機構支持部８との間には、Ｚ駆動機構支持部８に対するスライド部材１３Ｂの相対変位を読み取るためのリニアスケール２１が取り付けられている。リニアスケール２１の出力値から、スライド部材１３Ｂすなわちステージ５のＺ方向の位置を把握できる。リニアスケール２１を、スライド部材１３Ｂ側だけではなく、スライド部材１３Ａ側に配置してもよい。

［３次元積層造形装置の動作］
３次元積層造形装置１は、積層造形の開始時に、ヒータにより造形枠４の筒状体４ａを加熱する。造形枠４の筒状体４ａが過熱されることにより、ステージ５及び周囲の雰囲気が余熱される。次に、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂにより、造形枠４のつば部４ｂの上面よりＺ方向にΔＺ分下がった位置にステージ５を移動する。このΔＺが、その後に敷き詰められる金属粉末９（粉末層）のＺ方向の厚さに相当する。次に、ホッパ５１によりＺ駆動機構支持部８及びステージ５の上面に金属粉末９を供給し、スキージング装置５２を移動させて金属粉末９を均すことで、厚さΔＺ分の金属粉末９をステージ５に敷き詰める。

次に、３次元積層造形装置１は、予め準備された設計上の造形物（３次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データにより表された造形物）をΔＺ間隔でスライスした２次元形状に従い、金属粉末９に対し電子光学系２（電子銃）から電子ビームを出射する。電子光学系２から出射された電子ビームにより、その２次元形状に対応する領域の金属粉末９が溶融する。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。１層分の金属粉末９が溶融及び凝固した後、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂによりステージ５をΔＺ分下げる。このステージ５のＺ方向への動きは、シール部材６が造形枠４の筒状体４ａの内面を滑ることにより実現される。

次に、ホッパ５１及びスキージング装置５２により、ΔＺ分の金属粉末９を直前に敷き詰められた層（下層）の上に敷き詰める。そして、電子光学系２から出射される電子ビームにより、今回の粉末層における設計上の２次元形状に相当する領域の金属粉末９を溶融及び凝固させる。この一連の処理を繰り返して、溶融及び凝固した金属粉末９の層(固化領域)を積み重ねることにより造形物１０を構築する。なお、造形用ビームとして電子ビームを用いているが、この例に限らない。

３次元積層造形装置１は、積層造形の過程でステージ５がＺ方向に移動する際に、スライド部材１３Ａが、２本のガイドシャフト１２ａ１，１２ａ２に案内されてＺ方向に移動する（図３）。ガイドシャフト１２ａ１，１２ａ２は、ボールねじ２２ＡによりＺ駆動機構支持部８に取り付けられている。スライド部材１３Ａは、ガイドシャフト１２ａ１，１２ａ２とスライド部材１３Ａの持つ精度で、滑らかに精度よく移動できる。スライド部材１３Ｂも同様に、図示しないボールねじにより２本のガイドシャフトに案内されて、Ｚ方向に滑らかに精度よく移動できる。

スライド部材１３Ａ，１３Ｂに固定されたステージ支持体１４は、横方向の動きを規制されながら（精度を保ちながら）、その底部に搭載された断熱構造体１６を介して、ステージ５を造形枠４の筒状体４ａの内部でＺ方向に移動する。積層造形する際には、このステージ５のＺ方向の動きをμｍオーダの精度で制御して、金属粉末９の層を一層ずつ積み重ねる。そのときの造形物１０の造形精度は、ステージ５のＺ方向の移動に対するＸ方向及びＹ方向(横方向)への振れ量に依存することになり、より少ない振れ量であればより精度が高くなる。

ステージ５の横方向の位置は、基本的にはガイド部材１２ａとスライド部材１３Ａの構造に依存し、そこでの横振れが小さければ、ステージ５の横方向の位置ずれも小さくなる。一方で、造形枠４の筒状体４ａの内面がＺ方向に対して平行でなかったり、歪んでいたりした場合は、柔軟性を持つシール部材６の自由度分で吸収できる(吸収できる程度に造形枠４を合わせ込む)。

上述したとおり、造形枠４の筒状体４ａの外面には、ヒータが配置されている。造形物１０や敷き詰められた金属粉末９は、電子ビームにより高温に加熱される。造形枠４及びステージ５も含めその温度を保温できるように構成することで、造形物１０の熱歪み等を緩和することができる。そのため、１０００℃以上の温度に加熱できるヒータを造形枠４（筒状体４ａ）の周りに配置し、敷き詰められた金属粉末９ごと造形物１０の温度をその材質に応じて適切に制御する。この温度制御により、造形枠４の筒状体４ａ全体が高温に保たれることになる。

このような状態において、その周りのガイド部材１２ａ，１２ｂとスライド部材１３Ａ，１３Ｂにまでヒータの熱が伝わる。このため、そのままでは上記各部材の熱膨張により、スライド部材１３Ａ，１３ＢのＺ方向への動きが悪くなる。また、積層造形では、層ごとに加熱と冷却が繰り返されるために、ガイド部材１２ａ，１２ｂとスライド部材１３Ａ，１３Ｂとの摺動面が凸凹になり、横方向のガタが大きくなる可能性がある。これらを防止するため、３次元積層造形装置１は、断熱、熱遮蔽及び冷却のための構造を有することが望ましい。

断熱のための構造として、ステージ支持体１４の底部とステージ５との間に、断熱構造体１６を配置し、ガイド部材１２ａ，１２ｂ及びスライド部材１３Ａ，１３Ｂへの熱伝導を抑えている。断熱構造体１６には、一例として、金属の中でも熱伝導率が低いステンレス等の材質が用いられる。本実施形態では、断熱構造体１６に熱伝導率が低い材質を用いつつ、内部に空間部１６ａを形成して構造的にも熱伝導を抑えている。

さらに、造形枠４は、Ｚ駆動機構支持部８に固定されている必要があるが、上述したように、造形枠４からＺ駆動機構支持部８への熱の伝導を抑えるため、断熱材１９を介して、造形枠４のつば部４ｂとＺ駆動機構支持部８を固定している。断熱材１９により固体間の熱の伝導を防ぐことができる。

また、熱遮蔽のための構造として、上述したように、高温となっている造形枠４と過熱を抑えたいステージ支持体１４等との間に、赤外線を反射する熱遮蔽板１７を設けている。熱遮蔽板１７としては、比較的熱伝導率が良く反射面を作り易いアルミニウム板等が適当である。また、熱遮蔽板１７の熱を逃がす必要があることから、熱遮蔽板１７の固定端（筒状体の上端）は、低温部に接するような構造となっている。ここでは、熱遮蔽板１７の固定端は、熱伝導率が高い接続部材１７ａを介して、冷却配管により冷却されたＺ駆動機構支持部８に固定されている。

さらに、冷却のための構造として、上述したように、Ｚ駆動機構支持部８の筒状体の外面に冷却配管を設けている。これにより、Ｚ駆動機構支持部８全体を冷却し、接続部材１７ａを介して熱遮蔽板１７を冷却している。

以上のとおり、３次元積層造形装置１は、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂにより、ステージ５を移動させる構成を有している。そのため、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂのガイド部材１２ａ，１２ｂ、及びステージ支持体１４に固定されたスライド部材１３Ａ，１３Ｂにより、ステージ５の横方向の動きが規制される。それゆえ、Ｚ方向へ移動するステージ５の側端部に設けられたシール部材６の自由度分の不安定性が解消され、ステージ５の横方向の振れ量が小さくなる。したがって、ステージ５の横方向の位置の精度が向上し、造形物１０の造形精度が改善される。

また、造形枠４とステージ支持体１４との間に熱遮蔽板１７を設けることにより、造形枠４からステージ支持体１４への輻射熱が遮蔽される。それにより、ステージ５の横方向の位置を規制しているガイド部材１２ａ，１２ｂ及びスライド部材１３Ａ，１３Ｂの熱膨張が抑えられる。このため、これらの部材の熱膨張による歪みや摺動性の劣化が抑えられる。それゆえ、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂは、Ｚ方向への精度の良い動きを維持できる。

上述したように、３次元積層造形装置１は、積層造形の際にＺ方向、Ｘ方向及びＹ方向における目標位置からの振れ量が極力小さくなるように構成されている。しかし、ステージ５が垂直方向（Ｚ方向）に降下せずに斜め方向に降下した場合、次の粉末層の溶融及び凝固の位置がずれて、造形物の歪みとなって現れる。そこで、ステージ５が斜め方向に降下する場合に、Ｚ駆動機構１２，１２Ｂの横方向の歪みを補正する方法を提案する。なお、以下に説明する造形物の高さ方向に垂直な方向の歪みを補正するための方法が適用される３次元積層造形装置の構造は、上述した３次元積層造形装置１の構造に限定されないことは勿論である。

［３次元積層造形装置の制御系］
図４は、３次元積層造形装置１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１は、真空容器３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、粉末層形成制御部３６、電子光学系制御部３７、通信インターフェース３８を備える。図中、通信インターフェース３８を、通信Ｉ／Ｆ３８と表記している。

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。ＲＯＭ３２は、本実施形態に係る各機能を実現するコンピュータプログラムや３次元積層造形装置１のパラメータ等を記憶する不揮発性の記憶部である。ＣＰＵ３１は、ＲＯＭ３２に記憶されたプログラムをＲＡＭ３３に読み出し、このプログラムを実行することで各部の処理及び動作を制御する。

ＲＡＭ３３は、ＣＰＵ３１による演算処理の途中で発生した変数やデータ等を一時的に記憶する揮発性の記憶部であり、ＣＰＵ３１の作業領域として使用される。補助記憶装置３４には、３次元積層造形装置１が造形処理する積層造形データ（図形ファイル）が格納される。なお、ＲＯＭ３２に記憶されるプログラム等を不揮発性の補助記憶装置３４に記憶してもよい。演算処理装置としてＣＰＵ３１に代えて、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の他のプロセッサを用いてもよい。

Ｚ駆動制御部３５は、ＣＰＵ３１の制御の下、ステージ５をＺ方向に移動させるためのＺ駆動機構１２Ａ，１２Ｂの動作を制御する。ただし、本実施形態では、ステージ５がＺ方向（鉛直方向）ではなく、わずかに斜め方向に降下することを前提としている。

粉末層形成制御部３６は、ＣＰＵ３１の制御の下、ステージ５の移動後にホッパ５１及びスキージング装置５２の動作を制御し、ステージ５の上面に粉末層を形成する。ホッパ５１及びスキージング装置５２は、ステージ５上に金属粉末９を敷き詰めて所定厚さの粉末層を形成する粉末層形成部の一例である。

電子光学系制御部３７は、ＣＰＵ３１の制御の下、電子光学系２による電子ビームの照射（照射位置、照射エネルギーなど）を制御する。電子光学系制御部３７は、Ｚ駆動制御部３５及び粉末層形成制御部３６と協調して制御を行う。

通信インターフェース３８は、図示しない通信ネットワーク又は専用線を介して、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３８としてシリアルインターフェースが適用される。

［電子光学系制御部の内部構成］
図５は、電子光学系制御部３７の内部構成例を示すブロック図である。電子光学系制御部３７は、メイン制御部３７１、積層造形データ転送部３７２、造形座標設定部３７３、補正値設定部３７４、歪み補正テーブル３７５、加算部３７６、及び走査偏向回路３７７を備える。

メイン制御部３７１は、造形開始指令を受けて電子光学系制御部３７内の各部の動作を制御する。例えば、作業員が不図示のユーザインターフェースを操作して造形開始を指令する。

積層造形データ転送部３７２は、システムバスを介して、補助記憶装置３４から積層造形データ５０を読み込み、造形座標設定部３７３へ転送する。

造形座標設定部３７３は、積層造形データ５０を基に、目的とする造形物１０の高さ（ステージ５のＺ方向への移動量）ごとに電子ビームを照射すべき位置（造形座標）を設定し、設定内容を加算部３７６に出力する。以下では、造形開始時点のステージ５のＺ座標を基準（０［μｍ］）とする。ある時点におけるステージ５のＺ座標の値は、ステージ５が造形開始時点からＺ方向（下方向）へ移動した距離［μｍ］に相当する。

補正値設定部３７４は、歪み補正テーブル３７５を参照し、目的とする造形物１０の高さ方向の座標（ステージ５のＺ座標）ごとに電子ビームを照射する座標（造形座標）に対する補正値を設定し、設定内容を加算部３７６に出力する。補正値設定部３７４は、歪み補正テーブル３７５からステージ５のＺ座標に対する補正値を取得する。歪み補正テーブル３７５内の補正値の算出方法については、図６及び図７を参照して説明する。

加算部３７６は、造形座標設定部３７３から出力されたステージ５のＺ座標ごとの造形座標に、補正値設定部３７４で設定された補正値を加算し、その加算結果（補正照射位置の例）を走査偏向回路３７７へ出力する。この補正照射位置により、電子光学系２の偏向部６５で電子ビームの偏向が制御される。

走査偏向回路３７７は、加算部３７６からの出力に基づいて、目的とする造形物１０の高さ（ステージ５のＺ座標）ごとに、電子光学系２（電子銃）の偏向部６５に駆動信号を出力する。電子光学系２は、走査偏向回路３７７から入力された駆動信号に基づいて、電子ビームを走査する。これにより、電子ビームが設定された走査順（経路）に従って走査される。

電子光学系２は周知の構成を採用することができる。ここで、電子光学系２の構成の一例を簡単に説明する。
電子光学系２の荷電粒子鏡筒は、電子ビームを構成する電子を放出する荷電粒子源６１と、中間レンズ６２と、対物レンズ６４とを備える。中間レンズ６２は、例えば４極レンズから構成され、電場又は磁場を用いて電子ビームにレンズ作用させる。対物レンズ６４は、電場又は磁場を用いて、中間レンズ６２からレンズ作用を受けた電子ビームをステージ５上の粉末層（試料面）に収束させる。

中間レンズ６２と対物レンズ６４の間には、試料面上で歪のあるビーム形状を円形に補正する非点補正器６３が配置されている。さらに、対物レンズ６４の下流側に、電子ビームを磁力線と平行又は垂直な方向に偏向する偏向部６５を備える。

偏向部６５は、Ｘ偏向部６５ｘ（Ｘ偏向回路）と、Ｙ偏向部６５ｙ（Ｙ偏向回路）から構成される。Ｘ偏向部６５ｘは、例えば電子ビームを不図示の磁力線と垂直な方向に偏向して、電子ビームをＸ方向に走査する。また、Ｙ偏向部６５ｙは、電子ビームを磁力線と平行な方向に偏向し、電子ビームをＹ方向に走査する。

Ｚ駆動制御部３５は、粉末層の電子ビームが照射された領域が固化した後、ステージ５をΔＺだけ下方に移動（Ｚ方向に降下）させるための制御信号をＺ駆動回路５３に出力する。Ｚ駆動回路５３は、制御信号に基づいてＺ駆動機構１２Ａ，１２Ｂに駆動信号を出力し、ステージ５をＺ方向に移動させる。

粉末層形成制御部３６は、ステージ５上に粉末層を形成させるための制御信号をホッパ／スキージング駆動回路５４に出力する。ホッパ／スキージング駆動回路５４は、制御信号に基づいてホッパ５１及びスキージング装置５２のそれぞれに駆動信号を出力する。これにより、ホッパ５１が金属粉末９を供給すべく動作した後、スキージング装置５２がステージ５上の金属粉末９を所定の厚さにならし、新しい粉末層を形成する。

そして、新しい粉末層を形成後、電子光学系制御部３７が、その粉末層に対する電子ビームの補正照射位置を設定して電子光学系２を制御する。

［造形座標の補正値を設定する方法］
ここで、造形座標の補正値を設定する方法について図６及び図７を参照して説明する。

図６は、造形物の歪み量を測定する方法を説明する図である。ステージ５のＺ座標ごとの補正値は、予め照射位置（造形座標）を補正しない状態で造形することにより作成した造形物７０のＺ方向（鉛直方向）に垂直な方向の歪み量から求める。この歪み量は、ステージ５のＺ方向に垂直な方向の位置ずれ量に相当する。ステージ５を段階的に下方に移動させ、造形物７０の複数個所で歪み量を測定し記憶する。造形座標の補正値のうち、Ｘ座標の補正値を「Ｘ補正値」、Ｙ座標の補正値を「Ｙ補正値」と称する。

補正値の算出に用いる造形物７０は、少なくともＹＺ平面に平行な面と、ＸＺ平面に平行な面を有することが望ましい。ただし、歪みがＸ方向又はＹ方向のいずれか一方にのみ発生することが分かっている場合や、他方の歪み量が無視できるくらい小さい場合には、Ｘ補正値又はＹ補正値のうちいずれか一方のみを求めればよい。

図６では、造形物７０の歪み量を、第１の測定位置７１、第２の測定位置７２で測定した様子が示されている。第１の測定位置７１は造形物７０の高さ方向の中間位置であり、第１の測定位置７１では歪み量が“Ｄ１”である。また、第２の測定位置７２は造形物７０の上面であり、第２の測定位置７２では歪み量が“Ｄ２”である。歪み量は、例えば３次元測定機などの測定値と造形物７０の積層造形データとに基づいて算出することができる。

図７に、図５の歪み補正テーブル３７５の構造の例を示す。図７では、造形開始時のステージ５のＺ座標を０［μｍ］とし、３か所以上の位置で歪みを測定して補正値を設定している。ステージ５のＺ座標が０［μｍ］のとき、Ｘ補正値及びＹ補正値ともに０［μｍ］である。

図７では、ステージ５のＺ座標が４８００００［μｍ］のとき、Ｘ補正値が−４．８０［μｍ］、Ｙ補正値が２．４８［μｍ］である。これは、Ｚ座標が４８００００［μｍ］のとき、Ｘ方向の歪みが４．８０［μｍ］、Ｙ方向の歪みが−２．４８［μｍ］であったことを意味する。ステージ５のＺ座標が５４００００［μｍ］のとき、Ｘ補正値が−５．４０［μｍ］、Ｙ補正値が２．７９［μｍ］である。ステージ５のＺ座標が６０００００［μｍ］のとき、Ｘ補正値が−６．００［μｍ］、Ｙ補正値が３．１０［μｍ］である。

なお、造形物の歪みが線形である場合には、歪み量の測定データ（Ｚ座標ごとの測定データ）は少なくとも２点あればよい。すなわち、歪み補正テーブル３７５は、少なくともステージ５のＺ方向上の２つの位置に対する補正値を備えていればよい。例えば、歪み補正テーブル３７５に設定された補正値のうち、０［μｍ］と６０００００［μｍ］の２箇所のＺ座標に対する補正値を用いて、その他のＺ座標に対する補正値を補間により求めることができる。一方、造形物の歪みが線形ではない場合、すなわち高さごとに歪み量（歪みの傾向）が異なる場合、３点以上の多数の測定データに基づく補正値を用意することが望ましい。

図５では歪み補正テーブル３７５を用いたが、Ｚ座標と補正値（Ｘ補正値、Ｙ補正値）との関係を定義した計算式を用いて照射位置を補正してもよい。ＲＯＭ３２又は補助記憶装置３４に、歪み補正テーブル３７５及び計算式を記憶する。

以上のとおり、第１の実施形態における３次元積層造形装置１は、ステージ５と、ステージ５を鉛直方向（Ｚ方向）に駆動するＺ駆動機構１２Ａ、１２Ｂと、ステージ５上に粉末試料（金属粉末９）を供給して粉末層を形成する粉末層形成部（ホッパ５１、スキージング装置５２）と、目的の造形物１０を形成するための積層造形データ５０に基づいて、造形物１０の高さ方向の位置に応じて粉末層に造形用ビームを照射する電子光学系２と、電子光学系２を制御する電子光学系制御部３７と、を備え、粉末層の形成と造形用ビームの照射を繰り返す。
そして、電子光学系制御部３７は、積層造形データ５０に基づいて、ステージ５の鉛直方向における位置（Ｚ座標）ごとに、粉末層に対する造形用ビームの照射位置（造形座標）を設定する処理と、ステージ５の鉛直方向における位置ごとに、造形用ビームの照射位置に補正値を加算して補正照射位置を算出する処理と、ステージ５の鉛直方向における位置ごとに、造形用ビームが補正照射位置に照射されるように電子光学系を制御する処理と、を実行する。

上述のように構成された第１の実施形態によれば、ステージ５の鉛直方向の位置（Ｚ座標）に基づいて造形用ビーム照射位置（造形座標）の適切な補正値（Ｘ補正値、Ｙ補正値）を設定する。これにより、ステージ５の移動（降下）に伴う造形物１０の高さ方向（Ｚ方向）に垂直な方向の歪みを防止することができる。

また、本実施形態では、造形物１０の高さ方向に垂直な方向の歪みに対する補正値（歪み補正テーブル３７５又は計算式）を、積層造形データ５０とは別に３次元積層造形装置１内に保持する。これにより、３次元積層造形装置１の造形用ビーム照射位置の補正値を意識せずに、積層造形データを作成することができる。言い換えれば、積層造形データを作成する際に、３次元積層造形装置１（特にＺ駆動機構）の固体差を考慮する必要がない。このため、積層造形データを作成する際の負荷が軽減される。

なお、本実施形態では、ステージ５がＺ方向（鉛直方向）ではなく、斜め方向に降下することを前提として説明したが、この例に限らない。例えば、ステージ５がＺ方向（鉛直方向）に正確に移動する場合であっても、既述のとおりＺ駆動機構又は３次元積層造形装置の構造によっては、ステージ５が横方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に振れることがある。ここで、ステージ５のＺ方向の位置と、ステージ５の横方向の振れ量（造形物の歪み量）との間に、一定の傾向が存在する場合には、本発明の横方向の歪みを補正する方法を適用することで、歪みを防止することが可能である。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態では、電子光学系制御部３７が、電子ビーム照射の際に読み込んだ積層造形データ５０に対し、ステージ５の高さ位置ごとの歪み量に基づく補正値を反映し、積層造形を行う。これに対し、第２の実施形態は、ステージ５の高さ位置ごとの歪み補正量を反映した補正積層造形データを予め用意しておき、この補正積層造形データを使用して造形する例である。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る電子光学系制御部３７Ａの内部構成例を示すブロック図である。電子光学系制御部３７Ａは、メイン制御部３７１、積層造形データ転送部３７２、造形座標設定部３７３、補正値設定部３７４、歪み補正テーブル３７５、加算部３７６、及び走査偏向回路３７７を備える。すなわち、第２の実施形態では、電子光学系制御部３７Ａに補正値設定部３７４及び歪み補正テーブル３７５が不要となる。

上述のように構成された第２の実施形態によれば、電子光学系制御部３７が使用する積層造形データ５０Ａに、予め造形用ビーム照射位置（造形座標）の補正値が反映されている。このため、第２の実施形態は、第１の実施形態による効果に加えて、次のような効果がある。すなわち、電子光学系制御部３７は、積層造形の過程で粉末層に電子ビームを照射する度に、補正値を設定して照射位置（造形座標）に反映する処理が不要となる。それゆえ、電子光学系制御部３７の構成が、電子光学系制御部３７と比較して簡素化される。

さらに、本発明は上述した各実施形態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。

例えば、上述した各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために３次元積層造形装置の構成を詳細か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要素を備えるものに限定されない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成要素に置き換えることが可能である。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成要素を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成要素の追加又は置換、削除をすることも可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。ハードウェアとして、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などを用いてもよい。例えば、Ｚ駆動制御部３５、粉末層形成制御部３６、及び電子光学系制御部３７，３７Ａを、ハードウェアで実現してもよい。また、これらの各制御部の動作は、ソフトウェアによって行われてもよい。ソフトウェアによって行われる場合には、例えば各制御部に設けられるＣＰＵその他の演算処理装置が、各制御部の内部に設けられたＲＯＭ等の記録媒体に保存されたコンピュータプログラムを読み出して順次実行することによって行われるようにしてもよい。

１…３次元積層造形装置、 ２…電子光学系（電子銃）、 ３…真空容器、 ４…造形枠、 ５…ステージ、 ８…Ｚ駆動機構支持部、 ９…金属粉末、 １２Ａ，１２Ｂ…Ｚ駆動機構、 ３０…造形制御装置、 ３１…ＣＰＵ、 ３４…補助記憶装置、 ３５…Ｚ駆動制御部、 ３６…粉末層形成制御部、 ３７，３７Ａ…電子光学系制御部、 ５０…積層造形データ、 ５１…ホッパ、 ５２…スキージング装置、 ５３…Ｚ駆動回路、 ５４…ホッパ／スキージング駆動回路、 ６５…偏向部、 ３７１…メイン制御部、 ３７２…積層造形データ転送部、 ３７３…造形座標設定部、 ３７４…補正値設定部、 ３７５…歪み補正テーブル、 ３７６…加算部、 ３７７…走査偏向回路

Claims (3)

1. ステージと、
   前記ステージを鉛直方向に駆動する駆動機構と、
   前記ステージ上に粉末試料を供給して粉末層を形成する粉末層形成部と、
   目的の造形物を形成するための積層造形データに基づいて、前記造形物の高さ方向の位置に応じて前記粉末層に造形用ビームを照射する電子光学系と、
   前記電子光学系を制御する電子光学系制御部と、を備え、
   前記粉末層の形成と前記造形用ビームの照射を繰り返す３次元積層造形装置であって、
   前記電子光学系制御部は、前記積層造形データに基づいて、前記ステージの鉛直方向における位置ごとに、前記粉末層に対する前記造形用ビームの照射位置を設定する処理と、前記ステージの鉛直方向における位置ごとに、前記造形用ビームの照射位置に補正値を加算して補正照射位置を算出する処理と、前記ステージの鉛直方向における位置ごとに、前記造形用ビームが前記補正照射位置に照射されるように前記電子光学系を制御する処理と、を実行する
   ３次元積層造形装置。
2. 前記補正値は、予め前記照射位置を補正しない状態で造形することにより作成した造形物の鉛直方向に垂直な方向の歪み量に基づいて設定される
   請求項１に記載の３次元積層造形装置。
3. 少なくとも前記ステージの鉛直方向上の２つの位置に対する前記補正値を備えた歪み量補正テーブル、を備える
   請求項２に記載の３次元積層造形装置。

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