JP2021188078A - 三次元造形装置および三次元造形物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粉末材料を速やかに昇温させて粉末材料に電子ビームを照射した際の粉末材料の飛散を防止できる三次元造形装置を得ること。【解決手段】三次元造形装置１Ａは、粉末材料Ａが収納される粉末収納部を有する収納タンクと、電子ビームＢを出射し、粉末材料Ａに電子ビームＢを照射する電子ビーム出射部２と、照射領域３７を覆い、電子ビームＢが照射された粉末材料Ａから放射された輻射熱を受けて昇温するとともに、昇温した後に照射領域３７の粉末材料Ａに対して輻射熱を放射する輻射シールド３８と、を備える。輻射シールド３８は、粉末収納部から排出される粉末材料Ａを照射領域３７に供給するための粉末流路を、粉末材料Ａから放射された輻射熱を受ける面に隣り合う領域に有する。【選択図】図１

Description

本開示は、三次元の物体を造形する三次元造形装置および三次元造形物の製造方法に関する。

従来、電子ビームを照射することにより溶融固化させることができる金属粉末材料を電子ビームの照射によって選択的に固化させる工程を繰り返すことにより三次元造形物を製造する三次元造形装置が用いられている。電子ビームを使用した三次元造形装置においては、金属粉末材料に電子ビームを照射した際に、帯電した金属粉末材料同士のクーロン力による反発によって金属粉末材料が飛散してしまう。このため、金属粉末材料に対して電子ビームを照射する際には、金属粉末材料の帯電を抑制することが必要である。

特許文献１には、敷き詰められた粉末層に対向するように配されて粉末層の表面からの熱輻射によって加熱される輻射シールドを備え、加熱された輻射シールドからの熱輻射によって粉末層の表面が予熱される三次元造形装置が開示されている。

特許第６６３９７３５号公報

しかしながら、上記特許文献１によれば、輻射シールドにより粉末層の表面の保温性を高めることができるが、粉末材料を予め加熱する機能は備えておらず、レーザビームが照射される粉末材料をより速やかに昇温させる観点で改良の余地がある。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、粉末材料を速やかに昇温させて粉末材料に電子ビームを照射した際の粉末材料の飛散を防止できる三次元造形装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる三次元造形装置は、電子ビームの照射領域に供給された粉末材料を電子ビームの照射によって選択的に固化させる処理を繰り返すことにより三次元造形物を製造する三次元造形装置である。三次元造形装置は、粉末材料が収納される粉末収納部を有する収納タンクと、電子ビームを出射し、粉末材料に電子ビームを照射する電子ビーム出射部と、照射領域を覆い、電子ビームが照射された粉末材料から放射された輻射熱を受けて昇温するとともに、昇温した後に照射領域の粉末材料に対して輻射熱を放射する輻射シールドと、を備える。輻射シールドは、粉末収納部から排出される粉末材料を照射領域に供給するための粉末流路を、粉末材料から放射された輻射熱を受ける面に隣り合う領域に有する。

本開示にかかる三次元造形装置によれば、粉末材料を速やかに昇温させて粉末材料に電子ビームを照射した際の粉末材料の飛散を防止できる、という効果を奏する。

実施の形態１にかかる三次元造形装置の概要構成を示す模式図 実施の形態１にかかる三次元造形装置の造形部および輻射シールドの構成を示す模式図 実施の形態１にかかる三次元造形装置の輻射シールドとホッパとシャッターとを示す斜視図 実施の形態１にかかる三次元造形装置の動作の手順を示すフローチャート 実施の形態１にかかる三次元造形装置において電子ビームが照射された粉末材料から発生する熱輻射を説明する図 実施の形態１にかかる三次元造形装置において昇温した輻射シールドから発生する熱輻射を説明する図 実施の形態２にかかる三次元造形装置の概要構成を示す模式図 実施の形態２にかかる三次元造形装置の造形部およびホッパの構成を示す模式図 実施の形態２にかかる三次元造形装置のホッパとシャッターとを示す斜視図 実施の形態３にかかる三次元造形装置の概要構成を示す模式図

以下に、実施の形態にかかる三次元造形装置および三次元造形物の製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａの概要構成を示す模式図である。図２は、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａの造形部３および輻射シールド３８の構成を示す模式図である。図３は、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａの輻射シールド３８とホッパ３４とシャッター４２とを示す斜視図である。図１および図２は、三次元造形装置１Ａを側面から見た状態を示している。

三次元造形装置１Ａは、照射領域３７に粉末材料Ａを供給した後に、粉末材料Ａを敷き均す。そして、三次元造形装置１Ａは、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射することにより粉末材料Ａを溶融させ、その後、溶融した粉末材料Ａを凝固させる。三次元造形装置１Ａは、これらの動作を繰り返して行うことによって、溶融固化した粉末材料Ａが堆積された三次元物体である三次元造形物Ｏの造形を行う。すなわち、三次元造形装置１Ａは、電子ビームＢの照射領域３７に供給された粉末材料Ａを電子ビームＢの照射によって選択的に固化させる処理を繰り返すことにより三次元造形物Ｏを製造する。

本実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａは、電子ビーム出射部２と、造形部３と、制御部４と、を備える。なお、以下の説明において、上下方向は、電子ビーム出射部２から電子ビームＢが出射される方向に平行な方向であり、鉛直方向に対応する。

電子ビーム出射部２は、電子ビームＢを出射して、造形部３に配置された粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射する。電子ビーム出射部２から出射された電子ビームＢは、後述する照射領域３７に敷き均された粉末材料Ａに照射される。電子ビームＢが粉末材料Ａに照射されることにより、粉末材料Ａは溶融し、その後、凝固する。また、電子ビーム出射部２は、三次元造形物Ｏの造形を行う前に粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射し、粉末材料Ａの予備的な加熱を行ってもよい。

電子ビーム出射部２は、電子銃部２１と、収束コイル２２と、偏向コイル２３と、を備える。電子銃部２１と収束コイル２２と偏向コイル２３とは、例えば、電子ビーム出射部２の筐体であって筒状を呈するコラム２４の内部に設置される。

電子銃部２１は、制御部４と電気的に接続されている。電子銃部２１は、制御部４から送信される制御信号を受信し、受信した制御信号に基づいて作動する。電子銃部２１は、電子ビームＢを出射する。電子銃部２１は、例えば、電子銃部２１の下方に向けて電子ビームＢを出射する。本実施の形態１では、電子銃部２１は、電子銃部２１の下方に向けて鉛直方向下向きに電子ビームＢを出射するものとする。

収束コイル２２は、制御部４と電気的に接続されている。収束コイル２２は、電子ビームＢを収束させる。偏向コイル２３は、制御部４と電気的に接続されている。偏向コイル２３は、制御部４から送信される制御信号を受信し、受信した制御信号に基づいて作動する。偏向コイル２３は、制御信号に基づいて電子ビームＢの照射位置を調整する。偏向コイル２３は、電子ビームＢの電磁的なビーム偏向を行う。したがって、偏向コイル２３は、機械的なビーム偏向と比べて、電子ビームＢの照射時における走査速度を高速なものとすることができる。

制御部４は、三次元造形装置１Ａの装置全体の制御を行う電子制御ユニットである。制御部４は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を含むコンピュータにより実現される。制御部４は、後述するプレート３１を昇降させる制御であるプレート３１の昇降制御、後述するシャッター４２を開閉させる制御であるシャッター４２の開閉制御、後述するスキージ３３を作動させる制御であるスキージ３３の作動制御、電子ビームＢの出射の制御である電子ビームＢの出射制御、および偏向コイル２３を作動させる制御である偏向コイル２３の作動制御を実行する。

制御部４は、プレート３１の昇降制御として、昇降機３２に制御信号を送信することにより、昇降機３２を作動させる。昇降機３２の作動によって、プレート３１の上下位置が調整される。制御部４は、プレート３１上へ所望の粉末供給量の粉末材料Ａが供給されるように、シャッター４２に対して制御信号を送信して、シャッター４２の開閉を作動させる。シャッター４２の開閉によって、所望の粉末供給量の粉末材料Ａが、照射領域３７および照射領域３７の周辺を含むプレート３１上へ供給される。制御部４は、スキージ３３の作動制御として、電子ビームＢの出射前にスキージ３３を作動させる。スキージ３３の作動によって、プレート３１上に配置された粉末材料Ａが均される。制御部４は、電子ビームＢの出射制御として、電子銃部２１に制御信号を送信する。制御部４から電子銃部２１に送信された制御信号に基づいて、電子銃部２１から電子ビームＢが出射される。

制御部４は、偏向コイル２３の作動制御として、偏向コイル２３に制御信号を送信する。制御部４から偏向コイル２３に送信された制御信号に基づいて、電子ビームＢの照射位置が制御される。例えば、制御部４には、造形すべき物体の三次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ）データが入力される。制御部４は、入力された三次元ＣＡＤデータに基づいて、造形すべき三次元造形物Ｏを二次元においてスライスしたときのデータである二次元のスライスデータを生成する。スライスデータは、例えば、造形すべき三次元造形物Ｏの水平断面のデータである。スライスデータは、上下方向における位置に対応した多数のデータの集合体である。制御部４は、スライスデータに基づいて、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射する領域である照射領域３７を決定する。照射領域３７は、粉末材料Ａに対して電子ビームＢが照射されて三次元造形物Ｏが形成される造形領域といえる。そして、制御部４は、決定した照射領域３７に対応して、偏向コイル２３に制御信号を送信する。

造形部３は、所望の三次元造形物Ｏが造形される部位である。造形部３は、チャンバ３０内に粉末材料Ａが配置される。造形部３は、チャンバ３０の内部に、プレート３１と、昇降機３２と、スキージ３３と、ホッパ３４と、昇降ステージ３５と、造形タンク３６と、輻射シールド３８と、ホッパ３４と輻射シールド３８とを接続する接続部３９と、を備える。チャンバ３０内は、真空またはほぼ真空な状態である。

プレート３１は、造形タンク３６の内部に配置され、粉末材料Ａおよび造形される三次元造形物Ｏを支持する。三次元造形物Ｏは、プレート３１上で造形される。プレート３１は、例えば矩形状の板状体である。プレート３１は、矩形状の板状体の他に、円状の板状体であってもよい。プレート３１は、電子ビーム出射部２から出射される電子ビームＢの出射方向の延長線上に配置されている。本実施の形態１では、電子ビーム出射部２から出射される電子ビームＢの出射方向は、電子銃部２１から鉛直方向下向きの方向である。プレート３１は、例えば、面内方向が水平方向と平行とされて設けられる。プレート３１は、プレート３１の下方に設置されている昇降ステージ３５に支持されている。プレート３１は、昇降ステージ３５と共に上下方向に移動する。

昇降機３２は、プレート３１の下方に設置され、プレート３１を支持するとともにプレート３１を昇降させる。昇降機３２は、制御部４と電気的に接続されている。昇降機３２は、制御部４から送信される制御信号を受信し、受信した制御信号に基づいて作動する。昇降機３２は、昇降ステージ３５と共にプレート３１を上下方向に移動させることにより、上下方向におけるプレート３１の位置を調節することができる。

例えば、昇降機３２は、三次元造形装置１Ａにおける三次元造形物Ｏの造形の初期において昇降ステージ３５と共にプレート３１を上方へ移動させる。昇降機３２は、プレート３１上における粉末材料Ａの溶融および凝固によって粉末材料Ａが積層されるごとに、プレート３１を降下させる。昇降機３２は、プレート３１を昇降できる構造のものであれば、構造は特に制限されない。

造形タンク３６は、例えば、角筒状に形成されている。造形タンク３６の角筒状の軸方向は、プレート３１の移動方向、すなわち上下方向と平行とされている。角筒状の軸方向と垂直な面における造形タンク３６の断面形状は、プレート３１の外形形状と相似な形状である、矩形形状である。角筒状の軸方向と垂直な面は、水平方向と平行な面である。したがって、また、角筒状の軸方向と垂直な面における造形タンク３６の断面は、水平断面である。

昇降ステージ３５の面内方向における外形形状は、造形タンク３６の水平断面の内側形状に対応している。つまり、造形タンク３６の内側形状が水平断面で矩形である場合、昇降ステージ３５の外形形状も矩形である。これにより、造形タンク３６に供給される粉末材料Ａは、昇降ステージ３５の下方へ漏れ落ちにくくなる。また、粉末材料Ａが昇降ステージ３５の下方へ漏れ落ちることを抑制するために、昇降ステージ３５の外縁部にシール材を設けてもよい。なお、造形タンク３６の水平断面の内側形状の形状は、矩形に限定されない。造形タンク３６の形状は、水平断面円形の円筒状であってもよい。

粉末材料Ａは、固化して三次元造形物Ｏを構成する粉末状の材料であり、多数の粉末体により構成される。粉末材料Ａは、電子ビーム出射部２から出射された電子ビームＢが照射されることで溶融凝固または焼結する。粉末材料Ａとしては、例えば金属粉末が用いられる。また、粉末材料Ａとしては、電子ビームＢの照射により溶融凝固または焼結可能なものであれば、粉末より粒径の大きい粒体を用いてもよい。すなわち、本実施の形態１における粉末材料とは、粉末体と流体との少なくとも一方を含むものとする。

スキージ３３は、プレート３１の上方に配される粉末材料Ａをプレート３１上において敷き均す。スキージ３３は、例えば、棒状の部材または板状の部材が用いられる。スキージ３３は、これらの部材を水平方向に移動させることにより、粉末材料Ａの表面を敷き均す。スキージ３３は、図示しないアクチュエータおよび機構により移動させられる。なお、粉末材料Ａを敷き均す機構としては、スキージ３３以外の機構を用いることができる。

ホッパ３４は、チャンバ３０の内部において予め決められた高さに支持され、粉末材料Ａを収容する収容タンクである。ホッパ３４は、粉末材料Ａが収納される粉末収納部３４１と、ホッパ３４の下部、すなわち粉末収納部３４１の下部に形成されて粉末材料Ａをホッパ３４の外部に排出する排出口３４２と、を有する。排出口３４２から排出された粉末材料Ａは、後述する接続部３９および輻射シールド３８の内部に設けられた流路を通って、プレート３１上へ供給される。または、排出口３４２から排出された粉末材料Ａは、スキージ３３によってプレート３１上へ供給される。

輻射シールド３８は、チャンバ３０の内部において予め決められた高さに支持され、プレート３１上において電子ビームＢが照射される領域である照射領域３７の全体を覆うように設けられている。輻射シールド３８は、上面視において照射領域３７の全体を覆って設けられており、照射領域３７の面方向において照射領域３７の全体を含むように設けられている。照射領域３７の面方向は、水平方向に平行な方向であり、電子ビームＢの進行方向に垂直な面に平行な方向である。

輻射シールド３８は、下底部分が開放されて内部が中空とされた四角錐台形状を有する。輻射シールド３８は、電子ビームＢが通る中空部である中空部３８１を有する。輻射シールド３８は、四角錐台形状の下底部分および上底部分が水平方向に平行とされて配置されている。

輻射シールド３８の外形形状および中空部３８１は、側面視において下方へ向かうほど幅が広がる台形状、すなわち照射領域３７に近いほど幅が広がる台形状を有し、側面視において下方へ向かうほど水平方向に平行な方向の断面積が大きくなっている。また、輻射シールド３８が設置される高さは、スキージ３３の移動を妨げない範囲であれば、特に限定されない。

輻射シールド３８は、電子ビーム出射部２と対向する開口部４１が上端面３８２に設けられている。そして、輻射シールド３８は、電子ビームＢが通る中空部３８１が上端から下端にわたって内部に形成されているため、電子ビーム出射部２から照射領域３７への電子ビームＢの照射が輻射シールド３８に妨げられることはない。

輻射シールド３８の内部には、ホッパ３４の排出口３４２から排出された粉末材料Ａが流動する流路である粉末流路３８３が設けられている。粉末流路３８３は、後述するように、電子ビームＢが照射された粉末材料Ａから放射された輻射熱を受ける面に隣り合う領域に設けられている。また、輻射シールド３８の下端には、粉末流路３８３を流れた粉末材料Ａをプレート３１へ供給する粉末供給口３８４が設けられている。また、輻射シールド３８は、接続部３９を介してホッパ３４と接続されている。接続部３９の内部は、ホッパ３４の排出口３４２と、輻射シールド３８の粉末流路３８３とを接続し、排出口３４２から排出された粉末材料Ａが粉末流路３８３に流れる流路である接続部流路３９１とされている。

ホッパ３４に貯留された粉末材料Ａは、ホッパ３４の排出口３４２から接続部３９の内部の接続部流路３９１に排出される。接続部流路３９１に排出された粉末材料Ａは、接続部流路３９１を通って輻射シールド３８の内部の粉末流路３８３に流れる。粉末流路３８３に流れた粉末材料Ａは、重力によって下方に流動し、粉末供給口３８４から流れ出る。

粉末供給口３８４には、粉末供給口３８４を開閉するためのシャッター４２が設けられている。これにより、プレート３１上へ供給される粉末材料Ａの供給量である粉末供給量と、粉末材料Ａの供給のタイミングとを任意に制御することができる。

粉末供給口３８４から流れ出た粉末材料Ａは、照射領域３７の周辺に、安息角をなして滞在する。スキージ３３の動作によって粉末材料Ａが移動すると、適宜シャッター４２が開閉され、順次、粉末材料Ａが落下供給される。これにより、三次元造形装置１Ａでは、途切れることなく安定的に粉末材料Ａをプレート３１上の照射領域３７の周辺に供給することができる。なお、ここでは、粉末供給口３８４にシャッター４２が設けられた例を示したが、三次元造形装置１Ａはシャッター４２が設けられていない構成とすることも可能である。シャッター４２が設けられていない構成の場合、粉末材料Ａが自然に粉末供給口３８４から落下供給される。

輻射シールド３８は、照射領域３７に配置されて電子ビームＢが照射されることにより昇温した粉末材料Ａの表面から放射される輻射熱を受け、昇温する。輻射シールド３８は、昇温した粉末材料Ａの表面から放射される輻射熱を受けて、速やかに熱的に定常な状態に至ることが好ましい。このため、輻射シールド３８は、０．１ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下の薄板の板金部品によって形成されている。輻射シールド３８を薄板の板金部品によって構成することにより、輻射シールド３８の熱容量を小さく抑えることができ、輻射シールド３８の温度が、速やかに上昇して一定温度で飽和する。

また、輻射シールド３８は、粉末流路３８３以外の部分では、複数枚の薄板の板金部品を重ねることによって多層構造に構成されている。これにより、輻射シールド３８は、輻射シールド３８の保温性をより高めることができる。輻射シールド３８は、１枚の薄板の板金部品のみで構成した場合よりも熱容量が大きくなり、昇温した輻射シールド３８の温度がより長時間にわたって維持され、輻射シールド３８の保温性が向上する。すなわち、輻射シールド３８は、粉末流路３８３に隣り合う領域以外の部分の熱容量を粉末流路３８３に隣り合う領域の熱容量よりも大きくすることにより、昇温した輻射シールド３８の温度がより長時間にわたって維持され、輻射シールド３８の保温性が向上する。例えば、輻射シールド３８における粉末流路３８３以外の部分を、３枚の薄板の板金部品を重ねて構成することによって、より高い輻射シールド３８の保温性を得ることができる。

つぎに、上述した構成を有する実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａを用いた三次元造形物Ｏの製造方法について説明する。図４は、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａの動作の手順を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１０において、粉末材料Ａの供給工程が行われる。粉末材料Ａの供給工程では、制御部４は、プレート３１上へ所望の粉末供給量の粉末材料Ａが供給されるように、シャッター４２に対して制御信号を送信して、シャッター４２の開閉の制御を行う。これにより、所望の粉末供給量の粉末材料Ａが、照射領域３７および照射領域３７の周辺を含むプレート３１上へ供給される。

つぎに、ステップＳ２０において、電子ビームＢの照射工程が行われる。電子ビームＢの照射工程では、制御部４は、粉末材料Ａを溶融凝固させるための電子ビームＢを電子ビーム出射部２から出射させて、照射領域３７に配置された粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射させる。

図５は、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａにおいて電子ビームＢが照射された粉末材料Ａから発生する熱輻射Ｈ１を説明する図である。照射領域３７に配置された粉末材料Ａに電子ビームＢが照射されると、電子ビームＢが照射された粉末材料Ａが昇温して溶融するとともに、図５に示すように電子ビームＢが照射された粉末材料Ａからプレート３１の上方に向かって熱輻射Ｈ１が発生する。ここで、輻射シールド３８は、照射領域３７の全体の領域を上方から覆うように設けられているため、プレート３１の上方に向かう熱輻射Ｈ１の大部分を回収し昇温する。

図６は、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａにおいて昇温した輻射シールド３８から発生する熱輻射Ｈ２を説明する図である。輻射シールド３８の表面が昇温すると、昇温した輻射シールド３８の表面からは、図６に示すようにプレート３１に配置された粉末材料Ａの表面に向かって熱輻射Ｈ２が発生する。そして、照射領域３７に配置された粉末材料Ａを含む、プレート３１上に配置された粉末材料Ａは、昇温した輻射シールド３８からの熱輻射Ｈ２によって昇温し、保温される。これにより、プレート３１上に配置されて電子ビームＢが照射されていない粉末材料Ａは、昇温した輻射シールド３８からの熱輻射Ｈ２によって昇温し、保温される。電子ビームＢが照射されていない粉末材料Ａは、昇温し、保温されることによって、粉末材料Ａへの電荷の蓄積が緩和され、帯電が抑制される。粉末材料Ａが保温される温度は、粉末材料Ａの融点未満の温度である。

また、照射領域３７において電子ビームＢが照射されて昇温した粉末材料Ａからは、電子ビームＢが照射されていない粉末材料Ａへの熱移動が発生する。これにより、プレート３１上に配置されて電子ビームＢが照射されていない粉末材料Ａは、電子ビームＢが照射されて昇温した照射領域３７の粉末材料Ａからの熱移動によっても昇温し、保温される。粉末材料Ａが保温される温度は、粉末材料Ａの融点未満の温度である。

つぎに、ステップＳ３０において、制御部４は、三次元造形物Ｏの造形が完了したか否
かを判定する。三次元造形物Ｏの造形が完了したと判定された場合は、ステップＳ３０においてＹｅｓとなり、制御部４は、一連の三次元造形物Ｏの造形の制御処理を終了する。三次元造形物Ｏの造形が完了していないと判定された場合は、ステップＳ３０においてＮｏとなり、制御部４は、ステップＳ１０に戻り、三次元造形物Ｏの造形の制御処理を継続する。

上記のように、三次元造形装置１Ａでは、三次元造形物Ｏを形成する照射領域３７に粉末材料Ａを供給し、照射領域３７に供給した粉末材料Ａに選択的に電子ビームＢを照射して粉末材料Ａを溶融凝固させる工程を、三次元造形物Ｏが形成されるまで複数回繰り返し行うことで、溶融凝固した複数層の粉末層を積層して三次元造形物Ｏを得ることができる。そして、三次元造形装置１Ａを用いた三次元造形物の製造方法では、電子ビームＢの照射領域３７に供給された粉末材料Ａを電子ビームＢの照射によって選択的に固化させる処理を繰り返すことにより三次元造形物Ｏを製造することができる。

このような電子ビームＢを使用した三次元造形装置１Ａにおいては、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射した際に、帯電した粉末材料Ａ同士のクーロン力による反発によって粉末材料Ａが飛散してしまう。このため、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射する際には予め粉末材料Ａの帯電を抑制する処置が必要不可欠となっている。

上記のように、三次元造形装置１Ａでは、プレート３１上に配置されて電子ビームＢが照射されていない粉末材料Ａは、昇温した輻射シールド３８からの熱輻射Ｈ２によって昇温し、保温される。また、プレート３１上に配置されて電子ビームＢが照射されていない粉末材料Ａは、電子ビームＢが照射されて昇温した照射領域３７の粉末材料Ａからの熱移動によっても昇温し、保温される。粉末材料Ａが保温される温度は、粉末材料Ａの融点未満の温度である。

これにより、三次元造形装置１Ａでは、プレート３１上に配置されて電子ビームＢが照射されていない粉末材料Ａを、電子ビームＢを照射しても粉末材料Ａの飛散が生じない温度に昇温させて保温することができ、プレート３１上に配置されて電子ビームＢが照射されていない粉末材料Ａの帯電を抑制することができる。このため、三次元造形装置１Ａでは、昇温し、保温された粉末材料Ａに電子ビームＢを照射して粉末材料Ａを溶融凝固させる際の、粉末材料Ａの飛散の発生を抑制することができる。

そして、三次元造形装置１Ａでは、シャッター４２が閉じられている状態において、接続部流路３９１に粉末材料Ａが充填されている。接続部流路３９１に充填されている粉末材料Ａは、昇温した輻射シールド３８からの熱移動によって昇温し、保温される。このため、三次元造形装置１Ａでは、つぎにシャッター４２が開かれて照射領域３７および照射領域３７の周辺を含むプレート３１上へ供給された粉末材料Ａは、電子ビームＢが照射されても粉末材料Ａの飛散が生じない温度に保温されている。

そして、この粉末材料Ａは、昇温し、保温されることによって、粉末材料Ａへの電荷の蓄積が緩和され、帯電が抑制されている。これにより、三次元造形装置１Ａは、照射領域３７に供給された粉末材料Ａに電子ビームＢを照射した際に、粉末材料Ａの飛散の発生を抑制することができる。したがって、三次元造形装置１Ａでは、照射領域３７に供給された粉末材料Ａに電子ビームＢを照射した際の粉末材料Ａの飛散の発生をより確実に抑制することができる。

また、三次元造形装置１Ａは、電子ビームＢが照射されていない粉末材料Ａの温度を、電子ビームＢを照射しても粉末材料Ａの飛散が生じない温度に保つことによる帯電の抑制の効果に加え、副次的な効果として、粉末材料Ａを溶融凝固させるときに三次元造形体である溶融凝固した粉末層に生じる熱ひずみおよび残留応力を低減する効果を得ることができる。

また、三次元造形装置１Ａは、電子ビームＢが照射されていない粉末材料Ａの温度を、電子ビームＢを照射しても粉末材料Ａの飛散が生じない適切な温度に保持することによって、例えば三次元造形物Ｏを形成後に一般的に実施される熱処理を兼ねることが可能となる。すなわち、三次元造形物Ｏを形成後に、三次元造形物Ｏを三次元造形装置１Ａから取り出さずに予め決められた時間だけ保持することにより、三次元造形物Ｏを形成後に実施される熱処理を三次元造形装置１Ａにおいて実施することも可能である。この場合の適切な温度は、粉末材料Ａの融点未満の温度であり、三次元造形物Ｏを形成後に実施される熱処理条件を満たす温度である。

上述したように、本実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａでは、輻射シールド３８を備え、輻射シールド３８の内部の粉末流路３８３を経由した粉末材料Ａが照射領域３７に供給される。これにより、三次元造形装置１Ａは、照射領域３７から発せられた輻射熱、すなわち電子ビームＢが照射された粉末材料Ａの表面から発せられた輻射熱を受けて輻射シールド３８が加熱され、照射領域３７を含むプレート３１上に配置された粉末材料Ａに対して輻射シールド３８から輻射熱が発せられることで、プレート３１に配置された粉末材料Ａの表面を昇温させて、粉末材料Ａの表面の保温性を高めることができる。

また、三次元造形装置１Ａは、電子ビームＢが照射された粉末材料Ａから放射された輻射熱を受ける面に隣り合う領域に設けられた、輻射シールド３８の内部の粉末流路３８３に粉末材料Ａが充填されていることで輻射シールド３８自体の保温性が高まり、プレート３１に配置された粉末材料Ａの表面の、熱輻射Ｈ２による保温性をより高めることができる。

また、三次元造形装置１Ａは、電子ビームＢが照射された粉末材料Ａから放射された輻射熱を受ける面に隣り合う領域に粉末流路３８３が設けられ、輻射シールド３８が受けた輻射熱により、輻射シールド３８の内部の粉末流路３８３を流動する粉末材料Ａが加熱されるので、プレート３１に配置された粉末材料Ａの表面を速やかに高温に保つことができる。

すなわち、三次元造形装置１Ａは、照射領域３７に配置された粉末材料Ａの表面を速やかに昇温し、かつ電子ビームＢが照射されても粉末材料Ａの飛散が生じない温度に容易に維持することができる。

三次元造形装置においては、例えば粉末材料を予熱する工程を造形工程内に設けることが考えられる。例えば、予熱工程において、デフォーカスした電子ビームを粉末材料に照射することによって、局所的な帯電を防ぎながら粉末材料を予め高温化することにより、粉末材料の電気抵抗を低下させ、その後の溶融凝固させるための電子ビームの照射により電子が粉末材料に帯電することを抑制可能である。しかしながら、このような予熱工程を実施する場合には、粉末材料を溶融凝固させる前に都度予熱する時間が必要となるので、造形時間が長時間になる、粉末材料を高温に保つことができない場合がある、という問題がある。

また、例えば、粉末材料を加熱するためのヒーターを三次元造形装置が備えることによって、粉末材料の帯電を抑制する方法が考えられる。しかしながら、この場合は、ヒーターの通電時に生じる電場によって電子ビームの軌跡が曲げられ、適切な位置に電子ビームを照射できないおそれがある。

一方、本実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａでは、上記のような問題は発生せず、照射領域３７に配置される粉末材料Ａの表面を速やかに昇温させることが可能である。また、三次元造形装置１Ａでは、昇温した輻射シールド３８の温度がより長時間にわたって維持され、照射領域３７に配置される粉末材料Ａの表面を、電子ビームＢが照射されても粉末材料Ａの飛散が生じない温度に、より長時間にわたって維持することが可能である。

すなわち、本実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａは、粉末材料Ａの加熱のための専用の構成部が不要であり、粉末材料Ａの加熱のための専用の工程が不要であり、制御部４における粉末材料Ａの加熱のための専用の制御が不要であり、制御部４における制御の負荷が増えることがない。

したがって、本実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａによれば、粉末材料Ａを速やかに昇温させて粉末材料Ａに電子ビームＢを照射した際の粉末材料Ａの飛散を防止できる、という効果を奏する。

実施の形態２．
本実施の形態２では、上述した実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａにおいて、ホッパ３４と輻射シールド３８とが接続部３９を介して接続されるのではなく、ホッパ３４ａが輻射シールド３８の機能を兼ねた構成を有する三次元造形装置１Ｂについて説明する。

図７は、実施の形態２にかかる三次元造形装置１Ｂの概要構成を示す模式図である。図８は、実施の形態２にかかる三次元造形装置１Ｂの造形部３およびホッパ３４ａの構成を示す模式図である。図９は、実施の形態２にかかる三次元造形装置１Ｂのホッパ３４ａとシャッター４２とを示す斜視図である。実施の形態２にかかる三次元造形装置１Ｂは、ホッパ３４の代わりに、ホッパ３４ａを有する。三次元造形装置１Ｂにおけるその他の構成は実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａと同様である。なお、上述した三次元造形装置１Ａと同様の構成については、同じ符号を付すことで、詳細な説明を省略する。

ホッパ３４ａは、照射領域３７と相対して、電子ビームＢの照射経路に対して相対する面が、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａの輻射シールド３８の機能を兼ね備える。ホッパ３４ａは、概略、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａにおけるホッパ３４と輻射シールド３８とが一体にされた構造を有する。ホッパ３４ａは、チャンバ３０の内部において予め決められた高さに支持され、プレート３１上において電子ビームＢが照射される領域である照射領域３７の全体を覆うように設けられている。ホッパ３４ａは、上面視において照射領域３７の全体を覆って設けられており、照射領域３７の面方向において照射領域３７の全体を含むように設けられている。照射領域３７の面方向は、水平方向に平行な方向であり、電子ビームＢの進行方向に垂直な面に平行な方向である。

ホッパ３４ａを構成する面のうち、照射領域３７と電子ビームＢの照射経路とに対して相対する面である複数の相対面３４ａ１が、三次元造形装置１Ａの輻射シールド３８に対応する、照射領域３７からの輻射熱を受けて粉末材料Ａに輻射熱を返す輻射シールド３８の機能を備える。

ホッパ３４ａは、複数の相対面３４ａ１に囲まれた空間が、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａの中空部３８１に対応する中空部３４ａ２とされている。複数の相対面３４ａ１は、下底部分が開放されて内部が中空とされた四角錐台形状に配置されて、中空部３４ａ２を囲っている。すなわち、中空部３４ａ２は、四角錐台形状を有する。

中空部３４ａ２の四角錐台形状は、側面視において下方へ向かうほど幅が広がる台形状、すなわち照射領域３７に近いほど幅が広がる台形状を有し、側面視において下方へ向かうほど水平方向に平行な方向の断面積が大きくなっている。また、ホッパ３４ａが設置される高さは、スキージ３３の移動を妨げない範囲であれば、特に限定されない。

ホッパ３４ａは、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａの開口部４１に対応する開口部３４ａ３が上端面３４ａ４に設けられている。ホッパ３４ａは、上端面３４ａ４が水平方向に平行とされて配置されている。そして、ホッパ３４ａは、電子ビームＢが通る中空部３４ａ２が上端から下端にわたって内部に形成されているため、電子ビーム出射部２から照射領域３７への電子ビームＢの照射がホッパ３４ａに妨げられることはない。

ホッパ３４ａの内部には、ホッパ３４ａから排出される粉末材料Ａが流動する流路である粉末流路３４ａ５が設けられている。また、ホッパ３４ａの下端には、粉末流路３４ａ５を流れた粉末材料Ａをプレート３１へ供給する粉末供給口３４ａ６が設けられている。ホッパ３４ａに貯留された粉末材料Ａは、粉末流路３４ａ５を重力によって下方に流動し、粉末供給口３４ａ６から流れ出る。

ホッパ３４ａは、粉末材料Ａが収納される粉末収納部３４１の底部は、重力によって粉末材料Ａが流動し、粉末供給口３４ａ６に向けて流れるように傾斜を備えている。これにより、途切れることなく粉末材料Ａが粉末供給口３４ａ６に向かって流動することができる。

粉末供給口３４ａ６には、粉末供給口３４ａ６を開閉するためのシャッター４２が設けられている。これにより、プレート３１上へ供給される粉末材料Ａの供給量である粉末供給量と、粉末材料Ａの供給のタイミングとを任意に制御することができる。

粉末供給口３４ａ６から流れ出た粉末材料Ａは、照射領域３７の周辺に、安息角をなして滞在する。スキージ３３の動作によって粉末材料Ａが移動すると、適宜シャッター４２が開閉され、順次、粉末材料Ａが落下供給される。これにより、三次元造形装置１Ｂでは、途切れることなく安定的に粉末材料Ａをプレート３１上の照射領域３７の周辺に供給することができる。なお、ここでは、粉末供給口３４ａ６にシャッター４２が設けられた例を示したが、三次元造形装置１Ｂはシャッター４２が設けられていない構成とすることも可能である。シャッター４２が設けられていない構成の場合、粉末材料Ａが自然に粉末供給口３４ａ６から落下供給される。

ホッパ３４ａの相対面３４ａ１は、照射領域３７に配置されて電子ビームＢが照射されることにより昇温した粉末材料Ａの表面から放射される輻射熱を受け、昇温する。相対面３４ａ１は、昇温した粉末材料Ａの表面から放射される輻射熱を受けて、速やかに熱的に定常な状態に至ることが好ましい。このため、相対面３４ａ１は、０．１ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下の薄板の板金部品によって形成されている。相対面３４ａ１を薄板の板金部品によって構成することにより、相対面３４ａ１の熱容量を小さく抑えることができ、相対面３４ａ１の温度が、速やかに上昇して一定温度で飽和する。

また、相対面３４ａ１は、粉末流路３４ａ５を構成する部分以外の部分では、複数枚の薄板の板金部品を重ねることによって多層構造に構成されてもよい。これにより、相対面３４ａ１は、相対面３４ａ１の保温性をより高めることができる。相対面３４ａ１は、１枚の薄板の板金部品のみで構成した場合よりも熱容量が大きくなり、昇温した相対面３４ａ１の温度がより長時間にわたって維持され、相対面３４ａ１の保温性が向上する。例えば、相対面３４ａ１における粉末流路３４ａ５以外の部分を、３枚の薄板の板金部品を重ねて構成することによって、より高い相対面３４ａ１の保温性を得ることができる。

ホッパ３４ａにおいては、相対面３４ａ１と、中空部３４ａ２と、開口部３４ａ３と、粉末流路３４ａ５と、粉末供給口３４ａ６とを用いることによって、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａの輻射シールド３８の機能を実現することができる。

ホッパ３４ａにおいて粉末材料Ａが収納される粉末収納部３４１の水平断面の面積は、相対的に照射領域３７に近い部分において、それ以外より小さくなっている。すなわち、粉末流路３４ａ５の水平断面の面積は、粉末収納部３４１の水平断面の面積よりも小さくなっている。換言すると、ホッパ３４ａにおいては、粉末供給口３４ａ６の直上の領域は、粉末材料Ａが流動する流路の断面積が小さく絞られた形状を備える。

このように、相対的に照射領域３７に近く輻射熱を多く受け、かつ、プレート３１上へ供給される直前の粉末材料Ａが蓄えられている粉末流路３４ａ５の断面積が小さく絞られていることにより、プレート３１上へ供給される直前の粉末材料Ａの温度を安定して電子ビームＢを照射しても粉末材料Ａの飛散が生じない温度に加熱することが可能である。

中空部３４ａ２の四角錐台形状の側面部分を囲う相対面３４ａ１のうち対向する一対の相対面３４ａ１は、図７および図８に示すように粉末収納部３４１の側面を構成している。中空部３４ａ２の四角錐台形状の側面部分を囲う相対面３４ａ１のうち、図７および図８に示されていない対向する他の一対の相対面３４ａ１は、粉末収納部３４１の側面を構成していない。このため、他の一対の相対面３４ａ１には、実施の形態１と同様に輻射シールド３８を備えていてもよい。

上述した本実施の形態２にかかる三次元造形装置１Ｂによれば、上述した実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａと同様の効果を有する。

また、本実施の形態２にかかる三次元造形装置１Ｂによれば、上述した実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａに比べて少ない構成要素で三次元造形装置１Ａと同様の効果を得ることができ、より簡便な装置構成で三次元造形装置１Ａと同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、上述した実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａにおいて、ホッパ３４がチャンバ３０の外部に設けられた構成を有する三次元造形装置１Ｃについて説明する。図１０は、実施の形態３にかかる三次元造形装置１Ｃの概要構成を示す模式図である。

実施の形態３にかかる三次元造形装置１Ｃは、輻射シールド３８の上部において粉末流路に接続されて粉末収納部３４１と粉末流路３８３とを接続する接続部流路３９１を備える。すなわち、実施の形態３にかかる三次元造形装置１Ｃでは、ホッパ３４をチャンバ３０の外側の上部に備えている。輻射シールド３８は、接続部３９を介してホッパ３４と接続されている。接続部３９の内部の接続部流路３９１は、輻射シールド３８における上部において輻射シールド３８の内部の粉末流路３８３に接続している。輻射シールド３８における上部は、たとえば輻射シールド３８の高さにおける中央よりも上の部分である。ホッパ３４の内部とチャンバ３０の内部とはいずれも真空またはほぼ真空な状態とされている。

ホッパ３４に貯留された粉末材料Ａは、ホッパ３４の排出口３４２から接続部３９の内部の接続部流路３９１に排出される。接続部流路３９１に排出された粉末材料Ａは、接続部流路３９１を通って輻射シールド３８の内部の粉末流路３８３に流れる。粉末流路３８３に流れた粉末材料Ａは、重力によって下方に流動し、粉末供給口３８４から流れ出る。

三次元造形装置１Ｃは、チャンバ３０の外部上方にホッパ３４を備えているので、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａに比べて、相対的に高い位置から輻射シールド３８の粉末流路３８３に粉末材料Ａを流動させることができる。このため、三次元造形装置１Ｃは、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａに比べて、照射領域３７から輻射熱を受ける面に隣り合う粉末流路３８３を長く設けることが可能であり、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａに比べて粉末材料Ａが粉末流路３８３の内部に滞在する時間を長くすることができる。このため、三次元造形装置１Ｃは、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａに比べて、粉末材料Ａの温度をより高めて保温することができ、プレート３１上に供給する粉末材料Ａの温度をより高めることができる。これにより、三次元造形装置１Ｃは、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａに比べて、照射領域３７に供給された粉末材料Ａに電子ビームＢを照射した際の粉末材料Ａの飛散の発生をより確実に抑制することができる。

なお、図１０では、ホッパ３４を片側に一つ備える例について示しているが、実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａと同様に、輻射シールド３８の左右に１つずつ備える構成とされてもよい。

上述した本実施の形態３にかかる三次元造形装置１Ｃによれば、上述した実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａと同様の効果を有する。

また、本実施の形態３にかかる三次元造形装置１Ｃによれば、上述した実施の形態１にかかる三次元造形装置１Ａに比べて粉末材料Ａの温度をより高めて保温することができ、照射領域３７に供給された粉末材料Ａに電子ビームＢを照射した際の粉末材料Ａの飛散の発生をより確実に抑制することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態の技術同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 三次元造形装置、２ 電子ビーム出射部、３ 造形部、４ 制御部、２１ 電子銃部、２２ 収束コイル、２３ 偏向コイル、２４ コラム、３０ チャンバ、３１ プレート、３２ 昇降機、３３ スキージ、３４，３４ａ ホッパ、３４ａ１ 相対面、３４ａ２，３８１ 中空部、３４ａ３，４１ 開口部、３４ａ４，３８２ 上端面、３４ａ５，３８３ 粉末流路、３４ａ６，３８４ 粉末供給口、３５ 昇降ステージ、３６ 造形タンク、３７ 照射領域、３８ 輻射シールド、３９ 接続部、４２ シャッター、３４１ 粉末収納部、３４２ 排出口、３９１ 接続部流路、Ａ 粉末材料、Ｂ 電子ビーム、Ｈ１ 熱輻射、Ｈ２ 熱輻射、Ｏ 三次元造形物。

Claims (5)

1. 電子ビームの照射領域に供給された粉末材料を前記電子ビームの照射によって選択的に固化させる処理を繰り返すことにより三次元造形物を製造する三次元造形装置であって、
   前記粉末材料が収納される粉末収納部を有する収納タンクと、
   前記電子ビームを出射し、前記粉末材料に前記電子ビームを照射する電子ビーム出射部と、
   前記照射領域を覆い、前記電子ビームが照射された前記粉末材料から放射された輻射熱を受けて昇温するとともに、昇温した後に前記照射領域の前記粉末材料に対して輻射熱を放射する輻射シールドと、
   を備え、
   前記輻射シールドは、前記粉末収納部から排出される前記粉末材料を前記照射領域に供給するための粉末流路を、前記粉末材料から放射された輻射熱を受ける面に隣り合う領域に有すること、
   を特徴とする三次元造形装置。
2. 前記収納タンクと前記輻射シールドとが一体に設けられていること、
   を特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記収納タンクが、前記輻射シールドの上方に設けられ、
   前記輻射シールドの上部において前記粉末流路に接続されて前記粉末収納部と前記粉末流路とを接続する接続部流路を備えること、
   を特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
4. 前記輻射シールドは、前記粉末流路に隣り合う領域以外の熱容量が前記粉末流路に隣り合う領域の熱容量よりも大きいこと、
   を特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の三次元造形装置。
5. 電子ビームの照射領域に供給された粉末材料を前記電子ビームの照射によって選択的に固化させる処理を繰り返すことにより三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、
   前記粉末材料が収納される粉末収納部を有する収納タンクの前記粉末収納部から排出された前記粉末材料を前記照射領域に供給する供給工程と、
   前記照射領域に供給された前記粉末材料に前記電子ビームを照射する照射工程と、
   を含み、
   前記照射工程では、前記照射領域を覆う輻射シールドが、前記電子ビームが照射された前記粉末材料から放射された輻射熱を受けて昇温するとともに、昇温した後に前記照射領域の前記粉末材料に対して輻射熱を放射し、
   前記輻射シールドは、前記粉末収納部から排出される前記粉末材料を前記照射領域に供給するための粉末流路を、前記粉末材料から放射された輻射熱を受ける面に隣り合う領域に有すること、
   を特徴とする三次元造形物の製造方法。

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