JP2022129046A - 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】三次元造形物の材料となる造形用粉末を保温して造形用粉末に電子ビームを照射した際の粉末材料の飛散を防止するとともにメンテナンス作業が容易な三次元造形装置を得ること。【解決手段】三次元造形装置１は、三次元造形物Ｏが造形される造形ボックス３６と、造形ボックス３６の内部に設けられて造形ボックス３６の高さ方向に移動可能な昇降ステージ３５と、昇降ステージ３５の上方に設けられて三次元造形物Ｏを造形する造形用粉末Ａが供給されるベースプレート３１と、昇降ステージ３５とベースプレート３１との間に配置されてベースプレート３１を支持する支持用粉末層３９と、を備える。支持用粉末層３９は、第１の粉末と、第１の粉末とは異なる第２の粉末と、を含む２種類以上の粉末から構成されている。【選択図】図１

Description

本開示は、粉末材料を選択的に溶融凝固させる処理を繰り返すことによって三次元の造形物を製造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。

金属粉末材料への帯電を防止するためには、金属粉末材料に対して電子ビームを照射する前に、金属粉末材料を予備加熱して金属粉末材料の電気抵抗値を下げる必要がある。予備加熱において金属粉末材料をあらかじめ決められた温度に維持するためには、ベースプレートに対する保温性が重要である。

特許文献１には、三次元の造形物を造形する土台であるスタートプレートが、構築タンク内において、上下方向に移動可能な構築プラットフォーム上に配置された断熱材代わりの粉末材料の上に設置されることが記載されている。

特許第６４３５３２４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術のように、スタートプレート上に供給された三次元の造形物の造形用の粉末材料およびスタートプレートを電子ビームで加熱すると、スタートプレートを支持している断熱材代わりの粉末材料が徐々に焼結して強固に結合するとともに高温になることによって熱膨張する。

この結果、断熱材代わりの粉末材料の仮焼結が徐々に進行することによって、断熱材代わりの粉末材料のスタートプレートに対する断熱性が次第に低下してしまう、という問題があった。すなわち、上記特許文献１に記載の技術は、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する観点で改良の余地がある。

また、造形物の造形中における長時間の加熱によって、スタートプレートの周囲の粉末材料と構築タンクとが固着し、メンテナンス作業の負荷が増大する、という問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、三次元造形物の材料となる造形用粉末を保温して造形用粉末に電子ビームを照射した際の粉末材料の飛散を防止するとともにメンテナンス作業が容易な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第１の粉末である造形用粉末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造形する三次元造形装置である。三次元造形装置は、三次元造形物が造形される造形ボックスと、造形ボックスの内部に設けられて造形ボックスの高さ方向に移動可能な昇降ステージと、昇降ステージの上方に設けられて三次元造形物を造形する造形用粉末が供給されるベースプレートと、昇降ステージとベースプレートとの間に配置されてベースプレートを支持する支持用粉末層と、を備える。支持用粉末層は、第１の粉末と、第１の粉末とは異なる第２の粉末と、を含む２種類以上の粉末から構成されている。

本開示によれば、三次元造形物の材料となる造形用粉末を保温して造形用粉末に電子ビームを照射した際の粉末材料の飛散を防止するとともにメンテナンス作業が容易な三次元造形装置が得られる、という効果を奏する。

実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法が行われる三次元造形装置の構成の一例を示す模式図 実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法における支持用粉末層における粉末の状態を示す模式図 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物の製造方法におけるベースプレートの設置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物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第１の模式図 実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第２の模式図 実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第３の模式図 実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第４の模式図 実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示すフローチャート 実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第１の模式図 実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第２の模式図 実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第３の模式図 実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第４の模式図 実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第５の模式図 実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法における支持用粉末層における粉末の状態を示す模式図 実施の形態３にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示すフローチャート 実施の形態３にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第１の模式図 実施の形態３にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第２の模式図 実施の形態３にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第３の模式図 実施の形態３にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第４の模式図 実施の形態３にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第５の模式図

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物の製造方法が行われる三次元造形装置１の構成の一例を示す模式図である。図１は、三次元造形装置１を側面から見た状態を示している。

三次元造形装置１は、後述する照射領域３７に造形用粉末Ａを供給した後に、造形用粉末Ａを敷き均す。そして、三次元造形装置１は、造形用粉末Ａに対して電子ビームＢを照射することにより造形用粉末Ａを溶融させ、その後、溶融した造形用粉末Ａを凝固させる。三次元造形装置１は、これらの動作を繰り返して行うことによって、溶融固化した造形用粉末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１は、電子ビームＢの照射領域３７に供給された造形用粉末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１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に配置された造形用粉末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、照射領域３７に敷き均された造形用粉末Ａに照射される。電子ビームＢが造形用粉末Ａに照射されることにより、造形用粉末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の造形を行う前に造形用粉末Ａに対して電子ビームＢを照射し、造形用粉末Ａの予備的な加熱を行う。造形用粉末Ａの予備的な加熱は、例えば三次元造形物Ｏの造形時よりもエネルギーの低い電子ビームＢが造形用粉末Ａに対して照射される。

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１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、後述する昇降ステージ３５を昇降させる制御である昇降ステージ３５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、昇降ステージ３５の昇降制御として、後述する昇降機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、昇降ステージ３５の上下位置が調整される。制御部４は、後述するベースプレート３１上へ所望の粉末供給量の造形用粉末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造形用粉末Ａが、照射領域３７および照射領域３７の周辺を含むベースプレート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、ベースプレート３１上に配置された造形用粉末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、造形用粉末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、造形用粉末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内に造形用粉末Ａが配置される。造形部３は、チャンバ３０の内部に、ベースプレート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、造形ボックス３６と、輻射シールド３８と、シャッター４２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。

ベースプレート３１は、造形ボックス３６の内部において昇降ステージ３５の上方に配置され、造形用粉末Ａが供給され、また造形用粉末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、ベースプレート３１上で造形される。ベースプレート３１は、例えば矩形状の板状体である。ベースプレート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。ベースプレート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。ベースプレート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。ベースプレート３１は、ベースプレート３１の下方に設置されている昇降ステージ３５に、支持用粉末層３９を介して支持されている。ベースプレート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、ベースプレート３１の下方に設置され、ベースプレート３１を支持するとともにベースプレート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と共にベースプレート３１を上下方向に移動させることにより、上下方向におけるベースプレート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１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と共にベースプレート３１を上方へ移動させる。昇降機３２は、ベースプレート３１上における造形用粉末Ａの溶融および凝固によって造形用粉末Ａが積層されるごとに、ベースプレート３１を降下させる。昇降機３２は、ベースプレート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。

造形ボックス３６は、三次元造形物が造形される領域であり、例えば、角筒状に形成されている。造形ボックス３６の角筒状の軸方向は、ベースプレート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ボックス３６の断面形状は、ベースプレート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、角筒状の軸方向と垂直な面における造形ボックス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、造形ボックス３６の水平断面の内側形状に対応している。つまり、造形ボックス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、造形ボックス３６に供給される粉末は、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の外縁部にシール部材４０を設ける。なお、造形ボックス３６の水平断面の内側形状の形状は、矩形に限定されない。造形ボックス３６の形状は、水平断面円形の円筒状であってもよい。

シール部材４０は、昇降ステージ３５と造形ボックス３６との間を埋めるように配置されている。昇降ステージ３５と造形ボックス３６との間にシール部材４０を備えることによって、支持用粉末層３９を構成する粉末が昇降ステージ３５よりも下方に落下および侵入することを防止することができる。シール部材４０は、電子ビームＢにより受けた熱が伝わることによる高温下にも耐えるための耐熱性と、上下動する昇降ステージ３５と造形ボックス３６の側面との摺動に耐えるための柔軟性と、を有する必要がある。シール部材４０には、例えば、編組パッキン、金属パッキン、積層パッキンおよび黒鉛パッキンなどのシール材を用いることができる。シール部材４０を構成する材料としては、炭化繊維およびアラミド繊維などの有機繊維、炭素繊維および金属繊維などの無機繊維を適宜用いることができる。

スキージ３３は、ベースプレート３１の上に配される造形用粉末Ａをベースプレート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、造形用粉末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、造形用粉末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の内部においてあらかじめ決められた高さに支持され、造形用粉末Ａを収容する収容タンクである。ホッパ３４は、造形用粉末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造形用粉末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から排出された造形用粉末Ａは、ベースプレート３１上へ供給される。または、排出口３４２から排出された造形用粉末Ａは、スキージ３３によってベースプレート３１上へ供給される。なお、ホッパ３４とシャッター４２とにより、ベースプレート３１の上に造形用粉末Ａを供給してする粉末供給部が構成される。

輻射シールド３８は、チャンバ３０の内部においてあらかじめ決められた高さに支持され、ベースプレート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の形状は、水平断面円形の円筒状であってもよい。

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３８３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。

造形用粉末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る。造形用粉末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。造形用粉末Ａとしては、例えば金属粉末が用いられる。具体的には、金属粉末に用いられる金属としては、チタン、ニッケル、コバルト、鉄、銅、アルミニウム、およびこれらの金属を含む合金が多く利用されるが、これらに限定されない。上記に示した金属粉末のなかでも、造形用粉末Ａとして銅またはアルミニウムといった、金属において相対的に固着しやすい金属の粉末を用いる場合、後述する本実施の形態１における効果がより有効である。

造形用粉末Ａは、ホッパ３４の排出口３４２からつまりなく排出され、また、スキージ３３で均一に敷き均されるために、流動性の高い粉末が好ましい。このため、造形用粉末Ａとしては、球状に近い形状の粒子を使用することが好ましい。また、造形用粉末Ａの粒径は、電子ビームで確実に固化させることができ、かつ表面精度の高い三次元造形物Ｏを得るために、一般的には２０マイクロメートル以上、１５０マイクロメートル以下程度の粒径の粉末が用いられることが多い。本実施の形態１における造形用粉末Ａには、５０マイクロメートル以上、１００マイクロメートル以下程度の粒径を有する粉末を用いることとする。ただし、造形用粉末Ａに使用可能な粉末の粒形は、これに限定されるものではない。

造形用粉末Ａには、三次元造形物Ｏの所望の特性を得るために、不純物の少ない組成が求められる。例えば、造形用粉末Ａの表面の酸化が過度に進行した場合、三次元造形物Ｏの機械的特性として脆くなる、また、ボイドが増える、などの悪影響が懸念される。したがって、造形用粉末Ａは、酸化が抑制された清浄な表面となるように、高温高湿を避けるなどの製造上および保管上の配慮が行われる。

支持用粉末層３９は、昇降ステージ３５とベースプレート３１との間、すなわち昇降ステージ３５の上に配置され、ベースプレート３１を支持するために設けられる。支持用粉末層３９は、第１の粉末である造形用粉末Ａと、造形用粉末Ａとは異なる第２の粉末Ｚとが混合されて構成されている。すなわち、支持用粉末層３９は、造形用粉末Ａと第２の粉末Ｚとが混合された混合粉末層である。上下方向において、支持用粉末層３９の最表面は、ベースプレート３１の最表面と同等の位置か、ベースプレート３１の最表面より下方の位置に配置されている。ここでの、支持用粉末層３９の最表面は、上下方向における、支持用粉末層３９の上面を意味する。また、ここでのベースプレート３１の最表面は、ベースプレート３１の上面を意味する。

三次元造形物Ｏの造形の際には、支持用粉末層３９の最表面の上には、造形用粉末Ａが敷き均された造形用粉末層Ａ’が形成される。さらに、三次元造形物Ｏの造形中には、造形用粉末Ａがスキージ３３によって照射領域３７に薄く敷き均され、電子ビームＢによって造形用粉末Ａの予熱と固化とが行われる。

もしも、支持用粉末層３９の最表面がベースプレート３１の最表面より上方に突出していると、スキージ３３で造形用粉末Ａを敷き均す際に、第２の粉末Ｚがスキージ３３の動作に干渉するため、照射領域３７への造形用粉末Ａの粉末供給を安定して行うことができない。また、支持用粉末層３９の粉末が照射領域３７に供給されてしまうおそれがある。

図２は、実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法における支持用粉末層３９における粉末の状態を示す模式図である。支持用粉末層３９は、第１の粉末である造形用粉末Ａと、第２の粉末Ｚと、から構成されている。実施の形態１における支持用粉末層３９において、第２の粉末Ｚは、造形用粉末Ａからなる粉体の中に点在するように分布している。すなわち、図２においては、実施の形態１における支持用粉末層３９において、第２の粉末Ｚの添加量が、第２の粉末Ｚが互いに接触しない程度の添加量である場合を示している。

実施の形態１における支持用粉末層３９において、造形用粉末Ａの体積と第２の粉末Ｚの体積との合計に対する、第２の粉末Ｚの体積が占める割合は、１０％以上、６５％以下である。この場合、支持用粉末層３９において第２の粉末Ｚ同士が互いに結合せず流動しやすい状態にすることが可能となる。第２の粉末Ｚの体積が占める割合が１０％を下回ると、支持用粉末層３９において第２の粉末Ｚ同士が互いに結合せず流動しやすい状態になるという効果が得られない。また、第２の粉末Ｚの体積が占める割合が６５％よりも多く混合するためには、後述の実施の形態２の方法が好ましい。

第２の粉末Ｚには、造形用粉末Ａとの結合のしにくさ、小さい熱伝導率、造形時に変質しない耐熱性、および小さい熱膨張率であることが求められる。本実施の形態１における造形用粉末Ａが金属粉末であることを考慮すると、造形用粉末Ａと比較して上記の諸特性を満足する材料として、セラミックスが好適である。第２の粉末Ｚの材料として例えば、ジルコニア、コージライト、ステアタイト、フォルステライト、ムライト、イットリア、サーメット、窒化ケイ素、アルミナ、窒化アルミニウム、マコール、窒化ボロン、マセライト、石英などが考えられるが、これに限定されるものではない。

第２の粉末Ｚの形状は、造形中の長時間の加熱による支持用粉末層３９の粉末と造形ボックス３６との固着を抑制する流動性を維持するために、球状または球状に近い形状が好ましい。造形中における支持用粉末層３９の粉末の流動性を向上させることにより、造形中の長時間の加熱による支持用粉末層３９の粉末と造形ボックス３６との固着を抑制することができる。したがって、造形用粉末Ａも真球度の高い粉末が用いられることが多いことと合わせて、球状または球状に近い形状を有する第２の粉末Ｚと上述した造形用粉末Ａとにより、造形中の長時間の加熱による支持用粉末層３９の粉末と造形ボックス３６との固着を抑制する流動性を維持して、造形中に長時間加熱されても造形ボックス３６に固着のしにくい支持用粉末層３９を得ることができる。

第２の粉末Ｚの粒径は、造形用粉末Ａの粒径より大きな粒径とすることができる。本実施の形態１で示した造形用粉末Ａの粒径は、前述の通り５０マイクロメートル以上、１００マイクロメートル以下程度とされる。この場合、第２の粉末Ｚの粒径は、０．５ミリメートル以上、１０．０ミリメートルとすることができる。第２の粉末Ｚの粒径を造形用粉末Ａより大きくすることにより、造形用粉末Ａの固着を抑えることができる。すなわち、ベースプレート３１の断熱性を維持する効果、支持用粉末層３９と造形ボックス３６の固着を抑制する効果が得られる。加えて、三次元造形物Ｏの造形後に、支持用粉末層３９を構成する造形用粉末Ａと第２の粉末Ｚとをふるい分けて再利用することを容易にする効果も得ることができる。

さらに、造形ボックス３６の側面と昇降ステージ３５との間隙の寸法に比べて、第２の粉末Ｚの粒径の方が大きいことが好ましい。第２の粉末Ｚの粒径を上記隙間の寸法よりも大きくすることによって、摺動する造形ボックス３６の側面と昇降ステージ３５との間に第２の粉末Ｚが侵入することによって造形ボックス３６の側面と昇降ステージ３５との摺動性が損なわれることを、防止できる。

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１を用いた三次元造形物Ｏの製造方法について説明する。三次元造形物Ｏの製造方法の概要について説明する。図３は、実施の形態１にかかる三次元造形装置１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、造形用粉末Ａの供給工程が行われる。造形用粉末Ａの供給工程では、制御部４は、ベースプレート３１上へ所望の粉末供給量の造形用粉末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の開閉制御を行う。これにより、所望の粉末供給量の造形用粉末Ａが、照射領域３７および照射領域３７の周辺を含むベースプレート３１上へ供給される。

つぎに、ステップＳ２０において、予備加熱工程が行われる。予備加熱工程では、三次元造形物Ｏの造形を行う前に電子ビーム出射部２が、ベースプレート３１上の照射領域３７に配置された造形用粉末Ａに対して電子ビームＢを照射し、照射領域３７に配置された造形用粉末Ａの表面をあらかじめ決められた温度に昇温させる造形用粉末Ａの予備的な加熱である予備加熱を行う。これにより、ベースプレート３１上の照射領域３７に配置された造形用粉末Ａの表面をあらかじめ決められた昇温温度に維持することができる。あらかじめ決められた昇温温度は、照射領域３７に配置された造形用粉末Ａに電子ビームＢが照射されても造形用粉末Ａの飛散が生じない温度である。

つぎに、ステップＳ３０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、造形用粉末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に配置された造形用粉末Ａに対して電子ビームＢを照射させる。

照射領域３７に配置された造形用粉末Ａに電子ビームＢが照射されると、電子ビームＢが照射された造形用粉末Ａが昇温して溶融するとともに、電子ビームＢが照射された造形用粉末Ａからベースプレート３１の上方に向かって熱輻射が発生する。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、ベースプレート３１の上方に向かう熱輻射の大部分を回収し昇温する。

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、ベースプレート３１に配置された造形用粉末Ａの表面に向かって熱輻射が発生する。そして、照射領域３７に配置された造形用粉末Ａを含む、ベースプレート３１上に配置された造形用粉末Ａは、昇温した輻射シールド３８からの熱輻射によって昇温し、保温される。これにより、ベースプレート３１上に配置されて電子ビームＢが照射されていない造形用粉末Ａは、昇温した輻射シールド３８からの熱輻射によって昇温し、保温される。電子ビームＢが照射されていない造形用粉末Ａは、昇温し、保温されることによって、造形用粉末Ａへの電荷の蓄積が緩和され、帯電が抑制される。造形用粉末Ａが保温される温度は、造形用粉末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造形用粉末Ａからは、電子ビームＢが照射されていない造形用粉末Ａへの熱移動が発生する。これにより、ベースプレート３１上に配置されて電子ビームＢが照射されていない造形用粉末Ａは、電子ビームＢが照射されて昇温した照射領域３７の造形用粉末Ａからの熱移動によっても昇温し、保温される。造形用粉末Ａが保温される温度は、造形用粉末Ａの融点未満の温度である。

つぎに、ステップＳ４０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Ｓ４０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Ｓ４０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。

つぎに、本実施の形態１において、支持用粉末層３９を設けてベースプレート３１をセッティングする手順について説明する。具体的に、以下では、電子ビームＢの照射領域３７に供給された造形用粉末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前の、ベースプレート３１のセッティング工程の手順について説明する。

図４は、実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示すフローチャートである。図５は、実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第１の模式図である。図６は、実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第２の模式図である。図７は、実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第３の模式図である。図８は、実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第４の模式図である。なお、図５から図８においては、三次元造形装置１における造形ボックス３６の周辺の構成について注目して示している。

あらかじめ、支持用粉末層３９における造形用粉末Ａの体積と第２の粉末Ｚの体積とが所望の割合となるよう定量された第１の粉末である造形用粉末Ａと第２の粉末Ｚとが、均一になるように混合される。造形用粉末Ａと第２の粉末Ｚとを混合する装置は、例えば、容器回転型の混合機、容器を固定してスクリューを用いる混合機、容器を固定して振動を用いる混合機などのうちから適宜選択することができる。

ステップＳ１１０において、昇降ステージ３５が、図５に示すように上下方向においてあらかじめ決められた位置に配置される。具体的に、制御部４が昇降機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、昇降ステージ３５の上下位置があらかじめ決められた位置に調整される。図５では、ベースプレート３１と支持用粉末層３９とが配置される前の初期状態であり、昇降ステージ３５があらかじめ決められた上下位置に配置された状態が示されている。

つぎに、ステップＳ１２０において、混合された造形用粉末Ａと第２の粉末Ｚとが、図６に示すように造形ボックス３６内の昇降ステージ３５上に流し込まれる。具体的に、造形用粉末Ａと第２の粉末Ｚとが混合された混合粉末が、上下方向における混合粉末の表面の位置が造形ボックス３６の上面よりも低いあらかじめ決められた位置とされて流し込まれて詰められる。

これにより、造形用粉末Ａと第２の粉末Ｚとが混合された混合粉末層である支持用粉末層３９が、造形ボックス３６内の昇降ステージ３５上に設けられる。図６では、造形ボックス３６の内部における昇降ステージ３５の上の空間に混合粉末が流し込まれた後の状態を示している。このように、ベースプレート３１を設置する前に、あらかじめ支持用粉末層３９が設けられる。すなわち、ステップＳ１２０は、造形ボックス３６の内部における昇降ステージ３５の上の空間に第１の粉末である造形用粉末Ａと第２の粉末Ｚとを含む混合粉末を詰めることにより支持用粉末層３９を形成する工程である。

つぎに、ステップＳ１３０において、ベースプレート３１が、図７に示すように支持用粉末層３９の上に載置される。具体的に、ベースプレート３１が、ベースプレート３１と昇降ステージ３５とが平行となるように、支持用粉末層３９の上に載置される。このとき、ベースプレート３１の自重によって支持用粉末層３９が流動し、ベースプレート３１が一定程度、沈み込む。

ここで、上下方向において、ベースプレート３１の最表面の位置は、支持用粉末層３９の最表面と同一、または支持用粉末層３９の最表面より上方でなければならない。もしも、支持用粉末層３９の最表面がベースプレート３１の最表面より上方に突出していると、スキージ３３で造形用粉末Ａを敷き均す際に、支持用粉末層３９がスキージ３３の動作に干渉し、照射領域３７への造形用粉末Ａの供給を安定して行うことができない。また、支持用粉末層３９の粉末が照射領域３７に供給されてしまうおそれがある。

また、この段階において、ベースプレート３１の上面が水平となるように、ベースプレート３１の傾きが調整されることが好ましい。また、ベースプレート３１が傾かないように、ベースプレート３１の底面を支持する不図示のピンが昇降ステージ３５の上面に設けられてもよい。図７においては、支持用粉末層３９の上に、ベースプレート３１が載置された状態を示している。

つぎに、ステップＳ１４０において、造形用粉末層Ａ’が、形成される。具体的に、不図示のスキージ３３の動作によって造形ボックス３６内の空き空間に造形用粉末Ａが供給されることにより、造形ボックス３６内の空き空間に造形用粉末層Ａ’が設けられる。ここで、造形ボックス３６内の空き空間は、造形ボックス３６内における、造形ボックス３６の内側面とベースプレート３１との間の支持用粉末層３９の上の空間である。図８では、造形ボックス３６内の空き空間に造形用粉末層Ａ’が設けられた状態を示している。これにより、電子ビームＢの照射領域３７に供給された造形用粉末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前のセッティングが完了する。

上述したように、本実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法においては、造形ボックス３６内の昇降ステージ３５とベースプレート３１との間に支持用粉末層３９を設けており、支持用粉末層３９が造形用粉末Ａと第２の粉末Ｚとから構成されているので、以下の効果を得ることができる。

造形用粉末Ａのみによって構成された支持用粉末層が昇降ステージ３５とベースプレート３１との間に配置される場合、三次元造形物Ｏの造形中にベースプレート３１およびベースプレート３１上に配置された造形用粉末Ａを電子ビームＢで加熱すると、ベースプレート３１の下部でベースプレート３１を支持している支持用粉末層の温度が上昇し、造形用粉末Ａの融点未満の高温になる。また、造形中に支持用粉末層の造形用粉末Ａが高温になった場合、支持用粉末層の造形用粉末Ａが徐々に焼結して強固に結合するとともに高温になることによって熱膨張する。この結果、支持用粉末層の造形用粉末Ａの仮焼結が徐々に進行することによって支持用粉末層の断熱性が次第に低下する。すなわち、支持用粉末層によるベースプレート３１に対する保温性が、次第に低下する。

また、造形中における長時間の加熱によって、ベースプレート３１の周囲の造形用粉末Ａが造形ボックス３６に固着する、という問題が生じる。ベースプレート３１の周囲の造形用粉末Ａが造形ボックス３６に固着した場合には、造形用粉末Ａを造形ボックス３６から剥がさなければならず、メンテナンス作業の負荷が増大する。

一方、三次元造形物Ｏの造形中にベースプレート３１およびベースプレート３１上に配置された造形用粉末Ａを電子ビームＢで加熱すると、ベースプレート３１の下部でベースプレート３１を支持している支持用粉末層３９の温度が上昇し、造形用粉末Ａの融点未満かつ第２の粉末Ｚの融点未満の高温になる。また、支持用粉末層３９の造形用粉末Ａと第２の粉末Ｚとは、高温になることによって熱膨張する。

第２の粉末Ｚは、造形中に高温になった場合における造形用粉末Ａとの結合のし易さの程度が、造形中に高温になった場合における造形用粉末Ａと造形用粉末Ａとの結合のし易さの程度よりも低い。すなわち、造形中に昇温した第２の粉末Ｚは、造形中に昇温した造形用粉末Ａに比べて、造形中に昇温した造形用粉末Ａと結合し難い。

ここで、造形用粉末Ａのみによって構成された支持用粉末層の保温性について説明する。造形用粉末Ａのみによって構成された支持用粉末層の場合、造形前の段階では、造形用粉末Ａが、互いに接触した状態となっている。このため、造形用粉末Ａのみによって構成された支持用粉末層の場合は、造形前の段階では、造形用粉末Ａと造形用粉末Ａとの接触部の熱抵抗が大きい状態、すなわち保温性が良好な状態となっている。しかしながら、造形中に支持用粉末層が高温になると、造形用粉末Ａ同士が、互いに焼結し、金属結合によって強固に結合され、造形用粉末Ａ間の保温性が大きく損なわれる。

これに対して、第２の粉末Ｚと造形用粉末Ａとから構成される支持用粉末層３９の場合、造形中に支持用粉末層３９が高温になっても、第２の粉末Ｚと造形用粉末Ａとは焼結しづらく、互いに接触した状態のまま維持される。このため、支持用粉末層３９は、造形中に高温になっても、保温性が維持される。

すなわち、第２の粉末Ｚと造形用粉末Ａとから構成される支持用粉末層３９は、造形用粉末Ａのみによって構成された支持用粉末層に比べて、造形中に高温になった場合の保温性が高い。これにより、支持用粉末層３９は、造形中に高温になった場合でも、断熱性が次第に低下することが防止され、支持用粉末層３９によるベースプレート３１に対する保温性の低下が防止される。

また、第２の粉末Ｚは、熱伝導率が造形用粉末Ａの熱伝導率よりも小さい。これにより、三次元造形装置１は、昇降ステージ３５とベースプレート３１との間に配置される支持用粉末層が造形用粉末Ａのみによって構成されている場合と比べて、ベースプレート３１から支持用粉末層３９に伝わった熱が造形ボックス３６および昇降ステージ３５などの周囲の構成部に伝わり難くなる。すなわち、支持用粉末層３９は、支持用粉末層が造形用粉末Ａのみによって構成されている場合と比べて、断熱性が向上する。

すなわち、支持用粉末層３９は、第２の粉末Ｚの材料そのものの熱伝導率の低さにより、支持用粉末層が造形用粉末Ａのみによって構成されている場合と比べて、断熱性が向上する。第２の粉末Ｚに用いられるセラミックスの熱伝導率は、造形用粉末Ａに用いられる金属の熱伝導率に対して、非常に小さい。例えば、造形用粉末Ａに用いられる金属材料であるアルミニウムの熱伝導率および銅の熱伝導率に対して、第２の粉末Ｚの材料として用いられるセラミックスの熱伝導率は、およそ１／１００である。このように、支持用粉末層３９は、支持用粉末層３９に用いられる材料そのものの熱伝導率の低さを利用して、断熱性を向上させることができる。

また、第２の粉末Ｚは、造形中に高温になった場合における変質しない耐熱性を有する。このため、第２の粉末Ｚは、造形中に昇温しても温度上昇による変質に起因した断熱材としての機能の特性が変化しない。

また、限られた空間に配された粉末が熱膨張すると、粉末には圧縮力が発生する。造形中に高温になった場合、粉末同士の焼結がこの圧縮力に起因して、より一層進行し、粉末の保温性が損なわれる。すなわち、造形用粉末Ａのみによって構成された支持用粉末層は、造形中に高温になった場合、熱膨張して、造形用粉末Ａに圧縮力が発生する。そして、造形用粉末Ａ同士の焼結が、この圧縮力に起因して、より一層進行し、支持用粉末層の保温性が損なわれる。

これに対して、支持用粉末層３９は、第２の粉末Ｚの熱膨張係数が造形用粉末Ａの熱膨張係数より小さいので、造形中に高温になった場合に発生する上述の圧縮力が軽減され、焼結の進行を抑えることができる。これにより、支持用粉末層３９は、造形中に高温になっても、焼結の進行が抑えられるため、保温性が維持される。したがって、支持用粉末層３９では、第２の粉末Ｚの熱膨張率の小ささが、造形中に高温になった場合の支持用粉末層３９の保温性の維持に寄与し、支持用粉末層３９によるベースプレート３１に対する保温性の低下が防止される。

また、第２の粉末Ｚは、造形中に高温になった場合における熱膨張率が、造形中に高温になった場合における造形用粉末Ａの熱膨張率よりも小さい。このため、造形中における長時間の加熱によって支持用粉末層３９の粉末が造形ボックス３６に固着することを抑制することができる。

上述した第２の粉末Ｚと造形用粉末Ａとから構成される支持用粉末層３９を用いることにより、三次元造形装置１では、造形用粉末Ａのみによって構成された支持用粉末層が昇降ステージ３５とベースプレート３１との間に配置される場合と比べて、造形中において支持用粉末層３９の断熱性が次第に低下することが防止され、支持用粉末層３９によるベースプレート３１に対する保温性の低下が防止される。

これにより、三次元造形装置１は、造形用粉末Ａのみによって構成された支持用粉末層が昇降ステージ３５とベースプレート３１との間に配置される場合と比べて、ベースプレート３１に対する保温性を向上させて、ベースプレート３１上に配置された造形用粉末Ａに対して予備加熱を行う場合に造形用粉末Ａの表面をあらかじめ決められた温度に維持することができる。造形用粉末Ａが保温される温度は、造形用粉末Ａの融点未満の温度である。

これにより、三次元造形装置１では、ベースプレート３１上に配置されて電子ビームＢが照射されていない造形用粉末Ａを、電子ビームＢを照射しても造形用粉末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、ベースプレート３１上に配置されて電子ビームＢが照射されていない造形用粉末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１では、昇温し、保温された造形用粉末Ａに電子ビームＢを照射して造形用粉末Ａを溶融凝固させる際の、造形用粉末Ａの飛散の発生を抑制することができる。

すなわち、三次元造形装置１は、照射領域３７に配置された造形用粉末Ａの表面を予備加熱により昇温し、かつ電子ビームＢが照射されても造形用粉末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。そして、この効果は、造形処理が繰り返される場合、すなわち電子ビームＢの照射領域３７に供給された造形用粉末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場合においても、変わらずに得られる。

また、支持用粉末層３９を用いる三次元造形装置１では、造形中に高温になった場合における第２の粉末Ｚの熱膨張率が造形中に高温になった場合における造形用粉末Ａの熱膨張率よりも小さい。このため、造形中に支持用粉末層３９の粉末が造形ボックス３６に押し付けられて密着する度合いが低減され、造形中における長時間の加熱によって支持用粉末層３９の粉末が造形ボックス３６に固着することを抑制することができる。これにより、造形ボックス３６に固着した支持用粉末層３９の粉末をはがす作業が不要であり、メンテナンス作業の負荷が増大することがない。

また、第２の粉末Ｚの形状が、球状または球状に近い形状として、造形中における支持用粉末層３９の粉末の流動性を向上させることにより、造形中の長時間の加熱による支持用粉末層３９の粉末と造形ボックス３６との固着を抑制することができる。

これにより、三次元造形装置１の清掃およびメンテナンスが容易となる。また、支持用粉末層３９の粉末を有効に再利用することができるため、支持用粉末層３９の造形用粉末Ａの使用量を削減できる。また、三次元造形装置１の清掃およびメンテナンスが容易となるため、造形前のベースプレート３１の設置作業を簡便化できる。

一方、支持用粉末層が造形用粉末Ａのみによって構成されている場合、造形中に支持用粉末層が高温になった場合、昇降ステージ３５を昇降ステージ３５の下部で支持している支持用粉末層が徐々に焼結して強固に結合するとともに高温になることによって熱膨張する。この結果、造形用粉末Ａの仮焼結が徐々に進行することによって支持用粉末層の断熱性が次第に低下する。すなわち、支持用粉末層によるベースプレート３１に対する保温性が、次第に低下する。また、造形中の長時間の加熱により、支持用粉末層の造形用粉末Ａの造形ボックス３６への固着が生じる。

なお、本実施の形態１では、支持用粉末層３９が、第１の粉末である造形用粉末Ａと、第１の粉末とは異なる第２の粉末Ｚとから構成される場合について説明しているが、第２の粉末Ｚが互いに異なる２種類以上の粉末であってもよい。すなわち、支持用粉末層３９が、第１の粉末である造形用粉末Ａと、第１の粉末とは異なる第２の粉末と、を含む２種類以上の粉末から構成されてもよい。この場合、第１の粉末とは異なる第２の粉末は、上述した第２の粉末Ｚの条件を満たす、互いに異なる２種類以上の粉末であればよい。この場合も、本実施の形態１における効果を得ることができる。

上述したように、実施の形態１によれば、三次元造形物Ｏの材料となるベースプレート３１上の造形用粉末Ａを支持用粉末層３９を用いて保温して、ベースプレート３１上の造形用粉末Ａに電子ビームＢを照射した際の造形用粉末Ａの飛散を防止するとともに、メンテナンス作業が容易な三次元造形装置が得られる。

実施の形態２．
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１において、造形ボックス３６の内部における昇降ステージ３５の上の空間に第２の粉末Ｚを先に充填した後に、造形用粉末Ａを第２の粉末Ｚのすき間に流し込むことによって、支持用粉末層３９を形成する方法について説明する。

以下、本実施の形態２において、支持用粉末層３９を設けてベースプレート３１をセッティングする手順について説明する。具体的に、以下では、電子ビームＢの照射領域３７に供給された造形用粉末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前の、ベースプレート３１のセッティング工程の手順について説明する。

図９は、実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示すフローチャートである。図１０は、実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第１の模式図である。図１１は、実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第２の模式図である。図１２は、実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第３の模式図である。図１３は、実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第４の模式図である。図１４は、実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第５の模式図である。なお、図１０から図１４においては、三次元造形装置１における造形ボックス３６の周辺の構成について注目して示している。

実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法では、上述した実施の形態１の場合と異なり、支持用粉末層３９を構成する造形用粉末Ａと第２の粉末Ｚとはあらかじめ混合されない。

ステップＳ２１０において、昇降ステージ３５が、図１０に示すように上下方向においてあらかじめ決められた位置に配置される。図１０では、ベースプレート３１と支持用粉末層３９とが配置される前の初期状態であり、昇降ステージ３５があらかじめ決められた上下位置に配置された状態が示されている。

つぎに、ステップＳ２２０において、第２の粉末Ｚが、図１１に示すように造形ボックス３６内の昇降ステージ３５上の空間に流し込まれる。具体的に、第２の粉末Ｚのみが、上下方向における第２の粉末Ｚの表面の位置が造形ボックス３６の上面よりも低いあらかじめ決められた位置とされて流し込まれて詰められる。これにより、造形ボックス３６の内部における昇降ステージ３５の上に第２の粉末Ｚの層が形成される。第２の粉末Ｚは、あらかじめ、支持用粉末層３９における造形用粉末Ａの体積と第２の粉末Ｚの体積とが所望の割合となるよう定量されている。この段階で、第２の粉末Ｚが、実施の形態１の場合よりも造形ボックス３６内に密に充填される。図１１では、造形ボックス３６の内部における昇降ステージ３５の上の空間に第２の粉末Ｚのみが流し込まれた後の状態を示している。

つぎに、ステップＳ２３０において、造形用粉末Ａが、造形ボックス３６内の昇降ステージ３５上に流し込まれる。具体的に、あらかじめ造形ボックス３６内に充填された第２の粉末Ｚの層の上から、造形用粉末Ａが流し込まれる。これにより、造形用粉末Ａが、あらかじめ充填された第２の粉末Ｚのすき間を埋めるように第２の粉末Ｚの中に流れ込み、支持用粉末層３９を形成することができる。図１２では、あらかじめ充填された第２の粉末Ｚの層の中に造形用粉末Ａが流れ込んで支持用粉末層３９が設けられた状態を示している。このように、ベースプレート３１を設置する前に、あらかじめ支持用粉末層３９が設けられる。

すなわち、ステップＳ２２０およびステップＳ２３０は、造形ボックス３６の内部における昇降ステージ３５の上に第２の粉末Ｚを詰めた後に、造形ボックス３６の内部に詰められた第２の粉末Ｚに第１の粉末である造形用粉末Ａを流し込むことにより支持用粉末層３９を形成する工程である。

つぎに、ステップＳ２４０において、ベースプレート３１が、図１３に示すように支持用粉末層３９の上に載置される。具体的に、ベースプレート３１が、ベースプレート３１と昇降ステージ３５とが平行となるように、支持用粉末層３９の上に載置される。このとき、ベースプレート３１の自重によって支持用粉末層３９が流動し、ベースプレート３１が一定程度、沈み込む。

ここで、上下方向において、ベースプレート３１の最表面の位置は、支持用粉末層３９の最表面と同一、または支持用粉末層３９の最表面より上方でなければならない。また、この段階において、ベースプレート３１の上面が水平となるように、ベースプレート３１の傾きが調整されることが好ましい。また、ベースプレート３１が傾かないように、ベースプレート３１の底面を支持する不図示のピンが昇降ステージ３５の上面に設けられてもよい。図１３においては、支持用粉末層３９の上に、ベースプレート３１が載置された状態を示している。

つぎに、ステップＳ２５０において、造形用粉末層Ａ’が、形成される。具体的に、不図示のスキージ３３の動作によって造形ボックス３６内の空き空間に造形用粉末Ａが供給されることにより、造形ボックス３６内の空き空間に造形用粉末層Ａ’が設けられる。図１４では、造形ボックス３６内の空き空間に造形用粉末層Ａ’が設けられた状態を示している。これにより、電子ビームＢの照射領域３７に供給された造形用粉末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前のセッティングが完了する。

図１５は、実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法における支持用粉末層３９における粉末の状態を示す模式図である。本実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法においては、先に第２の粉末Ｚが造形ボックス３６内に充填された後に、第２の粉末Ｚの層に造形用粉末Ａが流し込まれることによって支持用粉末層３９が形成される。このため、実施の形態１においては支持用粉末層３９の第２の粉末Ｚが造形用粉末Ａからなる粉体の中に点在するように分布していたのに対して、実施の形態２における支持用粉末層３９の第２の粉末Ｚは、およそ最密充填に近い程度に充填された状態となる。

この場合、支持用粉末層３９において、造形用粉末Ａの体積と第２の粉末Ｚの体積との合計に対する、第２の粉末Ｚの体積が占める割合は、５０％以上、７５％以下である。この場合、第２の粉末Ｚ同士が互いに接触するため、支持用粉末層３９が良好な流動性を得るためには、第２の粉末Ｚ同士の接触抵抗の小ささが重要である。

そして、第２の粉末Ｚ同士の接触抵抗を小さくするためには、第２の粉末Ｚの硬度は、大きい方が好ましい。具体的には、第２の粉末Ｚ同士の接触抵抗を小さくするためには、第２の粉末Ｚのビッカース硬度が１０００ＨＶ以上であることが好ましい。第２の粉末Ｚのビッカース硬度を１０００ＨＶ以上とすることにより、造形中の長時間の加熱による支持用粉末層３９の粉末と造形ボックス３６との固着を抑制する流動性を維持して、造形中に長時間加熱されても造形ボックス３６に固着のしにくい支持用粉末層３９を得ることができる。

このように実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法では、第２の粉末Ｚの特性が支持用粉末層３９の流動性に大きく影響を与える。したがって、第２の粉末Ｚの特性を適正に制御することにより、造形中の長時間の加熱による造形用粉末Ａの造形ボックス３６との固着のし易さによらず、支持用粉末層３９の断熱性を維持しながら、造形中に長時間加熱されても造形ボックス３６と固着し難い支持用粉末層３９を得ることができる。

上述したように、本実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法によれば、実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法と同様の効果が得られる。

また、本実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法によれば、あらかじめ第２の粉末Ｚを造形ボックス３６内の昇降ステージ３５上の空間に充填した後に、造形用粉末Ａを第２の粉末Ｚの層の中に流し込んで支持用粉末層３９を形成するため、支持用粉末層３９における第２の粉末Ｚの割合を増やすことができる。これにより、固着しやすい造形用粉末Ａを支持用粉末層３９に用いた場合にも、実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法と同様の効果が得られる。

実施の形態３．
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１において、実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法および実施の形態２にかかる三次元造形物の製造方法とのうちのいずれかの方法で支持用粉末層３９を設け、さらに支持用粉末層３９の最表層に帯電防止シート４１を配置する場合について説明する。以下、本実施の形態３において、支持用粉末層３９を設けてベースプレート３１をセッティングする手順について説明する。

図１６は、実施の形態３にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示すフローチャートである。図１７は、実施の形態３にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第１の模式図である。図１８は、実施の形態３にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第２の模式図である。図１９は、実施の形態３にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第３の模式図である。図２０は、実施の形態３にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第４の模式図である。図２１は、実施の形態３にかかる三次元造形物の製造方法におけるベースプレートの設置手順を示す第５の模式図である。なお、図１７から図２１においては、三次元造形装置１における造形ボックス３６の周辺の構成について注目して示している。

ステップＳ３１０において、上述したステップＳ１１０およびステップＳ２１０と同様に、昇降ステージ３５が、図１７に示すように上下方向においてあらかじめ決められた位置に配置される。図１７では、ベースプレート３１と支持用粉末層３９とが配置される前の初期状態であり、昇降ステージ３５があらかじめ決められた上下位置に配置された状態が示されている。

つぎに、ステップＳ３２０において、上述したステップＳ１２０と同様に、混合された造形用粉末Ａと第２の粉末Ｚとが、図１８に示すように造形ボックス３６内の昇降ステージ３５上に流し込まれる。これにより、造形用粉末Ａと第２の粉末Ｚとが混合された混合粉末層である支持用粉末層３９が、造形ボックス３６内の昇降ステージ３５上に設けられる。図１８では、造形ボックス３６の内部における昇降ステージ３５の上の空間に混合粉末が流し込まれた後の状態を示している。このように、ベースプレート３１を設置する前に、あらかじめ支持用粉末層３９が設けられる。

なお、ここではステップＳ３２０において、上述した実施の形態１と同様の方法で支持用粉末層３９が形成される場合について示しているが、上述した実施の形態２と同様の方法で支持用粉末層３９が形成されてもよい。

つぎに、ステップＳ３３０において、上述したステップＳ１３０およびステップＳ２４０と同様に、ベースプレート３１が、図１９に示すように支持用粉末層３９の上に載置される。図１９においては、支持用粉末層３９の上に、ベースプレート３１が載置された状態を示している。

つぎに、ステップＳ３４０において、図２０に示すように、支持用粉末層３９の露出面上に帯電防止シート４１が載置される。具体的に、上面視において、支持用粉末層３９の上面のうちベースプレート３１から露出している領域上に、帯電防止シート４１が載置される。すなわち、帯電防止シート４１は、造形ボックス３６内の空き空間における支持用粉末層３９上に配置される。ここで、造形ボックス３６内の空き空間は、造形ボックス３６内における、造形ボックス３６の内側面とベースプレート３１との間の支持用粉末層３９の上の空間である。

つぎに、ステップＳ３５０において、図２１に示すように、造形用粉末層Ａ’が、形成される。具体的に、不図示のスキージ３３の動作によって造形ボックス３６内の空き空間に造形用粉末Ａが供給されることにより、造形ボックス３６内の空き空間に造形用粉末層Ａ’が設けられる。ここで、造形ボックス３６内の空き空間は、造形ボックス３６内における、造形ボックス３６の内側面とベースプレート３１との間の帯電防止シート４１の上の空間である。図２１では、造形ボックス３６内の空き空間に造形用粉末層Ａ’が設けられた状態を示している。これにより、電子ビームＢの照射領域３７に供給された造形用粉末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前のセッティングが完了する。

帯電防止シート４１は、第２の粉末Ｚが、電子ビームＢの影響によって帯電することを防止するために設けられる帯電防止部である。第２の粉末Ｚがセラミックスである場合、セラミックスは帯電し易いため、第２の粉末Ｚが帯電し易くなる。造形用粉末層Ａ’と支持用粉末層３９との間に帯電防止シート４１を設けることによって、支持用粉末層３９の第２の粉末Ｚが帯電することに起因して造形用粉末層Ａ’および造形用粉末層Ａ’上に配置される造形用粉末Ａが帯電することを防止することができる。これにより、造形用粉末層Ａ’上に配置される造形用粉末Ａおよびベースプレート３１上に配置される造形用粉末Ａの帯電を防止する効果をより確実に得ることができる。

帯電防止シート４１は、造形ボックス３６の内側面内部の形状に沿った外形形状と、ベースプレート３１の面内方向におけるベースプレート３１の外形形状に沿った開口部と、を有する枠状を呈する。すなわち、帯電防止シート４１は、造形ボックス３６の内側面内部の形状に沿った外形を有し、ベースプレート３１の外形形状に沿った開口部が形成されている。帯電防止シート４１は、ベースプレート３１の外形形状が矩形である場合は、ロ字状の形状とされる。帯電防止シート４１は、ベースプレート３１の外形形状が円形である場合は、ドーナツ状の形状とされる。帯電防止シート４１は、導電性に優れた材料が望まれることから、金属製または炭素製の板状の材料を用いることができる。

上述したように、本実施の形態３にかかる三次元造形物の製造方法によれば、実施の形態１にかかる三次元造形物の製造方法と同様の効果が得られる。

また、本実施の形態３にかかる三次元造形物の製造方法によれば、ベースプレート３１から露出した支持用粉末層３９の最表層上に帯電防止シート４１を備えるので、造形用粉末層Ａ’上に配置される造形用粉末Ａおよびベースプレート３１上に配置される造形用粉末Ａの帯電を防止する効果をより確実に得ることができる。

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。

１ 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 ベースプレート、３２ 昇降機、３３ スキージ、３４ ホッパ、３５ 昇降ステージ、３６ 造形ボックス、３７ 照射領域、３８ 輻射シールド、３９ 支持用粉末層、４０ シール部材、４１ 帯電防止シート、４２ シャッター、３４１ 粉末収納部、３４２ 排出口、３８１ 中空部、３８２ 上端面、３８３ 開口部、Ａ 造形用粉末、Ａ’ 造形用粉末層、Ｂ 電子ビーム、Ｏ 三次元造形物、Ｚ 第２の粉末。

Claims (14)

1. 電子ビームの照射領域に供給された第１の粉末である造形用粉末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造形する三次元造形装置であって、
   前記三次元造形物が造形される造形ボックスと、
   前記造形ボックスの内部に設けられて前記造形ボックスの高さ方向に移動可能な昇降ステージと、
   前記昇降ステージの上方に設けられて前記三次元造形物を造形する前記造形用粉末が供給されるベースプレートと、
   前記昇降ステージと前記ベースプレートとの間に配置されて前記ベースプレートを支持する支持用粉末層と、
   を備え、
   前記支持用粉末層が、前記第１の粉末と、前記第１の粉末とは異なる第２の粉末と、を含む２種類以上の粉末から構成されていること、
   を特徴とする三次元造形装置。
2. 前記ベースプレートの上に前記第１の粉末を供給する粉末供給部と、
   前記ベースプレートの上に供給された前記第１の粉末を前記ベースプレートの上において敷き均すスキージと、
   を備え、
   前記造形ボックスの高さ方向における前記支持用粉末層の上面の位置が、前記ベースプレートの上面と同じ位置であるか、前記ベースプレートの上面より下方の位置であること、
   を特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記第１の粉末が、金属材料の粉末であり、
   前記第２の粉末が、セラミックスの粉末であること、
   を特徴とする請求項１または２に記載の三次元造形装置。
4. 前記第２の粉末の形状が、球状であること、
   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. 前記第２の粉末の粒径が、前記第１の粉末の粒径よりも大きいこと、
   を特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の三次元造形装置。
6. 前記支持用粉末層の上面における前記ベースプレートから露出している領域に帯電防止部を備えること、
   を特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の三次元造形装置。
7. 三次元造形物が造形される造形ボックスと、前記造形ボックスの内部に設けられて前記造形ボックスの高さ方向に移動可能な昇降ステージと、前記昇降ステージの上方に設けられて前記三次元造形物を造形する第１の粉末である造形用粉末が供給されるベースプレートと、前記昇降ステージと前記ベースプレートとの間に配置されて前記ベースプレートを支持する支持用粉末層とを備え、前記ベースプレートにおける電子ビームの照射領域に供給された前記第１の粉末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造形する三次元造形装置における三次元造形物の製造方法であって、
   前記第１の粉末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第１の粉末に前記電子ビームを照射して、前記照射領域に供給された前記第１の粉末の表面をあらかじめ決められた温度に昇温させる予備加熱工程と、
   前記照射領域に供給された前記第１の粉末に前記電子ビームを照射する照射工程と、
   を含み、
   前記支持用粉末層が、前記第１の粉末と、前記第１の粉末とは異なる第２の粉末と、を含む２種類以上の粉末から構成されていること、
   を特徴とする三次元造形物の製造方法。
8. 前記供給工程では、前記ベースプレートの上に供給された前記第１の粉末をスキージによって前記ベースプレートの上において敷き均し、
   前記造形ボックスの高さ方向における前記支持用粉末層の上面の位置が、前記ベースプレートの上面と同じ位置であるか、前記ベースプレートの上面より下方の位置であること、
   を特徴とする請求項７に記載の三次元造形物の製造方法。
9. 前記第１の粉末が、金属材料の粉末であり、
   前記第２の粉末が、セラミックスの粉末であること、
   を特徴とする請求項７または８に記載の三次元造形物の製造方法。
10. 前記第２の粉末の形状が、球状であること、
    を特徴とする請求項７から９のいずれか１つに記載の三次元造形物の製造方法。
11. 前記第２の粉末の粒径が、前記第１の粉末の粒径よりも大きいこと、
    を特徴とする請求項７から１０のいずれか１つに記載の三次元造形物の製造方法。
12. 前記支持用粉末層の上面における前記ベースプレートから露出している領域に帯電防止部を配置すること、
    を特徴とする請求項７から１１のいずれか１つに記載の三次元造形物の製造方法。
13. 前記造形ボックスの内部における前記昇降ステージの上に前記第１の粉末と前記第２の粉末とを含む混合粉末を詰めることにより前記支持用粉末層を形成する工程を有すること、
    を特徴とする請求項７から１２のいずれか１つに記載の三次元造形物の製造方法。
14. 前記造形ボックスの内部における前記昇降ステージの上に前記第２の粉末を詰めた後に、前記造形ボックスの内部に詰められた前記第２の粉末に前記第１の粉末を流し込むことにより前記支持用粉末層を形成する工程を有すること、
    を特徴とする請求項７から１２のいずれか１つに記載の三次元造形物の製造方法。

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