JP2023013543A - 三次元積層造形装置および三次元積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スモーク発生のリスクを低減するとともに、粉末層の温度分布を均一にすることができる技術を提供する。【解決手段】造形プレートと、造形プレート上に金属粉末を塗布して粉末層を形成する粉末塗布装置１６と、粉末層に電子ビームを照射するビーム照射装置１４と、粉末塗布装置およびビーム照射装置を制御する制御部５０と、を備える。制御部５０は、粉末層を電子ビームの照射によって予熱する場合に、少なくとも予熱開始時に電子ビームのライン同士が重ならないように電子ビームのビームサイズおよび照射位置を設定するとともに、予熱開始から予熱終了までの間に電子ビームのビーム電流およびビームサイズのうち少なくとも一方が徐々に大きくなるようにビーム照射装置を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、三次元積層造形装置および三次元積層造形方法に関する。

近年、造形プレート上に層状に敷き詰められた金属粉末（粉末層）に電子ビームを照射して金属粉末を溶融および凝固させるとともに、凝固させた層を造形プレートの移動により順に積み上げて三次元の造形物を形成する三次元積層造形装置が知られている（たとえば、特許文献１を参照）。

この種の三次元積層造形装置では、電子ビームの照射によって個々の粉末粒子が帯電し、粉末同士がクーロン斥力によって煙状に飛散する現象が発生することがある。この現象はスモークと呼ばれ、スモークが発生すると造形作業を続けることが難しくなる。このため、三次元積層造形装置では粉末層を予熱することによってスモークの発生を抑制している。

特開２０１５－１９３１３５号公報

しかしながら、従来の三次元積層造形装置では、粉末層に照射される電子ビームのライン同士重なり合う予熱パターンを採用し、この予熱パターンに従って粉末層に電子ビームを照射することにより、粉末層を予熱している。このため、予熱時に粉末粒子に電荷が蓄積されやすく、スモーク発生のリスクが高くなっていた。また、仮に電子ビームのライン同士が重ならないような予熱パターンを採用すると、金属粉末が局所的に加熱されるため、粉末層の温度が不均一になってしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、スモーク発生のリスクを低減するとともに、粉末層の温度分布を均一にすることができる技術を提供することにある。

本発明に係る三次元積層造形装置は、造形プレートと、造形プレート上に金属粉末を塗布して粉末層を形成する粉末塗布装置と、粉末層に電子ビームを照射するビーム照射装置と、粉末塗布装置およびビーム照射装置を制御する制御部と、を備える。制御部は、粉末層を電子ビームの照射によって予熱する場合に、少なくとも予熱開始時に電子ビームのライン同士が重ならないように電子ビームのビームサイズおよび照射位置を設定するとともに、予熱開始から予熱終了までの間に電子ビームのビーム電流およびビームサイズのうち少なくとも一方が徐々に大きくなるようにビーム照射装置を制御する。

本発明に係る三次元積層造形方法は、造形プレート上に金属粉末を塗布して形成された粉末層を電子ビームの照射によって予熱する場合に、少なくとも予熱開始時に電子ビームのライン同士が重ならないように電子ビームのビームサイズおよび照射位置を設定するとともに、予熱開始から予熱終了までの間に電子ビームのビーム電流およびビームサイズのうち少なくとも一方が徐々に大きくなるように電子ビームを制御する。

本発明によれば、スモーク発生のリスクを低減するとともに、粉末層の温度分布を均一にすることができる。

本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の構成を概略的に示す側面図である。 本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の処理動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態における第１段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。 本発明の第１実施形態における第２段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す図である。 本発明の第１実施形態における第３段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す図である。 本発明の第１実施形態における第４段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態における第１段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。 本発明の第２実施形態における第２段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。 本発明の第２実施形態における第３段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。 本発明の第２実施形態における第４段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。 本発明の第３実施形態における第１段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。 本発明の第３実施形態における第２段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。 本発明の第４実施形態においてＭ層目の粉末層に対する電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。 本発明の第４実施形態においてＭ＋１層目の粉末層に対する電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。 本発明の第５実施形態における電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。 本発明の第６実施形態における第１段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。 本発明の第６実施形態における第２段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。 本発明の第６実施形態における第３段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。 本発明の第６実施形態における第４段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本明細書および図面において、実質的に同一の機能または構成を有する要素については、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の構成を概略的に示す側面図である。以降の説明では、三次元積層造形装置の各部の形状や位置関係などを明確にするために、図１の左右方向をＸ方向、図１の奥行き方向をＹ方向、図１の上下方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、互いに直交する方向である。また、Ｘ方向およびＹ方向は水平方向に平行な方向であり、Ｚ方向は鉛直方向に平行な方向である。

図１に示すように、三次元積層造形装置１０は、真空チャンバー１２と、ビーム照射装置１４と、粉末塗布装置１６と、造形テーブル１８と、造形ボックス２０と、回収ボックス２１と、造形プレート２２と、インナーベース２４と、プレート移動装置２６と、を備えている。

真空チャンバー１２は、図示しない真空ポンプによってチャンバー内の空気を排気することにより、真空状態を作り出すためのチャンバーである。

ビーム照射装置１４は、荷電粒子ビームのひとつである電子ビーム１５を照射する装置である。ビーム照射装置１４は、電子ビーム１５の発生源となる電子銃１４１と、電子銃１４１が発生した電子ビーム１５を集束させる集束レンズ１４２と、集束レンズ１４２で集束させた電子ビーム１５を偏向する偏向レンズ１４３と、を有している。

集束レンズ１４２は集束コイルを用いて構成され、集束コイルが発生する磁界によって電子ビーム１５を集束させる。また、偏向レンズ１４３は偏向コイルを用いて構成され、偏向コイルが発生する磁界によって電子ビーム１５を偏向する。

粉末塗布装置１６は、造形物３８の原材料となる金属粉末３２を造形プレート２２上に塗布して粉末層３２ａを形成する装置である。粉末塗布装置１６は、ホッパー１６ａと、粉末投下器１６ｂと、スキージ１６ｃとを有している。ホッパー１６ａは、金属粉末を貯蔵するための容器である。粉末投下器１６ｂは、ホッパー１６ａに貯蔵されている金属粉末を造形テーブル１８上に投下する機器である。スキージ１６ｃは、造形プレート２２上を水平方向に移動して金属粉末３２を敷き詰める。スキージ１６ｃは、Ｙ方向に長い長尺状の部材である。スキージ１６ｃは、造形テーブル１８の全面に金属粉末３２を敷き詰めるために、Ｘ方向に移動可能に設けられている。

造形テーブル１８は、真空チャンバー１２の内部に水平に配置されている。造形テーブル１８は、粉末塗布装置１６よりも下方に配置されている。造形テーブル１８の中央部は開口している。造形テーブル１８の開口形状は、平面視円形または平面視角形（たとえば、平面視四角形）である。

造形ボックス２０は、造形用の空間を形成するボックスである。造形ボックス２０の上端部は、造形テーブル１８の開口縁に接続されている。造形ボックス２０の下端部は、真空チャンバー１２の底壁に接続されている。

回収ボックス２１は、粉末塗布装置１６によって造形テーブル１８上に供給された金属粉末３２のうち、必要以上に供給された金属粉末３２を回収するボックスである。回収ボックス２１は、Ｘ方向の一方と他方に１個ずつ設けられている。

造形プレート２２は、金属粉末３２を用いて造形物３８を形成するためのプレートである。造形物３８は、造形プレート２２上に積層して成形される。造形プレート２２は、造形テーブル１８の開口形状に合わせて平面視円形または平面視角形に形成される。造形プレート２２は、電気的に浮いた状態とならないよう、アース線３４によってインナーベース２４に接続（接地）されている。インナーベース２４は、ＧＮＤ（グランド）電位に保持されている。造形プレート２２およびインナーベース２４の上には金属粉末３２が敷き詰められる。

インナーベース２４は、上下方向（Ｚ方向）に移動可能に設けられている。造形プレート２２は、インナーベース２４と一体に上下方向に移動する。インナーベース２４は、造形プレート２２よりも大きな外形寸法を有する。インナーベース２４は、造形ボックス２０の内側面に沿って上下方向に摺動する。インナーベース２４の外周部にはシール部材３６が取り付けられている。シール部材３６は、インナーベース２４の外周部と造形ボックス２０の内側面との間で、摺動性および密閉性を保持する部材である。シール部材３６は、耐熱性および弾力性を有する材料によって構成される。

プレート移動装置２６は、造形プレート２２およびインナーベース２４を上下方向に移動させる装置である。プレート移動装置２６は、シャフト２６ａと、駆動機構部２６ｂとを備えている。シャフト２６ａは、インナーベース２４の下面に接続されている。駆動機構部２６ｂは、図示しないモータと動力伝達機構とを備え、モータを駆動源として動力伝達機構を駆動することにより、造形プレート２２およびインナーベース２４をシャフト２６ａと一体に上下方向に移動させる。動力伝達機構は、たとえば、ラックアンドピニオン機構、ボールネジ機構などによって構成される。

輻射シールドカバー２８は、Ｚ方向において、造形プレート２２とビーム照射装置１４との間に配置されている。輻射シールドカバー２８は、ステンレス鋼などの金属によって構成される。輻射シールドカバー２８は、ビーム照射装置１４によって金属粉末３２に電子ビーム１５を照射した際に発生する輻射熱をシールドする。

また、輻射シールドカバー２８は、金属粉末３２に電子ビーム１５を照射した際に発生する蒸発物質が真空チャンバー１２の内壁に付着（蒸着）することを抑制する機能を果たす。金属粉末３２に電子ビーム１５を照射すると、溶融した金属の一部が霧状の蒸発物質となって造形面３２ｂから立ち昇る。輻射シールドカバー２８は、この蒸発物質が真空チャンバー１２内に拡散しないよう、造形面３２ｂの上方空間を覆うように配置されている。

マスクカバー３０は、開口部３０ａおよびマスク部３０ｂを有する。マスクカバー３０は、造形物３８を形成するにあたって、金属粉末３２の上面、すなわち造形面３２ｂに被せて配置される。その際、開口部３０ａは、造形プレート２２上に敷き詰められる金属粉末３２を露出させ、マスク部３０ｂは、開口部３０ａよりも外側に位置する金属粉末３２を遮蔽する。開口部３０ａの形状は、造形プレート２２の形状にあわせて設定される。たとえば、造形プレート２２が平面視円形であれば、これにあわせて開口部３０ａの平面視形状は円形に設定され、造形プレート２２が平面視角形であれば、これにあわせて開口部３０ａの平面視形状は角形に設定される。本実施形態では、一例として、開口部３０ａの平面視形状が四角形であるものとする。

マスクカバー３０は、輻射シールドカバー２８の下方に配置されている。マスクカバー３０の開口部３０ａおよびマスク部３０ｂは、Ｚ方向において、造形プレート２２と輻射シールドカバー２８との間に配置されている。マスクカバー３０は囲い部３０ｃを有する。囲い部３０ｃは、開口部３０ａの上方空間を囲うように配置される。囲い部３０ｃの一部（上部）は、Ｚ方向において輻射シールドカバー２８とオーバーラップしている。囲い部３０ｃは、造形面３２ｂから発生する輻射熱をシールドする機能と、造形面３２ｂから発生する蒸発物質の拡散を抑制する機能とを果たす。つまり、囲い部３０ｃは、輻射シールドカバー２８と同様の機能を果たす。

図２は、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の制御系の構成例を示すブロック図である。
図２において、制御部５０は、たとえば図示しないＣＰＵ（中央演算処理装置）５０ａ、ＲＯＭ(Read Only Memory)５０ｂおよびＲＡＭ(Random Access Memory)５０ｃを備え、ＣＰＵ５０ａが、ＲＯＭ５０ｂに書き込まれたプログラムをＲＡＭ５０ｃに読み出して所定の制御処理を実行することにより、三次元積層造形装置１０の動作を統括的に制御する。制御部５０には、上述したビーム照射装置１４、粉末塗布装置１６およびプレート移動装置２６の他に、マスクカバー昇降装置５２が接続されている。

ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて電子ビーム１５を照射する。その際、制御部５０は、電子銃１４１、集束レンズ１４２および偏向レンズ１４３を介して電子ビーム１５を制御する。たとえば、制御部５０は、電子銃１４１を介して電子ビーム１５のビーム電流を制御する。また、制御部５０は、集束レンズ１４２を介して電子ビーム１５のフォーカス状態を制御する。また、制御部５０は、偏向レンズ１４３を介して電子ビーム１５の偏向角度および偏向速度を制御する。

なお、水平面（ＸＹ平面）における電子ビーム１５のスポット径は、電子ビーム１５のフォーカス状態に応じて変化する。このため、電子ビーム１５のフォーカス状態を制御することは、対象物に照射される電子ビーム１５のスポット径を制御することを意味する。また、水平面における電子ビーム１５の照射位置は、電子ビーム１５の偏向角度に応じて変化する。このため、電子ビーム１５の偏向角度を制御することは、電子ビーム１５の照射位置を制御することを意味する。

プレート移動装置２６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて造形プレート２２を移動させる。粉末塗布装置１６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて造形プレート２２上に金属粉末３２を塗布する。粉末塗布装置１６が有するホッパー１６ａ、粉末投下器１６ｂおよびスキージ１６ｃの動作は、制御部５０によって制御される。マスクカバー昇降装置５２は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいてマスクカバー３０を昇降させる。

＜三次元積層造形装置の動作＞
図３は、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の処理動作の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理動作は、制御部５０の制御下で行われる。

まず、造形を開始する前の状態では、造形プレート２２の上面を除いて、造形プレート２２の三方が金属粉末３２によって覆われた状態になる。また、造形プレート２２の上面は、造形テーブル１８上に敷き詰められた金属粉末３２の上面とほぼ同じ高さに配置される。一方、マスクカバー３０は、造形プレート２２の上面まで降ろされる。この場合、造形プレート２２の周囲に存在する金属粉末３２はマスクカバー３０のマスク部３０ｂによって覆われた状態になる。また、マスク部３０ｂは、金属粉末３２に接触した状態になる。以上述べた状態のもとで造形が開始される。

（プレート加熱工程）
まず、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２を加熱する（ステップＳ１）。
ステップＳ１において、ビーム照射装置１４は、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して造形プレート２２に電子ビーム１５を照射する。これにより、造形プレート２２は、金属粉末３２が仮焼結する程度の温度に加熱される。

（プレート下降工程）
次に、プレート移動装置２６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２を所定量だけ下降させる（ステップＳ２）。
ステップＳ２において、プレート移動装置２６は、造形テーブル１８上に敷き詰められた金属粉末３２の上面よりも造形プレート２２の上面が僅かに下がった状態となるように、インナーベース２４を所定量だけ下降させる。このとき、造形プレート２２は、インナーベース２４と共に所定量だけ下降する。ここで記載する所定量（以下、「ΔＺ」とも記す）は、造形物３８を積層によって造形するときの一層分の厚さに相当する。

（マスクカバー上昇工程）
次に、マスクカバー昇降装置５２は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー３０を上昇させる（ステップＳ３）。
ステップＳ３において、マスクカバー昇降装置５２は、次のステップＳ４でスキージ１６ｃがマスクカバー３０に接触しないよう、スキージ１６ｃよりも高い位置までマスクカバー３０を上昇させる。

（粉末塗布工程）
次に、粉末塗布装置１６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２上に金属粉末３２を塗布して粉末層３２ａを形成する（ステップＳ４）。
ステップＳ４において、粉末塗布装置１６は、ホッパー１６ａから粉末投下器１６ｂに供給された金属粉末３２を、粉末投下器１６ｂによって造形テーブル１８上に投下した後、スキージ１６ｃをＸ方向に移動させることにより、造形プレート２２上に金属粉末３２を敷き詰める。このとき、金属粉末３２は、ΔＺ相当の厚さで造形プレート２２上に敷き詰められる。これにより、造形プレート２２上に粉末層３２ａが形成される。また、余分な金属粉末３２は、回収ボックス２１に回収される。

（マスクカバー下降工程）
次に、マスクカバー昇降装置５２は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー３０を下降させる（ステップＳ５）。
ステップＳ５において、マスクカバー昇降装置５２は、金属粉末３２の造形面３２ｂに接触するようにマスクカバー３０を降ろす。これにより、造形プレート２２上の金属粉末３２は、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して外部に露出した状態となる。また、造形プレート２２の周囲に存在する金属粉末３２は、マスクカバー３０のマスク部３０ｂによって覆われた状態になる。

（予備加熱工程）
次に、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２上の粉末層３２ａを予備加熱する（ステップＳ６）。この予備加熱工程Ｓ６においては、金属粉末３２を仮焼結させるために粉末層３２ａを予備加熱する。本焼結工程の前に行われる予備加熱は、パウダーヒートとも呼ばれる。
ステップＳ６において、ビーム照射装置１４は、造形プレート２２上の金属粉末３２（粉末層３２ａ）に電子ビーム１５を照射する。また、ビーム照射装置１４は、造形物３８を形成するための領域（以下、「造形領域」ともいう。）よりも広範囲に電子ビーム１５を照射する。これにより、造形領域に存在する金属粉末３２と、造形領域の周囲に存在する金属粉末３２とが、共に仮焼結される。
なお、図１において、符号Ｅ１は、未焼結の金属粉末３２が存在する未焼結領域を示し、符号Ｅ２は、仮焼結された金属粉末３２が存在する仮焼結領域を示している。

（本焼結工程）
次に、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、金属粉末３２を溶融および凝固によって本焼結させる（ステップＳ７）。
ステップＳ７においては、上述のように仮焼結させた金属粉末３２を電子ビーム１５の照射によって溶融および凝固させることにより、仮焼結体としての金属粉末３２を本焼結させる。ステップＳ７において、制御部５０は、目的とする造形物３８の三次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データを一定の厚み（ΔＺに相当する厚み）にスライスした二次元データに基づいて造形領域を特定し、ビーム照射装置１４は、制御部５０が特定した造形領域を対象に電子ビーム１５を照射することにより、造形プレート２２上の金属粉末３２を選択的に溶融する。電子ビーム１５の照射によって溶融した金属粉末３２は、電子ビーム１５が通過した後に凝固する。これにより、１層目の造形物が形成される。

（プレート下降工程）
次に、プレート移動装置２６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２を所定量（ΔＺ）だけ下降させる（ステップＳ８）。
ステップＳ８において、プレート移動装置２６は、造形プレート２２およびインナーベース２４をΔＺだけ下降させる。

（第１予備加熱工程）
続いて、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２上の粉末層３２ａを予備加熱する（ステップＳ９）。この第１予備加熱工程Ｓ９においては、次の層の金属粉末３２を敷き詰めるための準備として、その前の層で本焼結工程を終えた粉末層３２ａを予備加熱する。本焼結工程の後に行われる予備加熱は、アフターヒートとも呼ばれる。
ステップＳ９において、ビーム照射装置１４は、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射する。これにより、開口部３０ａに露出している粉末層３２ａは、金属粉末３２が仮焼結する程度の温度に加熱される。

（マスク上昇工程）
次に、マスクカバー昇降装置５２は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー３０を上昇させる（ステップＳ１０）。
ステップＳ１０において、マスクカバー昇降装置５２は、次のステップＳ１１でスキージ１６ｃがマスクカバー３０に接触しないよう、スキージ１６ｃよりも高い位置までマスクカバー３０を上昇させる。

（粉末塗布工程）
次に、粉末塗布装置１６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２上に金属粉末３２を塗布して粉末層３２ａを形成する（ステップＳ１１）。
ステップＳ１１において、粉末塗布装置１６は、上記ステップＳ４と同様に動作する。これにより、造形プレート２２上では、１層目の金属粉末３２によって形成された焼結体の上に、２層目の金属粉末３２が敷き詰められる。

（マスクカバー下降工程）
次に、マスクカバー昇降装置５２は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー３０を下降させる（ステップＳ１２）。
ステップＳ１２において、マスクカバー昇降装置５２は、上記ステップＳ５と同様に動作する。

（第２予備加熱工程）
次に、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、２層目の粉末層３２ａを形成している金属粉末３２を予備加熱する（ステップＳ１３）。
ステップＳ１３において、ビーム照射装置１４は、上記ステップＳ６と同様に動作する。これにより、２層目の粉末層３２ａを形成している金属粉末３２が仮焼結される。

（本焼結工程）
次に、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、２層目の粉末層３２ａを形成している金属粉末３２を溶融および凝固によって本焼結させる（ステップＳ１４）。
ステップＳ１４において、ビーム照射装置１４は、上記ステップＳ７と同様に動作する。これにより、２層目の造形物が形成される。

次に、制御部５０は、目的とする造形物３８の造形が完了したか否かを確認する（ステップＳ１５）。そして、制御部５０は、造形物３８の造形が完了していないと判断すると、上記ステップＳ８に戻る。これにより、制御部５０は、３層目以降の各層についても、上記ステップＳ８～Ｓ１４の工程を繰り返す。そして、造形物３８の造形が完了したと判断すると、その時点で一連の処理を終える。
以上述べた三次元積層造形プロセスにより、目的とする造形物３８が得られる。

上述した三次元積層造形プロセスにおけるステップＳ６およびステップＳ１３では、金属粉末３２を仮焼結させるために、電子ビーム１５の照射によって粉末層３２ａを予熱する。その際、制御部５０は、少なくとも予熱開始時に電子ビーム１５のスポットが重ならないように電子ビーム１５のビーム径および照射位置を設定する。また、制御部５０は、予熱開始から予熱終了までの間に電子ビーム１５のビーム径が徐々に大きくなるようにビーム照射装置１４を制御する。

以下、本発明の第１実施形態に係る粉末層の予熱方法について図面を用いて説明する。
制御部５０は、１層分の粉末層３２ａを電子ビーム１５の照射によって予熱する場合、電子ビーム１５の照射条件が異なる複数の段階に分けて粉末層３２ａを予熱する。粉末層３２ａを幾つの段階に分けて予熱するかは任意に設定可能である。本実施形態では、一例として、４つの段階に分けて粉末層３２ａを予熱するものとする。

図４は、本発明の第１実施形態における第１段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。第１段階の開始時は、予熱開始時に相当する。
図４においては、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して外部に露出する金属粉末３２の粉末層３２ａを対象に電子ビーム１５を照射している。粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射すると、電子ビーム１５の照射位置に電子ビーム１５のスポット（以下、「ビームスポット」ともいう。）１５ａが形成される。したがって、ビームスポット１５ａの位置は、電子ビーム１５の照射位置を示している。制御部５０は、予め決められた予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置を移動させる。予熱パターンは、図４に示すドット状（飛び石状）のパターンである。

具体的には、制御部５０は、電子ビーム１５の照射位置をＹ方向（第２の方向）で複数のラインＬｉに分け、ラインＬｉごとに電子ビーム１５の照射位置をＸ方向（第１の方向）の一端部から他端部まで移動させる。また、制御部５０は、各ラインＬｉで電子ビーム１５の移動と停止を繰り返すことにより、電子ビーム１５の照射位置をＸ方向に間欠的に移動させる。このとき、電子ビーム１５が停止する位置が、電子ビーム１５の照射位置、すなわちビームスポット１５ａが形成される位置となる。図４に示す第１段階において、制御部５０は、電子ビーム１５のラインＬｉ同士が重ならないように、電子ビーム１５のビーム径および照射位置を設定している。より具体的に記述すると、Ｘ方向およびＹ方向でビームスポット１５ａが互いに重ならないように、Ｘ方向におけるビームスポット１５ａの間隔ＰｘおよびＹ方向におけるビームスポット１５ａの間隔Ｐｙが、いずれも電子ビーム１５のビーム径（図４に示すφ１）以上に設定されている。これにより、Ｙ方向で隣り合う２つのラインＬｉの間に、ラインＬｉ同士の重なりを避けるために必要な間隔Ｐｙが確保される。電子ビーム１５のラインＬｉは、電子ビーム１５の照射位置をＸ方向に移動することによって形成されるラインであり、１つのラインＬｉの幅は電子ビーム１５のビーム径と同じ寸法になる。また、電子ビーム１５のビーム径は、電子ビーム１５のビームサイズに相当し、粉末層３２ａに照射される電子ビーム１５のスポットの直径を意味する。

制御部５０は、図４に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置を始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるとともに、この移動動作を予め決められた回数だけ繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。これにより、移動動作の繰り返し回数の規定値が、例えばＫ回（Ｋは２以上の整数）に設定されている場合は、移動動作の繰り返し回数がＫ回に達した時点で第１段階が終了となる。したがって、第１段階では、各々の電子ビーム１５の照射位置にビーム径φ１の大きさでＫ回ずつ電子ビーム１５が照射される。なお、本実施形態においては、電子ビーム１５の照射領域が四角形の領域となっているが、これに限らず、電子ビーム１５の照射領域は円形の領域であってもよい。

図５は、本発明の第１実施形態における第２段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す図である。第２段階は、第１段階の次の段階である。
第２段階において、制御部５０は、第１段階に比べて電子ビーム１５のビーム径を上記φ１よりも大きいφ２に設定する。そして、制御部５０は、ビーム径＝φ２の設定のもとで、図５に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置を始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるとともに、この移動動作を予め決められた回数だけ繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。移動動作の繰り返し回数は、第１段階と同じ回数でもよいし、第１段階と異なる回数でもよい。図５に示す第２段階において、制御部５０は、電子ビーム１５のラインＬｉ同士が重ならないように、電子ビーム１５のビーム径および照射位置を設定している。より具体的に記述すると、Ｘ方向およびＹ方向でビームスポット１５ａが互いに重ならないように、Ｘ方向におけるビームスポット１５ａの間隔ＰｘおよびＹ方向におけるビームスポット１５ａの間隔Ｐｙが、いずれも電子ビーム１５のビーム径φ２以上に設定されている。また、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｘ，Ｐｙは、第１段階の場合と同一に設定されている。

図６は、本発明の第１実施形態における第３段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す図である。第３段階は、第２段階の次の段階である。
第３段階において、制御部５０は、第２段階に比べて電子ビーム１５のビーム径を上記φ２よりも大きいφ３に設定する。そして、制御部５０は、ビーム径＝φ３の設定のもとで、図６に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置を始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるとともに、この移動動作を予め決められた回数だけ繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。移動動作の繰り返し回数は、第１段階と同じ回数でもよいし、第１段階と異なる回数でもよい。図６に示す第３段階において、制御部５０は、電子ビーム１５のラインＬｉ同士が重ならないように、電子ビーム１５のビーム径および照射位置を設定している。より具体的に記述すると、Ｘ方向およびＹ方向でビームスポット１５ａが互いに重ならないように、Ｘ方向におけるビームスポット１５ａの間隔ＰｘおよびＹ方向におけるビームスポット１５ａの間隔Ｐｙが、いずれも電子ビーム１５のビーム径φ３以上に設定されている。また、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｘ，Ｐｙは、第１段階の場合と同一に設定されている。

図７は、本発明の第１実施形態における第４段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す図である。第４段階は、第３段階の次の段階である。第４段階の終了時は、予熱終了時に相当する。
第４段階において、制御部５０は、第３段階に比べて電子ビーム１５のビーム径を上記φ３よりも大きいφ４に設定する。そして、制御部５０は、ビーム径＝φ４の設定のもとで、図７に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置を始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるとともに、この移動動作を予め決められた回数だけ繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。移動動作の繰り返し回数は、第１段階と同じ回数でもよいし、第１段階と異なる回数でもよい。図７に示す第４段階において、制御部５０は、電子ビーム１５のラインＬｉ同士が重なり合うように、電子ビーム１５のビーム径および照射位置を設定している。より具体的に記述すると、Ｘ方向およびＹ方向でビームスポット１５ａが互いに重なり合うように、Ｘ方向におけるビームスポット１５ａの間隔ＰｘおよびＹ方向におけるビームスポット１５ａの間隔Ｐｙが、いずれも電子ビーム１５のビーム径φ４未満に設定されている。これにより、Ｙ方向で隣り合う２つのラインＬｉが部分的に重なり合う状態になる。また、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｘ，Ｐｙは、第１段階の場合と同一に設定されている。つまり、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｘ，Ｐｙは、予熱開始から予熱終了まで一定である。

なお、ビーム径を徐々に大きくすると、開口部３０ａからはみ出すビームスポット１５ａの面積が広くなるが、開口部３０ａの外側はマスク部３０ｂ（図１参照）によって覆われているため、ビームスポット１５ａが開口部３０ａからはみ出してもスモークが発生するおそれはない。

以上説明したように、本発明の第１実施形態において、制御部５０は、予熱開始時を含む第１段階と、その後の第２段階および第３段階で、電子ビーム１５のラインＬｉ同士が重ならないように電子ビーム１５のビーム径および照射位置を設定している。これにより、スモークの発生を抑制しながら粉末層３２ａの温度を上げることができる。また、制御部５０は、第１段階で予熱を開始してから第４段階で予熱を終了するまでの間に、電子ビーム１５のビーム径が徐々に大きくなるようにビーム照射装置１４を制御している。これにより、粉末層３２ａの仮焼結が、第１段階から第３段階までの予熱によってある程度進んだ状態で、第４段階の予熱を行うことができる。このため、第４段階で電子ビーム１５のラインＬｉ同士が重なり合うように電子ビーム１５を照射しても、スモークの発生が抑えられる。また、最終の第４段階で電子ビーム１５のビーム径をφ４と大きく設定することにより、粉末層３２ａを均一な温度に加熱することができる。その結果、スモーク発生のリスクを低減するとともに、粉末層３２ａの温度分布を均一にすることができる。

＜第２実施形態＞
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。
本発明の第２実施形態においては、上述した第１実施形態と比較して、制御部５０の制御下で行われる粉末層３２ａの予熱方法が異なる。具体的には、上述した第１段階、第２段階、第３段階および第４段階の各段階において、制御部５０は、電子ビーム１５のビーム電流が徐々に大きくなるようにビーム照射装置１４を制御する。

図８は、本発明の第２実施形態における第１段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。
図８に示す第１段階において、電子ビーム１５のビーム径φ１および照射位置の設定や、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｘ，Ｐｙの設定は、上記第１実施形態の場合（図４参照）と同じである。
この第１段階において、制御部５０は、図８に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置（ビームスポット１５ａ）を始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるとともに、この移動動作を予め決められた回数だけ繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。また、制御部５０は、第１段階の上記移動動作を例えば合計１００回繰り返す場合に、１回目から２５回目までの移動動作では電子ビーム１５のビーム電流を５ｍＡに設定し、２６回目から５０回目までの移動動作ではビーム電流を１０ｍＡに設定し、５１回目から７５回目までの移動動作ではビーム電流を２０ｍＡに設定し、７５回目から１００回目までの移動動作ではビーム電流を３０ｍＡに設定する。つまり、制御部５０は、第１段階の開始時から終了時までビーム電流を徐々に大きくする。

図９は、本発明の第２実施形態における第２段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。
図９に示す第２段階において、電子ビーム１５のビーム径φ２および照射位置の設定や、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｘ，Ｐｙの設定は、上記第１実施形態の場合（図５参照）と同じである。
この第２段階において、造形テーブル１８は、図９に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置（ビームスポット１５ａ）を始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるとともに、この移動動作を予め決められた回数だけ繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。また、制御部５０は、第２段階の上記移動動作を例えば合計１００回繰り返す場合に、１回目から２５回目までの移動動作では電子ビーム１５のビーム電流を２０ｍＡに設定し、２６回目から５０回目までの移動動作ではビーム電流を３０ｍＡに設定し、５１回目から７５回目までの移動動作ではビーム電流を４０ｍＡに設定し、７５回目から１００回目までの移動動作ではビーム電流を５０ｍＡに設定する。つまり、制御部５０は、第２段階の開始時から終了時までビーム電流を徐々に大きくする。

図１０は、本発明の第２実施形態における第３段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。
図１０に示す第３段階において、電子ビーム１５のビーム径φ３および照射位置の設定や、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｘ，Ｐｙの設定は、上記第１実施形態の場合（図６参照）と同じである。
この第３段階において、造形テーブル１８は、図１０に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置（ビームスポット１５ａ）を始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるとともに、この移動動作を予め決められた回数だけ繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。また、制御部５０は、第３段階の上記移動動作を例えば合計１００回繰り返す場合に、１回目から２５回目までの移動動作では電子ビーム１５のビーム電流を４０ｍＡに設定し、２６回目から５０回目までの移動動作ではビーム電流を５５ｍＡに設定し、５１回目から７５回目までの移動動作ではビーム電流を７０ｍＡに設定し、７５回目から１００回目までの移動動作ではビーム電流を８０ｍＡに設定する。つまり、制御部５０は、第３段階の開始時から終了時までビーム電流を徐々に大きくする。

図１１は、本発明の第２実施形態における第４段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。
図１１に示す第４段階において、電子ビーム１５のビーム径φ４および照射位置の設定や、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｘ，Ｐｙの設定は、上記第１実施形態の場合（図７参照）と同じである。
この第４段階において、造形テーブル１８は、図１１に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置（ビームスポット１５ａ）を始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるとともに、この移動動作を予め決められた回数だけ繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。また、制御部５０は、第４段階の上記移動動作を例えば合計１００回繰り返す場合に、１回目から２５回目までの移動動作では電子ビーム１５のビーム電流を５０ｍＡに設定し、２６回目から５０回目までの移動動作ではビーム電流を６０ｍＡに設定し、５１回目から７５回目までの移動動作ではビーム電流を７０ｍＡに設定し、７５回目から１００回目までの移動動作ではビーム電流を８０ｍＡに設定する。つまり、制御部５０は、第４段階の開始時から終了時までビーム電流を徐々に大きくする。

なお、第１段階から第４段階までの各段階において、上記移動動作の繰り返し回数は任意に変更可能である。また、次の段階に進む条件は、上記移動動作の繰り返し回数に限らず、たとえば第１段階を所定の時間だけ実施したら第２段階に進むといった具合に、時間によって決めてもよい。また、各段階に適用するビーム電流の値はあくまで一例であり、この例に限定されるものではない。

本発明の第２実施形態においては、上述した第１実施形態と同様の効果に加えて、次のような効果が得られる。
制御部５０は、第１段階で予熱を開始してから第４段階で予熱を終了するまでの間に、電子ビーム１５のビーム径だけでなく、各段階で電子ビーム１５のビーム電流が徐々に大きくなるようにビーム照射装置１４を制御している。これにより、予熱開始から予熱終了まで電子ビーム１５のビーム電流が一定になるように制御する場合に比べて、各段階でスモークが発生するリスクを低減することができる。

なお、上記第２実施形態においては、第１段階から第４段階までの各段階で電子ビーム１５のビーム電流を徐々に大きくなるように制御したが、本発明はこれに限らず、例えば各段階ではビーム電流を一定とし、予熱の段階が切り替わるタイミングでビーム電流が大きくなるように制御してもよい。また、上記第２実施形態においては、第１段階から第４段階までのすべての段階で電子ビーム１５のビーム電流が徐々に大きくなるように制御したが、本発明はこれに限らず、少なくともいずれか１つの段階で電子ビーム１５のビーム電流が徐々に大きくなるように制御してもよい。すなわち、電子ビーム１５のビーム電流が大きくなるように制御する方法は、種々の変形が可能である。

＜第３実施形態＞
続いて、本発明の第３実施形態について説明する。
本発明の第３実施形態においては、上述した第１実施形態および第２実施形態と比較して、電子ビーム１５のビーム径を変えずに、電子ビーム１５のビーム電流を徐々に大きくする点が異なる。また、上述した第１実施形態および第２実施形態においては、粉末層３２ａの予熱を４つの段階に分けて行うようにしたが、本発明の第３実施形態においては、粉末層３２ａの予熱を２つの段階に分けて行う点が異なる。

図１２は、本発明の第３実施形態における第１段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。
図１２に示す第１段階において、電子ビーム１５のビーム径φ３および照射位置の設定や、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｘ，Ｐｙの設定は、上記第１実施形態の第３段階（図６参照）や上記第２実施形態の第３段階（図１０参照）と同じである。
この第１段階において、制御部５０は、電子ビーム１５のビーム径φ３を一定に維持したままで、図１２に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置（ビームスポット１５ａ）を始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるとともに、この移動動作を予め決められた回数だけ繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。また、制御部５０は、上記移動動作を例えば合計１００回繰り返す場合に、１回目から２０回目までの移動動作では電子ビーム１５のビーム電流を１０ｍＡに設定し、２１回目から４０回目までの移動動作ではビーム電流を３０ｍＡに設定し、４１回目から６０回目までの移動動作ではビーム電流を５０ｍＡに設定し、６１回目から８０回目までの移動動作ではビーム電流を７０ｍＡに設定し、８１回目から１００回目までの移動動作ではビーム電流を８０ｍＡに設定する。つまり、制御部５０は、第１段階の開始時から終了時までビーム電流を徐々に大きくする。

図１３は、本発明の第３実施形態における第２段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。
図１３に示す第２段階において、制御部５０は、上記図１２に示す第１段階と比較して、電子ビーム１５のビーム径φ３を変えずに、ビームスポット１５ａの間隔を狭く設定することにより、電子ビーム１５のラインＬｉ同士が重なり合うようにしている。具体的には、制御部５０は、Ｘ方向およびＹ方向の両方でビームスポット１５ａが互いに重なり合うように、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｘ１，Ｐｙ１をビーム径φ３未満に設定している。
この第２段階において、制御部５０は、電子ビーム１５のビーム径φ３を一定に維持したままで、図１３に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置（ビームスポット１５ａ）を始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるとともに、この移動動作を予め決められた回数だけ繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。また、制御部５０は、上記第１段階と同様の制御形態で、第２段階の開始時から終了時までビーム電流を徐々に大きくする。

なお、第２段階においては、第１段階と比較してビームスポット１５ａの間隔Ｐｘ１，Ｐｙ１を狭く設定しているため、電子ビーム１５の照射位置を始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるまでに、より多くの回数にわたって電子ビーム１５の移動と停止を繰り返す。このため、Ｙ方向で隣り合う２つのラインＬｉの間隔が狭くなるとともに、ラインＬｉの本数が多くなる。また、電子ビーム１５の照射位置を示すビームスポット１５ａの配置は、第１段階よりも密になる。

このように本発明の第３実施形態において、第１段階および第２段階では、電子ビーム１５のビーム径を変えずに、電子ビーム１５のビーム電流を徐々に大きくしているため、スモークの発生を抑制しながら粉末層３２ａの温度を上げることができる。また、第２段階では、電子ビーム１５のラインＬｉ同士が重なり合うように、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｙ１を狭く設定しているため、粉末層３２ａを均一な温度に加熱することができる。さらに、第２段階では、Ｘ方向およびＹ方向の両方でビームスポット１５ａが互いに重なり合うように、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｘ１，Ｐｙ１を狭く設定しているため、粉末層３２ａをより均一な温度に加熱することができる。

なお、上記第３実施形態においては、第１段階に適用したビームスポット１５ａの間隔Ｐｘ，Ｐｙに比べて、第２段階に適用したビームスポット１５ａの間隔Ｐｘ１，Ｐｙ１を狭く設定することにより、第２段階では、第１段階と同じビーム径φ３のままで電子ビーム１５のラインＬｉ同士ならびにビームスポット１５ａを重ね合わせている。このようなやり方は、上記第１実施形態や第２実施形態にも適用可能である。例えば、上記第２実施形態においては、第４段階で電子ビーム１５のラインＬｉ同士ならびにビームスポット１５ａを重ね合わせるために、電子ビーム１５のビーム径φ４を大きく設定しているが、これ以外にも、第４段階において上記図１３に示すように電子ビーム１５のビーム径φ３を第３段階と同一に設定し、かつ、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｘ１，Ｐｙ１を第３段階よりも狭く設定することにより、電子ビーム１５のラインＬｉ同士ならびにビームスポット１５ａを重ね合わせることができる。この点は、上記第１実施形態についても同様である。

＜第４実施形態＞
続いて、本発明の第４実施形態について説明する。
本発明の第４実施形態において、制御部５０は、積層方向で異なる位置に積層される第１の粉末層３２ａと第２の粉末層３２ａのうち、第１の粉末層３２ａを予熱するときに適用する電子ビーム１５の照射位置と、第２の粉末層３２ａを予熱するときに適用する電子ビーム１５の照射位置とを、上記積層方向と直交する方向にずらして設定する。積層方向とは、三次元の造形物３８を造形するために粉末層３２ａを積み重ねる方向、すなわちＺ方向である。また、積層方向と直交する方向とは、造形プレート２２の上面と平行な方向、すなわち水平方向である。

本発明の第４実施形態においては、第１の粉末層３２ａがＭ層目（Ｍは自然数）の粉末層３２ａであり、第２の粉末層３２ａがＭ＋１層目の粉末層３２ａである場合を例に挙げて説明する。ただし、第１の粉末層３２ａと第２の粉末層３２ａは、積層方向で隣り合っている必要はなく、第１の粉末層３２ａと第２の粉末層３２ａとの間に、１つまたは複数の粉末層３２ａが介在してもよい。すなわち、電子ビーム１５の照射位置は、１層ごとにずらしてもよいし、複数層ごとにずらしてもよい。

また、電子ビーム１５の照射位置を複数層ごとにずらす場合は、第１の粉末層３２ａと第２の粉末層３２ａとの間に介在する粉末層３２ａの層数を、仮焼結体の塊を分散させるのに適した層数に設定するとよい。仮焼結体の塊は、電子ビーム１５の照射によって粉末層３２ａを予熱するときに、電子ビーム１５の照射位置に硬い仮焼結体が形成され、この仮焼結体が積層方向に長く積み重なることによって形成される塊である。仮焼結体の塊が形成されると、目的とする造形物３８からブラスト処理によって仮焼結体を取り除く際の処理時間が長くなってしまう。

そこで、制御部５０は、Ｍ層目の粉末層３２ａを予熱する場合は、図１４に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置（ビームスポット１５ａ）を始点Ｐｓ１から終点Ｐｅ１まで移動させるとともに、この移動動作を繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。その後、制御部５０は、Ｍ＋１層目の粉末層３２ａを予熱する場合は、図１５に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置（ビームスポット１５ａ）を始点Ｐｓ２から終点Ｐｅ２まで移動させるとともに、この移動動作を繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。

図１４に示す予熱パターンと図１５に示す予熱パターンを比較すると分かるように、Ｍ層目の粉末層３２ａを予熱するときのビーム照射位置に対し、Ｍ＋１層目の粉末層３２ａを予熱するときのビーム照射位置は、Ｘ方向に所定の距離Ｌだけずれている。このようにビーム照射位置をずらすことにより、Ｍ層目の粉末層３２ａのビーム照射位置に形成される仮焼結体と、Ｍ＋１層目の粉末層３２ａのビーム照射位置に形成される仮焼結体とは、水平方向に位置がずれた状態になるため、それらの仮焼結体を積層方向で分断することができる。これにより、仮焼結体が積層方向に長く積み重なって塊となることを抑制することができる。したがって、目的とする造形物３８からブラスト処理によって仮焼結体を取り除く作業を短時間で終えることができる。

なお、ビーム照射位置をずらす方向は、Ｘ方向に限定されるものではない。
また、本発明の第４実施形態は、上述した第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態にも適用可能である。ただし、本発明の第４実施形態を第３実施形態に適用する場合は、ビームスポット１５ａの間隔を変える方向が例えばＸ方向であれば、第１の粉末層３２ａと第２の粉末層３２ａでビーム照射位置をずらすことができる方向はＹ方向のみとなる。この点は、第１実施形態の第４段階または第２実施形態の第４段階で、上記図１３に示すようにビームスポット１５ａの間隔を変える場合も同様である。

＜第５実施形態＞
続いて、本発明の第５実施形態について説明する。
本発明の第５実施形態において、制御部５０は、粉末層３２ａを電子ビーム１５の照射によって予熱する場合に、マスクカバー３０の開口部３０ａよりも広範囲に電子ビーム１５を照射するように、ビーム照射装置１４を制御する。

図１６は、本発明の第５実施形態に係る電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。
まず、本発明の第５実施形態との比較のために、上記第１実施形態の第１段階の予熱パターン（図４参照）について説明する。
第１実施形態においては、マスクカバー３０の開口部３０ａの中心から見て外側のビームスポット１５ａの中心が、開口部３０ａの縁に位置している。
これに対して、本発明の第５実施形態においては、図１６に示すように、マスクカバー３０の開口部３０ａの中心から見て外側のビームスポット１５ａの中心が、開口部３０ａの縁よりも外側、すなわちマスク部３０ｂ（図１参照）の領域に位置している。

このように電子ビーム１５の照射エリアを拡大した場合は、図１６に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置（ビームスポット１５ａ）を始点Ｐｓ３から終点Ｐｅ３まで移動させるための所要時間が長くなる。このため、電子ビーム１５の照射位置を始点Ｐｓ３から終点Ｐｅ３まで移動させ、この移動動作を複数回にわたって繰り返す場合に、電子ビーム１５の照射位置が始点Ｐｓ３から移動し始めて再び始点Ｐｓ３に戻るまでの時間、すなわち繰り返しの周期が長くなる。したがって、実質的な予熱の開始点である始点ｐｓから、実質的な予熱の終了点である終点Ｐｅまでビーム照射位置を移動させる場合に、各々のビーム照射位置で粉末粒子に蓄積された電荷を散逸させるための時間を長く確保することができる。その結果、電荷の蓄積に起因するスモーク発生のリスクを低減することができる。

なお、上記第５実施形態においては、第１実施形態の第１段階の予熱パターンを比較例に挙げて説明したが、第１実施形態の第２段階以降でも上記第５実施形態と同様に電子ビーム１５の照射エリアを拡大してもよい。また、上記第５実施形態は、第２実施形態～第４実施形態にも適用可能である。

＜第６実施形態＞
続いて、本発明の第６実施形態について説明する。
本発明の第６実施形態においては、上述した実施形態と比較して、電子ビーム１５をＸ方向に移動させる方式が異なる。具体的には、上述した実施形態では、制御部５０は、各ラインＬｉで電子ビーム１５の移動と停止を繰り返すことにより、電子ビーム１５の照射位置をＸ方向に間欠的に移動させる方式を採用している。これに対して、本第６実施形態では、各ラインＬｉで電子ビーム１５を停止させずに一定速度で移動させる、つまり電子ビーム１５の照射位置をＸ方向に連続的に移動させる方式を採用している。以下、詳しく説明する。

図１７は、本発明の第６実施形態における第１段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。
図１７に示す第１段階において、制御部５０は、電子ビーム１５の照射位置をＹ方向で複数のラインＬｉに分け、ラインＬｉごとに電子ビーム１５の照射位置をＸ方向の一端部から他端部まで移動させる。また、制御部５０は、各ラインＬｉで電子ビーム１５のビームスポット１５ａをＸ方向に連続的に移動させる。さらに、制御部５０は、電子ビーム１５のラインＬｉ同士が重ならないように、電子ビーム１５のビーム幅および照射位置を設定している。より具体的に記述すると、Ｙ方向で隣り合う２つのラインＬｉが重なり合わないよう、Ｙ方向における電子ビーム１５の間隔Ｐｙが、電子ビーム１５のビーム幅（図１７に示すｗ１）以上に設定されている。電子ビーム１５のビーム幅は、電子ビーム１５のビームサイズに相当し、粉末層３２ａに照射される電子ビーム１５のスポット（図１７に示すビームスポット１５ａ）の直径によって決まる。また、第１段階において、制御部５０は、図１７に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置を支点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるとともに、この移動動作を予め決められた回数だけ繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。

図１８は、本発明の第６実施形態における第２段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。
第２段階において、制御部５０は、第１段階に比べて電子ビーム１５のビーム幅を上記ｗ１よりも大きいｗ２に設定する。そして、制御部５０は、ビーム幅＝ｗ２の設定のもとで、図１８に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置を始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるとともに、この移動動作を予め決められた回数だけ繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。図１８に示す第２段階において、制御部５０は、電子ビーム１５のラインＬｉ同士が重ならないように、電子ビーム１５のビーム幅および照射位置を設定している。より具体的に記述すると、Ｙ方向で隣り合う２つのラインＬｉが重なり合わないよう、Ｙ方向における電子ビーム１５の間隔Ｐｙが、電子ビーム１５のビーム幅（図１８に示すｗ２）以上に設定されている。また、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｙは、第１段階の場合と同一に設定されている。

図１９は、本発明の第６実施形態における第３段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。
第３段階において、制御部５０は、第２段階に比べて電子ビーム１５のビーム幅を上記ｗ２よりも大きいｗ３に設定する。そして、制御部５０は、ビーム幅＝ｗ３の設定のもとで、図１９に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置を始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるとともに、この移動動作を予め決められた回数だけ繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。図１９に示す第３段階において、制御部５０は、電子ビーム１５のラインＬｉ同士が重ならないように、電子ビーム１５のビーム幅および照射位置を設定している。より具体的に記述すると、Ｙ方向で隣り合う２つのラインＬｉが重なり合わないよう、Ｙ方向における電子ビーム１５の間隔Ｐｙが、電子ビーム１５のビーム幅（図１９に示すｗ３）以上に設定されている。また、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｙは、第１段階の場合と同一に設定されている。

図２０は、本発明の第６実施形態における第４段階の電子ビームの照射位置を模式的に示す平面図である。
第４段階において、制御部５０は、第３段階に比べて電子ビーム１５のビーム幅を上記ｗ３よりも大きいｗ４に設定する。そして、制御部５０は、ビーム幅＝ｗ４の設定のもとで、図２０に示す予熱パターンに従って電子ビーム１５の照射位置を始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動させるとともに、この移動動作を予め決められた回数だけ繰り返すようにビーム照射装置１４を制御する。図２０に示す第４段階において、制御部５０は、電子ビーム１５のラインＬｉ同士が重なり合うように、電子ビーム１５のビーム幅および照射位置を設定している。より具体的に記述すると、Ｙ方向における電子ビーム１５の間隔Ｐｙが、電子ビーム１５のビーム幅（図２０に示すｗ４）未満に設定されている。これにより、Ｙ方向で隣り合う２つのラインＬｉが部分的に重なり合う状態になる。また、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｙは、第１段階の場合と同一に設定されている。つまり、ビームスポット１５ａの間隔Ｐｙは、予熱開始から予熱終了まで一定である。

このように本発明の第６実施形態において、制御部５０は、予熱開始時を含む第１段階と、その後の第２段階および第３段階で、電子ビーム１５のラインＬｉ同士が重ならないように電子ビーム１５のビーム幅および照射位置を設定している。これにより、スモークの発生を抑制しながら粉末層３２ａの温度を上げることができる。また、制御部５０は、第１段階で予熱を開始してから第４段階で予熱を終了するまでの間に、電子ビーム１５のビーム幅が徐々に大きくなるようにビーム照射装置１４を制御している。これにより、粉末層３２ａの仮焼結が、第１段階から第３段階までの予熱によってある程度進んだ状態で、第４段階の予熱を行うことができる。このため、第４段階で電子ビーム１５のラインＬｉ同士が重なり合うように電子ビーム１５を照射しても、スモークの発生が抑えられる。また、最終の第４段階で電子ビーム１５のビーム幅をｗ４と大きく設定することにより、粉末層３２ａを均一な温度に加熱することができる。その結果、スモーク発生のリスクを低減するとともに、粉末層３２ａの温度分布を均一にすることができる。

なお、第６実施形態においては、上述した第２実施形態および第３実施形態と同様に電子ビーム１５のビーム電流を変化させてもよい。
また、第６実施形態においては、上述した第４実施形態と同様に、第１の粉末層３２ａを予熱するときに適用する電子ビーム１５の照射位置と、第２の粉末層３２ａを予熱するときに適用する電子ビーム１５の照射位置とを、上記積層方向と直交する方向にずらして設定してもよい。ただし、第６実施形態においては、電子ビーム１５の照射位置をＸ方向に連続的に移動させるため、ビーム照射位置をずらす方向はＹ方向に限定される。

また、上述した第１～第５実施形態においては、予熱開始時を含む第１段階とその後の第２段階および第３段階で、ビームスポット１５ａが互いに重ならないように、Ｘ方向におけるビームスポット１５ａの間隔ＰｘおよびＹ方向におけるビームスポット１５ａの間隔Ｐｙを、いずれも電子ビーム１５のビーム径以上に設定しているが、本発明はこれに限らない。たとえば、Ｘ方向におけるビームスポット１５ａの間隔Ｐｘをビーム径未満に設定し、Ｙ方向におけるビームスポット１５ａの間隔Ｐｙをビーム径以上に設定した場合でも、電子ビーム１５のラインＬＩ同士が重ならないようにすることができる。そして、その場合でも、上述した各実施形態と同様に、スモーク発生のリスクを低減するとともに、粉末層３２ａの温度分布を均一にすることができる。

また、上述した各実施形態においては、いずれも最終段階（第４段階）で電子ビーム１５のラインＬｉ同士を重ね合わせているが、最終段階よりも前の段階で電子ビーム１５のラインＬｉ同士を重ね合わせ、最終段階では、その前の段階よりも重ね合わせ面積が大きくなるようにしてもよい。つまり、制御部５０は、第２段階以降のいずれかの段階でラインＬｉ同士を重ね合わせ、その後の段階では、ラインＬｉ同士の重ね合わせ面積が徐々に大きくなるようにビーム照射装置１４を制御してもよい。

また、上述した各実施形態においては、予熱開始から予熱終了までの間に、制御部５０が、ビーム電流およびビームサイズを変更する場合について説明したが、これらの制御パラメータの他に、スキャンスピードおよびスキャンエリアの少なくとも一方を各段階で変更してもよい。

スキャンスピードは、電子ビーム１５の照射位置をＸ方向に間欠的に移動させる場合は、電子ビーム１５の各々の照射位置でビームスポット１５ａを滞在（停止）させる時間によって決まる。具体的には、ビームスポット１５ａの滞在時間が長いほどスキャンスピードは遅くなり、ビームスポット１５ａの滞在時間が短いほどスキャンスピードは速くなる。また、電子ビーム１５の照射位置をＸ方向に連続的に移動させる場合は、電子ビーム１５の移動速度がスキャンスピードとなる。スキャンスピードを変更する場合は、スキャンスピードを速くするほど電子ビーム１５の照射位置が元の位置に戻るまでの時間（スキャン周期）が短くなり、スキャンスピードを遅くするほど電子ビーム１５の照射位置が元の位置に戻るまでの時間が長くなる。これに対して、スモークは、スキャンスピードが速すぎても遅すぎても発生しやすくなる。このため、スモークの発生を抑制するには、スキャンスピードを適切に設定する必要がある。また、三次元積層造形においては、スモークが発生しやすい層とスモークが発生しにくい層とが混在することがある。このため、スモークが発生しにくい層では、スモークが発生しやすい層よりもスキャンスピードを速くすることにより、粉末層３２ａの予熱に要する時間を短縮することができる。また、同一の層であっても、第１段階では、それより後の段階に比べてスモークが発生しやすくなる。このため、同一の層を対象に電子ビーム１５の移動動作を所定回数Ｋ（Ｋは２以上の整数）だけ繰り返す場合は、１回目の移動動作に比べて２回目以降の移動動作でスキャンスピードを速くすることにより、粉末層３２ａの予熱に要する時間を短縮することができる。

スキャンエリアは、電子ビーム１５を移動させるエリアによって決まる。たとえば、図４に示すように始点Ｐｓから終点Ｐｅまで電子ビーム１５の照射位置を移動させる場合、スキャンエリアは、図４の破線で囲まれたエリアとなる。スキャンエリアを変更する場合は、スキャンエリアを大きくするほど電子ビーム１５の照射位置が元の位置に戻るまでの時間が長くなり、スキャンエリアを小さくするほど電子ビーム１５の照射位置が元の位置に戻るまでの時間が短くなる。このため、スモークが発生しやすい層ではスキャンエリアを大きくすることにより、スモークの発生を抑制することができる。また、スモークが発生しにくい層ではスキャンエリアを小さくすることにより、粉末層３２ａの予熱に要する時間を短縮することができる。また、同一の層であっても、第１段階では、それより後の段階に比べてスモークが発生しやすくなる。このため、同一の層を対象に電子ビーム１５の移動動作を所定回数Ｋ（Ｋは２以上の整数）だけ繰り返す場合は、１回目の移動動作ではスキャンエリアを大きくすることでスモークの発生を抑え、２回目以降の移動動作では１回目の移動動作に比べてスキャンエリアを小さくすることにより、粉末層３２ａの予熱に要する時間を短縮することができる。

また、上述した各実施形態において、粉末層３２ａの予熱は、粉末層３２ａの温度が所定温度に達した時点で終了してもよい。

また、上述した各実施形態において、粉末層３２ａの予熱は、上述した三次元積層造形プロセスにおけるステップＳ６およびステップＳ１３に限らず、ステップＳ９でも行われる。このため、上述した各実施形態に係る予熱方法は、ステップＳ９にも適用可能である。また、粉末層３２ａの予熱は、上述した三次元積層造形プロセスにおける本焼結工程（ステップＳ７，Ｓ１４）の中で行われることもある。本焼結工程では、同一の粉末層３２ａに複数の造形領域が存在する場合に、第１の造形領域内の金属粉末３２を電子ビーム１５の照射によって本焼結（溶融および凝固）させてから、第２の造形領域内の金属粉末３２を電子ビーム１５の照射によって本焼結させる。その際、本焼結工程前の予備加熱工程（パウダーヒート工程）で予め粉末層３２ａを加熱しても、第１の造形領域内の金属粉末３２に電子ビーム１５を照射している間に、第２の造形領域内の金属粉末３２の温度が下がる。このため、第２の造形領域内の金属粉末３２の温度を回復させるために、粉末層３２ａを予熱することがある。この予熱は、パーツ間ヒートとも呼ばれる。上述した各実施形態に係る予熱方法は、本焼結工程（ステップＳ７，Ｓ１４）で粉末層３２ａを予熱する場合にも適用可能である。

１０…三次元積層造形装置
１４…ビーム照射装置
１６…粉末塗布装置
１５…電子ビーム
１５ａ…ビームスポット（スポット）
２２…造形プレート
３２…金属粉末
３０…マスクカバー
３０ａ…開口部
３０ｂ…マスク部
３２ａ…粉末層
５０…制御部
Ｌｉ…ライン

Claims (12)

1. 造形プレートと、
   前記造形プレート上に金属粉末を塗布して粉末層を形成する粉末塗布装置と、
   前記粉末層に電子ビームを照射するビーム照射装置と、
   前記粉末塗布装置および前記ビーム照射装置を制御する制御部と、
   を備える三次元積層造形装置であって、
   前記制御部は、前記粉末層を前記電子ビームの照射によって予熱する場合に、少なくとも予熱開始時に前記電子ビームのライン同士が重ならないように前記電子ビームのビームサイズおよび照射位置を設定するとともに、予熱開始から予熱終了までの間に前記電子ビームのビーム電流およびビームサイズのうち少なくとも一方が徐々に大きくなるように前記ビーム照射装置を制御する
   三次元積層造形装置。
2. 前記制御部は、積層方向で異なる位置に積層される第１の粉末層と第２の粉末層のうち、前記第１の粉末層を予熱するときに適用する前記電子ビームの照射位置と、前記第２の粉末層を予熱するときに適用する電子ビームの照射位置とを、前記積層方向と直交する方向にずらして設定する
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
3. 前記制御部は、少なくとも予熱終了時に前記電子ビームのライン同士が重なり合うように前記電子ビームのビームサイズおよび照射位置を設定する
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
4. 前記制御部は、前記予熱開始から前記予熱終了までの間に、前記ビーム電流および前記ビームサイズの他に、前記電子ビームのスキャンスピードおよびスキャンエリアの少なくとも一方を変更するように前記ビーム照射装置を制御する
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
5. 開口部およびマスク部を少なくとも有し、前記造形プレート上に塗布された金属粉末を前記開口部によって露出させるとともに、前記開口部よりも外側に位置する金属粉末を前記マスク部によって遮蔽するマスクカバーを備え、
   前記制御部は、前記粉末層を前記電子ビームの照射によって予熱する場合に、前記マスクカバーの前記開口部よりも広範囲に電子ビームを照射するように、前記ビーム照射装置を制御する
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
6. 前記制御部は、前記粉末層を前記電子ビームの照射によって予熱する場合に、前記電子ビームの照射位置を第１の方向に間欠的に移動させるとともに、少なくとも予熱開始時に前記第１の方向と直交する第２の方向で前記電子ビームのスポットが重ならないように前記電子ビームのビーム径および照射位置を設定する
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
7. 前記制御部は、前記第２の方向における前記スポットの間隔を前記ビーム径以上に設定する
   請求項６に記載の三次元積層造形装置。
8. 前記制御部は、少なくとも予熱開始時に前記第１の方向および前記第２の方向で前記電子ビームのスポットが重ならないように前記電子ビームのビーム径および照射位置を設定する
   請求項６に記載の三次元積層造形装置。
9. 前記制御部は、前記第１の方向における前記スポットの間隔を前記ビーム径以上に設定する
   請求項８に記載の三次元積層造形装置。
10. 前記制御部は、前記粉末層を前記電子ビームの照射によって予熱する場合に、前記電子ビームの照射位置を第１の方向に連続的に移動させるとともに、少なくとも予熱開始時に前記第１の方向と直交する第２の方向で前記電子ビームのライン同士が重ならないように前記電子ビームのビーム幅および照射位置を設定する
    請求項１に記載の三次元積層造形装置。
11. 前記制御部は、前記第２の方向における前記電子ビームの間隔を前記ビーム幅以上に設定する
    請求項１０に記載の三次元積層造形装置。
12. 造形プレート上に金属粉末を塗布して形成された粉末層を電子ビームの照射によって予熱する場合に、少なくとも予熱開始時に前記電子ビームのライン同士が重ならないように前記電子ビームのビームサイズおよび照射位置を設定するとともに、予熱開始から予熱終了までの間に前記電子ビームのビーム電流およびビームサイズのうち少なくとも一方が徐々に大きくなるように前記電子ビームを制御する
    三次元積層造形方法。

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