JP2024024271A - 三次元積層造形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子ビームの照射によって造形プレート又は粉末層に投入される熱エネルギーを従来よりも有効に利用することができる三次元積層造形装置を提供する。【解決手段】三次元積層造形装置は、金属粉末からなる粉末層を保持する造形プレートと、造形プレート又は粉末層に電子ビームを照射するビーム照射装置と、電子ビームの照射によって加熱された部分から放出される輻射熱をシールドする熱シールド部と、を備える。熱シールド部は、複数の熱シールド部材によって構成され、複数の熱シールド部材の各々は、電子ビームが通過するビーム通過領域の側方を囲む側壁を有するとともに、側壁がビーム通過領域の側方で互いに重なり合う状態に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元積層造形装置に関する。

近年、造形プレート上に層状に敷き詰められた粉末材料（粉末層）に電子ビームを照射して粉末材料を溶融及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。この種の三次元積層造形装置は、たとえば特許文献１に記載されている。特許文献１には、真空チャンバー内に設けられたシールド部材が、造形プレートの温度低下を抑制することが記載されている。

特開２０２０－３３５８０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された三次元積層造形装置では、電子ビームの照射によって造形プレート又は粉末層に投入される熱エネルギーが必ずしも十分に有効利用されているとは言えなかった。

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、電子ビームの照射によって造形プレート又は粉末層に投入される熱エネルギーを従来よりも有効に利用することができる三次元積層造形装置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、金属粉末からなる粉末層を保持する造形プレートと、造形プレート又は粉末層に電子ビームを照射するビーム照射装置と、造形プレートとビーム照射装置との間に配置され、電子ビームの照射によって加熱された部分から放出される輻射熱をシールドする熱シールド部と、を備える。熱シールド部は、複数の熱シールド部材によって構成され、複数の熱シールド部材の各々は、電子ビームが通過するビーム通過領域の側方を囲む側壁を有するとともに、側壁がビーム通過領域の側方で互いに重なり合う状態に配置されている。

本発明によれば、電子ビームの照射によって造形プレート又は粉末層に投入される熱エネルギーを従来よりも有効に利用することができる。

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。 角錐形の熱シールド部材の構成を示す斜視図である。 円錐形の熱シールド部材を示す斜視図である。 角錐形の熱シールド部材が熱膨張によって変形する原理を説明する図（その１）である。 角錐形の熱シールド部材が熱膨張によって変形する原理を説明する図（その２）である。 平面視円形の造形プレートと円錐形の熱シールド部材の配置状態を説明する図である。 平面視円形の造形プレートと角錐形の熱シールド部材の配置状態を説明する図である。 本発明の第２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。 第２実施形態における円錐形の熱シールド部材の配置状態を示す側断面図である。 本発明の第３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４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。本明細書及び図面において、実質的に同一の機能又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方向及びＺ方向は、互いに直交する方向である。また、Ｘ方向及び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、熱シールド部２８と、カメラ３０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、造形プレート２２又は粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射する装置である。粉末層３２ａは、造形プレート２２上に金属粉末３２によって形成される層である。金属粉末３２としては、たとえば、銅などの低融点金属、Ｔｉ（チタン）－Ａｌ（アルミニウム）合金、鉄系などの高融点金属、低融点金属と高融点金属の中間帯に融点を有する６４Ｔｉなど金属が使用される。ビーム照射装置１４は、図示はしないが、電子ビーム１５の発生源となる電子銃と、電子銃が発生した電子ビームを集束させる集束レンズと、集束レンズで集束させた電子ビーム１５を偏向する偏向レンズと、を有している。集束レンズは、たとえば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。偏向レンズは、たとえば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を塗布して造形プレート２２上に粉末層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３２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３２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、Ｙ方向に長い長尺状の部材であり、粉末敷き詰め用のブレード１６ｄを有している。スキージ１６ｃは、粉末投下器１６ｂによって投下された金属粉末３２を造形テーブル１８上に敷き詰める。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、平面視円形又は平面視角形（たとえば、平面視四角形）である。本実施形態においては、好ましい例として、造形テーブル１８の開口形状が平面視円形となっている。

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。

造形プレート２２は、金属粉末３２からなる粉末層３２ａを保持するプレートである。造形物３８は、造形プレート２２上に積層して形成される。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又は平面視角形（たとえば、平面視四角形）に形成される。本実施形態においては、好ましい例として、造形プレート２２が平面視円形に形成されている。造形プレート２２は、電気的に浮いた状態とならないように、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及びインナーベース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、摺動性及び密閉性を保持する部材である。シール部材３６は、耐熱性及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及びインナーベース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及びインナーベース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。

熱シールド部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。熱シールド部２８は、ビーム照射装置１４によって造形プレート２２又は粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射した際に、電子ビーム１５の照射によって加熱された部分から放出される輻射熱をシールドすることにより、造形プレート２２や粉末層３２ａの温度低下を抑制する部分である。熱シールド部２８の構成については、後段で詳しく説明する。

カメラ３０は、粉末層３２ａの造形面３２ｂを撮影可能なカメラである。カメラ３０は、粉末層３２ａの造形面３２ｂを斜めから撮影するために、Ｚ方向に対して傾けた状態で配置されている。カメラ３０は、真空チャンバー１２に設けられた窓部（図示せず）を通して粉末層３２ａの造形面３２ｂを撮影することにより、粉末層３２ａの画像（画像データ）を生成する。このため、カメラ３０が生成する画像は、粉末層３２ａの造形面３２ｂの状態を示す画像になる。

ここで、熱シールド部２８の構成について詳しく説明する。
図１に示すように、熱シールド部２８は、角錐形の熱シールド部材４１と、円錐形の熱シールド部材４２とによって構成されている。熱シールド部材４２は、熱シールド部材４１の内側に配置されている。つまり、熱シールド部材４２は、熱シールド部２８において、最も内側に配置されている。熱シールド部材４１は、側壁４１ａ，４１ｂ（図２参照）及び上壁４１ｃを有している。側壁４１ａ，４１ｂは、電子ビーム１５が通過するビーム通過領域の側方を囲むように配置されている。上壁４１ｃは、Ｚ方向で造形プレート２２と対向する状態に配置されている。

熱シールド部材４２は、側壁４２ａを有している。熱シールド部材４２は、熱シールド部材４１の側壁４１ａ，４１ｂ及び上壁４１ｃによって囲まれた空間内に配置されている。側壁４２ａは、電子ビーム１５が通過するビーム通過領域の側方を囲むように配置されている。熱シールド部材４１と熱シールド部材４２は、ビーム通過領域の側方で隣り合う側壁４１ａ，４１ｂ（図２参照）と側壁４２ａとの間に空間を形成する状態で配置されている。

また、熱シールド部材４１の側壁４１ａ，４１ｂと熱シールド部材４２の側壁４２ａは、ビーム通過領域の側方で互いに重なり合う状態に配置されている。言い換えると、熱シールド部材４２の側壁４２ａは、熱シールド部２８を水平方向（たとえば、Ｘ方向）から見た場合に、熱シールド部材４１の側壁４１ａ，４１ｂと重なり合う状態に配置されている。Ｚ方向において側壁４２ａと側壁４１ａ，４１ｂとが重なり合う寸法Ｈｚは、好ましくは熱シールド部材４２の高さ寸法の半分以上であり、より好ましくは熱シールド部材４２の高さ寸法の２／３以上であり、更に好ましくは図１のように熱シールド部材４２の高さ寸法とほぼ同じである。熱シールド部材４２の高さ寸法は、Ｚ方向で規定される寸法である。

本明細書において、角錐形とは、水平断面形状が多角形であり、かつ、側壁４１ａ，４１ｂによって囲まれる内部空間の水平断面積がビーム照射装置１４側から造形プレート２２側に向かって徐々に拡大する立体形状をいう。また、本明細書において、円錐形とは、水平断面形状が円形であり、かつ、側壁４２ａによって囲まれる内部空間の水平断面積がビーム照射装置１４側から造形プレート２２側に向かって徐々に拡大する立体形状をいう。

図２は、角錐形の熱シールド部材を示す斜視図である。
図２に示すように、熱シールド部材４１は、水平断面形状が四角形の角錐形、すなわち四角錐形に形成されている。熱シールド部材４１は、合計４つの側壁４１ａ，４１ｂと、１つの上壁４１ｃと、を有している。熱シールド部材４１の底部には、四角形の開口部４１ｄが形成されている。開口部４１ｄは、熱シールド部材４１の造形プレート２２側に形成された開口部に相当する。側壁４１ａ，４１ｂ及び上壁４１ｃは、それぞれ金属（たとえば、ステンレス鋼など）の板によって構成されている。

２つの側壁４１ａは、Ｘ方向で対向する状態に配置されている。一方の側壁４１ａは、熱シールド部材４２の側壁４２ａと同じ方向に傾いた状態で配置され、他方の側壁４１ａは、熱シールド部材４２の側壁４２ａと反対方向に傾いた状態で配置されている（図１参照）。２つの側壁４１ｂは、Ｙ方向で対向する状態に配置されている。各々の側壁４１ｂは、熱シールド部材４２の側壁４２ａと同じ方向に傾いた状態で配置されている。また、側壁４１ａは、Ｘ方向から見て台形に形成されている。側壁４１ａの上辺の長さは、側壁４１ａの下辺の長さよりも短い。側壁４１ｂは、Ｙ方向から見て平行四辺形に形成されている。

上壁４１ｃは、Ｚ方向から見て長方形に形成されている。上壁４１ｃには、ビーム通過用孔４３と、カメラ撮影用孔４４とが形成されている。ビーム通過用孔４３とカメラ撮影用孔４４は、Ｘ方向に位置をずらして形成されている。ビーム通過用孔４３は、電子ビーム１５を通過させるための孔である。ビーム通過用孔４３は、熱シールド部材４１のビーム照射装置１４側に形成された開口部に相当する。ビーム通過用孔４３は、開口部４１ｄよりも小さな開口寸法で形成されている。また、ビーム通過用孔４３は、Ｚ方向から見て円形に形成されている。カメラ撮影用孔４４は、カメラ３０の視野を確保するための孔である。カメラ撮影用孔４４は、Ｚ方向から見て円形に形成されている。

ビーム通過用孔４３及びカメラ撮影用孔４４を合わせた開口面積は、開口部４１ｄの開口面積よりも狭い。つまり、熱シールド部材４１の上部の開口面積は、熱シールド部材４１の底部の開口面積よりも狭い。これにより、熱シールド部材４１の内部空間に閉じ込めた熱の漏洩を抑制することができる。また、熱シールド部材４１に上壁４１ｃを設けた場合は、熱シールド部材４１に上壁４１ｃを設けない場合に比べて、熱の閉じ込め効果を高めることができる。

図３は、円錐形の熱シールド部材を示す斜視図である。
図３に示すように、熱シールド部材４２は、末広がりの側壁４２ａを有する。熱シールド部材４２の上部には円形の開口部４２ｂが形成され、熱シールド部材４２の底部にも円形の開口部４２ｃが形成されている。開口部４２ｂは、熱シールド部材４２のビーム照射装置１４側に形成された開口部に相当し、開口部４２ｃは、熱シールド部材４２の造形プレート２２側に形成された開口部に相当する。開口部４２ｂは、開口部４２ｃよりも小さな開口寸法で形成されている。また、開口部４２ｃの直径は、造形プレート２２の直径とほぼ同じか、造形プレート２２の直径よりも少し大きく設定されている。側壁４２ａは、金属（たとえば、ステンレス鋼など）の板によって構成されている。側壁４２ａにはカメラ撮影用孔４５が形成されている。カメラ撮影用孔４５は、カメラ３０の視野を確保するための孔である。

続いて、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置１０の動作について説明する。
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。この状態で造形が開始される。

まず、ビーム照射装置１４は、造形プレート２２に電子ビーム１５を照射することにより、造形プレート２２を予備加熱する。

次に、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１層ずつ積層して形成するときの１層分の厚さに相当する。

次に、粉末塗布装置１６は、金属粉末３２を塗布して造形プレート２２上に１層目の粉末層３２ａを形成する。具体的には、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。

次に、ビーム照射装置１４は、造形プレート２２上の粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射することにより、金属粉末３２を仮焼結させる。これにより、１層目の粉末層３２ａを形成している金属粉末３２が、仮焼結された状態になる。

次に、ビーム照射装置１４は、金属粉末３２上の粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射することにより、金属粉末３２を本焼結させる。具体的には、ビーム照射装置１４は、目的とする造形物３８の三次元ＣＡＤ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、この造形領域を対象に電子ビーム１５を走査することにより、造形プレート２２上の金属粉末３２を本焼結させる。これにより、１層目の造形物が形成される。

次に、プレート移動装置２６は、造形プレート２２及びインナーベース２４をΔＺだけ下降させる。

続いて、ビーム照射装置１４は、造形プレート２２上の粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射することにより、粉末層３２ａを予備加熱する。粉末層３２ａの予備加熱は、次の層の金属粉末３２を敷き詰めるための準備として行われる。

次に、粉末塗布装置１６は、金属粉末３２を塗布して造形プレート２２上に２層目の粉末層３２ａを形成する。

次に、ビーム照射装置１４は、造形プレート２２上の粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射することにより、金属粉末３２を仮焼結させる。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、仮焼結された状態になる。

金属粉末３２を仮焼結させる主な理由は、次のとおりである。三次元積層造形装置においては、電子ビーム１５の照射によって個々の金属粉末３２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。こうした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、金属粉末３２を溶融及び凝固によって本焼結させる前に、予備加熱によって金属粉末３２を仮焼結させ、これによってスモークの発生を抑制している。

次に、ビーム照射装置１４は、金属粉末３２上の粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射することにより、金属粉末３２を本焼結させる。これにより、２層目の造形物が形成される。

その後、３層目以降の各層についても、上述した造形プレート２２の下降、粉末層３２ａの予備加熱、金属粉末３２の塗布、金属粉末３２の仮焼結、及び金属粉末３２の本焼結を繰り返す。これにより、三次元の造形物３８が得られる。ただし、造形を終えた段階では、完全な金属結合がなされた部位である造形物３８に、仮焼結体と呼ばれる脆い部位が付着している。このため、造形が終了した後、造形物３８から仮焼結体を取り除く必要がある。仮焼結体は、ブラスト処理等によって取り除かれる。

上述した三次元積層造形装置１０の動作において、円錐形の熱シールド部材４２は、ビーム照射装置１４が造形プレート２２又は粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射する際に、造形プレート２２の上面又は粉末層３２ａの造形面３２ｂに近接した状態で配置される。

本実施形態においては、造形プレート２２が平面視円形に形成され、熱シールド部材４２が円錐形に形成されている。このため、電子ビーム１５の照射によって造形プレート２２を予備加熱する場合に、熱シールド部材４２の底部の開口縁を造形プレート２２の外周縁に沿わせて配置することができる。これにより、造形プレート２２から放出される輻射熱を熱シールド部材４２の外側に極力漏らすことなく、熱シールド部材４２の内部空間に輻射熱を閉じ込めることができる。また、こうした輻射熱の閉じ込め効果は、電子ビーム１５の照射によって造形プレート２２上の粉末層３２ａを予備加熱する場合、あるいは電子ビーム１５の照射によって金属粉末３２を焼結（仮焼結、本焼結）させる場合にも得られる。

また、本実施形態においては、熱シールド部２８が複数の熱シールド部材４１，４２によって構成されている。また、熱シールド部材４１の側壁４１ａ，４１ｂと熱シールド部材４２の側壁４２ａは、ビーム通過領域の側方で互いに重なり合う状態に配置されている。これにより、熱シールド部２８が１つの熱シールド部材（たとえば、熱シールド部材４２のみ）によって構成されている場合に比べて、造形プレート２２や粉末層３２ａから放出される輻射熱を有効に利用することができる。以下に理由を述べる。

まず、造形プレート２２又は粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射すると、電子ビーム１５の照射によって加熱された部分から輻射熱が放出される。具体的には、造形プレート２２に電子ビーム１５を照射すると、造形プレート２２の上面から輻射熱が放出され、粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射すると、粉末層３２ａの造形面３２ｂから輻射熱が放出される。放出された輻射熱は、熱シールド部材４２の側壁４２ａによって反射又は拡散され、造形プレート２２側に戻される。また、放出された輻射熱の一部は、熱シールド部材４２の側壁４２ａによって吸収され、熱シールド部材４２の外側に放出される。

本実施形態においては、熱シールド部材４２の外側に熱シールド部材４１が配置されている。このため、熱シールド部材４２の外側に放出された輻射熱は、熱シールド部材４１の側壁４１ａ，４１ｂによって反射又は拡散され、熱シールド部材４２側に戻される。これにより、熱シールド部材４１と熱シールド部材４２との間の空間に輻射熱を閉じ込めることができる。また、閉じ込めた輻射熱の一部を、熱シールド部材４２の側壁４２ａを通して造形プレート２２側に戻すことができる。したがって、熱シールド部２８が１つの熱シールド部材（たとえば、熱シールド部材４２のみ）によって構成されている場合に比べて、造形プレート２２や粉末層３２ａから放出される輻射熱を有効に利用することができる。その結果、電子ビーム１５の照射によって造形プレート２２又は粉末層３２ａに投入される熱エネルギーを従来よりも有効に利用することが可能となる。

また、本実施形態によれば、金属粉末３２を仮焼結させるために必要なプロセス時間を大幅に短縮することができる。その理由は次のとおりである。
金属粉末３２を仮焼結させるプロセス（以下、「仮焼結プロセス」ともいう。）において、プロセス時間を短縮するためにエネルギー密度の高い電子ビーム１５を粉末層３２ａに照射すると、スモークが発生しやすくなる。このため、金属粉末３２の仮焼結を終えるまでには、エネルギー密度を低く抑えた電子ビーム１５を長時間にわたって粉末層３２ａに照射する必要がある。

本実施形態においては、粉末層３２ａの造形面３２ｂから放出される輻射熱を、２つの熱シールド部材４１，４２によってシールドする構造、すなわち二重のシールド構造を採用している。このため、造形面３２ｂから放出される輻射熱を、外側の熱シールド部材４１と内側の熱シールド部材４２によって閉じ込めることができる。特に、熱シールド部材４１の側壁４１ａ，４１ｂと熱シールド部材４２の側壁４２ａとの間に空間を形成した場合は、側壁同士が密着している場合に比べて、熱の閉じ込め効果（断熱効果）が高くなる。

本実施形態においては、上述した熱の閉じ込め効果により、造形面３２ｂの温度低下を抑制しながら仮焼結プロセスを実施することができる。したがって、金属粉末３２を仮焼結させるために必要なプロセス時間を大幅に短縮することができる。また、プロセス時間の短縮は、造形プレート２２を予備加熱するプロセス、粉末層３２ａを予備加熱するプロセス、及び金属粉末３２を本焼結させるプロセスにおいても実現される。その結果、造形開始から造形終了までの時間を大幅に短縮することが可能となる。

特に、高融点金属からなる金属粉末３２を使用して造形物３８を形成する場合は、金属粉末３２を仮焼結又は本焼結させるために必要なプロセス温度が高くなるため、プロセス時間を短縮するには輻射熱をできるだけ逃がさないことが重要になる。この点、本実施形態に係る三次元積層造形装置１０は、上述した二重のシールド構造によって輻射熱を閉じ込めるため、プロセス時間を大幅に短縮することができる。また、本実施形態によれば、造形物３８の形成に必要な熱エネルギーを大幅に削減し、省エネルギー性能に優れた三次元積層造形装置１０を提供することが可能となる

また、仮焼結プロセスにおいて、輻射熱の放出によって失われてしまう熱量を補うために電子ビーム１５のビーム電流を増やすと、金属粉末３２の温度が高くなりすぎて、金属粉末３２が過度に焼結される場合がある。その場合は、ブラスト処理等によって造形物３８から仮焼結体を取り除くことが困難になる。本実施形態においては、上述した二重のシールド構造を採用しているため、輻射熱の放出によって失われてしまう熱量を大幅に低減することができる。このため、仮焼結プロセスにおいては、金属粉末３２の過度な温度上昇を抑制しながら、金属粉末３２を仮焼結させることができる。したがって、造形終了後の工程において、造形物３８から仮焼結体を容易に取り除くことができる。

また、本実施形態において、熱シールド部２８は、角錐形の熱シールド部材４１と円錐形の熱シールド部材４２とを組み合わせた構成になっている。角錐形の熱シールド部材４１は、たとえば図１に示すように、粉末層３２ａの造形面３２ｂを斜め方向からカメラ３０によって撮影する場合に、ビーム通過用孔４３とカメラ撮影用孔４４とが形成された上壁４１ｃの存在によって輻射熱の漏れを抑えることができる点で好ましい。

ただし、熱シールド部２８を角錐形の熱シールド部材４１のみによって構成した場合は、造形プレート２２や粉末層３２ａから放出される輻射熱が直接、熱シールド部材４１に伝わるため、熱シールド部材４１に大きな変形が生じやすくなる。以下に理由を述べる。

熱シールド部材４１は、たとえば、複数の金属の板を溶接によって接合することにより製造される。この熱シールド部材４１の温度が輻射熱によって上昇すると、熱シールド部材４１を構成している各々の板（側壁４１ａ，４１ｂ及び上壁４１ｃ）が熱膨張する。その際、たとえば図４に示すように、熱シールド部材４１の中央部に熱源５０が存在すると仮定すると、各々の側壁４１ａ，４１ｂは熱膨張によって矢印方向に伸びようとする。しかし、側壁４１ａの端部と側壁４１ｂの端部は、溶接によって互いに接合されているため、水平断面が四角形をなす側壁４１ａ，４１ｂの四隅Ｐの位置は拘束される。したがって、各々の側壁４１ａ，４１は、矢印方向への伸びが抑制される。その結果、各々の側壁４１ａ，４１ｂは、図５に示すように大きく湾曲してしまう。また、側壁４１ａ，４１ｂの四隅Ｐには熱応力が集中するため、溶接部が破損するおそれがある。

本実施形態においては、熱シールド部材４１の内側に熱シールド部材４２が配置されている。このため、熱シールド部材４１の内部空間では、熱シールド部材４２が熱緩衝部材として機能する。したがって、熱シールド部材４１の変形や溶接部の破損を抑制することができる。また、円錐形の熱シールド部材４２は、熱シールド部材４２の温度上昇によって側壁４２ａが熱膨張しても、熱シールド部材４２の外径が拡大するだけで熱シールド部材４２自体の形状は変わらない。また、円錐形の熱シールド部材４２は、温度低下によって熱収縮する場合に、角錐形の熱シールド部材４１に比べて、元の形状に戻りやすいという利点がある。

また、本実施形態においては、熱シールド部２８の最も内側に円錐形の熱シールド部材４２が配置されている。これにより、図６に示すように、水平面内において、平面視円形の造形プレート２２や、この造形プレート２２上に形成される粉末層３２ａ（図１参照）の近くに、形状の違いによる無駄なスペースを生じさせることなく、熱シールド部材４２を配置することができる。このため、造形プレート２２や粉末層３２ａから放出される輻射熱を熱シールド部材４２によって効率的に造形プレート２２側に戻すことができる。また、円錐形の熱シールド部材４２は、平面視円形の造形プレート２２の上面又は粉末層３２ａの造形面３２ｂを電子ビーム１５によって走査する際に、角錐形の熱シールド部材４１と比べて、電子ビーム１５が側壁４２ａの近くを側壁４２ａと平行に通過する頻度が高い。このため、輻射熱の放出源である造形プレート２２や粉末層３２ａの近くに熱シールド部材４２の側壁４２ａを配置し、この側壁４２ａによって輻射熱を造形プレート２２側に戻すことができる。したがって、輻射熱の利用効率が高くなる。

ちなみに、熱シールド部２８の最も内側に角錐形の熱シールド部材４１を配置した場合は、図７に示すように、平面視円形の造形プレート２２と、平面視四角形の熱シールド部材４１との形状の違いにより、造形プレート２２の周囲に無駄なスペース５１が生じる。また、熱シールド部材４１の四隅では、側壁４１ａ，４１ｂが上記のスペース５１の分だけ輻射熱の放出源から離れた場所に配置される。したがって、輻射熱の利用効率が低くなる。

＜第２実施形態＞
図８は、本発明の第２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。
図８に示すように、第２実施形態に係る三次元積層造形装置１０Ａは、上述した第１実施形態の場合（図１）と比較して、熱シールド部２８の構成が異なる。具体的には、熱シールド部２８を構成する角錐形の熱シールド部材４１及び円錐形の熱シールド部材４２のうち、円錐形の熱シールド部材４２が複数配置されている点が異なる。第２実施形態では、一例として、３つの熱シールド部材４２が配置されている。この場合、熱シールド部２８を構成する熱シールド部材４１，４２の総数は４つになる。つまり、熱シールド部２８は、四重のシールド構造を有する。二重以上のシールド構造は、多重シールド構造と言い換えることができる。

３つの熱シールド部材４２は、それぞれ側壁４２ａを有する。各々の熱シールド部材４２は、ビーム通過領域の側方で隣り合う側壁４２ａの間に空間を形成する状態で配置されている。この空間は、たとえば図９に示すように、内側の熱シールド部材４２（側壁４２ａ）と外側の熱シールド部材４２（側壁４２ａ）との間にスペーサ５５を配置することで形成される。スペーサ５５としては、たとえば、金属のメッシュシートを用いることができる。ただし、側壁４２ａの間に空間を形成するための構成としては、スペーサ５５を用いる場合に限らず、たとえば、側壁４２ａを波形に形成する構成も考えられる。

このように、角錐形の熱シールド部材４１の内側に、円錐形の熱シールド部材４２を複数配置した場合は、造形プレート２２や粉末層３２ａから放出される輻射熱を、熱シールド部材４１の内側で複数の熱シールド部材４２により造形プレート２２側に戻すことができる。また、各々の熱シールド部材４２の側壁４２ａ間に形成される空間は、熱シールド部材４１の側壁４１ａ，４１ｂと熱シールド部材４２の側壁４２ａとの間に形成される空間よりも狭い。また、３つの熱シールド部材４２は、熱シールド部材４１よりも造形プレート２２に近い位置で輻射熱をシールドする。このため、造形プレート２２等から放出される輻射熱を複数の熱シールド部材４２によって効率良く造形プレート２２側に戻すことができる。また、熱シールド部材４１と熱シールド部材４２との間の空間に漏れる輻射熱の量を低減し、かつ、漏れた輻射熱を熱シールド部材４１によって造形プレート２２側に戻すことができる。

＜第３実施形態＞
図１０は、本発明の第３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。
図１０に示すように、第３実施形態に係る三次元積層造形装置１０Ｂは、上述した第１実施形態の場合（図１）と比較して、熱シールド部材４２の構成が異なる。具体的には、熱シールド部材４２の側壁４２ａの内側にトラップ部４６が形成されている。トラップ部４６は、造形プレート２２や粉末層３２ａから放出される輻射熱をトラップして反射させるための部分である。トラップ部４６は、側壁４２ａの内面から水平方向に突出する状態でフィン状に形成されている。また、トラップ部４６は、Ｚ方向に複数段（図１０の例では３段）に配置されている。

このように熱シールド部材４２にトラップ部４６を形成することにより、造形プレート２２や粉末層３２ａから放出される輻射熱がトラップ部４６によってトラップされるとともに、トラップされた輻射熱がトラップ部４６によって造形プレート２２側に反射される。このため、熱シールド部材４２によって造形プレート２２側に戻される輻射熱の量を増やすことができる。

＜第４実施形態＞
図１１は、本発明の第４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。
図１１に示すように、第４実施形態に係る三次元積層造形装置１０Ｃは、上述した第２実施形態の場合（図８）と比較して、熱シールド部２８に熱シールド部材４１が設けられていない点が異なる。つまり、第４実施形態において、熱シールド部２８は、複数（３つ）の円錐形の熱シールド部材４２によって構成されている。このような構成を採用した場合は、第２実施形態の場合と同様に、造形プレート２２等から放出される輻射熱を複数の熱シールド部材４２によって効率良く造形プレート２２側に戻すことができる。

＜変形例等＞
本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。

たとえば、上述した第２実施形態及び第４実施形態において、熱シールド部２８は、３つの円錐形の熱シールド部材４２を備えているが、熱シールド部材４２の数は、２つでもよいし、４つ以上でもよい。また、熱シールド部２８は、角錐形の熱シールド部材４１を複数備えた構成でもよい。また、熱シールド部２８は、角錐形の熱シールド部材４１と円錐形の熱シールド部材４２を複数個ずつ備えた構成でもよい。

また、上述した第３実施形態においては、円錐形の熱シールド部材４２にトラップ部４６を形成しているが、これに限らず、角錐形の熱シールド部材４１にトラップ部を形成してもよいし、熱シールド部材４１と熱シールド部材４２の両方にトラップ部を形成してもよい。また、熱シールド部材４１、及び／又は、熱シールド部材４２にトラップ部を形成する構成は、上記第２実施形態に係る三次元積層造形装置１０Ａに適用してもよい。その場合は、最も内側に配置された熱シールド部材４２にトラップ部４６を形成することが好ましい。

また、本発明に係る三次元積層造形装置は、平面視円形の造形プレート２２と、円錐形の熱シールド部材４２とを備える点にも特徴がある。その場合の三次元積層造形装置の好ましい態様を以下に付記する。なお、以下に付記する三次元積層造形装置の態様において、円錐形の熱シールド部材の数は、１つでもよいし、複数でもよい。

（付記）
金属粉末からなる粉末層を保持する造形プレートと、
前記造形プレート又は前記粉末層に電子ビームを照射するビーム照射装置と、
前記造形プレートと前記ビーム照射装置との間に配置され、前記電子ビームの照射によって加熱された部分から放出される輻射熱を遮る熱シールド部材と、
を備える三次元積層造形装置において、
前記造形プレートは、平面視円形に形成され、
前記熱シールド部材は、円錐形に形成されている
三次元積層造形装置。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…三次元積層造形装置、１４…ビーム照射装置、１５…電子ビーム、２２…造形プレート、２８…熱シールド部、３０…カメラ、３２…金属粉末、３２ａ…粉末層、４１…熱シールド部材、４１ａ，４１ｂ…側壁、４１ｃ…上壁、４１ｄ…開口部、４２…熱シールド部材、４２ａ…側壁、４２ｂ…開口部、４２ｃ…開口部、４３…ビーム通過用孔（開口部）、４４…カメラ撮影用孔、４６…トラップ部

Claims (10)

1. 金属粉末からなる粉末層を保持する造形プレートと、
   前記造形プレート又は前記粉末層に電子ビームを照射するビーム照射装置と、
   前記造形プレートと前記ビーム照射装置との間に配置され、前記電子ビームの照射によって加熱された部分から放出される輻射熱をシールドする熱シールド部と、
   を備える三次元積層造形装置において、
   前記熱シールド部は、複数の熱シールド部材によって構成され、
   前記複数の熱シールド部材の各々は、前記電子ビームが通過するビーム通過領域の側方を囲む側壁を有するとともに、前記側壁が前記ビーム通過領域の側方で互いに重なり合う状態に配置されている
   三次元積層造形装置。
2. 前記複数の熱シールド部材は、前記ビーム通過領域の側方で隣り合う前記側壁の間に空間を形成する状態で配置されている
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
3. 前記複数の熱シールド部材の各々は、前記ビーム照射装置側と前記造形プレート側にそれぞれ開口部が形成されるとともに、前記ビーム照射装置側の開口部が前記造形プレート側の開口部よりも小さな開口寸法で形成されている
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
4. 前記複数の熱シールド部材は、円錐形の熱シールド部材を含む
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
5. 前記円錐形の熱シールド部材は、前記熱シールド部の最も内側に配置されている
   請求項４に記載の三次元積層造形装置。
6. 前記造形プレートは、平面視円形に形成され、
   前記円錐形の熱シールド部材は、前記ビーム照射装置が前記造形プレート又は前記粉末層に前記電子ビームを照射する際に、前記造形プレートの上面又は前記粉末層の造形面に接近した状態で配置される
   請求項４に記載の三次元積層造形装置。
7. 前記複数の熱シールド部材は、角錐形の熱シールド部材と、円錐形の熱シールド部材と、を含む
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
8. 前記円錐形の熱シールド部材は、前記角錐形の熱シールド部材の内側に、１つ又は複数配置されている
   請求項７に記載の三次元積層造形装置。
9. 前記粉末層の造形面を撮影するためのカメラを備え、
   前記角錐形の熱シールド部材は、前記造形プレートと対向する状態に配置された上壁を有し、前記上壁には、前記電子ビームを通過させるためのビーム通過用孔と、前記カメラの視野を確保するためのカメラ撮影用孔とが形成されている
   請求項７に記載の三次元積層造形装置。
10. 前記複数の熱シールド部材のうち、少なくとも１つの熱シールド部材は、前記輻射熱をトラップして反射させるためのトラップ部を有する
    請求項１に記載の三次元積層造形装置。

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