JP6050551B1 - ３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラム - Google Patents

Abstract

複数の材料を用いた３次元造形物を造形することができ、さらに、装置を止めることなく造形途中で材料を補充する。３次元積層造形装置であって、３次元積層造形物が造形される造形室と、前記造形室内に設けられ、前記３次元積層造形物の材料を散布する少なくとも２つの材料散布手段と、前記材料散布手段に前記材料を供給する少なくとも２つの材料供給手段と、前記材料散布手段および前記材料供給手段の動きを制御する制御手段と、前記材料にビームを照射するビーム照射手段と、を備え、前記材料散布手段と前記材料供給手段とは、それぞれ対をなし、前記制御手段は、前記材料散布手段が、対となる前記材料供給手段から所定のタイミングで前記材料の供給を受けられるように前記材料散布手段および前記材料供給手段の動きを制御する。

Description

本発明は、３次元積層造形装置、３次元積層造形装置の制御方法および３次元積層造形装置の制御プログラムに関する。

上記技術分野において、特許文献１には、造形物の製造に必要な量の粉末を、造形室に設けられた粉末供給容器にあらかじめ貯蔵しておく技術が開示されている。

特表２００６−５０９９１４号公報

しかしながら、上記文献に記載の技術では、複数の材料を用いた３次元造形物を造形することができず、さらに、装置を止めなければ造形途中で材料を補充することができなかった。

本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置は、
３次元積層造形物が造形される造形室と、
前記造形室内に設けられ、前記３次元積層造形物の材料を散布する少なくとも２つの材料散布手段と、
前記材料散布手段に前記材料を供給する少なくとも２つの材料供給手段と、
前記材料散布手段および前記材料供給手段の動きを制御する制御手段と、
前記材料にビームを照射するビーム照射手段と、
を備え、
前記材料散布手段と前記材料供給手段とは、それぞれ対をなし、
前記制御手段は、前記材料散布手段が、対となる前記材料供給手段から所定のタイミングで前記材料の供給を受けられるように前記材料散布手段および前記材料供給手段の動きを制御し、
前記材料供給手段は、上流側に設けられた材料貯蔵手段と、下流側に設けられた中間材料貯蔵手段とを有し、前記材料貯蔵手段と前記中間材料貯蔵手段とは第１バルブを介して接続され、前記中間貯蔵手段と前記造形室とは第２バルブを介して接続され、
前記第１バルブおよび前記第２バルブの開閉を制御するバルブ制御手段と、
前記中間貯蔵手段の内部の雰囲気と、前記造形室の内部の雰囲気とを制御する雰囲気制御手段と、
をさらに備える。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置の制御方法は、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置の制御方法であって、
前記材料散布手段が、対となる前記材料供給手段から所定のタイミングで前記材料の供給を受けられるように前記材料散布手段の動きを制御する制御ステップと、
前記第１バルブおよび前記第２バルブの開閉を制御するバルブ制御ステップと、
前記中間貯蔵手段の内部の雰囲気と、前記造形室の内部の雰囲気とを制御する雰囲気制御ステップと、
を含む。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元積層造形装置の制御プログラムは、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置の制御プログラムであって、
前記材料散布手段が、対となる前記材料供給手段から所定のタイミングで前記材料の供給を受けられるように前記材料散布手段の動きを制御する制御ステップと、
前記第１バルブおよび前記第２バルブの開閉を制御するバルブ制御ステップと、
前記中間貯蔵手段の内部の雰囲気と、前記造形室の内部の雰囲気とを制御する雰囲気制御ステップと、
をコンピュータに実行させる。

本発明によれば、複数の材料を用いた３次元造形物を造形することができ、さらに、装置を止めることなく造形途中で材料を補充することができる。

本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置による異種材料散布プロセスを説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置により造形された３次元造形物の構成を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置のカートリッジの構成およびカートリッジによる材料散布の様子を説明する上面図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置のカートリッジによる材料散布領域を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置のカートリッジによる材料散布領域を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置のカートリッジの他の構成を説明する上面図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の材料散布の手順を説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の材料散布の手順を説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の材料散布の手順を説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の材料散布の手順を説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の材料供給器の構成を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の材料供給器の構成を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の材料供給器による材料供給の様子を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の材料供給器による材料供給の様子を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の材料供給器による材料供給の様子を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の材料供給器による材料供給の様子を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置の材料供給器の構成を説明する図である。 本発明の第３実施形態に係る３次元積層造形装置の材料供給器の構成を説明する図である。 本発明の第４実施形態に係る３次元積層造形装置の構成を示すブロック図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての３次元積層造形装置１００について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００の構成を説明する図である。なお、同図においては、図が煩雑になるのを避けるため、同図に示した以外の構成については適宜省略している。３次元積層造形装置１００は、造形面１６０上に３次元積層造形物１８０の材料１７０を散布し、散布した材料１７０に電子ビーム１７０などを照射して、材料１７０を溶融および凝固させることにより、材料１７０を積層して３次元積層造形物１８０を造形する装置である。

図１に示すように、３次元積層造形装置１００は、チャンバ１０１と、カートリッジ１０２と、材料供給器１０３と、積層造形制御部１０４と、ビーム照射部１０５とを含む。チャンバ１０１は、３次元積層造形物１８０が造形される造形室であり、チャンバ１０１内には３次元積層造形物１８０の造形に必要な各種装備が設けられている。

カートリッジ１０２は、３次元積層造形物１８０の材料１７０を造形面１６０面上に散布する材料散布部であり、本実施形態では、カートリッジ１０２が４つ設けられている。すなわち、カートリッジ（第１カートリッジ）１２１、カートリッジ（第２カートリッジ）１２２、カートリッジ（第３カートリッジ）１２３およびカートリッジ（第４カートリッジ）１２４の４つのカートリッジ１０２が設けられている。

そして、各カートリッジ１０２は、カートリッジ１０２保持用のアームであるカートリッジ保持器に固定されている。すなわち、カートリッジ１２１は、カートリッジ保持器１２５（第１カートリッジ保持器）に取り付けられており、同様に、カートリッジ１２２はカートリッジ保持器１２６（第２カートリッジ保持器）に取り付けられている。また、カートリッジ１２３はカートリッジ保持器１２７（第３カートリッジ保持器）に、カートリッジ１２４はカートリッジ保持器１２８（第４カートリッジ保持器）に、それぞれ取り付けられている。

そして、カートリッジ保持器１２５、カートリッジ保持器１２６、カートリッジ保持器１２７およびカートリッジ保持器１２８は、Ｙ方向ステージ１６２に取り付けられている。

さらに、Ｙ方向ステージ１６２は、Ｘ方向ステージ１６１上に取り付けられており、Ｙ方向ステージ１６２はＸ方向ステージ１６１上でＹ方向に動く。また、Ｘ方向ステージ１６１は、Ｘ方向レール１６３に取り付けられており、Ｘ方向レール１６３に沿ってＸ方向に動く。

そして、例えば、カートリッジ１２１は、Ｘ方向ステージ１６１およびＹ方向ステージ１６２が独立に動くことにより造形面１６０上の任意の位置に移動することができる。さらに、カートリッジ保持器１２５は、Ｘ方向ステージ１６１の動きとは独立してＸ方向に移動することができる。例えば、カートリッジ１２１は、Ｘ方向ステージ１６１を用いてＸ方向に対して大きく移動することができ、さらに、カートリッジ保持器１２５を移動させることによりカートリッジ１２１を細かく移動させることができる。つまり、カートリッジ１２１を大きく移動させる場合には、Ｘ方向ステージ１６１を用いて移動させ、カートリッジ１２１を細かく移動させる場合には、カートリッジ保持器１２５を用いて移動させればよいことになる。これにより１カートリッジ１２１の動きを自在に制御することができる。他のカートリッジ１２２，１２３，１２４についても同様である。

カートリッジ１０２には、同種の材料１７０を充填してもよいし、異種の材料１７０を充填してもよいし、一部のカートリッジ１０２には同種の材料１７０を、その他のカートリッジ１０２には異種の材料１７０をそれぞれ充填してもよい。カートリッジ１０２に充填する材料１７０は、造形する３次元積層造形物１８０の性質や特性などに合わせて自由に選択することができる。

材料供給器１０３は、チャンバ１０１の側壁に設けられている。本実施形態では、材料供給器１０３は全部で４つ設けられており、それぞれの材料供給器１０３は、対（ペア）になるカートリッジ１０２に対して材料１７０を供給する。つまり、材料供給器１３１（第１材料供給器）は、カートリッジ１２１と対になり、カートリッジに１２１に対して材料１７０を供給する。同様に、材料供給器１３２（第２材料供給器）は、カートリッジ１２２と対になり、カートリッジ１２２に対して材料１７０を供給する。また、材料供給器１３３（第３材料供給器）は、カートリッジ１２３と対になり、カートリッジ１２３に対して材料１７０を供給する。さらに、材料供給器１３４（第４材料供給器）は、カートリッジ１２４と対になり、カートリッジ１２４に対して材料１７０を供給する。

制御部１０４は、３次元積層造形装置１００全体の動きなどを制御する。そして、制御部１０４には、カートリッジ位置制御部１４１、カートリッジ制御部１４２、ビーム制御部１４３および材料供給制御部１４４が接続されている。また、制御部１０４には造形データ格納部１４５が接続されている。制御部１０４は、カートリッジ位置制御部１４１、カートリッジ制御部１４２、ビーム制御部１４３および材料供給制御部１４４に対して制御信号を送信する。

例えば、制御部１０４は、造形データ格納部１４５から、３次元積層造形物１８０の造形データを受信し、受信した造形データに基づいて造形スケジュールを生成し、各制御部１４１，１４２，１４３，１４４に対して制御信号を送信する。制御部１０４から送信された制御信号を受信した各制御部１４１，１４２，１４３，１４４は、受信した制御信号に基づいて、制御を実行する。

カートリッジ位置制御部１４１は、Ｘ方向ステージ１６１やＹ方向ステージ１６２、カートリッジ保持器１２５，１２６，１２７，１２８を制御して、カートリッジ１０２を造形面１６０上の所定位置まで移動させる。カートリッジ制御部１４２は、造形面１６０上の所定位置までカートリッジ１０２が移動したら、その所定位置において散布すべき材料１７０を散布すべき分量だけ散布する。そして、ビーム制御部１４３は、カートリッジ１０２による材料１７０の散布が完了したら、ビーム照射部１０５を制御して、材料１７０にビーム１５１を照射する。材料供給制御部１４４は、カートリッジ１０２が貯蔵されている材料１７０全て散布して、カートリッジ１０２が空になったら、必要な量の材料１７０をカートリッジ１０２に対して供給して、材料１７０を補充する。また、材料供給制御部１４４はこの他に、カートリッジ１０２に貯蔵されている材料１７０の残存量が所定の量以下になったら必要な量の材料１７０をカートリッジ１０２に対して供給して、材料１７０を補充してもよい。なお、材料１７０の補充量は、カートリッジ１０２の貯蔵許容量分の材料１７０を補充してもよいし、所定量の材料１７０を補充してもよい。

なお、材料１７０としては金属粉体などが代表的であるが、材料１７０は、これには限定されず、樹脂や液体などであってもよい。また、本実施形態では、カートリッジ１０２の数が４つの例で説明をしたが、カートリッジ１０２の数は、２つ、３つまたは５つ以上であってもよい。この場合、材料供給器１０３の数もカートリッジ１０２の数に合わせて、２つ、３つまたは５つ以上であってもよい。また、ビーム照射部１０５が照射するビーム１５１は、電子ビーム、レーザビームまたはイオンビームであるが、これらには限定されない。さらに、ビーム１５１は、連続ビームまたはパルスビームであってもよい。

図２Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００による異なる材料を散布するプロセスを説明する図である。ここでは、３次元積層造形装置１００は、星形の３次元造形物１８０を造形するものとして説明する。まず、図２Ａ（ａ）に示したように、３次元積層造形装置１００は、材料（第１材料）１７１を造形面１６０上に散布する。材料１７１は、星形の外側の領域に散布される。したがって、この状態は、星形の内側の領域を残して、材料１７１が散布され、造形面１６０上に敷き詰められた状態となる。材料１７１は、ビーム１５１が照射されない領域に散布されるものであり、最終的に造形される３次元積層造形物１８０のサポート材として働く。よって、材料１７１は、最終的には取り除かれるので、比較的安価なものが使われ、例えば、人工石英や鉄などが使われるがこれらには限定されない。また、材料１７１は、比較的口径の大きいノズル部分を有するカートリッジ１０２、例えば、カートリッジ１２１を用いて散布してもよい。

次に、図２Ａ（ｂ）に示したように、３次元積層造形装置１００は、材料１７２および材料１７３を散布する。材料１７２は、星形の左下側の領域に散布され、材料１７３は、星形の右上側の領域に散布され、両者は、境界を持って、材料１７１が散布された領域以外の領域に散布される。つまり、材料１７２および材料１７３は、３次元積層造形物１８０が造形される造形領域に散布される。材料１７２および材料１７３は、比較的口径の小さいノズル部分を有するカートリッジ１０２、例えば、カートリッジ１２２，１２３を用いて精度よく散布してもよい。そして、３次元積層造形装置１００は、材料１７２および材料１７３にビーム１５１を照射して、材料１７２および材料１７３を溶融、凝固させ、１層分の積層が完了する。そして、１層分の積層が完了したら、造形面１６０を１層分降下させて、図２Ａ（ａ）および（ｂ）に示したように、材料１７１、材料１７２および材料１７３の散布を繰り返す。

以上のプロセスを繰り返し、全ての積層プロセスが完了したら、材料１７１を全て取り去ると、図２Ａ（ｃ）に示したように、３次元積層造形物１８０が完成する。

図２Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００により造形された３次元造形物１８０の構成を説明する図である。図２Ｂ（ａ）は上面図、図２Ｂ（ｂ）および図２Ｂ（ｃ）は斜視図である。図２Ｂ（ａ）および図２Ｂ（ｂ）に示したように、３次元積層造形物１８０は、材料１７２による造形物１８２と、材料１７３による造形物１８３とを含んで構成されている。また、図２Ｂ（ｃ）に示したように、造形物１８２と造形物１８３との境界１８４の近傍の材料１７２，１７３の濃度を適宜変更することにより、境界１８４を傾斜構造とすることもできる。

図３Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置のカートリッジの構成およびカートリッジによる材料散布の様子を説明する上面図である。図３Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置のカートリッジによる材料散布領域を説明する図である。図４は、本実施形態に係る３次元積層造形装置のカートリッジによる材料散布領域を説明する図である。

例えば、２種類の異なる材料１７２，１７３を散布して、２種類の異なる材料１７２，１７３が任意の角度（θ）を持って、境界１７４で接する場合を考える。カートリッジ１２２とカートリッジ１２３との相対的な位置を固定し、θ方向に移動させた場合に散布した材料１７２と材料１７３との境界１７４ができる。

カートリッジ１２２およびカートリッジ１２３のθ方向への移動は、Ｘ方向ステージ１６１およびＹ方向ステージ１６２をそれぞれｃｏｓθおよびｓｉｎθの速度で同時に動かすことにより実現される。

図３Ｂに示したように、カートリッジ１２２およびカートリッジ１２３からそれぞれ半径ｒの散布した材料１７２の円および散布した材料１７３の円の形状で材料が散布される。この状態でカートリッジ１２２，１２３をθ方向に移動させれば、幅２ｒの散布した材料１７２，１７３の線（または帯）ができる。それぞれのカートリッジ１２２，１２３からの材料１７２，１７３の散布により形成される境界１７５（散布した材料１７２）および境界１７６（散布した材料１７３）が一致した状態が、図３Ａに示した２種類の異なる材料１７２，１７３による境界１７４となる。

カートリッジ１２２の中心とカートリッジ１２３の中心とのＸ方向の距離をΔＸおよびＹ方向の距離をＤａ、Ｘ方向からの角度θ、境界１７５と境界１７６との距離をＤｓとすると、ΔＸは、Ｄｓとθとの関数で表され、次の式（１）で表される。
ΔＸ＝Ｆ（Ｄｓ，θ）＝（Ｄａ／ｔａｎθ）−（（Ｄｓ＋２ｒ）／ｓｉｎθ） （１）

したがって、まず、Ｄｓ＝０でカートリッジ１２２，１２３から材料１７２，１７３を散布すれば、境界１７５と境界１７６とが接する状態で境界１７４を作る。次に、Ｄｓ＝４ｒとして、同様にカートリッジ１２２，１２３をθ方向に移動させて材料１７２，１７３を散布すれば、図４に示したように、散布した材料１７２の線（帯）と散布した材料１７３の線（帯）とを散布することができる。この手順を一般化して、Ｄｓ＝４（ｎ−１）ｒ，ｎ＝１，２，３・・・とすると、ΔＸ＝ΔＸ（ｎ）と表される。ここで、ｎはカートリッジ１２２，１２３を移動（走査）させる回数を示し、散布が終了するまで続ける。

図５は、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００のカートリッジの他の構成を説明する上面図である。カートリッジ保持器１２６，１２７がＸ方向に十分な長さを持ち、造形面１６０のＸ方向の幅をカバーできるならば、図５に示したように、Ｘ方向レール１６３は不要となる。つまり、カートリッジ保持器１２６，１２７のアーム（腕）の長さが十分な長さを有していれば、Ｘ方向ステージ１６１をＸ方向レール１６３に沿って動かさずに、Ｘ方向ステージ１６１を固定としても同様の動作をさせることができる。この場合、Ｘ方向へのカートリッジ１２２，１２３の移動は、カートリッジ保持器１２６，１２７を用いて実施する。すなわち、カートリッジ保持器１２６，１２７のアームの長さ調整、つまり、アームを伸縮させることにより実施する。なお、上述の説明では、散布した材料同士の境界が直線の場合を説明したが、θを変えてカートリッジ１０２を移動させることにより、任意の形状の曲線で境界を形成することもできる。

図６Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００の材料散布の手順を説明するフローチャートである。ステップＳ６０１において、３次元積層造形装置１００は、造形面１６０上のビーム１５１の非照射領域に材料１７１を散布する。すなわち、３次元積層造形装置１００は、サポート材となる材料１７１を所定の領域に散布する。ステップＳ６０３において、３次元積層造形装置１００は、造形面１６０上のビーム１５１の照射領域に複数種類の材料１７２，１７３を散布する。すなわち、３次元積層造形装置１００は、３次元積層造形物１８０となる材料１７２，１７３を所定の領域に散布する。ステップＳ６０５において、３次元積層造形装置１００は、ビーム１５１の照射領域内にある材料１７２，１７３にビーム１５１を照射して、材料１７２，１７３を溶解、凝固させて３次元積層造形物１８０を造形する。

図６Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置の材料散布の手順（ステップＳ６０１）を説明するフローチャートである。ステップＳ６１１において、３次元積層造形装置１００は、ビーム１５１を照射しない領域に散布する材料１７１の散布計画を作成する。散布計画は、積層造形制御部１０４が、造形データ格納部１４５から３次元積層造形物１８０の造形データを取得し、取得した造形データに基づいて、ビーム１５１を照射しない領域（ビーム非照射領域）に散布する材料１７１の散布計画を作成する。散布計画には、例えば、カートリッジ１２１による材料１７１の散布タイミングや、材料供給器１３１からの材料１７１の補充タイミングなどが含まれる。

ステップＳ６１３において、３次元積層造形装置１００は、作成した散布計画に従ってビーム１５１を照射しない領域に材料１７１を散布する。この場合、例えば、積層造形制御部１０４が、カートリッジ位置制御部１４１、カートリッジ制御部１４２および粉体供給制御部１４４などに、作成した散布計画に従った制御信号を送信する。制御信号を受信したカートリッジ位置制御部１４１、カートリッジ制御部１４２および粉体供給制御部１４４などは、散布計画に従った動作を行うように、カートリッジ１０２などの動きを制御する。つまり、材料１７１を貯蔵しているカートリッジ１２１を造形面１６０上で走査させて材料１７１の散布を実施する。

また、カートリッジ１２１が、材料１７１を散布中にビーム１５１の照射領域上を通過する場合、カートリッジ１２１は材料１７１の散布を停止する。ここで、カートリッジ１２１に貯蔵されている材料１７１を全て散布し終わったり、所定量の材料１７１を散布したりして、材料１７１の補充をするために散布を中断した場合には、中断があった中断位置から材料１７１の散布を再開する。

ステップＳ６１５において、３次元積層造形装置１００のカートリッジ制御部１４２は、カートリッジ１２１内の残存材料量が下限以上か否かを判断する。残存材料量が下限以上であれば、３次元積層造形装置１００は、材料１７１の散布を継続する。残存材料量が下限以上でなければ、つまり、残存材料量が下限よりも少なくなれば、３次元積層造形装置１００は、ステップＳ６２１へと進む。

ステップＳ６２１において、３次元積層造形装置１００は、材料１７１の散布を中止（中断）し、カートリッジ１２１の造形面１６０上の位置を記憶する。そして、ステップＳ６２３において、３次元積層造形装置１００は、カートリッジ１２１を材料供給位置、つまり、材料供給器１３１の下側の位置にまで移動させる。そして、３次元積層造形装置１００の積層造形制御部１０４は、粉体供給制御部１４４を制御して、材料供給器１３１からカートリッジ１２１に対して材料１７１を供給して、材料１７１を補充する。材料１７１の補充量は、カートリッジ１２１の残存材料上限までの分量であってもよいし、残りの材料散布に必要なだけの分量などであってもよい。

ステップＳ６１７において、３次元積層造形装置１００は、作成した散布計画が終了したか否かを判断する。散布計画が終了していないと判断した場合、３次元積層造形装置１００は、ステップＳ６１３以降の処理を繰り返す。散布計画が終了したと判断した場合、３次元積層造形装置１００は、カートリッジ１２１を材料供給器１３１の下側の位置の材料供給位置に戻し、残存材料上限まで材料１７１を補給して、次の造形が開始されるまでカートリッジ１２１を待機させる。

図６Ｃは、本実施形態に係る３次元積層造形装置の材料散布の手順（ステップＳ６０３）を説明するフローチャートである。ステップＳ６３１において、３次元積層造形装置１００は、ビーム１５１を照射する領域に散布する材料１７２，１７３の散布計画を作成する。散布計画は、積層造形制御部１０４が、造形データ格納部１４５から３次元積層造形物１８０の造形データを取得し、取得した造形データに基づいて、ビーム１５１を照射する領域（ビーム照射領域）に散布する材料１７２，１７３の散布計画を作成する。散布計画には、例えば、カートリッジ１２２，１２３による材料１７２，１７３の散布タイミングや、材料供給器１３２，１３３からの材料１７２，１７３の補充タイミングなどが含まれる。

ステップＳ６３３において、３次元積層造形装置１００は、作成した散布計画に従ってビーム１５１を照射する領域に材料１７２，１７３を散布する。この場合、例えば、積層造形制御部１０４が、カートリッジ位置制御部１４１、カートリッジ制御部１４２および粉体供給制御部１４４などに、作成した散布計画に従った制御信号を送信する。制御信号を受信したカートリッジ位置制御部１４１、カートリッジ制御部１４２および粉体供給制御部１４４などは、散布計画に従った動作を行うように、カートリッジ１２２，１２３などの動きを制御する。つまり、材料１７２，１７３を貯蔵しているカートリッジ１２２，１２３を造形面１６０上で走査させて材料１７２，１７３の散布を実施する。

また、カートリッジ１２２，１２３が、材料１７２，１７３を散布中にビーム１５１の非照射領域上を通過する場合、カートリッジ１２２，１２３は材料１７２，１７３の散布を停止する。ここで、カートリッジ１２２，１２３に貯蔵されている材料１７２，１７３を全て散布し終わったり、所定量の材料１７１を散布したりして、材料１７２，１７３の補充をするために散布を中断した場合には、中断があった中断位置から材料１７２，１７３の散布を再開する。

ステップＳ６３５において、３次元積層造形装置１００のカートリッジ制御部１４２は、カートリッジ１２２，１２３内の残存材料量が下限以上か否かを判断する。残存材料量が下限以上であれば、３次元積層造形装置１００は、材料１７２，１７３の散布を継続する。残存材料量が下限以上でなければ、つまり、残存材料量が下限よりも少なくなれば、３次元積層造形装置１００は、ステップＳ６４１へと進む。

ステップＳ６４１において、３次元積層造形装置１００は、材料１７２，１７３の散布を中止（中断）し、カートリッジ１２２，１２３の造形面１６０上の位置を記憶する。そして、ステップＳ６４３において、３次元積層造形装置１００は、カートリッジ１２２，１２３を材料供給位置、つまり、材料供給器１３２，１３３の下側の位置にまで移動させる。そして、３次元積層造形装置１００の積層造形制御部１０４は、粉体供給制御部１４４を制御して、材料供給器１３２，１３３からカートリッジ１２２，１２３に対して材料１７２，１７３を供給して、材料１７２，１７３を補充する。材料１７２，１７３の補充量は、カートリッジ１２２，１２３の残存材料上限までの分量であってもよいし、残りの材料散布に必要なだけの分量などであってもよい。

ステップＳ６３７において、３次元積層造形装置１００は、作成した散布計画が終了したか否かを判断する。散布計画が終了していないと判断した場合、３次元積層造形装置１００は、ステップＳ６３３以降の処理を繰り返す。散布計画が終了したと判断した場合、３次元積層造形装置１００は、カートリッジ１２２，１２３を材料供給器１３２，１３３の下側の位置の材料供給位置に戻す。そして、残存材料上限まで材料１７２，１７３を補給して、次の造形が開始されるまでカートリッジ１２２，１２３を待機させる。

図６Ｄは、本実施形態に係る３次元積層造形装置の材料散布の手順（ステップＳ６０５）を説明するフローチャートである。ステップＳ６５１において、３次元積層造形装置１００は、ビーム照射領域内の材料１７２，１７３にビーム１５１を照射して、材料１７２，１７３を溶融、凝固させて、３次元積層造形物１８０を造形する。

図７Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置の材料供給器の構成を説明する図であり、チャンバ１０１側から見た正面図である。材料供給器１０３は、複数の材料供給器、つまり、材料供給器１３１（第１材料供給器）、材料供給器１３２（第２材料供給器）、材料供給器１３３（第３材料供給器）および材料供給器１３４（第４材料供給器）を含む。

図７Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置の材料供給器の構成を説明する図であり、材料供給器１３１の概略側断面図である。材料供給器１３１は、チャンバ１０１のチャンバ壁１１１に取り付けられ、材料貯蔵部７０１と、中間材料貯蔵部７０２と、バルブ７０３，７０４，７０５とを備える。チャンバ１０１内は、真空に排気されている。なお、ここではカートリッジ１２１を例に説明するが、他のカートリッジ１２２，１２３，１２４でも同様である。

チャンバ１０１内には、造形面１６０の上方に材料１７１を造形面１６０上に散布するカートリッジ１２１があり、カートリッジ１２１は、カートリッジ保持器１２５に保持されている。カートリッジ保持器１２５は、不図示のＹ方向ステージ１６２に取り付けられており、さらに、Ｙ方向ステージ１６２がＸ方向ステージ１６１に取り付けられているので、材料１７１を造形面１６０上に２次元的に散布することができる。カートリッジ１２１は、内部に所定量の材料１７１を貯留できる。しかしながら、カートリッジ１２１に貯留できる材料１７１の量は、３次元積層物１８０を造形するのに必要な量の材料１７１を貯留できず、不足分の材料１７１を随時補充しなければならない。

材料供給器１３１は、上流側に材料貯蔵部７０１が設けられ、材料貯蔵部７０１よりも下流側に中間材料貯蔵部７０２が設けられている。そして、材料貯蔵部７０１と中間材料貯蔵部７０２との間には、バルブ７０３（第１バルブ）が設けられ、バルブ７０３の開閉を制御することにより、材料貯蔵部７０１と中間材料貯蔵部７０２との開通または遮断を制御することができる。

そして、バルブ７０３を開けば、材料貯蔵部７０１に貯蔵されていた材料１７１が、下方に落下して、中間材料貯蔵部７０２に材料１７１を供給することができる。なお、材料貯蔵部７０１の下部（底部）はテーパ形状となっているので、バルブ７０３を開放するだけで、材料１７１は自重により自然に下方に落下し、中間材料貯蔵部７０２に材料１７１を供給できるようになっている。

また、材料貯蔵部７０１の上部には、外部から材料１７１を補充するための穴が開いているが、通常この穴は封し蓋７１１によって封しされている。そして、材料貯蔵部７０１には、例えば、窒素（Ｎ_２）などの不活性ガスを導入する導入パイプが取り付けられており、開閉弁７６０を開閉することにより不活性ガスを導入することができる。通常、材料貯蔵部７０１の内部は、貯蔵されている材料１７１の汚染を防ぐために窒素などの不活性ガスが充填されている。

中間材料貯蔵部７０２は、交換室７４０の内部に設けられており、材料貯蔵部７０１から供給された材料１７１を一時的に貯蔵する。中間材料貯蔵部７０２も材料貯蔵部７０１と同様に、下部（底部）がテーパ形状となっているので、バルブ７０４および７０５の開閉を制御することにより、材料１７１をカートリッジ１２１に供給できる。

そして、中間材料貯蔵部７０２には、窒素などの不活性ガスを導入するパイプが取り付けられており、開閉弁７７０を開閉することにより中間材料貯蔵部７０２に不活性ガスを導入することができる。さらに、中間材料貯蔵部７０２には、真空排気用のパイプが取り付けられており、開閉弁７８０を開閉することにより中間材料貯蔵部７０２を真空に排気することができる。中間材料貯蔵部７０２に一時的に貯蔵された材料１７１は、バルブ７０４およびバルブ７０５を開放すれば、材料１７１の自重により下方に自然落下するので、カートリッジ１２１に材料１７１を供給することができる。

次に、図８Ａ乃至図８Ｄを用いて、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００の材料供給器１３１による材料供給について説明する。図８Ａ乃至図８Ｄは、本発実施形態に係る３次元積層造形装置の材料供給器による材料供給の様子を説明する図である。なお、ここでは材料供給器１３１について説明をするが、他の材料供給器１３２，１３３，１３４であっても同様である。

図８Ａに示したように、カートリッジ１２１が所定量の材料１７１を造形面１６０上に散布し終わった状態では、材料貯蔵部７０１は、不活性ガスで充填されている。この状態では、中間材料貯蔵部７０２は、材料１７１を貯留していない。また、バルブ７０３、バルブ７０４およびバルブ７０５はいずれも閉じられている。さらに、開閉弁７６０および開閉弁７７０は開放されており、開閉弁７８０は閉じられている。したがって、開閉弁７６０および開閉弁７７０が開かれているので、材料貯蔵部７０１と中間材料貯蔵部７０２とは同じ雰囲気となっている。

次に、図８Ｂに示したように、バルブ７０３を開放すると、材料貯蔵部７０１に貯蔵されていた材料１７１が、下方に落下し、中間材料貯蔵部７０２に材料１７１が供給され、必要な分量だけ材料１７１が補充される。

そして、図８Ｃに示したように、バルブ７０３を閉じて材料１７１の供給を止め、開閉弁７８０を開いて、交換室７４０内部を排気して、真空にする。交換室７４０内の真空度が、チャンバ１０１内の真空度と同じになるまで交換室７４０の排気を継続する。

図８Ｄに示したように、交換室７４０内の真空排気が完了して、交換室７４０内の真空度とチャンバ１０１内の真空とが同じ真空度になったら、バルブ７０４およびバルブ７０５を開放する。そうすると、中間材料貯蔵部７０２に貯蔵されている材料１７１が自重により下方に落下して、結果として、カートリッジ待機位置７５０に待機しているカートリッジ１２１に材料１７１が供給される。よって、カートリッジ１２１が貯蔵できる材料１７１の許容量が少なくても、随時材料１７１を補充できるので、３次元積層造形物１８０を造形できる。

なお、交換室７４０内の真空排気は、カートリッジ１２１が材料１７１を散布している間に行ってもよい。このように、カートリッジ１２１が材料１７１を散布している時間を利用して、中間貯蔵部７０２に材料１７１を補充し、交換室７４０を真空に排気しておけば、３次元積層造形物１８０の造形時間を短縮することができる。

本実施形態によれば、複数の異なる材料を用いた３次元造形物を造形することができ、さらに、装置を止めることなく造形途中で材料を補充することができる。また、カートリッジの数を増やせば、カートリッジの数に応じた多色刷りができる。さらに、材料供給器に中間材料貯蔵部を設け、雰囲気調整を行いあらかじめチャンバと同じ真空度にするので、３次元積層造形装置の動作を止めることなく、３次元積層造形物の造形を行うことができ、造形時間を短縮できる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る３次元積層造形装置について、図９を用いて説明する。図９は、本実施形態に係る３次元積層造形装置の材料供給器の構成を説明するための図である。本実施形態に係る３次元積層造形装置は、上記第１実施形態と比べると、ボトルを有する点で異なる。その他の構成および動作は、第１実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

材料供給器９３１は、ボトル９０１を有する。例えば、ボトル９０１に３次元積層造形物１８０の造形に必要な量の材料１７１を貯蔵しておけば、材料貯蔵部７０１に造形途中で新たに材料１７１を補充する必要がない。

本実施形態によれば、材料供給器にボトルを設けたので、所定量の材料を連続的にカートリッジに供給できる。また、造形途中で新たに材料を補充する必要がないので、３次元積層造形装置の動作を止める必要もなく、造形時間を短縮できる。

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る３次元積層造形装置について、図１０を用いて説明する。図１０は、本実施形態に係る３次元積層造形装置の材料供給器の構成を説明するための図である。本実施形態に係る３次元積層造形装置は、上記第１実施形態および第２実施形態と比べると、材料搬送器を有する点で異なる。その他の構成および動作は、第１実施形態および第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

材料供給器１０３１は、材料搬送器１００１を有する。材料搬送器１００１は、例えば、圧送などにより材料１７１を材料貯蔵部７０１に連続的に供給することができる。したがって、大量の材料１７１を必要とする３次元積層造形物１８０であっても、３次元積層造形装置を材料１７１の補充のために停止させることなく造形を継続することができ、造形時間を短縮できる。

本実施形態によれば、材料供給器に材料搬送器を設けたので、材料を連続的にカートリッジに搬送することができ、３次元積層造形物の造形時間を短縮することができる。

［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態に係る について、図１１を用いて説明する。図１１は、本実施形態に係る３次元積層造形装置の構成を説明するための図である。本実施形態に係る３次元積層造形装置１１００は、上記第１実施形態と比べると、カートリッジが交換式である点で異なる。その他の構成および動作は、第１実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。

カートリッジ１２１，１２２，１２３，１２４は、カートリッジ保持器１１２５に保持されており、カートリッジ保持器１１２５は、さらに、ＸＹ方向レール１１６４に取り付けられている。ＸＹ方向レール１１６４は、カートリッジ保持器１１２５をＸＹ方向、すなわち、２次元的に駆動する。カートリッジ１２１，１２２，１２３，１２４には、それぞれ異なる種類の材料１７１，１７２，１７３，１７４が充填されている。なお、カートリッジ１２１，１２２，１２３，１２４には、全て同じ種類の材料を充填してもよいし、一部が同種材料であり、その他が異種材料であってもよい。

そして、カートリッジ１２１，１２２，１２３，１２４はカートリッジ保持器１１２５から取り外し可能な構造となっている。なお、カートリッジ１２１，１２２，１２３，１２４は、１つずつ取り外し可能な構造であっても、４つを１つのセットとして取り外し可能な構造であってもよい。なお、カートリッジの数は４つには限定されず、２つ以上であればよい。

本実施形態によれば、カートリッジを交換方式としたので、３次元積層造形装置の装置構成が非常にシンプルになる。また、材料の補充が必要な場合、カートリッジそのものを交換すればよいので、材料補充の時間を大幅に短縮することができる。

［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。

Claims (8)

1. ３次元積層造形物が造形される造形室と、
   前記造形室内に設けられ、前記３次元積層造形物の材料を散布する少なくとも２つの材料散布手段と、
   前記材料散布手段に前記材料を供給する少なくとも２つの材料供給手段と、
   前記材料散布手段および前記材料供給手段の動きを制御する制御手段と、
   前記材料にビームを照射するビーム照射手段と、
   を備え、
   前記材料散布手段と前記材料供給手段とは、それぞれ対をなし、
   前記制御手段は、前記材料散布手段が、対となる前記材料供給手段から所定のタイミングで前記材料の供給を受けられるように前記材料散布手段および前記材料供給手段の動きを制御し、
   前記材料供給手段は、上流側に設けられた材料貯蔵手段と、下流側に設けられた中間材料貯蔵手段とを有し、前記材料貯蔵手段と前記中間材料貯蔵手段とは第１バルブを介して接続され、前記中間貯蔵手段と前記造形室とは第２バルブを介して接続され、
   前記第１バルブおよび前記第２バルブの開閉を制御するバルブ制御手段と、
   前記中間貯蔵手段の内部の雰囲気と、前記造形室の内部の雰囲気とを制御する雰囲気制御手段と、
   をさらに備える３次元積層造形装置。
2. 前記雰囲気制御手段は、前記中間材料貯蔵手段の内部を真空排気する請求項１に記載の３次元積層造形装置。
3. 前記雰囲気制御手段は、前記中間材料貯蔵手段の内部の雰囲気と、前記造形室の内部の雰囲気とを同じ雰囲気にする請求項１に記載の３次元積層造形装置。
4. 前記材料散布手段の一方は、前記ビームが照射されない材料を散布し、他方は、前記ビームが照射される材料を散布する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
5. 前記ビームは、電子ビーム、レーザビームまたはイオンビームである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
6. 前記ビームは、連続ビームまたはパルスビームである請求項１乃至５のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置の制御方法であって、
   前記材料散布手段が、対となる前記材料供給手段から所定のタイミングで前記材料の供給を受けられるように前記材料散布手段の動きを制御する制御ステップと、
   前記第１バルブおよび前記第２バルブの開閉を制御するバルブ制御ステップと、
   前記中間貯蔵手段の内部の雰囲気と、前記造形室の内部の雰囲気とを制御する雰囲気制御ステップと、
   を含む３次元積層造形装置の制御方法。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置の制御プログラムであって、
   前記材料散布手段が、対となる前記材料供給手段から所定のタイミングで前記材料の供給を受けられるように前記材料散布手段の動きを制御する制御ステップと、
   前記第１バルブおよび前記第２バルブの開閉を制御するバルブ制御ステップと、
   前記中間貯蔵手段の内部の雰囲気と、前記造形室の内部の雰囲気とを制御する雰囲気制御ステップと、
   をコンピュータに実行させる３次元積層造形装置の制御プログラム。

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