JP6231695B1 - 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

２次電子や反射電子などの散乱電子の発生を効果的に抑制すること。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面上に、前記３次元積層造形物の材料を散布する線状漏斗を備える。また、３次元積層造形装置であって、電子ビームを発生させる電子銃を備える。さらに、３次元積層造形装置であって、前記造形面と前記電子銃との間に設けられた金属製の防着カバーを備える。さらにまた、３次元積層造形装置であって、防着カバーにプラス電圧を印加するＤＣ電源を備える。

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、真空室内に補助ガスとして不活性ガスを導入する技術が開示されている。

特表２０１０−５２６６９４号公報

しかしながら、上記文献に記載の技術では、２次電子や反射電子などの散乱電子の発生を効果的に抑制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面上に、前記３次元積層造形物の材料を散布する材料散布手段と、
電子ビームを発生させる電子銃と、
前記造形面上方の、前記電子ビームが通過する領域の側面を覆うように設けられた金属製のカバー手段と、
前記カバー手段をプラス電圧またはＧＮＤ電位にする印加手段と、
を備え、
前記カバー手段の内側にフィンが設けられている。

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、
３次元積層造形物が造形される造形面上に、前記３次元積層造形物の材料を材料散布手段により散布する材料散布ステップと、
電子銃により電子ビームを発生させる発生ステップと、
前記造形面上方の、前記電子ビームが通過する領域の側面を覆うように設けられた、内側にフィンが設けられている金属製のカバー手段をプラス電圧またはＧＮＤ電位にする印加ステップと、
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、
３次元積層造形物が造形される造形面上に、前記３次元積層造形物の材料を材料散布手段により散布する材料散布ステップと、
電子銃により電子ビームを発生させる発生ステップと、
前記造形面上方の、前記電子ビームが通過する領域の側面を覆うように設けられた、内側にフィンが設けられている金属製のカバー手段をプラス電圧またはＧＮＤ電位にする印加ステップと、
をコンピュータに実行させる。

本発明によれば、２次電子や反射電子などの散乱電子の発生を効果的に抑制することができる。

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次元積層造形装置の構成を示す部分拡大図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の処理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前提技術に係る３次元積層造形装置の構成の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術に係る３次元積層造形装置のスモーク現象発生のメカニズム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備える防着カバーの構成を示す部分拡大図である。 本発明の第３実施形態に係る３次元積層造形装置の備える防着カバーの構成を示す部分拡大図である。 本発明の第４実施形態に係る３次元積層造形装置の備える防着カバーの構成を示す部分拡大図である。 本発明の第４実施形態に係る３次元積層造形装置の備える防着カバーの他の例の構成を示す部分拡大図である。 本発明の第５実施形態に係る３次元積層造形装置の備える防着カバーの構成を示す部分拡大図である。

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。３次元積層造形装置１００は、パウダーベッド方式の装置である。３次元積層造形装置１００は、リコータなどにより造形面上に敷き詰めた材料に電子ビームを照射して、材料を溶融し、凝固させ、１層分の材料の積層を完成させる。そして、１層分の積層が完了したら、３次元積層造形装置１００は、１層分の高さに相当する高さだけ造形台を下げて、次の層の材料をリコータなどにより敷き詰める（散布する）。材料を敷き詰めたら、電子ビームを照射して、材料を溶融し、凝固させ、次の１層分の材料の積層を完成させる。３次元積層造形装置１００は、この動作を繰り返して、所望の３次元積層造形物を造形する。

＜前提技術＞
図４は、本実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術に係る３次元積層造形装置の構成の一例を示す図である。

≪構成≫
真空容器４０１に電子銃４０２が装着されており、真空容器４０１内には断面が円状または角状の造形枠台（造形ボックス）４０３が設けられている。造形枠台４０３の内側下方にはＺ軸駆動機構４０４があり、粉末台４４０をラックアンドピニオンやボールねじなどによりＺ方向に駆動することができる。

造形枠台４０３と粉末台４４０との隙間には、耐熱性のあるフレキシブルシール４６０があり、フレキシブルシール４６０と造形枠台４０３の内面のすべり面で摺動性と密閉性とを持たせている。真空容器４０１は、図示しない真空ポンプにより排気され、真空容器４０１内は真空に維持されている。

粉末台４４０には、金属粉末で浮かせた状態で、３次元積層造形物４３０が造形される造形プレート（ベースプレート）４０６が配置されている。造形プレート４０６は、電気的に浮かないようにＧＮＤ線４５０でＧＮＤ電位である粉末台４４０に接地されている。造形プレート４０６上には３次元積層造形物４３０が造形され、各層の造形時には、金属粉末を充填した線状漏斗（リコータ）４０５により、造形枠台４０３上面とほぼ同じ高さまで、金属粉末が敷き詰められている（敷き詰められた粉末４５２）。

線状漏斗４０５には、図示しないホッパから適宜金属粉末が補充されている。３次元積層造形物４３０は、一層分、敷き詰められた粉末（未焼結）４５２を電子銃４０２からの電子ビームにより３次元積層造形物４３０となる領域を２次元的に溶融し、その重ね合わせによって構築される。造形プレート４０６上に敷き詰められた粉末４５２の３次元積層造形物４３０以外の領域は、電子銃４０２からの電子ビームにより、仮焼結された粉末（敷き詰められた粉末（仮焼結））４５１であり、導電性を有している。

造形面と電子銃４０２との間には、防着カバー４０７が取り付けられており、造形時に発生する金属蒸気やファイヤーワークスによる金属スパッタの真空容器４０１の内壁への蒸着を防いでいる。

≪動作≫
３方を金属粉末で覆われた造形プレート４０６上面を造形枠台４０３上面とほぼ同じ高さに配置し、電子銃４０２からの電子ビームを造形プレート４０６上面全域より少し狭い領域に照射し、金属粉末が仮焼結する程度の温度まであらかじめ昇温しておく。

造形の開始時は、造形プレート４０６上面が造形枠台４０３上面より僅かに下がった位置に配置するように粉末台４４０をＺ軸駆動機構４０４により下げる。この僅かに下がったΔＺが、その後のＺ方向の層厚に相当する。金属粉末を充填した線状漏斗４０５を造形プレート４０６の上面に沿って反対側に移動させ、ΔＺ分の造形プレート４０６より少し狭い領域に電子銃４０２からの電子ビームを照射し、昇温して、照射領域の金属粉末を確実に仮焼結させる。

あらかじめ準備された設計上の３次元積層造形物をΔＺ間隔でスライスした２次元形状に従い、電子銃４０２からの電子ビームにより、その２次元領域を溶融する。１層分の溶融および凝固後、再び、造形プレート４０６より少し狭い領域に電子銃４０２からの電子ビームを照射し、昇温して、粉末敷き詰めの準備をする。

所定の温度に昇温後、電子ビームをＯＦＦにして、Ｚ軸駆動機構４０４により粉末台４４０をΔＺ分下げ、線状漏斗４０５を再び造形枠台４０３の上面に沿って反対に移動させる。そして、ΔＺ分の金属粉末を前層の上に敷き詰め、電子銃４０２からの電子ビームにより確実に仮焼結後、その層に相当する２次元形状の領域を溶融する。これを繰り返して、３次元積層造形物４３０を造形する。

図５は、本実施形態に係る３次元積層造形装置の前提技術に係る３次元積層造形装置のスモーク現象発生のメカニズムを説明する図である。図５は、図４の電子銃４０２の下部の拡大図である。図示したように、仮焼結や溶融時に電子ビームを照射した際に、照射位置から反射電子や２次電子が大量に発生する。反射電子は、上部の防着カバー４０７内壁に当たり、更なる反射電子、２次電子が放出される。

このように、防着カバー４０７で覆われた造形面上方には大量の電子が存在しており、仮焼結されていない金属粉末は表面の酸化膜により個々の粉末間は電気的に絶縁状態となるため、容易にマイナスにチャージする。そのため、電子ビームを照射する領域に仮焼結不十分によるチャージした金属粉末ができると、そのチャージした金属粉末は、外側の未焼結領域に吹き飛ばされ、その領域でのチャージのバランスが崩れる。そして、チャージのバランスが崩れると、静電気力による斥力バランスも崩れ、金属粉末同士の反発でそれらが飛び散るスモークという現象が発生する。これを抑制するため、Ｈｅガスなどのガス導入でガスイオンを生成し中和作用に期待した手法が用いられているが、仮焼結不十分の場合には、依然としてスモーク現象が発生する。

＜本実施形態の技術＞
≪構成≫
図１は、本実施形態に係る３次元積層造形装置の構成を示す図である。図２は、本実施形態に係る３次元積層造形装置の構成を示す部分拡大図である。３次元積層造形装置１００は、真空容器１０１と、電子銃１０２と、造形枠台１０３と、Ｚ軸駆動機構１０４と、線状漏斗１０５と、造形プレート１０６と、防着カバー１０７と、ＤＣ電源１０８とを備える。なお、以下の説明においては、３次元積層造形装置１００として、パウダーベッド方式の造形装置を例に説明をする。

防着カバー１０７は、金属製のカバーであり、電子銃１０２の先端部分に取り付けられており、絶縁体１７１で電気的に浮かされている。また、防着カバー１０７には、外部からプラスのＤＣ電源１０８が接続されており、＋３０［Ｖ］以上の電圧、好ましくは＋５０〜＋１００［Ｖ］の電圧が印加される。また、防着カバー１０７にプラスの電圧を印加しないで、ＧＮＤ電位としてもよい。

なお、同図においては、ＤＣ電源１０８が真空容器１０１内に配置されている例で説明をしているが、ＤＣ電源１０８を真空外に配置して、フィールドスルーを介して印加電圧を導入してもよい。また、防着カバー１０７の材質としては、チタン（Ｔｉ）などの金属や、チタン系の化合物、ステンレス鋼などの合金が代表的であるが、２次電子放出の小さい材質であれば、これには限定されない。また、防着カバー１０７の厚みは約０．５ｍｍであるが、これには限定されず、これよりも薄くても、厚くてもよい。

≪動作≫
３方向を金属粉末で覆われた造形プレート１０６上面を造形枠台１０３上面とほぼ同じ高さに配置し、造形プレート１０６と造形枠台１０３との間にある金属粉末を覆う。電子銃１０２からの電子ビームを造形プレート１０６上面全域に照射し、金属粉末が完全に仮焼結する程度の温度まで造形プレート１０６をあらかじめ昇温させておく。

造形開始時には、造形プレート１０６上面が造形枠台１０３上面より僅かに下がった位置に配置されるように、粉末台１４０をＺ軸駆動機構１０４により下げる。この僅かに下がったΔＺが、その後のＺ方向の層厚に相当する。

金属粉末を充填した材料散布部である線状漏斗（リコータ）１０５を造形プレート１０６の上面に沿って反対側に移動させ、ΔＺ分の金属粉末を造形プレート１０６上とその周りに散布して、敷き詰める。造形プレート１０６上に敷き詰めた金属粉末に対して電子銃１０２からの電子ビームを照射して、昇温させ、照射領域の金属粉末を確実に仮焼結させる。

あらかじめ準備された設計上の３次元積層造形物（造形モデル）をΔＺ間隔でスライスした２次元形状に従い、電子銃１０２からの電子ビームにより、その２次元形状領域を溶融する。１層分、溶融および凝固後、再び造形プレート１０６より少し狭い領域に電子銃１０２からの電子ビームを照射し、昇温して、金属粉末敷き詰めの準備をする。所定の温度に昇温後、電子ビームをＯＦＦにする。

Ｚ軸駆動機構１０４により粉末台１４０をΔＺ分下げて、線状漏斗１０５を再び造形枠台１０３の上面に沿って反対側に移動させ、ΔＺ分の金属粉末を前層の上に敷き詰める。新たに敷き詰められた金属粉末に電子銃１０２からの電子ビームを照射し、新たに敷かれた金属粉末を確実に仮焼結した後、その層に相当する２次元形状の領域を溶融する。３次元積層造形装置１００は、これを繰り返して、３次元積層造形物１３０を造形する。

防着カバー１０７にプラスの電圧を印加することにより、電子の発生量が大きい２次電子（数〜数１０ｅＶ）を防着カバー１０７にトラップすることができ、造形プレート１０６と造形枠台１０３との間の未焼結領域の金属粉末のチャージアップを抑制する。

図３は、本実施形態に係る３次元積層造形装置１００の処理手順を説明するフローチャートである。ステップＳ３０１において、３次元積層造形装置１００は、３次元積層造形物１３０の造形データを取得する。ステップＳ３０３において、３次元積層造形装置１００は、金属粉末を造形面に散布して、敷き詰める。なお、造形面に金属粉末を散布する前に、ベースプレートを仮焼結する温度までの予備加熱を行う。ステップＳ３０５において、３次元積層造形装置１００は、防着カバー１０７に所定の電圧を印加する。ステップＳ３０７において、３次元積層造形装置１００は、散布した金属粉末に電子ビームを照射して仮焼結を実施する。ステップＳ３０９において、３次元積層造形装置１００は、仮焼結した金属粉末に電子ビームを照射して本溶融を実施する。ステップＳ３１１において、３次元積層造形装置１００は、３次元積層造形物１３０の造形が終了したか否かを判断する。造形が終了したと判断した場合（ステップＳ３１１のＹＥＳ）、３次元積層造形装置１００は、３次元積層造形物１３０の造形を終了する。造形が終了していないと判断した場合（ステップＳ３１１のＮＯ）、３次元積層造形装置１００は、ステップＳ３０３以降のステップを繰り返す。

本実施形態によれば、２次電子などの放出の小さい材質を用い、さらに、防着カバーにプラス電圧を印加したので、２次電子の発生を効果的に抑制することができる。また、２次電子の発生を抑制するので、未焼結領域の金属粉末のチャージアップを抑制でき、スモーク現象の発生を抑制できる。

［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６を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る３次元積層造形装置６００の備える防着カバーの構成を説明するための図である。防着カバー６０７は、造形枠台１０３に対して垂直に配置されている。そして、線状漏斗１０５により金属粉末を散布して、造形面上に敷き詰めいている場合は、防着カバー６０７は、線状漏斗１０５の通過スペースができるように、上に上がっている。そして、線状漏斗１０５により、１層分の金属粉末の散布し、新たな金属粉末が敷き詰められたら、防着カバー６０７を散布した金属粉末に接触する位置まで下げて、電子ビームを照射する。これにより、電子ビームが照射されない部分である未焼結部分には、電子ビームが到達しないので、未焼結部分のチャージアップを抑制できる。

本実施形態によれば、２次電子などの放出の小さい材質を用い、さらに、防着カバーにプラス電圧を印加したので、２次電子の発生を抑制することができる。

［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７を用いて説明する。図７は、本実施形態に係る３次元積層造形装置７００の備える防着カバーの構成を説明するための図である。防着カバー７０７は、円錐形状をしており、造形枠台１０３に近い側の開口が大きくなっている。

防着カバー７０７は可動式となっており、線状漏斗１０５で、造形面上に金属粉末を敷き詰める場合には、上側に跳ね上がった状態となり、防着カバー７０７と造形面との間の空間を線状漏斗１０５が移動する。そして、電子ビームを照射する場合には、防着カバー７０７が下に降りてきて（同図の点線）、造形プレート１０６の上部の部分にしか電子ビームが照射されないようにする。

本実施形態によれば、２次電子などの放出の小さい材質を用い、さらに、防着カバーにプラス電圧を印加したので、２次電子の発生を抑制することができる。

［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態に係る３次元積層造形装置について、図８を用いて説明する。図８Ａは、本実施形態に係る３次元積層造形装置８００の備える防着カバーの構成を説明するための図である。図８Ｂは、本実施形態に係る３次元積層造形装置８００の備える防着カバーの他の例の構成を説明するための図である。

図８Ａに示したように、防着カバー８０７は、内側にフィン８７１を備えた構造となっている。フィン８７１の材質は、防着カバー８０７の材質と同じであっても、異なっていてもよい。また、フィン８７１を防着カバー８０７に取り付ける取付角度は、鋭角であっても、鈍角であってもよく、任意の角度であってもよい。このように、防着カバー８０７とフィン８７１とを組み合わせることにより、反射電子や２次電子をトラップする機構の表面積が増えるので、より多くの反射電子や２次電子をトラップすることができる。

また、防着カバー８０７の表面積を増やすために、図８Ｂに示したように、防着カバー８０７の形状を波型の形状にして、フィン８７１と組み合わせることにより、トラップ機構の表面積をさらに増やすことができる。なお、防着カバー８０７の形状は、波型形状には限定されず、階段状形状や、ジグザグ形状などであってもよい。

なお、フィン８７１は、全て同じ長さでもよいし、それぞれが異なる長さでもよいし、造形面に最も近いフィン８７１の長さをその他のフィン８７１の長さよりも長くしてもよい。また、防着カバー８０７は、ＧＮＤ電位であるが、上記第２実施形態などに示したように、防着カバー８０７にプラスの電圧を印加してもよい。

本実施形態によれば、反射電子や２次電子のトラップ機構の表面積を増やすことができるので、より多くの反射電子や２次電子をトラップでき、スモーク現象の発生を抑制できる。

［第５実施形態］
次に本発明の第５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９００の備える防着カバーの構成を説明するための図である。防着カバー９０７は、内側にＧＮＤ電位の接地部９７１が設けられている。

防着カバー９０７に印化する電圧を高くしていくと、電子ビームが通る空間に電場が形成され、電子ビームの形状が崩れたり、スポット位置の精度やスキャン位置の精度などが低下したりする。そのため、本実施形態では、防着カバー９０７の内側に接地部９７１を設けて、防着カバー９０７からの電場が、接地部９７１でＧＮＤレベルに固定される。なお、図示していないが、接地部９７１は、防着カバー９０７に対して絶縁体で電気的に浮かした状態で装着されている。

本実施形態によれば、接地部を設けたので、防着カバーから発生する２次電子や反射電子をトラップすることができ、造形面近傍の散乱電子が低減できる。さらに、未焼結領域の金属粉末のチャージアップを抑制でき、スモーク現象の発生を抑制できる。

［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 (7)

1. ３次元積層造形物が造形される造形面上に、前記３次元積層造形物の材料を散布する材料散布手段と、
   電子ビームを発生させる電子銃と、
   前記造形面上方の、前記電子ビームが通過する領域の側面を覆うように設けられた金属製のカバー手段と、
   前記カバー手段をプラス電圧またはＧＮＤ電位にする印加手段と、
   を備え、
   前記カバー手段の内側にフィンが設けられている３次元積層造形装置。
2. 前記プラス電圧は、３０［Ｖ］以上である請求項１に記載の３次元積層造形装置。
3. 前記プラス電圧は、５０［Ｖ］から１００［Ｖ］の間である請求項２に記載の３次元積層造形装置。
4. 前記カバー手段の内側に設けられ、ＧＮＤ電位の接地手段をさらに備える請求項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. 前記カバー手段は、波型形状である請求項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. ３次元積層造形物が造形される造形面上に、前記３次元積層造形物の材料を材料散布手段により散布する材料散布ステップと、
   電子銃により電子ビームを発生させる発生ステップと、
   前記造形面上方の、前記電子ビームが通過する領域の側面を覆うように設けられた、内側にフィンが設けられている金属製のカバー手段をプラス電圧またはＧＮＤ電位にする印加ステップと、
   を含む３次元積層造形装置の制御方法。
7. ３次元積層造形物が造形される造形面上に、前記３次元積層造形物の材料を材料散布手段により散布する材料散布ステップと、
   電子銃により電子ビームを発生させる発生ステップと、
   前記造形面上方の、前記電子ビームが通過する領域の側面を覆うように設けられた、内側にフィンが設けられている金属製のカバー手段をプラス電圧またはＧＮＤ電位にする印加ステップと、
   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。

Images