JP6283539B2 - 3次元積層造形装置及び3次元積層造形方法 - Google Patents
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Description
図8において、3次元積層造形装置のステージ3の移動方向(鉛直方向)をZ方向とし、Z方向に垂直な第1の方向をX方向、Z方向及びX方向に垂直な第2の方向をY方向とする。
荷電粒子ビーム5の光軸10がステージ3に垂直である場合には、ステージ3に照射される荷電粒子ビーム5のビーム形状Scは円形であるが、ステージ3に対してθの角度で照射されると、荷電粒子ビーム5のビーム形状Seはθの大きさに応じた楕円形となる。
Lv=0.5L*tan(80°)≒2.84L
となり、試料室2の高さが走査領域に対して約3倍の長さを必要とすることになる。したがって、特に大きな3次元積層造形物を積層造形する場合には、巨大な3次元積層造形装置が必要になるという問題点があった。荷電粒子ビームが電子ビームである場合には、試料室2の高さが走査領域に対して約5倍と言われている。
そして、試料室内に入射した荷電粒子ビームの荷電粒子に、試料室内の磁界の磁束密度と荷電粒子源の加速電圧に応じた半径の向心力が発生している状態において、試料室の側面への入射位置及び入射角が、向心力による荷電粒子の円軌道の入射位置での接線と一致するようにする。
[3次元積層造形装置の構成]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る3次元積層造形装置の構成例を示す概略斜視図である。
図1において、3次元積層造形装置50のステージ3の移動方向(鉛直方向)をZ方向とし、Z方向に垂直な第1の方向をX方向、Z方向及びX方向に垂直な第2の方向をY方向とする。
荷電粒子鏡筒11は、電子を放出する荷電粒子源21と、中間レンズ22と、対物レンズ24とを備える。中間レンズ22は、例えば4極レンズから構成され、電場又は磁場を用いて電子ビームにレンズ作用させる。対物レンズ24は、電場又は磁場を用いて、中間レンズ22からレンズ作用を受けた電子ビームをステージ3上の粉末試料(試料面)に収束させる。また、中間レンズ22と対物レンズ24の間に配置され、試料面上で歪のあるビーム形状を円形に補正する非点補正器23とを備える。さらに、電子ビームを磁力線14と平行な方向に偏向しY方向を走査するY偏向部であるY走査部25(第2の走査部の一例)を備える。また、第1のX偏向部26(第1の偏向部の一例)と第2のX偏向部27(第2の偏向部の一例)を有し、電子ビームを磁力線14と垂直な方向に2段階で偏向し、X方向を走査するX走査部28(第1の走査部の一例)とを備える。
図3は、3次元積層造形装置50の制御系(造形制御装置30)を示すブロック図である。
造形制御装置30は、荷電粒子鏡筒11等と電気的に接続されている(図1参照)。造形制御装置30は、通信インターフェース(図3では「通信I/F」と表記している)31、ROM(Read Only Memory)32、RAM(Random Access Memory)33、CPU(Central Processing Unit)34、Z駆動制御部35、磁場制御部36、荷電粒子源制御部37、Y走査制御部38、X走査制御部39を備える。
次に、図2を参照して、3次元積層造形装置50の動作を説明する。
図2は、3次元積層造形装置50を磁力線14がY方向の、試料室12の手前側から奥側に向かう方向から見た状態を示している。一般に、磁束密度Bが一様に存在する空間内で、電荷eを持ち速度vで運動する電子は、式(1)に従い円運動する。Fは向心力である。
図4は、3次元積層造形装置50の荷電粒子鏡筒11から出射される電子の軌道線を示した模式図である。
図4において、光軸L上を右から平行に出射された電子を第1のX偏向部26及び第2のX偏向部27で偏向し、電子の試料室12の側面13での入射点Zと入射角(π/2−θO)を制御する。図4の例では、電子は、第1のX偏向部26により第1の偏向点41において第1の偏向角θ1で下方に偏向された後、第2のX偏向部27により第2の偏向点42において第2の偏向角θ2で上方に偏向され、試料室12の側面13の入射点Zに入射角(π/2−θO)で入射する。角度θOは、第2の偏向点42と入射点Zを結ぶ線分と光軸Lに平行な線分とが成す角度である。角度θO、角度θ1及び角度θ2は、式(6)、式(7)の関係がある。
次に、上述のように構成された3次元積層造形装置50による造形物を造形する動作を説明する。
3次元積層造形装置50のCPU34が、ROM32から造形プログラムを読み出して実行し、造形制御装置30内の各部を制御することにより造形物が形成される。
また、荷電粒子ビームが試料面に対して垂直に照射されるため、走査領域内の各照射位置で照射条件が一定である。
また、走査領域の端であっても荷電粒子ビームが垂直に照射されるので、溶融解深さ方向(Z方向)の精度は一定に保たれる。
また、荷電粒子鏡筒が試料室の側面に横置きに取り付けられるため、試料室が大きくなっても荷電粒子鏡筒のメンテナンス性がよい。
また、試料室の高さに、従来のような走査領域の数倍の高さを要求されないため、3次元積層造形装置全体を小型化することができる。
以下、図5及び図6を参照して、本発明の第2の実施の形態を説明する。
上述した第1の実施の形態において、荷電粒子ビームを精度よく走査するためには、偏向角に対する偏向量の線形性も重要である。本実施の形態は、この線形性を考慮した構成である。
仮に、θをπ/3から2π/3で採ると、余弦波からほぼ直線の領域を採れることがわかる。図4において、回転角θが60°<θ<120°のとき、X方向の走査領域は、0.5R<R(1+cosθ)<1.5R(Xmax)となる。全幅でいうとRとなる。
回転角θが90°のとき、同様にして、電子は、第1の偏向点51から第2の偏向点53を経て、試料室12の側面13の入射点Z(試料面からの距離R)に入射角90°で入射する。そして、入射点Zに入射した電子は、円軌道59に沿って円運動し、試料面の着地点58に垂直に入射する。
回転角θが60°のとき、同様にして、電子は、第1の偏向点51から第2の偏向点54を経て、試料室12の側面13の入射点Z(試料面からの距離A)に入射角30°で斜め下方に入射する。そして、入射点Zに入射した電子は、円軌道61に沿って円運動し、試料面の着地点60(Xmax)に垂直に入射する。
第1及び第2の実施の形態に係る荷電粒子鏡筒11は1つである必要はなく、同時に複数個を配置及び使用しても差し支えない。
なお、上述した第1及び第2の実施の形態において、粉末試料として金属粉末を用いたが、樹脂やその他の材料からなる粉末でもよい。望ましくは高融点の粉末試料であるとよい。
例えば、上記した実施の形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態例の構成の一部を他の実施の形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態例の構成に他の実施の形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態例の構成の一部について、他の構成の追加、置換、削除をすることが可能である。
Claims (7)
- 鉛直方向に移動可能であって、粉末試料からなる粉末層が敷き詰められるステージと、
前記ステージを収容し、内部に前記ステージの上面に水平な一定の方向に磁界がかけられる試料室と、
前記試料室の側面に配置され、前記試料室へ向けて前記磁界の磁力線に垂直な荷電粒子ビームを発生する荷電粒子源と、
前記荷電粒子源で発生した前記荷電粒子ビームを、前記磁力線の向きと垂直な方向に偏向して第1の方向を走査する第1の走査部と、
前記荷電粒子ビームの荷電粒子に、前記磁界の磁束密度と前記荷電粒子源の加速電圧に応じた半径の向心力が発生している状態において、前記試料室の側面への入射位置及び入射角が、前記向心力による前記荷電粒子の円軌道の前記入射位置での接線と一致するように、前記第1の走査部の駆動を制御する制御部と、を備え、
前記試料室内での前記荷電粒子の前記円軌道の中心は、前記粉末層と同じ面上にある
3次元積層造形装置。 - 前記第1の走査部は、第1の偏向部と第2の偏向部を備え、
前記第1の走査部は、前記第1の偏向部及び前記第2の偏向部により、前記荷電粒子ビームを前記磁力線と垂直な方向に2段階で偏向し、前記粉末層の前記荷電粒子ビームに平行な方向を走査する
請求項1に記載の3次元積層造形装置。 - 前記荷電粒子ビームを前記磁力線と平行な方向に偏向し、前記粉末層の前記荷電粒子ビームと垂直な方向を走査する第2の走査部を、さらに備える
請求項2に記載の3次元積層造形装置。 - 前記荷電粒子源と前記第1の走査部及び前記第2の走査部との間に、前記偏向によって生じる前記荷電粒子ビームのビーム形状の歪みを補正する非点補正器を、さらに備える
請求項3に記載の3次元積層造形装置。 - 前記荷電粒子源と、前記第1の走査部と、前記第2の走査部とを含む複数の荷電粒子鏡筒を、前記試料室の側面に前記磁力線の向きと平行に配置した
請求項3又は4に記載の3次元積層造形装置。 - 各々の前記荷電粒子鏡筒による走査範囲を重複させる
請求項5に記載の3次元積層造形装置。 - 鉛直方向に移動可能なステージに粉末試料からなる粉末層を敷き詰める処理と、
前記ステージを収容する試料室の内部に、前記ステージの上面に水平な一定の方向に磁界を発生させる処理と、
前記試料室の側面に配置された荷電粒子源から前記試料室へ向けて前記磁界の磁力線に垂直な荷電粒子ビームを発生する処理と、
第1の走査部により、前記荷電粒子源で発生した前記荷電粒子ビームを、前記磁力線の向きと垂直な方向に偏向して第1の方向を走査する処理と、
制御部により、前記荷電粒子ビームの荷電粒子に、前記磁界の磁束密度と前記荷電粒子源の加速電圧に応じた半径の向心力が発生している状態において、前記試料室の側面への入射位置及び入射角が、前記向心力による前記荷電粒子の円軌道の前記入射位置での接線と一致するように、前記第1の走査部の駆動を制御する処理と、を備え、
前記試料室内での前記荷電粒子の前記円軌道の中心は、前記粉末層と同じ面上にある
3次元積層造形方法。
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