JP6363293B1 - ３次元造形装置、３次元造形装置の制御方法および３次元造形装置の制御プログラム - Google Patents

Abstract

粉体の過度な蒸発を防止する。３次元造形装置であって、電子ビームを発生させる電子銃と、前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる１段以上の偏向器と、前記電子銃と前記偏向器との間に設けられ、前記電子ビームを集束させる少なくとも１つのレンズと、前記偏向器による偏向の方向および走査の速度を制御する制御手段と、を備え、前記偏向器は所定の領域を走査および照射し、さらに前記電子ビームの断面径を制御する制御手段を備え、前記粉体を溶融する工程を２つの工程に分け、該２つの工程を工程順に第１および第２の溶融工程とし、前記第１の溶融工程では、前記粉体に、各地点における前記粉体の予熱温度から融点までの温度上昇に必要な単位面積当たりの熱を与え、前記第２の溶融工程では、前記粉体に、前記粉体が融解熱を受けて溶融するのに必要な単位面積当たりの熱以上の単位面積当たりの熱を与え、前記第２の溶融工程ではさらに、前記ビームの断面径を大きくすることにより、前記第２の溶融工程において前記粉体に与える前記電子ビームの単位面積当たりの電力を、前記第１の溶融工程において前記粉体に与える前記電子ビームの単位面積当たりの電力より小さくする。

Description

本発明は、３次元造形装置、３次元造形装置の制御方法および３次元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、電子ビームにより粉体を走査する３次元製品製造装置が開示されている。

特表２００３−５３１０３４号公報（ＷＯ２００１／０８１０３１）

しかしながら、上記文献に記載の技術では、粉体の過度な蒸発を防止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次元造形装置は、
電子ビームを発生させる電子銃と、
前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる１段以上の偏向器と、
前記電子銃と前記偏向器との間に設けられ、前記電子ビームを集束させる少なくとも１つのレンズと、
粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域が前記電子ビームにより走査および照射されるように前記偏向器を制御する偏向器制御手段であって、前記粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域の走査の速度を制御することにより、前記粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域に与えられる熱を制御する偏向器制御手段と、
前記電子ビームの断面径を制御する断面径制御手段と、
を備え、
前記偏向器制御手段は、
前記電子ビームにより前記粉体を溶融する工程を第１の溶融工程と第２の溶融工程との２つの工程に分け、
前記第１の溶融工程では、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域を走査および照射することにより、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域内の各地点に、前記粉体の予熱温度から融点までの温度上昇に必要な単位面積当たりの熱を与え、
前記第２の溶融工程では、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域を走査および照射することにより、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域内の各地点に、前記粉体が融解熱を受けて溶融するのに必要な単位面積当たりの熱以上の単位面積当たりの熱を与え、
前記断面径制御手段は、前記第２の溶融工程における前記電子ビームの断面径を、前記第１の溶融工程における前記電子ビームの断面径より大きくすることにより、前記第２の溶融工程において前記粉体に与える前記電子ビームの単位面積当たりの電力を、前記第１の溶融工程において前記粉体に与える前記電子ビームの単位面積当たりの電力より小さくする。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元造形装置の制御方法は、
電子ビームを発生させる電子銃と、
前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる１段以上の偏向器と、
前記電子銃と前記偏向器との間に設けられ、前記電子ビームを集束させる少なくとも１つのレンズと、
粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域が前記電子ビームにより走査および照射されるように前記偏向器を制御する偏向器制御手段であって、前記粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域の走査の速度を制御することにより、前記粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域に与えられる熱を制御する偏向器制御手段と、
前記電子ビームの断面径を制御する断面径制御手段と、
を備えた３次元造形装置の制御方法であって、
前記偏向器制御手段が、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域の走査により、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域内の各地点に、前記粉体の予熱温度から融点までの温度上昇に必要な単位面積当たりの熱を与える第１の溶融ステップと、
前記偏向器制御手段が、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域の走査により、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域内の各地点に、前記粉体が融解熱を受けて溶融するのに必要な単位面積当たりの熱以上の単位面積当たりの熱を与える第２の溶融ステップと、
前記断面径制御手段が、前記第２の溶融ステップにおける前記電子ビームの断面径を、前記第１の溶融ステップにおける前記電子ビームの断面径より大きくすることにより、前記第２の溶融ステップにおいて前記粉体に与える前記電子ビームの単位面積当たりの電力を、前記第１の溶融ステップにおいて前記粉体に与える前記電子ビームの単位面積当たりの電力より小さくするステップと、
を含む。

上記目的を達成するため、本発明に係る３次元造形装置の制御プログラムは、
電子ビームを発生させる電子銃と、
前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる１段以上の偏向器と、
前記電子銃と前記偏向器との間に設けられ、前記電子ビームを集束させる少なくとも１つのレンズと、
粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域が前記電子ビームにより走査および照射されるように前記偏向器を制御する偏向器制御手段であって、前記粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域の走査の速度を制御することにより、前記粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域に与えられる熱を制御する偏向器制御手段と、
前記電子ビームの断面径を制御する断面径制御手段と、
を備えた３次元造形装置の制御プログラムであって、
前記偏向器制御手段が、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域の走査により、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域内の各地点に前記粉体の予熱温度から融点までの温度上昇に必要な単位面積当たりの熱を与える第１の溶融ステップと、
前記偏向器制御手段が、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域の走査により、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域内の各地点に、前記粉体が融解熱を受けて溶融するのに必要な単位面積当たりの熱以上の単位面積当たりの熱を与える第２の溶融ステップと、
前記断面径制御手段が、前記第２の溶融ステップにおける前記電子ビームの断面径を、前記第１の溶融ステップにおける前記電子ビームの断面径より大きくすることにより、前記第２の溶融ステップにおいて前記粉体に与える前記電子ビームの単位面積当たりの電力を、前記第１の溶融ステップにおいて前記粉体に与える前記電子ビームの単位面積当たりの電力より小さくするステップと、
をコンピュータに実行させる。

本発明によれば、粉体の過度な蒸発を防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る３次元造形装置の構成を説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る第１の溶融工程において、副偏向フィールド内の小領域が電子ビームにより走査および照射される様子を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る第１の溶融工程において、電子ビームにより走査および照射される小領域が造形面上に配列される様子を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る第２の溶融工程において、副偏向フィールド内の全域が電子ビームにより走査および照射される様子を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る第１の溶融工程後の、副偏向フィールド内の温度分布を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る第２の溶融工程後の、副偏向フィールド内の温度分布を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る第２の溶融工程において、副偏向フィールド内の小領域のうち、左から１、２、および３列目が電子ビームにより走査および照射される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次元造形装置により走査および照射される粉体層の深さ方向の温度分布および時間推移を数値熱解析により計算するための計算モデルを示す図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元造形装置により走査および照射される層状材料の温度と層状材料（純金属）に与えられた単位体積当たりの熱との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元造形装置により走査および照射される層状材料の温度と層状材料（合金）に与えられた単位体積当たりの熱との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元造形装置により、溶融工程を２つに分けることなく、多重に走査および照射された層状材料の、最表部および最深部の温度の時間推移を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元造形装置により走査および照射された層状材料の、第１の溶融工程における最表部および最深部の温度の時間推移を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元造形装置により走査および照射された層状材料の、第２の溶融工程における最表部および最深部の温度の時間推移を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る３次元造形装置による３次元構造物の造形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次元造形装置による３次元構造物の造形手順における電子ビームによる走査および照射の実行手順を説明するフローチャートである。 前提技術に係る３次元造装置の構成を示す図である。 前提技術に係る３次元造装置による３次元構造物の造形手順を説明するフローチャートである。

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次元造形装置１００について、図１ないし図１２Ｂを用いて説明する。

＜前提技術＞
まず、本実施形態の前提技術について説明する。図１２Ａは、本実施形態に係る３次元造形装置１００の前提技術に係る３次元造形装置１２００の構成を説明する図である。３次元造形装置１２００は、電子ビーム１２０７を用いて３次元構造物を造形する電子ビーム３次元造形装置である。３次元造形装置１２００は、集束された電子ビーム１２０７により金属粉体１２０４を溶融および凝固させ、それを逐次積層させることで、所望の３次元構造物を造形する。

図１２Ａに示すように、３次元造形装置１２００は、電子銃１２０１、レンズ１２０２、偏向器１２０３、およびフォーカス補正器１２０９を備える。電子銃１２０１は熱電子放出型電子銃、レンズ１２０２は電磁型レンズ、偏向器１２０３は電磁型偏向器である。偏向器１２０３は、Ｘ方向偏向用コイルとＹ方向偏向用コイルとからなる。フォーカス補正器１２０９は、レンズ１２０２と同様に、電磁型のレンズである。３次元造形装置１２００は、さらに、金属粉体１２０４を造形面１２０５上に敷き詰める機構（図示せず）と、金属粉体１２０４の高さ位置を造形面の高さに合わせるＺ軸ステージ１２０６とを有する。

３次元造形装置１２００は、上記構成において、第一に、金属粉体１２０４を造形面１２０５上に敷き詰める。すなわち金属粉体１２０４からなる粉体層を形成する。金属粉体１２０４の粒子径（直径）は、多くの場合、数十μｍである。

３次元造形装置１２００は、第二に、電子銃１２０１により電子ビーム１２０７を生成し、電子ビーム１２０７の断面径が造形面１２０５上において最小となるように電子ビーム１２０７をレンズ１２０２により集束し、さらに偏向器１２０３により電子ビーム１２０７を二次元（ＸＹ）方向に偏向する。３次元造形装置１２００は、こうすることで、造形面１２０５上の所定の領域を走査および照射する。

ただし、偏向器１２０３による電子ビーム１２０７の偏向は、偏向収差、主に像面湾曲収差、非点収差、および歪収差を生む。これらの収差のうち、像面湾曲収差はフォーカス補正器１２０９で補正される。その補正は偏向座標毎の動的補正である。また、非点収差は非点補正器（図示せず）で補正され、歪収差は、偏向器１２０３に入力される偏向信号に歪補正信号を重畳することで補正される。これらの補正も偏向座標毎の動的補正である。以降では、非点収差および歪収差についての説明は省略する。

上記走査および照射により、上記所定の領域内の金属粉体１２０４が加熱される。より具体的には、同領域内の金属粉体１２０４が、まずは予熱（仮焼結）され、そして溶融される。このとき、偏向器１２０３は、所望の３次元構造物の形状を表すデータ（図形データ）および造形条件を表すデータ（造形条件データ）に基づき制御される。以降では、このように金属粉体１２０４を予熱および溶融する工程を、単に、それぞれ予熱および溶融工程と称する。

予熱および溶融工程を経て溶融した金属粉体１２０４は、その後、凝固し、所望の３次元構造物の一部をなす薄い金属層となる。その金属層は、もはや粉体層ではなく、連続した構造体である。したがって、以上の工程を繰り返すことで、そのような層を積層すれば、所望の３次元構造物が造形される。ただし、そうするには、その金属層の上に新たに金属粉体１２０４を敷き詰める前に、その金属層の厚さの分だけ、造形中の構造物の高さを補償する必要がある。

３次元造形装置１２００は、そのため、第三に、上記金属層の厚さの分だけ、Ｚ軸ステージ１２０６を送る。その厚さ、すなわちＺ軸ステージ１２０６の１回当たりの送り量は、一般の電子ビーム３次元造形装置において、百μｍ前後である。したがって、その後、造形面１２０５上に敷き詰められる金属粉体１２０４からなる粉体層の厚さも同じく、百μｍ前後である。また、Ｚ軸ステージ１２０６の可動範囲、すなわち最大造形深さは、数百ｍｍである。

３次元造形装置１２００の重要な性能指標は、造形解像度と造形速度とである。３次元造形装置１２００の造形解像度は、造形面１２０５上における電子ビーム１２０７の断面径で決まる。３次元造形装置１２００の造形速度は、電子ビーム１２０７の断面径によらず、電子ビーム１２０７の電力に比例する。ただしこの造形速度は、Ｚ軸ステージ１２０６の動作を度外視した造形速度である。

３次元造形装置１２００の造形速度が電子ビーム１２０７の電力に比例するのは、第一に、３次元造形装置１２００により造形される構造物の体積［ｃｍ^３］が、電子ビーム１２０７からその構造物に与えられる熱［Ｊ］に比例すること、第二に、３次元造形装置１２００の造形速度［ｃｍ^３／ｓ］（または［ｃｍ^３／ｈ］）は、その構造物の体積の時間微分であること、第三に、電子ビーム１２０７の電力［Ｗ］は、その構造物に与えられた熱の時間微分であることによる。ただし、第一の理由は、電子ビーム１２０７から金属粉体１２０４に与えられる単位面積当たりの熱は均一であること、第三の理由は、電子ビーム１２０７の電力は損失なく金属粉体１２０４に与えられることを前提とする。これらの前提は以降の説明にも適用する。

３次元造形装置１２００の造形速度を速くするには、上述のように造形速度と電子ビーム１２０７の電力とが比例することから、電子ビーム１２０７の電力を大きくすればよいが、その際は、電子ビーム１２０７による走査の速度を速くする必要がある。これは、第一に、上記体積は、電子ビーム１２０７による走査の距離に比例すること、第二に、その距離の時間微分は、電子ビーム１２０７による走査の速度であることによる。

電子ビーム１２０７の電力は、電子ビーム１２０７の加速電圧にその電流を乗じたものである。電子ビーム１２０７の加速電圧は、図１２Ａにおいて、カソード１２０１ａとアノード１２０１ｂとの間の電圧である。３次元造形装置１２００およびその他一般の電子ビーム３次元造形装置における電子ビーム１２０７の加速電圧は、数十ｋＶである。

電子ビーム１２０７の電力を大きくするには、一般に、電子ビーム１２０７の電流を大きくする。ここで、電子ビーム１２０７の電流の制御は、電子銃１２０１のバイアス電圧を調節することによる。また、バイアス電圧とは、図１２Ａにおいて、カソード１２０１ａとグリッド１２０１ｃとの間の電圧である。

電子ビーム１２０７の電流は、逆に、小さく設定される場合もある。そのような場合とは、造形解像度が造形速度に優先される場合である。すなわち、電子ビーム１２０７の断面径は、電子ビーム１２０７の電流を小さくすることにより、小さくなる。これは、電子ビーム１２０７の電流の減少とともに、造形面１２０５における電子ビーム１２０７の開き角が小さくなり、その結果、レンズ１２０２に由来する収差が小さくなることによる。ただし、高い造形解像度が要求される場合でも、造形速度は速いに越したことはないから、理想的には、電子ビーム１２０７の電流は大きい方がよい。

上記のようなバイアス電圧による電流の制御は、また、電子ビーム１２０７を完全に遮断し、その電流を零とするためにもなされる。このように電子ビーム１２０７の電流を零とするのは、金属粉体１２０４を造形面１２０５上に敷き詰める工程およびＺ軸ステージ１２０６を送る工程など、電子ビーム１２０７が不要となる工程においてである。

３次元造形装置１２００の造形速度が速いこと、すなわち電子ビーム１２０７の電力が大きく、かつ電子ビーム１２０７による走査の速度が速いことは、電子ビーム１２０７により走査される領域内の各地点が照射される時間が短いことに相当する。ここで、同時間は、電子ビーム１２０７の断面径を、電子ビーム１２０７による走査の速度で除したものである一方、金属粉体１２０４に与えられる単位面積当たりの熱を、電子ビーム１２０７の単位面積当たりの電力で除したものでもある。すなわち、電子ビーム１２０７により走査される領域内の各地点が照射される時間は、電子ビーム１２０７による走査の速度に反比例し、一方で、金属粉体１２０４に与えられる単位面積当たりの熱に比例する。

上記単位面積当たりの熱は、予熱工程においては、金属粉体１２０４の温度を初期温度から予熱温度まで上昇させるのに必要な単位面積当たりの熱であり、溶融工程においては、金属粉体１２０４の温度を予熱温度から目標温度まで上昇させるのに必要な単位面積当たりの熱と、金属粉体１２０４を融解させるのに必要な単位面積当たりの熱との和である。ここで、金属粉体１２０４の融解とは、金属粉体１２０４の融点において金属粉体１２０４が融解熱（潜熱）を吸収した結果、金属粉体１２０４が溶融することを指す。

一方、上記単位面積当たりの電力は、電子ビーム１２０７の電力を電子ビーム１２０７の断面積で除したものである。したがって、上記単位面積当たりの電力は、造形速度を速くすべく電子ビーム１２０７の電力を大きくした場合、造形解像度を高くすべく電子ビーム１２０７の断面径を小さくした場合、またはその両方を向上させるべく電子ビーム１２０７の電力を大きく、かつ電子ビーム１２０７の断面径を小さくした場合に、大きくなる。

以上に補足すれば、電子ビーム１２０７から金属粉体１２０４に与えられる単位面積当たりの熱は、上記反比例および比例の関係から、電子ビーム１２０７による走査の速度により増減する。したがって、走査速度により、金属粉体１２０４を溶融させるか否かが制御できる。すなわち、金属粉体１２０４は、走査速度を遅くすれば溶融するが、走査速度を速くすれば溶融しない。

このことは、溶融工程において有用である。これは、金属粉体１２０４を溶融させる領域の走査は、それが一筆書きの要領でなしえない限り、金属粉体１２０４を溶融させない領域の走査を伴うことによる。すなわち、溶融工程においては、同領域内の金属粉体１２０４にも零でない単位面積当たりの熱が与えられ、それゆえ余計な金属粉体１２０４の溶融が生じる可能性があるが、同領域を走査する速度を、金属粉体１２０４を溶融させる領域を走査する速度より速くすれば、そのような余計な溶融が防げる。

上記のような余計な溶融の防止は、原理的には、先述のバイアス電圧の変更による電子ビーム１２０７の電流制御、または電子ビーム１２０７のブランキングすなわち遮断制御によっても可能であるが、そのような制御は困難な場合が多い。ここで、バイアス電圧の変更による電子ビーム１２０７の電流制御が困難なのは、先述のバイアス電圧は一般に数ｋＶと高いため、バイアス電圧を高速に変更することが困難なことによる。その困難さのため電子ビーム１２０７の電流の変更に長時間を要するならば、造形速度が低下する。上述の走査速度の変更は、バイアス電圧の変更に比べ、桁違いに高速になせる。また、電子ビーム１２０７の遮断制御が困難なのは、電子ビーム１２０７の電流は金属を溶融する程度に大きいため、たとえ一時的でも、電子ビーム１２０７を偏向し、遮蔽板の類いに入射させると、遮蔽板およびその周辺に熱損傷を与える恐れがあることによる。

金属粉体１２０４からなる粉体層の予熱および溶融は、電子ビーム１２０７による粉体層の走査および照射だけでは完結しない。より具体的には、同粉体層の予熱および溶融は、同粉体層の走査および照射により同粉体層の発熱部（表層部）に与えられた熱が、同粉体層の深部に拡散することを必要とする。これは、その発熱部の厚さが、ほとんどの場合、粉体層自体の厚さより薄いことによる。その発熱部の厚さは、電子ビーム１２０７の加速電圧が数十ｋＶのとき、数μｍから数十μｍである。これに対し、粉体層自体の厚さは、先述のように、百μｍ前後である。

上記粉体層の予熱および溶融が上述のように熱拡散を要することは、３次元造形装置１２００の造形速度、解像度、またはその両方を向上させるべく、電子ビーム１２０７の単位面積当たりの電力を大きくすることの妨げとなりうる。これは、電子ビーム１２０７により走査される各地点が照射される時間と、上記熱拡散に要する時間との関係による。前者が後者より短くなると、すなわち電子ビーム１２０７の単位面積当たりの電力をそれだけ大きくすると、上記粉体層の表層部に与えられた熱が、上記熱拡散を待たずに、その表層部およびその付近のみを溶融および蒸発させうる。

金属粉体１２０４は、その温度が金属粉体１２０４の融点を超えるか否かによらず、蒸発しうる。より詳細には、その蒸発量は、上昇する温度に対し指数関数的に増加する。その蒸発は金属粉体１２０４を加熱する限り避けられないが、その蒸発量が過度となれば、次のような問題が顕著となる。

第一に、金属粉体１２０４の溶融・凝固後に形成される金属層の層厚が目減りする。第二に、装置内壁に金属蒸着膜が形成され、装置内部が汚れる。その膜が厚くなると同膜が剥がれやすくなり、それゆえ同膜が剥がれ落ちれば、その落下位置にある金属粉体１２０４の照射および加熱が妨げられる。第三に、上記粉体層の表層部の蒸発とともに、上記粉体層の最表部から最深部に渡り与えられるべき熱が上方に散逸するため、上記粉体層の深部に、その溶融に必要な熱が与えられなくなる。その結果、上記粉体層の深部が溶融しなければ、深さ方向（Ｚ方向）に連続した構造物を作ることができなくなる。また、もしその対策として、上記粉体層の深部に十分な熱を与えるべく電子ビーム１２０７の単位面積当たりの電力を上げるならば、上記粉体層の表層部の温度がますます上がり、その蒸発が促進される。

次に図１２Ｂを用いて３次元造形装置１２００による３次元構造物の造形手順を説明する。図１２Ｂは、３次元造形装置１２００による３次元構造物の造形手順を説明するフローチャートである。

ステップＳ１２０１において、３次元造形装置１２００は、粉体層１層分の図形データおよび造形条件データを読み込む。ステップＳ１２０３において、３次元造形装置１２００は、金属粉体１２０４を造形面１２０５上に散布して、敷き詰め、金属粉体１２０４からなる粉体層を形成する。ステップＳ１２０５において、３次元造形装置１２００は、造形面１２０５内の所定の領域（または造形面１２０５全体）内の金属粉体１２０４を予熱すべく、同領域を、電子ビーム１２０７を偏向器１２０３で偏向することにより走査および照射する（予熱工程）。その間、３次元造形装置１２００は、電子ビーム１２０７の偏向に伴う像面湾曲収差を動的補正する。ステップＳ１２０７において、３次元造形装置１２００は、上記所定の領域の全域または一部域内の金属粉体１２０４を溶融すべく、上記所定の領域の全域または一部域を、電子ビーム１２０７を偏向器１２０３で偏向することにより走査および照射する（溶融工程）。その間、３次元造形装置１２００は、電子ビーム１２０７の偏向に伴う像面湾曲収差を動的補正する。ステップＳ１２０９において、３次元造形装置１２００は、全層の走査および照射が完了したか否かを判断する。完了したと判断した場合（ステップＳ１２０９のＹＥＳ）、３次元造形装置１２００は、造形を終了する。完了していないと判断した場合（ステップＳ１２０９のＮＯ）、３次元造形装置１２００は、ステップＳ１２１１に進む。ステップＳ１２１１において、３次元造形装置１２００は、これまでのステップにおいて形成された金属層の厚さの分だけ、Ｚ軸ステージ１２０６を送る。そして、３次元造形装置１２００は、ステップＳ１２０１以降のステップを繰り返す。

＜本実施形態の技術＞
図１は、本実施形態に係る３次元造形装置１００の構成を説明する図である。３次元造形装置１００は、基本的に、図１２Ａに示した３次元造形装置１２００と構成を同じくする。すなわち、図１に示すように、３次元造形装置１００は、電子銃１０１、レンズ１０２、主偏向器１０３、フォーカス補正器１０９、およびＺ軸ステージ１０６を有する。

３次元造形装置１００における主偏向器１０３の偏向範囲すなわち造形範囲の形状は正方形であり、その大きさは２００ｍｍ四方である。また、３次元造形装置１００におけるＺ軸ステージ１０６の送りの範囲、すなわち最大造形深さは、２００ｍｍである。

ただし、３次元造形装置１００は、偏向器として主偏向器１０３に加え副偏向器１０８を備えている点において、３次元造形装置１２００と構成を異にする。副偏向器１０８は、主偏向器１０３と同様に、Ｘ方向偏向用コイルとＹ方向偏向用コイルとからなる。

副偏向器１０８は、主偏向器１０３と同様に、電子ビーム１０７を偏向する。また、その偏向範囲の形状は、正方形である。ただし、副偏向器１０８の偏向範囲は、主偏向器１０３の偏向範囲に比べ、格段に小さい。具体的には、副偏向器１０８の偏向範囲の大きさは最大で４ｍｍ四方である。副偏向器１０８の偏向範囲がこのように小さいのは、副偏向器１０８を構成するコイルの巻数が、主偏向器１０３を構成するコイルのそれより少ないことに由来する。以降では、副偏向器１０８の偏向範囲は、副偏向フィールドと称する。

副偏向器１０８は、本実施形態の効果、すなわち金属粉体１０４の過度な蒸発を抑制する効果が顕著となる条件下での造形を可能とする。その条件とは、３次元造形装置１００における電子ビーム１０７の単位面積当たりの電力が、３次元造形装置１２００における電子ビーム１２０７より大きいことである。このことは、３次元造形装置１００で達成すべき造形解像度および速度のいずれかまたは両方が、それぞれ、３次元造形装置１２００で達成される造形解像度および速度のいずれかまたは両方より高いことに相当する。

３次元造形装置１００は制御系として、中央制御部１１０、バイアス電圧制御部１１１、副偏向制御部１１２、主偏向制御部１１３、フォーカス制御部１１９、ステージ制御部１１４、および記憶部１２０を備える。バイアス電圧制御部１１１はグリッド１０１ｃに、副偏向制御部１１２は副偏向器１０８に、主偏向制御部１１３は主偏向器１０３に、フォーカス制御部１１９はフォーカス補正器１０９に、ステージ制御部１１４はＺ軸ステージ１０６に、接続されている。また、バイアス電圧制御部１１１、副偏向制御部１１２、主偏向制御部１１３、フォーカス制御部１１９、およびステージ制御部１１４は、全て中央制御部１１０に接続されている。そして、中央制御部１１０には、記憶装置１２０が接続されている。記憶装置１２０には、図形データおよび造形条件データが格納されている。

以下で、３次元造形装置１００の動作を説明する。３次元造形装置１００は、基本的に、図１２Ａに示した３次元造形装置１２００と動作を同じくする。すなわち、３次元造形装置は１００、図１２Ａの３次元造形装置１２００と同様に、まず、金属粉体１０４を造形面１０５上に敷き詰め、金属粉体１０４からなる粉体層を形成する。次に、電子銃１０１により電子ビーム１０７を生成し、電子ビーム１０７をレンズ１０２により集束し、フォーカス補正器１０９により像面湾曲収差を補正しながら、電子ビーム１０７を主偏向器１０３により偏向し、電子ビーム１０７により金属粉体１０４を走査および照射する。そうすることで、金属粉体１０４を予熱（仮焼結）し、次いで、金属粉体１０４を溶融および凝固させる。そして、Ｚ軸ステージ１０６により、金属粉体１０４の溶融および凝固による３次元構造物の高さの上昇分を補償する。

３次元造形装置１００は、しかし、第一に、溶融工程すなわち金属粉体１０４からなる粉体層の温度をその予熱温度から目標温度まで上げて同粉体層を溶融する工程において、金属粉体１０４の走査および照射に、主偏向器１０３に加えて副偏向器１０８を用いる点、第二に、溶融工程において、金属粉体１０４を溶融させる領域の走査および照射を多重とする点、第三に、溶融工程を２つに分け、これら２つの溶融工程を段階的に踏む点、第四に、２つ目の溶融工程において、造形面１０５における電子ビーム１０７の断面径を拡大する点で、図１２Ａの３次元造形装置１２００と動作を異にする。

上記２つの溶融工程において、３次元造形装置１００は、副偏向器１０８を、金属粉体１０４を溶融させる領域の走査にも、金属粉体１０４を溶融させない領域の走査、すなわち同領域における金属粉体１０４の余計な溶融を防ぐための走査にも、用いる。また、２つ目の溶融工程において、３次元造形装置１００は、電子ビーム１０７の断面径の拡大に、フォーカス補正器１０９を用いる。その際、フォーカス補正器１０９には、電子ビーム１０７の偏向に伴う像面湾曲収差を動的補正するための補正信号と、電子ビーム１０７の断面径の拡大するための所定のオフセット信号との和が入力される。

３次元造形装置１００が第一に、溶融工程において金属粉体１０４の走査および照射に副偏向器１０８を用いるのは、同工程において、金属粉体１０４を溶融させる領域を多重に走査および照射する際の走査速度、および金属粉体１０４を溶融させない領域を、金属粉体１０４の余計な溶融を防ぎつつ走査する際の走査速度を速くするためである。すなわち、副偏向器１０８により達成される走査速度は、主偏向器１０３により達成される走査速度より速い。

副偏向器１０８の使用により、金属粉体１０４を溶融させる領域の走査速度が速くなれば、同走査および照射の多重度を高く、すなわち同走査および照射の繰り返し回数を多くすることができる。その回数が多くなれば、同走査および照射を多重とすることの効果が、より顕著になる。その効果（金属粉体１０４からなる粉体層の表層部の過度な温度上昇の防止）については後述する。また、副偏向器１０８の使用により、金属粉体１０４を溶融させない領域の走査速度が速くなれば、金属粉体１０４の余計な溶融の防止が徹底する。

副偏向器１０８により達成される走査速度が上記のように主偏向器１０３により達成される走査速度より速いのは、副偏向器１０８および副偏向制御部１１２の応答が、主偏向器１０３および主偏向制御部１１３の応答より速いことによる。その応答の速さは、副偏向器１０８を構成するコイルの巻数が主偏向器１０３を構成するコイルの巻数より少ないこと、すなわち前者のインダクタンスが後者のインダクタンスより小さいことに由来する。

３次元造形装置１００が第二に、溶融工程において金属粉体１０４を溶融させる領域の走査および照射を多重とするのは、同工程において、金属粉体１０４からなる粉体層に照射１回当たり与えられる単位面積当たりの熱を小さくするとともに、同粉体層の発熱部（表層部）に与えられた熱を、同粉体層の深部側へ、少しずつ拡散させるためである。そうすれば、同粉体層の表層部の過度な温度上昇が防止でき、したがって金属粉体１０４の過度な蒸発が防止できる。ただし、その達成には、同領域の走査を高速化する必要がある。すなわち、その走査に、副偏向器１０８および副偏向制御部１１２の高速応答が活きる。

３次元造形装置１００が第三に、溶融工程を２つに分け、これら２つの溶融工程を段階的に踏むのは、金属粉体１０４からなる粉体層の、溶融工程における最高到達温度を抑制し、それにより上記の過度な温度上昇および蒸発の防止を徹底するためである。これら２つの溶融工程、とりわけ２つ目の溶融工程において、金属粉体１０４からなる粉体層の最高到達温度が抑制される仕組みについては、後述する。

上記２つの溶融工程とは、具体的には、第一に、上記粉体層を融解せずに、その温度をその予熱温度からその融点にまで上げる工程と、第二に、上記粉体層を融解し、その温度をその融点からその目標温度にまで上げる工程である。すなわち、前者において上記粉体層に与えられる単位面積当たりの熱は、上記粉体層の温度をその予熱温度からその融点にまで上昇させる単位面積当たりの熱であるが、後者において上記粉体層に与えられる単位面積当たりの熱は、上記粉体層の融解に必要となる単位面積当たりの熱、すなわち上記粉体層の融解熱［Ｊ／ｇ］と密度［ｇ／ｃｍ^３］の積と、上記粉体層の温度をその融点からその目標温度にまで上昇させる単位面積当たりの熱との和である。以降では、前者および後者を、それぞれ第１および第２の溶融工程と称する。

３次元造形装置１００が第四に、第２の溶融工程において、フォーカス補正器１０９により造形面１０５における電子ビーム１０７の断面径を拡大するのは、同工程において、金属粉体１０４からなる粉体層に与えられる単位面積当たりの熱を小さくし、それにより同粉体層の最高到達温度を抑制するためである。その拡大の、３次元造形装置１００の造形解像度への影響については、後述する。

予熱工程および上記２つの溶融工程における中央制御部１１０，バイアス電圧制御部１１１，主偏向制御部１１３，副偏向制御部１１２，フォーカス制御部１１９、およびステージ制御部１１４の動作は次の通りである。まず、記憶部１２０に格納されたデータが中央制御部１１０に入力される。そして、同データに基づき、中央制御部１１０がバイアス電圧制御部１１１、主偏向制御部１１３、副偏向制御部１１２、およびフォーカス制御部１１９を制御する。より具体的には、中央制御部１１０は、バイアス電圧制御部１１１を介してバイアス電圧を変化させることで電子ビーム１０７の電流を増減し、主偏向制御部１１３を介して主偏向器１０３を動作させ、副偏向制御部１１２を介して副偏向器１０８を動作させ、フォーカス制御部１１９を介してフォーカス補正器１０９を動作させる。予熱工程および上記２つの溶融工程が終了すれば、中央制御部１１０は、ステージ制御部１１４を介してＺ軸ステージ１０６を必要な送り量だけ動かす。

記憶部１２０には、造形条件として、電子ビーム１０７の加速電圧および電流、金属粉体１０４の密度［ｇ／ｃｍ^３］、比熱［Ｊ／（ｇ・Ｋ）］、熱伝導率［Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）］、融解熱［Ｊ／ｇ］に加え、室温［℃］、金属粉体１０４の予熱温度［℃］、融点［℃］、および目標温度［℃］、さらには金属粉体１０４からなる粉体層の厚さ［μｍ］のほか、上記走査および照射の多重度すなわち繰り返し回数が格納されている。

上記造形条件のうち室温、予熱温度、融点、および目標温度から、予熱および上記２つの溶融工程における、金属粉体１０４からなる粉体層の温度上昇幅が決まり、室温、予熱温度、融点、および目標温度と金属粉体１０４の密度、比熱、および融解熱とから、予熱および溶融工程において同粉体層に与えるべき単位体積当たりの熱［Ｊ／ｃｍ^３］が求まる。ただし、これらの温度上昇幅および単位体積当たりの熱は、金属粉体１０４からなる粉体層中の深さ方向（Ｚ方向）の温度分布が平準化した状態における温度上昇幅および単位体積当たりの熱である。その単位体積当たりの熱に金属粉体１０４からなる粉体層の厚さを乗じれば、予熱および溶融工程において同粉体層に与えられる単位面積当たりの熱［Ｊ／ｃｍ^２］が求まる。そしてその単位面積当たりの熱を、電子ビーム１０７の単位面積当たりの電力［Ｗ／ｃｍ^２］で除せば、予熱および上記２つの溶融工程において金属粉体１０４を溶融させる領域内の各地点が照射される時間［ｔ］が求まり、その時間を上記走査および照射の繰り返し回数、すなわち照射時間の分割数で除せば、予熱および上記２つの溶融工程において同各地点の照射１回当たりの照射時間［ｔ］が求まる。ここで、電子ビーム１０７の単位面積当たりの電力は、電子ビーム１０７の加速電圧、電流、および断面径から求まる。さらに、その照射１回当たりの照射時間で、上記領域内の隣接する地点間の距離を除せば、電子ビーム１０７により上記領域を走査する速度が求まる。これらの計算は中央制御部１１０による。

ただし、上記２つの溶融工程における電子ビーム１０７の断面径は互いに異なるから、それら２つの溶融工程における電子ビーム１０７の単位面積当たりの電力も互いに異なる。また、それら２つの溶融工程における上記走査の繰り返し回数すなわち照射時間の分割数も互いに異なる。

以降で、上記２つの溶融工程を詳細に説明する。本実施形態における予熱工程すなわち３次元造形装置１００の予熱工程については、同工程は従来の予熱工程すなわち３次元造形装置１２００の予熱工程と同じであることから、説明を割愛する。

図２は、第１の溶融工程において、副偏向フィールド内の小領域が電子ビームにより走査および照射される様子を説明する図である。図３は、本実施形態に係る３次元造形装置により走査および照射される小領域が造形面上に配列される様子を説明する図である。図２の示す小領域と、図３中の小領域の各々は、同一である。

上記走査および照射は、金属粉体１０４を溶融させる領域を、各々が副偏向器１０８の偏向フィールドすなわち副偏向フィールド２０１に含まれうる小領域２０２に分割したうえで、これら小領域２０２を副偏向器１０８により一つ一つ多重に走査し、１つの小領域２０２の走査が完了するたびに、副偏向フィールド２０１を主偏向器１０３により移動させることによる。これら一連の処理を繰り返すと、副偏向器１０８により多重に走査および照射された小領域２０２が次々と造形面１０５上に配列されていき、それらの小領域２０２により、金属粉体１０４を溶融させる領域が占められていく。ここで、１つの小領域２０２の走査の完了とは、その小領域２０２が多重に走査および照射された結果、その小領域２０２内の全ての地点に、第１の溶融工程において金属粉体１０４に与えられるべき熱の総量が同粉体に与えられることを指す。

上記に補足すれば、もし金属粉体１０４を溶融させる領域が小さく、それゆえ同領域が副偏向フィールド２０１に含まれうるならば、同領域はそれ以上小さく分割される必要はない。その場合は、同領域を１つの小領域２０２として扱えばよい。

図２および図３から分かるように、本実施形態において副偏向フィールド２０１に含まれる小領域２０２は、一次元格子をなす。その一次元格子は、副偏向フィールド２０１より大きな一次元格子を、副偏向フィールド２０１の大きさに分割したものである。ただし、その一次元格子を積層する際は、その向きを、層数を重ねるたびに９０度回転させる。そうすることで、Ｘ方向の一次元格子とＹ方向の一次元格子とがＺ方向に連結されていき、したがって一つの連続した自立構造物が造形される。

図２中、実線および点線で表される軌跡は、それぞれ、金属粉体１０４を溶融させる領域（小領域２０２）および溶融させない領域における、副偏向器１０８による走査の軌跡である。また、実線で表される軌跡上の円２０３は、電子ビーム１０７により照射される各地点を中心とする円であり、電子ビーム１０７の断面を表す。すなわち、円２０３は、小領域２０２の最小構成要素である。

小領域２０２の走査（１回分）の開始点および終了点は、それぞれ、図２中のＡ点およびＢ点である。その走査がＡ点に始まり、そしてＢ点に及ぶと、その走査の繰り返し回数が所定の回数に達していない限り、再びＡ点から同じ走査が開始される。

上記走査および照射の間、電子ビーム１０７は、常に、小領域２０２内のいずれかの地点を照射しているが、いずれの任意の地点も、電子ビーム１０７により常に照射されているわけではない。具体的には、いずれの任意の地点も、ごく短時間の照射を、周期的に受ける。すなわち、いずれの任意の地点のｎ回目の照射も、その地点のｎ−１回目の照射が完了した後、一定の待ち時間が経過してから開始される。ここで、ｎは２以上の全ての整数値を持ちうる自然数である。

上記待ち時間は、上記走査がＡ点において始まってからＢ点に至り、その後再びＡ点に戻るまでの時間に等しい。すなわち、上記待ち時間は、小領域２０２内のＡ点以外の点が逐次照射されるのに費やされる時間に等しい。

上記待ち時間を、金属粉体１０４からなる粉体層の厚さとその熱拡散率から決まる所定時間以上とすれば、金属粉体１０４からなる粉体層に照射１回当たり与えられる単位面積当たりの熱が小さくなるとともに、同粉体層の発熱部（表層部）に与えられた熱が、同粉体層の深部側へ、少しずつ拡散する。その結果、金属粉体１０４の表層部の過度な温度上昇が防止でき、したがって金属粉体１０４の過度な蒸発が防止できる。

上記走査および照射の間、電子ビーム１０７は、上述のように、常に小領域２０２内のいずれかの地点を照射しているから、上記待ち時間の有無によらず、３次元造形装置１００による造形は進む。すなわち、上記走査および照射が多重であることに原因して造形速度が低下することはない。

上記待ち時間および所定時間をそれぞれｔ_ｗおよびｔ_ｄとすれば、ｔ_ｗとｔ_ｄの関係は、

となる。ｔｄは、金属粉体１０４からなる粉体層の厚さをＬ、熱拡散率をαとすれば、

で与えられる。また、αは、熱伝導率をλ、密度をρ、比熱をｃとすれば、

で与えられる。

例えば、金属粉体１０４の材質をチタン（Ｔｉ）とし、Ｔｉの物性値を（３）式に代入すれば、Ｔｉの熱拡散率αは、０．０７３ｃｍ^２／ｓと求まる。ここで、Ｔｉの熱伝導率λ、密度ρ、および比熱ｃを、それぞれ０．１７Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）、４．５ｇ／ｃｍ^３、および０．５２Ｊ／（ｇ・Ｋ）とした。さらに、同粉体からなる粉体層の厚さＬを５０μｍとし、これと熱拡散率αを（２）式に代入すれば、所定時間ｔ_ｄは３５μｓと求まる。

第１の溶融工程では、図２に示すように、小領域２０２が、電子ビーム１０７の断面径を小さくした条件下で、走査および照射される。このとき、電子ビーム１０７の加速電圧、電流、および断面径をそれぞれ５０ｋＶ、１０ｍＡ、および０．２ｍｍとすれば、同ビームの単位面積当たりの電力および小領域２０２内の各地点の照射時間（分割される前の照射時間）はそれぞれ１．６ＭＷ／ｃｍ^２、および６．４μｓとなる。ここで、金属粉体１０４からなる粉体層の予熱温度および融点は、それぞれ、８００℃および１６６８℃とした。

上記照射時間をｔ_ｅとすると、照射時間ｔ_ｅおよび所定時間ｔ_ｄは上述のようにそれぞれ６．４および３５μｓであることから、第１の溶融工程では、ｔ_ｅ＜ｔ_ｄが成り立つ。この条件下では、同ビームの断面径が小さいため、造形解像度が高いが、同ビームの単位面積当たりの電力が大きいため、金属粉体１０４からなる粉体層の発熱部の温度上昇幅が大きくなりやすい。そこで、上述のように、それを小さくすべく、小領域２０２の走査および照射を多重とする。

ただし、第１の溶融工程で同粉体層に与えられる熱は、先述のように、同粉体層の温度をその予熱温度からその融点にまで上昇させる単位面積当たりの熱であり、同粉体層を溶融するに十分な熱ではない（融解熱を含んでいない）から、金属粉体１０４の表層部の過度な温度上昇は、その分だけ、生じにくい。より具体的には、小領域２０２内における上記粉体層の温度は、いずれの深さ位置においても、同粉体層の融点以下となるか、その融点で頭打ちとなるか、またはその融点を少し超える程度に留まる。このことは、金属粉体１０４の温度の非線形性（図８Ａ）による。これについては後述する。

上記に補足すれば、上記照射時間ｔ_ｅをそのまま小領域２０２内の各地点の照射時間とすると、主偏向器１０３および主偏向制御部１１３の応答の遅さに起因して、小領域２０２に与えられる単位面積当たりの熱が不足しうる。このことは、第１の溶融工程だけでなく、第２の溶融工程にも当てはまる。

上記の熱不足は、主偏向器１０３による副偏向フィールド２０１の移動が十分に整定しないうちに副偏向器１０８による走査が開始されれば、結果的に小領域２０２以外の小領域またはその一部が走査および照射されるがゆえに、その分だけ小領域２０２が走査および照射される時間が減ることによる。このような単位面積当たりの熱の不足は、また、副偏向器１０８および副偏向制御部１１２の応答の遅さに起因しても生じうる。

上記粉体層の温度は、第１の溶融工程が完了すれば、第２の溶融工程が開始されるまでの間に、いずれの深さ位置においても、融点に等しくなる。これは、上記粉体層内の深さ方向（Ｚ方向）の熱拡散の結果、上記粉体層中の同方向の温度分布が平準化することによる。ただし、この段階では、上記粉体層はいずれの深さ位置においても溶融していない。もし上記粉体層が部分的にでも溶融していれば、その部分の温度は融点を超えていると考えられる。

図４は、第２の溶融工程において、副偏向フィールド内の小領域が電子ビームにより走査および照射される様子を説明する図である。第２の溶融工程では、図４に示すように、小領域２０２を含め、副偏向フィールド２０１内の全域が、電子ビーム１０７の断面径を大きくした条件下で、多重に走査および照射される。ただし図４では、同図の明瞭化のため、一部の地点の走査および照射の様子しか示していない（電子ビーム１０７の断面径を表す円の数が少ない）。

上記走査および照射は、副偏向フィールド２０１の内の全地点を、副偏向器１０８により一つ一つ多重（または１重）に走査し、その全地点の走査が完了するたびに、副偏向フィールド２０１を主偏向器１０３により移動させることによる。ここで、全地点の走査の完了とは、全地点が多重に走査および照射された結果、全地点に、第２の溶融工程において金属粉体１０４に与えられるべき熱の総量が同粉体に与えられることを指す。

上記走査および照射において、電子ビーム１０７の加速電圧、電流、および断面径をそれぞれ５０ｋＶ、１０ｍＡ、および２．６ｍｍとすれば、単位面積当たりの電力および小領域２０２内の各地点の照射時間ｔ_ｅ（分割される前の照射時間）はそれぞれ９．４ｋＷ／ｃｍ^２および０．８４ｍｓとなる。ここで、金属粉体１０４からなる粉体層の融点および目標温度は、それぞれ、１６６８℃および１７６８℃とした。この目標温度は、融点１６６８℃に温度マージンとして１００℃を加算したものである。このマージンについては後述する。

すなわち、第２の溶融工程では、

が成り立つ。この条件下では、同ビームの単位面積当たりの電力が小さいため、上記粉体層の最表部の温度上昇幅が小さくなる。その温度上昇幅が十分に小さければ、第２の溶融工程において小領域２０２の走査および照射を多重とする必要はない。

上記２つの溶融工程を経れば、第２の溶融工程においてのみ走査および照射された領域は溶融しないが、第１および第２の溶融工程の両方において走査および照射された領域は溶融する。すなわち、これら２つの溶融工程を経ることで、第１の溶融工程において走査および照射された領域と、第２の溶融工程において走査および照射された領域との論理積に与えられた単位面積当たりの熱が、上記粉体層の溶融に必要な熱以上となる。そして、同論理積の温度が、上記粉体層の融点を越える。

その様子を図５Ａおよび図５Ｂに示す。図５Ａはおよび図５Ｂは、それぞれ、第１および第２の溶融工程後の、上記粉体層中の深さ方向（Ｚ方向）の温度分布が平準化した状態における、副偏向フィールド内のＸ方向の温度分布を表す図である。図５Ａにおいて温度が上記粉体層の融点に等しい領域、および図５Ｂにおいて温度が上記粉体層の融点を越えている（溶融している）領域はともに小領域２０２に相当し、かつ上記論理積に相当する。

したがって、本実施形態における造形解像度は、第１の溶融工程における電子ビーム１０７の断面径で決まる。すなわち、造形解像度を高く、かつ単位面積当たりの電力を大きくすべく、同ビームの断面径を小さくしたときの解像度で決まる。また、本実施形態における造形速度は、第１および第２の溶融工程における電子ビーム１０７の電力で決まる。また、本実施形態における上記粉体層の最高到達温度は、第２の溶融工程における、上記粉体層の最表部の温度上昇幅と上記粉体層の融点との和となる。すなわち、電子ビーム１０７の単位面積当たりの電力を小さくすべく、同ビームの断面径を大きくしたときの、上記粉体層の最表部の最高到達温度で決まる。これらの理由から、本実施形態においては、造形解像度と造形速度のいずれも損うことなく、しかも容易かつ効果的に、上記粉体層の過度な蒸発が防げる。

第２の溶融工程で上述のように副偏向フィールド２０１の全域を走査および照射するのは、小領域２０２内の各地点に与えられる単位面積当たりの熱を均一にするためである。もし走査および照射の領域を副偏向フィールド２０１の全域とせず、小領域２０２に限定すれば、小領域２０２すなわち一次元格子のピッチが一定の場合は、小領域２０２内の各地点に与えられる単位面積当たりの熱は均一となるが、同ピッチが不均一の場合は、同単位面積当たりの熱は不均一となりうる。このことは、電子ビーム１０７の断面径が小領域２０２すなわち一次元格子のピッチより大きく、したがって電子ビーム１０７から複数の小領域２０２に熱が与えられうる場合に、生じうる。ただし、ここで、電子ビーム１０７の電力および断面径と小領域２０２を走査する速度とを一定とする。

その様子を図６に示す。図６に示すように、左から１列目と２列目の小領域２０２は互いに近いが３列目の小領域２０２が１列目と２列目の小領域２０２と離れている場合、１列目の小領域２０２が走査および照射されている間に２列目の小領域２０２も電子ビーム１０７の電力を受け、また、２列目の小領域２０２が走査および照射されている間に１列目の小領域２０２も電子ビーム１０７の電力を受けるが、３列目の小領域２０２はいずれの間も電子ビーム１０７の電力を受けない。すなわち、３列目の小領域２０２は、自身が走査および照射されている間にのみ電子ビーム１０７の電力を受ける。したがって、３列目の小領域２０２に与えられる熱が不足する。このことは、小領域２０２が一次元格子である場合に限らず、すなわち小領域２０２の形状によらず、小領域２０２の粗密度が均一でない場合に一般に起こりうる。

ただし、第２の溶融工程では、たとえ上記ピッチが一定であったとしても、電子ビーム１０７の断面径が大きくなったことにより、小領域２０２以外の領域（一次元格子の隙間）にも電子ビーム１０７の電力が与えられる。したがって、たとえ上記ピッチが一定であったとしても、その電力の分だけ、小領域２０２に与えられる熱が不足する。その不足分は、小領域２０２を走査および照射する速度を下げること、または走査および照射の回数を増やすことで、補償できる。

第２の溶融工程における、小領域２０２内に与えられる熱の不足は、さらに別の要因によっても生じる。その要因とは、図４および図６から分かるように、電子ビーム１０７の断面径を大きくすると、副偏向フィールド２０１外の領域にも、同ビームによる照射がおよび、その結果、副偏向フィールド２０１内に与えられるべき熱がその外に逃げることである。

上記熱不足は、しかし、小領域２０２の周辺に位置する小領域が走査および照射されている間に、補われる。すなわち、電子ビーム１０７により走査および照射される領域が大きくなれば、その分だけ、電子ビーム１０７から熱が不足なく与えられる領域も大きくなる。この理由から、第２の溶融工程では、一次元格子（図３）が造形される領域だけでなく、その周辺に位置する領域も、電子ビーム１０７により走査および照射することが求められる。

第１および第２の溶融工程における上記粉体層の温度推移を調べるべく、これらの溶融工程における上記粉体層の最表部および最深部の温度の時間推移を数値熱解析により求めた。また、比較のため、溶融工程を２つに分けず、フォーカス補正器１０９により電子ビーム１０７の断面径を大きくすることなく上記粉体層を溶融する場合の上記粉体層の最表部および最深部の温度の時間推移も求めた。上記粉体層をそのように溶融することは、溶融工程を、第１の溶融工程のみで完了させることに相当する。以下で、これらの解析について述べる。

同解析は、内部発熱する粉体層について一次元熱拡散方程式

を立て、これを差分法で解くことによった。（５）式において、Ｔ（ｚ，ｔ）は、小領域２０２中の任意の地点における同粉体層の温度［℃］を表し、Ｑ（ｚ，ｔ）は、小領域２０２中の任意の地点における単位体積当たりの発熱［Ｗ／ｃｍ^３］を表す。ただしＱ（ｚ，ｔ）は、電子ビーム１０７によりその地点が照射されている間は零でない値を持ち、そうでない間は零となる。これらの関数はともに、電子ビーム１０７によるその地点の合計Ｎ回の照射のうちの１回目が開始された時点において時刻ｔを零とする。ここで、Ｎは、小領域２０２の走査および照射を多重とする限りは２以上であるが、そうしなければ１である。

上記に補足すれば、（２）式は（５）式から導ける。より詳細には、（２）式は、電子ビームによる任意の地点の照射が終了し、その地点における発熱が零すなわちＱ（ｚ，ｔ）＝０となった後の、（５）式の解の一次成分の時定数である。その解は

で表せ、その一次成分は（６）式右辺第二項である。すなわち、同項の時定数τ_１（＝Ｌ^２／（π^２α））が、（２）式の表すｔ_ｄに同じである。

同解析のための計算モデルを図７に示す。同モデルには、次の前提を課した。第一に、金属粉体１０４の粒子間には隙間があることによらず、金属粉体１０４からなる粉体層を１つの連続した層状材料４０１とし、層状材料４０１の密度、比熱、および熱伝導率は均一とした。また、これらの値は層状材料４０１の溶融または凝固によらず一定とした。

第二に、層状材料４０１の発熱部４１１ａの発熱も均一とした。層状材料４０１を走査することで層状材料４０１に与えられる単位面積当たりの電力は、単純に、電子ビーム１０７の電力をその断面積で除すことで求めた。ここで、電子ビーム１０７の電力は、損失なく発熱部４１１ａに与えられるものとした。また、発熱部４１１ａの最表部は、最表部４１１ｂに一致させ、発熱部４１１ａの厚さは、層状材料４０１の厚さより薄いものとした。

第三に、層状材料４０１は、最表部４１１ｂから最深部４１１ｃまでの区間において熱的に連続であり、したがって同区間内において熱は拡散しうるが、層状材料４０１は最表部４１１ｂと最深部４１１ｃにおいて断熱されていて、最表部４１１ｂから上、および最深部４１１ｃから下への熱の逃げはないものとした。この前提より、（５）式の解の境界条件は、境界における解の勾配すなわち温度勾配∂Ｔ（０，ｔ）／∂ｚおよび∂Ｔ（Ｌ，ｔ）／∂ｚが零であることとなる。

第四に、電子ビーム１０７により照射される前の層状材料４０１の温度は均一とし、第１の溶融工程では金属粉体１０４の予熱温度、第２の溶融工程では同粉体の融点に等しくした。この前提より、（５）式の解の初期（ｔ＝０）条件は、各深さ位置における解すなわち温度Ｔ（ｚ，０）が金属粉体１０４の予熱温度または融点と等しいこととなる。

第五に、電子ビーム１０７による層状材料４０１の照射が続く限り、層状材料４０１の表層部は、その温度上昇によらず、電子ビーム１０７による照射を受け続けるものとした。実際には、金属粉体１０４からなる粉体層の表層部の温度が上昇し、それゆえ同粉体層の表層側が蒸発すると、同粉体層の最表部はその深部側に移動する。その結果、同粉体層に、電子ビーム１０７とほぼ径を同じくする窪みが形成される。

層状材料４０１の温度分布およびその時間推移を求めるべく（５）式を解く際は、層状材料４０１の融解および凝固を考慮する必要がある。これは、層状材料４０１に限らず、一般に、材料を溶融または凝固させる際、その材料の温度はそれに与えられた熱に対し非線形性を示すことによる。この非線形性は、その材料の融解熱（または凝固熱）に由来する。

その様子を図８Ａ（および図８Ｂ）に示す。図８Ａは、層状材料４０１の任意の深さ位置における温度Ｔ［℃］と、その位置における単位体積当たりの熱［Ｊ／ｃｍ^３］との関係を表す図である。同図中のＡ点およびＢ点は、それぞれ、その位置において層状材料４０１が融解し始める点および融解し終わる点を表す。同図から分かるように、温度Ｔは、Ａ点からＢ点までの区間において、単位体積当たりの熱によらず、その融点に留まる。ここで、同区間の幅は、層状材料４０１の融解に必要な単位体積当たりの熱、すなわち層状材料４０１の融解熱［Ｊ／ｇ］と密度［ｇ／ｃｍ^３］の積に等しい。

温度Ｔが上記区間においてその融点に留まるという上記性質は、純金属（本実施形態ではＴｉ）だけでなく、合金にも見られる。層状材料４０１の材料を合金とした場合の上記関係を図８Ｂに示す。ただし、その関係は、層状材料４０１が純金属である場合のそれとは異なり、図８Ｂに示すように、Ｂ点より右の一部の区間（Ｂ点からＣ点まで）において曲線を描く。これは、層状材料４０１が合金の場合、その区間において、固相と液相が共存していることに由来する。

上記の融解および凝固の考慮とは、具体的には、（５）式を解くルーチンに、層状材料４０１の単位体積当たりの熱を評価し、その結果に応じて温度Ｔ（ｚ，ｔ）を修正する処理を導入することを指す。より詳細には、その処理は、第一に、時刻ｔにおいて各深さ位置ｚにある微小体積に蓄えられている単位体積当たりの熱を求め、第二に、その単位体積当たりの熱が上記Ａ点からＢ点までの区間になければ、Ｔ（ｚ，ｔ）を（５）式から求まるそれの通りとするが、その単位体積当たりの熱が上記Ａ点からＢ点までの区間にあれば、Ｔ（ｚ，ｔ）を層状材料４０１の融点に定め直す処理である。

上記解析では、電子ビーム１０７および金属粉体１０４に関する物理量を、次の通りとした。すなわち、次の物理量から（５）式右辺を決定した。

電子ビーム１０７の加速電圧および電流は、それぞれ５０ｋＶおよび１０ｍＡとした。また、造形面１０５上における電子ビーム１０７の断面径（直径）は、第１および第２の溶融工程において、それぞれ０．２および２．６ｍｍとした。これらの値より、電子ビーム１０７の電力は、０．５０ｋＷとなる。これより、電子ビーム１０７の単位面積当たりの電力は、第１および第２の溶融工程において、それぞれ１．６ＭＷ／ｃｍ^２および９．４ｋＷ／ｃｍ^２となる。これらのうち、前者は、溶融工程を２つに分けない場合、すなわちフォーカス補正器１０９により電子ビーム１０７の断面径を大きくすることなく０．２ｍｍとしたまま上記粉体層を溶融する場合における、電子ビーム１０７の単位面積当たりの電力に等しい。

層状材料４０１の厚さは５０μｍとし、層状材料４０１の発熱部４１１ａ（表層部）の厚さは１０μｍとした。この発熱部４１１ａの厚さと上記単位面積当たりの電力より、層状材料４０１の発熱部４１１ａの単位体積当たりの発熱Ｑは１．６ＧＷ／ｃｍ^３となる。

層状材料４０１の材質はチタン（Ｔｉ）とし、Ｔｉの熱伝導率λ、密度ρ、および比熱ｃは、それぞれ、前出の通り、０．１７Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）、４．５ｇ／ｃｍ^３、および０．５２Ｊ／（ｇ・Ｋ）とした。これらから決まるＴｉの熱拡散率αは、０．０７３ｃｍ^２／ｓ、これと層状材料４０１の厚さとから決まる所定時間ｔ_ｄは３５μｓである。Ｔｉの融点および融解熱は、それぞれ１６６８℃および０．３０ｋＪ／ｇとした。

上記に補足すれば、実際には金属粉体１０４の粒子間には隙間があるから、その分だけ、金属粉体１０４からなる粉体層の密度ρは小さくなる。また、同粉体層に与えられる単位面積当たりの電力は、同粉体層で反射された電子のエネルギーの分だけ小さくなり、したがってその分だけ単位体積当たりの発熱Ｑは小さくなる。単位体積当たりの発熱Ｑは、また、金属粉体１０４の粒子間に隙間があることにより、さらに小さくなりうる。これは、その隙間の分だけ同粉体層を通過する単位面積当たりの電子の量が増え、したがってその分だけ同粉体層に与えられる単位面積当たりの電力が小さくなることによる。

層状材料４０１の予熱温度および目標温度は、それぞれ、８００℃および１７６８℃とした。すなわち、層状材料４０１の温度を、第１の溶融工程においては、その予熱温度８００℃からその融点１６６８℃まで、第２の溶融工程においては、その融点１６６８℃からその目標温度１７６８℃まで、上昇させるものとした。

上記目標温度は、Ｔｉの融点１６６８℃にそのマージンとして１００℃を加算したものである。このようなマージンを目標温度（または照射時間）に設けることで、先述の、主偏向器１０３および主偏向制御部１１３の応答の遅さに起因する照射時間の減少にともなう熱不足が解消される。同マージンは、このほか、金属粉体１０４からなる粉体層の厚さ誤差、ビーム電流測定誤差、ビーム断面径測定誤差などに原因する熱不足、さらには同粉体層の表層部の蒸発による熱の散逸に原因する熱不足の解消にも有効である。

上記予熱温度および目標温度と、上記厚さおよび物性値とから、層状材料４０１の温度をその予熱温度からその目標温度にまで上昇させるのに必要となる単位面積当たりの熱、層状材料４０１の融解に必要となる単位面積当たりの熱、およびそれらの和は、それぞれ１１、６．８、および１８Ｊ／ｃｍ^２となる。また、第１および第２の溶融工程に層状材料４０１に与えられる単位面積当たりの熱は、それぞれ１０および７．９Ｊ／ｃｍ^２となる。これらより、第１および第２の溶融工程における小領域２０２内の各地点の照射時間ｔ_ｅは、それぞれ６．４μｓおよび０．８４ｍｓとなる。これらは前出の照射時間ｔ_ｅに同じである。

照射時間の分割数Ｎは、第１および第２の溶融工程において、それぞれ６および１とした。すなわち、第２の溶融工程では、副偏向フィールド２０１内の地点の走査および照射を多重としないこととした。これらの分割数Ｎより、第１および第２の溶融工程における照射１回当たりの照射時間ｔ_ｅ／Ｎは、それぞれ１．１μｓおよび０．８４ｍｓとなる。

待ち時間ｔ_ｗ、すなわち図２に示した走査がＡ点において始まってからＢ点に至り、その後再びＡ点に戻るまでの時間は、１０５μｓとした。これは、上記所定時間ｔ_ｄ（＝３５μｓ）の３倍である。すなわち（１）式が満たされる。したがって、層状材料４０１中の熱の拡散が徹底し、金属粉体１０４の表層部の過度な温度上昇が抑えられる。

上記解析の結果を図９、図１０Ａ、および図１０Ｂに示す。ただし、便宜上、第１および第２の溶融工程における層状材料４０１の最表部および最深部の温度の時間推移（図１０Ａおよび図１０Ｂ）を説明する前に、溶融工程を２つに分けず、フォーカス補正器１０９により電子ビーム１０７の断面径を大きくすることなく層状材料４０１を溶融する場合の層状材料４０１の最表部および最深部の温度の時間推移（図９）を説明する。

図９は、溶融工程を２つに分けず、フォーカス補正器１０９により電子ビーム１０７の断面径を大きくすることなく０．２ｍｍとしたまま層状材料４０１を溶融する場合の層状材料４０１の最表部および最深部の温度の時間推移を表す。図９において、破線は層状材料４０１の融点１６６８℃を表す。同様の破線は図１０Ａおよび図１０Ｂでも用いる。

上記時間推移は、層状材料４０１の照射が開始されてから最深部４１１ｃが溶融するまで計算した。その計算において、小領域２０２内の各地点の照射時間ｔ_ｅは、前出の物理量より、１１μｓとした。また、照射時間の分割数Ｎは１０とした。これより、照射１回当たりの照射時間ｔ_ｅ／Ｎは１．１μｓである。

図９より、溶融工程を２つに分けず、フォーカス補正器１０９により電子ビーム１０７の断面径を大きくすることなく０．２ｍｍとしたまま層状材料４０１を溶融する場合の最高到達温度は、約２５００℃である。

上記最高到達温度は、図９から分かるように、同材料の融点と、照射１回当たりの最大の温度上昇幅との和にほぼ等しい。これは、最表部４１１ｂの温度が、その温度をその最高到達温度に至らしめる照射、すなわちＮ回目の照射が開始される直前において、層状材料４０１の融点付近にあることによる。ただしここで、照射１回当たりの最大の温度上昇幅とは、図８ＡのＢ点より右の領域における温度上昇幅、すなわち温度Ｔの非線形性に影響されない温度上昇幅を指す。

上記のようにＮ回目の照射が開始される直前の最表部４１１ｂの温度が層状材料４０１の融点付近にあるのは、第一に、待ち時間ｔ_ｗが（２）式を満たす限り、待ち時間ｔ_ｗ中に層状材料４０１中の熱が深さ方向（Ｚ方向）に十分に拡散し、同材料の温度分布が平準化すること、第二に、層状材料４０１の目標温度（１７６８℃）は同材料の融点（１６６８℃）を超えているものの、その超過分は先述のマージン（１００℃）程度と小さいため、同温度分布が平準化すれば、最表４１１ｂの温度は同材料の融点を大きく超ええないことによる。

ただし、実際には、上記目標温度の超過分が多少大きくても、Ｎ回目の照射が開始される直前において最表部４１１ｂの温度が層状材料４０１の融点を大きく超えることはない。これは、層状材料４０１に与えた単位面積当たりの熱が十分となり、最深部４１１ｃが溶融すると、すなわち最深部４１１ｃの温度が同材料の融点を超えると、最深部４１１ｃは、その直下の粉体層または金属層と熱的に結合するため、冷却され、したがって最表部４１１ｂの温度上昇が抑制されることによる。

図１０Ａは、溶融工程を２つに分けた場合の、第１の溶融工程における最表部４１１ｂおよび最深部４１１ｃの温度の時間推移を表す。そのための計算は、層状材料４０１の照射が開始されてから、その照射の完了後に２００μｓ（＞＞ｔ_ｄ）が経過するまで実施した。

図１０Ａから分かるように、第１の溶融工程における最表部４１１ｂおよび最深部４１１ｃの温度は、いずれも層状材料４０１の融点（１６６８℃）を大きく超えることなく、時間とともにその融点に収束する。これらの温度が層状材料４０１の融点を大きく超えないのは、第１の溶融工程において層状材料４０１に与えられる熱は先述のように融解熱を含んでいないがために、層状材料４０１中の単位体積当たりの熱が図８ＡのＢ点を大きく超えないことに相当する。

図１０Ｂは、同場合の、第２の溶融工程における最表部４１１ｂおよび最深部４１１ｃの温度の時間推移を表す。そのための計算は、層状材料４０１の照射が開始されてから最深部４１１ｃが溶融するまで実施した。

図１０Ｂから分かるように、第２の溶融工程における最表部４１１ｂの最高到達温度、すなわち層状材料４０１の最高到達温度は、２０００℃を十分下回り、約１８８０℃である。これは、溶融工程を２つに分けず、フォーカス補正器１０９により電子ビーム１０７の断面径を大きくすることなく０．２ｍｍとしたまま層状材料４０１を溶融する場合の最高到達温度約２５００℃（図９）より、格段に低い。層状材料４０１の最高到達温度がこのように低くなるのは、先述のように、第２の溶融工程において電子ビーム１０７の断面径を大きくした結果、（４）式が満たされることによる。

最後に、図１１Ａおよび図１１Ｂを用いて３次元造形装置１００による３次元構造物の造形手順を説明する。図１１Ａは、本実施形態に係る３次元造形装置による３次元構造物の造形手順を説明するフローチャートである。

ステップＳ１１０１において、３次元造形装置１００は、粉体層１層分の図形データおよび造形条件データを読み込む。ステップＳ１１０３において、３次元造形装置１００は、金属粉体１０４を造形面１０５に散布して敷き詰め、金属粉体１０４からなる粉体層を形成する。ステップＳ１１０５において、３次元造形装置１００は、造形面１０５内の所定の領域（または造形面１０５全体）内の金属粉体１０４を予熱すべく、同領域を、電子ビーム１０７を主偏向器１０３で偏向することにより走査および照射する（予熱工程）。その間、３次元造形装置１００は、電子ビーム１０７の偏向に伴う像面湾曲収差を動的補正する。ステップＳ１１０７において、３次元造形装置１００は、上記所定の領域の全域または一部域内の金属粉体１０４の温度をその融点に上げるべく、上記所定の領域の全域または一部域内を電子ビーム１０７により走査および照射する（第１の溶融工程）。その間、３次元造形装置１００は、電子ビーム１０７の偏向に伴う像面湾曲収差を動的補正する。ステップＳ１１０９において、３次元造形装置１００は、フォーカス補正器１０９により電子ビーム１０７の断面径を大きくする。ステップＳ１１１１において、３次元造形装置１００は、上記所定の領域の全域または一部域内の金属粉体１０４の温度をその目標温度に上げるべく、上記所定の領域の全域を電子ビーム１０７により走査および照射する（第２の溶融工程）。その間、３次元造形装置１００は、電子ビーム１０７の偏向に伴う像面湾曲収差を動的補正する。ステップＳ１１１３において、３次元造形装置１００は、フォーカス補正器１０９により電子ビーム１０７の断面径を元の大きさに戻す。ステップＳ１１１５において、３次元造形装置１００は、全層の走査および照射が完了したか否かを判断する。完了したと判断した場合（ステップＳ１１１５のＹＥＳ）、３次元造形装置１００は、３次元構造物の造形を終了する。完了していないと判断した場合（ステップＳ１１１５のＮＯ）、３次元造形装置１００は、ステップＳ１１１７へと進む。ステップＳ１１１７において、３次元造形装置１００は、これまでのステップにおいて形成された金属層の厚さの分だけ、Ｚ軸ステージ１０６を送る。そして、３次元造形装置１００は、ステップＳ１１０１以降のステップを繰り返す。

図１１Ｂは、本実施形態に係る３次元造形装置による３次元構造物の造形手順における電子ビームによる走査および照射（Ｓ１１０５、Ｓ１１０７、およびＳ１１１１）の実行手順を説明するフローチャートである。ステップＳ１１２１において、３次元造形装置１００は、電子ビーム１０７を主偏向器１０３で偏向することにより、副偏向フィールド２０１を、造形面１０５内の所定の領域内に移動させる。ステップＳ１１２３において、３次元造形装置１００は、副偏向フィールド２０１内に含まれる小領域２０２内の金属粉体１０４を溶融すべく、小領域２０２を、電子ビーム１０７を副偏向器１０８で偏向することにより走査および照射する。ステップＳ１１２５において、３次元造形装置１００は、上記所定の領域内の全ての小領域２０２の走査および照射が完了したか否かを判断する。完了したと判断した場合（ステップＳ１１２５のＹＥＳ）、３次元造形装置１００は、上記所定の領域の走査および照射を終了する。完了していないと判断した場合（ステップＳ１１２５のＮＯ）、３次元造形装置１００は、ステップＳ１１２７へ進む。ステップＳ１１２７において、３次元造形装置１００は、電子ビーム１０７を主偏向器１０３で偏向することにより、副偏向フィールド２０１を、上記所定の領域内の別の小領域２０２のある位置に移動させる。３次元造形装置１００は、ステップＳ１１２３以降のステップを繰り返す。

以上で説明したように、本実施形態によれば、造形解像度と造形速度のいずれも損うことなく、しかも容易かつ効果的に、金属粉体１０４からなる粉体層の最高到達温度を低下させること、すなわち同粉体層の過度な蒸発を防ぐことができる。

［第２実施形態］
本実施形態は、構成および動作を基本的に第１実施形態と同じくするが、本実施形態では、レンズ１１０２の機能をフォーカス補正器１１０９に持たせるか、またはフォーカス補正器１１０９の機能をレンズ１１０２に持たせるかして、レンズ１１０２とフォーカス補正器１１０９のいずれかを削除する。

ただし、元のレンズ１１０２のレンズ作用が元のフォーカス補正器１１０９のレンズ作用より強い限り、フォーカス補正器１１０９の機能を併せ持つレンズ１１０２またはレンズ１１０２の機能を併せ持つフォーカス補正器１１０９のコイルのインダクタンスは、元のフォーカス補正器１１０９のインダクタンスより大きいと考えられる。すなわち、フォーカス補正器１１０９の機能を併せ持つレンズ１１０２またはレンズ１１０２の機能を併せ持つフォーカス補正器１１０９の応答は、元のフォーカス補正器１１０９の応答より遅くなりがちである。

［第３実施形態］
本実施形態は、構成および動作を基本的に第１および第２実施形態と同じくするが、主偏向器および主偏向制御部として、主偏向器１０３および主偏向制御部１１３に加え、別の主偏向器および主偏向制御部（図示せず）を備える。その主偏向器も、主偏向器１０３と同様に、副偏向フィールド２０１を移動させる。

その主偏向器の偏向範囲は、主偏向器１０３の偏向範囲より小さいものの、その主偏向器および主偏向制御部の応答は、主偏向器１０３および主偏向制御部１１３の応答より速い。これにより、主偏向器１０３および主偏向制御部１１３の応答の遅さに起因する照射時間の減少にともなう熱不足が解消されやすくなる。

［第４実施形態］
本実施形態は、構成および動作を基本的に第１ないし第３実施形態と同じくするが、本実施形態では、第２の溶融工程における走査および照射の領域を副偏向フィールド２０１の全域とせず、小領域２０２に限定する。

ただし、もし小領域２０２の粗密度が均一でない場合は、走査および照射の領域が小領域２０２に限定されることにより、先述のように、小領域２０２内の各地点に与えられる単位面積当たりの熱が不均一となり、過不足分が生じる。その過不足分は、しかし、走査の速度を地点ごとに増減することで補える。

［第５実施形態］
本実施形態は、構成および動作を基本的に第１ないし第４実施形態と同じくするが、本実施形態では、第１の溶融工程と第２の溶融工程における電子ビーム１０７の電力を互いに異にする。より具体的には、第２の溶融工程における電子ビーム１０７の電力を、第１の溶融工程におけるそれより大きくする。本実施形態では、その目的のため、電子ビーム１０７の電流を大きくするか、または同ビームの加速電圧を高くする。

先述のように、第２の溶融工程において小領域２０２以外の領域（第１および第２実施形態では一次元格子の隙間）に電子ビーム１０７の電力が与えられると、小領域２０２に与えられる電子ビーム１０７の電力が不足する。その不足分は、第１実施形態でそうしたように、小領域２０２を走査および照射する速度を下げること、または走査および照射の回数を増やすことで補償できるが、そのようにすると、造形速度が遅くなる。

これに対し、本実施形態では、走査および照射する速度をあまり下げることなく、あるいは全く下げることなく、電子ビーム１０７の電力を増やすことで、上記電力の不足分を補う。したがって、その分だけ、造形速度が向上する。

［第６実施形態］
本実施形態は、構成および動作を基本的に第１ないし第５実施形態と同じくするが、本実施形態では、第２の溶融工程においても金属粉体１０４を多重走査および多重照射する。

第２の溶融工程における金属粉体１０４の走査および照射を多重とすれば、その分、同粉体からなる粉体層中の熱の拡散が徹底する。その結果、同粉体層の表層部の過度な温度上昇の抑制が徹底される。

ただし、電子ビーム１０７の断面径が大きく、したがってｔ_ｅ＞＞ｔ_ｄが満たされる場合は、その効果は限定的である。これは、ｔ_ｅ＞＞ｔ_ｄが満たされる場合は、金属粉体１０４を多重走査および多重照射しなくとも、上記粉体層の最表部の温度上昇幅は十分に小さく抑えられることによる。

［第７実施形態］
本実施形態は、構成および動作を基本的に第１ないし第６実施形態と同じくするが、本実施形態では、偏向器として、副偏向器１０８を用いず、主偏向器１０３のみを用いる。

ただし、このようにすると、主偏向器１０３および主偏向制御部１１３の応答の遅さから、同粉体層の走査の速度を速くすることが困難となる。同応答があまりに遅くなると、上記熱拡散に要する時間が問題となるほどに電子ビーム１０７の単位面積当たりの電力を大きくすることが、事実上、できなくなる。すなわち、電子ビーム１０７の単位面積当たりの電力を大きくしようとすると、上記熱拡散に要する時間が問題となる以前、すなわち金属粉体１０４からなる粉体層の表層部の過度な温度上昇が問題となる以前に、金属粉体１０４に与えられる熱が過剰となる。

したがって、本実施形態では、金属粉体１０４からなる粉体層の表層部の過度な温度上昇は問題となりにくい。そのため、第１の溶融工程における同粉体層の走査および照射を多重化する必要性は薄くなる。また、第２の溶融工程において電子ビーム１０７の断面径を大きくする必要性も薄くなる。

［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 (12)

1. 電子ビームを発生させる電子銃と、
   前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる１段以上の偏向器と、
   前記電子銃と前記偏向器との間に設けられ、前記電子ビームを集束させる少なくとも１つのレンズと、
   粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域が前記電子ビームにより走査および照射されるように前記偏向器を制御する偏向器制御手段であって、前記粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域の走査の速度を制御することにより、前記粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域に与えられる熱を制御する偏向器制御手段と、
   前記電子ビームの断面径を制御する断面径制御手段と、
   を備え、
   前記偏向器制御手段は、
   前記電子ビームにより前記粉体を溶融する工程を第１の溶融工程と第２の溶融工程との２つの工程に分け、
   前記第１の溶融工程では、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域を走査および照射することにより、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域内の各地点に、前記粉体の予熱温度から融点までの温度上昇に必要な単位面積当たりの熱を与え、
   前記第２の溶融工程では、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域を走査および照射することにより、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域内の各地点に、前記粉体が融解熱を受けて溶融するのに必要な単位面積当たりの熱以上の単位面積当たりの熱を与え、
   前記断面径制御手段は、前記第２の溶融工程における前記電子ビームの断面径を、前記第１の溶融工程における前記電子ビームの断面径より大きくすることにより、前記第２の溶融工程において前記粉体に与える前記電子ビームの単位面積当たりの電力を、前記第１の溶融工程において前記粉体に与える前記電子ビームの単位面積当たりの電力より小さくする、
   ３次元造形装置。
2. 前記偏向器制御手段は、前記第２の溶融工程では、前記粉体を溶融させない領域の全域または一部域も走査および照射する請求項１に記載の３次元造形装置。
3. 前記断面径制御手段は、
   前記電子ビームを集束させる少なくとも１つのレンズと、
   前記少なくとも１つのレンズとは別に設けられるレンズと、
   前記別に設けられるレンズを制御する第１レンズ制御手段と、
   を有する請求項１または２に記載の３次元造形装置。
4. 前記断面径制御手段は、
   前記電子ビームを集束させる少なくとも１つのレンズのうちの少なくとも１つと、
   前記電子ビームを集束させる少なくとも１つのレンズを制御する第２レンズ制御手段と、
   を有する請求項１または２に記載の３次元造形装置。
5. 前記断面径制御手段は、前記粉体からなる粉体層の厚さと前記粉体層の熱拡散率とから、前記粉体層の厚さ方向の熱拡散に要する時間を決定し、該熱拡散に要する時間よりも、前記第２の溶融工程において前記電子ビームにより照射される各地点の前記粉体の溶融に必要となる照射時間が長くなるように、前記第２の溶融工程における前記電子ビームの断面径を決定する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の３次元造形装置。
6. 前記偏向器制御手段は、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域を、所定回数に分けて多重走査および多重照射する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電子ビーム３次元造形装置。
7. 前記偏向器を２段以上有し、
   前記２段以上の偏向器のうち、最も走査速度の速い偏向器を副偏向器とし、前記副偏向器以外の偏向器を主偏向器とし、
   前記偏向器制御手段は、
   前記主偏向器により前記副偏向器の偏向範囲を移動させ、
   前記副偏向器により前記偏向範囲内を走査させて、
   前記主偏向器および前記副偏向器により、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域の多重走査および多重照射をさせる、
   請求項６に記載の３次元造形装置。
8. 前記偏向器制御手段は、前記所定回数の多重走査および多重照射を開始してから完了するまでの間に、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域内の各地点が、各回の照射を受けた後、前記粉体層の厚さ方向の熱拡散に要する時間以上の時間である所定の待ち時間経過後に、次の回の照射を受けるように、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域を走査および照射する請求項６または７に記載の３次元造形装置。
9. 前記偏向器制御手段は、前記所定の待ち時間の間、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域内の、前記所定の待ち時間の開始直前に照射された地点以外の地点が逐次照射されるように、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域を走査および照射する請求項８に記載の３次元造形装置。
10. 前記偏向器制御手段は、前記粉体の溶融の際には、前記第１の溶融工程および前記第２の溶融工程の結果として前記粉体に与えられる単位面積当たりの熱が、前記粉体の予熱温度から融点までの温度上昇に必要な単位面積当たりの熱と、前記粉体が融解熱を受けて溶融するのに必要となる単位面積当たりの熱との和より大きくなるように前記偏向器を制御する請求項１ないし９のいずれか１項に記載の３次元造形装置。
11. 電子ビームを発生させる電子銃と、
    前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる１段以上の偏向器と、
    前記電子銃と前記偏向器との間に設けられ、前記電子ビームを集束させる少なくとも１つのレンズと、
    粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域が前記電子ビームにより走査および照射されるように前記偏向器を制御する偏向器制御手段であって、前記粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域の走査の速度を制御することにより、前記粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域に与えられる熱を制御する偏向器制御手段と、
    前記電子ビームの断面径を制御する断面径制御手段と、
    を備えた３次元造形装置の制御方法であって、
    前記偏向器制御手段が、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域の走査により、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域内の各地点に、前記粉体の予熱温度から融点までの温度上昇に必要な単位面積当たりの熱を与える第１の溶融ステップと、
    前記偏向器制御手段が、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域の走査により、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域内の各地点に、前記粉体が融解熱を受けて溶融するのに必要な単位面積当たりの熱以上の単位面積当たりの熱を与える第２の溶融ステップと、
    前記断面径制御手段が、前記第２の溶融ステップにおける前記電子ビームの断面径を、前記第１の溶融ステップにおける前記電子ビームの断面径より大きくすることにより、前記第２の溶融ステップにおいて前記粉体に与える前記電子ビームの単位面積当たりの電力を、前記第１の溶融ステップにおいて前記粉体に与える前記電子ビームの単位面積当たりの電力より小さくするステップと、
    を含む３次元造形装置の制御方法。
12. 電子ビームを発生させる電子銃と、
    前記電子ビームを１次元偏向または２次元偏向させる１段以上の偏向器と、
    前記電子銃と前記偏向器との間に設けられ、前記電子ビームを集束させる少なくとも１つのレンズと、
    粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域が前記電子ビームにより走査および照射されるように前記偏向器を制御する偏向器制御手段であって、前記粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域の走査の速度を制御することにより、前記粉体を溶融させる領域または前記粉体を溶融させない領域に与えられる熱を制御する偏向器制御手段と、
    前記電子ビームの断面径を制御する断面径制御手段と、
    を備えた３次元造形装置の制御プログラムであって、
    前記偏向器制御手段が、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域の走査により、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域内の各地点に前記粉体の予熱温度から融点までの温度上昇に必要な単位面積当たりの熱を与える第１の溶融ステップと、
    前記偏向器制御手段が、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域の走査により、前記粉体を溶融させる領域の全域または一部域内の各地点に、前記粉体が融解熱を受けて溶融するのに必要な単位面積当たりの熱以上の単位面積当たりの熱を与える第２の溶融ステップと、
    前記断面径制御手段が、前記第２の溶融ステップにおける前記電子ビームの断面径を、前記第１の溶融ステップにおける前記電子ビームの断面径より大きくすることにより、前記第２の溶融ステップにおいて前記粉体に与える前記電子ビームの単位面積当たりの電力を、前記第１の溶融ステップにおいて前記粉体に与える前記電子ビームの単位面積当たりの電力より小さくするステップと、
    をコンピュータに実行させる３次元造形装置の制御プログラム。

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