JP6639735B2

JP6639735B2 - 三次元造形装置

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Publication number: JP6639735B2
Application number: JP2019513260A
Authority: JP
Inventors: 恭諒丸小; 武士物種
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-04-19
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2038-03-08
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Description

本願は、例えば金属粒体からなる粉末材料を選択的に固化させる工程を繰り返すことにより三次元形状の造形物を製造する三次元造形装置に関するものである。

粉末材料によって形成された粉末層の所定領域に高エネルギーのビームを照射して、粉末材料を選択的に溶融凝固又は焼結させて固化させる工程を繰り返すことにより三次元形状の造形物を製造するものがある。高エネルギーのビームとしては、レーザー又は電子ビームが用いられるが、電子ビームを用いる場合、高融点合金にも対応可能であり、スキャン速度がより速いというメリットがある（例えば、非特許文献１参照）。このような三次元造形装置としては、従来、反応性ガスを供給しながら作業領域上に配置された材料に電子ビームを照射する装置が提案されていた（例えば、特許文献１参照）。また、希ガス雰囲気中で電子ビームを最新の焼結層に照射して、表面を改質させる工程を繰り返すことで三次元形状の積層造形物を形成する製造装置が提案されていた（例えば、特許文献２参照）。

一方、非特許文献１に示されているように、粉末材料を溶融凝固するために電子ビームを用いる場合、電子ビームとの相互作用により粉末材料が負に帯電し、個々の粉末同士がクーロン斥力により反発して飛散する虞があるため、粉末層の粉末材料を予熱して飛散を防止する必要がある。予熱された粉末材料は電気抵抗が低下し、電子ビームとの相互作用により生じる電荷を導通させるために帯電しなくなり、上記のような飛散は起きなくなる。そこで、電子ビームを用いて三次元物体を作る装置において、電子ビームのビーム電流（ビーム出力）及びビーム走査速度を変化させることで粉末材料の温度を予め上昇させることが提案されている（例えば、特許文献３）。

特表２０１１−５０６７６１号公報特開２０１５−３０８７２号公報特表２０１０−５２６６９４号公報

計測と制御、第５４巻第６号、２０１５年６月号（Ｐ．３９９〜４０４）

しかしながら、特許文献３のように電子ビームのビーム出力等のパラメータを変化させて予熱を行う方法では、製造する三次元造形物の大きさが大きく、粉末層の表面積も大きい場合、粉末層表面からの熱輻射による大きな熱損失のために予熱が不十分となる虞がある。これは、予熱の段階では粉末材料を溶融凝固又は焼結させるような高エネルギーの電子ビームを使用することができずビーム出力に上限があるため、熱輻射による熱損失をビーム出力の調整でカバーすることは困難であるためである。

本願は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、大型の三次元造形物を製造する場合でも、粉末材料の十分な予熱を容易に行うことができる三次元造形装置を得るものである。

本願に開示される三次元造形装置は、粉末層を形成する粉末材料を電子ビームの照射によって選択的に固化させる工程を繰り返すことにより三次元造形物を製造する三次元造形装置であって、粉末材料に電子ビームを照射する電子ビーム照射手段と、電子ビーム照射手段に対向する面に設けられ、粉末材料が敷き詰められて粉末層が形成される造形領域形成部と、昇温した状態で粉末層に埋め込まれ、熱移動により粉末材料を予熱する予熱部材と、造形領域形成部を覆い、予熱部材からの熱輻射により昇温するシールド部材とを備え、粉末材料は、予熱部材からの熱移動及び昇温したシールド部材からの熱輻射により予熱されるものである。

本願に開示される三次元造形装置によれば、大型の三次元造形物を製造する場合でも、粉末材料の十分な予熱を容易に行うことができる。

実施の形態１における三次元造形装置を示す概略図である。実施の形態１に係る輻射シールドの概要を示す斜視図である。実施の形態１に係る輻射シールドの枠を示す平面図である。実施の形態１に係る輻射シールドの側面部を構成する金属板を示す図である。実施の形態１における三次元造形装置の動作を説明する図である。実施の形態１の変形例に係る輻射シールドの斜視図である。実施の形態２に係る輻射シールドの概要を示す斜視図である。実施の形態３に係る輻射シールドの概要を示す斜視図である。実施の形態４における三次元造形装置を示す概略図である。実施の形態５における三次元造形装置を示す概略図である。

実施の形態１．
以下に、実施の形態１を図１から図５に基づいて説明する。図１は、実施の形態１における三次元造形装置を示す概略図である。三次元造形装置１００において、真空チャンバ１の上部には、電子ビームＥＢ１を下方に照射する電子銃２、すなわち電子ビーム照射手段が設けられ、真空チャンバ１の天井面１ｂ、すなわち造形領域形成部と対向する面には電子ビームＥＢ１を通す開口（図示なし）が設けられている。電子銃２は、真空チャンバ１の床面１ａに形成された造形領域形成部３に対向しており、造形領域形成部３の内部に電子ビームＥＢ１を照射可能である。造形領域形成部３は、例えば９０ｍｍ×９０ｍｍの正方形状の水平断面を持ち、その内部が三次元造形物の造形領域となるもので、粉末材料からなる粉末層７が形成されている。

粉末材料は、固化して三次元造形物を構成する粉末状の材料であり、電子銃２からの電子ビームＥＢ１が照射されることで溶融凝固又は焼結して固化体８となる。粉末層７を構成する粉末材料は、例えばコバルトクロムモリブデン合金又はチタン合金などの金属粒体の粉末材料であるが、これに限られるものではなく、電子ビームの照射により溶融凝固又は焼結可能なものであればよい。粉末層７は、粉末材料供給部９３が造形領域形成部３の上部及び周辺を移動しながら所定量の粉末材料を供給し、造形領域形成部３の内部に粉末材料を層状に敷き詰めることで形成されるものである。粉末材料供給部９３が供給する粉末材料は、例えば直方体の箱体である粉末材料収納部９２に収納されている。粉末材料収納部９２は、粉末材料供給部が下方に来ると粉末材料を落下させ、粉末材料供給部９３に粉末材料を供給する。なお、電子銃２から造形領域形成部３に電子ビームＥＢ１を照射できればよいので、造形領域形成部３を設ける位置は床面１ａに限られるものではなく、電子銃２に対向する面であればよい。例えば、床面１ａに作業台（図示なし）を設置し、その上面に造形領域形成部３を設けてもよい。

造形領域形成部３の底部には、上下にスライド可能な造形テーブル５が設けられている。造形テーブル５は、下方に設けられた昇降機構６により昇降するものであり、昇降機構６を操作することにより造形領域形成部３の深さを調整することが可能である。図１は、造形テーブル５が床面１ａから粉末層７の２層分だけ下げられた状態を示しており、破線より下が１層目の粉末層７、破線より上が２層目の粉末層７である。なお、１層目の粉末層７は台座４の周囲を覆うために厚めに形成しているが、２層目以降の粉末層７は数十μｍ程度の厚さで形成している。

１層目の粉末層７には、昇温した状態の台座４が埋め込まれている。台座４は、三次元造形物の土台部分となるとともに、粉末材料の予熱部材として機能するものである。台座４の材質は、電子ビームの照射により昇温するものであれば特に限られるものではないが、熱容量が大きいものであることが好ましい。

造形領域形成部３の上方には、支えジグ９１によって所定の高さに支持され、造形領域形成部３全体を覆う輻射シールド１０が設けられている。輻射シールド１０は側面視において下方ほど、すなわち造形領域形成部３に近いほど広がる台形状をなし、下方ほど床面１ａに平行な方向の断面積が大きくなっている。また、輻射シールド１０を設置する高さは、粉末材料供給部９３の移動を妨げない範囲であれば特に限られるものではない。輻射シールド１０は、上端に電子銃２と対向する開口部１０ｃが設けられ、下端に造形領域形成部３と対向する開口部１０ｂが設けられて、電子ビームＥＢ１が通る中空部１０ａが上端から下端に亘って内部に形成されているため、電子銃２から造形領域形成部３への電子ビームＥＢ１の照射が輻射シールド１０に妨げられることはない。

図２は、実施の形態１に係る輻射シールドの概要を示す斜視図、図３は、輻射シールドの上部の枠を示す平面図であり、図４は、輻射シールドの側面部を構成する金属板、すなわち板状部材を示す図である。輻射シールド１０は、図２に示すように輻射シールド１０の上端に配置され、輻射シールド１０の上面１１を構成する四角形の枠１２の各辺に第１の側面部１３及び第２の側面部１４を隙間なく取り付けたものであり、第１の側面部１３及び第２の側面部１４は、それぞれ１対ずつネジ１９によって枠１２に取り付けられている。
第１の側面部１３は、輻射シールド１０の上面１１から下方、すなわち造形領域形成部３の方向へ延び、上面１１に対して直角に取り付けられている。第２の側面部１４は、上面１１から下方に延び、上面１１に対して４５°の角をなして取り付けられている。このように、第２の側面部１４が輻射シールド１０の上面１１に対して４５°の角をなしているため、輻射シールド１０及び中空部１０ａは、下方に向かって広がる形状となっている。
なお、実施の形態１では第２の側面部１４が上面１１に対して４５°の角をなしているが、輻射シールド１０が下方に向かって広がればよいので、は第２の側面部１４が上面１１に対してなす角は４５°に限らず鋭角であればよい。また、第１の側面部１３は上面１１に対して直角に取り付けられているが、第１の側面部１３も第２の側面部１４と同様に上面１１に対して鋭角をなして取り付けてもよい。

枠１２は、図３に示すように例えば３８ｍｍ×３８ｍｍの大きさの開口部１０ｃを略中央に形成している。また枠１２には、折り曲げ部１２ｂが図中左右の両端部に設けられている。この折り曲げ部１２ｂは、上面１１に対して４５°の角をなして下方に折り曲げられ、その上面側に第２の側面部１４が取り付けられる。また、折り曲げ部１２ｂにはネジ１９が貫通する２つのネジ穴１２ｃが形成されている。
第１の側面部１３は、図４（ａ）に示す金属板１３１を３重に重ね合わせ、それぞれの金属板１３１のネジ穴１３ｃと枠１２の側部に形成されたネジ穴（図示なし）を貫通するネジ１９により枠１２に取り付けられる。金属板１３１は、平面視台形状であり、例えば長さ４７ｍｍの上辺１３ａと、上辺１３ａと１３５°の角をなし、例えば長さ７４ｍｍの斜辺１３ｂとを有している。ここで、上辺１３ａは輻射シールド１０の上面１１と平行であるので、斜辺１３ｂは上面１１に対して下方に４５°の角をなす。第２の側面部１４は、図４（ｂ）に示す金属板１４１を３重に重ね合わせ、それぞれの金属板１４１のネジ穴１４ｃと枠１２のネジ穴１２ｃを貫通するネジ１９により枠１２に取り付けられる。金属板１４１、は平面視長方形状であり、例えば長さ５４ｍｍの短辺１４ａと、例えば長さ７４ｍｍの長辺１４ｂとを有している。金属板１３１及び金属板１４１の材質は例えばＳＵＳ３０４であり、厚さは０．５ｍｍ〜１ｍｍである。金属板１３１及び金属板１４１をそれぞれ重ねる際には、ワッシャー等を間に挟んで互いに隣接する金属板１３１、金属板１４１の間に厚さ２ｍｍ程度の間隔を設ける。なお、重ねる金属板１３１、金属板１４１の枚数及び間隔は上記に限られるものではなく、複数の金属板１３１、金属板１４１を互いに間隔を空けて重ねればよい。

次に、動作について説明する。図５は、実施の形態１における三次元造形装置の動作を説明する図である。造形領域形成部３に粉末材料を敷き詰めて１層目の粉末層７を形成した後、１層目の粉末層７の上面に台座４を埋め込む。この台座４に対し、粉末材料を溶融凝固させる電子ビームＥＢ１よりもエネルギー密度が小さい電子ビームである予熱用電子ビームＥＢ２を照射して台座４を昇温させると、図５（ａ）に示すように台座４の上方には熱輻射Ｈ２が発生するとともに、台座４の側方及び下方には熱伝導及び熱輻射からなる熱移動Ｈ１が発生する。輻射シールド１０は、上述したように造形領域形成部３全体を覆っているため、上方への熱輻射Ｈ２の大部分を回収し昇温する。熱移動Ｈ１は、粉末層７及び造形領域形成部３表面を昇温させる。

輻射シールド１０及び造形領域形成部３表面が昇温すると、図５（ｂ）に示すように昇温した輻射シールド１０からは１層目の粉末層７及び台座４への熱輻射Ｈ２が発生する。また、昇温した造形領域形成部３表面からは１層目の粉末層７及び台座４への熱移動Ｈ１が発生する。１層目の粉末層７は、台座４からの熱移動Ｈ１、造形領域形成部３表面からの熱移動Ｈ１、及び輻射シールド１０からの熱輻射Ｈ２によって昇温する。

１層目の粉末層７の昇温後、図５（ｃ）に示すように造形テーブル５及び１層目の粉末層７を昇降機構６により降下させてスペースを形成し、１層目の場合と同様にして２層目の粉末層７を形成する。２層目の粉末層７を形成するとき、１層目の粉末層７、造形領域形成部３表面、及び輻射シールド１０は十分に昇温した状態であるため、１層目の粉末層７及び台座４から２層目の粉末層７へ熱移動Ｈ１が発生し、輻射シールド１０から２層目の粉末層７へ熱輻射Ｈ２が発生する。２層目の粉末層７は、これらの熱移動Ｈ１及び熱輻射Ｈ２により、予熱用電子ビームＥＢ２が照射されても粉末材料の飛散が起こらない温度まで予熱される。その後、図５（ｄ）に示すように予熱用電子ビームＥＢ２を２層目の粉末層７に照射し、粉末材料を溶融凝固させる電子ビームＥＢ１が照射されても飛散が起こらない温度まで２層目の粉末層７を予熱する。１層目の粉末層７及び台座４からの熱移動Ｈ１、及び輻射シールド１０からの熱輻射Ｈ２は、予熱用電子ビームＥＢ２による予熱が行われる間も発生している。すなわち、２層目の粉末層７は、予熱用電子ビームＥＢ２の照射に加え、台座４、１層目の粉末層７及び造形領域形成部３表面からの熱移動Ｈ１、及び輻射シールド１０からの熱輻射Ｈ２によっても予熱される。

２層目の粉末層７の予熱後、図５（ｅ）に示すように電子ビームＥＢ１を粉末層７の粉末材料に選択的に照射し、所望の範囲の粉末材料を溶融凝固させて固化体８を生成する。固化体８の生成後、造形テーブル５をさらに降下させ、２層目の場合と同様にして３層目以降の粉末層７の形成、予熱及び固化体の生成を繰り返す。

なお、実施の形態１では電子銃２から照射される予熱用電子ビームＥＢ２を照射することで１層目の粉末層７に埋め込まれた台座４を昇温させたが、台座４の昇温手段はこれに限られるものではない。例えば、ヒーター等で予め昇温した状態の台座４を１層目の粉末層７に埋め込んでもよい。要は、昇温した台座４が１層目の粉末層７に埋め込まれた状態が一定時間以上継続して、台座４からの熱輻射Ｈ２によって輻射シールド１０が昇温し、台座４からの熱移動Ｈ１と昇温した輻射シールド１０からの熱輻射Ｈ２によって、粉末層７が予熱されればよい。

輻射シールド１０は、上述したように第１の側面部１３及び第２の側面部１４がそれぞれ３枚の金属板１３１、金属板１４１を互いに間隔を空けて重ねられることで構成されているため、それぞれの金属板１３１の間、及びそれぞれの金属板１４１の間における熱抵抗が大きい。このため、間隔を空けずに金属板１３１、金属板１４１を重ねた場合よりも造形領域形成部３に最も近い金属板１３１及び金属板１４１の温度上昇が速くなっている。また、金属板１枚のみで構成した場合よりも第１の側面部１３及び第２の側面部１４の熱容量が大きくなり、輻射シールド１０の温度がより長時間高温に維持される。

粉末層７の予熱に対する輻射シールド１０の寄与を調べるため、輻射シールド１０を設けない場合と設けた場合の台座４の昇温時間及び昇温速度を測定した。測定は、図５（ａ）と同様に造形領域形成部３の内部に形成された１層目の粉末層７の上面に台座４を埋め込んだ状態で行い、台座４の下部に取り付けたシース型熱電対の取り付け位置の温度を台座４の温度とした。輻射シールド１０を設けない場合、台座４の温度を８５０℃まで昇温させるために要する時間は１２００秒（昇温速度：０．６９℃／秒）であるのに対し、輻射シールド１０を設けた場合は６４０秒（昇温速度：１．２１℃／秒）であった。このように昇温時間及び昇温速度に差が生じるのは、輻射シールド１０がなければ上方への熱輻射により熱損失となるエネルギーを輻射シールド１０により回収、再利用しているためと考えられる。

また、台座４の温度が８５０℃に達するまでの台座４の中心部と台座４の端部の表面温度の履歴をとり、中心部と端部の温度差を測定した結果、輻射シールド１０を設けない場合の最大温度差が２５０℃であるのに対し、輻射シールド１０を設けた場合の最大温度差は１６０℃であり、温度ムラが９０℃低減されていた。これは、中心部よりも熱輻射Ｈ２による損失が大きい端部において、輻射シールド１０による熱輻射Ｈ２の回収、再利用による効果が大きく、温度ムラが低減されたと考えられる。

なお、ここでは台座４を昇温させる場合の輻射シールド１０の寄与について説明したが、粉末層７を予熱する場合も同様である。輻射シールド１０は、粉末層７が形成される造形領域形成部３全体を覆っているため、昇温した台座４及び造形領域形成部３、粉末層７の表面から上方に発せられる熱輻射Ｈ２を回収するとともに、回収した熱輻射Ｈ２により昇温することで粉末層７への熱輻射Ｈ２を発生させ、粉末層７の予熱及び温度ムラの低減に寄与する。特に、製造する三次元造形物が大きく造形領域形成部３及び粉末層７の表面積が大きい場合は、上方への熱輻射も大きくなるため、輻射シールド１０の寄与も大きいと考えられる。

造形領域形成部３及び粉末層７の熱輻射は全方向に発せられるものであり、輻射シールド１０との間の間隔から漏れてしまう熱輻射もあるため、輻射シールド１０はできるだけ造形領域形成部３に近づけて配置することが好ましい。上述したように、輻射シールド１０の高さは粉末材料供給部が９３の移動を妨げない範囲にする必要があるが、例えば支えジグ９１に替えて高さ調整が可能な支持部材により輻射シールド１０を支持する構成にしてもよい。この場合、粉末層７を形成するときは粉末材料供給部９３の移動を妨げないように輻射シールド１０を高く配置し、それ以外のときは輻射シールド１０をできるだけ下方に配置して造形領域形成部３に近づけることでより多くの熱輻射Ｈ２を回収できる。
また、輻射シールド１０からの熱輻射Ｈ２は、表面の放熱性に依るため、金属板１３１及び金属板１４１の下表面、すなわち造形領域形成部３と対向する面にアルマイト加工処理を施して輻射シールド１０の放熱性を高めても良い。

実施の形態１によれば、大型の三次元造形物を製造する場合でも、粉末材料の十分な予熱を容易に行うことができる。より具体的には、予熱用電子ビームにより昇温した台座、台座からの熱移動により昇温した造形領域形成部の表面から上方に発せられる熱輻射を、造形領域形成部全体を覆う輻射シールドによって回収、再利用するため、特に大型の三次元造形物を製造する場合のように、上方への熱輻射による熱損失が大きくなる虞がある場合でも、熱輻射による粉末層の温度低下が抑制され、粉末層の十分な予熱が容易となっている。

また、２層目以降の粉末層の予熱において、予熱用電子ビームのエネルギー密度を従来よりも小さくすることができる。より具体的には、２層目以降の粉末層は、予熱用電子ビームの照射に加え、台座、１層目以前の粉末層及び造形領域形成部表面からの熱移動、及び輻射シールドからの熱輻射によっても予熱されるため、予熱用電子ビームのエネルギー密度を従来よりも小さくすることができる

また、粉末層の十分な予熱をより安定的に行うことができる。より具体的には、熱輻射による損失がより大きい端部からの熱輻射を輻射シールドにより回収、再利用することで中心部と端部との間の温度ムラを低減するため、粉末層の十分な予熱をより安定的に行うことができる。特に、製造する三次元造形物が大きくなるほど温度ムラが大きくなり、端部において十分な予熱がなされない虞が高まるが、上記のように温度ムラを低減することで、十分な予熱をより安定的に行うことができる。

また、輻射シールドが粉末層の予熱に寄与する時間をより長くすることができる。より具体的には、輻射シールドの第１の側面部及び第２の側面部を構成する金属板を３重に重ね合わせることにより、第１の側面部及び第２の側面部の熱容量を大きくしているため、昇温した輻射シールドの高温状態を維持し、熱輻射により粉末層の予熱に寄与する時間をより長くすることができる。

また、輻射シールドによる粉末層の温度低下抑制の効果をより早期に得ることができる。より具体的には、輻射シールドの第１の側面部及び第２の側面部を構成する金属板を互いに間隔を空けて重ね合わせることにより、金属板を接触させて重ね合わせた場合よりも金属板間の熱抵抗を大きくしているため、造形領域形成部に最も近い金属板の昇温速度がより速くなり、輻射シールドからの熱輻射がより早く始まって、粉末層の温度低下抑制の効果をより早期に得ることができる。

また、輻射シールドの設置スペースを抑制することができる。より具体的には、第２の側面部を輻射シールドの上面に対して４５°の角をなして取り付けたことにより、輻射シールドを下方に向かって広がる形状とすることで、造形領域形成部に近いほど真空チャンバの床面と平行な方向の断面積を大きくしたため、下方については造形領域形成部全体を覆うために必要な断面積を確保しつつ、輻射シールドの上部は小さくすることで輻射シールドの設置スペースを抑制することができる。

ここで、実施の形態１の変形例について説明する。図６は、実施の形態１の変形例に係る輻射シールドの斜視図である。輻射シールド１０１は、造形領域形成部３全体を覆う平板１２１に輻射シールド１０の中空部１０ａに相当する開口部１０１ａを形成したものである。平板１２１は、台座４などからの熱輻射を回収して昇温し、昇温後は下方に熱輻射を発生させることで粉末層７の予熱に寄与する。輻射シールド１０１は、側面部がないために実施の形態１の輻射シールド１０と比べて台座４などからの熱輻射が漏れやすくなっているが、構成が非常に簡単である。

実施の形態２．
以下に、実施の形態２を図７に基づいて説明する。なお、図１から図４と同一又は相当部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。実施の形態２は、輻射シールドの形状が実施の形態１と異なる。図７は、実施の形態２に係る輻射シールドの概要を示す斜視図である。輻射シールド２０は、互いに大きさの異なる四角形の枠２２Ａ〜２２Ｃを互いに平行に配置し、それぞれの枠に対して第１の側面構成部材２３Ａ〜２３Ｃ及び第２の側面構成部材２４Ａ〜２４Ｃをネジ２９により隙間なく取り付けることで第１の側面部２３及び第２の側面部２４を構成したものである。輻射シールド２０の内部には、上端から下端に亘って中空部（図示なし）が形成されている。

枠２２Ａ〜２２Ｃのうちの最も小さい枠２２Ａは、輻射シールド２０の上端部に配置され、輻射シールド２０の上面２１を構成する。枠２２Ａには第１の側面構成部材２３Ａ及び第２の側面構成部材２４Ａが取り付けられている。第１の側面構成部材２３Ａは、輻射シールド２０の上面２１から下方、すなわち造形領域形成部３の方向へ延び、上面２１に対して直角に取り付けられている。第２の側面構成部材２４Ａは、上面２１から下方に延び、上面２１に対して３０°の角をなして取り付けられている。
中間の大きさの枠２２Ｂは、枠２２Ａから第１の側面構成部材２３Ａの高さだけ下方に配置され、第１の側面構成部材２３Ｂ及び第２の側面構成部材２４Ｂが取り付けられている。第１の側面構成部材２３Ｂは、枠２２Ｂに対して直角に取り付けられ、第２の側面構成部材２４Ｂは、枠２２Ｂに対して４５°の角をなして取り付けられている。ここで、枠２２Ｂは枠２２Ａと平行に配置されており、上面２１とも平行であるので、第１の側面構成部材２３Ｂは上面２１に対しても直角をなし、第２の側面構成部材２４Ｂは上面２１に対しても４５°の角をなしている。
最も大きい枠２２Ｃは、枠２２Ｂから第１の側面構成部材２３Ｂの高さだけ下方に配置され、第１の側面構成部材２３Ｃ及び第２の側面構成部材２４Ｃが取り付けられている。第１の側面構成部材２３Ｃは、枠２２Ｃに対して直角に取り付けられ、第２の側面構成部材２４Ｃは、枠２２Ｃに対して６０°の角をなして取り付けられている。ここで、枠２２Ｃは枠２２Ａと平行に配置されており、上面２１とも平行であるので、第１の側面構成部材２３Ｃは上面２１に対しても直角をなし、第２の側面構成部材２４Ｃは上面２１に対しても６０°の角をなしている。
上記のように、実施の形態２では、第２の側面構成部材２４Ａ〜２４Ｃが上面２１となす角度が、３０°、４５°、６０°と、下方に向かうほど段階的に大きくなっている。

第２の側面構成部材２４Ａ〜２４Ｃを枠２２Ａ〜枠２２Ｃに対して鋭角をなして取り付けるためには、実施の形態１の枠１２のように折り曲げ部を設け、下方に折り曲げた折り曲げ部の上面にそれぞれの第２の側面構成部材２４Ａ〜２４Ｃを取り付ければよい。また、第１の側面構成部材２３Ａ〜２３Ｃ及び第２の側面構成部材２４Ａ〜２４Ｃは、実施の形態１と同様に、互いに２ｍｍの間隔を空けて重ね合わされた３枚の金属板により構成されている。

粉末層７の予熱に対する輻射シールド２０の寄与を調べるため、実施の形態１と同様にして輻射シールド２０を設けた場合の台座４の昇温時間及び昇温速度を測定した。輻射シールド２０を設けた場合、台座４の温度を８５０℃まで昇温させるために要する時間は６１０秒（昇温速度：１．３１℃／秒）となり、実施の形態１の輻射シールド１０を設けた場合よりもさらに３０秒の短縮が確かめられた。また、温度ムラについては、最大温度差が７５℃となり、輻射シールド１０を設けた場合よりもさらに８５℃の温度ムラ低減が確かめられた。これは、最も造形領域形成部３に最も近い第２の側面構成部材２４Ｃと輻射シールド２０の上面２１とがなす角度が６０°であり、輻射シールド１０の第２の側面部１４と上面１１とがなす角度である４５°よりも大きいためと考えられる。すなわち、輻射シールドの上面となす角度が大きいほど（直角に近いほど）輻射シールド１０又は輻射シールド２０と台座４の隙間から側方に漏れる熱輻射Ｈ２が減少し、台座４からの熱輻射Ｈ２をより多く回収、再利用できるために昇温速度をさらに高めたと考えられる。また、側方に漏れる熱輻射Ｈ２は、台座４の中心部からよりも端部から発せられているものが多いと考えられるため、端部の温度低下がさらに低減され、温度ムラも低減されたと考えられる。
なお、輻射シールド２０は粉末層７が形成される造形領域形成部３全体を覆っているため、同様の効果は粉末層７を予熱する場合にも得られると考えられる。
その他については実施の形態２と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、粉末層７の予熱時の昇温速度をさらに高めるとともに、温度ムラをさらに低減することができる。より具体的には、第２の側面構成部材が輻射シールドの上面に対してなす角度が段階的に大きくなる形状とし、造形領域形成部と輻射シールドとの間から漏れる熱輻射をより少なくしているため、特に端部からの熱輻射をより多く回収、再利用することでき、昇温速度をさらに高めるとともに、温度ムラをさらに低減することができる。

実施の形態３．
以下に、実施の形態３を図８に基づいて説明する。なお、図１から図４と同一又は相当部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。実施の形態３は、輻射シールドの形状が実施の形態１及び実施の形態２と異なる。図８は、実施の形態３に係る輻射シールドの概要を示す斜視図である。輻射シールド３０は、互いに大きさの異なる枠３２Ａ〜３２Ｃを互いに平行に配置し、複数の側面構成部材３３Ａをネジ３９により隙間なく取り付けることで全体として放物面を形成する側面部３３を構成したものである。輻射シールド３０の内部には、上端から下端に亘って中空部（図示なし）が形成されている。

枠３２Ａ〜３２Ｃのうちの最も小さい枠３２Ａは、輻射シールド３０の上端部に配置され、輻射シールド３０の上面３１を構成する。枠３２Ａには側面構成部材３３Ａが取り付けられており、側面構成部材３３Ａは、輻射シールド３０の上面３１から下方、すなわち造形領域形成部３の方向へ延びている。中間の大きさの枠３２Ｂは、枠３２Ａから側面構成部材３３Ａの高さだけ下方に配置され、側面構成部材３３Ｂが取り付けられている。最も大きい枠３２Ｃは、枠３２Ｂから側面構成部材３３Ｂの高さだけ下方に配置され、側面構成部材３３Ｃが取り付けられている。それぞれの側面構成部材３３Ａ〜３３Ｃは、側面部３３全体として放物面を形成するように曲げられ、互いに２ｍｍの間隔を空けて重ね合わされた３枚の金属板から構成されている。側面構成部材３３Ａ〜３３Ｃは、側面部３３の下面、すなわち造形領域形成部３と対向する面が放物面を構成するように取り付けるため、いずれの側面構成部材３３Ａ〜３３Ｃも上面３１に対して鋭角をなしており、その角度は下方ほど大きい。このため、上面３１となす角度は側面構成部材３３Ａよりも側面構成部材３３Ｂの方が大きく、側面構成部材３３Ｂよりも側面構成部材３３Ｃの方が大きい。その他については実施の形態２と同様であるので、その説明を省略する。

実施の形態３によれば、実施の形態２と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
以下に、実施の形態４を図９に基づいて説明する。なお、図１から図８と同一又は相当部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。図９は、実施の形態４における三次元造形装置を示す概略図である。三次元造形装置２００において、輻射シールド４０は上端に電子銃２に対向する開口部４０ｃが設けられ、下端に造形領域形成部３に対向する開口部４０ｂが設けられて、電子ビームＥＢ１が通る中空部４０ａが上端から下端に亘って内部に形成されている。輻射シールド４０は、実施の形態１の輻射シールド１０と同様に、側面視において上方ほど、すなわち造形領域形成部３から遠いほど狭くなる台形状をなし、上方ほど床面１ａに平行な方向の断面積が小さくなっている。また、下端の開口部４０ｂの高さは輻射シールド１０の開口部１０ｂと同様であるが、輻射シールド４０は、側面が輻射シールド１０よりも上方に延びており、上端の開口部４０ｃの高さが輻射シールド１０の上端の開口部１０ｃよりも高くなっている。より具体的には、上端の開口部４０ｃと真空チャンバ１の天井面１ｂとの間の距離Ｄ２が、下端の開口部４０ｂと粉末層７との間の距離Ｄ１以下とすることが一例として考えられる。開口部４０ｃと真空チャンバ１の天井１ｂ面との間の距離Ｄ２が小さいほど開口部４０ｃが高くなり、開口部４０ｃの断面積が小さくなるので、距離Ｄ２は、できるだけ小さい方が望ましい。その他については実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

実施の形態４によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、上方ほど断面積が小さくなる台形状の輻射シールドにおいて側面を上方に延ばしたことにより、造形領域形成部側の開口部の高さを低く保ちつつ、造形領域形成部と反対側に設けられた開口部の高さを高くし、造形領域形成部と反対側の開口部の断面積をより小さくした。このため、造形領域から回収する熱輻射の量を維持しつつ、回収された熱輻射が造形領域形成部と反対側の開口部から漏れ出ることを抑制し、より効率的に粉末層の予熱を行うことができる。

実施の形態５．
以下に、実施の形態５を図１０に基づいて説明する。なお、図１から図９と同一又は相当部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。実施の形態５は、輻射シールドの側面を実施の形態４よりもさらに上方に延ばしたものである。図１０は、実施の形態５における三次元造形装置を示す概略図である。三次元造形装置３００において、輻射シールド５０は上端に電子銃２に対向する開口部５０ｃが設けられ、下端に造形領域形成部３に対向する開口部５０ｂが設けられて、電子ビームＥＢ１が通る中空部５０ａが上端から下端に亘って内部に形成されている。輻射シールド５０は、実施の形態１の輻射シールド１０と同様に、側面視において上方ほど、すなわち造形領域形成部３から遠いほど狭くなる台形状をなし、上方ほど床面１ａに平行な方向の断面積が小さくなっている。また、輻射シールド５０の側面は輻射シールド１０よりも上方に延び、上端の開口部５０ｃが真空チャンバ１の天井面１ｂに当接し、開口部５０ｃと天井面１ｂの間の隙間が塞がれている。その他については実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

実施の形態５によれば、実施の形態４と同様の効果を得ることができる。

また、造形領域形成部と反対側に設けられた開口部を真空チャンバの天井面に当接させ、造形領域形成部と反対側に設けられた開口部と天井面との間の隙間を塞いだので、造形領域から回収する熱輻射の量を維持しつつ、回収された熱輻射が造形領域と反対側の開口部から漏れ出ることをより確実に抑制し、さらに効率的に粉末層の予熱を行うことができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１真空チャンバ、１ａ床面、１ｂ天井面、２電子銃、３造形領域形成部、４台座（予熱部材）、７粉末層、１０、１０１、２０、３０、４０、５０輻射シールド、１０ａ、４０ａ、５０ａ中空部、１０ｂ、１０ｃ、１０１ａ、４０ｂ、４０ｃ、５０ｂ、５０ｃ開口部、１１、２１、３１上面、１３、２３第１の側面部、２３Ａ〜２３Ｃ第１の側面構成部材、１４、２４第２の側面部、２４Ａ〜２４Ｃ第２の側面構成部材、３３側面部、３３Ａ〜３３Ｃ側面構成部材、１３１、１４１金属板、１００、２００、３００三次元造形装置、ＥＢ１電子ビーム、ＥＢ２予熱用電子ビーム、Ｈ１熱移動、Ｈ２熱輻射

Claims

粉末層を形成する粉末材料を電子ビームの照射によって選択的に固化させる工程を繰り返すことにより三次元造形物を製造する三次元造形装置であって、
前記粉末材料に電子ビームを照射する電子ビーム照射手段と、
前記電子ビーム照射手段に対向する面に設けられ、前記粉末材料の粉末層が形成される造形領域形成部と、
昇温した状態で前記粉末層に埋め込まれ、熱移動により前記粉末材料を予熱する予熱部材と、
前記造形領域形成部を覆い、前記予熱部材からの熱輻射により昇温するシールド部材とを備え、
前記粉末材料は、前記予熱部材からの熱移動及び昇温した前記シールド部材からの熱輻射により予熱されることを特徴とする三次元造形装置。
前記予熱部材は、前記電子ビーム照射手段が照射する予熱用電子ビームにより昇温することを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。
前記シールド部材は、前記造形領域形成部に近いほど前記造形領域形成部が設けられた面と平行な方向の断面積が大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の三次元造形装置。
前記シールド部材は、前記造形領域形成部の方向に延び、前記シールド部材の上面に対して鋭角をなす側面部を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
前記側面部は、互いに間隔を空けて重ねられた複数枚の板状部材であることを特徴とする請求項４に記載の三次元造形装置。
前記板状部材は、３重に重ねられていることを特徴とする請求項５に記載の三次元造形装置。
前記側面部は、前記造形領域形成部に近いほど前記鋭角の角度が大きいことを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
前記側面部は、前記造形領域形成部に対向する面が放物面であることを特徴とする請求項４から７のいずれか１項に記載の三次元造形装置。
前記シールド部材は、前記造形領域形成部と反対側に設けられた開口部が前記造形領域形成部と対向する面に当接していることを特徴とする請求項４から８のいずれか１項に記載の三次元造形装置。