JP6868474B2 - ３次元積層造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、粉末試料を薄く敷いた層を一層ずつ重ねて造形する３次元積層造形装置に関する。

近年、ＣＡＤ（Computer-Aided Design）等で生成された設計データに基づいて、物体の断面形状を積層することにより３次元の物体を造形する３次元造形技術が脚光を浴びている。その造形方式には、例えば、光造形法、熱溶解積層法、粉末焼結積層造形法等がある。

粉末焼結積層造形法で造形を行う３次元積層造形装置では、粉末試料をベースプレートの上に薄く敷き詰め、敷き詰められた粉末（以下「粉末層」と称する）の造形したい部分に対して、熱源としてのレーザー又は電子ビームを照射することにより粉末を溶融する。そして、３次元積層造形装置は、造形物の高さ方向にベースプレートを移動させながら上記処理を繰り返すことにより、３次元の物体を造形する。例えば、特許文献１には、粉末材料に光ビームを照射して硬化層を形成し、この硬化層を積み重ねて所望の三次元形状を有する造形物Ｍを製造する、三次元形状造形物の製造方法が開示されている。

特開２００１−１５２２０４号公報

粉末層にビームを照射するプロセスでは、粉末層のＸＹ平面における造形物と粉末（電子ビーム方式の場合は仮焼結体）との境界線を溶融する輪郭溶融と、輪郭溶融によって溶融された境界線の内側を溶融する面溶融とが行われる。輪郭溶融では、造形物の輪郭線上（造形物周上）の複数の照射スポット又はラインが、ビームによって連続的あるいはランダムに走査（スキャン）される。ここで、図１を参照して、輪郭溶融におけるビームのスキャンパターンの例について説明する。図１は、輪郭溶融におけるビームのスキャンパターンの例を示す説明図である。

図１において、実線で示す四角形はベースプレートＢＰを示し、ベースプレートＢＰの内側に形成される太字の破線で示す四角形は、ビームによる走査が行われる加熱エリアＡＲを示す。白丸は、ビームが照射される点（スポット）ＳＰ１〜ＳＰ１６を示し、太字の破線の上に記載した細字の破線の矢印は、ビームがスポット間を移動する場合の移動の軌跡を示す。なお、図１に示す例では、スキャンパターンを分かりやすく示すために、スポット間の距離（ピッチ）を大きくとっているが、実際のスポット間の距離は、図示された間隔よりももっと短い。

図１に示す例では、ビームによるスキャンは、加熱エリアＡＲの左上端にあるスポットＳＰ１を起点として時計回りの方向に向かって行われ、再びスポットＳＰ１に到達する手前で終了する。例えば、スポットＳＰ１にビームが照射されると、スポットＳＰ１に加えられた熱は一定の時間で周囲へ伝導し、周囲の温度が上がる。そして、スポットＳＰ１の照射後に、スポットＳＰ１に隣接するスポットＳＰ２に対しても同じエネルギーでビームが照射されると、スポットＳＰ２におけるビームの入熱エネルギーは、スポットＳＰ１に与えられた入熱エネルギーの影響も受けた大きなものとなる。

このように、互いに近接するスポットに対して時間的に連続してビームが照射される場合、スキャンが進むにつれて、スポットに加わる入熱エネルギーが大きくなってしまう。そして、入熱エネルギーが大きくなりすぎた場合、粉末の溶融が想定以上に進んでしまい、３次元積層造形物の造形の精度が落ちてしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。本発明の目的は、ビームによって与えられる入熱エネルギーが、造形物周上の場所によって偏ってしまうことを防ぐことにある。

本発明の一態様の３次元積層造形装置は、鉛直方向に移動するベースプレートと、そのベースプレートの上面に、粉末試料からなる粉末層を積層する粉末供給部と、ビームを発生するビーム発生部と、３次元構造物のデータに基づいて計画された走査順で、ビーム発生部で発生されたビームがベースプレートに積層された粉末層の各照射ポイントに照射されるよう制御する制御部とを備える。この制御部は、場合の各エリアの長さを所定の値Ｌに設定し、エリアをビームが間欠的に照射する場合にビームが飛ばすエリアの数を所定の値ａに設定し、走査順を、値ａ分だけビームがエリアを飛ばしながら照射できる順番に設定する。

本発明の一態様の３次元積層造形装置では、３次元構造物のデータに基づいて形成される造形物と粉末層との境界線上の各エリアが、ビームによって間欠的に照射される。したがって、本発明の一態様の３次元積層造形装置によれば、ビームによって与えられる入熱エネルギーが、造形物周上の場所によって偏ってしまうことを防ぐことができ、造形物の品質を向上させることができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

従来の３次元積層造形の輪郭溶融におけるビームのスキャンパターンの例を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る３次元積層造形装置の全体構成例を示す概略断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る３次元積層造形装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る電子銃駆動制御部の内部構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る電子ビームの走査順の一例を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る電子ビームの走査順の一例を示す説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る電子ビームの走査順の一例を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態の例について、添付図面を参照しながら説明する。なお、各図において実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

＜１．第１の実施形態＞
まず、本発明の第１の実施形態に係る３次元積層造形装置の全体構成について、図２を参照して説明する。図２は、第１の実施形態に係る３次元積層造形装置２０の全体構成例を示す概略断面図である。図２において、３次元積層造形装置２０のベースプレート９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。

図２に示す３次元積層造形装置２０は、真空容器１、電子銃２（ビーム発生部の一例）及び真空容器１と電気的に接続された後述する造形制御装置３０（図３参照）を有する。電子銃２は、真空容器１の上部に装着される。真空容器１の内部には、金属粉末１０が充填された線状漏斗１１（粉末供給部の一例）、及び、筒状の造形枠台３が設けられる。造形枠台３の中央部には、上端部が開口された略四角柱状のピット４が形成される。ピット４の内部には、四角形の板状の部材で構成されるインナーベース５ａ、及び、インナーベース５ａの下面に接続されるＺ軸部５ｂが設けられる。ピット４の下方には、Ｚ軸部５ｂをＺ方向に駆動する機構であるＺ駆動機構６が設けられる。Ｚ駆動機構６によってＺ軸部５ｂがＺ方向に垂直に駆動されることにより、インナーベース５ａがピット４の内部を上下方向に移動する。Ｚ駆動機構６には、例えば、ラック＆ピニオンやボールねじ等を用いることができる。

インナーベース５ａの側端部には、耐熱性及び柔軟性のあるシール部材７が設けられる。インナーベース５ａのＺ方向での移動は、シール部材７が造形枠台３の内面を滑ることにより実現される。真空容器１内の雰囲気が図示していない真空ポンプにより排気されることで、真空容器１内は真空に維持される。インナーベース５ａの上部には、図中に破線で示す複数本の支柱８によって支えられた状態で、ベースプレート９が設けられる。ベースプレート９は、その上面に金属粉末１０が積層される粉末台であり、インナーベース５ａのＺ方向に移動に伴ってピット４の内部を上下方向に移動する。

３次元積層造形装置２０による造形の開始時には、電子銃２から電子ビームが照射されることにより、ベースプレート９及びその周囲の雰囲気が余熱される。そして、Ｚ駆動機構６によってＺ軸部５ｂが駆動されることにより、ベースプレート９が、造形枠台３の上面よりＺ方向にΔＺ分下がった位置に配置される。そして、金属粉末１０が充填された線状漏斗１１が、造形枠台３の上面（図１の左側）に沿って、ベースプレート９を挟んで反対側にある造形枠台３の上面（図１の右側）に移動する。これにより、金属粉末１０がベースプレート９の上面に敷き詰められ、ベースプレート９上に厚さΔＺ分の粉末層が形成される。

次に、３次元積層造形装置２０の電子銃２は、この粉末層の全面に小さい照射エネルギーの電子ビームを照射し（予備照射）、粉末層を仮焼結させる。これにより、粉末層は、一定の温度（例えば約７３０度）に加熱される。予備照射では、小さな照射エネルギーの電子ビームを、７５μｓの照射時間で照射する。状況に応じて、電子ビームのビームスポットの合焦状態をぼかしたりすることも行われる。

次に、予め準備された、設計データ上の造形物をΔＺ間隔でスライスして得られる造形物の２次元形状の情報（スライスデータ）に従い、ベースプレート９上の粉末層（仮焼結体）の造形物の形成領域に対して、電子ビームが出射される。チタン系の金属粉末１０の融点は、約１６００℃であるため、一例として粉末層の形成領域を電子ビームにより２０００℃まで加熱する処理をする。そして、電子銃２から出射された電子ビームにより、その２次元形状の形成領域にある金属粉末１０が溶融する。このプロセスは、「本溶融」と称される。溶融した金属粉末１０は、材料に応じた所定時間が経過すると凝固する。

この本溶融のプロセスにおいては、まず、造形物の２次元形状（以下、単に「造形物」とも称する）の縁取りをする輪郭溶融が行われる。造形物の縁とは、すなわち、造形物と粉末層（仮焼結体）との境界線である。輪郭溶融の終了後には、縁取りされた造形物の内側を溶融する面溶融が行われる。なお、ここでは輪郭溶融の後に面溶融を行う例を挙げたが、本発明はこれに限定されない。最初に面溶融を行ってから輪郭溶融を行うようにしてもよい。

輪郭溶融及び面溶融が行われ、１層分の金属粉末１０が溶融及び凝固すると、Ｚ駆動機構６によりベースプレート９がΔＺ分下げられる。次に、ΔＺ分の金属粉末１０が、直前に敷き詰められた層（下層）の上に敷き詰められる。そして、上述した輪郭溶融及び面溶融が行われる。この一連の処理を繰り返し、溶融及び凝固した金属粉末１０の層が積み重なることにより、３次元の造形物１２（「３次元構造物」の一例）が構築される。

次に、３次元積層造形装置２０の制御系（造形制御装置３０）の構成例について、図３を参照して説明する。図３は、３次元積層造形装置２０の制御系の構成例を示すブロック図である。

図３に示す３次元積層造形装置２０は、真空容器１と電気的に接続される造形制御装置３０を有する。造形制御装置３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３１、記憶部３２、操作入力部３３、Ｚ駆動制御部３４、漏斗駆動制御部３５、電子銃駆動制御部３６及び通信インターフェース（図３では「通信Ｉ／Ｆ」と表記する）３８を備える。

ＣＰＵ３１（制御部の一例）は、記憶部３２に記憶された造形プログラム（図示略）を読み出し、この造形プログラムに従い、各部の処理及び動作を制御する。ＣＰＵ３１は、システムバス３７を介して、造形制御装置３０を構成する各部と相互にデータを送信及び／又は受信可能に接続される。

記憶部３２は、不図示のＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等よりなる。記憶部３２のＲＯＭには、ＣＰＵ３１が実行する造形プログラムや、造形物１２（図２参照）のパラメータ（積層造形データ３２ａ）等が記憶される。ＲＡＭは、データを一時的に記憶する揮発性の記憶部であり、ＣＰＵ３１が制御を行う際の作業領域として使用される。

Ｚ駆動制御部３４は、ＣＰＵ３１の制御の下、Ｚ駆動機構６（図２参照）の動作を制御する。漏斗駆動制御部３５は、ＣＰＵ３１の制御の下、線状漏斗１１（図２参照）の動作を制御する。電子銃駆動制御部３６（制御部の一例）は、ＣＰＵ３１の制御の下、電子銃２から出射する電子ビームの照射エネルギー及び照射位置を制御する。

通信インターフェース３８は、図示しないＮＩＣ（Network Interface Card）等の通信ネットワークを介して、所定の形式に従った情報の送受信を行なうインターフェースである。通信インターフェース３８には、例えば、シリアルインターフェースが適用される。

次に、図４を参照して、造形制御装置３０の電子銃駆動制御部３６の内部構成について説明する。図４は、電子銃駆動制御部３６の内部構成例を示すブロック図である。電子銃駆動制御部３６は、積層造形データ読み込み部３６１、走査順決定部３６２、駆動信号出力回路３６３及び増幅回路３６４を備える。

積層造形データ読み込み部３６１は、通信インターフェース３８（図３参照）を介して接続された記憶部３２内に格納された積層造形データ３２ａを読み込む。

走査順決定部３６２は、電子銃２が発生する電子ビームの粉末層に対する走査順（照射順）を計画し、決定する。走査順決定部３６２は、造形物と仮焼結体との境界線を所定数のエリアに分割するとともに、走査順として、分割された各エリアが間欠的に照射される順番を設定する。走査順決定部３６２による走査順の設定手法、及び、該走査順に従って行われる電子ビームの走査の例については、後述の図５を参照して詳述する。

駆動信号出力回路３６３は、走査順決定部３６２で設定された走査順に従って、電子銃２に駆動信号を出力する。増幅回路３６４は、駆動信号出力回路３６３から出力された駆動信号を増幅して、電子銃２に供給する。そして、電子銃２において、増幅回路３６４から供給された駆動信号に基づいて電子ビームの偏向処理が行われることにより、電子ビームが、走査順決定部３６２で設定された走査順に従って走査される。

次に、走査順決定部３６２による電子ビームの走査順の設定手法、及び、走査順決定部３６２で設定された走査順に基づく電子ビームの走査の例について説明する。

まず、走査順決定部３６２は、造形物と仮焼結体との境界線（以下、「輪郭溶融の軌跡」と称する）をいくつかのエリアに分ける。エリアの分割数Ａは、下記の式（１）により求めることができる。下記の式（１）において、“Ｂ”は輪郭溶融の軌跡の周回回数を示し、“ｎ”は、輪郭溶融の軌跡の一周あたりの電子ビームの照射回数を示す。

Ａ＝ｎＢ…式（１）

すなわち、走査順決定部３６２は、輪郭溶融の軌跡の周回回数Ｂ（以下、単に「周回回数Ｂ」とも称する）と、輪郭溶融の軌跡の一周あたりの電子ビームによる照射回数ｎ（以下、単に「照射回数ｎ」とも称する）とを乗算した数を、エリアの分割数Ａとする。さらに、走査順決定部３６２は、輪郭溶融の軌跡の一分割（１エリア）分の距離（以下、「最小輪郭溶融距離Ｄ」と称する）を求める。輪郭溶融の軌跡の一周分の距離（以下、「造形物輪郭長」とも称する）を“Ｃ”とした場合、最小輪郭溶融距離Ｄは、下記の式（２）により算出できる。

最小輪郭溶融距離Ｄ＝Ｃ／ｎＢ…式（２）

つまり、走査順決定部３６２は、造形物輪郭長Ｃを、エリアの分割数Ａ（＝ｎＢ）で除算した値を、最小輪郭溶融距離Ｄに設定する。

また、走査順決定部３６２は、１つのエリアが照射されてから次のエリアが照射されるまでの間で飛ばされる（照射されない）エリアの数（以下、「スキップ数」とも称する）を、（周回回数Ｂ−１）の値に設定する。走査順決定部３６２は、エリアのスキップ数の代わりに、照射が終わったエリアから次の照射対象エリアまでのステップ数を算出してもよい。ステップ数は、周回回数Ｂと同数に設定される。

そして、駆動信号出力回路３６３は、輪郭溶融の軌跡を一周する間に電子ビームがｎ回照射され、１回に電子ビームが照射する距離が最小輪郭溶融距離Ｄとなり、一周毎に照射対象のエリアが一つずつずれるように、電子銃２を駆動する。なお、電子ビームによる走査順を規定する上記各パラメータのうちの、周回回数Ｂ及び照射回数ｎには、オペレータ等が、操作入力部３３（図３参照）を介して任意の値を設定することができる。

ここで、図５を参照して、電子ビームによる輪郭溶融の軌跡（造形物１２と仮焼結体との境界線）の走査の例について説明する。図５は、第１の実施の形態に係る電子ビームによる輪郭溶融の軌跡の走査の例を示す説明図である。図５には、輪郭溶融の軌跡の周回回数Ｂに“３”が設定され、輪郭溶融の軌跡の一周あたりの電子ビームによる照射回数ｎに“４”が設定された場合の、電子ビームによる走査の例を示す。図５に示す例では、造形物のＸＹ平面（溶融面）における形状（２次元形状）が円形である。そして、電子ビームによる走査が、照射スポットＳＰ２０を起点として、輪郭溶融の軌跡上を時計回りの方向に行われる。

周回回数Ｂに“３”、照射回数ｎに“４”に設定される場合、エリア分割数Ａは、上記式（１）に基づいて“１２”と算出される。そして、１２個に分割された各エリアは、４回に分けて行われる１周分の照射が３周分終了した時点で、すべて照射される。造形物の軌跡の全長、すなわち造形物輪郭長Ｃは、スライスデータにより決定され、例えば１２０ｍｍであるとする。したがって、最小輪郭溶融距離Ｄは、上記式（２）に基づいて１２０／（４×３）＝１０ｍｍと算出される。

エリアのスキップ数は、（周回回数Ｂ−１）、すなわち“２”に設定される。次の照射対象エリアまでのステップ数として表現する場合には、ステップ数は、周回回数Ｂと同じ値、すなわち“３”となる。

電子ビームによる走査を始点の照射スポットＳＰ２０から開始する場合、走査の１周目においては、走査ＳＣ１、ＳＣ２及びＳＣ３の３回の走査が行われる。１回目の走査ＳＣ１では、始点の照射スポットＳＰ２０を含むエリアＡＲ１が照射される。電子ビームによるエリアＡＲ１の走査は、エリアＡＲ１内の各照射スポットを連続的に照射することにより行う。この照射スポットＳＰ２０からエリアＡＲ１の終点までの長さが、最小輪郭溶融距離Ｄに相当する。なお、図５に示す例では電子ビームによるスキャンパターンを分かりやすく示すために、照射スポット間の距離（ピッチ）を大きくとっているが、実際のスポット間の距離は、図示された間隔よりももっと短い。また、エリアＡＲ１以外のエリアにおいても同様の走査が行われるが、その他の各エリア内の照射スポットの図示は省略する。

２回目の走査ＳＣ２では、エリアＡＲ１から時計回りの方向で２エリア分飛んだ（進んだ）位置にあるエリアＡＲ４が照射される。以降、同様の法則に基づき、３回目の走査ＳＣ３ではエリアＡＲ７が、４回目の走査ＳＣ４ではエリアＡＲ１０が照射される。

電子ビームによる走査の２周目においては、照射を開始するエリアが、走査の１周目の１回目に走査したエリアから走査方向に一分割領域分ずらされる。すなわち、エリアＡＲ１と時計回り方向で隣接するエリアＡＲ２を起点として、電子ビームによる走査が開始される。つまり、２周目においては、１回目（１周目から累計すると５回目）の走査ＳＣ５ではエリアＡＲ２が照射され、続く６回目の走査ＳＣ６では、エリアＡＲ２から時計回りの方向で２エリア分飛んだ位置にあるエリアＡＲ５が照射される。以降、同様の法則に基づき、７回目の走査ＳＣ７ではエリアＡＲ８が、８回目の走査ＳＣ８ではＡＲ１１が照射される。

電子ビームによる走査の３周目においては、照射を開始するエリアが、走査の２周目の１回目に走査したエリアから走査方向に一分割領域分ずらされる。すなわち、エリアＡＲ２と時計回り方向で隣接するエリアＡＲ３を起点として、電子ビームによる走査が開始される。３周目においては、１回目（１周目から累計すると９回目）の走査ＳＣ９ではエリアＡＲ３が、続く１０回目の走査ＳＣ１０ではエリアＡＲ６が照射される。そして、１１回目の走査ＳＣ１１ではエリアＡＲ９が、１２回目の走査ＳＣ１２ではＡＲ１２が照射される。

［第１の実施形態の効果］
上述した第１の実施形態では、造形物と仮焼結体との境界線が所定数のエリアに分割され、分割された各エリアが、電子ビームによって規則正しいルールに従って時間的及び空間的に間欠的に照射される。したがって、上述した第１の実施形態によれば、電子ビームにより与えられる入熱エネルギーが、造形物と仮焼結体との境界線上の場所（エリア）によって偏ってしまうことを防ぐことができる。したがって、溶融によって生成される造形物１２の表面の組成、精度、粗さ等が、造形物１２の周上の場所に関わらず等しくなり、その結果、造形物１２の品質が向上する。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、走査順決定部３６２は、エリアの分割数Ａと、輪郭溶融の軌跡の周回回数Ｂとを、下記に示す第１の条件又は第２の条件を満たす値に設定する。そして、電子ビームによる照射を、“（周回回数Ｂ−１）”の値に設定されるスキップ数でエリアを飛ばしながら（スキップしながら）、周回回数Ｂに設定された周数分だけ行う。

第１の条件は、（１）エリアの分割数Ａ≧周回回数Ｂ以上であり、かつ、（２）エリアの分割数Ａの約数が、周回回数Ｂの約数以外の整数であること、である。第２の条件は、（１）エリアの分割数Ａ≧周回回数Ｂ以上であり、かつ、（２）エリアの分割数Ａが、周回回数Ｂの１を除く約数の倍数以外の整数であること、である。

例えば、エリアの分割数Ａを“１０”とする場合、第１の条件の最初の条件である、「（１）エリアの分割数Ａ≧周回回数Ｂ」を成立させる周回回数Ｂの約数は、“１”，“２”，“３”，“４”，“５”，“６”，“７”，“８”，“９”，“１０”となる。これらの値のうち、第１の条件の２番目の条件である「（２）エリアの分割数Ａの約数が、周回回数Ｂの約数以外の整数であること」を成立させる周回回数Ｂの値は、エリアの分割数Ａの約数である“１”，“２”，“５”，“１０”以外の整数となる。すなわち、“３”，“７”，“９”となる。したがって、エリアの分割数Ａを“１０”に設定した場合には、周回回数Ｂを“３”、“７”又は“９”に設定することができる。

また、例えば、周回回数Ｂを“３”とする場合、第２の条件の２番目の条件である「（２）エリアの分割数Ａが、周回回数Ｂの１を除く約数の倍数以外の整数であること」を成立させるエリアの分割数Ａの値は、Ｂ＝３の１を除く約数の倍数以外の整数となる。“３”の１以外の約数は“３”であり、３の倍数は、“３”，“６”，“９”，“１２”，“１５”…である。これらを除く整数であり、かつ、第２の条件の最初の条件である「（１）エリアの分割数Ａ≧周回回数Ｂ」を成立させる値は、“４”，“５”，“７”，“８”，“１０”，“１１”，“１３”，“１４”…となる。したがって、エリアの分割数Ａには、これらのうちのいずれかの値を設定可能である。

次に、図６を参照して、第２の実施形態に係る、電子ビームによる輪郭溶融の軌跡（造形物１２と仮焼結体との境界線）の走査順の例について説明する。図６は、第２の実施形態２に係る電子ビームによる輪郭溶融の軌跡の走査の例を示す説明図である。図６には、エリアの分割数Ａに“１０”が設定され、周回回数Ｂに“３”が設定された場合の、電子ビームによる走査の例を示す。図６に示す例では、造形物のＸＹ平面における形状が正十角形であり、電子ビームによる走査が、始点の照射スポットＳＰ３０から反時計回りの方向に、造形物と仮焼結体との境界線である輪郭溶融の軌跡上において行われる。エリアのスキップ数は、（周回回数Ｂ−１）である“２”に設定される（次のエリアまでのステップ数は、周回回数Ｂ＝３となる）。

電子ビームによる走査を始点の照射スポットＳＰ３０から開始する場合、走査の１周目の１回目の走査ＳＣ２１では、照射ポイントＳＰ３０を含むエリアＡＲ２１が照射される。そして、２回目の走査ＳＣ２２では、エリアＡＲ２１から反時計回りの方向で２エリア分進んだ（スキップした）位置にあるエリアＡＲ２４が照射される。以降、同様の法則に基づき、３回目の走査ＳＣ２３ではエリアＡＲ２７が、４回目の走査ＳＣ２４ではエリアＡＲ３０が照射される。

電子ビームによる走査の２周目の１回目（１周目から累計すると５回目）の走査ＳＣ２５では、１周目の最後（４回目）の走査で照射されたエリアＡＲ３０から反時計回りの方向に２エリア分進んだ位置にあるエリアＡＲ２３が照射される。続く６回目の走査ＳＣ２６では、エリアＡＲ２３から反時計回りの方向で２エリア分進んだ位置にあるエリアＡＲ２６が照射され、７回目の走査ＳＣ２７では、エリアＡＲ２６から反時計回りの方向で２エリア分進んだ位置にあるエリアＡＲ２９が照射される。

電子ビームによる走査の３周目の１回目（１周目から累計すると８回目）の走査ＳＣ２８では、２周目の最後（７回目）の走査で照射されたエリアＡＲ２９から反時計回りの方向に２エリア分飛んだ位置にあるエリアＡＲ２２が照射される。続く９回目の走査ＳＣ２９では、エリアＡＲ２２から反時計回りの方向で２エリア分飛んだ位置にあるエリアＡＲ２５が照射され、１０回目の走査ＳＣ３０では、エリアＡＲ２５から反時計回りの方向で２エリア分飛んだ位置にあるエリアＡＲ２８が照射される。

つまり、図６に示す例によれば、輪郭溶融の軌跡を構成する各エリアを、２つ飛ばし（スキップ数＝２、もしくはステップ数＝３）で照射する動作が３周分行われることで、輪郭溶融の軌跡を構成するすべてのエリアの照射が完了する。

［第２の実施形態の効果］
上述した第２の実施形態では、造形物と仮焼結体との境界線を分割する場合の分割数（エリアの分割数Ａ）と、造形物と仮焼結体との境界線の一周あたりに行われる電子ビームによる照射数Ａ／Ｂとが、上述の第１の条件又は第２の条件に基づいて設定される。これにより、同一のスキップ数（ステップ数）で、指定のＢ周回って電子ビームが走査することにより、輪郭溶融の軌跡を構成するすべてのエリアが照射される。したがって、第２の実施形態によれば、電子ビームにより与えられる入熱エネルギーの、造形物と仮焼結体との境界線上の場所（エリア）による偏りが、より起こりにくくなる。したがって、溶融によって生成される造形物１２の表面の組成、精度、粗さ等が、造形物１２の場所に関わらず等しくなり、その結果、造形物１２の品質が向上する。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、走査順決定部３６２は、輪郭溶融の軌跡をいくつかのエリアに分ける場合の１エリアの長さＬと、エリアのスキップ数ａとを設定する。そして、電子ビームによる照射を、エリアをスキップ数ａに設定されたエリア数分飛ばしながら行う。その結果、輪郭溶融の軌跡を構成するすべてのエリアに対する照射が完了する前に、電子ビームが始点に戻る場合には、電子ビームによる走査を始点から再び同じ進行方向で開始させることにより、未照射のエリアを照射する。また、１エリアの長さＬに基づいて輪郭溶融の軌跡を分割した結果、長さＬに満たない長さを有する余りのエリアが発生する場合には、余りのエリア以外のエリアの照射が完了した後に、余りのエリアの照射を行う。

ここで、図７を参照して、第３の実施形態において、余りのエリアが発生する場合の、電子ビームによる走査の例を説明する。図７は、余りのエリアが発生する場合の電子ビームによる走査の例を示す説明図である。

図７には、輪郭溶融の軌跡の長さ（造形物輪郭長）Ｃに“１１５（ｍｍ）”が設定され、電子ビームによる走査時に飛ばされるエリアのスキップ数ａに“２”が設定された場合の、電子ビームによる走査の例を示す。図７に示す例では、造形物のＸＹ平面（溶融面）における形状が円形であり、電子ビームによる走査が、始点の照射スポットＳＰ４０から反時計回りの方向に輪郭溶融の軌跡上において行われる。

例えば、造形物輪郭長、すなわち、円形の造形物の円周Ｃが１１５ｍｍであり、１エリアの長さＬに“１０（ｍｍ）”が設定されるとする。この場合、輪郭溶融の軌跡上に、１０ｍｍの長さを有するエリアが１１個生成され、５ｍｍの長さを有するエリアが１つ生成される。

電子ビームによる走査を始点の照射スポットＳＰ４０から開始する場合、走査の１周目の１回目の走査ＳＣ３１では、照射スポットＳＰ４０を含むエリアＡＲ３１が照射される。そして、２回目の走査ＳＣ３２では、反時計回りの方向でエリアＡＲ３１から、スキップ数ａ＝“２”エリア分スキップした（進んだ）位置にあるエリアＡＲ３４が照射される。同様の法則に基づき、３回目の走査ＳＣ３３ではエリアＡＲ３７が、４回目の走査ＳＣ３４ではエリアＡＲ４０が照射される。

電子ビームによる走査の２周目の１回目（１周目から累計すると５回目）の走査ＳＣ３５では、１周目の最後（４回目）の走査で照射されたエリアＡＲ４０から反時計回りの方向に、２エリア＋余りのエリア分進んだ位置にあるエリアＡＲ３２が照射される。続く６回目の走査ＳＣ３６では、エリアＡＲ３２から反時計回りの方向で２エリア分進んだ位置にあるエリアＡＲ３５が照射され、７回目の走査ＳＣ３７では、エリアＡＲ３５から反時計回りの方向で２エリア分進んだ位置にあるエリアＡＲ３８が照射される。そして、８回目の走査ＳＣ３８では、エリアＡＲ３８から反時計回りの方向で２エリア分進んだ位置にあるエリアＡＲ４１が照射される。

電子ビームによる走査の３周目の１回目（１周目から累計すると９回目）の走査ＳＣ３９では、２周目の最後（８回目）の走査で照射されたエリアＡＲ４１から反時計回りの方向に２エリア＋余りのエリア分飛んだ位置にあるエリアＡＲ３３が照射される。続く１０回目の走査ＳＣ４０では、エリアＡＲ３３から反時計回りの方向で２エリア分飛んだ位置にあるエリアＡＲ３６が照射され、１１回目の走査ＳＣ４１では、エリアＡＲ３６から時計回りの方向で２エリア分飛んだ位置にあるエリアＡＲ３９が照射される。

３周目の走査が終了した時点で、余りのエリアＡ４２以外のすべてのエリアの照射が完了したことになる。したがって、最後の走査ＳＣ４２で余りのエリアＡＲ４２の照射が行われる。

上述した第３の実施形態によれば、１エリアの長さＬに基づいてエリアの分割数が求まる。したがって、１エリアの長さＬを造形物の形状に応じた長さとすることで、電子ビームによる入熱エネルギーの場所（エリア）による偏りを、より少なくすることができる。例えば、造形物の形状において、１箇所でも鋭角に尖った箇所がある場合、この箇所が直線的に連続して電子ビームで照射されると、この部分における入熱エネルギーは非常に大きなものとなる。その結果、この箇所の仮焼結体の溶融が必要以上に進んでしまい、この箇所と他の箇所とで、造形物の組成、精度、粗さ等が異なってしまう。

例えば、輪郭溶融の軌跡が成す角度が１８０度から離れるほどに、離れた度合いに応じて１エリアの長さＬを短く設定することで、造形物の特定の箇所において熱だまりが生じてしまうことを防ぐことができる。

なお、上述した第３の実施形態では、１エリアの長さＬに一つの値（１０（ｍｍ））に設定した例を挙げたが、本発明はこれに限定されない。造形物の形状等に基づいて、１エリアの長さＬとして、複数の長さを設定してもよい。例えば、輪郭溶融の軌跡が成す角度が鋭角になる箇所を含むエリアの長さＬには、小さな値を設定し、それ以外のエリアの長さＬには、大きな値を設定してもよい。

また、上述した第３の実施形態では、１エリアの長さＬを設定することにより余りのエリアが発生する場合について述べたが、１エリアの長さＬを、余りのエリアが発生しない長さに設定するようにしてもよい。例えば、造形物の形状に基づいて好ましく設定される長さＬ′が定まるとして、この長さＬ′を超えない範囲内で、かつ、余りのエリアが発生しない長さを、長さＬに設定してもよい。

さらに、上述した各実施形態では、粉末層を電子ビームによって照射して溶融することにより３次元構造物を生成する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。レーザーによって粉末層を照射する方式に本発明を適用してもよい。

さらに、本発明は上述した各実施形態例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。

例えば、上述した実施形態例は本発明を分かりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細且つ具体的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、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることは可能である。また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリやハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、又はＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１…真空容器、２…電子銃、３…造形枠台、４…ピット、５ａ…インナーベース、５ｂ…Ｚ軸部、６…Ｚ駆動機構、７…シール部材、８…支柱、９…ベースプレート、１０…金属粉末、１１…線状漏斗、１２…造形物、２０…３次元積層造形装置、３０…造形制御装置、３１…ＣＰＵ、３２…記憶部、３２ａ…積層造形データ、３３…操作入力部、３４…Ｚ駆動制御部、３５…漏斗駆動制御部、３６…電子銃駆動制御部、３７…システムバス、３８…通信インターフェース、３６１…積層造形データ読み込み部、３６２…走査順決定部、３６３…駆動信号出力回路、３６４…増幅回路

Claims (7)

1. 鉛直方向に移動するベースプレートと、
   前記ベースプレートの上面に、粉末試料からなる粉末層を積層する粉末供給部と、
   ビームを発生するビーム発生部と、
   ３次元構造物のデータに基づいて計画された走査順で、前記ビーム発生部で発生された前記ビームが前記ベースプレートに積層された前記粉末層の各照射スポットに照射されるよう制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記３次元構造物のデータに基づいて形成される造形物と前記粉末層との境界線を複数のエリアに分割する場合の各エリアの長さを所定の値Ｌに設定し、前記エリアを前記ビームが間欠的に照射する場合に前記ビームが飛ばす前記エリアの数を所定の値ａに設定し、前記走査順を、前記値ａ分だけ前記ビームが前記エリアを飛ばしながら照射できる順番に設定する
   ３次元積層造形装置。
2. 前記制御部は、前記ビームが前記値ａ分だけ前記エリアを飛ばしながら照射を行った場合であって、前記境界線を構成するすべてのエリアが照射される前に、前記ビームが前記境界線の始点に戻ってしまう場合には、前記ビームによる照射が行われていない未照射のエリアを前記ビームに照射させる制御を行う
   請求項１に記載の３次元積層造形装置。
3. 前記制御部は、前記分割する各エリアの長さと、前記エリアを前記ビームが間欠的に照射する場合に前記ビームが飛ばす前記エリアの数とを設定する場合であって、前記エリアの長さを満たさない余りのエリアが発生する場合には、前記余りのエリア以外のエリアの前記ビームによる照射の完了後に、前記ビームに前記余りのエリアを照射させる制御を行う
   請求項１に記載の３次元積層造形装置。
4. 前記制御部は、前記分割する各エリアの長さと、前記エリアを前記ビームが間欠的に照射する場合に前記ビームが飛ばす前記エリアの数とを設定する場合に、前記分割する各エリアの長さを、前記エリアの長さを満たさない余りのエリアが発生しない長さに設定する
   請求項１に記載の３次元積層造形装置。
5. 鉛直方向に移動するベースプレートと、
   前記ベースプレートの上面に、粉末試料からなる粉末層を積層する粉末供給部と、
   ビームを発生するビーム発生部と、
   ３次元構造物のデータに基づいて計画された走査順で、前記ビーム発生部で発生された前記ビームが前記ベースプレートに積層された前記粉末層の各照射スポットに照射されるよう制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記３次元構造物のデータに基づいて形成される造形物と前記粉末層との境界線を複数のエリアに分割する場合の前記エリアの分割数を、前記ビームが前記境界線を走査する場合における前記ビームによる前記境界線の周回回数と、前記境界線一周あたりの前記ビームによる照射回数とを乗算して得られる数に設定するとともに、前記走査順を、前記ビームが前記境界線を一周する毎に、前記ビームが照射する前記エリアが一分割領域分ずれる順番に設定し、
   前記境界線の一周分の距離を前記エリアの分割数で除算して得られる値を、１つの前記エリアの距離に設定する
   ３次元積層造形装置。
6. 鉛直方向に移動するベースプレートと、
   前記ベースプレートの上面に、粉末試料からなる粉末層を積層する粉末供給部と、
   ビームを発生するビーム発生部と、
   ３次元構造物のデータに基づいて計画された走査順で、前記ビーム発生部で発生された前記ビームが前記ベースプレートに積層された前記粉末層の各照射スポットに照射されるよう制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記３次元構造物のデータに基づいて形成される造形物と前記粉末層との境界線を複数のエリアに分割する場合の前記エリアの分割数と、前記境界線一周あたりの前記ビームによる前記境界線の周回回数とを、前記分割数に設定される値Ａが前記周回回数に設定される値Ｂ以上となり、かつ、前記値Ａの約数が前記値Ｂの約数以外の整数となる第１の条件、又は、前記値Ａが前記値Ｂ以上となり、かつ、前記値Ａが前記値Ｂの１を除く約数の倍数以外の整数となる第２の条件を満たす値にそれぞれ設定するとともに、前記走査順を、前記ビームが前記境界線を一周する毎に、前記ビームが照射する前記エリアが（値Ｂ−１）ずつずれる順番に設定し、
   前記境界線の一周分の距離を前記エリアの分割数で除算して得られる値を、１つの前記エリアの距離に設定する
   ３次元積層造形装置。
7. 鉛直方向に移動するベースプレートと、
   前記ベースプレートの上面に、粉末試料からなる粉末層を積層する粉末供給部と、
   ビームを発生するビーム発生部と、
   ３次元構造物のデータに基づいて計画された走査順で、前記ビーム発生部で発生された前記ビームが前記ベースプレートに積層された前記粉末層の各照射スポットに照射されるよう制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記３次元構造物のデータに基づいて形成される造形物と前記粉末層との境界線を複数のエリアに分割する場合の各エリアの長さを、前記境界線が形成する角度が１８０度から離れるほど小さな値に設定し、前記エリアを前記ビームが間欠的に照射する場合に前記ビームが飛ばす前記エリアの数を所定の値ａに設定し、前記走査順を、前記値ａ分だけ前記ビームが前記エリアを飛ばしながら照射できる順番に設定する
   ３次元積層造形装置。

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