JP6904429B2

JP6904429B2 - 三次元積層造形物製造装置及び三次元積層造形物製造方法

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Publication number: JP6904429B2
Application number: JP2019550414A
Authority: JP
Inventors: 雅志毛利; 山田　雅人; 雅人山田; 祐輝小末
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Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2021-07-14
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Description

本開示は、三次元積層造形物製造装置及び三次元積層造形物製造方法に関する。

従来、作業テーブル上に原料である粉末を層状に配置して、この粉末層の選択した部分にレーザや電子ビーム等のエネルギを付与して順次溶融し、三次元製品（以下、造形物と称する）を製造する装置がある（例えば特許文献１参照）。このような造形物を製造する装置では、一つの粉末層について、部分的に溶融させ、溶融した粉末が凝固した後に、その上に別の粉末層を形成し、さらに選択した部分を溶融し凝固させて、これを繰り返して造形物を製造する。電子ビームを用いた装置では、金属粉末の飛散を抑えるために粉末を溶融させる前に、粉末に対して予熱を行う必要がある。この予熱により造形物の変形を抑制する効果がある。レーザにおいても製造中の造形物の割れや変形を抑えるために、溶融のためのレーザ熱源とは別に予熱用の付加的な熱源(ヒーター等)を用いて予熱を行う場合がある。

特許第６１５４５４４号公報

粉末を加熱した場合には、加熱された粉末の絶対温度の４乗と周辺の絶対温度の４乗との差に比例した熱エネルギが輻射（放射伝熱）によって放熱される。この輻射による熱を粉末近くに配置した反射面で反射させ粉末を再び温めることでエネルギを回収する技術がある。しかしながら、製造中の加熱により粉末が蒸発すると、この蒸発成分が反射面に付着してしまい反射率が低下する。本開示は、予熱時において輻射熱の反射率の低下を抑制し、輻射熱の回収効率の低下を軽減することが可能な三次元積層造形物製造装置及び三次元積層造形物製造方法を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る三次元積層造形物製造装置は、層状に配置した粉末に部分的にエネルギを付与して、粉末を溶融又は焼結させ、三次元積層造形物を製造する三次元積層造形物製造装置であって、層状に配置された粉末を保持する粉末保持部と、粉末保持部に保持された粉末に対して予熱を行う加熱部と、粉末及び三次元積層造形物の少なくとも一方を含む対象物から放射された輻射熱を粉末保持部側に反射させる反射面を含む反射膜が配置される反射部と、反射膜を移動させて、新たな反射面を反射部に配置する反射面更新部と、を備え、反射面更新部は、反射部に配置される前の反射膜が巻かれた反射膜供給ロールと、反射部に配置された後の前記反射膜を巻き取る反射膜回収ロールと、反射膜回収ロールを駆動する駆動部と、を有する。

本開示によれば、予熱時において輻射熱の反射率の低下を抑制し、輻射熱の回収効率の低下を軽減することができる。

図１は、一実施形態の三次元積層造形物製造装置を示す構成図である。図２は、三次元積層造形物製造装置の真空チャンバ内を拡大して示す断面図である。図３は、コントローラを示すブロック図である。図４は、三次元積層造形物製造方法の手順を示すフローチャートである。

本開示の三次元積層造形物製造装置では、粉末保持部に保持された粉末を予熱することができるので、三次元積層造形物に発生する残留応力を抑制することができる。これにより、残留応力に起因する変形及び割れの発生を低減することができる。三次元積層造形物製造装置では、予熱時において、粉末及び三次元積層造形物の少なくとも一方を含む対象物から放射される輻射熱を反射膜によって反射させることができるので、予熱時における熱損失を低減できる。三次元積層造形物製造装置では、反射膜を移動させて新たな反射面を配置することができるので、反射面の汚れによる反射率の低下が抑制される。この結果、三次元積層造形物製造装置では、輻射熱の回収効率の低下を軽減することができる。

また、本開示の一態様に係る三次元積層造形物製造装置では、反射面更新部、反射膜供給ロール、反射膜回収ロール及び駆動部を備えることにより、反射膜が配置されるスペースを削減することができる。

いくつかの態様において、粉末保持部を収容するチャンバを備え、チャンバ内に、反射部及び反射面更新部が収容されている構成でもよい。これにより、反射面を更新する際に、チャンバを開放する作業及び復旧する作業の必要がなくなる。そのため、チャンバ内の環境を維持したまま、反射面を更新することができ、作業効率の低下を抑制することができる。例えば、真空チャンバ内の真空環境を維持したまま反射面を更新することができる。不活性ガスを保持するチャンバ内の不活性ガス雰囲気を維持したまま反射面を更新することができる。

いくつかの態様において、反射面更新部は、反射部に対して、粉末保持部とは反対側から、粉末保持部側へ、反射膜を移動させてもよい。粉末保持部に近い方が、粉末保持部から遠い方と比較して、蒸発成分が付着しやすく、反射面が汚れやすい。この反射面更新部によれば、比較的汚れていない部分を、汚れやすい方に移動させるようにすることができ、比較的汚れている部分を、先に反射部から除外することができる。

いくつかの態様において、反射膜の移動を案内すると共に、反射膜の移動に伴って回転するガイドローラを備えていてもよい。これにより、反射膜の移動経路を適切に配置することができる。いくつかの態様において、ガイドローラを変位させるガイドローラ移動機構を備えていてもよい。これにより、ガイドローラを変位させて、必要に応じて、反射膜の配置を変更することができる。

いくつかの態様において、ガイドローラ移動機構は、加熱部による予熱を行う際に、ガイドローラを粉末保持部側に接近させるように移動させ、粉末保持部に粉末を供給する際に、ガイドローラを粉末保持部から離間させるように移動させてもよい。これにより、予熱時において、反射面を粉末保持部に接近して配置することで、輻射熱の回収効率を向上させることができる。ガイドローラを粉末保持部から離間させることで、粉末を供給する際に、ガイドローラ及び反射膜が邪魔にならない。

いくつかの態様において、三次元積層造形物製造装置は、反射面の汚れを検知する汚れセンサと、汚れセンサによる検知結果に基づいて、反射膜の移動時期を設定する更新時期設定部と、を備えていてもよい。これにより、反射面の汚れての程度に応じて、適切な時期に反射面を更新することができるので、反射率の低下を確実に抑制することができる。

いくつかの態様において、反射面は、第１反射面と、粉末保持部に保持された粉末の表面に対して、第１反射面よりも遠い位置に配置された第２反射面とを含み、粉末の表面に対する第１反射面の傾斜角は、粉末の表面に対する第２反射面の傾斜角よりも小さくてもよい。これにより、第２反射面による反射効率を向上させることができる。粉末保持部に保持された粉末の表面とは、粉末保持部に保持された粉末を含む粉末層の表面である。

本開示の一態様に係る三次元積層造形物製造方法は、層状に配置した粉末に部分的にエネルギを付与して、粉末を溶融又は焼結させ、三次元積層造形物を製造する三次元積層造形物製造方法であって、粉末が溶融又は焼結される前に、粉末保持部に保持された粉末を予熱する予熱工程と、粉末及び三次元積層造形物の少なくとも一方を含む対象物から放射された輻射熱を反射面により粉末保持部側に反射させる反射工程と、反射面を有する反射膜を反射膜回収ロールにより巻き取り、新たな反射膜を反射膜供給ロールから繰り出して、反射面を更新する反射面更新工程と、を含む。

本開示の三次元積層造形物製造方法では、粉末保持部に保持された粉末を予熱するので、三次元積層造形物に発生する残留応力を抑制することができる。これにより、残留応力に起因する変形及び割れの発生を低減することができる。三次元積層造形物製造方法では、予熱時において、粉末及び三次元積層造形物の少なくとも一方を含む対象物から放射される輻射熱を反射させるので、予熱時における熱損失を低減できる。三次元積層造形物製造方法では、新たな反射面に更新することができるので、反射面の汚れによる反射率の低下が抑制される。この結果、三次元積層造形物製造装置では、輻射熱の回収効率の低下を軽減することができる。

以下、本開示の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示される三次元積層造形物製造装置（以下「製造装置」という）１は、いわゆる３Ｄプリンタである。製造装置１は、層状に配置した金属粉末（導電体粉末）２に部分的にエネルギを付与して、金属粉末２を溶融又は焼結して凝固させる。製造装置１は、これを複数回繰り返して三次元部品（三次元積層造形物）３を製造する。三次元部品３は、例えば機械部品などであり、その他の構造物であってもよい。金属粉末としては例えばチタン系金属粉末、インコネル（登録商標）粉末（ニッケル基合金粉末）、アルミニウム粉末、ステンレス粉末等が挙げられる。導電体粉末は、金属粉末に限定されず、例えばＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）など、炭素繊維と樹脂を含む粉末やセラミックス粉末でもよく、その他の導電性を有する粉末でもよい。

製造装置１は、真空チャンバ４、作業テーブル（粉末保持部）５、昇降装置６、粉末供給装置７、電子線照射装置（ビーム照射部、熱源照射装置）８及びコントローラ３１を備える。真空チャンバ４は、内部を真空（低圧）状態とする容器であり、図示しない真空ポンプが接続されている。作業テーブル５は、例えば板状を成し、三次元部品３の原料である金属粉末２が配置される保持部である。作業テーブル５上の金属粉末２は例えば層状に複数回に分けて配置される。作業テーブル５は、平面視において、例えば矩形状を成している。作業テーブル５の形状は、矩形に限定されず、円形でもよく、その他の形状でもよい。作業テーブル５は、真空チャンバ４内において、例えば底部で下方に窪む凹部であるビルドタンク１０内に配置されている。ビルドタンク１０内において、作業テーブル５は、Ｚ方向（上下方向）に移動可能であり、金属粉末２の層数に応じて順次降下する。ビルドタンク１０の側壁１０ａは、作業テーブル５の移動を案内する。側壁１０ａは、作業テーブル５の外形に対応するように角筒状（作業テーブルが円形の場合は円筒状）を成している。ビルドタンク１０の側壁１０ａ及び作業テーブル５は、金属粉末２及び造形された三次元部品３を収容する収容部を形成する。作業テーブル５はビルドタンク１０の内側でＺ方向に移動可能である。

昇降装置６は、作業テーブル５、ビルドタンク１０内の溶けていない金属粉末２、及び製造途中の三次元部品３を昇降させるものである。昇降装置６は、例えばラックアンドピニオン方式の駆動機構を含み、作業テーブル５をＺ方向に移動させる。昇降装置６は、作業テーブル５の底面に連結されて下方に伸びる棒状の上下方向部材（ラック）６ａと、この上下方向部材６ａを駆動するための駆動源６ｂと、を含む。駆動源６ｂとしては、例えば電動モータを用いることができる。電動モータの出力軸にはピニオンが設けられ、上下方向部材６ａの側面にはピニオンと噛み合う歯形が設けられている。電動モータが駆動され、ピニオンが回転して動力が伝達されて、上下方向部材６ａが上下方向に移動する。電動モータの回転を停止することで、上下方向部材６ａが位置決めされて、作業テーブル５のＺ方向の位置が決まり、その位置が保持される。なお、昇降装置６は、ラックアンドピニオン方式の駆動機構に限定されず、例えば、ボールねじ、シリンダなどその他の駆動機構を備えるものでもよい。

粉末供給装置７は、金属粉末２を貯留する貯留部である原料タンク１１と、金属粉末２を均す粉末塗布機構１２とを備える。原料タンク１１及び粉末塗布機構１２は、真空チャンバ４内に配置されている。原料タンク１１は、Ｚ方向において作業テーブル５より上方に配置されている。原料タンク１１は、例えば、Ｚ方向と交差するＹ方向において、作業テーブル５の両側に配置されている。作業テーブル５の下方には、ビルドタンク１０の側壁１０ａの上端部から側方に延びる張出板１３が設けられている。張出板１３は、作業テーブル５の周囲において、Ｚ方向に交差する平面を形成している。原料タンク１１に貯留されている金属粉末２は、原料タンク１１から流出して張出板１３上に堆積する。

粉末塗布機構１２は、作業テーブル５及び張出板１３の上方で、Ｙ方向に移動可能であり、張出板１３上に堆積する金属粉末２を作業テーブル５上に掻き寄せると共に、作業テーブル５上の金属粉末２の積層物の最上層の表面（上面）２ａを均す。粉末塗布機構１２の下端部は、金属粉末２の積層物の表面２ａに当接して高さを均一にする。粉末塗布機構１２は、例えば板状を成し、Ｘ方向に所定の幅を有する。Ｘ方向は、Ｚ方向及びＹ方向に交差する方向である。粉末塗布機構１２のＸ方向の長さは、例えば作業テーブル５のＸ方向の全長に対応している。製造装置１は、粉末塗布機構１２に替えて、ローラー部、棒状部材、刷毛部などを備える構成でもよい。

電子線照射装置８は、エネルギービームとしての電子ビーム（電子線）を照射する電子銃（不図示）を含む。図２では、出射された電子ビームが通過する領域Ｄを２点鎖線で示している。電子銃から出射された電子ビームは、真空チャンバ４内に照射されて、金属粉末２を加熱する。電子線照射装置８は、金属粉末２を溶融させる際の溶融用加熱部として機能すると共に、金属粉末２を溶融させる前に、金属粉末２を予熱する予熱用加熱部として機能する。電子線照射装置８は、金属粉末２を焼結させる際の焼結用加熱部として機能する共に、金属粉末２を焼結させる前に、金属粉末２を予熱する予熱用加熱部として機能するものでもよい。電子線照射装置８は、電子ビームの照射を制御するコイル部を含む。コイル部は、例えば収差コイル、フォーカスコイル及び偏向コイルを備える。収差コイルは、電子銃から出射される電子ビームの周囲に設置され、電子ビームを収束させる。フォーカスコイルは、電子銃から出射される電子ビームの周囲に設置され、電子ビームのフォーカス位置のずれを補正する。偏向コイルは、電子銃から出射される電子ビームの周囲に設置され、電子ビームの照射位置を調整する。偏向コイルは、電磁的なビーム偏向を行うため、機械的なビーム偏向と比べて、電子ビームの照射時における走査速度を高速なものとすることができる。電子銃及びコイル部は、真空チャンバ４の上部に配置されている。電子銃から出射された電子ビームは、コイル部によって、収束され、焦点位置が補正され、走査速度が制御され、金属粉末２の照射位置に到達する。

ここで、製造装置１は、加熱された金属粉末２から放射する輻射熱を回収する輻射熱回収ユニット２０を備える。輻射熱回収ユニット２０は、反射部２１及び反射面更新部２２を備える。反射部２１及び反射面更新部２２は、真空チャンバ４内に配置されている。反射部２１には、反射面２１ａ，２１ｂを含む反射膜２３が配置される。反射面２１ａ，２１ｂは、金属粉末２から放射された輻射熱を金属粉末２（作業テーブル５側）に反射させる。反射部２１は、平面視において、作業テーブル５の周囲に配置されている。反射部２１は、作業テーブル５を中心として、４方向に配置されている。反射部２１は、例えば、Ｘ方向に対向して配置されていると共に、Ｙ方向に対向して配置されている。反射部２１は、電子ビーム（エネルギービーム）が通過する領域を避ける位置に配置されている。

Ｘ方向から見た場合、Ｙ方向に対向する反射面２１ａ，２１ｂは、Ｚ方向に延在する軸線Ｌ１に対して傾斜している。軸線Ｌ１は、例えば作業テーブル５の中心を通る仮想の直線とする。反射面２１ａの上端は、反射面２１ａの下端よりも軸線Ｌ１に近い位置に配置されている。反射面２１ｂの上端は、反射面２１ｂの下端よりも軸線Ｌ１に近い位置に配置されている。反射部２１において、反射面２１ａ，２１ｂは、Ｚ方向に隣接している。反射面（第１反射面）２１ａは、反射面（第２反射面）２１ｂより下方に配置されている。反射面２１ａは、反射面２１ｂよりも作業テーブル５に近い位置に配置されている。反射面２１ａ，２１ｂは、軸線Ｌ１に対して異なる角度で傾斜している。換言すると、反射面２１ａ，２１ｂは、金属粉末２の表面２ａに対して異なる角度で傾斜している。表面２ａは、例えばＸ方向及びＹ方向に沿う面であり、Ｚ方向に直交する面である。表面２ａに対する反射面２１ａの傾斜角は、表面２ａに対する反射面２１ｂの傾斜角よりも小さい。反射面２１ａ，２１ｂは、反射面２１ａ，２１ｂに直交する方向から見た場合に、例えば矩形を成すように形成されている。反射面は、反射面２１ａのみでもよく、反射面２１ｂのみでもよい。

反射面更新部２２は、反射膜２３を移動させて、新たな反射面２１ａ，２１ｂを反射部２１に配置する。反射面更新部２２は、反射膜供給ロール２４、反射膜回収ロール２５及び駆動部２６を備える。反射膜供給ロール２４には、反射部２１に配置される前の反射膜２３が巻かれている。反射膜供給ロール２４は、回転軸線回りに回転して、反射膜２３を繰り出す。反射膜回収ロール２５は、反射部２１に配置された後の反射膜２３を巻き取る。反射膜回収ロール２５は、駆動部２６から回転駆動力が伝達されて、回転軸線回りに回転する。駆動部２６は、例えば電動モータであり、コントローラ３１から出力された指令信号にしたがって作動する。

反射面更新部２２は、反射膜２３の移動を案内する複数のガイドローラ２７，２８，２９を備える。ガイドローラ２７，２８，２９は、反射膜２３に張力を付与する。反射膜２３はガイドローラ２７，２８，２９の外周面に当接する。ガイドローラ２７，２８，２９は、反射膜２３の移動に伴って回転する。反射膜供給ロール２４側から順に、ガイドローラ２７〜２９が配置されている。

ガイドローラ２７は、Ｚ方向において、作業テーブル５に対して、反射膜供給ロール２４よりも近い位置に配置されている。ガイドローラ２７は、Ｙ方向において、軸線Ｌ１に対して、反射膜供給ロール２４よりも近い位置に配置されている。ガイドローラ２８は、Ｚ方向において、作業テーブル５に対して、ガイドローラ２７よりも近い位置に配置されている。ガイドローラ２８は、Ｙ方向において、軸線Ｌ１に対して、ガイドローラ２７よりも遠い位置に配置されている。

ガイドローラ２９は、Ｚ方向において、作業テーブル５に対して、ガイドローラ２８よりも近い位置に配置されている。ガイドローラ２９は、Ｙ方向において、軸線Ｌ１に対して、ガイドローラ２８よりも遠い位置に配置されている。ガイドローラ２９は、Ｚ方向において、作業テーブル５に対して、反射膜回収ロール２５よりも近い位置に配置されている。ガイドローラ２９は、Ｙ方向において、軸線Ｌ１に対して反射膜回収ロール２５よりも近い位置に配置されている。

ガイドローラ２７〜２９の外周面は、反射膜２３の裏面に当接する。反射膜２３の表面は、反射面２１ａ、２１ｂを構成する面である。反射膜供給ロール２４から繰り出された反射膜２３は、ガイドローラ２７〜２９に当接して、適宜、屈曲される。反射膜２３は、反射膜回収ロール２５に巻き取られる。反射膜２３が通過する経路のうち、ガイドローラ２７とガイドローラ２８との間に配置された反射膜２３の部分が、反射面２１ｂを構成する。反射膜２３が通過する経路のうち、ガイドローラ２８とガイドローラ２９との間に配置された反射膜２３の部分が、反射面２１ａを構成する。

反射面更新部２２は、ガイドローラ２９を変位させるガイドローラ移動機構４１を備える。ガイドローラ移動機構４１は、ガイドローラ２９をＺ方向に移動することができる。ガイドローラ移動機構４１は、金属粉末２を予熱する際に、ガイドローラ２９を作業テーブル５に接近させるように移動する。ガイドローラ移動機構４１は、粉末塗布機構１２よって作業テーブル５に金属粉末２を供給する際に、ガイドローラ２９を作業テーブル５から離間させるように移動する。換言すれば、金属粉末２を作業テーブル５に供給する際には、ガイドローラ２９が上方に退避しているので、粉末塗布機構１２の移動の邪魔にならない。

ガイドローラ移動機構４１は、ガイドローラ２９を回転可能に支持する一対の軸受部（不図示）をＸ方向に移動させる。これにより、ガイドローラ移動機構４１は、ガイドローラ２９を移動させる。ガイドローラ移動機構４１は、例えば、一対の軸受部の移動を案内するガイドレールと、軸受部を駆動する駆動部とを含む。ガイドローラ移動機構は、ガイドレールに代えて、軸受部の移動を案内する溝部などその他のガイド部を備える構成でもよい。ガードローラ移動機構の駆動部は、例えば、電動モータ、ボールねじ等を含んでもよい。

製造装置１は、遮熱板４５を備える。遮熱板４５は、金属粉末２からの輻射熱を遮蔽する。複数の遮熱板４５は、例えば、筒体を成すように配置されている。遮熱板４５は、Ｘ方向及びＹ方向に対向するように配置されている。遮熱板４５によって構成された筒体の軸線Ｌ１に交差する断面は、例えば矩形状を成している。遮熱板４５は、電子ビームが照射される領域の外側に配置されている。遮熱板４５による筒体の開口面積は、Ｚ方向において、作業テーブル５に向かう程大きくなっている。筒体の下端部の開口は、平面視において、作業テーブル５の外側に配置されている。遮熱板４５としては、例えばステンレス鋼を用いることができる。遮熱板４５は、真空チャンバ４に対して固定されている。遮熱板４５は、例えば原料タンク１１への輻射熱の影響を軽減する。

遮熱板４５は、第１遮熱板４６及び第２遮熱板４７を含む。第１遮熱板４６は、Ｚ方向において、第２遮熱板４７よりも作業テーブル５に近い位置に配置されている。Ｚ方向において、第１遮熱板４６の下端と、張出板１３との間には、粉末塗布機構１２の塗布部（刷毛部）が移動可能な空間が形成されている。第１遮熱板４６及び第２遮熱板４７は、軸線Ｌ１に対して異なる角度で傾斜している。ＸＹ面に対する第１遮熱板４６の傾斜角は、ＸＹ面に対する第２遮熱板４７の傾斜角より小さい。遮熱板４５は、図示の例では、反射膜２３の背面側に、反射膜２３に沿って配置されている。反射膜２３は、遮熱板４５の表面に沿って移動することが可能である。

反射膜供給ロール２４は、Ｙ方向において、軸線Ｌ１に対して第１遮熱板４６の背面側に配置されている。第２遮熱板４７には、反射膜２３を通過させる開口部が設けられている。ガイドローラ２７の外周面の一部は、第１遮熱板４６よりも軸線Ｌ１側に露出するように配置されていてもよい。ガイドローラ２８の外周面の一部は、例えば、第２遮熱板４７と第１遮熱板４６との間の隙間に配置されている。ガイドローラ２８の外周面の一部は、軸線Ｌ１側に露出している。反射膜回収ロール２５及び駆動部２６は、Ｙ方向において、軸線Ｌ１に対して第１遮熱板４６の背面側に配置されている。

反射面更新部２２は、反射面２１ａ，２１ｂの汚れを検知する汚れセンサ４２を含む（図３参照）。反射膜２３には、例えば、光を透過可能な透明部が形成されている。汚れセンサ４２は、例えば受光素子を備えている。受光素子は、反射膜２３の裏面側で、透明部に対応する位置に配置されている。汚れセンサ４２は、反射膜２３の透明部を透過した光を検知する。これにより、汚れセンサは、汚れを検知する。反射膜２３に、例えば金属粉末２の蒸発成分が付着して、反射率が低下する場合には、透明部を透過する光が減衰する。

図３に示されるコントローラ３１は、製造装置１の装置全体の制御を司る制御部である。コントローラ３１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、およびＲＡＭ(Random Access Memory)等のハードウェアと、ＲＯＭに記憶されたプログラム等のソフトウェアとから構成されたコンピュータである。コントローラ３１は、入力信号回路、出力信号回路、電源回路などを含む。コントローラ３１は、演算部３２、汚れ判定部３３、反射面更新制御部（反射面更新時期設定部）３４、ガイドローラ変位制御部３５及び記憶部３６を含む。コントローラ３１は、電子線照射装置８、汚れセンサ４２、駆動部２６、ガイドローラ移動機構４１及び昇降装置６と電気的に接続されている。

演算部３２は、電子線照射装置８に指令信号を送信して、電子ビームの照射時期の制御、照射位置等の制御（照射制御）を行う。演算部３２は、予熱時における電子ビームの照射制御を行う。演算部３２は、金属粉末２を溶融又は焼結させる際の電子ビームの照射制御を行う。演算部３２は、粉末塗布機構の動作時期等の制御を行う。演算部３２は、昇降装置６を制御する。これにより演算部３２は、作業テーブル５の動作制御を行う。

汚れ判定部３３は、汚れセンサ４２で検知された情報に基づいて、反射面２１ａ，２１ｂの汚れ具合について判定する。この汚れ具合に基づいて、輻射熱の反射率の低下の程度を判定することもできる。反射面２１ａ，２１ｂの汚れ具合の判定は、判定閾値を用いて行うことができる。判定閾値は、例えば過去の実績値及び実験データ等に基づいて設定することができる。判定閾値は例えば記憶部３６に記憶されている。

反射面更新制御部３４は、反射面２１ａ，２１ｂの汚れ具合に基づいて、反射面２１ａ，２１ｂの更新時期を決定することができる。汚れ判定部３３は、汚れセンサ４２による検知結果に基づいて、反射膜２３の移動時期を設定する更新設定部として機能する。反射面更新制御部３４は、駆動部２６に指令信号を送信する。反射面更新制御部３４は、反射膜回収ロール２５の回転時期及び回転量を制御する。これにより、反射面更新制御部３４は、反射膜２３の移動を制御する。反射面２１ａ，２１ｂを更新する際の反射膜２３の移動量は、反射面２１ａ，２１ｂを全て更新させるように設定されてもよい。反射面２１ａ，２１ｂを更新する際の反射膜２３の移動量は、反射面２１ａ，２１ｂを部分的に更新させるように設定されてもよい。例えば、反射面２１ａの長さに対応する移動量でもよい。反射膜２３の移動量は、例えば、駆動部である電動モータの出力軸の回転角度に基づいて設定することができる。

反射面更新制御部３４は、例えば、一定の経過時間ごとに、定期的に反射膜２３を移動させてもよい。反射面更新制御部３４は、例えば、予熱を開始する前に、定期的に反射膜２３を移動させてもよい。反射面更新制御部３４は、例えば予熱時において、連続的に反射膜２３を移動させてもよい。

ガイドローラ変位制御部３５は、ガイドローラ移動機構４１を制御する。ガイドローラ変位制御部３５は、ガイドローラ２９をＺ方向に移動させる。ガイドローラ変位制御部３５は、予熱時において、ガイドローラ２９を下方（第１位置Ｐ１）に配置する。ガイドローラ変位制御部３５は、金属粉末２の作業テーブル５への供給時において、ガイドローラ２９を上方（第２位置Ｐ２）に配置する。ガイドローラ変位制御部３５は、粉末塗布機構１２による供給動作前に、ガイドローラ２９を上方に移動させる。ガイドローラ２９は、第２位置Ｐ２に配置される。ガイドローラ変位制御部３５は、粉末塗布機構１２による供給動作後であり、予熱開始前にガイドローラ２９を降下させる。ガイドローラ２９は、第１位置Ｐ１に配置される。これにより、反射面２１ａの傾斜角を変更することができる。

次に、三次元部品の製造方法（三次元積層造形物製造方法）について説明する。図４は、三次元部品の製造方法の手順を示すフローチャートである。三次元部品３の製造方法は、例えば製造装置１を用いて実行される。

まず、原料タンク１１から金属粉末２を排出する。排出された金属粉末２は、張出板１３上に堆積している。コントローラ３１は、粉末塗布機構１２を駆動する。粉末塗布機構１２は、金属粉末２を作業テーブル５上に供給し、金属粉末２の堆積物の表面２ａを均す（ステップＳ１）。このとき、ガイドローラ２９は、上方の第２位置Ｐ２に配置されている。そのため、粉末塗布機構１２が移動する領域が確保されている。

次に、ガイドローラ変位制御部３５は、ガイドローラ移動機構４１を制御して、ガイドローラ２９を降下させる（ステップＳ２）。これにより、ガイドローラ２９が第１位置Ｐ１に配置される。次に、コントローラ３１は、電子線照射装置８を制御する。電子線照射装置８は、電子ビームを照射して、作業テーブル５上の金属粉末２を予熱する（ステップＳ３；予熱工程）。予熱温度は、金属粉末２の材質によって決定される。予熱温度は、例えば７００℃以上、１３００℃以下である。

この予熱において、高温となった金属粉末２から放射された輻射熱は、反射面２１ａ，２１ｂに反射されるので、金属粉末２が加熱される（反射工程）。輻射熱の一部は、反射面２１ａで反射されて、金属粉末２を加熱する。輻射熱の一部は、反射面２１ｂで反射されて、金属粉末２を加熱する。輻射熱の一部は、反射面２１ｂで反射された後、対向する反射面２１ｂで反射されて、金属粉末２を加熱する。これにより、金属粉末２から放射された輻射熱を回収することができる。

次に、汚れ判定部３３は、汚れセンサ４２によって検知されたデータに基づいて、反射面２１ａ，２１ｂの汚れ具合を判定する（ステップＳ４）。汚れ判定部３３は、例えば反射膜２３を透過する光の透過量が判定閾値以下である場合に、反射面２１ａ，２１ｂが汚れていると判定する（ステップＳ４；ＹＥＳ）。汚れ判定部３３は、反射膜２３を透過する光の透過量が判定閾値を超える場合に、反射面２１ａ，２１ｂは汚れていないと判定する（ステップＳ４；ＮＯ）。

反射面２１ａ，２１ｂが汚れている場合には、ステップＳ５に進み、反射膜２３の巻き取り工程を行う（反射面更新工程）。ここでは、反射面更新制御部３４は、駆動部２６を制御する。駆動部２６は、反射膜回収ロール２５を回転させて、反射膜２３を移動させる。これにより、反射膜２３のうち汚れている部分は、反射膜回収ロール２５に巻き取られる。反射膜２３の新たな部分が反射膜供給ロール２４から繰り出されて、反射部２１に供給される。反射膜２３の新たな部分が、新たな反射面２１ａ，２１ｂとして機能する。

次に、演算部３２は、予熱が終了したか否かを判定する（ステップＳ６）。演算部３２は、例えば、設定された予熱時間を経過しているか否かを判定する。予熱時間を経過していない場合には（ステップＳ６；ＮＯ）、ステップＳ４に戻る。この場合には、予熱時間が継続するまで、ステップＳ４〜Ｓ６を繰り返し、予熱を継続する。予熱時間を経過した場合には（ステップＳ６；ＹＥＳ）、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、作業テーブル５上の金属粉末２に電子ビームを照射して、金属粉末２を溶融する溶融工程を行う。コントローラ３１は、電子線照射装置８を制御して、電子ビームを照射させる。溶融温度は、金属粉末２の材質によって異なり、例えば２０００℃程度の場合もある。コントローラ３１は、電子線照射装置８を制御する。コントローラ３１は、電子ビームの照射位置を制御し、電子ビームの走査速度を制御する。電子ビームが照射されて溶融した部分は、その後凝固して三次元部品３の一部を構成する。ステップＳ７において、作業テーブル５上の金属粉末２に電子ビームを照射して、金属粉末２を焼結する焼結工程を行ってもよい。

続く、ステップＳ８では、三次元部品３の造形が全層分終了しているか否かを判定する。演算部３２は、例えば設計通りの層分について造形が終了しているか否を判定する。全層分の造形が終了して、三次元部品３が完成している場合には（ステップＳ８；ＹＥＳ）、三次元部品３の製造を完了する。三次元部品３の造形が終了していない場合には（ステップＳ８；ＮＯ）、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９では、ガイドローラ変位制御部３５は、ガイドローラ移動機構４１を制御して、ガイドローラ２９を上昇させる。これにより、ガイドローラ２９が第２位置Ｐ２に退避する。コントローラ３１は、昇降装置６を制御して作業テーブル５を降下させる。新たな金属粉末２が積層される領域が確保される。ステップＳ９の終了後、ステップＳ１が実行される。このステップＳ１では、金属粉末２を作業テーブル５上に新たに供給して、金属粉末２を均す工程を行う。三次元部品の製造方法では、以下、ステップＳ２からステップＳ８を繰り返す。三次元部品の製造方法では、三次元部品３の全層について造形を行い、三次元部品３の製造を完了する。

本開示の製造装置１では、作業テーブル５に保持された金属粉末２を予熱するので、三次元部品３に発生する残留応力を抑制することができる。これにより、三次元部品３において、残留応力に起因する変形及び割れの発生を低減することができる。製造装置１では、予熱時において、金属粉末２から放射される輻射熱を反射膜２３の反射面２１ａ，２１ｂによって反射させるので、予熱時における熱損失を低減できる。製造装置１では、反射膜２３を移動させて新たな反射面２１ａ，２１ｂを配置することができるので、反射面２１ａ，２１ｂが汚れて反射率が低下することを抑制できる。その結果、製造装置１によれば、輻射熱の回収効率の低下を軽減することができる。

製造装置１では、反射膜供給ロール２４及び反射膜回収ロール２５を備えているので、使用前の反射膜２３及び使用後の反射膜２３が配置されるスペースを削減することができる。これにより、反射膜供給ロール２４及び反射膜回収ロール２５を、真空チャンバ４内の収容することができる。製造装置１では、反射膜供給ロール２４、反射膜回収ロール２５及び駆動部２６が、真空チャンバ４内に収容されているので、反射面２１ａ，２１ｂを更新する際に、真空チャンバ４を開放する作業及び復旧する作業の必要がない。そのため、真空チャンバ４内の真空環境を維持したまま、反射面２１ａ，２１ｂを更新することができる。その結果、製造装置１では、作業効率の低下を抑制することができる。製造装置１では、連続運転を継続することができ、生産効率の低下を抑制できる。

輻射熱の回収効率が低い場合は同じ熱源の容量に対して、造形面積が制限されるため、造形できる寸法に制約が生じてしまう。使用する熱源からの投入熱量と造形物のエネルギ散逸（輻射エネルギと熱伝導によるエネルギ）が釣り合っていなければならないため、輻射エネルギの回収効率が低い場合、造形できる大きさが制約されてしまう。製造装置１では、輻射熱の回収効率の低下を軽減することができるので、同じ熱源の容量であっても、従来と比較してより大きな三次元部品を製造することができる。

製造装置１では、反射膜２３を上方から下方へ、作業テーブル５側に近づけるように移動するので、比較的汚れていない反射膜２３の部分を、汚れやすい方に移動させることができる。製造装置１では、比較的汚れている反射膜２３の部分を、先に反射部２１から除外することができる。

製造装置１は、複数のガイドローラ２７，２８，２９を備えているので、反射膜２３を適切に張架して、反射膜２３の移動経路を設定することができる。これにより、製造装置１では、反射面２１ａ，２１ｂの傾斜角を維持することができる。その結果、輻射熱を作業テーブル５上の金属粉末２により確実に反射させることができる。

製造装置１は、ガイドローラ２９を変位させるガイドローラ移動機構４１を備えている。ガイドローラ移動機構４１は、予熱時において、ガイドローラ２９を作業テーブル５に接近させることができる。ガイドローラ移動機構４１は、金属粉末２の供給時において、ガイドローラ２９を作業テーブル５から離間するように移動させることができる。これにより、予熱時において、反射面２１ａの傾斜角を適切なものとして、輻射熱の回収効率を向上させることができる。金属粉末２の供給時において、粉末塗布機構１２の動作の妨げとならない位置に、ガイドローラ２９及び反射膜２３を退避させることができる。

製造装置１は、反射面２１ａ，２１ｂの汚れを検知する汚れセンサ４２を備えている。製造装置１は、反射面２１ａ，２１ｂの汚れの程度に応じて、反射面２１ａ，２１ｂの更新時期を設定することができる。製造装置１では、反射率の低下を確実に抑制することができる。

製造装置１では、反射面２１ａ，２１ｂを備え、金属粉末２の表面２ａに近い方の反射面２１ａが、表面２ａから遠い方の反射面２１ｂよりも、表面２ａに対する傾斜角が小さくなっている。そのため、反射面２１ａによる反射率を向上させることができる。

本開示は、前述した実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。

上記の実施形態では、電子ビームを照射して予熱を行っているが、予熱を行う加熱部として、例えばヒータなどその他の加熱部を使用してもよい。ヒータとしては、例えば輻射熱（放射熱）によって加熱するランプヒータを用いてもよい。ヒータは、粉末床（ビルドタンク１０内の粉末）を粉末床の上方から加熱する構成には限定されず、ビルドタンク１０の側方または下方から加熱する構成であってもよい。製造装置１では、例えば、ビルドタンク１０の側壁外側または作業テーブル５に、誘導加熱式又は抵抗加熱式のヒータが設けられていてもよい。製造装置１では、そのヒータを用いて粉末を予熱してもよい。

上記の実施形態では、電子ビームを照射して、粉末を溶融又は焼結しているが、粉末に照射されるビームは、電子ビームに限定されず、その他のエネルギービーム（例えばレーザ）でもよい。三次元積層造形物製造装置は、例えば、レーザ発信器（熱源照射装置）を備え、レーザビームを照射して、粉末を溶融又は焼結するものでもよい。レーザビームを照射する製造装置は、真空チャンバ４に代えて、不活性ガス雰囲気を保持するためのチャンバを備えてもよい。レーザビームを照射する熱源照射装置は、粉末を溶融させる際の溶融用加熱部として機能する。この場合の熱源照射装置は、例えば、レーザビームを偏光させるミラー及びミラーを動かすための駆動部や集光レンズ等の光学部品を含む構成としてもよい。この熱源照射装置は、粉末を焼結させる際の焼結用加熱部として機能するものでもよい。

粉末は導電性を有していない粉末でもよい。例えば、製造装置１が粉末に対してレーザなど電荷を持たないエネルギを付与する構成である場合には、導電性を有していない粉末でもよい。

加熱部は、粉末及び三次元積層造形物の少なくとも一方を含む対象物を加熱するものでもよい。反射部は、粉末から放射された輻射熱を反射させるものでもよい。反射部は、三次元積層造形物から放射された輻射熱を反射させるものでもよい。反射部は、粉末及び三次元積層造形物から放射された輻射熱を反射させるものでもよい。

上記の実施形態では、反射部２１を例えば４箇所に配置しているが、反射部２１は、１箇所でもよく、２箇所以上に配置されていてもよい。反射膜２３の移動方向は、作業テーブル５から離れるように移動する方向でもよい。反射膜２３は、例えば軸線Ｌ１回りに周回移動するものでもよい。反射面２１ａ，２１ｂは、例えば平面を成すものでもよく、湾曲面を成すものでもよい。

上記の実施形態では、反射膜供給ロール及び反射膜回収ロールが、真空チャンバ４内に配置されている場合について、説明している。反射膜供給ロール及び反射膜回収ロールは、チャンバ外に配置されていてもよい。

反射膜２３は、連続的に移動するものでもよく、定期的に移動するものでもよい。反射面２１ａ，２１ｂの全面を一度に更新してもよく、部分的に更新してもよい。ガイドローラ２９は、変位しなくてもよい。

上記の実施形態では、粉末塗布機構をＹ方向に移動させて、粉末の積層物（粉末層）の表面２ａを均しているが、粉末塗布機構をＸ−Ｙ面内のその他方向に移動させて、粉末層の表面２ａを均してもよい。製造装置は、円周方向に粉末塗布機構を移動させてもよい。製造装置は、平面視において、粉末塗布機構に対して作業テーブルを含む造形タンクを相対的に移動させて表面２ａを均してもよい。造形タンクは、例えばＸ方向に往復運動する構成でもよく、その他の方向に移動可能な構成でもよい。造形タンクは、Ｚ方向に延在する仮想線を中心として回転移動可能な構成でもよい。例えば、製造装置は、平面視において円形の保持部（作業テーブル）を備え、Ｚ方向に延在する仮想線（保持部の中央部）を中心として保持部及び粉末層を回転移動させながら、粉末の塗布及びビーム照射を順次行う構成でもよい。

１製造装置（三次元積層造形物製造装置）
２金属粉末（粉末、対象物）
３三次元部品（三次元積層造形物、対象物）
４真空チャンバ
５作業テーブル（粉末保持部）
８電子線照射装置（加熱部）
２１反射部
２１ａ反射面（第１反射面）
２１ｂ反射面（第２反射面）
２２反射面更新部
２３反射膜
２４反射膜供給ロール
２５反射膜回収ロール
２６駆動部
２９ガイドローラ
３４反射面更新制御部（更新時期設定部）
４２汚れセンサ

Claims

層状に配置した粉末に部分的にエネルギを付与して、前記粉末を溶融又は焼結させ、三次元積層造形物を製造する三次元積層造形物製造装置であって、
層状に配置された前記粉末を保持する粉末保持部と、
前記粉末保持部に保持された前記粉末に対して予熱を行う加熱部と、
前記粉末及び前記三次元積層造形物の少なくとも一方を含む対象物から放射された輻射熱を前記粉末保持部側に反射させる反射面を含む反射膜が配置される反射部と、
前記反射膜を移動させて、新たな反射面を前記反射部に配置する反射面更新部と、を備え、
前記反射面更新部は、
前記反射部に配置される前の前記反射膜が巻かれた反射膜供給ロールと、
前記反射部に配置された後の前記反射膜を巻き取る反射膜回収ロールと、
前記反射膜回収ロールを駆動する駆動部と、を有する、
三次元積層造形物製造装置。
前記粉末保持部を収容するチャンバを備え、
前記チャンバ内に、前記反射部及び前記反射面更新部が収容されている請求項１に記載の三次元積層造形物製造装置。
前記反射面更新部は、前記反射部に対して、前記粉末保持部とは反対側から、前記粉末保持部側へ、前記反射膜を移動させる請求項１又は２に記載の三次元積層造形物製造装置。
前記反射膜の移動を案内すると共に、前記反射膜の移動に伴って回転するガイドローラを備える請求項１〜３の何れか一項に記載の三次元積層造形物製造装置。
前記ガイドローラを変位させるガイドローラ移動機構を備える請求項４に記載の三次元積層造形物製造装置。
前記ガイドローラ移動機構は、前記加熱部による予熱を行う際に、前記ガイドローラを前記粉末保持部側に接近させるように移動させ、前記粉末保持部に前記粉末を供給する際に、前記ガイドローラを前記粉末保持部から離間させるように移動させる請求項５に記載の三次元積層造形物製造装置。
前記反射面の汚れを検知する汚れセンサと、
前記汚れセンサによる検知結果に基づいて、前記反射膜の移動時期を設定する更新時期設定部と、を備える請求項１〜６の何れか一項に記載の三次元積層造形物製造装置。
前記反射面は、第１反射面と、前記粉末保持部に保持された前記粉末の表面に対して、前記第１反射面よりも遠い位置に配置された第２反射面とを含み、
前記粉末の前記表面に対する前記第１反射面の傾斜角は、前記粉末の前記表面に対する前記第２反射面の傾斜角よりも小さい請求項１〜７の何れか一項に記載の三次元積層造形物製造装置。
層状に配置した粉末に部分的にエネルギを付与して、前記粉末を溶融又は焼結させ、三次元積層造形物を製造する三次元積層造形物製造方法であって、
前記粉末が溶融又は焼結される前に、粉末保持部に保持された前記粉末を予熱する予熱工程と、
前記粉末及び前記三次元積層造形物の少なくとも一方を含む対象物から放射された輻射熱を反射面により前記粉末保持部側に反射させる反射工程と、
前記反射面を有する反射膜を反射膜回収ロールにより巻き取り、新たな前記反射膜を反射膜供給ロールから繰り出して、前記反射面を更新する反射面更新工程と、
を含む三次元積層造形物製造方法。