JP7229977B2 - ３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法。 - 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次元積層造形装置及び３次元積層造形方法に関する。

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（以下、単に「粉末」とも称する）を造形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造形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を製造する、３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

ところで、３次元積層造形の造形条件の適正化に付与する重要なパラメータの１つに、造形物が形成される造形面の温度がある。３次元積層造形のプロセスにおいては、測定された造形面の温度に基づいて、レーザー又は電子ビームの照射時間、強度等が制御されるからである。つまり、造形面の温度は適切に測定される必要がある。

従来、造形面の温度測定は、放射温度計又は熱電対等を用いて行われる。しかしながら、放射温度計を用いて測定を行う場合であって、放射温度計が真空容器の外の大気中に設置される場合、造形面の測定は、真空容器に設けられた、石英ガラス等よりなる透明な窓ガラスを介して行われる。そして、窓ガラスには、造形が進むにつれて、造形中に発生する金属蒸気による金属が蒸着されていく。このような窓ガラスへの金属の蒸着が進んだ場合、窓ガラスの透過率は低下するため、放射温度計による造形面の温度の測定も正確に行えなくなる。

熱電対は、造形プレートの裏面に設置されることが多いが、造形プレートの位置は、造形が進むにつれて造形面から離れていってしまう。したがって、熱電対を用いて造形面の温度を測定する場合、造形面からの距離を考慮して、計算によって造形面の温度を求める必要がある。それゆえ、特に造形プレートの位置が造形面から離れている場合に、測定される造形面の温度の精度は高くなくなってしまう。

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、３次元形状造形物が形成される造形面の温度測定の精度を向上させることにある。

本発明の一態様の３次元積層造形装置は、造形プレートの上に粉末試料が積層されて形成される粉末層の最上層である、造形面から放射される熱電子の量と、造形面の温度と、の対応情報である第１の対応情報を記憶する記憶部と、造形面に対して電子ビームを照射するビーム発生部と、所定のプラス電圧が印加され、造形面から放射される熱電子をトラップするトラップ手段と、トラップ手段がトラップした熱電子を電流として検出することにより、造形面から放射される熱電子を検出する熱電子検出部と、熱電子検出部が検出した熱電子に基づいて、第１の対応情報を参照して、造形面の温度を算出する造形面温度算出部と、を備える。

また、本発明の一態様の３次元積層造形装置は、造形プレートの上に粉末試料が積層されて形成される粉末層の最上層である、造形面から放射される光の量と、造形面の温度との対応情報である第２の対応情報を記憶する記憶部と、粉末層の最上層である造形面に対してビームを照射するビーム発生部と、シンチレータと、シンチレータに電圧が印加されていない状態において、造形面から放射される光を検出して電子に変換する光電子増倍管と、を有する２次電子検出器と、２次電子検出器の出力に基づいて、第２の対応情報を参照して、造形面の温度を算出する造形面温度算出部と、を備える。

また、本発明の一態様の３次元積層造形方法は、記憶部が、造形プレートの上に粉末試料が積層されて形成される粉末層の最上層である造形面から放射される熱電子の量と、造形面の温度との対応情報である第１の対応情報を記憶する手順と、ビーム発生部が、造形面に対して電子ビームを照射する手順と、熱電子検出部が、所定のプラス電圧が印加され、造形面から放射される熱電子をトラップするトラップ手段がトラップした熱電子を電流として検出することにより、造形面から放射される熱電子を検出する手順と、造形面温度算出部が、熱電子検出部が検出した熱電子に基づいて、第１の対応情報を参照して、造形面の温度を算出する手順と、を含む。

さらに、本発明の一態様の３次元積層造形方法は、記憶部が、造形プレートの上に粉末試料が積層されて形成される粉末層の最上層である造形面から放射される光の量と、造形面の温度と、の対応情報である第２の対応情報を記憶する手順と、ビーム発生部が、造形面に対してビームを照射する手順と、シンチレータと光電子増倍管とを備えた２次電子検出器の光電子増倍管が、シンチレータに電圧が印加されていない状態において、造形面から放射される光を検出して電子に変換する手順と、造形面温度算出部が、２次電子検出器の出力に基づいて、第２の対応情報を参照して、造形面の温度を算出する手順と、を含む。

本発明の一態様の３次元積層造形装置、３次元積層造形方法では、金属蒸気による金属蒸着の影響や、造形面との距離が変化することによる影響などを受けることなく、造形面の温度を測定できるようになる。それゆえ、本発明の一態様の３次元積層造形装置、３次元積層造形方法によれば、造形面の温度測定の精度をより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。

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の実施形態に係る熱電子－造形面温度対応情報の構成例を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る直線式の算出例を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る３次元積層造形処理の手順の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る３次元積層造形装置による造形面温度測定処理の手順の例を示すフローチャートである。 本発明の第２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２の実施形態に係る２次電子検出器の構成を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る検量線の例を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る３次元積層造形装置による造形面温度測定処理の手順の例を示すフローチャートである。

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。

＜第１の実施形態＞
［３次元積層造形装置の構成］
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構成について、図１を参照して説明する。図１は、３次元積層造形装置１００の全体構成例を示す概略断面図である。

図１において、３次元積層造形装置１００の粉末台５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。すなわち、図１は、真空容器１のＹ方向に直交する断面を示す断面図である。

図１に示す３次元積層造形装置１００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５０（図３参照）を含む。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１１（粉末試料の一例）が充填された線状漏斗１２（粉末供給部の一例）と、断面が筒状又は角状の造形枠台３が設けられる。造形枠台３の内側の下方にはＺ駆動機構４が設けられ、Ｚ駆動機構４の上面には、金属粉末１１が積層される粉末台５が設けられる。Ｚ駆動機構４が、不図示のラック＆ピニオンやボールねじ等によってＺ方向に駆動されることにより、粉末台５が上下方向に移動する。

造形枠台３と粉末台５との隙間部分には、耐熱性及び柔軟性のあるシール部材であるフレキシブルシール６が設けられる。フレキシブルシール６は、粉末台５と造形枠台３の内周面との間に介在されており、それらの間から金属粉末１１が落ちないように粉末台５と造形枠台３の内周面との間を密閉する。また、フレキシブルシール６は、造形枠台３の内周面に摺動可能に接触している。なお、真空容器１内の雰囲気は図示しない真空ポンプにより排気されており、真空容器１内は真空に維持されている。

粉末台５の上方には、造形物８が形成される台である造形プレート９が、敷き詰められた金属粉末（粉末層）１３によってかさ上げされた状態で配置される。造形プレート９は、電気的に浮いてしまうことを防止する目的で、ＧＮＤ線１０を介して、ＧＮＤ電位である粉末台５に接地されている。

造形時には、金属粉末１１を充填した線状漏斗１２によって、造形枠台３とほぼ同じ高さまで金属粉末１１が敷き詰められる。なお、線状漏斗１２には、図示しない粉末ホッパーより、適宜金属粉末１１が補充される。一層分の仮焼結体１３′の上の造形物８の領域を、電子銃２から放出された電子ビームが２次元的に照射して溶融（本溶融）することにより、一層分の造形物８が形成される。そして、溶融（及び凝固）した金属粉末１１の層が積み重なることにより、３次元の造形物８が構築される。

粉末台５内の粉末層１３における、造形物８以外の領域は、電子銃２から電子ビームが照射されることにより仮焼結された仮焼結体１３′となり、該仮焼結体１３′は導電性を有する。

電子銃２の下面の、電子ビームが通過する領域の側面を覆う位置には、絶縁体１７を介して、金属製の防着カバー１４が取り付けられている。この防着カバー１４が設けられていることにより、造形時に発生する金属蒸気や、ファイヤーワークスによる金属スパッタなどが、真空容器１の内壁に蒸着してしまうことを防ぐことができる。

防着カバー１４の材質には、チタン（Ｔｉ）等の金属や、チタン系の化合物、ステンレス鋼などの合金を適用可能であるが、２次電子の放出の少ない材質であれば、これらに限定されない。防着カバー１４の厚みは０．５ｍｍ程度が好ましいが、これより薄くても厚くてもよい。なお、防着カバー１４の取り付け位置は、電子銃２の下面に限定されない。例えば、電子銃２が真空容器１の上面に取り付けられている場合等には、防着カバー１４も真空容器１の上面に取り付けられてもよい。

防着カバー１４には、真空容器１に取り付けられた電流導入端子１８を介して電圧重畳電流アンプ１９（熱電子検出部、電圧印加部の一例）が接続される。電圧重畳電流アンプ１９は、ＧＮＤ電位に対してプラス数Ｖ以上の電圧を防着カバー１４に印加する。

造形物８又は仮焼結体１３′が電子ビームにより高温で加熱されることにより、造形面から熱電子が放出された場合、該熱電子は、プラスの電位勾配によって防着カバー１４に引き込まれる。そして、電圧重畳電流アンプ１９は、防着カバー１４がトラップした熱電子の変化を、電流として検出する。

電圧重畳電流アンプ１９には、例えば、対数アンプを使用することができる。この場合、電圧重畳電流アンプ１９で５桁以上のダイナミックレンジで測定を行うことが可能となり、約７００°～約１２００°までの温度を換算により算出することができる。また、測定の対象となる温度の範囲に応じて、電圧重畳電流アンプ１９のゲインを変える制御が行われてもよい。このような制御が行われることにより、造形面温度をより正確に測定することが可能となる。

なお、電圧重畳電流アンプ１９による熱電子の測定は、３次元積層造形処理のプロセスにおける、電子銃２が電子ビームを照射していない（ＯＦＦの）タイミングにおいて行う。もしくは、電子ビームをパルスビーム化し、該パルスビームがＯＦＦのタイミングで電圧重畳電流アンプ１９が熱電子を測定してもよい。この場合、電圧重畳電流アンプ１９とし、ロックインアンプを使用し、パルスビームの周波数（パルス周波数）をレファレンス（参照信号）として熱電子を検出することにより、より低い温度の熱電子を検出することができるようになる。

または、３次元積層造形処理における粉末加熱工程や予備加熱工程などの、電子ビームの照射電流が一定である場面においては、電子ビームを照射した状態で電圧重畳電流アンプ１９が熱電子電流を検出してもよい。この場合、造形面温度算出部５８は、電子ビームの照射により発生することが想定される熱電子電流分を、電圧重畳電流アンプ１９で検出される熱電子電流からオフセットして得られる熱電子電流を用いて、造形面温度を算出する必要がある。

［３次元積層造形装置の制御系の構成］
次に、３次元積層造形装置１００の制御系（造形制御装置５０）の構成例について、図２を参照して説明する。図２は、造形制御装置５０の制御系の構成例を示すブロック図である。

図２に示す造形制御装置５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５１、ＲＡＭ（Random Access Memory）５２、ＲＯＭ（Read Only Memory）５３、記憶部５４、Ｚ駆動制御部５５、漏斗駆動制御部５６、電子銃駆動制御部５７、造形面温度算出部５８、及び、表示部５９等を備える。

ＣＰＵ５１は、ＲＯＭ５３等に記憶された造形プログラムを読み出し、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。また、ＣＰＵ５１は、システムバスＢを介して、造形制御装置５０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。

ＲＡＭ５２は、データを一時的に記憶する揮発性の記憶部であり、ＣＰＵ５１が制御を行う際の作業領域として使用される。ＲＯＭ５３には、ＣＰＵ５１が実行する造形プログラムや、造形物８のパラメータ（積層造形データ）等が記憶される。

記憶部５４は、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）又はＳＳＤ（Solid State Drive）等よりなり、熱電子－造形面温度対応情報５４１等を記憶する。熱電子－造形面温度対応情報５４１（第１の対応情報の一例）は、熱電子の量（熱電子電流）と造形面の温度（造形面温度）とを対応付けたものであり、造形面温度算出部５８によって参照される。熱電子－造形面温度対応情報５４１は、例えば、熱電子電流を横軸に、造形面温度を縦軸にとるグラフ等によって示される。熱電子－造形面温度対応情報５４１の詳細については、次の図４を参照して後述する。

Ｚ駆動制御部５５は、ＣＰＵ５１の制御の下、Ｚ駆動機構４（図１参照）の動作を制御する。漏斗駆動制御部５６は、ＣＰＵ５１の制御の下、線状漏斗１２（図１参照）の動作を制御する。電子銃駆動制御部５７は、ＣＰＵ５１の制御の下、電子銃２から出射する電子ビームの照射動作、すなわち、照射のタイミング、照射時間、照射強度、照射位置等を制御する。電子銃駆動制御部５７による電子ビームの照射動作の制御は、造形面温度算出部５８によって算出された造形面温度の情報に基づいて行われる。

造形面温度算出部５８は、電圧重畳電流アンプ１９が検出した熱電子と、造形面の温度との対応情報に基づいて、造形面の温度を算出する。具体的には、造形面温度算出部５８は、熱電子－造形面温度対応情報５４１を参照して、電圧重畳電流アンプ１９が検出した熱電子と予め対応付けられた造形面温度を取得する。

表示部５９は、例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）や、有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示装置等で構成され、表示部５９は、３次元積層造形の設定に関する情報や、エラー、警告等を表示する。

［熱電子－造形面温度対応情報の構成］
次に、図３を参照して、熱電子－造形面温度対応情報５４１の構成について説明する。図３は、熱電子－造形面温度対応情報５４１の構成例を示すグラフである。

図３に示す熱電子－造形面温度対応情報５４１の横軸は熱電子電流（ｎＡ）を示し、縦軸は造形面温度（℃）を示す。熱電子－造形面温度対応情報５４１は、例えば、予め放射温度計や熱電対（いずれも図示略）などで計測しておいた温度Ｔと、電圧重畳電流アンプ１９で検出された熱電子電流Ｉとの関係を測定しておき、下記の式（１）（「温度換算式」の一例）を用いて定数ａ及び定数ｂを求めることにより、生成することができる。

Ｉ＝ａ・Ｔ^２・ｅ^ｈ／Ｔ…式（１）

もしくは、下記の式（２）のように展開した式において、自然対数ｌｎ（Ｉ／Ｔ^２）と１／Ｔとの関係をグラフにプロットし、プロットにより得られた直線式の傾きｂ及び切片ｌｎａに基づいて、定数ａ及び定数ｂを求めてもよい。

ｌｎ（Ｉ／Ｔ^２）＝ｂ・１／Ｔ－ｌｎａ…式（２）

直線式は、最小二乗法等を用いることによって求めることができる。図４は、直線式の算出例を示すグラフである。図４に示すグラフの横軸は“１／Ｔ”を示し、縦軸は電圧重畳電流アンプ１９の検出電圧に関するｌｎ（Ｖ_ＴＥ／Ｔ^２）を示す。図４に示す丸印が付された曲線は、グラフにプロットされた各値をつないだものである。そして、最小二乗法等を用いることにより、図４に破線で示す直線（近似式）を求めることができる。

なお、造形面温度算出部５８は、造形物８の材料や、造形面において造形物８が占める割合などに応じて、上述した温度換算式を変更してもよい。熱電子の放出量は、造形面の表面の状態や、造形物８の材料の仕事関数などによって変化するためである。このような制御を行う場合、熱電子電流と温度との対応情報を、ＳＵＳ３０４等で構成される造形プレート９や、Ｔｉ６４等で構成される仮焼結体１３′、造形物８のそれぞれを対象として測定しておく必要がある。

また、熱電子－造形面温度対応情報５４１は、上述した温度換算式を用いずに、固定的に対応関係を定めておいてもよい。例えば、電子ビームの制御の閾値として必要な温度に対する、熱電子の量を予め算出しておき、その対応関係を、熱電子－造形面温度対応情報５４１として予め記録しておいてもよい。

［３次元積層造形処理］
次に、図５を参照して、本実施形態に係る基本的な３次元積層造形処理について説明する。図５は、３次元積層造形処理の手順の例を示す図である。

３次元積層造形処理では、図５に示すように、スキージ工程、粉末加熱（ＰＨ：Powder Heat）工程、溶融工程、予備加熱工程（ＡＨ：After Heat）が行われる。

スキージ工程の前段階（予備加熱工程の後段階）では、Ｚ駆動制御部５５（図２参照）は、Ｚ駆動機構４（図１参照）を駆動することにより、粉末台５を、造形プレート９の上面が造形枠台３の上面よりもわずかに下がった位置まで下げる。この、わずかに下がった量であるΔＺが、造形物８におけるＺ方向における層厚に相当する。

〈スキージ工程〉
スキージ工程では、漏斗駆動制御部５６（図３参照）は、金属粉末１１を充填した線状漏斗１２を、造形プレート９の上面に沿って反対側の位置まで移動させ、造形プレート９及びその周辺に、ΔＺ分の金属粉末１１を敷き詰める。

〈造形プレート加熱工程〉
次の造形プレート加熱工程では、電子銃駆動制御部５７（図２参照）は、電子銃２を制御して、造形プレート９に対して電子ビームを照射させ、造形プレート９を加熱する。

具体的には、電子銃駆動制御部５７は、電子銃２を制御することにより電子ビームを走査させ、造形プレート９の上面全域より少し狭い領域に電子ビームを照射させる。そして、この後敷き詰める金属粉末１１が仮焼結する程度の温度まで、造形プレート９を予め昇温させる。造形プレート９が昇温すると、造形プレート９の周囲の金属粉末１１（粉末層１３）は、仮焼結されて仮焼結体１３′になる。

この造形プレート加熱工程において、電子銃駆動制御部５７は、所定の時間毎に電子銃２による電子ビームの照射をＯＦＦさせる。そして、電子ビームがＯＦＦされている間に、電圧重畳電流アンプ１９が熱電子を検出し、造形面温度算出部５８が、検出された熱電子の量（熱電子電流）に基づいて、造形面温度を算出する。電子銃駆動制御部５７は、造形面温度算出部５８により算出された造形面温度を、所定の温度まで昇温させるように、電子ビームの照射動作（照射強度や照射時間）などを制御する。これにより、電子ビームによる照射領域にある金属粉末１１を確実に仮焼結させることができる。

〈粉末加熱工程〉
次の粉末加熱（ＰＨ）工程では、漏斗駆動制御部５６（図３参照）は、不図示の粉末ホッパーから、所定の量の金属粉末１１を造形プレート９上に供給させる。

〈粉末加熱工程〉
次の粉末加熱工程では、電子銃駆動制御部５７は、電子銃２を制御することにより、造形プレート９上の仮焼結体１３′の表面に電子ビームを照射させ、仮焼結体１３′の表面を加熱する。この粉末加熱工程においても、造形面温度算出部５８による造形面温度の測定、及び、測定された造形面温度に基づく電子ビームの動作制御が行われる。

〈溶融工程〉
次の溶融工程では、電子銃駆動制御部５７は、電子銃２を制御することにより、造形プレート９上の仮焼結体１３′の表面に対して電子ビームを照射させ、造形プログラムにより表される造形モデルを、１層（ΔＺ）分でスライスした２次元形状領域を溶融（本溶融）する。この溶融工程においても、造形面温度算出部５８による造形面温度の測定、及び、測定された造形面温度に基づく電子ビームの動作制御が行われる。

〈予備加熱工程〉
次の予備加熱（ＡＨ）工程では、電子銃駆動制御部５７は、電子銃２を制御することにより、造形プレート９上の造形物８の表面及び仮焼結体１３′の表面に対して電子ビームを照射させ、造形物８の表面及び仮焼結体１３′の表面を加熱する。この予備加熱工程においても、造形面温度算出部５８による造形面温度の測定、及び、測定された造形面温度に基づく電子ビームの動作制御が行われる。

予備加熱工程の終了後は、次の層（ΔＺ分下がった層）におけるスキージング工程に戻り、以降、スキージ工程、粉末加熱（ＰＨ）工程、溶融工程、予備加熱（ＡＨ）工程を繰り返す。そして、造形物８の最後の層における溶融工程の終了後、３次元積層造形処理は終了となる。その結果、本溶融部分が１層（ΔＺ）ずつ積み重なった造形物８が形成される。

［造形面温度測定処理］
次に、図６を参照して、３次元積層造形処理の粉末加熱工程、溶融工程及び予備加熱工程の各工程で行われる、３次元積層造形装置１００による造形面温度測定処理について説明する。図６は、３次元積層造形装置１００による造形面温度測定処理の手順の例を示すフローチャートである。

まず、３次元積層造形装置１００のＣＰＵ５１（図２参照）は、電圧重畳電流アンプ１９（図１参照）を制御することにより、防着カバー１４にプラス電圧を印加させる（ステップＳ１）。次いで、電圧重畳電流アンプ１９は、防着カバー１４で捕獲された熱電子を検出する（ステップＳ２）。次いで、造形面温度算出部５８は、ステップＳ１で検出された熱電子の量に基づいて、熱電子－造形面温度対応情報５４１を参照して、造形面温度を算出する（ステップＳ３）。ステップＳ３の処理後、３次元積層造形装置１００による造形面温度測定処理は終了する。

上述した実施形態によれば、放射温度計を使用して造形面温度を測定する場合のように、金属蒸気による金属蒸着の影響を受けることなくなる。また、熱電対を用いて造形面温度を測定する場合のように、造形面との距離が変化することによる影響を受けることもなくなる。つまり、放射温度計や熱電対などを用いて測定を行う場合と比較して、造形面温度をより正確に測定することができるため、造形面温度の測定の精度をより向上させることが可能となる。

また、上述した実施形態では、造形時に発生する金属蒸気や、ファイヤーワークスによる金属スパッタなどの、真空容器１の内壁への蒸着を防ぐ目的で設けられた防着カバー１４を利用して、熱電子の量を測定し、該熱電子の量に基づいて造形面温度を算出する。それゆえ、本実施形態によれば、造形面温度の測定用に新たな機器や装置などを設けることなく、コストをかけずに造形面温度を適切に測定できるようになる。

また、上述した実施形態では、造形面温度算出部５８は、造形物８の材料、又は、仮焼結体１３′が電子ビームによって照射されることにより生成される造形物８が造形面に占める割合などに応じて、温度換算式を変更することができる。それゆえ、本実施形態によれば、これらの条件の変化に合わせて、造形面温度をより適切に測定することができる。

また、上述した実施形態では、電圧重畳電流アンプ１９をロックインアンプで構成することにより、パルスビーム化された電子ビームの周波数をレファレンスとして、パルスビームがＯＦＦとなるタイミングで、電圧重畳電流アンプ１９が熱電子を検出することができる。それゆえ、造形プロセスの最中においても、電子ビームを長期間ＯＦＦすることなく、造形面温度を検出することができる。また、ロックインアンプで構成された電圧重畳電流アンプ１９が、造形面温度におけるより低い温度を検出できるようになる。

＜第２の実施形態＞
［３次元積層造形装置の構成］
次に、本発明の第２の実施形態に係る３次元積層造形装置の構成について、図７を参照して説明する。図７は、３次元積層造形装置１００Ａの全体構成例を示す概略断面図である。

図７においても、図１と同様に、３次元積層造形装置１００Ａの粉末台５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７に示す３次元積層造形装置１００Ａの構成が、図１に示した３次元積層造形装置１００の構成と異なっている点は、真空容器１の側面に、２次電子検出器２０が取り付けられている点である。その他の構成については、図１に示した３次元積層造形装置１００の構成と略同一であるため、ここではそれらの説明は省略する。

２次電子検出器２０は、２次電子像観察の目的で３次元積層造形装置１００Ａに設けられているものであり、通常の運用においては、試料としての造形物８から発生する２次電子を検出する。本実施形態では、２次電子検出器２０は、加熱された造形面から発生する光を検出し、検出された光に基づいて、造形面温度算出部５８が造形面温度を算出する。

［２次電子検出器の構成］
次に、図８を参照して、２次電子検出器２０の構成について説明する。図８は、２次電子検出器２０の構成を示す概略図である。

図８に示すように、２次電子検出器２０は、ライトガイド２４及び光電子増倍管（ＰＭＴ：Photomultiplier）２５を備える。ライトガイド２４は、石英ガラス等で構成されるガラスロッドであり、ガラスロッド内を光が伝搬する。ライトガイド２４の先端にはシンチレータ２１が設けられており、シンチレータ２１の表面には蛍光体２２が取り付けられている。蛍光体２２の前方（図の右側）には、電極であるコレクター２３が配置されている。

コレクター２３に数１００Ｖ程度を上限とする電圧をかけることにより、電場が発生し、該電場によって、造形面（造形物８、仮焼結体１３）から放出した２次電子が集められて、２次電子検出器２０に導かれる。２次電子検出器２０に導かれた２次電子は、シンチレータ２１の蛍光体２２に印加された＋１０ｋＶの高電圧によってさらに加速され、シンチレータ２１に衝突して発光する。その光は、ライトガイド２４を伝播して光電子増倍管２５に導かれ、再び電子に変換される。そして、光電子増倍管２５によって変換された電子は、アンプ２６によって増幅されることにより電気信号（検出信号）になる。

本実施形態では、シンチレータ２１に＋１０ｋＶの電圧を印加しない状態で、光電子増倍管２５が光を検出する。シンチレータ２１に電圧を印加しない場合、造形面から放出した２次電子は２次電子検出器２０に引き寄せられないため、蛍光体２２は発光しない。しかし、造形中に造形面から発生する光がライトガイド２４に入った場合には、該光は光電子増倍管２５によって検出される。

造形中、すなわち、電子ビームによる照射が行われている間は、造形面の温度は７００℃（約１０００Ｋ）を超える温度になるため、造形面から放射される光は、赤熱～白熱の状態となる。そして、造形面の温度が高くなるほど、造形面から放射される光は赤外光、可視光等の波長の短い光となる。２次電子検出器２０に使用される光電子増倍管２５は、赤外光波長域の光の感度は低いが、入射する光の波長が短いほど、検出する電気信号の変化は急峻となる、すなわち、感度が高くなる。

したがって、本実施形態では、不図示の放射温度計等を用いて予め造形面温度を測定しておき、シンチレータ２１への電圧の印加がされていない状態における光電子増倍管２５の検出信号と、表面温度との関係を測定しておく。そして、図９に示すような検量線（第２の対応情報の一例）を得ておくことにより、２次電子検出器２０の出力値、すなわち、光電子増倍管２５の検出信号に基づいて、造形面温度を求める。

図９は、検量線の例を示すグラフである。図９に示すグラフの横軸は、造形面温度を示し、縦軸は、２次電子検出器２０の出力（光電子増倍管２５の検出信号）を示す。図９に示すグラフには、造形面温度が高くなるほど、光電子増倍管２５の検出信号の変化も急峻となることが示されている。

なお、本実施形態では、光電子増倍管２５で検出された光の量と、造形面温度との対応情報として検量線を用いる例を挙げたが、本発明はこれに限定されない。光電子増倍管２５で検出された光の量と、造形面温度との対応情報はテーブルによって示されてもよく、温度換算式等によって表されてもよい。

３次元積層造形装置１００Ａの造形制御装置の制御系の構成は、図２に示した構成と略同一であるため、ここでは説明は省略する。図２に示した構成と、第２の実施形態に係る構成との違いは、記憶部５４に記憶される情報が、熱電子－造形面温度対応情報５４１ではなく、検量線である点である。

［造形面温度測定処理］
次に、図１０を参照して、３次元積層造形処理の粉末加熱工程、溶融工程及び予備加熱工程の各工程で行われる、３次元積層造形装置１００による造形面温度測定処理について説明する。図１０は、３次元積層造形装置１００による造形面温度測定処理の手順の例を示すフローチャートである。この造形面温度測定処理も、上述した第１の実施形態と同様に、３次元積層造形処理の粉末加熱工程、溶融工程及び予備加熱工程の各工程で行われる。

まず、シンチレータ２１（図８参照）に電圧が印加されていない状態で、光電子増倍管２５は、造形面から放射される光を検出する（ステップＳ１１）。次いで、造形面温度算出部５８（図２参照）は、２次電子検出器２０の出力値（光電子増倍管２５の検出信号）に基づいて、検量線を用いて、造形面温度を算出する（ステップＳ１２）。

なお、第２の実施形態に係る造形面温度測定処理も、電子ビームがＯＦＦされている間に行われるものとする。もしくは、第１の実施形態と同様に、電子ビームをパルスビーム化し、パルスビームの周波数をレファレンスとして、光電子増倍管２５が、造形面から放出される光を検出してもよい。

上述した第２の実施形態によっても、第１の実施形態によって得られる効果と同様の効果を得ることができる。

なお、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。

また、例えば、電子ビームによる造形面の加熱中に、熱電対等の他の計測手段による造形面温度の測定結果と、検出した熱電子又は光の量に基づく造形面温度の算出結果とを比較し、両値の差が大きい場合に、表示部５９等を介してユーザーに警告を通知してもよい。このような制御を行うことにより、従来の計測手段と、電圧重畳電流アンプ１９又は２次電子検出器２０とのいずれかに異常が発生していた場合にそのことを検知することができるとともに、異常の発生をユーザーに伝えることが可能となる。

また、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。

１…真空容器、２…電子銃、３…造形枠台、４…Ｚ駆動機構、５…粉末台、６…フレキシブルシール、８…造形物、９…造形プレート、１０…ＧＮＤ線、１１…金属粉末、１２…線状漏斗、１３′…仮焼結体、１４…防着カバー、１７…絶縁体、１８…電流導入端子、１９…電圧重畳電流アンプ、２０…２次電子検出器、２１…シンチレータ、２２…蛍光体、２３…コレクター、２４…ライトガイド、２５…光電子増倍管、２６…アンプ、５０…造形制御装置、５５…Ｚ駆動制御部、５６…漏斗駆動制御部、５７…電子銃駆動制御部、５８…造形面温度算出部、５９…表示部、１００、１００Ａ…３次元積層造形装置、５４１…熱電子－造形面温度対応情報

Claims (12)

1. 造形プレートの上に粉末試料が積層されて形成される粉末層の最上層である造形面から放射される熱電子の量と、前記造形面の温度と、の対応情報である第１の対応情報を記憶する記憶部と、
   前記造形面に対して電子ビームを照射するビーム発生部と、
   所定のプラス電圧が印加され、前記造形面から放射される熱電子をトラップするトラップ手段と、
   前記トラップ手段がトラップした前記熱電子を電流として検出することにより、前記造形面から放射される熱電子を検出する熱電子検出部と、
   前記熱電子検出部が検出した前記熱電子に基づいて、前記第１の対応情報を参照して、前記造形面の温度を算出する造形面温度算出部と、を備える
   ３次元積層造形装置。
2. 前記造形面の上方の、前記ビームが通過する領域の側面を覆う位置に設けられ、接地電位から電気的に絶縁された金属製の防着カバーと、
   前記防着カバーに所定のプラス電圧を印加する電圧印加部と、をさらに備え、
   前記熱電子検出部は、前記防着カバーに引き込まれた前記熱電子による電流変化を検出する
   請求項１に記載の３次元積層造形装置。
3. 前記熱電子と前記造形面の温度との対応情報は、前記熱電子検出部が検出した前記熱電子の量を前記造形面の温度に換算する温度換算式を用いて生成される
   請求項１又は２に記載の３次元積層造形装置。
4. 造形面温度算出部は、前記粉末試料が前記ビームによって照射されることにより生成される造形物の材料、又は、前記造形物が前記造形面に占める割合に応じて、前記温度換算式を変更する
   請求項３に記載の３次元積層造形装置。
5. 前記ビーム発生部は、前記ビームをパルスビーム化して照射させ、
   前記熱電子検出部はロックインアンプで構成され、前記ビームのパルスの周波数を参照信号として前記熱電子を検出する
   請求項１～４のいずれか一項に記載の３次元積層造形装置。
6. 前記造形面温度算出部が算出した前記造形面の温度に基づいて、前記ビームの照射動作を制御する電子銃駆動制御部をさらに備える、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の３次元積層造形装置。
7. 造形プレートの上に粉末試料が積層されて形成される粉末層の最上層である造形面から放射される光の量と、前記造形面の温度との対応情報である第２の対応情報を記憶する記憶部と、
   前記粉末層の最上層である造形面に対してビームを照射するビーム発生部と、
   シンチレータと、前記シンチレータに電圧が印加されていない状態において、前記造形面から放射される光を検出して電子に変換する光電子増倍管と、を有する２次電子検出器と、
   前記２次電子検出器の出力に基づいて、前記第２の対応情報を参照して、前記造形面の温度を算出する造形面温度算出部と、を備える
   ３次元積層造形装置。
8. 前記光電子増倍管は、２次電子像観察の目的で３次元積層造形装置に設けられた２次電子検出器において使用される光電子増倍管であり、
   前記光電子増倍管による前記光の検出は、該光電子増倍管を構成するシンチレータに対して電圧が印加されていない状態で行われる
   請求項７に記載の３次元積層造形装置。
9. 前記ビーム発生部は、前記ビームをパルスビーム化して照射させ、
   前記光電子増倍管の後段に設けられたアンプはロックインアンプで構成され、前記２次電子検出器は、前記ビームのパルスの周波数を参照信号として前記光を検出する
   請求項７又は８に記載の３次元積層造形装置。
10. 前記造形面温度算出部が算出した前記造形面の温度に基づいて、前記ビームの照射動作を制御する電子銃駆動制御部をさらに備える、
    請求項７～９のいずれか一項に記載の３次元積層造形装置。
11. 記憶部が、造形プレートの上に粉末試料が積層されて形成される粉末層の最上層である造形面から放射される熱電子の量と、前記造形面の温度との対応情報である第１の対応情報を記憶する手順と、
    ビーム発生部が、前記造形面に対して電子ビームを照射する手順と、
    熱電子検出部が、所定のプラス電圧が印加され、前記造形面から放射される熱電子をトラップするトラップ手段がトラップした前記熱電子を電流として検出することにより、前記造形面から放射される熱電子を検出する手順と、
    造形面温度算出部が、前記熱電子検出部が検出した前記熱電子に基づいて、前記第１の対応情報を参照して、前記造形面の温度を算出する手順と、を含む
    ３次元積層造形方法。
12. 記憶部が、造形プレートの上に粉末試料が積層されて形成される粉末層の最上層である造形面から放射される光の量と、前記造形面の温度と、の対応情報である第２の対応情報を記憶する手順と、
    ビーム発生部が、前記造形面に対してビームを照射する手順と、
    シンチレータと光電子増倍管とを備えた２次電子検出器の前記光電子増倍管が、前記シンチレータに電圧が印加されていない状態において、前記造形面から放射される光を検出して電子に変換する手順と、
    造形面温度算出部が、前記２次電子検出器の出力に基づいて、前記第２の対応情報を参照して、前記造形面の温度を算出する手順と、を含む
    ３次元積層造形方法。

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