JP7346476B2 - 三次元積層造形装置および三次元積層造形方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元積層造形装置および三次元積層造形方法に関する。

近年、造形プレート上に層状に敷き詰められた粉末材料にビームを照射して粉末材料を溶融および凝固させるとともに、凝固させた層を造形プレートの移動により順に積み上げて三次元の造形物を形成する三次元積層造形装置が知られている。この種の三次元積層造形装置は、たとえば特許文献１に記載されている。

特開２０１５－１９３１３５号公報

特許文献１に記載された三次元積層造形装置では、粉末材料としての金属粉末に電子ビームを照射した場合に、個々の粉末粒子が帯電し、粉末同士がクーロン斥力によって煙状に飛散（以下、「粉末飛散」という。）する現象が発生することがある。この現象はスモークとも呼ばれる。金属粉末を本焼結（溶融および凝固）させる前の予備加熱工程で粉末飛散が発生すると、金属粉末の積層状態に乱れが生じる。そして、大規模な粉末飛散が発生すると、造形作業を続けることが難しくなる。

また、何らかの手段または方法によって粉末飛散の発生を小規模に抑えた場合は、造形作業を継続することができる。ただし、小規模の粉末飛散であっても、粉末層の状態を確認せずに造形作業を継続すると、造形物に欠陥が生じることがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、粉末飛散の発生を検出し、粉末飛散によって造形物に欠陥が生じることを抑制することができる技術を提供することにある。

本発明に係る三次元積層造形装置は、造形プレートと、造形プレートを上下方向に移動させるプレート移動装置と、造形プレート上に粉末材料を塗布して粉末層を形成する粉末塗布装置と、造形プレートまたは粉末層に電子ビームを照射するビーム照射装置と、粉末塗布装置およびビーム照射装置を制御することにより、粉末塗布工程、パウダーヒート工程、本焼結工程およびアフターヒート工程を経て１層分の造形物を形成するとともに、プレート移動装置を制御して前記１層分の造形物を積層して三次元の造形物を造形する制御部と、粉末層の造形面を撮影して粉末層の画像を生成するカメラと、粉末塗布工程の後で、且つ、パウダーヒート工程の前にカメラによって撮影された粉末層の画像である画像Ａ、および、パウダーヒート工程の後で、且つ、本焼結工程の前にカメラによって撮影された粉末層の画像である画像Ｂを、それぞれ微分画像に変換するとともに、画像Ａの微分画像と画像Ｂの微分画像との相関係数を閾値と比較することにより、パウダーヒート工程における粉末飛散の有無を判断する判断部と、を備える。

本発明に係る三次元積層造形方法は、造形プレート上に粉末材料を塗布して粉末層を形成する粉末塗布工程と、粉末塗布工程の後に、造形プレート上の粉末層を予備加熱するパウダーヒート工程と、パウダーヒート工程の後に、粉末層を形成している粉末材料を本焼結させる本焼結工程と、本焼結工程の後に、次の層の粉末を敷き詰めるための準備として造形プレート上の粉末層を予備加熱するアフターヒート工程と、粉末塗布工程の後で、且つ、パウダーヒート工程の前にカメラによって撮影された粉末層の画像である画像Ａ、および、パウダーヒート工程の後で、且つ、本焼結工程の前にカメラによって撮影された粉末層の画像である画像Ｂを、それぞれ微分画像に変換するとともに、画像Ａの微分画像と画像Ｂの微分画像との相関係数を閾値と比較することにより、パウダーヒート工程における粉末飛散の有無を判断する判断工程と、を含む。

本発明によれば、粉末飛散の発生を検出し、粉末飛散によって造形物に欠陥が生じることを抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の構成を概略的に示す側面図である。 本発明の第１実施形態に係る三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実施形態に係る三次元積層造形装置の基本的な処理動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の特徴的な処理動作の手順を示すフローチャートである。 第１画像、第２画像および第３画像を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る三次元積層造形装置の特徴的な処理動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る三次元積層造形装置の特徴的な処理動作の手順を示すフローチャートである。 真空チャンバーの内部で電子ビームの進路が粉末粒子の雲によって遮られる様子を示す図である。 照明光源とカメラの設置状態を示す概略側面図である。 粉末飛散の有無による第３画像の違いを説明する図である。 本発明の第４実施形態に係る三次元積層造形装置の特徴的な処理動作の手順を示すフローチャートである。 本発明の第５実施形態に係る三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５実施形態に係る三次元積層造形装置の特徴的な処理動作の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本明細書および図面において、実質的に同一の機能または構成を有する要素については、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の構成を概略的に示す側面図である。以降の説明では、三次元積層造形装置の各部の形状や位置関係などを明確にするために、図１の左右方向をＸ方向、図１の奥行き方向をＹ方向、図１の上下方向をＺ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、互いに直交する方向である。また、Ｘ方向およびＹ方向は水平方向に平行な方向であり、Ｚ方向は鉛直方向に平行な方向である。

図１に示すように、三次元積層造形装置１０は、真空チャンバー１２と、ビーム照射装置１４と、粉末塗布装置１６と、造形テーブル１８と、造形ボックス２０と、回収ボックス２１と、造形プレート２２と、インナーベース２４と、プレート移動装置２６と、輻射シールドカバー２８と、マスクカバー３０と、カメラ４２と、シャッター４４と、を備えている。

真空チャンバー１２は、図示しない真空ポンプによってチャンバー内の空気を排気することにより、真空状態を作り出すためのチャンバーである。

ビーム照射装置１４は、造形プレート２２または粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射する装置である。粉末層３２ａは、造形プレート２２に金属粉末３２を塗布することによって形成される層である。粉末層３２ａの状態は、三次元積層造形の工程が進むに従って変化する。ビーム照射装置１４は、図示はしないが、電子ビーム１５の発生源となる電子銃と、電子銃が発生した電子ビームを集束させる集束レンズと、集束レンズで集束させた電子ビーム１５を偏向する偏向レンズと、を有している。集束レンズは集束コイルを用いて構成され、集束コイルが発生する磁界によって電子ビーム１５を集束させる。偏向レンズは偏向コイルを用いて構成され、偏向コイルが発生する磁界によって電子ビーム１５を偏向する。

粉末塗布装置１６は、造形物３８の原材料となる粉末材料の一例として、金属粉末３２を造形プレート２２上に塗布して粉末層３２ａを形成する装置である。粉末塗布装置１６は、ホッパー１６ａと、粉末投下器１６ｂと、スキージ１６ｃとを有している。ホッパー１６ａは、金属粉末を貯蔵するための容器である。粉末投下器１６ｂは、ホッパー１６ａに貯蔵されている金属粉末を造形テーブル１８上に投下する機器である。スキージ１６ｃは、Ｙ方向に長い長尺状の部材であり、粉末敷き詰め用のブレード１６ｄを有している。スキージ１６ｃは、粉末投下器１６ｂによって投下された金属粉末を造形テーブル１８上に敷き詰める。スキージ１６ｃは、造形テーブル１８の全面に金属粉末を敷き詰めるために、Ｘ方向に移動可能に設けられている。

造形テーブル１８は、真空チャンバー１２の内部に水平に配置されている。造形テーブル１８は、粉末塗布装置１６よりも下方に配置されている。造形テーブル１８の中央部は開口している。造形テーブル１８の開口形状は、平面視円形または平面視角形（たとえば、平面視四角形）である。

造形ボックス２０は、造形用の空間を形成するボックスである。造形ボックス２０の上端部は、造形テーブル１８の開口縁に接続されている。造形ボックス２０の下端部は、真空チャンバー１２の底壁に接続されている。

回収ボックス２１は、粉末塗布装置１６によって造形テーブル１８上に供給された金属粉末３２のうち、必要以上に供給された金属粉末３２を回収するボックスである。

造形プレート２２は、金属粉末３２を用いて造形物３８を形成するためのプレートである。造形物３８は、造形プレート２２上に積層して形成される。造形プレート２２は、造形テーブル１８の開口形状に合わせて平面視円形または平面視角形に形成される。造形プレート２２は、電気的に浮いた状態とならないよう、アース線３４によってインナーベース２４に接続（接地）されている。インナーベース２４は、ＧＮＤ（グランド）電位に保持されている。造形プレート２２およびインナーベース２４の上には金属粉末３２が敷き詰められる。

インナーベース２４は、上下方向（Ｚ方向）に移動可能に設けられている。造形プレート２２は、インナーベース２４と一体に上下方向に移動する。インナーベース２４は、造形プレート２２よりも大きな外形寸法を有する。インナーベース２４は、造形ボックス２０の内側面に沿って上下方向に摺動する。インナーベース２４の外周部にはシール部材３６が取り付けられている。シール部材３６は、インナーベース２４の外周部と造形ボックス２０の内側面との間で、摺動性および密閉性を保持する部材である。シール部材３６は、耐熱性および弾力性を有する材料によって構成される。

プレート移動装置２６は、造形プレート２２およびインナーベース２４を上下方向に移動させる装置である。プレート移動装置２６は、シャフト２６ａと、駆動機構部２６ｂとを備えている。シャフト２６ａは、インナーベース２４の下面に接続されている。駆動機構部２６ｂは、図示しないモータと動力伝達機構とを備え、モータを駆動源として動力伝達機構を駆動することにより、造形プレート２２およびインナーベース２４をシャフト２６ａと一体に上下方向に移動させる。動力伝達機構は、たとえば、ラックアンドピニオン機構、ボールネジ機構などによって構成される。

輻射シールドカバー２８は、Ｚ方向において、造形プレート２２とビーム照射装置１４との間に配置されている。輻射シールドカバー２８は、ステンレス鋼などの金属によって構成される。輻射シールドカバー２８は、ビーム照射装置１４によって金属粉末３２に電子ビーム１５を照射した際に発生する輻射熱をシールドする。金属粉末３２を本焼結させるために金属粉末３２に電子ビーム１５を照射すると金属粉末３２が溶融するが、このとき粉末層３２ａの造形面３２ｂから放射される熱、すなわち輻射熱が真空チャンバー１２内に広く拡散すると熱効率が悪くなる。これに対し、造形プレート２２の上方に輻射シールドカバー２８を配置した場合は、造形面３２ｂから放射される熱が輻射シールドカバー２８によってシールドされるとともに、シールドされた熱が輻射シールドカバー２８により反射されて造形プレート２２側に戻される。このため、電子ビーム１５の照射によって発生する熱を効率良く利用することができる。造形面３２ｂは、粉末層３２ａの上面に相当する。

また、輻射シールドカバー２８は、金属粉末３２に電子ビーム１５を照射した際に発生する蒸発物質が真空チャンバー１２の内壁に付着（蒸着）することを抑制する機能を果たす。金属粉末３２に電子ビーム１５を照射すると、溶融した金属の一部が霧状の蒸発物質となって造形面３２ｂから立ち昇る。輻射シールドカバー２８は、この蒸発物質が真空チャンバー１２内に拡散しないよう、造形面３２ｂの上方空間を覆うように配置されている。

マスクカバー３０は、開口部３０ａおよびマスク部３０ｂを有する。マスクカバー３０は、造形物３８を形成するにあたって、金属粉末３２の上面、すなわち造形面３２ｂに被せて配置される。その際、開口部３０ａは、造形プレート２２上に敷き詰められる金属粉末３２を露出させ、マスク部３０ｂは、開口部３０ａよりも外側に位置する金属粉末３２を遮蔽する。開口部３０ａの形状は、造形プレート２２の形状にあわせて設定される。たとえば、造形プレート２２が平面視円形であれば、これにあわせて開口部３０ａの平面視形状は円形に設定され、造形プレート２２が平面視角形であれば、これにあわせて開口部３０ａの平面視形状は角形に設定される。

マスクカバー３０は、輻射シールドカバー２８の下方に配置されている。マスクカバー３０の開口部３０ａおよびマスク部３０ｂは、Ｚ方向において、造形プレート２２と輻射シールドカバー２８との間に配置されている。マスクカバー３０は囲い部３０ｃを有する。囲い部３０ｃは、開口部３０ａの上方空間を囲うように配置される。囲い部３０ｃの一部（上部）は、Ｚ方向において輻射シールドカバー２８とオーバーラップしている。囲い部３０ｃは、造形面３２ｂから発生する輻射熱をシールドする機能と、造形面３２ｂから発生する蒸発物質の拡散を抑制する機能とを果たす。つまり、囲い部３０ｃは、輻射シールドカバー２８と同様の機能を果たす。

マスクカバー３０は、造形物３８の原料として使用する金属粉末３２よりも融点が高い金属で構成される。また、マスクカバー３０は、金属粉末３２との反応性が低い材料によって構成される。マスクカバー３０の構成材料としては、たとえばチタンを挙げることができる。また、マスクカバー３０は、使用する金属粉末３２と同じ材質の金属によって構成してもよい。マスクカバー３０は、電気的にＧＮＤに接地されている。マスクカバー３０は、後述する本焼結工程前の予備加熱工程において、電子ビーム１５の照射により金属粉末３２を仮焼結させる場合に、電気的なシールド機能を果たすことにより、粉末飛散の発生を小規模に抑える。

カメラ４２は、粉末層３２ａの造形面３２ｂを撮影可能なカメラである。カメラ４２は、ビーム照射装置１４と位置が干渉しないよう、ビーム照射装置１４とはＹ方向に位置をずらして配置されている。カメラ４２は、たとえばデジタルビデオカメラなどの可視光カメラによって構成することが好ましい。カメラ４２は、粉末層３２ａの造形面３２ｂを撮影して粉末層３２ａの画像（画像データ）を生成する。このため、カメラ４２が生成する画像は、粉末層３２ａの造形面３２ｂの状態を示す画像になる。カメラ４２による撮影は、三次元積層造形装置１０が備える照明光源（図示せず）が発する照明光を粉末層３２ａの造形面３２ｂに当てた状態で行われる。

シャッター４４は、電子ビーム１５の照射によって金属粉末３２を溶融させる際に造形面３２ｂから発生する蒸発物質がカメラ４２や観察窓に付着しないよう、カメラ４２や観察窓を保護するものである。カメラ４２による造形面３２ｂの撮影は、シャッター４４を開けた状態で行われる。また、蒸発物質が発生しやすい工程や、蒸発物質の発生量が多い工程は、シャッター４４を閉じた状態で行われる。

図２は、本発明の第１実施形態に係る三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。
図２において、制御部５０は、たとえば図示しないＣＰＵ（中央演算処理装置）５０ａ、ＲＯＭ(Read Only Memory)５０ｂおよびＲＡＭ(Random Access Memory)５０ｃを備え、ＣＰＵ５０ａが、ＲＯＭ５０ｂに書き込まれたプログラムをＲＡＭ５０ｃに読み出して所定の制御処理を実行することにより、三次元積層造形装置１０の動作を統括的に制御する。制御部５０には、上述したビーム照射装置１４、粉末塗布装置１６、プレート移動装置２６およびカメラ４２の他に、マスクカバー昇降装置５２、シャッター駆動装置５４および画像処理部５６が接続されている。

プレート移動装置２６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて造形プレート２２を移動させる。粉末塗布装置１６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて造形プレート２２上に金属粉末３２を塗布する。マスクカバー昇降装置５２は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいてマスクカバー３０を昇降させる。シャッター駆動装置５４は、上述したシャッター４４を開閉する装置である。シャッター駆動装置５４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいてシャッター４４を開閉する。たとえば、シャッター駆動装置５４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づき、後述する本焼結工程においてシャッター４４を閉じ状態に保持することにより、カメラ４２の汚損を抑制する。

画像処理部５６は、カメラ４２が生成する画像を取り込むとともに、取り込んだ画像に所定の画像処理を施すものである。画像処理部５６は、カメラ４２が生成した画像を用いて、粉末飛散（スモーク）の有無を判断する判断部５８を有する。画像処理部５６は、たとえば画像処理プロセッサによって構成される。画像処理部５６および判断部５８が行う具体的な処理内容については後述する。なお、画像処理部５６の機能は、制御部５０を構成するＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭによって実現してもよい。つまり、画像処理部５６を制御部５０と一体に構成することも可能である。

＜三次元積層造形装置の基本的な動作＞
図３は、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の基本的な処理動作の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理動作は、制御部５０の制御下で行われる。なお、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の特徴的な処理動作については、以下に述べる基本的な処理動作と関連づけて後段で説明する。

まず、造形を開始する前の状態では、造形プレート２２の上面を除いて、造形プレート２２の三方が金属粉末３２によって覆われた状態になる。また、造形プレート２２の上面は、造形テーブル１８上に敷き詰められた金属粉末３２の上面とほぼ同じ高さに配置される。一方、マスクカバー３０は、造形プレート２２の上面まで降ろされる。この場合、造形プレート２２の周囲に存在する金属粉末３２はマスクカバー３０のマスク部３０ｂによって覆われた状態になる。また、マスク部３０ｂは、金属粉末３２に接触した状態になる。以上述べた状態のもとで造形が開始される。

（プレート加熱工程）
まず、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２を加熱する（ステップＳ１）。
ステップＳ１において、ビーム照射装置１４は、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して造形プレート２２に電子ビーム１５を照射するとともに、造形プレート２２上で電子ビーム１５を走査する。これにより、造形プレート２２は、金属粉末３２が仮焼結する程度の温度に加熱される。

（プレート下降工程）
次に、プレート移動装置２６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２を所定量だけ下降させる（ステップＳ２）。
ステップＳ２において、プレート移動装置２６は、造形テーブル１８上に敷き詰められた金属粉末３２の上面よりも造形プレート２２の上面が僅かに下がった状態となるように、インナーベース２４を所定量だけ下降させる。このとき、造形プレート２２は、インナーベース２４と共に所定量だけ下降する。ここで記載する所定量（以下、「ΔＺ」とも記す）は、造形物３８を積層によって造形するときの一層分の厚さに相当する。

（マスクカバー上昇工程）
次に、マスクカバー昇降装置５２は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー３０を上昇させる（ステップＳ３）。
ステップＳ３において、マスクカバー昇降装置５２は、次のステップＳ４でスキージ１６ｃがマスクカバー３０に接触しないよう、スキージ１６ｃよりも高い位置までマスクカバー３０を上昇させる。

（粉末塗布工程）
次に、粉末塗布装置１６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２上に金属粉末３２を塗布して粉末層３２ａを形成する（ステップＳ４）。
ステップＳ４において、粉末塗布装置１６は、ホッパー１６ａから粉末投下器１６ｂに供給された金属粉末３２を、粉末投下器１６ｂによって造形テーブル１８上に投下した後、スキージ１６ｃをＸ方向に移動させることにより、造形プレート２２上に金属粉末３２を敷き詰める。このとき、金属粉末３２は、ΔＺ相当の厚さで造形プレート２２上に敷き詰められる。これにより、造形プレート２２上に粉末層３２ａが形成される。また、余分な金属粉末３２は、回収ボックス２１に回収される。

（マスクカバー下降工程）
次に、マスクカバー昇降装置５２は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー３０を下降させる（ステップＳ５）。
ステップＳ５において、マスクカバー昇降装置５２は、金属粉末３２の造形面３２ｂに接触するようにマスクカバー３０を降ろす。これにより、造形プレート２２上の金属粉末３２は、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して外部に露出した状態となる。また、造形プレート２２の周囲に存在する金属粉末３２は、マスクカバー３０のマスク部３０ｂによって覆われた状態になる。

（予備加熱工程）
次に、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２上の粉末層３２ａを予備加熱する（ステップＳ６）。この予備加熱工程Ｓ６においては、金属粉末３２を仮焼結させるために粉末層３２ａを予備加熱する。金属粉末３２を仮焼結させると、金属粉末３２に導電性を持たせることができる。このため、予備加熱工程の後に行われる本焼結工程での粉末飛散を抑制することができる。本焼結工程の前に行われる予備加熱は、パウダーヒートとも呼ばれる。
ステップＳ６において、ビーム照射装置１４は、造形プレート２２上の金属粉末３２に電子ビーム１５を照射する。このとき、金属粉末３２の上にマスクカバー３０を被せて電子ビーム１５を照射することにより、予備加熱工程Ｓ６における粉末飛散の発生が、マスクカバー３０の電気的なシールド効果によって抑制される。また、ビーム照射装置１４は、造形物３８を形成するための領域（以下、「造形領域」ともいう。）よりも広範囲に電子ビーム１５を走査する。これにより、造形領域に存在する金属粉末３２と、造形領域の周囲に存在する金属粉末３２とが、共に仮焼結される。
なお、図１において、符号Ｅ１は、未焼結の金属粉末３２が存在する未焼結領域を示し、符号Ｅ２は、仮焼結された金属粉末３２が存在する仮焼結領域を示している。

（本焼結工程）
次に、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、金属粉末３２を溶融および凝固によって本焼結させる（ステップＳ７）。
ステップＳ７においては、上述のように仮焼結させた金属粉末３２を電子ビーム１５の照射によって溶融および凝固させることにより、仮焼結体としての金属粉末３２を本焼結させる。ステップＳ７において、ビーム照射装置１４は、目的とする造形物３８の三次元ＣＡＤデータを一定の厚み（ΔＺに相当する厚み）にスライスした二次元データに基づいて造形領域を特定し、この造形領域を対象に電子ビーム１５を走査することにより、造形プレート２２上の金属粉末３２を選択的に溶融する。電子ビーム１５の照射によって溶融した金属粉末３２は、電子ビーム１５が通過した後に凝固する。これにより、１層目の造形物が形成される。

（プレート下降工程）
次に、プレート移動装置２６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２を所定量（ΔＺ）だけ下降させる（ステップＳ８）。
ステップＳ８において、プレート移動装置２６は、造形プレート２２およびインナーベース２４をΔＺだけ下降させる。

（第１予備加熱工程）
続いて、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２上の粉末層３２ａを予備加熱する（ステップＳ９）。この第１予備加熱工程Ｓ９においては、次の層の金属粉末３２を敷き詰めるための準備として、その前の層で本焼結工程を終えた粉末層３２ａを予備加熱する。本焼結工程の後に行われる予備加熱は、アフターヒートとも呼ばれる。
ステップＳ９において、ビーム照射装置１４は、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して粉末層３２ａに電子ビーム１５を照射するとともに、粉末層３２ａ上で電子ビーム１５を走査する。これにより、開口部３０ａに露出している粉末層３２ａは、金属粉末３２が仮焼結する程度の温度に加熱される。

（マスク上昇工程）
次に、マスクカバー昇降装置５２は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー３０を上昇させる（ステップＳ１０）。
ステップＳ１０において、マスクカバー昇降装置５２は、次のステップＳ１１でスキージ１６ｃがマスクカバー３０に接触しないよう、スキージ１６ｃよりも高い位置までマスクカバー３０を上昇させる。

（粉末塗布工程）
次に、粉末塗布装置１６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２上に金属粉末３２を塗布して粉末層３２ａを形成する（ステップＳ１１）。
ステップＳ１１において、粉末塗布装置１６は、上記ステップＳ４と同様に動作する。これにより、造形プレート２２上では、１層目の金属粉末３２によって形成された焼結体の上に、２層目の金属粉末３２が敷き詰められる。

（マスクカバー下降工程）
次に、マスクカバー昇降装置５２は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、マスクカバー３０を下降させる（ステップＳ１２）。
ステップＳ１２において、マスクカバー昇降装置５２は、上記ステップＳ５と同様に動作する。

（第２予備加熱工程）
次に、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、２層目の粉末層３２ａを形成している金属粉末３２を予備加熱する（ステップＳ１３）。この第２予備加熱工程Ｓ１３においては、この後に行われる本焼結工程での粉末飛散を抑制するために粉末層３２ａを予備加熱する。
ステップＳ１３において、ビーム照射装置１４は、上記ステップＳ６と同様に動作する。これにより、２層目の粉末層３２ａを形成している金属粉末３２が仮焼結される。

（本焼結工程）
次に、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、２層目の粉末層３２ａを形成している金属粉末３２を溶融および凝固によって本焼結させる（ステップＳ１４）。
ステップＳ１４において、ビーム照射装置１４は、上記ステップＳ７と同様に動作する。これにより、２層目の造形物が形成される。

次に、制御部５０は、目的とする造形物３８の造形が完了したか否かを確認する（ステップＳ１５）。そして、制御部５０は、造形物３８の造形が完了していないと判断すると、上記ステップＳ８に戻る。これにより、制御部５０は、３層目以降の各層についても、上記ステップＳ８～Ｓ１４の工程を繰り返す。そして、造形物３８の造形が完了したと判断すると、その時点で一連の処理を終える。

図４は、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置の特徴的な処理動作の手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、１層目の造形物を形成した後、すなわち図３におけるステップＳ７の後に適用される。なお、図４においては、マスクカバー上昇工程およびマスクカバー下降工程の表記を省略している。

（プレート下降工程）
まず、プレート移動装置２６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２を所定量（ΔＺ）だけ下降させる（ステップＳ１０１）。

（第１予備加熱工程）
次に、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２上の粉末層３２ａを予備加熱する（ステップＳ１０２）。

（第１撮影工程）
次に、カメラ４２は、粉末層３２ａの造形面３２ｂを撮影するとともに、撮影によって生成した粉末層３２ａの画像を画像処理部５６に出力する（ステップＳ１０３）。この第１撮影工程Ｓ１０３でカメラ４２が撮影する画像は、上述した第１予備加熱工程Ｓ１０２の後で、且つ、後述する粉末塗布工程Ｓ１０４の前の、粉末層３２ａの造形面３２ｂの状態を示す画像（以下、「第１画像」という。）である。第１画像は、画像処理部５６に取り込まれる。

（粉末塗布工程）
次に、粉末塗布装置１６は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、造形プレート２２上に金属粉末３２を塗布して粉末層３２ａを形成する（ステップＳ１０４）。この粉末塗布工程Ｓ１０４において、粉末塗布装置１６は、上述したステップＳ４と同様に動作する。これにより、造形プレート２２上では、１つ前の層の金属粉末３２によって形成された焼結体の上に、次の層の金属粉末３２が敷き詰められる。

（第２撮影工程）
次に、カメラ４２は、粉末層３２ａの造形面３２ｂを撮影するとともに、撮影によって生成した粉末層３２ａの画像を画像処理部５６に出力する（ステップＳ１０５）。この第２撮影工程Ｓ１０５でカメラ４２が撮影する画像は、上述した粉末塗布工程Ｓ１０４の後で、且つ、後述する第２予備加熱工程Ｓ１０６の前の、粉末層３２ａの造形面３２ｂの状態を示す画像（以下、「第２画像」という。）である。第２画像は、画像処理部５６に取り込まれる。

（第２予備加熱工程）
次に、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、今回の層（粉末層３２ａ）を形成している金属粉末３２を予備加熱する（ステップＳ１０６）。

（第３撮影工程）
次に、カメラ４２は、粉末層３２ａの造形面３２ｂを撮影するとともに、撮影によって生成した粉末層３２ａの画像を画像処理部５６に出力する（ステップＳ１０７）。この第３撮影工程Ｓ１０７でカメラ４２が撮影する画像は、上述し第２予備加熱工程Ｓ１０６の後で、且つ、後述する本焼結工程Ｓ１０９の前の、粉末層３２ａの造形面３２ｂの状態を示す画像（以下、「第３画像」という。）である。第３画像は、画像処理部５６に取り込まれる。

（判断工程）
次に、画像処理部５６の判断部５８は、上述した第１画像、第２画像および第３画像を用いて、第２予備加熱工程Ｓ１０６における粉末飛散の有無を判断する（ステップＳ１０８）。以下に具体的な判断方法について説明する。ただし、判断方法は以下に説明する方法に限定されるものではない。

まず、画像処理部５６は、第１画像、第２画像および第３画像をそれぞれ一次微分フィルタに通すことにより微分画像に変換する。これにより、第１画像の微分画像と、第２画像の微分画像と、第３画像の微分画像が得られる。次に、画像処理部５６は、第１画像の微分画像と第３画像の微分画像との相関係数Ａを算出するとともに、第２画像の微分画像と第３画像の微分画像との相関係数Ｂを算出する。相関係数Ａは、第１画像と第３画像との比較結果に相当し、相関係数Ｂは、第２画像と第３画像との比較結果に相当する。また、相関係数Ａは、第１画像と第３画像との類似度を示す係数であり、第１画像と第３画像との類似度が高いほど大きな値をとる。同様に、相関係数Ｂは、第２画像と第３画像との類似度を示す係数であり、第２画像と第３画像との類似度が高いほど大きな値をとる。

次に、判断部５８は、相関係数Ａと相関係数Ｂとの大小関係を比較する。そして、判断部５８は、相関係数Ａが相関係数Ｂ以上である場合、つまり第３画像が第２画像以上に第１画像に類似している場合は、第２予備加熱工程Ｓ１０６において粉末飛散が発生したと判断（ステップＳ１０８でＹＥＳと判断）する。また、判断部５８は、相関係数Ａが相関係数Ｂ未満である場合、つまり第３画像が第１画像よりも第２画像に類似している場合は、第２予備加熱工程Ｓ１０６において粉末飛散が発生しなかったと判断（ステップＳ１０８でＮＯと判断）する。

なお、第１画像、第２画像および第３画像をそれぞれ微分画像に変換する理由は、画像間の平均輝度の違いを排除して、隣接画素の輝度勾配によってのみ画像間の類似性を評価するためである。

図５は、第１画像、第２画像および第３画像を模式的に示す図である。
図５に示すように、第１画像ＩＭ１は、粉末塗布工程Ｓ１０４の前の造形面３２ｂの状態を示しており、この段階では造形領域（図中、星形の領域）が本焼結され、他の領域は仮焼結領域となっている。このため、第１画像ＩＭ１には、造形領域の輪郭が現れる。
一方、第２画像ＩＭ２は、粉末塗布工程Ｓ１０４の後の造形面３２ｂの状態を示しており、この段階では上記造形領域と上記仮焼結領域とが粉末層３２ａによって覆い隠される。このため、第２画像ＩＭ２には、造形領域の輪郭が現れない。

第３画像ＩＭ３（ＩＭ３－１，ＩＭ３－２）は、第２予備加熱工程Ｓ１０６の後の造形面３２ｂの状態を示している。第３画像ＩＭ３は、第２予備加熱工程Ｓ１０６において粉末飛散が発生した場合と発生しなかった場合で、異なる画像ＩＭ３－１，ＩＭ３－２となる。具体的には、第２予備加熱工程Ｓ１０６において粉末飛散が発生した場合は、第３画像ＩＭ３－１に示すように粉末飛散によって下地の層が現れるため、造形領域の輪郭が現れる。これに対して、第２予備加熱工程Ｓ１０６において粉末飛散が発生しなかった場合は、第３画像ＩＭ３－２に示すように造形領域と仮焼結領域とが粉末層３２ａによって覆い隠されたままになるため、造形領域の輪郭が現れない。

したがって、判断部５８は、第３画像ＩＭ３が第２画像ＩＭ２以上に第１画像ＩＭ１に類似している場合は、第２予備加熱工程Ｓ１０６において粉末飛散が発生したと判断し、第３画像ＩＭ３が第１画像ＩＭ１よりも第２画像ＩＭ２に類似している場合は、第２予備加熱工程Ｓ１０６において粉末飛散が発生しなかったと判断する。そして、ステップＳ１０８でＹＥＳと判断した場合は上記ステップＳ１０２に戻り、ステップＳ１０８でＮＯと判断した場合は次のステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０８からステップＳ１０２に戻った場合は、制御部５０は、今回の層の造形について第１予備加熱工程Ｓ１０２、第１撮影工程Ｓ１０３、粉末塗布工程Ｓ１０４、第２撮影工程Ｓ１０５、第２予備加熱工程Ｓ１０６、第３撮影工程Ｓ１０７をやり直す。つまり、制御部５０は、今回の層の造形についてステップＳ１０２～Ｓ１０７の工程を再度行う。

（本焼結工程）
次に、ビーム照射装置１４は、制御部５０から与えられる制御指令に基づいて動作することにより、今回の層を形成している金属粉末３２を溶融および凝固によって本焼結させる（ステップＳ１０９）。

次に、制御部５０は、目的とする造形物３８の造形が完了したか否かを確認する（ステップＳ１１０）。そして、制御部５０は、造形物３８の造形が完了していないと判断すると、上記ステップＳ１０１に戻る。これにより、制御部５０は、次の層以降の各層についても、上記ステップＳ１０１～Ｓ１０９の工程を繰り返す。そして、造形物３８の造形が完了したと判断すると、その時点で一連の処理を終える。

なお、カメラ４２による造形面３２ｂの撮影は、第１撮影工程Ｓ１０３、第２撮影工程Ｓ１０５および第３撮影工程Ｓ１０７のみで行ってもよいし、三次元積層造形装置１０の動作開始時に制御部５０がカメラ４２の電源を投入した後、シャッター駆動装置５４がシャッター４４を閉じない限り継続して行ってもよい。後者の場合は、第１撮影工程Ｓ１０３、第２撮影工程Ｓ１０５および第３撮影工程Ｓ１０７の各々の時点における粉末層３２ａの造形面３２ｂがカメラ４２によって撮影される。

以上説明したように、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置１０は、粉末塗布工程Ｓ１０４の直前にカメラ４２が撮影した第１画像と、粉末塗布工程Ｓ１０４の直後にカメラ４２が撮影した第２画像と、第２予備加熱工程Ｓ１０６の直後にカメラ４２が撮影した第３画像とを用いて、第２予備加熱工程Ｓ１０６における粉末飛散の有無を判断工程Ｓ１０８にて判断部５８が判断している。これにより、粉末飛散の発生を自動的に検出することができる。また、判断工程１０８において粉末飛散が有りと判断された場合は、上述した基本的な処理動作（図３参照）と異なる態様で三次元積層造形装置１０を動作させることにより、粉末飛散が発生した後の造形作業を好適に継続させることができる。その結果、粉末飛散に起因して造形物に欠陥が生じることを抑制することができる。

また、本発明の第１実施形態において、制御部５０は、判断部５８によって粉末飛散が有りと判断された場合に、今回の層の造形について本焼結工程Ｓ１０９を行う前に、第１予備加熱工程Ｓ１０２、粉末塗布工程Ｓ１０４および第２予備加熱工程Ｓ１０６をやり直す。これにより、第２予備加熱工程Ｓ１０６における粉末飛散の発生によって粉末層３２ａの積層状態に乱れが生じた場合でも、第１予備加熱工程Ｓ１０２、粉末塗布工程Ｓ１０４および第２予備加熱工程Ｓ１０６のやり直しにより、粉末層３２ａの積層状態を良好な状態に回復させることができ、この状態で本焼結工程Ｓ１０９を行うことができる。したがって、造形物に欠陥が生じることを抑制することができる。

なお、上記第１実施形態においては、図３におけるステップＳ７の後に適用される特徴的な処理動作について説明したが、本発明はこれに限らず、図３におけるステップＳ７以前に特徴的な処理動作を適用することも可能である。その場合は、プレート加熱工程Ｓ１が第１予備加熱工程に相当し、予備加熱工程Ｓ６が第２予備加熱工程に相当する。この点は、後述する他の実施形態についても同様である。

＜第２実施形態＞
図６は、本発明の第２実施形態に係る三次元積層造形装置の特徴的な処理動作の手順を示すフローチャートである。
図６に示すように、本発明の第２実施形態においては、上述した第１実施形態（図４参照）の処理動作と比較して、第１撮影工程Ｓ１０３が省略されている点、および、判断工程Ｓ１０８における判断方法が異なる。

判断工程Ｓ１０８において、判断部５８は、第２撮影工程Ｓ１０５でカメラ４２が撮影した第２画像と第３撮影工程Ｓ１０７でカメラ４２が撮影した第３画像との比較結果に基づいて、第２予備加熱工程Ｓ１０６における粉末飛散の有無を判断する。

具体的には、まず、画像処理部５６は、第２画像および第３画像をそれぞれ一次微分フィルタに通すことにより微分画像に変換する。これにより、第２画像の微分画像と、第３画像の微分画像が得られる。次に、画像処理部５６は、第２画像の微分画像と第３画像の微分画像との相関係数を算出する。相関係数は、第２画像と第３画像との比較結果に相当する。また、相関係数は、第２画像と第３画像との類似度を示す係数であり、第２画像と第３画像との類似度が高いほど大きな値をとる。次に、判断部５８は、上述のように算出した相関係数と予め設定された閾値とを比較する。そして、判断部５８は、相関係数が閾値未満である場合は、第２予備加熱工程Ｓ１０６において粉末飛散が発生したと判断（ステップＳ１０８でＹＥＳと判断）する。また、判断部５８は、相関係数が閾値以上である場合は、第２予備加熱工程Ｓ１０６において粉末飛散が発生しなかった判断（ステップＳ１０８でＮＯと判断）する。

このように、第１撮影工程Ｓ１０３を省略し、判断工程Ｓ１０８における判断方法を変えた場合でも、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜第３実施形態＞
図７は、本発明の第３実施形態に係る三次元積層造形装置の特徴的な処理動作の手順を示すフローチャートである。
図７に示すように、本発明の第３実施形態においては、上述した第１実施形態（図４参照）の処理動作と比較して、第１撮影工程Ｓ１０３および第２撮影工程Ｓ１０５が省略されている点、および、判断工程Ｓ１０８における判断方法が異なる。

判断工程Ｓ１０８において、判断部５８は、第３撮影工程Ｓ１０７でカメラ４２が撮影した第３画像に基づいて、第２予備加熱工程Ｓ１０６における粉末飛散の有無を判断する。第３画像だけを用いて粉末飛散の有無を判断する方法は幾つか考えられるが、ここでは２つの方法を例示する。

（第１の方法）
第３撮影工程Ｓ１０７においては、第２予備加熱工程Ｓ１０６を終えて電子ビーム１５の出力をゼロにした状態で、粉末層３２ａの造形面３２ｂをカメラ４２によって撮影する。第２予備加熱工程Ｓ１０６で粉末飛散が発生しなかった場合は、ビーム照射装置１４による電子ビーム１５の照射によって造形面３２ｂが所定の温度に加熱される。このため、第３画像には、十分に赤熱した造形面３２ｂが映し出される。
これに対し、第２予備加熱工程Ｓ１０６で粉末飛散が発生した場合は、図８に示すように、粉末飛散中に真空チャンバー１２内に一時的に浮遊する粉末粒子の雲４０によって電子ビーム１５の進路が遮られる。このため、粉末飛散が発生しない場合に比べて、造形面３２ｂに到達する電子ビーム１５のエネルギーが減少する。そうすると、造形面３２ｂが所定の温度に加熱されない。このため、第３画像には、十分に赤熱していない、比較的暗い状態の造形面３２ｂが映し出される。
つまり、第３画像の輝度は、第２予備加熱工程Ｓ１０６で粉末飛散が発生した場合は低くなり、粉末飛散が発生しなかった場合は高くなる。

そこで判断工程Ｓ１０８において、判断部５８は、実際に粉末飛散の有無を判断するための準備として、第２予備加熱工程Ｓ１０６の実行時間と、第２予備加熱工程Ｓ１０６の直後にカメラ４２によって粉末層３２ａの造形面３２ｂを撮影して得られる画像（第３画像）の輝度との相関を示す相関データを予め取得しておく。第２予備加熱工程Ｓ１０６の実行時間とは、電子ビーム１５の照射（走査）を開始してから終了するまでの時間である。第２予備加熱工程Ｓ１０６の直後における第３画像の輝度は、第２予備加熱工程Ｓ１０６の実行時間が長くなると高くなる。このため、判断部５８は、上記相関データから予測される第２予備加熱工程Ｓ１０６直後の画像の輝度と、実際に第２予備加熱工程Ｓ１０６直後にカメラ４２が撮影した第３画像の輝度とを比較する。そして、判断部５８は、それらの輝度の差が、予め設定された許容値以内である場合は粉末飛散が発生しなかったと判断し、許容値を超える場合は粉末飛散が発生したと判断する。なお、上記相関データについては、三次元積層造形が進捗するにつれて逐次追加したり更新したりすることもできる。

（第２の方法）
第２の方法では、図９に示すように、造形面３２ｂに対して照明光源３７とカメラ４２を設置しておく。具体的には、照明光源３７から造形面３２ｂに角度θ１で照明光が入射し、かつ、造形面３２ｂから角度θ２（θ１＝θ２）で反射した光がカメラ４２に取り込まれるように、照明光源３７とカメラ４２を設置する。
第２予備加熱工程Ｓ１０６で粉末飛散が発生した場合は、その前の粉末塗布工程Ｓ１０４で塗布された金属粉末が吹き飛んで無くなるため、前層で本焼結された焼結体の上面が光沢面となって露出する。したがって、カメラ４２により撮影される第３画像ＩＭ３には、図１０Ａに示すように、前層で本焼結された部分４６が照明光の反射によって明るく映し出され、それ以外の部分である、仮焼結されたままの部分４８は照明光を吸収して暗く映し出される。
これに対し、第２予備加熱工程Ｓ１０６で粉末飛散が発生しなかった場合は、その前の粉末塗布工程Ｓ１０４で塗布された金属粉末が残存するため、前層で本焼結された焼結体の上面、すなわち光沢面が露出しない。したがって、カメラ４２により撮影される第３画像ＩＭ３には、図１０Ｂに示すように、粉末塗布工程Ｓ１０４で塗布された金属粉末が一様に暗く映し出される。
つまり、第３画像ＩＭ３は、第２予備加熱工程Ｓ１０６で粉末飛散が発生した場合は、部分的に明るい画像となり、粉末飛散が発生しなかった場合は、一様に暗い画像となる。

そこで、造形面３２ｂの撮影には、たとえば焼結体の上面（光沢面）の撮影に最適化した検出感度に設定したカメラ４２を使用する。具体的には、焼結体の上面は、照明光の反射によって白く映し出されるように、カメラ４２の検出感度を設定する。
一方、判断工程Ｓ１０８において、判断部５８は、カメラ４２が撮影した第３画像における白飛び画素の発生状況により、粉末飛散の有無を判断する。白飛び画素とは、第３画像を構成する複数の画素のうち、白飛びが発生した画素をいう。判断部５８は、この白飛び画素の発生数が、前層で本焼結させた面積相当の画素数に近い場合、あるいは、白飛びした範囲の位置や形状が、前層で本焼結させた位置や形状に似通っている場合は、粉末飛散が発生したと判断し、それ以外は、粉末飛散が発生しなかったと判断する。

このように、第１撮影工程Ｓ１０３および第２撮影工程Ｓ１０５を省略し、判断工程Ｓ１０８における判断方法を変えた場合でも、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、上述した第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態において、判断工程Ｓ０１８で採用する判断方法には、人工知能による機械学習アルゴリズムを適用することも可能である。一例を挙げると、第３実施形態に関しては、第２予備加熱工程Ｓ１０６において粉末飛散が発生したときの粉末層３２ａの画像と粉末飛散が発生しなかったときの粉末層３２ａの画像とを、それぞれラベル付きデータ（訓練データ）として多数、画像処理部５６に入力することにより、判断部５８として機能する学習モデルを作成する。そして、判断工程Ｓ１０８においては、その前の第３撮影工程Ｓ１０７でカメラ４２が撮影した第３画像を画像処理部５６に入力し、上記学習モデルによって粉末飛散の有無を判断する。

＜第４実施形態＞
図１１は、本発明の第４実施形態に係る三次元積層造形装置の特徴的な処理動作の手順を示すフローチャートである。
図１１に示すように、本発明の第４実施形態においては、上述した第１実施形態（図４参照）の処理動作と比較して、ステップＳ１０１からステップＳ１１０までの処理の流れは同じであるが、ステップＳ１０８でＹＥＳと判断した後の処理の流れが異なる。

具体的には、ステップＳ１０８でＹＥＳと判断すると、ステップＳ１１１に移行する。
ステップＳ１１１において、制御部５０は、今回の層の造形について判断部５８により２回以上連続で粉末飛散が有りと判断されたか否かを確認する。そして、制御部５０は、今回の層の造形について判断部５８により２回以上連続で粉末飛散が有りと判断された場合は、ステップＳ１１１からステップＳ１０２に戻る。この場合、制御部５０は、後述するステップＳ１１２を行うことなく、今回の層の造形について第１予備加熱工程Ｓ１０２、第１撮影工程Ｓ１０３、粉末塗布工程Ｓ１０４、第２撮影工程Ｓ１０５、第２予備加熱工程Ｓ１０６、第３撮影工程Ｓ１０７をやり直す。

これに対し、制御部５０は、今回の層の造形について判断部５８により２回以上連続で粉末飛散が有りと判断されていない、つまり判断部５８により粉末飛散が有りと判断された回数が１回（初回）である場合は、ステップＳ１１１からステップＳ１１２に進む。

次に、ステップＳ１１２において、制御部５０は、次の層の造形に適用される条件を予約する。次の層の造形に適用される条件は、粉末飛散が無しの場合に適用される条件（以下、「通常条件」ともいう。）とは異なる内容で予約される。具体的には、制御部５０は、第１予備加熱工程Ｓ１０２の実行時間を延長する予約、および、本焼結工程Ｓ１０９で粉末層３２ａに加えられるエネルギーを増強する予約を行う。第１予備加熱工程Ｓ１０２の実行時間とは、第１予備加熱工程Ｓ１０２において電子ビーム１５の照射（走査）を開始してから終了するまでの時間である。第１予備加熱工程Ｓ１０２の実行時間を延長すると、通常条件を適用する場合に比べて電子ビーム１５の照射時間が長くなり、その分だけ粉末層３２ａの温度が高くなる。このため、第１予備加熱工程Ｓ１０２の実行時間を延長する予約に代えて、第１予備加熱工程Ｓ１０２の加熱目標温度を通常条件よりも高くする予約を行ってもよい。

本焼結工程Ｓ１０９で粉末層３２ａに加えられるエネルギーを増強する方法としては、たとえば下記（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の方法が考えられる。
（ａ）本焼結工程Ｓ１０９で粉末層３２ａに照射する電子ビーム１５のビーム電流を通常条件よりも大きくする。
（ｂ）本焼結工程Ｓ１０９で粉末層３２ａに照射する電子ビーム１５の走査速度を通常条件よりも低下させる。
（ｃ）上記の（ａ）および（ｂ）を同時に実施する。

なお、ステップＳ１１２において、制御部５０は、第１予備加熱工程Ｓ１０２の実行時間を延長する予約、第１予備加熱工程Ｓ１０２の加熱目標温度を高くする予約、および、本焼結工程Ｓ１０９で粉末層３２ａに加えられるエネルギーを増強する予約のうち、すべての予約を行ってもよいし、いずれか２つ、または、いずれか１つの予約を行ってもよい。また、ステップＳ１１２で予約した条件は、次の層だけでなく、次の層を含む２以上の層に連続して適用してもよい。

次に、制御部５０は、今回の層について本焼結工程Ｓ１０９を行った後、ステップＳ１１０の確認を経てステップＳ１０１に戻り、次の層についてステップＳ１０１～Ｓ１０９の処理を行う。その際、第１予備加熱工程Ｓ１０２においては、上記ステップＳ１１２で予約した実行時間、および／または、加熱目標温度が適用される。また、本焼結工程Ｓ１０９においては、上記ステップＳ１１２で予約したエネルギーで金属粉末３２を本焼結させる。

このように、本発明の第４実施形態において、制御部５０は、判断部５８によって粉末飛散が有りと判断された場合に、次の層の造形に適用される条件を、粉末飛散が無しの場合に適用される条件とは異なる内容で予約したうえで、今回の層の造形について本焼結工程Ｓ１０９を行う。そして、制御部５０は、次の層の造形については上記予約した条件に従って、プレート下降工程Ｓ１０１、第１予備加熱工程Ｓ１０２、粉末塗布工程Ｓ１０４、第２予備加熱工程Ｓ１０６および本焼結工程Ｓ１０９を行う。
これにより、上述した第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態に比べて、造形スループットの向上を図ることができる。その理由は下記の通りである。

まず、上述した第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態においては、判断ステップＳ１０８で判断部５８により粉末飛散が有りと判断された場合に、今回の層の造形について第１予備加熱工程Ｓ１０２、粉末塗布工程Ｓ１０４および第２予備加熱工程Ｓ１０６をやり直すようにしている。このような工程のやり直しは、粉末層３２ａの積層状態を回復させて欠陥の発生を抑制する効果が得られる反面、造形スループットの低下につながる。これに対し、本第４実施形態においては、判断ステップＳ１０８で判断部５８により粉末飛散が有りと判断された場合に、次の層の造形に適用される条件を予約したうえで、今回の層の造形について本焼結工程Ｓ１１０を行う。このため、工程のやり直しにともなう造形スループットの低下を抑えることができる。

また、次の層の造形を、予約した条件に従って行うことにより、粉末飛散にともなう粉末層３２ａの厚みの変化に適切に対応することができる。詳述すると、今回の層の造形について第２予備加熱工程Ｓ１０６で粉末飛散が発生すると、粉末層３２ａの厚さが部分的または全体的に薄くなる。このため、次の層の造形について粉末塗布工程Ｓ１０４を行うと、前層の薄さを補うように金属粉末３２が厚く塗布される。そうした場合、通常条件と同じ内容で造形すると、第１予備加熱工程Ｓ１０２で加熱不足が発生したり、本焼結工程Ｓ１０９でエネルギー不足が発生したりする。本第４実施形態においては、次の層の造形に適用される条件の予約として、第１予備加熱工程Ｓ１０２の実行時間を延長する予約、および、本焼結工程Ｓ１０９で粉末層３２ａに加えられるエネルギーを増強する予約を行う。このため、第１予備加熱工程Ｓ１０２での加熱不足や、本焼結工程Ｓ１０９でのエネルギー不足を回避することができる。したがって、粉末飛散にともなう粉末層３２ａの厚みの変化に適切に対応することができる。また、工程のやり直しを行わなくても、造形物の積層を良好な状態に回復させることができる。

また、本第４実施形態において、制御部５０は、判断部５８によって２回以上連続で粉末飛散が有りと判断された場合に、次の層の造形に適用される条件の予約を行うことなく、今回の層の造形について第１予備加熱工程Ｓ１０２、粉末塗布工程Ｓ１０４および第２予備加熱工程Ｓ１０６をやり直す。これにより、造形条件の変更によって回復できない場合でも、工程のやり直しによって粉末層３２ａの積層状態を回復させることができる。

なお、図示はしないが、同じ層を対象にステップＳ１０８でＹＥＳと判断された回数が、既定の回数Ｎ（Ｎは２よりも大きい整数）に達した場合は、三次元積層造形装置１０に不具合が生じている可能性があるため、その場合は装置保全のために三次元積層造形装置１０の動作を停止させることが好ましい。この点は、上述した第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態についても同様である。

＜第５実施形態＞
図１２は、本発明の第５実施形態に係る三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５実施形態に係る三次元積層造形装置１０Ａは、上述した第１実施形態に係る三次元積層造形装置１０の制御系の構成（図２）と比較して、画像処理部５６が第２の判断部６０を有する点が異なる。第２の判断部６０は、上述した判断部５８と同様に、カメラ４２が生成した画像を用いて、粉末飛散の有無を判断するものであるが、判断に使用する画像の撮影時期が異なる。具体的には、第２の判断部６０は、本焼結工程の後にカメラ４２によって撮影した粉末層３２ａの画像である第４画像を用いて、本焼結工程における粉末飛散の有無を判断する。

図１３は、本発明の第５実施形態に係る三次元積層造形装置の特徴的な処理動作の手順を示すフローチャートである。
図１３に示すように、本発明の第５実施形態においては、上述した第１実施形態（図４参照）の処理動作と比較して、ステップＳ１０９とステップＳ１１０との間に、第４撮影工程Ｓ１０９ａと第２判断工程Ｓ１０９ｂとが設けられている点が異なる。

第４撮影工程Ｓ１０９ａにおいて、カメラ４２は、粉末層３２ａの造形面３２ｂを撮影するとともに、撮影によって生成した粉末層３２ａの画像を画像処理部５６に出力する。この第４撮影工程Ｓ１０９ａでカメラ４２が撮影する画像は、本焼結工程Ｓ１０９直後の粉末層３２ａの造形面３２ｂの状態を示す画像（以下、「第４画像」という。）である。第４画像は、画像処理部５６に取り込まれる。

一方、第２判断工程Ｓ１０９ｂにおいては、第２の判断部６０が、上述した第４画像を用いて、本焼結工程Ｓ１０９における粉末飛散の有無を判断する。粉末飛散が発生しやすい工程は第２予備加熱工程Ｓ１０６であるが、本焼結工程Ｓ１０９でも極まれに粉末飛散が発生することがある。本焼結工程Ｓ１０９で粉末飛散が発生すると、粉末層３２ａの造形面３２ｂには、電子ビーム１５の走査方向と平行にライン状の跡が残る。そこで、第２の判断部６０は、第４画像の中に上記ライン状の跡が残っているか否かを確認する。そして、第２の判断部６０は、第４画像の中にライン状の跡が残っている場合は、本焼結工程Ｓ１０９で粉末飛散が発生したと判断する。この場合は、ステップＳ１０９ｂからステップＳ１０２に戻る。また、第２の判断部６０は、第４画像の中にライン状の跡が残っていない場合は、本焼結工程Ｓ１０９で粉末飛散が発生しなかったと判断する。この場合は、ステップＳ１０９ｂからステップＳ１１０に進む。

このように、本発明の第５実施形態においては、本焼結工程Ｓ１０９における粉末飛散の有無を第２判断工程Ｓ１０９ｂにて第２の判断部６０が判断している。これにより、第２予備加熱工程Ｓ１０６だけでなく、本焼結工程Ｓ１０９においても、粉末飛散の発生を自動的に検出することができる。また、第２判断工程１０９ｂにおいて粉末飛散が有りと判断された場合は、上述した基本的な処理動作（図３参照）と異なる態様で三次元積層造形装置１０を動作させることにより、粉末飛散が発生した後の造形作業を好適に継続させることができる。その結果、粉末飛散に起因して造形物に欠陥が生じることを抑制することができる。

また、本発明の第５実施形態において、制御部５０は、第２の判断部６０によって粉末飛散が有りと判断された場合に、今回の層の造形について第１予備加熱工程Ｓ１０２、粉末塗布工程Ｓ１０４、第２予備加熱工程Ｓ１０６および本焼結工程Ｓ１０９をやり直す。これにより、本焼結工程Ｓ１０９における粉末飛散の発生によって粉末層３２ａの積層状態に乱れが生じた場合でも、第１予備加熱工程Ｓ１０２、粉末塗布工程Ｓ１０４、第２予備加熱工程Ｓ１０６および本焼結工程Ｓ１０９のやり直しにより、粉末層３２ａの積層状態を良好な状態に回復させることができる。したがって、造形物に欠陥が生じることを抑制することができる。

なお、本発明の第５実施形態においては、第１実施形態の処理動作（図４）に対して、ステップＳ１０９とステップＳ１１０との間に、第４撮影工程Ｓ１０９ａと第２判断工程Ｓ１０９ｂとを設けているが、本発明はこれに限らず、第２実施形態の処理動作（図６）、第３実施形態の処理動作（図７）または第４実施形態の処理動作（図１１）に対して、ステップＳ１０９とステップＳ１１０との間に、第４撮影工程Ｓ１０９ａと第２判断工程Ｓ１０９ｂとを設けてもよい。

また、第４実施形態の処理動作（図１１）に対して、ステップＳ１０９とステップＳ１１０との間に、第４撮影工程Ｓ１０９ａと第２判断工程Ｓ１０９ｂとを設ける場合は、第２判断工程Ｓ１０９ｂで第２の判断部６０により２回以上連続で粉末飛散が有りと判断されたときに、第１予備加熱工程Ｓ１０２に戻って各工程をやり直すように制御してもよい。

１０，１０Ａ…三次元積層造形装置
１４…ビーム照射装置
１５…電子ビーム
１６…粉末塗布装置
２２…造形プレート
２６…プレート移動装置
３２…金属粉末（粉末材料）
３２ａ…粉末層
３２ｂ…造形面
３８…造形物
４２…カメラ
４４…シャッター
５０…制御部
５８…判断部
６０…第２の判断部

Claims (10)

1. 造形プレートと、
   前記造形プレートを上下方向に移動させるプレート移動装置と、
   前記造形プレート上に粉末材料を塗布して粉末層を形成する粉末塗布装置と、
   前記造形プレートまたは前記粉末層に電子ビームを照射するビーム照射装置と、
   前記粉末塗布装置および前記ビーム照射装置を制御することにより、粉末塗布工程、パウダーヒート工程、本焼結工程およびアフターヒート工程を経て１層分の造形物を形成するとともに、前記プレート移動装置を制御して前記１層分の造形物を積層して三次元の造形物を造形する制御部と、
   前記粉末層の造形面を撮影して前記粉末層の画像を生成するカメラと、
   前記粉末塗布工程の後で、且つ、前記パウダーヒート工程の前に前記カメラによって撮影された前記粉末層の画像である画像Ａ、および、前記パウダーヒート工程の後で、且つ、前記本焼結工程の前に前記カメラによって撮影された前記粉末層の画像である画像Ｂを、それぞれ微分画像に変換するとともに、前記画像Ａの微分画像と前記画像Ｂの微分画像との相関係数を閾値と比較することにより、前記パウダーヒート工程における粉末飛散の有無を判断する判断部と、
   を備える三次元積層造形装置。
2. 造形プレートと、
   前記造形プレートを上下方向に移動させるプレート移動装置と、
   前記造形プレート上に粉末材料を塗布して粉末層を形成する粉末塗布装置と、
   前記造形プレートまたは前記粉末層に電子ビームを照射するビーム照射装置と、
   前記粉末塗布装置および前記ビーム照射装置を制御することにより、粉末塗布工程、パウダーヒート工程、本焼結工程およびアフターヒート工程を経て１層分の造形物を形成するとともに、前記プレート移動装置を制御して前記１層分の造形物を積層して三次元の造形物を造形する制御部と、
   前記粉末層の造形面を撮影して前記粉末層の画像を生成するカメラと、
   前記アフターヒート工程の後で、且つ、前記粉末塗布工程の前に前記カメラによって撮影された前記粉末層の画像である第１画像、前記粉末塗布工程の後で、且つ、前記パウダーヒート工程の前に前記カメラによって撮影された前記粉末層の画像である第２画像、および、前記パウダーヒート工程の後で、且つ、前記本焼結工程の前に前記カメラによって撮影された前記粉末層の画像である第３画像のうち、前記第１画像と前記第３画像との比較結果、および、前記第２画像と前記第３画像との比較結果に基づいて、前記パウダーヒート工程における粉末飛散の有無を判断する判断部と、
   を備える三次元積層造形装置。
3. 前記カメラは、可視光カメラである
   請求項１または２に記載の三次元積層造形装置。
4. 前記本焼結工程の後に前記カメラによって撮影された前記粉末層の画像である第４画像を用いて、前記本焼結工程における粉末飛散の有無を判断する第２の判断部を備える
   請求項１または２に記載の三次元積層造形装置。
5. 前記制御部は、前記判断部によって前記粉末飛散が有りと判断された場合に、前記パウダーヒート工程の後、前記アフターヒート工程、前記粉末塗布工程、前記パウダーヒート工程、前記本焼結工程、前記アフターヒート工程の順に造形を行って今回の１層分の造形を行う
   請求項１または２に記載の三次元積層造形装置。
6. 前記制御部は、前記判断部によって前記粉末飛散が有りと判断された場合に、今回の層の前記アフターヒート工程に適用される条件と次の層の造形に適用される条件を、前記粉末飛散が無しの場合に適用される条件とは異なる内容で予約したうえで、今回の層の造形について前記本焼結工程を行った後に前記アフターヒート工程を前記予約した条件に従って行い、次の層の造形については前記予約した条件に従って造形を行う
   請求項１または２に記載の三次元積層造形装置。
7. 前記今回の層の前記アフターヒート工程に適用される条件の予約は、前記アフターヒート工程の実行時間を延長する予約、および、前記アフターヒート工程の加熱目標温度を高くする予約のうち、少なくとも１つであり、
   前記次の層の造形に適用される条件の予約は、前記本焼結工程で前記粉末層に加えられるエネルギーを増強する予約である
   請求項６に記載の三次元積層造形装置。
8. 前記制御部は、前記判断部によって２回以上連続で前記粉末飛散が有りと判断された場合に、前記パウダーヒート工程の後、前記アフターヒート工程、前記粉末塗布工程、前記パウダーヒート工程、前記本焼結工程、前記アフターヒート工程の順に造形を行って今回の１層分の造形を行う
   請求項５に記載の三次元積層造形装置。
9. 前記制御部は、前記第２の判断部によって前記粉末飛散が有りと判断された場合に、前記本焼結工程の後、前記アフターヒート工程、前記粉末塗布工程、前記パウダーヒート工程、前記本焼結工程、前記アフターヒート工程の順に造形を行って今回の１層分の造形を行う
   請求項４に記載の三次元積層造形装置。
10. 造形プレート上に粉末材料を塗布して粉末層を形成する粉末塗布工程と、
    前記粉末塗布工程の後に、前記造形プレート上の粉末層を予備加熱するパウダーヒート工程と、
    前記パウダーヒート工程の後に、前記粉末層を形成している前記粉末材料を本焼結させる本焼結工程と、
    前記本焼結工程の後に、次の層の粉末を敷き詰めるための準備として前記造形プレート上の粉末層を予備加熱するアフターヒート工程と、
    前記粉末塗布工程の後で、且つ、前記パウダーヒート工程の前にカメラによって撮影された前記粉末層の画像である画像Ａ、および、前記パウダーヒート工程の後で、且つ、前記本焼結工程の前に前記カメラによって撮影された前記粉末層の画像である画像Ｂを、それぞれ微分画像に変換するとともに、前記画像Ａの微分画像と前記画像Ｂの微分画像との相関係数を閾値と比較することにより、前記パウダーヒート工程における粉末飛散の有無を判断する判断工程と、
    を含む三次元積層造形方法。

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