JP7390327B2

JP7390327B2 - 三次元積層造形装置および三次元積層造形方法

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Publication number: JP7390327B2
Application number: JP2021045456A
Authority: JP
Inventors: 雅彦川上; 志雄袁; 歩宮北; 雄平金子
Original assignee: Jeol Ltd
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Priority date: 2021-03-19
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2023-12-01
Anticipated expiration: 2041-03-19
Also published as: JP2022144439A; US20220297193A1; EP4059639A1

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（たとえば、特許文献１を参照）。

特開２０１５－１９３１３５号公報

三次元積層造形装置で粉末材料を溶融させる場合は、粉末材料の造形領域を複数のラインに分け、各々のラインを順にビーム走査することにより、粉末材料をラインごとに溶融させる。ビーム走査とは、ビームを走査するという意味である。その際、Ｍ番目のラインをビーム走査した後に、Ｍ＋１番目のラインをビーム走査すると、Ｍ番目のラインで溶融した金属により形成されるメルトプールが、Ｍ＋１番目のラインをビーム走査するときの熱の影響を受けて乱れ、造形物に欠陥が生じやすくなる。特に、ビーム走査の対象となるラインの長さ（以下、「ライン長」ともいう。）が短い場合は、Ｍ番目のラインのビーム走査を開始してからＭ＋１番目のラインのビーム走査を開始するまでの時間間隔が短くなるため、次ラインの熱の影響を受けやすくなる。

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、粉末材料をビーム走査によって溶融させる場合に、次ラインをビーム走査するときの熱の影響が、その１つ前のラインで溶融する金属に及ぶ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、粉末材料が層状に敷き詰められる造形プレートと、造形プレート上に敷き詰められた粉末材料にビームを照射するビーム照射装置と、を備える。ビーム照射装置は、造形プレート上に敷き詰められた粉末材料の造形領域を複数のラインに分けてビーム走査することにより、造形領域内の粉末材料をラインごとに溶融させるとともに、Ｍ番目（Ｍは自然数）のラインのビーム走査を終了してからＭ＋１番目のラインのビーム走査を開始するまでの間に、粉末材料を溶融させない状態でビームを走査するダミー走査を行い、ビーム照射装置は、Ｍ番目のラインの長さが所定長さよりも短い場合にはダミー走査を行い、Ｍ番目のラインの長さが所定長さよりも長い場合にはダミー走査を行わずにＭ＋１番目のラインのビーム走査を行い、ビーム照射装置は、所定長さとＭ番目のラインの長さとの差分に応じて、ダミー走査の時間を調整する。

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敷き詰める工程と、粉末材料にビームを照射するとともに、造形物の横断面形状に対応する造形領域を複数のラインに分けてビーム走査することにより、粉末材料を溶融および凝固させる工程と、を含む。粉末材料を溶融および凝固させる工程では、Ｍ番目（Ｍは自然数）のラインのビーム走査を終了してからＭ＋１番目のラインのビーム走査を開始するまでの間に、粉末材料を溶融させない状態でビームを走査するダミー走査を行い、粉末材料を溶融および凝固させる工程では、Ｍ番目のラインの長さが所定長さよりも短い場合にはダミー走査を行い、Ｍ番目のラインの長さが所定長さよりも長い場合にはダミー走査を行わずにＭ＋１番目のラインのビーム走査を行い、ダミー走査の時間は、所定長さとＭ番目のラインの長さとの差分に応じて調整される。

本発明によれば、粉末材料をビーム走査によって溶融させる場合に、次ラインをビーム走査するときの熱の影響が、その１つ前のラインで溶融する金属に及ぶ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基本的な動作の手順を示すフローチャートである。本発明の第１実施形態において、データ処理装置が積層造形データを作成するときの処理手順を示すフローチャートである。造形領域を複数の溶融点に分解した状態を示す模式図である。ダミー走査の要否判断に適用される閾値の設定例（その１）を示す図である。ダミー走査の要否判断に適用される閾値の設定例（その２）を示す図である。制御部が積層造形データを基に電子ビームを制御するときの処理手順を示すフローチャートである。ダミー走査の経路の一例を模式的に示す平面図である。本発明の第２実施形態におけるダミー走査の経路の一例を模式的に示す平面図である。本発明の第３実施形態において、データ処理装置が積層造形データを作成するときの処理手順を示すフローチャートである。ビーム走査条件を決定するためのテーブルデータの一例を示す図である。本発明の第３実施形態において、制御部が積層造形データを基に電子ビームを制御するときの処理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、粉末供給装置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、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、対象物にビームを照射する装置である。本実施形態において、ビーム照射装置１４は、ビームの一例として、荷電粒子ビームのひとつである電子ビームを照射するものとする。ビーム照射装置１４は、電子ビーム１５の発生源となる電子銃１４１と、電子銃１４１が発生した電子ビーム１５を集束させる集束レンズ１４２と、集束レンズ１４２で集束させた電子ビーム１５を偏向する偏向レンズ１４３と、制御部１７と、を有している。

集束レンズ１４２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。また、偏向レンズ１４３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。制御部１７は、電子銃１４１、集束レンズ１４２および偏向レンズ１４３を介して電子ビーム１５を制御する。たとえば、制御部１７は、電子銃１４１を介して電子ビーム１５のビーム電流を制御する。また、制御部１７は、集束レンズ１４２を介して電子ビーム１５のフォーカス状態を制御する。また、制御部１７は、偏向レンズ１４３を介して電子ビーム１５の偏向角度および偏向速度を制御する。

なお、水平面（ＸＹ平面）における電子ビーム１５のスポット径は、電子ビーム１５のフォーカス状態に応じて変化する。このため、電子ビーム１５のフォーカス状態を制御することは、対象物に照射される電子ビーム１５のスポット径を制御することを意味する。また、水平面における電子ビーム１５の照射位置は、電子ビーム１５の偏向角度に応じて変化する。このため、電子ビーム１５の偏向角度を制御することは、電子ビーム１５の照射位置を制御することを意味する。また、水平面において電子ビーム１５のスポットが移動する速度、すなわちビームの走査速度は、電子ビーム１５の偏向速度に応じて変化する。このため、電子ビーム１５の偏向速度を制御することは、電子ビーム１５の走査速度を制御することを意味する。

制御部１７は、データ処理装置１９と通信可能に接続されている。データ処理装置１９は、目的とする造形物の設計データである三次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データを基に積層造形データを作成し、この積層造形データを制御部１７に転送する。積層造形データは、電子銃１４１、集束レンズ１４２および偏向レンズ１４３を駆動して電子ビーム１５を制御するために必要な各種のパラメータを含むデータである。データ処理装置１９は、ビーム照射装置１４を構成する要素の１つであってもよいし、ビーム照射装置１４とは独立した要素であってもよい。また、データ処理装置１９の機能を制御部１７に組み込んでもよい。

粉末供給装置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を造形テーブル１８上に供給する装置である。粉末供給装置１６は、ホッパー１６ａと、粉末投下器１６ｂと、スキージアーム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。スキージアーム１６ｃは、Ｙ方向に長い長尺状の部材である。スキージアーム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。スキージアーム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、粉末供給装置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、粉末供給装置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。回収ボックス２１は、Ｘ方向の一方と他方に１個ずつ設けられている。

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上に積層して成形される。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。

＜三次元積層造形装置の基本的な動作＞
続いて、本発明の第１実施形態に係る三次元積層造形装置１０の基本的な動作について図２のフローチャートを参照しつつ説明する。
なお、造形を開始する前は、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。

まず、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、制御部１７の制御下で動作することにより、造形プレート２２に電子ビーム１５を照射する。これにより、造形プレート２２は、電子ビーム１５の照射によって加熱される。また、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。

次に、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。

次に、造形プレート２２上に金属粉末３２を敷き詰める（ステップＳ３）。
ステップＳ３において、粉末供給装置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、スキージアーム１６ｃをＸ方向の一端側から他端側へと移動させることにより、インナーベース２４上に金属粉末３２を敷き詰める。このとき、金属粉末３２は、ΔＺ相当の厚さで造形テーブル１８の上に敷き詰められる。また、余分な金属粉末３２は、回収ボックス２１に回収される。

次に、金属粉末３２を仮焼結させる（ステップＳ４）。
ステップＳ４において、ビーム照射装置１４は、制御部１７の制御下で動作することにより、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。また、制御部１７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を走査するように、偏向レンズ１４３を制御する。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。

次に、金属粉末３２を溶融および凝固させる（ステップＳ５）。
ステップＳ５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Ｓ５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（以下、「ビーム走査」ともいう。）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層目の造形が完了する。
なお、図１に示す造形物３８は、各々の層において、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得られるものである。

次に、次層の金属粉末３２を敷き詰めるための準備として、造形面３２ａを加熱する（ステップＳ６）。造形面３２ａは、上述した本焼結（金属粉末３２の溶融および凝固）を終えた後の金属粉末３２の上面に相当する。
ステップＳ６において、ビーム照射装置１４は、制御部１７の制御下で動作することにより、造形面３２ａに電子ビーム１５を照射する。

次に、造形プレート２２を所定量（ΔＺ）だけ下降させる（ステップＳ７）。
ステップＳ７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の上面よりも造形面３２ａ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ΔＺだけ下降させる。

次に、造形プレート２２上に金属粉末３２を敷き詰める（ステップＳ８）。
ステップＳ８において、粉末供給装置１６は、上記ステップＳ３と同様に動作する。

次に、金属粉末３２を仮焼結させる（ステップＳ９）。
ステップＳ９において、ビーム照射装置１４は、上記ステップＳ４と同様に動作する。

次に、金属粉末３２を溶融および凝固させる（ステップＳ１０）。
ステップＳ１０において、ビーム照射装置１４は、上記ステップＳ５と同様に動作する。これにより、２層目の造形が完了する。

以降は、ステップＳ１１において造形物３８の造形が完了するまで、上記ステップＳ６～Ｓ１０の工程を繰り返す。造形物３８の造形は、造形物３８の造形に必要な層の数だけ金属粉末３２の溶融および凝固が行なわれた段階で完了となる。これにより、目的とする造形物３８が得られる。

図３は、本発明の第１実施形態において、データ処理装置１９が積層造形データを作成するときの処理手順を示すフローチャートである。
まず、データ処理装置１９は、造形物３８の三次元ＣＡＤデータを一定の厚みにスライスした二次元データを層ごとに抽出する（ステップＳ２１）。二次元データは、造形物３８の横断面形状を表すデータである。造形物３８の三次元ＣＡＤデータは、図３に示す処理を開始する前にデータ処理装置１９に与えられる。三次元ＣＡＤデータは、たとえば、三次元積層造形装置１０を使用するユーザーがデータ処理装置１９に入力してもよいし、データ処理装置１９が図示しない不揮発性記憶装置から読み出してもよいし、データ処理装置１９が図示しない端末装置から通信によって取得してもよい。

次に、データ処理装置１９は、二次元データによって特定される造形領域を溶融点に分解する（ステップＳ２２）。造形領域は、目的とする造形物３８の形状や個数などにより、各層に１つだけ存在する場合と、各層に複数存在する場合とがあり得る。溶融点は、上述したステップＳ５およびステップＳ１０において、金属粉末３２を溶融するために電子ビーム１５が照射される点である。たとえば、図４に示すように、目的とする造形物３８の造形領域３９が逆三角形である場合は、この造形領域３９を複数の溶融点４０に分解する。

次に、データ処理装置１９は、複数の溶融点４０から直線成分を抽出する（ステップＳ２３）。直線成分は、造形領域３９を電子ビーム１５の照射によって溶融させるときの、電子ビーム１５の走査方向に所定の間隔で並ぶ溶融点４０の集合として抽出される。図４においては、一例として、電子ビーム１５の走査方向がＸ方向である場合を示している。電子ビーム１５の走査方向は、造形領域３９の各ラインにおいて電子ビーム１５の照射位置（スポットの位置）が移動する方向である。また、データ処理装置１９は、Ｘ方向と直交するＹ方向において、電子ビーム１５の走査が図４に示す造形領域３９の上から下に向かってラインごとに順に行われるものとすると、図４の上から順番に直線成分を１つずつ抽出する。その際、データ処理装置１９が最初に抽出する直線成分は１番目のラインに相当し、次に抽出する直線成分は２番目のラインに相当し、その次に抽出する直線成分は３番目のラインに相当する。このようにデータ処理装置１９が直線成分を抽出することにより、１つの造形領域３９が複数のラインに分けて処理される。また、図４に示す造形領域３９の最も下に位置するラインが５０番目のラインであると仮定すると、データ処理装置１９は、ステップＳ２３の処理を１回行うたびに１つの直線成分を抽出し、これを繰り返すことで１番目のラインから５０番目のラインまで順に直線成分を抽出する。

次に、データ処理装置１９は、上記ステップＳ２３で抽出した直線成分の長さ、すなわちラインの長さＳＬ（図４を参照）と、予め設定された閾値とを比較し、この比較結果に基づいて、ダミー走査の要否を判断する（ステップＳ２４）。具体的には、データ処理装置１９は、ラインの長さが閾値以上である場合はダミー走査が不要であると判断し、ラインの長さが閾値よりも短い場合はダミー走査が必要であると判断する。ステップＳ２３でデータ処理装置１９が抽出するラインの長さは、図４のＹ方向において、いずれの位置（何番目）のラインを直線成分として抽出するかによって変わる。たとえば、図４に示すように造形領域３９が逆三角形であれば、データ処理装置１９が抽出する直線成分の位置が下方にずれるたびに、抽出する直線成分の長さが短くなる。一方、閾値は、Ｙ方向で隣り合うライン間での熱の影響を考慮して設定される。ダミー走査については後段で詳しく説明する。

図５は、ダミー走査の要否判断に適用される閾値の設定例を示す図である。
図５においては、直線成分の長さであるラインの長さと比較される閾値（以下、「第１の閾値」ともいう。）が、電子ビーム１５のビーム電流に応じて異なる値に設定されている。具体的には、ビーム電流が５ｍＡのときに適用される閾値は３ｍｍに設定され、ビーム電流が１０ｍＡのときに適用される閾値は５ｍｍに設定され、ビーム電流が２０ｍＡのときに適用される閾値は１０ｍｍに設定されている。造形領域３９に照射される電子ビーム１５のビーム電流は、金属粉末３２の材質や造形物３８の大きさ、形状などに応じて予め設定される。そして、造形領域３９に照射される電子ビーム１５のビーム電流が仮に１０ｍＡに設定されるものとすると、データ処理装置１９は、上記ステップＳ２４で閾値＝５ｍｍを適用してダミー走査の要否を判断する。

なお、ダミー走査の要否判断に適用される閾値は、ラインの長さと比較される閾値に限らず、該当するラインをビーム走査するのに要する時間と比較される閾値（以下、「第２の閾値」という。）であってもよい。その場合の閾値の設定例を図６に示す。
図６においては、上記ステップＳ２３で直線成分として抽出したラインをビーム走査するのに要する時間（以下、「ビーム走査所要時間」ともいう。）と比較される閾値が、電子ビーム１５のビーム電流に応じて異なる値に設定されている。具体的には、ビーム電流が５ｍＡのときに適用される閾値は３ｍｓに設定され、ビーム電流が１０ｍＡのときに適用される閾値は５ｍｓに設定され、ビーム電流が２０ｍＡのときに適用される閾値は１０ｍｓに設定されている。

なお、各々のラインを電子ビーム１５で走査するときの走査速度が一定である場合は、１つのラインの長さと、そのラインをビーム走査するのに要する時間との間には比例関係が成り立つ。したがって、ダミー走査の要否は、ラインの長さ、および、ビーム走査所用時間のうち、どちらを基準に判断してもよい。

また、ビーム電流が５ｍＡ超１０ｍＡ未満の場合や、ビーム電流が１０ｍＡ超２０ｍＡ未満の場合は、ダミー走査の要否判断に適用する閾値を補間法などによって決定すればよい。

再び図３に戻って説明すると、データ処理装置１９は、上記ステップＳ２４においてダミー走査が不要であると判断した場合は、後述するステップＳ２６に移行する。また、データ処理装置１９は、上記ステップＳ２４においてダミー走査が必要であると判断した場合は、その前のステップＳ２３で抽出した直線成分をダミー走査の対象に設定するとともに、ダミー走査の時間を設定する（ステップＳ２５）。ステップＳ２３で抽出した直線成分をダミー走査の対象に設定する場合は、その直線成分の後に、ダミー走査のための描画情報を挿入する。これにより、実際の三次元積層造形加工においては、ダミー走査の対象に設定された直線成分（ライン）のビーム走査が終了した時点でダミー走査に移行する。ダミー走査は、上記描画情報が示す走査経路にしたがって行われる。また、ダミー走査は、次のラインのビーム走査を開始するまで行われる。つまり、ダミー走査は、Ｍ番目（Ｍは自然数）のラインのビーム走査を終了してからＭ＋１番目のラインのビーム走査を開始するまでの間に行われる。

上記ステップＳ２５で設定するダミー走査の時間は、ダミー走査を開始してから終了するまでの時間である。ダミー走査の時間は、上記ステップＳ２４で比較対象とした閾値とラインの長さとの差分に応じて設定することが好ましい。たとえば、第１の閾値が５ｍｍで、ラインの長さが４ｍｍである場合は、それらの差分である１ｍｍの長さをビーム走査するのに要する時間と同じか、それよりも少し長い時間となるように、ダミー走査の時間を設定するとよい。また、第２の閾値が５ｍｓで、上述したビーム走査所要時間が３ｍｓである場合は、それらの差分である２ｍｓと同じか、それよりも少し長い時間となるように、ダミー走査の時間を設定するとよい。これにより、ダミー走査の時間を適切に設定することができる。

次に、データ処理装置１９は、未抽出の直線成分が残っているかどうかを確認する（ステップＳ２６）。たとえば、図４に示す造形物３８が計５０本の直線成分（ライン）に分けて処理される場合、データ処理装置１９は、ステップＳ２３で今回抽出した直線成分が５０番目のライン、すなわち最終のラインに相当するか否かを確認する。そして、データ処理装置１９は、今回抽出した直線成分が５０番目のラインに相当しない場合は、未抽出の直線成分が残っていると判断して上記ステップＳ２３に戻る。また、データ処理装置１９は今回抽出した直線成分が５０番目のラインに相当する場合は、すべての直線成分の抽出を終えたと判断して一連の処理を終える。

以上の処理により、データ処理装置１９は、積層造形データを作成する。また、データ処理装置１９は、作成した積層造形データを制御部１７に転送する。

一方、制御部１７は、データ処理装置１９から受け取った積層造形データに基づいてビーム照射装置１４の各部（電子銃１４１、集束レンズ１４２、偏向レンズ１４３等）の動作を制御する。また、制御部１７は、上記ステップＳ５およびステップＳ１０において特定した造形領域３９（図４参照）を、上記積層造形データを基に複数のラインに分けてビーム走査することにより、造形領域３９内の金属粉末３２をラインごとに溶融させる。

図７は、制御部１７が上記積層造形データを基に電子ビーム１５を制御するときの処理手順を示すフローチャートである。
まず、制御部１７は、変数Ｍの値を初期値（Ｍ＝１）に設定する（ステップＳ３１）。
次に、制御部１７は、Ｍ番目のラインをビーム走査する（ステップＳ３２）。これにより、制御部１７は、データ処理装置１９が積層造形データを作成する場合に、Ｍ番目のラインとして抽出した直線成分を対象にビーム走査を行う。

次に、制御部１７は、Ｍ番目のライン（直線成分）がダミー走査の対象に設定されているか否かを確認する（ステップＳ３３）。そして、制御部１７は、Ｍ番目のラインがダミー走査の対象に設定されていると判断すると、そのラインのビーム走査を終了した時点でダミー走査を行う（ステップＳ３４）。このとき、制御部１７は、上記ステップＳ２５でデータ処理装置１９が設定した条件に基づいてビーム照射装置１４の各部（電子銃１４１、集束レンズ１４２、偏向レンズ１４３等）の動作を制御することにより、ダミー走査の時間を調整する。また、制御部１７は、Ｍ番目のラインをビーム走査するときは、金属粉末３２を溶融させるために電子ビーム１５のスポット径を小さく絞った状態でビーム走査し、その後にダミー走査を行うときは、金属粉末３２を溶融させないように電子ビーム１５のスポット径を広げた状態でビーム走査する。また、制御部１７は、Ｍ番目のラインをビーム走査するときは、金属粉末３２を溶融させるために遅い速度でビームを走査し、その後にダミー走査を行うときは、金属粉末３２を溶融させないように速い速度でビーム走査する。

なお、ダミー走査の条件は、金属粉末３２に与えられる熱エネルギーを、金属粉末３２が溶融しない程度まで減らすことができる条件であれば、どのような条件を適用してもよい。また、本実施形態においては、ダミー走査を行うにあたって、電子ビーム１５のフォーカス状態、および、電子ビーム１５の走査速度の両方を変えるものとするが、いずれか一方のみを変えてもよい。

次に、制御部１７は、変数Ｍの値を１だけインクリメントした後（ステップＳ３５）、現在設定されているＭ番目のラインが最終のラインを超えたか否かを確認する（ステップＳ３６）。最終のラインは、上記図３に示す処理手順でデータ処理装置１９が積層造形データを作成する場合に、最後に直線成分を抽出したラインに相当する。現在設定されているＭ番目のラインが最終のラインを超えていない場合は、上記ステップＳ３２に戻る。また、現在設定されているＭ番目のラインが最終のラインを超えた場合は、一連の処理を終える。

続いて、ダミー走査について詳しく説明する。
ダミー走査は、次ラインをビーム走査するときの熱の影響が、その１つ前のラインで溶融する金属に及ぶことを抑制するために行われるビーム走査である。このため、ダミー走査は、金属粉末３２を溶融させるために行われるビーム走査とは異なる条件で行われる。すなわち、ダミー走査では、金属粉末３２を溶融させない状態で電子ビーム１５を走査する。具体的には、Ｍ番目のラインをビーム走査する場合と比較して、金属粉末３２に与えられる熱エネルギーが少なくなるように、電子ビーム１５のフォーカス状態を変えたり、電子ビーム１５の走査速度を変えたりする。電子ビーム１５のフォーカス状態については、Ｍ番目のラインをビーム走査するときよりも電子ビーム１５を暈かした状態にする。また、電子ビーム１５の走査速度については、Ｍ番目のラインをビーム走査するときよりも電子ビーム１５の走査速度を速めた状態にする。

図８は、ダミー走査の経路の一例を模式的に示す平面図である。
図８に示すように、Ｍ番目のラインがダミー走査の対象に設定されている場合は、Ｍ番目のラインのビーム走査を終了してからＭ＋１番目のラインのビーム走査を開始するまでの期間、ダミー走査を行う。
図８に示す例では、Ｍ番目のラインにおけるビーム走査の開始位置がＰ１、終了位置がＰ２であり、Ｍ＋１番目のラインにおけるビーム走査の開始位置がＰ３、終了位置がＰ４となっている。そうした場合、制御部１７は、まず、Ｍ番目のラインでＰ１位置からＰ２位置に向かって電子ビーム１５をＸ方向に走査することにより、金属粉末３２を溶融させる。次に、制御部１７は、以下に述べる走査経路でダミー走査を行う。

まず、制御部１７は、電子ビーム１５の照射位置をＰ２位置からＰｄ１位置へと移動させる。次に、制御部１７は、Ｐｄ１位置からＰｄ２位置に向かって電子ビーム１５をＸ方向に走査する。次に、制御部１７は、電子ビーム１５の照射位置をＰｄ２位置からＰｄ３位置へと移動させる。次に、制御部１７は、Ｐｄ３位置からＰｄ４位置に向かって電子ビーム１５をＸ方向に走査する。次に、制御部１７は、電子ビーム１５の照射位置をＰｄ４位置からＰｄ５位置へと移動させる。次に、制御部１７は、Ｐｄ５位置からＰｄ６位置に向かって電子ビーム１５をＸ方向に走査する。次に、制御部１７は、電子ビーム１５の照射位置をＰｄ６位置からＰｄ７位置へと移動させる。次に、制御部１７は、Ｐｄ７位置からＰｄ８位置に向かって電子ビーム１５をＸ方向に走査する。次に、制御部１７は、電子ビーム１５の照射位置をＰｄ８位置からＰｄ９位置へと移動させる。

次に、制御部１７は、Ｐｄ９位置からＰｄ１０位置に向かって電子ビーム１５をＸ方向に走査する。次に、制御部１７は、電子ビーム１５の照射位置をＰｄ１０位置からＰｄ１１位置へと移動させる。次に、制御部１７は、Ｐｄ１１位置からＰｄ１２位置に向かって電子ビーム１５をＸ方向に走査する。次に、制御部１７は、電子ビーム１５の照射位置をＰｄ１２位置からＰｄ１３位置へと移動させる。次に、制御部１７は、Ｐｄ１３位置からＰｄ１４位置に向かって電子ビーム１５をＸ方向に走査する。次に、制御部１７は、電子ビーム１５の照射位置をＰｄ１４位置からＰｄ１５位置へと移動させる。次に、制御部１７は、Ｐｄ１５位置からＰｄ１６位置に向かって電子ビーム１５をＸ方向に走査する。次に、制御部１７は、電子ビーム１５の照射位置をＰｄ１６位置からＰｄ１７位置へと移動させる。次に、制御部１７は、Ｐｄ１７位置からＰｄ１８位置に向かって電子ビーム１５をＸ方向に走査する。次に、制御部１７は、電子ビーム１５の照射位置をＰｄ１８位置からＰ３位置へと移動させる。

制御部１７は、このような走査経路でダミー走査を行った後、Ｍ＋１番目のラインでＰ３位置からＰ４位置に向かって電子ビーム１５をＸ方向に走査することにより、金属粉末３２を溶融させる。

以上説明したように、本発明の第１実施形態において、制御部１７は、Ｍ番目のラインのビーム走査を終了してからＭ＋１番目のラインのビーム走査を開始するまでの間にダミー走査を行うよう、ビーム照射装置１４の各部の動作を制御する。これにより、Ｍ番目のラインのビーム走査を開始してからＭ＋１番目のラインのビーム走査を開始するまでの時間間隔を、ダミー走査の時間の分だけ長く確保することができる。このため、Ｍ＋１番目のラインをビーム走査するときの熱の影響が、Ｍ番目のラインで溶融する金属に及ぶことを抑制できる。その結果、Ｍ番目のラインで溶融した金属のメルトプールに乱れが生じにくくなる。よって、造形物３８に欠陥が生じることを抑制することが可能となる。

＜第２実施形態＞
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。
本発明の第２実施形態においては、上述した第１実施形態と比較して、ダミー走査を行うときの走査経路が異なる。具体的には、上述した第１実施形態において、ビーム照射装置１４は、図８に示すように造形領域３９に一部重なるようにダミー走査を行うが、本第２実施形態においては、図９に示すようにＭ番目のラインおよびＭ＋１番目のラインを含む造形領域３９とは異なる別領域４２でダミー走査を行う。別領域４２は、造形プレート２２上に１層分の金属粉末３２を敷き詰めたときに形成される粉末層の表面領域のうち、現時点でビーム走査の対象となっている造形領域３９と重ならない領域である。別領域４２は、好ましくは、造形領域３９の後にビーム走査を行う予定の造形領域であり、より好ましくは、造形領域３９の次にビーム走査を行う予定の造形領域である。

このように、ダミー走査を行う領域を、造形領域３９とは異なる別領域４２に設定することにより、ダミー走査による熱が造形領域３９に与える影響を抑制することができる。また、造形領域３９の後にビーム走査を行う予定の造形領域を別領域４２に設定することにより、ダミー走査による熱を利用して別領域４２を加温することができる。

＜第３実施形態＞
続いて、本発明の第３実施形態について説明する。
本発明の第３実施形態においては、上述した第１実施形態と比較して、データ処理装置１９が積層造形データを作成するときの処理手順と、制御部１７が積層造形データを基に電子ビーム１５を制御するときの処理手順とが異なる。

図１０は、本発明の第３実施形態において、データ処理装置１９が積層造形データを作成するときの処理手順を示すフローチャートである。
まず、データ処理装置１９は、造形物３８の三次元ＣＡＤデータを一定の厚みにスライスした二次元データを層ごとに抽出する（ステップＳ５１）。次に、データ処理装置１９は、二次元データによって特定される造形領域をラインに分解し、そのラインの長さを取得する（ステップＳ５２）。
次に、データ処理装置１９は、上記ステップＳ５２で取得したラインの長さを基にビーム走査条件を決定する（ステップＳ５３）。

図１１は、ビーム走査条件を決定するためのテーブルデータの一例を示す図である。
図１１に示すように、ビーム走査条件には、電子ビーム１５のビーム電流（ｍＡ）の他に、ビームスポット径（μｍ）、ビーム滞在時間（μｓ）、溶融点ピッチ（μｍ）、ラインピッチ（μｍ）などの制御パラメータが含まれる。ビームスポット径は、図４に示す溶融点４０に電子ビーム１５を照射するときのスポット径φＢである。ビーム滞在時間は、図４に示す溶融点４０に電子ビーム１５を照射するときに、１つの溶融点４０につき電子ビーム１５のスポットを滞在（停止）させる時間である。溶融点ピッチは、電子ビーム１５の走査方向であるＸ方向で隣り合う２つの溶融点４０間のピッチＭｐ（図４参照）である。ラインピッチは、Ｙ方向で隣り合う２つのライン間のピッチＬｐ（図４参照）である。

データ処理装置１９は、上記ステップＳ５２で取得したラインの長さが５ｍｍである場合は、ビーム電流を３ｍＡ、ビームスポット径を５００μｍ、ビーム滞在時間を５０μｓ、溶融点ピッチを２０μｍ、ラインピッチを３０μｍに決定する。また、データ処理装置１９は、上記ステップＳ５２で取得したラインの長さが１０ｍｍである場合は、ビーム電流を５ｍＡ、ビームスポット径を６００μｍ、ビーム滞在時間を４０μｓ、溶融点ピッチを３０μｍ、ラインピッチを４０μｍに決定する。また、上記ステップＳ５２で取得したラインの長さが２０ｍｍである場合は、ビーム電流を１０ｍＡ、ビームスポット径を７００μｍ、ビーム滞在時間を３０μｓ、溶融点ピッチを４０μｍ、ラインピッチを５０μｍに決定する。なお、ラインの長さが５ｍｍ超１０ｍｍ未満の場合や、ラインの長さが１０ｍｍ超２０ｍｍ未満の場合は、ビーム走査条件の各パラメータを補間法などによって決定すればよい。

再び図１０に戻って説明すると、データ処理装置１９は、上記ステップＳ５３で決定したビーム走査条件のうち、ビーム電流に変更があるか否かを判定する（ステップＳ５４）。具体的には、データ処理装置１９は、今回のラインに適用するビーム電流が、その前（前回）のラインに適用したビーム電流と異なる場合は、ステップＳ５４でＹＥＳと判定し、それ以外（今回と前回でビーム電流が同じ場合）はステップＳ５４でＮＯと判定する。ステップＳ５４でＹＥＳと判断した場合はステップＳ５５に進み、ステップＳ５４でＮＯと判定した場合はステップＳ５７に移行する。

次に、データ処理装置１９は、今回のラインをダミー走査の対象に設定する（ステップＳ５５）。今回のラインをダミー走査の対象とする場合は、今回のラインの後にダミー走査のための描画情報を挿入する。
次に、データ処理装置１９は、ビーム電流の変更コマンドを挿入する（ステップＳ５６）。ビーム電流の変更コマンドには、変更後のビーム電流を指定する情報が含まれる。

次に、データ処理装置１９は、今回のラインを上記ビーム走査条件にしたがって複数の溶融点に分解する（ステップＳ５７）。

次に、データ処理装置１９は、すべてのラインについてビーム走査条件の決定を終えたか否かを確認する（ステップＳ５８）。そして、データ処理装置１９は、ビーム走査条件の決定を終えていないラインが残っている場合は、ステップＳ５８でＮＯと判断し、すべてのラインについてビーム走査条件の決定を終えた場合は、ステップＳ５８でＹＥＳと判断する。ステップＳ５８でＮＯと判断した場合は上記ステップＳ５３に戻り、ステップＳ５８でＹＥＳと判断した場合は、その時点で一連の処理を終える。

図１２は、本発明の第３実施形態において、制御部１７が積層造形データを基に電子ビーム１５を制御するときの処理手順を示すフローチャートである。
まず、制御部１７は、変数Ｍの値を初期値（Ｍ＝１）に設定した後（ステップＳ７１）、Ｍ番目のラインをビーム走査する（ステップＳ７２）。

次に、制御部１７は、Ｍ番目のラインがダミー走査の対象に設定されているか否かを確認する（ステップＳ７３）。そして、制御部１７は、Ｍ番目のラインがダミー走査の対象に設定されていると判断すると、そのラインのビーム走査を終了した時点でダミー走査を行う（ステップＳ７４）。このとき、制御部１７は、上記図１０のステップＳ５６でデータ処理装置１９が挿入したビーム電流の変更コマンドにしたがってビーム照射装置１４に制御指令を与える。また、ビーム照射装置１４は、制御部１７から与えられる制御指令に従って、ダミー走査中にビーム電流を変更する。ダミー走査中とは、ダミー走査を開始してから終了するまでの期間をいう。ビーム電流を変更するタイミングは、ダミー走査を終えた時点で、変更後のビーム電流で安定した状態が得られるようであれば、任意のタイミングに設定してよい。また、実際にビーム電流を変更してから、変更後のビーム電流で安定するまでの時間をなるべく長く確保するという観点では、ダミー走査を開始した直後にビーム電流を変更することが好ましい。

次に、制御部１７は、変数Ｍの値を１だけインクリメントした後（ステップＳ７５）、現在設定されているＭ番目のラインが最終のラインを超えたか否かを確認する（ステップＳ３６）。そして、Ｍ番目のラインが最終のラインを超えていない場合は、上記ステップＳ７２に戻り、Ｍ番目のラインが最終のラインを超えた場合は、一連の処理を終える。

このように本発明の第３実施形態においては、Ｍ番目のラインがダミー走査の対象に設定されている場合に、そのラインのビーム走査を終了した時点でダミー走査を行うとともに、ダミー走査中にビーム電流を変更する。これにより、Ｍ＋１番目のラインを、安定したビーム電流でビーム走査することができる。

＜変形例等＞
本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。

たとえば、上記実施形態においては、Ｍ番目のラインの長さが第１の閾値よりも短い場合や、Ｍ番目のラインをビーム走査するのに要する時間が第２の閾値よりも短い場合に、ダミー走査を行うようにしたが、本発明はこれに限らず、造形領域３９の全ラインを対象にダミー走査を行ってもかまわない。ただし、Ｍ番目のラインの長さが第１の閾値よりも短い場合や、Ｍ番目のラインをビーム走査するのに要する時間が第２の閾値よりも短い場合にのみ、ダミー走査を行うほうが、造形物３８を効率よく製造することができる。

１０…三次元積層造形装置
１４…ビーム照射装置
１５…電子ビーム（ビーム）
２２…造形プレート
３２…金属粉末（粉末材料）
３９…造形領域
４２…別領域

Claims

粉末材料が層状に敷き詰められる造形プレートと、
前記造形プレート上に敷き詰められた前記粉末材料にビームを照射するビーム照射装置と、
を備える三次元積層造形装置であって、
前記ビーム照射装置は、前記造形プレート上に敷き詰められた前記粉末材料の造形領域を複数のラインに分けてビーム走査することにより、前記造形領域内の前記粉末材料をラインごとに溶融させるとともに、Ｍ番目（Ｍは自然数）のラインのビーム走査を終了してからＭ＋１番目のラインのビーム走査を開始するまでの間に、前記粉末材料を溶融させない状態で前記ビームを走査するダミー走査を行い、
前記ビーム照射装置は、前記Ｍ番目のラインの長さが所定長さよりも短い場合には前記ダミー走査を行い、前記Ｍ番目のラインの長さが前記所定長さよりも長い場合には前記ダミー走査を行わずに前記Ｍ＋１番目のラインのビーム走査を行い、
前記ビーム照射装置は、前記所定長さと前記Ｍ番目のラインの長さとの差分に応じて、前記ダミー走査の時間を調整する
三次元積層造形装置。
粉末材料が層状に敷き詰められる造形プレートと、
前記造形プレート上に敷き詰められた前記粉末材料にビームを照射するビーム照射装置と、
を備える三次元積層造形装置であって、
前記ビーム照射装置は、前記造形プレート上に敷き詰められた前記粉末材料の造形領域を複数のラインに分けてビーム走査することにより、前記造形領域内の前記粉末材料をラインごとに溶融させるとともに、Ｍ番目（Ｍは自然数）のラインのビーム走査を終了してからＭ＋１番目のラインのビーム走査を開始するまでの間に、前記粉末材料を溶融させない状態で前記ビームを走査するダミー走査を行い、
前記ビーム照射装置は、前記Ｍ番目のラインをビーム走査するのに要する時間が所定時間よりも短い場合には前記ダミー走査を行い、前記Ｍ番目のラインをビーム走査するのに要する時間が前記所定時間よりも長い場合には前記ダミー走査を行わずに前記Ｍ＋１番目のラインのビーム走査を行い、
前記ビーム照射装置は、前記所定時間と前記Ｍ番目のラインをビーム走査するのに要する時間との差分に応じて、前記ダミー走査の時間を調整する
三次元積層造形装置。
前記粉末材料を溶融させない状態とは、前記Ｍ番目のラインをビーム走査するときよりも前記ビームを暈かした状態、および、前記Ｍ番目のラインをビーム走査するときよりも前記ビームの走査速度を速めた状態のうち、少なくともいずれか一方の状態である
請求項１または２に記載の三次元積層造形装置。
前記所定長さは、ビーム電流に応じて異なる
請求項１に記載の三次元積層造形装置。
前記所定時間は、ビーム電流に応じて異なる
請求項２に記載の三次元積層造形装置。
前記ビーム照射装置は、前記Ｍ番目のラインおよび前記Ｍ＋１番目のラインを含む前記造形領域とは異なる別領域で前記ダミー走査を行う
請求項１または２に記載の三次元積層造形装置。
前記別領域は、前記Ｍ番目のラインおよび前記Ｍ＋１番目のラインを含む前記造形領域の後にビーム走査を行う予定の造形領域である
請求項６に記載の三次元積層造形装置。
前記ビーム照射装置は、前記ダミー走査中にビーム電流を変更する
請求項１または２に記載の三次元積層造形装置。
造形プレート上に粉末材料を敷き詰める工程と、
前記粉末材料にビームを照射するとともに、造形物の横断面形状に対応する造形領域を複数のラインに分けてビーム走査することにより、前記粉末材料を溶融および凝固させる工程と、
を含む三次元積層造形方法であって、
前記粉末材料を溶融および凝固させる工程では、
Ｍ番目（Ｍは自然数）のラインのビーム走査を終了してからＭ＋１番目のラインのビーム走査を開始するまでの間に、前記粉末材料を溶融させない状態で前記ビームを走査するダミー走査を行い、
前記粉末材料を溶融および凝固させる工程では、前記Ｍ番目のラインの長さが所定長さよりも短い場合には前記ダミー走査を行い、前記Ｍ番目のラインの長さが前記所定長さよりも長い場合には前記ダミー走査を行わずに前記Ｍ＋１番目のラインのビーム走査を行い、前記ダミー走査の時間は、前記所定長さと前記Ｍ番目のラインの長さとの差分に応じて調整される
三次元積層造形方法。
造形プレート上に粉末材料を敷き詰める工程と、
前記粉末材料にビームを照射するとともに、造形物の横断面形状に対応する造形領域を複数のラインに分けてビーム走査することにより、前記粉末材料を溶融および凝固させる工程と、
を含む三次元積層造形方法であって、
前記粉末材料を溶融および凝固させる工程では、
Ｍ番目（Ｍは自然数）のラインのビーム走査を終了してからＭ＋１番目のラインのビーム走査を開始するまでの間に、前記粉末材料を溶融させない状態で前記ビームを走査するダミー走査を行い、
前記粉末材料を溶融および凝固させる工程では、前記Ｍ番目のラインをビーム走査するのに要する時間が所定時間よりも短い場合には前記ダミー走査を行い、前記Ｍ番目のラインをビーム走査するのに要する時間が前記所定時間よりも長い場合には前記ダミー走査を行わずに前記Ｍ＋１番目のラインのビーム走査を行い、前記ダミー走査の時間は、前記所定時間と前記Ｍ番目のラインをビーム走査するのに要する時間との差分に応じて調整される
三次元積層造形方法。