JP7407680B2 - 三次元構造体の製造方法および三次元構造体の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元構造体の製造方法および三次元構造体の製造装置に関する。

三次元構造体の製造方法の一つとして、粉末焼結積層方式の三次元構造体の製造方法が知られており、以下の手順が開示されている。先ず、チャージシールドを造形プレート上面まで降ろし、電子ビームを造形プレート上面全域より少し狭い領域に照射し、金属粉末が完全に仮焼結する程度の温度まで造形プレートをあらかじめ昇温させておく。造形プレート上面が造形枠台上面より僅かに下がった位置に配置されるように、粉末台をＺ軸駆動機構により下げる。この僅かに下がったΔＺが、その後のＺ方向の層厚に相当する。チャージシールドを上方に移動し、金属粉末を造形プレートとその周りに散布して、敷き詰める。造形プレート上に敷き詰めた金属粉末に対して、チャージシールドの内側開口部に電子ビームを照射して、昇温させ、照射領域の金属粉末を確実に仮焼結させる。あらかじめ準備された設計上の３次元積層造形物（造形モデル）をΔＺ間隔でスライスした２次元形状に従い、電子銃からの電子ビームにより、その２次元形状領域を溶融する（下記特許文献１参照）。

国際公開ＷＯ２０１７／１６３４０２号公報

上述した三次元構造体の製造方法では、金属粉末を造形プレートとその周りに散布して敷き詰める前に、電子ビームの照射によって造形プレートをあらかじめ昇温する手順を実施している。しかしながら、この際、造形プレート上に金属粉末が残存していると、残存している金属粉末が電子ビームの照射によって帯電し、帯電した金属粉末が造形プレートから一気に飛散する。これにより、造形枠台上の金属粉末が巻上げられる舞い上げられる現象が発生しプロセスの続行が困難となる。このため、造形プレート上に金属粉末が残存している場合には、プロセスを中断して上述した処理が実施されるチャンバーを大気開放し、造形プレート上の金属粉末を除去する必要があり、手間が掛かっていた。

そこで本発明は、造形プレート上に粉末が残存している場合であっても、プロセスを中断することなく造形プレート上における三次元構造体の製造を続行することが可能な三次元構造体の製造方法および三次元構造体の製造装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するための本発明は、造形プレートの表面にエネルギー線を照射して前記造形プレートを加熱するステップと、前記加熱された造形プレート上に粉末を敷き詰めた粉末層を形成するステップと、前記粉末層にエネルギー線を照射して前記粉末を仮焼結させた仮焼結部を前記粉末層に形成するステップと、前記仮焼結部における構造体領域にエネルギー線を照射して前記構造体領域を溶融させるステップとを実施する三次元構造体の製造方法であって、前記造形プレートを加熱するステップの前に、前記造形プレートの表面にエネルギー線を照射して前記造形プレートの表面をクリーニング処理するステップを行う。

以上のような構成の本発明によれば、造形プレート上に粉末が残存している場合であっても、プロセスを中断することなく造形プレート上における三次元構造体の製造を続行することが可能な三次元構造体の製造方法および三次元構造体の製造装置を提供することが可能である。

実施形態に係る三次元構造体の製造装置の概略構成図である。 三次元構造体の製造装置が有するカバー部材の構造を説明する平面図および断面図である。 実施形態に係る三次元構造体の製造方法を示すフローチャートである。 図３のフローチャートにおけるクリーニング処理の手順を示すフローチャートである。 実施形態に係る三次元構造体の製造方法を説明するための図（その１）である。 実施形態に係る三次元構造体の製造方法を説明するための図（その２）である。 実施形態に係る三次元構造体の製造方法を説明するための図（その３）である。 実施形態に係る三次元構造体の製造方法を説明するための図（その４）である。 実施形態に係る三次元構造体の製造方法を説明するための図（その５）である。 実施形態に係る三次元構造体の製造方法を説明するための図（その６）である。 実施形態に係る三次元構造体の製造方法の変形例を示すフローチャートである。

以下、本発明を適用した実施の形態を三次元構造体の製造装置、三次元構造体の製造方法の順に図面に基づいて詳細に説明する。

≪三次元構造体の製造装置≫
図１は、実施形態に係る三次元構造体の製造装置１の概略構成図である。この図に示す三次元構造体の製造装置１（以下、単に製造装置１と称する）は、粉末溶融積層方式の製造方法を実施するためのものである。この製造装置１は、減圧チャンバー１０内に、形成槽１１、ステージ１２、造形プレート１３、粉末供給装置１４、規制板１５、カバー部材１６、およびエネルギー線照射部１７を備え、さらにこれらの駆動を制御するための制御部２０および入力部２１を備えている。以下、これらの構成要素を説明する。

＜形成槽１１＞
形成槽１１は、減圧チャンバー１０内に立設された筒状の構造体であり、筒状の内部において三次元構造体が造形される。形成槽１１を構成する筒状は、一例として円筒状である。このような形成槽１１は、上部開口の周縁から外周側に向かって延設されたフランジ状の造形枠台１１ａを備え、造形枠台１１ａによって筒状の周囲が塞がれた状態となっている。なお、造形枠台１１ａは、筒状の形成槽１１とは別体であってもよく、この場合、形成槽１１の上部開口は、造形枠台１１ａの上面に位置する。

＜ステージ１２＞
ステージ１２は、形成槽１１の側周壁に内接して設けられていて、形成槽１１の底面を構成する。形成槽１１の側周壁とステージ１２との隙間は、ここでの図示を省略したフレキシブルシールが配置され、形成槽１１内においてのステージ１２の摺動性と密閉性とが確保されていることとする。このようなステージ１２によって底面が構成される形成槽１１の内部には、以降に説明する造形プレート１３が配置されると共に、粉末１００が貯蔵される。

またステージ１２は、ステージ駆動部１２ａを備える。ステージ駆動部１２ａは、形成槽１１内においてのステージ１２の昇降を制御し、形成槽１１の深さを可変としている。ステージ駆動部１２ａによるステージ１２の昇降は、エネルギー線照射部１７からのエネルギー線［ＥＢ］の照射の合間に実施される。このようなステージ駆動部１２ａは、制御部２０に接続され、制御部２０からの指示に基づいてステージ１２を昇降させる。

＜造形プレート１３＞
造形プレート１３は、上部に三次元構造体が造形される部材であって、形成槽１１内に貯蔵された粉末１００上に浮かせた状態で、形成槽１１の内部に収容される。このため造形プレート１３は、ステージ１２の昇降にともなって形成槽１１内において昇降する。このような造形プレート１３は、例えば形成槽１１の内周形状を一回り縮小した板状のものであり、例えば直径２８０ｍｍ程度の円板形状である。また造形プレート１３は、接地線１３ａによってステージ１２に接続され、ステージ１２と形成槽１１とを介して接地されていることとする。

＜粉末供給装置１４＞
粉末供給装置１４は、形成槽１１内に粉末１００を供給するものであって、次に説明する規制板１５と共に粉末層形成機構を構成する。この粉末供給装置１４は、粉末タンクと粉末タンクの底部に接続された定量供給器とを備え、制御部２０からの指示により、形成槽１１の上部開口にわたる幅で造形枠台１１ａ上に所定量の粉末を供給する。このような粉末供給装置１４は、形成槽１１の上部開口を挟んだ２か所に配置されていてもよく、この場合には、２か所の粉末供給装置１４の粉末タンクにはそれぞれ異なる種類の金属粉末を充填してもよい。

＜規制板１５＞
規制板１５は、形成槽１１の上部開口にわたる長尺状の板材であって、先に説明した粉末供給装置１４と共に粉末層形成機構を構成する。このような規制板１５は、板材の一辺が形成槽１１の上部開口に接触する程度の高さ位置を保った状態で、形成槽１１における造形枠台１１ａの上面および上部開口に沿って移動自在である。また規制板１５は、制御部２０からの指示により、粉末供給装置１４から造形枠台１１ａ上に粉末１００が供給された後に、粉末１００の供給位置よりも形成槽１１の上部開口の外側から、造形枠台１１ａの上面に沿って上部開口に向かって移動し、さらに上部開口にわたって上部開口上を通過するように移動する。これにより、造形枠台１１ａ上に供給された粉末１００を形成槽１１内に供給し、形成槽１１内に収容された粉末１００を形成槽１１の上部開口と同じ高さに揃える。

なお、形成槽１１内に収容しきれずに形成槽１１の上部開口からはみ出した粉末１００は、規制板１５によって、形成槽１１における造形枠台１１ａの外周に配置されたダストケース（図示省略）内に掃き落される。

＜カバー部材１６＞
カバー部材１６は、形成槽１１の側周壁と、形成槽１１内に収容された造形プレート１３との間の隙間［ｄ］を覆うものである。図２は、三次元構造体の製造装置１が有するカバー部材１６の構造を説明する平面図および断面図であり、断面図は平面図のＡ－Ａ断面である。図２および先の図１を参照し、カバー部材１６は、例えば略矩形の平面形状を有し、形成槽１１内の造形プレート１３の中央を広く露出させる開口部１６ａを有する。

この開口部１６ａは、造形プレート１３が形成槽１１の上部開口と同じ高さに位置する状態で、造形プレート１３の中央を広く露出させ、かつ造形プレート１３の周縁部分をカバー部材１６で覆う開口形状であることとする。このような開口部１６ａの開口径は、造形プレート１３の直径よりも５～１０ｍｍ程度小さいこととする。

またカバー部材１６は、平板状のものであってもよいが、図示したように略矩形の外周縁部と、開口部１６ａの縁部とを立ち上げた凹形状１６ｂを有するものであってもよい。この凹形状１６ｂは、以降に説明するようにエネルギー線［ＥＢ］の照射によって飛散した粉末１００の収容部となる。

このようなカバー部材１６は、チャージシールドとしても用いられる。この場合、カバー部材１６の材質は、例えば、金属などの導電性材料やステンレスなどの合金などが代表的であり、好ましくは、耐熱性の高い材料がよいが、シールドとしての役割を果たす材料であればこれらには限定されない。またカバー部材１６は、厚さ１０ｍｍ以上であり、電気的に接地されていることとする。

以上のようなカバー部材１６は、ここでの図示を省略した移動機構を有し、制御部２０からの指示にしたがって、上述した隙間［ｄ］を覆う位置と、粉末供給装置１４および規制板１５による形成槽１１への粉末１００の供給に支障のない位置との間で移動する。カバー部材１６の移動のタイミングは、以降の三次元構造体の製造方法において説明する。

＜エネルギー線照射部１７＞
エネルギー線照射部１７は、粉末１００を溶融可能なエネルギー線［ＥＢ］の照射部であって、ステージ１２上の造形プレート１３に対向して配置され、造形プレート１３または造形プレート１３上に貯蔵された粉末１００に対してエネルギー線［ＥＢ］を照射する。エネルギー線［ＥＢ］は、例えば電子線であって、図示したエネルギー線照射部１７は、電子線照射装置である。このようなエネルギー線照射部１７は、形成槽１１内の造形プレート１３上に貯蔵された粉末１００に対して、自在に設定された照射範囲において、エネルギー線［ＥＢ］を走査させながら照射可能である。またエネルギー線照射部１７は、エネルギー線［ＥＢ］の照射エネルギーが可変である。

例えば、エネルギー線照射部１７が、図示したような電子線照射装置である場合、エネルギー線照射部１７は、電流値が可変であって、各電流値に調整されたエネルギー線［ＥＢ］の照射により、粉末１００を焼結させ、また溶融させて三次元構造体を造形する。またエネルギー線照射部１７は、造形プレート１３への各電流値に調整されたエネルギー線［ＥＢ］の照射により、造形プレート１３のクリーニング処理を行い造形プレート１３上に残存する粉末１００を除去し、また造形プレート１３の加熱を行う。

以上のようなエネルギー線照射部１７は、制御部２０からの指示にしたがって、電流値の調整およびエネルギー線の走査を実施する。エネルギー線照射部１７によるエネルギー線［ＥＢ］の照射の詳細は、以降の三次元構造体の製造方法において説明する。

＜制御部２０＞
制御部２０は、上述した構成要素の駆動を制御するものであって、計算機によって構成されている。計算機は、いわゆるコンピューターとして用いられるハードウェアである。計算機は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、およびＲＯＭ（Read Only Memory）やＨＤＤ（hard disk drive）のような不揮発性の記憶部、さらにはネットワークインターフェースを備えていてもよい。このような計算機によって構成された制御部２０は、ＣＰＵが、ＲＯＭやＲＡＭに記録されたプログラムを実行することにより、以降に説明する三次元構造体の製造方法を実施する。

＜入力部２１＞
入力部２１は、三次元構造体の形成開始を指示するための入力、および三次元構造体を形成するために必要なデータを入力するためのものである。入力部２１から入力されるデータは、例えば製造装置１によって製造する三次元構造体の形状データ、および制御部２０のＲＯＭやＲＡＭに記録される三次元構造体の製造方法のプログラムである。このような入力部２１は、例えばタッチパネル付きの表示部、キーボード、および外部のパーソナルコンピュータとの接続インターフェースなどである。

≪三次元構造体の製造方法≫
図３は、実施形態に係る三次元構造体の製造方法を示すフローチャートである。図４は、図３のフローチャートにおけるクリーニング処理の手順を示すフローチャートである。図３のフローチャートに示す手順は、先に説明した入力部２１（図１参照）から新たな三次元構造体の製造の指示が入力されたことによって開始される。また図５～図１０は、実施形態に係る三次元構造体の製造方法を説明するための図（その１）～（その６）である。以下、先ずは図３のフローチャートに沿って、図５～図１０を参照しつつ実施形態に係る三次元構造体の製造方法を説明する。

＜ステップＳ１０１＞
先ずステップＳ１０１において、制御部２０は、減圧チャンバー１０内の排気を行う。ここで図１および図５を参照すると、新たな三次元構造体の製造を開始するべく、本ステップＳ１０１において減圧チャンバー１０内の排気を実施する時点においては、造形プレート１３は形成槽１１の上部開口と同じ高さにまで引き上げられている。また、カバー部材１６は、形成槽１１の内周壁と造形プレート１３との間の隙間［ｄ］の上部を覆う位置において、粉末１００に接触する状態で配置されていることとする。

さらに、造形プレート１３上の粉末１００は、規制板１５によって除去された状態となっている。ただし造形プレート１３の表面には、除去しきれずに残されたか、または減圧チャンバー１０内の排気の影響によって造形プレート１３上に飛着した残留粉末１００ａが付着している場合がある。そこで、次のステップＳ１０２を実施する。

＜ステップＳ１０２＞
ステップＳ１０２において、制御部２０は、エネルギー線照射部１７の制御によって、エネルギー線［ＥＢ］の照射による造形プレート１３の表面のクリーニング処理を実施する。図１および図６を参照すると、制御部２０は、エネルギー線照射部１７の駆動により、造形プレート１３の表面にエネルギー線［ＥＢ］を照射し、造形プレート１３表面の残留粉末１００ａをエネルギー線［ＥＢ］によって飛散させて除去する。

このようなクリーニング処理は、エネルギー線［ＥＢ］の照射により、造形プレート１３を加熱する必要はなく、造形プレート１３が加熱されないように行われる。また、このようなクリーニング処理は、エネルギー線［ＥＢ］の照射によって造形プレート１３の表面の残留粉末１００ａを飛散させるが、飛散した残留粉末１００ａによって粉末１００の舞い上がりが発生することのない程度に弱い第１の電流値［Ｉ１］を上限値として実施されることとする。

このような第１の電流値［Ｉ１］は、予め実験的に得られた上限値であることとする。また、第１の電流値［Ｉ１］は、次に実施する造形プレート１３の加熱処理において造形プレート１３に照射するエネルギー線［ＥＢ］の電流値（以下、第２の電流値［Ｉ２］と称する）よりも低く、典型的には第２の電流値［Ｉ２］の１／１０以下である。

上記クリーニング処理の具体例として、例えば、制御部２０は、予め求められている第１の電流値［Ｉ１］を上限とした範囲において、低い電流値から、段階的に電流値を大きくして、造形プレート１３に対してエネルギー線［ＥＢ］の照射を行う。具体的な一例として、第１の電流値［Ｉ１］が３．０ｍＡである場合、制御部２０は、エネルギー線照射部１７の制御により、第１段階…０．３ｍＡ、第２段階…１．０ｍＡ、第３段階…２．０ｍＡ、および第４段階…３．０ｍＡの全４段階でエネルギー線（ここでは電子線）の照射を行う。各段階におけるエネルギー線［ＥＢ］の照射時間は、各段階について個々に設定された時間であってよく、例えばそれぞれの段階において３０秒以下であることとする。

また、制御部２０は、カバー部材１６の開口部１６ａから露出している造形プレート１３の周縁部を除いた中央部をエネルギー線［ＥＢ］の照射領域［Ａ１］とし、この照射領域［Ａ１］の範囲において上記各段階の電流値のエネルギー線［ＥＢ］を走査させながら照射する。このような照射領域［Ａ１］の範囲は、実験的に求められた領域であって、エネルギー線［ＥＢ］を直接照射することなく造形プレート１３上の残留粉末１００ａが除去される周縁部を除く中央部分の範囲であることとする。一例として照射領域［Ａ１］は、カバー部材１６の開口部１６ａの開口径よりも、５～１０ｍｍ程度小さい直径の範囲であることとする。

次に図４のフローチャートに沿って、図６を参照しつつ、上述した本ステップＳ１０２におけるクリーニング処理の手順を説明する。

［ステップＳ１０２-1］
ステップＳ１０２-1において、制御部２０は、第ｎ段階ｎ＝１の処理を実施する。

［ステップＳ１０２-2］
ステップＳ１０２-2において、制御部２０は、第ｎ段階（先ずは第１段階）に設定した電流値（先ずは第１段階０．３ｍＡ）のエネルギー線［ＥＢ］を、造形プレート１３の表面に設定した上述の照射領域［Ａ１］に対して、走査しながら照射する。この際、予め設定した例えば３０秒以下の時間の間、エネルギー線［ＥＢ］の照射を行う。

［ステップＳ１０２-3］
ステップＳ１０２-3において、制御部２０は、クリーニング処理を続行するか否かの判断を実施する。この際、制御部２０は、入力部２１（図１参照）から、クリーニング処理を続行させるための入力が成された場合には、クリーニング処理を続行する（ＹＥＳ）と判断し、次のステップＳ１０２-4に進む。これにより、三次元構造体の製造装置１のオペレーターが、減圧チャンバー１０の観察窓を介してＣＣＤカメラが撮像した画像を見て、造形プレート１３の表面に、残留粉末１００ａが残っていると判断した場合に、入力部２１からの入力によって、クリーニング処理を続行させることができる。

一方、制御部２０は、入力部２１（図１参照）から、クリーニング処理を終了させるための入力が成された場合に、クリーニング処理を続行しない（ＮＯ）と判断し、クリーニング処理を終了さる。これにより、三次元構造体の製造装置１のオペレーターが、ＣＣＤカメラ画像を見て、造形プレート１３の表面に残留粉末１００ａが有ると判断した場合に、入力部２１からの入力によってクリーニング処理を終了させ、次のステップＳ１０３に進むことができる。

［ステップＳ１０２-4］
ステップＳ１０２-4において、制御部２０は、クリーニング処理におけるエネルギー線［ＥＢ］の電流値の段階（第ｎ段階）が、最終段階（例えば第４段階）であるか否かの判断を実施する。そして、最終段階である（ＹＥＳ）と判断した場合には、ステップＳ１０２-５に進む。一方、最終段階ではない（ＮＯ）と判断した場合には、次のステップＳ１０２-6に進む。

［ステップＳ１０２-5］
ステップＳ１０２-5において、制御部２０は、入力部２１（図１参照）からの入力信号に基づいて、クリーニング処理が良好に行われなくて強制終了させるか否かの判断を実施する。制御部２０は、入力部２１において、クリーニング処理が良好に行われなくて強制終了させるための入力がなされた（ＹＥＳ）と判断した場合には、クリーニング処理が良好に行われなくて強制終了させる。

一方、制御部２０は、入力部２１において、クリーニング処理が良好に行われていなくて強制終了させるための入力がなされていない（ＮＯ）と判断した場合には、ステップＳ１０２-2に戻る。これにより、最終段階（第４段階）の電流値でのエネルギー線［ＥＢ］の照射が繰り返される。

［ステップＳ１０２-6］
ステップＳ１０２-6において、制御部２０は、第ｎ段階ｎ＝ｎ＋１の処理を実施する。その後は、ステップＳ１０２-2に戻り、次の段階の電流値でのエネルギー線［ＥＢ］の照射を実施し、ステップＳ１０２-3において、クリーニング処理を続行しない（ＮＯ）と判断されるまで、以上のステップを繰り返し実施する。そして、ステップＳ１０２-3において、クリーニング処理を続行しない（ＮＯ）と判断された場合に次のステップＳ１０３に進む。

なお、制御部２０は、上述したステップＳ１０２を実施するにあたり、ステップＳ１０１とステップＳ１０２との間に、入力部２１（図１参照）からクリーニング処理を実施するための指示があったか否かの判断を実施してもよい。この場合、制御部２０は、指示があった（ＹＥＳ）と判断した場合にのみステップＳ１０２を実施し、指示がない（ＮＯ）と判断した場合には、ステップＳ１０１からステップＳ１０３に進めばよい。これにより、三次元構造体の製造装置１のオペレーターが、減圧チャンバー１０の外からの目視により、造形プレート１３の表面に、残留粉末１００ａが残っていると判断した場合にのみ、ステップＳ１０２のクリーニング処理を実施させることができる。

＜ステップＳ１０３＞
図３のフローに戻り、ステップＳ１０３において、制御部２０は、エネルギー線［ＥＢ］の照射による造形プレート１３の加熱処理を実施する。図１および図７を参照すると、制御部２０は、エネルギー線照射部１７の駆動により、造形プレート１３の表面が加熱される程度の電流値（第２の電流値［Ｉ２］）で造形プレート１３の表面にエネルギー線［ＥＢ］を照射する。これにより、以降に造形プレート１３上に供給される粉末１００が、以降に実施する仮焼結処理において完全に仮焼結する程度の温度にまで、造形プレート１３を予め昇温させておく。

このような造形プレート１３の加熱処理において照射されるエネルギー線［ＥＢ］の第２の電流値［Ｉ２］は、造形プレート１３を加熱できる程度に高い値とすることができる。このような第２の電流値［Ｉ２］は、ステップＳ１０２におけるクリーニング処理の際の第１の電流値［Ｉ１］よりも高い電流値であり、典型的には第１の電流値［Ｉ１］の１０倍以上である。

またこの加熱処理において制御部２０は、造形プレート１３の周縁を除いた中央部をエネルギー線［ＥＢ］の照射領域とし、その範囲において上記各段階の電流値のエネルギー線［ＥＢ］を走査させながら照射する。

このような造形プレート１３の加熱処理は、段階的に電流値を変更しながら、それぞれの段階に設定した時間でのエネルギー線［ＥＢ］の照射を実施してもよい。具体的な一例として、制御部２０は、エネルギー線照射部１７の制御により、第１段階…３５ｍＡ、１５分、第２段階…１５ｍＡ、１０分、第３段階…６３ｍＡ、１０分、および第４段階５３ｍＡ、５分の全４段階でエネルギー線（ここでは電子線）の照射を行う。

＜ステップＳ１０４＞
ステップＳ１０４において、制御部２０は、粉末供給装置１４および規制板１５の駆動に影響のない位置に、カバー部材１６を移動させる。

＜ステップＳ１０５＞
ステップＳ１０５において、制御部２０は、ステージ１２、粉末供給装置１４および規制板１５の駆動により粉末層の形成処理を行う。図１および図８を参照すると、制御部２０は、先ずステージ駆動部１２ａの駆動により、ステージ１２を所定の高さ［ｈ］だけ降下させ、これにより、ステージ１２上の造形プレート１３を、形成槽１１の上部開口に対して所定の高さ［ｈ］だけ降下させる。次に、制御部２０は、粉末供給装置１４から造形枠台１１ａ上に所定量の粉末１００を供給する。次に、規制板１５を造形枠台１１ａの上面および上部開口に沿って移動させる。これにより、造形プレート１３の上部に、高さ［ｈ］で粉末１００を敷き詰めた粉末層１０１を形成する。

＜ステップＳ１０６＞
ステップＳ１０６において、制御部２０はカバー部材１６を移動させる。図１および図９を参照すると、制御部２０は、形成槽１１の内周壁と造形プレート１３との間の隙間［ｄ］の上部を覆う位置にカバー部材１６を移動させる。これにより、カバー部材１６は、粉末層１０１に接触する状態で配置されることとする。

＜ステップＳ１０７＞
ステップＳ１０７において、制御部２０は、エネルギー線［ＥＢ］の照射による粉末層１０１の仮焼結処理を実施する。引き続き図１および図９を参照すると、制御部２０は、エネルギー線照射部１７の駆動により、粉末層１０１が完全に仮焼結する温度にまで昇温する電流値（第３の電流値［Ｉ３］）で粉末層１０１にエネルギー線［ＥＢ］を照射する。これにより、粉末層１０１内に仮焼結部１０２を形成する。このような第３の電流値［Ｉ３］は、ステップＳ１０２におけるクリーニング処理の際の第１の電流値［Ｉ１］よりも高い電流値である。また制御部２０は、粉末層１０１が完全に仮焼結するように設定した時間でのエネルギー線［ＥＢ］の照射を実施する。

またこの仮焼結処理において、制御部２０は、粉末層１０１に接触する状態で配置されたカバー部材１６にエネルギー線［ＥＢ］が照射されない程度の広い領域に対して、エネルギー線［ＥＢ］を走査させながら照射する。

＜ステップＳ１０８＞
ステップＳ１０８において、制御部２０は、エネルギー線［ＥＢ］の照射による粉末層１０１の溶融処理を実施する。図１および図１０を参照すると、制御部２０は、あらかじめ保持している三次元構造体の設計データに基づき、設計上の三次元構造体を高さ［ｈ］の間隔でスライスした部分の二次元形状に従った構造体領域にエネルギー線［ＥＢ］を照射する。この際、制御部２０は、粉末層１０１における仮焼結部１０２が溶融する程度の電流値（第４の電流値［Ｉ４］）でエネルギー線［ＥＢ］を照射する。このような第４の電流値［Ｉ４］は、ステップＳ１０７における仮焼結処理の際の第３の電流値［Ｉ３］よりも高い電流値である。

以上により、粉末層１０１の仮焼結部１０２においてエネルギー線［ＥＢ］を照射した構造体領域を溶融させ、溶融部分を凝固させた三次元構造体の板状構造体１０３を形成する。

＜ステップＳ１０９＞
ステップＳ１０９において、制御部２０は、三次元構造体の製造処理を終了させるか否かの判断を実施する。この場合、制御部２０は、三次元構造体の設計データに基づいてこの判断を実施し、板状構造体１０３の積層によって三次元構造体が完成した場合に、三次元構造体の製造処理が終了した（ＹＥＳ）と判断し、処理を終了させる。一方、制御部２０は、三次元構造体の設計データに基づいて、三次元構造体が完成していない場合には、三次元構造体の製造処理を終了しない（ＮＯ）と判断し、次のステップＳ１１０に進む。

＜ステップＳ１１０＞
ステップＳ１１０において、制御部２０は、エネルギー線［ＥＢ］の照射による下地層の加熱処理を実施する。ここで下地層とは、板状構造体１０３を有する粉末層１０１である。この際、制御部２０は、エネルギー線照射部１７の駆動により、粉末層１０１の表面が加熱される程度の電流値（第５の電流値［Ｉ５］）でエネルギー線［ＥＢ］を照射する。これにより、以降に粉末層１０１上に供給される粉末１００が、以降に実施する仮焼結処理において完全に仮焼結する程度の温度にまで、粉末層１０１を予め昇温させておく。このような第５の電流値［Ｉ５］は、ステップＳ１０８における粉末層１０１の溶融処理の際の第４の電流値［Ｉ４］よりも高い電流値である。なお、ステップＳ１０８の溶融処理時にはエネルギー線が最も絞られるので、エネルギー線［ＥＢ］の電流密度はステップＳ１０８の方がステップＳ１１０よりも高い。

以上の後には、ステップＳ１０４に戻り、以降を繰り返すことにより、粉末１００が凝固した板状構造体１０３を積層させた三次元構造体を形成する。

≪実施形態の効果≫
以上説明した実施形態によれば、エネルギー線［ＥＢ］の照射によって造形プレート１３を加熱する前に、エネルギー線［ＥＢ］の照射によって造形プレート１３のクリーニング処理を実施する。これにより、減圧チャンバー１０を大気開放してプロセスを中断することなく、造形プレート１３上から残留粉末１００ａを除去して三次元構造体の製造を開始することが可能になる。

また、減圧チャンバー１０内を排気する際には、排気速度が速いと減圧チャンバー１０内の粉末１００が排気流に乗って飛散し、造形プレート１３上に付着する場合がある。このような場合であっても、本実施形態によれば、減圧チャンバー１０を大気開放することなく、造形プレート１３上から残留粉末１００ａを除去することが可能であるため、減圧チャンバー１０内の高速排気が可能となる。この結果、三次元構造体の製造プロセスを短縮することができる。

また、エネルギー線［ＥＢ］の照射による造形プレート１３のクリーニング処理と加熱処理などにおいては、造形プレート１３の周囲に露出している未焼結の粉末１００をカバー部材１６で覆った状態で実施される。このため、エネルギー線［ＥＢ］の照射によって造形プレート１３から飛散した残留粉末１００ａに起因し、未焼結の粉末１００が舞い上がることを防止しつつ、造形プレート１３のクリーニング処理と加熱処理とを実施することが可能である。

≪実施形態の変形例≫
図１１は、実施形態に係る三次元構造体の製造方法の変形例を示すフローチャートである。この図１１に示す変形例の製造方法は、図３に示したフローチャートにおけるステップＳ１０２とステップＳ１０３との間に、ステップＳ１０２ａとステップＳ１０２ｂとを追加した方法である。追加したステップＳ１０２ａおよびステップＳ１０２ｂ以外のステップは、図３に示したフローチャートの手順と同様である。このため以下では、追加したステップＳ１０２ａおよびステップＳ１０２ｂを説明する。

＜ステップＳ１０２ａ＞
ステップＳ１０２ａにおいて、制御部２０は、クリーニング処理を終了させるか否かの判断を実施する。この際、制御部２０は、入力部２１（図１参照）から、クリーニング処理を終了させるための入力がなされた場合に、クリーニング処理を終了させる（ＹＥＳ）と判断し、クリーニング処理を終了さる。これにより、三次元構造体の製造装置１のオペレーターが、減圧チャンバー１０の外からの目視により、造形プレート１３の表面に残留粉末１００ａが無いと判断した場合に、入力部２１からの入力によってクリーニング処理を終了させ、次のステップＳ１０３に進むことができる。

一方、制御部２０は、入力部２１（図１参照）から、クリーニング処理を続行させるための入力がなされた場合には、クリーニング処理を終了させない（ＮＯ）と判断し、ステップＳ１０２ｂに進む。これにより、三次元構造体の製造装置１のオペレーターが、減圧チャンバー１０の外からの目視により、造形プレート１３の表面に残留粉末１００ａが残っている判断した場合には、入力部２１からの入力によって次のステップＳ１０２ｂのクリーニング処理を実施することができる。

＜ステップＳ１０２ｂ＞
ステップＳ１０２ｂにおいて、制御部２０は、拡大領域［Ａ２］へのエネルギー線［ＥＢ］の照射による造形プレート１３の表面のクリーニング処理を実施する。ここで拡大領域［Ａ２］とは、図６を参照すると、ステップＳ１０２においての照射領域［Ａ１］を、一回り大きくした領域であり、カバー部材１６にエネルギー線［ＥＢ］が照射されない程度の広い領域であることとする。

このステップＳ１０２ｂにおいて照射するエネルギー線［ＥＢ］は、造形プレート１３の表面の残留粉末１００ａを飛散させるが、残留粉末１００ａの飛散によって粉末１００の舞い上がりが発生することのない程度に弱い第１の電流値［Ｉ１］を上限値とすることは、ステップ１０２と同様である。また、段階的に電流値を上昇させてエネルギー線［ＥＢ］を照射することも、ステップＳ１０２と同様であってよく、図４に示したフローは、ステップＳ１０２ｂのフローでもある。ただし、エネルギー線［ＥＢ］の照射の段階数および各段階における電流値は、ステップＳ１０２とは別に設定された値であってよい。

≪実施形態の変形例の効果≫
以上説明した実施形態によれば、エネルギー線［ＥＢ］の照射によって造形プレート１３のクリーニング処理を実施した後、さらにエネルギー線［ＥＢ］の照射領域を拡大した拡大領域［Ａ２］に対してクリーニング処理が実施される。これにより、最も残留粉末１００ａが付着し易い造形プレート１３の周縁の領域に、直接エネルギー線［ＥＢ］を照射したクリーニング処理を実施することが可能であり、より確実に残留粉末１００ａを除去することができる。

１…三次元構造体の製造装置
１３…造形プレート
１４…粉末供給装置（粉末層形成機構）
１５…規制板（粉末層形成機構）
１６…カバー部材
１６ａ…凹形状
１７…エネルギー線照射部
２０…制御部
１００…粉末
１００ａ…残留粉末
１０１…粉末層
１０２…仮焼結部
［Ａ１］…照射領域（周縁部を除いた領域）
［Ａ２］…拡大領域
［ＥＢ］…エネルギー線

Claims (12)

1. 造形プレートの表面にエネルギー線を照射して前記造形プレートを加熱するステップと、
   前記加熱された造形プレート上に粉末を敷き詰めた粉末層を形成するステップと、
   前記粉末層にエネルギー線を照射して前記粉末を仮焼結させた仮焼結部を前記粉末層に形成するステップと、
   前記仮焼結部における構造体領域にエネルギー線を照射して前記構造体領域を溶融させるステップとを実施する三次元構造体の製造方法であって、
   前記造形プレートを加熱するステップの前に、前記造形プレートの表面にエネルギー線を照射して前記造形プレートの表面をクリーニング処理するステップを行う
   三次元構造体の製造方法。
2. 前記クリーニング処理におけるエネルギー線の照射は、前記造形プレートを加熱するステップよりも低い照射エネルギーで行なうことにより前記造形プレート上の残留粉末を除去する
   請求項１に記載の三次元構造体の製造方法。
3. 前記クリーニング処理におけるエネルギー線の照射は、照射エネルギーを段階的に上昇させた複数の段階で実施する
   請求項１または２に記載の三次元構造体の製造方法。
4. 前記クリーニング処理におけるエネルギー線の照射は、前記各段階でのエネルギー線の照射が終了する毎に処理を続行するか否かを判断し、続行すると判断した場合に次の段階でのエネルギー線の照射を実施する
   請求項３に記載の三次元構造体の製造方法。
5. 前記クリーニング処理におけるエネルギー線の照射は、前記造形プレートの周縁部を除いた領域に対して実施する
   請求項１～４のうちの何れか１項に記載の三次元構造体の製造方法。
6. 前記クリーニング処理におけるエネルギー線の照射は、前記造形プレートの周縁部を除いた領域に対して実施した後、前記領域を拡大した領域に対して実施する
   請求項５に記載の三次元構造体の製造方法。
7. 前記クリーニング処理を行うステップおよび前記造形プレートを加熱するステップは、前記造形プレートの周囲をカバー部材で覆った状態で実施する
   請求項１～６のうちの何れか１項に記載の三次元構造体の製造方法。
8. 前記各ステップは、減圧雰囲気下において実施される
   請求項１～７のうちの何れか1項に記載の三次元構造体の製造方法。
9. 造形プレートと、前記造形プレート上に粉末を敷き詰めた粉末層を形成する粉末層形成機構と、前記造形プレートおよび前記造形プレート上に形成された粉末層に対してエネルギー線を照射するためのエネルギー線照射部と、前記エネルギー線照射部によるエネルギー線の照射を制御する制御部とを備えた三次元構造体の製造装置であって、
   前記制御部は、
   前記粉末層形成機構によって前記造形プレート上に粉末層が形成される前に、前記エネルギー線照射部の制御により、前記造形プレートの表面にエネルギー線を照射して前記造形プレートの表面のクリーニング処理を行い、その後、前記造形プレートの表面にエネルギー線を照射して前記造形プレートを加熱し、
   前記粉末層形成機構によって前記造形プレート上に粉末層が形成された後に、前記エネルギー線照射部の制御により、前記造形プレート上の粉末層にエネルギー線を照射して前記粉末を仮焼結させた仮焼結部を前記粉末層に形成し、その後、前記仮焼結部における構造体領域にエネルギー線を照射して前記構造体領域を溶融させる
   三次元構造体の製造装置。
10. 前記造形プレートの周囲を覆うカバー部材を備えた
    請求項９に記載の三次元構造体の製造装置。
11. 前記カバー部材は、前記造形プレートの周囲に沿った凹形状を有する
    請求項１０に記載の三次元構造体の製造装置。
12. 前記カバー部材は、導電性材料によって構成された
    請求項１０または１１に記載の三次元構造体の製造装置。

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