JP7457613B2 - 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、造形プレート上に敷き詰められた金属粉末（パウダーベッド）に電子ビームを照射して金属粉末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では、電子ビームの照射によって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する現象が発生することがある。こうした現象はスモークと呼ばれ、スモークが発生すると造形作業を続けることが難しくなる。このため、三次元積層造形装置では、金属粉末を溶融および凝固によって本焼結させる前に、予備加熱によって金属粉末を仮焼結させ、これによってスモークの発生を抑制している。なお、金属粉末を本焼結させる工程は、造形プレート上に敷き詰められた金属粉末を電子ビームの照射によって選択的に溶融および凝固させることから、選択的溶融工程とも呼ばれる。

特許文献１には、造形プレート上に敷き詰められた金属粉末を、開口部を有するマスクカバーによって覆い、マスクカバーの開口部を通して金属粉末に電子ビームを照射することにより、金属粉末を仮焼結させる技術が記載されている。

国際公開第２０１７／１６３４０２号

しかしながら、本発明者らは、特許文献１に記載された技術に新たな課題が存在することを見出した。以下、詳しく説明する。
三次元積層造形装置においては、造形物を形作る各層の金属粉末に対して、予備加熱による仮焼結と、溶融および凝固による本焼結とを行なう。その場合、積層初期の段階では、造形プレート上の層の厚みが薄いため、予備加熱によって造形プレートが高温に加熱される。また、造形プレートの熱が金属粉末に伝えられることで、造形プレートの周囲に存在する金属粉末も仮焼結される。したがって、特許文献１に記載されているように、マスクカバー（チャージシールド）に電子ビームが当たらないよう上記開口部を通して電子ビームを金属粉末に照射しても、積層初期の段階では、マスクカバーの開口部に露出する金属粉末のすべてを仮焼結することができる。

しかし、積層が進んで造形プレートの位置が下がり、造形プレート上の層の厚みが厚くなると、上述した積層初期に比べて予備加熱時の造形プレートの温度が低くなる。このため、造形プレートから周囲の金属粉末に伝えられる熱が弱くなる。したがって、マスクカバーに電子ビームが当たらないよう上記開口部を通して電子ビームを金属粉末に照射すると、実際に電子ビームが照射される領域か、それよりも僅かに外側の領域までしか金属粉末が仮焼結されなくなる。その結果、マスクカバーの開口部の内側に、仮焼結されない金属粉末、すなわち未焼結の金属粉末が残り、その後の選択的溶融工程では、未焼結の金属粉末が存在する領域が起点となってスモークが発生するおそれがある。

本発明の目的は、スモークの発生を効果的に抑制することができる三次元積層造形装置および三次元積層造形方法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、金属粉末が敷き詰められる造形プレートと、開口部およびマスク部を少なくとも有し、造形プレート上に敷き詰められる金属粉末を開口部によって露出させるとともに、開口部よりも外側に位置する金属粉末をマスク部によって遮蔽するマスクカバーと、造形プレート上に敷き詰められる金属粉末にマスクカバーの開口部を通して電子ビームを照射するビーム照射装置と、ビーム照射装置を制御する制御部と、を備える。制御部は、造形プレート上に敷き詰められた金属粉末を仮焼結する場合に、マスクカバーの開口部よりも広範囲に電子ビームを走査するように、ビーム照射装置を制御する。

本発明に係る三次元積層造形方法は、造形プレート上に敷き詰められた金属粉末を、開口部を有するマスクカバーで覆うとともに、開口部を通して金属粉末に電子ビームを照射することにより、金属粉末を仮焼結させる第１工程と、第１工程によって仮焼結させた金属粉末を電子ビームの照射によって溶融および凝固させる第２工程と、を含む。第１工程では、マスクカバーの開口部よりも広範囲に電子ビームを走査する。

本発明によれば、スモークの発生を効果的に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動作手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態と比較される比較形態を説明する図である。 マスクカバーの開口部よりも広範囲に電子ビームを走査している状態を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るマスクカバーを備える三次元積層造形装置の要部構成を示す概略側面図である。 本発明の第２実施形態に係るマスクカバーの構成を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係るマスクカバーを備える三次元積層造形装置の要部構成を示す概略側面図である。

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、輻射シールドカバー２８と、マスクカバー３０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、造形面３２ａに向かって電子ビーム１５を照射する装置である。造形面３２ａは、造形プレート２２上に敷き詰められる金属粉末３２の上面に相当する。ビーム照射装置１４は、図示はしないが、電子ビーム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制御する光学系とを備える。光学系は、集束レンズ、対物レンズ、偏向レンズなどを備える。集束レンズは、電子銃が発生する電子ビーム１５を集束させるレンズである。対物レンズは、集束レンズで集束させた電子ビーム１５を造形面３２ａの近傍に合焦させるためのレンズである。偏向レンズは、電子ビーム１５を造形面３２ａ上で走査させるために電子ビーム１５を偏向するレンズである。ビーム照射装置１４は制御部１７によって制御される。制御部１７が制御するパラメータには、偏向レンズによる電子ビーム１５の偏向角度が含まれる。

粉末供給装置１６は、造形物３８の原材料となる金属粉末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、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。粉末投下器１６ｂは、予め決められた量の粉末を造形テーブル１８の端に投下する。アーム１６ｃは、Ｙ方向に長い長尺状の部材である。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。アーム１６ｃは、造形テーブル１８の全面に金属粉末を均一に敷き詰めるために、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、造形プレート２２と共に上下方向（Ｚ方向）に移動可能に設けられている。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。本明細書で記載する金属には合金が含まれる。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。ここで、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、このとき造形面３２ａ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３２ａ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。

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３２ａ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３２ａ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３２ａ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には囲い部３０ｃが形成されている。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３２ａから発生する輻射熱をシールドする機能と、造形面３２ａ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。また、マスクカバー３０は、図示しないカバー移動装置によって上下方向に移動可能に支持されている。カバー移動装置は、粉末供給装置１６のアーム１６ｃをＸ方向に移動させて金属粉末３２を造形テーブル１８上に敷き詰める場合に、アーム１６ｃとマスクカバー３０との接触を避けるために、マスクカバー３０を上方に移動させる。

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の動作手順について説明する。
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。
以下に、造形を開始してから終了するまでの三次元積層造形装置１０の動作手順について、図２のフローチャートを用いて説明する。

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、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。このとき、制御部１７は、ビーム照射装置１４が備える対物レンズ等によって電子ビーム１５をデフォーカスさせる。このデフォーカスは、電子ビーム１５の合焦位置が造形プレート２２の上面よりも下方にずれた状態、すなわちアンダーフォーカスの状態とする。また、制御部１７は、マスクカバー３０の開口部３０ａよりも広範囲に電子ビーム１５を走査するように、ビーム照射装置１４を制御する。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。造形プレート２２を所定の温度に加熱したら、ビーム照射装置１４は、電子ビーム１５の照射を停止する。なお、マスクカバー３０の開口部３０ａよりも広範囲に電子ビーム１５を走査するとは、電子ビーム１５の走査範囲（走査領域）のなかに開口部３０ａが収まるように、開口部３０ａの開口面積よりも広い面積で電子ビーム１５を走査することを意味する。

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、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、カバー移動装置（図示せず）は、次のステップＳ４でアーム１６ｃがマスクカバー３０に接触しないよう、アーム１６ｃよりも高い位置までマスクカバー３０を上昇させる。

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Ｓ４）。
ステップＳ４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、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、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、カバー移動装置（図示せず）は、マスクカバー３０を造形プレート２２の上面まで降ろす。これにより、造形プレート２２上に敷き詰められた金属粉末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。

次に、金属粉末３２を仮焼結させる（ステップＳ６）。
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、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して造形プレート２２上の金属粉末３２に電子ビーム１５を照射する。このとき、制御部１７は、ビーム照射装置１４が備える対物レンズ等によって電子ビーム１５をデフォーカスさせる。このデフォーカスは、電子ビーム１５の合焦位置が金属粉末３２の上面（造形面３２ａ）よりも下方にずれた状態、すなわちアンダーフォーカスの状態とする。また、制御部１７は、マスクカバー３０の開口部３０ａよりも広範囲に電子ビーム１５を走査するように、ビーム照射装置１４を制御する。これにより、開口部３０ａに露出している金属粉末３２はもちろん、開口部３０ａよりも外側に位置する金属粉末３２（マスク部３０ｂで遮蔽された金属粉末３２）も仮焼結される。

このように、造形プレート２２上に敷き詰められた金属粉末３２を、開口部３０ａを有するマスクカバー３０で覆うとともに、開口部３０ａを通して金属粉末３２に電子ビーム１５を照射することにより、金属粉末３２を仮焼結させる工程は、第１工程に相当する。そして、この第１工程においては、マスクカバー３０の開口部３０ａよりも広範囲に電子ビーム１５を走査することにより、少なくとも開口部３０ａに露出している金属粉末３２のすべてを仮焼結させることができる。

次に、金属粉末３２を溶融および凝固させる（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。この工程は第２工程に相当する。第２工程において、ビーム照射装置１４は、目的とする造形物の三次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データを一定の厚みにスライスした二次元データに基づいて電子ビーム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。電子ビームの照射によって溶融した金属粉末３２は、電子ビームが通過した後に凝固する。これにより、第１層目の造形が完了する。なお、第２工程は、造形プレート２２上に敷き詰められた金属粉末３２を電子ビーム１５の走査によって選択的に溶融および凝固させることから、選択的溶融工程に相当する。

次に、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Ｓ８）。
ステップＳ８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、マスクカバー３０の開口部３０ａを通して造形面３２ａに電子ビーム１５を照射する。このとき、制御部１７は、ビーム照射装置１４が備える対物レンズ等によって電子ビーム１５をデフォーカスさせる。このデフォーカスは、電子ビーム１５の合焦位置が造形面３２ａよりも下方にずれた状態、すなわちアンダーフォーカスの状態とする。また、制御部１７は、マスクカバー３０の開口部３０ａよりも広範囲に電子ビーム１５を走査するように、ビーム照射装置１４を制御する。これにより、開口部３０ａに露出している造形面３２ａの全域に電子ビーム１５が照射される。また、造形面３２ａは、金属粉末３２が仮焼結する程度の温度に加熱される。造形面３２ａを所定の温度に加熱したら、ビーム照射装置１４は、電子ビーム１５の照射を停止する。

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Ｓ９）。
ステップＳ９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、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、カバー移動装置（図示せず）は、次のステップＳ１１でアーム１６ｃがマスクカバー３０に接触しないよう、アーム１６ｃよりも高い位置までマスクカバー３０を上昇させる。

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Ｓ１１）。
ステップＳ１１において、粉末供給装置１６は、上記ステップＳ４と同様に動作する。

次に、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、カバー移動装置（図示せず）は、上記ステップＳ５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Ｓ１３）。この工程は第１工程に相当する。
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。

次に、金属粉末３２を溶融および凝固させる（ステップＳ１４）。この工程は第２工程に相当する。
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、第２層目の造形が完了する。

以降は、ステップＳ１５において造形物３８の造形が完了するまで、上記ステップＳ８～Ｓ１４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。

ここで、本発明の第１実施形態と比較される比較形態について、図３を用いて説明する。
なお、図３において、Ｅ１は、未焼結の金属粉末３２が存在する未焼結領域を示し、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。この点は他の図でも同様である。

図３に示す比較形態においては、造形プレート２２上に敷き詰められた金属粉末３２を仮焼結させる場合に、マスクカバー３０に電子ビーム１５が当たらないように、マスクカバー３０の開口部３０ａよりも狭い範囲で電子ビーム１５を走査している。このように電子ビーム１５を走査すると、積層初期の段階では造形プレート２２の周囲に存在する金属粉末３２が仮焼結されるが、積層が進んで造形プレート２２上の層の厚みが厚くなると、実際に電子ビーム１５が照射される領域くらいまでしか金属粉末３２が仮焼結されなくなる。その結果、マスクカバー３０の開口部３０ａの内側に未焼結の金属粉末３２が残り、その後の選択的溶融工程において、開口部３０ａの内側に存在する未焼結の金属粉末３２が起点となってスモークが発生するおそれがある。

これに対し、本発明の第１実施形態においては、造形プレート２２上に敷き詰められた金属粉末３２を仮焼結させる場合に、図４に示すように、マスクカバー３０の開口部３０ａよりも広範囲に電子ビーム１５を走査する。このため、開口部３０ａの内側に未焼結の金属粉末３２が残らない。したがって、その後の選択的溶融工程において、スモークの発生を効果的に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、造形プレート２２を加熱するステップＳ１において、マスクカバー３０の開口部３０ａよりも広範囲に電子ビーム１５を走査するとしたが、本発明はこれに限らず、マスクカバー３０の開口部３０ａよりも狭い範囲に電子ビーム１５を走査してもよい。換言すると、ステップＳ１において、マスクカバー３０の開口部３０ａよりも広範囲に電子ビーム１５を走査するか、あるいはマスクカバー３０の開口部３０ａよりも狭い範囲に電子ビーム１５を走査かは、開口部３０ａの開口寸法と造形プレート２２の外形寸法との大小関係等を考慮して適宜決定すればよい。

また、上記第１実施形態においては、金属粉末３２を仮焼結させるステップＳ６において、マスクカバー３０の開口部３０ａよりも広範囲に電子ビーム１５を走査するとしたが、本発明はこれに限らず、マスクカバー３０の開口部３０ａよりも狭い範囲に電子ビーム１５を走査してもよい。その理由は次のとおりである。ステップＳ６は、造形プレート２２上の層の厚みが薄い積層初期に該当する。このため、高温に加熱された造形プレート２２の熱が金属粉末３２に伝えられることで、造形プレート２２の周囲に存在する金属粉末３２が仮焼結される。よって、ステップＳ６においてマスクカバー３０の開口部３０ａよりも狭い範囲に電子ビーム１５を走査しても、マスクカバー３０の開口部３０ａに露出する金属粉末３２のすべてを仮焼結させることができる。よって、ステップＳ６においては、マスクカバー３０の開口部３０ａよりも狭い範囲に電子ビーム１５を走査してもよい。

上記と同様の理由により、金属粉末３２を仮焼結させるステップＳ１３においても、積層初期の期間内はマスクカバー３０の開口部３０ａよりも狭い範囲に電子ビーム１５を走査し、積層初期の期間が過ぎてからマスクカバー３０の開口部３０ａよりも広範囲に電子ビーム１５を走査するよう、制御部１７がビーム照射装置１４を制御してもよい。その場合、積層初期の期間は、マスクカバー３０の開口部３０ａに露出する金属粉末３２のすべてを造形プレート２２から伝わる熱によって仮焼結させることができる期間とすればよい。

＜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実施形態に係る三次元積層造形装置は、上記第１実施形態に係る三次元積層造形装置と比較して、マスクカバーの構成が異なる。以下、第２実施形態に係る三次元積層造形装置が備えるマスクカバーの構成について説明する。

図５は、本発明の第２実施形態に係るマスクカバーを備える三次元積層造形装置の要部構成を示す概略側面図であり、図６は、本発明の第２実施形態に係るマスクカバーの構成を示す斜視図である。
図５および図６に示すように、マスクカバー３０－２は、上述した開口部３０ａ、マスク部３０ｂおよび囲い部３０ｃに加えて、壁部３０ｄを備えている。壁部３０ｄは、開口部３０ａの縁から造形プレート２２と反対側、すなわち上側に起立している。本実施形態においては、壁部３０ｄが垂直に起立している。壁部３０ｄは、開口部３０ａの全周を囲むように形成されている。このため、開口部３０ａの平面視形状が円形であれば、壁部３０ｄの平面視形状も円形に形成され、開口部３０ａの平面視形状が角形であれば、壁部３０ｄの平面視形状も角形に形成される。図６においては、開口部３０ａおよび壁部３０ｄの平面視形状が円形で、囲い部３０ｃの平面視形状が四角形の場合を示している。また、図６において、マスク部３０ｂと囲い部３０ｃはネジ止め、溶接等によって固定され、マスク部３０ｂと壁部３０ｄもネジ止め、溶接等によって固定されている。なお、マスク部３０ｂ、囲い部３０ｃおよび壁部３０ｄのうち、マスク部３０ｂと囲い部３０ｃ、または、マスク部３０ｂと壁部３０ｄは、それぞれ一体構造になっていてもよいし、マスク部３０ｂ、囲い部３０ｃおよび壁部３０ｄの全部が一体構造になっていてもよい。

上記構成からなるマスクカバー３０－２を備える三次元積層造形装置においては、上記第１実施形態と同様に電子ビーム１５を開口部３０ａよりも広範囲に走査することにより、その走査位置が開口部３０ａを過ぎたところで電子ビーム１５が壁部３０ｄに照射される。その際、制御部１７は、電子ビーム１５の照射位置が壁部３０ｄの上端を乗り越えないように、ビーム照射装置１４を制御する。

上述のように電子ビーム１５が壁部３０ｄに照射されると、電子ビーム１５の照射位置が上側にずれる。このため、前述したアンダーフォーカスによるデフォーカス量が増大し、その分だけ電子ビーム１５の照射位置におけるビームスポット径が大きくなる。したがって、電子ビーム１５の照射位置が壁部３０ｄの上端に近づくほど電流密度が低下する。その結果、電子ビーム１５の照射によるマスクカバー３０－２の熱変形を抑制することができる。また、仮に小規模なスモークが発生して粉末粒子が飛散した場合に、飛散した粉末粒子がマスク部３０ｂの上に乗らないよう、壁部３０ｄを障壁として機能させることができる。また、飛散した粉末粒子が万が一、壁部３０ｄを乗り越えてマスク部３０ｂの上に乗った場合でも、その粉末粒子への電子ビーム１５の直接照射は壁部３０ｄによって遮られる。このため、マスク部３０ｂの上に乗った粉末粒子の仮焼結を防止することができる。ちなみに、マスク部３０ｂの上に乗った粉末粒子が仮焼結すると、この仮焼結体とマスク部３０ｂとの熱膨張差によってマスク部３０ｂの縁が波打つように歪むおそれがあるが、上述のように壁部３０ｄを設けた構成を採用すれば、そのような不具合の発生を避けることができる。

なお、上記第２実施形態において、マスクカバー３０は、囲い部３０ｃおよび壁部３０ｄの両方を備えた構成となっているが、マスクカバー３０に壁部３０ｄを設けた場合は、この壁部３０ｄが囲い部３０ｃと同様の機能を果たすため、囲い部３０ｃを設けなくてもよい。

＜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実施形態に係る三次元積層造形装置は、上記第２実施形態に係る三次元積層造形装置と比較して、マスクカバーにおける壁部の角度が異なる。

図７は、本発明の第３実施形態に係るマスクカバー備える三次元積層造形装置の要部構成を示す概略側面図である。
図７に示すように、マスクカバー３０－３は、開口部３０ａ、マスク部３０ｂ、囲い部３０ｃおよび壁部３０ｄを備える点は上記第２実施形態と同様である。ただし、上記第２実施形態においては、壁部３０ｄが垂直に起立して形成されているのに対し、第３実施形態においては、壁部３０ｄがビーム照射装置１４の中心軸４０側に傾いて配置されている。具体的には、壁部３０ｄの上端が下端よりもビーム照射装置１４の中心軸４０の近くに配置されるよう、壁部３０ｄが内側に傾いて配置されている。ビーム照射装置１４の中心軸４０は、ビーム照射装置１４を構成する電子銃および光学系の中心軸（光軸）を意味する。

ここで、マスク部３０ｂの下面と平行な仮想平面４２と壁部３０ｄとのなす角度をθ１とすると、壁部３０ｄは、角度θ１が鋭角となるように内側に傾いている。また、金属粉末３２を仮焼結する際の電子ビーム１５の最大の偏向角度をθ２とすると、角度θ１と角度θ２とは、θ１＞θ２の関係を満たしている。電子ビーム１５の偏向角度は、鉛直軸に直交する仮想平面４４と電子ビーム１５の中心軸とのなす角度で規定され、電子ビーム１５の中心軸が鉛直軸と平行であるときに最小（ゼロ）となる。

上記構成からなるマスクカバー３０－３を備える三次元積層造形装置においては、上記第２実施形態と同様の効果に加えて、次のような効果が得られる。
本発明の第３実施形態に係るマスクカバー３０－３は、上述したように壁部３０ｄが内側に傾いている。このため、ビーム照射装置１４から造形プレート２２に向けて電子ビーム１５を照射した際に造形面３２ａから発生する輻射熱を、壁部３０ｄの傾きを利用して造形面３２ａ側に戻すことができる。これにより、造形面３２ａの保温性を高めて熱効率を向上させることができる。また、上述した角度θ１と角度θ２の大小関係がθ１＞θ２になっているため、開口部３０ａよりも広範囲に電子ビーム１５を走査するときに、この電子ビーム１５がマスク部３０ｂに照射されないよう、電子ビーム１５を壁部３０ｄによって遮ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の構成要件、あるいは、その構成要件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。

１０…三次元積層造形装置
１４…ビーム照射装置
１５…電子ビーム
１７…制御部
２２…造形プレート
３０、３０－２、３０－３…マスクカバー
３０ａ…開口部
３０ｂ…マスク部
３０ｄ…壁部
３２…金属粉末
４２…仮想平面

Claims (5)

1. 金属粉末が敷き詰められる造形プレートと、
   開口部およびマスク部を少なくとも有し、前記造形プレート上に敷き詰められる金属粉末を前記開口部によって露出させるとともに、前記開口部よりも外側に位置する金属粉末を前記マスク部によって遮蔽するマスクカバーと、
   前記造形プレート上に敷き詰められる金属粉末に前記マスクカバーの前記開口部を通して電子ビームを照射するビーム照射装置と、
   前記ビーム照射装置を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記造形プレート上に敷き詰められた金属粉末を仮焼結する場合に、前記マスクカバーの前記開口部よりも広範囲に電子ビームを走査するように、前記ビーム照射装置を制御する
   三次元積層造形装置。
2. 前記マスクカバーは、前記開口部の縁から前記造形プレートと反対側に起立する壁部を有する
   請求項１に記載の三次元積層造形装置。
3. 前記壁部は、前記ビーム照射装置の中心軸側に傾いて配置されている
   請求項２に記載の三次元積層造形装置。
4. 前記マスク部の下面と平行な仮想平面と前記壁部とのなす角度をθ１とし、前記金属粉末を仮焼結する際の前記電子ビームの最大の偏向角度をθ２とした場合に、θ１＞θ２を満たす
   請求項３に記載の三次元積層造形装置。
5. 造形プレート上に敷き詰められた金属粉末を、開口部を有するマスクカバーで覆うとともに、前記開口部を通して前記金属粉末に電子ビームを照射することにより、前記金属粉末を仮焼結させる第１工程と、
   前記第１工程によって仮焼結させた前記金属粉末を電子ビームの照射によって溶融および凝固させる第２工程と、
   を含み、
   前記第１工程では、前記マスクカバーの前記開口部よりも広範囲に電子ビームを走査する
   三次元積層造形方法。

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