JP7476042B2

JP7476042B2 - 3D additive manufacturing equipment

Info

Publication number: JP7476042B2
Application number: JP2020149659A
Authority: JP
Inventors: 貴津田
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2024-04-30
Anticipated expiration: 2040-09-07
Also published as: JP2022044168A

Description

本発明は、三次元積層造形装置に関する。 The present invention relates to a three-dimensional additive manufacturing device.

近年、ステージ上に敷き詰められた金属の粉末に電子ビームを照射して粉末を溶融および凝固させるとともに、凝固させた層をステージの移動により順に積層させ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）。 In recent years, a three-dimensional additive manufacturing device has become known that irradiates metal powder spread on a stage with an electron beam to melt and solidify the powder, and then stacks the solidified layers in sequence by moving the stage to form a three-dimensional object (see, for example, Patent Document 1).

国際公開第２０１７／１６３４０４号International Publication No. 2017/163404

三次元積層造形装置において、金属の粉末に電子ビームを照射すると、溶融した金属の一部が蒸発物質となって霧状に立ち昇る。その際、蒸発物質は、ステージの上方に存在する輻射シールド部の開口を通過してビーム照射装置のビーム出射口に到達し、ビーム出射口の内周面に付着する。これにより、ビーム出射口の内周面には、金属の蒸着物が付着した状態になる。蒸着物は、造形プロセス中に成長して被膜を形成し、この被膜にひび割れ等が生じると、蒸着物が自重で落下する。落下した蒸着物は造形面の上に落ちる。その結果、蒸着物が造形途中の造形物に取り込まれ、造形物に欠陥が生じるおそれがある。 In a three-dimensional additive manufacturing device, when metal powder is irradiated with an electron beam, some of the molten metal becomes evaporated material and rises in the form of mist. The evaporated material passes through an opening in a radiation shield located above the stage, reaches the beam exit of the beam irradiation device, and adheres to the inner peripheral surface of the beam exit. This results in a state in which a metal deposition product adheres to the inner peripheral surface of the beam exit. The deposition product grows and forms a coating during the modeling process, and if cracks or the like occur in this coating, the deposition product falls under its own weight. The fallen deposition product falls onto the modeling surface. As a result, the deposition product may be incorporated into the model in the middle of being modeled, causing defects in the model.

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、造形面上への蒸着物の落下を抑制することができる三次元積層造形装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above problems, and its purpose is to provide a three-dimensional additive manufacturing device that can prevent deposition material from falling onto the modeling surface.

本発明に係る三次元積層造形装置は、造形物の原材料となる粉末が敷き詰められるステージと、ステージ上に敷き詰められる粉末にビームを照射するとともに、ビームが出射されるビーム出射口を有するビーム照射装置と、ステージとビーム照射装置との間に配置され、粉末にビームを照射した際に発生する輻射熱をシールドする輻射シールド部と、輻射シールド部とビーム照射装置との間に配置され、粉末にビームを照射した際に発生する蒸発物質がビーム出射口の開口エッジに付着することを抑制する付着抑制部と、を備える。付着抑制部は、ビームが通る筒穴を有する筒状に形成されている。付着抑制部のビーム出射口側の開口径は、ビーム出射口の開口径よりも小さい。付着抑制部は、粉末にビームを照射した際に発生する輻射熱で高温に加熱される。 The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to the present invention includes a stage on which powder, which is the raw material of the object, is spread, a beam irradiation device which irradiates the powder spread on the stage with a beam and has a beam exit port from which the beam is emitted, a radiation shield section which is disposed between the stage and the beam irradiation device and which shields against radiant heat generated when the powder is irradiated with the beam, and an adhesion suppression section which is disposed between the radiation shield section and the beam irradiation device and which suppresses adhesion of evaporated material generated when the powder is irradiated with the beam to an opening edge of the beam exit port. The adhesion suppression section is formed in a cylindrical shape having a cylindrical hole through which the beam passes. The opening diameter of the adhesion suppression section on the beam exit port side is smaller than the opening diameter of the beam exit port. The adhesion suppression section is heated to a high temperature by radiant heat generated when the powder is irradiated with the beam.

本発明によれば、造形面上への蒸着物の落下を抑制することができる。 The present invention makes it possible to prevent deposition material from falling onto the modeling surface.

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断面図である。1 is a side cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention. 図１に示す三次元積層造形装置の一部を拡大した図である。FIG. 2 is an enlarged view of a portion of the three-dimensional additive manufacturing apparatus shown in FIG. 1 . 本発明の第２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断面図である。FIG. 11 is a side cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention.

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。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In this specification and the drawings, elements having substantially the same functions or configurations are given the same reference numerals, and duplicated descriptions will be omitted.

＜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断面図である。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。 First Embodiment
Fig. 1 is a side cross-sectional view showing a schematic configuration of a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention. In the following description, in order to clarify the shapes and positional relationships of each part of the three-dimensional additive manufacturing apparatus, the left-right direction in Fig. 1 is defined as the X direction, the depth direction in Fig. 1 is defined as the Y direction, and the up-down direction in Fig. 1 is defined as the Z direction. The X direction, Y direction, and Z direction are mutually orthogonal. Moreover, the X direction and Y direction are parallel to the horizontal direction, and the Z direction is parallel to the vertical direction.

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、ステージ２２と、ステージ移動装置２４と、輻射シールド部４０と、付着抑制部４２と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the three-dimensional additive manufacturing device 10 includes a vacuum chamber 12, a beam irradiation device 14, a powder supply device 16, a modeling table 18, a modeling box 20, a stage 22, a stage movement device 24, a radiation shield unit 40, and an adhesion suppression unit 42.

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。真空チャンバー１２は、上壁１２ａ、側壁１２ｂおよび底壁１２ｃを有している。上壁１２ａおよび底壁１２ｃは、Ｚ方向で対向している。 The vacuum chamber 12 is a chamber for creating a vacuum state by evacuating the air inside the chamber using a vacuum pump (not shown). The vacuum chamber 12 has an upper wall 12a, a side wall 12b, and a bottom wall 12c. The upper wall 12a and the bottom wall 12c face each other in the Z direction.

ビーム照射装置１４は、造形面３２ａに電子ビーム１５を照射する装置である。造形面３２ａは、ステージ２２上に敷き詰められる粉末３２の上面に相当する。ビーム照射装置１４は、電子ビームの発生源となる電子銃２６と、電子銃２６が発生した電子ビーム１５を制御する光学系２７とを備える。 The beam irradiation device 14 is a device that irradiates the electron beam 15 onto the modeling surface 32a. The modeling surface 32a corresponds to the upper surface of the powder 32 spread on the stage 22. The beam irradiation device 14 includes an electron gun 26 that is a source of the electron beam, and an optical system 27 that controls the electron beam 15 generated by the electron gun 26.

光学系２７は、集束レンズ２８と、対物レンズ２９と、偏向レンズ３０とを備えている。集束レンズ２８は、電子銃２６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２９は、集束レンズ２８で集束させた電子ビーム１５を造形面３２ａに合焦させるレンズである。偏向レンズ３０は、対物レンズ２９によって合焦させた電子ビーム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。なお、ビームは電子ビームに限らず、レーザービームであってもよい。また、光学系２７における各レンズ２８，２９，３０の配置は必要に応じて変更可能であり、光学系２７の構成についても必要に応じて変更可能である。 The optical system 27 includes a focusing lens 28, an objective lens 29, and a deflection lens 30. The focusing lens 28 is a lens that focuses the electron beam 15 generated by the electron gun 26. The objective lens 29 is a lens that focuses the electron beam 15 focused by the focusing lens 28 onto the modeling surface 32a. The deflection lens 30 is a lens that deflects the electron beam 15 so that the electron beam 15 focused by the objective lens 29 is scanned onto the modeling surface 32a. Note that the beam is not limited to an electron beam, and may be a laser beam. The arrangement of the lenses 28, 29, and 30 in the optical system 27 can be changed as necessary, and the configuration of the optical system 27 can also be changed as necessary.

ビーム照射装置１４は、真空チャンバー１２の上壁１２ａに取り付けられている。ビーム照射装置１４は、電子銃２６および光学系２７の中心軸３１がＺ方向と平行となるように配置されている。ビーム照射装置１４の下端部にはビーム出射口３４が設けられている。ビーム出射口３４は、光学系２７によって制御された電子ビーム１５を出射させる開口である。すなわち、電子ビーム１５は、このビーム出射口３４から出射される。ビーム出射口３４は、電子ビーム１５を制御する光学部品（レンズ等）に形成されていてもよいし、光学部品を保持する筐体に形成されていてもよい。 The beam irradiation device 14 is attached to the upper wall 12a of the vacuum chamber 12. The beam irradiation device 14 is arranged so that the central axis 31 of the electron gun 26 and the optical system 27 is parallel to the Z direction. A beam exit port 34 is provided at the lower end of the beam irradiation device 14. The beam exit port 34 is an opening that emits the electron beam 15 controlled by the optical system 27. In other words, the electron beam 15 is emitted from this beam exit port 34. The beam exit port 34 may be formed in an optical component (such as a lens) that controls the electron beam 15, or may be formed in a housing that holds the optical component.

ビーム出射口３４は、光学系２７の中心軸方向から見て円形に形成されている。ビーム出射口３４は、電子ビーム１５の進行方向の上流側から下流側に向かって徐々に直径が大きくなる形状、すなわちラッパ状に形成されている。ビーム出射口３４をラッパ状に形成する理由は、偏向レンズ３０による電子ビーム１５の偏向を許容するためである。具体的には、ビーム出射口３４は、偏向レンズ３０によって電子ビーム１５を偏向するときに、電子ビーム１５がビーム出射口３４の内周面３４ａに干渉（接触）しないよう、その内周面３４ａが中心軸３１に対して所定の角度で傾斜している。 The beam exit 34 is formed in a circular shape when viewed from the central axis direction of the optical system 27. The beam exit 34 is formed in a shape whose diameter gradually increases from the upstream side to the downstream side in the traveling direction of the electron beam 15, that is, in a trumpet shape. The reason for forming the beam exit 34 in a trumpet shape is to allow the deflection of the electron beam 15 by the deflection lens 30. Specifically, the inner peripheral surface 34a of the beam exit 34 is inclined at a predetermined angle with respect to the central axis 31 so that the electron beam 15 does not interfere with (contact) the inner peripheral surface 34a of the beam exit 34 when the electron beam 15 is deflected by the deflection lens 30.

ビーム照射装置１４はカバー部材３６を備えている。カバー部材３６は、ビーム出射口３４の内周面３４ａを覆う部材であり、ビーム出射口３４の形状にあわせてラッパ状に形成されている。カバー部材３６は、後述する蒸発物質がビーム出射口３４の内周面３４ａに付着することを防止する部材である。カバー部材３６は、内周面３４ａの全面を覆っている。光学系２７を構成する部品は耐熱温度に制限があるため、あまり高温にすることはできない。これに対し、ビーム出射口３４の内周面３４ａをカバー部材３６によって覆った場合は、光学系２７に対してカバー部材３６が断熱（遮熱）効果を発揮する。このため、光学系２７の構成部品を熱から保護することができる。 The beam irradiation device 14 is provided with a cover member 36. The cover member 36 is a member that covers the inner circumferential surface 34a of the beam exit 34, and is formed in a trumpet shape to match the shape of the beam exit 34. The cover member 36 is a member that prevents the evaporative material described below from adhering to the inner circumferential surface 34a of the beam exit 34. The cover member 36 covers the entire inner circumferential surface 34a. The components that make up the optical system 27 have a limited heat resistance temperature, so they cannot be heated to very high temperatures. In contrast, when the inner circumferential surface 34a of the beam exit 34 is covered with the cover member 36, the cover member 36 exerts a heat insulating (heat shielding) effect on the optical system 27. Therefore, the components of the optical system 27 can be protected from heat.

カバー部材３６は、たとえば、金属製の薄い板を曲げ成形することによって得られる部材であり、ビーム出射口３４に対して着脱可能に構成されている。ビーム出射口３４に対してカバー部材３６を着脱するための構成としては、たとえば図示はしないが、カバー部材３６の円周方向の一箇所に細い切れ目を形成し、カバー部材３６を構成する金属材料（たとえば、ステンレス鋼）の弾性を利用してカバー部材３６を径方向に伸縮させる構成が考えられる。この構成を採用した場合は、ビーム出射口３４にカバー部材３６を装着するときは、外力によりカバー部材３６を径方向に縮めた状態でカバー部材３６をビーム出射口３４に挿入した後、外力の解放によりカバー部材３６が径方向に拡がる力を利用してカバー部材３６をビーム出射口３４の内周面３４ａに圧着させる。これにより、ビーム出射口３４にカバー部材３６を取り付けることができる。この場合、ビーム出射口３４からカバー部材３６が脱落しないよう、図示しないストッパーをビーム出射口３４に設けてもよい。一方、ビーム出射口３４からカバー部材３６を取り外す場合は、ビーム出射口３４の内周面３４ａに対するカバー部材３６の圧着力よりも強い力でビーム出射口３４からカバー部材３６を引き込む。これにより、ビーム出射口３４からカバー部材３６を取り外すことができる。 The cover member 36 is a member obtained by bending a thin metal plate, for example, and is configured to be detachable from the beam exit 34. As a configuration for attaching and detaching the cover member 36 to the beam exit 34, for example, although not shown, a configuration is conceivable in which a thin slit is formed at one location in the circumferential direction of the cover member 36, and the cover member 36 is expanded and contracted in the radial direction by utilizing the elasticity of the metal material (for example, stainless steel) that constitutes the cover member 36. When this configuration is adopted, when attaching the cover member 36 to the beam exit 34, the cover member 36 is inserted into the beam exit 34 in a state in which the cover member 36 is contracted in the radial direction by an external force, and then the cover member 36 is pressed against the inner circumferential surface 34a of the beam exit 34 by utilizing the force of the cover member 36 expanding in the radial direction due to the release of the external force. This allows the cover member 36 to be attached to the beam exit 34. In this case, a stopper (not shown) may be provided at the beam exit 34 to prevent the cover member 36 from falling off from the beam exit 34. On the other hand, when removing the cover member 36 from the beam exit port 34, the cover member 36 is pulled from the beam exit port 34 with a force stronger than the pressure of the cover member 36 against the inner circumferential surface 34a of the beam exit port 34. This allows the cover member 36 to be removed from the beam exit port 34.

粉末供給装置１６は、造形物３８の原材料となる金属の粉末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、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。 The powder supplying device 16 is a device that supplies metal powder 32, which is the raw material of the model 38, onto the modeling table 18. The powder supplying device 16 has a hopper 16a, a powder dropper 16b, and an arm 16c. The hopper 16a is a container for storing powder. The powder dropper 16b is a device that drops the powder stored in the hopper 16a onto the modeling table 18. The powder dropper 16b drops a predetermined amount of powder onto the edge of the modeling table 18. The arm 16c is a long, elongated member that is long in the Y direction. The arm 16c spreads the powder dropped by the powder dropper 16b onto the modeling table 18. The arm 16c is provided so as to be movable in the X direction in order to spread the powder evenly over the entire surface of the modeling table 18.

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の中央部には開口部１８ａが形成されている。開口部１８ａは、平面視円形または平面視四角形に形成される。本実施形態においては、一例として、開口部１８ａが平面視円形に形成されているものとする。 The modeling table 18 is arranged horizontally inside the vacuum chamber 12. The modeling table 18 is arranged below the powder supplying device 16. An opening 18a is formed in the center of the modeling table 18. The opening 18a is formed to have a circular or rectangular shape in a plan view. In this embodiment, as an example, the opening 18a is formed to have a circular shape in a plan view.

造形ボックス２０は、造形テーブル１８の開口部１８ａの下方に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、開口部１８ａの縁で造形テーブル１８の下面に接続されている。造形ボックス２０の下端部は、真空チャンバー１２の底壁１２ｃに接続されている。 The modeling box 20 is a box that forms a space for modeling below the opening 18a of the modeling table 18. The upper end of the modeling box 20 is connected to the lower surface of the modeling table 18 at the edge of the opening 18a. The lower end of the modeling box 20 is connected to the bottom wall 12c of the vacuum chamber 12.

ステージ２２は、金属の粉末３２を用いて造形物３８を形成するためのステージである。ステージ２２は、造形テーブル１８の開口部１８ａの形状にあわせて平面視円形に形成されている。ステージ２２は、上面２２ａおよび下面２２ｂを有する。三次元積層造形装置１０によって造形物３８を形成する場合、ステージ２２の上面２２ａには所定の厚さ（一層分の厚さ）で粉末３２が敷き詰められる。ステージ２２の上面２２ａは、Ｚ方向においてビーム照射装置１４と対向するように配置されている。ステージ２２の下面２２ｂは、Ｚ方向において、真空チャンバー１２の底壁１２ｃと対向するように配置されている。 The stage 22 is a stage for forming a molded object 38 using metal powder 32. The stage 22 is formed in a circular shape in a plan view to match the shape of the opening 18a of the molding table 18. The stage 22 has an upper surface 22a and a lower surface 22b. When the molded object 38 is formed by the three-dimensional additive manufacturing device 10, the powder 32 is spread to a predetermined thickness (the thickness of one layer) on the upper surface 22a of the stage 22. The upper surface 22a of the stage 22 is arranged so as to face the beam irradiation device 14 in the Z direction. The lower surface 22b of the stage 22 is arranged so as to face the bottom wall 12c of the vacuum chamber 12 in the Z direction.

ステージ移動装置２４は、ステージ２２を上下方向に移動させる装置である。ステージ移動装置２４は、シャフト２４ａと、駆動機構部２４ｂとを備えている。シャフト２４ａは、ステージ２２の下面２２ｂに接続されている。駆動機構部２４ｂは、図示しないモータを駆動源として駆動することにより、シャフト２４ａと一体にステージ２２を上下方向に移動させる。 The stage movement device 24 is a device that moves the stage 22 in the vertical direction. The stage movement device 24 includes a shaft 24a and a drive mechanism unit 24b. The shaft 24a is connected to the lower surface 22b of the stage 22. The drive mechanism unit 24b is driven by a motor (not shown) as a drive source, thereby moving the stage 22 in the vertical direction together with the shaft 24a.

輻射シールド部４０は、Ｚ方向において、ステージ２２とビーム照射装置１４との間に配置されている。輻射シールド部４０は、ビーム照射装置１４によって粉末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部分である。ここで、図２に示すように、金属の粉末３２に電子ビーム１５を照射すると粉末３２が溶融するが、このとき粉末３２から放射される熱、すなわち輻射熱が真空チャンバー１２内に広く拡散してしまうと熱効率が悪くなる。これに対し、ステージ２２の上方に輻射シールド部４０を配置した場合は、粉末３２から放射される熱（輻射熱）が輻射シールド部４０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部４０により反射されてステージ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。 The radiation shield section 40 is disposed between the stage 22 and the beam irradiation device 14 in the Z direction. The radiation shield section 40 is a section that shields the radiant heat generated when the electron beam 15 is irradiated to the powder 32 by the beam irradiation device 14. Here, as shown in FIG. 2, when the electron beam 15 is irradiated to the metal powder 32, the powder 32 melts. At this time, if the heat radiated from the powder 32, i.e., the radiant heat, is widely diffused in the vacuum chamber 12, the thermal efficiency is deteriorated. In contrast, when the radiation shield section 40 is disposed above the stage 22, the heat (radiant heat) radiated from the powder 32 is shielded by the radiation shield section 40, and the shielded heat is reflected by the radiation shield section 40 and returned to the stage 22 side. Therefore, the heat generated by the irradiation of the electron beam 15 can be efficiently utilized.

輻射シールド部４０は、ステンレス鋼などの金属によって構成されるとともに、ブラケット４４によって真空チャンバー１２の上壁１２ａに取り付けられている。輻射シールド部４０は、真空チャンバー１２の内部で、かつ造形面３２ａの上方に配置されている。造形面３２ａ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４６（図２参照）となって造形面３２ａから立ち昇る。輻射シールド部４０は、ステージ２２と対向する状態で造形面３２ａの上方空間を覆うことにより、蒸発物質４６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。 The radiation shield unit 40 is made of a metal such as stainless steel and is attached to the upper wall 12a of the vacuum chamber 12 by a bracket 44. The radiation shield unit 40 is disposed inside the vacuum chamber 12 and above the printing surface 32a. When the electron beam 15 is irradiated onto the printing surface 32a, a portion of the molten metal rises from the printing surface 32a as mist-like evaporated material 46 (see FIG. 2). The radiation shield unit 40 covers the space above the printing surface 32a while facing the stage 22, thereby preventing the evaporated material 46 from adhering (evaporating) onto the inner wall of the vacuum chamber 12.

輻射シールド部４０は、電子ビーム１５の進行方向の上流側から下流側に向かって徐々に径が大きくなる形状に形成されている。輻射シールド部４０は、上部開口４０ａおよび下部開口４０ｂを有する筒状の部材によって構成されている。下部開口４０ｂは、上部開口４０ａよりも大きく形成されている。下部開口４０ｂの口径は、ステージ２２の径と同等か、それよりも大きく設定されている。なお、光学系２７の中心軸方向から輻射シールド部４０を見たときの形状は、円形でもよいし、四角形などの角形でもよい。本実施形態では、造形テーブル１８の開口部１８ａおよびステージ２２の形状にあわせて輻射シールド部４０の開口形状が円形に形成されているものとする。 The radiation shield section 40 is formed in a shape that gradually increases in diameter from the upstream side to the downstream side in the traveling direction of the electron beam 15. The radiation shield section 40 is composed of a cylindrical member having an upper opening 40a and a lower opening 40b. The lower opening 40b is formed to be larger than the upper opening 40a. The diameter of the lower opening 40b is set to be equal to or larger than the diameter of the stage 22. The shape of the radiation shield section 40 when viewed from the central axis direction of the optical system 27 may be circular or may be an angular shape such as a square. In this embodiment, the opening shape of the radiation shield section 40 is formed to be circular to match the shape of the opening 18a of the modeling table 18 and the stage 22.

付着抑制部４２は、Ｚ方向において、輻射シールド部４０とビーム照射装置１４との間に配置されている。付着抑制部４２は、図２に示すように、ビーム照射装置１４によって粉末３２に電子ビーム１５を照射した際に発生する蒸発物質４６がビーム照射装置１４のビーム出射口３４の開口エッジ３４ｂに付着することを抑制する機能を果たす。蒸発物質４６は、電子ビーム１５の照射によって溶融した金属の一部が霧状の物質となって造形面３２ａから立ち昇ったものである。付着抑制部４２は、ステンレス鋼などの金属によって構成されている。また、輻射シールド部４０と付着抑制部４２とは別体構造になっている。そして、輻射シールド部４０の上面と付着抑制部４２の下面とを密着（接触）させることにより、輻射シールド部４０と付着抑制部４２とが熱的に接続されている。付着抑制部４２は、たとえばネジ止めなどによって輻射シールド部４０上に固定される。 The adhesion suppression unit 42 is disposed between the radiation shield unit 40 and the beam irradiation device 14 in the Z direction. As shown in FIG. 2, the adhesion suppression unit 42 functions to suppress the adhesion of the evaporated material 46 generated when the powder 32 is irradiated with the electron beam 15 by the beam irradiation device 14 to the opening edge 34b of the beam emission port 34 of the beam irradiation device 14. The evaporated material 46 is a part of the metal melted by the irradiation of the electron beam 15, which becomes a mist-like material and rises from the forming surface 32a. The adhesion suppression unit 42 is made of a metal such as stainless steel. In addition, the radiation shield unit 40 and the adhesion suppression unit 42 are separate structures. The upper surface of the radiation shield unit 40 and the lower surface of the adhesion suppression unit 42 are brought into close contact (contact) with each other, so that the radiation shield unit 40 and the adhesion suppression unit 42 are thermally connected. The adhesion suppression unit 42 is fixed on the radiation shield unit 40 by, for example, screwing.

ここで、造形面３２ａから立ち昇る蒸発物質４６は、水平方向に少し広がりながら上方に移動する。このため、ビーム出射口３４の開口エッジ３４ｂに蒸発物質４６が付着しないようにするには、ビーム照射装置１４の下端部に付着抑制部４２を近づけて配置することが好ましい。そこで本実施形態において、付着抑制部４２の上端部はビーム照射装置１４の下端部に近接して配置されている。 Here, the evaporated material 46 rising from the modeling surface 32a moves upward while spreading slightly in the horizontal direction. Therefore, in order to prevent the evaporated material 46 from adhering to the opening edge 34b of the beam emission port 34, it is preferable to position the adhesion suppression unit 42 close to the lower end of the beam irradiation device 14. Therefore, in this embodiment, the upper end of the adhesion suppression unit 42 is positioned close to the lower end of the beam irradiation device 14.

付着抑制部４２の上端部とビーム照射装置１４の下端部との近接距離Ｌは、好ましくは２６ｍｍ以下であり、より好ましくは１３ｍｍ以下である。また、付着抑制部４２の上端部は、ビーム照射装置１４の下端部と同じ高さ位置に配置されていてもよい。この場合、近接距離Ｌはゼロとなる。
また、付着抑制部４２の上端部は、ビーム照射装置１４の下端部よりも上側に配置されていてもよい。この場合、付着抑制部４２の上端部は、ビーム出射口３４の内部に配置される。 The proximity distance L between the upper end of the adhesion suppression unit 42 and the lower end of the beam irradiation device 14 is preferably 26 mm or less, and more preferably 13 mm or less. The upper end of the adhesion suppression unit 42 may be disposed at the same height as the lower end of the beam irradiation device 14. In this case, the proximity distance L is zero.
Furthermore, the upper end of the adhesion prevention portion 42 may be disposed higher than the lower end of the beam irradiation device 14. In this case, the upper end of the adhesion prevention portion 42 is disposed inside the beam exit port 34.

付着抑制部４２は、電子ビーム１５の進行方向の上流側から下流側に向かって徐々に径が大きくなる形状に形成されている。付着抑制部４２は、上部開口４２ａおよび下部開口４２ｂを有する筒状の部材によって構成されている。下部開口４２ｂは、上部開口４２ａよりも大きく形成されている。下部開口４２ｂの口径は、輻射シールド部４０の上部開口４０ａの口径よりも小さく設定されている。また、図２に示すように、ビーム照射装置１４におけるビーム出射口３４の大径側の開口径をＤ１（ｍｍ）とし、付着抑制部４２の上端の開口径である上部開口４２ａの開口径をＤ２（ｍｍ）とすると、開口径Ｄ１，Ｄ２の大小関係は、Ｄ１＞Ｄ２の条件を満たしている。開口径Ｄ１，Ｄ２の寸法比は、付着抑制部４２が電子ビーム１５の偏向を阻害しない条件の下で、好ましくは、０．９Ｄ１≧Ｄ２であり、より好ましくは、０．８Ｄ１≧Ｄ２である。 The adhesion suppression section 42 is formed in a shape in which the diameter gradually increases from the upstream side to the downstream side in the traveling direction of the electron beam 15. The adhesion suppression section 42 is composed of a cylindrical member having an upper opening 42a and a lower opening 42b. The lower opening 42b is formed larger than the upper opening 42a. The aperture of the lower opening 42b is set smaller than the aperture of the upper opening 40a of the radiation shield section 40. Also, as shown in FIG. 2, if the aperture diameter on the large diameter side of the beam emission port 34 in the beam irradiation device 14 is D1 (mm) and the aperture diameter of the upper opening 42a, which is the aperture diameter of the upper end of the adhesion suppression section 42, is D2 (mm), the size relationship between the aperture diameters D1 and D2 satisfies the condition D1>D2. The dimensional ratio of the aperture diameters D1 and D2 is preferably 0.9D1≧D2, and more preferably 0.8D1≧D2, under the condition that the adhesion suppression section 42 does not hinder the deflection of the electron beam 15.

続いて、三次元積層造形装置１０の動作について説明する。
まず、ステージ２２の上面２２ａを造形テーブル１８の上面よりも所定量だけ下げた状態で、粉末供給装置１６により造形テーブル１８上に粉末３２を供給する。その際、ホッパー１６ａに貯蔵されている粉末は、粉末投下器１６ｂによって造形テーブル１８上に投下される。造形テーブル１８上に投下された粉末３２は、アーム１６ｃの移動によって造形テーブル１８上に敷き詰められる。アーム１６ｃは、移動中にステージ２２の上を通過する。このため、ステージ２２上にも粉末３２が敷き詰められる。 Next, the operation of the three-dimensional additive manufacturing device 10 will be described.
First, with the upper surface 22a of the stage 22 lowered a predetermined distance below the upper surface of the modeling table 18, powder 32 is supplied onto the modeling table 18 by the powder supplying device 16. At this time, powder stored in the hopper 16a is dropped onto the modeling table 18 by the powder dropper 16b. The powder 32 dropped onto the modeling table 18 is spread over the modeling table 18 by the movement of the arm 16c. The arm 16c passes over the stage 22 during its movement. As a result, the powder 32 is also spread over the stage 22.

次に、ビーム照射装置１４によって電子ビーム１５を照射することにより、ステージ２２上の粉末３２を溶融および凝固させる。その際、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２次元データに基づいて電子ビーム１５を走査することにより、ステージ２２上の粉末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、一層分の造形が完了する。 Next, the powder 32 on the stage 22 is melted and solidified by irradiating it with electron beam 15 using the beam irradiation device 14. At this time, the beam irradiation device 14 selectively melts the powder 32 on the stage 22 by scanning the electron beam 15 based on two-dimensional data obtained by slicing three-dimensional CAD (Computer-Aided Design) data of the desired object to a certain thickness. The powder 32 melted by irradiation with the electron beam 15 solidifies after the electron beam 15 has passed. This completes the formation of one layer.

次に、ステージ２２は、ステージ移動装置２４の駆動によって一層分だけ下方に移動する。次に、上記同様に、粉末供給装置１６によって造形テーブル１８上に粉末３２を供給するとともに、ビーム照射装置１４によって電子ビーム１５を照射する。以降は、このような動作を所定の層数分だけ繰り返すことにより、目的とする造形物３８が得られる。 Next, the stage 22 is moved downward by one layer by driving the stage moving device 24. Next, as described above, the powder supplying device 16 supplies powder 32 onto the modeling table 18, and the beam irradiation device 14 irradiates the electron beam 15. Thereafter, by repeating this operation for a predetermined number of layers, the desired model 38 is obtained.

上述した三次元積層造形装置１０の動作においては、ステージ２２上の粉末３２に電子ビーム１５を照射した際に粉末３２から立ち昇る霧状の蒸発物質４６は、まず、ステージ２２の上方空間を覆っている輻射シールド部４０の内面に付着する。これにより、蒸発物質４６の多くは輻射シールド部４０によって捕捉される。ただし、蒸発物質４６の一部は、輻射シールド部４０の上部開口４０ａを通過する。 In the operation of the three-dimensional additive manufacturing device 10 described above, when the powder 32 on the stage 22 is irradiated with the electron beam 15, the mist of evaporated material 46 rising from the powder 32 first adheres to the inner surface of the radiation shield section 40 that covers the space above the stage 22. As a result, most of the evaporated material 46 is captured by the radiation shield section 40. However, some of the evaporated material 46 passes through the upper opening 40a of the radiation shield section 40.

次に、輻射シールド部４０の上部開口４０ａを通過した蒸発物質４６は、付着抑制部４２の下部開口４０ｂを通して付着抑制部４２の内部に進入する。輻射シールド部４０とビーム照射装置１４との間では、蒸発物質４６の上方への移動を許容する空間が付着抑制部４２によって狭められている。このため、蒸発物質４６は付着抑制部４２の内面に付着する。これにより、蒸発物質４６が付着抑制部４２によって捕捉される。ただし、蒸発物質４６の一部は、付着抑制部４２の上部開口４２ａを通過する。 Next, the evaporated material 46 that has passed through the upper opening 40a of the radiation shield section 40 enters the inside of the adhesion suppression section 42 through the lower opening 40b of the adhesion suppression section 42. Between the radiation shield section 40 and the beam irradiation device 14, the space that allows the evaporated material 46 to move upward is narrowed by the adhesion suppression section 42. As a result, the evaporated material 46 adheres to the inner surface of the adhesion suppression section 42. As a result, the evaporated material 46 is captured by the adhesion suppression section 42. However, part of the evaporated material 46 passes through the upper opening 42a of the adhesion suppression section 42.

本発明の第１実施形態において、付着抑制部４２の上部開口４２ａは、ビーム照射装置１４のビーム出射口３４よりも小さく絞られている。このため、付着抑制部４２の上部開口４２ａを通過した蒸発物質４６は、ビーム出射口３４の開口エッジ３４ｂよりも中心軸３１（図１参照）に近い位置を通って上方に移動し、カバー部材３６の内面に付着する。これにより、ビーム出射口３４の開口エッジ３４ｂに蒸発物質４６が付着することを抑制できる。 In the first embodiment of the present invention, the upper opening 42a of the adhesion suppression unit 42 is narrowed down to be smaller than the beam exit port 34 of the beam irradiation device 14. Therefore, the evaporated material 46 that passes through the upper opening 42a of the adhesion suppression unit 42 moves upward through a position closer to the central axis 31 (see FIG. 1) than the opening edge 34b of the beam exit port 34, and adheres to the inner surface of the cover member 36. This makes it possible to suppress the evaporation material 46 from adhering to the opening edge 34b of the beam exit port 34.

ここで、蒸着物の落下は、主としてビーム出射口３４の開口エッジ３４ｂの部分で発生する。このため、ビーム出射口３４の開口エッジ３４ｂの部分に蒸発物質４６が付着しないよう、輻射シールド部４０とビーム照射装置１４との間に付着抑制部４２を配置することにより、蒸着物の落下を効果的に抑制することができる。以下、更に詳しく説明する。 Here, the fall of the deposition material occurs mainly at the opening edge 34b of the beam exit port 34. Therefore, by disposing an adhesion suppression section 42 between the radiation shield section 40 and the beam irradiation device 14 so that the evaporated material 46 does not adhere to the opening edge 34b of the beam exit port 34, the fall of the deposition material can be effectively suppressed. This will be explained in more detail below.

まず、蒸着物は、被蒸着部材に蒸発物質４６が付着することによって生成される物質である。蒸着物は被蒸着部材の表面に被膜を形成し、この被膜がひび割れ等によって剥がれると、蒸着物が落下する。また、被膜は、蒸発物質４６の温度と、この蒸発物質４６が付着する被蒸着部材の表面温度との差が大きい箇所で、ひび割れを起こしやすくなる。 First, the deposition material is a substance that is generated when the evaporating material 46 adheres to the member to be deposited. The deposition material forms a coating on the surface of the member to be deposited, and if this coating peels off due to cracking or the like, the deposition material falls off. In addition, the coating is prone to cracking in areas where there is a large difference between the temperature of the evaporating material 46 and the surface temperature of the member to which the evaporating material 46 adheres.

輻射シールド部４０は、造形面３２ａから放射される熱で高温に加熱され、かつ高温状態に維持される。このため、蒸発物質４６の温度と輻射シールド部４０の表面温度との差は小さくなる。したがって、輻射シールド部４０に蒸発物質４６が付着しても、輻射シールド部４０の表面では被膜のひび割れが発生しにくい状況となる。このため、輻射シールド部４０から蒸着物が落下することはほとんどない。 The radiation shield section 40 is heated to a high temperature by the heat radiated from the printing surface 32a and is maintained at a high temperature. This reduces the difference between the temperature of the evaporative material 46 and the surface temperature of the radiation shield section 40. Therefore, even if the evaporative material 46 adheres to the radiation shield section 40, cracks in the coating on the surface of the radiation shield section 40 are unlikely to occur. For this reason, the deposition material rarely falls from the radiation shield section 40.

付着抑制部４２は、造形面３２ａから放射される熱で高温に加熱され、かつ、輻射シールド部４０とは熱的に接続されているため、輻射シールド部４０と同様に高温状態に維持される。このため、蒸発物質４６の温度と付着抑制部４２の表面温度との差は小さくなる。したがって、付着抑制部４２に蒸発物質４６が付着しても、付着抑制部４２の表面では被膜のひび割れが発生しにくい状況となる。このため、付着抑制部４２から蒸着物が落下することはほとんどない。 The adhesion suppression section 42 is heated to a high temperature by the heat radiated from the modeling surface 32a, and is thermally connected to the radiation shield section 40, so it is maintained at a high temperature like the radiation shield section 40. As a result, the difference between the temperature of the evaporative material 46 and the surface temperature of the adhesion suppression section 42 becomes small. Therefore, even if the evaporative material 46 adheres to the adhesion suppression section 42, the surface of the adhesion suppression section 42 is less likely to crack in the coating. For this reason, deposition material rarely falls from the adhesion suppression section 42.

一方、カバー部材３６は、造形面３２ａから放射される熱で高温に加熱されるが、ビーム出射口３４の開口エッジ３４ｂの部分では熱が逃げやすくなる。このため、ビーム出射口３４の開口エッジ３４ｂの部分では、蒸発物質４６の温度とカバー部材３６の表面温度との差が大きくなる。したがって、ビーム出射口３４の開口エッジ３４ｂの部分は、被膜のひび割れが発生しやすい箇所になる。 On the other hand, the cover member 36 is heated to a high temperature by the heat radiated from the modeling surface 32a, but the heat is likely to escape from the opening edge 34b of the beam exit 34. As a result, the difference between the temperature of the evaporative material 46 and the surface temperature of the cover member 36 becomes large at the opening edge 34b of the beam exit 34. Therefore, the opening edge 34b of the beam exit 34 is a location where cracks in the coating are likely to occur.

本発明の第１実施形態においては、ビーム出射口３４の開口エッジ３４ｂの部分を覆っているカバー部材３６の表面に蒸発物質４６が付着しないよう、輻射シールド部４０の上方空間において蒸発物質４６が通過できる領域を付着抑制部４２によって狭めている。このため、ビーム出射口３４の開口エッジ３４ｂを覆っているカバー部材３６の表面に蒸発物質４６が付着することはなく、仮に付着しても極少量にとどまる。したがって、開口エッジ３４ｂを覆っているカバー部材３６の表面には、蒸着物の成長によって被膜が形成されることがなくなる。よって、開口エッジ３４ｂを覆っているカバー部材３６の表面から蒸着物が落下することはほとんどない。一方、開口エッジ３４ｂ以外の部分を覆っているカバー部材３６の表面は、造形面３２ａからの輻射熱によって高温状態に維持される。このため、開口エッジ３４ｂ以外の部分を覆っているカバー部材３６の表面では、被膜のひび割れが発生しにくい状況となる。したがって、開口エッジ３４ｂ以外の部分を覆っているカバー部材３６からも蒸着物が落下することはほとんどない。 In the first embodiment of the present invention, the adhesion suppression portion 42 narrows the area through which the evaporative material 46 can pass in the space above the radiation shield portion 40 so that the evaporative material 46 does not adhere to the surface of the cover member 36 covering the opening edge 34b of the beam exit 34. Therefore, the evaporative material 46 does not adhere to the surface of the cover member 36 covering the opening edge 34b of the beam exit 34, and even if it does adhere, the amount is extremely small. Therefore, a coating is not formed on the surface of the cover member 36 covering the opening edge 34b due to the growth of the deposition material. Therefore, the deposition material hardly falls from the surface of the cover member 36 covering the opening edge 34b. On the other hand, the surface of the cover member 36 covering the part other than the opening edge 34b is maintained at a high temperature by the radiant heat from the modeling surface 32a. Therefore, the surface of the cover member 36 covering the part other than the opening edge 34b is in a state where cracks in the coating are unlikely to occur. Therefore, the deposition material hardly falls from the cover member 36 covering the part other than the opening edge 34b.

したがって、本発明の第１実施形態によれば、造形面３２ａ上への蒸着物の落下を抑制することができる。その結果、造形途中の造形物３８に蒸着物が混入して欠陥が発生することを未然に防ぐことができる。 Therefore, according to the first embodiment of the present invention, it is possible to prevent deposition material from falling onto the modeling surface 32a. As a result, it is possible to prevent deposition material from getting into the model 38 during modeling, which would cause defects.

なお、上記第１実施形態において、ビーム照射装置１４は、ビーム出射口３４の内周面３４ａを覆うカバー部材３６を備えた構成になっているが、付着抑制部４２の存在による蒸着物の落下抑制効果は、カバー部材３６を備えない構成でも得られる。ただし、光学系２７の構成部品を熱から保護し、かつ蒸着物の落下をより効果的に抑制するうえでは、カバー部材３６を備えた構成を採用することが好ましい。 In the first embodiment, the beam irradiation device 14 is configured with a cover member 36 that covers the inner circumferential surface 34a of the beam exit port 34, but the effect of suppressing the fall of deposition material due to the presence of the adhesion suppression part 42 can also be obtained in a configuration that does not include the cover member 36. However, in order to protect the components of the optical system 27 from heat and more effectively suppress the fall of deposition material, it is preferable to adopt a configuration that includes the cover member 36.

＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２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断面図である。
本発明の第２実施形態に係る三次元積層造形装置は、上記第１実施形態に係る三次元積層造形装置１０と比較して、輻射シールド部４０と付着抑制部４２とが一体構造になっている点が異なる。輻射シールド部４０と付着抑制部４２との境界部分には段付き部４３が形成されており、この段付き部４３を境に輻射シールド部４０と付着抑制部４２とが区分されている。具体的には、段付き部４３よりも下側の部分が輻射シールド部４０を構成し、段付き部４３よりも上側の部分が付着抑制部４２を構成している。 Second Embodiment
FIG. 3 is a side cross-sectional view that shows a schematic configuration of a three-dimensional additive manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
The three-dimensional additive manufacturing device according to the second embodiment of the present invention differs from the three-dimensional additive manufacturing device 10 according to the first embodiment in that the radiation shield part 40 and the adhesion suppression part 42 are integrally constructed. A stepped part 43 is formed at the boundary between the radiation shield part 40 and the adhesion suppression part 42, and the radiation shield part 40 and the adhesion suppression part 42 are separated by this stepped part 43. Specifically, the part below the stepped part 43 constitutes the radiation shield part 40, and the part above the stepped part 43 constitutes the adhesion suppression part 42.

このように輻射シールド部４０と付着抑制部４２とを一体構造とした場合でも、上記第１実施形態と同様に、造形面上への蒸着物の落下を抑制し、造形物における欠陥の発生を未然に防ぐことができる。また、輻射シールド部４０と付着抑制部４２とを一体構造とすることで、部品点数を削減することができる。 Even when the radiation shield section 40 and the adhesion suppression section 42 are integrated in this way, it is possible to suppress deposition material from falling onto the modeling surface and prevent defects from occurring in the modeled object, just as in the first embodiment. In addition, by integrating the radiation shield section 40 and the adhesion suppression section 42 into a single structure, the number of parts can be reduced.

なお、上記第２実施形態においては、輻射シールド部４０と付着抑制部４２との境界部分に段付き部４３を形成したが、本発明はこれに限らず、輻射シールド部４０と付着抑制部４２とを段付き部なしの一体構造としてもよい。 In the second embodiment, a stepped portion 43 is formed at the boundary between the radiation shield portion 40 and the adhesion suppression portion 42, but the present invention is not limited to this, and the radiation shield portion 40 and the adhesion suppression portion 42 may be an integrated structure without a stepped portion.

１０…三次元積層造形装置
１４…ビーム照射装置
２２…ステージ
３２…粉末
３４…ビーム出射口
３４ａ…内周面
３４ｂ…開口エッジ
３６…カバー部材
４０…輻射シールド部
４２…付着抑制部 REFERENCE SIGNS LIST 10 three-dimensional additive manufacturing device 14 beam irradiation device 22 stage 32 powder 34 beam exit port 34a inner circumferential surface 34b opening edge 36 cover member 40 radiation shield portion 42 adhesion suppression portion

Claims

The stage where the powder that will be used as the raw material for the model is spread out,
a beam irradiation device that irradiates the powder spread on the stage with a beam and has a beam exit port from which the beam is emitted;
a radiation shield portion disposed between the stage and the beam irradiation device, for shielding against radiant heat generated when the powder is irradiated with the beam;
an adhesion suppression unit that is disposed between the radiation shield unit and the beam irradiation device and that suppresses adhesion of evaporated material generated when the powder is irradiated with the beam to an opening edge of the beam exit port;
Equipped with
The adhesion suppression portion is formed in a cylindrical shape having a cylindrical hole through which the beam passes,
an opening diameter on the beam exit side of the adhesion suppression portion is smaller than an opening diameter of the beam exit port,
The adhesion suppression portion is heated to a high temperature by radiant heat generated when the powder is irradiated with the beam.
3D additive manufacturing equipment.

The three-dimensional additive manufacturing device according to claim 1 , wherein the radiation shield portion and the adhesion prevention portion are separate structures.

The three-dimensional additive manufacturing device according to claim 1 , wherein the radiation shield portion and the adhesion prevention portion are integrally formed.

The three-dimensional additive manufacturing device according to claim 2 , wherein the radiation shield portion and the adhesion prevention portion are in contact with each other.

the beam exit port has a trumpet shape whose diameter gradually increases from the upstream side to the downstream side in the traveling direction of the beam,
The three-dimensional additive manufacturing device according to any one of claims 1 to 4 , wherein the beam irradiation device is provided with a cover member that is formed in a trumpet shape to match the shape of the beam exit port and that covers the inside of the beam exit port.

The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 5 , wherein the cover member is configured to be freely attached to and detached from the beam exit port of the beam irradiation device.