JPWO2019087845A1 - 三次元造形装置及び三次元造形方法 - Google Patents

Abstract

三次元造形装置は、電子ビームの照射領域に粉末材料を供給して敷き均し、粉末材料に対して電子ビームを照射し粉末材料を溶融させて三次元の物体の造形を行う。三次元造形装置は、電子ビームを出射し電子ビームを粉末材料に照射させるビーム出射部と、粉末材料を収容可能とし粉末材料を電子ビームの照射領域へ供給させるための収容タンクと、収容タンクに取り付けられ収容タンクに収容される粉末材料を加熱する第一ヒータとを備える。

Description

本開示は、三次元の物体を造形する三次元造形装置及び三次元造形方法を説明する。

特開２０１６−１０７５５４号公報は、三次元造形装置及び三次元造形方法を開示する。当該公報に記載された三次元の物体を造形する装置及び方法は、エネルギビームとしてレーザ光を粉末材料に照射することによって粉末材料を溶融させ、その後、溶融した粉末材料を凝固させる。この装置及び方法では、レーザ光の照射領域の外側における床部を加熱するヒータを利用する。この装置及び方法は、照射領域の手前まで運ばれた粉末材料を加熱することにより、物体の造形速度を上げる。

特開２０１６−１０７５５４号公報

上述した三次元造形装置及び三次元造形方法では、照射領域に対して大量に粉末材料を供給する必要が生じた場合又は粉末材料の供給量が変動する場合などに対応が困難である。例えば、照射領域の状況によっては、通常より多くの粉末材料を照射領域に供給する必要が生じる場合がある。このような場合、照射領域の手前まで運ばれた粉末材料だけでは粉末材料が不足する。従って、物体の造形を円滑に進めることができなくなる。

そこで、加熱した多くの粉末材料を照射領域へ供給することにより、円滑に物体の造形を行うことが可能な三次元造形装置及び三次元造形方法の開発が望まれている。

本開示の一態様に係る三次元造形装置は、エネルギビームの照射領域に粉末材料を供給して敷き均し、粉末材料に対しエネルギビームを照射し粉末材料を溶融させて三次元の物体の造形を行う三次元造形装置において、エネルギビームを出射しエネルギビームを粉末材料に照射させるビーム出射部と、粉末材料を収容可能とし粉末材料をエネルギビームの照射領域へ供給させるための収容タンクと、収容タンクに取り付けられ収容タンクに収容される粉末材料を加熱する加熱部とを備える。

本開示の三次元造形装置は、加熱した多くの粉末材料を照射領域へ供給できるので、円滑に物体の造形を行うことができる。

図１は、本開示の三次元造形装置の構成を示す概要図である。 図２は、図１の三次元造形装置が備えるヒータの説明図である。 図３は、図１の三次元造形装置が備えるヒータの説明図である。 図４は、図１の三次元造形装置が備えるヒータの説明図である。 図５は、図１の三次元造形装置が行う予備加熱の説明図である。 図６は、本開示の三次元造形装置及び三次元造形方法が行う加熱処理の説明図である。 図７は、本開示の三次元造形装置及び三次元造形方法が行う物体の造形処理が含む主要な工程を示すフローチャートである。

本開示の一態様に係る三次元造形装置は、エネルギビームの照射領域に粉末材料を供給して敷き均し、粉末材料に対しエネルギビームを照射し粉末材料を溶融させて三次元の物体の造形を行う三次元造形装置において、エネルギビームを出射しエネルギビームを粉末材料に照射させるビーム出射部と、粉末材料を収容可能とし粉末材料をエネルギビームの照射領域へ供給させるための収容タンクと、収容タンクに取り付けられ収容タンクに収容される粉末材料を加熱する加熱部とを備える。この三次元造形装置によれば、収容タンクに収容される粉末材料は、第一加熱部により加熱される。その結果、加熱された多くの粉末材料を照射領域に供給できる。従って、粉末材料が飛散した場合など照射領域に多くの粉末材料を供給する必要が生じた場合であっても、物体の造形を円滑に行うことができる。

本開示の一態様に係る三次元造形装置において、収容タンクから排出された粉末材料を載置するための床部に取り付けられ床部に載置される粉末材料を加熱する第二加熱部と、照射領域において水平方向へ移動可能に設けられ床部に載置される粉末材料を照射領域へ供給する粉末供給機構と、粉末供給機構に取り付けられ照射領域に供給される粉末材料を加熱する第三加熱部とをさらに備えていてもよい。この場合、収容タンクから排出されることにより床部に載置された粉末材料は、第二加熱部により加熱される。床部から照射領域に供給された粉末材料は、第三加熱部により加熱される。その結果、収容タンクから排出された後に、照射領域へ供給される粉末材料を連続的に加熱することができる。従って、粉末材料を十分に加熱できるので、粉末材料の飛散を抑制することができる。

本開示の一態様に係る三次元造形方法は、エネルギビームの照射領域に粉末材料を供給して敷き均し、粉末材料に対しエネルギビームを照射し粉末材料を溶融させて三次元の物体の造形を行う。三次元造形方法は、加熱部を設けた収容タンクを用い収容タンクに収容された粉末材料を加熱する加熱工程と、収容タンクから排出された粉末材料をエネルギビームの照射領域へ移動させた後、粉末材料にエネルギビームを照射して物体の造形を行う造形工程とを含む。この三次元造形方法によれば、収容タンクに収容されている粉末材料は、加熱部により加熱される。その結果、エネルギビームの照射に起因して粉末材料が飛散した場合に、加熱された粉末材料を飛散の生じた照射領域に十分に供給できる。従って、粉末材料が飛散した場合であっても、物体の造形を円滑に行うことができる。

本開示の一態様に係る三次元造形装置は、収容タンクから排出された粉末材料を載置するための床部に取り付けられ、床部に載置される粉末材料を加熱する第二加熱部をさらに備えてもよい。

本開示の一態様に係る三次元造形装置は、照射領域において水平方向へ移動可能に設けられ、収容タンクから排出された粉末材料を載置するための床部に載置される粉末材料を照射領域へ供給する粉末供給機構と、粉末供給機構に取り付けられ、照射領域に供給される粉末材料を加熱する第三加熱部をさらに備えてもよい。

本開示の一態様において、第一加熱部は、収容タンクの内部に配置され、第一加熱部は、収容タンクの内壁面から離間して配置されてもよい。

以下、本開示の三次元造形装置及び三次元造形方法について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本開示の三次元造形装置の構成を示す概要図である。三次元造形装置１は、電子ビームＢの照射領域Ｒに粉末材料Ａを供給した後に敷き均す。そして、三次元造形装置１は、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射することにより、粉末材料Ａを溶融させる。三次元造形装置１は、これらの動作によって、三次元の物体Ｏを造形する。

電子ビームＢは、エネルギ粒子である電子の直線的な運動により形成されるエネルギビームである。電子ビームＢの照射領域Ｒは、電子ビームＢを照射することが可能な領域である。言い換えれば、照射領域Ｒは、物体Ｏの造形に用いられる粉末床の領域である。

三次元造形装置１は、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射することにより粉末材料Ａを予備加熱する工程と、粉末材料Ａを溶融させるために粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射することにより物体Ｏの一部を造形する工程と、を繰り返す。三次元造形装置１は、これらの工程を繰り返すことにより、凝固した粉末材料を積層させた物体Ｏの造形を行う。予備加熱は、予熱とも称される。予備加熱は、物体Ｏを造形する前に、粉末材料Ａの融点未満の温度まで粉末材料Ａを加熱する。予備加熱により、粉末材料Ａが加熱された結果、粉末材料Ａは仮焼結される。粉末材料Ａが仮焼結されると、電子ビームＢの照射による粉末材料Ａへの負電荷の蓄積が緩和される。従って、スモーク現象の発生を抑制することができる。スモーク現象とは、電子ビームＢの照射時に粉末材料Ａが飛散する現象をいう。

三次元造形装置１は、ビーム出射部２、造形部３及び制御部４を備える。ビーム出射部２は、制御部４の制御信号に従って、造形部３の粉末材料Ａに対して電子ビームＢを出射する。ビーム出射部２は、粉末材料Ａの予備加熱のために、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射する。その後、ビーム出射部２は、三次元の物体Ｏの造形のために、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射する。その結果、粉末材料Ａは、溶融した後に、凝固するので、物体Ｏが造形されていく。ビーム出射部２は、物体Ｏの造形中に粉末材料Ａの飛散が検出された場合に電子ビームＢの照射を停止する。次に、照射領域Ｒに粉末材料Ａが供給される。そして、ビーム出射部２は、電子ビームＢの照射を再開する。粉末材料Ａの飛散を検出する仕組みの詳細は、後述する。

ビーム出射部２は、電子銃部２１、収差コイル２２、フォーカスコイル２３、偏向コイル２４及び飛散検知器２５を備えている。電子銃部２１は、制御部４と電気的に接続されている。電子銃部２１は、制御部４からの制御信号に従って作動する。電子銃部２１は、電子ビームＢを出射する。電子銃部２１は、例えば、下方に向けて電子ビームＢを出射する。収差コイル２２は、制御部４と電気的に接続されている。収差コイル２２は、制御部４からの制御信号に従って、作動する。収差コイル２２は、電子銃部２１から出射される電子ビームＢの周囲に設置されている。収差コイル２２は、電子ビームＢの収差を補正する。フォーカスコイル２３は、制御部４と電気的に接続されている。フォーカスコイル２３は、制御部４からの制御信号に従って作動する。フォーカスコイル２３は、電子銃部２１から出射される電子ビームＢの周囲に設置されている。フォーカスコイル２３は、電子ビームＢを収束させるために、電子ビームＢの照射位置における収束の状態を調整する。偏向コイル２４は、制御部４と電気的に接続されている。偏向コイル２４は、制御部４からの制御信号に従って作動する。偏向コイル２４は、電子銃部２１から出射される電子ビームＢの周囲に設置されている。偏向コイル２４は、制御信号に従って、電子ビームＢの照射位置を調整する。偏向コイル２４は、電磁的なビーム偏向を行う。従って、偏向コイル２４の走査速度は、機械的なビーム偏向の走査速度よりも高速である。電子銃部２１、収差コイル２２、フォーカスコイル２３及び偏向コイル２４は、例えば、筒状を呈するコラム２６の内部に設置されている。なお、収差コイル２２は、設置を省略してもよい。

飛散検知器２５は、粉末材料Ａに対する電子ビームＢの照射に起因して、粉末材料Ａの飛散が生じたことを検知する。つまり、飛散検知器２５は、粉末材料Ａに対して電子ビームＢが照射されたときに、スモーク現象の発生を検知する。スモーク現象は、粉末材料Ａの飛散によって、粉末材料Ａが霧状に舞い上がる現象をいう。飛散検知器２５は、例えばＸ線検知器である。飛散検知器２５は、制御部４と電気的に接続されている。飛散検知器２５は、検知信号を制御部４へ出力する。飛散検知器２５は、スモーク発生時に発生するＸ線を検知する。飛散検知器２５は、Ｘ線を検知するごとに加算される単位時間当りの検知数が所定の閾値を超えたことに基づいて、粉末材料Ａの飛散が生じたことを検出する。飛散検知器２５は、例えば、コラム２６に取り付けられている。飛散検知器２５は、電子ビームＢに向けて配置されている。なお、飛散検知器２５は、粉末材料Ａの照射領域の近傍位置に設けられてもよい。飛散検知器２５は、粉末材料Ａの飛散を検知できるものであれば、Ｘ線検知器とは異なる機器又はセンサなどを用いてもよい。

造形部３は、所望の物体Ｏを造形する部位である。造形部３は、チャンバ３０の内部に粉末材料Ａを収容する。造形部３は、ビーム出射部２の下方に設けられている。造形部３は、箱状のチャンバ３０を備えている。造形部３は、チャンバ３０の内部において、プレート３１、昇降機３２、粉末供給機構３３、収容タンク３４、第一ヒータ３７、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９を備えている。チャンバ３０は、コラム２６と結合されている。チャンバ３０の内部空間は、電子銃部２１が配置されるコラム２６の内部空間と連通している。

プレート３１は、造形される物体Ｏを支持する。プレート３１上では、物体Ｏが造形されていく。プレート３１は、造形されていく物体Ｏを支持する。プレート３１の上面及び当該上面の上方の領域は、電子ビームＢの照射領域Ｒである。プレート３１は、板体である。プレート３１の形状は、例えば矩形又は円形である。プレート３１は、電子ビームＢの出射方向の延長線上に配置されている。プレート３１は、例えば水平方向に向けて設けられる。プレート３１は、下方に設置された昇降ステージ３５に支持されるように、配置されている。プレート３１は、昇降ステージ３５と共に上下方向に移動する。昇降機３２は、昇降ステージ３５及びプレート３１を昇降させる。昇降機３２は、制御部４と電気的に接続されている。昇降機３２は、制御部４からの制御信号に従って、作動する。例えば、昇降機３２は、物体Ｏの造形の初期において昇降ステージ３５と共にプレート３１を上部へ移動させる。昇降機３２は、プレート３１上において溶融と凝固とを経た粉末材料Ａが積層されるごとにプレート３１を降下させる。昇降機３２は、プレート３１を昇降できる機構であれば、いずれの機構のものを用いてもよい。

プレート３１は、造形タンク３６の内部に配置されている。造形タンク３６は、チャンバ３０の内部における下部に設置されている。造形タンク３６の形状は、例えば、筒状である。また、造形タンク３６の断面形状は、矩形又は円形である。造形タンク３６は、プレート３１の移動方向に向けて延びている。造形タンク３６の内側形状は、昇降ステージ３５の外側形状に倣っている。粉末材料Ａが昇降ステージ３５の下方へ漏れ落ちることを抑制するために、造形タンク３６と昇降ステージ３５との間にシール材を設けてもよい。

粉末供給機構３３は、プレート３１の上方に粉末材料Ａを供給する。また、粉末供給機構３３は、粉末材料Ａの表面を均す。粉末供給機構３３は、リコータとして機能する。例えば、粉末供給機構３３は、棒状又は板状の部材である。粉末供給機構３３は、照射領域Ｒにおいて水平方向に移動することにより、電子ビームＢの照射領域Ｒに粉末材料Ａを供給すると共に粉末材料Ａの表面を均す。粉末供給機構３３は、図示しないアクチュエータの駆動により移動する。収容タンク３４は、粉末材料Ａを収容する。収容タンク３４の下部には、粉末材料Ａを排出する排出口３４ａが形成されている。排出口３４ａから排出された粉末材料Ａは、床部４０に供給される。床部４０の高さは、造形タンク３６の上端の高さと同じである。床部４０は、造形タンク３６の上部と連続している。床部４０上の粉末材料Ａは、粉末供給機構３３によりプレート３１上へ供給される。チャンバ３０の内部は、真空又はほぼ真空な状態である。なお、プレート３１上に粉末材料Ａを供給する機構は、粉末供給機構３３及び収容タンク３４とは異なる機構を用いてもよい。

粉末材料Ａは、多数の粉末体を含む。粉末材料Ａは、例えば金属製の粉末である。また、粉末材料Ａは、電子ビームＢの照射により溶融及び凝固できるものであれば、粉末より粒径の大きい粒体を用いてもよい。

第一ヒータ３７は、収容タンク３４に取り付けられている。第一ヒータ３７は、収容タンク３４に収容されている粉末材料Ａを加熱する加熱部である。第一ヒータ３７は、制御部４と電気的に接続される。第一ヒータ３７は、制御部４の作動信号に従って作動を開始する。また、第一ヒータ３７は、制御部４の作動信号に従って作動を停止する。第一ヒータ３７は、例えば、図２に示すように、収容タンク３４の外側に取り付けられる。第一ヒータ３７は、発熱することにより収容タンク３４を介して粉末材料Ａを加熱する。第一ヒータ３７は、例えば、誘導加熱式のヒータ又は抵抗加熱式のヒータである。収容タンク３４は、熱伝導性のよい材質により形成されている。例えば、収容タンク３４は、ステンレス鋼などの金属により形成される。

図１及び図２に示すように、第一ヒータ３７は、収容タンク３４の側壁の一部に取り付けられている。例えば、第一ヒータ３７は、収容タンク３４の側壁の全体に取り付けられていてもよい。第一ヒータ３７は、収容タンク３４の外側とは異なる位置に設けてもよい。例えば、第一ヒータ３７は、収容タンク３４の内部に配置されてもよい。具体的には、図３に示すように、第一ヒータ３７は、棒状を呈し、収容タンク３４の内部に垂直に配置してもよい。

温度センサ４１は、収容タンク３４に設けられている。温度センサ４１は、収容された粉末材料Ａの温度を検出する。温度センサ４１は、例えば、図２に示すように、収容タンク３４の内部に設けられている。温度センサ４１は、例えば、熱電対などである。温度センサ４１は、第一ヒータ３７に内蔵されてもよい。

図１に示すように、第二ヒータ３８は、床部４０に取り付けられている。第二ヒータ３８は、第二加熱部として機能する。第二加熱部は、床部４０に載置された粉末材料Ａを加熱する。第二ヒータ３８は、制御部４と電気的に接続されている。第二ヒータ３８は、制御部４の作動信号に従って作動を開始する。第二ヒータ３８は、制御部４の作動信号に従って作動を停止する。第二ヒータ３８は、例えば、床部４０の下面側に取り付けられる。第二ヒータ３８は、発熱することにより床部４０を介して粉末材料Ａを加熱する。第二ヒータ３８は、例えば、誘導加熱式のヒータ又は抵抗加熱式のヒータである。床部４０は、熱伝導性のよい材質により形成される。例えば、床部４０は、ステンレス鋼などの金属により形成される。第二ヒータ３８は、温度センサを内蔵してもよい。温度センサによって床部４０の温度を検出することにより、温度情報を粉末材料Ａの温度制御に用いることができる。その結果、粉末材料Ａを適切な温度に加熱することが可能となる。温度センサは、第二ヒータ３８とは別の位置に設けることにより、床部４０上の粉末材料Ａの温度を検知してもよい。

図１に示すように、第三ヒータ３９は、粉末供給機構３３に取り付けられている。第三ヒータ３９は、第三加熱部として機能する。第三加熱部は、照射領域Ｒの粉末材料Ａを加熱する。第三ヒータ３９は、制御部４と電気的に接続される。第三ヒータ３９は、制御部４の作動信号に従って作動を開始する。第三ヒータ３９は、制御部４の作動信号に従って作動を停止する。第三ヒータ３９は、例えば、図４に示すように、粉末供給機構３３に内蔵されている。第三ヒータ３９は、発熱することにより、照射領域Ｒの粉末材料Ａを加熱する。第三ヒータ３９は、例えば、誘導加熱式のヒータ又は抵抗加熱式のヒータである。第三ヒータ３９は、熱の放射により粉末材料Ａを加熱するものであってもよい。第三ヒータ３９は、温度センサを内蔵してもよい。温度センサを内蔵した第三ヒータ３９は、照射領域Ｒの温度を検出することができる。その結果、温度情報を粉末材料Ａの温度制御に用いることが可能である。従って、粉末材料Ａを適切な温度に加熱することが可能である。温度センサは、第三ヒータ３９とは別の位置に設けることにより、照射領域Ｒの粉末材料Ａの温度を検知してもよい。

制御部４は、三次元造形装置１の装置全体の制御を行う。制御部４は、電子制御ユニットである。例えば、制御部４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータであってよい。制御部４は、プレート３１の昇降制御、粉末供給機構３３の作動制御、電子ビームＢの出射制御、偏向コイル２４の作動制御、粉末材料Ａの飛散検出、並びに、第一ヒータ３７、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９の作動制御を行う。制御部４は、プレート３１の昇降制御として、プレート３１の上下位置を調整する。昇降制御において制御部４は、昇降機３２に制御信号を出力することにより、昇降機３２を作動させる。制御部４は、粉末供給機構３３の作動制御として、プレート３１上へ粉末材料Ａを供給すると共に、供給した粉末材料Ａを均す。粉末供給機構３３の作動制御において制御部４は、電子ビームＢの出射前に粉末供給機構３３を作動させる。制御部４は、電子ビームＢの出射制御として、電子銃部２１から電子ビームＢを出射させる。出射制御において、制御部４は、電子銃部２１に制御信号を出力する。

制御部４は、偏向コイル２４の作動制御として、電子ビームＢの照射位置を制御する。偏向コイル２４の作動制御において制御部４は、偏向コイル２４に制御信号を出力する。例えば、粉末材料Ａの予備加熱を行う場合、制御部４は、ビーム出射部２の偏向コイル２４に制御信号を出力することにより、プレート３１に対して電子ビームＢを走査させるための電子ビームＢの照射を行う。例えば、制御部４は、図５に示すように、電子ビームＢの照射位置を左右に往復移動させることにより、プレート３１上の照射領域Ｒの全面に配置された粉末材料Ａが均一に加熱されるように、電子ビームＢを照射する。予備加熱による電子ビームＢの照射は、照射領域Ｒの全面に対して、１回のみ行われてもよい。また、予備加熱による電子ビームＢの照射は、照射領域Ｒの全面に対して、複数回繰り返して行われてもよい。予備加熱を行うことにより、粉末材料Ａが加熱される。加熱された粉末材料Ａは仮焼結されるので、電子ビームＢの照射に起因する負電荷の蓄積が低減される。その結果、粉末材料Ａの飛散の発生が抑制される。換言すると、スモーク現象の発生が抑制される。なお、図５では、説明の便宜上、粉末材料Ａの図示を省略している。

図１に示すように、制御部４は、物体Ｏの造形を行う場合、例えば造形すべき物体Ｏの三次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データを用いる。物体Ｏの三次元ＣＡＤデータは、予め入力される物体Ｏの形状を示すデータである。制御部４又は図示しない演算装置は、三次元ＣＡＤデータに基づき、二次元のスライスデータを生成する。スライスデータは、多数のデータの集合体である。スライスデータに含まれる個別のデータは、例えば、造形すべき物体Ｏの水平断面の形状を示す。また、個別のデータは、断面に垂直な方向に沿う上下位置に応じる。制御部４は、スライスデータに基づいて、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射する領域を決定する。制御部４は、決定した領域に応じて、偏向コイル２４に制御信号を出力する。制御部４がビーム出射部２の偏向コイル２４に制御信号を出力した結果、ビーム出射部２は、物体Ｏの断面形状に対応する造形領域に対して電子ビームＢを照射する。

制御部４は、粉末材料Ａの飛散が生じたか否かを検出する。制御部４は、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射したときに、粉末材料Ａの飛散が生じた否かを検出する検出部として機能する。粉末材料Ａの飛散は、上述した粉末材料Ａのスモーク現象を意味する。粉末材料Ａの飛散の有無は、スモーク現象の発生の有無を意味する。制御部４は、飛散検知器２５の検知信号に基づいて、粉末材料Ａの飛散の有無を検出する。制御部４は、飛散検知器２５の検知信号に飛散が発生したことを示す信号成分が含まれている場合、粉末材料Ａの飛散が発生したと認識する。また、制御部４は、粉末材料Ａの飛散が発生したことを示す情報を記憶する。

制御部４は、第一ヒータ３７、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９の作動の制御を行う。制御部４は、第一ヒータ３７、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９に対して作動信号を出力することにより、加熱制御を行う。加熱制御の結果、第一ヒータ３７、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９は、発熱する。制御部４は、加熱制御として、第一ヒータ３７によって加熱される位置の温度、第二ヒータ３８によって加熱される位置の温度及び第三ヒータ３９によって加熱される位置の温度を温度センサによりそれぞれ検出する。なお、制御部４は、検出した信号（温度）に基づいて、第一ヒータ３７、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９のフィードバック制御を行ってもよい。その結果、第一ヒータ３７によって加熱される位置の温度、第二ヒータ３８によって加熱される位置の温度及び第三ヒータ３９によって加熱される位置の温度は、目標温度に近づくので、正確な加熱制御が可能となる。

図１に示すように、制御部４は、プレート３１の昇降制御、粉末供給機構３３の作動制御、電子ビームＢの出射制御、偏向コイル２４の作動制御、粉末材料Ａの飛散検出、並びに、第一ヒータ３７、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９の作動制御の全てを実行する。なお、上述の制御及び検出の一部又は全部は、制御部４とは別の制御器が実行してもよい。

次に、本開示の三次元造形装置１の動作及び三次元造形方法について説明する。

本開示の三次元造形装置１の動作及び三次元造形方法は、粉末材料Ａを第一ヒータ３７、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９により加熱するステップを含む。加熱された粉末材料Ａは、照射領域Ｒへ供給される。次に、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射することにより、粉末材料Ａの予備加熱及び物体Ｏの造形を行う。本開示の三次元造形装置１の動作及び三次元造形方法では、これらの処理を繰り返して行うことにより、積層状の物体Ｏを造形する。

図６は、本開示の三次元造形装置１の動作及び三次元造形方法における粉末材料Ａの加熱処理を説明するための図である。図７は、本開示の三次元造形装置１及び三次元造形方法における物体Ｏの造形処理が含む主要な工程を示すフローチャートである。図６及び図７を参照して、本開示の三次元造形装置１の動作及び三次元造形方法を具体的に説明する。

図７のステップＳ１０に示すように、粉末材料Ａの加熱処理を行う。以下の説明では、ステップＳ１０は、単に「Ｓ１０」と示す。Ｓ１０以降の各ステップについても同様とする。加熱処理では、照射領域Ｒへ供給される前の粉末材料Ａを加熱する。なお、Ｓ１０の加熱処理は、粉末材料Ａの溶融前に行う予備加熱ではない。

例えば、図６に示すように、収容タンク３４に収容された粉末材料Ａは、第一ヒータ３７により加熱される。すなわち、制御部４は、第一ヒータ３７に作動信号を出力することにより、第一ヒータ３７を作動させる。その結果、第一ヒータ３７が発熱するので、第一ヒータ３７が発する熱によって粉末材料Ａが加熱される。第一ヒータ３７の加熱温度は、粉末材料Ａが仮焼結に至る温度未満である。このような粉末材料Ａの加熱によれば、粉末材料Ａの仮焼結が生じないので、仮焼結に起因して粉末材料Ａの流動性が損なわれることを防止できる。

また、収容タンク３４の内部に収容された粉末材料Ａを加熱することにより、粉末材料Ａの湿気が取り除かれる。また、粉末材料Ａの脱ガス効果が生じる。つまり、粉末材料Ａが湿気を帯びていた場合に、粉末材料Ａを加熱することにより、粉末材料Ａが含む湿気を除去することができる。また、粉末材料Ａに不純物が付着していた場合に、粉末材料Ａを加熱することにより、不純物の気化が生じるので、粉末材料Ａから不純物を除去することができる。その結果、品質の良い物体Ｏの造形が可能となる。

収容タンク３４の排出口３４ａから排出された粉末材料Ａは、床部４０上に提供される。床部４０上の粉末材料Ａは、第二ヒータ３８により加熱される。制御部４は、第二ヒータ３８に作動信号を出力することにより、第二ヒータ３８を作動させる。その結果、第二ヒータ３８が発熱する。第二ヒータ３８の熱によって、粉末材料Ａが加熱される。第二ヒータ３８の加熱温度は、粉末材料Ａが仮焼結に至る温度未満である。このような粉末材料Ａの加熱によれば、粉末材料Ａの仮焼結が生じないので、仮焼結に起因して粉末材料Ａの流動性が損なわれることを防止できる。

図７のＳ１２に処理が移行する。Ｓ１２では、粉末材料Ａの供給処理が行われる。供給処理は、粉末材料Ａを照射領域Ｒへ移送する処理と、照射領域Ｒに移送された粉末材料Ａを敷き均す処理と、を含む。制御部４は、粉末供給機構３３を駆動するアクチュエータなどに作動信号を出力する。その結果、粉末供給機構３３は、水平方向へ移動する。制御部４は、第三ヒータ３９に作動信号を出力する。その結果、第三ヒータ３９は、発熱する。第三ヒータ３９の発熱により、粉末材料Ａは、第三ヒータ３９に加熱されながら、粉末供給機構３３により照射領域Ｒへ移送される。

粉末材料Ａは、収容タンク３４に収容されてから照射領域Ｒへ供給されるまでの期間に、第一ヒータ３７、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９により連続的に加熱される。その結果、粉末材料Ａは、予備加熱を行う前にすでに十分に加熱される。従って、電子ビームＢの照射時において、粉末材料Ａの飛散の発生が抑制される。換言すると、スモーク現象の発生が抑制される。

第一ヒータ３７、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９の作動を開始するタイミングは、互いに同時であってもよい。また、第一ヒータ３７及び第二ヒータ３８の作動を開始するタイミングは、互いに同時とし、第三ヒータ３９の作動開示タイミングは、粉末供給機構３３の作動を開始するタイミングと同時としてもよい。

Ｓ１４に処理が移行する。Ｓ１４では、加熱停止処理が行われる。加熱停止処理は、第一ヒータ３７、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９の作動を停止させる。制御部４は、第一ヒータ３７、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９への制御信号の出力を停止する。その結果、第一ヒータ３７、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９の作動が停止する。

Ｓ１６に処理が移行する。Ｓ１６では、電子ビームＢの照射処理が行われる。照射処理は、ビーム出射部２から電子ビームＢを出射させることにより、照射領域Ｒの予備加熱及び物体Ｏの造形を行う。制御部４は、ビーム出射部２に制御信号を出力することにより、電子銃部２１から電子ビームＢを出射させる。その結果、照射領域Ｒ又は造形領域には、電子ビームＢが照射される。照射処理が行われているとき、第一ヒータ３７、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９の作動は、停止している。従って、電子ビームＢは、第一ヒータ３７、第二ヒータ３８又は第三ヒータ３９の作動により生ずる磁界の影響を受けない。従って、電子ビームＢの照射を正確に行うことができる。

図５に示すように、予備加熱のための照射処理では、プレート３１に対して電子ビームＢの照射位置を左右に往復させることにより、電子ビームＢは、プレート３１を走査する。つまり、予備加熱としての照射処理では、プレート３１上の照射領域Ｒの粉末材料Ａが均一に加熱されるように、電子ビームＢを照射する。予備加熱としての照射処理は、照射領域Ｒに対する照射を繰り返してもよい。なお、図５は、プレート３１を上方から見た図である。図５は、説明の便宜上、プレート３１のみを示す。図５は、粉末材料Ａの図示を省略している。

予備加熱のための電子ビームＢの照射は、照射領域Ｒと造形領域とに対して行ってもよい。例えば、まず、図５に示すように照射領域Ｒの全面に対して電子ビームＢの照射を行う。次に、物体Ｏの造形領域に対して電子ビームＢの照射を行う。電子ビームＢの照射は、照射領域Ｒに対して複数回繰り返してもよい。同様に、電子ビームＢの照射は、造形領域に対して複数回繰り返してもよい。造形領域の範囲は、照射領域Ｒの範囲より狭い。造形領域は、物体Ｏが造形される領域である。この場合、造形領域は、物体Ｏが造形される領域であってもよい。また、造形領域は、物体Ｏの造形される領域とほぼ同じ領域であってもよい。このように、照射領域Ｒと造形領域とに対して電子ビームＢの照射を行うことにより、照射領域Ｒの全体に対して予備加熱が行われる。その結果、照射領域Ｒを高温状態とすることができる。また、造形領域に対する予備加熱の加熱量を増加させることにより、粉末材料Ａの飛散の発生を効果的に抑制することができる。また、照射領域Ｒの全体を繰り返して予備加熱する場合と比べて、粉末材料Ａが受ける熱の影響を緩和することもできる。粉末材料Ａは、加熱に起因する熱の影響を受ける。粉末材料Ａの熱の影響は、酸化、変形、化学的組成の変化を含む。さらに粉末材料Ａは、前述の変化に起因して、機械的特性の変化が生じるおそれもある。従って、電子ビームＢを照射する領域は、最小限であってよい。従って、予備加熱のための照射領域の一部を造形領域に限定する。その結果、粉末材料Ａが受ける熱の影響を低減することができる。従って、粉末材料Ａの再利用も可能となる。

ところで、物体Ｏの造形のための照射処理では、例えば、制御部４は、造形すべき物体Ｏのスライスデータに基づいて、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射する造形領域を決定した。そして、制御部４は、決定された造形領域に対してビーム出射部２から電子ビームＢを照射させる。その結果、造形のための照射処理では、物体Ｏを構成する一層分が造形される。

Ｓ１８に処理が移行する。Ｓ１８では、制御処理の終了条件が成立したか否かが判定される。制御処理の終了条件が成立した場合とは、例えば、所望の三次元の物体Ｏの造形が終了した場合である。つまり、Ｓ１０〜Ｓ１６の制御処理を繰り返し行った結果、物体Ｏの造形が完了した場合である。一方、制御処理の終了条件が成立していない場合とは、例えば、所望の三次元の物体Ｏの造形が完了していない場合である。

Ｓ１８において制御処理の終了条件が成立していないと判定された場合、Ｓ１０に処理が戻る。一方、Ｓ１８において制御処理の終了条件が成立したと判定された場合、図７の一連の制御処理が終了する。

図７に示すＳ１０〜Ｓ１８の処理が繰り返し行われることにより、物体Ｏが層状に徐々に形成される。そして、最終的に所望の物体Ｏが造形される。

以上に説明したように、本開示の三次元造形装置１及び三次元造形方法は、収容タンク３４に収容された粉末材料Ａを第一ヒータ３７により加熱する。この加熱によれば、加熱された多くの粉末材料Ａを照射領域Ｒに供給できる。従って、粉末材料Ａが飛散した場合など、照射領域Ｒに多くの粉末材料Ａを供給する必要が生じた場合であっても、物体Ｏの造形を円滑に行うことができる。

仮に、収容タンク３４に収容された粉末材料Ａを加熱しない場合、照射領域Ｒに加熱された粉末材料Ａを大量に供給することは困難である。例えば、電子ビームＢの照射により粉末材料Ａの飛散が発生すると、通常時よりも多くの粉末材料Ａを照射領域Ｒに供給する必要が生じる。粉末材料Ａを加熱しない場合には、非加熱の冷えた粉末材料Ａが照射領域Ｒへ供給される。その結果、再度、粉末材料Ａの飛散が発生するおそれがある。

これに対し、本開示の三次元造形装置１及び三次元造形方法では、収容タンク３４に取り付けた第一ヒータ３７を用いて粉末材料Ａを加熱する。その結果、収容タンク３４に収容されている大量の粉末材料Ａを加熱することができる。従って、電子ビームＢの照射により粉末材料Ａの飛散が発生したことに起因して、通常時より多くの粉末材料Ａを照射領域Ｒに供給する必要が生じた場合、または、粉末材料Ａの供給量が変動した場合であっても、加熱された粉末材料Ａを必要な分だけ照射領域Ｒへ供給できる。従って、物体Ｏの造形が円滑に行える。

照射領域Ｒへ加熱された粉末材料Ａを供給することにより、融点の高い粉末材料Ａを用いた大型の物体Ｏの造形が可能になる。換言すると、照射領域Ｒへ加熱された粉末材料Ａを供給することにより、電子ビームＢの照射によって粉末材料Ａを容易に溶融することができる。従って、融点の高い粉末材料Ａを用いた物体Ｏの造形であっても、高い品質を維持することができる。また、大型の物体Ｏを造形することも可能である。

本開示の三次元造形装置１及び三次元造形方法は、収容タンク３４から排出された後に、床部４０に載置された粉末材料Ａが第二ヒータ３８により加熱される。床部４０から照射領域Ｒに供給された粉末材料Ａは、第三ヒータ３９により加熱される。その結果、収容タンク３４から排出された後に、照射領域Ｒへ供給されるまでの間に、粉末材料Ａを連続的に加熱することができる。従って、粉末材料Ａを十分に加熱することができる。その結果、粉末材料Ａの飛散を抑制することができる。

本開示の三次元造形装置及び三次元造形方法は、上述した実施形態に限定されない。本開示の三次元造形装置及び三次元造形方法は、特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱しない範囲で様々な変形態様を取ることができる。

例えば、上述した本開示の三次元造形装置及び三次元造形方法は、第一ヒータ３７、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９を備えていた。本開示の三次元造形装置及び三次元造形方法は、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９の設置を省略してもよい。この場合であっても、収容タンク３４に収容された粉末材料Ａは、第一ヒータ３７により加熱される。その結果、加熱された多くの粉末材料Ａを照射領域Ｒに供給できる。従って、粉末材料Ａが飛散した場合など、照射領域Ｒに対して多くの粉末材料Ａを供給する必要が生じた場合であっても、物体Ｏの造形を円滑に行うことができる。

上述した本開示の三次元造形装置及び三次元造形方法は、第一ヒータ３７のほか、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９を備えていた。本開示の三次元造形装置及び三次元造形方法は、第二ヒータ３８及び第三ヒータ３９に代えて、高温ガスを照射領域Ｒへ吹き付けることにより加熱するヒータを用いてもよい。例えば、高温状態であるヘリウム又はアルゴンなどの不活性ガスを電子ビームＢの照射領域Ｒへ吹き付けることにより、粉末材料Ａを加熱してもよい。この場合であっても、照射領域Ｒに供給された粉末材料Ａが高温ガスにより加熱される。その結果、収容タンク３４から排出された後に、照射領域Ｒへ供給される粉末材料Ａを連続的に加熱することができる。従って、粉末材料Ａを十分に加熱することができるので、粉末材料の飛散の発生を抑制することができる。

上述した本開示の三次元造形装置及び三次元造形方法は、エネルギビームとして電子ビームＢを用いて物体Ｏを造形した。エネルギビームとして、電子ビームＢとは異なる種類のエネルギビームを用いてもよい。例えば、エネルギビームとしてイオンビームを用いて物体Ｏを造形してもよい。

本開示の三次元造形装置及び三次元造形方法は、レーザビームなどの電荷を持たないエネルギビームを熱源とする装置及び方法に適用してもよい。電荷を持たないエネルギビームを用いる場合、粉末材料Ａの飛散が生じないので、飛散の発生を抑止する効果は生じない。しかし、上述したように、融点の高い粉末材料Ａを用いた物体Ｏの高品質な造形を行うことが可能である。さらに、大型の物体Ｏの造形を行うことも可能である。

本開示の三次元造形装置１は、第一ヒータ３７と、第二ヒータ３８と、を備え、第三ヒータ３９を省略してもよい。また、本開示の三次元造形装置１は、第一ヒータ３７と、第三ヒータ３９と、を備え、第二ヒータ３８を省略してもよい。

１ 三次元造形装置
２ ビーム出射部
３ 造形部
４ 制御部
２１ 電子銃部
２２ 収差コイル
２３ フォーカスコイル
２４ 偏向コイル
２５ 飛散検知器
３１ プレート
３２ 昇降機
３３ 粉末供給機構
３４ 収容タンク
３７ 第一ヒータ（第一加熱部）
３８ 第二ヒータ（第二加熱部）
３９ 第三ヒータ（第三加熱部）
Ａ 粉末材料
Ｂ 電子ビーム
Ｒ 照射領域

Claims (6)

1. エネルギビームの照射領域に粉末材料を供給して敷き均し、前記粉末材料に対し前記エネルギビームを照射し前記粉末材料を溶融させて三次元の物体の造形を行う三次元造形装置において、
   前記エネルギビームを出射し、前記エネルギビームを前記粉末材料に照射させるビーム出射部と、
   前記粉末材料を収容可能とし、前記粉末材料を前記エネルギビームの照射領域へ供給させるための収容タンクと、
   前記収容タンクに取り付けられ、前記収容タンクに収容される前記粉末材料を加熱する第一加熱部と、
   を備えた三次元造形装置。
2. 前記収容タンクから排出された前記粉末材料を載置するための床部に取り付けられ、前記床部に載置される前記粉末材料を加熱する第二加熱部と、
   前記照射領域において水平方向へ移動可能に設けられ、前記床部に載置される前記粉末材料を前記照射領域へ供給する粉末供給機構と、
   前記粉末供給機構に取り付けられ、前記照射領域に供給される前記粉末材料を加熱する第三加熱部と、
   をさらに備える請求項１に記載の三次元造形装置。
3. エネルギビームの照射領域に粉末材料を供給して敷き均し、前記粉末材料に対し前記エネルギビームを照射し前記粉末材料を溶融させて三次元の物体の造形を行う三次元造形方法において、
   加熱部を設けた収容タンクを用い、前記収容タンクに収容された前記粉末材料を加熱する加熱工程と、
   前記収容タンクから排出された前記粉末材料を前記エネルギビームの照射領域へ移動させた後、前記粉末材料に前記エネルギビームを照射して前記物体の造形を行う造形工程と、
   を含む三次元造形方法。
4. 前記収容タンクから排出された前記粉末材料を載置するための床部に取り付けられ、前記床部に載置される前記粉末材料を加熱する第二加熱部をさらに備える、
   請求項１に記載の三次元造形装置。
5. 前記照射領域において水平方向へ移動可能に設けられ、前記収容タンクから排出された前記粉末材料を載置するための床部に載置される前記粉末材料を前記照射領域へ供給する粉末供給機構と、
   前記粉末供給機構に取り付けられ、前記照射領域に供給される前記粉末材料を加熱する第三加熱部をさらに備える、
   請求項１に記載の三次元造形装置。
6. 前記第一加熱部は、前記収容タンクの内部に配置され、
   前記第一加熱部は、前記収容タンクの内壁面から離間して配置されている、
   請求項１に記載の三次元造形装置。

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