WO2019088091A1 - 三次元造形装置及び三次元造形方法 - Google Patents

三次元造形装置及び三次元造形方法 Download PDF

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WO2019088091A1
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irradiation
electron beam
dimensional
scattering
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山田　雅人
雅志 毛利
祐輝 小末
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株式会社Ihi
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present disclosure relates to a three-dimensional modeling apparatus and a three-dimensional modeling method for modeling a three-dimensional object.
  • Japanese Patent No. 6154544 discloses a three-dimensional modeling apparatus and a three-dimensional modeling method.
  • the three-dimensional shaping apparatus and the three-dimensional shaping method described in Japanese Patent No. 6154544 solidify the melted powder material after melting the powder material by irradiating the powder material with an electron beam.
  • the apparatus and method perform preheating of the powder material by a heater placed on the side or top of the shaping box before irradiating the electron beam to solidify the powder material after melting. As a result, since it is not necessary to perform preheating by electron beam irradiation, the modeling speed of the object can be increased.
  • a powder material is supplied and spread in an irradiation region of a charged particle beam, and the powder material is irradiated with a charged particle beam to melt the powder material and three-dimensional object
  • a charged particle beam is emitted, and a beam emitting unit that irradiates the powdered material with the charged particle beam, and irradiation of the powdered material with the charged particle beam detects that the powdered material is scattered.
  • the heating unit includes a detection unit and a heating unit that heats the irradiation region, and the heating unit is configured to supply new powder material to the irradiation region when scattering of the powder material is detected by the detection unit during formation of the object.
  • the irradiation area is heated, and the beam emitting unit stops irradiation of the charged particle beam when scattering of the powder material is detected by the detection unit during modeling of the object, and new powder material is present in the heated irradiation area. Supplied Resume the irradiation of the charged particle beam after.
  • the occurrence of scattering of the powder material is suppressed, so that the object can be shaped smoothly.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the configuration of the three-dimensional shaping apparatus of the present disclosure.
  • FIG. 2 is an explanatory view of a heater provided in the three-dimensional modeling apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is an explanatory view of a heater provided in the three-dimensional modeling apparatus of FIG.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the three-dimensional shaping apparatus of the present disclosure and a three-dimensional shaping method.
  • FIG. 5 is an explanatory view of preheating in the three-dimensional modeling apparatus of FIG. 1 and the three-dimensional modeling method of the present disclosure.
  • FIG. 6 is an explanatory view of preheating in the three-dimensional shaping apparatus of FIG. 1 and the three-dimensional shaping method of the present disclosure.
  • FIG. 5 is an explanatory view of preheating in the three-dimensional shaping apparatus of FIG. 1 and the three-dimensional shaping method of the present disclosure.
  • FIG. 7 is an explanatory view of a three-dimensional modeling apparatus and a three-dimensional modeling method of a comparative example.
  • FIG. 8 is an explanatory view of a modification of the three-dimensional modeling apparatus of FIG. 1 and the three-dimensional modeling method of the present disclosure.
  • FIG. 9 is a flowchart showing a modification of the three-dimensional shaping method of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a flowchart showing another modified example of the three-dimensional shaping method of the present disclosure.
  • a powder material is supplied and spread in an irradiation region of a charged particle beam, and the powder material is irradiated with a charged particle beam to melt the powder material and three-dimensional object
  • Do the modeling of The three-dimensional shaping apparatus emits a charged particle beam and emits a charged particle beam to the powder material, and a detection unit detects that the powder material is scattered by the irradiation of the charged particle beam to the powder material; And a heating unit for heating the irradiation area.
  • the heating unit heats the irradiation area before new powder material is supplied to the irradiation area when the generation of scattering of the powder material is detected by the detection unit during the formation of the object, and the beam emitting unit
  • the irradiation of the charged particle beam is stopped, and after the new powder material is supplied to the heated irradiation area, the irradiation of the charged particle beam is resumed.
  • the heating unit heats the irradiation area before the powder material is supplied to the irradiation area.
  • the three-dimensional shaping apparatus resumes shaping of the object after supplying the powder material to the heated irradiation area.
  • the irradiated area is already hot. Therefore, when the new powder material is heated, the heat of the powder material is less likely to escape. As a result, the powder material can be easily brought to a high temperature state. Therefore, the powder material can be sufficiently heated, and the powder material can be prevented from scattering again.
  • the heating unit may be a heater that heats the irradiation area by heat conduction or radiation.
  • a heater is used as the heating unit to heat the irradiation area by heat conduction or radiation.
  • the heating unit is configured to emit the radiation region based on the fact that the irradiation of the charged particle beam is stopped when the scattering of the powder material is detected by the detection unit during modeling of the object. You may start heating. In this case, heating of the irradiation area is started based on the stop of the irradiation of the charged particle beam. As a result, excessive heating of the irradiation area is suppressed. Therefore, the influence of heating on the powder material can be reduced. After stopping the irradiation of the charged particle beam, the irradiation area is heated. As a result, heating by the heater is not performed during irradiation of the charged particle beam. Therefore, it is possible to prevent the trajectory of the charged particle beam from being deviated due to the operation of the heater.
  • a powder material is supplied and spread in an irradiation region of a charged particle beam, and the powder material is irradiated with a charged particle beam to melt the powder material to three-dimensional object.
  • new powder material is supplied to the irradiation area when it is determined that the powder material is scattered in the determination step of determining whether or not the powder material is scattered during modeling of the object, and in the determination step.
  • this three-dimensional shaping method when the powder material is scattered, the irradiation area is heated before new powder material is supplied to the irradiation area. Then, new powder material is supplied to the heated irradiation area. After the powder material has been supplied, shaping of the object is resumed.
  • the irradiated area is already hot. Therefore, when the new powder material is heated, the heat of the powder material is less likely to escape. As a result, the powder material can be easily brought to a high temperature state. Therefore, the powder material can be sufficiently heated, and the powder material can be prevented from scattering again.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the configuration of the three-dimensional shaping apparatus of the present disclosure. After supplying the powder material A to the irradiation region R of the electron beam B, the three-dimensional shaping apparatus 1 spreads the powder material A. Then, the three-dimensional shaping apparatus 1 melts the powder material A by irradiating the powder material A with the electron beam B. The three-dimensional modeling apparatus 1 models a three-dimensional object O by these operations.
  • the electron beam B is a charged particle beam formed by linear movement of electrons which are charged particles.
  • the irradiation area R of the electron beam B is an area to which the electron beam B can be irradiated. In other words, the irradiation area R is an area of the powder bed used for shaping the object O.
  • the three-dimensional shaping apparatus 1 performs a step of preheating the powder material A by irradiating the powder material A with the electron beam B, and irradiating the powder material A with the electron beam B to melt the powder material A. And forming the part of the object O.
  • the three-dimensional shaping apparatus 1 shapes the object O on which the solidified powder material is laminated by repeating these steps. Preheating is also referred to as preheating.
  • the preheating heats the powdered material A to a temperature below the melting point of the powdered material A before shaping the object O. As a result of the powder material A being heated by the preheating, the powder material A is pre-sintered.
  • the smoke phenomenon refers to a phenomenon in which the powder material A is scattered when being irradiated with the electron beam B.
  • the three-dimensional modeling apparatus 1 includes a beam emitting unit 2, a modeling unit 3, and a control unit 4.
  • the beam emitting unit 2 emits the electron beam B to the powder material A of the shaping unit 3 in accordance with the control signal of the control unit 4.
  • the beam emitting unit 2 irradiates the powder material A with an electron beam B in order to preheat the powder material A. Thereafter, the beam emitting unit 2 irradiates the powder material A with the electron beam B in order to form a three-dimensional object O.
  • the powder material A solidifies after being melted, and the object O is shaped.
  • the beam emitting unit 2 stops the irradiation of the electron beam B when the scattering of the powder material A is detected during the formation of the object O.
  • the powder material A is supplied to the heated irradiation area R.
  • the beam emitting unit 2 resumes the irradiation of the electron beam B. Details of the mechanism for detecting the scattering of the powder material A will be described later.
  • the beam emitting unit 2 includes an electron gun unit 21, an aberration coil 22, a focus coil 23, a deflection coil 24, and a scattering detector 25.
  • the electron gun unit 21 is electrically connected to the control unit 4.
  • the electron gun unit 21 operates in accordance with a control signal from the control unit 4.
  • the electron gun unit 21 emits an electron beam B.
  • the electron gun unit 21 emits, for example, the electron beam B downward.
  • the aberration coil 22 is electrically connected to the control unit 4.
  • the aberration coil 22 operates in accordance with the control signal from the control unit 4.
  • the aberration coil 22 is disposed around the electron beam B emitted from the electron gun unit 21.
  • the aberration coil 22 corrects the aberration of the electron beam B.
  • the focus coil 23 is electrically connected to the control unit 4.
  • the focus coil 23 operates in accordance with a control signal from the control unit 4.
  • the focusing coil 23 is disposed around the electron beam B emitted from the electron gun unit 21.
  • the focusing coil 23 adjusts the state of convergence at the irradiation position of the electron beam B in order to cause the electron beam B to converge.
  • the deflection coil 24 is electrically connected to the control unit 4.
  • the deflection coil 24 operates in accordance with a control signal from the control unit 4.
  • the deflection coil 24 is disposed around the electron beam B emitted from the electron gun unit 21.
  • the deflection coil 24 adjusts the irradiation position of the electron beam B in accordance with the control signal.
  • the deflection coil 24 performs electromagnetic beam deflection.
  • the scanning speed of the deflection coil 24 is faster than the scanning speed of the mechanical beam deflection.
  • the electron gun unit 21, the aberration coil 22, the focus coil 23, and the deflection coil 24 are installed, for example, inside a column 26 having a cylindrical shape.
  • the aberration coil 22 may be omitted.
  • the scattering detector 25 detects that scattering of the powder material A has occurred due to the irradiation of the powder material A with the electron beam B. That is, the scattering detector 25 detects the occurrence of the smoke phenomenon when the powder material A is irradiated with the electron beam B.
  • the smoke phenomenon refers to a phenomenon in which the powder material A soars in the form of mist due to the scattering of the powder material A.
  • the scattering detector 25 is, for example, an X-ray detector.
  • the scattering detector 25 is electrically connected to the control unit 4.
  • the scatter detector 25 outputs a detection signal to the control unit 4.
  • the scattering detector 25 detects X-rays generated when smoke is generated.
  • the scattering detector 25 detects that the powder material A has been scattered, based on the fact that the number of X-rays detected per unit time exceeds a predetermined threshold.
  • the scatter detector 25 is attached to the column 26, for example.
  • the scatter detector 25 is disposed toward the electron beam B.
  • the scatter detector 25 may be provided near the irradiation area of the powder material A.
  • the scatter detector 25 may use a device or a sensor different from the X-ray detector as long as it can detect the scatter of the powder material A.
  • the shaping unit 3 is a portion for shaping a desired object O.
  • the shaping unit 3 contains the powder material A inside the chamber 30.
  • the modeling unit 3 is provided below the beam emitting unit 2.
  • the shaping unit 3 includes a box-shaped chamber 30.
  • the modeling unit 3 includes a plate 31, an elevator 32, a powder supply mechanism 33, a hopper 34, a heater 37 a, a heater 37 b, and a temperature detector 38 inside the chamber 30.
  • Chamber 30 is coupled to column 26.
  • the internal space of the chamber 30 communicates with the internal space of the column 26 in which the electron gun unit 21 is disposed.
  • the plate 31 supports the object O to be shaped.
  • An object O is formed on the plate 31.
  • the plate 31 supports the object O to be shaped.
  • the upper surface of the plate 31 and the region above the upper surface are the irradiation regions R of the electron beam B.
  • the plate 31 is a plate.
  • the shape of the plate 31 is, for example, rectangular or circular.
  • the plate 31 is disposed on the extension of the emission direction of the electron beam B.
  • the plate 31 is provided, for example, in the horizontal direction.
  • the plate 31 is arranged to be supported by the elevation stage 35 installed below.
  • the plate 31 moves up and down together with the elevation stage 35.
  • the elevator 32 raises and lowers the elevation stage 35 and the plate 31.
  • the elevator 32 is electrically connected to the control unit 4.
  • the elevator 32 operates in accordance with a control signal from the control unit 4. For example, the elevator 32 moves the plate 31 upward together with the lift stage 35 at the beginning of shaping of the object O. The elevator 32 lowers the plate 31 each time the powder material A which has undergone melting and solidification on the plate 31 is stacked.
  • the elevator 32 may be any mechanism as long as it can move the plate 31 up and down.
  • the plate 31 is disposed inside the shaping tank 36.
  • the modeling tank 36 is installed at the lower part inside the chamber 30.
  • the shape of the modeling tank 36 is, for example, cylindrical.
  • the cross-sectional shape of the modeling tank 36 is rectangular or circular.
  • the shaping tank 36 extends in the moving direction of the plate 31.
  • the inner shape of the modeling tank 36 follows the outer shape of the lifting and lowering stage 35.
  • a seal material may be provided between the modeling tank 36 and the elevating stage 35 in order to prevent the powder material A from leaking downward of the elevating stage 35.
  • the powder supply mechanism 33 supplies the powder material A above the plate 31. Also, the powder supply mechanism 33 smoothes the surface of the powder material A.
  • the powder supply mechanism 33 functions as a recoater.
  • the powder supply mechanism 33 is a rod-like or plate-like member.
  • the powder supply mechanism 33 supplies the powder material A to the irradiation region R of the electron beam B and moves the surface of the powder material A by moving in the horizontal direction in the irradiation region R.
  • the powder supply mechanism 33 moves by driving of an actuator (not shown).
  • the hopper 34 accommodates the powder material A. At the lower part of the hopper 34, an outlet 34a for discharging the powder material A is formed.
  • the powder material A discharged from the discharge port 34 a is supplied onto the plate 31 by the powder supply mechanism 33.
  • the plate 31, the elevator 32, the powder supply mechanism 33 and the hopper 34 are installed inside the chamber 30.
  • the interior of the chamber 30 is under vacuum or near vacuum.
  • the mechanism for supplying the powder material A onto the plate 31 may use a mechanism different from the powder supply mechanism 33 and the hopper 34.
  • Powder material A is comprised of a large number of powder bodies.
  • powder material A for example, metal powder is used.
  • the powder material A as long as it can be melted and solidified due to the irradiation of the electron beam B, particles having a larger particle size than the powder may be used.
  • the heater 37 a is provided outside the modeling tank 36.
  • the heater 37a functions as a heating unit that heats the irradiation region R of the electron beam B.
  • the heater 37a is, for example, an induction heating heater or a resistance heating heater.
  • the heater 37a generates heat as it operates.
  • the heater 37a heats the irradiation area R by the conduction of heat.
  • the heater 37 a is electrically connected to the control unit 4.
  • the heater 37 a starts operation in accordance with the operation signal of the control unit 4. Further, the heater 37 a stops the operation according to the operation signal of the control unit 4.
  • the three-dimensional modeling apparatus 1 has two heaters 37a.
  • the number of heaters 37a which the three-dimensional modeling apparatus 1 has may be one, or two or more.
  • the heater 37a starts heating the irradiation region R based on the fact that the irradiation of the electron beam B is stopped. That is, when scattering of the powder material A occurs due to the irradiation of the electron beam B, the heater 37a starts heating the irradiation region R using the stop of the irradiation of the electron beam B as a trigger. In other words, the heater 37a operates before the new powder material A is supplied to the irradiation region R in which the scattering has occurred.
  • the heat generated by the heater 37a is conducted to the powder material A, the object O and the plate 31 contained in the irradiation area R via the modeling tank 36. . That is, the powder bed in the irradiation area R is in a high temperature state. According to this state, when the powder material A is heated, the heat of the powder material A is less likely to escape to the surroundings. As a result, when the powder material A is supplied to the recessed area due to the scattering, the supplied powder material A can be easily brought into a high temperature state.
  • a powder bed means the powder material A spread.
  • a powder bed may mean the part to which the object O and the plate 31 were exposed.
  • the heater 37 b is provided on the ceiling of the chamber 30.
  • the heater 37 b functions as a heating unit that heats the irradiation region R of the electron beam B.
  • a radiant heater is used as the heater 37b.
  • the heater 37b is a halogen lamp heater.
  • the heater 37 b is electrically connected to the control unit 4.
  • the heater 37 b starts operation in accordance with an operation signal of the control unit 4. Further, the heater 37 b stops the operation according to the operation signal of the control unit 4.
  • the three-dimensional modeling apparatus 1 shown in FIG. 1 is provided with two heaters 37b.
  • the number of heaters 37b provided in the three-dimensional modeling apparatus 1 may be one, or two or more.
  • the heater 37b starts heating of the irradiation region R based on the stop of the irradiation of the electron beam B. That is, when scattering of the powder material A occurs due to the irradiation of the electron beam B, the heater 37b starts heating the irradiation region R using the stop of the irradiation of the electron beam B as a trigger. In other words, the heater 37b starts to operate before the new powder material A is supplied to the irradiation region R in which the scattering has occurred.
  • the three-dimensional modeling apparatus 1 may include one of the heater 37a and the heater 37b.
  • the heaters 37a and 37b may use a heating device different from the heaters 37a and 37b as long as the irradiation region R of the electron beam B can be heated.
  • the irradiation area R may be heated by the irradiation of the electron beam B.
  • the temperature detector 38 is provided at the ceiling of the chamber 30.
  • the temperature detector 38 detects the temperature of the irradiation area R of the electron beam B.
  • the temperature detector 38 is a radiation thermometer or a thermographic device.
  • the temperature detector 38 is electrically connected to the control unit 4.
  • the temperature detector 38 inputs a detection signal to the control unit 4.
  • the detected temperature information of the temperature detector 38 may be used for heating control of the heater 37a and the heater 37b.
  • the control unit 4 controls the entire apparatus of the three-dimensional modeling apparatus 1.
  • the control unit 4 is an electronic control unit.
  • the control unit 4 may be a computer including a CPU, a ROM, and a RAM.
  • the control unit 4 performs elevation control of the plate 31, operation control of the powder supply mechanism 33, emission control of the electron beam B, operation control of the deflection coil 24, scattering detection of the powder material A, and operation control of the heaters 37a and 37b. .
  • the control unit 4 adjusts the vertical position of the plate 31 as elevation control of the plate 31. In the elevation control, the control unit 4 operates the elevator 32 by outputting a control signal to the elevator 32.
  • the control unit 4 supplies the powder material A onto the plate 31 and controls the powder supply mechanism 33 so as to level the supplied powder material A.
  • control unit 4 In controlling the operation of the powder supply mechanism 33, the control unit 4 operates the powder supply mechanism 33 before emission of the electron beam B.
  • the control unit 4 causes the electron gun unit 21 to emit the electron beam B as emission control of the electron beam B.
  • emission control the control unit 4 outputs a control signal to the electron gun unit 21.
  • the control unit 4 controls the irradiation position of the electron beam B as the operation control of the deflection coil 24. In controlling the operation of the deflection coil 24, the control unit 4 outputs a control signal to the deflection coil 24. For example, when performing preheating of the powder material A, the control unit 4 outputs a control signal to the deflection coil 24 of the beam emitting unit 2 to scan the electron beam B with respect to the plate 31. Irradiate the For example, as shown in FIG. 5, the control unit 4 reciprocates the irradiation position of the electron beam B to the left and right, so that the powder material A disposed on the entire surface of the irradiation region R on the plate 31 is uniformly heated. To emit an electron beam B.
  • the irradiation of the electron beam B by the preheating may be performed only once on the entire surface of the plate 31.
  • the irradiation of the electron beam B by the preheating may be repeatedly performed a plurality of times on the entire surface of the irradiation region R.
  • the powder material A is heated by performing preheating. Since the heated powder material A is temporarily sintered, the accumulation of negative charge due to the irradiation of the electron beam B is reduced.
  • the control unit 4 uses, for example, three-dimensional CAD (Computer-Aided Design) data of the object O to be modeled.
  • the three-dimensional CAD data of the object O is data indicating the shape of the object O input in advance.
  • the control unit 4 or an arithmetic unit (not shown) generates two-dimensional slice data based on the three-dimensional CAD data.
  • Slice data is a collection of many data.
  • the individual data included in the slice data indicate, for example, the shape of the horizontal cross section of the object O to be formed. Also, the individual data correspond to the vertical position along the direction perpendicular to the cross section.
  • the control unit 4 determines a region for irradiating the powder material A with the electron beam B based on the slice data.
  • the control unit 4 outputs a control signal to the deflection coil 24 in accordance with the determined area.
  • the control unit 4 outputting a control signal to the deflection coil 24 of the beam emitting unit 2
  • the beam emitting unit 2 applies the electron beam B to the shaping area corresponding to the cross-sectional shape of the object O.
  • the control unit 4 detects whether scattering of the powder material A has occurred.
  • the control unit 4 functions as a detection unit that detects whether or not the powder material A has been scattered.
  • the scattering of the powder material A means the smoke phenomenon of the powder material A described above.
  • the presence or absence of scattering of the powder material A means the presence or absence of the occurrence of the smoke phenomenon.
  • the control unit 4 detects the presence or absence of the scattering of the powder material A based on the detection signal of the scattering detector 25.
  • the control unit 4 recognizes that scattering of the powder material A occurs when the detection signal of the scattering detector 25 includes a signal component indicating that scattering has occurred. Further, the control unit 4 stores information indicating that the scattering of the powder material A has occurred.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an operation of the three-dimensional modeling apparatus 1 of the present disclosure and a three-dimensional modeling method.
  • the series of control processing of FIG. 4 is performed by, for example, the control unit 4.
  • the operation and three-dimensional shaping method of the three-dimensional shaping apparatus 1 of the present disclosure alternately repeat preheating of the powder material A and shaping of the object O by irradiating the powder material A with the electron beam B.
  • the operation of the three-dimensional modeling apparatus 1 and the three-dimensional modeling method of the present disclosure model the object O in a layered manner.
  • the powder material A scatters due to the irradiation of the powder material A with the electron beam B, the irradiation of the electron beam B is stopped.
  • step S10 of FIG. 4 the powder material A is supplied.
  • step S10 is simply referred to as "S10".
  • the supply process of the powder material A includes a process of supplying the powder material A to the irradiation region R of the electron beam B, and a process of leveling the surface of the supplied powder material A.
  • the control unit 4 adjusts the vertical position of the plate 31 by outputting a control signal to the elevator 32. Further, the control unit 4 operates the powder supply mechanism 33 by outputting a control signal to an actuator or mechanism (not shown). By these operations, the powder supply mechanism 33 operates in the horizontal direction. As a result, the powder material A is supplied to the area above the plate 31 and the surface of the powder material A is leveled.
  • preheating processing is performed.
  • the powder material A is preheated before shaping of the object.
  • the preheating of the powder material A is performed by the irradiation of the electron beam B.
  • the control unit 4 causes the electron gun unit 21 to emit the electron beam B by outputting a control signal to the beam emitting unit 2. Further, the control unit 4 causes the electron beam B to scan by outputting a control signal to the beam emitting unit 2.
  • the irradiation of the electron beam B is performed on the entire surface of the irradiation region R. In other words, the irradiation of the electron beam B is performed on the powder material A on the plate 31. As shown in FIG.
  • FIG. 5 is a view of the plate 31 as viewed from above.
  • FIG. 5 shows only the plate 31 for the convenience of description. That is, in FIG. 5, illustration of the powder material A is omitted.
  • the irradiation of the electron beam B for preheating may be performed on the irradiation region R and the formation region R1.
  • the entire surface of the irradiation region R is irradiated with the electron beam B as shown in FIG.
  • irradiation of the electron beam B is performed on the shaping region R1 of the object O.
  • the irradiation of the electron beam B may be repeated multiple times on the irradiation region R.
  • the irradiation of the electron beam B may be repeated multiple times with respect to the formation region R1.
  • the range of the formation region R1 is narrower than the range of the irradiation region R.
  • the modeling area R1 is an area where the object O is modeled.
  • region R1 may be an area
  • the preheating is performed on the entire irradiation region R by irradiating the irradiation region R and the formation region R1 with the electron beam B.
  • the irradiation area R can be in a high temperature state.
  • production of scattering of the powder material A can be effectively suppressed by making the heating amount of the preheating with respect to modeling area
  • the influence of the heat which the powder material A receives can also be relieved.
  • Powdered material A is affected by heat resulting from heating.
  • the heat effect of the powder material A includes oxidation, deformation, and change in chemical composition.
  • powder material A may also have a change in mechanical properties due to the aforementioned change. Therefore, the area irradiated with the electron beam B may be minimized. Therefore, a part of the irradiation area for preheating is limited to the shaping area R1. As a result, the influence of heat received by the powder material A can be reduced. Therefore, reuse of the powder material A is also possible.
  • the processing shifts to S14.
  • S14 it is determined whether the powder material A has been scattered.
  • the determination process it is determined whether or not the powder material A has been scattered due to the irradiation of the electron beam B in the preheating process of S12.
  • the control unit 4 operates the scatter detector 25 simultaneously with the start of the operation of the three-dimensional modeling apparatus 1.
  • the control unit 4 detects the scattering of the powder material A based on the detection signal of the scattering detector 25. Scatter detection may also be performed during the execution of the powder material A supply process of S10.
  • the electron beam B is not irradiated to the powder material A. Therefore, in the determination process in S10, the occurrence of scattering of the powder material A is not detected.
  • the detection of the scattering of the powder material A is performed based on whether the number of detections per unit time added each time an X-ray is detected exceeds a predetermined threshold.
  • the threshold value when the number of detection of X-rays per unit time exceeds the threshold value, it is determined that the powder material A has been scattered. If the number of detected X-rays per unit time does not exceed the threshold value, it is determined that the powder material A is not scattered.
  • the determination process of S14 may be omitted. If it is determined in S14 that scattering of the powder material A has occurred, the process proceeds to S20.
  • the formation processing is performed (S16).
  • the forming process forms an object.
  • the control unit 4 generates two-dimensional slice data based on three-dimensional CAD data of an object to be formed. Then, the control unit 4 determines an area to which the powder material A is irradiated with the electron beam B based on the slice data. The control unit 4 causes the beam emitting unit 2 to emit the electron beam B so as to apply the electron beam B to the determined area.
  • the shaping process one layer constituting the object O is shaped.
  • S18 it is determined whether scattering of the powder material A has occurred.
  • the determination process it is determined whether scattering of the powder material A occurs due to the irradiation of the electron beam B in the formation process of S16.
  • the determination process of S18 is the same as the determination process of S14 described above. If it is determined in S18 that no scattering of the powder material A occurs, the process proceeds to S24. On the other hand, when it is determined in S18 that scattering of the powder material A has occurred, the process proceeds to S20.
  • irradiation stop processing is performed.
  • the irradiation stop processing stops the irradiation of the electron beam B.
  • the irradiation stop processing is performed to stop the irradiation of the electron beam B.
  • shaping of the object O is interrupted.
  • the control unit 4 stops the output of the control signal output to the beam emitting unit 2.
  • the electron gun unit 21 stops the emission of the electron beam B. Therefore, the irradiation of the electron beam B is stopped.
  • the processing shifts to S22.
  • the heat treatment of the irradiation area R is performed.
  • the heat treatment of the irradiation area R heats the irradiation area R in which the scattering of the powder material A occurs.
  • the control unit 4 operates the heater 37a and the heater 37b by outputting an operation signal to the heater 37a and the heater 37b.
  • the heater 37a generates heat.
  • the heat of the heater 37a is conducted to the powder material A and the object O in the irradiation area R through the shaping tank 36.
  • the powder bed in the radiation area R is heated.
  • powder beds such as the powder material A and the object O in the irradiation area R are heated by the heat radiation of the heater 37b.
  • the temperature of the irradiation area R may be detected by the temperature detector 38.
  • the temperature detector 38 By controlling the operation of the heater 37a and the heater 37b such that the temperature of the irradiation area R becomes the target temperature, it is possible to perform appropriate heat treatment of the irradiation area R.
  • S10 is performed again. That is, when scattering of the powder material A occurs, the scattered irradiation area R is heated, and thereafter, the powder material A is supplied, and finally, shaping of the object O is resumed.
  • S24 it is determined whether an end condition of the control process is satisfied (S24).
  • the case where the termination condition of the control process is satisfied is, for example, the case where modeling of a desired three-dimensional object is completed. That is, as a result of repeatedly performing the control processing of S10 to S22, the shaping of the object O is completed.
  • the case where the termination condition of the control process is not satisfied is, for example, the case where the formation of the desired three-dimensional object O is not completed.
  • the object O is gradually formed in layers. As a result, the desired object O is finally formed.
  • the three-dimensional modeling apparatus 1 and the three-dimensional modeling method of the present disclosure when the powder material A is scattered due to the irradiation of the electron beam B during modeling of the object O, the powder in the irradiation region R The irradiation area R is heated before the material A is supplied.
  • the three-dimensional shaping apparatus 1 and the three-dimensional shaping method of the present disclosure supply the powder material A to the heated irradiation area R.
  • the three-dimensional shaping apparatus 1 and the three-dimensional shaping method of the present disclosure resume shaping of the object O.
  • the powder material A is supplied to the irradiation area R to resume shaping, the powder bed in the irradiation area R is at a high temperature.
  • the powder material A supplied to the heated irradiation region R is irradiated with the electron beam B, the heat of the powder material A hardly escapes. As a result, the powder material A can be easily heated to a high temperature. Therefore, it can suppress that the scattering of the powder material A generate
  • the scattered region R2 is It is not high temperature. Moreover, the supplied new powder material A is at normal temperature. At this time, while a large amount of new powder material A is supplied to the scattering region R2, the temperature of the powder bed in the scattering region R2 decreases. Therefore, when a large amount of powder is scattered, the temperature of the scattering region R2 and the supplied powder material A becomes lower than that during normal shaping.
  • the three-dimensional shaping apparatus 1 and the three-dimensional shaping method of the present disclosure resume shaping of the object O after supplying the powder material A to the heated irradiation region R.
  • the heat of the powder material A hardly escapes to the surroundings. Therefore, it becomes possible to perform pre-sintering of the powder material A sufficiently. As a result, it can suppress that the scattering of the powder material A generate
  • the three-dimensional modeling apparatus 1 and the three-dimensional modeling method of the present disclosure it is possible to suppress the powder material A from being scattered again during modeling of the object O. As a result, breakage and failure of the three-dimensional modeling apparatus 1 can be suppressed. For example, if scattering of the powder material A occurs frequently, the number of times the powder material A soars to the electron gun portion 21 increases. The powder material A that has risen adheres to the electron gun unit 21. As a result of adhesion, contamination and damage of the electron gun unit 21 occur. Therefore, the three-dimensional shaping apparatus 1 causes a failure. On the other hand, the three-dimensional modeling apparatus 1 and the three-dimensional modeling method of the present disclosure can reduce the number of occurrences of scattering of the powder material A. As a result, contamination, damage, and failure of the three-dimensional modeling apparatus 1 can be suppressed.
  • the radiation area R is heated using heaters 37a and 37b that heat the radiation area R by heat conduction or radiation.
  • heating is performed by the irradiation of the electron beam B
  • generation of further smoke and local heat concentration may occur due to local charge concentration. Therefore, there is a concern that the powder material A may be sintered. Therefore, for heating when the powder material A is scattered, a heater that heats by conduction or radiation of heat is used instead of electron beam irradiation.
  • concerns such as sintering of the powder material A due to local charge concentration can be reduced.
  • the irradiation of the electron beam B local concentration of charge and heat may be suppressed by intentionally loosening the convergence state of the electron beam B. As a result, the powder bed can also be heated while reducing the above concerns.
  • the three-dimensional modeling apparatus 1 and the three-dimensional modeling method of the present disclosure when it is detected that scattering of the powder material A occurs during modeling of the object O, irradiation is performed based on the fact that irradiation of the electron beam B is stopped. The heating of region R is started. Accordingly, excessive heating of the irradiation region R is suppressed. As a result, the influence of heat received by the powder material A can be reduced.
  • the irradiation area R is heated using the heaters 37a and 37b that heat by conduction or radiation of heat, it is assumed that the irradiation of the electron beam B is stopped as a trigger for starting heating of the irradiation area R. As a result, excessive heating of the irradiation area R is suppressed.
  • a heater for heating the powder material A by heat conduction or radiation may be activated when irradiating the electron beam B. However, when the heater is operated continuously, the powder material A is excessively heated. As a result, the powder material A may be completely sintered. When sintering of the powder material A occurs, machining may be required to take out the completed object O.
  • the powder when sintering of the powder material A occurs, there is also a possibility that the powder can not be reused as a powder material by crushing the sintered body after shaping. Therefore, in the three-dimensional modeling apparatus 1 and the three-dimensional modeling method of the present disclosure, when scattering of the powder material A is detected during modeling of the object O, the irradiation area R is stopped based on the fact that the irradiation of the electron beam B is stopped. Start heating. As a result, excessive heating of the powder material A is suppressed, so that sintering can be suppressed.
  • heating by the heater is started after the irradiation of the electron beam B is stopped. In other words, heating by the heater is not performed during irradiation of the electron beam B. Therefore, it is possible to prevent the trajectory of the electron beam B from being deviated by the electric field generated due to the operation of the heater.
  • the irradiation region R is heated by the heating process S22 to irradiate the new powder material A with the charged particle beam for preheating,
  • the heat of the powder material A is less likely to escape.
  • the powder material A can be easily brought into a high temperature state in the preheating (S12). Therefore, since the powder material A can be sufficiently heated, it is possible to suppress the powder material A from being scattered again in the preheating (S12) when the formation is resumed.
  • pre-sintering is sufficiently performed. In this case, the occurrence of the scattering of the powder material A in the main melting (the shaping process S16) after the preheating (S12) can also be suppressed.
  • the charged particle beam is not used for the preheating (S12), that is, when a heat source such as a heater is used for the preheating (S12), there is no possibility that the powder material A may be scattered due to the irradiation of the charged particle beam. .
  • a heat source such as a heater
  • As the heater or the like for example, heaters 37a, 37b, and 37c which are heating units may be used.
  • the charged particle beam is used in the main melting (the shaping process S16) after the preheating, there is a possibility that the powder may be scattered due to the irradiation of the charged particle beam. Therefore, even if the charged particle beam is not used for the preheating (S12), it is desirable that the pre-sintering be sufficiently performed at the time of the preheating.
  • the powder material A when the powder material A is scattered, the powder material A is supplied after heating the irradiation region R, that is, after the heat treatment (S22). As a result, the heat of the powder material A is less likely to escape when preheating (S12) is performed. As a result, the powder material A can be easily brought into a high temperature state. Therefore, pre-sintering is sufficiently performed by preheating (S12). As a result, scattering in the main melting can be suppressed.
  • the three-dimensional modeling apparatus and three-dimensional modeling method of this indication are not limited to embodiment mentioned above.
  • the three-dimensional shaping apparatus and the three-dimensional shaping method of the present disclosure can take various modifications without departing from the scope of the claims.
  • the heater 37a is attached to the modeling tank 36.
  • the heater 37a may be attached to another position as long as the irradiation area R can be heated.
  • the heater 37 c may be attached to the lower surface of the elevation stage 35.
  • the heat of the heater 37c is conducted to the powder material A in the irradiation area R through the elevation stage 35 and the plate 31.
  • the heater 37c can heat the powder bed in the irradiation area R. Therefore, the same operation and effect as the three-dimensional modeling apparatus 1 of the present disclosure and the three-dimensional modeling method described above can be obtained.
  • the three-dimensional modeling apparatus and the three-dimensional modeling method of the present disclosure described above exemplify the electron beam B as the charged particle beam, and describe the case of modeling an object using the electron beam B.
  • a charged particle beam of a type different from the electron beam B may be used to form the object.
  • an object may be shaped using an ion beam as a charged particle beam.
  • the three-dimensional shaping method may include the step of lowering the plate 31 (S25).
  • the control unit 4 operates the elevator 32 by outputting a control signal to the elevator 32.
  • the plate 31 is lowered via the lift stage 35 by the operation of the elevator 32.
  • the length of the descent may, for example, be the same as the thickness of the shaped layer.
  • S25 is performed when the determination result of S24 is NO. That is, S25 is performed at least when modeling (S16) is performed and the determination result is NO in the subsequent determination of scattering (S18). In other words, S25 is performed when shaping is performed and occurrence of scattering is not detected. For example, when the occurrence of scattering is detected in S14 and S18, the lowering operation (S25) of the plate 31 is not performed.
  • the three-dimensional modeling method described above may further include post-heat treatment (S26) and scattering detection processing (S27).
  • Post-heating is used as a term to be paired with “preheating”.
  • the “post-heating” is a heat treatment that heats the shaped article and / or the powder material A after the shaping (S16).
  • S26 is performed when the determination result of S18 is NO. That is, S26 is performed when modeling (S16) is implemented and generation of scattering is not detected by the modeling.
  • the post-heating may be heating with a heater or the like as long as it can provide a necessary amount of heat.
  • the heating (S27b) may be the same process as the heating (S20) described above. These treatments S27a and S27b may be performed before the supply (S10) of the powder material, and may be performed after the plate lowering (S25) and before the supply (S10) of the powder material. That is, S27a and S27b should just be performed between S27: YES and S10, and it does not matter before and after plate descent (S25). When the post heat treatment (S26) is performed, the operation (S25) may be performed to lower the plate 31 regardless of whether the result of the scattering detection (S27) is YES or NO. .
  • the three-dimensional shaping method described above may further include detection processing (not shown) of the powder application state.
  • the detection process may be performed after S10 and before S12.
  • the degree of powder dispersion is affected by the charge status of the powder bed. That is, the amount of powder supplied to lay a normal layer of powder may not be able to compensate for all of the recessed areas due to splashing.
  • the powder material A may not exist at the focal position of the electron beam B. Therefore, the state of the powder bed after supplying the powder material A may be confirmed using a powder bed observation device (not shown). And as a result of confirmation, when it is judged that compensation is inadequate, the powder supply mechanism 33 is operated again, and the powder material A is added.
  • the powder bed observation apparatus only needs to have a function capable of determining whether or not the scattered region R2 has been compensated, and an apparatus capable of performing the function, an imaging apparatus, or an apparatus according to the same may be adopted.
  • the powder bed observation apparatus has a powder collecting mechanism (not shown) provided between (the upper surface of) the modeling tank 36 and the outlet 34 a of the powder material A.
  • the powder bed observation apparatus may determine whether or not the scattered region R2 has been compensated according to the amount of recovery, that is, whether or not the powder bed has been leveled.
  • the powder bed may be imaged by a camera and image processing may be performed on the camera image to determine whether or not the scattered region R2 has been compensated.
  • the depression of the powder bed is irradiated with the electron beam B
  • the trajectory of the electron beam B is distorted. This phenomenon may be used to determine whether or not the scattering region R2 has been compensated based on the trajectory of the electron beam B in the preheating process.
  • Three-dimensional modeling apparatus Beam emitting unit 3 Modeling unit 4 Control unit (detection unit) 21 electron gun portion 22 aberration coil 23 focus coil 24 deflection coil 25 scattering detector 31 plate 32 elevator 33 powder supply mechanism 34 hopper 37a heater (heating unit) 37b heater (heating unit) 37c heater (heating unit) A powder material B electron beam R irradiation area R1 shaping area R2 scattering area

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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、物体の造形中において粉末材料が飛散したか否かを判定する。粉末材料が飛散したと判定された場合に照射領域Ｒに新たな粉末材料が供給される前にヒータにより照射領域Ｒを加熱する。加熱された照射領域に新たな粉末材料が供給された後に物体の造形を再開する。

Description

三次元造形装置及び三次元造形方法
　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に関する。
　特許第６１５４５４４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。特許第６１５４５４４号公報に記載された三次元造形装置及び三次元造形方法は、粉末材料に対して電子ビームを照射することにより、粉末材料を溶融した後に、溶融した粉末材料を凝固させる。この装置及び方法は、粉末材料を溶融した後に凝固させるために、電子ビームを照射する前に、造形ボックスの側部又は上部に設置されるヒータにより粉末材料の予備加熱を行う。その結果、電子ビームの照射による予備加熱を行う必要がないので、物体の造形速度を上げることができる。
特許第６１５４５４４号公報
　上述した三次元造形の装置及び方法において、電子ビームの照射中に粉末材料の飛散が発生した場合、作業が中断する。その結果、物体の造形が円滑に進められない。粉末材料の飛散は、粉末材料が霧状に舞い上がるスモークとも呼ばれる現象である。粉末材料の飛散が発生した場合、電子ビームの照射領域に粉末材料を供給した後に、電子ビームの照射を再開する。しかし、同じ加熱状況でビーム照射を行うと、再度、粉末材料が飛散するおそれがある。従って、物体の造形が円滑に行えない。
　そこで、粉末材料の飛散を抑制することにより、円滑に物体を造形できる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、荷電粒子ビームの照射領域に粉末材料を供給して敷き均し、粉末材料に対し荷電粒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において、荷電粒子ビームを出射し、荷電粒子ビームを粉末材料に照射させるビーム出射部と、粉末材料への荷電粒子ビームの照射によって粉末材料が飛散したことを検出する検出部と、照射領域を加熱する加熱部と、を備え、加熱部は、物体の造形中に検出部により粉末材料の飛散が検出された場合、照射領域に新たな粉末材料が供給される前に照射領域を加熱し、ビーム出射部は、物体の造形中に検出部により粉末材料の飛散が検出された場合に荷電粒子ビームの照射を停止し、加熱された照射領域に新たな粉末材料が供給された後に荷電粒子ビームの照射を再開する。
　本開示の三次元造形装置によれば、粉末材料の飛散の発生が抑制されるので、円滑に物体を造形できる。
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、本開示の三次元造形装置の動作及び三次元造形方法を示すフローチャートである。 図５は、図１の三次元造形装置及び本開示の三次元造形方法における予備加熱の説明図である。 図６は、図１の三次元造形装置及び本開示の三次元造形方法における予備加熱の説明図である。 図７は、比較例の三次元造形装置及び三次元造形方法の説明図である。 図８は、図１の三次元造形装置及び本開示の三次元造形方法の変形例の説明図である。 図９は、本開示の三次元造形方法の変形例を示すフローチャートである。 図１０は、本開示の三次元造形方法の別の変形例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、荷電粒子ビームの照射領域に粉末材料を供給して敷き均し、粉末材料に対し荷電粒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、荷電粒子ビームを出射し、荷電粒子ビームを粉末材料に照射させるビーム出射部と、粉末材料への荷電粒子ビームの照射によって粉末材料が飛散したことを検出する検出部と、照射領域を加熱する加熱部と、を備える。加熱部は、物体の造形中に検出部により粉末材料の飛散の発生が検出された場合、照射領域に新たな粉末材料が供給される前に照射領域を加熱し、ビーム出射部は、物体の造形中に検出部により粉末材料の飛散が検出された場合に荷電粒子ビームの照射を停止し、加熱された照射領域に新たな粉末材料が供給された後に荷電粒子ビームの照射を再開する。この三次元造形装置は、荷電粒子ビームの照射に起因して粉末材料が飛散した場合、加熱部は、照射領域に粉末材料が供給される前に照射領域を加熱する。そして、三次元造形装置は、加熱された照射領域に粉末材料を供給した後に、物体の造形を再開する。その結果、造形を再開するために照射領域に対して新たな粉末材料が供給されたときに、照射領域は、すでに高温の状態である。従って、新たな粉末材料を加熱したときに、粉末材料の熱が逃げにくくなる。その結果、粉末材料を高温の状態にしやすくなる。従って、粉末材料を十分に加熱することができ、粉末材料が再び飛散すること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装置において、加熱部は、熱の伝導又は放射により照射領域を加熱するヒータであってもよい。この場合、加熱部として熱の伝導又は放射により照射領域を加熱するヒータを用いる。その結果、荷電粒子ビームの照射によって粉末材料を加熱する場合と比べて、粉末材料に対する熱影響を低減することができる。
　本開示の一態様に係る三次元造形装置において、加熱部は、物体の造形中に検出部により粉末材料の飛散が検出された場合、荷電粒子ビームの照射が停止されたことに基づいて照射領域の加熱を開始してもよい。この場合、荷電粒子ビームの照射が停止されたことに基づいて照射領域の加熱を開始する。その結果、照射領域に対する過剰な加熱が抑制される。従って、粉末材料に対する加熱の影響を低減することができる。荷電粒子ビームの照射停止後に照射領域の加熱を行う。その結果、荷電粒子ビームの照射中には、ヒータによる加熱が行われない。従って、ヒータの作動に起因して、荷電粒子ビームの軌道がずれることを防止できる。
　本開示の一態様に係る三次元造形方法は、荷電粒子ビームの照射領域に粉末材料を供給して敷き均し、粉末材料に対し荷電粒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。三次元造形方法は、物体の造形中において粉末材料が飛散したか否かを判定する判定工程と、判定工程にて粉末材料が飛散したと判定された場合、照射領域に新たな粉末材料が供給される前に加熱部により照射領域を加熱する加熱工程と、加熱工程にて加熱された照射領域に新たな粉末材料が供給された後、物体の造形を再開する造形工程とを含んで構成される。この三次元造形方法によれば、粉末材料が飛散した場合、照射領域は、照射領域に新たな粉末材料が供給される前に加熱される。そして、加熱された照射領域に新たな粉末材料が供給される。粉末材料が供給された後に、物体の造形が再開される。その結果、造形を再開するために照射領域に新たな粉末材料が供給されたとき、照射領域はすでに高温の状態である。従って、新たな粉末材料を加熱したときに粉末材料の熱が逃げにくくなる。その結果、粉末材料を高温の状態にしやすくなる。従って、粉末材料を十分に加熱することができ、粉末材料が再び飛散することを抑制することができる。
　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、荷電粒子である電子の直線的な運動により形成される荷電粒子ビームである。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、加熱された照射領域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、単位時間当りに検知したＸ線の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、ホッパ３４、ヒータ３７ａ、ヒータ３７ｂ及び温度検知器３８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。ホッパ３４は、粉末材料Ａを収容する。ホッパ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、粉末供給機構３３によりプレート３１上へ供給される。プレート３１、昇降機３２、粉末供給機構３３及びホッパ３４は、チャンバ３０の内部に設置される。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及びホッパ３４とは異なる機構を用いてもよい。
　粉末材料Ａは、多数の粉末体により構成される。粉末材料Ａとしては、例えば金属製の粉末が用いられる。また、粉末材料Ａとしては、電子ビームＢの照射に起因して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。
　ヒータ３７ａは、造形タンク３６の外側に設けられている。ヒータ３７ａは、電子ビームＢの照射領域Ｒを加熱する加熱部として機能する。ヒータ３７ａ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。ヒータ３７ａは、作動することにより発熱する。そして、ヒータ３７ａは、熱の伝導により照射領域Ｒを加熱する。ヒータ３７ａは、制御部４に電気的に接続されている。ヒータ３７ａは、制御部４の作動信号に従って作動を開始する。また、ヒータ３７ａは、制御部４の作動信号に従って作動を停止する。図１に示すように、三次元造形装置１は、二個のヒータ３７ａを有する。なお、三次元造形装置１が有するヒータ３７ａの数は、一個でもよいし、二個以上であってもよい。ヒータ３７ａは、電子ビームＢの照射に起因して粉末材料Ａの飛散が生じた場合、電子ビームＢの照射が停止されたことに基づいて照射領域Ｒの加熱を開始する。つまり、ヒータ３７ａは、電子ビームＢの照射に起因して粉末材料Ａの飛散が生じた場合、電子ビームＢの照射の停止をトリガとして照射領域Ｒの加熱を開始する。換言すると、ヒータ３７ａは、飛散が生じた照射領域Ｒに対して、新たな粉末材料Ａが供給される前に作動する。
　図２に示すように、ヒータ３７ａが作動を開始した結果、ヒータ３７ａが発した熱は、造形タンク３６を介して照射領域Ｒに収容されている粉末材料Ａ、物体Ｏ及びプレート３１へ伝導する。つまり、照射領域Ｒの粉末床は、高温の状態となる。この状態によれば、粉末材料Ａが加熱された際に、粉末材料Ａの熱が周囲へ逃げにくくなる。その結果、飛散により窪んだ領域へ粉末材料Ａが供給された際に、供給された粉末材料Ａを高温の状態としやすくなる。なお、粉末床は、敷き均された粉末材料Ａを意味する。また、粉末床は、物体Ｏ及びプレート３１が露出した部分を意味してもよい。
　図１に示すように、ヒータ３７ｂは、チャンバ３０の天井部に設けられている。ヒータ３７ｂは、電子ビームＢの照射領域Ｒを加熱する加熱部として機能する。ヒータ３７ｂは、例えば放射式のヒータが用いられる。ヒータ３７ｂは、具体的には、ハロゲンランプヒータである。ヒータ３７ｂは、制御部４に電気的に接続されている。ヒータ３７ｂは、制御部４の作動信号に従って作動を開始する。
また、ヒータ３７ｂは、制御部４の作動信号に従って作動を停止する。図１に示す三次元造形装置１は、二個のヒータ３７ｂを備えている。なお、三次元造形装置１が備えるヒータ３７ｂの数は、一個でもよいし、二個以上でもよい。ヒータ３７ｂは、電子ビームＢの照射に起因して粉末材料Ａの飛散が生じた場合、電子ビームＢの照射が停止されたことに基づいて照射領域Ｒの加熱を開始する。つまり、ヒータ３７ｂは、電子ビームＢの照射に起因して粉末材料Ａの飛散が生じた場合、電子ビームＢの照射の停止をトリガとして照射領域Ｒの加熱を開始する。換言すると、ヒータ３７ｂは、飛散が生じた照射領域Ｒに対して新たな粉末材料Ａが供給される前に作動を開始する。
　図３に示すように、ヒータ３７ｂが作動を開始した結果、ヒータ３７ｂの熱の放射によって照射領域Ｒにおける粉末材料Ａ及び物体Ｏなどが加熱される。従って、照射領域Ｒの粉末床は、高温の状態となる。この状態によれば、粉末材料Ａが加熱された際に、粉末材料Ａの熱が周囲へ逃げにくくなる。その結果、飛散に起因して窪んだ領域へ粉末材料Ａが供給された際に、粉末材料Ａを高温の状態としやすくなる。なお、三次元造形装置１は、ヒータ３７ａ及びヒータ３７ｂのいずれか一方を備えることとしてよい。また、ヒータ３７ａ、３７ｂは、電子ビームＢの照射領域Ｒを加熱できれば、ヒータ３７ａ、３７ｂとは異なる加熱装置を用いてもよい。例えば、電子ビームＢの照射によって照射領域Ｒを加熱してもよい。
　図１に示すように、温度検知器３８は、チャンバ３０の天井部に設けられている。温度検知器３８は、電子ビームＢの照射領域Ｒの温度を検知する。例えば、温度検知器３８は、放射温度計又はサーモグラフィ装置である。温度検知器３８は、制御部４に電気的に接続されている。温度検知器３８は、制御部４に検知信号を入力する。温度検知器３８の検知温度情報は、ヒータ３７ａ及びヒータ３７ｂの加熱制御に用いてよい。
　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、及びヒータ３７ａ、３７ｂ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、プレート３１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。
　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。
　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。
　図４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を示すフローチャートである。図４の一連の制御処理は、例えば制御部４によって行われる。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の造形を交互に繰り返す。その結果、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、物体Ｏを積層状に造形する。粉末材料Ａへの電子ビームＢの照射に起因して、粉末材料Ａが飛散した場合、電子ビームＢの照射が停止される。その後、電子ビームＢの照射領域Ｒが加熱される。そして、加熱された照射領域Ｒに新たな粉末材料Ａが供給される。次に、電子ビームＢの照射が再開される。以下、図４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４のステップＳ１０に示すように、粉末材料Ａの供給を行う。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。粉末材料Ａの供給処理は、電子ビームＢの照射領域Ｒに粉末材料Ａを供給する処理と、供給された粉末材料Ａの表面を均す処理と、を含む。例えば、図１に示すように、制御部４は、昇降機３２に制御信号を出力することにより、プレート３１の上下位置を調節する。また、制御部４は、図示しないアクチュエータ又は機構に制御信号を出力することにより、粉末供給機構３３を作動させる。これらの動作により、粉末供給機構３３は水平方向に作動する。その結果、プレート３１の上方の領域に粉末材料Ａが供給されると共に、粉末材料Ａの表面が均される。
　図４のＳ１２に処理が移行する。Ｓ１２では、予備加熱処理が行われる。予備加熱処理は、物体の造形を行う前に予め粉末材料Ａを加熱する。粉末材料Ａの予備加熱は、電子ビームＢの照射によって行われる。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。また、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、電子ビームＢを走査させる。電子ビームＢの照射は、照射領域Ｒの全面に対して行われる。換言すると、電子ビームＢの照射は、プレート３１上の粉末材料Ａに対して行われる。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。この場合、電子ビームＢの照射は、照射領域Ｒに対して繰り返してもよい。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。つまり、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Ｒ１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、図６に示すように、物体Ｏの造形領域Ｒ１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Ｒ１に対して複数回繰り返してもよい。造形領域Ｒ１の範囲は、照射領域Ｒの範囲より狭い。造形領域Ｒ１は、物体Ｏが造形される領域である。また、造形領域Ｒ１は、物体Ｏが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Ｒ１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を高温の状態とすることができる。また、造形領域Ｒ１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Ｒ１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。
　Ｓ１４に処理が移行する。Ｓ１４では、粉末材料Ａが飛散したか否かが判定される。判定処理は、Ｓ１２の予備加熱処理において、電子ビームＢの照射に起因して粉末材料Ａが飛散したか否かを判定する。例えば、制御部４は、三次元造形装置１の作動の開始と共に、飛散検知器２５を作動させる。その結果、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の飛散を検出する。飛散検出は、Ｓ１０の粉末材料Ａの供給処理の実行中にも行われてもよい。しかし、Ｓ１０では、電子ビームＢが粉末材料Ａに照射されていない。従って、Ｓ１０における判定処理では、粉末材料Ａの飛散の発生が検出されることはない。粉末材料Ａの飛散の検出は、例えば、上述したように、Ｘ線を検出するごとに加算される単位時間当たりの検知数が所定の閾値を超えたか否かによって行われる。Ｓ１４では、Ｘ線の単位時間当りの検知数が閾値を超えている場合には粉末材料Ａが飛散したと判定する。Ｘ線の単位時間当りの検知数が閾値を超えていない場合には、粉末材料Ａが飛散していないと判定する。なお、予備加熱の処理中に粉末材料Ａの飛散が発生する可能性がない場合又はその可能性が極めて低い場合には、Ｓ１４の判定処理を省略してもよい。Ｓ１４において粉末材料Ａの飛散が発生したと判定した場合、Ｓ２０に処理が移行する。一方、Ｓ１４において粉末材料Ａの飛散が発生していないと判定された場合、造形処理が行われる（Ｓ１６）。造形処理は、物体の造形を行う。例えば、制御部４は、造形すべき物体の三次元ＣＡＤデータに基づいて二次元のスライスデータを生成する。そして、制御部４は、こ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を照射する領域を決定する。制御部４は、決定した領域に電子ビームＢを照射するように、ビーム出射部２から電子ビームＢを照射させる。造形処理では、物体Ｏを構成する一つの層が造形される。
　Ｓ１８に処理が移行する。Ｓ１８では、粉末材料Ａの飛散が発生したか否かが判定される。判定処理は、Ｓ１６の造形処理において、電子ビームＢの照射に起因して粉末材料Ａの飛散が発生したか否かを判定する。Ｓ１８の判定処理は、上述したＳ１４の判定処理と同様である。Ｓ１８において、粉末材料Ａの飛散が生じていないと判定した場合、Ｓ２４に処理が移行する。一方、Ｓ１８において粉末材料Ａの飛散が生じたと判定した場合、Ｓ２０に処理が移行する。
　Ｓ２０では、照射停止処理が行われる。照射停止処理は、電子ビームＢの照射を停止する。照射停止処理が行われることにより、電子ビームＢの照射が停止する。その結果、物体Ｏの造形が中断される。制御部４は、ビーム出射部２に出力していた制御信号の出力を停止する。その結果、電子銃部２１は、電子ビームＢの出射を停止する。従って、電子ビームＢの照射が停止される。
　Ｓ２２に処理が移行する。Ｓ２２では、照射領域Ｒの加熱処理が行われる。照射領域Ｒの加熱処理は、粉末材料Ａの飛散が生じた照射領域Ｒを加熱する。制御部４は、ヒータ３７ａ及びヒータ３７ｂに作動信号を出力することにより、ヒータ３７ａ及びヒータ３７ｂを作動させる。その結果、図２に示すように、ヒータ３７ａが発熱する。ヒータ３７ａの熱は、造形タンク３６を介して照射領域Ｒの粉末材料Ａ及び物体Ｏなどに伝導する。従って、照射領域Ｒの粉末床は加熱される。また、図３に示すように、照射領域Ｒの粉末材料Ａ及び物体Ｏなどの粉末床は、ヒータ３７ｂの熱の放射により加熱される。
　Ｓ２２と並行して、図１に示すように、温度検知器３８により照射領域Ｒの温度を検知してもよい。照射領域Ｒの温度が目標温度となるようにヒータ３７ａ及びヒータ３７ｂの作動を制御することにより、適切な照射領域Ｒの加熱処理を行うことができる。
　Ｓ２２の加熱処理が終了した後に、再びＳ１０を行う。つまり、粉末材料Ａの飛散が生じた場合には、飛散した照射領域Ｒを加熱し、その後、粉末材料Ａの供給を行い、最後に、物体Ｏの造形を再開する。
　ところで、Ｓ１８において粉末材料Ａの飛散が生じていないと判定された場合、制御処理の終了条件が成立したか否かが判定される（Ｓ２４）。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の造形が終了した場合である。つまり、Ｓ１０～Ｓ２２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。
　Ｓ２４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、再びＳ１０を行う。一方、Ｓ２４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４の一連の制御処理が終了する。
　このように図４に示されたＳ１０～Ｓ２４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。その結果、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、物体Ｏの造形中において電子ビームＢの照射に起因して粉末材料Ａが飛散した場合、照射領域Ｒに粉末材料Ａが供給される前に照射領域Ｒを加熱する。次に、本開示の三次元造形装置１及び三次元造形方法は、加熱された照射領域Ｒに粉末材料Ａを供給する。そして、本開示の三次元造形装置１及び三次元造形方法は、物体Ｏの造形を再開する。その結果、造形を再開するために照射領域Ｒへの粉末材料Ａの供給が行われたとき、照射領域Ｒの粉末床は高温である。従って、加熱された照射領域Ｒに供給された粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射した際に、粉末材料Ａの熱は、逃げにくい。その結果、粉末材料Ａを高温にしやすくなる。従って、粉末材料Ａの再度の飛散が生じることを抑制することができる。
　例えば、図７に示すように、電子ビームＢの照射に起因して粉末材料Ａが飛散した場合であって、非加熱の照射領域Ｒに粉末材料Ａを供給した場合には、飛散領域Ｒ２が高温ではない。しかも、供給された新たな粉末材料Ａは常温である。このとき、新たな粉末材料Ａを飛散領域Ｒ２へ大量に供給する間、飛散領域Ｒ２の粉末床の温度が低下する。従って、多くの粉末が飛散した場合、飛散領域Ｒ２および供給された粉末材料Ａの温度は通常の造形時より低くなる。このような状況で、新たに供給された粉末材料Ａに電子ビームＢを照射すると、粉末材料Ａの熱が下方へ伝導するので、粉末材料Ａの熱が失われる。従って、粉末材料Ａの仮焼結が不十分となる。その結果、粉末材料Ａの再度の飛散が生じるおそれがある。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は、電子ビームＢの照射に起因して粉末材料Ａが飛散した場合、照射領域Ｒに粉末材料Ａが供給される前に照射領域Ｒを加熱する。そして、本開示の三次元造形装置１及び三次元造形方法は、加熱された照射領域Ｒに粉末材料Ａを供給した後に、物体Ｏの造形を再開する。このため、新たに供給された粉末材料Ａに電子ビームＢを照射したとき、粉末材料Ａの熱は、周囲に逃げにくい。従って、粉末材料Ａの仮焼結を十分行うことが可能になる。その結果、粉末材料Ａの再度の飛散が生じることを抑制できる。
　本開示の三次元造形装置１及び三次元造形方法によれば、物体Ｏの造形中において粉末材料Ａが再度飛散することを抑制できる。その結果、三次元造形装置１の破損及び故障を抑制することができる。例えば、粉末材料Ａの飛散が頻繁に発生すると、粉末材料Ａが電子銃部２１まで舞い上がる回数が増える。舞い上がった粉末材料Ａは、電子銃部２１に付着する。付着の結果、電子銃部２１の汚損及び破損が生じる。従って、三次元造形装置１は、故障を引き起こす。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は、粉末材料Ａの飛散の発生回数を低減できる。その結果、三次元造形装置１の汚損、破損及び故障を抑制することができる。
　本開示の三次元造形装置１及び三次元造形方法は、粉末材料Ａが飛散した場合、熱の伝導又は放射により照射領域Ｒを加熱するヒータ３７ａ、３７ｂを用いて、照射領域Ｒを加熱する。このとき、電子ビームＢの照射によって加熱を行う場合、局所的な電荷の集中に起因して、更なるスモークの発生及び局所的な熱集中が生じる恐れがある。従って、粉末材料Ａが焼結してしまうなどの懸念がある。そこで、粉末材料Ａが飛散した場合の加熱について、電子ビーム照射に代えて、熱の伝導又は放射により加熱するヒータを用いる。その結果、局所的な電荷の集中に起因する粉末材料Ａの焼結といった懸念を低減することができる。また、電子ビームＢの照射において、電子ビームＢの収束状態を意図的に緩めることにより、電荷及び熱量の局所的な集中を抑止してもよい。その結果、上述の懸念を低減すると共に、粉末床の昇温を行うこともできる。
　本開示の三次元造形装置１及び三次元造形方法は、物体Ｏの造形中に粉末材料Ａの飛散が生じたことを検出した場合、電子ビームＢの照射が停止されたことに基づいて、照射領域Ｒの加熱を開始する。従って、照射領域Ｒに対する過剰な加熱が抑制される。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。
　熱の伝導又は放射により加熱するヒータ３７ａ、３７ｂを用いて照射領域Ｒを加熱する場合、照射領域Ｒの加熱を開始するトリガを電子ビームＢの照射が停止されたこととする。その結果、照射領域Ｒを過剰に加熱することが抑制される。熱の伝導又は放射により粉末材料Ａを加熱するヒータは、電子ビームＢを照射しているときに作動させてもよい。しかし、ヒータを連続的に作動させると、粉末材料Ａが過剰に加熱される。その結果、粉末材料Ａが完全に焼結する可能性がある。粉末材料Ａの焼結が生じると、完成した物体Ｏを取り出す際に機械加工を要する場合がある。また、粉末材料Ａの焼結が生じると、造形後に焼結体を破砕することにより、粉末材料として再利用できなくなる可能性も生じる。そこで、本開示の三次元造形装置１及び三次元造形方法は、物体Ｏの造形中に粉末材料Ａの飛散が検出された場合、電子ビームＢの照射が停止されたことに基づいて照射領域Ｒの加熱を開始する。その結果、粉末材料Ａへの過度な加熱が抑制されるので、焼結の抑制を図ることができる。
　本開示の三次元造形装置１及び三次元造形方法は、物体Ｏの造形中に粉末材料Ａの飛散が検出された場合、電子ビームＢの照射を停止した後に、ヒータによる加熱を開始する。換言すると、ヒータによる加熱は、電子ビームＢの照射中に行われない。従って、ヒータの作動に起因して生じる電界によって、電子ビームＢの軌道がずれることを防止できる。
　ここで、粉末材料Ａが飛散した場合であって造形を再開した時に行う予備加熱（Ｓ１２）によって得られる効果を説明する。換言すると、Ｓ１４、Ｓ１８でＹＥＳと判定された後であって、加熱（Ｓ２２）および当該加熱（Ｓ２２）に続いて行われる粉末供給（Ｓ１０）の後に行う予備加熱（Ｓ１２）によって得られる効果を説明する。以下の説明では、予備加熱（Ｓ１２）に荷電粒子ビームを用いる場合の効果と、予備加熱（Ｓ１２）に荷電粒子ビームではない別の手段を用いる場合の効果と、のそれぞれについて述べる。
　予備加熱（Ｓ１２）に荷電粒子ビームを用いる場合には、加熱処理Ｓ２２によって照射領域Ｒが加熱されることにより、新たな粉末材料Ａに対して予備加熱用の荷電粒子ビームを照射したときに、粉末材料Ａの熱が逃げにくくなる。その結果、予備加熱（Ｓ１２）において粉末材料Ａを高温の状態にしやすくなる。従って、粉末材料Ａを十分に加熱することができるので、造形を再開した時の予備加熱（Ｓ１２）において粉末材料Ａが再び飛散することを抑制することができる。さらに、予備加熱（Ｓ１２）において粉末材料Ａが十分に加熱された結果、仮焼結が十分に行われる。この場合には、予備加熱（Ｓ１２）の後の本溶融（造形処理Ｓ１６）における粉末材料Ａの飛散の発生も抑制できる。
　予備加熱（Ｓ１２）に荷電粒子ビームを用いない場合、つまり、予備加熱（Ｓ１２）にヒータ等の熱源を用いる場合には、荷電粒子ビームの照射に起因する粉末材料Ａの飛散が生じるおそれはない。ヒータ等としては、例えば、加熱部であるヒータ３７ａ、３７ｂ、３７ｃを利用してよい。しかし、予備加熱後の本溶融（造形処理Ｓ１６）において荷電粒子ビームを用いると、荷電粒子ビームの照射に起因する粉末の飛散が生じるおそれがある。従って、予備加熱（Ｓ１２）に荷電粒子ビームを用いない場合であっても、予備加熱時に仮焼結が十分に行われることが望ましい。
　要するに、本開示の一態様によれば、粉末材料Ａが飛散した場合、照射領域Ｒを加熱した後、つまり加熱処理（Ｓ２２）の後に、粉末材料Ａを供給する。その結果、予備加熱（Ｓ１２）を行うときに粉末材料Ａの熱が逃げにくくなる。その結果、粉末材料Ａを高温の状態にしやすくなる。従って、予備加熱（Ｓ１２）によって仮焼結が十分に行われる。その結果、本溶融における飛散を抑制できる。
　なお、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、特許請求の範囲の記載の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、本開示の三次元造形装置及び三次元造形方法は、ヒータ３７ａが造形タンク３６に取り付けられていた。ヒータ３７ａは、照射領域Ｒを加熱できる位置であれば、別の位置に取り付けられていてもよい。具体的には、図８に示すように、ヒータ３７ｃは、昇降ステージ３５の下面に取り付けられていてもよい。ヒータ３７ｃが発熱することにより、ヒータ３７ｃの熱は、昇降ステージ３５及びプレート３１を介して照射領域Ｒの粉末材料Ａに伝導する。その結果、ヒータ３７ｃは、照射領域Ｒの粉末床を加熱することができる。従って、上述した本開示の三次元造形装置１及び三次元造形方法と同じ作用及び効果が得られる。
　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、荷電粒子ビームとして電子ビームＢを例示し、当該電子ビームＢを用いて物体を造形する場合について説明した。物体の造形には、電子ビームＢとは異なる種類の荷電粒子ビームを用いてもよい。例えば、荷電粒子ビームとしてイオンビームを用いて、物体を造形してもよい。
　例えば、図９のフローチャートに示すように、三次元造形方法は、プレート３１を下降するステップ（Ｓ２５）を有してもよい。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。昇降機３２の作動によって、プレート３１は、昇降ステージ３５を介して下降する。この下降の長さは、例えば、造形された一層分の厚みと同じであってもよい。Ｓ２５は、Ｓ２４の判定結果がＮＯであった場合に実施される。つまり、Ｓ２５は、少なくとも、造形（Ｓ１６）が行われ、その後の飛散の判定（Ｓ１８）において判定結果がＮＯであった場合に実施される。換言すると、Ｓ２５は、造形が行われ、かつ、飛散の発生が検出されなかった場合に実施される。例えば、Ｓ１４、Ｓ１８において飛散の発生が検出された場合には、プレート３１の下降動作（Ｓ２５）は実施されない。
　例えば、図１０のフローチャートに示すように、上述した三次元造形方法は、後熱処理（Ｓ２６）と、飛散検出処理（Ｓ２７）と、をさらに有してもよい。「後熱」は、「予熱」と対になる用語として用いる。「後熱」とは、造形（Ｓ１６）の後に、造形物及び／又は粉末材料Ａを加熱する熱処理である。Ｓ２６は、Ｓ１８の判定結果がＮＯであった場合に実施される。つまり、Ｓ２６は、造形（Ｓ１６）が実施され、当該造形によって飛散の発生が検出されなかった場合に行われる。この後熱は、必要な熱量を与えることができればヒータ等による加熱であってもよい。しかし、予熱及び造形と同様に荷電粒子ビームによって粉末材料Ａを加熱する場合は、後熱処理においても飛散の発生を生じさせる可能性がある。そこで、荷電粒子ビームによって後熱を行う場合は、Ｓ２６に続いて飛散の検出処理（Ｓ２７）を行う。飛散の発生が検出されない場合（Ｓ２７：ＮＯ）には、Ｓ２４へ処理が移行する。飛散の発生が検出された場合（Ｓ２７：ＹＥＳ）には、Ｓ２５へ処理が移行する。なお、Ｓ２７の後であってＳ２５の前に、照射停止（Ｓ２７ａ）及び加熱（Ｓ２７ｂ）を行ってもよい。照射停止（Ｓ２７ａ）は、上記の照射停止（Ｓ２０）と同様の処理としてよい。加熱（Ｓ２７ｂ）は、上記の加熱（Ｓ２０）と同様の処理としてよい。なお、これらの処理Ｓ２７ａ、Ｓ２７ｂは、粉末材料の供給（Ｓ１０）の前に行えばよいので、プレート下降（Ｓ２５）の後であって粉末材料の供給（Ｓ１０）の前に行ってもよい。つまり、Ｓ２７ａ、Ｓ２７ｂは、Ｓ２７：ＹＥＳからＳ１０までの間に行われればよく、プレート下降（Ｓ２５）の前後を問わない。後熱処理（Ｓ２６）が実施された場合には、飛散検出（Ｓ２７）の結果が、ＹＥＳの場合であってもＮＯの場合であっても、プレート３１を下降させる動作（Ｓ２５）を行ってよい。
　例えば、上述した三次元造形方法は、粉末塗布状況の検出処理（不図示）をさらに有してもよい。検出処理は、Ｓ１０の後であってＳ１２の前に行ってよい。粉末の飛散の程度は、粉末床の帯電状況に影響される。つまり、通常の一層分の粉末を敷くために供給される粉末量では、飛散により窪んだ領域の全てを埋め合わせられない可能性がある。また、飛散によって窪んだ領域が十分に埋められていない場合には、電子ビームＢの焦点位置に粉末材料Ａが存在しないことも生じる。そのため、図示しない粉末床観察装置を用いて粉末材料Ａを供給した後の粉末床の状態を確認してよい。そして、確認の結果、埋め合わせが不十分であると判断された場合は再度粉末供給機構３３を動作させて粉末材料Ａを追加させる。
　粉末床観察装置は、飛散領域Ｒ２の埋め合わせがなされたか否かを判断できる機能を有していればよく、当該機能を発揮できる装置、撮像装置又はそれに準ずる装置を採用してよい。例えば、粉末床観察装置は、造形タンク３６（の上面）と粉末材料Ａの排出口３４ａとの間に設けられた図示しない粉末回収機構を有する。粉末供給機構３３を水平移動させてプレート３１上（粉末床上）へ粉末材料Ａを供給した場合であって、造形タンク３６内に入りきらなかった余剰粉末が生じたとき、余剰粉末（全部または一部）は、粉末回収機構に回収される。そして、粉末床観察装置は、当該回収量に応じて飛散領域Ｒ２の埋め合わせがなされたか否か、つまり、粉末床が均されたか否かを判断してもよい。また、粉末床をカメラで撮像し、当該カメラ画像を画像処理することにより飛散領域Ｒ２の埋め合わせがなされたか否かを判断してもよい。また、粉末床のくぼみに電子ビームＢが照射されると電子ビームＢの軌跡が歪む。この現象を利用して、予熱処理の電子ビームＢの軌跡に基づいて、飛散領域Ｒ２の埋め合わせがなされたか否かを判断してもよい。この構成において、予熱処理の電子ビームＢの軌跡によってくぼみが存在することがわかった場合、造形処理のための電子ビームＢの照射（Ｓ１６）へ移行せず、再度、粉末材料Ａの供給（Ｓ１０）を行ってよい。
１　三次元造形装置
２　ビーム出射部
３　造形部
４　制御部（検出部）
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　ホッパ
３７ａ　ヒータ（加熱部）
３７ｂ　ヒータ（加熱部）
３７ｃ　ヒータ（加熱部）
Ａ　粉末材料
Ｂ　電子ビーム
Ｒ　照射領域
Ｒ１　造形領域
Ｒ２　飛散領域

Claims (4)

  1. 　荷電粒子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荷電粒子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、
    　前記荷電粒子ビームを出射し、前記荷電粒子ビームを前記粉末材料に照射させるビーム出射部と、
    　前記粉末材料への前記荷電粒子ビームの照射によって前記粉末材料が飛散したことを検出する検出部と、
    　前記照射領域を加熱する加熱部と、を備え、
    　前記加熱部は、前記物体の造形中に前記検出部により前記粉末材料の飛散が検出された場合、前記照射領域に新たな粉末材料が供給される前に、前記照射領域を加熱し、
    　前記ビーム出射部は、前記物体の造形中に前記検出部により前記粉末材料の飛散が検出された場合に前記荷電粒子ビームの照射を停止し、加熱された前記照射領域に前記新たな粉末材料が供給された後に前記荷電粒子ビームの照射を再開する、
    三次元造形装置。
  2. 　前記加熱部は、熱の伝導又は放射により前記照射領域を加熱するヒータである、
    請求項１に記載の三次元造形装置。
  3. 　前記加熱部は、前記物体の造形中に前記検出部により前記粉末材料の飛散が検出された場合、前記荷電粒子ビームの照射が停止されたことに基づいて前記照射領域の加熱を開始する、
    請求項２に記載の三次元造形装置。
  4. 　荷電粒子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荷電粒子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、
    　前記物体の造形中において前記粉末材料が飛散したか否かを判定する判定工程と、
    　前記判定工程にて前記粉末材料が飛散したと判定された場合、前記照射領域に新たな粉末材料が供給される前に加熱部により前記照射領域を加熱する加熱工程と、
    　前記加熱工程にて加熱された前記照射領域に前記新たな粉末材料が供給された後、前記物体の造形を再開する造形工程と、
    を含む三次元造形方法。
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