特許 7004070 三次元造形装置及び三次元造形方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-01-06

(45)【発行日】2022-01-21

(54)【発明の名称】三次元造形装置及び三次元造形方法

(51)【国際特許分類】

   B22F 10/32 20210101AFI20220114BHJP

   B22F 12/10 20210101ALI20220114BHJP

   B22F 12/70 20210101ALI20220114BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20220114BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20220114BHJP

   B29C 64/264 20170101ALI20220114BHJP

   B29C 64/268 20170101ALI20220114BHJP

   B29C 64/371 20170101ALI20220114BHJP

   B29C 64/393 20170101ALI20220114BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20220114BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20220114BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20220114BHJP

   B29C 64/295 20170101ALI20220114BHJP

【ＦＩ】

B22F10/32

B22F12/10

B22F12/70

B22F10/28

B29C64/153

B29C64/264

B29C64/268

B29C64/371

B29C64/393

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y50/02

B29C64/295

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020519546

(86)(22)【出願日】2019-04-24

(86)【国際出願番号】 JP2019017491

(87)【国際公開番号】W WO2019220901

(87)【国際公開日】2019-11-21

【審査請求日】2020-11-17

(31)【優先権主張番号】P 2018096300

(32)【優先日】2018-05-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100170818

【弁理士】

【氏名又は名称】小松 秀輝

(72)【発明者】

【氏名】清水 六

【審査官】大塚 美咲

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１６２０７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５３４９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０５８２８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００４３６２１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－０９１３１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００８５８２６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－２３７９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－３０７８９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ ３／１６

Ｂ２２Ｆ ３／１０５

Ｂ２２Ｆ １０／３２

Ｂ２２Ｆ １２／７０

Ｂ２２Ｆ １２／１０

Ｂ２９Ｃ ６４／１５３

Ｂ２９Ｃ ６４／２６４

Ｂ２９Ｃ ６４／２６８

Ｂ２９Ｃ ６４／３７１

Ｂ２９Ｃ ６４／３９３

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｂ３３Ｙ ３０／００

Ｂ３３Ｙ ５０／０２

Ｂ２９Ｃ ６４／２９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

チャンバの内部に配置された粉末材料に対しエネルギビームを照射し、前記粉末材料を加熱し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、
前記チャンバの内部に不活性ガスを供給するガス供給部と、
前記チャンバの内部に供給される不活性ガスを加熱する加熱部と、
造形中の物体又は前記粉末材料の温度を検出し、前記物体又は前記粉末材料の温度以上に前記不活性ガスの加熱温度を設定する加熱制御部と、
を備える三次元造形装置。

【請求項2】

前記エネルギビームは、電子ビームである、
請求項１に記載の三次元造形装置。

【請求項3】

チャンバの内部に配置される粉末材料に対しエネルギビームを照射し、前記粉末材料を加熱して三次元の物体の造形を行う三次元造形方法において、
造形中の物体又は前記粉末材料の温度を検出し、前記物体又は前記粉末材料の温度以上に不活性ガスの加熱温度を設定し、前記不活性ガスを加熱する加熱工程と、
前記チャンバの内部へ加熱した前記不活性ガスを供給する供給工程と、
前記粉末材料に対し前記エネルギビームを照射して前記物体を造形する造形工程と、
を含む三次元造形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

従来、三次元造形装置及び三次元造形方法として、例えば、特許第６１０１７０７号公報に記載されるように、チャンバ内で敷き均される粉末材料に対し電子ビームを照射し、粉末材料を溶融し凝固させて、三次元の物体を造形する装置及び方法が知られている。ところで、このような三次元の物体を造形する装置及び方法では、電子ビームの照射により粉末材料が帯電し、この帯電によって粉末材料が霧状に舞い上がるスモーク現象を生ずる場合がある。この装置及び方法においては、チャンバ内に不活性ガスを供給し、スモーク現象を抑制しようとしている。また、例えば、レーザを用いる三次元造形装置及び三次元造形方法として、特許第６１３２９６２号公報に記載されるように、粉末材料に対しレーザを照射して三次元の物体を造形する装置及び方法も知られている。この装置及び方法では、粉末材料が配置されるチャンバに不活性ガスを注入し、粉末材料の酸化防止を図っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第６１０１７０７号公報

【文献】特許第６１３２９６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、チャンバ内に不活性ガスを供給することにより、三次元の物体の造形が適切に行えない場合がある。すなわち、チャンバ内に注入される不活性ガスにより、造形された物体に歪みを生ずる場合がある。チャンバ内でビーム照射を受けた物体は、高温状態となっているが、不活性ガスに曝されることにより物体が冷やされて反り上がってしまい、所望の形状に物体を造形できないおそれがある。

【0005】

そこで、不活性ガスを供給した場合であっても適切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る。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様に係る三次元造形装置は、チャンバの内部に配置された粉末材料に対しエネルギビームを照射し、粉末材料を加熱し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、チャンバの内部に不活性ガスを供給するガス供給部と、チャンバの内部に供給される不活性ガスを加熱する加熱部と、粉末材料の溶融温度に応じて不活性ガスの加熱温度を設定する加熱制御部とを備えて構成されている。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、チャンバ内に不活性ガスを供給した場合であっても適切に物体を造形することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本開示の実施形態に係る三次元造形装置の構成概要図である。

【図2】図２は、実施形態に係る三次元造形装置の動作及び三次元造形方法の説明図である。

【図3】図３は、本開示の実施形態に係る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。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示の実施形態の概要は、以下の通りである。本開示の一態様に係る三次元造形装置は、チャンバの内部に配置された粉末材料に対しエネルギビームを照射し、粉末材料を加熱し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、チャンバの内部に不活性ガスを供給するガス供給部と、チャンバの内部に供給される不活性ガスを加熱する加熱部と、粉末材料の溶融温度に応じて不活性ガスの加熱温度を設定する加熱制御部とを備えて構成されている。この三次元造形装置によれば、加熱した不活性ガスをチャンバの内部へ供給することにより、エネルギビームの照射により高温となっている物体が不活性ガスの供給によって低温となることが抑制される。このため、造形される物体に歪みが生ずることを抑制することができる。

【0010】

また、上述の本開示の一態様に係る三次元造形装置において、エネルギビームは、電子ビームであってもよい。

【0011】

本開示の一態様に係る三次元造形方法は、チャンバの内部に配置される粉末材料に対しエネルギビームを照射し、粉末材料を加熱して三次元の物体の造形を行う三次元造形方法において、粉末材料の溶融温度に応じて不活性ガスの加熱温度を設定し、不活性ガスを加熱する加熱工程と、チャンバの内部へ加熱した不活性ガスを供給する供給工程と、粉末材料に対しエネルギビームを照射して物体を造形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、加熱した不活性ガスをチャンバの内部へ供給することにより、エネルギビームの照射により高温となっている物体が不活性ガスの供給により低温となることが抑制される。このため造形される物体に歪みが生ずることを抑制することができる。

【0012】

以下、本開示の実施形態について、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。

【0013】

図１は、本開示の実施形態に係る三次元造形装置の構成概要図である。三次元造形装置１は、粉末材料Ａに電子ビームＢを照射して粉末材料Ａを加熱して三次元の物体Ｏを造形する装置である。この三次元造形装置１は、例えば、粉末材料Ａに電子ビームＢを照射して粉末材料Ａを予備加熱する工程と、粉末材料Ａに対し電子ビームＢを照射し粉末材料Ａを加熱して溶融させて物体Ｏの一部を造形する工程とを繰り返す。そして、三次元造形装置１は、凝固した粉末材料を積層させて物体Ｏの造形を行う。予備加熱は、予熱とも称され、物体Ｏの造形前に、粉末材料Ａの融点未満の温度で粉末材料Ａを加熱する処理である。この予備加熱により、粉末材料Ａが加熱されて仮焼結される。このため、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抑制されて、電子ビームＢの照射時に粉末材料Ａが飛散して舞い上がるスモーク現象を抑制することができる。

【0014】

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を備えて構成されている。ビーム出射部２は、造形部３の粉末材料Ａに対し電子ビームＢを出射し、粉末材料Ａを溶融させる。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。また、ビーム出射部２は、粉末材料Ａに電子ビームＢを照射して粉末材料Ａの予備加熱を行った後に、粉末材料Ａに電子ビームＢを照射し粉末材料Ａを溶融させて三次元の物体Ｏの造形を行っていく。

【0015】

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、制御部４からの制御信号を受けて作動し、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を出射するように設けられている。収差コイル２２は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。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、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、制御部４からの制御信号を受けて作動する。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、電子ビームＢを収束させ、電子ビームＢの照射位置におけるフォーカス状態を調整する。偏向コイル２４は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。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、制御信号に応じて電子ビーム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ため、機械的なビーム偏向と比べて、電子ビームＢの照射時における走査速度を高速なものとすることができる。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内に設置される。なお、収差コイル２２の設置を省略する場合もある。

【0016】

飛散検知器２５は、粉末材料Ａへの電子ビームＢの照射により粉末材料Ａが飛散したことを検知する機器である。つまり、飛散検知器２５は、粉末材料Ａへの電子ビームＢが照射されたときに、粉末材料Ａが飛散して霧状に舞い上がるスモーク現象を検知する。飛散検知器２５としては、例えばＸ線検知器が用いられる。この場合、飛散検知器２５は、スモーク発生時に発生するＸ線を検知し、Ｘ線の検知によって粉末材料Ａの飛散の検出が可能となる。飛散検知器２５は、例えば、コラム２６に取り付けられ、電子ビームＢに向けて配置される。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る場合もある。また、三次元造形装置１として、飛散検知器２５を備えていないものを用いる場合もある。

【0017】

造形部３は、所望の物体Ｏを造形する部位であり、チャンバ３０内に粉末材料Ａを配している。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を備えており、チャンバ３０内において、プレート３１、昇降機３２、粉末供給機構３３及びホッパ３４を備えている。チャンバ３０はコラム２６と結合されており、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。

【0018】

プレート３１は、造形される物体Ｏを支持する部材である。プレート３１上で物体Ｏが造形されていき、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は、例えば円形の板状体のものが用いられる。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、例えば水平方向に向けて設けられる。プレート３１は、下方に設置される昇降ステージ３５に支持されて配置され、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を昇降させる機器である。昇降機３２は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。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を上部へ移動させておき、プレート３１上で粉末材料Ａが溶融凝固されて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。

【0019】

プレート３１は、造形タンク３６内に配置されている。造形タンク３６は、チャンバ３０内の下部に設置されている。この造形タンク３６は、例えば、円筒状に形成され、プレート３１の移動方向に向けて延びている。この造形タンク３６は、プレート３１と同心円状の断面円形に形成される。造形タンク３６の内側形状に合わせて、昇降ステージ３５が形成される。つまり、造形タンク３６の内側形状が水平断面で円形の場合、昇降ステージ３５の外形も円形とされる。これにより、造形タンク３６に供給される粉末材料Ａが昇降ステージ３５の下方へ漏れ落ちることを抑制しやすくなる。また、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、昇降ステージ３５の外縁部にシール材を設けてもよい。なお、造形タンク３６の形状は、円筒状に限定されず、断面矩形の角筒状であってもよい。

【0020】

粉末供給機構３３は、プレート３１の上方に粉末材料Ａを供給し粉末材料Ａの表面を均す部材であり、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が用いられ、水平方向に移動することにより電子ビームＢの照射領域に粉末材料Ａを供給し、粉末材料Ａの表面を均し、粉末床を形成する。粉末供給機構３３は、図示しないアクチュエータ及び機構により移動制御される。なお、粉末材料Ａを均す機構としては、粉末供給機構３３以外の機構を用いることができる。ホッパ３４は、粉末材料Ａを収容する収容器である。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、プレート３１上へ流入し、又は、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内に設置される。チャンバ３０内は、真空又はほぼ真空な状態とされている。なお、プレート３１上に粉末材料Ａを層状に供給する機構としては、粉末供給機構３３及びホッパ３４以外の機構を用いることができる。

【0021】

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。

【0022】

チャンバ３０には、ポンプ３７が接続されている。ポンプ３７は、チャンバ３０内のエアーを排出するポンプであり、いわゆる真空ポンプとして機能する。ポンプ３７としては、電子ビームＢを適切に照射できる程度の気圧状態にできるものであれば、いずれのタイプのポンプを用いてもよい。ポンプ３７は、配管３７ａを介してチャンバ３０と結合されている。ポンプ３７の作動により、配管３７ａを通じチャンバ３０内のエアーがチャンバ３０の外部へ排出される。

【0023】

チャンバ３０には、ガス供給部３８が接続されている。ガス供給部３８は、チャンバ３０内に不活性ガスＧを供給する。ガス供給部３８は、例えば、不活性ガスＧを収容した容器により構成され、バルブを開くことなどにより不活性ガスＧを排出し、チャンバ３０内へ供給する。ガス供給部３８は、配管３８ａを介してチャンバ３０と接続され、チャンバ３０内へ必要量の不活性ガスＧを供給する。不活性ガスＧとしては、例えば、アルゴンが用いられる。また、不活性ガスＧとしては、アルゴン以外のガスであってもよく、例えば、ヘリウム、二酸化炭素、窒素、ネオンなどであってもよい。

【0024】

三次元造形装置１は、加熱部３９を備えている。加熱部３９は、チャンバ３０の内部に供給される不活性ガスＧを加熱する。加熱部３９は、例えば、ガス供給部３８とチャンバ３０の間の配管３８ａに設けられ、ガス供給部３８から排出される不活性ガスＧを加熱する。加熱部３９としては、例えば電気ヒータ式のものが用いられる。具体的には、加熱部３９として電熱線が用いられる。この場合、電熱線に流れる電流を調整することにより加熱温度を正確かつ容易に制御することができる。加熱部３９における不活性ガスＧの加熱温度は、例えば、造形中における粉末材料Ａ又は物体Ｏの温度±３００度とされる。好ましくは、加熱部３９における不活性ガスＧの加熱温度は、造形中における粉末材料Ａ又は物体Ｏの温度の±２００度とされる。さらに、より好ましくは、加熱部３９における不活性ガスＧの加熱温度は、造形中における粉末材料Ａ又は物体Ｏの温度±１００度とされる。

【0025】

この加熱温度は、粉末材料Ａの溶融温度に応じて設定してもよい。つまり、不活性ガスＧの温度を造形中の物体Ｏ又は粉末材料Ａの温度と同じ温度又はそれに応じた温度としてもよい。不活性ガスＧを加熱してチャンバ３０内に供給することにより、造形中の物体Ｏ及び粉末材料Ａの位置へ不活性ガスＧが供給されても、不活性ガスＧにより物体Ｏ及び粉末材料Ａの温度が急激に低下することが抑えられる。つまり、物体Ｏ及び粉末材料Ａにおける温度勾配を下げることが可能となる。このため、造形される物体Ｏに反りを生じたり、物体Ｏが歪んでしまうことが抑制される。また、造形中の物体Ｏ又は粉末材料Ａの温度以上に加熱した不活性ガスＧをチャンバ３０内に供給する場合、不活性ガスＧにより物体Ｏ及び粉末材料Ａの温度が急激に低下することはなく、不活性ガスＧによって物体Ｏ及び粉末材料Ａを加熱することができる。

【0026】

また、造形中の物体Ｏ又は粉末材料Ａの温度を検出し、物体Ｏ又は粉末材料Ａの温度に応じて加熱部３９の加熱制御を行ってもよい。この場合、造形中の物体Ｏ又は粉末材料Ａの温度検出は、赤外線を検出するカメラを用いたサーモグラフィーによって行ってもよい。また、互いに異なる測定波長を用いて温度を求める二色による放射温度測定（二色温度計測法）、多色による放射温度計測を用いてもよい。また、物体Ｏ又は粉末材料Ａの近傍位置（例えば、昇降ステージ３５）の温度を計測し、その温度に基づいて物体Ｏ又は粉末材料Ａの温度を算出してもよい。このように、物体Ｏ又は粉末材料Ａの温度に応じて加熱部３９の加熱制御を行うことにより、不活性ガスＧの適切な加熱が行え、造形される物体Ｏの歪み等が的確に抑制される。

【0027】

なお、加熱部３９は、電熱線以外のものを用いてもよい。例えば、加熱部３９は、燃焼式のものであってもよい。具体的には、加熱部３９として、ガスヒータを用いてもよい。より具体的には、配管に燃焼ガスを送り込み配管内で燃焼させることにより、密閉された配管内で安定して燃焼が行われ、効率良く加熱が行える。また、加熱部３９としては、電磁誘導式のものであってもよく、放射光を用いた加熱器であってもよい。

【0028】

制御部４は、三次元造形装置１の装置全体の制御を行う電子制御ユニットであり、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを含んで構成される。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、ポンプ３７の作動制御、ガス供給部３８の作動制御及び加熱部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、昇降機３２に制御信号を出力して昇降機３２を作動させ、プレート３１の上下位置を調整する。制御部４は、粉末供給機構３３の作動制御として、電子ビームＢの出射前に粉末供給機構３３を作動させ、プレート３１上へ粉末材料Ａを供給して敷き均す。制御部４は、電子ビームＢの出射制御として、電子銃部２１に制御信号を出力し、電子銃部２１から電子ビームＢを出射させる。

【0029】

制御部４は、偏向コイル２４の作動制御として、偏向コイル２４に制御信号を出力して、電子ビームＢの照射位置を制御する。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に制御信号を出力し、プレート３１に対し電子ビームＢを走査して照射させる。制御部４は、ポンプ３７の作動制御として、チャンバ３０の内部が目標の気圧状態となるようにポンプ３７に対し制御信号を出力し、ポンプ３７の作動及び作動停止を制御する。制御部４は、ガス供給部３８の作動制御として、チャンバ３０へ予め設定された流量で不活性ガスＧが供給されるようにガス供給部３８に制御信号を出力し、ガス供給部３８の作動及び作動停止を制御する。制御部４は、加熱部３９の作動制御として、不活性ガスＧが目標の加熱温度となるように、加熱部３９に制御信号を出力し、加熱部３９の作動状態を制御する。

【0030】

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の形状データである。制御部４は、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。スライスデータは、例えば、造形すべき物体Ｏの水平断面のデータであり、上下位置に応じた多数のデータの集合体である。制御部４は、このスライスデータに基づいて、電子ビームＢが粉末材料Ａに対し照射する領域を決定し、その領域に応じて偏向コイル２４に制御信号を出力する。これにより、制御部４はビーム出射部２の偏向コイル２４に制御信号を出力し、物体形状に応じた造形領域Ｒに対し電子ビームＢを照射させる。

【0031】

次に、本実施形態に係る三次元造形装置１の動作及び三次元造形方法について説明する。

【0032】

図３は、三次元造形装置１の動作及び三次元造形方法の工程を示すフローチャートである。まず、図３のＳ１０に示すように、プレート３１の位置設定が行われる。図１において、物体Ｏの造形の初めにおいては、プレート３１の位置は上方の位置に設定される。このプレート３１の位置は、物体Ｏの造形が進むに連れて徐々に下方へ移動される。制御部４は、昇降機３２に作動信号を出力し、昇降機３２を作動させ、昇降ステージ３５及びプレート３１を移動させてプレート３１の位置設定を行う。なお、このとき、チャンバ３０の内部は、ポンプ３７の作動により真空状態又はほぼ真空状態となっている。

【0033】

次に、粉末材料Ａの供給が行われる（図３のＳ１２）。この粉末材料Ａの供給は、電子ビームＢの照射領域に粉末材料Ａを供給し、敷き均す処理である。例えば、制御部４は、図示しないアクチュエータに作動信号を出力して粉末供給機構３３を作動させる。これにより、粉末供給機構３３が水平方向に移動し、プレート３１上に粉末材料Ａが供給されて敷き均され、粉末床が形成される。

【0034】

次に、予備加熱が行われる（Ｓ１４）。予備加熱は、物体Ｏの造形を行う前に予め粉末材料Ａを加熱する処理である。制御部４は、ビーム出射部２に制御信号を出力し、電子銃部２１から電子ビームＢを出射させると共に偏向コイル２４を作動させて、電子ビームＢの照射位置を制御する。これにより、プレート３１上の粉末材料Ａに電子ビームＢが照射されて加熱される。

【0035】

そして、不活性ガスＧの加熱、不活性ガスＧの供給及び物体Ｏの造形が行われる（Ｓ１６、Ｓ１８、Ｓ２０）。この不活性ガスＧの加熱、不活性ガスＧの供給及び物体Ｏの造形の各工程は、順次行われてもよいし、同時に行われてもよい。例えば、物体Ｏの造形について、制御部４は、造形すべき物体Ｏ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に対し電子ビームＢを照射する造形領域Ｒを決定し、その造形領域Ｒに応じてビーム出射部２から電子ビームＢを照射させる。ここでの造形処理は、物体Ｏを構成する一部の層が造形される。物体Ｏは、複数の層を積層することにより造形されることとなる。

【0036】

ここで、予備加熱及び物体Ｏの造形を行うときに、不活性ガスＧの供給が行われる。すなわち、制御部４は、ガス供給部３８及び加熱部３９に制御信号を出力し、ガス供給部３８から不活性ガスＧを排出させ、加熱部３９に不活性ガスＧを加熱させる。これにより、図２に示すように、チャンバ３０内へ加熱した不活性ガスＧが供給される。このとき、不活性ガスＧが物体Ｏ及び粉末材料Ａの位置へ供給されることにより、電子ビームＢの照射により物体Ｏ及び粉末材料Ａが帯電（チャージアップ）されることが抑制される。また、不活性ガスＧは、加熱された状態となっているため、物体Ｏ及び粉末材料Ａの位置へ供給されても、物体Ｏ及び粉末材料Ａの温度が急激に低下することが抑制される。従って、造形される物体Ｏが反り上がったり、歪みを生じたりすることを抑制することができる。なお、不活性ガスＧの供給は、少なくとも物体Ｏの造形時に行われるが、予備加熱時及び物体Ｏの造形時以外のときに行われてもよい。例えば、予備加熱及び物体Ｏの造形を行う前に事前に不活性ガスＧの供給を行ってもよい。

【0037】

そして、所望の三次元の物体Ｏの造形が終了しているか否かが判定される（図３のＳ２２）。所望の三次元の物体Ｏの造形が終了していない場合には、上述したプレート３１の位置設定、粉末材料Ａの供給、予備加熱、物体Ｏの造形が繰り返される。これにより、物体Ｏが層状に徐々に形成されていき、最終的に所望の物体Ｏが造形される。一方、所望の三次元の物体Ｏの造形が終了している場合には、図３の一連の制御処理を終了する。

【0038】

以上説明したように、本実施形態に係る三次元造形装置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、加熱した不活性ガスＧをチャンバ３０の内部へ供給することにより、電子ビームＢの照射により高温となっている物体Ｏが不活性ガスの供給により低温となることが抑制される。このため、物体Ｏに歪みが生ずることを抑制することができる。また、物体Ｏを精度よく造形することができる。

【0039】

仮に、物体Ｏの造形中において、加熱せずに不活性ガスＧをチャンバ３０の内部へ供給すると、電子ビームＢの照射により高温となっている物体Ｏが不活性ガスの供給により急激に冷やされてその温度が低下することとなる。これにより、物体Ｏの熱収縮により物体Ｏの端部が反り上がるように物体Ｏに歪みを生ずるおそれがある。これに対し、本実施形態に係る三次元造形装置１及び三次元造形方法では、加熱した不活性ガスＧをチャンバ３０の内部へ供給することにより、物体Ｏが不活性ガスの供給により低温となることが抑制される。このため、物体Ｏに歪みが生ずることを抑制することができ、物体Ｏを精度よく造形することができるのである。

【0040】

また、本実施形態に係る三次元造形装置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、加熱した不活性ガスＧをチャンバ３０の内部へ供給することにより、電子ビームＢの照射により高温となっている粉末材料Ａが不活性ガスの供給により低温となることが抑制される。このため、電子ビームＢの照射によるスモーク現象を抑制することができる。

【0041】

なお、本開示は、上述した実施形態に限定されるものではない。本開示は、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。

【0042】

例えば、上述した実施形態においては、エネルギビームとして電子ビームＢを粉末材料Ａに照射して物体Ｏを造形する場合について説明したが、電子ビームＢ以外のエネルギビームを照射するものであってもよい。例えば、レーザビーム、荷電粒子ビームなどを照射して物体Ｏを造形するものであってもよい。

【0043】

エネルギビームとしてレーザビームを用いる場合、チャンバの内部に不活性ガスを供給して、チャンバの内部を不活性ガス雰囲気にする。また、レーザビームによって粉末材料を加熱し焼結又は溶融させる際、粉末材料が蒸発してヒュームが発生する。このため、このヒュームを不活性ガスと共にチャンバの内部から排出し、新たな不活性ガスをチャンバ内に供給する場合がある。このようにチャンバからヒュームを排出することで、エネルギビームとしてレーザビームを用いる場合には、ビーム出射部の光学系にヒュームが影響を及ぼすことを抑制することができる。このように、エネルギビームとしてレーザビームを用いる構成であって、チャンバの内部に不活性ガスを供給する場合でも、不活性ガスを加熱する加熱部を設け、不活性ガスをチャンバ内に導入する前に加熱して、加熱された状態の不活性ガスをチャンバ内に供給されるようにしてもよい。不活性ガスとしては、粉末材料と実質的に反応しないガスであってもよい。このような三次元造形装置及び三次元造形方法であっても、上述した実施形態に係る三次元造形装置及び三次元造形方法と同様に、物体の造形において、物体に歪みが生ずることを抑制することができ、物体を精度よく造形することができる。

【産業上の利用可能性】

【0044】

本開示の三次元造形装置及び三次元造形方法によれば、チャンバ内に不活性ガスを供給した場合であっても適切に物体を造形することができる。

【符号の説明】

【0045】

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
３０ チャンバ
３１ プレート
３２ 昇降機
３３ 粉末供給機構
３４ ホッパ
３７ ポンプ
３８ ガス供給部
３９ 加熱部
Ａ 粉末材料
Ｂ 電子ビーム
Ｏ 物体
Ｒ 造形領域

【図1】

【図2】

【図3】