特許 7550597 三次元造形装置、三次元造形物の製造方法、三次元造形装置の制御方法および制御プログラム

(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】2024-09-05

(45)【発行日】2024-09-13

(54)【発明の名称】三次元造形装置、三次元造形物の製造方法、三次元造形装置の制御方法および制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   B22F 10/36 20210101AFI20240906BHJP

   B22F 10/85 20210101ALI20240906BHJP

   B29C 64/153 20170101ALI20240906BHJP

   B29C 64/268 20170101ALI20240906BHJP

   B29C 64/295 20170101ALI20240906BHJP

   B29C 64/393 20170101ALI20240906BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20240906BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20240906BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20240906BHJP

【ＦＩ】

B22F10/36

B22F10/85

B29C64/153

B29C64/268

B29C64/295

B29C64/393

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y50/02

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020170627

(22)【出願日】2020-10-08

(65)【公開番号】P2022062542

(43)【公開日】2022-04-20

【審査請求日】2023-09-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118762

【弁理士】

【氏名又は名称】高村 順

(72)【発明者】

【氏名】今井 智也

(72)【発明者】

【氏名】巽 裕章

(72)【発明者】

【氏名】田中 啓祐

【審査官】坂本 薫昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－００７０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１０９９４３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ ３／１０５，３／１６，１０／２０，１０／３０，１０／３６，

１０／８５，１２／１０，１２／３０，１２／４１

Ｂ２９Ｃ ６４／１５３，６４／２６８，６４／２９５，６４／３９３，

６７／００

Ｂ３３Ｙ １０／００，３０／００，５０／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

粉末材料に電子ビームを照射し、前記粉末材料を溶融および凝固させて三次元造形物を造形する三次元造形装置であって、
前記電子ビームを出射する電子ビーム出射部と、
前記粉末材料によって造形される三次元の造形物を支持し、上下方向に移動可能なプレートと、
前記プレート上に前記粉末材料を供給する粉末材料供給部と、
前記電子ビームの照射領域に前記粉末材料を供給する材料準備処理と、前記照射領域の前記粉末材料に対し前記電子ビームを照射して前記粉末材料の加熱を行う加熱処理と、前記粉末材料に前記電子ビームを照射して前記粉末材料を溶融凝固させる溶融凝固処理と、を含む処理群を繰り返し実行するように前記電子ビーム出射部、前記プレートおよび前記粉末材料供給部の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、繰り返しの単位となる前記処理群中の各処理に要する時間に基づいて、前記処理群の期間に投入する熱量を算出し、前記投入する熱量から前記各処理における前記電子ビームの照射条件を算出し、前記照射条件にしたがって前記電子ビーム出射部を制御することによって前記投入する熱量を制御することを特徴とする三次元造形装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記材料準備処理、前記加熱処理および前記溶融凝固処理のそれぞれでの温度勾配と、前記材料準備処理、前記加熱処理および前記溶融凝固処理のそれぞれに要する時間と、を用いて、前記投入する熱量を算出することを特徴とする請求項１に記載の三次元造形装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記処理群の期間で保持される前記粉末材料の温度の影響を考慮した値で計算される前記材料準備処理、前記加熱処理および前記溶融凝固処理のそれぞれでの前記温度勾配を用いて、前記投入する熱量を算出することを特徴とする請求項２に記載の三次元造形装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記処理群の処理の実行中に前記照射条件を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の三次元造形装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記処理群に含まれる処理のうち、前記材料準備処理の直前の処理における前記照射条件を調整することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の三次元造形装置。

【請求項6】

前記加熱処理は、前記材料準備処理の後に前記粉末材料を予備加熱する予備加熱処理と、前記溶融凝固処理の後に前記照射領域の前記粉末材料を追加加熱する追加加熱処理と、を含み、
前記制御部は、前記追加加熱処理における前記照射条件を調整することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の三次元造形装置。

【請求項7】

前記制御部は、前記溶融凝固処理に要する時間に基づいて、前記加熱処理での前記電子ビームの前記照射条件を調整することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の三次元造形装置。

【請求項8】

前記制御部は、前記三次元造形物の造形処理を開始する前に、前記三次元造形物を層状に造形する際の各層における各処理の前記照射条件を算出することを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の三次元造形装置。

【請求項9】

電子ビームの照射領域に粉末材料を供給する材料準備処理と、前記照射領域の前記粉末材料に対し前記電子ビームを照射して前記粉末材料の加熱を行う加熱処理と、前記粉末材料に前記電子ビームを照射して前記粉末材料を溶融凝固させる溶融凝固処理と、を含む処理群を繰り返し実行して、三次元造形物を製造する三次元造形物の製造方法であって、
繰り返しの単位となる前記処理群中の各処理に要する時間に基づいて、前記処理群の期間に投入する熱量を算出し、前記投入する熱量から前記各処理における前記電子ビームの照射条件を算出する工程と、
前記照射条件にしたがって前記電子ビームを制御することによって前記投入する熱量を制御する工程と、
を含むことを特徴とする三次元造形物の製造方法。

【請求項10】

電子ビームを出射する電子ビーム出射部と、
粉末材料によって造形される三次元の造形物を支持し、上下方向に移動可能なプレートと、
前記プレート上に前記粉末材料を供給する粉末材料供給部と、
前記電子ビーム出射部の動作を制御する制御部と、
を備える三次元造形装置の制御方法であって、
前記制御部が、前記電子ビームの照射領域に粉末材料を供給する材料準備処理と、前記照射領域の前記粉末材料に対し前記電子ビームを照射して前記粉末材料の加熱を行う加熱処理と、前記粉末材料に前記電子ビームを照射して前記粉末材料を溶融凝固させる溶融凝固処理と、を含む処理群を繰り返し実行するように前記電子ビーム出射部、前記プレートおよび前記粉末材料供給部の動作を制御する制御工程と、
前記制御部が、繰り返しの単位となる前記処理群中の各処理に要する時間に基づいて、前記処理群の期間に投入する熱量を算出し、前記投入する熱量から前記各処理における前記電子ビームの照射条件を算出する算出工程と、
を含み、
前記制御工程では、前記算出工程で算出された前記照射条件にしたがって前記電子ビーム出射部を制御することによって前記投入する熱量を制御することを特徴とする三次元造形装置の制御方法。

【請求項11】

コンピュータに、
電子ビームの照射領域に粉末材料を供給する材料準備処理と、前記照射領域の前記粉末材料に対し前記電子ビームを照射して前記粉末材料の加熱を行う予備加熱処理と、前記粉末材料に前記電子ビームを照射して前記粉末材料を溶融凝固させる溶融凝固処理と、を含む処理群を繰り返し実行するように前記電子ビームの出射を制御する制御手順と、
繰り返しの単位となる前記処理群中の各処理に要する時間に基づいて、前記処理群の期間に投入する熱量を算出し、前記投入する熱量から前記各処理における前記電子ビームの照射条件を算出する算出手順と、
を実行させ、
前記制御手順では、前記算出手順で算出された前記照射条件にしたがって前記電子ビームを制御することによって前記投入する熱量を制御することを特徴とする制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、粉末材料を選択的に固化させる処理を繰り返すことによって三次元造形物を造形する三次元造形装置、三次元造形物の製造方法、三次元造形装置の制御方法および制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

電子ビームを照射することにより溶融凝固させることができる金属粉末材料を使用した層を複数層重ね合わせることによって三次元造形物を造形する三次元造形装置が知られている。三次元造形装置では、三次元造形物を造形する領域である造形領域に金属粉末材料を供給する供給工程と、供給した金属粉末材料に局所的に電子ビームを照射して金属粉末材料を溶融凝固させて造形を行う造形工程と、を複数回繰り返して実施することができる手段を含む。通常、金属粉末材料に対して電子ビームを照射した場合に、帯電した金属粉末材料同士のクーロン力による反発によって金属粉末材料が飛散してしまうスモーク現象が生じてしまう。このため、金属粉末材料に対して電子ビームを照射する前に、予め金属粉末材料の帯電を抑制する処置が実行される。

【0003】

金属粉末材料の過度な帯電による飛散現象を抑制するための方法として、電子ビームを照射することで造形領域を予め加熱し、加熱により高温となった造形領域に新規に金属粉末材料を供給する方法が知られている。これによって、敷き詰められた金属粉末材料は、高温の下面によって加熱され、仮焼結と呼ばれる状態となる。仮焼結状態となった金属粉末材料は粉末同士の電気的接触効果が増強され、過度な帯電が抑制される。したがって、三次元造形装置では、三次元造形物を造形する間、造形領域に敷き詰められた金属粉末材料が仮焼結状態へと進行するように、造形領域の温度を高温に維持することが重要となる。特許文献１には、造形領域に金属粉末材料を敷き詰める前の予備加熱工程において投入する熱量を、造形領域の熱容量に基づいて計算することで、造形領域の温度を所望の温度に維持することができる三次元造形装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１９－７０６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の三次元造形装置では、金属粉末材料を予備加熱する工程における投入熱量は、造形領域の熱容量に基づいて計算される。この熱容量は、リアルタイムで逐次、温度測定器によって測定された計測値に基づいて算出される。予備加熱工程で金属粉末材料の過度な帯電を抑制するために必要な温度は、ある金属材料では７００℃以上となる場合がある。また、電子ビームを所定の位置に照射するためには、ある一定以上の真空度に維持することも必要である。所望の層数の造形を繰り返す処理においてこのような真空中での高温の状態を維持する場合には、金属粉末材料を起因とする蒸着物が真空チャンバ内に付着してしまう。これらの蒸着物は、温度測定のために真空チャンバに設けられた観察窓にも付着するため、観察窓の外側に設けられる温度測定器による温度測定結果に影響を与える可能性がある。また、温度測定器を真空チャンバ内へ設置した場合にも、同様に温度測定器への蒸着物の付着が温度測定に影響を与えてしまう。したがって、造形中にリアルタイムで測定した温度測定結果に基づいて投入する熱量を計算する方法では、造形中の蒸着物による温度測定結果への対処が必要となる。このような状況から、造形中の温度測定に依存しないで、繰り返し行われる各処理に投入するべき熱量を制御する手法が要望されている。

【0006】

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の処理を含み、繰り返し行われる処理群中における各処理での投入熱量を、造形中の温度測定に依存せずに制御することができる三次元造形装置を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る三次元造形装置は、粉末材料に電子ビームを照射し、粉末材料を溶融および凝固させて三次元造形物を造形する。三次元造形装置は、電子ビームを出射する電子ビーム出射部と、粉末材料によって造形される三次元の造形物を支持し、上下方向に移動可能なプレートと、プレート上に粉末材料を供給する粉末材料供給部と、制御部と、を備える。制御部は、電子ビームの照射領域に粉末材料を供給する材料準備処理と、照射領域の粉末材料に対し電子ビームを照射して粉末材料の加熱を行う加熱処理と、粉末材料に電子ビームを照射して粉末材料を溶融凝固させる溶融凝固処理と、を含む処理群を繰り返し実行するように電子ビーム出射部、プレートおよび粉末材料供給部の動作を制御する。また、制御部は、繰り返しの単位となる処理群中の各処理に要する時間に基づいて、処理群の期間に投入する熱量を算出し、投入する熱量から各処理における電子ビームの照射条件を算出し、照射条件にしたがって電子ビーム出射部を制御することによって投入する熱量を制御する。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、複数の処理を含み、繰り返し行われる処理群中における各処理での投入熱量を、造形中の温度測定に依存せずに制御することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１による三次元造形装置の構成の一例を模式的に示す図

【図2】実施の形態１による三次元造形装置の造形部の構成の一例を模式的に示す上面図

【図3】プレート上に敷き均された粉末材料の近似された入熱モデルの一例を模式的に示す図

【図4】第ｎ層目における粉末材料の表面温度の推移の一例を模式的に示す図

【図5】予備実験の結果得られる層数と表面温度と各処理における電子ビームの照射時間との間の関係の一例を示す図

【図6】実施の形態１による三次元造形物の製造方法の手順の一例を示すフローチャート

【図7】実施の形態１による三次元造形装置の制御部による投入熱量の制御方法の手順の一例を示すフローチャート

【図8】実施の形態１による三次元造形物の製造方法における粉末材料の表面温度と造形層数との関係および造形時の各処理に要した時間と造形層数との関係の一例を示す図

【図9】ある異なる表面温度で粉末材料の表面を維持しているときの一層を造形している間の表面温度の変化の一例を模式的に示す図

【図10】実施の形態３による三次元造形装置の制御部による投入熱量の制御方法の手順の一例を示すフローチャート

【図11】実施の形態４による三次元造形装置の制御部による造形開始前の造形データの作成方法の手順の一例を示すフローチャート

【図12】実施の形態１から４にかかる三次元造形装置の制御部のハードウェア構成の一例を示す図

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本開示の実施の形態に係る三次元造形装置、三次元造形物の製造方法、三次元造形装置の制御方法および制御プログラムを図面に基づいて詳細に説明する。

【0011】

実施の形態１．
三次元造形装置は、粉末材料に電子ビームを照射し、粉末材料を溶融凝固させて三次元造形物を造形する装置である。図１は、実施の形態１による三次元造形装置の構成の一例を模式的に示す図である。三次元造形装置１は、電子ビーム出射部２と、造形部３と、制御部４と、を備える。

【0012】

電子ビーム出射部２は、電子銃部２１と、収束コイル２２と、偏向コイル２３と、を備える。電子銃部２１、収束コイル２２および偏向コイル２３は、例えば筒状を呈するコラム２４内に設置される。電子銃部２１、収束コイル２２および偏向コイル２３は、制御部４と電気的に接続されている。

【0013】

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。電子銃部２１は、制御部４からの制御信号を受けて作動される。

【0014】

収束コイル２２は、電子銃部２１から出射された電子ビームＢを収束させる。収束コイル２２は、制御部４からの制御信号を受けて作動される。収束コイル２２は、例えば物体を造形する場合と、予備的な加熱が行われる場合と、で電子ビームＢの収束径を変更する。

【0015】

偏向コイル２３は、電磁的なビーム偏向を行う。したがって、偏向コイル２３は、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。偏向コイル２３は、制御部４からの制御信号を受けて作動される。偏向コイル２３は、制御信号に応じて電子ビームＢの照射位置を調整する。

【0016】

電子ビーム出射部２は、造形部３の粉末材料Ａおよび造形部３の後述するプレート３４に対して電子ビームＢを出射する。電子ビーム出射部２は、三次元造形物を造形する場合には、電子ビームＢの出射によって、粉末材料Ａを溶融させる。また、電子ビーム出射部２は、三次元造形物の造形を行う前に、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射して、粉末材料Ａの予備的な加熱を行う。粉末材料Ａの予備的な加熱は、例えば、電子ビームＢの焦点を電子銃部２１側へずらし、粉末材料Ａを溶融させる場合に比べ、集光径が大きい電子ビームＢを出射させることによって行われる。一例では、粉末材料Ａの予備的な加熱では、粉末材料Ａを溶融させない温度となるように、電子ビームＢが照射される。また、粉末材料Ａの予備的な加熱は、後述する照射領域Ｒｂに対して電子ビームＢが出射されることにより行われる。

【0017】

造形部３は、所望の三次元造形物を造形する部位である。造形部３は、チャンバ３０を有する。チャンバ３０は、内部を真空にすることができるように、密閉された構造を有する。チャンバ３０には、排気装置である図示しない真空ポンプが接続され、チャンバ３０内を排気することで予め定められた圧力にすることができる。チャンバ３０内は、造形処理中は、予め定められた圧力以下の真空または真空に近い状態にされる。

【0018】

造形部３は、チャンバ３０内に、造形タンク３１と、昇降ステージ３２と、昇降機３３と、プレート３４と、ホッパ３５と、スキージ３６と、を備える。

【0019】

造形タンク３１は、チャンバ３０内の下方に配置され、三次元造形物を造形する空間を形成する。図１の例では、造形タンク３１は、チャンバ３０の内部の下方に嵌り込むように配置され、水平方向の中央部に、三次元造形物を造形する空間となる開口３１ａが設けられている。図２は、実施の形態１による三次元造形装置の造形部の構成の一例を模式的に示す上面図である。図２に示されるように、水平面内において、造形タンク３１は矩形状であり、造形タンク３１の開口３１ａは角筒状である。なお、これは一例であり、造形タンク３１は円形状であり、造形タンク３１の開口３１ａは円筒状であってもよい。

【0020】

図１に戻り、昇降ステージ３２は、直接的にまたは間接的にプレート３４を支持し、造形タンク３１の開口３１ａ内で、上下方向に移動可能である。水平面内において、昇降ステージ３２は、造形タンク３１の開口３１ａに嵌り込む構成を有する。

【0021】

昇降機３３は、昇降ステージ３２を造形タンク３１の開口３１ａ内で上下方向に移動させる。すなわち、昇降機３３は、昇降ステージ３２を昇降させる。昇降機３３は、制御部４と電気的に接続されている。昇降機３３は、制御部４からの制御信号を受けて作動される。例えば、昇降機３３は、三次元造形物である物体Ｏの造形の初期においては、昇降ステージ３２と共にプレート３４を上部へ移動させる。昇降機３３は、プレート３４上において粉末材料Ａの溶融および凝固によって粉末材料Ａが積層されるごとに、昇降ステージ３２と共にプレート３４を降下させる。昇降機３３は、プレート３４および昇降ステージ３２を昇降できる構造のものであれば、その構造に特に制限はない。

【0022】

プレート３４は、昇降ステージ３２上に直接的にまたは間接的に配置され、粉末材料Ａおよび造形される物体Ｏを支持する。水平面内において、プレート３４は、造形タンク３１の開口３１ａよりも小さくされる。プレート３４上で、三次元造形物となる物体Ｏが造形される。プレート３４は、例えば矩形状の板状体である。あるいは、プレート３４は、円形状の板状体である。プレート３４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３４は、物体Ｏを支持する面が、例えば水平方向となるように設けられる。プレート３４は、下方に設置される昇降ステージ３２との間に配された、粉末材料Ａの上に設置されてもよいし、昇降ステージ３２上に直接支持されていてもよい。

【0023】

図２に示されるように、一例では、昇降ステージ３２の水平面内における形状は、造形タンク３１の開口３１ａの内側の形状に対応している。つまり、造形タンク３１の内側形状が水平断面で矩形の場合には、昇降ステージ３２の外形も矩形である。また、造形タンク３１の内側形状が水平断面で円形の場合には、昇降ステージ３２の外形も円形である。これによって、造形タンク３１に供給される粉末材料Ａは、昇降ステージ３２の下方へ漏れ落ちにくくなる。また、粉末材料Ａが昇降ステージ３２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３２の外縁部にシール材を設けてもよい。

【0024】

また、図２に示されるように、一例では、造形タンク３１の開口３１ａの水平面内における断面は、プレート３４と相似な形状を有している。一例では、造形タンク３１の開口３１ａが矩形状である場合には、プレート３４は、矩形の板状であり、造形タンク３１の開口３１ａが円形状である場合には、プレート３４は、円形の板状である。

【0025】

昇降ステージ３２上にプレート３４が支持され、プレート３４上および昇降ステージ３２上に粉末材料Ａが配置される。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の照射により溶融および凝固できるものであれば、粉末より粒径の大きい粉体を用いてもよい。なお、この明細書においては、粉末材料Ａには、粉末および紛体が含まれるものとする。電子ビームＢが照射される照射領域Ｒｂは、例えば、プレート３４の上方から見てプレート３４の領域内となるように設定される。

【0026】

図１に戻り、ホッパ３５は、粉末材料Ａを収容する。図１には、ホッパ３５は、片側のみ図示したが、両側にホッパ３５が設けられていてもよい。ホッパ３５の下部には、粉末材料Ａを排出する排出口３５ａが設けられている。排出口３５ａから排出された粉末材料Ａは、プレート３４上へ流入する。

【0027】

スキージ３６は、プレート３４の上方に配される粉末材料Ａを敷き均す。例えば、スキージ３６は、棒状または板状の部材が用いられる。ほかにも、スキージ３６は櫛状を呈していてもよいし、複数個の部材が重なった構造となっていてもよい。スキージ３６は、これらの部材を水平方向に移動させることにより、粉末材料Ａの表面を均す。つまり、ホッパ３５の排出口３５ａから排出された粉末材料Ａは、スキージ３６によってプレート３４上へ供給される。スキージ３６は、図示しないアクチュエータおよび機構により移動させられる。なお、粉末材料Ａを敷き均す機構としては、スキージ３６以外の機構を用いてもよい。なお、ホッパ３５およびスキージ３６は、粉末材料供給部に対応する。

【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る。制御部４は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit），ＲＯＭ（Read Only Memory），ＲＡＭ（Random Access Memory）を含むコンピュータである。制御部４は、プレート３４の昇降制御、スキージ３６の作動制御、電子ビームＢの出射制御、偏向コイル２３の作動制御および電子ビームＢの投入熱量の制御を実行する。

【0029】

制御部４は、プレート３４の昇降制御として、昇降機３３に制御信号を出力することによって、昇降機３３を作動させる。この作動によって、プレート３４の上下位置が調整される。

【0030】

制御部４は、スキージ３６の作動制御として、電子ビームＢの出射前にスキージ３６を作動させる。この作動によって、プレート３４上の粉末材料Ａが敷き均される。

【0031】

制御部４は、電子ビームＢの出射制御として、電子銃部２１に制御信号を出力する。この制御信号に基づいて、電子銃部２１から電子ビームＢが出射される。

【0032】

制御部４は、偏向コイル２３の作動制御として、偏向コイル２３に制御信号を出力する。この制御信号に基づいて、電子ビームＢの照射位置が制御される。例えば、制御部４には造形すべき三次元造形物の構造を示すデータである三次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データが入力される。制御部４は、この三次元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。スライスデータは、例えば、造形すべき三次元造形物の水平断面のデータである。スライスデータは、上下方向における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、図２に示されるように、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射する造形領域Ｍを決定する。つまり、造形領域Ｍは、物体Ｏを造形するために、各層で粉末材料Ａを溶融、凝固させる領域である。そして、制御部４は、決定された造形領域Ｍに応じて偏向コイル２３に制御信号を出力する。

【0033】

制御部４は、電子ビームＢの投入熱量の制御として、後述する計算式に基づいて電子ビームＢによって粉末材料Ａに投入する熱量を計算し、投入する熱量となるように電子ビームＢの照射条件を計算する。制御部４は、計算された電子ビームＢの照射条件にしたがって、電子銃部２１に制御信号を出力する。

【0034】

以下に、制御部４によって実行される電子ビームＢの投入熱量の制御方法について説明する。

【0035】

一般に、物体に熱量が与えられた場合における温度変化は、次式（１）によって表される。ただし、物体に与えられる正味の熱量はΔＱとされ、物体の熱容量はＣとされ、物体の温度変化量はΔＴとされる。

【0036】

ΔＴ＝ΔＱ／Ｃ ・・・（１）

【0037】

三次元造形装置１によって造形される過程において、照射領域Ｒｂ内の最上面にある粉末材料Ａの温度について考える。以下では、照射領域Ｒｂ内の最上面の粉末材料Ａの温度は、表面温度と称され、照射領域Ｒｂ内の粉末材料Ａの最上面は、粉末材料Ａの表面と称される。図３は、プレート上に敷き均された粉末材料の近似された入熱モデルの一例を模式的に示す図である。ここで、Ｑ_EBは電子ビームＢによって投入される熱量であり、Ｑ₁は粉末材料Ａの表面からチャンバ３０内への熱輻射であり、Ｑ₂はチャンバ３０内から粉末材料Ａの表面への熱輻射であり、Ｑ₃は粉末材料Ａの表面から下層の粉末材料Ａへの熱伝導によって伝わる熱量を表す。ここで、粉末材料Ａの表面に与えられる正味の熱量ΔＱは次式（２）で与えられる。

【0038】

ΔＱ＝Ｑ_EB＋Ｑ₁＋Ｑ₂＋Ｑ₃ ・・・（２）

【0039】

また、熱容量Ｃは、物体を構成する材料の比熱Ｃｐと物体の質量とにより決定されるため、粉末材料Ａがプレート３４上に供給される量が一定である限り照射領域Ｒｂ内の最上面にある粉末材料Ａの表面の熱容量Ｃは一定と近似することができる。このため、粉末材料Ａの表面温度Ｔ_surfは、次式（３）に示されるように、（２）式によって決まる正味の熱量に比例するといえる。

【0040】

ΔＴ_surf∝ΔＱ ・・・（３）

【0041】

三次元造形装置１における造形の基本的な動作は、以下の４つの処理に大きく分類することができる。以下の４つの処理を含む処理群が１回実行されることによって、１層分の物体Ｏが造形されることになる。三次元造形装置１では、処理群が繰り返し実行される。
材料準備処理：プレート３４が下降し、プレート３４上に粉末材料Ａが敷き均される処理。
予備加熱処理：粉末材料Ａの照射領域Ｒｂの全体に電子ビームＢを高速で照射し、粉末材料Ａの温度を上昇させる処理。
溶融凝固処理：三次元造形物のＣＡＤデータに基づいた指定位置に電子ビームＢを照射し粉末材料Ａを溶融、凝固させる処理。
追加加熱処理：粉末材料Ａの照射領域Ｒｂの全体に電子ビームＢを高速で照射し、粉末材料Ａの温度を再度上昇させる処理。

【0042】

造形中の第ｎ層目における粉末材料Ａへの正味の熱量ΔＱ_nは、次式（４）に示されるように、上記した材料準備処理、予備加熱処理、溶融凝固処理および追加加熱処理の各処理における正味の熱量の和で与えられる。ただし、材料準備処理、予備加熱処理、溶融凝固処理および追加加熱処理の正味の熱量は、それぞれΔＱ_SZ，ΔＱ_PH，ΔＱ_HCおよびΔＱ_AHであるとする。

【0043】

ΔＱ_n＝ΔＱ_SZ＋ΔＱ_PH＋ΔＱ_HC＋ΔＱ_AH ・・・（４）

【0044】

各処理の正味の熱量を（２）式を用いて計算することで、第ｎ層目の正味の熱量を算出することができるが、Ｑ₁，Ｑ₂，Ｑ₃の熱量を毎回計算するのは実用的でない。このため、実施の形態１では、表面温度Ｔ_surfと熱量Ｑとの比例関係から、表面温度Ｔ_surfの温度変化を予測することで投入する熱量を計算することとする。

【0045】

図４は、第ｎ層目における粉末材料の表面温度の推移の一例を模式的に示す図である。図４において、横軸は時間を示し、縦軸は粉末材料Ａの表面温度Ｔ_surfを示している。また、ＳＺは材料準備処理を示し、ＰＨは予備加熱処理を示し、ＨＣは溶融凝固処理を示し、ＡＨは追加加熱処理を示している。

【0046】

各処理間の表面温度Ｔ_surfと時間との関係は曲線Ｇに示されるように非線形になることが多いが、図４に示される表面温度Ｔ_surfの温度推移は、各処理間を直線Ｌで近似している。ここでは、各処理の開始時および終了時の表面温度Ｔ_surfの温度差と、各処理に要する時間と、から算出される温度勾配である係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを用いて、各処理間を線形に近似している。

【0047】

第ｎ＋１層目の表面温度Ｔ_surf,n+1は、次式（５）で表される。

【0048】

Ｔ_surf,n+1＝ａ＊ｔ_SZ＋ｂ＊ｔ_PH＋ｃ＊ｔ_HC＋ｄ＊ｔ_AH＋Ｔ_surf,n ・・・（５）

【0049】

また、層数に関係なく表面温度Ｔ_surfを一定に維持するためには、すなわちＴ_surf,n＝Ｔ_surf,n+1とするためには、（５）式から、次式（６）の関係が成立すればよい。

【0050】

ａ＊ｔ_SZ＋ｂ＊ｔ_PH＋ｃ＊ｔ_HC＋ｄ＊ｔ_AH＝０ ・・・（６）

【0051】

三次元造形物の造形の一例においては、材料準備処理および溶融凝固処理に要する時間は、予め定められている。このため、造形中に投入する熱量の制御は、照射領域Ｒｂの粉末材料Ａに対し電子ビームＢを照射して粉末材料Ａを加熱する加熱処理で行われる。この例での加熱処理は、予備加熱処理と追加加熱処理とを含むが、造形中に投入する熱量の制御は、一般に、材料準備処理の直前の処理で行われることが望ましい。この例では造形中に投入する熱量の制御は、追加加熱処理で調整される。また、電子ビームＢによる熱量の制御は、出力または照射時間を変化させることで行われる。出力は、一般的には電流値である。ここでは、実用的に用いられている、照射時間を変化させることで熱量の制御を行うこととする。そこで、（６）式から、次式（７）に示されるように追加加熱処理の電子ビームＢの照射時間ｔ_AHを表す式に変形する。

【0052】

【数1】

【0053】

（７）式によって追加加熱処理の電子ビームＢの照射時間ｔ_AHを制御することで、処理群の期間の最初における粉末材料Ａの表面温度Ｔ_surfを一定に維持することができる。

【0054】

ここで、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄは、事前の予備実験により測定可能な値である。図５は、予備実験の結果得られる層数と表面温度と各処理における電子ビームの照射時間との間の関係の一例を示す図である。図５において、横軸は造形層数を示し、左側の縦軸は粉末材料Ａの表面温度Ｔ_surf［℃］を示し、右側の縦軸は各処理に要する時間［ｓ］を示している。図５に示した実際の造形時の測定データから、各処理に要する時間を一定にした場合、すなわち各処理の正味の熱量を一定にした場合には、粉末材料Ａの表面温度Ｔ_surfは一定に保たれることがわかる。これは、（４）式で、ΔＱ_n＝０が成立していること、言い換えると、（６）式の関係が成立していることが示されている。

【0055】

このようにして得られる係数ａ，ｂ，ｃ，ｄは、用いる粉末材料Ａの種類、プレート３４の大きさ、または電子ビームＢの出力などによって異なる値となるが、例えば、図５に示されるような予備実験を事前に行うことによって容易に得ることができる。

【0056】

ここでは、追加加熱処理における照射時間を求める場合を説明した。しかし、実施の形態１では、制御部４が制御するものが追加加熱処理の照射時間に限定されるものではない。制御部４は、繰り返しの単位となる処理群中の各処理に要する時間に基づいて、処理群の期間における粉末材料Ａの表面に与えられる正味の熱量の変化が０となるように処理群の期間に投入する熱量を算出し、投入する熱量から電子ビームＢの照射条件を算出し、照射条件にしたがって電子ビーム出射部２を制御するものであればよい。つまり、材料準備処理、予備加熱処理または溶融凝固処理に要する時間を調整してもよい。また、制御の対象は、電子ビームＢの照射時間ではなく電子ビームＢの出力であってもよい。

【0057】

次に、実施の形態１による三次元造形装置１を用いた三次元造形物の製造方法と、三次元造形装置１の制御方法、具体的には制御部４による投入熱量制御方法と、について説明する。

【0058】

図６は、実施の形態１による三次元造形物の製造方法の手順の一例を示すフローチャートである。図６に示される三次元造形物の製造方法の一連の処理は、例えば三次元造形装置１の制御部４による指示によって行われる。ここで、実施の形態１による三次元造形装置１によって製造される三次元造形物とは、例えば、ラティス構造体のような周期的な構造を持つものである。また、以下では、三次元造形装置１で三次元造形物を造形中のものは、物体Ｏとも称される。

【0059】

まず、制御部４は、プレート３４の予備加熱を行う（ステップＳ１１）。ステップＳ１１では、制御部４は、第１層目の粉末材料Ａがプレート３４上に供給される前に、予めプレート３４を加熱する。制御部４が電子ビーム出射部２に制御信号を出力することによって、電子銃部２１からの電子ビームＢの出射と、偏向コイル２３による電子ビームＢの照射位置の制御と、が行われる。このとき、プレート３４に電子ビームＢが照射されるので、プレート３４が加熱される。通常、プレート３４内の照射領域Ｒｂの全面に電子ビームＢが照射される。例えば、プレート３４が予め指定された温度である指定温度に到達するまで電子ビームＢが照射される。また、プレート３４が指定温度に到達後、所望の時間、プレート３４の温度を指定温度に維持してもよい。

【0060】

ついで、制御部４は、プレート３４の上下方向の位置を設定し、粉末材料Ａをプレート３４上へ供給する材料準備処理を実行する（ステップＳ１２）。物体Ｏの造形の初期段階においては、プレート３４の位置は、造形タンク３１内において上方に位置している。例えば、造形の初期段階において、プレート３４は、プレート３４の上面が造形タンク３１の最も電子銃部２１側の面と一致する位置にある。そして、物体Ｏの造形が進行すると、プレート３４の位置は、徐々に下方へ移動する。図１において、制御部４が昇降機３３に制御信号を出力することで、昇降機３３が作動される。昇降機３３の作動によって、昇降ステージ３２およびプレート３４が昇降する。この結果、プレート３４の上下方向の位置が設定される。

【0061】

プレート３４の位置が設定されると、粉末材料Ａの供給が行われる。粉末材料Ａの供給処理では、電子ビームＢの照射領域Ｒｂに粉末材料Ａが供給される。なお、ステップＳ１２では、粉末材料Ａの供給に加えて、プレート３４上に供給された粉末材料Ａの表面を敷き均す処理を含んでいてもよい。例えば、図１において、ホッパ３５の排出口３５ａから粉末材料Ａが排出された後、制御部４が、図示しないアクチュエータに制御信号を出力することにより、スキージ３６を作動させる。スキージ３６の作動は、スキージ３６の水平方向への移動と、プレート３４上への粉末材料Ａの供給と、粉末材料Ａを敷き均す処理と、を含んでいてもよい。

【0062】

また、第１層目においては、ステップＳ１１が処理される前の準備の段階においてプレート３４の位置が設定される場合があるため、ステップＳ１２のプレート３４の位置の設定処理がスキップされてもよい。また、プレート３４の位置の設定処理については、後述するステップＳ１４とステップＳ１５との間、またはステップＳ１５の処理中に行われてもよい。

【0063】

その後、制御部４は、粉末材料Ａの予備加熱を行う予備加熱処理を実行する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３の予備加熱処理は、物体Ｏの造形を行う前に予め粉末材料Ａを加熱するものである。制御部４が電子ビーム出射部２に制御信号を出力することにより、電子銃部２１からの電子ビームＢの出射と、偏向コイル２３による電子ビームＢの照射位置の制御と、が行われる。プレート３４上の粉末材料Ａに電子ビームＢが照射されるので、粉末材料Ａが加熱される。一例では、予備加熱処理では、粉末材料Ａが溶融しない温度で粉末材料Ａが加熱される。予備加熱のための電子ビームＢの照射は、照射領域Ｒｂの全面に対し、１回のスキャンのみによって行われてもよいし、複数回のスキャンを繰り返すことによって行われてもよい。

【0064】

ついで、制御部４は、プレート３４上の粉末材料Ａに電子ビームＢを照射して物体Ｏを造形する溶融凝固処理を実行する（ステップＳ１４）。例えば、制御部４は、造形すべき物体Ｏの三次元ＣＡＤデータを利用して、二次元のスライスデータの集合体を生成する。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Ｍを決定する。制御部４は、造形領域Ｍに応じて電子ビーム出射部２から電子ビームＢを照射させる。電子ビームＢが照射された造形領域Ｍの粉末材料Ａは、溶融凝固され、電子ビームＢが照射されなかった粉末材料Ａとは異なり、物体Ｏを構成する一部の層となる。

【0065】

その後、制御部４は、溶融凝固処理を行った物体Ｏを追加加熱する追加加熱処理を実行する（ステップＳ１５）。追加加熱処理では、物体Ｏの造形後に照射領域Ｒｂが加熱される。制御部４が電子ビーム出射部２に制御信号を出力することにより、電子銃部２１からの電子ビームＢの出射と、偏向コイル２３による電子ビームＢの照射位置の制御と、が行われる。プレート３４上の照射領域Ｒｂに電子ビームＢが照射されるので、物体Ｏおよび粉末材料Ａが加熱される。一例では、追加加熱処理は、粉末材料Ａが溶融しない温度で粉末材料Ａが加熱される。追加加熱のための電子ビームＢの照射は、照射領域Ｒｂの全面に対し、１回のみ行われてもよいし、複数回繰り返して行われてもよい。

【0066】

ついで、制御部４は、制御処理の終了条件が成立したかを判定する（ステップＳ１６）。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、ステップＳ１２からステップＳ１５までの制御処理を含む処理群を繰り返し行った結果、物体Ｏ、すなわち三次元造形物の造形が完了した場合である。物体Ｏの造形が完了したことは、作成された物体Ｏの全てのスライスデータについて、ステップＳ１２からステップＳ１５までの制御処理を含む処理群が行われたかどうかによって、確認される。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り、作成された物体Ｏの全てのスライスデータが制御処理に使用されていない場合である。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（ステップＳ１６でＮｏの場合）には、ステップＳ１２に処理が移行する。一方、制御処理の終了条件が成立したと判定された場合（ステップＳ１６でＹｅｓの場合）には、三次元造形物の製造方法が終了する。

【0067】

次に、制御部４の動作のうち、投入熱量を制御する手順について説明する。図７は、実施の形態１による三次元造形装置の制御部による投入熱量の制御方法の手順の一例を示すフローチャートである。

【0068】

まず、制御部４は、前層における追加加熱処理が終了したことを示す信号を抽出する（ステップＳ３１）。前層における追加加熱処理は、図６のステップＳ１５の工程である。制御部４は、抽出した追加加熱処理が終了したことを示す信号を基準に時間のカウントを開始する（ステップＳ３２）。図６に示したように、制御部４の他の動作制御手順によれば、前層におけるステップＳ１５の追加加熱処理が終了すると、前層における材料準備処理、予備加熱処理、溶融凝固処理および追加加熱処理を含む処理群が終了し、次層の処理群におけるステップＳ１２の材料準備処理が開始される。

【0069】

ついで、制御部４は、次層における材料準備処理が終了したことを示す信号を抽出し（ステップＳ３３）、抽出した材料準備処理が終了したことを示す信号を基準に時間のカウントを開始する（ステップＳ３４）。図６に示したように、制御部４の他の動作制御手順によれば、ステップＳ１２の材料準備処理の後には、次層におけるステップＳ１３の予備加熱処理が開始される。

【0070】

その後、制御部４は、ステップＳ３２で開始した時間のカウントに基づいて、ステップＳ３３で抽出した信号までの材料準備処理に要した時間ｔ_SZを記録する（ステップＳ３５）。記録した時間ｔ_SZは、制御部４に格納される。

【0071】

ついで、制御部４は、次層の予備加熱処理が終了したことを示す信号を抽出する（ステップＳ３６）。制御部４は、抽出した予備加熱処理が終了したことを示す信号を基準に時間のカウントを開始する（ステップＳ３７）。図６に示したように、制御部４の他の動作制御手順によれば、ステップＳ１３の予備加熱処理の後には、次層のステップＳ１４の溶融凝固処理が開始される。

【0072】

その後、制御部４は、ステップＳ３４で開始した時間のカウントに基づいて、ステップＳ３６で抽出した信号までの予備加熱処理に要した時間ｔ_PHを記録する（ステップＳ３８）。記録した時間ｔ_PHは、制御部４に格納される。

【0073】

ついで、制御部４は、次層の溶融凝固処理が終了したことを示す信号を抽出する（ステップＳ３９）。その後、制御部４は、ステップＳ３７で開始した時間のカウントに基づいて、ステップＳ３９で抽出した信号までの溶融凝固処理に要した時間ｔ_HCを記録する（ステップＳ４０）。記録した時間ｔ_HCは、制御部４に格納される。

【0074】

ついで、制御部４は、ステップＳ３５，Ｓ３８，Ｓ４０で記録された時間ｔ_SZ，ｔ_PH，ｔ_HCを用いて、（７）式によって追加加熱処理における電子ビームＢの照射時間ｔ_AHを算出する（ステップＳ４１）。追加加熱処理における電子ビームＢの照射時間ｔ_AHは、追加加熱処理に要する時間に対応する。このとき、予め実験によって求められた係数ａ，ｂ，ｃ，ｄも用いられる。制御部４は、算出された時間ｔ_AHを基に、図６のステップＳ１５の追加加熱処理を行う。以上によって、三次元造形装置１の制御部４による投入熱量の制御方法が終了する。

【0075】

図６および図７に示される処理が繰り返し行われることによって、粉末材料Ａの表面温度を一定に維持した状態で物体Ｏが層状に徐々に形成されていく。そして、最終的に所望の三次元造形物が造形される。図６に示されるフローチャートは、制御部４による制御工程に対応し、図７に示されるフローチャートは、追加加熱処理における電子ビームＢの照射時間を算出する算出工程に対応する。ここでは、処理が複雑になるため、２つのフローチャートに分けて記載したが、図６のステップＳ１２からＳ１４の処理と並行して、図７の処理が実行され、図７のステップＳ４１で得られた結果を用いて、図６のステップＳ１５の処理が実行される。なお、図７では、算出工程は、追加加熱処理における電子ビームＢの照射時間を算出する場合を示しているが、算出工程で算出するものがこれに限定されるものではない。繰り返しの単位となる処理群中の各処理に要する時間に基づいて、一例では、処理群の期間における粉末材料Ａの表面に与えられる正味の熱量の変化が０となるように、処理群の期間に投入するべき熱量を算出し、投入する熱量から電子ビームＢの照射条件を算出するものであればよい。

【0076】

これまでに述べた、三次元造形装置１の構成と動作、および制御部４による投入熱量の制御方法によって造形された測定データを基に、実施の形態１の有効性について説明する。

【0077】

図８は、実施の形態１による三次元造形物の製造方法における粉末材料の表面温度と造形層数との関係および造形時の各処理に要した時間と造形層数との関係の一例を示す図である。図８において、横軸は造形層数を示し、左側の縦軸は粉末材料Ａの表面温度Ｔ_surf［℃］を示し、右側の縦軸は各処理に要する時間［ｓ］を示している。図８に示した粉末材料Ａの表面温度Ｔ_surfとは、各層の予備加熱処理が開始される直前に測定した粉末材料Ａの温度である。図８から、全造形層数のうちの初期を除いて、粉末材料Ａの表面温度Ｔ_surfは一定に保たれていることがわかる。この結果は、例えば、溶融凝固処理の時間が単調に減少するような物体Ｏを造形する場合において、追加加熱処理の時間を（７）式によって制御することで、粉末材料Ａの表面温度Ｔ_surfを一定に保つことが可能であることを示している。

【0078】

このように、実施の形態１による三次元造形装置１では、粉末材料Ａの表面温度は正味の熱量に比例することを前提として、繰り返し行われる処理群中の各処理に要する時間に基づいて投入する熱量を制御する。具体的には、三次元造形装置１の制御部４は、処理群中の粉末材料Ａを加熱する加熱処理、より具体的には材料準備処理の直前に行われる処理である追加加熱処理に投入する熱量を制御する。これによって、造形中の温度測定結果を用いずに、粉末材料Ａの表面温度を制御し、維持することができる。このため、温度計測機で造形中の物体Ｏの表面温度を計測することが不要となり、これによって、制御部４と造形中の物体Ｏの表面温度を計測する温度測定器との間のデータの送受信が不要となる。この結果、投入する熱量を算出する算出工程を短縮化および簡素化することができる。また、温度測定器を用いて造形中の物体Ｏの表面温度を計測しないので、温度測定結果のバラつきの影響を受けることがない。以上より、複数の処理を含み、繰り返し行われる処理群中における各処理での投入熱量を、造形中の温度測定に依存せずに制御することができるという効果を有する。

【0079】

また、制御部４は、処理群の処理の実行中に追加加熱処理に要する時間を含む照射条件を算出するようにした。このように、各処理に要する時間を造形中にリアルタイムで記録し、投入する熱量を計算するので、制御部４とその他構成要素との信号のやり取りによって生じる遅延時間も熱量の計算に反映することができ、粉末材料Ａの表面温度をより正確に制御し、維持することができる。

【0080】

さらに、制御部４は、処理群に含まれる処理のうち、材料準備処理の直前の処理、具体的には追加加熱処理、における照射条件を調整するようにした。このように、各層に投入する熱量を制御する処理を次層の粉末材料Ａが敷き均される直前の電子ビームＢが照射される処理とすることで、最もスモーク現象が発生する危険の高い、粉末材料Ａが敷き均された直後に電子ビームＢを照射するときの温度をより正確に制御、維持することができる。

【0081】

実施の形態２．
実施の形態２による三次元造形装置１の構成は、実施の形態１の図１に示したものと同様である。ただし、制御部４での投入熱量の計算方法が実施の形態１とは異なる。以下では、実施の形態１と異なる部分について説明する。実施の形態２による三次元造形装置１では、投入する熱量を計算する（７）式の係数ａ，ｂ，ｃ，ｄが、粉末材料Ａの表面で保持される温度の影響も考慮した係数ａ′，ｂ′，ｃ′，ｄ′となるように設定されている。すなわち、係数ａ′，ｂ′，ｃ′，ｄ′は、粉末材料Ａの表面温度Ｔ_surfの値によって変化する場合について説明する。

【0082】

ここで、実施の形態２による三次元造形装置１の制御部４によって実行される電子ビームＢの投入熱量の制御方法における（７）式の係数ａ′，ｂ′，ｃ′，ｄ′の決定方法について説明する。（５）式および（６）式の係数ａ，ｂ，ｃ，ｄは、粉末材料Ａの表面で保持される温度によって変化する値である。このため、より正確に（７）式によって表面温度Ｔ_surfを維持するためには、保持する温度に応じた係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを設定する必要がある。しかしながら、粉末材料Ａの各表面温度Ｔ_surfで係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを事前に測定することは実用上、問題となり得る。そこで、実施の形態２による三次元造形装置１では、制御部４が、各処理の時間が表面温度Ｔ_surfの変化に与える正味の温度係数ａ′，ｂ′，ｃ′，ｄ′を求め、これらの温度係数ａ′，ｂ′，ｃ′，ｄ′を用いた（７）式によって投入する熱量を制御する。

【0083】

以下に、温度係数ａ′，ｂ′，ｃ′，ｄ′の導出方法について説明する。図９は、ある異なる表面温度で粉末材料の表面を維持しているときの一層を造形している間の表面温度の変化の一例を模式的に示す図である。図９において、横軸は時間を示し、縦軸は温度を示している。表面温度Ｔ_surfがＴ₁で保持されているときの（５）式の係数をａ₁，ｂ₁，ｃ₁，ｄ₁とすると、（５）式は次式（８）のように表される。

【0084】

Ｔ₁＝ａ₁＊ｔ_SZ＋ｂ₁＊ｔ_PH＋ｃ₁＊ｔ_HC＋ｄ₁＊ｔ_AH＋Ｔ₁ ・・・（８）

【0085】

ここで、例えば追加加熱処理に要する時間ｔ_AHのみがｔ’_AHに変化することで、保持温度がＴ₂に変化したとする。このとき、保持温度の変化に応じて（８）式の係数はａ₂，ｂ₂，ｃ₂，ｄ₂に変化し、次式（９）のように表される。

【0086】

Ｔ₂＝ａ₂＊ｔ_SZ＋ｂ₂＊ｔ_PH＋ｃ₂＊ｔ_HC＋ｄ₂＊ｔ’_AH＋Ｔ₂ ・・・（９）

【0087】

このとき、追加加熱処理に要する時間の変化量Δｔ_AHと、温度変化ΔＴ（＝Ｔ₂－Ｔ₁）と、を用いて次式（１０）で表される追加加熱処理の正味の温度係数ｄ′は、保持する温度が変化したことによる係数の変化も考慮した値と考えることができる。

【0088】

【数2】

【0089】

同様にして、材料準備処理、予備加熱処理および溶融凝固処理についての正味の温度係数ａ′，ｂ′，ｃ′が求められる。このようにして、粉末材料Ａの表面で保持される温度の影響が考慮された各処理の温度勾配である温度係数ａ′，ｂ′，ｃ′，ｄ′が求められる。以上のようにして求められた温度係数ａ′，ｂ′，ｃ′，ｄ′を用いると、追加加熱処理の電子ビームＢの照射時間、すなわち追加加熱処理に要する時間ｔ_AHは、次式（１１）によって示される。

【0090】

【数3】

【0091】

（１１）式は、粉末材料Ａの表面で保持される表面温度によって各処理の温度係数が変化することを考慮した係数を用いて、追加加熱処理の照射時間ｔ_AHを求めたものである。なお、制御部４でのその他の処理については、実施の形態１で説明したものと同様であるので、説明を省略する。

【0092】

以上より、実施の形態２による三次元造形装置１では、制御部４によって投入する熱量を計算する式において、保持する表面温度の影響も考慮した各処理の温度係数が設定される。つまり、材料準備処理、加熱処理および溶融凝固処理のそれぞれでの温度勾配は、処理群の期間の最初に粉末材料Ａの表面で保持される温度の影響を考慮した値で計算される。これによって、実施の形態１に比してより精度よく表面温度を制御し、維持することができる。

【0093】

実施の形態３．
実施の形態３による三次元造形装置１の構成は、実施の形態１の図１に示したものと同様である。ただし、制御部４での投入熱量の計算方法が実施の形態１，２とは異なる。以下では、実施の形態１，２と異なる部分について説明する。実施の形態３による三次元造形装置１では、実施の形態１，２において、繰り返し行われる各処理群における材料準備処理および予備加熱処理での熱量の変化は一定であると考え、溶融凝固処理の時間に基づいて投入するべき熱量を計算し、電子ビームＢの照射条件を制御する。

【0094】

各層を造形する際の各処理に要する時間は可変な値であるが、実用的には、特に材料準備処理および予備加熱処理に要する時間は一定とされる場合がある。このような場合に、制御部４によって毎層、材料準備処理に要する時間ｔ_SZと、予備加熱処理に要する時間ｔ_PHと、を計測し、（７）式で示した計算式に基づいて制御することは、無駄な工程を含み、簡素ではない。そこで、実施の形態３では、制御部４で毎層計測する対象を溶融凝固処理の時間のみとし、投入する熱量を計算する。

【0095】

（７）式において、材料準備処理に要する時間ｔ_SZおよび予備加熱処理に要する時間ｔ_PHが一定であるとすると、追加加熱処理における電子ビームＢの照射時間ｔ_AHは、次式（１２）のように表される。ただし、Ａは定数であり、次式（１３）で表される。

【0096】

【数4】

【0097】

【数5】

【0098】

（１２）式は非常に単純な一次方程式である。実施の形態３では、このような単純な（１２）式を用いることで、投入する熱量を計算し、表面温度Ｔ_surfを制御し、維持することができる。

【0099】

実施の形態３による三次元造形装置１において、制御部４の動作のうち、投入熱量を制御する手順について説明する。図１０は、実施の形態３による三次元造形装置の制御部による投入熱量の制御方法の手順の一例を示すフローチャートである。

【0100】

まず、制御部４は、予め設定された材料準備処理および予備加熱処理に要する時間ｔ_SZ，ｔ_PHで決定される定数Ａを読み込む（ステップＳ５１）。ここでは、各層のフローチャート上で定数Ａが読み込まれるステップを設けたが、各層のフローチャート上で定数Ａが読み込まれるのではなく、当該造形処理が開始された際に定数Ａが読み込まれ、後述するステップＳ５６の処理で読み込まれた定数Ａが使用されるようにしてもよい。

【0101】

ついで、制御部４は、図６のステップＳ１３の予備加熱処理が終了したことを示す信号を抽出する（ステップＳ５２）。そして、制御部４は、抽出した予備加熱処理が終了したことを示す信号を基準に時間のカウントを開始する（ステップＳ５３）。図６に示したように、制御部４の他の動作制御手順によれば、ステップＳ１３の予備加熱処理の後には、ステップＳ１４の溶融凝固処理が開始する。ここで、ステップＳ５２，Ｓ５３の処理は、図７のステップＳ３６，Ｓ３７の処理に相当する手順でもある。

【0102】

その後、制御部４は、図６のステップＳ１４の溶融凝固処理が終了したことを示す信号を抽出する（ステップＳ５４）。ここで、ステップＳ５４の処理は、図７のステップＳ３９に相当する手順でもある。

【0103】

ついで、制御部４は、ステップＳ５３で開始した時間のカウントに基づいて、ステップＳ５４で抽出した信号までの溶融凝固処理に要した時間ｔ_HCを記録する（ステップＳ５５）。記録した時間ｔ_HCは制御部４に格納される。ここで、ステップＳ５５の処理は、図７のステップＳ４０に相当する手順でもある。

【0104】

その後、制御部４は、ステップＳ５１で読み込んだ定数Ａと、ステップＳ５５で記録された時間ｔ_HCと、を用いて、（１２）式によって追加加熱処理における電子ビームＢの照射時間ｔ_AHを算出する（ステップＳ５６）。計算された時間ｔ_AHを基に、図６のステップＳ１５の処理が行われる。ここで、ステップＳ５６の処理は、図７のステップＳ４１に相当する手順である。

【0105】

図６および図１０に示される処理が繰り返し行われることによって、粉末材料Ａの表面温度を一定に維持した状態で物体Ｏが層状に徐々に形成されていく。そして、最終的に所望の三次元造形物が造形される。図１０に示されるフローチャートは、追加加熱処理における電子ビームＢの照射時間を算出する算出工程に対応する。なお、図１０では、算出工程は、追加加熱処理における電子ビームＢの照射時間を算出する場合を示しているが、算出工程で算出するものがこれに限定されるものではない。繰り返しの単位となる処理群中の各処理に要する時間に基づいて、一例では、処理群の期間における粉末材料Ａの表面に与えられる正味の熱量の変化が０となるように、処理群の期間に投入するべき熱量を算出し、投入する熱量から電子ビームＢの照射条件を算出するものであればよい。また、制御部４でのその他の処理については、実施の形態１で説明したものと同様であるので、説明を省略する。

【0106】

以上より、実施の形態３による三次元造形装置１では、材料準備処理および予備加熱処理に要する時間は一定であると考え、溶融凝固処理に要する時間に基づいて制御部４が加熱処理での電子ビームＢの照射条件を調整する。したがって、実施の形態１の場合に比して、制御部４の投入する熱量を計算する工程をより短縮化し、簡素化することができる。また、粉末材料Ａの表面温度を、予め定められた温度となるように制御し、予め定められた温度に維持することができる。

【0107】

なお、上記した説明では、実施の形態１の場合で、材料準備処理および予備加熱処理に要する時間を一定と考える場合を示したが、実施の形態２の場合で、材料準備処理および予備加熱処理に要する時間を一定と考えるようにしてもよい。これによっても、同様の効果を得ることができる。

【0108】

実施の形態４．
実施の形態４による三次元造形装置１の構成は、実施の形態１の図１に示したものと同様である。ただし、制御部４での計算方法が実施の形態１，２，３とは異なる。以下では、実施の形態１，２，３とは異なる部分について説明する。実施の形態４による三次元造形装置１では、実施の形態１，２，３の制御部４が、設定された各処理に要する時間に基づいて予め各層に投入する熱量を計算し、各層の各処理に要する時間を含む造形データを作成する。

【0109】

図１１は、実施の形態４による三次元造形装置の制御部による造形開始前の造形データの作成方法の手順の一例を示すフローチャートである。まず、制御部４は、造形する三次元造形物のＣＡＤデータを読み込む（ステップＳ７１）。ついで、制御部４は、電子ビームＢを照射する際の情報である電子ビーム照射情報を読み込む（ステップＳ７２）。電子ビーム照射情報は、電子ビームＢの条件および走査計画を含む。例えば、電子ビーム照射情報は、電子ビームＢの出力、電子ビームＢの走査速度、電子ビームＢのスキャン方向および順番などである。

【0110】

その後、制御部４は、電子ビーム照射情報に基づいて、各層の溶融凝固処理に要する時間ｔ_HCを計算する（ステップＳ７３）。ついで、制御部４は、各層に設定された材料準備処理に要する時間ｔ_SZおよび予備加熱処理に要する時間ｔ_PHを読み込む（ステップＳ７４）。

【0111】

その後、制御部４は、ステップＳ７３，Ｓ７４で計算され、読み込まれた各層における各処理に要する時間ｔ_HC，ｔ_SZ，ｔ_PHに基づいて、（７）式、（１１）式または（１２）式によって、各層における追加加熱処理での電子ビームＢの照射時間ｔ_AHを算出する（ステップＳ７５）。

【0112】

ついで、制御部４は、ステップＳ７１からＳ７５のデータ等を含めた、造形データを作成する（ステップＳ７６）。以上で、造形開始前の造形データの作成方法が終了する。この後に、制御部４は、作成した造形データにしたがって、図６に示される三次元造形物の製造方法の手順を実行する。つまり、制御部４が、造形開始前に各層に投入する熱量を計算し、その後に三次元造形物の製造方法が実行される。なお、図１１に示されるフローチャートは、追加加熱処理における電子ビームＢの照射時間を算出する算出工程に対応する。また、図１１では、算出工程は、追加加熱処理における電子ビームＢの照射時間を算出する場合を示しているが、算出工程で算出するものがこれに限定されるものではない。繰り返しの単位となる処理群中の各処理に要する時間に基づいて、一例では、処理群の期間における粉末材料Ａの表面に与えられる正味の熱量の変化が０となるように、処理群の期間に投入するべき熱量を算出し、投入する熱量から電子ビームＢの照射条件を算出するものであればよい。また、制御部４でのその他の処理については、実施の形態１で説明したものと同様であるので、説明を省略する。

【0113】

ここで、上述した制御部４の手順は一例であり、図１１に示した手順は、例えば、三次元造形装置１から独立したパーソナルコンピュータなどの情報処理装置によって実施されてもよいし、三次元造形装置１に組み込まれたコンピュータによって実施されてもよい。

【0114】

以上に示されるように、実施の形態４による三次元造形装置１では、三次元造形物の造形処理を開始する前に、三次元造形物を層状に造形する際の各層における各処理の照射条件を算出する。つまり、三次元造形装置１は、スライスデータと電子ビーム照射情報とに基づいて予め各層に投入する熱量を計算するので、造形中にリアルタイムで各処理に要する時間を計測する必要がない。このため、造形中の各層に投入する熱量を算出する工程、すなわち造形中に各層の各処理における電子ビームＢの照射条件を算出する算出工程を省略することができる。この結果、造形時間のさらなる短縮化と、作成された造形データを用いた図６に示される造形を制御する制御工程をより簡素化することが可能となる。

【0115】

ここで、三次元造形装置１の制御部４のハードウェア構成について説明する。図１２は、実施の形態１から４にかかる三次元造形装置の制御部のハードウェア構成の一例を示す図である。

【0116】

制御部４は、図１２に示される制御回路３００、すなわちプロセッサ３０１およびメモリ３０２により実現することができる。プロセッサ３０１の例は、ＣＰＵ（中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）ともいう）またはシステムＬＳＩ（Large Scale Integration）である。メモリ３０２の例は、ＲＡＭまたはＲＯＭである。

【0117】

制御部４は、プロセッサ３０１が、メモリ３０２で記憶されている、制御部４での処理を実行するためのプログラムである制御プログラムを読み出して実行することにより実現される。また、この制御プログラムは、制御部４における三次元造形装置１の制御方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。制御部４で実行される制御プログラムは、プレート３４の昇降制御、スキージ３６の作動制御、偏向コイル２３の作動制御、電子ビームＢの出射制御および電子ビームＢの投入熱量の制御をモジュール化したモジュール構成となっており、これらが主記憶装置上にロードされ、これらが主記憶装置上に生成される。

【0118】

メモリ３０２は、スライスデータを記憶する。また、メモリ３０２は、実施の形態３の場合には、定数Ａを記憶し、実施の形態４の場合には、電子ビーム照射情報および造形データを記憶する。メモリ３０２は、プロセッサ３０１が各種処理を実行する際の一時メモリにも使用される。

【0119】

プロセッサ３０１が実行する制御プログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルで、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記憶されてコンピュータプログラムプロダクトとして提供されてもよい。また、プロセッサ３０１が実行する制御プログラムは、インターネットなどのネットワーク経由で三次元造形装置１の制御部４に提供されてもよい。

【0120】

また、制御部４を専用のハードウェアで実現してもよい。また、制御部４の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。

【0121】

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

【符号の説明】

【0122】

１ 三次元造形装置、２ 電子ビーム出射部、３ 造形部、４ 制御部、２１ 電子銃部、２２ 収束コイル、２３ 偏向コイル、２４ コラム、３０ チャンバ、３１ 造形タンク、３１ａ 開口、３２ 昇降ステージ、３３ 昇降機、３４ プレート、３５ ホッパ、３５ａ 排出口、３６ スキージ、３００ 制御回路、３０１ プロセッサ、３０２ メモリ、Ａ 粉末材料、Ｂ 電子ビーム、Ｍ 造形領域、Ｏ 物体、Ｒｂ 照射領域。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】