特許 7607518 三次元造形装置

(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】2024-12-19

(45)【発行日】2024-12-27

(54)【発明の名称】三次元造形装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/073 20060101AFI20241220BHJP

   B22F 12/44 20210101ALI20241220BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20241220BHJP

   B22F 10/362 20210101ALI20241220BHJP

   B22F 3/16 20060101ALI20241220BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20241220BHJP

   B23K 15/00 20060101ALI20241220BHJP

   H01J 1/34 20060101ALI20241220BHJP

   H01J 3/02 20060101ALI20241220BHJP

   H01J 37/305 20060101ALI20241220BHJP

【ＦＩ】

H01J37/073

B22F12/44

B22F10/28

B22F10/362

B22F3/16

B33Y30/00

B23K15/00 501D

B23K15/00 501B

H01J1/34

H01J3/02

H01J37/305 Z

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021095956

(22)【出願日】2021-06-08

(65)【公開番号】P2022187782

(43)【公開日】2022-12-20

【審査請求日】2024-03-11

(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】田中 啓祐

(72)【発明者】

【氏名】山口 博

【審査官】藤田 健

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２８８０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０６４５１１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２１－０８２４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１５１０２５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／２２１１１９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００９－０３１６３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１８２４１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５１４９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１２－５０５５２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／００

Ｂ２２Ｆ ３／１６

Ｂ２３Ｋ １５／００

Ｈ０１Ｊ ３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フォトカソードと、
前記フォトカソードの表面を励起するためのレーザ光を照射するレーザ光学系と、
前記レーザ光学系と前記フォトカソードとの間に位置し、前記フォトカソードの表面に入射するレーザ光の光形状と光量とを調整する調整装置とを有する電子銃を備え、
前記フォトカソードから取り出される電子をもとにする電子ビームを金属粉末材料に照射して三次元の造形物を製造し、
前記金属粉末材料を焼結させる予熱ビームを照射してから１秒以下で１０ナノ秒以上の期間の後に前記造形物の形状に合わせて前記金属粉末材料に照射される前記電子ビームである造形ビームを照射し、レーザ光源の切替速度に依存して前記造形ビームを照射してから１秒以下で１フェムト秒以上の期間の後に前記予熱ビームを照射するように、前記予熱ビームと前記造形ビームとを交互に前記金属粉末材料に照射する
ことを特徴とする三次元造形装置。

【請求項2】

フォトカソードと、
前記フォトカソードの表面を励起するための第１のレーザ光を照射する第１のレーザ光学系と、
前記フォトカソードの表面を励起するための第２のレーザ光を照射する第２のレーザ光学系とを備え、
前記第１のレーザ光学系は、前記フォトカソードから照射対象に照射されるデフォーカスされた電子ビームを形成するための前記第１のレーザ光を形成し、
前記第２のレーザ光学系は、前記フォトカソードから照射対象に照射されるフォーカスされた電子ビームを形成するための前記第２のレーザ光を形成し、
前記第２のレーザ光が、前記フォトカソードの表面において、前記第１のレーザ光よりフォーカスされている電子銃を備え、
前記フォトカソードから取り出される電子をもとにする電子ビームを金属粉末材料に照射して三次元の造形物を製造し、
前記金属粉末材料を焼結させる予熱ビームを照射してから１秒以下で１０ナノ秒以上の期間の後に前記造形物の形状に合わせて前記金属粉末材料に照射される前記電子ビームである造形ビームを照射し、レーザ光源の切替速度に依存して前記造形ビームを照射してから１秒以下で１フェムト秒以上の期間の後に前記予熱ビームを照射するように、前記予熱ビームと前記造形ビームとを交互に前記金属粉末材料に照射する
ことを特徴とする三次元造形装置。

【請求項3】

フォトカソードと、前記フォトカソードの表面を励起するためのレーザ光を照射するレーザ光学系と、前記レーザ光学系と前記フォトカソードとの間に位置し、前記フォトカソードの表面に入射するレーザ光の光形状と光量とを調整する調整装置とを有する電子銃と、
電子の進行速度を加速させる陽極と、
電子の軌道を曲げるための二つ以上の偏向コイルとを備え、
前記レーザ光学系は、
波長が２００ｎｍから１１００ｎｍまでのいずれかである前記レーザ光を出力するレーザ発振機と、
前記フォトカソードの表面についての正面に位置するコリメーションレンズ及びフォーカスレンズとを有し、
前記フォトカソードから取り出された電子は、前記陽極で加速された後、前記二つ以上の偏向コイルを通過して造形面に照射され、
前記フォトカソードから取り出される電子をもとにする電子ビームを金属粉末材料に照射して三次元の造形物を製造し、
前記金属粉末材料を焼結させる予熱ビームを照射してから１秒以下で１０ナノ秒以上の期間の後に前記造形物の形状に合わせて前記金属粉末材料に照射される前記電子ビームである造形ビームを照射し、レーザ光源の切替速度に依存して前記造形ビームを照射してから１秒以下で１フェムト秒以上の期間の後に前記予熱ビームを照射するように、前記予熱ビームと前記造形ビームとを交互に前記金属粉末材料に照射する
ことを特徴とする三次元造形装置。

【請求項4】

フォトカソードと、前記フォトカソードの表面を励起するためのレーザ光を照射するレーザ光学系と、前記レーザ光学系と前記フォトカソードとの間に位置し、前記フォトカソードの表面に入射するレーザ光の光形状と光量とを調整する調整装置とを有する電子銃と、
コリメーションレンズと、
フォーカスレンズと、
前記コリメーションレンズ及び前記フォーカスレンズが格納されている筐体と、
前記フォトカソードが格納されている電子銃室とを備え、
前記筐体には、前記調整装置も格納されており、
前記レーザ光学系は、波長が２００ｎｍから１１００ｎｍまでのいずれかである前記レーザ光を出力するレーザ発振機を有し、
前記コリメーションレンズ及び前記フォーカスレンズは、前記調整装置から出た光を集め、
前記筐体は、前記電子銃室から隔絶されており、
前記筐体の内部の気体の圧力は、前記電子銃室の内部の気体の圧力より高く、
前記フォトカソードから取り出される電子をもとにする電子ビームを金属粉末材料に照射して三次元の造形物を製造し、
前記金属粉末材料を焼結させる予熱ビームを照射してから１秒以下で１０ナノ秒以上の期間の後に前記造形物の形状に合わせて前記金属粉末材料に照射される前記電子ビームである造形ビームを照射し、レーザ光源の切替速度に依存して前記造形ビームを照射してから１秒以下で１フェムト秒以上の期間の後に前記予熱ビームを照射するように、前記予熱ビームと前記造形ビームとを交互に前記金属粉末材料に照射する
ことを特徴とする三次元造形装置。

【請求項5】

前記フォトカソードの基材は、波長が２００ｎｍから１１００ｎｍまでのレーザ光を透過するフッ化マグネシウム、サファイア、石英ガラス、紫外線透過ガラス又は硼硅酸ガラスが用いられて形成されており、
前記フォトカソードの表面に、金属または金属化合物の薄膜が位置しており、
レーザ光が前記薄膜に照射されることにより、電子が前記薄膜から取り出され、電子ビームが形成される
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の三次元造形装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、三次元の造形物を製造するための電子銃及び三次元造形装置に関する。

【背景技術】

【0002】

金属粉末材料に電子ビームを照射して金属粉末材料を溶融させた後に固化させることにより、金属粉末材料を使用した層を複数重ね合わせて三次元の造形物を製造する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。当該装置は、三次元の造形物を形成する領域に金属粉末材料を供給し、供給した金属粉末材料に選択的に電子ビームを照射して金属粉末材料を溶融させた後に凝固させる工程を複数回繰り返し行うことができる手段を有する。

【0003】

三次元造形装置が金属粉末材料に電子ビームを照射すると、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する。そのため、金属粉末材料に電子ビームを照射する場合、金属粉末材料が帯電することを抑制する処置が必要不可欠である。

【0004】

特許文献１が開示している方法は、金属粉末材料を予熱する工程を含む。予熱工程では、デフォーカスした電子ビームを金属粉末材料に照射することによって、局所的な帯電を防ぎながら金属粉末材料をあらかじめ高温にして金属粉末材料の電気抵抗を低下させる。これにより、その後に金属粉末材料を凝固させるための電子ビームを金属粉末材料に照射した際の金属粉末材料が帯電することを抑制する。特許文献２及び特許文献３も、予熱により金属粉末材料が飛散することを抑制する方法を開示している。

【0005】

特許文献４は、フォトカソードを電子源とする電子銃を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許第５１０８８８４号公報

【文献】国際公開第２０１９／０８８１１４号

【文献】国際公開第２０１９／０４９８３２号

【文献】特許第６４６６０２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

従来の三次元造形装置には、造形用のビームを照射する前の金属粉末材料を均一に加熱する予熱工程の前の時点で造形面の温度が低い場合、帯電により金属粉末材料が飛散する課題がある。また、従来の三次元造形装置には、造形品を形成するのに直接的に寄与しない予熱用のビームの照射に時間をかける必要があり、予熱用のビームを照射する工程は造形層の個数だけ繰り返される工程であって造形時間を長くして生産能力を低下させる課題がある。

【0008】

当該課題の本質は、造形用の集束された電子ビームの射出のために電子レンズに印加する電圧および電流と予熱用のデフォーカスされた電子ビームの射出のために電子レンズに印加する電圧および電流とが極端に異なり、電圧および電流の切り替えに伴う時間が長く、電圧および電流の切替回数を最小限に抑えるために、ビーム照射工程を造形用の電子ビームを照射する工程と予熱用の電子ビームを照射する工程とに分割している点にある。造形エリアへの金属粉末材料の供給完了と同時に造形用のビームの照射を行い、造形時間における造形用のビームの照射時間が占める割合を高め、それにより生産能力を向上させることが理想である。上記の造形時間は、真空引きから冷却完了までの造形に必要な全工程に係る時間である。

【0009】

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、金属粉末材料から三次元の造形物を製造する時間を短くする電子銃を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

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、フォトカソードと、フォトカソードの表面を励起するためのレーザ光を照射するレーザ光学系と、レーザ光学系とフォトカソードとの間に位置し、フォトカソードの表面に入射するレーザ光の光形状と光量とを調整する調整装置とを有する電子銃を有し、フォトカソードから取り出される電子をもとにする電子ビームを金属粉末材料に照射して三次元の造形物を製造する。本開示に係る三次元造形装置は、金属粉末材料を焼結させる予熱ビームを照射してから１秒以下で１０ナノ秒以上の期間の後に造形物の形状に合わせて金属粉末材料に照射される電子ビームである造形ビームを照射し、レーザ光源の切替速度に依存して造形ビームを照射してから１秒以下で１フェムト秒以上の期間の後に予熱ビームを照射するように、予熱ビームと造形ビームとを交互に金属粉末材料に照射する。

【発明の効果】

【0011】

本開示に係る電子銃は、金属粉末材料から三次元の造形物を製造する時間を短く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】

【0012】

【図1】実施の形態１に係る三次元造形装置の構成の概略を示す図

【図2】電子ビームが照射されているベースプレートを電子銃室の側から見た様子を模式的に示す図

【図3】従来のビーム照射パターンを説明するための図

【図4】実施の形態１のビーム照射パターンの時間に対する出力の変化を示す図

【図5】予熱ビームを発生させるための予熱用のレーザ光がフォトカソードに照射される場合の実施の形態１におけるＤＬＰチップ及びフォトカソードの概略を示す側面図

【図6】予熱ビームを発生させるための予熱用のレーザ光がフォトカソードに照射される場合の実施の形態１におけるＤＬＰチップ及びフォトカソードの概略を示す正面図

【図7】造形ビームを発生させるための造形用のレーザ光がフォトカソードに照射される場合の実施の形態１におけるＤＬＰチップ及びフォトカソードの概略を示す側面図

【図8】造形ビームを発生させるための造形用のレーザ光がフォトカソードに照射される場合の実施の形態１におけるＤＬＰチップ及びフォトカソードの概略を示す正面図

【図9】実施の形態１においてフォトカソードに照射される予熱用のレーザ光及び造形用のレーザ光を説明するための図

【図10】予熱ビームと造形ビームとが切り替えられて造形エリアに照射される様子を示す図

【図11】実施の形態２に係る三次元造形装置の構成の概略を示す図

【図12】実施の形態３に係る三次元造形装置の構成の概略を示す図

【図13】実施の形態４に係る三次元造形装置の構成の概略を示す図

【図14】実施の形態５に係る三次元造形装置の構成の概略を示す図

【図15】実施の形態１に係る三次元造形装置が有する制御装置がプロセッサによって実現される場合のプロセッサを示す図

【図16】実施の形態１に係る三次元造形装置が有する制御装置が処理回路によって実現される場合の処理回路を示す図

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下に、実施の形態に係る電子銃及び三次元造形装置を図面に基づいて詳細に説明する。

【0014】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る三次元造形装置１の構成の概略を示す図である。三次元造形装置１は、電子ビーム１０を金属粉末材料に照射して三次元の造形物を製造する装置であって、電子ビーム１０を生成するためのレーザ光２０を発生させてレーザ光２０を出力するレーザ発振機１１を有する。図１には、電子ビーム１０及びレーザ光２０も示されている。図面では、電子ビーム１０は一点鎖線で示されており、レーザ光２０は破線で示されている。

【0015】

三次元造形装置１は、レーザ発振機１１から出力されたレーザ光２０をコリメートするコリメーションレンズ１２と、コリメーションレンズ１２によってコリメートされたレーザ光２０の進行方向を変えるＤＬＰ（Digital Light Processing）チップ１３とを更に有する。三次元造形装置１は、フォーカスレンズ１４と、コレクタ１５と、レーザ光２０をもとに電子ビーム１０を発生させる電子銃室１２１とを更に有する。電子銃室１２１は、レーザ光２０を二つのレーザ光２０に分割するビームスプリッタ１６を有する。フォーカスレンズ１４は、ＤＬＰチップ１３によって進行方向が変えられたレーザ光２０をビームスプリッタ１６に進行させる。

【0016】

電子銃室１２１は、第１の反射板１７Ａと、第２の反射板１７Ｂと、レーザ光２０をもとに電子ビーム１０を発生させるフォトカソード１８とを更に有する。フォトカソード１８は、電子源である。ビームスプリッタ１６は、分割後の二つのレーザ光２０の一方を第１の反射板１７Ａに進行させ、分割後の二つのレーザ光２０の他方を第２の反射板１７Ｂに進行させる。第１の反射板１７Ａ及び第２の反射板１７Ｂの各々は、進行してきたレーザ光２０を反射してフォトカソード１８の表面に進行させる。

【0017】

実施の形態１では、レーザ発振機１１及びコリメーションレンズ１２は、フォトカソード１８の表面を励起するためのレーザ光２０を照射するレーザ光学系を構成する。ＤＬＰチップ１３は、レーザ光学系とフォトカソード１８との間に位置し、フォトカソード１８の表面に入射するレーザ光２０の光形状と光量とを調整する機能を有する調整装置である。フォトカソード１８、レーザ光学系及びＤＬＰチップ１３は、電子銃を構成する。電子ビーム１０は、フォトカソード１８から取り出されるビームである。更に言うと、電子ビーム１０は、フォトカソード１８の表面から取り出されるビームである。

【0018】

電子銃室１２１は、フォトカソード１８において発生した電子ビーム１０の進行速度を加速させる陽極１９を更に有する。つまり、陽極１９は、電子の進行速度を加速させる。電子銃室１２１は、陽極１９によって進行速度が加速された電子ビーム１０を偏向させる偏向コイル１１０を更に有する。

【0019】

三次元造形装置１は、内部が大気圧以下の１×１０^－２Ｐａから１×１０^－４Ｐａまでのいずれかの圧力に減圧される造形チャンバ１１９を更に有する。造形物は、造形チャンバ１１９の内部で製造される。三次元造形装置１は、造形チャンバ１１９の内部を１×１０^－２Ｐａから１×１０^－５Ｐａまでのいずれかの圧力に減圧するための真空ポンプを更に有する。真空ポンプは、図示されていない。

【0020】

造形チャンバ１１９は、造形物の材料となる金属粉末材料が供給されるベースプレート１１４と、金属粉末材料をベースプレート１１４の上で引き均すスキージ１１２とを有する。ベースプレート１１４の上に供給された後にスキージ１１２で引き均された金属粉末材料の上面は、造形面１１８である。造形面１１８は、造形物が形成されることになる面、製造中の造形物の表面、又は造形物の表面である。偏向コイル１１０によって偏向された電子ビーム１０は、造形面１１８に照射される。電子ビーム１０は、金属粉末材料を溶融させてその後に固化させるための熱源である。

【0021】

造形チャンバ１１９は、ベースプレート１１４に供給される前の金属粉末材料を貯留する粉末タンク１１１と、粉末タンク１１１からベースプレート１１４に供給される金属粉末材料の量を調整する粉末供給装置とを更に有する。造形物は、ベースプレート１１４の上で製造される。ベースプレート１１４は、造形物を支える。粉末供給装置は、図１には示されていない。

【0022】

造形チャンバ１１９は、造形の進行に合わせてベースプレート１１４の鉛直方向の位置を調整する昇降装置１１５と、造形面１１８からの造形チャンバ１１９の全体に対する放射熱の伝達を抑制する遮熱板１１７と、スキージ１１２の動作で余った金属粉末材料を回収するための粉末回収箱１１３とを更に有する。

【0023】

電子銃室１２１は、電子ビーム１０を造形面１１８において走査するための偏向レンズと、電子ビーム１０を造形面１１８に集束させる集束レンズとを更に有してもよい。

【0024】

三次元造形装置１は、フォトカソード１８、陽極１９、偏向コイル１１０及び昇降装置１１５を制御する制御装置１１６と、電子ビーム１０を形成するための高圧電源とを更に有する。図１には、高圧電源は示されていない。

【0025】

フォトカソード１８の表面は、例えばタングステン（Ｗ）といった純金属カソード材料、例えば酸化銀セシウム（Ａｇ－Ｏ－Ｃｓ）、セシウム－ヨウ素（Ｃｓ－Ｐ）、セシウム－テルル（Ｃｓ－Ｔｅ）、アンチモン－セシウム（Ｓｂ－Ｃｓ）、ガリウム－砒素（Ｇａ－Ａｓ）、インジウム－ガリウム－砒素（Ｉｎ－Ｇａ－Ａｓ）、インジウム－リン／インジウム－ガリウム－砒素－リン＜セシウム＞（Ｉｎ－Ｐ／Ｉｎ－Ｇａ－Ａｓ－Ｐ＜Ｃｓ＞）、インジウム－リン／インジウム－ガリウム－砒素＜セシウム＞（Ｉｎ－Ｐ／Ｉｎ－Ｇａ－Ａｓ＜Ｃｓ＞）、六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）若しくは六ホウ化セシウム（ＣｅＢ６）といった化合物若しくは多層膜カソード材料、例えばアンチモン－ルビジウム－セシウム（Ｓｂ－Ｒｂ－Ｃｓ）、アンチモン－カリウム－セシウム（Ｓｂ－Ｋ－Ｃｓ）若しくはアンチモン－ナトリウム－カリウム（Ｓｂ－Ｎａ－Ｋ）といった２種類のアルカリ金属を含むバイアルカリカソード材料、又は、例えばセシウム－カリウム－アンチモン（Ｃｓ－Ｋ－Ｓｂ）若しくはセシウム－カリウム－ナトリウム－アンチモン（Ｃｓ－Ｋ－Ｎａ－Ｓｂ）といった３種類以上のアルカリ金属を含むマルチアルカリカソード材料を材料とした、多層膜又は化合物の材料で構成されている。

【0026】

造形プロセスが開始されると、造形チャンバ１１９の内部と電子銃室１２１の内部とが真空ポンプによって０．１×１０^－４Ｐａから０．１×１０^－５Ｐａまでのいずれかの圧力に減圧される。電子銃室１２１の内部の減圧が完了すると、電子銃室１２１から電子ビーム１０がベースプレート１１４に照射され、ベースプレート１１４は昇温用の電子ビーム１０のエネルギを受けて昇温される。ベースプレート１１４があらかじめ決められた温度に加熱された後、造形チャンバ１１９の内部のベースプレート１１４以外の構成要素がベースプレート１１４からの放射熱の伝達によって加熱される。

【0027】

三次元造形装置１は、ベースプレート１１４が一定の温度になるように電子ビーム１０の電流値を維持しながら造形チャンバ１１９の内部のベースプレート１１４以外の構成要素への放熱が安定することを待つ。放熱が安定し、電子ビーム１０の電流値が安定した後、粉末供給装置が稼働する。粉末供給装置は、ベースプレート１１４の上に金属粉末材料を供給し、金属粉末材料をベースプレート１１４の上で均一に堆積させ、ベースプレート１１４の予熱で第１層目の粉末床が加熱される。

【0028】

電子銃室１２１では、レーザ光学系及びＤＬＰチップ１３を経由してフォトカソード１８の表面に照射されるレーザ光２０によってフォトカソード１８の表面から電子が取り出される。レーザ光２０の波長に対応したフォトカソード１８の表面は、例えばタングステン（Ｗ）といった純金属カソード材料、例えば酸化銀セシウム（Ａｇ－Ｏ－Ｃｓ）、セシウム―ヨウ素（Ｃｓ－Ｐ）、セシウム－テルル（Ｃｓ－Ｔｅ）、アンチモン－セシウム（Ｓｂ－Ｃｓ）、ガリウム－砒素（Ｇａ－Ａｓ）、インジウム－ガリウム－砒素（Ｉｎ－Ｇａ－Ａｓ）、インジウム－リン／インジウム－ガリウム－砒素－リン＜セシウム＞（Ｉｎ－Ｐ／Ｉｎ－Ｇａ－Ａｓ－Ｐ＜Ｃｓ＞）、インジウム－リン／インジウム－ガリウム－砒素＜セシウム＞（Ｉｎ－Ｐ／Ｉｎ－Ｇａ－Ａｓ＜Ｃｓ＞）、六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）若しくは六ホウ化セシウム（ＣｅＢ６）といった化合物若しくは多層膜カソード材料、アンチモン－ルビジウム－セシウム（Ｓｂ－Ｒｂ－Ｃｓ）、アンチモン－カリウム－セシウム（Ｓｂ－Ｋ－Ｃｓ）若しくはアンチモン－ナトリウム－カリウム（Ｓｂ－Ｎａ－Ｋ）といった２種類のアルカリ金属を含むバイアルカリカソード材料、又は、セシウム－カリウム－アンチモン（Ｃｓ－Ｋ－Ｓｂ）若しくはセシウム－カリウム－ナトリウム－アンチモン（Ｃｓ－Ｋ－Ｎａ－Ｓｂ）といった３種類以上のアルカリ金属を含むマルチアルカリカソード材料によって形成されている。実施の形態１では、金属粉末材料の溶融及び凝固に伴う金属の造形物を造形するために、電子銃室１２１が比較的高出力の電子ビーム１０を出力することが想定されている。比較的低出力の電子ビーム１０をもとに造形物を製造することになる場合、フォトカソード１８の表面は上述の材料以外の材料によって形成されてもよい。

【0029】

三次元造形装置１は、上述の第１層目の粉末床に対して予熱ビームと造形ビームとを照射する。図２は、電子ビーム１０が照射されているベースプレート１１４を電子銃室１２１の側から見た様子を模式的に示す図である。予熱ビーム２６は、粉末層を加熱することを目的としてデフォーカスされた電子ビームである。造形ビーム２２は、粉末床を溶融させた後に凝固させて造形物２７を形成するための集束された電子ビームである。予熱ビーム２６は、造形ビーム２２が照射される前後に照射される。図２には、造形エリア２４も示されている。図２における矢印は、予熱ビーム２６又は造形ビーム２２の進行を示している。

【0030】

図３は、従来のビーム照射パターンを説明するための図である。図３は、前予熱ビーム２１、造形ビーム２２及び後予熱ビーム２３の各々が造形サイクル中に照射される順序と、各ビームの出力のおおよその大小関係とを示している。前予熱ビーム２１、造形ビーム２２及び後予熱ビーム２３の各々の１回の照射時間は、例えば数十秒である。造形ビーム２２の造形面１１８でのビームスポットの径は、０．１ｍｍから２ｍｍまでのいずれかである。電子銃室１２１の陽極１９は、ビームスポットのフォーカス位置を数十ｍｍの幅で調整することができ、位置によってビームスポットの径が異なる。なお、図２の予熱ビーム２６は、前予熱ビーム２１と後予熱ビーム２３とがひとつにまとめられて表現されたものである。

【0031】

造形ビーム２２は、偏向コイル１１０によって造形エリア２４の任意の位置に、数千ｍ／ｓの走査速度で照射される。前予熱ビーム２１及び後予熱ビーム２３は、造形ビーム２２に比べてデフォーカスされた広いビーム径を持ち、造形ビーム２２に比べて高速に走査される。前予熱ビーム２１及び後予熱ビーム２３は、造形エリア２４に供給された金属粉末材料同士を軽度に焼結するために走査されるため、数秒から数十秒までのいずれかの期間に造形エリア２４に繰り返し照射される。

【0032】

図４は、実施の形態１のビーム照射パターンの時間に対する出力の変化を示す図である。従来では、図３に示されるように、各ビームは比較的長い期間にまとまって照射されるが、実施の形態１では、図４に示されるように、数十ミリ秒から数百ミリ秒までのいずれかの比較的短い期間に造形ビーム２２と予熱ビーム２６とが交互に繰り返し照射される。上述の通り、予熱ビーム２６は、前予熱ビーム２１と後予熱ビーム２３とがひとつにまとめられて表現されたものである。

【0033】

三次元造形装置１は、予熱ビーム２６を造形エリア２４に照射する場合、数百μｍから数ｍｍまでのいずれかの径のビームスポットの予熱ビーム２６を繰り返し照射し、複数のビームスポットを繋げることで線状の照射パターンを形成する。すなわち、三次元造形装置１は、造形エリア２４の全域を塗りつぶすように予熱ビーム２６の往復走査を行う。ただしフォトカソード１８のレーザビーム照射面を例えば数十ｃｍ程度に大きくとり、かつレーザビームの照射径を合わせて数十ｃｍとすれば、造形エリア全面を予熱ビーム径で覆うことが可能な場合もある。

【0034】

三次元造形装置１は、予熱ビーム２６で造形エリア２４を１回以上塗りつぶした後に、造形エリア２４を照射するビームを予熱ビーム２６から造形ビーム２２に切り替えて、造形ビーム２２を造形エリア２４に照射する。１回の造形ビーム２２によって金属粉末材料を溶融させることができる領域は、造形ビーム２２の元のビームスポットの径に当該径の２０％から５０％までのいずれかを加えた径を有する領域である。金属粉末材料が例えば銅又はアルミニウムといった比較的熱伝導性の高い材料である場合、１回の造形ビーム２２によって金属粉末材料を溶融させることができる領域は、造形ビーム２２の元のビームスポットの径の２倍程度の径を有する領域である。三次元造形装置１は、造形物２７の全面を造形ビーム２２で塗りつぶすため、連続する二つのビームスポットを重ね合わせながら、偏向コイル１１０で造形ビーム２２を走査して移動させる。

【0035】

図５は、予熱ビーム２６を発生させるための予熱用のレーザ光２０Ａがフォトカソード１８に照射される場合の実施の形態１におけるＤＬＰチップ１３及びフォトカソード１８の概略を示す側面図である。図６は、予熱ビーム２６を発生させるための予熱用のレーザ光２０Ａがフォトカソード１８に照射される場合の実施の形態１におけるＤＬＰチップ１３及びフォトカソード１８の概略を示す正面図である。図５及び図６は、予熱用のレーザ光２０Ａがフォトカソード１８に照射されてフォトカソード１８から取り出される電子ｅを説明するための図である。

【0036】

図５及び図６に示されるように、ＤＬＰチップ１３は表面において複数のミラーアレイ１３１を有しており、予熱用のレーザ光２０Ａがフォトカソード１８の表面に照射される場合、複数のミラーアレイ１３１が１つ飛ばしで稼働する。すなわち、予熱用のレーザ光２０Ａがフォトカソード１８に照射される場合、ＤＬＰチップ１３は、全面積の５０％が稼働する状態で、励起用のレーザ光２０である予熱用のレーザ光２０Ａをフォトカソード１８の全面に送り込む。これは、単位面積当たりのエネルギがＱであるレーザ光２０がレーザ発振機１１から出射される場合、フォトカソード１８の表面に照射される予熱用のレーザ光２０Ａの単位面積当たりのエネルギがＱの１／２となることを意味する。

【0037】

予熱用のレーザ光２０Ａによってフォトカソード１８の表面が励起され、電子ｅがフォトカソード１８の表面から真空中に取り出される。フォトカソード１８の表面から取り出される電子ｅの個数は、励起用のレーザ光２０である予熱用のレーザ光２０Ａのエネルギとフォトカソード１８の材料の仕事関数とに依存する。励起用のレーザ光２０のエネルギを増減させることによって、フォトカソード１８から取り出される電子ｅの個数を制御することができ、最終的に形成される電子ビーム１０の出力を制御することができる。電子ビーム１０の出力をレーザ発振機１１から出射されるレーザ光２０のエネルギの１／３とする場合、ＤＬＰチップ１３の複数のミラーアレイ１３１の稼働状態がすべてのミラーアレイ１３１の面積の１／３となるように制御される。

【0038】

図７は、造形ビーム２２を発生させるための造形用のレーザ光２０Ｂがフォトカソード１８に照射される場合の実施の形態１におけるＤＬＰチップ１３及びフォトカソード１８の概略を示す側面図である。図８は、造形ビーム２２を発生させるための造形用のレーザ光２０Ｂがフォトカソード１８に照射される場合の実施の形態１におけるＤＬＰチップ１３及びフォトカソード１８の概略を示す正面図である。図７は、造形ビーム２２を発生させるための造形用のレーザ光２０Ｂがフォトカソード１８に照射されてフォトカソード１８から電子ｅが取り出される場合の複数のミラーアレイ１３１の稼働状態と、フォトカソード１８から取り出される電子ｅとを説明するための図である。図８は、造形ビーム２２を発生させるための造形用のレーザ光２０Ｂがフォトカソード１８に照射されてフォトカソード１８から電子ｅが取り出される場合の複数のミラーアレイ１３１の稼働状態と、フォトカソード１８の表面に照射される励起用のレーザ光２０の形状とを説明するための図である。

【0039】

造形用のレーザ光２０Ｂがフォトカソード１８に照射される場合、ＤＬＰチップ１３の表面における複数のミラーアレイ１３１のうちの中央部が稼働し、複数のミラーアレイ１３１のうちの外周部は非稼働状態となる。そのため、フォトカソード１８の表面の光が照射される領域は当該表面の中央部である。ただし、励起用のレーザ光２０である造形用のレーザ光２０Ｂはフォトカソード１８の表面の中央部に集中して照射されるので、単位時間当たりにフォトカソード１８から取り出される電子ｅの個数は多く、かつ、予熱用のレーザ光２０Ａがフォトカソード１８に照射される場合に比べて、単位面積当たりに取り出される電子ｅの個数も多い。すなわち、三次元造形装置１は、エネルギ密度が高くビームスポットの径が小さい電子ビーム１０を形成することができる。

【0040】

実施の形態１に係る三次元造形装置１は、予熱用のレーザ光２０Ａをフォトカソード１８に照射する場合、フォトカソード１８への入射光のエネルギをＤＬＰチップ１３への入射光のエネルギの１／２にしてフォトカソード１８の表面から取り出される電子ｅの個数を絞ることができる。

【0041】

図９は、実施の形態１においてフォトカソード１８に照射される予熱用のレーザ光２０Ａ及び造形用のレーザ光２０Ｂを説明するための図である。ＤＬＰチップ１３は、例えば波長が５２５ｎｍであるレーザ光の光形状と光量とを調整する。ＤＬＰチップ１３によって光形状と光量とが調整されたレーザ光２０が、フォトカソード１８に照射される。具体的には、予熱用のレーザ光２０Ａ又は造形用のレーザ光２０Ｂがフォトカソード１８に照射される。

【0042】

造形用のレーザ光２０Ｂがフォトカソード１８に照射される場合、造形用のレーザ光２０Ｂはフォーカスされてフォトカソード１８の表面の中央部に照射される。予熱用のレーザ光２０Ａがフォトカソード１８に照射される場合、予熱用のレーザ光２０Ａはデフォーカスされてフォトカソード１８の表面の全体に照射される。予熱用のレーザ光２０Ａと造形用のレーザ光２０Ｂとは、１ｋＨｚから１０ｋＨｚまでのいずれかの周波数で切り替えられてフォトカソード１８に照射される。

【0043】

図１０は、予熱ビーム２６と造形ビーム２２とが切り替えられて造形エリア２４に照射される様子を示す図である。図１０に示されるように、予熱ビーム２６と造形ビーム２２とが、１ｋＨｚから１０ｋＨｚまでのいずれかの周波数で切り替えられて造形エリア２４に照射される。

【0044】

上述の通り、実施の形態１に係る三次元造形装置１は電子銃を有する。電子銃は、フォトカソード１８と、レーザ発振機１１とコリメーションレンズ１２とによって構成されるレーザ光学系と、レーザ光学系とフォトカソード１８との間に位置していてフォトカソード１８の表面に入射するレーザ光２０の光形状と光量とを調整する機能を有するＤＬＰチップ１３とを有する。ＤＬＰチップ１３は、電子ビーム１０の径及び出力を比較的高速に変調することができる。実施の形態１に係る電子銃は、ＤＬＰチップ１３を有するので、金属粉末材料から三次元の造形物を製造する時間を短くすることができる。

【0045】

実施の形態２．
図１１は、実施の形態２に係る三次元造形装置１Ａの構成の概略を示す図である。三次元造形装置１Ａは、フォトカソード１８と、予熱用のレーザ光２０Ａを生成して出力する第１のレーザ発振機３１と、第１のレーザ発振機３１から出力された予熱用のレーザ光２０Ａをコリメートする第１のコリメーションレンズ３２と、第１のフォーカスレンズ３３と、第１の反射ミラー３４と、第２の反射ミラー３５とを有する。予熱用のレーザ光２０Ａは、フォトカソード１８の表面を励起するための第１のレーザ光である。第１のレーザ発振機３１、第１のコリメーションレンズ３２、第１のフォーカスレンズ３３、第１の反射ミラー３４及び第２の反射ミラー３５は、フォトカソード１８の表面を励起するための第１のレーザ光を照射する第１のレーザ光学系を構成する。

【0046】

第１のフォーカスレンズ３３は、第１のコリメーションレンズ３２によってコリメートされた予熱用のレーザ光２０Ａを第１の反射ミラー３４に集光させる。第１の反射ミラー３４は、第１のフォーカスレンズ３３からの予熱用のレーザ光２０Ａを反射して第２の反射ミラー３５に進行させる。第２の反射ミラー３５は、第１の反射ミラー３４からの予熱用のレーザ光２０Ａを反射してフォトカソード１８に進行させる。

【0047】

三次元造形装置１Ａは、造形用のレーザ光２０Ｂを生成して出力する第２のレーザ発振機４１と、第２のレーザ発振機４１から出力された造形用のレーザ光２０Ｂをコリメートする第２のコリメーションレンズ４２と、第２のフォーカスレンズ４３と、第３の反射ミラー４４と、第４の反射ミラー４５とを更に有する。造形用のレーザ光２０Ｂは、フォトカソード１８の表面を励起するための第２のレーザ光である。第２のレーザ発振機４１、第２のコリメーションレンズ４２、第２のフォーカスレンズ４３、第３の反射ミラー４４及び第４の反射ミラー４５は、フォトカソード１８の表面を励起するための第２のレーザ光を照射する第２のレーザ光学系を構成する。

【0048】

第１のレーザ光学系は、フォトカソード１８から金属粉末材料に照射されるデフォーカスされた電子ビームを形成するための第１のレーザ光を形成する。第２のレーザ光学系は、フォトカソード１８から金属粉末材料に照射されるフォーカスされた電子ビームを形成するための第２のレーザ光を形成する。第２のレーザ光は、フォトカソード１８の表面において、第１のレーザ光よりフォーカスされている。

【0049】

三次元造形装置１Ａは、実施の形態１に係る三次元造形装置１が有する陽極１９、偏向コイル１１０及び造形チャンバ１１９を更に有する。三次元造形装置１Ａは、第１のレーザ光学系、第２のレーザ光学系、フォトカソード１８、陽極１９、偏向コイル１１０及び造形チャンバ１１９を制御する制御装置１１６Ａを更に有する。

【0050】

実施の形態１に係る三次元造形装置１は、ひとつのレーザ光学系を有していて、ＤＬＰチップ１３を用いてフォトカソード１８の表面に入射するレーザ光を制御し、それによりフォトカソード１８から取り出される電子の個数を制御する。実施の形態２に係る三次元造形装置１Ａは、第１のレーザ光学系及び第２のレーザ光学系の二つのレーザ光学系を有していて、ＤＬＰチップ１３を有していない。三次元造形装置１Ａは、第１のレーザ光学系に含まれる第１のレーザ発振機３１がレーザ光を出力して第２のレーザ光学系に含まれる第２のレーザ発振機４１がレーザ光を出力しない状態と、第２のレーザ発振機４１がレーザ光を出力して第１のレーザ発振機３１がレーザ光を出力しない状態とを切り替えることにより、フォトカソード１８から取り出される電子の個数を制御する。

【0051】

第１のレーザ発振機３１から出力されたレーザ光は、第１のコリメーションレンズ３２及び第１のフォーカスレンズ３３を通り、第１の反射ミラー３４及び第２の反射ミラー３５を介してフォトカソード１８の表面に照射される。第２のレーザ発振機４１から出力されたレーザ光は、第２のコリメーションレンズ４２及び第２のフォーカスレンズ４３を通り、第３の反射ミラー４４及び第４の反射ミラー４５を介してフォトカソード１８の表面に照射される。第２のレーザ発振機４１から出力されたレーザ光は、フォトカソード１８の表面の中央部のみに照射される。

【0052】

実施の形態２に係る三次元造形装置１Ａは、ＤＬＰチップ１３を有する実施の形態１に係る三次元造形装置１に比べて、各レンズで集光される光形状のみでフォトカソード１８から取り出される電子の個数を制御し、金属粉末材料に照射される電子ビームの光形状及び光量を制御する。三次元造形装置１Ａは、ＤＬＰチップ１３を有しない比較的単純な構造で実施の形態１と同様のビーム照射の切替えを行うことができる。また、三次元造形装置１Ａは、第１のレーザ光学系から照射されるレーザ光と第２のレーザ光学系から照射されるレーザ光とを合成することができ、三次元造形装置１では実現が難しい形状のレーザ光を照射することができる。

【0053】

実施の形態３．
図１２は、実施の形態３に係る三次元造形装置１Ｂの構成の概略を示す図である。三次元造形装置１Ｂは、実施の形態１に係る三次元造形装置１と同様に、レーザ発振機１１、コリメーションレンズ１２、ＤＬＰチップ１３、フォーカスレンズ１４、コレクタ１５、フォトカソード１８、陽極１９、偏向コイル１１０、造形チャンバ１１９及び制御装置１１６を有する。実施の形態３では、コリメーションレンズ１２は、ＤＬＰチップ１３とフォーカスレンズ１４との間に位置する。実施の形態３では、レーザ発振機１１がレーザ光学系を構成する。

【0054】

実施の形態３では、フォトカソード１８の基材は、波長が２００ｎｍから１１００ｎｍまでのレーザ光を透過する材料で形成されている。フォトカソード１８の基材は、例えばフッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、サファイア、石英ガラス、紫外線透過ガラス又は硼硅酸ガラスといった材料で形成されている。フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、サファイア、石英ガラス、紫外線透過ガラス及び硼硅酸ガラスの各々は、波長が１００ｎｍから１１００ｎｍまでのレーザ光を透過する。実施の形態３では、レーザ光２０はフォトカソード１８の裏面に照射される。

【0055】

フォトカソード１８の表面は、例えば酸化銀セシウム（Ａｇ－Ｏ－Ｃｓ）、セシウム－ヨウ素（Ｃｓ－Ｐ）、セシウム－テルル（Ｃｓ－Ｔｅ）、アンチモン－セシウム（Ｓｂ－Ｃｓ）、ガリウム－砒素（Ｇａ－Ａｓ）、インジウム－ガリウム－砒素（Ｉｎ－Ｇａ－Ａｓ）、インジウム－リン／インジウム－ガリウム－砒素－リン＜セシウム＞（Ｉｎ－Ｐ／Ｉｎ－Ｇａ－Ａｓ－Ｐ＜Ｃｓ＞）、インジウム－リン／インジウム－ガリウム－砒素＜セシウム＞（Ｉｎ－Ｐ／Ｉｎ－Ｇａ－Ａｓ＜Ｃｓ＞）、六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）若しくは六ホウ化セシウム（ＣｅＢ６）といった化合物若しくは多層膜カソード材料、例えばアンチモン－ルビジウム－セシウム（Ｓｂ－Ｒｂ－Ｃｓ）、アンチモン－カリウム－セシウム（Ｓｂ－Ｋ－Ｃｓ）若しくはアンチモン－ナトリウム－カリウム（Ｓｂ－Ｎａ－Ｋ）といった２種類のアルカリ金属を含むバイアルカリカソード材料、又は、例えばセシウム－カリウム－アンチモン（Ｃｓ－Ｋ－Ｓｂ）若しくはセシウム－カリウム－ナトリウム－アンチモン（Ｃｓ－Ｋ－Ｎａ－Ｓｂ）といった３種類以上のアルカリ金属を含むマルチアルカリカソード材料を、単層又は多層膜で数百ｎｍ程度蒸着することによって形成されている。すなわち、フォトカソード１８の表面に、上記のいずれかの材料で形成されている薄膜が位置している。薄膜の膜厚は、３００ｎｍから５００ｎｍである。レーザ光が薄膜に照射されることにより、電子が薄膜から取り出され、電子ビームが形成される。

【0056】

実施の形態１及び実施の形態２のフォトカソード１８は、実施の形態３のフォトカソード１８に置き換えられてもよい。

【0057】

三次元造形装置１Ｂの構成は、電子の取り出し方向にレーザ光２０をフォトカソード１８に照射することを可能とする構成である。三次元造形装置１Ｂの構成では、反射板又は反射ミラーを用いずにフォトカソード１８へレーザ光２０を入射させることが可能である。三次元造形装置１Ｂの構成は、フォトカソード１８の表面に対してレーザ光２０が角度を形成して入射することによって光形状が円から楕円になることを考慮することを不要とし、結果として、レーザ光学系を簡略化することができる。

【0058】

実施の形態４．
図１３は、実施の形態４に係る三次元造形装置１Ｃの構成の概略を示す図である。三次元造形装置１Ｃは、実施の形態１に係る三次元造形装置１が有するレーザ発振機１１、コリメーションレンズ１２、ＤＬＰチップ１３、フォーカスレンズ１４、コレクタ１５、フォトカソード１８、陽極１９及び造形チャンバ１１９を有する。実施の形態４では、コリメーションレンズ１２は、ＤＬＰチップ１３とフォーカスレンズ１４との間に位置する。実施の形態４では、レーザ発振機１１がレーザ光学系を構成する。実施の形態４では、レーザ発振機１１は、波長が２００ｎｍから１１００ｎｍまでのいずれかであるレーザ光２０を出力する。コリメーションレンズ１２及びフォーカスレンズ１４は、フォトカソード１８の表面についての正面に位置している。

【0059】

実施の形態４では、フォーカスレンズ１４を通過したレーザ光２０は、フォーカスレンズ１４を通過した際の進行の向きを変えることなくフォトカソード１８の表面に向かって進行する。つまり、実施の形態４では、レーザ光２０は、フォトカソード１８から電子が取り出される向きと逆の向きにフォトカソード１８の表面に照射される。更に言うと、レーザ光２０は、フォトカソード１８の表面についての正面からフォトカソード１８の表面に照射される。

【0060】

三次元造形装置１Ｃは、陽極１９によって加速された電子ビーム１０を偏向させる第１偏向コイル５１と、第１偏向コイル５１によって偏向された電子ビーム１０を更に偏向させる最終偏向コイル５２とを更に有する。第１偏向コイル５１は、電子ビーム１０が最終偏向コイル５２の内部を通るように、陽極１９によって加速された電子ビーム１０を傾斜させたり湾曲させたりする。第１偏向コイル５１及び最終偏向コイル５２は、電子の軌道を曲げるための二つ以上の偏向コイルの例である。実施の形態４では、フォトカソード１８から取り出された電子は、陽極１９で加速された後、第１偏向コイル５１及び最終偏向コイル５２を通過して造形面１１８に照射される。三次元造形装置１Ｃは、フォトカソード１８、陽極１９及び最終偏向コイル５２を制御する制御装置１１６Ｃを更に有する。

【0061】

実施の形態４では、上述の通り、レーザ光２０は、フォトカソード１８の表面についての正面からフォトカソード１８の表面に照射される。これにより、実施の形態４に係る三次元造形装置１Ｃでは、反射板、反射ミラー、及びフォトカソード１８の表面に対して傾斜した方向からレーザ光２０が入射することによる光形状の収差を抑制するための光学レンズを削減することが可能である。

【0062】

実施の形態５．
図１４は、実施の形態５に係る三次元造形装置１Ｄの構成の概略を示す図である。三次元造形装置１Ｄは、実施の形態１に係る三次元造形装置１が有するレーザ発振機１１、コリメーションレンズ１２、ＤＬＰチップ１３、フォーカスレンズ１４、コレクタ１５、フォトカソード１８、陽極１９、偏向コイル１１０、造形チャンバ１１９及び制御装置１１６を有する。実施の形態５では、レーザ発振機１１がレーザ光学系を構成する。実施の形態５では、レーザ発振機１１は、波長が１００ｎｍから１１００ｎｍまでのいずれかであるレーザ光２０を出力する。実施の形態５では、コリメーションレンズ１２は、ＤＬＰチップ１３とフォーカスレンズ１４との間に位置する。コリメーションレンズ１２及びフォーカスレンズ１４は、ＤＬＰチップ１３から出た光を集める。

【0063】

三次元造形装置１Ｄは、フォトカソード１８が格納されている電子銃室１２１Ｄを更に有する。電子銃室１２１Ｄの内部は、実施の形態１の電子銃室１２１の内部と同様に減圧される。三次元造形装置１Ｄは、レーザ発振機１１の出射口に接している筐体６１を更に有する。出射口は、レーザ発振機１１からレーザ光２０が出射される際のレーザ光２０の出口である。コリメーションレンズ１２、ＤＬＰチップ１３、フォーカスレンズ１４及びコレクタ１５は、筐体６１の内部に格納されている。つまり、実施の形態５では、コリメーションレンズ１２、ＤＬＰチップ１３、フォーカスレンズ１４及びコレクタ１５は、電子銃室１２１Ｄには位置していない。筐体６１は、電子銃室１２１Ｄから隔絶されている。

【0064】

筐体６１は、フォーカスレンズ１４を通過したレーザ光をフォトカソード１８に進行させるための保護ガラス９１を有する。保護ガラス９１は、励起用のレーザ光２０を通過させる必要があるため、波長が２００ｎｍから１１００ｎｍまでのレーザ光を透過する材料で形成されている。例えば、保護ガラス９１は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、サファイア、石英ガラス、紫外線透過ガラス又は硼硅酸ガラスで形成されている。

【0065】

筐体６１の内部には、例えば窒素（Ｎ）、アルゴン（Ａｒ）又はヘリウム（Ｈｅ）といった不活性ガスが満たされる。筐体６１の内部は大気圧以上の圧力に予圧されている。つまり、筐体６１の内部の気体の圧力は、電子銃室１２１Ｄの内部の気体の圧力より高い。ＤＬＰチップ１３は、大気圧以上の圧力に予圧された不活性ガスで覆われている。これにより、励起用のレーザ光２０のエネルギを熱としてＤＬＰチップ１３の周囲に放散させてＤＬＰチップ１３を冷却することができるため、三次元造形装置１Ｄは、実施の形態１から実施の形態４までのいずれの三次元造形装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃより高出力の励起用のレーザ光２０をフォトカソード１８に照射することができる。

【0066】

つまり、実施の形態５のフォトカソード１８へ入射する励起用のレーザ光２０の出力は、他の実施の形態のフォトカソード１８へ入射する励起用のレーザ光２０の出力より高い。したがって、実施の形態５に係る三次元造形装置１Ｄは、フォトカソード１８から取り出される電子ビーム１０の出力を他の実施の形態のフォトカソード１８から取り出される電子ビーム１０の出力より大きくすることができる。

【0067】

実施の形態５では、実施の形態１におけるビームスプリッタ１６、第１の反射板１７Ａ及び第２の反射板１７Ｂは必要とされない。したがって、実施の形態５に係る三次元造形装置１Ｄは、簡易な構成で実施の形態１に係る三次元造形装置１によって得られる効果と同等の効果を得ることができる。

【0068】

実施の形態１から実施の形態５までの各三次元造形装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄは、金属粉末材料を焼結させる予熱ビームと、金属粉末材料が焼結した後に造形物の形状に合わせて金属粉末に照射される電子ビームである造形ビームとを、１秒以下の時間で切り替えて交互に金属粉末材料に照射してもよい。これにより、三次元造形装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄは、造形面１１８の温度を一定に保ったまま造形ビームを照射することができる。予熱ビームは、金属粉末材料の帯電による反発力を抑制し、造形ビームが金属粉末材料に照射される場合の金属粉末材料が飛散することを抑制するための電子ビームである。

【0069】

実施の形態１から実施の形態５までの各三次元造形装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄは、金属粉末材料を焼結させる予熱ビームと、金属粉末材料が焼結した後に造形物の形状に合わせて金属粉末材料に照射される電子ビームである造形ビームとを、１秒以下の時間で切り替えて、調整装置の切替速度下限として１０ナノ秒、レーザ光源の切替速度に依存して１フェムト秒で交互に金属粉末材料に照射してもよい。

【0070】

図１５は、実施の形態１に係る三次元造形装置１が有する制御装置１１６がプロセッサ８１によって実現される場合のプロセッサ８１を示す図である。つまり、制御装置１１６の機能は、メモリ８２に格納されるプログラムを実行するプロセッサ８１によって実現されてもよい。プロセッサ８１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。図１５には、メモリ８２も示されている。

【0071】

制御装置１１６の機能がプロセッサ８１によって実現される場合、当該機能は、プロセッサ８１と、ソフトウェア、ファームウェア、又は、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせとによって実現される。ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ８２に格納される。プロセッサ８１は、メモリ８２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御装置１１６の機能を実現する。

【0072】

制御装置１１６の機能がプロセッサ８１によって実現される場合、三次元造形装置１は、制御装置１１６によって実行されるステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ８２を有する。メモリ８２に格納されるプログラムは、制御装置１１６をコンピュータに実行させるものであるともいえる。

【0073】

メモリ８２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等の不揮発性若しくは揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク又はＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等である。

【0074】

図１６は、実施の形態１に係る三次元造形装置１が有する制御装置１１６が処理回路８３によって実現される場合の処理回路８３を示す図である。つまり、制御装置１１６は、処理回路８３によって実現されてもよい。処理回路８３は、専用のハードウェアである。処理回路８３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又はこれらを組み合わせたものである。制御装置１１６の一部は、残部と別個の専用のハードウェアであってもよい。

【0075】

制御装置１１６の複数の機能について、当該複数の機能の一部がソフトウェア又はファームウェアで実現され、当該複数の機能の残部が専用のハードウェアで実現されてもよい。このように、制御装置１１６の複数の機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって実現することができる。

【0076】

実施の形態２に係る三次元造形装置１Ａが有する制御装置１１６Ａは、プロセッサによって実現されてもよいし、処理回路によって実現されてもよい。実施の形態４に係る三次元造形装置１Ｃが有する制御装置１１６Ｃは、プロセッサによって実現されてもよいし、処理回路によって実現されてもよい。上記のプロセッサは、プロセッサ８１と同様のプロセッサである。上記の処理回路は、処理回路８３と同様の処理回路である。

【0077】

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、構成の一部を省略又は変更することも可能である。

【符号の説明】

【0078】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 三次元造形装置、１０ 電子ビーム、１１ レーザ発振機、１２ コリメーションレンズ、１３ ＤＬＰチップ、１４ フォーカスレンズ、１５ コレクタ、１６ ビームスプリッタ、１７Ａ 第１の反射板、１７Ｂ 第２の反射板、１８ フォトカソード、１９ 陽極、２０ レーザ光、２０Ａ 予熱用のレーザ光、２０Ｂ 造形用のレーザ光、２１ 前予熱ビーム、２２ 造形ビーム、２３ 後予熱ビーム、２４ 造形エリア、２６ 予熱ビーム、２７ 造形物、３１ 第１のレーザ発振機、３２ 第１のコリメーションレンズ、３３ 第１のフォーカスレンズ、３４ 第１の反射ミラー、３５ 第２の反射ミラー、４１ 第２のレーザ発振機、４２ 第２のコリメーションレンズ、４３ 第２のフォーカスレンズ、４４ 第３の反射ミラー、４５ 第４の反射ミラー、５１ 第１偏向コイル、５２ 最終偏向コイル、６１ 筐体、８１ プロセッサ、８２ メモリ、８３ 処理回路、９１ 保護ガラス、１１０ 偏向コイル、１１１ 粉末タンク、１１２ スキージ、１１３ 粉末回収箱、１１４ ベースプレート、１１５ 昇降装置、１１６，１１６Ａ，１１６Ｃ 制御装置、１１７ 遮熱板、１１８ 造形面、１１９ 造形チャンバ、１２１，１２１Ｄ 電子銃室、１３１ ミラーアレイ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】