JP2019007072A - Three-dimensional laminated modeling apparatus and radiation position deviation detection method therefor - Google Patents

Three-dimensional laminated modeling apparatus and radiation position deviation detection method therefor Download PDF

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Abstract

To provide a three-dimensional laminated modeling apparatus capable of forming a highly accurate three-dimensional structure without being affected by the mechanical accuracy of the stage.SOLUTION: The three-dimensional laminated modeling apparatus includes a stage, a reference member, and an electron detector. The stage supports a modeling container accommodating a powder material and changes its height together with the lamination of the powder material to keep the surface position of the powder material at a constant height. The reference member indicates a position in the horizontal direction of the stage by generating a predetermined reflected electron signal with respect to an electron beam set on the stage and focused and scanned on the surface of the powder material. The electron detector detects an electron signal reflected from the reference member.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、粉末材料に電子ビームを照射して造形を行う三次元積層造形装置及びその照射位置ずれ検出方法に関する。   The present invention relates to a three-dimensional layered modeling apparatus that performs modeling by irradiating a powder material with an electron beam, and an irradiation position deviation detection method thereof.

三次元積層造形装置は、粉末材料の表面に電子ビーム等のエネルギービームを照射して、所定形状の領域を溶融凝固させて断面層を形成しつつ、その断面層を積み重ねることで三次元的な構造物を造形する。   The three-dimensional additive manufacturing apparatus irradiates the surface of the powder material with an energy beam such as an electron beam, melts and solidifies a region of a predetermined shape to form a cross-sectional layer, and stacks the cross-sectional layers in a three-dimensional manner. Model the structure.

造形物は粉末材料と共に造形容器に収められ、その造形容器の底部に設けられたステージによって支持される。ステージは鉛直方向（Ｚ方向）に移動可能となっている。そして、造形物の断面層を積層させる際には、堆積させる粉末材料の厚みの高さだけステージをＺ方向に繰り下げることで粉末材料の表面の高さを一定に保ちながら造形を行う。   The modeled object is stored in a modeling container together with the powder material, and is supported by a stage provided at the bottom of the modeling container. The stage is movable in the vertical direction (Z direction). And when laminating the cross-sectional layers of the modeling object, modeling is performed while keeping the height of the surface of the powder material constant by lowering the stage in the Z direction by the height of the thickness of the powder material to be deposited.

特開２０１５−１５１５６６号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-151666 特開２０１５−１５７４２０号公報JP2015-157420A

従来の三次元積層造形装置では、ステージの送り機構の機械的な精度の制約や、ステージの送り機構の移動軸の傾きによって、ステージの水平方向の位置に意図せぬ変位が生じ、照射位置にずれが生じるおそれがあった。   In conventional three-dimensional additive manufacturing equipment, unintentional displacement occurs in the horizontal position of the stage due to mechanical precision limitations of the stage feed mechanism and the tilt of the movement axis of the stage feed mechanism, and the irradiation position is There was a risk of deviation.

そのため、三次元構造物の精度は、ステージの機械的な精度によって制約されてしまうという問題がある。   Therefore, there is a problem that the accuracy of the three-dimensional structure is limited by the mechanical accuracy of the stage.

下記の開示の一観点によれば、造形容器に収容された粉末材料を支持するとともに前記粉末材料の積層と共に高さを変化させることで粉末材料の表面位置を一定の高さに保つステージと、前記ステージ上に設置され前記粉末材料の表面に焦点合わせて走査された電子ビームに対して所定の反射電子信号を発生させることで前記粉末材料の表面における照射位置のずれ量を示す基準部材と、前記基準部材から反射される反射電子信号を検出する電子検出器と、を備えた三次元積層造形装置が提供される。   According to one aspect of the following disclosure, a stage that supports the powder material accommodated in the modeling container and maintains the surface position of the powder material at a constant height by changing the height together with the lamination of the powder material; A reference member that indicates a deviation amount of an irradiation position on the surface of the powder material by generating a predetermined reflected electron signal with respect to an electron beam that is placed on the stage and scanned by focusing on the surface of the powder material; There is provided a three-dimensional additive manufacturing apparatus comprising: an electron detector that detects a reflected electron signal reflected from the reference member.

また、上記観点に三次元積層造形装置の照射位置ずれ検出方法であって、前記電子ビームの焦点を前記粉末材料の表面に合わせるステップと、前記粉末材料の表面に合わせた電子ビームで前記基準部材を走査しつつ反射電子を検出するステップと、前記反射電子の検出量の変化から前記粉末材料の表面の位置における前記基準部材の位置を検出するステップと、前記基準部材の初期位置と前記基準部材の位置の検出値と差から前記粉末材料の表面における照射位置のずれ量を検出するステップと、を有する照射位置ずれ検出方法が提供される。   Further, according to the above aspect, there is provided an irradiation position deviation detection method for a three-dimensional additive manufacturing apparatus, the step of focusing the electron beam on the surface of the powder material, and the reference member using an electron beam aligned with the surface of the powder material Detecting the reflected electrons while scanning, detecting the position of the reference member at the position of the surface of the powder material from the change in the detected amount of the reflected electrons, the initial position of the reference member, and the reference member And a step of detecting a deviation amount of the irradiation position on the surface of the powder material from the difference between the detected value and the position of the irradiation position.

上記観点の三次元積層造形装置によれば、基準部材を用いることにより、ステージの位置ずれや傾きによって生じる粉末材料の表面の高さにおける照射位置のずれ量を検出できる。   According to the three-dimensional additive manufacturing apparatus of the above aspect, by using the reference member, it is possible to detect the amount of deviation of the irradiation position at the height of the surface of the powder material caused by the position deviation or inclination of the stage.

この照射位置ずれの値が得られれば電子ビームの照射位置の補正が可能となり、ステージの機械的な精度に制約されることなく、高い精度で三次元構造物を造形できる。   If this irradiation position deviation value is obtained, the irradiation position of the electron beam can be corrected, and a three-dimensional structure can be formed with high accuracy without being restricted by the mechanical accuracy of the stage.

なお、上記の発明の概要は、本発明に必須な特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。   The summary of the present invention does not enumerate all the features essential to the present invention. A sub-combination of these feature groups can also be an invention.

図１は、第１実施形態に係る三次元積層造形装置１００の構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a three-dimensional additive manufacturing apparatus 100 according to the first embodiment. 図２は、造形容器７３、基準部材９０及び校正マーク６７、ならびに粉末供給部６４の配置位置の例を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view illustrating an example of arrangement positions of the modeling container 73, the reference member 90, the calibration mark 67, and the powder supply unit 64. FIG. 図３は、図２の造形容器７３、基準部材９０、及び校正マーク６７をＡ-Ａ線に沿って示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing the modeling container 73, the reference member 90, and the calibration mark 67 of FIG. 2 along the line AA. 図４は、基準部材９０と電子検出器１５の配置関係を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing the positional relationship between the reference member 90 and the electron detector 15. 図５は、図３の基準部材９０のナイフエッジ付近を拡大して示す断面図である。FIG. 5 is an enlarged sectional view showing the vicinity of the knife edge of the reference member 90 of FIG. 図６は、図３の基準部材９０のナイフエッジ９１に対して、電子ビームをＹ軸方向と略平行に走査する走査方法の例を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing an example of a scanning method for scanning an electron beam substantially parallel to the Y-axis direction with respect to the knife edge 91 of the reference member 90 of FIG. 図７は、図６のＹ方向に走査する電子ビームの照射位置と反射電子信号の関係を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a relationship between an irradiation position of an electron beam scanned in the Y direction in FIG. 6 and a reflected electron signal. 図８は、反射電子信号の変化率の最大値とそれに基づく基準部材９０の基準位置（ナイフエッジ位置）の検出方法の例を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a method for detecting the maximum value of the change rate of the reflected electron signal and the reference position (knife edge position) of the reference member 90 based on the maximum value. 図９は、図１の三次元積層造形装置１００の動作を示すフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart showing the operation of the three-dimensional additive manufacturing apparatus 100 of FIG. 図１０は、図９のステージ移動に起因する照射位置ずれ量の測定及び電子ビームの照射位置の補正の方法を示すフローチャートである。FIG. 10 is a flowchart showing a method for measuring the irradiation position deviation due to the stage movement of FIG. 9 and correcting the irradiation position of the electron beam. 図１１は、第２実施形態に係る基準部材１９０の斜視図である。FIG. 11 is a perspective view of the reference member 190 according to the second embodiment.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.

（第１実施形態）
図１は、実施形態に係る三次元積層造形装置１００の構成例を示す図であり、図２は三次元積層造形装置１００の構成部材である、造形容器７３、基準部材９０および校正マーク６７、ならびに粉末供給部６４の配置位置の例を示す平面図である。 (First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a three-dimensional additive manufacturing apparatus 100 according to the embodiment, and FIG. 2 is a constituent member of the three-dimensional additive manufacturing apparatus 100, which is a modeling container 73, a reference member 90, and a calibration mark 67. And it is a top view which shows the example of the arrangement position of the powder supply part 64. FIG.

三次元積層造形装置１００は、電子ビームカラム２００、造形部３００、及び制御部４００を備える。   The three-dimensional layered modeling apparatus 100 includes an electron beam column 200, a modeling unit 300, and a control unit 400.

三次元積層造形装置１００の電子ビームカラム２００からは、電子ビームＥＢが出力される。その電子ビームＥＢは制御部４００が出力する制御信号によって制御され、造形部３００に設置された粉末層６２の表面６３の所定範囲に照射される。   An electron beam EB is output from the electron beam column 200 of the three-dimensional additive manufacturing apparatus 100. The electron beam EB is controlled by a control signal output from the control unit 400 and is irradiated onto a predetermined range of the surface 63 of the powder layer 62 installed in the modeling unit 300.

粉末層６２は、例えば金属材料の粉末からなり、電子ビームＥＢで照射することによって溶融凝固して断面層６５が形成される。その断面層６５を積層してゆくことによって三次元構造物６６の造形を行う。   The powder layer 62 is made of, for example, a metal material powder, and is melted and solidified by irradiation with an electron beam EB to form a cross-sectional layer 65. The three-dimensional structure 66 is formed by laminating the cross-sectional layers 65.

電子ビームカラム２００には、電子ビームＥＢを出力する電子源１２が設けられている。電子源１２は、熱又は電界の作用によって電子を発生させる。電子源１２から発生した電子は、予め定められた加速電圧（一例として、６０ＫＶ）で、−Ｚ方向に加速され、光軸Ｃに沿って電子ビームＥＢとして出力される。なお、電子源１２は、複数あってもよい。   The electron beam column 200 is provided with an electron source 12 that outputs an electron beam EB. The electron source 12 generates electrons by the action of heat or an electric field. Electrons generated from the electron source 12 are accelerated in the −Z direction at a predetermined acceleration voltage (for example, 60 KV) and output as an electron beam EB along the optical axis C. There may be a plurality of electron sources 12.

このようにして電子源１２から出力された電子ビームＥＢは、電磁レンズ１３によって収束される。電磁レンズ１３は、例えば電子ビームカラム２００内に巻き回された複数段の電磁コイルよりなり、制御部４００によって制御された電流を流すことによって、電磁レンズ１３のレンズ強度を設定する。造形を行う際には、照射位置に応じてあらかじめ設定されたレンズ強度に基づいて、電子ビームＥＢは、常に粉末層６２の表面６３の高さで収束するように制御される。   The electron beam EB output from the electron source 12 in this way is converged by the electromagnetic lens 13. The electromagnetic lens 13 is composed of, for example, a plurality of electromagnetic coils wound around the electron beam column 200, and sets the lens strength of the electromagnetic lens 13 by flowing a current controlled by the control unit 400. When performing modeling, the electron beam EB is controlled so as to always converge at the height of the surface 63 of the powder layer 62 based on the lens strength set in advance according to the irradiation position.

電磁レンズ１３によって収束される電子ビームＥＢは、電磁偏向器１４によって偏向されて所定の照射位置に照射される。電磁偏向器１４はＸ方向及びＹ方向の偏向に係る２組の偏向コイルを備えている。制御部４００は、これらの偏向コイルに流す電流の大きさを設定することによって、電子ビームＥＢの照射位置を設定する。   The electron beam EB converged by the electromagnetic lens 13 is deflected by the electromagnetic deflector 14 and applied to a predetermined irradiation position. The electromagnetic deflector 14 includes two sets of deflection coils for deflection in the X direction and the Y direction. The controller 400 sets the irradiation position of the electron beam EB by setting the magnitude of the current flowing through these deflection coils.

制御部４００は、造形データをもとに、粉末層６２の表面６３における電子ビームの照射位置を設定する。そして、電磁偏向器１４のＸ方向及びＹ方向の偏向に係る２組の偏向コイルに電流を出力し、断面層６５の部分を電子ビームＥＢで照射しつつ走査させる。   The control unit 400 sets the irradiation position of the electron beam on the surface 63 of the powder layer 62 based on the modeling data. Then, current is output to the two sets of deflection coils related to the deflection in the X direction and the Y direction of the electromagnetic deflector 14, and the portion of the cross-sectional layer 65 is scanned while being irradiated with the electron beam EB.

造形部３００には、粉末材料を収容する造形容器７３を備えている。この造形容器７３は、ステージ７２と側壁７３ａとを有しており、その側壁７３ａに囲まれた部分に粉末供給部６４から粉末材料が供給される。粉末供給部６４は、図２に示すように例えばＸ方向に駆動する駆動部６４ａによって所定の可動範囲を往復移動する。粉末材料は粉末供給部６４の摺り切り動作によって平坦化されて、ステージ７２の上面と略平行な粉末層６２を形成する。粉末層６２の上面であって、電子ビームで照射される面を表面６３と呼ぶ。   The modeling unit 300 includes a modeling container 73 that stores a powder material. The modeling container 73 includes a stage 72 and a side wall 73a, and a powder material is supplied from a powder supply unit 64 to a portion surrounded by the side wall 73a. As shown in FIG. 2, the powder supply unit 64 reciprocates within a predetermined movable range by a drive unit 64a that is driven in the X direction, for example. The powder material is flattened by the scraping operation of the powder supply unit 64 to form a powder layer 62 substantially parallel to the upper surface of the stage 72. The upper surface of the powder layer 62 that is irradiated with the electron beam is referred to as a surface 63.

ステージ７２の高さは、駆動部７７と駆動棒７６とによってＺ軸方向に可動となっている。ステージ７２のＺ軸方向の高さは、三次元構造物６６を覆う粉末層６２の表面６３が電子ビームＥＢで照射されるときに一定の高さになるように設定される。   The height of the stage 72 is movable in the Z-axis direction by the drive unit 77 and the drive rod 76. The height of the stage 72 in the Z-axis direction is set so as to be a constant height when the surface 63 of the powder layer 62 covering the three-dimensional structure 66 is irradiated with the electron beam EB.

電子ビームの照射によって溶融凝固された粉末層６２の一部は断面層６５を形成し、三次元構造物６６に積層される。積層される断面層６５以外の粉末層６２は、三次元構造物６６の周りに粉末材料のまま蓄積される。   A part of the powder layer 62 melted and solidified by the electron beam irradiation forms a cross-sectional layer 65 and is laminated on the three-dimensional structure 66. The powder layer 62 other than the cross-sectional layer 65 to be laminated is accumulated as a powder material around the three-dimensional structure 66.

造形容器７３の周囲にはヒーター７８が設けられており、粉末材料及び三次元構造物６６を粉末材料の融点以下の所定の温度に加熱することで、三次元構造物６６の熱歪による変形や精度の低下を防ぐ。   A heater 78 is provided around the modeling container 73. By heating the powder material and the three-dimensional structure 66 to a predetermined temperature below the melting point of the powder material, the deformation of the three-dimensional structure 66 due to thermal strain is reduced. Prevent loss of accuracy.

造形容器７３の上端部の周辺には、校正マーク６７が設けられている。この校正マーク６７は、造形容器７３の縁の位置を示すとともに、電磁偏向器１４の偏向範囲を設定し、照射位置を校正するために用いられる。   A calibration mark 67 is provided around the upper end of the modeling container 73. This calibration mark 67 indicates the position of the edge of the modeling container 73, is used for setting the deflection range of the electromagnetic deflector 14 and calibrating the irradiation position.

電子ビームカラム２００の底部には、複数の電子検出器１５が設けられている。電子検出器１５は、偏向範囲決定用の校正マーク６７から反射された反射電子を検出する。また、電子検出器１５は、後に説明する基準部材９０によるステージ７２の位置の検出にも利用される。   A plurality of electron detectors 15 are provided at the bottom of the electron beam column 200. The electron detector 15 detects the reflected electrons reflected from the calibration mark 67 for determining the deflection range. The electron detector 15 is also used for detecting the position of the stage 72 by a reference member 90 described later.

電子ビームＥＢが通過する電子ビームカラム２００の内部空間、および電子ビームＥＢによって照射される粉末層６２の表面付近の空間は所定の真空度に排気される。電子ビームＥＢは、大気中では気体分子と衝突してエネルギーを失ってしまうからである。三次元積層造形装置１００は、電子ビームＥＢの通過経路を排気するために排気ユニット８０を備える。   The internal space of the electron beam column 200 through which the electron beam EB passes and the space near the surface of the powder layer 62 irradiated by the electron beam EB are evacuated to a predetermined degree of vacuum. This is because the electron beam EB loses energy by colliding with gas molecules in the atmosphere. The three-dimensional additive manufacturing apparatus 100 includes an exhaust unit 80 for exhausting the passage path of the electron beam EB.

図３は、造形容器７３、基準部材９０、及び校正マーク６７を図２のＡＡ線に沿って切断して示す断面図である。   3 is a cross-sectional view of the modeling container 73, the reference member 90, and the calibration mark 67 cut along the line AA in FIG.

基準部材９０は、側部を電子ビームＥＢで走査することにより所定の反射信号を出力して、粉末材料の表面の高さにおける基準位置を示す。粉末材料の表面の高さにおける基準位置は、ステージ７２の位置ずれや傾きを反映したものであり、照射位置のずれ量の検出に利用できる。   The reference member 90 outputs a predetermined reflected signal by scanning the side portion with the electron beam EB, and indicates the reference position at the height of the surface of the powder material. The reference position in the height of the surface of the powder material reflects the positional deviation and inclination of the stage 72, and can be used for detecting the deviation amount of the irradiation position.

以下、本実施形態の基準部材９０とその設置部分の構造について説明する。   Hereinafter, the structure of the reference member 90 of this embodiment and its installation part will be described.

図２に示すように、粉末供給部６４と干渉しない部分のステージ７２には、基準部材９０が設置されている。特に限定されるものではないが、本実施形態において基準部材９０は、造形容器７３の側壁７３ａの外側に設置されている。   As shown in FIG. 2, a reference member 90 is installed on a portion of the stage 72 that does not interfere with the powder supply unit 64. Although not particularly limited, in the present embodiment, the reference member 90 is installed outside the side wall 73 a of the modeling container 73.

図３に示すように、ステージ７２は、造形容器７３の側壁７３ａに囲まれた部分の底部を構成する造形物支持部７２ａと、造形容器７３の側壁７３ａの外側に位置する基準部材設置部７２ｂとを有しており、造形物支持部７２ａと基準部材設置部７２ｂとはステージ７２の下方で分岐した支柱７６を介して一体的に繋がっている。なお、造形物支持部７２ａと基準部材設置部７２ｂとを区別しないときには、両方合わせてステージ７２と呼ぶことにする。造形物支持部７２ａと基準部材設置部７２ｂとは、平行であって同じ高さに形成されている。   As shown in FIG. 3, the stage 72 includes a modeling object support 72 a that forms the bottom of the portion surrounded by the side wall 73 a of the modeling container 73, and a reference member installation unit 72 b that is positioned outside the side wall 73 a of the modeling container 73. The modeling object support part 72a and the reference member installation part 72b are integrally connected via a support column 76 that is branched below the stage 72. In addition, when not distinguishing the modeling object support part 72a and the reference member installation part 72b, both will be called the stage 72 collectively. The modeled object support part 72a and the reference member installation part 72b are parallel and formed at the same height.

造形物支持部７２ａはシール部材７４ａを介して造形容器７３の側壁７３ａと接する。また、基準部材設置部７２ｂはシール部材７４ｂを介して造形容器７３の側壁７３ａ及び造形部の側壁７３ｂと接する。シール部材７４ａ及びシール部材７４ｂは、ステージ７２と側壁７３ａ、７３ｂとの間で金属粉末や空気が漏れることを防止するシール部材である。また、ステージ７２は、シール部材７４ａ、７４ｂを介して側壁７３ａ、７３ｂと接することにより、ステージ７２の側方（Ｘ方向及びＹ方向）への移動が規制されている。
このようにして、ステージ７２はシール部材７４ａ、７４ｂを介して側壁７３ａ、７３ｂによって支持されつつ上下方向（Ｚ方向）に移動する。 The modeling object support part 72a contacts the side wall 73a of the modeling container 73 through the seal member 74a. Further, the reference member installation portion 72b contacts the side wall 73a of the modeling container 73 and the side wall 73b of the modeling unit via the seal member 74b. The seal member 74a and the seal member 74b are seal members that prevent metal powder and air from leaking between the stage 72 and the side walls 73a and 73b. Further, the stage 72 is in contact with the side walls 73a and 73b via the seal members 74a and 74b, so that the movement of the stage 72 in the lateral direction (X direction and Y direction) is restricted.
In this manner, the stage 72 moves in the vertical direction (Z direction) while being supported by the side walls 73a and 73b via the seal members 74a and 74b.

しかしながら、ステージ７２と側壁７３ａ、７３ｂとの機械的な精度によるガタツキや熱膨張による精度低下が生じることがあり、造形している間にステージ７２に位置ずれや傾きが生じるおそれもある。   However, backlash due to mechanical accuracy between the stage 72 and the side walls 73a and 73b or a decrease in accuracy due to thermal expansion may occur, and the stage 72 may be displaced or tilted during modeling.

このようなステージ７２の位置ずれや傾きが生じると、粉末層６２の高さで形成され、三次元構造物６６の一部となる断面層６５に、ＸＹ面内方向の位置ずれが生じて、三次元構造物６６の表面に段差が現れたり、造形物６６がステージ７２の傾斜に合わせて傾斜したりしてしまうことがある。このように、従来の三次元積層造形装置では、三次元構造物の精度は、ステージ７２の機械的な精度によって制約されてしまうという問題があった。   When such a positional deviation or inclination of the stage 72 occurs, a positional deviation in the XY plane direction occurs in the cross-sectional layer 65 that is formed at the height of the powder layer 62 and is a part of the three-dimensional structure 66, A step may appear on the surface of the three-dimensional structure 66, or the modeled object 66 may be inclined in accordance with the inclination of the stage 72. As described above, the conventional three-dimensional additive manufacturing apparatus has a problem that the accuracy of the three-dimensional structure is restricted by the mechanical accuracy of the stage 72.

そこで本実施形態では、ステージ７２の位置ずれや傾きによる造形物６６の精度低下を防ぐために、ステージ７２の上面に固定された基準部材９０を用いて粉末層６２の表面位置６３における照射位置のずれ量を検出する。   Therefore, in the present embodiment, in order to prevent the accuracy of the model 66 from being lowered due to the positional deviation or inclination of the stage 72, the deviation of the irradiation position at the surface position 63 of the powder layer 62 using the reference member 90 fixed to the upper surface of the stage 72. Detect the amount.

予め決まった形状を有する基準部材９０は、ステージ７２の一部である基準部材設置部７２ｂの上面に固定され、ステージ７２と一体的にＺ軸方向に移動する。ステージ７２の位置ずれ及び傾きが発生している場合、その影響を受けて基準部材９０は、粉末層６２の表面６３の高さでＸＹ面内方向に位置ずれする。三次元積層造形装置１００は、粉末層６２の表面６３と同じＺ軸方向の高さで、基準部材９０の所定の構造のＸＹ方向位置（基準位置と呼ぶ）を電子ビームＥＢを用いて測定する。そして、ステージ７２の位置ずれ及び傾きに起因する上記の位置ずれ量を、電子ビームの照射位置のずれ量として検出する。   The reference member 90 having a predetermined shape is fixed to the upper surface of the reference member installation portion 72b that is a part of the stage 72, and moves integrally with the stage 72 in the Z-axis direction. If the stage 72 is displaced and tilted, the reference member 90 is displaced in the XY in-plane direction at the height of the surface 63 of the powder layer 62 due to the influence. The three-dimensional additive manufacturing apparatus 100 measures the XY direction position (referred to as a reference position) of a predetermined structure of the reference member 90 using the electron beam EB at the same height in the Z-axis direction as the surface 63 of the powder layer 62. . Then, the above-described positional shift amount due to the positional shift and tilt of the stage 72 is detected as a shift amount of the irradiation position of the electron beam.

基準部材９０の長さは、ステージ７２を最も下げた場合であっても、その上端部が粉末層６２の表面よりも高い位置するべく、ステージ７２の可動範囲よりも長く形成されている。そして、基準部材９０の側部には、粉末層６２の表面に焦点合わせした電子ビームＥＢで走査したときに特徴的な反射電子信号を出力する基準部材９０の構造の一例としてナイフエッジ９１（図４参照）が形成されている。   The length of the reference member 90 is longer than the movable range of the stage 72 so that the upper end of the reference member 90 is positioned higher than the surface of the powder layer 62 even when the stage 72 is lowered most. As an example of the structure of the reference member 90 that outputs a characteristic reflected electron signal when scanned with the electron beam EB focused on the surface of the powder layer 62, a knife edge 91 (see FIG. 4) is formed.

したがって、粉末層６２の高さよりも上に伸び出た基準部材９０の側部を電子ビームＥＢで走査することで、ステージ７２の上面をＺ軸方向に移動させた場合に対応する基準位置を検出できる。   Accordingly, by scanning the side portion of the reference member 90 extending above the height of the powder layer 62 with the electron beam EB, the reference position corresponding to the case where the upper surface of the stage 72 is moved in the Z-axis direction is detected. it can.

このように、基準部材９０の上端が粉末層６２よりも高い位置にあるため、ステージ７２の繰り下げ量にかかわらず、常に基準部材９０の側部が表れ、ステージ７２の高さの変化にかかわらずにステージ７２の位置ずれ及び傾きに起因する電子ビームの照射位置のずれを検出できる。   Thus, since the upper end of the reference member 90 is higher than the powder layer 62, the side portion of the reference member 90 always appears regardless of the amount by which the stage 72 is lowered, and regardless of the change in the height of the stage 72. In addition, it is possible to detect the displacement of the irradiation position of the electron beam due to the displacement and inclination of the stage 72.

基準部材９０のナイフエッジ９１は、ステージ７２の表面に対して所定角度で上方に伸びていればよい。あらかじめ決まった形状を有する基準部材９０は、ステージ７２の表面からの高さに依存して、決まったエッジ位置を有することになるからである。以降の明細書では、基準部材９０は、ステージ７２の表面に対して垂直に延びるナイフエッジ９１を有する場合について説明する。   The knife edge 91 of the reference member 90 only needs to extend upward at a predetermined angle with respect to the surface of the stage 72. This is because the reference member 90 having a predetermined shape has a predetermined edge position depending on the height from the surface of the stage 72. In the following specification, a case where the reference member 90 has a knife edge 91 extending perpendicularly to the surface of the stage 72 will be described.

図４は、基準部材９０と電子検出器１５を示す斜視図である。   FIG. 4 is a perspective view showing the reference member 90 and the electron detector 15.

図４に示す基準部材９０は、三角柱として形成されており、ステージ７２の上面に垂直な向きに固定されている。基準部材９０の側部にはＺ方向に平行な３つの平面があり、それらの平面同士は鋭角又は直角を為して接している。本実施形態では、これらの平面の接する辺の何れか一つをナイフエッジ９１として基準位置を指示する標識として用いる。   The reference member 90 shown in FIG. 4 is formed as a triangular prism, and is fixed in a direction perpendicular to the upper surface of the stage 72. There are three planes parallel to the Z direction on the side of the reference member 90, and these planes are in contact with each other at an acute angle or a right angle. In the present embodiment, any one of the sides in contact with these planes is used as a marker for indicating the reference position as the knife edge 91.

基準部材９０のナイフエッジ９１は、側面９１ａ及び側面９１ｂに挟まれた辺として形成されている。基準部材９０はステージ７２上に設定された水平方向（ＸＹ方向）の位置の基準として設定された基準座標（Ｘ０，Ｙ０）にナイフエッジ９１が一致するように位置決めされて固定されている。   The knife edge 91 of the reference member 90 is formed as a side sandwiched between the side surface 91a and the side surface 91b. The reference member 90 is positioned and fixed so that the knife edge 91 coincides with the reference coordinates (X0, Y0) set as a reference for the position in the horizontal direction (XY direction) set on the stage 72.

図示のように、基準部材９０のナイフエッジ９１は電子ビームＥＢで走査させたときに特徴的な反射電子信号を出力させるべく、電子ビームＥＢの光軸Ｃを向くように配置されている。なお、ナイフエッジ９１を為す角の中心は、必ずしも電子ビームＥＢの光軸Ｃを向いている必要はない。   As shown in the figure, the knife edge 91 of the reference member 90 is arranged to face the optical axis C of the electron beam EB so as to output a characteristic reflected electron signal when scanned with the electron beam EB. Note that the center of the angle forming the knife edge 91 does not necessarily have to face the optical axis C of the electron beam EB.

また、基準部材９０の向きは、ナイフエッジ９１付近を電子ビームＥＢで照射した際に、ナイフエッジ９１に隣接する２つの側面９１ａ、９１ｂが電子ビームＥＢで照射することができ、且つ電子検出器１５から見て側面９１ａ、９１ｂがナイフエッジ９１の陰に隠れない向きに配置すると好適である。   Further, the direction of the reference member 90 is such that, when the vicinity of the knife edge 91 is irradiated with the electron beam EB, the two side surfaces 91a and 91b adjacent to the knife edge 91 can be irradiated with the electron beam EB, and the electron detector It is preferable that the side surfaces 91 a and 91 b as viewed from 15 are arranged in a direction not hidden behind the knife edge 91.

反射電子は電子ビームＥＢの入射方向と逆向きに放出されるものが多いため、電子検出器１５は、図示のように基準部材９０のナイフエッジ９１と対向する向きに配置することが好ましい。これにより、電子ビームＥＢがナイフエッジ９１を横切る際に反射電信号に生じる特徴的な強度変化を電子検出器１５で検出することができ、ナイフエッジ９１の位置の検出に好適である。   Since many of the reflected electrons are emitted in a direction opposite to the incident direction of the electron beam EB, the electron detector 15 is preferably arranged in a direction facing the knife edge 91 of the reference member 90 as shown. Thus, a characteristic intensity change that occurs in the reflected electric signal when the electron beam EB crosses the knife edge 91 can be detected by the electron detector 15, which is suitable for detecting the position of the knife edge 91.

図５は、図４の基準部材９０をＸＹ平面に沿って切断し、ナイフエッジ９１の先端付近を拡大して示す断面図である。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing the reference member 90 of FIG. 4 along the XY plane and enlarging the vicinity of the tip of the knife edge 91.

ナイフエッジ９１の先端は必ずしも鋭利な刃先のように形成する必要はなく、図５に示すように、電子ビームＥＢの焦点位置でのビーム径よりも狭い幅の平坦な先端部９１ｄとして形成してもよい。このような形状とした場合であっても、反射電子信号への影響はわずかである一方でナイフエッジ９１が破損しにくくなり好適である。   The tip of the knife edge 91 does not necessarily have to be formed like a sharp cutting edge, and as shown in FIG. 5, it is formed as a flat tip 91d having a width narrower than the beam diameter at the focal position of the electron beam EB. Also good. Even in the case of such a shape, the influence on the reflected electron signal is small, but the knife edge 91 is not easily damaged, which is preferable.

特に限定されるものではないが、平坦部９１ｄの幅は、例えば幅５０μｍ程度又はそれ以下とすることができる。また、ナイフエッジ９１に隣接する２つの側面９１ａ、９１ｂの開き角は、９０度以下とすると好適である。このような角度条件に設定することで、ナイフエッジ９１を横切るように電子ビームＥＢを照射した際の強度変化が明確に表れて基準位置の検出精度を高めることができる。   Although not particularly limited, the width of the flat portion 91d can be, for example, about 50 μm or less. In addition, it is preferable that the opening angle between the two side surfaces 91a and 91b adjacent to the knife edge 91 is 90 degrees or less. By setting such an angle condition, the intensity change when the electron beam EB is irradiated so as to cross the knife edge 91 appears clearly, and the detection accuracy of the reference position can be improved.

基準部材９０は、ステージ７２上に距離を開けて複数本設けてもよい。複数本の基準部材９０を設けることにより、局所的な歪や収縮膨張を含めたより複雑な照射位置のずれの検出も可能となる。   A plurality of reference members 90 may be provided on the stage 72 at a distance. By providing a plurality of reference members 90, it is possible to detect a more complicated displacement of the irradiation position including local distortion and contraction / expansion.

なお、基準部材９０は図４に示すような三角柱に限定されるものではなく、ナイフエッジが表れているのであれば、断面が四角形や多角形の角柱状であってもよい。   Note that the reference member 90 is not limited to the triangular prism as shown in FIG. 4, and may have a quadrangular or polygonal prism shape as long as a knife edge appears.

以下、粉末層６２の表面におけるナイフエッジ９１の位置の検出方法について説明する。   Hereinafter, a method for detecting the position of the knife edge 91 on the surface of the powder layer 62 will be described.

図６は、図４の基準部材９０のナイフエッジ９１による基準位置の検出方法を示す斜視図であり、図７は電子ビームＥＢの走査に伴う基準部材９０の反射電子信号の強度の変化を示す図である。   6 is a perspective view showing a method of detecting the reference position by the knife edge 91 of the reference member 90 of FIG. 4, and FIG. 7 shows the change in the intensity of the reflected electron signal of the reference member 90 accompanying the scanning of the electron beam EB. FIG.

ナイフエッジ９１による基準位置の検出は、粉末層６２に対する電子ビームＥＢを照射して断面層６５を形成する前に行うことで、ステージ７２の平面方向の位置ずれや、傾きを検出する。   The detection of the reference position by the knife edge 91 is performed before the cross-sectional layer 65 is formed by irradiating the powder layer 62 with the electron beam EB, thereby detecting the positional deviation or inclination of the stage 72 in the planar direction.

そのためには、基準部材９０のナイフエッジ９１の中でも、高さ方向（Ｚ方向）の位置が粉末層６２の表面６３の高さと一致する部分のナイフエッジ９１のＸ方向及びＹ方向の位置座標を検出することが求められる。   For this purpose, among the knife edges 91 of the reference member 90, the position coordinates in the X direction and the Y direction of the knife edge 91 at the position where the position in the height direction (Z direction) coincides with the height of the surface 63 of the powder layer 62 are obtained. It is required to detect.

そこで、本実施形態ではナイフエッジ９１の走査に先立って、電子ビームＥＢの焦点位置を粉末層６２の表面６３の高さに合わせておく。   Therefore, in this embodiment, prior to the scanning of the knife edge 91, the focal position of the electron beam EB is adjusted to the height of the surface 63 of the powder layer 62.

つぎに、図６に示すように電子ビームＥＢをナイフエッジ９１の周辺で走査させる。なお、図示の例では、基準部材９０のＸ方向を向いたナイフエッジ９１を利用して基準位置を検出する例で説明するが、これに限られるものではない。   Next, the electron beam EB is scanned around the knife edge 91 as shown in FIG. In the illustrated example, an example in which the reference position is detected using the knife edge 91 facing the X direction of the reference member 90 will be described, but the present invention is not limited to this.

破線で示す面は、電子ビームＥＢの焦点位置である粉末層６２の表面６３と同じ高さの面を示している。電子ビームＥＢは、常に表面６３の位置に焦点が合わされた状態で走査を行う。   A surface indicated by a broken line indicates a surface having the same height as the surface 63 of the powder layer 62 that is the focal position of the electron beam EB. The electron beam EB scans in a state where the position of the surface 63 is always focused.

図示の例の場合では、電子ビームＥＢを＋Ｙ方向に連続的に移動させてナイフエッジ９１を横切るように走査させた後、−Ｘ方向又は＋Ｘ方向に所定の送り距離ΔＸだけ移動させる。その後、電子ビームＥＢを−Ｙ方向に連続的に走査させてナイフエッジ９１を横切るように移動させる。   In the case of the illustrated example, the electron beam EB is continuously moved in the + Y direction, scanned across the knife edge 91, and then moved in the −X direction or the + X direction by a predetermined feed distance ΔX. Thereafter, the electron beam EB is continuously scanned in the −Y direction to move across the knife edge 91.

以上のような走査を、Ｘ方向に複数回移動させながら繰り返す。   The above scanning is repeated while moving a plurality of times in the X direction.

１回の走査において、基準部材９０から放出される反射電子の強度は、電子検出器１５と基準部材９０の側面９１ａ、９１ｂとのなす角度に応じて変化する。その走査において、電子ビームＥＢがナイフエッジ９１を通過するときに反射電子の強度が大きく変化する。   In one scan, the intensity of the reflected electrons emitted from the reference member 90 changes according to the angle formed by the electron detector 15 and the side surfaces 91a and 91b of the reference member 90. In the scanning, the intensity of the reflected electrons changes greatly when the electron beam EB passes through the knife edge 91.

図中のＰ１に示す位置で走査した場合には、電子ビームＥＢの照射位置の移動に伴って、最初に図中の手前の側面９１ａから放出された反射電子が電子検出器１５によって検出される。その後、ナイフエッジ９１を経て図中の奥側の面９１ｂから放出された反射電子が電子検出器１５（図４参照）によって検出される。ナイフエッジ９１では、電子ビームＥＢが通過する際に反射電子に大きな強度変化が生じる。   When scanning is performed at the position indicated by P1 in the drawing, the electron detector 15 first detects the reflected electrons emitted from the front side surface 91a in the drawing as the irradiation position of the electron beam EB is moved. . Thereafter, reflected electrons emitted from the inner surface 91b through the knife edge 91 are detected by the electron detector 15 (see FIG. 4). At the knife edge 91, a large intensity change occurs in the reflected electrons when the electron beam EB passes through.

その結果、図７の符号Ｐ１のような反射電信号が得られる。   As a result, a reflected electric signal as indicated by reference numeral P1 in FIG. 7 is obtained.

図７において、符号Ｐ１におけるＸ方向の走査位置では、反射電子信号の強度変化も緩やかなものとなる。これは、図６に示すように符号Ｐ１に沿って走査される電子ビームＥＢは、ナイフエッジ９１を横切る位置では焦点位置から外れており、ナイフエッジ９１の周辺が比較的広い電子ビームＥＢによって照射されるためである。すなわち、ナイフエッジ９１の位置において図６の手前側の面９１ａからの反射電子と奥側の面９１ｂからの反射電子とが電子検出器１５によって検出される。その結果、図７の符号Ｐ１の曲線に示すように、ナイフエッジ９１を通過する際の反射電子信号の強度変化が電子ビームＥＢの照射スポットの直径に相当する範囲で緩やかに変化する。この走査位置Ｐ１のようにナイフエッジ９１を通過する位置において、電子ビームＥＢの焦点が表面位置６３からずれている場合には、照射スポットの直径が相対的に大きくなり、反射電子信号の強度変化が緩やかになる。   In FIG. 7, the intensity change of the reflected electron signal also becomes gradual at the scanning position in the X direction at the symbol P <b> 1. This is because, as shown in FIG. 6, the electron beam EB scanned along the symbol P1 is out of the focal position at the position crossing the knife edge 91, and the periphery of the knife edge 91 is irradiated by the relatively wide electron beam EB. It is to be done. That is, the electron detector 15 detects the reflected electrons from the front surface 91a and the reflected electrons from the back surface 91b in FIG. As a result, as shown by the curve P1 in FIG. 7, the intensity change of the reflected electron signal when passing through the knife edge 91 changes gently in a range corresponding to the diameter of the irradiation spot of the electron beam EB. When the focal point of the electron beam EB deviates from the surface position 63 at a position passing through the knife edge 91 as in the scanning position P1, the diameter of the irradiation spot becomes relatively large, and the intensity change of the reflected electron signal changes. Becomes moderate.

図６において、焦点位置が外れている符号Ｐ２の位置での電子ビームＥＢの走査でも同様であり、図７の符号Ｐ２の反射電子信号の強度変化も緩やかとなる。   In FIG. 6, the same applies to the scanning of the electron beam EB at the position of the reference symbol P2 out of the focal position, and the intensity change of the reflected electron signal of the reference symbol P2 in FIG.

一方、図６において符号Ｐ０の走査位置では、ナイフエッジ９１の位置と電子ビームＥＢの焦点位置である表面６３の位置とが一致している。このとき、ナイフエッジ９１を通過する際の電子ビームＥＢの照射スポットの直径は非常に小さなものとなる。ナイフエッジ９１を通過する際の反射電子信号の強度変化が非常に狭い範囲で発生する。したがって、図７の符号Ｐ０を付した反射電子信号に示すように、急峻な強度変化を示す。   On the other hand, at the scanning position indicated by reference symbol P0 in FIG. 6, the position of the knife edge 91 and the position of the surface 63, which is the focal position of the electron beam EB, coincide. At this time, the diameter of the irradiation spot of the electron beam EB when passing through the knife edge 91 is very small. The intensity change of the reflected electron signal when passing through the knife edge 91 occurs in a very narrow range. Therefore, as shown in the reflected electron signal denoted by reference symbol P0 in FIG.

反射電子信号の強度変化が最も急峻な反射電子信号が得られるＸ方向の走査位置を検出することにより、粉末層６２の高さにおける基準部材９０のナイフエッジ９１のＸ方向の基準位置座標Ｘ０を検出できる。また、図７の符号Ｐ０の反射電子信号の変化率が最大値を示すＹ方向の照射位置からＹ方向の基準位置座標Ｙ０を検出できる。   By detecting the scanning position in the X direction where the reflected electron signal with the steepest intensity change of the reflected electron signal is obtained, the reference position coordinate X0 in the X direction of the knife edge 91 of the reference member 90 at the height of the powder layer 62 is obtained. It can be detected. Further, the reference position coordinate Y0 in the Y direction can be detected from the irradiation position in the Y direction in which the rate of change of the reflected electron signal denoted by reference symbol P0 in FIG.

図８は、反射電子信号の変化率の最大値とそれに基づく基準部材９０のナイフエッジ９１の位置の検出方法を示す図である。   FIG. 8 is a diagram illustrating a method for detecting the maximum value of the change rate of the reflected electron signal and the position of the knife edge 91 of the reference member 90 based on the maximum value.

本実施形態では、Ｘ方向の走査位置ごとの反射電子信号の変化率の絶対値を求める。そして、図８に示すように、反射電子信号の変化率の絶対値の最大値と電子ビームＥＢのＸ方向の走査位置との関係を表す近似曲線を求める。その近似曲線の最大値を示す位置から粉末層６２の表面６３の位置におけるナイフエッジ９１のＸ座標である基準位置の座標Ｘ０を正確に求めることができる。   In the present embodiment, the absolute value of the change rate of the reflected electron signal for each scanning position in the X direction is obtained. Then, as shown in FIG. 8, an approximate curve representing the relationship between the maximum absolute value of the rate of change of the reflected electron signal and the scanning position of the electron beam EB in the X direction is obtained. From the position indicating the maximum value of the approximate curve, the coordinate X0 of the reference position, which is the X coordinate of the knife edge 91 at the position of the surface 63 of the powder layer 62, can be obtained accurately.

また、Ｙ方向の走査位置についても同様に、反射電子信号の変化率の絶対値の最大値と電子ビームＥＢのＹ方向の走査位置との関係を表す近似曲線を求める。その近似曲線の最大値を示す位置から粉末層６２の表面６３の位置におけるナイフエッジ９１のＹ座標である基準位置の座標Ｙ０を正確に求めることができる。   Similarly, with respect to the scanning position in the Y direction, an approximate curve representing the relationship between the maximum absolute value of the rate of change of the reflected electron signal and the scanning position in the Y direction of the electron beam EB is obtained. The coordinate Y0 of the reference position, which is the Y coordinate of the knife edge 91 at the position of the surface 63 of the powder layer 62, can be accurately obtained from the position indicating the maximum value of the approximate curve.

また、上記の方法で求めた基準位置の座標（Ｘ０，Ｙ０）と、ステージ７２上の基準位置の初期値との差を求めることで、粉末層６２の表面６３の位置における照射位置のずれ量が求まる。ここで、ステージ７２上の基準位置の初期値とは、ステージ７２がＸＹ方向の位置ずれ及び傾きを発生しないでＺ軸方向に平行に移動する場合に、粉末層６２の高さにおけるナイフエッジ９１の位置座標に相当する。基準位置の初期値は、基準部材９０の形状、及びステージ７２の上面に固定されるナイフエッジ９１の向きなどをもとに、予め求められて、制御部４００内に初期設定される。   Further, by obtaining the difference between the coordinates (X0, Y0) of the reference position obtained by the above method and the initial value of the reference position on the stage 72, the deviation amount of the irradiation position at the position of the surface 63 of the powder layer 62 is obtained. Is obtained. Here, the initial value of the reference position on the stage 72 is the knife edge 91 at the height of the powder layer 62 when the stage 72 moves parallel to the Z-axis direction without causing any positional displacement and inclination in the XY directions. It corresponds to the position coordinates. The initial value of the reference position is obtained in advance based on the shape of the reference member 90 and the direction of the knife edge 91 fixed to the upper surface of the stage 72, and is initially set in the control unit 400.

以下、積層造形装置１００の動作について説明する。   Hereinafter, the operation of the additive manufacturing apparatus 100 will be described.

図９は、積層造形装置１００の動作を示すフローチャートである。   FIG. 9 is a flowchart showing the operation of the additive manufacturing apparatus 100.

積層造形装置１００は、三次元構造物６６の造形に先立って、電子ビームＥＢの校正を行う（ステップＳ５１０）。   The additive manufacturing apparatus 100 calibrates the electron beam EB prior to modeling the three-dimensional structure 66 (step S510).

電子ビームＥＢの校正は、電子ビームＥＢの電磁レンズ１３のレンズ強度を調整して焦点位置を合わせこむとともに、電子ビームＥＢの位置合わせを行う。その電子ビームＥＢの位置合わせは、偏向器１４への制御信号を入力して電子ビームＥＢを偏向させて校正マーク６７を検出して行う。その結果に基づき偏向器１４への入力値と電子ビームの照射位置との関係を校正することで電子ビームＥＢの位置合わせを行う。   The calibration of the electron beam EB adjusts the lens strength of the electromagnetic lens 13 of the electron beam EB so as to adjust the focal position, and also aligns the electron beam EB. The alignment of the electron beam EB is performed by inputting a control signal to the deflector 14 to deflect the electron beam EB and detecting the calibration mark 67. Based on the result, the relationship between the input value to the deflector 14 and the irradiation position of the electron beam is calibrated to align the electron beam EB.

つぎに、制御部４００の制御の下でステージ７２の高さを調整する（ステップＳ５２０）。ここでは、駆動部７７を駆動させてステージ７２を、１層の粉末層６２の高さの分だけ−Ｚ方向に移動させる動作を行う。   Next, the height of the stage 72 is adjusted under the control of the control unit 400 (step S520). Here, the drive unit 77 is driven to move the stage 72 in the −Z direction by the height of the single powder layer 62.

その後、造形容器７３に粉末層６２を供給する（ステップＳ５３０）。粉末材料が粉末供給部６４の摺り切り動作によって平坦化されつつステージ７２の上方に供給され、ステージ７２と略平行な粉末層６２を形成する。   Thereafter, the powder layer 62 is supplied to the modeling container 73 (step S530). The powder material is supplied to the upper side of the stage 72 while being flattened by the scraping operation of the powder supply unit 64, thereby forming a powder layer 62 substantially parallel to the stage 72.

つぎに、照射位置のずれを測定し、三次元積層造形装置１００は、電子ビームＥＢの照射位置の補正を行う（ステップＳ５４０）。ステージ７２は、ステップＳ５２０の−Ｚ方向へ移動することにより、ＸＹ方向の位置ずれや傾きなどが発生し得る。   Next, the deviation of the irradiation position is measured, and the three-dimensional additive manufacturing apparatus 100 corrects the irradiation position of the electron beam EB (step S540). The stage 72 may move in the −Z direction in step S520, thereby causing a positional shift or an inclination in the XY direction.

そこで、本実施形態では、図５〜図７を参照して説明した方法によりステージ７２の−Ｚ方向の移動による照射位置のずれを測定し、照射位置の補正を行う。   Therefore, in this embodiment, the irradiation position shift due to the movement of the stage 72 in the −Z direction is measured by the method described with reference to FIGS. 5 to 7 to correct the irradiation position.

以下、具体的な照射位置のずれの測定及び照射位置の補正について説明する。   Hereinafter, specific measurement of deviation of the irradiation position and correction of the irradiation position will be described.

図１０は、三次元積層造形装置１００における照射位置のずれを測定及び照射位置の補正（図９のステップＳ５４０）の動作を示すフローチャートである。   FIG. 10 is a flowchart showing the operation of measuring the irradiation position shift and correcting the irradiation position (step S540 in FIG. 9) in the three-dimensional additive manufacturing apparatus 100.

まず、ステップＳ５４１において、三次元積層造形装置１００は、電子ビームＥＢで基準部材９０の走査を行う。すなわち、電子ビームＥＢの焦点位置を粉末層６２の表面に合わせた状態で電子ビームＥＢを偏向させて基準部材９０のターゲット部位であるナイフエッジ９１の走査を行う。ここでは、図６に示すように、検出対象とするナイフエッジ９１を横切る所定範囲を走査範囲に設定し、その範囲を電子ビームＥＢで走査する。   First, in step S541, the three-dimensional additive manufacturing apparatus 100 scans the reference member 90 with the electron beam EB. That is, the electron beam EB is deflected in a state where the focal position of the electron beam EB is aligned with the surface of the powder layer 62, and the knife edge 91 that is the target portion of the reference member 90 is scanned. Here, as shown in FIG. 6, a predetermined range crossing the knife edge 91 to be detected is set as a scanning range, and the range is scanned with the electron beam EB.

つぎに、ステップＳ５４２に移行し、電子ビームＥＢの走査によって発生する反射電子を電子検出器１５で検出する。電子検出器１５の検出結果である反射電子の強度は、電子ビームＥＢの照射位置と対応付けられて反射電子信号として制御部４００内の記憶部に格納する。   Next, the process proceeds to step S542, and the backscattered electrons generated by scanning with the electron beam EB are detected by the electron detector 15. The intensity of the reflected electrons, which is the detection result of the electron detector 15, is stored in the storage unit in the control unit 400 as a reflected electron signal in association with the irradiation position of the electron beam EB.

つぎに、ステップＳ５４３において、制御部４００が基準位置であるナイフエッジ９１の位置を検出する。ここでは、図７及び図８を参照しつつ説明した方法により、反射電子信号の検出電子強度の変化率を求め、その変化率が最大値を示す位置からナイフエッジ９１の位置を検出する。   Next, in step S543, the control unit 400 detects the position of the knife edge 91 that is the reference position. Here, the change rate of the detected electron intensity of the reflected electron signal is obtained by the method described with reference to FIGS. 7 and 8, and the position of the knife edge 91 is detected from the position where the change rate shows the maximum value.

つぎに、ステップＳ５４４において、制御部４００がステージ７２の−Ｚ方向の移動に起因する照射位置のずれ量を決定する。すなわち、制御部４００は、初期設定された基準部材９０の基準位置の座標（基準部材の初期位置）と、ステップＳ５４３で検出したナイフエッジ９１の位置座標との差分をとることにより、ステージ７２の位置ずれ及び傾きに起因する照射位置のずれ量（ΔＸ，ΔＹ）を算出する。   Next, in step S544, the control unit 400 determines the amount of irradiation position deviation caused by the movement of the stage 72 in the -Z direction. That is, the control unit 400 obtains a difference between the initially set reference position coordinates of the reference member 90 (initial position of the reference member) and the position coordinates of the knife edge 91 detected in step S543, so that the stage 72 An irradiation position deviation amount (ΔX, ΔY) due to the position deviation and the inclination is calculated.

その後、ステップＳ５４５において、制御部４００が電子ビームＥＢの照射位置の補正を行う。ここでは、制御部４００に格納された照射データの座標値にステップＳ５４４で算出した照射位置のずれ量（ΔＸ，ΔＹ）を加算処理することにより、電子ビームＥＢの照射位置の補正を行う。   Thereafter, in step S545, the control unit 400 corrects the irradiation position of the electron beam EB. Here, the irradiation position of the electron beam EB is corrected by adding the irradiation position deviation (ΔX, ΔY) calculated in step S544 to the coordinate value of the irradiation data stored in the control unit 400.

以上により、図９のステップＳ５４０における電子ビームＥＢの照射位置の補正が完了する。   Thus, the correction of the irradiation position of the electron beam EB in step S540 in FIG. 9 is completed.

つぎに、図９のステップＳ５５０に移行し、三次元積層造形装置１００は補正された照射データに基づいて粉末層６２の表面６３に電子ビームＥＢを照射して粉末層６２を溶融凝固させる。これにより、断面層６５が形成され、三次元構造物の一層分の造形が完了する。   Next, the process proceeds to step S550 in FIG. 9, and the three-dimensional additive manufacturing apparatus 100 melts and solidifies the powder layer 62 by irradiating the surface 63 of the powder layer 62 with the electron beam EB based on the corrected irradiation data. Thereby, the cross-sectional layer 65 is formed, and modeling for one layer of a three-dimensional structure is completed.

その後、ステップＳ５６０において、三次元積層造形装置１００は、全層の造形が完了したか判断する。ステップＳ５６０において、三次元積層造形装置１００が全層の造形が完了していないと判断した場合には、ステップＳ５２０に戻り、次の層の造形を行う。   Thereafter, in step S560, the three-dimensional additive manufacturing apparatus 100 determines whether the formation of all layers has been completed. In step S560, when the three-dimensional layered modeling apparatus 100 determines that the modeling of all layers is not completed, the process returns to step S520 to model the next layer.

一方ステップＳ５６０において、三次元積層造形装置１００が全層の造形が完了したと判断した場合には、造形動作を終了する。   On the other hand, if the three-dimensional additive manufacturing apparatus 100 determines in step S560 that the formation of all layers has been completed, the modeling operation is terminated.

以上のように、三次元積層造形装置１００は、電子ビームＥＢの照射に先立って、ステージ７２の移動に伴う位置ずれ及び傾きによる照射位置のずれ量を検出し、照射位置の補正を行なう。   As described above, prior to irradiation with the electron beam EB, the three-dimensional additive manufacturing apparatus 100 detects the amount of misalignment due to the movement of the stage 72 and the amount of misalignment of the irradiation position due to the tilt, and corrects the irradiation position.

これにより、本実施形態の三次元積層造形装置１００によれば、ステージ７２の機械的精度の制約を超えて高精度な造形物を造形することができる。   Thereby, according to the three-dimensional additive manufacturing apparatus 100 of this embodiment, a highly accurate molded article can be modeled exceeding the restriction | limiting of the mechanical precision of the stage 72. FIG.

（第２実施形態）
図１１は、第２実施形態に係る基準部材１９０の斜視図である。 (Second Embodiment)
FIG. 11 is a perspective view of the reference member 190 according to the second embodiment.

図１１に示す基準部材１９０は、第１実施形態の基準部材９０（図３参照）と同様に、ステージ７２の上に設置されるものである。   A reference member 190 shown in FIG. 11 is installed on the stage 72 in the same manner as the reference member 90 (see FIG. 3) of the first embodiment.

本実施形態の基準部材１９０は、Ｚ方向の高さが異なる複数の平坦部を備えており、それらが階段状に配置されている。図示の例では、基準部材１９０は高さがＺ１の平坦部９２と、それよりも高い位置に設けられた高さがＺ２の平坦部９４と、さらに高い位置に設けられた高さＺ３の平坦部９６との３つの平坦部を備えている。   The reference member 190 of the present embodiment includes a plurality of flat portions having different heights in the Z direction, and these are arranged in a step shape. In the illustrated example, the reference member 190 has a flat portion 92 having a height of Z1, a flat portion 94 having a height of Z2 provided at a higher position, and a flat portion having a height of Z3 provided at a higher position. Three flat portions with the portion 96 are provided.

各々の平坦部９２、９４、９６の中心には、位置決め用のマークパターン９２ａ、９４ａ、９６ａがそれぞれ設けられている。   Positioning mark patterns 92a, 94a, 96a are provided at the centers of the flat portions 92, 94, 96, respectively.

基準部材１９０は、金属などの導体で形成されてなり、マークパターン９２ａ、９４ａ、９６ａは例えば幅及び深さが数十μｍ程度の溝を十字形に刻んだパターンとして形成されている。電子ビームＥＢでマークパターン９２ａ、９４ａ、９６ａを走査することで、各平坦部９２、９４、９６による基準位置がそれぞれ求まる。   The reference member 190 is formed of a conductor such as metal, and the mark patterns 92a, 94a, and 96a are formed, for example, as patterns in which grooves having a width and a depth of about several tens of μm are engraved in a cross shape. By scanning the mark patterns 92a, 94a, and 96a with the electron beam EB, reference positions by the flat portions 92, 94, and 96 are obtained, respectively.

Ｚ軸方向の高さＺ１、Ｚ２及びＺ３に対する電子ビームＥＢの照射位置のずれ量の検出は、粉末層６２を溶融凝固させて三次元構造物６６を積層造形する動作に入る前に、予めマークパターン９２ａ、９４ａ、９６ａの高さにステージ７２を移動し、それぞれの高さでマークパターン９２ａ、９４ａ、９６ａのＸＹ方向の位置を電子ビームによって検出することによって行う。すなわち、電子ビームＥＢの照射位置のずれ量の検出は、図９のフローチャートでは、電子ビームＥＢの校正（ステップＳ５１０）が終了した直後に行う。   The amount of displacement of the irradiation position of the electron beam EB with respect to the heights Z1, Z2 and Z3 in the Z-axis direction is detected before the operation of laminating and forming the three-dimensional structure 66 by melting and solidifying the powder layer 62. The stage 72 is moved to the heights of the patterns 92a, 94a, and 96a, and the positions of the mark patterns 92a, 94a, and 96a in the XY directions are detected by electron beams at the respective heights. That is, the detection of the displacement amount of the irradiation position of the electron beam EB is performed immediately after the calibration of the electron beam EB (step S510) is completed in the flowchart of FIG.

本実施形態では、ステージ７２の高さに応じてマークパターン９２ａ、９４ａ、９６ａのマーク位置検出結果を使い分けることで、ステージ７２のＺ方向の移動が大きな場合であっても照射位置のずれ量を補正できる。   In the present embodiment, by properly using the mark position detection results of the mark patterns 92a, 94a, and 96a in accordance with the height of the stage 72, the amount of irradiation position deviation can be reduced even when the movement of the stage 72 in the Z direction is large. Can be corrected.

ステージ７２の上面のＺ方向の位置が、初期位置である高さ０から−Ｚ１までの移動範囲に含まれる場合には、予め登録されていたマークパターン９２ａの位置座標と実際に測定したマークパターン９２ａの測定値との差分から照射位置のずれ量を検出して照射位置の補正を行う。   When the position in the Z direction on the upper surface of the stage 72 is included in the movement range from the initial height 0 to −Z1, the position coordinates of the mark pattern 92a registered in advance and the mark pattern actually measured are measured. The irradiation position is corrected by detecting the amount of deviation of the irradiation position from the difference from the measured value of 92a.

なお、制御部４００には、初期値として、基準部材１９０の設置位置によって設定されたマークパターン９２ａの位置座標（Ｘ１、Ｙ１）が予め格納されていてよい。この位置座標（Ｘ１，Ｙ１）と、ステージ７２の繰り下げ動作を行った後のマークパターン９２ａの位置座標の測定値との差分から、補正すべき照射位置のずれ量が求まる。   In the control unit 400, the position coordinates (X1, Y1) of the mark pattern 92a set according to the installation position of the reference member 190 may be stored in advance as initial values. From the difference between the position coordinates (X1, Y1) and the measured value of the position coordinates of the mark pattern 92a after the stage 72 is moved down, the deviation amount of the irradiation position to be corrected is obtained.

また、ステージ７２の位置が−Ｚ１〜−Ｚ２の範囲については、基準部材１９０の平坦部９４のマークパターン９４ａを用いて照射位置のずれ量の測定を行う。   For the range where the position of the stage 72 is -Z1 to -Z2, the amount of deviation of the irradiation position is measured using the mark pattern 94a of the flat portion 94 of the reference member 190.

さらに、ステージ７２の位置が−Ｚ２〜−Ｚ３の範囲については、基準部材１９０の平坦部９６のマークパターン９６ａを用いて照射位置のずれ量の測定を行う。   Further, for the range where the position of the stage 72 is in the range of −Z2 to −Z3, the irradiation position shift amount is measured using the mark pattern 96a of the flat portion 96 of the reference member 190.

このように、本実施形態の基準部材１９０では、高さの異なる複数の平坦部を用いて、ステージ７２の所定の高さ範囲毎にマークパターンを使い分けることで、Ｚ方向に大きく移動するステージ７２であっても、照射範囲のずれ量を検出し、照射範囲の補正を行うことができる。   As described above, in the reference member 190 of the present embodiment, the stage 72 that moves greatly in the Z direction by using a plurality of flat portions having different heights and selectively using the mark pattern for each predetermined height range of the stage 72. Even so, it is possible to detect the deviation of the irradiation range and correct the irradiation range.

１２…電子源、１３…電磁レンズ、１４…偏向器、１５…電子検出器、６２…粉末層、６３…表面位置（焦点位置）、６４…粉末供給部、６５…断面層、６６…三次元構造物、６７…校正マーク、７２…ステージ、７２ａ…造形物支持部、７２ｂ…基準部材設置部、７３…造形容器、７３ａ、７３ｂ…側壁、７４、７４ａ、７４ｂ…シール部材、７６…駆動棒、７７…駆動部、７８…ヒーター、９０、１９０…基準部材、９１…ナイフエッジ、９１ａ、９１ｂ…側面、９１ｄ…先端部、９２、９４、９６…平坦部、９２ａ、９４ａ、９６ａ…マークパターン。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Electron source, 13 ... Electromagnetic lens, 14 ... Deflector, 15 ... Electron detector, 62 ... Powder layer, 63 ... Surface position (focal position), 64 ... Powder supply part, 65 ... Cross-section layer, 66 ... Three-dimensional Structure, 67 ... Calibration mark, 72 ... Stage, 72a ... Modeling object support part, 72b ... Reference member installation part, 73 ... Modeling container, 73a, 73b ... Side wall, 74, 74a, 74b ... Seal member, 76 ... Drive rod , 77... Drive unit, 78... Heater, 90, 190... Reference member, 91... Knife edge, 91 a, 91 b .. Side surface, 91 d ... Tip, 92, 94, 96. .

Claims (10)

造形容器に収容された粉末材料を支持するとともに前記粉末材料の積層と共に高さを変化させることで粉末材料の表面位置を一定の高さに保つステージと、
前記ステージ上に設置され前記粉末材料の表面に焦点合わせて走査された電子ビームに対して所定の反射電子信号を発生させることで前記粉末材料の表面における照射位置のずれ量を示す基準部材と、
前記基準部材から反射される反射電子信号を検出する電子検出器と、
を備えたことを特徴とする三次元積層造形装置。 A stage for supporting the powder material contained in the modeling container and maintaining the surface position of the powder material at a constant height by changing the height together with the lamination of the powder material;
A reference member that indicates a deviation amount of an irradiation position on the surface of the powder material by generating a predetermined reflected electron signal with respect to an electron beam that is placed on the stage and scanned by focusing on the surface of the powder material;
An electron detector for detecting a reflected electron signal reflected from the reference member;
A three-dimensional additive manufacturing apparatus comprising: 前記基準部材は、前記ステージの表面に対して所定角度で上方に伸びるナイフエッジを有することを特徴とする請求項１に記載の三次元積層造形装置。   The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the reference member has a knife edge extending upward at a predetermined angle with respect to the surface of the stage. 前記基準部材は、前記粉末材料の表面よりも高い位置まで伸び出ていることを特徴とする請求項２に記載の三次元積層造形装置。   The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 2, wherein the reference member extends to a position higher than the surface of the powder material. 前記基準部材は、前記ステージから上方に伸びる角柱状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の三次元積層造形装置。   The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 3, wherein the reference member is formed in a prismatic shape extending upward from the stage. 前記基準部材は、異なる高さの複数の平坦部を有し各々の平坦部には前記ステージの位置を示すマークパターンが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の三次元積層造形装置。   The three-dimensional additive manufacturing according to claim 1, wherein the reference member includes a plurality of flat portions having different heights, and each flat portion is provided with a mark pattern indicating the position of the stage. apparatus. 前記基準部材は、前記複数の平坦部が階段状に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の三次元積層造形装置。   The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 5, wherein the reference member has the plurality of flat portions arranged stepwise. 前記基準部材は、前記ステージの上に複数配置されていることを特徴とする請求項１に記載の三次元積層造形装置。   The three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 1, wherein a plurality of the reference members are arranged on the stage. 造形容器に収容された粉末材料を支持するとともに前記粉末材料の積層と共に高さを変化させることで粉末材料の表面位置を一定の高さに保つステージと、前記ステージ上に設置され前記粉末材料の表面に焦点合わせて走査された電子ビームに対して所定の反射電子信号を発生させることで前記粉末材料の表面における照射位置のずれ量を示す基準部材と、前記基準部材から反射される反射電子を検出する電子検出器と、を備えた三次元積層造形装置の照射位置ずれ検出方法であって、
前記電子ビームの焦点を前記粉末材料の表面に合わせるステップと、
前記粉末材料の表面に合わせた電子ビームで前記基準部材を走査しつつ反射電子を検出するステップと、
前記反射電子の検出量の変化から前記粉末材料の表面の位置における前記基準部材の位置を検出するステップと、
前記基準部材の初期位置と前記基準部材の位置の検出値と差から前記粉末材料の表面における照射位置のずれ量を検出するステップと、
を有することを特徴とする三次元積層造形装置の照射位置ずれ検出方法。 A stage for supporting the powder material stored in the modeling container and maintaining the surface position of the powder material at a constant height by changing the height together with the lamination of the powder material, and the powder material installed on the stage. A reference member that indicates a deviation amount of an irradiation position on the surface of the powder material by generating a predetermined reflected electron signal with respect to the electron beam scanned while being focused on the surface, and a reflected electron reflected from the reference member An electronic detector for detecting, an irradiation position deviation detection method of a three-dimensional additive manufacturing apparatus comprising:
Focusing the electron beam on the surface of the powder material;
Detecting reflected electrons while scanning the reference member with an electron beam matched to the surface of the powder material;
Detecting the position of the reference member at the position of the surface of the powder material from a change in the detection amount of the reflected electrons;
Detecting a deviation amount of an irradiation position on the surface of the powder material from a difference between a detection value of an initial position of the reference member and a position of the reference member;
A method for detecting an irradiation position shift of a three-dimensional additive manufacturing apparatus, comprising: 前記基準部材は、前記ステージから上方に伸びる角柱状に形成されており、
前記電子ビームで前記角柱の辺であるナイフエッジ付近を走査させて反射電子の検出を行うことを特徴とする請求項８に記載の三次元積層造形装置の照射位置ずれ検出方法。 The reference member is formed in a prismatic shape extending upward from the stage,
The irradiation position shift detection method of the three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 8, wherein reflected electrons are detected by scanning the vicinity of a knife edge which is a side of the prism with the electron beam. 前記ステージの水平方向の位置の検出は、前記電子ビームの位置を変化させながら複数回走査させて前記基準部材のナイフエッジを横切る際の反射電子強度の変化を複数回取得するステップと、
前記反射電子強度の変化率が最大となる前記電子ビームの照射位置を前記粉末材料の表面の高さにおける前記基準部材の位置として検出するステップと、
により行うことを特徴とする請求項９に記載の三次元積層造形装置の照射位置ずれ検出方法。 The detection of the horizontal position of the stage is obtained by scanning a plurality of times while changing the position of the electron beam to obtain a plurality of reflected electron intensity changes when crossing the knife edge of the reference member, and
Detecting the irradiation position of the electron beam that maximizes the rate of change of the reflected electron intensity as the position of the reference member at the height of the surface of the powder material;
The irradiation position shift detection method of the three-dimensional additive manufacturing apparatus according to claim 9, wherein
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