JP6855181B2 - ３次元造形装置、および３次元造形物の製造方法 - Google Patents

Description

造形ステージ上に敷設された材料粉末を選択的に輻射加熱し、焼結させる動作を繰り返して３次元造形物を製造する３次元造形装置、および３次元造形物の製造方法に関する。

従来より、いわゆる３Ｄプリンタなどの製品において、３次元の造形物を造形する粉末床溶融結合技術が利用されている。

この粉末床溶融結合（ｐｏｗｄｅｒ ｂｅｄ ｆｕｓｉｏｎ）では、例えばレーザビームなどのエネルギービームを用い、１層ずつ積層的に材料粉末を輻射加熱、焼結して３次元部品を造形する（例えば下記の特許文献１）。材料粉末からなる第１層にレーザビームを照射し、必要部分を選択的に焼結させ、引き続きその上に材料粉末の第２層を作成し、同様にレーザビームを照射し、第２層を選択的に焼結させるとともに、第１層の焼結部分と接合させる。以降、第３層以降についても上記過程を繰り返すことで３次元部品を製造する。レーザビームは、所期の造形物の形状に応じて選択的に熱量を付与する手段として用いられるが、この熱量付与手段としては他のエネルギービームを用いることも考えられる。

粉末床溶融結合では、レーザビームが照射されたスポットの最表層が焼結される際に、最表層とその下部にある焼結済みの造形物の一部が瞬時に熱膨張し、その後急激に冷却収縮することでスポット近傍に残留応力を生じることがある。多くの粉末床溶融結合の造形装置では、造形中の造形物は、第１層目が接合されているベースプレートの剛性や、ベースプレートを装置に締結する締結力により拘束されるため、大きく変形することはない。しかしながら、造形物を装置から取り出した後、また、ベースプレートを除去した後は造形中に残留した応力の解放により、造形物の反りや歪みといった形状不良が生じることがある。

このような造形物の形状不良を考慮し、最新に形成された焼結層を再加熱し、再溶融部を形成することにより、造形中に造形物の残留応力を除去する構成（例えば下記の特許文献２）が提案されている。また、最終的な造形部品の最表層にあたる部位に残留する応力が形状不良の主な要因であると見なして、こうした部位のみを造形中に再加熱することで、残留応力を緩和させる構成（例えば下記の特許文献３）も提案されている。

特許第２６２０３５３号公報 特許第４６９３６８１号公報 特許第５６１２５３０号公報

上記の特許文献２および３に記載されるような技術によると、造形中の造形物への主な熱量の印加が造形物の上方からに限られるため、造形中の造形物に鉛直方向の温度分布が生じる可能性がある。こうした温度分布を持つ造形物は、造形後に温度分布が解消された際に、造形中に高温だった部位と低温だった部位で収縮量に差が出るため、得られる造形物に反り、歪みといった形状不良を生じる可能性がある。

本発明の課題は、上記の問題に鑑み、粉末床溶融結合において造形物に生じる残留応力を緩和し、また、造形物の温度分布を均一に保つことによって造形物の形状不良を抑制できるようにすることにある。

本発明の一態様は、造形エリアに導電性の材料粉末を敷設し、敷設した前記材料粉末の一部を選択的に輻射加熱し焼結させる一連の動作を繰り返して３次元造形物を製造する３次元造形装置において、前記造形エリアの外周部に配置され、通電によって前記造形エリアの内側の造形済みの造形物を誘導発熱させる誘導加熱コイルと、前記造形エリアの外周部に配置され、前記造形エリア内の未焼結の材料粉末を冷却する冷却装置と、前記誘導加熱コイルの通電および前記冷却装置を制御することにより前記造形物の温度管理を実行する制御装置と、を備えた３次元造形装置である。

上記構成によれば、造形期間中、造形物を加熱ないし保温するよう造形物の温度管理を実行することにより、造形物中に応力残留が生じるのを抑制し、造形終了後の残留応力の解放によって生じる形状不良を低減し、高精度な３次元造形を行うことができる。造形中、造形物全体を加熱ないし保温することにより造形物の鉛直方向の温度差を抑制でき、造形中の温度分布に起因する形状不良を抑制することができる。

本発明を実施可能な３次元造形装置の構成例を示した模式図である。 造形材料の拡散接合境界温度の確認実験に用いられる試験容器の構成例を示した模式図である。 図１の装置における造形エリアの近傍を示した模式図である。 図１の装置において、下層部の造形が終了する際の造形エリアの近傍を示した模式図である。 図１の装置において、中層部の造形が終了する際の造形エリアの近傍を示した模式図である。 図１の装置において、上層部の造形が終了する際の造形エリアの近傍を示した模式図である。 図１の装置において、造形の各段階における各加熱ゾーンの制御指令値と制御点を示した表図である。 図１の装置において、造形物の上面の温度制御を行う場合の加熱出力制御を示した説明図である。 図１の装置において、造形物の最上端および最下端以外の加熱ゾーンにおける制御指令値の制御例を示した説明図である。 図１の装置の変形例に関し、絶縁体と誘導加熱コイルを独立して設ける場合の構成を示した模式図である。 図１の装置の誘導加熱系の構成を示した説明図である。 図１の装置において用いられる誘導加熱コイルの構成例を示した説明図である。 図１の装置の制御系（制御装置）の構成例を示したブロック図である。

以下、添付図面に示す実施例を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。なお、以下に示す実施例はあくまでも一例であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更することができる。また、本実施形態で取り上げる数値は、参考数値であって、本発明を限定するものではない。

＜実施形態１＞
図１に本発明を採用した３次元造形装置の構成例を示す。図１の装置は、造形エリアに成膜した導電性の材料粉末を選択的に輻射加熱し、焼結させる動作を繰り返して３次元造形物を製造する、例えば３Ｄプリンタなどの３次元造形装置である。

図１の造形装置では、造形テーブル４を造形チャンバ１内に収容し、エネルギービーム照射装置としてのレーザ光源１２と、その走査系を造形チャンバ１の外側に配置している。造形チャンバ１は外部の雰囲気に対して気密を保てるよう構成される。造形チャンバ１には排気口２が設けられ、この排気口２を介して不図示の真空ポンプにより造形チャンバ１の内部を減圧することができる。また、本実施形態の造形チャンバ１は、減圧後に、給気口３を介してより所望のガス（例えば不活性ガス）を封入できるよう構成されている。

図１の造形チャンバ１の上方には、輻射加熱による造形を行うためのエネルギービームとしてレーザビームＬを照射するレーザ照射装置を配置する。このレーザ照射系は、例えば、レーザ光源１２、コリメータレンズ１３、ビームエキスパンダ１４、集光レンズ１５、ガルバノスキャナ１６、およびレーザスポットを結像面上で等速走査させるためのｆ−θレンズ１７などから構成される。ガルバノスキャナ１６は、後述の制御装置によって、例えば造形物の形状を表現した３ＤＣＡＤ（あるいは３ＤＣＧ）信号によって変調され、造形物の１層に相当する形状にレーザスポットを水平面内で走査するよう制御される。

造形チャンバ１内部には、金属や樹脂などの材料から構成された造形テーブル４が設置されている。造形テーブル４には、例えば鉛直方向に穴５ａ、６ａ、１０ａが設けられている。これらの穴５ａ、６ａ、１０ａの断面形状は矩形、円形など任意である。

穴５ａ、６ａ、１０ａは、それぞれ造形前の材料粉末を貯蔵するための穴、造形を行うための穴、焼結されなかった材料粉末を回収するための穴に相当する。特に、造形を行うための穴６ａは、３Ｄ造形を行うための造形エリアに相当する。

材料粉末を貯蔵する穴５ａの内部には、昇降可能な材料供給ステージ５が配置されている。この材料供給ステージ５によって、造形前に穴５ａの上部に予め貯蔵された材料粉末をせり上げ、粉敷きローラ１１によって、適宜必要な量の材料粉末を造形テーブル４上に供給することができる。材料供給ステージ５は、例えば造形チャンバ１の外部の駆動手段（例えばサーボモータ＋ラック＆ピニオンなどを用いた伝達系（不図示））によって昇降可能に構成される。なお、本実施形態では、穴５ａの内部に貯蔵される材料粉末は導電性の金属材料であるものとする。

造形を行う穴６aの内部には、昇降可能な造形ステージ６が配置されている。造形ステージ６上には、ベースプレート７が設けられている。このベースプレート７は、造形ステージ６に対して例えばねじ止めなどの手法により固定される。造形ステージ６は、例えば造形チャンバ１の外部の駆動手段（例えばサーボモータ＋ラック＆ピニオンなどを用いた伝達系（不図示））によって昇降可能に構成され、層ごとの造形が進むにつれて後述の制御装置によって例えば下降するよう制御される。また、造形テーブル４の材料回収の穴１０ａには、回収容器１０が配置される。

本実施形態では、造形を行う穴６ａの周囲側面に、らせん状の誘導加熱コイル８を配置する。本実施形態では、誘導加熱コイル８は、金属性の材料粉末（２２）から造形された造形物（Ｏ）を誘導加熱するために用いる。なお、図１（あるいは図１２）では誘導加熱コイル８はほぼ２巻き分のみ図示してあるが、誘導加熱コイル８のループ数は任意である。

造形テーブル４の造形を行う穴６ａ（造形エリア）の内壁は、絶縁体９により構成し、誘導加熱コイル８は、絶縁体９の中に埋設する。絶縁体９は、絶縁セラミック材料、特に熱衝撃に強い材料である窒化アルミ、窒化ケイ素などの材質を用いて、例えば塗布〜乾燥あるいは焼結などの工法によって形成することが考えられる。誘導加熱コイル８や、下記の熱電対１８は、絶縁体９の形成時に、絶縁体９中に埋設加工することができる。この絶縁体９により誘導加熱コイル８（ないしこの中空部により構成される冷却装置）が造形エリア（穴６ａ）の内側と隔離される。

誘導加熱コイル８は、例えば図１２に示すような形状であり、らせん形状の部分と、リード部８１から成る。なお、この誘導加熱コイル８の形状は、後述の実施形態３で用いる誘導加熱コイル３７でも同様である。誘導加熱コイル８は、例えば銅などの導電材料、好ましくは中空のパイプ材から構成する。電気的には、リード部８１は、電源線８２、８２を介して後述の電源系（図１１）に接続される。また、誘導加熱コイル８の中空部位は、後述の冷却系（図１１）に接続され、８１ａ、８１ｂで示すように冷媒（例えば冷却水）を供給、回収し、循環させる。このように誘導加熱コイル８の内部を冷媒（例えば冷却水）を循環させることにより、特に造形を行う穴６ａの内壁の絶縁体９を冷却し（図１）、この部分の温度管理を行う。

本実施形態では、後述の制御装置によって、誘導加熱コイル８による誘導加熱と、その内部の冷媒の循環を制御することにより、特に図１の造形済みの造形物Ｏと、造形エリア（造形を行う穴６ａ）の内壁部位の温度管理を行う。

この温度管理のために、造形エリア（穴６ａ）内の造形済みの造形物（Ｏ）の最上部の温度を測定する第１の温度測定装置として、放射温度計１９を配置している。また、造形エリア（穴６ａ）内の造形済みの造形物（Ｏ）の最下部の温度を測定する第２の温度測定装置として、ベースプレート７に熱電対１８を配置している。

また、造形エリア（穴６ａ）の周囲のそれぞれ異なる位置に配置された複数の測定点の温度をそれぞれ検出する第３の温度測定装置として熱電対２０を配置している。造形済みの造形物を取り巻く造形物（Ｏ）の側面周囲、特に造形エリア（穴６ａ）内壁部分の未焼結の材料粉末２２の温度検出手段を構成する。熱電対２０は、絶縁体９の内部に埋設、配置する。

図１の造形装置では、造形テーブル４の穴５ａの上部〜回収容器１０の上部の開口部の上面の領域を移動できるよう、粉敷きローラ１１が配置される。粉敷きローラ１１の回転駆動系および上記領域における（水平）往復移動系には、公知の構成を用いることができる。これら粉敷きローラ１１の駆動手段は、図１では詳細図示は省略してあるが、少なくとも、図１の左右方向の（水平）往復移動と、順逆方向の回転運動をそれぞれ独立して制御できるよう構成される。造形時の粉敷きローラ１１による材料粉末の供給および回収は、例えば次のように行われる。

１層の造形の際には、穴５ａの上部の材料粉末を適量供給できるよう材料供給ステージ５をせり上げる。一方、造形ステージ６は例えば造形物の１層分の高さ下降させて待機させる。この状態で、粉敷きローラ１１を図中左方から穴５ａの上部〜造形ステージ６の上部を転動させて、１層分の材料粉末を馴らしながら造形ステージ６ないしは既に造形済みの造形物（Ｏ）上に供給する。さらに粉敷きローラ１１を回収容器１０の上部の開口部まで転動させることによって、１層分を超える余分の材料粉末を回収容器１０の内部に回収する。

図１１に、上記の造形装置（図１）の誘導加熱コイル８を用いた加熱および冷却（温度管理）を行うためのハードウェア構成の一例を示す。図１１において、誘導加熱コイル８のリード部８１は、電気的には、電源線８２、マッチングトランス８８、電源線８４を介して交流電源８６に接続されている。交流電源８６には、好ましくは例えば後述のような出力周波数のオートマッチングを行えるものを用いる。後述の制御装置（６００）のＣＰＵ（６０１）は、シーケンサ８７を介して交流電源８６の出力交流の電力、周波数、あるいはデューティ比などを制御することができる。

一方、誘導加熱コイル８の冷媒（冷却水）の循環はチラー８５によって行う。チラー８５は冷媒流路８３を介して誘導加熱コイル８の中空の冷媒（冷却水）流路と連通させる。チラー８５は、この種の冷媒（冷却水）の循環制御を行うためのもので、例えば、冷媒（冷却水）の温度制御を行う加熱（または冷却）素子や、ポンプなどの流量制御部を備える。また、チラー８５は、制御回路とのインターフェース手段を備え、後述の制御装置（６００）のＣＰＵ（６０１）は、適宜制御情報を送信することにより、冷媒（冷却水）の温度設定や単位時間あたりの流量設定を行うことができる。

図１３に、図１の造形装置の制御装置６００（制御系）の構成例を示す。図１３の制御系は、汎用マイクロプロセッサなどから成るＣＰＵ６０１、ＲＯＭ６０２、ＲＡＭ６０３、インターフェース６０４、６０５、６０６、などから構成される。制御装置６００には、その他に、必要に応じてネットワークインターフェースや、例えばＳＳＤやＨＤＤのディスク装置で構成した外部記憶装置を配置してもよい。

ＲＯＭ６０２は、ＣＰＵ６０１に例えば、図１の造形装置の基本制御、および本実施形態の温度管理を実行させるための制御プログラムと制御データを格納する。なお、ＲＯＭ６０２に格納した制御プログラムと制御データを後から更新（アップデート）できるよう、そのための記憶領域はＥ（Ｅ）ＰＲＯＭなどの記憶デバイスによって構成されていてもよい。ＲＡＭ６０３は、ＤＲＡＭ素子などから構成され、ＣＰＵ６０１が各種の制御、処理を実行するためのワークエリアとして用いられる。後述する温度管理の制御手順に係る機能は、ＣＰＵ６０１が本実施形態の制御プログラム（例えば図８）を実行することにより実現される。なお、ＳＳＤやＨＤＤなどの外部記憶装置を配置している場合には、上記の制御プログラムや制御データを例えばファイル形式で格納することができる。また、ＳＳＤやＨＤＤなどの外部記憶装置は、ＲＡＭ６０３上の主記憶の領域を補完する仮想記憶領域を配置するためにも利用することができる。

なお、外部記憶装置は、ＳＳＤやＨＤＤに限らず、着脱式の各種光ディスクのような記録媒体、あるいは、着脱式のＳＳＤやＨＤＤのディスク装置、着脱式のフラッシュメモリから構成されていてもよい。このような各種の着脱式のコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、例えば、本発明の一部を構成する制御プログラムをＲＯＭ６０２（のＥ（Ｅ）ＰＲＯＭ領域）にインストールしたり、またはアップデートするために用いることができる。この場合、各種の着脱式のコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、本発明を構成する制御プログラムを格納しており、記録媒体それ自体も本発明を構成することになる。

ＲＯＭ６０２（あるいは外部記憶装置）に格納される制御データには、例えば、実験（後述の図２）によって得られた特定の材料粉末から造形する造形物に係る「拡散接合境界温度」（後述）のデータが含まれる。

ＣＰＵ６０１は、ＲＯＭ６０２（あるいは不図示の外部記憶装置）に格納された造形制御プログラム、温度管理に係る制御プログラム、ファームウェアなどを実行する。これにより、例えば図８に示す（制御装置６００の）各機能ブロック（または制御ステップ）が実現される。

また、図１３において、制御装置６００には、インターフェース６０４、６０５、６０６が設けられている。これらのうち、例えばインターフェース６０４は、外部装置から３次元造形データ（３ＤＣＡＤ、３ＤＣＧデータなどデータ形式は任意）を受信するために用いる。また、インターフェース６０５は図１の造形装置の被制御要素６０７（Ｐ）にアクセスするために用いられる。この被制御要素６０７（Ｐ）には、例えば、粉敷きローラ１１の駆動系、レーザ光源１２、造形ステージ６を昇降制御する（３Ｄプリンタの）駆動系などが含まれる。また、造形チャンバ１内の雰囲気調整用の減圧装置や、不活性ガスの供給装置（いずれも詳細不図示）などが配置される場合には、被制御要素６０７（Ｐ）にはこれらの部材もＣＰＵ６０１の制御対象として含まれる。

また、図１３では、特に上記の温度管理系のチラー８５、シーケンサ８７、センサ類６０９を図示している。このセンサ類６０９は、温度検出のための上記の熱電対１８、２０、あるいは放射温度計１９に相当する。これらの温度管理系の各部は、ＣＰＵ６０１によってインターフェース６０６を介して制御される。例えば、ＣＰＵ６０１は、インターフェース６０６を介してセンサ類６０９の測定情報を取得できるとともに、所定の信号形式によって制御信号を送信することにより、チラー８５、シーケンサ８７などの動作を所望に制御可能である。

なお、ネットワークインターフェースを配置した場合、このインターフェースは他の制御端末（不図示）や、他の造形装置、ネットワーク上のサーバなどと通信するために用いることができる。このネットワークインターフェースには、例えば有線、無線接続によるネットワーク通信方式、例えば有線接続ではＩＥＥＥ８０２．３、無線接続ではＩＥＥＥ８０２．１１、８０２．１５のような通信方式を用いることができる。なお、インターフェース６０４はネットワークインターフェースで構成してもよく、造形データの入出力をネットワーク通信を介して行うようにしてもよい。

次に、図１の造形装置における３Ｄ造形処理の概略につき説明する。造形チャンバ１は図示しない作業窓より内部にアクセス可能となっている。造形に先立ち、材料供給ステージ５への造形材料（材料粉末２２）の貯蔵作業、ベースプレート７の取り付け作業を事前に行う。

その後、造形チャンバ１内の雰囲気の調整を行う。例えば作業窓（不図示）を閉じ、再度チャンバ内の気密を確保する。もし造形材料が酸化しやすい材料である、などの事情がある場合には、チャンバ内の酸素濃度を下げる目的で、排気口２より真空ポンプでチャンバ内を減圧する。また、その後で給気口３より不活性ガスを導入し封止しても良い。不活性ガスとしては窒素、アルゴンなどが好適に用いられる。なお、造形チャンバ１内の雰囲気要件として、酸素濃度のみが課題であるならば、必ずしも造形チャンバ１は封止されている必要は無い。また、例えば造形中常に不活性ガスを供給、排出することで結果的に造形チャンバ１内の酸素濃度を規定以下に制御するようにしてもよい。また、同様に不活性ガスを供給、排出することにより造形チャンバ１内で発生したヒュームや浮遊した材料粉末を回収しながら造形を行っても良い。

造形チャンバ１内の雰囲気が所望の真空度、酸素濃度あるいは封入ガス濃度となったことを確認した後、ベースプレート７の予備加熱を行う。

ベースプレート７が導電性材料である場合は、誘導加熱コイル８を利用して予備加熱を行う事もできる。ベースプレート７を一定の温度に維持したまま、第１層の造形に入るためには、ベースプレート７の上面が造形テーブル４の上面とほぼ一致した高さで予備加熱されることが望ましい。ただし、予備加熱に誘導加熱コイル８を用いる場合、ベースプレート７の予備加熱と同時に、造形ステージの下部構成部品も発熱する恐れがある。これを考慮し、予備加熱中および造形中にコイルの内側に侵入し得る部位については上記の絶縁体９と同様の絶縁材料で構成することが望ましい。

また、ベースプレート７の予備加熱は誘導加熱コイル８によらず、造形ステージに設けた抵抗加熱ヒーターを用いて行っても良い。この場合、ベースプレート７の材料は導電性の有無を問わない。なお抵抗加熱ヒーターは通電中の誘導加熱コイル８の内側に侵入し得ない位置に設ける必要がある。

ベースプレート７の温度制御はベースプレート７内に設けられた熱電対１８を制御点として行う。ベースプレート７の予備加熱の指令温度は、後述する（造形中の）造形物の指令温度と同一で良い。この造形物の指令温度の決定方法については後で詳述する。

例えば、ベースプレート７とそれに隣接する造形ステージが予備加熱温度において酸化し劣化し得る構成であるものとして、予備加熱前にチャンバ内雰囲気の調整を行う。しかしながら、通常大気下でも予備加熱温度までの昇温が可能である構成の場合には、雰囲気の調整工程と予備加熱工程を並行して行い、造形開始までの時間を短縮するようにしても良い。

続いて、第１層の造形を開始する。図１において粉敷きローラ１１を材料の貯蔵穴の左側に待機させ、材料供給ステージ５をせり上げ、適当な量の材料粉末を造形テーブル４上に供給する。なお薄膜の形成に必要な量よりも若干多めに供給を行う。粉敷きローラ１１を所望の速度で右方に並進移動させるとともに回転させる。このようにして、供給ステージ上にせり出た材料粉末の山を右方へ搬送しながら、ベースプレート７上に材料粉末の薄膜を形成していく。

形成される薄膜の厚さは粉敷きローラに対する造形ステージ６の相対高さを予め調整することで制御することができる。粉敷きローラ１１はベースプレート７上を通過し、残った粉体材料を回収容器１０に流し込む。その後、そのまま粉敷きローラを左方へ並進移動させ、初期の待機場所まで戻す。また、造形ステージ６を僅かに上昇させてから、粉敷きローラ１１を待機場所に戻すことで、往路で形成した薄膜を押し潰し、あるいは削り取って所望の膜厚としても良い。この場合は粉敷きローラ１１を回転をさせながら待機位置に戻すことになる。

なお、薄膜の形成中もベースプレート７に対する上記の予備加熱は切らないでおく。ただし、粉敷きローラ１１が導電性材を含み、誘導発熱により粉敷きローラ１１の運動精度や薄膜形成挙動に影響が出るようであれば、粉敷きローラ１１が誘導加熱コイル８上を通過中のみ、誘導加熱コイル８の加熱通電を遮断するよう制御してもよい。

なお、以上では薄膜形成の手段として粉敷きローラ１１を例示したが、薄膜形成は粉敷きローラ１１に限らずスクレーパーなどにより行うこともできる。

続いて、ベースプレート７上に形成された粉体薄膜に造形用レーザを選択的に照射していく。レーザ光源１２から得られたレーザビームをコリメータレンズ１３でコリメートし、ビームエキスパンダ１４で帯状に広げた後、集光レンズ１５で集光する。レーザビームＬはガルバノスキャナ１６のミラーで反射され、ｆ−θレンズ１７を通過して最上層に材料粉末２２から形成された薄膜の上面に焦点を結びレーザスポットを形成する。ガルバノスキャナ１６は後述の制御装置の指令に基づきレーザスポットを材料粉末２２の薄膜上面内で水平にスキャンさせる。

このレーザスポット走査を制御するために、制御装置６００のＣＰＵ６０１は、インターフェース６０４を介して外部装置から予め用意された造形物の３次元モデルデータ（３ＤＣＡＤ、３ＤＣＧデータなど）を入力する。そしてこの３次元モデルデータを水平断面の積層データに分解し、さらに各層に対応する造形層のスキャン軌跡のデータを生成する。さらにＣＰＵ６０１は、当該の造形層の軌跡データに基づき、走査系、例えばガルバノスキャナ１６の駆動データを生成する。なお、レーザのスキャン光学系は上述の構成に限定されるものではない。例えば、ガルバノスキャナなどの揺動走査系に限定されることなく、必要に応じてポリゴンミラーなどの回転走査系を用いることが考えられる。また、本実施形態では、エネルギービームとしてレーザビーム（Ｌ）を考えたが、材料粉末２２の輻射加熱に電子ビームなどの他のエネルギービームを用いる場合には、その発生源や、走査系は当業者において適宜変更して構わない。

以上のようにして、レーザ光をスキャンし薄膜を焼結する間、本実施例では、誘導加熱コイル８はベースプレート７および造形された造形物の加熱を続ける。

１層目の焼結が終了すると、造形ステージ６は２層目の所望の膜厚分だけ下降し、１層目と同様に２層目の材料供給および薄膜形成を行う。なお、造形時間短縮のために、１層目の造形中に並行して材料供給工程のうち実行可能な部分を行っても良い。

以後、２層目以上の層も同様に造形を行う。本実施例では、造形中、誘導加熱コイル８は常に加熱を続け、造形物Ｏの温度を所望の温度に保ち続ける。造形初期から造形終了までの誘導加熱コイル８による温度管理については後で詳述する。

造形が終了すると、造形チャンバ１の雰囲気は保ったまま、造形物Ｏの降温を開始する。例えば、誘導加熱コイル８の通電を遮断し、造形物Ｏないしその周囲が作業者の作業が可能となる温度まで冷却する。この降温中、制御装置６００は熱電対１８、２０や放射温度計を用いて、引き続き造形物（ないしその周囲）の温度を監視することができる。そして、造形物の酸化、劣化等の問題が生じない温度まで下がった時点で、雰囲気の調整を停止し、造形チャンバ１内に大気を導入する。降温終了後、制御装置６００は造形ステージ６を上昇させ、造形テーブル４上に造形物をせり出させる。

作業者は、作業窓からチャンバ内部にアクセスし、造形物周りの材料粉末を取り除き、ベースプレート７上の造形物Ｏを造形ステージ６から取り外す。また、作業者は、必要に応じて造形チャンバ１内に飛散した材料粉末の清掃や、回収容器１０内の材料粉末（２２）の取り出しを行い、これにより造形作業が終了する。その後、必要に応じて造形物Ｏに付着した材料粉末の除去処理、造形物Ｏの熱処理、ベースプレート７の除去加工、造形物Ｏの追加加工などを経て、最終の造形品（成形）を得る。

ここで、本実施形態において、好適とされるベースプレート７および造形物の材料について詳細に説明する。ベースプレート７の材料は造形材料と接合可能であること、融点が造形材料の拡散接合を生じる温度より十分に高いことが求められる。また、ベースプレート７を予備加熱する際に、誘導加熱コイル８を用いて誘導加熱する場合には、ベースプレート７も導電性材料である必要がある。

ベースプレート７と造形物の接合力が弱すぎる場合には、造形中に発生した残留応力が緩和される前に、プレートと造形物間にクラックが発生してしまう恐れがある。また、ベースプレート７の剛性および締結力が低すぎると、やはり残留応力が緩和される前に、造形中の反り、歪みが発生してしまう恐れがある。従って、造形中の一時的な残留応力に十分耐えるだけの接合力と剛性が得られるプレート材料、プレート厚、締結トルクの選定が必要となる。ベースプレート７と第一層の接合の条件出しを容易にし、かつある程度の接合力を確保するには、プレート材料にも造形物と同じ材料を用いることが望ましい。熱伝導率および融点が造形材料と変わらないため、造形物を焼結するのと同様の焼結条件で接合が可能であり、接合部においては熱膨張差によるクラック等も発生せず造形物と同程度の強度が期待できる。

次に、本実施形態に好適な造形材料（材料粉末２２）の選定について説明する。本実施形態では、誘導加熱コイル８を交流で通電駆動し、造形エリア（穴６ａ）内に交流磁場を発生させ、主に造形物Ｏだけを選択的に誘導発熱させる。

即ち、本実施形態は、造形（固体化）済みの造形物Ｏに発生する渦電流ループに比べ、例えば造形物Ｏの周囲の粉末状態の材料粉末２２に発生する渦電流ループが十分に小さく、造形物Ｏと比較して粉末材料粉末２２では殆ど発熱が生じないという現象に基づく。この現象は発生する渦電流ループの大きさに差があるほど、より顕著に表れるため、造形材料の粉末は渦電流ループの小さいもの、つまり、粒径が小さいものが望ましい。具体的には平均粒径が１０μｍ以下のものが好適に用いられる。

一方、交流磁場による誘導発熱は上記の渦電流損によるもの以外に、材料の磁性に基づくヒステリシス損によるものが知られている。このヒステリシス損は造形物Ｏでも材料粉末２２でも一様に発生する。

本実施形態では、特に造形済みの造形物Ｏの部位を誘導加熱し、造形エリア（穴６ａ）中で固化されていない材料粉末２２の方はむしろ誘導加熱されないほうが望ましい。従って、ヒステリシス損が造形済みの造形物Ｏでも未造形の材料粉末２２でも一様に発生する点を考慮すると、材料粉末２２の磁性は無い方が望ましい。ただし、交流磁場の周波数を上げていくと、ヒステリシス損に対して、渦電流損による発熱量を支配的にすることができる。従って、誘導加熱コイル８によって印加する交流磁場の周波数を上げることにより、磁性材料から成る材料粉末２２でも本実施形態を実施することが可能になる。

本実施形態において、誘導加熱コイル８を配置する目的は、造形期間中、造形エリア（穴６ａの内部）に存在する、導電性の材料粉末２２から造形された造形物（Ｏ）を加熱（ないし保温）する温度管理を行うことにある。前述のように、もし造形物（Ｏ）の温度管理を行わない場合には、例えばレーザ照射された部位が急激に熱膨張し、その後、冷却収縮されることによって、造形物（Ｏ）内部に応力残留が生じる。そして、特に、造形物（Ｏ）の造形エリア（穴６ａの内部）からの取り出しやベースプレート７の除去の時に、造形中の残留応力が解放され、造形物（Ｏ）の反りや歪みなどの形状不良が生じることがある。

本実施形態では、特にこのような造形後に取り出した造形物（Ｏ）の変形、形状不良を防止するために、誘導加熱コイル８によって造形物（Ｏ）を加熱（ないし保温）する温度管理を行う。ただし、誘導加熱コイル８による誘導加熱は、造形エリア（穴６ａの内部）に存在する造形済みの造形物（Ｏ）のみならず、同じ材料から成る材料粉末２２にも作用する。

そこで、誘導加熱コイル８によって造形物（Ｏ）を加熱（ないし保温）する温度管理を行う場合には、例えば造形エリア（穴６ａ）内の造形物（Ｏ）および材料粉末２２を加熱する条件、例えば加熱の上限温度を予め実験によって定めておく必要がある。これは、過度の加熱を行なえば、造形済みの造形物（Ｏ）の周囲を取り巻く、造形上、固体化させる必要のない材料粉末２２同士、あるいは造形物（Ｏ）と周囲の材料粉末２２の拡散接合（甚しい場合には融解）が生じる可能性があるためである。

以下、造形中の造形物（Ｏ）の指令温度および、造形中の造形エリア（穴６ａ）の側面の温度管理の基準となる「拡散接合境界温度」の定義および決定方法を示す。

粉末床溶融結合で用いられる材料粉末、例えば鉄系の合金材料などでは、融点に達しなくても、ある温度以上で長時間維持することで、隣接する粒同士が接合する現象が起こり得る。これは、粒を構成する原子が粒の表面積を小さくするように移動を起こすことで生じる。このようにして粗大化が進行し、大きくなりすぎた粒子は薄膜形成に用いることができないため、造形材料として再利用することはできない。また、粒同士でなくても、こうした接合は起こり得る。造形エリア内の造形材料粉末が造形装置の壁面に高温状態で接触していると、材料粉末は壁面に固着し、造形物の取り出しが困難になるとともに、造形の度に装置壁面をメンテナンスする必要が生じる。したがって、造形エリア内の未造形の材料粉末はこうした拡散接合が起きない低温に保たれることが望ましく、そのために拡散接合が起こり得る温度を予め把握する必要がある。

拡散接合が生じる上限温度の把握には、造形に利用する材料粉末を加熱し、拡散接合の有無を確認する実験を行うとよい。図２にこの拡散接合実験に用いる試験容器２１を示す。

図２は、試験容器２１に材料粉末２２を収容した状態を示している。この試験容器２１は、例えば材料粉末との拡散接合を確認したい材料で作成する。材料粉末との造形物の固着を確認したいのであれば造形物と同材料とし、造形エリア壁面との固着を確認したいのであれば、造形エリア壁面と同じ材料から作成する。

試験容器２１に材料粉末２２を投入する前後の試験容器２１の重量差から、容器内の材料粉末２２の質量を把握できる。試験容器の蓋２３は、材料粉末２２が飛散しないようにするとともに、材料粉末２２粉の充填状態が大きく変化しないようにするウェイト（バラスト）としても機能させる。また、試験容器２１と蓋２３は、例えば隙間嵌めの嵌合構造としており、試験容器２１に対する蓋２３の差し込み長を計測することで、試験容器２１内部の容積がわかるように設計する。

以上のような構成により、試験容器２１の容積、投入されている材料粉末２２の質量を取得することができる。また、材料粉末２２を構成する造形材料の密度から、容器内での粉末の充填率を算出できる。一般に、粉の充填率が高いほど、拡散接合に必要な温度は下がり、時間も短くなる。なお、この実験では、充填密度（圧力）は、材料粉末２２の試験容器２１への充填を一定に管理することで制御できる。

図２のようにして試験容器２１および材料粉末２２の温度管理条件を決定する場合、実造形において確実に拡散接合を抑制するためには、充填率の高い状態で評価を行うのが望ましい。粉末の充填率としては例えばタップ密度相当の値を取得して評価するのが望ましい。

この図２に示す実験の目的は、例えば材料粉末２２それ自体、あるいは材料粉末２２と試験容器２１との間の拡散接合を生じない加熱温度の基準（例えば下記の「拡散接合境界温度」）を求めることにある。

ただし、材料粉末（２２）の拡散接合の条件には、温度だけではなく、加熱時間（図１装置においては予測総造形時間）や充填密度（圧力）が密接に関係する。例えば、同じ加熱温度であっても、加熱時間（図１装置における予測総造形時間）や充填密度（圧力）の値の大小によって材料粉末２２の拡散接合が起きたり起きなかったりする。なお、ある造形物の造形時間は、造形物の積層数、各層におけるレーザの走査距離と速度、１層あたりの薄膜形成時間から定量的に予測可能である。

そこで、この実験では、図１の装置と同じ加熱時間（予測総造形時間）と、充填密度（圧力）の条件を用いて、「予測総造形時間内で材料粉末２２の拡散接合を生じ得ない上限温度」である「拡散接合境界温度」を求める。即ち、本発明における「拡散接合境界温度」とは「予測総造形時間内で材料粉末２２の拡散接合を生じ得ない上限温度」として定義される。即ち、この「拡散接合境界温度」は、加熱時間（図１の装置における予測総造形時間）ないしは特定の充填密度（圧力）の範囲内であれば、その温度で加熱を続けても材料粉末２２の拡散接合が生じない温度である。

試験容器２１および材料粉末２２の温度管理に用いる「拡散接合境界温度」を求めるには、例えば、材料粉末２２を収容した試験容器２１を図１の造形チャンバ１と同等の雰囲気調整が可能な恒温炉に入れる。そして、図１の装置における実造形と同様の雰囲気下で、加熱時間と加熱温度を種々に変更し、拡散接合が生じる温度と時間の関係を評価する。

ここで「拡散接合が生じるか否か」の判断基準は、運用上必要とされるレベルに合わせたもので構わない。造形エリアの装置壁面と材料の固着のみが課題であれば、試験容器と材料粉末が固着しているかを目視で判断するだけで構わない。一方、造形材料の再利用を考えるのであれば、加熱後の粉末の粒度分布計測や、残留酸素濃度計測を行い、再利用可能か否か、を判断する必要がある。

以上のような実験を行うことにより、図１の装置と同じ加熱時間（予測総造形時間）、および充填密度（圧力）の条件を満たす上記の「拡散接合境界温度」を求めることができる。

ここで、造形物の残留応力蓄積を抑制する、という本来の目的に関しては、造形中（ないし造形済み）の造形物の温度は上記の「拡散接合境界温度」を基準にして決定できる。例えば、発明者の実験によると、上記のような実験により求めた「拡散接合境界温度」よりも造形物の加熱温度としては「拡散接合境界温度」より例えば５０℃〜１００℃程度高い温度を好適に用いることができることが判明した。

即ち、本実施形態では、誘導加熱コイル８による造形物の造形物指令温度を、上記の実験により求めた「拡散接合境界温度」に基づき定めた、例えばそれよりも上記の範囲（５０℃〜１００℃程度）高い温度値とする。ここで造形物指令温度とは、放射温度計１９、熱電対１８、２０などにより、それらの制御点（温度検出位置）で検出した温度に基づき、誘導加熱コイル８を制御するための制御量に相当する。

このような温度管理制御により、造形中に造形物中の応力残留を緩和させることが可能となるが、温度を高くしすぎると造形材料が造形物に固着するという弊害がある。実験により求めた「拡散接合境界温度」に基づき、どの程度の範囲内に造形物の加熱温度（加熱上限温度）を求めるかは、当業者が各自の実験によって確認の上、決定すればよい。

一方、造形エリア（穴６ａ）内の材料粉末２２については、造形エリアの内側面の領域では、例えば上記の「拡散接合境界温度」よりも低い温度に管理すべきであるのはいうまでもない。造形エリアの内側面の領域における未焼結（未造形）の材料粉末２２に関して、温度が低いことによる弊害は特にないため、低ければ低いほど望ましく、造形エリア（穴６ａ）の側面から積極的に冷却するのが望ましい。本実施形態では、誘導加熱コイル８内部の冷媒の循環によって造形エリア（穴６ａ）の内側面およびその内側の材料粉末２２を積極的に冷却することができる。

また、造形エリア（穴６ａ）の内側面およびその内側の未造形の材料粉末２２の温度を例えば上記の「拡散接合境界温度」よりも低く管理することにより、未焼結（未造形）の材料のリサイクルや造形終了後の降温工程の短縮などの効果を期待できる。

次に、本実施形態において、好適と考えられる造形ステージ６、誘導加熱コイル８、絶縁体９、および温度検出手段の構成について説明する。

図３は第１層目を造形中の造形エリア（穴６ａ：図１）近傍の断面を模式的に示している。同図において、誘導加熱コイル８は鉛直方向に上、中、下の３つの加熱ゾーンに分割されており、それぞれ所望の制御点温度に基づいて出力制御を行う事ができる。誘導加熱コイル８はらせん状の例えば銅管でそれぞれ構成され、その内部には前記のように冷媒（冷却水）を循環させる。誘導加熱コイル８は絶縁体９に埋設してある。絶縁体９の材料としては、高温でも高強度である絶縁セラミック材、中でも熱衝撃に強い窒化アルミニウムや窒化ケイ素などが好適に用いられる。誘導加熱コイル８と造形物Ｏの距離は近いほど加熱効率が良くなるため、絶縁体９の内径側に誘導加熱コイル８を設けるのが望ましい。

一方、造形テーブル４での発熱を抑制するため、絶縁体９の断面において、誘導加熱コイル８と造形テーブル４の間には距離を取るように配置している。このように絶縁体９に誘導加熱コイル８を埋設することにより、誘導加熱コイル８を造形エリア側面の冷却配管としても機能させ、側面の粉体材料を積極的に冷却することができる。なお、絶縁体９の材質としては、熱伝導率の高いものが望ましく、窒化アルミニウムなどが好適である。

造形ステージ６は造形中に発熱しないよう、ベースプレート７の取り付け部と、ベースプレート７の直下の構造部材を絶縁体で構成するのが望ましい（詳細不図示）。この部位の絶縁体には絶縁体料としてはやはり窒化アルミニウム、窒化ケイ素などが好適に用いられる。

続いて、各部の温度検出手段について述べる。各検出温度を造形中どのように利用するかは後述する。上記のように、造形エリア（穴６ａ）の上部には、造形中の造形物の上面温度を測る放射温度計１９を配置している。放射温度計１９の計測点は造形物上面内の複数点であることが望ましく、面内の温度分布が面計測できることが理想的である。当然ながら放射温度計１９の筐体は造形用レーザが通過し得る領域の外側に設置する。また、放射温度計１９には、造形用レーザの波長をカットするフィルタを設けておく。

造形の際には、予め、放射温度計１９により、造形物Ｏおよび材料粉末２２の放射率をキャリブレーションしておくのが望ましい。造形中の上面温度計測は、例えば最低限各層ごとに焼結工程の直前と直後の２回ずつ行う。１層の焼結工程の直前の造形物Ｏ上部の薄膜の温度計測では、前層の造形物の直上の薄膜温度が造形物の上面温度と同等であると見なして測定を行う。また、１層の焼結工程直後においては造形物Ｏの上面をそのまま計測する。この場合、例えば放射温度計１９で測定した面内での平均温度を検出温度として用いる。

また、造形物Ｏの最下部の温度を測定するために、ベースプレート７に設けられた熱電対１８を配置している。例えばベースプレート７の材質と造形物Ｏの材質を同じにしておくことにより、熱電対１８で検出したベースプレート７の温度は、造形物最下面温度として測定することができる。熱電対１８の配置位置は造形物Ｏの最下面の直下が望ましい。なお、造形物Ｏの最下面の面積が大きい場合には、造形が行われる面内に複数の熱電対を設けるのが望ましい。熱電対１８には、ベースプレート７とは絶縁されたシース熱電対を用いることができる。ここで熱電対１８の自己発熱を抑制するため、太すぎる熱電対は望ましくなく、シース径０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度の物が好適に用いられる。

また、上述のように、造形エリア（穴６ａ）の内側面ないし、特にこの部位近傍の材料粉末２２の温度を検出するために、絶縁体９の内側面に近い位置に熱電対２０を配置している。熱電対２０の先端（検出端）位置は、造形エリア（穴６ａ）の内壁面に近いほど望ましい。また、熱電対２０は、誘導加熱コイル８の上、中、下の３つの加熱ゾーンに相当する温度を測定できるよう、これら加熱ゾーンごとに独立して少なくとも１個ずつ配置するのが望ましい。各加熱ゾーンにおける検出温度は、そのゾーン設けられた複数の熱電対の平均温度とする。また、熱電対２０は、同一の高さで造形エリア（穴６ａ）の周方向に等配に複数設けるのが望ましい。これらの熱電対２０についてもシース径０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度のシース熱電対を好適に用いることができる。

続いて、造形中の各段階での温度制御方法を示す。図３〜図６は、造形物Ｏを上層、中層、下層の３つの高さの領域として分割して考えたときの造形の様子を示している。図３は造形物Ｏの最下層の１層目を造形している状態に相当し、図４は造形物Ｏの下層の造形が終了した状態に相当する。また、図５は造形物Ｏの中層の造形が終了した状態に相当し、図６は造形物Ｏの上層の造形が終了した状態に相当する。

図４〜図６は、上述の図３に準拠した図示となっており、各部およびそれらと参照符号の関係は図３と同様である。図１の構成によると、レーザビームＬによる造形（１層の焼結）は造形エリア（穴６ａ）の最上部の１層に対して行われるため、図３〜図６のように、造形物Ｏは下層、中層、上層の順で造形され、造形ステージ６によって造形エリア中を下降していく。

図７は上記の造形物Ｏの下層、中層、上層の造形の各段階と、上（部）、中（部）、下（部）の加熱ゾーンの制御指令値と制御点（温度検出位置）の関係を示している。図７において、７０１、７０２、７０３はそれぞれ上（部）、中（部）、下（部）の加熱ゾーンの制御指令値と制御点（温度検出位置）を示す。また、７０４、７０５、７０６はそれぞれ造形物Ｏの下層、中層、上層の造形の各段階に相当する。

図７に示すように、図３から図４に至る造形物Ｏの下層の造形（図７の７０４の区画）では、誘導加熱コイル８は上部の加熱ゾーンのみを使用する。また、造形物指令温度としては、上述のようにして予め「拡散接合境界温度」に基づき決定した造形物指令温度を用いることができる。また、制御点（温度検出位置）には、放射温度計１９による測定点である造形物上面を採用するか、または造形物Ｏの下面（熱電対１８の測定点）を用いてよい。ここでは、制御装置６００のＣＰＵ６０１は上部の加熱ゾーンの誘導加熱コイル８に造形物指令温度に対応する駆動量を与え、造形物Ｏを加熱する。

図４から図５に至る中層の造形（図７の７０５の区画）では、誘導加熱コイルは上部と中部の２ゾーンを使用する（７０１、７０２）。上部加熱ゾーンの制御点としては、造形物の上面（放射温度計１９の測定点）を用いる。また、中部加熱ゾーンの制御点としては、造形物Ｏの下面（熱電対１８の測定点）を用いる。

また、図５から図６に至る上層の造形（図７の７０６の区画）では、誘導加熱コイル８は上、中、下の３つの加熱ゾーンのものを全て使用する（７０１、７０２、７０３）。上部加熱ゾーンの制御点としては造形物の上面（放射温度計１９の測定点）、下部加熱ゾーンの制御点としては造形物の下面（熱電対１８の測定点）を使用する。また、中部加熱ゾーンについては、造形物温度を直接検出することができないため、側面の材料の温度を検出・制御する。上下の加熱ゾーンにおける側面の材料温度の平均値を指令温度とし、造形エリア内側面（熱電対２０の測定点）を制御点として制御する。

ここで、造形物Ｏの中層ないし上層の造形（図４〜図６）において、制御装置６００のＣＰＵ６０１は図８に示すような手順により、誘導加熱コイル８の出力値を決定する温度管理を行うことができる。図８では、特に造形物Ｏの上面温度を制御点として使用する場合の制御を詳細に示している。

図８の温度管理制御は、造形済みの造形物Ｏの温度を、上記の「拡散接合境界温度」に基づき決定した一定の目標造形物指令温度（８０７）に保つためのものである。図８のように造形物Ｏの上面温度を制御点とする制御においては各層ごとに加熱出力を決定するため制御周期を１層ごとを単位としている。例えば、１層の焼結、次の薄膜形成を繰り返す間に計測対象である造形物上面の温度と領域が大きく変動する可能性があり、リアルタイムに温度計測を誘導加熱コイル８の駆動へのフィードバックさせるのは難しい。そこで、図８の制御では、１層の造形中で最も低温と考えられる焼結直前と、高温と考えられる焼結直後を用いて、上面の温度を決定する。

図８の温度管理制御は、ある層、例えばＮ層の造形における誘導加熱コイル８による加熱制御量を、前層、例えばＮ−１層の造形における温度計測に基づいて行うようにしてある。即ち、Ｎ−１層の焼結前において、制御装置６００のＣＰＵ６０１は、放射温度計１９によって、（Ｎ−１層の造形中で最も低温と考えられる）焼結直前の温度計測（８０１）を行わせる。また、Ｎ−１層の焼結後において、放射温度計１９によって、（Ｎ−１層の造形中で最も高温と考えられる）焼結直後の温度計測（８０２）を行わせる。

そして、ＣＰＵ６０１は、焼結直前の温度計測（８０１）、および焼結直後の温度計測（８０２）の計測値から、適当な演算手法を用いてＮ−１層の上面温度の代表値を算出（８０３）する。また、焼結直前、直後の温度計測（８０１、８０２）の温度偏差を算出する（８０４）ことにより、Ｎ−１層の誘導加熱コイル８による加熱の効果（温度変化）を評価することができる。

そして、ＣＰＵ６０１は、Ｎ−１層上面温度の代表値（８０３）、およびＮ−１層の焼結直前、直後の温度偏差（８０４）を用い、適当な演算方式によって、続くＮ層の造形中の誘導加熱コイル８の駆動制御量を取得（８０５）する。その後、取得した駆動制御量（８０５）を用いて、Ｎ層の造形中の誘導加熱コイル８を駆動し、造形物Ｏの加熱（保温）を行う（８０６）。なお、複数の加熱ゾーンの温度検出に基づき誘導加熱コイル８の駆動制御量（ないし指令温度）を演算する方式の一例については、実施形態２（図９）として示す。

以上説明したように、本実施形態では、誘導加熱コイル８の誘導加熱を介して造形物Ｏの温度管理制御を行い、造形済みの造形物Ｏの温度を上述の「拡散接合境界温度」に基づき決定した一定の造形物指令温度に温度管理する。そのため、造形物Ｏの造形期間中の応力残留を緩和し、造形エリア（穴６ａの内部）からの造形物Ｏの取り出しや、ベースプレート７の除去の際に生じる可能性のある造形物（Ｏ）の変形（形状不良）を良好に抑制することができる。また、造形期間中、造形物（Ｏ）全体を加熱ないし保温することにより造形物の鉛直方向の温度差を抑制でき、造形中の温度分布に起因する形状不良を抑制することができる。

その場合、本実施形態では、造形物指令温度は、上述のように、予め実験（図２）によって求めた「拡散接合境界温度」に基づき決定している。このため、造形物（Ｏ）と未造形の材料粉末２２の不用意な固着、未造形の材料粉末２２の変質や、造形エリア内壁面への固着などを生じることなく、精度のよい３次元造形が可能となる。

なお、上記のように造形物温度を制御点とした制御を行う場合、造形エリアの内側面の冷却能力が不十分な構成においては、造形エリアの内側面の材料温度が拡散接合境界温度を越えてしまう可能性がある。そこで、ＣＰＵ６０１による温度管理制御には、熱電対２０などを介して測定した造形エリアの内側面（の材料粉末）の温度が拡散接合境界温度を上回った場合に、制御方式切換を行うルーチンを組み込んでおくのが望ましい。

例えば、この造形エリアの内側面（の材料粉末）の温度が拡散接合境界温度を上回った場合に実施する制御方式切換では、造形物指令温度を低下させることが考えられる。例えば、造形物指令温度を、上記の「拡散接合境界温度」に５０℃〜１００℃程度のマージンを加えて求めた値から実験などにより求めた「拡散接合境界温度」それ自体まで低下させることが考えられる。また、この制御方式切換では、制御点（温度検出ないし温度管理位置）を造形エリアの内側面とし、造形エリアの内側面の材料粉末の温度を直接管理するような制御方式に切り替えるのが望ましい。

なお、本実施形態においては、装置の造形可能高さの限界まで造形した場合について説明しているが、高さの低い造形物にも本発明は適用可能である。このような場合、造形中加熱に利用される誘導加熱コイルのゾーン数は造形物高さに合わせて少なくなる。

＜実施形態２＞
以上では、それぞれ独立して通電制御可能な複数の誘導加熱コイルを、造形エリア（穴６ａ）の外周部の上、中、下の３つの加熱ゾーンに配置する構成を示した。しかしながら、加熱ゾーン数は少なくとも鉛直方向に２ゾーン以上あることが望ましく、あるいは加熱ゾーン数はより多いほど望ましい。その場合、最上部および最下部の加熱ゾーン以外の中間の加熱ゾーンでは造形物自体の温度の検出が困難であり、造形エリア（穴６ａ）側面（ないしその近傍の材料粉末）の温度を温度管理制御に利用することになる。

図９は、図１の造形装置の造形エリア（穴６ａ）に鉛直方向に５つの加熱ゾーン配置した構成における最上部および最下部以外の加熱ゾーンの指令値決定の例を示している。図９の左端部に示した造形エリア（穴６ａ）の模式図示では、（造形済みの）造形物Ｏがあり、その周囲を（未造形の）材料粉末３２がとり巻いている。なお、造形装置の他の構成は、上述の実施形態１と同様であるものとする。

図９の例では、５つの加熱ゾーンには、造形エリアの内壁面ないしそれに面した材料粉末３２の温度を検出するため、５つの熱電対３１をそれぞれ配置している。図９において、３３はＮ−１回目の制御周期における各ゾーンの材料温度検出結果のプロットを示している。この例では、各ゾーンの材料温度検出結果のプロット（３３）は、下層から上層にかけてなだらかに変化していない。実際の造形では、このように、造形物Ｏの形状に対応した各造形層の面積（その層の体積）の持つ蓄熱量などに応じてこのように材料温度検出結果のプロット（３３）に非直線性が生じる可能性がある。

このように材料温度検出結果のプロット（３３）に非直線性が生じることを考慮すると、複数（この例では５つ）の熱電対３１から得た材料温度検出結果から、各加熱ゾーンの指令温度値を決定するには次のような演算方式が考えられる。

図９において、３４はＮ−１回目の温度検出結果（３３）に基づいて、５つの熱電対３１の各温度検出ゾーンのうち、最上端と最下端のゾーンで検出された温度に基づき決定した指令温度値を線形でつないだ近似線に相当する。制御装置６００のＣＰＵ６０１は、このように熱電対３１の検出ゾーンの最上端と最下端のゾーンで求めた指令温度値を直線で接続した近似線（３４）を求めることができる。さらに、ＣＰＵ６０１は、この近似線（３４）と、例えば各ゾーンの距離を用いることにより、中間の３つの温度検出ゾーンの高さに相当する位置における指令温度値を取得できる。即ち本実施形態では、図９のように、最上部および最下部の加熱（温度検出）ゾーンに配置した熱電対３１でそれぞれ検出した材料温度を基準とし、側面における鉛直方向温度分布がなだらかに繋がるよう、各加熱（温度検出）ゾーンの指令温度を設定する。

なお、誘導加熱コイル８に流す交流電流の周波数は造形物の材質、形状に応じて好適なものは変わるが、周波数の高低に応じてそれぞれメリットがある。周波数を高くする場合は、上述の通り、磁性材料にも本発明を実施できる可能性がある。一方、周波数を低くするメリットは、造形物の表皮において生じる発熱領域が、高周波に比べより深くなることが挙げられる。造形物の表皮近傍の温度が下がると、より均一な造形物加熱が実現できる。また、表皮近傍の温度が下がることで、材料粉末の造形物への固着が抑制できるといったメリットもある。上記を勘案し、例えば、非磁性材料であるＳＵＳ３１６Ｌを造形材料とすると、誘導加熱コイル８を通電するための交流の周波数としては、例えば１５０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚ程度が好適であると考えられる。

＜実施形態３＞
上述の実施形態１では、中空の誘導加熱コイルが造形エリアの内壁部位の冷却配管（冷却装置ないし冷却手段）を兼ねるものとした。しかしながら、これら誘導加熱と冷却の２つ機能は別構成に分離してもよい。例えば、図１０に示すように、これらの誘導加熱コイルとは別に冷却水路（冷却配管）配置する構成も考えられる。図１０は造形テーブル４近傍の部分の断面構造例を示しており、その他の構成は上述の実施形態１（あるいは実施形態２）と同様であるものとする。なお、図１０では、造形ステージ６およびベースプレート７が最上の位置にある状態を図示している。

図１０の例では、絶縁体２５内に冷却水路３６を配置しており、絶縁体２５の外側の画成した空間部に誘導加熱コイル３７（上記の誘導加熱コイル８に対応）を配置している。また、誘導加熱コイル３７の配置空間の上部には、材料粉末２２が誘導加熱コイル３７を配置した空間部に流れ込まないよう遮蔽するため、天板３８を配置してある。冷却水路３６は、例えば絶縁体２５に溝加工を行うことで作成することができ、この部位に導電材料は用いる必要はない。誘導加熱コイル３７は、周囲の絶縁体２５および造形テーブルとは非接触に支持されている。

なお、このような構成においても、好ましくは誘導加熱コイル３７は中空材料とし、コイルそれ自体を冷却するために、上述同様に誘導加熱コイル３７の内部で冷却水を循環させる。なお、天板３８は絶縁体２５と同じ絶縁材料で構成することができる。

図１０のような構成例によれば、絶縁体２５内に誘導加熱コイルを埋設加工する必要がなく、絶縁体２５の部位の製作が容易となる。また、造形エリアの側面全体を覆う一体物部品ではなく、絶縁体２５の部位は、安価な板状部材の組み合わせなどによっても構成することができる。また、誘導加熱コイル３７を埋設加工しないため、同コイルと絶縁体２５の熱膨張差に起因する絶縁体２５の変形や破損などの問題も考慮しなくてよくなる。

ただし、図１０の構成では、一方で、誘導加熱コイル３７と造形物との距離が大きくなりがちで、加熱効率が落ちる可能性がある。このため、図１０の構成では、所望の加熱制御のために、誘導加熱コイル３７の通電エネルギーが大きくなる可能性がある。また、粉敷きローラからの鉛直荷重に耐えるよう天板３８を構成しようとすると、コイルの最上端位置が造形物上端より低くなり、結果的に造形物上面の加熱が難しくなる可能性がある。

本発明は上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

＜実施例１＞
以下に、上記各実施形態で例示した構成を基本とする造形装置において、図７に示した制御手順で３次元造形物の造形を行った結果を例示する。本例の造形の制御条件は以下の通りとした。

造形チャンバ内は常温常圧で窒素置換を行い酸素濃度３００ｐｐｍ以下とする。

造形ステージの大きさは１４４ｍｍ×１４４ｍｍの正方形形状で、ベースプレート７も同様とする。造形ステージの取り付け板の材質には窒化アルミニウムを用いる。ベースプレート７の材料には厚さ１０ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌを選択した。ベースプレート７の締結はＭ５ねじ８本で行い、各締結トルクは５Ｎｍとした。

造形材料（材料粉末２２）にはＳＵＳ３１６Ｌの平均粒径が７μｍ程度のものを用いた。造形を通じて、粉敷きローラ１１によって成膜する１層の薄膜の厚さは４０μｍとする。また、誘導加熱コイル８には、例えば３巻程度、高さ約３５ｍｍのらせん形状のものを、図１のように上、中、下の３つの加熱ゾーンに配置した。誘導加熱コイル８を駆動する高周波を発生する交流電源には１５０ｋＨｚから４００ｋＨｚまでの範囲でオートマッチングを行えるものを用い、造形中の駆動周波数は２００〜３００ｋＨｚの範囲とした。

温度検出用の熱電対には０．５ｍｍ径ＳＵＳシース、非接地型のＫ熱電対を用いた。また、造形エリア上面の温度計測のための放射温度計１９には検出波長半値幅が８〜１５ｍｍのサーモビューワを用い、面計測データから面積平均を取り検出温度を取得した。

本実施例で造形した造形物の設計高さは１０３ｍｍ、設計体積は１０４６ｃｍ^３、予測総造形時間は９時間４０分であった。絶縁体９の材質は窒化アルミニウムとした。

また、上記のＳＵＳ３１６Ｌの平均粒径が７μｍ程度の造形材料（材料粉末２２）を用いて図２に示した手法で実験を行い、求めた上述の「拡散接合境界温度」は４５０℃であった。そこで、その上面と下面の温度検出に基づき、誘導加熱コイル８の駆動によって温度管理する造形中の造形物（Ｏ）の指令温度は５００℃とした。造形レーザとしてのレーザ光源１２には波長１０７０ｎｍのＹｂファイバーレーザを用い、１層の焼結時の平均レーザ出力は４０Ｗとした。また、造形中、同時に、例えば実施形態１で説明した中空の誘導加熱コイル８の冷媒循環によって造形エリア（穴６ａ）を冷却している。造形中を通じて、造形エリア（穴６ａ）側面の熱電対１８を介して検出した温度（材料粉末２２の温度）は上記の拡散接合境界温度以下を保つことができた。

以上のような制御条件による造形終了後、造形エリア（穴６ａ）の内壁面（絶縁体９）に対する材料粉末２２の固着は認められなかったが、ベースプレート７上面の一部と、造形物の低層部分の間に若干の固着が見られた。

材料供給ステージ５をせり上げて、造形物（Ｏ）の周囲の材料粉末２２を除去したが、所期の形状に造形された造形物（Ｏ）に対する材料粉末２２の固着も認められなかった。

その後、造形物（Ｏ）の変形を評価すべく、造形物（Ｏ）をベースプレート７から除去し、造形物（Ｏ）の水平な上面部分を用いて反り形状を計測した。本実施例において、この造形物（Ｏ）の水平な上面部分は凹の反り形状となっており、１００ｍｍの面内長さに対して最大反り量（凹面の深さ）は２７μｍ程度認められた。一方、ベースプレート７の予備加熱、および誘導加熱コイル８による造形物（Ｏ）の誘導加熱のみ省略してその他は同じ造形条件で造形した造形物（Ｏ）の最大反り量は８５μｍであった。

従って、本実施例によれば、ベースプレート７の予備加熱、および誘導加熱コイル８による造形物（Ｏ）の誘導加熱によって、造形物（Ｏ）中の残留応力抑制、および取り出し後の応力開放に起因する変形量を良好に減少できた。本実施例によれば、造形物（Ｏ）の変形量は、ベースプレート７の予備加熱、および誘導加熱コイル８による造形物（Ｏ）の誘導加熱を行わない場合に比して、約１／３以下に減少させることができた。

１…造形チャンバ、２…排気口、３…給気口、４…造形テーブル、５…材料供給ステージ、６、２７…造形ステージ、７…ベースプレート、８、３７…誘導加熱コイル、９…絶縁体、１０…回収容器、１１…粉敷きローラ、１２…レーザ光源、１３…コリメータレンズ、１４…ビームエキスパンダ、１５…集光レンズ、１６…ガルバノスキャナ、１７…ｆ−θレンズ、１８、２０、２９〜３１…熱電対、１９、２８…放射温度計、２１…試験容器、２２、３２…（未造形の）材料粉末、２３…蓋、３６…冷却水路、３８…天板、８５…チラー、８７…シーケンサ、６０１…ＣＰＵ、６０２…ＲＯＭ、６０３…ＲＡＭ、Ｏ…（造形済み）造形物。

Claims (14)

1. 造形エリアに導電性の材料粉末を敷設し、敷設した前記材料粉末の一部を選択的に輻射加熱し焼結させる一連の動作を繰り返して３次元造形物を製造する３次元造形装置において、
   前記造形エリアの外周部に配置され、通電によって前記造形エリアの内側の造形済みの造形物を誘導発熱させる誘導加熱コイルと、
   前記造形エリアの外周部に配置され、前記造形エリア内の未焼結の材料粉末を冷却する冷却装置と、
   前記誘導加熱コイルの通電および前記冷却装置を制御することにより前記造形物の温度管理を実行する制御装置と、
   を備えた３次元造形装置。
2. 請求項１に記載の３次元造形装置において、前記制御装置は、前記造形物の造形中、複数の前記誘導加熱コイルの通電制御を介して、当該の造形物の予測総造形時間内で前記材料粉末の拡散接合を生じ得ない上限温度に相当する拡散接合境界温度、を基準として決定した温度に前記造形物を加熱するよう前記通電を制御する３次元造形装置。
3. 請求項１または２に記載の３次元造形装置において、前記制御装置は、前記冷却装置を介して、前記造形エリアの側面近傍に存する未焼結の材料粉末の温度が前記造形物の予測総造形時間内で前記材料粉末の拡散接合を生じ得ない上限温度に相当する拡散接合境界温度より低く保たれるよう、前記冷却装置を制御する３次元造形装置。
4. 請求項１に記載の３次元造形装置において、前記誘導加熱コイルを、その内部を冷媒を循環させることができる中空材料で構成することにより、前記誘導加熱コイルが前記冷却装置を兼ね、前記制御装置は、前記誘導加熱コイルの内部の前記冷媒の循環を制御する３次元造形装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、それぞれ独立して通電制御可能な複数の前記誘導加熱コイルが、前記造形エリアの周囲の異なる位置に画成された複数の加熱ゾーンに配置され、前記制御装置は、複数の前記誘導加熱コイルを介して各々の前記加熱ゾーンの温度管理を実行する３次元造形装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、前記造形エリアの内部の造形済みの造形物の最上部の温度を測定する第１の温度測定装置、前記造形エリアの内部の造形済みの造形物の最下部の温度を測定する第２の温度測定装置、または、前記造形エリアの周囲のそれぞれ異なる位置に配置された複数の測定点の温度をそれぞれ検出する第３の温度測定装置を備え、前記制御装置が、前記第１、第２または第３の温度測定装置で測定した温度に基づき、前記誘導加熱コイルを制御する３次元造形装置。
7. 請求項６に記載の３次元造形装置において、前記制御装置が、第３の温度測定装置で測定した温度に基づき、前記冷却装置を制御する３次元造形装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、前記誘導加熱コイルと、前記造形エリアと、を隔離する絶縁体を備える３次元造形装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、前記冷却装置と、前記造形エリアと、を隔離する絶縁体を備える３次元造形装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、エネルギービーム照射装置の発生するエネルギービームによって、前記造形エリアに成膜した材料粉末を選択的に輻射加熱して焼結させる３次元造形装置。
11. 請求項１０に記載の３次元造形装置において、前記エネルギービーム照射装置が、前記エネルギービームとしてレーザビームを照射するレーザ照射装置である３次元造形装置。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の３次元造形装置において、前記制御装置に前記の温度のいずれかを実行させるための３次元造形装置の制御プログラム。
13. 請求項１２に記載の制御プログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
14. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の３次元造形装置を用いて前記造形物を３次元造形する３次元造形物の製造方法。

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