JP7205268B2 - 三次元造形装置 - Google Patents

Description

本開示は、三次元の物体を造形する三次元造形装置に関する。

三次元造形装置として、第１のエネルギビームを照射する第１のエネルギビーム源と、第２のエネルギビームを照射する第２のエネルギビーム源と、粉末層を支持する支持構造と、を備える装置がある（例えば特許文献１に記載）。この装置は、支持構造を回転させながら、第１のカバーエリア内の粉末層に第１のエネルギビームを照射すると共に、第２のカバーエリア内の粉末層に第２のエネルギビームを照射することができる。例えば、第１のカバーエリアは円形を成すように設定され、第２のカバーエリアは、第１のカバーエリアの外側でリング状を成すように設定されている。

特表２０１８－５０７９５７号公報

上記の特許文献１では、支持構造上の円の径方向における各ビーム源による担当領域の境界について開示されているが、支持構造の回転方向における担当領域の境界については開示されていない。テーブルの回転位置に対して、各担当領域における照射開始位置にずれがあると、これに応じて照射終了位置もずれるおそれがある。一方のビーム源による照射が終了しても、他方のビーム源による照射が終了せず、他方のビーム源による照射終了を待つことによる造形時間の損失が生じることになる。造形物が完了するまでについて考慮すると、造形時間が延長するおそれがある。そこで、効率良く造形物の造形が行える三次元造形装置の開発が望まれている。

本開示の一態様に係る三次元造形装置は、粉末材料及び粉末材料により構成された三次元造形物を保持すると共に、回転軸線を中心として回転するテーブルと、テーブル上の第１担当領域内の粉末材料にエネルギビームを照射する第１ビーム源と、テーブル上の第２担当領域内の粉末材料にエネルギビームを照射する第２ビーム源と、回転軸線を中心とする仮想円の周方向に連続すると共に仮想円の径方向において異なる位置に配置された第１担当領域及び第２担当領域を設定する担当領域設定部と、周方向において第１担当領域を複数の第１分割領域に分割する第１分割角度を設定すると共に、周方向において第２担当領域を複数の第２分割領域に分割する第２分割角度を設定する分割角度設定部と、周方向において、第１分割領域の境界を示す第１分割線と第２分割領域の境界を示す第２分割線との差を示す回転角である分割線位相差を設定する分割線位相差設定部と、を備える。第１ビーム源及び第２ビーム源は、周方向において異なる位置に配置され、第２ビーム源は、径方向において第１ビーム源よりも外側に配置され、分割線位相差設定部は、周方向において第１ビーム源の位置と第２ビーム源の位置との差を示す回転角であるビーム源位相差に基づいて、分割線位相差を設定する。

この三次元造形装置は、テーブルを回転させながらエネルギビームを照射する。第１ビーム源から出射されたエネルギビームは、第１担当領域に含まれる第１分割領域内の粉末材料に照射される。第２ビーム源から出射されたエネルギビームは、第２担当領域に含まれる第２分割領域内の粉末材料に照射される。三次元造形装置は、周方向においてビーム源位相差に基づいて分割線位相差を設定することができるので、第１ビーム源近傍に第１分割線が到達する時間と、第２ビーム源近傍に第２分割線が到達する時間と、を合わせるように調整することができる。これにより、第１分割領域に対する第１ビーム源によるエネルギビームの照射開始と、第２分割領域に対する第２ビーム源によるエネルギビームの照射開始とを合わせることができる。三次元造形装置は、第１ビーム源による照射開始と、第２ビーム源による照射開始とのずれを抑制して、造形時間が延長するおそれを低減することができる。

分割線位相差設定部は、分割線位相差として、ビーム源位相差を設定することができる。これにより、ビーム源位相差と、分割線位相差とを一致させることができる。三次元造形装置は、第１ビーム源による照射開始と、第２ビーム源による照射開始とのずれを精度良く抑制して、造形時間が延長するおそれを確実に低減することができる。

担当領域設定部は、第１ビーム源による第１照射範囲と第２ビーム源による第２照射範囲とが重なる領域内に、径方向における第１担当領域と第２担当領域との境界を設定することができる。第１ビーム源及び第２ビーム源の両方からエネルギビームを照射可能な位置に、第１担当領域と第２担当領域との境界を配置することができる。また、第１担当領域と第２担当領域との間に、エネルギビームを照射できない領域が存在することが防止される。

分割角度設定部は第１ビーム源による第１照射範囲内に２つ以上の第１分割領域が含まれるように第１分割角度を設定することができる。この構成によれば、第１分割領域の一方の造形終了時に、他方の領域を第１照射範囲に含ませることができる。

分割角度設定部は、第２ビーム源による第２照射範囲内に２つ以上の第２分割領域が含まれるように、第２分割角度を設定することができる。この構成によれば、第２分割領域の一方の造形終了時に、他方の領域を第２照射範囲に含ませることができる。

分割角度設定部は、第１分割角度と第２分割角度とを同じ値に設定することができる。これにより、周方向において、第１分割領域の数と、第２分割領域の数とを同じにすることができる。その結果、三次元造形装置において、データ処理量の増大を抑制できる。

第１ビーム源は、テーブルの回転方向において、第２ビーム源よりも下流に配置されていてもよい。造形物における外周側の部分が先に造形される。つまり、内周部分よりも前に外周部分の温度が上昇する。その結果、外周部分の温度が高温に保たれる時間が長くなるので、造形物の温度低下を抑制しやすい。

本開示によれば、造形物の造形を効率良く行うことができる。

図１は、本開示の第１実施形態に係る三次元造形装置の断面を示す図である。 図２は、第１ビーム源及び第２ビーム源の配置を示す平面図である。 図３は、三次元造形装置を示すブロック図である。 図４（ａ）は、造形物の三次元データ及び二次元断面データに含まれる形状を示す図である。図４（ｂ）は、二次元断面データ上の第１担当領域及び第２担当領域を示す図である。 図５は、二次元断面データ上の第１分割領域及び第２分割領域を示す図である。 図６は、分割線位相差が設定されて、第１分割線の位置に対して第２分割線の位置がずれている第１分割領域及び第２分割領域を示す図である。 図７は、第１照射範囲と第２照射範囲とが重なる領域内に配置された第１担当領域と第２担当領域との境界を示す図である。 図８（ａ）は、第２照射範囲内に２つの第２分割領域が含まれるように第２分割角度を設定した例を示す図である。図８（ｂ）は、第１照射範囲内に４つの第１分割領域が含まれるように第１分割角度を設定した例を示す図である。 図９（ａ）は、第１分割領域内に設定された軌道データを示す図である。図９（ｂ）は、第２分割領域内に設定された軌道データを示す図である。 図１０は、コントローラにおける処理手順を示すフローチャートである。 図１１は、第２実施形態に係る三次元造形装置の第１ビーム源及び第２ビーム源の配置を示す平面図である。 図１２は、第１変形例に係る第２分割領域を示す図である。 図１３は、第２変形例に係る造形物、第１分割領域及び第２分割領域を示す図である。 図１４（ａ）は、第１分割領域内の造形物の部分を示す図である。図１４（ｂ）は、第２分割領域内の造形物の部分を示す図である。 図１５は、第３実施形態に係る三次元造形装置の第１ビーム源及び第２ビーム源の配置を示す平面図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示される三次元造形装置１は、粉末材料２から三次元の造形物３を製造するいわゆる３Ｄプリンタである。例えば、三次元造形装置１は、粉末材料２にエネルギビームを照射して粉末材料２を溶融又は焼結させて三次元の造形物（三次元造形物）３を造形する。本実施形態の三次元造形装置１は、敷き均した粉末材料２に対し電子ビームを照射して造形を行うパウダーベッド方式に適用したものである。粉末材料２は、金属の粉末であり、例えばチタン系金属粉末、インコネル粉末、アルミニウム粉末等である。また、粉末材料２は、金属粉末に限定されず、例えば樹脂粉末、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）などの炭素繊維と樹脂とを含む粉末であってもよい。また、粉末材料２は、導電性を有するその他の粉末でもよい。なお、本開示における粉末材料は、導電性を有するものには限定されない。例えばエネルギビームとしてレーザを用いる場合には、粉末材料は導電性を有しなくてもよい。

三次元造形装置１は、駆動部４、コントローラ５、処理部６及びハウジング７を備えている。駆動部４は、造形に要する種々の動作を実現する。例えば、駆動部４は、テーブル８を回転及び昇降させる。駆動部４は、回転ユニット９及び昇降ユニット１０を有する。回転ユニット９は、上下方向の回転軸線Ｃを中心にテーブル８を回転させる回転駆動部として機能する。例えば、回転ユニット９の上端はテーブル８に連結され、回転ユニット９の下端には駆動源（例えばモータ）が取り付けられている。昇降ユニット１０は、テーブル８を造形タンク１３に対して相対的に昇降させる直線駆動部として機能する。この昇降は、回転ユニット９の回転軸線Ｃに沿っている。なお、駆動部４は、テーブル８を回転及び昇降させることができる機構であればよく、上述した機構に限定されない。

処理部６は、粉末材料２を処理して造形物３を得る。粉末材料２の処理は、例えば粉末材料２の供給処理及び粉末材料２の造形処理を含む。処理部６は、粉末材料２の予熱処理（予備加熱処理）を含んでもよい。ハウジング７は、複数のコラム１１によって支持されている。ハウジング７は、造形空間１２を形成するチャンバとして機能する。造形空間１２は、粉末材料２を収容し、処理部６による粉末材料２の処理を行うための減圧可能な気密空間である。

造形空間１２には、テーブル８と造形タンク１３とが配置されている。テーブル８は、造形処理が行われる処理台である。テーブル８は、例えば円板状のものが用いられ、造形物３の原料である粉末材料２が配置される。テーブル８は、その回転軸線Ｃがハウジング７の中心軸線と重複するように配置されていてもよい。テーブル８には、駆動部４が接続されている。従って、テーブル８は、駆動部４によって、回転と、回転軸線Ｃに沿った直線移動と、を行う。

図２に示されるように、処理部６は、テーブル８に対し対面するように配置されている。例えば、処理部６は、テーブル８の上方に配置され、テーブル８の造形面（主面又は上面）８ａに対面している。処理部６は、例えば、フィーダ１４、第１ビーム源１５及び第２ビーム源１６を備えている。フィーダ１４は、粉末材料２の供給処理を行う。第１ビーム源１５及び第２ビーム源１６は、粉末材料２の造形処理を行う。処理部６は、ヒータ１７を備えていてもよい。ヒータ１７は、粉末材料２の予熱処理を行う。

フィーダ１４は、テーブル８上に粉末材料２を供給する供給部として機能する。例えば、フィーダ１４は、図示しない原料タンクと均し部とを含んでもよい。原料タンクは、粉末材料２を貯留すると共にテーブル８上に粉末材料２を供給する。均し部は、テーブル８上の粉末材料２の表面を均す。なお、三次元造形装置１は、均し部に替えて、ローラー部、棒状部材、刷毛部などを有してもよい。

ヒータ１７は、テーブル８上に供給された粉末材料２の予備加熱を行う加熱部として機能する。ヒータ１７は、エネルギビームが照射される前の粉末材料２に対して予備加熱を行う。例えば、ヒータ１７は、テーブル８の上方に配置され、放射熱によって粉末材料２の温度を上昇させる。ヒータ１７は、他の方式により加熱するものであってもよく、例えば赤外線ヒータを用いてもよい。ヒータ１７は、テーブル８の回転方向において、フィーダ１４の下流に配置されている。ヒータ１７は、テーブル８の回転方向において、第１ビーム源１５及び第２ビーム源１６の上流に配置されている。

第１ビーム源１５は、電子ビームを出射し、その電子ビームを粉末材料２に照射するビーム出射部として機能する。例えば、第１ビーム源１５として、電子銃が用いられる。第１ビーム源１５は、カソードとアノードとの間に生じる電位差に応じた電子ビームを発生させ、電界調整により電子ビームを収束させ所望の位置に照射させる。第２ビーム源１６は、第１ビーム源１５と同様の構成であるので、説明を省略する。

第１ビーム源１５及び第２ビーム源１６は、テーブル８の径方向において互いに異なる位置に配置されている。例えば、テーブル８の円周８ｂは、回転軸線Ｃを中心とする仮想円に相当する。第１ビーム源１５は、テーブル８の径方向において第２ビーム源１６と比較して回転軸線Ｃに近い位置に配置されている。第２ビーム源１６は、テーブル８の径方向において第１ビーム源１５より外側に配置されている。

第１ビーム源１５及び第２ビーム源１６は、テーブル８の周方向において互いに異なる位置に配置されている。例えば、第１ビーム源１５は、テーブル８の回転方向において、第２ビーム源１６より上流に配置されている。

平面視において、回転軸線Ｃ回りの回転角を設定する。例えば、フィーダ１４が配置されている位置を０ｄｅｇと設定する。回転角は右回り（時計回り）に増加するものとする。この場合、第１ビーム源１５は、２２５ｄｅｇの位置に配置されていてもよい。第２ビーム源１６は、２７０ｄｅｇの位置に配置されていてもよい。テーブル８の周方向において第１ビーム源１５の位置Ｐ１５と第２ビーム源１６の位置Ｐ１６との差を示す回転角であるビーム源位相差Ｒ１は、例えば４５ｄｅｇである。なお、０ｄｅｇの位置は任意の位置でよい。ビーム源位相差Ｒ１は、４５ｄｅｇに限定されず、その他の値でもよい。また、第１ビーム源１５は、テーブル８の回転方向において、第２ビーム源１６の上流に配置されているものに限定されず、第２ビーム源１６の下流に配置されているものでもよい。

ビーム源位相差Ｒ１は、平面視において、直線Ｌ１５と直線Ｌ１６との角度に相当する。直線Ｌ１５は、中心（回転軸線Ｃの位置）と第１ビーム源１５の位置Ｐ１５とを通る仮想の直線である。第１ビーム源１５の位置Ｐ１５は、例えば第１ビーム源１５のビーム照射口の位置としてもよい。直線Ｌ１６は、中心と第２ビーム源１６の位置Ｐ１６とを通る仮想の直線Ｌ１６である。第２ビーム源１６の位置Ｐ１６は、例えば第２ビーム源１６のビーム照射口の位置としてもよい。

図３に示されるコントローラ５は、三次元造形装置１の装置全体の制御を司る制御部である。コントローラ５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、及びＲＡＭ(Random Access Memory)等のハードウェアと、ＲＯＭに記憶されたプログラム等のソフトウェアとから構成されたコンピュータである。コントローラ５は、入力信号回路、出力信号回路、電源回路などを含む。コントローラ５は、演算部及びメモリ２８を含む。コントローラ５は、回転ユニット９、昇降ユニット１０、フィーダ１４、第１ビーム源１５、第２ビーム源１６、及びヒータ１７と電気的に接続されていてもよい。コントローラ５は、各種指令信号を生成できる。メモリ２８は、各種制御に必要なデータを保存できる。コントローラ５は、テーブル８の昇降制御及び回転制御、フィーダ１４の作動制御、ヒータ１７の作動制御、第１ビーム源１５の作動制御、第２ビーム源１６の作動制御などを行う。

コントローラ５は、回転ユニット９に対し制御信号を出力し、回転ユニット９の動作を通じてテーブル８の回転制御を行う。例えば、コントローラ５は、回転ユニット９を作動させて、回転軸線Ｃを中心にテーブル８を回転させる。回転軸線Ｃは、上下方向に沿って設定され、例えば鉛直方向に沿って設定される。

コントローラ５は、平面視において右回り（時計回り）に一定の回転速度でテーブル８を回転させることができる。この回転速度は、例えば予備加熱及び造形における粉末材料２などの温度上昇速度に応じて決定してもよい。テーブル８の回転速度は、後述する照射範囲及び分割角度に応じて決定してもよい。

コントローラ５は、昇降ユニット１０に対し制御信号を出力し、昇降ユニット１０の動作を通じてテーブル８の昇降制御を行う。例えば、コントローラ５は、造形の初期においてテーブル８を造形タンク１３の上部の位置に配置させ、造形物３の造形が進むに連れてテーブル８を降下させる。テーブル８の降下速度は、例えばテーブル８の回転速度に応じて決定してもよい。

コントローラ５は、フィーダ１４に対し制御信号を出力し、粉末材料２の供給制御を行う。コントローラ５は、フィーダ１４を作動させて、テーブル８上に粉末材料２を供給する。テーブル８上の粉末材料２の表面層は、テーブル８の回転に伴ってリコータに当接して敷き均される。

コントローラ５は、ヒータ１７に対し制御信号を出力し、粉末材料２の予熱制御を行う。粉末材料２の加熱量は、粉末材料２の材質や種類、テーブル８の回転速度などに応じて設定してもよい。

コントローラ５は、第１ビーム源制御部２１、第２ビーム源制御部２２、二次元断面データ取得部２３、担当領域設定部２４、分割角度設定部２５、ビーム源位相差設定部２６、分割線位相差設定部２７を含んでもよい。

第１ビーム源制御部２１は、第１ビーム源１５に制御信号を送信して、電子ビームの照射時期、照射位置等の制御（照射制御）を行う。第１ビーム源制御部２１は、粉末材料２を溶融又は焼結させる際の電子ビームの照射制御を行う。第１ビーム源制御部２１は、後述する第１担当領域３１内の粉末材料２の照射位置に電子ビームを照射する。

第２ビーム源制御部２２は、第２ビーム源１６に制御信号を送信して、電子ビームの照射時期、照射位置等の制御を行う。第２ビーム源制御部２２は、粉末材料２を溶融又は焼結させる際の電子ビームの照射制御を行う。第２ビーム源制御部２２は、後述する第２担当領域３２内の粉末材料２の照射位置に電子ビームを照射する。

二次元断面データ取得部２３は、図４（ａ）に示すように、造形物３の水平断面のスライスデータＤ１を取得する。二次元断面データ取得部２３は、造形物３の三次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データに基づいて、造形物３のスライスデータＤ１を生成する。図４（ａ）では、造形物３が円柱体である場合について図示している。造形物３の形状は、円柱体に限定されず、その他の形状でもよい。二次元断面データ取得部２３は、造形物３の上下の位置に応じて複数のスライスデータＤ１を生成する。１層分のスライスデータＤ１は、１層分の粉末材料２に対応している。

担当領域設定部２４は、図４（ｂ）に示すように、第１担当領域３１及び第２担当領域３２を設定する。図４（ｂ）では、１層分のスライスデータＤ１に含まれる造形物３の水平断面を回転軸線Ｃが延在する方向から示している。第１担当領域３１は、第１ビーム源１５によって担当される領域である。第２担当領域３２は、第２ビーム源１６によって担当される領域である。担当領域設定部２４は、スライスデータＤ１に対して、径方向において異なる位置に配置された第１担当領域３１及び第２担当領域３２を設定する。

第１担当領域３１は、例えば回転軸線Ｃを中心とする円形の領域でもよい。第１担当領域３１は、回転軸線Ｃを中心とする円の周方向に連続する領域を含んでもよい。第２担当領域３２は、例えば径方向において第１担当領域３１の外側に配置され、第１担当領域３１を取り囲むように連続するリング状の領域でもよい。第２担当領域３２は、例えば回転軸線Ｃを中心とする円の周方向に連続する領域でもよい。第１担当領域３１の円形の領域の直径は、例えば第２担当領域３２の外径の半分の長さでもよい。第１担当領域３１及び第２担当領域３２の形状は、その他の形状でもよい。担当領域設定部２４は、複数のスライスデータＤ１に対して、第１担当領域３１及び第２担当領域３２を設定する。

分割角度設定部２５は、図５に示すように、周方向において第１担当領域３１を複数の第１分割領域３３に等分する第１分割角度θ１を設定する。分割角度設定部２５は、周方向において第２担当領域３２を複数の第２分割領域３４に等分する第２分割角度θ２を設定する。第１分割角度θ１及び第２分割角度θ２は、回転軸線Ｃを中心とする回転角である。第１分割角度θ１及び第２分割角度θ２は同じ値でもよい。第１分割角度θ１及び第２分割角度θ２は、例えば９０ｄｅｇでもよい。第１分割角度θ１は、第１担当領域３１を例えば４等分する角度である。第２分割角度θ２は、第２担当領域を例えば４等分する角度である。

分割角度設定部２５は、第１分割角度θ１を設定して、複数の第１分割領域３３を設定することができる。第１分割領域３３は、テーブル８の回転軸線Ｃを中心として、第１担当領域３１を周方向に分割して生成される。第１分割領域３３は、扇状の領域に対するデータとして生成される。分割角度設定部２５は、第１分割角度θ１に応じて、回転軸線Ｃから径方向に延在する複数の第１分割線Ｌ１を設定することができる。第１分割線Ｌ１は、周方向において第１分割領域３３の境界を示している。第１担当領域３１において、複数の第１分割線Ｌ１によって区切られた領域が、第１分割領域３３である。

分割角度設定部２５は、第２分割角度θ２を設定して、複数の第２分割領域３４を設定することができる。第２分割領域３４は、テーブル８の回転軸線Ｃを中心として、第２担当領域３２を周方向に分割して生成される。第２分割領域３４は、扇状の領域に対するデータとして生成される。分割角度設定部２５は、第２分割角度θ２に応じて、回転軸線Ｃから径方向に延在する複数の第２分割線Ｌ２を設定することができる。第２分割線Ｌ２は、周方向において第２分割領域３４の境界を示している。第２担当領域３２において、複数の第２分割線Ｌ２によって区切られた領域が、第２分割領域３４である。図５に示す状態では、第１分割線Ｌ１及び第２分割線Ｌ２は、周方向において同じ位置に配置されている。図５では、後述する分割線位相差Ｒ２が設定される前の状態を示している。

ビーム源位相差設定部２６は、図３に示されるように、ビーム源位相差Ｒ１を設定する。ビーム源位相差設定部２６は、例えばメモリ２８に記憶されている第１ビーム源１５の位置Ｐ１、第２ビーム源１６の位置Ｐ２に関するデータを読み取り、ビーム源位相差Ｒ１を取得してもよい。ビーム源位相差Ｒ１は、テーブル８の周方向における第１ビーム源１５の位置Ｐ１と第２ビーム源１６の位置Ｐ２との差を示す回転角である。ビーム源位相差Ｒ１は、例えば４５ｄｅｇである。

分割線位相差設定部２７は、図６に示されるように、ビーム源位相差Ｒ１に基づいて分割線位相差Ｒ２を設定する。分割線位相差Ｒ２は、テーブル８の周方向において、第１分割線Ｌ１と第２分割線Ｌ２との差を示す回転角である。担当領域設定部２４は、図７に示されるように、第１ビーム源１５による第１照射範囲３５と第２ビーム源１６による第２照射範囲３６とが重なる領域内に、径方向における第１担当領域３１と第２担当領域３２との境界Ｌ３を設定することができる。第１照射範囲３５は、第１ビーム源１５から出射された電子ビームが到達可能な範囲である。第２照射範囲３６は、第２ビーム源１６から出射された電子ビームが到達可能な範囲である。第１照射範囲３５と第２照射範囲３６とが重なる領域は、第１ビーム源１５から出射された電子ビームが到達可能であり、且つ、第２ビーム源１６から出射された電子ビームが到達可能な範囲である。

分割角度設定部２５は、図８（ａ）に示されるように、第２ビーム源１６による第２照射範囲３６内に２つ以上の第２分割領域３４が含まれるように、第２分割角度θ２を設定することができる。また、分割角度設定部２５は、図８（ｂ）に示されるように、第１ビーム源１５による第１照射範囲３５内に２つ以上の第１分割領域３３が含まれるように、第１分割角度を設定することができる。

コントローラ５は、設定した各種データをメモリ２８に記憶することができる。コントローラ５は、設定した各種データとして、スライスデータＤ１、第１担当領域３１に関するデータ、第２担当領域３２に関するデータ、第１分割領域３３に関するデータ、第２分割領域３４に関するデータ、第１分割角度θ１に関するデータ、第２分割角度θ２に関するデータ、第１分割線Ｌ１に関するデータ、第２分割線Ｌ２に関するデータ、分割線位相差Ｒ２に関するデータをメモリ２８に記憶することができる。

コントローラ５は、複数の第１分割領域３３ごとに電子ビームの照射位置を設定することができる。コントローラ５は、複数の第２分割領域３４ごとに電子ビームの照射位置を設定することができる。

コントローラ５は、図９（ａ）に示されるように、第１分割領域３３ごとに設定される軌道データＴ１に沿って所定の間隔で配置される照射点として照射位置を設定することができる。コントローラ５は、図９（ａ）に示すように、軌道データＴ１として、一定の方向に沿って並んだ軌道のデータを生成することができる。電子ビームの照射位置は、電子ビームを照射するための目標位置である。照射位置の設定は、現実の照射位置に対応して設定してもよいし、電子ビームの照射制御の指令位置として設定してもよい。

図９（ａ）は、軌道データＴ１に沿って照射点として設定される照射位置を示している。図９（ａ）の例においては、照射位置のデータは、軌道データＴ１と点データ群により構成されている。つまり、図９（ａ）において、軌道データＴ１上に照射点が所定の間隔で設定され、この照射点が電子ビームの照射位置として設定される。軌道データＴ１及び軌道データＴ１上の照射点は、第１分割領域３３内の照射位置を示している。

なお、第１分割領域３３に対する照射位置の設定は、このようなものに限定されるものではない。すなわち、第１分割領域３３に対する照射位置の設定は、軌道データＴ１及び点データ群を設定するものに限られず、第１分割領域３３に対し電子ビームを所望の位置に照射できれば、その他の設定態様であってもよい。例えば、照射位置の設定として、一つの軌道データＴ１に対し一つの照射点を設定してもよい。また、照射位置の設定として、軌道データＴ１の設定のみを行い、軌道データＴ１に沿って電子ビームを走査して照射を行うものであってもよい。

コントローラ５は、第２分割領域３４ごとに設定される軌道データＴ２に沿って所定の間隔で配置される照射点として照射位置を設定することができる。コントローラ５は、図９（ｂ）に示すように、軌道データＴ２として、一定の方向に沿って並んだ軌道のデータを生成することができる。電子ビームの照射位置は、電子ビームを照射するための目標位置である。照射位置の設定は、現実の照射位置に対応して設定してもよいし、電子ビームの照射制御の指令位置として設定してもよい。

図９（ｂ）は、軌道データＴ２に沿って照射点として設定される照射位置を示している。図９（ｂ）の例においては、照射位置のデータは、軌道データＴ２と点データ群により構成されている。つまり、図９（ｂ）において、軌道データＴ２上に照射点が所定の間隔で設定され、この照射点が電子ビームの照射位置として設定される。軌道データＴ２及び軌道データＴ２上の照射点は、第２分割領域３４内の照射位置を示している。

なお、第２分割領域３４に対する照射位置の設定は、このようなものに限定されるものではない。すなわち、第２分割領域３４に対する照射位置の設定は、軌道データＴ２及び点データ群を設定するものに限られず、第２分割領域３４に対し電子ビームを所望の位置に照射できれば、その他の設定態様であってもよい。例えば、照射位置の設定として、一つの軌道データＴ２に対し一つの照射点を設定してもよい。また、照射位置の設定として、軌道データＴ２の設定のみを行い、軌道データＴ２に沿って電子ビームを走査して照射を行うものであってもよい。

また、造形物３を造形するための軌道データとしては、テーブル８の回転に応じて座標変換した軌道データを設定してもよい。すなわち、第１分割領域３３及び第２分割領域３４は、テーブル８の回転により移動するため、コントローラ５は、テーブル８の回転速度に応じて座標変換を行って軌道データを生成してもよい。このとき、周方向に分割した第１分割領域３３及び第２分割領域３４を採用することにより、軌道データの計算又は設定が容易となる。なお、この軌道データの生成及び記憶は、造形前に予め行ってもよいし、造形中に行ってもよい。造形中に軌道データの生成を行う場合には、造形時において造形の中断を生じたときでも造形の再開が円滑に行えるというメリットがある。

次に、図１０を参照して、コントローラ５における処理手順について説明する。まず、コントローラ５は、データの読み込み処理を実行する（ステップＳ１）。コントローラ５は、造形物３の三次元ＣＡＤデータを読み込む。コントローラ５は、例えば記憶媒体に保存されている三次元ＣＡＤデータを読み込むことができる。

次に、二次元断面データ取得部２３は、二次元断面データを取得する（ステップＳ２）。二次元断面データ取得部２３は、三次元ＣＡＤデータから二次元断面データを生成することができる。三次元ＣＡＤデータは、二次元断面データを含んでもよい。

担当領域設定部２４は、第ｎ層について、第１担当領域３１及び第２担当領域３２を設定する（ステップＳ３）。なお、第ｎ層の「ｎ」は自然数である。例えば、上下方向において、上から順に、第１層、第２層、第３層、…とすることができる。担当領域設定部２４は、予め決定されている第１担当領域３１及び第２担当領域３２を適用してもよい。担当領域設定部２４は、第１担当領域３１及び第２担当領域３２を算出してもよい。担当領域設定部２４は、第１担当領域３１及び第２担当領域３２の位置、大きさ、範囲等を設定することができる。

次に、分割角度設定部２５は、第１分割角度θ１及び第２分割角度θ２を設定する（ステップＳ４）。分割角度設定部２５は、例えば、第２照射範囲３６内に２つ以上の第２分割領域３７が含まれるように、第２分割角度θ２を設定することができる。分割角度設定部２５は、第２担当領域３２を周方向に例えば８等分する角度（４５ｄｅｇ）を第２分割角度θ２として設定する。また、分割角度設定部２５は、第１照射範囲３５内に２つ以上の第１分割領域３３が含まれるように、第１分割角度θ１を設定することができる。なお、第１分割角度θ１及び第２分割角度θ２は、周方向に２等分する角度（１８０ｄｅｇ）でもよく、３等分する角度（１２０ｄｅｇ）でもよく、その他の角度でもよい。

次に、ビーム源位相差設定部２６は、例えばメモリ２８に記憶されている第１ビーム源１５の位置Ｐ１、第２ビーム源１６の位置Ｐ２に関するデータを読み取り、ビーム源位相差Ｒ１を設定する。ビーム源位相差設定部２６は、ビーム源位相差Ｒ１を例えば４５ｄｅｇと設定する。

次に、分割線位相差設定部２７は、ビーム源位相差Ｒ１に基づいて、分割線位相差Ｒ２を設定する（ステップＳ６）。分割線位相差設定部２７は、ビーム源位相差Ｒ１を分割線位相差Ｒ２として設定する。これにより、図６に示されるように、第１担当領域３１、第２担当領域３２、第１分割領域３３、第２分割領域３４、第１分割線Ｌ１、第２分割線Ｌ２の位置等が設定される。コントローラ５は、粉末材料２の全ての層について、第１担当領域３１、第２担当領域３２、第１分割領域３３、第２分割領域３４、第１分割線Ｌ１、第２分割線Ｌ２の位置等を設定することができる。コントローラ５は、これらの位置に関するデータをメモリ２８に保存できる。コントローラ５は、複数の第１分割領域３３ごとに、照射位置を設定すると共に、複数の第２分割領域３４ごとに、照射位置を設定する。

次に、三次元造形装置１における造形の際の動作について説明する。図１において、コントローラ５は、昇降ユニット１０を制御して、テーブル８を上方へ移動させる。テーブル８は、上方へ移動させられ造形タンク１３の上部の位置に配置される。

コントローラ５は、回転ユニット９を制御して、テーブル８を回転させる。テーブル８は、回転軸線Ｃを中心に回転する。コントローラ５は、フィーダ１４を制御して、テーブル８上に粉末材料２を供給する。テーブル８上の粉末材料２はリコータによって均される。

テーブル８上の粉末材料２は、テーブル８と共に回転する。フィーダ１４によって供給された粉末材料２は、テーブル８の回転に伴って移動して、ヒータ１７の下方の領域内に進入する。ヒータ１７は、下方に配置された粉末材料２を予備加熱する。粉末材料２は、テーブル８の回転に伴って移動しながら加熱される。

ヒータ１７の下方の領域を通過した粉末材料２は、テーブル８と共に回転する。ヒータ１７によって予備加熱された粉末材料２は、テーブル８の回転に伴って移動して、テーブル８の周方向において、第１ビーム源１５又は第２ビーム源１６に接近する。

第１ビーム源１５は、第１照射範囲３５内に存在する粉末材料２に対して電子ビームを照射することができる。第２ビーム源１６は、第２照射範囲３６内に存在する粉末材料２に対して電子ビームを照射することができる。

具体的には、第１ビーム源１５は、第１照射範囲３５内に存在する第１分割領域３３ごとに、電子ビームを照射する。第２ビーム源１６は、第２照射範囲３６内に存在する第２分割領域３４ごとに、電子ビームを照射する。複数の第１分割領域３３及び第２分割領域３４は、テーブル８の回転に伴って回転軸線Ｃを中心として回転移動する。第１分割領域３３の境界である第１分割線Ｌ１及び第２分割領域３４の境界である第２分割線Ｌ２は、分割線位相差Ｒ２を維持したまま移動する。

ここで、分割線位相差Ｒ２は、ビーム源位相差Ｒ１と同じ値であるので、第１分割線Ｌ１が第１ビーム源１５の位置に到達すると、同じタイミングで、第２分割線Ｌ２が第２ビーム源１６の位置に到達することになる。換言すると、一つの第１分割領域３３から隣の第１分割領域３３に移行するタイミングと、一つの第２分割領域３４から隣の第２分割領域３４に移行するタイミングとを合わせることができる。これにより、一つ目の第１分割領域３３内の粉末材料２に対する電子ビームの照射終了と、一つ目の第２分割領域３４内の粉末材料２に対する電子ビームの照射終了とを、合わせることができる。すなわち、二つ目の第１分割領域３３内の粉末材料２に対する電子ビームの照射開始と、二つ目の第２分割領域３４内の粉末材料２に対する電子ビームの照射開始とを、合わせることができる。

例えば、テーブル８の１周において、４つの第１分割領域３３に対する電子ビームの照射開始から照射終了までのタイミングと、４つの第２分割領域３４に対する電子ビームの照射開始から照射終了までのタイミングとを合わせることができる。

第１ビーム源制御部２１は、第１ビーム源１５を制御して、第１分割領域３３内の粉末材料２に対して電子ビームを照射する。第２ビーム源制御部２２は、第２ビーム源１６を制御して、第２分割領域３４内の粉末材料２に対して電子ビームを照射する。これにより、粉末材料２が溶融又は焼結され、造形物３が造形されていく。

テーブル８は、造形物３の造形が進むに連れて降下される。すなわち、コントローラ５から昇降ユニット１０に制御信号が出力され、昇降ユニット１０の作動によりテーブル８が回転軸線Ｃに沿って降下する。このテーブル８の降下は、テーブル８の回転と同期させてもよいが、完全には同期させなくてもよい。

そして、全ての層について造形が完了したら、造形物３の造形が完了する。

この三次元造形装置１では、第１ビーム源１５による照射開始と、第２ビーム源１６による照射開始とのずれを抑制して、造形時間が延長するおそれを低減することができる。三次元造形装置１では、ビーム源位相差Ｒ１と、分割線位相差Ｒ２とを一致させることができるので、第１ビーム源１５による照射開始と、第２ビーム源１６による照射開始とのずれを精度良く抑制して、造形時間が延長するおそれを確実に低減することができる。第１ビーム源１５による第１分割領域３３に対する電子ビームの照射終了時期と、第２ビーム源１６による第２分割領域３４に対する電子ビーム照射終了時期とを合わせることができる。これにより、一方のビーム源による電子ビームの照射が終了した後に、他方のビーム源による電子ビームの照射終了を待つことによる造形時間の損失を抑制することができる。その結果、効率良く造形物３の造形を行うことができる。

担当領域設定部２４は、第１ビーム源１５による第１照射範囲３５と第２ビーム源１６による第２照射範囲３６とが重なる領域内に、周方向における第１担当領域３１と第２担当領域３２との境界Ｌ３を設定することができる。第１ビーム源１５及び第２ビーム源１６の両方から電子ビームを照射可能な位置に、第１担当領域３１と第２担当領域３２との境界Ｌ３を配置することができる。第１担当領域３１と第２担当領域３２との間に、電子ビームを照射できない領域が存在することを防止することができる。

分割線位相差設定部２７は、分割線位相差Ｒ２として、ビーム源位相差Ｒ１を設定することができる。これにより、ビーム源位相差Ｒ１と、分割線位相差Ｒ２とを一致させることができる。三次元造形装置１は、第１ビーム源１５による照射開始と、第２ビーム源１６による照射開始とのずれを精度良く抑制して、造形時間が延長するおそれを確実に低減することができる。

分割角度設定部２５は、第２ビーム源１６による第２照射範囲３６内に２つ以上の第２分割領域３７が含まれるように、第２分割角度θ２を設定することができる。この構成によれば、一方の第２分割領域３７の造形終了時に、他方の第２分割領域３７を第２照射範囲３６に含ませることが可能である。分割角度設定部２５は、第１ビーム源１５による第１照射範囲３５内に２つ以上の第１分割領域３３が含まれるように、第１分割角度θ１を設定することができる。この構成によれば、一方の第１分割領域３３の造形終了時に、他方の第１分割領域３３を第１照射範囲３５に含ませることが可能である。

次に、図１１を参照して、第２実施形態に係る三次元造形装置１の第１ビーム源及び第２ビーム源の配置について説明する。第２実施形態に係る三次元造形装置１が、第１実施形態の三次元造形装置１と異なる点は、複数の第１ビーム源１５Ａ，１５Ｂと、複数の第２ビーム源１６Ａ，１６Ｂとを備える点である。

複数の第１ビーム源１５Ａ，１５Ｂは、回転軸線Ｃを中心とする仮想円の径方向において同じ位置に配置されている。第１ビーム源１５Ａ，１５Ｂは、回転軸線Ｃを中心とする仮想円の周方向において１８０ｄｅｇ異なる位置に配置されている。

複数の第２ビーム源１６Ａ，１６Ｂは、回転軸線Ｃを中心とする仮想円の径方向において同じ位置に配置されている。第２ビーム源１６Ａ，１６Ｂは、回転軸線Ｃを中心とする仮想円の周方向において１８０ｄｅｇ異なる位置に配置されている。

第１ビーム源１５Ａの位置と、第２ビーム源１６Ａの位置との差を示すビーム源位相差Ｒ１は、例えば４５ｄｅｇである。第１ビーム源１５Ｂと、第２ビーム源１６Ｂとの差を示すビーム源位相差Ｒ１は、例えば４５ｄｅｇである。この場合において、ビーム源位相差設定部２６は、分割線位相差Ｒ２をビーム源位相差Ｒ１と同じ値であり、例えば４５ｄｅｇに設定することができる。このような第２実施形態に係る三次元造形装置１においても、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

次に、図１２を参照して、第１変形例に係る第２分割領域３８について説明する。第１変形例に係る第２分割領域３８の第２分割角度θ３は、第１分割領域３３の第１分割角度θ１の半分となっている。図１２において、第１分割角度θ１は例えば９０ｄｅｇであり、第２分割角度θ３は例えば４５ｄｅｇである。分割角度設定部２５は、第１分割角度θ１を第２分割角度θ３の２倍（偶数倍）の値に設定することができる。第１担当領域３１は、４つの第１分割領域３３を含み、第２担当領域３２は、８つの第２分割領域３８を含む。この場合において、ビーム源位相差設定部２６は、分割線位相差Ｒ２をビーム源位相差Ｒ１と同じ値であり、例えば４５ｄｅｇに設定することができる。このような第１変形例に係る三次元造形装置１においても、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。

次に、図１３を参照して、第２変形例に係る造形物４０、第１分割領域３３及び第２分割領域３４について説明する。造形物４０の水平断面は例えば星形を成している。第１分割領域３３及び第２分割領域３４は、第１実施形態と同じである。第１変形例及び第２変形例においても第１照射範囲内に複数の第１分割領域が含まれ、第２照射領域内に複数の第２分割領域が含まれる。

図１４（ａ）に示されるように、第１分割領域３３ごとに電子ビームが照射されて、第１分割領域３３内の粉末材料２が溶融又は焼結される。これにより、第１分割領域３３内の造形物４０の部分４１が造形される。テーブル８の回転に伴って、周方向に隣接する第１分割領域３３ごとに、造形物４０の部分が順次造形される。

図１４（ｂ）に示されるように、第２分割領域３４ごとに電子ビームが照射されて、第２分割領域３４内の粉末材料２が溶融又は焼結される。これにより、第２分割領域３４内の造形物４０の部分４２が造形される。テーブル８の回転に伴って、周方向に隣接する第２分割領域３４ごとに、造形物４０の部分が順次造形される。三次元造形装置１では、第１分割領域３３ごとに電子ビームの照射を行うと共に、第２分割領域３４ごとに電子ビームの照射を行うことができる。この場合においても、分割線位相差Ｒ２が設定されている。これにより、第１ビーム源１５による照射開始と、第２ビーム源１６による電子ビームの照射開始までのずれを抑制して、造形時間の延長のおそれを低減することができる。

図１５は、第３実施形態に係る三次元造形装置の第１ビーム源及び第２ビーム源の配置を示す平面図である。図１５に示されるように、三次元造形装置の第１ビーム源１５は、テーブル８の回転方向において、第２ビーム源１６よりも下流に配置されていてもよい。造形物における外周側の部分が先に造形される。つまり、内周部分より前に外周部分の温度が上昇する。その結果、外周部分の温度が高温に保たれる時間が長くなるので、造形物の温度低下を抑制しやすい。

本開示は、前述した実施形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。

上述した実施形態では、エネルギビームとして電子ビームを用いて造形物３を造形する場合について説明したが、電子ビーム以外のエネルギビームを用いて造形を行うものであってもよい。例えば、イオンビーム、レーザビーム、紫外線などを照射して造形物３を造形するものであってもよい。また、パウダーベッド方式以外の方式で造形物３を造形するものであってもよい。

上述した実施形態では、第１ビーム源１５及び第２ビーム源１６を備える構成について説明しているが、三次元造形装置１は３つ以上のビーム源を備える構成でもよい。例えば、テーブル８の径方向において、第２ビーム源１６の外側に配置された第３のビーム源を備える三次元造形装置でもよい。

上述した実施形態では、分割線位相差Ｒ２として、ビーム源位相差Ｒ１を設定しているが、分割線位相差Ｒ２として、ビーム源位相差Ｒ１と異なる値を設定してもよい。例えば、第１ビーム源１５の設置位置及び第２ビーム源１６の設置位置の誤差を考慮して、ビーム源位相差Ｒ１に基づいて、分割線位相差Ｒ２を設定してもよい。

上述した実施形態では、図７に示されるように、第１照射範囲３５と第２照射範囲３６とが重なる領域内に、第１担当領域３１と３２第２担当領域との境界Ｌ３が設定されているが、境界Ｌ３は、第１照射範囲３５と第２照射範囲３６とが重なる領域の外に配置されていてもよい。

上述した実施形態では、第１分割線Ｌ１及び第２分割線Ｌ２は直線として説明しているが、第１分割線Ｌ１及び第２分割線Ｌ２は、湾曲部及び屈曲部を含んでもよい。

１ 三次元造形装置
２ 粉末材料
３ 造形物
８ テーブル
１５、１５Ａ、１５Ｂ 第１ビーム源
１６、１６Ａ、１６Ａ 第２ビーム源
２１ 第１ビーム源制御部
２２ 第２ビーム源制御部
２４ 担当領域設定部
２５ 分割角度設定部
２６ ビーム源位相差設定部
２７ 分割線位相差設定部
３１ 第１担当領域
３２ 第２担当領域
３３ 第１分割領域
３４ 第２分割領域
３６ 第２照射範囲
３７，３８ 第２分割領域
４０ 造形物
Ｃ 回転軸線
Ｌ１ 第１分割線
Ｌ２ 第２分割線
Ｌ３ 第１担当領域と第２担当領域との境界
Ｒ１ ビーム源位相差
Ｒ２ 分割線位相差
θ１ 第１分割角度
θ２ 第２分割角度
θ３ 第２分割角度

Claims (6)

1. 粉末材料及び前記粉末材料により構成された三次元造形物を保持すると共に、回転軸線を中心として回転するテーブルと、
   前記テーブル上の第１担当領域内の前記粉末材料にエネルギビームを照射する第１ビーム源と、
   前記テーブル上の第２担当領域内の前記粉末材料にエネルギビームを照射する第２ビーム源と、
   前記回転軸線を中心とする仮想円の周方向の全周にわたって連続的に延在すると共に前記仮想円の径方向に分割された前記第１担当領域及び前記第２担当領域を設定する担当領域設定部と、
   前記周方向において前記第１担当領域を複数の第１分割領域に分割する第１分割角度を設定すると共に、前記周方向において前記第２担当領域を複数の第２分割領域に分割する第２分割角度を設定する分割角度設定部と、
   前記周方向において、前記第１分割領域の境界を示す第１分割線と前記第２分割領域の境界を示す第２分割線との差を示す回転角である分割線位相差を設定する分割線位相差設定部と、を備え、
   前記第１ビーム源及び前記第２ビーム源は、前記周方向において異なる位置に配置され、
   前記第２ビーム源は、前記径方向において前記第１ビーム源よりも外側に配置され、
   前記分割線位相差設定部は、前記分割線位相差を、前記周方向において前記第１ビーム源の位置と前記第２ビーム源の位置との差を示す回転角であるビーム源位相差と同じ値に設定する三次元造形装置。
2. 前記担当領域設定部は、前記第１ビーム源による第１照射範囲と前記第２ビーム源による第２照射範囲とが重なる領域内に、前記径方向における前記第１担当領域と前記第２担当領域との境界を設定する請求項１に記載の三次元造形装置。
3. 前記分割角度設定部は、前記第１ビーム源による第１照射範囲内に２つ以上の第１分割領域が含まれるように、前記第１分割角度を設定する請求項１又は２に記載の三次元造形装置。
4. 前記分割角度設定部は、前記第２ビーム源による第２照射範囲内に２つ以上の第２分割領域が含まれるように、前記第２分割角度を設定する請求項１～３の何れか一項に記載の三次元造形装置。
5. 前記分割角度設定部は、前記第１分割角度と前記第２分割角度とを同じ値に設定する請求項３に記載の三次元造形装置。
6. 前記回転軸線と前記第２ビーム源の位置とを通る仮想直線を基準にして、前記周方向で区分けされる２つの領域のうちの前記テーブルの回転方向の正転側の領域を第１領域とし、前記回転方向の逆転側の領域を第２領域とした場合に、前記第１ビーム源は、前記第１領域に配置されている請求項１～５の何れか一項に記載の三次元造形装置。

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