WO2019088114A1

WO2019088114A1 - 三次元造形装置及び三次元造形方法

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Publication number: WO2019088114A1
Application number: PCT/JP2018/040360
Authority: WO
Inventors: 健太塩沼
Original assignee: 株式会社Ihi
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-05-09
Also published as: JPWO2019088114A1; JP6919714B2; US11780159B2; US20200331060A1; CN111182985B; CN111182985A; EP3705213A1; EP3705213A4

Abstract

三次元造形装置は、電子ビームの照射領域に敷き均された粉末材料に対し電子ビームを照射して粉末材料の予備加熱を行った後に、粉末材料に電子ビームを照射し粉末材料を溶融させて三次元の物体の造形を行う。三次元造形装置は、電子ビームを出射し当該電子ビームを粉末材料に照射させるビーム出射部を備える。ビーム出射部は、予備加熱を行う場合、第一方向に向けた照射経路に沿って電子ビームを照射させた後、第一方向に向けた照射経路からジャンプ距離を隔てて設定され第一方向と逆方向の第二方向に向けた照射経路に沿って電子ビームを照射させる。

Description

三次元造形装置及び三次元造形方法

　本開示は、三次元の物体を造形する三次元造形装置及び三次元造形方法に関する。

　特許第５１０８８８４号公報は、三次元造形装置及び三次元造形方法を開示する。特許第５１０８８８４号公報に記載されるように、三次元造形装置は、粉末材料に対して電子ビームを照射することにより、予備加熱を行う。予備加熱の後に、粉末材料に対して電子ビームをさらに照射することにより、粉末材料を溶融させる。その後、溶融した粉末材料を凝固させる。これらの処理によって、三次元の物体を造形する。この装置及び方法では、予備加熱を行う際に、電子ビームの照射位置を一定の方向へ移動させる。そして、電子ビームの照射位置が照射領域の端部に達した後に、その照射位置を他方の端部の位置に戻す。そして、電子ビームの照射位置を、再び一定の方向へ移動させる。

特許第５１０８８８４号公報

　上記の三次元造形の装置及び方法では、予備加熱が適切に行えない場合がある。例えば、図７に示すように、電子ビームの照射位置Ｐ０を一定の方向へ移動させた後であって、照射位置Ｐ０を端部から他の端部へ戻すときに、電子ビームの照射位置の移動方向が急峻に変化する。その結果、照射位置の移動方向の切り返しの位置において、指令位置に対して電子ビームの実際の照射位置がずれる場合がある。その結果、過剰に加熱される領域Ｒ０を生じてしまうので、入熱むらとなってしまう。

　そこで、入熱むらを抑制することにより、予備加熱を適切に行える三次元造形装置及び三次元造形方法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、荷電粒子ビームの照射領域に敷き均された粉末材料に対し荷電粒子ビームを照射して粉末材料の予備加熱を行った後に、粉末材料に荷電粒子ビームを照射し粉末材料を溶融させて三次元の物体の造形を行う三次元造形装置において、荷電粒子ビームを出射し、荷電粒子ビームを粉末材料に照射させるビーム出射部を備え、ビーム出射部は、予備加熱を行う場合、第一方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームを照射させた後、第一方向に向けた照射経路から所定の距離を隔てて設定され第一方向と逆方向の第二方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームを照射させるように構成される。

　本開示に係る三次元造形装置によれば、入熱むらを抑制することにより、予備加熱を適切に行うことができる。

図１は、本開示の実施形態に係る三次元造形装置の構成を示す概要図である。図２は、図１の三次元造形装置における予備加熱の説明図である。図３は、予備加熱の一例を示す説明図である。図４は、図１の三次元造形装置における予備加熱の説明図である。図５は、図１の三次元造形装置における予備加熱の説明図である。図６は、実施形態に係る三次元造形装置の動作及び三次元造形方法を示すフローチャートである。図７は、背景技術及び比較例における予備加熱の説明図である。

　本開示の一態様に係る三次元造形装置は、荷電粒子ビームの照射領域に敷き均された粉末材料に対し荷電粒子ビームを照射して粉末材料の予備加熱を行った後に、粉末材料に荷電粒子ビームを照射し粉末材料を溶融させて三次元の物体の造形を行う三次元造形装置において、荷電粒子ビームを出射し、荷電粒子ビームを粉末材料に照射させるビーム出射部を備え、ビーム出射部は、予備加熱を行う場合、第一方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームを照射させた後、第一方向に向けた照射経路から所定の距離を隔てて設定され第一方向と逆方向の第二方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームを照射させるように構成される。この三次元造形装置によれば、粉末材料の予備加熱を行う場合、第一方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームを照射させる。その後、所定の距離を隔てて設定され第一方向と逆方向の第二方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームを照射させる。その結果、荷電粒子ビームの照射位置を第一方向の照射経路から第二方向の照射経路へ切り替えるときに、荷電粒子ビームの照射の進路が急峻に変更されることが抑制される。従って、荷電粒子ビームを目標の照射位置に対し正確に照射させることができる。その結果、照射領域に入熱むらが生ずることを抑制できる。

　本開示の一態様に係る三次元造形装置において、所定の距離は、少なくとも一つの照射経路を飛び越した距離であってもよい。この場合、粉末材料の予備加熱を行うにあたり、まず、第一方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームを照射させる。その後、少なくとも一つの照射経路を飛び越した距離を隔てて設定され第一方向と逆方向の第二方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームを照射させる。その結果、荷電粒子ビームの照射位置を第一方向の照射経路から第二方向の照射経路へ切り替えるときに、荷電粒子ビームの照射の進路が急峻に変更されることが抑制される。従って、荷電粒子ビームを目標の照射位置に対し正確に照射させることができる。その結果、照射領域に入熱むらが生ずることを抑制できる。

　本開示の一態様に係る三次元造形装置において、ビーム出射部は、一方向に向けた第一照射経路に沿って荷電粒子ビームを照射した後に、第二方向に向けた第二照射経路に沿った荷電粒子ビームの照射を行い、さらに第一方向又は第二方向に向けた第三照射経路に沿った荷電粒子ビームの照射を行い、第一照射経路から第二照射経路までの距離は、第一照射経路から第三照射経路までの距離よりも大きくてもよい。

　本開示の一態様に係る三次元造形装置は、ビーム出射部に制御信号を出力する制御部をさらに備え、制御部は、ビーム出射部が、予備加熱を行う場合、第一方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームを照射させた後、第一方向に向けた照射経路から所定の距離を隔てて設定され第一方向と逆方向の第二方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームを照射するように、ビーム出射部に対して制御信号を出力してもよい。

　本開示の一態様に係る三次元造形方法は、荷電粒子ビームの照射領域に敷き均された粉末材料に対し荷電粒子ビームを照射する予備加熱工程を行い、この予備加熱工程の後に粉末材料に荷電粒子ビームを照射し粉末材料を溶融させる物体の造形工程を行う三次元造形方法において、予備加熱工程にて、第一方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームが照射された後、第一方向に向けた照射経路から所定の距離を隔てて設定され第一方向と逆方向の第二方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームが照射される。この三次元造形方法によれば、予備加熱工程において、第一方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームが照射される。その後、所定の距離を隔てて設定され第一方向と逆方向の第二方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームが照射される。その結果、荷電粒子ビームの照射位置を第一方向の照射経路から第二方向の照射経路へ切り替えるときに、荷電粒子ビームの照射の進路が急峻に変更されることが抑制される。従って、荷電粒子ビームを目標の照射位置に対し正確に照射させることができる。その結果、照射領域に入熱むらが生ずることを抑制できる。

　本開示の一態様に係る三次元造形方法は、荷電粒子ビームの照射領域に敷き均された粉末材料に対し荷電粒子ビームを照射する予備加熱工程と、予備加熱工程の後に粉末材料に荷電粒子ビームを照射し粉末材料を溶融させる物体の造形工程と、を有し、予備加熱工程において、第一方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームが照射された後、第一方向に向けた照射経路から所定の距離を隔てて設定され第一方向と逆方向の第二方向に向けた照射経路に沿って荷電粒子ビームが照射されてもよい。

　以下、本開示に係る三次元造形装置及び三次元造形方法について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

　図１は、本開示の実施形態に係る三次元造形装置の構成の概要を示す図である。三次元造形装置１は、粉末材料Ａに電子ビームＢを照射する。この電子ビームＢの照射によって、粉末材料Ａが溶融し、その後、凝固するので三次元の物体Ｏが造形される。三次元造形装置１は、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射することにより粉末材料Ａを予備加熱する工程と、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射することにより粉末材料Ａを溶融させて物体Ｏの一部を造形する工程とを繰り返す。これらの工程を繰り返すことにより、凝固した粉末材料Ａが積層されて物体Ｏの造形が行われる。予備加熱は、予熱とも称される。予備加熱とは、物体Ｏの造形前に、粉末材料Ａを加熱する処理である。予備加熱によれば、粉末材料Ａは、粉末材料Ａの融点未満の温度まで加熱される。予備加熱により、粉末材料Ａが加熱されるので、仮焼結が生じる。その結果、電子ビームＢの照射による粉末材料Ａへの負電荷の蓄積が抑制される。従って、電子ビームＢの照射時に粉末材料Ａの飛散が生じて舞い上がるスモーク現象を抑制することができる。

　三次元造形装置１は、ビーム出射部２、造形部３及び制御部４を備える。ビーム出射部２は、造形部３の粉末材料Ａに対して電子ビームＢを出射する。この電子ビームＢの照射によれば、粉末材料Ａが溶融する。電子ビームＢは、例えば、荷電粒子ビームである。荷電粒子ビームは、荷電粒子である電子の直線的な運動により形成される。ビーム出射部２は、粉末材料Ａに電子ビームＢを照射することにより、粉末材料Ａの予備加熱を行う。ビーム出射部２は、予備加熱の後に、粉末材料Ａに電子ビームＢを照射することにより、粉末材料Ａを溶融させる。その結果、三次元の物体Ｏの造形が行われる。

　ビーム出射部２は、電子銃部２１、収差コイル２２、フォーカスコイル２３、偏向コイル２４及び飛散検知器２５を備えている。電子銃部２１は、制御部４と電気的に接続されている。電子銃部２１は、制御部４からの制御信号に基づいて、作動する。電子銃部２１は、電子ビームＢを出射する。電子銃部２１は、例えば、下方に向けて電子ビームＢを出射する。収差コイル２２は、制御部４と電気的に接続されている。収差コイル２２は、制御部４からの制御信号に基づいて、作動する。収差コイル２２は、電子銃部２１から出射される電子ビームＢの周囲に設置される。収差コイル２２は、電子ビームＢの収差を補正する。フォーカスコイル２３は、制御部４と電気的に接続されている。フォーカスコイル２３は、制御部４からの制御信号に基づいて、作動する。フォーカスコイル２３は、電子銃部２１から出射される電子ビームＢの周囲に設置されている。フォーカスコイル２３は、電子ビームＢを収束させることにより、電子ビームＢの照射位置におけるフォーカスの状態を調整する。偏向コイル２４は、制御部４と電気的に接続されている。偏向コイル２４は、制御部４からの制御信号に基づいて、作動する。偏向コイル２４は、電子銃部２１から出射される電子ビームＢの周囲に設置されている。偏向コイル２４は、制御信号に基づいて、電子ビームＢが照射される位置を調整する。偏向コイル２４は、電磁的なビーム偏向を行う。従って、電子ビームＢの照射時において、偏向コイル２４の走査速度は、機械的なビーム偏向の走査速度よりも高速である。電子銃部２１、収差コイル２２、フォーカスコイル２３及び偏向コイル２４は、例えば、筒状を呈するコラム２６内に設置される。なお、ビーム出射部２は、収差コイル２２の設置を省略してもよい。

　飛散検知器２５は、粉末材料Ａへの電子ビームＢの照射に起因する粉末材料Ａの飛散の発生を検知する。粉末材料Ａの飛散によって、粉末材料Ａが霧状に舞い上がる現象は、スモーク現象と呼ばれる。つまり、飛散検知器２５は、粉末材料Ａへの電子ビームＢの照射中において、スモーク現象の発生を検知する。飛散検知器２５としては、例えばＸ線検知器が用いられる。Ｘ線検知器である飛散検知器２５は、スモークが発生した時に発生するＸ線を検知する。飛散検知器２５は、このＸ線の検知に基づいて、粉末材料Ａの飛散が生じたことを検知する。飛散検知器２５は、例えば、コラム２６に取り付けられる。コラム２６に取り付けられた飛散検知器２５は、電子ビームＢに向けて配置されている。なお、飛散検知器２５は、粉末材料Ａの照射領域の近傍に設けられてもよい。

　造形部３は、所望の物体Ｏを造形する部位である。造形部３は、チャンバ３０内に粉末材料Ａを収容する。造形部３は、ビーム出射部２の下方に設けられている。造形部３は、箱状のチャンバ３０を備えている。造形部３は、プレート３１、昇降機３２、粉末供給機構３３及びホッパ３４を備えている。これらの要素は、チャンバ３０内に配置されている。チャンバ３０は、コラム２６と結合されている。チャンバ３０の内部空間は、電子銃部２１が配置されるコラム２６の内部空間と連通している。

　プレート３１は、造形される物体Ｏを支持する。物体Ｏは、プレート３１上で造形されていく。そして、プレート３１は、造形されていく物体Ｏを支持する。プレート３１の形状は、例えば円形である。プレート３１は、電子ビームＢの出射方向の延長線上に配置されている。プレート３１は、例えば水平方向に向けて設けられる。プレート３１は、下方に設置される昇降ステージ３５に支持されるように配置されている。プレート３１は、昇降ステージ３５と共に上下方向に移動する。昇降機３２は、昇降ステージ３５及びプレート３１を昇降させる。昇降機３２は、制御部４と電気的に接続されている。昇降機３２は、制御部４からの制御信号に基づいて、作動する。例えば、昇降機３２は、物体Ｏの造形の初期において昇降ステージ３５と共にプレート３１を上部へ移動させる。そして、昇降機３２は、プレート３１上における粉末材料Ａの溶融及び凝固の繰り返しによって粉末材料Ａが積層されるごとに、プレート３１を降下させる。昇降機３２は、プレート３１を昇降できる機構であれば、いずれの機構のものを用いてもよい。

　プレート３１は、造形タンク３６内に配置されている。造形タンク３６は、チャンバ３０内の下部に設置されている。造形タンク３６の形状は、例えば、円筒状である。造形タンク３６は、プレート３１の移動方向に向けて延びている。造形タンク３６の断面形状は、プレート３１と同心円状の円形である。昇降ステージ３５の形状は、造形タンク３６の内側形状に倣う。つまり、造形タンク３６の水平断面における内側の形状が円形である場合、昇降ステージ３５の形状も円形である。この形状によれば、造形タンク３６に供給される粉末材料Ａが昇降ステージ３５の下方へ漏れ落ちることを抑制しやすくなる。また、粉末材料Ａが昇降ステージ３５の下方へ漏れ落ちることを抑制するために、昇降ステージ３５の外縁部にシール材を設けてもよい。なお、造形タンク３６の形状は、円筒状に限定されない。例えば造形タンク３６の形状は、断面が矩形である角筒であってもよい。

　粉末供給機構３３は、プレート３１の上方に粉末材料Ａを供給する。さらに、粉末供給機構３３は、粉末材料Ａの表面を均す。粉末供給機構３３は、リコータとして機能する。例えば、粉末供給機構３３には、棒状又は板状の部材が用いられる。これらの部材は、水平方向に移動する。その結果、電子ビームＢの照射領域に粉末材料Ａが供給されると共に、粉末材料Ａの表面が均される。粉末供給機構３３の移動は、図示しないアクチュエータ及び機構により制御される。なお、粉末材料Ａを均す機構には、粉末供給機構３３とは異なる機構を用いてもよい。ホッパ３４は、粉末材料Ａを収容する。ホッパ３４の下部には、粉末材料Ａを排出する排出口３４ａが形成されている。排出口３４ａから排出された粉末材料Ａは、プレート３１上へ流入する。又は、粉末材料Ａは、粉末供給機構３３によりプレート３１上へ供給される。プレート３１、昇降機３２、粉末供給機構３３及びホッパ３４は、チャンバ３０内に設置される。チャンバ３０内は、真空又はほぼ真空な状態である。なお、プレート３１上に粉末材料Ａを層状に供給する機構は、粉末供給機構３３及びホッパ３４とは異なる機構を用いてもよい。

　粉末材料Ａは、多数の粉末体により構成される。粉末材料Ａとしては、例えば金属製の粉末が用いられる。また、粉末材料Ａとしては、電子ビームＢの照射により溶融及び凝固できるものであれば、粉末より粒径の大きい粒体を用いてもよい。

　電子制御ユニットである制御部４は、三次元造形装置１の装置全体の制御を行う。制御部４は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを含む。制御部４は、プレート３１の昇降制御、粉末供給機構３３の作動制御、電子ビームＢの出射の制御、偏向コイル２４の作動の制御、粉末材料Ａの飛散の検出、及び、粉末材料Ａの飛散が生じた位置の検出を行う。制御部４は、プレート３１の昇降制御として、昇降機３２に制御信号を出力して、昇降機３２を作動させる。その結果、プレート３１の上下位置が調整される。制御部４は、粉末供給機構３３の作動制御として、電子ビームＢの出射前に粉末供給機構３３を作動させる。その結果、プレート３１上へ粉末材料Ａが供給される。さらに、粉末材料Ａは均される。制御部４は、電子ビームＢの出射制御として、電子銃部２１に制御信号を出力して電子銃部２１から電子ビームＢを出射させる。

　制御部４は、偏向コイル２４の作動制御として、偏向コイル２４に制御信号を出力する。その結果、電子ビームＢの照射位置が制御される。例えば、粉末材料Ａの予備加熱を行う場合、制御部４は、ビーム出射部２の偏向コイル２４に制御信号を出力し、プレート３１上を電子ビームＢが走査するように、電子ビームＢを照射させる。

　図２は、プレート３１を上方から見た図である。図２は、粉末材料Ａの予備加熱における電子ビームＢの照射経路を示す。図２において、プレート３１の上方の領域は、照射領域Ｒである。照射領域Ｒは、物体Ｏの造形が可能な領域である。図２では、説明の便宜上、粉末材料Ａの図示を省略する。電子ビームＢは、照射領域Ｒを左右に往復するように照射される。その結果、電子ビームＢは、照射領域Ｒの全面に対して照射される。図２は、電子ビームＢの照射経路の一部のみを示す。以下、電子ビームＢの照射について具体的に説明する。

　電子ビームＢの照射位置は、まず、第一方向ｄ１に向けた照射経路ｒ１（第１照射経路）に沿って移動する。その後、電子ビームＢの照射位置は、ジャンプ距離Ｊを隔てて設定される照射経路ｒ２（第２照射経路）に沿って移動する。照射経路ｒ２の向きは、第一方向ｄ１と逆方向の第二方向ｄ２である。その後、電子ビームＢの照射位置は、第一方向ｄ１に向けた照射経路ｒ３、第二方向ｄ２に向けた照射経路ｒ４、第一方向ｄ１に向けた照射経路ｒ５の順に沿って移動する。つまり、電子ビームＢの照射は、第一方向ｄ１に向けた照射経路に沿う移動と第二方向ｄ２に向けた照射経路に沿う移動と、を交互に行う。

　電子ビームＢの照射位置が照射経路ｒ５における照射領域Ｒの端部に達した後に、電子ビームＢの照射位置は、最初の照射経路ｒ１の方へ移動する。具体的には、電子ビームＢの照射位置は、照射経路ｒ１の終点の近傍へ移動する。そして、電子ビームＢの照射位置は、照射経路ｒ６（第３照射経路）に沿って移動する。照射経路ｒ６は、照射経路ｒ１の隣りに設定される。照射経路ｒ６は、照射経路ｒ１との間に経路間隔Ｗが設けられるように設定される。経路間隔Ｗは、電子ビームＢの照射により粉末材料Ａが飛散しない程度の距離である。経路間隔Ｗは、照射領域Ｒの全面に対して電子ビームＢを走査しながら、電子ビームＢを照射するときに、隣り合う照射経路と照射経路との間の距離である。経路間隔Ｗが狭すぎると、電子ビームＢの照射により電荷が集中しやすくなる。その結果、粉末材料Ａの飛散を生じる可能性がある。一方、経路間隔Ｗが広すぎると、粉末材料Ａの加熱が不十分になる可能性がある。従って、経路間隔Ｗは、これらの点を考慮して設定される。ジャンプ距離Ｊは、少なくとも一つの照射経路を飛び越した距離に設定される。つまり、ジャンプ距離Ｊは、経路間隔Ｗよりも大きくてもよい。ジャンプ距離Ｊの長さは、経路間隔Ｗの長さの二倍以上としてよい。

　照射経路ｒ６以降の電子ビームＢの照射も、照射経路ｒ１～ｒ５と同様である。つまり、電子ビームＢの照射位置の移動は、第一方向ｄ１に向けた照射経路に沿う移動と第二方向ｄ２に向けた照射経路に沿う移動とが交互に行われる。例えば、電子ビームＢの照射位置は、照射経路ｒ６に沿って移動した後に、ジャンプ距離Ｊを隔てた照射経路ｒ７に沿って移動する。続いて、電子ビームＢの照射位置は、照射経路ｒ８に沿って移動する。このような電子ビームＢの照射により、予備加熱が行われる。この予備加熱では、照射領域Ｒの全面に対し均一に電子ビームＢが照射される。

　このように、電子ビームＢの照射位置は、第一方向ｄ１に向けた照射経路に沿って移動する。その後に、電子ビームＢの照射位置は、ジャンプ距離Ｊを隔てて設定されると共に第二方向ｄ２に向けた照射経路に沿って移動する。その結果、電子ビームＢの照射位置を第一方向ｄ１の照射経路から第二方向ｄ２の照射経路へ切り替えるときに、電子ビームＢの照射位置の進行方向が急峻に変更されることが抑制される。その結果、目標の照射位置に対して電子ビームＢを正確に照射することができる。従って、照射領域Ｒに入熱むらが生ずることを抑制できる。さらに、照射領域Ｒを均一に予備加熱することができる。

　例えば、図３に示すように、電子ビームＢの照射位置を、第一方向ｄ１に向けた経路に沿う移動と、第二方向ｄ２に向けた経路に沿う移動と、を交互に行う。この場合、第一方向ｄ１に向けた経路に沿う移動から第二方向ｄ２に向けた経路に沿う移動に移行するとき、ジャンプ距離Ｊを隔てることがない。このような経路であっても、上述のように、電子ビームＢの照射位置を第一方向ｄ１の照射経路から第二方向ｄ２の照射経路へ切り替えるときに、電子ビームＢの照射位置の進行方向が急峻に変更されることが抑制される。その結果、照射領域Ｒに入熱むらが生ずることを抑制できる。さらに、照射領域Ｒを均一に予備加熱することができる。

　図７に示すように、電子ビームＢの照射位置を一定の方向に移動させながら、電子ビームＢの照射を行った場合、上述したように、照射経路から次の照射経路に切り替えるときに、経路の変化が急峻となる。その結果、領域Ｒ０に示すように、指令位置に対する電子ビームＢの照射位置のずれが生じる可能性がある。その結果、入熱むらを生じてしまう。

　本開示に係る三次元造形装置１は、第一方向ｄ１に向けた照射経路に沿って電子ビームＢの照射位置を移動させる。その後に、ジャンプ距離Ｊを隔てて設定されると共に第二方向ｄ２に向けた照射経路に沿って電子ビームＢを照射する。その結果、急峻な経路の変化が抑えられる。従って、目標の照射位置に対する電子ビームＢの照射位置のずれを抑制することができる。その結果、照射領域Ｒにおける入熱むらの発生を抑制できる。ひいては、照射領域Ｒを均一に予備加熱することができる。さらに、第二方向ｄ２の照射経路は、ジャンプ距離Ｊを隔てて設定されるので、ジャンプ距離Ｊを介して連続する２つの照射経路同士の間が広くなる。従って、電子ビームＢの照射により電荷が集中しにくくなるので、粉末材料Ａの飛散が生じるおそれを低減できる。

　予備加熱のための電子ビームＢの照射は、照射領域Ｒの全面に対し、１回のみ行われてもよい。また、予備加熱のための電子ビームＢの照射は、照射領域Ｒの全面に対し、複数回繰り返して行われてもよい。予備加熱のための電子ビームＢの照射は、照射領域Ｒに対する照射と造形領域Ｍに対する照射とを含んでもよい。造形領域Ｍは、物体Ｏが造形される領域である。例えば、図４に示すように、照射領域Ｒに対する予備加熱を行った後、造形領域Ｍの予備加熱を行ってもよい。この場合、造形領域Ｍに対して十分に予備加熱を行うことができる。その結果、物体Ｏを造形するための電子ビームＢの照射を行う際に、粉末材料Ａの飛散を抑制することができる。また、照射領域Ｒの全面に対して、複数回の予備加熱を繰り返して行う場合と比べて、粉末材料Ａへの電子ビームＢの照射回数が低減される。その結果、粉末材料Ａに対する熱の影響を軽減することができる。つまり、粉末材料Ａの過剰な加熱が避けられるので、粉末材料Ａの劣化及び変形などが抑制される。その結果、粉末材料Ａを再利用することができる。また、予備加熱のための電子ビームＢの照射を照射領域Ｒへの照射と造形領域Ｍへの照射とに分けて行う場合も、第一方向ｄ１に向けた照射経路に沿って電子ビームＢの照射位置を移動した後に、ジャンプ距離Ｊを隔てると共に第二方向ｄ２に向けた照射経路に沿って電子ビームＢの照射位置を移動させる。なお、造形領域Ｍに対し予備加熱する領域は、造形領域Ｍと同じ領域であってもよい。また、造形領域Ｍに対し予備加熱する領域は、造形領域Ｍより広い領域としてもよい。

　図５に示すように、一つの照射領域Ｒが複数の造形領域Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４を含んでもよい。この場合、照射領域Ｒに対する予備加熱の照射は、図２に示すように行えばよい。一方、照射領域Ｒの予備加熱と造形領域Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４の予備加熱とを分けて行う場合、造形領域Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４に対する電子ビームＢの照射は、個々の造形領域Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４ごとに順次行ってよい。

　複数の造形領域Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４において同一直線上の照射経路が設定されている場合、それらの照射経路に沿って連続して電子ビームＢの照射位置を移動させてもよい。例えば、図５において、造形領域Ｍ１の照射経路ｒ１１と造形領域Ｍ２の照射経路ｒ２１とは、同一直線上に設定されている。この場合、照射経路ｒ１１に沿って電子ビームＢの照射位置を移動させた後に、照射経路ｒ２１に沿って電子ビームＢの照射位置を移動させてもよい。また、造形領域Ｍ２の照射経路ｒ２２と造形領域Ｍ１の照射経路ｒ１２とは、同一直線上に設定されている。この場合、照射経路ｒ２２に沿って電子ビームＢの照射位置を移動させた後に、照射経路ｒ１２に沿って電子ビームＢの照射位置を移動させてもよい。このように、電子ビームＢの照射を行うことにより、電子ビームＢの照射の進路の切り返しの回数を低減できる。その結果、電子ビームＢを指令位置に沿って正確に照射しやすくなる。従って、造形領域Ｍにおける入熱むらの発生を抑制することができる。これに対し、造形領域Ｍ１の予備加熱と造形領域Ｍ２の予備加熱とを個別に行うとすると、造形領域Ｍ１及び造形領域Ｍ２の予備加熱において、照射の進路の切り返し回数が多くなる。その結果、電子ビームＢを指令位置に沿って正確に照射しにくくなる。従って、造形領域Ｍにおける入熱むらを生ずる可能性が高くなる。

　図５は、照射領域Ｒが四個の造形領域Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４を含む場合を示す。しかし、照射領域Ｒは、五個以上又は四個未満の造形領域を含んでもよい。例えば、照射領域Ｒは、二個、三個又は五個以上の造形領域を含んでもよい。この場合であっても、上述した作用効果を奏することができる。なお、これらの場合においても、造形領域に対し予備加熱する領域は、造形領域と同じ領域であってもよい。また、予備加熱する領域は、造形領域より広い領域としてもよい。

　図１において、制御部４は、物体Ｏの造形を行う場合、例えば造形すべき物体Ｏの三次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データを用いる。物体Ｏの三次元ＣＡＤデータは、予め入力される物体Ｏの形状データである。制御部４は、三次元ＣＡＤデータを利用して、二次元のスライスデータの集合体を生成する。二次元のスライスデータの集合体は、例えば、造形すべき物体Ｏの上下位置に応じた水平断面の複数のデータである。制御部４は、このスライスデータに基づいて、粉末材料Ａに対し電子ビームＢを照射する領域を決定する。制御部４は、その領域に応じて偏向コイル２４に制御信号を出力する。そして、図３に示すように、制御部４は、ビーム出射部２の偏向コイル２４に制御信号を出力する。その結果、物体形状に応じた造形領域Ｍに対して、電子ビームＢが照射される。

　制御部４は、粉末材料Ａの飛散が発生したこと検出する。制御部４は、粉末材料Ａに対して電子ビームＢを照射したときに、粉末材料Ａの飛散が発生したことを検出する飛散検出部として機能する。粉末材料Ａの飛散は、上述した粉末材料Ａのスモーク現象を意味する。つまり、粉末材料Ａの飛散の発生の有無は、スモーク現象の発生の有無を意味する。制御部４は、飛散検知器２５の出力信号に基づいて、粉末材料Ａの飛散の発生の有無を検出する。つまり、制御部４は、飛散検知器２５の出力信号に飛散が発生したことを示す信号成分が含まれている場合、粉末材料Ａの飛散が発生したと認識する。さらに制御部４は、飛散が発生したことを示す情報を記憶する。

　次に、本開示に係る三次元造形装置１の動作及び三次元造形方法について説明する。

　図６は、本開示に係る三次元造形装置１の動作及び三次元造形方法を示すフローチャートである。図６の一連の制御処理は、例えば制御部４によって行われる。

　図６のステップＳ１０に示すように、プレート３１の位置設定が行われる。なお、以下の説明において、ステップＳ１０は、単に「Ｓ１０」と示す。また、ステップＳ１０以降の各ステップについても同様とする。物体Ｏの造形の初期段階においては、プレート３１の位置は、上方である。そして、物体Ｏの造形が進行すると、プレート３１の位置は、徐々に下方へ移動する。図１において、制御部４が昇降機３２に制御信号を出力することにより、昇降機３２が作動する。昇降機３２の作動によれば、昇降ステージ３５及びプレート３１が昇降する。その結果、プレート３１の位置が設定される。

　図６のＳ１２に処理が移行する。Ｓ１２では、粉末材料Ａの供給が行われる。粉末材料Ａの供給処理では、電子ビームＢの照射領域Ｒに粉末材料Ａを供給する。なお、Ｓ１２では、粉末材料Ａの供給に加えて、粉末材料Ａの表面を均す処理を含んでもよい。例えば、図１において、制御部４が図示しないアクチュエータに制御信号を出力することにより、粉末供給機構３３が作動する。粉末供給機構３３の作動は、粉末供給機構３３の水平方向への移動と、プレート３１上に対する粉末材料Ａの供給と、粉末材料Ａを均す処理と、を含んでよい。

　図６のＳ１４に処理が移行する。Ｓ１４では、予備加熱処理が行われる。予備加熱処理では、物体Ｏの造形を行う前に予め粉末材料Ａを加熱する。制御部４がビーム出射部２に制御信号を出力することにより、電子銃部２１からの電子ビームＢの出射と、偏向コイル２４による電子ビームＢの照射位置の制御と、が行われる。その結果、図２に示すように、プレート３１上の粉末材料Ａに電子ビームＢが照射されるので、粉末材料Ａが加熱される。

　電子ビームＢの照射位置は、まず、第一方向ｄ１に向けた照射経路ｒ１に沿って移動する。その後、電子ビームＢの照射位置は、ジャンプ距離Ｊを隔てて設定される照射経路ｒ２に沿って移動する。照射経路ｒ２の向きは、第一方向ｄ１と逆方向の第二方向ｄ２である。その後、電子ビームＢの照射位置は、第一方向ｄ１に向けた照射経路ｒ３、第二方向ｄ２に向けた照射経路ｒ４、第一方向ｄ１に向けた照射経路ｒ５の順に沿って移動する。つまり、電子ビームＢの照射は、第一方向ｄ１に向けた照射経路に沿う移動と第二方向ｄ２に向けた照射経路に沿う移動と、を交互に行う。

　電子ビームＢの照射位置が照射経路ｒ５における照射領域Ｒの端部に達した後に、電子ビームＢの照射位置は、最初の照射経路ｒ１の方へ移動する。具体的には、電子ビームＢの照射位置は、照射経路ｒ１の終点の近傍へ移動する。そして、電子ビームＢの照射位置は、照射経路ｒ６に沿って移動する。照射経路ｒ６は、照射経路ｒ１の隣りに設定される。このように、電子ビームＢの照射位置は、第一方向ｄ１に向けた照射経路に沿って移動する。その後に、電子ビームＢの照射位置は、ジャンプ距離Ｊを隔てて設定されると共に第二方向ｄ２に向けた照射経路に沿って移動する。その結果、目標の照射位置に対して電子ビームＢを正確に照射することができる。従って、照射領域Ｒに入熱むらが生ずることを抑制できる。さらに、照射領域Ｒを均一に予備加熱することができる。予備加熱のための電子ビームＢの照射は、照射領域Ｒの全面に対し、１回のみ行われてもよい。また、予備加熱のための電子ビームＢの照射は、照射領域Ｒの全面に対し、複数回繰り返して行われてもよい。

　また、予備加熱のための電子ビームＢの照射は、上述したように、図４に示すように、照射領域Ｒに対する電子ビームＢの照射と、造形領域Ｍに対する電子ビームＢの照射と、に分けて行ってもよい。また、図５に示すように、一つの照射領域Ｒが複数の造形領域Ｍを含む場合であって、かつ、複数の造形領域Ｍのそれぞれが同一直線上に設定された照射経路を含むときには、それらの照射経路を連続するように、電子ビームＢの照射位置を移動させてもよい。

　そして、図６のＳ１６に処理が移行する。Ｓ１６では、造形処理が行われる。造形処理は、物体Ｏの造形を行う。例えば、制御部４は、造形すべき物体Ｏの三次元ＣＡＤデータを利用して、二次元のスライスデータの集合体を生成する。そして、制御部４は、このスライスデータに基づいて、粉末材料Ａに対し電子ビームＢを照射する造形領域Ｍを決定する。制御部４は、造形領域Ｍに応じてビーム出射部２から電子ビームＢを照射させる。Ｓ１６における造形処理は、物体Ｏを構成する一部の層を造形する。

　Ｓ１８に処理が移行する。Ｓ１８では、制御処理の終了条件が成立したか否かを判定する。制御処理の終了条件が成立した場合とは、例えば、所望の三次元の物体Ｏの造形が終了した場合である。つまり、Ｓ１０～Ｓ１６の制御処理を繰り返し行った結果、物体Ｏの造形が完了した場合である。一方、制御処理の終了条件が成立していない場合とは、例えば、所望の三次元の物体Ｏの造形が完了していない場合である。

　Ｓ１８において制御処理の終了条件が成立していないと判定された場合、Ｓ１０に処理が移行する。一方、Ｓ１８において制御処理の終了条件が成立したと判定された場合、図６の一連の制御処理が終了する。

　図６に示すＳ１０～Ｓ１８の処理が繰り返し行われることにより、物体Ｏが層状に徐々に形成されていく。そして、最終的に所望の物体Ｏが造形される。

　以上説明したように、本開示に係る三次元造形装置１及び三次元造形方法によれば、粉末材料Ａの予備加熱を行う場合、第一方向ｄ１に向けた照射経路に沿って電子ビームＢの照射位置を移動させた後、ジャンプ距離Ｊを隔てると共に第二方向ｄ２に向けた照射経路に沿って電子ビームＢの照射位置を移動させる。このため、電子ビームＢの照射位置を第一方向ｄ１の照射経路から第二方向ｄ２の照射経路へ切り替えるときに、電子ビームＢの照射の進路が急峻に変更されることが抑制される。従って、目標の照射位置に対して、電子ビームＢを正確に照射することができる。その結果、照射領域Ｒにおける入熱むらの発生を抑制できる。

　本開示に係る三次元造形装置１及び三次元造形方法において、ジャンプ距離Ｊは、少なくとも一つの照射経路を飛び越した距離としてもよい。この場合、電子ビームＢの照射位置は、第一方向ｄ１に向けた照射経路から少なくとも一つの照射経路を飛び越した距離を隔てると共に第二方向ｄ２に向けた照射経路に沿って移動する。その結果、電子ビームＢの照射位置を第一方向の照射経路から第二方向の照射経路へ切り替えるときに、電子ビームＢの照射の進路が急峻に変更されることが抑制される。従って、目標の照射位置に対して、荷電粒子ビームを正確に照射することができる。その結果、照射領域における入熱むらの発生を抑制できる。

　なお、本開示の三次元造形装置及び三次元造形方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本開示は、特許請求の範囲の記載の要旨を逸脱しない範囲で様々な変形態様を取ることができる。

　例えば、上述した実施形態ではプレート３１の形状として円形を例示した。プレート３１の形状は円形とは異なる形状であってよい。具体的には、プレート３１の形状として矩形を採用してよい。また、上述した実施形態では、電子ビームＢの照射領域Ｒの形状として、円形を例示した。照射領域Ｒの形状は、円形に限定されない。例えば、照射領域Ｒの形状は、矩形であってもよい。また、造形領域Ｍの形状も、円形に限定されない。造形領域Ｍの形状は、物体Ｏの形状に応じて適宜設定してよい。造形領域Ｍの形状は、例えば矩形であってもよい。

　上述した実施形態においては、荷電粒子ビームとして電子ビームＢを例示し、当該電子ビームＢを粉末材料Ａに照射することにより、物体Ｏを造形する場合について例示した。荷電粒子ビームは、電子ビームＢに限定されず、電子ビームＢとは異なるエネルギビームを採用してよい。例えば、荷電粒子ビームとしてイオンビームを採用してもよい。そして、イオンビームを粉末材料Ａに照射することにより、物体Ｏを造形してもよい。

　上述した本開示の三次元造形装置及び三次元造形方法の説明では、照射経路ｒ５に沿った照射の後に、照射経路ｒ６（第三照射経路）に沿った照射を行った。なお、照射経路ｒ５は、１回目の照射経路ｒ１～ｒ５を含む経路群（ｎ回目の照射経路群）における最後の経路である。また、照射経路ｒ６は、２回目の照射経路ｒ６～ｒ１０を含む経路群（ｎ＋１回目の照射経路群）における最初の経路である。上述の説明及び図２では、この照射経路ｒ６の方向は、照射経路ｒ１（第一照射経路）に対して方向が逆であった。なお、照射経路ｒ１は、１回目の照射経路ｒ１～ｒ５を含む経路群（ｎ回目の照射経路群）における最初の経路である。

　しかし、照射経路ｒ６の方向は、近接する照射経路ｒ１の方向と逆向きに設定される必要はない。例えば、照射経路ｒ６の方向は、照射経路ｒ１と同じであってもよい。また、照射経路ｒ６の方向は、照射経路ｒ５に対して逆向きに設定されてもよいし、同じ向きであってもよい。照射経路ｒ１に沿う照射から、照射経路ｒ６に沿う照射までの間には、ある程度の時間が経過しているので、照射による影響が小さいためである。すなわち、ｎ回目の照射経路群におけるいずれかの経路（例えば照射経路ｒ１）と、ｎ＋１回目の照射経路群におけるいずれかの経路（例えば照射経路ｒ６）とが、互いに近接している（Ｗが小さい）場合に、それらの経路の方向は、逆向きであってもよい。また、それらの経路の方向は、同じであってもよい。

　また、上記の説明では、第一照射経路として照射経路ｒ１を例示し、第二照射経路として照射経路ｒ２を例示し、第三照射経路として照射経路ｒ６を例示した。しかし、第一照射経路、第二照射経路及び第三照射経路は、上記の例示に限定されない。例えば、第一照射経路を照射経路ｒ２とし、第二照射経路を照射経路ｒ３とし、第三照射経路として照射経路ｒ７としてもよい。つまり、第二照射経路は、第一照射経路への照射に引き続いて行われる照射に用いられる経路である。また、第三照射経路は、第二照射経路への照射から少なくとも１以上の経路への照射を行った後に実施される照射に用いられる経路であって、第一照射経路に隣接する。つまり、第三照射経路は、第二照射経路への照射に引き続いて行われる照射に用いられる経路ではない。

１　三次元造形装置
２　ビーム出射部
３　造形部
４　制御部
２１　電子銃部
２２　収差コイル
２３　フォーカスコイル
２４　偏向コイル
２５　飛散検知器
３１　プレート
３２　昇降機
３３　粉末供給機構
３４　ホッパ
Ａ　粉末材料
Ｂ　電子ビーム
ｄ１　第一方向
ｄ２　第二方向
Ｊ　ジャンプ距離（所定の距離）
Ｒ　照射領域
Ｍ　造形領域
Ｏ　物体

Claims

　荷電粒子ビームの照射領域に敷き均された粉末材料に対し前記荷電粒子ビームを照射して前記粉末材料の予備加熱を行った後に、前記粉末材料に前記荷電粒子ビームを照射し前記粉末材料を溶融させて三次元の物体の造形を行う三次元造形装置において、
　前記荷電粒子ビームを出射し、前記荷電粒子ビームを前記粉末材料に照射させるビーム出射部を備え、
　前記ビーム出射部は、前記予備加熱を行う場合、第一方向に向けた照射経路に沿って前記荷電粒子ビームを照射させた後、前記第一方向に向けた照射経路から所定の距離を隔てて設定され前記第一方向と逆方向の第二方向に向けた照射経路に沿って前記荷電粒子ビームを照射させる、
三次元造形装置。
　前記所定の距離は、少なくとも一つの照射経路を飛び越した距離である、
請求項１に記載の三次元造形装置。
　前記ビーム出射部は、前記第一方向に向けた第一照射経路に沿って前記荷電粒子ビームを照射した後に、前記第二方向に向けた第二照射経路に沿った前記荷電粒子ビームの照射を行い、さらに前記第一方向又は前記第二方向に向けた第三照射経路に沿った前記荷電粒子ビームの照射を行い、
　前記第一照射経路から前記第二照射経路までの距離は、前記第一照射経路から前記第三照射経路までの距離よりも大きい、
請求項１又は２に記載の三次元造形装置。
　前記ビーム出射部に制御信号を出力する制御部をさらに備え、
　前記制御部は、前記ビーム出射部が、前記予備加熱を行う場合、第一方向に向けた照射経路に沿って前記荷電粒子ビームを照射させた後、前記第一方向に向けた照射経路から所定の距離を隔てて設定され前記第一方向と逆方向の第二方向に向けた照射経路に沿って前記荷電粒子ビームを照射するように、前記ビーム出射部に対して前記制御信号を出力する、
請求項１に記載の三次元造形装置。
　荷電粒子ビームの照射領域に敷き均された粉末材料に対し前記荷電粒子ビームを照射する予備加熱工程を行い、前記予備加熱工程の後に前記粉末材料に前記荷電粒子ビームを照射し前記粉末材料を溶融させる物体の造形工程を行う三次元造形方法において、
　前記予備加熱工程において、第一方向に向けた照射経路に沿って前記荷電粒子ビームが照射された後、前記第一方向に向けた照射経路から所定の距離を隔てて設定され前記第一方向と逆方向の第二方向に向けた照射経路に沿って前記荷電粒子ビームが照射される、
三次元造形方法。
　荷電粒子ビームの照射領域に敷き均された粉末材料に対し前記荷電粒子ビームを照射する予備加熱工程と、
　前記予備加熱工程の後に前記粉末材料に前記荷電粒子ビームを照射し前記粉末材料を溶融させる物体の造形工程と、を有し、
　前記予備加熱工程において、第一方向に向けた照射経路に沿って前記荷電粒子ビームが照射された後、前記第一方向に向けた照射経路から所定の距離を隔てて設定され前記第一方向と逆方向の第二方向に向けた照射経路に沿って前記荷電粒子ビームが照射される、三次元造形方法。