(57)【要約】【課題】生産コストの増加を抑制できる積層造形装置を得る。【解決手段】積層造形装置１００は、真空チャンバ１と、真空チャンバ１内に設けられ、積層造形物Ｍを造形するための造形領域Ｒの底面を形成する垂直方向に高さを調節可能な作業テーブル４１を有する作業土台４と、積層造形物Ｍの原料となる粉末材料５を貯留し、造形領域Ｒに粉末材料５を供給する粉末供給部６と、造形領域Ｒに、粉末材料５を固化させる電子ビームＥＢを照射する電子銃２と、真空チャンバ１内に設けられ、電子ビームＥＢが通過する領域である通過領域Ｓ１の側面の少なくとも一部を覆うシールド部材７と、通過領域Ｓ１の側面がシールド部材７によって覆われた空間であるガス供給空間Ｇ内に、電子ビームＥＢの照射によって陽イオン化するガスを供給するガス供給部８と、を備える。【選択図】図１
2020033580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に設けられ、積層造形物を造形するための造形領域の底面を形成する垂直方向に高さを調節可能な作業テーブルを有する作業土台と、
前記積層造形物の原料となる粉末材料を貯留し、前記造形領域に前記粉末材料を供給する粉末供給部と、
前記造形領域に、前記粉末材料を固化させる電子ビームを照射する電子銃と、
前記真空チャンバ内に設けられ、前記電子ビームが通過する領域である通過領域の側面の少なくとも一部を覆うシールド部材と、
前記通過領域の側面が前記シールド部材によって覆われた空間であるガス供給空間内に、前記電子ビームの照射によって陽イオン化するガスを供給するガス供給部と、
を備える積層造形装置。
【請求項２】
前記シールド部材は、前記電子ビームが前記ガス供給空間を通過して前記造形領域へと到達するための前記電子銃側の開口部及び前記造形領域側の開口部を有し、前記電子銃側の開口部の開口面積は、前記造形領域側の開口部の開口面積よりも小さい面積であること特徴とする請求項１に記載の積層造形装置。
【請求項３】
前記シールド部材は、前記造形領域側から前記電子銃側に向かって前記ガス供給空間の水平断面積が縮小するテーパー形状であること特徴とする請求項２に記載の積層造形装置。
【請求項４】
前記シールド部材の前記造形領域と対向する面は、前記造形領域において前記電子ビームが照射される領域である照射領域よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の積層造形装置。
【請求項５】
前記シールド部材の前記電子銃側の端部は、前記真空チャンバの前記電子銃側の面と接合されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【請求項６】
前記ガス供給部は、前記ガスを、前記ガスの分子流として供給することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の積層造形装置。
【請求項７】
積層造形物を造形するための造形領域に、積層造形物の原料となる粉末材料を供給するステップと、
前記造形領域に、前記粉末材料を固化させる電子ビームを照射するステップと、
前記電子ビームが通過する領域である通過領域の側面の少なくとも一部を覆うシールド部材によって、前記通過領域の側面が覆われた空間であるガス供給空間内に、前記電子ビームの照射によって陽イオン化するガスを供給するステップと、
を備える積層造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームを照射することによって固化可能である粉末材料を用いて、３次元の積層造形物を造形する積層造形装置及び積層造形方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームの照射により溶融凝固可能な金属粒体などからなる粉末材料により形成される粉末床を真空チャンバ内で積層しながら、各層の粉末床を選択的に固化させることにより３次元の積層造形物を造形する積層造形装置が知られている。
【０００３】
電子ビームを使用した積層造形装置では、電子ビームの照射により粉末材料が負に帯電するため、個々の粉末材料同士がクーロン力により互いに反発し合い粉末材料が飛散するおそれがある。
【０００４】
特許文献１に記載の３次元物体を作るための方法及び装置では、粉末材料の飛散を防止するために、装置の真空チャンバ内に飛散防止ガスを導入し、電子ビームの照射点近傍で飛散防止ガスを正に帯電させることで粉末材料を電気的に中性化させる技術について記載されている。
【０００５】
また、特許文献２に記載の３次元積層造形装置では、造形領域の上方に金属製のカバーを設け、金属性のカバーにプラス電圧を印加、又は金属性のカバーをＧＮＤ電位とすることで、電子の発生量が大きい２次電子を金属性のカバーでトラップし、粉末材料の飛散を防止する技術について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１０−５２６６９４号公報
【特許文献２】国際公開第２０１６／０５９６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、真空チャンバ内に導入される飛散防止ガスは容易に拡散するため、特許文献１に記載の３次元物体を作るための方法及び装置では、粉末材料の飛散を防止するための飛散防止ガスを真空チャンバ内全体に導入することになり、特に大型の積層造形物を造形する場合のように真空チャンバが大型化すると、必要な飛散防止ガス量も増大して生産コストが増大する。
【０００８】
特許文献２に記載の３次元積層造形装置において、飛散防止ガスを導入する構成とした場合であっても、真空チャンバ内全体に飛散防止ガスを導入する必要があるため、飛散防止ガスの供給量を抑制することはできず、生産コストが増大する。また、特許文献２に記載の３次元積層造形装置は、金属性のカバーに電圧を印加する装置が必要であるため、装置のコストが増大する。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、生産コストの増加を抑制できる積層造形装置及び積層造形方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の積層造形装置は、真空チャンバと、真空チャンバ内に設けられ、積層造形物を造形するための造形領域の底面を形成する垂直方向に高さを調節可能な作業テーブルを有する作業土台と、積層造形物の原料となる粉末材料を貯留し、造形領域に粉末材料を供給する粉末供給部と、造形領域に、粉末材料を固化させる電子ビームを照射する電子銃と、真空チャンバ内に設けられ、電子ビームが通過する領域である通過領域の側面の少なくとも一部を覆うシールド部材と、通過領域の側面がシールド部材によって覆われた空間であるガス供給空間内に、電子ビームの照射によって陽イオン化するガスを供給するガス供給部と、を備える。
【００１１】
本発明の積層造形方法は、積層造形物を造形するための造形領域に、積層造形物の原料となる粉末材料を供給するステップと、造形領域に、粉末材料を固化させる電子ビームを照射するステップと、電子ビームが通過する領域である通過領域の側面の少なくとも一部を覆うシールド部材によって、通過領域の側面が覆われた空間であるガス供給空間内に、電子ビームの照射によって陽イオン化するガスを供給するステップと、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の積層造形装置によれば、生産コストの増加を抑制できる。
【００１３】
本発明の積層造形方法によれば、生産コストの増加を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る積層造形装置を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る積層造形装置のシールド部材の形状を例示した図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。
【図９】本発明の実施の形態１に係る積層造形装置を用いた積層造形方法の説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る積層造形装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本願が開示する積層造形装置に係る実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は一例であり、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１における積層造形装置１００を示す概略図である。図１に示すように、積層造形装置１００は、真空チャンバ１と、真空チャンバ１の上方に設置された電子銃室３内に収納され、電子ビームＥＢを照射する電子銃２と、真空チャンバ１内に設置され、積層造形物Ｍが造形される領域である造形領域Ｒを有する作業土台４と、積層造形物Ｍの材料となる粉末材料５を造形領域Ｒへと供給する粉末供給部６と、真空チャンバ１内の電子ビームＥＢが通過する領域である通過領域Ｓ１の側面の少なくとも一部を覆うシールド部材７と、通過領域Ｓ１の側面がシールド部材７によって覆われた空間であるガス供給空間Ｇ内に不活性ガスを供給するガス供給部８と、を有する。
また、作業土台４は、真空チャンバ１を高さ方向に仕切り、水平方向に延在するベース部４ａを有する。
【００１７】
真空チャンバ１は、図示しない真空装置により排気され真空チャンバ１内は真空に維持される。
【００１８】
電子銃２は、作業土台４のベース部４ａと対向しており、予め決められた走査範囲に対して電子ビームＥＢを照射する。電子銃室３の床部３ａには電子銃室３と真空チャンバ１とを連通する開口部３ｂが設けられており、電子銃２から照射される電子ビームＥＢは開口部３ｂを介して真空チャンバ１内に照射される。開口部３ｂは、図示しないシャッターによって開閉可能となっており、電子ビームＥＢが照射される時以外はシャッターによって閉じられる。つまり、真空チャンバ１と電子銃室３は、電子ビームＥＢが照射される時以外は遮断され、真空チャンバ１内の真空度を維持することが可能である。
なお、電子銃２は、電子銃室３内に収納された状態で電子銃室３と共に真空チャンバ１内に設置してもよい。
【００１９】
電子ビームＥＢは、電磁力によって偏向させることで照射箇所を操作可能である。また、電子ビームＥＢは、電子銃２からベース部４ａまでの間で所定の広がり角度をもって広がる。つまり、電子ビームＥＢの広がりはベース部４ａ側ほど大きい。一般的に電子ビームＥＢは、円錐状に広がる。実施の形態１では、電子ビームＥＢの照射先が走査範囲内を移動する際に電子ビームの経路が動く領域を電子ビームＥＢの通過領域とし、真空チャンバ１内の通過領域を通過領域Ｓ１、電子銃室３内の通過領域を通過領域Ｓ２とする。
【００２０】
開口部３ｂの開口面積は、床部３ａの高さにおける通過領域Ｓ２の水平断面積以上である。したがって、電子ビームＥＢは、通過領域Ｓ２内のどの経路を通っても、開口部３ｂを介して真空チャンバ１内に進入する。
【００２１】
作業土台４は、ベース部４ａに開口部４ｂが設けられ、開口部４ｂの下方に昇降機構４２によって垂直方向に高さを調節可能な作業テーブル４１と、作業テーブル４１上に配置された造形プレート４３を有する。作業土台４には、積層造形物Ｍの原料である粉末材料５が供給される造形領域Ｒが形成される。造形領域Ｒは、作業テーブル４１とベース部４ａの開口部４ｂとの間の空間である。作業テーブル４１は、昇降機構４２によって高さを調整可能である。造形領域Ｒの底面は、作業テーブル４１により形成され、作業テーブル４１を昇降させることによって造形領域Ｒの深さが調整される。昇降機構４２は、例えば、ラックアンドピニオン又はボールねじ等である。作業テーブル４１上には、粉末材料５が周囲に敷き詰められた状態で造形プレート４３が配置され、造形プレート４３上に積層造形物Ｍが造形される。造形プレート４３は、図示しないＧＮＤ線によってＧＮＤ電位である作業テーブル４１に接地される。造形プレート４３は、例えば、金属製のプレートである。
【００２２】
粉末材料５は、固化して積層造形物Ｍを構成する粉末状の材料であり、電子銃２から電子ビームＥＢが照射されることで溶融凝固又は焼結して固化する。粉末材料５は、例えば、コバルトクロムモリブデン合金又はチタン合金等の金属粒体の粉末材料であるが、金属粒体の粉末材料に限られるものではなく電子ビームＥＢの照射により溶融凝固又は焼結可能なものであればよい。
【００２３】
ベース部４ａ上には、粉末供給部６が設置される。粉末供給部６は、粉末材料５が収納された粉末ボックス６１と、粉末ボックス６１から供給された粉末材料５を造形領域Ｒの上に敷き詰める粉末床形成機構６２とを有する。粉末ボックス６１は、例えば、直方体の箱体等であり、粉末床形成機構６２は、例えば、リコータ等である。粉末床形成機構６２は、造形領域Ｒの上部を移動しながら、造形領域Ｒ内に予め決められた量の粉末材料５を供給し、作業テーブル４１の上に粉末材料５を敷き詰める。
なお、粉末ボックス６１は、粉末床形成機構６２へと粉末材料５を供給できればよく、必ずしもベース部４ａ上に設ける必要はない。
【００２４】
図２は、シールド部材７の形状を例示した図である。図２（ａ）は、シールド部材７の上方斜視図、図２（ｂ）は、シールド部材７の下方斜視図である。シールド部材７は、図示しない支持機構によって真空チャンバ内に取り付けられる。シールド部材７は、通過領域Ｓ１の側面の少なくとも一部を覆う形状であり、例えば、図２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示すように、円柱形状、円錐形状又は四角錐形状である。ここで、図２に示す照射領域Ｌは、造形領域Ｒにおいて電子ビームＥＢが照射される領域である。
【００２５】
図２に示すように、シールド部材７は、内部に、飛散防止ガスが供給される空間であるガス供給空間Ｇを形成する。ガス供給空間Ｇは、通過領域Ｓ１の側面がシールド部材７によって覆われた空間である。図１に示すように、ベース部４ａから任意の高さｈの地点の水平面におけるガス供給空間Ｇの水平断面積は、高さｈの地点の通過領域Ｓ１の水平断面積よりも大きい。
なお、飛散防止ガスとは、電子ビームＥＢの照射によって陽イオン化するガスである。
【００２６】
また、図２に示すように、シールド部材７には、電子ビームＥＢがガス供給空間Ｇを通過して造形領域Ｒに到達するように、電子銃２側の開口部７ａ及び造形領域Ｒ側の開口部７ｂが設けられる。開口部７ａ、７ｂのそれぞれの開口面積は、開口部７ａ、７ｂのそれぞれ水平面における通過領域Ｓ１のそれぞれの水平断面積よりも大きい。開口部７ａ、７ｂの形状は、例えば、略円形状又は矩形状である。
【００２７】
シールド部材７の形状は、電子ビームＥＢが通過する真空チャンバ１内の領域である通過領域Ｓ１の側面の少なくとも一部を覆う形状であれば図２に示す形状に限られるものではない。また、シールド部材７の開口部７ａ、７ｂの形状は、図２に示す形状に限られるものではない。
【００２８】
シールド部材７は、例えば、アルミニウム又はＳＵＳ（Ｓｔｅｅｌ  Ｕｓｅ  Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ）等の金属材料によって形成される。
【００２９】
ガス供給部８は、ガス供給空間Ｇ内に一定の流量で飛散防止ガスを供給する。ガス供給部８は、真空チャンバ１の外部に設けられた飛散防止ガスを減圧する真空ポンプ８１と、真空チャンバ１の外部に設けられた飛散防止ガスを保持する容器８２と、真空チャンバ１の側壁に設けられたガス導入部８３と、ベース部４ａ上に設けられたガス噴出部８４と、を有する。
なお、ガス供給部８がガス供給空間Ｇ内に飛散防止ガスを供給する一定の流量は、真空チャンバ１を真空に維持する真空装置が排気する流量と比較し、著しく小さいため、真空チャンバ１の真空度の維持に影響を与えるものではない。
【００３０】
真空ポンプ８１は、配管８０１を介して容器８２と接続されており、容器８２内に保持された飛散防止ガスを減圧する。ガス導入部８３は、配管８０２を介して容器８２と接続され、配管８０３を介してガス噴出部８４と接続される。ガス導入部８３は、容器８２内に保持される飛散防止ガスをガス噴出部８４へと導入する。ガス噴出部８４は、配管８０４を介してシールド部材７と接続され、シールド部材７と配管８０４との接続部であるガス供給口８ａから、シールド部材７内のガス供給空間Ｇに飛散防止ガスを供給する。
なお、ガス供給口８ａは、ガス供給空間Ｇ内に効率よく飛散防止ガスを供給できるように、シールド部材７の高さ方向に複数設けられた構成、又はガス供給空間Ｇ内に均一に飛散防止ガスを供給できるように、シールド部材７の周方向に複数設けられた構成としてもよい。
【００３１】
ガス供給空間Ｇは、通過領域Ｓ１の側面がシールド部材７によって覆われた空間であるため、電子ビームＥＢが通過領域Ｓ１内のどのような経路を通過しても、電子ビームＥＢが飛散防止ガスを照射することとなり、電子ビームＥＢの照射によって飛散防止ガスが陽イオン化される。
なお、飛散防止ガスは、電子ビームＥＢの照射によって陽イオン化されるものであれば特に限られるものではないが、粉末材料５の酸化を防ぐ観点から、アルゴン又はヘリウム等の不活性ガスを用いることが望ましい。
【００３２】
飛散防止ガスは、分子流としてガス供給空間Ｇへと供給されることが望ましい。飛散防止ガスを分子流としてガス供給空間Ｇに供給することで、粘性流の場合のような散乱が防止され、効率よくガス供給空間Ｇ内に飛散防止ガスを供給できる。
【００３３】
実施の形態１において、配管８０４及びガス供給口８ａの内径を内径Ｄとすると、飛散防止ガスの流れが粘性流であるか分子流であるかを示す指数であるクヌーセン数Ｋは、飛散防止ガスの平均自由行程λ及び配管８０４及びガス供給口８ａの内径Ｄを用いてＫ＝λ／Ｄで表される。クヌーセン数Ｋの設定は、平均自由行程λ及び配管８０４及びガス供給口８ａの内径Ｄを調整することで行う。平均自由行程λは、飛散防止ガスの圧力を調整することで調整可能である。また、クヌーセン数Ｋの調整のために配管８０４及びガス供給口８ａの内径Ｄの大きさを調整する場合、配管８０４の本数を増減させてクヌーセン数Ｋを調整してもよい。ここで、平均自由行程とは、気体分子運動論において、分子又は電子等の粒子が、散乱源による散乱で妨害されること無く進むことのできる距離の平均値のことを指す。
なお、平均自由行程λ、並びに、配管８０４及びガス供給口８ａの内径Ｄは、例えば、クヌーセン数Ｋが０．３より大きくなるように設定される。
【００３４】
ガス供給部８によってガス供給空間Ｇへ供給された飛散防止ガスは、電子ビームＥＢに照射され、造形領域Ｒ内の粉末材料５の上部のガス供給空間Ｇ内で陽イオン化するため、負に帯電した造形領域Ｒ内の粉末材料５を効率よく電気的に中性化できる。
【００３５】
積層造形装置１００は、ガス供給空間Ｇ内に飛散防止ガスを供給するため、真空チャンバ１全体に飛散防止ガスを供給する必要がなく、ガス供給部８が供給する飛散防止ガスの量を低減できる。積層造形装置１００は、飛散防止ガスの供給量を低減するため、生産コストの増加を抑制できる。
【００３６】
また、積層造形装置１００は、真空チャンバ１全体に飛散防止ガスを供給する必要がないため、真空チャンバ１内のガス分子の増加が抑制され、真空チャンバ１の真空度の低下を抑制できる。積層造形装置１００は、真空チャンバ１内の真空度の低下を抑えることができるため、精度よく積層造形物Ｍを造形できる。
【００３７】
また、積層造形装置１００は、飛散防止ガスの供給量を低減するため、飛散防止ガスのガス分子と電子ビームＥＢの衝突による電子ビームＥＢのエネルギーの低下を抑制できる。積層造形装置１００は、電子ビームＥＢのエネルギーの低下を抑制し、電子ビームＥＢへのエネルギー投入量を低減するため、生産コストの増加を抑制できる。
【００３８】
次に、造形領域Ｒの上部にシールド部材７を設けることによる、造形領域Ｒ内の粉末材料５又は造形プレート４３の温度低下の抑制について説明する。
【００３９】
一般的に、電子ビームの照射により溶融凝固又は焼結可能な粉末材料５は、粉末材料５の温度が高いほど電気抵抗が低下する。つまり、粉末材料５は、温度が高いほど電荷が導通し、電子ビームの照射による帯電が抑制され、粉末材料５同士がクーロン力により反発して飛散することを防止できる。
【００４０】
したがって、粉末材料５の飛散を防止するために、ビーム出力、ビームフォーカス又はビーム走査速度等のビームパラメータを調整し、粉末材料５を溶融凝固させる電子ビームＥＢよりも出力を抑制した予熱用の電子ビームＰＢを粉末材料５へ照射することで粉末材料５の温度を上昇させ、粉末材料５の帯電を抑制することが望ましい。
【００４１】
粉末材料５の帯電を抑制するためには、粉末材料５の温度を数百度まで予熱する必要があるが、粉末材料５の予熱後に粉末材料５表面から輻射熱が放出され、粉末材料５表面の温度が低下する。粉末材料５表面の温度が低下し、粉末材料５の電気抵抗が十分に低下していない状態で、粉末材料５に粉末材料５を溶融凝固させる電子ビームＥＢを照射すると、粉末材料５がチャージアップを引き起こし飛散する。また、粉末材料５の温度を低下させないように熱を供給すると、生産コストが増加する。
【００４２】
一方、実施の形態１に係る積層造形装置１００は、造形領域Ｒの上部に通過領域Ｓ１の側面の少なくとも一部を覆うシールド部材７が設けられる。シールド部材７は、図２に示すように、電子銃２側の開口部７ａの開口面積が、造形領域Ｒ側の開口部７ｂの開口面積よりも小さい面積である場合に、造形領域Ｒから放出される輻射熱を造形領域Ｒへと反射し、造形領域Ｒ内の粉末材料５の温度低下を抑制する。具体的には、シールド部材７は、造形領域Ｒ側から電子銃２側に向かってガス供給空間Ｇの水平断面積が縮小するテーパー形状である場合、造形領域Ｒから放出される輻射熱を造形領域Ｒへと反射し、造形領域Ｒ内の粉末材料５の温度低下を抑制する。
なお、粉末材料５へと電子ビームＥＢを照射する前に造形プレート４３を予熱する場合は、造形プレート４３から放出される輻射熱を造形プレート４３へと反射し、造形プレート４３の温度低下を抑制する。
【００４３】
シールド部材７の造形領域Ｒと対向する面は、造形領域Ｒにおいて電子ビームＥＢが照射される領域である照射領域Ｌよりも大きいことが望ましい。つまり、シールド部材７の造形領域Ｒと対向する面の面積は、ベース部４ａの高さにおける通過領域Ｓ１の水平断面積よりも大きいことが望ましい。シールド部材７は、シールド部材７の造形領域Ｒと対向する面を、照射領域Ｌよりも大きくすることによって、造形領域Ｒから放出される輻射熱を効率よく造形領域Ｒへと反射できる。
【００４４】
造形領域Ｒから放出される輻射熱は、シールド部材７によって造形領域Ｒへと反射されるため、造形領域Ｒ内の粉末材料５又は造形プレート４３の温度低下が抑制される。したがって、実施の形態１に係る積層造形装置１００は、造形領域Ｒの上部に設けられたシールド部材７によって、粉末材料５又は造形プレート４３の温度低下を抑制するため、予熱用の電子ビームＰＢ及び電子ビームＥＢへのエネルギー投入量を低減することができ、生産コストの増加を抑制できる。
【００４５】
次に、シールド部材７による造形領域Ｒ内の粉末材料５又は造形プレート４３の温度低下の抑制ついて説明する。シールド部材７を設け、予熱用の電子ビームＰＢを造形プレート４３に照射した場合の造形プレート４３の温度変化と、シールド部材７を設けずに、予熱用の電子ビームＰＢを造形プレート４３に照射した場合の造形プレート４３の温度変化をそれぞれ計測し、比較した。
なお、シールド部材７の造形領域Ｒと対向する面は、照射領域Ｌよりも大きく、操作領域Ｓ１を２割程度覆う形状である。
【００４６】
造形プレート４３に、予めビームパラメータを調整した予熱用の電子ビームＰＢを照射し、造形プレート４３の温度が８５０℃に達するまでの時間を測定した。なお、造形プレート４３にシース型熱電対を取り付け、シース型熱電対の温度を計測し、シース型熱電対の温度を造形プレート４３の温度とした。
【００４７】
シールド部材７を設けない場合は、造形プレート４３の温度が８５０℃に達するまでの時間は、１２００秒であり、昇温速度は０．６９℃／秒であった。シールド部材７を設けた場合は、造形プレート４３の温度が８５０℃に達するまでの時間は、６４０秒であり、昇温速度は１．２１℃／秒であった。
【００４８】
したがって、積層造形装置１００は、シールド部材７を設けることによって、造形領域Ｒから放出される輻射熱を造形領域Ｒへと反射し、造形領域Ｒ内の粉末材料５又は造形プレート４３の温度低下を抑制できることが確認できた。
【００４９】
次に、図３から図９を用いて、積層造形装置１００の動作について説明する。図３から図９は、実施の形態１に係る積層造形装置１００を用いた積層造形方法の説明図である。ただし、図３から図９では、視認性を考慮し図１では示した構成要素を一部省略する。
【００５０】
真空装置は、真空チャンバ１内を真空引きして真空チャンバ１内の真空度を安定させる。次に、図３に示すように、造形プレート４３の上面がベース部４ａの上面と同じ高さとなるように作業テーブル４１の高さを調整する。
【００５１】
次に、図４に示すように、電子銃２は、造形プレート４３に対して予熱用の電子ビームＰＢを照射することで、造形プレート４３を加熱する。
なお、予熱用の電子ビームＰＢは、ビーム出力、ビームフォーカス及びビーム走査速度等のビームパラメータを調整し、粉末材料５を溶融凝固させる電子ビームＥＢよりも出力を抑制したものである。
【００５２】
次に、図５に示すように、造形プレート４３の上面からベース部４ａの上面までの高さが粉末床４４ａの１層分になるように作業テーブル４１を下げる。次に、図６に示すように、粉末供給部６は、作業テーブル４１上の造形領域Ｒに粉末材料５を敷き詰め、１層目の粉末床４４ａを形成する。１層目の粉末床４４ａは、加熱された造形プレート４３からの熱伝導により予熱され温度が昇温する。粉末材料５は、温度の上昇によって電気抵抗が低下するため電荷が導通し、電子ビームＥＢの照射による帯電が抑制され、粉末材料５同士がクーロン力により反発して飛散することを防止できる。
【００５３】
次に、図７に示すように、ガス供給部８は、容器８２に保持されている飛散防止ガスをガス導入部８３へ送り、ガス噴出部８４を通して飛散防止ガスをガス供給空間Ｇへと供給する。また、電子銃２は、予め設定した照射パターンに従って電子ビームＥＢを１層目の粉末床４４ａに照射し、１層目の粉末床４４ａの粉末材料５を選択的に固化させ、１層目の積層造形物Ｍａを得る。ガス供給部８によって供給された飛散防止ガスが電子ビームＥＢに照射され、陽イオン化する。陽イオンは、電子ビームＥＢの照射により負に帯電した１層目の粉末床４４ａの粉末材料５を電気的に中和する。１層目の積層造形物Ｍａの造形が完了したら電子ビームＥＢの照射を停止する。
【００５４】
次に、図８に示すように、１層目の粉末床４４ａの上面からベース部４ａの上面までの高さが２層目の粉末床４４ｂの厚さになるように作業テーブル４１を下げる。次に、粉末供給部６は、１層目の場合と同様にして１層目の粉末床４４ａの上に２層目の粉末床４４ｂを形成する。２層目の粉末床４４ｂの温度は、電子ビームＥＢにより固化された１層目の積層造形物Ｍａからの熱伝導により昇温する。
２層目の粉末床４４ｂが、１層目の積層造形物Ｍａからの熱伝導により加熱される際、２層目の粉末床４４ｂから放出される輻射熱をシールド部材７が２層目の粉末床４４ｂへと反射する。シールド部材７が２層目の粉末床４４ｂから放出される輻射熱を２層目の粉末床４４ｂへと反射するため、２層目の粉末床４４ｂの温度低下を防止し、２層目の粉末床４４ｂを効率よく加熱することができる。したがって、２層目の粉末床４４ｂの電気抵抗が低下し、２層目の粉末床４４ｂを形成する粉末材料が電子ビームＥＢの照射により負に帯電してクーロン力により反発し、粉末材料５が飛散することが抑制される。
【００５５】
次に、図９に示すように、電子銃２は、予め設定した照射パターンに従って電子ビームＥＢを２層目の粉末床４４ｂに照射し、２層目の粉末床４４ｂの粉末材料を選択的に固化させ、２層目の積層造形物Ｍｂを得る。
なお、２層目の粉末床４４ｂに対して電子ビームＥＢを照射する前に、予熱用の電子ビームＰＢを照射して２層目の粉末床４４ｂを予熱してもよい。
【００５６】
３層目以降も２層目の場合と同様に、粉末床を積層しながら各層の粉末床を選択的に固化させる工程を繰り返すことにより、作業土台４の上に積層造形物Ｍを造形する。  
【００５７】
実施の形態１に係る積層造形装置は、真空チャンバと、真空チャンバ内に設けられ、積層造形物を造形するための造形領域の底面を形成する垂直方向に高さを調節可能な作業テーブルを有する作業土台と、積層造形物の原料となる粉末材料を貯留し、造形領域に粉末材料を供給する粉末供給部と、造形領域に、粉末材料を固化させる電子ビームを照射する電子銃と、真空チャンバ内に設けられ、電子ビームが通過する領域である通過領域の側面の少なくとも一部を覆うシールド部材と、通過領域の側面がシールド部材によって覆われた空間であるガス供給空間内に、電子ビームの照射によって陽イオン化するガスを供給するガス供給部と、を備える。
【００５８】
以上の構成によって実施の形態１に係る積層造形装置１００は、電子ビームの照射により負に帯電した個々の粉末材料同士がクーロン力により互いに反発し合い粉末材料が飛散することを防止しつつ、生産コストの増加を抑制できる。
【００５９】
また、実施の形態１に係る積層造形装置のシールド部材は、電子ビームがガス供給空間を通過して造形領域へと到達するための電子銃側の開口部及び造形領域側の開口部を有し、電子銃側の開口部の開口面積は、造形領域側の開口部の開口面積よりも小さい面積であること特徴とする。
【００６０】
また、実施の形態１に係る積層造形装置のシールド部材は、造形領域側から電子銃側に向かってガス供給空間の水平断面積が縮小するテーパー形状であること特徴とする。
【００６１】
また、実施の形態１に係る積層造形装置のシールド部材の造形領域と対向する面は、造形領域において電子ビームが照射される領域である照射領域よりも大きいことを特徴とする。
【００６２】
以上の構成によって実施の形態１に係る積層造形装置１００は、造形領域Ｒから放出される輻射熱を造形領域Ｒへと反射するため、予熱に要するエネルギー投入量を低減することができ、生産コストの増加を抑制できる。
【００６３】
また、実施の形態１に係る積層造形装置のガス供給部は、ガスを、ガスの分子流として供給することを特徴とする。
【００６４】
以上の構成によって実施の形態１に係る積層造形装置１００は、ガスの供給量を低減できるため、生産コストの増加を抑制できる。
【００６５】
実施の形態１に係る積層造形方法は、積層造形物を造形するための造形領域に、積層造物の原料となる粉末材料を供給するステップと、造形領域に、粉末材料を固化させる電子ビームを照射するステップと、電子ビームが通過する領域である通過領域の側面の少なくとも一部を覆うシールド部材によって、通過領域の側面が覆われた空間であるガス供給空間内に、電子ビームの照射によって陽イオン化するガスを供給するステップと、を備える。
【００６６】
以上の構成によって実施の形態１に係る積層造形方法によれば、生産コストの増加を抑制できる。
【００６７】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る積層造形装置２００の構成について説明する。なお、実施の形態１と同一または対応する構成については、その説明を省略し、構成の異なる部分のみを説明する。
【００６８】
図１０は、実施の形態２に係る積層造形装置２００の構成を例示する図である。図１０に示すように、積層造形装置２００のシールド部材７は、シールド部材７の電子銃２側の端部が、真空チャンバ１の電子銃２側の面と接合している。
【００６９】
シールド部材７の電子銃２側の端部が、真空チャンバ１の電子銃２側の面と接合されることによって、ガス供給空間Ｇ内に供給された飛散防止ガスが、シールド部材７の電子銃２側の開口部７ａから漏出することを防止できる。また、シールド部材７の電子銃２側の端部が、真空チャンバ１の電子銃２側の面と接合されることによって、造形領域Ｒから放出される輻射熱が、シールド部材７の電子銃２側の開口部７ａから漏出することを防止できる。
【００７０】
実施の形態２に係る積層造形装置のシールド部材の電子側の端部は、真空チャンバの電子銃側の面と接合されることを特徴とする。
【００７１】
以上の構成によって実施の形態２に係る積層造形装置２００は、電子ビームの照射により負に帯電した個々の粉末材料同士がクーロン力により互いに反発し合い粉末材料が飛散することを防止しつつ、生産コストの増加を抑制できる。
【００７２】
また、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、各実施の形態や構成を適宜組み合わせたり、構成を一部変形、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１００，２００  積層造形装置、
１  真空チャンバ、２  電子銃、３  電子銃室、４  作業土台、５  粉末材料、
６  粉末供給部、７  シールド部材、８  ガス供給部、
３ａ  床部、３ｂ  開口部、４ａ  ベース部、８ａ  ガス供給口、
４１  作業テーブル、４２  昇降機構、４３  造形プレート、４４ａ，４４ｂ  粉末床、
６１  粉末ボックス、６２  粉末床形成機構、
８１  真空ポンプ、８２  容器、８３  ガス導入部、８４  ガス噴出部、
８０１，８０２，８０３，８０４  配管、
ＥＢ，ＰＢ  電子ビーム、Ｇ  ガス供給空間、Ｌ  照射領域、Ｍ  積層造形物、
Ｒ  造形領域、Ｓ１，Ｓ２  通過領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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