(57)【要約】【課題】予熱動作時におけるビームのエネルギー損失を軽減することができる三次元積層造形装置及び三次元積層造形方法を提供する。【解決手段】三次元積層造形装置１は、ステージ６と、照射銃２と、ビーム位置制御装置１０と、を備えている。ビーム位置制御装置１０は、照射銃２から照射されたビームＬ１におけるステージ６での照射位置を制御する。また、粉末層を予熱する予熱動作時において、ビーム位置制御装置１０は、ビームＬ１の照射位置を、前回の照射位置に対して、ビームの照射スポットの直径以上の間隔を空ける。【選択図】図１
2020157698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末材料からなる粉末層が敷き詰められるステージと、
前記ステージに敷き詰められた前記粉末層に向けてビームを照射する照射銃と、
前記照射銃から照射された前記ビームにおける前記ステージでの照射位置を制御するビーム位置制御装置と、を備え、
前記粉末層を予熱する予熱動作時において、前記ビーム位置制御装置は、前記ビームの照射位置を、前回の照射位置に対して、前記ビームの照射スポットの直径以上の間隔を空ける
三次元積層造形装置。
【請求項２】
前記粉末層を予熱する予熱動作時において、前記ビーム位置制御装置は、前記ビームにおける移動と所定時間の停止の動作を繰り返し行い、停止してから次の停止位置までの間隔の長さが、前記ビームの照射スポットの直径以上となるように前記ビームを制御する
請求項１に記載の三次元積層造形装置。
【請求項３】
前記ビーム位置制御装置は、
前記粉末層に対して前記ビームの照射位置を複数配置させる予熱パターンを複数回行うことで、前記予熱動作を行う
請求項１に記載の三次元積層造形装置。
【請求項４】
前記ビーム位置制御装置は、前記予熱パターンにより照射される前記ビームの照射位置が、前回の予熱パターンにより照射された前記ビームの複数の照射位置の隙間に配置されるように前記ビームの照射位置を制御する
請求項３に記載の三次元積層造形装置。
【請求項５】
前記ビーム位置制御装置は、前回の予熱パターンにより照射された前記ビームの照射スポットに対して、次に行う予熱パターンにより照射される前記ビームの照射スポットが重ならない位置に前記ビームの照射位置を制御する
請求項３に記載の三次元積層造形装置。
【請求項６】
前記ビーム位置制御装置は、複数回の前記予熱パターンを１セットとして、複数セットにより前記ビームの制御を行い、次に行うセットにおける照射位置の座標を前回行われたセットの照射位置の座標に対して水平方向に所定の角度回転させる
請求項５に記載の三次元積層造形装置。
【請求項７】
前記ビーム位置制御装置は、
前記ビームを所定の位置に偏向させる偏向アンプと、
前記偏向アンプの動作を制御する制御信号を生成する座標変換補正回路と、を有する
請求項１に記載の三次元積層造形装置。
【請求項８】
ステージに粉末材料からなる粉末層を敷き詰められる工程と、
前記ステージに敷き詰められた前記粉末層に対して照射銃からビームを照射し、前記粉末層を予熱する予熱動作を行う工程と、
前記予熱動作が行われた前記粉末層の所定の位置に前記ビームを照射し、前記粉末材料を溶融させて凝固させる工程と、を含み、
前記予熱動作を行う工程において、前記ビームの照射位置を、前回の照射位置に対して、前記ビームの照射スポットの直径以上の間隔を空けて照射させる
三次元積層造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージ上に粉末材料を薄く敷いた層を一層ずつ重ねて造形する三次元積層造形装置及び三次元積層造形方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ステージ上に敷き詰められた粉末材料からなる粉末層に、例えば、電子ビームを照射して、粉末材料を溶融させ、この粉末材料が凝固した層を積み重ねて立体物を造形する三次元積層造形装置が知られている。また、特許文献１に記載された三次元積層造形装置には、粉末材料を溶融させて凝固させる前に、粉末像全体に向けて電子ビームを照射し、粉末材料を予熱することが行われている。
【０００３】
予熱時に粉末層の表面温度が上がり過ぎると、熱輻射の影響で損失される熱量が多くなる。そして、エネルギー保存則から、実際に粉末層を予熱する際に用いられる熱量が少なくなり、予熱時における電子ビームのエネルギー損失が増大していた。熱輻射によって損失される熱量Ｐは、粉末層の表面の放射率ε２、粉末層の表面温度Ｔ、粉末層の周りの温度Ｔ０、粉末層の表面積Ａ２とすると、熱輻射によって放出される熱量Ｐは、下記式により求められる。なお、σは、シュテファン＝ボルツマン定数である。
［式１］
2020157698.tif 000003
【０００４】
例えば、粉末層の表面積Ａ２が０．０４ｍ２、表面温度Ｔが９００℃、粉末層の周りの温度Ｔ０が３００℃、放射率ε２が０．２、シュテファン＝ボルツマン定数σが０．８とすると、熱輻射による熱量Ｐは、式１から約３ｋＷになる。
【０００５】
図２５は、上記の温度条件及び子ビームの電圧６ｋＶ、電流７０ｍＡで電子ビームを照射した場合、電子ビームの熱量と粉末層の熱輻射による熱損失の関係を示す図である。図２５に示す縦軸は、電子ビームの熱量を示す、横軸は、時間を示す。また、実線Ｍは、電子ビームの熱量、点線Ｎは、粉末層を予熱する際に用いられる熱量、２点鎖線Ｒは、熱輻射によって損失される熱量を示している。
【０００６】
図２５及び式１に示すように、上記の条件で電子ビームを照射した場合、電子ビームの熱量４．２ｋＷ中の３ｋＷが熱輻射により損失される。その結果、粉末層を予熱する際に用いられる熱量は、残りの１ｋＷとなり、予熱時における電子ビームのエネルギー損失が増大していた。
【０００７】
式１に示すように、熱輻射によって放出される熱量Ｐは、各温度Ｔ、Ｔ０の４乗の差に比例している。その結果、予熱時における電子ビームのエネルギー損失を軽減するためには、電子ビームを照射時における照射位置の表面温度Ｔを下げることが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１５−１９３８８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の三次元積層造形装置では、粉末層全体を予熱するために、電子ビームを粉末層に走査させていた。そのため、電子ビームの照射スポットが互いに重なり合い、粉末層の表面温度が局所的に過剰に加熱されていた。その結果、従来の三次元積層造形装置では、予熱時における電子ビームのエネルギー損失が増大する、という問題を有していた。
【００１０】
本発明の目的は、上記の問題点を考慮し、予熱動作時におけるビームのエネルギー損失を軽減することができる三次元積層造形装置及び三次元積層造形方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、粉末材料からなる粉末層が敷き詰められるステージと、照射銃と、ビーム位置制御装置と、を備えている。照射銃は、ステージに敷き詰められた粉末層に向けてビームを照射する。ビーム位置制御装置は、照射銃から照射されたビームにおけるステージでの照射位置を制御する。また、粉末層を予熱する予熱動作時において、ビーム位置制御装置は、ビームの照射位置を、前回の照射位置に対して、ビームの照射スポットの直径以上の間隔を空ける。
【００１２】
また、本発明の三次元積層造形方法は、以下（１）から（３）に示す工程を含む。
（１）ステージに粉末材料からなる粉末層を敷き詰められる工程。
（２）ステージに敷き詰められた粉末層に対して照射銃からビームを照射し、粉末層を予熱する予熱動作を行う工程。
（３）予熱動作が行われた粉末層の所定の位置にビームを照射し、粉末材料を溶融させて凝固させる工程。
また、予熱動作を行う工程において、ビームの照射位置を、前回の照射位置に対して、ビームの照射スポットの直径以上の間隔を空けて照射させる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の三次元積層造形装置及び三次元積層造形方法によれば、予熱時におけるビームのエネルギー損失を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置のビーム位置制御装置を示す説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時の第１予熱パターンを示す説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時における第１予熱パターンの照射が完了した状態を示す説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時の電子ビームのスキャン方式を示す説明図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時の電子ビームのスキャン方式の他の例を示す説明図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時に偏向アンプに出力される動作信号を示す説明図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時に偏向アンプに出力される動作信号の他の例を示す説明図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時の第２予熱パターンの照射が開始された状態を示す説明図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時の第２予熱パターンの照射中の状態を示す説明図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時の第２予熱パターンの照射が完了した状態を示す説明図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時の第２予熱パターンの照射が完了した状態を示す説明図である。
【図１３】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時の第４予熱パターンの照射が完了した状態を示す説明図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作の照射位置を予熱パターンの回数で示す説明図である。
【図１５】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時の第１予熱パターンの照射が完了した状態の粉末層での熱量分布を示す図である。
【図１６】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時の第２予熱パターンの照射が完了した状態の粉末層での熱量分布を示す図である。
【図１７】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時の第３予熱パターンの照射が完了した状態の粉末層での熱量分布を示す図である。
【図１８】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時の第４予熱パターンの照射が完了した状態の粉末層での熱量分布を示す図である。
【図１９】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時における予熱パターンのセットの繰り返し順序を示す説明図である。
【図２０】本発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時における予熱パターンのセットの繰り返し順序の他の例を示す説明図である。
【図２１】発明の第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置における予熱動作時における予熱パターンのセットを繰り返し行った際の照射位置を予熱パターンの回数で示す説明図である。
【図２２】本発明の第２の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置のビーム位置制御装置を示す説明図である。
【図２３】予熱動作の変形例を示すもので、照射位置を予熱パターンの回数で示す説明図である。
【図２４】図２３に示す予熱動作における予熱パターンのセットの繰り返し順序を示す説明図である。
【図２５】電子ビームの熱量と粉末層の熱輻射による熱損失の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の三次元積層造形装置及び三次元積層造形方法の実施の形態例について、図１〜図２４を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。
【００１６】
１．第１の実施の形態例
１−１．三次元積層造形装置の構成
まず、本発明の第１の実施の形態例（以下、「本例」という。）にかかる三次元積層造形装置について図１を参照して説明する。
図１は、本例の三次元積層造形装置を模式的に示す説明図である。
【００１７】
図１に示す装置は、例えば、チタン、アルミニウム、鉄等の金属製の粉末材料に電子ビームを照射して粉末材料を溶融させ、この粉末材料が凝固した像を積み重ねて立体物を造形する三次元積層造形装置である。
【００１８】
図１に示すように、三次元積層造形装置１は、電子ビームＬ１を照射する電子銃２と、レンズ４と、粉末材料格納庫５と、ステージ６と、粉末積層アーム７と、ビーム位置制御装置１０と、を備えている。
【００１９】
また、電子銃２、偏向アンプ３、レンズ４、粉末材料格納庫５、ステージ６及び粉末積層アーム７は、不図示の造形チャンバー内に配置される。また、造形チャンバーには、真空ポンプが接続されている。そして、造形チャンバーの内部の気体は、真空ポンプにより排気される。これにより、造形チャンバーの内部空間は、真空引きされる。
【００２０】
照射銃の一例を示す電子銃２は、エミッタ２１と、引出電極２２と、加速電極２３とを備えた３極構成を有している。エミッタ２１及び加速電極２３は、加速電源２４に接続されている。また、引出電極２２には、不図示の引出電位発生部に接続されている。引出電位発生部から引出電位が引出電極２２に印加されると、引出電極２２は、エミッタ２１から電子器を引き出す。そして、加速電極２３は、加速電源２４によって印加された加速電位により、エミッタ２１から放出された電子を加速させ、電子ビームＬ１としてレンズ４及び偏向アンプ３に向かわせる。
【００２１】
電子銃２とステージ６の間には、後述するビーム位置制御装置１０の偏向アンプ３が配置される。なお、ビーム位置制御装置１０の詳細な構成については、後述する。
【００２２】
レンズ４は、偏向アンプ３と電子銃２の間に配置される。レンズ４は、電磁的な作用により、電子銃２から照射された電子ビームＬ１を集束させる。そして、レンズ４は、電子ビームＬ１の焦点をステージ６上に結像させる。
【００２３】
ステージ６は、略平板状に形成されている。ステージ６は、不図示の駆動装置により、鉛直方向に沿って移動可能に支持されている。ステージ６の一面には、粉末材料格納庫５から粉末材料Ｍ１が供給される。
【００２４】
また、ステージ６の近傍には、粉末積層アーム７が配置されている。粉末積層アーム７は、不図示の移動機構によりステージ６の一面上を水平方向に移動可能に支持されている。そして、粉末積層アーム７がステージ６の一面上を水平方向に移動することで、ステージ６の一面上には、粉末材料Ｍ１が所定の高さ（例えば、粉末材料Ｍ１の一粒分の直径）で敷き詰められる。
【００２５】
ステージ６に敷き詰められた粉末材料Ｍ１の層（粉末層）に対して電子ビームＬ１を照射することで、粉末材料Ｍ１を溶融させて凝固させる。また、粉末材料Ｍ１が溶融及び凝固した後、ステージ６は、不図示の駆動装置により鉛直方向の下方に一層分下がる。そして、粉末材料格納庫５から新たな粉末材料Ｍ１が供給されると共に、粉末積層アーム７によって粉末材料Ｍ１が所定の高さで敷き詰められる。
【００２６】
粉末層を溶融及び凝固させる前、及び新たに粉末層を形成する前には、後述する予熱動作が行われる。そして、粉末材料Ｍ１の積層工程、予熱工程及び凝固工程を繰り返すことで、造形物１００が形成される。
【００２７】
１−２．ビーム位置制御装置の構成例
次に、図２を参照してビーム位置制御装置１０の構成例について説明する。
図２は、ビーム位置制御装置１０を示す説明図である。
【００２８】
図２に示すように、ビーム位置制御装置１０は、偏向アンプ３と、偏向アンプ３の動作を制御する座標変換補正回路８とを有している。偏向アンプ３は、電子銃２とステージ６の間に配置される。偏向アンプ３は、電子銃２から照射された電子ビームＬ１をステージ６の所定の位置に偏向させる。
【００２９】
座標変換補正回路８は、制御装置の一例を示すＰＣ（パーソナルコンピュータ）３０に接続されている。座標変換補正回路８は、ＰＣ３０から位置制御信号及び照射時間制御信号を受信する。そして、座標変換補正回路８は、受信した位置制御信号及び照射時間制御信号に基づいて、電子ビームＬ１の照射位置を示す座標位置の変換処理や、照射時間の調整処理を行い、制御信号を生成する。座標変換補正回路８は、生成した制御信号に基づいて、偏向アンプ３を動作させる。これにより、偏向アンプ３は、電子銃２から照射された電子ビームＬ１をステージ６の所定の位置に偏向させる。
【００３０】
１−３．予熱動作
次に、上述した構成を有する三次元積層造形装置１における予熱動作について図３〜図２１を参照して説明する。
予熱動作は、粉末層を溶融させて凝固させる前、及び新たに粉末層を形成する前に行われる。予熱動作を行うことにより、粉末像全体の温度を高く保ち、粉末層の温度差によって生じる熱ひずみが発生することを抑制することができる。また、本例の三次元積層造形装置１では、粉末層の表面に対して４回の予熱パターンによって電子ビームＬ１を照射する。
【００３１】
図３及び図４は、予熱動作時における１回目の予熱パターン（第１予熱パターン）を示す説明図である。
まず、図２に示すように、ビーム位置制御装置１０は、電子銃２から照射された電子ビームＬ１を偏向させて照射する。この際、電子ビームＬ１が照射された箇所の局所的な昇温を抑制するために、電子ビームＬ１の照射位置の径は、可能な限り拡げることが好ましい。これにより、電子ビームＬ１のエネルギー（熱量）密度を下げることができる。
【００３２】
また、図３に示すように、ビーム位置制御装置１０は、電子ビームＬ１を水平方向と平行をなす第１の方向Ｘに所定の距離だけ移動させ、所定の時間停止させる。そして、ビーム位置制御装置１０は、電子ビームＬ１の移動と停止の動作を繰り返し行う。すなわち、ビーム位置制御装置１０は、電子ビームＬ１を第１の方向Ｘに沿って間欠的に移動させる。
【００３３】
電子ビームＬ１が所定の時間停止する位置が、電子ビームＬ１の照射位置となる。また、電子ビームＬ１が停止する時間が照射時間となる。そのため、粉末層には、所定の間隔を空けて電子ビームＬ１が照射される。ここで、電子ビームＬ１における粉末層に照射された照射スポット（前回照射スポット）Ｐ１ａにおける第１の方向Ｘの座標位置と、次に粉末層に照射された照射スポット（次回照射スポット）Ｐ１ｂにおける第１の方向Ｘの座標位置の間隔Ｋは、電子ビームＬ１の照射スポットの直径２σ以上に設定される。すなわち、電子ビームＬ１が停止してから次の停止位置までの間隔Ｋが電子ビームＬ１の照射スポットの直径２σ以上になるようにビーム位置制御装置１０は、電子ビームＬ１を制御する。また、照射スポットの直径、すなわち電子ビームＬ１の直径は、半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）によるものである。
【００３４】
また、間隔Ｋは、Ｋ＝２（ｎ＋１）σによって表される。なお、ｎは１以上の整数である。本例では、ｎ＝１であるため、前回照射スポットＰ１ａの座標位置と次回照射スポットＰ１ｂの座標位置における第１の方向Ｘの間隔Ｋは、照射スポットの直径２σよりも大きい４σとなる。そのため、前回照射スポットＰ１ａと次回照射スポットＰ１ｂの間には、照射スポットの直径２σ分の隙間が形成される。
【００３５】
これにより、次回照射スポットＰ１ｂが、前回照射スポットＰ１ａに重なることを防ぐことができる。その結果、電子ビームＬ１が重なり合うことで、粉末層の表面が過剰に加熱され、熱輻射によって損失される熱量が増加することを防ぐことができ、予熱動作時における電子ビームＬ１のエネルギー損失を軽減することができる。
【００３６】
ビーム位置制御装置１０は、粉末層における第１の方向Ｘの一端部から他端部にかけて電子ビームＬ１を間隔Ｋ毎に間欠的に移動させる。電子ビームＬ１が粉末層における第１の方向Ｘの他端部まで移動したら、ビーム位置制御装置１０は、水平方向と平行をなし、第１の方向Ｘと直交する第２の方向Ｙに、電子ビームＬ１を、間隔Ｋを空けて移動させる。そして、ビーム位置制御装置１０は、電子ビームＬ１を第１の方向Ｘに沿って間隔Ｋを空けて間欠的に移動させる。
【００３７】
その結果、図４に示すように、粉末層の表面には、ビーム位置制御装置１０によって、１回目の予熱パターン（第１予熱パターン）による電子ビームＬ１が照射される。図４に示すように、第１予熱パターンによる電子ビームＬ１の照射スポット（以下、一次予熱照射スポットという）Ｐ１は、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに所定の間隔を空けて格子状に配置される。
【００３８】
ここで、ビーム位置制御装置１０における電子ビームＬ１のスキャン方式について図５及び図６を参照して説明する。
図５は、スキャン方式の一例を示す説明図、図６は、スキャン方式の他の例を示す説明図である。
【００３９】
図５に示すスキャン方式では、第１の方向Ｘの一端部から他端部にかけて移動させた後、第２の方向Ｙに所定の量、移動させる。そして、第１の方向Ｘにおける一端部、すなわち第１の方向Ｘの初期位置に戻り、再び第１の方向Ｘの一端部から他端部に向けて移動させる方式、すなわちラスタースキャン方式である。
【００４０】
これに対して、図６に示すスキャン方式では、第１の方向Ｘの一端部から他端部にかけて移動させた後、第２の方向Ｙに所定の量、移動させる。次に、第１の方向Ｘの他端部から一端部に向けて移動させる方式、いわゆるジグザグスキャン方式により電子ビームＬ１を移動させてもよい。
【００４１】
次に、座標変換補正回路８によって偏向アンプ３に出力される制御信号について図７及び図８を参照して説明する。
図７は、図５に示すラスタースキャン方式時に出力される制御信号を示し、図７Ａは第１の方向Ｘ、図７Ｂは第２の方向Ｙに対する座標位置と照射時間との関係を示している。それぞれ、縦軸は座標位置を示し、横軸は時間を示している。
【００４２】
図７Ａに示すように、座標変換補正回路８は、ＰＣ３０から受信した照射制御信号に基づいて、電子ビームＬ１を停止させる時間、すなわち照射時間Ｓを算出する。そして、座標変換補正回路８は、一定の照射時間Ｓ毎に、第１の方向Ｘにおける座標位置に一定の量Ｋを加算する。また、第１の方向Ｘにおける座標位置を加算する量Ｋに関する情報は、ＰＣ３０から受信した位置制御信号に基づいて生成される。そして、図７Ａに示す第１の方向Ｘの座標位置が加算される量Ｋが、図３及び図４に示す一次予熱照射スポットＰ１の座標位置の間隔Ｋである。
【００４３】
また、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、第１の方向Ｘの座標位置が所定の位置まで加算されると、第２の方向Ｙにおける座標位置に量Ｋを加算させる。そして、図７Ａに示すように、座標変換補正回路８は、第１の方向Ｘの座標位置を初期位置まで減算し、一定の照射時間Ｓ毎に、第１の方向Ｘにおける座標位置に一定の量Ｋを再び加算する。
【００４４】
また、座標変換補正回路８は、電子ビームＬ１が停止してから次の所定の座標位置まで移動する際の移動速度を、電子ビームＬ１によって粉末層の表面が加熱されない程度の速度に設定している。これにより、電子ビームＬ１が移動する際に連続的に重なり合う照射スポットによって粉末層の表面が過剰に加熱されることを防ぐことができる。
【００４５】
図８は、図６に示すジグザグスキャン方式時に出力される制御信号を示し、図８Ａは第１の方向Ｘ、図８Ｂは第２の方向Ｙに対する座標位置と照射時間との関係を示している。それぞれ、縦軸は座標位置を示し、横軸は時間を示している。
【００４６】
図８Ａに示すように、座標変換補正回路８は、ＰＣ３０から受信した照射制御信号及び位置制御信号に基づいて、一定の照射時間Ｓ毎に、第１の方向Ｘにおける座標位置に一定の量Ｋを加算する。また、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、第１の方向Ｘの座標位置が所定の位置まで加算されると、第２の方向Ｙにおける座標位置に量Ｋを加算する。
【００４７】
次に、図８Ａに示すように、一定の照射時間Ｓ毎に、第１の方向Ｘの座標位置に対して量Ｋを減算する。そして、座標変換補正回路８は、第１の方向Ｘの座標位置を初期位置まで減算する。
【００４８】
次に、図９〜図１４を参照して予熱動作時における残りの予熱パターンについて説明する。
図９〜図１１は、２回目の予熱パターン（第２予熱パターン）を示す説明図、図１２は、３回目の予熱パターン（第３予熱パターン）を示す説明図、図１３は、４回目の予熱パターン（第４予熱パターン）を示す説明図である。そして、図１４は、予熱動作時における照射位置を予熱パターンの回数で示す説明図である。
【００４９】
図９に示すように、ビーム位置制御装置１０は、第１予熱パターンによる電子ビームＬ１の照射が終了すると、２回目の予熱パターン（第２予熱パターン）により電子ビームＬ１を照射する。第２予熱パターンでは、一次予熱照射スポットＰ１のうち最初に照射された照射スポットＰ１Ｆの座標位置に対して、第２の方向Ｙに所定の量、移動させる。第２の方向Ｙへの移動量は、２σ離れた位置、すなわち電子ビームＬ１の照射スポットの直径２σ分である。これにより、第２予熱パターンによる電子ビームＬ１の照射スポット（以下、二次予熱照射スポット）Ｐ２は、第２の方向Ｙで隣り合う２つの一次予熱照射スポットＰ１、Ｐ１の隙間に照射される。
【００５０】
第２の方向Ｙで隣り合う２つの一次予熱照射スポットＰ１、Ｐ１の間には、照射スポットの直径２σ分の隙間が形成されている。そのため、第２予熱パターンによる二次予熱照射スポットＰ２が一次予熱照射スポットＰ１に重なり合わない。その結果、粉末層の表面が過剰に加熱されることを防ぐことができる。
【００５１】
なお、一次予熱照射スポットＰ１のうち最初に照射された照射スポットＰ１Ｆは、照射直後よりもその温度が低下している。そのため、二次予熱照射スポットＰ２を一次予熱照射スポットＰ１に隣接して照射しても、粉末層の表面が過剰に加熱されることがない。その結果、熱輻射によって損失される熱量が増加することを防ぐことができ、電子ビームＬ１のエネルギー損失を軽減することができる。
【００５２】
次に、図１０及び図１１に示すように、ビーム位置制御装置１０は、電子ビームＬ１を第１の方向Ｘに沿って間隔Ｋ毎に間欠的に移動させる。なお、この間隔Ｋは、第１予熱パターンと同じであり、照射スポットの直径２σよりも大きい４σである。そのため、図１１に示すように、二次予熱照射スポットＰ２は、一次予熱照射スポットＰ１における第２の方向Ｙの隙間を埋めるように配置される。
【００５３】
なお、第２予熱パターンにおける電子ビームＬ１のスキャン方式は、図５及び図６に示す第１予熱パターンによる電子ビームＬ１のスキャン方式と同様であるため、その説明は省略する。
【００５４】
次に、図１２に示すように、ビーム位置制御装置１０は、第２予熱パターンによる電子ビームＬ１の照射が終了すると、３回目の予熱パターン（第３予熱パターン）により電子ビームＬ１を照射する。第３予熱パターンでは、一次予熱照射スポットＰ１のうち最初に照射された照射スポットＰ１Ｆの座標位置に対して、第１の方向Ｘと第２の方向Ｙに対して所定の量、移動させる。また、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙへの移動量は、それぞれ２σ離れた位置、すなわち電子ビームＬ１の照射スポットの直径２σ分である。これにより、第３予熱パターンによる電子ビームＬ１の照射スポット（以下、三次予熱照射スポット）Ｐ３は、第１の方向Ｘで隣り合う２つの二次予熱照射スポットＰ２、Ｐ２の隙間に照射される。
【００５５】
そして、ビーム位置制御装置１０は、電子ビームＬ１を第１の方向Ｘに沿って間隔Ｋ毎に間欠的に移動させる。なお、以下の動作は、第１予熱パターン及び第２予熱パターンと同様であるため、その説明は省略する。これにより、三次予熱照射スポットＰ３は、第１の方向Ｘで隣り合う２つの二次予熱照射スポットＰ２、Ｐ２の隙間に照射される。
【００５６】
次に、図１３及び図１４に示すように、ビーム位置制御装置１０は、第３予熱パターンによる電子ビームＬ１の照射が終了すると、４回目の予熱パターン（第４予熱パターン）により電子ビームＬ１を照射する。第４予熱パターンでは、一次予熱照射スポットＰ１のうち最初に照射された照射スポットＰ１Ｆの座標位置に対して、第１の方向Ｘに対して所定の量、移動させる。また、第１の方向Ｘへの移動量は、２σ離れた位置、すなわち電子ビームＬ１の照射スポットの直径２σ分である。これにより、第４予熱パターンによる電子ビームＬ１の照射スポット（以下、四次予熱照射スポット）Ｐ４は、第１の方向Ｘで隣り合う２つの一次予熱照射スポットＰ１、Ｐ１の隙間に照射される。
【００５７】
そして、ビーム位置制御装置１０は、電子ビームＬ１を第１の方向Ｘに沿って間隔Ｋ毎に間欠的に移動させる。なお、以下の動作は、第１予熱パターン及び第２予熱パターンと同様であるため、その説明は省略する。これにより、四次予熱照射スポットＰ４は、一次予熱照射スポットＰ１、二次予熱照射スポットＰ２及び三次予熱照射スポットＰ３で形成された隙間を埋めるようにして照射される。
【００５８】
次に、予熱動作時における粉末層での熱量分布について図１５〜図１８を参照して説明する。
図１５は、第１予熱パターンの照射が完了した状態を示し、図１６は、第２予熱パターンの照射が完了した状態を示している。また、図１７は、第３予熱パターンの照射が完了した状態を示し、図１８は、第４予熱パターンの照射が完了した状態を示している。いずれも、縦軸は、粉末層に投入される熱量を示す。
【００５９】
図１５に示すように、一次予熱照射スポットＰ１は、照射スポットの直径２σ以上の間隔を空けて配置されるため、電子ビームＬ１の照射によって生じる熱量の裾野が重ならず、それぞれ孤立したエネルギースポットとして分布する。そのため、熱量が重なり合い、熱量が積算されることを防ぐことができる。
【００６０】
さらに、一次予熱照射スポットＰ１、二次予熱照射スポットＰ２、三次予熱照射スポットＰ３及び四次予熱照射スポットＰ４は、それぞれ互いに重なり合わずに照射されている。そのため、図１５〜図１８に示すように、各次予熱照射は十分な時間を経て実施されるため、各照射スポットＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４が単時間の期間を経て重なり合うことはないので熱量が局所的に増加することを防ぐことができる。
【００６１】
また、図１８に示すように、第１予熱パターンの照射が完了すると、粉末層に表面に投入される熱量の分布をほぼ一様に形成することができる。その結果、粉末層の表面全体を満遍なく予熱することができ、粉末層の温度差によって生じる熱ひずみが発生することを抑制することができる。
【００６２】
なお、粉末層を所定の温度まで予熱するために、上述した第１予熱パターン〜第４予熱パターンを１セットとして、予熱動作が繰り返し行われる。図１９〜図２０は、予熱パターンの繰り返し順序を示す説明図である。
図１９に示すように、まず、ビーム位置制御装置１０は、第１予熱パターンから第４予熱パターンによる予熱動作の第１セットＡ１を行う。次の第２セットＡ２では、ビーム位置制御装置１０は、第１の方向Ｘと第２の方向Ｙの座標位置を９０°回転させて、第１予熱パターンから第４予熱パターンによる予熱動作を行う。
【００６３】
第３セットＡ３では、ビーム位置制御装置１０は、第２セットＡ２からさらに第１の方向Ｘと第２の方向Ｙの座標位置を９０°回転させて、第１予熱パターンから第４予熱パターンによる予熱動作を行う。また、第４セットＡ４では、ビーム位置制御装置１０は、第３セットＡ３からさらに第１の方向Ｘと第２の方向Ｙの座量位置を９０°回転させて、第１予熱パターンから第４予熱パターンによる予熱動作を行う。このように、ビーム位置制御装置は、セット毎に、第１の方向Ｘと第２の方向Ｙの座標位置を９０°回転させて、第１予熱パターンから第４予熱パターンによる予熱動作を行う。
【００６４】
なお、図１９に示す繰り返し順序では、電子ビームＬ１のスキャン方式として図５に示したラスタースキャン方式を適用した例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図２０に示すように、電子ビームＬ１のスキャン方式としては、図６に示したジグザグスキャン方式を適用してもよい。
【００６５】
図２１は、図１９又は図２０に示す繰り返し順序によって予熱パターンのセットを行った際の照射位置を回数で示す説明図である。
図２１に示すように、第１セットＡ１における第１予熱パターンの照射スポットＰＡは、第２セットＡ２では第４予熱パターンの照射スポットに変更され、第３セットＡ３では第３予熱パターンの照射スポットに変更される。そして、第４セットＡ４では第２予熱パターンの照射スポットとなる。
【００６６】
これにより、粉末層の表面に対して時間的及び空間的に一様に熱量（エネルギー）を投与することができる。その結果、粉末層の表面全体を満遍なく予熱することができ、粉末層の温度差によって生じる熱ひずみが発生することを抑制することができる。
【００６７】
セット毎に座標位置を回転させる角度を、９０°にした例を説明したが、これに限定されるものではなく、座標位置を回転させる角度は、３６０°未満であればよい。
【００６８】
２．第２の実施の形態例
次に、第２の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置について図２２を参照して説明する。
図２２は、第２の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置のビーム位置制御装置を示す説明図である。
【００６９】
この第２の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置が、第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置１と異なる点は、ビーム位置制御装置の構成である。そのため、ここでは、ビーム位置制御装置について説明し、第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置１と共通する部分には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００７０】
図２２に示すように、ビーム位置制御装置１０Ａは、偏向アンプ３と、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）１１とを有している。ＦＰＧＡ１１は、偏向アンプ３を制御する座標変換補正回路８と、ビーム位置・照射時間格納部１３とを有している。ビーム位置・照射時間格納部１３には、予め予熱動作時に用いられる電子ビームＬ１の照射時間Ｓに関する情報と、予熱パターンでの照射スポットの間隔Ｋに関する情報が格納されている。
【００７１】
ＦＰＧＡ１１には、ＰＣ３０から電子ビームＬ１の移動方向や移動範囲に関する移動情報と、電子ビームＬ１の照射時間に関する照射時間情報等を変数として受信する。そして、座標変換補正回路８は、ビーム位置・照射時間格納部１３に予め格納されている情報を参照し、ＰＣ３０から受信した情報を変換し、偏向アンプ３を制御する制御信号を生成する。なお、ビーム位置・照射時間格納部１３に予め格納されている情報を参照することで、制御信号の生成処理を容易に行うことができる。
【００７２】
その他の構成は、第１の実施の形態にかかる三次元積層造形装置１と同様であるため、それらの説明は省略する。このようなビーム位置制御装置１０Ａを有する三次元積層造形装置によっても、上述した第１の実施の形態例にかかる三次元積層造形装置１と同様の作用効果を得ることができる。
【００７３】
３．予熱動作の変形例
次に、図２３及び図２４を参照して予熱動作の変形例について説明する。
図２３は、予熱動作時の照射位置を予熱パターンの回数で示す説明図であり、図２４は、予熱動作時における予熱パターンのセットの繰り返し順序を示す説明図である。
【００７４】
図２３に示す変形例にかかる予熱動作では、電子ビームＬ１の照射スポットの直径２σとした際に、前回照射スポットに照射された電子ビームＬ１の照射位置と次回照射スポットに照射された電子ビームＬ１の照射位置の間隔Ｋを６σとしている。すなわち、図２３に示す予熱動作では、Ｋ＝２（ｎ＋１）σのｎを２にしたものである。ｎ＝２である。そのため、前回照射スポットと次回照射スポットの間には、照射スポット２つ分の隙間が形成される。
【００７５】
そして、変形例にかかる予熱動作では、９回の予熱パターンによって粉末層の表面に電子ビームＬ１を照射する。また、各予熱パターンによって照射された照射スポットは、互いに重なり合うことがない。そのため、この変形例にかかる予熱動作においても、粉末層の表面において局所的に温度が上昇することを防ぐことができ、熱輻射によって損失される熱量が増加することを防ぐことができる。
【００７６】
また、変形例にかかる予熱動作においても、第１予熱パターンから第９予熱パターンを１セットとして、予熱動作が繰り返される。そして、図２４に示すように、各セットＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４が終了する度に、第１の方向Ｘと第２の方向Ｙの座標位置を９０°回転させて、次のセットを行う。これにより、粉末層の表面に対して時間的及び空間的に一様に熱量（エネルギー）を投与することができる。その結果、粉末層の表面全体を満遍なく予熱することができ、粉末層の温度差によって生じる熱ひずみが発生することを抑制することができる。
【００７７】
なお、本発明は上述しかつ図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。
【００７８】
上述した実施の形態例では、第１予熱パターンによる電子ビームＬ１の照射の後に第２予熱パターンによって電子ビームＬ１を照射する例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第１予熱パターンによって電子ビームＬ１を照射した後に、第３予熱パターン又は第４予熱パターンによって電子ビームＬ１を照射してもよく、予熱パターンを実施する順序は、限定されるものではない。
【００７９】
さらに、予熱パターンにおける電子ビームＬ１の照射位置の間隔は、上述した実施の形態例に限定されるものではなく、例えば、照射スポットの直径２σとした際に、間隔を８σ以上空けて行ってもよい。
【００８０】
また、上述した実施の形態例では、照射銃として電子ビームＬ１を照射する電子銃２を適用した例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、照射銃としては、レーザービームを照射する照射銃を適用し、レーザービームにより粉末材料Ｍ１を予熱や、溶融及び凝固させてもよい。
【符号の説明】
【００８１】
１…三次元積層造形装置、  ２…電子銃（照射銃）、  ３…偏向アンプ、  ４…レンズ、  ５…粉末材料格納庫、  ６…ステージ、  ７…粉末積層アーム、  ８…座標変換補正回路、  １０、１０Ａ…ビーム位置制御装置、  １１…ＦＰＧＡ、  １３…ビーム位置・照射時間格納部、  ２１…エミッタ、  ２２…引出電極、  ２３…加速電極、  ２４…加速電源、  ３０…ＰＣ（制御装置）、  １００…造形物、  Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４…セット、  Ｌ１…電子ビーム、  Ｍ１…粉末材料、  Ｐ１…一次予熱照射スポット、  Ｐ１ａ…前回照射スポット、  Ｐ１ｂ…次回照射スポット、  Ｐ１Ｆ…最初の照射スポット、  Ｐ２…二次予熱照射スポット、  Ｐ３…三次予熱照射スポット、  Ｐ４…四次予熱照射スポット
【図１】
2020157698.tif 000004
【図２】
2020157698.tif 000005
【図３】
2020157698.tif 000006
【図４】
2020157698.tif 000007
【図５】
2020157698.tif 000008
【図６】
2020157698.tif 000009
【図７】
2020157698.tif 000010
【図８】
2020157698.tif 000011
【図９】
2020157698.tif 000012
【図１０】
2020157698.tif 000013
【図１１】
2020157698.tif 000014
【図１２】
2020157698.tif 000015
【図１３】
2020157698.tif 000016
【図１４】
2020157698.tif 000017
【図１５】
2020157698.tif 000018
【図１６】
2020157698.tif 000019
【図１７】
2020157698.tif 000020
【図１８】
2020157698.tif 000021
【図１９】
2020157698.tif 000022
【図２０】
2020157698.tif 000023
【図２１】
2020157698.tif 000024
【図２２】
2020157698.tif 000025
【図２３】
2020157698.tif 000026
【図２４】
2020157698.tif 000027
【図２５】
2020157698.tif 000028