(57)【要約】【課題】温度センサにより測定された温度に基づきヒータによる造形領域の温度制御を適切に行うことができる粉末床溶融結合装置を提供するものである。【解決手段】粉末材料の薄層29aにエネルギービームを照射して溶融し、固化して結合層を形成し、複数の結合層を積層して造形物を作製する粉末床溶融結合装置100において、薄層29aの表面にエネルギービームを照射するエネルギービーム出射装置32と、薄層29aの上方に設けられ、薄層29aを加熱する赤外線ヒータ31と、薄層29aの表面の第１温度を測定する第１温度センサ33aと、エネルギービームが照射されない薄層の表面の第２温度を測定する第２温度センサ33bと、第１温度センサ33aに基づく制御を行っているときに異常温度上昇を検出したことにより第２温度センサ33bに基づく制御に切り替え、赤外線ヒータ31に供給する調整電力のデータ信号を出力する赤外線ヒータ加熱制御回路とを有する。【選択図】図１
2018229990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末材料の薄層にエネルギービームを照射して溶融し、固化して結合層を形成し、複数の前記結合層を積層して造形物を作製する粉末床溶融結合装置において、
前記薄層の表面に前記エネルギービームを照射するエネルギービーム出射装置と、
前記薄層の上方に設けられ、前記薄層を加熱する赤外線ヒータと、
前記薄層の表面の第１温度を測定する第１温度センサと、
前記薄層の前記エネルギービームが照射されない領域の表面の第２温度を測定する第２温度センサと、
前記第１温度センサに基づく制御を行っているときに異常温度上昇を検出したことにより前記第２温度センサに基づく制御に切り替え、前記赤外線ヒータに供給する調整電力のデータ信号を出力する赤外線ヒータ加熱制御回路と
を有することを特徴とする粉末床溶融結合装置。
【請求項２】
前記赤外線ヒータ加熱制御回路は、更に、前記第２温度センサに基づく制御に切り替えた後に、前記異常温度上昇を検出せずに連続して処理した前記薄層の積層数が設定値以上になったときに、前記第１温度センサに基づく制御に復帰させることを特徴とする請求項１に記載の粉末床溶融結合装置。
【請求項３】
前記赤外線ヒータ加熱制御回路は、
前記第１温度センサにより前記異常温度上昇を検出する異常温度上昇検出回路と、
前記第１温度センサに基づく制御を行っているときに前記異常温度上昇が検出されたことにより前記第２温度センサに基づく制御に切り替える制御選択信号を生成し、また、前記第２温度センサに基づく制御に切り替えた後に、前記異常温度上昇が検出されずに連続して処理された前記薄層の積層数が設定値以上になったときに、前記第１温度センサに基づく制御に復帰させる制御選択信号を生成する制御選択信号生成回路と、
前記制御選択信号により前記第１温度センサに基づく制御と前記第２温度センサに基づく制御のいずれかを選択する制御選択回路と
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の粉末床溶融結合装置。
【請求項４】
前記制御選択信号生成回路は、更に、制御カウンタを有し、
前記制御カウンタは、造形を始める前にカウント値に前記設定値以上の値を設定し、前記異常温度上昇が検出されたときに前記カウント値にゼロを設定し、前記薄層が形成されるごとに前記カウント値を１ずつ増加させることを特徴とする請求項３に記載の粉末床溶融結合装置。
【請求項５】
前記制御選択信号生成回路は、更に、比較回路を有し、前記カウント値が前記設定値以上であれば、前記第１温度センサに基づく制御に切り替える制御選択信号を生成することを特徴とする請求項４に記載の粉末床溶融結合装置。
【請求項６】
前記赤外線ヒータ加熱制御回路は、測定された前記第１温度と第１目標温度との差に基づき前記赤外線ヒータに供給する調整電力のデータ信号を生成する第１電力調整回路と、測定された前記第２温度と第２目標温度との差に基づき前記赤外線ヒータに供給する調整電力のデータ信号を生成する第２電力調整回路とを有することを特徴とする請求項１に記載の粉末床溶融結合装置。
【請求項７】
更に、前記粉末材料の薄層が形成される造形用容器と、
前記造形用容器の一方の側に配置された第１粉末材料収納容器と、
前記造形用容器の他方の側に配置された第２粉末材料収納容器と、
前記造形用容器内に設けられ、前記薄層を載せて昇降する第１昇降台と、
前記第１粉末材料収納容器内に設けられ、前記粉末材料を載せて昇降する第２昇降台と、
前記第２粉末材料収納容器内に設けられ、前記粉末材料を載せて昇降する第３昇降台と、
前記第１粉末材料収納容器と前記造形用容器と前記第２粉末材料収納容器とにわたって移動して、前記第１粉末材料収納容器又は前記第２粉末材料収納容器から前記粉末材料を運び出し、前記造形用容器に前記粉末材料を運び入れて前記薄層を形成する運搬部材と
を有することを特徴とする請求項１に記載の粉末床溶融結合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末床溶融結合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、試作品又は少量多品種の製品等を作製するため、物品を輪切りにしたときの薄い層の形状（スライスデータ）に対応する固化層を順次積層して、物品の造形物を作製する種々の粉末床溶融結合方法が注目されている。
粉末床溶融結合方法の一つによれば、運搬部材により造形用容器に粉末材料を運び入れながら表面を均して昇降台上に粉末材料の薄層を形成する。
次いで、スライスデータに基づき、エネルギービームにより選択的に粉末材料の薄層の特定領域を加熱することで、焼結して、又は、溶融し固化して、結合層を形成する。
その後、昇降台を下降させつつ上記動作を繰り返し、数百層或いは数千層にわたって結合層を積層し、３次元造形物を作製する。
このような方法を、専用の粉末床溶融結合装置を用いて行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−０１３４２６号公報
【特許文献２】特開２０１６−１０７５５４号公報
【特許文献３】特開２００８−３７００２４号公報
【特許文献４】特開２００７−２２３１９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、粉末材料の薄層の特定領域を溶融した後、溶融した粉末材料が固化するときに、溶融した領域とその周囲の領域との間に温度差があると固化層に反りや縮みが発生してしまう。その温度差が大きくなると反りや縮みも大きくなって、所望の形状・寸法の造形物を得ることができなくなる。
そこで、エネルギービームが照射される前に少なくとも最上層の粉末材料の薄層の温度が粉末材料の溶融温度に近くなるように、造形用容器の周囲にヒータを設けたり、造形用容器の上方に赤外線ヒータを配置したりして、造形用容器内部の粉末材料や造形用容器表面の粉末材料の薄層を予備加熱している。
さらに、赤外線温度センサにより造形領域の粉末材料の薄層の温度を測定し、必要であれば、制御装置が測定温度に基づきヒータによる加熱を調節している。
しかしながら、当該薄層の温度測定領域にエネルギービームが照射された場合、及び、レーザビームが照射された薄層が当該薄層の下に積みあがってきている場合、当該薄層の温度測定領域が一時的に高温になるため、照射領域の周囲の温度が実際には低いにも関わらず造形領域全体が高温になったと制御装置が誤認してしまう。これによって、赤外線ヒータによる加熱の調節が適切に行われなくなるという問題がある。【０００５】
なお、この問題を解決するために、温度測定領域にレーザビームの照射が行われたときには、赤外線ヒータに供給する電力をレーザビームが照射される直前の電力に固定し、温度低下を防ぐようにすることが考えられるが、その場合、次のようにさらなる問題がでてくる。【０００６】
すなわち、レーザビームの照射が行われた後では温度測定が行われないため、造形領域に対して精密な温度制御ができないこと、また、レーザビームの照射が終わった後で再測定を始めても、当該薄層の下の薄層が以前にレーザビームの照射を受けていた場合、当該薄層の下に熱溜まりが生じているため、正確な温度が分からないことなど、問題がある。
本発明は、上述の問題点に鑑みて創作されたものであり、温度センサにより測定された温度に基づきヒータによる造形領域の温度制御を適切に行うことができる粉末床溶融結合装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、一観点によれば、粉末材料の薄層にエネルギービームを照射して溶融し、固化して結合層を形成し、複数の前記結合層を積層して造形物を作製する粉末床溶融結合装置において、前記薄層の表面に前記エネルギービームを照射するエネルギービーム出射装置と、前記薄層の上方に設けられ、前記薄層を加熱する赤外線ヒータと、前記薄層の表面の第１温度を測定する第１温度センサと、前記薄層の前記エネルギービームが照射されない領域の表面の第２温度を測定する第２温度センサと、前記第１温度センサに基づく制御を行っているときに異常温度上昇を検出したことにより前記第２温度センサに基づく制御に切り替え、前記赤外線ヒータに供給する調整電力のデータ信号を出力する赤外線ヒータ加熱制御回路とを有することを特徴とする粉末床溶融結合装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、赤外線ヒータと、薄層の表面の第１温度を測定する第１温度センサと、エネルギービームが照射されない薄層の表面の第２温度を測定する第２温度センサと、第１温度センサに基づく制御を行っているときに異常温度上昇を検出したことにより第２温度センサに基づく制御に切り替え、赤外線ヒータに供給する調整電力のデータ信号を出力する赤外線ヒータ加熱制御回路とを有する。
これによって、第１温度センサに基づく制御を行っているときに温度測定領域にレーザビームの照射があったときに、赤外線ヒータ加熱制御回路により、異常温度上昇が検知され、第１温度センサに基づく制御から第２温度センサに基づく制御に切り替え、赤外線ヒータに供給する調整電力のデータ信号を出力するため、温度制御が適切に行われる。
これにより、反りや縮みが抑制された造形物が得られ、造形物の精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る粉末床溶融結合装置を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１の粉末床溶融結合装置の構成要素の相互配置を示す上面透視図である。（ｂ）は、（ａ）のI-I線に沿う断面図である。
【図３】図１の粉末床溶融結合装置において、造形用容器内に形成された粉末材料の薄層の表面と、レーザビーム出射装置と、赤外線温度センサとの相互配置を示す斜視図である。
【図４】本発明に関する調査に係り、レーザビームの照射を行いながら、赤外線温度センサによる測定温度とその測定温度の微分値を経時的に調査した結果を示すグラフである。
【図５】本発明に関する調査に係り、（ａ）は、高融点粉末材料について、電力制御が行われ、レーザビームの照射が行われない状態で、経過時間に対する造形領域の中央部付近の温度分布（○）と経過時間に対する造形領域の周囲の領域の温度分布（●）をプロットしたグラフである。（ｂ）は、低融点粉末材料について、電力制御が行われ、レーザビームの照射が行われない状態で、経過時間に対する造形領域の中央部付近の温度分布（○）と経過時間に対する造形領域の周囲の領域の温度分布（●）をプロットしたグラフである。
【図６】本発明に関する調査に係り、複数の薄層について温度測定領域にレーザビームの照射が行われ、その後照射を止め、新たに薄層を積層したときにおいて、温度測定領域における温度の経時変化について示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態の粉末床溶融結合装置を制御する制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】図７の制御装置のうち、赤外線ヒータ加熱制御回路の構成を示すブロック図である。
【図９】図８の赤外線ヒータ加熱制御回路に基づき加熱制御を行うフローチャートである。
【図１０】図７の制御装置に基づき粉末床溶融結合を行うフローチャートである。
【図１１】図１〜図３の粉末床溶融結合装置を用いた粉末床溶融結合方法を説明する断面図（その１）である。
【図１２】図１〜図３の粉末床溶融結合装置を用いた粉末床溶融結合方法を説明する断面図（その２）である。
【図１３】（ａ）は、本発明の実施形態に係る第１目標温度と第２目標温度の経時変化を示すグラフである。（ｂ）は、（ａ）に記載の第１目標温度と第２目標温度とに基づき複数の薄層の処理を行った粉末床溶融結合方法の一例を示す、（ａ）における「（ｂ）参照」の時間範囲を拡大表示したグラフである。（ｃ）は、一薄層の処理のサイクルと、赤外線温度センサに基づく制御のサイクルとの関係を示すタイミングチャートである。
【図１４】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る複数の薄層の処理について示す上面図である。
【図１５】（ａ）は、図１４（ｂ）に対応し、図１の粉末床溶融結合装置において、図９の赤外線ヒータの電力制御が行われた状態で赤外線温度センサにより測定された、造形領域の薄層表面の温度の経時変化を示すグラフである。（ｂ）は、（ａ）の温度変化に追随して赤外線ヒータに出力された調整電力の経時変化を示すグラフである。
【図１６】比較例に係る粉末床溶融結合装置の造形部に形成された粉末材料の薄層の表面と、レーザビーム出射装置と、赤外線温度センサとの配置を示す斜視図である。
【図１７】（ａ）は、比較例に係り、図１６の粉末床溶融結合装置において、赤外線ヒータの電力制御が行われ、温度測定領域にレーザビームが照射される状態で赤外線温度センサにより測定された薄層表面の温度の経時変化を示すグラフである。（ｂ）は、（ａ）の温度変化に追随して赤外線ヒータに出力された調整電力の経時変化を示すグラフである。（ｃ）は、（ａ）とともに、レーザビームの照射領域以外の造形領域に温度測定領域が設定された別の赤外線温度センサにより測定された薄層表面の温度の経時変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
（実施形態）
（１）本発明の実施形態に係る粉末床溶融結合装置の説明
本発明の実施形態に係る粉末床溶融結合装置について、図１乃至図８を参照しながら説明する。
図１〜図３において、装置構成を分かり易くするため、透視した部分を鎖線で示している。
本実施形態に係る粉末床溶融結合装置100では、図１と図２に示すように、チャンバ101内に、上から下に、レーザビーム出射装置と赤外線温度センサの収容室102と、造形室103とが仕切り壁11を介して配置されている。そして、図３に示すように、レーザビームを透過するレーザウインドウ12が仕切り壁11に嵌めこまれている。また、チャンバ101内の収容室102に設置された制御装置104を備えている。なお、図１では示されていないが、制御装置104は電気信号が通流する配線により以下で説明する制御対象に接続されている。
次に、造形室103と収容室102と制御装置104の詳細な構成についてこの順に説明する。
（ｉ）造形室103の構成
図１に示すように、造形室103は、上方手前に配置された造形部201と、造形部201の下部に配置された容器収容部202と、造形部201の後方に配置されたリコータ駆動部203とで構成されている。
造形部201は、チャンバ101の仕切り壁によって外部から仕切られている。特に、造形部201の前部は、図示しない仕切り壁によって仕切られており、外部に対して開閉できる扉のような機構を有する。
また、容器収容部202は、チャンバ101の仕切り壁によって外部から仕切られている。容器収容部202の前部は、仕切り壁13によって仕切られており、造形部201の仕切り壁と同様に、外部に対して開閉できる扉のような機構を有する。
さらに、造形部201と容器収容部202は仕切り壁14で仕切られ、仕切り壁14は、造形部201の基台を兼ねている。また、造形部201とリコータ駆動部203とは仕切り壁15で仕切られている。
容器収容部202には、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、造形用容器16と、第１、第２粉末材料収納容器17a, 17bとが収容される。装置の正面に向かって左から、第１粉末材料収納容器17a、造形用容器16、第２粉末材料収納容器17bという並びで配置される。
これらの容器17a, 16, 17bは、仕切り壁13を開閉して、外部から容器収容部202内に収容したり、容器収容部202内から外部に取り出したりすることができる。
基台14には、容器17a, 16, 17bの並びに従い、容器17a, 16, 17bの四辺形の開口端面と同じ大きさの第１〜第３開口部19a, 18, 19bが設けられている。
造形用容器16の開口端面において外縁よりも所定の距離だけ内側の領域が、レーザビームを照射可能な造形領域となっている。本実施形態では、図３に示すように、造形領域20は、四辺形を有し、その外縁21を二点鎖線で示す。また、造形領域20の外側周囲の領域は、レーザビームが照射されない領域（非照射領域）22である。
容器17a, 16, 17bにはそれぞれ、第１〜第３開口部19a, 18, 19bの周囲の基台14の縁に設けられた溝に、各容器17a、16、17bの上縁が基台14の手前から挿入されて、各容器17a、16、17bが基台14に装着される。各容器17a、16、17bを基台14から取り外す場合は、その逆を行う。
また、図２（ｂ）に示すように、第１、第２粉末材料収納容器17a, 17bと造形用容器16の内側には、それぞれ、容器17a, 17b, 16の底部を兼ねた第１乃至第３昇降台24a, 23, 24bが設置されている。第１乃至第３昇降台24a, 23, 24bは、それぞれ、図示しない駆動装置に繋がった支持軸26a, 25, 26bに接続されて、容器17a, 16, 17b内で上下の移動が可能になっている。また、造形部201には、基台14の上面を移動し、粉末材料を運ぶリコータ（運搬部材）27を備えている。基台14の上面は全体にわたって面一になっている。それによって、基台14の上面全体にわたってブレード型のリコータ27が移動できるようになっている。なお、ローラー型のリコータを用いた場合も、同様である。
リコータ駆動部203は、一部図示していないが、リコータ27の片端を保持してモータによりリコータ27を左右に並進移動させる駆動機構を有する。
その駆動機構とは別に、さらに、造形部201とリコータ駆動部203との間を仕切るエンドレスベルト28を設け、その片側のベルト面が造形部201の方に向くように配置してリコータ27とともに左右に移動するようにしている。これにより、エンドレスベルト28は、仕切り壁15とともに、造形部201とリコータ駆動部203との間を仕切る仕切り壁として機能する。
以上の構成により、リコータ27を右方向に移動させ、第１開口部19aを通して第１粉末材料収納容器17aから粉末材料29を取り出し、第２開口部18を通して、取り出された粉末材料29を造形用容器16内に運び込んで粉末材料の薄層29aを形成し、第３開口部19bを通して、第２粉末材料収納容器17bに薄層29aの形成後に残る粉末材料29を収納する。
また、リコータ27を左方向に移動させ、第３開口部19bを通して第２粉末材料収納容器17bから粉末材料29を取り出し、第２開口部18を通して、取り出された粉末材料29を造形用容器16内に運び込んで粉末材料の薄層29aを形成し、第１開口部19aを通して第１粉末材料収納容器17aに薄層29aの形成後に残る粉末材料29を収納する。
この間、供給側の第１又は第２粉末材料収納容器17a又は17bでは、第１又は第３昇降台24a又は24b上に粉末材料29を載せて上昇させ、粉末材料29を供給する。収納側の第２又は第１粉末材料収納容器17b又は17aでは、第３又は第１昇降台24b又は24aを下降させ、薄層29aを形成後に余った粉末材料29を第３又は第１昇降台24b又は24a上に収納する。
造形用容器16では、粉末材料の薄層29aを１層形成するごとに、エネルギービームにより溶融し、固化して結合層29bを形成する。さらに、結合層29bを１層形成するごとに第２昇降台23を下降させて順次新たな結合層29bを積層していく。これにより、必要な数の結合層29bを積層して造形物が作製される。さらに、この発明の実施形態では、レーザビームが照射される前に、粉末材料29やその薄層29aを粉末材料29の溶融温度近くまで予備加熱するため、造形用容器16は容器の仕切り壁や第２昇降台23にヒータを備えている。
また、容器16, 17a, 17bの周囲にもヒータや赤外線ヒータ31が配置されている。容器16, 17a, 17bの周囲のヒータのうち、ヒータ30a, 30bは、造形用容器16の両側の粉末材料収納容器17a, 17bとの間の基台14の下にそれぞれ配置されている。その他のヒータは、図示していないが、容器16, 17a, 17bの外壁の周囲に設けられている。赤外線ヒータ31は、図２及び図３に示すように、造形部201の上部の仕切り壁11近くに、造形領域20を囲む四辺に対応して４つ配置されている。
特に、この発明では、赤外線ヒータ31は、供給される電力を時々刻々調節して、薄層29a表面の温度が目標温度を維持するように動作する。４つの赤外線ヒータ31に供給される電力は、後述する制御装置により調節される。他のヒータは、この実施形態では、供給される電力が固定されているが、場合により、赤外線ヒータ31と同様に、供給される電力が調節されてもよい。
（ii）レーザビーム出射装置（エネルギービーム出射装置）と赤外線温度センサの収容室102の構成
収容室102は、図１と図２（ａ）と図３に示すように、造形室103の上方に仕切り壁11を介して設けられ、レーザビーム出射装置32と２つの赤外線温度センサ33a, 33bとを収容している。
使用可能なレーザビームとして、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、Ｈｅ−Ｃｄレーザ、半導体励起固体レーザなどが挙げられる。また、エネルギービームとして、レーザビームのほかに、電子ビームなどエネルギー粒子線を用いることができ、それに応じたエネルギービーム出射装置32が用いられる。
レーザビーム出射装置32は、レーザビーム源と、ビーム走査手段と、レンズなど光学系とを備えている。
また、仕切り壁11に嵌め込まれたレーザウインドウ12は、この実施形態では、レーザビームを透過させることができる円板状の特殊なガラスからなり、造形領域の中央部の上方に配置されている。
レーザビーム源から出射されたレーザビームは、ビーム走査手段と、レンズなど光学系とを経て、レーザウインドウ12を透過して造形部201に出射され、造形用容器16内の粉末材料の薄層29aに照射される。
２つの赤外線温度センサ33a, 33bは、仕切り壁11に嵌め込まれたセンサウインドウ34a, 34bを通して、造形領域20内の温度（第１温度）と、造形領域の外側周囲の領域22内の温度（第２温度）を計測する。造形領域20内の温度を計測する方が第１温度センサ33aであり、造形領域の外側周囲の領域22の温度を計測する方が第２温度センサ33bである。第１温度センサ33aはレーザビーム出射装置32の近くに配置され、第２温度センサ33bは造形領域の周囲の領域22の上方近くに配置されている。各領域20, 22には、それぞれ温度測定領域35a, 35bと目標温度が設定されている。第１温度センサ33a及び第２温度センサ33bのいずれかで測定された温度情報に基づき、対応する温度測定領域35a, 35bの温度が目標温度になるように、４つの赤外線ヒータ31に供給される電力が制御装置104により調節される。制御装置104の構成は後述する。
制御装置104について説明する前に、本発明の実施形態の温度制御に関係する調査を行ったので、次に説明する。
（iii）本発明に関する調査
（ａ）温度測定領域35aにレーザビームの照射が行われた場合の対応について
粉末材料の薄層29a内であっても、エネルギービームが照射される恐れが全くない造形領域20以外の領域22の温度を測定する補助の赤外線温度センサ（第２温度センサ）33bを別に設ける。そして、造形領域20内の主たる赤外線温度センサ（第１温度センサ）33aによる温度測定領域35aにレーザビームの照射が行われたときに、主たる赤外線温度センサ33aで測定された温度に基づく電力制御（以下では、第１温度センサに基づく制御と称する。）から、補助の赤外線温度センサ33bで測定された温度に基づく電力制御（以下では、第２温度センサに基づく制御と称する。）に切り替えることを考えた。
ところで、通常、造形領域の周囲の領域22は、エネルギービームが照射される恐れが全くないが、薄層29a内であってもその周辺領域にあるため、その領域の温度は造形領域20の中央部付近の温度とは相当異なっていることが経験的に分かっている。
【００１１】
そこで、造形領域の周囲の領域22の温度と造形領域20の中央部付近の温度との相関をとり、造形領域の周囲の領域22の温度に基づき造形領域20の中央部付近の温度を制御することを考えた。
すなわち、造形領域20の中央部付近の温度を、目標とする温度範囲内に維持するために赤外線ヒータ31に供給された調整電力によって、造形領域の周囲の領域22の温度が経時的にどのように変化するかを把握する必要がある。
まず、第１温度センサ33aの温度測定領域35aにレーザビームの照射が行われたことを検出する方法について調査した。
図４は、第１温度センサの温度測定領域35aにレーザビームが照射される状態で、第１温度センサ33aによる測定温度とその測定温度の微分値とがどのように変化するかを経時的に調査したグラフである。縦軸がリニアスケールで表示された温度（℃）を示し、横軸がリニアスケールで表示された経過時間（時：分：秒）を示す。グラフ中の縦線は３０秒の時間間隔を表す。縦軸の１６９℃付近の点から引かれた横線は目標温度を示す。
グラフ内の温度変化の一つの山は、一薄層29aを処理する１サイクル、すなわち、薄層29aの形成からレーザビームの照射を経て次の薄層29a形成直前までの時間に相当する。以下、同種のグラフで同じである。
また、温度がグラフの上限を超えているサイクルでは、温度測定領域35aにレーザビームが照射されたことを示す。
図４に示すように、第１温度センサの温度測定領域35aにレーザビームが照射された瞬間では温度上昇が急峻であるため、測定温度の微分値によって、一層容易に、かつ、確実に、温度測定領域35aにレーザビームが照射されたこと及びその時刻を判断できる。
次に、造形領域20の中央部付近の温度を、目標とする温度範囲内に維持するために赤外線ヒータ31に供給された調整電力によって、造形領域の周囲の領域22の温度が経時的にどのように変化するかを調査した。
図５（ａ）は、高融点粉末材料について、電力制御を行い、レーザビームを照射しない状態において、経過時間に対する造形領域20の中央部付近の温度分布（○）と、経過時間に対する造形領域の周囲の領域22の温度分布（●）とをプロットしたグラフである。縦軸は測定温度（℃）を示し、横軸は、造形開始の時点からの経過時間（分）を示す。
また、白抜きの曲線は、経過時間に対する造形領域の周囲の領域22の温度分布に対して、プロットした点が多く分布する箇所をつないだもので、実現する確率が高いと考えられる補正曲線である。これを、補正式として表現すれば、次のようになる。
Ti2tc＝Ts-((Ts-Ti)/Csit)            （１）
ここで、Ti2tc：第２温度センサ33bに対する目標温度（第２目標温度：℃）
Ts:飽和温度（造形領域の周囲の領域22の温度が変化しなくなる温度：℃；実験の場合186℃とした。）
Ti:開始温度（第１温度センサ33aに基づく制御から第２温度センサ33bに基づく制御に切り替わった時点の造形領域の周囲の領域22の温度：℃）
Csi:飽和係数（開始温度から飽和温度に向かう挙動の急峻さ；実験の場合1.025である。）
t:経過時間（開始温度に対応する時点から計測した時間：分）
である。
この補正式（１）と補正係数は、式を種々仮定し、実験とよく合うものを選び、求めたものである。ほかにも、多項式補間法など適当な方法を用いることができる。
一方、図５（ｂ）は、低融点粉末材料について、電力制御を行い、レーザビームを照射しない状態において、経過時間に対する造形領域20の中央部付近の温度分布（○）と、経過時間に対する造形領域の周囲の領域22の温度分布（●）とをプロットしたグラフである。
また、白抜きの曲線は、経過時間に対する造形領域の周囲の領域22の温度分布に対してプロットした点が多く分布する箇所をつないだもので、実現する確率が高いと考えられる曲線である。
図５（ｂ）において、図５（ａ）と比較して、温度の飽和に至る挙動が異なるが、この場合も、飽和係数（Csi）を1.012とすれば、補正式（１）を適用できる。
（ｂ）当該薄層29aの下層に熱溜まりが存在する場合の対応について
図６は、複数の薄層29aについて温度測定領域35aにレーザビームの照射が連続して行われ、その後、照射が温度測定領域35aに重ならなくなったとき、そのときから積層された複数の薄層29aについて温度測定領域35aにおける温度の経時変化について示すグラフである。縦軸が温度（℃）を示し、横軸が経過時間（時：分：秒）を示す。縦線は３０秒の時間間隔を示し、１７０℃付近の点に引かれた横線は目標温度を示す。
図６によれば、温度測定領域35aにレーザビームの照射が重ならなくなった後、最初の薄層29aの処理から９層の薄層29aの処理が終わるまで、温度測定領域35aの温度を測定しているが、最初に目標温度から５℃近く高かった温度が次第に低下していき、９層目で目標温度から２℃足らず高い範囲に収まるまでに低下した。図６では示されないが、２０層程度の薄層29aの処理で目標温度に復帰することを確認できた。
この実験により、第１温度センサ33aの温度測定領域35aにレーザビームの照射が重ならない状態が連続して少なくとも９層以上、好ましくは、２０層程度続いてから、第１温度センサ33aに基づく制御に復帰可能であることが分かった。なお、復帰可能な層数は、粉末材料の種類や粉末床溶融結合装置の大きさなどによっても変わってくるので、適宜変更可能である。
（iv）制御装置104について
図７は、上記調査結果を反映して構成した制御装置104の構成を示すブロック図である。
制御装置104は、中央制御装置（ＣＰＵ）と、エネルギービーム照射制御回路と、粉末材料の薄層形成制御回路と、赤外線ヒータ加熱制御回路と、記憶装置とを有する。
エネルギービーム照射制御回路は、エネルギービーム出射装置32の制御を行う。
すなわち、エネルギービーム源をオン／オフして、エネルギービームの出射をオンオフする。また、エネルギービームを反射してＸ方向及びＹ方向に走査するミラーなどのビーム走査手段を制御して、造形領域20の必要な個所にエネルギービームを移動させる。また、レンズなど光学系を制御して、エネルギービームが薄層29a表面に焦点を結ぶようにする。
この制御回路は、次に説明する粉末材料の薄層形成制御回路による制御とタイミングを合わせて制御を行う必要がある。
粉末材料の薄層形成制御回路は、リコータ27と昇降台23, 24a, 24bの制御を行う。
【００１２】
すなわち、２つの粉末材料収納容器17a, 17bそれぞれの第１及び第３昇降台24a,24bと、造形用容器16の第２昇降台23とを、所定の距離だけ上下させるとともに、それらの移動とのタイミングをはかってリコータ27を左右に移動させる。
赤外線ヒータ加熱制御回路は、赤外線温度センサ33a, 33bと電力供給源36及び赤外線ヒータ31とを制御する。
すなわち、第１温度センサ33aと第２温度センサ33bによる温度測定と、それらの温度センサ33a, 33bによる測定温度に基づき、薄層29a表面が目標温度に近づくように電力を調整する電力調整と、いずれかの温度センサ33a, 33bに基づく制御を選択する制御選択とを行う。
上述のエネルギービーム照射制御回路と粉末材料の薄層形成制御回路による制御では、１サイクルは一薄層29aの処理に掛かる時間、すなわち、およそ２０〜６０秒程度であるのに対して、赤外線ヒータ加熱制御回路による制御では、１サイクルは２００msecである。図１３（ｃ）に、これらの関係を示す。
記憶装置には、エネルギービーム照射制御データと、粉末材料の薄層形成制御データと、赤外線ヒータ加熱制御データとを記憶する。
エネルギービーム照射制御データとして、レーザビーム源のオン／オフのタイミングのデータ、ビーム走査手段におけるミラーの回転角度の量と回転速度とタイミングのデータ、レンズなど光学系における前後移動の量とタイミングのデータ、スライスデータ（薄層ごとのレーザビームの照射領域などのデータ）などがある。
粉末材料の薄層形成制御データとして、昇降台24a, 24bの上下の量、リコータ27の左右への移動距離の量とタイミングのデータや、スライスデータ（薄層29a厚さ、積層数などのデータ）などがある。
赤外線ヒータ加熱制御データとして、第１温度センサ33aによる第１目標温度（T1tc）と、異常温度上昇微分値の閾値（DTlim）と、飽和温度（Ts）と、飽和係数（Csi）と、第２温度センサ33bに基づく制御に切り替えた後に第１温度センサ33aに基づく制御に復帰するタイミングとなる薄層の最大連続積層数（Clim）などがある。薄層の最大連続積層数とは、第２温度センサ33bに基づく制御中に第１温度センサ33aの温度測定領域35aにエネルギービームが照射されなかった薄層29aが連続して積層された層数をいう。
制御装置104内の各制御回路要素とＣＰＵ同士、記憶装置とＣＰＵ同士は、制御信号及びデータのやり取りを行い、また、各制御回路要素と対応する装置構成要素同士も、制御信号及びデータのやり取りを行う。
次に、赤外線ヒータ加熱制御回路について、図８を参照して詳しく説明する。
図８は、赤外線ヒータ加熱制御回路の構成を示すブロック図である。
赤外線ヒータ加熱制御回路は、第１電力調整回路と、異常温度上昇検出回路と、制御選択信号生成回路と、制御選択信号送出回路と、経過時間演算回路と、第２目標温度演算回路と、第２電力調整回路と、制御選択回路とを有する。
第１電力調整回路では、第１温度センサ33aから逐次第１測定温度(T1m)が入力され、記憶装置から第１目標温度(T1tc)が入力されて、T1tc-T1mに基づき、ＰＩＤ（Proportional Integral-Differential）演算が行われ、調整電力データ信号が出力される。
異常温度上昇検出回路では、第１温度センサ33aから逐次第１測定温度(T1m)が入力されて、微分回路により第１測定温度(T1m)の微分値(DT1)が算出され、比較回路で、その微分値(DT1)と記憶装置から入力された異常温度上昇微分値の閾値（DTlim）とが比較されて、異常温度上昇の有無を示す信号が出力される。
制御選択信号生成回路では、第１温度センサ33aに基づく制御を行っているときに異常温度上昇を検出したことにより制御カウンタのカウント数(C)をゼロとする。このとき、第２温度センサ33bに基づく制御に切り替える信号を出力する。これにより、レーザビームの照射による温度測定領域35aの急激な温度上昇の影響を除くことができる。
また、第２温度センサ33bに基づく制御に切り替えられた後に、処理した薄層29aの積層数（カウント数）(C)をカウントする。そして、第２温度センサ33bに基づく制御を行っているときに、処理した薄層29aの積層数(C)と第１温度センサ33aに基づく制御に復帰するタイミングとなる薄層の最大連続積層数(Clim)とを比較する。そして、カウント数(C)が最大連続積層数(Clim)以上になったときに第１温度センサ33aに基づく制御に復帰させる信号を出力する。これにより、熱溜まりによる異常温度上昇の影響を除くことができる。
制御選択信号送出回路では、経過時間演算回路と、制御選択回路とに制御選択信号を送出する。制御選択信号は、第１温度センサ33aに基づく制御と第２温度センサ33bに基づく制御とのいずれかを選択する信号である。言い換えれば、第１電力調整回路の調整電力と第２電力調整回路の調整電力とのいずれを赤外線ヒータ31に供給するか選択する信号である。
経過時間演算回路では、第１温度センサに基づく制御中に異常温度上昇を検出し、第２温度センサに基づく制御に切り替わったときからその後に経過した時間（分）を算出する。
第２目標温度演算回路では、経過時間演算回路から入力された経過時間(t)と、記憶装置から入力された飽和係数(Csi)及び飽和温度（℃）と、第２温度センサ33bに基づく制御に切り替わった直後の第２温度センサ33bにより測定された薄層29aの温度（開始温度）（℃）とを用いて、補正式（１）により第２目標温度(T2tc)を算出する。
第２電力調整回路では、第２温度センサ33bから第２測定温度(T2m)が入力され、第２目標温度演算回路から第２目標温度(T2tc)が入力されて、T2tc-T2mに基づき、ＰＩＤ演算が行われ、調整電力データ信号が出力される。
制御選択回路では、制御選択信号送出回路から入力された制御選択信号に基づき、第１電力調整回路で算出された調整電力と第２電力調整回路で算出された調整電力とのいずれかを選択し、対応する調整電力データ信号を電力供給電源36に送る。電力供給電源36は、対応する調整電力を生成し赤外線ヒータ31に出力する。
（２）本発明の実施形態に係る粉末床溶融結合方法の説明
図７〜図１５を参照して、本発明の実施形態に係る粉末床溶融結合方法を説明する。
【００１３】
これらの図のうち、特に、図１３（ａ）は、第１目標温度と第２目標温度との経時変化を示すグラフである。縦軸がリニアスケールで表した温度（℃）を示し、横軸がリニアスケールで表した時間（ｔ）を示す。温度及び時間の開始点は、図５（ａ）による。
【００１４】
第１目標温度は、造形領域20の中央部付近の温度であり、変動しない方が好ましいため、経時的に変化させていないが、第２目標温度は、実測した造形領域の周囲の領域22の温度に合わせて設定したものであるため、時間経過により低い温度から漸次高くなるように変化させている。
また、第２目標温度は、第１目標温度よりも高い温度で飽和させているが、この点も実測に合わせたためである。実際の造形領域の周囲の領域22の温度は、造形用容器16の周囲環境や、造形に使用する粉末材料29の種類などに依存し、高くなる場合も低くなる場合もある。通常、造形領域20の中央部付近の温度とは異なる。
また、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に記載の第１及び第２目標温度に基づき複数の薄層29aの処理を行った場合の制御の一例を示し、図１３（ａ）の時間軸の「（ｂ）参照」の時間範囲を拡大表示したグラフである。
図１３（ｂ）のグラフ上方に、グラフの時間（ｔ）軸に沿って処理した粉末材料の薄層29aの積層数（結合層29bの積層数でもある）を表示した。数字は積層数である。
また、処理した粉末材料の薄層29aの積層数の表示の下に示す矢印について、点線の矢印は、その時点から、第１温度センサ33aに基づく制御から第２温度センサ33bに基づく制御に切り替えられたことを示し、実線の矢印は、その時点から第２温度センサ33bに基づく制御から第１温度センサ33aに基づく制御に復帰したことを示す。この実施形態では、説明を容易にするため、最大連続積層数（Clim）は、制御を切り替えたときにおける層を含めて少なくし６層とした。
また、各目標温度を示す一点鎖線上に表示した太い実線は、対応する第１温度センサ33a又は第２温度センサ33bに基づく制御を行ったことを示す。
（ｉ）赤外線ヒータ加熱制御について
最初に、図７〜図１０を参照して、赤外線ヒータ加熱制御について説明する。
まず、制御選択信号生成回路の制御カウンタのカウント値（C）に閾値（Clim）以上の値を設定する（ＣＰ１）。
次いで、制御選択信号生成回路でカウント値（C）と閾値（Clim）とを比較する（ＣＰ２）。
C≧Climの場合は、第１温度センサに基づく制御を選択する（ＣＰ３）。一番最初は、カウント値（C）に閾値（Clim）以上の値を設定しているため、必ずこの条件を満たす。
なお、この後、図１０のプロセスＰ３、Ｐ５及びＰ６にしたがって、第１温度センサ33aによる温度測定領域35aにエネルギービームが照射されない間は、最初に設定されたカウント値（C）は、一薄層29aの処理が終わるたびに１ずつ増加するが、カウント値（C）の初期値は閾値（Clim）以上の値に設定されているため、C≧Climが維持される。
一方で、図１０のプロセスＰ３及びＰ４にしたがって、第１温度センサ33aによる温度測定領域35aにエネルギービームが照射されると、カウント値（C）はゼロに設定される。
C＜Climの場合は、制御選択信号送出回路から制御選択回路に制御選択信号を送出し、第２温度センサ33bに基づく制御を選択する（ＣＰ６）。第２温度センサ33bに基づく制御を行なっている間には、プロセスＰ３及びＰ４にしたがってカウント値（C）は何度もゼロに設定される可能性がある。その場合、カウント値（C）は、何度もゼロから、カウントしなおされることになる。よって、第２温度センサ33bに基づく制御は、カウント値（C）が一番最初にゼロに設定されたときから始まり、カウント値（C）が最後にゼロに設定された後Climまで続くことになる。このため、第１温度センサ33aに基づく制御に復帰するまで、Climより多い薄層29aの処理を要する。
C＜Climの場合は、引き続き、制御選択信号送出回路から経過時間演算回路に制御選択信号を送出し、C＜Climの条件が満たされたときからの経過時間を算出する（ＣＰ７）とともに、第２目標温度（T2tc）演算回路で経過時間（ｔ）に基づき第２目標温度（T2tc）を算出する（ＣＰ８）。
【００１５】
制御プロセスＣＰ３及びＣＰ８の後は、選択された第ｉ温度センサ（i=1 or 2）33a, 33bに基づく制御にしたがって、測定温度（Tim）と第ｉ目標温度（Titc）との差に基づき、赤外線ヒータ31に供給する調整電力を算出し、そのデータ信号を出力する（ＣＰ４）。
次いで、所定の粉末材料の薄層29aの積層がすべて終了したかどうか判断し（ＣＰ５）、終了していない場合、カウント値（C）と閾値（Clim）とを比較する制御プロセス（ＣＰ２）に戻る。一方、すべて終了したら、制御プロセスを終了する。
（ii）赤外線ヒータ加熱制御に基づく粉末床溶融結合方法について
次に、図７〜図１５を参照して、本発明の実施形態に係る粉末床溶融結合方法を説明する。
一薄層の処理は、造形物の大きさによって変動するが、およそ、２０〜６０秒（１サイクル）である。
最初に、図１１（ａ）に示すように、第１及び第２粉末材料収納容器17a, 17bに粉末材料29を収納する。
次いで、第１及び第２粉末材料収納容器17a, 17bの周囲のヒータにより、第１及び第２粉末材料収納容器17a, 17b内の粉末材料29を、粉末材料29の融点より低いが、その融点に近くなるように加熱するとともに、造形用容器16の周囲のヒータと造形用容器16の上方の赤外線ヒータ31により、造形用容器16内の温度が粉末材料29の融点より低いが、その融点に近くなるように造形用容器16を加熱する。
次いで、制御装置104を動作させる。以降、すべての造形が終わるまで、赤外線ヒータ加熱制御回路は、温度制御を行い、薄層29aの造形領域20における表面温度が第１目標温度になるよう赤外線ヒータ31の加熱制御を行っている。当初は、造形領域20の中央部付近に温度測定領域35aが設定された第１温度センサ33aに基づく制御を行う。なお、すべての造形が終わるまで、第１温度センサ33aと第２温度センサ33bはオンしたままにされ、それぞれの温度測定に基づき赤外線ヒータ31に供給する調整電力が算出されている。
なお、図１１（ａ）では、すでに６層分の粉末材料の薄層が造形物の基材として積層してある。
次いで、薄層形成制御回路は、図１１（ｂ）に示すように、第１粉末材料収納容器17a内の昇降台24aを上昇させ、薄層29a一層分より少し多い量の粉末材料29を突出させる。また、造形用容器16内の昇降台23を薄層29a一層分降下させるとともに、第２粉末材料収納容器17b内の昇降台24bを、造形用容器16内に運び入れた後に残る粉末材料29を十分に収納できる程度に降下させる。
次いで、図１１（ｃ）〜図１２（ａ）に示すように、薄層形成制御回路は、リコータ27を右方向に移動させ、第１開口部19aを通して第１粉末材料収納容器17aから突出した粉末材料29を押し取る。さらに、リコータ27を右に移動させて、第２開口部18を通して、取り出された粉末材料29を造形用容器16内に運び入れて粉末材料の薄層29aを形成する（Ｐ１）。その後、さらに、リコータ27を右に移動させて、第２開口部19bを通して、第２粉末材料収納容器17bに薄層形成後に残る粉末材料29を収納する。
次いで、図１２（ａ）の工程の後、図１２（ｂ）に示すように、造形用容器16では、粉末材料の薄層29aをレーザビーム37により溶融し、固化して結合層29bを形成する（Ｐ２）。なお、この時点での結合層29bは周囲が溶融温度近くになっているため、固化しているとはいえ、多少軟らかい。以下同じ。
この間も、赤外線ヒータ加熱制御回路は、温度制御を行い、薄層29aの造形領域20の表面温度を第１目標温度に近づくように調整している。
レーザビームを照射中、照射経路が温度測定領域35aに重ならない場合（Ｐ３，ＣＰ２）、引き続き第１温度センサ33aに基づく制御が行われる（ＣＰ３）。また、当該薄層29aのレーザビームの照射が終了しない場合（Ｐ５）、引き続きレーザビーム37の照射が行われる（Ｐ２）。造形領域20の薄層29aの温度を第１目標温度に近づけるよう適切な温度制御が行われる。
これに対して、レーザビーム37の照射経路が温度測定領域35aに重なった場合（Ｐ３）、温度測定領域35aで異常温度上昇が起こる。第１温度センサ33aがそれを検出すると、カウント値がリセット（Ｃ＝０）されて（Ｐ４）、第２温度センサ33bに基づく制御に切り替わる（ＣＰ２，ＣＰ６）。これによって、薄層29aの造形領域の周囲の領域22の温度を第２目標温度に近づけるように適切な温度制御が行われる。結果的に、薄層29aの造形領域20の表面の温度を第１目標温度に近づけるように適切な温度制御が行われる。
この制御切替えは、図１３（ｂ）の１層目、１４層目、２７層目の薄層29aの処理の途中で、異常温度上昇が検出された場合に対応する。
このとき、開始温度は、第１温度センサ33aで異常温度上昇が検出され、第２温度センサ33bに基づく制御に切り替わったときの第２温度センサ33bによる測定温度（℃）である。すなわち、図１３（ｂ）では、１層目、１４層目、２７層目の薄層29aの処理の途中で異常温度上昇が検出されたときである。また、図１３（ｂ）では、Climは６に設定されている。
また、当該薄層29aのレーザビーム37の照射が終了しない場合（Ｐ５）、引き続きレーザビーム37の照射が行われる（Ｐ２）。なお、第２温度センサ33bに基づく制御中に、第１温度センサ33aの温度測定領域35aに何度もレーザビーム37の照射経路が重なる場合がある。そのたびに、カウント値がリセット（Ｃ＝０）される（Ｐ３，Ｐ４）。
当該薄層29aのレーザビーム37の照射が終了したら（Ｐ５）、カウント値を１増加させ（Ｐ６）、図１２（ｃ）の状態から、次の薄層29aの処理に移る（Ｐ７，Ｐ１）。次に、図示しないが、リコータ27を左方向に移動させ、第３開口部19bを通して第２粉末材料収納容器17bから粉末材料29を取り出し、第２開口部18を通して造形用容器16に薄層29aの形成し、その後、残った粉末材料29を、第１開口部19aを通して第１粉末材料収納容器17aに収納する。
その後、造形用容器16では、スライスデータにしたがって粉末材料の薄層29aの特定領域にレーザビームを照射し、溶融し、固化して結合層29bを形成する。この間、第２温度センサ33bに基づく制御が行われている。このようにして、第２温度センサ33bに基づく制御に切り替わって以降、当該薄層29aを含め６層の薄層29aに対して処理が行われると、カウント値（Ｃ）は６となり、C≧Climとなるため（ＣＰ２）、第１温度センサ33aに基づく制御に復帰する（ＣＰ３）。図１３（ｂ）の１４層目〜１９層目の第２センサ33bに基づく制御を参照されたい。
なお、第２温度センサ33bに基づく制御中に、次の薄層29a、またその次の薄層29aについても第１温度センサ33aの温度測定領域35aにレーザビームの照射経路が重なる場合がある。その場合、カウント値（C）は、そのたびにゼロから、カウントしなおされる（Ｐ３、Ｐ４）。そのため、第２温度センサ33bに基づく制御は、カウント値（C）が最後にゼロに設定された薄層からClimまで続く。すなわち、第２温度センサ33bに基づく制御に切り替わって以降、６層を超える薄層29aの処理が終わるまで第２温度センサ33bに基づく制御が続く場合もある。図１３（ｂ）の１層目から８層目までの第２センサ33bに基づく制御を参照されたい。
引き続き、図１３（ｂ）の制御にしたがって２０層目以降の処理を行い、所定の層数の結合層29bを積層し終える（ＣＰ５，Ｐ７）と、造形が終了する。
その後、造形物とともに造形用容器16を装置から取り出し、冷却する。造形用容器16を装置から取り出した時点では、造形用容器16内の温度は溶融温度近くになっているため造形物は完全に固化しておらず、多少軟らかい。その後、冷却を続けると、途中で、造形物が完全に固まり、固くなる。さらに、造形物が取り出せる温度に下がるまで待ち、造形物を取り出す。図１４（ａ）は、ｉ層に対して第１温度センサ33aに基づく制御にしたがってレーザビームを照射中に照射領域と温度測定領域35aが重なり、そのため第２温度センサ33bによる制御に切り替わった後の３層（ｉ層〜ｉ＋２層）の薄層29aの処理について示す上面図である。
図１４（ａ）に示すように、反りや縮みが抑制された造形物が得られた。
図１４（ｂ）は、ｉ層〜ｉ＋２層に対して第１温度センサ33aに基づく制御にしたがってレーザビームを照射し、照射領域と温度測定領域35aが重ならなかったときの薄層29aの処理について示す上面図である。
図１４（ｂ）に示すように、縮みが抑制された造形物が得られた。図１４（ａ）の薄層29aの処理は、図１４（ｂ）の薄層29aの処理と区別がつかないほど有用であることがわかる。
図１５（ａ）は、図１４（ｂ）の結果が得られたときに調査されたもので、電力制御が行われている赤外線ヒータ31で加熱され、温度測定領域35aにレーザビームの照射が重ならない状態で、赤外線温度センサ33aにより測定された薄層29a表面の温度の時間経過を示すグラフである。縦軸が薄層29a表面の温度（℃）を示し、横軸が経過時間（時間：分：秒）を示す。グラフ内の縦線は３０秒の時間間隔を示す。縦軸の１６７℃の点から引かれた横線は目標温度を示す。  
図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の測定温度に追随して赤外線ヒータ31に出力された調整電力の経時変化を示すグラフである。縦軸が電力（デューティサイクル（％））を示し、横軸が経過時間（時間：分：秒）を示す。縦線は３０秒の時間間隔を示す。
なお、この実験では、赤外線ヒータ以外のヒータにおいては、薄層29a表面の温度が約１５０℃になるように電力が固定されている。
図１５（ａ）、（ｂ）によれば、測定温度に基づき、薄層29a表面の温度が目標温度になるようによく赤外線ヒータ31の電力制御が行われていることがわかる。
（比較例）
図１６は、比較例に係る粉末床溶融結合装置において、造形用容器内に形成された粉末材料の薄層50の表面と、その上に配置されたレーザビーム出射装置（エネルギービーム出射装置）51と、赤外線温度センサ52と、赤外線ヒータ53との相互配置を示す斜視図である。透視された部分を鎖線で示している。
図３の粉末床溶融結合装置と異なる点は、図１６に示すように、赤外線温度センサ52が、レーザビーム出射装置51の近くの収容室内に一つ配置され、かつ温度測定領域54が、一点鎖線で示すように、造形領域の中央付近あることである。
図１７（ａ）は、電力制御が行われている赤外線ヒータ53で加熱され、粉末材料の薄層50の温度測定領域54にレーザビームが照射された場合に、赤外線温度センサ52により測定された薄層50表面の温度の時間経過を示すグラフである。横軸の経過時間の目盛り値が図１５（ａ）と異なっているだけで、縦軸、横軸、時間間隔（縦線）、目標温度（横線）は、図１５（ａ）に対応する。
図１７（ｂ）は、図１７（ａ）の測定温度に追随して赤外線ヒータに出力された調整電力の経時変化を示す。横軸の経過時間の目盛り値が図１５（ｂ）と異なっているだけで、縦軸、横軸、時間間隔（縦線）は、図１５（ｂ）に対応する。
図１７（ｃ）は、比較例に係り、図１７（ａ）と同時に測定されたもので、レーザビームの照射領域以外の造形領域に温度測定領域を有する図示しない別の赤外線温度センサにより測定された薄層50表面の温度の経時変化を示す。縦軸、横軸、時間間隔（縦線）は、図１７（ａ）に対応する。
図１７（ａ）、（ｂ）によれば、レーザビームの照射を受けて高くなった測定温度に追随して赤外線ヒータ53に出力される電力は減少している。このため、図１７（ｃ）に示すように、レーザビームの照射領域以外の造形領域の薄層50の温度は低下する。このことは、造形領域の薄層50の全体にわたって温度が低下することを意味する。
【００１６】
このようにして薄層の温度が低下すると、次のような不具合が発生する。
すなわち、レーザビームで描画中に、溶融した部分が収縮して、歪んだ造形物が形成される。
また、溶融が弱くなるため、下層との結合が弱くなり、結合層同士の剥離の原因となる。
また、低い密度の溶融量になり凝固が不均一になるため、結合層の形状を維持することができず、歪んだ形状になる。
上述の説明のように、本発明の実施形態に係る図１４（ａ）の薄層29aの処理は、図１７（ａ）〜（ｃ）の薄層50の処理と比べて、精度が良く、優れていることがわかる。
以上のように、本発明の実施形態の粉末床溶融結合装置によれば、赤外線ヒータ32と、薄層29aの表面の温度を測定する第１温度センサ33aと、レーザビーム37が照射されない薄層29aの表面の温度を測定する第２温度センサ33bと、第１温度センサ33aに基づく制御を行っているときに異常温度上昇を検出したことにより第２温度センサ33bに基づく制御に切り替え、赤外線ヒータ31に供給する調整電力のデータ信号を出力する赤外線ヒータ加熱制御回路とを有する。
これによって、第１温度センサ33aに基づく制御を行っているときに温度測定領域35aにレーザビーム37の照射があったときに、異常温度上昇が検知され、第１温度センサ33aに基づく制御から第２温度センサ33bに基づく制御に切り替え、赤外線ヒータ31に供給する調整電力のデータ信号を出力するため、異常温度上昇の影響を受けずに温度制御が適切に行われる。
これにより、反りや縮みが抑制された造形物が得られ、造形物の精度の向上を図ることができる。
さらに、実測を基にして第１目標温度が維持されるような第２目標温度を設定しているため、第２温度センサ33bに基づく制御であっても、精度を落とすことなく温度制御を行なうことができる。
また、制御選択信号生成回路は、更に、第２温度センサ33bに基づく制御に切り替えられた後に、異常温度上昇が検出されずに連続して処理した薄層29aの積層数が所要値以上になったときに、第１温度センサ33aに基づく制御に復帰させる制御選択信号を制御選択回路に出力する。
これにより、正常な範囲の温度に復帰した温度測定領域35aで実際に温度測定ができるようになるため、温度制御の精度がより一層増す。
最後に、上記実施形態で説明した発明を以下に付記としてまとめる。
（付記１）
粉末材料の薄層にエネルギービームを照射して溶融し、固化して結合層を形成し、複数の前記結合層を積層して造形物を作製する粉末床溶融結合装置において、
前記薄層の表面に前記エネルギービームを照射するエネルギービーム出射装置と、
前記薄層の上方に設けられ、前記薄層を加熱する赤外線ヒータと、
前記薄層の表面の第１温度を測定する第１温度センサと、
前記薄層の前記エネルギービームが照射されない領域の表面の第２温度を測定する第２温度センサと、
前記第１温度センサに基づく制御を行っているときに異常温度上昇を検出したことにより前記第２温度センサに基づく制御に切り替え、前記赤外線ヒータに供給する調整電力のデータ信号を出力する赤外線ヒータ加熱制御回路と
を有することを特徴とする粉末床溶融結合装置。
（付記２）
前記赤外線ヒータ加熱制御回路は、更に、前記第２温度センサに基づく制御に切り替えた後に、前記異常温度上昇を検出せずに連続して処理した前記薄層の積層数が設定値以上になったときに、前記第１温度センサに基づく制御に復帰させることを特徴とする付記１に記載の粉末床溶融結合装置。
（付記３）
前記赤外線ヒータ加熱制御回路は、
前記第１温度センサにより前記異常温度上昇を検出する異常温度上昇検出回路と、
前記第１温度センサに基づく制御を行っているときに前記異常温度上昇が検出されたことにより前記第２温度センサに基づく制御に切り替える制御選択信号を生成し、また、前記第２温度センサに基づく制御に切り替えた後に、前記異常温度上昇が検出されずに連続して処理された前記薄層の積層数が設定値以上になったときに、前記第１温度センサに基づく制御に復帰させる制御選択信号を生成する制御選択信号生成回路と、
前記制御選択信号により前記第１温度センサに基づく制御と前記第２温度センサに基づく制御のいずれかを選択する制御選択回路と
を有することを特徴とする付記１又は付記２に記載の粉末床溶融結合装置。
（付記４）
前記異常温度上昇検出回路は、前記第１温度を微分する微分回路と、得られた前記第１温度の微分値を、前記異常温度上昇の判断基準となる予め設定された閾値と比較する比較回路とを有することを特徴とする付記３に記載の粉末床溶融結合装置。
（付記５）
前記制御選択信号生成回路は、更に、制御カウンタを有し、
前記制御カウンタは、造形を始める前にカウント値に前記設定値以上の値を設定し、前記異常温度上昇が検出されたときに前記カウント値にゼロを設定し、前記薄層が形成されるごとに前記カウント値を１ずつ増加させることを特徴とする付記３に記載の粉末床溶融結合装置。
（付記６）
前記制御選択信号生成回路は、更に、比較回路を有し、前記カウント値が前記設定値以上であれば、前記第１温度センサに基づく制御に切り替える前記制御選択信号を生成することを特徴とする付記５に記載の粉末床溶融結合装置。
（付記７）
前記赤外線ヒータ加熱制御回路は、前記第１温度センサに基づく制御では第１目標温度に近づけるように、また、前記第２温度センサに基づく制御では第２目標温度に近づけるように、それぞれ前記赤外線ヒータに供給する調整電力のデータ信号を生成することを特徴とする付記１又は付記２に記載の粉末床溶融結合装置。
（付記８）
前記第１目標温度は、前記粉末材料の融点より低い温度が予め設定され、
前記第２目標温度は、前記異常温度上昇が検出されたときから計測された経過時間と、前記異常温度上昇が検出された直後に前記第２温度センサにより測定された開始温度と、予め前記第２温度センサにより測定された温度の経時変化に基づき求めた飽和温度と、飽和係数とを含む補正式により算出されることを特徴とする付記７に記載の粉末床溶融結合装置。
（付記９）
前記赤外線ヒータ加熱制御回路は、測定された前記第１温度と前記第１目標温度との差に基づき前記赤外線ヒータに供給する調整電力のデータ信号を生成する第１電力調整回路と、測定された前記第２温度と前記第２目標温度との差に基づき前記赤外線ヒータに供給する調整電力のデータ信号を生成する第２電力調整回路とを有することを特徴とする付記１に記載の粉末床溶融結合装置。
（付記１０）
更に、前記造形用容器の両側にそれぞれ配置された第１粉末材料収納容器と第２粉末材料収納容器と、
前記造形用容器内に設けられ、前記薄層を載せて昇降する第１昇降台と、
前記第１粉末材料収納容器内に設けられ、前記粉末材料を載せて昇降する第２昇降台と、
前記第２粉末材料収納容器内に設けられ、前記粉末材料を載せて昇降する第３昇降台と、
前記第１粉末材料収納容器と前記造形用容器と前記第２粉末材料収納容器とにわたって移動して、前記第１粉末材料収納容器又は前記第２粉末材料収納容器から前記粉末材料を運び出し、前記造形用容器に前記粉末材料を運び入れて前記薄層を形成する運搬部材と
を有することを特徴とする付記１に記載の粉末床溶融結合装置。
【符号の説明】
【００１７】
11, 13, 15・・・仕切り壁、12・・・レーザウインドウ、14・・・仕切り壁（基台）、16・・・造形用容器、17a・・・第１粉末材料収納容器、17b・・・第２粉末材料収納容器、18・・・第２開口部、19a・・・第１開口部、19b・・・第３開口部、20・・・造形領域、21・・・（造形領域の）外縁、22・・・造形領域の周囲の領域、23・・第２昇降台、24a・・・第１昇降台、24b…第３昇降台、25, 26a, 26b・・・支持軸、27・・・リコータ（運搬部材）、28・・・エンドレスベルト、29・・・粉末材料、29a, 50・・・粉末材料の薄層（又は、薄層）、29b・・・結合層、30a, 30b・・・ヒータ、31, 53・・・赤外線ヒータ、32, 51・・・レーザビーム出射装置（エネルギービーム出射装置）、33a・・・赤外線温度センサ（第１温度センサ）、33b・・・赤外線温度センサ（第２温度センサ）、34a, 34b・・・センサウインドウ、35a, 35b, 54・・・温度測定領域、36・・・電力供給電源、37・・・レーザビーム（エネルギービーム）、52・・・赤外線温度センサ、100・・・粉末床溶融結合装置、101・・・チャンバ、102・・・収容室、103・・・造形室、104・・・制御装置、201・・・造形部、202・・・容器収容部、203・・・リコータ駆動部。
【図１】
2018229990.tif 000003
【図２】
2018229990.tif 000004
【図３】
2018229990.tif 000005
【図４】
2018229990.tif 000006
【図５】
2018229990.tif 000007
【図６】
2018229990.tif 000008
【図７】
2018229990.tif 000009
【図８】
2018229990.tif 000010
【図９】
2018229990.tif 000011
【図１０】
2018229990.tif 000012
【図１１】
2018229990.tif 000013
【図１２】
2018229990.tif 000014
【図１３】
2018229990.tif 000015
【図１４】
2018229990.tif 000016
【図１５】
2018229990.tif 000017
【図１６】
2018229990.tif 000018
【図１７】
2018229990.tif 000019
【国際調査報告】
2018229990.tif 000020
2018229990.tif 000021
2018229990.tif 000022
2018229990.tif 000023