(57)【要約】三次元造形装置は、粉末材料に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、電子ビームを粉末材料に照射させるビーム出射部と、粉末材料への電子ビームの照射によって粉末材料が飛散した場合、粉末材料の飛散の位置を検出する位置検出部と、を備える。ビーム出射部は、電子ビームの照射によって粉末材料が飛散した場合、飛散の位置において予備加熱の加熱量を増加させるように電子ビームの照射を行う。
2019070032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末材料に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と、
前記粉末材料への前記荷電粒子ビームの照射によって前記粉末材料が飛散した場合、前記粉末材料の飛散の位置を検出する位置検出部と、を備え、
前記ビーム出射部は、前記荷電粒子ビームの照射によって前記粉末材料が飛散した場合、前記飛散の位置において前記予備加熱の加熱量を増加させるように前記荷電粒子ビームの照射を行う、
三次元造形装置。
【請求項２】
前記ビーム出射部は、前記荷電粒子ビームの照射によって前記粉末材料が飛散した場合、前記予備加熱において前記荷電粒子ビームの照射領域に対し前記荷電粒子ビームを照射すると共に、前記照射領域内における前記飛散の位置に対し前記荷電粒子ビームを追加して照射する、
請求項１に記載の三次元造形装置。
【請求項３】
前記位置検出部は、前記荷電粒子ビームの照射によって前記粉末材料が飛散した場合、前記粉末材料の飛散した時刻、及び、前記荷電粒子ビームにおける照射時刻に対する照射位置に基づいて前記粉末材料の飛散の位置を検出する、
請求項１又は２に記載の三次元造形装置。
【請求項４】
前記粉末材料の飛散の発生を検出する飛散検出部をさらに備え、
前記位置検出部は、前記粉末材料の飛散が生じたことを示す信号が前記飛散検出部から提供されたときに、前記粉末材料の飛散の位置を検出する請求項１〜３のいずれか一項に記載の三次元造形装置。
【請求項５】
粉末材料に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方法において、
前記粉末材料への前記荷電粒子ビームの照射によって前記粉末材料が飛散した場合、前記粉末材料の飛散の位置を検出する位置検出工程と、
前記荷電粒子ビームの照射によって前記粉末材料が飛散した場合、前記飛散の位置において前記予備加熱の加熱量を増加させるように前記荷電粒子ビームの照射を行う予備加熱工程と、
を含む三次元造形方法。
【請求項６】
前記位置検出工程の前に実施され、前記粉末材料を供給する供給工程と、
前記位置検出工程の前であって前記供給工程の後に実施され、前記粉末材料に対して前記荷電粒子ビームを照射することにより、前記粉末材料を溶融及び凝固させる造形工程と、
前記位置検出工程の前であって前記供給工程の後に実施され、前記粉末材料の飛散が生じたか否かを検出する飛散検出工程と、
前記検出工程の後に実施され、前記造形工程によって形成された物体の一部の上にさらに追加の粉末材料を供給する工程と、を有し、
前記予備加熱工程では、前記追加の粉末材料に対して、前記荷電粒子ビームの照射による予備加熱を行う、請求項５に記載の三次元造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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を説明する。
【背景技術】
【０００２】
従来、三次元造形装置及び三次元造形方法として、例えば、米国特許第８９９２８１６号明細書に記載された装置及び方法が知られている。この装置及び方法は、粉末材料に対し電子ビームを照射することにより、粉末材料を溶融させた後に凝固させる動作によって、三次元の物体を造形する。また、この装置及び方法では、粉末材料の表面の近くに検出器を設置する。この検出器によって、電子ビームが照射されたときに粉末材料の飛散が生じたことを検出している。つまり、検出器は、粉末材料の飛散が生じて霧状に舞い上がるスモーク現象を検出している。そして、この装置及び方法では、粉末材料の飛散の発生が検出された場合には、電子ビームの照射を中断することによって、物体の不適切な造形を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８９９２８１６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような三次元造形の装置及び方法は、電子ビームの照射中に粉末材料の飛散が生じた場合に、造形作業を中断する。造形作業を中断した場合、物体の造形は、円滑に進められない。そこで、造形作業を中断した場合、電子ビームの照射を最初からやり直すことにより、物体の造形作業を再開することが考えられる。しかし、同じ照射位置において、粉末材料の飛散が再び生じるおそれがある。つまり、物体の造形は、円滑に行えない。【０００５】
そこで、当該技術分野では、粉末材料の飛散が生じた場合でも円滑に物体の造形が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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様に係る三次元造形装置は、粉末材料に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と、粉末材料への荷電粒子ビームの照射によって粉末材料が飛散した場合、粉末材料の飛散の位置を検出する位置検出部とを備える。ビーム出射部は、荷電粒子ビームの照射によって粉末材料が飛散した場合、飛散の位置において予備加熱の加熱量を増加させるように荷電粒子ビームの照射を行うように構成されている。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、粉末材料の飛散が生じた場合でも粉末材料の飛散を抑制して、円滑に物体の造形を行うことができる三次元造形装置が説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】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説明するための図である。
【図２】図２は、図１の三次元造形装置における予備加熱を説明するための図である。
【図３】図３は、図１の三次元造形装置における物体を造形する動作を説明するための図である。
【図４】図４は、図１の三次元造形装置における予備加熱の加熱量の増加を説明するための図である。
【図５】図５は、本開示の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。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示の一態様に係る三次元造形装置は、粉末材料に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と、粉末材料への荷電粒子ビームの照射によって粉末材料が飛散した場合、粉末材料の飛散の位置を検出する位置検出部とを備える。ビーム出射部は、荷電粒子ビームの照射によって粉末材料が飛散した場合、飛散の位置において予備加熱の加熱量を増加させるように荷電粒子ビームの照射を行うように構成されている。この三次元造形装置は、荷電粒子ビームの照射によって粉末材料が飛散した場合に、粉末材料の飛散が生じた位置における予備加熱の加熱量を増加させる。加熱量の増加によれば、飛散が生じた位置において予備加熱が十分に行われる。その結果、粉末材料の飛散が抑制される。従って、三次元造形装置は、物体の造形を円滑に行うことができる。
【００１０】
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、荷電粒子ビームの照射によって粉末材料が飛散した場合、予備加熱において荷電粒子ビームの照射領域に対し荷電粒子ビームを照射すると共に、照射領域内における飛散の位置に対し荷電粒子ビームを追加して照射してもよい。この場合、三次元造形装置は、予備加熱において照射領域内における飛散が生じた位置に対し荷電粒子ビームを追加して照射する。その結果、飛散が生じた位置における予備加熱の加熱量が増加する。従って、粉末材料の飛散が抑制されるので、三次元造形装置は、物体の造形を円滑に行うことができる。
【００１１】
本開示の一態様に係る三次元造形装置において、位置検出部は、荷電粒子ビームの照射によって粉末材料が飛散した場合、粉末材料の飛散した時刻、及び、荷電粒子ビームにおける照射時刻に対する照射位置に基づいて粉末材料の飛散の位置を検出してもよい。この場合、三次元造形装置は、粉末材料の飛散が生じた位置を直接に検知しなくても、粉末材料の飛散が生じた位置を検出することができる。
【００１２】
本開示の一態様に係る三次元造形装置は、粉末材料の飛散の発生を検出する飛散検出部をさらに備え、位置検出部は、粉末材料の飛散が生じたことを示す信号が飛散検出部から提供されたときに、粉末材料の飛散の位置を検出してもよい。
【００１３】
本開示の一態様に係る三次元造形方法は、粉末材料に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方法において、粉末材料への荷電粒子ビームの照射によって粉末材料が飛散した場合、粉末材料の飛散の位置を検出する位置検出工程と、荷電粒子ビームの照射によって粉末材料が飛散した場合、飛散の位置において予備加熱の加熱量を増加させるように荷電粒子ビームの照射を行う予備加熱工程とを含んでいる。この三次元造形方法は、荷電粒子ビームの照射によって粉末材料の飛散が生じた場合に、粉末材料の飛散が生じた位置における予備加熱の加熱量を増加させる。加熱量の増加によれば、飛散が生じた位置において予備加熱が十分に行われる。その結果、粉末材料が飛散しにくくなる。従って、三次元造形方法は、物体の造形を円滑に行うことができる。
【００１４】
本開示の一態様に係る三次元造形方法は、位置検出工程の前に実施され、粉末材料を供給する供給工程と、位置検出工程の前であって供給工程の後に実施され、粉末材料に対して荷電粒子ビームを照射することにより、粉末材料を溶融及び凝固させる造形工程と、位置検出工程の前であって供給工程の後に実施され、粉末材料の飛散が生じたか否かを検出する飛散検出工程と、検出工程の後に実施され、造形工程によって形成された物体の一部の上にさらに追加の粉末材料を供給する工程と、を有し、予備加熱工程では、追加の粉末材料に対して、荷電粒子ビームの照射による予備加熱を行ってもよい。
【００１５】
以下、本開示の実施形態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。
【００１６】
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が造形される。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、凝固した粉末材料が積層されて物体の造形が行われる。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。
【００１７】
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、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、三次元の物体の造形が行われる。
【００１８】
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。
【００１９】
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の照射領域の近傍位置に設けられてもよい。
【００２０】
造形部３は、所望の物体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、粉末塗布機構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。
【００２１】
プレート３１は、造形される物体を支持する。物体は、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を支持する。プレート３１は、例えば円形の板状体である。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。
【００２２】
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。
【００２３】
粉末塗布機構３３は、プレート３１の上方に粉末材料Ａを供給する。さらに、粉末塗布機構３３は、粉末材料Ａの表面を均す。粉末塗布機構３３は、リコータとして機能する。例えば、粉末塗布機構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。粉末塗布機構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、粉末塗布機構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、粉末塗布機構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、粉末塗布機構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、粉末塗布機構３３及びホッパ３４とは異なる機構を用いてもよい。
【００２４】
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。
【００２５】
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、粉末塗布機構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、粉末塗布機構３３の作動制御として、電子ビームＢの出射前に粉末塗布機構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。
【００２６】
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。例えば、図２は、プレート３１を上方から見た図である。図２に示すように、制御部４は、偏向コイル２４を制御することにより、電子ビームＢの照射位置が左右に往復移動するように、電子ビームＢを照射させる。その結果、プレート３１の全面の粉末材料Ａが均一に加熱される。予備加熱による電子ビームＢの照射は、プレート３１の全面に対して、１回のみ行われてもよい。また、予備加熱による電子ビームＢの照射は、複数回繰り返して行われてもよい。プレート３１の上面は、物体の造形領域である。つまり、プレート３１の上面は、電子ビームＢの照射領域である。なお、図２には、説明の便宜上、プレート３１及び電子ビームＢの照射経路のみを示す。従って、図２では、粉末材料Ａの図示を省略している。予備加熱は、プレート３１に対して行われてもよい。つまり、予備加熱では、粉末材料Ａをプレート３１上に供給する前に、プレート３１に電子ビームＢが照射される。
【００２７】
制御部４は、物体の造形を行う場合、例えば造形すべき物体の三次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データを用いる。物体の三次元ＣＡＤデータは、予め入力される物体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、物体形状に応じた物体領域Ｒに対して、電子ビームＢが照射される。
【００２８】
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。
【００２９】
制御部４は、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、粉末材料Ａへの電子ビームＢの照射によって粉末材料Ａの飛散が生じた場合、粉末材料Ａの飛散が生じた位置を検出する位置検出部として機能する。例えば、制御部４は、電子ビームＢの照射によって粉末材料Ａの飛散が生じた場合、粉末材料Ａの飛散が生じた時刻、及び、電子ビームＢにおける照射時刻に対する照射位置に基づいて粉末材料Ａの飛散が生じた位置を検出する。なお、ここでいう時刻は、現実の時刻であってもよい。また時刻は、三次元造形装置１内で設定されるローカルな時刻であってもよい。さらに、時刻は、物体の造形を開始した時刻など、所定の開始時刻から経過の時間であってもよい。
【００３０】
制御部４は、ビーム出射部２への制御信号に基づき、電子ビームＢの照射時刻に対する電子ビームＢの照射位置を認識する。従って、制御部４は、粉末材料Ａの飛散が発生した時刻に基づいて、飛散が発生した位置を検出することができる。このような飛散が生じた位置を検出する動作によれば、粉末材料Ａの飛散が生じた位置を直接に検出することなく、飛散が生じた位置を算出することができる。従って、粉末材料Ａの飛散の発生状況を直接に検出するカメラ及びセンサなどの設置が不要となる。なお、飛散の発生を検出する動作及び飛散が発生した位置を検出する動作としては、カメラの撮像情報を利用してもよい。例えば、撮像情報から粉末材料Ａが無くなっている位置を検出することにより、飛散の有無及び飛散が生じた位置を検出してもよい。
【００３１】
制御部４は、電子ビームＢの照射に起因する粉末材料の飛散の発生を条件とした電子ビームＢの照射制御を行う。具体的には、制御部４は、照射制御として、飛散が生じた位置において予備加熱の加熱量を増加させる。例えば、物体の造形において、電子ビームＢの照射によって粉末材料Ａの飛散が生じる場合がある。飛散が生じた場合、制御部４は、ビーム出射部２に対し、次に行われる予備加熱において、予備加熱の加熱量が増加するように、電子ビームＢの照射を制御する。例えば、制御部４は、ビーム出射部２に対し、予備加熱において、電子ビームＢの照射領域に対し電子ビームＢを照射させる。さらに、制御部４は、ビーム出射部２に対し、予備加熱において、照射領域内における飛散が生じた位置に対し電子ビームＢを追加して照射させる。具体的には、制御部４は、予備加熱において、図２に示すようにプレート３１の全面の照射領域に対し電子ビームＢを照射させる。制御部４は、当該電子ビームＢを照射させた後に、図４に示すように飛散発生位置Ｐに対し電子ビームＢを追加して照射させる。この場合、飛散発生位置Ｐから所定の距離内に設定される飛散発生領域Ｓに対し、追加の予備加熱が行われる。
【００３２】
次に、本実施形態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。
【００３３】
図５は、本実施形態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５の一連の制御処理は、例えば制御部４によって行われる。この本実施形態に係る三次元造形装置１の動作及び三次元造形方法においては、粉末材料Ａに電子ビームＢを照射して粉末材料Ａの予備加熱及び物体の造形を繰り返して物体を積層状に造形する。このとき、粉末材料Ａへの電子ビームＢの照射によって粉末材料Ａの飛散が生じた場合、粉末材料Ａの飛散が生じた位置が検出される。そして、飛散が生じた位置において予備加熱の加熱量が増加するように、電子ビームＢの照射が行われる。この予備加熱における加熱量の増加により、飛散が生じた位置において予備加熱が十分に行われる。その結果、粉末材料の飛散の発生が抑制される。以下、図５を参照して、本実施形態に係る三次元造形装置１の動作及び三次元造形方法を具体的に説明する。
【００３４】
図５のステップＳ１０（供給工程）に示すように、粉末材料Ａの供給が行われる。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。粉末材料Ａの供給は、電子ビームＢの照射領域に粉末材料Ａを供給する処理と、粉末材料Ａの表面を均す処理とを含む。例えば、図１において、制御部４は、昇降機３２に制御信号を出力してプレート３１の上下位置を調節する。さらに、制御部４は、図示しないアクチュエータ又は機構に制御信号を出力して粉末塗布機構３３を作動させる。これらの動作により、粉末塗布機構３３が水平方向に作動する。さらに、プレート３１上に粉末材料Ａが供給される。そして、粉末材料Ａの表面が均される。
【００３５】
図５に示すＳ１２（予備加熱工程）に処理が移行する。Ｓ１２では、予備加熱処理が行われる。予備加熱処理では、物体の造形を行う前に予め粉末材料Ａを加熱する。制御部４は、ビーム出射部２に制御信号を出力する。制御部４は、電子銃部２１から電子ビームＢを出射させると共に、電子ビームＢを走査させる。これらの動作により、図２に示すように、電子ビームＢは、プレート３１上の粉末材料Ａに均一となるように照射される。その結果、粉末材料Ａが加熱される。
【００３６】
Ｓ１４（造形工程）に処理が移行する。Ｓ１４では、造形処理が行われる。造形処理では、物体の造形を行う。例えば、制御部４は、造形すべき物体の三次元ＣＡＤデータに基づいて二次元のスライスデータを生成する。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。次に、制御部４は、決定された領域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。その結果、造形処理（Ｓ１４）では、物体を構成する一部の層が造形される。
【００３７】
Ｓ１６（飛散検出工程）に処理が移行する。Ｓ１６では、飛散を検出する処理が行われる。飛散の発生を検出する処理では、粉末材料Ａに電子ビームＢが照射されることにより、粉末材料Ａの飛散が生じたか否かを検出する。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の飛散が生じたか否かを検出する。そして、Ｓ１８に処理が移行し、制御部４は、粉末材料Ａの飛散が生じたか否かを判定する。Ｓ１８において、粉末材料Ａの飛散が生じていないと判定された場合、Ｓ２６に処理が移行する。
【００３８】
一方、Ｓ１８において、粉末材料Ａの飛散が生じたと判定された場合、飛散が生じた位置を検出する処理が行われる（Ｓ２０：位置検出工程）。飛散が生じた位置を検出する処理では、電子ビームＢの照射領域において、粉末材料Ａの飛散が生じた位置を検出する。例えば、制御部４は、粉末材料Ａの飛散した時刻、及び、電子ビームＢにおける照射時刻に対する照射位置に基づいて粉末材料Ａの飛散の位置を検出する。制御部４は、ビーム出射部２への制御信号に基づき電子ビームＢの照射時刻に対する電子ビームＢの照射位置を認識している。従って、制御部４は、粉末材料Ａの飛散が発生した時刻に基づいて飛散が発生した位置を検出することができる。また、制御部４は、図４に示すように、飛散発生位置Ｐに基づいて飛散発生領域Ｓを設定する。飛散発生領域Ｓとしては、飛散発生位置Ｐから所定の距離内の領域が設定される。なお、Ｓ１４と、Ｓ１６及びＳ１８とは、並行して行われてもよい。つまり、溶融のための電子ビームＢを粉末材料Ａに照射しながら、当該電子ビームＢの照射によって生じえる粉末材料Ａの飛散の発生を検出（Ｓ１６、Ｓ１８）することとしてもよい。
【００３９】
図５に示すＳ２２に処理が移行する。Ｓ２２では、粉末材料Ａを供給する処理が行われる。粉末材料Ａを供給する処理では、電子ビームＢの照射領域に粉末材料Ａを供給する。さらに、粉末材料Ａを供給する処理では、供給された粉末材料Ａの表面を均す。Ｓ２２の供給処理は、上述したＳ１０の供給処理と同様である。
【００４０】
そして、Ｓ２４に処理が移行する。Ｓ２４では、予備加熱量を増加させる処理が行われる。予備加熱量を増加させる処理では、物体の造形を行う前に予め粉末材料Ａを加熱する、より詳細には、Ｓ２４では、先に行ったＳ１２の予備加熱処理における加熱量よりも加熱量が増加するように、粉末材料Ａをさらに加熱する。例えば、制御部４は、ビーム出射部２に対し、予備加熱において、電子ビームＢの照射領域に対し電子ビームＢを照射させる。さらに、制御部４は、照射領域内における飛散発生位置Ｐに対し電子ビームＢを追加して照射させる。具体的には、制御部４は、予備加熱において、図２に示すようにプレート３１の全面の照射領域に対し電子ビームＢを照射させる。その後に、制御部４は、図４に示すように飛散発生位置Ｐを含む飛散発生領域Ｓに対し電子ビームＢを追加して照射させる。制御部４は、Ｓ２４の予備加熱量を増加させる処理を完了した後に、再びＳ１４の処理を行う。
【００４１】
ところで、Ｓ１８において粉末材料Ａの飛散が生じていないと判定された場合、制御部４は、制御処理の終了条件が成立したか否かを判定する（Ｓ２６）。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の造形が終了した場合である。つまり、制御処理の終了条件が成立した場合とは、Ｓ１０〜Ｓ２４の制御処理を繰り返し行った結果、物体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の造形が完了していない場合である。
【００４２】
Ｓ２６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、制御部４は、Ｓ１０〜Ｓ２６の処理を再び行う。一方、Ｓ２６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、制御部４は、図５に示す一連の制御処理を終了する。
【００４３】
このように図５に示すＳ１０〜Ｓ２６の処理が繰り返し行われることにより、物体が層状に徐々に形成される。その結果、最終的に所望の物体が造形される。
【００４４】
以上説明したように、本開示に係る三次元造形装置及び三次元造形方法は、電子ビームＢの照射によって粉末材料Ａが飛散した場合に、飛散発生位置Ｐにおける予備加熱の加熱量を増加させる。その結果、飛散発生位置Ｐにおいて予備加熱が十分に行われるので、粉末材料Ａの飛散が抑制される。従って、本開示に係る三次元造形装置及び三次元造形方法は、物体の造形を円滑に行うことができる。
【００４５】
本開示に係る三次元造形装置及び三次元造形方法は、予備加熱において電子ビームＢの照射領域に対し電子ビームＢを照射する。また、三次元造形装置及び三次元造形方法は、照射領域内における飛散発生位置Ｐに対し電子ビームＢを追加して照射する。これにより、飛散発生位置Ｐにおいて予備加熱の加熱量を増加させることができる。従って、粉末材料Ａの飛散が抑制されるので、三次元造形装置及び三次元造形方法は、物体の造形を円滑に行うことができる。
【００４６】
本開示に係る三次元造形装置及び三次元造形方法は、電子ビームＢの照射によって粉末材料Ａが飛散した場合、粉末材料Ａの飛散した時刻、及び、荷電粒子ビームにおける照射時刻に対する照射位置に基づいて粉末材料Ａの飛散の位置を検出する。これにより、三次元造形装置及び三次元造形方法は、粉末材料Ａの飛散が生じた位置を直接に検知しなくても、粉末材料Ａの飛散発生位置Ｐを検出することができる。
【００４７】
なお、本開示に係る三次元造形装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本開示に係る三次元造形装置は、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。
【００４８】
例えば、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を粉末材料Ａに照射することにより、物体を造形する場合について説明した。しかし、三次元造形装置は、電子ビームＢとは異なる荷電粒子ビームを照射するものであってもよい。例えば、三次元造形装置は、イオンビームを照射することにより、物体を造形するものであってもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１  三次元造形装置
２  ビーム出射部
３  造形部
４  制御部（位置検出部）
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  粉末塗布機構
３４  ホッパ
Ａ  粉末材料
Ｂ  電子ビーム
Ｐ  飛散発生位置
Ｒ  物体領域
Ｓ  飛散発生領域
【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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【国際調査報告】
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