(57)【要約】  【課題】電子ビームにより金属粉末（パウダー）を選択的に溶融・凝固させた層を積層させることで三次元構造物を作製する、電子ビーム積層造形装置において、溶融造形しようとする金属粉末の充填率や密度にかかわらず一定の加速電圧で加速された電子を照射する、現状の装置の欠点を解消する。  【解決手段】電子ビームを発生させる電子銃を構成するグリッド（３）とアノード（４）との間に荷電する電源の電圧を、金属粉末の充填率及び／又は密度に応じて変化させることにより、熱エネルギーが最大となる位置が最適となる電子の速度を得る。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームをエネルギー源として用い、造形しようとする一つ以上の造形物の３次元ＣＡＤデータをレイアウトして作成された造形データに従って前記電子ビームを２次元に走査し収束する光学系と、
前記電子ビームが収束する面であって昇降機構の上面に載せられ、金属粉末を保持するスタートプレートと、を備え、
前記金属粉末を前記スタートプレートに撒きレーキで平坦に均した後に前記電子ビームを２次元に走査して該金属粉末を溶融することにより層を形成し、該形成される層を前記昇降機構を下降させて積層することにより前記造形物の造形を行う、電子ビーム積層造形装置であって、
前記電子ビームを発生させる電子銃を構成するグリッドとアノードとの間に荷電する電源の電圧を、前記金属粉末の充填率及び／又は密度に応じて変化させることが可能であることを特徴とする、電子ビーム積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビーム積層造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、特許文献１に示すように、電子ビームにより金属粉末（パウダー）を選択的に溶融・凝固させた層を積層させることで三次元構造物を作製する、電子ビーム積層（ELECTRON BEAM MELTING。『ＥＢＭ』とも称する）造形装置が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１６７１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電子ビームをエネルギー源とする三次元積層造形装置においては、該電子ビームを発生させる電子銃のグリッドとアノードとの間に電圧をかけ、光速の半分程度に加速された電子を金属粒子の層にぶつけ、このときに発生する運動エネルギーから変換される熱エネルギーにより、金属粒子を溶融して、造形を行う。
このプロセスにおいて、１個の電子は、−1.0602176×10-19クーロンの電荷をもっており、例えば10ミリアンペアの電流時には、およそ6.242×1016個の電子が、高速で金属粉末粒子に衝突する。
金属粉末粒子は固体であり、マクロ的には隙間のないように見えるが、ミクロ的には金属原子の原子核と外殻電子の間や原子と原子の間には多くの隙間が存在している。
高速で金属粒子に侵入した電子は、金属原子の外殻電子との近接や衝突を繰り返し運動エネルギーを失い熱エネルギーに変わる。
原子の電子の距離をｐとすると、衝突断面積σ＝πp2  …式（１）
そして、荷電電子が微小距離δxを進むとき原子の電子と干渉する確率＝(衝突断面積σ)×(標的密度N)×(電子が進む距離δx)  …式（２）
この式から、(電子が距離ｘまで進入したときの衝突確率)＝1−exp(−σNx)  …式（３）が導かれる。
【０００５】
高速の電子が金属粒子の電子と衝突あるいは近傍を通過する際に生じる干渉、すなわち原子に属する電子とのクーロン力の斥力が働き、高速電子の持つ運動エネルギーの一部が失われ、原子に伝達され、熱エネルギーに変換される。
ちなみに、電子が再近接点から速度vで進んだ位置でのクーロン力による斥力F(δx)は、Q1Q2/(p2＋(vt)2)  ここでQ1、Q2は荷電電子及び原子の荷電粒子の荷電量。
ここから  斥力F(t)は、F(t)＝∫{Q1Q2δx/(p2＋(vt)2)}dx＝(Q1Q2δx/vp)arctan(vt/p)  …式（４）
式（４）から、高速電子の速度に反比例するので、電子が高速時には、熱エネルギーへの変換はあまり進まない。
電子の運動エネルギーが失われ、速度が低下した際には、干渉によるエネルギー変換が増加する。
さらに、式（３）によれば、標的密度すなわち金属原子の密度Nの大きさが電子の到達距離に関係することを示している。
【０００６】
このように、荷電粒子が高速で金属に侵入したときには、より深いところでの衝突が最大化され、ここで運動エネルギーを失い、熱エネルギーに変換される。
【０００７】
この発熱の様子を、図１に示す。
図１でわかるように、発熱量は、金属表面ではなく、少し深いところで最大になる。
どの辺りで発熱量が最大になるかは、加速された電子の速度と、加速された電子が衝突する材料の電子や原子核の密度で決まる。
この発熱量が最大となる位置を制御することが、良好な三次元造形を行うためには、極めて重要である。
例えば、図２に示すように、発熱量最大の位置が非常に深い場合には、溶融はこの位置で始まり、その後、周辺に熱伝導で伝わり、温度も低下していく。この場合には、図３に示すように、溶融は金属表面に達せず、表面付近が溶融不足となることがある。
【０００８】
電子ビーム溶接の場合には、対象物を固定し、同一箇所に電子ビームを照射し続けることがあり、その場合には、電子ビームによる溶融によりキイホールが発生し、深いところまで溶融が進むことが知られている。
一方、三次元造形の場合には、一般にはビームを走査して金属粉末を溶融して造形するため、溶接の場合のようにキイホールを作ることはなく、ある一定領域に照射される電子数と個々の電子の持つ運動エネルギー、溶融対象である金属の密度、熱伝導度、比熱等により、溶融状態が決まる。
【０００９】
ここで、図２に示した発熱中心の深さに注目し、発熱中心の深度制御について検討した。
金属原子の原子量と、原子の半径と、金属の密度の間には、相対関係があることが知られている。
この相対関係において、光速に近い高速で進入してきた電子が、金属原子と相互作用するとき、その確率が原子の密度に依存することは、式（３）で示した。
この式（３）から明らかなように、アルミのように低密度の金属と、鉄やニッケルのように高密度の金属では、高速電子と金属原子の相互作用が発生する深さに差が出てくることは、明白である。
【００１０】
しかしながら、現在市販されている電子ビーム積層造形装置の、電子銃の加速電圧は一定値に固定されており、チタン合金やニッケル合金では、良好な三次元造形結果を得ているが、一方アルミ合金では、レーザーを熱源とする装置では成果を得ているものの、電子ビームを熱源とする装置ではクラック発生などの課題が残っている。
この課題克服のため、予備加熱の温度とか、電流値すなわち時間あたりの照射電子数等をパラメータとして試行しているが、良好な結果を得るには至っていない。
この原因は、アルミのような低密度金属では、電子の到達深度が深くなり、最大発熱領域が深くなり、内部での溶融物が表面に噴出する爆発的溶融が発生するためであると考えられる。
【００１１】
この課題を解決するには、発熱位置を最適な位置に制御する必要がある。
先に述べたように、加速された電子が金属内部に進入して最大熱量を発生する位置は、電子の速度と金属の密度に依存する。
この事実から、鉄やニッケルのような高密度の金属材料と、アルミのような低密度の材料を、同一の加速電子ビームで溶融させることは適当といえない。
【００１２】
さらに、電子ビーム積層造形装置では、金属粉末を、加速された電子により加熱・溶融して、造形する。
金属粉末は、２０ミクロン以上２００ミクロン以下のものが多く用いられるが、この金属粉末を層にした時には、図４に示すように、金属粉末の粒子間に空隙ができる。
真空中を進む電子ビームは、この空隙では干渉するものはなく、直進できる。
従って、実際の造形装置では、電子ビームを金属粉末層に照射する場合に、上記空隙の多寡が、金属の密度と共に、相互作用の深さに関係することになる。
【００１３】
このように、三次元電子ビーム溶融を行う場合、従来の電子ビーム積層造形装置は、一定の加速電圧しか持たないため、密度の異なる金属において、最大発熱する位置が異なり、その金属材料や粉末に最適な溶融状態をつくることが困難であった。
【００１４】
本発明は、このような背景のもとになされたものであり、その目的は、金属粉末ベッド方式において行われる電子ビームを用いた三次元造形装置において、溶融造形しようとする金属材料の密度にかかわらず一定の加速電圧で加速された電子を照射する、現状の三次元造形装置の欠点を解消する手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、前記課題を解決するために、次のような手段を採る。なお後述する発明を実施するための形態の説明及び図面で使用した符号を参考のために括弧書きで付記するが、本発明の構成要素は該付記したものには限定されない。
【００１６】
即ち、手段１に係る発明は、
電子ビーム（１）をエネルギー源として用い、造形しようとする一つ以上の造形物の３次元ＣＡＤデータをレイアウトして作成された造形データに従って前記電子ビームを２次元に走査し（面１１で）収束する光学系と、
前記電子ビームが収束する面であって昇降機構（１４）の上面に載せられ、金属粉末（９）を保持するスタートプレート（１２）と、を備え、
前記金属粉末を前記スタートプレートに撒きレーキ（１０）で平坦に均した後に前記電子ビームを２次元に走査して該金属粉末を溶融することにより層を形成し、該形成される層を前記昇降機構を下降させて積層することにより前記造形物の造形を行う、電子ビーム積層造形装置であって、
前記電子ビームを発生させる電子銃を構成するグリッド（３）とアノード（４）との間に荷電する電源の電圧を、前記金属粉末の充填率及び／又は密度に応じて変化させることが可能であることを特徴とする、電子ビーム積層造形装置である。
【００１７】
また、手段２に係る発明は。手段１に記載した電子ビーム積層造形装置であって、
前記充填率は、溶融しようとする金属粉末を、（図６に示す）基準容量の枡に充填し、その重量を測定することにより、該金属粉末の粒子間の隙間を含めて求めるものである。
【発明の効果】
【００１８】
手段１によれば、金属粉末に侵入した電子が金属原子との衝突により運動エネルギーを失い変換された熱エネルギーが最大となる位置が最適となる電子の速度を、金属粉末の充填率や密度（すなわち金属材料の種類）に応じて加速電圧を変化させることにより設定できる。
【００１９】
手段２によれば、金属粉末をレーキにより層状に塗布した際に、図４に示すように金属粉末の粒子間に空隙ができるが、該隙間は真空のため、電子ビームは干渉するものはなく直進できることから、この隙間は高速の電子にとっては距離がないものと考えられるので、金属材料の密度とともに金属粉末層の充填率を考慮して電子の速度を設定し加速電圧を決めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】発熱の様子を示す模式図である。
【図２】発熱量最大の位置が非常に深い場合を示す模式図である。
【図３】溶融が金属表面に達せず表面付近が溶融不足の状態を示す模式図である。
【図４】金属粉末を層にした時の状態を示す模式図である。
【図５】電子ビーム積層造形装置の主要構成を示す模式図である。
【図６】金属粉末を撒いた時の充填率を測定する枡の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図５は、電子ビーム積層造形装置の主要構成を示す模式図である。
この電子ビーム積層造形装置は、フィラメント（２）とグリッド（３）とアノード（４）から構成される電子銃をエネルギー源として用い、造形しようとする一つ以上の造形物の三次元ＣＡＤデータをレイアウトして作成された造形データに従って電子ビーム（１）を二次元に走査する走査コイル（６）及び電子ビームを収束する収束コイル（７）を有する電子光学系と、該電子ビームの収束する面（１１）に置かれ上下する昇降機構（１４）に載せられた造形箱（１３）の上面に金属粉末を保持するスタートプレート（１２）備え、パウダーホッパー（８）から供給される金属粉末（９）を前記スタートプレートに撒きレーキ（１０）で平坦に均した後電子ビーム（１）を照射しながら二次元に走査して金属粉末を溶融するように構成されており、この基本構成において、電子ビームを発生させる電子銃を構成するグリッド（３）とアノード（４）間に荷電する電源（１５）の電圧を造形する金属材料の密度により変化させることを特徴とするものであり、造形する材料の密度により最適な加速電圧を設定しようとするものである。
【００２３】
図６は、金属粉末を層に撒いた時の充填率を量る枡であり、これにより金属粒子の大きさや形状による粒子間の隙間の状態を知ることができる。
基準となる金属粉末の密度(n0)と、新規金属粉末の密度(n1)と、基準となる金属に対してすでに現在使われている固定された電子の加速電圧をもつ装置と、基準金属材料の到達深度とを勘案した新規金属粉末の到達深度から、該金属粉末に必要な電子の加速電圧を求めることができる。
エネルギー保存の相対論的表式  E＝(m02c4＋p2c2 )1/2 ＝m0c2＋ev ここで
c：光速、e：電子の電荷、m0：電子の静止質量で、運動量pは相対論的表式
p＝m0v/{1−(v/c)2}1/2  で表される。ここでvは電子の速度である。
上２式から、次式が得られる。  eV＝m0c2{(c2/(c2―v2))1/2―1}
上式より  v＝c(eＶ(2ｍ0ｃ2＋eＶ))1/2／（ｍ0ｃ2＋eＶ）  …式（５）
図６に示すような、容量が(a×b×c)の枡に、造形に使用する密度(n1)の金属パウダーを充填後、その質量(w)を測定し、金属粉末の充填率(j)を次式から算出する。
j＝w/(abc)n1  …式（６）
金属粉末に侵入した速度vの電子は、金属の原子と衝突や干渉を繰り返しながら進むため、その到達深度(D)は、電子の速度vの関数F(v)に比例し、原子の密度の関数F(n)及び金属粉末充填率(j)に反比例する。
すなわち、D＝F(v)/jF(n1)＝abcnF(v)/wF(n1)
ここで、電子の到達深度Dを、基準金属の到達深度D0とすると、D0＝F(v0)/j0F(n0)
造形しようとする材料の電子の到達深度を、基準金属の到達深度D0と同じにするには、
D0＝F(v)/jF(n1)＝F(v0)/jF(n0)
ここから、F(v)＝ jF(n1) F(v0)/j0F(n0)  …式（７） 
式（７）より、造形しようとする密度n1、充填率jの材料を、基準材料と同じ電子到達度で造形するための必要な電子の速度vが算出される。
式（５）より、基準となる材料に適用されている加速電圧から電子速度が求められるので、式（７）の結果を式（５）に適用して、造形材料の加速電圧を求めることができる。
ここで求められた新規材料に対する加速電圧を、図５の電源１５で荷電することにより、最適な深度での溶融を実現することができる。
【００２４】
具体的には、実際の装置で粒径分布が４０乃至１２０ミクロンの６−４チタンを基礎材料とした場合、容積２cm×２cm×２.５cmの枡で測定した充填率は０.９８、密度は４.４３g/cm3であり、加速電圧としては６０kVが使われている。
一方、同じ粒径分布のアルミを新規材料とした場合、同じ枡で測定した充填率は０.９８、密度は２.７０g/cm3なので、加速電圧としては２１kVが適切である。
なお、加速電圧は、６０kVと２１kV等、材料に応じた値が予め設定されており、それを切り替えるものであっても良く、又は、ある範囲で任意に可変可能なものであっても良い。
【００２５】
上記の実施形態では、金属粉末の充填率及び密度の両方に基づいて、加速電圧を変化させる例について説明したが、これに限らず、充填率又は密度のいずれか一方に基づいて、加速電圧を変化させるものであっても良い。例えば、基準材料と新規材料の充填率が近ければ、新規材料の密度に基づいて加速電圧を変化させれば良く、また、基準材料と新規材料の密度が近ければ、新規材料の充填率に基づいて加速電圧を変化させれば良い。即ち、加速電圧は、金属粉末の充填率及び／又は密度に応じて変化させれば良い。
【符号の説明】
【００２６】
１…電子ビーム
２…フィラメント
３…グリッド
４…アノード
５…非点収差コイル
６…走査コイル
７…収束コイル
８…パウダーホッパー
９…金属粉末
１０…レーキ
１１…電子ビームの収束面
１２…スタートプレート
１３…造形箱
１４…昇降機構
１５…電源
【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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