(57)【要約】【課題】粉末床溶融積層造形において、金属３次元積層造形体は、造形プレート面の法線方向のみに温度勾配を持ち、この方向に順次冷却されることによって、造形体の結晶組織に、積層方向に依存した異方性が生ずる。また、内部で蓄熱し、過熱による酸化や、ミクロポロシティなどの造形欠陥を発生させる。【解決手段】上記造形プレート面の法線方向の冷却経路に加えて、これに直交する方向の冷却経路を新たに設けるための、造形体の温度冷却用の冷却体を、造形体に接触または近接する位置に移動可能に設置する。【選択図】  図２
2019011485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末集合体の粉末を選択的に溶融結合して面状に形成された溶融結合体を積層して造形する積層造形体の製造装置であって、
前記積層造形体を造形するための造形チャンバと、
この造形チャンバの下方に設置され、前記積層造形体を接合して固着させるための造形プレートと、
この造形プレートの下方に配設され、当該造形プレートを昇降させるリフトプレートと、前記造形チャンバ内に前記粉末を供給するための粉末供給機と、
この粉末供給機から前記粉末を受給し前記造形プレート上に粉末層を形成するリコートユニットと、
前記粉末層中の粉末を溶融させる熱源となるレーザ光を励起するレーザ発振器と、
前記造形チャンバの上方に設置され、前記レーザ光を走査するガルバノミラーと、
前記溶融結合体の積層された層に平行して、前記溶融結合体が積層された各層のいずれか１つと同じ高さ位置に設置され、外部表面が前記積層造形体あるいは前記粉末より低温の冷却体と、を備え、
前記リコートユニットにより形成した粉末層中の粉末を、前記ガルバノミラーによって前記レーザ光を走査することにより溶融させるとともに、前記リフトプレートにより、前記造形プレートを一定のピッチで移動させ、前記溶融結合体を形成しつつ、前記積層造形体の積層された最上部の溶融結合体の層の高さ位置で、前記粉末層中の粉末が溶融されて造形された積層造形体を前記冷却体により冷却することを特徴とする積層造形体の製造装置。
【請求項２】
前記冷却体を移動するためのアクチュエータを備え、
このアクチュエータにより、前記溶融されて造形された積層造形体の近傍まで移動させて、溶融されて造形された積層造形体あるいは溶融されずに残存している残存粉末を冷却することを特徴とする請求項１に記載の積層造形体の製造装置。
【請求項３】
溶融されて造形された積層造形体あるいは前記残存粉末を冷却するための、前記溶融結合体の積層面に直交する方向に移動可能に設置された１または複数の垂直冷却体と、当該垂直冷却体を移動するためのアクチュエータと、をさらに備え、
当該垂直冷却体を溶融されて造形された積層造形体の近傍まで移動して、溶融されて造形された積層造形体あるいは前記残存粉末を冷却することを特徴とする請求項２に記載の積層造形体の製造装置。
【請求項４】
前記積層造形体がアンダーカット部を有するものである場合において、
前記垂直冷却体の先端に、取り外し可能な前記積層造形体と同種の金属部材を取付けたことを特徴とする請求項３に記載の積層造形体の製造装置。
【請求項５】
粉末集合体の粉末を選択的に溶融結合して面状に形成された溶融結合体を積層して造形する積層造形体の製造方法であって、
前記積層造形体を造形するための造形チャンバと、
この造形チャンバの下方に設置され、前記積層造形体を接合して固着させるための造形プレートと、
この造形プレートの下方に配設され、当該造形プレートを昇降させるリフトプレートと、前記造形チャンバ内に前記粉末を供給するための粉末供給機と、
この粉末供給機から前記粉末を受給し前記造形プレート上に粉末層を形成するリコートユニットと、
前記粉末層中の粉末を溶融させる熱源となるレーザ光を励起するレーザ発振器と、
前記造形チャンバの上方に設置され、前記レーザ光を走査するガルバノミラーと、
前記溶融結合体の積層された層に平行して、前記溶融結合体が積層された各層のいずれか１つと同じ高さ位置に設置され、外部表面が前記積層造形体あるいは前記粉末より低温の冷却体と、を備えた積層造形体の製造装置を用いて、
前記粉末から粉末層を形成し、この形成した粉末層中の粉末を溶融させて積層造形体を積層造形しつつ、
前記積層造形体の積層された最上部の溶融結合体の層の高さ位置で、前記粉末層中の粉末が溶融されて造形された積層造形体を前記冷却体により冷却することを特徴とする積層造形体の製造方法。
【請求項６】
前記積層造形体の製造装置は、前記冷却体を移動するためのアクチュエータを備えており、前記アクチュエータにより前記粉末が溶融されて造形された積層造形体の近傍に前記冷却体を移動させて、溶融されて造形された積層造形体あるいは溶融されずに残存している残存粉末を冷却することを特徴とする請求項５に記載の積層造形体の製造方法。
【請求項７】
前記積層造形体の製造装置は、前記アクチュエータを複数備え、
前記冷却体は、第一のアクチュエータにより前記溶融結合体の積層面に平行して移動可能に設置された水平冷却体と、第二のアクチュエータにより前記溶融結合体の積層面に直交する方向に移動可能に設置された垂直冷却体と、を有することを特徴とする請求項６に記載の積層造形体の製造方法。
【請求項８】
前記積層造形体はアンダーカット部を有するものであって、
前記垂直冷却体の先端に、取り外し可能な前記積層造形体と同種の金属部材を取付け、この金属部材の長さを前記積層造形体の造形の進度に合わせて調整可能に設定することを特徴とする請求項７に記載の積層造形体の製造方法。
【請求項９】
平面状に形成された粉末集合体の粉末を選択的に溶融結合する動作を繰り返して、層状の溶融結合体を積層して造形する積層造形体の製造方法であって、
この積層造形体の造形時の環境条件、前記粉末を溶融させる熱源であるレーザ光の照射条件が設定されているとともに、
前記積層造形体を造形するための３次元ＣＡＤデータと、この３次元ＣＡＤデータに付与された積層造形体を保持する保持体の形状データを有し、
前記３次元ＣＡＤデータと前記保持体の形状データは、前記積層造形体の造形前に、前記積層造形体の造形時の積層ピッチと同じサイズの厚みを持つ層を形成するように、前記溶融結合体の積層された面と平行な多数の層に分割したスライスデータとして作成されていることを特徴とする積層造形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、粉末床溶融方式による３次元付加造形技術に関わり、粉末材料に光ビームの照射を行うことで得られる、積層造形物の製造装置および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属３次元造形の指向性エネルギー法（ＳＬＭ：Selective Laser Melting)を用いた粉末床溶融結合（ＰＢＦ：Powder bed fusion）方式では、造形時に発生する熱について、
造形品を伝ってベースプレートと呼ばれる金属板に放熱する方法が従来から知られている。
【０００３】
この方法では無機質あるいは有機質の粉末材料を、均質に堆積させた粉末層に対し、レーザや電子ビーム等の指向性エネルギーを照射することで、粉末の指向性エネルギー照射エリアを選択的に、溶融凝固または焼結させ、更に粉末層を堆積させ指向性エネルギーを照射するプロセスを繰り返すことで、粉末材料を元に３次元構造物を形成するプロセスである。このプロセスにおける指向性エネルギーの照射プロセスは、粉末を溶融凝固させる熱プロセスであり、当然ながら指向性エネルギーによる入熱、前記ベースプレート方向への放熱という熱流が発生する。
【０００４】
先行技術文献によれば、造形プレートを所定の冷却手段により冷却するものがあり、造形プレートに接触する昇降テーブルに冷却用の媒体が流れる配管を設け、外部に冷却機を設置することで造形プレートと造形品の冷却を行っているものがある（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００８/１４３１０６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
既知の金属３次元造形装置や前記先行技術文献では、ベースプレート上に形成した造形体の持つ熱をベースプレートや未溶融の粉末を介して周囲に放熱することで冷却している。
しかしながら、粉末が瞬時に溶融するだけの熱量を加え、放熱が完了する前に、次の層を積み重ねて同様の溶融池を形成するため、造形体は蓄熱する傾向にあり、造形時の条件によっては造形体内部の温度差で反り変形を起こしたり、未溶融の粉末と接触する面の一部が酸化したり、冷却温度勾配に不均一が発生しミクロポロシティ（Microporosity、空
孔、欠陥）を内包したりして、造形品質上の不良が発生する。
【０００７】
また、特許文献１に示される構成では、冷却における熱伝導の方向がベースプレート向き（造形品からベースプレートへ向かう方向）に一定であるため、造形品が金属である場合などは、結晶組織に異方性が生じ、造形体の積層方向に依存した機械強度の異方性が生じる。
【０００８】
また、造形体に対して、冷却面が造形プレートの接触面のみであるため、造形後期の造形プレートから離れた位置の造形時の入熱は放熱が遅く、造形完了後に造形体を取り出し可能な温度まで冷却されるのに長い時間がかかり、装置の稼働率を下げる要因となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の積層造形体の製造装置は、
粉末集合体の粉末を選択的に溶融結合して面状に形成された溶融結合体を積層して造形する積層造形体の製造装置であって、
前記積層造形体を造形するための造形チャンバと、
この造形チャンバの下方に設置され、前記積層造形体を接合して固着させるための造形プレートと、
この造形プレートの下方に配設され、当該造形プレートを昇降させるリフトプレートと、前記造形チャンバ内に前記粉末を供給するための粉末供給機と、
この粉末供給機から前記粉末を受給し前記造形プレート上に粉末層を形成するリコートユニットと、
前記粉末層中の粉末を溶融させる熱源となるレーザ光を励起するレーザ発振器と、
前記造形チャンバの上方に設置され、前記レーザ光を走査するガルバノミラーと、
前記溶融結合体の積層された層に平行して、前記溶融結合体が積層された各層のいずれか１つと同じ高さ位置に設置され、外部表面が前記積層造形体あるいは前記粉末より低温の冷却体と、を備え、
前記リコートユニットにより形成した粉末層中の粉末を、前記ガルバノミラーによって前記レーザ光を走査することにより溶融させるとともに、前記リフトプレートにより、前記造形プレートを一定のピッチで移動させ、前記溶融結合体を形成しつつ、前記積層造形体の積層された最上部の溶融結合体の層の高さ位置で、前記粉末層中の粉末が溶融されて造形された積層造形体を前記冷却体により冷却することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
積層造形体に対して、積層造形体を保持する造形プレートの、積層造形体との接触面の法線方向以外の方向へ熱伝導の方向を変更するべく、積層造形体に対して、冷却体の熱流の方向を積層造形体との接触面の法線と直交する方向になるよう、冷却体を配置する（新たに構成するようにする）ことで、積層造形体の近傍領域の温度分布を制御し、主な熱伝導の方向を、ベースプレート接触面の法線方向以外の方向にも設けることによって、特に金属積層造形体の結晶組織を従来よりランダム化して機械強度異方性を抑制すると共に、効率よく冷却することが可能になる。また、造形完了後の積層造形体の冷却時間を短縮し、積層造形体の製造装置の稼働率を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る金属３次元造形体製造装置における造形開始時の造形体の状態を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る金属３次元造形体製造装置における造形途中の造形体の状態を説明するための一例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る金属３次元造形体製造装置における造形途中の造形体の状態を説明するための他の例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る金属３次元造形体製造装置における水平冷却棒を用いて冷却した場合の、造形体の温度分布の解析結果の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る金属３次元造形体製造装置における造形途中の造形体の状態を説明するための他の例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る金属３次元造形体製造装置による造形体の造形プロセスを示すフローチャート図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る金属３次元造形体製造装置において造形体に造形サポートを取り付けた概略モデル図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る金属３次元造形体製造装置において造形体に造形サポートを取り付け、冷却棒の侵入エリアを設定した状態を説明するための図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る金属３次元造形体製造装置による造形品の造形途中の状態を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る金属３次元造形体製造装置による造形品の造形完了状態を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る金属３次元造形体製造装置による造形品の取出し状態を説明するための図である。
【図１２】造形チャンバ内の水平冷却棒および垂直冷却棒延伸状態の俯瞰図である。
【図１３】本発明の実施の形態４に係る金属３次元造形体製造装置の垂直冷却棒によるサポート代替状態を説明するための図である。
【図１４】本発明の実施の形態４に係る金属３次元造形体製造装置の垂直冷却棒によるサポート代替状態の俯瞰図である。
【図１５】本発明の実施の形態４に係る金属３次元造形体製造装置の垂直冷却棒によるサポートを一部代替した状態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
本発明の実施の形態に係る３次元造形体の製造方法および製造装置について、図を参照しながら以下説明する。図１は本発明の実施の形態１に係る３次元造形体の製造において用いられる金属３次元造形体製造装置の主な構成を示す。なお、図１は、本発明に係る主要な構成要素の部品のみについて記述するため、細かな部品を省略した概略図となっている。
【００１３】
本装置は、金属３次元積層造形体２２（他の材質のものも含める場合は総称して単に３次元積層造形体と呼ぶ。またこれらを簡略化して金属積層造形体、あるいは積層造形体と呼ぶ場合もある）を形成するための造形チャンバ１１と、金属３次元積層造形体２２を接合して固着させる造形プレート１２と、造形チャンバ１１内に金属粉末を適量供給するための粉末供給機１３と、粉末供給機から粉末を受給し前記造形プレート１２上に厚さ０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍの粉末層（以下、粉末レイヤともいう）を形成するリコートユニット１４と、粉末レイヤを溶融させる熱源となるレーザ光を励起するレーザ発振器１５と、レーザ発振器１５から造形チャンバ１１上部のガルバノミラー１６までレーザ光を伝送する光路１７と、を備え、ガルバノミラーによって走査されたレーザ光が集光レンズ１８と保護レンズ１９を通過し、前記粉末レイヤ中の金属粉末を溶融させる。
【００１４】
図２において、造形プレートの下部には造形プレート１２を昇降させるリフトプレート２１と、金属３次元積層造形体２２を冷却する目的で、造形チャンバ１１の下方に、１または複数の水平冷却棒２３と、１または複数の垂直冷却棒２４と、これら水平冷却棒２３と垂直冷却棒２４とをそれぞれ個別に移動するためのアクチュエータ２６を備える。また、これら２種類の水平冷却棒２３、垂直冷却棒２４の先端部分には、熱電対等の温度センサが組み込まれ、当該温度センサにより検知された温度情報は冷却装置に備えられている図示しない温度制御器に送られ、当該検知箇所の温度が所望の値になるよう制御される。
なお、金属３次元積層造形体２２の周囲には、未溶融の粉末堆積物２５が存在する。
【００１５】
図１の造形前の状態から、図６に示す金属３次元積層造形体の造形加工のフローチャートに従って造形を続け、図２および図９に示す金属３次元積層造形体の造形途中の状態、図１０に示す金属３次元積層造形体の造形完了の状態（この状態までは、未溶融の粉末堆積物２５が残っている）を経て、図１１に示したように、最終的にはリフトプレート２１によって、金属３次元積層造形体２２は、造形チャンバ１１内に移動されて、さらに未溶融の粉末堆積物（図示せず）を取り除いた後に、造形プレート１２ごと取出される。
【００１６】
以下、金属３次元積層造形体２２についての詳細な造形プロセスを、図６のフローチャートとこの造形プロセスに示した個々のプロセスに関係する図を用いて説明する。
図６の右側括弧の記号Ａで括った工程は、ＣＡＤ／ＣＡＭ作業の工程であり、この工程は本発明に係る造形装置の造形作業ではなく準備作業となるが、後述する水平冷却棒２３と垂直冷却棒２４の動作に関連するため、この工程を記載している。また、図６の右側括弧の記号Ｂで括った工程は、Ａｒ、Ｎ2ガス等の、広義の不活性ガス雰囲気中での作業を
示す工程であって、上記金属３次元積層造形体を造形する工程である。
【００１７】
まず、図６の記号Ａで括った工程について説明する。
金属３次元積層造形体２２を造形するための３次元ＣＡＤモデルについて、通常の３次元ＣＡＤモデルのデータには無い、一般的にサポート４１と呼ばれる金属３次元積層造形体２２の保持体についてのデータを付与する。このサポート４１は、通常、前記造形プレート１２と金属３次元積層造形体２２の間に配置される（図７参照）。そして、このサポート４１により、金属３次元積層造形体２２と造形プレート１２をつなぐことによって、金属３次元積層造形体２２が造形プロセス中の熱的変化によって変形するのを防止している。
【００１８】
３次元ＣＡＤデータ上にサポートの形状データ（以降、サポートデータと呼ぶ）を付与した後に、図８に示すように、上述の水平冷却棒２３と垂直冷却棒２４の侵入禁止エリア（水平冷却棒２３と垂直冷却棒２４を配置しない領域）を、（上下２つの直方体で示した）破線で囲った領域Ｃとして設定する。
ここで、３次元ＣＡＤデータとサポートデータは、造形時の積層ピッチとなる前記粉末レイヤと同じ厚さの層を単位として、造形プレート１２の面と平行になる多数の層に分割したスライスデータとして作成される。
【００１９】
次に、造形時の環境条件や、熱源であるレーザ光の照射条件を設定し、スライスデータを出力する。ちなみに、一般的には、金属３次元積層造形体２２の配置、サポート付与の有無、環境条件やレーザ光の照射条件などのデータを除いて、多数の層に分割するデータ処理は、（ＣＡＤソフトウェアではなく）ＣＡＭソフトウェア側で自動的に実行される。
【００２０】
次に、図６の右下側の括弧Ｂで括った工程に関する金属３次元積層造形装置内での造形プロセスについて以下説明する。
上述したスライスデータを金属３次元積層造形装置に取り込み、造形を開始する。第１層目のスライスデータに従ってレーザ光を走査する前に、前記リコートユニット１４が左右に移動し、造形プレート上に前記粉末レイヤを形成する（ステップＳ１０５参照）。
【００２１】
なお、粉末レイヤ形成時において、造形プレート１２の上面は、リコートユニット１４の下面に対して０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍ程度離間した、リコートユニット１４の下側の位置に設置されており、粉末レイヤは、この造形プレートの上面に対して均一な厚みで形成される。
【００２２】
第１層のスライスデータに基づいてレーザ光が粉末レイヤに照射されると、レーザ光の当たった部分の粉末が選択的に溶湯し凝固することによって、第１層目の金属３次元積層造形体２２が形成される（ステップＳ１０６参照）。
【００２３】
次に、リフトプレート２１の下降動作に応動して、造形プレート１２が粉末レイヤ１層分下降し、リコートユニット１４が図の左右方向に移動して第２層の粉末レイヤを形成し、第２層のスライスデータに基づいてレーザ光を照射する（ステップＳ１０７参照）。以下、同様にして、この動作（粉末レイヤを形成し、スライスデータに基づいてレーザ光を照射する動作）を順次繰り返すことで、言い換えると、Ｎを自然数としてＮ≧２のＮについて、第Ｎ層の造形プレート１２降下、リコートユニット１４の左右方向への移動動作に伴う粉末レイヤの形成およびレーザ光照射による粉末レイヤの、上述の選択的な溶融凝固
の一連の動作を順次繰り返すことで、目的とする金属３次元積層造形体２２を形成する。
【００２４】
続いて、水平冷却棒２３、および垂直冷却棒２４の動作について述べる。水平冷却棒２３および垂直冷却棒２４は、金属３次元積層造形体２２が形成された部分の周囲に配置されているが、造形が進むにつれ、造形プレート１２は、水平冷却棒２３のうち、最上段に配置された水平冷却棒２３ａよりも低い位置に到達する。その際、図６のフローチャートにおける“第ＮL番の冷却棒分積層（ここで、ＮL：最大のＮ）”（ ステップＳ１０８参照）の分岐がＹＥＳ側になるため、水平冷却棒２３ａが前記侵入禁止エリア付近まで（水平方向に）移動する。
【００２５】
水平冷却棒２３は、図１２に示すように奥行き方向（図中の矢印Ｅの方向）に多数配置されており、最上段の水平冷却棒２３ａは全て侵入禁止エリア付近まで移動する。この水平冷却棒２３は、図６のフローチャートに示す通り、スライスデータにおける最終層に到達するまで繰り返し造形するのに合わせて、順次、水平冷却棒２３ｂ、水平冷却棒２３ｃと続いて、上述した移動動作を繰り返す。
【００２６】
これらの水平冷却棒２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、…、２３ｍ（ｍは設置されている最大の個数を示す。例えば図１２では、ｍが３個の場合の水平冷却棒を用いた場合について示している）は、それぞれ各装置構成図に記載されている、温度制御器を含む冷却装置とつながり、造形時にレーザ光から受ける入熱を、内部を流れる冷却媒体に積極的に排熱する機構となっている。水平冷却棒２３は、例えば、その内部に水管を配置し、冷却媒体である水を流通させることで、金属３次元積層造形体２２から冷却棒への熱移動を行わせるものである。
なお、この例に限らず、水平冷却棒２３自体にペルチェ素子を内蔵し、金属３次元積層造形体２２や粉末堆積物２５から吸熱することで、金属３次元積層造形体２２の冷却を行ってもよい。
【００２７】
ちなみに、垂直冷却棒２４の動作については、この限りでなく、各層の造形後の造形プレート１２の降下量に併せて前述の侵入禁止エリアＣ外に位置する各垂直冷却棒２４は上方へ移動し、最終層の造形が完了するまで上方への移動を続ける。
【００２８】
最終層の造形が完了し、かつ、各水平冷却棒２３と垂直冷却棒２４による冷却効果によって、造形体の温度が室温付近まで低下した後に、図１０に示すように、各水平冷却棒２３と垂直冷却棒２４を、金属３次元積層造形体の造形エリア（図中、破線で囲った矩形領域Ｄ）の外側へ移動させる。
【００２９】
続いて、造形プレート１２、およびリフトプレート２１が、金属３次元積層造形体の造形開始初期の高さまで上昇した後に、金属３次元積層造形体２２の周囲にある粉末堆積物２５を取り除いて、造形プレート１２とリフトプレート２１を離間させることにより、金属３次元積層造形体２２を造形プレート１２ごと造形チャンバ１１から取出す（図６のステップＳ１１２参照）。
【００３０】
取出した金属３次元積層造形体と一体になった造形プレート１２は、例えば、ワイヤカットやワイヤソー等の機械加工による手段によって切り離され、金属３次元積層造形体２２の一部を構成するサポート４１は、例えば、フライス加工装置やマシニングセンタ加工装置による加工により取り除かれ、取出した金属３次元積層造形体から、３次元ＣＡＤの元データと同じ形状の金属３次元積層造形体２２が形成される。
【００３１】
なお、以上の説明では、水平冷却棒以外に垂直冷却棒も構成要素として含まれるとして説明したが、これに限らず、水平冷却棒だけを構成要素として含んでいても同様の効果を
奏する（例えば、図３参照）。
【００３２】
ここで、水平冷却棒だけを構成要素として含んでいる場合において、水平冷却棒の有無の効果に関し、温度分布をシミュレーションモデルにより解析した結果の一例について図４を用いて説明する。
図４（ａ）は、図４（ｂ）に示す本実施の形態での実施例との比較のために示した比較例であり、従来方式の造形プレートに直接放熱した場合の温度分布の一例を示した図であり、符号ＧＡ１で示した箇所へのレーザ光の走査直後（走査後数秒時点）の温度分布を示したものである。この比較例では、造形体の上面にレーザ光を走査した後の状態が示されている（符号ＧＡ１〜ＧＡ６参照）。図４（ａ）左側の（ａ１）図には、温度分布を濃度を変えて表示し、図４（ａ）右側の（ａ２）図には、この温度分布を等温度線（図中の白線）を用いて示している。
この図４（ａ）において、符号ＧＡ１で示した箇所は溶融している領域であり、例えばステンレス合金などでは１５００℃程度になっている。符号ＧＡ２〜ＧＡ５で示した箇所では、符号ＧＡ２からＧＡ５まで、符号順に温度が低下していき、符号ＧＡ５で示した箇所では、造形プレート部分の温度（符号ＧＡ６で示した箇所の温度）まで低下している。以上においてＧＡ１〜ＧＡ６の温度は、およそ以下の通りである。ＧＡ１：１９００℃、ＧＡ２：１５００℃、ＧＡ３：８００℃、ＧＡ４：２５０℃、ＧＡ５：１５０〜１６０℃、ＧＡ６：１５０℃。
【００３３】
図４（ｂ）は、本実施の形態に記載の装置構成を用いて、水平冷却棒（本図では左右５組の水平冷却棒を用いている）と造形プレートの両方に放熱した場合の温度分布の一例を示したものである。図４（ｂ）左側の（ｂ１）図には、温度分布を濃度を変えて表示し、図４（ｂ）右側の（ｂ２）図には、この温度分布を等温度線（図中の白線）を用いて示している。
本実施の形態に記載の装置構成にした場合には、符号ＧＢ１で示した箇所のレーザ光の走査直後（走査後数秒時点）の温度分布は従来方式の場合とほぼ同様であるが、その他の箇所（符号ＧＢ２〜ＧＢ６で示した箇所）では、水平冷却棒２３が造形体側面に接触しているため、接触部分の温度が低下し、造形体は、図４（ｂ）に示したような温度分布となる（符号ＧＢ２〜ＧＢ６で示した箇所参照）。以上においてＧＢ１〜ＧＢ６の温度は、およそ以下の通りである。ＧＢ１：１７００℃、ＧＢ２：１３００℃、ＧＢ３：７５０℃、ＧＢ４：２６０℃、ＧＢ５：１２０〜１３０℃、ＧＢ６：１４０〜１５０℃。
【００３４】
上述の結果から、従来方式と本実施の形態に記載の装置構成とでは温度分布が明らかに違っており、水平冷却棒による冷却効果（従来より効率のよい冷却ができること）は明らかである。
【００３５】
また、以上の説明においては、水平冷却棒は、アクチュエータにより移動可能に構成されているものを前提に説明したが、これに限らず、設置された高さ位置が、金属３次元積層造形体２２の側面の高さ位置の範囲内にあるように配置されていれば、水平方向を移動可能なものではなく、設置位置が固定されているものでも、同様の冷却効果を奏するものである（図５参照）。
さらに、以上の説明では、水平冷却棒あるいは垂直冷却棒と呼称して棒状の冷却体を前提に説明したが、これに限らず、水平冷却棒あるいは垂直冷却棒は、板状の形状の冷却体であっても同様の効果を奏する。言いかえると、水平冷却棒は、その形状が板状の場合も含め、水平冷却体と呼称でき、垂直冷却棒は、その形状が板状の場合も含め、垂直冷却体とも呼称できる。そして、これら両者を総称して冷却体と呼称できる。
【００３６】
実施の形態２．
実施の形態１におけるスライスデータでは、金属３次元積層造形体２２の表面と侵入禁
止エリアが同一表面を形成しているため、各水平冷却棒２３は金属３次元積層造形体２２に、実質、接触している。
【００３７】
本実施の形態の一例である図９、図１０、図１１、図１２では、金属３次元積層造形体２２に対して、水平冷却棒２３は接触していない。つまり、本実施の形態では、水平冷却棒２３と金属３次元積層造形体２２の間に粉末堆積物２５が存在するため、それぞれの間で接触熱抵抗が発生する。よって、実施の形態１の場合と比べて冷却効率の値が少し小さくはなるが、本発明に係る水平冷却棒２３と垂直冷却棒２４による冷却効果により、従来の造形プレートを介した放熱に比べると冷却効率の値は大きくなっている。
【００３８】
ただし、この場合の放熱経路においては、粉末堆積物２５の占める部分が最も熱伝導が良くないため、金属３次元積層造形体の表面と各水平冷却棒２３と垂直冷却棒２４の間は、できるだけ小さいサイズに設定することが望ましい。
【００３９】
実施の形態３．
本実施の形態３では、金属３次元積層造形体２２の冷却時の温度勾配を、造形プレート１２の面に対して平行な方向（水平方向）へも取るようにしている。これにより、金属３次元積層造形体２２の造形完了後の冷却時間を短縮した金属３次元積層造形体２２の金属組織の結晶粒の成長をランダムにできる（この効果については、上記実施の形態１および実施の形態２で述べた）他、以下に示すような、上述の効果以外の効果を奏する。
【００４０】
本実施の形態３においては、水平冷却棒２３は、金属３次元積層造形体２２に対して接触している場合でも、接触していない場合と同様の効果が得られる。水平冷却棒２３と垂直冷却棒２４は、粉末堆積物を押しのけて移動できるよう設定しているので、押しのけられた粉末堆積物は、リコートユニット１４の可動エリアへ排出されることとなる。
【００４１】
これによって各層をリコートユニット１４が、水平方向である図の左右方向に移動する際に、粉末の再利用ができるため、造形チャンバ１１内への金属粉末の持ち込み量がその分少なくできる。このことは、金属３次元造形用の金属粉末が一般的に高価であるため、ストックとしての金属粉末を持つ必要性を少なくすることで、製造価格を低減できることにつながる。
【００４２】
実施の形態４．
本実施の形態について図１３、図１４、図１５を用いて説明する。図１３は、本発明における実施の形態１〜３で用いられていた垂直冷却棒２４について、造形する金属３次元積層造形体２２と同種の材質の金属部材１０１を、垂直冷却棒２４の先端に、ねじ等の取り外し可能な方法で取り付けている状態を示している。このように設定することで、従来、サポートが必須であった金属３次元積層造形体２２に対して、サポートをほとんど使用することなく、造形することが可能となる。
【００４３】
この事情は以下の通りである。すなわち、図１３に示すように、金属３次元積層造形体２２が、アンダーカット部（図中、点線Ｆで囲った部分参照）を有するものである場合には、金属３次元積層造形体を造形するにあたって、図１４（ａ）に示したように、造形エリアに多くのサポート１１１を配置する必要がある。この際、造形エリアに配置する必要のあったサポート１１１に代替するため、図１４（ｂ）に示すように、金属部材１０１を造形の進度に合わせて垂直冷却棒２４と一体構造になった金属部材１０１の長さを調整することにより、サポート１１１の使用が避けられる。このことにより、造形完了後のサポート除去工程が簡略化できる効果がある。
【００４４】
従来、ワイヤカット放電加工や、ワイヤソーによって造形プレート１２から金属３次元
積層造形体２２を切り離したのちに、金属３次元積層造形体２２に残ったサポート１１１およびサポート１１１の残留物をフライス加工やマシニングセンタ加工等の機械加工機で切削加工して取り除いていたが、上述のように、サポート１１１を前記金属部材１０１に置き換えることによって、金属３次元積層造形体２２と造形プレート１２の切り離し作業が垂直冷却棒２４と金属部材１０１を接続するねじ等を取り外すことで完了できるため、切り離し作業の時間が短縮できる効果が生まれる。
【００４５】
また、サポート１１１の形成に費やしていた各層のレーザ光走査時間を短縮し、かつサポート１１１の形成に費やしていた金属粉末の使用量を削減する効果もある。
【００４６】
垂直冷却棒２４と一体となった金属部材１０１の直上にアンダーカット部が無い場合は、図１５に示すように、垂直冷却棒２４と一体となった金属部材１０１から広げる形でアンダーカット部となる部分の面全体を支える最小限サポート１２１を形成することで造形が可能である。
【００４７】
この場合も、垂直冷却棒２４と一体となった金属部材１０１と垂直冷却棒２４の体積分はサポートの形成が不要となるため、金属粉末の使用量が削減できる他、レーザ光の走査時間が短縮され、金属３次元積層造形体２２の造形にかかる造形時間が短縮できる効果がある。
【００４８】
また、従来のサポートを用いた場合には、図１３に示したような、造形プレート１２と金属３次元積層造形体２２におけるアンダーカット部（図中の点線で囲んだ記号Ｆの部分を参照）が大きく離れている場合（この図では上下方向に離れている場合を示す）には、サポートを形成したとしても、サポートの長さ分（上下方向のサイズ分）、金属３次元積層造形体２２の放熱経路が長くなり、熱抵抗が大きくなるため、しばしば放熱不足による造形体の過熱、酸化等の造形品質上の不良が発生する可能性がある。また、造形途中に金属３次元積層造形体２２の内部で熱ひずみが発生し、造形体の一部が変形しリコートユニット１４と接触してリコートユニット１４を破損させる事故が発生する可能性がある。
【００４９】
本実施の形態では、垂直冷却棒２４に接続した金属部材１０１を、例えば熱伝導の良い金属に置き換えた上で、金属部材１０１の造形面のみに、溶射やＰＶＤ（物理蒸着、すなわちPhysical Vapor Depositionの略）処理によって、金属３次元積層造形体２２と同種
の金属を形成したり、ろう付けによって接合したりしておくことで、金属部材１０１を介した垂直冷却棒２４への冷却効率を高めることができ、前述の造形品質不良の発生を抑制すると共に、造形中の事故を防止できるという効果が有る。
【００５０】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。例えば、本発明では造形プレートに金属の部品を介さず、直接、金属３次元積層造形体を造形する装置、あるいは方法について説明したが、これに限らず、予め、造形プレートに設置された金属の部品に対して、金属３次元積層造形体を追加的に造形する装置、あるいは方法にも同様に適用することが可能である。
【００５１】
また、造形方法として、未溶融の粉末堆積物をレーザ光等で溶融するものについて説明したが、これに限らず、未焼結の粉末堆積物をレーザ光あるいは電子ビーム等で焼結するものにも適用可能である。さらに、造形に用いる粉末材料は金属を例に説明したが、粉末材料はこれに限らず、熱伝導性のよい樹脂等の粉末にも同様に適用可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１１  造形チャンバ、１２  造形プレート、１３  粉末供給機、１４  リコートユニッ
ト、１５  レーザ発振器、１６  ガルバノミラー、１７  光路、１８  集光レンズ、１９
保護レンズ、２１  リフトプレート、２２  金属３次元積層造形体、２３  水平冷却棒、２４  垂直冷却棒、２５  粉末堆積物、２６  アクチュエータ、４１、１１１  サポート、１０１  金属部材、１２１  最小限サポート
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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