(57)【要約】【課題】粉末層を確実に溶融結合するための照射条件を装置自身で決定しながら、電子ビームＥＢの照射を行う三次元積層造形装置および積層造形方法を提供する。【解決手段】電子ビームＥＢを出力し、粉末層３２の表面内方向に電子ビームＥＢを偏向させるカラム部２００と、電子ビームＥＢの照射によって、粉末層３２の表面から所定の方向に放出される電子を検出する電子検出器７２と、電子検出器７２の検出信号強度に基づいて溶融信号を発生する溶融判断部４１０と、溶融信号を受け取って電子ビームの照射条件を決定する偏向制御部４２０と、を有する三次元積層造形装置１００が提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元構造物を積層造形する三次元積層造形装置であって、
粉末層を供給する粉末供給部と、
電子ビームを出力し前記粉末層の表面内方向に電子ビームを偏向させる電子ビームカラムと、
前記電子ビームの照射によって前記粉末層の表面から放出される電子を検出する電子検出器と、
前記電子検出器の検出信号強度に基づいて前記粉末層の溶融を検出して溶融信号を発生する溶融判断部と、
前記溶融信号を受け取って電子ビームの照射条件を決定する偏向制御部と、
を備えることを特徴とする三次元積層造形装置。
【請求項２】
前記偏向制御部は前記三次元構造物の断面を区画する複数の照射範囲毎に前記電子ビームを照射する動作を繰り返すとともに、一つの照射範囲の照射は所定時間だけ前記電子ビームを塗りつぶすように照射位置を移動させながら行うことを特徴とする請求項１に記載の三次元積層造形装置。
【請求項３】
前記溶融判断部は、前記照射範囲内で電子ビームの照射位置を移動させているときに前記電子検出器で検出される検出信号強度の変動幅が所定の範囲を下回ったときに前記溶融信号を出力することを特徴とする請求項２に記載の三次元積層造形装置。
【請求項４】
前記電子検出器は、前記電子ビームの照射位置に対して異なる方向に複数配置されており、
前記溶融判断部は、異なる電子検出器で検出信号強度の差分が所定の範囲を下回ったときに前記溶融信号を出力することを特徴とする請求項２に記載の三次元積層造形装置。
【請求項５】
前記偏向制御部は前記溶融信号を受け取るまで、当該照射範囲での電子ビームの照射を継続することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の三次元積層造形装置。
【請求項６】
前記電子ビームのショットのサイズは、前記粉末層の原料粉末の粒子と同程度のサイズ又は原料粉末の粒子よりも小さいサイズであることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の三次元積層造形装置。
【請求項７】
粉末層を供給する粉末供給部と、電子ビームを出力して前記粉末層の表面内方向に電子ビームを偏向させる電子ビームカラムと、前記電子ビームの照射によって前記粉末層の表面から放出される電子を検出する電子検出器と、前記電子検出器の検出信号強度に基づいて前記粉末層の溶融を検出して溶融信号を発生する溶融判断部と、前記溶融信号を受け取って電子ビームの照射条件を決定する偏向制御部と、を備える三次元積層造形装置による三次元構造物の積層造形方法であって、
前記粉末供給部により粉末層を供給するステップと、
前記電子ビームカラムにより前記前記粉末層に電子ビームを照射するステップと、
前記電子検出器により前記粉末層の表面から放出される電子を検出するステップと、
前記溶融判断部において前記電子検出器の検出信号強度の変動幅が予め定めた基準値以下になったときに溶融信号を発生するステップと、
前記偏向制御部により前記溶融信号に基づき照射条件を設定するステップと、
を有することを特徴とする積層造形方法。
【請求項８】
粉末層を供給する粉末供給部と、電子ビームを出力して前記粉末層の表面内方向に電子ビームを偏向させる電子ビームカラムと、前記電子ビームの照射によって前記粉末層の表面から放出される電子を検出する電子検出器と、前記電子検出器の検出信号強度に基づいて前記粉末層の溶融を検出して溶融信号を発生する溶融判断部と、前記溶融信号を受け取って電子ビームの照射条件を決定する偏向制御部と、を備える三次元積層造形装置による三次元構造物の積層造形方法であって、
前記粉末供給部により粉末層を供給するステップと、
前記電子ビームカラムにより前記前記粉末層に電子ビームを照射するステップと、
前記電子検出器により前記粉末層の表面から放出される電子を検出するステップと、
前記溶融判断部において異なる前記電子検出器からの検出信号強度の差分が予め定めた基準値以下になったときに溶融信号を発生するステップと、
前記偏向制御部により前記溶融信号に基づき照射条件を設定するステップと、
を有することを特徴とする積層造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元積層造形装置および積層造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料などからなる粉末層の所定範囲に電子ビームを照射して、粉末層の一部を溶融させて下層の構造物と結合させた断面層を形成し、その断面層を積み重ねることで三次元構造物を造形する三次元積層造形装置（例えば、特許文献１，２および３）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７４５４２６２号
【特許文献２】特開２０１５−１９３８６６号公報
【特許文献３】特開２０１５−１８２４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の三次元積層造形装置では、粉末層の材料や厚さなどの粉末層の条件および加速電圧や電流値などの電子ビームの条件に基づいて、装置の使用者が電子ビームの照射条件を設定していた（特許文献１および特許文献２参照）。
【０００５】
しかし、実際の三次元積層造形では、粉末層の条件も電子ビームの条件も、あらかじめ設定した条件から変化することがある。例えば、粉末層の厚さが層によって又は粉末層の場所によって変化したり、ビーム電流値が時間的に変動したりすることがある。このため装置の使用者は、これらの変化に合わせて装置に設定する電子ビームの照射条件を設定し直す必要があった（特許文献３参照）。
【０００６】
本発明は、粉末層を確実に溶融結合するための照射条件を装置自身で決定しながら、電子ビームＥＢの照射を行う三次元積層造形装置および積層造形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下の開示の一観点によれば、三次元構造物を積層造形する三次元積層造形装置であって、粉末層を供給する粉末供給部と、電子ビームを出力し前記粉末層の表面内方向に電子ビームを偏向させる電子ビームカラムと、前記電子ビームの照射によって前記粉末層の表面から放出される電子を検出する電子検出器と、前記電子検出器の検出信号強度に基づいて前記粉末層の溶融を検出して溶融信号を発生する溶融判断部と、前記溶融信号を受け取って電子ビームの照射条件を決定する偏向制御部と、を備える三次元積層造形装置が提供される。
【０００８】
また、上記の三次元積層造形装置を用いた積層造形方法であって、前記粉末供給部により粉末層を供給するステップと、前記電子ビームカラムにより前記前記粉末層に電子ビームを照射するステップと、前記電子検出器により前記粉末層の表面から放出される電子を検出するステップと、前記溶融判断部において異なる前記電子検出器からの検出信号強度の差分が予め定めた基準値以下になったときに溶融信号を発生するステップと、前記偏向制御部により前記溶融信号に基づき照射条件を設定するステップと、を有する積層造形方法が提供される。
【０００９】
さらに、上記の観点の積層造形方法において、溶融判断部における溶融信号の発生は、異なる前記電子検出器からの検出信号強度の差分が予め定めた基準値以下になったときに行うようにしてもよい。
【００１０】
なお、上記の発明の概要は、本発明に必要な特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、三次元積層造形装置１００の構成例を示す。
【図２】図２は、粉末層３２の表面３３における電子ビームＥＢの照射動作の例を示す。
【図３】図３（Ａ）は、粉末層３２が溶融する前の状態を示す図であり、図３（Ｂ）は粉末層３２が溶融されて下層の構造物３６と結合した状態を示す図である。
【図４】図４は、照射範囲内で電子ビームＥＢの照射位置を変えたとき、電子検出器７２の検出信号強度の変動およびその変動幅の例を示す図である。
【図５】図５は、電子ビームＥＢの照射時間Ｔｅｘｐまたは照射速度Ｖｅｘｐと電子検出器７２の検出信号強度の変化幅との関係の例を示すグラフである。
【図６】図６は、制御部４００（一部）の構成例を示す。
【図７】図７は、三次元積層造形装置１００の積層造形方法を示す動作フローの例を示す。
【図８】図８は、電子ビームＥＢの照射位置に対して、異なる方向に複数の電子検出器７２ａ，７２ｂ，７２ｃおよび７２ｄを配置する例を示す。
【図９】図９は、電子ビームＥＢの照射時間Ｔｅｘｐまたは照射速度Ｖｅｘｐと，異なる方向に配置された電子検出器７２の検出信号の強度差との関係の例を示すグラフである。
【図１０】図１０は、放射温度計７１で測った粉末層３２の表面温度の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係る三次元積層造形装置１００の好適な実施の形態について、図１から図１０までの図を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（１）実施形態の概要
図１は、本実施形態に係る三次元積層造形装置１００の構成例を示す。三次元積層造形装置１００は、電子ビームＥＢを出力し、粉末層３２の表面内方向に電子ビームＥＢを偏向させるカラム部２００と、電子ビームＥＢの照射によって、粉末層３２の表面から所定の方向に放出される電子を検出する電子検出器７２と、電子検出器７２の検出信号強度差に基づいて、溶融信号を発生する溶融判断部４１０と、溶融信号を受け取って、電子ビームの照射時間または照射速度を決定する偏向制御部４２０と、を備える。これにより、三次元積層造形装置１００は、粉末層３２を溶融結合させる照射時間または照射速度を決定しながら、電子ビームＥＢの照射を行う。
【００１４】
（２）実施形態の詳細
図１は、本実施形態に係る三次元積層造形装置１００の構成例を示す。三次元積層造形装置１００は、例えば金属材料の粉末からなる粉末層３２に電子ビームＥＢを照射し、粉末層３２の一部を溶融結合させて形成した断面層３５を積層して三次元構造物３６を造形する。
【００１５】
三次元積層造形装置１００は、カラム部２００、造形部３００、および制御部４００を備える。カラム部２００は、カラム部２００から出力される電子ビームＥＢが、造形部３００の内部に保持される粉末層３２を照射するように配置される。電子ビームＥＢは、制御部４００によって制御されて、粉末層３２の所定の範囲を照射する。
【００１６】
カラム部２００は、制御部４００によって制御される電子源１２を備える。電子源１２は、熱または電界の作用によって電子を発生する。電子源１２で発生された電子は、予め定められた加速電圧（一例として６０ＫＶ）で−Ｚ方向に加速され、電子ビームＥＢとして出力される。
【００１７】
カラム部２００は、制御部４００によって制御される電子レンズ１３を備える。電子レンズ１３は、電子ビームＥＢを粉末層３２の表面３３で収束させる。電子レンズ１３は、例えば、レンズ軸の回りに巻いたコイルとコイルを取り囲みレンズ軸に関して軸対称な間隙を有する磁性体（ヨーク）とから構成される。
【００１８】
カラム部２００は、制御部４００によって制御される偏向器１４を備える。偏向器１４は、電子ビームＥＢを偏向することにより、粉末層３２の表面内方向（ＸＹ方向）における電子ビームＥＢの照射位置を設定する。偏向器１４は、例えば、電子ビームＥＢの通過経路であるＺ軸を挟んで、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に対向する２組の偏向コイルを有する。
【００１９】
カラム部２００が出力する電子ビームＥＢによって照射される粉末層３２は、造形部３００が備えるステージ５２および側壁部５３によって保持される。ステージ５２および側壁部５３は、粉末供給部３４から供給される金属材料の粉末からなる粉末層３２を、ステージ５２の上面と略平行な表面３３を有するように平坦化して保持する。
【００２０】
粉末層３２は、電子ビームの照射によって溶融されると、既に積層されている三次元構造物３６の上端部と結合して断面層３５を形成する。新たに形成された断面層３５は、三次元構造物３６をＺ軸方向に延伸させる。三次元構造物３６に積層される断面層３５以外の粉末層３２は、三次元構造物３６の回りに金属材料の粉末３１のまま蓄積される。
【００２１】
ステージ５２は、制御部４００によって制御される駆動部５４と駆動棒５５とによってＺ軸方向（高さ方向）に移動される。ステージ５２は、Ｚ軸方向に延びた例えば円筒状部材である側壁部５３の内側面に沿ってＺ軸方向に移動される。
【００２２】
ステージ５２のＺ軸方向の高さは、粉末層３２が電子ビームで照射される時には、粉末層３２の表面３３が略同じＺ軸方向高さにあるように設定される。即ち、ステージ５２は、断面層３５が三次元構造物３６に積層された後、新たな粉末層３２が供給されるごとに、その粉末層３２のＺ軸方向の厚さ分だけ下降される。
【００２３】
また、造形部３００は、排気ユニット５６を備える。排気ユニット５６は、三次元積層造形装置１００の電子ビームの通過経路を排気する。排気ユニット５６は、カラム部２００の内部空間、および造形部３００の内側の粉末層３２の表面３３付近の空間を、所定の真空度に排気する。電子ビームは、大気中で気体分子と衝突すると、エネルギを失ってしまうからである。
【００２４】
本実施形態の三次元積層造形装置１００は、電子ビームＥＢ照射時の粉末層３２の状態をモニターするために、造形部３００に放射温度計７１および電子検出器７２を備える。放射温度計７１は、従来の三次元積層造形装置に設けられているモニター手段である。
【００２５】
放射温度計７１は、粉末層３２の表面３３から放出される熱輻射を検出して粉末層３２の表面温度を計測する。放射温度計７１は、粉末層３２の表面３３を所定の大きさの画素領域に分けて、それぞれの画素領域の温度を並列して計測する機能を有する。
【００２６】
図１０は、放射温度計７１で測った粉末層３２の表面温度の変化を示すグラフである。横軸は、粉末層３２の表面３３の所定の範囲を電子ビームＥＢで照射し続けたときの照射時間を表す。縦軸は、粉末層３２の表面で最も高い温度が計測された画素領域の温度を示す。
【００２７】
粉末層３２の表面温度は、電子ビームＥＢの照射時間に応じて上昇する。所定の照射時間が経過すると粉末層３２の表面温度は融点温度を超えているため、粉末層３２の少なくとも一部は溶融している。しかし図１０の計測結果から、どの照射時間に、電子ビームＥＢで照射された範囲の粉末層３２が溶融して構造物３６の上端と結合したかを判断するのは困難であった。放射温度計７１で測定される粉末層３２の表面温度は、電子ビームＥＢの照射時間に応じて連続的に上昇しており、粉末層３２の状態の変化を敏感に示すものとは言えないからである。
【００２８】
本実施形態の三次元積層造形装置１００は、図１に示すように、造形部３００に電子検出器７２を有する。電子検出器７２は、粉末層３２に対する電子ビームＥＢの入射側であって、粉末層３２の表面から放出される電子を検出する位置に設置される。すなわち、電子検出器７２は、造形部３００と結合されるカラム部２００の下部と干渉しない位置に配置される。例えば、電子検出器７２は、造形部３００の側壁などに取り付けてもよい。
また、電子検出器７２は、電子検出器７２の検出面が粉末層３２の表面３３の照射位置側を向いており、その電子検出器７２と照射位置とを結ぶ直線が電子ビームＥＢの入射方向（Ｚ方向）に対して４５°〜８０°の角度であるように設置されるのが望ましい。
【００２９】
電子検出器７２は、粉末層３２に入射された電子ビームＥＢが、粉末層３２の表面３３近くで散乱されて、真空中の所定の方向に放出される電子を検出する。電子検出器７２は、真空中の所定の方向に放出されて、電子検出器７２の近くに到達する電子の強度（単位時間に到達する電子数）を、電流信号の大きさ（検出信号の強度）に変換して検出する半導体検出器であってよい。また、電子検出器７２は、電子検出器７２の近くに到達する電子を増幅して検出する電子増倍管であってもよい。電子検出器７２は、検出した電子の強度に比例する強度の検出信号を制御部４００に伝達する。
【００３０】
制御部４００が備える溶融判断部４１０は、電子検出器７２の検出信号をもとに粉末層３２の溶融結合を判断する。制御部４００が備える偏向制御部４２０は、溶融判断部４１０による判断結果を受けて、電子ビームＥＢの照射条件を制御する。
【００３１】
以下、三次元積層造形装置１００の電子ビームの照射動作と共に、電子検出器７２、溶融判断部４１０、および偏向制御部４２０の動作について説明する。
【００３２】
図２は、粉末層３２の表面３３における電子ビームの照射動作の例を示す。図中の符号ＥＢで示されている領域は、電子ビームＥＢのショット（一度に照射される領域）を示す。すなわち、図示のショットは表面３３の位置に結像された電子ビームＥＢの像のサイズに相当する。このショットの大きさ（ショットサイズ）は、粉末層３２を構成する原料粉末のサイズと同程度、または原料粉末のサイズより小さく設定される。ここで原料粉末のサイズとは、原料粉末が金属粒子の１次粒子のみで構成されている場合にはその金属粒子の粒子サイズを意味し、原料粉末が複数の金属粒子が凝集した二次粒子によって構成されている場合にはその二次粒子の粒子サイズを意味するものとする。照射範囲Ａ１,Ａ２・・などは、電子ビームＥＢによって略同時に照射されて溶融される範囲を示す。即ち、本実施形態においては電子ビームＥＢを連続的に照射しながら、例えば照射範囲Ａ１を、照射時間Ｔｅｘｐの間、照射範囲Ａ１内の破線で示すように、塗りつぶすように照射して溶融させる。電子ビームＥＢは、照射範囲Ａ１を溶融させたら、次の照射範囲Ａ２に移動する。このような照射範囲毎の照射を繰り返すことで三次元積層造形装置１００は、粉末層３２の表面３３で溶融される照射範囲を、照射速度Ｖｅｘｐで広げていく。なお、照射時間Ｔｅｘｐと照射速度Ｖｅｘｐとは、反比例の関係にあり、照射時間Ｔｅｘｐまたは照射速度Ｖｅｘｐの一方を与えると他方も決まる。
【００３３】
図３は、（Ａ）粉末層３２が溶融される前、および（Ｂ）粉末層３２が完全に溶融されて下層の構造物３６と結合したときの粉末層３２の状態を模式的に示す図である。図２に示す動作によって、電子ビームＥＢが照射範囲Ａ１を照射する例を示す。図２およびこれ以降の図面において、図１と同じ部材には同じ符号を付して、重複した説明を省略する。
【００３４】
照射範囲に含まれる粉末層３２は、完全に溶融される前には、少なくともその一部に、金属材料の微粒子が粒子形状を保ちながら集積する状態にある。この状態における粉末層３２の表面３３は、微粒子で構成されていることによる凹凸を有する。また、粉末層３２に含まれる微粒子間には隙間が存在する。
【００３５】
図３（Ａ）に示す粉末層３２の状態で電子ビームＥＢを照射すると、粉末層３２の表面から放出される電子の強度は、照射範囲Ａ１を照射する電子ビームＥＢの照射位置に応じて変化する。電子ビームＥＢのショットサイズが、粉末層３２を構成する金属微粒子のサイズ以下の大きさであるとき、放出される電子の強度は、粉末層３２の表面の凹凸構造や微粒子間の隙間を反映したものになるためである。
【００３６】
一方、図３（Ｂ）に示すように、粉末層３２が完全に溶融されて下層の構造物３６と結合したときには、断面層３５は、真空との間に滑らかな表面を有する。この状態で照射範囲Ａ１に電子ビームＥＢを照射すると、断面層３５の表面から放出される電子の強度は、電子ビームＥＢの照射位置に依らず略一定となる。断面層３５の表面は、電子ビームＥＢのショットサイズ程度の大きさの凹凸構造を持たないからである。
【００３７】
即ち、電子検出器７２で検出される電子の信号は、図３（Ａ）の状態では、照射範囲Ａ１における電子ビームＥＢの照射位置に依存して、検出信号の強度に差が発生し、図３（Ｂ）の状態では、照射範囲Ａ１における照射位置の違いによって、検出信号の強度にほとんど差がない。
【００３８】
図４は、例えば図３（Ａ）の状態において、電子ビームＥＢの照射位置と電子検出器７２の検出信号強度との関係の例を示す図である。照射範囲Ａ１内で電子ビームＥＢの照射位置を変えたとき、電子検出器７２の検出信号強度は、粉末層３２の表面の凹凸構造や微粒子間の隙間を反映して変動する。この場合、電子検出器７２の検出信号強度差は、照射範囲内で電子ビームの照射位置を変えたときに、電子検出器７２で測定される、この信号強度の変動幅を言う。
【００３９】
図５は、電子ビームＥＢの照射時間と電子検出器７２の検出信号強度差との関係の例を示すグラフである。横軸は、電子ビームＥＢがそれぞれの照射範囲を照射する照射時間Ｔｅｘｐを示す。照射時間Ｔｅｘｐは照射速度Ｖｅｘｐと反比例しているため、図５の横軸が増加する方向は、電子ビームＥＢの照射速度Ｖｅｘｐを減らす方向に対応する。縦軸は、照射範囲で電子ビームＥＢの照射位置を変えたとき、検出信号強度の最大値と最小値との強度差を示す。縦軸の検出信号強度差は、図４に示された変動幅に相当する。
【００４０】
図５は、照射時間Ｔｅｘｐを増やしていくと、照射範囲における電子検出器７２の検出信号強度が、照射位置に依存して強度差がある状態から、ほとんど強度差がない状態（検出信号強度差が０に近い状態）へと、不連続に変化すること示している。この不連続な変化は、照射範囲の粉末層３２が、図３（Ａ）に示す、溶融される前の微粒子を含んでいる状態から、図３（Ｂ）に示す、溶融されて下層の構造物３６と一体に結合した断面層３５の状態へと変化することに対応する。
【００４１】
図５に示すように、照射範囲における検出信号強度差が、予め決めた基準値Δに入ると、それから一定時間δｔ後には、粉末層３２はいつも同じような溶融状態になっていると考えられる。三次元積層造形装置１００は、電子検出器７２によって測定される検出信号強度差に対して、基準値Δと時間δｔとを適切に設定することにより、電子ビームＥＢの照射によって照射範囲の粉末層３２が完全に溶融して断面層３５となる状態を決定する。
【００４２】
図５において、矢印で示された照射時間（溶融信号発生と記した照射時間）は、この時点の照射時間を表す。矢印で示された照射時間には、電子ビームＥＢの照射範囲の粉末層３２は、滑らかな表面を有する断面層３５に移行している。
【００４３】
本実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、照射範囲Ａ１，Ａ２・・のそれぞれにおいて、電子検出器７２の検出信号強度差を測定する。三次元積層造形装置１００は、電子ビームＥＢの照射時間Ｔｅｘｐを増やしながら、照射範囲における検出信号強度差を測定して、図５の矢印で示す照射時間を検出する。または、三次元積層造形装置１００は、照射速度Ｖｅｘｐを下げながら電子検出器７２の検出信号強度差を測定して、図５の矢印で示す照射速度を検出してもよい。
【００４４】
図６は、制御部４００の一部である溶融判断部４１０および偏向出力部４２０の構成を示す。溶融判断部４１０は、電子検出器７２の検出信号を受け取る。
【００４５】
溶融判断部４１０は、電子ビームＥＢが粉末層３２の照射範囲Ａ１，Ａ２・・（図２参照）のそれぞれを、電子ビームＥＢで一度塗りつぶすように照射する間に、電子検出器７２の検出信号強度差（即ち、一度塗りつぶす照射をする間の検出信号の最大値−最小値の値）を測定する。溶融判断部４１０は、照射時間Ｔｅｘｐを増やしながら上記の検出信号強度差を測定する。溶融判断部４１０は、検出信号強度差が所定の基準値Δ以下になった照射時間を決定し、そこから一定の時間δｔ後に溶融信号を発生する。溶融判断部４１０は、発生した溶融信号を、偏向制御部４２０に出力する。
【００４６】
尚、溶融判断部４１０は、照射時間Ｔｅｘｐを増やしながら検出信号の強度差を測定するのに代えて、照射速度Ｖｅｘｐを減らしながら検出信号強度差を測定して、溶融信号を発生してもよい。
【００４７】
偏向出力部４２０は、当該溶融信号を受けて、次の照射範囲に電子ビームを偏向するための偏向データを偏向器１４に出力する。これにより本実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、粉末層３２の照射範囲ごとに、粉末層３２の溶融結合を検出しながら、電子ビームの照射範囲を広げてゆく。
【００４８】
図７は、上記構成を有する三次元積層造形装置１００の積層造形方法を示す動作フローの例を示す。
【００４９】
三次元積層造形装置１００は、試料供給部３４から金属材料の粉末を供給する（Ｓ５１０）。三次元積層造形装置１００は、ステージ５２の上面と略平行に平坦化された粉末層３２を供給する。
【００５０】
三次元積層造形装置１００は、ステージ５２の高さを調整する（Ｓ５２０）。三次元積層造形装置１００は、新たに供給された粉末層３２の表面３３の高さが、予め決められた電子ビームの照射面の高さと一致するように、ステージ５２のＺ軸方向の高さを調整する。
【００５１】
三次元積層造形装置１００は、三次元構造物３６の造形データに基づき、偏向出力部４２０によって偏向器１４に偏向データを出力し、粉末層３２の表面３３の照射範囲を設定する（Ｓ５３０）。
【００５２】
三次元積層造形装置１００は、当該照射範囲へ電子ビームを照射しながら、電子検出器７２による計測を実施して、溶融判断部４１０に計測結果を出力する。溶融判断部４１０は、電子検出器７２の検出信号強度差の計測結果をもとに、当該照射範囲に対する溶融信号を発生する。三次元積層造形装置１００は、溶融信号が発生されるまで、当該照射範囲への照射動作を継続する（Ｓ５４０）。
【００５３】
三次元積層造形装置１００は、ステップＳ５４０で照射する粉末層３２と同一の層内のすべての溶融動作が完了したかどうかを判断する（Ｓ５５０）。
【００５４】
三次元積層造形装置１００は、粉末層３２と同一の層内のすべての溶融動作が完了していなければ（Ｓ５５０：Ｎｏ）、偏向器１４によって電子ビームを偏向して、新しい照射範囲に対する電子ビームの照射動作を行う（Ｓ５３０〜Ｓ５４０）。粉末層３２と同一の層内のすべての溶融動作が完了していれば（Ｓ５５０：Ｙｅｓ）、三次元積層造形装置１００は、三次元構造物３６を形成する全ての断面層３５の積層を完了したか否かを判断する（Ｓ５６０）。
【００５５】
すべての積層が完了していない場合（Ｓ５６０；Ｎｏ）、三次元積層造形装置１００は、新たな粉末層３２を供給（Ｓ５１０）し、次の粉末層３２に対する積層造形動作（Ｓ５２０〜Ｓ５５０）を実施する。すべての積層が完了している場合（Ｓ５６０；Ｙｅｓ）、三次元積層造形装置１００は、三次元構造物３６に対する積層造形動作を完了する。
【００５６】
図７の動作フローの例に示す積層造形方法を実施することによって、三次元積層造形装置１００は、全ての粉末層３２の全ての照射範囲ごとに、粉末層３２の溶融結合を検出しながら断面層３５を積層する。
以上のように、本実施形態に係る三次元積層造形装置１００によれば粉末層３２を確実に溶融結合するための照射条件を装置自身で決定しながら、電子ビームＥＢの照射して三次元構造物の造形を行うことができる。
（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る三次元積層造形装置１００の電子検出器７２の配置を示す。第２の実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、電子ビームＥＢの照射位置を取り囲むように、異なる位置に配置され複数の電子検出器７２を有する。それぞれの電子検出器７２は、断面層３５の電子ビームＥＢの照射位置に対して、異なる方向に放出される電子の強度を検出する。
【００５７】
即ち、図８の例では、４個の電子検出器７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，および７２ｄが、断面層３５の表面３３における電子ビームＥＢの照射位置から略等距離の位置に、照射位置を取り囲むように配置されている。４個の電子検出器７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，および７２ｄは、電子ビームＥＢの照射位置を原点とする座標系で表したとき、Ｚ軸方向とは略等しい角度θを有し、Ｚ軸回りには略等しい角度間隔を有する４方向に配置されている。
【００５８】
電子検出器７２ａおよび７２ｃは、Ｚ軸を挟んで、Ｘ軸方向に対向して配置されている。電子検出器７２ｂおよび７２ｄは、Ｚ軸を挟んで、Ｙ軸方向に対向して配置されている。電子検出器７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，および７２ｄは、電子ビームＥＢの照射範囲の粉末層３２から放出されて、それぞれの電子検出器７２に向かう電子を検出する。
【００５９】
粉末層３２が完全に溶融されずに、粉末層３２の表面３３に凸凹構造や隙間構造がある場合（図３（Ａ）参照）、断面層３５から放出される電子の強度は放出方向に応じて変化する。粉末層３２から放出される電子は、表面３３状態の影響を受けて、方向によって放出されやすかったり放出されにくかったりするからである。このとき、Ｚ軸を挟んで、Ｘ軸方向に対向する電子検出器７２ａと７２ｃ、又はＹ軸方向に対向する電子検出器７２ｂと７２ｄの検出信号は、異なる強度の信号を検出する。
【００６０】
電子ビームＥＢの照射範囲の粉末層３２が完全に溶融されて、滑らかな表面３３を持つ均一な断面層３５になっている場合（図３（Ｂ）参照）、そのような断面層３５から放出される電子は、Ｚ軸まわりに均一に放出される。このとき、電子検出器７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，および７２ｄは、略等しい強度の信号を検出する。
【００６１】
以上の場合、電子検出器の検出信号強度差は、電子ビーム照射位置に対して、異なる方向に配置された複数の電子検出器７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，および７２ｄの検出信号の強度差を言う。
【００６２】
尚、検出方向によって信号強度の違いを検出する電子検出器７２の数は、４個に限る必要はなく、より多くの電子検出器７２を、断面層３５の電子ビームＥＢの照射位置のまわりに配置してよい。この場合も、複数の電子検出器７２は、Ｚ軸方向とは略等しい角度であって、Ｚ軸回りには略等しい角度間隔で配置されていることが望ましい。
【００６３】
図９は、Ｚ軸を挟んで互いに対向する電子検出器の検出信号強度差を示す。図５と同様に、図９においても、照射時間Ｔｅｘｐを増やしていくと、対向する電子検出器の検出信号強度は、差がある状態から、ほとんど差がない状態へと、不連続に変化する。この不連続な変化は、粉末層３２が、図３（Ａ）に示された、溶融される前の微粒子を含んでいる状態から、図３（Ｂ）に示された、溶融されて下層の構造物３６と一体に結合した断面層３５の状態へと変化することに対応する。
【００６４】
溶融判断部４１０は、Ｚ軸を挟んで互いに対向する電子検出器の検出信号強度差が所定の基準値Δ以下になった照射時間を決定し、そこから一定の時間δｔ後に溶融信号を発生する。偏向出力部４２０は、当該溶融信号を受けて、次の照射範囲に電子ビームを偏向するための偏向データを偏向器１４に出力する。
【００６５】
以上のように、第２の実施形態に係る三次元積層造形装置１００は、粉末層３２の照射範囲ごとに、粉末層３２の溶融結合を検出しながら、電子ビームの照射範囲を広げてゆくことができる。
【００６６】
以上は、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００６７】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現し得ることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００６８】
１２…電子源、１３…電子レンズ、１４…偏向器、３１…粉末、３２…粉末層、３３…表面、３４…粉末供給部、３５…断面層、３６…三次元構造物、５２…ステージ、５３…側壁部、５４…駆動部、５５…駆動棒、５６…排気ユニット、７１…放射温度計、７２，７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ…電子検出器、１００…三次元積層造形装置、２００…カラム部、３００…造形部、４００…制御部、４１０…溶融判断部、４２０…偏向制御部。
【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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