(57)【要約】【課題】金属粉末を予熱する装置の配線を外さなくても、造形枠を取り出すことができる３次元積層造形装置を提供する。【解決手段】３次元積層造形装置１は、ステージ１２と、造形枠１１と、粉末供給部８と、電子銃１０と、ステージ移動機構９と、加熱炉１４と、枠支持部１３Ａ，１３Ｂとを備える。ステージ１２は、造形枠１１に鉛直方向へ移動可能に嵌合される。粉末供給部８は、ステージ１２に金属粉末Ｍを供給する。電子銃１０は、ステージ１２に敷き詰められた金属粉末Ｍに用電子ビームＬを照射する。ステージ移動機構９は、ステージ１２を鉛直方向に移動させる。加熱炉１４は、造形枠１１の外面に対向して配置され、造形枠１１を温める発熱部３２を有している。枠支持部１３Ａ，１３Ｂは、造形枠１１を着脱可能に支持する。【選択図】図１
2015183245.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形物を形成するための粉末試料が敷き詰められるステージと、
前記ステージが鉛直方向へ移動可能に嵌合される造形枠と、
前記ステージに前記粉末試料を供給する粉末供給部と、
前記ステージに敷き詰められた前記粉末試料に高エネルギービームを照射するビーム照射部と、
前記ステージを鉛直方向に移動させるステージ移動機構と、
前記造形枠の側部に対向して配置され、前記造形枠を温める発熱部を有する加熱炉と、
前記造形枠を着脱可能に支持する枠支持部と、を備える
３次元積層造形装置。
【請求項２】
前記加熱炉は、前記枠支持部と前記造形枠との間に配置されており、前記造形枠を覆う筒状に形成されている
請求項１に記載の３次元積層造形装置。
【請求項３】
前記造形枠の内面に前記粉末試料と反応し難い材料からなるコーティングを施した
請求項１又は２に記載の３次元積層造形装置。
【請求項４】
前記加熱炉は、前記造形枠の側部を覆う筒状に形成されており、前記造形枠を出し入れするための扉を有する
請求項１〜３のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
【請求項５】
前記発熱部の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部の検出結果に基づいて、前記発熱部の温度を制御する制御部と、備える
請求項１〜４のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
【請求項６】
前記発熱部は、鉛直方向に並んで配置された複数のヒータから構成され、
前記温度検出部は、少なくとも２つ以上のヒータの温度を検出し、
前記制御部は、前記温度検出部の検出結果に基づいて、各ヒータの温度を制御する
請求項５に記載の３次元積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末試料を薄く敷いた層を一層ずつ重ねて造形する３次元積層造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、粉末試料を薄く敷いた層（以下「粉末層」と表記する）を一層ずつ重ねて造形する３次元積層造形技術が脚光を浴びており、粉末試料の材料や造形手法の違いにより多くの種類の３次元積層造形技術が開発されている（例えば特許文献１を参照）。
【０００３】
図６は、従来技術に係る電子ビームを用いた３次元積層造形装置の概略断面図である。図６において、３次元積層造形装置３００のステージ３０５の移動方向（鉛直方向）をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な第１の方向をＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向に垂直な第２の方向をＹ方向とする。
【０００４】
３次元積層造形装置３００は、金属粉末３０７が充填された線状漏斗３０８を備え、金属粉末３０７を粉末台であるステージ３０５の上面に一層毎に敷き詰める。次に、ステージ３０５上に敷き詰められた金属粉末３０７に対し、造形物３１０の一断面に相当する二次元構造部だけを電子ビームで溶融、凝固させる。そして、その金属粉末３０７の層を一層ずつ高さ方向（Ｚ方向）に積み重ねることにより造形物３１０を形成する。
【０００５】
図６に示すように、３次元積層造形装置３００は、真空容器３０１を備えている。真空容器３０１内の雰囲気が図示していない真空ポンプにより排気されることで、真空容器３０１内は真空に維持されている。真空容器３０１の上部には電子銃３０２が装着されており、真空容器３０１の内部には筒状の造形枠台３０３が設けられている。
【０００６】
造形枠台３０３の中央部にはピット３０３ｐが形成されており、ピット３０３ｐの下方にはＺ駆動機構３０４が設けられている。金属粉末３０７は、溶融する際に予熱することで、鋳造では得られない結晶性の良い機械的特性が優れた造形物３１０を構築することができる。
【０００７】
Ｚ駆動機構３０４は、ステージ３０５の下面に接続したＺ軸部３０５ｄをＺ方向に移動させる。また、ステージ３０５の側端部には、耐熱性及び柔軟性のあるシール部材３０６が設けられており、シール部材３０６は、造形枠台３０３の内面と摺動可能に接触しており、且つ、ステージ３０５の上方の空間とステージ３０５の下方の空間がそれぞれ密閉された空間として形成されている。
【０００８】
３次元積層造形装置３００による造形の開始時には、電子ビーム照射により、ステージ３０５及びその周囲の雰囲気が余熱される。次に、Ｚ駆動機構３０４により、ステージ３０５が、造形枠台３０３の上面よりＺ方向にΔＺ分下がった位置に配置される。このステージ３０５のＺ方向への動きは、シール部材３０６が造形枠台３０３の内面を滑ることにより実現される。
【０００９】
そして、金属粉末３０７を充填した線状漏斗３０８が、造形枠台３０３の上面（図６の左側）に沿ってステージ３０５を挟んで反対側にある造形枠台３０３の上面（図６の右側）に移動する。線状漏斗３０８の排出口は、当該線状漏斗３０８の移動方向（Ｘ方向）に垂直な方向（Ｙ方向）に延在し、厚さΔＺ分の金属粉末３０７が、移動方向の中心から所定幅でステージ３０５に敷き詰められる。
【００１０】
次に、予め準備された設計上の造形物３１０をΔＺ間隔でスライスした２次元形状に従い、金属粉末３０７に対して電子銃３０２から電子ビームが出射される。電子銃３０２から出射された電子ビームにより、その２次元形状に対応する金属粉末３０７が溶融する。溶融した金属粉末３０７は、材料に応じた所定時間が経過すると凝固する。１層分の金属粉末３０７が溶融及び凝固した後、Ｚ駆動機構３０４によりステージ３０５をΔＺ分下げる。
【００１１】
次に、ΔＺ分の金属粉末３０７を直前に敷き詰められた粉末層（下層）の上に敷き詰める。そして、新たに敷き詰められた粉末層に相当する２次元形状に対応する領域の金属粉末３０７に電子ビームを照射し、金属粉末３０７を溶融及び凝固させる。この一連の処理を繰り返し、溶融及び凝固した金属粉末３０７の層を積み重ねることにより造形物３１０が構築される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−１５２２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、造形物が大きい場合は、造形物を安定した姿勢で取り出すために、造形物を造形枠台と一緒に取り出すことが行われる。しかしながら、図６に示すような従来の３次元積層造形装置の造形枠台に、金属粉末３０７を予熱する装置を設けると、その装置の配線を外す必要があり、造形物３１０の取り出し作業が煩雑になってしまう。
【００１４】
本発明は、このような従来技術に鑑みてなされたものであり、金属粉末を予熱する装置の配線を外さなくても、造形枠を取り出すことができる３次元積層造形装置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】
【００１５】
上述した目的を達成するため、本発明の３次元積層造形装置は、ステージと、造形枠と、粉末供給部と、ビーム照射部と、ステージ移動機構と、加熱炉と、枠支持部とを備えている。ステージは、造形枠に鉛直方向へ移動可能に嵌合される。粉末供給部は、ステージに粉末試料を供給し、これにより、ステージには、造形物を形成するための粉末試料が敷き詰められる。ビーム照射部は、ステージに敷き詰められた粉末試料に高エネルギービームを照射する。ステージ移動機構は、ステージを鉛直方向に移動させる。加熱炉は、造形枠の外面に対向して配置され、造形枠を温める発熱部を有している。枠支持部は、造形枠を着脱可能に支持する。
【００１６】
上記構成の３次元積層造形装置では、加熱炉の発熱部が造形枠を温めるため、造形枠に嵌合されたステージ上の粉末試料を予熱することができる。また、加熱炉は造形枠の外面に対向して配置されているため、加熱炉と造形枠とは別体に設けられている。そして、造形枠は、枠支持部に着脱可能に支持されているため、加熱炉を移動させずに枠支持部から取り外すことができる。その結果、加熱炉における発熱部の配線を外さなくても、造形枠を取り出すことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の３次元積層造形装置によれば、発熱部の配線を外さなくても、造形枠を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る３次元積層造形装置を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る３次元積層造形装置の加熱炉における扉の開閉を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る３次元積層造形装置の制御系を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る３次元積層造形装置を模式的に示す説明図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る３次元積層造形装置の制御系を示すブロック図である。
【図６】従来技術に係る３次元積層造形装置を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態の例について、添付図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通の構成要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００２０】
＜１．第１の実施の形態＞
［３次元積層造形装置の構成］
まず、本発明の第１の実施の形態に係る３次元積層造形装置の構成について、図１を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る３次元積層造形装置を模式的に示す説明図である。
【００２１】
図１に示す３次元積層造形装置１は、例えば、チタン、アルミニウム、鉄等の金属粉末からなる粉末試料に電子ビームを照射して粉末試料を溶融させ、この粉末試料が凝固した層を積み重ねて立体物を造形する装置である。
【００２２】
３次元積層造形装置１は、造形装置本体２と、造形制御装置３（図３参照）とを備えている。そして、造形装置本体２は、中空の真空容器５と、真空容器５を支持する土台６と、粉末積層ユニット７と、粉末供給部８と、ステージ移動機構９と、電子銃１０とを備えている。電子銃１０は、本発明に係るビーム照射部の一具体例を示す。
【００２３】
真空容器５は、土台６の上部に配置されており、中空の箱状に形成されている。この真空容器５には、不図示の真空ポンプが接続されている。そして、真空容器５内の雰囲気が真空ポンプにより排気されることで、真空容器５内は、真空に維持されている。この真空容器５内には、粉末積層ユニット７と、粉末供給部８が配置されている。
【００２４】
粉末積層ユニット７は、造形枠１１と、ステージ１２と、枠支持部１３Ａ，１３Ｂと、加熱炉１４とを備えている。造形枠１１は、四角形の角筒状に形成された筒部２１と、筒部２１の軸方向の一端に設けられた鍔部２２Ａ，２２Ｂと、筒部２１の軸方向の他端に設けられたストッパ２３Ａ，２３Ｂとを有している。
【００２５】
造形枠１１は、筒部２１の軸方向が鉛直方向と略平行になる姿勢で配置されている。
なお、図１において、鉛直方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な第１の方向をＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向に垂直な第２の方向をＹ方向とする。
【００２６】
鍔部２２Ａ，２２Ｂは、筒部２１の上端に設けられており、筒部２１のＸ方向で対向する２辺にそれぞれ連続している。この鍔部２２Ａ，２２Ｂは、筒部２１の外側に向かって突出しており、水平方向に延びている。鍔部２２Ａ，２２Ｂは、枠支持部１３Ａ，１３Ｂに載置される。
【００２７】
なお、本発明に係る鍔部は、筒部の上端における４辺のうちの少なくとも２辺に形成されていればよい。本実施形態では、加熱炉１４に後述する扉３８（図２参照）を設けるため、扉３８に対向する位置に枠支持部を配置することが困難になる。したがって、鍔部は、筒部２１の上端における２辺又は３辺に形成することが好ましい。
【００２８】
ストッパ２３Ａ，２３Ｂは、筒部２１の下端に設けられており、筒部２１のＸ方向で対向する２辺にそれぞれ連続している。このストッパ２３Ａ，２３Ｂは、筒部２１の内側に向かって突出しており、水平方向に延びている。ストッパ２３Ａ，２３Ｂは、ステージ１２の下方への移動を係止する。
なお、本発明に係るストッパは、筒部２１の下端における４辺のうちの少なくとも１辺に形成されていればよい。また、本発明に係るストッパは、筒部２１の内面に設けてもよい。
【００２９】
筒部２１の内面には、コーティングが施されている。このコーティングの材料としては、金属粉末Ｍと反応し難くいものがよく、例えば、ジルコニアを挙げることができる。また、金属粉末Ｍよりも高い融点の金属、例えば、タングステン、タンタル等も金属粉末Ｍと反応し難いため、好ましい。このようなコーティングを施すことにより、金属粉末Ｍが筒部２１（造形枠１１）に焼結しないようにすることができる。なお、筒部２１に施すコーティングとしては、シート状の金属を貼り付けることも含む。
【００３０】
筒部２１の外面は、造形枠１１の側部を形成している。筒部２１の角柱状の筒孔は、ピット２１ａを形成している。このピット２１ａには、ステージ１２及びステージ移動機構９が配置されている。ステージ１２は、造形物Ｐを形成するための金属粉末Ｍが積層される粉末台である。このステージ１２は、四角形の略平板状に形成されており、造形枠１１の筒部２１に移動可能に嵌合されている。
【００３１】
ステージ１２の側端部には、耐熱性及び柔軟性のあるシール部材２５が設けられている。シール部材２５は、筒部２１の内壁面（ピット２１ａの壁面）に摺動可能に接触している。そして、シール部材２５により、ステージ１２における鉛直方向の下方の空間と上方の空間がそれぞれ密閉された空間として形成されている。また、ステージ１２における金属粉末Ｍが積層される一面（上面）と反対側の他面（下面）には、ステージ移動機構９の後述する連結ブロック４６が着脱可能に連結されている。
【００３２】
枠支持部１３Ａ，１３Ｂは、真空容器５内の底部に固定されており、造形枠１１を挟んでＸ方向で対向している。枠支持部１３Ａ，１３Ｂは、側面形状が略Ｌ字状に形成されている。これら枠支持部１３Ａ，１３Ｂの上部には、造形枠１１の鍔部２２Ａ，２２Ｂが載置される。これにより、枠支持部１３Ａ，１３Ｂは、造形枠１１を着脱可能に支持している。
【００３３】
鍔部２２Ａ，２２Ｂの先端部は折れ曲がっており、枠支持部１３Ａ，１３Ｂにおける造形枠１１と反対側の側面に接触している。これにより、造形枠１１は、枠支持部１３Ａ，１３Ｂに対して位置決めされる。
なお、本発明に係る枠支持部としては、鍔部２２Ａ，２２Ｂに係合して造形枠１１の位置決めを行う位置決め片を有していてもよい。
【００３４】
枠支持部１３Ａ，１３Ｂにおける造形枠１１と反対側の側面には、金属粉末Ｍを回収する回収部２７Ａ，２７Ｂが設けられている。この回収部２７Ａ，２７Ｂには、ステージ１２へ余分に供給された金属粉末Ｍが収容される。
【００３５】
加熱炉１４は、造形枠１１の筒部２１と枠支持部１３Ａ，１３Ｂとの間に配置されている。この加熱炉１４は、造形枠１１の筒部２１を覆う角筒状に形成された炉ベース３１と、炉ベース３１に設けられた発熱部３２とを有している。炉ベース３１の軸方向は、Ｚ方向（鉛直方向）と略平行になっており、断熱材３３を介して真空容器５内の底部に固定されている。この炉ベース３１の材料としては、例えば、耐火レンガを挙げることができる。
【００３６】
発熱部３２は、複数のヒータ３４から構成されている。複数のヒータ３４は、炉ベース３１の内面（造形枠１１側の面）に配置されており、Ｚ方向に適当な間隔を空けて並べられている。また、炉ベース３１には、複数のヒータ３４の温度を測定する３つの温度センサ３５ａ，３５ｂ，３５ｃが設けられている。温度センサ３５ａ，３５ｂ，３５ｃは、本発明に係る温度検出部の一具体例を示すものである。
【００３７】
温度センサ３５ａは、複数のヒータ３４の内の最上部に配置されたヒータ３４ａ近傍の温度を測定し、温度センサ３５ｂは、複数のヒータ３４の内のＺ方向の中間部に配置されたヒータ３４ｂ近傍の温度を測定する。そして、温度センサ３５ｃは、複数のヒータ３４のうちの最下部に配置されたヒータ３４ｃ近傍の温度を測定する。３つの温度センサ３５ａ，３５ｂ，３５ｃの測定結果は、造形制御装置３（図３参照）に送られる。
【００３８】
図２は、加熱炉１４における扉の開閉を示す断面図である。
図２に示すように、加熱炉１４の炉ベース３１は、水平方向の断面形状がコ字状のキャビネット３７と、キャビネット３７の開口された側面を開閉する扉３８とを有している。
【００３９】
キャビネット３７は、枠支持部１３Ａ，１３Ｂに対向する２つの側壁と、これら２つの側壁に連続する１つの側壁から構成されている。扉３８は、ヒンジ３９を用いてキャビネット３７に対して回動可能に取り付けられている。扉３８には、複数のヒータ３４のうちの一部のヒータが設けられている・
【００４０】
扉３８を閉じると、キャビネット３７及び扉３８（炉ベース３１）が造形枠１１の筒部２１を覆う。これにより、扉３８に設けられた複数のヒータ３４が造形枠１１の筒部２１に対向する。また、扉３８が開くと、キャビネット３７の開口された側面が露出され、その開口から造形枠１１が露出される。これにより、造形枠１１を粉末積層ユニット７から簡単に取り出すことができる。
【００４１】
加熱炉１４の上部と造形枠１１の鍔部２２Ａ，２２Ｂとの間には、造形枠１１を保持する工具を挿入可能な間隙が形成されている（図１参照）。これにより、工具で造形枠１１を簡単に保持することができる。
【００４２】
図１に示すように、ステージ移動機構９は、モータ４１Ａ，４１Ｂと、ボールねじ４２Ａ，４２Ｂと、スライドブロック４３と、アーム４４Ａ，４４Ｂと、アーム固定ブロック４５と、連結ブロック４６とを有している。
【００４３】
モータ４１Ａ，４１Ｂは、土台６の内部に設けられたモータ固定部５１に固定されている。これらモータ４１Ａ，４１Ｂとしては、例えば、ステッピングモータを適用することができる。ボールねじ４２Ａ，４２Ｂは、モータ４１Ａ，４１Ｂの回転軸に固定されている。これらボールねじ４２Ａ，４２Ｂのモータ４１Ａ，４１Ｂの回転軸側と反対側の端部は、土台６の内部に設けられたねじ固定部５２Ａ，５２Ｂに回転可能に固定されている。
【００４４】
スライドブロック４３は、ボールねじ４２Ａ，４２Ｂに螺合されるナットと、ナットとボールねじ４２Ａ，４２Ｂとの間に介在されるボールと有している。ボールねじ４２Ａ，４２Ｂがモータ４１Ａ，４１Ｂの駆動力により回転すると、スライドブロック４３は、ボールねじ４２Ａ，４２Ｂに沿って（Ｚ方向へ）移動する。
【００４５】
アーム４４Ａ，４４Ｂは、円柱状に形成されており、土台６の上部及び真空容器５の下部を貫通している。アーム４４Ａ，４４Ｂの軸方向の一端は、スライドブロック４３に固定されており、他端は、真空容器５内に配置されたアーム固定ブロック４５に固定されている。
【００４６】
また、土台６の上部及び真空容器５の下部には、それぞれ貫通孔が設けられている。そして、土台６の上部に設けた貫通孔には、アーム４４Ａ，４４Ｂを移動可能に貫通させると共に、真空容器５内を密閉する封止部材５３Ａ，５３Ｂが取り付けられている。
【００４７】
連結ブロック４６は、アーム固定ブロック４５に固定されている。この連結ブロック４６は、ステージ１２の下面に着脱可能に連結されている。ステージ１２から連結ブロック４６を外すことにより、造形枠１１と一緒にステージ１２を粉末積層ユニット７から取り外すことができる。
【００４８】
本実施形態では、ステージ移動機構９として、ボールねじ４２Ａ，４２Ｂを用いたボールねじ機構を採用した。しかしながら、本発明に係るステージ移動機構としては、例えば、送りねじ機構、ラックアンドピニオン機構、ベルト機構、直動モータを用いた機構など種々の機構を採用することができる。
【００４９】
粉末供給部８は、造形枠１１におけるＺ方向（鉛直方向）の上方に配置されている。粉末供給部８には、真空容器５の上部に設けられた金属粉末貯蔵部４０から金属粉末Ｍが供給される。粉末供給部８は、Ｚ方向の下方に設けた排出口から金属粉末Ｍを排出し、ステージ１２の一面に金属粉末Ｍを敷き詰める。また、粉末供給部８は、ステージ１２の一面に供給された金属粉末Ｍを平らに均す均し板（不図示）を有している。
【００５０】
なお、ステージ１２の一面に金属粉末Ｍを供給する機構は、上述したものに限定されるものではない。例えば、予め真空容器５内に供給された金属粉末Ｍを平板状のアーム部材を介して、ステージ１２まで搬送し、ステージ１２の一面に金属粉末Ｍを敷き詰める機構を採用してもよい。
【００５１】
電子銃１０は、真空容器５の鉛直方向の上部に装着されている。電子銃１０は、真空容器５のＺ方向の上部において、ステージ１２の一面に対向して配置される。電子銃１０から出射される溶融用電子ビームＬの出力値と。電子銃１０が溶融用電子ビームＬを照射する位置は、後述の電子銃駆動制御部６７によって決定される。
【００５２】
次に、３次元積層造形装置１の制御系について、図３を参照して説明する。
図３は、第１の実施の形態に係る３次元積層造形装置の制御系を示すブロック図である。
【００５３】
図３に示すように、３次元積層造形装置１の造形制御装置３は、造形装置本体２と電気的に接続されている。造形制御装置３は、通信インターフェース（図２では「通信Ｉ／Ｆ」と表記する）６１、ＲＯＭ（Read Only Memory）６２、ＲＡＭ（Random Access Memory）６３、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６４を備える。さらに、造形制御装置３は、ステージ移動機構制御部６５、粉末供給部駆動制御部６６、電子銃駆動制御部６７、ヒータ駆動制御部６８を備える。
【００５４】
通信インターフェース６１は、図示しない通信ネットワークを介して、所定の形式に従った情報の送受信を行なうインターフェースである。例えば、通信インターフェース６１としてシリアルインターフェースが適用される。
【００５５】
ＲＯＭ６２は、ＣＰＵ６４が実行する造形プログラムや造形物Ｐのパラメータ等を記憶する不揮発性の記憶部である。ＲＡＭ６３は、データを一時的に記憶する揮発性の記憶部であり、作業領域として使用される。なお、ＲＯＭ６２に記憶される造形プログラムや造形物Ｐのパラメータ等のデータを、不揮発性の大容量記憶装置に記憶するようにしてもよい。
【００５６】
ＣＰＵ６４は、ＲＯＭ６２に記憶された造形プログラムをＲＡＭ６３に読み出し、この造形プログラムに従い、ステージ移動機構制御部６５、粉末供給部駆動制御部６６等の各部の処理及び動作を制御する。ＣＰＵ６４は、システムバス６９を介して、各部と相互にデータを送信及び／又は受信可能に接続されている。また、ＣＰＵ６４は、システムバス６９を介して、温度センサ３５ａ，３５ｂ，３５ｃと接続されている。このＣＰＵ６４、ＲＯＭ６２及びＲＡＭ６３は、制御部の一例である。
【００５７】
ステージ移動機構制御部６５は、ＣＰＵ６４の制御の下、ステージ移動機構９の動作を制御する。粉末供給部駆動制御部６６は、ＣＰＵ６４の制御の下、粉末供給部８の動作を制御する。電子銃駆動制御部６７は、ＣＰＵ６４の制御の下、電子銃１０から出射する電子ビームの強度及び照射位置を制御する。
【００５８】
ヒータ駆動制御部６８は、ＣＰＵ６４の制御の下、複数のヒータ３４の温度を制御する。この場合に、ＣＰＵ６４は、温度センサ３５ａ，３５ｂ，３５ｃの計測結果に基づいて、各ヒータ３４の設定温度を決定する。また、各ヒータ３４の設定温度は、金属粉末の種類に応じて異ならせる。
【００５９】
本実施形態では、複数のヒータを上部、中部、下部の３つのグループに分けて、それぞれ設定温度を異ならせる。具体的には、造形位置から下方に向かうにつれて複数のヒータ３４に温度勾配を設ける。なお、本発明に係るヒータの設定温度は、複数のヒータで全て同じ値に設定してもよく、各ヒータで個別に決定してもよい。
【００６０】
［３次元積層造形装置の動作］
次に、図１を参照して上述した構成を有する３次元積層造形装置１の動作について説明する。
【００６１】
まず、ステージ移動機構９により、造形枠１１の上面より鉛直方向にΔＺ分下がった位置にステージ１２を配置する。このΔＺが、その後に敷き詰められる金属粉末Ｍの鉛直方向の層厚に相当する。次に、粉末供給部８により厚さΔＺ分の金属粉末Ｍをステージ１２の一面に敷き詰める。
【００６２】
次に、金属粉末Ｍに対して電子銃１０から溶融用電子ビームＬを出射する。このとき、金属粉末Ｍは、加熱炉１４の発熱部３２から造形枠１１を介して伝達される熱により予熱される（温められる）。
【００６３】
これにより、試料面全体の温度を略均一にすることができるため、試料面の温度差によって生じる熱ひずみの発生を抑制することができる。また、予め金属粉末Ｍの温度を上昇させることで、溶融用電子ビームＬにより金属粉末Ｍを溶融させる速度を早めることができると共に、電子銃１０から出射される溶融用電子ビームＬの出力を抑えることもできる。
【００６４】
電子銃１０は、予め準備された設計上の造形物（３次元ＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）データにより表された造形物）をΔＺ間隔でスライスした２次元形状に従い、金属粉末Ｍに対して溶融用電子ビームＬを出射する。電子銃１０から出射された溶融用電子ビームＬにより、その２次元形状に対応する領域の金属粉末Ｍが溶融する。したがって、金属粉末Ｍの予熱工程と、溶融工程を同時に行うことができるため、造形処理の時間の短縮を図ることができる。
【００６５】
次に、溶融した金属粉末Ｍは、材料に応じた所定時間が経過すると凝固する。１層分の金属粉末Ｍが溶融及び凝固した後、ステージ移動機構９によりステージ１２をΔＺ分下げる。このステージ１２のＺ方向への動きは、シール部材２５が造形枠１１の筒部２１（ピット２１ａ）の内面を滑ることにより実現される。
【００６６】
次に、再び粉末供給部８によって、ΔＺ分の金属粉末Ｍを直前に敷き詰められた層（下層）の上に敷き詰める。そして、加熱炉１４の発熱部３２から造形枠１１を介して伝達される熱によりその層に相当する試料面全体を予熱すると共に、電子銃１０から出射される溶融用電子ビームＬにより、その層に相当する２次元形状に対応する領域の金属粉末Ｍを溶融及び凝固させる。この一連の処理を繰り返して、溶融及び凝固した金属粉末Ｍの層を積み重ねることにより造形物Ｐを構築する。これにより、本実施形態の３次元積層造形装置１の動作が完了する。
【００６７】
上記のように構成される３次元積層造形装置１では、加熱炉１４の発熱部３２が造形枠１１を温めるため、造形枠１１に嵌合されたステージ１２上の金属粉末（粉末試料）を予熱することができる。これにより、造形物Ｐの熱ひずみを緩和することができる。また、造形位置から下方に向かうにつれて発熱部３２（複数のヒータ３４）に温度勾配を設けることで、造形物の冷却スピードを制御して、造形物の組織を、配向性を有する強靭なものにすることができる。
【００６８】
また、３次元積層造形装置１では、加熱炉１４が造形枠１１の外面に対向して配置されており、加熱炉１４と造形枠１１とは別体に設けられている。そして、造形枠１１は、枠支持部１３Ａ，１３Ｂに着脱可能に支持されているため、加熱炉１４を移動させずに造形枠１１を枠支持部１３Ａ，１３Ｂから取り外すことができる。その結果、加熱炉１４における発熱部３２（複数のヒータ３４）の配線を外さなくても、造形枠１１を粉末積層ユニット７から取り出すことができる。
【００６９】
また、３次元積層造形装置１では、加熱炉１４を枠支持部１３Ａ，１３Ｂと造形枠１１との間に配置した。そして、加熱炉１４を、造形枠１１を覆う筒状に形成した。これにより、造形枠１１の筒部２１を均等に温めることができ、金属粉末Ｍの温度にムラが生じないようにすることができる。
【００７０】
＜２．第２の実施の形態＞
［３次元積層造形装置の構成］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る３次元積層造形装置の構成について、図４を参照して説明する。
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る３次元積層造形装置を模式的に示す説明図である。
【００７１】
第２の実施の形態に係る３次元積層造形装置１０１は、図１に示す第１の実施の形態に係る３次元積層造形装置１と同様の構成を有している。３次元積層造形装置１０１が３次元積層造形装置１と異なる点は、粉末積層ユニットのみである。そのため、ここでは、３次元積層造形装置１０１の粉末積層ユニット１０７について説明し、３次元積層造形装置１０１のその他の構成については、図面及び説明を省略する。
【００７２】
３次元積層造形装置１０１は、造形装置本体１０２（図５参照）と、造形制御装置３（図５参照）とを備えている。そして、造形装置本体１０２は、粉末積層ユニット１０７と、真空容器５、土台６、粉末供給部８、ステージ移動機構９及び電子銃１０（図１参照）とを備えている。
【００７３】
図４に示すように、粉末積層ユニット１０７は、造形枠１１１と、ステージ１１２と、枠支持部１１３Ａ，１１３Ｂと、加熱炉１１４と、Ｚ軸スライダ１１５とを備えている。造形枠１１１は、四角形の角筒状に形成された筒部１２１と、筒部１２１の軸方向の一端に設けられた鍔部１２２Ａ，１２２Ｂとを有している。
【００７４】
造形枠１１１は、筒部１２１の軸方向が鉛直方向と略平行になる姿勢で配置されている。
なお、図４において、鉛直方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な第１の方向をＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向に垂直な第２の方向をＹ方向とする。
【００７５】
鍔部１２２Ａ，１２２Ｂは、筒部１２１の上端に設けられており、筒部１２１のＸ方向で対向する２辺にそれぞれ連続している。この鍔部１２２Ａ，１２２Ｂは、筒部１２１の外側に向かって突出しており、水平方向に延びている。鍔部１２２Ａ，１２２Ｂは、加熱炉１１４を介して枠支持部１１３Ａ，１１３Ｂに載置される。
【００７６】
筒部１２１の外面は、造形枠１１１の側部を形成している。筒部１２１の内面には、第１の実施の形態と同様のコーティングが施されている。筒部１２１の角柱状の筒孔は、ピット１２１ａを形成している。このピット１２１ａには、ステージ１１２及びステージ移動機構９が配置されている。
【００７７】
ステージ１１２の側端部には、耐熱性及び柔軟性のあるシール部材１２５が設けられている。シール部材１２５は、筒部１２１の内壁面（ピット１２１ａの壁面）に摺動可能に接触している。そして、シール部材１２５により、ステージ１１２における鉛直方向の下方の空間と上方の空間がそれぞれ密閉された空間として形成されている。また、ステージ１１２における金属粉末Ｍが積層される一面（上面）と反対側の他面（下面）には、Ｚ軸スライダ１１５の後述する断熱構造体１４３が着脱可能に連結されている。
【００７８】
枠支持部１１３Ａ，１１３Ｂは、真空容器５内の底部に固定されており、造形枠１１１を挟んでＸ方向で対向している。枠支持部１１３Ａ，１１３Ｂは、側面形状が略Ｌ字状に形成されている。これら枠支持部１１３Ａ，１１３Ｂの上部には、加熱炉１１４の後述する鍔部１３３Ａ，１３３Ｂが固定される。
【００７９】
枠支持部１１３Ａ，１１３Ｂにおける造形枠１１１側の側面には、ガイドレール１２７Ａ，１２７Ｂが取り付けられている。これらガイドレール１２７Ａ，１２７Ｂは、Ｚ方向に延びており、Ｚ軸スライダ１１５の移動をＺ方向へ案内する。また、枠支持部１１３Ａには、リニアスケール１２８が設けられている。このリニアスケール１２８は、Ｚ軸スライダ１１５のＺ方向の位置、つまり、Ｚ軸スライダ１１５に連結されたステージ１１２の位置を検出し、その検出結果を造形制御装置３（図５参照）へ送信する。
【００８０】
加熱炉１１４は、造形枠１１１と枠支持部１１３Ａ，１１３Ｂとの間に配置されている。この加熱炉１１４は、造形枠１１１の筒部１２１を覆う角筒状に形成された炉ベース１３１と、炉ベース１３１に設けられた発熱部１３２と、炉ベース１３１の軸方向の一端に設けられた鍔部１３３Ａ，１３３Ｂとを有している。
【００８１】
炉ベース１３１の軸方向は、Ｚ方向（鉛直方向）と略平行になっている。鍔部１３３Ａ，１３３Ｂは、炉ベース１３１の上端に設けられており、炉ベース１３１のＸ方向で対向する２辺にそれぞれ連続している。この鍔部１３３Ａ，１３３Ｂは、筒部１２１の外側に向かって突出しており、水平方向に延びている。鍔部１３３Ａ，１３３Ｂは、枠支持部１１３Ａ，１１３Ｂの上端部に固定されている。
【００８２】
鍔部１３３Ａ，１３３Ｂには、造形枠１１の鍔部１２２Ａ，１２２Ｂが載置される。したがって、枠支持部１３Ａ，１３Ｂは、加熱炉１１４を介して、造形枠１１１を着脱可能に支持している。なお、鍔部１２２Ａ，１２２Ｂは、造形枠１１１の鍔部１２２Ａ，１２２Ｂに係合して造形枠１１の位置決めを行う位置決め片を有している。
【００８３】
また、鍔部１３３Ａ，１３３Ｂと鍔部１２２Ａ，１２２Ｂとの間には、断熱材１３６が介在されている。これにより、造形枠１１１が加熱炉１１４に接触しないようにすることができ、造形枠１１１の温度が加熱炉１１４と同等の温度にならないようにすることができる。
【００８４】
造形枠１１１の材料は、例えば、ステンレスなどの金属であり、加熱炉１１４の炉ベース１３１及び鍔部１３３Ａ，１３３Ｂの材料は、例えば、耐火レンガである。そのため、造形枠１１１の融点は、加熱炉１１４の融点よりも低い。これにより、造形枠１１１の温度が炉ベース１３１及び鍔部１３３Ａ，１３３Ｂと同等の温度になると、造形枠１１１が溶融してしまう虞がある。したがって、造形枠１１１の温度が炉ベース１３１及び鍔部１３３Ａ，１３３Ｂと同等の温度にならないようにすることが好ましい。
【００８５】
なお、本実施形態では、加熱炉１１４に不図示の扉（第１の実施形態例の扉３８と同様）を設けるため、扉に対向する位置に枠支持部を配置することが困難になる。したがって、加熱炉１１４の鍔部は、筒部１２１の上端における２辺又は３辺に形成することが好ましい。また、
【００８６】
発熱部１３２は、複数のヒータ３４から構成されている。複数のヒータ３４は、炉ベース１３１の内面（造形枠１１１側の面）に配置されており、Ｚ方向に適当な間隔を空けて並べられている。また、炉ベース１３１には、複数のヒータ３４の温度を測定する温度センサ３５ａ，３５ｂ，３５ｃが設けられている（図５参照）。
【００８７】
Ｚ軸スライダ１１５は、スライドベース１４１と、レール係合部１４２Ａ，１４２Ｂと、断熱構造体１４３と、断熱材１４４とを有している。スライドベース１４１は、Ｚ方向に対して略垂直な平面を有するベース板１４１ａと、ベース板１４１ａの上方を向く平面（上面）から略垂直に突出する立上り片１４１ｂ，１４１ｃとを有している。
【００８８】
ベース板１４１ａは、板状に形成されている。このベース板１４１ａの下方を向く平面（下面）には、ステージ移動機構９の連結ブロック４６が連結されている。本実施の形態では、連結ブロック４６がベース板１４１ａに対して着脱可能である必要はない。立上り片１４１ｂ，１４１ｃは、枠支持部１１３Ａ，１１３Ｂと加熱炉１１４との間に配置されている。
【００８９】
レール係合部１４２Ａ，１４２Ｂは、スライドベース１４１の立上り片１４１ｂ，１４１ｃに固定されている。これらレール係合部１４２Ａ，１４２Ｂは、ガイドレール１２７Ａ，１２７Ｂに摺動可能に係合する。断熱構造体１４３は、ステージ１１２の下面に着脱可能に連結されている。この断熱構造体１４３は、中空に形成することで断熱効率を向上させている。
【００９０】
断熱構造体１４３は、断熱材１４４を介してスライドベース１４１のベース板１４１ａに固定されている。これにより、ステージ１１２の熱がスライドベース１４１及びステージ移動機構９に伝わり難くすることができる。その結果、スライドベース１４１及びステージ移動機構９の破損や劣化などの不具合を抑制することができる。
【００９１】
次に、３次元積層造形装置１０１の制御系について、図５を参照して説明する。
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る３次元積層造形装置の制御系を示すブロック図である。
【００９２】
図５に示すように、３次元積層造形装置１０１の造形制御装置３は、第１の実施の形態（図３参照）と同じ構成であり、造形装置本体１０２と電気的に接続されている。また、造形制御装置３のＣＰＵ６４は、システムバス６９を介して、温度センサ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ及びリニアスケール１２８と接続されている。
【００９３】
ステージ移動機構制御部６５は、ＣＰＵ６４の制御の下、ステージ移動機構９の動作を制御する。この場合に、ＣＰＵ６４は、リニアスケール１２８の計測結果に基づいて、ステージ１１２の移動距離或いは停止位置を決定する。これにより、ステージ１１２のＺ方向（鉛直方向）の位置を高精度に制御することができる。その結果、造形物Ｐを高精度に構築することができる。
【００９４】
なお、３次元積層造形装置１０１の動作は、第１の実施の形態の３次元積層造形装置１と同様であるため、説明を省略する。
【００９５】
第２の実施の形態の３次元積層造形装置１０１は、第１の実施の形態の３次元積層造形装置１と同様の効果を得ることができる。すなわち、造形枠１１１に嵌合されたステージ１１２上の金属粉末（粉末試料）を予熱することができ、造形物Ｐの熱ひずみを緩和することができる。また、造形位置から下方に向かうにつれて発熱部１３２（複数のヒータ３４）に温度勾配を設けることで、造形物の冷却スピードを制御して、造形物の組織を、配向性を有する強靭なものにすることができる。
【００９６】
また、加熱炉１１４と造形枠１１１とは別体に設けられており、造形枠１１１が加熱炉１１４を介して枠支持部１１３Ａ，１１３Ｂに着脱可能に支持されている。その結果、加熱炉１１４を移動させずに造形枠１１１を枠支持部１１３Ａ，１１３Ｂから取り外すことができる。したがって、加熱炉１１４における発熱部１３２（複数のヒータ３４）の配線を外さなくても、造形枠１１１を粉末積層ユニット１０７から取り出すことができる。
【００９７】
また、加熱炉１１４は、枠支持部１１３Ａ，１１３Ｂと造形枠１１１との間に配置され、造形枠１１１を覆う筒状に形成されている。これにより、造形枠１１１の筒部１２１を均等に温めることができ、金属粉末Ｍの温度にムラが生じないようにすることができる。
【００９８】
さらに、第２の実施の形態の３次元積層造形装置１０１では、ステージ移動機構９が、Ｚ軸スライダ１１５を介してステージ１１２をＺ方向へ移動させる。Ｚ軸スライダ１１５は、ガイドレール１２７Ａ，１２７Ｂに沿って移動する。したがって、Ｚ軸スライダ１１５に連結されたステージ１１２を安定した姿勢で移動させることができる。
【００９９】
以上、本発明の３次元積層造形装置の実施の形態について、その作用効果も含めて説明した。しかしながら、本発明の３次元積層造形装置は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形実施が可能である。
【０１００】
例えば、上述の第１及び第２の実施の形態では、造形枠１１，１１１の筒部２１，１２１を四角形の角筒状に形成した。しかしながら、本発明に係る造形枠の筒部としては、その他の角筒状や円筒状に形成してもよい。
【０１０１】
また、上述の第１及び第２の実施の形態では、１つの粉末供給部８を備える構成とした。しかしながら、本発明の３次元積層造形装置としては、２つ以上の粉末供給部を備える構成にしてもよい。また、その場合に、各粉末供給部から供給される金属粉末の種類を異ならせてもよい。
【０１０２】
また、上述の第１及び第２の実施の形態では、３つの温度センサ３５ａ，３５ｂ，３５ｃを設ける構成とした。しかしながら、本発明に係る温度検出部の個数としては、３個に限定されるものではなく、任意の数に設定することができる。また、上述の第１及び第２の実施の形態に係る発熱部３２，１３２を、複数のヒータ３４で構成した。しかしながら、本発明に係る発熱部としては、１つのヒータで構成してもよい。
【符号の説明】
【０１０３】
１，１０１…３次元積層造形装置、  ２，１０２…造形装置本体、  ３…造形制御装置、  ５…真空容器、  ６…土台、  ７，１０７…粉末積層ユニット、  ８…粉末供給部、  ９…ステージ移動機構、  １０…電子銃（ビーム照射部）、  １１，１１１…造形枠、  １２，１１２…ステージ、  １３Ａ，１３Ｂ，１１３Ａ，１１３Ｂ…枠支持部、  １４，１１４…加熱炉、  ２１，１２１…筒部、  ２１ａ，１２１ａ…ピット、  ２２Ａ，２２Ｂ，１２２Ａ，１２２Ｂ，１３３Ａ，１３３Ｂ…鍔部、  ２３Ａ，２３Ｂ…ストッパ、  ２５，１２５…シール部材、  ３１，１３１…炉ベース、  ３２，１３２…発熱部、  ３３，１３６，１４４…断熱材、  ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ…ヒータ、  ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ…温度センサ、  ３７…キャビネット、  ３８…扉、  ３９…ヒンジ、  ６１…通信インターフェース（通信Ｉ／Ｆ）、  ６２…ＲＯＭ、  ６３…ＲＡＭ、  ６４…ＣＰＵ、  ６５…ステージ移動機構制御部、  ６６…粉末供給部駆動制御部、  ６７…電子銃駆動制御部、  ６８…ヒータ駆動制御部、  ６９…システムバス、  １２７Ａ…ガイドレール、  １２８…リニアスケール、  １４１…スライドベース、  １４１ａ…ベース板、  １４１ｂ，１４１ｃ…立上り片、  １４２Ａ…レール係合部、  １４３…断熱構造体
【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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