(57)【要約】【課題】電子ビームなどの光線で粉末材料を溶解させて造形する三次元積層造形装置において、三次元造形物の表面などの成形精度を向上させる。【解決手段】ステージ上に敷き詰められた粉末材料３１に対して光線を照射して、粉末材料を溶解し結合させて、三次元造形物を得る。このとき、光線発生部が発生する光線として、パルス状のビームが間欠的に出力されるようにして、粉末材料が溶解又は昇華するようにした。【選択図】図１
2015168228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末材料が敷き詰められるステージと、
光線を発生する光線発生部と、
前記光線発生部が発生した光線を前記ステージ上の粉末材料に集束させるレンズと、
前記光線発生部が発生する光線として、連続的に光線が出力される連続ビームと、パルス状の光線が間欠的に出力されるパルスビームの２種類の光線を選択的に発生させる制御部とを備えた
三次元積層造形装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記粉末材料への前記連続ビームの照射で、粉末材料を溶解させると共に、その熔解した粉末材料への前記パルスビームの照射で、溶解した粉末材料を昇華させる
請求項１に記載の三次元積層造形装置。
【請求項３】
前記制御部は、粉末材料を昇華させる際のビーム径を、粉末材料を溶解させる際のビーム径より小さくなるように、前記レンズを制御する
請求項２に記載の三次元積層造形装置。
【請求項４】
前記光線発生部は、電子ビームを発生させる電子銃であり、
前記電子銃は、前記制御部の制御により、連続的に電子ビームが出力される連続電子ビームと、パルス状のビームが間欠的に出力されるパルス電子ビームを選択的に発生する
請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元積層造形装置。
【請求項５】
粉末材料が敷き詰められるステージと、
電子ビームを発生する電子銃と、
前記電子銃が発生した電子ビームを前記ステージ上の粉末材料に集束させるレンズと、
前記電子銃が発生する電子ビームとして、パルス状のビームが間欠的に出力されるパルス電子ビームを発生させる制御部とを備えた
三次元積層造形装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記粉末材料への前記パルス電子ビームの照射で、粉末材料を溶解又は昇華させる
請求項５に記載の三次元積層造形装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記電子銃を加熱させるオフセット電圧にパルス電圧を重畳した駆動電源を、前記電子銃に供給する
請求項６に記載の三次元積層造形装置。
【請求項８】
前記パルス電子ビームは、１回のパルスの照射時間が少なくとも１μ秒以下である
請求項７に記載の三次元積層造形装置。
【請求項９】
ステージ上に敷き詰められた粉末材料に対して光線を照射して、前記粉末材料を溶解し結合させて、三次元造形物を得る三次元積層造形方法において、
前記光線として、連続的に光線が出力される連続ビームと、パルス状の光線が間欠的に出力されるパルスビームの２種類の光線を選択的に発生させるようにした
三次元積層造形方法。
【請求項１０】
ステージ上に敷き詰められた粉末材料に対して電子銃から電子ビームを照射して、前記粉末材料を溶解し硬化させて、三次元造形物を得る三次元積層造形方法において、
前記電子銃が発生する電子ビームとして、パルス状のビームが間欠的に出力されるようにして、粉末材料を溶解又は昇華させる
三次元積層造形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末材料の層にビームを照射して硬化層を形成することを繰り返すことにより、三次元構造の造形物を形成する三次元積層造形装置及び三次元積層造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、三次元構造物のデータから、三次元構造物を一定の厚みにスライスした状態の二次元データを作成し、その二次元データに基づいて硬化層の形成を繰り返すことにより三次元の造形物を形成する技術が開発されている（特許文献１参照）。
【０００３】
このような三次元の造形物を形成する三次元積層造形装置では、まず、上下動可能なステージに一層分の粉末材料を供給する。そして、ビーム発生部が、その粉末材料の層に対して、電子ビームやレーザビームなどのビームを照射する。このとき、二次元面内で走査しながらビームを照射することで、ビームが所定の位置の粉末材料を溶融させる。粉末材料が溶融することで、溶融した粉末材料同士が接合し、その後冷却して硬化することで一層分の硬化層が形成される。次に、ステージを下げて更に粉末材料を供給し、前工程と同様にして粉末材料を溶融させ、硬化させることで、先に作成された下層の硬化層と一体となった二層分の硬化層が形成される。このように、ステージを下げ、ステージ上に粉末材料を供給し、その粉末材料を溶融及び硬化させる工程を繰り返すことで、三次元の造形物が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
三次元積層造形装置で三次元の造形物を得る場合の造形精度は、粉末材料の粒径と照射ビームの径に依存する。すなわち、粉末材料の粒径は、小さいことが造形精度の上からは好ましい。しかしながら、粉末材料の粒径を小さくすると、粉末材料がステージ上に敷き詰められる一層の厚さが小さくなる。このため、粉末材料の粒径を小さくした場合には、三次元の造形物を得るために必要な粉末材料を敷き詰める層の数が増えて、造形に必要な時間が長くなってしまう。このように粉末材料の粒径は、必ずしも小さい程よいという訳ではない。
【０００６】
したがって、三次元の造形物を得る場合の造形精度は、照射ビームの径に依存する割合が大きい。ところで、三次元造形物の造形精度を決める大きな要因は、積層造形物の輪郭である。造形物の輪郭が、照射ビームの走査位置と完全に一致すると仮定すると、照射ビームの走査を向上させれば、積層造形物の輪郭の造形精度が向上する。
【０００７】
しかしながら、実際には、粉末材料にビームを照射したとき、その粉末材料を伝導する溶解熱が発生して、ビームを照射した箇所の周辺まで溶解させてしまう。このような事態が発生すると、ビームの照射位置と三次元の造形物の輪郭とが一致しなくなる。
溶解熱の伝導による粉末材料の溶融・結合は確率的に決まるため、このようなビームを照射した箇所の周辺まで溶解させることは、積層造形物の輪郭の造形精度を悪化させ、造形物の表面粗さが悪化する要因になっていた。
【０００８】
なお、ここでは造形物の輪郭部を造形する際の問題について述べたが、ビームが輪郭部以外の箇所を走査する際にも、ビームの照射位置と粉末材料の溶融・結合箇所が一致することは、造形精度を向上させる上から重要である。
【０００９】
本発明は、ビームによる粉末材料の溶融箇所が正確にコントロールできる三次元積層造形装置及び三次元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】
【００１０】
第１の発明の三次元積層造形装置は、粉末材料が敷き詰められるステージと、光線を発生する光線発生部と、光線発生部が発生した光線をステージ上の粉末材料に集束させるレンズと、光線発生部が発生する光線を制御する制御部とを備える。そして、制御部は、発生部が発生する光線として、連続的に光線が出力される連続ビームと、パルス状の光線が間欠的に出力されるパルスビームの２種類の光線を選択的に発生させるようにした。
【００１１】
第２の発明の三次元積層造形方法は、ステージ上に敷き詰められた粉末材料に対して光線を照射して、粉末材料を溶解し結合させて、三次元造形物を得る。ここで、光線として、連続的に光線が出力される連続ビームと、パルス状の光線が間欠的に出力されるパルスビームの２種類の光線を選択的に発生させるようにした。
【００１２】
第３の発明の三次元積層造形装置は、粉末材料が敷き詰められるステージと、電子ビームを発生する電子銃と、電子銃が発生した電子ビームをステージ上の粉末材料に集束させるレンズと、電子ビームの制御部とを備える。そして、制御部は、パルス状のビームが間欠的に出力されるパルス電子ビームを電子銃から発生させる。
【００１３】
第４の発明の三次元積層造形方法は、ステージ上に敷き詰められた粉末材料に対して電子ビームを照射して、粉末材料を溶解し硬化させて、三次元造形物を得る。ここで、電子銃が発生する電子ビームとして、パルス状のビームが間欠的に出力されるようにして、粉末材料を溶解又は昇華させるようにした。
【発明の効果】
【００１４】
第１及び第２の発明によると、連続的に光線が出力される連続ビームと、パルス状の光線が間欠的に出力されるパルスビームの２種類の光線を使って、三次元積層造形物を得ることができる。例えば、積層造形物の輪郭の造形にはパルスビームを使用し、輪郭以外の箇所の造形には連続ビームを使用することで、造形物の表面粗さの改善と、造形速度の高速化を両立できるようになる。
【００１５】
第３及び第４の発明によると、粉末材料を溶解し結合させて三次元積層造形物を得る際の電子ビームとして、パルス電子ビームを使用したことで、ビーム径と溶解範囲をほぼ一致させた精度の高い造形作業が行え、三次元積層造形物の造形精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態例の三次元積層造形装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態例の三次元積層造形装置のビーム照射状態の例（輪郭の内側の例）を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施形態例の三次元積層造形装置のビーム照射状態の例（輪郭部の例）を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施形態例によるビームの設計位置の内側と輪郭のビーム照射による粉体の溶解と昇華の状態を示す説明図である。
【図５】連続電子ビームとパルス電子ビームの特性例を示す説明図である。図５Ａ，Ｃ，Ｅは連続電子ビームの例を示し、図５Ｂ，Ｄ，Ｆはパルス電子ビームの例を示す。
【図６】本発明の一実施形態例による連続ビームの照射状態（図６Ａ）とパルスビームの照射状態（図６Ｂ）を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施形態例による輪郭線に対するパルスビームの照射位置の例を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施形態例による連続ビームとパルスビームの径（図８Ａ）と、パルスビームの駆動電流の例（図８Ｂ及びＣ）を示す説明図である。
【図９】本発明の一実施形態例による一層ごとの造形工程の例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】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態例の三次元積層造形装置を、添付図面を参照して説明する。
【００１８】
［１．三次元積層造形装置の構成］
図１は、本発明の一実施形態例の三次元積層造形装置１００の概略構成を示す図である。
三次元積層造形装置１００は、電子ビームＢを出力する電子源１１を備える。この電子源１１の近傍には、引出し電極１２と加速電極１３とが配置される。これら電子源１１と引出し電極１２と加速電極１３とが、電子ビームを生成する電子銃として機能する。
【００１９】
これらの電子源１１と引出し電極１２と加速電極１３に印加する電圧は、制御部２１の制御で生成される。すなわち、制御部２１からの指示で、引出し電圧生成部２２が、引出し電極１２に印加する引出し電圧を生成する。この引出し電圧生成部２２が生成する引出し電圧は、後述する連続電子ビーム用の電圧である。また、制御部２１からの指示で、パルス電圧生成部２３が、引出し電極１２に印加するパルス電圧を生成する。このパルス電圧生成部２３が生成するパルス電圧は、後述するパルス電子ビーム用の引出し電圧である。
【００２０】
これらの引出し電圧生成部２２で生成された連続電子ビーム用の引出し電圧と、パルス電圧生成部２３で生成されたパルス電子ビーム用の引出し電圧は、加算器２４を介して引出し電極１２に供給される。なお、引出し電圧生成部２２は、パルス電子ビームを発生させる際には、粉体３１の加熱などを行うためのバイアス電圧を発生させる場合がある。このバイアス電圧については後述する。
また、加速電圧生成部２５は、制御部２１からの指示で、加速電極１３に印加する加速電圧を生成する。加速電圧生成部２５が生成した加速電圧は、加速電極１３に供給される。なお、電子源１１が電子ビームを発生させる際には、不図示の加熱部により電子源１１が加熱される。
【００２１】
電子源１１から出力された電子ビームＢは、ステージ４３の上に敷き詰められた粉体３１に照射される。粉体３１は、不図示の線状漏斗により所定の厚さでステージ４３の上に敷き詰められる。
電子源１１から出力された電子ビームＢは、対物レンズ１４と偏向レンズ１５を通過して、粉体３１に到達する。対物レンズ１４と偏向レンズ１５は、それぞれ電場又は磁場を用いて電子ビームに作用させる電子レンズである。
【００２２】
対物レンズ１４は、制御部２１からの指示に基づいた対物レンズ制御部２６の制御で、電子ビームＢをステージ４３上の粉体３１に集束させる。偏向レンズ１５は、電子ビームＢを偏向させる。この偏向レンズ１５による偏向で、電子ビームＢが、造形物の形状に対応した位置に照射されるようになる。偏向レンズ１５は、制御部２１からの指示に基づいた偏向レンズ制御部２７の制御で、電子ビームの偏向動作を行う。
【００２３】
ステージ４３は、造形枠台４１の中央のピット４２に配置される。このステージ４３は、上下に昇降することができ、粉体３１の一層ずつの敷き詰めに連動して、その敷き詰められた厚さ分だけ下降する。ステージ４３の上に一層の粉体３１が敷き詰められた後、電子ビームＢにより造形物の形状に対応した粉体３１の溶融作業が行われる。また、本実施形態例では、溶融作業とは別に、粉体３１の昇華作業についても行われる。
三次元積層造形装置は、この一層ごとの粉体３１の敷き詰め作業と、一層ごとの粉体３１の溶融作業と昇華作業を繰り返し行い、立体形状の造形物を作成する。
なお、図１に示した三次元積層造形装置の内部は、不図示の真空ポンプにより真空状態とした上で、電子ビームＢを照射する作業が行われる。
【００２４】
［２．ビームの照射状態の例］
次に、図２〜図４を参照して、本発明の一実施形態例の三次元積層造形装置によるビームの照射状態について説明する。
本発明の一実施形態例の三次元積層造形装置１００においては、粉体３１に電子ビームＢを照射する工程として、造形物の輪郭部分を照射する工程と、輪郭の内側の部分を照射する工程の２つがある。図２は、輪郭の内側の部分を照射する状態を示し、図３は、輪郭部分を照射する状態を示す。
【００２５】
まず、図２を参照して、造形物の輪郭の内側の部分を照射する状態について説明する。
図２に示すように、ステージ４３の上に敷き詰められた粉体３１には、電子ビームＢが照射される。このときに照射される電子ビームは、直流電源の電子源１１への供給で、連続してビームが出力される電子ビームＢｃである。以下の説明では、この連続して発生する電子ビームを連続電子ビームと称する。この連続電子ビームＢｃが照射された箇所の粉体３１は、溶融し結合する。
【００２６】
粉体３１に電子ビームを照射する際には、制御部２１は、作成される造形物を輪切りにした輪郭３４の位置を判断する。そして、その判断した輪郭３４の内側の領域を、連続電子ビームＢｃが走査するように、偏向レンズ制御部２７が、偏向レンズ１５による電子ビームの偏向状態を設定する。
【００２７】
輪郭３４の内側の連続電子ビームの照射が完了すると、偏向レンズ制御部２７は、輪郭３４に沿った箇所を電子ビームが走査するように、偏向レンズ１５による電子ビームの偏向状態を設定する。
すなわち、図３に示すように、電子ビームＢｐが輪郭３４に沿って１周するように、偏向レンズ制御部２７が、偏向レンズ１５による電子ビームの偏向状態を設定する。このとき制御部２１は、パルス状の電圧を電子源１１に印加する。このパルス状の電圧の印加で、電子源１１がパルス状の電子ビームＢｐを出力する。以下の説明では、このパルス状の電子ビームをパルス電子ビームと称する。
このパルス電子ビームＢｐを粉体３１に照射することで、照射箇所の粉体３１が昇華して蒸発する。したがって、１層分のパルス電子ビームＢｐの照射が完了したとき、１層分の輪郭３４を有する積層造形物３３が形成された状態になる。パルス電子ビームＢｐが照射された粉体３１が、昇華して蒸発する原理については後述する。
【００２８】
図４は、電子ビームが照射される粉体３１を縦断面で示す図である。
図４の例は、輪郭３４よりも右側が造形物となる箇所（造形物の設計位置）であり、輪郭３４よりも左側は造形物にならない箇所である。連続電子ビームＢｃの照射位置ＳＰ１は、輪郭３４の右側である。
そして、パルス電子ビームＢｐの照射位置ＳＰ２は、その照射位置ＳＰ２の内側が輪郭３４と一致する状態である。このようなパルス電子ビームＢｐの照射で、輪郭３４よりも外側の粉体３１が気体３１ａになって蒸発する。
【００２９】
なお、パルス電子ビームＢｐの照射位置ＳＰ２のスポットサイズは、連続電子ビームＢｃの照射位置ＳＰ１のスポットサイズよりも小さい。
また、図４では説明を簡単にするために粉体３１の直径と、１層分の粉体３１の溶解部３３ａの厚さを同じとしたが、実際には１層分の溶解部３３ａの厚さは、粉体３１の直径よりも大きい場合もある。
【００３０】
［３．連続電子ビームとパルス電子ビームの特性の説明］
次に、図５〜図８を参照して、連続電子ビームとパルス電子ビームの特性について説明する。
図５は、連続電子ビームとパルス電子ビームの特性を示す図である。図５Ａは、連続電子ビームの照射位置ＳＰ１の変化を示し、図５Ｂは、パルス電子ビームの照射位置ＳＰ２を示す。連続電子ビームは、図５Ａに示すように、時間ｔｃ０１が経過すると、照射位置ＳＰ１のスポットサイズ（直径ｒ１）の分だけ照射位置が移動する。一方、パルス電子ビームは、図５Ｂに示すように、あるタイミングで直径ｒ２のスポットサイズの照射があり、その直径ｒ２のスポットサイズの照射が、位置を変えながら間欠的に行われる。
【００３１】
図５Ｃに示すように、連続電子ビームの場合には、電子源１１に供給される電源の電流Ｉｃは、一定である。これに対して、パルス電子ビームの場合には、短時間ｔｐのパルス幅の電流Ｉｐが供給される。このパルス幅ｔｐの電流Ｉｐの供給が、一定間隔で行われ、一定間隔でパルス電子ビームが発生する。パルス電子ビームの電流Ｉｐは、連続電子ビームの電流Ｉｃよりも大きい。
【００３２】
図５Ｅと図５Ｆは、電子ビームの照射による粉体３１の溶解状態の例を断面で示す図であり、図５Ｅは連続電子ビームＢｃの場合を示し、図５Ｆはパルス電子ビームＢｐの場合を示す。
連続電子ビームＢｃの場合には、試料表面３２に照射される電子ビームＢｃの電流密度分布Ｊｃが、図５Ｅに示すように比較的大きく広がった状態である。したがって、粉体３１を溶解させたい計画溶解領域Ａ１が連続電子ビームＢｃのスポットサイズとほぼ一致した状態であっても、粉体３１の実溶解領域Ａｃはスポットサイズから大きく広がった領域になり、本来溶けて欲しくない領域まで粉体３１を溶解させてしまう。
【００３３】
一方、パルス電子ビームＢｐの場合には、試料表面３２に照射される電子ビームＢｐの電流密度分布Ｊｐが、図５Ｆに示すように、照射位置だけ非常に強い状態になる。したがって、パルス電子ビームＢｐを使って粉体３１を溶解させたとき、溶解させたい計画溶解領域Ａ１とほぼ一致した実溶解領域Ａｐが得られる。
さらに本実施形態例の三次元積層造形装置１００では、その電流密度分布Ｊｐを適切に制御して、試料（溶解した粉体３１）を溶解時よりも高い温度として、試料を昇華させて蒸発させる。
【００３４】
図６は、連続電子ビームＢｃの照射により、粉体３１が溶解した状態（図６Ａ）と、パルス電子ビームＢｐの照射により、粉体３１が昇華した状態（図６Ｂ）を対比して示す。
図６Ａに示すように、連続電子ビームＢｃを照射することで、溶解領域Ａｉｎが形成される。試料表面３２で連続電子ビームＢｃが照射される位置が変化することで、溶解領域Ａｉｎが広がるが、ここでは連続電子ビームＢｃが設計端点ｘまで粉体３１を溶解させる。設計端点ｘは、図３に示す輪郭３４に相当する。なお、図６Ａでは設計端点ｘが溶解領域Ａｉｎの端部と一致した状態を示すが、溶解領域Ａｉｎが設計端点ｘの多少外側まで伸びてもよい。
【００３５】
そして、パルス電子ビームＢｐを照射する際には、図６Ｂに示すように、設計端点ｘの外側が昇華領域３５となるようにする。昇華領域３５の幅は、パルス電子ビームＢｐのスポットサイズの直径とほぼ一致する。昇華領域３５の深さは、粉体３１を敷き詰める際の一層分の厚さとほぼ一致させる。
【００３６】
図７は、試料表面３２を上側から見た図である。
図７Ａに示すように、連続電子ビームＢｐが粉体３１を輪郭３４まで溶解させた後、その輪郭３４に沿って、一定の幅だけ離れた昇華領域外側ライン３５ａを設定する。
そして、図７Ｂに示すように、その輪郭３４と昇華領域外側ライン３５ａとの間の領域に、試料を昇華させる電流密度のパルス電子ビームＢｐを順に照射する。
【００３７】
次に、パルス電子ビームＢｐの特性について説明する。パルス電子ビームＢｐを出力する際に、図１に示すパルス電圧生成部２３が生成する電圧を、Ｖｐ（ｔ）とする。この電圧Ｖｐ（ｔ）はパルス電圧であり、時刻ｔに０［Ｖ］またはＶｐ［Ｖ］を出力する。また、図１に示す引出し電圧生成部２２が生成する電圧を、Ｖｃとする。この電圧Ｖｃは、時刻によらず一定電圧であり、連続電子ビームＢｃを生成させる。これらの電圧Ｖｐ（ｔ）とＶｃが加算器２４で加算された電圧が、引出し電極１２に印加される。すなわち、次の［数１］式に示す電圧Ｖｅ（ｔ）が引出し電極１２に印加される。
【００３８】
［数１］
Ｖｅ（ｔ）＝Ｖｐ（ｔ）＋Ｖｃ
【００３９】
この引出し電圧Ｖｅが引出し電極１２に印加されて、電子源１１の先端付近の電界強度が高くなり、電子が放出される。連続電子ビームＢｃ又はパルス電子ビームＢｐは、加速電圧生成部２５から加速電極１３に印加された電圧Ｖａによって加速される。
ここで、連続電子ビームＢｃを出力する際には、引き出し電圧Ｖｅ（ｔ）は、次式で示される。
【００４０】
［数２］
Ｖｅ（ｔ）＝Ｖｃ
【００４１】
つまり、連続電子ビームＢｃが発生した状態では、引出し電極１２には常に一定電圧Ｖｃが印加されており、定電流Ｉｃの連続電子ビームＢｃが放出されている状態である。ここで、放出電流と引き出し電圧Ｖｅ（ｔ）とは線形の関係がある。
電圧Ｖｃに対応する放出電流をＩｃ、電圧Ｖｐ（ｔ）に対応する放出電流をＩｐ、パルス幅をｔｐとすると、放出電流Ｉｔ（ｔ）は、次式で示される。
【００４２】
［数３］
Ｉｔ（ｔ）＝Ｉｐ（ｔ）＋Ｉｃ
【００４３】
すなわち、放出電流Ｉｔ（ｔ）は時間の関数とすることができ、この関数は図８Ｃに示すように、電流Ｉｃ、パルス幅ｔｐ、ピークパルス電圧Ｖｐ、パルス周波数ｖｐによって変えることができ、次式のように示される。
【００４４】
［数４］
Ｉｔ（ｔ）＝Ｉｔ（ｔ；Ｉｃ，ｔｐ，Ｖｐ，ｖｐ）
【００４５】
ここで、電子ビームの照射によって試料（粉体）に注入されるエネルギーＥは、次式で示される。
【００４６】
［数５］
2015168228.tif 000003
【００４７】
［数４］式及び［数５］式から、試料に注入するエネルギーは、４つのパラメータ｛Ｉｃ，ｔｐ，Ｖｐ，ｖｐ｝で制御できる。
ここで、Ｉｃ＝０としたとき、放出電流Ｉｔ（ｔ）は、図５Ｄに示すようになる。この図５Ｄに示す１つのパルスだけが照射される状態とし、かつ注入エネルギーが次の［数６］式で示すように等しい状態であるとする。ここでの等しい状態とは、図５Ｃに示す連続電流を与えた状態で区間時間ｔｃ０１と電流で決まる面積と、図５Ｄに示すパルス区間ｔｐと電流で決まる面積が等しい状態を示す。
【００４８】
［数６］
2015168228.tif 000004
【００４９】
電子ビームの輝度Ｂ［Ａ／ｍ２／ｓｒ］は、次の［数７］式で表され、光軸上で不変である性質を持つ。
【００５０】
［数７］
2015168228.tif 000005
【００５１】
［数７］式において、βｐは試料面上での角電流密度、ｒｐは試料面上でのパルス電子ビームの直径である。
よって、パルス電子ビームＢｐの直径ｒｐは、次の［数８］式のようになる。
【００５２】
［数８］
2015168228.tif 000006
【００５３】
通常、パルス電子ビームの輝度は連続電子ビームの輝度よりも大きいため、同じ角電流密度をとった場合、連続電子ビームのビーム径よりもパルス電子ビームのビーム径の方が小さくなる。図５Ｅの連続電子ビームと図５Ｆのパルス電子ビームはこの状態を示したものであり、図５Ｅの連続電子ビームと図５Ｆのパルス電子ビームは、注入するエネルギーは同じである。なお、図５Ｆに示す電流密度分布Ｊｐは、１パルスを照射した際の電流密度分布である。
図５Ｅと図５Ｆを比較すると分かるように、パルス電子ビームの電流密度分布の方がピーク値が高く、分布の半値幅も小さい。ここでは注入するエネルギーが同じであるが、計画溶解領域Ａ１を溶解する時間はパルス電子ビームの方がはるかに短い。すなわち、注入するエネルギーが同じである場合には、図８Ａに示すように、連続電子ビームの照射位置ＳＰ１のスポットサイズよりも、パルス電子ビームの照射位置ＳＰ２のスポットサイズの方が小さくなる。このため、パルス電子ビームの場合には、熱の伝播が殆どなく、試料の熱損傷がなく、計画溶解領域Ａ１と実溶解領域Ａｐがほぼ等しくなる。
【００５４】
連続電子ビームの場合には、エネルギーを注入する時間が長くなってしまい、熱が計画溶解領域Ａ１の外に伝播してしまい、場合によっては計画溶解領域Ａ１を完全に溶解できず、欠陥となる可能性がある。また、連続電子ビームの場合には、計画溶解領域Ａ１の周囲に熱が伝播してしまい、試料に熱損傷が発生してしまう。さらに、計画溶解領域Ａ１を完全に溶解させようとするためにより高いエネルギーを注入すると、溶解により時間がかかり、熱損傷領域が大きくなってしまう。
【００５５】
ところで、三次元積層造形装置１００は、パルス電子ビームＢｐを発生させる際には、パルス電圧にバイアス電圧を加算したものを引出し電極１２に印加する。すなわち、図８Ｂに示すように、引出し電圧生成部２２が印加した電圧Ｖｃに基づいた電流Ｉｃが０でないとき、放出電流Ｉｔ（ｔ）は電流Ｉｃと電流Ｉｐの和になる。このとき、試料表面での電流密度分布は時間によって変わる。すなわち、電流密度分布は、連続電子ビームの電流密度分布のときと、パルス電子ビームの電流密度分布と連続電子ビームの電流密度分布との和となるときがある。
【００５６】
ここで、パルス電子ビームＢｐを発生させる際の引出し電圧生成部２２が印加するバイアス電圧Ｖｃは、粉体３１を完全には溶解しないで、温度を適温状態に加熱する前処理用に使用する。例えば、この前処理だけを連続電子ビームで行い、その後、バイアス電圧Ｖｃにパルス電圧Ｖｐを加算してパルス電子ビームを発生させて、粉体を溶解又は昇華させる。
【００５７】
図８Ｃの例は、パルス電子ビーム時の電流やパルス幅を細かく制御する例である。すなわち、図８Ｃに示すように、造形物を作成する際の条件によって、連続電子ビーム電流Ｉｃ、パルス幅ｔｐ、パルス電圧Ｖｐ、パルスの周波数ｖｐを最適に組み合わせて、きめ細かく造形を制御するようにしてもよい。図８Ｃの例では、パルス電子ビームを生成させる電流として、２種類の電流Ｉｐ１，Ｉｐ２を選択的に設定する。また、パルス幅ｔｐ１，ｔｐ２，ｔｐ３，ｔｐ４，ｔｐ５，・・・を、そのときの条件によって変化させている。
このように、パルス電子ビームを使用することで、積層造形物の作成状態を細かく制御できるようになる。
【００５８】
［４．制御部による制御例］
次に、図９のフローチャートを参照して、一実施形態例に示した三次元積層造形装置１００で積層造形物を形成する際の制御部２１による制御動作例について説明する。
まず、制御部２１は、不図示の線状漏斗を使用して、ステージ４３の上に一層分の粉体３１を敷き詰める指示を行う（ステップＳ１１）。一層分の粉体３１の敷き詰めが完了すると、制御部２１は、連続電子ビームを照射するように引出し電圧生成部２２などに電圧の指示を行う（ステップＳ１２）。
【００５９】
そして、制御部２１は、積層造形物の設計端の内側の粉体３１に対して連続電子ビームを照射して、照射箇所の粉体３１を溶解させる（ステップＳ１３）。制御部２１は、この積層造形物の設計端の内側の粉体３１の溶解が完了したか否かを判断し（ステップＳ１４）、粉体３１の溶解が完了していない場合には、ステップＳ１３の溶解作業を行う。
【００６０】
ステップＳ１４で設計端の内側の粉体３１の溶解が完了したと判断したときには、制御部２１は、パルス電子ビームを照射するようにパルス電圧生成部２３などに電圧の指示を行う（ステップＳ１５）。そして、制御部２１は、積層造形物の設計端の外側で設計端に沿った箇所の粉体３１に対してパルス電子ビームを照射して、照射箇所の粉体３１を昇華させる（ステップＳ１６）。制御部２１は、この積層造形物の設計端に沿った箇所の昇華が完了したか否かを判断し（ステップＳ１７）、粉体３１の昇華が完了していない場合には、ステップＳ１６の昇華作業を行う。
【００６１】
ステップＳ１７で設計端に沿った箇所の昇華が完了したと判断したときには、制御部２１は、積層造形物の造形が完了したか否かを判断し（ステップＳ１８）、完了していない場合には、ステップＳ１１に戻って次の層の粉体３１の敷き詰め作業を行う。三次元積層造形装置１００では、このステップＳ１１からステップＳ１６までの作業が、必要な層の数だけ繰り返し実行される。
そして、制御部２１は、ステップＳ１８で積層造形物の造形が完了したと判断したとき、１個の積層造形物の造形作業を終了する。
【００６２】
以上説明したように本実施形態例の三次元積層造形装置１００によると、連続的に光線が出力される連続電子ビームと、パルス状の光線が間欠的に出力されるパルス電子ビームの２種類の光線を使って、精度の高い三次元積層造形物を得ることができる。すなわち、パルス電子ビームを使用した昇華で、積層造形物の輪郭を形成することで、造形物の表面粗さが粉体３１の粒径に依存しなくなり、積層造形物の表面粗さの改善することできる。また、造形物の表面粗さが粉体３１の粒径に依存しなくなることで、粉体３１の粒径を細かくする必要がなくなり、造形速度の高速化に貢献する。
【００６３】
また、本実施形態例の三次元積層造形装置１００は、パルス電子ビームを使用して積層造形物を得る作業を行うことで、パルス電子ビームで溶解又は昇華する範囲とビーム径とをほぼ一致させた精度の高い造形作業を行うことができ、三次元積層造形物の造形精度を向上させることができる。ここまで説明した本実施形態例では、パルス電子ビームは粉体の昇華を行う場合に適用したが、パルス電子ビームの電流値を粉体が溶解する程度にすることで、パルス電子ビームが溶解を行うこともできる。
【００６４】
また、パルス電子ビームを発生させるパルス電圧には、一定のバイアス電圧を加算するようにしたことで、良好な造形作業を行うことが可能になる。このバイアス電圧としては、例えば粉体などを加熱するための電圧を加えることにより、加熱作業を行いながらパルス電子ビームの照射が行えるという効果を有する。
【００６５】
［５．変形例］
なお、上述した実施形態例に示した三次元積層造形装置では、パルス電子ビームは粉体の昇華を行う場合に適用したが、粉体の溶解時にパルス電子ビームを使用するようにしてもよい。すなわち、積層造形物の輪郭線の内側の領域の粉体を溶解する際に、電子源１１がパルス電子ビームを粉体３１に照射してもよい。このようにパルス電子ビームを使用することで、制御部２１は、溶解する領域をより正確に制御できるようになる。
また、輪郭の外側を昇華させる点についても１つの例であり、パルス電子ビームは粉体の溶解だけを行い、昇華は行わないで、積層造形物を得るようにしてもよい。
また、粉体を加熱する電圧をパルス電圧に印加する例についても１つの例であり、加熱用のバイアス電圧を印加しない構成としてもよい。
【００６６】
また、上述した実施形態例は、電子源１１が生成した電子ビームとしての光線を、粉体３１に照射する三次元積層造形装置とした。これに対して、本発明の三次元積層造形装置は、レーザビームなどの他の光線発生部を備えた装置に適用してもよい。例えばレーザビームを粉体に照射する三次元積層造形装置の場合に、レーザビームとして、連続レーザビームとパルスレーザビームを用意する。そして、パルスレーザビームを使用して、積層造形物の輪郭の外側の昇華を行うようにする。
【００６７】
また、一実施形態例に示した三次元積層造形装置の各部の構成は、一例を示したものであり、本発明は、これらの実施形態に示した構成に限定されるものではない。例えば、図１に示した構成において、電子ビームＢが通過する箇所には、対物レンズ１４と偏向レンズ１５以外のレンズを備えてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１１…電子源、１２…引出し電極、１３…加速電極、１４…対物レンズ、１５…偏向レンズ、２１…制御部、２２…引出し電圧生成部、２３…パルス電圧生成部、２４…加算器、２５…加速電圧生成部、２６…対物レンズ制御部、２７…偏向レンズ制御部、３１…粉体、３２…試料表面、３３…積層造形物、３４…輪郭、３５…昇華領域、３６…溶解領域、４１…造形枠台、４２…ピット、４３…ステージ
【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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