(57)【要約】      （修正有）【課題】３次元積層造形装置において、Ｚ駆動機構の横方向の動きを規制し、また、Ｚ駆動機構の熱膨張を抑制する。【解決手段】３次元積層造形装置は、筒状体を有する造形枠３と、造形枠３の筒状体３ａの内部を軸方向に移動し、造形物１０を形成するための粉末試料９が積層されるステージ５と、ステージ５の側端部に設けられ、造形枠３の筒状体３ａの内面に接するシール部材６と、を備える。また、造形枠３の筒状体３ａより大きな径を有する有底の筒状体であって、ステージ５を支持するステージ支持体１４を備える。また、上記筒状体３ａの軸方向に平行なガイド部材１２ａ，１２ｂと、ステージ支持体１４に固定されており、このガイド部材１２ａ，１２ｂに沿って移動するスライド部材１３Ａ，１３Ｂと、このスライド部材１３Ａ，１３Ｂを駆動する駆動部２３Ａと、ガイド部材１２ａ，１２ｂを支持する駆動機構支持体３１と、を備える。【選択図】図１
2015151566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状体を有する造形枠と、
前記造形枠の筒状体の内部を軸方向に移動し、造形物を形成するための粉末試料が積層されるステージと、
前記ステージの側端部に設けられ、前記造形枠の筒状体の内面に接するシール部材と、
前記造形枠の筒状体より大きな径を有する有底の筒状体であって、前記ステージを支持するステージ支持体と、
前記筒状体の軸方向に平行なガイド部材と、
前記ステージ支持体に固定されており、前記ガイド部材に沿って移動するスライド部材と、
前記スライド部材を駆動する駆動部と、
前記ガイド部材を支持する駆動機構支持部と、
を備える３次元積層造形装置。
【請求項２】
前記造形枠の前記筒状体の外面に配置されたヒータと、
前記造形枠と前記ステージ支持体との間に配置された熱遮蔽板と、
を備える請求項１に記載の３次元積層造形装置。
【請求項３】
前記ステージ支持体の底部に配置された断熱構造体を有し、
前記ステージは前記断熱構造体を介して前記ステージ支持体に支持されている
請求項２に記載の３次元積層造形装置。
【請求項４】
前記駆動機構支持部の外面に配置された冷却部と、
前記熱遮蔽板と前記駆動機構支持部とを接続する接続部材と、
を備える請求項２又は３に記載の３次元積層造形装置。
【請求項５】
前記ガイド部材及び前記スライド部材からなる駆動機構が複数設けられている
請求項１乃至３のいずれかに記載の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５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１００の概略断面図である。図５において、３次元積層造形装置１００のステージ１０５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１００は、金属粉末１０７を粉末台であるステージ１０５の上面に一層毎に敷き詰める。金属粉末１０９は、ステージ１０５上に敷き詰められた状態の金属粉末１０７である。次に、ステージ１０５上に敷き詰められた金属粉末１０９に対し、造形物１１０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する。そして、そのような金属粉末１０９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を形成する。
【０００５】
３次元積層造形装置１００は、図５に示すように、真空容器１０１の上部に電子銃１０２が装着されており、真空容器１０１の内部には筒状の造形枠台１０３が設けられている。造形枠台１０３の中央部に形成されたピット１１１の下方にはＺ駆動機構１０４が設けられている。ステージ１０５と接続したＺ軸部１０５ｄが、Ｚ駆動機構１０４によりＺ方向に駆動する機構となっている。一般に、Ｚ駆動機構１０４として、ラック＆ピニオンやボールねじ等が用いられる。ステージ１０５の側端部には、耐熱性及び柔軟性のあるシール部材１０６が設けられており、シール部材１０６と造形枠台１０３の内面とのすべり面で摺動性と密閉性を持たせている。真空容器１０１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１０１内は真空に維持されている。
【０００６】
３次元積層造形装置１００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１０５及びその周囲の雰囲気が余熱される。そして、Ｚ駆動機構１０４により、ステージ１０５が、造形枠台１０３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１０５のＺ方向への動きは、シール部材１０６が造形枠台１０３の内面を滑ることにより実現される。そして、金属粉末１０７を充填した線状漏斗１０８が、造形枠台１０３の上面（図５の左側）に沿ってステージ１０５を挟んで反対側にある造形枠台１０３の上面（図５の右側）に移動し、厚さΔＺ分の金属粉末１０７がステージ１０５に敷き詰められる。
【０００７】
次に、予め準備された設計上の造形物をΔＺ間隔でスライスした２次元形状に従い、金属粉末１０９に対し電子銃１０２から電子ビームが出射される。電子銃１０２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１０９が溶融する。溶融した金属粉末１０９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１０９が溶融及び凝固した後、Ｚ駆動機構１０４によりステージ１０５をΔＺ分下げる。次に、ΔＺ分の金属粉末１０７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、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１０９に電子ビームを照射し、金属粉末１０９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１０９の層を積み重ねることにより造形物が構築される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
上述したように、シール部材１０６に柔軟性のある材料を用いている。そのため、ステージ１０５の横方向（Ｘ方向又はＹ方向）の位置決めは、シール部材１０６の柔軟性分だけ自由度を持つことになる。ステージ１０５がＺ方向に３００ｍｍ程度移動できる３次元積層造形装置１００において、ステージ１０５の側端部にシール部材１０６が設けられている場合、ステージ１０５の室温における横方向への振れ量は、２０μｍ以上である。なお、シール部材１０６がない場合には、ステージ１０５の室温における横方向への振れ量は、５０μｍ以上である。このことから、シール部材１０６があることによってシール部材１０６がない場合よりも横方向の動き（位置）が規制されるものの、ステージ１０５を駆動するラック＆ピニオンやボールねじ等だけでは、シール部材１０６の横方向の動きを規制できないことがわかる。なお、シール部材１０６には軸に垂直な方向（断面方向）への弾力性があるので、ステージ１０５に加わる外力によっては、ステージ１０５の室温における横方向への振れ量は、５０μｍを超える可能性もある。
【００１０】
特許文献１に記載の技術を含む従来の３次元積層造形技術では、Ｚ方向への移動に伴うシール部材１０６の自由度分の横方向の位置ずれや、Ｚ駆動機構１０４を構成する部材の熱膨張による精度劣化について、言及していない。
【００１１】
上記の状況から、Ｚ駆動機構の横方向の動きを規制し、また、Ｚ駆動機構の熱膨張を抑制することが要望されていた。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した目的のうち少なくとも一つを実現するため、本発明の一態様に係る３次元積層造形装置は、筒状体を有する造形枠と、この造形枠の筒状体の内部を軸方向に移動し造形物を形成するための粉末試料が積層されるステージと、このステージの側端部に設けられた造形枠の筒状体の内面に接するシール部材と、を備える。また、造形枠の筒状体より大きな径を有する有底の筒状体であって、ステージを支持するステージ支持体を備える。また、上記筒状体の軸方向に平行なガイド部材と、ステージ支持体に固定されておりガイド部材に沿って移動するスライド部材と、このスライド部材を駆動する駆動部と、ガイド部材を支持する駆動機構支持体と、を備える。
上記の３次元積層造形装置は、造形枠の筒状体の外面に配置されたヒータと、造形枠とステージ支持体との間に配置された熱遮蔽板と、を備えていてもよい。
【００１３】
本発明の一態様に係る３次元積層造形装置によれば、ガイド部材及びステージ支持体に固定されたスライド部材により、ステージの横方向の動きが規制される。
また、造形枠とステージ支持体との間に熱遮蔽板を設けることにより、造形枠からの輻射熱が遮蔽され、ステージの横方向の位置を規制しているガイド部材及びスライド部材の熱膨張が抑えられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の少なくとも一つの実施の形態によれば、Ｚ駆動機構の横方向の動きを規制することができる。また、造形枠から他へ熱が伝わるのを防止する構造とした場合、ガイド部材及びスライド部材等の駆動機構の熱膨張を抑制し、熱膨張による歪みや摺動性の劣化が抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態例に係る３次元積層造形装置の構成例を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態例に係る３次元積層造形装置のステージ支持体が、最下端まで移動した状態を示した断面図である。
【図３】図１に示したＺ駆動機構の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態例に係る３次元積層造形装置の構成例を示す断面図である。
【図５】従来技術に係る３次元積層造形装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
＜１．第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る３次元積層造形装置の構成例を示す断面図である。図２は、３次元積層造形装置のステージ支持体が、移動範囲の最下端（本実施の形態では最上端からの距離約６００ｍｍ）まで移動した状態を示した断面図である。図１及び図２において、３次元積層造形装置１のステージ５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。
【００１８】
［３次元積層造形装置の構成］
３次元積層造形装置１は、図１及び図２に示すように、真空容器１Ａの上部に電子銃２が装着されており、真空容器１Ａの内部には造形枠３が設けられている。造形枠３は、筒状体３ａ及びつば部３ｂからなる。筒状体３ａは、軸方向に垂直な方向の断面の形状が四角形である角筒である。ただし、完成した造形物１０を造形枠３から取り出せるようにするために、その四角形の一辺（角筒の外周面の一面）は開放可能な構造となっている。つば部３ｂは、筒状体３ａのＺ方向の一端に形成されており、その端部は、真空容器１Ａの側壁に固定されている。
【００１９】
造形枠３の内側には、ＸＹ平面に平行な面を持ち、造形枠３の筒状体３ａの内部を軸方向に移動するステージ５が配置されている。ステージ５は、造形物１０を形成するための金属粉末７が積層される粉末台である。ステージ５には、金属粉末７を充填した線状漏斗８により、金属粉末７が敷き詰められる。金属粉末９は、ステージ５上に敷き詰められた状態の金属粉末７である。線状漏斗８の排出口は、当該線状漏斗８の移動方向（Ｘ方向）に垂直な方向（Ｙ方向）に延在し、金属粉末７が移動方向の中心から所定幅でステージ５に敷き詰められる。
【００２０】
造形枠３の筒状体３ａの外面には、ヒータ２０が配置されている。ヒータ２０は、造形枠３の筒状体の外面に巻回されるように配置されている。ヒータ２０としては、例えば２種類のセラミックスで構成されたＰＧ／ＰＢＮ（Pyro-lytic Graphite/ Pyro-lytic Boron Nitride）ヒータ等の１０００℃以上の温度に加熱できるヒータが用いられる。
【００２１】
ステージ５は、断熱構造体が配置されたステージ支持体１４によって支持されている。ステージ支持体１４は、造形枠３の筒状体３ａの外径（Ｚ方向に垂直な方向の長さ）よりも大きな径を有する有底の筒状体（角筒）であり、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２ＢによりＺ方向に移動する。筒状体（角筒）であるステージ支持体１４の外周面の一面は、開放されている。このステージ支持体１４のＺ方向への移動に伴い、ステージ５のＺ方向における位置が変化する。ステージ支持体１４が移動範囲の上側（図１の状態）に位置するとき、造形枠３の筒状体３ａがステージ支持体１４の内側にほぼ収容された状態となる。なお、図１では、断熱構造体として第１の断熱構造体１５及び第２の断熱構造体１６が、底部側から第１の断熱構造体１５、第２の断熱構造体１６の順に配置されている。ステージ５は、第２の断熱構造体１６に固定されている。図１の例では、第２の断熱構造体１６の内部に空間部１６ａが形成されており、一定の断熱効果を保ちつつ、軽量化されている。
【００２２】
ステージ５は、造形枠３の筒状体３ａの内面に囲まれている。ステージ５の側端部には、造形枠３の筒状体３ａの内面に接するシール部材６が設けられている。シール部材６としては、耐熱性及び柔軟性を有するグラスウールなどが用いられる。ステージ５の側端部に柔軟性を持つシール部材６を設けることによって、シール部材６と筒状体３ａの内面とのすべり面において摺動性と密閉性を持たせている。それにより、ステージ５の上面に敷き詰められた金属粉末９がステージ５の下に漏れることを防止している。真空容器１Ａ内の雰囲気は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１Ａ内は真空に維持されている。
【００２３】
３次元積層造形装置１の基準となる土台３０の上面に、Ｚ駆動機構支持部３１（駆動機構支持部の一例）が固定されている。Ｚ駆動機構支持部３１は、ステージ支持体１４の外径より大きな径を有する筒状体（角筒）であり、その筒状体のＺ方向の一端につば部が形成されている。筒状体（角筒）であるＺ駆動機構支持部３１の外周面の一面は、ステージ支持体１４と同様に開放されている。つば部の端部は、真空容器１Ａの側壁に固定されている。Ｚ駆動機構支持部３１の内面には、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂが取り付けられている。Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂは、Ｚ駆動機構支持部３１の中心部を挟んで対向するように配置されている。Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂの構成は同じであるので、ここではＺ駆動機構１２Ａを図示してその構造を説明する。
【００２４】
図３は、Ｚ駆動機構１２Ａの説明図である。図３に示すＺ駆動機構１２Ａは、Ｚ駆動機構支持部３１とＺ駆動機構１２Ａの間から、Ｘ方向にＺ駆動機構１２Ａを見た状態を表したものである。
Ｚ駆動機構１２Ａは、図３に示すように、ガイド部材１２ａと、ボールねじ２２Ａと、スライド部材１３Ａと、駆動部２３Ａを有する。Ｚ駆動機構１２Ａは、ガイド部材１２ａとスライド部材１３Ａとの接触部にローラが用いられたリニアローラガイドである。ガイド部材１２ａは、Ｚ駆動機構支持部３１の内面にＺ方向に沿って並列に固定された２本のガイドシャフト１２ａ１，１２ａ２から構成される。ボールねじ２２Ａは、ガイドシャフト１２ａ１，１２ａ２と同様にＺ駆動機構支持部３１の内面にＺ方向に配置されており、一端にモータ等の駆動部２３Ａが接続されている。ボールねじ２２Ａは、駆動部２３Ａの駆動力を受けて正回転又は逆回転する。スライド部材１３Ａは、ボールねじ２２Ａの回転に応じて、２本のガイドシャフト１２ａ１，１２ａ２に沿って（案内されて）Ｚ方向（上下）へ移動する。スライド部材１３Ａは、ステージ支持体１４の筒状体及びＺ駆動機構支持部３１の筒状体の形状に合わせて、一例としてＹＺ平面に平行な面を持つ平板状の形状である。スライド部材１３Ａの少なくともＹＺ平面に平行な面には、ステージ支持体１４の筒状体の一の面が固定されている。そのため、スライド部材１３ＡのＺ方向への移動に伴ってステージ支持体１４がＺ方向へ移動し、ステージ５のＺ方向における位置（高さ）が変わる。
【００２５】
Ｚ駆動機構１２Ｂも、Ｚ駆動機構１２Ａと同様に、２本のガイドシャフトで構成されるガイド部材１２ｂと、ボールねじ２２Ｂと、スライド部材１３Ｂと、モータ等の駆動部２３Ｂを有する（図１参照）。スライド部材１３Ｂが、ボールねじ２２Ｂの回転に応じて、ガイド部材１２ｂの２本のガイドシャフトに案内されてＺ方向へ移動する。スライド部材１３Ｂも、ステージ支持体１４の筒状体及びＺ駆動機構支持部３１の筒状体の形状に合わせて、一例としてＹＺ平面に平行な面を持つ平板状の形状である。スライド部材１３Ｂの少なくともＹＺ平面に平行な面には、ステージ支持体１４の筒状体の上記一の面と反対側にある他の面が固定されている。Ｚ駆動機構１２Ａのスライド部材１３ＡとＺ駆動機構１２Ｂのスライド部材１３Ｂの駆動は、ステージ５がＸＹ平面に平行（水平）となるように制御される。
【００２６】
このようなＺ駆動機構１２Ａ，１２Ｂを持つ３次元積層造形装置１において、ステージ支持体１４（ステージ５）のＺ方向のストロークが６００ｍｍ程度である場合に、ステージ５の室温における横方向への振れ量は、３μｍ〜数μｍと非常に小さい。
【００２７】
土台３０の中央部には、図１及び図２に示すように、ステージ支持体１４の外径よりも大きな径の穴であるピット１１が形成されている。ステージ支持体１４は、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂにより、Ｚ駆動機構支持部３１の内側及びピット１１をＺ方向に移動する。
【００２８】
造形枠３の筒状体３ａとステージ支持体１４との間には、熱遮蔽板１７が設けられている。造形物１０の周りは高温になるが、この熱遮蔽板１７によって真空雰囲気での赤外線（輻射熱）が遮蔽される。熱遮蔽板１７は、筒状体３ａ及びステージ支持体１４の筒状体の形状に合わせて、一例として筒状体（角筒）である。筒状体（角筒）である熱遮蔽板１７の外周面の一面は、ステージ支持体１４と同様に開放されている。また、熱遮蔽板１７の底部には、第１の断熱構造体１５及び第２の断熱構造体１６の外径より大きな径の貫通孔が形成されており、この貫通孔を第１の断熱構造体１５及び第２の断熱構造体１６がＺ方向に移動する。このように熱遮蔽板１７を薄板で形成することにより、設計自由度が限られる３次元積層造形装置１の大型化を抑えることができる。
【００２９】
この熱遮蔽板１７は、熱伝導率が高い材質で形成された接続部材１７ａ介して、冷却配管１８（冷却部の一例）により冷却されているＺ駆動機構支持部３１に接触している。接続部材１７ａ、ステージ支持体１４の移動を妨げないよう、熱遮蔽板１７（筒状体）の上部とＺ駆動機構支持部３１の筒状体の上端を連結している。冷却配管１８は、配管内部を冷却水等が流れており、Ｚ駆動機構支持部３１の筒状体の外面に巻回されるように配置されている。また、造形枠３のつば部３ｂの下面には、断熱材１９が配置されており、造形枠３のつば部３ｂが断熱材１９を介してＺ駆動機構支持部３１の筒状体の上端に固定されている。熱遮蔽板１７と断熱材１９によって、造形枠３からＺ駆動機構支持部３１に熱が輻射されること及び熱が伝導することを防止できる。
【００３０】
スライド部材１３ＢとＺ駆動機構支持部３１との間には、Ｚ駆動機構支持部３１に対するスライド部材１３Ｂの相対変位を読み取るためのリニアスケール２１が取り付けられている。リニアスケール２１の出力値から、スライド部材１３Ｂすなわちステージ５のＺ方向の位置を把握できる。リニアスケール２１を、スライド部材１３Ｂ側だけではなく、スライド部材１３Ａ側に配置してもよい。
【００３１】
なお、造形枠３の筒状体３ａは、造形物１０の素材に応じて適宜選択するものとする。つば部３ｂを筒状体３ａと別体にした場合は、つば部３ｂの材質にステンレス等の比較的熱伝導率の小さい金属を用いてもよい。また、ステージ支持体１４には、熱遮蔽板１７が配置されている場合、例えばＺ駆動機構１２Ａ，１２Ｂのガイドシャフトと同等の熱膨張係数を持つ材質を用いることができる。また、Ｚ駆動機構支持部３１には、例えばステージ支持体１４と同じ材質が用いられる。
【００３２】
［動作］
３次元積層造形装置１は、積層造形の開始時に、ヒータ２０により造形枠３の筒状体３ａを余熱する。造形枠３の筒状体３ａが余熱されることにより、ステージ５及び周囲の雰囲気が余熱される。次に、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂにより、造形枠３のつば部３ｂの上面よりＺ方向にΔＺ分下がった位置にステージ５を配置する。このΔＺが、その後に敷き詰められる金属粉末７のＺ方向の層厚に相当する。次に、金属粉末７が充填された線状漏斗８を、造形枠３のつば部３ｂの上面に沿ってステージ５を挟んで反対側にある造形枠３のつば部３ｂの上面へと移動させ、厚さΔＺ分の金属粉末７をステージ５に敷き詰める。
【００３３】
次に、３次元積層造形装置１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９に対し電子銃２から電子ビームを出射する。電子銃２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領域の金属粉末９が溶融する。溶融した金属粉末９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９が溶融及び凝固した後、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂによりステージ５をΔＺ分下げる。このステージ５のＺ方向への動きは、シール部材６が造形枠３の筒状体３ａの内面を滑ることにより実現される。
【００３４】
次に、線状漏斗８を再び造形枠３の上面に沿ってステージ５を挟んで元の側にある造形枠３の上面へと移動させ、ΔＺ分の金属粉末７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、電子銃２から出射される電子ビームにより、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９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９の層を積み重ねることにより造形物１０を構築する。
【００３５】
３次元積層造形装置１は、積層造形の過程でステージ５がＺ方向に移動する際に、スライド部材１３Ａが、ボールねじ２２ＡによりＺ駆動機構支持部３１に取り付けられた２本のガイドシャフト１２ａ１，１２ａ２に案内されてＺ方向に移動する（図３）。スライド部材１３Ａは、ガイドシャフト１２ａ１，１２ａ２とスライド部材１３Ａの持つ精度で、滑らかに移動できる。スライド部材１３Ｂも同様に、図示しないボールねじにより２本のガイドシャフトに案内されて、Ｚ方向に滑らかに精度よく移動できる。ここでは、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂにリニアローラガイドを用いた機構を採用しているが、同程度の精度を有する機構であれば、他の機構でもよい。
【００３６】
スライド部材１３Ａ，１３Ｂに固定されたステージ支持体１４は、横方向の動きを規制されながら（精度を保ちながら）、その底部に搭載された第１の断熱構造体１５及び第２の断熱構造体１６を介して、ステージ５を造形枠３の筒状体３ａの内部でＺ方向に移動する。積層造形する際には、このステージ５のＺ方向の動きをμｍオーダの精度で制御して、金属粉末９の層を一層ずつ積み重ねる。そのときの造形物１０の造形精度は、ステージ５のＺ方向の移動に対するＸ方向及びＹ方向(横方向)への振れ量に依存することになり、より少ない振れ量であればより精度が高くなる。ステージ５の横方向の位置は、基本的にはガイド部材１２ａとスライド部材１３Ａの動きに依存し、そこでの横振れが小さければ、ステージ５での横方向の位置ずれも小さくなる。一方で、造形枠３の筒状体３ａの内面がＺ方向に対して平行でなかったり、歪んでいたりした場合は、柔軟性を持つシール部材６の自由度分で吸収できる(吸収できる程度に造形枠３を合わせ込む)。
【００３７】
上述したとおり、造形枠３の筒状体３ａの外面には、ヒータ２０が配置されている。造形物１０や敷きつめられた金属粉末９は、電子ビームにより高温に加熱されるため、その温度を造形枠３及びステージ５も含めその温度を保温できるようにすることで、造形物１０の熱歪み等を緩和することができる。そのため、１０００℃以上の温度に加熱できるヒータ２０を造形枠３の周りに配置し、敷きつめられた金属粉末９ごと造形物１０の温度をその材質に応じて適切に制御する。この温度制御により、造形枠３の筒状体３ａ全体が高温に保たれることになる。
【００３８】
このような状態において、その周りのガイド部材１２ａ，１２ｂとスライド部材１３Ａ，１３Ｂにまでヒータ２０の熱が伝わる。したがって、そのままでは上記各部材の熱膨張により、スライド部材１３Ａ，１３ＢのＺ方向への動きが悪くなる。また、積層造形の度、加熱と冷却を繰り返すために、ガイド部材１２ａ，１２ｂとスライド部材１３Ａ，１３Ｂとの摺動面が凸凹になり、横方向のガタが大きくなる。それを防ぐため、３次元積層造形装置１は、断熱、熱遮蔽及び冷却のための構造を有している。
【００３９】
断熱のための構造として、ステージ支持体１４の底部とステージ５との間に、第１の断熱構造体１５と第２の断熱構造体１６を配置し、ガイド部材１２ａ，１２ｂ及びスライド部材１３Ａ，１３Ｂへの熱伝導を抑えている。第１の断熱構造体１５には、一例として熱伝導率が低い耐火煉瓦、セラミックス等を用いる。また、第２の断熱構造体１６には、一例として、ステンレス等の金属の中でも熱伝導率が低い材質を用いている。本実施の形態では、第２の断熱構造体１６に熱伝導率が低い材質を用いつつ、内部に空間を形成して構造的にも熱伝導を抑えている。なお、図１の例では、第１の断熱構造体１５と第２の断熱構造体１６の２段階で熱伝導を抑制しているが、いずれか１段階でもよい。
【００４０】
さらに、造形枠３は、Ｚ駆動機構支持部３１に固定されている必要があるが、上述したように、造形枠３からＺ駆動機構支持部３１への熱の伝導を抑えるため、断熱材１９を介して、造形枠３のつば部３ｂとＺ駆動機構支持部３１を固定している。断熱材１９により固体間の熱の伝導を防ぐことができる。
【００４１】
熱遮蔽のための構造として、上述したように、高温となっている造形枠３と過熱を抑えたいステージ支持体１４等との間に赤外線を反射する熱遮蔽板１７を設けている。熱遮蔽板１７としては、比較的熱伝導率が良く反射面を作り易いアルミニウム板等が適当である。また、熱遮蔽板１７の熱を逃がす必要もあり、熱遮蔽板１７の固定端は、低温部に接するような構造となっている。ここでは、熱遮蔽板１７の固定端（筒状体の上端）は、熱伝導率が高い接続部材１７ａを介して、冷却配管１８により冷却されたＺ駆動機構支持部３１に固定されている。
【００４２】
冷却のための構造としては、上述したように、Ｚ駆動機構支持部３１の筒状体の外面に冷却配管１８を設けている。これにより、Ｚ駆動機構支持部３１全体を冷却し、接続部材１７ａを介して熱遮蔽板１７を冷却している。
【００４３】
上述した第１の実施の形態は、ステージ５を、横方向の自由度が規制されているガイド部材１２ａ，１２ｂ及びスライド部材１３Ａ，１３Ｂを有するＺ駆動機構１２Ａ，１２Ｂを介して移動させる構成を有している。そのため、Ｚ方向へ移動するステージ５の側端部に設けられたシール部材６の自由度分の不安定性が解消され、ステージ５の横方向の振れ量が小さくなる。したがって、ステージ５の横方向の位置の精度が向上し、造形物１０の造形精度が改善される。
また、造形枠３と、Ｚ駆動機構１２，１２Ｂ（ガイド部材１２ａ，１２ｂ及びスライド部材１３Ａ，１３Ｂ）との間を断熱することにより、ガイド部材１２ａ，１２ｂ及びスライド部材１３Ａ，１３Ｂの熱膨張を防ぎ、熱膨張による歪みや摺動性の劣化が抑えられる。それゆえ、Ｚ駆動機構１２，１２Ｂは、精度の良いＺ方向の動きを維持できる。
【００４４】
＜２．第２の実施の形態＞
第２の実施の形態例は、第１の実施の形態に係る３次元積層造形装置１（図１及び図２）に対して、銅網線を設けた例である。
【００４５】
図４は、第２の実施の形態例に係る３次元積層造形装置５０の構成例を示す断面図である。
３次元積層造形装置１では、低温の冷却配管１８が取り付けられたＺ駆動機構支持部３１から高温のステージ５までの熱平衡によって、ガイド部材１２ａ，１２ｂ及びスライド部材１３Ａ，１３Ｂの温度が決まる。ガイド部材１２ａ，１２ｂとスライド部材１３Ａ，１３Ｂとの間は、スライド部材１３Ａ，１３Ｂが備えるローラによる点接触や線接触となり、その間で熱勾配が大きくなる恐れがある。すなわち、スライド部材１３Ａ，１３Ｂが備えるローラが高温になる恐れがある。そこで、図４に示すように、Ｚ駆動機構支持部３１とステージ支持体１４を、可撓性を有し熱伝導率が高い材質からなる銅網線３３を接続する。ここでは、ピット１１の一部を拡張し、銅網線３３をＺ駆動機構支持部３１のつば部の下面とステージ支持体１４の筒状体の下面に接続することで、銅網線３３がステージ支持体１４のＺ方向への移動の妨げにならないようにしている。
【００４６】
なお、上述した第１及び第２の実施の形態例において、粉末試料として金属粉末を用いたが、樹脂粉末やその他の粉末でもよい。望ましくは高融点の粉末試料であるとよい。
【００４７】
また、上述した第１及び第２の実施の形態例において、Ｚ駆動機構１２Ａ，１２Ｂによりステージ５を押し上げて、完成した造形物１０を造形枠３から取り出すようにしてもよい。
【００４８】
また、上述した第１及び第２の実施の形態例において、金属粉末９に電子ビームを照射する構成を説明したが、イオンビームあるいはレーザビームを用いてもよい。
【００４９】
また、上述した第１及び第２の実施の形態例において、造形枠３の筒状体３ａ、ステージ支持体１４の筒状体、Ｚ駆動機構支持部３１の筒状体、及び熱遮蔽板１７の筒状体の例として、角筒を例示したが、円筒でもよい。また、スライド部材１３Ａ、１３Ｂは、ステージ支持体１４の筒状体（角筒）及びＺ駆動機構支持部３１の筒状体（角筒）の形状に合わせて、ＹＺ平面に平行な面を持つ平板状の形状を例示したが、湾曲した形状でもよい。
【００５０】
以上、本発明は上述した各実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の変形例、応用例を取り得ることは勿論である。
例えば、上記した実施の形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態例の構成の一部を他の実施の形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態例の構成に他の実施の形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態例の構成の一部について、他の構成の追加、置換、削除をすることが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１，５０…３次元積層造形装置、  ３…造形枠、  ３ａ…筒状体、  ３ｂ…つば部、  ５…ステージ（粉末台）、  ６…シール部材、  ７…金属粉末、  ９…金属粉末、  １０…造形物、  １１…ピット、  １２Ａ，１２Ｂ…Ｚ駆動機構、  １２ａ，１２ｂ…ガイド部材、  １２ａ１，１２ａ２…ガイドシャフト、  １３Ａ，１３Ｂ…スライド部材、  １４…ステージ支持体、  １５…第１の断熱構造体、  １６…第２の断熱構造体、  １６ａ…空間部、  １７…熱遮蔽板、  １７ａ…接続部材、  １８…冷却配管、  １９…断熱材、  ２０…ヒータ、  ２２…ボールねじ、  ２３…駆動部、  ３１…Ｚ駆動機構支持部、３３…銅網線
【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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