(57)【要約】【課題】不活性ガスを用いることなく粉末材料の帯電除去ができ、粉末材料が飛散することを防ぐことができる３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法を提供する。【解決手段】３次元積層造形装置１は、ステージ４と、第１の電子銃８と、第２の電子銃９と、を備えている。第１の電子銃８は、所定の粉末材料Ｍ１を溶融する。第２の電子銃９は、ステージ上に敷き詰められた粉末材料で形成される試料面に対して電子ビームを傾斜させて照射し、粉末材料の帯電を除去する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
造形物を形成するための粉末材料が敷き詰められるステージと、
前記ステージ上に敷き詰められた前記粉末材料のうち所定の粉末材料に電子ビームを照射して前記所定の粉末材料を溶融する第１の電子銃と、
前記ステージ上に敷き詰められた前記粉末材料で形成される試料面に対して電子ビームを傾斜させて照射し、前記粉末材料の帯電を除去する第２の電子銃と、
を備えた３次元積層造形装置。
【請求項２】
前記第２の電子銃から出射された電子ビームは、前記第１の電子銃から出射された電子ビームの照射位置と同じ位置に照射される
請求項１に記載の３次元積層造形装置。
【請求項３】
前記第２の電子銃における前記試料面に電子ビームを照射する傾斜角度は、前記試料面に対して４５度以内に設定される
請求項１又は２に記載の３次元積層造形装置。
【請求項４】
前記第２の電子銃から出射される電子ビームの出力は、前記第１の電子銃から出射される電子ビームの出力よりも低く設定される
請求項１〜３のいずれかに記載の３次元積層造形装置。
【請求項５】
ステージの一面に造形物を形成するための粉末材料を敷き詰める工程と、
前記ステージ上に前記ステージ上に敷き詰められた前記粉末材料のうち所定の粉末材料に対して第１の電子銃から電子ビームを照射して前記所定の粉末材料を溶融する工程と、
前記ステージ上に敷き詰められた前記粉末材料で形成される試料面に対して前記第１の電子銃と異なる第２の電子銃から電子ビームを傾斜させて照射し、前記粉末材料の帯電を除去する工程と、
を含む３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、ステージ上に粉末材料を薄く敷いた層を一層ずつ重ねて造形する３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、粉末材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、粉末材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４は、従来技術に係る３次元積層造形装置１００の概略断面図である。
【０００４】
３次元積層造形装置１００は、粉体供給部１０７を用いて金属粉末Ｍ１を粉末台であるステージ１０４の上面に一層毎に敷き詰める。次に、ステージ１０４上に敷き詰められた金属粉末Ｍ１に対し、造形物Ｐ１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Ｍ１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４に示すように、真空容器１０２の上部に電子銃１０８が装着されており、真空容器１０２の内部には筒状の造形枠台１０３が設けられている。また、電子銃１０８には、電子銃１０８を制御する電子ビーム制御部１１１が接続されている。造形枠台１０３の中央部に形成されたピット１０３ａの下方にはステージ１０４を移動可能に支持する駆動機構１０５が設けられている。駆動機構１０５は、ステージ１０４の軸部１０４ｄに接続し、ステージ１０４を鉛直方向に駆動する。真空容器１０２内は、真空に維持されている。
【０００６】
そして、駆動機構１０５により、ステージ１０４が、造形枠台１０３の上面より鉛直方向にΔＺ分下がった位置に配置される。そして、粉体供給部１０７により厚さΔＺ分の金属粉末Ｍ１がステージ１０４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Ｍ１に対して電子銃１０８から電子ビームＬ１が出射される。電子銃１０８から出射された電子ビームＬ１により、その２次元形状に対応する金属粉末Ｍ１が溶融する。溶融した金属粉末Ｍ１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Ｍ１が溶融及び凝固した後、駆動機構１０５によりステージ１０４をΔＺ分下げる。次に、ΔＺ分の金属粉末Ｍ１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Ｍ１に電子ビームＬ１を照射し、金属粉末Ｍ１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Ｍ１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】特表２０１０−５２６６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図３Ａは、金属粉末Ｍ１に電子ビームＬ１が照射された際の電子の状態を模式的に示す説明図である。しかしながら、図４に示す３次元積層造形装置１００では、図３Ａに示すように、試料面に対して略垂直に電子ビームＬ１が照射された場合、照射された電子のほとんどは、試料面の内部に侵入し、敷き詰められた金属粉末Ｍ１よりも下層の試料内部に拡散される。また、一部の電子は、金属粉末Ｍ１に留まる。そして、金属粉末Ｍ１が絶縁体の場合、金属粉末Ｍ１は、電子ビームＬ１により負に帯電する。また、金属粉末Ｍ１が導電体の場合でも、接地面積が小さく、さらに電子ビームＬ１の電流量が大きいため、絶縁体の場合と同様に、負に帯電する。そのため、図５に示すように、負に帯電した金属粉末Ｍ１が互いに反発し、金属粉末Ｍ１が飛散するおそれがあった。
【００１０】
また、金属粉末Ｍ１が負に帯電して飛散することを防止するために、図４に示すように、真空容器１０２に帯電した金属粉末Ｍ１を中和する不活性ガスＦ１を導入するガス導入部１１２を設けることが考えられる。しかしながら、不活性ガスＦ１を導入する場合、電子銃１０８から出射した電子ビームＬ１のエネルギーが散逸し、金属粉末Ｍ１が溶融されない、という問題を有している。さらに、不活性ガスＦ１が電子銃１０８に付着し、電子銃１０８の寿命が短くなる、という問題も有している。
【００１１】
本発明の目的は、上記の問題点を考慮し、不活性ガスを用いることなく粉末材料の帯電除去ができ、粉末材料が飛散することを防ぐことができる３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決し、本発明の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、第１の電子銃と、第２の電子銃と、を備えている。ステージは、造形物を形成するための粉末材料が敷き詰められる。第１の電子銃は、ステージ上に敷き詰められた粉末材料のうち所定の粉末材料に電子ビームを照射して所定の粉末材料を溶融する。第２の電子銃は、ステージ上に敷き詰められた粉末材料で形成される試料面に対して電子ビームを傾斜させて照射し、粉末材料の帯電を除去する。
【００１３】
また、本発明の３次元積層造形方法は、以下（１）〜（３）に示す工程を含んでいる。
（１）ステージの一面に造形物を形成するための粉末材料を敷き詰める工程。
（２）ステージ上にステージ上に敷き詰められた粉末材料のうち所定の粉末材料に対して第１の電子銃から電子ビームを照射して所定の粉末材料を溶融する工程。
（３）ステージ上に敷き詰められた粉末材料で形成される試料面に対して第１の電子銃と異なる第２の電子銃から電子ビームを傾斜させて照射し、粉末材料の帯電を除去する工程。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法によれば、第２の電子銃により粉末材料の帯電除去を行うことができ、粉末材料が帯電することで飛散することを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における第１の電子銃及び第２の電子銃から電子ビームが出射された状態を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態例にかかる３次元積層造形装置における第１の電子銃及び第２の電子銃から電子ビームが試料面に照射された模式的に示す説明図である。
【図４】従来技術にかかる３次元積層造形装置を模式的に示す説明図である。
【図５】従来技術にかかる３次元積層造形装置における電子ビームの照射状態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の３次元積層造形装置の実施の形態例について、図１〜図３を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には、同一の符号を付している。また、説明は以下の順序で行うが、本発明は、必ずしも以下の形態に限定されるものではない。
１．実施の形態例
１−１．３次元積層造形装置の構成
１−２．３次元積層造形装置の動作
【００１７】
１−１．３次元積層造形装置の構成
まず、本発明の３次元積層造形装置の実施の形態例について図１を参照して説明する。
図１は、本例の３次元積層造形装置を模式的に示す説明図である。
【００１８】
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材料に電子ビームを照射して粉末材料を溶融させ、この粉末材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。
【００１９】
３次元積層造形装置１は、中空の真空容器２と、造形枠３と、ステージ４と、ステージ４を移動可能に支持する駆動機構５と、ステージ４に粉末材料の一例を示す金属粉末Ｍ１を供給する粉体供給部７と、第１の電子銃８と、第２の電子銃９とを有している。また、３次元積層造形装置１は、第１の電子銃８を制御する第１の電子ビーム制御部１１と、第２の電子銃９を制御する第２の電子ビーム制御部１２とを有している。
【００２０】
真空容器２には、図示していない真空ポンプが接続されている。そして、真空容器２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２内は、真空に維持されている。この真空容器２内には、造形枠３と、ステージ４、駆動機構５及び粉体供給部７が設けられている。
【００２１】
造形枠３は、真空容器２の鉛直方向の下部に配置されている。造形枠３には、鉛直方向の上方から下方にかけて貫通するピット３ａが形成されている。ピット３ａは、略四角柱状に開口している。また、完成した造形物Ｐ１を取り出せるようにするために、造形枠３におけるピット３ａの外周面の一部は、開放されている。
【００２２】
造形枠３におけるピット３ａには、ステージ４及び駆動機構５が配置されている。ステージ４は、略平板状に形成されている。ステージ４は、造形物Ｐ１を形成するための金属粉末Ｍ１が積層される粉末台である。また、ステージ４の側端部には、耐熱性及び柔軟性のあるシール部材１４が設けられている。シール部材１４は、ピット３ａの壁面に摺動可能に接触している。そして、シール部材１４により、ステージ４における鉛直方向の下方の空間と上方の空間が密閉されている。
【００２３】
また、ステージ４における金属粉末Ｍ１が積層される一面と反対側の他面には、軸部４ｄが設けられている。軸部４ｄは、ステージ４の他面から鉛直方向の下方に向けて突出している。軸部４ｄは、駆動機構５に接続されている。駆動機構５は、軸部４ｄを介してステージ４を鉛直方向に駆動する。駆動機構５としては、例えば、ラックとピニオンやボールねじ等が挙げられる。
【００２４】
また、造形枠３における鉛直方向の上方には、粉体供給部７が配置されている。粉体供給部７には、不図示の金属粉末貯蔵部から送出チューブを介して金属粉末Ｍ１が送り出される。粉体供給部７は、鉛直方向の下方に設けた排出口７ａから金属粉末Ｍ１を排出する。そして、粉体供給部７は、金属粉末Ｍ１を排出し、ステージ４の一面に金属粉末Ｍ１を敷き詰める。また、ステージ４の一面に供給された金属粉末Ｍ１を平らに均す均し板を真空容器２内に設置してもよい。
【００２５】
なお、ステージ４の一面に金属粉末Ｍ１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２内に供給された金属粉末Ｍ１を平板状のアーム部材を介して、ステージ４まで搬送し、ステージ４の一面に金属粉末Ｍ１を敷き詰めてもよい。
【００２６】
また、真空容器２の鉛直方向の上部には、第１の電子銃８及び第２の電子銃９が装着されている。第１の電子銃８及び第２の電子銃９は、真空容器２の鉛直方向の上部において、ステージ４の一面に対向して配置される。
【００２７】
第１の電子銃８は、ステージ４の一面に敷き詰められた金属粉末Ｍ１のうち所定の金属粉末Ｍ１に溶融用電子ビームＬ１を照射して、金属粉末Ｍ１を溶融させる。また、第１の電子銃８は、第１の電子ビーム制御部１１に接続されている。第１の電子ビーム制御部１１は、第１の電子銃８から出射される溶融用電子ビームＬ１の出力値及び第１の電子銃８が溶融用電子ビームＬ１を照射する位置を決定する。そして、第１の電子ビーム制御部１１は、決定した情報を第１の電子銃８に出力し、第１の電子銃８を駆動させる。
【００２８】
第２の電子銃９は、ステージ４の一面に敷き詰められた金属粉末Ｍ１全体に帯電中和用電子ビームＬ２を照射して、金属粉末Ｍ１を帯電除去する。また、第２の電子銃９は、第２の電子ビーム制御部１２に接続されている。第２の電子ビーム制御部１２は、第２の電子銃９から出射される帯電中和用電子ビームＬ２の出力値及び照射する位置を決定する。そして、第２の電子ビーム制御部１２は、決定した情報を第２の電子銃９に出力し、第２の電子銃９を駆動させる。
【００２９】
また、第２の電子銃９は、ステージ４の一面に敷き詰められた金属粉末Ｍ１で形成された平面（以下、「試料面」という）に対して所定の角度θ１で傾斜させて帯電中和用電子ビームＬ２を照射する。なお、帯電中和用電子ビームＬ２を傾斜させる角度θ１は、例えば、試料面の平面から略４５度以内に設定される。第２の電子銃９から出射される帯電中和用電子ビームＬ２の出力は、第１の電子銃８から出射される溶融用電子ビームＬ１よりも低い値に設定される。
【００３０】
溶融用電子ビームＬ１の出力は、例えば６０ｋＶに設定され、帯電中和用電子ビームＬ２の出力は、例えば１ｋＶに設定される。
【００３１】
図２は、溶融用電子ビームＬ１及び帯電中和用電子ビームＬ２が照射された状態を模式的に示す説明図である。
図２に示すように、第２の電子銃９は、第１の電子銃８から出射される溶融用電子ビームＬ１の照射位置Ｑ１と同じ照射位置Ｑ１に帯電中和用電子ビームＬ２を照射する。また、帯電中和用電子ビームＬ２は、試料面に対して傾斜して照射される。そのため、溶融用電子ビームＬ１の照射スポットの径よりも帯電中和用電子ビームＬ２の照射スポットの径を大きくすることができる。
【００３２】
１−２．３次元積層造形装置の動作
次に、図１及び図２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。
図２は、本例の３次元積層造形装置１の動作の要部を模式的に示す説明図である。
【００３３】
まず、図１に示すように、駆動機構５により、造形枠３の上面より鉛直方向にΔＺ分下がった位置にステージ４を配置する。このΔＺが、その後に敷き詰められる金属粉末Ｍ１の鉛直方向の層厚に相当する。次に、粉体供給部７により厚さΔＺ分の金属粉末Ｍ１をステージ４の一面に敷き詰める。
【００３４】
次に、金属粉末Ｍ１を敷き詰める工程が終了すると、金属粉末Ｍ１に対して第１の電子銃８から溶融用電子ビームＬ１を出射する。第１の電子銃８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Ｍ１に対して溶融用電子ビームＬ１を出射する。第１の電子銃８から出射された溶融用電子ビームＬ１により、その２次元形状に対応する領域の金属粉末Ｍ１が溶融する。
【００３５】
このとき、第２の電子銃９からは、第１の電子銃８から出射された溶融用電子ビームＬ１と同一の照射位置に帯電中和用電子ビームＬ２が出射される。そして、溶融用電子ビームＬ１の照射スポットは、帯電中和用電子ビームＬ２の照射スポットに内包されながら、互いに同期して、所定の金属粉末Ｍ１上を走査する。すなわち、溶融用電子ビームＬ１を照射する工程と、帯電中和用電子ビームＬ２を照射する工程は、同時に行われる。
【００３６】
ここで、図３を参照して帯電中和用電子ビームＬ２の効果について説明する。
図３Ａに示すように、試料面に対して略垂直に電子ビームＬ１が照射された場合、上述したように、金属粉末Ｍ１が負に帯電する。そして、図５に示すように、負に帯電した金属粉末Ｍ１が互いに反発し、金属粉末Ｍ１が飛散する。
【００３７】
これに対し、図３Ｂに示すように、本例の３次元積層造形装置１では、第２の電子銃９は、試料面に対して帯電中和用電子ビームＬ２を角度θ１で傾斜して出射している。このとき、帯電中和用電子ビームＬ２は、試料面に対して垂直に照射された溶融用電子ビームＬ１よりも試料面の内部への侵入深さが浅くなる。さらに、上述したように、略垂直に電子ビームを照射した場合に比べて、試料面に形成される照射スポットの径が大きくなる。そのため、金属粉末Ｍ１から放出される二次電子の領域を広くすることができる。その結果、試料面からは、入射した電子量以上の二次電子が放出される。さらに、金属粉末Ｍ１は、一時的に正に帯電するが、放出された二次電子により速やかに中和される。
【００３８】
次に、図３Ｃを参照して、溶融用電子ビームＬ１と帯電中和用電子ビームＬ２を同じ照射位置に照射した場合について説明する。
図３Ｃに示すように、金属粉末Ｍ１は、試料面に対して略垂直に照射される溶融用電子ビームＬ１により負に帯電する。しかしながら、試料面に対して斜めから照射される帯電中和用電子ビームＬ２により、金属粉末Ｍ１から二次電子が放出される。そして、金属粉末Ｍ１の帯電量に応じて放出された二次電子が再配分される。これより、負に帯電した金属粉末Ｍ１の帯電を除去することができ、金属粉末Ｍ１を中和することができる。
【００３９】
このように、本例の３次元積層造形装置１によれば、不活性ガスを用いることなく、第２の電子銃９から試料面に対して傾斜して帯電中和用電子ビームＬ２を照射することで、金属粉末Ｍ１の帯電除去を行うことができる。これにより、その結果、金属粉末Ｍ１が負に帯電することで金属粉末Ｍ１が飛散することを防ぐことができる。さらに、不活性ガスを真空容器２内に導入する必要がないため、第１の電子銃８から出射された溶融用電子ビームＬ１のエネルギーが減衰することも防ぐことができる。
【００４０】
次に、溶融した金属粉末Ｍ１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Ｍ１が溶融及び凝固した後、駆動機構５によりステージ４をΔＺ分下げる。このステージ４のＺ方向への動きは、シール部材１４が造形枠３のピット３ａの内面を滑ることにより実現される。
【００４１】
次に、再び粉体供給部７によって、ΔＺ分の金属粉末Ｍ１を直前に敷き詰められた層（下層）の上に敷き詰める。第１の電子銃８から出射される溶融用電子ビームＬ１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Ｍ１を溶融及び凝固させる。また、第２の電子銃９から溶融用電子ビームＬ１と同じ照射位置に帯電中和用電子ビームＬ２を照射する。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Ｍ１の層を積み重ねることにより造形物Ｐ１を構築する。これにより、本例の３次元積層造形装置１の動作が完了する。
【００４２】
なお、本発明は上述しかつ図面に示した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。
【符号の説明】
【００４３】
１…３次元積層造形装置、  ２…真空容器、  ３…造形枠、  ４…ステージ、  ７…粉体供給部、  ８…第１の電子銃、  ９…第２の電子銃、  １１…第１の電子ビーム制御部、  １２…第２の電子ビーム制御部、  Ｌ１…溶融用電子ビーム、  Ｌ２…帯電中和用電子ビーム、  Ｍ１…金属粉末、  Ｐ１…造形物、  Ｑ１…照射位置
【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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