(57)【要約】【課題】積層造形物を製造する際に、特に溶融固化層の厚みが薄いと層の側端面からなる外周面の段差を軽減できる反面、溶融固化層の上面に層の厚さに匹敵する高低の凹凸があると、その凹凸が複数の溶融固化層が積層する間に累積的に大きくなり製品表面を滑らかなに仕上げることができない場合がある。【解決手段】所望の積層造形物の形状に合わせて金属固体の上面における所要の部位に所定の厚さの接着剤を塗布して接着層を形成し、金属粉末を供給して金属粉末を接着層に固定して金属粉末層を形成し、接着剤で固定されていない余剰の金属粉末を除去し、真空チャンバ内における希ガスの雰囲気の中で環状のアノード電極の中にプラズマを生成して金属粉末層に電子ビームを照射し金属粉末層を溶融固化させて金属固体と一体化させて金属固体の表面が改質した状態になるように溶融固化層を形成することを繰り返して溶融固化層を積層し所望の積層造形物を製造する。【選択図】図１
2015030883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の積層造形物の形状に合わせて金属固体の上面における所要の部位に所定の厚さの接着剤を塗布して接着層を形成する第１の工程と、前記接着層に金属粉末を供給して前記金属粉末を前記接着層に固定し金属粉末層を形成する第２の工程と、前記接着剤で固定されていない余剰の金属粉末を除去する第３の工程と、真空引きされた真空チャンバ内における希ガスの雰囲気の中で環状のアノード電極の中にプラズマを生成して前記金属粉末層に電子ビームを照射し前記金属粉末層を溶融固化させて前記金属固体と一体化させて前記金属固体の表面が改質した状態になるように溶融固化層を形成する第４の工程と、前記第１の工程から前記第４の工程を繰り返して溶融固化層を積層し前記所望の積層造形物を製造することを特徴とする三次元形状の積層造形物の製造方法。
【請求項２】
前記金属固体の外表面を切削加工する工程または研削加工する工程のうちの少なくともいずれか一方の工程を、前記積層造形物の製造途中に含むことを特徴とする請求項１または２に記載の三次元形状の積層造形物の製造方法。
【請求項３】
所望の積層造形物の形状に合わせて金属固体の上面における所要の部位に所定の厚さの接着剤を塗布して接着層を形成する接着剤塗布装置と、前記接着層に金属粉末を供給して前記金属粉末を前記接着層に固定し金属粉末層を形成する粉末材料供給装置と、前記接着剤で固定されていない余剰の金属粉末を除去する粉末材料供給装置と、真空引きされた真空チャンバ内における希ガスの雰囲気の中で環状のアノード電極の中にプラズマを生成して前記金属粉末層に電子ビームを照射し前記金属粉末層を溶融固化させて前記金属固体と一体化させて前記金属固体の表面が改質した状態になるように溶融固化層を形成する電子ビーム照射装置と、を含み、溶融固化層を積層し前記所望の積層造形物を製造することを特徴とする三次元形状の積層造形物の製造装置。
【請求項４】
前記金属固体の外表面を切削加工する装置または研削加工する装置のうちの少なくともいずれか一方の装置を含むことを特徴とする請求項４または５に記載の三次元形状の積層造形物の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粉末材料に電子ビームを照射して金属粉末層を溶融固化させて金属固体と一体化させて金属固体の表面が改質した状態になるように溶融固化層を形成することを繰り返して溶融固化層を積層し所望の積層造形物を製造する方法およびその積層造形物を製造する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元形状の積層造形物を製造する方法では、金属などの粉末材料からなる粉末層にビームを照射して焼結させることによって焼結層を形成し、この焼結層の上に新たな粉末層を敷き、その新たな粉末層にビームを照射して焼結させることによって下の焼結層と接合した新たな焼結層を形成し、そして、これを繰り返すことによって、複数の焼結層が積層一体化した所望の三次元形状の積層造形物を製造する。その製造方法は、粉末焼結積層造形法とも称され、材料が金属粉末の場合には金属光造形法とも称され、また、材料が金属粉末であって製造途中の積層造形物に切削加工または研削加工等の加工を加えれば金属光造形複合加工とも称されることもある。
【０００３】
粉末層に照射するビームは、例えば、特許文献１（特許２６２０３５３号公報）で開示されているレーザビームや特許文献２（特開２０１０−２５５０５７号公報）で開示されている電子ビーム等がある。レーザビームは、大気中で照射することが可能である。電子ビームは、真空中または真空に近い状態の中で照射される。
【０００４】
特許文献２の電子ビーム造形装置は、真空ポンプにより内部が真空にされる真空チャンバと、その真空チャンバ内に照射する電子ビームを発生するための電子ビーム発生部と、その電子ビーム発生部にて発生された電子ビームを集束するためのフォーカスコイルと、そのフォーカスコイルにて集束された電子ビームを偏向して任意の位置に走査するための偏向コイルと、造形物を造形するための金属パウダーを貯留するパウダーコンテナと、上面が前記真空チャンバ内に露出しその上面に前記パウダーコンテナから前記金属パウダーが供給されるベースプレイトと、そのベースプレイト上に供給された前記金属パウダーを掻き均すためのレイキと、前記ベースプレイトを昇降させるためのエレベータと、を含んでいる。
【０００５】
それで、特許文献２の電子ビーム造形装置は、前記ベースプレイトの上面が前記電子ビームの集束点から前記金属パウダーの粒径だけ下方に位置するように、前記エレベータにてそのベースプレイトを下降させ、前記パウダーコンテナから前記ベースプレイト上に前記金属パウダーを供給し、そのベースプレイト上に供給された前記金属パウダーを前記レイキにて掻き均し、前記ベースプレイト上で掻き均された前記金属パウダーに前記電子ビームを走査してその金属パウダーを予備加熱し、前記造形物の三次元ＣＡＤデータを所定の厚みにスライスした層別二次元データに基づいて、前記ベースプレイト上で予備加熱された金属パウダーに前記電子ビームを走査してその金属パウダーを溶融することを繰り返す造形処理を行うことにより、前記ベースプレイト上で前記金属パウダーの溶融体の層を積み重ねて前記造形物を造形する。さらに、特許文献２の電子ビーム造形装置は、前記造形処理において、前記ベースプレイト上の金属パウダーに前記電子ビームを走査してその金属パウダーを溶融したあとに、前記溶融体の上面が前記集束点に位置するように、前記エレベータにて前記ベースプレイトを上昇させ、前記層別二次元データに基づいて、そのベースプレイト上の溶融体に前記電子ビームを走査してその溶融体を再溶融させて、前記溶融体の上面を平滑にすることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２６２０３５３号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５５０５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１のレーザビームを用いる積層造形物の製造方法では、製造される積層造形物において、焼結層の厚みを厚くすると、複数の焼結層の側端面からなる外周面に段差が形成されて、その段差を切削加工または研削加工で所望の最終製品の形状および寸法まで別途に加工する必要がある。特に、精密金型の製造においては、例えば、成形後に工具を使うことができないリブのような狭い溝や曲がった穴を有する積層造形物のように、切削加工または研削加工による仕上げ加工が不可能であるケースもある。また、特許文献１の製造方法では、製造される積層造形物において、焼結層の厚みを薄くすることによって複数の焼結層の側端面からなる外周面に形成される段差を軽減することができる反面、他方で焼結層の上面に粉末材料をレーザビームで焼き付ける工程において焼結層の上面に層の厚さに匹敵する高低の凹凸が出来やすくなる。その結果、焼結層が薄いため真下にある焼結層の上面に形成された凹凸に倣って真上にある焼結層の上面にも凹凸が形成されやすく、しかも焼結層の厚みが薄くなれば積み重ねる焼結層の数が多くなるので、各焼結層の上面の凹凸が積層を重ねる毎に累積的に大きくなって、最終製品の外表面に切削加工や研削加工などの表面加工を行っても除去することができないような鋭利な凹凸が形成されるなど、最終製品の外表面の表面を滑らかに仕上げることができない場合がある。特に、金型装置では、キャビティ空間を成す面を滑らかに形成することができなければ、キャビティ空間から成形品を容易に離型させることができない。例えば、特許文献１の製造方法では、金型装置において、微細で複雑なキャビティ空間を形成するために、厚みの薄い焼結層が数多く積み重なると、焼結層の上面の凹凸が累積的に大きくなり、ミーリング加工や研磨加工などの表面加工を行っても除去することができないような鋭利な凹凸が形成されて、キャビティ空間の表面を滑らかに形成することができない場合がある。
【０００８】
また、特許文献２の電子ビーム造形装置では、金属パウダーを溶融して溶融体の層を形成するための一次溶融と、その溶融体の層を再溶融してその溶融体の層の上面を平滑にするための二次溶融と、が共にフォーカスコイルで集束されたあとに偏向コイルで偏向されることで任意の位置に走査される電子ビームを用いている。特許文献２は、電子ビームを走査しながら照射する装置を開示している（以下、説明の便宜上、走査線方式と称する。）。そのため、特許文献２の電子ビーム造形装置では、走査線方式によって、電子が小さい範囲に集中して照射する必要があるので、溶融体の層の上面に走査線の痕跡が残る場合があり、その痕跡が上面の平滑化をさらに向上させる際の妨げになる場合がある。また、電子ビームによる金属パウダーの溶融は、概ね高速に移動する電子が金属パウダーに衝突したときのエネルギに依るものであるため、電子の衝突時の衝撃で溶融した金属パウダーが周囲に飛散するおそれがある。
【０００９】
そこで、本発明は、金属粉末層を敷く前の溶融固化層の表面に残る凹凸を軽減して滑らかな面に形成しておくことで、最終製品となる積層造形物の外表面を表面粗さの細かく滑らかな面に形成することが可能な三次元形状の積層造形物の製造方法および製造装置を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の三次元形状の積層造形物の製造方法では、所望の積層造形物の形状に合わせて金属固体の上面における所要の部位に所定の厚さの接着剤を塗布して接着層を形成する第１の工程と、前記接着層に金属粉末を供給して前記金属粉末を前記接着層に固定し金属粉末層を形成する第２の工程と、前記接着剤で固定されていない余剰の金属粉末を除去する第３の工程と、真空引きされた真空チャンバ内における希ガスの雰囲気の中で環状のアノード電極の中にプラズマを生成して前記金属粉末層に電子ビームを照射し前記金属粉末層を溶融固化させて前記金属固体と一体化させて前記金属固体の表面が改質した状態になるように溶融固化層を形成する第４の工程と、前記第１の工程から前記第４の工程を繰り返して溶融固化層を積層し前記所望の積層造形物を製造することを特徴とする。
【００１１】
ここで、本発明では、真空引きされた真空チャンバ内における希ガスの雰囲気の中で環状のアノード電極の中にプラズマを生成した状態で照射される電子ビームであって、そのビームの断面積が１０ｍｍ２以上ある電子ビームを利用する。説明の便宜上、電子ビームの断面積が１０ｍｍ２以上の場合を大面積照射方式と呼ぶ。その大面積照射方式は、特開２００６−３４４３８７号公報、特開２０１０−１００９０４号公報、特開２０１３−４９８８０号公報、そして、特開２０１３−４９８８２号公報などで開示されている。大面積照射方式は、粒子線束の断面積が大きく比較的低エネルギ密度で大きな電流の電子ビームを照射する。大面積照射方式では、電子ビームが低エネルギ密度であるので、被照射体を表面から数μｍを超えて侵食させない。そのため、被照射体の表面全面に均一に改質できる利点がある。また、大面積照射方式では電子ビームを照射する範囲を所定ピッチずつずらしながら照射することになるが、その際に、すでに改質されている表面とこれから電子ビームが照射される表面が部分的に重なるよう、すなわち改質されない面または改質が不十分な面ができないよう電子ビームを重畳的に照射して、より均一な表面の改質を行うようにすると良い。大面積照射方式では、電子ビームの粒子線束の断面積が大きいことから、電子ビームの照射方向を偏向することが難しく、電子ビームは見掛け上、真直ぐに照射されている。したがって、大面積照射方式では、被照射体と電子ビームを照射する装置のいずれか一方に対して、その他方を所定ピッチずつずらしながら電子ビームを照射することになる。なお、「電子ビームを照射した面を改質する」とは、電子ビームを照射して被照射面を溶融させることにより、表面張力等の作用により被照射面の凹凸部が平滑化し、その後に自己放冷することで平滑化した状態で凝固させることで、被照射面の凹凸部を平滑化して表面粗さを小さくすること、若しくは、電子ビームを照射して被照射面をアモルファス化して耐摩耗性が向上すること、複合材であれば材料のどれかが全体に均質に表面に溶け出して再凝固し表面をムラなく滑らかに覆うことにより耐蝕性が向上すること、不純物を含む鉄だけの素材であれば表面の鉄が再凝固するときにアモルファス化するなどして耐蝕性が向上すること、などを意味する。また、表面改質された面は、単に表面粗さが小さくなるだけではなくて、凹凸自体もなだらかで滑らかな形状となる。
【００１２】
本発明の三次元形状の積層造形物の製造方法によれば、金属粉末層に大面積照射方式の電子ビームを照射して、金属粉末層を溶融固化させて金属固体と一体化させて金属固体の表面が改質した状態になるように溶融固化層を形成することで、凹凸が軽減された滑らかな表面を持つ溶融固化層を形成することができる。ここで、金属固体とは、台座、溶融固化層、台座と溶融固化層が一体になった物体、または、最終製品となる積層造形物のことである。大面積照射方式の電子ビームは、表面の凹凸を電子の衝突によって一瞬にして溶かして滑らかな面に形成することができる。特に、本発明では、真空引きされた真空チャンバ内における希ガスの雰囲気の中で環状のアノード電極の中にプラズマを生成した状態で照射される電子ビーム
ビーム、すなわち、大面積照射方式の電子ビームを金属粉末層に照射することで、溶融固化層を形成するとともにその溶融固化層の上面を平滑に形成することができ、さらに、走査線方式の電子ビームを金属粉末層や溶融固化層に照射する場合に比べて、溶融固化層の表面を平滑に形成することができる。したがって、本発明の製造方法では、溶融固化層を積層することにより、累積的に溶融固化層の凹凸が大きくなることを抑制して最終製品の表面をなだらかで滑らかに形成することができる。また、本発明の製造方法を金型装置の製造に適用することによって、形状にもよるが、特定箇所だけに電子ビームが集中的に照射されて形状を損ねたり、局所的に電子ビームが照射されないというおそれを低減することができる。そして、キャビティ空間を成す面を滑らかに形成することが可能になり、キャビティ空間から成形品を容易に離型できる金型装置を製造可能になる。また、本発明の製造方法によって形成される積層造形物は、その表面に除去することが困難な鋭利な凹凸等が形成されることがなくなるので、必要に応じて電子ビームの照射によって平滑化された表面に対してミーリング加工などの各種切削加工や研磨加工などの各種研削加工を行なうことによって加工時間を増大させずに高い形状精度の積層造形物を得ることができる。
【００１３】
また、好ましくは、本発明の三次元形状の積層造形物の製造方法が、前記金属固体の外表面を切削加工する工程または研削加工する工程のうちの少なくともいずれか一方の工程を、前記積層造形物の製造途中に含むと良い。
【００１４】
本発明の三次元形状の積層造形物の製造方法によれば、積層造形物の製造途中において、積層造形物の表面に対してミーリング加工などの各種切削加工や研磨加工などの各種研削加工を行うようにすれば、最終製品の表面を滑らかに仕上げることができる。
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の三次元形状の積層造形物の製造装置では、所望の積層造形物の形状に合わせて金属固体の上面における所要の部位に所定の厚さの接着剤を塗布して接着層を形成する接着剤塗布装置と、前記接着層に金属粉末を供給して前記金属粉末を前記接着層に固定し金属粉末層を形成する粉末材料供給装置と、前記接着剤で固定されていない余剰の金属粉末を除去する粉末材料供給装置と、真空引きされた真空チャンバ内における希ガスの雰囲気の中で環状のアノード電極の中にプラズマを生成して前記金属粉末層に電子ビームを照射し前記金属粉末層を溶融固化させて前記金属固体と一体化させて前記金属固体の表面が改質した状態になるように溶融固化層を形成する電子ビーム照射装置と、を含むことを特徴とする。
【００１６】
ここで、本発明で利用する電子ビーム照射装置は、電子ビームの照射方式として大面積照射方式を採用し、真空チャンバと、真空装置と、希ガス供給装置と、電源装置を含む電子ビーム発生装置とを含む。真空チャンバは、台座を含む金属固体を内部に収容することができる耐真空構造の容器である。真空装置は、密閉されたチャンバの内部を真空に近い状態にする手段である。真空装置は、真空ポンプによって真空チャンバの中の空気を抜く、いわゆる真空引きにより真空チャンバ内を減圧する。真空ポンプは、金属固体に電子ビームを照射している間、チャンバを排気し、真空に近い状態を維持している。希ガス供給装置は、チャンバ内に希ガスを供給する手段である。希ガス（不活性ガス）は、長周期表第１８族元素であるヘリウム，ネオン，アルゴン，クリプトン，キセノン，ラドンを示す。電子ビームによる表面改質で実績のある希ガスは、他の希ガスに比べて大気中に多く存在する点で安全性が高いとされているアルゴンガスである。電子ビーム発生装置は、電子銃であるカソード電極と、環状のアノード電極と、被照射体となる金属固体に通電するためのテーブル（コレクタ）と、磁場を形成するためのソレノイドを含んでなる。台座を含む金属固体を載せるテーブルはチャンバにグランドラインでアースされている。また、テーブルと通電する被照射体とカソード電極の両極間に電圧パルスを印加することで電子ビームが発生する。また、アノード電極は、照射した電子が散乱しないように、電子を収束させるためのプラズマを発生する機能を有しており、カソード電極とアノード電極の間にプラズマ発生用電源装置が設けられている。
【００１７】
そうした電子ビーム照射装置による電子ビームの照射方法は、つぎの通りである。まず、清浄なチャンバの内部を真空引きして希ガスを供給する。つぎに、ソレノイドで磁場を形成しアノード電極に所定の電圧パルスを印加して環状のアノード電極の環内にプラズマを生成する。そして、カソード電極とコレクタとの間に電圧パルスを印加して電子ビームを発生させる。数回の電子ビームの照射の後で真空チャンバの中に残留する滓を除去する。
【００１８】
本発明の三次元形状の積層造形物の製造装置によれば、真空引きされた真空チャンバ内における希ガスの雰囲気の中で環状のアノード電極の中にプラズマを生成した状態で照射される電子ビーム、すなわち、大面積照射方式の電子ビームを金属粉末層の所定箇所に照射する電子ビーム照射装置を含むことで、金属粉末層に大面積照射方式の電子ビームを照射して金属粉末を前記金属粉末層を溶融固化させて前記金属固体と一体化させて前記金属固体の表面が改質した状態になるように溶融固化層を形成して、走査線方式の電子ビームを利用する場合に比べて、凹凸が軽減された滑らかな表面を持つ溶融固化層を形成することができる。したがって、本発明の製造装置では、高い形状精度を得るために溶融固化層を可能な限り薄くして成形する場合であっても、薄い溶融固化層が積み重ねられることで累積的に溶融固化層の表面の凹凸が成形後に容易に除去できない程度に残留することを防いで最終製品の表面を滑らかに仕上げることができる。そのため、本発明の製造装置では、特に、金型装置の製造に適用すれば、キャビティ空間を成す面を滑らかに形成することが可能になり、キャビティ空間から成形品を容易に離型できる金型装置を製造可能になる。また、本発明の製造装置によって形成される積層造形物は、その表面に除去することが困難な鋭利な凹凸等が形成されることがなくなる。また、ミーリング加工などの各種切削加工や研磨加工などの各種研削加工を行うことによって形状をより高い形状精度に仕上げることが可能である。特に、成形後に工具を使うことができない狭い溝や曲がった穴を有する積層造形物の場合でも、成形中に適宜のタイミングで上記切削加工や上記研削加工を行なうことによって所望の形状精度と面粗さを有する積層造形物を得ることが容易になる。
【００１９】
また、好ましくは、本発明の三次元形状の積層造形物の製造装置が、前記金属固体の外表面を切削加工する装置または研削加工する装置のうちの少なくともいずれか一方の装置を含むと良い。
【００２０】
本発明の三次元形状の積層造形物の製造装置によれば、積層造形物の表面に対してミーリング加工などの各種切削加工または研磨加工などの各種研削加工を行う装置のうちのどちらか一方の装置またはそれら両方の装置を含むので、溶融固化層を積層して造形する製造過程で適時に適当な切削加工または研削加工を行うことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の三次元形状の積層造形物の製造方法およびその製造装置によれば、金属粉末層に大面積照射方式の電子ビームを照射することで平滑な表面に形成された溶融固化層を形成して、金属粉末層が敷かれる面の凹凸を軽減して滑らかな面に形成しておくことで、最終製品となる積層造形物の外表面を表面粗さが細かく、凹凸が滑らかな面に形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の積層造形物の製造装置の概略図であって、接着層を塗布する工程Ａ（接着剤塗布装置）、金属粉末層を敷く工程Ｂ（粉末材料供給装置）、接着層に接着されていない金属粉末材料を除去する工程Ｃ（粉末材料除去装置）、および、金属粉末層を溶融固化させて金属固体と一体化させて金属固体の表面が改質した状態になるように溶融固化層を形成する工程Ｄ（電子ビーム照射装置）とを含む本発明の積層造形物の製造装置を示す概略図である。
【図２】本発明の積層造形物の製造装置に含まれる各種装置の概略図であって、（ａ）接着剤塗布装置、（ｂ）粉末材料供給装置、（ｃ）粉末材料除去装置、および、（ｄ）電子ビーム照射装置を含む本発明の積層造形物の製造装置を示す概略図である。
【図３】本発明の積層造形物の製造装置の概略図であって、機台上の真空チャンバ内に、（ａ）接着剤塗布装置、（ｂ）粉末材料供給装置、（ｃ）粉末材料除去装置、および、（ｄ）電子ビーム照射装置を含んだ実施の態様で示される本発明の積層造形物の製造装置を示す概略図である。
【図４】本発明の積層造形物の製造装置の別の実施の態様を示す概略図であって、機台上に、切削加工装置または研削加工装置のうちのいずれか一方またはそれら両方を含んだ実施の態様で示される本発明の積層造形物の製造装置を示す概略図である。
【図５】本発明の積層造形物の製造装置の別の実施の態様を示す概略図であって、機台上のチャンバの外に、電子ビーム照射装置以外の各装置を配置した実施の態様で示される本発明の積層造形物の製造装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の三次元形状の積層造形物の製造方法および製造装置の実施の形態について、図１ないし図５を参照しながら以下に説明する。
【００２４】
本発明の三次元形状の積層造形物の製造装置１は、台座９ｄまたは溶融固化層９ｂの上の所定箇所に接着剤３からなる接着層９ｅを塗布する接着剤塗布装置３０と、接着層９ｅの上に金属粉末２からなる金属粉末層９ｃを敷くための粉末材料供給装置２０と、金属粉末層９ｃの周囲で接着層９ｅに接着されず残留した金属粉末２を除去するための粉末材料除去装置４０と、金属粉末層９ｃの所定箇所に大面積照射方式の電子ビーム５０ａを照射するための電子ビーム照射装置５０と、を含む。
【００２５】
接着剤塗布装置３０は、最初は台座９ｄの上の所要の部位に所定の厚さの接着層９ｅを塗布し、それ以外は最新の溶融固化層９ｂの上の所要の部位に所定の厚さの接着層９ｅを塗布する。接着剤塗布装置３０は、ローラ部材３１や図示省略されるハケ部材や筆部材等に染みこませた接着剤３を、台座９ｄの上や溶融固化層９ｃの上の所定箇所に塗りつける手段を含んでも良いし、所定箇所を開口させてあるマスク部材を用いて、そのマスク部材の上から接着剤３を散布したり、塗りつける手段を含んでも良い。また、例えば、接着剤塗布装置３０は、台座９ｄまたは溶融固化層９ｂの上から接着剤３を噴射する図示省略されるノズルを含んでも良い。そして、接着剤塗布装置３０は、ローラ３１やノズル等の側と、台座９ｄまたは溶融固化層９ｂ側のどちらか一方側に対して、水平１軸方向と、水平１軸方向（Ｘ軸）に直交する他の水平１軸方向（Ｙ軸）と、必要に応じてそれら両軸からなるＸＹ平面に対する鉛直方向（Ｚ軸）と、に移動可能に構成されて、台座９ｄまたは溶融固化層９ｂの上の所定箇所に接着剤３を塗りつける又は散布する等して接着層９ｅを塗布するようにしても良い。接着剤塗布装置３０は、台座９ｄまたは溶融固化層９ｂに対してローラ３１やノズル等をＸ軸方向に移動させる手段とＹ軸方向の移動させる手段とを含んでも良いし、ローラ３１やノズルなどに対して台座９ｄまたは溶融固化層層９ｂをＸ軸方向やＹ軸方向に移動させる後述される移動装置７０を利用しても良い。さらに、接着剤塗布装置３０は、台座９ｄまたは溶融固化層９ｂに対してローラ３１やノズルなどを近づけたり離したりするＺ軸方向に移動させる手段を含んでも良いし、ローラ３１やノズルなどに対して台座９ｄまたは溶融固化層９ｂを近づけたり離したりさせる後述される移動装置７０を利用しても良い。また、接着剤塗布装置３０は、図示省略の制御装置を含み、ＮＣプログラムに基づき、ローラ３１やノズル等の側の移動または台座９ｄまたは溶融固化層９ｂ側の移動を制御すると良い。接着剤３を台座９ｄまたは溶融固化層９ｂの上面の所定箇所に塗布するために、少なくとも同時水平２軸方向の相対移動を制御するためのプログラムは、例えば、三次元ＣＡＤで設計した立体形状のデータを二次元ＣＡＭに入力し、積層方向にスライスして複数の平面形状のデータを作成してＮＣプログラムに変換されることで生成されると良い。
【００２６】
粉末材料供給装置２０は、接着層９ｅの上に金属粉末層９ｃを敷く。粉末材料供給装置２０は、少なくとも接着層９ｅの上に、金属粉末２からなる金属粉末層９ｃを所定の厚み寸法で敷くことが出来る各種手段を適宜採用すれば良い。
【００２７】
粉末材料除去装置４０は、接着層９ｅの上に金属粉末層９ｃを敷いたあと、接着層９ｅに接着されていない金属粉末２を吸引して除去することが好ましい。また、その除去装置４０は、接着層９ｅに接着されていない金属粉末２をブロアーの風で吹き飛ばす装置、または、ハケやブラシなどを作動させて弾き飛ばす装置としても良いが、後述されるように真空チャンバ５１内で金属粉末層９ｃに電子ビーム５０ａを照射して溶融固化層９ｂを形成するために、真空チャンバ５１内は清浄な状態であることが好ましいので、吹き飛ばした金属粉末２や弾き飛ばした金属粉末２を吸引するなどして回収する装置を含むことが好ましい。なお、吸引や回収された金属粉末２は、材料供給装置２０に戻されて、再び粉末層９ｃとして再利用するように構成を変形することができる。
【００２８】
電子ビーム照射装置５０は、大面積照射方式であって、主に真空チャンバ５１と、希ガス供給装置５２と、真空装置５３と、電源装置を含む電子ビーム発生装置５４と、移動装置７０とを含む。
【００２９】
真空チャンバ５１は、電子ビーム５０ａを照射する際に、台座９ｄと溶融固化層９ｂからなる金属固体９ａを被照射体として収容する手段であって、耐真空構造である。真空チャンバ５１は、電子ビーム５０ａを照射するときに、機台１０の上に被せられても良い。また、真空チャンバ５１は、例えば、図３や図４で示す実施の態様のように、チャンバ５１内に各種装置を内蔵するようにして、機台１０の上に常時設置されても良い。
【００３０】
真空装置５３は、密閉された真空チャンバ５１の中を真空に近い状態にする手段である。真空装置５３は、真空ポンプ５３ａによって真空チャンバ５１の中の空気を抜く、いわゆる真空引きをして真空チャンバ５１の中を減圧する。真空チャンバ５１の中の空気を抜いた後は、流量調整弁５３ｂ，５３ｃを絞って真空チャンバ５１の中の真空に近い状態を保持する。また、真空装置５３は、真空チャンバ５１の中を浄化する手段を兼用する。真空装置５３は、電子ビーム５０ａを照射している間稼働して真空チャンバ５１のガスを排出し、真空チャンバ５１の中を真空に近い状態に維持している。真空装置５３は、真空チャンバ５１のガスを排出しているときに、浮遊する材料の滓を真空チャンバ５１から吸い出す。
【００３１】
希ガス供給装置５２は、真空チャンバ５１の中にプラズマを生成するために必要な希ガスを供給する手段である。希ガス（不活性ガス）は、長周期表第１８族元素であるヘリウム，ネオン，アルゴン，クリプトン，キセノン，ラドンを示す。本発明の実施の形態では、不活性ガスとして比較的安全で入手しやすいアルゴンガスを使用している。希ガス供給装置５２は、液化アルゴンを封入したボンベ５２ａと、真空チャンバ５１に接続する配管と、バルブ５２ｂと、を含んでなる。電子ビーム照射装置５０は、真空チャンバ５１の中のガス圧を０．０３Ｐａ〜０．１Ｐａにすることができるように設計されると良い。
【００３２】
電子ビーム発生装置５４は、電子銃であるカソード電極５４ａと、環状のアノード電極５４ｂと、被照射体となる金属固体９ａに通電するコレクタ５４ｃと、磁場を形成するソレノイド５４ｄと、を含んでなる。図で示されている実施の態様では、コレクタ５４ｃは、昇降装置７３のテーブル７３ａである。テーブル７３ａは、真空チャンバ５１にグランドライン５４ｅでアースする。
【００３３】
カソード電極５４ａとテーブル７３ａに通電する金属固体９ａとの両極間に電子ビーム５０ａを発生させるための電圧パルスを印加する高圧電源を含む電子ビーム発生用電源装置５４ｆが設けられる。また、カソード電極５４ａとアノード電極５４ｂとの間にプラズマ発生用電源装置５４ｇが設けられる。スイッチ５４ｈは、カソード電極５４ｂの電源の接続を切り換える。カソード電極５４ａは、断面円形の基盤にチタンでなる多数の針状の突起が設けられている。アノード電極５４ｂは、カソード電極５４ａの断面積より大きい内径を有するリング形状をしている。実施の形態の電子ビーム照射装置５０は、例えば、カソード電極５４ａの直径が９０ｍｍφで、アノード電極５４ｂの内径が１４０ｍｍφである。アノード電極５４ｂは、円環内に比較的存在時間の短いプラズマを生成する。プラズマの電離層は、カソード電極５４ａから放出される電子を収束する。
【００３４】
移動装置７０は、水平１軸方向と、水平１軸方向（Ｘ軸）に直交する他の水平１軸方向（Ｙ軸）と、鉛直方向（Ｚ軸）と、に被照射体となる金属固体９ａを移動させる手段である。移動装置７０は、Ｘ軸方向に移動する第１移動体７１と、Ｙ軸方向に移動する第２移動体７２と、Ｚ軸方向に上下移動する昇降装置７３と、を備える。図に示す実施の形態の移動装置７０では、第１移動体７１の上に第２移動体７２が搭載され、第２移動体７２の上に昇降装置７３が設置される。昇降装置３０の上に被照射体となる金属固体９ａを設置するためのテーブル７３が設けられる。なお、各軸方向は、例えば、Ｘ軸方向が図の左右方向、Ｚ軸方向が図の上下方向、そして、Ｙ軸方向が図の左右方向に垂直かつ上下方向にも垂直な方向として説明する。
【００３５】
第１移動体７１は、案内軸となる第１ガイドレール７１ａと案内軸受となる第１ガイドブロック７１ｂなどからなるガイド部材と、図示しないモータなどの駆動源によってＸ軸方向に移動させても良い。第２移動体７２は、案内軸となる第２ガイドレール７２ａと案内軸受となる第２ガイドブロック７２ｂなどからなるガイド部材と、図示しないモータなどの駆動源によってＹ軸方向に移動させても良い。第１移動体７１と第２移動体７２は、図示しない移動制御装置で制御される。昇降装置７３は、図示しないジャッキ装置などの昇降部材と、図示しないモータ等の駆動源によってＺ軸方向に移動させても良い。昇降装置７３は、第１移動体７１と第２移動体７２を制御する前述の移動制御装置で制御するようにすることができる。各駆動源は、モータ駆動に限らず、電動式や油圧式や空圧式などの各種駆動機構を適宜に搭載すれば良い。また、移動装置７０は、粉末材料供給装置２０、接着剤塗布装置３０、および、粉末材料除去装置４０で、金属固体９ａを移動する移動装置として共用しても良い。また、移動装置７０を制御する数値制御装置は、三次元ＣＡＤで設計した立体形状のデータを二次元ＣＡＭに入力し、積層方向にスライスして複数の平面形状のデータを作成して生成されるＮＣプログラムを利用することもできる。
【００３６】
電子ビーム照射装置５０は、密閉された真空チャンバ５１の中を真空に近い状態にする。ソレノイド５４ｄを励起してチャンバ５１の中のカソード電極５４ａと被照射体となる金属個体９ａとの間の加速空間に磁場を形成する。カソード電極５４ａと金属個体９ａとの間に形成される磁場によって、カソード電極５４ａから放出される電子が加速空間で要求される速度まで加速される。アノード電極５４ｂの円環の中にプラズマを生成するために必要な希ガスを供給する。カソード電極５４ａから放出される電子は、プラズマ空間で収束されて被照射面となる金属粉末層９ｃに到達する。大面積照射方式は、粒子線束の断面積が大きく比較的低エネルギ密度で大きな電流の電子ビーム５０ａを照射する。大面積照射方式では、電子ビーム５０ａが低エネルギ密度であるので、金属固体９ａの最新の溶融固化層９ｂを表面から数μｍを超えて侵食させない。そのため、最新の溶融固化層９ｂの上面範囲を所定ピッチずつずらしながら照射することになるが、その際に、すでに改質されている表面とこれから電子ビームが照射される表面が部分的に重なるよう、すなわち改質されない面または改質が不十分な面ができないよう電子ビーム５０ａを重畳的に照射して、より均一な改質を行うようにすると良い。
【００３７】
本発明の三次元形状の積層造形物の製造装置１は、電子ビーム照射装置５０のチャンバ５１を機台１０の上に配置し、真空チャンバ５１の中に、粉末材料供給装置２０と、接着剤塗布装置３０と、粉末材料除去装置４０と、電子ビーム照射装置５０と、を含む。また、そうした製造装置１は、真空チャンバ５１内であって、機台１０の上に各装置で共有して使用する移動装置７０を配置して、その移動装置７０の昇降テーブル７３ａの上に台座９ｄを載置しても良い（図３）。また、昇降装置７３は、図示省略される枠体の中に配置されて、昇降テーブル７３ａを枠体の中で昇降自在に配置しても良い。それで、金属粉末層９ｃを形成する際には、昇降テーブル７３ａを金属粉末層９ｃの寸法だけ下降させて、台座９ｄもしくは最新の溶融固化層９ｂの上に所要の部位に所定の厚さの接着剤３を塗布した接着層９ｅの上に、材料供給装置２０で金属粉末２を蒔き、図示省略される均し装置で所定の厚みの金属粉末層９ｃを形成するようにしても良い。
【００３８】
そうした製造装置１では、つぎのような本発明の三次元形状の積層造形物の製造方法が行われる。テーブル７３の上には、最初に台座９ｄが固定されている。例えば、その台座９ｄは、製造したい積層造形物９が金型装置であれば、金型装置の一部となる。まず、（Ａ）本発明の製造装置１の接着剤塗布装置３０が、台座９ｄの上に所要の部位に所定の厚さの接着剤３からなる接着層９ｅ塗布する。（Ｂ）本発明の製造装置１の粉末材料供給装置２０が、金属粉末２からなる金属粉末層９ｃを接着層９ｅの所定の箇所にかつ所定の厚み寸法で敷く。（Ｃ）本発明の製造装置１の粉末材料除去装置４０が、金属粉末層９ｃの周囲から接着層９ｅに接着されなかった金属粉末２を除去する。（Ｄ）本発明の製造装置１の電子ビーム照射装置５０が、金属粉末層９ｃの所定の箇所に大面積照射方式の電子ビーム５０ａを照射して、所定の箇所にある金属粉末２を溶融固化させて金属固体９ａと一体化させて金属固体９ａの表面が改質した状態になるように溶融固化層９ｂを形成する。このとき、接着層９ｅの接着剤３は、電子ビーム５０ａの照射によって金属粉末２が溶融固化するときの高温状態によって蒸発して金属固体９ａに残留することはない。電子ビーム５０ａを金属粉末層９ｃに照射して金属粉末２を溶融固化して形成された溶融固化層９ｂの上面は、例えば、金型装置であれば、成形品の離型のときに引っ掛かりを生じることがない程度にまで、その上面の凹凸が小さくなる。つぎからは、台座９ｄに代えて新たな溶融固化層９ｂに対して、これらの工程を繰り返すことで台座９ｄの上に複数の溶融固化層９ｂを積層して一体となる金属固体９ａからなる三次元形状の積層造形物９を形成する。
【００３９】
また、別の実施態様として、本発明の三次元形状の積層造形物の製造装置１は、金属固体９ａの表面に対してミーリング加工などの各種切削加工または研磨加工などの各種研削加工を行う装置のうちのどちらか一方またはそれら両方からなる装置６０を含んでも良い。その製造装置１は、切削および／または研削加工の装置６０の切削工具または研削工具６１が取り付けられている主軸の位置まで、例えば、図４に示す別の実施の態様のように、第１ガイドレール７１ａを延長してＸ軸方向の第１移動体７１を移動させて、金属固体９ａを移動させてから加工する構成にしても良い。また、その際、図４に示す実施の態様のように、チャンバ５１に開閉扉５１ａを設けて、機台１０の上であって、真空チャンバ５１の外部に切削加工および／または研削加工の装置６０を配置しても良い。切削または研削の工具６１を取り付けた主軸は、工具６１を回転する回転駆動装置を含み、機台１０に取り付けられたコラムにＺ軸方向に上下移動自在に取り付けられても良い。また、その主軸は、移動装置７０の昇降装置７３で金属固体９ａをＺ軸方向に上下移動させれば、主軸用のＺ軸方向の駆動装置を省くこともできる。また、切削および／または研削加工の装置６０には、切削屑等を除去する装置を含んでも良い。また、切削加工および／または研削加工の装置６０は、機台１０の真空チャンバ５１内に切削加工および／または研削加工の装置６０を配置しても良い。
【００４０】
そうした製造装置１であれば、溶融固化層９ｂを積層して造形する製造過程で適時に適当な切削加工または研削加工を行って形状を整えることもができる。もちろん、切削加工または研削加工を行う工程は、溶融固化層９ｂを形成する毎に毎回実施しても良いし、複数の溶融固化層９ｂを形成する毎に間を置いて実施しても良い。また、切削加工または研削加工を行う工程は、（Ｄ）金属粉末層９ｃに大面積照射方式の電子ビーム５０ａを照射する工程のあとに毎回あるいは所定の回数毎に実施しても良い。
【００４１】
また、本発明の三次元形状の積層造形物の製造装置１は、図５に示す別の実施の態様のように、（Ａ）接着層９ｅを塗布し、（Ｂ）接着層９ｅの上に粉末材料２を供給して金属粉末層９ｃを形成し、（Ｃ）接着層９ｅに接着されていない粉末材料２を除去する作業をまとめて行う作業領域と、（Ｄ）電子ビーム５０ａを照射する作業と、そして、必要に応じて金属固体９ａの表面を切削加工や研削加工を行う作業領域と、に分けて、各装置を配置するとともに、移動装置７０の移動体７１のガイドレール７１ａを機台１０の上の各作業領域にわたって敷設することで、移動装置７０に載置した溶融固化層９ａがそれら作業領域の間を移動できるようにしても良い。また、本発明の三次元形状の積層造形物の製造装置１は、図５に示す別の実施の態様のように、移動装置７０を各装置で共有するようにしても良い。例えば、電子ビーム照射装置５０の真空チャンバ５１内をより清浄に保つ必要がある場合には、電子ビーム照射装置５０を機台１０の上に単独で配置することが可能になって、例えば、未接着の金属粉末２がチャンバ５１内に入り込まないようにすることもできる。図５に示す実施の態様以外にも、作業領域を細分化しても良いし、作業領域を共有する装置の組合せを適宜変更しても良い。また、図５に示す実施の態様以外にも、移動装置７０を回転テーブルの上に載置して、作業領域を移動する手段を用いても良いし、適宜に別の移動する手段を用いて良い。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の三次元形状の積層造形物の製造方法およびその製造装置は、金属加工の技術分野において広く適用される。特に、本発明の三次元形状の積層造形物の製造方法およびその製造装置は、金型装置などのように滑らかで、細かい表面粗さで、そして、凹凸がゆるやかな面加工が求められる際に適用される。
【符号の説明】
【００４３】
１      積層造形物の製造装置
２      金属粉末材料
３      接着剤
９      積層造形物
９ａ    金属固体
９ｂ    溶融固化層
９ｃ    金属粉末層
９ｄ    台座
９ｅ    接着層
１０    機台
２０    粉末材料供給装置
３０    接着剤塗布装置
３１    ローラ
４０    粉末材料除去装置
５０    電子ビーム照射装置
５０ａ  電子ビーム
５１    チャンバ
５２    希ガス供給装置
５２ａ  希ガスを封入したボンベ
５２ｂ  バルブ
５３    真空装置
５３ａ  真空ポンプ
５３ｂ  流量調整弁
５３ｃ  流量調整弁
５４    電子ビーム発生装置
５４ａ  カソード電極
５４ｂ  アノード電極
５４ｃ  コレクタ
５４ｄ  ソレノイド
５４ｅ  グランドライン
５４ｆ  電子ビーム発生用電源装置
５４ｇ  プラズマ発生用電源装置
５４ｈ  スイッチ
６０    切削および／または研削加工の装置
６１    切削工具または研削工具
７０    ＸＹテーブル
７１    Ｘ軸方向に移動する第１移動体
７１ａ  第１ガイドレール
７１ｂ  第１ガイドブロック
７２    Ｙ軸方向に移動する第２移動体
７２ａ  第２ガイドレール
７２ｂ  第２ガイドブロック
７３    昇降装置
７３ａ  テーブル
【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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