JP2015183288A - ３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる粉末試料で形成された造形物間の急激な組成変化を低減する。【解決手段】第１の粉末試料７Ａを用いて形成される第１の造形物１０Ａと、第２の粉末試料７Ｂを用いて第１の造形物１０Ａの上に形成する第２の造形物との接合部分において、複数の副粉末層から構成される、高エネルギービームにより一度に溶融される所定厚さの粉末層１１、１２を複数積層する。ここで、接合部分において複数の粉末層１１、１２を積層する際に、粉末層１１、１２内の第１の粉末試料７Ａよりなる第１の副粉末層と第２の粉末試料７Ｂよりなる第２の副粉末層との組み合わせを、第１の造形物１０Ａ側から第２の造形物側にかけて徐々に変える。【選択図】 図４

Description

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次元積層造形装置及び３次元積層造形方法に関する。

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）。

図１０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１０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。

３次元積層造形装置１００は、金属粉末１０７が充填された一つの線状漏斗１０８を備え、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。次に、ステージ１０５上に敷き詰められた金属粉末１０７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、凝固させる。そして、その金属粉末１０７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。

３次元積層造形装置１００は、図１０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１１３ｐの下方にはＺ駆動機構１０４が設けられている。ステージ１０５の下面に接続した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。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。

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。次に、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１０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１０の右側）に移動する。線状漏斗１０８の排出口は、当該線状漏斗１０８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１０７が、移動方向の中心から所定幅でステージ１０５に敷き詰められる。

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１０７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１０７が溶融する。溶融した金属粉末１０７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１０７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１０７に電子ビームを照射し、金属粉末１０７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１０７の層を積み重ねることにより造形物が構築される。

図１１は、従来技術に係る２種類の粉末試料を用いる３次元積層造形装置の概略断面図である。
図１１の３次元積層造形装置１００では、造形枠台１０３のピット１１３ｐを挟んで、線状漏斗１０８Ａと線状漏斗１０８Ｂが対向するように配置されている。線状漏斗１０８Ａと線状漏斗１０８Ｂは、線状漏斗１０８と同じ構造である。線状漏斗１０８Ａと線状漏斗１０８Ｂのそれぞれに、金属粉末１０７Ａと金属粉末１０７Ｂが充填されており、ステージ１０５に必要に応じた粉末層が敷き詰められる。例えば、金属粉末１０７Ａ又は１０７Ｂを一層敷き詰めるごとに、線状漏斗１０８Ａ又は１０８Ｂを往復させてそれぞれの初期位置に戻す。

線状漏斗１０８Ａ及び１０８Ｂを備える場合は、最初に金属粉末１０７Ａを用いて造形を行い、造形の途中で金属粉末１０７Ｂに切り換えて造形を行い、金属粉末１０７Ａ及び１０７Ｂの複合材料からなる造形物を製作することができる。

特開２００１−１５２２０４号公報

図１１に示すように、造形物の形成過程で金属粉末１０７Ａから１０７Ｂに切り換えた場合、造形物の組成に急激な変化が生じる。そのため、それぞれの金属粉末同士の濡れ性、融点の差、熱膨張率の差などによって、粉末層の接合面近傍に大きな歪が生じる。また、界面での接合力の低下（剥離）が生じたりする恐れがある。

上記の状況から、異なる粉末試料で形成された造形物間の急激な組成変化を低減することが望まれていた。

本発明の一態様では、第１の粉末試料を用いて形成される第１の造形物と、第２の粉末試料を用いて第１の造形物の上に形成する第２の造形物との接合部分において、複数の副粉末層から構成される、高エネルギービームにより一度に溶融される所定厚さの粉末層を複数積層する。ここで、接合部分において複数の粉末層を積層する際に、粉末層内の第１の粉末試料よりなる第１の副粉末層と第２の粉末試料よりなる第２の副粉末層との組み合わせを、第１の造形物側から第２の造形物側にかけて徐々に変える。

上記構成では、材料の異なる造形物間の接合部分において、第１の造形物側から第２の造形物側にかけて複数の粉末層内の副粉末層の組み合わせを、徐々に変化させる。それにより、接合部分の複数の粉末層の組成が徐々に変化する。

本発明の少なくとも一つの実施の形態によれば、材料の異なる粉末試料で形成された造形物間の接合部分における複数の粉末層の組成を徐々に変化させるようにしたため、造形物間の急激な組成変化を低減することができる。それゆえ、粉末試料の材料の違いによる歪みが少なく、接合力が強い複合体（造形物）を造形できる。

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。 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。 第１の実施の形態に係る２つの造形物の接合部分における２種類の金属粉末の積層手順を示す説明図であり、図３Ａは接合部分において３層の副粉末層からなる第１の粉末層を積層した状態、図３Ｂは第１の粉末層の所定領域を溶融及び凝固させた状態を示す。 第１の実施の形態に係る２つの造形物の接合部分における２種類の金属粉末の積層手順を示す説明図であり、図４Ａは接合部分において３層の副粉末層からなる第２の粉末層を積層した状態、図４Ｂは第２の粉末層の所定領域を溶融及び凝固させた状態を示している。 第１の実施の形態に係る２つの造形物の接合部分における２種類の金属粉末の積層手順を示す説明図であり、図５Ａは接合部分において３層の副粉末層からなる第３の粉末層を積層した状態、図５Ｂは第３の粉末層の所定領域を溶融及び凝固させた状態を示している。 本発明の第２の実施の形態に係る、接合部分の粉末層を４層又は５層の副粉末層で構成する場合の積層手順を示す説明図である。 第１の変形例に係る、３種類の金属粉末をステージ上面に敷き詰める粉末試料供給機構の概略構成を示す上面図である。 第２の変形例に係る、３種類の金属粉末をステージ上面に敷き詰める粉末試料供給機構の概略構成を示す上面図である。 図８の粉末試料供給機構の概略構成を示す側面図である。図８Ａは線状漏斗の移動前の状態、図８Ｂは線状漏斗の移動後の状態を示す説明図である。 従来技術に係る１種類の粉末試料を用いる３次元積層造形装置の概略断面図である。 従来技術に係る２種類の粉末試料を用いる３次元積層造形装置の概略断面図である。

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。

＜１．第１の実施の形態＞
［３次元積層造形装置の構成］
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１において、３次元積層造形装置５０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。

図１に示すように、３次元積層造形装置５０は、真空容器１と、該真空容器１と電気的に接続された後述する造形制御装置６０（図２参照）を有する。真空容器１は、上部に電子銃２（ビーム照射部の一例）が装着されている。真空容器１の内部には、例えば有底の円筒形状の造形枠台３、造形枠台３の中央部に形成されたピット３ｐの下方に配置されたＺ駆動機構４（駆動部の一例）が設けられている。Ｚ駆動機構４として、例えばラック＆ピニオンやボールねじ等が用いられる。また、３次元積層造形装置５０は、ステージ５の下面に接続されたＺ軸部５ｄ、ステージ５の側端部には、シール部材６が設けられている。真空容器１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１内は真空に維持されている。

また、３次元積層造形装置５０には、造形枠台３のピット３ｐを挟んで、線状漏斗８Ａ（第１の粉末供給部の一例）と線状漏斗８Ｂ（第２の粉末供給部の一例）が対向するように配置されている。線状漏斗８Ａと線状漏斗８Ｂのそれぞれに、金属粉末７Ａ（第１の粉末試料の一例）と金属粉末７Ｂ（第２の粉末試料の一例）が充填されており、ステージ５に必要に応じた粉末層が敷き詰められる。例えば、金属粉末７Ａ又は７Ｂを一層敷き詰めるごとに、線状漏斗８Ａ又は８Ｂを往復させてそれぞれの初期位置に戻す。線状漏斗８Ａ及び８Ｂの排出口は、当該線状漏斗８Ａ及び８Ｂの移動方向（例えばＸ方向）に垂直な方向（例えばＹ方向）に延在し、金属粉末７Ａ及び７Ｂ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。本実施の形態では、粉末供給部として線状漏斗を用いたが、ステージ５に粉末試料を敷き詰められるものであればよい。

これら真空容器１、電子銃２、造形枠台３、ピット３ｐ、Ｚ駆動機構４、ステージ５、Ｚ軸部５ｄ、シール部材６、線状漏斗８Ａ及び８Ｂはそれぞれ、図１１の真空容器１０１、電子銃１０２、造形枠台１０３、ピット１１３ｐ、Ｚ駆動機構１０４、ステージ１０５、Ｚ軸部１０５ｄ、シール部材１０６、線状漏斗１０８Ａ及び１０８Ｂに相当し、それらと同等の機能を有する。

図２は、３次元積層造形装置の制御系（造形制御装置６０）のブロック図である。
３次元積層造形装置５０は、真空容器１と電気的に接続された造形制御装置６０を有する。造形制御装置６０は、通信インターフェース（図２では「通信Ｉ／Ｆ」と表記する）２１、ＲＯＭ（Read Only Memory）２２、ＲＡＭ（Random Access Memory）２３、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２４、Ｚ駆動制御部２５、漏斗駆動制御部２６、電子銃駆動制御部２７を備える。

通信インターフェース２１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２１としてシリアルインターフェースが適用される。

ＲＯＭ２２は、ＣＰＵ２４が実行する造形プログラムや造形物１０のパラメータ等を記憶する不揮発性の記憶部である。ＲＡＭ２３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、ＲＯＭ２２に記憶される造形プログラムや造形物１０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。

ＣＰＵ２４は、ＲＯＭ２２に記憶された造形プログラムをＲＡＭ２３に読み出し、この造形プログラムに従い、各部の処理及び動作を制御する。ＣＰＵ２４は、システムバス２８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。ＣＰＵ２４、ＲＯＭ２２及びＲＡＭ２３は、制御部の一例である。

Ｚ駆動制御部２５は、ＣＰＵ２４の制御の下、Ｚ駆動機構４の動作を制御する。漏斗駆動制御部２６は、ＣＰＵ２４の制御の下、線状漏斗８Ａ及び８Ｂの動作を制御する。電子銃駆動制御部２７は、ＣＰＵ２４の制御の下、電子銃２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。

上記のように構成される３次元積層造形装置５０は、造形物１０（図１参照）を構成する際に、異なる造形物１０Ａと１０Ｂとの接合部分において２つの金属粉末７Ａ、７Ｂをステージ５に敷き詰める順番、及び敷き詰める厚さに特徴がある。この金属粉末７Ａ、７Ｂを敷き詰める順番や敷き詰める厚さ等のパラメータを、ＲＯＭ２２に記憶しておく。

このような２種類の粉末試料（金属粉末７Ａ及び７Ｂ）が用いられる造形物１０として、例えばエンジンのピストン（頭部とその下方の部分）が挙げられる。エンジンのピストンの頭部は下方に比べより高温になりかつ大きな圧力がかかるため、耐熱性があって、ヤング率、引っ張り強さが大きい材質を用いて形成することが好ましい。例えば、ピストンの頭部には耐熱鋼が用いられ、その下方の部分にはアルミニウム合金が用いられる。勿論、２種類の粉末試料を用いて形成される造形物、２種類の粉末試料の組み合わせ等はこの例に限られない。

［３次元積層造形装置の動作］
造形物１０（造形物１０Ａ及び１０Ｂ）の形成は、３次元積層造形装置５０のＣＰＵ２４が、ＲＯＭ２２から造形プログラム及びパラメータを読み出して実行し、造形制御装置６０内の各部を制御することにより行われる。

３次元積層造形装置５０は、まず電子ビーム照射により、ステージ５及びその周囲の雰囲気を余熱する。次に、Ｚ駆動機構４により、ステージ５が、造形枠台３の上面よりＺ方向にΔＺ分下がった位置に配置される。そして、線状漏斗８Ａにより、厚さΔＺ分の金属粉末７Ａが、線状漏斗８Ａの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。

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７Ａに対し電子銃２から電子ビームが出射され、その２次元形状に対応する金属粉末７Ａの溶融及び凝固が行われる。その後、Ｚ駆動機構４によりステージ５をΔＺ分下げる。次に、ΔＺ分の金属粉末７Ａ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７Ａに電子ビームを照射し、金属粉末７Ａを溶融及び凝固させる。この一連の処理を繰り返し、金属粉末７Ａの粉末層を積み重ねることにより造形物１０Ａを形成する。

このように、３次元積層造形装置５０は、金属粉末７Ａを用いて造形物１０Ａを形成した後、金属粉末７Ａ及び７Ｂを所定の順番及び厚さで積層し、造形物１０Ａと造形物１０Ｂとの接合部分の造形を行う。

本実施の形態では、造形物１０Ａから造形物１０Ｂに切り換えるときの、一度に溶融を行うΔＺの厚さの粉末層を、金属粉末７Ａ及び７Ｂからなる複数の副粉末層（複数の副粉末層の総厚＝ΔＺ）により構成する。少なくとも副粉末層の厚さは、敷き詰められる金属粉末７Ａ又は７Ｂの粉末粒径以上である。そして、粉末層内における金属粉末７Ａ及び７Ｂの副粉末層の層数の比率（成分比）を変化させることにより、造形物１０Ａと造形物１０Ｂとを滑らかに接合する。このようにすることで、造形物１０Ａから造形物１０Ｂに切り換えるときの組成変化を緩やかにすることができる。以下では、異なる金属粉末を敷き詰めた副粉末層の層数の比率（成分比）を変化させることを、「傾斜させる」とも表記する。なお、金属粉末７Ａからなる副粉末層は第１の副粉末層の一例であり、金属粉末７Ｂからなる副粉末層は第２の副粉末層の一例である。

ここで、一度に溶融を行う複数の副粉末層の総数をｎ（自然数）とし、金属粉末７Ａからなる副粉末層を「Ａ層」、金属粉末７Ｂからなる副粉末層を「Ｂ層」とした場合、接合部分の１層目（傾斜構造開始）の粉末層を構成するＡ層及びＢ層（の比率）は、「（１／ｎ）Ｂ層＋（（ｎ−１）／ｎ）Ａ層」で表される。また、接合部分の２層目の粉末層で「（２／ｎ）Ｂ層＋（（ｎ−２）／ｎ）Ａ層」、…、「（ｍ／ｎ）Ｂ層＋（（ｎ−ｍ）／ｎ）Ａ層」、…、ｎ層目で「全てＢ層」になるよう、徐々にＡ層とＢ層の比率を変化させる。ここで、ｍは自然数（ｍ≦ｎ）である。

上述したとおり、３次元積層造形装置５０は、傾斜構造開始前（接合部分を造形する前）には、複数の副粉末層の総厚であるΔＺに相当する厚さで造形を行う。線状漏斗８Ａ及び８Ｂに指示する傾斜構造開始のＺ方向の位置は、造形物１０Ａの造形を（一時的に）終了するＺ方向の位置、金属粉末７Ａ及び７Ｂの粒径、副粉末層の層数に応じて予め求めておく。３次元積層造形装置５０は、傾斜構造開始直後の粉末層を構成する各副粉末層を敷き詰める積層ステップを、ΔＺ／ｎとする。傾斜構造領域（接合部分）の造形が終わり、金属粉末７Ｂの単一層になる粉末層からは、再びΔＺの積層ステップで金属粉末７Ｂを積層し、造形物１０Ｂを造形する。

［２種類の金属粉末の積層手順］
以下、溶融する粉末層を構成する副粉末層の総数が３層の場合について、２つの造形物１０Ａ及び１０Ｂの接合部分における２種類の金属粉末７Ａ及び７Ｂの積層手順を、図３〜図５を参照して説明する。

図３〜図５は、２つの造形物１０Ａ及び１０Ｂの接合部分において２種類の金属粉末７Ａ及び７Ｂを積層する手順を示す説明図である。
図３Ａは接合部分において３層の副粉末層からなる第１の粉末層を積層した状態、図３Ｂは第１の粉末層の所定領域を溶融及び凝固させた状態を示す。
また、図４Ａは接合部分において３層の副粉末層からなる第２の粉末層を積層した状態、図４Ｂは第２の粉末層の所定領域を溶融及び凝固させた状態を示す。
また、図５Ａは接合部分において３層の副粉末層からなる第３の粉末層を積層した状態、図５Ｂは第３の粉末層の所定領域を溶融及び凝固させた状態を示す。

図３〜図５の例では、副粉末層が３層であるので、金属粉末７Ａからなる造形物１０Ａから金属粉末７Ｂからなる造形物１０Ｂに、３層の粉末層で切り替わることになる。
図３Ａに示すように、金属粉末７Ａから金属粉末７Ｂに切り換える接合部分における１層目の粉末層１１では、金属粉末７Ａを用いた造形が終わり、それまでのΔＺの１／３の積層ステップで各金属粉末７Ａ及び７Ｂを、直前に敷き詰めたΔＺの金属粉末７Ａの粉末層（造形物１０Ａ）の上に敷き詰める。

１層目の粉末層１１では、金属粉末７Ａ、７Ｂ、７Ａの順番に副粉末層を敷き詰める（図３Ａ）。副粉末層を積層してから次の副粉末層を積層する間に、積層した副粉末層に対し電子銃２から電子ビームを出射して予備加熱を行うことにより、各副粉末層の金属粉末７Ａ、７Ｂに対し軽い焼結を行う。それにより、金属粉末７Ａ、７Ｂを敷き詰める際に、金属粉末７Ａ及び７Ｂが不均等に混じり合う（下層の金属粉末をかき出して、下層に新しい金属粉末が入り込んでしまう等）ことを防止し、各金属粉末７Ａ及び７Ｂを積層できる。３層の副粉末層（粉末層１１）を敷き詰めた後、電子銃２が出射する電子ビームにより３層の副粉末層の所定の領域を溶融及び凝固させて、ΔＺ分の接合粉末層１１ｆを形成する（図３Ｂ）。

次に、金属粉末７Ａから金属粉末７Ｂに切り換える接合部分における２層目では、金属粉末７Ａ、７Ｂ、７Ａの順番に副粉末層を敷き詰める（図４Ａ）。３層の副粉末層（粉末層１２）を敷き詰めた後、電子銃２が出射する電子ビームにより３層の副粉末層の所定の領域を溶融及び凝固させて、ΔＺ分の接合粉末層１２ｆを形成する（図４Ｂ）。

最後に、金属粉末７Ａから金属粉末７Ｂに切り換える接合部分における３層目（金属粉末Ｂの単一層に切り替わった１層目）では、金属粉末７Ｂ、７Ｂ、７Ｂの順番に副粉末層を敷き詰める（図５Ａ）。３層の副粉末層（粉末層１３）を敷き詰めた後、電子銃２が出射する電子ビームにより３層の副粉末層の所定の領域を溶融及び凝固させて、ΔＺ分の接合粉末層１３ｆを形成する（図５Ｂ）。

なお、接合部分における粉末層内の隣接する副粉末層が同一の金属粉末で構成された場合、副粉末層を１層ごとに積層する（積層ステップ：ΔＺ／ｎ）のではなく、同一の金属粉末で構成される副粉末層をまとめて一度に積層してもよい。この場合、各副粉末層を予備加熱する際には、積層した副粉末層の厚みに応じてその都度、照射する電子ビームのエネルギーを変更することが望ましい。図５Ａ、５Ｂの例では、積層ステップをΔＺに戻して金属粉末７Ｂを敷き詰める。

上述した第１の実施の形態では、積層方向に金属粉末７Ａから金属粉末７Ｂに変化する造形物を造形する際に、一度に溶融する粉末層を厚さ方向に複数の副粉末層に分割し、金属粉末７Ａの副粉末層と金属粉末Ｂの副粉末層を含む複数の副粉末層を、溶融する一層分の粉末層として積層する。そして、接合部分に粉末層を積層する毎に、その粉末層における金属粉末Ａの副粉末層と金属粉末Ｂの副粉末層の比率を、徐々に金属粉末Ａから金属粉末Ｂに傾斜させ、最終的に金属粉末７Ｂに移行させる。それにより、造形物１０Ａ及び１０Ｂ間の接合部分において、造形物１０Ａ側から造形物１０Ｂ側にかけて複数の粉末層１１〜１３の組成（金属粉末７Ａ及び７Ｂの組み合わせ）が徐々に変化するため、急激な組成変化が低減される。それゆえ、金属粉末７Ａ及び７Ｂの材料の違いによる歪みが少なく、接合力が強い複合体（造形物１０）を造形できる。

＜２．第２の実施の形態＞
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る、接合部分の粉末層を４層又は５層の副粉末層で構成する場合の積層手順を示す説明図である。
接合部分の粉末層を４層以上で構成する場合には、一例として、下記の優先順位（括弧内の数字が小さい方が優先順位が高い）に従って、各粉末層の副粉末層（金属粉末）を積層する。なお、下記の優先順位は絶対的なものではなく、優先順位の入れ替え等の変更を妨げるものではない。

（１）接合部分において最初に金属粉末を積層する際には、下層（切り換え前の造形物）の金属粉末と同じ材料の金属粉末を積層する。
（２）接合部分の任意の粉末層において、始めに比率の高い金属粉末を積層する。
（３）積層すべき異種の金属粉末の層数が偶数である場合、始めに下層の粉末層に倣って同じ金属粉末を積層する。
（４）比率の低い金属粉末を、粉末層の中央又は中央付近に位置するように積層する。
（５）粉末層内において異種の金属粉末のどちらを先に積層してもよいと考えられる場合、比率の少ない金属粉末を先に積層する。あるいは高融点又は比重の重い金属粉末を先に積層する。
（６）粉末層内で２種類の金属粉末を交互に積層できるときは、交互に積層する。
（７）接合部分のｎ層目の粉末層は、切り換え後の金属粉末と同じ材料の金属粉末を積層する。

（副粉末層が４層の場合）
粉末層を４層の副粉末層で構成する場合（図６の左側）、１層目の粉末層では、例えば優先順位（１）（４）（５）に従い、金属粉末７Ａ及び７Ｂを用いて副粉末層を積層する。
また、２層目の粉末層では、例えば優先順位（３）（６）に従い、金属粉末７Ａ及び７Ｂを用いて副粉末層を積層する。
また、３層目の粉末層では、例えば優先順位（２）（４）（５）に従い、金属粉末７Ａ及び７Ｂを用いて副粉末層を積層する。
最後に、４層目の粉末層では、例えば優先順位（７）に従い、金属粉末７Ｂを用いて副粉末層を積層する。

（副粉末層が５層の場合）
粉末層を５層の副粉末層で構成する場合（図６の右側）、１層目の粉末層では、例えば優先順位（１）（４）に従い、金属粉末７Ａ及び７Ｂを用いて副粉末層を積層する。
また、２層目の粉末層では、例えば優先順位（２）（６）に従い、金属粉末７Ａ及び７Ｂを用いて副粉末層を積層する。
また、３層目の粉末層では、例えば優先順位（２）（６）に従い、金属粉末７Ａ及び７Ｂを用いて副粉末層を積層する。
また、４層目の粉末層では、例えば優先順位（２）（４）に従い、金属粉末７Ａ及び７Ｂを用いて副粉末層を積層する。
最後に、５層目の粉末層では、例えば優先順位（７）に従い、金属粉末７Ｂを用いて副粉末層を積層する。

上述した第２の実施の形態は、第１の実施の形態と同様の効果の他、以下のような効果がある。第２の実施の形態では、所定の優先順位に従い、金属粉末７Ａ及び７Ｂをバランスよく組み合わせて接合部分における粉末層の副粉末層を積層することができる。そのため、金属粉末７Ｂと金属粉末７Ｂを用いる造形物において、金属粉末７Ｂから金属粉末７Ｂへ滑らかに移行させることができる。

＜３．変形例＞
［第１の変形例］
第１及び第２の実施の形態は２種類の金属粉末を用いた場合の例であるが、さらに金属粉末の種類を増やすことも可能である。例えば、造形枠台３（図１参照）の上面視の形状を多角形とした造形枠台３と、複数個の線状漏斗を設けることにより実現できる。以下、３種類の金属粉末を用いる場合の例を説明する。

図７は、３種類の金属粉末をステージ５上面に敷き詰める粉末試料供給機構の概略構成を示す上面図である。
図７に示す例では、造形枠台３の上方であって造形枠台３の外周部近傍に、線状漏斗８Ａ〜８Ｃが設けられている。線状漏斗８Ａ〜８Ｃにはそれぞれ種類の異なる金属粉末が充填される。造形枠台３は上面視の形状が八角形である。その八角形の一辺に対向するように線状漏斗８Ａが配置され、また八角形の他の辺に対向するように線状漏斗８Ｂが配置され、さらに八角形のその他の辺に対向するように線状漏斗８Ｃが配置されている。

線状漏斗８Ａの本体には、ＸＹ平面に平行に筒状部材１５Ａが設けられている。筒状部材１５Ａには、Ｙ方向に平行なガイド軸１６Ａが挿通されており、筒状部材１５Ａが、ガイド軸１６Ａに沿って移動することにより、線状漏斗８ＡがＹ方向に移動する。同様にして、線状漏斗８Ｂ及び８Ｃの本体には、筒状部材１５Ｂ及び１５Ｃが設けられている。筒状部材１５Ｂ及び１５Ｃには、ガイド軸１６Ｂ及び１６Ｃが挿通されている。ガイド軸１６Ｂは、Ｘ方向及びＹ方向に対し４５度に配置され、ガイド軸１６ＣはＸ方向に平行である。筒状部材１５Ｂ及び１５Ｃが、ガイド軸１６Ｂ及び１６Ｃに沿って移動することにより、線状漏斗８Ｂ及び８Ｃのそれぞれがガイド軸１６Ｂ及び１６Ｃに沿う方向へ移動する。

ガイド軸１６Ａ〜１６Ｃは、電子銃２（図１参照）からステージ５に敷き詰められた粉末層へ照射される電子ビームを妨げないよう、ステージ５（特に造形物）に対応する部分だけ途切れている。これにより、ステージ５（粉末層）の上方に空間が確保され、粉末層に照射される電子ビームの妨げとならない。ここで、筒状部材１５Ａ〜１５Ｃがガイド軸１６Ａ〜１６Ｃから脱落しない程度に、筒状部材１５Ａ〜１５Ｃの長さを、ガイド軸１６Ａ〜１６Ｃの途切れている部分の長さよりも長くする。これら線状漏斗８Ａ〜８Ｃの駆動は、漏斗駆動制御部２６により制御される。

上述した第１の変形例により、３種類の金属粉末を用いて造形物を形成することが可能になる。そして、異なる金属粉末間の切り換え時に、上述した第１及び第２の実施の形態に係る積層手順を実施すればよい。なお、図７の例では、さらに八角形の残りの辺を利用して、４種類の金属粉末を敷き詰めることが可能である。

［第２の変形例］
次に、第２の変形例を説明する。第２の変形例の第１の変形例と大きく異なるのは、線状漏斗を案内するガイド軸の位置が、ステージ５に対応する部分（造形枠台３のピット３ｐの上方）から外れている点である。

図８は、３種類の金属粉末をステージ上面に敷き詰める他の粉末試料供給機構の概略構成を示す上面図である。図９は、図８の粉末試料供給機構の概略構成を示す側面図である。図８Ａは線状漏斗の移動前の状態、図８Ｂは線状漏斗の移動後の状態を示す説明図である。

図８に示すように、線状漏斗８Ａの本体には、Ｙ方向に平行なガイド軸１７Ａが固定されている。ガイド軸１７Ａの線状漏斗８Ａと反対側の端部は、ＸＹ平面に平行となるように配置された筒状部材１８Ａに挿通されている。線状漏斗８Ａに固定されたガイド軸１７Ａが、筒状部材１８Ａの貫通孔を移動可能に構成されている。同様に、線状漏斗８Ｂ及び８Ｃの本体には、ガイド軸１７Ｂ及び１７Ｃが固定されている。ガイド軸１７Ｂは、Ｘ方向及びＹ方向に対し４５度に配置され、ガイド軸１７ＣはＸ方向に平行である。ガイド軸１７Ｂの線状漏斗８Ｂと反対側の端部は、ＸＹ平面に平行となるように配置された筒状部材１８Ｂに挿通されている。また、ガイド軸１７Ｃの線状漏斗８Ｃと反対側の端部は、ＸＹ平面に平行となるように配置された筒状部材１８Ｃに挿通されている。線状漏斗８Ｂ、８Ｃに固定されたガイド軸１７Ｂ、１７Ｃがそれぞれ、筒状部材１８Ｂ、１８Ｃの貫通孔を移動可能に構成されている。

ガイド軸１７Ａ〜１７Ｃは、図９Ａ、９Ｂに示すように、Ｚ方向（高さ方向）の位置が異なる。この例では、ガイド軸１７Ａ〜１７Ｃの順に高くなっている。このようにすることで、ガイド軸１７Ａ〜１７Ｃが、線状漏斗８Ａ〜８Ｃの移動を干渉しないようにしている。例えば、ピット３ｐを挟んで筒状部材１８Ａと反対側（図９Ａ）にある線状漏斗８Ａを、筒状部材１８Ａ側（図９Ｂ）に移動することで、線状漏斗８Ａを用いてピット３ｐ内にあるステージ５上面に金属粉末を敷き詰める。このとき、ガイド軸１７Ａが筒状部材１８Ａに挿通されるため、ピット３ｐの上方にはガイド軸１７Ａが存在しない。この図９Ｂの状態において、線状漏斗８Ｂは、線状漏斗８Ａ用のガイド軸１７Ａに干渉されることなく、線状漏斗８Ａに続いてピット３ｐの上方を移動できる。なお、例えば図９Ａの状態において、線状漏斗８Ｃを筒状部材１８Ｃ側に移動させたい場合には、線状漏斗８Ａ及び８Ｂを筒状部材１８Ｂ及び１８Ｃ側に移動させ、その後に線状漏斗８Ｃを移動させるようにする。

上述した第２の変形例により、第１の変形例と同様に、３種類の金属粉末を用いて造形物を形成することが可能になる。さらに、第２の変形例では、線状漏斗を案内するガイド軸の位置が、ステージ５に対応する部分（ピット３ｐの上方）にかからないために、ピット３ｐの上方の空間を自由に利用して電子ビームの照射を行うことができる。

なお、上述した第１及び第２の実施の形態並びに変形例において、粉末試料として金属粉末を用いたが、樹脂やその他の材料からなる粉末でもよい。望ましくは高融点の粉末試料であるとよい。

また、第１及び第２の実施の形態並びに変形例において、造形物間の接合部分における粉末層を構成する異種の粉末試料の比率に応じて、照射する電子ビームのエネルギーを調整するようにしてもよい。

また、第１及び第２の実施の形態並びに変形例において、高エネルギービームとして電子ビームを用い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等を用いてもよい。

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。

１…真空容器、 ２…電子銃、 ３…造形枠台、 ３ｐ…ピット、 ４…Ｚ駆動機構、 ５…ステージ（粉末台）、 ６…シール部材、 ７Ａ，７Ｂ…金属粉末、 ８Ａ，８Ｂ…線状漏斗、１０，１０Ａ，１０Ｂ…造形物、 １１，１２，１３…粉末層、 １１ｆ，１２ｆ，１３ｆ…接合粉末層、 ２４…ＣＰＵ、 ２５…Ｚ駆動制御部、 ２６…漏斗駆動制御部、 ２７…電子銃駆動制御部、 ５０…３次元積層造形装置、 ６０…造形制御装置

Claims (5)

1. 鉛直方向に移動し、粉末試料を用いて粉末層が積層されるステージと、
   前記ステージを鉛直方向に駆動する駆動部と、
   前記ステージの上面に第１の粉末試料を敷き詰める第１の粉末供給部と、
   前記ステージの上面に前記第１の粉末試料と異なる第２の粉末試料を敷き詰める第２の粉末供給部と、
   前記ステージに敷き詰められた前記第１の粉末試料又は前記第２の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、
   前記駆動部、前記第１の粉末供給部及び前記第２の粉末供給部、前記ビーム照射部を制御し、前記第１の粉末試料を用いて形成される第１の造形物と、前記第２の粉末試料を用いて前記第１の造形物の上に形成する第２の造形物との接合部分において、複数の副粉末層から構成される、前記高エネルギービームにより一度に溶融される所定厚さの粉末層を複数積層する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記接合部分において複数の前記粉末層を積層する際に、前記粉末層内の前記第１の粉末試料よりなる第１の副粉末層と前記第２の粉末試料よりなる第２の副粉末層との組み合わせを、前記第１の造形物側から前記第２の造形物側にかけて徐々に変えるように制御を行う
   ３次元積層造形装置。
2. 前記制御部は、前記接合部分に複数の前記粉末層を構成するとき、前記第１の造形物に近い側では、前記粉末層内の前記第１の粉末試料による前記第１の副粉末層の比率を高くし、前記第２の造形物に近い側では、前記粉末層内の前記第２の粉末試料による前記第２の副粉末層の比率を高くするように制御を行う
   請求項１に記載の３次元積層造形装置。
3. 前記接合部分における複数の前記粉末層の総数をｎ（ｎ：自然数）とした場合、複数の前記粉末層のうち下層側からｍ番目（ｍ：自然数）の粉末層における前記第１及び第２の副粉末層に用いられる前記第１及び第２の粉末試料の構成は、次式で表される
   （ｍ／ｎ）＊（第２の粉末試料）＋（（ｎ−ｍ）／ｎ）＊（第１の粉末試料）
   請求項２に記載の３次元積層造形装置。
4. 前記粉末層を構成する前記第１又は第２の副粉末層を積層してから次の前記第１又は第２の副粉末層を積層する間に、積層した前記第１又は第２の副粉末層に対し予備加熱を行う
   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。
5. 鉛直方向に移動し、粉末試料を用いて粉末層が積層されるステージと、前記ステージを鉛直方向に駆動する駆動部と、前記ステージの上面に第１の粉末試料を敷き詰める第１の粉末供給部と、前記ステージの上面に前記第１の粉末試料と異なる第２の粉末試料を敷き詰める第２の粉末供給部と、前記ステージに敷き詰められた前記第１の粉末試料又は前記第２の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、各部の制御を行う制御部と、を備える３次元積層造形装置による３次元積層造形方法において、
   前記制御部により、前記駆動部、前記第１の粉末供給部及び前記第２の粉末供給部、前記ビーム照射部を制御し、前記第１の粉末試料を用いて形成される第１の造形物と、前記第２の粉末試料を用いて前記第１の造形物の上に形成する第２の造形物との接合部分において、複数の副粉末層から構成される、前記高エネルギービームにより一度に溶融される所定厚さの粉末層を複数積層し、
   前記接合部分において複数の前記粉末層を積層する際に、前記粉末層内の前記第１の粉末試料よりなる第１の副粉末層と前記第２の粉末試料よりなる第２の副粉末層との組み合わせを、前記第１の造形物側から前記第２の造形物側にかけて徐々に変えるように制御を行う
   ３次元積層造形方法。

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