JP2015193866A - ３次元積層造形装置、３次元積層造形システム及び３次元積層造形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数種類の金属粉末を用いて造形物を構築することができる３次元積層造形装置、３次元積層造形システム及び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１００は、ステージ４と、ビーム照射部８と、記憶部４２と、制御部４０と、粉末供給ユニットとを備える。粉末供給ユニットは、複数種類の金属粉末を収容し、かつ複数種類の金属粉末をステージ４に排出する複数の粉末収容部と、複数の粉末収容部を保持する保持機構と有し、ステージ４に複数種類の金属粉末を敷き詰める。制御部４０は、記憶部４２から読み出したビーム制御データ６４に基づいて、粉末供給ユニットを制御して複数種類の金属粉末をステージ４上に敷き詰めさせ、ビーム照射部８を制御して各金属粉末に応じた出力の荷電粒子ビームを発射させる。
【選択図】図７

Description

本発明は、例えば、金属粉末からなる複数種類の粉末試料に電子ビームを照射して積層造形を行う３次元積層造形装置、３次元積層造形システム及び３次元積層造形方法に関する。

ステージ上に敷き詰めた樹脂粉末からなる粉末層にレーザ光を照射して樹脂粉末を溶融させ、この樹脂粉末が凝固した層を積み重ねて立体物を造形する光造形装置が広く知られている。近年は、ステージ上に敷き詰めた粉末試料の表面の特定領域に電子ビームを照射して試料を加工及び改質することで、粉末試料が溶融、凝固した層を積み重ねる積層造形を行って立体物を造形する３次元積層造形装置が用いられている。このような３次元積層造形装置として、例えば、電子ビーム描画装置、電子ビーム加工装置、集束イオンビーム装置がある。

ここで、電子ビームにより積層造形を行う３次元積層造形装置を用いた積層造形処理の流れについて説明する。
図１３は、従来の３次元積層造形システム２２０の構成例を示す。

従来の３次元積層造形システム２２０は、３次元積層造形装置２００、ＣＡＤ（Computer Aided Design）が搭載されたＣＡＤ計算機２１１、及びデータ変換処理部２１３を備える。３次元積層造形装置２００は、積層造形部２０１、制御部２０２、表示部２０３、記憶部２０４及び入力部２０５を備える。

ＣＡＤ計算機２１１は、ユーザがＣＡＤで設計した造形物の形状を表示部２１１ａに表示し、造形物の形状を定める３次元造形データ２１２をデータ変換処理部２１３に出力する。データ変換処理部２１３は、３次元造形データ２１２を所定の積層厚さで水平方向にスライスした積層データに基づき、電子ビームＢ２のスキャン方法を規定したビーム制御データ２０６を生成し、記憶部２０４に記憶させる。

制御部２０２は、造形条件変更画面を表示部２０３に表示させる。造形条件とは、例えば、積層造形部２０１が造形する形状の輪郭部や造形しない部分（仮焼結部分）等をどのようなビーム電流値とした電子ビームＢ２で造形するかを定めるものである。ユーザは、造形条件変更画面を見ながら入力部２０５を操作して、造形条件を手動で決定し、変更することができる。造形条件の設定又は変更は、積層造形部２０１による造形を開始する前、又は造形中に行うことができる。

そして、積層造形部２０１は、決定された造形条件に従い、ビーム制御データ２０６に基づく積層造形を行う。このとき、積層造形部２０１は、ビーム放出部２０１ａから発射された電子ビームＢ２をレンズ２０１ｂによって偏向し、Ｚ軸ステージ２０１ｃに敷き詰めた粉末試料に電子ビームＢ２をスキャンする。そして、積層造形部２０１は、電子ビームＢ２のスキャンによる粉末試料の溶融、凝固と、粉末試料の積層とを繰り返し行い、目的とする造形物を作成する。

このような３次元積層造形装置の一例として、特許文献１に開示されたものが知られている。この特許文献１には、粉末材料に光ビームを照射して硬化層を形成し、この硬化層を積み重ねて所望の造形物を製造する技術が開示されている。

特開２００１−１５２２０４号公報

しかし、特許文献１に開示されたような従来の３次元積層造形装置では、ホッパーに１種類の金属粉末を貯蔵し、その金属粉末を造形面に敷き詰める方式であった。また、電子ビームの出力制御についても、１種類の金属に対応したものであった。したがって、従来の３次元積層造形装置では、金属粉体からなる複数種類の金属粉末を用いて造形物を構築することができなかった。

本発明はこのような状況に鑑みて成されたものであり、複数種類の金属粉末を用いて造形物を構築することができる３次元積層造形装置、３次元積層造形システム及び３次元積層造形方法を提供することを目的とする。

上述した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、粉末供給ユニットと、ビーム照射部と、記憶部と、制御部とを備える。ステージには、造形物を形成するための複数種類の金属粉末が敷き詰められる。粉末供給ユニットは、複数種類の金属粉末を収容し、かつ複数種類の金属粉末をステージに排出する複数の粉末収容部と、複数の粉末収容部を保持する保持機構と有し、ステージに複数種類の金属粉末を敷き詰める。ビーム照射部は、ステージに敷き詰められた複数種類の金属粉末に荷電粒子ビームを照射する。記憶部は、特定の領域毎に金属粉末の種類と荷電粒子ビームを照射する座標位置が格納されたビーム制御データを記憶する。制御部は、記憶部から読み出したビーム制御データに基づいて、粉末供給ユニットを制御して複数種類の金属粉末をステージ上に敷き詰めさせ、ビーム照射部を制御して各金属粉末に応じた出力の荷電粒子ビームを発射させる。

本発明の３次元積層造形システムは、上述の３次元積層造形装置と、金属粉末指定部と、データ変換処理部とを備える。金属粉末指定部は、造形物における所望の箇所を構築する金属粉末の種類を、３次元の造形データに付加する。データ変換処理部は、３次元の造形データをスライスして、特定の領域毎に、金属粉末の種類と荷電粒子ビームを照射する座標位置が格納されたビーム制御データに変換する。

また、本発明の３次元積層方法は、金属粉末供給ステップと、ビーム発射ステップとを含む。金属粉末供給ステップでは、制御部が、特定の領域毎に金属粉末の種類と荷電粒子ビームを照射する座標位置が格納されたビーム制御データに基づいて、粉末供給ユニットを制御して、複数種類の金属粉末をステージ上に敷き詰めさせる。ビーム発射ステップでは、ビーム制御データに基づいて、ビーム照射部を制御して、各金属粉末に応じた出力の荷電粒子ビームを発射させる。

本発明の３次元積層造形装置、３次元積層造形システム及び３次元積層方法では、金属粉末の種類に応じて荷電粒子ビームの出力条件を変化させながら、荷電粒子ビームをスキャンして各金属粉末を溶融することができる。その結果、複数種類の金属を溶融させて造形物を構築することができる。

本発明によれば、複数種類の金属を溶融させて造形物を構築することができる。

本発明の一実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の造形装置本体を模式的に示す説明図である。 本発明の一実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の造形装置本体を示す概略平面図である。 本発明の一実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の造形装置本体を示す概略平面図である。 本発明の一実施の形態例にかかる３次元積層造形装置の粉末供給ユニットの要部を示す断面図である。 本発明の一実施の形態例にかかる３次元積層造形装置のカートリッジ格納庫の近傍について示す断面図である。 本発明の一実施の形態例に係る３次元積層造形装置の制御系を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態例に係る３次元積層造形システムの構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態例に係る金属造形条件データベースの構成例を示す説明図である。 本発明の一実施の形態例に係る造形物の立体形状と層断面形状の関係を示す斜視図である。図９Ａは、造形物の立体形状を示し、図９Ｂは、造形物の層断面形状を示す。 図４Ｂに示した１層目の層断面形状を造形するために積層造形部が電子ビームをスキャンする様子を示す説明図である。 図１１に示した造形物を積層造形するためのビーム制御データの構成例を示す説明図である。 本発明の一実施の形態例に係る３次元積層造形システムの全体の動作例を示すフローチャートである。 従来の積層造形システムの構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施の形態例に係る３次元積層造形装置について、図１〜図１２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。

＜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一実施の形態例における造形装置本体について、図１を参照して説明する。
図１は、本例の３次元積層造形装置における造形装置本体を模式的に示す説明図である。

図１に示す３次元積層造形装置１００は、例えば、チタン、アルミニウム、鉄等の金属粉末からなる複数種類の金属粉末（粉末試料）を敷き詰めて、電子ビームを照射して複数種類の金属粉末を溶融させ、この金属粉末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。

３次元積層造形装置１００は、造形装置本体１０１を備えている。この造形装置本体１０１は、中空の処理室２と、造形枠３と、平板状のステージ４と、ステージ駆動機構５と、粉末供給ユニット７と、電子銃８と、カートリッジ格納庫９とを有している。
ここで、ステージ４の一面と平行をなす方向を第１の方向Ｘ１とし、第１の方向Ｘ１と直交し、かつステージ４の一面と平行をなす方向を第２の方向Ｙ１とする。また、ステージ４の一面と直交する方向を第３の方向Ｚ１とする。

処理室２には、真空ポンプ１０（図６参照）が接続されている。そして、処理室２内の雰囲気が真空ポンプ１０により排気されることで、処理室２内は、真空に維持されている。この処理室２内には、造形枠３、ステージ４、ステージ駆動機構５及び粉末供給ユニット７が設けられている。また、処理室２の第１の方向Ｘ１の一側には、カートリッジ格納庫９が連接している。処理室２の第３の方向Ｚ１の一側には、電子銃８が装着されており、第３の方向Ｚ１の他側には、造形枠３が配置されている。

造形枠３には、第３の方向Ｚ１に沿って一方から他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。

造形枠３におけるピット３ａには、ステージ４及びステージ駆動機構５が配置されている。ステージ４は、金属粉末（粉末試料）Ｍが積層される粉末台である。本実施形態では、複数種類の金属粉末を用いて造形物Ｐ１を構築するため、ステージ４には、複数種類の粉末試料Ｍが敷き詰められる。

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４ｂが設けられている。シール部材４ｂ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４ｂにより、ステージ４における第３の方向Ｚ１の一方の空間と他方の空間がそれぞれ密閉した空間として形成されている。

また、ステージ４における複数種類の金属粉末Ｍ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の他面から第３の方向Ｚ１の他方に向けて突出している。軸部４ｄは、ピット３ａに収容されたステージ駆動機構５に接続されている。ステージ駆動機構５は、軸部４ｄを介してステージ４を第３の方向Ｚ１に沿って駆動する。ステージ駆動機構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。

電子銃８は、処理室２の第３の方向Ｚ１の一側において、ステージ４の一面４ａに対向して配置されている。この電子銃８は、本発明に係るビーム照射部の一具体例を示すものである。電子銃８は、ビーム放出部１１と、所定のビーム径に集束された電子ビームＢ１を複数種類の金属粉末Ｍ上でスキャンする電子光学系１２とを有している。ビーム放出部１１は、カソード１３、ウェネルト電極１４、及びアノード１５を備えており、ステージ４に向けて電子ビームＢ１を放出する。

電子光学系１２は、レンズ１７、偏向器１８を備える。
レンズ１７は、電磁的な作用によりビーム放出部１１から放出された電子ビームＢ１をさらに集束し、電子ビームＢ１の焦点をステージ４上に結ばせる。偏向器１８は、レンズ１７を通過した電子ビームＢ１をステージ４上の所定位置でスキャンさせる。

このように構成される電子銃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、複数種類の金属粉末Ｍに対して電子ビームＢ１を出射する。電子銃８から出射された電子ビームＢ１により、その２次元形状に対応する領域の複数種類の金属粉末Ｍが溶融する。

また、造形枠３から第３の方向Ｚ１の一方には、所定の間隔を開けて粉末供給ユニット７が配置されている。次に、図１〜図５を参照して、粉末供給ユニット７の詳細な構成について説明する。

図２及び図３は、造形装置本体１０１を示す概略平面図である。
図２及び図３に示すように、粉末供給ユニット７は、粉末カートリッジ２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、保持機構２２と、一対の第１のガイド部２３と、第２のガイド部２４と、を有している。また、一対の第１のガイド部２３と、第２のガイド部２４によって移動機構の一例を構成する。

一対の第１のガイド部２３は、ステージ４を間に挟んで第２の方向Ｙ１の両側に配置されている。また、一対の第１のガイド部２３は、第１の方向Ｘ１に沿って処理室２内に延在している。一対の第１のガイド部２３には、第２のガイド部２４が第１の方向Ｘ１に移動可能に支持されている。

第２のガイド部２４は、一対の第１のガイド部２３の間で、第２の方向Ｙ１に沿って延在している。第２のガイド部２４には、３つの保持機構２２が第２の方向Ｙ１に移動可能に支持されている。そして、３つの保持機構２２には、それぞれ粉末カートリッジ２１ａ，２１ｂ，２１ｃが着脱可能に保持されている。これら粉末カートリッジ２１ａ，２１ｂ，２１ｃには、それぞれ異なる種類の金属粉末が収容されている。粉末カートリッジ２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、本発明に係る粉末収容部の一具体例を示すものである。

図４は、粉末供給ユニット７の要部を示す断面図である。
粉末カートリッジ２１ｂ，２１ｃ（図２及び図３参照）は、粉末カートリッジ２１ａと同様の構成を有しており、異なる点は、収容する金属粉末の種類のみである。そのため、ここでは、粉末カートリッジ２１ａを例に挙げて、その構成を説明する。

図４に示すように、粉末カートリッジ２１ａは、中空の容器本体２６を有している。粉末カートリッジ２１ａの容器本体２６内には、ステージ４に敷き詰める金属粉末Ｍ１が収容されている。なお、容器本体２６内に収容されている金属粉末Ｍ１の量は、例えば、ステージ４に敷き詰める一層分、あるいは複数層分である。

また、容器本体２６には、金属粉末Ｍ１をステージ４に向けて排出する排出口２６ａが設けられている。さらに、粉末カートリッジ２１ａは、容器本体２６の排出口２６ａを開閉可能に覆うシャッター部材２７を有している。

保持機構２２は、粉末カートリッジ２１ａ（２１ｂ，２１ｃ）を着脱可能に保持する保持部３１と、第２のガイド部２４に設けたガイドレール２４ａに摺動可能に係合するレール係合部３２と、端子接続部３３と、を有している。端子接続部３３には、粉末カートリッジ２１ａ（２１ｂ，２１ｃ）のシャッター部材２７と電気的に接続するカートリッジ側端子３３ａが設けられている。端子接続部３３は、第２のガイド部２４に設けた端子受部２５に挿入される。端子受部２５には、ガイド側端子２５ａが設けられている。ガイド側端子２５ａは、端子接続部３３に設けたカートリッジ側端子３３ａと電気的に接続される。

また、第２のガイド部２４には、均し部材２８、ローラ２９及びヒータ３０が設けられている。均し部材２８は、第２のガイド部２４からステージ４の一面４ａ又は、ステージ４に敷き詰められた金属粉末Ｍで形成された平面（以下、「試料面」という）Ｍ３から第３の方向Ｚ１に沿って所定の間隔を開けて配置される。また、均し部材４８は、粉末供給ユニット７が複数種類の金属粉末Ｍをステージ４の一面４ａに向けて供給する際において、第２のガイド部２４の移動方向の後方に設けられる。

均し部材２８は、粉末カートリッジ２１から排出された金属粉末Ｍの山を崩すと共に、ステージ４の一面４ａ又は試料面Ｍ３上で排出された金属粉末Ｍが略均一の厚さになるように均す。これにより、ステージ４の一面４ａ又は試料面Ｍ３上に、金属粉末Ｍを所定の厚さで、整然と配置することができる。

ローラ２９は、不図示のローラ支持部材に回転可能に支持されており、ローラ支持部材は、不図示の付勢部材によって試料面Ｍ３側に付勢されている。これにより、ローラ２９が試料面Ｍ３に当接され、試料面Ｍ３が圧縮される。その結果、敷き詰められた金属粉末Ｍの厚さを均等にすることができる。

ヒータ３０は、ローラ２９の表面に近接して対向しており、ローラ２９の表面を加熱する。ヒータ３０によって温められたローラ２９が試料面Ｍ３に当接することにより、ステージ４の一面４ａに敷き詰められた金属粉末Ｍを予熱することができる。

なお、本例では、第２のガイド部２４に３つの粉末カートリッジ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ及び保持機構２２を設けた例を説明したが、粉末カートリッジ及び保持機構の数は、３つに限定されるものではなく、２つ、あるいは４つ以上設けてもよい。すなわち、使用する金属粉末の種類は、２種類であってもよく、また、４種類以上であってもよい。

また、２つの粉末カートリッジ２１ａ，２１ｂの容器本体２６に同じ種類の金属粉末Ｍ１を収容させ、粉末カートリッジ２１ｃの容器本体２６に金属粉末Ｍ１とは異なる種類の金属粉末を収容してもよい。このように、複数の粉末カートリッジに収容する金属粉末は、少なくとも２種類であればよく、使用頻度に応じて収容する粉末カートリッジの個数を変化させてもよい。

図５は、カートリッジ格納庫９の近傍について示す断面図である。
図５に示すように、カートリッジ格納庫９には、金属粉末Ｍ１が充填された新たな粉末カートリッジ２１ａが複数格納されている。なお、カートリッジ格納庫９には、金属粉末Ｍ１とは異なる種類の金属粉末が充填された新たな粉末カートリッジ２１ｂ，２１ｃが複数格納されている（図２及び図３参照）。

カートリッジ格納庫９における処理室２側には、粉末カートリッジ２１ａ（２１ｂ，２１ｃ）を排出する交換窓９ａが形成されている。また、カートリッジ格納庫９における交換窓９ａと反対側には、押出機構３５が設けられている。

押出機構３５は、粉末カートリッジ２１ａ（２１ｂ，２１ｃ）に当接する押出板３６と、押出板３６を交換窓９ａ側へ付勢するコイルばね３７とから構成されている。そして、押出機構３５は、格納されている粉末カートリッジ２１ａ（２１ｂ，２１ｃ）を交換窓９ａ側へ付勢する。

また、カートリッジ格納庫９における交換窓９ａには、不図示のストッパーが設けられている。ストッパーは、押出機構３５により付勢された粉末カートリッジ２１ａ（２１ｂ，２１ｃ）に当接し、粉末カートリッジ２１ａ（２１ｂ，２１ｃ）がカートリッジ格納庫９から押し出されることを規制する。また、粉末カートリッジ２１ａ（２１ｂ，２１ｃ）を交換する際に、ストッパーが粉末カートリッジ２１ａ（２１ｂ，２１ｃ）から外れ、一つの粉末カートリッジ２１ａ（２１ｂ，２１ｃ）が保持機構２２へ受け渡される。

なお、押出機構３５は、上述した押出板３６とコイルばね３７に限定されるものではなく、モータ、ピストン、や高圧ガス等その他各種の機構を用いてもよい。

また、カートリッジ格納庫９の第３の方向Ｚ１の他方には、カートリッジ回収庫６が設けられている。カートリッジ回収庫６には、金属粉末を全て排出した使用済み粉末カートリッジ２１Ｂが排出される。

なお、カートリッジ回収庫６に回収された使用済み粉末カートリッジ２１Ｂに新たに金属粉末を充填することで、使用済み粉末カートリッジ２１Ｂを再利用することができる。また、使用済み粉末カートリッジ２１Ｂ内に残留する金属粉末も再利用することができる。

＜造形装置本体の動作＞
次に、図１〜図５を参照して上述した構成を有する３次元積層造形装置１００の動作について説明する。

造形物Ｐ１を構築するには、まず、図１に示すように、ステージ駆動機構５により、造形枠３の上面より第３の方向Ｚ１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複数種類の金属粉末Ｍの第３の方向Ｚ１の層厚に相当する。

次に、粉末供給ユニット７により、複数種類の金属粉末Ｍをステージ４の一面に厚さΔＺになるまで敷き詰める。具体的には、図２を示すように、第１のガイド部２３及び第２のガイド部２４に沿って保持機構２２及び粉末カートリッジ２１ａ，２１ｂ，２１ｃを、ステージ４における金属粉末Ｍ１を敷き詰める上方に移動させる。そして、図４に示すように、粉末カートリッジ２１ａのシャッター部材２７を開放させる。これにより、粉末カートリッジ２１ａに収容された金属粉末Ｍ１が排出され、排出口２６ａからステージ４の一面４ａにおける所望の位置に金属粉末Ｍ１が供給される。

その後、第１のガイド部２３及び第２のガイド部２４に沿って保持機構２２及び粉末カートリッジ２１ａ，２１ｂ，２１ｃを、ステージ４における金属粉末Ｍ１とは異なる金属粉末を敷き詰める上方に移動させる。そして、粉末カートリッジ２１ｂのシャッター部材２７を開放させる。これにより、粉末カートリッジ２１ｂに収容された金属粉末Ｍ１とは異なる金属粉末が排出され、排出口２６ａからステージ４の一面４ａにおける所望の位置に金属粉末Ｍ１とは異なる金属粉末が供給される。

なお、粉末カートリッジ２１ｃに収容された金属粉末Ｍ１とは異なる金属粉末をステージ４の一面４ａにおける所望の位置に供給する説明は、上述の粉末カートリッジ２１ｂに係る説明と重複するため、省略する。

次に、図１に示すように、複数種類の金属粉末Ｍに対して電子銃８から電子ビームＢ１を出射する。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に対して電子ビームＢ１を出射する。電子銃８から出射された電子ビームＢ１により、その２次元形状に対応する領域の複数種類の金属粉末Ｍが溶融する。

次に、溶融した複数種類の金属粉末Ｍは、材料に応じた所定時間が経過すると凝固する。１層分の複数種類の金属粉末Ｍが溶融及び凝固した後、ステージ駆動機構５によりステージ４をΔＺ分下げる。このステージ４の第３の方向Ｚ１への動きは、シール部材４ｂ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。

次に、再び粉末供給ユニット７によって、粉末カートリッジ２１ａ，２１ｂ，２１ｃをステージ４における金属粉末Ｍ１を敷き詰める上方に移動させ、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。これと同様に、金属粉末Ｍ１とは異なる金属粉末も直前に敷き詰められた層（下層）の上に敷き詰める。

次に、電子銃８から出射される電子ビームＢ１により、その層に相当する２次元形状に対応する領域の複数種類の金属粉末Ｍを溶融及び凝固させる。この一連の処理を繰り返して、溶融及び凝固した複数種類の金属粉末Ｍ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１００の動作が完了する。

ここで、収容している金属粉末を全て排出した使用済み粉末カートリッジ２１Ｂは、図３及び図５に示すように、カートリッジ格納庫９及びカートリッジ回収庫６まで搬送される。そして、保持機構２２から使用済み粉末カートリッジ２１Ｂが外され、使用済み粉末カートリッジ２１Ｂは、カートリッジ回収庫６に回収される。

次に、保持機構２２は、カートリッジ格納庫９の交換窓９ａからカートリッジ格納庫９内に挿入し、新たな粉末カートリッジ２１ａ（２１ｂ，２１ｃ）を保持する。カートリッジ格納庫９から粉末カートリッジ２１ａ（２１ｂ，２１ｃ）が保持機構２２へ受け渡されると、カートリッジ格納庫９に格納されている残りの粉末カートリッジ２１ａ（２１ｂ，２１ｃ）は、押出機構３５により、交換窓９ａに向けて付勢される。これにより、次に保持機構２２に保持される粉末カートリッジ２１ａ（２１ｂ，２１ｃ）がカートリッジ格納庫９における受け取り位置に待機する。

本例の３次元積層造形装置１００によれば、造形物Ｐ１を形成する複数種類の金属粉末Ｍを一層分、あるいは複数の層分に分けて、複数の粉末カートリッジ２１ａ，２１ｂ，２１ｃに収容している。これにより、複数種類の金属粉末Ｍをそれぞれステージ４の一面４ａにおける所望の領域に敷き詰めることができる。すなわち、同一の層に、複数種類の金属粉末Ｍを配置することができる。

また、複数種類の金属粉末Ｍは、それぞれ粉末カートリッジ２１ａ，２１ｂ，２１ｃの容器本体２６内に収容されているため、処理室２内が複数種類の金属粉末Ｍで汚れることを抑制することできる。

さらに、造形物Ｐ１を造形するために必要な複数種類の金属粉末Ｍを複数の粉末カートリッジ２１ａ，２１ｂ，２１ｃに少量ずつ小分けして管理することができる。複数種類の金属粉末Ｍの保存及び管理を容易にすることができる。さらに、複数種類の金属粉末Ｍが無駄になることを防ぐことができる。

＜３次元積層造形装置の制御系＞
次に、３次元積層造形装置１００の制御系について、図６を参照して説明する。
図６は、本例の３次元積層造形装置の制御系を示すブロック図である。

３次元積層造形装置１００は、上述の造形装置本体１０１と、各系を制御する制御部４０と、電子ビームＢ１のビーム電流値等を表示する表示部４１と、制御プログラム等を記憶する記憶部４２と、制御部４０に指示を与える入力部４３と、金属造形条件データベース（ＤＢ）４４とを備える。金属造形条件データベース４４は、本発明に係る金属造形条件記憶部の一具体例を示すものである。

上述したように、造形装置本体１０１は、ステージ駆動機構５、粉末供給ユニット７、電子銃８及び真空ポンプ１０を含む。制御部４０は、記憶部４２に記憶された制御プログラムを読み出し、この制御プログラムに従い、ステージ駆動機構５、粉末供給ユニット７、電子銃８及び真空ポンプ１０等の各部の処理及び動作を制御する。

＜３次元積層造形システムの構成＞
次に、３次元積層造形装置１００を含めた全体のシステム構成について、図７を参照して説明する。
図７は、３次元積層造形システムの構成例を示すブロック図である。

３次元積層造形システム１２０は、３次元積層造形装置１００と、ＣＡＤ計算機１１１と、データ変換処理部６３とを備える。３次元積層造形装置１００は、金属粉末回収部４７を有している。金属粉末回収部４７は、ステージ４上に複数種類の金属粉末を供給後、又は積層造形後に不要となった複数種類の金属粉末を、種類毎に回収する。

ＣＡＤ計算機１１１は、表示部１１１ａにＣＡＤで設計された造形物の形状を表示し、３次元造形データ２１２を出力する。３次元造形データ１１２のフォーマットは、一般的なＣＡＤフォーマットである。

また、ＣＡＤ計算機１１１には、設計された造形物を構築する金属（材料）の種類と、その金属によって構築する部分が入力される。すなわち、ユーザは、設計した造形物を構築するための複数種類の金属を入力すると共に、設計した造形物のうちの各金属が構築する部分を入力する。ＣＡＤ計算機１１１は、造形物を構築するための複数の金属の種類と、設計した造形物のうちの各金属が構築する部分の情報とを、３次元造形データ２１２に付加する。したがって、ＣＡＤ計算機１１１は、本発明に係る金属粉末指定部の一具体例を示すものである。

データ変換処理部６３は、３次元造形データ１１２を、特定の領域毎に電子ビームＢ１を制御するためのビーム制御データ６４に変換し、このビーム制御データ６４を記憶部４２に記憶させる。

ビーム制御データ６４は、３次元造形データ２１２を所定の積層厚さでスライスしたｎ層の層断面形状を造形するためのデータであり、複数種類の金属と、各金属で構築する部分の座標値が示されている。このビーム制御データ６４のデータフォーマットは、３次元積層造形装置１００で用いられるビーム制御データフォーマットである。

ビーム制御データフォーマットは、電子ビームＢ１をスキャンする特定の領域毎に、使用する金属を示す金属種別番号と、スキャン開始位置及びスキャン終了位置を規定したものである。このビーム制御データフォーマットに格納される金属種別番号により、特定の領域（例えば、一層のうちの一部）における造形条件が決定される。

制御部４０は、記憶部４２から一層毎に読み出したビーム制御データ６４を造形装置本体１０１に転送し、造形装置本体１０１に積層造形を行わせる。なお、ユーザは、入力部４３を用いて、造形条件を一部変更するような外部入力を行うことができる。また、造形装置本体１０１が積層造形を行っている途中にも造形条件を変更することもできる。ただし、この変更処理は、補助的に行うものであり、必須ではない。

制御部４０は、ビーム制御データ６４に基づいて粉末供給ユニット７を制御し、複数種類の金属粉末Ｍをステージ４上に敷き詰める。また、制御部４０は、ビーム制御データ６４に格納された金属種別番号に基づいて金属造形条件データベース４４から造形条件を読み出す。そして、読み出した造形条件に従って電子銃８の条件を変更し、読み出した造形条件に対応する金属粉末に電子ビームＢ１をスキャンする。その結果、層毎に複数種類の金属粉末Ｍが溶融及び凝固し、造形物Ｐ１の積層造形が行われる。

＜金属造形条件データベースの構成＞
次に、金属造形条件データベース４４の構成例について、図８を参照して説明する。
図８は、金属造形条件データベース４４の構成例を示す。

金属造形条件データベース４４は、金属種別番号フィールドと造形条件フィールドを備える。金属種別番号フィールドには、“０１”，“０２”，…，“１１”，…と昇順に金属種別番号が格納されている。造形条件フィールドには、金属種別番号フィールドに対応付けられた造形条件が格納されている。なお、金属種別番号と、造形条件とは、１対多の関係にある。

例えば、金属造形条件データベース４４には、金属種別番号が“０１”であるとき、４０μｍの積層厚さとしたチタンアルミニウム合金（例えば、Ｔｉ６Ａｌ４）の金属粉末を加工して積層造形を行う場合の造形条件が格納される。そして、造形条件は、金属粉末の積層厚さ、電子ビームＢ１のビーム電流、造形部位Ａのビーム電流、造形部位Ｂのビーム電流といった造形パラメータを含んでいる。さらに、造形条件は、加速電圧、電子ビームＢ１のビーム径、スキャン速度、電子ビームＢ１のピッチ等の不図示の造形パラメータも含んでいる。すなわち、造形条件は、電子ビームＢ１の出力条件である。

同様に、金属種別番号が“０２”であるとき、６０μｍの積層厚さとしたチタンアルミニウム合金の金属粉末を加工して造形を行う場合の造形条件が金属造形条件データベース４４に格納される。金属種別番号が“１１”であれば、金属粉末が銅である場合の造形条件、金属種別番号が“２１”であれば、金属粉末がＳＵＳ（ステンレス鋼）である場合の造形条件が金属造形条件データベース４４に格納される。なお、金属種別番号が“０２”，“１１”，“２１”における造形条件は図示を省略する。

＜立体形状と層断面形状の関係＞
次に、３次元造形データ２１２によって表される造形物と、ビーム制御データ６４の関係について、図９を参照して説明する。
図９は、造形物Ｐ１の立体形状と層断面形状の関係を示す。図４Ａは、造形物Ｐ１の立体形状を示し、図４Ｂは、造形物Ｐ１の層断面形状を示す。

図９Ａには、３次元造形データ２１２によって表された造形物Ｐ１の立体形状が示される。この造形物Ｐ１は、金属粉末が１〜ｎ層まで積層造形されて構築されており、Ｘ方向に１００ｍｍ、Ｙ方向に２００ｍｍ、Ｚ方向に１６０ｍｍの直方体であることが分かる。造形物Ｐ１では、面内方向に２つの特定の領域が設定されている。一層毎のＹ方向に０〜１００ｍｍまでの第１の特定の領域はチタンアルミニウム合金で積層造形され、同じ層のＹ方向に１００〜２００ｍｍまでの第２の特定の領域は銅で層断面形状が造形される。

図９Ｂには、図９Ａに示した造形物Ｐ１の立体形状を水平方向に所定の積層厚さ（例えば、４０μｍ）でｎ層（ｎは整数）にスライスした造形物Ｐ１の層断面形状が示される。ここで、１層目の層断面形状に重ねて表示される矢印は、電子ビームＢ１を３回スキャンした場合における、各回のスキャン方向を表している。

図１０は、図９Ｂに示した１層目の層断面形状を造形するために造形装置本体１０１が電子ビームＢ１をスキャンする様子を示す。なお、図１０に示す電子ビームＢ１のスキャンの様子は説明のために簡略化したものであり、実際には、層断面形状の輪郭部を先にスキャンしたり、層断面形状の輪郭内部をランダムスキャンしたりすることがある。

電子ビームＢ１の１回ごとのスキャンは、スキャン開始位置及び終了位置によって規定され、複数回のスキャンは、一定ピッチで行われる。ここでは、（Ｘ_０，Ｙ_０）をスキャン開始位置とし、（Ｘ_１，Ｙ_１）をスキャン終了位置とする。この場合、造形装置本体１０１は、（Ｘ_０，Ｙ_０）＝（０，０）から（Ｘ_１，Ｙ_１）＝（１００，１００）に向けて電子ビームＢ１の１回目のスキャンを行う。また、造形装置本体１０１は、（Ｘ_０，Ｙ_０）＝（０，４０）から（Ｘ_１，Ｙ_１）＝（１００，１４０）に向けて電子ビームＢ１の２回目のスキャンを行う。そして、造形装置本体１０１は、（Ｘ_０，Ｙ_０）＝（０，８０）から（Ｘ_１，Ｙ_１）＝（１００，１８０）に向けて電子ビームＢ１の３回目のスキャンを行う。

＜ビーム制御データの構成＞
次に、図９Ａに示す造形物Ｐ１に対応するビーム制御データの構成について、図１１を参照して説明する。
図１１は、ビーム制御データ６４の構成例を示す説明図である。

図１１に示すように、ビーム制御データ６４には、金属種別番号と、スキャン開始位置及びスキャン終了位置と、層の終わりを示す符号（以下の説明では、「層の終わり」と表記する。）と、が層毎に繰り返し格納される。

ビーム制御データ６４の１層目に注目すると、先頭レコードには、金属種別番号として“０１”が格納される。以降のレコードには、（Ｘ_０，Ｙ_０）と（Ｘ_１，Ｙ_１）の各座標値が繰り返し格納され、次に、金属種別番号として“２１”が格納されている。そして、末尾レコードには、「層の終わり」が格納されている。先頭レコードから「層の終わり」が格納される末尾レコードまでのレコード群は、１層目を金属種別番号“０１”及び“２１”に対応付けられた造形条件で電子ビームＢ１のスキャンを行うことを指示するものである。

２層目以降についても、先頭レコードに金属種別番号が格納され、（Ｘ_０，Ｙ_０）と（Ｘ_１，Ｙ_１）のレコードが繰り返し格納され、末尾レコードに「層の終わり」が格納される。このため、造形装置本体１０１は、金属種別番号で示されたレコード以降のレコード群に格納される（Ｘ_０，Ｙ_０）と（Ｘ_１，Ｙ_１）のスキャンに際して、金属種別番号で示された造形条件で造形を行う。

図１１に示すように、１層分のレコード群に２つの金属種別番号“０１”，“２１”が記述されている。このため、１層の中に異なる種類の金属粉末Ｍ（本例では「Ｔｉ６Ａｌ４」と「ＳＵＳ」）が含まれていても、造形装置本体１０１は自動的に造形条件を変えて電子ビームＢ１をスキャンし、積層造形を行うことができる。

＜３次元積層造形システムの動作例＞
次に、３次元積層造形システム１２０の動作例について、図１２を参照して説明する。
図１２は、３次元積層造形システム１２０の全体の動作例を示すフローチャートである。

始めに、ユーザは、ＣＡＤ計算機２１１を操作して、ＣＡＤにより目的とする造形物を設計する。このとき、ユーザは、設計した造形物を構築するための複数種類の金属を入力すると共に、設計した造形物のうちの各金属が構築する部分を入力する。そして、ＣＡＤ計算機２１１は、３次元造形データ２１２を出力する（Ｓ１）。

次に、データ変換処理部２１３は、３次元造形データ２１２を、所定の積層厚さに応じてスライスし、ビーム制御データ６４を作成する（Ｓ２）。次に、データ変換処理部２１３は、ビーム制御データ６４を記憶部４２へ転送する（Ｓ３）。これにより、ビーム制御データ６４が記憶部４２に保存される。

次に、制御部４０は、表示部４１の造形条件変更画面に、造形条件を表示させる。ユーザは造形条件変更画面を見ながら、造形条件の修正が必要か否かを判断する（Ｓ４）。修正が必要であれば、入力部４３により手動で造形条件を修正する（Ｓ５）この修正した造形条件を金属造形条件データベース４４に格納される造形条件に反映する。例えば、輪郭部のビーム電流値を５０ｍＡから７０ｍＡに上げるような修正が行われる。

ステップＳ４又はＳ５の処理の後、制御部４０は、造形装置本体１０１によって積層造形を開始する（Ｓ６）。造形装置本体１０１による積層造形を開始すると、制御部４０は、ビーム制御データ６４に従って、ステージ４へ供給する金属粉末の種類及び敷き詰める領域を決定する。そして、粉末供給ユニット７を制御して複数種類の金属粉末をステージ４上に敷き詰める（Ｓ７）。

次に、制御部４０は、特定の領域毎にビーム制御データ６４に格納された金属種別番号に応じた造形条件を金属造形条件データベース４４から読み出す（Ｓ８）。そして、読み出した造形条件に従って、電子銃８を制御して適切な出力（ビーム電流等）の電子ビームＢ１を対象の金属粉末に照射し、造形装置本体１０１による積層造形処理を行う（Ｓ９）。

次に、制御部４０は、今回の積層造形が最後の層における「層の終わり」であるか否かを判別する（Ｓ１０）。制御部４０は、今回の積層造形が最後の層における「層の終わり」ではない（ＮＯ）と判別すると、処理をステップＳ７に移す。
一方、ステップＳ１０において、制御部４０は、今回の積層造形が最後の層における「層の終わり」である（ＹＥＳ）と判別すると、積層造形を終了する。

以上説明した一実施の形態例に係る３次元積層造形システム１２０では、粉末供給ユニット７が、複数の粉末カートリッジ２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備えている。そして、複数の粉末カートリッジ２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、造形物Ｐ１を形成する複数種類の金属粉末Ｍを収容している。これにより、複数種類の金属粉末Ｍをそれぞれステージ４の一面４ａにおける所望の領域に敷き詰めることができる。すなわち、同一の層に、複数種類の金属粉末Ｍを配置することができる。

また、制御部４０が、ビーム制御データ６４に格納された金属種別番号に応じた造形条件を、金属造形条件データベース（ＤＢ）４４から読み出すようにした。そして、制御部４０は、読み出した造形条件に従って、電子銃８を制御して適切な出力値の電子ビームＢ１を対象の金属粉末に照射する。これにより、１つの層に２種類以上の金属粉末Ｍを敷き詰めた場合であっても、各金属粉末に適切な出力値の電子ビームＢ１を照射することができるため、複数種類の金属粉末を用いて造形物Ｐを構築することができる。

また、本実施の形態例では、金属種別番号と、金属種別番号に対応付けられた造形条件を格納する金属造形条件データベース４４を備える構成にした。そして、積層造形処理を行う際に、制御部４０が金属種別番号に応じた造形条件を金属造形条件データベース４４から読み出す。これにより、造形条件を容易に取得することができ、造形条件を変化させる制御を簡単にすることができる。

また、ユーザは、積層造形の前、又は積層造形中に表示部４１に表示された造形条件変更画面を通じて造形条件を変更することができる。また、ユーザは、造形装置本体１０１に対して、抽出造形条件データ６５を直接変更することもできる。このため、実際の積層造形において、より適切な造形条件に修正することが容易となる。

また、従来はビーム制御データ６４に誤りがあると、ビーム制御データ６４を再作成する作業が必要となる。しかし、ユーザは、造形条件変更画面を用いて、誤りがあったビーム制御データ６４を変更することができるため、ビーム制御データ６４を再作成しなくてもよい。

なお、本発明は上述した実施の形態例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りその他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。
例えば、上述した実施の形態例は本発明を分かりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細且つ具体的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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることは可能であり、更にはある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

本実施の形態例では、制御部４０がビーム制御データ６４に格納された金属種別番号に応じた造形条件を、金属造形条件データベース４４から読み出す構成とした。しかしながら、本発明の３次元積層造形装置及び３次元積層造形方法としては、例えば、制御部４０が、記憶部４２に記憶された計算プログラムを読み出して、金属種別番号に応じた造形条件を算出する構成であってもよい。

本実施の形態例では、粉末供給ユニット７が複数の粉末カートリッジ２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備える構成にした。しかしながら、本発明に係る粉末供給ユニットとしては、外部から複数種類の金属粉末を供給する機構であればよい。

このような機構としては、例えば、複数の粉末収容部と、複数の粉末貯留部と、チューブとを備えるものを挙げることができる。複数の粉末収容部は、複数種類の金属粉末を収容し、かつ複数種類の金属粉末をステージに排出する。複数の粉末貯留部は、複数種類の金属粉末を貯留する。チューブは、一端が複数の粉末収容部に連通され、他端が粉末貯留部に連通されており、複数の粉末貯留部に貯留された複数種類の金属粉末は、適宜、複数の粉末収容部に送られる。

また、本実施の形態例では、金属の種類を判別するためのデータとして金属種別番号を用いた。しかし、金属の種類を判別するためのデータとしては、番号に限定されるものではなく、英字や記号を用いることもできる。

２…処理室、 ３…造形枠、 ３ａ…ピット、 ４…ステージ、 ５…ステージ駆動機構、 ６…カートリッジ回収庫、 ７…粉末供給ユニット、 ８…電子銃、 ９…カートリッジ格納庫、 ９ａ…交換窓、 １０…真空ポンプ、 ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…粉末カートリッジ（粉末収容部）、 ２２…保持機構、 ４０…制御部、 ４１…表示部、 ４２…記憶部、 ４３…入力部、 ４４…金属造形条件データベース（金属造形条件記憶部）、 ６３…データ変換処理部、 ６４…ビーム制御データ、 ６５…抽出造形条件データ、 １００…３次元積層造形装置、 １０１…造形装置本体、 １１１…ＣＡＤ計算機、 １１１ａ…表示部、 １１２…３次元造形データ、 １２０…３次元積層造形システム

Claims (6)

1. 造形物を形成するための複数種類の金属粉末が敷き詰められるステージと、
   前記複数種類の金属粉末を収容し、かつ前記複数種類の金属粉末を前記ステージに排出する複数の粉末収容部と、前記複数の粉末収容部を保持する保持機構と有し、前記ステージに前記複数種類の金属粉末を敷き詰める粉末供給ユニットと、
   前記ステージに敷き詰められた前記複数種類の金属粉末に荷電粒子ビームを照射するビーム照射部と、
   特定の領域毎に金属粉末の種類と荷電粒子ビームを照射する座標位置が格納されたビーム制御データを記憶する記憶部と、
   前記記憶部から読み出した前記ビーム制御データに基づいて、前記粉末供給ユニットを制御して前記複数種類の金属粉末を前記ステージ上に敷き詰めさせ、前記ビーム照射部を制御して各金属粉末に応じた出力の前記荷電粒子ビームを発射させる制御部と、を備える
   ３次元積層造形装置。
2. 前記粉末供給ユニットは、前記ステージの面内方向における前記特定の領域毎に異なる種類の金属粉末を敷き詰める
   請求項１に記載の３次元積層造形装置。
3. 前記金属粉末の種類毎に前記荷電粒子ビームの出力値を規定した造形条件を記憶する金属造形条件記憶部を備え、
   前記制御部は、前記ビーム制御データに格納された金属粉末の種類に応じた前記造形条件を、前記金属造形条件記憶部から読み出して、前記ビーム照射部から各金属粉末に応じた出力の前記荷電粒子ビームを発射させる
   請求項１又は２に記載の３次元積層造形装置。
4. 前記粉末供給ユニットにおける前記保持機構は、前記複数の粉末収容部を着脱可能に保持する
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の３次元積層造形装置。
5. 造形物を形成するための複数種類の金属粉末が敷き詰められるステージと、
   前記複数種類の金属粉末を収容し、かつ前記複数種類の金属粉末を前記ステージに排出する複数の粉末収容部と、前記複数の粉末収容部を保持する保持機構と有し、前記ステージに前記複数種類の金属粉末を敷き詰める粉末供給ユニットと、
   前記ステージに敷き詰められた前記複数種類の金属粉末に荷電粒子ビームを照射するビーム照射部と、
   造形物における所望の箇所を構築する金属粉末の種類を、３次元の造形データに付加する金属粉末指定部と、
   前記３次元の造形データをスライスして、特定の領域毎に、金属粉末の種類と荷電粒子ビームを照射する座標位置が格納されたビーム制御データに変換するデータ変換処理部と、
   前記ビーム制御データを記憶する記憶部と、
   前記記憶部から読み出した前記ビーム制御データに基づいて、前記粉末供給ユニットを制御して前記複数種類の金属粉末を前記ステージ上に敷き詰めさせ、前記ビーム照射部を制御して各金属粉末に応じた出力の前記荷電粒子ビームを発射させる制御部と、を備える
   ３次元積層造形システム。
6. 制御部が、特定の領域毎に金属粉末の種類と荷電粒子ビームを照射する座標位置が格納されたビーム制御データに基づいて、粉末供給ユニットを制御して、複数種類の金属粉末をステージ上に敷き詰めさせる金属粉末供給ステップと、
   前記ビーム制御データに基づいて、ビーム照射部を制御して、各金属粉末に応じた出力の荷電粒子ビームを発射させるビーム発射ステップと、を含む
   ３次元積層造形方法。

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